典型的立式小型加工中心主传动系统设计

1、有图有真相，包含二维、三维图，全套齐全，需要的加QQ435054557有图有真相，包含二维、三维图，全套齐全，需要的加QQ435054557 题目： 小 型 加 工 中 心 主 传 动 系 统 的 设 计 姓名 学院 专业 班级 学号 指导老师 职称 教研室主任 基本任务及要求： 1. 小型加工中心主传动系统的3D设计及设计计算； 2. 小型加工中心主传动系统的3D计算机辅助装配； 3. 小型加工中心主传动系统的总装绘制及主要零件的工程图设计； 4. 撰写文献综述（3000字、参考文献20篇以上）、开题报告； 5. 撰写设计说明书一份(字数15000字以上)； 6. 毕业实习及撰写毕业实习报告

2、。 二、进度安排及完成时间： 1. 查阅资料、撰写文献综述、撰写开题报告（2.5周）； 2. 毕业实习及撰写毕业实习报告（1.5周）； 3. 毕业设计（9周），其中：总体方案（2周），装配图的3D设计及设计计算（3.5周），零件工程图设计（2周），小型加工中心主传动系统3D虚拟装配（1.5周）； 4. 撰写毕业设计说明书并将初稿交导师评阅（1.5周）； 5. 指导老师评阅、学生修改及打印说明书（0.5周）； 6. 评阅老师评阅设计说明书、学生准备答辩（0.5周）； 7. 毕业答辩（0.5周）。 目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc326858686 摘 要

3、PAGEREF _Toc326858686 h I HYPERLINK l _Toc326858687 Abstract PAGEREF _Toc326858687 h II HYPERLINK l _Toc326858688 第1章 绪 论 PAGEREF _Toc326858688 h 1 HYPERLINK l _Toc326858689 1.1 引言 PAGEREF _Toc326858689 h 1 HYPERLINK l _Toc326858690 1.2 加工中心的基本概念和分类 PAGEREF _Toc326858690 h 2 HYPERLINK l _Toc32685869

4、1 1.3 加工中心的结构组成 PAGEREF _Toc326858691 h 3 HYPERLINK l _Toc326858692 1.4 加工中心的发展趋势 PAGEREF _Toc326858692 h 3 HYPERLINK l _Toc326858693 第2章 加工中心主传动系统的确定 PAGEREF _Toc326858693 h 6 HYPERLINK l _Toc326858694 2.1 加工中心主传动系统简介 PAGEREF _Toc326858694 h 6 HYPERLINK l _Toc326858695 2.2 对加工中心主传动系统的要求 PAGEREF _To

5、c326858695 h 6 HYPERLINK l _Toc326858696 2.3 主传动的类型及方案选择 PAGEREF _Toc326858696 h 8 HYPERLINK l _Toc326858697 第3章 主传动变速系统主要参数计算 PAGEREF _Toc326858697 h 11 HYPERLINK l _Toc326858698 3.1 计算切削功率 PAGEREF _Toc326858698 h 11 HYPERLINK l _Toc326858699 3.2 计算主传动功率 PAGEREF _Toc326858699 h 11 HYPERLINK l _Toc3

6、26858700 3.3 确定电动机型号 PAGEREF _Toc326858700 h 12 HYPERLINK l _Toc326858701 3.4 同步带带传动的计算 PAGEREF _Toc326858701 h 12 HYPERLINK l _Toc326858702 第4章 主轴组件 PAGEREF _Toc326858702 h 16 HYPERLINK l _Toc326858703 4.1 主轴组件的性能要求 PAGEREF _Toc326858703 h 16 HYPERLINK l _Toc326858704 4.2 主轴 PAGEREF _Toc326858704 h

7、 17 HYPERLINK l _Toc326858705 4.2.1 主轴的结构参数 PAGEREF _Toc326858705 h 18 HYPERLINK l _Toc326858706 4.2.2 主轴轴端结构 PAGEREF _Toc326858706 h 19 HYPERLINK l _Toc326858707 4.2.3 主轴的材料和热处理 PAGEREF _Toc326858707 h 20 HYPERLINK l _Toc326858708 4.2.4 主轴主要精度要求 PAGEREF _Toc326858708 h 20 HYPERLINK l _Toc326858709

8、4.2.5 主轴的结构尺寸计算 PAGEREF _Toc326858709 h 21 HYPERLINK l _Toc326858710 4.2.6 主轴受力分析 PAGEREF _Toc326858710 h 23 HYPERLINK l _Toc326858711 4.2.7 主轴的强度校核 PAGEREF _Toc326858711 h 26 HYPERLINK l _Toc326858712 4.2.8 主轴的刚度校核 PAGEREF _Toc326858712 h 27 HYPERLINK l _Toc326858713 4.3 主轴轴承 PAGEREF _Toc326858713

9、h 28 HYPERLINK l _Toc326858714 4.3.1 滚动轴承类型 PAGEREF _Toc326858714 h 28 HYPERLINK l _Toc326858715 4.3.2 主轴轴承的配置 PAGEREF _Toc326858715 h 29 HYPERLINK l _Toc326858716 4.3.3 滚动轴承的配合 PAGEREF _Toc326858716 h 30 HYPERLINK l _Toc326858717 4.3.4 主轴轴承设计计算 PAGEREF _Toc326858717 h 31 HYPERLINK l _Toc326858718 4

10、.4 键的设计 PAGEREF _Toc326858718 h 33 HYPERLINK l _Toc326858719 4.4.1 主轴上的键 PAGEREF _Toc326858719 h 33 HYPERLINK l _Toc326858720 4.4.2 主电机上的键 PAGEREF _Toc326858720 h 34 HYPERLINK l _Toc326858721 4.5 主轴准停装置 PAGEREF _Toc326858721 h 34 HYPERLINK l _Toc326858722 4.6 主轴内部刀具自动夹紧机构及切屑清除装置 PAGEREF _Toc32685872

11、2 h 35 HYPERLINK l _Toc326858723 4.7 主轴组件的润滑与密封 PAGEREF _Toc326858723 h 35 HYPERLINK l _Toc326858724 4.8 提高主轴组件性能的措施 PAGEREF _Toc326858724 h 36 HYPERLINK l _Toc326858725 小 结 PAGEREF _Toc326858725 h 38 HYPERLINK l _Toc326858726 致 谢 PAGEREF _Toc326858726 h 39 HYPERLINK l _Toc326858727 参考文献 PAGEREF _To

12、c326858727 h 40小型加工中心主传动系统设计摘要：本文详细介绍了立式小型加工中心主传动系统的设计过程，该小型加工中心选用同步带传动，该种传动方式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。文中对小型加工中心主传动系统各种传动方案优缺点的进行了比较、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。关键词：立式 数控机床 主传动系统 主轴组件Design of the Main Driving System of Vertical Machining CenterAbstract：The design process of the

13、main driving system of vertical small machining center were introduced in detail in this paper. The small machining center used synchronous belt drive, and the features of the drive is that it enables the structure of main driving system relatively simple and avoid the vibration and noise. This pape

14、r compared the merit and demerit of all kinds of driving scheme of small machining center , chose and determined the program of the main driving system , designed and calculated speed-change of the main driving variable speed system, designed spindle subassembly and checked the critical parts.Key Wo

15、rds：Vertical CNC Main drive system Spindle subassembly第1章 绪 论1.1 引言数控机床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。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。数控机床起源于美国。1947年，美国帕森斯（Parsons）公司为了精确的制作直升机机翼、桨叶和飞机框架，提出了用数字信息来控制机床自动加工外形复杂零件的设想，他们利用电子计算机对机翼加工路径进行数据处理，并考虑

16、到刀具直径对加工路径的影响，使得加工精度达到0.0015英寸（0.0381mm）。1949年，美国空军为了能在短时间内制造出经常变更设计的火箭零件，与帕森斯公司和麻省理工学院（MIT）伺服机构研究所合作，于1952年研制成功世界上第一台数控机床三坐标立式铣床，可控制铣刀进行连续空间曲面的加工，揭开了数控加工技术的序幕。很快，数控技术的应用从美国逐步推广到欧洲地区和日本等国。我国于1958年也开始进行数控机床的研制工作，并取得了一定的成效。在某些领域，如大型车铣复合加工中心技术水平已达到了国际当代水平。近年来，带有刀库并能够自动更换刀具的数控机床加工中心的发展速度十分迅速。相继出现的双托盘和多托

17、盘自动交换的加工中心和柔性制造单元（FMC），是由多台加工中心、物流系统、工业机器人及相应的信息流和中央控制系统组成的柔性制造系统（FMS），可实现24h120h无人化运转。办公自动化（OA）与柔性制造系统（FMS）集成，实现工厂自动化（FA）生产。这些都改变了传统的制造模式，使制造业朝着自动化、柔性化、集成化方向发展。数控机床成功地解决了现代产品多样化、零件形状复杂化、产品研制生产周期短、精度高的难题，是现代制造业的主流设备，也是关系国计民生、国防尖端建设的战略物资。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；

18、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。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。1.2 加工中心的基本概念和分类1）加工中心的基本概念 在数控铣床的基础上，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

19、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

20、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。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

21、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。1.3 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

22、服系统、自动换刀装置、辅助系统、自动托盘更换系统等。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

23、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

24、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。 1.4 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。1）高速度 加工中心向高速度发展的主要目的是

25、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

26、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。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

27、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）

28、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2章 加工中心主传

29、动系统的确定2.1 加工中心主传动系统简介加工中心主传动系统一般由动力源（如电动机）、变速装置及执行件（如主轴、刀架、工作台），以及开停、换向和制动机构等组成。与普通机床的主传动系统相比，在结构上 比较简单，这是因为变速功能全部或大部分由主轴电动机的无级调速来承担，省去了复杂的齿轮变速机构，有些只有二级或三级齿轮变速系统，用于扩大电动机无级调速的范围。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。本课题的3D辅助装配图如下：图2-1 3D辅助装配图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，因此，它的主轴系统必须

30、满足如下要求。1）调速功能 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

31、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

32、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

33、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）带有变

34、速齿轮的主传动 大中型数控机床采用这种变速方式。如图2-2（a）所示，通过少数几对齿轮降速，扩大输出转矩，以满足主轴低速时对输出转矩特性要求。数控机床在交流或直流电动机无级变速的基础上配以齿轮变速，使之成为分段无级变速。滑移齿轮的移位大都采用液压缸加拨叉，或者直接采用由液压缸带动齿轮来实现。2）通过带传动的主传动 如图2-2（b）所示，这种传动主要应用于转速较高、变速范围不大的机床。电动机本身的调速就能够满足要求，不用齿轮变速，可以避免齿轮传动引起的振动与噪声。适用于高速、低转矩特性要求的主轴。常用V带或同步齿形带。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

35、详述。3）用两个电动机分别驱动主轴 如图2-2（c）所示，这是上述两种方案的结合，具有上述两种性能。高速时电动机通过带轮直接驱动主轴旋转；低速时，另一个电动机通过两级齿轮传动驱动主轴旋转，齿轮起到降速和扩大变速范围的作用，这样就使恒功率区增大，扩大了变速范围，克服了低速时转矩不够且电动机功率不能充分利用的缺陷。4）内装电动机主轴 如图2-2（d）所示，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

36、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。 （2）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

37、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。（3）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。（4）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。（5）内置脉冲编码器 为了实现自动换刀及刚性攻丝，电

38、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。（6）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。（7）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。（8）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

39、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。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1200014000 r/min，直径范围33300mm，功率范围12580kW，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。图2-2 主传动的四种配置方式第3章 主传动变速系统主要参数计算3.1 计算切削功率切削性能参考值（工件材料45）：采用硬质合金钢刀具（面铣刀），面铣时 ，刀具直径100mm

40、，刀齿数6，切削深度5mm，切削宽度60mm，主轴转速8000rpm，进给速度500mm/min。略，要全套的QQ435054557。切削功率 综上，可取切削功率 。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。略，要全套的QQ435054557。根据金属切削手册（文献8）P6.40表6-14查的铣削速度v =80 mm/min。加工中心主传动的总效率一般可取为=0.700.85,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

41、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。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=0.71，则：主传动功率 kW 取Kw3.3 确定电动机型号根据现代实用机床设计手册（下册）（文献12），选

42、择主轴电动机。这里选择FANUC交流主轴电动机。型号为8型，连续负载7.5kW，短时负载30min，11kW，额定转速1500r/min，最大转速6000r/min，输出力矩47.7Nm，转动惯量。3.4 同步带带传动的计算1) 设计功率根据工作机为加工中心，原动机为交流电动机，每天两班制工作（按16h计），由机电装备设计（文献6）P122表3-12查得。故设计功率为：式中： 传递的功率， 载荷修正系数。略，要全套的QQ435054557。表3-9查得其外径。5) 小带轮齿数式中： 小带轮转速； 大带轮转速。小带轮齿数 ，采用优先齿数，取。6) 小带轮节圆直径式中： 节距。按小带轮齿数，同步带

43、带型为H型，由机电装备设计（文献6）P120表3-9查得其外径7) 带速式中： 小带轮节圆直径； 小带轮转速。8) 初定轴间距经验公式： （3.2）式中： 小带轮节圆直径； 大带轮节圆直径。将，值代入公式（3.2），得。故取。9) 带长及其齿数。略，要全套的QQ435054557。式中： 带长； 初定轴间距； 小带轮节圆直径； 大带轮节圆直径。按带长，同步带的带型为H型，由机电装备设计（文献6）P114表3-3查得应选用带长代号为的H型同步带，节线长，节线长上的齿数。10) 实际轴间距。略，要全套的QQ435054557。11) 小带轮啮合齿数式中： 小带轮啮合齿数； 节距。12) 基本额定功

44、率按照同步带的带型为H型，由机电装备设计（文献6）P124表3-13查得带的许用工作拉力，带的单位长度的质量。基本额定功率为：式中： 宽度为的带的许用工作拉力 宽度为的带单位长度的质量13) 带宽按同步带的带型为H型，由机电装备设计（文献6）P124表3-13查得：；按小带轮啮合齿数，当，啮合齿数系数。带宽为：式中： 啮合齿数系数 同步带的基准宽度， 按照带宽，同步带带型为H型，由机电装备设计（文献6）P116表3-6确定选带宽代号为的H型带，其带宽14) 作用在轴上的力式中： 作用在轴上的力； 设计功率； 带速。15) 带轮的结构和尺寸传动选用的同步带为大带轮：，小带轮：，第4章 主轴组件主

45、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。4.1 主轴组件的

46、性能要求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，对整机床性能有很大的影响。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。略，要全套的QQ435054557。为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度数据综合表示。动态测量是用一标准球装在主轴中心线上，与主轴同时旋转；在工作台上安装两个互成90角的非接触传感器，通过仪器记录回转情况。间接测量是采用小切削量加工有色金属试件，然后在圆度仪上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L=300mm时允许误差应小于0.02mm。造成主轴回转误差的主要原因

47、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一般要控制在0.4mm/s的范围内。2）刚度 主轴组件的刚度是指主轴组件在外力（例如切削力）的作用下，仍能保持一定工作精度的能力。通常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。在主轴前端部加一作用力F，若主轴端的位移量为y，则主轴组件的刚度值 （N/m）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，还容易引起振动，恶化传动件和轴承

48、的工作条件，使其加快磨损，降低精度。主轴部件的刚度与主轴尺寸、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。设计时应在其他条件允许的条件下，尽量提高刚度值。3）抗振性 指主轴组件在切削过程中抵抗强迫振动和自激振动保持平稳运转的能力。抗振性直接影响加工表面质量和生产率的提高，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）温升和热变形 主轴组件在运转中，温升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他件的相对

49、位置会发生变化，直接影响加工精度；其次温升会改变轴承等元件的间隙，破坏润滑条件，加速磨损甚至抱轴，影响轴承的正常工作。加工中心在解决温升问题时，一般采用恒温主轴箱。5）耐磨性 指长期保持其原始精度的能力。主要影响因素是材料热处理、轴承类型和润滑方式。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，以提高其硬度增加其耐磨性。主轴轴承也需有良好的润滑，提高其耐磨性。4.2 主轴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有很大

50、的影响。同时，主轴结构要保证各零件定位可靠、工艺性好等要求。4.2.1 主轴的结构参数主轴的主要尺寸参数包括主轴直径、内孔直径、悬伸长度和支承跨距。见图4-1。评价和考虑主轴的主要尺寸参数的依据是其主轴的刚度、结构工艺性和主轴组件的工艺适用范围。图4-1 主轴主要参数示意图1）主轴直径 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。轴承的直径越大，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。主轴前支承轴颈的直径可根据主电动机功率初步选择。主轴后端支。略，要全套的QQ435054557。4）主轴的支撑跨距 主轴前支撑点至主轴后支承点之间的距离

51、称为跨距，主轴组件的支撑跨距对主轴本身刚度和对支承刚度有着很大的影响。跨距对综合刚度K的影响不是单向的。如较大，则主轴变形较大；如较小，则轴承的变形对主轴前端的位移影响较大。所以，有一个最佳值，太大或太小，都会降低综合刚度。4.2.2 主轴轴端结构主轴的结构主要取决于主轴上所安装的刀具、夹具、传动件、轴承和密封装置等的类型、数目、位置和安装定位方法，同时还要考虑主轴加工和装配的工艺性。一般在机床主轴上装有较多的零件，为了满足刚度要求和能得到足够的止推面以及便于装配，常把主轴设计成阶梯轴，即轴径从前轴颈起向后递减。主轴是空心的或者是实心的，主要取决与机床的类型。主轴端部是指主轴前端，它的形状决定

52、于机床的类型、安装夹具或刀具的形式，并应保证夹具或刀具安装可靠、定位准确，装卸方便和能传递一定的扭矩。由于夹具和刀具都已标准化，因此通用机床主轴端部的形状和尺寸也已标准化。下图所示为普通机床和数控机床所通用的几种主轴端部的结构形式。 图4-2 主轴的轴端形式(a)车床主轴端部 (b)铣、镗类机床主轴端部 (c)外圆磨床砂轮主轴端部 (d)内圆磨床砂轮主轴端部 (e)普通镗杆装在钻床主轴上的端部 (f)组合机床主轴端部加工中心主轴的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。短锥法兰结构有很高的定位精度，主轴的悬伸长度短，大大提高了主轴的

53、刚度。本次设计的立式小型加工中心主轴前端结构即有锥孔，用于插入铣刀锥柄或刀杆尾锥时定位，再由拉杆从主轴后端拉紧防止切削时铣刀和主轴之间有相对松动。这里装夹BT40刀柄、刀杆。主轴端面上有四个螺孔和两个端面长键，螺孔用来固定铣刀，端面键既可传递刀具的扭矩，又可用于刀具的周向定位。所以选择主轴序号为40的主轴端部尺寸，轴端形式为图4-2（b）所示。4.2.3 主轴的材料和热处理评价和考虑主轴主要尺寸参数的依据是主轴的刚度、结构工艺性和主轴组件的工艺适用范围。主轴材料的选择主要根据刚度、载荷特点、耐磨性、热处理变形大小等因素确定。主轴的刚度与材料的弹性模量E有关，钢的E值较大（E=2.1107 N/

54、cm2左右），所以主轴材料首先考虑钢料。值得注意的是钢的弹性模量E的数值与钢的种类和热处理方式无关，即不论是普通钢或合金钢，其弹性模量基本相同。因此在选择钢料时应首先选用价格便宜的中碳钢，只有在载荷特别重和有较大的冲击时，或者精密机床主轴需要减小热处理后的变形时，或者轴向移动的主轴需要保证其耐磨性时，才考虑选用合金钢。这里主轴选用40Cr。由于这里主轴轴承选用滚动轴承，轴颈可以不淬硬，但为了提高接触刚度，防止敲碰损伤轴颈的配合表面，对40Cr主轴进行高频淬火（4050HRC）。4.2.4 主轴主要精度要求主轴的精度直接影响到主轴组件的旋转精度。主轴、轴承、齿轮等零件相连接处的表面几何形状误差和

55、表面粗糙度，关系到接触刚度。零件接触表面形状越准确，表面粗糙度越小，则受力后的接触变形越小，亦即接触刚度越高。因此，对主轴设计必须提出一定的技术要求，它主要包括主轴各配合表面的尺寸公差、形状公差、表面粗糙度、表面硬度等内容，并应在主轴零件图上标注准确、合理。1）前支承轴承轴颈的同轴度约为5m左右。2）轴承轴颈需按轴承内孔“实际尺寸”配磨，且需保证配合过盈15m。3）锥孔与轴承轴颈的同轴度为35m，与锥面的接触面积不小于80%，且大端接触较好。4）影响主轴旋转精度的主要因素采用滚动轴承的主轴部件，影响其旋转精度的主要因素有：滚动轴承、支承孔、主轴及主轴部件安装调整相关零件的制造精度和装配质量。（

56、1）轴承制造误差的影响 轴承制造误差主要是：轴承内、外圈滚道的偏心引起的滚道径向跳动；轴承滚道的圆度误差和坡度引起的滚道的形状误差；滚道的端面跳动；滚动体直径不一致、形状误差等引起主轴的径向跳动和轴向窜动。（2）轴承间隙的影响。（3）主轴的制造误差的影响 主轴制造误差主要是：主轴轴颈的圆度、主轴轴肩对主轴轴线的垂直度、主轴轴颈的轴线与主轴定位面轴线之间的偏心距等误差，引起主轴回转的径向跳动和轴向窜动。（4）主轴箱支承孔制造误差的影响 主轴箱支承孔制造误差主要是：孔的圆柱度、孔阶与孔轴线的垂直度以及前后两孔的同轴度等误差，引起主轴回转的径向跳动和挠动。4.2.5 主轴的结构尺寸计算1）主轴轴径的

57、确定主轴轴径通常指主轴前轴颈的直径，其对于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值的限制，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。设计时主要用类比分析的方法来确定主轴前轴颈直径。加工中心主轴前轴颈直径按主电动机功率来确定，由机械制造装备设计（文献2）P146表3-1查得。由于装配需要，主轴的直径总是由前轴颈向后缓慢地逐段减小的。在确定前轴径后，可知前轴颈直径和后轴颈直径有如下关系：2）主轴内孔直径的确定主轴内孔直径与机床类型有关，主要用来通过

58、棒料，通过拉杆、镗杆或顶出顶尖等。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，应尽量取大值。由经验得知，当时（是主轴平均直径），主轴刚度会急剧下降；而当时，内孔对主轴刚度几乎无影响，可忽略不计，所以常取孔径的极限值为：此时，刚度削弱小于。按照任务书的要求及综合各轴段直径的实际大小，确定内孔直径。4）主轴悬伸量的确定主轴悬伸量是指主轴前端面到前支承径向反力作用中点（一般即为前径向支承中点）的距离。它主要取决于主轴端部结构型式和尺寸、前支承的轴承配置和密封装置等，有的还与机床其他结构参数有关，如工作台的行程等，因此主要由结构设计确定。悬伸量值

59、对主轴部件的刚度和抗振性具有较大的影响。因此，确定悬伸量的原则，是在满足结构要求的前提下尽可能取小值，同时应在设计时采取措施缩减值。5）主轴支承跨距的确定支承跨距是指主轴相邻两支承反力作用点之间的距离。跨距是决定主轴系统动、静刚度的重要影响因素。合理确定支承跨距，是获得主轴部件最大静刚度的重要条件之一。最优跨距是指在切削力作用下，主轴前端的柔度值最小时的跨距。其推导公式是在静态力作用下进行的。实验证明，动态作用下最优跨距很接近于推得的最优值。最优跨距可按下列公式计算： （4.1）式中： （4.2） （4.3）式中： 主轴前端悬伸长，单位为； 材料的弹性模量，单位为； 轴惯性矩，单。略，要全套的

60、QQ435054557。式中： 主轴跨距部分的平均直径，单位为； 主轴跨距部分的平均孔颈，单位为。 由式（4.4）得：；， ；由主轴材料为40Cr查得材料的弹性模量；由主轴的结构形式确定主轴前端悬伸长将上述参数值代入公式(4.4)(4.3)，得，将，值代入公式（4.1），得 按照结构设计的要求，取。由于，故满足设计要求。4.2.6 主轴受力分析轴所受的载荷是从轴上零件传来的。计算时，常常将轴上的分布载荷简化为集中力，其作用点取为载荷分布段的中点。而作用在轴上的扭矩，一般从传动件轮毂宽度的中点算起。(a) 受力简图(b) 水平面受力(c) 水平面弯矩图(d) 垂直面受力(e) 垂直面弯矩图(f)