车铣复合加工中心的主轴机械结构设计毕业设计(论文)

XXX毕业设计(论文)PAGEII图书分类号：密级：毕业设计(论文)车铣复合加工中心的主轴机械结构设计THEDESIGNOFSPINDLEMECHANICALSTRUCTUREFORTURN-MILLINGMACHININGCENTER学生姓名班级学院名称专业名称指导教师XXX学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名：日期：日XXX学位论文版权协议书本人完全了解XXX关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归XXX所拥有。XXX有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。XXX可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名：导师签名：日期：年月日日期：年月日XXX毕业设计(论文)PAGE41摘要本设计主要是针对于车铣复合加工中心主轴机械结构部分。当前机械制造业涉及了机床技术，加工工艺技术，数控技术以及计算机技术等多领域，是一个的综合产业。目前由于机械零件制造呈小批量，复杂工艺过程的特点，因此，相比传统的机械加工模式，这将对机床的加工效率，加工精度，自动化程度提出了更高的要求。近些年，复合加工技术成为了机械制造业的热门发展方向，车铣复合加工中心作为具体实现装置，它可以减少装夹工件的次数，并且以此提高加工精度及效率。主轴作为机床的重要组成部分，它很大程度上决定了机床的性能，本论文主要对车铣复合加工中心的主轴机械结构进行设计，其内容包括了总体的主轴结构方案分析设计、具体主轴尺寸参数确定和校核、电机和轴承选型与计算校核以及根据主轴的承载重量、切削力等相关参数，进行主轴的动平衡计算，强度、刚度校核。关键词车铣复合加工中心；主轴；机械结构；设计

AbstractThisdesignismainlythespindlemechanicalstructureofturn-millingmachiningcenter.Currently,machinerymanufacturingindustryisrelatedtothecomprehensiveprocessingtechnology,machinetooltechnology,CNCtechnology,computertechnology,andotherareas.Comparedtoconventionalmachiningmodes,currentcharacteristicsduetomechanicalpartsmanufacturingweresmallbatches,complexprocess,forthemachiningefficiency,precision,ahigherdegreeofautomationrequirements.Inrecentyears,compositeprocessingtechnologyhasbecomeahotdevelopmentdirectionofmachinerymanufacturingindustry,turn-millingmachiningcenterasaconcreterealizationmeansthatitcanreducethenumberofworkpiececlamping,andinordertoimprovetheprecisionandefficiency.Asanimportantcomponentpartofthemachine,thespindleofmachinehasadecisiveinfluenceperformance.Thispapermainlyfocusesonthespindlemechanicalstructuredesignoftheturn-millingmachiningcenter,includingtheentirespindlemechanicalstructureofturn-millingmachiningcenter,specificspindlesizeparameterdeterminationandverification,selectionandcheckthemotorandbearings,andcalculatingandcheckingspindlebalancing,strength,stiffness,accordingtotheloadweightofthespindle,cuttingforcesandotherrelevantparameters.KeywordsMillingmachiningcentersSpindleMechanicalstructureDesign全套图纸外文翻译扣扣:1411494633

目录TOC\o"1-3"\h\u31769摘要 I21693Abstract II165711绪论 164521.1课题背景及研究意义 1327371.2车铣复合加工中心的现状及发展趋势 1274561.3本设计的研究内容 2153242车铣复合加工中心主轴机械结构方案的确定 4325252.1车铣复合加工中心的整体结构分析 438072.2车铣复合加工中心的主要技术参数拟定 5107282.3车铣复合加工中心主轴部件传动方案的总体设计 5136342.3.1主轴的传动方式 525642.3.2主轴传动件的布置 7170842.3.3主轴端部结构 7249012.3.4主轴的支承方式 888402.4主轴的准停与锁紧装置 9254322.4.1主轴的准停 9167832.4.2主轴的锁紧 10311442.5主轴的润滑与密封装置 11315042.5.1主轴的润滑 11214932.5.2主轴的密封 11254362.6主轴的材料选择与热处理 1247542.6.1主轴的材料 12106582.6.2主轴的热处理 12326563电机的计算与选型 13206983.1主传动的功率估算 13139313.2确定电机 15167253.2.1电机选型 15220023.2.2电机校核 16326344同步带的计算与选型 18303274.1同步带的设计功率 18311554.2同步带型号的确定 18119244.3同步带轮直径确定 19119404.4同步带轮键的选择及校核 207754.4.1键的选型 20138484.4.2键的计算校核 20170054.5同步带轮中心距确定 21190124.5同步带带宽距确定 2251005主轴结构参数的确定 2472595.1主轴直径的确定 24307285.2主轴内孔直径的确定 25221495.3主轴悬伸量的确定 25136175.3主轴支承跨距的确定 26324325.4主轴校核 27137855.4.1主轴受力分析 27186525.4.2校核 29194666轴承选择与校核 3173736.1径向载荷的计算 31119856.2轴向载荷的计算 31292576.3轴承校核 32266317Pro/E三维建模 33767.1车铣复合加工中心的主轴零件建模 33238567.2车铣复合加工中心的主轴零件装配 3524282结论 3713453致谢 3830801参考文献 391绪论1.1课题背景及研究意义零件机械加工，少则需要一两道工序，多则上百道工序，往往要经过多台设备进行加工，加上工件装夹以及换刀，必将消耗大量时间，严重影响加工效率和加工精度。当今，机械制造业受到了各国的高度重视，为快速发展工业和国民经济，对高质量、高精度、高效率、自动化先进机床的需求更为紧迫。为此，更为精密高效的机械加工工艺方法一直是工艺人员所最求的。复合加工技术就此应运而生，复合加工是一种先进制造技术，符合当今机械制造的发展潮流，目前已经成为国际上机械加工制造领域最为流行的加工方法之一。车铣复合加工中心承接复合加工技术，可以实现高效率的零件加工工艺，而且可以在提高加工效率的同时实现高精度生产。车铣复合加工中心作为复合加工机床的一种典型形式，具有复合机床的共性，可以经过一次装夹零件进行多种加工工序，大大地提高了加工效率和加工精度。具体来说，车铣复合加工中心很好地结合了车床和铣床的加工特点，并且运用数控技术可以提高自动化程度来实现铣削平面，加工回转类零件的表面，钻削，扩孔，镗孔等加工工序。具有车、铣、镗等复合功能的车铣复合加工中心可以解决大部分的工序。车铣复合加工中心大致可以分为三大类：基于车床的复合加工机床，基于铣床的复合加工机床和其他复合加工机床。简单来说，就是在车床、铣床或者其他机床的基础上，增设可以进行其他工序的加工设备，所以便可在同一机床上实现多工序同时进行，在此基础上，再结合数控技术提高车铣复合机床的自动化程度。目前较为先进的车铣复合加工中心可以实现五轴联动，其结构更为复杂。作为机床制造业的高端产品，可以生产航天用零件，主要结构形状复杂和精度要求高的零件。本设计着重对车铣复合加工中心主轴的机械结构进行设计，涉及到车铣复合加工中心的主轴结构的设计与优化，具体的设计包括主轴部件的支承，主传动的变速方式，主轴的准停和夹紧装置。以期待为车铣中心的相关设计提供一些技术参考。同时也是对自身本科四年的专业学习，包括机械设计，机械原理，理论力学，材料力学等相关的专业知识进行较为综合地运用，锻炼提高查阅资料、自主学习以及创新的能力，做到学以致用。1.2车铣复合加工中心的现状及发展趋势在保证产品质量的前提下，提高加工效率，降低制造成本是机械制造业所追求的共同目标。在机械制造领域，于是复合加工技术得到了各国的青睐。复合加工的实质就是工序集中的一种加工方法。1845年，转塔车床问世。1818年，惠特尼设计出了第一台普通铣床。正由于复合加工理念的发展，车铣复合机床应运而生，实现了车、铣两种工序集中到一个机床上得以实现。19世纪后诸如此类的各种复合功能机床在不断的研发与发展。目前，像日本的马扎克,德国的DMG这样的国际上一流的机床生产商掌握了世界上最先进的车铣技术，尤其高端五轴联动的车铣复合加工机床的技术，几乎形成技术垄断。在世界经济全球化的过程中，复合加工技术在我国也得到了很大的发展。2001年我国引进德国MAXMULLER的技术，我国成功地研制并且生产出第一台五轴的车铣复合机床。由于与国外的制造技术相比，我国的技术经验积累少，在高端的技术水平的差距仍然较大。国内市场上的铣方复合中心基本可以满足一些零件的加工质量需求，可是加工质量还没达到先进制造水品。在制造理念与日本、欧洲等制造先进国家接轨的同时，机械制造的相关产业，硬件设施以及技术人才仍然有待大力发展。图1-1所示的是HTM系列车铣复合加工中心，这系列的车铣中心是沈阳机床厂引进国外的先进技术自主开发设计的，它可以实现五轴联动，是一台设备上的高柔性机床，可以在同一装置上一次工件装夹中进行车、铣、钻、镗、攻丝等工序，不但可保证零件的制造精度，而且可以大大提高效率、降低生产成本，尤其适合加工一些形状复杂、精度要求高的零件，比如航空、航天、军工所需零件。图1-1HTM40/80系列车铣加工中心随着先进加工方法不断的发展，传统的制造工艺与设备难以满足当前的市场需求，尤其在航空领域，其零件产品具有小批量，形状结构复杂，精度要求高，材料的加工性能差等特点，在传统的制造工艺与设备上，普遍存在加工效率低，精度差，材料切除量大等弊端。车铣复合加工的核心技术包括了先进制造技术、数控技术、精密测量技术、CAD/CAM技术。车铣复合加工技术的独特优势在于提高产品加工质量和产品加工效率。车铣复合加工中心以其自身的加工性能特点，能够很好的解决因为工件多次装夹得到较差精度，换刀辅助时间过长的问题，而且作为柔性加工设备，便于企业产品的转型，为今后机械制造的发展指明了方向。1.3本设计的研究内容车铣复合加工中心的发展趋势呈现高精度、高刚度、高切削速度的特点，它的结构复杂，自动化程度不断提高。主轴作为机床的核心部件，它的设计是否合理关系到车铣复合加工中心的性能的优劣，由于高精度的工件需求，必然对主轴的制造精度，装配精度提出了更高的要求。车铣复合加工中心能够实现多工序的进行，粗加工切削量较大，为降低机床加工过程中的变形而导致的工件制造误差，主轴的刚度设计是关键。本设计主要针对车铣复合加工中心的主轴机械结构的设计，其主要设计内容包括：确定最佳车铣复合加工中心主轴的总体结构设计方案；车铣复合加工中心主轴的电机的选型；车铣复合加工中心的同步带的选型；车铣复合加工中心主轴的具体尺寸参数设计；根据所确定的主轴的具体参数对相关零部件以及主要承重件进行计算校核；车铣复合加工中心轴承的选型；主轴零件的三维建模和装配。

2车铣复合加工中心主轴机械结构方案的确定2.1车铣复合加工中心的整体结构分析车铣复合加工中心的整体结构同普通加工中心一样，由六个部分组成，分别为基础部件、数控系统、主轴部件、进给系统、换刀装置以及辅助设备。基础部分主要指的是机床床身，其强度、刚度、稳定性和吸振性影响了车铣复合加工中心的性能，它承受着加工中心的静态负载和在加工过程中的动态负载。通常，床身是通过铸造成形，工艺相对简单，铸铁的刚度较好，而且能够吸振。数控系统是加工中心实现自动化的核心，作为加工中心的大脑，往往决定加工中心的性能、稳定性和可靠性，包括了数控装置，伺服系统，PLC等。主轴部件与普通加工中心不同，车铣复合加工中心有多个主轴，如图2-1所示，包括车削主轴和铣削主轴。当车削主轴准停锁紧时，可以在确定的角度对工件进行铣削操作，所以车铣复合加工中心可以实现工序集中，减少生产周期。但是，车铣复合加工中心的主轴相对普通的数控主轴有了更为严格的设计要求。进给系统以伺服电机为动力源，通过滚珠丝杠控制车削刀架的进给，因此，较高加工精度的车铣复合加工中心需要使用精度高的丝杠和先进的控制系统。换刀装置可以节约加工过程中的辅助时间，实现加工中心的自动化程度。辅助设备完成冷却，排削的功能，虽然没有直接参与切削，但对提高加工质量起到重大影响。图2-1车铣复合加工中心的主轴分布目前的车铣复合加工中心有欧式和日式两大流派[[] 李宪凯，崔佩强，吴俊勇等.车铣复合加工中心结构分析[J].设备管理与维修.2006(1):36,42.]，[] 李宪凯，崔佩强，吴俊勇等.车铣复合加工中心结构分析[J].设备管理与维修.2006(1):36,42.2.2车铣复合加工中心的主要技术参数拟定本设计的车铣复合加工中心的主要技术参数表2-1所示：表2-1车铣复合加工中心的主要技术参数项目规格单位最大回转直径650mm最大切削直径500mm最大切削长度1000mm主轴的最高转速3000r/min主轴的额定转矩800N▪m2.3车铣复合加工中心主轴部件传动方案的总体设计车铣复合加工中心在加工工件的过程中不仅需要提供切削力，而且要根据不同工艺加工需求实时变换切削速度。于是，需要合理的主轴传动方式以及传动件的结构配置，在一定的切削功率和最佳的切削速度的条件下实现工件的切削加工。2.3.1主轴的传动方式在机床设计中有多钟传动方式，这些传动方式根据自身不同的传动特点，被运用到不同工艺要求的加工场合中，为了确定最为优化的车系符合加工中心主轴的传动方式，一下列举几种常用的传动方式，并且根据本设计的具体设计要求拟定符合车铣复合加工中心的方案。（1）齿轮传动方式作为机械传动方式的重要形式——齿轮传动，如图2-2所示，应用的场合十分广泛，能够实现较大功率的机械运作状态。齿轮传动具有传动效率高、结构紧凑、机械工作寿命长和传动比固定的特点，但是，在实际齿轮制造以及安装要求需要很高的精度导致成本较高，而且传动距离受到限制，不宜有太远距离的跨度。图2-2齿轮传动方式示意图（2）带传动方式带传动也是常见的传动方式，一种典型的挠性传动形式。带轮之间通过传动带实现动力传递。目前主要由两种形式的带传动——平带、V带、多楔带和同步带。带传动相对于齿轮传动，其结构简单、传动平稳和成本低，最为重要的性质它可以缓冲吸振，具有过载保护的功能。而同步带相比于V带，如图2-3所示，又有类似齿轮的特性，它可以保证固定的传动比，实现定比传动。图2-3同步带传动方式示意图（3）电主轴传动方式目前机械加工朝着高速切削的方向发展，于是出现一种较为新型的传动形式，将电机与机床的主轴设计为一体结构，成为独立的电主轴动力系统，如图2-4所示。电主轴大大降低了主轴结构的复杂程度，主轴作为转子，可以实现高速转动。电主轴相比其他的传动方案，它具有结构简单，质量轻，转动惯量小，动平衡性能较好的特点，可以实现高速切削，可以提高了机床的工件加工精度。图2-4电主轴传动方案实物图（4）主轴传动方式分析比较及方案确定车铣复合加工中心的主轴转动要求精度高，传动平稳。齿轮传动可靠，但是齿轮间的中心距的跨度不宜过大，在使用过程还中会出现轮齿折断、磨损、胶合和点蚀等失效形式，会影响机床的整体性能以致达不到设计要求，齿轮更换较为繁琐且成本高。电主轴可以高速运转，可是它只能提供的扭矩较小，在主轴运转的过程中热量会不断聚集，而且受热容易变形，对散热系统要求高，主轴的精度难以保证。带传动可以对运转的主轴实现过载保护，能较长跨距传动，其中同步带有着类似于齿轮的轮齿，可以保证电机与轴有着固定的传动比，这对车铣复合加工中心主轴可以在任意角度准停与锁紧的实现至关重要。综合上述分析，从各方案的传动性能、经济性以及车铣复合加工中的工作特点综合考虑分析，同步带传动是本设计的最佳传动形式。2.3.2主轴传动件的布置主轴在进行切削加工时受到切削力、传动力和支承反力的作用下，主轴会发生扭和轴向转弯曲变形，所以传动件在主轴轴向位置分布的不同情况，设计出的机床的切削性能将会有所不同。本设计有三种预选方案(a)、(b)和(c)，如图2-5所示。其中(a)方案放在后支承处悬伸，传动件尽量接近后支承的位置，尤其在带传动的场合较为多见，方便传动带的安装与更换，适合用于精度要求较高的机床主轴。(b)的传动布置形式最为普遍，传动件在两个支承之间，受力情况好。(c)传动件安置在前支承出悬伸，这种配置形式能降低主轴受弯变形程度和反支承力，适用于较大转盘的机床和重型机床。结合本设计的实际情况，主要使用带传动方式，而且车铣复合加工中心要求有较高的精度，最终选用(a)的传动件布置方式。(a)传动件布置方式方便同步带的更换，适合精度要求较高的机床主轴设计需求。图2-5主轴传动件的布置示意图2.3.3主轴端部结构主轴端部结构常用有三种形式——A型、C型和D型[[] 隋秀凛,高安邦.实用机床设计手册[M].北京：机械工业出版社出版，2010.]，拟定主轴选择A型端面结构，根据GB/T5900.1——1997和GB/T5900.3——1997，A型有可以细分和。[] 隋秀凛,高安邦.实用机床设计手册[M].北京：机械工业出版社出版，2010.图2-6车主轴的端面结构示意图2.3.4主轴的支承方式主轴在切削工件时，除了有自重，还受到轴向、径向的切削力作用，而且在高速的状态下工作，所以使用合理的轴承配置形式构造最优的支承方式就显得格外重要。在设计支承方式时要着重考虑降低主轴的轴向窜动、径向跳动和角度摆动对车铣复合加工中心的精度影响，同时，在切削过程中由于高速运转产生大量热量，导致主轴受热膨胀以致将轴承卡死，这样的状况也将在设计过程中得以解决。目前的支承方式主要由三大典型的配置：速度型、刚度型和速度刚度型。（1）速度型的主轴支承该方案如图2-7所示，前支承采用的是三联角接触球轴承，三个60º角接触球轴承中左边两个采用背向布置，相对于面向布置，它的压力中心间距离更大，可以使支承刚度更大。后支承采用的是双联角接触球轴承，能够承受径向和轴向的力。适合运用在高切削速度、较高负载和高精度场合的机床。图2-7速度型的主轴部件支承（2）刚度型的主轴部件支承如图2-8所示，该方案的前支承采用的是双向角接触球轴承和双列圆柱滚子轴承的配合使用，后支承是一个双列圆柱滚子轴承。圆柱滚子轴承的滚动体是先接触形式，磨损相对较小，可以承受更高的径向负载。轴向负载可以由前支承的双向角接触球轴承进行平衡。这种方案具有很高的刚度，使用寿命相对较长，适合对刚度、承载能力和精度要求较高的机床。图2-8刚度型的主轴部件支承（3）速度刚度型的主轴支承如图2-9所示，方案的前支承是三个角接触球轴承，后支承采用双列圆柱滚子轴承。其中两个角接触球轴承呈大口朝外的配置，可以承受较大的轴向力，还有一个与其他两个背向布置，可以得到很大的支承跨距，有利于提高抵抗主轴的颠覆力矩的能力和结构刚度。图2-9速度刚度型主轴部件支承（4）主轴支承方案的分析比较与确定根据对上述的三种支承方案的分析，速度型的支承方式可以满足主轴的高速运转时的工作性能，但是在主轴受热膨胀时会导致轴承卡死，而且角接触球轴承的滚子以点接触，磨损严重，使用寿命较短。刚度型支承方案可以实现机床的较大承载能力，但是其运转速度受到限制。结合前两种方案的速度刚度型具有良好的综合性能，能够在较高承载的情况下，实现高速加工。综上所述，本设计车铣复合加工中心的支承方式采用速度刚度型的支承方案。2.4主轴的准停与锁紧装置车铣复合加工中心可以同时实现车削与铣削，当对一个工件进行铣削时，车主轴要求能够在制定的角度停车，并且能够锁紧以提供在切削加工过程中的反切削力。所以在主轴的设计过程中，要考虑到准定与锁紧装置。2.4.1主轴的准停目前的主要有两种形式的主轴准停装置——机械式准停和电气式准停。在早期的数控机床上主要使用机械式的准停装置，机械式利用光电盘或者凸轮机构进行粗定位，而精定位是通过液动的定位销插入主轴的定位销槽实现的。然而，电气式准停成为当今机床准停方式的主要方向。具体分类，电气式准停又可分为两类，一种是传感器定位，主轴上装有发磁体，在主轴径向1至2毫米的位置处有一个磁性传感器，控制系统可以检测到传感器的信号，控制主轴在调整好的位置上。另一种是编码器定位，如图2-10所示，编码器和主轴通过同步带实现1:1的同步转动，能实现主轴在任意角度准停。图2-10编码器结合车铣复合加工中心的切削性能要求，编码器准停方式更为复合设计要求。2.4.2主轴的锁紧车铣复合加工中心车削主轴，不仅需要为车削传递动力，而且需要根据实际加工具体要实现定角度主轴准停，但是在车铣复合加工中心主轴准停时会受到铣削主轴的切削力，从而导致主轴会发生角位移，使得工件加工工件失去原先要加工的位置，最终工件报废。为此，主轴的锁紧装置可以在主轴位置准停好之后将主轴锁紧，然后再对工件进行铣削和钻削工序，达到加工工艺要求。本设计选定主轴后支承附近采用主轴锁紧装置，如图2-11所示，图中1为主轴，2为制动盘，3、11为液压缸，4、10为活塞，5、9为弹簧，6为液压油路，7,8为压盘。通过控制液压缸使得活塞同时向制动盘移动直至压紧，可以实现主轴锁紧。图2-11锁紧装置示意图2.5主轴的润滑与密封装置车铣复合加工中心在切削时，主轴处于较高的转速状态，会使的主轴部件（尤其主轴轴承）加快磨损和热变形，以致主轴运动的精度严重下降，加工的工件的质量难以达到设计标准。而且，在车铣复合加工中心的外部，会有杂质进入主轴部件内部，也会加大零部件的磨损。因此，在主轴的设计中，关于主轴润滑和密封的装置设计是必不可少的。2.5.1主轴的润滑主轴润滑会减少主轴运转过程中的摩擦、带走热量，降低主轴的磨损和热变形程度。目前，主轴的润滑形式主要利用循环润滑系统，具体有两种形式：油气润滑方式和喷注润滑方式[[] 机械设计实用手册编委会.机械设计实用手册[] 机械设计实用手册编委会.机械设计实用手册[M].北京：机械工业出版社出版，200主轴的密封主轴系统为了运转平稳，降低组件的磨损，往往会使用润滑油以及油脂。然而，为了防止润滑油流失和外界杂物（包括切削液、灰尘和切削等）进入主轴系统中，需要为主轴设计出相应的密封装置。在设计过程中，需要综合考虑主轴的转速、零件空间布局、密封方向和经济性。密封方式分为静密封和动密封，因为主轴在运转工作是处于运动的状态，因此，主要考虑动密封的方式。动密封主要由两种——接触式和非接触式[NOTEREF_Ref19307\f\h3]。在主轴的高速工作时，非接触式的密封方式更为合理，而在非接触式的密封方式包括迷宫式、离心式、螺旋式、浮环式、全闭式和磁流式。在以上的密封方式中，迷宫式的密封方式主要用于旋转轴上的润滑油的密封，它与其他的密封（毡封和橡胶圈密封）相比，在主轴运转时不易磨损，对主轴的转动不产生影响。迷宫密封的机构有三种形式，如图2-12所示。但在一般情况下会联合使用迷宫沟槽或者与其他的密封方式联合配置，会达到更好的密封效果，图2-12迷宫密封的结构种类2.6主轴的材料选择与热处理主轴的机械性能，包括其强度、刚度和稳定性，往往决定于主轴的材料选择和热处理方式。主轴要求具有较好的刚度，在主轴部件的连接处还要有足够的硬度抵抗零件对其的磨损，而且主轴切削时会产生大量的热量，所以要求主轴能够抗热变形。上述的这些性质要求，必须再设计主轴结构时选择好符合要求的材料和热处理方式。2.6.1主轴的材料车铣复合加工中心具有较高的加工精度，这对主轴的刚度要求比较苛刻，而主轴的刚度则取决于使用材料的性能，弹性模量可以很好的描述材料的刚性。因此，要选择弹性模量大的材料制造主轴，钢材作为首选材料，钢材之间的弹性模量差别不大。常用的钢材有优质合金钢，其中45号钢最为典型，对于精度要求较高的主轴可以考虑合金结构钢（比如40Cr）。结合本设计的技术要求选择40Cr作为车铣复合加工中的主轴材料。2.6.2主轴的热处理车铣复合加工中心的主轴在工作运转时，要承受工件重量与主轴的自重，在支承端要有较高的接触强度和耐磨性。为了提高工件的定位精度，对于轴端面的定位表面要求表面质量高和硬度大。于是可以对主轴进行局部热处理，本设计在上述的材料选择部分已经说明，采用40Cr作为主轴材料。合金结构钢可以经过化学热处理，比如渗碳处理和渗氮处理。

3电机的计算与选型机床切削需要稳定的动力源，动力源的性能好坏将直接影响机床的整体性能。车铣复合加工中心主轴对转动速度以及稳定扭矩有着较高的要求，而且所选的动力源要利于控制，实现根据不同加工精度要求提供相应的转速和扭矩。电机作为动力源，有利于主轴的控制，且动力平稳，已经成为机床的主流动力源。为了选择合适的电机，需要对车铣复合加工中心的主传动功率进行估算，并且由此为根据选择合适的电机型号。以下逐步进行计算与电机选型。3.1主传动的功率估算为了估算主传动的功率，可以采用假设车铣复合加工中心进行重切[[] 郑永平，郑海英，张金霞等.车铣复合加工中心主传动的设计[J].机械工程师.2011(1):148-149.][] 郑永平，郑海英，张金霞等.车铣复合加工中心主传动的设计[J].机械工程师.2011(1):148-149.表3-1切削参数工件材料45号钢工件直径刀具材料硬质合金刀具刀具参数切削用量背吃刀量进给量切削速度首先对车铣复合加工中心进行重切时的切削力计算。工件切削时，由于刀具与工件的相互作用的作用力可以在三个正交方向上分解，即主切削力、背向力和进给力。如图3-1所示。图3-1切削力分解示意图图所示的切削力分解可以用数学关系式表达成如下：式(3.1)式中——主切削力(N)；——进给力(N)；——背向力(N)。车铣复合加工中心在切削加工时所消耗的功率(W)可以细分为两部分组成——切削功率(W)和进给功率(W)。具体公式可以表示为：式(3.2)式中——切削速度(m/s)；——主轴转速；——进给量。但是在实际的生产过程中，相比于切削功率，进给功率只占到总消耗功率的（1%~2%），而本部分为选择合适的电机进行的估算。所以，切削过程消耗的功率可以理想化为只有工作功率。接下来将以主切削力为出发点，求解近似的电机最低功率。主切削力可以利用切削层单位面积的切削力来计算，计算公式为式(3.3)式中——切削层单位面积切削力；——切削条件修正系数。相关参数可以从切削用量手册查找，表3-2为硬质合金刀具切削常用金属的单位切削力。表3-2硬质合金刀具切削常用金属的单位切削力相关系数[[][] 李菊丽，何绍华.机械制造技术基础[M].北京：北京大学出版社，2013.工件材料单位切削力/(N/mm²)实验条件名称牌号热处理状态硬度/HBS刀具几何参数切削用量范围钢材45正火或热轧1871962（200）前刀面带卷屑槽调质2292305（235）40Cr正火或热轧2121962(200)条件2852305（235）灰口铸铁HT200退火1701118（114）平前刀面为卷木屑槽查的切削条件修正系数为0.9，单位切削力为196，将设定的参数代入式(3-3)可得主切削力为：由此可进一步求得切削功率：主传动的效率为80%，主传动的功率估算为：3.2确定电机3.2.1电机选型图3-2西门子交流伺服电机型号相关参数交流电动机，特别三相异步电机被广泛地用来驱动机床工作，它作为动力源提供切削力，主要起到转换能量的作用，但是在车铣复合加工中心，不仅需要提供切削所需的能量，而且为了实现数字控制，可以在任意角度准停进行铣削，具有转换传递控制信号的任务。所以，常用的三相异步电机无法满足车铣复合加工中心的性能要求。为了实现车铣复合加工中心的高自动化，本设计主要考虑选用控制电机，伺服电机是常用的控制类电机，它可以把电压信号转化成转速和转矩来驱动主轴，伺服电机内有编码器，可以对电机的转角进行修正和补偿，保证了主轴的转角的精确度。目前国内使用的伺服电机的主要是德国的西门子和日本的三菱等公司的产品。根据之前关于主传动功率的估算，并结合西门子伺服电机的型号参数，如图3-2所示，选择1PH7型号的伺服电机，其结构紧凑，具有高功率密度，而且在零速的情况下转矩不会变化，基于这些性能的伺服电机符合车铣复合加工中心的性能要求。查阅西门子交流伺服电机的具体性能参数代码，确定所选的确切型号为1PH7137-2NF33-0CA0。3.2.2电机校核1PH7137-2NF33-0CA0的实际参数如表3-3所示。表3-31PH7137-2NF33-0CA0相关参数功率额定转矩转动惯量额定转速最高转速根据上述参数，以及同步带传动的机械效率，如表3-4所示，取，可以求得附加功率为式中——传动功率(kw)；——传动系统机械效率。则总功率为，所以所选的电机复合功率需求。表3-4带传动效率带的种类效率（%）普通平带94~98有张紧轮的平带90~95尼龙片复合平带98~99普通V带帘布结构87~92线绳结构92~96窄V带90~95联组V带89~94多楔带92~97圆形带95同步带93~98

4同步带的计算与选型本设计车铣复合加工中心主轴采用同步带传动，它具有较宽的传递功率范围，能够实现类似齿轮的定比传动，也同时具备带传动的特质，可以过载保护。同步带的选择要确定它的齿形、从动带轮的齿数、带宽和中心距等参数。4.1同步带的设计功率上部分已经确定了电机型号，西门子交流伺服电机的功率为22kw，额定转速为1500r/min。为了使设计的车铣复合加工中心具有较长的工作潜力，设定每天工作8小时以上，并以此作为设计出发点。查阅《机械设计使用手册》，已知设计功率的公式:式(4.1)式中——工况系数，见表4-1；——传动功率()。表4-1工况系数工况原动机每日工作时长（h/日）较小的载荷变动较大的载荷变动很大的载荷变动由表4-1可以确定车铣复合加工中心的工况系数，并代入式（4.1）则可以求出设计功率。4.2同步带型号的确定同步带传动为挠性传动，它有减振过载保护的作用，但是与此同时，为了使得传动平稳，应当尽量增加齿数，让啮合更为可靠，所以要取节距较小的同步带。同步带按其齿形的不同，有梯形齿形带和圆弧形齿形带两种，本设计使用的是梯形齿形带。关于梯形同步带的选型，在《机械设计使用手册》有专门的图表作为依据，如图4-2所示，根据电机功率和转速查图选择H型同步带，其对应节距为12.7mm。图4-2梯形齿同步带选型图[NOTEREF_Ref19307\f\h3]4.3同步带轮直径确定同步带与同步轮啮合实现同步传动，对应与同步带，同步轮的参数也有要求。电机轴和车铣复合加工中心的主轴都安装有同步轮，相比之下，前者为小带轮，后者为大带轮。首先确定小带轮的节径，其有计算公式如下：式(4.2)式中——同步带的节距(mm)；——小带轮的齿数。小带轮的齿数最小值有相应的标准，如表4-3所示。在安装方便和带速满足条件的前提下要尽量选择齿数大的带轮。表4-3小带轮最少齿数（梯形齿带轮部分）小带轮转速梯形齿带轮型号MXLXXLT2.5XLT5LT10HXHT20XXH————由表可查的。各类型的同步带的带速要求不同，具体的带速范围可以参考《机械设计使用手册》，其标准如表4-4所示。表4-4带速范围型号MXL\XXL\XL\T2.5\T5L\H\T10XH\XXH\T20模数带速与小带轮的节径有如下关系：式(4.3)根据式（4.3）和表4-4查得带速的范围是35～40m/s。联立式(4.2)和式(4.3)，通过公式变形，可以得到小带轮的齿数与最大带速的关系如下：根据上式结果，去小带轮的齿数，则。而大带轮的齿数为，大带轮节径。4.4同步带轮键的选择及校核主轴的动力是电机通过同步带轮进行传递的，而带轮与主轴之间是键实现连接的。在车铣复合加工中心加工运作时，需要传递功率和力矩，所以会对键产生作用力，但是如果所要传递的力过大以至于超出键的强度极限，必将会导致键被剪断。因此本设计将要对键进行计算选型与校核。4.4.1键的选型键是标准件，在使用时需要根据轴的直径以及传递的力矩大小选择合理的键的型号。首先需要针对传递力矩的工作条件特点，再综合各种形式键的特点选择键的类型。具体对键进行分类主要有平键、导向键、半圆键和花键等，本设计是比较常见的轴和轴毂之间的键连接，所以选择平键。选定类型后在相应的型号表中选择合适的规格，由于键是同过侧面进行工作，所以其主要尺寸是键宽×键高×长度[[] 濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计[M].[] 濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计[M].北京:高等教育出版社，20键的计算校核键的受力情况如图4-1所示，作为普通的静联接，所以其主要的失效形式是键的侧面被压溃甚至于剪断，所以需要对键进行强度校核。为了校核方便，现对计算模型进行简化，假设键的侧表面受力均匀，查《机械设计使用手册》已知普通平键的强度条件为式(4.4)式(4.4)式中——转矩（）；——轴毂与键的接触高度（mm）；——键的工作长度（mm）；——直径（mm）；[]——许用应力（）。图4-1键的受力示意图已知，主传动的转矩为，直径为，许用压力为。代入式(4.4)得所以所选的键符合强度要求。4.5同步带轮中心距确定同步轮之间的距离需要进行初选与校核，距离过大则会导致皮带振动，传动不平稳。同步带的中心距离满足式（4.5）：式(4.5)所以初选中心距为400mm。根据选定的中心距，由式（4.6），进一步初选带的节线长度。式(4.6)将数据代入上式，可得初选的同步带节距长度为1263.08mm。由图4-2，可选择最接近计算结果的同步带规格500H，其齿数为100，节线长为1270.00mm。图4-2H型同步带型号规格（部分）在考虑在生产实际中，同步轮之间的距离需要可调或者有张紧轮装置，需要对之前设定的中心距进行调整，查《机械设计实用手册》得到实际的中心距为：4.5同步带带宽距确定车铣复合加工中心需要通过同步带将电机的功率传递给主轴，所以要有适当的带宽，才能可靠的传递动力。同步带的宽度选择涉及到小带轮的啮合齿数和基准额定功率。小带轮的啮合齿数有如下的计算公式：式(4.7)代入参数，求得。根据《机械设计使用手册》可以查得基准额定功率计算公式：式(4.8)式中——许用工作拉力(N)，查表4-5；——单位长度的质量(kg/m)，查表4-5。表4-5梯形齿形带的基准宽度和许用工作拉力及其质量型号MXLXXLXLLHXHXXH基准宽度许用工作拉力带的质量查表得，基准宽度，许用工作拉力,单位长度质量，代入式（4.7），计算得：。根据以上计算的基准额定功率结果，以及梯形齿带宽有计算公式(4.9)：式(4.9)式中——基准宽度(mm)，查表4-5；——小带轮的啮合齿数系数，查表4-6。表4-6小带轮啮合齿数系数≥654321.000.800.600.400.20再结合带宽标准，选择带宽为50.8mm。

5主轴结构参数的确定本部分主要涉及车铣复合加工中心的主轴设计的具体结构参数，主轴在切削加工的时候，主要受到反支承力和切削力的作用。反支承力来源于主轴的自重以及工件重量，由于在支撑上不是理想的分布，主轴会受到弯矩的作用产生形变。在夹紧工件切削时，也会产生扭矩的，对主轴的传动精度产生影响。而主轴的稳定性决定于支承与支承间的跨距以及主轴的悬伸量。因此，对车铣复合加工中心的主轴结构参数的确定与优化极为重要。5.1主轴直径的确定主轴直径关系到主轴的刚度，直径越大的主轴其刚性，可以提高车铣复合加工中心的性能。主轴外径的尺寸，主要是对轴的前轴颈（前支承轴承处）的设计。由于车铣复合加工中心从本质上是车床与铣床的功能结合，可以借鉴通用机床的设计原则与经验，根据《实用机床设计手册》关于通用机床的主轴前轴颈的直径设计尺寸，如表5-1所示，大致对车铣复合加工中心的主轴直径进行取值。表5-1主轴前轴颈的前直径切削功率/kw1.47～252.6～3.63.7～5.55.6～7.37.4～1111～14.714.8～18.418.5～2222～29.5车床60～8870～9070～10595～130110～145140～165150～190220230铣床50～9060～9060～9575～10090～105100～115——————外圆磨床——50～6055～7070～8075～9075～10090～100105105而对于普通车床，主轴的性能由被装夹的工件的特征尺寸表示，也可以参考设计要求（即主参数）来确定主轴的前轴颈直径。如表5-2所示，罗列了普通车床主轴前轴颈直径和主参数的关系表达式。表5-2普通车床主轴前轴颈直径和主参数的关系根据上文所求的切削功率为14.42kw，并且结合主轴端部结构的相关标准，如图5-1所示，选择代号为8的卡口型主轴端部，则取主轴前轴颈的直径=140mm。（注：图5-1中的字母表示含义结合图2-6，与表格不是对应一致）图5-1、型主轴端部尺寸5.2主轴内孔直径的确定主轴内孔主要用来通过较长棒料和拉杆，同时轴类零件在靠近轴线的切应力较小，所以内孔可以省去没有充分发挥作用的材料，减轻主轴的质量和节约材料。主轴内孔设计要遵循满足工作性能而且不削弱主轴刚度的前提下取其最大值的原则。主轴内孔直径主要受结构和刚度的制约，内孔过大会导致主轴的强度及刚度削弱，以致不足以满足车铣复合加工中心的工作需求。一般主轴的最薄处的直径差不小于10～15mm。考虑到主轴刚度，查《实用机床设计手册》，主轴内孔直径有下列的关系式：普通车床半自动车床结合车铣复合机床的实际工作性能，选取求得主轴内孔直径5.3主轴悬伸量的确定主轴的支承形式如图5-2所示，其支承跨距和悬伸量关系到车铣复合加工中心的精度和刚度性能。图5-2主轴支承形式主轴前端受力处距离前支承作用点为主轴的悬伸量，可以理想化为悬臂梁模型，悬伸量越小主轴的刚性越好。主轴悬伸量关系到主轴的端部形状尺寸和密封形式。查阅《机床设计实用手册》，如图5-3所示，结合车铣复合机床具有高精度、高刚度要求，可以大致选定主轴悬伸量与前轴颈直径比为1，于是求得。图5-3主轴悬伸量与前轴颈直径之比5.3主轴支承跨距的确定主轴前后支承之间的距离称为主轴的支承跨距，支承跨距对主轴部件的刚度和旋转精度有着很大的影响。主轴在全部受力后会产生两种形式的位移，如图5-4所示。图5-4主轴端部受力变形位移分析图为方便分析主轴的端部弹性变形的来源，现作理想化假设：当主轴支承为刚性时，主轴因为弹性变形而引起的主轴端部位移；当主轴可以视为刚体，则因为主轴支承变形而导致主轴端部的位移，其中前支承的变形量为,后支承的变形量为，于是有数学几何关系可得：。支承跨距越小，则主轴的弯曲变形变小，主轴端部的变形位移也将随之变小，但是主轴支承的弹性变形所引起的主轴端部变形位移会变大，所以要综合选定主轴的支承跨距，而不是一味的选择较小的值，一般情况下选定，根据上述的的取值为140mm，初步取。5.4主轴校核前文对主轴的大致尺寸参数进行拟确定，而在生产实际过程中它的参数未必能够达到设计需求，会出现强度过低导致主轴断裂、挠度过大精度下降和受热变形而卡死等一系问题，所以对主轴校核尤为重要。5.4.1主轴受力分析主轴主要受切削力、支承反力和、自重、同步带的压轴力和扭矩的作用，为了便于校核计算，将主轴简化为如图5-1所示受力模型。其中在后支承A处和前支承B处的力可以分解到水平和垂直方向上，主轴所受的切削力可以等效为图示的和的共同作用。目前已知：，，，其他值需要进一步计算得到。图5-1主轴受力分析首先大致计算出主轴的自重，外径为140mm，内孔直径为84mm，长约为500mm，则可以求出主轴的体积：,查的主轴材料的密度为，于是可以进一步求得主轴的自重：根据第五部分关于同步带的相关数据，计算压轴力：(1)在垂直平面内：,式(5.1)，式(5.2)联立两式，解得，。垂直面的剪力图和弯矩图，如图5-2所示。图5-2垂直平面内的剪力图和弯矩图(2)在水平平面内：，式(5.3)，式(5.4)联立两式，解得，。则水平平面内的剪力图和弯矩图，如图5-3所示。、图5-3水平平面内剪力图和弯矩图(3)扭矩图，如图5-4：图5-4主轴的扭矩图5.4.2校核由作出的弯矩图可得：判断A处为危险截面，A处截面的弯矩和扭矩最大。车铣复合加工中心主轴在转动时受到对称循环弯应力和脉动循环剪应力。在弯曲和扭转的共同作用下，并结合第三强度理论，需要满足的强度条件如式5-5所示。式(5.5)式中——弯曲应力；——扭转切应力。其中弯曲应力：式(5.6)扭转切应力：式(5.7)式(5.6)、(5.7)代入式(5.5)得到：式(5.8)根据已知数据数据求得抗弯截面系数。其中取值如表5-1所示。表5-1取值扭转切应力形式静应力脉动循环变应力对称循环变应力0.30.61查《机械设计使用手册》，的对称弯曲疲劳极限，，所以满足强度设计要求。车铣复合加工中心不仅需要满足强度要求，而且刚度也要达到要求，主要对主轴的扭角进行校核，扭转角的计算公式[[] 刘鸿文.[] 刘鸿文.材料力学（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.式(5.9)式中——扭矩；——极惯矩，；——剪切模量，。代入式(5.9)求得对于精密机床主轴单位长度的扭转角满足：，所以主轴满足刚度要求。

6轴承选择与校核车铣复合加工中心的精度以及运转的平稳性很大程度上取决于轴承的性能，本设计采用的是滚动轴承，它限定了主轴的轴向位置、决定了主轴的旋转精度和主轴的动载荷承载能力。因此，主轴支承方式以及轴承合理选择是本设计的重要环节。轴承的滚动体和套圈会出现疲劳点蚀，导致轴承失效，是主轴在运作时发生振动和发热现象，所以滚动体是滚动轴承寿命计算的依据。本部分涉及滚动轴承的型号选择、承载能力以及寿命校核，预计车铣复合加工中心主轴轴承可以连续工作5年，平均每年按照300小时计算。6.1径向载荷的计算在第5章求得图5-1中A、B支承点的水平和垂直力，分别为，，，。根据上述数据，将力进行合成，求得:图6-1主轴轴承布局图6-1为主轴轴承的分布情况，为方便说明已经对进行编号，对应图5-1，A支承主要通过双列圆柱滚子轴承实现主轴支承，B支承主要是三个60º角接触球轴承支承主轴的端部。现对主轴轴承进行受力模型化简，,。6.2轴向载荷的计算车铣复合加工中心加工工件的时候，主轴受到轴向力的作用，所以选择70000AC型角接触球轴承，它可以承受较大的轴向载荷，接触角为25º。主轴轴承内孔直径为140mm，选择7028AC/DF型号成对安装角接触球轴承和7028AC单列角接触球轴承。为了使主轴达到受力平衡，轴承的派生力，满足，其中，可以解得：,。6.3轴承校核滚动轴承的当量动载荷可按如下式子进行计算。当时，式(6.1)当时，式(6.2)因为，所以选择式(6.1)并且所得结果代入式(6.3)。式(6.3)式中——滚动轴承的当量载荷；——载荷系数，见表6-1。表6-1载荷系数载荷性质无冲击或轻微冲击状态1.0~1.2中等冲击和中等惯性冲击状态1.2~1.8强大冲击状态1.8~3.0由于车铣复合加工中心工作时较为平稳，冲击轻微所以选择，代入式(8-3)求得。计算主轴轴承的预期寿命：查阅《机械设计实用手册》的轴承承受的基本额定动载荷，如式(6.4)。式(6.4)式中——指数.对于球轴承，对于滚动轴承，代入求得。查的所选的主轴轴承7028AC的基本额定载荷为228kN，代入式(6.5)，求得主轴轴承的许用使用寿命。式(6.5)所以，所选主轴轴承复合车铣复合加工中心的设计要求。

7Pro/E三维建模Pro/ENGINEER是由美国PTC公司开发的软件，广泛地运用到制造行业，作为最流行的三维开发软件，它集成了CAD/CAM/CAE功能，能够实现全参数设计，便于后期的设计与校核检验，尤其在实体建模方面更有其特有的优势，能够提高企业的工作效率。[[][] 孙海波，陈功.Pro/ENGINEERWildFire三维造型及应用[M].南京：东南大学出版社.2008.[9] 陶乾.金属切削原理(修订版)[M]．北京:人民教育出版社.2001．[10] 王庆利，范春宏，吴丽等.精密卧式主轴设计研究[J].制造技术与机床，2012(5):147-149.[11] 高英贤，刘洋，张允良.数控机床轴承预紧对主轴刚度的影响[J].组合机床与自动化加工技术,201 3(7):31-33.[12] 魏兴春，冯瑞成，郭俊锋等.加工中心主轴部件刚度分析[J].组合机床与自动化加工技术，2009(6): 20-21.[13] 申永胜.机械原理教程[M].北京：清华大学出版社,2005.[14] 甘永立.几何量公差与检测[M].