立式车床进给系统结构设计毕业设计

1、河南理工大学本科毕业设计（论文）摘 要数控技术和数控装备是制造工业现代化的基础，这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到国家的战略地位。立式加工中心主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统。包括电动机、传动系统和主轴部件。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包括了主轴电动机、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圆弧齿同步带传动，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

2、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IAbstractThe numerical control technology and the numerical control equipment are the factory industry modernization foundations, does this foundation whether reliable immediate influence to a country

3、9;s economic development and the comprehensive national strength, relate the country the strategic position. Machining Center tool master drive system is uses for to realize the engine bed main movement transmission system.Including electric motor, transmission system and spindle unit. Some basic co

4、ncepts and the general knowledge of the vertical machining center were introduced in this paper. Brief description the principle and types of the main drive system, analysis mechanism of the transmission project. The spindle drive system of vertical machining center, including spindle drive motor, t

5、ransmission 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 r

6、elatively simple, and to avoid the noise and vibration. This paper also detailed compare of the program merit and demerit, detailed the program options and determines of vertical machining center spindle drive system, the design of main gearshift system and spindle subassembly.Key Words: CNC; Vertic

7、al machining center; Main drive system; Spindle subassembly 目 录1 绪论11.1课题背景及目的11.2数控机床的基本概况11.2.1简述数控机床11.2.2加工中心的基本概念和分类21.3 立式车削中心的概述42 立式车削中心主传动系统方案的确定62.1立式车削中心主传动系统简介62.2 立式车削中心主传动系统的设计要求62.3 主传动方案的确定63 主传动系统的设计计算83.1 主传动系统的设计要求83.2 主轴组件的设计83.2.1主轴组件的设计要求93.2.2主轴的设计要求113.3 主轴及其组件的设计与校核123.3.1主轴

8、电机的选择123.3.2 主轴主要参数的确定143.3.3主轴强度的校核163.3.4主轴刚度的校核183.4主轴轴承193.4.1主轴轴承的类型193.4.2主轴轴承的配置和支承方案的选择213.4.3轴承间隙调整和预紧223.4.4主轴轴承设计计算243.5同步带轮的设计与计算263.6联轴器的选择283.7滑移齿轮变速装置的设计计算303.8主轴组件的密封与润滑383.9提高主轴组件性能的措施413.10液压缸的选择424 基础结构部件的设计454.1床身的设计454.1.1床身的作用454.1.2床身的基本要求454.1.3床身结构设计及材料选择464.1.4床身的肋板布置和界截面的形

9、状464.2立柱的设计474.2.1设计立柱的基本要求474.2.2立柱的结构设计474.2.3立式导轨形式及精度474.2.4立柱与床身的联结484.2.5导轨的设计484.2.6导轨的设计计算514.3 工作台的设计534.3.1工作台的结构设计534.3.2工作台的材料534.4冷却系统534.4.1冷却系统简介544.4.2主轴冷却系统55结 论57参考文献58致 谢59IV1 绪论1.1课题背景及目的 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展高新技术产业和尖端工业（如：信息技术及其产业，生物技术及其产业，航空航天等国防工业产业）的高能技

10、术和最基本的装备。制造技术和装备是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术则是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。                  本课题

11、是以加工中心为研究目标，从其主传动系统结构及其电气系统控制系统入手，对其系统结构设计、结构组成分析、分级变速分析、传动件的计算分析和主传动电气控制系统的设计的几个方面进行设计研究。为优化传动系统结构和改善传动系统的精度及稳定特性提供必要的理论依据通过本课题的研究，使加工中心结构更加紧凑，性能更加优越，生产加工更加精密。与普通数控机床的工艺装备相比较，加工中心工艺装备的制造精度更高、灵活性好、适用性更强，一般采用电动、气动、液压以及计算机控制，其自动化程度更高。合理使用加工中心的工艺装备，能提高零件的加工精度。各种类型加工中心所配置的数控系统虽然各有不同，但各种数控系统的功能，除一些特殊功能不尽

12、相同外，其主要功能基本相同。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展提高综合国力和国家地位的重要途径。1.2数控机床的基本概况1.2.1简述数控机床数控机床是数字控制机床（Computer numerical control machine tools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种

13、的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。下图1-1所示为数控组成图：图1-1数控机床的基本组成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，

14、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。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。1.2.2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车床的基础上，如果再配以刀具库和自动换刀系统，就构成加工中心。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

15、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

16、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。（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）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）

17、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3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。1.3 立式车削中心的概述立式车削中心是以数控立式车床为主机，配置自动换刀系统，可实现车、铣、镗多工序集中加工的机床。具有自动对刀，刀具磨损自动补偿、工件尺寸自动检测等功能。单柱立式车削中心为单柱固定型（包括单柱横梁固定式和单柱横梁升降式两种），通常带有一个垂直刀架，一个12把刀的盘式刀库的自动换刀装置，还可根据用户需要扩大附件范围，单柱立式

18、车削中心见图1-2，它的最大车削直径（mm）×最大车削高度（mm）为；1250×1000，1600×1600，2000×1600，2500×200，3150×2000。图1-2单柱立式车削中心1-刀架滑枕 2-立柱 3-滑座 4-横梁5-水平进给箱 6-刀库 7-底座双柱立式车削中心是在双柱数控立式车床基础上，增设一套自动换刀装置，在横梁的一端设置一个刀库，自动换刀时，刀架返回刀库换刀位置，滑枕下移至刀库取刀点，利用机械手将其用过的刀具送回刀库，同时从刀库中取出下一工序所需刀具。进入到下一个加工循环。图1-3所示为双柱立式车削中心，它

19、的最大车削直径（mm）×最大车削高大（mm）；3150×2000（2500），4000×2000（3150），5000×3150（4000），6300×4000（5000），8000×4000（5000）。图1-3双柱立式车削中心1-刀架 2-连接梁 3-滑座 4-右立柱5-右滑板 6-走台 7-刀库 8-工作台9-床身 10-横梁 11-左滑板 12-左立柱双柱立式车削中心的刀架和滑枕移动导轨采用滚动与滑动组合导轨，导向移动用滚动导轨，保持位移精度稳定可靠，承受主切削力方向用滑动导轨，保持在断续切削时的平稳性，刀架运动X、Z为联动的

20、数控坐标轴，刀架（X轴）和滑枕（Z轴）移动用直流伺服电动机通过一对减速齿轮经滚珠丝杠副传动。进给系统有每分钟进给量和工作台每转进给量两种，可自动转换。双柱立式车削中心的横梁升降使用交流电动机通过中间传动箱带动两立柱上的两个齿轮箱，驱动一对丝杠旋转使横梁升降。立柱横梁导轨采用合金钢淬火精密制成。刀架在横梁上移动时，以辅助梁（图中未表示）来承受刀架重力，使横梁导向导轨不因刀架重力产生变形，提高刀架在横梁上的位移精度。为保证横梁在立柱上移动后的垂直定位精度，当横梁未夹紧之前，横梁的一侧液压缸总是褪着横梁贴在右立柱同一侧导轨的导轨面上。2 立式车削中心主传动系统方案的确定2.1立式车削中心主传动系统简

21、介立式车削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。它是立式车削中心的主要组成部分。和常规机床主轴系统相比，立式车削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 立式车削中心主传动系统的设计要求主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，为了方便采用不同材料的刀具，加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工作，他应具有一定的转速和变速范围，并且能够方便地实现运动的开停、变速、换向和制动等。在立式车削中心的主传动系统中，目前多采用交流主轴电动机和直流主轴电动机无极调速系统，这样大大简化了机械机构，便于实现自动变速、连续变速以及负载下变速。也经常应用齿轮有

22、级调速和电动机无极调速相结合的调速方式来扩大调速范围，适应低速大扭矩的要求。主传动系统是加工中心核心部件，它包括主轴箱及相应的驱动系统，对加工精度起着决定性的作用。加工中心首先要通过对安全、经济、可靠性等方面的综合性考虑进行主传动系统的方案设计。在设计过程中应该使车削中心的主传动系统满足以下要求：（1）有较大的调速范围并实现无级调速；（2）功率满足各转速段；（3）传动平稳，操作灵活，结构简单紧凑，工艺性好，满足经济性要求。2.3 主传动方案的确定数控机床需要自动换刀、自动变速；且在切削不同直径的阶梯轴，曲线螺旋面和端面时，需要切削直径的变化主轴必须通过自动变速，以维持切削速度基本恒定。这些自动

23、变速又是无级变速，以利于在一定的调速范围内选择理想的切削速度，这样有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。无级调速有机械、液压和电气等多种形式，数控机床一般采用由直流或交流调速电动机作为驱动源的电气无级变速。由于数控机床的主运动的调速范围较大（100-200R），单靠调速电机无法满足这么大的调速范围，另一方面调速电机的功率扭矩特性也难于直接与机床的功率和转矩要求相匹配。因此，数控机床主传动变速系统常常在无级变速电机之后串联机械有级变速传动，以满足机床要求的调速范围和转矩特性。为简化主轴箱结构，本方案仅采用二级机械变速机构，运动方案如图2.1：有级变速的自动变换方法一般有液压和电磁离合器两种。

24、图2-1 运动方案液压变速机构是通过液压缸、活塞杆带动拨叉推动滑移齿轮移动来实现变速，双联滑移齿轮用一个液压缸，而三联滑移齿轮则必须使用两个液压缸（差动油缸）实现三位移动。液压拨叉变速是一种有效的方法，工作平稳，易实现自动化。但变速时必须主轴停车后才能进行，另外，它增加了数控机床的复杂性，而且必须将数控装置送来的电信号转换成电磁阀的机械动作，然后再将压力油分配到相应的液压缸，因而增加了变速的中间环节，带来了更多的不可靠因素。3 主传动系统的设计计算3.1 主传动系统的设计要求数控机床的主传动系统除应满足普通车床主传动要求外，还提出如下要求：（1）具有更大的调速范围，并实现无级调速 数控机床为了

25、保证加工时能选用合理的切削用量，充分发挥刀具的切削性能，从而获得最高的生产率、加工精度和表面质量，必须具有更高的转速和更大的调速范围。对于自动换刀的数控机床，工序集中，工件一次装夹，可完成许多工序，所以，为了适应各种工序和各种加工材质的要求，主运动的调速范围还应进一步扩大。（2）具有较高的精度和刚度，传动平稳噪声低数控机床加工精度的提高，与主传动系统的刚度密切相关。为此，应提高传动件的制造精度与刚度，齿轮齿面进行高频感应加热淬火，增加耐磨性；最后一级采用斜齿轮传动，使传动平稳；采用高精度轴承和合理的支承跨距等，以提高主轴组件的刚性。（3）良好的抗振性和热稳定性数控机床上一般既要进行粗加工，又要

26、进行精加工；加工时可能由于断续切削、加工余量均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰，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或零件，使加工无法进行。因此在主传动系统中的各主要零部件不但要具有一定的静刚度，而且要求具有足够的抑制各种干扰引起振动的能力抗振性。抗振性用动刚度或动柔度来衡量。主传动系统采用无级调速，可简化主轴箱的结构，又可满足加工要求，可以得到合适的切削速度。（4） 实现恒切削速度加工在加工端面时，为了保证端面稳定的加工质量，要求工件端面的各部位能保持恒定的线切削速度。（5）主传动链尽可能短传动链越短，则积累误差越小，机床精度

27、相应就高。3.2 主轴组件的设计3.2.1主轴组件的设计要求对主轴组件的性能要求：主轴组件是机床主要部件之一。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特提出如下要求：（1）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，这些瞬时闪转中心线的平均空间位置称为理想回转中心线。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

28、用传统的静态测量法，用一个精密的测量棒插入主轴锥孔中，使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即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坐标系的垂直度数据综合表示。动态测量是用以标准球装在主轴中心线上，与主轴同时旋转；在工作态上安装两个互成90º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加工有色金属试件，然后在圆度仪上的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量法测量，当L300mm时允许误差应小于0.02mm。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、

29、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一般要控制在0.4mm/s以下。（2）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。如图3-1所示，在主轴前端部加一作用力F，若主轴端的位移量为Y，则主轴部件的刚度值K为： （3-1）图3-1 主轴刚度受力图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，在切削力及其它力的作用下，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

30、低精度。主轴部件的刚度与主轴结构尺寸、支承跨距、所选用的轴承类型及配置形式、轴承间隙的调整、主轴上传动元件的位置等有关。（3）抗振性主轴组件的抗振性是指切削加工时，主轴保持平稳地运转而不发生振动的能力。主轴组件抗振性差，工作时容易产生振动，不仅降低加工质量，而且限制了机床生产率的提高，使刀具耐用度下降。提高主轴抗振性必须提高主轴组件的静刚度，采用较大阻尼比的前轴承，以及在必要时安装阻尼（消振）器。另外，使主轴的固有频率远远大于激振力的频率。（4）温升主轴组件在运转中，温升过高会引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它件的相对位置会发生变化，直接影响加工

31、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。（5）耐磨性主轴组件必须有足够的耐磨性，以便能长期保持精度。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，或者经过氨化处理，以提高其硬度增加耐磨性。主轴轴承也需有良好的润滑，提高其耐磨性。以上这些要求，有的还是矛盾的。例如高刚度与高速，高速与低温升，高速与高精度等。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时，主轴应满足高刚度低温升的要求。3.2.2主轴的设计

32、要求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。主轴结构随主轴系统设计要求的不同而有各种形式。（1） 主轴的主要尺寸参数主轴直径越大，其刚度越高，但使得轴承和轴上其他零件的尺寸相应增大。轴承的直径增大，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。同时极限转速下降。前后轴颈的差值越小则主轴的刚度越高，工艺性能也越好。（2） 主轴内孔直径主轴的内经用来通过棒料、通过刀具加紧装置固定刀具、传动气动或液压卡盘等。主轴孔径越大，可通过的棒料直径也越大，机床的使用范围就越广，同时主轴部件的相对重量也越轻。主轴的孔径大小主要

33、受主轴刚度的制约。主轴的孔径与主轴直径之比，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0.5时空心主轴的刚度为实心主轴刚度的90；大于0.7时空心主轴的刚度就急剧下降。一般可取其比值为0.5左右。主轴轴端结构：主轴轴端用于安装夹具和刀具。要求夹具和刀具在轴端定位精度高、定位刚度好、装卸方便，同时使主轴的悬伸长度短。数控车床的主轴端部结构，一般采用短圆锥法兰盘式。短锥法兰结构有很高的定心精度，主轴的悬伸长度短，大大提高了主轴的刚度。主轴的材料和热处理：主轴材料的选择主要根据刚度、载荷特点、耐磨性和热处理变形大小等因素确定。轴材料常采用的有：45刚、38CrMoALA、GCr15、9

34、Mn2V，须经渗氮和感应淬火。主轴主要精度指标1）前支承轴承轴颈的同轴度约5m左右。2）轴承轴颈需按轴承内孔“实际尺寸”配磨，且须保证配合过盈1m5m。3）锥空与轴承轴颈的同轴度为3m5m，与锥面的接触面积不小于80接触较好。4）装NN3000K（旧编号为3182100）型调心圆柱滚子轴承的1：12锥面，与轴承内圈接触面积不小于85.主轴前支承至主轴前端的距离称为前悬伸。前后支承点之间的距离L称为跨距。前悬伸对主轴组件的综合刚度影响很大。因此，在进行结构设计时，应尽量缩短悬伸量。跨距L对综合刚度的影响不是单向的。如L较大，则主轴变形较大；如L较小，则轴承的变形对主轴前端的位移影响较大。所以，L

35、有一个最佳值，L太大或太小，都会降低综合刚度。图3-2主轴组件的悬伸和跨距3.3 主轴及其组件的设计与校核3.3.1主轴电机的选择选择电机应综合考虑的问题 (1) 根据机械的负载特性和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速等要求，选择电动机类型。(2) 根据负载转矩、转速变化范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制、过载能力额启动转矩，选择电动机功率，并确定冷却通风方式。所选电动机功率应留有余量，负荷率一般取0.80.9。(3) 根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护措施，选择电动机的结构型式。(4) 根据企业的电网电压标准和对功率

36、因素的要求，确定电动机的电压等级和类型。(5) 根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程的要求，以及机械减速机构的复杂程度，选择电动机额定转速。此外，还要考虑节能、可靠性、供货情况、价格、维护等等因素。合理的确定电机功率P，使机床既能充分发挥其使用性能，满足生产需要，又不致使电机经常轻载而降低功率因素。由于设计达到的工件最大切削直径为900mm，根据金属切削机床设计手册3表5-10查得，主轴转速上限nmax=3000r/min，下限为nmin=30r/min。现在以常见的中碳钢为工件材料，取45号钢，正火处理，车削外圆，表面粗糙度。采用车刀具，可转位外圆车刀，刀杆尺寸：。刀具几何参

37、数：，现以确定粗车是的切削用量为设计： 确定背吃刀量和进给量，根据切削加工简明实用手册表8-50，取4mm，取。 确定切削速度，参切削加工简明实用手册表8-57，取 机床功率的计算，主切削力的计算根据切削加工简明实用手册-表8-59和8-60，(1) 主切削力的计算公式及有关参数：Fc= Ck (3-2)Fp= Ck (3-3)Ff= Ck (3-4)由切削用量手册表1-29查得：C=1433N，=1.0，=0.75，=0.15；C=572N，=0.9，=0.6，=0.3；C=561N，=1.0，=0.5，=0.4将以上参数代入公式得： Fc= Ck （3-5） Fp= Ck （3-6） Ff

38、= Ck （3-7）（2）主电机功率的估算：切削功率PC为： （3-8）带入参数得： （3-9）主电机的功率：= （3-10）依照一般情况，取机床变速效率。根据机械设计课程设计手册表12-1Y系列（IP44）电动机的技术数据，Y系列（IP44）电动机为一般用途全封闭自扇冷式笼型异步电动机，具有防尘埃、铁屑或其他杂物侵入电动机内部的特点，B级绝缘，工业环境温度不超过+400C，相对湿度不超过95%，海拔高度不超过1000m，额定电压380V，频率50Hz。适用于无特殊要求的机械上，如机床，泵，风机，搅拌机，运输机，农业机械等。根据以上要求，选取Y132S24型三相异步电动机，额定功率7.5kw,

39、满载转速1500r/min。3.3.2 主轴主要参数的确定主轴的主要参数是指：主轴平均直径D（或主轴前轴颈直径）；主轴内孔直径d；主轴悬伸量和主轴支承跨距。这些参数直接影响主轴的工作性能，但为简化问题，主要是由静刚度条件来确定这些参数；即选择D、d、使主轴获得最大静刚度，同时兼顾其它要求，如高速性、抗振性等。（1） 主轴前轴颈直径的确定主轴平均直径对主轴部件刚度影响较大。加大直径，可减少主轴本身弯曲变形引起的主轴轴端位移和轴承弹性变形引起的轴端位移，从而提高主轴部件刚度。但加大直径受到轴承dn值得限制，同时造成相配零件尺寸加大、制造困难、结构庞大和重量增加等，因此在满足刚度要求下应取较小值。按

40、机床主电动机功率来确定，由资料16图6.183可取（2） 主轴内孔直径d的确定确定孔径的原则是，为减轻主轴重量，在满足对空心主轴孔径要求和最小壁厚要求以及不削弱主轴刚度的要求下，应取较大值。对于数控机床，本课题中车床主轴尾端需要安装皮带轮，轴径较小，故取，即。（3） 主轴悬伸量的确定主轴悬伸量是指主轴前端面到支承径向反力作用中点的距离，它对主轴部件的刚度和抗振性影响很大。因此在满足结构要求的前提下尽可能取小值。减小的常见措施：尽量采用短锥法兰式主轴端部结构。推力轴承配置在前支承时，应安装在径向轴承的内侧而不是外侧。合理设计前支承的调整结构和密封装置形式。尽量采用主轴端部的法兰盘和轴肩等构成密封

41、装置。采用向心推力轴承来代替向心轴承，成对安装的圆锥滚子轴承，应采取滚锥小端相对的形式；成对安装的向心推力轴承应采取背对背或面朝外的同方向排列形式。本课题中主轴前端的一对向心推力轴承正是采用这种安装形式。改变轴端夹具的结构形式来减小值。根据实用机床设计手册表8-24确定悬伸长=130mm，（4）支承跨距的确定支承跨距是指相邻两支承的支承反力作用点之间的距离。合理确定是获得主轴部件最大静刚度的重要条件之一。当时，主轴部件具有最大刚度，即为主轴部件的最佳跨距。在具体设计时，往往由于结构上的限制而使，这就造成主轴部件的刚度损失。合理跨距，通常取。因为D、一定时，越大，轴承的径向跳动对主轴前端的径向跳

42、动影响越小，且加大可较小振动。当需要远大于时,可采用三支承结构。根据实用机床设计手册图8-23查得最佳跨距与悬伸长的比值L0/=2.3 即L0=2.3=310mm，现取L合理=1.5L0=1.5310=462mm，为了方便取L合理=460mm（5） 主轴头的选用如前文所述，采用短锥法兰式主轴端部结构有利于减小主轴悬伸量。本课题选用C型法兰式主轴端部，代号为6，其基本尺寸由资料16表6.131可获得。3.3.3主轴强度的校核（1）选择轴的材料为45钢，经调质处理。将轴简化为一简支梁，画出简图(图3-3a)画垂直面受力图，求出垂直面支反力（图3-3b）由，得 （3-11） （3-12）由，得 （3

43、-13） （3-14）画水平面受力图，求出水平面支反力(图3-3b)由，得 （3-15） （3-16）由，得 （3-17） （3-18）绘制垂直面弯矩图(图3-3c) （3-19）绘制水平面弯矩图(图3-3c) （3-20）绘制合成弯矩M图（图3-3d）截面合成弯矩 （3-21）绘制转矩T图（图3-3e） （3-22）绘制当量弯矩Me图（图3-3e）轴的转矩可按脉动循环考虑，已知轴的材料为45钢调质，由机械设计表11-1查得 （3-23）截面 （3-24）校核危险截面处轴的直径由轴的结构图和当量弯矩图可知截面处可能是危险截面截面 （3-25）结论经与轴的尺寸相比较，危险截面的计算直径小于其结构

44、设计确定的直径即，当量弯矩法校核，轴的强度足够。图3-3 主轴受力图和弯矩转矩图3.3.4主轴刚度的校核按当量轴径法计算1）按当量轴径法计算 (3-26)2）求B点挠度 (3-27)查机械设计表11-6得机床主轴的许用挠度: (3-28)经比较，故B点刚度满足要求。3.4主轴轴承3.4.1主轴轴承的类型主轴轴承是主轴组件的重要组成部分，它的类型、结构、配置、精度、安装、调整、润滑和冷却都直接影响了主轴组件的工作性能。机床主轴带着刀具在支承件中作回转运动，需要传递切削扭矩，承受切削抗力，并保证必要的旋转精度。机床主轴支承根据主轴部件的转速、承载能力及回转精度等要求的不同而采用不同种类的轴承。主轴

45、轴承是主轴组件的重要组成部分，它的类型、结构、配置、精度、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。滚动轴承主轴轴承是数控机床主轴内一个重要的零部件，在主轴传动过程中，可以起到支撑机械体旋转和减小摩擦的作用。轴承由于其类型、结构、配置和精度的不同，以及安装、调整程度的好坏，将对主轴部件的工作性能起到直接的影响。从功能和结构上，主轴轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两大类。主轴轴承一般要求越轻越好，滚动轴承也不例外。轴承越轻，滚动体的直径就越小，数量也越多，刚性就会越大。常采用轻系列、特轻系列和超轻系列，其中以特轻系列为主。滑动轴承滑动轴承是

46、在滑动摩擦力作用下工作的轴承。由于轴颈和轴承内壁间存在间隙，润滑油可以将二者完全分隔开来，而使它们不发生直接接触。这类轴承工作平稳、可靠、无噪声。不仅可以大大降低摩擦阻力和部件表面磨损，而且其油膜还具有一定的吸振能力，增强了抗振性。滑动轴承依据其产生油膜的压强方式区别，可以分为液体动压轴承和液体静压轴承。液体动压轴承随着主轴转速的提高，充入摩擦面之间缝隙内的润滑油量也逐渐增多，使轴颈和轴承分离，以降低摩擦阻力。图3-4所示为主轴常用的几种滚动轴承的类型：（）双列圆柱（b）双列推力向（c）双列圆锥（d）带凸缘双列圆（e）带弹簧单列 滚子轴承 心球轴承 滚子轴承 柱滚子轴承 圆锥轴承选择所使用的轴

47、承类型和组合方式时，应综合考虑主轴部件在各个方面的要求，以及轴承的供给情况、成本、安装调试的难易度等因素。通常情况下，主轴应首选滚动轴承，尤其是对于立式主轴而言，只有当主轴水平放置，且加工工件的表面粗糙度数值较小时，才使用滑动轴承。不同类型主轴主轴轴承的优缺点见表3.1。表3.1数控机床的主轴轴承及其性能3.4.2主轴轴承的配置和支承方案的选择根据主轴部件的工作精度、刚度、温升和结构的复杂程度，合理配置轴承，可以提高主传动系统的精度。采用滚动轴承支承，有许多不同的配置形式，目前数控机床主轴轴承的配置主要有如图3-5示的几种形式。图3-5 主轴轴承配置的集中形式在图3-5(a)所示的配置中，前支

48、承采用双列短圆柱滚子轴承和60º角接触球轴承组合，承受向载荷和轴向载荷，后支承采用成对角接触球轴承，该配置可满足强力切削的要求，普遍应用于各类组合机床。在图3-5(b)所示的配置形式中，前轴承采用角接触球轴承，由32个轴承组成一套，背靠背安装，承受径向载荷和轴向载荷，后支承采用双列短圆柱滚子轴承，这种配置适用于高速、重载的主轴部件。在图3-5(c)所示的配置形式中，前后支承均采用成对角接触球轴承，以承受径向载荷和轴向载荷，角接触球轴承具有较好的高速性能，主轴最高转速可达6000r/min，但这种轴承的承载能力小，因而这种配置适用于高速、轻载和精密的组合机床主轴。在图3-5(d)所示的

49、配置形式中，前支撑采用双列圆锥滚子轴承，承受径向载荷和轴向载荷，后支承采用单列圆锥滚子轴承，这种配置径向和轴向的刚度高，可承受重载荷，尤其能承受较强的动载荷，安装与调整性能好，但主轴转速和精度的提高受到限制，因此适用于中等精度，低速与重载荷的组合机床主轴。由于凸轮轴加工专机在加工时不仅需要受到轴向力，还会受到一定的径向力。因此在本课题的轴承配置中选用如图3-5(c)的方式。而本课题的预紧方式采用隔套调整法及锁紧螺母预紧。固定端前支承的轴承用角接触球轴承，后支承也选用角接触球轴承。因此，本设计初步选用7210c型双列角接触球轴承。3.4.3轴承间隙调整和预紧主轴轴承的内部间隙，必须能够调整。多数

50、轴承，还应能够在过盈状态下工作，使滚动体和滚道之间有一定的预变形，这就是轴承的预紧。轴承预紧后，内部无间隙，滚动体从各个方向支承主轴，有利于提高运动精度。滚动体的直径不可能绝对相等，滚道也不可能绝对正圆，因而预紧前只有部分滚动体和滚道接触。预紧后，滚动体和滚道都有了一定的变形，参加工作的滚动体将更多，各滚动体的受力将更均匀。这都有利于提高轴承的精度、刚度和寿命。如主轴产生振动，则由于各个方向都有滚动体支承，可以提高抗振性。但是，预紧后发热较多，温升较高；且太大的预紧将使轴承的寿命降低，故预紧要适当。当滚动轴承存在较大间隙时，载荷将集中作用于受力方向上的少数滚动体，使得轴承刚度下降，承载能力下降

51、，旋转精度差。将滚动轴承进行适当预紧，使滚动体与内外圆滚道在接触处产生预变形，使受载后承载的滚动体数量增多，受力趋向均匀，从而提高承载能力和刚度，有利于减少主轴回转轴线的漂移，提高旋转精度。若过盈太大，轴承磨损加剧，承载能力将显著下降。轴承所需的预紧量与轴承精度、类型和工作条件等因素有关，因此主轴组件必须具备轴承间隙的调整结构。轴承内圈移动这种方法适用于锥孔双列圆柱滚子轴承。用螺母通过套筒推动内圈在锥行轴颈上做轴向移动，使内圈变形胀大，在滚道上产生过盈，从而达到预紧的目的。图3-6所示为几种轴承内圈的预紧形式。（c） （d）图3-6轴承的预紧形式角接触球轴承的预紧方式，把成对的两个双联接角接触

52、轴承的两个内圈（背靠背组配）端面各磨去一定的量，在安装时把它们压紧以实现预紧，则称为定位预紧。轴承预紧后，内部无游隙，游动体从各个方向支承主轴，有利于提高运动精度，刚度，寿命和提高高抗振性。但是，预紧后发热较多，温升较高，反而会使寿命下降。因此，预紧应该合适。图3-7所示为两种修磨的形式。（a） 修磨轴承内圈的内侧 （b）修磨轴承外圈的内侧图3-7修磨轴承座圈图3-7（a）所示为轴承外围宽边相对（背对背）安装，这时修磨轴承内圈的内侧，使间隙增大。图3-7（b）所示为外围窄边相对（面对面）安装，这时修磨轴承外圈的窄边。在安装时按图示的相对关系装配，并用螺母或法兰盖将两个轴承轴向压拢，使两个修磨过

53、的端面贴紧，这样能够使两个轴承的滚道之间产生预紧。另一种方法是将两个厚度不同的隔套放在两轴承内、外之间，同样将两个轴承轴向相对压紧，使轨道之间产生预紧，隔套调整法如图3.10所示。（a） （b）图3-8隔套调整法3.4.4主轴轴承设计计算3.4.4.1轴承受力分析轴承的受力简图参见图3-9。从图上可知，在A、B两处所用的是同种型号的角接触球轴承，且D处的轴承是成对使用，共同承担支承作用。所以，校验C、D处7210C轴承只需受力最大处即可。图3-9轴承受力图已知：，则轴承7210C所受径向合力为 (3-29)轴承7000CD所受径向合力为 (3-30)3.4.4.2轴承7210C寿命计算轴承的工

54、作年限为7年（一年按300天计算），每天两班工作制（按16h计算），则轴承预期计算寿命为 (3-31)已知轴承7210C所受的轴向负荷，径向负荷。由表13-5查得分界判断系数。 (3-32)由表13-5查得径向动载荷系数X=1，轴向动载荷系数Y=0。根据载荷性质为中等冲击，由表13-6查得载荷系数一般为1.21.8，取。则轴承的当量动载荷为 (3-33)以小时数表示的轴承寿命L10h(单位为h)为 (3-34)式中：L10h 失效率10（可靠度90）的基本额定寿命（106r）；n 轴承的转速，单位为r/min；C 基本额定动载荷，单位为N；P 当量动载荷，单位为N； 寿命指数，对球轴承=3，滚子轴承查表22-42得基本额定动载荷。将上述参数带入公式，