经济型数控铣床主传动系统模块化设计大学毕设论文

北华航天工业学院毕业论文PAGE40-经济型数控铣床主传动系统模块化设计绪论制造技术和装备是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备的核心技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术；数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透而形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备。国际信息处理联盟第五技术委员会对数控机床作了如下定义：数控机床（NCMachine）是[JP]一种装有程序控制系统（数控系统）的机床，该系统能逻辑地处理具有特定代码、编码指令规定的程序。与普通机床相比，数控机床是一种自动化加工设备。采用普通机床进行加工时，操作人员操纵机床手轮使刀具沿着工件表面移动，进行工件加工；而用数控机床进行加工时，不需要人工参与，数控系统能控制机床在加工程序指令下自动完成零件的加工。具体地讲，把数字化了的刀具移动轨迹信息输入到数控装置，经过译码、运算，从而实现控制刀具与工件的相对运动，加工出所需要的零件的机床，即为数控机床。数控机床是机、电、液、气、光高度一体的产品。要实现对机床的控制，需要用几何信息描述刀具和工件间的相对运动以及用工艺信息来描述机床加工必须具备的一些工艺参数。例如，进给速度，主轴转速，主轴正反转，换刀，冷却液的开／关等。这些信息按一定的格式形成加工文件存放在信息载体上，然后由机床上数控系统读入，通过对其译码，从而使机床动作和加工零件。在机械加工工业中大批量零件的生产宜采用专用机床或自动化生产线。当零件不太复杂，生产批量较小时，宜采用通用机床；当生产批量大时，宜采用专用机床；而当零件复杂程度较高时，宜采用数控机床。这是由数控机床的特点决定的。数控机床能完成很多普通机床难以胜任，或者根本不可能加工出来的复杂型面的零件，这是由于数控机床具有多坐标轴联动功能，并可按零件加工的要求变换加工程序，因此数控机床在航空航天等领域获得广泛的应用。数控机床可以获得较高的加工精度，加工质量稳定。数控机床的传动件，特别是滚珠丝杠精度很高。机床导轨采用滚动导轨或粘接有摩擦系数很小的合成塑料，因而减少了摩擦阻力，消除了低速爬行。闭环、半闭环伺服系统，装有精度很高的位置检测元件，并随时把位置误差反馈给控制系统，使之能够及时进行误差校正。数控机床的一切操作都是由程序装配的，没有人为干扰，因而加工质量稳定。有较高的生产率，切削速度高，空行程的速度可达１０mm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、向高速，高精度发展。新型的数控系统及伺服系统，有很高的分辨率和进给速度，更高的生产率和利用率。3、单元模块化，数控机床的主轴部件、变速箱立柱、工作台、刀架等都可以模块化生产，有专门生产厂家供货。不仅可以提高产品质量，也大大的缩短了机床的生产周期。所罗门（CarlSalomon）于1931年提出的加工理论申请了德国专利，核心内容是：当切削速度达到一定的数值时，切削刃处的切屑去除温度开始降低。他同时还给出了一个推论：用传统刀具在更高切削速度下加工时，有可能提高生产率。工业发达国家对高速切削加工的研究起步早，水平高。在此项技术中，处于领先地位的主要有德国、日本、美国和意大利等国家。自20世纪80年代中后期以来，商品化的高速切削机床不断出现，高速机床从单一的高速铣床发展成为高速车铣床、钻铣床乃至各种高速加工中心等。瑞士、英国、日本也相继推出自己的高速机床。日本日立精机的HG400111型加工中心，主轴最高转速36000～40000r／min，工作台快速移动速度为3640m／min。采用直线电机的美国Ingersoll公司的HVM800型高速加工中心，进给移动速度为60m／min。在工业发达国家，高速切削加工技术已成为切削加工的主流，日益广泛地应用于模具、航空、航天、高速机车和汽车工业等领域，并已取得了巨大的经济效益。模具制造工业中，德国、日本、美国等大约有30％～50％的模具公司，用高速切削加工技术，加工放电加工（EDM）电极、淬硬模具型腔、塑料和铝合金模型等，加工效率高，质量好，减少了后续的手工打磨和抛光工序。在航空与高速机车行业，飞机的骨架与机翼、高速机车的车厢骨架均为铝合金整体薄壁构件，都需要切除大量的金属，从毛坯开始的切除量甚至达到90％，采用高速切削加工技术，加工时间缩短到原来的几分之一。汽车工业的发动机铝合金和铸铁缸体，广泛采用高速切削加工技术，大大地提高效率，降低成本。此外，高速切削加工技术还应用于快速成形、光学精密零件和仪器仪表等加工领域。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，把数控加工中心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。第1章主传动系统设计概述主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，它应具有一定的转速{速度}和一定的变速范围。以便采用不同材料的的刀具，加工部同材料、不同尺寸、不同要求的工件，并能方便的实现运动的开停、变速、换向和制动等。数控机床的主传动系统包括主轴电动机、传动系统和主轴组件。与普通机床的主传动系统相比数控机床在结构上比较简单，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，省去了繁杂的齿轮变速机构，还有一些数控机床设计中还存在二级或三级齿轮变速机构用以扩大主轴电动机无级变速的范围。1.1主传动系统的基本要求数控机床和普通机床一样，主传动系统也必须通过变速，才能使主轴获得不同的转速，以适应不同的加工要求。并且，在变速的同时，还要求传递一定的功率和足够的转矩，满足切削的要求。数控机床作为高度自动化的设备，它对主传动系统的基本要求有以下几点：（1）为了达到最佳的切削效果，一般要求应在最佳切削条件下工作，因此，主轴一般都要求能自动实现无级变速。（2）要求机床主轴系统必须具有足够高的的转速和足够大的功率，以适应高速、高效的加工需要。（3）为了降低噪音、减轻发热、减少振动，主传动系统应简化结构，减少传动件。在加工中心上，还必须具有安装刀具和刀具交换所需的自动夹紧装置，以及主轴定向准停装置，以保证刀具和主轴、刀库、机械手的正确啮合。（4）为了扩大机床功能，实现对C轴位置（主轴回转角度）的控制，主轴还需要安装位置检测装置，以便实现对主轴位置的控制。1.2主传动的无级变速主传动的无级变速通常有以下三种办法：（1）采用交流主轴驱动系统实现无级变速传动，在早期的数控机床或大型数控机床（主轴功率超过1000kW）上，也采用直流主轴驱动系统的情况。（2）在经济型、普及型数控机床上，为了降低成本，可采用变频器带变频电动机或普通交流电动机实现无级变速的方式。（3）在高速加工机床上，广泛使用主轴和电动机一体化的新颖功能部件——电主轴。电主轴的电动机转子和主轴一体，无须任何传动件，可以使主轴达到每分钟数万转、甚至十几万转的高速。1.3数控铣床对主传动系统的要求对主传动系统的要求有：（1）范围：各种不同的机床对调速范围的要求不同，多用途，通用性比较大的机床，要求主轴的调速范围大，不但有低速大转距的功能，而且还要有比较高的速度。（2）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。（3）旋转精度和运动精度：主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷，低速转动条件下，测量主轴前端和300mm处的径向和轴向跳动值。主轴在以工作速度旋转时，测量上述两项精度称为运动精度。数控机床要求有较高的旋转精度和运动精度。（4）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。（5）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。1.4小结 数控加工中心的主传动系统，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，是此次设计的主题。第2章主传动系统的配置方式数控铣床的主传动系统要求有较大的调速范围，以保证进行加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产效率、加工精度和表面质量。数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此机构必须适应自动操作的要求。大多数的数控铣床是用无级变速系统控制的。数控机床主传动系统主要有以下三种配置方式：2.1带有变速齿轮的主传动这种配置方式在大中型数控机床中采用比较普遍。它通过少数几对齿轮进行降速，使之能够分段变速，确保低速时拥有足够的扭矩，以满足主轴输出扭矩特性。但也有一部分小型数控机床也采用这种传动方式，以获得强力切削时所需要的扭矩。如图2-1（a）齿轮变速。电机电机（c）（c）图2－1数控机床主传动的三种配置方式(a)齿轮变速；(b)带传动；(c)联轴器传动2.2通过同步带传动的主传动主要应用在中小数控机床上，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，但它只能适用于低扭矩特性要求的主轴。同步带有多楔带，齿形带，圆弧带等，是一种综合了带传动和链传动优点的新型传动。带的工作面及带轮外圆上均制成齿形，通过带轮与轮齿相嵌合，做无滑动的啮合传动。带内采用了承载后无弹性伸长的材料作强力层，以保持带的节距不变，使主动和从动带轮可做无相对滑动的同步传动。与一般带传动相比，同步带传动具有以下优点：无滑动，传动比准确；传动效率高，可达98%以上：传动平稳可靠，噪声小：使用范围广，速度要达到50m/s，速比可达10左右，传动功率由几瓦到数千瓦：修保养方便，不需要润滑，但是同步带也有不足之处，其安装时中心距要求严格，带与带轮制造工艺较复杂，成本高。如图2-1（b）带传动。2.3带有联轴器的主传动该机构通过键实现轴与毂之间的无间隙连接传递转矩，并可任意调节两连接件之间的角度位置。主要应用在中小数控机床上，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，但它只能适用于低扭矩特性要求的主轴。2.4主轴轴承的支撑形式主轴轴承的支撑形式主要取决于主轴转速特性的速度因素和对主轴刚度的要求。主轴轴承常见的支撑形式有以下三种，如图2－2所示。图2－2主轴轴承常见的支撑形式(a)形式一；(b)形式二；(c)形式三（1）前支撑采用双列短圆柱滚子轴承和60°角接触双列向心推力球轴承组合，后支撑采用成对向心推力球轴承(见图2－2（a）)。此配置可提高主轴的综合刚度，满足强力切削的要求。它普遍用于各类数控机床主轴。（2）前支撑采用高精度双列向心推力球轴承(见图2－2（b）)。向心推力轴承有良好的高速性，主轴最高转速可达4000r／min，但它的承载能力小，适于高速、轻载、高精密的数控机床主轴。（3）前后支撑分别采用双列和单列圆锥滚子轴承(见图2－2（c）)。这种轴承的径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其是可承受较强的动载荷。其安装、调整性能好，但这种支撑方式限制了主轴转速和精度，因此可用于中等精度、低速、重载的数控机床的主轴。2.5小结主传动系统要求有较大的传动范围，所以其配置要求比较严格，此次设计分别对三种配置形式及支撑方式进行研究。第3章主轴传动系统的设计思想主传动系统由主轴电动机传动，电动机安装在主轴箱的侧面，由连接在主轴电动机上的同步带轮通过同步带进行传动，由其带动安装在主轴上的另一个同步带轮转动，或由联轴器直接与中间轴连接，使主轴完成转动任务。小结对于主轴传动系统的设计思想，是整个设计的灵魂。通过设计思想，了解设计的思路，是整个设计的中心。第4章模块化及其在数控机床上的应用随着现代机械工业的发展，以及科学技术的进步，产品更新速度加快，市场竞争日益激烈。用户对产品的需求逐渐发生变化，即向产品品种多样化方向发展。为了面向市场需求，许多企业采用了多品种、小批量的生产方式，使产品的寿命周期缩短，产品向多样化方向发展。另外，现代工业在技术上要求生产结构具有柔性化，因此，传统的产品设计、制造和管理方式已无法适应当今市场竟争，必须采用新方法、新工艺和新技术更新传统的设计、制造和管理方式。为了适应这一转变，各种新思想、新方法、新技术如FMS、clMs、精节生产、成组技术、模块化设计技术等不断地应用于现代机械工业。企业采用模块化设计技术，可使企业产品更具有市场竞争力，提高产品的性能和质量，产品的品种具有更大的适应性，可满足用户的不同使用特性和生产企业的生产批量要求.且交货期短，适应市场需求的多变性及提高市场的占有率，从而提高产品的综合经济效益。现在、模块化设计思想应用在如建筑、家具、电子、船粕等各个行业，人们所共知的计算机软件的模块化结构及计算机硬件插板等就是这一设计思想的具体体现。法国华隆(HURON)公司生产的铣床有五组模块组成升降台铣床M、N系列(M系列基本变型机床27种，可选定的变型机床207种);工作台不升降铣床P系列(基本变型机床12种，可选定的变型机床78种)。由此可以看出采用模块化设计可极大地丰富产品规格和品种系列，提高了产品对用户的响应能力和适应性。4.1、模块化的概念模块化是一种思想方法.国内外专家对此做了很多研究工作，取得了很大进展。但是，这些研究在理论上还不够系统和完善，目前，对模块化还没有一个公认的权威性定义。一般可以这样理解:综合考虑系统(产品)对象，把系统(产品)按功能分解成不同用途和性能的模块，并使之接口(结合要素形状、尺寸)标准化，选择不同的模块(必要时设计部分专用模块)迅速组成各种要求的系统(产品)的一种方法。模块是一组具有同一功能和结合要素(接口)，而有不同用途(或性能)和不同结构且能互换的各个单元，或是能增加系统(产品)功能的单元。模块是模块化设计和制造的功能单元。4.2、模块必须具有以下特征:①相对独立的特定功能:可以对模块单独进行生产、调试、修改和储备;②具有互换性:为此、模块配合部位的结构形状和尺寸必须标准化;③具有通用性:不仅实现横系列、纵系列通用，而且实现跨系列通用。根据模块化的思想，我们对产品构成的认识将发生变化。按传统的观点，产品由部件组成，部件由组件构成，组件由零件构成，因而要生产一种产品，就得制造大量的专用零件，而按模块化的观点，产品由模块组成，模块即为构成产品的单元，通过模块的不同组合形成多样化的产品。模块化产品就是由一组特定的模块在一定范围内组成多种不同功能或同样功能不同性能的产品。不同结构，但功能和结合要素相同的一系列可以互换的模块。更换合适的模块.就可以组合成多种不同用途(或性能)的车床.以满足各类用户的需要。模块化结构不仅适应同类型机床，同时亦能适应不同类型机床，使之实现横系列、纵系列、跨系列模块化。当今，国外一些企业，早已运用这一技术，形成了企业经营的产品从设计到工艺制造的一整套模块化生产管理体系。模块化设计技术今后的发展趋势从国内外发展情况来看，模块化设计技术早己在制造业得到研究和应用，并已研制出许多模块化产品和模块化系统，尤其是国外先进制造业，已经进入了柔性化时代，基本上形成了产品从设计、工艺制造到经营的一整套模块化管理体系。今后模块化设计制造系统应朝着智能型、通用型工具系统方向发展。只有这样，才能快速地提高我国机械制造业的整休水平，从而推动我国机械工业领域的发展。4.3小结1）模块化设计师现代设计方法中的一种，可以加快产品开发进度和缩短制造周期，降低制造成本，提高综合效率。2）模块化设计要从市场调研和产品概念设计开始，遵循一定的设计程序。3）模块化设计过程包括产品功能分析、结构分析、规格系列分析、模块划分组合等环节。4)根据产品结构进行一级模块、二级模块、三级模块等的划分，可以有效地扩展模块化设计的应用，扩大模块化设计的效果。5）根据影响产品结构、生产管理与成本的重要程度进行重要模块、次重要模块和次要模块的划分，可以分清主次，突出重点，提高综合效果。此设计要对数控机床的主传动系统进行模块化设计，主要涉及到电机到主轴的传递方式和主轴的支撑形式。第5章主轴电动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：主轴所需的有效功率为：Pw=Fv/60000=5.2kw,F——主切削力(N)取1300N.v——切削速度(m/min）取240m/min。F=查表得，，——切削力——进给力——垂直进给力——横向进给力=679.35N（4-1）——端铣被加工表面宽度mm——每齿相对工件进给方向上的位移量mm——端铣切削层深度mmZ——齿数d——铣刀直径mmn——铣刀转速n/min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η1为大同步带轮的传动效率，η2为同步带传动效率，KA为同步带载荷稳定参数，η3大同步带轮的传动效率，查表所得和都等于0.97。则传动的总效率为=×=0.94，所以电动机所需的功率为Pb=PwKA/η1η2η3=5.2*1.2/0.94=5.5kw电动机转速的选择:此次设计为经济型数控铣床，要求主轴转速较低，所以选择电动机的转速范围为100~1350r/min。电动机型号的选取：根据设计要求，本次设计中选取YCTD160-4A电磁调速异步电动机。其主要参数如下表：表4-1额定转速（r/min）最高转速(r/min)额定转矩惯性矩(N.M)电机功率(KW)1000135035.320.0465.5小结主轴电动机是此次设计的关键部分，所以其计算选取是关系整个设计顺利完成的决定性因素。主轴电机的选取，需要考虑到电机的额定转速、最高转速、电机功率、以及额定转矩等因素。主传动系统的运动设计为了使传动件工作可靠、结构紧凑，设计时必须进行动力计算。对传动件尺寸其主要作用的外载荷的大小是由传动件所传递的最大扭矩来确定的。由扭转的计算公式可知，当传递恒定的全功率时，传动件的转速越低则传递的扭矩越大。因此只有按照传递全部功率时，所有转速中的最低转速来确定传动件传递的最大扭矩，才是经济合理的。T=955×N/nj=105137式中N传动件传动的功率（kw）nj传动件的计算转速（r/min）主轴要求的恒功率调速范围Rnp=2700/150=18电动机的调速范围Rdp=1350/100=1.35主轴要求的恒功率调速范围大于电动机所能提供的恒功率调速范围，故必须配以分级变速箱。如取变速箱的公比：ψν=Rdp=1.35Z则由于无级变速时ZRnp=ψν=18则Z=1传动系统和转速见图6-1。（a）（a）图6-1传动系统7777356363从图可以看出，电动机经77/35定比传动升速后，经齿轮63/63传动主轴，则主轴转速为200-2700r/min。6.1传动轴的计算原则中间轴的计算主要是在完成其初步结构设计后，进行强度和刚度的验算。进行强度验算的目的是为了保证中间轴在反复弯曲载荷和扭转载荷的作用下不发生疲劳破坏，这对承受重载的传动轴尤为重要。对与一般机床的变速箱中的中间轴，由于应力较小，通常按许用弯曲应力验算其危险截面的强度即可。惊醒刚度验算的目的是为了保证传动轴在外载荷的作用下不致产生过大的弯曲变形和扭转变形，从而使它们能够正常工作。对与机床变速箱的中间轴，一般可按扭转刚度估算轴颈，然后按弯曲刚度验算。刚度条件为：（1）轴在安装齿轮处的挠度y<=允许值【y】(2)支撑处轴的倾角θ<=允许值【θ】（3）轴在安装齿轮处的倾角θ<=允许值【θ】验算支撑处轴的倾角时，只需验算支反力最大的支撑处即可。若轴在支撑处的倾角小于安装齿轮处的倾角允许值时，则齿轮处的倾角就可不必验算。验算轴在安装齿轮处的挠度时，只需验算受力最大的齿轮处的挠度即可。6.2传动轴颈的估算（cm）N—该轴传递的额定功率。Ⅰ轴：NⅠ=N主×0.96=5.28Ⅱ轴：NⅡ=N主×0.96×0.98=5.17注：齿轮传动系数：0.98；同步带传动系数：0.96。Nj—该轴的计算转速。6.3小结传动轴颈的估算是设计的主要部分，直接影响主传动的刚度，必须进行认真计算。第7章带传动的设计及计算同步带传动，综合了带、链和齿轮传动的优点，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。此次设计选用梯形同步带，它靠齿啮合传动，速比准确，传动效率高，初张紧力最小，轴承承受压力最小，瞬时速度均匀，单位质量传递的功率最大，与链和齿轮传动相比，噪声小，不需要润滑，传动比、线速度范围大，传递功率大，而冲击振动较好，维修简单，经济，广泛用于各种机械传动中。7.1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。7.2参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。7.2.1模数的选取模数主要根据齿形带所传递的计算功率Nj和小带轮转速n1确定的，通过查《机床设计手册》表5.2-44查得Nj=K1×N,式中N——传动功率K1查下表表7-1载荷性质机床类型间断工作每日连续工作10小时以上载荷平稳例如：车床、钻床、磨床等1.01.3载荷变化小例如：铣床、滚齿机和六角车床1.31.6载荷变化大例如：刨床、插床和插齿机1.52.0选取K1=1.6，所以NJ=5.5×1.6=8.8KW由齿形带模数选用图可选m=57.2.2小带轮齿数Z1取Z1:由《机床设计手册》表5.2-46得Zmin=22,所以取Z1=247.2.3带型和同步带节距Pb由Pd=8.8KW，n1=1000r/min,带型选取H，查表选取：节距Pb=15.7mm，齿形角β=40，齿根厚S=5.75mm，齿顶厚St=5mm,齿高hg=0.6m=3.07.2.4节圆直径d1d1=mZ1=5×24=120mm7.2.5大带轮齿数z2z2=iz1=24，选取247.2.6大带轮直径d2d2=id1=1×120=120㎜7.2.7带的速度vv==6.28m/s(5-1)由表查得vmax=35～40m/sv<vmax所以合格。7.2.8定中心距a00.7(d1+d2)≤a0≤2(d1+d2)所以0.7（120+120）≤a0≤2(120+120)则有168≤a0≤480初选a0=3007.2.9带的节线长度Lp以及齿数ZbLp0=2a0+(d1+d2)+=600+×240+=976.8mm（5-2）查表选取Lp=942.5㎜，Zb=607.2.10计算中心距a（采用中心距可调）a≈a0+=300+㎜（5-3）7.2.11小带轮最小包角ɑα≈180º-60º（d2-d1）/a=180。-60。（120-120）/283=180。7.2.12带轮与带的啮合齿数ZZα≈=12≥6取Zα=12（5-4）因为当m≥2时，Zα应不小于6，所以计算的Zα满足条件。7.2.13确定齿轮带产生的张力TT=qv2/g=2.4×（10）（kgf/mm）查《机床设计手册》表5.2-47式中q齿形带1mm宽，1m长的重量，取q=60×(10)-4g重力加速度取9.87.2.14带宽bsbs==35.8mm（5-5）查表5.2-47式中[p]1mm宽齿形带的许用拉力查表5.2—42选取b=40mm。7.2.15确定齿形带传动对轴的作用力QQ=(1.0~1.2)P=106.8N（5-6）式中P传递的圆周力P=102N/V=102×5.5/6.28=89N7.2.16带轮宽度bf,bf1,bf2bf=bs+(1.5～3)=41.5～43bf1=bs+(6～7)=46～47bf2=bs+(3～5)=43～457.3小结同步带的设计关系到主轴与电动机的中心距，以及各个传动带轮的设计，是不可缺少的部分，所以设计的时候必须要仔细、认真。第8章主轴组件的设计主轴组件主要包括：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。8.1主轴组件的设计要求主要体现在如下方面：8.1.1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，每一瞬间都是变化的，这些瞬间回转中心线的平均空单位转移不为理想回转中心线。瞬时回转中心线相对于理想回转中心线在空间位置的距离，就是主轴的回转误差，而回转误差的范围，就是主轴的回转精度。纯径转误差、角度误差和轴向误差，它们很少单独存在。当径向误差和角度误差同时存在构成径向跳动，而轴向误差和角度误差同时存在构成端面跳动。由于主轴的回转误差一般都是一个空间旋转矢量，它并不是在所有的情况下都表示为被加工工件所得的加工形状。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着传统的静态测量法，用一个精密的检测棒插入主轴锥孔中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被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，与主轴中心线上，与主轴同时旋转；在主轴同时旋转；在工作台上安装两个互成90度角的非接触传感器，通过仪器记录回转情况。间接测量是用小的切削量切削有色金属试件，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0.02㎜。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0.4㎜/s以下。8.1.2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。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。8.1.3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。8.1.4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。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。8.1.5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。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，例如设计高效数控机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。8.1.6提高主轴组件抗振性的措施尽量缩短主轴前轴承结构的长度，适当增大跨矩；尽量提高前轴承的刚度和阻尼；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；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；对于非连续切削过程的铣削，滚削等加装飞轮可减少振动；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。8.2减少主轴组件热变形的措施把热源移至机床以外。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。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。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。8.3主轴材料的选择及尺寸、参数的计算图8-1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都有很大的影响。主轴结构随系统设计要求的不同而有各种形式。主轴的主要尺寸参数包括：主轴直径、内孔直径、悬伸长度和支撑跨距。评价和考虑主轴的主要尺寸参数的依据使主轴的刚度、结构工艺性和主轴组件的工艺适应范围。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。同时极限转数下降。主轴后端支撑轴颈的直径可视为0.7～0.8的前支承轴颈值，实际尺寸要在主轴组件结构设计时确定。前、后轴颈的差值越小则主轴的刚度越高，工艺性能也越好。主轴内孔直径：主轴的内孔用来安放棒料、刀具夹紧装置固定刀具、传动气动或液动卡盘等。主轴孔径越大，可通过的棒料直径也越大，机床的适用范围就越广，同时主轴部件的相对重量也越轻。主轴孔径的大小主要受主轴刚度的制约。主轴的孔径与主轴的直径之比，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0.35时，空心主轴的刚度为实心主轴刚度的90%；大于0.7时空心主轴的刚度急剧下降。一般可取其比值为0.5左右。8.3.1主轴主要参数的确定主轴的主要结构参数有主轴前、后轴颈D1和D2，主轴内孔直径d，主轴前段悬伸量a和主轴主要支撑间的跨距L。这些参数直接影响主轴旋转精度和主轴刚度。主轴前轴颈D1的选取一般按机床类型、主轴传递的功率或最大加工直径选取。主轴后轴颈的直径D2=（0.7-0.85）D1。由《数控铣床设计》表2-1主轴前轴颈直径，选取D1=90，D2=65.（2）主轴内孔直径d的确定很多机床的主轴是空心的，内孔直径与其用途有关。如车床主轴内孔用来棒料或者安装送夹料机构；铣床主轴内孔可通过拉杆来拉紧刀杆等。为不过多的削弱主轴的刚度，铣床主轴孔径d可比道具拉杆直径大5-10mm。主轴内孔直径在一定范围内对主轴刚度影响较小，若超出此范围则使主轴刚度急剧下降。由材料力学可知，刚度K正比于截面惯性矩I，它与直径之间有下列关系，即：K0/K=I0/I=1-(d/D)4=1-（ε）4式中K0,I0空心主轴的刚度和界面惯性量；K,I实心主轴的刚度和界面惯性量。一般ε≤0.7对刚度影响不大；若ε＞0.7，将使刚度急剧下降。所以，去d=29mm。（3）主轴前端悬伸量a的确定主轴前端悬伸量a是指主轴前端面到前轴承径向支反力作用中点的距离。它主要取决于主轴端部的结构、前支撑轴承配置和密封装置的形式和尺寸，由结构谁确定。由于前端悬伸量对主轴部件的刚度，抗震性的影响很大，因此在满足结构要求的前提下，设计时应尽量缩短该悬伸量。（4）主轴主要支撑跨距L的确定合理确定主轴支撑跨距L，是获得主轴部件最大静刚度的中还要条件之一。支撑跨距过小，主轴的弯曲变形固然很小，但因支撑变形引起的主轴前轴端的位移量增大；反之，支撑跨距过大，支撑变形引起的主轴前轴端的位移量减小了，但主轴变形增大。一般取L0=(0.2-0.35)a。但是在实际结构设计时，由于结构上的原因，以及支撑刚度因磨损会不断下降，主轴主要支撑间的实际跨距L往往大于上述最佳跨距L0。根据设计要求，此设计选用的主轴材料是45#钢。其热处理及参数如下表：表8-1材料热处理硬度（HBS）抗拉强度极限σt屈服强度极限σs弯曲疲劳极限σ-1剪切疲劳极限τ-1许用弯曲应力[σ-1]45调质、渗氮217～25564035530015560因为选用的主轴电机功率为P=5.5KW，额定转速nc=1000r/min所以主轴功率Ps=Pη1η2η3=5.5×0.94×0.98×0.98×0.98=4.8kw(6-1)因为主轴是空心转轴，所以=33mm——空心轴内外径之比d0/d==0.64——轴的许用剪应力30～40MpaT——轴传递的额定转矩32918.62N·mmd1=21.68×.（6-2）——弯矩（N·mm）76382.7——危险截面的抗弯系数（mm3）906——扭矩（N·mm）32918.62——弯曲疲劳极限σ-1查表得=1.23所以d1=21.68×2.122×1.23=61.6㎜又因为此处轴上有一个键槽，所以d1=d×(1+5%)=67.76㎜取d1=70㎜；d2=d1+2a，a为轴肩高度，用于轴上零件的定位和固定，故a值应该稍微大于毂孔的圆角半径或倒角深，通常取a≥（0.07～0.1）d1；d2应符合密封件的孔径要求。所以根据轴承参数选择d2=75mmd3=d2+5～8mm=85mmd4=d3+1～5mm=90mm根据选用的轴承确定d4=90mm查《机床课程设计指导书》表6-13以及轴承参数取d01=50mm，d02=25mm，d03=40mm，d04=70mm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=≥[s]（6-3）——只考虑弯距作用的安全系数；——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]=1.3～1.5sσ=查表得σ-1=270Mpaτ-1=155Mpakσ=1.71kτ=1.44=0.78=0.7=0.3=0.21====所以s==1.08<[s]=1.3～1.5所以主轴设计符合要求。F1主轴刚度校核：F1F2F2bbF2F2图8-2受力分析图已知主轴前轴承内径D1=90mm,后轴承内径D2=65mm,跨距l=374mm,主轴前悬伸a=64mm,主轴孔直径d0=42mm,前轴承预紧量=3μm,主轴前端加载F1=3000N齿轮传动力F2=2000N,则主轴的径向刚度为:式中——主轴的前端挠度,μm——前轴承的径向弹性变形量,μm——后轴承的径向弹性变形量,μm前轴承支反力F1为:=3559.76N后轴承支反力F2为:=559.76N主轴的当量直径d为:d=77.5mm在轴端载荷的作用下,主轴前端挠度可按下式计算:+（1-/将有关数据代入可得=4.29主轴前支撑的倾角θ，可按下式计算：θ=b/--(l-b)/将有关数据带入可得：θ=0.18经查表知前轴承滚动体列数i1=2,每列中的滚动体数Z1=27,滚动体有效长度la1=8.8mm；后轴承的相关参数为i2=1,Z2=27,la2=(1)前轴承径向弹性变形量计算预紧量=3μm,这时一个滚子的预载荷可由下式求得:式中——轴承预紧量,μm；——滚子所受预载荷,N；la——滚动体有效长度,mm；可得=404.49N，相当于前轴承增加了附加载荷Frp，Frp可由中推算出Frp=4368.492N。则,前轴承所受载荷Fa′为:Fa′=F1+Frp=7928.252N前轴承的总弹性变形为:′===7.116μm。扣除预紧量3μm,实际总变形量为″=7.116-3=4.116(Lm)。折合到主轴前轴承的径向弹性变形量为:=″×(l+a)/l=4.884μm。(2)后轴承径向弹性变形量计算同理可算出主轴后轴承的径向弹性变形量=0.413μm。主轴组件的径向刚度K为:=551.42Nμm满足设计要求主轴的轴端结构:主轴的轴端是用于安装夹具和刀具。要求夹具和刀具在轴端定位精度高、定位好、装卸方便，同时使主轴的悬伸长度短。数控铣床的主轴端部结构，一般采用短圆锥法兰盘式。主轴主要精度指标:前支承轴承轴颈得同轴度约为5µm左右；轴承轴颈需要按轴承内孔“实际尺寸”配合，并且需要保证配合过盈1µm～5µm；锥孔与轴承轴颈得同轴度为3µm～5µm，与锥面的接触面积不小于80%，且大端接触较好；装圆柱滚子轴承与轴承内圈的接触面积应该不小于85%。主轴动态特性的改善,改善主轴动态特性的措施有以下几个方面：使主轴组件的固有频率避开激振力的频率。通常应该使固有频率高于激振力频率的30%以上。如果发生共振的那阶模态属于主轴在弹性基础上（轴承）的刚度振动则应提高轴承的刚度。如果属于主轴的弯曲振动，则应提高主轴的刚度，如加粗直径。激振力可能来自主轴组件的不平衡，这时激振频率等于主轴转速乘以π/30。也可能来自断续切削，这时激振频率还应该乘以刀齿数z。增大阻尼。如前面所述，低阶模态常是主轴的刚体振动。这时主轴轴承，特别是前轴承的阻尼对主轴组件的抗振性影响很大。如果要求得到很光的加工表面，主轴又是水平的，可用滑动轴承。滚动轴承适当预紧可以增大阻尼，但过大的预紧反而使阻尼减少，故选择预紧时还应该考虑阻尼的因素。采用三支承。如主轴后端悬深很长，可增加辅助支承，成为三支承主轴。辅助支承可用深沟球轴承，保留游动间隙。辅助支承的作用，与其说是提高刚度，不如说是为了提高抗振性。8.4主轴传动装置箱体的作用通过传动轴承支撑传动件的轴；存储润滑剂，实现传动件和轴承的润滑；密封作用，减少环境不良因素；保护机器操作者的人身安全，避免伤亡事故。8.5主轴箱体的截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=（6-4）8.6小结主轴组件的设计是本次设计的最重要也是关键所在，其中涉及到的计算比较多。是此次设计的关键。第9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、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两大类。滚动轴承摩擦阻力小，可以预紧，润滑维护简单，能在一定的转速范围和载荷变动范围下稳定的工作。滚动轴承由专业化的工厂生产，选购维修很方便，在数控机床上被广泛采用。但与滑动轴承相比，滚动轴承的噪声大，滚动体数目有限，刚度是变化的，抗振性略差，并且对转速有很大的限制。数控机床主轴组件在可能条件下，尽量使用滚动轴承，特别是大多数立式主轴和主轴装在套筒内能够作轴向移动的主轴。这时用滚动轴承可以用润滑脂润滑以避免漏油。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。9.1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。本次设计中选用的轴承是60度角接触双列向心推力球轴承、双向推力向心球轴承、双列圆柱滚子轴承和双、单列圆锥滚子轴承。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；轴承的精度，分为2、4、5、6、0五级。其中2级最高，0级为普通精度级。主轴轴承以4级为主。高精度主轴可用P2级。要求较低的主轴或三支撑主轴的辅助轴承可用P5级。P6级和P0级一般不用。9.2轴承预紧力的要求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上，使得轴承刚度下降，承载能力下降，旋转精度变差。将滚动轴承进行适当预紧，使滚动体与内外圈滚道在接触处产生一定量的预变形，就可使受载后承载的滚动体数量增多，受力趋向均匀，从而提高轴承承载能力和刚度，有利于减少主轴回转轴线的漂移，提高旋转精度。但过盈量不宜太大，否则会使轴承的摩擦磨损加剧，承载能力显著下降。公差等级、轴承类型和工作条件不同的主轴组件，其轴承所需的预紧量各有所不同。因此，主轴组件必须具备轴承间隙的调整机构。。9.3主轴轴承的润滑与密封主轴的密封有接触式密封和非接触式密封，主轴轴承的润滑与密封是机床使用和维护过程中值得重视的两个问题。良好的润滑效果可以较低轴承的工作温度和延长使用寿命。密封不仅要防止灰尘屑末和切削液进入，还要防止润滑油的泄漏。数控机床上，主轴轴承润滑方式有：油脂润滑、油液循环润滑、油雾润滑、油气润滑等方式。此次设计选用的是油脂润滑方式。主轴的润滑状态可分为流体润滑状态和非流体润滑状态两大类，流体润滑状态又可分为边界润滑状态和干摩擦润滑状态。除上述外，还常见有混合润滑状态，即流体润滑状态和边界润滑状态同时存在。9.4选取轴承暂定角接触轴承型号7018C,轴承载荷Fr1=2060N，Fr2=1000N，FA=880N,转速5000r/min计算1、2的轴向力Fa1，Fa2，由《机械设计基础》表16-12查得轴承的内部轴向力：F1′=0.68Fr1=0.68×2060=1400N方向斜下F2′=0.68Fr2=0.68×1000=680N方向斜上因为F1′+FA=880N=2280>F2′所以轴承2为压紧端Fa1=F1′+FA=2280而轴承1为放松端Fa2=F2′=1400计算轴承1，2的当量动载荷由表16-11查得e=0.68，而Fa1/Fr1=1440/2060=eFa2/Fr2=2280/1000=2.28>0.68查表16-11可得X1=1，Y1=0；X2=0.41，Y2=0.87。故当量动载荷为：P1=X1Fr1+Y1Fa1=2060NP2=X2Fr2+Y2Fa2=2394N计算所需的径向的基本额定动载荷Cr，因轴的结构要求选择同样尺寸的轴承，今P2>P1，故应以轴承2的径向动量动载荷P2为计算依据。因承受中等冲击载荷，查表16-8得fP=1。0工作温度正常，查表16-9得ft=1.2所以30290N由手册查得7018C基本额定动载荷Cr为3.82kN。故选择合适所选轴承主要尺寸参数如下表图9-1角接触轴承表9-1普通角接触轴承基本尺寸代号dDBarsris7018C901402428.11.50.6图9-2圆柱滚子轴承表9-2双列短圆柱滚子轴承基本额定负载其他尺寸d=90D1BFwCrCorrsris1403791.511700115001.51表9-3推力向心球轴承基本尺寸234416BdDd1HA/H2rsris306257542710.69.5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。应该更换了。虽然还远未达到其疲劳寿命，但是这种“精度寿命”目前还难以估算准确。所选圆锥滚子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=（7-1）Lh轴承寿命。T滚动轴承许用寿命C滚动轴承额定动负荷，取38.4N。速度系数=ε寿命指数。对球轴承ε=3；对滚子轴承ε=10/3。KA使用系数。查表得KA=1.2。Kn转速变化系数，查表得Kn=0.89。KL齿轮轮换工作系数，查表取KL=0.8。KHP——寿命系数KHP=KAKnKHP=0.85。P当量动载荷3280N。所以根据公式计算得：Lh=500h>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。9.6轴承座孔的设计要求箱体壁上有安装轴承的轴承座孔，通常轴承座孔宽度均大于壁厚，而且，孔的两端面往往需要机械加工，壁厚则不需要加工，故在箱壁单侧或者双侧制造出凸台，凸台可以增强主轴箱体的局部刚度，但D/d小于或等于2时，增强效果较为明显。由于结构的原因，h/t>2的情况下，为改善凸台的局部刚度，应该设有加强肋。9.7小结轴承是支撑主轴的主要部件，它直接关系到主轴的加工精度，轴承的选择和装配是设计时必须考虑的地方。第10章联接键的选择键的类型可根据联接的结构特点，使用要求和工作条件选择，键截面尺寸通常根据轴的直径，从标准中选取，对于某些特殊情况（如阶梯轴）在保证传递所需的转矩的条件下，允许选用较标准规定小一挡的截面尺寸，有时候由于工艺和强度原因，也可以选用较标准规定尺寸大一挡的键，键的长度按轮毂长度而定，即键的长度等于略短于轮毂的长度，而导向平键就的按轮毂的长度及滑动距离而定，键的长度应该符合标准规定的长度系列。根据设计尺寸和GB/T1096-1979选普通平键联接，键的公称尺寸是b×h×L材料选取45号钢。小结键连接是设计过程中常用的一种连接方式，键的类型可根据结构和使用要求以及工作条件选择，其截面尺寸通常根据轴的直径确定。键的长度应该符合标准规定的长度系列。第11章密封件设计11.1密封件的作用及其意义在液压与气压系统及其元件中，安置密封装置和密封的作用，在于防止工作介质的泄漏及外界尘埃和异物的侵入。设置于密封装置中、起密封作用的元件称为密封件。液压与气压传动工作介质，在系统及元件的容腔内流动或暂存时，由于压力、间隙、黏度等因素的变化，而导致少量工作介质越过容腔边界，由高压腔或外界流出，这种“越界流出”现象就叫做泄漏。泄漏分为内泄漏和外泄漏两类。内泄漏指在系统或元件内部工作介质由高压腔向低压腔的泄漏；外泄漏则是由系统或元件内部向外界的泄漏。单位时间内泄漏的工作介质的体积称为泄漏量。对于液压传动系统，内泄漏会引起系统容积效率的急剧下降，达不到所需的工作压力，使设备无法正常运转；外泄漏则造成工作介质的浪费和环境的污染，甚至引发设备操作失灵和人身事故。因此，正确和合理的使用密封件事液压系统正常运转的重要保证。11.2密封的分类及密封件的材料要求密封的作用是阻止泄漏。造成泄