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带有卸荷装置的加工中心主传动系统设计【3张图纸】【优秀】

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关键词：: 带有卸荷装置加工中心传动系统设计图纸

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带有卸荷装置的加工中心主传动系统设计

32页，24000字数+说明书+3张CAD图纸【详情如下】

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第一章绪论 1

1.1、引言 1

1.2、数控机床的基本概况 1

1.3、加工中心的基本概念和分类 2

1.4、加工中心的结构组成 3

1.5、加工中心的发展趋势 3

第二章加工中心主传动系统方案的确定 5

2.1 加工中心主传动系统简介 5

2.2 对加工中心主传动系统的要求 5

2.3 主传动的类型及方案选择 6

2.4 主传动系统设计条件 7

第三章主传动变速系统主要参数计算 8

3.1 计算切削功率 8

3.2 计算主传动功率 8

3.3 确定电动机型号 9

3.4多楔带传动的计算 9

3.5 主轴的卸荷装置11

3.5.1 径向力的卸荷12

3.5.2 轴向力的卸荷13

第四章主轴组件设计 14

4.1 主轴组件的设计要求和步骤 14

4.1.1 主轴组件的设计要求 14

4.1.2 主轴组件的设计步骤 15

4.2主轴的设计要求 15

4.2.1 主轴的主要尺寸参数 16

4.2.2 主轴轴端结构 16

4.2.3 主轴的材料和热处理 16

4.2.4 主轴主要精度指标 17

4.3 主轴滚动轴承 17

4.3.1 滚动轴承类型 17

4.3.2 主轴轴承配置与调整 17

4.4主轴组件的设计计算 19

4.4.1 初选主轴直径 19

4.4.2 主轴悬伸量的确定 19

4.4.3 主轴最佳跨距的选择 19

4.5 主轴组件的校核计算 20

4.5.1 主轴组件的刚度计算 20

4.5.2 主轴组件的强度计算 21

4.5.3 轴承的校核计算 23

4.5.4 键的校核计算 25

4.6 主轴内部刀具自动夹紧机构及切屑清除装置 26

4.7 主轴组件的润滑与密封 26

4.8 提高主轴组件性能的措施 27

结论 29

参考文献 30

致谢 31

摘要

本文介绍了立式加工中心的一些基本概况，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。立式加工中心主传动系统由主轴电动机、主轴传动系统和主轴组件三部分组成。本文详细介绍了立式加工中心主传动系统的设计过程，该立式加工中心选用多楔带传动，该种传动方式的特点在于它能使主传动系统的结构比较简单，而且避免了齿轮传动的振动和噪声。文中介绍了立式加工中心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、主轴组件的设计并确定主轴的卸荷装置和结构形式以及关键零件的校核等设计过程。

关键词：数控机床立式加工中心主传动系统主轴组件卸荷装置

Abstract

Some basic concepts and the general knowledge of the vertical machining center were introduced in this paper. The principle and types of the main drive system, analysis mechanism of the transmission project are brief described. The spindle drive system of vertical machining center, including spindle drive motor, transmission and spindle subassembly. The design process of vertical machining center main drive system were introduced in detail in this paper. The vertical machining center used arc tooth timing belt drive, the species transmission features is that it enables the structure of main drive system is relatively simple, and to avoid the noise and vibration. Compared of the program merit and demerit are detailed, the program options and determines of vertical machining center spindle drive system is detailed, main gearshift system and spindle is subassembly designed in this paper.　　　

Key Words: CNC Vertical machining center Main drive system Spindle subassembly Unloading device

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。

　　　一般来说，数控机床可分为数控车床、数控铣床、加工中心、车削中心几类[2]。此次毕业设计主要是针对立式加工中心主传动系统设计，故以下介绍一些加工中心的应用和发展情况。

1.3、加工中心的基本概念和分类

　　（1）加工中心的基本概念在数控铣床的基础上，如果再配以刀具库和自动换刀系统，就构成加工中心[2]。加工中心的特点是它的刀具库能存放几十把甚至更多的刀具，由程序控制换刀机构自动调用与更换，这样就可以在没有人工干预的情况下，一次完成很多工艺内容。加工中心是一种备有刀库并能自动更换刀具对工件进行许多工序加工的数控机床。在加工中心上，工件经一次装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量、刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助功能，依次完成工件一个或几个面上多工序的加工。加工中心能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和机床的调整时间，减少工件周转、搬运和存放时间，使机床的切削利用率（切削时间和开放时间之比）可达80%以上，高于普通机床3-4倍。尤其是在加工形状比较复杂，精度要求较高、品种更换频繁的零件时，加工中心更体现出良好的加工效果。所以说，加工中心不仅提高了工件的加工精度，而且是数控机床中生产率和自动化程度最高的综合性机床。加工中心最先是在镗铣类机床上发展起来的，可称为镗铣加工中心，习惯上简称为加工中心[3]。

　　（2）加工中心的分类按照加工中心的形态不同进行分类，可分为立式、卧式和五坐标加工中心[1]。

　　　1）立式加工中心立式加工中心的主轴轴心线为垂直状态配置，结构形式多为固定立柱式，工作台为长方形，适合加工小型板类、盘类、壳体类零件。立式加工中心结构简单，占地面积小，价格底，配备各种附件后，可进行大部分工件的加工。

　　　2）卧式加工中心卧式加工中心的主轴轴心线为水平状态配置，通常都带有可进行分度回转运动的工作台，适合加工箱体类零件。它与立式加工中心相比，结构复杂、占地面积大、质量大、价格亦高。

　　　3）五坐标加工中心五坐标加工中心兼具立式和卧式加工中心的功能，工件一次装夹后能完成除安装面外的所有侧面和顶面等五个面的加工，因此也叫五面加工中心。常见的五坐标加工中心有两种结构形式，一种是主轴可以90°旋转，另一种是工作台可以90°旋转。

1.4、加工中心的结构组成

　　　1958年美国的卡尼——特富克公司在一台数控镗铣床上增加了自动换刀装置，第一台加工中心问世。随后，出现了各种类型的加工中心，有立式加工中心、卧式加工中心、五坐标加工中心等。虽然加工中心的外型结构不尽相同，但从总体上看，加工中心基本上由以下几部分组成：基础部件、主轴系统、控制系统、伺服系统、自动换刀装置、辅助系统、自动托盘更换系统等[3]。

　　（1）基础部件由床身、立柱和工作台等大件组成，是加工中心的基础构件，它们可以是铸铁件，也可以是焊接钢结构件，均要承受加工中心的静载荷以及在加工时的切削载荷。故必须是刚度很高的部件，亦是加工中心质量和体积最大的部件。

　　（2）主轴组件它是主轴箱、主轴电机、主轴和主轴轴承等零件组成。其启动、停止和转动等动作均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。主轴是加工中心的关键部件，其结构优劣对加工中心的性能有很大的影响。

　　（3）控制系统单台加工中心的数控部分是由CNC装置、可编程序控制器、伺服驱动装置以及电机等部分组成。它们是加工中心执行顺序控制动作和完成加工过程中的控制中心。

（4）伺服系统伺服系统的作用是把来自数控装置的信号转换为机床移

内容简介：: 机电工程学院毕业设计说明书KC021-1 INSTITUTE OF TECHNOLOGY毕业设计说明书题目：带有卸荷装置的加工中心主传动系统设计摘要本文介绍了立式加工中心的一些基本概况，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。立式加工中心主传动系统由主轴电动机、主轴传动系统和主轴组件三部分组成。本文详细介绍了立式加工中心主传动系统的设计过程，该立式加工中心选用多楔带传动，该种传动方式的特点在于它能使主传动系统的结构比较简单，而且避免了齿轮传动的振动和噪声。文中介绍了立式加工中心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、主轴组件的设计并确定主轴的卸荷装置和结构形式以及关键零件的校核等设计过程。关键词：数控机床立式加工中心主传动系统主轴组件卸荷装置AbstractSome basic concepts and the general knowledge of the vertical machining center were introduced in this paper. The principle and types of the main drive system, analysis mechanism of the transmission project are brief described. The spindle drive system of vertical machining center, including spindle drive motor, transmission and spindle subassembly. The design process of vertical machining center main drive system were introduced in detail in this paper. The vertical machining center used arc tooth timing belt drive, the species transmission features is that it enables the structure of main drive system is relatively simple, and to avoid the noise and vibration. Compared of the program merit and demerit are detailed, the program options and determines of vertical machining center spindle drive system is detailed, main gearshift system and spindle is subassembly designed in this paper.Key Words: CNC Vertical machining center Main drive system Spindle subassembly Unloading device目录第一章绪论 1 1.1、引言 11.2、数控机床的基本概况 11.3、加工中心的基本概念和分类 21.4、加工中心的结构组成 31.5、加工中心的发展趋势 3第二章加工中心主传动系统方案的确定 52.1 加工中心主传动系统简介 52.2 对加工中心主传动系统的要求 52.3 主传动的类型及方案选择 62.4 主传动系统设计条件 7第三章主传动变速系统主要参数计算 83.1 计算切削功率 83.2 计算主传动功率 83.3 确定电动机型号 93.4多楔带传动的计算 93.5 主轴的卸荷装置113.5.1 径向力的卸荷123.5.2 轴向力的卸荷13第四章主轴组件设计 144.1 主轴组件的设计要求和步骤 144.1.1 主轴组件的设计要求 144.1.2 主轴组件的设计步骤 154.2主轴的设计要求 154.2.1 主轴的主要尺寸参数 164.2.2 主轴轴端结构 164.2.3 主轴的材料和热处理 164.2.4 主轴主要精度指标 174.3 主轴滚动轴承 174.3.1 滚动轴承类型 174.3.2 主轴轴承配置与调整 174.4主轴组件的设计计算 194.4.1 初选主轴直径 194.4.2 主轴悬伸量的确定 194.4.3 主轴最佳跨距的选择 194.5 主轴组件的校核计算 204.5.1 主轴组件的刚度计算 204.5.2 主轴组件的强度计算 214.5.3 轴承的校核计算 234.5.4 键的校核计算 254.6 主轴内部刀具自动夹紧机构及切屑清除装置 264.7 主轴组件的润滑与密封 264.8 提高主轴组件性能的措施 27 结论 29 参考文献 30 致谢 31第一章绪论1.1、引言毕业设计是对我们大学四年期间所学知识的一次综合运用过程，是对大学四年所学知识的一次总结，是一次较全面的设计训练，是理论联系实际的重要实践性环节，是我们在理论学习和生产实践基础上迈向工程设计的一个转折点。在这一学习过程中，培养了我们运用所学知识解决问题的能力，提高了我们对产品整体设计把握的能力。通过这次毕业设计，可以培养和提高我们综合运用所学机械方面的课程和其它以前所学的各科基础知识和专业知识、结合生产实际去分析和解决工程实际问题的能力；可以学习机械设计的一般程序，熟悉和掌握通用机械零件、机床传动系统和简单机械的设计方法和步骤，培养创造性思维能力和增强独立、全面、科学的工程设计能力；可以完成机械设计基本技能的训练，学会使用各种设计资料（标准、规范、手册、图册等）、经验估算、数据处理及编写设计计算说明书。本次毕业设计的课题是设计一个带有卸荷装置的立式加工中心的主传动系统。参考TH5640立式加工中心，初步了解到该型号立式加工中心主传动系统采用多楔带传动，从主轴电动机经一级带传动传递给主轴。在本文中，详细介绍了立式加工中心主传动系统传动方案的选择设计、电动机选型及功率的计算、多楔带传动的计算、各种零件的设计并确定主轴的卸荷装置和结构形式及关键零件的校核等设计过程。1.2、数控机床的基本概况数控（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2。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8。1952年，美国PARSON公司与麻省理工学院（MIT）合作，研制出世界上第一台数控机床。从此机床行业，乃至整个制造业和相关产业进入了一个新的发展阶段。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。对于整个制造业，由于大量引用数控机床，使得产品质量大幅度提高，新产品开发周期明显缩短，满足了广大消费者求新和追求个性化的要求，从而形成了制造业与市场相互促进的发展趋势。一段时期内机床行业在技术发展上曾被视为“夕阳工业”，如今再度受到全世界的高度重视。在这一历史转变中，数控机床的产生与发展功不可没。此外，数控机床的发展，还带动了众多相关产业和技术的发展。随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高，更新换代频繁，生产类型由大批大量生产向多品种小批量生产转化。因此，对机械产品的加工相应地提出了高精度、高柔性与高度自动化的要求。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2。综上所述，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。一般来说，数控机床可分为数控车床、数控铣床、加工中心、车削中心几类2。此次毕业设计主要是针对立式加工中心主传动系统设计，故以下介绍一些加工中心的应用和发展情况。1.3、加工中心的基本概念和分类（1）加工中心的基本概念在数控铣床的基础上，如果再配以刀具库和自动换刀系统，就构成加工中心2。加工中心的特点是它的刀具库能存放几十把甚至更多的刀具，由程序控制换刀机构自动调用与更换，这样就可以在没有人工干预的情况下，一次完成很多工艺内容。加工中心是一种备有刀库并能自动更换刀具对工件进行许多工序加工的数控机床。在加工中心上，工件经一次装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量、刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助功能，依次完成工件一个或几个面上多工序的加工。加工中心能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和机床的调整时间，减少工件周转、搬运和存放时间，使机床的切削利用率（切削时间和开放时间之比）可达80%以上，高于普通机床3-4倍。尤其是在加工形状比较复杂，精度要求较高、品种更换频繁的零件时，加工中心更体现出良好的加工效果。所以说，加工中心不仅提高了工件的加工精度，而且是数控机床中生产率和自动化程度最高的综合性机床。加工中心最先是在镗铣类机床上发展起来的，可称为镗铣加工中心，习惯上简称为加工中心3。（2）加工中心的分类按照加工中心的形态不同进行分类，可分为立式、卧式和五坐标加工中心1。1）立式加工中心立式加工中心的主轴轴心线为垂直状态配置，结构形式多为固定立柱式，工作台为长方形，适合加工小型板类、盘类、壳体类零件。立式加工中心结构简单，占地面积小，价格底，配备各种附件后，可进行大部分工件的加工。2）卧式加工中心卧式加工中心的主轴轴心线为水平状态配置，通常都带有可进行分度回转运动的工作台，适合加工箱体类零件。它与立式加工中心相比，结构复杂、占地面积大、质量大、价格亦高。3）五坐标加工中心五坐标加工中心兼具立式和卧式加工中心的功能，工件一次装夹后能完成除安装面外的所有侧面和顶面等五个面的加工，因此也叫五面加工中心。常见的五坐标加工中心有两种结构形式，一种是主轴可以90旋转，另一种是工作台可以90旋转。1.4、加工中心的结构组成1958年美国的卡尼特富克公司在一台数控镗铣床上增加了自动换刀装置，第一台加工中心问世。随后，出现了各种类型的加工中心，有立式加工中心、卧式加工中心、五坐标加工中心等。虽然加工中心的外型结构不尽相同，但从总体上看，加工中心基本上由以下几部分组成：基础部件、主轴系统、控制系统、伺服系统、自动换刀装置、辅助系统、自动托盘更换系统等3。（1）基础部件由床身、立柱和工作台等大件组成，是加工中心的基础构件，它们可以是铸铁件，也可以是焊接钢结构件，均要承受加工中心的静载荷以及在加工时的切削载荷。故必须是刚度很高的部件，亦是加工中心质量和体积最大的部件。（2）主轴组件它是主轴箱、主轴电机、主轴和主轴轴承等零件组成。其启动、停止和转动等动作均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。主轴是加工中心的关键部件，其结构优劣对加工中心的性能有很大的影响。（3）控制系统单台加工中心的数控部分是由CNC装置、可编程序控制器、伺服驱动装置以及电机等部分组成。它们是加工中心执行顺序控制动作和完成加工过程中的控制中心。（4）伺服系统伺服系统的作用是把来自数控装置的信号转换为机床移动部件的运动，其性能是决定机床的加工精度、表面质量和生产效率的主要因素之一。加工中心普遍采用半闭环、闭环和混合环三种控制方式。（5）自动换刀装置它由刀库、机械手和驱动机构等部件组成。（6）辅助系统包括润滑、冷却、排屑、防护、液压和随机检测系统等部分。辅助系统虽不直接参与切削运动，但对加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起到保障作用，因此，也是加工中心不可缺少的部分。（7）自动托盘更换系统有的加工中心为进一步缩短非切削时间，配有两个自动交换工件托盘，一个安装在工作台上进行加工，另一个则位于工作台外进行装卸工件。当完成一个托盘上的工件加工后，便自动交换托盘，进行新零件的加工，这样可减少辅助时间，提高加工工效。 1.5、加工中心的发展趋势随着科学技术的发展，机械产品的形状和结构不断改进，对零件加工质量的要求也越来越高。随着社会对产品多样化需求的增强，产品品种增多，产品更新换代加速。这使得数控机床在生产中得到更广泛的应用，并不断地发展。尤其是随着柔性制造系统的迅猛发展和计算机集成制造系统的兴起和不断成熟，对机床CNC系统提出更高的要求。现代数控机床（加工中心）正在向更高速度、更高精度、更加高度自动化、更高可靠性及更完善的方向发展20。（1）高速度加工中心向高速度发展的主要目的是提高生产率，主要措施是提高主轴转速、提高进给速度和缩短辅助时间等。1）提高主轴转速近些年来，加工中心的主轴转速普遍提高。中、小型加工中心的主轴最高转速大部分提高到5000-6000r/min,有的加工中心已达到40000r/min。为此，在主轴轴承的材料、结构、润滑方式，主轴组件的结构，电机的冷却防振措施等方面都进行了大量工作。例如某些高速加工中心主轴采用了陶瓷流动体轴承，润滑方式采用了油气润滑以及主轴系统进行严格的动平衡等。2）提高进给速度一般的加工中心，进给速度可达1-2m/min,快速移动速度已达33m/min，逐步靠近50m/min。为了实现高速，数控装置可进行快速处理。例如采用数控高速转换器，将数据快速传递；采用32位的计算机数控装置等。在机械结构方面也相应地采取了措施，例如采用大导程滚珠丝杠和滚动导轨等。驱动元件采用交流伺服电机也有利于提高伺服进给的速度。3）缩短辅助时间缩短辅助时间包括缩短换刀时间、刀具移近或离开工件的时间及工件装卸时间等。现在许多小型加工中心的换刀时间达到1-2s,有的已缩短到0.5s。快移速度又有所提高，以缩短刀具移近或离开工件的时间。（2）高精度在工厂的一般情况下，加工中心的加工精度可达IT7级，经过努力可以达到IT6级。镗孔加工时，如提高主轴主件的刚度和精度，其加工孔径公差可达IT4级。提高加工中心加工精度的主要措施是提高编程时的圆弧插补精度、机床定位精度和精度补偿技术。世界许多国家都在进行机床运动和负载变形误差以及机床热误差的软件补偿技术的研究，有的可消除此类误差的60%。高精度加工中心，目前已达到坐标镗床的精度水平。所采用的数控系统，其最小设定单位（分辨率）可达0.1m。这类高精度加工中心，必须在恒温、恒湿的环境中工作。（3）高度自动化为了进一步提高自动化程度，加工中心的硬件和软件采取了许多改进措施。例如采用对话系统，可使操作方便、操作时间短、检验及时以及差错率低。在现代数控机床上，装有各种类型监控、检测装置，实现了工件的自动检测和刀具的监控，从而提高了数控机床的自动化程度，保证了数控机床长时间工作时的产品质量。（4）可靠性的提高由于现代机床、加工中心CNC系统的模块化、通用化和标准化，便于组织批量生产，故可保证产品质量。现代CNC系统大量采用大规模或超大规模集成电路，采用专用芯片或混合式集成电路，提高了集成度，减少了元器件数量，降低了功耗，提高了可靠性。（5）采用自动程序编制技术现代机床CNC系统利用其自身很强的存储及运算能力，把很多自动编程功能植入CNC系统。在一些新型的CNC系统中，还装入了小型工艺数据库，使得CNC系统不仅具有在线零件程序编制功能，而且可以在零件程序编制过程中，根据机床性能、工件材料及零件加工要求，自动选择最佳刀具及切削用量。有的CNC系统还具有自适应控制功能。第二章加工中心主传动系统方案的确定2.1加工中心主传动系统简介加工中心主传动系统是由主轴电动机、主轴传动系统以及主轴组件组成1。它是加工中心的主要组成部分。和常规机床主轴系统相比，加工中心主轴系统具有更高的转速、更高的回转精度以及更高的结构刚性和抗振性。2.2对加工中心主传动系统的要求由于加工中心具有更高的加工效率，更宽的使用范围，更高的加工精度1，因此，它的主轴系统必须满足如下要求。（1）调速功能15 为了适应不同工序、各种工件材料及刀具等各切削工艺要求，主轴必须具有一定的调速范围并实现无级变速，以保证加工时选用合理的切削用量，从而获得最佳切削效率、加工精度和表面质量。调速范围的指标主要由各种加工工艺对主轴最低速度和最高速度的要求来确定。目前加工中心主轴基本实现无级变速。（2）精度和刚度要求具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪声低。加工中心加工精度与主轴系统精度密切相关。主轴部件的精度包括旋转精度和运动精度。旋转精度指装配好后，在无载荷和低速转动条件下，主轴前端工作部位的径向和轴向跳动值。主轴部件的旋转精度取决于部件中各个零件的几何精度、装配精度和调整精度。运动精度指主轴在工作状态下的旋转精度，这个精度通常和静止或低速状态的旋转精度有较大的差别，它表现在工作时主轴中心位置的不断变化，即主轴轴心漂移。运动状态下的旋转精度取决于主轴的工作速度、轴承性能和主轴部件的平衡。静态刚度反映了主轴部件或零件抵抗静态外载的能力。加工中心多采用抗弯刚度作为衡量主轴部件刚度的指标。影响主轴部件弯曲刚度的因素很多，如主轴的尺寸形状，主轴轴承的类型、数量、配置形式、预紧情况、支承跨距、主轴前端的悬伸量等。（3）动态响应性能要求升降速时间短，调速时运转平稳。对有的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。（4）抗振性和热稳定性要求加工中心在加工时，由于断续切削、加工余量大且不均匀、运动部件速度高且不平衡，以及切削过程中的自振等原因引起的冲击力和交变力的干扰，会使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至破坏刀具和主轴系统中的零件。主轴系统的发热使其中所有零部件产生热变形，破坏相对位置精度和运动精度，造成加工误差。为此，主轴组件要有较高的固有频率，保持合适的配合间隙并进行循环润滑等。（5）具有刀具的自动夹紧功能加工中心突出的特点是自动换刀功能。为保证加工过程的连续实施，加工中心主轴系统与其他主轴系统相比，必须具有刀具自动夹紧功能。（6）功率要求要求主轴具有足够的驱动功率或输出转矩，能在整个速度范围内提供切削所需功率和转矩，以满足机床强力切削时的要求。（7）主轴定位功能要求主轴准停功能又称主轴定位功能（Spindle Specified Position Stop）。即当主轴停止时，控制主轴停在固定的位置，这是自动换刀所必需的功能。在自动换刀的数控镗铣加工中心上，切削转矩通常是通过刀杆的端面键来传递的，这就要求主轴具有准确定位于圆周上特定角度的功能。此外，在通过前臂小孔镗内壁的同轴大孔，或进行反倒角等加工时，要求主轴实现准停，使刀尖停在一个固定的方位上（或在X轴方向上，或在Y轴方向上），以便主轴偏移一定尺寸后大刀刃能通过前臂小孔进入箱体内对大孔进行镗削。2.3主传动的类型及方案选择加工中心主传动系统主要有以下四种形式。（1）二级齿轮变速传动低速主轴通过采用齿轮变速机构或同步带传动降速，增大输出转矩，以满足主轴输出转矩特性的要求。该种主轴电动机经过二级齿轮变速，使主轴获得低速和高速两种转速系列，这是大中型加工中心机床采用较多的一种配置方式。这种分段无级变速，确保低速时的大转矩，满足机床内转矩特性的要求。滑移齿轮常用液压拨叉或电磁离合器来改变其位置。（2）定比传动该种传动方式经定比传动传递给主轴，定比传动采用齿轮传动或带传动。带传动主要用于小型机床上，可以避免齿轮传动的噪声与振动。它适用于高速、低转矩特性要求的主轴。常用的是V带和同步齿形带。本次设计的立式加工中心的主传动系统即采用同步齿形带，具体选择原理及方案将在后文详述。（3）由主轴电动机直接驱动该种传动方式的电动机轴与主轴用联轴器同轴连接。这种方式大大简化了主轴结构，有效地提高主轴刚度。但主轴输出转矩小，电动机的发热对主轴精度影响大。（4）内装电动机主轴高速主轴要求在极短时间内实现升降速，在指定位置快速准停，这就要求主轴具有很高的角加减速度。通过齿轮或传动带这些中间环节，常常会引起较大振动和较大噪声，而且增加了转动惯量。为此将主轴电动机与主轴合而为一，制成电主轴，即主轴与电动机转子合为一体。电动机的轴就是主轴本身，而电动机的定子被拼入在主轴内。实现无中间环节的直接传动，是主轴高速单元的理想结构。电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，它与直线电机技术、高速刀具技术一起，将把高速加工推向一个新时代。电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置等。电主轴所融合的技术有以下几个方面1。高速轴承技术电主轴通常采用复合陶瓷轴承，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍；有时也采用电磁悬浮轴承，或静压轴承，内外圈不接触，理论上寿命无限长。高速电机技术电主轴是电机与主轴融合在一起的产物，电机的转子即为主轴的旋转部分，理论上可以把电主轴看作一台高速电机，其关键技术是高速度下的动平衡。润滑电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑；也可以采用脂润滑，但相应的速度要受到影响。所谓定时，就是每隔一定的时间间隔注一次油，所谓定量，就是通过一个叫做定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的注油量。而油气润滑，指的是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。油量控制很重要，太少，起不到润滑作用；太多，在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热。冷却装置为了尽快给高速运行的电主轴散热，通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂，冷却装置的作用是保持冷却剂的温度。内置脉冲编码器为了实现自动换刀及刚性攻丝，电主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相位控制以及与进给的配合。自动换刀装置为了适用于加工中心，电主轴配备了能进行自动换刀的装置，包括碟形簧、拉刀油缸。高速刀具的装卡方式常用的BT、ISO刀具，已不适合于高速加工。这种情况下出现了HSK、SKI等高速刀柄。高速变频装置要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必须用高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电机，变频器的输出频率甚至需要达到几千赫兹。由于取消了主轴齿轮箱的传动与电动机的连接，因而主轴组件结构更紧凑、质量小、惯量小，可提高启动、停止的响应特性，并利于控制振动和噪声。缺点同样是热变形问题，即电动机运转产生的热量易使主轴产生热变形。因此，温度控制和冷却是使用内装电动机主轴的关键问题。例如日本研制的某立式加工中心主轴组件，其内装电动机主轴最高转速可达20000r/min。目前高速主轴已商品化，如瑞士IBAG主轴制造厂生产的主轴单元，其转速可达到1200014000 r/min，直径范围33300mm，功率范围12580kW，转矩范围0.02300Nm。美国Precise公司研制的SC40/120主轴，最高主轴转速达到120000 r/min。本次设计的立式加工中心主轴的转速范围为206000 r/min，主轴电动机采用标准型交流调速主轴电动机，传动采用多楔带实现。这种传动方式多用于数控车床和中、小型加工中心，可避免齿轮传动时引起的振动和噪声。多楔带传动功率大，空间相同时多楔带比普通V带的传动功率约高30%；带体薄，富有柔软性，比较能适应带轮直径小的传动；适应高速传动，带速可达40m/s，使用伸长小，发热小，振动小，运转比较平稳。因此在加工中心中得到了优先选用15。其传动装置简图如图2-1所示。2.4主传动系统设计条件切削性能参考值（工件材料45）：面铣时，刀具直径100mm，刀齿数5，切削深度4mm，切削宽度70mm，主轴转速1500rpm，进给速度600mm/min；钻孔时，刀具直径（高速钢）30mm，主轴转速400rpm，进给速率100mm/min；采用多楔带传动；主轴锥度ISO40。图2-1 传动装置简图第三章主传动变速系统主要参数计算3.1计算切削功率10由金属切削手册P4-112例3，对面铣这种典型加工情况。平均切削厚度 =0.063mm金属切削率 mm3/min由图4-17查得，单位切削功率在kW/（mm3/min）。考虑到工件材料强度不高，取kW/（mm3/min），则：切削功率 kW又由金属切削手册P4-112例2，对钻孔这种典型加工情况。每分进给量 mm/r平均切削厚度 mm金属切削率 mm3/min由图4-17查得，单位切削功率在 kW/（mm3/min）范围内，综合工件材料分析，取 kW/（mm3/min），则：切削功率 kW综上，可取切削功率kW。3.2计算主传动功率机床主传动系统的参数有动力参数和运动参数。动力参数是指主运动驱动电机的功率，运动参数是指主运动的变速范围。（1）主传动功率机床主传动的功率P可根据切削功率PC与主运动传动链的总效率来确定1加工中心的加工范围一般比较大，切削功率PC可根据有代表性的加工情况，由其主切削抗力Fz按下式来确定（kW）式中 Fz主切削力的切向分力，N；v切削速度，m/min；M切削转矩，Ncm；n主轴转速，r/min。加工中心主传动的总效率一般可取为=0.700.85,加工中心的主传动多用调速电机和有限的机械变速传动来实现，传动链较短，因此，效率可取较大值。主传动中各传动件的尺寸都是根据其传动功率确定的，如果传动功率定得过大，将使传动件的尺寸粗大而造成浪费，电动机常在低负载下工作，功率因数很小而浪费资源。如果功率定得过小，将限制机床的切削加工性能而降低生产率。因此，要较准确合适地选用传动功率。由于加工情况多变，切削用量变化范围较大，加之对传动系统因摩擦等因素消耗的功率也难于掌握，因此，单纯用计算的方法来确定功率尚有困难，通常要用类比、测试、理论计算等几种方法相互比较来确定。这里按较高的传动效率取值，取=0.83，则：主传动功率 kW 取kW（2）主运动的调速范围由带有卸荷装置的加工中心主传动系统设计说明书可知，所设计立式加工中心主轴的变速范围在20r/min6000r/min。3.3确定电动机型号10根据现代实用机床设计手册（下册），选择主轴电动机。这里选择FANUC-S系列标准型交流主轴电动机。型号为6S型，连续负载5.5kW，短时负载30min，7.5kW，额定转速1500r/min，最大转速6000r/min，输出力矩35.0Nm，惯性矩0.086。3.4多楔带传动的计算参照机械传动装置设计手册8.2，多楔带设计举例以及机械设计手册上关于带传动的设计计算介绍，并由前述能知以下已知条件：电动机功率P=5.5kW，转速n1=1500r/min，从动轮n2=1500r/min，传动比，二班制工作，中心距可调。（1）确定设计功率7 由铣床、二班制工作等条件查机械设计手册表13-1-58，取工况系数KA=1.4，则：设计功率 kW（2）选定带型和节距根据Pd=7.7kW，n1=1500r/min，由机械传动装置设计手册图8-21选取PL型多楔带。（3）小带轮有效直径由表8-90得，因为,初选大带轮有效直径（4）计算带速所以合适。（5）初定中心距根据即238680 所以初选=250mm（6）带的有效长度由表8-52，选择（7）计算中心距中心距可调，则实际中心距为：（8）小带轮包角所以（9）带每楔所传递的额定功率及其增量由带型，按表8-55插值法计算得：由于i=1，所以（10）带的楔数由公式Z=（其中为包角修正系数；为带长修正系数）由表8-56，得，所以由表8-51，选取Z=6（11）有效圆周力计算（12）作用于轴上的力（带与带轮楔合系数，见表8-58）取得，=1.50=835.98N（13）带轮的结构和尺寸综上所选的多楔带为 6PL1030 由表8-51查得，槽距e=4.7，槽角a=，有效线差3.5 主轴的卸荷装置随着科技的发展，加工中心主轴的转速越来越高，这种趋势必然会去主轴的精度和刚度提出了更高的要求。主轴在告诉旋转的过程中，由于动力输入源存在径向力（如：带拉力）作用在主轴后端：动力源与主轴安装不同心使主轴产生的内应力变形，使主轴回转综合精度收到影响。同样主轴再松刀过程中会受到很大的轴向力的影响，这种影响会导致主轴运动精度及主轴使用寿命。在通常情况下，采用卸荷装置来减小上述因素对主轴的影响，能收到很好的效果。本设计就是采用卸荷装置，是主轴所受到的径向载荷和轴向载荷转移到床身上以达到加工精度的要求。图3-1 卸荷装置图1-多楔带轮 2-卸荷传动轴 3-拉杆 4-螺钉 5-碟形弹簧 6-角接触球轴承 7-内隔套 8-支架 9-外隔套 10-垫片3.5.1 径向力的卸荷随着加工零件精度的不断提高，对高速回转主轴的综合回转精度提出了越来越高的要求，如一些高速大功率高精度的加工中心的回转主轴转速已经达到20000r/min,甚至更高，综合回转的精度要求小于4m,甚至0.5m,要达到如此高的主轴转速和主轴回转精度，除了提高主轴自身的回转精度外，同时也采用卸荷装置来减少主轴后端的径向作用力。本设计由于动力源即多楔带带传动过程中会产生张力，张力会作用在主轴的后端上，但主轴加工精度的要求是不允许主轴后端承受径向作用力的，所以我们采用卸荷装置消除这一影响。如图3-1所示：图3-2 卸荷传动轴电动机动力通过多楔带传递给卸荷传动轴，多楔带在传递动力的过程中会产生一定的张力，这就使得传动轴的后端产生径向载荷，为了消除径向载荷的影响我们做了一个卸荷传动轴，就是把主轴做成两段，后端我们叫他卸荷传动轴，如图3-2所示。带的张力传递到卸荷传动轴2上，卸荷传动轴2通过螺钉4固定在拉杆套上，所以径向载荷传递到拉杆套上，拉杆套与传动轴固定在轴承座上，因为我们选用的是角接触球轴承，四个一组，背对背安装，角接触球轴承是可以承受径向载荷的，所以一部分的载荷通过轴承6传递到外隔套9上，外隔套9是和支架8一起连接在箱体上的，也就是说径向载荷大部分传递到了主轴箱体上面去了，达到卸掉主轴径向载荷的作用，又因为主轴和卸荷传动轴做成了两段，没完全卸载掉的载荷也不会对主轴的精度产生影响，保证了主轴的旋转精度。3.5.2 轴向力的卸荷一般的加工中心在松刀过程中，主轴轴承要承受很大的轴向力，大约15-20KN，当气缸得到主轴松刀信号时，气缸左腔通入压缩空气，活塞推杆向右运动，与拉杆3左端面接触后，拉杆3受压向右运动，拉杆3通过拉杆套和垫片，压缩碟形弹簧5，碟形弹簧5将受到的作用力通过垫片10传递到主轴上，主轴受到此向右的轴向力后有向右运动的趋势，主轴前端背对背安装的4个一组的角接触球轴承必须限制这种趋势，因此主轴轴承要承受主轴传来的向右的轴向力，当汽缸活塞运动到最右端时，此时夹刀的弹簧卡爪应经松开拉钉，刀具已松开，碟形弹簧变形量最大，反作用力也最大，将达到大约15-20KN，这就是主轴轴承受到的轴向力，如此大的轴向力会对主轴轴承的旋转精度、性能、使用寿命带来很大的影响。为了解决上述问题，我们把加工中心的主轴结构设计成如图3-1所示。当气缸得到主轴松刀信号时，气缸左腔通入压缩空气，活塞推杆向右运动，与拉杆3左端面接触后，拉杆3受压向右运动，松刀过程的初始阶段主轴轴承会承受一点轴向力，但此时碟形弹簧的压缩量很小，所以主轴受到的力对主轴的影响非常小。随着弹簧压缩量的增大，卸荷传动轴的作用就得到了体现，拉杆3和拉杆套通过螺钉4固定在卸荷传动轴上，卸荷传动轴把受到的载荷通过角接触球轴承把受到的轴向载荷通过外隔套轴承座转移到了箱体上。最终传递到主轴轴承的上的轴向载荷很小，主轴轴承完全可以卸载掉，不会影响主轴轴承的寿命和旋转精度。第四章主轴组件设计主轴组件是机床的重要部件之一，它是机床的执行件。它的功用是支承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，完成表面成形运动。主轴组件由主轴及其支承和安装在主轴上的传动件、密封件等组成。由于数控机床的转速高，功率大，并且在加工过程中不进行人工调整，因此要求良好的回转精度、结构刚度、抗振性、热稳定性及精度的保持性。对于自动换刀的数控机床，为了实现刀具在主轴上的自动装卸和夹持，还必须有刀具的自动夹紧装置、主轴准停装置和切屑清除装置等机构。主轴组件的工作性能对整机性能和加工质量以及机床生产率有着直接影响，是决定机床性能和技术经济指标的重要因素。因此，对主轴组件有较高的要求14。4.1主轴组件的设计要求和步骤加工中心主轴组件应有更高的动、静刚度和抵抗热变形的能力。它的性能，对整机性能有很大的影响。主轴直接承受切削力，转速范围又很大，所以对主轴组件的主要性能提出如下要求。主轴组件主要包括主轴、主轴支承（轴承）、安装在主轴上的传动件、密封件、刀具自动卡紧机构等组成。4.1.1主轴组件的设计要求主轴组件应达到以下几点设计基本要求1。（1）回转精度指机床在空载低速旋转时（机动或手动），主轴前端安装工件或刀具部位的径向和轴向跳动值满足要求（其值可参见有关机床精度标准）。目的是保证加工中心零件的几何精度和表面粗糙度。当主轴做回转运动时，线速度为零的点的连线称为主轴的回转中心线。回转中心线的空间位置，在理想的情况下应是固定不变的。实际上，由于主轴组件中各种因素的影响，回转中心线的空间位置每一瞬间都是变化的，这些瞬时回转中心线的平均空间位置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距离，就是主轴的回转误差，而回转误差的范围，就是主轴的回转精度。纯径向跳动，而轴向误差和角度误差同时存在时，构成径向跳动，而轴向误差和角度误差同时存在构成端面跳动。由于主轴的回转误差一般都是一个空间旋转矢量，它并不是在所有的情况下都表示为被加工工件所得到的加工形状。主轴回转精度的测量，一般分为三种：静态测量、动态测量和间接测量。目前我国在生产中沿用传统的静态测量法，用一个精密的检测棒插入主轴锥孔中，使千分表触头触及检测棒圆柱表面，以低速转动主轴进行测量。千分表最大读数和最小读数的差值即为主轴的径向回转误差。端面误差一般以包括主轴所在平面内的直角坐标系的垂直度数据综合表示。动态测量是用一标准球装在主轴中心线上，与主轴同时旋转；在工作台上安装两个互成90角的非接触传感器，通过仪器记录回转情况。间接测量是采用小切削量加工有色金属试件，然后在圆度仪上测量试件的圆度来评价。出厂时，普通级加工中心的回转精度用静态测量法测量，当L=300mm时允许误差应小于0.02mm。造成主轴回转误差的主要原因是由于主轴的结构及其加工精度、主轴轴承的选用及刚度等，而主轴及其回转零件的不平衡，在回转时引起的激振力，也会造成主轴的回转误差。因此加工中心的主轴不平衡量一般要控制在0.4mm/s的范围内。（2）刚度主轴组件的刚度是指主轴组件在外力（例如切削力）的作用下，仍能保持一定工作精度的能力。通常以主轴前端产生单位位移时，在位移方向上所施加的作用力大小来表示。在主轴前端部加一作用力F，若主轴端的位移量为y，则主轴组件的刚度值（N/m）主轴组件的刚度越大，主轴受力的变形就越小。主轴组件的刚度不足，在切削力及其他力的作用下，主轴将产生较大的弹性变形，不仅影响工件的加工质量，还容易引起振动，恶化传动件和轴承的工作条件，使其加快磨损，降低精度。主轴部件的刚度与主轴尺寸、支承跨距、所选用的轴承类型及配置形式、轴承间隙的调整、主轴上传动元件的位置等有关。设计时应在其他条件允许的条件下，尽量提高刚度值。（3）抗振性指主轴组件在切削过程中抵抗强迫振动和自激振动保持平稳运转的能力。抗振性直接影响加工表面质量和生产率的提高，使刀具耐用度下降。提高主轴抗振性必须提高主轴组件的静刚度，采用较大阻尼比的前轴承，以及在必要时安装阻尼（消振）器。另外，使主轴的固有频率远远大于激振力的频率。（4）温升和热变形主轴组件在运转中，温升会引起两方面的不良结果：一是主轴组件和箱体因热膨胀而变形，主轴的回转中心线和机床其他件的相对位置会发生变化，直接影响加工精度；其次温升会改变轴承等元件的间隙，破坏润滑条件，加速磨损甚至抱轴，影响轴承的正常工作。加工中心在解决温升问题时，一般采用恒温主轴箱。（5）耐磨性指长期保持其原始精度的能力。主要影响因素是材料热处理、轴承类型和润滑方式。主轴组件必须有足够的耐磨性，以便能长期保持精度。主轴上易磨损的地方刀具或工件的安装部位以及移动式主轴的工作部位。为了提高耐磨性，主轴的上述部位应该淬硬，或者经过氮化处理，以提高其硬度增加其耐磨性。主轴轴承也需有良好的润滑，提高其耐磨性。4.1.2主轴组件的设计步骤（1）调研根据设计要求调查机床厂现行同类型机床的主轴系统情况。查阅、收集和分析国内外有关技术资料。尤其注意新技术的应用情况。（2）在调研的基础上，考虑设计要求及给定的设计条件，确定主轴轴承类型及配置方式，合理布置传动件。（3）确定主轴轴径，选择主轴端部形状并初步确定支承跨距。然后在考虑各组件的定位、工艺性等要求的基础上定出主轴全部结构尺寸。（4）进行主轴刚度验算。如果转速较高，还应进行主轴临界转速的验算。（5）选定主轴材料、热处理及技术要求。（6）绘制工作图。4.2主轴的设计要求主轴是主轴组件的重要组成部分。它的结构尺寸和形状、制造精度、材料及其热处理，对主轴组件的工作性能有很大的影响。同时，主轴结构要保证各零件定位可靠、工艺性好等要求。4.2.1主轴的主要尺寸参数主轴的主要尺寸参数包括主轴直径、内孔直径、悬伸长度和支承跨距。评价和考虑主轴的主要尺寸参数的依据是其主轴的刚度、结构工艺性和主轴组件的工艺适用范围。（1）主轴直径主轴直径越大，其刚度越高，但使得轴承和轴上其他零件的尺寸相应增大。轴承的直径越大，同等级精度轴承的公差值也越大，要保证主轴的旋转精度就越困难。同时极限转速下降。主轴前支承轴颈的直径可根据主电动机功率初步选择。主轴后端支承轴颈的直径可以是0.70.8倍的前支承轴颈值，实际尺寸要在主轴组件结构设计时确定。前、后轴颈的差值越小则主轴的刚度越高，工艺性也越好。（2）主轴内孔直径主轴的内孔直径用于通过刀具夹紧装置固定刀具、传动气动或液压卡盘等。主轴的孔径与主轴直径之比，小于0.3时空心主轴的刚度几乎与实心主轴的刚度相当；等于0.5时空心主轴的刚度为实心主轴刚度的90%；大于0.7时空心主轴的刚度就急剧下降，一般可取其比值为0.5左右。（3）前悬伸a 主轴前支承点至主轴前端的距离a称为主轴的前悬伸。主轴的前悬伸长度与主轴前端结构的形状尺寸，前轴承的类型、组合方式和轴承的润滑与密封有关。主轴的前悬伸长度对主轴的刚度影响很大。主轴前悬伸长度越短，其刚度越高。因此，在进行结构设计时，应尽量缩短悬伸量a。（4）主轴的支撑跨距l 主轴前支撑点至主轴后支承点之间的距离称为跨距l，主轴组件的支撑跨距对主轴本身刚度和对支承刚度有着很大的影响。跨距l对综合刚度K的影响不是单向的。如l较大，则主轴变形较大；如l较小，则轴承的变形对主轴前端的位移影响较大。所以，l有一个最佳值，l太大或太小，都会降低综合刚度。4.2.2主轴轴端结构加工中心主轴的轴端用于安装夹具和刀具。要求夹具和刀具在轴端定位精度高、定位刚度好、装卸方便，同时使主轴的悬伸长度短。短锥法兰结构有很高的定位精度，主轴的悬伸长度短，大大提高了主轴的刚度。本次设计的立式加工中心主轴前端结构即有锥孔，用于插入铣刀锥柄或刀杆尾锥时定位，再由拉杆从主轴后端拉紧防止切削时铣刀和主轴之间有相对松动。这里装夹BT40刀柄、刀杆。主轴端面上有四个螺孔和两个端面长键，螺孔用来固定铣刀，端面键既可传递刀具的扭矩，又可用于刀具的周向定位。4.2.3主轴的材料和热处理评价和考虑主轴主要尺寸参数的依据是主轴的刚度、结构工艺性和主轴组件的工艺适用范围。主轴材料的选择主要根据刚度、载荷特点、耐磨性、热处理变形大小等因素确定。主轴的刚度与材料的弹性模量E有关，钢的E值较大（E=2.1107 N/cm2左右），所以主轴材料首先考虑钢料。值得注意的是钢的弹性模量E的数值与钢的种类和热处理方式无关，即不论是普通钢或合金钢，其弹性模量基本相同。因此在选择钢料时应首先选用价格便宜的中碳钢（如45钢），只有在载荷特别重和有较大的冲击时，或者精密机床主轴需要减小热处理后的变形时，或者轴向移动的主轴需要保证其耐磨性时，才考虑选用合金钢。这里主轴选用45钢。由于这里主轴轴承选用滚动轴承，轴颈可以不淬硬，但为了提高接触刚度，防止敲碰损伤轴颈的配合表面，不少45钢主轴轴颈仍进行高频淬火（4854HRC）。4.2.4主轴主要精度指标主轴的精度直接到主轴组件的旋转精度。主轴、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。零件接触表面形状愈准确，表面粗糙度愈小，则受力后的接触变形愈小，亦即接触刚度愈高。因此，对主轴设计必须提出一定的技术要求，它主要包括主轴各配合表面的尺寸公差、形状公差、表面粗糙度、表面硬度等内容，并应在主轴零件图上标注准确、合理。（1）前支承轴承轴颈的同轴度约为5m左右。（2）轴承轴颈需按轴承内孔“实际尺寸”配磨，且需保证配合过盈15m。（3）锥孔与轴承轴颈的同轴度为35m，与锥面的接触面积不小于80%，且大端接触较好。4.3主轴滚动轴承主轴轴承是主轴组件的重要组成部分，它的类型、结构、配置、精度、安装、调整、润滑和冷却都直接影响了主轴组件的工作性能。常用的主轴轴承有滚动轴承和滑动轴承。这里选择滚动轴承。4.3.1滚动轴承类型滚动轴承摩擦阻力小，可以预紧，润滑维护简单，能在一定的转速范围和载荷变动范围内稳定地工作14。滚动轴承由专业化工厂生产，选购维修方便。但与滑动轴承相比，滚动轴承的噪声大，滚动体数目有限，刚度是变化的，抗振性略差并且对转速有很大的限制。加工中心主轴组件在可能条件下，尽量使用了滚动轴承，特别是大多数立式主轴和主轴装在套筒内能够轴向移动的主轴。这时用滚动轴承可以用润滑脂润滑以避免漏油。滚动轴承根据滚动体的结构分为球轴承、圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承三大类。这里选择角接触球轴承。主轴轴承，主要应根据精度、刚度和转速来选择。这里初选两对角接触球轴承来支承主轴。其中前支承采用一对背对背角接触球轴承，这样既能承受径向力又能承受轴向力。分别用轴承端盖定位。后支承（即主轴上边）也为一对背对背角接触球轴承，在轴承厂采用磨窄内圈按一定的预紧力组配好，故中间不需设调整环10。这里所选的轴承型号为前支承为一对7019AC，后支承为一对7017AC。精度等级为5级。4.3.2主轴轴承配置与调整（1）主轴轴承的结构配置主轴轴承的结构配置主要取决于主轴的转速特性的速度因素和主轴刚度的要求。主轴轴承结构配置形式主要有下面两种：适应高刚度要求的轴承配置形式、适应高速要求的轴承配置形式。（2）主轴轴承精度配置在加工中心上，主轴轴承精度一般有三种B、C、D级。对于精密级主轴，前支承常采用B级轴承，后支承可采用C级轴承。普通精度级主轴前支承采用C级轴承，后支撑采用D级轴承。通常，主轴轴承的轴向定位采用的是前端支承定位。这样前支承受轴向力，前端悬臂量小，主轴受热时向后延伸，使前端的变形小，精度高。这次设计的主轴就是采用此种定位方法。（3）主轴轴承的安装与调整单个轴承的装配轴承、主轴、支承孔均存在着制造误差，通过对各种误差的分析，采用选配法进行装配，可提高主轴部件的精度。装配时，尽可能使主轴定位内孔与主轴轴颈的偏心量和轴承内圈与滚道的偏心量接近，并使其方向相反进行装配，可使装配后的偏心量减小。两个轴承的装配两支承的主轴轴承安装时，应使前、后两支承轴承的偏心量方向同向安装，适当地选择偏心距的大小，前轴承的精度应比后轴承的精度高，使装配后的主轴部件的前端定位表面的偏心量最小。机床在维修拆装主轴轴承时，因原生产厂家已调整好轴承的偏心位置，所以要在拆卸前做好周向位置记号，保证重新装配后，其轴承与主轴的原相对位置不变，减小对主轴部件精度的影响。滚动轴承间隙与预紧滚动轴承存在较大间隙时，载荷将集中作用于受力方向上的少数滚动体上，使得轴承刚度下降，承载能力下降，受力低，旋转精度差。将滚动轴承进行适当预紧，使滚动体与内外圈滚动在接触处产生预变形，受载后承载的滚动体数量增多，受力趋向均匀，提高了承载能力和刚度，有利于减少主轴回转轴线的漂移，提高了旋转精度。若过盈量太大，轴承的摩擦磨损加剧，使受力将显著下降。不同精度等级、不同的轴承类型和不同的工作条件的主轴部件，其轴承所需的预紧量有所不同。通常，角接触球轴承在主轴上安装时，轴承与主轴的配合，一般采用15m的过盈配合；轴承与孔的配合，则采用05m的间隙配合。主轴部件使用一段时间，轴承因磨损间隙将增大，就要重新调整间隙。因此，主轴部件必须具备轴承间隙的调整结构。（4）滚动轴承的调整和预紧方法角接触球轴承间隙调整和预紧的方法。成对使用的角接触球轴承常做成是将轴承内圈端面或外圈端面后实现。轴承生产厂家要按要求的预紧量成对提供，装配时不需要再调整，用螺母将其并紧后即可获得精确的预紧力。此处选择磨窄内圈端面的方法实现轴承的预紧。（5）影响主轴旋转精度的主要因素采用滚动轴承的主轴部件，影响其旋转精度的主要因素有：滚动轴承、支承孔、主轴及主轴部件安装调整相关零件的制造精度和装配质量。轴承制造误差的影响轴承制造误差主要是：轴承内、外圈滚道的偏心引起的滚道径向跳动；轴承滚道的圆度误差和坡度引起的滚道的形状误差；滚道的端面跳动；滚动体直径不一致、形状误差等引起主轴的径向跳动和轴向窜动。轴承间隙的影响。主轴的制造误差的影响主轴制造误差主要是：主轴轴颈的圆度、主轴轴肩对主轴轴线的垂直度、主轴轴颈的轴线与主轴定位面轴线之间的偏心距等误差，引起主轴回转的径向跳动和轴向窜动。主轴箱支承孔制造误差的影响主轴箱支承孔制造误差主要是：孔的圆柱度、孔阶与孔轴线的垂直度以及前后两孔的同轴度等误差，引起主轴回转的径向跳动和挠动。4.4主轴组件的设计计算4.4.1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、镗床、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14。前轴颈直径D1大于后轴颈D2。对于车、铣床，一般D2=（0.70.9）D1。查数控机床系统设计表4-4，取本次所设计加工中心主轴前轴颈直径为：D1=65mm则D2=（0.70.9）D1=45.560.5mm，取D2=60mm多数机床主轴中心有孔，主要用来通过棒料或安装工具。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：其中：0.7时对刚度影响不大；若0.7将使刚度急剧下降。这里由立式加工中心使用说明书可知0.7，即对刚度影响不大。4.4.2主轴悬伸量的确定由于在满足结构要求的前提下，尽量缩短主轴悬伸量a。这里初取主轴悬伸量a=100mm。4.4.3主轴最佳跨距的选择这里由数控机床系统设计例4-1，根据结构，有：（1）求轴承刚度主轴最大输出功率（暂不考虑效率），由，即，得：切削速度 v=117.81m/min又由，得 Fz=2800NFy=0.5 Fz=1400N N这里尚未考虑压轴力FQ，因此支承反力的计算结果也与后边强度计算时有所不同。估算时，先暂取初值，即暂取l0=3.5100=350mm，前后支承反力RA、RB分别为NN由点接触轴承条件，求出轴端位移量： m，m取前、后支承的刚度为：N/m， N/m（2）求最佳跨距初算时可假设主轴的当量外径D（与实际主轴具有相同抗弯刚度的等直径轴的直径）为前、后轴径的平均值，即D=（65+65）/2=62.5mm，故当前所设计加工中心主轴惯性矩为：m4则查线图，得 l0/a=3.0故支承跨距 l0=3100=300mm4.5主轴组件的校核计算4.5.1主轴组件的刚度计算对加工中心主轴，主要进行刚度验算。通常，若能满足刚度要求，也就能够满足强度要求。对于某些高速主轴还要进行临界转速的验算，以防止发生共振4。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机进行计算。为了便于使用，下面介绍一种简化的近似计算方法。为此，首先应把主轴组件简化为一个均匀截面的简支梁模型1。如主轴前后轴承颈之间由数段组成，则当量直径d （mm）式中d1，l1，d2，l2，dn，ln分别为各段的直径和长度，mm；l总长，l=l1+l2+ln，mm。如果前后轴承颈的直径相差不大，也可把前后轴承直径的平均值近似地作为当量直径d。这里的当量直径为： mm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F，则主轴前端挠度y的计算表达式可以写出并化简：（mm）（m）其中E弹性模量，钢的E=2105，MPa；I截面惯性矩，I=0.05（d4-di4），mm4；d、di主轴的外径和孔径，mm将E、I的值代入，可得：（m）如di0.5d，则孔的影响可忽略，则：（m）弯曲刚度（N/m）所以当di0.5d，则： N/m 经检验刚度是合格的。4.5.2主轴组件的强度计算这里选用许用弯曲应力进行主轴的强度校核。参考机械设计教材P316例16.2进行计算。轴结构简图如图4-1所示。图4-1 主轴结构简图图4-2 轴受力简图图4-3 弯矩图图4-4 转矩图图4-5 当量弯矩图由前面已经算出的压轴力FQ=835.98N，主切削力FZ=2800N，可计算支承反力：Fr1300-FQ385+FZ=0Fr1=1063.5NFr2=FQ+FZ-Fr1=835.98+2800-1063.5=2572.5N轴受力简图如图4-2，弯矩图如图4-3，转矩图如图4-4。轴受转矩 T=M=24011Nmm查得MPa，MPa，则：应力修正系数当量弯矩图如图4-5所示。当量转矩 T=0.5924011=14170Nmm当量弯矩 NmmNmm校核轴径 60mm65mm即轴的强度完全符合要求。4.5.3轴承的校核计算13这里采用的两个相同的单列角接触球轴承以背对背型式装在一起作为支承整体，可以承受径向、轴向联合载荷。安装时轴承组可预紧，具有较好的支承刚度和旋转精度。这里参考机械设计教材P386例18.6进行轴承的校核计算。（1）主轴支承前端（即下端）一对角接触球轴承7019AC。以钻削时承受轴向力为例进行计算。这里已知，轴转速n=400r/min，FA=7436N，Fr1=1063.5N，Fr2=2572.5N，fd=1.2，设预期寿命Lh=12000h，静载荷安全系数S0=1.2，查机械设计课程设计手册，对于7019AC轴承，Cr=69500N，C0r=69800N，e=0.68。基本额定动载荷，由式18.21，得：N额定静载荷，由式18.22，得：N寿命计算 e由机械设计表18.7，双列轴承X=0.67，Y=1.41当量动载荷 P=fd(XFr+YFa)=1.2(0.671063.5+1.417436) =13436.8N轴承组寿命，由式18.7=24518h12000h满足要求静载荷计算由表18.12，对双列轴承X0=1 Y0=0.76当量静载荷由式18.15 NN在以上两者中取大值，则N计算额定静载荷由式18.19N 则对于该轴承组 N 检验合格（2）主轴支承后端（即上端）一对角接触球轴承7017AC。这里已知，轴转速n=400r/min，FA=7436N，Fr1=1063.5N，Fr2=2572.5N，fd=1.2，设预期寿命Lh=12000h，静载荷安全系数S0=1.2，查机械设计课程设计手册，对于7017AC轴承，Cr=59200N，C0r=57200N，e=0.68。基本额定动载荷，由式18.21，得：N额定静载荷，由式18.22，得：N寿命计算 e由机械设计表18.7，双列轴承X=0.67，Y=1.41当量动载荷 P=fd(XFr+YFa)=1.2(0.672572.5+1.417436) =14650N轴承组寿命，由式18.7=18917h12000h满足要求静载荷计算由表18.12，对双列轴承X0=1 Y0=0.76当量静载荷由式18.15 NN在以上两者中取大值，则N计算额定静载荷由式18.19N 则对于该轴承组 N 检验合格4.5.4键的校核计算13（1）对电动机与电动机皮带轮之间联系的轴径为50mm，这里查机械设计课程设计手册表4-1，选取A型普通平键b=14mm，h=9mm，L=70mm。参考机械设计教材P126例7.1进行计算。这里键的接触长度l=l-b=70-14=56mm，由表7.1取铸钢的许用挤压应力p=150MPa，由式7.1得联接所能传递的力矩为：T=Nm又由，得，即此处所需转矩M=24.01Nm。因此，TM 键的强度满足要求（2）对主轴与主轴皮带轮之间连接的键进行校何。由此段主轴的直径为85mm，这里查机械设计课程设计手册表4-1，选取A型普通平键b=22mm，h=14mm，L=80mm。参考机械设计教材P126例7.1进行计算。这里键的接触长度l=l-b=80-22=58mm，由表7.1取铸钢的许用挤压应力p=150MPa，由式7.1得联接所能传递的力矩为：T=Nm又由，得，即此处所需转矩M=24.01Nm。因此，TM键的强度满足要求4.6主轴内部刀具自动夹紧机构及切屑清除装置主轴内部刀具自动夹紧机构是加工中心必不可少的机构。加工中心可以自动换刀，所以，主轴系统应具备自动松开和夹紧刀具功能。刀具的自动夹紧机构安装在主轴的内部，这里主轴前端有7:24的锥孔1，用于装夹锥柄刀具。通过汽缸实现刀具的夹紧和松开，并结合汽缸上部行程开关实现主轴的定位。自动清除主轴孔中的切屑和尘埃是换刀操作中的一个不容忽视的问题。如果在主轴锥孔中掉进了切屑或其他污物，在拉紧刀杆时，主轴锥孔表面和刀杆的锥柄就会被划伤，使刀杆发生偏斜，破坏刀具的正确定位，影响加工零件的精度，甚至使零件报废。为了保证主轴锥孔的清洁，常用压缩空气吹屑。活塞的心部钻有压缩空气通道，当活塞向下移动时，压缩空气经拉杆吹出，将锥孔清理干净。喷气小孔设计有合理的喷射角度，并均匀分布，以提高吹屑效果14。4.7主轴组件的润滑与密封主轴组件的润滑与密封是加工中心使用和维护过程中值得重视的两个问题。良好的润滑效果可以减少摩擦、降低轴承的工作温度。密封不仅要防止灰尘屑末和切削液进入，还要防止润滑油的泄漏。润滑剂和润滑方式决定于轴承的类型、速度和工作负荷。如果选择得合适，可以降低轴承的工作温度和延长使用寿命。以往加工中心主轴轴承的润滑方式，大多采用油脂封入式润滑方式。但是这种润滑方式的转速有一定限度，为了适应主轴转速向高速化发展的需要，相继开发了新型润滑、冷却方式。在加工中心上，主轴轴承润滑方式主要有：油脂润滑、油液循环润滑、油雾润滑、油气润滑等方式1。主轴轴承的润滑方式。滚动轴承的润滑基于弹性流体动力润滑理论。滚动体和滚道接触处压强很高，会产生接触变形。接触区是一小块面积的接触，而不是一条线或一个点的接触。润滑剂在高压下被压缩，黏度急剧升高。瞬时局部高黏度的油可以在接触区形成油膜，把滚动体和滚道分隔开。滚动体与滚道的接触面积很小，所以需要的润滑剂很少。滚动轴承可以用润滑脂或润滑油润滑。在速度较低时，用润滑脂比用润滑油温升低；速度较高时，用油润滑较好。由于本次所设计的立式加工中心在端铣、钻削等典型加工时主轴钻速不高，并且已经能够满足加工要求，因此这里选用油脂润滑，下面简单介绍一下油脂润滑的选用要求情况。油脂润滑使用方便，不需要供油管路和系统，没有漏油问题。这是目前在数控机床的主轴轴承上最常用的润滑方式，如果转速不太高，滚动轴承应尽量采用脂润滑，特别是立式加工中心主轴或装在套筒内可以伸缩的加工中心主轴。特别是在前支承轴承上更是常用，当然，如果主轴箱中没有冷却润滑

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