毕业设计（论文）-YK3150滚刀主轴部件设计（全套图纸）.doc

YK3150滚刀主轴主件设计摘要本文的课题是滚齿机的数控化中滚刀主轴部件的设计，首先对齿轮加工行业的工艺及制齿设备和需求进行了分析，针对以汽车工业为龙头带动相关齿轮行业的企业由生产型向制造型企业的转变和提升，而对制齿设备在加工精度和加式效率的更高要求，提出了开发数控滚齿机的设想。本文对国内、外数控滚齿机技术的发展进行了跟踪分析，结合国内现行数控滚齿机的发展水平，较为合理、科学地制定了数控滚齿机滚刀主轴的基本性能参数。在主轴电机的选择，主轴关键技术如静刚度，支承件等进行了分析。并设计计算了滚刀主轴主件的配置方案，以及零件的选择。力求更加合理、经济，在对重要部件的结构设计上突出独创和创新点，以最大限度满足重载、高效的切齿条件。最后，总结了本文的设计工作，得出了一些有益的结论。 关键词：数控 滚齿机 滚刀主轴 电机 重载全套CAD图纸等，加153893706Abstract This article is the subject of the CNC gear hobbing machine hob spindle components in the design, first gear machining technology and manufacturing industry and demand for dental equipment for the analysis, for in order to bring about the automobile industry as the leading industry gear from production-oriented enterprises to changes in manufacturing enterprises and the upgrading of equipment on the system of tooth type in the processing efficiency and processing accuracy higher demands put forward the idea of the development of CNC hobbing machine. In this paper, domestic and foreign technology CNC hobbing a follow-up analysis, combined with the internal level of development of CNC gear hobbing machine, a more reasonable and scientifically formulated hob spindle CNC hobbing the basic performance parameters. The choice of the spindle motor, spindle key technologies such as static stiffness, the bearing parts and so analyzed. And design and calculation of the hob spindle configuration of the main pieces of the program, as well as the choice of components. Seek a more rational, the economy, an important component in the structural design of original and innovative highlight in order to best meet the heavy-duty, high-performance conditions of the tooth. Finally, this article summarizes the design work, to draw some useful conclusions. Keywords: CNC hob hobbing machine the spindle motor overloaded目 录摘 要 Abstract1 绪论12 YK3150E数控滚齿机主运动总体设计6 2.1 设计要求6 2.2 数控滚齿机加工原理设计6 2.3 主要性能参数确定72.4 主传动总体结构设计123 YK3150E数控滚齿机主运动结构设计14 3.1 结构方案设计14 3.2 主轴设计相关问题分析153.3 本章小结264 YK3150E数控滚齿机设计计算274.1 主电机设计计算274.2 主运动传动组件设计计算334.3 本章小结435 密封与润滑445.1 密封445.2 润滑456 结论46致谢47参考文献48文献综述491绪论1.1 YK3150E数控滚齿机开发的背景和问题的提出自20世纪80年代后期以来，我国机床行业已朝着数控方面深入地发展，特别是进入九十年代后，机床的数控化标志着机床行业进入了一个新的时代。北京国际机床博览会统计数据表明，80年代末第一届北京机床展览的数控机床仅为5%比例，到2003年国际机床博览会上几乎除专用设备外全都为数控机床。作为齿轮加工机床的数控滚齿机。我国自八十时代开发以来，无论从品种的类型上还是功能复合上都得到了长足的发展。特别是近十多年以来，以汽车工业为龙头的相关支柱型产业更是把齿轮加工机床数控化发展推向了一个新的高度。其中尤其对数控高效滚齿机的需求显得十分突出。重庆机床厂作为我国齿机机床生产的骨干企业，在2000年，瞄准这一市场的需求潜力，为填补国内高效，高速、高刚性数控滚齿机床的空白，组织人力物力，在国内汽车行业，军工行业，进行了深入细致的调查，成功开发出了YK3150E数控滚齿机。1.2 数控滚齿机开发的意义和必要性随着载重汽车，工程机械，船开发，电梯及军工行业中对齿轮的加工精度、质量和效率的要求不断提高，特别是在这些行业中经常遇见48模数的直齿、斜齿、花键、小锥度、鼓形齿轮等的加工问题，开发一档数控高效全新型滚齿机床，更好地满足该行业对齿轮的精度和效率的需求，为我国制齿行业提供坚实的基础设备显得迫切而必要。其意义和必要性主要有如下几个方面：1、加速数控高效滚齿机床向产业化发展目前在国内齿轮行业中，以轻型，标准类型普通数控滚齿机的产品占绝大多数，真正意义上的数控(稳定切削全面达到国标 7 级精度)高效、强力，高刚性，能实现一刀切削中等模数的数控高精度滚齿机尚为空白，这档机床的研制成功，无疑会加速数控滚齿机的系列化，标准化、模块化的进一步发展，从而推动数控机床在制齿行业的产业化发展。2、提高企业的市场竞争能力和经济效益率先将独有的数控高效滚齿机的产品推向市场，不仅可以占有更大的市场份额，提高竞争能力，而且在此制造行业中带来巨大的市场利润，给后续的数控高效的发展带动无尽的动力。3、进一步缩小设备与国外的差距目前国内外齿轮加工机床行业目前已朝着高速、高效、高精度、全数控功能复合，柔性，智能化，绿色环保制造网络化方面发展。以德国的利波海尔公司，美国的格里森集团以及日三菱重工本等为代表世界著名的成套齿轮加工机床的制造商，均能生产高档数控滚齿机床，且对直径 150320 规格的数控高效滚齿机床已形成批量化生产，我厂此产品设计开发的成功不仅能缩小与国外滚齿设备技术水平的差距，而且也能打破国内制齿设备无数控高效机床的局面，在一定程度上对外出口创汇，形成国产数控高效制齿机床自主的核心技术。4、体现了我国机床数控化发展的方向现代先进制造技术的朝流是，数控化、信息化、高效和智能化，技术创新的方法是机械技术与高新技术的融合创新。对齿轮别制造技术装备来说，表现为工艺与装置一体化，加工与检测一体化，机械与控制一体化，软件与硬件一体化。需用信息化带动工业化，实现跨越式发展。数控高效机床的发展，不仅关系到我国装备工业经济技术实力的增强，更好满足制齿行业实际的需求，打破国外技术封锁的状态，同时也关系到国家战略的安全，担负着我国机床数控化发展的方向的问题。因而对滚齿行业来说，发展和开发数控高数滚齿设备是当前行业装备的重要而迫切的任务之一。1.3 市场需求性国内机械行业对中等模数以上(M4M8)直径小于400m的圆柱齿轮需求量很大，而目前各行业的主要齿轮加设备只相当于国外 20 世纪 6070 年代的水平，虽然少数企业也购买了进口机床，但价格昂贵，数量极其有限，且使用的成本较高，难以满足这些行业对产品变化的需求。目前迫切需要性价比高的数控高效滚齿机床，以解决这些行业日益发展的瓶颈问题。据调查，齿轮行业现在有些企业正在实施或计划进行技术改造，资金投入少则3000万元5000万元，多则1亿5亿元，主要用于购置各类齿轮加工专用设备和通用设备。据预测，2010年前，齿轮行业需要添置滚齿机 30003500 台，磨齿机 400500 台，热处理设备 500 台，齿轮测量中心 200 台。此外在 9 万台的齿轮机床中，约有 5 万台服役超过 20 年，已经或将要报废；余下的4万台普通齿轮机床其中一部分也将进行数控化改造。本产品开发成功主要适宜的对象有：1、机车及重型汽车变速箱齿轮加工行业用户2、工程及矿山机械行业中的齿轮加工用户3、船泊工业中的齿轮加工及维修用户4、高级电梯行业中的齿轮和蜗轮加工用户5、国防、军工企业的齿轮加工用户1.4 滚齿机国内外发展现状分析及发展趋势1.4.1 滚齿机国内发展现状齿轮加工机床是一种技术含量高且结构复杂的机床系统，由于齿轮使用的量大面广，齿轮加工机床已成为汽车、摩托车、工程机械、船舶等行业的关键设备。特别是随着汽车工业的高速发展对齿轮的需求量日益增加，对齿轮加工的效率、质量及加工成本的要求愈来愈高，使齿轮加工机床在汽车、摩托车等行业中占有越来越重要的作用。滚齿机是齿轮加工机床中的一种，占齿轮加工机床拥有量的40%，它主要用来加工圆柱齿轮和蜗轮等。我国生产滚齿机的历史始于1953年，经过30年的努力，到80年代初已进入世界滚齿机主要生产国家行列。目前，国产滚齿机以传统的机械传动式为主，品种系列齐全，传统滚齿机完全依靠机械内联传动实现滚刀与工件的同步运动和差动运动，往往需要经过多级齿轮传动，并且引入蜗杆蜗轮机构，使得机械结构非常复杂，调整维护非常困难，也降低了加工精度近几年，我国在滚齿机设计技术方面研究的主要经历了从传统机械式滚齿机通过数控改造发展。目前国内齿轮加工机床的最高水平如下：在工作台直线移动方面，采用数控驱动系统代替普通滚齿机的各种交换挂轮，采用交流伺服电机通过多对降速齿轮副和一对滚珠丝杠副来驱动机床的运动部件，在滚刀回转运动方面采用交流伺服电机通过2、3对降速齿轮副来实现。在工作台回转运动方面，绝大多数齿轮加工机床仍然需要采用多对高精度齿轮副和一对高精度蜗轮蜗杆副实现。但由于存在着大量的机械传动元件，对机床的加工精度产生极大的影响，也使得机械结构变得更为复杂，调整维修也极不方便。1.4.2 滚齿机国外研究现状国际上生产滚齿机的强国主要是美国、德国和日本，美国的Gleason Pfauter公司德国的Liebherr公司日本的三菱重工公司坚藤清和公司和意大利的SU公司是国外最具实力的滚齿机制造商。这些公司目前生产的滚齿机均是全数控式滚齿机，中小规格滚齿机都在朝着高速方向发展，所有高效机床均采用了全密封护罩加油雾分离器及磁力排屑器的方式部分地解决了环保问题。国外滚齿机研制的热点是干式切削滚齿机Liebherr Gleason Pfauter。三菱重工、SU、坚藤以及清和均开发了适用于高速干式切削的滚齿机产品。国外制造商由于基础研究厚实积累了大量的经验。它们对滚齿机的研究已经达到比较高的水准，将滚刀轴驱动，工件轴驱动各直线运动轴的驱动控制以及控制软件的开发等因素作为一体来考虑，将多个因素结合在一起进行优化。目前国外滚齿机研制水平如下：为了适应干式切削的需要，床身设计了大角度的斜坡，利于迅速将高温切屑排出机床，同时在床身内部采用循环水冷却以保证热稳定性。尾架采用电机驱动的方式来代替传统的液压方式，不用安装限位装置。刀架和活动支承的轴承采用水冷，可以达到更高的速度和最大的热稳定性。标准的热补偿系统能够根据机床温度的变化自动调整零件的加工尺寸。刀架采用机械方式锁紧，液压方式松开。滚刀轴旋转由电主轴直接驱动，工件轴旋转由力矩电机直接驱动，极大提升了加工速度。1.4.3 滚齿机研制技术的发展趋势目前国内外数控高效滚齿机的发展趋势是：高速(滚刀主轴8000r/min以上，工作台转速 800 转/r)，高精度(可滚齿 56 级齿轮)，全数控(六轴五联动以上)，模块系列化(直径 200 规格机型向 120350 双向覆盖)，绿色制造(干式滚切和冷风滚切)，网络化(多台滚齿机联网)。因此，齿轮加工机床制造商正不断地为满齿轮加工行业的新需求，提供高效率、高精度、环保，低成本和高可靠性和稳定性的精良齿轮加工装备方向推进。1.5 本章小结本章论述了国内外数控机床的发展现状，以及数控滚齿机国内的发展水平，指出开发设计数控滚齿机不仅是齿轮加工行业发展的的一种需求，而且也是数控技术和机电一体化技术相结合的必然产物，是制齿机床行业发展的一个方向，具有广阔的技术发展前景和市场拓展空间。2 总体设计2.1 总体设计要求为了使 YK3150数控高效滚齿机适合汽车尤其是重型汽车，工程机械，船舶工业等齿轮行业的需要,以满足 48 模数，一刀全齿深切削，稳定达到 GB100952001 的7级精度要求，YK3150E 数控机床主轴的各项性能指标必须达到下列设计要求：1、滚刀主轴速度范围能适应采用单、双头或多头滚刀进行高速、高效滚齿加工。2、为了达到高速、高效的滚齿要求，滚刀刀杆采用自动夹紧，自动放松，以及快卸螺母锁紧滚刀的刀架结构。3、刀架主轴的轴承结构需采用高刚性，高精度方式，其主轴轴承采用高精度滚动轴承，主运动采用二级齿轮传动，未端应采用消除齿轮副间隙结构的传动，以保证切削刚性。2. 数控滚齿机加工原理方案设计2.2.1 普通滚齿机加工原理滚切直齿圆柱齿轮的加工原理图普通滚齿机加工原理可用上图表示。根据展成法加工原理，滚刀转一转，工件必须严格地转 K/Z 转。其中 Z 为被加工齿轮的齿数，k 为滚刀的头数。从图 3.1中可以看出，必须保证 B1和 B2之间的严格传动比关系，这条传动链简称滚齿的内链。在图中该内链的传动路线为：B145ix67B2(工件)。而形成直线导线的运动则是滚刀架沿工件轴线方向的垂直进给运动，即：工件78is910刀架升降丝杆刀架。此外滚刀的旋转及调速由主传动链电机12iv34B1提供。因而要进行加工圆柱齿轮所需传动链至少有三个链，即一个展成运动内链，两个执行简单运动的外链。2.2.2 数控滚齿机加工原理数控滚齿机的加工原理图数控滚齿机的加工原理方案如图所示，其内链 B1 与 B2 传动比关系仍然遵循展成法加工原理，但数控滚齿机严格传动比关系不是通过调整机械传动比来实现，而是通过数控技术的“电子齿轮箱”来严格保证，实现展成运动。“A”、“B1”、“B2”运动分别用单独的伺服电机进行控制，它们之间没有任何机械的联系，而由数控系统进行计算控制来实现滚齿展成加工。2.3 主要性能参数的确定要设计和开发具有高效性能数控滚齿机,必须对数控滚机的主要性能参数进行适当选取和科学的制定，这些参数包括：主轴最高转速、工作台最高转速、加工最大模数、快速进给速度等。合理选择和确定主要性能参数是决定数控高效滚齿机先进的技术水平重要指标，为此，必须对目前滚齿行业齿轮加工工艺进行必要的调研和科学的分析，并加以合理的确定。根据调查，目前国内，以一汽大众，二汽东风神龙，大同齿轮厂，哈尔滨变速箱厂，杭州前进齿轮箱厂为代表的汽车制造厂家，因种种原因在齿轮加工工艺上仍较为落后，通常切齿速度大都在 60m/min 以下，个别企业的仅能达到 7080m/min内，且轴向进给量最大均在 2mm/工作台转左右。难以满足因产品种数多，产品增加的需求，而且滚齿加工的单向精度和综合精度也仅能达到78 级(GB1009588精度标准)，随着这些龙头企业产品不断升级，以及载重汽车和客车的需求量不断增加，以直径在 200350mm、模数为 48 的齿轮需求量越来越多，齿轮加工的精度要求稳定在 67 级需求越来越多。且工程能力指数大于 1.33 的要求成为机床验收的重要指标，为此对机床的可靠性也提出更高的要求，国内现有的滚齿机难以达到这一切齿要求。因而设计开发数控高效滚齿机的参数，必须满足这一国内机床新的要求。介于本设计只对主轴部分进行设计,所以只对主轴最高转速进行确定。2.3.1 主轴最高转速的确定根据滚齿原理，滚刀主轴转速可按下式计算： 式中， n滚刀的转速 （r/min） v切削速度 （m/min） D滚刀的外径 (mm)故主轴最高转速为根据前述分析，且结合目前齿轮滚刀湿式加工的最高切削速度范围80120m/min，取。关于的选取，根据国标608385标准齿轮滚刀的基本型式和尺寸，以及德国DIN3968标准齿轮滚刀的尺寸中（见表），综合实际的加工考虑。我们取。将，带入公式得：取滚刀主轴最高转速为安全值。国标GB.608385标准齿轮滚刀尺寸参数德国DIN标准滚刀尺寸参数2.3.2 模数确定数控高效滚齿机必须确定它的极限，以便能确定机床的加工能力，此参数的确定和适应的加工范围，为了一刀切齿直径在200500，模数在48mm，稳定达到全面7级精度要求，该机床的最大加工模数可根据数控滚齿机技术条件，以及相应数控滚齿机的精度标准中规定，由对机床的最终工作精度进行重切和精切的切削规范所决定。即精切试坯参数：式中：d最大加工直径m最大加工模数试件的分度圆直径试件的加工模数重切试坯的加工模数一般取最大加工模数的4/5：由上述分析综合确定，1012模数为此数控机床的最大加工模数，考虑到 m=10以上的模数在重型汽车和重型机械及相关行业的传动箱中已较少见，最大模数取最高线值，还会增加主电机功率以及加大安装最大模数的装齿刀尺寸，因而实际最大加工模数取为10mm。滚齿机各大厂家参数对照表续上表2.4 主传动总体结构设计2.4.1 主轴箱外形方案初定与传统普通滚齿机主轴传动不同，数控滚齿机主轴采用主电机独立驱动，在主电机与主轴通过齿轮传动联接，全部装置安装在刀架体上。图为刀架体外形三维图：2.4.2 主轴箱传动方案初定主运动传动由初电机经过两级齿轮传动至主轴，其在刀架体上的安装模式及传动方案可用下图表示： 2.5 本章小结本章提出了设计数控YK3150E型滚齿机滚刀主轴部件的总体要求，以及进行了普通滚齿机与数控滚齿机加工原理的比较分析，确定了主轴最高转速及工件加工最大直径和模数等重要参数，并对主运动传动方案进行了初步确定。3 YK3150E数控滚齿机滚刀主轴组件结构设计数控高效滚齿机的设计不仅要求在参数的选择、计算上应科学合理的，更主要的还应合理地设计出各主要部件的结构功能，以最优的机械结构实现各部件的功能。因而作为最重要的主轴主件的设计，必须在结构上有创新的特点，以满足数控高效滚齿机的切齿要求。下面将对YK3150E数控高效滚齿机的主轴部件设计进行分析说明。3.1 结构方案设计对于滚齿机来讲，刀架部件为滚齿机的关键的部件之一，从滚齿机的出厂检验标准来说(普通或数控滚齿机)共有1216个检验项目，而刀架部件就占了1/3的内容，从滚齿机的工作精度来讲，刀架这个部件对机床的精度的影响很大，直接对加工齿轮的精度第1公差组和第2公差组及齿面粗糙度产生作用。例如：刀架主轴的轴向串动，影响被加齿轮的相邻齿距误差；刀架主轴的径向跳动，影响着被加工齿轮的齿圈径向跳动误差；刀架的主轴高速切齿的振动(刀架整体刚性的强弱)影响着被加工齿轮的表面粗糙度。因而在进行刀架结构设计时，必须充分考虑数控高效滚齿机的切齿特点，以便从结构上最大限度地保证切齿的综合性能要求。 1成组轴承 2拉杆 3主轴 4传动轴 5高精度斜齿轮 6专用旋转油缸 7油缸活塞 数控滚齿机利用锥孔为 724的 BT50 标准铣削刀杆接口模式，有利于滚刀杆自动夹紧与放松，缩短了滚齿机辅助调整时间，通常普通滚齿机采用莫氏5号锥度的孔径定心，且为手动的夹紧与放松方式，该锥度的标准的孔位(大端)为 47.75mm，不能为滚刀提供更大的刀杆尺寸。在YKX3140 数控高效滚齿机的刀杆设计中，为了确保刀架整体刚性，最小刀杆直径为40mm，同时为了满足高效强力切齿，对自动夹紧系统的设计夹紧力最低不少于20000N，以充分保证刀杆切齿的刚性要求，而一般自动夹紧刀杆系统通常在15000N左右(普通数控滚齿机或小规格数控滚齿机)。刀杆的自动夹紧与放松过程为：油缸往右前推拉杆压缩碟形弹簧时，由拉杆推动夹爪向前移动并张开，此时为松开刀杆；当油缸往后移动时，拉杆在缩碟形弹簧恢复力作用下带动夹爪向后移动，由夹爪夹住并拉紧刀杆。显然，刀杆的拉紧力为碟形弹簧提供的纯机械拉力，油缸的推力仅起着放松刀杆的作用。刀杆的拉紧力不受油压及电压波动的影响。此种刀杆拉紧方式，能更好地适应高效滚齿机的切齿特点。传动系统中充分利用传动链误差分析理论提出的未端元件高精度原理，以提高传动链精度。即在刀架的末端传动元件的大小斜齿轮，其齿轮的精度达到 3 级精度，不但减少传动链的总误差，而且可有效降低高速切制的噪音。在刀架箱体内采用大流量循环润滑的冷却系统，有效地保证了高速、重载的切齿时刀架体的热平衡，从而保证了机床刀架主轴冷态和热态精度的一致性；而普通滚齿机在刀架箱体中，多采用油池润滑方式，切齿时刀架箱体高速旋转传动件产生的热量无法带走，机床的主轴冷态和热态精度变化较大。3.2 主轴设计相关问题分析主轴系统是滚齿机的核心，它在很大程度上影响着齿轮的加工精度。主轴部件的精度主要体现在主轴的回转精度和刚度的提高，而回转精度与刚度又决定于主轴的形式及装配形式。数控滚齿机最高加工速度相对于普通数控滚齿机有成倍的提高，达到500转/分，要达到这样高的转速，轴承的合理选择，精度、调整、润滑和轴系的平衡、阻尼特性等都对此有影响。滚刀轴轴系如何在这样的高速下保证精度，在设计的过程中必须对下面几个方面的内容进行研究：3.2.1 主轴回转精度分析1.回转精度的定义轴件作回转运动时，线速度为零的点的连线称为轴件的回转中心线，轴件回转中心线相对于某一固定参考系统的空间位置，在理想情况下是不应随时间变化的。但实际上由于轴承的误差，轴件的挠曲和振动等原因，轴件的回转中心线的空间位置在每一瞬时都是变化的，这时瞬时回转中心线空间位置的平均中心线称为理想回转中心线，瞬时回转中心线相对于理想回转中心线在空间的位置偏离就是回转轴件的瞬时误差，这些瞬时误差的范围就是轴件回转精度。轴件误差分为三种基本形式：轴向漂移、径向漂移、角向漂移。2.影响滚刀轴回转精度的主要因素1)轴颈的圆度误差，主要引发主轴周期性的径向误差。2)轴承误差，如滚道的圆度，滚动体直径及圆度的不一致性引发径向误差。3)轴承端面对轴颈的垂直度及推力轴承的滚道与滚动体误差引发轴向误差。4)前后轴承的同轴度及其径向跳动大小和方向的不一致会引发摆动误差。5)滚刀轴的不平衡及其支撑刚度的变化会引发径向误差和摆角误差。6)滚刀轴的振动会引发径向误差。3.提高零传动滚齿机滚刀轴部件回转精度的措施1)装配时采用定向选配，定向选配的目的是使误差相互抵消，注意拆卸时必须在轴承内圈和主轴轴颈间，轴承外圈与箱体孔间画线为记，重新装配时按记号、装配，才能保证精度。2)装配后精加工，将主轴部件装配好后，以主轴的安装基面和定位基面互为基准进行精磨。3)提高精度要求 选用高精度的轴承，提高轴承配合面比如轴颈和箱体孔的精度要求。4)对轴承适当预紧，减小间隙，保持适当过盈，提高刚度。5)提高抗振性，一般说来，提高抗振性的措施除了提高刚度外，还可以采用增加阻尼，采用弹性传动件，采取隔振措施等方法。对于数控滚齿机滚刀轴来说，为了保证精度，主要采取提高主轴和支撑部件刚性以及装配好后进行动平衡的措施。6)保证正确润滑，为轴承选择正确的润滑方式和润滑材料。3.1.2 主轴静刚度主轴的静刚度又称主轴刚度，是机床主轴系统的重要性能指标，它反映主轴单元抵抗静态外力的能力，与负荷能力及抗振性密切相关。主轴单元最重要的静刚度指标是弯曲刚度和轴向刚度。弯曲刚度Kr 的定义是：为使主轴前端产生单位径向位移时所需施加的力Fr，即主轴单元的轴向刚度Ka，定义为使主轴轴向产生单位位移时，在轴向所需施加的力。一般情况下，弯曲刚度比轴向刚度要重要的多，是衡量主轴单元刚度的重要指标，通常用来代指主轴的刚度，它与主轴单元的悬伸量、跨距、几何尺寸、金属的物理性能及轴承刚度有关。1.静刚度近似估算对滚齿机滚刀主轴轴系进行简化将变截面的主轴，简化为单一等效截面的等效主轴，设其截面抗弯惯性距为I，将前后轴承组简化为前后两个刚度系数为K1、K2的弹簧支承，确定支反力的合理位置。如图所示：主轴本身的弯曲变形引起的轴端位移 ys为（mm）式中 F静载荷（N）a 县伸量（mm）E弹性模量，钢的弹性模量为2.1*(N/)L支承跨距（mm） 前后支承的支反力为： 前后支承的变形为： 由于轴承变形引起的主轴轴端位移为： 主轴轴端总位移y为：2.悬伸量和跨距对主轴刚度的影响由式可知，前悬伸越长，伸出端挠度越大，对主轴组件的综合刚度影响越大，应该尽量缩短。在实际设计中，考虑到轴承的安装位置及密封等因素，前悬伸量基本上是没有优化余地的，能够优化的是前后轴承组之间的跨距。由式可求得主轴柔度为由式可以看出跨距对主轴刚度的影响不是单向的，将式对跨距L求导并令 dy/dL=0得：对式求解就可得到最佳跨距值，实际上，由于实际设计中结构的限制，此最佳跨距值是一个近似的参考值，若实际跨距在此附近，则有可能使主轴刚度达到最大值。若结构设计中实际跨距不能等于L时，则宁大勿小，以较大的实际跨距为宜。因为当实际跨距小于最佳跨距时，综合刚度的降低比跨距大于最佳值时要敏感得多。3.1.3 主轴组件支承问题分析1.主轴轴承的选择数控滚齿机滚刀轴部件加工速度高，其轴承的选用首先必须满足高速运转的要求,并且具有高的回转精度和较低的温升，其次，因为滚齿机承受的是断续冲击的切削力，所以其轴承必须具有尽可能高的径向和轴向刚度。另外，还必须具有较长的使用寿命，特别是保持精度的寿命。滚动轴承的选用，主要看转速、载荷、结构尺寸要求等工作条件。一般来说，线接触轴承、滚柱、滚锥、滚针承载能力大，同时摩擦大，则相应极限转速较低，点接触球轴承则反之，但推力球轴承由于对中性较差，极限转速较低，单个轴承同时承受径向载荷和单双向轴向载荷，其结构简单，尺寸小，但滚动体受力不在最优方向，使极限转速降低。轴系的径向和轴向载荷分别由不同轴承承受，受力状态较好，但结构复杂尺寸大。一般轴系要同时承受径向载荷与双向轴向载荷，需按下列条件选用滚动轴承。1)中高速重载，双列圆柱滚子轴承配双向推力角接触球轴承，若配推力轴承，会使极限转速降低，成对圆锥滚子轴承结构简单，但极限转速较低，空心圆锥滚子轴承的极限转速提高，但成本较高。2)高速轻载，采用成组角接触球轴承，根据轴向载荷的大小分别选用250或者150接触角。3)轴向载荷为主，精度不高时，选用推力轴承配深沟球轴承，精度较高时，选用向心推力轴承。综上所述，对于数控滚齿机主轴部件，显然应该以中高速重载的条件来选择滚动轴承，故选用双列圆柱滚子轴承配双向推力角接触球轴承。2.主轴轴承的配置主轴轴承的配置形式应该根据转速、刚度、承载能力、抗振性和噪声等要求来选择。常见的有以下几种典型的配置形式：速度型、刚度型和刚度速度型。1)速度型主轴前后轴承都采用具有良好高速性能的角接触球轴承，双联或者三联。当轴向切削分力较大时，选用接触角为250的球轴承；当轴向切削分力较小时，选用接触角为 150的球轴承载。在相同条件下，前者的轴向刚度比后者大一倍。2)刚度型前支承采用双列圆柱滚子轴承承受径向载荷和600角接触双列推力球轴承承受轴向载荷，后支撑采用双列短圆柱滚子轴承，这种轴承配置的主轴部件适用于中等转速和切削负载较大要求刚度高的机床。3)速度刚度型前轴承采用三联角接触球轴承，后支撑采用双列短圆柱滚子轴承，前轴承组的配置特点是：外测的两个角接触球轴承大口朝向主轴工作端，承受主要方向的轴向力，第三个角接触球轴承则通过轴套与外测的两个轴承背靠背配置，使三联角接触球轴承有一个较大的支承跨距以提高承受颠覆力矩的刚度。数控滚齿机加工速度虽然相对于普通数控滚齿机有了很大提高，但绝对速度与加工中心的主轴相比却不能算高速，由于其加工特点，它显然属于刚度型的结构。由于YK3150E数控滚齿机加工过程中，主轴前端微小的变形都会反映到工件的精度上，因此主轴前端必须具有极高的径向和轴向刚度，因此，前端的双列圆柱滚子轴承和双向推力角接触球轴承都必须施加预紧力以提高刚度。前端必须固定，后端轴承远离加工区域，承受的径向力比较小，主轴在加工过程中，轴承热和转子热都会有一部分传递到主轴上，造成主轴温升变形，因此后端轴承必须浮动，否则主轴中段会产生弯曲变形。综上所述，滚刀主轴采用一端固定一端浮动的结构，靠近加工区域一端固定，远离加工区域一端浮动。这样的结构使的主轴具有高的刚性，同时避免温升变形。3.主轴轴承的润滑滚动轴承的润滑目的是减少轴承内部摩擦及磨损，防止烧结，延长疲劳寿命，防止异物进入，防锈防腐。评定轴承速度性能的是速度参数dn值(单位:mm.r/min)，其中d为轴承的中径，等于轴承内外径的平均值(单位:mm)，n为转速(单位:r/min)，dn值反映了轴承滚动体的公转速度，这也是轴承转速的主要限制因素，代表轴承速度性能的dn值同时表征着相应主轴的转速及线速度特性。我国主轴单元系列型谱将机床主轴单元划分为两大类：高刚度型和高速度型，其对应的dn值及润滑方式见下表：YE3150E滚齿机滚刀主轴前轴承的dn值为：按照上表的规定，属于高刚度型，采用脂润滑，脂润滑时要注意不同型号的脂类不能混用，且补充的周期要短于润滑期限，一般情况下为（0.5 0.7）倍润滑期限。4.主轴轴承的预紧滚动轴承的预紧又称为预加负荷，是指在安装轴承时采用一定的方法，以消除轴承的游隙，并在滚动体和内外圈接触处产生预变形使工作表面的接触面积增加。对轴承进行预紧的目的有以下几点：1)在正确决定轴的径向方向及轴向方向位置的同时抑制轴的跳动。2)提高轴的刚性。3)防止轴向方向的振动及由于共振而造成的异音。4)抑制滚动体的旋转滑动，公转滑动及自转滑动，以减小离心力和陀螺力矩并且可以抑制磨损。轴承的预紧有两种方法，一种是定位预紧，另一种是定压预紧。定位预紧是对置轴承在轴方向的相对位置，在使用中也不会改变的预紧方法。定压预紧是利用螺旋弹簧、碟形弹簧给予轴承适当的预紧力的方法，在使用中轴承的相对位置即使有变化，预紧力也可以大体保持一致。定位预紧与定压预紧相比较，在预紧力相等的情况下，定位预紧有效于增加轴承的刚性。但是，在运转过程中，由于轴与外壳的温度差而造成的轴向延伸率差，内外圈温度差而造成的径向热膨胀差及负荷而造成的变形等影响会使预紧力发生变化。在定压预紧的情况下，由于轴伸缩造成弹簧变形很小，所以几乎可以不考虑预紧力的变化。由此可知，一般定位预紧适合于提高刚性的目的，定压预紧适用于高速旋转需要防止轴向振动的情况。定位预紧与定压预紧方式对刚度的影响滚动轴承的预紧量应该根据对刚度和运转条件的要求来决定。较大的预紧量可以提高轴承的刚度，但是过大的预紧量会增大轴承的工作表面面积，增大摩擦系数导致温升增高，润滑条件变坏，轴承的寿命和极限转速降低。因此在预紧量的选择上一定要慎重，选择预紧量的原则是当轴承承受最大工作负荷时，轴承始终保持一定的过盈量而不致于产生间隙。数控滚齿机滚刀主轴前轴承预紧方式方案为：主轴前支承预紧方式双列圆柱滚子轴承的预紧方法是：首先，取掉外圈，用一个端面平面度和垂直度很高的隔套推其内圈，使其沿主轴1：12锥度段轴向移动，靠内圈的弹性变形将滚子撑开，然后测量各滚子顶点形成的包络圆，在测量的过程中修磨调整片6，直到包络圆的圆度非常高，并且直径要和测量到的外圈滚道直径一致，一般情况下，调整好的圆柱滚子轴承会有23个微米的过盈量。双向推力角接触球轴承的预紧方法是：首先通过密封盖5，双列圆柱滚子轴承的外圈将其外圈轴向固定，然后用螺母推动隔套顶其内圈，使内外圈在轴上的相对位置对置，通过修磨调整片4调整预紧力。4.主轴骗码器的选择（一）、滚刀轴控制精度分析滚齿机通过滚刀轴与工件轴的展成运动切出工件齿形在啮合节线上产生的齿距误差为： 式中 -工件的齿距误差 -滚刀或工件模数 -滚刀轴旋转误差 -工件轴轴旋转误差 K滚刀头数 Z工件齿数由上式可知工件对工件轴误差是非常敏感的，假设滚刀头数为1，加工的工件齿数为100，则工件轴误差对工件误差的影响程度是滚刀轴误差对工件误差影响程度的100倍，因此，在误差分配的时候，应该尽可能地提高滚刀轴精度以降低对工件轴精度的要求。（二）、滚刀轴编码器选择原则数控滚齿机由主轴电机经两级齿轮传动驱动滚刀轴旋转，选用编码器为角度编码器，角度编码器由测量轮和感应头组成，测量轮上有刻线或者做成齿轮的形状由主轴带动旋转，感应头通过光电感应，将测出的位置信号传入控制系统，系统再把测得的信号按照设定的倍频数细分以获得需要的分辨率。系统所能达到的分辨率跟编码器刻线数或者齿数感应头自带倍频数以及数控系统的细分倍频数有关，其计算公式为： 式中 SC为数控系统的分辨率，S为编码器刻线数或者齿数，N为感应头自带倍频数，DMR为数控系统设定的细分倍频数，目前数控系统最多可以对编码器的检测信号进行2048倍细分。数控系统的分辨率是由主轴的控制精度决定的，根据前面的分析，数控系统对零传动滚齿机滚刀轴的分辨率应该达到0.005o，即脉冲当量应该达到0.005度/脉冲。编码器的刻线数S的选择不是任意的，它跟滚刀轴的转速有很大的关系。当滚刀轴转速比较高时，选择刻线数或者齿数较多的编码器会使感应头来不及响应，造成系统振荡。当滚刀轴转速比较低时，选择刻线数或者齿数较低的编码器会使系统在单位时间内采到的脉冲数过少，造成控制误差较大。另外由于N值是不可调的，一般为4，若S值过小则会造成DMR值过大，造成信号质量下降。因此，必须根据主轴转速，选择合适的编码器。设定合适的系统倍频值，使控制系统的性能达到最优。根据以上分析，最终选择德国海德汉公司的RON886型角度编码器。其装配方案如下图：3.3 本章小结本章主要对YK3150E数控滚齿机进行结构设计的分析确定。在已做出的装配草图的基础上分析了传动系统中各组件的设计，主要进行了主轴组件的机械性能分析。通过分析解决了数控滚齿机的结构设计相关问题。4 YK3150E数控滚齿机设计计算4.1 主电机设计计算4.1.1 电机选型笼型异步交流电机和永磁同步交流电机是目前机床电主轴的主力军，异步电机结构简单，转动惯量小，动态响应快，转速高，在变频调速下系统有较硬的机械特性和良好的调速性能。而永磁同步电机结构比较复杂，矢量控制复杂，但是与异步电机相比有下面几个优点：1、由于不是靠切割磁力线感生磁场，因此转子能量损失更少，这就意味着转子发热量少， 使得轴承和主轴的温升较小，热变形较小，有较高的主轴系统刚度。2、在相同的转矩下，需要的冷却能量较少，节省了冷却系统的成本。3、具有更高的功率密度。4、在相同的惯性矩下具有更好的加速性能。滚齿机加工过程中滚刀轴与工件轴之间是精密的同步展成运动，因此对滚刀轴来说不仅要求速度匹配，还要求位置同步，这就需要非常高的响应速度和精度。滚齿机刀架要求结构非常紧凑，主轴电机体积过大容易引起干涉问题。由于同步电机较异步电机具有更高的功能密度，因而在相同功率下体积较小。基于上面的理由，永磁同步内置电机是最好的选择。4.1.2主电机功率设计计算数控滚齿机最主要功率参数之一就是主电机的功率，如果主电机的功率选择过大，将使机床的结构设计更为困难且机床过于笨重，如果主电机功率选择过小，难以满足高速、高效强力切齿，影响机床的整体性能。4.1.2.1 滚齿机主运动电动机的功率根据机床设计理论，有 (4.1a)式中： 消耗于切削的功率，又称有效功率（KW） 空载功率 （KW） 载荷附加功率，指随载荷而增加的机械摩擦损耗功率(KW)4.1.2.2 的计算机床主运动空转时，由于传动件的摩擦，搅油，空气阻力等原因，电动机要消耗一部分功率，其值随着传动件转速增大而增加，与传动预紧程度及装配质量有关，中型机床主传动空载功率可按下列实验公式计算。 (4.1b) 式中：d平均主运动系统中除主轴外所有传动轴轴颈的平均直径(cm) ni除主轴外各轴的转速和(r/min)n主 主轴转速(r/min)k润滑修正系数，k=3050，润滑情况好时取小值d主 主轴前后轴颈的平均值(cm)C1主轴轴承系数4.1.2.3 的计算机床切削时，由于传动件的正压力加大，则摩擦损失将增加，因而 P辅随 P切的变化而变化。 (4.1c)式中，.，. 为主传动系统中各传动副的机械效率。 将公式(4.1c)代入(4.1a)中得： (4.1d)式中 机床总机械效率，= 0.750.85(主运动为回转运动)或 =0.40.7(主运动为直线运动)。显然从公式(4.1b)中可以看出，在滚齿机结构尚未确定时，P空的计算有较大的难度和不确定性，因而实际中按照重庆机床厂所总结的经验公式来计算P空。即当主轴转速 n250(r/min)时， (4.1e)当主轴转速 n250(r/min)时， (4.1f) 式中， (m/min) Di分度蜗轮节圆直径 (mm)Z分度蜗轮齿数4.1.2.4 切削