卧式加工中心-主轴箱部件设计说明书

- 1 -前言机床工业是机械制造业的重要部门，肩负着为农业，工业，科学技术和国防现代化提供技术装备的任务，是使现代化工业生产具有高生产率和先进的技术经济指标的保证。设计机床的目标就是选用技术先进，经济效果显著的最佳可行方案，以获得高的经济效益和社会效益。随着科学技术不断发展，数控机床的发展越来越快，数控机床也正朝着高性能、高精度、高速高柔性化和模块化方向发展。本次毕业设计是针对于市场上应用广泛的卧式加工中心的设计。此设计以典型卧式加工中心为参考，根据国家标准而设计的。本人主要设计卧式加工中心主轴箱及其部件的设计。保证在主轴高速运转下的稳定性、精度、刚度，合理选用轴承、电机和传动部件。在保证箱体的实用性和安全性的前提下，尽可能节约材料来制造箱体、盖板、端盖。为了保证准停装置和自动换刀的实现，采用气压限位装置来实现换刀，采用永磁铁和磁传感器来实现准停。本设计鉴于是将要毕业的学生的我所做，可能会由于缺少实践经验和更多专业知识，会出现不严谨，不实际的错误。望各位审批老师予以谅解并给予我更多的帮助！- 2 -第一章 课题介绍与分析1.1 选题背景及意义 1.1.1 国内外研究现状机床工业是机械制造业的重要部门，肩负着为农业，工业，科学技术和国防现代化提供技术装备的任务，是使现代化工业生产具有高生产率和先进的技术经济指标的保证。设计机床的目标就是选用技术先进，经济效果显著的最佳可行方案，以获得高的经济效益和社会效益。领先一步的机床制造商正在构想 2011 年的“加工中心” ，它将是万能型的设备，可用于车、铣、磨、激光加工等，成为真正意义上的加工中心。全自动地从材料送进，到成品产出，粗精加工、淬硬处理、超精加工，自动检测、自动校正，将无所不能。设备将重视环保、节能，呈现出绿色制造业的标志。21 世纪时代特征的 IT功能是绝对不可少的，设备将通过网络与外界交换信息，获得最新的技术成果，人类的智慧将在高科技产品加工中心上得到充分的展现。数控技术经过 50 年的 2 个阶段和 6 代的发展： 第 1 阶段：硬件数控（NC） 第 1 代：1952 年的电子管 第 2 代：1959 年晶体管分离元件 第 3 代：1965 年的小规模集成电路。第 2 阶段：软件数控（CNC） 第 4 代：1970 年的小型计算机 第 5代：1974 年的微处理器 第 6 代：1990 年基于个人 PC 机（PC-BASEO ） 。我国数控技术起步于 1958 年，近 50 年的发展历程大致可分为 3 个阶段：第一阶段从 1958 年到 1979 年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁和我国的基础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五” 、“七五”期间以及“ 八五”的前期，即引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。在此阶段，由于改革开放和国家的重视，以及研究开发环境和国际环境的改善，我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“ 八五” 的后期和 “九五”期间，即实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。在此阶段，我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步。在“九五” 末期，国产数控机床的国内市场占有率达 50，配国产数控系统（普及型）也达到了 10。我国近几年数控机床虽然发展较快，但与国际先进水平还有一定的差距，主要表现在：可靠性差，外观质量差，产品开发周期长，应变能力差。为了缩短与世界水平的差距，有关专家建议机床企业应在以下 6 个方面着力研究：1.加大力度实施质量工程，提高数控机床无故障率。2.跟踪国际水平，使数控机床向高效高精方面发展。3.加大成套设计开发能力上求突破。4.发挥服务优势，扩大市场占有率。5.多品种制造，满足不同层次的用户。6.模块化设计，缩短开发周期，快速响应市场。- 3 -数控机床使用范围越来越大，国际市场容量也越来越大，但竞争也会加剧，我们只紧跟先进技术进步的大方向，并不断创新，才能赶超世界先进水平。1.1.2 选题的意义随着科学技术不断发展，数控机床的发展越来越快，数控机床也正朝着高性能、高精度、高速高柔性化和模块化方向发展。高性能：随着数控系统集成度的增强，数控机床出实现多台集中控制，甚至远距离遥控。 高精度：数控机床本身的精度和加工件的精度越来越高，而精度保持性要好。 高速度：数控机床各轴运行的速度将大大加快。高柔性：数控机床的柔性化将向自动化程度更高的发展方向，将管理、物流及各相应辅机集成柔性制造系统。 13主轴箱的研究设计是为机床提供合理的方案选择, 对性能最佳的方案进行结构优化设计, 为整体动态性能分析和静态性能分析奠定基础, 实现从机床的前期设计阶段到生产阶段的转变, 达到国内先进水平。 12随着现代机床高速加工技术的发展, 切削速度越来越高, 对主轴进给速度和最大扭矩的要求更是逐步提高。加工中心的高速化, 使得最初配备的主轴箱等关键部件的刚度和精度要求难以满足, 主轴箱性能的研究成为现代制造技术发展中不可或缺的一部分。 12随着经济的不断发展，客户需求日益多样化，对制造企业的生产模式提出了更高的要求，大批量的生产方式将逐渐被模块化、柔性化的生产方式所取代。因此，企业对制造装备提出了更高的要求，柔性化的数控加工设备将成为装备制造业发展的主流。因此，将立式数控加工中心的设计作为毕业设计题目，迎合了装备制造业发展趋势。1.1.3 卧式加工中心的作用卧式加工中心的主轴处于水平状态，通常带有可进行分度回转运动的正方形工作台。一般具有 35 个运动坐标，常见的是三个直线运动坐标加一个回转运动坐标，它能够使工件在一次装夹后完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工，最适合加工箱体类零件。有的卧式加工中心带有自动交换工作台，在对位于工作位置的工作台上的工件进行加工的同时，可以对位于装卸位置的工作台上的工件进行装卸，从而大大缩短辅助时间，提高加工效率。与立式加工中心相比较，卧式加工中心结构复杂，占地面积大，价格也较高，而且卧式加工中心在加工时不便观察，零件装夹和测量时不方便，但加工时排屑容易，对加工有利。进口卧式加工中心，主要有韩国起亚、德国 DMG、日本丰田工机、国产NEWAY 等品牌的卧式加工中心。- 4 -1.2 设计的内容主轴箱是加工中心的重要部件，具有高精度、高转速、高稳定性等特点，结构上要便于换刀数控机床的主轴部件是机床重要组成部分之一，设计主轴主要包括，1 高速加工对机床主轴的要求；2 主轴组件的结构设计其中包括： 1) 主轴单元式结构，2) 主轴轴承，3) 主轴拉杆自动装刀系统，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，抗震性，热稳定性及部件的耐磨性和精度的保持性。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，主轴准停装置等结构；3.主轴箱的设计，在保证箱体安全性和实用性的前提下，尽量的节约材料。1.3 设计的目的与意义1.3.1 目的(1)培养学生根据给定任务，收集书面资料和生产第一手资料，确定数控加工工艺；(2)培养学生根据复杂零件图纸和技术要求，进行工装设计的能力；(3)提高学生使用和查阅常用工程手册、标准等资料的能力；(4)培养学生运用所学知识进行分析问题、综合解决实际问题等方面的能力。1.3.2 意义四年来通过对机械专业的学习和一段时间的实习，对数控机床的操作有一定程度的了解和掌握，这时就需要一次来锻炼自己，检验自己的掌握程度。这次设计就达到了这样的目的，使自己更了解数控加工中心，通过理论实践相结合，为自己的实践工作道路奠定基础！通过指导老师的帮助和自己查阅的资料来分析现有的参考并作出有依据的计算来设计卧式加工中心主轴箱及其各个组件。运用理论知识和实践方法发现问题并解决问题！- 5 -第二章 卧式加工中心的主轴箱部件的选用与计算2.1 机床主轴系统概述 功用：夹持刀具或工件转动进行切削组成：主轴、轴承、传动件、密封件和固定件等分类2.1.1 机床主轴的基本要求1. 旋转精度2. 刚度3. 抗振能力4. 热稳定性5. 精度保持性- 6 -2.1.2 机床主轴的设计内容2.1.3 设计要求设计参数如下：加工中心的加工范围为 800500600，主轴输出功率 10KW，采用 BT40 标准刀柄。2.2 机床主轴计算及校核2.2.1 主轴主要参数的确定1.平均直径 D平均直径 D 的确定：根据其他参考卧式加工中心主要技术参数和查表取前支承轴颈 D =100mm 后支承轴颈直径1D (0.75-0.85) D21所以取 D =80，所以平均直径 D=90。22.内孔直径 d内孔直径 d 的确定：主轴直径 D=90，BT40 主轴拉杆直径 28mm，考虑到主轴拉刀蝶形弹簧尺寸，由- 7 -I /I = -d ） / =1-（d/D）空 实 4D（644知加工中心主轴内经d=拉杆直径+ （5-10）mm所以 d=34mm，d=34mm 0.7D=63mm，K /K空 实 9.03.悬伸量 a悬伸量 a 的确定：确定主轴悬伸量 a 的原则是满足结构要求的前提下，尽可能取小值。主轴悬伸量与前轴径直径之比 a/D=0.6-1.5a=（0.6-1.5）D =60-150mm1所以悬伸量取 a=100mm4.支承跨度 L主轴合理跨距和最佳跨距选择，根据表 3-14 见金属切削机床设计计算前支承刚度 K 前轴承采用 S7220 GB 292-94，后轴承采用 NU218E GB 283-94，并采用A前端定位的方式。查表得 14K =1700 DA14.K =1700100 =1.0710 N/mmB.7因为后轴承直径小于前轴承，取 K / K =1.4AK =6.61 N/mmB510因为 /6（L /a+ K / K +1）30)/(aAB其中 K / K 为参变量，综合变量 =EI/ K aAB AE-弹性模量，取 E=2.0 N/mm512I-转动惯量，I= -d ）/64=3.14 =1.814D（)509(4461m=EI/ K a = (20 )/9.26 =0.3909A36518.03由图 3-34 中，在横坐标上找出 的点向上作垂线与 K / K =1.4 的斜线相AB交，由交点向左作水平线与纵坐标轴相交，得 L /a=2.5。0所以最佳跨距 L 0L =2.5a=2.5 =250mm01- 8 -又因为合理的跨距范围L =（0.75-1.5）L =187.5-375mm合 理 0所以取 L=260mm2.2.2 主轴电动机的选择已知主轴功率为 10KW，由于要使电机转速 n 与主轴最高转速相近或相宜，以免过大的升速或过小的降速运动。所以初步选定电动机为：Y160M-4，电机转速1460r/min。转速范围 60-6000r/min。 152.2.3 主轴刚度的验算及校核s=v 1000/Dv 是需要的切削线速度 单位 米/分钟，D 切削最大直径 单位 毫米，选用主轴切削进给速度 v=30m/min，最大刀具尺寸直径 130mm，因此切削最大直径 130mm，s=v 1000/ =30 =73.5r/min)1304./(0符合转速范围 60-6000r/min。对于机床主轴，主要进行刚度验算，通常能满足刚度要求的主轴也能满足强度要求。查表 2-1 主切削力=9.81 =3026N102.4027挠度y =F a （L+a ）/3E=3026 /3 =0.01Ac2 )160(12658.y=0.0002L=0.0002 =0.052y yA倾角=Fa（2L+3a）/6EI=3026 /6 =0.00011A )10326(10 65108.2前端装有角接触球轴承，查表 =0.002radA A符合刚度要求。 142.3 机床主轴材料与热处理材料为 45 钢，调质到 220-250HBS，主轴端部锥孔，定心轴颈或定心圆锥面等部位局部淬硬至 HRC50-55，轴径应淬硬。- 9 -2.4 轴承的类型选择滚动轴承：1.角接触球轴承，特点：制造精度高，极限转速高，承载能力强，能同时承受径向和一个方向的轴向载荷。2.单列圆柱滚子轴承，特点：精度高，承载能力高，能承受轴向载荷。通过主轴前端和后端轴颈选用轴承，根据机械设计课程设计手册选用，前端选用角接触球轴承 7220C，d=100，D=180，B=34，后端选用N218E，d=90，D=160，B=30. 15主轴轴承配置形式：前侧：超高速角接触球轴承 2 列(DT)，后侧：超高速角接触球轴承 2 列(DT)。特点：该轴承配置适用于超高速旋转主轴，虽然刚度略低，但在高速及温升性能方面较好。该轴承配置 dmn 值：采用油气润滑 dmn 可以达到 350 万；采用油脂润滑 dmn可以达到 200 万。前侧：超高速角接触球轴承 2 列(DB)，后侧：超高速单列圆柱滚子轴承。- 10 -特点：定位预紧方式下可对应高速旋转，相比主轴式 I，其径向及轴向刚度高。考虑到主轴的热膨胀，在后侧，可以采用轴向滑动性良好的圆柱滚子轴承。dmn 值：采用油气润滑 dmn 可以达到 250 万；采用油脂润滑 dmn 可以达到 150万。前侧：超高速角接触球轴承 4 列(DBB)，后侧：超高速单列圆柱滚子轴承。特点：该轴承配置，相比主轴式 II，其高速性能较弱，但径向刚性较好。dmn 值：采用油气润滑 dmn 可以达到 220 万；采用油脂润滑 dmn 可以达到 130万。前侧：超高速单列圆柱滚子轴承+角接触球轴承 2 列(DB)，后侧：超高速单列圆柱滚子轴承。特点：该轴承配置，相比主轴式 III 具有同等的旋转性能，同时在前侧装有圆柱滚子轴承，提高径向刚性，轴向刚性较 III 弱，是一种可进行高速重切削的配置。dmn 值：采用油气润滑 dmn 可以达到 220 万；采用油脂润滑 dmn 可以达到 130万。- 11 -前侧：超高速角接触球轴承 3 列(DBD)，后侧：超高速单列圆柱滚子轴承。特点：该轴承配置，相比主轴式 II，其高速性能弱，但径向刚性好，相比主轴III、 IV，高速性及刚性都较弱。dmn 值：采用油气润滑 dmn 可以达到 180 万；采用油脂润滑 dmn 可以达到 120万。主轴轴承配置形式采用第三种轴承配置，卧式加工中心主轴要具有高速、高刚性。2.5 带的选择主轴与电动机的连接采用同步齿形带连接，可以做到转动效率的高效性，选择半径为 60mm 的带轮，则最小中心距为 1a=1.5（d +d ）=360mm22.6 换刀装置的设计在自动交换刀具时要求能自动松开和加紧刀具。在刀具被夹紧的状态下，蝶形弹簧通过拉杆，双瓣卡爪，在套筒的作用下，将刀柄的尾端拉紧。当换刀时，要求- 12 -松开刀柄，此时，在主轴上端油缸的上腔通入压力油，活塞的端部推动拉杆向下移动，同时压缩蝶形弹簧，当拉杆下移动到双瓣卡爪的下端移出套筒时，在弹簧的作用下，卡爪张开，喷气头将刀柄顶松，刀具即可从机械手中拔出。2.7 准停装置的设计当主轴停止转动进行自动换刀时，要求主轴每次停在一个固定的准确位置上。采用电气式主轴准停装置，只要数控系统发出指令信号主轴就可以准确地定向。用磁力传感器检测方向，在主轴上安装一个永久磁铁与主轴一起旋转，在距离永久磁铁的旋转轨迹外 1-2mm 处，固定有一个磁传感器，当机床主轴需要停车换刀时，数控装置发出主轴停转的指令，主轴电动机立即降速，使主轴以很低的转速回转，当永久磁铁对准传感器时，磁传感器发出准停信号，此信号经过放大后，由定向电路使电动机准确地停止在规定的周向位置上。这种准停装置机械结构简单，发磁器和磁传感器间没有接触摩擦，准停的定位精度可以达1，能满足一般换刀要求。而且定向时间短，可靠性较高。2.8 主轴箱体的设计根据主轴长度和电动机还有同步齿形带的尺寸，设计箱体的长度，高度。为了方便拆卸和安装在箱体上面和侧面制作两个盖板，加强箱体的实用性。箱体下面设计滑行导轨，在箱体内部设计筋，加固箱体的安全性。- 13 -第三章 卧式加工中心的主轴箱部件的三维实体造型3.1 主轴的三维实体造型主轴是主轴箱部件里最为重要的零件，他承担着加工中心加工零件的任务，需要高速旋转，要保证稳定性和高精度性，根据悬伸量 a=100，跨距 L=260，还有轴承的宽度等旋转、拉伸出主轴草图，并在轴承和圆螺母之间设计空刀槽，方便拆卸。下图是主轴三维实体图 3.13.2 轴承的三维实体造型轴承的作用是固定主轴，承受主轴受到的轴向力和径向力，主轴前端是 4 列角接触球轴承，可承受径向力和一个方向的轴向力，主轴后端是单列圆柱滚子轴承，可承受轴向力。下图是前轴端的轴承和后端轴承的三维实体图。- 14 -图 3.2.1 角接触球轴承图 3.2.2 圆柱滚子轴承- 15 -3.3 自动换刀气压缸的三维实体造型卧式加工中心的自动换刀装置采用气压装置和限位开关来实现自动换刀，当换刀时，要求松开刀柄，此时，在主轴上端油缸的上腔通入压力油，活塞的端部推动拉杆向下移动，同时压缩蝶形弹簧，当拉杆下移动到双瓣卡爪的下端移出套筒时，在弹簧的作用下，卡爪张开，喷气头将刀柄顶松，刀具即可从机械手中拔出。下面是液压缸活塞和限位开关的三维实体图。图 3.3.1 液压缸活塞图 3.3.2 限位开关- 16 -3.4 电动机的三维实体造型电动机需要有足够的功率带动主轴来实现卧式加工中心的零件加工，电动机靠同步齿形带与主轴连接，实现主轴高速运转。下面是电动机三维实体图。图 3.4.1 电动机3.5 拉杆的三维实体造型拉杆是主轴箱实现换刀得直接部件，刀柄在拉杆最前端，由蝶形弹簧和限位开关来实现拉杆的进退，从而实现上刀和退刀。下面是拉杆三维实体图。- 17 -图 3.5.1 拉杆3.6 主轴箱体的三维实体造型箱体根据主轴长度和电动机还有同步齿形带的尺寸，设计的长度，高度。为了方便拆卸和安装在箱体上面和侧面制作两个盖板，加强箱体的实用性。箱体下面设计滑行导轨，在箱体内部设计筋，加固箱体的安全性。下面是主轴箱体的三维实体图。- 18 -图 3.6.1 主轴箱体3.7 主轴箱及其组件装配体的的三维实体造型通过各个零件的装备和组装，总装成总体装配体的三维实体图。下面是装配体剖视图。- 19 -图 3.7.1 主轴箱装配体（ 1）图 3.7.2 主轴箱装配体（2）- 20 -四、 总 结（1）此设计是参考市面上应用广泛的卧式加工中心的主轴箱部分设计的。可保证高速性，高精度和稳定性。转速范围在 60-6000r/min 之间，能保证加工箱体类零件的精度。（2）本设计也考虑到主轴的动平衡设计，高速主轴运转部分微小的不平衡量，都会引起巨大的离心力，造成加工中心的振动，影响加工精度和表面质量。主轴及主轴上的零件都要经过十分精密的加工、装配和调校，使主轴组件动平衡精度达到0.4 级以上。（3）本次设计电动机与主轴的连接采用带传动连接，虽然传动效率高，但传动不稳定，设想过与电主轴一样的设计：把电动机与主轴用联轴节连接起来，这样也会为箱体省下一部分材料。（4）此设计的主轴设计部分，欠缺循环冷却系统的设计，也由于三维实体的更改比较难生成，且没有找到相关参考资料，没有设计此部分。（5）本次毕业设计的最初设想是想做电主轴，但能力有限，有好多不懂的地方，最后做了机械式主轴。- 21 -参 考 文 献1徐溉.机械设汁手册M北京：机械工业出版社, 1991.2.2谢里阳. 现代机械设计方法M . 北京: 机械工业出版社, 2005. 5.3林宋, 田建君. 现代