带有卸荷装置的加工中心主传动系统设计【4张CAD图纸和说明书】

摘要
本文介绍了立式加工中心的一些基本概况，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。立式加工中心主传动系统由主轴电动机、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加工中心主传动系统的设计过程，该立式加工中心选用多楔带传动，该种传动方式的特点在于它能使主传动系统的结构比较简单，而且避免了齿轮传动的振动和噪声。文中介绍了立式加工中心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、主轴组件的设计并确定主轴的卸荷装置和结构形式以及关键零件的校核等设计过程。
关键词：数控机床 立式加工中心 主传动系统 主轴组件 卸荷装置

Abstract

Some basic concepts and the general knowledge of the vertical machining center were introduced in this paper. The principle and types of the main drive system, analysis mechanism of the transmission project are brief described. The spindle drive system of vertical machining center, including spindle drive motor, transmission and spindle subassembly. The design process of vertical machining center main drive system were introduced in detail in this paper. The vertical machining center used arc tooth timing belt drive, the species transmission features is that it enables the structure of main drive system is relatively simple, and to avoid the noise and vibration. Compared of the program merit and demerit are detailed, the program options and determines of vertical machining center spindle drive system is detailed, main gearshift system and spindle is subassembly designed in this paper.
Key Words: CNC  Vertical machining center Main drive system  Spindle subassembly Unloading device

目  录

第一章 绪论 …………………………………………………………………………… 1
   1.1、引言 ………………………………………………………………………1
1.2、数控机床的基本概况 ………………………………………………………………1
1.3、加工中心的基本概念和分类 ………………………………………………………2
1.4、加工中心的结构组成 ………………………………………………………………3
1.5、加工中心的发展趋势 ………………………………………………………………3
第二章 加工中心主传动系统方案的确定 …………………………………………5
2.1 加工中心主传动系统简介 ………………………………………………………5
2.2 对加工中心主传动系统的要求 …………………………………………………5
2.3 主传动的类型及方案选择 ………………………………………………………6
2.4 主传动系统设计条件 ………………………………………………………… 7
第三章 主传动变速系统主要参数计算 ………………………………………… 8
3.1 计算切削功率 ………………………………………………………………… 8
3.2 计算主传动功率 ……………………………………………………………… 8
3.3 确定电动机型号 ……………………………………………………………… 9
3.4多楔带传动的计算 ………………………………………………………………… 9
3.5 主轴的卸荷装置……………………………………………………………………11
3.5.1 径向力的卸荷………………………………………………………………12
3.5.2 轴向力的卸荷………………………………………………………………13
第四章 主轴组件设计 ……………………………………………………… 14
4.1 主轴组件的设计要求和步骤 ………………………………………………… 14
4.1.1 主轴组件的设计要求 ………………………………………………… 14
4.1.2 主轴组件的设计步骤 ………………………………………………… 15
4.2主轴的设计要求 ……………………………………………………………… 15
4.2.1 主轴的主要尺寸参数 ………………………………………………… 16
4.2.2 主轴轴端结构 ………………………………………………………… 16
4.2.3 主轴的材料和热处理 ………………………………………………… 16
4.2.4 主轴主要精度指标 …………………………………………………… 17
4.3 主轴滚动轴承 ………………………………………………………………… 17
4.3.1 滚动轴承类型 ………………………………………………………… 17
4.3.2 主轴轴承配置与调整 ………………………………………………… 17
4.4主轴组件的设计计算 ………………………………………………………… 19
4.4.1 初选主轴直径 ………………………………………………………… 19
4.4.2 主轴悬伸量的确定 …………………………………………………… 19
4.4.3 主轴最佳跨距的选择 ………………………………………………… 19
4.5 主轴组件的校核计算 ………………………………………………………… 20
4.5.1 主轴组件的刚度计算 ………………………………………………… 20
4.5.2 主轴组件的强度计算 ………………………………………………… 21
4.5.3 轴承的校核计算 ……………………………………………………… 23
4.5.4 键的校核计算 ………………………………………………………… 25
4.6 主轴内部刀具自动夹紧机构及切屑清除装置 ……………………………… 26
4.7 主轴组件的润滑与密封 ……………………………………………………… 26
4.8 提高主轴组件性能的措施 …………………………………………………… 27
 结论 ………………………………………………………………………………… 29
 参考文献……………………………………………………………………………… 30
 致谢…………………………………………………………………………………… 31

第一章绪 论
1.1、引言
毕业设计是对我们大学四年期间所学知识的一次综合运用过程，是对大学四年所学知识的一次总结，是一次较全面的设计训练，是理论联系实际的重要实践性环节，是我们在理论学习和生产实践基础上迈向工程设计的一个转折点。在这一学习过程中，培养了我们运用所学知识解决问题的能力，提高了我们对产品整体设计把握的能力。通过这次毕业设计，可以培养和提高我们综合运用所学机械方面的课程和其它以前所学的各科基础知识和专业知识、结合生产实际去分析和解决工程实际问题的能力；可以学习机械设计的一般程序，熟悉和掌握通用机械零件、机床传动系统和简单机械的设计方法和步骤，培养创造性思维能力和增强独立、全面、科学的工程设计能力；可以完成机械设计基本技能的训练，学会使用各种设计资料（标准、规范、手册、图册等）、经验估算、数据处理及编写设计计算说明书。
本次毕业设计的课题是设计一个带有卸荷装置的立式加工中心的主传动系统。参考TH5640立式加工中心，初步了解到该型号立式加工中心主传动系统采用多楔带传动，从主轴电动机经一级带传动传递给主轴。在本文中，详细介绍了立式加工中心主传动系统传动方案的选择设计、电动机选型及功率的计算、多楔带传动的计算、各种零件的设计并确定主轴的卸荷装置和结构形式及关键零件的校核等设计过程。
1.2、数控机床的基本概况
数控（numerical control,NC）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[2]。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[8]。
1952年，美国PARSON公司与麻省理工学院（MIT）合作，研制出世界上第一台数控机床。从此机床行业，乃至整个制造业和相关产业进入了一个新的发展阶段。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。对于整个制造业，由于大量引用数控机床，使得产品质量大幅度提高，新产品开发周期明显缩短，满足了广大消费者求新和追求个性化的要求，从而形成了制造业与市场相互促进的发展趋势。一段时期内机床行业在技术发展上曾被视为“夕阳工业”，如今再度受到全世界的高度重视。在这一历史转变中，数控机床的产生与发展功不可没。此外，数控机床的发展，还带动了众多相关产业和技术的发展。
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[2]。
综上所述，数控机床在促进技术进步和经济发展，提高人类生存质量和创造新的就业机会等方面，起着非常重要的作用。
数控机床是一种高效能自动加工机床，是一种典型的机电一体化产品。与普通机床相比，数控机床具有如下一些优点：
易于加工异型复杂零件；提高生产率；可以实现一机多用，多机看管；可以大大减少专用工装卡具，并有利于提高刀具使用寿命；提高零件的加工精度，易于保证加工质量，一致性好；工件加工周期短，效率高；可以大大减少在制品的数量；可以大大减轻工人劳动强度，减少所需工人数量等。
一般来说，数控机床可分为数控车床、数控铣床、加工中心、车削中心几类[2]。此次毕业设计主要是针对立式加工中心主传动系统设计，故以下介绍一些加工中心的应用和发展情况。

1.3、加工中心的基本概念和分类
（1）加工中心的基本概念  在数控铣床的基础上，如果再配以刀具库和自动换刀系统，就构成加工中心[2]。加工中心的特点是它的刀具库能存放几十把甚至更多的刀具，由程序控制换刀机构自动调用与更换，这样就可以在没有人工干预的情况下，一次完成很多工艺内容。加工中心是一种备有刀库并能自动更换刀具对工件进行许多工序加工的数控机床。在加工中心上，工件经一次装夹后，数控系统能控制机床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、刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助功能，依次完成工件一个或几个面上多工序的加工。加工中心能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和机床的调整时间，减少工件周转、搬运和存放时间，使机床的切削利用率（切削时间和开放时间之比）可达80%以上，高于普通机床3-4倍。尤其是在加工形状比较复杂，精度要求较高、品种更换频繁的零件时，加工中心更体现出良好的加工效果。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。加工中心最先是在镗铣类机床上发展起来的，可称为镗铣加工中心，习惯上简称为加工中心[3]。
（2）加工中心的分类  按照加工中心的形态不同进行分类，可分为立式、卧式和五坐标加工中心[1]。
1） 立式加工中心  立式加工中心的主轴轴心线为垂直状态配置，结构形式多为固定立柱式，工作台为长方形，适合加工小型板类、盘类、壳体类零件。立式加工中心结构简单，占地面积小，价格底，配备各种附件后，可进行大部分工件的加工。
2） 卧式加工中心  卧式加工中心的主轴轴心线为水平状态配置，通常都带有可进行分度回转运动的工作台，适合加工箱体类零件。它与立式加工中心相比，结构复杂、占地面积大、质量大、价格亦高。
3） 五坐标加工中心  五坐标加工中心兼具立式和卧式加工中心的功能，工件一次装夹后能完成除安装面外的所有侧面和顶面等五个面的加工，因此也叫五面加工中心。常见的五坐标加工中心有两种结构形式，一种是主轴可以90°旋转，另一种是工作台可以90°旋转。