立式铣床毕业论文

吉吉林林化化工工学学院院 本本科科毕毕业业设设计计 立式数控铣床传动系统立式数控铣床传动系统 Vertical CNC milling machine transmission design 性性 质质 毕业设计毕业设计 毕业论文毕业论文 教 学 院 机电工程学院 系 别 机械电子系 学生学号 11410227 学生姓名 孟凡华 专业班级 机自 1102 指导教师 田爱华 申东辉 职 称 教授 助教 起止日期 2015 3 2 2015 3 28 孟凡华 立式数控铣床传动系统 2 吉 林 化 工 学 院 Jilin Institute of Chemical Technolog 孟凡华 立式数控铣床传动系统 摘 要 数字控制是近代发展起来的一种自动化控制技术是用数字化信号对机床运 动及其加工过程进行控制的一种方法 随着科学技术的迅猛发展 数控机床已 经是一个国家机械工业水平的重要标准 数控机床是装有程序控制系统的机床 该系统能够逻辑地处理具有使用号 码 或其他符号编辑指令规定的程序 数控机床是以数控技术为代表的新技术对传统执照产业的渗透形成的机电 一体化产品 起技术规范覆盖很多领域 1 机械制造技术 2 信息处理 加 工 传输技术 3 自动控制技术 4 伺服驱动技术 5 传感技术 6 软 件技术等 计算机对传统机械业的渗透 完全改变了制造业 制造业不但成为 工业化的象征 而且由于信息技术的渗透 使制造业犹如朝阳产业 具有广阔 的发展天地 数控机床就是将加工过工程所需要的各种步骤以及刀具与弓箭之间的相对 位移量都是用数字化的代码来显示 通过控制介质数字信息传入专用区域通用 的计算机 计算机对输入的信息处理 发出各种指令来控制机床的伺服系统或 者其他执行元件 使机床自动加工出所需要的工件 关键词 关键词 机械设计 数控三坐标铣床 主轴 数控 英文摘要 I Abstract Digital control the modern development of automation control of digital technology is a signal for machine tools are processes to control movement as a method of science and technology has developed rapidly and Numerical Control machine is a national machinery industry standards of important standard the machine is a program Numerical Control control system of machine tools the system to be logical to use a number or other symbols specified procedure the instruction encoding Numerical control machine tools in Numerical Control technology of new technology industries through the traditional manufacturing a product of the electromechanical integration technology covering many areas one machinery manufacturing technology two information processing processing and transmission technology three automatic technology four servo driving technological five sensing technology six software technology etc the computer to traditional service trade the manufacturing industry has changed completely and has become industrialized and because of the information technology manufacturing into a rising industry have broad development of the world Numerical Control machine tools are the processes of the various steps and the tool relative to the workpiece between the amount of displacement is the use of digital code to represent information media by controlling figures into a special area of the computer computer for the processing of information and instructions to control the machine tools or other enforcement servo system components and tools automatically processed out the work Key words Mechanical design Numerical Control three coordinates of milling 孟凡华 立式数控铣床传动系统 II 目录 摘 要 I Abstract II 第 1 章 绪论 1 1 1 数控铣床的现状和发展 1 1 2 毕业设计的目的和意义 1 第 2 章 设计方案的确定 2 2 1 整体方案的确定 2 2 2 主轴传动方案的类型和选择 2 第 3 章 轴类零件的设计和计算 4 3 1 主轴的材料选择 4 3 2 主轴主要结构参数的确定 4 3 2 1 主轴最小直径的估算 4 3 2 2 主轴内孔直径 d 及拉杆直径的确定 4 3 3 3 主轴支承跨距 L 的确定 5 3 3 4 初选轴承 5 3 3 主轴的结构设计 5 3 3 1 拟定轴上零件的装配方案 5 3 3 2 确定轴各段的直径 6 3 3 3 确定各轴段的长度 6 3 3 4 主轴刚度的计算 6 第 4 章 轴承的设计与计算 8 4 1 轴承当量动载荷的计算 8 4 1 1 切削力的计算 8 4 1 2 径向力的确定 8 4 1 3 计算两轴承的派生轴向力 s 8 4 1 4 计算两轴承的轴向载荷 9 4 1 5 计算两轴承的当量动载荷 P 9 4 2 验算轴承的寿命 9 第 5 章 碟形弹簧的设计和计算 11 5 1 碟形弹簧的设计与计算 11 5 2 碟形弹簧的校核 12 第 6 章 进给机构的设计 14 6 1 滚珠丝杆副设计步骤 14 6 2 滚珠丝杠的计算 14 6 2 1 丝杠导程的计算 14 6 2 2 滚珠丝杠精度 15 6 2 3 滚珠丝杠选择 16 6 3 滚珠丝杠支承选择 17 6 4 滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧 19 第 7 章 伺服电机的选择 21 7 1 最大的切削负载转矩计算 21 吉林化工学院本科毕业设计 III 7 2 负载惯量计算 21 7 3 空载加速转矩计算 22 第 8 章 气体缸的选择 24 图 8 1 液压缸 24 参考文献 26 孟凡华 立式数控铣床传动系统 0 第 1 章 绪论 1 1 数控铣床的现状和发展 计算机技术的飞速发展推动了数控技术的更新换代 而这也日益完善了数 控铣床的高精 高速 高效功能 代表世界先进水平的欧洲 美国 日本的数 控系统生产商利用工控机丰富的软硬件资源开发的新一代数控系统具有开放式 体系结构 即数控系统的开发可以在统一的运行平台上 面向最终用户 通过 改变 增加或剪裁结构对象 数控功能 形成系列化 并可方便地将用户的特 殊应用和技术诀窍集成到控制系统中 快速实现不同品种 不同档次产品的开 发 开放式体系结构使数控系统有更好的通用性 柔性 适应性 扩展性 并 向智能化 网络化方向发展 近几年来 由于对切割质量 劳动环境等的要求越来越高 其相应产品在 我国的市场需求量也逐年上升 在我国的数控铣床设备生产行业中 由于缺乏 切割理论研究与生产实践相转换的机制 因此新技术运用不广 新产品开发速 度不快 制约了数控铣床技术的进一步发展和运用 1 2 毕业设计的目的和意义 装备工业的技术水平和现代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新兴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 马克思曾经说过 各种经济时代的区别 在于生产什么 而在于怎样生产 用 什么劳动资料生产 制造技术和装备就是人类生活的最基本的生产资料 而数 控又是当今先进制造技术和装备最核心和技术 当今世界各国制造业广泛采用 数控技术 以提高制造业能力和水平 提高对动态多变市场和适应能力和竞争 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 总之 大力发展以数控技术为 核心的先进制造业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 吉林化工学院本科毕业设计论文 1 国家地位的重要途径 第 2 章 设计方案的确定 2 1 整体方案的确定 本次立式数控铣床要达到的技术要求 电机功 1 5W 进给速度为 4m s 换刀的时间靠打刀缸的性能来保证 工作台面积为 840 x300 的行程 480 x250 x250 工作台所加工零件的类型为铝件和一些钢件 主轴采用 BT50 的刀柄和拉抓 本次立式数控铣床具有加工中心的特点 能够实现自动换刀 自动变速 变速方法采用无级变速 由中空电机连接主轴直接转动 本次设计选择采用的 是有欧非机械有限公司型号为O口 FK的中空电机 它的额定扭矩为179N m 额 定转速为400rpm 本次立式数控铣床主轴部件的设计主要有轴以及轴上零件 拉杆的设计 气缸的选择 首先根据换刀所要达到的时间 其次 根据碟形弹簧拉紧刀柄的 力 气缸动作是所产生的力应稍大于弹簧的拉紧力 2 2 主轴传动方案的类型和选择 数控机床的调速是按照控制指令自动执行的 因此变速机构必须适应自动 操作的要求 在主传动系统中 目前多采用交流主轴电动机和直流主轴电动机 无级凋速系统 为扩大调速 为了适应不同的加工要求 目前主传动系统主要有三种变速方式 1 具有变速齿轮的主传动 如上图a所示 这种配置方式大中型数控铣床中比较普遍 它通过少数几对齿轮进行降速 使 之能够够分段变速 确保低速时拥有足够的扭矩 以满足主轴输出扭矩特性 孟凡华 立式数控铣床传动系统 2 但也有一小部分数控铣床也采用这种传动方式 以获得强有力切削时所需要的 扭矩 2 通过带传动的主传动 如上图b所示 主要应用字中小数控铣床上 可以避免齿轮传动引起的振动和噪声 但它 只能适用于地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有点的新型传动 带的工作面及带轮外圆上均制成 齿形 通过带轮和轮齿相嵌合 做吴华东的齿合运动 带内采用了承载后无弹 性伸长的材料做强力层 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 出动平稳可靠 噪音小 4 使用范围广泛 速度可达到 50m s 速比可达 10 左右 传动功率由几瓦 到数千瓦 5 维修保养方便 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 3 由调速电机直接驱动的主传动 如上图c所示 这种主传动方式打打简化了主轴箱和主轴的结构 有效地提高了主轴部件 的刚度 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输出 高于额定转矩时为恒功率输出 使用这种 电动机可以实现电气定向 我们把机床主轴驱动与一般工业的驱动相比较 便 可以知道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 连续输出的高转矩能力和非常矿的恒功率运动范围 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了甚至超过了直流电动机驱动系统 交流主轴 驱动系统正逐步取代直流系统 总的来说 第一第二两种类型对减速配置要求很高 第三种类型要考虑它 的转动惯量 本次设计是有中空电机通过键连接主轴 直接带动主轴转动 这 样既简化了主轴箱体与主轴的结构 也有效地提高了主轴部件的刚度 此设计 方案利用电机控制转速 因此对减速配置要求不高 又由于电机在主轴外部连 接 也不需考虑转动惯量 而且成本更低 综上讨论 所以 本次设计选择这种主转动方案 吉林化工学院本科毕业设计论文 3 第 3 章 轴类零件的设计和计算 3 1 主轴的材料选择 从多方面考虑选用40Cr为本次数控铣床主轴材料 3 2 主轴主要结构参数的确定 主轴的主要结构参数有 主轴前 后轴颈 D1 和 D2 主轴内孔直径 d 主轴主要支撑间的跨距 L 这些参数直接影响主轴旋转精度和主轴的刚度 3 2 1 主轴最小直径的估算 估算最小轴径 3 4 0 1 n P Ad 式中 d 主轴的最小直径 cm P 主轴传递的功率 kw P 1 5kw0 8 1 2kw n 主轴的转速 r min 前面已给出 n 400rpm 查机械设计取为 112 取 0 5 0 A 代人数值得 d 56mm 取主轴的最小直径d1 60mm 最小直径本应该是后轴颈 但是考虑到轴承的轴 向固定采用锁紧螺母 应留锁紧螺母的位置 考虑到轴上装轴承 有配合要求 应将后轴颈的直径圆整到标准直径 同时要考虑到选择轴承的类型 还有一个 键槽的关系 还有主轴是中空电机直接带动主轴转动的 考虑到主轴的刚度和 强度 因此选择后轴颈的直径D2 120 3 2 2 主轴内孔直径 d 及拉杆直径的确定 一般铣床主轴孔径 d 可比刀具拉杆直径大 5 10mm 由于机床使用场合多 种多样 为了适应加工工艺及刀具特点 机床工具行业已经开发了多种轴端结 构 并已形成专业标准 铣床常用的主轴端部结构前端带有 7 24 的锥孔 供插入 铣刀尾部锥柄定位 拉杆从主轴后端拉紧刀具 常用的是 BT 50 刀柄 因此 我采用 BT 50 的外螺纹拉杆 为了满足拉杆的刚性要求 取拉杆的直径为 40mm 根据拉杆的直径确定主轴内孔的最小直径为 50 即可 孟凡华 立式数控铣床传动系统 4 3 3 3 主轴支承跨距 L 的确定 合理确定主轴主要支承间的跨距 L 是获得主轴部件最大静刚度的重要条件 之一 支承跨距过小 主轴的弯曲变形固然较小 但因支承变形引起主轴前 0 L 轴端的位移量增大 反之 支承跨距过大 支承变形引起主轴前轴端的位移量 尽管减小了 但主轴的弯曲变形增大 也会引起主轴前端较大的位移 因此存 在一个最佳跨距L0 在该跨距时 因主轴弯曲变形和支承变形引起主轴前轴端 的总位移量为最小 一般取L0 2 3 5 a 本文所设计的主轴暂取 L 475mm 但是实际结构设计时 由于结构上的原因 以及支承刚度因磨损会 不断降低 主轴主要支承间的实际跨距 L 往往大于最佳跨距L0 3 3 4 初选轴承 本文所设计的铣床主要用于铣削平面和打孔 轴承承受径向载荷 故选择角 接触球轴承背对背的组合 根据工作要求 由轴承产品目录中选取型号为 7320C 的角接触球轴承 3 3 主轴的结构设计 3 3 1 拟定轴上零件的装配方案 本文所设计的主轴要用原有的主轴箱 根据主轴箱的结构 轴上零件定位 加工要求以及不同的零件装配方案 参考轴的结构设计的基本要求 得出如图 所示的轴结构 图 3 1 主轴 吉林化工学院本科毕业设计论文 5 3 3 2 确定轴各段的直径 轴段 1 由于选用的是 BT50 查机床设计简明手册 考虑主mmD57 128 min 轴前端部收到的径向力较大 所以轴段 1 的直径 D 140mm 轴段 2 要轴承配合 因为要承受很大的径向力 故选的角接触球轴承是重型 的 故取轴段 2 的直径 130mm 2 D 轴段 3 由于轴段 2 安装螺母的关系 轴段 3 的直径比轴段 2 小 2 3mm 故 126mm 3 D 轴段 4 有个轴肩 又由于又轴承配合和键的关系 故直径D4 120mm 3 3 3 确定各轴段的长度 轴段 1 由于主轴内孔要装拉杆 拉刀抓及 BT50 刀柄 整体装配起来应该让 拉杆不要伸出主轴内孔太长 否则铣床的整体动刚度不好 根据主轴和主动轴 的整体装配关系 故 66mm 1 L 轴段 2 由于有轴承 套筒和螺母安装的缘故根据轴承和螺母的选择标准查出 它们的宽度 故mmL164 2 轴段 3 主要考虑的是碟形弹簧导程的关系 根据计算取 80mm 3 L 轴段 4 主要是轴承和键的配合 并且要连接中空电机 故长度取mmL165 4 3 3 4 主轴刚度的计算 1 当量直径 d l ldldld d nn 2211 式中 是各段的长度是各段的直径 21n ddd n lll 21 n llll 21 mmd 2 127 475 1651208012616413066140 2 主轴切削力的计算 切 F 根据公式得 则当线速度v最小时 切削力最大vFp 切 v p F 切 0 76m s 601000 min min Dn v 601000 14510014 3 孟凡华 立式数控铣床传动系统 6 2 1KN v p F 切 76 0 5 1 3 挠度的计算 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 当主轴前端作用一外载 切 F 则挠度 y EI laF 3 2 切 mm EI laF 3 2 切 10 3 m 式中 典型切削工艺的切削力 切 F a 前悬伸 等于载荷作用点至前支承点间的距离 mm l 跨距 等于前后支承之间的距离 mm 弹性模量 钢取 2 10 5 Mpa I 截面惯性矩 I 0 05 mm 4 44 i dd d 主轴的外径和孔径 mm i d 将 E 和 I 的值待人 可得 y 7 5 m 0 0002L 0 0950mm 30 44 2 i dd laF 切 58126 30 47520101 2 44 23 4 偏转角 主轴切削工件时承受很大的切削力 主轴前端产生弯曲变形 查机床设计手册 得 32 6 al EI aF D 切 式中 主轴前端偏转角 rad D a l 与前面相同 切 F 代入数据得 2 475 3 20 0 0028 rad D 58126 05 01026 20101 2 445 3 所以 0 005 rad D 综上所述 主轴的刚度满足条件 不必重新设计 吉林化工学院本科毕业设计论文 7 第 4 章 轴承的设计与计算 本文所设计的数控铣床主要用于铣削平面和打孔 轴承承受径向载 荷的同时 还承受不大的轴向载荷 根据轴承承受载荷的特性 选 择角接触球轴承的背对背的组合方式 4 1 轴承当量动载荷的计算 轴承寿命可由式进行校核 轴承只承受径向载荷的作用 6 10 60 t h f C L nP 由于工作温度不高且冲击不大 故查表 13 4 和 13 6 可取取 1 1 1 tp ff 3 基本额定动负荷为 3 23 10CN 4 1 1 切削力的计算 根据公式 P 得 根据典型切削工艺取 n 1200r min vF切 v p F 切 sm Dn v 28 6 601000 120010014 3 601000 0 23KN v p F 切 28 6 5 1 4 1 2 径向力的确定 角接触球轴承背对背组合 可知 0 86 0 22KN 切 F 373 96 0 22 0 23 0 45KN 2r F 切 FFr 1 4 1 3 计算两轴承的派生轴向力 s 查机械设计手册得 角接触球轴承的派生轴向力为 S 2Y 则Fr 0 08KN 4 12 22 0 2 1 1 Y F S r 孟凡华 立式数控铣床传动系统 8 KN Y F S r 16 0 4 12 45 0 2 2 2 4 1 4 计算两轴承的轴向载荷 轴承外加的轴向力 2KN A F 0 16 2 2 16KN 2 S A F 1 S 所以轴承 被 压紧 轴承 被 放松 故 KNFSF Aa 39 2 21 KNSFa16 0 22 4 1 5 计算两轴承的当量动载荷 P 查机械设计基础得 载荷系数 1 5 p f 轴承 的当量动载荷 P1 10 8 e 0 42 22 0 39 2 1 1 r a F F 查机械设计手册得 0 4 1 4 1 X 1 Y 1 5 0 4 0 22 1 4 2 39 5 2KN 1111arp YFFXfP 轴承 的当量动载荷 P1 0 32 e 0 44 45 0 16 0 2 2 r a F F 查机械设计手册得 1 0 2 X 2 Y 1 5 0 45 0 68KN 22rpF fP 4 2 验算轴承的寿命 由于轴承是在正常温度下工作 t 49 32 65 76 满足设计mNT 154 max a TmN 要求 BESK 20 型交流伺服电动机的略小于 也可使用 但加速时间较 max T a T 长 经过比较从成本与造价方面考虑本题采用 BESK 20 型交流伺服电动机 吉林化工学院本科毕业设计论文 23 第 8 章 气体缸的选择 气缸其实就是一种增压缸 将压缩空气的压力能转化高的推力输出 气缸的 系列很多 我选用的是上海健椿机械有限公司 生产的 KTL 系列气缸 也称 KTL 系列增压缸 KTL 系列增压缸为一中气液转换增压缸 具有增压比大 动作时间短 动 力来源取得方便 无油压系统温升困扰等优点 主要用于数控铣床 加工中心 机床的松刀系统 对于 BT50 主轴 通常选用 KTL450A KTL600 型增压缸 对于 BT50 拉抓需 要 3 5t 的力就可以拉紧 因此选择 KTL450A 型增压缸即可 可以将 5 公斤的 力转换成 3815N 的力 对与一般的铣床选择 BT50 刀柄拉抓和适合于 BT50 的 KTL450A 型的气缸 这样不仅满足了要求 同时在维护 购买 操作上都非常的方便 设计液压缸时 要在对液压系统工作情况分析的基础上 根据液压缸在机 构中所要完成的任务来选择液压缸的结构形式 然后按负载 运动要求 运动 要求 最大行程等确定主要尺寸 进行强度 稳定性和缓冲验算 最后进行具 体的结构设计 此次设计选用的是双杆活塞式液压缸 这种液压缸是缸筒固定的双杆活塞