车铣复合加工机床A28电主轴系统结构设计

南京工程学院 工 业 中 心 本科毕业设计（论文）开题报告 题目： 车铣复合机床 主轴系统结构设计 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： D 机加工 122 学 号： 231120418 学生姓名： 柯珂 指导教师： 刘桂芝 2016 年 3 月 11 日 本科毕业设计 (论文 )开题报告 学生姓名 柯珂 学 号 231120418 专 业 机械设计制造及其自动化 指导教师姓 名 刘桂芝 职 称 研究员级高级 工程师 所在院系 工 业 中心 课题来源 D、自拟课题 课题性质 A、工程设计 课题名称 车铣复合加工机床 主轴系统结构设计 毕业设计的 内容和意义 采用文献分析法、比较法 的方法 ，进 行车铣复合加工机床 主轴系统结构 的设计 ，主要是主轴箱零件，包括主轴箱主轴，轴承 隔套 ,锁紧螺母 , 迷宫法兰，齿形皮带轮，皮带轮、联结法兰等 。 毕业设计的具体内容： 1、进行机械制图绘制，绘制主轴箱装配图，主轴、轴承、螺母等零件图，和绘制主轴动平衡图 ,输出功率和扭矩图。 2、设计计算主轴切削扭矩，进行主轴的受力分析，计算主轴的刚度，计算轴承的寿命，分析轴承的刚度，磨损，润滑等。 3、 分析技术经济 和个零件的成本。 4、 翻译有关外文资料 并 撰写毕业设计说明书 。 本课题研究的意义： 本课题 对车铣复合加工机床 主轴结构 进行了设计， 车铣复合机床常应用于航空航天、汽车和模具等制造业中 ， 其意义如下： 1、 车铣复合高速电主轴使用内装式电机 ,取消了诸如齿轮、皮带等中间传动环节 ,实现了机床的“零传动”。铣车复合加工集传统铣削与车削加工技术于一身，可显著提高机械加工效率、降低生产加工 成本。 实现主轴的 C 轴功能，机床在加工时直接带动零件作旋转运动并与机床的 X 轴或与机床的 Z 轴联动， 提高机床的生产率。 2、了解到我国现在电主轴的技术实力较弱，创新能力严重不足，电主轴的关键可信部件不过关，与国外相比，我们还有很大的差距。了解到现代车铣复合电主轴向高速度。高精度、高生产率方向发展。通过对 合电主轴系统的设计，为以后更好的研究电主轴的高速、高精度化提供必要的理论依据。 3、针对这次设计，经常翻阅文献，对比各种书籍，认真分析，积极与同学讨论，向老师询问问题，增强了自己学习能力。在设计过程中，运用 了许多的书本知识，并发现这些知识都是在课堂上学习的，也对自己大学四年的学习进行了一个总的概述。 文献综述 一 、引言 随着数控应用技术、计算机技术以及机床研发技术的不断发展，复合机床技术应然 而生 1。复合加工指的是在某一设备上能够实现的多工序加工技术的总称，即当工件装夹完成后能通过控制系统完成车削、铣削、钻削、镗削等加工，因此复合加工拥有它非常优越的特点 2。高档数控机床正向高速度、高精度、高刚度、高效率、 复合化方向发展，具有诸多优点的铣车加工中心是现代数控机床发展方向之一。 二、国内外研究现状 早在 20 世纪 50 年代，就已出现了用于磨削小孔的高速电主轴，当时的变频器采用的是真空电子管，虽然转速高，但传递的功率小，转矩也小。随着高速切削发展的需和功率电子器件、徽电子器件和计算机技术的发展，产生了全固态元件的变频器和矢量控制驱动器；加上混合陶瓷球轴承的出现，使得在 20 世纪 90 年代初出现了用于铣削、钻削、加工中心及车削等加工的大功率、大转矩、高转速的电主轴 3。 在国外，高速电主轴已成为一种机 电一体化的高科技产品，由一些技术水平很高的专业工厂生产。国际上著名的电主轴生产厂家主要有：瑞士的 司， 司和 司，德国的 司和 司，美国的 司，意大利的司和 T 公司，日本的 司和 司。以及瑞典的 司等。当前国内外专业生产电主轴厂家多达几十家 4。在国外的厂家中，以德国 G 删和瑞士气最大、产品性能和质量也较好。 随着先进的电气传动技术 (如变频调速技术、电动机矢量控制技术等 )在高速 机床上的广泛应用，大大地简化了高速机床主传动的机械结构。高速机床基本上取消了带传动和齿轮传动等中间传动环节，其主轴由内装式电机直接驱动，从而把机床主传动链缩短为零，实现了机床主轴的“零传动” 5。 三、发展趋势 高速电主轴的结构紧凑、重量轻、惯性小、响应特性好，并可改善主轴的动 平衡，减少振动和噪声。是高速机床主轴单元的理想结构 6。 随着机床技术、高速切削技术的发展及实际应用的需要，对机床电主轴的性 能也提出越来越高的要求，电主轴技术的发展趋势主要表现在以下几个方面 78： (1)向高速度、高刚度方向发展 (2)向高速大功率、低速大转矩方向发展 (3)进一步向高精度、高可靠性和延长工作寿命方向发展 (4)电主轴内装电机性能和形式多样化 (5)向快速启、停方向发展 (6)轴承及其预载荷施加方式、润滑方式多样化 (7)刀具接口逐步趋于 柄技术 文献综述 (8)向多功能、智能化方向发展 为了适应国内外市场的需要，满足用户对高速、高精度及复合加工的需求，最大限度地一次性完成所有零件的表面加工，机床多轴复 合加工已日益普及，数控机床向复合化发展的趋势已经相当明显，精密、高效双电主轴铣车 (车铣 )复合加工中心的出现和发展就充分地体现了这种变化的趋势，马维新 9等介绍了德国西门子公司的双主轴数控机床，并对同步电主轴进行了研究。虽然铣车 (车铣 )复合加工中心的出现还不到 20 年，但发展速度很快，产品性能越来越完善。由于该设备加工适应能力强、工 艺范围广、装夹次数少、节约辅助时间、提高加工精度，深受航天、航空、兵器、汽车、能源及其他重点领域 10。 四、设计问题与解决 现代机床普遍精度不高，效率低，所以导致产品水 平不高，但车铣复合高速电主轴的结构紧凑、重量轻、惯性小、响应特性好，并可改善主轴的动平衡，减少振动和噪声，是高速机床主轴单元的理想结构。数控车床只能做轴向零件加工，主轴并不具备 c 轴功能，当需要进行工件表面加工的时候，就需要用到 c 轴功能，所以需用到车铣复合加工机床。车铣复合加工机床 主轴系统是由内藏式电主轴及高精度速度与位置反馈装置组成，使机床的主轴具有 C 轴功能，机床在加工时直接带动零件作旋转运动并与机床的 X 轴或与机床的 Z 轴联动，实现插补，完成零件的铣削功能。 为实现机床的 C 轴功能，通常 C 轴传动机构前端 的齿轮通过液压缸的拉动与主轴后端的齿轮啮合，动作简单，经常会出现齿顶齿的状况，使机床出现故障，多数情况啮合不上。用机械传动的方式实现 C 轴功能，主要是在不用改变主轴箱的基础上，增加一个 C 轴主轴箱就行，不过 过锥形环联轴套与主轴后端相连 ，使用的场合比较少，用起来十分麻烦。 C 轴功能就是 C 轴绕主轴进行回转。为了更好的实现 C 轴功能的方式主要有三种。第一种由电主轴直接驱动，电主轴的驱动惯性小，彻底的消除了传动链的间隙，切削较小零件和材质较软的材料时，如加工铜及铜和金、铝及铝合金，精度和零件表 面质量都会高，切削高硬质零件时也会满足零件的功能性要求。第二种是伺服主轴电机由带轮驱动，用带轮驱动方式转矩要比主轴的转矩大，所以只能加工一些较大的零件。第三种用进给伺服电机经减速器驱动。由于减速器的减速 比很大，所以 C 轴的输出扭矩也很大。当工 件主轴用作车削加工时需高速旋转，这时 C 轴的动 力传动系统必须与工件主轴脱离，否则会成为车削主 轴的阻碍。三种方式对比之下。电主轴驱动的方式实现 C 轴功能是最好不过的 11。 现阶段复合机床电主轴的润滑、冷却是主要解决的问题 ，电主轴的轴承承主要有流体静压轴承 、磁悬浮轴承和滚动轴承。而滚动轴承是高速电主轴的主要支撑元件且首 文献综述 先选择的是角接触轴承，因为角接触球轴承具有很好的高速性能。 轴承的润滑主要是为了降低滚珠与滚道的摩擦阻力、减轻磨损和延长轴承寿命，保证轴承正常工作。所以现在轴承的润滑装置一般采用油一气润滑 12或油雾润滑系统。油雾润滑虽然润滑效果良好，价格也比较便宜，但是会污染环境。所以选择油气润滑。电主轴的冷却主要指内装式主轴电机的冷却，电主轴运转时温度不能高，但也不能太低，一般大于 20，最高不超过 40， 所以一般选择油水油交换系统进行复合电主轴的冷却。 影响主轴部件工作性能的主要因素是它的刚度特性，在设计主轴部件时，应综合考虑力、扭矩、传动力的作用，来决定有关参数。轴承的径向刚度随着预紧力的增加而增大，也就是说，主轴刚度随着前轴承刚度的增加而显著增大。但后轴承预紧力的变化对主轴刚度的影响不大，而随着前轴承预紧力的增加，主轴刚度则显著增大。 文献综述 参考文献 1、 吴宝海，车铣复合加工的关键技术与应用前景 J航空制造技术， 2010， 19：43 45 2、 南朝子车铣复合机床改造的探索 J甘肃科技， 2002， 19(1)： 66 3、李彦数控机床高速电主轴技术及应用 J哈尔滨轴承， 2010， 31(2)： 4648 4、闫红卫，徐同申国内高速电主轴的应用与发展 J现代金属加 工， 2007， (3)： 58、张伯霖，张志润，肖曙红超高速加工与机床的零传动中国机械工 程， 1996， 7(5) 6、张伯霖，杨庆东高速切削技术及应用北京：机械工业出版社， 2002， 9 7、杨贵杰，秦冬冬高速电主轴的关键技术及发展趋势 J伺服控， 2010， (2):32 36 8、李 松生，杨柳欣，吴梅英数控机床用高速电主轴技术的现状与发展趋势 J世界制造技术与装备市场， 2003， (5)： 13 9、马维新 f 丽 815 型双主轴数控车床的设计制造 J制造技术与机床，2010(2)： 72 74 10、 李德珍李宪凯五轴车铣复合加工技术的现状与发展趋势 J航空制造技术 2009(12)47 50） 11、张行，陶征 等 基于 的铣削电主轴静动态分析性能 J制造技术与机床 2011（ 1）： 70 12、 et 997,211(1):22究内容 1、复合机床电主轴向高速化、高精度发展，所以电主轴的冷却和润滑是一个问题，对冷却系统和润滑方式进行研究。 2、 计算 确主轴切削扭矩 ，分析主轴的刚性和刚度，并研究轴承的润滑和磨损，还有轴承预紧力对主轴刚度的影响。从而对复合机床电主轴的结构进行了解与分析。 3、车铣复合加工是我国现在主要的发展方向，车铣复合加工主要是使主轴具有 实现复合加工机床 C 轴功能， 机床在加工时直接带动零件作旋转运动并与机床的 X 轴或与机床的 Z 轴联动，实现插补 。比较三种实现 c 轴功能的方法，选择出电主轴驱动的方式是实现 C 轴功能最好的方式。 研究计划 研究周期与时间安排 第 1 周 (收集资料，学习有关书籍文献，参观工厂，搜集设计过程中所要遵照的有关国家标准并进行学习 第 2 周 ( 提出完成课题的基本思路和方法， 完成该课题所采用的技路 线、方案，要设计和完成的任务 第 3 周 ( 完成开题报告及外文材料翻译 第 4 周 ( 主轴箱部件设计及计算，完成装配图草图设计 第 5 周 ( 绘制主轴动平衡图，确定主轴传递扭矩，绘制输出功率和扭矩 第 6 周 ( 完成主轴受力分析及前后轴承计算完成装配图 第 7 周 ( 设计毕业设计中期检查 第 8 周 ( 进行零件图计算机绘图 第 9 周 ( 完成零件图计算机绘图 第 10 周 ( 完成各零件及课题成本 分析，完成各零件成本及课题成本计算 第 11 周 ( 递交论文初稿 第 12 周 ( 修改论文并定稿 第 13 周 ( 完成定稿 第 14 周 ( 论文评审及答辩资格确定 第 15 周（ 毕业设计（论文）答辩 第 16 周（ 整理资料存档 特色与