毕业论文-立式数控铣床主传动系统设计-文档精品

原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第一章 绪论 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。 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。 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。 1.1 概述 数控铣床是一种加工功能很强的数控机床， 目前迅速发展起来的加工中心、 柔性加 工单元都是在数控铣床、数控镗床的基础上产生的，两者都离不开铣削方式。由于数控 铣削工艺最复杂，需要解决的技术问题也很多，因此，人们在研究和开发数控系统及自 动编程语言的软件系统时，也一直把铣削加工作为重点。数控铣床机械部分与普通铣床 基本相同，工作台可以做横向、纵向和垂直三个方向的运动。因此普通铣床能加工的工 艺内容，数控铣床度能做到。一般情况下，在数控铣床上可以加工平面曲线轮廓。 数控铣床也像通用铣床那样可分为立式、 卧式和立卧两用式数控铣床， 各类铣床配 置的是数控系统不同，其功能也不尽相同。 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 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 等几乎所有制造行业。 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。 数控机床的机械结构主要由传动系统、支承部件、分度台等部分组成。传动系统的 作用是把运动和力由动力源传递给机床执行件，而且要保证传递过程中有良好的动态特 性。传动系统在工作过程中，经常受到激振力和激振力矩的作用，使传动系统的轴组件 产生弯曲和扭转振动，从而影响机床的工作性能。随着机床切削速度的提高和自动化方 向的发展，传动系统的结构组成越来越简单，但对其机械结构性能的要求却越来越高， 从而使传统的设计方法远远达不到要求，这样，各种设计理论的研究和使用就得到了迅 猛的发展。 数控机床是高精度和高生产率的自动化机床， 其加工过程中的动作顺序、 运动部件 的坐标位置及辅助功能， 都是通过数字信息自动控制的， 操作者在加工过程中无法干预， 不能像在普通机床上加工零件那样，对机床本身的结构和装配的薄弱环节进行人为补 偿， 所以数控机床几乎在任何方面均要求比普通机床设计得更为完善， 制造得更为精密。 为满足高精度、高效率、高自动化程度的要求，数控机床的结构设计已形成自己的独立 体系，在这一结构的完善过程中，数控机床出现了不少完全新颖的结构及元件。与普通 机床相比，数控机床机械结构有许多特点。 1.2 数控机床的发展 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。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 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。 数控设备的发展方向 六个方面：智能化、网络化、高速、高精度、符合、环保。 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。 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。 机床精度 1.机械加工机床精度分静精度、加工精度（包括尺寸精度和几何精度） 、 定位精度、重复定位精度等 5 种。 2.机床精度体系：目前我们国家内承认的大致是四种 体系：德国 VDI 标准、日本 JIS 标准、国际标准 ISO 标准、国标 GB，国标和国际标准 差不多。3.看一台机床水平的高低，要看它的重复定位精度，一台机床的重复定位精度 如果能达到 0.005mm(ISO 标准.、统计法),就是一台高精度机床，在 0.005mm(ISO 标准.、 统计法)以下，就是超高精度机床，高精度的机床，要有最好的轴承、丝杠。4.加工出高 精度零件，不只要求机床精度高，还要有好的工艺方法、好的夹具、好的刀具。 目前世界著名机床厂商在我国的投资情况 1. 2000 年，世界最大的专业机床制造商 马扎克（MAZAK）在宁夏银川投资建了名为“宁夏小巨人机床公司”的机床公司，生产 数控车床、立式加工中心和车铣复合中心。机床质量不错，目前效益良好，年产 600 台， 目前正在建 2 期工程，建成后可以年产 1200 台。 2. 2003 年，德国著名的机床制造商德 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 马吉在上海投资建厂，目前年组装生产数控车床和立式加工中心 120 台左右。 3. 2002 年，日本著名的机床生产商大隈公司和北京第一机床厂合资建厂，年生产能力为 1000 台，生产数控车床、立式加工中心、卧式加工中心。 4.韩国大宇在山东青岛投资建厂， 目前生产能力不知。 5.台湾省的著名机床制造商友嘉在浙江萧山投资建厂， 年生产能力 800 台。 民营企业进入机床行业情况 1.浙江日发公司，2000 年投产，生产数控车床、加工 中心。年生产能力 300 台。 22004 年，浙江宁波著名的铸塑机厂商海天公司投资生产 机床，主要是从日本引进技术，目前刚开始，起点比较高。 32002 年，西安北村投产， 名字象日本的，其实老板是中国人，采用日本技术。生产小型仪表数控车床，水平相当 不错。 军工企业技改情况 军工企业得到国家拨款开始于当年“大使馆被炸”，后来台湾阿 扁上台后，大规模技改开始了，军工企业进入新一轮的技改高峰，我们很多军工企业开 始停止购买普通设备。尤其是近 3 年来，我们的军工企业从欧洲和日本买了大批量的先 进数控机床。也从国内机床厂哪里采购了大批普通数控机床，国内机床厂商为了迎接这 次大技改，也引进了不少先进技术，争取军工企业的高端订单。 听在军工企业的朋友 讲，阿扁如果再能“顶”三年，我们的整体水平会上一个台阶。 其实，胡锦涛总书记掌 权以来，已经把国防事业提到了和经济发展一样的高度上，他说，我们要建立和经济发 展相适应的国防能力，相信再过 10 年，随着我国国防工业和汽车行业的发展，我们国 家会诞生世界水平的机床制造商，也将会超越日本，成为世界第一机床生产大国。 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。 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。 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 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 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。 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主轴转速在 800010000 转/ 分以上的数控机床。 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、MRPII 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 MRPII 系统应用也非常成功，现代化管理水 平较高。 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。我国数控机床行业总体的技术开 发能力和技术基础薄弱，信息化技术应用程度不高。行业现有的信息化技术来源主要依 靠引进国外技术，对国外技术的依存度较高，对引进技术的消化仍停留在掌握已有技术 和提高国产化率上，没有上升到形成产品自主开发能力和技术创新能力的高度。具有高 精、高速、高效、复合功能、多轴联动等特点的高性能数控机床基本上还得依赖进口。 二、产品成熟度较低，可行性不高。国外数控系统平均无故障时间在 10000 小时以 上，国内自主开发的数控系统仅 3000-5000 小时；整机平均无故障工作时间国外达 800 小时以上，国内最好只有 300 小时。 三、创新能力低，市场竞争力不强。我国生产数控机床的企业虽达百余家，但大多 数未能形成规模生产，信息化技术利用不足，创新能力低，制造成本高，产品市场竞争 能力不强。 随着柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟， 对数控加工技术提出 了更高要求。当今数控机床信息化正朝着以下几个方面发展。 高速度、高精度化。速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效 率和产品质量。 目前， 我国生产的第六代数控机床系统均采用位数、 频率更高的处理器， 以提高系统的基本运算速度，使得高速运算、模块化及多轴成组控制系统成为可能。同 时，新一代数控机床将采用超大规模的集成电路和多微处理器结构，以提高系统的数据 处理能力。 智能化。 现代数控机床的智能化发展将通过对影响加工精度和效率的物理量进行检 测、建模、提取特征、自动感知加工系统的内部状态及外部环境，快速作出实现最佳目 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 标的智能决策，对机床的工艺参数进行实时控制，使机床的加工过程处于最佳状态。 基于 CAD 和 CAM 的数控编程自动化。随着计算机应用技术的发展，目前 CAD/CAM 图形交互式自动编程已得到较多的应用，是数控技术发展的新趋势。它是利 用 CAD 绘制的零件加工图样，经计算机内的刀具轨迹数据进行计算和后置处理，从而 自动生成数控机床零部件加工程序，以实现 CAD 与 CAM 的集成。随着 CIMS 技术的 发展，当前又出现了 CAD/CAPP/CAM 集成的全自动编程方式，其编程所需的加工工艺 参数不必由人工参与，直接从系统内的 CAPP 数据库获得，推动数控机床系统自动化的 进一步发展。 发展可靠性最大化。 数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标。 新一代的数 控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电 路，减少元器件的数量，从而提高可靠性。同时通过自动运行诊断、在线诊断、离线诊 断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。 一、是高速加工技术发展迅速 高速加工技术发展迅速， 在高档数控机床中得到广泛应用。 应用新的机床运动学理 论和先进的驱动技术，优化机床结构，采用当前数控机床技术发展趋势 高性能功能部件，移动部件轻量化，减少运动惯性。在刀具材料和结构的支持下， 从单一的刀具切削高速加工，发展到机床加工全面高速化，如数控机床主轴的转速从每 分钟几千转发展到几万转、几十万转；快速移动速度从每分钟十几米发展到几十米和超 过百米；换刀时间从十几秒下降到 10 秒、3 秒、1 秒以下，换刀速度加快了几倍到十几 倍。应用高速加工技术达到缩短切削时间和辅助时间，从而实现加工制造的高质量和高 效率。 二、是精密加工技术有所突破 通过机床结构优化、制造和装配的精化，数控系统和伺服控制的精密化，高精度功 能部件的采用和温度、振动误差补偿技术的应用等，从而提高机床加工的几何精度、运 动精度， 减少形位误差、 表面粗糙度。 加工精度平均每 8 年提高 1 倍， 从 1950 年至 2000 年 50 年内提升 100 倍。目前，精密数控机床的重复定位精度可以达到 1m，进入亚微 米超精加工时代。 三、是技术集成和技术复合趋势明显 技术集成和技术复合是数控机床技术最活跃的发展趋势之一，如工序复合型 车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工技术复合，跨加工类别技术复合金切与激光、冲压 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 与激光、金属烧结与镜面切削复合等，目前已由机加工复合发展到非机加工复合，进而 发展到零件制造和管理信息及应用软件的兼容，目的在于实现复杂形状零件的全部加工 及生产过程集约化管理。技术集成和复合形成了新一类机床复合加工机床，并呈现 出复合机床多样性的创新结构。 四、是数字化控制技术进入了智能化的新阶段 数字化控制技术发展经历了三个阶段:数字化控制技术对机床单机控制；集合生产 管理信息形成生产过程自动控制；生产过程远程控制，实现网络化和无人化工厂的智能 化新阶段。智能化指工作过程智能化，利用计算机、信息、网络等智能化技术有机结合， 对数控机床加工过程实行智能监控和人工智能自动编程等。加工过程智能监控可以实现 工件装卡定位自动找正，刀具直径和长度误差测量，加工过程刀具磨损和破损诊断、零 件装卸物流监控，自动进行补偿、调整、自动更换刀具等，智能监控系统对机床的机械、 电气、液压系统出现故障自动诊断、报警、故障显示等，直至停机处理。随着网络技术 的发展，远程故障诊断专家智能系统开始应用。数控系统具有在线技术后援和在线服务 后援。人工智能自动编程系统能按机床加工要求对零件进行自动加工。在线服务可以根 据用户要求随时接通 INTERNET 接受远程服务。采用智能技术来实现与管理信息融合 下的重构优化的智能决策、过程适应控制、误差补偿智能控制、故障自诊断和智能维护 等功能，大大提高成形和加工精度、提高制造效率。信息化技术在制造系统上的应用， 发展成柔性制造单元和智能网络工厂，并进一步向制造系统可重组的方向发展。 五、是极端制造扩张新的技术领域 极端制造技术是指极大型、极微型、极精密型等极端条件下的制造技术。极端制造 技术是数控机床技术发展的重要方向。 重点研究微纳机电系统的制造技术， 超精密制造、 巨型系统制造等相关的数控制造技术、检测技术及相关的数控机床研制，如微型、高精 度、远程控制手术机器人的制造技术和应用；应用于制造大型电站设备、大型舰船和航 空航天设备的重型、超重型数控机床的研制；IT 产业等高新技术的发展需要超精细加工 和微纳米级加工技术，研制适应微小尺寸的微纳米级加工新一代微型数控机床和特种加 工机床；极端制造领域的复合机床的研制等。 1.3 本文设计内容 本文要求设计一立式数控铣床的主传动系统，主要参数要求如下： 工作台尺寸(宽 长) mm：400 800；T 型槽宽 数量 间距 mm：18 3 125；工作台 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 最大承重 kg：500；工作台行程（X 轴）mm：600；滑鞍行程（Y 轴）mm：420；主轴 箱行程 （Z 轴） mm： 600； 主轴伺服电机功率 Kw： 7.5/11； 主轴转速范围 rpm： 206000； 主轴最大扭矩：92Nm 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第二章 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 1500rmin，如图 1-1 所示是变速电机的功 率特性。从额定转速 d n到最高转速 max n的区域 I 为恒功率区，从最低转速 min n至 d n的区 域 II 为恒转矩区。 图图 2-1 变速电动机的功率特性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 np R远大于电机的恒功率变速范围 dp R，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 f 可取大于电机的恒功 率调速范围 dp R，即 f dp R。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。 根据设计要求， 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 IAG 132M15007.5。 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 b N（单位：rmin） 7.5额定功率（单位：kw） 电机在 201500rmin 内，实现恒扭矩输出，在 15004500rmin 内实现恒功率 nmaxndnmin Pm/KW Pa 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 输出；最高转速可以达到 6000rmin。 为了实现数控铣床的无级变速，采用交流调频电机，本文所设计的铣床所选择的电 机需要实现两级变速，当通电时离合器脱离，小齿轮和大齿轮啮合，实现增速传动；当 转速下降到电机的计算转速时，离合器吸合，大齿轮和小齿轮啮合，实现增速传动。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第三章 轴类零件的设计 主轴部件是机床实现旋转运动的执行件，是机床上的一个重要部件。主轴部件由主 轴、主轴支承和安装在主轴上的传动件、密封件等组成，对于铣床主轴部件还有拉杆和 拉抓。 3.1 轴的设计概述 轴是主成机械的一个重要零件，它支承其它回转件并传递转矩，同时它又通过轴承 和支架连接，所有轴上零件都围绕轴心线做回转运动，形成一个以轴为基准的锝组合体 轴系部件，所以在轴的设计中不能只考虑轴的本身，还必须和轴系零件的整个结构密 切联系起来。 轴设计的特点：在轴系零部件的具体结构未确定之前，轴上力的作用点和支点间的 跨距无法精确的确定，故弯距大小和分布情况不能求出，因此在轴的设计中必须把轴的 强度计算和轴系零件结构设计交错进行，边画图，边计算，边修改。 3.2 主轴主要结构参数的确定 主轴的主要结构参数有：主轴前、后轴颈 D1 和 D2，主轴内孔直径 d，主轴前端悬 伸量 a 和主轴主要支撑间的跨距 L。这些参数直接影响主轴旋转精度和主轴的刚度。 3.2.1 主轴最小直径的估算 max 9550 j P T n ，将 T=92Nm，电机功率7.5Pkw代入式得 max 95509550 7.5 0.88 685 /min 92 j P nr T 当数值上 j Pn时，可按扭转刚度估算最小轴径，即： 411 j P d n (1) 式中：d主轴的最小直径（cm） P主轴传递的功率(kw)，7.50.886.6Pkwkw j n主轴的计算转速(r/min)，前面已计算出685 /min j nr 代人数值得：d4.4cm 取主轴的最小直径 1 d=45mm，最小直径本应该是后轴颈，但是考虑到轴承的轴向固定采 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 用锁紧螺母，应留锁紧螺母的位置。考虑到轴上装轴承，有配合要求，应将后轴颈的直 径圆整到标准直径，同时要考虑到选择轴承的类型，因此选择后轴颈的直径 2 D=50， 3.2.2 主轴内孔直径 d 及拉杆直径的确定 主轴内孔直径与机床的类型有关，主要用来通过棒料、拉杆、镗杆或顶出顶尖等， 铣床主要用于通过拉杆和拉抓，确定孔径的原则是：为减轻主轴重量在满足上述工艺要 求及不削弱主轴刚度的前提下，尽量取较大值，孔径 d 对主轴刚度的影响影响是通过抗 弯截面惯性矩而体现的，即主轴本身的刚度正比于抗弯截面惯性矩，其关系式为 空/实 44 4 ()/64 /64 dD D 4 )( D d 根据上式可绘制出主轴孔径对主轴刚度影响曲线，如图 4-1 空/ 实 D主轴平均直径，d主轴平均孔径， 实 K直径为实心主轴刚度 ， 空 K直径为，孔径为 d 的空心轴的刚度。 图图 3-1 主轴孔径对主轴刚度影响曲线主轴孔径对主轴刚度影响曲线 由图 3-1 知：当 d0.5 时，内孔 d 对主轴刚度几乎无影响，通常取孔径 d 的极 限值 max d0.7D。此时空0.75实，即刚度消弱量小于 25%，若孔径再大主轴刚度急 剧下降，一般铣床主轴孔径 d 可比刀具拉杆直径大 510mm。 由于机床使用场合多种多样，为了适应加工工艺及刀具特点，机床工具行业已经 开发了多种轴端结构， 并已形成专业标准， 铣床常用的主轴端部结构前端带有 7:24 的锥 孔。供插入铣刀尾部锥柄定位,，拉杆从主轴后端拉紧刀具，常用的是 BT50 刀柄，因 此我们采用 BT50 的外螺纹拉抓，查资料知 BT50 拉抓外螺纹的尺寸为 M22 P1.5， 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 所以拉杆前端必须是 M22 的内螺纹，为了满足拉杆的刚性要求，取拉杆的直径为 28mm，根据拉杆的直径确定主轴内孔的最小直径为 32 即可. 3.2.3 主轴前端悬伸量的确定 主轴前端悬伸量 a 是指主轴前端面到前轴承径向支反力作用中点（或前径向支承中 点）的距离。它主要取决于主轴端部结构、前支承轴承和密封装置的形式和尺寸，由结 构设计确定。由于前端悬伸量对主轴部件的刚度、抗振性影响很大，变形量与 a 的二次 方或三次方成正比例关系。 ，因此在满足结构要求的前提下，设计时应尽量缩短该悬伸 量。 在确定主轴前端悬伸量时应该满足以下结构要求：主轴前端要留有装切削液喷头的 位置； 轴承的宽度 B=27； 轴承挡环的厚度 b=8； 主轴下支承的安装位置以及轴肩的宽度。 3.2.4 主轴支承跨距 L 的确定 合理确定主轴主要支承间的跨距 L，是获得主轴部件最大静刚度的重要条件之一。 支承跨距过小， 主轴的弯曲变形固然较小， 但因支承变形引起主轴前轴端的位移量增大； 反之，支承跨距过大，支承变形引起主轴前轴端的位移量尽管减小了，但主轴的弯曲变 形增大，也会引起主轴前端较大的位移。因此存在一个最佳跨距 0 L，在该跨距时，因主 轴弯曲变形和支承变形引起主轴前轴端的总位移量为最小。一般取 0 L=（23.5）a， 本文所设计的主轴暂取 L=2.5a=360，但是实际结构设计时，由于结构上的原因，以及支 承刚度因磨损会不断降低，主轴主要支承间的实际跨距 L 往往大于最佳跨距 0 L。 3.2.5 选择轴的材料和热处理方法 选择轴的材料为 40Cr， ，经调质处理, 其机械性能有设计手册查得 700 b Mpa，500 s Mpa， 1 185Mpa 查机械设计手册得 1 190 b Mpa 3.2.6 初选轴承 本文所设计的铣床主要用于铣削平面和打孔，轴承承受径向载荷，还承受不大的轴 向载荷，故选择单列圆锥滚子轴承背对背的组合。根据工作要求及后轴颈的直径(为 50mm)，由轴承产品目录中选取型号为 32010 的单列圆锥滚子轴承，其尺寸（内径 外 径 宽度）为 d D b=50 80 20。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 3.3 轴的结构设计 3.3.1 拟定轴上零件的装配方案 根据主轴箱的结构、轴上零件定位、加工要求以及不同的零件装配方案， ，参考轴 的结构设计的基本要求，得出如图所示的轴结构。 图图 3-2 主轴的结主轴的结构构 如图 3-2 中，拉杆与 BT50 拉刀抓连接，从右侧装入内孔，然后再装入 BT50 刀柄； 齿轮、轴承、套筒、轴承套以及电磁铁固定架从左侧装入，法兰盖从右侧装入，与轴承 套用螺钉连接。 3.3.2 确定轴各段的直径 根据前面的计算知：最小直径 D=45mm，小轴承用锁紧螺母进行轴向固定，所以取 轴段 1 外螺纹的直径 M1=45mm；根据轴承的型号以及与轴的配合关系，取轴段 2 的直 径 2 D=50mm。 轴段 4 处装小齿轮，承受很大的径向力，同时主轴是空心的，考虑到主轴的整体刚 性，取轴段 4 的直径 4 D=75mm，小齿轮用锁紧螺母压紧，则轴段 4 的直径比轴段 3 的 直径大 23mm，所以取轴段 3 处的外螺纹直径 M4=72mm。 轴段 5 上有两个轴套，轴套左侧用于定位小齿轮，中间用来压紧和定位电磁铁固定 架，考虑到拆卸方便，轴段 5 要比轴段 4 大 23mm，同时要比轴段 6 小 23mm 因此 取轴段 5 的直径 5 78Dmm，轴段 6 的直径 6 80Dmm。 大齿轮主要靠轴段 7 的轴肩来定位的，为了保证定位可靠，轴段 7 要比轴段 6 的直 89101234567 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 径大 510mm，但是考虑到主轴前端的内孔交大，因此取轴段 7 的直径为 7 92Dmm。 轴段 8 是前轴颈，主轴的直径因与轴承的内径相等，考虑到轴承的型号以及与主轴 的配合关系，取轴段 8 的直径 8 95Dmm，轴承的型号为 32109。 主轴前端内孔采用 7：24 的锥度，装 BT50 的刀柄，内孔较大，取轴段 10 的外径 10 127Dmm，轴段 9 主要起定位作用，因比轴段 10 大 510mm，因此取轴段 9 的直 径为 9 137Dmm。 3.3.3 确定各轴段的长度 轴段 4 和 6 的长度要比轮毂宽度（38mm）短 23mm，故这两处轴段的长度取为 36mm。其中轴段 4 不包括退刀槽的长度。 轴段1和3有外螺纹， 装径向锁紧螺母， 故轴段1和3的长度比锁紧螺母长23mm， 取轴段 1 的长度为 15.7mm，轴段 3 的长度为 18.2mm 轴段 7 主要与轴承套配合， 压紧轴承， 为了保证轴承套与大齿轮之间有一定的间隙， 取轴段 7 的长度为 25mm；轴段 8 是后轴颈，所选轴承的宽度 B=32mm，轴承挡环的宽 度 T=8mm，故取轴段 8 的长度为 44mm。 轴段 9 是一个轴肩，主要起定位作用，取轴段 9 的长度为 11 即可；主轴的前端面 要装端面键， 同时主轴前端要留下装切削液喷头的位置， 因此取轴段 10 的长度为 69mm。 主轴内孔要装拉杆、拉刀抓及 BT50 刀柄，整体装配起来应该让拉杆不要伸出主轴 内孔太长，否则铣床的整体动刚度不好，根据主轴和主动轴的整体装配关系，取轴段 1 的长度为 75.4mm，轴段 5 的长度为 209mm。 综上所述，主轴的跨距 L373mm，悬伸量=96mm 3.3.4 轴向零件的周向固定 齿轮、电磁铁固定架与轴的周向定位均采用半圆键联接。对于齿轮，由手册查得半 圆键的截面尺寸宽 高 直径=10 13 32(GB/T1098-2003)，键槽用键槽铣刀加工，长为 29.7mm(标准键长见 GB1096-79)；对于电磁铁固定架，由手册查得半圆键的截面尺寸宽 高 直径=6 9 22(GB/T1098-2003)，键槽用键槽铣刀加工， 长为 29.7mm(标准键长见 GB1096-79)，轴承与轴的周向定位是采用过盈配合来保证的。 3.3.5 确定轴上倒角和退刀槽的尺寸 取主轴前端的倒角为4 45 ，其余倒角 1 45 ；所有退刀槽的尺寸为 2 1 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 3.4 主轴刚度的计算 轴在载荷作用下，将产生弯曲和扭转变形。若变形量超过允许的限度，就会影响轴 上零件的正常工作，甚至会破坏铣床的工作性能。因此在设计重要轴时，必须检验轴的 变形量，这在轴的设计中称为刚度计算。 刚度计算包括扭转刚度计算和弯曲刚度计算两种。前者以扭转角 来度量；后者以 挠度 y 和截面转角 来度量。本文以弯曲刚度校核，查机械设计手册知：y=0.00025L； 圆锥滚子轴承处的偏转角0.0016rad。 3.4.1 主轴的简化和弯曲刚度的计算 1、如主轴前后轴承颈之间有数段组成，则当量直径 d d= l ldldld nn 2211 式中： 1 d、 1 l； 2 d、 2 l； n d、 n l分别为各段的直径和长度 l总长，l= 1 l+ 2 l+ n l（mm） 50 15.572 21.275 3878 20980 3692 2595 28.3 78.6 373 dmm 2、主轴切削力 切 F的计算 根据公式 P= 切 Fv得： 切 F= v P ，则当线速度v最小时，切削力最大 vmin= 601000 nmin D = 601000 4010014. 3 =0.21m/s 切 F= v P = 21, 0 4 . 5 =25.7KN 3、挠度的计算 主轴的前悬伸部分较粗，刚度较高，其变形可以忽略不计。后悬伸部分不影响刚度。 当主轴前端作用一外载 切 F，则挠度 y= EI laF 3 2 切 （mm）= EI laF 3 2 切 10 3 （m） 式中 切 F典型切削工艺的切削力 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 a前悬伸，等于载荷作用点至前支承点间的距离（mm） l跨距，等于前后支承之间的距离（mm） E弹性模量，钢取2 10 5 （Mpa） I截面惯性矩，I=0.05（ 4 d- 4 i d）（mm 4 ） d， i d主轴的外径和孔径（mm） 将 E 和 I 的值待人，可得 y= )(30 44 2 i dd laF 切 = ）（ 44 23 326 .7830 37396107 .25 =79m0.0002L=0.09325mm 4、偏转角 主轴切削工件时承受很大的切削力，主轴前端产生弯曲变形，查机床设计手册得 D )32( 6 al EI aF 切 式中 D 主轴前端偏转角(rad) 切 F、a、l、E、I 与前面相同 代入数据得 3 544 25.7 1096 6 2 100.0578.632 D （） (2 373+3 69)0.0011 rad 所以 D =0.0016 rad 综上所述 主轴的刚度满足条件，不必重新设计。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第四章 齿轮传动设计与计算 一般，设计齿轮传动时，已知的条件是：传递的功率 P=5.4kw，转速 n=20r min6000rmin，传动比暂取 i=1.78；预定的寿命 5 年，每年工作 300 天，每天 24 小 时。 设计开始时，往往不知道齿轮的尺寸和参数，无法准确定出某些系数的数值，因而 不能进行精确的计算。所以通常需要先初步选择某些参数，按简化计算方法初步确定出 主要尺寸，然后再进行精确的校核计算。当主要参数和几何尺寸都已经合适之后，再进 行齿轮的结构设计，并绘制零件工作图。 4.1 主要参数的选择 1、模数 m 模数由强度计算或结构设计确定，要求圆整为标准值，传递动力的齿 轮传动 m2。初步确定模数时，对于软齿面齿轮(齿面硬度)350HBS）外啮合传动 m= （0.0070.02）a；载荷平稳，中心距过大时取小值，本文所设计的主轴传动暂定中心 距 a=150mm，因此取模数 m=0.015a=2.25mm，将模数圆整到标准值，取 m=2.5mm。 2、螺旋角 角太小，将失去斜齿轮的优点；但太大将会引起很大的轴向力。一 般取 =8 0150，此处取 =130。 3、齿数 z 当中心距一定时，齿数取多，则重合度 a 增大，改善了传动的平稳性。 同时，齿数多则模数小、齿顶圆直径小，并且又能减小金属切削量，节省材料，降低加 工成本。但是齿数增多则模数减小，齿轮的抗弯强度降低，因此，在满足抗弯强度的条 件下，宜取较多的齿数。 4.2 齿轮的设计与计算 4.2.1、选择材料 查机床设计手册，小齿轮：20CrMnTi，渗碳淬火，硬度 4555HRC 大齿轮：20CrMnTi，渗碳淬火，硬度 4555HRC 按 MQ 级质量要求取值， 查得 lim1H =780N/mm 2 ， lim2H =820N/mm 2 ； 1FE =620 N/mm 2 ， 2FE =640 N/mm 2 。 4.2.2 有关参数和系数的确定 载荷系数 K 查表取 K =1.4 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 齿宽系数 a 查设计手册取 a =0.25 4.2.3 中心距及主要参数的确定 确定齿轮啮合时的中心距 a=150mm 按经验公式， n m=(0.0070.02)a=(0.0070.02) 150mm=1.053 取标准模数 n m=2.5mm 初取 =13 0，cos=cos130=0.9744 初取齿数比 =1.78 1 z= 2 cos (1) n a m = ) 178. 1 (5 . 2 9744. 01502 =42.06 取z 1=42，则z2=z1=1.78 42=74.76，则取2 z=75 精求螺旋角 cos= 12 () 2 n m zz a = 1502 )7542(5 . 2 =0.975 即 =arccos0.975=12 048 24 ，此值与初选 值相差不大，故不必重新计算。 传动比 i= 2 1 z z = 42 75 =1.786，此值与初选齿数比相差不大，故不必重新计算 4.2.4 许用弯曲应力 F 1、当量齿数 v z为： 1v z= 3 1 cos z = 3 975. 0 42 =45.3 2v z= 3 2 cos z = 3 975. 0 75 =80.9 根据当量齿数查得：齿形系数 1F Y=2.37， 2F Y=2.25 应力修正系数 1S Y=1.69， 2S Y=1.77 2、应力循环次数 2 N=60nj h L=60 1200 1 （5 330 24）=2.85 10 9 1 N= 2 Ni=2.85 10 9 1.786=5 109 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 根据 1 N、 2 N查得： 1N Y=0.86， 2N Y=0.88 3、查机械设计手册得：安全系数 F S=1.4 根据公式 F = limNF F Y S 得：许用弯曲应力 F 1= 1limNF F Y S = 4 . 1 64086. 0 =393Mpa F 2= 2limNF F Y S = 4 . 1 62088. 0 =389Mpa 4.2.5、主要尺寸的计算 分度圆直径 d： 1 d= 1 cos n m z = 975. 0 425 . 2 =107.7mm 2 d= 2 cos n m z = 975. 0 755 . 2 =192.3mm 齿宽 b b= a a=0.25 150=37.5mm 取 1 b= 2 b=38mm 4.2.6 校核齿面接触疲劳强度 H =3.17 E Z 2 1 (1)KT bd H 确定有关系数和参数 1、许用接触应力 H 查机械设计手册得 lim1H = lim2H =850Mpa，安全系数 H S=1.2 根据 1 N、 2 N查得zN1=0.86，zN2=0.88 许用弯曲应力 H 1= 1lim1NH H Z S = 2 . 1 85086. 0 =609Mpa 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 H 2= 2lim2NH H Z S = 2 . 1 85088. 0 =623Mpa 查设计手册得：弹性系数 E Z=189.8，故 H =3.17 189.8 786. 17 .10738 ) 1786. 1 (10438. 34 . 1 2 4 =246.7Mpa H H 1，齿面接触疲劳强度合格。 4.2.7 验算齿轮圆周速度v v 1max = 1max 60 1000 d n = 3.14 107.7 6000 60 1000 =22.5m/s v 2max = 2max 60 1000 d n = 3.14 192.3 6000 60 1000 =40.25m/s 查机械设计手册知选择 6 级精度即可 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第五章 轴承的设计与计算 本文所设计的数控铣床主要用于铣削平面和打孔，轴承承受径向载荷的同时，还承 受不大的轴向载荷，根据轴承承受载荷的特性，选择单列圆锥滚子轴承的背对背的组合 方式。 查轴承手册得：32010 型轴承基本额定动载荷 Cr=61KN，e=0.42，Y =1.4。 32109 型轴承基本额定动载荷 Cr=175KN，e=0.44，Y =1.4。 5.1 轴承当量动载荷的计算 5.1.1 切削力的计算 根据公式 P= 切 Fv得： 切 F= v P ，根据典型切削工艺取 n=1200r/min v= 601000 Dn = 601000 120010014. 3 =6.28m/s 切 F= v P = 28. 6 4 . 5 =0.86KN 5.1.2 径向力的确定 单列圆锥滚子轴承背对背组合，如图 5-1 所示，可知： 1r F= 373 96 F切= 373 96 0.86=0.22KN 2r F= 1r F+F切=0.22+0.86=1.08KN 图图 5-1 轴承受载示意图轴承受载示意图 5.1.3 计算两轴承的派生轴向力 s 查机械设计手册得，单列圆锥滚子轴承的派生轴向力为 S= r F/(2Y)，则 1 S= 1 2 r F Y = 0.22 2 1.4 =0.08KN 2 S= 2 2 r F Y = 4 , 12 08. 1 =0.39KN FA F切 Fr2 Fr1 S2 S1 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 5.1.4 计算两轴承的轴向载荷 轴承外加的轴向力2 A FK