设计说明书XK714型数控铣床主轴箱的设计及主轴加工工艺【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 摘要 高速加工是近年来发展起来的先进制造技术 ,电主轴是实现机床高速化的核心部件。 通过对国内外 数控机床主轴箱及 电主轴技术的研究 ,对 ， 用电主轴替代传统的机械传动结构 。 通过过盈配合将异步电机的转子直接与机床主轴相连 ,省去了中间传动环节 ,在额定转速范围实现了无级调速 ,主轴定位精确 ,运行更平稳 ,进一步提高了动态精度和动态稳定性 ,延长了主轴轴承的寿命 。 改造后进给系统具有机械效率较高、结构紧凑、低噪声、振动小和高精度等特点 。设计过程中， 通过三维软件建立了 轴的三维模型 , 并进行了主轴的静态刚强度计算校核。 关键词 :电主轴 主轴箱 三维建模 静力分析 附 录 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 is an in is to of NC NC of a of By to is of a to a In a of NC D of D 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 目录 摘要 . 1 . 2 目录 . 3 第 1 章 引言 . 1 第 2 章 传动方案的拟定和及说明 . 2 述 . 2 传动系统结构特点 . 2 传动系统变速方式 . 2 析传动方案 . 3 第 3 章 电动机的选择 . 5 动机的选择 . 5 动机的输出特性 . 5 动机的优缺点 . 6 第 4 章 主轴的设计 . 7 材 . 7 轴主要结构参数的确定 . 7 主轴的强度及刚度校核计算 . 9 第 5 章 轴承的设计 . 12 轴的支承设计 . 12 承的选用 . 13 承的校核 . 13 第 6 章 零件图的设计 . 17 件图的作用 . 17 件图的内容及绘制 . 17 第 7 章 装配图设计 . 20 配图的作用 . 20 轴箱装配图的绘制 . 20 第 8 章 主轴的加工工艺设计 . 25 轴加工工艺的主要内容 . 25 电主轴进行工艺分析 . 25 主轴的工艺路线设计 . 26 主轴加工工序设计 . 26 定加工工艺卡 . 27 总结 . 29 致谢 . 30 参考文献 . 31 附录 . 33 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 第 1章 引言 毕业设计是学生在离校之前最重要的，也是最全面的一次设计，是高等院校为培养工程人员而进行的一次大型综合训练，通过这次设计，全面检查了学生综合运用所学的专业课程的知识，分析和解决 问题的能力，进一步巩固、加深和拓宽所学的知识。通过设计实践， 树立正确的设计思想，增强创新意识和竞争 意识，熟悉掌握设计的一般规律，培养分析问题和解决问题的能力。 通过这次设计，进行了各种设计计算、绘图技能以及技术标准、规范。学会怎样查找应用设计手册和有关资料，进行全面的基本技能的综合性大 型练习。 本课题是 数控铣床主轴箱的设计及主轴加工工艺。通过对 机的研究，了解了数控铣床主轴箱的结构及主轴零件。 对实验室其它数控机床主轴箱进行深入了解，初步确定主轴采用空气压缩换刀方式。另外，还检索 、 阅读了国内外 关于主轴箱设计的书籍、报刊和研究成果。了解到目前国内外数控机床的发展趋势，国内 数控机床的差距，以及国外 采用 内装 电 动机式 主轴设计 的先进方法 ，并最得了很大的成果 。国内现在也流行这种设计，并取得一定成果 。 内装电动机式主轴是把电动机的转子装在主轴上，定子装在主轴箱上， 借助于电源的变频 技术，可在主轴轴承允许的最高转速范围内，实现无级变速， 直接驱动主轴进行工作。简称电主轴。电主轴与传统的主轴相比：减小了传动的中间装置，使主轴箱的体积减小， 降低了主轴箱的重量；减小了振动和噪声；提高了电动机的传动功率和效率。但是 主轴转速的变化及转矩的输出和电动机的输出特性完全一致，电动机的发热对主轴的精度影响大，因而使用受到限制。 目前，国内电主轴作为商品供应市场的最高转速达 150 000r/大输出功率可达 150大输出转矩可达 1 000N m。其主要类型涵盖磨、铣、车、钻、木工、离心、旋辗和 试验机用电主轴等八大类。 但是与国外相比，还有一定的差距。国外已 将电主轴技术应用于加工中心、数控铣床等高档数控机床。目前 ,电主轴的功率和品质不断得到提高 ,最大转速可达 200 000r/径范围 33 矩范围 m。 国外电主轴的技术比国内的好 ， 如轴承普遍采用外环上开进油孔道的陶瓷球组合轴承， 润滑系统选用油气润滑 ，冷却系统选用恒温水箱或恒温油箱，拉刀机构普遍应用 柄及松拉刀机构，中空通道普遍采用水、气两路共用一条通道的方案。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 2章 传动方案的拟定和及说明 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、不同尺寸、不同要求的工件，并能方便地实现运动的开停、变速、换向和制动等。 数控铣床主传动系统包括电动机、传动系统和主轴部件， 与普通铣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机构用以扩大电动机无级调速的范围。 传动系统结构特点 数控铣床的主传动系统一般采用直 流或交流主轴电动机 ，通过带传动和主轴箱的变速齿轮带动主轴旋转，由于这种电动机调速范围广，又可以无级调速，使得主轴箱的结构大为简化，也保证了加工时能选用合理的切削用量。主轴电动机在额定转速时输出全部功率和最大转矩，随着转速的变化，功率和转矩都发生变化。在调压范围内为恒转矩，功率随转速成正比下降。在调速范围内为恒功率，转矩随转速升高成正比例减小。这种变化规律是符合正常加工要求的，即低速切削所需转炬大，高速切削所需功率大。同时也可以看出电动机的有效转速范围并不一定能满足主轴的工作需要。所以主轴箱仍需要设置几档变速 （ 2）。机械变速一般不采用液压缸推动滑移齿轮实现，这种方法结构简单，性能可靠，一次变速只需 1S。有些小型的或调速范围不需要太大的数控机床，也常用由电动机直接带动主轴或用带转动使主轴旋转。 传动系统变速方式 为了适应不同的加工要求 ，目前主传动系统分为三种变速方式： （ 1）、 二级以上齿轮变速系统 ； （ 2）、 一级带传动方式 ； （ 3）、 调速电动机直接驱动方式 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 如下图所示 ： 图 轴传动链 析传动方案 （ 1） 、二级以上齿轮变速系统 变速装置多采用齿轮变速结构。通 常使用滑移齿轮实现二级变速的主传动系统。滑移齿轮的移位大都采用液压驱动。因为数控铣床使用可调无机变速交流、直流电动机，所以经齿轮变速后，实现分段无级变速，调速范围增加。其优点是能够满足各种切削运动的转矩输出，且具有大范围调速的能力。但由于结构复杂，需要增加润滑及温度控制装置，成本较高。此外，制造和维修也比较难。 （ 2） 、一级带传动方式 目前多采用带传动方式传动装置，带传动的优点是结构简单，安装方便，且在一定条件下能满足转速和转矩的输出要求。但系统的调速范围受电动机调速范围的约束。这种传动方式可以避免 齿轮传动时引起的振动与噪声，适用于低转矩特性要求的主轴。 （ 3） 、调速电动机直接驱动方式 其优点是结构紧凑，占用空间小，转换频率高，但是主轴转速的变化及转矩的输出和电动机的输出特性完全一致，电动机的发热对主轴的精度影响大，因而使用受到限制。 综上所述 ， 控铣床主轴箱采用交流调速电动机直接驱动方式，即主轴为内装电动机式主轴（电主轴） ,见图 。 此传动方案的特点： 结构 紧凑 、效率高、使用寿命长。电机不会与箱体发生干 涉。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 图 主轴箱三维图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 第 3章 电动机的选择 动机的选择 因为 控铣床采用电主轴，选用一般的电动机达不到要求，所以对电动机进行改造设计。 设计要求主轴连续工作输出功率为 1130载工作时，最大输出功率为15轴转速为 45以主轴电动机初步采用交流变频调速电动机。 本方案采用的交流变频调速电动机是由 动机的转子设计在主轴上，定子设计在主轴箱内，采用变频器进行无级调速。这样的电动机改造方案基本满足 控铣床主轴电动机的要求。另外，由于电动 机运转时产生的热量易使主轴发生热变形，所以在定子上设计冷却管进行控制电动机的温度。使主轴以高速运转时，都能处于热平衡。 动机的输出特性 通常情况下，无级调速电动机的计算转速为500r/恒功率区， 为恒转矩区。如 图 图 动机输出特性 电动机的最大输出扭矩为： 过载时：m a xm a 550（ 1） = 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 连续工作时： 0 0119 5 5 09 5 5 0 m a xm a x 由于主轴就是电动机转子的铁芯，所以主轴的转速和输出扭矩都与电动机的相同。即 30载时，主轴最大输出扭矩为 续工作时，主轴最大输出扭矩 为 动机的优缺点 电动机的转子直接安装在主轴上 ，减小了中间转动装置 部件，进而减小了主轴箱的占用空间，提高了转换频率和传动效率。 主轴转速的变化及转矩的输出特性和电动机的完全一致， 电动机的发热对主轴的精度影响大。 2 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 第 4章 主轴的设计 材 高速、高温条件下工作，必须具有良好的高温力学性能，常用 4038合金结构钢。 4 所以电主轴初选 40 40度极 限 B =980服极限S=785曲疲劳极限 1 =500切应力 =80料和承载常数 C=100。 轴主要结构参数的确定 主轴的主要结构参数有：主轴前、后轴颈 1D 和 2D ，主轴内径直径 d,主轴前端悬伸量 承间的跨距 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 1D 的选取 一般按机床类型、主轴传递的功率或最大加工直径（见 表 取 1D 。铣床的直径 2D （ 1D 。 表 5选轴承的传动效率 为 5 电轴 （ 2） 所以查上表得 1D =1002D =D =100=85由于主轴内孔太大，对主轴刚度有影响，故 2D =95 主轴内径孔直径 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 很多机床的主轴是空心的，内径与其用途有关。而 控铣床主轴内孔用于拉杆来拉紧刀杆。为了不过多地削弱主轴的刚度，主轴孔径可比刀具拉杆直径大5 主轴内孔直径在一定范围内对主轴刚度影响很小，若超出此范围侧能使主轴刚度急剧下降。由材料力学可知，刚度 ，它与直径之间有下列关系，即 444 4400 1164/ 64/)( （ 3） 若 取 以由上式得：44 d=36中 0，0I 空心主轴的刚度和截面惯性矩； K， I 实心主轴的刚度和截面惯性矩。 一般， 对刚度影响不大；若 刚度急剧下降。 主轴前段悬伸量 主轴前端悬伸量 a 是指主轴前端面到前轴颈向支反力作用中点的距离。它主要取决于 主轴端部的结构、前支承轴配置和密封装置的形式和尺寸，由结构设计确定。由于前端悬伸量对主轴部件的刚度、抗振性的影响大，因此在满足结构要求的前提下，设计时应尽量宿短该悬伸量。 在本设计中，主轴前端悬伸量 e ，主轴盖的壁厚 l 构成。由设计好的轴承套杯得壁厚 4e =20轴的壁厚 e=201l 初选25 所以 a = 4e + e + 1l （ 4） =20+20+25=65 主轴主要支承跨距 合理确定主轴主要支承间的跨距 L，是获得主轴部件最大刚度的重要条件之一。支承跨距过小，主轴的弯矩变形固然较小，但因支承变形引起主轴端的位移量增大，反之，支承跨距过大，支承变形引起主轴前轴端的位移量尽管减小了，但主轴的弯矩变形和支承变形引起主轴 端较大的位移。一般最 0L（ 2 a (5) 但由于结构上的原因，主轴主要支承间的实际跨距 在本设计中，主轴主要支承的跨距 h,定位环的长度 1L 所确定。由已设计好的电动机可知 h=2101L =25 所以 L = h + 2 1L (6) 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 =210+2 25=260上所述，主轴总长总a, 后主轴前段悬伸量 套2L ，前轴承宽度 B，后轴承宽度 轴主要支承跨距 即 总L= a + 2L + 3B + 2 L (7) = 65+65+40+3 24+2 24+260 =520体尺寸见图 轴总体尺寸 主轴的强度及刚度校核计算 (1)强度校核计算 411311m a x ,116 （ 7） = 43422312m a x , =文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 43433332m a x , =应力1，2，3与小于许用切应力 ，说明轴的扭转强度符合要求。 （ 2）刚度校核计算 1, 4432 （ 8） = 44 03 =9665 910 4m 2, 434332 = 44 =6446 910 4m =1,1 （ 9） =99 1096 65108039 =610 C=2,2=99 610 =610 此得轴的总扭矩角为 + 10） =610 +610 =610 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 0 0109 6 6 51080 3 0106 4 4 61080 由此可见，该轴的扭转刚度符合要求。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 5章 轴承的设计 轴的支承设计 目前，数控铣床主轴轴承配置的主要形式有 3 种。 前、后支承采用不同的轴承。如（ a）图所示为数控机床前支承采用双列短圆滚子轴承和 60角接触双列向心推力球轴承，后支承采用成对向心推力轴承。此种结构普遍 应用于各种数控机床，其综合刚度高，可以满足强力切削的要求。 前支承采用多个高精度向心推力球轴承。图（ b）所示为前支承采用多个高精度向心推力球轴承，这种配置具有良好的高速性能，但它的承载能力较小，适用于高速轻载和精密数控机床。 前、后支承采用单列和双列圆锥滚子轴承。如图（ c）所示为前支承采用双列圆锥滚子轴承，后支承为单列圆锥滚子轴承，其径向和轴向刚度很高，能承受重载荷。但是这种结构限制了主轴最高转速，因此适用于中等精度、低速、重载数控机床。 图 控铣床主轴轴承的装配形式 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 承的选用 对于本设计， 支承采用深沟球轴承的形式。由已设计的前、后轴颈可知，前、后轴承的内径分别是 1D =1002D =95 因为设计要求主轴的径向切削力为 10000N，轴向切削力为000N, 使用寿 命为000h。所以初选轴承内径精度都是 5级。前轴承 70203个），后轴承 6019一组（ 2个）。前、后轴承度采用脂润滑，其极限转速为 4800r/ 承的校核 （ 1）计算前、后轴承径向载荷 1 2轴向载荷3 1l = rF l (11) 3 12 2 (12) 得 3 328 1=435 10000 解得 14421N 21631N 因为前轴承是角接触向心球轴承，后轴承是深沟球轴承，所以前轴承承受轴向载荷相对较多，若500N，则 000N。 （ 2）后轴承的校核 计算当量动载荷 2P 因为该向心轴承承受 2 须求出当量动载荷 2P ，计算时用到径向系数 X、轴向系数 Y 要根据值查取，而 轴承的径向额定静载荷。所以 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 =500001000= (13) 查表 161得： X =Y= 所以得： 2P =X 2Y 4) =1631+1000=2903N 即轴承在 21631000N 作用下的使用寿命，相当于在纯径向载荷为2903 计算所需的径向基本额定动载荷值 由式 161060 (15) 上式中表 16t f=1（查表 16 1 所以得： 316 =35179N 因为所选的 6019轴承，其 57800N 35179N；0000N，故 6019轴承符合使用要求。 （ 3）后轴承的校核 先计算轴承的轴向力16得轴承的内部轴向力为： 1 (16) =4421=3006N 即 1sF+7) =3006+2500=5506N 计算轴承的当量动载荷 1P 由表 16 e= 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 114215506=表得 X=Y=当量动载荷为： 1P =X 14421+5506=6272N 计算所需的径向基本额定动载荷 由式 161060 （ 18） 因受中等冲击载荷，查表 16表 16。 1 所以得： 161060 316 =76005N 因为所选 7020C 轴承，其 79200N 76005N，8500N，故 7020C 符合使用要求。 选用的轴承如下图所示，图 前轴承，图 后轴承。 图 轴承 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 图 轴承 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 第 6章 零件图的设计 件图的作用 1、 反映设计者的意图，是设计生产部门组织设计、生产的重要技术文件。 2、表达机器（或部件）对零件的要求，同时还要考虑到结构和制造的可能性与合理性，是制造、检验和制定技术规程的依据。 件图的内容及绘制 1、用一组视图，完整、准确、清楚地表示出零件各部分的结构形状： 主轴、拉杆 采用主视图和剖视图。主视图按轴线水平布置，再在键槽处的剖面视图。 主要运用 软件的零件功能及绘图功能进行初步的三维和二维绘制。 主轴、拉杆的三维图见图 图 轴 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 图 杆 2、正确、完整、清晰、合理地标注零件结构形状及相对位置尺寸： 主轴 、拉杆 径向尺寸以轴线为基准标注，有配合处径向尺寸应标尺寸偏差；轴向尺寸以轴孔配合端面及轴端面为基准，反映加工要求 ，不允许出现封闭尺寸链。主要运用 件进行修改，标注等。 3、用一些规定的符号、数字、字母、和文字注解，简明准确的给出零件在使用、制造安装和检验时应达到的某些技术要求：如表面粗糙度、尺寸公差、形状和位置公差，表面热处理及材料热处理等方面的要求。 主轴、拉杆的零件图见图 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 19 图 轴零件图 图 杆零件图 4、画出标题栏。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 7章 装配图设计 配图的作用 装配图表明 控铣床主轴箱 各零件的结构及其装配关系，表明 主轴箱 整体结构，所有零件的形状和尺寸，相关零件间的联接性质及 主轴 的工作原理，是 主轴箱 装配、调试、维护等的技术依据，表明 主轴箱 各零件的装配和拆卸的可能性、次序及 主轴箱 的调整和使用方法。 轴箱装配图的绘制 装备图的总体规划： （ 1）、视图布局： 、选择 3个基本视图，结合必要的剖视、剖面和局部视图加以补充。 、选择俯视图作为基本视图，主视和左视图表达主轴箱外形，将主轴箱的工作原理和主要装配关系集中反映在一个基本视图上。 布置视图时应注意： a、整个图面应匀称美观，并在右下方预留减速器技 术特性表、技术要求、 标题栏和零件明细表的位置。 b、各视图之间应留适当的尺寸标注和零件序号标注的位置。 （ 2）、尺寸的标注： 、特性尺寸：用于表明主轴箱的性能、规格和特征。如传动零件的中心距及其极限偏差等。 、配合尺寸：主轴箱中有配合要求的零件应标注配合尺寸。如：轴承与轴、轴承外圈与机座、轴与齿轮的配合、联轴器与轴等应标注公称尺寸、配合性质及精度等级。 、外形尺寸：主轴箱的最大长、宽、高外形尺寸表明装配图中整体所占空间。 （ 3）、标题栏、序号和明细表： 、说明机器或部件的名称、数量、比例、材料、标 准规格、标准代号、图号以及设计者姓名等内容。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 21 、装备图中每个零件都应编写序号，并在标题栏的上方用明细表来说明。 （ 4）、技术特性表和技术要求： 、技术特性表说明主轴箱的主要性能参数、精度等级、表的格式，布置在装配图右下方空白处。 、技术要求包括主轴箱装配前、滚动轴承游隙、箱体与箱盖接合、主轴箱的润滑、试验、包装运输要求。 绘制过程： （ 1）、画三视图： 运用 软件的零件功能及绘图功能进行初步的三维和二维绘制。再转到件进行修改。 控铣床主轴箱的三维图见图 控铣床主轴箱的三维图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 （ 2）、润滑与密封 1 、润滑： 轴承润滑采用润滑脂，润滑脂的加入量为轴承空隙体积的2131采用稠度较小润滑脂，导轨采用油润滑。 、密封： 防止外界的灰尘、水分等侵入轴承，并阻止润滑剂的漏失。 （ 3）、主轴的箱体和附件： 、箱体：用来支持旋转轴和轴上零件，并为轴上传动零件提供封闭工作空间，防止外界灰砂侵入和润滑逸出。 、附件： 包括轴承定位套、密封圈、通气器、轴承盖、锁紧螺母等。 完成装配图： （ 1）、标注尺寸：标注尺寸包括的特性尺寸、配合尺寸、安装尺寸、外形尺寸、其他重要尺寸； （ 2）、零件编号（序号）：装配图中所有零部件，按顺时针方向依次编号，并对齐； （ 3）、技术要求； （ 4）、审图； （ 5）、加深。 装配图见图 .2(a)、（ b） 、（ c） 分别为主视图、俯视图、左视图： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 23 图 a) 控铣床主轴箱主视图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 图 (b)、 (c) 控铣床主轴箱俯视图、左视图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 25 第 8章 主 轴的加工工艺设计 工艺设计是对工件进行数控加工的前期工艺准备工作，它必须在程序编制工作以前完成，因为只有工艺方案确定以后，编程才有依据。若工艺方面考虑不周是造成数控加工差错的主要原因之一。工艺设计不好，往往要成倍增加工作量，有时甚至要推倒重来。所以，一定注意先把工艺设计好，不要先考虑编程。 轴加工工艺的主要内容 根据数控加工适应性，选择并决定 式数控铣床主轴的加工表面。由下图 图 轴加工尺寸 主要的加工表面 有外圆表面和 内孔表面的阶梯轴。 电主轴进行工艺分析 由于此电主轴为空心的阶梯轴，所以选用的毛坯是外直径为 115孔直径为 30棒柱材料。另外，由于内孔加