数控机床副主轴设计原理.doc

数控机床副主轴设计原理 摘要 随着我过国民经济的快速发展,数控机床在国内的应用越来越普遍,数控机床作为高效率自动化装备越来越广大应用,数控技术是集计算机技术,自动控制技术,测试控制技术,机械知道技术为一体的综合性高新技术,它将机械装备的功能,可靠性,效率,质量及自动化程度等提高到一个新的水平。数控机床的组成不见大致可以分为机械和电气两部分,机械部分通常称为机床本体,它由对主轴组件的主运动系统,进给系统,支撑系统和自动换刀系统组成。副主轴组件由副主轴,副主轴轴承和安装在主轴的传动件,密封件等组成。它直接带动工件或刀具参加表成形运动是机床上的一个关键组件。副主轴组件是机床主要部件之一,它的性能,对整机性能有很大的影响,副主轴直接承受切削力,速度范围很大,所以对副主轴组件的主要性能提出很高的要求。在数控机床中，不论是数控车床、钻床还是铣床，其主轴是最关键的部件，对机床精度起着至关重要的作用。因此如何正确地设计机床副主轴及其组件对机床加工精度的影响是至关重要的。关键字：Principle ABSTRACT With the national economy, I have the rapid development of CNC machine tools in China increasing application, CNC machine tools as an efficient application of the broad masses of more and more automated equipment, numerical control technology is a set of computer technology, automatic control technology, control of test Technology, machinery and technical know that a comprehensive and high-tech, machinery and equipment will function, reliability, efficiency, quality and degree of automation and so on to a new level. The composition of CNC machine tools not generally be divided into two parts, machinery and electrical and mechanical parts of the body are usually referred to as machine tools, which is the main axis of the main components of the Movement system, feeding system, support system and automatic tool changing system. Spindle assembly by the spindle, the spindle bearing and spindle installed in the transmission of documents, seals, and other components. Is the main component of the campaign spin machine to achieve the implementation of pieces, which led directly to work or participate in the tool table are Movement forming machine tools, a key component. Axis machine tool components is one of the major components, and its performance, on the whole a great performance, cutting force under the direct axis, the speed of a large area, so the main axis of the main components of the proposed high performance. In the CNC machine tools, both CNC lathes, milling or drilling, the spindle is the most critical components of precision machine tools play a crucial role. Therefore, how to properly design and components for machine tool spindle machining accuracy is essential. 目 录中文摘要ABSTRACT第1章 绪论5 第2章 数控机床副主轴传动系统设计15 2.1 设计的基本参数和资料15 2.2 副主轴的设计过程及加工工艺17第3章 数控机床副主轴组件结构设计21 3.1 副主轴组件的结构设计21第4章 总结29第5章 参考文献31第 1 章 绪论 1.1数控机床的应用从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求100%检验的零件。数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展以更适应生产加工的需要。1.2数控机床的发展趋势1.2.1高速化随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用，对数控机床加工的高速化要求越来越高。（1）主轴转速：机床采用电主轴（内装式主轴电机），主轴最高转速达200000r/min； （2）进给率：在分辨率为0.01m时，最大进给率达到240m/min且可获得复杂型面的精确加工；（3）运算速度：微处理器的迅速发展为数控系统向高速、高精度方向发展提供了保障，开发出CPU已发展到32位以及64位的数控系统，频率提高到几百兆赫、上千兆赫。由于运算速度的极大提高，使得当分辨率为0.1m、0.01m时仍能获得高达24240m/min的进给速度；（4）换刀速度：目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在1s左右，高的已达0.5s。德国Chiron公司将刀库设计成篮子样式，以主轴为轴心，刀具在圆周布置，其刀到刀的换刀时间仅0.9s。1.2.2高精度化数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度，机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。（1）提高CNC系统控制精度：采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化，并采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度（日本已开发装有106脉冲/转的内藏位置检测器的交流伺服电机，其位置检测精度可达到0.01m/脉冲），位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法； （2）采用误差补偿技术：采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术，对设备的热变形误差和空间误差进行综合补偿。研究结果表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60%80%；（3）采用网格解码器检查和提高加工中心的运动轨迹精度，并通过仿真预测机床的加工精度，以保证机床的定位精度和重复定位精度，使其性能长期稳定，能够在不同运行条件下完成多种加工任务，并保证零件的加工质量。1.2.3功能复合化复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的多种要素加工。根据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型两类。工艺复合型机床如镗铣钻复合加工中心、车铣复合车削中心、铣镗钻车复合复合加工中心等；工序复合型机床如多面多轴联动加工的复合机床和双主轴车削中心等。采用复合机床进行加工，减少了工件装卸、更换和调整刀具的辅助时间以及中间过程中产生的误差，提高了零件加工精度，缩短了产品制造周期，提高了生产效率和制造商的市场反应能力，相对于传统的工序分散的生产方法具有明显的优势。 加工过程的复合化也导致了机床向模块化、多轴化发展。德国Index公司最新推出的车削加工中心是模块化结构，该加工中心能够完成车削、铣削、钻削、滚齿、磨削、激光热处理等多种工序，可完成复杂零件的全部加工。随着现代机械加工要求的不断提高，大量的多轴联动数控机床越来越受到各大企业的欢迎。在2005年中国国际机床展览会（CIMT2005）上，国内外制造商展出了形式各异的多轴加工机床（包括双主轴、双刀架、9轴控制等）以及可实现45轴联动的五轴高速门式加工中心、五轴联动高速铣削中心等。 1.2.4控制智能化随着人工智能技术的发展，为了满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求，数控机床的智能化程度在不断提高。具体体现在以下几个方面：（1）加工过程自适应控制技术：通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法进行识别，以辩识出刀具的受力、磨损、破损状态及机床加工的稳定性状态，并根据这些状态实时调整加工参数（主轴转速、进给速度）和加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度、降低加工表面粗糙度并提高设备运行的安全性；（2）加工参数的智能优化与选择：将工艺专家或技师的经验、零件加工的一般与特殊规律，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的“加工参数的智能优化与选择器”，利用它获得优化的加工参数，从而达到提高编程效率和加工工艺水平、缩短生产准备时间的目的；（3）智能故障自诊断与自修复技术：根据已有的故障信息，应用现代智能方法实现故障的快速准确定位；（4）智能故障回放和故障仿真技术：能够完整记录系统的各种信息，对数控机床发生的各种错误和事故进行回放和仿真，用以确定错误引起的原因，找出解决问题的办法，积累生产经验； （5）智能化交流伺服驱动装置：能自动识别负载，并自动调整参数的智能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置。这种驱动装置能自动识别电机及负载的转动惯量，并自动对控制系统参数进行优化和调整，使驱动系统获得最佳运行；（6）智能4M数控系统：在制造过程中，加工、检测一体化是实现快速制造、快速检测和快速响应的有效途径，将测量（Measurement）、建模（Modelling）、加工（Manufacturing）、机器操作（Manipulator）四者（即4M）融合在一个系统中，实现信息共享，促进测量、建模、加工、装夹、操作的一体化。 1.2.5体系开放化（1）向未来技术开放：由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处 （2）向用户特殊要求开放：更新产品、扩充功能、提供硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求；（3）数控标准的建立：国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEP-NC），以提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程乃至各个工业领域产品信息的标准化。标准化的编程语言，既方便用户使用，又降低了和操作效率直接有关的劳动消耗。 1.2.6驱动并联化并联运动机床克服了传统机床串联机构移动部件质量大、系统刚度低、刀具只能沿固定导轨进给、作业自由度偏低、设备加工灵活性和机动性不够等固有缺陷，在机床主轴（一般为动平台）与机座（一般为静平台）之间采用多杆并联联接机构驱动，通过控制杆系中杆的长度使杆系支撑的平台获得相应自由度的运动，可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能，更能满足复杂特种零件的加工，具有现代机器人的模块化程度高、重量轻和速度快等优点。并联机床作为一种新型的加工设备，已成为当前机床技术的一个重要研究方向，受到了国际机床行业的高度重视，被认为是“自发明数控技术以来在机床行业中最有意义的进步”和“21世纪新一代数控加工设备”。1.2.7极端化国防、航空、航天事业的发展和能源等基础产业装备的大型化需要大型且性能良好的数控机床的支撑。而超精密加工技术和微纳米技术是21世纪的战略技术，需发展能适应微小型尺寸和微纳米加工精度的新型制造工艺和装备，所以微型机床包括微切削加工（车、铣、磨）机床、微电加工机床、微激光加工机床和微型压力机等的需求量正在逐渐增大。1.2.8信息交互网络化对于面临激烈竞争的企业来说，使数控机床具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在车间各个部门间畅通无阻是非常重要的。既可以实现网络资源共享，又能实现数控机床的远程监视、控制、培训、教学、管理，还可实现数控装备的数字化服务（数控机床故障的远程诊断、维护等）。例如，日本Mazak公司推出新一代的加工中心配备了一个称为信息塔（e-Tower）的外部设备，包括计算机、手机、机外和机内摄像头等，能够实现语音、图形、视像和文本的通信故障报警显示、在线帮助排除故障等功能，是独立的、自主管理的制造单元。 1.2.9新型功能部件为了提高数控机床各方面的性能，具有高精度和高可靠性的新型功能部件的应用成为必然。具有代表性的新型功能部件包括：（1）高频电主轴：高频电主轴是高频电动机与主轴部件的集成，具有体积小、转速高、可无级调速等一系列优点，在各种新型数控机床中已经获得广泛的应用；（2）直线电动机：近年来，直线电动机的应用日益广泛，虽然其价格高于传统的伺服系统，但由于负载变化扰动、热变形补偿、隔磁和防护等关键技术的应用，机械传动结构得到简化，机床的动态性能有了提高。如：西门子公司生产的1FN1系列三相交流永磁式同步直线电动机已开始广泛应用于高速铣床、加工中心、磨床、并联机床以及动态性能和运动精度要求高的机床等；德国EX-CELL-O公司的XHC卧式加工中心三向驱动均采用两个直线电动机；（3）电滚珠丝杆：电滚珠丝杆是伺服电动机与滚珠丝杆的集成，可以大大简化数控机床的结构，具有传动环节少、结构紧凑等一系列优点。1.2.10高可靠性数控机床与传统机床相比，增加了数控系统和相应的监控装置等，应用了大量的电气、液压和机电装置，易于导致出现失效的概率增大；工业电网电压的波动和干扰对数控机床的可靠性极为不利，而数控机床加工的零件型面较为复杂，加工周期长，要求平均无故障时间在2万小时以上。为了保证数控机床有高的可靠性，就要精心设计系统、严格制造和明确可靠性目标以及通过维修分析故障模式并找出薄弱环节。国外数控系统平均无故障时间在710万小时以上，国产数控系统平均无故障时间仅为10000小时左右，国外整机平均无故障工作时间达800小时以上，而国内最高只有300小时。 1.2.11加工过程绿色化随着日趋严格的环境与资源约束，制造加工的绿色化越来越重要，而中国的资源、环境问题尤为突出。因此，近年来不用或少用冷却液、实现干切削、半干切削节能环保的机床不断出现，并在不断发展当中。在21世纪，绿色制造的大趋势将使各种节能环保机床加速发展，占领更多的世界市场。1.2.12多媒体技术的应用多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力，因此也对用户界面提出了图形化的要求。合理的人性化的用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。除此以外，在数控技术领域应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，应用于实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等，因此有着重大的应用价值。1.3我国数控机床发展现状及思考我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，19982004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%34.9%。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2002年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004年中国机床主机消费高达94.6亿美元，但进出口逆差严重，国产机床市场占有率连年下降，1999年是33.6%，2003年仅占27.7%。1999年机床进口额为8.78亿美元（7624台），2003年达27.1亿美元（23320台），相当于同年国内数控机床产值的2.7倍。国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。我们应看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大技术创新与培训服务力度，以缩短与发达国家之间的差距。 1.3.1不断加强技术创新是提高国产数控机床水平的关键国产数控机床缺乏核心技术，从高性能数控系统到关键功能部件基本都依赖进口，即使近几年有些国内制造商艰难地创出了自己的品牌，但其产品的功能、性能的可靠性仍然与国外产品有一定差距。近几年国产数控机床制造商通过技术引进、海内外并购重组以及国外采购等获得了一些先进数控技术，但缺乏对机床结构与精度、可靠性、人性化设计等基础性技术的研究，忽视了自主开发能力的培育，国产数控机床的技术水平、性能和质量与国外还有较大差距，同样难以得到大多数用户的认可。 1.3.2制造水平与管理手段依然落后一些国产数控机床制造商不够重视整体工艺与制造水平的提高，加工手段基本以普通机床与低效刀具为主，装配调试完全靠手工，加工质量在生产进度的紧逼下不能得到稳定与提高。另外很多国产数控机床制造商的生产管理依然沿用原始的手工台账管理方式，工艺水平和管理效率低下使得企业无法形成足够生产规模。如国外机床制造商能做到每周装调出产品，而国内的生产周期过长且很难控制。因此我们在引进技术的同时应注意加强自身工艺技术改造和管理水平的提升。 1.3.3服务水平与能力欠缺也是影响国产数控机床占有率的一个重要因素由于数控机床产业发展迅速，一部分企业不顾长远利益，对提高自身的综合服务水平不够重视，甚至对服务缺乏真正的理解，只注重推销而不注重售前与售后服务。有些企业派出的人员对生产的数控机床缺乏足够了解，不会使用或使用不好数控机床，更不能指导用户使用好机床；有的对先进高效刀具缺乏基本了解，不能提供较好的工艺解决方案，用户自然对制造商缺乏信心。制造商的服务应从研究用户的加工产品、工艺、生产类型、质量要求入手，帮助用户进行设备选型，推荐先进工艺与工辅具，配备专业的培训人员和良好的培训环境，帮助用户发挥机床的最大效益、加工出高质量的最终产品，这样才能逐步得到用户的认同，提高国产数控机床的市场占有率。1.3.4加大数控专业人才的培养力度从我国数控机床的发展形式来看需要三种层次的数控技术人才：第一种是熟悉数控机床的操作及加工工艺、懂得简单的机床维护、能够进行手工或自动编程的车间技术操作人员；第二种是熟悉数控机床机械结构及数控系统软硬件知识的中级人才，要掌握复杂模具的设计和制造知识，能够熟练应用UG、PRO/E等CAD/CAM软件，同时有扎实的专业理论知识、较高的英语水平并积累了大量的实践经验；第三种是精通数控机床结构设计以及数控系统电气设计、能够进行数控机床产品开发及技术创新的数控技术高级人才。我国应根据需要有目标的加大人才培养力度，为我国的数控机床产业提供强大的技术人才支撑。1.4我国数控机床发展目标目前，数控机床的发展日新月异，高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、并联驱动化、网络化、极端化、绿色化已成为数控机床发展的趋势和方向。 中国作为一个制造大国，主要还是依靠劳动力、价格、资源等方面的比较优势，而在产品的技术创新与自主开发方面与国外同行的差距还很大。中国的数控产业不能安于现状，应该抓住机会不断发展，努力发展自己的先进技术，加大技术创新与人才培训力度，提高企业综合服务能力，努力缩短与发达国家之间的差距。力争早日实现数控机床产品从低端到高端、从初级产品加工到高精尖产品制造的转变，实现从中国制造到中国创造、从制造大国到制造强国的转变。高速加工对机床主轴系统不仅要求转速高，输出的扭矩和功率要大，还要求具有较高的主轴回转精度和在高速运转中保持具有良好的刚度、抗震性及热稳定性。目前，国际上工业发达国家生产的高速加工中心主轴最高转速高达20,000100,000r/min，国内中小型加工中心、数控铣床的主轴最高转速也达40006000r/min。实际应用中主要有两类高速主轴：一类是具有零传动的高速电主轴，这类主轴因采用电机和机床主轴一体化的结构，并经过精确的动平衡校正，因此具有良好的回转精度和稳定性，但对输出的扭矩和功率有所限制；另一类是以变频主轴电机与机械变速机构相结合的主轴，这类主轴输出的扭矩和功率要大得多，但相对来说回转精度和平稳性要差一点，因此对于这类主轴来说，如何正确地设计机床主轴及其组件对机床加工精度的影响是至关重要的。计第 2 章 AD25数控机床副主轴传动系统设计2.1设计的基本参数和资料2.1.1设计技术条件；机床主要参数：1. 工件最大旋转外径： f520mm2. 车削最大外径： f440mm3. 轴类车削最大外径： f360mm4. 最大工件长度： 625/1000/1500/2000mm5. 刀具数量（支）： 10/126. 主轴转数： 35-3500rpm7. 主电机功率： AC18.5/15KW8. 主电机最大扭矩: 568N.M2.1.2设计要求1、部件装配图；2、主要零件图；3、主要零件工艺规程；4、计算过程。2.1.3 副主轴的技术要求副主轴的精度直接影响到主轴组件的旋转精度,副主轴和轴承,齿轮等零件相连接处的表面几何形状误差和表面粗糙度,关系到接触刚度,零件接触表面形状越准确,表面粗糙度越小,则受力后的接触变形越小,既接触刚度越高,因此对主轴设计必须提示一定的技术要求,它主要包括主轴各配合表面的尺寸公差,形位公差,表面粗糙读和表面硬度等内容.2.1.4 副主轴组件的特殊要求 机床主轴和一般传动轴的相同点是两者传递运动和转矩都要保证轴上传动件和支承的正常工作条件,但主轴还要直接带动工件或刀具旋转实现表面成形运动,因此对副主轴组件又有特殊的要求:1. 旋转精度主轴的旋转精度是指机床空载时,低速转动主轴,此时在主轴安装工件或刀具部位的定心表面上测得的径向跳动,端面跳动和轴向窜动值的大小. 2. 刚度刚度主要反映机床或部件抵抗外载荷的能力.影响到刚度的因素很多,如副主轴的尺寸和形状,滚动轴承的型号,数量,预紧和配置形式,前后支承的跨矩和主轴前悬伸量,传动件的布置方式等.数控机床既要完成粗加工,又要完成精加工,因此对其主轴组件的刚度提出更高的要求.3温升温升将引起热变形使主轴伸长,轴承间隙变化,降低了加工精度;温升也会降低润滑剂的黏度,恶化润滑条件.因此,对高精度机床应研究如何减少主轴组件的发热, 如何控温等.4抗振性主轴组件的抗振性是指其抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳运转的能力.主轴的振动将降低甚至恶化工件的表面质量,限制机床能力的充分发挥,增大机床的噪声.一般来说,粗加工机床切削宽度较大,产生自激振动的可能性较大.5精度保持性机床的主轴组件必须有足够的耐磨性,才能长期保持精度.215副主轴的传动方式本次设计主轴采用齿轮传动,齿轮传动的优点是构造简单,紧凑和能传递较大的转矩,是一般机床最常用的传动方式.为使副主轴运转平稳,传动齿轮采用斜齿. 轴传递的扭矩为T9.55106p/nT和C从参考文献3中表10-3查得：T：4052MpaC：10798d= C3(p/n)-3=26.18mm2.2副主轴的设计过程及加工工艺2.2.1副主轴是主传动系统的组成部件主轴的经济精度、强度、刚度影响着机床的切削精度。当轴的长度于直径比大于12时称挠性轴，就要根据轴的工作情况采取一些必要措施保证其刚性。在本次设计中因为轴的中间不受径向力，可以不对其刚性进行校核，主要校核轴的强度。2.2.2估算轴的最细部位直径TT/Wp=9.55106/0.2d3nTd(9.55106/0.2T)-3(p/n)-3 =C3(p/n)-3其中Wp为抗扭截面系数，Wpd3/16(mm 3)轴传递的功率为P（kw），轴的转速为n(r/min),轴传递的扭矩为T9.55106p/nT和C从参考文献3中表10-3查得：T：4052MpaC：10798d= C3(p/n)-3=26.18mm为了提高轴的搞弯强度和刚度并参考轴的设计手册取其一倍大的最小的轴径值，即最小直径为60mm。 2.2.3轴加工工艺过程轴只要支承起来才能运转，轴与轴衬的配合部分称轴颈，轴颈的长与轴颈的直而不同，主要取决于抗压强度和散热要求。如采用滚动轴衬时，轴颈的确定必须与滚动轴承综合考虑，因为轴承是标准件。由于轴上装有各种零件，为保证不同要求的配合表面和精度等数，便于定位减少精加工面，大部分轴设计成稍大于理论轴外形的阶梯轴。轴上零件的定位除了台肩外，还可利用套筒或挡环。在轴的加工过程中，轴端和各台阶应有倒角，为了减少集中应力的影响，轴的过度部分有过度圆弧，如有配合则半径应小于零件的倒角半径。对于要求磨削的表面需要车越程槽。轴类零件主要表面的加工顺序在很大程度上取决于定位基准的选择。一般以外圆为粗基准，以轴两端面的顶尖孔为精基准。以顶尖孔为精基准除了使设计基准与定位基准重合外，同时也能获得较高的定位精度，即使二次装夹，调头加工也能得到较好的相互位置精度。 224副主轴加工工艺过程：序号工序名称工序内容定位基准1备料2精锻3热处理正火4荒车荒车外圆并车端面外圆5钻孔钻两端中心孔外圆6粗车粗车外圆各段得：63mm 105mm 155两中心孔和64中心架7热处理调质T2458精车精车外圆62.5mm 70.2mm精车端面并车倒角两中心孔和61中心架9磨削磨削台阶面，大端与轴承配合面，小端起至200mm的一段两中心孔和60中心架10粗铣粗铣大端凹槽留0.4加工余量外圆和台阶面11精铣精铣凹槽外圆和台阶面12终检终结检验第四章 副主轴主要参数的计算和校核3.1 副主轴组件的结构设计主轴组件由主轴,主轴轴承和安装在主轴的传动件,密封件等组成。主轴组件是机床实现旋转运动的执行件,它直接带动工件或刀具参加表成形运动是机床上的一个关键组件。主轴组件是机床主要部件之一,它的性能,对整机性能有很大的影响,主轴直接承受切削力,速度范围很大,所以对主轴组件的主要性能提出很高的要求。在数控机床中，不论是数控车床、钻床还是铣床，其主轴是最关键的部件，对机床精度起着至关重要的作用。因此如何正确地设计机床主轴及其组件对机床加工精度的影响是至关重要的。3.2副主轴主要参数的计算主轴的主要参数是：主轴前端直径D1，主轴内径d。主轴悬伸量a和主轴支撑跨距L。主轴前端直径D1主轴D1（按电动机功率）如下表：mm功率（kw）D1机床1.42.523.635.557.37.411车床608070907010595130110145铣床及加工中心5090609060957510090105外圆磨床5060557070807590床、铣床、镗床、加工中心等机床因装配的需要，直径常是自前往后逐渐减少的。前轴直径D1大于后轴直径D2。对于车床、铣床一般D2=（0.70.9）D1，由上表可取D1=100mm因此可知由式子D2=（0.70.9）D1后端直径圆整后D2=80mm主轴内径d主轴内径与机床类型有关，主要用来通过棒料，镗杆，拉杆或顶尖。确定内孔径原则是减轻主轴重量，再满足对空心主轴孔径要求和最小壁厚要求下，应取最大值。主轴内径是通过刀具夹具装置固定刀具，传动气动或液压卡盘等。主轴孔径越大，主轴部件的相对重量加越轻。主轴孔径大小主要受刚度的制约。主轴孔径与主轴直径比小于0.3时，空心主轴的刚度几乎与实心主轴的相等；等于0.5时，空心主轴的刚度为实心主轴的90%；大于0.7时，空心主轴的刚度急剧下降。一般可取其比值为0.6左右。由上可知取孔径的直径极限dimax为dimax0.7D1此时孔径再大，刚度急剧下降取 di/D=0.5 di=60mm D=（100+80）/2为轴的平均直径。主轴前端悬伸量的确定 主轴悬伸量是指主轴前端面到前支撑径向反力作用中点（一般即为前径支撑中点）的距离，它主要取决于主轴前端部结构形式和尺寸，前支撑轴承配置和密封等，因此主要由结构设计确定。悬伸量与主轴部件的刚度和及抗振性成反比，故应尽量取小值。 E-材料的弹性模量I-轴惯性矩K1-前轴承刚度值K2-后轴承刚度值计算的悬伸量为90mm主轴最佳跨距的确定主轴跨距是决定主轴系统动静刚度的重要影响因素，目前是找出在切削力下，主轴前端的柔性值最小的跨距称为最优跨距(L0)。实验证明，动态作用下最优跨距很接近于推得最优值，因此设计时尽量达到最优值。机床最大回转直径为520mm，电动机功率为15kw，主轴内孔直径为45mm，主轴前后均为角接触球轴承，主轴计算转速为100r/min.副主轴轴承刚度计算：副主轴最大输出转矩(暂不考虑效率) Mn=9550P/n=955015/100=1450.5Nm床身的最大加工直径约为最大回转直径的60%，即312mm,故半径为0.15m。切削力（沿y轴） Fc=1450.5/0.15N=8423.6背向力（沿x轴） Fp=0.5Fc=0.5*8423.6N=2728.5N故总作用力 F=（Fc+Fp）=8462N此力作用在夹持在两主轴之间的工件上，主轴和副主轴各承受一半，故副主轴端承受力为F/2=3050.5N。在估算时，先假设初值为l/a=2,l=2*90=180mm。前后支撑的支反力Ra和Rb分别为Ra=F(l+a)/2l=3050.5*(90+180)/2*180= 6854.75NRb=Fa/2l=3255.2N 根据公式可求出前、后轴承的刚度Ka= 251.7N/um Kb=210.8 N/um 求最佳跨距 Ka/Kb= 1.67初步计算时。可假定主轴的当量外径D为前后轴承径的平均值，D=（100+80）/2=90mm.故惯性矩为I=307.5*10-8 =1.8 查线图l/a3.8.计算出的l/a与原假定值不符。可根据l/a=3.8再计算支反力和支撑刚度，再求最佳跨距。这时计算出的Ka=514N/um,Kb=450N/um,Ka/Kb=1.14,18,l/a仍接近与3.8。可以看出，这是一个迭代过程，l/a很快接近于正确值。最佳跨距l/a90*3.8=342mm。计算主轴时通常不考虑传动力。这当然与实际使用情况有所出入。但是，只要计算条件是统一的，都按轴端受一集中载荷计算，在同一条件对比下，则计算结果仍能用以评定主轴组件。4.2主轴组件的验算对于一般机床，主要进行刚度验算。通常，如果能满足刚度要求，也就能满足强度要求。只有粗加工、重载荷的主轴，才需要进行强度验算。1，对主轴组件的刚度要求目前，对主轴组件进行刚度验算的问题，尚未获得满意解决。其困难不在与计算本身，而在于尚未计算出既有充分理论依据，又实用的刚度要求标准。甚至根据什么来制定刚度标准，至今尚未取得可靠的科学依据。研究和制定主轴组件的刚度标准，将是重大的科学研究课题。现有的文献资料，又从下列几个方面，提出了一些对主轴组件的刚度要求。（1）根据静态弹性变形对加工精度的影响,有的资料推荐，可以根据复应误差来规定机床的横向综合刚度，再根据主轴组件的变形占机床系统综合变形的比例来确定主轴组件的刚度。（2）有的文献，推荐了一些主轴刚度的数值，但未说明依据。是根据一些经验或统计数据。（3）有的文献提出，根据不出现切削自激振动来确定主轴组件的刚度，本设计中也采用该方法。（4）对于一定的机床，在规定的切削条件下，存在一个不出现切削自激振动的最大（极限）切削宽度Blim.在设计机床时，可以根据机床的尺寸和性能，规定一个极限切削速度，从而要求得对机床刚度要求。机床系统在切削处沿X轴（横向）的刚度要求Kx可按下式计算：KcbBlimKxCOS 2(1+)如果前后轴承由数段组成，则当量直径dd=(mm) (参考文献2)式中d1 、l1、d2、l2.dn、ln-分别为各段的直径和长度（mm）L-总长主轴的前悬伸部分较粗，刚度较高，其变形可以忽略不计，后悬伸部分部影响刚度，也可不计算。如主轴前端作用以外载荷F如下图（参考文献3）对于一定的机床，在规定的切削条件下，存在一个不出现切削自激振动的最大切削宽度blim。在设计机床时，可以根据机床的尺寸性能，规定一个极限切削宽度。从而求得对机床的刚度要求。机床系统在切削处沿x轴的刚度要求Kx可按下式： Kx cos 式中 Kcb-切削系数（N/(um.mm)）blim-极限切削宽度(mm)-机床系统的阻尼比-作用力与工件切削表面垂直线的夹角对于一定的机床和切削方式，和都是一定的。但是切削速度和进给量不同Kcb是不同的。从实验中，当v=50m/min,s=0.1mm/r左右时，Kcb最大，即Kx最大，此时最安全。Kcb=2.46N/(um.mm), =68.8主轴组件阻尼比：主轴前轴承为角接触球轴承，取=0.02-0.03;机床设计手册推荐，机床切削稳定性指标如下：工件尺寸：直径dw=0.2Dmax,长度Lw=0.3Dmax,要求指标为稳定性良好，blim(0.01-0.02)Dmax。以上计算出的是切削出的刚度，要转化为主轴端部的刚度。考虑到主轴前悬伸较粗较短，其变型可以忽略。根据对许多机床计算和测定结果，主轴端部由主轴产生的变形量约为60%，由支撑产生的变形量约为40%。故 KA=KB0.6+0.4 主轴本身端部刚度Ks=KA/0.61.66KA 当di/de0.5时，孔对刚度的影响可以忽略，di孔的当量直径、de轴的当量直径，则钢制主轴的刚度为 Ks= 依据上述公式校核该设计中的轴的刚度： Ks=540N/um对于这种机床的刚度要求：阻尼比取=0.03, Kcb=2.46N/(um.mm), =68.8这种机床要求切削稳定性良好，取blim=0.02Dmax=0.01500=5mm代入公式：KB=.Cos68.8=72根据稳定性指标的规定，工件长度L=0.3Dmax=150mm。加上卡盘，共长230mm，代入公式 KA=KB0.6+0.4 =722.08=149.76N/um根据式子，Ks=KA/0.61.66KA=248.6N/um由上过程可以看出，该机床主轴合格。五.尾座1. 机床采用标准液压尾座,尾座套筒可编程控制,尾座体移动通过销轴由拖板带动。根据用户需求也可提供可程控尾座、内置旋转活络顶尖等(特殊配置)。2. 尾座导轨WH为:9540mm,尾座套筒直径f85 mm,套筒锥孔MT-5,因此,尾座具有足够的刚性。六.液压系统1. 机床液压系统采用进口元件控制变量泵(台湾)系统,保证机床能源最节省。在夹紧、顶紧工作时,流量输入,作有用功;在正常切削时，流量为零，该泵只提供压力保证，功率消耗几乎为零；因此,系统发热最小。系统额定压力45kg.f/cm,夹紧压力可调，视工件大小、材质及刚性而自行调整。可在5-40C环境温度范围内正常工作，并保持机床精度稳定。2. 系统基础件底板块，除提供上述功能外，还具备安装另外二组控制元件的功能。七润滑系统采用集中式润滑系统，全自动强制润滑，保证机床快