机械毕业设计（论文）-立柜式四轴数控铣床培训装置主轴系统设计【全套图纸】 .pdf

立柜式四轴数控铣床培训装置主轴系统设计 本科毕业设计（论文） 题 目 立柜式四轴数控铣床 培训装置主轴系统设计 立柜式四轴数控铣床培训装置主轴系统设计 立柜式四轴数控铣床培训装置主轴系统设计 摘 要 数控技术和数控装备是制造工业现代化的基础，这个基础是否牢固直接影 响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到国家的战略地位。 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同步带进行传动的， 同步带传动综合了带、链和齿轮传动的优点，带的工作面呈齿形，与带轮的齿 槽作啮合运动，使主、从带轮间作无滑差的同步运动，其特点是传动比精确， 对轴的作用力小， 结构紧凑， 耐油耐磨损， 抗老化性能好， 传动效率可达 99.5%， 传动功率从几百到数百千瓦，传动比可达 10，线速度可达 40m/s。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、轴承的选用基润滑、关键 零件的校核、以及主轴电动机的控制等设计过程。 关键词 数控机床/立式数控铣床/主传动系统/主轴组件/轴承/主轴电机 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 立柜式四轴数控铣床培训装置主轴系统设计 cabinet type four axis nc milling machine spindle system design training device abstract numerical control technology and equipment manufacturing industry is modern foundation, this foundation is directly affects the economic development of a country and comprehensive national power, to the countrys strategic position. this paper introduces the basic situation of vertical cnc milling machine, the main transmission system of machine tool with respect to the principle and types, analysis mechanism of the transmission project. nc vertical milling machine main transmission system includes a spindle motor, spindle drive system and spindle assembly is composed of three parts. this paper introduces the cnc milling machine main transmission system design process, the vertical cnc milling machine spindle gear box by synchronous belt transmission, synchronous belt transmission comprehensive belt, chain and gear transmission the advantages, with the working surface of tooth shape, and the belt pulley slot for engaging movement, make the main, from the band wheel for non- slip synchronous movement, which is characterized by accurate transmission ratio, the axial force is small, compact structure, oil resistance and wear resistance, good ageing resistance, the transmission efficiency can reach 99.5%, the transmission power from a few hundred to several hundred kilowatt, transmission ratio can reach 10, line speed can reach 40m / s. this paper introduces vertical cnc milling machine main transmission system 立柜式四轴数控铣床培训装置主轴系统设计 transmission scheme comparing advantages and disadvantages, main drive system, the selection and determination of the main transmission system design and calculation, the design of spindle components, bearing grease, key parts of the check, and spindle motor control of the design process. key words cnc machine， cnc vertical milling machine， main drive system， spindle component，bearing，spindle motor 目 录 中文摘要 英文摘要 1 前言 . 1 2 主传动整体设计 . 3 3 主轴系统设计 . 5 3.1 整体结构设计 . 5 3.2 元件选型 . 11 3.2.1 电机 11 3.2.2 轴承 12 3.2.3 带传动 14 3.2.4 锥孔 15 3.2.5 键 15 3.3 校核 . 16 3.3.1 轴的校核 16 3.3.2 带传动的校核 19 立柜式四轴数控铣床培训装置主轴系统设计 3.3.3 轴承的校核 22 3.4 装配 . 23 4 进给系统设计 . 24 4.1 整体结构设计 . 24 4.2 元件选型 . 24 4.2.1 电机 24 4.2.2 丝杠 24 4.2.3 导轨 27 4.2.4 联轴器 29 4.3 校核 . 31 4.3.1 丝杠的校核 31 4.3.2 键的校核 32 4.4 装配 . 33 5 整体装配 . 33 5.1 支撑零件设计 . 33 5.1.1 主轴箱 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 5.1.2 z 向滑台 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 5.1.3 立柱 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 5.2 支撑零件尺寸列表 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 5.3 装配设计 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 结论 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 致 谢 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 立柜式四轴数控铣床培训装置主轴系统设计 参考文献 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 立柜式四轴数控铣床培训装置主轴系统设计 1 1 前言 制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国或 地区经济的实力，科技水平，生活水准和国防实力。国际市场的竞争归根到底 是各国制造生产能力及机械制造装备的竞争。机床是制造业的主要生产设备， 而数控机床是高精度、高效率的自动化生产设备。目前，国内、外数控机床正 朝着高性能、高精度、高效率、高柔性、高自动化和模块化方向迅速发展。尽 管我国数控机床的制造、设计、检测等技术得到了一定的发展，但与国外相比， 差距还是很大，主要表现在:可靠性差、应变能力差、产品开发周期长、设计手 段落后等，这种差距尤其表现在高精度、高速度等尖端机床方面。因此，我们 必须紧跟国际机床技术发展的前沿，发展机床的设计、检测、制造等技术。 随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越合理，其性能、精度和效率 日趋提高，更新换代频繁，生产类型由大批大量生产向多品种小批量生产转化。 因此，对机械产品的加工相应地提出了高精度、高柔性与高度自动化的要求。 在机床行业，由于采用了数控技术，许多过去在普通机床上无法完成的工艺内 容得以完成，大量普通机床为数控机床所代替，这就极大地促进了机床行业的 技术进步和行业发展。目前数控机床已经遍布军工、航空航天、汽车、造船、 机车车辆、机床、建筑、通用机械、纺织、轻工、电子等几乎所有制造行业。 数控机床，顾名思义，是一类由数字程序实现控制的机床。与人工操作的 普通机床相比，它具有适应范围广、自动化程度高、柔性强、操作者劳动强度 低、易于组成自动生产系统等优点。数控机床也就是一种装了程序控制系统的 机床，该系统能逻辑处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序。 随着机械制造生产模式的演变,对机械制造装备提出了不同的要求.在50年 代“刚性”生产模式下，通过提高效率，自动化程度,进行单一或少品种的大批 量生产，以“规模经济”实现降低成本和提高质量的目的。从 90 年代开始，为 了对世界生产进行快速响应，逐步实现社会制造资源的快速集成，要求机械制 造装备的柔性化程度更高,采用拟实制造和快速成形制造技术。 我国在数控机床高端产品的生产上取得了一定的突破。目前我国已经可以 供应网络化、集成化、柔性化的数控机床。同时，我国也已进入世界高速数控 机床生产国和高精度精密数控机床生产国的行列。目前我国已经研制成功一批 立柜式四轴数控铣床培训装置主轴系统设计 2 主轴转速在 800010000 转/分以上的数控机床。 数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、 集成化的基础。数控装备的整体水平标志着一个国家工业现代化水平和综合国 力的强弱。 工业发达国家都非常注重机械制造业的发展，为了用先进技术和工艺装备 制造业，机械制造装备工业得到先发展。对比之下，我国目前机械制造业的装 备水平还比较落后，表现在大部分工厂的机械制造装备基本上是通用机床加专 用工艺装备，数控机床在机械制造装备中的比重还非常低，导致“刚性”强,更新 产品速度慢， 生产批量不宜太小， 生产品种不宜过多； 自动化程度基本上还是“一 个工人，一把刀，一台机床”，导致劳动生产率低下，产品质量不稳定。 因此， 要缩小我国同工业发达国家的差距,我们必须在机械制造装备方面大下功夫，其 中最重要的一个方面就是增加数控机床在机械制造装备中的比重。 数控机床的发展在很大程度上取决于数控系统的性能和水平，而数控系统 的发展及其技术基础离不开微电子技术和计算机技术。随着计算机及其软硬件 技术的飞速发展，数控系统的硬件平台趋于一致化，而控制系统软件的竞争日 益加剧。我国的数控系统经过“六五”期间的引进， “七五”期间的数控系统开 发， “八五”期间的数控应用技术研究以及“九五”期间的主数控系统软件开发 应用，已逐步形成了以航天数控、蓝天数控、华中数控和中华数控为主的数控 系统产业。 数控系统由显示器、控制器伺服、伺服电机和各种开关、传感器构成。目 前世界最大的三家厂商是：日本发那客、德国西门子、日本三菱；其余还有法 国扭姆、西班牙凡高等。国内由华中数控、航天数控等。国内的数控系统刚刚 开始产业化、水平质量一般。高档次的系统全都是进口。华中数控这几年发展 迅速，软件水平相当不错，但差就差在电器硬件上，故障率比较高。华中数控 也有意向数控机床业进军，但机床的硬件方面不行，质量精度一般。目前国内 一些大厂还没有采用华中数控的。广州机床厂的简易数控系统也不错。 我们国 家机床业最薄弱的环节在数控系统。 我国数控机床行业近年来大力推广应用 cad 等信息技术，很多企业已开始 和计划实施应用 erp、 mrp和电子商务。 如， 济南第二机床集团有限公司的 cad 普及率达 100%，是国家级“cad 示范企业” ，企业的 mrp系统应用也非常成功， 立柜式四轴数控铣床培训装置主轴系统设计 3 现代化管理水平较高。 近年来，我国数控机床的产量持续增长，数控化率也显著提高。另一方面 我国数控产品的技术水平和质量也不断提高。目前我国一部分普及型数控机床 的生产已经形成一定规模，产品技术性能指标较为成熟，价格合理，在国际市 场上具有一定的竞争力。 我国数控机床行业所掌握的五轴联动数控技术较成熟， 并已有成熟商品走向市场。 但是和发达国家相比，我国数控机床行业在信息化技术应用上仍然存在很 多不足。 一、 信息化技术基础薄弱，对国外技术依存度高。 二、 产品成熟度较低，可行性不高 三、 创新能力低，市场竞争力不强。 数控设备目前朝着智能化、网络化、高速、高精度、符合、环保六个方向 发展。目前德国和瑞士的机床精度最高，综合起来，德国的水平最高，日本的 产值最大。美国的机床业一般。中国大陆、韩国。台湾属于同一水平。但就门 类、种类多少而言，我们应该能进世界前 4 名。 通过这次毕业设计，可以达到以下目的：1.培养综合运用专业基础知识和 专业技能来解决工程实际问题的能力； 2.强化工程实践能力和意识,提高本人综 合素质和创新能力；3.使本人受到从事本专业工程技术和科学研究工作的基本 训练,提高工程绘图、计算、数据处理、外文资料文献阅读、使用计算机、使用 文献资和手册、文字表达等各方面的能力；4.培养正确的设计思想和工程经济 观点，理论联系实际的工作作风，严肃认真的科学态度以及积极向上的团队合 作精神。 2 主传动整体设计 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，有些只有二级或三级齿轮 立柜式四轴数控铣床培训装置主轴系统设计 4 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。数控机床主传动系统要求有较大的调速范围，一般rn 100，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。 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。 本次设计主轴系统传动采用同步带传动从而实现主轴的调速功能，主轴上 的电机采用专用的主轴电机，主轴结构自行进行设计，前端采用双向推力角接 触球轴承支撑定位，后端采用角接触球轴承固定， z向的进给采用的是滚珠丝 杠螺母副，电机采用伺服电机驱动，主轴箱安装在导轨上上下移动，导轨用螺 钉和支撑件固定在立柱上。 立柜式四轴数控铣床培训装置主轴系统设计 5 3 主轴系统设计 3.1 整体结构设计 主轴组件主要包括：主轴、主轴支撑和安装在主轴上的传动件、密封件等， 因为主轴带动工件或刀具直接参加工件表面形成运动，所以它的工作性能对加 工质量和生产率产生直接影响，是机床最重要的部件之一。 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。按其承载载荷可分为： 1.转轴工作时即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.传动轴传递扭矩。 在高速转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。 作为制造机器上的轴，设计的主要原则是刚度原则，本次设计采用转轴。 轴的材料主要是碳钢和合金钢。数控机床主轴主要传递扭矩，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。从而多方面考虑选用 40cr 为本次数控铣床主轴材料。 主轴组件的设计要求： （1）旋转精度 主轴的旋转精度是指装配后，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）主轴刚度 主轴组件的刚度是指受外力作用时，主轴组件抵抗变形的能力。通常以主 轴前段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大小来表示。 主轴组件的刚度越大，主轴受力的变形就越小。使其加快磨损，降低精度。主 轴部件的刚度与主轴结构尺寸、支撑跨距、所选轴承类型及配置形势、传动件 布置形式、主轴部件的制造和装配质量等有关。 （3）温升和热变形 立柜式四轴数控铣床培训装置主轴系统设计 6 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。 （4）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。 （5）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。 （6）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 立柜式四轴数控铣床培训装置主轴系统设计 7 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。 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； （2） 轴上的零件应便于装拆和调整； （3） 轴应具有良好的结构工艺性和制造工艺性。 轴上零件的定位： 为防止轴上零件受力时发生沿轴向和周向的相对运动,轴上零件除了有游 动或空转要求外,都必须进行轴向和周向定位,以保证其准确的工作位置。 1.零件的轴向固定:通常由轴肩、套筒、轴端挡圈、轴承端盖和圆螺母来保 证； 2.零件的周向固定:周向固定的目的是限制轴上零件与轴发生相对运动。 常 用周向定位零件有键、花键、销、紧定螺钉以及过盈配合等,其中紧定螺钉只用 在传力不大之处。 主轴组件结构参数的确定： 主轴组件的结构参数主要包括：主轴的前后轴颈直径 d1、d2，主轴内孔直径 d， 主轴前端部悬伸量 a,以及主轴支撑跨距 l 等。 这些参数直接影响主轴的旋转 精度和刚度。 （1）主轴前后轴颈直径的选择 一般按机床类型、主轴传递的功率或最大加工直径，车床和铣床后轴颈的 直径可按 d2=(0.700.85)d1 查机械制造装备设计表 3-7 得主轴前轴颈的直径 d1=6095 立柜式四轴数控铣床培训装置主轴系统设计 8 初选 d1=60cm，则 d2=4251cm,取 d2=50cm。 （2）主轴内孔径的确定 很多机床的主轴是空心的，为不过多地削弱主轴刚度，一般保证 d/d2.5 表 1.1 取 a=90mm。 立柜式四轴数控铣床培训装置主轴系统设计 9 （4）主轴支撑跨距的确定 主轴支撑跨距 l 是指主轴两个支撑的支撑反力 作用点之间的距离。在主轴的轴颈、内孔、前段悬伸量及轴承配置形式确定后， 合理选择支撑跨距，可使主轴组件获得最大的综合刚度。 支撑跨距过小，主轴的弯曲变形固然较小，但因支撑变形引起的主轴前端 位移量将增大；反之，主轴支撑跨距过大，支撑变形引起的主轴前端位移量尽 管减小了，但主轴的弯曲变形将增大，也会引起主轴前端较大的位移。因此存 在一个最佳跨距 l0，使得因主轴弯曲变形和支撑变形引起的主轴前端的总位移 量为最小，一般取 l0=（23.5）a。但在实际结构设计时，由于结构上的原因， 主轴的实际跨距往往大于最佳跨距 l0。 提高主轴强度的措施： 轴和轴上零件的结构、工艺及轴上零件的安装布置等对轴的强度有很大的 影响，所以应在这些方面进行考虑，以利提高轴的承载的能力，减小轴的尺寸 和机器的质量，降低制造成本。 （1）合理布置轴上零件以减小轴的载荷。 为了减小轴所承受的弯矩，传动件应尽量靠近轴承，并尽可能不采用悬臂 的支承形式，力求缩短支承跨距及悬臂长度。 通常轴是在变应力条件下工作的， 轴的截面尺寸发生突变处产生应力集中， 轴的疲劳破坏也常常发生在此处。轴肩要采用较大的 r 减小应力集中；选择合 适的配合关系；可在轮毂或轴上开减载槽；切制螺纹处的应力集中较大，应避 免在轴上受载较大的区段切制螺纹。 （2）改进轴的结构以减少应力集中的影响 轴通常是在变应力条件下工作的，轴的截面尺寸发生突变出要产生应力集 中，轴的疲劳破坏往往在此处发生。为了提高轴的疲劳强度，应尽量减少应力 集中源和降低应力集中的程度。为此，轴肩处应采用较大的过渡圆角半径来降 低应力集中。但对定位轴肩，还必须保证零件得到可靠的定位。当靠轴肩定位 的零件的圆角半径很小时，为了增大轴肩处的圆角半径，可采用内凹圆角或加 装隔离环。 当轴与轮毂为过盈配合时，配合边缘处会产生较大的应力集中。为了减少 应力集中，可在轮毂上或轴上开减载槽，或者加大配合部分的直径。由于配合 的过盈量愈大，产生的应力集中也愈严重，因而在设计中应合理选择零件与轴 立柜式四轴数控铣床培训装置主轴系统设计 10 的配合。 （3）改进轴的表面质量提高轴的疲劳强度。 轴的表面粗糙度和表面强化处理方法也会对轴的疲劳强度产生影响。轴的 表面愈粗糙，疲劳强度也愈低。因此，应合理减小轴的表面及圆角处的加工粗 糙度值。当采用对应力集中甚为敏感的高强度材料制作轴时，表面质量尤应予 以注意。 表面强化处理的方法有：表面高频淬火；表面渗碳、氮化等化学热处理； 碾压、喷丸等强化处理。 通过碾压、喷丸等进行表面强化处理时，可使轴的表 层产生预压应力，从而提高轴的抗疲劳能力。 轴的结构工艺性： 轴的结构工艺性指轴的结构形式应便于加工和装配轴上的零件， 生产率高， 成本低。一般说，轴的结构越简单，工艺性越好。因此，在满足使用要求的前 提下，轴的结构形式应尽量简单。 为了便于装配零件并去掉毛刺，轴端应制出 45的倒角；需要磨削加工的 轴段，应留有砂轮越程槽；需要切制螺纹的轴段，应留有退刀槽。为了减少加 工刀具种类和提高劳动生产率，轴上直径相近处的圆角、倒角、键槽宽度、砂 轮越程槽宽度和退刀槽宽度等应尽量采用相同的尺寸。为了减少装夹工件的时 间，同一轴上不同轴段的键槽应布置在轴的同一母线上。 主轴结构设计如下图： 立柜式四轴数控铣床培训装置主轴系统设计 11 图 1.1 3.2 元件选型 3.2.1 电机 数控机床用电机主要有两种电机：进给伺服电机和主轴电机。数控机床对 主轴电机的要求是要有足够的输出功率，数控机床的主轴负载性质近似于恒功 率，也就是当主轴的转速时，输出转矩较小，主轴转速低时，输出转矩大。为 保证数控机床适用于各种不同的刀具、加工材质，适应于各种不同的加工工艺， 要求主轴电机具有一定的调速范围。主轴驱动装置有时也用在定位功能上，这 就要求它也具有一定的快速性。 立柜式四轴数控铣床培训装置主轴系统设计 12 电机名称 额定功率 (kw) 最大功率 额定功率 基本速度 最高转速 (r/min) 堵转扭矩 (nm) 旋转惯量 (kgm 2) is 3/10000 3.7 5.5 2000 10000 17.7 0.00078 表 1.2 3.2.2 轴承 目前数控铣床主轴轴承配置的主要形式有三种： （1）前、后支撑采用不同轴承 前支撑采用双列短圆柱滚子轴承和 60角接触双列向心推力球轴承，后轴 承采用成对向心推力球轴承。此种结构普遍应用于各种数控机床，其综合刚度 高，可以满足强力切削要求。 （2）前后支撑采用多个高精度向心推力球轴承 前支撑采用多个高精度向心推力球轴承，这种配置具有良好的高速性能， 但它的承载能力较小，适用于高速轻载和精密数控机床。 （3）前后支撑采用单列和双列圆锥滚子轴承 前支撑采用双列圆锥滚子轴承，后支撑为单列圆锥滚子轴承，其径向和轴 向刚度很高，能承受重载荷。但这种结构限制了主轴最高转速，因此适用于中 等精度、低速、重载数控机床。 本次机床主轴采用前端定位的方式，主轴前端采用两个双向推力角接触球 轴承，主轴后端采用角接触球轴承。 轴承的配合： 配合的目的是使轴承内圈或外圈牢固地与轴或外壳固定，以免在相互配合 面上出现不利的轴向滑动。这种不利的轴向滑动（称做蠕变）会引起异常发热、 配合面磨损（进而使磨损铁粉侵入轴承内部） 以及振动等问题，使轴承不能充 分发挥作用。因此对于轴承来说，由于承受负荷旋转，一般必须让套圈带上过 盈使之牢固地与轴或外壳固定。 配合的选择一般按下述原则进行： 立柜式四轴数控铣床培训装置主轴系统设计 13 根据作用于轴承的负荷方向、性质及内外圈的哪一方旋转，则各套圈所承 受的负荷可分为旋转负荷、静止负荷或不定向负荷。承受旋转负荷及不定向负 荷的套圈应取静配合（过盈配合），承受静止负荷的套圈，可取过渡配合或动 配合（游隙配合）。轴承负荷大或承受振动、冲击负荷时，其过盈须增大。采 用空心轴、薄壁轴承箱或轻合金、塑料制轴承箱时，也须增大过盈量。要求保 持高旋转时，须采用高精度轴承，并提高轴及轴承箱的尺寸精度，避免过盈过 大。如果过盈太大，可能使轴或轴承箱的几何形状精度影响轴承套圈的几何形 状，从而损害轴承的旋转精度。 非分离型轴承（例如深沟球轴承）内外圈都采用静配合，则轴承安装、拆 卸极为不便，最好将内外圈的某一方采用动配合。所以本次设计的外圈为过硬 配合，轴承内圈采用动配合。 轴承的润滑： 润滑对于滚动轴承具有重要意义， 轴承中的润滑剂不仅可以降低摩擦阻力， 还可以起散热、减小接触应力、吸收振动、防止锈蚀等作用。所以本次设计根 据工作情况选用脂润滑。 脂润滑的优点：润滑膜强度高，能够承受较大的载荷，不易流失，容易密 封，一次加脂可以维持相当长的一段时间，方便简单。 轴承的密封： 为了使轴承保持良好的润滑条件和正常的工作环境，充分发挥轴承的工作 性能，延长使用寿命，对滚动轴承必须具有适宜的密封，以防止润滑剂的泄漏 和灰尘、水气或其他污物的侵入。 轴承的密封可分为自带密封和外加密封两类。所谓轴承自带密封就是把轴 承本身制造成具有密封性能装置的。如轴承带防尘盖、密封圈等。这种密封占 用空间很小，安装拆卸方便，造价也比较低。 自带密封又分为非接触式与接触式两种。 （1）非接触式密封 非接触式密封就是密封件与其相对运动的零件不接触，且有适当间隙的密 封。这种形式的密封，在工作中几乎不产生摩擦热，没有磨损，特别适用于高 速和高温场合。非接触式密封常用的有间隙式，迷宫式和垫圈式等各种不同结 构形式，分别应用于不同场合。非接触式密封的间隙以尽可能小为佳。 立柜式四轴数控铣床培训装置主轴系统设计 14 （2）接触式密封 接触式密封就是密封与其相对运动的零件相接触且没有间隙的密封。这种 密封由于密封件与配合件直接接触，在工作中摩擦较大，发热量亦大，易造成 润滑不良，接触面易摩损，从而导致密封效果与性能下降。因此，它只适用于 中、低速的工作条件。接触式密封常用的有毛毡密封、皮碗密封等结构形式， 应用于不同场合。 由以上理论本次设计主要采用非接触式密封,优点在于在工作中几乎不产 生摩擦热，没有磨损，特别适用于高速和高温场合。前端轴承受力较大,且要求 较高故采用间隙密封加一个甩油环密封可靠。 后端轴承要求稍低一点儿,选用曲 路密封。曲路密封是由旋转的和固定的密封零件之间拼合成的曲折的缝隙所形 成的。缝隙中加入润滑脂,可以增加密封效果。根据部件的结构曲路 是布置为 轴向的.采用轴向曲路时,端盖应为剖分式,当轴因温度变化而伸缩或采用调心 轴承感作支承时,都有旋转片与固定片相接触的可能.根据实际情况本次设计采 用接触式密封。 3.2.3 带传动 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1-2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 1.2 图 1.3 图 1.4 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1-3所示。 立柜式四轴数控铣床培训装置主轴系统设计 15 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1-4所示。 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。 本次设计的题目是数控铣床的培训装置，对主轴的转速和转矩要求不是很 高，而且齿轮传动的结构复杂，制造和维修费用高。同步带传动是一种新型的 机械传动，由于带和带轮之间没有相对滑动，从而使主、从动轮间的传动达到 同步。同步带传动可避免齿轮传动引起的噪声和振动，传动准确，无滑动，能 达到同步传动的目的，传动效率高，一般可达到 98%，并且速比范围大，允许的 线速度也高，传递功率的范围大，结构紧凑，还适用于多轴传动等优点。因此， 同步带传动已经日益引起各方面的注意和重视，并把这种传动应用到各种机械 设备上。 3.2.4 锥孔 7:24 圆锥连接时依靠其定心精确而不自锁的性能，被广泛应用于具有铣削 功能的各型普通铣床、镗铣床、数控机床、加工中心等主轴端部。标准规定的 锥度尺寸与国际标准是等效的，因此具有通用性。标准共规定了 10 中规格的锥 度，可以满足大、中、小各型机床的需要。锥度号在 50 以下的规格，多用在中、 小型机床的主轴上。本次设计采用锥度号为 40 的圆锥连接。 3.2.5 键 键是一种标准零件，通常用来实现轴与轮毂之间的周向固定以传递转矩， 有的还能实现零件的轴向固定或轴向滑动的导向。键连接的主要类型有：平键 连接、半圆键连接、楔键连接和切向键连接。 立柜式四轴数控铣床培训装置主轴系统设计 16 键的选择包括类型选择和尺寸选择两个方面。键的类型应根据键连接的结 构特点、使用要求和工作条件来选择；键的尺寸则按符合标准规格和强度要求 来取定。 键的主要尺寸为键宽 b 和键高 h 于长度 l。 间的截面尺寸按轴的直径选 定。键的长度 l 一般按轮毂的长度而定即键长等于或略短于轮毂的长度；而导 向平键则按轮毂的长度及滑动距离而定。 本次轴与带轮之间键选用类型为普通平键 a 型，键 149 和键 520， gb/t10961979。尺寸如下： 宽度 b=14mm； 高度 h=9mm； l 分别为 18mm 和 20mm。 3.3 校核 3.3.1 轴的校核 进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况，采取相应的 计算方法，并恰当的选取其许用应力。对于仅仅承受扭矩的轴（传动轴） ，应按 扭转强度条件计算；对于只承受弯矩的轴（心轴） ，应按弯曲强度条件计算；对 于既承受弯矩又承受扭矩的轴（转轴） ，应按弯扭合成强度进行计算，需要时还 应按疲劳强度条件进行精确校核。此外，对于瞬时过载很大或应力循环不对称 较为严重的轴，还应按峰尖载荷校核其静强度，以免产生过量的塑性变形。 立柜式四轴数控铣床机械主轴既承受弯矩又承受扭矩,应按弯扭合成强度 条件进行计算,需要时还应按疲劳强度进行精确校核计算。 1 按扭转强度条件进行校核计算。 32 () 16 tt t tt dbt dtw d = 式中： t 扭转切应力，单位 mpa。 t轴所受的扭矩，单位为 ngmm。 d计算截面处轴的直径，单位为 mm。 立柜式四轴数控铣床培训装置主轴系统设计 17 t 许用扭转切应力，单位为 mpa。 t w轴的抗扭截面系数，单位为 3 mm 。 由机械设计手册表 8-348 查得 t 为 45mpa；由机械设计课程设计手 册表 4-1（gb1059-79）可查得5.0tmm=；12bmm=；42tngmm=。 将以上各值代入式（24）得： t =4.7mpa 2 按弯扭合成强度计算： 过轴的结构设计，轴上零件的位置，外载荷和支反力的作用位置都已确定， 算出轴上载荷。 由金属切削手册表得： 参数表 项目 参数 数值 出处 d 50mm 表 9-7 b 30mm 表 9-4 s 0.1mm/齿 表 9-11 t 8mm t=0.02*d z 4 表 9-7 表 1.3 由金属切削机床夹具设计手册表 3-56 得 1.060.881.30.900.18 1.060.881.30.90.18 p1150 1150 80.1503060004 1758 z tsdbnz = = = 查手册表 1-2 逆铣时得; 0.8 p p = 纵 , 0.7 p p = 横 , 0.5 p p = 垂 所以 0.8 17581406np= 纵 , 0.7 17581230np= 横 立柜式四轴数控铣床培训装置主轴系统设计 18 0.5 1758879np = 垂 求出支反力： 已知 879pn= 径 ； 0.7 1758=1230np= 横 12 12 879 0.30.605985 0.0445.50 rr rr ff ff += += 联立解得： 2 1 885 1764 r r fn fn = = 刚度校核计算: 轴在载荷作用下,将产生弯曲或扭转变形。若变形量超过了允许的限度,就 会影响轴上零件的正常工作,甚至会丧失机器应有的工作性能。 对于制造产品的 铣床主轴来说刚度是关键。 由误差复映原理可知,刚度较差的机床造出的产品,根本就谈不上精度。因 此,本次设计的 bt40 主轴必须校核刚度。 轴的弯曲刚度以挠度和偏转角来度量的;扭转刚度以扭转角来度量。主 要任务是:计算主轴在受载时的变形量,并控制其在允许范围内。 刚度校核计 算： 阶梯轴的刚度条件： =73 . 5 (10 4 = z i itl 1 /)/lg t 扭矩，单位为 ngmm g 剪切弹性模量，单位为 a mp ，对于各种钢材， 4 8.1 10 a gmp= i极惯性矩，单位为 4 mm l 阶梯轴受扭矩的长度，单位为 mm i t 、 i l 、 i i 阶梯轴第 i 段上的扭矩、长度、惯性矩 立柜式四轴数控铣床培训装置主轴系统设计 19 1 9.6 v dmm= 由机械设计查得 0.25 0.5 =/m，显然， 。 故满足刚度条件。 3.3.2 带传动的校核 根据设计要求，选用聚氨酯同步带，由带背、带齿、抗拉层三部分组成。 带背和带齿材料为聚氨酯，抗拉层采用钢丝绳，适用于中小功率的高速运行部 分。 设计计算的主要内容是：齿形带的齿数和宽度的结构和尺寸，传动中心距， 作用在轴上载荷以及结构的设计。 1）确定同步带传动的设计功率 pd pd=kpm 式中：k 载荷修正系数，它可根据原动机，工作机类型和每日运转时间等因素 来确定。此系数可见表 1.3。 pm 工作机上电动机功率 4444 3 4 10 1 44 0.190.06 (0.080.037 )(0.0750.0155 ) 42 3232 5.73 10 0.210.3478 8.1 10 (0.0450.03 ) 32 0.168/ i mm = + = + = 立柜式四轴数控铣床培训装置主轴系统设计 20 工作机 第一组原动机 第二组原动机 运转时间（小时/日） 运转时间(小时/日) 3-5 8-10 16-24 3-5 8-10 16-24 计算机、医疗机 缝纫机、办公机械 轻传送机、包装机 搅拌机、造纸机 印刷机、 1 1.2 1.3 1.4 1.4 1.2 1.4 1.5 1.6 1.6 1.4 1.6 1.7 1.8 1.8 1.2 1.4 1.5 1.6 1.6 1.4 1.6 1.7 1.8 1.8 1.6 1.8 1.9 2.0 2.0 表 1.4 查表 1.3 可得：k=1.6 设计功率 pd=kpm=7 . 36 . 1=5.92kw 2）确定带的型号和节距 由设计功率和电机转速查机械设计手册可得带轮的型号为 l 型，对应节距 pb=9.525mm。 3）选择小带轮的齿数 由小带轮转速 n1=2000r/min 和 h 型带，查表 1.4 得小带轮许用齿数 z1=16,则大 齿轮齿数 z2=iz1，其中 i= n1/n2=2000/1000=2。 4）节圆直径 d1=pbz1/ =14 . 3 )16 7 . 12(=48.54mm d2=pbz2/ =14 . 3 )162 7 . 12(=97.08mm 小带轮转速（r/min） 带型号 mxl xl l h xh xxh 900 以下 9001200 以下 12001300 以下 18003600 以下 36004800 以下 10 12 14 16 18 10 10 12 12 15 12 12 14 16 18 14 16 18 20 22 22 24 26 30 22 24 26 表 1.5 5）确定同步带的节线长度 lp 立柜式四轴数控铣床培训装置主轴系统设计 21 lp=180/ ) 12(2/ )21(cos2dddda+ 式中：=sin -1(d2-d1)/2a=14.05（以 a=100mm 代入） lp=434.5206mm 选择接近计算值的标准节线长（见表 1.5）lp=438.15mm 规格 98l 100l 124l 130l 135l 143l 150l 节线长 247.65 257.18 314.33 333.38 342.90 361.95 381.00 齿数 26 27 33 35 36 38 40 规格 154l 161l 165l 173l 180l 187l 203l 节线长 390.53 409.58 419.10 438.15 457.20 476.25 514.35 齿数 41 43 44 46 48 50 54 表 1.6 图 1.5 6）计算同步带齿数 zb= lp/pb=438.15/9.525=46 7)传动中心距的计算 a=pb(z1-z2)/ cos2 式中:inv=（zb-z2）/(z2-z1)= tan，用逐步逼近法计算，3658. 1= （弧度）代入上式可得 a=96.14mm。 立柜式四轴数控铣床培训装置主轴系统设计 22 图 1.6 8）结果整理 （1）带：选用 h 型同步带 pb=9.525mm zb=46 lp=438.15mm bt=25.4mm （2）带轮：z1=16 d1=48.54mm z2=32 d2=97.08mm (3)传动中心距 a:精确计算 a=96.14mm 3.3.3 轴承的校核 所谓轴承的寿命，是指轴承中任一滚动体或内，外圈滚道上出现疲劳点蚀 前所经历的总转数或一定转速下工作的小时数。滚动轴承寿命计算的目的是防 止轴承在预期工作时间内产生点蚀破坏，其寿命与所受载荷的大小有关，作用 载荷越大，引起的接触应力就越大，因而在发生点蚀破坏前所经历的总转数也 就越少，即轴承的寿命越短。 轴承的寿命： lh=（10 6/60n）（cf t /p） c基本额定动载荷 p