数控铣床主轴箱结构设计-开题报告

南京工程学院 工 业 中 心 本科毕业设计（论文）开题报告 题目： 数控铣床主轴箱结构设计 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： D 机加工 122 学 号： 231120404 学生姓名： 石佳倩 指导教师： 刘桂芝 2016 年 2 月 29 日 本科毕业设计 (论文 )开题报告 学生姓名 石佳倩 学 号 231120404 专 业 机械设计制造及其自动化 指导教师姓名 刘桂芝 职 称 研究员级高工 所在院系 工 业 中心 课题来源 课题性质 课题名称 数控铣床主轴箱结构设计 毕业设计的 内容和意义 采用 分析比较法、文献查找法等方法 ，进行 数控铣床主轴箱结构 设计。 该部件性能输出及机械性能直接影响工件的加工质量和切削生产率，是决定机床性能和技术经济指标的重要因素。 毕业设计的具体内容： 1、 数控铣床的主传动系统的设计，涉及到主轴的精度，电机的选择，以及对主传动系统的各项要求等。 2、 绘制主轴箱装配图以及零件图 3、 绘制主轴动平衡图，输出功率及扭矩图 4、 完成主 轴部件的设计计算 5、 完成主轴的受力分析及主轴前后轴承寿命的分析计算 6、 完成主轴预紧力的计算 7、 完成各零件的成本分析和计算 本课题研究的意义： 本课题对 数控铣床主轴箱结构 进行了设计，其意义如下： 1、 主轴箱内 主轴 部 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，是最重要的部件之一。 2、 通过对主传动系统的设计，解决了主轴系统存在的问题，包含速度、精度、刚度、发热、润滑、噪音等问题。 3、 通过研究高效率、高性能 、高的使用寿命，提高数控铣床的进步性、合理性以及出产成本的经济性。 4、 锻炼了我对所学知识的综合能力、对文献资料的查阅检索能力以及对新知识的自学能力。综合考查了我运用所学知识进行发现问题、分析问题和解决问题的能力。 文献综述 进入 21 世纪 ,我国经济与国际全面接轨 ,进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机 ,也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞 争的压力 ,加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步 ,数控机床的应用范围还在不断扩大 ,并且不断发展以更适应生产加工的需要。 一、 数控机床的发展趋势 1、 高速化 ：随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用 ,对数控机床加工的高速化要求越来越高。 2、 高精度化：数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度 ,机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视 1。 3、 功能复合化：复合机床的含义是指在一台机 床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的多种要素加工 2。采用复合机床进行加工相对于传统的工序分散的生产方法具有明显的优势。 4、 控制智能化：随着人工智能技术的发展 ,为了满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求 ,数控机床的智能化程度在不断提高。 5、 极端化（大型化和微型化） 2：国防、航空、航天事业的发展和能源等基础产业装备的大型化需要大型且性能良好的数控机床的支撑。而超精密加工技术和微纳米技术是 21 世纪的战略技术 ,需发展能适应微小型尺寸和微纳米加工精度的新型制造工艺和装备 ,所以微型机床包括微切削加工 (车、铣、磨 )机床、微电加工机床、微激光加工机床和微型压力机等的需求量正在逐渐增大。 6、 信息交互网络化：对于面临激烈竞争的企业来说 ,使数控机床具有双向、高速的联网通讯功能 ,以保证信息流在车间各个部门间畅通无阻是非常重要的。 7、 新型功能部件：为了提高数控机床各方面的性能 ,具有高精度和高可靠性的新型功能部件的应用成为必然。 8、高可靠性：为了保证数控机床有高的可靠性 ,就要精心设计系统、严格制造和明确可靠性目标以及通过维修分析故障模式并找出薄弱环节。 9、多媒体技术的应用 3：多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体 ,使计算机具 有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力 ,因此也对用户界面提出了图形化的要求。 二、数控机床国内发展现状 我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代 ,通过“六五”期间引进数控技术 ,“七五”期间组织消化吸收“科技攻关” ,我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。 文献综述 特别是最近几年 ,我国数控产业发展迅速 ,1998 2004 年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为 尽管如此 ,进口机床的发展势头依然强劲 ,从 2002 年开 始 ,中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国 ,2004 年中国机床主机消费高达 美元 ,但进出口逆差严重 ,国产机床市场占有率连年下降。 1999年 2003年仅占 1999年机床进口额为 7624台 ),2003年达 23320 台 ),相当于同年国内数控机床产值的 。国内数控机床制造企业在中高档大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显 ,70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场 竞争力 ,究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。我们应看清形势 ,充分认识国产数控机床的不足 ,努力发展先进技术 ,加大技术创新与培训服务力度 ,以缩短与发达国家之间的差距 4 三、 存在的问题 1、不断加强技术创新是提高国产数控机床水平的关键 国产数控机床缺乏核心技术 ,从高性能数控系统到关键功能部件基本都依赖进口 ,即使近几年有些国内制造商艰难地创出了自己的品牌 ,但其产品的功能、性能的可靠性仍然与国外产品有一定差距。近几年国产 数控机床制造商通过技术引进、海内外并购重组以及国外采购等获得了一些先进数控技术 ,但缺乏对机床结构与精度、可靠性、人性化设计等基础性技术的研究 ,忽视了自主开发能力的培育 ,国产数控机床的技术水平、性能和质量与国外还有较大差距 ,同样难以得到大多数用户的认可。 2、制造水平与管理手段依然落后 一些国产数控机床制造商不够重视整体工艺与制造水平的提高 ,加工手段基本以普通机床与低效刀具为主 ,装配调试完全靠手工 ,加工质量在生产进度的紧逼下不能得到稳定与提高。另外很多国产数控机床制造商的生产管理依然沿用原始的手工台账管理方式 ,工艺水平和管理效率低下使得企业无法形成足够生产规模。如国外机床制造商能做到每周装调出产品 ,而国内的生产周期过长且很难控制。因此我们在引进技术的同时应注意加强自身工艺技术改造和管理水平的提升。 3、服务水平与能力欠缺也是影响国产数控机床占有率的一个重要因素 由于数控机床产业发展迅速 ,一部分企业不顾长远利益 ,对提高自身的综合服务水平不够重视 ,甚至对服务缺乏真正的理解 ,只注重推销而不注重售前与售后服务。有些企业派出的人员对生产的数控机床缺乏足够了解 ,不会使用或使用不好数控机床 ,更不能指导用户使用好机床 ;有的对先 进高效刀具缺乏基本了解 ,不能提供较好的工艺解决方案 ,用户自然对制造商缺乏信心。 文献综述 制造商的服务应从研究用户的加工产品、工艺、生产类型、质量要求入手 ,帮助用户进行设备选型 ,推荐先进工艺与工辅具 ,配备专业的培训人员和良好的培训环境 ,帮助用户发挥机床的最大效益、加工出高质量的最终产品 ,这样才能逐步得到用户的认同 ,提高国产数控机床的市场占有率。 四、 数控机床国外发展现状 1、 发展“廉价的数控装置”：这种“廉价数控装置” ,结构简单 ,功能虽有限 ,但工作可靠 ,制造容易 ,成本低。它对于大量通用机床实现“数字控制化”和旧有数字控制机床的更新 ,具有特别重大的意义。因为 ,并不要求对现有普通机床或已运转陈旧了的数控机床作大幅度的改动 ,就能装上这种“廉价的数控装置”。 2、 发展适应控制机床：（ 1）只能对予定的个别参数（如刀具的切削用量）在不超过规定的极限范围内，进行调整控制。这是一种简单的适应控制系统。（ 2）能连续地适应加工过程多种因素的突然变化（如切削功率、扭矩、刀具磨损、轴承升温），改变若干参数，使系统和机床保持在最佳切削条件下工作。这种系统复杂一些。 3、 发展计 算机数字控制 (多机数字控制 (计算机控制的生产系统：（ 1）计算机数字控制是将一台小型通用计算机装入数控装置中去 ,以代替原来采用的很多逻辑电路。（ 2）多机数字控制采用通用计算机来直接控制一群数控机床。（ 3）计算机控制的生产系统，采用计算机控制生产系统的工厂 ,其全部的生产活动 ,都已综合为一个单一的控制管理体系。 数控铣床主传动系统系统是指将主轴电动机的原动力变成可供切削加工用的切削力矩和切削速度的传动系统。主传动系统要有较宽的转速范围及相应的输出转矩。还要有良好性能的主传动系统和具有高精度、高 刚度、振动小、热变形及噪声均能满足需要的主轴部件。 五、 数控铣床对主传动的要求 1、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。 2、主轴的静刚度和抗振性：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。 3、 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 6。 六、数控铣床对 主轴 部 件的要求 文献综述 1、 回转精度 ： 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 /s 以下。 2. 主轴刚度 ： 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 7。 3. 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。 4. 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。 8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。 5. 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 9。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 铣 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 铣 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。 为了满足以上要求，进行了以下措施： 1、 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； （ 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 10； （ 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。 文献综述 2、 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11。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。 以上这些措施可以 提高主轴组件抗振性 并且减少主轴组件热变形，从而达到主传动系统的要求。并且提高了主轴部件的精度，改善了速度、发热、刚度等因素造成的影响。 参考文献： 1、张曙 、盛伯浩 现代金属加工 ,2005(6):38 45 3、吕红霞 机械制造与自动化 ,2005,34(1):8 10 4、文广 ,马宏伟 机械工程师 ,2003(1):9 12 5、王宪文 机床海外并购试看机床版的“市场与技术”博弈 2005(3):80 82 6、 李峻勤 ,费仁元 M国防工业出版社 ,2000. 7、 张柱银 ,陈思义 ,明兴祖 M化学工业出版社 ,2003. 8、 王爱玲 ,白思远 M国防工业出版社 ,2001. 9、 张宝林，数控技术 M械工业出版社， 1997 10、 李佳，数控机床及应用 M 清华大学出版社， 2002 11、 林东 M北京理工大学出版 社 ,1995. 研究内容 1、 主轴电机的选取 根据主电机功率 虑电机的型号、额定转速、最高转速、恒功率范围等因素。 2、主轴受力分析 分析采用的是哪种结构（简支梁、外伸梁、悬臂梁）进行设计，计算其跨距及受力情况。 通过一对皮带轮传动，降速传动比 1： 通过皮带受力得出输出力，计算切削力得出输入力。 3、主轴轴承的选择 根据载荷条件、转速条件、装调性能、经济性等方面进行选择 前轴承型号： 752） /轴承型号： 602） /、润滑与密封件的设计 研究计划 研究周期与时间安排 毕业设计起止日期： 1