xk715数控立式床身铣床主轴箱的设计说明书

齐 齐 哈 尔 工 程 学 院 毕业设计（论文）题 目 XK715数控立式床身铣床主轴箱的设计院 （系） 专业班级学生姓名指导教师成 绩年 月 日齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）XK715数控立式铣床床身主轴箱的设计 摘要从研究数控铣床着手，借鉴国内外先进经验，设计了一台XK715数控立式铣床，满足了生产和设计的要求。整个铣床主要包括横纵向进给机构、立柱、横梁、底座、工作台等主要组部件。其中所有进给机构均采用滚珠丝杠进行传动，并由伺服电机进行驱动。主轴箱安装在龙门架上，运用类比法自行设计了滚珠丝杠螺母副的制动装置。全面阐述了数控铣床的结构原理，设计特点，论述了采用伺服电机和滚珠丝杠螺母副的优点。详细介绍了数控铣床的结构设计及校核，并进行了分析。另外汇总了有关技术参数。其中着重介绍了滚珠丝杠的原理及选用原则，系统地对滚珠丝杠生产、应用等环节进行了介绍。包括种类选择、参数选择、精度选择、循环方式选择、与主机匹配的原则以及厂家的选择等。关键词：铣床，数控，伺服电机，滚珠丝杠IIIAbstractBegins from the research CNC planer type milling machine, to profit from the domestic and foreign advanced experiences, designed one to use in the sheet material and various workpiece the numerical control CNC planer type milling machine, has satisfied the production and the design request.Elaborated comprehensively the numerical control CNC planer type milling machines structure principle, the design feature, elaborated has used step-by-steps the electrical machinery and the ball bearing guide screw nut vice-merit. Introduced in detail the numerical control CNC planer type milling machines structural design and the examination, and have carried on the analysis. And has compiled the related technical parameter.In which introduced emphatically the ball bearing guide screw principle and selects the principle，To ball bearing links and so on guide screw production, application has systematically carried on the introduction. Including the type choice, the parameter choice, the precision choice, the round-robin mode choice, the principle as well as the factory choice which matches with the main engine and so on.Key Words: milling machine, Numerical control, Step-by-step, serve motor, Ball bearing guide screw nut齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）目录摘要IAbstractII引言1第1章 绪论21.1概述21.2数控机床的发展3第2章 立式数控铣床主轴箱系统方案的确定92.1 对立式数控铣床主轴箱系统简介92.2 对立式数控铣床主轴箱系统的要求92.3 主轴箱的类型及方案选择10第3章 主轴箱变速系统主要参数计算123.1 计算切削功率123.1.1切削力的计算123.1.2切削功率的计算123.1.3主轴转速范围的确定133.2 计算主轴箱功率133.3 分级变速箱的传动系统的设计及主轴电动机的功率的确定133.3.1 变速级数Z的确定143.3.2 电动机的功率的确定143.3.3 电动机参数153.3.4 分级变速箱的传动系统变速机构的确定16第4章 主轴组件设计174.1概述174.1.1轴的分类174.1.2主轴材料174.2主轴结构设计174.2.2轴的结构设计194.2.3草拟轴上零件的装配方案194.2.4轴上零件的定位204.2.5 各轴段直径与的确定204.2.6 提高主轴强度的措施214.2.7 轴的结构工艺性224.3主轴强度的校核224.3.1按扭转强度进行计算224.3.2 强度校核计算24第5章 铣床床身整体设计285.1 床身设计应满足的要求285.2 床身材料的选择及壁厚的设计295.2.1 床身材料的选择295.2.2 壁厚的设计305.2.3 机床床身的制造方法的选择315.2.4 铸造床身强度校核32第6章 机架的设计计算346.1 主梁危险载面的强度验算346.2 支腿危险载面的强度验算366.3 下横梁的强度验算366.3.1 检测架受力分析396.3.2 截面强度计算406.3.3 截面剪切强度计算41结 论43致谢44参考文献46 引言数控（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。通过这次毕业设计，可以达到以下目的：1.培养综合运用专业基础知识和专业技能来解决工程实际问题的能力；2.强化工程实践能力和意识,提高本人综合素质和创新能力；3.使本人受到从事本专业工程技术和科学研究工作的基本训练,提高工程绘图、计算、数据处理、外文资料文献阅读、使用计算机、使用文献资和手册、文字表达等各方面的能力；4.培养正确的设计思想和工程经济观点，理论联系实际的工作作风，严肃认真的科学态度以及积极向上的团队合作精神。47齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）第1章 绪论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。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。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。与普通机床相比，数控机床机械结构有许多特点。1.目的、意义 数控加工技术的应用是机械制造业的一次技术革命，使机械制造的的发展进入了一个崭新的阶段。由于数控机床综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密检测与新型机械结构等方面的技术成果具有高柔性、高精度与高度自动化的特点，因此它提高了机械制造的制造水平，解决了接卸制造中的常规加工技术难以解决甚至无法解决的发杂型面零件加工，为社会提供了高质量、多品种及高可靠的机械产品已取得了巨大的经济效益 。目前，数控技术已逐步晋级，数控机床在工业生产中得到了广泛应用，已成为机械自动化的一个重要发展方向。机械加工工艺过程的自动化和智能化是适应上述发展特点的最重要手段。2.国内外研究现状 中国是世界上最大的机床生产国，但在国际市场的竞争仍处于即使在国内市场也面临着严峻的形势较低水平，一方面是大的国内市场需求对每一台机器，而另一方面，滞销，国外机床产品的国内众多机床积压充斥市场。（1），产品开发或与国外先进水平比设计的总周期时间有很大差距（2），由于工厂缺乏基于新的自主研发产品的科学分析和设计大多基于模拟设计，末落的设计时成功的把握直觉和经验，需要经常反复试验定型，这可能会错过新产品推向市场的可能性。（3）用户必须使用，常常以适应一些特殊的要求，甚至在即将到来的产品的生产只是暂时的用户的要求，这要求快速变化和附图和技术文件。（4）、现在我国工厂设计和工艺人员中青年占多数，他们的专业知识和实际经验不足，有担负着开发的重任。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。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。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。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。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。 中国数控机床行业近年来推广使用信息技术，如CAD，许多公司已经开始规划和实施ERP应用，MRP和电子商务。如CAD患病济南二机床集团有限公司，高达100的公司，是国家“CAD示范企业”，企业的MRP系统的应用也是现代管理非常成功的，高水平。然而，与发达国家相比，中国的数控机床产业在信息技术的应用，还是有很多不足之处。第一，信息技术基础上的高科技弱，对外依存度。中国数控机床行业的整体技术基础开发能力和技术力量薄弱，信息技术的应用程度不高。现有的信息技术产业的来源主要依赖于完善引进国外技术，高度的对外技术依存度，引进技术的消化仍然在技术状态和国产化率的控制没有上升到自主产品开发能力的形成和技术创新水平。具有高精度，高性能数控机床，高速，高效，复杂的功能，特性，如多轴实际上不得不依靠进口。第二，降低产品的成熟度，可行性不高。 10000小时对外数控系统平均无故障时间，国内自主开发的数控系统仅3000-5000小时;国外失败之间的总体平均时间800小时以上，国内最好只有300小时。第三，创新能力低，市场竞争力较差。中国生产的数控机床，虽达一百，但多数未能生产规模，信息利用，低创新能力，生产成本高，产品市场竞争能力不强。成人柔性制造系统和计算机集成系统的快速发展，数控技术提出了更高的要求。数控机床在当今信息技术的发展是在以下几个方面移动。高速，高精度。速度和精度是数控机床的两个重要指标，直接将加工和产品质量。此时，中国的产量提高了第六代数控机系统中的使用数字，在基本操作频率更高的处理器的系统的速度，使得高速计算，模块化和多轴群控制是可能的。同时，新一代的数控机床将使用VLSI和多个微处理器架构，数据处理，以提高该系统。智能化。智能发展，物理试验的加工精度和效率，建模，特征提取，外部环境和该处理系统的内部状态的自动检测，快速做出智能决策最好目标，机床的现代数控机床影响的工艺参数的实时控制，从而使机器在最佳状态。基于CAD和CAM的数控编程自动化。随着计算机技术的发展，目前的CAD / CAM具有自动编程的交互式图形应用程序越多，新的趋势是数控技术的发展。它是利用CAD图纸零件加工设计，计算系统和后处理的刀具轨迹数据，自动生成数控机床零件加工程序，以实现CAD和CAM的集成。随着CIMS技术的发展和当前CAD的出现/ CAPP / CAM集成自动设定模式，做编程所需的工艺参数是不CAPP数据库由专人参与，直接进入系统，数控便于机器自动化的进一步发展。最大化的可靠发展。数控机床的用户的可靠性的最重要指标是最关心的问题。数控系统，新一代高集成电路芯片，利用大规模或私人和混合集成电路，从而部件数量，从而使可靠性提高的。同时实现多种诊断程序自动运行诊断，在线诊断，离线诊断，系统的硬件，软件和故障排除各种外部设备和报警。 一，高速的处理的快速发展高速加工技术的迅速发展，它被广泛应用于高档数控机床。新机床运动学的理论和先进的驱动应用，优化了机器的结构与目前的数控机床技术的发展趋势高性能特点轻巧的移动部件，以减少惯性。在支持工具，材料和结构，单高速加工的切削刀具，全面的高速加工中心，如每分钟数千转的发展到数万次的数控机床的发展速度，把几十万;快速移动几十米的步伐，以几十每分钟米，一百多平方米;换刀时间从十秒减少到10秒，三秒，一秒或更小，更快的换刀几倍到十倍。缩短的高速处理技术应用的切削时间和耗材，实现高品质和生产效率。二，精密加工技术的突破通过优化的机器，精密结构，高精密制造和装配功能，提高精，数控伺服控制系统和认可，温度，振动误差补偿编辑几何精度，精密运动技术应用，以减少形状和位置误差，所述表面的粗糙度。提高精度平均每八年1950-2000一倍，50年增长了100倍。这时，重复精度数控机床的定位精度可以达到1微米，在亚微米超精加工时代。三，技术集成和技术复杂明显技术集成和复合技术是最活跃的数控技术的发展趋势，如复杂的过程中的一个 - 车，铣，钻，磨，齿轮加工工艺复杂，交叉处理复杂的技术类 - 金属激光切割，冲压和激光切割金属烧结和复合镜，目前，未加工的复合加工的发展是复杂的，因此兼容零部件制造和开发信息管理和应用软件，专注于完整的加工和生产复杂的形状集约化管理的过程。技术集成和一类新的复杂的机械的形成 - 化合物机器，机器展品创新多样性复合物。四，数字控制技术已经进入智能的新阶段数字化控制技术已经历了三个阶段：单机机器控制数字控制技术;生产管理聚集形成的生产过程自动控制信息;生产过程中的遥控器，智能电网的新阶段和无化工厂。智能智能指的是工作，利用计算机，信息，网络和智能技术和人工智能等有机结合的监督CNC加工的智能化的自动编程的实现。可以实现工件装卡定位自动运行，刀具直径和长度测量误差，工艺刀具磨损和破损的诊断，处理部分物流监控，自动补偿调节，自动换刀等，机器全自动智能监控系统的智能化监测中的应用故障的机械，电气，液压系统，报警，故障显示诊断直至关机过程。随着网络技术的发展，智能远程故障诊断专家系统开始适用。数控系统与在线技术备份和在线备份服务。人工智能，自动编程系统自动加工零件的加工按要求。在线服务可以被激活随时INTERNET根据用户的要求接受远程服务。智能技术实现管理信息化融合和重建决策的自适应控制，错误校正表智能控制，智能故障诊断和维护功能的智能优化下，极大地提高了形成和加工精度，提高生产效率。信息技术在生产中的应用，发展成为工厂的柔性制造单元和智能网络，以及生产重组方向的进一步发展。五，是新的技术领域最大的生产扩张极端的生产技术是指生产工艺非常大，非常小，非常精确型等极端条件。极端的生产技术是数控机床技术发展的一个重要方向。制造技术的重点是微纳机电系统，超精密制造，生产等相关制度巨人数控制造技术，检测技术及数控机床，如微型，高精度的生产技术和应用相关的开发远程手术机器人;在大型电力设备，重型大型船舶和航天设备，超重型数控机床的发展，IT产业和超微细加工和微纳米等高科技的需求开发生产中的应用加工技术，开发出适应微小尺寸的微纳米加工极端制造复杂的机器，如研发，生产微型数控机床和专用机床。第2章 立式数控铣床主轴箱系统方案的确定2.1 对立式数控铣床主轴箱系统简介主轴箱系统是用来实现机床主运动的传动系统，他应具有一定的转速和一定的变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工不同的材料、不同尺寸、不同要求的工作、并能方便的实现运动的开停、变速、换向和制动等。数控机床主轴箱系统主要包括电动机、传动系统和主轴部件，它与普通机床的主轴箱系统相比在结构上简单，这是因为变速功能全部或大部分主轴电动机的无极调速来承担，省去了复杂的齿轮变速机构，有些只有二级或三极齿轮变速系统用以扩大电动机无级调速的范围。在主轴箱系统方面，具有下列特点：1.目前数控机床的主轴箱电机已不再采用普通的交流异步电机或传统的直流调速电机，它们已逐步被新型的交流调速电机和直流调速电机所代替。2.转速高，功率大。它能使数控机床进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。3.变速范围大。数控机床的主轴箱系统要求有较大的调速范围，一般Rn100，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。4.主轴速度的变换迅速可靠。数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。由于直流和交流主轴电机的调速系统日趋完善，不仅能够方便地实现宽范围的无级变速，而且减少了中间传递环节，提高了变速控制的可靠性。2.2 对立式数控铣床主轴箱系统的要求 1.主轴具有一定的转速和足够的转速范围、转速级数，能够实现运动的开停、变速、换向和制动，以满足机床的运动要求。2.主电动机具有足够的功率，全部机构和元件具有是够的强度和刚度，以满足机床的动力要求。3.主轴箱的有关结构，特别是主轴组件要有足够高的精度、抗振性，热变形和噪声要小，传动效率要高，以满足机床的工作性能要求。4.操纵灵活可靠，调整维修方便，润滑密封良好，以满足机床的使用要求。5.结构简单紧凑，工艺性好，成本低，以满足经济性要求。2.3 主轴箱的类型及方案选择 数控机床的调速是按照控制指令自动执行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。在主轴箱系统中，目前多采用交流主轴电动机和直流主轴电动机无级凋速系统。为扩大调速。为了适应不同的加工要求，目前主轴箱系统主要有三种变速方式1具有变速齿轮的主轴箱这是大、中型数控机床采用较多的一种变速方式。通过几对齿轮降速，增大输出扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求，见图2-1所示。一部分小型数控机床也采用此种传动方式以获得强力切削时所需要的扭矩。图2-1 图2-2 图2-32通过带传动的主轴箱通常选用同步齿形带或多楔带传动，这种传动方式多见于数控车床，它可避免齿轮传动时引起的振动和噪声，见图2-2所示。3由调速电机直接驱动的主轴箱这种主轴箱是由电动机直接驱动主轴，即电动机的转子直接装在主轴上，因而大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大。如图2-3所示。近年来，出现了一种新式的内装电动机主轴，即主轴与电动机转子合为一体。其优点是主轴组件结构紧凑，重量轻，惯量小，可提高起动、停止的响应特性，并利于控制振动和噪声。缺点是电动机运转产生的热量亦使主轴产生热变形。因此，温度控制和冷却是使用内装电动机主轴的关键问题。日本研制的立式加工中心主轴组件，其内装电动机最高转速可达20000r/min。本次设计采用变速齿店主轴箱系统。使主轴获得较高的转速和骄傲大的转矩。二级以上齿轮变速系统虽然此种结构复杂，制造和维修费用高，但和以上两种驱动方式比，变速装置多采用齿轮变速结构，可以使用可调的交、直流无级变速电动机，经齿轮变速后，实现分段无级变速，调速范围增加，且能满足各种切削运动的转矩输出，因此选用二级以上齿轮变速系统作为主轴箱的变速方式。第3章 主轴箱变速系统主要参数计算3.1 计算切削功率 3.1.1切削力的计算铣削时的切削力，公式如下 （3-1）式中-铣削时的主切削力（N）-加工材料影响的系数-每齿进给量（mm）-背吃刀量（mm）-铣削宽度-铣刀齿数-铣刀直径(mm)用直径=50mm的四齿锥柄立铣刀，铣刀宽=40mm的刚工件，=0.05mm，=4mm，=68mm，计算得：=132N3.1.2切削功率的计算切削时所消耗的功率称为切削功率。切削功率的公式计算： （3-2）式中：-切削功率（kw）-切削力（N）-切削速度（m/min）根据机床设计手册典型加工条件以及钢材料的铣削速度范围，取=100m/min计算得：=2.2kw3.1.3主轴转速范围的确定 主轴转速范围：50-2000r/min；3.2 计算主轴箱功率 用下列粗略估算主电动机的功率 （3-3） 式中，为铣床主轴箱系统总机械效率，主运动为回转运动时，；主运动为直线运动时，。取主轴箱的总效率=0.7则初选电动机功率取电动机额定转速为；额定最高转速为3.3 分级变速箱的传动系统的设计及主轴电动机的功率的确定由3.2中初选电动机功率为4kw，计算转速依据如下公式计算: （3-4）则电动机的恒功率调速范围:主轴恒功率调速范围:因此主轴要求的恒功率变速范围远大于电动机所能提供的恒功率围，所以在电动机与主轴之间要串联一个分级变速箱，来扩大电动功率变速范围。3.3.1 变速级数Z的确定如取变速箱的公比 则由于无级变速时 故变速箱的变速极数 可取Z=3 （3-5）虽然此中方法功率特性图示连续的、无缺口(即没有功率降低区)和无重但是Z=3，变速箱机构较复杂。因此为简化变速箱机构，取Z=2。3.3.2 电动机的功率的确定由公式（3-5）可知，应增大 即 所以比大很多。此时变速箱每挡内有部分低转速只能恒转矩变速，主轴箱系统的功率特性图中出现缺口区。缺口处的功率为 低谷处功率应保证传递全部功率，只有选择额定功率较大的电机给予补偿。所以选用的交流变频电动机。则缺口处的功率为。有很大的改善。3.3.3 电动机参数一、电动机性能指标电机采用CTB系列变频电机,型号：CBT-43P5BXB50-4,主要技术指标如下。（1）电压:三相380V/50Hz；（2）变频调速范围:5100Hz无级调速,550Hz恒转矩调速,50100Hz恒功率调速,级数为4级,额定转速1440r/min;（3）电机应能承受额定转矩的60%过载,历时1min,低速时转矩平滑,无爬行现象;能通过变频装置的电压提升,保证电动机频率在5Hz时输出额定转矩而不致使电机因发热而烧毁。（4）CTB系列变频电机,型号：CBT-43P5BXB50-4 主要性能参数如表3.1所示：表3-1图3-1为电动机外形图3.3.4 分级变速箱的传动系统变速机构的确定本系统设计的传动系统具有两档速度，低档转速为，高档转。采用二级变速传动，传动比为的高速传动的低速传动两种变速机构，采用拨叉变速。显然如果要求巧内作恒功率的不停车变速可用高档。如果要求在内作恒功率的不停车变速可用低档。转速图和功率特性图如图3-2所示。图3-1 转速图和功率特性图第4章 主轴组件设计4.1概述主轴部件设计是机床重要部件之一，它是机床的执行件。它的功用是支撑并带动工件或刀具旋转进行切削，承受切削力和驱动力等载荷，完成表面成型运动。4.1.1轴的分类轴是机械传动的一个重要零件，一般作回转运动的零件常要装在轴上才能实现其回转运动。其承载在载荷可分为：1.转轴-工作时既承受弯矩又承受扭矩。2.心轴-用于支撑转动零件，只承受弯矩。3.传动轴-传递扭矩。在高速传动的轴不仅要考虑轴的材料、结构、强度和刚度，而且要防止轴的振动（动平衡）。此外，注意轴上零件的固定，结构工艺性，热处理等要求。作为制造机器的机器上的轴，设计的主要原则是-刚度原则,本次设计选择转轴。4.1.2主轴材料轴的材料主要是碳钢和合金钢。数控主轴主要传递扭矩，且在高速旋转中产生大量的热，产生一定的轴伸长，其他零件的变形，从而影响加工精度和表面质量。从多方面考虑选用40Cr为本次数控铣床主轴材料。4.2主轴结构设计主轴部件由主轴及其支承轴承、传动件、密封件及定位元件等组成。 4.2.1主轴部件应满足的基本要求（1）旋转精度 主轴的旋转精度指装配后，在无载荷、低转速条件下，在安装工件或刀具的主轴部位的径向和端面圆跳动。其主要取决于主轴、轴承、箱体孔等的制造、装配和调整精度。（2）刚度 主轴部件的刚度指其在外加载荷的作用下抵抗变形的能力，通常以主轴前端产生单位位移的弹性形变时，在位移方向上所施加的作用力来定义。如图4-1所示。主轴部件的刚度是主轴、轴承等刚度的综合反映。因此，主轴的尺寸和形状、轴承的类型和数量、预紧和配置形式、传动件布置形式、主轴部件的制造和装配质量都影响主轴部件的刚度。图4-1（3）抗振性 主轴部件的抗振性指抵抗受迫振动和自激振动的能力。在切削过程中，主轴部件不仅受静态力作用，同时也受冲击力和交变力的干扰，使主轴产生振动。影响抗振性的主要因素是主轴部件的静刚度、质量分布及阻尼。其评价指标是主轴部件的低阶固有频率与振型。（4）温升和热变形 主轴部件运转时，因相对运动产生的摩擦热、切削的切削热等使主轴部件的温度升高，形状尺寸和位置发生变化，造成主轴部件的热变形。其引起轴承间隙变化，润滑油温度升高会使粘度降低，这些变化会影响主轴部件的工作性能，降低加工精度。（5）精度保持性 主轴部件的精度保持性指长期保持其原始制造精度的能力。磨损是主轴部件丧失原始精度的主要原因。因此，必须提高主轴部件的耐磨性。对耐磨性影响较大的有主轴的材料、轴承的材料、热处理方式、轴承类型及润滑防护方式等。由于机械结构的要求而需在轴中装设其他零件或者减少轴的质量具有特别重大的作用的场合,则将轴制成空心的,空心轴内径与外径的比值通常为0.5-0.6为保证轴的刚度和扭转稳定性。轴的设计也和其他的零件的设计相似，包括结构设计和工作能力的计算两方面的内容。轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺性等方面的要求,合理地确定轴的结构形式和尺寸。轴的结构不合理会影响轴的工作能力和轴上零件的工作可靠性,还会增加轴的制造成本和轴上零件装配的困难等。因此轴的结构设计很重要。轴的工作能力计算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的计算。多数情况下，轴的工作能力主要取决于轴的强度。这时只需对轴进行强度计算，以防止断裂或塑性变形。对于机械装备则需刚度计算，防止工作时产生过大的弹性变形，影响加工精度和表面质量。对于高速运转的轴，还应进行振动稳定性计算，防止发生共振而破坏。4.2.2轴的结构设计轴的结构主要取决于以下因素:1.轴在机器中的安装位置及形式；2.轴上安装零件的类型、尺寸、数量和轴连接的方法；3.载荷的性质、大小、方向及分布情况；4.轴的加工工艺。不论什么条件,轴的结构应满足以下条件：1. 轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置,周向和轴向要有准确的定位；2. 轴上的零件应便于装拆和调整；3. 轴应具有良好的结构工艺性和制造工艺性。4.2.3草拟轴上零件的装配方案 图4-2 主轴装配图预定出轴上主要零件的装配方向、顺序和关系，如下图立式数控铣床主轴的装配。前轴承（前支撑）、套筒、轴承、套筒（曲路密封）与端盖（曲路密封）齿轮（动力输入部分）、圆螺母、轴承（后支撑）、端盖、依次从轴的后端向前端安装。4.2.4轴上零件的定位 为防止轴上零件受力时发生沿轴向和周向的相对运动,轴上零件除了有游动或空转要求外,都必须进行轴向和周向定位,以保证其准确的工作位置。 1.零件的轴向固定:通常由轴肩、套筒、轴端挡圈、轴承端盖和圆螺母来保证； 2.零件的周向固定:周向固定的目的是限制轴上零件与轴发生相对运动。常用周向定位零件有键、花键、销、紧定螺钉以及过盈配合等,其中紧定螺钉只用在传力不大之处。4.2.5 各轴段直径与的确定由轴的结构和拉刀方式确定出轴的最小直径：立式数控铣床主轴必须制成空心轴，且又因为为空心轴的内径与外径d 之比，为了保证轴的刚度和扭转刚度,通常在之间,取为0.6。故d=50mm。按轴上零件的装配方案和定位要求，从处起逐一确定各轴段的直径。在实际的设计中，轴的直径亦可凭设计者的经验确定，或参考同类机器用类比的方法确定。有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径。安装标准件的部位的轴径，应取为相应的标准值及所选的配合公差。且在这样的轴段需0.5mm的碳氮共渗层。为了使带轮、轴承等有配合要求的零件装配拆卸方便，并减少配合面的擦伤，在配合轴段前应采用较小的直径，发挥轴肩的作用。 确定各轴段长度时，应尽可能使结构紧凑，同时还需要保证零件所需的装配或调整空间。轴的各段长度主要是根据各零件与轴配合部分的轴向尺寸和相邻零件必要的空隙来确定的。为了保证轴向定位可靠与带轮等零件相配合部分的轴段长度一般应比轮毂长度短23mm，所以取Dmax=78mm.1.主轴悬伸量a与前端轴颈D1之比可按下表4-1选择：表4-1 主轴悬伸量与前端轴颈之比机床和主轴的类型a/D1通用和精密机床，自动车床和短主轴端铣床，用滚动轴承和支架0.51.5中等长度和较长主轴端的车床和铣床，悬伸较长的精密镗床 和内圆磨床1.252.5孔加工机床应用加工细长孔的机床，由加工技术决定，需要有长的悬伸刀杆或主轴可移动，因切削较长而不适用于有高精度要求的机床2.5取a=65mm2.主轴合理跨距的选择：在具体设计时，常常由于结构上的限制，实际跨距l最佳合理跨距。这样就造成主轴组件的刚度损失。在设计中一般认为l/=时，刚度损失不大（5%左右）。应该认为在合理范围之内，称之为合理跨距，合理跨距 =（）是一个区域。4.2.6 提高主轴强度的措施轴和轴上零件的结构、工艺及轴上零件的安装布置等对轴的强度有很大的影响，所以应在这些方面进行考虑，以利提高轴的承载的能力，减小轴的尺寸和机器的质量，降低制造成本。1.合理布置轴上零件以减小轴的载荷。为了减小轴所承受的弯矩，传动件应尽量靠近轴承，并尽可能不采用悬臂的支承形式，力求缩短支承跨距及悬臂长度。通常轴是在变应力条件下工作的，轴的截面尺寸发生突变处产生应力集中，轴的疲劳破坏也常常发生在此处。轴肩要采用较大的R减小应力集中；选择合适的配合关系；可在轮毂或轴上开减载槽；切制螺纹处的应力集中较大，应避免在轴上受载较大的区段切制螺纹。2.改进轴的表面质量提高轴的疲劳强度。轴的表面愈粗糙，疲劳强度愈低。因此，应合理减小轴的表面及圆角处的，提高轴的疲劳强度。表面强化处理的方法有：表面高频淬火；表面渗碳、氮化；碾压、喷丸等强化处理。4.2.7 轴的结构工艺性轴的结构工艺性指轴的结构形式应便于加工和装配轴上的零件，生产率高，成本低。一般说，轴的结构越简单，工艺性越好。因此，在满足使用要求的前提下，轴的结构形式应尽量简单。为了便于装配零件并去掉毛刺，轴端应制出45的倒角；需要磨削加工的轴段，应留有砂轮越程槽；需要切制螺纹的轴段，应留有退刀槽。为了减少加工刀具种类和提高劳动生产率，轴上直径相近处的圆角、倒角、键槽宽度、砂轮越程槽宽度和退刀槽宽度等应尽量采用相同的尺寸。主轴结构设计如下图：图4-2 主轴结构示意图4.3主轴强度的校核常见轴材料见表4.2所示。表4-2 常见轴材料轴的材料Q235-A、20Q275、354540Cr15-2520-3525-4535-45A0149-126135-112126-103112-974.3.1按扭转强度进行计算下面这种方法只是按轴所承受的扭矩来计算轴的强度；如果还承受有不大的弯矩时，则用降低许用扭转切应力的方法予以考虑。在作轴的结构设计时通常用这种方法初步估算轴径。对于不大重要的轴，也可作为计算结果。轴的扭转强度条件为 （4-1）-扭转切应力，单位MPaT-轴所受的扭矩，单位为Nmm-轴的抗扭截面系数，单位为n-轴的转速，单位为r/minP-轴传递的功率，单位为kwd-计算截面处轴的直径，单位为mm-许用扭转切应力，单位为MPa由上式可的直径 （4-2）式中: 对于空心轴 （4-3）应当指出，当轴截面上开有键槽时，应增大轴径以考虑键槽对轴的强度的削弱。对于直径d100mm的轴，有一个键槽时，轴径应增大7%。对于直径d100mm的轴，有一个键槽时，轴径应增大5%-7%有两个键槽时，应增大10%-15%。然后将轴径圆整为标准直径。应当注意，这样求出的直径，只能作为承受扭矩作用的轴段的最小直径。4.3.2 强度校核计算轴的精确计算主要是轴的强度和刚度校核计算，且在满足轴的强度和刚度要求，必要时还应进行轴的振动稳定性计算。进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况,采取相应的计算方法,并恰当地选用许用应力。BT30铣床机械主轴既承受弯矩又承受扭矩,应按弯扭合成强度条件进行计算,需要时还应按疲劳强度进行精确校核计算。1. 按扭转强度条件进行校核计算。 （4-4）式中：-扭转切应力，单位MPa。T-轴所受的扭矩，单位为Nmm。d-计算截面处轴的直径，单位为mm。-许用扭转切应力，单位为MPa。-轴的抗扭截面系数，单位为。由机械设计手册表8-348查得为45MPa；由机械设计课程设计手册表4-1（GB1059-79）可查得；。将以上各值代入式（4-4）得：=4.7MPa 2. 按弯扭合成强度计算：过轴的结构设计，轴上零件的位置，外载荷和支反力的作用位置都已确定，算出轴上载荷。由金属切削手册表得：表4-3 参数表 项目参数 数值出处D50mm表9-7B 30mm表9-4 S0.1mm/齿表9-11t8mmt=0.02*DZ4表9-7由金属切削机床夹具设计手册表3-56得查手册表1-2逆铣时得;, , 所以, 求出支反力：已知 ； 联立解得： 刚度校核计算:轴在载荷作用下,将产生弯曲或扭转变形。若变形量超过了允许的限度,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。对于制造产品的铣床主轴来说刚度是关键。由误差复映原理可知,刚度较差的机床造出的产品,根本就谈不上精度。因此,本次设计的BT40主轴必须校核刚度。轴的弯曲刚度以挠度和偏转角来度量的;扭转刚度以扭转角来度量。主要任务是:计算主轴在受载时的变形量,并控制其在允许范围内。刚度校核计算：阶梯轴的刚度条件： (4-5)T -扭矩，单位为NmmG -剪切弹性模量，单位为，对于各种钢材，-极惯性矩，单位为L -阶梯轴受扭矩的长度，单位为mmZ -阶梯轴受扭矩轴段数、 -阶梯轴第i段上的扭矩、长度、惯性矩 由机械设计查得/m，显然，。故满足刚度条件。第5章 铣床床身整体设计5.1 床身设计应满足的要求床身作为一个支撑件，是机床的基础构件。因为比较大，所以也称为“大件”。在切削时，刀具与工件之间互相作用的力大部分作用在床身上并使之变形。机床的动态力使床身和整体震动。床身的热变形会改变执行器件的相对位置和运动轨迹。这些，都将影响加工精度和表面质量。因此，床身是机床十分重要的构件。因此在床身设计中，对其要求如下：1应具有足够的刚度和较高的刚度重量比。后者在很大程度上反映了设