机械毕业设计（论文）-立式钻削中心主轴的机械结构设计【全套图纸】

1 摘摘 要要 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 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 2 Abstract In the traditional vertical drilling machine, CNC milling machine and new technology on the basis of developing a drilling mainly, and both tapping, milling, and other functions, With cutting tool can automatically replace the multi-process workpiece machining CNC machine tools Drilling Center.This paper is concerned with the drilling spindle system design. In this design, the spindle speed of the complete elimination of the variable speed gear, and a fully by the AC motor is to be achieved. Wedge Belt Drive is used between spindle and motor shaft. Internal spindle automatic tool clamping, the use of a disc spring with pressure transmission technology;The vertical axis feed using a semi-closed-loop servo control system; The supporting of spindle uses high stiffness requirements of the bearing arrangement. In short, through the spindle system design, allowing the system to meet the drilling center efficient, high-precision processing of the request. Keywords：NC technology ；Drilling Center ；Spindle system 3 目目 录录 摘 要.I Abstract .II 第 1 章 绪论1 1.1 数控机床的概念.1 1.2 数控机床的组成.1 1.3 数控技术发展状况及发展趋势.1 1.4 设计的目的与意义.4 第 2 章 总体设计方案的确定5 2.1 设计方案.5 2.2 方案的可行性分析.6 2.2.1 钻销中心的设计特点6 2.2.2 本设计的创新之处7 第 3 章 钻削中心主轴部件结构设计8 3.1 主轴的结构设计.8 3.1.1 主轴的基本尺寸参数的确定8 3.1.2 主轴端部结构9 3.1.3 主轴刀具自动夹紧机构10 3.1.4 主轴的验算12 3.1.5 主轴材料和热处理的选择16 3.2 主轴传动部件的设计.17 3.2.1 传动方式的选择17 3.2.2 多楔带带轮的设计计算18 3.2.3 多楔带的选择及带轮尺寸参数的确定20 3.2.4 传动带在主轴上的位置22 4 3.3 主轴轴承.23 3.3.1 主轴轴承的选用23 3.3.2 主轴轴承的配置25 3.3.3 滚动轴承调整和预紧方法26 3.3.4 主轴轴承的润滑27 3.4 碟形弹簧的设计.29 3.4.1 钻削力分析29 3.4.2 碟形弹簧设计计算30 3.4.3 碟形弹簧的校核33 3.5 气缸的设计.35 3.5.1 气缸的结构设计35 3.5.2 气动回路选择38 第 4 章 主轴进给系统的设计41 4.1 概述.41 4.1.1 伺服进给系统的组成41 4.1.2 伺服进给系统的类型41 4.2 进给系统设计计算.43 4.2.1 主要参数的设定43 4.2.2 切削力的估算43 4.2.3 滚珠丝杠副设计计算43 4.2.4 丝杠的校核46 4.2.5 选伺服系统和检测装置49 4.2.6 伺服电机选择49 结 论51 致 谢52 参考文献53 5 CONTENTS AbstractI CONTENTS Chapter 1 Introduction.1 1.1 The concept of NC machine tool.1 1.2 The composition of CNC machine tools1 1.3 CNC technology development status and development trend.1 1.4 The purpose of design and meaning4 Chapter 2 The overall design scheme5 2.1 Design scheme.5 2.2.1 Thedesign characteristics of drilling center.6 2.2.2 The innovation of the design.7 Chapter 3 Spindle nd components design.8 3.1 Spindle structure design.8 3.1.1 The decision of the basic parameters of the spindle8 3.1.2 Spindle structure9 3.1.3 Spindle tool automatically clamping institutions10 3.1.4 Checking of the spindle.12 3.1.5 Spindle material and heat treatment options .16 3.2 Spindle drive components design17 3.2.1 The choice of the ways of driving.17 3.2.2 The design of the half-axis belt pulleys.18 3.2.3 The choice of the half-axis belt pulleys parameters20 3.2.4 The position of the drive belt in the spindle22 3.3 Selection of spindle bearings.23 3.3.1 selection of spindle bearings .23 6 3.3.2 Configuration of spindle bearings.25 3.3.3 Ajustment of rolling bearings26 3.3.4 Lubrication of spindle bearings.27 3.4 Design of the disc sping.29 3.4.1 Analysis of the drilling force.29 3.4.2 Design of the disc spring.30 3.4.3 Disc spring.33 3.5 Cylinder design35 3.5.1 The structure design of cylinder35 3.5.2 Pneumatic circuit selection38 Chapter 4 Spindle feed system design.41 4.1 Summary41 4.1.1 Servo feed system41 4.1.2 Servo feed system type41 4.2 Feed system design43 4.2.1 Determination of main design parameters.43 4.2.2 Estimation of the cutting force43 4.2.3 Design and calculation of ball screw pair .43 4.2.4 Screw check.46 4.2.5 Selection of servo system and detecting device49 4.2.6 Servo motor selection49 Conclusion.51 Thanks.52 References .53 7 第 1 章 绪论 1.1 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(Numerical Control, NC).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 NC 机床。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 CNC 机床。 1.2 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。 1.3 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 8 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，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1-3。 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（IT、汽车、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：提高数控系统的 1 分辨率，以微小程序段实现连续进给；提高位置检测精度；位置伺服系统 2 3 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。 9 (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。数控加工中心 （Machining Center-MC）便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（Adaptive Control-AC）的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。AC 系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 CPU 进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 AC 处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。 10 (4) 小型化 蓬勃发展的机电一体化设备，对 CNC 系统提出了小型化的要求，体积小 型化便于将机、电装置糅合为一体。日本新开发的 FS16 和 FS18 都采用了三 维安装方法，使电子元器件得以高精度的安装，缩小了新型 TFT 彩色液晶薄 型显示器，使 CNC 系统进一步小型化，这样可更方便地将它们装到机械设备 上7。 1.4 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 11 面凸轮8。 第 2 章 总体设计方案的确定 2.1 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/s.本次设计最高转速为 3000r/min，为较高速的传动，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 V12-15m/s。为使主轴运行平稳，可采用斜齿轮。螺旋倾角一般不宜超过 15-20，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 12 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，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 v30m/s 时，可用 V 形带、多楔角或同步齿形带；v30m/s 时，可用橡胶或皮革平带；v35m/s 时，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。 2.2. 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。 3.3. 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。 2.2 方案的可行性分析 2.2.1 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 13 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 调速电机，使主轴调速范围宽，最高转速可达 3000r/min。适合进行高速切削， 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/min.主轴箱垂直上下（Z 向）快速进给速度可达 10r/min. 自动换刀时间一般为 5s，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。 2.2.2 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。 14 第 3 章 钻削中心主轴部件结构设计 3.1 主轴的结构设计 3.1.1 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，根据机床主电动机功率来确定。已知钻削中心主电 1 D 动机功率为 5.5kW。查实用机床设计手册图 3-30，选取前支承轴径 ，后支承轴径。主轴当前平均直径。 1 80mmD mm70 2 Dmm75 2 21 DD D 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 0.5 是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。25.4mmd /25.4/750.5d D 所以，取合适。d25.4mm 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 2-1。无论从理论分析还是从实际测试的结果来看，主轴悬伸量 值愈小愈能提高主轴部件的刚度。因此，确定主轴悬伸量 的原则是在满足 a a 机构要求的前提下，尽可能取小值。查实用机床设计手册表 3-8。 1 /1.5a D 1.5 80120mma 实际取。96mma 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，见图 3-1。l 15 图 3-1 主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 (3-1) 44 3 530 Dd K l 式中 刚度值，其下限值,精密机床值为； K 250N/mK500N/m 主轴平均外径，单位；Dmm 主轴平均内径，即中空主轴平均内径，单位；dmm 主轴轴承支承跨距，单位。lmm 则有： 44 3 530 Dd l K 计算得：，考虑到实际结构，取。mm98.320lmm350l 3.1.2 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 6.1-36，查得主轴端部结构以及主要尺寸如表 3-1： 16 表 3-1 主轴端部结构尺寸 1 D 2 d 1 d L 2 D 1 l 69.85mm39.6mm27mm147mm128.57mm25mm 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 3-215。 图 3-2 主轴端部结构 3.1.3 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 3-3 所示的刀杆拉紧机构。 1.刀柄 2.钢球 3.拉杆 17 图 3-3 刀杆拉紧机构 1.钢球 2.拉杆 3.碟形弹簧 4.滑块 5.螺母 6.汽缸 7.活塞杆 8.行程开关 图 3-4 刀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 3-4 所示，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。 18 3.1.4 主轴的验算 1. 主轴刚度验算 (1) 计算当量直径 图 3-5 主轴尺寸示意图 主轴尺寸示意图，如图 3-5 所示； 其中 1234 25mm,192mm,172mm,166mmllll 1234 128.5mm,80mm,76mm,70mmdddd 当量直径 l ldldldld d 44332211 1234 555mmlllll 由此计算可得： 128.5 2580 19276 17270 166 77.954mm78mm 555 d (2) 刚度计算 主轴前悬伸部分较粗，刚度较高，其变形可以忽略不计。后悬伸部分不影 响刚度，也可不计。如主轴前端作用一外载荷，则主轴前端挠度为：Fy (3-2) EI lFa y 3 2 19 式中 外载荷，单位；FN 前悬伸，等于外载荷作用点至支承点间的距离，单位 mm；a 跨距，等于前后支撑点间的距离，单位 mm；l 弹性模量，钢为,单位；E 5 102EMPa 截面惯性矩，,单位：mm；I 4 i 4 0.05ddI 主轴的外径和孔径，单位。 i ,ddmm 图 3-6 主轴受力示意图 将及 之值代入上式可得EI 4 i 4 2 30dd lFa y 如果，则孔的影响可以忽略，即dd5 . 0 i 2 4 m 30 Fa l y d 弯曲刚度yK la ddF K 2 4 i 4 )(30 y y 20 所以，当时，则dd5 . 0 i N/m la d k 2 4 y 30 本设计：; mm350,mm96,mm 4 . 25,mm954.77 i ladd ，所以dd5 . 0 i N/m45.343 35096 954.773030 2 4 2 4 y la d K 2. 主轴扭转刚度验算 对钻床等以扭转变形为主的主轴，还要验算其扭转刚度。通常要求其扭转 角在（2025）的长度内不超过，即：D1 (3-3) 1 180 R GI TL 式中 主轴传递最大扭矩，单位；TN cm 5.5 9549(N m)954900867.4N cm 6000 P T n 计算长度，取，单位。；L25Dcm7.8cmD ；25 7.8195cmL 剪切弹性模量，钢料为 8.1N/cm ；G 6 10 4 截面极惯性矩，对于圆截面，单位为； R I 4 R 1 . 0 DI 4 cm 主轴当量直径，。D7.8cmD 代入上式得： 1102 . 3 14 . 3 15.370101 . 8 18019537.867 3 6 故满足扭转刚度的要求。 3. 主轴临界转速验算 查机械设计手册单行本轴及其连接表 5-1-47：一阶临界转速 21 的计算公式如 3-4 式，计算示意图如图 3-7。 1 n （3-4） j0 2 jj 2 13 0 2 1 4 1cr 3 1052 . 9 ClCGlW d n 式中 外伸端第个圆盘重力，； 本设计中，外伸端圆盘为带 j GjN 轮，其重力估算如下： 3229 7.85 101007030 9.81 1037NG 轴的重力，；对实心钢轴，； 0 WNldW 26 0 10 5 . 60 对空心钢轴应乘以 。本轴为空心轴，由前面计算知： 2 1 则有：77.954mm,555mmdl ； 622 0 60.5 1077.9545551182.57NW 空心轴内径与外径之比，； 0 dd326 . 0 954.77 4 . 25 轴的全长，；l=555mml 支撑跨距，； 0 l 0 350mml 外伸端第个圆盘至支承间的距离，; j Cjmm 1 70mm;C 临界系数 1 外伸端长度与轴长之比， 21, ；20 . 0 555 109 ,17 . 0 555 96 21 22 当时，查机械设计手册单行本轴及其联接表20. 0,17 . 0 21 5-1-49，。 1 21. 89l= 图 3-7 临界转速计算示意图 将以上数据代入（3-1）式可得：，, min,/ r3695224 cr1 n=3000r/minn 对 于刚性轴 min/ r277164375 . 0 1cr nn ，满足临界转速条件。 cr1 75 . 0 min/ r3000nn 3.1.5 主轴材料和热处理的选择 评价和考虑主轴主要尺寸参数的依据是主轴的刚度、结构工艺性和主轴组 件的工艺适用范围。主轴材料的选择主要根据刚度、载荷特点、耐磨性、热处 理变形大小等因素确定。主轴的刚度与材料弹性模量有关，钢的值较大（EE 左右） ，所以主轴材料首先考虑钢料。值得注意的是钢的弹性模 72 2.1 10 N/cm 量 E 的数值与钢的种类和热处理方式无关，即不论是普通钢或合金钢，其弹性 模量基本相同。因此在选择钢料时应首先选用价格便宜的中碳钢（如 45 钢） ， 23 只有在载荷特别重和有较大的冲击时，或者精密机床主轴需要减小热处理后的 变形时，或者轴向移动的主轴需要保证其耐磨性时，才考虑选用合金钢。当主 轴轴承采用滚动轴承时，轴颈可以不淬硬，但为了提高接触刚度，防止敲碰损 伤轴颈的配合表面，不少 45 钢主轴轴颈仍进行高频淬火（4854HRC）9。 当采用滑动轴承时，为减少磨损，轴颈表面必须有很高的硬度。因此，通常在 轴颈处进行高频淬火；对大直径主轴（350400mm）也可用火焰淬火来提 高表面硬度；对于受较大冲击的主轴，可用 15 或 20 号钢，并在轴颈表面渗碳、 淬火及回火。主轴材料常采用的有 45 号钢、GCr15 等，需经渗氮和感应加热 淬火。 由于本次设计主轴承受载荷为中重载荷，所以材料选用 45 号钢，进行调 质处理。 3.2 主轴传动部件的设计 3.2.1 传动方式的选择 主轴上的传动件，主要有齿轮和带。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 。为使主轴运行平稳，可采用斜齿轮。螺旋倾角一般不宜超过s/m15-12V ，以免引起有太大的轴向分力。主轴上尽量不要有滑移齿轮或其它活 00 20-15 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） 、锦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 带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，结构较紧 24 凑，以及 V 带多已标准化并能大量生产等优点，因而 V 带传动的应用比平带 传动广泛得多。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 带长短不一而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/s。 传动带易拉长和磨损，设计时必须注意能调节中心距；磨损后易于更换； 有可靠的防护装置以防止与油接触受侵蚀。当线速度时，可用 V 形30m/sv 带、多楔带或同步齿形带；时，可用橡胶或皮革平带；时，30m/sv 35m/sv 可用丝（天然丝、锦纶丝或涤纶丝）织带。由于本设计为较高速主轴，线速度 ，故选用多楔带传动。30m/sv 3.2.2 多楔带带轮的设计计算 基本设计参数：由设计要求kW；本次设计选用传5 . 5min,/ r3000pn 动比为 1。 1. 设计功率 kW6 . 62 . 15 . 5 d kpp 查现代机械传动手册135.1-17，。工况系数。2 . 1KK 2. 带型的选择 根据所算的设计功率，查现代机械传动手册13表 5.1-20，选用 PJ 型 多楔带。 3. 小带轮直径的确定 根据带型与设计功率，查现代机械传动手册13表 5.1-78，小带轮节圆 直径。mm100 1p d 4. 大带轮基准直径的确定 根据带型与设计功率，查现代机械传动手册13 mm98)1 ( 1d2d idd 25 查现代机械传动手册13，可知通常02. 0 按现代机械传动手册13表 5.1-18 圆整得：。 2d dmm100 2d d 5. 带速的计算 （3-5） max 11d 100060 v nd v ，查现代机械传动手册13表 5.1-67，smvsmv/4035,/ 4 . 31 max 进行动平衡。mm01 . 0 ,m5 . 33ee 6. 初定中心距 0 a （3-6）)(2)(7 . 0 2d1d02d1d ddadd 400140 0 a 取 。 0 350mma 7. 所需基准长度 0d L （3-7）mm1014 4 )( )( 2 2 0 2 2d1d 2d1d00d a dd ddaL 查现代机械传动手册13表 5.1-70 选取近似值 mm1016 0d L 8. 实际中心距a （3-8） 2 0dd 0 LL aa mm373a 26 9. 小带轮包角 180 1 10. 楔数 Z （3-9） Aa11 A KKPP PK Z 式中 工作情况系数，查表 5.1-17 ，； A K2 . 1 A k 传递的功率kW；P5 . 5p 每楔的基本额定功率，查表 5.1-775.181: 1 P kW；917 . 0 1 p 当 i=1 时，； 1 P 1 0P 弯曲影响系数，查表 5.175，； b K 7 b 100694 . 0 k 传动比系数，查表 5.176，； i K0654 . 1 i K 小带轮转速，； 1 n 1 3000r/minn 小轮包角系数，见图 5.16，=1.0； a K a K 带长系数，见表 5.174，。 L K08 . 1 L K 计算得：，取。32 . 5 Z6Z 3.2.3 多楔带的选择及带轮尺寸参数的确定 1. 多楔带带轮的参数 27 多楔带的带轮常采用 HT200 制造，当带速超过 30m/s 时，常采用 35 或 45 号钢制造。查现代机械传动手册13表 5.1-82，具体参数见表 3-2， 表 3-2 带轮参数表 带型槽间距p实际槽深h轮槽角最小边距s PJ2.34+0.03mm 0.38 0 21.5mm 5 . 0401.8mm 带型最小槽顶圆角 半径rl 最大槽根圆角 半径rb 节线差a带轮宽度B PJ0.2mm0.4mm1.2mm15.3mm 带轮宽度(1)25 2.342 1.815.3mmBZPS 带轮示意图如图 3-8 所示。 图 3-8 带轮示意图 2. 多楔带的选择 查现代机械传动手册表 5.1-69，可得多楔带参数，具体见表 3-3。 表 3-3 多楔带参数表 带型 节距 b P 带高H计算齿高 0 h 楔角楔根 1 R楔顶 2 R PJ2.34mm4.0mm3.21mm400.4mm0.2mm 28 宽度mm。04.1434 . 2 6 b ZPb 3.2.4 传动带在主轴上的位置 查机床设计手册卷 3 表 6.1-5，主轴采用带传动时，为了便于更换带 和防止皮带沾油，带轮通常装在主轴后支承外侧。如图 3-9 所示。 1.带轮 2.多楔带 3.主轴 图 3-9 传动件位置示意图 根据设计要求，主电动机功率为 5.5kW，3000r/min。查数控180n 机床机器人机械系统设计指导14表 4-17，选取交流变频调速电机，其基 本参数如表 3-4。 表 3-4 电机参数表 型号极数额定功率额定电流同步转速 YTPS132S-445.5kW18A180-3000r/min 查表 418，其外形安装尺寸如下表 3-5。 表 3-5 电机安装尺寸参数表 机座号DEGGDLAB 90L32mm50mm20mm7mm340mm180mm 29 具体外形如图 3-10 所示。 图 3-10 电机外形尺寸图 3.3 主轴轴承 3.3.1 主轴轴承的选用 主轴轴承是主轴组件的重要组成部分，它的类型、结构、配置、精度、安 装、调整、润滑和冷却都直接影响了主轴组件的工作性能。常用的主轴轴承有 滚动轴承和滑动轴承。 滚动轴承的摩擦力小，可以预紧，润滑维护简单，能在一定的转速和载荷 变动范围内稳定工作。滚动轴承由专业化工厂生产，选购维修方便。但与滑动 轴承相比，滚动轴承的噪声大，滚动体数目有限，刚度是变化的，抗震性略差 并且对转速有很大限制。加工中心主轴组件在可能条件下，尽量使用滚动轴承， 特别是大多数立式主轴和主轴装在套筒内能够做轴向移动的主轴。 本次设计选用圆锥滚子轴承。查实用机床设计手册表 3.8-52 选用型 号为 32016 的圆锥滚子轴承，其基本参数表 3-6。 表 3-6 轴承基本参数表 dDB r C or C 极限转速 （油润滑） 80mm125mm27mm140kN220kN3800 30 前支承轴承寿命校核 轴承寿命 （3-10） P C n L 60 106 h 式中 对滚动轴承；3 滚动轴承额定动负荷,查实用机床设计手册表 3.8-52， r C kN；140 r C 轴承转速,根据设计要求：r/min；n3000180n 此处； max 3000r/minnn 当量动负荷，。P ar YFXFp 对钻削中心整体以及设计要求进行分析，可知滚动轴承在此处主要承受轴 向负荷。径向负荷极小.对轴向负荷进行估算： N17101081 . 9 5001201085 . 7 923 a F 取=2000N a F （3-11）009 . 0 10220 2000 3 or a C F 式中 轴承所受径向负荷； r F 轴承所受轴向负荷；aF 径向系数；X 轴向系数。Y 查实用机床设计手册表 3.8-50： 选取， 0.41e e C F or r （3-12） 31 , a 44 . 0 YFp1.33Y kN10 . 3 233 . 1 44 . 0 p 将以上数据代入轴承寿命计算公式可得： h51168) 10 . 3 140 ( 300060 10 3 6 h L 一般精密机床轴承寿命为；20000h h20000 h L 所以，选用该轴承满足要求。后支承轴承所受力比前支承轴承力小，后支 承轴承不必校验。 3.3.2 主轴轴承的配置 1. 主轴轴承安装位置 根据对设计要求和已选轴承分析，为适应高刚度要求，前支承采用两个超 精密级圆锥滚子轴承的组合方式，且因轴承精度较高，能保证高的回转精度。 前后支承都采用了圆锥滚子轴承，背靠背安装，前面两个轴承小口朝向主轴前 端，后一个轴承小口朝向主轴尾部。前支承既承受径向载荷，又承受两个方向 的轴向载荷。后支承为圆锥滚子轴承，也是背靠背安装。后支承仅承受径向载 荷，故可以不必进行校核。轴承的组合形式，根据载荷大小和刚度设计以及结 构设计要求，具体组合形式见图 3-11。 32 图 3-11 轴承配置示意图 2. 主轴轴承的精度配置 在加工中心上，主轴轴承精度一般有三种 BCD 级。对于精密级主轴， 前支承常采用 B 级轴承，后支承常采用 C 级轴承。普通精度级主轴前支承常 采