毕业设计（论文）-320mm数控车床主传动系统的机械结构设计【全套图纸】.doc

摘 要近年来，我国机械制造业的自动化生产技术有了较快的发展。据统计，生产过程中材料、半成品的输送、定向及设备的上、下料等辅助工序所花的费用约占全部加工费用的三分之一，所花时间约占全部加工时间的三分之二以上。为了解决上述问题，发展了一种用计算机以数字指令方式控制的数字控制机床。数控机床的应用几乎已扩展到所有加工领域，许多工厂为了适应产品的频繁更新，提高加工精度、降低生产成本、缩短产品交货周期和减轻劳动强度等目的，在中等批量、甚至大批量生产中也应用了数控机床，即使在5000件的生产批量下加工结构形状不太复杂的零件，使用数控机床也能取得良好的经济效益。320mm数控车床为全能型加工车床，可进行多次重复循环加工，特别适合于汽车、石油机械、军工等多种行业的机械加工，主要用于轴类、盘类的精加工和半精加工，可以加工内、外圆柱表面、锥面、车削螺纹、镗孔、铰孔以及各种曲线回转体。可根据用户要求配置手动、电动、液压卡盘和手动、电动、液压尾座等。机床防护有全防护、封闭防护两种形式。关键字：数控车床；精加工；液压尾座 全套图纸，加153893706AbstractIn recent years, the automation production technique of the our country machine manufacturing industry contain quicker development. According to the covariance, material in the production line, the semi-processed goods transport, definite direction and equipments of up, bottom anticipate the etc., the expenses that the assistance work preface spend about has all 1/3 of process the expenses, time spend about has all 2/3 of process time is above.For resolving the above-mentioned problem, produce a kind of numeral control tool machine that controls by numerical instruction with the calculator. The application that number controls the tool machine almost has already expand to all process the realm.Many factory for the sake of the multifarious renewal of the orientation product, the exaltation processes the accuracy, lowers the production cost and shortens the product to deliver goods the period and ease to labor the strength etc. purpose, also applied the number to control the tool machine in win wait batch quantity, even mass-produce, even process the not that complicated spare parts of the structure shape under 5000 pieces production batch quantities, using the number to control the tool machine also can obtain good economic performance.320 mm the number controls the lather to process the lather for the omnipotent type, can carry on many repetitions to process circularly, special suitable for automobile, petroleum machine, the soldier work etc. the machine of various profession process, mainly using for stalk, dish s process to process with the half , can process inside, the outside cylinder surface, face, the car pares thread, bore of ，bore of and various curves turn-over body.Can request to install to move according to the customer, dynamoelectric, the liquid presses the card dish and hands to move, dynamoelectric, the liquid presses the tail.The tool machine protection contain whole protection, close two kinds of forms of protection. Keywords：The number controls；the lather to process；the liquid to press the tail目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景及目的11.2 国内外研究现状及发展趋势21.2.1 数控系统的发展趋势21.2.2 我国数控车床的研究现状及发展趋势2第2章 320mm数控车床72.1 320mm数控车床简介72.2 机床主要技术参数和连接尺寸82.3 机床精度的选择82. 4 电动机的选择102.4.1 选择电动机类型102.4.2 选择电动机容量102.4.3 确定电动机的转速112.5 无级变速的主传动系统设计112. 6主轴组件的基本要求112.6.1 旋转精度122.6.2 静刚度122.6.3 抗震性122.6.4 温升和热变形132.6.5 耐磨性13第3章 数控机床的主轴及其机械结构143.1 对主轴驱动的要求143.1.1 主传动要有宽的调速范围及尽可能实现无级变速143.1.2 功率大143.1.3 动态响应性要好153.1.4 精度高153.1.5 旋转轴联动功能153.1.6 恒线速度切削功能153.2 初选主轴直径153.3 传动轴直径183.4 确定带轮直径183.5 普通V带的设计18第4章 轴承选用与寿命计算274.1 轴承选用274.2 轴承的寿命计算284.3 轴承的润滑与密封284.3.1 主轴滚动轴承的润滑29第5章 箱体的设计315.1 箱体的结构特点及技术要求315.1.1 箱体的结构要求315.1.2 箱体的主要技术要求315.2 壁厚的选择32结 论33致 谢34参考文献35CONTENTSAbstractIChapter 1 Introduction11.1 Background and objective11.2 The trend of domestic and international research status and development21.2.1 The trend of NC system development21.2.2 The trend of Chinas CNC lathe research status and development2Chapter 2 320mm NC lathe72.1 320mm CNC lathe72.2 The main machine technical parameters and connection size82.3 The selection of the precision of the machine tool82.4 Motor selection102.4.1 The selection of motor type102.4.2 Selection of motor capacity102.4.3 The selection of the motor speed112.5 The design of stepless main driving system 112.6 The basic requirements of main components112.6.1 The rotating accuracy122.6.2 The static stiffness122.6.3 The resistance of earthquake122.6.4 Temperature-rise and thermal deformation132.6.5 The resistance of Wear13Chapter 3 CNC machine tool spindle and its mechanical structure143.1 The requirements of spindle drive143.1.1 The main drive to a wide speed range and possible to realize stepless speed143.1.2 High-power143.1.3 Better dynamic response153.1.4 High-precision153.1.5 The function of rotation axis153.1.6 Constant line speed and cutting function153.2 The primary chosen of spindle diameter153.3 The diameter of drive shaft183.4 The determination of the belt wheel diameter183.5 The design of common V belt18Chapter 4 Selection and calculation of fatigue bearing life274.1 The selection of bearing274.2 The calculation of bearing life284.3 Bearing lubrication and sealing284.3.1 The lubrication spindle rolling bearing29Chapter 5 The design of box315.1 The structure of box body characteristics and technical requirements315.1.1 The requirements of box body structure315.1.2 The main technical requirements of box315.2 Selection of wall thickness32Conclusion33Thanks34Reference3536第1章 绪论1.1 课题背景及目的我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3。近10年来，我国数控机床年产量约为0.60.8万台，年产值约为18亿元。机床的数控化率仅为6。这些机床中,役龄10年以上的占60以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品国内、外市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。 而相对于传统机床，数控机床有以下明显的优越性：1、可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 2、可以实现加工的柔性自动化，从而效率比传统机床提高37倍。 3、加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。 4、可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。 5、拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，可实现长时间无人看管加工。 因此，采用数控机床，可以降低工人的劳动强度，节省劳动力（一个人可以看管多台机床），减少工装，缩短新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应。 此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。 由于以上优越性，数控机床所占的比例逐渐增大。从2005年的市场消费内容也可可看出,普通机床的市场份额在下降,数控机床则大幅度增长，尤其是中高档数控机床供不应求。可以预见，未来几年普通机床的市场份额将不断下滑, 数控机床的消费会逐渐扩大。1.2 国内外研究现状及发展趋势1.2.1 数控系统的发展趋势自从1951年计算机技术应用于机床上，数控系统经历了数控（NC）和计算机数控（CNC）两个阶段的发展。目前，数控系统正处于第六代基于PC（PCBASED）1。未来数控系统将呈以下发展趋势：1. 继续向开放式、基于PC的第六代方向发展 基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。2. 向高速化和高精度化发展 3. 向智能化方向发展 (1) 应用自适应控制技术向高速化和高精度化发展 数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。 (2) 引入专家系统指导加工 将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。 (3) 引入故障诊断专家系统 (4) 引入动装置智能化数字伺服驱动系统可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。1.2.2 我国数控车床的研究现状及发展趋势1. 研究现状我国数控车床从20世纪70年代初进入市场，至今通过各大机床厂家的不懈努力，通过采取与国外著名机床厂家的合作、合资、技术引进、样机消化吸收等措施，使得我国的机床制造水平有了很大的提高，其产量在金属切削机床中占有较大的比例。目前，国产数控车床的品种、规格较为齐全，质量基本稳定可靠，已进入实用和全面发展阶段2。 (1) 床身按照床身导轨面与水平面的相对位置，床身有图1-1所示的5种布局形式。一般来说，中、小规格的数控车床采用斜床身和平床身斜滑板的居多，只有大型数控车床或小型精密数控车床才采用平床身，立床身采用的较少。平床身工艺性好，易于加工制造。由于刀架水平放置，对提高刀架的运动精度有好处，但排屑困难；刀架横滑板较长，加大了机床的宽度尺寸，影响外观。平床身斜滑板结构，再配置上倾斜的导轨防护罩，这样既保持了平床身工艺性好的优点，床身宽度也不会太大。斜床身和平床身斜滑板结构在现代数控车床中被广泛应用，是因为这种布局形式具有以下特点： 1) 容易实现机电一体化； 2) 机床外形整齐、美观，占地面积小； 3) 容易设置封闭式防护装置； 4) 容易排屑和安装自动排屑器； 5) 从工件上切下的炽热切屑不至于堆积在导轨上影响导轨精度； 6) 宜人性好，便于操作； 便于安装机械手，实现单机自动化。 (2) 导轨 车床的导轨可分为滑动导轨和滚动导轨两种。 滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点。但传统滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。目前，数控车床已不采用传统滑动导轨，而是采用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。它们具有摩擦性能良好和使用寿命长等特点。 滚动导轨的优点是摩擦系数小，动、静摩擦系数很接近，不会产生爬行现象，可以使用油脂润滑。根据滚动体的不同，滚动导轨可分为滚珠直线导轨和滚柱直线导轨。后者的承载能力和刚度都比前者高，但摩擦系数略大。 a)后斜床身-斜滑板 b)直立床身-直立滑板 c)平床身-平滑板 d)前斜床身-平滑板 e)平床身-斜滑板 图1-1 床身布局型式(3) 主轴变速系统经济型数控车床大多数是不能自动变速的，全功能数控车床的主传动系统大多采用无级变速。目前，无级变速系统主要有变频主轴系统和伺服主轴系统两种，一般采用直流或交流主轴电机，通过带传动带动主轴旋转，或通过带传动和主轴箱内的减速齿轮带动主轴旋转。由于主轴电机调速范围广，又可无级调速，使得主轴箱的结构大为简化。(4) 刀架系统 按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式。排式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒料或盘类零件为主。回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架，通过刀架的旋转分度定位来实现机床的自动换刀动作，根据加工要求可设计成四方、六方刀架或圆盘式刀架。根据刀架回转轴与安装底面的相对位置，回转刀架分为立式刀架和卧式刀架两种。排刀式刀架和回转刀架对刀具的数目有一定的限制，当需要数量较多的刀具时，应采用带刀库的自动换刀装置。(5) 进给传动系统 数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统，按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。前者定位精度低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉；后者控制精度高、快速性能好，但它对机床的要求比较高，且造价较昂贵。闭环系统中采用的位置检测装置有：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和激光干涉仪等。 数控车床的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机。伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机之分。前者由于具有可靠性高、造价低等特点而被广泛采用。2. 发展趋势(1) 高速、高精密化 当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高。另一方面，电主轴和直线电机的成功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的直线导轨副等机床功能部件的面市，也为机床向高速、精密发展创造了条件。 (2) 高可靠性 (3) 数控车床设计CAD化、结构设计模块化 采用CAD技术以替代人工完成繁琐的绘图工作，进行设计方案选择和大件整机的静、动态特性分析、计算、预测及优化设计，以及对整机各工作部件进行动态模拟仿真。这样大大提高了工作效率，提高设计的一次成功率，从而缩短试制周期，降低设计成本，提高市场竞争能力。 (4) 功能复合化扩大机床的使用范围、提高效率，实现一机多用、一机多能，即一台数控车床既可以实现车削功能，也可以实现铣削加工。(5) 智能化、网络化、柔性化和集成化。，第2章 320mm数控车床2.1 320mm数控车床简介该车床为水平床身结构，机床外观造型为半封闭滑动防护门结构。车床的床座采用优质铸铁整体铸造而成，不但提高了机床的整体刚性，而且具有较好的吸振性。主轴变速有两种方式，一种为手动集中变速方式，所有变速机构都集中在主轴箱内，通过数控系统对双速电机的控制，在每一个手动变速档下，可以有高、低两档自动变速。另一种为无级变速方式，由交流变频调速电机通过三角胶带直接带动主轴，在这种情况下，车床主轴采用高精度主轴专用角接触球轴承支承，并采用高速润滑脂润滑。车床的进给轴由混合式步进电机（或交流伺服电机）直接驱动滚珠丝杠副，带动溜板运动。为了提高进给轴的动态响应时间，减少摩擦和磨损，车床的移动副都采用了贴塑工艺。车床的移动导轨副和滚珠丝杠副的润滑采用手动集中润滑系统（或间歇式自动润滑系统），方便了各润滑点的润滑。该车床配置了立式四工位电动刀架，可一次装夹四把刀具，便于工件一次装夹，多工序加工。对进给轴进行开环（或半闭环）控制。该车床适用于中、小型轴类、盘套类零件的内、外圆柱面、圆锥面、圆弧面、端面和螺纹面的加工，特别适用于批量生产的加工中。2.2 机床主要技术参数和连接尺寸表2-1 机床的技术参数项目单位参数床身上最大回转直径mm320最大工件长度mm750刀架上最大回转直径mm170主轴通孔直径mm55主轴内孔锥度莫氏6号主轴头部形式A25主轴转速级数无级主轴转速范围r.p.m502500进给轴快速移动速度mm/min7000（X轴减半）进给轴驱动电机功率kw1.0进给轴最小设定单位mm0.001进给轴重复定位精度mmX轴：0.007Z轴：0.01主电机功率kw=5.5电动刀架刀具容量支4尾座套筒内孔锥度莫氏6号加工标准试件的表面粗糙度Ram1.6外形尺寸（长宽高）mm210010501500机床净重/机床总重kg1900/21002.3 机床精度的选择选择机床的精度等级应根据典型零件关键部位加工精度的要求来定。表2-2 精度项目普通型精密型单轴定位精度0.01/0.300或全长0.005/全长单轴重复定位精度0.0060.003铣圆精度0.030.040.02数控机床的其它精度与表中所列数据都有一定的对应关系。定位精度和重复定位精度综合反映了该轴各运动元部件的综合精度。尤其是重复定位精度，它反映了该控制轴在行程内任意定位点的定位稳定性。这是衡量该控制轴能否稳定可靠工作的基本指标。目前的数控系统软件功能比较丰富，一般都具有控制轴的螺距误差和累积误差可以用螺距补偿功能，能对进给传动链上各环节系统误差进行稳定的补偿。如丝杠的螺距补偿来消除。但这是一种理想的做法，实际造成这反向运动量损失的原因是，存在驱动元部件的反向死区、传动链各环节的间隙、弹性变形和接触刚度等变化因素。其中有些误差是随机误差，它们往往随着工作台的负载大小、移动距离长短、移动定位的速度改变等反映出不同的损失运动量。这不是一个固定的电气间隙补偿值所能全部补偿的。所以，即使是经过仔细的调整补偿，还是存在单轴定位重复性误差，不可能得到高的重复定位精度5。总之，力求提高每个数控坐标轴的重复定位精度是机床制造厂和用户的共同愿望。铣圆精度是综合评价数控机床有关数控轴的伺服跟随运动特性和数控系统插补功能的指标。由于数控机床具有一些特殊功能，因此在加工中等精度的典型工件时，一些大孔径、圆柱面和大圆弧面可以采用高切削性能的立铣刀铣削。测定每台机床的铣圆精度的方法是用一把精加工立铣刀铣削一个标准圆柱试件；中小型机床圆柱试件的直径一般在左右。将标准圆柱试件放到圆度仪上，测出加工圆柱的轮廓线，取其最大包络圆和最小包络圆，两者间的半径差即为其精度（一般圆轮廓曲线仅附在每台机床的精度检验单中，而机床样本只给铣圆精度允差）从机床的定位精度可估算出该机床在加工时的相应有关精度。如在单轴上移动加工两孔的孔距精度约为单轴定位精度的1.52倍（具体误差值与工艺因素密切相关）。因此，普通型加工中心可以批量加工出8级精度零件，精密型加工中心可以批量加工出67级精度零件。这些都是选择数控机床的一些基本参考因素。此外，普通型数控机床进给伺服驱动机构大都采用半闭环方式，对滚珠丝杠受温度变化造成的位置伸长无法检测，因此会影响工件的加工精度。2.4 电动机的选择选择电动机的容量时应保证电动机的额定功率、等于或稍大于工作机所需的电动机的功率,即工作机所需电动机功率为:= kW (2-1)式中 工作机所需功率。指输入工作机轴的功率kW: 有电动机至工作机的总功率: kW (2-2)式中 工作机的阻力矩Nm 工作机的转速殊 运动副效率乘积; 2.4.1 选择电动机类型按工作要求选用Y系列鼠笼型交流伺服电动机，电压380V,2.4.2 选择电动机容量各部分的传动效率:V带传动效率=0. 96;滚动轴承传动效率=0. 99;编码器传动效率=0.97;同步齿形带= 0.95;0.858 Kw2.4.3 确定电动机的转速电动机的同步转速越高，磁极对数越少，其重量越轻，外廓尺寸越小，价格越低，而转速越大，价格越高。所以根据条件，选电动机型号为Y132S一4，功率5.5 kw，转速1450r/min,最大转矩2.2Nm2.5 无级变速的主传动系统设计数控机床、重型机床和精密机床已广泛地采用直流或交流无级变速电动机，作旋转运动的主轴。从计算转速至最高转速为恒功率区，从计算转速至最低转速为恒扭矩区，恒功率变速范围比恒扭矩变速范围大2-4倍。直流并激电动机从额定转速向上至最高转速，是采用调节磁场电流的办法来调速的，属恒功率调速;从额定转速向下至最低转速，是利用调节电枢电压的方法来调速的，属于恒转矩调速。普通直流电机的,恒功率调速范围为24。恒转矩调速范围达几十甚至100以上;交流调速电机的,额定转速向上至最高转速为恒功率，范围为3-5,由额定转速至最低转速为恒转矩，调速范围达几十或超过100。如果用它们驱动做旋转运动的主轴，则由于主轴要求的恒功率调速范围远大于电动机所能提供的恒功率范围，常用串联分级变速箱的办法来扩大其恒功率调速范围变速箱的公比原则上应等于电动机的恒功率调速范围。如果为了简化变速机构，取心，则电动机的功率应取得比要求的功率大些。 通过一级带传动实现变速的主传动系统，本机床采用的就是这种传动，其优点是机构简单，安装调试方便，且在一定程序上能满足转速与转矩的输出要求，但调速范围受电机调速范围比的约束。2.6主轴组件的基本要求 与一般传动轴一样，主轴也要在一定的转速下传递一定的扭矩。但是主轴要带着工件或刀具参与切削工作，以形成工件表面。所以，一台机床的加工质量在很大程度上决定于主轴组件的质量。主轴要传递扭矩，直接承受切削力，而且还要满足通用机床、专用机床、数控机床各自不同的要求。2.6.1 旋转精度 主轴组件的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转动的条件下，主轴前端安装工件或刀具部位的径向跳动和轴向跳动。当主轴以工作转速旋转时，由于润滑油膜的产生和不平衡的扰动，旋转精度将有所变化。这一点对于精密、高精度机床尤为重要。 主轴组件的旋转精度主要取决于各主要件，如主轴、轴承、箱体孔等的制造、装配和调整精度。旋转精度还决定于主轴转速、支撑的设计和性能，润滑剂以及主轴组件的平衡。2.6.2 静刚度 主轴组件的静刚度反映组件抵抗静态外载荷变形的能力。主轴组件的弯曲刚度定义为:使主轴前端产生单位位移时，在位移方向测量所需施加的力，即，影响主轴组件弯曲刚度的因素很多，如主轴的尺寸和形状，滚动轴承的型号、数量、配置形式和预紧，滑动轴承的型号和油膜刚度，前后支撑间的距离和主轴前端的悬伸量，传动件的布置方式，主轴组件的制造和装配质量等。各类机床主轴组件的刚度目前尚无统一的标准。2.6.3 抗震性 主轴组件工作时产生振动会降低工件的表面质量和刀具耐用度，缩短主轴轴承寿命，还会产生噪声影响环境。 振动表现为强迫振动和自激振动两种形式。主轴组件产生自激振动，不仅严重影响加工质量，甚至使切削无法进行下去。抵抗强迫振动则要提高动刚度，动刚度是指激振力幅值与振动幅值之比。 影响抗振性的因素主要有主轴组件的静刚度、质量分布和阻尼。主轴的固有频率应远大于激振力的频率，以使它不易发生共振。目前，尚未制定出抗震性的指标，只有一些实验数据可供设计时参考。2.6.4 温升和热变形 主轴组件工作时因为各相对运动处的搅油等而发热，产生温升，从而使主轴组件的形状和位置发生变化。 主轴组件受热伸长，使轴承间隙发生变化。温升使润滑油粘度下降，降低了滑动轴承的承载。主轴箱因温升而变形，使主轴偏离正确位置。前后轴承温升不同，还会导致主轴轴线倾斜。因此，对主轴轴承的温升要做出限制，主轴轴承在高速空转、连续运转情况下的允许温升:高精度机床为8度到10度，精密机床和数控机床为15度到20度，普通机床为30度到40度。 由于受热膨胀是材料固有的性质，因此高精度机床要进一步提高加工精度，往往受热变形的限制。研究如何减少主轴组件的发热，如何控温，是高精度机床主轴组件研究的重要课题之一。2.6.5 耐磨性 主轴组件的耐磨性是指长期保持原始精度的能力，即精度保持性。对精度有影响的部位首先是轴承，其次是安装刀、夹具或工件的部位，如锥孔，定心轴颈等。此外，还有移动式主轴的工作表面如幢床主轴的外圆，坐标幢床和某些加工中心主轴的套筒外圆等。 装有滚动轴承的主轴，支撑处的耐磨性则决定于滚动轴承。如果用滑动轴承，则轴颈的耐磨性在很大程度上影响精度保持性。为了提高耐磨性，一般机床主轴的上述部分应淬硬至HRC60左右，深约1 mm。第3章 数控机床的主轴及其机械结构3.1 对主轴驱动的要求 数控机床的主轴驱动是指产生切削运动的传动，它是数控机床的重要组成部分之一。在数控机床上，主运动的最高与最低转速、转速范围、传递功率和动力特征，决定了数控车床的切削加工效率和加工工艺性能。主轴组件的回转精度、刚度、抗振性能和热变形，直接影响加工零件的尺寸，位置精度和表面质量，随着数控技术的不断发展，现代数控车床对主轴驱动提出了更高的要求。3.1.1 主传动要有宽的调速范围及尽可能实现无级变速 数控加工时切削用量的选择，特别是切削速度的选择，关系到表面加工质量和机床生产率。对于自动换刀数控机床，为适应各种工序和不同材料加工的要求，更需要主传动有宽的自动变速范围。数控机床的主轴变速是依指令自动进行的，要求能在较宽的转速范围内进行无级变速，并减少中间传递环节，以简化主轴箱和降低传动误差。 目前数控机床的主驱动系统要求在1:(1001000)范围内进行恒转矩和1: 10范围内的恒功率调速。由于主轴电机与驱动的限制，为满足数控机床低速强力切削的需要，常采用分段无级变速的方法，即在低速段采用机械减速装置，以提高输出转矩。3.1.2 功率大 要求主轴有足够的驱动功率或输出转矩，在整个速度范围内均能提供切削所需的功率或转矩，特别是在强力切削时，并且有一定的过载能力和较硬的调速机械特性，即在负载变化的情况下，电机转速波动小。3.1.3 动态响应性要好 要求主轴升降速时间短，调速时运转平稳，对有的数控机床需同时能实现正、反转切削，则要求换向时均可进行自动加减速控制，即要求主轴有四象限驱动能力。3.1.4 精度高 主要指主轴回转精度，要求主轴部件具有足够的刚度和抗振性，具有较好的热稳定性，即主轴的轴向和径向尺寸随温度变化较小，另外，要求主传动的传动链要短。3.1.5 旋转轴联动功能 要求主轴与其他直线坐标轴同时实现插补联动控制，如在车削中心上，为了使之具有螺纹车削功能，要求主轴能与进给驱动实行联动控制，即主轴具有旋转进给轴(c轴)的控制功能。3.1.6 恒线速度切削功能 为了提高工件表面质量和加工效率，有时要求数控机床能实现表面恒线速度切削，如数控机床对大直径工件端面切削时，要求主轴转速随切削端面的直径变小而变快，并以切削表面为恒线速度的规律变化。3.2 初选主轴直径 主轴直径直接影响主轴部件的刚度。直径越粗，刚度越高，但同时与它相配的轴承等零件的尺寸也越大。故设计之初，只能根据统计资料选择主轴直径。 车床、铣床、幢床、加工中心等机床因装配的需要，主轴直径常是自前往后逐步减小的。前轴颈直径大于后轴颈直径。对于车、铣床，一般。表3-1几种常见的通用机床钢质主轴前轴颈主电机功率5.57.51115卧式车床6090mm75110mm90120mm100160mm升降台铣床6090mm75100mm90110mm100120mm外圆磨床5575mm7080mm7590mm75100mm 为了提高刚度，主轴的直径应尽量大些。前轴承至主轴前端的距离应尽可能小些。为了便于装配，主轴常做成阶梯形的。主轴的结构与形状和主轴上所安装的传动件、轴承等零件的类型、数量、位置和安装方法有直接的关系。 为了便于在主轴上安装各种标准刀具或夹具，前端用双键传递扭矩。前端圆螺母用来调整刀具的轴向位置，平键用来传递扭矩。图3-1 主轴前端 主轴中孔用于通过拉杆。为了能通过更粗的棒料，车床的中孔直径希望大些，但受刚度条件的限制，孔径不宜超过外径的70% 。 多数机床主轴中心有孔，主要用来确定棒料或安装工具，主轴内孔直径在一定范围内对主轴刚度影响很小。若超出此范围则能使主轴刚度急剧下降。由材料力学可知，刚度K正比于截面惯性矩I，它与直径之间有下列关系:一般，0. 7对刚度影响不大，若0. 7将使刚度急剧下降。所以前轴颈95 mm，后轴颈(0.7-0. 85 )=70 mm 主轴前端悬伸量的选择: 主轴悬伸量是指主轴前支承径向作用点到主轴前端受力作用点之间的距离，无论从理论分析还是从实际测试的结果来看，主轴悬伸量a值愈小愈能提高主轴部件的刚度。因此，确定主轴悬伸量a的原则是在满足结构要求的前提下尽可能取小值。1. 主轴悬伸量与前轴径直径之比 =114mm2. 根据查表，计算前支承刚度=1700=13.85n/mm 因为后轴承直径略小于前轴承，取， 则=9.9n/mm计算综合变量= 故取弹性模量E=2 x =3. 确定最佳跨距查表之点，向上做垂线与的斜直线相交，由交点向左作平线和纵坐标轴相交，得，所以=215 mm合理跨距的范围为之间合理图3-2 普通V带3.3 传动轴直径 mm (3-1)式中 计算转速，1450输入功率(kW)，=5. 5 x 0. 96=5. 28 kW允许扭转角，=1.5=650 mm 花键6x21x25x53.4 确定带轮直径查机械设计第七版，表8-3，得小带轮基准直径=125 mm大带轮直径由公式 mm3.5 普通V带的设计1. 确定计算功率查表查得工作情况系数=1.1=1.15.5=6.05 kW2. 选取普通V带带型根据、n确定选用B型。3. 初选中心矩=700 mm4. 计算带的基准长度 mm mm5. 选择带基准长度 查=1800 mm6. 实际中心矩 mm mm mm7. 小带轮包角8. 带速v 合格9. 带的挠曲次数u 合格 10. 带的根数Z (3-2)式中 包角系数 查表 -长度系数 查表 V带传动功率及其增量经查表，得, 。 取3根 3.6 同步齿形带设计1. 设计功率查表查得工作情况系数 kW2. 选取同步带带型根据, n确定选用圆弧齿5M型。3. 小带轮齿数4. 小带轮节圆直径 mm5. 带速V (合格)6. 传动比i 7. 大带轮齿数8. 大带轮节圆直径 mm9. 初定中心矩选定=500 mm10. 初定带的节线长度及其齿数mm mm选1800mm 11. 实际中心矩a mm mm 3.7 主轴的刚度计算主轴组件的刚度，可以用有限元法或传递矩阵法结合迭代借助电子计算。1. 主轴的简化及刚度计算如主轴前后轴承之间由数段组成，则当量直径 mm 如果前后轴承颈的直径相差不大，也可把前后轴承颈直径的平均值近似地作为当量直径d。 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，也可不计。如主轴前端作用一外载荷F，则挠度 (3-2)式中 外载荷; 前悬伸，等于载荷作用点至前支撑点间的距离; 跨距，等于前后支撑间的距离;弹性摸量，刚的= (MPa) ;截面惯性矩，=0. 05 ()(mm) 轴的外径和孔径(mm)将及之值代入，可得如，则孔的影响可忽略+弯曲刚度当 则 N3.8 轴的校核 1. 轴的强度校核 在主轴中，主轴承受的载荷较大，相对尺寸较小,下面仅对这根轴的强度和轴承寿命进行校核计算6。 主轴的材料为40Cr，下面就按弯扭合成强度条件 (1) 轴的受力分析 作出轴的计算简图，即力学模型，在不同转速下不同。图3-3力学模型(2) 作出受力图，弯矩图，扭矩图分别按水平面和垂直面计算各力，以及各力产生的弯矩、扭矩并根据计算结果做了弯矩图、扭矩图。图3-4水平面受力图3-5水平面剪力图3-6水平面弯矩图3-7垂直面受力图3-8垂直面弯矩图3-9扭矩 (3) 轴的强度校核A.按弯扭合成强度条件，对II轴进行强度校核，根据弯矩、扭矩图确定工一工截面水平弯矩: Nm垂直弯矩: Nm合成弯矩: Nm截面扭矩:T=16.94BN.m B.安全系数校核计算 由于该减速机轴转动，弯矩引起脉动循环的弯应力，转矩引起脉动循环的剪应力。弯曲应力幅为: MPa式中 抗弯断面系数，=0.643由机械设计手册查得，由于是对称循环弯曲应力，故平均应为力=0，根据公式 (3-3) 式中 5称循环应力时的疲劳极限，由机械设计手册表26.1-1查得 = 255 MPa ;正应力有效应力集中系数，由表26.3-5，按键槽得=1.82,按配合查得2.62，故取=1.62表面质量系数，轴经车削加工，按表26.3-8查得0.92 ;尺寸系数，由26.3 0.91;平均应力折算系数，由表26-3-13查得。剪应力幅为： MPa (3-4)式中 抗扭断面系数，由26.3-17查得根据式 45号钢扭转疲劳极限，由表26-1-1查得140 MPa ;剪应力有效应力集中系数，由表26.3-5按键槽查得1.62，按配合查得1.89，故取1.62;表面质量系数，轴经车削加工，