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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 编号 XXXXXX 大学大学 毕 业 设 计 题 目 五轴高速加工中心总体布局及主轴部件设计五轴高速加工中心总体布局及主轴部件设计 学生姓名 学 号 学 院 专 业 班 级 指导教师 陈柏 副教授 2012-05-13 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 XXX 大学大学 本科毕业设计（论文）诚信承诺书本科毕业设计（论文）诚信承诺书 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） （题目：五轴高速加工中心总体 布局及主轴部件设计）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。尽本 人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论 文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 作者签名： 年 月 日 （学号） ： 毕业设计（论文）报告纸 i 五轴高速加工中心总体布局及主轴部件设计五轴高速加工中心总体布局及主轴部件设计 摘摘 要要 五轴加工中心主要由主轴组件、回转工作台、移动工作台、刀库及自动换刀装置以 及其它机械功能部件组成。其中的主轴组件是机床重要的组成部分，其运动性能直接影响机 床加工精度与表面粗糙度。本文在查阅大量国内外文献的基础上，通过研究分析不同加工中 心主轴组件的性能，综合地比较了其特点，并拟定了一个较为合理的主轴组件结构方案。同 时，还就主轴、轴承以及丝杠等重要零件的机械性能进行了探讨，并对这些零件的刚度和强 度进行了校核。此外，本设计中所采用的陶瓷轴承能有效地增加主轴的刚度，从而提高了加 工中心的可靠性和稳定性。 关键词：关键词：主轴组件，五轴加工中心，数控机床 、 毕业设计（论文）报告纸 ii Abstract Machining centers are equipped with spindle units, rotary workbench, moving workbench, tool magazines and automatic tool changers, and other mechanical function components. Spindle unit is the important motion part of the metal cutting machine tool. Its movement behavior affects the machining accuracy and surface roughness of part to be machined. Through referring to a variety of technical literatures, the characteristics of some kinds of spindle units are compared with each other based on analysis and research work on different machining centers. A reasonable scheme can be studied out. Meanwhile, the mechanical behaviors of principle parts such as the spindle, bearings and lead screw are discussed. Their rigidity and strength are calculated and examined here. Morever, a kind of advanced ceramic bearings is introduced into the spindle unit, which can effectively enhance the rigidity of spindle units. They will improve the reliability and stability of machining centers. Key words：spindle unit，Five axis machining center，NC machine tool 毕业设计（论文）报告纸 iii 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 第一章 引 言 . - 1 - 1.1 题目来源与分析 . - 1 - 1.2 研究目的 . - 1 - 1.3 课题研究的意义 - 2 - 第二章 五轴高速加工中心总体布局方案设计 . - 3 - 2.1 五轴高速加工中心的结构组成 - 3 - 2.2 五轴高速加工中心主要结构形式 - 4 - 2.3 五轴高速加工中心主要性能参数 - 4 - 2.4 五轴高速加工中心总体布局方案初步拟定 - 5 - 2.5 五轴高速加工中心总体布局方案比较 - 6 - 2.6 五轴高速加工中心总体结构布局 - 7 - 第三章 主轴组件的主运动部件的设计计算 - 11 - 3.1 加工中心主轴组件总体设计方案的确定. - 11 - 3.2 主轴. - 13 - 3.2.1 主轴的结构设计 - 13 - 3.2.2 主轴受力分析 - 16 - 3.2.3 主轴的强度校核 - 20 - 3.2.4 主轴的刚度校核 - 21 - 3.3 主轴组件的支承. - 22 - 3.3.1 主轴轴承的类型 - 22 - 3.3.2 主轴轴承的配置 - 25 - 3.3.3 主轴轴承的预紧 - 26 - 3.3.4 主轴支承方案的确定 - 28 - 3.3.5 轴承的配合 - 28 - 3.3.6 主轴轴承设计计算 - 29 - 3.4 同步带的设计计算. - 31 - 3.5 主轴组件的润滑与密封. - 34 - 3.5.1 主轴组件的润滑 - 35 - 3.5.2 主轴组件的密封 - 35 - 3.5.3 本课题的润滑与密封方案的确定 - 37 - 3.6 键的设计计算. - 38 - 3.6.1 主轴上的键 - 38 - 3.7 液压缸的设计计算. - 39 - 第四章 主轴组件的进给运动部件 . - 42 - 毕业设计（论文）报告纸 iv 4.1 进给电动机的选用. - 42 - 4.1.1 进给电动机功率的估算 - 42 - 4.1.2 进给电动机的选用 - 42 - 4.2 联轴器的设计计算. - 43 - 4.3 垂直方向伺服进给系统的设计计算. - 43 - 4.3.1 切削力估算 - 43 - 4.3.2 滚珠丝杠副的设计计算 - 44 - 结论 . - 51 - 致 谢 - 52 - 参考文献 . - 53 - 毕业设计（论文）报告纸 - 1 - 第一章第一章 引引 言言 1.1 题目来源与分析题目来源与分析 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控 技术及装备是发展高新技术产业和尖端工业（如：信息技术及其产业，生物技术及其产 业，航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。制造技术和装备是人类 生产活动的最基本的生产资料，而数控技术则是当今先进制造技术和装备最核心的技术。 当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场 的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家 的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数 控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。 数控机床技术的发展自 1953 年美国研制出第一台三坐标方式升降台数控铣床算起， 至今已有 53 年历史了。20 世纪 90 年开始，计算机技术及相关的微电子基础工业的高速 发展，给数控机床的发展提供了一个良好的平台，使数控机床产业得到了高速的发展。 我国数控技术研究从 1958 年起步，国产的第一台数控机床是北京第一机床厂生产的三坐 标数控铣床。虽然从时间上看只比国外晚了几年，但由于种种原因，数控机床技术在我 国的发展却一直落后于国际水平，到 1980 年我国的数控机床产量还不到 700 台。到 90 年代，我国的数控机床技术发展才得到了一个较大的提速。目前，与国外先进水平相比 仍存在着较大的差距。 总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济 发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。 1.2 研究目的研究目的 本课题的五轴联动数控是数控技术中难度最大、应用范围最广的技术，它集计算机 控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于表面形状特别复杂而精度要求相 当高的工件的加工，具有高技术、高效率、高效益等特点，是目前机械加工领域的“制 高点” 。在发达国家，许多有实力的数控机床制造公司都以五轴联动技术为攻关课题进行 毕业设计（论文）报告纸 - 2 - 研究，近些年来已应用得较为普遍和成熟。但其核心技术对外实行严格的技术封锁。我 国在加快经济发展的新形势下，目前像宇航、军工、造船、机车等许多重点领域及行业 急需这种装备，因而开发研制拥有自主知识产权的五轴联动数控机床，进而提升国内制 造业装备水平己成为当务之急。但对于汽车工业、航天航空工业、船舶工业、兵器工业 急需的高速、高精、复合、多轴联动的数控机床，如五轴联动的立卧转换加工中心、高 速加工中心、精密加工中心、五轴龙门加工中心、高精度数控机床、高性能车削中心、 高精度电加工机床等，有的处于攻关阶段，有的还处于试制和试生产阶段，与国外同类 产品相比尚有不小差距。国际上把五轴联动数控技术作为一个国家生产设备自动化水平 的标志。由于其特殊的地位，特别是对于航空、航天、军事工业的重要影响，以及技术 上的复杂性，西方工业发达国家一直把五轴数控系统作为战略物资实行出口许可证制度， 对我国实行禁运。因而，研究五轴数控加工技术对国家科技力量和综合国力的提高有重 要意义。 1.3 课题研究的意义课题研究的意义 目前由于五轴联动数控机床系统价格十分昂贵， 加之 NC 程序制作较难， 使五轴系统 难以“平民”化应用。但近年来，随着计算机辅助设计（CAD） 、计算机辅助制造（CAM） 系统取得了突破性发展，珊星公司等中国多家数控企业，纷纷推出五轴联动数控机床系 统，打破了外国的技术封锁，占领了这一战略性产业的至高点，大大降低了其应用成本， 从而使中国装备制造业迎来了一个崭新的时代！以信息技术为代表的现代科学的发展对 装备制造业注入了强劲的动力，同时也对它提出更强要求，更加突出了机械装备制造业 作为高新技术产业化载体在推动整个社会技术进步和产业升级中无可替代的基础作用。 作为国民经济增长和技术升级的原动力，以五轴联动为标志的机械装备制造业将伴随着 高新技术和新兴产业的发展而共同进步。中国不仅要做世界制造的大国，更要做世界制 造强国！预计在不久的将来，随着五轴联动数控机床系统的普及推广，必将为中国成为 世界最强国奠定坚实的基础！ 毕业设计（论文）报告纸 - 3 - 第二章第二章 五轴高速加工中心总体布局方案设计五轴高速加工中心总体布局方案设计 2.1 五轴高速加工中心的结构组成五轴高速加工中心的结构组成 加工中心自问世至今已有 30 多年，世界各国出现了各种类型的加工中心，虽然外形 结构各界，但从总体来看主要由以下几大部分组成。 图 2.1 五轴高速加工中心结构组成 1、基础部件。它是加工中心的基础结构，由床身、立柱和工作台等组成，它们主要 承受加工中心的静载荷以及在加工时产生的切削负载，因此必须要有足够的刚度。这些 大件可以是铸铁件也可以是焊接而成的钢结构件，它们是加工中心中体积和重量最大的 部件。 2、主轴部件。由主轴箱、主轴电动机、主轴和主轴轴承等零件组成。主轴的启、停 和变速等动作均由数控系统控制，并且通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加 工的功率输出部件。 3、数控系统。加工小心的数控部分是由 cNc 装置，可编程控制器、伺服驱动装置以 及操作面板等组成。它是执行顺序控制动作和完成加工过程的控制中心。 4、自动换刀系统。由刀库、机械手等部件组成。当需要换刀时，数控系统发出指令， 由机械手(或通过其他方式)将刀具从刀库内取出装入主轴孔中。 5、辅助装置。包括涡滑、冷却、排屑、防护、液压、气动和检测系统等部分。这些 装置虽然不直接参与切削运动，但对加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起着保障 毕业设计（论文）报告纸 - 4 - 作用，因此也是加工中心中不对缺少的部分。 2.2 五轴高速加工中心主要结构形式五轴高速加工中心主要结构形式 图 2.2 五轴高速加工中心结构设计 2.3 五轴高速加工中心主要性能参数五轴高速加工中心主要性能参数 本课题研制的五轴高速加工中心的主要技术性能参数如下:工作台尺寸:600x400 毕业设计（论文）报告纸 - 5 - (mm);X,Y,Z 行程:600x560x400(mm); 导轨尺寸 X/Y/Z：45 mm /35 mm /35 mm ； 丝杠尺 寸 X/Y/Z：40 mm /32 mm /25 mm ；Z 向快速移动速度:30(m/min);X , Y 向快速移动速 度:30(m/min);主轴最大转速:22000(r/min);主轴电机最大功率:16(kw);刀库容量:20(把);定位 精度:土 0.025(mm);重复定位精度:土 0.01 (mm);主轴锥孔:ISO/BT40;换刀时间：间:8(s/次); 外形尺寸:2597x1620x1460(mm)。 随着国民经济飞速发展，制造业向着高、精、尖方向发展，特别是汽车、船舶、纺 织、电子技术、航空航天的迅猛发展，对机床的精度和生产率要求也越来越高，急需一 大批加工精度高、主轴转速 22000r/min 以上、快移速度大于 30m/min 的高效高精机床。 所谓多轴铣，即是在加工过程中，除提供沿 X、Y、Z 方向的线性移动外，还提供绕 X 轴、Y 轴、Z 轴的转动，具有四轴铣加工和五轴铣加工的数控机床统称为多轴铣加工机 床。 双旋转工作台式五轴机床，该机床是通过工作台的旋转和翻转来实现五轴联动加工 的。通常被用于小型五轴机床，由于是工作台的转动，所以节省了 X、Y、Z 轴的线性行 程。这类机床通常适合加工小型工件，例如叶轮，模具等。 2.4 五轴高速加工中心总体布局方案初步拟定五轴高速加工中心总体布局方案初步拟定 方案一：采用立式加工中心，龙门式结构。二个转动坐标轴均由复合主轴头来实现， 即主轴头回转，主轴头摆动。主轴前端是一个回转头，能自行环绕 Z 轴 360 度，成为 C 轴，回转头上还有带可环绕 X 轴旋转的 A 轴，一般可达90 度以上，实现除底面剩余五 个面的加工。这种方案的优点是主轴加工非常灵活，工作台也可以设计的非常大，客机 庞大的机身、巨大的发动机壳都可以在这类加工中心上加工。缺点是主轴的回转结构比 较复杂，制造成本也较高。 图 2.4.1 济南二机床集团公司开发生产的龙门移动式大型五轴联动数控铣床 方案二：采用立式加工中心，龙门式结构，X、Y、Z 三轴移动式，对于旋转轴，采 毕业设计（论文）报告纸 - 6 - 用工作台回转和工作台摆动来实现，是中、小型五轴加工机床采用较多的一种结构型式。 优点是有精确较高的机械传动精度以及较高的转速及精度。其缺点是在需要工作台有较 高的转动进给速度和加速度时，所承受的工作重量受到一定限制（见图 3.3） 图2.4.2 工作台回转的五轴加工中心 2.5 五轴高速加工中心总体布局方案比较五轴高速加工中心总体布局方案比较 方案一：优点是主轴加工非常灵活，工作台也可以设计的非常大，客机庞大的机身、 巨大的发动机壳都可以在这类加工中心上加工。缺点是主轴的回转结构比较复杂，制造 成本也较高。 方案二：优点是有精确较高的机械传动精度以及较高的转速及精度。其缺点是在需 要工作台有较高的转动进给速度和加速度时，所承受的工作重量受到一定限制. 加工中心的总体布局应当使机床能够实现加工所需的运动要求和加工功能，并且具 有良好的精度、刚度、抗振性和热稳定性等结构性能。还要尽量使其便于操作、结构简 单紧凑、外形美观等。 经过对不同运动方案和各部件的设计方案的定性分析比较确定该教育型小型立式加 工中心的总体设计方案为:采用固定立柱，电主轴通过安装座安装在立柱导轨的滑座上， 立柱导轨采用滚动导轨，可以实现 Z 方向的进给运动。由 X-Y 双向精密数控工作台带动 工件完成 X, Y 两个方向的进给运动;X, Y, Z 三个方向的进给运动均滚珠丝杠， 并由交流伺 服电机驱动。导轨、滚珠丝杠有相应的润滑、防护等装置。 考虑到卧式加工中心品种较多、加工范围较广，所以确定基本机型为立式如图 2.5.1 所示为加工中心的基本型简图， 毕业设计（论文）报告纸 - 7 - 图 2.5.1 加工中心的基本型简图 其由数控动力单元模块 1、工作台模块 2、刀库模块 3、电器柜模块 4、底座模块 5、 冷却积屑模块等组成。 (1)立式数控动力单元模块该模块由水平面内十字拖板及立柱、 主轴箱组成立柱在 十字板上作 x、z 向移动，主轴箱在立柱上作 Y 向移动，它包括了加工中心的主运动和 3 个直线坐标运动，由于立柱移动，运动部件质量较大，为此，选用了大扭矩进给伺服电 机，丝杆则用预拉结构以提高进给系统的刚度，并适当加大导轨面之间的跨距，保证立 柱在全程上均无悬伸现象。 (2)工作台模块 由于采用动柱式结构，工作台不再有直线的坐标运动，该模块由工 作台座和固定工作台组成。 (3)刀库模块采用斗笠式结构带来的优点是由于主轴本身能进行 X、Y、Z 轴的进给 运动，由机械手就能直接换刀，刀库可以采用固定的链式刀库，无任何附加运动，换刀 的可靠性大大提高；同时由于刀具结构的简单，降低了成本，使机床具有较高的性能价 格比。共 10 个刀位，基本满足加工的要求。 2.6 五轴高速加工中心总体结构布局五轴高速加工中心总体结构布局 典型的金字塔式结构，宽的导轨和低的重心，适合线性轴的高速运动和高加速运动。 坐标的运动速度可在 0.1 秒内由 0 加速到 30m/min。 该设计是三直线轴加二旋转轴机床，直线轴的运动惯量保持恒定，这是因为考虑到 高速运动的特殊性。这样机床承重大；机床的运动单元的惯量是常数，线性轴电机一直 在最佳的工作状态下运行，即不因改变加工工件的大小而改变电机的特性。 毕业设计（论文）报告纸 - 8 - 考虑到高速运动的特殊性，在保证机床足够刚性的前提下尽量减少运动惯量，以便 最大程度提高坐标固有频率，从而得到更高的闭环增益，使得机床在高速加工中的跟踪 误差趋于最小值，最终提高加工的精度和质量。 为保证机床的精度稳定，床身、立柱、滑座、主轴箱等都采用有限元分析，应用高 阻尼性能的优质铸铁制造；合理的截面设计和筋格布置，尽量避免行程中出现不合理的 悬臂状态；导轨采用高刚性滚柱导轨，安装基面精密刮研。 采用立式加工中心，铸铁床身，采用可调螺栓支撑形式。 本设计打破通常机床结构形式，床身采用三点支撑，高刚性设计，使机床调整简单， 不依赖于地基，机床可不需特殊地基而直接安装在水泥地坪上。床身用基于无弯矩的力 流原理的特殊筋板设计，保证其上构件在运动过程中，负载重心和切削点始终不离开三 点支撑的范围，并有足够的支撑刚度，有利于保持精度的稳定。 图 2.6.1 床身结构图 滑座采用顶置式结构，其特点为高刚性轻型设计，使运动单元灵活，适应高速要求。 滑座沿立柱导轨作 X 向运动，加长导轨支撑长度，运动时滑座始终不离开导轨，易保证 直线度、定位精度和加工精度。工作台只作单方向(Y 向)移动，与十字工作台结构相比移 动部件轻，且承重大，设计承重大于 800kg。另外工作台沿导轨方向运动，结构刚性好， 运动精度高，避免了传统机床工作台移动到两端後直线度降低或超差问题。扁长的主轴 箱结构，使主轴重心尽量靠近 X 向导轨，主轴中心与导轨距离 295mm，比传统机床减少 五份之二，这样主轴悬伸小，受弯矩小。另外导轨安装在主轴箱上，滑块在滑座上，大 大增强了 Z 向刚性，提高了加工精度和运动稳定性，定位精度高。 (1)带分度工作台(或数控转台)的立式加工中心将固定工作台模块换成分度工作台 1 毕业设计（论文）报告纸 - 9 - 可进行多面加工；若换成数控转台，不但能多面加工，而且可旋转加工与直线坐标轴 联动。 图 2.6.2 工作台 (2)链式刀库有一转位动作，其刀库容量有 10 把如若换刀动作由坐标移动和刀库的 简单转位完成那么换刀的可靠性仍然较高，但换刀时间没有缩短。若在链式刀库和主 轴之间增加一换刀机械手，换刀的速度将大大提高。 图 2.6.3 自动换刀刀库 毕业设计（论文）报告纸 - 10 - (3)冷却排屑模块基本型冷却排屑模块，积屑箱由人工抬出清理。为带自动排屑机构 的冷却排屑模块 3，其根据切屑的材质又可分为磁滚式、刮板式。加工中心采用模块化设 计方法，设计不再只是针对一种产品，而是充分考虑扩展的可能、变型的可能，在结构、 尺寸等方面统筹考虑，留有空间，各部件间保持相对的独立性，设计出的一不再是。一 种产品，而是组系列产品。这样的产品具有配置灵活性大、制造成本低、供货周期短、 质量容易保证、维修方便等特点，适应市场的能力大大增强。 自动换刀系统采用机械手换刀，且刀库置于立柱侧面的底座上。刀库在底座上的转 动采用交流伺服电机，采用链式刀库，由链传动机构实现回转、分度和转位，由交流伺 服电机驱动。五轴高速加工中心总体结构布局示意图如图 2.6.4。 图 2.6.4 总体结构示意图 综合上述两种方案优缺点，方案一除工件一侧至少有一个移动坐标轴外，两个转动 坐标轴均由刀具一侧的复合主轴头来实现，这主要为大、重型机床所采用，产品主要适 用于汽车。航空航天、大电机组等行业的床身。箱体以及壳体的零件加工。方案二两个 回转坐标轴都在工作台一侧，在原三轴控制机床基础上配备数控摆动、回转工作台发展 而成，系中小型五轴加工机床采用较多的一种结构型式。所以最终采用方案二。 毕业设计（论文）报告纸 - 11 - 第第三三章章 主轴组件的主运动部件主轴组件的主运动部件的设计计算的设计计算 3.1 加工中心主轴组件总体设计方案的确定加工中心主轴组件总体设计方案的确定 本课题的总体设计方案现确定如下： 由于同步带无滑动，能保证固定的传动比，且传动效率高，允许的线速度较高，无 需安置在很良好的工作环境中，所以在主轴传动方式中选择同步带传动。但是需要注意 的是同步带的安装具有严格的要求。 在主轴的进给运动中，采用滚珠丝杠。其耐磨性好、磨损小，低速运行时无爬行、 无振动，能够很好地确保 Z 轴的进给精度。 由于加工中心具备自动换刀功能，所以在主轴组件中还应有主轴准停装置、刀具自 动夹紧机构以及切屑清除机构。在本课题中，主轴准停机构采用磁力传感器检测定向， 其不仅能够使主轴停止在调整好的位置上，而且能够检测到主轴的转速，并在加工中心 的操控面板上显示出来，方便机床操作者调整转速。 在换刀过程中，刀具自动夹紧机构也是不可获缺的一部分。它控制着刀杆的松紧， 使刀具在加工时能紧紧地固定在主轴上，在换刀时能轻松地卸载。本课题采用了液压缸 运行的方式，通过活塞、拉杆、拉钉等一系列元件的运动来达到刀杆的松紧目的。同时， 为了减少液压推力对主轴支承的磨损，在主轴的内部设置了一段碟形弹簧，使活塞对拉 杆的作用起到一个缓冲的作用。同时，在换刀过程中，活塞及拉杆的内部将被加工成中 空状。其间将通入一定的压缩空气来清除切屑。使刀杆和主轴始终具有很好的配合精度。 在伺服系统中，本课题在进给系统中选用直流伺服电动机，而在主运动系统中则选 用交流伺服电动机。由于交流伺服电动机具有电刷和换向器，需要常常维修，故不适合 于主运动系统中。 图 3.1 所示为本课题主轴组件结构示意图。 毕业设计（论文）报告纸 - 12 - 图 3.1 主轴组件结构示意图 1刀架；2拉钉；3主轴；4拉杆； 5碟形弹簧；6活塞；7液压缸；8、10行程开关； 9压缩空气管接头；11弹簧；12钢球；13端面键 毕业设计（论文）报告纸 - 13 - 3.2 主轴主轴 3.2.1 主轴的结构设计主轴的结构设计 主轴的主要参数是指：主轴前轴颈直径 1 D ；主轴内孔径d；主轴悬伸量a和主轴支 承跨距l，见图 4.1。 图 3.2 主轴主要参数示意图 3 .2.1.1 主轴轴径的确定主轴轴径的确定 主轴轴径通常指主轴前轴颈的直径，其对于主轴部件刚度影响较大。加大直径D， 可减少主轴本身弯曲变形引起的主轴轴端位移和轴承弹性变形引起的轴端位移，从而提 高主轴部件刚度。但加大直径受到轴承dn值的限制，同时造成相配零件尺寸加大、制造 困难、结构庞大和重量增加等，因此在满足刚度要求下应取较小值。 设计时主要用类比分析的方法来确定主轴前轴颈直径 1 D 。加工中心主轴前轴颈直径 1 D 按主电动机功率来确定，由表 3.11-62查得 mmD85 1 。 由于装配需要，主轴的直径总是由前轴颈向后缓慢地逐段减小的。在确定前轴径 1 D 后，由式 3.11-12可知前轴颈直径 1 D 和后轴颈直径 2 D 有如下关系： mmmmDD728585. 085. 0 12 3 .2.1.2 主轴内孔直径主轴内孔直径d的确定的确定 主轴内孔直径与机床类型有关，主要用来通过棒料，通过拉杆、镗杆或顶出顶尖等。 毕业设计（论文）报告纸 - 14 - 确定孔径d的原则是，为减轻主轴重量，在满足对空心主轴孔径要求和最小壁厚要求以 及不削弱主轴刚度的要求下，应尽量取大值。 由经验得知， 当 7 . 0 D d 时 （D是主轴平均直径） ， 主轴刚度会急剧下降； 而当 5 . 0 D d 时，内孔d对主轴刚度几乎无影响，可忽略不计，所以常取孔径d的极限值 max d 为： mmmmDd5 .59857 . 07 . 0 max 此时，刚度削弱小于 %25 。 按照任务书的要求及综合各轴段直径的实际大小，确定内孔直径 mmd52 。 3 .2.1.3 主轴端部形状的选择主轴端部形状的选择 机床主轴的轴端一般用于安装刀具、夹持工件或夹具。在结构上，应能保证定位准 确、安装可靠、连接牢固、装卸方便，并能传递足够的扭矩。目前，主轴端部的结构形 状都已标准化。 主轴悬伸量主轴悬伸量a的确定的确定 主轴悬伸量a是指主轴前端面到前支承径向反力作用中点（一般即为前径向支承中 点）的距离。它主要取决于主轴端部结构型式和尺寸、前支承的轴承配置和密封装置等， 有的还与机床其他结构参数有关，如工作台的行程等，因此主要由结构设计确定。 悬伸量a值对主轴部件的刚度和抗振性具有较大的影响。 因此， 确定悬伸量a的原则， 是在满足结构要求的前提下尽可能取小值，同时应在设计时采取措施缩减a值。 主轴支承跨距主轴支承跨距l的确定的确定 支承跨距l是指主轴相邻两支承反力作用点之间的距离。跨距l是决定主轴系统动、 静刚度的重要影响因素。合理确定支承跨距，是获得主轴部件最大静刚度的重要条件之 一。 最优跨距 0 l 是指在切削力作用下，主轴前端的柔度值最小时的跨距。其推导公式是 在静态力作用下进行的。实验证明，动态作用下最优跨距很接近于推得的最优值。 最优跨距 0 l 可按下列公式计算： 65. 5665. 138. 1 0 Kl （3.1） 毕业设计（论文）报告纸 - 15 - 式中： 3 1 2 1 16 k k k EI （3.2） 2 1 1 k k a K （3.3） 式中：a 主轴前端悬伸长，单位为cm； E 材料的弹性模量，单位为 2 cmN ； I 轴惯性矩，单位为 4 cm ； 1 k 前轴承刚度值，单位为 cmN ； 2 k 后轴承刚度值，单位为 cmN 。 按上式计算最优跨距 0 l ，计算过程如下： 44 64 ll dDI （3.4） 式中： l D 主轴跨距部分的平均直径，单位为mm； l d 主轴跨距部分的平均孔颈，单位为mm。 mmDDl82 mmmm L ld d ii l 43 600 2485218026323144429656 由式（3.4）得： 4 205cmI ；由参考文献6中图 3.11-11 确定 mNk900 1 ， mNk730 2 ；由主轴材料为 40Cr 查得材料的弹性模量 26 101 . 2206cmNGPaE ；由 主轴的结构形式确定主轴前端悬伸长 mma79 将上述参数值代入公式(3.2)(3.3)，得 cm862 ， 49K 将，K值代入公式（3.1） ，得 mml68615 0 毕业设计（论文）报告纸 - 16 - 按照结构设计的要求，取 mml336 。 由于 mmlmml68615336 0 ，故满足设计要求。 3.2.2 主轴受力分析主轴受力分析 轴所受的载荷是从轴上零件传来的。计算时，常常将轴上的分布载荷简化为集中力， 其作用点取为载荷分布段的中点。而作用在轴上的扭矩，一般从传动件轮毂宽度的中点 算起。 (a) (b) (c) 图 3.3 轴承受力图 主轴上的轴承采用一端固定，另一端游动的支承形式。图示 3.3a 为轴承在空间力系 的总受力图，它可分解为铅垂面（图 3.3b）和水平面（图 3.3c）两个平面力系。 由公式（3.1）得出切向铣削力 NF2046 切 径向负荷 NNFFr1 .716204635. 035. 0 切 切向负荷 NNFFt4 .184120469 . 09 . 0 切 毕业设计（论文）报告纸 - 17 - 轴向负荷 NNFFa15.10742046525. 0525. 0 切 图 3.4 静不定梁铅垂面分解图 由于此主轴的受力属于简单静不定梁类型，所以要以静不定梁的受力方法来解决问 题。图示 3.4 为静不定梁的铅垂面受力图。为了使其变形与原静不定梁相同，必须满足变 形协调条件，即要求 0 B 。 利用叠加法，得挠度为： al EI Fa EI lFr B 3 63 23 2 （3.5） 式中： vr F 2 径向（切向）负荷分力，单位为N； F 径向（切向）负荷，单位为N； E 材料的弹性模量， 26 101 . 2cmNE； I 轴惯性矩， 4 cm。 由公式（3.4）得 4 205cmI 。将 r FF ， vrr FF 22 代入公式（3.5） ，则铅垂面的挠度 为： 09 . 73 . 83 205101 . 26 9 . 71 .716 205101 . 22 3 . 8 6 2 6 3 2 Vr B F 得NF Vr 37.664 2 0798325383253253 12 rVrVr FFF 得NF Vr 21.384 1 0 321 rVrVrVr FFFF 得NF Vr 48.332 3 毕业设计（论文）报告纸 - 18 - 将 t FF ， Hrr FF 22 代入公式（3.6） ，则水平面的挠度为： 09 . 73 . 83 205101 . 26 9 . 74 .1841 205101 . 22 3 . 8 6 2 6 3 2 Hr B F 得NF Hr 39.1708 2 0798325383253253 12 tHrHr FFF 得NF Hr 97.987 1 0 321 tHrHrHr FFFF 得NF Hr 96.854 3 (a)机构草图 (b)受力简图 (c)水平面受力 (d)水平面弯矩图 (e)垂直面受力 (f)垂直面弯矩图 毕业设计（论文）报告纸 - 19 - (g)合成弯矩图 (h)转矩图 图 3.5 轴的结构和载荷图 A-B 段支承反力： 水平面：0 ABX F 垂直面：0 ABY F B-C 段支承反力： 水平面：)(96.854 3 NFF HrBCX 垂直面：)(48.332 3 NFF VrBCY C-D 段支承反力： 水平面：)(43.85396.85439.1708 32 NFFF HrHrCDX 垂直面：)(89.33148.33237.664 32 NFFF VrVrCDY D-E 段支承反力： 水平面：)(4 .184196.85439.170897.987 321 NFFFF HrHrHrDEX 垂直面：)( 1 .71648.33237.66421.384 321 NFFFF VrVrVrDEY 轴的受力简图、水平面及垂直面受力简图见图 3.5b、c、e。 A-B 段弯矩： 水平面：0 ABX M 垂直面：0 ABY M 合成：0 22 ABYABXAB MMM B-C 段弯矩： 水平面：)(30.216100353 3 mNFFM HrBCXBCX 垂直面：)(12.84100353 3 mNFFM VrBCYBCY 毕业设计（论文）报告纸 - 20 - 合成：)(08.23212.8430.216 2222 mNMMM BCYBCXBC C-D 段弯矩： 水平面：)(47.145100353436 32 mNFFFM HrHrCDXCDX 垂直面：)(57.56100353436 32 mNFFFM HrVrCDYCDY 合成：)(08.15657.5647.145 2222 mNMMM CDYCDXCD D-E 段弯矩： 水平面：)(00041. 0100436353515 312 mNFFFFM HrHrHrDEXDEX 垂直面：)(00133. 0100436353515 312 mNFFFFM VrVrVrDEYDEY 合成：)(0014. 000133. 000041. 0 2222 mNMMM DEYDEXDE 轴的水平面、垂直面及合成弯矩图见图 3.5d、f、g。 已知：小带轮的输出功率为 kW5 . 5 ，同步带的传动效率为 98. 0 。所以，大带轮的输 出功率为： )(39. 598. 05 . 5kWPP 小大 则大带轮的输出转矩为： )(16.17 3000 39. 5 95509550 2 mN n P T 大 轴的转矩图见图 3.5h。 3.2.3 主轴的强度校核主轴的强度校核 从合成弯矩图和转矩图上得知，主轴在截面 C、D 处承受了较大的弯矩，并且还受到 带轮传动所带来的扭矩。因此，这两个截面是危险截面。在校核主轴的强度时应按弯扭 合成强度条件进行计算。 轴的弯扭合成强度条件为 2 222 1 4 2 ca MT MT WWW （3.6） 式中： ca 轴的计算应力，MPa； 毕业设计（论文）报告纸 - 21 - W 轴的抗弯截面系数， 3 mm； 折合系数； 1 轴的许用弯曲应力，MPa； T 轴所受的扭矩，单位为mmN ； M 轴所受的弯矩，单位为mmN 。 轴的抗弯截面系数为 23 4 3 1 32 d W 式中：d 轴颈处直径，单位为mm； d d1 ，此处， 1 d为轴孔直径。 得)(56698 85 42 1 32 851416. 3 3 4 3 mmW 根据主轴材料为Cr40， 查得许用弯曲应力MPa70 1 。 按扭转切应力为脉动循环变应 力，取折合系数6 . 0。 将上述参数代入公式（3.7） ，则轴的计算应力为 )( 1 . 4 56698 171606 . 0232080 2 2 MPa ca 因为MPa ca 70 1 ，所以主轴的强度符合要求。 3.2.4 主轴的刚度校核主轴的刚度校核 轴在载荷作用下，将产生弯曲或扭转变形。若变形量超过允许的限度，就会影响轴 上零件的正常工作，甚至会丧失机器应有的工作性能。对于本课题的主轴，应该按轴的 弯曲刚度校核。轴计算刚度经验公式为 p rt yL IE FF y 3 22 1 48 （3.7） 式中： 1 y 轴的计算挠度，单位为mm； 毕业设计（论文）报告纸 - 22 - I 轴惯性量，单位为 4 mm ； E 轴所用材料的弹性模量，单位为 2 /N mm ； L 支承跨度，单位为mm； 1t F 轴所受圆周力，单位为N； 1r F 轴所受径向力，单位为N。 p y 轴的允许挠度，单位为 已知： NFt4 .1841 ， NFr1 .716 ， 4 205cmI ， 26 101 . 2cmNE ， mmL336 。 由表 15-1-4224查得轴的允许挠度为 )(0672. 03360002. 00002. 0mmLyp 将上述参数代入公式（3.7） ，则轴的计算刚度为 )(036. 0336 10205101 . 248 1 .7164 .1841 3 44 22 1 mmy 由于 p yy 1 ，所以轴能够满足刚度要求。 综上所述，轴的强度，刚度均符合校核要求。 3.3 主轴组件的支承主轴组件的支承 3.3.1 主轴轴承的类型主轴轴承的类型 机床主轴带着刀具或夹具在支承件中作回转运动，需要传递切削扭矩，承受切削抗 力，并保证必要的旋转精度。数控机床主轴支承根据主轴部件的转速、承载能力及回转 精度等要求的不同而采用不同种类的轴承。主轴轴承是主轴组件的重要组成部分，它的 类型、结构、配置、精度、安装、调整、润滑和冷却都直接影响了主轴组件的工作性能。 在数控机床上主轴轴承常用的有滚动轴承和滑动轴承。 滚动轴承摩擦阻力小，可以预紧，润滑维护简单，能在一定的转速范围和载荷变动 范围下稳定地工作。滚动轴承由专业化工厂生产，选购维修方便，在数控机床上被广泛 采用。但与滑动轴承相比，滚动轴承的噪声大，滚动体数目有限，刚度是变化的，抗振 性略差并且对转速有很大的限制。数控机床主轴组件在可能条件下，尽量使用了滚动轴 毕业设计（论文）报告纸 - 23 - 承，特别是大多数立式主轴和主轴装在套筒内能够作轴向移动的主轴。这时滚动轴承可 以用润滑脂润滑以避免漏油。图 3.6 所示为主轴常用的几种滚动轴承的类型。 (a)双列圆柱 (b)双列推力向 (c)双列圆锥滚 (d)带凸缘双列圆柱 (e)带弹簧的单 列圆 滚子轴承 心球轴承 子轴承 滚子轴承 锥滚子轴承 图 3.6 主轴常用的几种滚动轴承的类型 为了适应主轴高速发展的要求，滚珠轴承的滚珠可采用陶瓷滚珠。陶瓷滚珠轴承由 于陶瓷材料的质量轻，热膨胀系散小，耐高温，所以具有离心小、动摩擦力小、预紧力 稳定、弹性变形小、刚度高的特点。但由于成本较高，在数控机床上还未普及使用14。 数控机床主轴支承根据主轴部件的转速、承载能力及回转精度等要求的不同而采用 不同种类的轴承。不同类型主轴轴承的优缺点见表 3.1。 表 3.1 数控机床的主轴轴承及其性能 10 性 能 滚动轴承 液体静压轴承 气体静压轴承 磁力轴承 陶瓷轴承 旋转精度 一般或较高， 在 预紧无间隙时 较高 高，精度保持性 好 一般 同滚动轴承 刚 度 一般或较高， 预 紧后较高， 取决 于所用轴 高，与节流阀形 式有关，薄膜反 馈或滑阀反馈很 较差， 因空气可 压缩， 与承载力 大小有关 不及一般 滚动轴承 比一般滚动轴承 差 毕业设计（论文）报告纸 - 24 - 高 抗 振 性 较差，阻尼比 04. 002. 0 好，阻尼比 065. 0045. 0 好 较好 同滚动轴承 速度性能 用于中、低速， 特殊轴承可用 于较高速 用于各级速度 用于超高速 用于高速 用于中、高速， 热传导率低，不 易发热 摩擦损耗 较小， 008. 0002. 0 小， 001. 00005. 0 小 很小 同滚动轴承 寿 命 疲劳强度限制 长 长 长 较长 结构尺寸 轴向小， 径向大 轴向大，径向小 轴向大， 径向小 径向大 轴向小，径向大 制造难易 轴承生产专业 化、标准化 自制，工艺要求 高，需要供油设 备 自制， 工艺较液 压系统低， 需要 供气系统 较复杂 比滚动轴承难 使用维护 简单， 用油脂润 滑 要求供油系统清 洁，较难 要求供气系统 清洁，较易 较难 较难 成 本 低 较高 较高 高 较高 机床主轴轴承发展，经历了滚、陶、气浮、磁浮等阶段。滚动轴承发展到陶瓷轴承， 即钢球改为陶瓷球，滚道加 TiN 或 CrNi 金属。由于陶瓷球具有高刚度、高硬度、低密度 以及低热胀和低导热系数等特点，同时所用油脂为一次性，终身润滑，大大地提高了滚 动轴承的性能，所以被广泛采用。 目前，一般中小规格的数控机床（如车床、铣床、钻镗床、加工中心、磨床等）的 主轴部件多采用成组高精度滚动轴承重型数控机床采用液体静压轴承，高精度数控机床 （如坐标磨床）采用气体静压轴承，转速达 min/10102 4r 的主轴则可采用磁力轴承或 氮化硅材料的陶瓷滚珠轴承。数控机床的转速高，为减少主轴的发热，必须改善轴承的 润滑方式。在数控机床上的润滑一般采用高级油脂封入方式润滑，每加一次油脂可使用 107 年。 毕业设计（论文）报告纸 - 25 - 3.3.2 主轴轴承的配置主轴轴承的配置 根据主轴部件的工作精度、刚度、温升和结构的复杂程度，合理配置轴承，可以提 高主传动系统的精度。采用滚动轴承支承，有许多不同的配置形式，目前数控机床主轴 轴承的配置主要有如图 3.7 所示的几种形式。 (a) (b) (c) (d) 图 3.7 数控机床主轴轴承的配置形式 在图 3.7a 所示的配置中，前支承采用双列短圆柱滚