带有卸荷装置的加工中心主传动系统设计(毕业论文+全套CAD图纸)(答辩通过)

充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 INSTITUTE OF TECHNOLOGY 毕 业 设 计 说 明 书 题目 ： 带有卸荷装置的加工中心主传动系统设计 二级学院（直属学部）： 机电工程学院 专业： 机械设计制造及其自动化 班级： 05机三 学生姓名： 胥 林 学号： 05010332 指导教师姓名： 张 海 宇 职称： 副教授 评阅教师姓名： 云 平 职称： 讲师 2009 年 6 月 KC021-1 机电工程学院毕业设计说明书 摘要 本文介绍了立式加工中心的一些基本概况，简述了机床主传动系统方面的原理和类型，分析了各种传动方案的机理。立式加工中心主传动系统由主轴电动机、主轴传动系统和主轴组件三部分组成。本文详细介绍了立式加工中心主传动系统的设计过程，该立式加工中心选用多楔带传动，该种传动方式的特点在于它能使主传动系统的结构比 较简单，而且避免了齿轮传动的振动和噪声。文中介绍了立式加工中心主传动系统各种传动方案优缺点的比较、主传动方案的选择和确定、主传动变速系统的设计计算、主轴组件的设计并确定主轴的卸荷装置和结构形式以及关键零件的校核等设计过程。 关键词 ： 数控机床 立式加工中心 主传动系统 主轴组件 卸荷装置 机电工程学院毕业设计说明书 Abstract Some basic concepts and the general knowledge of the vertical machining center were introduced in this paper. The principle and types of the main drive system, analysis mechanism of the transmission project are brief described. The spindle drive system of vertical machining center, including spindle drive motor, transmission and spindle subassembly. The design process of vertical machining center main drive system were introduced in detail in this paper. The vertical machining center used arc tooth timing belt drive, the species transmission features is that it enables the structure of main drive system is relatively simple, and to avoid the noise and vibration. Compared of the program merit and demerit are detailed, the program options and determines of vertical machining center spindle drive system is detailed, main gearshift system and spindle is subassembly designed in this paper. Key Words: CNC Vertical machining center Main drive system Spindle subassembly Unloading device 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 目 录 第一章 绪论 1 1.1、引言 1 1.2、数控机床的基本概况 1 1.3、加工中心的基本概念和分类 2 1.4、加工中心的结构组成 3 1.5、加工中心的发展趋势 3 第二章 加工中心主传动系统方案的确定 5 2.1 加工中心主传动系统简介 5 2.2 对加工中心主传 动系统的要求 5 2.3 主传动的类型及方案选择 6 2.4 主传动系统设计条件 7 第三章 主传动变速系统主要参数计算 8 3.1 计算切削功率 8 3.2 计算主传动功率 8 3.3 确定电动机型号 9 3.4 多楔带传动的计算 9 3.5 主轴的卸荷装置 11 3.5.1 径向力的卸荷 12 3.5.2 轴向力的卸荷 13 第四章 主轴组件设计 14 4.1 主轴组件的设计要求和步骤 14 4.1.1 主轴组件的设计要求 14 4.1.2 主轴组件的设计步骤 15 4.2 主轴的设计要求 15 4.2.1 主轴的主要尺寸参数 16 4.2.2 主轴轴端结构 16 4.2.3 主轴的材料和热处理 16 4.2.4 主轴主要精度指标 17 4.3 主轴滚动轴承 17 4.3.1 滚动轴承类型 17 4.3.2 主轴轴承配置与调整 17 4.4 主轴组件的设计计算 19 4.4.1 初选主轴直径 19 4.4.2 主轴悬伸量的确定 19 4.4.3 主轴最佳跨距的选择 19 4.5 主轴组件的校核计算 20 机电工程学院毕业设计说明书 4.5.1 主轴组件的刚度计算 20 4.5.2 主轴组件的强度计算 21 4.5.3 轴承的校核计算 23 4.5.4 键的校核计算 25 4.6 主轴内部刀具自动夹紧机构及切屑清除装置 26 4.7 主轴组件的润滑与密封 26 4.8 提高主轴组件性能的措施 27 结论 29 参考文献 30 致谢 31 买文档送全套图纸 扣扣 414951605 机电工程学院毕业设计说明书 1 机电工程学院毕业设计说明书 2 机电工程学院毕业设计说明书 3 第一章 绪 论 1.1、引 言 毕业设计是对我们大学四年期间所学知识的一次综合运用过程，是对大学四年所学知识的一次总结，是一次较全面的设计训练，是理论联系实际的重要实践性环节，是我们在理论学习和生产实践基础上迈向工程设计的一个转折点。在这一学习过程中，培养了我们运用所学知识解决问题的能力，提高了我们对产品整体设计把握的能力。通过这次毕业设计，可以培养和提高我们综合运用所学机械方面的课程和其它以前所学的各科基础知识和专业知识、结合生产实际去分析和解决工程实际问题的能力；可以学习机械设计的一般程序，熟悉和掌握通用机械零件、机床传动系统和简 单机械的设计方法和步骤，培养创造性思维能力和增强独立、全面、科学的工程设计能力；可以完成机械设计基本技能的训练，学会使用各种设计资料（标准、规范、手册、图册等）、经验估算、数据处理及编写设计计算说明书。 本次毕业设计的课题是设计一个带有卸荷装置的立式加工中心的主传动系统。参考TH5640 立式加工中心，初步了解到该型号立式加工中心主传动系统采用多楔带传动，从主轴电动机经一级带传动传递给主轴。在本文中，详细介绍了立式加工中心主传动系统传动方案的选择设计、电动机选型及功率的计算、多楔带传动的计算、各种零件的设机电工程学院毕业设计说明书 4 计并 确定主轴的卸荷装置和结构形式及关键零件的校核等设计过程。 1.2、 数控机床的基本概况 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、易于组成自动生产系统等优点 2。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号码或其他符号编码指令规定的程序 8。 1952 年，美国 PARSON 公司与麻省理工学院（ MIT）合作，研制出世界上第一台数控机床。从此机床行业， 乃至整个制造业和相关产业进入了一个新的发展阶段。在机床行业，由于采用了数控技术，许多过去在普通机床上无法完成的工艺内容得以完成，大量普通机床为数控机床所代替，这就极大地促进了机床行业的技术进步和行业发展。对于整个制造业，由于大量引用数控机床，使得产品质量大幅度提高，新产品开发周期明显缩短，满足了广大消费者求新和追求个性化的要求，从而形成了制造业与市场相互促进的发展趋势。一段时期内机床行业在技术发展上曾被视为“夕阳工业”，如今再度受到全世界的高度重视。在这一历史转变中，数控机床的产生与发展功不可没。此外，数控 机床的发展，还带动了众多相关产业和技术的发展。 随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高，更新换代频繁，生产类型由大批大量生产向多品种小批量生产转化。因此，对机械产品的加工相应地提出了高精度、高柔性与高度自动化的要求。在机床行业，由于采用了数控技术，许多过去在普通机床上无法完成的工艺内容得以完成，大量普通机床为数控机床所代替，这就极大地促进了机床行业的技术进步和行业发展。目前数控机床已经遍布军工、航空航天、汽车、造船、机车车辆、机床、建筑、通用机械、纺织、轻工、电子等几乎所有 制造行业 2。 综上所述，数控机床在促进技术进步和经济发展，提高人类生存质量和创造新的就业机会等方面，起着非常重要的作用。 数控机床是一种高效能自动加工机床，是一种典型的机电一体化产品。与普通机床相比，数控机床具有如下一些优点： 易于加工异型复杂零件；提高生产率；可以实现一机多用，多机看管；可以大大减少专用工装卡具，并有利于提高刀具使用寿命；提高零件的加工精度，易于保证加工质量，一致性好；工件加工周期短，效率高；可以大大减少在制品的数量；可以大大减轻工人劳动强度，减少所需工人数量等。 一般来说，数控机床可 分为数控车床、数控铣床、加工中心、车削中心几类 2。此次毕业设计主要是针对立式加工中心主传动系统设计，故以下介绍一些加工中心的应用和发展情况。 1.3、 加工中心的基本概念和分类 （ 1）加工中心的基本概念 在数控铣床的基础上，如果再配以刀具库和自动换刀系机电工程学院毕业设计说明书 5 统，就构成加工中心 2。加工中心的特点是它的刀具库能存放几十把甚至更多的刀具，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。加工中心是一种备有刀库并能自动更换刀具对工件进行许多工序加工的数控机床。在加工中心上 ，工件经一次装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量、刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助功能，依次完成工件一个或几个面上多工序的加工。加工中心能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和机床的调整时间，减少工件周转、搬运和存放时间，使机床的切削利用率（切削时间和开放时间之比）可达 80%以上，高于普通机床 3-4倍。尤其是在加工形状比较复杂，精度要求较高、品种更换频繁的零件时，加工中心更体现出良好的加工效果。所以说，加工中心不仅提高了工件的加工精度，而且是数控机床中生 产率和自动化程度最高的综合性机床。加工中心最先是在镗铣类机床上发展起来的，可称为镗铣加工中心，习惯上简称为加工中心 3。 （ 2）加工中心的分类 按照加工中心的形态不同进行分类，可分为立式、卧式和五坐标加工中心 1。 1） 立式加工中心 立式加工中心的主轴轴心线为垂直状态配置，结构形式多为固定立柱式，工作台为长方形，适合加工小型板类、盘类、壳体类零件。立式加工中心结构简单，占地面积小，价格底，配备各种附件后，可进行大部分工件的加工。 2） 卧式加工中心 卧式加工中心的主轴轴心线为水平状态配置，通常都 带有可进行分度回转运动的工作台，适合加工箱体类零件。它与立式加工中心相比，结构复杂、占地面积大、质量大、价格亦高。 3） 五坐标加工中心 五坐标加工中心兼具立式和卧式加工中心的功能，工件一次装夹后能完成除安装面外的所有侧面和顶面等五个面的加工，因此也叫五面加工中心。常见的五坐标加工中心有两种结构形式，一种是主轴可以 90旋转，另一种是工作台可以 90旋转。 1.4、 加工中心的结构组成 1958 年美国的卡尼 特富克公司在一台数控镗铣床上增加了自动换刀装置，第一台加工中心问世。随后，出现了各种类型的加工中 心，有立式加工中心、卧式加工中心、五坐标加工中心等。虽然加工中心的外型结构不尽相同，但从总体上看，加工中心基本上由以下几部分组成：基础部件、主轴系统、控制系统、伺服系统、自动换刀装置、辅助系统、自动托盘更换系统等 3。 （ 1）基础部件 由床身、立柱和工作台等大件组成，是加工中心的基础构件，它们可以是铸铁件，也可以是焊接钢结构件，均要承受加工中心的静载荷以及在加工时的切削载荷。故必须是刚度很高的部件，亦是加工中心质量和体积最大的部件。 （ 2）主轴组件 它是主轴箱、主轴电机、主轴和主轴轴承等零件组成。其启 动、停止和转动等动作均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。主轴是加工中心的关键部件，其结构优劣对加工中心的性能有很大机电工程学院毕业设计说明书 6 的影响。 （ 3）控制系统 单台加工中心的数控部分是由 CNC 装置、可编程序控制器、伺服驱动装置以及电机等部分组成。它们是加工中心执行顺序控制动作和完成加工过程中的控制中心。 （ 4）伺服系统 伺服系统的作用是把来自数控装置的信号转换为机床移动部件的运动，其性能是决定机床的加工精度、表面质量和生产效率的主要因素之一。加工中心普遍采用半闭环、闭环和混合环三 种控制方式。 （ 5）自动换刀装置 它由刀库、机械手和驱动机构等部件组成。 （ 6）辅助系统 包括润滑、冷却、排屑、防护、液压和随机检测系统等部分。辅助系统虽不直接参与切削运动，但对加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起到保障作用，因此，也是加工中心不可缺少的部分。 （ 7）自动托盘更换系统 有的加工中心为进一步缩短非切削时间，配有两个自动交换工件托盘，一个安装在工作台上进行加工，另一个则位于工作台外进行装卸工件。当完成一个托盘上的工件加工后，便自动交换托盘，进行新零件的加工，这样可减少辅助时间，提高加工工 效。 1.5、 加工中心的发展趋势 随着科学技术的发展，机械产品的形状和结构不断改进，对零件加工质量的要求也越来越高。随着社会对产品多样化需求的增强，产品品种增多，产品更新换代加速。这使得数控机床在生产中得到更广泛的应用，并不断地发展。尤其是随着柔性制造系统的迅猛发展和计算机集成制造系统的兴起和不断成熟，对机床 CNC 系统提出更高的要求。现代数控机床（加工中心）正在向更高速度、更高精度、更加高度自动化、更高可靠性及更完善的方向发展 20。 （ 1）高速度 加工中心向高速度发展的主要目的是提高生产率，主要措 施是提高主轴转速、提高进给速度和缩短辅助时间等。 1）提高主轴转速 近些年来，加工中心的主轴转速普遍提高。中、小型加工中心的主轴最高转速大部分提高到 5000-6000r/min,有的加工中心已达到 40000r/min。为此，在主轴轴承的材料、结构、润滑方式，主轴组件的结构，电机的冷却防振措施等方面都进行了大量工作。例如某些高速加工中心主轴采用了陶瓷流动体轴承，润滑方式采用了油气润滑以及主轴系统进行严格的动平衡等。 2）提高进给速度 一般的加工中心，进给速度可达 1-2m/min,快速移动速度已达33m/min，逐步靠近 50m/min。为了实现高速，数控装置可进行快速处理。例如采用数控高速转换器，将数据快速传递；采用 32 位的计算机数控装置等。在机械结构方面也相应地采取了措施，例如采用大导程滚珠丝杠和滚动导轨等。驱动元件采用交流伺服电机也有利于提高伺服进给的速度。 3）缩短辅助时间 缩短辅助时间包括缩短换刀时间、刀具移近或离开工件的时间及工件装卸时间等。现在许多小型加工中心的换刀时间达到 1-2s,有的已缩短到 0.5s。机电工程学院毕业设计说明书 7 快移速度又有所提高，以缩短刀具移近或离开工件的时间。 （ 2）高精度 在工厂的一般情况下，加 工中心的加工精度可达 IT7级，经过努力可以达到 IT6 级。镗孔加工时，如提高主轴主件的刚度和精度，其加工孔径公差可达 IT4级。提高加工中心加工精度的主要措施是提高编程时的圆弧插补精度、机床定位精度和精度补偿技术。世界许多国家都在进行机床运动和负载变形误差以及机床热误差的软件补偿技术的研究，有的可消除此类误差的 60%。 高精度加工中心，目前已达到坐标镗床的精度水平。所采用的数控系统，其最小设定单位（分辨率）可达 0.1m。这类高精度加工中心，必须在恒温、恒湿的环境中工作。 （ 3）高度自动化 为了进一步提高自动 化程度，加工中心的硬件和软件采取了许多改进措施。例如采用对话系统，可使操作方便、操作时间短、检验及时以及差错率低。在现代数控机床上，装有各种类型监控、检测装置，实现了工件的自动检测和刀具的监控，从而提高了数控机床的自动化程度，保证了数控机床长时间工作时的产品质量。 （ 4）可靠性的提高 由于现代机床、加工中心 CNC 系统的模块化、通用化和标准化，便于组织批量生产，故可保证产品质量。现代 CNC 系统大量采用大规模或超大规模集成电路，采用专用芯片或混合式集成电路，提高了集成度，减少了元器件数量，降低了功耗，提高了可 靠性。 （ 5）采用自动程序编制技术 现代机床 CNC 系统利用其自身很强的存储及运算能力，把很多自动编程功能植入 CNC 系统。在一些新型的 CNC 系统中，还装入了小型工艺数据库，使得 CNC 系统不仅具有在线零件程序编制功能，而且可以在零件程序编制过程中，根据机床性能、工件材料及零件加工要求，自动选择最佳刀具及切削用量。有的 CNC 系统还具有自适应控制功能。 第二章 加工中心主传动系统方案的确定 2.1 加工中心主传动系统简介 加工中心主传动系统是由主轴电动机、主轴传动系统以及主轴组件组成 1。它是加工中心的主要组成 部分。和常规机床主轴系统相比，加工中心主轴系统具有更高的转速、更高的回转精度以及更高的结构刚性和抗振性。 2.2 对加工中心主传动系统的要求 由于加工中心具有更高的加工效率，更宽的使用范围，更高的加工精度 1，因此，它的主轴系统必须满足如下要求。 （ 1）调速功能 15 为了适应不同工序、各种工件材料及刀具等各切削工艺要求，主轴必须具有一定的调速范围并实现无级变速，以保证加工时选用合理的切削用量，从而获得最佳切削效率、加工精度和表面质量。调速范围的指标主要由各种加工工艺对主轴最低速度和最高速度的要求来确定 。目前加工中心主轴基本实现无级变速。 （ 2）精度和刚度要求 具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪声低。加工中心加工精度与主轴系统精度密切相关。主轴部件的精度包括旋转精度和运动精度。旋转精度机电工程学院毕业设计说明书 8 指装配好后，在无载荷和低速转动条件下，主轴前端工作部位的径向和轴向跳动值。主轴部件的旋转精度取决于部件中各个零件的几何精度、装配精度和调整精度。运动精度指主轴在工作状态下的旋转精度，这个精度通常和静止或低速状态的旋转精度有较大的差别，它表现在工作时主轴中心位置的不断变化，即主轴轴心漂移。运动状态下的旋转精度取决于主轴的工作 速度、轴承性能和主轴部件的平衡。 静态刚度反映了主轴部件或零件抵抗静态外载的能力。加工中心多采用抗弯刚度作为衡量主轴部件刚度的指标。影响主轴部件弯曲刚度的因素很多，如主轴的尺寸形状，主轴轴承的类型、数量、配置形式、预紧情况、支承跨距、主轴前端的悬伸量等。 （ 3）动态响应性能 要求升降速时间短，调速时运转平稳。对有的机床需同时能实现正反转切削，则要求换向时均可进行自动加减速控制。 （ 4）抗振性和热稳定性要求 加工中心在加工时，由于断续切削、加工余量大且不均匀、运动部件速度高且不平衡，以及切削过程中的自振等 原因引起的冲击力和交变力的干扰，会使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至破坏刀具和主轴系统中的零件。主轴系统的发热使其中所有零部件产生热变形，破坏相对位置精度和运动精度，造成加工误差。为此，主轴组件要有较高的固有频率，保持合适的配合间隙并进行循环润滑等。 （ 5）具有刀具的自动夹紧功能 加工中心突出的特点是自动换刀功能。为保证加工过程的连续实施，加工中心主轴系统与其他主轴系统相比，必须具有刀具自动夹紧功能。 （ 6）功率要求 要求主轴具有足够的驱动功率或输出转矩，能在整个速度范围内提供切削所需 功率和转矩，以满足机床强力切削时的要求。 （ 7）主轴定位功能要求 主轴准停功能又称主轴定位功能（ Spindle Specified Position Stop）。即当主轴停止时，控制主轴停在固定的位置，这是自动换刀所必需的功能。在自动换刀的数控镗铣加工中心上，切削转矩通常是通过刀杆的端面键来传递的，这就要求主轴具有准确定位于圆周上特定角度的功能。此外，在通过前臂小孔镗内壁的同轴大孔，或进行反倒角等加工时，要求主轴实现准停，使刀尖停在一个固定的方位上（或在 X 轴方向上，或在 Y 轴方向上），以便主轴偏移一定尺寸后 大刀刃能通过前臂小孔进入箱体内对大孔进行镗削。 2.3 主传动的类型及方案选择 加工中心主传动系统主要有以下四种形式。 （ 1）二级齿轮变速传动 低速主轴通过采用齿轮变速机构或同步带传动降速，增大输出转矩，以满足主轴输出转矩特性的要求。该种主轴电动机经过二级齿轮变速，使主轴获得低速和高速两种转速系列，这是大中型加工中心机床采用较多的一种配置方式。这种分段无级变速，确保低速时的大转矩，满足机床内转矩特性的要求。滑移齿轮常用液压拨叉或电磁离合器来改变其位置。 （ 2）定比传动 该种传动方式经定比传动传递给主轴，定 比传动采用齿轮传动或带传动。带传动主要用于小型机床上，可以避免齿轮传动的噪声与振动。它适用于高速、机电工程学院毕业设计说明书 9 低转矩特性要求的主轴。常用的是 V 带和同步齿形带。本次设计的立式加工中心的主传动系统即采用同步齿形带，具体选择原理及方案将在后文详述。 （ 3）由主轴电动机直接驱动 该种传动方式的电动机轴与主轴用联轴器同轴连接。这种方式大大简化了主轴结构，有效地提高主轴刚度。但主轴输出转矩小，电动机的发热对主轴精度影响大。 （ 4）内装电动机主轴 高速主轴要求在极短时间内实现升降速，在指定位置快速准停，这就要求主轴具有很高的角加 减速度。通过齿轮或传动带这些中间环节，常常会引起较大振动和较大噪声，而且增加了转动惯量。为此将主轴电动机与主轴合而为一，制成电主轴，即主轴与电动机转子合为一体。电动机的轴就是主轴本身，而电动机的定子被拼入在主轴内。实现无中间环节的直接传动，是主轴高速单元的理想结构。电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，它与直线电机技术、高速刀具技术一起，将把高速加工推向一个新时代。电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置 等。电主轴所融合的技术有以下几个方面 1。 高速轴承技术 电主轴通常采用复合陶瓷轴承，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍；有时也采用电磁悬浮轴承，或静压轴承，内外圈不接触，理论上寿命无限长。 高速电机技术 电主轴是电机与主轴融合在一起的产物，电机的转子即为主轴的旋转部分，理论上可以把电主轴看作一台高速电机，其关键技术是高速度下的动平衡。 润滑 电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑；也可以采用脂润滑，但相应的速度要受到影响。所谓定时，就是每隔一定的时间间隔注一次油，所谓定量，就是通过一个叫做定 量阀的器件，精确地控制每次润滑油的注油量。而油气润滑，指的是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。油量控制很重要，太少，起不到润滑作用；太多，在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热。 冷却装置 为了尽快给高速运行的电主轴散热，通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂，冷却装置的作用是保持冷却剂的温度。 内置脉冲编码器 为了实现自动换刀及刚性攻丝，电主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相位控制以及与进给的配合。 自动换刀装置 为了适用于加工中心，电主轴配备了能进行自动换刀的装置，包括碟形簧、拉刀油缸。 高速刀具的装卡方式 常用的 BT、 ISO 刀具，已不适合于高速加工。这种情况下出现了 HSK、 SKI 等高速刀柄。 高速变频装置 要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必须用高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电机，变频器的输出频率甚至需要达到几千赫兹。 由于取消了主轴齿轮箱的传动与电动机的连接，因而主轴组件结构更紧凑、质量小、惯量小，可提高启动、停止的响应特性，并利于控制振动和噪声。缺点同样是热变形问题，即电动机运转产生的热量易使主轴产生热变形。因此，温度控制和冷却是使用内装电动机主轴的关键问题。 例如日本研制的某立式加工中心主轴组件，其内装电动机主轴最高转速可达 20000r/min。 机电工程学院毕业设计说明书 10 目前高速主轴已商品化，如瑞士 IBAG 主轴制造厂生产的主轴单元，其转速可达到12000 14000 r/min，直径范围 33 300mm，功率范围 125 80kW，转矩范围 0.02300Nm。美国 Precise 公司研制的 SC40/120 主轴，最高主轴转速达到 120000 r/min。 本次设计的立式加工中心主轴的转速范围为 20 6000 r/min，主轴电动机采用标准型交流调速主轴电动机，传动采用多楔带实现。 这种传动 方式多用于数控车床和中、小型加工中心，可避免齿轮传动时引起的振动和噪声。 多 楔带传动功率大，空间相同时多楔带比普通 V带的传动功率约高 30%；带体薄，富有柔软性，比较能适应带轮直径小的传动；适应高速传动，带速可达 40m/s，使用伸长小，发热小，振动小，运转比较平稳 。因此在加工中心中得到了优先选用 15。其传动装置简图如图 2-1所示。 2.4 主传动系统设计条件 切削性能参考值（工件材料 45）：面铣时，刀具直径 100mm，刀齿数 5，切削深度 4mm，切削宽度 70mm，主轴转速 1500rpm，进给速度 600mm/min；钻孔时，刀具直径（高速钢） 30mm，主轴转速 400rpm，进给速率 100mm/min；采用多楔带传动；主轴锥度ISO40。 第三章 主传动变速系统主要参数计算 3.1 计算切削功率 10 由金属切削手册 P4-112 例 3，对面铣这种典型加工情况。 平均切削厚度 4.04.04.04.026.160s in26.1s inn Z BDsBxDs r 分齿平均=4.04.0705150026.1 60s in100600 =0.063mm 金属切削率 51068.1704600 tBsZw 分mm3/min 由 图 4-17 查得，单位切削功率在 510)0.30.2( kW/（ mm3/min） 。考虑到工件材料强度不高，取 51078.2 sNkW/（ mm3/min） ，则： 切削功率 67.41068.11078.2 55 wsC ZNPkW 主 轴电动机图 2-1 传动装置简图 机电工程学院毕业设计说明书 11 又由金属切削手册 P4-112 例 2，对钻孔这种典型加工情况。 每分进给量 25.0400100 分smm/r 平均切削厚度 107.059s in225.0s in2 rxs平均mm 金属切削率 422 1006.74 3025.040014.34 n s DZ w mm3/min 由图 4-17 查得，单位切削功率在 510)5.75.5( kW/（ mm3/min） 范围内，综合工件材料分析，取 5106.6 sNkW/（ mm3/min） ，则： 切削功率 wsC ZNP 45 1006.7106.6 66.4 kW 综上，可取切削功率 6.4CPkW。 3.2 计算主传动功率 机床主传动系统的参数有动力参数和运动参数。动力参数是指主运动驱动电机的功率，运动参数是指主运动的变速范围。 （ 1）主传动功率 机床主传动的功率 P 可根据切削功率 PC 与主运动传动链的总效率 来确定 1 CPP加工中心的加工范围一般比较大，切削功率 PC 可根据有代表性的加 工情况，由其主切削抗力 Fz 按下式来确定 6 5 5 0 0 06 0 0 0 0 MnvFP zC （ kW） 式中 Fz 主切削力的切向分力， N； v 切削速度， m/min； M 切削转矩， Ncm； n 主轴转速， r/min。 加工中心主传动的总效率一般可取为 =0.70 0.85,加工中心的主传动多用调速电机和有限的机械变速传动来实现，传动链较短，因此，效率可取较大值。 主传动中各传动件的尺寸都是根据其传动功率确定的，如果传动功率定得过大，将使传动件的尺寸粗大而造成浪费，电动机常在低负载下工作 ，功率因数很小而浪费资源。机电工程学院毕业设计说明书 12 如果功率定得过小，将限制机床的切削加工性能而降低生产率。因此，要较准确合适地选用传动功率。由于加工情况多变，切削用量变化范围较大，加之对传动系统因摩擦等因素消耗的功率也难于掌握，因此，单纯用计算的方法来确定功率尚有困难，通常要用类比、测试、理论计算等几种方法相互比较来确定。 这里按较高的传动效率取值，取 =0.83，则： 主传动功率 54.583.0 6.4 CPP kW 取 5.5P kW （ 2）主运动的调速范围 由带有卸荷装置的加工中心主传动系统设计说明书可知，所设计立式加工中心主轴的变速范围在 20r/min 6000r/min。 3.3 确定电动机型号 10 根据现代实用机床设计手册（下册），选择主轴电动机。这里选择 FANUC-S 系列标准型交流主轴电动机。型号为 6S 型，连续负载 5.5kW，短时负载 30min， 7.5kW，额定转速 1500r/min，最大转速 6000r/min，输出力矩 35.0Nm，惯性矩 0.086。 3.4 多楔带传动的计算 参照机械传动装置设计手册 8.2，多楔带设计举例以及机械设计手册上关于带传动的设计计算介绍，并由前述能知以下已知条件：电动机功率 P=5.5kW，转速n1=1500r/min，从动轮 n2=1500r/min，传动比 115 0015 0021 nni ，二班制工作，中心距可调。 （ 1）确定设计功率 7 由铣床、二班制工作等条件查机械设计手册表 13-1-58，取工况系数 KA=1.4，则： 设计功率 7.75.54.1 K A PPdkW （ 2）选定带型和节距 根据 Pd=7.7kW， n1=1500r/min，由机械传动装置设计手册图 8-21 选取 PL 型多楔带。 （ 3）小带轮有效直径 由表 8-90 得，因为 75min ed,初选 mmde 1701 大带轮有效直径 mmde 1702 mmeddep（ 4）计算带速 smsmndV p /30/1 8 6.131 0 0 060 1 5 0 014.31 7 61 0 0 060 11 所以合适。 机电工程学院毕业设计说明书 13 （ 5）初定中心距 根据 )(2)(7.021021 eeee ddadd 即 2380a 680 所以初选0a=250mm （ 6）带的有效长度 mma ddddaL eeeee 8.10332504 )170170()170170(214.325024 )()(22 202122100 由表 8-52，选择 mmLe 1030（ 7）计算中心距 a 中心距可调，则实际中心距为： mmLLaa ee 2482 8.103310302502 00 （ 8）小带轮包角 a dd ee 211所以 o1801 （ 9）带每楔所传递的额定功率及其增量 由带型， mmde 1701 ， rpmn 15001 ，按表 8-55 插值法计算得： KWP 465.20 由于 i=1，所以 00 P（ 10）带的楔数 由公式 Z=Ld KKPP P)( 00 （其中 K为包角修正系数； LK 为带长修正系数） 由表 8-56，得， 1K96.0LK 所以 25.396.01465.27.7)( 00 Ld KKPPPZ由表 8-51，选取 Z=6 （ 11）有效圆周力计算 机电工程学院毕业设计说明书 14 NVPF dt 3.55710816.13 7.710 33 （ 12）作用于轴上的力 21SinFKF trr （ rK带与带轮楔合系数，见表 8-58） 取 50.1rK得， rF 21SinFKF trr =1.5023.557 1Sin=835.98N （ 13）带轮的结构和尺寸 综上所选的多楔带 为 6PL1030 由表 8-51 查得，槽距 e=4.7，槽角 a= o40 ，有效线差 3e3.5 主轴的卸荷装置 随着科技的发展，加工中心主轴的转速越来越高，这种趋势必然会去主轴的精度和刚度提出了更高的要求。主轴在告诉旋转的过程中，由于动力输入源存在径向力（如：带拉力）作用在主轴后端：动力源与主轴安装不同心使主轴产生的内应力变形，使主轴回转综合精度收到影响。同样主轴再松刀过程中会受到很大的轴向力的影响，这种影响会导致主 轴运动精度及主轴使用寿命。在通常情况下，采用卸荷装置来减小上述因素对主轴的影响，能收到很好的效果。本设计就是采用卸荷装置，是主轴所受到的径向载荷和轴向载荷转移到床身上以达到加工精度的要求。 图 3-1 卸荷装置图 1-多楔带轮 2-卸荷传动轴 3-拉杆 4-螺钉 5-碟形弹 簧 6-角接触球轴承 7-内隔套 8-支架 9-外隔套 10-垫片 3.5.1 径向力的卸荷 机电工程学院毕业设计说明书 15 随着加工零件精度的不断提高，对高速回转主轴的综合回转精度提出了越来越高的要求，如一些高速大功率高精度的加工中心 的回转主轴转速已经达到 20000r/min,甚至更高，综合回转的精度要求小于 4m,甚至 0.5m,要达到如此高的主轴转速和主轴回转精度，除了提高主轴自身的回转精度外，同时也采用卸荷装置来减少主轴后端的径向作用力。本设计由于动力源即多楔带带传动过程中会产生张力，张力会作用在主轴的后端上，但主轴加工精度的要求是不允许主轴后端承受径向作用力的，所以我们采用卸荷装置消除这一影响。如图 3-1 所示： 电动机动力通过多楔带传递给卸荷传动轴，多楔带在传递动力的过程中会产生一定的张力，这就使得传动轴的后端产生径向载荷 ，为了消除径向载荷的影响我们做了一个卸荷传动轴，就是把主轴做成两段，后端我们叫他卸荷传动轴，如图 3-2所示。带的张力传递到卸荷传动轴 2上，卸荷传动轴 2通过螺钉 4固定在拉杆套上，所以径向载荷传递到拉杆套上，拉杆套与传动轴固定在轴承座上，因为我们选用的是角接触 球 轴 承 ， 四 个 一 组 ， 背对背安装，角接触球轴承是可以承受径向载荷的，所以一部分的载荷通过轴承 6传递到外隔套9上，外隔套 9 是和支架 8 一起连接在箱体上的，也就是说径向载荷大部分传递到了主轴箱体上面去了，达到 卸掉主轴径向载荷的作用，又因为主轴和卸荷传动轴做成了两段，没完全卸载掉的载荷也不会对主轴的精度产生影响，保证了主轴的旋转精度。 3.5.2 轴向力的卸荷 一般的加工中心在松刀过程中，主轴轴承要承受很大的轴向力，大约 15-20KN，当气缸得到主轴松刀信号时，气缸左腔通入压缩空气，活塞推杆向右运动，与拉杆 3 左端面接触后，拉杆 3 受压向右运动，拉杆 3通过拉杆套和垫片，压缩碟形弹簧 5，碟形弹簧5将受到的作用力通过垫片 10 传递到主轴上，主轴受到此向右的轴向力后有向右运动的趋势，主轴前端背对背安装的 4个一组的角接触 球轴承必须限制这种趋势，因此主轴轴承要承受主轴传来的向右的轴向力，当汽缸活塞运动到最右端时，此时夹刀的弹簧卡爪应经松开拉钉，刀具已松开，碟形弹簧变形量最大，反作用力也最大，将达到大约15-20KN，这就是主轴轴承受到的轴向力，如此大的轴向力会对主轴轴承的旋转精度、性能、使用寿命带来很大的影响。为了解决上述问题，我们把加工中心的主轴结构设计成如图 3-1 所示。 当气缸得到主轴松刀信号时，气缸左腔通入压缩空气，活塞推杆向右运动，与拉杆 3左端面接触后，拉杆 3受压向右运动，松刀过程的初始阶段主轴轴承会承受一点轴 向力，但此时碟形弹簧的压缩量很小，所以主轴受到的力对主轴的影响非常小。随着弹簧压缩量的增大，卸荷传动轴的作用就得到了体现，拉杆 3和拉杆套通过螺钉 4 固定在卸荷传动轴上，卸荷传动轴把受到的载荷通过角接触球轴承把受到的轴向载荷通过外隔套轴承图 3-2 卸荷传动轴 机电工程学院毕业设计说明书 16 座转移到了箱体上。最终传递到主轴轴承的上的轴向载荷很小，主轴轴承完全可以卸载掉，不会影响主轴轴承的寿命和旋转精度。 第四章 主轴组件设计 主轴组件是机床的重要部件之一，它是机床的执行件。它的功用是支承并带动工件或刀具旋转进行切削，承受切 削力和驱动力等载荷，完成表面成形运动。主轴组件由主轴及其支承和安装在主轴上的传动件、密封件等组成。由于数控机床的转速高，功率大，并且在加工过程中不进行人工调整，因此要求良好的回转精度、结构刚度、抗振性、热稳定性及精度的保持性。对于自动换刀的数控机床，为了实现刀具在主轴上的自动装卸和夹持，还必须有刀具的自动夹紧装置、主轴准停装置和切屑清除装置等机构。 主轴组件的工作性能对整机性能和加工质量以及机床生产率有着直接影响，是决定机床性能和技术经济指标的重要因素。因此，对主轴组件有较高的要求 14。 4.1 主轴组件 的设计要求和步骤 加工中心主轴组件应有更高的动、静刚度和抵抗热变形的能力。它的性能，对整机性能有很大的影响。主轴直接承受切削力，转速范围又很大，所以对主轴组件的主要性能提出如下要求。主轴组件主要包括主轴、主轴支承（轴承）、安装在主轴上的传动件、密封件、刀具自动卡紧机构等组成。 4.1.1 主轴组件的设计要求 主轴组件应达到以下几点设计基本要求 1。 机电工程学院毕业设计说明书 17 （ 1）回转精度 指机床在空载低速旋转时（机动或手动），主轴前端安装工件或刀具部位的径向和轴向跳动值满足要求（其值可参见有关机床精度标准）。目的是保证加工中心零 件的几何精度和表面粗糙度。当主轴做回转运动时，线速度为零的点的连线称为主轴的回转中心线。回转中心线的空间位置 ，在理想的情况下应是固定不变的。实际上，由于主轴组件中各种因素的影响，回转中心线的空间位置每一瞬间都是变化的，这些瞬时回转中心线的平均空间位置称为理想回转中心线。瞬时回转中心线相对于理想回转中心线在空间的位置距离，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。纯径向跳动，而轴向误差和角度误差同时存在时，构成径向跳动，而