立式加工中心毕业设计

立式加工中心Z向进给装置与刀库设计摘要加工中心是由机械设备与数控系统组成的适用于加工复杂形状工件的高效率自动化机床,它的特点是具有自动化程度高，加工范围广，适应性强，高柔性化，智能化，劳动强度低，适用于单件、小批量、形状复杂的零件的加工,有立式和卧式之分。现在，加工中心受到各个国家越来越多的重视，其发展程度代表了一个国家的设计、制造水平。加工中心的研制和开发是数控技术未来发展的方向之一。本次设计的主要内容为加工中心总体即布局和机床联系尺寸图（由同组同学共同参与完成）、刀库及Z轴传动系统设计。在总体设计中，通过对其总体布局方式进行比较和分析，确定了加工中心的总体布局方案。刀库设计采用圆盘形布置和无机械手的抓刀方式。本文对刀库及其自动换刀装置的结构设计、滚珠丝杠的选择、电机的选择、轴的选择、等进行了阐述及详细设计计算。加工中心性能在很大程度上取决于进给伺服系统的性能，为此说明书对Z轴滚珠丝杠、导轨等关键机械部件进行了设计和计算校核。本次刀库及Z轴进给系统设计采用的滚珠丝杠、滚动导轨和与其相配的各种机械结构保证了加工中心运行高速高效、稳定、精度高，满足其性能要求。关键词加工中心,刀库,自动换刀装置,进给系统DESIGNOFTHEOVERALL,TOOLMAGAZINEANDZAXISFEEDSYSTEMOFMACHINECENTERABSTRACTMACHININGCENTERISACNCMACHINEWITHTOOLMAGZINEANDCANAUTOMATICALLYREPLACETHERIGHTTOOLSFORTHEMULTIPROCESSTOWORKPIECEITHASTHECHARACTERISTICSOFOPERATIONSCONCENTRATION,HIGHPRECISIONMACHINING,STRONGADAPTABILITYANDHIGHPRODUCTIONEFFICIENCYITSDEVELOPMENTREPRESENTTHEMANUFACTURELEVEROFANATION,THECOMPANIESATHOMEANDABROADHIGHLYVALUEDTHERESEARCHANDDEVELOPMENTOFMACHININGCENTERMCISONEOFTHENCTECHNOLOGYDEVELOPMENTDIRECTIONSOFTHEFUTURETHEDESIGNOFOVERALL、TOOLMAGAZINEANDTHEZAXISFEEDSYSTEMOFMCINTHEOVERALLDESIGN,COMPARISONANDANALYSISAREMADEFORITSWAYOFLAYOUT,DETERMINEDTHELAYOUTOFTHEOVERALLFORVERTICALTHETOOLMAGAZINEUSEDDISKSHAPEDLAYOUTANDTHENOMECHANICALHANDGRASPINGTHETOOLWAYTHETOOLMAGAZINEANDAUTOMATICTOOLCHANGEATCSTRUCTUREDESIGN,THECHOICEOFBALLSCREWANDMOTOR,AXES,KEYAREINTRODUCEDANDDESIGNEDINDETAILINTHISPAPERPERFORMANCEOFMCDEPENDSTOALARGEEXTENTONTHESERVOFEEDSYSTEMPERFORMANCE,THEDESIGNANDCALCULATIONOFCHECKTOZAXISBALLSCREWS,GUIDEANDOTHERKEYMECHANICALCOMPONENTSAREMADEINTHEPAPERTHEBALLSCREW,ROLLINGRAILSANDTHETHEMECHANICALSTRUCTUREMATCHWITHTHEMAREUSEDINTHEDESIGNOFTOOLMAGZINEANDTHEZAXISFEEDSYSTEMTOMAKETHESYSTEMRUNNINGFASTANDEFFICIENT,STABILITY,HIGHACCURACYTOMEETTHEPERFORMANCEREQUIREMENTSOFTHEMCKEYWORDSMACHININGCENTER,TOOLMAGAZINE,AUTOMATICTOOLCHANGER,FEEDSYSTEM前言5第1章概述611加工中心的特点612加工中心的结构6121加工中心的构成7122加工中心对结构的要求713加工中心的发展方向8第2章数控加工中心总体设计错误未定义书签。21总体布局方案设计错误未定义书签。221总体布局方案的确定错误未定义书签。222总体布局方案的说明错误未定义书签。第3章刀库及自动换刀装置1031加工中心刀库错误未定义书签。32刀库设计计算错误未定义书签。321刀库设计参数错误未定义书签。322滚珠丝杠的选择错误未定义书签。323电机的选择错误未定义书签。324轴的选择错误未定义书签。325键的设计错误未定义书签。326齿轮的设计错误未定义书签。第4章加工中心Z轴进给传动系统错误未定义书签。41滚珠丝杠的设计及计算错误未定义书签。411电机及检测元件错误未定义书签。412电机与进给丝杆的连接错误未定义书签。413传动装置错误未定义书签。414滚珠丝杆螺母副错误未定义书签。42导轨的设计错误未定义书签。421选择导轨的结构类型错误未定义书签。422选择滚动导轨类型错误未定义书签。423滚动导轨的预紧错误未定义书签。424导轨的保护装置错误未定义书签。425导轨的材料与热处理错误未定义书签。426导轨的润滑错误未定义书签。结论错误未定义书签。参考文献43致谢错误未定义书签。前言加工中心（MACHININGCENTER简称MC）是一种多工序自动换刀的数控机床。它具有自动化程度高，加工范围广，适应性强，高柔性化，智能化，劳动强度低的优点和特点，适用于单件、小批量、形状复杂的零件的加工，它综合了机械制造技术、电子电工技术、计算机软件技术、气动技术、现代控制技术、传感技术以及通信诊断、刀具和编程技术的高技术产品，它集铣削、车削、钻削等功能于一身，并且增设有自动换刀装置和刀库，可以在一次安装工件后，通过数控系统控制机床进行零件的自动加工，按不同工序自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助功能；依次完成各个面、孔、槽、倒角等的加工。加工中心可以减少工件装夹、测量和调整时间，使机床的切削利用率高于普通机床的34倍，达80以上。所以说,加工中心不仅提高了工件的加工精度，而且是数控机床中生产率和自动化程度最高的综合性机床。本说明书分5章,第1章介绍加工中心的结构,第2章讲述了加工中心总体设计,第3章介绍了刀库及自动换刀装置,第4章讲述加工中心Z向进给系统的滚珠丝杠和滚动轴承设计选用，支承件及导轨的设计讲述导轨的选用。限于设计水平,设计定有错误和不妥之处,敬请答辩组老师的批评指正。第1章概述11加工中心的特点加工中心（MACHININGCENTER）是典型的集多种新兴技术于一体的机械加工设备，它的程度代表了一个国家设计、制造的水平，如今，加工中心已经成为现代机床发展的主流方向，广泛应用于各行各业的机械制造中。它有立式和卧式之分，而立式加工中心是指主轴轴线与工作台垂直设置的加工中心，主要适用于加工各种板类、盘类、模具及小型壳体类复杂零件，对工件一次装夹后进行多工序加工，可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等多种工序，因而大大减少了工件的装夹时间、测量和机床调整等辅助工序时间，并且立式加工中心工件装夹、定位方便，刃具运动轨迹容易观察，与相应的卧式加工中心相比，结构简单，占地面积较小，价格较低。与普通的数控机床相比，它具有以下几个突出特点。（1）工序集中加工中心备有刀库并且能自动换刀，能连续对工件进行多道工序加工，使得工件在一次装夹后通过数控系统能控制机床进行零件的自动加工，按不同的工序，自动选择和更换刀具，自动控制调整机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹，和其他辅助功能，现代加工中心则更大程度地能使工件在一次装夹后实现多表面、多特征、多工位的连续、高效加工，即工序集中。（2）对加工对象的适应性强加工中心可以根据需要编制相应的程序以适应不同的复杂零件的加工过程加工能力和加工范围大，因此加工适应能力强。（3）加工精度高加工中心因为加工工序集中，并且由数控系统控制零件的自动加工减少了人工操作的误差，故加工精度更高，加工质量更加稳定。（4）加工生产率高加工中心带有刀库和自动换刀装置，能集中完成多种工序，因而可以减少工件装夹、机床的调整等辅助时间，使机床的切削利用率（切削时间和开动时间之比）得到很大提高，高于普通机床的34倍。（5）降低操作者的劳动强度加工中心是按事先编好的程序自动完成对零件的加工的，操作人员除了操作键盘、装卸零件、进行一些必要的关键工序的中间测量和进行观察机床的运动之外，不需要重复进行繁重的手工操作，可大为减轻劳动强度，改善劳动条件。12加工中心的结构121加工中心的构成数控加工中心又可以分为立式加工中心、卧式加工中心、龙门式加工中心、五轴加工中心和虚轴加工中心等类型。虽然看起来外形结构各异，但是总体上都是又以下几大部分组成。（1）基础部件这些由床身、立柱和工作台等大件组成，他们是加工中心结构中的基础部件。这些大件有铸铁件，也有焊接的钢结构件，它们需要承受加工中心的静载荷以及在加工时的切削负载，因此对静动刚度有较高的要求。（2）主轴部件主轴部件由主轴箱、主轴电机、主轴、主轴轴承等零件组成。主轴的启动、停止等动作和转速均由数控系统控制，加工工件时通过装在主轴上的刀具进行切削。主轴部件是切削加工的输出部件，是加工中心的关键部件，其结构性能的好坏，对加工中心的加工性能有很大的影响。（3）进给系统进给运动是机床成形运动的一个重要部分，它由丝杠、电动机、导轨、等零件组成，其传动质量直接关系到机床的加工性能，所以加工中心机床对进给系统要求也较高。（4）数控系统包括CNC装置、可编程序控制器、伺服驱动装置以及电动机等部分，是数控加工中心执行控制动作和控制过程的中心。（5）自动换刀装置（ATC）加工中心与一般的数控机床的显著区别是配有刀库，可以对零件进行多工序加工，有一套自动换刀装置1315。122加工中心对结构的要求（1）具有更高的动刚度在机床的切削过程中的振动不仅直接影响零件的加工精度和表面质量，刀具寿命也会因此降低，进而影响生产率。又因加工中心是连续切削的，不能再加工中及时做出调整消除或减少振动，因此，还必须提高加工中心的动刚度。（2）具有更小的热变形加工中心的各部件在加工中受切削热、摩擦热等内外热源的影响，将发生不同程度的热变形，这将会影响工件的加工精度。这就要求必须采取措施减少热变形对加工精度的影响。主要措施有对发热源采取有效的液冷、风冷等方法来控制温升；改善机床结构，使构件的热变形发生在非误差敏感方向上（3）运动件间的摩擦小并消除传动系统间隙加工中心工作台的位移量以脉冲当量作为它的最小单位，在对刀、工件找正等情况下，工作台常以极低的速度运动。这就要求工作台能对数控装置发出的指令作出准确的响应，它与运动件的摩擦特性有关。加工中心采用滚动导轨或静压导轨，滚动导轨和静压导轨的摩擦力较小，并且在润滑油的作用下，它们的摩擦力随运动速度的提高而加大，这就有效地避免了低速爬行现象，从而使加工中心的运动平稳性和定位精度都有所提高。进给系统中采用滚珠丝杠代替滑动丝杠，也是基于同样的道理。另外，采用脉冲补偿装置进行螺距补偿，消除了进给传动系统的间隙，也有的机床采用无间隙齿轮作为传动副。（4）寿命高、精度保持性好良好的润滑系统保证了加工中心的寿命，导轨、进给丝杠及主轴部件都采用新型的耐磨材料，使加工中心在长期使用过程中能够保持良好的精度。13加工中心的发展方向数控技术与加工中心的发展已走过了半个多世纪历程，随着科学技术的发展，世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技术的应用，对加工中心的各个组成部件提出了更高的性能指标。当今的加工中心正在不断采用最新技术成就，超着高速化、高精度化、多功能化、智能化、系统化与高可靠性等方向发展。加工中心总体设计21加工中心的结构组成加工中心本体包括床身立柱横梁等一些支承件、和导轨等。其中支承件是加工中心机床的基本构件，主要是指床身、立柱、横梁、工作台、箱体、升降台等大件。这些大件的作用第一是支承作用，即支承其他零部件，在机床切削时，承受着一定的重力、切削力、摩擦力、夹紧力；第二是基准作用，即保证机床在使用中或长期使用后，能够保证各部件之间正确的相互位置关系和相对运动轨迹。加工中心的总体布局有着多种形式，每种布局形式都有着各自的运动分配形式，当然，布局不同的话，其加工能力和加工范围，以及各自的加工精度也会随着布局的不同而有所差异。机床的结构性能也会因此而各有差异，有的布局形式，机床的刚性比较好，比如工作台直接放置在床身上，那么工作台的承载能力会较强一点。有的布局形式，立柱会受到偏载的影响导致立柱会有前倾的倾向，比如主轴箱悬挂于立柱的一侧，其结果就会导致立柱受到偏心载荷。但是主轴箱如果卡装载框式立柱的中间的话，那样就会形成一种对称布局的形式，受力以后，它的变形较小，从而使其加工精度得以提高。总体布局方案的确定参照目前国内外加工中心的多种常用布局形式并适当结合本次设计的任务，即小型立式加工中心总体布局的确定（由小组三人共同商讨合作完成）也就是机床的总体尺寸联系图，根据目前现有的几种加工中心比如MCV2520小型立式加工中心、VMC800、VMC1250立式加工中心和XH714等铣削加工中心的总体布局的形式，再以实验室内的加工中心的机型作为设计的参考，综合考虑机床的各个部件之间尺寸大小和运动形式初步确定了机床的总体布局方案，并且根据刀库配置形式的不同拟定了以下两种总体布局方案第一种方案第二种方案以上两种布局形式的主要区别在于刀库的放置方式不同。第一种方案的布局形式中，刀库悬挂于立柱左边的横梁之上，刀库可以通过驱动装置在横梁上左右移动，另一方面刀库也可以进行转动以进行刀具的选择与切换。这是一种不需要换刀机械手的换刀装置，当主轴需要换刀的时候,刀库放在主轴箱可以运动的地方，或整个刀库或某一刀位能移动到主轴箱可以到达的位置，同时，刀库中刀具的存放方向一般与主轴上的装刀方向一致，但是刀具的长度会有所限制。换刀时，由驱动装置驱动机床主轴运动到刀库上的换刀位置，利用主轴直接取走或放回刀具。这样的主轴需要有刀具自动夹紧装置，这样，主轴才能完成刀具的自动拆卸和安装。同时，结构比较简单，所以制造成本也相对来说比较低。同时换刀时，刀库需要整体在横梁上移动到主轴可以到达的地方，这样来看，刀库的支撑刚度就比较低，所以这样的布局形式需要机床的立柱和横梁要有较高的刚度，但是换刀过程中，必须遵循主轴拔刀、刀库选刀、主轴换刀的过程，上述过程不能同时进行，因此换刀时间会有点长。第二种方案的布局形式中，刀库侧挂于主轴箱旁边，刀库轴线与机床主轴轴线相互垂直。由于机床主轴和刀具轴线不平行，这样在主轴换刀的时候就需要一个辅助装置来帮助主轴换刀，这个装置就是换刀机械手。第二种方案其实就是有换刀机械手的刀库结构形式，这种自动换刀装置有一个专做储存刀具用的刀库，机床只需一个夹持刀具进行切削的刀具主轴（钻、镗、铣类加工中心）。当需用某一刀具进行切削加工时，将该刀具自动地从刀库移送至刀具主轴或刀架中；切削完毕后，又将用过的刀具自动地从刀具主轴或刀架移回刀库中，这样的刀库中的刀具长度可以稍微长一些，并且，换刀时，拔刀和还刀可以同时进行，这样换刀时间就可以缩短一些。结合本次设计的任务（小型立式加工中心），考虑制造成本及其它因素，选择采用第一种方案的布局形式。其优点主要是这种刀库机构不需要机械手，结构简单、紧凑节省占地空间，降低加工制造成本。由于交换刀具时机床不工作，所以不会影响加工精度，但会影响机床的生产率。其次受刀库尺寸限制，装刀数量不能太多。而且这种换刀方式常用于小型加工中心。因此采用此种结构方式。第3章刀库及自动换刀装置31加工中心刀库刀库是所有加工中心都必须配有的装置，刀库是加工中心重要的组成部分。加工中心备有刀库，才能具有自动换刀功能，才可以依次选用不同的刀具对工件一次装夹后进行多工序加工，完成不同的加工工艺。刀库的作用是用来存放刀具的，它是自动换刀装置中最重要的部件之一。其中，刀库的布局、容量还有刀具的具体结构也因机床结构的不同而有所差异。目前加工中心最常用的刀库形式主要有鼓轮式刀库和链式刀库等，其布局形式主要根据机床整体的布局形式而确定。其中，鼓轮式刀库又称盘式刀库，常见的形式有刀具轴线与鼓轮轴线平行式和刀具轴线与鼓轮轴线倾斜式布局两种。而链式刀库具有结构紧凑、布局灵活、刀库容量大的优点，可以实现刀具的预选，因此换刀时间比较短。但链式刀库一般需要安装在机床的侧面或顶部，占地面积大，并且，一般情况下刀具轴线和主轴轴刀库主轴刀库主轴主轴刀库刀库主轴刀库主轴刀库主轴ABCFED线相互垂直，需要通过机械手进行换刀，因此，机械结构比鼓轮式刀库结构复杂。加工中心利用其所配置的刀库实现主轴的换刀过程，这是目前加工中心大量使用的换刀方式，由于有了刀库，机床只要一个固定主轴夹持刀具，有利于提高主轴刚度。另外独立的刀库，大大增加了刀具的储存数量，有利于扩大机床的功能，并能较好地隔离各种影响加工精度的干扰因素。图为立式加工中心无机械手换刀系统的换刀过程。抓刀主轴至换刀位（到位行程开关），所选刀已被刀库送至当前位置，首先主轴卡爪松开，主轴头下移到抓刀位（行程开关）主轴松刀缸活塞下部通气，卡爪抓紧刀柄，气压系统对主轴孔吹气停止，主轴提升到换刀位。还刀主轴回装刀位（到位行程开关），卡爪松开刀柄，主轴提升到位，还刀结束。刀库还刀刀库换刀结束后，刀库按照下步工序要求，采用就近方式旋转，将下步刀具送至当前位置，完成选刀过程，等待下次主轴的抓刀过程。这种换刀机构不需要机械手，结构简单、紧凑。由于交换刀具时机床不工作，所以不会影响加工精度，但会影响机床的生产率。其次受刀库尺寸限制，装刀数量不能太多，一般为824把。刀库分为盘式刀库、链式刀库、格子式刀库，其中盘式刀库按取刀方式又分为径向取刀和轴向取刀以及刀具轴线和刀盘轴线成一定的夹角几种形式本次加工中心的刀库选用盘式刀库，刀具轴线和刀盘轴轴线相互平行，采用轴向取刀的方式。大致结构参考下图32刀库设计计算321刀库设计参数刀库容量20把刀换刀方法直接换刀刀库旋转电机和齿轮箱换刀时间8S最大刀具质量10KG刀柄类型NO45系列ISO7388/1A拉钉ISO7388/2A刀库最大承重100KG刀库最大位移量300MM查阅相关资料并经过具体设计计算和验算校核根据生产实践和各参考资料，设计刀库如图33123456789101112131415161718192021222627282930392324253233343536373831图33刀库结构图1导轨副；2轴承端盖；3轴承；4圆螺母；5垫片；6支撑板；7滚珠丝杠；8螺钉；9垫片；10箱体；11圆螺母；12垫片；13护罩；14齿轮箱体；15大齿轮；16键；17挡圈；18圆锥滚子轴承；19垫片；20轴承端盖；21轴；22盘形刀架；23联轴器；24锥环；25螺钉；26弹簧垫圈；27圆螺母；28齿轮；29伺服电机；30手爪；31联轴器；32锥环；33螺钉；34伺服电动机；35螺栓；36螺钉；37螺栓；38挡板；39主轴头刀库除了储存刀具之外，还要求根据要求将个工序所用的刀具运送到换刀位置。本设计才采用电机34和29驱动。刀库由电机34驱动联轴器31，然后经滚珠丝杠7把电机的转动转换成刀库整体的移动，刀库靠近主轴39，并在此过程中利用销钉把护罩打开，使刀柄外露，当刀库停止在换刀位置后，主轴39向下移动，把上道工序所用刀具放回刀库中的指定安放位置（盘形刀架22上均布24个手爪27，其外侧边缘上有相应的24个刀座编码板。在刀库的下方装有固定不动的刀座号读取装置，当盘形刀架22转动时，刀座编码板依次经过刀座号读取装置，并读出各刀座的编号，与输入指令相比较，当找到所要求的刀座号时，即发出换刀信号）；松开刀柄和拉钉，并向上移动一定位移量，使主轴处在刀库上方；之后，刀库在气马达26的带动下，经过联轴器传动，带动刀库的整体转动，把所要求的下道工序刀具转动到主轴头36的正下方，主轴头36从新向下移动，加紧刀柄和拉钉，向上移动远离刀库，完成换刀动作。电机34反转，带动刀库返回起始位置，等待下一次换刀指令。当然，在设计的过程中，必须首先了解刀库的工作原理和弄清刀库的具体结构，才能清楚明白进行刀库的设计工作。总的来说，此次选的的刀库结构形式主要有两大部分组成，第一个是让刀库横向水平移动的部分，也叫做刀库的横移装置，第二部分是带动刀盘旋转的以便进行选刀和换刀的部分，也叫做刀库的转动装置。其中刀库的横向移动可以有多种方案的选择，比如说可以有气缸推动刀库进行横向移动，或者是液压缸进行驱动，也可以用电机加丝杠或者滚珠丝杠进行横向移动的驱动装置，导轨可以用滑动导轨，也可以选用滚动导轨，或者是圆柱导轨，当然它们之间也可以进行不同的组合得到更多的组合方案。另外，刀库的转动部分也有多种设计方案，第一，可以用电机加涡轮蜗杆进行传动带动刀盘进行转动；第二，电机加槽轮机构带动刀盘轴进行转动；再者，可以选择电机加齿轮传动的方式进行传递扭矩。当然横向装置和转动装置之间也可以进行交叉组合得出多种方案以供选择。经过综合考虑和多种方案的比较，最终的选择方案如下横向移动装置选则使用电机加滚珠丝杠的形式，导轨选用滚动导轨；转动部分选择使用电机加齿轮减速机构进行传动。其特点如下伺服电机加滚珠丝杠可以使刀库的横向移动冲击更小，更加平稳，定位精度较高，误差较小；而步进电机则可以精确控制转动的角度和方向，通过发送脉冲进行动作，通过控制发送脉冲的数量控制其转动的角度，通过控制脉冲的频率来控制起转动的速度，并且，对于齿轮传动来说，齿轮传动的传动比比较准确，传动效率高，承载能力较强等故综上所述选择以上方案为最终方案。此外，借助三维建模软件SOLIDWORKS进行三维建模的零部件的设计以及装配体模型，以便更加清楚直观的表示出其总体的空间布局和结构以及各个部件之间的布局关系以及相互位置关系。其大致三维视图如下图所示轴测图如上图所示刀库的横向移动装置在横梁上左右移动，刀库的横向移动是由伺服电机直接带动滚珠丝杠来完成的，电机通过螺栓固定在横梁上，滚珠丝杠通过轴承座固定在横梁上，电机和滚珠丝杠通过联轴器直接相连接。主视图如图所示，在机床的横梁之上，安装有导轨，导轨选用滚动导轨副，并且水平放置左视图导轨上有与之相配的滑块，一般是四个滑块组合在一起使用，图上只画出两个仅作为示意而用。滑块和右侧的滑座通过螺栓连接固定在一起，然后，滑座和滚珠丝杠螺母副通过螺母座连接在一起，螺母座和滑座都不是标准件，是根据刀库的放置形式和具体结构而专门制作的。整个刀库的转动部分就和滑座固连在一块，这样当横向上的驱动电机通过联轴器带动滚珠丝杠转动时，滚珠丝杠就将电机的转动转变成直线运动，接着通过螺母座将直线运动传递下去，从而使整个刀盘部分做水平移动。刀库的转动部分是通过步进电动机经过一级减速齿轮来完成的。由于刀盘的转动速度不是特别高，则与电机直接相连接的轴的速度也不是很高，电机和第一根轴之间也是采用联轴器直接相连在一起，从而需要选择使用减速电机。这样，电机通过联轴器经过一级齿轮减速装置将运动传递到刀盘轴，带动刀盘轴进行转动从而进行选刀和换刀。后视图刀库容量的确定立式加工中心的刀库中，其刀库容量的多少基本上就决定了这台立式加工中心的加工能力的大小或者说是加工工艺范围的大小。一般来说，加工中心要有适应和满足加工不同零部件的加工能力，以及加工零件的多样性、加工工序的复杂性的能力，所以说，该加工中心的刀库中必须要有一定的刀具数量，否则很难满足零件加工的复杂性和工序多样性的要求。而本次设计的加工中心大部分是用来加工一些需要钻孔和铣削不大的平面的中小型零件，刀具主要是一些加工孔的刀具，比如钻头、扩孔钻、锪孔钻等，还有就是一些铣削平面的铣刀，主要有立铣刀和直径不是太大的面铣刀。并且，一般而言，刀库中的刀具数量越多，那么刀库的外形轮廓尺寸也就越大，在空间中所占的地方位置也越大，成本也会越高，而刀库中的刀具数量如果过少的话，其加工能力会受到极大的限制，不能满足其对零件的加工要求。综合考虑结构尺寸和成本因素，刀库中最终决定采用20把刀。一般情况下，刀盘的转动速度不是特别快，大概为每分钟3040转，也有少部分转速比较低的约为每分钟15转左右，还有一些转懂速度比较快的，其转动速度能达到每分钟100转左右。当然转动速度越快的话，其刀库和主轴之间的换刀时间也会有所缩短，设计人员也可能是出于这样的考虑，通过减少换刀的时间来提高机床的生产率和加工效率。本次初选刀盘的转动速度为30R/MIN，初选刀库的直径为D650MM323刀库转动部分的计算1、刀库参数的选择刀具数量20把刀具最大直径60MM刀具最大重量10KG刀具最大长度150MM刀库最大移动速度8M/MIN1）初选刀库直径650MM采用轮辐式结构，选用45钢材料,根据刀具的形式和刀具的最大直径，现拟采用的排列方式为单环排列由于一般情况下刀具的最大运动线速度为2030M/MIN,为了节省换刀时间，选刀盘转速为N30R/MIN2采用电机电机通过一级圆柱齿轮减速装置带动刀盘转动，传动比初定为I2，则与电机轴相连的小齿轮轴的转速为60R/MIN，转速比较低，故在此选用减速电机按刀盘所需扭矩T200NM来算则转盘轴所需的功率为PWKW063KW则所需电机的输出功率为PDPW06309320674KW总效率123N其中查表知各种零件的传动效率如下弹性联轴器10990995取为099一对轴承20980995取为099圆柱齿轮3096098取为097则12309909930970932由以上算的功率和转速查资料初选减速电机型号为R57功率为11KW输出转速64R/MIN输出转矩155NM使用系数273电机驱动转矩的校核设与电机直接相连的轴为轴，刀盘轴为轴则各轴上的转速和功率以及扭矩为轴因为通过联轴器与电机直接相连接则轴上的转速N1N064R/MIN轴所传递的功率PPD0991089KW轴上承受的扭矩T19550108964166NM轴轴上的转速N2N1/I27828R/MIN轴所传递的功率PP0990971046轴上承受的扭矩29550PN295501046283568NM因为23568NMT200NM故电机的驱动转矩满足设计要求。2、圆柱齿轮的设计参考书上例题，由以上可知输入功率为P1089KW，小齿轮转速为N164R/MIN预期工作时间为10年（一年按300天算）传动比定为I23首先（1）选用直齿圆柱齿轮传动，压力角取20（2）参考机械设计表106选用7级精度（3）选择小齿轮的材料为40CR（调质），齿面硬度为280HBS大齿轮选用45钢（调质）（4）初选小齿轮齿数Z131，则大齿轮的齿数Z2IZ1713取Z2721）、按齿面接触疲劳强度设计（1）根据式（1011）试算小齿轮的分度圆直径D1T2KHTT1U1（ZHZEZ）2DUH23小齿轮传递的扭矩T1955106P/N19551061089641624992NM初选KHT13齿宽系数D06由图1020查得区域系数ZH25由表105可得ZE1898MPA1/2重合度系数A1COS1Z1COS/Z1HACOS131COS20/312128025A2COS1Z2COS/Z2HACOS172COS20/722123908Z1TANA1TANZ2TANA2TAN/231TAN28025TAN2072TAN23908TAN20/252175712/21740Z434174030868计算接触疲劳许用应力H由图1025D可知小齿轮的接触疲劳极限HLIM1600MPA，大齿轮的接触疲劳极限HLIM2550MPA应力循环次数N160N1JLH606418300109216107N2N1/4007107由图1023查得寿命系数KHN1094KHN2095取失效概率为1，安全系数S1,则由式1014H1KHN1HN1S0946001564MPAH2KHN2HN2S09555015253MPA取HH25253MPA2）、试算小齿轮的分度圆直径按上面的公式代入数据可得D1T21316249972/311（2518980868）2172/315253237188MM2、调整小齿轮的分度圆直径（1）要计算实际载荷系数前的数据准备圆周速度VVD1TN1601000718864600000241M/S齿宽BBDD1T71880643128MM（2）计算实际载荷系数KH由书中表102查取使用系数KA1根据圆周速度V0241M/S7级精度，由图108可查取动载系数KV105齿轮圆周力FT12T1/D1T2162499/71884521NKAFT1/B14521/4312810483N/MM100N/MM查表103可取齿间载荷分配系数KH12，由表104采用插值法可得齿向载荷分布系数KH1317则可计算得到实际载荷系数KHKAKVKHKH11051213171659（3）由公式1012，可以得到按实际载荷系数KH计算的分度圆直径D1D1TKHKHT3718816591337796MM以及相对应的齿轮模数MD1/Z17796/312515MM3、按齿根弯曲强度进行设计1）、按公式107试算齿轮模数MT2KFTT1YYFAYSADZ12F31选择公式中的各个参数初选KFT13根据105计算按弯曲疲劳强度所用的重合度系数Y02507502507517400681计算YFAYSAF根据图1017查取齿形系数YFA1255YFA2225根据图1018查取应力修正系数YSA1163YSA2175根据图1024查取小齿轮的齿根弯曲疲劳极限为FLIM1500MPA大齿轮的齿根弯曲疲劳极限为FLIM2380MPA根据图1022查取弯曲疲劳寿命系数KFN1090KFN2092若取弯曲疲劳安全系数S14，那么根据式1014可得F1KFN1FLIM1S0905001432143MPAF2KFN2FLIM2S0923801424971MPAYFA1YSA1F12551633214300129YFA2YSA2F22251752497100158因为YFA2YSA2F22251752497100158YFA1YSA1F12551633214300129所以取YFAYSAFYFA2YSA2F222517524971001582）试算齿轮的模数按公式MT2KFTT1YYFAYSADZ12F32131624990681131231654MM2调整齿轮的模数要计算实际载荷系数前的数据准备1）圆周速度VD1MTZ116543151274MMVD1N1600005127464600000172M/S2齿宽BBBDD106512743076MM3宽高比B/HH2HACMT22516543722B/H3076/3722826计算实际载荷系数KF1）由所算数据V0172M/S7级精度根据图108查取动载系数KV1022）FT12T1/D12162499/51274633864NKAFT1/B6338461/307620606N/MM100N/MM根据表103查取齿间载荷分配系数KF103）根据表104采用插值法算得KH1312再结合B/H826由图1013可得KF134那么，载荷系数可得KFKAKVKFKF1102101261285那么，根据式1013可以计算出按实际载荷系数所算得的模数MMTKFKFT3165412851331648MM综合对比以上计算结果，按齿根弯曲疲劳强度所算的模数小于根据齿面接触疲劳强度所算的模数，因为齿轮的模数的大小取决于弯曲疲劳强度决定的承载能力，而齿轮直径的大小则与齿面接触疲劳强度决定的承载能力有关。所以可以取由弯强计算得到的模数1684MM，并将其圆整为标准值M2MM，根据接触疲劳强度计算的小齿轮分度圆直径D17796MM,由此算得齿轮齿数ZD1/M7796/23898取小齿轮齿数Z139,那么，大齿轮的齿数Z2IZ12339897取Z2904、尺寸计算（1）分度圆直径D1Z1M39278MMD2Z2M902180MM2中心距AD1D2/2129MM130MM3齿轮宽度取小齿轮齿宽B145MM,则大齿轮齿宽略短5MM,即B240MM二、轴的设计与校核1、轴的设计计算轴所传递的功率PPD0991089KW轴上的转速N1N064R/MIN估算轴的直径按扭转强度的条件进行计算，轴的扭转强度条件为TTWT9550000PN02D3T公式中T扭转切应力,单位MPAT轴所承受的扭矩，单位NMWT轴的抗扭截面系数，单位MM3N轴的转速，单位R/MINP轴所传递的功率，单位KWD计算截面处轴的直径,单位MMT轴的许用扭转切应力，单位MPA根据以上公式可以得到轴的直径D9550000P02TN3955000002T3PN3A0PN3公式中，A0955000002T3，查阅下表表31轴常用材料的T及A0轴的材料Q235A、20Q275、354540CR、35SIMNT/MPA1525203525453555A014912613511212610311297选取轴的材料为40CR,可以取A0110，T40MPA,则轴的直径为DA0PN31101089643282MM一般来说，如果当轴的截面上开有键槽的时候，应该适当考虑轴上的键槽对轴的强度的削弱作用，所以应该适当的增大轴的直径。如果轴的直径D100MM,当轴上只有一个键槽的时候，轴的直径应增大3，当轴上有两个键槽的时候，轴的直径应该增大7。如果轴的直径D轴的设计计算轴所传递的功率PP0990971046轴上的转速N2N1/I27828R/MIN估算轴的直径按扭转强度的条件进行计算，轴的扭转强度条件为DA0PN3查阅表153，选取轴的材料为45钢，那么可以取A0110，T40MPA,那么，代入数据可以算的轴的直径为DA0PN31101046283362MM当轴上开有两个键槽的时候，应该适当增大轴的直径以考虑轴上的键槽对轴的削弱作用，因为轴的直径D轴的结构设计结构图如下由结构图知，可以选择轴承内径为45MM的角接触球轴承70000AC，轴承型号为7209下面为轴的工作示意图轴的校核（1）轴上所承受的转矩T29550PN295501046283568NM（2）求作用在齿轮上的载荷已知低速级大齿轮的分度圆直径为D2MZ2290180MM作用在齿轮上的圆周力FT2T2D2235676071803964N作用在齿轮上的径向力FRFTTAN3964TAN2014428N轴的计算简图如下竖直面内求支反力由图易知FAFBFR14428N由力矩平衡条件得FR55FB5553由以上两式可算得FB73476NFAFRFB70804N弯矩MVMVFA55389422NMM做出弯矩图水平面内由上图可知FAHFBHFT3946N由力矩平衡条件得FT53FAH5553由以上两式可算得FBH20095NFAHFRFB19365N弯矩MH为MHFBH531065035NMM做出弯矩图扭矩图总弯矩M总M总MH2MV23894222106503521133997NMM总扭矩TTFTD2396418023567607NMM按弯扭合成应力校核轴的强度当进行轴的校核的时候，一般来说仅仅校核轴上承受弯矩最大和承受扭矩最大的截面，也就是常说的危险截面的强度。根据以上数据以及轴要双向旋转，扭转切应力为对称循环变应力，取1轴的计算应力的公式为CAM总2T总2W代入以上数据可以得到轴的计算应力为CAM总2T总2W113399723567607201503299MPA其中W为轴的抗弯截面系数W01D3由于前面已经选定轴的材料为45钢，并进行调质处理，那么可以通过书上的表151查取轴的许用应力160MPA因为CA299MPA160MPA故轴满足设计要求，即轴是相对安全的。4、刀盘轴轴承的设计及校核轴承所承受的轴向载荷为FAMG其中M为刀具、刀盘以及轴自身的质量约为25KG。G为重力加速度，取为G10N/KG代入数据可以得到轴承所承受的轴向载荷为FAMG2510250N轴承所承受的径向力为FFR2FT2其中FR14428NFT3964N代入数据可以得到轴承所承受的径向力为FFR2FT23964214428242184N轴承的转动速度为N28R/MIN取轴承的预期工作寿命为LH15000H根据以上选择的轴承类型为角接触球轴承，型号为7209AC，轴承的内径为45MM，额定动载荷为C298KN求轴承的径向力易知FR1FR2FR42184NFR15553FR53由以上式子可以得到FR120702NFR221482N派生轴向力的计算查书可知FD068FR那么，轴承1的派生轴向力为FD1068FR106820702N14077N轴承2的派生轴向力为FD2068FR206821482N14608N由于轴承采用的是背对背安装的形式，且有FD2FA14608250NFD114077N所以，轴承2被放松了，轴承1被压紧故有两轴承的计算轴向力为FA2FD214608NFA1FAFD217108N当量动载荷的计算当量动载荷可按下式计算当FA/FR068时PFR092FA当FA/FR068时P067FR141FA因为FA1/FR11710820702083068则P1067FR1141FA1067207021411710837993NFA2/FR21460821482068068则P2FR2092FA2214820921460834921N选取两者中较大的为当量动载荷，那么，因为P137993NP234921N故PP137993N轴承的寿命计算公式如下LH10660NCP其中为指数，当为球轴承时3，当为滚子轴承的时候，10/3并且已知角接触球轴承的额定动载荷为C298KN轴承的当量动载荷为P37993N，轴承的转速为N28R/MIN代入以上数据可以得到LH10660NCP1066028298103379933287105H因为LH287105HLH15000H故该轴承满足设计要求刀库横向移动装置的设计计算一、滚珠丝杠的选择计算1、确定滚珠丝杠螺母副的的导程PH采用伺服电机通过联轴器与丝杠直接相连时，传动比I1，工作台最快移动速度要求达到VMAX8M/MIN。取电机的最高转速NMAX1500R/MIN，那么丝杠的最高转速NMAX也是1500R/MIN。基本丝杠导程由式PHVMAXINMAX则有PHVMAXNMAX100081500533MM取PH6MM2、坐标轴导轨摩擦力导轨水平放置时FU0UWFGN其中，W移动部件的全部重量（刀库、刀具、托板等）约为100KGFG为镶条紧固力查表取为100N导轨的摩擦系数取为005那么，根据以上公式代入数据可得FU0UWFGN005（1000100）55N3、丝杠最大轴向负载力设丝杠加速时间为01S,加速度为2M/S,那么惯性力FAMA1002200N加速距离为S12AT2122012001M10MM则丝杠的最大轴向负载力为FAMAXFAFU020055255N丝杠的当量转速NM1500R/MIN丝杠的当量载荷FM255N4、确定预期额定动载荷CAM已知丝杠的预期工作时间为LH15000H当量载荷FM255NCAM60NMLH3FMFW100FAFC按P73页表8轻微冲击取FW13表6取FA1表7按可靠性97取FC044代入数据得CAM60150015000325513100104411052X753483267N5、确定允许的最小螺纹底径（1）、根据定位精度和重复定位精度的要求估算允许的丝杠最大轴向变形已知定位精度为25M重复定位精度为10M由式M（1314）重复定位精度M1415定位精度则M3MM6M取两者中的最小值那么M3M（2）、估算最小螺纹底径因为丝杠要求有预拉伸，采用两端固定的支撑形式，则由公式D2M1010LF0EM0039LF0M其中，L（1214）行程（2530）PMD2M0039LF0M00391000650343MM查表根据丝杠基本导程PH和额定动载荷CAM初选丝杠型号为FF型,型号FF32065其额定动载荷CA202KN20200NCAM83267N丝杠底径D2279MMD2M6、确定丝杠预紧力由公式FP13FMAX代入数据可得FP1325585N7、行程补偿值与预拉伸力（1）行程补偿值C118TLU103其中LU为滚珠丝杠螺母副的有效行程LU工作台行程螺母长度两个安全行程500MMT温度变化值25取T25代入数据可得C1475M（2）预拉伸力FT181TD22N其中，D2279MM代入数据可得FT27338N8、确定丝杠支撑用轴承（1）轴承承受最大轴向载荷FBMAXFTFMAX代入数据可得FBMAX2733825529888N（2）选择轴承的类型采用两端固定支撑的方式，选择背对背60角接触推力球轴承（3）确定轴承内径D略小于D2279MM取D25MM由FBP13FBMAX可得FB（4）轴承预紧力要求预加载荷FBP（5）选择轴承型号规格当D25MM预加载荷FBP9963N时可以选择轴承型号为760205TNI预载荷为2500N额定动载荷CR220KN额定静载荷C0R440KN9、丝杠工作图设计丝杠螺纹长度LS480MMLSLU2LE其中LE为丝杠余程，查表得LE24MM支撑跨距L1530MM螺母安装尺寸L166MM丝杠全长L650MM10、传动系统刚度丝杠抗拉刚度（1）最小抗拉刚度KSMIN66D22L1102代入数据可得KSMIN6627925301029693N（2）最大抗拉刚度KSMAX66D22L14（L1L0）LO102代入数据可得KSMAX66279253046047010224139N3支撑轴承组合刚度KB02234DQZ2FMAXSIN53其中，DQ3969MMZ1760FMAX3预加载荷7500N代入数据可得KB0223416167563N则丝杠螺母副的支撑刚度KB2KB0可得KB2756315126N4预紧时滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度由公式KCKFA01CA13查表可得K683N/MCA20200NFA255N则KC683（2552020）13342