传动齿轮及液压油缸结构毕业设计.doc

1 引言传动齿轮及液压油缸结构毕业设计1 引言1.1 加工中心发展简史当今社会，科技日新月异，生产迅速发展，机械产品的性能得到不断提高，结构不断改进。因此，对零件的加工质量要求也越来越高，产品的更新换代也不断加快，为了保证产品的零件，提高产品的生产率和降低成本，需要机床不仅具有良好的通用性和灵活性，而且要求加工过程自动化。基于上述原因，加工中心应运而生。1952年世界上出现了第一台数控机床，使多品种、中小批量的机械加工设备在柔性自动化和效率上产生了巨大变革。1.2 加工中心优点目前，数控机床已经显示了它的巨大效益和潜力，引起世界各国的普遍重视，发展现代数控机床是当代机械制造业技术改造、技术必由之路，是未来工厂自动化的基础，数控技术作用为计算机集成制造（CAM）技术的基础之一，正在注入新的血液。因此，应用微电脑技术，发展数控机床已为我国机械行业迎接新技术革命的一项重要任务。科学技术和社会生产的迅速发展，促使我国自改革开放以来加快了对数控机床的引进和研制。数控机床在国内大小企业中得到了较为完整的普及和使用。但是，就目前情况而言，国内生产厂家研制生产的卧式加工中心精度普遍不高，高精度的加工中心的成套设备主要依靠进口，昂贵的价格限制了进口的数量和大面积的推广使用。所以，本次设计将着重于设计提高卧式加工中心精度的机械部分。从第一台数控机床问世以来，世界上主要工业国家的数控机床已经进入了大批生产。机床的数控化率不断提高，到1998年，日本生产的数控化率就已经达到了70%。因此，要想使我国机械行业跟上世界前进的步伐，必须大力发展数控机床，以便能及时适应产品零件变换的要求。1.2 设计内容本次设计包括：床身、立柱、工作台。X、Y、Z向进给丝杠的计算及结构设计，另外，还设计了主轴及主轴运动换向机构，在机构设计的基础上海考虑了运动部件的润滑和主轴箱的配重问题。72 设计总体方案的确定2 设计总体方案的确定2.1 卧式加工中心主要技术参数表1 主要技术参数工作台外形尺寸mm500T形槽槽宽及其槽数mm18工作台左右行程（X轴）mm600工作台前后行程（Y轴）mm500主轴上下行程（Z轴）mm450定位精度m8（4）启动、加速时间s0.050.5主轴锥孔7:24主轴转速mm6000最大快速移动速度（X、Y、Z）m/min15重复定位进度m6（3）脉冲当量mm/pulse0.001工作台最大承重kg300主轴变速级数二级2.2 主要内容1.确定加工中心的X、Y、Z 三坐标的传动形式，滚珠丝杠选型，伺服电机选型，轴承结构及计算选型，滚动导轨计算选型。2.加工中心床身结构，立柱结构，配重计算选型。3.主轴箱结构，传动齿轮及液压油缸结构，主轴结构设计，轴承设计计算。4.刀库结构选型设计，换刀机构选型。5.关键零件设计计算，滚珠丝杠选型。查阅相关资料，设计加工中心的机械部分包括：液压自动变速主轴箱、主轴机构、夹刀结构，X、Y、Z 方向的驱动机构，滚珠丝杠的选型计算，伺服电机选型计算，导轨机构的设计，集中润滑系统选型的计算。2.3 拟定方案确定本机床的结构与选型的设计原则；总体布局流畅、结构合理不松散，实现机电一体化，外形美观。结构简单、功能齐全。操作方便。满足功能，造型和技术参数要求，便于制造、安装和维修。2.4 确定总体方案床身与立柱通过双头螺柱联结，进给系统采用直线滚动导轨，三个进给方向均采用交流伺服电机驱动，因其维护性好。主轴系统采用二级滑移齿轮变速机构，主轴采用FANUCzc8型直流伺服电机驱动。 整个机床用防护罩罩起，起到了保护床体和美观的作用。三个进给方向通过伺服电机及联轴器带动滚珠丝杠转动，从而带动工作台做X、Y、Z 方向的直线运动。主轴箱的上下移动实现 Z 向德进给，其配置采用单柱塞液压缸实现，放于立柱体内，以利于外观紧凑。润滑油采用单独液压泵提供三方面进给。主轴自动换刀装置采用Jcs-013 型自动换刀数据系统（立式镗铣床的换刀装置）。以上为总体设计方案，在设计中会根据不同的实际问题和具体的情况作出改动，力争使设计到达完美。2.5 机床总体布局的基本要求1.机床总体布局首先必须满足用户提出的各种要求。如机床的加工的范围、工作精度、生产率和经济性等。2.确保实现既定工艺方法所要求的工件和刀具的相对运动。在经济合理的条件下，尽量采用较短的传动链，以简化机构，提高传动精度的传动效率。3.确保机床具有与所要求的加工精度相适应的刚度、抗震性、热变形及噪声水平。4.通用机床必须满足参数标准和系列型谱中关于机床布局方面的规定。同时，还应该最大限度地考虑机床的系列化和部件通用化程度。5.对于生产率和自动化程度较高的机床或专用机床，应力求变与自动上下料及纳入自动线6.应便于观察加工过程；便于操作、调整和维修机床；便于运输、装卸工件和排除切削；注意机床保护，确保安全生产。7.机床结构简单，合理可靠，便于加工和装配，并注意采用新技术。8.体积小，重量轻，节省原材料，简体制造成本，缩小机床的占地面积，外形美观大方。3 机床的结构设计3 机床的结构设计机床是机床的基础部件，要求具有高的静、动刚度和精度保持性。 床身设计受机床总体设计的制约，在满足总体设计要求的前提下应尽可能做到；既要结构合理、肋板布置恰当，又要保证良好的冷热加工工艺性。3.1卧式加工中心的床身加工中心的床身有固定立柱式和移动立柱式两种。前者一般适用中小型立式和卧式加工中心，后者又分为T型床身和前后身分开组装的T型床身。所谓T型床身是指床身是由横置的前床身（亦叫前床身）和与它垂直的后床身（亦叫后床身）组成。整体式床身，刚性和精度保持性比较好，但是却给铸造和加工带来很大不便，尤其是大中型机床的整体床身，制造时须有大型设备。而移动立柱式分离式床身，前后要刮研，连接使用定位键和专用定位销定位，然后沿截面四周，用大螺栓固紧。这样联结的床身，在刚度和精度保持性方面，基本满足使用要求。本次设计的是中小型加工中心，所以，综合考虑采用固定立柱式床身。3.2床身的支撑一般说来，床身的高度与宽度之比应小于1，为了增强床身在垂直平面内的抗弯强度，通常把机床固定在地基上，床身则支撑在该床身周边的垫片上，通过它们调整加工中心水平，使之达到 水平度：0.020.04/1000mm 扭曲度：0.0050.01/1000mm然后拧紧地脚螺栓（具体详见总装配图）。考虑到加工中心就位后，地基可能发生变化，要再加工中心安装使用半年后重新校验一次水平。3.3床身的肋板布置和截面的形状加工中心的静刚度和适当的固有频率靠合理的截面形状与尺寸、恰当的肋板布置来获得。加工中心内部肋板布置形式很多，归纳起来可分为纵向、横向和斜向三大类。纵向肋板可以加强纵向抗弯强度；横向肋板对提高抗扭刚度有显著效果；斜向肋板对提高抗弯、抗扭刚度又较好的效果。虽然斜向肋板抗弯扭刚度综合效果好一些，但考虑到斜向肋板铸造工艺的复杂性及机床经济性要求，所以很少甚至根本不采用斜向肋板。但肋板厚度相同时，米字形肋板结构的抗弯刚度接近与#字形肋板结构，而抗扭刚度却是#字形肋板结构的两倍。但制造工时却比#字形肋板多23倍，而工艺性差。综合考虑，本次设计采用了#字形肋板。3.4床身材料的选择AG（人造花岗岩）材料是一种新型床身材料，它除了具有良好的阻尼性能（阻尼为灰铸铁的810倍）外，还具尺寸稳定性好、抗腐蚀性强制造成本地等优点；与灰铸铁比，它热容量大，热导率低，构建的热变形小；AG床身的后期加工量很小，这样可以大大减小占用大型机床加工时间和加工成本，并能节约大量金属。因此，本次设计采用AG床身。AG床身的结构形式一般分为以下三种图1 AG床身的结构形式由于本次设计属于中小型加工中心，所以，综合考虑选整体结构,结构比较紧凑，容易保证加工精度。4 导轨的设计4 导轨的设计4.1 导轨的设计和作用导轨的作用是使运动部件能沿一定轨迹运动（导向），并承受运动部件及工作质量和切削力（承载）。导轨应满足下列要求:1.导向精度主要是指导轨运动轨迹的精确度。影响导向精度的主要因素有：导轨的几何精度和接触精度、导轨的结构形式、导轨及其支撑件的刚度和热变形、静（动）压导轨副之间的油膜厚度及其刚等。2.精度的保持性主要是由导轨的耐磨性决定的。耐磨性与导轨的材料、导轨副的摩擦性质、导轨上的压强及其分布规律等因素有关。3.刚度 包括导轨的自身刚度和接触刚度。导轨的刚度不足会影响部件之间的相对位置和导向精度。导轨刚度主要取决于导轨的形式、尺寸、与支撑件的连接方式及受力状况等因素。4.低速运行平稳性滑动导轨作低速运行或微量位移时易产生摩擦自激震动，即爬行现象。爬行会降低定位精度或增大被加工工件表面粗糙度值 因此，要求导轨精度高、寿命长，刚度及承载能力大，摩擦阻力小，运动平稳，结构简单，便于加工装配、调整和维修。导轨的主要失效形式：1）磨损 2）疲劳和压溃4.1 导轨的结构类型目前，机床上常用的导轨，按照导轨接触面积的摩擦情况而言，可以分为：滑动导轨、滚动导轨和静压导轨三大类。滚动导轨是导轨工作面之间安排滚动件，使两导轨之间形成滚动摩擦，因而摩擦系数很小（0.003左右），动、静摩擦系数相差很小，运动轻便灵活，所需功率小，精度高，无爬行，可以使用油脂润滑，数控机床导轨的行程一般较长，因此滚动体必须循环。常用的有直接导轨副和滚动导轨快。直线导轨副一般用滚珠作滚动体，滚动导轨副用滚子作滚动体。本次设计选用直线导轨副。4.2.1 直线滚动导轨副直线滚动导轨副包括导轨条和滑块两部分组成。导轨条通常为两根，装在支撑上，见图2。每根导轨上有2个滑块，固定在移动件动导轨体上。如果动导轨体较长，也可以在一个导轨上装3个滑块。如果动导轨较宽，可采用3根导轨。1导轨； 2动导轨体 3滑块图2 直线滚动导轨副的配置直线滚动导轨的工作原理见图3，滑块中装有四组滚珠，在导轨条的滑块的直线滚道内滚动。当滚珠滚到滑块的端点，就经合成树脂制造的端面挡板4和滑块中回珠孔2回到另一端，经另一端面挡块在进入循环。四组滚珠各有自己的回珠孔，分别处于滑块四角。四组滚珠和滚道相当于四个直线运动角接触轴承。接触角=45度时，+四个方向具有相同的承载能力。由于滚道的曲率半径略大于滚珠半径，在载荷的作用下接触区为椭圆，接触面积随载荷的大小而变化。1滚珠；2回珠孔；3、8密封点；4端面挡板；5滑块；6油嘴; 7导轨条图3 直线滚动导轨直线导轨副具有以下特点：1.承载能力达，刚度高。2.采用直线滚动导轨副，可以简化机床的设计、制造和转配工作。滚动导轨副安装基面的精度和表面质量要求不高，既不需淬硬，一般也不需磨削和刮研，只需精铣或精刨。3.润滑简单，维修方便。直线导轨副采用润滑脂润滑。导轨磨损后更换方便。本次设计采用GGB系列滚动导轨副。其特性为：1.垂向上、下和左右水平额定载荷是等同的，用途较广；2.额定载荷，刚度高，适用于重载荷机床。滚珠接触的结构形式如图4，载荷大小和方向如图5。图4滚珠接触的结构形式图5 载荷的大小和方向4.2.2 直线滚动导轨的结构特点及选择1.结构特点：1)该型导轨是由导轨、滑块、保持器、密封盖及挡板等组成（详见装配图）2)滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使其间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大降低了两者之间的摩擦阻力，滚子之间无冲击，噪声小，运动平稳，从而使得驱动信号与继续动作滞后的时间间隔极端。有利于提高系统的响应速度与灵敏度。3)能够实现高定位精度和重复定位精度。2.滚动导轨的选择:根据设计要求，选用两列式线性滑轨。因X、Y、Z 向滚珠丝杠螺母副的规格、代号相同，而Y 向丝杠受力比X 向丝杠受力大，Z 向丝杠有配种平衡，故按Y 向丝杠计算选择性滑轨即可。因为要与滚珠丝杠配合使用，则使用的线性滑轨规格与丝杠外径相似，Y 向丝杠外径尺寸为39.5mm，则选用GGB50规格，基本动额定负载为Ca=52.4KN，基本静额定负荷为Coa=70.2KN。1)选用精度等级对于中小型机械加工中心，选用精度等级为P级。基本类型为：GGB型直线导轨。2)导轨的参数计算已知：移动的部件的质量m=400Kg ,载荷p=4Kn ，有效行程1s=0.6m ，每分钟往复次数ns=6，Us=15m/s。工作条件：常温无明显冲击或振动，目标寿命为十年。(1)计算各滑块的载荷按表2.9-11序号1的载荷计算公式求得各滑块的载荷分别为P1=P2=P3=P4=（mg+p）/4=2Kn（4-1）(2)将目标寿命换算为Km寿命按每年工作300天，没天工作8h，开机率80%计算，预期寿命时数为LhLh=10=38400h按公式（2.8-4）求得L=16588.8（4-2）(3)计算额定动负载由表2.9-13查的ft=1.0，fc=0.81，fa=0.9，fw=1.8，取fh由式（2.9-3）计算额定动载荷Ca=34.187KN（4-3）从表2.9-3选用GGB50-AA2Po21167直线导轨副该导轨副的Ca=52.4KN，Coa=70.2KN该结果：X向导向：GGB50-AA2Po21167直线导轨副Ca=52.4KN，Ca=70.2KNY向导向：GGB50-AA2Po21135直线导轨副Ca=52.4KN，Ca=70.2KNZ向导向：GGB50-AA2Po21046直线导轨副Ca=52.4KN，Ca=70.2KN4.2.3 直线滚动导轨的润滑与防护1.润滑选用油嘴形式：滑轨一端装有油嘴以拱手动打油，使用的是润滑油脂，油脂用量从P24表2.8选10cm3，润滑频率为每100km补充润滑油脂一次。2.油管接头形式：油管接头代号为NO.970007A1，由P25表2.9查得供油选择速率为 0.3cm3/hr。3.保持架的结构形式：选用整体注射式保持架，材料：低压聚乙烯特点：1)滚动体不会掉出，保管容易2)装配使用容易3)摩擦小4)节约有色金属，成本低5)必须用注塑机和模具滚动体许用载荷计算：P=Kd2（4-4）式中：D滚子直径（mm）根据表6.2-6.3选取K滚动体截面积上假象许用应力（kgf/cm2）K值的选取原则(1)导轨及滚动体制造精度较高时，可根据表6.2-79选取K值(2)导轨的制造精度不太高时，K值英减小30-40%(3)导轨的制造精度很高，或对很短的导轨，K值可加大50%。导轨硬度的校正系数根据表6.2-80 取=1据此可计算出一个滚动体上的许用载荷P=200=5000N4.导轨的防护和润滑1)注意工作环境与装配过程中的清洁，不能有铁屑、杂质、灰尘等粘附在导轨上。如工作环境有粉尘时，除利用导轨的密封外，还应考虑增加防尘装置。2)润滑的主要目的是减小摩擦和磨损，防止或过热，破坏其内部的结构。3)滚动导轨的摩擦力与润滑油的数量及粘度的关系不大。没有润滑时的牵引力比用机械油润滑时大约增加10-15%左右。大多数情况下只需周期加油即可。采用油脂润滑时，摩擦力比稀油润滑时略低，但是导轨的防护不良时不宜用油脂润滑,常用2#钙基润滑脂或4#锂基润滑脂,亦可用有机凡士林、二硫化钼。(4)导轨的防护装置设计完善的防护装置，是改善导轨工作条件、提高导轨寿命的重要措施。刚性的防护装置还能防止工件、扳手等物偶然掉落而损坏导轨。重要机床上常采用有足够强度的防护装置，以供造作者在上走动，便于操作，改善工人劳动条件。导轨的防护装置应满足下列要求：(1)能挡住外物进入导轨，以免擦伤表面；(2)能耐红热的切屑和冷却液的腐蚀；(3)清理导轨时便于装卸(4)具有一定强度、刚度和使用寿命；(5)外形美观，制造容易，成本低。本次设计中选用刮板式防护装置，其类型选择的是：金属刮板与毛毡组合这种防护装置的特点是：既能耐热的切屑，又有良好的密封润滑性；结构稍复杂安装与使用： 轻拿轻放，避免磕碰以影响导轨副的直线精度，不允许将滑块拆离导轨或超过行程。安装步骤：(1)检查装配面(2)导轨的基准面与安装台阶的基准侧面相对应。(3)检查螺栓的装置，确定螺栓的孔位置正确。(4)强拧固定螺钉，是导轨基准侧面与安装台阶侧面紧密相接(5)最终拧紧安装螺栓。(6)依次拧紧滑块的紧固螺钉。145 立柱的设计5 立柱的设计5.1 对立柱的设计要求加工中心的立柱，随卧式加工中心和立式加工中心的不同，其结构形式亦不相同，他们既然是加工中心的立柱，就要支撑主轴箱，使之沿垂直方向上下移动。这就使它在承受切削力、振动、温度变化等恶劣环境条件下进行工作。因此，立柱亦和床身一样，是加工中心的关键大件之一，要求具有足够的构建刚度和良好的抗震性以及热变形性。为了满足对立柱的这一要求，在设计结构和肋板布局上，要有合理的安排。5.2 立柱的结构卧式加工中心的立柱，目前普遍采用的是图6所示的双立柱框架结构形式。图6 双立柱框架式立柱小型加工中心，立柱直接固定于床身上，而大中型卧式加工中心的移动立柱，则固定于滑座上。立轴装在双立柱的开档间，如图7所示，沿立柱导轨之下运动。图7 立柱与主轴箱的安装关系1.卧式加工中心立柱结构设计的优点1)刚性好 主轴承受切削力时，力的作用点在立柱中央，因此立柱受扭矩力的因素少，加之立柱的对称形状，大大加强了刚度。2)热对称性好 主轴箱是加工中心的主要热源，而它正好处在双立柱的开档间，使立柱结构成为热对称形态，这就减少可变形的影响。3)稳定性好 由于立柱内部肋板采用框架结构箱式布置，使立柱的抗弯、抗扭刚性以及构件的固有频率都得到提高，避免立柱发生振动。如图8所示为卧式加工中心立柱的横截面形状。图8 立柱横截面2.卧式加工中心立柱结构的特点制造工艺性差，装配、调试亦不方便。尤其调主轴箱，有时需要钻进立开档中进行操作，空间小，甚为不便。为避免此种不便，最好使用加工中心主轴箱部件试验台，在机外单独试验主轴箱的各项性能，如转速范围温升换挡漏油情况等，待各项指标全部合格后再总装到立柱上。3.立柱与床身（或滑座）的联结立柱与床身的联结，一般采用螺栓紧固和圆锥销定位方式。考虑到连到实际取螺栓数位12，其连接草图如下：图9 立柱为了提高立柱与床身的联结刚度，通常采用如下措施：1)采用强紧办法。螺栓联结时，应使结合面保持在不小于2Mpa的预紧力2)提高有效接触面积的平面度，减小接触面的粗糙程度值，以提高结合强度。通常采用刮研或磨削手段来实现。3)增加局部强度。在紧固螺栓处，加大加厚凸缘或增添强筋。5.3 立柱的导轨精度本加工中心属于高精度的中型立式加工中心，立柱导轨精度可取推荐值如下：直线度0.0060.015两导轨扭曲度：0.010.015立柱底面对主导向面垂直度：小于0.01mm安装滚动导轨基面的直线度：0.050.01186 工作台得设计6 工作台的设计立式加工中心与卧式加工中心的工作台结构形式是不同的，立式加工中心工作台不能分度运动，其刑事一般为长方形，上开T 形槽。1.工作台尺寸形状如下图图10 工作台2.T形槽尺寸 标准系列值，见下图图11 T型槽3.工作台的其他结构1)为了安装方便，使零件尽量减小，采用工作台在导轨上滑动的形式，需要为工作台上钻出油孔，以便润滑。2)为了安装方便，Z向丝杠螺母座采用与工作台分离结构形式，其具体结构形式见总装配图。3)为防止切屑落入螺纹孔影响螺钉安装，用橡胶塞堵死。防止切屑对导轨影响，安装防护板，大小由加工要求确定，其具体的尺寸见总装配图。4)为了防止切屑对防护罩影响，需在工作台两边加挡板。4.工作台座1)本次设计中工作台的作用为：(1)镶装X向进给滚珠导轨及安装Z向丝杠螺母(2)支撑工作台(3)作Z向进给的滑动体(4)容纳X向进给丝杠润滑油(5)作Y向进给丝杠的支撑箱体2)工作台材料：HT200为润滑需要，开一系列油孔和油槽。具体结构尺寸详见装配图。207 主轴系统的设计7 主轴系统的设计7.1 主轴部件机床主轴是机床加工时直接带动刀具或工件进行切削和表面成形运动的旋转轴。主轴部件包括主轴及直接有关的轴承，传动件和密封等。7.2 对主轴部件的基本要求对机床主轴组件的要求，和一般传动轴组件有共同之处，就是都要在一定转速下传递一定的扭矩，都要保证轴上的传动件和轴承正常工作的条件。但是，由于上面提到的影响因素，又有如下特殊要求：转速、回转精度、静刚度、承载能力、抗振性、热稳定性、寿命、可靠性。1.转速主轴的转速范围是根据机床所要求的切削速度及工件或刀具尺寸确定的，为了满足主轴转速范围的要求，除了主传动系统必须保证外，主要考虑选择适当的轴承及润滑方式，以满足高速适应性。2.回转精度 它决定预组件中各主要件如：主轴、轴承等的制造精度和装配、调整精度、运动精度，还决定于主轴转速、轴承设计和性能，以及主轴组件的平衡。提高主轴回转精度的主要措施：1)采取回转精度好的轴承。2)提高与轴承配合的表面精度3)高速主轴部件要经过很好的动平衡4)采取主轴部件与变速箱分离的结构，可避免来自传动系统的各种干扰。5)注重装配调整质量，使各种误差尽可能相互抵消，并保持在使用过程中变形最小。3.静刚度反映了机床或部、组、零件抵抗静态外载荷的能力。影响主轴部件弯曲刚度的因素较多。如主轴的尺寸和形状，滚动轴承的型号、数量和配置形式及预紧。前后支撑的距离和主轴的前端的悬伸量、传动部件的配置方式，组件的制造和装配质量等。提高主轴静刚度的主要措施：1)适当加粗主轴直径2)选择最佳跨度3)采用高刚度的轴承4)合理安排传动件在主轴上的位置，并使传动力切削力等弯矩的方向能将它们引起的周端变形相互一部分或全部。4.承载能力主轴部件的承载能力是主轴在保证正常工作条件并具有额定寿命时所具能的大负荷。在该载荷作用下，除了主轴轴承及传动件应保证具有额定寿命外。还必同时满足下述三个条件：1)主轴工作端的变形不得不大于相应条件下允许的加工误差。2)主轴在前支撑外的转角不得不大于允许值。3)主轴在安装传动齿轮处的挠度和转角不得不大于允许值。为了提高主轴部件的承载能力，除了正确选用轴承及合理设计传动件外，主措施是加粗主轴直径，以便减小弯曲变形。5.抗振性组件的振动会影响工作的表面质量，刀具的耐磨度和主轴轴承的寿命同时会产生噪音，影响工作环境。影响抗振性的主轴组件的静刚度，质量分和阻尼（特别是主轴前轴承的阻尼）提高主轴部件抗振性的设计方法：1)提高主轴部件的刚度。2)采用阻尼比大的主轴轴承。3)是主轴部件的低阶固有频率远离工作时的激励频率。 4)从降低或消除振动的角度出发，消除激励的存在或减少激励力。因此，要主轴部件的运动件要有足够的精度并进行动平衡。6.热稳定性主轴组件的热变形是主轴伸长，使轴长的间隙发生变化，温升使主轴箱发生热膨胀，使主轴偏离正确的位置。如果前、后轴承温升不同，还是主轴倾斜。如何控制温度，也是本设计重点考虑问题之一。提高主轴部件热稳定性的主要因素：1)减少部件中的发热量。2)减少外部热量的传入。3)创造良好的散热条件。4)尽可能使主轴部分各部件的温度均衡，特别是前、后支撑箱壁的温度均衡。5)采用温度或热变形的补偿装置。6)是热变形的方向不影响加工精度。7)采用恒温装置，控制环境温度的变化。7.寿命主轴部件的寿命主要指保证其应具有的精确度的使用期限。在寿命期内主轴 部件的工作不应丧失其设计时的所规定的精确性能。精确度保持越好，寿命越长。主轴部件丧失其精确度性能的主要原因是磨损。因此，寿命主要取决于耐磨性。磨损的根本原应来自两个互相接触，相互运动的表面之间的摩擦。提高主轴部件的措施：1）正确选择主轴的材料及热处理，提高轴颈表面和定位面的硬 度、表面光洁度，以提高其耐磨性。2） 根据其他条件（如速度、精度、刚度和承载能力等） 尽可能采用静压轴承。3） 主轴的前、断后支撑尽可能同心，并提高主轴部件静刚度。4） 加强密封防护，避免各种微粒进入摩擦表面。5） 润滑要适当，最好采用喷雾润滑或循环润滑，润滑油应严格过滤。6）机构设计上应保证轴承磨损后能自动补偿磨损量或能较为方便的进行定期人工调整。8.可靠性主轴部分的可靠性是指其在额定寿命期内，在特定的工作条件下和规定时间内，其工作可能出现不符合设计规定的精度或性能要求的情况的几率。1)采用可靠定位、夹紧、变速和刹车机构。这时自动机床的主 轴部件尤其重要。2)提高主轴部件零件的制造精度和装配调整质量。3)提高耐磨性，尽可能保证工件的均匀磨损，并自动补偿磨损量。4)主轴端部的设计和加工必须符合加工标准。7.3 主轴部件的传动方式及布置形式1. 传动方式主轴旋转运动传动方式的选择，决定于主轴转速的高低，所传递扭矩的大小，对运转平稳的要求及结构紧凑，装卸、维修方便等。机床主轴常用的传动方式有：1)齿轮传动2)带传动3)电动机的直接传动 由于设计要求，根据齿轮的特色：结构简单紧凑和能传递较大的扭矩，又本设计要求主轴箱又二级变速能力，所以我们选择了齿轮传动，主电动机与传动轴的联系方式采用弹性联轴器，因为此种联系方式，结构紧凑，便于安装和拆卸。根据表6.1-4，采用下图所示传动方案 图12 齿轮传动主要特点：齿轮装于前、后支撑间，主轴受力情况较好，变速范围较大。2. 传动件装置的合理布局对于传动件直接安装在主轴上的主轴部件。工作时主要受传动力Q，切削力P，支撑受力。合理布置传动件的轴向和径向位置，可以改善主轴的受力情况，减小主轴的安装。改善传动件和轴承的工作条件，减小轴承反力，提高主轴部件的抗振性等。合理布置的原则是：1)传动力Q引起的主轴弯曲变形小，且能部分抵消切削力P引 起的主轴弯曲变形2)传动力Q引起的支撑反力能部分抵消切削力P引起的支撑反力。3)使传动力Q引起的主轴轴端位移小，并尽可能部分抵消切削力P引起的轴端位移，尤其在影响加工精度的敏感方向上。4)结构紧凑，主轴尺寸小，装配维修方便。就某一方案而言，不能同时满足以上所有要求，应该按主要要求而定。7.4 主轴支撑的选择与配置主轴轴承是主轴部件的重要组成部分，它的类型、结构、配置、精度、安装、调整、润滑和冷却等状况，都直接影响主轴的工作性能。1.主轴轴承的选择主轴部件上的轴承应具有旋转精度高、刚度高、承载能力强，抗震性好,极限转速高，适应变速范围大，摩擦功耗小，噪音低，结构尺寸小等要求。本次设计主轴轴承均选用滚动轴承，因为，他们已经标准化，并有专门工厂批量生产。而且它在旋转精度刚度承载能力转速发热等主要性能上满足大多数主轴部件的要求，特别是他们具有能在转速和承载变动幅度横箫的条件下稳定工作的优点。2.主轴轴承的合理布置由于本机床的主轴转速较高，我们采用下图所示的轴承配置方式。图13 主轴7.5 主轴箱变速装置主轴箱采用滑移齿轮变速装置，这种变速装置的优点：1.变速范围大2.变速级数多，方便及时3.在较大变速范围内可传递较大功率和扭矩4.不工作时齿轮不啮合，使摩擦、磨损、空转损失小。这种装置的缺点：1.变速箱结构较为复杂，操作结构较为复杂，不能在运动时变速2.采用斜齿轮不易进入啮合。7.6 主轴轴颈的初步选定按许用应力计算轴受到的扭矩T： Tmax=9.55106=9.550=10474375Nmm（7-1）主轴设计成空心结构，材料为45， T=35MPa 设Y=d1/d=1/2 则 WT=d3（1-4）（7-2） 即T=（7-3） 所以， 将有关数据带入此式得d考虑到键槽的影响，轴颈增大3%即55取d=60mm 此是受扭段最细的轴颈。主轴箱变速采用滑移齿轮变速装置，以上提到的双联齿轮作为滑移部件。7.7 主轴结构设计1.轴端设计参考3卷标6.1-36 铣床主轴端尺寸主轴序号40JB2324-78主轴端部的结构应得保证夹具，预紧或刀具安装可靠定位准确度高的联结刚度以传递足够的扭矩并尽量缩短州的悬伸长度，以便装卸方便。（具体尺寸及结构见装配图）2.内装夹装置参照JCS-013型，自动换刀数控卧式镗铣床。3.主轴设计1)轴端密封要求：(1)适应转速要求，在一定压力下和温度下具有良好的密封性能。(2)在密封处引起的摩擦力应尽量小，摩擦系数应量稳定。(3)结构可能紧凑，周详尺寸尽量小，摩擦系数应尽量小，力求结构简单，装卸方便。(4)磨损后在一定程度上你能自动补偿。根据主轴转速、轴承的润滑方式、工作温度、工作环境和轴端结构特点来选择密封装置形式。2)特点选择非接触密封方式中的曲线密封，序号8 。此种密封方式用于脂润滑的高速主轴部件，主要特点：(1)径向曲路密封(2)由法兰和主轴头部形成曲路，结构紧凑，主悬伸量小。7.8 齿轮尺寸及结构设计根据本次设计主轴转速范围，采用两级变速。1.一级变速，采用传动比为1:1初选齿轮的齿数和模数分别为： Z1=Z2=60 ， m=3mm 此时齿轮的参数如下： 名称及代号 直齿轮 m 3mm 0 20 d d a a=m（Z+Z）/2=180 d d d d=d+2mh h h h h h h=因为是变速机构，故采用直齿传动2.另一对齿轮的传动比为1:2 齿轮模数分别为：Z考虑到变速仍选直齿，主要参数如下： 名称及代号 直齿轮 m 4mm 0 20 d d d d a a= d d d d d d d d h h h h h h= 28 8 主轴箱部件的校核8 主轴箱部件的校核主轴部件是机床的重要组成部分之一，机床主轴部件是由主轴承受能力安装在主轴齿轮及飞轮等零件组成的。机床工作时，由主轴带动装在前端的刀具回转，机床工作时，刀齿连续参加切削，切削力是周期变化，故对主轴的刚度和抗振性要求很高，同时，也需要保证主轴的旋转精度，耐磨性和热稳定性。主轴为空心轴，前端有精密的定心锥孔，锥度7:24，精度的端面和定心外圆柱面，前端键用来传递转矩。主轴通孔用来安装拉紧刀具的刀杆，主要材料为优质45钢，经过热处理。8.1 主轴箱齿轮强度的校核已知数据： 第一对齿轮 第二对齿轮 由于该主轴箱传动是齿面硬度很高的闭式传动。故需按弯曲疲劳强度确定齿轮的模数。然后，再校核其表面接触疲劳强度。1.第一对齿轮的强度校核1)齿根弯曲疲劳强度验算齿形系数 由图9-19查得 Y应力修正系数由图9-20 查得 齿间载荷分配系数cos=1.88-3.2=1.72重合度系数YY需用弯曲应力完全全系数S 查表得S=1.0应力循环系数NN=N=60=1.73（8-3）弯曲寿命系数Y 取尺寸系数Y=1.0则 （8-4）齿数和精度等级，估计圆周速度V=12m/s，查表选6级精度载荷系数K：使用系数K动载荷系数K齿间分配系数齿向载荷分配系数 由表9-16取尺宽系数，则b= 取所以转矩1)求齿轮模数根据（8-5）取m=4mm2)验算齿轮接触疲劳强度两齿轮参数：弹性系数Z节点区域系数 查图9-17 Z重合度系数 接触疲劳极限接触安全系数接触寿命系数许用接触应力若满足其接触疲劳强度需所以 故满足要求2.第二对齿轮的强度校核校核过程同上，经校核得第二对齿轮也满足要求。8.2 主轴强度的校核 1.已知条件：输入功率：P=P （8-7）式中：联轴器的传动功率 =0.99滚动轴承传动功率 =0.992齿轮传动功率 =0.87则P=主轴转速n=1500r/min齿轮分度圆直径d=180mm b=44mm =20齿轮为直齿圆柱齿轮，州的材料为45钢正火。轴传递的扭矩：T=9.55（8-8）根据主轴零件图，确定轴受力图，弯矩图，转矩图（如图14）图14 轴的受力图、弯矩图、转矩图 2.作用在轴上的力：1）齿轮圆周力 径向力 轴向力 2）计算轴承反力水平面 = =1700.7N垂直面 =（8-9）轴材料为45 钢，查得查得（8-10）3）作出弯矩图水平面： 垂直面： 4）作出合成弯矩图5）作出当量弯矩图6）校核直径（8-11）所以，主轴强度满足要求。8.1 轴承寿命的校核本次设计的主轴采用滚动轴承，有下列优点：1. 在一般工作条件下，摩擦系数比滑动系数小，且比较稳定，不能随轴承速度而变化。采用滚动轴承的机器启动及运转力矩小，功率损耗小。2. 径向游隙小3. 对于同尺寸的轴颈，滚动轴承的体积比较小，使轴向结构紧凑。4. 消耗润滑剂少，便于维护，易于密封。5标准化程度高，成批生产，成本底。寿命计算1. 主轴前端采用3182100 型双列向心圆柱滚子轴承和2268100 型轴承组合，传动功率P=7.05kw，转速1500r/min，后端采用3182100 型轴承。已知：齿轮圆周力轴承径向反力 由表15-9，轴承寿命取20000h查得以下参数：表2 轴承参数项目数据31821107310AC3182110C（KN）78.537.859.6Co（KN）84.513253轴承的内部轴向力为：由于两角接触轴承是背靠背安装的，故力的分析如下图图15 轴承受力分析因为F所以 轴承1“放松” ,轴承2 “压紧”。 因为 查表15-11得 e=0.68所以 X查表15-11得 所以当量动载荷 =1.0 =167.5N =1.0 =3676N（8-12）由于所以只计算右轴承即可 =（8-13）所以该轴承满足要求。36 9 配重的设计9 配重的设计方案：采取链条传动方式，链条两端分别与主轴箱及配重箱相连，中间通过链轮支撑与传动。1.链条选择：由已知参数知，快速进给速度15000mm/min即15m/min 根据上册V=15m/min0.6m/s 故此链传动属于低速传动。静强度应满足条件：8（9-1）式中：Q单排极限拉伸载荷K 链传动工况系统F 有效圆周力，即链的紧边总拉力初选12A链条，则Q=3100N由表11-3 查得K主轴箱总重量 实际重量 则故 取12A链条满足要求，具体参数如下： 链号 P（mm） P（mm） d b d b12A 19.05 22.78 11.51 12.57 5.94 17.75 Q 4.9 18.08 31100 1150 17.81 26.92.联结螺钉设计内容1）选M20螺钉2）与链条联结采用直接用链条中的销轴连接。3）由于链条在传动中不能扭转，所以螺钉也不能旋转，采用螺母加垫片。3.链轮设计1）主要尺寸计算： 分度圆直径 对于12A型 链P=1根据当V0.6m/s时，Z取1315。取Z=13代入得：d=79.6mm2）齿顶圆直径 d（9-2）=79.6+1.25=91.5mm（9-3）=79.6+（1-）= 84.4mm取3）齿根圆直径 4） 齿侧凸圆直径5） 齿轮6） 倒角宽 7） 倒角半径 8） 倒角深 4.链轮材料及热处理材料： 45号钢热处理：淬火、回火、齿面硬度4050HRC5.链轮结构设计为使链轮结构紧凑，润滑方便，设计成心轴上安装形式，其中轴承安装在链轮内部，选160104型，即带密封圈深沟球轴承，心轴轴颈设计为直径20mm。由于链速V，属低速运动，故采用人工润滑，即定期在链条边的内部链板间隙中注油，供油量每周加油一次，保证销轴处于干燥。主轴箱重量包括电机 2346N最大刀具重量 100故配重应大于2346+120 取G=2500N配重用平衡块材料： 铸铁 密度为7.8g/cm（9-3）取a=56cm b=24cm h=24cm则G= 2500N符合要求。52 10 滚珠丝杠螺母副的选用与计算10 滚珠丝杠螺母副的选用与计算滚珠丝杠副是一种低摩擦，高精度，高效率的机构。它的机械效率（）比滑动丝杠（）高34倍。滚珠丝杠副的动（静）摩擦系数基本相同，配以滚动导轨，启动力矩很小，运动极灵敏，低速时不会出现爬