数控铣床主轴箱结构设计

数控铣床主轴箱机构设计摘要：本设计通过对国内外数控机床主轴箱及电主轴技术的研究，对数控铣床主轴箱及主轴进行设计时，采用同步带传动来实现主传动。通过数控铣床的直线插补、圆弧插补或复杂的曲线插补运动，铣削加工工件的平面和曲面来实现数控铣床的连续控制功能，省去了中间传动环节，在额定转速范围实现了无级调速，主轴定位准确，运行更平稳，进一步提高了动态精度和动态稳定性，延长了主轴轴承的寿命。这样的传动方式可以避免齿轮传动时引起的震动与噪音。关键词：机械设计，数控三坐标铣床，主轴，数控系统。IDesignofspindleboxmechanismfornumericalcontrolmillingmachineAbstract：ThedesignbydomesticandforeignCNCmachinetoolspindleboxandelectricspindletechnologyresearch,whenCNCmillingspindleheadstockanddesign,toachievethemaindrivebeltdrive.CNCmillingbylinearinterpolation,circularinterpolationorcomplexcurvesinterpolatedmotion,planeandsurfacemillingworkpiecetoachievecontinuouscontrolofCNCmillingmachines,eliminatingtheintermediatetransmissionlinkintheratedspeedrangeachievedwithoutlevelspeed,spindlepositioningaccuracy,runmoresmoothly,andfurtherimprovethedynamicaccuracyanddynamicstability,toextendthelifeofthespindlebearings.Thiswayyoucanavoidthedrivegearvibrationandnoisecaused.Keywords:Mechanicaldesign；Numericalcontrolthreecoordinatemillingmachine；CNCsystem;spindle.II目录1绪论.12主传动系统设计概述.23数控铣床主传动系统的配置方式.44主轴电动机的选取.65同步带传动设计与计算.75.1同步材料选择.75.2同步带参数的计算.75.2.1模数的选取.71小带轮齿数.82同步带节距.83节圆直径.84大带轮齿数.85大带轮直径.86带的速度.87定中心距.88带的节线长度.89计算中心距.810带轮与带的啮合齿数.911带宽.912作用在轴上的力.913小带轮的最小包角.914带轮宽度.96主轴组件的设计.106.1、主轴组件的设计要求.101回转精度.102主轴刚度.103主轴的抗振性.10III4主轴温升.105主轴耐磨性.126提高主轴组件抗振性的措施.126.2减少主轴组件热变形的措施.126.3主轴材料的选择及尺寸、参数的计算.126.4主轴转动装置箱体的作用.166.5主轴箱体的截面形状和壁厚的计算.167主轴轴承的选择.167.1轴承的选择和轴承的精度.177.2轴承预紧力的要求.177.3主轴轴承的润滑与密封.177.4选取轴承求.187.5轴承寿命校核.227.6轴承座孔的设计要求.228联接键的选择碟形弹簧的选择与计算.248.1碟形弹簧的特点.248.2碟形弹簧材料及热处理厚度和脱碳.258.3碟形弹簧的强压处理.258.4表面强化处理和防腐处理.259螺钉联接的设计.279.1、根据设计要求计算.279.2螺钉的强度计算与校核.2710液压缸的设计.2810.1液压压缸安装应注意的问题.2810.2压缸各部分的结构及主要尺寸的确定.2810.3强度校核.2811润滑与密封件设计.2911.1封件的作用及其意义.2911.2密封的分类及密封件的材料要求.3011.3防尘圈的设计要求.30IV结论.31参考文献.32致谢.3301绪论毕业设计是离校之前最重要的，最全面的一次设计，是高等院校为培养工程人员进行的一次大型综合训练，通过设计全面检查学生综合运用所学的专业课程的知识，分析和解决问题的能力，进一步巩固、加深和拓宽所学的知识。通过设计，进行了各种设计计算、绘图技能以及技术标准、规范。本课题是关于数控铣床主轴箱的结构设计，了解了数控铣床主轴箱的结构及主轴零件，还检索、阅读了国内外关于主轴箱设计的书籍、报刊和研究成果。了解到目前国内外数控机床的发展趋势。数控技术简称数控（NumericalControl），它是利用数字化信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。用数控技术实施加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控机床（NC）。数控技术包括：数控装置，可编程控制器，主轴驱动及进给装置等部分。当今数控机床正在朝着以下几个方向发展:（1）高速度、高精度。（2）多功能化。（3）智能化。（4）目前CAD/CAM图形交互式自动变成已得到较多应用，是数控技术发展的新趋势。（5）可靠性最大化数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标。（6）控制系统小型化和时空系统小型化便于将机、电装置结合为一体。数控机床是机、电、液、气、光，高度一体的产品。要实现对机床的控制，需要用集合信息描述刀具和工件间的相对运动以及用工艺信息来描述机床加工必须具备的一些工艺参数。例如，进给速度，主轴转速，株洲正反转，换刀，冷却液的开/关等。这些信息按一定的格式形成加工文件存放在信息载体上，然后由机床上的数控系统读入，通过对其译码，从而使机床动作和加工零件。在机械加工工业中大批量零件的生产宜采用专用机床或自动化生产线。对于小批量产品的生产过程中产品品种的变换频繁批量小，加工方法的区别大，宜采用数控机床。随零件复杂程序和零件批量的变化，通用机床，普通机床和数控机床的动用情况。当零件不太复杂，生产批量较小时，宜采用通用机床；当生产批量大时宜采用专用机床；而当零件复杂程度较高时，宜采用数控机床。这是由数控机床的特点决定的。控机床可以获得较高的加工精度，加工质量稳定。数控机床的传动件，特别是滚珠丝杠精度很高。机床导轨采用滚动导轨或粘接有摩擦系数很小的合成塑料，因而减少了摩擦阻力，消除了低速爬行。闭环、半闭环伺复系统，装有精度很高的位置检测元件，并随时把位置误差反馈给控制系统，使之能够及时进行误差校正。数1控机床的一切操作都是由程序装配的，没有人为干扰，因而加工质量稳定。有较高的生产率，切削速度高，空行程的速度可达mm以上，再因辅助时间很短。目前，现代数控机床正发展迅速，正朝以下几个趋势发展：1、具有先进的自检能力使之长期可靠的工作。在现在机床上装有多种监控、检测装置，从而提高了机床的综合性能。2、向高速，高精度发展。新型的数控系统及伺服系统，有很高的分辨率和进给速度，达到了.m（m/min），m（m/min），甚至达.m（mm/min）。更高的生产率和利用率3、单元模块化。数控机床的主轴部件、变速箱立柱、工作台、刀架等都可以模块化生产，有专门生产厂家供货。不仅可提高产品质量，也大大的缩短了机床的生产周期。数控技术的发展，对我国国民经济的发展起着巨大的作用，特别是对我国要机械制造工业的现代化起到至关重要的作用。为此，我们要加大数控机床的研究和探讨，把三坐标铣床主轴设计作为我的毕业设计，也是对我大专期间学习成果的一次全方位的检验。数控铣床就是将加工过程所需的各种步骤以及刀具与工件之间的相对位移量都是用数字化的代码来表示。通过控制介质数字信息送入专用区域通用的计算机。计算机对输入的信息进行处理，发出各种指令来控制机床的伺服系统或其他执行元件，使铣床自动加工出所需要的工件。22主传动系统设计概述数控铣床的主运动广泛采用无级变速，这不仅能使其在一定调速范围内选择到合理的切削速度，而且还能在运转中自动变速。无级调速有液压、机械、电气多种形式，数控铣床多采用直流和交流调速电动机作为驱动的电机无级调速。数控机床的主传动系统包括主轴电动机，传动系统和主轴组件。数控铣床对主传动系统的要求:1.范围：各种不同的机床对调速范围的要求不同，多用途，通用性比较大的机床，要求主轴的调速范围大，不但有低速大转距的功能，而且还要有比较高的速度。2.热变形：电动机、主轴及传动件都有热源。降低温升，减少热变形是对主传动系统要求的重要指标。3.主轴的旋转精度:是指装配后，在无载荷，低速转动条件下，测量主轴前端和300mm处的径向和轴向跳动值。4.主轴在以工作速度旋转时，测量上述两项精度称为运动精度。数控机床要求有较高的旋转精度和运动精度。5.主轴的静刚度和抗振性：由于数控机床的加工精度比较高，主轴的转速又很高。因此，主轴组件的质量分布是否均匀以及主轴组件的阻尼等，对主轴组件的静刚度和抗振性都会产生影响。6.主轴组件的耐磨性：主轴组件必须有足够的耐磨性，使之能够长期保持要求的准确精度。凡是有机械摩擦的部位，轴承，锥孔等都要有足够的硬度，轴承还应具有良好的润滑。33数控铣床主传动系统配置方式数控铣床的主传动系统要求有较大的调速范围，以保证进行加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产效率、加工精度和表面质量。数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此机构必须适应自动操作的要求。大多数的数控铣床是用无级变速系统控制的。数控机床主传动系统主要有以下三种配置方式，如图3.1所示：a.带有变速齿轮的主传动这种配置方式在大中型数控机床中采用比较普遍。它通过少数几对齿轮进行降速，使之能够分段变速，确保低速时拥有足够的扭矩，以满足主轴输出扭矩特性。但也有一部分小型数控机床也采用这种传动方式，以获得强力切削时所需要的扭矩。b.通过带传动的主传动主要应用在中小数控机床上，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，但它只能适用于低扭矩特性要求的主轴。同步带有多楔带，齿形带，圆弧带等，是一种综合了带传动和链传动优点的新型传动。带的工作面及带轮外圆上均制成齿形，通过带轮与轮齿相嵌合，做无滑动的啮合传动。带内采用了承载后无弹性伸长的材料作强力层，以保持带的节距不变，使主动和从动带轮可做无相对滑动的同步传动。与一般带传动相比，同步带传动具有以下优点：1.无滑动，传动比准确。2.传动效率高，可达98%以上。3.传动平稳可靠，噪声小。4.使用范围广，速度要达到50m/s，速比可达10左右，传动功率由几瓦到数千瓦。5.修保养方便，不需要润滑。但是同步带也有不足之处，其安装时中心距要求严格，带与带轮制造工艺较复杂，成本高。c.由调速电动机直接驱动的主传动这种主传动方式大大简化了主轴箱与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的4刚度。但主轴输出扭矩小，电动机转动时发出的热量对主轴的精度影响比较大。在低于额定转速时为恒转矩输出，高于额定转矩时为恒功率输出。使用这种电动机可实现电气定向。我们把机床主轴驱动与一般工业的驱动相比较，便可知机床要求其驱动系统有较高的速度精度和动态刚度，而且要求具有能连续输出的高转距能力和非常宽的恒功率运动范围。随着功率电子，计算机技术，控制理论，新材料和电动机设计的进一步发展和完善，矢量控制交流主轴电动机驱动系统的性能已经达到甚至超过了直流电动机驱动系统，交流主轴驱动系统正在逐步取代直流系统。（a）变速齿轮（b）带传动（c）内装电动机主轴传动结构图3.1主传动系统的配置方式54主轴电动机的选取电动机功率的选择：工作机所需的有效功率为：Pw=Fv/1000=17.5kw,为了计算电动机所需的功率，先要确定从电动机到工作部件的总效率，设1、2、分别为同步带轮和同步带的传动效率，查表所得1和2都等于0.97。则传动的总效率为=12=0.94，所以电动机所需的功率为Pd=Pw/=18.5KW电动机传速的选择:此次设计要求电动机必须有额定转速1500r/min,最高转速必须达到4000r/min.电动机型号的选取：根据设计要求，本次设计中选取市场上常见的交流主轴电动机。其主要参数如表4-1：表4.1交流主轴电动机主要参数额定转速（r/min）最高转速(r/min)额定转矩惯性矩(N.M)电机功率(KW)恒功率范70.04618.51:9065同步带传动设计与计算设计选用梯形同步带，它靠齿啮合传动，速比准确，传动效率高，初张紧力最小，轴承承受压力最小，瞬时速度均匀，单位质量传递的功率最大，与链和齿轮传动相比，噪声小，不需要润滑，传动比、线速度范围大，传递功率大，而冲击振动较好，维修简单，经济。广泛用于各种机械传动中。同步带传动，综合了带、链和齿轮传动的优点，带的工作面呈齿形,与带轮的的齿槽作啮合传动，使主、从带轮间作无滑差的同步运动，其特点是传动比准确，对轴作用力小，结构紧凑，耐油耐磨损，抗老化性能好。5.1、材料选择根据设计要求，选用聚氨酯同步带，由带背、带齿、抗拉层三部分组成。带背和带齿材料为聚氨酯，抗拉层采用钢丝绳，适用于中小功率的高速运转部分。5.2参数计算设计计算的内容主要是：齿形带的模数、齿数、和宽度的结构和尺寸，传动中心距，作用在轴上载荷以及结构设计。5.2.1模数的选取模数主要根据齿形带所传递的计算功率Pd和小带轮转速n1确定的，通过查现代数控机床得,式中P传动功率KPAd*表5.2.1数控机床载荷一天运转时间/h载荷性质10101616以上载荷平稳1.01.11.27载荷变化小载荷变化大选取KA=1.7，所以PC=5.51.7=9.35KW由齿形带模数选用图可选m=41、小带轮齿数Z1:由机械传动装置设计手册表8-38得Zmin=22,所以取Z1=242、同步带节距Pb:由PD=9.35KWn1=1500r/min,查表选取节距Pb=12.566mm,齿形角2=40。齿根厚S=5.75mm。齿顶厚St=4mm,齿高hg=ht+e=2.4+2.7=5.1mm,齿根圆半径Rr=齿顶圆半径Ra=0.40mm,带高hs=4.4mm,节顶距=1.000mm,带bs=3540mm.3、节圆直径d1:d1=96zpb4、大带轮齿数z2与直径：z2=iz1=365、大带轮直径d2=id1=1.596=1446、带的速度V:V=7.536，(式4.1)06n由表查得Vmax=3540VT8.460132.3809.52.1143因为轴承使用寿命远大于轴承预期的寿命所以轴承合格的。7.6轴承座孔的设计要求：箱体壁上有安装轴承的轴承座孔，通常轴承座孔宽度均大于壁厚，而且，孔的两端面往往需要机械加工，壁厚则不需要加工，故在箱壁单侧或者双侧制造出凸台，凸台可以增强主轴箱体的局部刚度，但D/d小于或等于2时，增强效果较为明显。由于结构的原因，h/t2的情况下，为改善凸台的局部刚度，应该设有加强肋。23图7.6.1前轴承图7.6.2后轴承8联接键的选择和碟形弹簧的选择与计算联接键的选择24键的类型可根据联接的结构特点，使用要求和工作条件选择，键截面尺寸通常根据轴的直径，从标准中选取，对于某些特殊情况（如阶梯轴）在保证传递所需的转矩的条件下，允许选用较标准规定小一挡的截面尺寸，有时候由于工艺和强度原因，也可以选用较标准规定尺寸大一挡的键，键的长度按轮毂长度而定，即键的长度等于略短于轮毂的长度，而导向平键就的按轮毂的长度及滑动距离而定，键的长度应该符合标准规定的长度系列。根据设计尺寸和GB/T1096-1979选普通平键联接，键的公称尺寸是bhL=108(2836)，材料选取45号钢。8.1碟形弹簧的选择与计算碟形弹簧它是一种用钢板冲压的截面锥形压缩弹簧，其特点是：1刚度大，用于负荷大，轴向空间要求小的地方。2具有变刚度特性，适应范围广，根据其极限变形量h0和弹簧板厚度t不同，可有各种不同的特性曲线和承载能力。3在工作过程中，碟片之间有摩擦损失，加载和卸载时的特性曲线不重合，吸振能力强，制造维修方便。根据设计要求，选用A系列碟形弹簧。采用对合组合方式安装，如图8.1所示。25图8.1A系列碟形弹簧8.2碟形弹簧材料及热处理、厚度和脱碳。碟形弹簧材料为60Si2MnA，碟簧成型后，进行淬火，回火后的硬度必须在HRC4245范围内单面脱碳层深度，对于厚度小于1.25mm的第一类碟形弹簧，不得超过其厚度的5%，对于厚度不小于1.25mm的碟形弹簧，不超过其厚度的3%（其最小值允许为0.06）。8.3碟形弹簧的强压处理：碟形弹簧应全部进行强压处理，处理方法为：一次压平，持续时间不少于12h，或者进行短时压平，压平次数不小于5次，压平力不小于二倍的Pf=0.75h0,强化处理后自由高度应稳定。8.4表面强化处理和防腐处理：对于受变负荷的碟形弹簧，内锥面推荐表面作强化处理，例如喷丸处理等，根据需要，碟形弹簧表面进行防腐处理（如磷化、氧化、镀锌等），经电镀后的碟形弹簧，必须进行去氢处理，不过对受变负载的碟形弹簧应该避免采用电镀方法处理。其主要设计参数如下：D=50d=25.4t=3h0=1.1H0=4.1P=12000Nf=0.83H0-f=3.27M=-1250N/2=1430N/2Q=34.30kg/1000件D/t18h0=0.4E=206000N/2=0.3K4=1C=2压平弹簧的负载：26PC=（式NKDhtE841014210328.1）K1=0.69，（式2lnC8.2）P/Pc=5000/8410=0.59因为h0/t=0.4(查表所得)所以,f=0.57h0=0.51,所57.0hf以对合组合的片数为I=取12片.76.15.fZ未受负载的高度是HZ=i.H0=223.15=69.3受负载时的高度H1=HZ-if=69.3-220.51=58.08压平弹簧时(f=h0)M点的应力M=（式1350144212tfKDtE8.3）此数据与60Si2MnA的屈服极限1400接近碟形弹簧的刚度P=9015.53N（式12314020422132tftfhtKDtE8.4）279螺钉联接的设计9.1根据设计要求计算选用M6和M8两种螺钉，其中M6型号螺钉主要尺寸参数为：b=24,dk=9.7810,K=3.9,t=2,B=4.15,l=1060,精度等级为8.8级。M8型号螺钉主要尺寸参数为：b=28,dk=12.7313,K=5,t=2.6,B=5,l=1280，精度等级为8.8级。9.2螺钉的强度计算与校核承受横向载荷和轴向载荷的普通螺钉的校核M6螺钉校核公式：41.3F0/(d1)2,96.32=106.2所以合格。设计公式：d141.3F0/1/2=5.96式中(d1是螺钉的螺纹小径，是螺钉的许用拉应力)图9.2.1螺钉结构图2810液压缸的设计10.1液压缸安装时应注意的问题1液压缸的基座必须有足够的刚度，如果按装基座不够坚固，加压时，缸筒将会呈弓形和向上翘起，致使活塞杆弯曲或折损，还有得就是尽量使活塞杆在受拉力状态下能够承受最大负载，或在受压状态下活塞杆具有良好的纵向稳定性。2液压缸轴向两端不要固定死，因为液压缸热膨胀等因素，会在轴向伸缩，假若两端固定死，将会使液压缸的整体向上弯曲，而导致个部分变形，当活塞移动时，会产生阻滞现象，活塞和活塞杆的导向套等表面产生不均匀的磨损等不良现象，所以必须避免这种安装方法。3安装前，先要检查加工零件上有无毛刺或锐角；装入密封件时，要用高熔点润滑油；正确安装，搞清安装方向；注意密封件的挤出和拧扭；密封圈要顺利的通过螺纹或孔口。10.2液压缸各部分的结构及主要尺寸的确定尽可能按推荐的结构形式和设计标准进行设计，尽量做到结构简单、紧凑、加工、装配和维修方便。正确确定液压缸的安装和固定方式。考虑液压缸的热变形，它只能一端固定。缸筒内径D：根据负载大小和选定的工作压力，或运动速度和输入流量计算，再参考GB2348-80标准选取缸筒内径D=78.5mm活塞杆直径d：按工作时受力情况，参考GB3458-80标准确定d=27mm钢筒长度L:根据最大工作行程确定L=126mm10.3强度校核对于液压缸的缸筒壁厚活塞杆直径d缸盖处固定螺钉的直径，在高压系统中，29必须进行强度校核。筒壁厚，在中、低压液压系统中，缸筒壁厚往往由结构工艺要求决定，一般不要校核。在高压系统中，须按下列情况进行校核。当D/10时为薄壁，可按下式校核，=23mm2Dpy式中D-缸筒的内径py-试验压力，当缸的额定压力pn16Mpa时，取py=1.5pn；pn16Mpa时，取py=1.25-缸筒材料的许用应力,=b/n,b为材料抗拉强度,n为安全系数,一般取n=5。活塞杆直径d的校核=26.66mm（式10.1）F4式中F-活塞杆上的作用力。-活塞杆上的许用应力，=b/1.411密封件设计11.1密封件的作用及其意义在液压与气压系统及其元件中，安置密封装置和密封的作用，在于防止工作介质的泄漏及外界尘埃和异物的侵入。设置于密封装置中、起密封作用的元件称为密封件。液压与气压传动工作介质，在系统及元件的容腔内流动或暂存时，由于压力、间隙、黏度等因素的变化，而导致少量工作介质越过容腔边界，由高压腔或外界流出，这种“越界流出”现象就叫做泄漏。泄漏分为内泄漏和外泄漏两类。内泄漏指30在系统或元件内部工作介质由高压腔向低压腔的泄漏；外泄漏则是由系统或元件内部向外界的泄漏。单位时间内泄漏的工作介质的体积称为泄漏量。对于液压传动系统，内泄漏会引起系统容积效率的急剧下降，达不到所需的工作压力，使设备无法正常运转；外泄漏则造成工作介质的浪费和环境的污染，甚至引发设备操作失灵和人身事故。因此，正确和合理的使用密封件事液压系统正常运转的重要保证。11.2密封的分类及密封件的材料要求密封的作用是阻止泄漏。造成泄漏的原因主要有两方面：一是密封面上有间隙；二是密封部位两侧存在较大压力差。消去或减少任一因素都可以阻止或减少泄漏。因此，密封的方法通常有：封住结合面的间隙；切断泄漏通道；增加泄漏通道中的阻力；设置做功元件，对泄漏介质造成的压力，以抵消或平衡泄漏通道的压力差。所以，密封的分类存在多种方法。用于制造密封件的材料主要有橡胶（如丁晴橡胶、聚氨酯橡胶、硅橡胶等）、塑料（如四氟乙烯、聚酰胺、聚甲醛等），以及皮革、金属等。密封件的材料应满足密封功能的要求。由于被密封工作介质以及设备工作条件的不同，密封件材料具有不同的适应性。密封材料应具用的一般要求：1.材料密实，不易泄漏工作介质；2.对工作介质有良好的适应性和稳定性；有适当的机械强度和硬度，受工作介质的影响小；3.压缩性和复原性好，永久变形小；4.温度适应性好，高温下不软化、不分解，低温下不硬化，不脆裂；5.摩擦系数小，耐磨性好；6.抗腐蚀性能好，能在工作介质中长期工作，其体积和硬度变化小；7.与密封面贴合的柔软性和弹性好；8.耐臭氧性和耐老化性好，使用寿命长；9.加工性能好，价格低廉；显然，能同时满足上述所有要求的密封材料是不易求得的，但密封性能优越的材料应能够满足上述大部分的要求。11.3防尘圈设计要求在液压缸中，防尘圈被设置于或活塞杆或柱塞运动期间，外界尘埃、沙粒等异31物侵入液压缸，从而引起密封圈、导向环和支撑环等损伤和早期磨损，并污染工作介质，导致液压元件损坏。结论此次毕业设计所设计的题目是“数控铣床主轴箱结构设计”通过这次设计，我对数控技术的发展现状有了一个全面地了解，了解了数控技术在现在以及以后机械工业中所起的作用，明白了数控技术的在以后工业的发展中所扮演的角色。为自己今后更好的学习数控技术指明了方向。通过这次毕业设计，使我对大学期间所学的知识，进行了融会贯通，有了一个全新的认识，对以前许多不太清楚的地方，通过问老师和查资料的方法，已经明白了很多，知道了自己以前学习的不足，所以以后应该更加努力。此次设计，我认为最重要的就是使我明白了，无论做什么事情，要想做好，必须态度端正；要善于学习，时刻学习；做事要严谨、认真，细致、不怕吃苦，还要有创新精神。3233参考文献1成大先.机械设计手册第三版第二卷.北京：化