立式钻削中心的机械结构设计【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 1 摘 要 在传统的立式钻床、铣床与新型数控机床技术的基础上，开发了以钻削为主，并兼有攻丝、铣削等功能，且备有刀库并能够自动更换刀具来对工件进行多工序加工的数控机床 钻削中心。本文主要针对钻削中心的主轴系统进行设计。在本设计中，主轴调速取消了齿轮变速机构，而是由交流电动机来调速；主轴与电机轴之间采用多楔带传动；主轴内部刀具的自动夹紧，则采用了碟形弹簧与气压传动技术；主轴的垂直进给采用了半闭环伺服进给系统；主轴的支承采用了适应高刚度要求的轴承配置。总之，通过对主轴系统的设计，使系统满足了钻削中心高效、高加工精度 的要求。 关键词： 数控技术；钻削中心；主轴系统 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 n on of a NC is In of of a by C is to be is of a he a of of In to of NC 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 目 录 摘 要 . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 第 1 章 绪论 . 错误 !未定义书签。 数控机床的概念 . 错误 !未定义书签。 数控机床的组成 . 错误 !未定义书签。 数控技术发展状 况及发展趋势 . 错误 !未定义书签。 设计的目的与意义 . 错误 !未定义书签。 第 2 章 总体设计方案的确定 . 错误 !未定义书签。 设计方案 . 错误 !未定义书签。 方案的可行性分析 . 错误 !未定义书签。 钻销中心的设计特点 . 错误 !未定义书签。 本设计的创新之处 . 错误 !未定义书签。 第 3 章 钻削中心主轴部件结构设计 . 错误 !未定义书签。 主轴的结构设计 . 错误 !未定义书签。 主轴的基本尺寸参数的确定 . 错误 !未定义书签。 主轴端部结构 . 错误 !未定义书签。 主轴刀具自动夹紧机构 . 错误 !未定义书签。 主轴的验算 . 错误 !未定义书签。 主轴材料和热处理的选择 . 错误 !未定义书签。 主轴传动部件的设计 . 错误 !未定义书签。 传动方式的选择 . 错误 !未定义书签。 多楔带带轮的设计计算 . 错误 !未定义书签。 多楔带的选择及带轮尺寸参数的确定 . 错误 !未定义书签。 传动带在主轴上的位置 . 错误 !未定义书签。 主轴轴承 . 错误 !未定义书签。 主轴轴承的选用 . 错误 !未定义书签。 主轴轴承的配置 . 错误 !未定义书签。 滚动轴承调整和预紧方法 . 错误 !未定义书签。 主轴轴承的润滑 . 错误 !未定义书签。 碟形弹簧的设计 . 错误 !未定义书签。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 钻削力分析 . 错误 !未定义书签。 碟形弹簧设计计算 . 错误 !未定义书签。 碟形弹簧的校核 . 错误 !未定义书签。 气缸的设计 . 错误 !未定义书签。 气缸的结构设计 . 错误 !未定义书签。 气动回路选择 . 错误 !未定义书签。 第 4 章 主轴进给系统的设计 . 错误 !未定义书签。 概述 . 错误 !未定义书签。 伺服进给系统的组成 . 错误 !未定义书签。 伺服进给系统的类型 . 错误 !未定义书签。 进给系统设计计算 . 错误 !未定义书签。 主要参数的设定 . 错误 !未定义书签。 切削力的估算 . 错误 !未定义书签。 滚珠丝杠副设计计算 . 错误 !未定义书签。 丝杠的校核 . 错误 !未定义书签。 选伺服系统和检测装置 . 错误 !未定义书签。 伺服电机选择 . 错误 !未定义书签。 结 论 . 错误 !未定义书签。 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 错误 !未定义书签。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 . 错误 !未定义书签。 . .C .NC .of . . of . of . nd . of of . . . 10 of . 12 . 16 . 17 of of . 17 of . 18 of . 20 of in . 22 of . 23 of . 23 of . 25 of . 26 of . 27 of . 29 of . 29 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 of . 30 . 33 . 35 of . 35 . 38 . 41 . 41 . 41 . 41 . 43 of . 43 of . 43 of . 43 . 46 of . 49 . 49 . 51 . 52 . 53 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 第 1 章 绪论 数控机床的概念 数字控制是利用数字化信息对机械运动以及加工过程进行控制的一种方法，简称数控 (数控机床是指采用了数控技术控制的机床，或者说是装备了数控系统的机床，也 可称作 床。由于现在数控系统是通过计算机进行控制的，因此，数控机床又称 床。 数控机床的组成 数控机床主要由数控系统、伺服系统、程序载体、输入输出装置、强电控制装置、辅助装置、和机床主体组成。输入数控装置的程序指令记录在信息载体上，由程序读入装置接收，或由数控装置的键盘直接手动输入。 数控技术发展状况及发展趋势 我国的机床制造工业完全是在解放后建立起来的，现在，我国的机床工业已经从无到有，从小到大的成长起来了，形成了比较完整的机床体系。目前我国的机床产量不断的上升，完全的可以满 足社会的需求，并有大量的机床出口，但是我国的机床技术水平和世界现进的水平还有一定的差距，主要表现在生产率低，寿命短和质量不稳定，此外在掌握某些重型机床，精度高的机床及数控机床方面，还需要进一步的努力，我国想达到发达的水平就必须发奋图强，努力的工作，还需做进一步的努力，深入广泛的开展科学的研究技术的革命，要善于吸取国外的先进技术，并和自己的创新结合起来，以加快我们的发展速度，把我国的机床事业推向辉煌。 随着电子技术和自动化技术的发展，数控技术的应用越来越广泛。大地推动了数控机床的发展，但是结合我国的国 情普遍机床仍占有很突出的地位，普通车床的万能性大，它适用加工各种轴类，套筒类和盘类零件上的回转面，如外圆柱面，圆锥面，环槽类 及成型回转表面；车削端面及加工各类常用的公制，英制，模数制和节制螺纹；在普通车床上还能作钻孔，扩孔，铰孔，买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 滚花等工作。用处很广，考虑到我国的劳动力众多，和一些企业的资金和技术能力普通机床还是很有市场的，普通机床按照它们的万 能程度分为 (1) 专门化机床，这类机床重要用于加工不同尺寸的一类或几类零件的特定工序。 (2) 通用机床，这种机床的加工范围广，在这种机床上可以加工各种零件的不 同工序，例如普通车床，卧式车床，万能升降台铣床等，都属于通用机床，通用机床由于万能性较大， 它 的结构往往比较复杂，通用机床主要适用于单量小批生产。 (3) 专用机床，这类机床是加工某一种零件的特定工序，例如：加工 汽车后桥盖的组合镗床，机床主轴箱专用 镗床等等，都是专用机床，专用机床是根据工艺要求专门设计的，它的生产率比较高，机床的自动化的程度往往也比较高，所以专用机床主要用于成批及大量生产 1 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征 ，而且随着它的发展和应用领域的扩大 ，它对国计民生的一些重要行业（ 车、轻工等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。当前世界上数控系统的发展呈现如下发展趋势： (1) 高速度高精度化 速度和精度是数控系统地两个重要技术指标，它直接关系到加工效率和产品质量。对于数控系统，高速度化，首先是要求计算机数控系统在读入加工指令数据后，能高速度处理并计算出伺服电机的位移量，并要求伺服电机高速度的作出反应；其次，要是下生产系统的高速度化，必须使主轴转速、进给率、刀具交换、托盘交换等各种关键部件实现高速度化。 提高数控机床的加工精度，一般是通过减少数控系统的误差和采用补偿技术来达到。在减少数控系统误差方面，一般采取三种方法： 1 提高数控系统的分辨率，以微小程序段实现连续进给； 2 提高位置检测精度； 3 位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制。在采用补偿技术方面，除采用间隙补偿、丝杠螺距补偿和刀具补偿等技术外，还可以采用热变形补偿技术 4。 (2) 多功能化 一机多能的数控系统，可以最大限度的提高设备的利用率。数控加工中买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 心（ 是一种能实现多工序加工的数控机床。这类数控系统控制的机床，一般配有机械手和刀具库（可存放 16100 把刀具）。工件一经装夹，数控系统就能控制机床自动的更换刀具，连续对工件的各个加工面完成铣削、铰孔、扩孔及攻螺纹等多工序加工，从而可以避免多次装夹所造成的定位误差。这样减少了设备台数、工件夹具和操作人员，节省了占地面积和辅助时间。为了提高效率，新型数控机床在控制系统和机床结构上也 有所改革。例如，采取多系统混合控制方式，用不同的切削方式（车、钻、铣、攻螺纹等）同事加工零件的不同 部件等。现代数控系统控制轴数多达 15轴，同事联动的轴数已达到 6 轴 5。 (3) 智能化 数控系统应用高技术的重要目标是这能化。智能化技术主要体现在以下几个方面： (a) 引进自适应控制技术 引进自适应控制技术（ 目的是要求在随机的加工过程中，通过自动调节加工过程中所测得的工作特征、状态，按照给定的评价指标自动校正自身的工作参数，以达到或接近最佳的工作状态。通常数控机床是按照预先编好的程序进行控制，但随机因素，如毛坯余量和硬度的不均匀、刀具的磨损等难以预测。为了确 保质量，势必在编程时采用较保守的切削 用量，从而降低了加工效率。 统可对机床主轴转矩、切削力、切削温度、刀具磨损等参数值进行自动测量，并由 行比较运算后发出修改主轴转速和进给量大小的信号，确保 于最佳切削用量状态，从而在保证质量条件下使加工成本最低或生产率最高 6。 （ b） 附加人机械化自动编程功能 建立切削用量专家系统和示数系统，从而达到提高编程效率和降低对编程人员技术水平的要求。 （ c） 具有设备故障诊断功能 数控系统出了故障，控制系统能够进行自诊断，并自动采取排除故障的措施，以 适应长时间无人操作环境的要求。 (4) 小型化 蓬勃发展的机电一体化设备，对 统提出了小型化的要求，体积买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 小型化便于将机 、电装置糅合为一体。日本新开发的 采用了三维安装方法，使电子元器件得以高精度的安装，缩小了新型 色液晶薄型显示器，使 统进一步小型化，这样可更方便地将它们装到机械设备上 7。 设计的目的与意义 在机床加工中钻床的加工工作量在总制造工作量中占有很大的比量。钻床为孔加工机床，按其机构形式不同可以分为摇臂钻床、立式钻床、卧式钻床、深孔钻床、多轴钻床 等。主要用来进行钻孔、扩孔、铰孔、攻丝等。长期以来我国的机械制造工业中孔类加工多数由传统钻床来完成，但是传统的钻床在大批生产时存在许多的不足之处： (1) 自动化程度不高，难以进行大批量生产 ； (2) 工作效率低，且工人的工作环境恶劣 ； (3) 占用人力较多，操作固定不交易出错； (4) 精度不高，工件装夹费时； (5) 加工产品质量不高。 再生产过程中，手动的操作、繁琐的装夹、大量生产力的投入和单一的生产流程导致了钻床加工的自动化程度低、生产效率低、共作环境恶劣和产品质量不高，因此，我们需要解决 的问题在于如何实现钻削加工的自动化、减少生产力的投入生产和与其他工艺流程相结合同时也要考虑经济问题 7。 针对以上传统钻床的不足之处及生产中存在的问题，我们有必要在传统钻床的基础上研究出新型数控钻床 立式钻销中心。 通过对传统钻床手动的进给系统、夹紧系统及传动系统的创新设计，假如新技术，从而提高产品质量和生产效率，实现自动化，降低劳动强度及工作量。 钻销中心具有自动换刀功能，可减少工件在机床上的两次安装，提高加工精度，稳定产品质量，减轻操作者的劳动强度，提高生产率，降低生产成本。钻销中心适用于机械制造各行 业中的中小型零件的孔、平面加工，并可加工平面凸轮 8。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 第 2 章 总体设计方案的确定 设计方案 本设计从角度入手，主要对主轴系统结构进行设计，通过分析，确定出主轴系统结构包括以下三部分，并对其提出设计方案，方案如下： 1. 传动系统 主轴的调速取消了齿轮变速机构，而是由交流电动机 来实现，且主轴与电机轴之间采用带传动。主轴上的传动件，主要有齿轮和带。齿轮能够传递较大的转矩，是一般机床常用的传动副。但其线速度不能太高，传动也不够平稳 。对于较高速主轴，用带传动可以使运转平 稳。本次设计采用多楔带传动。多楔带兼有 V 平带和 V 带的优点：柔性好，摩擦力大，能传递的功率大，并解决了多根 V 带长短不一使各带受力不均的问题。多楔带主要用于传递功率较大而结构要求紧凑的场合，传动比可达 10，带速可达 40m/000r/较高速的传动，故选择多楔带传动合适 9。 主轴上的传动件，主要由齿轮和带。齿轮能传递较大的转矩，是一般机床常用的传动副。缺点是线速度不能太高，传动也不够平稳。通常，线速度V 12s。为使主轴运行平稳，可采用斜齿轮。螺旋倾角一般不宜 超过15 以免引起有太大的轴向分力。主轴上尽量不要有华裔齿轮或其它活装零件（如离合器），以免因轴颈与活装零件孔间有间隙而引起震振动。齿轮与主轴最好用圆锥配合。 较高速的主轴，用带传动可使运转平稳。在带传动中，常用的有平带传动、 V 带传动、多楔带传动和同步带传动等。平带传动结构最简单，带轮也容易制造，在传动中心距较大的情况下应用较多。常用的平带有帆布芯平带、编织平带（棉织、毛织和缝合棉布带）、棉纶片复合平带等数种。其中以帆布芯平带应用最广，它的规格可查阅国家标准或手册。在一般的机械传动中 应用最 广泛的是 V 带传动。 V 带的横截面呈等腰梯形，带轮上也做出相应的轮槽。传动时， V 槽只和轮槽的两个侧面接触，即以两侧面为工作面。根据槽面摩擦的原理，在同样的张紧力下， V 带传动较平带传动能产生更大的摩擦力，这是 V 带传动性能上的最 主要优点。 再加上 V 带传动允许的传动比较大，买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 结构较紧凑，以及 V 带多以标准化并能大量生产等优点，因而 V 带传动的应用比平带传动广泛的多。多楔角兼有 V 平带和 V 带的优点：柔性好，摩擦力大，能传递的功率大，并解决了多根 V 带长短不一而使各带受力不均的问题。多楔角主要由于传递功率较大而结构要求紧凑的场合，传 动比可达 10，带速可达 40m/s. 传动带易拉长和磨损，设计时必须注意能调解中心距；磨损后易于更换；有可靠的防护装置以及防止与油接触受侵蚀。当线速度 v 30m/s 时，可用 楔角或同步齿形带； v 30m/s 时，可用橡胶或皮革平带； v 35m/可用丝（天然丝、涤纶丝）织呆由于本设计为较高速主轴，线速度 v30m/s，故选用多楔角运动 10。 2. 主轴进给系统 传统的钻床主轴进给系统主要由主轴、主轴套筒、主轴套筒箱套、齿轮齿条和轴承等组成。主轴在加工时即要做旋转运动，也要做轴向的进给运 动。机床的主轴被安装在主轴的套筒内，套筒安置在主轴箱体孔的箱套内，主轴上侧由花键连接。机床加工时，旋转运动由花键传入，而进给运动则有齿轮通过 齿条带动套筒在箱套内运动。本设计中采用了半闭环控制系统，半闭环系统的精度比闭环系统的精度略低，但是其结构简单而且调整方便。 3. 夹紧系统 传统钻床的夹紧主要是手工操作，由夹具夹紧工件。为了便于实现自动化控制，主轴内部刀具的自动加紧，则采用了碟形弹簧与气压传动技术。 方案的可行性分析 钻销中心的设计特点 采用本文提出的设计方案，所设计出的钻销中 心具有如下特点： (1) 自动化程度较高 钻销中心不仅具有一般数控钻床的自动加工功能，而且装有转塔式刀库，可以自动更换刀具，进行多工序加工。由于采用了半闭环、连续轮廓控制的数控系统，可进行轮廓控制的铣削工序。当配有工业机器人时，尚可自动装卸工件，实现无人化生产。 (2) 加工效率高 为了适应各种材料、各种尺寸的零件加工，采用了宽买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 调速电机，使主轴调速范围宽，最高转速可达 3000r/合进行高速切削，以减少加工时的切削时间。机床快速定位速度也较高，工作台 X 向和 Y 向快速进给速度可达 15r/Z 向）快速进给速度可达 10r/s，可缩短加工的辅助时间，提高生产率。 (3) 维修方便 在主机上没有齿轮传动、没有液压传动，应用了高寿命的直线滚动导轨及滚珠丝杠螺母副，是日常维修大大简单化，维修方便。 使用此中机电一体化设备，可减少工件在机床建的两次安装，提高加工精度，稳定产品质量，减轻操作者劳动强度，提高生产率，降低生产成本 11。 本设计的创新之处 1. 轴承配置 为适应高岗度要求，前、后支撑都采用了圆锥滚子轴承，背靠背安装，前面 两个轴承大口朝向主轴前端，后一个轴承大口朝向主轴尾端。 2. 自动夹紧机构由机械传动改为气压传动 气压传动与机械传动相比具有动作迅速，调节方便，维护简单，不存在介质变质以及补充等问题。气压传动以空气为工作介质，绿色环保。气动元件结构简单 、 成本低 、 寿命长 ，易于实现标准化、系列化和通用化 12。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 第 3 章 钻削中心主轴部件结构设计 主轴的结构设计 主轴的基本尺寸参数的确定 1. 主轴平均直径 主轴前支承轴径1D，根据机床主电 动机功率来确定。已知钻削中心主电动机功率为 实用机床设计手册 图 3取前支承轴径1 80，后支承轴径 D 。 主轴当前平均直径 1 2. 主轴内孔直径 主轴的内孔直径用于通过刀具夹紧装置固定刀具传动气动或液压卡盘等。主轴内孔直径越大，主轴部件相对重量也越轻。主轴孔径大小主要受主轴刚度制约。主轴孔径与主轴直径之比，小于 空心主轴的刚度几乎与实心 主轴刚度相当。考虑碟形弹簧的设计取 。校核壁厚/ 2 5 . 4 / 7 5 0 . 5。所以， d 取 适 。 3. 主轴前端悬伸量的选择 主轴悬伸量是指主轴前支承径向反力作用点到主轴前端受力作用点之间的距离，见图 2论从理论分析还是从实际测试的结果来看，主轴悬伸量 a 值愈小愈能提高主轴部件的刚度。因此，确定主轴悬伸量 a 的原则是在满足机构要求的前提下，尽可能取小值。查 实用机床设计手册 表 3 1/ 0 1 2 0 m 实际取 96。 4. 主轴合理跨距的选择 主轴前支承点至主轴后支承点之间的距离称为跨距 l ，见图 3 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 图 3轴支承跨距及悬伸量 主轴组件的支承跨距对主轴本身刚度和对支承刚度有很大的影响。根据数 控加工中心设计所介绍如下经验公式 443530l (3 式中 K 刚度值，其下限值 250N/m ,精密机床 K 值为 500N/m ； D 主轴平均外径，单位 d 主轴平均内径，即中空主轴平均内径，单位 l 主轴轴承支承跨距，单位 则有： 443 530 计算得： l ，考虑到实际结构，取 l 。 主轴端部结构 加工中心主轴的轴端用于安装夹具和刀具。要求夹具和刀具在轴端定位精度高、定位刚度高、装卸方便，同时使主轴的悬伸长度短。短锥法兰结构有很高的定位精度，主轴的悬伸长度短，大大提高了主轴的刚度。查机床设计手册卷 3 表 得主轴端部结构以及主要尺寸如表 3 表 3轴端部结构尺 寸 1D 2d 1d L 2D 7475文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 主轴端部有四个螺纹孔是用来装端铣刀的，另外有两个端面键是用来固定刀的周向的转动，具体结构如图 35。 图 3轴端部结构 主轴刀具自动夹紧机构 主轴内部刀具自动夹紧机构是加工中心必不可少的机构。加工中心自动换刀，所以，主轴系统应具备自动松开和夹紧刀具的功能。刀具自动夹紧机构安装在主轴内 部， 本设计采用 如图 3示的刀杆拉紧机构。 图 3杆拉紧机构 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 18 图 3具自动夹紧机构示意图 刀具自动夹紧机构安装在主轴的内部，如图 3示，刀柄由两个钢球夹持，碟形弹簧 3 通过滑块 4、螺母 5，在拉杆 2 上的钢球 1 作用下，将刀柄拉紧。当换刀时，要求松开刀柄，此时将主轴上端汽缸的上腔通压缩空气，活塞杆 7 及拉杆向下移动，同时压缩碟形弹簧，当拉杆下移到使刀具松开的位置，刀具即 可由机械手更换。待新刀装入后，汽缸上腔停止供气，活塞杆在圆柱螺旋弹簧力的作用下上移，在碟形弹簧作用下拉杆带动钢球上移，重新将刀柄拉紧。活塞杆移动的两个极限位置分别设有行程开关 8，作为刀具夹紧和松开的信号。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 19 主轴的验算 1. 主轴刚度验算 (1) 计算当量直径 图 3轴尺寸示意图 主轴尺寸示意图，如图 3示； 其中1 2 3 42 5 m m , 1 9 2 m m , 1 7 2 m m ,