畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-五軸高速加工中心總體布局及主軸部件設(shè)計(jì)

編號XXX大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)題目五軸高速加工中心總體布局及主軸部件設(shè)計(jì)學(xué)生姓名學(xué)號學(xué)院專業(yè)班級指導(dǎo)教師陳柏副教授2012-05-13

XXX大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）誠信承諾書本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）（題目：五軸高速加工中心總體布局及主軸部件設(shè)計(jì)）是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果。盡本人所知，除了畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。作者簽名：年月日（學(xué)號）：畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙PAGE60-五軸高速加工中心總體布局及主軸部件設(shè)計(jì)摘要五軸加工中心主要由主軸組件、回轉(zhuǎn)工作臺、移動工作臺、刀庫及自動換刀裝置以及其它機(jī)械功能部件組成。其中的主軸組件是機(jī)床重要的組成部分，其運(yùn)動性能直接影響機(jī)床加工精度與表面粗糙度。本文在查閱大量國內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，通過研究分析不同加工中心主軸組件的性能，綜合地比較了其特點(diǎn)，并擬定了一個(gè)較為合理的主軸組件結(jié)構(gòu)方案。同時(shí)，還就主軸、軸承以及絲杠等重要零件的機(jī)械性能進(jìn)行了探討，并對這些零件的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行了校核。此外，本設(shè)計(jì)中所采用的陶瓷軸承能有效地增加主軸的剛度，從而提高了加工中心的可靠性和穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞：主軸組件，五軸加工中心，數(shù)控機(jī)床、AbstractMachiningcentersareequippedwithspindleunits,rotaryworkbench,movingworkbench,toolmagazinesandautomatictoolchangers,andothermechanicalfunctioncomponents.Spindleunitistheimportantmotionpartofthemetalcuttingmachinetool.Itsmovementbehavioraffectsthemachiningaccuracyandsurfaceroughnessofparttobemachined.Throughreferringtoavarietyoftechnicalliteratures,thecharacteristicsofsomekindsofspindleunitsarecomparedwitheachotherbasedonanalysisandresearchworkondifferentmachiningcenters.Areasonableschemecanbestudiedout.Meanwhile,themechanicalbehaviorsofprinciplepartssuchasthespindle,bearingsandleadscrewarediscussed.Theirrigidityandstrengtharecalculatedandexaminedhere.Morever,akindofadvancedceramicbearingsisintroducedintothespindleunit,whichcaneffectivelyenhancetherigidityofspindleunits.Theywillimprovethereliabilityandstabilityofmachiningcenters.Keywords：spindleunit，F(xiàn)iveaxismachiningcenter，NCmachinetool

目錄摘要 iAbstract ii第一章引言 -1-1.1題目來源與分析 -1-1.2研究目的 -1-1.3課題研究的意義 -2-第二章五軸高速加工中心總體布局方案設(shè)計(jì) -3-2.1五軸高速加工中心的結(jié)構(gòu)組成 -3-2.2五軸高速加工中心主要結(jié)構(gòu)形式 -4-2.3五軸高速加工中心主要性能參數(shù) -4-2.4五軸高速加工中心總體布局方案初步擬定 -5-2.5五軸高速加工中心總體布局方案比較 -6-2.6五軸高速加工中心總體結(jié)構(gòu)布局 -7-第三章主軸組件的主運(yùn)動部件的設(shè)計(jì)計(jì)算 -11-3.1加工中心主軸組件總體設(shè)計(jì)方案的確定 -11-3.2主軸 -13-3.2.1主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) -13-3.2.2主軸受力分析 -16-3.2.3主軸的強(qiáng)度校核 -20-3.2.4主軸的剛度校核 -21-3.3主軸組件的支承 -22-3.3.1主軸軸承的類型 -22-3.3.2主軸軸承的配置 -25-3.3.3主軸軸承的預(yù)緊 -26-3.3.4主軸支承方案的確定 -28-3.3.5軸承的配合 -28-3.3.6主軸軸承設(shè)計(jì)計(jì)算 -29-3.4同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算 -31-3.5主軸組件的潤滑與密封 -34-3.5.1主軸組件的潤滑 -35-3.5.2主軸組件的密封 -35-3.5.3本課題的潤滑與密封方案的確定 -37-3.6鍵的設(shè)計(jì)計(jì)算 -38-3.6.1主軸上的鍵 -38-3.7液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 -39-第四章主軸組件的進(jìn)給運(yùn)動部件 -42-4.1進(jìn)給電動機(jī)的選用 -42-4.1.1進(jìn)給電動機(jī)功率的估算 -42-4.1.2進(jìn)給電動機(jī)的選用 -42-4.2聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)計(jì)算 -43-4.3垂直方向伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 -43-4.3.1切削力估算 -43-4.3.2滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算 -44-結(jié)論 -51-致謝 -52-參考文獻(xiàn) -53-第一章引言1.1題目來源與分析裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)（如：信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，航空、航天等國防工業(yè)產(chǎn)業(yè)）的使能技術(shù)和最基本的裝備。制造技術(shù)和裝備是人類生產(chǎn)活動的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控技術(shù)則是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。當(dāng)今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對動態(tài)多變市場的適應(yīng)能力和競爭能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，而且在“高精尖”數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對我國實(shí)行封鎖和限制政策。數(shù)控機(jī)床技術(shù)的發(fā)展自1953年美國研制出第一臺三坐標(biāo)方式升降臺數(shù)控銑床算起，至今已有53年歷史了。20世紀(jì)90年開始，計(jì)算機(jī)技術(shù)及相關(guān)的微電子基礎(chǔ)工業(yè)的高速發(fā)展，給數(shù)控機(jī)床的發(fā)展提供了一個(gè)良好的平臺，使數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)得到了高速的發(fā)展。我國數(shù)控技術(shù)研究從1958年起步，國產(chǎn)的第一臺數(shù)控機(jī)床是北京第一機(jī)床廠生產(chǎn)的三坐標(biāo)數(shù)控銑床。雖然從時(shí)間上看只比國外晚了幾年，但由于種種原因，數(shù)控機(jī)床技術(shù)在我國的發(fā)展卻一直落后于國際水平，到1980年我國的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量還不到700臺。到90年代，我國的數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展才得到了一個(gè)較大的提速。目前，與國外先進(jìn)水平相比仍存在著較大的差距?？傊?，大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達(dá)國家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。1.2研究目的本課題的五軸聯(lián)動數(shù)控是數(shù)控技術(shù)中難度最大、應(yīng)用范圍最廣的技術(shù)，它集計(jì)算機(jī)控制、高性能伺服驅(qū)動和精密加工技術(shù)于一體，應(yīng)用于表面形狀特別復(fù)雜而精度要求相當(dāng)高的工件的加工，具有高技術(shù)、高效率、高效益等特點(diǎn)，是目前機(jī)械加工領(lǐng)域的“制高點(diǎn)”。在發(fā)達(dá)國家，許多有實(shí)力的數(shù)控機(jī)床制造公司都以五軸聯(lián)動技術(shù)為攻關(guān)課題進(jìn)行研究，近些年來已應(yīng)用得較為普遍和成熟。但其核心技術(shù)對外實(shí)行嚴(yán)格的技術(shù)封鎖。我國在加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新形勢下，目前像宇航、軍工、造船、機(jī)車等許多重點(diǎn)領(lǐng)域及行業(yè)急需這種裝備，因而開發(fā)研制擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床，進(jìn)而提升國內(nèi)制造業(yè)裝備水平己成為當(dāng)務(wù)之急。但對于汽車工業(yè)、航天航空工業(yè)、船舶工業(yè)、兵器工業(yè)急需的高速、高精、復(fù)合、多軸聯(lián)動的數(shù)控機(jī)床，如五軸聯(lián)動的立臥轉(zhuǎn)換加工中心、高速加工中心、精密加工中心、五軸龍門加工中心、高精度數(shù)控機(jī)床、高性能車削中心、高精度電加工機(jī)床等，有的處于攻關(guān)階段，有的還處于試制和試生產(chǎn)階段，與國外同類產(chǎn)品相比尚有不小差距。國際上把五軸聯(lián)動數(shù)控技術(shù)作為一個(gè)國家生產(chǎn)設(shè)備自動化水平的標(biāo)志。由于其特殊的地位，特別是對于航空、航天、軍事工業(yè)的重要影響，以及技術(shù)上的復(fù)雜性，西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家一直把五軸數(shù)控系統(tǒng)作為戰(zhàn)略物資實(shí)行出口許可證制度，對我國實(shí)行禁運(yùn)。因而，研究五軸數(shù)控加工技術(shù)對國家科技力量和綜合國力的提高有重要意義。1.3課題研究的意義目前由于五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)價(jià)格十分昂貴，加之NC程序制作較難，使五軸系統(tǒng)難以“平民”化應(yīng)用。但近年來，隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）系統(tǒng)取得了突破性發(fā)展，珊星公司等中國多家數(shù)控企業(yè)，紛紛推出五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)，打破了外國的技術(shù)封鎖，占領(lǐng)了這一戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)的至高點(diǎn)，大大降低了其應(yīng)用成本，從而使中國裝備制造業(yè)迎來了一個(gè)嶄新的時(shí)代！以信息技術(shù)為代表的現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展對裝備制造業(yè)注入了強(qiáng)勁的動力，同時(shí)也對它提出更強(qiáng)要求，更加突出了機(jī)械裝備制造業(yè)作為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化載體在推動整個(gè)社會技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級中無可替代的基礎(chǔ)作用。作為國民經(jīng)濟(jì)增長和技術(shù)升級的原動力，以五軸聯(lián)動為標(biāo)志的機(jī)械裝備制造業(yè)將伴隨著高新技術(shù)和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而共同進(jìn)步。中國不僅要做世界制造的大國，更要做世界制造強(qiáng)國！預(yù)計(jì)在不久的將來，隨著五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的普及推廣，必將為中國成為世界最強(qiáng)國奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)！第二章五軸高速加工中心總體布局方案設(shè)計(jì)2.1五軸高速加工中心的結(jié)構(gòu)組成加工中心自問世至今已有30多年，世界各國出現(xiàn)了各種類型的加工中心，雖然外形結(jié)構(gòu)各界，但從總體來看主要由以下幾大部分組成。圖2.1五軸高速加工中心結(jié)構(gòu)組成1、基礎(chǔ)部件。它是加工中心的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，由床身、立柱和工作臺等組成，它們主要承受加工中心的靜載荷以及在加工時(shí)產(chǎn)生的切削負(fù)載，因此必須要有足夠的剛度。這些大件可以是鑄鐵件也可以是焊接而成的鋼結(jié)構(gòu)件，它們是加工中心中體積和重量最大的部件。2、主軸部件。由主軸箱、主軸電動機(jī)、主軸和主軸軸承等零件組成。主軸的啟、停和變速等動作均由數(shù)控系統(tǒng)控制，并且通過裝在主軸上的刀具參與切削運(yùn)動，是切削加工的功率輸出部件。3、數(shù)控系統(tǒng)。加工小心的數(shù)控部分是由cNc裝置，可編程控制器、伺服驅(qū)動裝置以及操作面板等組成。它是執(zhí)行順序控制動作和完成加工過程的控制中心。4、自動換刀系統(tǒng)。由刀庫、機(jī)械手等部件組成。當(dāng)需要換刀時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令，由機(jī)械手(或通過其他方式)將刀具從刀庫內(nèi)取出裝入主軸孔中。5、輔助裝置。包括渦滑、冷卻、排屑、防護(hù)、液壓、氣動和檢測系統(tǒng)等部分。這些裝置雖然不直接參與切削運(yùn)動，但對加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起著保障作用，因此也是加工中心中不對缺少的部分。2.2五軸高速加工中心主要結(jié)構(gòu)形式圖2.2五軸高速加工中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.3五軸高速加工中心主要性能參數(shù)本課題研制的五軸高速加工中心的主要技術(shù)性能參數(shù)如下:工作臺尺寸:600x400(mm);X,Y,Z行程:600x560x400(mm);導(dǎo)軌尺寸X/Y/Z：45mm/35mm/35mm；絲杠尺寸X/Y/Z：40mm/32mm/25mm；Z向快速移動速度:30(m/min);X,Y向快速移動速度:30(m/min);主軸最大轉(zhuǎn)速:22000(r/min);主軸電機(jī)最大功率:16(kw);刀庫容量:20(把);定位精度:土0.025(mm);重復(fù)定位精度:土0.01(mm);主軸錐孔:ISO/BT40;換刀時(shí)間：間:8(s/次);外形尺寸:2597x1620x1460(mm)。隨著國民經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，制造業(yè)向著高、精、尖方向發(fā)展，特別是汽車、船舶、紡織、電子技術(shù)、航空航天的迅猛發(fā)展，對機(jī)床的精度和生產(chǎn)率要求也越來越高，急需一大批加工精度高、主軸轉(zhuǎn)速22000r/min以上、快移速度大于30m所謂多軸銑，即是在加工過程中，除提供沿X、Y、Z方向的線性移動外，還提供繞X軸、Y軸、Z軸的轉(zhuǎn)動，具有四軸銑加工和五軸銑加工的數(shù)控機(jī)床統(tǒng)稱為多軸銑加工機(jī)床。雙旋轉(zhuǎn)工作臺式五軸機(jī)床，該機(jī)床是通過工作臺的旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動加工的。通常被用于小型五軸機(jī)床，由于是工作臺的轉(zhuǎn)動，所以節(jié)省了X、Y、Z軸的線性行程。這類機(jī)床通常適合加工小型工件，例如葉輪，模具等。2.4五軸高速加工中心總體布局方案初步擬定方案一：采用立式加工中心，龍門式結(jié)構(gòu)。二個(gè)轉(zhuǎn)動坐標(biāo)軸均由復(fù)合主軸頭來實(shí)現(xiàn)，即主軸頭回轉(zhuǎn)，主軸頭擺動。主軸前端是一個(gè)回轉(zhuǎn)頭，能自行環(huán)繞Z軸360度，成為C軸，回轉(zhuǎn)頭上還有帶可環(huán)繞X軸旋轉(zhuǎn)的A軸，一般可達(dá)±90度以上，實(shí)現(xiàn)除底面剩余五個(gè)面的加工。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是主軸加工非常靈活，工作臺也可以設(shè)計(jì)的非常大，客機(jī)龐大的機(jī)身、巨大的發(fā)動機(jī)殼都可以在這類加工中心上加工。缺點(diǎn)是主軸的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制造成本也較高。

圖2.4.1濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)公司開發(fā)生產(chǎn)的龍門移動式大型五軸聯(lián)動數(shù)控銑床方案二：采用立式加工中心，龍門式結(jié)構(gòu)，X、Y、Z三軸移動式，對于旋轉(zhuǎn)軸，采用工作臺回轉(zhuǎn)和工作臺擺動來實(shí)現(xiàn)，是中、小型五軸加工機(jī)床采用較多的一種結(jié)構(gòu)型式。優(yōu)點(diǎn)是有精確較高的機(jī)械傳動精度以及較高的轉(zhuǎn)速及精度。其缺點(diǎn)是在需要工作臺有較高的轉(zhuǎn)動進(jìn)給速度和加速度時(shí)，所承受的工作重量受到一定限制（見圖3.3）圖2.4.2工作臺回轉(zhuǎn)的五軸加工中心2.5五軸高速加工中心總體布局方案比較方案一：優(yōu)點(diǎn)是主軸加工非常靈活，工作臺也可以設(shè)計(jì)的非常大，客機(jī)龐大的機(jī)身、巨大的發(fā)動機(jī)殼都可以在這類加工中心上加工。缺點(diǎn)是主軸的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制造成本也較高。方案二：優(yōu)點(diǎn)是有精確較高的機(jī)械傳動精度以及較高的轉(zhuǎn)速及精度。其缺點(diǎn)是在需要工作臺有較高的轉(zhuǎn)動進(jìn)給速度和加速度時(shí)，所承受的工作重量受到一定限制.加工中心的總體布局應(yīng)當(dāng)使機(jī)床能夠?qū)崿F(xiàn)加工所需的運(yùn)動要求和加工功能，并且具有良好的精度、剛度、抗振性和熱穩(wěn)定性等結(jié)構(gòu)性能。還要盡量使其便于操作、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、外形美觀等。經(jīng)過對不同運(yùn)動方案和各部件的設(shè)計(jì)方案的定性分析比較確定該教育型小型立式加工中心的總體設(shè)計(jì)方案為:采用固定立柱，電主軸通過安裝座安裝在立柱導(dǎo)軌的滑座上，立柱導(dǎo)軌采用滾動導(dǎo)軌，可以實(shí)現(xiàn)Z方向的進(jìn)給運(yùn)動。由X-Y雙向精密數(shù)控工作臺帶動工件完成X,Y兩個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動;X,Y,Z三個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動均滾珠絲杠，并由交流伺服電機(jī)驅(qū)動。導(dǎo)軌、滾珠絲杠有相應(yīng)的潤滑、防護(hù)等裝置?？紤]到臥式加工中心品種較多、加工范圍較廣，所以確定基本機(jī)型為立式如圖2.5.1所示為加工中心的基本型簡圖，圖2.5.1加工中心的基本型簡圖其由數(shù)控動力單元模塊1、工作臺模塊2、刀庫模塊3、電器柜模塊4、底座模塊5、冷卻積屑模塊等組成。(1)立式數(shù)控動力單元模塊該模塊由水平面內(nèi)十字拖板及立柱、主軸箱組成立柱在十字板上作x、z向移動，主軸箱在立柱上作Y向移動，它包括了加工中心的主運(yùn)動和3個(gè)直線坐標(biāo)運(yùn)動，由于立柱移動，運(yùn)動部件質(zhì)量較大，為此，選用了大扭矩進(jìn)給伺服電機(jī)，絲桿則用預(yù)拉結(jié)構(gòu)以提高進(jìn)給系統(tǒng)的剛度，并適當(dāng)加大導(dǎo)軌面之間的跨距，保證立柱在全程上均無懸伸現(xiàn)象。(2)工作臺模塊由于采用動柱式結(jié)構(gòu)，工作臺不再有直線的坐標(biāo)運(yùn)動，該模塊由工作臺座和固定工作臺組成。(3)刀庫模塊采用斗笠式結(jié)構(gòu)帶來的優(yōu)點(diǎn)是由于主軸本身能進(jìn)行X、Y、Z軸的進(jìn)給運(yùn)動，由機(jī)械手就能直接換刀，刀庫可以采用固定的鏈?zhǔn)降稁?，無任何附加運(yùn)動，換刀的可靠性大大提高；同時(shí)由于刀具結(jié)構(gòu)的簡單，降低了成本，使機(jī)床具有較高的性能價(jià)格比。共10個(gè)刀位，基本滿足加工的要求。2.6五軸高速加工中心總體結(jié)構(gòu)布局典型的金字塔式結(jié)構(gòu)，寬的導(dǎo)軌和低的重心，適合線性軸的高速運(yùn)動和高加速運(yùn)動。坐標(biāo)的運(yùn)動速度可在0.1秒內(nèi)由0加速到30m/min。該設(shè)計(jì)是三直線軸加二旋轉(zhuǎn)軸機(jī)床，直線軸的運(yùn)動慣量保持恒定，這是因?yàn)榭紤]到高速運(yùn)動的特殊性。這樣機(jī)床承重大；機(jī)床的運(yùn)動單元的慣量是常數(shù)，線性軸電機(jī)一直在最佳的工作狀態(tài)下運(yùn)行，即不因改變加工工件的大小而改變電機(jī)的特性?？紤]到高速運(yùn)動的特殊性，在保證機(jī)床足夠剛性的前提下盡量減少運(yùn)動慣量，以便最大程度提高坐標(biāo)固有頻率，從而得到更高的閉環(huán)增益，使得機(jī)床在高速加工中的跟蹤誤差趨于最小值，最終提高加工的精度和質(zhì)量。

為保證機(jī)床的精度穩(wěn)定，床身、立柱、滑座、主軸箱等都采用有限元分析，應(yīng)用高阻尼性能的優(yōu)質(zhì)鑄鐵制造；合理的截面設(shè)計(jì)和筋格布置，盡量避免行程中出現(xiàn)不合理的懸臂狀態(tài)；導(dǎo)軌采用高剛性滾柱導(dǎo)軌，安裝基面精密刮研。采用立式加工中心，鑄鐵床身，采用可調(diào)螺栓支撐形式。

本設(shè)計(jì)打破通常機(jī)床結(jié)構(gòu)形式，床身采用三點(diǎn)支撐，高剛性設(shè)計(jì)，使機(jī)床調(diào)整簡單，不依賴于地基，機(jī)床可不需特殊地基而直接安裝在水泥地坪上。床身用基于無彎矩的力流原理的特殊筋板設(shè)計(jì)，保證其上構(gòu)件在運(yùn)動過程中，負(fù)載重心和切削點(diǎn)始終不離開三點(diǎn)支撐的范圍，并有足夠的支撐剛度，有利于保持精度的穩(wěn)定。圖2.6.1床身結(jié)構(gòu)圖滑座采用頂置式結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)為高剛性輕型設(shè)計(jì)，使運(yùn)動單元靈活，適應(yīng)高速要求?；亓⒅鶎?dǎo)軌作X向運(yùn)動，加長導(dǎo)軌支撐長度，運(yùn)動時(shí)滑座始終不離開導(dǎo)軌，易保證直線度、定位精度和加工精度。工作臺只作單方向(Y向)移動，與十字工作臺結(jié)構(gòu)相比移動部件輕，且承重大，設(shè)計(jì)承重大于800kg。另外工作臺沿導(dǎo)軌方向運(yùn)動，結(jié)構(gòu)剛性好，運(yùn)動精度高，避免了傳統(tǒng)機(jī)床工作臺移動到兩端後直線度降低或超差問題。扁長的主軸箱結(jié)構(gòu)，使主軸重心盡量靠近X向?qū)к?，主軸中心與導(dǎo)軌距離295mm，比傳統(tǒng)機(jī)床減少五份之二，這樣主軸懸伸小，受彎矩小。另外導(dǎo)軌安裝在主軸箱上，滑塊在滑座上，大大增強(qiáng)了Z向剛性，提高了加工精度和運(yùn)動穩(wěn)定性，定位精度高。(1)帶分度工作臺(或數(shù)控轉(zhuǎn)臺)的立式加工中心將固定工作臺模塊換成分度工作臺1可進(jìn)行多面加工；若換成數(shù)控轉(zhuǎn)臺，不但能多面加工，而且可旋轉(zhuǎn)加工．與直線坐標(biāo)軸聯(lián)動。圖2.6.2工作臺(2)鏈?zhǔn)降稁煊幸晦D(zhuǎn)位動作，其刀庫容量有10把．如若換刀動作由坐標(biāo)移動和刀庫的簡單轉(zhuǎn)位完成．那么換刀的可靠性仍然較高，但換刀時(shí)間沒有縮短。若在鏈?zhǔn)降稁旌椭鬏S之間增加一換刀機(jī)械手，換刀的速度將大大提高。圖2.6.3自動換刀刀庫(3)冷卻排屑模塊基本型冷卻排屑模塊，積屑箱由人工抬出清理。為帶自動排屑機(jī)構(gòu)的冷卻排屑模塊3，其根據(jù)切屑的材質(zhì)又可分為磁滾式、刮板式。加工中心采用模塊化設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)不再只是針對一種產(chǎn)品，而是充分考慮擴(kuò)展的可能、變型的可能，在結(jié)構(gòu)、尺寸等方面統(tǒng)籌考慮，留有空間，各部件間保持相對的獨(dú)立性，設(shè)計(jì)出的一不再是。一種產(chǎn)品，而是組系列產(chǎn)品。這樣的產(chǎn)品具有配置靈活性大、制造成本低、供貨周期短、質(zhì)量容易保證、維修方便等特點(diǎn)，適應(yīng)市場的能力大大增強(qiáng)。自動換刀系統(tǒng)采用機(jī)械手換刀，且刀庫置于立柱側(cè)面的底座上。刀庫在底座上的轉(zhuǎn)動采用交流伺服電機(jī)，采用鏈?zhǔn)降稁欤涉渹鲃訖C(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)、分度和轉(zhuǎn)位，由交流伺服電機(jī)驅(qū)動。五軸高速加工中心總體結(jié)構(gòu)布局示意圖如圖2.6.4。圖2.6.4總體結(jié)構(gòu)示意圖綜合上述兩種方案優(yōu)缺點(diǎn)，方案一除工件一側(cè)至少有一個(gè)移動坐標(biāo)軸外，兩個(gè)轉(zhuǎn)動坐標(biāo)軸均由刀具一側(cè)的復(fù)合主軸頭來實(shí)現(xiàn)，這主要為大、重型機(jī)床所采用，產(chǎn)品主要適用于汽車。航空航天、大電機(jī)組等行業(yè)的床身。箱體以及殼體的零件加工。方案二兩個(gè)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸都在工作臺一側(cè)，在原三軸控制機(jī)床基礎(chǔ)上配備數(shù)控?cái)[動、回轉(zhuǎn)工作臺發(fā)展而成，系中小型五軸加工機(jī)床采用較多的一種結(jié)構(gòu)型式。所以最終采用方案二。

第三章主軸組件的主運(yùn)動部件的設(shè)計(jì)計(jì)算3.1加工中心主軸組件總體設(shè)計(jì)方案的確定本課題的總體設(shè)計(jì)方案現(xiàn)確定如下：由于同步帶無滑動，能保證固定的傳動比，且傳動效率高，允許的線速度較高，無需安置在很良好的工作環(huán)境中，所以在主軸傳動方式中選擇同步帶傳動。但是需要注意的是同步帶的安裝具有嚴(yán)格的要求。在主軸的進(jìn)給運(yùn)動中，采用滾珠絲杠。其耐磨性好、磨損小，低速運(yùn)行時(shí)無爬行、無振動，能夠很好地確保Z軸的進(jìn)給精度。由于加工中心具備自動換刀功能，所以在主軸組件中還應(yīng)有主軸準(zhǔn)停裝置、刀具自動夾緊機(jī)構(gòu)以及切屑清除機(jī)構(gòu)。在本課題中，主軸準(zhǔn)停機(jī)構(gòu)采用磁力傳感器檢測定向，其不僅能夠使主軸停止在調(diào)整好的位置上，而且能夠檢測到主軸的轉(zhuǎn)速，并在加工中心的操控面板上顯示出來，方便機(jī)床操作者調(diào)整轉(zhuǎn)速。在換刀過程中，刀具自動夾緊機(jī)構(gòu)也是不可獲缺的一部分。它控制著刀桿的松緊，使刀具在加工時(shí)能緊緊地固定在主軸上，在換刀時(shí)能輕松地卸載。本課題采用了液壓缸運(yùn)行的方式，通過活塞、拉桿、拉釘?shù)纫幌盗性倪\(yùn)動來達(dá)到刀桿的松緊目的。同時(shí)，為了減少液壓推力對主軸支承的磨損，在主軸的內(nèi)部設(shè)置了一段碟形彈簧，使活塞對拉桿的作用起到一個(gè)緩沖的作用。同時(shí)，在換刀過程中，活塞及拉桿的內(nèi)部將被加工成中空狀。其間將通入一定的壓縮空氣來清除切屑。使刀桿和主軸始終具有很好的配合精度。在伺服系統(tǒng)中，本課題在進(jìn)給系統(tǒng)中選用直流伺服電動機(jī)，而在主運(yùn)動系統(tǒng)中則選用交流伺服電動機(jī)。由于交流伺服電動機(jī)具有電刷和換向器，需要常常維修，故不適合于主運(yùn)動系統(tǒng)中。圖3.1所示為本課題主軸組件結(jié)構(gòu)示意圖。圖3.1主軸組件結(jié)構(gòu)示意圖1——刀架；2——拉釘；3——主軸；4——拉桿；5——碟形彈簧；6——活塞；7——液壓缸；8、10——行程開關(guān)；9——壓縮空氣管接頭；11——彈簧；12——鋼球；13——端面鍵3.2主軸3.2.1主軸的主要參數(shù)是指：主軸前軸頸直徑；主軸內(nèi)孔徑；主軸懸伸量和主軸支承跨距，見圖4.1。圖3.2主軸主要參數(shù)示意圖3.2.1.1主軸軸徑的確定主軸軸徑通常指主軸前軸頸的直徑，其對于主軸部件剛度影響較大。加大直徑，可減少主軸本身彎曲變形引起的主軸軸端位移和軸承彈性變形引起的軸端位移，從而提高主軸部件剛度。但加大直徑受到軸承值的限制，同時(shí)造成相配零件尺寸加大、制造困難、結(jié)構(gòu)龐大和重量增加等，因此在滿足剛度要求下應(yīng)取較小值。設(shè)計(jì)時(shí)主要用類比分析的方法來確定主軸前軸頸直徑。加工中心主軸前軸頸直徑按主電動機(jī)功率來確定，由表3.11-6[2]查得。由于裝配需要，主軸的直徑總是由前軸頸向后緩慢地逐段減小的。在確定前軸徑后，由式3.11-1[2]可知前軸頸直徑和后軸頸直徑有如下關(guān)系：3.2.1.2主軸內(nèi)孔直徑的確定主軸內(nèi)孔直徑與機(jī)床類型有關(guān)，主要用來通過棒料，通過拉桿、鏜桿或頂出頂尖等。確定孔徑的原則是，為減輕主軸重量，在滿足對空心主軸孔徑要求和最小壁厚要求以及不削弱主軸剛度的要求下，應(yīng)盡量取大值。由經(jīng)驗(yàn)得知，當(dāng)時(shí)（是主軸平均直徑），主軸剛度會急劇下降；而當(dāng)時(shí)，內(nèi)孔對主軸剛度幾乎無影響，可忽略不計(jì)，所以常取孔徑的極限值為：此時(shí)，剛度削弱小于。按照任務(wù)書的要求及綜合各軸段直徑的實(shí)際大小，確定內(nèi)孔直徑。3.2.1.3主軸端部形狀的選擇機(jī)床主軸的軸端一般用于安裝刀具、夾持工件或夾具。在結(jié)構(gòu)上，應(yīng)能保證定位準(zhǔn)確、安裝可靠、連接牢固、裝卸方便，并能傳遞足夠的扭矩。目前，主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀都已標(biāo)準(zhǔn)化。3.2.1.4主軸懸伸量的確定主軸懸伸量是指主軸前端面到前支承徑向反力作用中點(diǎn)（一般即為前徑向支承中點(diǎn)）的距離。它主要取決于主軸端部結(jié)構(gòu)型式和尺寸、前支承的軸承配置和密封裝置等，有的還與機(jī)床其他結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，如工作臺的行程等，因此主要由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定。懸伸量值對主軸部件的剛度和抗振性具有較大的影響。因此，確定懸伸量的原則，是在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下盡可能取小值，同時(shí)應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)采取措施縮減值。3.2.1.5主軸支承跨距的確定支承跨距是指主軸相鄰兩支承反力作用點(diǎn)之間的距離?？缇嗍菦Q定主軸系統(tǒng)動、靜剛度的重要影響因素。合理確定支承跨距，是獲得主軸部件最大靜剛度的重要條件之一。最優(yōu)跨距是指在切削力作用下，主軸前端的柔度值最小時(shí)的跨距。其推導(dǎo)公式是在靜態(tài)力作用下進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)證明，動態(tài)作用下最優(yōu)跨距很接近于推得的最優(yōu)值。最優(yōu)跨距可按下列公式計(jì)算：……（3.1）式中：………………（3.2）……………………（3.3）式中：——主軸前端懸伸長，單位為；——材料的彈性模量，單位為；——軸慣性矩，單位為；——前軸承剛度值，單位為；——后軸承剛度值，單位為。按上式計(jì)算最優(yōu)跨距，計(jì)算過程如下：……………………（3.4）式中：——主軸跨距部分的平均直徑，單位為；——主軸跨距部分的平均孔頸，單位為。由式（3.4）得：；由參考文獻(xiàn)[6]中圖3.11-11確定，；由主軸材料為40Cr查得材料的彈性模量；由主軸的結(jié)構(gòu)形式確定主軸前端懸伸長將上述參數(shù)值代入公式(3.2)(3.3)，得，將，值代入公式（3.1），得按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，取。由于，故滿足設(shè)計(jì)要求。3.2.2主軸受力分析軸所受的載荷是從軸上零件傳來的。計(jì)算時(shí)，常常將軸上的分布載荷簡化為集中力，其作用點(diǎn)取為載荷分布段的中點(diǎn)。而作用在軸上的扭矩，一般從傳動件輪轂寬度的中點(diǎn)算起。(a)(b)(c)圖3.3軸承受力圖主軸上的軸承采用一端固定，另一端游動的支承形式。圖示3.3a為軸承在空間力系的總受力圖，它可分解為鉛垂面（圖3.3b）和水平面（圖3.3c）兩個(gè)平面力系。由公式（3.1）得出切向銑削力徑向負(fù)荷切向負(fù)荷軸向負(fù)荷圖3.4靜不定梁鉛垂面分解圖由于此主軸的受力屬于簡單靜不定梁類型，所以要以靜不定梁的受力方法來解決問題。圖示3.4為靜不定梁的鉛垂面受力圖。為了使其變形與原靜不定梁相同，必須滿足變形協(xié)調(diào)條件，即要求。利用疊加法，得撓度為：…………（3.5）式中：——徑向（切向）負(fù)荷分力，單位為；——徑向（切向）負(fù)荷，單位為；——材料的彈性模量，；——軸慣性矩，。由公式（3.4）得。將，代入公式（3.5），則鉛垂面的撓度為：得得得將，代入公式（3.6），則水平面的撓度為：得得得(a)機(jī)構(gòu)草圖(b)受力簡圖(c)水平面受力(d)水平面彎矩圖(e)垂直面受力(f)垂直面彎矩圖(g)合成彎矩圖(h)轉(zhuǎn)矩圖圖3.5軸的結(jié)構(gòu)和載荷圖A-B段支承反力：水平面：垂直面：B-C段支承反力：水平面：垂直面：C-D段支承反力：水平面：垂直面：D-E段支承反力：水平面：垂直面：軸的受力簡圖、水平面及垂直面受力簡圖見圖3.5b、c、e。A-B段彎矩：水平面：垂直面：合成：B-C段彎矩：水平面：垂直面：合成：C-D段彎矩：水平面：垂直面：合成：D-E段彎矩：水平面：垂直面：合成：軸的水平面、垂直面及合成彎矩圖見圖3.5d、f、g。已知：小帶輪的輸出功率為，同步帶的傳動效率為。所以，大帶輪的輸出功率為：則大帶輪的輸出轉(zhuǎn)矩為：軸的轉(zhuǎn)矩圖見圖3.5h。3.2.3主軸的強(qiáng)度校核從合成彎矩圖和轉(zhuǎn)矩圖上得知，主軸在截面C、D處承受了較大的彎矩，并且還受到帶輪傳動所帶來的扭矩。因此，這兩個(gè)截面是危險(xiǎn)截面。在校核主軸的強(qiáng)度時(shí)應(yīng)按彎扭合成強(qiáng)度條件進(jìn)行計(jì)算。軸的彎扭合成強(qiáng)度條件為…………（3.6）式中：——軸的計(jì)算應(yīng)力，；——軸的抗彎截面系數(shù)，；——折合系數(shù)；——軸的許用彎曲應(yīng)力，；——軸所受的扭矩，單位為；——軸所受的彎矩，單位為。軸的抗彎截面系數(shù)為[23]式中：——軸頸處直徑，單位為；——，此處，為軸孔直徑。得根據(jù)主軸材料為，查得許用彎曲應(yīng)力。按扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力，取折合系數(shù)。將上述參數(shù)代入公式（3.7），則軸的計(jì)算應(yīng)力為因?yàn)?，所以主軸的強(qiáng)度符合要求。3.2.4主軸的剛度校核軸在載荷作用下，將產(chǎn)生彎曲或扭轉(zhuǎn)變形。若變形量超過允許的限度，就會影響軸上零件的正常工作，甚至?xí)适C(jī)器應(yīng)有的工作性能。對于本課題的主軸，應(yīng)該按軸的彎曲剛度校核。軸計(jì)算剛度經(jīng)驗(yàn)公式為……………（3.7）式中：——軸的計(jì)算撓度，單位為；——軸慣性量，單位為；——軸所用材料的彈性模量，單位為；——支承跨度，單位為；——軸所受圓周力，單位為；——軸所受徑向力，單位為?！S的允許撓度，單位為已知：，，，，。由表15-1-42[24]查得軸的允許撓度為將上述參數(shù)代入公式（3.7），則軸的計(jì)算剛度為由于，所以軸能夠滿足剛度要求。綜上所述，軸的強(qiáng)度，剛度均符合校核要求。3.3主軸組件的支承3.3.1主軸軸承的類型機(jī)床主軸帶著刀具或夾具在支承件中作回轉(zhuǎn)運(yùn)動，需要傳遞切削扭矩，承受切削抗力，并保證必要的旋轉(zhuǎn)精度。數(shù)控機(jī)床主軸支承根據(jù)主軸部件的轉(zhuǎn)速、承載能力及回轉(zhuǎn)精度等要求的不同而采用不同種類的軸承。主軸軸承是主軸組件的重要組成部分，它的類型、結(jié)構(gòu)、配置、精度、安裝、調(diào)整、潤滑和冷卻都直接影響了主軸組件的工作性能。在數(shù)控機(jī)床上主軸軸承常用的有滾動軸承和滑動軸承。滾動軸承摩擦阻力小，可以預(yù)緊，潤滑維護(hù)簡單，能在一定的轉(zhuǎn)速范圍和載荷變動范圍下穩(wěn)定地工作。滾動軸承由專業(yè)化工廠生產(chǎn)，選購維修方便，在數(shù)控機(jī)床上被廣泛采用。但與滑動軸承相比，滾動軸承的噪聲大，滾動體數(shù)目有限，剛度是變化的，抗振性略差并且對轉(zhuǎn)速有很大的限制。數(shù)控機(jī)床主軸組件在可能條件下，盡量使用了滾動軸承，特別是大多數(shù)立式主軸和主軸裝在套筒內(nèi)能夠作軸向移動的主軸。這時(shí)滾動軸承可以用潤滑脂潤滑以避免漏油。圖3.6所示為主軸常用的幾種滾動軸承的類型。(a)雙列圓柱(b)雙列推力向(c)雙列圓錐滾(d)帶凸緣雙列圓柱(e)帶彈簧的單列圓滾子軸承心球軸承子軸承滾子軸承錐滾子軸承圖3.6主軸常用的幾種滾動軸承的類型為了適應(yīng)主軸高速發(fā)展的要求，滾珠軸承的滾珠可采用陶瓷滾珠。陶瓷滾珠軸承由于陶瓷材料的質(zhì)量輕，熱膨脹系散小，耐高溫，所以具有離心小、動摩擦力小、預(yù)緊力穩(wěn)定、彈性變形小、剛度高的特點(diǎn)。但由于成本較高，在數(shù)控機(jī)床上還未普及使用[14]。數(shù)控機(jī)床主軸支承根據(jù)主軸部件的轉(zhuǎn)速、承載能力及回轉(zhuǎn)精度等要求的不同而采用不同種類的軸承。不同類型主軸軸承的優(yōu)缺點(diǎn)見表3.1。表3.1數(shù)控機(jī)床的主軸軸承及其性能[10]性能滾動軸承液體靜壓軸承氣體靜壓軸承磁力軸承陶瓷軸承旋轉(zhuǎn)精度一般或較高，在預(yù)緊無間隙時(shí)較高高，精度保持性好一般同滾動軸承剛度一般或較高，預(yù)緊后較高，取決于所用軸高，與節(jié)流閥形式有關(guān)，薄膜反饋或滑閥反饋很高較差，因空氣可壓縮，與承載力大小有關(guān)不及一般滾動軸承比一般滾動軸承差抗振性較差，阻尼比好，阻尼比好較好同滾動軸承速度性能用于中、低速，特殊軸承可用于較高速用于各級速度用于超高速用于高速用于中、高速，熱傳導(dǎo)率低，不易發(fā)熱摩擦損耗較小，小，小很小同滾動軸承壽命疲勞強(qiáng)度限制長長長較長結(jié)構(gòu)尺寸軸向小，徑向大軸向大，徑向小軸向大，徑向小徑向大軸向小，徑向大制造難易軸承生產(chǎn)專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化自制，工藝要求高，需要供油設(shè)備自制，工藝較液壓系統(tǒng)低，需要供氣系統(tǒng)較復(fù)雜比滾動軸承難使用維護(hù)簡單，用油脂潤滑要求供油系統(tǒng)清潔，較難要求供氣系統(tǒng)清潔，較易較難較難成本低較高較高高較高機(jī)床主軸軸承發(fā)展，經(jīng)歷了滾、陶、氣浮、磁浮等階段。滾動軸承發(fā)展到陶瓷軸承，即鋼球改為陶瓷球，滾道加TiN或CrNi金屬。由于陶瓷球具有高剛度、高硬度、低密度以及低熱脹和低導(dǎo)熱系數(shù)等特點(diǎn)，同時(shí)所用油脂為一次性，終身潤滑，大大地提高了滾動軸承的性能，所以被廣泛采用。目前，一般中小規(guī)格的數(shù)控機(jī)床（如車床、銑床、鉆鏜床、加工中心、磨床等）的主軸部件多采用成組高精度滾動軸承重型數(shù)控機(jī)床采用液體靜壓軸承，高精度數(shù)控機(jī)床（如坐標(biāo)磨床）采用氣體靜壓軸承，轉(zhuǎn)速達(dá)的主軸則可采用磁力軸承或氮化硅材料的陶瓷滾珠軸承。數(shù)控機(jī)床的轉(zhuǎn)速高，為減少主軸的發(fā)熱，必須改善軸承的潤滑方式。在數(shù)控機(jī)床上的潤滑一般采用高級油脂封入方式潤滑，每加一次油脂可使用年。3.3.2主軸軸承的配置根據(jù)主軸部件的工作精度、剛度、溫升和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，合理配置軸承，可以提高主傳動系統(tǒng)的精度。采用滾動軸承支承，有許多不同的配置形式，目前數(shù)控機(jī)床主軸軸承的配置主要有如圖3.7所示的幾種形式。(a)(b)(c)(d)圖3.7數(shù)控機(jī)床主軸軸承的配置形式在圖3.7a所示的配置中，前支承采用雙列短圓柱滾子軸承和60o角接觸球軸承組合，承受徑向載荷和軸向載荷，后支承采用成對角接觸球軸承，該配置可滿足強(qiáng)力切削的要求，普遍應(yīng)用于各類數(shù)控機(jī)機(jī)床。在圖3.7b所示的配置形式中，前軸承采用角接觸球軸承，由個(gè)軸承組成一套，背靠背安裝，承受徑向載荷和軸向載荷，后支承采用雙列短圓柱滾子軸承，這種配置適用于高速、重載的主軸部件。在圖3.7c所示的配置形式中，前后支承均采用成對角接觸球軸承，以承受徑向載荷和軸向載荷，角接觸球軸承具有較好的高速性能，主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)，但這種軸承的承載能力小，因而這種配置適用于高速、輕載和精密的數(shù)控機(jī)床主軸。在圖3.7d所示的配置形式中，前支撐采用雙列圓錐滾子軸承，承受徑向載荷和軸向載荷，后支承采用單列圓錐滾子軸承，這種配置徑向和軸向的剛度高，可承受重載荷，尤其能承受較強(qiáng)的動載荷，安裝與調(diào)整性能好，但主軸轉(zhuǎn)速和精度的提高受到限制，因此適用于中等精度，低速與重載荷的數(shù)控機(jī)床主軸[15]。3.3.3主軸軸承的預(yù)緊對主軸滾動軸承進(jìn)行預(yù)緊和合理選擇預(yù)緊量，可以提高主軸部件的回轉(zhuǎn)精度、剛度和抗振性。滾動軸承間隙的調(diào)整或預(yù)緊，通常是通過軸承內(nèi)、外圈的相對軸向移動來實(shí)現(xiàn)的。(1)軸承內(nèi)圈移動這種方法適用于錐孔雙列圓柱滾子軸承。用螺母通過套筒推動內(nèi)圈在錐形軸頸上做軸向移動，使內(nèi)圈變形脹大，在滾道上產(chǎn)生過盈，從而達(dá)到預(yù)緊的目的。圖3.8所示為幾種軸承內(nèi)圈的預(yù)緊形式。(a)(b)(c)(d)圖3.8軸承的預(yù)緊形式圖3.8a結(jié)構(gòu)簡單，但預(yù)緊量不易控制，常用于輕載機(jī)床主軸部件。圖3.8b用螺母限制內(nèi)圈的移動量，易于控制預(yù)緊量。圖3.8c在主軸凸緣上均布數(shù)個(gè)螺釘以調(diào)整內(nèi)圈的移動量，調(diào)整方便，但是用幾個(gè)螺釘調(diào)整。易使墊圈歪斜。圖3.8d將緊靠軸承右端的墊圈做成兩個(gè)半環(huán)，可以徑向取出，修磨其厚度可控制預(yù)緊量的大小，調(diào)整精度較高[15，16]。(2)修磨座圈通過修磨軸承的內(nèi)外座圈，可以調(diào)整軸承的預(yù)緊力。圖3.9所示為兩種修磨的形式。(a)修磨軸承內(nèi)圈的內(nèi)側(cè)(b)修磨軸承外圈的內(nèi)側(cè)圖3.9修磨軸承座圈圖3.9a為軸承外圍寬邊相對(背對背)安裝，這時(shí)修磨軸承內(nèi)圈的內(nèi)側(cè)，使間隙a增大。圖3.9b所示為外圍窄邊相對(面對面)安裝，這時(shí)修磨軸承外圈的窄邊。在安裝時(shí)按圖示的相對關(guān)系裝配，并用螺母或法蘭蓋將兩個(gè)軸承軸向壓攏，使兩個(gè)修磨過的端面貼緊，這樣能夠使兩個(gè)軸承的滾道之間產(chǎn)生預(yù)緊。另一種方法是將兩個(gè)厚度不同的隔套放在兩軸承內(nèi)、外圈之間，同樣將兩個(gè)軸承軸向相對壓緊，使?jié)L道之間產(chǎn)生預(yù)緊，隔套調(diào)整法如圖3.10所示。(b)圖3.10隔套調(diào)整法3.3.4主軸支承方案的確定主軸軸承的不同配置形式對主軸組件剛度損失有巨大的影響，從而確定當(dāng)支承跨距較大時(shí)，降低支承剛度，或適當(dāng)增大主軸軸頸直徑和內(nèi)孔直徑是減小主軸組件剛度損失的有效措施，并可提高其動態(tài)性能。本課題采用陶瓷球軸承做主軸支撐，即用氮化硅材料(Si3N4)做成陶瓷球來替代滾珠，軸承內(nèi)外套圈仍為GCrl5鋼套圈。雖然只是把鋼球變成了氮化硅球，但是另一方面，溝道的幾何尺寸也作了改進(jìn)以優(yōu)化軸承性能。這種軸承在減小了離心力的同時(shí)，也減小了滾珠與該道間的摩擦力，從而獲得較低的溫升及較好的高速性能。混合陶瓷球軸承最常見的形式是角接觸球軸承，它可以在既有徑向也有軸向負(fù)荷時(shí)有效地高速運(yùn)轉(zhuǎn)。但是軸向負(fù)荷只能從一個(gè)方向施加。因此，這些軸承通常成對安裝并施加預(yù)負(fù)荷以保證正確的接觸角。由于加工中心在加工時(shí)不僅需要受到軸向力，還會受到一定的徑向力。因此在本課題的軸承配置中選用如圖3.7的方式。而本課題的預(yù)緊方式采用隔套調(diào)整法及雙螺母預(yù)緊。3.3.5軸承的配合由于主軸軸承在工作時(shí)基本上都是內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)、外圈相對固定不動,且主軸承受載荷多為定向載荷。因此,為了提高軸承的剛性,防止軸承在工作期間因摩擦發(fā)熱而引起內(nèi)圈膨脹,導(dǎo)致內(nèi)圈與主軸之間產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動現(xiàn)象,精密機(jī)床主軸軸承內(nèi)圈與主軸之間一般選擇過盈配合。另外,為了使軸承外圈溝道不只在某一局部受力,允許軸承外圈在軸承座內(nèi)出現(xiàn)蠕動現(xiàn)象,以盡可能地延長軸承的使用壽命。同時(shí),為防止軸承外圈因熱膨脹引起與軸承座之間的過緊現(xiàn)象,引起軸承預(yù)緊增加,導(dǎo)致摩擦發(fā)熱加劇,故軸承外圈與軸承座之間一般選擇間隙配合。在本課題中，固定端前支承的7017C角接觸球軸承與軸承座的配合采用間隙配合,配合目標(biāo)間隙值取3～8μm。為了提高機(jī)床的切削剛性，該軸承與主軸的配合采用過盈配合,配合目標(biāo)過盈量取0～4μm。而后支承的7015C角接觸球軸承與主軸選用過盈配合,配合目標(biāo)過盈量取0～3μm。與軸承座之間為間隙配合,配合目標(biāo)間隙值取9～15μm。3.3.6主軸軸承設(shè)計(jì)計(jì)算3.3.6.1軸承受力分析軸承的受力簡圖參見圖3.3。從圖上可知，在A、B兩處所用的是同種型號的角接觸球軸承，且D處的軸承是成對使用，共同承擔(dān)支承作用。所以，校驗(yàn)C、D處7017AC軸承只需取受力最大處即可。已知：，，，則軸承7017AC所受徑向合力為軸承7015AC所受徑向合力為3.3.6.2軸承7017AC壽命計(jì)算軸承的工作年限為7年（一年按300天計(jì)算），每天兩班工作制（按16h計(jì)算），則軸承預(yù)期計(jì)算壽命為已知軸承7017AC所受的軸向負(fù)荷，徑向負(fù)荷。由參考文獻(xiàn)查得分界判斷系數(shù)。參考文獻(xiàn)查得徑向動載荷系數(shù)X=1，軸向動載荷系數(shù)Y=0。根據(jù)載荷性質(zhì)為中等沖擊，參考文獻(xiàn)查得載荷系數(shù)一般為，取。則軸承的當(dāng)量動載荷為以小時(shí)數(shù)表示的軸承壽命（單位為h）為……………………（3.8）式中：——失效率（可靠度）的基本額定壽命（）——軸承的轉(zhuǎn)速，單位為；——基本額定動載荷，單位為；——當(dāng)量動載荷，單位為；——壽命指數(shù)，對球軸承，滾子軸承。參考文獻(xiàn)得基本額定動載荷。將上述參數(shù)代入公式（3.8），則以小時(shí)數(shù)表示的軸承壽命為由于，所以能夠滿足要求。3.3.6.3軸承7015AC壽命計(jì)算軸承的工作年限為7年（一年按300天計(jì)算），每天兩班工作制（按16h計(jì)算），則軸承預(yù)期計(jì)算壽命為已知軸承7015AC所受的軸向負(fù)荷，徑向負(fù)荷。由參考文獻(xiàn)查得分界判斷系數(shù)。查得徑向動載荷系數(shù)X=0.41，軸向動載荷系數(shù)Y=0.87。根據(jù)載荷性質(zhì)為中等沖擊，由參考文獻(xiàn)查得載荷系數(shù)一般為，取。則軸承的當(dāng)量動載荷為基本額定動載荷。將上述參數(shù)代入公式（3.8），則以小時(shí)數(shù)表示的軸承壽命為由于，所以能夠滿足要求。3.4同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算(1)設(shè)計(jì)功率根據(jù)工作機(jī)為加工中心，原動機(jī)為交流電動機(jī)，每天兩班制工作（按計(jì)），由參考文獻(xiàn)查得。故設(shè)計(jì)功率為：式中：——傳遞的功率，——載荷修正系數(shù)(2)選定帶型和節(jié)距根據(jù)設(shè)計(jì)功率，小帶輪轉(zhuǎn)速，由參考文獻(xiàn)確定帶輪的帶型為H型。按照同步帶的帶型為H型，由參考文獻(xiàn)查得節(jié)距(3)小帶輪齒數(shù)根據(jù)小帶輪轉(zhuǎn)速，同步帶的帶型為H型，由參考文獻(xiàn)查得小帶輪的最小齒數(shù)，故取(4)小帶輪節(jié)圓直徑式中：——小帶輪齒數(shù)；——節(jié)距。按照小帶輪齒數(shù)，同步帶的帶型為H型，由參考文獻(xiàn)查得其外徑(5)大帶輪齒數(shù)式中：——小帶輪轉(zhuǎn)速；——大帶輪轉(zhuǎn)速。大帶輪齒數(shù)(6)大帶輪節(jié)圓直徑式中：——節(jié)距。按大帶輪齒數(shù)，同步帶帶型為H型，由參考文獻(xiàn)查得其外徑(7)帶速式中：——小帶輪節(jié)圓直徑；——小帶輪轉(zhuǎn)速。(8)初定軸間距經(jīng)驗(yàn)公式：…………（3.9）式中：——小帶輪節(jié)圓直徑；——大帶輪節(jié)圓直徑。將，值代入公式（3.9），得。故取。(9)帶長及其齒數(shù)式中：——帶長；——初定軸間距；——小帶輪節(jié)圓直徑；——大帶輪節(jié)圓直徑。按帶長，同步帶的帶型為H型，由參考文獻(xiàn)查得應(yīng)選用帶長代號為的H型同步帶，節(jié)線長，節(jié)線長上的齒數(shù)。(10)實(shí)際軸間距實(shí)際軸間距式中：——初定軸間距；——節(jié)線長；——帶長。(11)小帶輪嚙合齒數(shù)式中：——小帶輪嚙合齒數(shù)；——節(jié)距。(12)基本額定功率按照同步帶的帶型為H型，由表[5]查得帶的許用工作拉力，帶的單位長度的質(zhì)量?；绢~定功率為：式中：——寬度為的帶的許用工作拉力——寬度為的帶單位長度的質(zhì)量(13)帶寬按同步帶的帶型為H型，由參考文獻(xiàn)查得；按小帶輪嚙合齒數(shù)，由參考文獻(xiàn)查得嚙合齒數(shù)系數(shù)。帶寬為：式中：——嚙合齒數(shù)系數(shù)——同步帶的基準(zhǔn)寬度，按照帶寬，同步帶帶型為H型，由表參考文獻(xiàn)確定選帶寬代號為的H型帶，其帶寬(14)作用在軸上的力式中：——作用在軸上的力；——設(shè)計(jì)功率；——帶速。(15)帶輪的結(jié)構(gòu)和尺寸傳動選用的同步帶為小帶輪：，，大帶輪：，，3.5主軸組件的潤滑與密封主軸組件的潤滑與密封是機(jī)床使用和維護(hù)過程中值得重視的兩個(gè)問題。良好的潤滑效果可以降低軸承的工作溫度和延長使用壽命。密封不僅要防止灰塵屑末和切削液進(jìn)入，還要防止?jié)櫥偷男孤?.5.1主軸組件的潤滑在數(shù)控機(jī)床上，主軸軸承潤滑方式主要有油脂潤滑，油液循環(huán)潤滑、油霧潤滑、油氣潤滑等。油脂潤滑方式這是目前在數(shù)控機(jī)床的主軸軸承上最常用的潤滑方式，特別是在前支承軸承上更是常用。當(dāng)然，如果主軸箱中沒有冷卻潤滑油系統(tǒng)，那么后支承軸承和其他軸承一般采用油脂潤滑方式。在數(shù)控機(jī)床上，通常采用高級油脂的種類為高級鋰基油脂或德國產(chǎn)NBU-15型油脂，每加一次油脂可使用年。主軸軸承油脂封入量，通常為軸承空間容積的，切忌隨意填滿。因?yàn)橛椭^多，會加劇主軸發(fā)熱。同時(shí)，脂潤滑會降低全鋼軸承的性能，而混合陶瓷球軸承卻可以安全地采用脂潤滑，符合本課題的主軸支承的選用。但是，要注意的是，采用油脂潤滑方式，要采取有效的密封措施，以防止切削液或潤滑油進(jìn)入軸承中。油霧潤滑方式油霧潤滑方式是將油液經(jīng)高壓氣體霧化后，從噴嘴成霧狀噴到需潤滑部位的潤滑方式。由于霧狀油液吸熱性好，又無油液攪拌作用，所以此方式常用于高速主軸軸承的潤滑。但是，油霧容易吹出，污染環(huán)境。3.5.2主軸組件的密封密封的作用主要是防止灰塵、屑末和切削液等進(jìn)入軸承，以減少腐蝕和磨損；也可防止?jié)櫥屯饴?，保護(hù)環(huán)境，避免污染。主軸的密封分接觸式密封和非接觸式密封兩類。前者有摩擦和磨損，發(fā)熱嚴(yán)重，一般宜用于低速主軸。后者制成迷宮式和間隙式，發(fā)熱很小，應(yīng)用廣泛。圖3.11是幾種非接觸密封的形式。(a)(b)(c)圖3.11非接觸式密封1—端蓋2—螺母圖3.11a是圈形間隙式密封，它是在蓋的內(nèi)腔中車出梯形或半圓形截面的環(huán)形油槽，并填滿潤滑脂。利用軸承蓋與軸的間隙密封，軸承蓋的孔內(nèi)開槽是為了提高密封效果。這種密封用在工作環(huán)境比較清潔的油脂潤滑處。圖3.11b是在螺母的外圓上開鋸齒形環(huán)槽，當(dāng)油向外流時(shí)，靠主軸轉(zhuǎn)動的離心力把油沿斜面甩到端蓋1的空腔內(nèi)，油液流回箱內(nèi)。圖3.11c是迷宮式密封結(jié)構(gòu)，對于采用脂潤滑的主軸，密封主要是防止外界異物進(jìn)入。所以，通常采用間隙式或迷宮式密封裝置。并且此密封方式在較惡劣的工作環(huán)境下也可獲得可靠的密封效果。迷宮式密封結(jié)構(gòu)是在組件的轉(zhuǎn)動和固定部分之間做成復(fù)雜而曲折的通道，間隙不超過，并填滿潤滑脂。由于這種密封方法能有效地保護(hù)軸承，所以得到廣泛應(yīng)用。接觸式密封主要有油氈圈和耐油橡膠密封圈密封，如圖3.12所示。(a)(b)圖3.12接觸式密封1—甩油環(huán)2—油氈圈3—耐油橡膠密封圈3.5.3本課題的潤滑與密封方案的確定本課題中主軸組件的潤滑方式采用油脂潤滑方式，由于潤滑脂的粘度大，不易流失，因此不需要經(jīng)常更換。這也是目前在數(shù)控機(jī)床的主軸軸承上最常用的潤滑方式。同時(shí)，由于本課題的軸承采用油脂潤滑方式，其密封目的主要是防止外界異物進(jìn)入，所以可以采用較為簡單的密封方式。在本課題中，主軸支承處主要采用的是徑向迷宮式密封，而在絲杠軸承處主要采用油氈圈密封。如圖3.13所示為徑向迷宮式密封裝置。圖3.13徑向迷宮式密封3.6鍵的設(shè)計(jì)計(jì)算3.6.1主軸上的鍵對于采用常見的材料和按標(biāo)準(zhǔn)選取尺寸的普通平鍵聯(lián)接（靜聯(lián)接），其主要失效形式是工作面被壓潰。除非存在嚴(yán)重過載，否則一般不會出現(xiàn)鍵的剪斷。因此，通常只按工作面上的擠壓應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。假定載荷在鍵的工作面上是均勻分布的，則普通平鍵聯(lián)接的強(qiáng)度條件為：………………（3.10）式中：——傳遞的轉(zhuǎn)矩（），單位為；——鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，，此處為鍵的高度，單位為；——鍵的工作長度，單位為，圓頭平鍵，平頭平鍵，這里的為鍵的公稱長度，單位為，為鍵的寬度，單位為；——軸的直徑，單位為；——鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力，單位已知：帶輪作用在軸上的力，鍵所處主軸段直徑，鍵的寬度，鍵的公稱長度，鍵的高度。鍵所傳遞的轉(zhuǎn)矩為由于主軸處采用圓頭平鍵，故鍵的工作長度為鍵與輪轂鍵槽的接觸高度為將上述參數(shù)代入公式（3.10），故聯(lián)接工作面擠壓應(yīng)力為按聯(lián)接工作方式為靜聯(lián)接，且載荷性質(zhì)具有沖擊性，參考文獻(xiàn)得鍵聯(lián)接的許用應(yīng)力。由于，所以能滿足要求。3.6.2主電機(jī)上的鍵已知：主電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，電機(jī)輸出軸的直徑，鍵的寬度，鍵的公稱長度，鍵的高度，鍵聯(lián)接的許用應(yīng)力。由于主軸處采用單圓頭普通平鍵，故鍵的工作長度為鍵與輪轂鍵槽的接觸高度為將上述參數(shù)代入公式（3.10），故聯(lián)接工作面擠壓應(yīng)力為由于，所以能滿足要求。3.7液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算已知：由參考文獻(xiàn)選取液壓缸活塞直徑，活塞桿直徑，活塞和活塞桿的材料為45鋼?；钊蜅U重計(jì)算：已知：由GB/T2089-1994[5]選取彈簧截面直徑，彈簧中徑，有效圈數(shù)為4圈，單圈彈簧剛度，則整根彈簧的剛度為。彈簧預(yù)壓縮量為根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，確定活塞行程，則彈簧力為液壓缸的夾緊力為式中：——活塞的直徑，單位為；——活塞桿的直徑，單位為；——液壓油的工作壓力，；——效率系數(shù)，一般??；——彈簧力，單位為。由于活塞桿為壓桿（只受壓力），所以可以按強(qiáng)度來檢驗(yàn)活塞桿：………（3.11）………（3.12）式中：——液壓缸的夾緊力，單位為；——抗拉強(qiáng)度，單位為；——安全系數(shù)，一般大于，取；——許用應(yīng)力，單位為。活塞桿的材料為45鋼，其抗拉強(qiáng)度。由公式（3.12）得許用應(yīng)力為將上述參數(shù)代入公式（3.11）得而活塞桿直徑，所以能夠滿足要求。第四章主軸組件的進(jìn)給運(yùn)動部件4.1進(jìn)給電動機(jī)的選用4.1.1進(jìn)給電動機(jī)功率的估算1.傳動效率η根據(jù)本課題的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在進(jìn)給部分中主要的機(jī)械傳動效率由聯(lián)軸器、滾珠軸承及滾動絲杠傳動組成。其中，聯(lián)軸器效率為0.99，滾珠軸承效率為0.99，滾動絲杠傳動效率為0.95?？倐鲃有剩?.電動機(jī)功率式中：——進(jìn)給傳動電動機(jī)功率，；——進(jìn)給牽引力，；——進(jìn)給速度，；——進(jìn)給傳動鏈的總機(jī)械效率。4.1.2進(jìn)給電動機(jī)的選用寬調(diào)速直流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是勵磁便于調(diào)整，易于安排補(bǔ)償繞組和換向極，電動機(jī)的換向性能得到改善，成本低，可以在較寬的速度范圍內(nèi)得到恒轉(zhuǎn)速特性。當(dāng)然，寬調(diào)速直流伺服電動機(jī)體積較大，其電刷易磨損，壽命受到一定限制。日本法納克（FANUC）公司生產(chǎn)的用于工業(yè)機(jī)器人、CNC機(jī)床、加工中心（MC）的L系列適合于在頻繁啟動、制動場合應(yīng)用。根據(jù)估算得出的電動機(jī)功率，選用FANUC的6L型電動機(jī)，其主要性能指標(biāo)如下：輸出功率：；額定轉(zhuǎn)矩：；最大轉(zhuǎn)矩：；最高轉(zhuǎn)速：；轉(zhuǎn)子慣量：。4.2聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)計(jì)算(1)類型選擇為了隔離振動與沖擊，選用凸緣聯(lián)軸器。(2)載荷計(jì)算已知進(jìn)給電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為。根據(jù)工作機(jī)的轉(zhuǎn)矩是變化的，且沖擊載荷較大，原動機(jī)類型為電動機(jī)，由表14-1[23]查得工作情況系數(shù)。則計(jì)算轉(zhuǎn)矩為：(3)型號選擇選擇聯(lián)軸器時(shí)，聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩要大于計(jì)算轉(zhuǎn)矩，許用最大轉(zhuǎn)速要大于電動機(jī)轉(zhuǎn)速。由GB5843-86中查得YL5型凸緣聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩為，許用最大轉(zhuǎn)速為，適合于尺寸在之間的軸頸。故能夠滿足要求。4.3垂直方向伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算4.3.1切削力估算由公式（3.1）得出切向銑削力縱向切削力橫向切削力垂直切削力絲杠承重初估4.3.2滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算4.3.2.1滾珠絲杠的導(dǎo)程的確定在本課題中，電機(jī)和絲杠直接相連，所以傳動比，選擇電機(jī)6L型的最高工作轉(zhuǎn)速，最大轉(zhuǎn)矩，則絲杠的導(dǎo)程為：4.3.2.2確定絲杠的等效轉(zhuǎn)速最大進(jìn)給時(shí)，絲杠的轉(zhuǎn)速為最慢進(jìn)給時(shí)，絲杠的轉(zhuǎn)速為則得到絲杠的等效轉(zhuǎn)速（估算）為式中：——軸向載荷F1，F(xiàn)2作用下的轉(zhuǎn)速，單位為；——軸向載荷F1，F(xiàn)2作用下的時(shí)間，單位為s。4.3.2.3確定絲杠的等效負(fù)載工作負(fù)載是指機(jī)床工作時(shí)，實(shí)際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力，它的數(shù)值可用進(jìn)給牽引力的試驗(yàn)公式計(jì)算。選定導(dǎo)軌為滾動導(dǎo)軌，而一般情況下，滾動導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為，取摩擦系數(shù)為，則絲杠所受的最大工作負(fù)載為式中：——顛覆力矩影響系數(shù)，一般取為。而絲杠的最小工作負(fù)載為故其等效負(fù)載可按下式計(jì)算（估算；）：4.3.2.4確定絲杠所受的最大動載荷取絲杠的工作壽命為，同時(shí)取精度系數(shù)，負(fù)荷性質(zhì)系數(shù)，溫度系數(shù)，硬度系數(shù)，可靠性系數(shù)；平均轉(zhuǎn)速為。則最大動載荷為根據(jù)動載荷要求，選用插管埋入式雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲杠副，型號為[5]。絲杠公稱直徑為，基本導(dǎo)程，其額定動載荷（），額定靜載荷，圈數(shù)×列數(shù)=×，絲杠螺母副的接觸剛度為，螺母長度為，取絲杠的精度為級。在本課題中采用雙螺母墊片式預(yù)緊。4.3.2.5臨界壓縮負(fù)荷確定絲杠螺紋部分的長度。等于工作臺的最大行程（）加上螺母長度（）加兩端余程（）。為。支承跨距應(yīng)略大于，取為。絲杠全長。臨界壓縮負(fù)荷為：………（4.1）式中：——絲杠支承方式系數(shù)；——材料的彈性模量，；——絲杠最小截面慣性矩，單位為；——最大受壓長度，單位為；——安全系數(shù)，一般??；——最大軸向工作載荷，單位為慣性矩式中：——絲杠螺紋底徑，單位為；——絲杠公稱直徑，單位為；——鋼球直徑，單位為。由于滾珠絲杠副支承方式采用雙推—簡支形式，查表4-7[7]得支承系數(shù)。將上述參數(shù)代入公式（4.1）得可見遠(yuǎn)大于，故能滿足要求。4.3.2.6臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)算臨界轉(zhuǎn)速經(jīng)驗(yàn)公式：……………（4.2）式中：——絲杠最小橫截面，單位為；——臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長度，單位為；——安全系數(shù)，一般取0.8；——材料的密度，碳鋼；——絲杠支承方式系數(shù)。由于滾珠絲杠副支承方式采用雙推—簡支形式，資料得支承系數(shù)。絲杠最小橫截面為：式中：——絲杠螺紋底徑，單位為；臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長度：將上述參數(shù)代入公式（4.2），則臨界轉(zhuǎn)速為：可見遠(yuǎn)大于，故能滿足要求。4.3.2.7軸承35TAC72A的動負(fù)荷驗(yàn)算本課題在絲杠的固定端選用成對絲杠專用軸承組合，型號為35TAC72A，其額定動載，預(yù)緊力。在絲杠的游動端選用深溝球軸承，型號為6207。動負(fù)荷經(jīng)驗(yàn)公式：………（4.3）式中：——壽命系數(shù)；——轉(zhuǎn)速系數(shù)；——軸承預(yù)緊力，單位為。壽命系數(shù)：式中：——可靠性為的額定壽命，查表4-1[7]查得轉(zhuǎn)速系數(shù)：式中：——計(jì)算轉(zhuǎn)速，此處等于最高轉(zhuǎn)速。將上述參數(shù)代入公式（4.3），則軸承動負(fù)荷為：可見軸承動負(fù)荷小于額定動載，故能滿足要求。4.3.2.8軸承6207的動負(fù)荷驗(yàn)算圖4.1為絲杠的受力圖。已知：切向負(fù)荷，徑向負(fù)荷，軸向負(fù)荷，絲杠承重。得得(a)(b)(c)圖4.1絲杠受力圖軸承6207的徑向合力為已知軸承6207所受的軸向負(fù)荷，徑向負(fù)荷，基本額定徑向靜載荷。則相對軸向載荷為式中：——徑向接觸系數(shù)，一般取。由資料查得分界判斷系數(shù)。由資料查得徑向動載荷系數(shù)X=0.56，軸向動載荷系數(shù)Y=1.55。由資料查得載荷系數(shù)一般為，取。則軸承的當(dāng)量動載荷為資料查得，軸承預(yù)期計(jì)算壽命。該軸承應(yīng)具有的基本額定動載荷式中：——失效率（可靠度）的基本額定壽命（）——軸承的轉(zhuǎn)速，單位為；——基本額定動載荷，單位為；——當(dāng)量動載荷，單位為；——壽命指數(shù)，對球軸承，滾子軸承。由表22-36查得基本額定動載荷。由于，所以能夠滿足要求。4.3.2.9絲杠拉壓振動和扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率驗(yàn)算滾珠絲杠的拉壓剛度：………………（4.4）當(dāng)絲杠螺母副運(yùn)動到絲杠的兩個(gè)極端位置時(shí)，會產(chǎn)生最大和最小拉壓剛度。其中，值分別為和。則由公式（4.4）得最大和最小拉壓剛度為：已知：軸承的接觸剛度，絲杠螺母的接觸剛度，絲杠的最小拉壓剛度，螺母座剛度。雙推—簡支方式的絲杠軸向拉壓剛度由下式計(jì)算得到軸向拉壓剛度絲杠拉壓振動的固有頻率顯然，絲杠的扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于，所以，能滿足要求。結(jié)論本課題確定了五軸高速加工中心主軸組件的總體設(shè)計(jì)方案，對主軸組件的各組成機(jī)構(gòu)進(jìn)行了方案論證、設(shè)計(jì)計(jì)算以及選型。同時(shí)，通過對加工中心主軸組件的主要部件，如：主軸、軸承、絲杠、鍵等進(jìn)行校核，較為理想地實(shí)現(xiàn)了任務(wù)書中對立式加工中心主軸組件的技術(shù)指標(biāo)。加工中心主軸組件的運(yùn)轉(zhuǎn)過程比較平穩(wěn)，且主軸組件的結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便，維修容易，價(jià)格低廉。主軸組件的結(jié)構(gòu)主要分為兩個(gè)部分，即主運(yùn)動機(jī)構(gòu)和進(jìn)給運(yùn)動機(jī)構(gòu)。而在主運(yùn)動機(jī)構(gòu)中，按照功能來分，可主要分為主軸傳動機(jī)構(gòu)、主軸準(zhǔn)停機(jī)構(gòu)、刀具自動夾緊機(jī)構(gòu)以及切屑清除機(jī)構(gòu)。本課題采用交流主軸電動機(jī)作為主軸傳動的原動力，通過同步帶傳動來實(shí)現(xiàn)主軸電機(jī)和主軸之間的減速傳動。通過對同步帶帶型的選擇，確定了同步帶傳動的線速度、帶長、軸間距等參數(shù)，并對大小帶輪進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為了防止同步帶的掉落，在帶輪的兩側(cè)按分別安裝了帶輪擋圈。在大帶輪上還安裝了動平衡較好的圓盤，主軸準(zhǔn)停中的發(fā)磁體被設(shè)置在圓盤上，而磁傳感器則安放于距離發(fā)磁體2～3mm處，實(shí)現(xiàn)了主軸準(zhǔn)停功能。在刀具自動夾緊機(jī)構(gòu)中，為了控制活塞的行程，采用了2個(gè)型號為LX19-111的行程開關(guān)，避免了刀具產(chǎn)生夾持過緊或過松的現(xiàn)象。為了提高主軸的剛度，主軸的支承采用了三支承形式，并在前后支承處讓角接觸軸承進(jìn)行背對背安裝，使主軸能夠承受雙向的軸向載荷。通過計(jì)算校核，主軸的剛度和強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)的要求。同時(shí)，由于采用了混合陶瓷軸承，使軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)速度提高、剛性增大、熱穩(wěn)定性更好，改善了全鋼軸承所存在的一些不足之處。軸承的潤滑方式采用脂潤滑，其潤滑油的類型為高級鋰基油脂。在主軸組件的進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)中，本課題采用了直流伺服電動機(jī)作為原動機(jī)。電動機(jī)的輸出軸與絲杠通過凸緣聯(lián)軸器直接相連。絲杠的前支承采用了深溝球軸承，而后支承則采用了型號為35TAC72A的角接觸軸承?？紤]到絲杠在工作時(shí)的熱膨脹，所以，在絲杠的配置形式中，選用了固定——簡支形式，使絲杠在受熱膨脹后不會產(chǎn)生撓度。為了限制進(jìn)給機(jī)構(gòu)的行程，在滾珠絲杠副處設(shè)置了兩個(gè)撞塊，并在機(jī)架上安裝了2個(gè)的行程開關(guān)，使進(jìn)給機(jī)構(gòu)行程控制在400mm。致謝這次畢業(yè)設(shè)計(jì)可以圓滿的完成，我要感謝我的導(dǎo)師XXX，X老師在我設(shè)計(jì)過程中對我的構(gòu)思以及論文的內(nèi)容不厭其煩的進(jìn)行多次指導(dǎo)和悉心指點(diǎn)，使我在完成設(shè)計(jì)的同時(shí)也深受啟發(fā)和教育。同時(shí)X老師的嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致和一絲不茍的作風(fēng)將會一直成為我工作和學(xué)習(xí)中的榜樣還要感謝我的同學(xué)們和舍友們，是大家的努力營造出了良好的學(xué)習(xí)氛圍，從而使我們能夠更好的完成課題的設(shè)計(jì)工作。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠順利的完成也離不開大家的相互幫助和關(guān)照。感謝各位評審老師和專家。你們的意見和要求將會使我獲得更大的進(jìn)步。最后，再次對所有在我的學(xué)習(xí)和課題研究過程中提供過幫助的老師、同學(xué)及同志們表示感謝。參考文獻(xiàn)廖勇，黃容申．?dāng)?shù)控機(jī)床發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢．重慶石油高等?？茖W(xué)報(bào)[J]，2002，4（2）：25～26陳循介．從日本2001年機(jī)電一體化展看機(jī)床發(fā)展新動向．精密制造與自動化[J]，2002（1）：4～5張育生．從第六屆中國國際機(jī)床展覽看機(jī)床發(fā)展趨勢．制造技術(shù)與機(jī)床[J]，2000（5）：9～10KrarStephenF.，GillArthur，SmidPeter．Computernumericalcontrolsimplified[M]．NewYork：IndustrialPress，2001.吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊（上、下冊）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.李洪.實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊[M].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1999.謝紅.數(shù)控機(jī)床機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè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