数控机床主轴箱课程设计说明书

1、   数 控 车 床 主 箱 轴 结 构 设 计 系别： 机械工程学院 专业：机械设计制造及其自动化 学号： 2012031B0214 姓名： 周凌峰 目录引言. 1第1章 主轴电动机的选取.21.1主轴电动机的选取.21.2转速图.3第二章 同步带传动设计与计算.4 2.1 材料选择.5  2.2 参数计算.6第三章 主轴组件的设计. 9  3.1 主轴组件的设计要求.  9  3.1.1 主轴刚度. 9  3.1.2 主轴的耐磨性. 9  3.2 主轴材料的选择

2、及尺寸、参数的计算. 9  3.3 主轴箱体的截面形状和壁厚计算. 9 第四章 主轴轴承的选择.12 4.1 轴承的选择和轴承的精度.10  4.2 选取轴承. 10  4.3 轴承寿命校核.10 第五章 键的选择计算 5.1 主轴的键.14 5.2电机的键.14第六章 螺钉联接的设计.15  6.1 根据设计要求计算. 15  6.2 螺钉的强度计算与校核. 16结论. 17 

3、;参考文献. 18引 言  数控技术，简称数控（Numerical Control）。它是利用数字化信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。用数控技术实施加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控机床（NC）。数控技术包括：数控装置，可编程控制器，主轴驱动及进给装置等部分。  有较高的生产率，切削速度高，空行程的速度可达mm以上，再因辅助时间很短。目前，现代数控机床正发展迅速，正朝以下几个趋势发展：1、具有先进的自检能力使之长期可靠的工作。在现在机床上装有多种监控、检测装置，从而提高了机床的综合性能。2、单元模块化。数控机床的主轴部件、变速箱

4、立柱、工作台、刀架等都可以模块化生产，有专门生产厂家供货。不仅可提高产品质量，也大大的缩短了机床的生产周期。  数控技术的发展，对我国国民经济的发展起着巨大的作用，特别是对我国要机械制造工业的现代化起到至关重要的作用。为此，我们要加大数控机床的研究和探讨，把三坐标铣床主轴设计作为我的毕业设计，也是对我大学期间学习成果的一次全方位的检验。设计题目:400 毫米数控车床主轴箱设计。主轴最高转速3500r/min，最低转速35r/min，计算转速120r/min，主电机功率:11 KW。采用直流主轴伺服电机，其额定转速1500r/min，最高转速4500r/min，最低转速为35rpm。第

5、一章 主轴电动机的选取  1.1电机的选取 正确选择电动机的类型型号及容量是机床设计的重要问题之一，它直接影响着机床的结构和寿命，选择时要根据机床的功能要求，所设计的结构，工作状况等全面考虑，然后选择适宜的结构型式及容量。  电动机功率的选择：工作机所需的有效功率为：Pw=Fv/1000=10.4kw,为了计算电动机所需的功率，先要确定从电动机到工作部件的总效率，设1、2、分别为同步带轮和同步带的传动效率，查表所得:1和2都等于0.97。则传动的总效率为=1×2=0.94，所以电动机所需的功率为Pd=Pw/=11KW.电动机转速的选择:此次设计要求电动机必须有额定

6、转速2000r/min,最高转速必须达到4000r/min. 电动机型号的选取：根据设计要求，本次设计中选取兰州电机厂生产的1PH5131-4CG4型号交流主轴电动机。 其主要参数入下表：表1-1 电动机转速参数表额定转速（r/min）最高转速（r/min）额定转矩（kN*m）惯性矩（N*m）电机功率(KW)恒功率范围1500450070.10.049111：41.2转速分配图及传动图主轴最高转速3500r/min，最低转速35r/min，计算转速120r/min，电机功率11kw；交流主轴伺服电机，其额定转速1500r/min，最高转速4500r/min； 主轴

7、要求的恒功率调速范围 电动机的调速范围在设计数控机床主传动时，必须要考虑电动机与机床主轴功率特性匹配问题。由于主轴要求的恒功率变速范围远大于电动机恒功率变速范围，所以在电动机与主轴之间串联一个分级变速箱，以扩大其功率变速范围，满足低速大功率切削时对电动机的输出功率的要求。 若取，则可得到变速箱的变速级数3.07所以，Z可近似取为3。 根据可以得出，查表取的标准值为2.99，,即主传动系功率特性图上有小段重合。 则各齿轮齿数和模数列表如下：齿轮Z0Z0,Z1Z1,Z2Z2,Z3Z3,齿数2357394123575030第二章 同步带传动设计与计算  同步带传动，综合了带、链和齿轮传动的

8、优点，带的工作面呈齿形,与带轮的的齿槽作啮合传动，使主、从带轮间作无滑差的同步运动，其特点是传动比准确，对轴作用力小，结构紧凑，耐油耐磨损，抗老化性能好，传动效率可达99.5%，传动功率从几瓦到数百千瓦，传动比可达10，线速度可达40m/s以上。2.1 材料选择  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。2.2 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

9、0; 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，通过查机械设计计算手册查得其计算功率Pd与题目所给的主电机功率近似相等，即Pd=11kw，由齿形带模数选用图可选m=2。   表2-1 齿行带模数表 2)小带轮齿数z1 由机械传动装置设计手册表8-38 得Zmin=22,所以取z1=30  3)同步带节距Pb 由Pd=11KW，n1=1500r/min,查表选取节距Pb=12.70mm,齿形角2=40。齿根厚S=5.75mm。齿顶厚St=4mm,齿高hg=ht+e=2.4+2.7=5.1mm, 齿

10、根圆半径Rr=齿顶圆半径Ra=0.40mm, 带高hs=4.4mm, 节顶距=1.000mm,带bs=4045mm.  4）节圆直径d1  d1=Pb·z1/=121.44 5)大带轮齿数z2 z2=i·z1=60 6)大带轮直径d2=i·d1=2×121.28=242.887)带的速度V  V=d1·n1/（60*1000）=9.53m/s由表查得 Vmax=4045  V<Vmax所以合格。 8)定中心距a0 0.7(d1+d2) a0 2(d1+d2) 所以：0.

11、7×（121.28+242.55）mma0 2×(121.28+242.55) mm 则有254.68a0727.66初选a0 =500mm9)带的节线长度Lp以及齿数Zb     = 1578.85mm查表选取Lp=1562.1 Zb=12310)计算中心距a（采用中心距可调） aa。+（Lp- Lp0）/2=500+（1562.1-1578.85）/2=491.6选取a=49211)带轮与带的啮合齿数Zm  ZmZ/2*1-(z2-z1)/2 a=13.85 取Zm=14 因为当m2时，Zm

12、应不小于6 ，所以计算的Zm满足条件。12. 带宽bs: bs 查表取Kz=1.20, Fa=20N/mm Fc=mbV=4.8×10-3 ×7.6182=0.278所以 bs41.39选取bs=4113. 作用与轴上的力Fr：Fr= 1443.9 14. 小带轮最小包角：180º-60º（d2-d1）/a=180。-60。（242.55-121.28）/500=165.45。15. 带轮宽度bf, bf1, bf2 bf=bs+(1.53)=43.545bf1=bs+(67)=4749bf2=bs+(35)=4548第三章 主轴组件的设计&#

13、160; 主轴组件主要包括：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。 3.1 主轴组件的设计要求 3.1.1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。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。 3

14、.1.2 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。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，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。3.2.1传动轴的估算： 传动轴除应满足强度要求外，还应满足刚度要求。强度要求保证轴在反复载荷和扭转载荷作用下不发生疲劳破坏。机床主传动系统精度要求较高，不

15、允许有较大的 变形。因此疲劳强度一般不是主要矛盾。除了载荷较大的情况外，可以不必验算轴的强度。刚度要求轴在载荷下不至于产生过大的变形。如果刚度不够，轴上的零件由于轴的 变形过大而不能正常工作，或者产生振动和噪音，发热，过早磨损而失效，因此，必须保证传动轴有足够的刚度。 计算转速nj 是传动件传递全部功率时的最低转速，各个传动轴上的计算转速从转速图是直接得出，如表:轴IIIIII计算转速1500360120已知一级齿轮传动效率为0.97（包括轴承），同步带传动效率为0.98，则: I轴：P1=Pd x 0.98=11 x 0.98=10.78KW II 轴 p2=p1 x 0.97=10.78x

16、 0.97=10.46KW III轴 P3=P2 x 0.97=10.46x 0.97=10.14KW II轴扭矩：T2=9550P2/n2=9550 x10.46*1000/360=2.77x III轴扭矩：T3=9550 P3/N3=9550 x 10.14*1000/120=8.07 x是每米长度上允许的扭转角（deg/m）,可根据传动轴的要求选取，查表得：最后所确定各轴所允许的扭转角如下表所示： 轴 I轴 II轴 III轴（deg/m） 0.510.5根据上述所得各轴输入功率、计算转速、允许的扭转角带入扭转刚度估算公式：以计算 为例，求解过程如下：=37.57mm 轴 I II III

17、估算直径（mm）43 62 83主轴轴径尺寸的确定： 已知车床最大加工直径为Dmax=400mm,则 主轴前轴颈直径 D1=0.25Dmax15=89-118mm 后颈直径 D2=(0.7-0.85)D1=62-98mm 内孔直径 d=0.1Dmax10=29-52mm 3.2 .2主轴材料的选择计算此设计选用的主轴材料是45#钢。表3-1 45#钢热处理和参数表 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-只考虑弯距作用的安全系数； S-只考虑扭距作用是的安全系数； s-许用安全系数；  在此查表所得s=1.31.5； 

18、        查表得出-1=270Mpa       -1=155Mpa   K=1.71   K=1.44  =1.6   =0.74，=0.3，m=             所以主轴设计符合要求。3.3主轴箱体的截

19、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=23.5mm第四章 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、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。4.1 轴承的选择和轴承的精度  轴承的选择原则有以下几点：满足承载能力和刚度要求；满足精度要求；满足转速要求；适应机构的要求。轴承是角接触轴承和双向推力向心球轴承

20、。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。4.2 选取轴承 所选轴承主要尺寸参数如下表4.3 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。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

21、-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=  -寿命指数。对球轴承=3；对滚子轴承=10/3。KA-使用系数。查表去KA=1.2. Kn-转速变化系数，查表的Kn=0.89。KL-齿轮轮换工作系数，查表取KL=0.8. P-当量动载荷。所以根据公式计算得：Lh=500*(38.4*0.281/(1.2*0.85*0.89*0.8*3.28)=460138h>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。 第五章 键的选择与计算1 主轴上的键对于采用常见的材料和按标准选取尺寸的普通平键联接（静

22、联接），其主要失效形式是工作面被压溃。除非存在严重过载，否则一般不会出现键的剪断。因此，通常只按工作面上的挤压应力进行强度校核计算。假定载荷在键的工作面上是均匀分布的，则普通平键联接的强度条件为： （6-1）式中： 传递的转矩（），单位为； 键与轮毂键槽的接触高度，此处为键的高度，单位为； 键的工作长度，单位为，圆头平键，平头平键，这里的为键的公称长度，单位为，为键的宽度，单位为； 轴的直径，单位为； 键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，单位已知：带轮作用在轴上的力，键所处主轴段直径，键的宽度，键的公称长度，键的高度。键所传递的转矩为由于主轴处采用圆头平键，故键的工作长度为键与轮毂键槽的

23、接触高度为将上述参数代入公式（6-1），故联接工作面挤压应力为按联接工作方式为静联接，且载荷性质具有冲击性，查表9-3得键联接的许用应力。由于，所以能满足要求。2 主电机上的键已知：主电机额定转矩，电机输出轴的直径，键的宽度，键的公称长度，键的高度，键联接的许用应力。由于主轴处采用单圆头普通平键，故键的工作长度为键与轮毂键槽的接触高度为将上述参数代入公式（6-1），故联接工作面挤压应力为由于，所以能满足要求。第六章 螺钉联接的设计设计要求： 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=（1.52.0）s，s为六角螺母的对边宽度，最大距离与联接用途有关。 六角头头部带槽螺钉：图6-1 六角头头部带槽落钉6.1 根据设计要求计算  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=9.7810,K=3.9, t=2,B=4.15,l=1060,精