车铣复合加工机床A28电主轴结构设计-开题报告

南京工程学院工 业 中 心本科毕业设计（论文）开题报告题 目 ： 车铣复合机床 A28 电主轴系统结构设计 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： D 机加工 122 学 号：学生姓名： 指导教师： 2016 年 3 月 11 日本科毕业设计(论文) 开题报告学生姓名 学 号 专 业 机械设计制造及其自动化指导教师姓名 职 称 研究员级高级 工程师所在院系 工业中心课题来源 D、自拟课题 课题性质 A、工程设计课题名称 车铣复合加工机床 A28 电主轴系统结构设计毕业设计的内容和意义 采用文献分析法、比较法的方法，进行车铣复合加工机床 A28 电主轴系统结构的设计，主要是主轴箱零件，包括主轴箱主轴，轴承隔套,锁紧螺母, 迷宫法兰，齿形皮带轮，皮带轮、联结法兰等。毕业设计的具体内容：1、进行机械制图绘制，绘制主轴箱装配图，主轴、轴承、螺母等零件图，和绘制主轴动平衡图,输出功率和扭矩图。2、设计计算主轴切削扭矩，进行主轴的受力分析，计算主轴的刚度，计算轴承的寿命，分析轴承的刚度，磨损，润滑等。3、分析技术经济和个零件的成本。4、翻译有关外文资料并撰写毕业设计说明书。本课题研究的意义：本课题对车铣复合加工机床 A28 电主轴结构进行了设计，车铣复合机床常应用于航空航天、汽车和模具等制造业中，其意义如下：1、车铣复合高速电主轴使用内装式电机,取消了诸如齿轮、皮带等中间传动环节,实现了机床的“零传动”。铣车复合加工集传统铣削与车削加工技术于一身，可显著提高机械加工效率、降低生产加工成本。实现主轴的 C 轴功能，机床在加工时直接带动零件作旋转运动并与机床的 X 轴或与机床的 Z 轴联动，提高机床的生产率。2、了解到我国现在电主轴的技术实力较弱，创新能力严重不足，电主轴的关键可信部件不过关，与国外相比，我们还有很大的差距。了解到现代车铣复合电主轴向高速度。高精度、高生产率方向发展。通过对 A28 复合电主轴系统的设计，为以后更好的研究电主轴的高速、高精度化提供必要的理论依据。3、针对这次设计，经常翻阅文献，对比各种书籍，认真分析，积极与同学讨论，向老师询问问题，增强了自己学习能力。在设计过程中，运用了许多的书本知识，并发现这些知识都是在课堂上学习的，也对自己大学四年的学习进行了一个总的概述。文献综述一 、引言 随着数控应用技术、计算机技术以及机床研发技术的不断发展，复合机床技术应然而生 1。复合加工指的是在某一设备上能够实现的多工序加工技术的总称，即当工件装夹完成后能通过控制系统完成车削、铣削、钻削、镗削等加工，因此复合加工拥有它非常优越的特点 2。高档数控机床正向高速度、高精度、高刚度、高效率、复合化方向发展，具有诸多优点的铣车加工中心是现代数控机床发展方向之一。二、国内外研究现状 早在 20 世纪 50 年代，就已出现了用于磨削小孔的高速电主轴，当时的变频器采用的是真空电子管，虽然转速高，但传递的功率小，转矩也小。随着高速切削发展的需和功率电子器件、徽电子器件和计算机技术的发展，产生了全固态元件的变频器和矢量控制驱动器；加上混合陶瓷球轴承的出现，使得在 20 世纪 90 年代初出现了用于铣削、钻削、加工中心及车削等加工的大功率、大转矩、高转速的电主轴 3。在国外，高速电主轴已成为一种机电一体化的高科技产品，由一些技术水平很高的专业工厂生产。国际上著名的电主轴生产厂家主要有：瑞士的 FIScHER 公司，IBAG公司和 sTEP-TEc 公司，德国的 GMN 公司和 FAG 公司，美国的 PREcIsE 公司，意大利的GAMFIOR 公司和 FOE 姒 T 公司，日本的 NSK 公司和 KOYO 公司。以及瑞典的 SKF 公司等。当前国内外专业生产电主轴厂家多达几十家 4。在国外的厂家中，以德国 G 删和瑞士FIScHER 名气最大、产品性能和质量也较好。随着先进的电气传动技术(如变频调速技术、电动机矢量控制技术等)在高速机床上的广泛应用，大大地简化了高速机床主传动的机械结构。高速机床基本上取消了带传动和齿轮传动等中间传动环节，其主轴由内装式电机直接驱动，从而把机床主传动链缩短为零，实现了机床主轴的“零传动” 5。三、发展趋势 高速电主轴的结构紧凑、重量轻、惯性小、响应特性好，并可改善主轴的动平衡，减少振动和噪声。是高速机床主轴单元的理想结构 6。随着机床技术、高速切削技术的发展及实际应用的需要，对机床电主轴的性能也提出越来越高的要求，电主轴技术的发展趋势主要表现在以下几个方面 78：(1)向高速度、高刚度方向发展(2)向高速大功率、低速大转矩方向发展(3)进一步向高精度、高可靠性和延长工作寿命方向发展(4)电主轴内装电机性能和形式多样化(5)向快速启、停方向发展(6)轴承及其预载荷施加方式、润滑方式多样化(7)刀具接口逐步趋于 HSK 刀柄技术英文期刊文章引用：作者. 题名. 期刊名, 出版年份，期号：起止页码文献综述(8)向多功能、智能化方向发展为了适应国内外市场的需要，满足用户对高速、高精度及复合加工的需求，最大限度地一次性完成所有零件的表面加工，机床多轴复合加工已日益普及，数控机床向复合化发展的趋势已经相当明显，精密、高效双电主轴铣车( 车铣) 复合加工中心的出现和发展就充分地体现了这种变化的趋势，马维新 9等介绍了德国西门子公司的双主轴数控机床，并对同步电主轴进行了研究。虽然铣车(车铣 )复合加工中心的出现还不到 20 年，但发展速度很快，产品性能越来越完善。由于该设备加工适应能力强、工 艺范围广、装夹次数少、节约辅助时间、提高加工精度，深受航天、航空、兵器、汽车、能源及其他重点领域 10。四、设计问题与解决 现代机床普遍精度不高，效率低，所以导致产品水平不高，但车铣复合高速电主轴的结构紧凑、重量轻、惯性小、响应特性好，并可改善主轴的动平衡，减少振动和噪声，是高速机床主轴单元的理想结构。数控车床只能做轴向零件加工，主轴并不具备 c 轴功能，当需要进行工件表面加工的时候，就需要用到 c 轴功能，所以需用到车铣复合加工机床。车铣复合加工机床 A28 电主轴系统是由内藏式电主轴及高精度速度与位置反馈装置组成，使机床的主轴具有 C 轴功能，机床在加工时直接带动零件作旋转运动并与机床的 X 轴或与机床的 Z 轴联动，实现插补，完成零件的铣削功能。为实现机床的 C 轴功能，通常 C 轴传动机构前端的齿轮通过液压缸的拉动与主轴后端的齿轮啮合，动作简单，经常会出现齿顶齿的状况，使机床出现故障，多数情况啮合不上。用机械传动的方式实现 C 轴功能，主要是在不用改变主轴箱的基础上，增加一个 C 轴主轴箱就行，不过 C轴控制箱传动轴只能通 过锥形环联轴套与主轴后端相连，使用的场合比较少，用起来十分麻烦。C 轴功能就是 C 轴绕主轴进行回转。为了更好的实现 C 轴功能的方式主要有三种。第一种由电主轴直接驱动，电主轴的驱动惯性小，彻底的消除了传动链的间隙，切削较小零件和材质较软的材料时，如加工铜及铜和金、铝及铝合金，精度和零件表面质量都会高，切削高硬质零件时也会满足零件的功能性要求。第二种是伺服主轴电机由带轮驱动，用带轮驱动方式转矩要比主轴的转矩大，所以只能加工一些较大的零件。第三种用进给伺服电机经减速器驱动。由于减速器的减速 比很大，所以 C 轴的输出扭矩也很大。当工 件主轴用作车削加工时需高速旋转，这时 C 轴的动 力传动系统必须与工件主轴脱离，否则会成为车削主 轴的阻碍。三种方式对比之下。电主轴驱动的方式实现 C 轴功能是最好不过的 11。现阶段复合机床电主轴的润滑、冷却是主要解决的问题 ，电主轴的轴承承主要有流体静压轴承、磁悬浮轴承和滚动轴承。而滚动轴承是高速电主轴的主要支撑元件且首文献综述先选择的是角接触轴承，因为角接触球轴承具有很好的高速性能。 轴承的润滑主要是为了降低滚珠与滚道的摩擦阻力、减轻磨损和延长轴承寿命，保证轴承正常工作。所以现在轴承的润滑装置一般采用油一气润滑 12或油雾润滑系统。油雾润滑虽然润滑效果良好，价格也比较便宜，但是会污染环境。所以选择油气润滑。电主轴的冷却主要指内装式主轴电机的冷却，电主轴运转时温度不能高，但也不能太低，一般大于 20，最高不超过 40，所以一般选择油水油交换系统进行复合电主轴的冷却。影响主轴部件工作性能的主要因素是它的刚度特性，在设计主轴部件时，应综合考虑力、扭矩、传动力的作用，来决定有关参数。轴承的径向刚度随着预紧力的增加而增大，也就是说，主轴刚度随着前轴承刚度的增加而显著增大。但后轴承预紧力的变化对主轴刚度的影响不大，而随着前轴承预紧力的增加，主轴刚度则显著增大。文献综述参考文献1、吴宝海，车铣复合加工的关键技术与应用前景J航空制造技术，2010，19：43452、南朝子车铣复合机床改造的探索J甘肃科技，2002，19(1)：66-723、李彦数控机床高速电主轴技术及应用J哈尔滨轴承，2010，31(2)：46484、闫红卫，徐同申国内高速电主轴的应用与发展J现代金属加工，2007，(3)：58-625、张伯霖，张志润，肖曙红超高速加工与机床的零传动中国机械工程，1996，7(5)6、张伯霖，杨庆东高速切削技术及应用北京：机械工业出版社，2002，97、杨贵杰，秦冬冬高速电主轴的关键技术及发展趋势J伺服控，2010，(2):32368、李松生，杨柳欣，吴梅英数控机床用高速电主轴技术的现状与发展趋势J世界制造技术与装备市场，2003，(5)：13-159、马维新f 丽 CK$7815 型双主轴数控车床的设计制造J制造技术与机床，2010(2)：727410、李德珍李宪凯五轴车铣复合加工技术的现状与发展趋势J航空制造技术2009(12)4750）11、张行，陶征 等 基于 ANSYS 的铣削电主轴静动态分析性能 J制造技术与机床 2011（1）：70-74 12、G.D.Hagiu et al.Dynamic Characteristics of High Speed Angular Contact Ball Bearings.Wear,1997,211(1):22-29研究内容1、复合机床电主轴向高速化、高精度发展，所以电主轴的冷却和润滑是一个问题，对冷却系统和润滑方式进行研究。2、计算确主轴切削扭矩，分析主轴的刚性和刚度，并研究轴承的润滑和磨损，还有轴承预紧力对主轴刚度的影响。从而对复合机床电主轴的结构进行了解与分析。3、车铣复合加工是我国现在主要的发展方向，车铣复合加工主要是使主轴具有C 轴的功能。为实现复合加工机床 C 轴功能，机床在加工时直接带动零件作旋转运动并与机床的 X 轴或与机床的 Z 轴联动，实现插补。比较三种实现 c 轴功能的方法，选择出电主轴驱动的方式是实现 C 轴功能最好的方式。研究计划研究周期与时间安排第 1 周 (2.22-2.26) 收集资料，学习有关书籍文献，参观工厂，搜集设计过程中所要遵照的有关国家标准并进行学习第 2 周 (2.29-3.04) 提出完成课题的基本思路和方法， 完成该课题所采用的技路线、方案，要设计和完成的任务第 3 周 (3.07-3.11） 完成开题报告及外文材料翻译第 4 周 (3.14-3.18) 主轴箱部件设计及计算，完成装配图草图设计第 5 周 (3.21-3.25) 绘制主轴动平衡图，确定主轴传递扭矩，绘制输出功率和扭矩第 6 周 (3.28-4.01) 完成主轴受力分析及前后轴承计算完成装配图第 7 周 (4.04-4.08） 设计毕业设计中期检查第 8 周 (4.11-4.15） 进行零件图计算机绘图第 9 周 (4.18-4.22） 完成零件图计算机绘图第 10 周 (4.25-4.29） 完成各零件及课题成本分析，完成各零件成本及课题成本计算第 11 周 (5.02-5.06) 递交论文初稿第 12 周 (5.09-5.13) 修改论文并定稿第 13 周 (5.16-5.20) 完成定稿第 14 周 (5.23-5.27) 论文评审及答辩资格确定第 15 周（5.30-6.03） 毕业设计（论文）答辩第 1