毕业设计（论文）-XKA5750数控铣床主传动系统设计（全套图纸）.pdf

单位代码 11834 学 号 分 类 号 TH6 密 级 毕业设计说明书 XKA5750 数控铣床主传动系统设计 院 系 名 称 工 学 院 机 械 系 专业名称 机 械 设 计 及 自 动 化 学生姓名 指导教师 2012 年 5 月 12 日 黄河科技学院毕业设计说明书 第 I 页 XKA5750 数控铣床主传动系统设计 摘要 本文介绍了 XKA5750 立式数控铣床的一些基本情况 简述了机床主传动系统方面 的原理和类型 分析了各种传动方案的机理 XKA5750 立式数控铣床主传动系统包括 主轴电动机 主轴传动系统和主轴组件三部分 本文详细介绍了立式数控铣床主传动系 统的设计过程 该立式数控铣床主轴变速箱是靠齿轮进行传动的 传动形式采用集中式 传动 主轴变速系统采用多联滑移齿轮变速 齿轮传动具有传动效率高 结构紧凑 工 作可靠 寿命长 传动比准确等优点 文中介绍了立式数控铣床主传动系统各种传动方 案优缺点的比较 主传动方案的选择和确定 主传动变速系统的设计计算 主轴组件的 设计 轴承的选用基润滑 关键零件的校核 以及主轴电动机的控制等设计过程 关键词 数控铣床 主传动系统 主轴组件 全套图纸 加全套图纸 加 153893706 黄河科技学院毕业设计说明书 第 II 页 黄河科技学院毕业设计说明书 第 III 页 The main drive system design of XKA5750 CNC milling machine Author Han Liguo Tutor Yan Cunfu Abstract This paper introduces some basic situations of the XKA5750 vertical CNC milling machine briefly discusses the principles and types about spindle driving system of machine tool and analyzes the mechanism of various transmission scheme The main driving system of XKA5750 CNC milling machine includes three parts that is spindle motor spindle driving system and spindle components This paper describes the main driving system design process of the XKA5750 CNC milling machine in detail The spindle gearbox of this vertical CNC milling machine is driven by gear and the driving mode adopts a centralized transmission the spindle speed system uses multi sliding gear transmission The advantages of gear drive are high transmission efficiency compact structure reliable long life and accurate transmission ratio and so on This paper compares the advantages and disadvantages of the various transmission scheme for vertical CNC milling machine system introduces the selection and identification of main drive program gearshift design and calculation of the main drive the design of the spindle components the selection and lubrication of the bearing verification of critical parts and the control of spindle motor and so on Key words CNC milling machine spindle driving system spindle components 黄河科技学院毕业设计说明书 第 IV 页 目 录 1 绪 论 1 1 1 我国数控机床的发展现状 1 1 2 课题提出的意义和目的 2 2 XKA5750 数控铣床主传动系统方案的确定 3 2 1 数控铣床主传动系统简介 3 2 2 对数控铣床主传动系统的要求 3 2 3 主传动的类型及方案选择 4 3 主传动变速系统主要参数计算 6 3 1 计算切削功率 6 3 1 1切削力的计算 6 3 1 2切削功率的计算 6 3 1 3主轴转速范围的确定 6 3 2 计算主传动功率 7 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 7 3 3 1 变速级数Z的确定 7 3 3 2 电动机的功率的确定 8 3 3 3 电动机参数 8 3 3 4 分级变速箱的传动系统变速机构的确定 10 4 主轴组件设计 12 4 1 概述 12 4 2 主轴组件应满足的基本要求 12 4 3 主轴的设计 13 4 3 1轴的分类 13 4 3 2主轴材料选择 13 4 3 3主轴结构设计 13 4 3 4主轴强度的校核 18 4 4 轴承设计 20 4 4 1轴承的类型选择 20 4 4 2 轴承游隙等级的选择 21 4 4 3轴承布局 21 4 4 4轴承装置的设计 22 5 数控铣床主轴电气控制系统设计 26 5 1 控制方式选择 26 5 2 PLC 概述 26 5 2 1 可编程控制器的由来及现状 26 5 2 2 PLC按I O点数和结构形式的分类 26 5 2 3 可编程控制器的特点 27 5 2 4 PLC的应用领域 28 黄河科技学院毕业设计说明书 第 V 页 5 3 PLC 在主轴电动机控制中的应用 错误 未定义书签 错误 未定义书签 结论 错误 未定义书签 错误 未定义书签 致谢 错误 未定义书签 错误 未定义书签 参考文献 错误 未定义书签 错误 未定义书签 黄河科技学院毕业设计说明书 第 1 页 1 绪 论 1 1 我国数控机床的发展现状 数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础 这个基础是否牢固直接影响到 一个国家的经济发展和综合国力 关系到一个国家的战略地位 因此 世界上各工业发 达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业 近几年我国数控产品发展很快 但真正在市场上站住脚的却不多 就数控系统而 言 国产货仍未真正被广大机床厂所接受 因此出现国产数控系统用于旧机床改造的例 子较多 而装备新机床的却很少 机床厂出产的国产数控机床大多数用的都是国外的系 统 这当然不是说旧机床的数控化改造不重要 而是说明从商品的角度看 我们的数控 系统与国外相比还存在相当大的差距 影响数控系统和数控机床商品化的主要因素除技术性能和功能外 更重要的就是 可靠性 稳定性和实用性 以往 一些数控技术和产品的研究 开发部门 所追求的往 往是一些体现技术水平的指标 如多少通道 多少轴联动 每分钟多少米的进给速度等 等 而对影响实用性的一些指标和一些小问题却不太重视 在产品的稳定性 鲁棒性 可靠性 实用性方面花的精力相对较少 从而出现某些产品鉴定时的水平都很高 甚至 也获各种大奖 但这些高指标 高性能的产品到用户哪儿却由于一些小问题而表现不尽 人意 最后丧失了信誉 打不开市场 这说明 高指标 高性能的样机型的产品离用户 真正需要的实用 可靠的商品是有相当大的距离的 将一个高指标 高性能的产品变为 一个有市场的商品还需作出大量艰苦的努力 另一方面 数控系统和数控机床不像家电类产品那样易于大批量生产 应用环境 也不那么简单 数控产品是在生产环境中使用 面临的是五花八门的工艺问题 如果开 发部门对这些问题掌握得不透 就难以将产品设计得很完善 而且数控产品的某些问题 在开发 试用 甚至鉴定时都难以发现 这就造成 同样型号的数控机床在有的用户那 儿运行得很好 而在别的用户那儿却表现欠佳 或者同样型号的数控机床用于加工某些 零件工作得很好 但用于加工其他零件时却不尽人意 出现这种情况 有时是用户操作 人员的水平问题 但有时就是数控产品本身潜在问题的暴露 为解决这一问题 国外一 些公司设立了专门机构来测试考验自己的产品 如为考验新开发的数控系统 厂家自己 设计和从生产实际中收集了大量零件程序 让数控系统运行各种各样的程序 一旦发现 黄河科技学院毕业设计说明书 第 2 页 问题 即立即反馈给开发部门予以解决 经过这样的测试考验过程后 数控系统的潜在 问题就大为减少 以往 我们的产品就很少进行这样严格的全面的自我测试考验 很多 问题都要等到用户去给我们挑出来 这样 即使一个小问题也将严重影响国产数控产品 的声誉 1 2 课题提出的意义和目的 与普通铣床的工艺装备相比较 数控铣床工艺装备的制造精度更高 灵活性好 适 用性更强 一般采用电动 气动 液压甚至计算机控制 其自动化程度更高 合理使用 数控铣床的工艺装备 能提高零件的加工精度 各种类型数控铣床所配置的数控系统虽 然各有不同 但各种数控系统的功能 除一些特殊功能不尽相同外 其主要功能基本相 同 其主要功能如下 点位控制功能 此功能可以实现对相互位置精度要求很高的孔系 加工 连续轮廓控制功能 此功能可以实现直线 圆弧的插补功能及非圆曲线的加工 刀具半径补偿功能 此功能可以根据零件图样的标注尺寸来编程 而不必考虑所用刀具 的实际半径尺寸 从而减少编程时的复杂数值计算 刀具长度补偿功能 此功能可以自 动补偿刀具的长短 以适应加工中对刀具长度尺寸调整的要求 比例及镜像加工功能 比例功能可将编好的加工程序按指定比例改变坐标值来执行 镜像加工又称轴对称加 工 如果一个零件的形状关于坐标轴对称 那么只要编出一个或两个象限的程序 而其 余象限的轮廓就可以通过镜像加工来实现 旋转功能 该功能可将编好的加工程序在加 工平面内旋转任意角度来执行 子程序调用功能 有些零件需要在不同的位置上重复加 工同样的轮廓形状 将这一轮廓形状的加工程序作为子程序 在需要的位置上重复调用 就可以完成对该零件的加工 宏程序功能 该功能可用一个总指令代表实现某一功能的 一系列指令 并能对变量进行运算 使程序更具灵活性和方便性 这就使我们更加有需要来研究数控铣床的各个方面 而本设计主要真对 XKA5750 数控滑枕升降台铣床主传动部分加以分析和设计 设计出可以实现数控加工经济合理的 主传动系统 使纯机械化的机床实现机电一体化的数控机床 获得大的机械效益 黄河科技学院毕业设计说明书 第 3 页 2 XKA5750 数控铣床主传动系统方案的确定 2 1 数控铣床主传动系统简介 主传动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 数控机床主传动系统主要包括电动机 传动系统和主轴部件 它与普通机床的主传 动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 在主传动系统方面 具有下列特点 1 目前数控机床的主传动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 数控机床的主传动系统要求有较大的调速范围 一般Rn 100 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 5 6 2 2 对数控铣床主传动系统的要求 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 黄河科技学院毕业设计说明书 第 4 页 3 主传动的有关结构 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 主传动的类型及方案选择 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 在主传动系统中 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 目前主传动系统主要有三种变速方式 1 具有变速齿轮的主传动 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 如图1 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 1 1 图 1 2 图 1 3 2 通过带传动的主传动 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 如图1 2所示 3 由调速电机直接驱动的主传动 这种主传动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1 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 黄河科技学院毕业设计说明书 第 5 页 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轮主传动系统 使主轴获得较高的转速和较大的转矩 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传动的变速方式 黄河科技学院毕业设计说明书 第 6 页 3 主传动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 Pc 铣削时的主切削力 公斤力 CF 加工材料影响的系数 fz 每齿进给量 mm aF 背吃刀量 mm B 铣削宽度 Z 铣刀齿数 D 铣刀直径 mm 根据经验取铣刀直径 D 50mm 的四齿锥柄立铣刀 铣刀宽 B 40mm fZ 0 05mm aF 4mm Cf 68mm 计算得 Fc 132 公斤力 7 3 1 2 切削功率的计算 切削时所消耗的功率称为切削功率 切削功率的计算公式 3 2 式中 Pc 切削功率 kw Fc 切削力 公斤力 Vc 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 Vc 100m min 计算得 Pc 2 2kw 3 1 3 主轴转速范围的确定 主轴最高转速为 最低转速为 黄河科技学院毕业设计说明书 第 7 页 3 2 计算主传动功率 用下列方法粗略估算主电动机的功率 3 3 式中 为铣床主传动系统总机械效率 主运动为回转运动时 主运动 为直线运动时 取主传动的总效率 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 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 来扩大电动机恒功率变速范围 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 黄河科技学院毕业设计说明书 第 8 页 3 4 故变速箱的变速极数 可取 Z 3 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 和无重叠 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 4 可知 应增大又 即所以得 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 主传动系统的功率特性图中出现 缺口区 缺口处的功率为 低谷处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 所以选用功 率为 5 5kw 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 电机采用 CTB 系列变频电机 型号 CTB 45P5BXB50 4 主要技术指标如下 1 电压 三相 380V 50Hz 2 变频调速范围 5 100Hz 无级调速 5 50Hz 恒转矩调速 50 100Hz 恒功率调 速 级数为 4 级 额定转速 1445r 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 50Hz 时输出额定转矩而不致使电 机因发热而烧毁 4 CBT 45P5BXB50 4 电机 主要性能参数如表 3 1 法兰安装如图 3 1 外形尺 黄河科技学院毕业设计说明书 第 9 页 寸如表 3 2 3 3 所示 表表 3 1 CBT 45P5BXB50 4 电机的相关技术参数电机的相关技术参数 型号 额定功 率 kw 机 座 号 额 定 转 速 r min 额定转 矩 N m 堵转 额定转矩 最大 额定转矩 转 动 惯 量 kg m2 重量 kg 变频器功 率 kw A 型 B 型 CTB 4 5P5B XB50 4 5 5 132S 4 1445 36 3 1 3 2 3 0 021 4 70 5 5 7 5 注 额定电压 频率 380V 50Hz 极数 4 极 同步转速 1500r min 图 3 1 B5 法兰安装图 黄河科技学院毕业设计说明书 第 10 页 表表 3 2 电机外形尺寸电机外形尺寸 1 机座号 A AA AB AC AD AE AF B BB C D DH E ED F G 80 125 35 165 175 140 65 160 100 130 50 19 M6 16 40 25 6 15 5 90S 140 37 180 195 150 65 170 100 140 56 24 M8 19 50 40 8 20 90L 140 37 180 195 150 65 170 125 165 56 24 M8 19 50 40 8 20 100L 160 45 200 215 165 65 190 140 180 63 28 M10 22 60 45 8 24 112M 190 45 230 240 180 65 200 140 185 70 28 M10 22 60 45 8 24 132S 216 50 275 275 190 65 220 140 205 89 38 M12 28 80 60 10 33 表表 3 3 电机外形尺寸电机外形尺寸 2 机座号 H HA HB HD K KK L LA LD M N P S T 80 80 10 180 215 10 M25 395 10 115 165 130 200 4 12 3 5 90S 90 13 200 235 10 M25 445 12 130 165 130 200 4 12 3 5 90L 90 13 200 235 10 M25 445 12 130 165 130 200 4 12 3 5 100L 100 14 230 265 12 M32 500 12 145 215 180 250 4 15 4 112M 112 14 255 290 12 M32 505 12 150 215 180 250 4 15 4 132S 132 16 290 325 12 M32 575 13 180 265 230 300 4 15 4 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 40 900r min 高档转速为 300 4000r min 采用二级变速传动 传动比为30 60 60 34 的高速传动30 60 27 67 的 低速传动两种变速机构 采用拨叉变速 显然如果要求在 1500 4000r min 内作恒功率的 不停车变速可用高档 如果要求在 190 1500r min 内作恒功率的不停车变速可用低档 电机的转速图和功率特性图如图 3 2 所示 3 16 黄河科技学院毕业设计说明书 第 11 页 III 电 机 4500 1500 4000 1320 900 205 190 1020 300 132 40 1 2 1 76 1 1 2 48 n 2 71 4 P kw 图 3 2 电机转速图和功率特性图 黄河科技学院毕业设计说明书 第 12 页 4 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 2 主轴组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 刚度定义示意图 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 黄河科技学院毕业设计说明书 第 13 页 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 4 3 主轴的设计 4 3 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 3 2 主轴材料选择 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 3 3 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 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 黄河科技学院毕业设计说明书 第 14 页 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 1 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 2 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 3 确定轴上零件的装配方案 图 4 2 主轴装配草图 预定出轴上主要零件的装配方向 顺序和关系 该数控铣床主轴的装配如图 4 2 所 示 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 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 黄河科技学院毕业设计说明书 第 15 页 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 5 轴颈的初步设计 1 按扭转强度初算最小轴颈 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 MPa T 轴所受的扭矩 单位为 N mm 轴的抗扭截面系数 单位为 n 轴的转速 单位为 r min P 轴传递的功率 单位为 kw 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 由上式可得直径 4 2 式中 对于空心轴 黄河科技学院毕业设计说明书 第 16 页 表表 4 1 常见轴材料的常见轴材料的及及 A0值值 轴的材料 Q235 A 20 Q275 35 45 40Cr 15 25 20 35 25 45 35 45 A0 149 126 135 112 126 103 112 97 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 d 100mm 的轴 有一个键槽时 轴径应增大 7 对于直径 d2 5 取 a 65mm 2 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 l0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 l0 0 75 1 5 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 l合理 是一个区域 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 黄河科技学院毕业设计说明书 第 18 页 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 a R 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 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 主轴结构设计如图 4 3 图 4 3 主轴结构图 4 3 4 主轴强度的校核 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 2 1 按扭转强度条件进行校核计算 黄河科技学院毕业设计说明书 第 19 页 4 3 式中 扭转切应力 单位 MPa T 轴所受的扭矩 单位为 N mm 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 3 查得为 45MPa 由 机械设计课程设计手册 表 4 1 GB1059 79 可查得5 0tmm 12bmm 42TNgmm 将以上各值代入式 4 3 得 4 7MPa 满足强度要求 2 按刚度条件校核计算 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 T 扭矩 单位为 Ngmm G 剪切弹性模量 单位为 a MP 对于各种钢材 4 8 1 10 a GMP 极惯性矩 单位为 4 mm 黄河科技学院毕业设计说明书 第 20 页 L 阶梯轴受扭矩的长度 单位为 mm Z 阶梯轴受扭矩轴段数 阶梯轴第 i 段上的扭矩 长度 惯性矩 代入相应数值得 由 机械设计 查得 显然 故满足刚度要求 4 4 轴承设计 4 4 1 轴承的类型选择 由于在高速机械上使用的轴承对于转速的要求很高 国内的标准轴承无法满足本次 设计要求 根据本次设计的要求选取国外生产的 FAG 型号轴承为本次设计所用轴承 9 10 11 通过本次设计的 BT40 铣床机械主轴的受力分析可知 轴承在工作过程中 既受径 向载荷又受轴向载荷 因此 本次设计必须选用角接触球轴承 1 主轴前端支撑用 FAG 角接触球轴承 XCB7013C T P4S 参数如表 4 4 所示 表表4 4 FAG轴承轴承XCB7013C T P4S 轴承名 称 尺寸 mm 支撑尺寸 mm 额定负载 kN d D B rsmin R1smin da Da ra rb Cdyn C0stat XCB701 3C T P4S 65 100 18 1 1 1 10 61 00 24 50 实现转速 r min 预紧力 N 轴向刚度 N m 质 量 kg 脂润滑 油润滑 L M H L M H 22000 36000 109 319 830 57 4 97 3 138 1 0 36 黄河科技学院毕业设计说明书 第 21 页 2 主轴后端支撑用FAG角接触球轴承XCB7010C T P4S 参数如表4 5所示 表表4 5 FAG轴承轴承XCB7010 C T P4S 轴承名 称 尺寸 mm 支撑尺寸 mm 额定负载 kN d D B rsmin R1smin da Da ra rb Cdyn C0stat XCB701 0C T P4S 50 80 16 1 00 1 00 56 74 1 0 0 3 44 00 16 00 实现转速 r min 预紧力 N 轴向刚度 N m 质 量 kg 脂润滑 油润滑 L M H L M H 30000 43000 41 166 366 37 8 66 9 96 4 0 11 3 花键轴用FAG圆珠滚子轴承FD1007T P4S 参数如表4 6所示 表表4 6 FAG轴承轴承FD1007T P4S 轴承名 称 尺寸 mm 支撑尺寸 mm 额定负载 kN d D B rsmin R1smin da Da ra rb Cdyn C0stat FD100 7T P4S 35 62 14 1 00 0 60 40 0 56 5 1 0 0 6 8 65 0 90 实现转速 r min 质量 kg 脂润滑 油润滑 0 15 36000 53000 4 4 2 轴承游隙等级的选择 为了提高主轴的刚度和抗振性 BT40 铣床主轴采用三支承方式 且前后为主要支 承 中间支撑为辅助支承 但是三支承方式对三支承孔的同轴度要求较高 制造装配较 复杂 主轴承也应消除间隙或预紧 且辅助支承必须选用较大游隙的轴承 因此 前 后轴承选 4 组游隙并预紧 辅助支承选用 4 组游隙 4 4 3 轴承布局 表表4 7 常用轴承布局方式常用轴承布局方式 黄河科技学院毕业设计说明书 第 22 页 配置方式 可达到的转速系数 60 调心球轴承 16 25 40 50 角接触球轴承 16 25 40 60 60 圆柱滚子轴承 12 25 40 60 60 圆锥滚子轴承 10 16 23 30 调心滚子轴承 8 12 20 25 推力球轴承 4 6 12 15 4 轴承的密封 为了使轴承保持良好的润滑条件和正常的工作环境 充分发挥轴承的工作性能 延 长使用寿命 对滚动轴承必须具有适宜的密封 以防止润滑剂的泄漏和灰尘 水气或其 他污物的侵入 黄河科技学院毕业设计说明书 第 25 页 轴承的密封可分为自带密封和外加密封两类 所谓轴承自带密封就是把轴承本身制 造成具有密封性能装置的 如轴承带防尘盖 密封圈等 这种密封占用空间很小 安装 拆卸方便 造价也比较低 自带密封又分为非接触式与接触式两种 1 非接触式密封 非接触式密封就是密封件与其相对运动的零件不接触 且有适当间隙的密封 这种 形式的密封 在工作中几乎不产生摩擦热 没有磨损 特别适用于高速和高温场合 非 接触式密封常用的有间隙式 迷宫式和垫圈式等各种不同结构形式 分别应用于不同场 合 非接触式密封的间隙以尽可能小为佳 2 接触式密封 接触式密封就是密封与其相对运动的零件相接触且没有间隙的密封 这种密封由于 密封件与配合件直接接触 在工作中摩擦较大 发热量亦大 易造成润滑不良 接触面 易摩损 从而导致密封效果与性能下降 因此 它只适用于中 低速的工作条件 接触 式密封常用的有毛毡密封 皮碗密封等结构形式 应用于不同场合 由以上理论本次设计主要采用非接触式密封 优点在于在工作中几乎不产生摩擦 热 没有磨损 特别适用于高速和高温场合 前端轴承受力较大 且要求较高故采用间 隙密封加一个甩油环密封可靠 后端轴承要求稍低一点儿 选用曲路密封 曲路密封是 由旋转的和固定的密封零件之间拼合成的曲折的缝隙所形成的 缝隙中加入润滑脂 可 以增加密封效果 根据部件的结构曲路 是布置为轴向的 采用轴向曲路时 端盖应为剖 分式 当轴因温度变化而伸缩或采用调心轴承感作支承时 都有旋转片与固定片相接触 的可能 根据实际情况本次设计采用接触式密封 黄河科技学院毕业设计说明书 第 26 页 5 数控铣床主轴电气控制系统设计 5 1 控制方式选择 本次设计选用可编程控制器 Programmable Logic Controller PLC 控制变频电机 带动主轴工作 PLC 适应工业环境 简单易懂 操作方便 可靠性高的新一代通用工业 控制装备 它能够完成较精确地转停控制 5 2 PLC 概述 5 2 1 可编程控制器的由来及现状 可编程控制器 Programmable Controller 简称 PC 但为了与个人计算机 Personal Computer 相区别 也可简称为 PLC 是为工业控制应用而设计制造的 在 60 年代 汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的 当时汽车的每一 次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装 随着生产的发展 汽车型号更新 的周期愈来愈短 这样 继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装 十分费时 费 工 费料 甚至阻碍了更新周期的缩短 世界上公认的