立式加工中心设计
37页 12000字数+说明书+外文翻译+5张CAD图纸【详情如下】
主轴A0.dwg
垂直丝杆A1.dwg
外文翻译--机械加工中心.doc
拉杆A3.dwg
立式加工中心总装配图A0.dwg
立式加工中心设计论文.doc
轴承座A4.dwg
摘 要
加工中心由于备有刀库并能自动更换刀具,使得工件在一次装夹中可以完成多工序的加工。加工中心一般不需要人为干预,当机床开始执行程序后,它将一直运行到程序结束。加工中心还赋予了专业化车间一些诸多优点,如:降低机床的故障率,提高生产效率,提高加工精度,削减废料量,缩短检验时间,降低刀具成本,改善库存量等。由于加工中心的众多优势,所以它深受全球制造企业的青睐。
加工中心主要由主轴组件、回转工作台、移动工作台、刀库及自动换刀装置以及其它机械功能部件组成。其中的主轴组件是机床重要的组成部分,其运动性能直接影响机床加工精度与表面粗糙度。本文在查阅大量国内外文献的基础上,通过研究分析不同加工中心主轴组件的性能,综合地比较了其特点,并拟定了一个较为合理的主轴组件结构方案。同时,还就主轴、轴承以及丝杠等重要零件的机械性能进行了探讨,并对这些零件的刚度和强度进行了校核。此外,本设计中所采用的陶瓷轴承能有效地增加主轴的刚度,从而提高了加工中心的可靠性和稳定性。
关键词 主轴组件;加工中心;数控机床
Abstract
Machining center evolved from the need to be able to perform a variety of operations and machining sequences on a workpiece on a single machine in one setup. Machining center requires little operator intervention, and once the machine has been set up, it will machine without stopping until the end of the program is reached. Some of the other advantages that machining centers give a manufacturing shop are greater machine uptime, increased productivity, maximum part accuracy, reduced scrap, less inspection time, lower tooling costs, less inventory and so on. Because of their many advantages, machining centers become widely accepted by manufacturing enterprises in the world.
Machining centers are equipped with spindle units, rotary workbench, moving workbench, tool magazines and automatic tool changers, and other mechanical function components. Spindle unit is the important motion part of the metal cutting machine tool. Its movement behavior affects the machining accuracy and surface roughness of part to be machined. Through referring to a variety of technical literatures, the characteristics of some kinds of spindle units are compared with each other based on analysis and research work on different machining centers. A reasonable scheme can be studied out. Meanwhile, the mechanical behaviors of principle parts such as the spindle, bearings and lead screw are discussed. Their rigidity and strength are calculated and examined here. Morever, a kind of advanced ceramic bearings is introduced into the spindle unit, which can effectively enhance the rigidity of spindle units. They will improve the reliability and stability of machining centers.
Key words spindle unit;machining center; NC machine tool
目 录
摘 要I
AbstractII
第1章 绪 论1
1.1 加工中心的发展状况1
1.1.1 加工中心的国内外发展1
1.1.2 主轴部件的研究进展2
1.3 课题拟解决的关键问题3
1.4 解决上述问题的策略4
第2章 方案拟定5
2.1 加工中心主轴组件的组成5
2.2 机械系统方案的确定5
2.2.1 主轴传动机构5
2.2.2 主轴进给机构6
2.2.3 主轴准停机构7
2.3 加工中心主轴组件总体设计方案的确定9
第3章 主轴组件的主运动部件11
3.1 主轴电动机的选用11
3.1.1 主电机功率估算11
3.1.2 主电机选型12
3.2 主轴12
3.2.1 主轴的结构设计12
3.2.1.1 主轴轴径的确定13
3.2.2 主轴受力分析13
3.2.3 主轴的强度校核16
3.2.4 主轴的刚度校核17
3.2.5 轴承的配合18
3.2.6 主轴轴承设计计算18
3.2.6.1 轴承受力分析18
3.2.6.2 轴承7017AC寿命计算19
3.2.6.3 轴承7015AC寿命计算19
3.3同步带的设计计算20
第4章 主轴组件的进给运动部件24
4.1 进给电动机的选用24
4.1.1 进给电动机功率的估算24
4.1.2 进给电动机的选用24
4.2 联轴器的设计计算25
4.3 垂直方向伺服进给系统的设计计算25
4.3.1 切力削估算25
4.3.2 滚珠丝杠副的设计计算26
4.3.2.1 滚珠丝杠的导程的确定26
4.3.2.2 确定丝杠的等效转速26
4.3.2.3 确定丝杠的等效负载26
4.3.2.4 确定丝杠所受的最大动载荷27
结 论28
致 谢30
参考文献31
1.1.2 主轴部件的研究进展
典型加工中心的机械结构主要有基础支承件、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、刀库及自动换刀装置以及其他机械功能部件组成[4]。图1-1所示为立式加工中心结构图。
主轴系统为加工中心的主要组成部分,它由主轴电动机、主轴传动系统以及主轴组件成。和常规机床主轴系统相比,加工中心主轴系统要具有更高的转速、更高的回转精度以及更高的结构刚性和抗振性。 随着电气传动技术(变频调速技术、电动机矢量控制技术等)的迅速发展和日趋完善,高速数控机床主传动的机械结构已得到极大的简化,取消了带传动和齿轮传动,机床主轴由内装式电动机直接驱动,从而把机床主传动链的长度缩短为零,实现了机床主运动的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式,使主轴组件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来,因此可做成“主轴单元”,俗称“电主轴”。由于当前电主轴主要采用的是交流高频电动机,故也称为“高频主轴”。由于没有中间传动环节,有时又称它为“直接驱动主轴”。电主轴是一种智能型功能部件,不但转速高、功率大,还有一系列控制主轴温升与振动等机床运行参数的功能,以确保其高速运转的可靠性与安全
1.2课题的目的及内容
本课题来源于同济现代制造技术研究所立式加工中心机床设计项目的子课题之一。加工中心是典型的集高新技术于一体的机械加工设备,它的发展代表了一个国家设计、制造的水平,因此在国内外企业界都受到高度重视。 本课题的目的是进行立式加工中心主轴组件的结构设计,主轴组件作为加工中心的执行元件,它确保带动刀具进行切削加工、传递运动、动力及承受切削力等,并满足相关的技术指标要求。
本课题涉及的主要技术指标有:
(a)主轴孔锥度:;
(b)主轴孔直径:;
(c)主轴箱行程(Z轴):;
(d)主轴转速范围:;
(e)快速移动速度(Z轴):;
(f)进给速度(Z轴):。
1.3 课题拟解决的关键问题
各类机床对其主轴组件的要求,主要是精度问题,就是要保证机床在一定的载荷与转速下,主轴能带动工件或刀具精确地、稳定地绕其轴心旋转,并长期地保持这一性能。主轴组件的设计和制造,都是围绕着解决这个基本问题出发的。为了达到相应的精度要求,通常,主轴组件应符合以下几点设计要求[6]: 旋转精度
旋转精度是指机床在空载低速旋转时,主轴前端安装工件或刀具部位的径向和轴向跳动值满足要求,目的是保证加工零件的几何精度和表面粗糙度。
刚度
指主轴组件在外力的作用下,仍能保持一定工作精度的能力。刚度不足时,不仅影响加工精度和表面质量,还容易引起振动,恶化传动件和轴承的工作条件。设计时应在其它条件允许的条件下,尽量提高刚度值。
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,应尽量提高。
温升和热变形
温升会引起机床部件热变形,使主轴旋转中心的相对位置发生变化,影响加工精度。并且温度过高会改变轴承等元件的间隙、破坏润滑条件,加速磨损。
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。
根据本课题的设计任务要求,由于主轴的转速并不是很高,所以在抗振性、温升等方面不必重点考虑,而应重点考虑加工中心的旋转精度和刚性。但是在设计时仍应综合考虑以上几项要求,注意吸收新技术,以获得满意的设计方案。
1.4 解决上述问题的策略
旋转精度主要取决于主轴、支承轴承、主轴箱上轴承座等的制造、装配和调整精度。显然,若要保证主轴组件的旋转精度,则必然对主轴支承轴颈的圆度、轴承滚道及滚子的圆度、主轴及其上的回转零件的动平衡度、止推轴承的滚道及滚动体的误差、以及对主轴的主要定心面的径向跳动和轴向窜动等提出较高的整体要求,要保证旋转精度,通常应尽量满足以上要求 第2章 方案拟定
2.1 加工中心主轴组件的组成
主轴组件是由主轴、主轴支承、装在主轴上的传动件和密封件等组成的。主轴的启动、停止和变速等均由数控系统控制,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,其结构的好坏对加工中心的性能有很大的影响,它决定着加工中心的切削性能、动态刚度、加工精度等。主轴内部刀具自动夹紧机构是自动刀具交换装置的组成部分。
2.2 机械系统方案的确定
2.2.1 主轴传动机构
对于现在的机床主轴传动机构来说,主要分为齿轮传动和同步带传动。
齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一,应用普遍,类型较多,适应性广。其传递的功率可达近十万千瓦,圆周速度可达,效率可达。齿轮传动大多数为传动比固定的传动,少数为有级变速传动。但是齿轮传动的制造及安装精度要求高,价格较贵,且不宜用于传动距离过大的场合。
同步带是啮合传动中唯一一种不需要润滑的传动方式。在啮合传动中,它的结构最简单,制造最容易,最经济,弹性缓冲的能力最强,重量轻,两轴可以任意布置,噪声低。它的带由专业厂商生产,带轮自行设计制造,它在远距离、多轴传动时比较经济。同步带传动时的线速度可达(有时允许达),传动功率可达,传动比可达(有时允许达),传动效率可达。
同步带传动的优点是[9]:
无滑动,能保证固定的传动比;
预紧力较小,轴和轴承上所受的载荷小;
带的厚度小,单位长度的质量小,故允许的线速度较高;
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