V400柔性制造系统主轴主轴箱设计论文

1、V400柔性制造系统主轴主轴箱设计1导言机械制造是整个工业和国民经济的基石，是强国之本。数控机床的数量及其技术水平已经成为衡量一个国家机械制造水平的标志。加工中心的出现为数控加工技术提供了一个很高的发展平台，克服了许多普通数控机床无法完成的复杂工序。随着科技的进步和发展，加工中心的应用越来越普遍。现代数控加工技术使机械制造业的制造工艺发生显著变化，对技术人员的要求越来越高。本次毕业设计V400柔性制造系统主轴主轴箱是加工中心必不可少的组成部分。是为加工中心提供动力；确保加工精度和精确度；提高加工效率；它对降低生产和加工成本起着非常重要的作用。2加工中心的发展现状和演变过程自1952年世界上出现

2、第一台数控机床以来，随着电子、计算机、材料、信息等技术的发展，数控机床有了质的飞跃。从臃肿、笨拙、简单的数控铣床，发展到精致、灵巧、功能齐全的各种数控机床。从开始的纯军用到现在，已经应用于各个制造领域。数控机床从稀有到普及。发达国家数控机床占工业产值的比重很大，成为机床工业的主导产品。科技的发展日新月异。目前，我国数控机床行业也有了突飞猛进的发展。从最初的稀有发展到现在的普及，从最初的笨拙、功能低、效率低发展到现在的精致、功能强大、效率高。在中国机械工业中发挥着越来越重要的作用。现在加工中心已经逐渐成为机械加工行业中最重要的设备，加工范围广，使用量大。近年来，它在品种、性能和功能上都有了很大的

3、进步。品种:有新型纵横五轴联动加工中心，可用于加工航空、航天零件；有专用于模具加工的高性能加工中心，集成3D CAD/CAM，超精加工模具复杂曲面；是一种适合汽车、摩托车大批量零件加工的高速加工中心，生产效率高，柔性强。性能:10000转以上电主轴应用广泛，可达60000 100000转；直线电机的应用使机床加速度达到3-5g；执行ISO/VDI检测标准，促进制造商提高加工中心双向定位精度。功能:结合了激光加工的复合功能，结构上适合组成模块化制造单元(FMC)和柔性生产线(FMS)，具有机电和通信一体化功能。为了适应市场和科技发展的需要，满足现代制造技术队伍对数控加工技术提出的更高要求，目前，

4、数控机床的发展趋势主要体现在以下几个方面:高速、高效、高精度和高可靠性要提高加工效率，切削和进给速度必须是第一位的，同时要减少加工时间。要保证加工质量，就必须提高机床部件运动轨迹的精度，而可靠性是上述目标的基本保证。因此，需要有高性能的数控机床作为保障。1.高速高效。加工中心向高速方向发展，可以充分发挥现代刀具材料的性能，不仅可以大大提高加工效率，降低加工成本，还可以提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术广泛适用于制造业，以实现高效率、高质量和低成本的生产。2.新一代加工中心只有通过高速大幅缩短切削时间，才能进一步提高生产效率。超高速加工，尤其是超高速铣削，与新一代高速加工中心的发展和应

5、用密切相关。自20世纪90年代以来，欧美日各国竞相开发和应用新一代高速加工中心，加快了加工中心高速发展的步伐。高速主轴单元(电主轴，转速15000 100000 r/min)、高速和高速加(减速)运动部件(快移速度60120m/min，切削进给速度高达60m/min)、高性能数控和伺服系统与数控刀具系统实现了新的突破，达到了新的技术水平。随着超高速切削原理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨具、大功率高速电主轴、高加减速直线电机驱动进给部件，以及高性能控制系统(包括监控系统)和保护装置等技术领域一系列关键技术的解决，我们应抓紧开发和应用新一代高速加工中心数控系统。依靠快速准确的数字量传输技术，实现高性

6、能加工中心执行部件的高精度、高响应加工。由于采用了新刀具，车铣切削速度达到了5000 8000米/分钟以上。主轴转速在30000转/分以上(有的高达100000转/分)。根据高效率、大批量生产的要求，电子驱动技术的快速发展，高速直线电机的快速发展，以及高速直线电机的推广应用，开发了一批高速、高效、高速响应的加工中心，以满足汽车、农业机械等行业的需要。精度高。从精密加工向超精密加工发展是世界各工业强国的发展方向。其精度从微米级到亚微米级，甚至纳米级，应用范围越来越广泛。可靠性高。是指数控系统的可靠性比被控设备高一个数量级以上，但并不是越高越好，仍然是中度可靠。以前五轴加工中心多是德国、美国、日本

7、、意大利制造。令人欣慰的是，2009年3月举办的中国数控机床展览会上展出了多国生产的五轴加工中心。如第二机床集团有限公司展出的龙门五轴联动加工中心，工作长度6m，宽度2m，采用垂直主轴旋转，A轴旋转角度为100度，C轴旋转角度为200度。这个庞然大物吸引了众多参观者，标志着中国数控机床行业达到了先进水平。第三机床厂和第四机床厂制造的立式和卧式加工中心，工作台为630mm2，采用高速冷电主轴。主轴可垂直水平移动，工作台可360度等分。类似于上述简单配置为纵横移动的三轴加工中心，可以实现工件的五面体加工。虽然还没有配置五轴，但是很实用。现在加工中心已经逐渐成为机械加工行业中最重要的设备，加工范围广

8、，使用量大。近年来，它在品种、性能和功能上都有了很大的进步。品种:有新型纵横五轴联动加工中心，可用于加工航空、航天零件；有专用于模具加工的高性能加工中心，集成3D CAD/CAM，超精加工模具复杂曲面；是一种适合汽车、摩托车大批量零件加工的高速加工中心，生产效率高，柔性强。性能:10000转以上电主轴应用广泛，可达60000 100000转；直线电机的应用使机床加速度达到3-5g；执行ISO/VDI检测标准，促进制造商提高加工中心双向定位精度。功能:结合了激光加工的复合功能，结构上适合组成模块化制造单元(FMC)和柔性生产线(FMS)，具有机电和通信一体化功能。可以看出，现代加工中心正在考虑向

9、智能化、自动化、多方位、多用途等方向发展。我们可以预见，在不久的将来，随着科技的进步，加工中心的发展将更加完善，功能将更加强大，机械制造业将很快迎来春天。3毕业设计目的四年大学即将结束，毕业设计是本科生获得学士学位的必要条件。毕业设计可以综合运用大学之间所学的专业知识，结合实际生产。只有在实际的设计过程中，才能真正实现一个机械产品从设计到生产的一系列工作。毕业设计是培养学生综合运用本学科的基础理论、专业知识和基本技能，提高分析和解决实际问题的能力，完成工程师基本训练和初步培养从事科学研究的重要环节。毕业设计可以培养我们的独立工作能力、发展能力和创造力，并兼顾专业知识的巩固、应用和拓展。毕业设计

10、包括工作计划与组织、查找与阅读中外文献、调查研究、方案比选、设计计算、综合分析、计算机绘图、方案模拟抽象、总结与改进、撰写报告。通过毕业设计，培养学生综合运用所学的基础理论、基础知识、基本技能和专业知识，结合生产和科研实践完成某一课题，全面检验学生分析问题和解决问题的能力，使学生掌握基本方法，接受初步的工程技术训练。它是培养大学生创新能力、实践能力和创业精神的重要实践环节。本次毕业设计的目的是掌握如何设计某一机械设备。希望能通过这次毕业设计实现这一点。将四年来所学的专业知识与真实的设备相结合，也是我们学习的最终目的。有了我们的理论知识，就可以在现实中创新，让中国的制造业前进一步。通过这次设计，

11、锻炼了我们对所学知识的综合应用能力，查阅和搜索文献资料的能力，以及对新知识的自学能力。并深化对学生专业知识深度和广度的考查，全面考察我们运用专业知识进行理论探讨或发现、分析、解决问题的能力。4毕业设计的任务1.设计题目:V400柔性制造单元主轴箱的设计2.主要技术规格:本课题主要完成V400柔性制造单元主轴箱的方案选择、结构设计和零件设计。要求设计产品在满足功能要求的前提下，尽可能降低成本。3.基本参数:主轴伺服电机功率7.5/11KW，主轴转速0 6,000 rpm，自动无级变速，主轴锥孔为BT40#，具有定向停止功能，主轴箱刚性好，连接尺寸与立柱协调。4.设计容量:在规定时间内完成设备的总

12、装配图、装配图、零件图和说明书(不低于40号图)。设计要求:综合现有设备的工况和存在的问题，确定合理的设计方案和总体设计方案。制图应严格遵守机械制图的有关规定和国家标准，要求图面清晰，表达准确合理，尺寸准确。大胆、理性的设计，精确的加工，并注意提高标准化设计。5加工中心概述5.1加工中心的分类加工中心也叫多工序自动换刀数控机床。它将铣、镗、钻、销钻的功能集中在一台设备上，可以在一次装夹中完成多个加工元件的加工。根据加工中心的结构和功能，有以下几种分类形式:按工艺用途分类镗孔加工中心钻孔和销加工中心车削中心复合加工中心根据锭子特征分类立式镗铣加工中心卧式镗铣加工中心5.2加工中心的机械结构典型加

13、工中心的机械结构主要包括基础支撑、加工中心主轴系统、进给传动系统、工作台交换系统、回转工作台、刀库和自动换刀装置，由其他机械功能部件组成。如图1-1所示，是T型加工中心的结构。加工中心的基础支撑是指床身、立柱、横梁、工作台、底座等结构部件。，构成了机床的基本框架。基础支撑对加工中心各部分起支撑和导向作用，因此要求基础支撑具有较高的刚度、较高的固有频率和较大的阻尼。主轴系统是加工中心的主要组成部分，由主轴电机、主轴传动系统和主轴组件组成。与常规机床主轴系统相比，加工中心主轴系统应具有更高的转速、更高的回转精度、更高的结构刚度和更高的抗震能力。图1加工中心进给驱动机械系统直接实现直线或旋转运动的进

14、给和定位，对加工精度和质量影响很大，因此加工中心进给系统需要运动精度、运动稳定性和快速响应能力。根据工作要求，转台通常分为两种，即数控转台和分度转台。数控转台在加工过程中参与切削，相当于进给运动坐标轴；分度工作台只完成分度运动，主要要求在切削力的作用下，分度精度和位置保持不变。为了在一次安装后完成同一工件不同部位的加工要求，并尽可能减少加工中心的停机时间，数控加工中心通常都有自动换刀装置、刀库和自动交换托盘装置。自动换刀装置的基本要求是结构简单、功能可靠、更换快捷。其他机械功能部分主要指冷却、润滑、排屑和监控装置。由于加工中心生产效率高，可以长时间实现自动化加工，所以冷却、润滑、排屑等问题比常

15、规机床更突出。大切削量的加工需要强冷却和随时间排屑。大量冷却润滑液的作用也对系统的密封和泄漏提出了更高的要求，导致半封闭和全封闭机床的实现。图2结构图图3三维设计图6设计计算6.1电机的选择加工中心的电机是一种特殊的主轴电机，与一般的电机有很大的不同。最常用的主轴电机是交流调速电机和交流伺服电机。通过改变交流电机的供电频率，可以调节电机的速度。这类电机在加工中心使用时，多为配有调速装置的专用电机，电机的电气参数(工作电流、过载电流、过载时间等。)与调速装置一一对应。交流电机制造成本低，但不能实现电机轴在圆周任意方向的精确定位。交流伺服电机是近年来发展起来的一种高效主轴驱动电机。其工作原理与交流

16、伺服电机相同，但工作速度高于普通交流伺服电机。交流伺服电机可以实现主轴在任意方向的定位，并以很大的速度实现微小位移。本设计中，主轴伺服电机功率为7.5/11KW，主轴转速为0 6,000 rpm，要求自动无级变速。所以选择交流伺服电机比较合适。主运动为旋转运动时铣削速度的计算；.(1-1)其中d-刀具直径，n-刀具速度公式1可用:用高速钢铣刀铣削45号端铣刀的计算公式如下:.(1-2)式中铣削力系数，侧进给，铣削工件直径d=90mm。反向啮合再进给速度进给速度计算公式为:.(1-3)将n=6000和z=3带入公式3因此:= 9.5kW因此，碾磨功率机床电机功率为其中为0.60.8。带入所以电机

17、的功率至少要11KW才能满足要求。所以通过查资料选择了主轴电机的超同步产品，型号为CTB-4011ZXB30-XXX。该主轴电机的参数如表6.1.1所示。6 . 1 . 1 CTB-4011 zxb 30-XXX系列电机参数表额定频率(赫兹)额定功率(千瓦)额定电压(伏)额定电流(a)额定扭矩(牛米)极数(p)额定速度(rpm)最大速度(rpm)1001138022.135四30008000检查安装框架编号的数据。你可以选择B3 B5 B35。6.2正时皮带和皮带轮的选择同步带是连接主轴电机和主轴的纽带。主轴电机的输出功率通过同步带传递给主轴，所以主轴的精度部分取决于同步带传动的效率精度，而同

18、步带的韧性和强度对传动效率有很大影响。确定计算的功率.(6-2-1)为紧轮影响系数，为工况系数。没有紧轮所以= 1；这个模型是教育性的，间歇运行，震动中等，所以8=0.8。.(6-2-2)根据机械设计手册，同步带轮的模数为8M。确定同步带轮齿数和节圆直径，根据主轴结构，这里选取小带轮齿数=36，大带轮齿数=72。,其中是音高，=8。的线速度.(6-2-4)因此，所选皮带是合格的。根据资料，选用永丰生产的圆形同步带:HTD8M，线长720mm，90齿。同步带轮选用龙符同步带。具体参数见表6.2.1。6.2.1同步带轮参数规范谈到节点直径d外径90-8米90229.18227.816.3主轴直径的

19、计算由于加工中心主轴受到弯矩和扭矩的作用，主要是扭矩，所以要根据弯曲和扭转的共同作用来初步估算主轴的直径。估计轴直径:因为设计的主轴包含空心部分，所以参考机械设计应根据公式4计算。式中p=8.3kw，直径与外径之比D.计算计算表明因此，主轴直径应大于55毫米。2)绘制弯矩图和扭矩图。选用的轴材料是40Cr，调质处理。根据机械设计手册:= 736牛顿/平方毫米，=539牛顿/平方毫米，=314牛顿/平方毫米，=199牛顿/平方毫米，=245牛顿/平方毫米，b=118牛顿/平方毫米，b = 69牛顿/平方毫米从图中可以看出，每个路段的跨度分别为、由此可以画出轴的应力图，如图A所示.规则同样，水平支

20、撑反作用力为:水平面弯矩图Mr如图C所示:d部分的左侧右边/右手边垂直弯矩图Mt如图e所示。d部分的左侧右边/右手边复合弯矩图，如图F所示:扭矩= 36254牛米从图中可以看出，C段的弯矩最大，所以要校核该段的等效弯矩。= 92832.13牛米在之中检查结果:=0.033e2根据1中的表13-5，径向载荷系数和轴向载荷系数分别通过查表或插值法计算如下对于方位角1，X1=0.44，Y1=1.35对于轴承2X2=0.44，Y2=0.08由于轴承运行中冲击载荷适中，根据1中的表13-6，取FP = 1.2 1.8，fp =1.5。规则P1 = FP(x1fr 1+y1fa 1)= 1.5(0.44 173.68+1.35 722.14)N = 1576.96NP2 = FP(x2fr 2+y2fa 2)= 1.5(0.44 63.96+0.08 2.14)N = 42.47N6.3检查轴承寿命P1 p2，因此根据轴承1的应力进行检查。= 2343231.7小时比预期的计算寿命要长。(六)6.5碟形弹簧的计算和选择主轴碟形弹簧的计算:刀的拉力F=2000KgG=Fg=20000N初步设计有八个碟簧承受，每个碟簧承受载荷。碟簧是B系列D=40mm的复合组合。根据该表，系列B和的计算如下:压平碟形弹簧时的负载.(6-3-1)计算系数