JC01-113@立式加工中心主轴组件的结构设计
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机械毕业设计全套
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JC01-113@立式加工中心主轴组件的结构设计,机械毕业设计全套
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立式加工中心主轴组件的结构设计 1 摘 要 加工中心由于备有刀库并能自动更换刀具，使得工件在一次装夹中可以完成多工序的加工。 加工中心 一般不需要 人为干预， 当机床开始执行程序后 ， 它 将 一直 运行到程序结束。加工中心 还 赋予了专业化车间一些诸多优点，如： 降低机床的故障率 ，提高生产效率，提高加工精度，削减废料量，缩短检验时间，降低刀具成本，改善库存量等。由于 加工中心 的众多优势，所以它 深受 全球制造企业 的青睐。 加工中心主要由 主轴组件、回转工作台、 移动工作台、 刀库及自动换刀装置以及其 它 机械功能部件组成。 其中的 主轴组件是机床重要的 组成 部分，其运动性能直接影 响机床加工精度与表面粗糙度。 本文在查阅大量国内外文献的基础上， 通过研究分析不同加工中心主轴组件 的性能， 综合 地比较了其特点，并拟定 了 一个 较 为 合理的 主轴组件结构 方案。同时， 还就主轴、轴承以及丝杠 等重要零件 的机械性能 进行 了 探讨 ，并对 这些零件的刚度和强度进行了校核。 此外，本 设计 中所 采用的陶瓷轴承 能有效地 增加主轴的刚度， 从而 提高了加工中心的可靠性和稳定性。 关键词： 主轴组件，加工中心 ，数控机床 nts 立式加工中心主轴组件的结构设计 2 Spindle unit design of Vertical machining center ABSTRACT Machining center evolved from the need to be able to perform a variety of operations and machining sequences on a workpiece on a single machine in one setup. Machining center requires little operator intervention, and once the machine has been set up, it will machine without stopping until the end of the program is reached. Some of the other advantages that machining centers give a manufacturing shop are greater machine uptime, increased productivity, maximum part accuracy, reduced scrap, less inspection time, lower tooling costs, less inventory and so on. Because of their many advantages, machining centers become widely accepted by manufacturing enterprises in the world. Machining centers are equipped with spindle units, rotary workbench, moving workbench, tool magazines and automatic tool changers, and other mechanical function components. Spindle unit is the important motion part of the metal cutting machine tool. Its movement behavior affects the machining accuracy and surface roughness of part to be machined. Through referring to a variety of technical literatures, the characteristics of some kinds of spindle units are compared with each other based on analysis and research work on different machining centers. A reasonable scheme can be studied out. nts 立式加工中心主轴组件的结构设计 3 Meanwhile, the mechanical behaviors of principle parts such as the spindle, bearings and lead screw are discussed. Their rigidity and strength are calculated and examined here. Morever, a kind of advanced ceramic bearings is introduced into the spindle unit, which can effectively enhance the rigidity of spindle units. They will improve the reliability and stability of machining centers. Key words： spindle unit， machining center， NC machine tool nts 立式加工中心主轴组件的结构设计 4 立式加工中心主轴组件的结构设计 0 引言 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展高新技术产业和尖端工业（如：信息技术及其产业，生物技术及其产业，航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。制造技术和装备是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术 则 是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制 政策。 数控机床技术的发展自 1953年美国研制出第一台三坐标方式升降台数控铣床算起，至今已有 53年历史了。 20世纪 90年开始，计算机技术及相关的微电子基础工业的高速发展，给数控机床的发展提供了一个良好的平台，使数控机床产业得到了高速的发展。我国数控技术研究从 1958年起步，国产的第一台数控机床是北京第一机床厂生产的三坐标数控铣床。虽然从时间上看只比国外晚了几年，但由于种种原因，数控机床技术在我国的发展却一直落后于国际水平，到 1980年我国的数控机床产量还不到 700台。nts 立式加工中心主轴组件的结构设计 5 到 90年代，我国的数控机床技术发展才得到 了一个较大的提速。目前，与国外先进水平相比仍存在着较大的差距。 总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。 1 概述 1.1 加工中心的发展状况 1.1.1 加工中心的国内外发展 对于高速加工中心，国外机床在进给驱动上，滚珠丝杠驱动的加工中心快速进给大多在 min/40m 以上，最高已达到 min/90m 。采用直线电机驱动的加工中心已实用化，进给速度可提高到 min/10080 m ，其应用范围不断扩大。国外高速加工中心主轴转速一般都在 m in/2 5 0 0 01 2 0 0 0 r，由于某些机床采用磁浮轴承和空气静压轴承，预计转速上限可提高到min/100000 r 。国外先进的加工中心的刀具交换时间，目前普遍已在 s1 左右，高的已达 s5.0 ，甚至更快。在结构上，国外的加工中心都采用了适应于高速加工要求的独特箱中箱结构或龙门式结构。在加工精度上，国外卧式加工中心都装 有机床精度温度补偿系统，加工精度比较稳定。国外加工中心定位精度基本上按德国标准验收，行程 mm1000 以下，定位精度可控制在mm01.0006.0 之内。此外，为适应未来加工精度提高的要求，国外不少公司还都开发了坐标镗精度级的加工中心。 相对而言，国内生产的高速加工中心快速进给大多在 min/30m 左右，个别达到 min/60m 。而直线电机驱动的加工中心仅试制出样品，还未进入nts 立式加工中心主轴组件的结构设计 6 产量化，应用范围不广 。国内高速加工中心主轴转速一般在m in/180006000 r，定位精度控制在 mm015.0008.0 之内，重复定位精度控制在 mm01.0005.0 之内。在换刀速度方面，国内机床多在 s54 ，无法与国际水平相比 1 3。 虽然国产数控机床在近几年中取得了可喜的进步，但与国外同类产品相比，仍存在着不少差距，造成国产数控机床的市场占有率逐年下降。 国产数控机床与国外产品相比，差距主要在机床的高速、高效和精密上。 除此之外，在机床可靠性上也存在着明显差距，国外机床的平均无故障时间（ MTBF）都在 5000 小时以上，而国产机床大大低于这个数字，国产机床故障率较高是用户反映最强烈的问题之一。 1.1.2 主轴部件的研究进展 图 1.1 立式加工中心结构图 1-切削箱 2-X轴伺服电机 3-Z轴伺服电机 4-主轴电机 5-主轴箱 6-刀库 7-数控柜 8-操纵面板 9-驱动电柜 10-工作台 11-滑座 12-立柱 13-床身 14-冷却水箱 15-间歇润滑油箱 16-机械手 nts 立式加工中心主轴组件的结构设计 7 典型加工中心的机械结构主要有基础支承件、加工中心主轴系统、进给传动系统、工作台交换系统、回转工作台、刀库及自动换刀装置以及其他机械功能部件组成 4。图 1.1 所示为立式加工中心结构图。 主轴系统为加工中心的主要组成部分，它由主轴电动机、主轴传动系统以及主轴组件成。和常规机床主轴系统相比，加工中心主轴系统要具有更高的转速、更高的回转精度以及更高的结构刚性和抗振性。 随着电气传动技术（变频调速技术、电动机矢量控制技术等）的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主传动的机械结构已得到极大的简化，取消了 带传动和齿轮传动，机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床主运动的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴组件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”。由于当前电主轴主要采用的是交流高频电动机，故也称为“高频主轴”。由于没有中间传动环节，有时又称它为“直接驱动主轴”。电主轴是一种智能型功能部件，不但转速高、功率大，还有一系列控制主轴温升与振动等机床运行参数的功能，以确保其高速运转的可靠性与安全。 1.2 课题的目的及内容 本课题来源于同济现代制造技术研究所立式加工中心机床设计项目的子课题之一。加工中心是典型的集高新技术于一体的机械加工设备，它的发展代表了一个国家设计、制造的水平，因此在国内外企业界都受到高度重视。 本课题 的目的是进行立式加工中心主轴组件的结构设计，主轴组件作nts 立式加工中心主轴组件的结构设计 8 为加工中心的执行元件，它 确保带动刀具进行切削加工、传递运动、动力及承受切削力等，并满足相关的 技术指标要求。 本课题涉及的主要技术指标 有： a) 主轴孔锥度： 24:7 ； b) 主轴孔直径： 52mm ； c) 主轴箱行程（ Z 轴）： mm470 ； d) 主轴转速范围： mmr300030 ； e) 快速移动速度（ Z 轴）： min10m ； f) 进给速度（ Z 轴）： min4001 mm 。 1.3 课题拟解决的关键问题 各类机床对其主轴组件的要求，主要是精度问题，就是要保证机床在一定的载荷与转速下，主轴能带动工件或刀具精确地、稳定地绕其轴心旋转，并长期地保持这一性能。主轴组件的设计和制造，都是围绕着 解决这个基本问题出发的。为了达到相应的精度要求，通常，主轴组件应符合以下几点设计要求 6： 1） 旋转精度 旋转精度是指机床在空载低 速旋转时，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， 目的是保证加工零件的几何精度和表面粗糙度。 2） 刚度 指主轴组件在外力的作用下，仍能保持一定工作精度的能力。刚度不足时，不仅影响加工精度和表面质量，还容易引起振动，恶化传动件和轴nts 立式加工中心主轴组件的结构设计 9 承的工作条件。设计时应在其它条件允许的条件下，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，应尽量提高。 4） 温升和热变形 温升会引起机床部件热变形，使主轴旋转中心的相对位置发生变化，影响加工精度。并且温度过高会改变轴承等元件的间隙、破坏润滑条件，加速磨损。 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。 根据本课题的设计任务要求，由于主轴的转速并不是很高，所以在抗振性、温升等方面不必重点考虑，而应重点考虑加工中心的旋转精度和刚性。但是在设计时仍应综合考虑以上几项要求，注意吸收新技术，以获得满意的设计方案。 1.4 解决上述问题的 策略 旋转 精度主要取决于主轴、支承轴承、主轴箱上轴承座等的制造、装配和调整精度。显然，若要保证主轴组件的旋转精度，则必然对主轴支承轴颈的圆度、轴承滚道及滚子的圆度、主轴及其上的回转零件的动平衡度、止推轴承的滚道及滚动体的误差、以及对主轴的主要定心面的径向跳动和轴向窜动等提出较高的整体要求，特别要提高支承轴承的精度等级。要保证旋转精度，通常应尽量满足以上要求。 nts 立式加工中心主轴组件的结构设计 10 而对于主轴组件的刚度，实际上是主轴、轴承、轴承座等加工设计的综合反映。主轴自身的结构形状和尺寸，滚动轴承的配置形式 (背靠背、面对面、同向、混合等 )、数量、类型、 预紧等，以及支承的跨距、主轴前端的悬伸量等都将直接影响其刚度。为了保证机床的主轴具有足够的刚度，通常应尽量使主轴前端的悬伸量缩短，主轴直径增大，并通过计算求出支承轴承间的最佳跨距、进行预紧、采用合理的轴承及其相应的配置形式等措施 6。 采用以上各种措施必然会使机床的刚性及旋转精度大幅度提高，但是，若盲目地全部采纳上述措施，则一定会使机床的制造难度增大，成本增加。所以，在设计的时候，要综合各项因素考虑。 2 方案拟定 2.1 加工中心主轴组件的组成 主轴组件是由主轴、主轴支承、装在主轴上的传动件和密封件等 组成的。主轴的启动、停止和变速等均由数控系统控制，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，其结构的好坏对加工中心的性能有很大的影响，它决定着加工中心的切削性能、动态刚度、加工精度等。主轴内部刀具自动夹紧机构是自动刀具交换装置的组成部分。 2.2 机械系统方案的确定 2.2.1 主轴传动机构 对于现在的机床主轴传动机构来说，主要分为齿轮传动和同步带传nts 立式加工中心主轴组件的结构设计 11 动。 齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，应用普遍，类型较多，适应性广。其传递的功率可达近十万千瓦，圆周速度可达 sm200 ，效率可达99.0 。齿轮传动大多数为传动比固定的传动，少数为有级变速传动。但是齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵，且不宜用于传动距离过大的场合。 同步带是啮合传动中唯一 一种 不需要润滑的传动方式。在啮合传动中， 它的结构最简单，制造最容易，最经济，弹性缓冲的能力最强，重量轻，两轴可以任意布置，噪声低。它的带由专业厂商生产，带轮自行设计制造，它在远距离、多轴传动时比较经济。同步带传动时的线速度可达sm50 （有时允许达 sm100 ），传动 功 率可达 kW300 ，传动比可达 10 （有时允许达 20 ），传动效率可达 98.0 。 同步带传动的优点是 9： a) 无滑动，能保证固定的传动比； b) 预紧力较小，轴和轴承上所受的载荷小； c) 带的厚度小，单位长度的质量小，故允许的线速度较高； d) 带的柔性好，故所用带轮的直径可以较小。 其主 要缺点是安装时中心距的要求严格。 由于齿轮传动需要具备较多的润滑条件，而且为了使主轴能够达到一定的旋转精度，必须选择较好的工作环境，以防止外界杂物侵入。而同步带传动则避免了这些状况，并且传动效率和传动比等都能符合课题的要求，故在本课题的主轴传动方式中选择同步带传动。 nts 立式加工中心主轴组件的结构设计 12 2.2.2 主轴进给机构 对于主轴的进给机构，机床通常被设计为进给电动机与丝杠直接传动的形式。而丝杠所作的则是螺旋传动，它能将旋转运动转变为直线运动。 螺旋传动按摩擦状态通常分为滑动螺旋，滚动螺旋，滚滑螺旋以及液压螺旋。如今在机床上通常采用的 是滑动螺旋和滚动螺旋，下面就这两类传动方式进行比 较 ，见表 2.1。 表 2.1 滑动螺旋、滚动螺旋的特点与应用场合 滑动螺旋 滚动螺旋 结构示意图 使用性能 (1) 摩 擦 系 数 大 ， 传 动 效 率 低 ， 约%40%30 ； (1) 摩擦系数很低，传动效率高达%99 ； (2) 低速运行时有爬行或振动； (2) 低速运行时无爬行、振动； (3) 磨损大，使用寿命较短； (3) 耐磨性好，磨损极小； (4) 运转时无噪声。 (4) 高速运行有噪声。 结 构工艺性 结构简单，加工及安装精度要求较低。 结构复杂，加工及安装精度要求较高。 成 本 较低。 高，是滑动螺旋的 32 倍。 应用场合 适用于中、高速的轻、中、重载荷，如一般机床的进给机构。 适用于高、中、低速的轻、中、重载荷，如数控、精密机床的进给机构。 由于本课题中丝杠用于主轴垂直方向的进给，所以对于高低速时运行nts 立式加工中心主轴组件的结构设计 13 的稳定性要求较高。故 对比以上两种螺旋传动的特点，结合本课题的需求，故采用传动效率高、磨损小、传动平稳的滚动螺旋传动方式。 2.2.3 主轴准 停机构 主轴准停装置是换刀过程所要求的在加工中心上特有得装置，也称之为主轴准停机构。由于刀具装在主轴上，在切削时 的 切削转矩不能完全靠锥孔的摩擦力来传递，因此通常在主轴前端设置一个凸键，当刀具装入主轴时，刀柄上的键槽必须与此凸键对准，为保证顺利换刀，主轴必须停止在某一固定的角度方向，主轴定向装置就是为保证主轴换刀时准确停止在换刀位置而设置的。 加工中心的主轴定向装置有机械方式和电气方式 (如磁力传感器检测定向 )两种。 图 2.1 机械式主轴准停装置 1 无触点开关； 2 感应块； 3 V形槽轮 定位盘 4 定位液压缸； 5 定向滚轮； 6 定向活塞 图 2.1 所示为 V形槽轮定位盘准停装置，在主轴上固定一个 V 形槽定位盘，使 V 形槽与主轴上的端面键保持所需要的相对位置关系，其工作原nts 立式加工中心主轴组件的结构设计 14 理为：准停前主轴必须是处于停止状态，当接受到主轴准停指令后，主轴电动机以低速转动，主轴箱内齿轮换挡使主轴以低速旋转，时间继电器开始动作，并延时 4 6s，保证主轴转稳后接通无触电开关 1 的电源，当主轴转到图示位置即 V形槽轮定位盘 3上的感应块 2与无触点开关 1相接触后发出信号，使主轴电动机停转。另一延时继电器延时 0.2 0.4s 后，压力油进入定位液压缸下腔，使定向活塞向左移动，当定向活塞上的定向滚轮 5 顶入定位盘的 V 形槽内时，行程开关 LS2 发出信号，主轴准停完成。若延时继电器延时 1s 后行程开关 LS2 仍不发信号，说明准停没完成，需使定向活塞 6 后退，重新准停。当活塞杆向右移到位时，行程开关 LS1发出定向滚轮 5退出凸轮定位盘凹槽的信号，此时主轴可启动工作。 目前常采用的电气方式有两种，一种是利用主轴上光电脉冲发生器的同步脉冲信号；另一种是用磁力传感器检测定向，其工作原理如图 2.2。 图 2.2 电气式主轴准停 在主轴上安装一 个发磁体与主轴一起旋转，在距离发磁体旋转外轨迹mm21 处固定一个磁传感器，磁传感器经过放大器与主轴控制单元连接，nts 立式加工中心主轴组件的结构设计 15 当主轴需要定向时，便可停止在调整好的位置上。这种定向方式结构简单，而发磁体的线速度可达到 min/3500 m 以上。这种准停装置机械结构简单，发磁体与磁感传感器间没有接触摩擦，准停的定位精度可达 1 ，能满足一般换刀要求。并且定向时间短，可靠性较高，所以应用的比较广泛。发磁体可安装在一个圆盘的边缘 ，但这对较精密的、高转速加工中心主轴来说，由于需要较高的动平衡指标，就不十分有利。另一种是将发磁体做成动平衡效果很好的圆盘，使用时只需要将圆盘整体装在主轴上即可。在各种加工中心上采用什么形式的主轴定向装置，要根据各自的约束条件来选择 12。 本课题采用电气式主轴准停装置，此方式避免了机械装置的复杂结构，只需要数控系统发出指令信号，主轴就可以准确地定向。 2.2.4 刀具自动夹紧机构 在自动交换刀具时要求能自动松开和夹紧刀具。图 2.3 示为数控镗铣床主轴组件机构示意图。 碟形弹簧 11 通过拉杆 7，双瓣卡爪 5，在 套筒 14 的作用下，将刀柄的尾端拉紧。当换刀时，要求松开刀柄，此时，在主轴上端油缸的上腔 A通入压力油，活塞 12 的端部推动拉杆 7向下移动，同时压缩碟形弹簧 11，当拉杆 7下移到使双瓣卡爪 5 的下端移出套筒 14时，在弹簧 6 的作用下，卡爪张开，喷气头 13 将刀柄顶松，刀具即可由机械手拔出。待机械手将新刀装入后，油缸 10 的下腔通入压力油，活塞 12向上移，碟形弹簧伸长将拉杆 7和双瓣 5拉着向上，双瓣卡爪 5 重新进入套筒 14，将刀柄拉紧。活塞 12 移动的两个极限位置都有相应的行程开关（ LS1， LS2）作用，作nts 立式加工中心主轴组件的结构设计 16 为刀具松开和夹紧的回答信 号。 图 2.3 数控镗铣床主轴组件机构示意图 1 调整半环； 2 双列园柱滚子轴承； 3 向心球轴承； 4， 9 调整环； 5 双瓣卡爪； 6 弹簧； 7 拉杆； 8 向心推力球轴承； 10 油缸； 11 碟形弹簧； 12 活塞； 13 喷气头； 14 套筒 nts 立式加工中心主轴组件的结构设计 17 (a) (b) 图 2.4 刀柄拉紧结构 刀杆尾部的拉紧结构，除上述的卡爪式以外，还有图 2.4a 所示的弹簧夹头结构以 及图 2.4b 所示的钢 球拉紧机构。 在本课题中，刀具自动夹紧机构借用如图 2.3的夹紧方式，采用 气压缸夹紧方式，从 而避免因油路堵塞等常见情况。而在拉杆处则采用 钢球拉紧机构， 因为 其加工简单，并可以有效的拉紧刀杆 。 2.2.5 切屑清除机构 自动清除主轴孔内的灰尘和切屑是换刀过程的一个不容忽视的问题。如果主轴锥孔中落入了切屑，灰尘或其它污物，在拉紧刀杆时，锥孔表面和刀杆锥柄会被划伤，甚至会使刀杆发生偏斜，破坏刀杆的正确定位，影响零件的加工精度，甚至会使零件超差报废。为了保持主轴锥孔的清洁，nts 立式加工中心主轴组件的结构设计 18 常采用的方法是使用压缩空气吹屑。为了提高吹屑效率，喷气小孔要有合理的喷射角度，并均匀布置 10。其工作原理图可参考图 2.3。 2.3 伺服驱动系统方案的确定 控制用电动机是电气伺服控制系统的动力部件，是将电能转换为机械能的一种能量转换装置。由于其可在很宽的速度和负载范围内进行连续、精确地控制，因而在各种机电一体化系统中得到了广泛的应用。 控制用旋转电动机按其工作原理可分为旋转磁场型和旋转电枢型。前者有同步电动机（永磁）、步进电动机（永磁）；后者有直流电动机（永磁）、感应电动机（按矢量控制等效模型），具体地可细分为： 步进电动机又称为脉冲电动机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。其输入一个电脉冲就转动一步，即每当电动机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角。由于其转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，所以对于本课题所需的控制电动机而言，步进电动机很难精确地确保主轴组件的旋转精度，故不适合。 直流伺服电动机通过电刷和换向器产生的整流作用，使磁场磁动势和电枢电流磁动势正交，从而产生转矩。它具有较高的响应速度、精度和频 率，优良的控制特性等优点。但是由于使用电刷和换向器，故寿命较低，需要定期维修。所以不太适合用于主轴的主电机，但是可以用于进给电动机。 由于交流伺服电动机具有直流伺服电动机 的全部优点，并且其不具备电刷和换向器，不需要定期维修。虽然在价格上交流伺服电动机较贵，但nts 立式加工中心主轴组件的结构设计 19 是由于其性能可靠、精度好，所以正在逐步取代直流电动机的地位。故在本课题的主电机选用中选择交流伺服电动机。 各种伺服电动机的特点及应用举例见表 2.2。 表 2.2 伺服 电动机的特点及应用实例 19 种类 主要特点 应用实例 DC伺服电动机 1. 高响应特性； 2. 高功率密度（体积小、重量轻）； 3. 可实现高精度数字控制； 4. 接触换向部件（电刷与换向器）需要维护； 5. 不能高速大扭矩工作 。 NC 机械、机器人、计算机外围设备、办公机械、音响和音像设备、计测机械等 AC伺服电动机 1. 具有 DC伺服电动机的全部优点； 2. 对定于电流的激励分量和转矩分量分别控制； 3. 具有良好的性价比； 4. 坚固耐用免维修。 NC 机械、机器人等 步进电动机 1. 转角与控制脉冲数成比例，可构成直接数字控制； 2. 工作状态不受干扰； 3. 步距角有误差； 4. 高速易失步，低速易振荡 。 计算机外围设备、办公机械、数控装置 2.4 加工中心主轴组件总体设计方案的确定 综合 2.2， 2.3 节中的方案，本课题的总体设计方案 现确定如下： 由于同步带无滑动，能保证固定的传动比，且传动效率高，允许的线速度较高，无需安置在很良好的工作环境中，所以在主轴传动方式中选择nts 立式加工中心主轴组件的结构设计 20 同步带传动。但是需要注意的是同步带的安装具有严格的要求。 在主轴的进给运动中，采用滚珠丝杠。其耐磨性好、磨损小，低速运行时无爬行、无振动，能够很好地确保 Z 轴的进给精度。 由于加工中心具备自动换刀功能，所以在主轴组件中还应有主轴准停装置、刀具自动夹紧机构以及切屑清除机构。在本课题中，主轴准停机构采用磁 力传感器检测定向，其不仅能够使主轴停止在调整好的位置上，而且能够检测到主轴 的转速，并在加工中心的操控面板上显示出来，方便机床操作者调整转速。 在换刀过程中，刀具自动夹紧机构也是不可获缺的一部分。它控制着刀杆的松紧，使刀具在加工时能紧紧地固定在主轴上，在换刀时能轻松地卸载。本课题采用了液压缸运行的方式，通过活塞、拉杆、拉钉等一系列元件的运动来达到刀杆的松紧目的。同时，为了减少液压推力对主轴支承的磨损，在主轴的内部设置了一段碟形弹簧，使活塞对拉杆的作用起到一个缓冲的作用。同时，在换刀过程中，活塞及拉杆的内部将被加工成中空状。其间将通入一定的压缩空气来清除切屑。使刀杆和主轴始终具有很好的配合精度。 在伺服系统中，本课题在进给系统中选用直流伺服电动机，而在主运动系统中则选用交流伺服电动机。由于交流伺服电动机具有电刷和换向器，需要常常维修，故不适合于主运动系统中。 图 2.5 所示为本课题主轴组件结构示意图。 nts 立式加工中心主轴组件的结构设计 21 图 2.5 主轴组件结构示意图 1 刀架； 2 拉钉； 3 主轴； 4 拉杆； 5 碟形弹簧； 6 活塞； 7 液压缸； 8、 10 行程开关； 9 压缩空气管接头； 11 弹簧； 12 钢球； 13 端面键 nts 立式加工中心主轴组件的结构设计 22 3 主轴组件的主运动部件 3.1 主轴电动机的选用 3.1.1 主 电机功率估算 (1) 计算主铣削力切F经验公式 6：ZFefp KZdaaaF 1.101.18.095.0812切 （ 3.1） 式中：切F 铣削力，即主切削力（切向圆周分力）， N pa 铣削深度， mm fa 每齿进给量， zmm ea 铣削宽度， mm 0d 铣刀直径， mm Z 铣刀齿数 ZFK 铣削力修正系数，ZZZZ KFFmFF KKKK b 工件材料抗拉强度， GPa 已知：高速钢刀具；刀具前角 150；主偏角 60K；工件材料为275 mmkgfb 碳钢；每齿进给量 zmma f 1.0 ；刀具直径为 mm16 ，齿数8Z ；工件宽度 mmae 12 ，切削深度 mmap 3 将上述各条件代入公式（ 3.1），则主 切削力为 ZFefp KZdaaaF 1.101.18.095.0812切3.031.11.18.095.0638.01081.97592.0816121.03812 N2046 切削速度 6 m i n150m i n1000 3000161416.31000 m a xm i nm a x mmmmnDV nts 立式加工中心主轴组件的结构设计 23 (2) 主电机功率估算 6 铣削功率 kWkWVFPm 115.560000 150204660000 m a x 切 主电机功率 kWkWPPmmE 48.598.099.0 1 1 5.5 5 式中：m 机床主传动系统传动效率。滚珠轴承传动效率 0.996，同步带传动效率 0.986 3.1.2 主电机选型 利用交流伺服系统可进行精密定位控制，可作为 CNC机床、工业机器人等的执行元件。 FANUC 交流主轴电机 S 系列从 0.65kW 37kW 共分 13种。它的特点是转速高、输出功率大、性能可靠、精度好、振动小、噪音低，既适合于高速切削又适合于低速重切削。该系列可应用在各种类型的数控机床上。根据主电机功率 PE=5.48kW6，故本课题选用 FANUC交流主轴电机 6S 型号 6。其主要技术参数如下： a) 额定输出功率： kW5.5 ； b) 最高速度： min/6000 r ； c) 额定输出转矩： mN0.35 ； d) 转子惯量： 2022.0 smN 。 3.2 主轴 3.2.1 主轴的结构设计 主轴的主要参数是指：主轴前轴颈直径 1D ；主轴内孔径 d ；主轴悬伸量 a 和主轴支承跨距 l ，见图 3.1。 nts 立式加工中心主轴组件的结构设计 24 图 3.1 主轴主要参数示意图 3.2.1.1 主轴轴径的确定 主轴轴径通常指主轴前轴颈的直径，其对于主轴部件刚度影响较大。加大直径 D ，可减少主轴本身弯曲变形引起的主轴轴端位移和轴承弹性变形引起的轴端位移，从而提高主轴部件刚度。但加大直径受到轴承 dn 值的限制，同时造成相配零件尺寸加大、制造困难、结构庞大和重量增加等，因此在满足刚度要求下应取较小值。 设计时主要用类比分析的方法来确定主轴前轴颈直径 1D 。加工中心主轴前轴颈直径 1D 按主电动机功率来确定，由 表 3.11-62查 得 mmD 851 。 由于装配需要，主轴的直径总是由前轴颈向后缓慢地逐段减小的。在确定前轴径 1D 后，由 式 3.11-12可 知前轴颈直径 1D 和后轴颈直径 2D 有如下关系： mmmmDD 728585.085.0 12 3.2.1.2 主轴内孔直径 d 的确定 主轴内孔直径与机床类型有关，主要用来通过棒料，通过拉杆、镗杆或顶出顶尖等。确定孔径 d 的原则是，为减轻主轴重量，在满足对空心主nts 立式加工中心主轴组件的结构设计 25 轴孔径要求和最小壁厚要求以及不削弱主轴刚度的要求下，应尽量取大值。 由经验得知，当 7.0Dd时（ D 是主轴平均直径），主轴刚度会急剧下降；而当 5.0Dd时，内孔 d 对主轴刚度几乎无影响，可忽略不计，所以常取孔径 d 的极限值maxd为： mmmmDd 5.59857.07.0m a x 此时，刚度削弱小于 %25 。 按照任务书的要求及综合各轴段直径的实际大小，确定内孔直径mmd 52 。 3.2.1.3 主轴端部形状的选择 机床主轴的轴端一般用于安装刀具、 夹持工件或夹具。在结构上，应能保证定位准确、安装可靠、连接牢固、装卸方便，并能传递足够的扭矩。目前，主轴端部的结构形状都已标准化。 图 3.2 所示为铣床主轴的轴端形式，其尺寸大小按照 JB2324-78进行加工，选择主轴序号为 50 的主轴端部尺寸。 图 3.2 铣床主轴的轴端形式 nts 立式加工中心主轴组件的结构设计 26 3.2.1.4 主轴悬伸量 a 的确定 主轴悬伸量 a 是指主轴前端面到前支承径向反力作用中点（一般即为前径向支承中点）的距离。它主要取决于主轴端 部结构型式和尺寸、前支承的轴承配置和密封装置等，有的还与机床其他结构参数有关，如工作台的行程等，因此主要由结构设计确定。 悬伸量 a 值对主轴部件的刚度和抗振性具有较大的影响。因此，确定悬伸量 a 的原则，是在满足结构要求的前提下尽可能取小值，同时应在设计时采取措施缩减 a 值。 3.2.1.5 主轴支承跨距 l 的确定 支承跨距 l 是指主轴相邻两支承反力作用点之间的距离。跨距 l 是决定主轴系统动、静刚度的重要影响因素。合理确定支承跨距，是获得主轴部件最大静刚度的重要条件之一。 最优跨距0l是指在切削力作用下，主轴前端的柔度值最小时的跨距。其推导公式是在静态力作用下进行的。实验证明，动态作用下最优跨距很接近于推得的最优值。 最优跨距0l可按下列公式计算 6： 65.56 6 5.138.10 Kl （ 3.2） 式中： 312116kkkEI （ 3.3） 211kkaK （ 3.4） nts 立式加工中心主轴组件的结构设计 27 式中： a 主轴前端悬伸长， 单位为 cm ； E 材料的弹性模量， 单位为 2cmN ； I 轴惯性矩， 单位为 4cm ； 1k 前轴承刚度值， 单位为 cmN ； 2k 后轴承刚度值， 单位为 cmN 。 按上式计算最优跨距0l，计算过程如下： 4464 ll dDI （ 3.5） 式中：lD 主轴跨距部分的平均直径， 单位为 mm ； ld 主轴跨距部分的平均孔颈， 单位为 mm 。 mmDD l 82 mmmmL ldd iil 43600 2485218026323144429656 由式（ 3.5）得： 4205cmI ；由参考文献 6中 图 3.11-11 确 定mNk 9001 ， mNk 7302 ；由主轴材 料为 40Cr 查得材 料的弹性模量26101.22 0 6 cmNG P aE ；由主轴的结构形式确定主轴前端悬伸长 mma 79 将上述参数值代入公式 (3.3)(3.4)， 得 cm862 ， 49K 将 ， K 值代入 公式（ 3.2），得 mml 686150 按照结构设计的要求，取 mml 336 。 由于 mmlmml 6 8 6 1 53 3 60 ， 故满足设计要求。 3.2.2 主轴受力分析 轴所受的载荷是从轴上零件传来的。计算时，常常将轴上的分布载荷简化为集中力，其作用点取为载荷分布段的中点。而作用在轴上的扭矩，一般从传动件轮毂宽度的中点算起。 nts 立式加工中心主轴组件的结构设计 28 (a) (b) (c) 图 3.3 轴承受力图 主轴上的轴承采用一端固定，另一端游动的支承形式。图示 3.3a 为轴承在空间力系的总受力图，它可分解为铅垂面（图 3.3b）和水平面（图3.3c）两个平面力系。 由公式（ 3.1）得出切向铣削力 NF 2046切径向负荷 22 NNFFr 1.7 1 62 0 4 635.035.0 切切向负荷 22 NNFFt 4.1 8 4 12 0 4 69.09.0 切轴向负 荷 22 NNFFa 15.1 0 7 42 0 4 65 2 5.05 2 5.0 切图 3.4 静不定梁铅垂面分解图 nts 立式加工中心主轴组件的结构设计 29 由于此主轴的受力属于简单静不定梁类型，所以要以静不定梁的受力方法来解决问题。图示 3.4为静不定梁的铅垂面受力图。为了使其变形与原静不定梁相同，必须满足变形协调条件，即要求 0B 。 利用叠加法，得挠度为： alEIFaEIlF rB 363 232 （ 3.6） 式中：vrF2 径向（切向）负荷分力，单位为 N ； F 径向（切向）负荷，单位为 N ； E 材料的弹性模量， 26101.2 cmNE ； I 轴惯性矩， 4cm 。 由公式（ 3.5）得 4205 cmI 。将 rFF ，vrr FF 22 代入公式（ 3.6），则铅垂面的挠度为： 09.73.832 0 5101.26 9.71.7 1 62 0 5101.22 3.8 6 26 32 VrB F 得 NFVr 37.6642 079832 5 3832 5 32 5 3 12 rVrVr FFF 得 NFVr 21.3841 0321 rVrVrVr FFFF 得 NFVr 48.3323 将tFF， Hrr FF 22 代入公式（ 3.6），则水平面的挠度为： 09.73.832 0 5101.26 9.74.1 8 4 12 0 5101.22 3.8 6 26 32 HrB F 得 NF Hr 39.17082 079832 5 3832 5 32 5 3 12 tHrHr FFF nts 立式加工中心主轴组件的结构设计 30 得 NF Hr 97.9871 0321 tHrHrHr FFFF 得 NFHr 96.8543 (a)机构草图 (b)受力简图 (c)水平面受力 (d)水平面弯矩图 (e)垂直面受力 (f)垂直面弯矩图 (g)合成弯矩图 (h)转矩图 图 3.5 轴的结构和载荷图 nts 立式加工中心主轴组件的结构设计 31 A-B 段支承反力： 水平面： 0ABXF 垂直面： 0ABYF B-C 段支承反力： 水平面： )(96.8543 NFF HrB C X 垂直面： )(48.3323 NFF VrB C Y C-D 段支承反力： 水平面： )(43.8 5 396.8 5 439.1 7 0 832 NFFF HrHrC D X 垂直面： )(89.33148.33237.66432 NFFF VrVrC D Y D-E 段支承反力： 水平面： )(4.1 8 4 196.8 5 439.1 7 0 897.9 8 7321 NFFFF HrHrHrD E X 垂直面： )(1.7 1 648.3 3 237.6 6 421.3 8 4321 NFFFF VrVrVrD E Y 轴的受力简图、水平面及垂直面受力简图见图 3.5b、 c、 e。 A-B 段弯矩： 水平面： 0ABXM 垂直面： 0ABYM 合成： 022 A B YA B XAB MMMB-C 段弯矩： 水平面： )(30.2161003533 mNFFM HrB C XB C X 垂直面： )(12.841 0 03 5 33 mNFFM VrB C YB C Y 合成： )(08.23212.8430.216 2222 mNMMMBC YBC X
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