X52K型立式铣床立铣头设计【通过答辩论文设计及图纸】
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I 立式铣床立铣头设计 摘 要 随着制造业的发展，高速度、高效率、高精度和高刚度已经成为当今机床发展的主要方向。为了满足当前机床市场的需要，铣床已经成为了当今机械行业一个重要的发展趋势，特别是在工业制造，加工过程中有着举足轻重的地位。在各式各样的机床中，立式铣床有着独特的加工对象。主要是对大型的平面、沟槽等进行铣削。在对铣床的研究中达到了一定的水平，从而铣床的主要配件立铣头的研究在一定程度上也达到了空前的规模。通过以往的加工经验可以对立铣头的研究在一定程度上有所改进，铣床主轴是靠齿轮进行传动的。铣床铣头的转动 方式有多种多样，每种机床铣头的形式都不尽相同。立铣头的传动方式也是多种多样，立铣头主轴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，齿轮机构是现代机械中应用最广泛的传动机构，用于传递空间任意两轴或多轴之间的运动和动力。现在的工业发展对铣削有了更加苛刻的要求，高精度、高速度、高效率、复合型、智能型等是今后发展的主要趋势。 关键词： 铣床；齿轮传动；传动系统图；立铣头 附录： of of In to of at s an in is a In of is as is on is on of of of is of of or of 0 目 录 摘 要 . I . 绪论 . 0 题研究的目的及意义 . 0 内外机床的发展现状 . 0 床的发展趋势 . 3 前铣床方面存在的一些问题 . 4 式升降台铣床其主要组成部分 . 5 头 . 5 轴 . 5 作台 . 5 鞍 . 5 降台 . 6 铣头结构 . 6 2 总体设计 . 7 铣头的功能分析 . 7 案的提出 . 7 细的设计 . 10 析拟定传动方案 . 10 择电动机 . 11 给转速图和传动系统图的设计 . 12 计步骤 . 12 定极限转速 . 13 定公比 . 13 出主轴转速级数 . 13 制转速图 . 13 该注意的问题 . 14 削三要素与计算 . 14 削三要素 . 14 给量 . 14 吃刀量. 14 削深度 . 14 削层宽度 . 15 削层面积 . 15 削用量的选择 . 15 削用量的选择原则 . 15 削吃刀量的选择 . 16 2 7 切削液 . 16 削液的作用 . 16 削液的加注方法 . 17 床加工误差、故障分析及排除方法 . 17 床及其刀具的介绍 . 18 床的介绍 . 18 刀的名称与用途 . 21 3 主轴的设计 . 23 轴的基本要求 . 23 转精度 . 23 度 . 23 振性 . 24 轴组件的布局 . 26 应刚度和承载能力的要求 . 26 应精度的要求 . 27 应结构要求 . 27 应经济性要求 . 27 轴结构的初步拟定 . 27 轴的材料与热处理 . 28 轴的技术要求 . 29 颈 . 29 锥孔 . 29 轴结构图 . 29 轴组件的润滑和密封 . 29 轴组件的润滑 . 29 轴组件的密封 . 30 4 铣床附件及夹具 . 31 床常用附件 . 31 口钳 . 31 转工作台 . 31 铣头 . 32 能分度头 . 32 度头的结构 . 32 . 33 . 33 座 . 33 盖 . 33 度盘 . 33 轮副间隙调整及蜗杆脱落机构 . 33 轴锁紧机构 . 34 度头的传动系统 . 34 . 34 . 38 . 38 的拟定 . 38 算轴的功率、转速及轴颈 . 38 的强度校核计算 . 40 轮 . 42 定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 . 42 算齿轮参数 . 42 算齿轮的弯曲强度 . 43 算主要几何参数 . 43 滑 . 43 动轴承 . 44 的验算 . 44 的强度校核计算 . 45 动轴校核计算 . 45 轴校核 . 46 6 结论 . 47 参考文献 . 47 致 谢 . 错误 !未定义书签。 0 主 要 符 号 表 n 铣刀每分钟转数 p 电机功率 空载功率 载荷附加功率 切削力的切向分力 效率 i 传动比 M 弯矩 T 转矩 1 绪论 0 1 绪论 题研究的目的及意义 在我国的各个工农业生产部门，科研单位和国防部门中，使用着大量各式各样的机器，仪器和工具。 这些机器，仪器和工具大部分是由一定形状和尺寸的金属零件所组成，生产这些零件并将它们装配成机器，仪器和工具的工业，称为机械制造工业。机械制造工业的任务，就是为国民经济各部门，科研单位和国防部门提供现代化的技术装备。如果我们没有强大而完整的现代化机械制造工业，就无法用现代化的装备来武装各个国民经济部门，科研单位和国防部门，就不能独立而迅速地发展我们国家的制造水平，这样会被国外的先进技术所替代，我们的国家就会落后，进而陷入没有自主产权的地步。铣床主要是利用刀具的旋转将工件表面多余的部分一层一层的切削而除去，从而形 成具有一定尺寸，形状和精度的工件。在一般的生产体系中，铣床的加工范围占整个机器生产的重要部分，一个高效而精确的铣头是铣床切削毛坯必不可少的配置。铣床立铣头可绕水平轴在垂直平面内作回转调整，因而可铣削斜面；机床采用分度头和圆形工作台时，可铣削齿轮铰刀和钻头的螺旋面，以及凸轮和圆弧槽等；由于是多到断续切削，因而铣床的切削效率高。它的这种高效率和特殊的加工方法使得我们不断的研究和探索有关它的各种相关的配置及各式各样的机床。 内外机床的发展现状 20世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用，计算机 及控制技术在机械制造设备中的应用是世纪内制造业发展的最重大的技术进步。自从 1952年美国第 1台数控铣床问世至今已经历了 50个年头。 数控设备包括：车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工以及各类专 用 机 床 ，形成庞大的数控制造设备家族，每年全世界的产量有 10 20 万台，产值上百亿美元。 世界制造业在 20世纪末的十几年中经历了几次反复，曾一度几乎快成为夕阳工业，所以美国人首先提出了要振兴现代制造业。 90年代的全世界数控机床制造业都经过重大改组。如美国、德国等几大制造商都经过较大变动，从 90年代初开始已出现明显的回 升，在全世界制造业形成新的技术更新浪潮。如德国机床行业从 2000年至今已接受 3个月以后的订货合同，生产任务饱满。 我国数控机床制造业在 80年代曾有过高速发展的阶段，许多机床厂从传统产品实现向数控化产品的转型。但总的来说，技术水平不高，质量不佳，所以在 90年代初期面临国家经济由计划性经济向市场经济转移调整，经历了几年最困难的萧条时期，那时生产能力降到 50，库存超过 4 个月。从 1995 年 “ 九五 ” 以后国家从扩大内需启动机床市场，加强限制进口数控设备的审批，投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关，对数控设备生产 起到了很大的促进作用，尤其是在 1999年以后，国家向国防工业及关键民西安工业大学毕业设计（论文） 2 用工业部门投入大量技改资金，使数控设备制造市场一派繁荣。从 2000年 8月份的上海数控机床展览会和 2001年 4月北京国际机床展览会上，也可以看到多品种产品的繁荣景象。但也反映了下列问题： （ 1） 低技术水平的产品竞争激烈， 相 互靠压价促销； （ 2） 高技术水平、全功能产品主要靠进口； （ 3） 配套的高质量功能部件、数控系统附件主要靠进口； （ 4） 应用技术水平较低，联网技术没有完全推广使用； （ 5） 自行开发能力较差，相对有较高技术水 平产品主要靠引进图纸、合资生产或进口件组装。 当今世界工业国家数控机床的拥有量反映了这个国家的经济能力和国防实力。目前我国是全世界机床拥有量最多的国家（近 300 万台），但我们的机床数控化率仅达到 右，这与西方工业国家一般能达到 20的差距太大。日本不到 80 万台的机床却有近10倍于我国的制造能力。数控化率低，已有数控机床利用率、开动率低，这是发展我国21 世纪制造业必须首先解决的最主要问题。每年我们国产全功能数控机床 3000 4000台，日本 1年产 5万多台数控机床，每年我们花十几亿美元进口 7000 9000台数控机床，即使这样我国制造业也很难把行业中数控化率大幅度提上去。因此，国家计委、经贸委从 “ 八五 ” 、 “ 九五 ” 就提出数控化改造的方针，在 “ 九五 ” 期间，我协会也曾做过调研。当时提出数控化改造的设备可达 8 10 万台，需投入 80 100 亿资金，但得到的经济效益将是投入的 5 10倍以上。因此，这两年来承担数控化改造的企业公司大量涌现，甚至还有美国公司加入。 “ 十五 ” 刚刚开始，国防科工委就明确提出了在军工企业中投入 于对 数控技术经过 50 年的 2个阶段和 6代的发展： 第 1阶段：硬件数控（ 第 1代：1952年的电子管 第 2代： 1959年晶体管分离元件 第 3代： 1965年的小规模集成电路。第 2 阶段：软件数控（ 第 4 代： 1970 年的小型计算机 第 5 代： 1974 年的微处理器 第 6代： 1990年基于个人 第 6代的系统优点主要有： (1) 元器件集成度高，可靠性好，性能高，可靠性已可达到万小时以上； (2) 基于 术进步快，升级换代容易； (3) 提供了开放式基础，可供利用的软、硬件资源丰富，使数控功能扩展到很宽的领域（如 接网卡、声卡、打印机、摄影机等）； (4) 对数控系统生产厂来说，提供了优良的开发环境，简化了硬件。 目前，国际上最大的数控系统生产厂是日本 1 年生产 5万套以上系统，占世界市场约 40左右，其次是德国的西门子公司约占 15以上，再次是德海德汉尔，西班牙发格，意大利菲亚，法国的 本的三菱、安川。 国产数控系统厂家主要有华中数控、北京航天机床数控集团、北京凯恩帝、北京凯奇、沈阳艺天、广州数控、南京新方达、成都广泰等，国产数控生产厂家规模都较小，年产都还没有超过 300 400套。 近 10年数控机床为适应加工技术发展，在以下几个技术领域都有巨大进步。 (1) 高速化 由于高速加工技术普及，机床普遍提高各方面速度，车床主轴转速由西安工业大学毕业设计（论文） 3 3000 4000r/高到 8000 10000r/床和加工中心主轴转速由 40008000r/2000r/24000r/40000r/020m/高到 48m/60m/80m/120m/提高速度的同时要求提高运动部件起动的加 速度，其已由过去一般机床的 力加速度）提高到 2G，最高可达 15G，直线电机在机床上开始使用，主轴上大量采用内装式主轴电机。 (2) 高精度化 数控机床的定位精度已由一般的 微米级机床达到 右，纳米级机床达到 ，最小分辨率为 1数控系统和机床已有产品。 数控中两轴以上插补技术大大提高，纳米级插补使两轴联动出的圆弧都可以达到 1圆度，插补前多程序段预读，大大提高插补质量，并可进 行自动拐角处理等。 (3) 复合加工、新结构机床大量出现 如 5轴 5面体复合加工机床， 5轴 5联动加工各类异形零件。也派生出各新颖的机床结构，包括 6轴虚拟轴机床，串并联铰链机床等。采用特殊机械结构，数控的特殊运算方式，特殊编程要求。 (4) 使用各种高效特殊功能的刀具使数控机床 “ 如虎添翼 ” 。如内冷钻头由于使高压冷却液直接冷却钻头切削刃和排除切屑，在钻深孔时大大提高效率。加工钢件切削速度能达 1000m/工铝件能达 5000m/ (5) 数控机床的开放性和联网管理，已是使用数控机床的基本要求，它 不仅是提高数控机床开动率、生产率的必要手段，而且是企业合理化、最佳化利用这些制造手段的方法。因此，计算机集成制造、网络制造、异地诊断、虚拟制造、异行工程等等各种新技术都在数控机床基础上发展起来，这必然成为 21世纪制造业发展的一个主要潮流。 床的发展趋势 制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，机械制造是制造业的核心。现代的制造技术的应用使得传统的制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，它对国民生计起着越来与重要的作用。对于现代机床的发展趋势，有一下几点总结。 (1) 追求具有更高加工效 率的机床。因为提高机床的效率就等于缩短零件的加工周期，缩短加工周期有两条途径，一条途径是提高切削速度，即提高主轴转速。目前车床和车削中心的主轴转速都在 8000r/上，加工中心的主轴转速一般都在 1500020000r/有 40000r/ 60000r/。同样，送给速度也有大幅度提高，可达 20m/至 60m/着切削速度的增加，机床的结构刚性和动态特性都有明显提高，高速主轴和刀具系统的动平衡设计也获得相应提高；另一条途径是减少非加工时间。因为在零件加工过程中有大量 的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升、降速上，因此，复合机床的研发近期发展很快，其核心是在一台机床上要完成车、铣、钻、镗、攻丝、铰孔和扩孔等多种操作工序。车床技术发展的主要趋势是多功能机床，目前的多功能复合机床实际上就是一台具有车削功能的加工中心。在磨削方面，目前的技术重点是开发基于 磨削控制系统，一台磨床能进行内圆、外圆和台阶轴磨削，或给机床以不同的循环来加快生产进程，既磨得快又能保证尺寸精度和表面粗糙度。 西安工业大学毕业设计（论文） 4 (2) 追求更加安全可靠和符合环保要求的机床。由于机床的运行速度的提 高，操作者的安全和健康也被提到优先考虑的位置。目前美国研制的高档机床在可能伤害人的地方几乎都加有安全警示装置。干切削和微量润滑剂切削方法因其可大大减少润滑剂的挥发而得到越来越广泛的应用，并且，几乎整个机床都是被封闭起来的，有些机床甚至看不到切屑，这样，即使有过量的油雾和烟雾也容易收集。同时，机床操作者在工作时的环境、位置会被考虑得非常舒适。此外，无污染的清洁加工技术也受到极大重视。 (3) 机床配套部件产业迅速发展。机床配套件发展很快，品种齐全。主要产品有滚珠丝杠副、精密轴承、各种转台、换刀装置、各种气 动、液压装置、直线导轨及主轴部件等等。这些配套件产业的发展有力地推动了机床主机的发展，不但有助于提高机床的速度和性能，而且可以大大缩短主机的生产周期，降低生产成本。 (4) 追求更加完善的控制系统。更高速的处理器和更精确的控制设备使机床的功能和性能完善而强大。技术密集已进入超速发展阶段，而集成的关键是开放式结构。 术的应用，开始改变了机床的工作方式，把 向了控制中心而不局限于机床控制器的范围。控制软件发展更快，一年甚至改进几次。 造商已提供一些开放式结构的前机械制造厂里开 放式结构的 0% 20%。 零件程序可以离线开发，然后传送到生产车间的编程系统，在 制器上运行，操作者可以观察、检测刀具运行情况和加工过程，还可以对加工过程进行必要的修正。美国 司销售的控制器中，有 30%是开放式的，实现了真正的 成，并趋于智能化控制，还可上网。虚拟制造和无纸化生产的技术基础已经具备，借助信息技术，此类软件的应用将以更快速度发展。 (5) 追求更高的机床外观质量。目前，机床制造商更加注重机床造型的美观和色调的协调柔和，机床精品更向工艺品 方向发展。 前铣床方面存在的一些问题 立式铣床立铣头是立式铣床上一个不可或缺的附件，对铣床的工作有着举足轻重的影响。例如对一些工件的表面的加工，使得我们要在一定范围内转动工件，这样对工件的夹紧及其定位产生了一定的影响。因此，从相对运动的观点，我们可转动机床的铣头来加工工件。这样可以避免因工件定位而产生的误差。因此，研究铣头是个重要的环节，对我国工业的发展有一定的促进作用。如何在工件不动的情况下能对工件上的斜面进行加工，这个问题的解决是要对传统的铣床的铣头进行改造，使得它在一定的范围之内能进行加工零 件，从而达到工件加工范围的要求。使得工业生产效率的大幅度提高。解决了国内机床界的一些问题。 西安工业大学毕业设计（论文） 5 图 1所示为立式升降台铣床。立式升降台铣床，它是铣床中应用最多的一种。这类铣床与卧式升降台铣床的主要区别，在于他的主轴是垂直安置的，可用各种端铣刀或立铣刀加工平面、斜面、沟槽、台阶、齿轮、凸轮以及封闭轮廓表面等。图 1为立式升降台铣床中常见的一种。其工作台 3、床鞍 4、及升降台 5的结构与卧式升降台铣床相同。立铣头 1可以根据加工要求在垂直平面内调整角度，主轴 2并可沿轴线方向进行调整或作进给运动。 综上所述，升 降台式铣床的优点是工艺范围较广泛，工作时切削加工的高低位置不变，有利于操作
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