SK40立式数控铣床设计-主轴部件设计.doc

目 录摘 要iabstractii第1章 绪论11.1 数控技术及数控加工的基本概念11.2 数控机床的组成与分类21.3 数控机床的特点与数控机床的发展方向41.4 sk40主轴与刀柄简介4第2章 sk40立式数控铣床主传动系统方案的确定62.1 立式数控铣床主传动系统简介62.2 对立式数控铣床主传动系统的要求62.3 主传动的类型及方案选择7第3章 电机的选择93.1 确定主轴传动功率93.2 电机的选择103.3 主轴的变速过程11第4章 主轴系统参数计算及部件设计124.1 主传动变速系统主要参数计算124.1.1 计算切削功率124.1.2 计算主传动功率134.1.3 变速级数z的确定134.2 主轴组件设计134.2.1 概述134.2.2 主轴结构设计144.2.3 主轴强度的校核194.3 轴承的设计234.3.1 概述234.3.2 轴承的类型选择234.3.3 轴承游隙等级的选择244.3.4 轴承的寿命计算244.3.5 轴承布局244.3.6 轴承装置的设计25第5章 主轴的加工工艺设计295.1 主轴加工工艺的主要内容295.2 对电主轴进行工艺分析295.3 电主轴的工艺路线设计305.3.1 工序的划分305.3.2 工步划分305.4 电主轴加工工序设计305.5 制定加工工艺卡31参考文献摘 要本 文 介 绍 了 立 式 数 控 铣 床 的 一 些 基 本 概 况 ， 简 述 了 机 床 主 传 动 系 统 方 面 的 原 理 和 类 型 ， 分 析 了 各 种 传 动 方 案 的 机 理 。 立 式 数 控 铣 床 主 传 动 系 统 包 括 了 主 轴 电 动 机 、 主 轴 传 动 系 统 和 主 轴 组 件 三 部 分 组 成 。 本 文 详 细 介 绍 了 立 式 数 控 铣 床 主 传 动 系 统 的 设 计 过 程 ， 该 立 式 数 控 铣 床 主 轴 变 速 箱 是 靠 齿 轮 进 行 传 动 的 ， 主 轴 箱 传 动 系 统 采 用 齿 轮 传 动 ， 传 动 形 式 采 用 集 中 式 传 动 ， 主 轴 变 速 系 统 采 用 多 联 滑 移 齿 轮 变 速 。 齿 轮 传 动 具 有 传 动 效 率 高 ， 结 构 紧 凑 ， 工 作 可 靠 、 寿 命 长 ，传 动 比 准 确 等 优 点 。 文 中 介 绍 了 立 式 数 控 铣 床 主 传 动 系 统 各 种 传 动 方 案 优 缺 点 的 比 较 、 主 传 动 方 案 的 选 择 和 确 定 、 主 传 动 变 速 系 统 的 设 计 计 算 、 主 轴 组 件 的 设 计 、 轴 承 的 选 用 及 润 滑 、 关 键 零 件 的 校 核 等 设 计 过 程 。 关 键 词 ：立 式 数 控 铣 床 ； 主 传 动 系 统 ； 主 轴 组 件 ； 主 轴 电 动 机 abstractthis text introduces the sign type number to control some basic general situations of the miller, chien says the tool machine lord to spread the principle and types of move the systems, analyzing various mechanism that spreads to move the project.the sign type number controls the miller lord to spread to move the system to include the principal axis electric motor, principal axis to spread to move the system and the principal axis module three partses to constitute.detailed introduction of this text the sign type number controls the design process that the miller lord spreads to move the system, should the sign type number control the miller principal axis to become soon the box is to is carry on by wheel gear to spread to move of, the principal axis box spreads to move the system adoption wheel gear to spread to move, spreading to move the form adoption concentration type to spread to move, the principal axis become soon many of the system adoption slip to move the wheel gear to become soon.the wheel gear spreads to move to have to spread to move the efficiency high, the structure tightly packed, work credibility, the life span is long, spreading to move than accurate etc. advantage.it introduced the sign type number to control the miller lord to spread to move various comparison, lord that spreads to move the project merit and shortcoming of system to spread in the text the choice and assurance, lords of move the projects spread to move to become soon system of design, bearings of design calculation, the principal axis module choose the control of the school pit, and the principal axis electric motor of use the lubrication, the key spare parts etc. the design process.key words： the sign type number controls the miller;the lord spreads to move the system;principal axis module;principal axis electric motor.ii第1章 绪论1.1 数控技术及数控加工的基本概念1、 数 控 技 术 数 控 技 术 是 本 世 纪 中 期 发 展 起 来 的 机 床 控 制 技 术 ， 是 用 数 字 信 息 对 机 械 运 动 和 工 作 过 程 进 行 控 制 的 技 术 。 数 控 装 备 是 以 数 控 技 术 为 代 表 的 新 技 术 对 传 统 制 造 产 业 和 新 兴 制 造 业 的 渗 透 行 程 的 机 电 一 体 化 铲 平 ， 即 所 谓 的 数 字 化 装 备1。 (1)数 控 与 数 控 机 床 数 字 控 制 (numerical control， 简 称 nc） ,国 家 标 准 定 义 为 ： 是 用 数 字 化 信 号 对 机 床 的 运 动 及 其 加 工 过 程 进 行 控 制 的 一 种 方 法2。 定 义 中 的 机 床 ， 不 仅 指 金 属 切 削 机 床 ， 还 包 括 其 他 各 类 机 床 ， 如 线 切 割 机 床 等 。 数 控 机 床（numerical control machine tools） 是 技 术 密 集 度 及 自 动 化 程 度 很 高 的 机 电 一 体 化 加 工 装 备 。 简 单 地 说 就 是 采 用 了 数 控 技 术 的 机 床 ， 或 者 说 是 装 备 了 数 控 系 统 的 机 床3。 国 际 信 息 处 理 联 盟（internaional federationof information proceccing，简 称 ifip）第 五 技 术 委 员 会 对 数 控 机 床 作 了 如 下 定 义 ： 数 控 机 床 是 一 种 装 有 程 序 控 制 系 统 的 机 床， 该 系 统 能 逻 辑 地 处 理 具 有 特 定 代 码 和 其 他 符 号 编 码 指 令 规 定 的 程 序 。 (2)数 控 系 统 数 控 系 统 （nc system） 就 是 上 诉 定 义 中 所 指 的 那 种 程 序 控 制 系 统4 ， 它 是 逻 辑 地 处 理 驶 入 到 系 统 中 具 有 特 定 代 码 的 程 序 ， 并 将 其 译 码 ， 从 而 使 机 床 运 行 并 加 工 零 件 。 数 控 系 统 在 本 质 上 是 一 台 计 算 机 。 在 硬 件 方 面 ， 它 经 历 了 电 子 管 、 晶 体 管 、 小 规 模 集 成 电 路 、 微 处 理 机 到 当 前 pc结 构 的 五 代 发 展 ； 在 体 系 结 构 上 ， 经 历 了 硬 件 数 控 系 统（nc）、 计 算 机 数 控 （cnc）、 到 目 前 的 pc数 控（pc-nc）三 个 阶 段 5。 2、 数 控 加 工 数 控 加 工 技 术 是 20世 纪 40年 代 后 期 为 适 应 加 工 复 杂 外 形 零 件 而 发 展 起 来 的 一 种 自 动 化 加 工 技 术 。 数 控 加 工 就 是 用 数 控 机 床 加 工 零 件 的 方 法 。 数 控 加 工 是 伴 随 数 控 机 床 的 产 生 、 发 展 而 逐 步 完 善 起 来 的 一 种 应 用 技 术 ， 它 是 人 们 长 期 从 事 数 控 加 工 实 践 的 经 验 总 结 。 1.2 数控机床的组成与分类1、 数 控 机 床 的 组 成 数 控 机 床 的 种 类 很 多 ， 但 是 任 何 一 种 数 控 机 床 都 主 要 由 数 控 系 统 、 伺 服 系 统 和 机 械 系 统 组 成 。 (1)数 控 系 统 数 控 系 统 是 数 控 机 床 的 核 心 ， 是 数 控 机 床 的 “ 指 挥 系 统 ” 。 数 控 系 统 通 常 是 一 台 带 有 专 门 系 统 软 件 的 专 用 微 型 计 算 机 。 (2)伺 服 系 统 伺 服 系 统 （ 或 称 驱 动 系 统 ） 是 数 控 机 床 的 执 行 机 构6， 是 由 驱 动 和 执 行 两 大 部 分 组 成 。 用 于 实 现 数 控 机 床 的 进 给 伺 服 控 制 和 株 洲 伺 服 控 制 。 它 接 受 数 控 装 置 的 指 令 信 息 ， 并 按 指 令 信 息 的 要 求 控 制 执 行 部 件 的 进 给 熟 读 、 方 向 和 位 移 。 (3)机 械 系 统 数 控 机 床 的 机 械 系 统 ， 除 机 床 基 础 件 意 外 ， 有 下 列 各 部 分 组 成 :a、 主 轴 部 件 ： 包 括 主 轴 电 动 机 和 主 轴 传 动 系 统 。 b、 进 给 系 统 ： 包 括 进 给 执 行 电 动 机 和 进 给 传 动 系 统 。 c、 实 现 共 建 回 转 、 定 位 的 装 置 和 附 件 。 d、 实 现 某 些 部 件 动 作 和 辅 助 功 能 的 系 统 和 装 置 。 e、 刀 库 和 自 动 换 刀 装 置 (autormatic tools changer，简 称 atc) 7f、 自 动 托 盘 交 换 装 置（autormatic pallet changer， 简 称 apc） 机 床 基 础 件 或 称 机 床 大 件 ， 通 常 是 指 床 身 (或 底 座 )、 立 柱 、 滑 座 和 工 作 台 等 ， 它 是 整 台 机 床 的 基 础 和 框 架8。1、 数 控 机 床 的 分 类 (1)按 工 艺 用 途 分 按 照 工 艺 的 不 同 ， 数 控 机 床 可 分 为 数 控 车 床 、 数 控 铣 床 、 数 控 钻 床 、 数 控 镗 床 、 数 控 齿 轮 加 工 机 床 、 数 控 电 火 花 加 工 机 床 、 数 控 线 切 割 机 床 、 数 控 冲 床 、 数 控 剪 床 、 数 控 液 压 机 等 各 种 工 艺 用 途 的 数 控 机 床9。 (2)按 运 动 方 式 划 分 按 运 动 方 式 即 刀 具 与 工 件 相 对 运 动 方 式 ， 数 控 机 床 可 分 为 ： 点 位 控 制 、 直 线 控 制 和 轮 廓 控 制10。 (3)按 伺 服 系 统 类 型 划 分 按 伺 服 系 统 类 型 的 不 同 ， 数 控 机 床 可 分 为 ： 开 环 伺 服 系 统 数 控 机 床 、 闭 环 伺 服 系 统 数 控 机 床 和 半 闭 环 伺 服 系 统 时 空 机 床 。 a、 开 环 伺 服 系 统 数 控 机 床 开 环 伺 服 系 统 数 控 机 床 是 一 种 不 叫 原 始 的 数 控 机 床 。 这 类 机 床 的 数 控 系 统 将 零 件 的 程 序 处 理 后 ， 输 出 数 据 指 令 给 伺 服 系 统 ， 驱 动 机 床 运 动 ， 没 有 来 自 位 置 传 感 器 的 反 馈 信 号11。 最 典 型 的 系 统 就 是 采 用 步 进 电 动 机 的 伺 服 系 统 。 这 类 系 统 的 信 息 流 是 单 向 的 ， 即 进 给 脉 冲 发 出 去 以 后 ， 实 际 移 动 值 不 再 反 馈 回 来 ， 所 以 称 为 开 环 控 制 。 这 类 机 床 较 为 经 济 ， 但 加 工 速 度 和 加 工 精 度 较 低 。 b、 闭 环 伺 服 系 统 数 控 机 床 闭 环 伺 服 系 统 数 控 机 床 带 有 检 测 装 置 ， 直 接 对 工 作 台 的 位 移 量 进 行 检 测12。 这 类 控 制 系 统 ， 因 为 把 机 床 工 作 台 纳 入 位 置 控 制 环 ， 故 称 为 闭 环 控 制 系 统 。 该 系 统 可 以 消 除 包 括 工 作 台 传 动 链 在 内 的 运 动 误 差 ， 因 而 定 位 精 度 高 、 调 节 速 度 快 。 但 由 于 该 系 统 受 进 给 丝 杠 的 拉 压 刚 度 、 扭 转 刚 度 、 摩 擦 阻 尼 特 性 和 间 隙 等 非 线 性 因 素 的 影 响 ， 给 调 试 工 作 造 成 较 大 的 困 难 。 由 于 闭 环 伺 服 系 统 复 杂 和 成 本 高 ， 故 适 用 于 精 度 要 求 很 高 的 数 控 机 床 ， 如 精 密 镗 铣 床 、 超 精 密 数 控 机 床 等 。 c、 半 闭 环 伺 服 系 统 数 控 机 床 大 多 数 数 控 机 床 是 半 闭 环 伺 服 系 统 ， 这 类 系 统 介 于 开 环 和 闭 环 之 间 ， 精 度 没 有 闭 环 高 ， 调 试 却 比 闭 环 方 便 ， 因 而 得 到 了 广 泛 的 应 用 。 (4)按 数 控 机 床 系 统 的 功 能 水 平 划 分 按 数 控 机 床 系 统 的 功 能 水 平 可 分 为 ： 低 档 、 中 档 和 高 档 。 按 控 制 轴 数 和 联 动 轴 数 可 分 为 几 轴 联 动 等 多 种 数 控 机 床 ； 按 数 控 机 床 功 能 多 少 可 分 为 经 济 型 数 控 机 床 和 全 功 能 型 数 控 机 床 等 13。1.3 数控机床的特点与数控机床的发展方向1、 数 控 机 床 的 特 点 数 控 机 床 与 普 通 机 床 比 较 具 有 以 下 特 点 。 （ 1） 自 动 化 程 度 高 。 （ 2） 进 给 传 动 机 构 简 单 。 （ 3） 工 艺 复 合 化 和 功 能 集 成 化 。 （ 4） 具 有 加 工 复 杂 形 状 两 件 的 能 力 。 （ 5） 具 有 高 度 柔 性 ， 适 用 性 强 。 （ 6） 加 工 精 度 高 、 质 量 稳 定 。 （ 7） 生 产 效 率 高 。 2、 数 控 机 床 的 发 展 方 向 当 今 数 控 机 床 正 朝 着 以 下 几 个 方 向 发 展 。 （ 1） 高 速 度 、 高 精 度 。 （ 2） 多 功 能 化 。 （ 3） 智 能 化 。 （ 4） 目 前 cad/cam图 形 交 互 式 自 动 变 成 已 得 到 较 多 的 应 用 ， 是 数 控 技 术 发 展 的 新 趋 势 。 （ 5） 可 靠 性 最 大 化 数 控 机 床 的 可 靠 性 一 直 是 用 户 最 关 心 的 主 要 指 标 。 （ 6） 控 制 系 统 小 型 化 和 时 空 系 统 小 型 化 便 于 将 机 、 电 装 置 结 合 为 一 体14。1.4 sk40主轴与刀柄简介加 工 中 心 的 主 轴 锥 孔 通 常 分 为 两 大 类15， 即 锥 度 为 7： 24的 通 用 系 统 和 1： 10的 hsk真 空 系 统 。 sk系 列 主 轴 与 刀 具 属 于 锥 度 为 7： 24的 德 国 din标 准 通 用 系 统 。 sk40刀 柄 如 图 1.1所 示 ， 各 尺 寸 数 值 见 表 1.1。 图1.1sk40刀柄表1.1 sk40刀柄尺寸 规 格d1d2d3maxd4d5d6l1sk4044.4517485063.5572.368.4第2章 sk40立式数控铣床主传动系统方案的确定2.1 立式数控铣床主传动系统简介主 传 动 系 统 是 用 来 实 现 机 床 主 运 动 的 传 动 系 统 ， 他 应 具 有 一 定 的 转 速 和 一 定 的 变 速 范 围 ， 以 便 采 用 不 同 材 料 的 刀 具 ， 加 工 不 同 的 材 料 、 不 同 尺 寸 、 不 同 要 求 的 工 作 、 并 能 方 便 的 实 现 运 动 的 开 停 、 变 速 、 换 向 和 制 动 等 。 数 控 机 床 主 传 动 系 统 主 要 包 括 电 动 机 、 传 动 系 统 和 主 轴 部 件 ， 它 与 普 通 机 床 的 主 传 动 系 统 相 比 在 结 构 上 简 单 ， 这 是 因 为 变 速 功 能 全 部 或 大 部 分 主 轴 电 动 机 的 无 极 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 极 齿 轮 变 速 系 统 用 以 扩 大 电 动 机 无 级 调 速 的 范 围 。 在 主 传 动 系 统 方 面 ， 具 有 下 列 特 点 ： (1)目 前 数 控 机 床 的 主 传 动 电 机 已 不 再 采 用 普 通 的 交 流 异 步 电 机 或 传 统 的 直 流 调 速 电 机 ， 它 们 已 逐 步 被 新 型 的 交 流 调 速 电 机 和 直 流 调 速 电 机 所 代 替 。 (2)转 速 高 ， 功 率 大 。 它 能 使 数 控 机 床 进 行 大 功 率 切 削 和 高 速 切 削 ， 实 现 高 效 率 加 工 。 (3)变 速 范 围 大 。 数 控 机 床 的 主 传 动 系 统 要 求 有 较 大 的 调 速 范 围 ， 一 般 rn100， 以 保 证 加 工 时 能 选 用 合 理 的 切 削 用 量 ， 从 而 获 得 最 佳 的 生 产 率 、 加 工 精 度 和 表 面 质 量 。 (4)主 轴 速 度 的 变 换 迅 速 可 靠 。 数 控 机 床 的 变 速 是 按 照 控 制 指 令 自 动 进 行 的 ， 因 此 变 速 机 构 必 须 适 应 自 动 操 作 的 要 求 。 由 于 直 流 和 交 流 主 轴 电 机 的 调 速 系 统 日 趋 完 善 ， 不 仅 能 够 方 便 地 实 现 宽 范 围 的 无 级 变 速 ， 而 且 减 少 了 中 间 传 递 环 节 ， 提 高 了 变 速 控 制 的 可 靠 性 。 2.2 对立式数控铣床主传动系统的要求（1） 主 轴 具 有 一 定 的 转 速 和 足 够 的 转 速 范 围 、 转 速 级 数 ， 能 够 实 现 运 动 的 开 停 、 变 速 、 换 向 和 制 动 ， 以 满 足 机 床 的 运 动 要 求 。 （2） 主 电 动 机 具 有 足 够 的 功 率 ， 全 部 机 构 和 元 件 具 有 是 够 的 强 度 和 刚 度 ， 以 满 足 机 床 的 动 力 要 求 。 （3） 主 传 动 的 有 关 结 构 ， 特 别 是 主 轴 组 件 要 有 足 够 高 的 精 度 、 抗 振 性 ， 热 变 形 和 噪 声 要 小 ， 传 动 效 率 要 高 ， 以 满 足 机 床 的 工 作 性 能 要 求 。 （4） 操 纵 灵 活 可 靠 ， 调 整 维 修 方 便 ， 润 滑 密 封 良 好 ， 以 满 足 机 床 的 使 用 要 求 。 （5） 结 构 简 单 紧 凑 ， 工 艺 性 好 ， 成 本 低 ， 以 满 足 经 济 性 要 求 。 2.3 主传动的类型及方案选择数 控 机 床 的 调 速 是 按 照 控 制 指 令 自 动 执 行 的 ， 因 此 变 速 机 构 必 须 适 应 自 动 操 作 的 要 求 。 在 主 传 动 系 统 中 ， 目 前 多 采 用 交 流 主 轴 电 动 机 和 直 流 主 轴 电 动 机 无 级 凋 速 系 统 。 为 扩 大 调 速 。 为 了 适 应 不 同 的 加 工 要 求 ， 目 前 主 传 动 系 统 主 要 有 三 种 变 速 方 式 1、具 有 变 速 齿 轮 的 主 传 动 这 是 大 、 中 型 数 控 机 床 采 用 较 多 的 一 种 变 速 方 式 。 通 过 几 对 齿 轮 降 速 ， 增 大 输 出 扭 矩 ， 以 满 足 主 轴 输 出 扭 矩 特 性 的 要 求 ， 见 图 2.1所 示 。 一 部 分 小 型 数 控 机 床 也 采 用 此 种 传 动 方 式 以 获 得 强 力 切 削 时 所 需 要 的 扭 矩 。 图2.1 变速齿轮主传动 图2.2 带传动主传动2、 通 过 带 传 动 的 主 传 动 通 常 选 用 同 步 齿 形 带 或 多 楔 带 传 动 ， 这 种 传 动 方 式 多 见 于 数 控 车 床 ， 它 可 避 免 齿 轮 传 动 时 引 起 的 振 动 和 噪 声 ， 见 图 2.2所 示 。 3、 由 调 速 电 机 直 接 驱 动 的 主 传 动 这 种 主 传 动 是 由 电 动 机 直 接 驱 动 主 轴 ， 即 电 动 机 的 转 子 直 接 装 在 主 轴 上 ， 因 而 大 大 简 化 了 主 轴 箱 体 与 主 轴 的 结 构 ， 有 效 地 提 高 了 主 轴 部 件 的 刚 度 ， 但 主 轴 输 出 扭 矩 小 ， 电 机 发 热 对 主 轴 的 精 度 影 响 较 大 。 如 图 2.3所 示 。 图2.3 直接驱动的主传动近 年 来 ， 出 现 了 一 种 新 式 的 内 装 电 动 机 主 轴 ， 即 主 轴 与 电 动 机 转 子 合 为 一 体 。 其 优 点 是 主 轴 组 件 结 构 紧 凑 ， 重 量 轻 ， 惯 量 小 ， 可 提 高 起 动 、 停 止 的 响 应 特 性 ， 并 利 于 控 制 振 动 和 噪 声 。 缺 点 是 电 动 机 运 转 产 生 的 热 量 亦 使 主 轴 产 生 热 变 形 。 因 此 ， 温 度 控 制 和 冷 却 是 使 用 内 装 电 动 机 主 轴 的 关 键 问 题 。 日 本 研 制 的 立 式 加 工 中 心 主 轴 组 件 ， 其 内 装 电 动 机 最 高 转 速 可 达 20000r/min。 本 次 设 计 采 用 调 速 电 机 直 接 驱 动 的 主 传 动 。 使 主 轴 获 得 较 高 的 转 速 和 骄 傲 大 的 转 矩 。 二 级 以 上 齿 轮 变 速 系 统 虽 然 此 种 结 构 复 杂 ， 制 造 和 维 修 费 用 高 ， 但 和 以 上 两 种 驱 动 方 式 比 ， 变 速 装 置 多 采 用 齿 轮 变 速 结 构 ， 可 以 使 用 可 调 的 交 、 直 流 无 级 变 速 电 动 机 ， 经 齿 轮 变 速 后 ， 实 现 分 段 无 级 变 速 ， 调 速 范 围 增 加 ， 且 能 满 足 各 种 切 削 运 动 的 转 矩 输 出 ， 因 此 选 用 调 速 电 机 直 接 驱 动 的 主 传 动 。 第3章 电机的选择 现 在 的 数 控 铣 床 能 够 实 现 无 级 变 速 或 无 级 变 速 加 有 级 变 速 ， 数 控 铣 床 一 般 都 采 用 由 直 流 或 交 流 调 速 电 动 机 作 为 驱 动 的 电 气 无 级 调 速 。 由 于 数 控 铣 床 的 运 动 调 速 范 围 较 大 ， 单 靠 调 速 电 机 无 法 满 足 这 么 大 的 调 速 范 围 ， 另 一 方 面 调 速 电 机 的 功 率 扭 矩 特 性 也 难 于 直 接 与 机 床 的 功 率 和 转 矩 要 求 相 匹 配 。 因 此 ， 数 控 机 床 主 传 动 变 速 系 统 常 常 在 无 级 变 速 电 机 之 后 串 联 机 械 有 级 变 速 传 动 ， 以 满 足 机 床 要 求 的 调 速 范 围 和 转 矩 特 性 。 3.1 确定主轴传动功率数 控 铣 床 的 加 工 范 围 一 般 都 比 较 大 ， 所 传 动 的 额 定 功 率 可 以 根 据 典 型 切 削 工 艺 的 情 况 计 算 ， 根 据 设 计 的 铣 床 主 要 的 加 工 范 围 ， 查 机 床 设 计 手 册 确 定 如 下 典 型 加 工 工 艺 ： 用 高 速 刚 圆 柱 平 刀 铣 削 灰 铸 铁 工 件 平 面 ， 刀 具 直 径 d=100mm， 刀 齿 数 为 10，工 件 材 料 为 ht200， 硬 度 190hbs， 切 削 速 度=23.5m/min， 进 给 速 度 为 160mm/min，背 吃 刀 量 5mm， 切 宽 为 75mm。 由 公 式 =计 算 得 =1200r/min则 每 齿 进 给 量 0.013mm根 据 典 型 切 削 工 艺 公 式 ： p切2.8 b 式 中 ： t 切 削 厚 度 ， 即 被 吃 刀 量（mm） 每 齿 进 给 量（mm）b 切 削 宽 度（mm） z 刀 齿 数 hb材 料 硬 度 代 入 数 值 得 p切=2.850.01375101200=4300w=4.3kw主 传 动 的 总 效 率 一 般 可 取 为=0.700.85,数 控 机 床 的 主 传 动 多 用 调 速 电 机 和 有 限 的 机 械 变 速 传 动 实 现 ， 传 动 链 较 短 ， 因 此 效 率 可 取 较 大 值 ， 由 此 可 求 得 主 轴 传 递 的 功 率 为 p=5.4kw3.2 电机的选择现 在 数 控 机 床 常 用 直 流 电 动 机 和 交 流 调 频 电 机 两 种 。 目 前 ， 中 小 型 数 控 机 床 中 ， 交 流 调 频 电 机 已 占 优 势 ， 有 取 代 直 流 电 机 之 势 。 本 文 所 设 计 的 铣 床 采 用 交 流 调 频 电 机 调 节 电 源 频 率 来 达 到 调 速 的 目 的 ， 额 定 转 速 常 为1500r/min， 如 图 3.1所 示 是 变 速 电 机 的 功 率 特 性 。 从 额 定 转 速 到 最 高 转 速 的 区 域为 恒 功 率 区 ， 从 最 低 转 速 至 的 区 域为 恒 转 矩 区 。 图 3.1 变速电动机的功率特性在 设 计 数 控 铣 床 主 传 动 时 ， 必 须 考 虑 电 机 与 机 床 主 轴 功 率 特 性 匹 配 问 题 。 由 于 主 轴 要 求 的 恒 功 率 变 速 范 围 远 大 于 电 机 的 恒 功 率 变 速 范 围 ， 所 以 在 电 机 与 主 轴 之 间 要 串 联 一 个 分 级 变 速 箱 ， 以 扩 大 其 功 率 调 速 范 围 ， 满 足 低 速 大 功 率 切 削 时 对 电 机 的 输 出 功 率 要 求 。 为 了 简 化 变 速 箱 结 构 ， 变 速 级 数 应 少 些 ， 变 速 箱 公 比 可 取 大 于 电 机 的 恒 功 率 调 速 范 围 ， 即 。 这 时 ， 变 速 箱 每 挡 内 有 部 分 低 转 速 只 能 恒 转 矩 变 速 ， 主 传 动 系 统 功 率 特 性 图 中 出 现 “ 缺 口 ” ， 称 之 功 率 降 低 区 。 使 用 “ 缺 口 ” 范 围 内 的 转 速 时 ， 为 限 制 转 矩 过 大 ， 得 不 到 电 动 机 输 出 的 全 部 功 率 。 为 保 证 缺 口 处 的 输 出 功 率 ， 电 动 机 的 功 率 应 相 应 的 增 大 。 为 了 满 足 主 轴 传 递 5.4kw， 最 高 转 速 4000r/min的 要 求 ， 选 择 上 海 富 田 电 机 生 产 的iag系 列 变 频 调 速 专 用 感 应 电 动 机 ， 其 型 号 为 iag132m-1500-7.5。 其 中 ：iag系 列 代 号 132 极 座 号 （ 中 心 高 ） m 机 座 长 度 代 号 ， 有 s、 m、 l三 种 类 型 1500 基 本 转 速 （ 单 位 ： r/min） 7.5 额 定 功 率 （ 单 位 ：kw） 电 机 在 60-1500r/min内 ， 实 现 恒 扭 矩 输 出 ， 在 1500-500r/min内 实 现 恒 功 率 输 出 ； 最 高 转 速 可 以 达 到 6000r/min， 当 电 机 转 速 达 到 6000r/min， 扭 矩 特 性 不 好 ， 因 此 一 般 情 况 下 转 速 只 达 到 4500r/min3.3 主轴的变速过程为 了 实 现 数 控 铣 床 的 无 级 变 速 ， 本 设 计 采 用 的 是 交 流 调 频 电 机 ， 通 过 对 电 源 频 率 的 调 节 来 实 现 主 轴 的 增 /减 速 传 动 。第4章 主轴系统参数计算及部件设计4.1 主传动变速系统主要参数计算4.1.1 计算切削功率1、切削力的计算铣 削 时 的 切 削 力 ， 公 式 如 下 （4-1）式 中 铣 削 时 的 主 切 削 力（n） 加 工 材 料 影 响 的 系 数 每 齿 进 给 量 （ mm） 背 吃 刀 量 （ mm） 铣 削 宽 度 铣 刀 齿 数 铣 刀 直 径 (mm)用 直 径 =50mm的 四 齿 锥 柄 立 铣 刀 ， 铣 刀 宽 =40mm的 刚 工 件 ， =0.05mm， =4mm，=68mm，计 算 得 ：=132n2、切削功率的计算切 削 时 所 消 耗 的 功 率 称 为 切 削 功 率 。 切 削 功 率 的 公 式 计 算 ： （4-2）式 中 ： 切 削 功 率（kw） 切 削 力（n） 切 削 速 度（m/min）根 据 机 床 设 计 手 册 典 型 加 工 条 件 以 及 钢 材 料 的 铣 削 速 度 范 围 ， 取 =100m/min计 算 得 ： =2.2kw3、主轴转速范围的确定主 轴 最 高 转 速 为 ， 最 低 转 速 为 4.1.2 计算主传动功率用 下 列 粗 略 估 算 主 电 动 机 的 功 率 （4-3）式 中 ，为 铣 床 主 传 动 系 统 总 机 械 效 率 ， 主 运 动 为 回 转 运 动 时 ， ； 主 运 动 为 直 线 运 动 时 ， 。 取 主 传 动 的 总 效 率 =0.7则 初 选 电 动 机 功 率 取 电 动 机 额 定 转 速 为 额 定 最 高 转 速 为 4.1.3 变速级数z的确定如 取 变 速 箱 的 公 比 则 由 于 无 级 变 速 时 故 变 速 箱 的 变 速 极 数 可 取z=3 （4-4）虽 然 此 中 方 法 功 率 特 性 图 示 连 续 的、无 缺 口 (即 没 有 功 率 降 低 区 )和 无 重 但 是 z=3， 变 速 箱 机 构 较 复 杂 。 因 此 为 简 化 变 速 箱 机 构 ， 取z=2。 4.2 主轴组件设计4.2.1 概述主 轴 部 件 设 计 是 机 床 重 要 部 件 之一，它 是 机 床 的 执 行 件。它 的 功 用 是 支 撑 并 带 动 工 件 或 刀 具 旋 转 进 行 切 削，承 受 切 削 力 和 驱 动 力 等 载 荷，完 成 表 面 成 型 运动。1、轴的分类轴 是 机 械 传 动 的 一 个 重 要 零 件 ， 一 般 作 回 转 运 动 的 零 件 常 要 装 在 轴 上 才 能 实 现 其 回 转 运 动 。 其 承 载 在 载 荷 可 分 为 ： （1）转 轴 工 作 时 既 承 受 弯 矩 又 承 受 扭 矩 。（2）心 轴 用 于 支 撑 转 动 零 件 ， 只 承 受 弯 矩 。 （3） 动 轴 传 递 扭 矩 。 在 高 速 传 动 的 轴 不 仅 要 考 虑 轴 的 材 料 、 结 构 、 强 度 和 刚 度 ， 而 且 要 防 止 轴 的 振 动 （ 动 平 衡 ） 。 此 外 ， 注 意 轴 上 零 件 的 固 定 ， 结 构 工 艺 性 ， 热 处 理 等 要 求 。 作 为 制 造 机 器 的 机 器 上 的 轴 ， 设 计 的 主 要 原 则 是 ：刚 度 原 则 ,本 次 设 计 选 择 转轴 。 2、主轴材料轴 的 材 料 主 要 是 碳 钢 和 合 金 钢 。 数 控 主 轴 主 要 传 递 扭 矩 ， 且 在 高 速 旋 转 中 产 生 大 量 的 热 ， 产 生 一 定 的 轴 伸 长 ， 其 他 零 件 的 变 形 ， 从 而 影 响 加 工 精 度 和 表 面 质 量 。从 多 方 面 考 虑 选 用40cr为 本 次 数 控 铣 床 主 轴 材 料 。 4.2.2 主轴结构设计主 轴 部 件 由 主 轴 及 其 支 承 轴 承 、 传 动 件 、 密 封 件 及 定 位 元 件 等 组 成 。 1、主轴部件应满足的基本要求（1）旋 转 精 度 主 轴 的 旋 转 精 度 指 装 配 后 ， 在 无 载 荷 、 低 转 速 条 件 下 ， 在 安 装 工 件 或 刀 具 的 主 轴 部 位 的 径 向 和 端 面 圆 跳 动 。 其 主 要 取 决 于 主 轴 、 轴 承 、 箱 体 孔 等 的 制 造 、 装 配 和 调 整 精 度 。 （2）刚 度 主 轴 部 件 的 刚 度 指 其 在 外 加 载 荷 的 作 用 下 抵 抗 变 形 的 能 力 ， 通 常 以 主 轴 前 端 产 生 单 位 位 移 的 弹 性 形 变 时 ， 在 位 移 方 向 上 所 施 加 的 作 用 力 来 定 义 。 如 图4.1所 示 。 主 轴 部 件 的 刚 度 是 主 轴 、 轴 承 等 刚 度 的 综 合 反 映 。 因 此 ， 主 轴 的 尺 寸 和 形 状 、 轴 承 的 类 型 和 数 量 、 预 紧 和 配 置 形 式 、 传 动 件 布 置 形 式 、 主 轴 部 件 的 制 造 和 装 配 质 量 都 影 响 主 轴 部 件 的 刚 度 。 图4.1 主轴受载图（3）抗 振 性 主 轴 部 件 的 抗 振 性 指 抵 抗 受 迫 振 动 和 自 激 振 动 的 能 力 。 在 切 削 过 程 中 ， 主 轴 部 件 不 仅 受 静 态 力 作 用 ， 同 时 也 受 冲 击 力 和 交 变 力 的 干 扰 ， 使 主 轴 产 生 振 动 。 影 响 抗 振 性 的 主 要 因 素 是 主 轴 部 件 的 静 刚 度 、 质 量 分 布 及 阻 尼 。 其 评 价 指 标 是 主 轴 部 件 的 低 阶 固 有 频 率 与 振 型 。 （4）温 升 和 热 变 形 主 轴 部 件 运 转 时 ， 因 相 对 运 动 产 生 的 摩 擦 热 、 切 削 的 切 削 热 等 使 主 轴 部 件 的 温 度 升 高 ， 形 状 尺 寸 和 位 置 发 生 变 化 ， 造 成 主 轴 部 件 的 热 变 形 。 其 引 起 轴 承 间 隙 变 化 ， 润 滑 油 温 度 升 高 会 使 粘 度 降 低 ， 这 些 变 化 会 影 响 主 轴 部 件 的 工 作 性 能 ， 降 低 加 工 精 度 。 （5）精 度 保 持 性 主 轴 部 件 的 精 度 保 持 性 指 长 期 保 持 其 原 始 制 造 精 度 的 能 力 。 磨 损 是 主 轴 部 件 丧 失 原 始 精 度 的 主 要 原 因 。 因 此 ， 必 须 提 高 主 轴 部 件 的 耐 磨 性 。 对 耐 磨 性 影 响 较 大 的 有 主 轴 的 材 料 、 轴 承 的 材 料 、 热 处 理 方 式 、 轴 承 类 型 及 润 滑 防 护 方 式 等 。 由 于 机 械 结 构 的 要 求 而 需 在 轴 中 装 设 其 他 零 件 或 者 减 少 轴 的 质 量 具 有 特 别 重 大 的 作 用 的 场 合 ,则 将 轴 制 成 空 心 的 ,空 心 轴 内 径 与 外 径 的 比 值 通 常 为 0.5-0.6为 保 证 轴 的 刚 度 和 扭 转 稳 定 性 。 轴 的 设 计 也 和 其 他 的 零 件 的 设 计 相 似 ， 包 括 结 构 设 计 和 工 作 能 力 的 计 算 两 方 面 的 内 容 。 轴 的 结 构 设 计 是 根 据 轴 上 零 件 的 安 装 、 定 位 以 及 轴 的 制 造 工 艺 性 等 方 面 的 要 求 ,合 理 地 确 定 轴 的 结 构 形 式 和 尺 寸 。 轴 的 结 构 不 合 理 会 影 响 轴 的 工 作 能 力 和 轴 上 零 件 的 工 作 可 靠 性 ,还 会 增 加 轴 的 制 造 成 本 和 轴 上 零 件 装 配 的 困 难 等 。 因 此 轴 的 结 构 设 计 很 重 要 。 轴 的 工 作 能 力 计 算 指 的 是 轴 的 强 度 、 刚 度 和 振 动 稳 定 性 等 方 面 的 计 算 。 多 数 情 况 下 ， 轴 的 工 作 能 力 主 要 取 决 于 轴 的 强 度 。 这 时 只 需 对 轴 进 行 强 度 计 算 ， 以 防 止 断 裂 或 塑 性 变 形 。 对 于 机 械 装 备 则 需 刚 度 计 算 ， 防 止 工 作 时 产 生 过 大 的 弹 性 变 形 ， 影 响 加 工 精 度 和 表 面 质 量 。 对 于 高 速 运 转 的 轴 ， 还 应 进 行 振 动 稳 定 性 计 算 ， 防 止 发 生 共 振 而 破 坏 。 2、轴的结构设计轴 的 结 构 主 要 取 决 于 以 下 因 素 :（1） 轴 在 机 器 中 的 安 装 位 置 及 形 式 ； （2） 轴 上 安 装 零 件 的 类 型 、尺 寸 、数 量 和 轴 连 接 的 方 法 ； （3） 载 荷 的 性 质 、大 小 、方 向 及 分 布 情 况 ； （4） 轴 的 加 工 工 艺 。 不 论 什 么 条 件 ,轴 的 结 构 应 满 足 以 下 条 件 ： （1） 轴 和 装 在 轴 上 的 零 件 要 有 准 确 的 工 作 位 置 ,周 向 和 轴 向 要 有 准 确 的 定 位