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主轴箱结构设计


目录
第一章 绪论 ........................................ 错误!未定义书签。
1.1 1.2 1.3 背景 .......................................... 错误!未定义书签。 数控机床的组成与分类 ........................................... 3 本文研究内容 ................................................... 5

第二章 VDL 主轴传动系统 ............................................ 6
2.1 2.2 2.3 主轴变速系统 ................................................... 6 主轴电机选择 ................................................... 8 传动设计 ....................................................... 8

第三章 同步带传动 .......................................... 11
3.1 3.2 材料选择 ...................................................... 11 参数计算 ...................................................... 11

第四章 主轴组件的设计 ............................................. 14
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 主轴组件的设计要求 ............................................ 14 主轴材料的选择及尺寸、参数的计算 .............................. 16 主轴传动装置箱体的作用 ........................................ 19 主轴箱体的截面形状和壁厚计算 .................................. 20 轴承的选择和轴承的精度 ........................................ 20 轴承预紧力的要求 .............................................. 22 主轴轴承的润滑与密封 .......................... 错误!未定义书签。 轴承寿命校核 .................................................. 22 联接键的选择 .................................................. 23 碟形弹簧的选择与计算 .......................................... 24 碟形弹簧材料及热处理、厚度和脱碳 .............................. 24 碟形弹簧的强压处理、表面强化处理和防腐处理 .................... 24

第五章 螺钉联接的设计 ............................................. 26 结 论 ............................................... 错误!未定义书签。 致 谢 ............................................. 错误!未定义书签。

参考文献 ............................................................. 30 附录 .................................................. 错误!未定义书签。
1

第一章 绪论
1.1 背景
数控(numerical control,NC)机床,顾名思义,是一类由数字程序实现控制的 机床。与人工操作的普通机床相比,它具有适应范围广、自动化程度高、柔性强。操 作者劳动强度低。易于组成自动化生产系统等优点。数控机床也就是一种装了程序控 制系统的机床,该系统能逻辑处理具有使用好吗或其他符号编码指令规定的程序。 在数控铣床的基础上,如果再配以道具和地总换刀系统,就构成了加工中心。加 工中心的特点是她的刀具库能存放几十把甚至更多的道具, 由程序控制换刀机构自动 调用与更换,这样就可以在没有人工干预的情况下,一次完成很多工艺内容。 机床 主轴系统指机床上带动工件或刀具旋转的轴,通常有主轴、轴承和传动件(齿轮或皮 带) 等组成。 主轴部件的运动精度和结构刚度是决定加工质量和切削效率的重要因素。 VDL600A 立式加工中心如下:

图 1.1

2

1.2 国外数控铣床现状与发展趋势
国外数控铣床的生产厂家主要集中在德国、美国和日本。从机械结构上看,其发 展经历了十字架型(轻型) 、门型(小型) 、龙门型(大型)3 个阶段,相应的型号种 类繁多。能够代表数控铣床技术最高水平的厂家主要集中在德国,目前,国外已有厂 家在龙门式切割机上安装一个专用切割机械手, 开发出五轴控制系统的龙门式专用切 割工具,该系统可以在空间切割出各种轨迹,利用特殊的跟踪探头,在切割过程中控 制切割运行轨迹。 我国工厂的板材下料中应用最为普遍的是数控铣床和等离子切割, 所用的设备包 括手工下料、仿形机下料、半自动切割机下料及数控切割机下料等。与其他切割方式 比较而言,手工下料随意性大、灵活方便,并且不需要专用配套下料设备。但手工切 割下料的缺点也是显而易见的,其割缝质量差、尺寸误差大、材料浪费大、后道加工 工序的工作量大, 同时劳动条件恶劣。 用仿形机下料, 虽可大大提高下料工件的质量, 但必须预先加工与工件相适应的靠模,不适于单件、小批量和大工件下料。半自动切 割机虽然降低了工人劳动强度,但其功能简单,只适合一种形状的切割。上述 3 种切 割方式,相对于数控切割来说由于设备成本较低、操作简单,所以在我国的中小企业 甚至在一些大型企业中仍在广泛使用。 随着国内经济形势的蓬勃发展以及以焊代铸趋势的加速,数控铣床的优势正在 逐渐为人们所认识。数控铣床不仅使板材利用率大幅度提高,产品质量得到改进,而 且改善了工人的劳动环境,劳动效率进一步提高。目前,我国金属加工行业使用的数 控铣床是以火焰和普通等离子切割机为主,但纯火焰切割,已不能适应现代生产的需 要,该类切割机可满足不同材料、不同厚度的金属板材的下料以及金属零件的加工的 需要,因此需求量将会越来越大,但与国外的差距仍极为明显,主要表现为:发达国 家金属加工行业 90%为数控切割机下料,仅 10%为手工下料;而我国数控切割机下料 仅占下料总量的 10%,其中数控铣床下料所占比例更小。

1.3


数控机床的组成与分类
数控机床的组成

数控机床的种类很多,但是任何一种数控机床都主要由数控系统、伺服系统和机
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械系统组成。 1 数控系统:数控系统是数控机床的核心,是数控机床的“指挥系统” 数控系 。 统通常是一台带有专门系统软件的专用微型计算机。 2 伺服系统:伺服系统(或称驱动系统)是数控机床的执行机构,是由驱动和执 行两大部分组成。用于实现数控机床的进给伺服控制和株洲伺服控制。它接受数控装 置的指令信息,并按指令信息的要求控制执行部件的进给熟读、方向和位移。 3 机械系统:数控机床的机械系统,除机床基础件意外,有下列各部分组成: (1)主轴部件:包括主轴电动机和主轴传动系统。 (2)进给系统:包括进给执行电动机和进给传动系统。 (3)实现共建回转、定位的装置和附件。 (4)实现某些部件动作和辅助功能的系统和装置。 (5)刀库和自动换刀装置(Autormatic Tools Changer, 简称 ATC) (6)自动托盘交换装置(Autormatic Pallet Changer,简称 APC) 机床基础件或称机床大件,通常是指床身(或底座)、立柱、滑座和工作台等,它 是整台机床的基础和框架。[9] 二 1 数控机床的分类 按工艺用途分

按照工艺的不同,数控机床可分为数控车床、数控铣床、数控钻床、数控镗床、 数控齿轮加工机床、数控电火花加工机床、数控线切割机床、数控冲床、数控剪床、 数控液压机等各种工艺用途的数控机床。 2 按运动方式划分

按运动方式即刀具与工件相对运动方式,数控机床可分为:点位控制、直线控制 和轮廓控制。 3 按伺服系统类型划分

按伺服系统类型的不同,数控机床可分为:开环伺服系统数控机床、闭环伺服系 统数控机床和半闭环伺服系统时空机床。 (1) 开环伺服系统数控机床 开环伺服系统数控机床是一种不叫原始的数控机床。 这类机床的数控系统将零件
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的程序处理后,输出数据指令给伺服系统,驱动机床运动,没有来自位置传感器的反 馈信号。 最典型的系统就是采用步进电动机的伺服系统。 这类系统的信息流是单向的, 即进给脉冲发出去以后,实际移动值不再反馈回来,所以称为开环控制。这类机床较 为经济,但加工速度和加工精度较低。 (2) 闭环伺服系统数控机床 闭环伺服系统数控机床带有检测装置,直接对工作台的位移量进行检测。这类控 制系统,因为把机床工作台纳入位置控制环,故称为闭环控制系统。该系统可以消除 包括工作台传动链在内的运动误差,因而定位精度高、调节速度快。但由于该系统受 进给丝杠的拉压刚度、扭转刚度、摩擦阻尼特性和间隙等非线性因素的影响,给调试 工作造成较大的困难。 (3) 半闭环伺服系统数控机床 大多数数控机床是半闭环伺服系统,这类系统介于开环和闭环之间,精度没有闭 环高,调试却比闭环方便,因而得到了广泛的应用。

1.4 本文研究内容
主要研究主轴箱部分,如图 1.2,该主轴箱具有以下要求:1 合理设计加工主 轴箱结构;2 经过对该设备刀具切削力计算,合理主运动电动机、传动部件、轴承组 件、主轴。气压传动等零部件参数计算以及选型等;3 设计主轴箱的整体结构;4 设 计主轴箱、主轴等主要零件;5 切削力计算;

图 1.2

5

第二章 VDL 主轴传动系统
与普通机床的主轴传动系统相比数控机床在结构上比较简单, 这是因为变速功能 全部或大部分由主轴电动机的无级调速来承担。省去了繁杂的齿轮变速机构,还有一 些数控机床设计中还存在二级或三级齿轮变速机构用以扩大主轴电动机无级变速的 范围。

2.1

主轴变速系统

变速方式有有极变速和无极变速。

无极变速:速度连续变化,有无数个设置点。如,电子式旋钮风扇的风力档的变 化,旋钮从最小到最大位置之间,有无数个位置。 有极变速:速度不是连续变化,仅有限的几个变化位置。如,机械式按钮风扇的 风力档的变化,只有 1,2,3,4 等几个档位。 由于无极变速简化了主轴箱的结构,也保证了加工时能选用合理的切削用量,获 得好的加工质量,一般都采用无极变速。 目前主轴类型有以下几种: 1、齿轮传动主轴 大中型数控机床常采用这种变速 方式。 如图 a 所示, 通过少数几对齿轮 变速,扩大调速范围,扩大输出转矩, 满足主轴低速是对主轴扭矩特性要求。 滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或 直接由液压缸带动齿轮来实现。
2、直接驱动主轴

从电动机到加工刀具的传动效率而言,直接驱动方式几乎可以实现100%的传动 效率。直接驱动主轴可以在低转矩下实现高转速工作。 由于不存在皮带或齿轮等中间传动链, 直接驱动主轴的转矩不会随着电机转速的 下降而增加。就振动而言,这种传动系统表现良好,也就是说能够达到高速转动,并
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保持良好地加工表面加工质量。 3、通过带传动的主传动 这种传动主要用在转速较高、 变速 范围不大的机床。如图 b。结构简单, 安装调试方便, 且在一定条件下能满足 转速与转矩的输出要求。 带传动可以避 免齿轮传动的噪声与振动。 常用的带有 三角带和同步齿形带。 4 内置电机驱动主轴 这种主轴也被称为电主轴。 集成在主轴上前后轴承之间的电机可以是同步电机也 可以是异步电机。这种驱动方式可以有效的减少震动和噪声,实现 15000r/min 乃至 更高的转速,而且其结构更为紧凑,这就是电主轴能在告诉加工机床中普遍应用的原 因。 通过调研,我做的 VDL600A 立式加工中心所用的是高扭力齿形皮带传动的无极 变速方式。 加工中心的主轴组件 加工中心主轴组件是机床的一个重要组成部分, 除了具有一般数控机床主轴组件 所具有的主轴、主轴支承及装在主轴上的传动件和密封件外,还具有刀具自动加紧、 主轴自动准停和主轴装刀孔吹净等装置。 1. 范围: 各种不同的机床对调速范围的要求不同,多用途,通用性比较大的机 床,要求主轴的调速范围大,不但有低速大转距的功能,而且还要有比较高的速度。 2. 热变形:电动机、主轴及传动件都有热源。降低温升,减少热变形是对主传 动系统要求的重要指标。 3. 旋转精度和运动精度 (1)主轴的旋转精度:是指装配后,在无载荷,低速转动条件下,测量主轴前端 和 300mm 处的径向和轴向跳动值。 (2)主轴在以工作速度旋转时,测量上述两项精度称为运动精度。 4. 主轴的静刚度和抗振性
7

由于数控机床的加工精度比较高,主轴的转速又很高。因此,主轴组件的质量分 布是否均匀以及主轴组件的阻尼等,对主轴组件的静刚度和抗振性都会产生影响。 5. 主轴组件的耐磨性 主轴组件必须有足够的耐磨性,使之能够长期保持要求的准确精度。凡是有机械 摩擦的部位,轴承,锥孔等都要有足够的硬度,轴承还应具有良好的润滑。

2.2

主轴电机的选择

2.2.1 主轴切削力
铣削用量的选择 为使组合铣床更好的提高生产效率,便于人工操作,最少的停车损失和使刀具的 寿命更长、加工质量更好,合理的选择铣削用量是非常必要的。表 3-3 为硬质合金端 铣刀的铣削用量。 铣削用量的选择应该使选择的刀具充分发挥其性能。所以就不能选择太低。考虑 到批量生产时也没必要把切削用量选太高,以免增加刀具损耗。总之要根据加工精度 和加工材料,工作条件和技术要求进行分析。所以以上的选择是可行的。 2.2 确定切削力、切削功率

根据选定的切削用量(组要指切削速度 v 及进给量 f) ,确定切削力,作为选择 动力部件 (滑台) 及夹具设计的依据; 确定切削扭矩, 用以确定主轴及其他传动件 (齿 轮、传动轴等)的尺寸;确定切削功率,用以选择主传动电机功率。 一銑削力和主切削功率计算 1. 转速 根据设计要求转速的范围为:60~8000,主轴在工作时其转速通常为:10r/s 则转速:v=nd/2=0.625m/s 2.主切削力 Fc 因选取硬质合金端面銑削 45,钢工件,由<机床设计手册>得:

FZ ?

9 . 81C

F

?ap d0
qF

X FZ

?af
WF

Y FZ

?ae
WF

Z FZ

?Z

? n0

? 60

? K FZ

8

式中:ap-铣削深度(mm) ; ae-铣削接触弧深度(mm) ; af-每齿进给量(mm/Z);
?f

-每秒(分)进给量(mm/s,mm/min);

f-每转进给量(mm/r); d0-铣刀外径 mm; n0-铣刀转速(r/s), Z-铣刀齿数。 根 据 表 2.1 , 选 取 : ap=2.0mm


ae=5



af=1.0mm



?f

=5mm ; d=125mm;

n=20;Cf=78.5;Xf=1.0;Yf=0.75;Zf=1.1;Wf=0.2;qF=1.3 带入式中得: Fz=5600N P=FV=3500W, 圆整取 P=4.0KW; 则驱动电机功率:
Pm ? p 0.7 ? 5 . 7 kw

则电机的功率为 6.0kw。
铣刀类型 刀具材料 CF 端铣刀 圆柱铣刀 立铣刀 圆盘铣刀、切槽及切断铣刀 凹凸半圆及角铣刀 硬质合金 高速钢 硬质合金 高速钢 硬质合金 高速钢 硬质合金 高速钢 高速钢 XF 公式中的系数及指数 YF ZF WF qF

加工碳素结构钢ζ b=0.637GPa 790 78.5 96.7 65 11.9 65 250 65 45 1.0 0.95 1.0 1.0 1.0 1.0 1.1 1.0 1.0 0.75 0.8 0.75 0.72 0.75 0.72 0.8 0.72 0.72 1.1 1.1 0.88 0.86 0.85 0.86 0.9 0.86 0.86 0.2 0 0 0 -0.13 0 0.1 0 0 1.3 1.1 0.87 0.86 0.73 0.86 1.1 0.86 0.86

加工不锈钢 1Cr18Ni9Ti HB=141 端铣刀 立铣刀 硬质合金 高速钢 218 82
9

0.92 1.0

0.78 0.6

1.0 0.75

0 0

1.15 0.68

加工灰铸铁 HB=190 端铣刀 圆柱铣刀 圆柱铣刀、 立铣刀、 圆盘铣刀、 切槽及切断铣刀 高速钢 硬质合金 54.5 58 30 0.9 1.0 1.0 0.74 0.8 0.65 1.0 0.75 0.83 0 0 0 1.0 0.9 0.83

加工可锻铸铁 HB=150 端铣刀 圆柱铣刀、 立铣刀、 圆盘铣刀、 切槽及切断铣刀 硬质合金 高速钢 491 30 1.0 1.0 0.75 0.72 1.1 0.86 0.2 0 1.3 0.86

加工中等硬度非均质铜合金 HB=100-140 圆柱铣刀、 立铣刀、 圆盘铣刀、 切槽及切断铣刀 22.6 1.0 0.72 0.86 0 0.86

表 2.1

2.3 传动设计
VDL 主轴的驱动路线采用电机驱动,带传动,带传动驱动主轴,这种结构简单,效率 高,由电机控制来实现无极变速。带采用同步带传动,同步带传动具有: 同步带传动综合了带传动和链传动的特点,同步带传动的优点是: (1)无相对滑动,带长不变,传动比稳定; (2)带薄而轻,强力层强度高,适用于高速传动,速度可达 40 m/s; (3)带的柔性好,课用直径较小的带轮,传动结构紧凑,能获得较大的传动比; (4)传动效率高,可达 0.98-0.99,因而应用日益广泛; (5)初拉力较小,故轴和轴承上所受的载荷小。 主要缺点是制造、安装精度要求较高、成本高。 同步带主要用于要求传动比准确的中、小功率传动中,如计算机、录音机、磨床 和纺织机等。[13]

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第三章
3.1 材料选择

同步带传动

根据设计要求,选用聚氨酯同步带,由带背、带齿、抗拉层三部分组成。带背和 带齿材料为聚氨酯,抗拉层采用钢丝绳,适用于中小功率的高速运转部分。[13]

3.2

参数计算
设计计算的内容主要是:齿形带的模数、齿数、和宽度的结构和尺寸,传动中心

距,作用在轴上载荷以及结构设计。 1. 模数的选取 模数主要根据齿形带所传递的计算功率 Pd 和小带轮转速 n1 确定的,通过查《现 代数控机床》表 4-33 查得 Pd=KA*P, 表 4-1 一天运转时间/h 载荷性质 ≤10 载荷平稳 载荷变化小 载荷变化大 1.0 1.2 1.4 10~16 1.1 1.4 1.7 16 以上 1.2 1.6 2.0 工作情况系数 KA 式中 P———传动功率

选取 KA=1.7,所以 PC=5.7×1.7=9.69KW 由齿形带模数选用图可选 m=4 2. 小带轮齿数 Z1:由 《机械传动装置设计手册》 8-38 得 Zmin=22,所以取 Z1=30 表 3. 同步带节距 Pb:由 PD=9.35KW n1=1500r/min, 查表选取节距 Pb=12.566mm, 齿形角 2β=40。 齿根厚 S=5.75mm。齿顶厚 St=4mm, 齿高 hg=ht+e=2.4+2.7=5.1mm, 齿根圆半径 Rr=齿顶圆半径 Ra=0.40mm, 带高 hs=4.4mm, 节顶距 δ=1.000mm, 带 bs=35~40mm。

11

4. 节圆直径 d1:d1=

p b z1

?

=121.2 ㎜

5. 大带轮齿数 z2 与直径:z2=iz1=60 6. 大带轮直径 d2=id1=1.5×96=242.2 ㎜ 7. 带的速度 V:V= 由表查得[13] Vmax=35~40 8. 定中心距 a0: V<Vmax 所以合格。
? d 1 n1
60 ? 1000

=7.536,

(式 4-1)

5(d1+d2) ≤a0≤2(d1+d2)

所以:0.7(96+144)≤a0≤2(96+144) 则有 168≤a0≤480 初选 a0=278

9. 带的节线长度 Lp 以及齿数 Zb: Lp0=2a0+
?
2

(d1+d2)+

(d 2 ? d 1 ) 4a0

=2300+

?
2

×240+

2304 4 ? 220

=978.72

(式 4-2)

查表选取 Lp=1005 ㎜ Zb=80 10. 计算中心距 a(采用中心距可调) a≈a0+ 选取 a=314 ㎜ 11. 带轮与带的啮合齿数 Zm: Zm≈
Z 2 [1 ? (Z 2 ? Z 1 ) 10 a Lp ? Lp 2

0

=300+ ?

278 . 5



(式 4-3 )

] =11.82

取 Zm=12

(式 4-4)

因为当 m≥2 时,Zm 应不小于 6 ,所以计算的 Zm 满足条件。 12. 带宽 bs: bs≥
Pd Kz ( Fa ? Fc )V ? 10
3

查表取 K
12

z=1.20,

Fa=20N/mm

(式 4-

5) Fc=mbV2=4.8×10-3 ×7.5362=0.273 所以 bs≥
9 . 35 1 . 20 ? ( 20 ? 0 . 273 ) ? 7 . 536 ? 10
3

? 39 . 12

㎜选取 bs=40 ㎜

13. 作用与轴上的力 Fr:
Pd V 9 . 35 7 . 536

Fr=

? 10

3

?

? 10

3

? 1240 . 7 N

(式 4-6)

14. 小带轮最小包角 ɑ: α≈180? ? -60 (d2-d1)/a=180。-60。 (144-96)/314=170.8。 15. 带轮宽度 bf, bf1, bf2 bf=bs+(1.5~3)=41.5~43 bf1=bs+(6~7)=46~47 bf2=bs+(3~5)=43~4[14]

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第四章 主轴组件的设计
主加工中心主轴组件是机床的一个重要组成部分, 除了具有一般数控机床主轴组 件所具有的主轴、 主轴支承及装在主轴上的传动件和密封件外, 还具有刀具自动加紧、 主轴自动准停和主轴装刀孔吹净等装置。轴组件主要包括:主轴、主轴支撑和安装在 主轴上的传动件、密封件等,因为主轴带动工件或刀具直接参加工件表面形成运动, 所以它的工作性能对加工质量和生产率产生直接影响,是机床最重要的部件之一。

4.1 主轴组件的设计要求
回转精度:主轴组件的回转精度,是指主轴的回转精度。当主轴做回转运动时, 线速度为零的点的连线称为主轴的得回转中心线。回转中心线的空间位置,每一瞬间 都是变化的,这些瞬间回转中心线的平均空单位转移不为理想回转中心线。瞬时回转 中心线相对于理想回转中心线在空间位置的距离,就是主轴的回转误差,而回转误差 的范围,就是主轴的回转精度。纯径转误差、角度误差和轴向误差,它们很少单独存 在。当径向误差和角度误差同时存在构成径向跳动,而轴向误差和角度误差同时存在 构成端面跳动。由于主轴的回转误差一般都是一个空间旋转矢量,它并不是在所有的 情况下都表示为被加工工件所得的加工形状。 主轴回转精度的测量,一般分为三种静态测量、动态测量和间接测量。目前我国 在生产中沿着传统的静态测量法, 用一个精密的检测棒插入主轴锥孔中千分表触头触 及检测棒圆柱表面,以低速转动主轴进行测量。千分表最大和最小的读数差既认为是 主轴的径向回转误差。端面误差一般以包括主轴所在平面内的直角坐标系的垂直度, 数据综合表示。动态测量是用一标准球装在主轴中心线上,与主轴中心线上,与主轴 同时旋转;在主轴同时旋转;在工作台上安装两个互成 90 度角的非接触传感器,通 过仪器记录回转情况。间接测量是用小的切削量用小的切削量回工有色金属试件,然 后在圆度仪上测量试件的圆度来评价。出厂时,普通级加工中心的回转精度用静态测
14

量法测量,当 L=300mm 时允许误差应小于 0.02 ㎜。造成主轴回转误差的原因主要是 由于主轴的结构及其加工精度、主轴轴承的选用及刚度等,而主轴及其回转零件的不 平衡,在回转时引起的激振力,也会造成主轴的回转误差。因此加工中心的主轴不平 衡量要控制在 0.4 ㎜/s 以下。 主轴刚度:主轴组件的刚度是指受外力作用时,主轴组件抵抗变形的能力。通常 抵以主轴前端产生单位位移时,在位移方向上所施加的作用力大小来表示。主轴组件 的刚度越大,主轴受力的变形就越小。主轴组件的刚度不足,在切削力及其他力的作 用下,主轴将产生较大的弹性变形,不仅影响工件的加工质量,还会破坏齿轮、轴承 的正常工作条件,使其加快磨损,降低精度。主轴部件的刚度与主轴结构尺寸、支撑 跨距、所选轴承类型及配置形势、砂间隙的调整、主轴上传动元件的位置等有关。 主轴抗振性:主轴组件的抗振性是指切削加工时,主轴保持平稳的运转而不发生 振动的能力。主轴组件抗振性及在必要时安装阻尼(消振)器。另外,使主轴固有频 率远远大于激振力的频率。 主轴温升:主轴组件在运转中,温升过高会起两方面的不良结果:一是主轴组件 和箱体因热膨胀而变形,主轴的回转中心线和机床其他件的相对位置会有变化,直接 影响加工精度; 其次是轴承等元件会因温度过高而改变已调好的间隙和破坏正常润滑 条件,影响轴承的正常工作。严重时甚至会发生: “抱轴” 。数控机床在解决温升问题 时,一般采用恒温主轴箱。 主轴的耐磨性:主轴组件必须有足够的耐磨性,以便长期保持精度。主轴上易磨 损的地方是刀具或工件的安装部位以及移动式主轴的工作部位。为了提高耐磨性,主 轴的上述部位应该淬硬,或者经过氮化处理,以提高硬度增加耐磨性。主轴轴承也需 要有良好的润滑,提高其耐磨性。 以上这些要求,有的还是矛盾的,例如高刚度和高速,高速和高精度等,这就要 具体问题具体分析, 例如设计高效数控机床的主轴组件的主轴应满足高速和高刚度的 要求;设计高精度数控机床时,主轴应满足高刚度、低温升的要求。同时,主轴结构 要保证个部件定位可靠,工艺性能好等要求。 提高主轴组件抗振性的措施 (1)尽量缩短主轴前轴承结构的长度, 适当增大跨矩;
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(2)尽量提高前轴承的刚度和阻尼; (3)提高前轴承的精度,把推力轴承放在前支撑初可提高抗振性; (4)对高速旋转的零件作静、动平衡,提高齿轮、主轴的制造精度都可适当减 少强迫振动源; (5)对于非连续切削过程的铣削,滚削等加装飞轮可减少振动;
(6)应用阻尼器消耗振动能量是有效的措施;考虑系统的固有频率,避免共振。

减少主轴组件热变形的措施 (1)把热源移至机床以外。 (2)改善主传动的润滑条件。如进行箱外循环润滑,用低粘度的润滑油、油雾 润滑等,特别注意前轴承的润滑情况。 (3)采用冷却散热装置。例如用热管冷却减少机床各部位的温差,进行热补偿。 如可以在结构设计采用一些自动补偿的装置设法使热变形朝不影响加工精度的方向 发展。还可以在工艺上减少热变形的影响。如先空运转一段时间再加工。把粗、精加 工分开等。

4.2 主轴材料的选择及尺寸、参数的计算
主轴是主轴组件的重要组成部分,它的结构尺寸和形状、制造精度、材料、及其 热处理,对主轴组件的工作性能都有很大的影响。主轴结构随系统设计要求的不同而 有各种形式。 主轴的主要尺寸参数包括:主轴直径、内孔直径、悬伸长度和支撑跨距。评价和 考虑主轴的主要尺寸参数的依据使主轴的刚度、 结构工艺性和主轴组件的工艺适应范 围。 1. 主轴直径 主轴直径越大,其刚度越高,但使得轴承和轴上其他零件的尺寸相应增大。轴承 的直径越大,同等级精度轴承的公差值也越大,要保证主轴的旋转精度就越困难。同 时极限转数下降。主轴后端支撑轴颈的直径可视为 0.7~0.8 的前支承轴颈值,实际 尺寸要在主轴组件结构设计时确定。前、后轴颈的差值越小则主轴的刚度越高,工艺 性能也越好。
16

2. 主轴内孔直径 主轴的内孔用来安放棒料、刀具夹紧装置固定刀具、传动气动或液动卡盘等。主 轴孔径越大,可通过的棒料直径也越大,机床的适用范围就越广,同时主轴部件的相 对重量也越轻。主轴孔径的大小主要受主轴刚度的制约。主轴的孔径与主轴的直径之 比,小于 0.3 时空心主轴的刚度几乎与实心主轴的刚度相当;等于 0.35 时,空心主 轴的刚度为实心主轴刚度的 90%;大于 0.7 时空心主轴的刚度急剧下降。一般可取其 比值为 0.5 左右。 根据设计要求,此设计选用的主轴材料是 45 号钢。其热处理及参数如下表 表 5-1 材 料 硬度 (HBS) 217~ 255 45 号钢热处理参数[13] 抗拉 限 640 屈服 限ζ 弯曲 疲劳极 限ζ
-1

剪切 疲劳极 限η
-1

许用 弯曲应 力[ζ
-1

热处理

强度极 强度极
s

] 60

调质、 45 渗氮

355

300

155

因为选用的主轴电机功率为 P=6.0KW,额定转速 nc=1500r/min 所以主轴功率 p=pc/η 1η 2η 3= 因为主轴是空心转轴,所以
6 .0 0 . 98 ? 0 . 97 ? 0 . 98

=9.67 kw

(式 5-1)

d1=21.68 × 3

M

2

? (? T )

2

?

.
3

1 1??
4

(式 5-2)

?1

查表得
3

1 1??
4

=1.23

所以 d1=21.68×1.2321.23=56.6 ㎜ 取 d1=60

又因为此处轴上有一个键槽,所以 d1=d×(1+5%)=59.45 ㎜

㎜;d2=d1+2a,a 为轴肩高度,用于轴上零件的定位和固定,故 a 值应该稍微大于毂孔 的圆角半径或倒角深,通常取 a≥(0.07~0.1)d1;d2 应符合密封件的孔径要求。 所以 d2=63mm
17

d3=d2+5~8mm=72mm。 d4=d3+1~5mm=74mm。 d5=d4+1~5mm=78mm。 d6=d5+2a。a≥(0.07~0.1)d1 所以 d6=80mm。 根据选用的轴承确定 d7=98mm 主轴的疲劳强度安全系数校核,危险截面安全系数 s 的校核计算: s=
s?

s? s? s?
2

≥[s]
2

(式 5-3)

? s

?

—只考虑弯距作用的安全系数;

sη —只考虑扭距作用是的安全系数; [s] —许用安全系数;[14] 在此查表所得[s]=1.3~1.5;sζ =
?
k?
?1

s? ?
m

? ?1
k?

? ??

? ? ?? ??

? ??

? ? ? ?? ? m

查表得出ζ -1=270Mpa

η -1=155Mpa

kζ =1.71

kη =1.44
M 2W

β =1.6 ζ m=ζ
α

ε M=
?d
32
3

ζ

=0.78
4

ε

η

=0.74,
d0 d

ψ ζ =0.3,ψ η =0.21,ζ α =


?d
16
3

(1 ? ? )

? ?

Wp=

(1 ? ? )
4

所以:s=
s

s? s?
2

=1.08<[s]=1.3~1.5
2

?

? s

?

所以主轴设计符合要求。 3. 主轴的轴端结构 主轴的轴端是用于安装夹具和刀具。 要求夹具和刀具在轴端定位精度高、 定位好、 装卸方便,同时使主轴的悬伸长度短。数控铣床的主轴端部结构,一般采用短圆锥法
18

兰盘式。 4. 轴主要精度指标 前支承轴承轴颈得同轴度约为 5?m 左右;轴承轴颈需要按轴承内孔“实际尺寸” 配合,并且需要保证配合过盈 1?m~5?m;锥孔与轴承轴颈得同轴度为 3?m~5?m,与 锥面的接触面积不小于 80%,且大端接触较好;装圆柱滚子轴承与轴承内圈的接触面 积应该不小于 85%。 5. 主轴动态特性的改善 改善主轴动态特性的措施有以下几个方面: (1)使主轴组件的固有频率避开激振力的频率 通常应该使固有频率高于激振力频率的 30%以上。如果发生共振的那阶模态属于 主轴在弹性基础上(轴承)的刚度振动则应提高轴承的刚度。如果属于主轴的弯曲振 动,则应提高主轴的刚度,如加粗直径。激振力可能来自主轴组件的不平衡,这时激 振频率等于主轴转速乘以π /30。也可能来自断续切削,这时激振频率还应该乘以刀 齿数 z。 (2)增大阻尼 如前面所述,低阶模态常是主轴的刚体振动。这时主轴轴承,特别是前轴承的阻 尼对主轴组件的抗振性影响很大。如果要求得到很光的加工表面,主轴又是水平的, 可用滑动轴承。滚动轴承适当预紧可以增大阻尼,但过大的预紧反而使阻尼减少,故 选择预紧时还应该考虑阻尼的因素。 (3)采用三支承 如主轴后端悬深很长,可增加辅助支承,成为三支承主轴。辅助支承可用深沟球 轴承,保留游动间隙。辅助支承的作用,与其说是提高刚度,不如说是为了提高抗振 性。[12]

4.3 主轴传动装置箱体的作用
通过传动轴承支撑传动件的轴;存储润滑剂,实现传动件和轴承的润滑;密封作 用,减少环境不良因素;保护机器操作者的人身安全,避免伤亡事故。

19

4.4 主轴箱体的截面形状和壁厚计算
传动装置箱体的典型纵截面形状为矩形或圆形。箱体壁厚 N 的计算: N=
2l ? b ? h 3000 ? 20 mm
[14]

(式 5-4)

4.5 主轴轴承的选择
主轴轴承是主轴组件的重要组成部分,它的类型、结构、配置、安装、调整、润 滑和冷却都直接影响了主轴组件的工作性能。 在数控机床上主轴轴承常用的有滚动轴 承和滑动轴承两大类。 滚动轴承摩擦阻力小,可以预紧,润滑维护简单,能在一定的转速范围和载荷变 动范围下稳定的工作。滚动轴承由专业化的工厂生产,选购维修很方便,在数控机床 上被广泛采用。但与滑动轴承相比,滚动轴承的噪声大,滚动体数目有限,刚度是变 化的,抗振性略差,并且对转速有很大的限制。数控机床主轴组件在可能条件下,尽 量使用了滚动轴承,特别是大多数立式主轴和主轴装在套筒内能够作轴向移动的主 轴。这时用滚动轴承可以用润滑脂润滑以避免漏油。滚动轴承根据滚动体的结构的不 同可分为球轴承、圆柱轴承、圆锥滚子轴承三大类。[6]

4.5.1 轴承的选择和轴承的精度
选用轴承时,首先是选择类型。选择轴承类型应考虑多种因素,如轴承所受载荷 的大小、方向及性质;轴向的固定方式;转速与工作环境;调心性能要求;经济性和 其他特殊要求等。滚动轴承的选,用原则课概括如下。 1. 载荷条件 轴承承受载荷的大小、方向、性质是选择轴承类型的主要依据。载荷较大时应选 用线接触的滚子轴承。受纯轴向载荷时通常选用推力轴承;主要受径向载荷时应选用 深沟球轴承;同时受径向和轴向载荷时应选用角接触轴承;受冲击载荷时宜选用滚子 轴承。 2. 转速条件
20

当转速较高且旋转精度要求较高时,应选用球轴承。推力轴承的极限转速低。当 工作转速较高,而轴向载荷不大时,可采用角接触轴承或深沟球轴承。对高速回转的 轴承, 为减小滚动体施加于外圈滚道的离心力, 宜选用外径和滚动体直径较小的轴承。 3. 装调性能 3 类(圆锥滚子轴承)和 N 类(圆柱滚子轴承)的内外圈可分离,便于装拆。为 方便安装在长轴上轴承的装拆和紧固,可选用带内缀孔和紧定套的轴承。 4. 调心性能 轴承内、外圈轴线间的偏位角应控制在极限值之内,否则会增加轴承的附加载荷 而降低其寿命。对于刚度差或安装精度较差的轴组件,宜选用调心轴承,如 1 类(调 心球轴承) 类(调心滚子轴承)轴承。 、2 5. 经济性 在满足使用要求的情况下优先选用价格低廉的轴承。 一般球轴承的价格低于滚子 轴承。轴承的精度要求越高价格就越高。在同精度的轴承中深沟球轴承的价格最低。 同型号不同公差等级轴承的价格比为:P0:P6:P5:P4=1:1.5:1.8:6。选用高精度轴承 时应进行性能价格比的分析。 本次设计中选用了的轴承是角接触轴承和双向推力向心球轴承。 角接触轴承可以 同时承受径向载荷和轴向载荷的联合作用,其轴上载荷能力的大小,随接触角的增大 而增大;轴承的精度,分为 2、4、5、6、0 五级。其中 2 级最高,0 级为普通精度级。 主轴轴承以 4 级为主。高精度主轴可用 P2 级。要求较低的主轴或三支撑主轴的辅助 轴承可用 P5 级。P6 级和 P0 级一般不用。
静压滑动轴承的油膜压强由液压缸从外界供给,与主轴转速的高低无关,承载能力不随转速 而改变,而且无磨损,启动和运转时摩擦力矩相同。所以静压转矩的回转精度高 ,刚度大。但 需要一套液压装置,成本较高,污染大。

21

4.5.2 轴承预紧力的要求
因为预紧力提高刚度有一定的效果,这是与线接触的滚子轴承不同的。点接触的 球轴承,应在温升允许的条件下,尽量用较高的预紧力。 在轴向力的作用下,不受力测轴承的滚动体与滚道不配时为最大轴向载荷的 35%;三联组配时为 24%。

4.5.3 轴承寿命校核
主轴轴承通常载荷相对较轻,除一些特殊的重载主轴外,轴承的承载能力是没有 问题的。主轴轴成的寿命,主要不是取决于疲劳点蚀,而是因为磨损而降低精度。通 常,如轴承精度为 P4 级,经使用导致磨损后跳动精度降至 P5 级时,这个轴承就不能 满足加工精度要求了。应该更换了。虽然还远未达到其疲劳寿命,但是这种“精度寿 命”目前还难以估算准确。 所选轴承按照每天两班工作制,每班工作 8 小时,预计使用五年。则 T=16×365 ×5=29200h 根据轴承寿命校核公式: Lh=
22

500 ( K AK

Cf
HP

n

)
LP

?

?T

KnK

(式 6-1) Lh----轴承寿命。 T----滚动轴承许用寿命。 C----滚动轴承额定动负荷。 fn----速度系数 fn= ?
1000 3n c ? 0 . 281

ε ----寿命指数。 对球轴承ε =3;对滚子轴承ε =10/3。 KA----使用系数。查表取 KA=1.2. Kn----转速变化系数,查表取 Kn=0.89。 KL----齿轮轮换工作系数,查表取 KL=0.8. P----当量动载荷。[14] 所以根据公式计算得:
? ? ? ? 1 . 2 ? 0 . 85 ? 0 . 89 ? 0 . 8 ? 3 . 28 ? 38 . 4 ? 0 . 281
3

Lh=500 ?

? 46013 . 8

h>T

因为轴承使用寿命远大于轴承预期的寿命所以轴承合格的。

4.6 联接键的选择
键的类型可根据联接的结构特点,使用要求和工作条件选择,键截面尺寸通常根 据轴的直径,从标准中选取,对于某些特殊情况(如阶梯轴)在保证传递所需的转矩 的条件下,允许选用较标准规定小一挡的截面尺寸,有时候由于工艺和强度原因,也 可以选用较标准规定尺寸大一挡的键,键的长度按轮毂长度而定,即键的长度等于略 短于轮毂的长度,而导向平键就得按轮毂的长度及滑动距离而定,键的长度应该符合 标准规定的长度系列。 根据设计尺寸和 GB/T1096-1979 选普通平键联接,键的公称尺寸是 b×h×L=10 ×8×(28~36),材料选取 45 号钢。
23

4.7 碟形弹簧的选择与计算
碟形弹簧它是一种用钢板冲压的截面锥形压缩弹簧,其特点是:

图 7-1 碟形弹簧 (1)刚度大,用于负荷大,轴向空间要求小的地方。 (2)具有变刚度特性,适应范围广,根据其极限变形量 h0 和弹簧板厚度 t 不同, 可有各种不同的特性曲线和承载能力。 (3)在工作过程中,碟片之间有摩擦损失,加载和卸载时的特性曲线不重合, 吸振能力强,制造维修方便。 根据设计要求,选用 A 系列碟形弹簧。采用对合组合方式安装。[17]

4.7.1 碟形弹簧材料及热处理、厚度和脱碳
碟形弹簧材料为 60Si2MnA, 碟簧成型后, 进行淬火, 回火后的硬度必须在 HRC42~ 45 范围内单面脱碳层深度,对于厚度小于 1.25mm 的第一类碟形弹簧,不得超过其厚 度的 5%,对于厚度不小于 1.25mm 的碟形弹簧,不超过其厚度的 3%(其最小值允许为 0.06 ㎜) 。

4.7.2 碟形弹簧的强压处理、表面强化处理和防腐处理
碟形弹簧应全部进行强压处理,处理方法为:一次压平,持续时间不少于 12h,
24

或者进行短时压平,压平次数不小于 5 次,压平力不小于二倍的 Pf=0.75h0,强化处理 后自由高度应稳定。 对于受变负荷的碟形弹簧,内锥面推荐表面作强化处理,例如喷丸处理等,根据 需要,碟形弹簧表面进行防腐处理(如磷化、氧化、镀锌等) ,经电镀后的碟形弹簧, 必须进行去氢处理,不过对受变负载的碟形弹簧应该避免采用电镀方法处理。[6] 其主要设计参数如下:D=50 f=0.83 D/t≈18 H0-f=3.27 d=25.4 t=3 h0=1.1 ζⅡ =1430 N/㎜ 2 H0=4.1 P=12000N

ζM=-1250N/㎜ 2

Q=34.30kg/1000 件

h0=0.4 E=206000N/㎜ 2 μ=0.3 K4=1 C=2

压平弹簧的负载: PC=
4E 1? ?2
2

?

t h0 K 1D
2

3

K

4

? 8410 N

(式 7-1)

? C ?1? ? ? 1 ? C ? K1= ? C ?1 2 ? ? C ? 1 ln C

2

=0.69,

(式 7-2)

P/Pc=5000/8410=0.59

因为 h0/t=0.4 (查表所得) 所以

f h0

? 0 . 57

f=0.57×h0=0.51

所以对合组合的片数为 I=

fZ f

?

6 0 . 51

? 11 . 76

取 12 片.

未受负载的高度是 HZ=i.H0=22×3.15=69.3 受负载时的高度 H1=HZ-if=69.3-22×0.51=58.08 压平弹簧时(f=h0)M 点的应力 ζM= ?
4E 1? ?
2

?

t

2 2

?K

K 1D

4

?

f t

?

3

?

? ? 1350

(式 7-3)

此数据与 60Si2MnA 的屈服极限 1400 接近 碟形弹簧的刚度 P=
4E 1? ?
2

?

t

3 2

K1 ? D

? ? ? K 4 ?K ? ?
2

2

2 ?? h ? 2 h0 f 3? f ? ? 0 ? ? ? ? ? ? 1? =9015.53N 4 ?? ? ? 3? t t 2? t ? ? ?? t ? ? ?

(式 7-4)

25

第五章
设计要求:

螺钉联接的设计

1.螺钉的布置一般对称形式,并应该根据结构和力流方向使螺钉受力合理,加工 与安装方便。 2.形心与结合面的形心应该重合。 3.用铰制孔螺钉(受剪切螺钉)承受横向载荷时,沿力流方向的螺钉应不多于 6 个。 4.一组螺钉的直径和长度应该尽量相同。 5.一组螺钉中每个螺钉的预紧力应该相同。 6.钉中心线间的最小距离 t=(1.5~2.0)s,s 为六角螺母的对边宽度,最大距 离与联接用途有关。 7.该满足拧螺钉时需要的最小扳手空间。 8.校核计算时只计算受力最大的螺钉。 六角头头部带槽螺钉:

图 8-1 六角头头部带槽螺钉

根据要求计算: 选用 M6 和 M8 两种螺钉,其中 M6 型号螺钉主要尺寸参数为:b=24, dk=9.78~10, K=3.9, t=2, B=4.15, l=10~60,精度等级为 8.8 级。 M8 型号螺钉主要尺寸参数为:b=28, dk=12.73~13, K=5, t=2.6, B=5, l=12~
26

80, 精度等级为 8.8 级。 螺钉的强度计算与校核: 承受横向载荷和轴向载荷的普通螺钉的校核 M6 螺钉 校核公式:4×1.3F0/(π d1)2≤[б ], 96.32≤[б ]=106.2 所以合格。 式中 (d1 是螺钉的螺纹小径,[б ]

设计公式:d1≥[4×1.3F0/π [б ]1/2 =5.96 是螺钉的许用拉应力)
[12]

结论
27

此次毕业设计所设计的题目是“数控铣床主轴箱结构设计”通过这次设计,我对 数控技术的发展现状有了一个全面地了解, 了解了数控技术在现在以及以后机械工业 中所起的作用,明白了数控技术的在以后工业的发展中所扮演的角色。为自己今后更 好的学习数控技术指明了方向。 通过这次毕业设计,使我对大学期间所学的知识,进行了融会贯通,有了一个全 新的认识,对以前许多不太清楚的地方,通过问老师和查资料的方法,已经明白了很 多,知道了自己以前学习的不足,所以以后应该更加努力。 此次设计,我认为最重要的就是使我明白了,无论做什么事情,要想做好,必须 态度端正;要善于学习,时刻学习;做事要严谨、认真,细致、不怕吃苦,还要有创 新精神。

致谢

28

历时几个月的实习接近尾声了,我的设计也基本上圆满完成了。此时回想过去设 计的日子,体会多多,感慨也不少。设计过程也如我所料,遇到不少的问题。幸好在 此过程中常得到高老师的指导、 同学们的帮助, 让我基本上解决了问题, 完成了设计。 最后交给指导老师,请她帮我检查。指导老师经过详细的检查后对我的设计给予 详细的、全面的批评指正和修改建议。我根据指导老师的修改建议,进行第二轮的修 改,修改完后再请老师过目指导,直到指导老师认为基本没什么错误为止。在此表示 衷心的感谢! 最后, 在此对在整个设计过程中, 给予我指导和帮助的老师同学表示衷心的感谢! 特别是我的指导老师高老师,对我设计给予悉心的指导,她对工作认真负责的态度也 是我学习的好榜样,我受益匪浅,在此再次表示衷心的感谢。

29

参考文献
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