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机床主轴设计及相关技术研究设计说明书.doc

机床主轴设计及相关技术研究【含8张CAD图+说明书1万字28页，开题报告文献综述】

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数控铣床主轴.dwg

数控铣床主轴冷却盖.dwg

数控铣床主轴前轴承盖.dwg

数控铣床主轴后轴承盖.dwg

数控铣床主轴大外套.dwg

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关键词：: 机床主轴设计相关相干技术研究 cad 说明书仿单 28 开题报告讲演呈文文献综述

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数控铣床主轴.dwg

数控铣床主轴冷却盖.dwg

数控铣床主轴前轴承盖.dwg

数控铣床主轴后轴承盖.dwg

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机床主轴设计及相关技术研究

摘要：随着我们的机械加工的不断发展，对于我们的加工零件的要求也在不断的变化和提高，在如今的加工设备中，有用到很多的铣床设备，数控铣床就是比较新式的加工设备，能够实现对我们的各种零部件进行各个工序的铣削加工，加工的精度比较高，生产的效率也高，尤其是对一些形状和结构尺寸比较特殊的工件，能够满足各个部位的精准加工工序，可以满足加工企业的各种要求。

本次我们设计的是数控铣床的主轴结构，是我们数控铣床的关键的零部件，也是我们加工设备的最主要核心部件，主轴的前端部分是跟我们的夹具结构直接连接的部分，带动我们的被夹持的工件进行高速旋转运动的，本次的主轴的工作时候的转速达到8000r/min,输出的功率达到5KW，此主轴结构能够使用40把不同的刀具。主轴的性能和质量的好坏直接会对我们加工的零件产生影响，因此我们对于主轴的设计，必须要求能够有好的强度和韧性，这样才能保证我们的铣床设备有着比较好的加工切削性能，满足我们对于工件的加工的需求。如今市面上的用的主轴结构种类较多，我们对于主轴结构的设计，可以在现有的主轴的基础上，更加注重去考虑工艺方面的完善，选择一个合理又比较经济的传动的方案，并对我们选用的相关的零部件进行计算和相应的校核，最后画出我们结构的装配图跟零件图。运用我们所学的机械传动的知识跟基础原理，完成毕业设计的任务，也能提高我们的动手操作的能力。

关键词：数控铣床；主轴；设计计算

Machine tool spindle design and related technology research

Abstract:With the continuous development of our machine, for the requirements of the processing parts also in constant change and improve, in today's processing equipment, useful to a lot of milling machine, CNC milling machine is a relatively new processing equipment to achieve various processes of milling to all parts of our, relatively high precision machining, production efficiency is high, especially for some of the shape, size and structure of special workpiece, can meet the needs of the various parts of the high precision machining process, and can satisfy the requirement of processing enterprises of all.

This we design is CNC milling machine spindle structure, is the key to our numerical control milling machine parts, is also our processing equipment the main core components, part of the front end of the spindle is with our fixture structure directly connected, driven by our by clamping the workpiece high-speed rotation movement, achieve the working time of the spindle 8000r / min speed and power output to 5kW, the spindle structure to 40 different tools to use. Spindle performance and quality is good or bad will directly influence to our processing of parts, so we for the design of the spindle must request to note Oh ah good strength and toughness, so as to ensure our milling equipment has a good cutting performance and satisfy our demand for machining the workpiece. Now on the market with the spindle structure of many kinds, we design for the main structure of can on the basis of existing spindle, pay more attention to to consider the improvement of process, select a reasonable and economical transmission scheme, and the checking calculation and corresponding to our selection of related parts, and finally draw the assembly drawing and parts drawing. Using the knowledge of the mechanical transmission and the basic principles, the completion of the task of graduation design, but also to improve the ability of our hands.

Key words: CNC milling machine ; principal axis ; design calculation

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

目录 Ⅳ

1 绪论 1

2 数控铣床主轴的介绍 3

2.1 电主轴的工作原理 3

2.2 电主轴的特征 3

3 电主轴结构设计 5

3.1 电主轴结构图原理 5

3.2主轴伺服驱动器的选择 5

3.3 主轴的转子和定子的设计 5

3.4 轴承的选择 7

3.5 冷却系统的设计 8

3.5.1 热源的主要构成 8

3.5.2 主轴传动的热平衡计算 8

4 主轴的设计 10

4.1主轴的主要结构参数 10

4.1.1 前端悬伸量 10

4.1.2主支承间的跨距 10

4.1.3构造 10

4.1.4材料和热处理 10

4.1.5主轴的轴径 11

4.2 轴的强度校核计算 12

4.3 轴的刚度校核计算 15

5 轴承的校核 17

5.1 角接触球轴承的校核 17

5.2 深沟球轴承的校核 18

总结 20

参考文献: 21

致谢 22

全部包含的文件.jpg

数控铣床主轴.jpg

数控铣床主轴大套.jpg

数控铣床主轴大外套.jpg

数控铣床主轴后轴承盖.jpg

数控铣床主轴冷却盖.jpg

数控铣床主轴密封盖.jpg

数控铣床主轴前轴承盖.jpg

数控铣床主轴装配图.jpg

内容简介：: 机床主轴单元机床主轴基本上完成两个任务：在空间精确的旋转刀具（钻削，铣削，磨削）或工件（车削）；把所需要的能量传递到切削区。很显然主轴对切削效率和机加工件的质量有很大影响，这篇文章评论了目前的状态和介绍了主轴技术的研究挑战。史回顾典型地，主轴是被皮带或齿轮驱动的，转速只能通过改变传动比或通过电器开关改变驱动级的数量来改变。之后，简单的电气或液压控制器开始发展，主轴旋转速度通过无级调速方式来改变，要提高生产力就需要更高的速度，加工技术要求发展新型轴承，电力电子与逆变器系统。在致力于发展紧凑的电力电子（静止变频器）领域的进步导致在使用高频三相异步电动机上的低成本维护，对于早在 80 年代的主轴，高转速只能利用磁力轴承来实现，在轴承，润滑，滚动材料和驱动系统 (马达和转换器 )领域的持续发展已经允许建造直接驱动电机主轴来满足目前各种需求。要结构如今，绝大多数机床都装配了点主轴。不同于外部驱动主轴，电主轴不需要像齿轮和接头一样的机械传动单元。主轴至少有两套主要的球轴承系统。轴承系统是对主轴的寿命影响最大的组成部件。最常见的电机是安装在两个轴承系统之间。而冷却主要是通过水冷。冷却剂流过电机定子周围的冷却套而还经常流过轴承外圈。主轴末端的密封件防止碎屑及切削液的侵入，通常这些是做了空气净化的。一个标准的工具接口例如被放置在主轴前端的。一个夹紧系统是用于快速化。理想情况下，一个可以控制夹紧力的未夹紧单元需要可靠的加工。如果切削液一定要通过刀具流到切削上，那么对应的轨道和旋转机构就要求具有夹紧系统的特点。今天，几乎每个主轴都装配有用于监视电机温度 (热敏电阻或热电偶 )的传感器和定位夹紧系统。用于监测轴承的附加传感器，可以监测驱动过程的稳定性，但在许多工业领域却不太普遍。前发展状况大功率、高转速电主轴是为了加工用于航空、航天工业的大型铝制框架而发展起来的。高转速、低功率的电主轴用于电子工业为印刷电子版钻孔（。业方面的实际开发领域当前电主轴的发展主要集中在电动机的技术，降低用于预防性维护监测的成本。另一个核心问题是为了减少主轴上的热量发展用于抵消存在的约束力和输出频率的驱动系统。过去注意力主要放在增加可靠的旋转速度。如今，如今的关注点已经改变，朝着具有高转速（ 15000r/同时还要有很高的转矩。由于在可靠性，产品生命周期和可预测维护方面需求的增加，电机主轴的状态监测系统变得越来越重要。对主轴各状态参数的定期和或连续观测能够检测磨损、过热和即将发生的故障。了解主轴的产品寿命周期费用对预测服务期间内的维护、故障和运行成本有很大帮助。主轴被研制和制造的主要目的是实现金属切削效率和加工精度的最大化。工件材料可以分门别类，包括简单的，例如像铝，要用具有高转速和大功率的主轴，还包括难加工的，例如镍钛合金，要求主轴除了具有较低的转速，还要具有较大的转矩和刚度。切削具有磨料碳或碳纤维塑料的工件材料要求主轴前端具有良好的密封性。给电路板钻孔的主轴转速要控制在 100 000 到 300 000 转 /每分钟。随着空气轴承的精度的不断提高，电机主轴应用领域的生产力和转速也在不断提高。用于模具加工的主轴必须以很高的进给率完成粗轧机组操作 (高性能切割、以很高的切削速度完成切削过程（高切削速度，以是两个机床配备两个不同的主轴或一个机床配备一个主轴切换单元。另一种情况就是用一个主轴来同时完成高速切削和高性能切割，但生产力仍然保持合理的水平。航空航天用的主轴要求具有大功率和高转速。如今的主轴要求材料切除率达到每分钟切除铝材料 101 个单位。磨削是一个要求高精度的操作过程，需要轴承具有很小的摆动的刚性轴。目前的内部磨床主轴要求轴承摆动不超过 1 毫米。主要用于钻孔的主轴单元要求具有很高的轴向刚度，这需要使用具有高接触角的角接触球轴承来实现。相反，高速铣削操作要使用有小接触角的轴承用以减少由于离心力引起的径向刚度变化。现代加工中心往往具有多种功能如铣、钻、磨，有时珩磨操作可以在相同的工件上实现。提高机床先进性的瓶颈仍然是机床主轴，因为他不能在相同精度的条件下满足所有的操作。可重构和模块化的机床需要有规范化的机械、液压、气动、电气接口的可互换的主轴。主轴单元的模型和分析的目标是为了实现最大的动态刚度，以最小的尺寸和功率增加材料去除率，在设计阶段模拟主轴的性能和优化它的尺寸。主轴装配的机械部件是由安装有轴承的空心主轴组成。角接触球轴承广泛用于高速主轴，由于其低摩擦性能和可以同时承受径向和轴向载荷的能力。主轴可以在有限元环境下用梁、块、或管道单元来模拟。轴承刚度可以用一个球轴承接触角的函数、在操作期间由主轴的外部负载或热膨胀所引起的预紧力来模拟。运动方程以矩阵的形式导出，包括陀螺和离心效应，还有得到了附在主轴上的工具的固有频率、振型的形状和频率响应函数。如果轴承刚度与速度有关，或如果主轴在切削载荷下模拟，数值方法用于预测沿主轴轴振动荷载和轴承上的接触载荷。主轴仿真模型考虑了主轴设计参数的优化，目的是为了使主轴在全速运行时达到最大的动刚度，用一把指定的专用刀具用指定的速度实现最大轴向切削深度。在不损坏轴承和主轴的前提下以指定的速度，主轴设计的主要目标是实现切除材料的最大化，同时还要保证各项其他指标如精度和可靠性。验模拟一个现有的电主轴的动态行为是通过测量它的力和位移之间的频率响应函数得到的。在机械加工过程中，主轴结构会引起振动，可测量的频率响应函数可以用曲线来拟合，可用于预测固有频率、阻尼比和刚度值。频率响应函数的实验测量对于在加工工艺设计阶段评估动态刚度和确定切削颤振条件是实用的。然而，以下困难需要考虑在内：（ 1）只需要测量旋转轴的一小部分就可行了，因此模拟整个主轴是不可能的；（ 2）运算速度和温度主要影响特征值，但当主轴旋转时频率响应函数的测量是相当困难的；（ 3）运用从测量的输入和输出数据中提取的参数进行曲线拟合或其他方法并不总是得到主轴动态参数的精确分析。论模型理论模型是基于物理定律，在设计阶段用来预测和改善主轴的性能。模型提供输入 F（力，速度）和输出 q（挠度，轴承载荷，和温度）之间的数学关系。数学模型可以用状态空间形式或通过一系列的微分方程来表达，在这两种方案中主轴的线性或非线性行为都可以被精确的模拟。和外壳的力学建模有限元方法普遍适用于主轴的结构力学和动态模型。该方法是通过偏导数微分方程组在有限元区域基于结构的离散化。该分析属于转子动态研究的类型，具有对称性的轴通常用梁单元来模拟，可以得到质量和刚度矩阵。单元最为常用，因为它考虑了弯曲、转动惯量和剪切的影响，因此对主轴的固有频率和模态形状的预测有很大帮助。普遍都知道的有限元分析软件元也是使用了论与质量和刚度矩阵。接触球轴承的建模角接触球轴承普遍应用于高速主轴。为了保持径向和轴向的旋转精度和足够的刚度以满足基本的操作要求，轴承需要预紧来防止打滑。基本上，有两种类型的轴承预紧力：刚性预紧和恒预紧。图 1 机床主轴轴承系统的有限元模型毕业设计任务书 1毕业设计的任务和要求：掌握机床主轴的基本知识；掌握机床主轴设计的技术关键；研究数控机床主轴单元的关键技术，掌握其相关知识及选型、应用、设计方法等；完成一种数控铣床主轴单元的设计，要求主轴工作的转速可达 8000r/出功率可达 5用 40 柄刀具。 2毕业设计的具体工作内容： 1）分析题目要求，查阅相关的国内外文献、设计资料、有关专利文献等，在此基础上，了解开题报告的撰写方法、基本要求，完成开题报告； 2）学习和掌握机床主轴的有关知识，了解主轴单元、电主轴的有关知识及发展现状；了解数控机床、加工中心对主轴的要求；总结机床主轴的设计要点、技术关键及发展方向；力争提出主轴设计的发展方向； 3）按题目要求，设计一种数控铣床的主轴单元，完成装配图及主要零件图，给出功率、强度、刚度、轴承等必要的计算； 4）编写设计说明书； 5）翻译本专业外文科技文献一份。毕业设计任务书 3对毕业设计成果的要求： 1）主轴装配图、主要零件图； 2）主轴技术的研究及设计说明书一份； 3）本专业外文科技文献译文一份。 4毕业设计工作进度计划：起迄日期工作内容 2016 年 02 月 29 日 03 月 21 日 03 月 22 日 04 月 30 日 05 月 01 日 05 月 20 日 05 月 21 日 05 月 31 日 06 月 01 日 06 月 05 日分析课题要求，查阅相关文献资料，了解机床主轴设计的国内外现状及发展趋势，提出自己的设计思路，完成开题报告；全面掌握主轴相关的基本知识，了解高速主轴的关键技术，了解主轴单元的设计特点；分析总结主轴技术的发展方向；设计主轴，完成装配图和主要零件图；完成研究总结及设计说明书撰写答辩讲稿，准备答辩；学生所在系审查意见：同意下发任务书系主任： 2016 年 2 月 29 日毕业设计开题报告 1结合毕业设计课题情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文献综述：文献综述内外机床主轴研究现状（ 1）国内研究现状目前国内研究高速电主轴的科研机构有我国河南省洛阳轴承研究所 ,他们能自行研究开发电主轴 ,其 ;广州钜联高速电主轴有限公司研发的大功率静压轴承电主轴曾获得日内瓦国际专利技术博览会金奖 ;广东工业大学高速加工和机床研究所也开发了数控铣床高速电主轴。其主要技术指标为 :电主轴的额定功率是最高转速为 180 0 0r/在额定转速 5 0 0r/产生最大输出转矩为 85我国的安阳市 ,有一家中外合资的电主轴生产厂家安阳莱必泰机械有限公司 ,它拥有先进的电主轴、机床主轴设计和制造技术。该公司研制生产的加工中心电主轴 ,采用先进技术 ,配有矢量闭环控制系统 ,能对主轴实行恒功率调速 ,准停制动。功率为 2 5恒功率段 15 0 0 12 0 0 0r/用进口高速精密轴承 ,旋转件经高精度平衡。该系列产品具有高精度、高刚度、高速度、低噪声、低振动、低温升等优点 ,系 99 国家火炬计划项目。（ 2）国外研究现状国外高速电主轴技术由于研究较早 ,技术水平也处于领先地位 ,电主轴已越来越多地应用到工业制造业中。著名的有瑞士的司、司、德国的司、司、司、意大利司、司及美国司、日本司和司等 ,它们的技术水平代表了这个领域的世界先进水平。这些公司生产的电主轴较之国内生产的有以下几个特点 :功率大、转速高。采用高速、高刚度轴承。国外高速精密主轴上采用高速、高刚度轴承 ,主要有陶瓷轴承和液体动静压轴承 ,特殊场合采用空气润滑轴承和磁悬浮轴承。精密加工与精密装配工艺水平高。配套控制系统水平高。这些控制系统包括转子自动平衡系统、轴承油气润滑与精密控制系统、定转子冷却温度精密控制系统、主轴变形温度补偿精密控制系统等。并在此基础之上 ,这些外国厂家如美国、日本、德国、意大利和瑞士等工业发达国家已生产了多种商品化高速机床。如瑞士米克朗公司 ,就是世界上著名的精密机床制造商。它生产的机床配备最高达 6 0 0 0 0r/高速电主轴 ,可以满足不同的切削要求 ,所有的电主轴均装有恒温冷却水套对主轴电机和轴承进行冷却 ,并通过高压油雾对复合陶瓷轴承进行润滑。所有的电主轴均采用矢量控制技术 ,可以在低转速时输出大扭矩。国产电主轴和国外产品相比较 ,无论是性能、品种和质量都有较大差距 ,国产电主轴产品和国外的相比较 ,主要存在以下差距 :(1)国外电主轴低速段的输出扭矩最大可达 30 0而我国目前仅在 10 0内。 (2 )在高转速方面 ,国外用于加工中心的电主轴转速已达 75 0 0 0r/我国则多在 15 0 0 0r/内。 (3)电主轴的轴承润滑 ,国外普遍采用油气润滑 ,而我国仍用油脂润滑。 (4 )其他配套技术也有较大差距 ,如主轴电机矢量控制、交流伺服控制技术、精确定向技术、快速启动、停止等。 (5 )在产品的品种、规格、数量和制造规模等方面 ,国产电主轴仍然处于小量研发试制阶段 ,没有形成系列化、专业化 ,远不能满足国内数控机床和加工中心发展的需求。所以目前国产的高转速、高精度数控机床和加工中心所用的电主轴 ,仍然主要从国外进口。轴技术的发展趋势 1）继续向高速度、高刚度方向发展由于高速切削和实际应用的需要，随着主轴轴承及其润滑技术、精密加工技术、精密动平衡技术、高速刀具及其接口技术等相关技术的发展，数控机床用电主轴高速化已成为目前发展的普遍趋势，如钻、铣用电主轴，瑞士转速达到 140000r 国司的孔机电主轴是达到了 250000r 工中心用电主轴，瑞士高转速达到 42000r 大利到了 75000r 电主轴的系统刚度方面，由于轴承及其润滑技术的发展，电主轴的系统刚度越来越大，满足了数控机床高速、高效和精密加工发展的需要。 2）向高速大功率、低速大转矩方向发展根据实际使用的需要，多数数控机床需要同时能够满足低速粗加工时的重切削、高速切削时精加工的要求，因此，机床电主轴应该具备低速大转矩、高速大功率的性能。如意大利士国制造商生产的加工中心用电主轴，低速段输出转矩到 200上的已经不是难事，德国数控铣床和车床用电主轴的最大扭矩更是达到了 630N m；在高速段大功率方面，一般在 50主轴的最大输出功率为 50士主轴的最大功率更是达到 651)，用于航空器制造和模具加工；更有电主轴功率达到 80报道。 3）进一步向高精度、高可靠性和延长工作寿命方向发展用户对数控机床的精度和使用可靠性提出了越来越高的要求，作为数控机床核心功能部件之一的电主轴，要求其本身的精度和可靠性随之越来越高。内、轴向定位精度下。同时，由于采用了特殊的精密主轴轴承、先进的润滑方法以及特殊的预负荷施加方式，电主轴的寿命相应得到了延长，其使用可靠性越来越高。电主轴还加装了加速度传感器，降低轴承振动加速度水平，为了监视和限制轴承上的振动，安装了振动监测模块，以延长电主轴工作寿命。 4）快速启动、停止响应速度加快为缩短辅助时间，提高效率，要求数控机床电主轴的启、停时间越短越好，因此需要很高的启动和停机加 (减 )速度。目前，国外机床电主轴的启、停加速度可达到上，全速启、停时间在内。 5）轴承及其预加载荷方式、润滑方式多样化除了常规的钢制滚动轴承外，近年来陶瓷球混合轴承越来越得到广泛的应用，润滑方式有油脂、油雾、油气等，尤其是油气润滑方法 (又由于具有适应高速、环保节能的特点，得到越来越广泛的推广和应用；滚动轴承的预负荷施加方式除了刚性预负荷 (又称定位预负荷 )、弹性预负荷 (又称定压预负荷 )之外，又发展了一种智能预负荷方式，即利用液压油缸对轴承施加预负荷，并且可以根据主轴的转速、负载等具体工况控制预负荷的大小，使轴承的支承性能更加优良。在非接触形式轴承支承的电主轴方面，如磁浮轴承、气浮轴承电主轴 (瑞士 )、液浮轴承电主轴 (美国 )等已经有系列商品供应市场。 6）向多功能、智能化方向发展在多功能方面，有角向停机精确定位 (准停 )、 C 轴传动、换刀中空吹气、中空通冷却液、轴端气体密封、低速转矩放大、轴向定位精密补偿、换刀自动动平衡技术等。在智能化方面，主要表现在各种安全保护和故障监测诊断措施，如换刀联锁保护、轴承温度监控、电机过载和过热保护、松刀时轴承卸荷保护、主轴振动信号监测和故障异常诊断、轴向位置变化自动补偿、砂轮修整过程信号监测和自动控制、刀具磨损和损坏信号监控等，如主轴安装有诊断模块，维修人员可通过红外接口读取数据，识别过载，统计电主轴工作寿命。参考文献 1郑修本机械工业出版社 ,2012,03 2韩秋实北京 :机械工业出版社 ,2010 3 谷玉芳 D2012. 4秦大同现代机械设计手册（第 1 卷） 2011,03 5孙开元常见机构设计及应用图例 2010,07 6凌云机械设计实用机构运动仿真图解 2014,01 7杨雪宝西北工业大学出版社 ,2010. 8 李国斌机械工业出版社出版 ,2010 9辛文彤文版从入门到精通 2012,01 10詹迪维级应用教程（ 2012 中文版） 2012,03 11 吕建法 ,闫兵 ,王文芝 J 2012(12). 12 任小星镗铣床主轴夹紧装置的改造 J2016(02). 13 刘超峰 ,张功学 ,张淳 ,陈英速立式加工中心主轴箱灵敏度分析 J2010(10). 14 张霄的固定联接及其结构方案设计 D015. 15 张乐平 D014. 16 陆畅 D014. 17 梁东旭 D2013. 18 韩君 D. 河北农业大学 2012 毕业设计开题报告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：究或解决的问题（ 1）通过对自己所查找的相关资料，了解掌握铣床主轴的基本知识。（ 2）熟悉铣床主轴单元的关键技术，掌握其相关知识及选型、应用、设计方法等。（ 3）学会计软件，完成相应的工程图设计。（ 4）编写说明书。采用的设计方案（ 1）本次设计拟采用数控铣床的电主轴，其结构如图所示：图 1 数控铣床主轴结构图（ 2）主轴伺服驱动器的选择：由于本次设计要求主轴工作转速达 8000r/出功率达 5采用深圳步科的伺服驱动器。具体的相关的技术参数如下：控制器等级，75速范围， 0r/15000r/级电机）； 0r/30000r/级电机）；本次的电机的主功率为 5速 8000r/ （ 3）确定主轴的主要结构参数：确定主轴的轴径、主轴前端悬伸量和主轴主要支承间的跨距。（ 4）利用件绘制工程图。采用的研究思路和手段初步拟采用理论分析和结构设计相结合的研究方法。针对铣床主轴单元设计主要采取以下方法：收集国内外相关研究资料，对其进行详细分析并总结各自方案的优缺点；通过对比国内外研究情况，提出自己的看法，拥有自己的创新点。通过对机构进行总体分析并详细设计，初步确定本设计的研究思路。总结自己的思路，并与指导老师、同学们进行交流，最终确保本毕业设计思路的正确性和可行性。在做毕业设计的过程中，如果遇到疑问或问题，及时与老师沟通交流；最终完成铣床主轴变速箱设计。撰写毕业设计说明书，准备答辩。进度安排： 2 月 29 日 3 日：查阅资料 3 月 4 日 21 日：撰写开题报告 3 月 22 日 18 日：确定优化方案 5 月 19 日 1 日：完成毕业论文初稿 6 月 2 日 6 月 5 日：根据指导老师意见，修改论文初稿，完成终稿，准备答辩毕业设计开题报告指导教师意见：报告表明，该同学近期查阅了大量文献资料，特别是企业产品的技术资料，对数控机床、电主轴等有了一些新认识。对国内外采用了什么新技术，关键技术等还有些不足。但对设计任务基本明确。同意开题。指导教师： 2016 年 3 月 22 日所在学院审查意见：同意开题负责人： 2016 年 3 月 22 日 I 机床主轴设计及相关技术研究摘要：随着我们的机械加工的不断发展，对于我们的加工零件的要求也在不断的变化和提高，在如今的加工设备中，有用到很多的铣床设备，数控铣床就是比较新式的加工设备，能够实现对我们的各种零部件进行各个工序的铣削加工，加工的精度比较高，生产的效率也高，尤其是对一些形状和结构尺寸比较特殊的工件，能够满足各个部位的精准加工工序，可以满足加工企业的各种要求。本次我们设计的是数控铣床的主轴结构，是我们数控铣床的关键的零部件，也是我们加工设备的最主要核心部件，主轴的前端部分是跟我们的夹具结构直接连接的部分，带动我们的被夹持的工件进行高速旋转运动的，本次的主轴的工作时候的转速达到 8000r/出的功率达到 5主轴结构能够使用 40 把不同的刀具。主轴的性能和质量的好坏直接会对我们加工的零件产生影响，因此我们对于主轴的设计，必须要求能够有好的强度和韧性，这样才能保证我们的铣床设备有着比较好的加工切削性能，满足我们对于工件的加工的需求。如今市面上的用的主轴结构种类较多，我们对于主轴结构的设计，可以在现有的主轴的基础上，更加注重去考虑工艺方面的完善，选择一个合理又比较经济的传动的方案，并对我们选用的相关的零部件进行计算和相应的校核，最后画出我们结构的装配图跟零件图。运用我们所学的机械传动的知识跟基础原理，完成毕业设计的任务，也能提高我们的动手操作的能力。关键词：数控铣床；主轴；设计计算 of of in in s to a of is a to of to of is of of of of of of we NC is to is of of is by by of 000r / 0 to is or to of so we of to h ah so as to a on of we of on of to to of a to of of of of to of ey 录摘要 . . 目录 . 1 绪论 . 1 2 数控铣床主轴的介绍 . 3 主轴的工作原理 . 3 主轴的特征 . 3 3 电主轴结构设计 . 5 主轴结构图原理 . 5 轴伺服驱动器的选择 . 5 轴的转子和定子的设计 . 5 承的选择 . 7 冷却系统的设计 . 8 源的主要构成 . 8 轴传动的热平衡计算 . 8 4 主轴的设计 . 10 轴的主要结构参数 . 10 端悬伸量 . 10 支承间的跨距 . 10 造 . 10 料和热处理 . 10 轴的轴径 . 11 的强度校核计算 . 12 的刚度校核计算 . 15 5 轴承的校核 . 17 V 接触球轴承的校核 . 17 沟球轴承的校核 . 18 总结 . 20 参考文献 : . 21 致谢 . 22 1 1 绪论随着国家经济的大力发展，以及工业进程的加快，尤其是机加工零件的需求量的增加，需要用到的加工设备量也就非常的大。数控加工设备的使用能够产生大大的提高我们生产的零件的质量和提高生产的效率 12。在机加工的过程中，对于很多的零部件的加工，往往都是大批量进行加工，需要的量也是非常的大，并且在加工的零件精度要求上，这几年也是越来的越严格了，各种的需求在提高，对于加工的单位来说的话也是一种动力，但是也是非常的有压力的，要想在加工的质量上能够满足顾客的需求，并能够按时完成大批量的工件加工，在规定的时间能生产出预期的产品的数量的话，完全通过传统的加工设备和人力的加工生产，已经完全无法满足现在的市场需求了，因此，很多的现代高精度的加工设备也就被广泛的应用，数控铣床就是被我们用的比较多的设备，很多的企业加工车间都能看到数控铣床的身影。数控铣床的使用，是在近几十年来才不断被广泛使用的 4。数控铣床的使用是跟我们的计算机的应用相连的，通过我们在计算机中输入我们需要对零件进行加工的步骤和工序，以及加工的尺寸的需求，在计算机中又通过数字信息的形式传给我们的数控铣床设备，进而实现一定的指令动作，完成对我们工件的基本加工，这种的操作加工方式比较简单，也是高智能化的生产，完全通过设备的自动走刀实现对零件的加工，并且精度也非常的高，生产的效率非常高，数控铣床对于我们的操作人员的要求也不高。对于企业来说，加工的成本相对也就低了，能够达到经济性的生产的标准 56。我们国家的数控铣床的发展技术起步比较晚一些，相对与欧美的发达国家来比的话，整整迟了十几年年，在改革开放初期，我们的企业很少能够自主生产这些机床设备的，很多的机床设备都是靠进口来满足企业的生产要求的，没有一个自主的数控铣床的专利，数控铣床的结构也比较简单，很多机加工的企业有通过买一些国外的二手机床来满足加工的生产要求。在改革开发的带动下，我们国家的经济发展比较快，各行各业欣欣向荣的一副景象，在这么一个背景下，对于数控机床的需求量非常的大。企业通过进口的话成本非常高，因此独立自主的设计数控机床的出现成为一个必然的趋势，在这么一个背景下，我们的机械设计人员，通过国外高精度的数控机床的基础知识参考下，不断的摸索，慢慢的生产出自己 2 的国产的数控机床设备，通过近几年的发展我们的数控铣床的技术也在不断的完善，尤其是沿海地区，很多的机床的生产的企业，生产流程也非常的规范，很多机械设计的从业人员素质也非常的高，一些小型的数控铣床设备也能够实现少量的出口生产了。我们的数控铣床统行业的技术发展虽然比较快，但是跟发达国家对比的话，在工艺和精度上还是有一定差距的。因此我们的技术设计人员要更加努力，不断进步 78。并且，我相信，我们国家的机械设备，在未来也能跟世界上的顶尖的技术进行接轨，在国际舞台上面也可以大放光彩 3。 3 2 数控铣床主轴的介绍电主轴的工作原理本次的机床主要是采用的是数控铣床上的主轴，本次采用的是数控铣床的电主轴 10。电主轴是我们的加工设备上面的最为重要的零件，通过主轴能够把我们的机床跟我们的电机轴进行连接，也就是把我们的主轴电机的定子跟转子部分直接连接到我们的主轴的组件的里面去，并对整体结构进行比较准确的平衡的一个矫正过程，有着非常好的回转的精度跟稳定的性能，可以组合成为一个高效率的高速的主轴的单元结构，通常也被我们叫做内装式的电主轴。电主轴结构不需要用到皮带和齿轮传动副这些，就可以满足机床的主轴系统进行传动，直接通上电以后就能带动我们的主轴进行高速的运转了 11。电主轴的特征（ 1）高回转精度我们的铣削加工设备的主轴主要是我们装夹工件的一个基准，而且能够把运动传递到工件上面去，所以我们的主轴的回转的精度对于我们的工件加工的精度是直接相关联的，我们为了保证主轴在工作的时候，高速运转的时候的回转的精度，对于关键的零件要进行精加工和高精度的加工工序才行，并且要选择一些精度跟尺寸都适合我们的主轴的相应的轴承，选择一个比较合理的装配的方案才行。（ 2）高刚度主轴结构的刚度的能力，主要是体现在主轴单元对与外部载荷的一个抵抗的能力的大小 9。特别是在进行铣削工序的时候，往往切削的量都比较大，这样的话就收到非常大的一个径向的力的大小，我们为了要保证主轴的加工精度，防止在加工的时候震动过大，就对我们的主轴结构要求有很高的刚度，尤其是在径向的刚度的能力。（ 3）抗振性强对于加工设备来说，震动往往能够影响到加工零件的精度 12。主轴在加工工作的适合，收到很大的冲击的作用力，以及收到交变应力的作用，这样往往会 4 产生很大的震动。震动也是我们对于机床主轴的一个考评的标准 13。因为如果在超出范围的振动的话，往往会产生很大的噪音，并且会对我们的零件的加工质量产生很大的影响，对我们的刀具也会有影响，严重的时候还会出现打刀的情况发生。所以说，我们的电主轴的抗振性能一定要好才行。（ 4）电机特性优良一般来说对于铣削加工设备，都要求能够适合各种型号的零件进行加工，加工的适应面要广才行，所以就对我们的主轴有着比较高的要求，我们的主轴对于加工的转速，不仅要有比较好的低速的加工要求，还要有很好的高速的加工性能。（ 5）热特性稳定因为我们的电主轴加工，转速都比较大，里面的电机会产生很大的热量，并且我们的主轴是在机床的主轴部件的里面，在这么热的温度下，很容易产生热变形的情况，这些都会对我们的机床的整体的性能和加工的精确度产生影响的，所以就对我们的电主轴的热稳定性要球要高。本次在前提掌握机床主轴的基本知识的同时；掌握机床主轴设计的技术关键；研究数控机床主轴单元的关键技术，并熟悉的掌握主轴的相关的学习和知识的应用，对于零件的选型，跟具体的计算这些。完成数控铣床主轴单元的设计，本次的数控铣床的电主轴工作的转速可达 8000r/出功率可达 5主轴使用 40 把不同的刀具。 5 3 电主轴结构设计电主轴结构图原理我们的电主轴的结构主要是包括了主轴箱的本体跟检测装置以及辅助结构这些部分，电机的转子部分采用的是一种压配的形式，让转子跟主轴成为一起，并使用前后轴承进行对主轴实现支撑作用。对于主轴的转速的大小是用过主轴里面的驱动的模块来实现控制，并且通过一个冷却的结构来对我们的主轴单元内的温度进行一定的冷却的作用。在主轴的后面结构我们往往都安装松刀油缸和旋转的接头，主轴的前端部分的内锥孔跟端面被我们用来安装刀具跟我们的刀具夹爪。主轴伺服驱动器的选择伺服控制器是我们的主轴上的比较重要的零部件 14。伺服控制器在主轴上用的比较普遍，通过伺服控制器能够非常的准确的实现精确的来控制，我们这次用的伺服的控制器是深圳步科的伺服控制器，相对来说，这类的伺服控制器有着比较好的控制性能，可以控制我们的主轴实现高速运转，使用的可靠性能非常的好，并且能够让我们的主轴在允许的转速的范围之内实现一定量的无极变速的要求，在变速的性能方面，非常的好用，能够满足我们对于不同种类的零部件加工过程当中的各种要求。控制器的具体的相关的技术参数和内容如下：控制器等级：75 3 倍额定转矩输出）调速范围： 0r/15000r/级电机）； 0r/30000r/级电机）；本次的电机的主功率为 5速8000r/以采用此种的伺服驱动器可以满足要求。主轴的转子和定子的设计我们的电主轴的定子部分是通过有着非常高的导磁率的优质材料生产出来的 15。转子结构是我们的电机的旋转的主要的结构，他的主要的作用呢，是把定子的磁场能进行转化，编程我们需要的机械能，并且对我们的主轴进行带动，实现旋转的作用，转子的主要结构百科了鼠笼和转子贴心跟转轴这结构部分形成的。本次我们用的电主轴的转子的结构，他的尺寸是外径 2b 152子内孔的直径的大小 2a 97子的轴向的长度的大小是 180子配合面的 6 有效的接触的长度的大小尺寸是 B 158轴配合面的基本的尺寸大小是：外径 2a 47，内孔直径为 2c 16。电机的最高转速为 8000r 所以其最大角速度 37.3 s。额定功率为 5定转矩为 50 Ce= Ci= 电机的转子和我们的主轴的结构使用的材料都是钢的材料，这种材料的相对的弹性模量 E 011N 泊凇比主轴配合面间的摩擦系数机转子衬套材料的许用应力为 287N 轴材料的许用应力为 567 N 我们要主轴满足高速旋转的具体要求，电机的转子部分和我们的主轴的配合面之间的动态的过盈分量的最小值由下式求得： 32222 )1)(23)(1( E C e = 要满足电主轴的扭矩传递能力，电机转子与主轴配合面之间的静态过盈分量的最小值 )1( 2 (2211 +2211 )= 根据计算以后，我们可以知道，我们的高速电主轴结构要求的动态的过盈量其要求的静态过盈量的 6 倍多，所以，高速主轴的过盈量主要由通过我们的动态过盈量来定的。高速电主轴的最小过盈量据此，在型电主轴设计中，主轴与电机转子的配合采用 66种配合的实际最小过盈量为能满足电主轴的高速传动要求。其实际的最大过盈量为合面实际产生的最大正压力为： )(1)1)(1(222 m a =(N/ 电机转子内孔配合面上具有最大的切向拉应力最大的径向压应力值为： 7 r=a)=(N/ r=a)=221( =(N/ 主轴的 r）和 i（ r）均为压应力，其中主轴的配合面上具有最大的径向压应力主轴内孔壁处具有最大的切向压应力值为： r=a)=(N/ r=c)=2 =(N/ 由此可见，电主轴的危险点在电机转子的内侧，根据第三强度理论： (N/电机转子衬套材料的许用应力为 287 N ，使用安全。轴承的选择轴承的选择对于我们的整体结构来说是比较重要的，轴承是跟我们的轴是相连的，对于轴承进行选择的时候，要进行对轴分析才是，我们的轴进行受力分析后得知，我们的轴承收到的大概的一个载荷是在 30004000N 的范围左右，这个载荷的大小数值，在一个中等的载荷范围，所以我们选用的是球轴承。并且还要对轴的转速进行分析，球轴承跟滚子轴承来说的话，球轴承有着更高的极限的转速大小，电主轴的转速在 10008000r/以我们优先选择的是球轴承。最后轴承在承受径向载荷的时候，还有承受到一个不大的轴向的载荷大小，所以选用深沟球轴承和角接触轴承。故在主轴的两端分别采用了角接触球轴承和深沟球轴承，成对安装角接触球轴承（ 292可同时承受径向载荷和轴向载荷。它能在较高的转速下工作，接触角越大，轴向承载能力越高。深沟球轴承结构用的比较广泛，也是使用的最普及，最有达标线的滚动轴承零部件，能够普遍的满足高速的旋转要求，并且使用的周期很长，基本上可以说是经久耐用了，在后期的使用过程中，不用怎么维护，并且使用的时候的摩擦因素不大，尤其是在一些对于轴向的受力载荷非常大的高速运转的过程中，就比其他的推力球轴承更好用，性能就更加好。 8 冷却系统的设计由于电主轴在加工的过程中是高速的运转，所以说会产生大量的热量，并且轴承也会因为摩擦产生很大一部分的热量，这些热量的产生是很普遍的。尤其是在机床的内外部分的热量的产生，各个地方的热量不同，这些都会对我们的零部件产生影响，尤其是对我们的加工的产品的质量和精度有一定的影响，所以要对我们的电主轴的冷却系统进行一定的工艺改善才行，由此来实现改变电主轴的温度，尽量的减少电主轴的热膨胀的发生，这些对于电主轴的使用时间和性能都是很关键的。热源的主要构成电动机和轴承是主要的发热源。具体的热源主要可分为三部分：（ 1）电主轴的电机处在我们的机床主轴的内部中，高速运转的过程中会生产很大的热量，导致结构内部温度升高。（ 2）电机的转子的高速运动，也会带动我们结构内部的空气产生一定的发热现象。（ 3）随着主轴转速的升高，主轴轴承的摩擦所产生的发热量也随之增大 5。主轴传动的热平衡计算我们的高速电主轴在运行的过程中，由于电主轴的相对的转动的速度很高，高速转动的时候会生产很大的热量，在电主轴的内部结构中，如果我们没办法把这里面的那些热量都给带出来的话，这样的话，内部的温度就会比较高，高温就会对整体结构的润滑系统产生影响，如果把润滑油稀释了，就会对整个系统产生很大的摩擦，对我们的整体结构的磨损会增加，对结构的寿命都是不好的，因此呢，我们就一定要按照单位时间内的发热量 1 等于同时间内的散热量 2 的条件进行热平衡计算，以保证油温稳定在规定的范围内。由于摩擦损耗的功率 )1( 产生的热流量为：）（ 11 0 0 01 P 式中， P 为主轴传递的功率，以自然冷却方式，从箱体外壁散发到周围空气中去的热流量 2（单位为 W）为， 9 ）（ 12 式中：d 箱体的表面传热系数，可取d=（ W/ ( C)，当周围空气流通良好时，取偏大值； S 内表面能被润滑油所飞溅到，而外表面又可为周围空气所冷却的箱体表面面积，油的工作温度，一般限制在 6070 C，最高不应超过 80 C；周围空气的温度，常温情况可取为 20C；按热平衡条件 1= 2，可求得在既定工作条件下的油温位为 C)为： )1(1000 为了保持正常工作温度所需要的散热面积 S，当 80，而总效率，估取 =P=5以 21 0 0 0 (1 )() 263 . 2 5 m 3 . 2 5 1 0d o m 因此只要散热面积 0 ，主轴的在工作条件下的油温 0却系统的散热面积 S: 22 式中： r 冷却管道的内壁半径 R 冷却管道的外壁半径 L 冷却管道的长度故因此可以说明我们的主轴的冷却系统的热平衡是稳定的。 10 4 主轴的设计主轴的主要结构参数对于主轴的整体结构设计的话，我们主要考虑的参数有主轴前端轴悬伸出量跟我们主轴主支承间的跨距的大小，这些数值的大小，是否合理的话都会对我们的主轴的旋转加工的精度以及主轴在工作的时候的一个刚度的定量产生影响的。前端悬伸量我们的主轴的端盖的结构形式往往决定了主轴的前端悬伸量的大小，对于前支承轴承的结构和密封结构的具体的外形跟尺寸的大小，由结构设计来确定。主支承间的跨距主轴主支承间的跨距的大小是我们的主轴结构获得最大的静刚度的一个比较关键的条件 16。如果跨距比较小的话，对于我们主轴来说的话，弯曲变形量肯定是比较小的，但是呢，会由于支承变形产生的主轴前端的移动量就变大了。如果跨距大的话，往往也会造成主轴的完全的时候的变形量比较大，也会造成主轴前端产生比较大的位移，我们正常情况下取 L=(23.5)a。构造主轴的构造往往是要具体参考，我们对于主轴的具体要求，尤其是我们要在主轴上安装什么样的刀具和夹具，传动件是怎样的，还有我们选用的轴承是什么类型的，以及这些零部件的数量和安装的方式和安装的位置这些，我们在具体设计的过程中，还要更多的考虑主轴的加工的性能，以及工艺方面的要求和装配的性能要求这些。我们这次设计的主轴使用的是空州的形式，它的前端的形式主要是根据我们使用的数控铣床单的类型来定的，后端的部分主要是根据我们要安装的刀具来具体定的。材料和热处理对于我们的主轴，他在加工过程中有受到很大的载荷和冲击力，所以要求有一定的刚度才行，然而主轴的刚度的大小又跟我们的主轴的材料的弹性模量于各种钢材的 E 值相差无几（ E 2 11011N 故影响 11 不大。一般情况下，主轴的材料的选择要根据我们的主轴在使用加工过程中的对耐磨的性能要求，以及他的热处理加工以后的变形量的数值来进行确定的。主轴选用 45 号优质中碳钢，与球轴承连接的部分需调质淬火处理。轴的轴径由于转子是套在主轴上的，所以主轴受到转子的重力。转子的外径 R=87小径 r=48以转子的体积 V= ( 22 (B 是转子和主轴的有效接触长度 )， V= ( 22 =106 103 转子的材料上文有提到是钢材， =g/以转子的重力： G= (N) 按扭转强度条件计算轴的最小直径这种方法是只按轴所受的扭矩来计算轴的强度 3； 5 0 0 0 03 式中： T 扭转切应力， T 轴所受到的扭矩， N 轴的抗扭截面系数， n 轴的转速， r/ P 轴传递的功率， d 计算截面处轴的直径， T 许用扭转切应力，表 4 4常用几种材料 T 及轴的材料 20 35(145 403583 T /525 2035 2545 3555 49126 135112 12610 11297 12 3 由上式可得轴的直径： 2,09 5 5 0 0 0 0 5 0 0 0 0 对于空心轴，则： )1( 43 =d1/d，即空心轴的内径外径 d 之比，取所以： d 25 轴的强度校核计算轴的强度对于我们的加工的产品的质量和精度都有比较大的影响的，主轴在工作的时候，主切削力和预紧力跟转子的重力这些都会对我们的主轴的强度产生影响的，往往会对主轴在我们的垂直的平面上出现一个弯曲变形的情况，并且在径向的切削力有会让我们的轴在水平放心有一个弯曲的变现作用，先求取垂直面支点反力算相应的弯矩转矩 T 和弯矩的共同作用下，按照第三强度理论轴的应力计算公式如下。 22 )(4 （ 4 式中的弯曲应力为对称循环变应力。到扭转切应力为静应力时，取；当扭转切应力为脉动循环变应力时，取；若扭转切应力为对称循环变变应力使，则取 1 3。对于直径为 d 的圆轴，弯曲应力为：（ 4 扭转切应力为：（ 4 将和代入式（ 4则轴的弯扭合成强度条件为 13 1222224 4 式中：轴的计算应力， M 轴所受的合成弯矩， 22 ，； T 轴所受的扭矩，； W 轴的抗弯截面系数，323 ， 3 1 许用应力，在抵挡工作时取本设计中扭转切应力为脉动循环变应力，所以取。整理后式（ 4以写成 3： )213422 4 因为传动对我们的主轴起到减速的效果，在我们进行具体的加工的时候，是没有进行工作的。所以我们没必要去对同步带轮的圆周力进行考虑，所以此时只有垂直方向上的皮带预紧力 Q。在水平面上根据力平衡和力矩平衡可列出方程组： )4321(F)21( （ 4 代入各已知参数列出： 1332 力简图画出水平面的弯矩图： 14 图 4在垂直面上的受力分析较为复杂其受力模型如图图 4直面受力模型在垂直面上根据力平衡和力矩平衡可列出方程组： 43 V 221 4 带入各已知参数列出：。得出力后求出弯矩图如下：图 4直面弯矩图根据 22得出合成弯矩图 15 图 4成弯矩图图 4矩图将各已知参数代入式（ 4得出： )2 134 2234 22 d 故主轴符合强度要求。轴的刚度校核计算对于轴的刚度来说的话，我们主要的标准是通过轴的扭矩的变形来衡量的，轴的扭矩变形主要是按照每米长度上的扭矩角度来表示。圆轴的扭转角是单位为（） /m，扭角的大小跟我们的轴的长度的大小是密切相关的。我们要尽量的消除长度的影响的话，一般来说是用的单位的长度的转角来表示扭转变形的一个具体的程度。 16 在工程中常限制单位长度转角的最大值 =的最大值不得超过单位长度许可转角。因此，扭转的刚度条件表述为对于空心圆轴： 180)1(32 44 (4对于不同的机械和轴的工作条件，可从有关手册中查到单位长度许可转角的值。精密机械传动轴： =（ /m 一般传动轴： =（） /m 精度要求不高的轴： =（ 1/m 车床电主轴应该属于一般传动轴，所以选择 m，根据式（ 4： 4 42 )1( 1 8 032 G m=38 于主轴的最小直径 D=45以符合刚度要求。 17 5 轴承的校核轴承是我们电主轴的比较关键的零部件，轴承的质量对于我们的电主轴的性能和工作的稳定性都有着很大的影响，我们在综合对电主轴的使用周期进行分析，必须对轴承进行一定的校核才行。滚动轴承结构在我们工作的时候有可能会出现失效的情况，这种失效的种类也比较多，其中套圈跟滚动轴承的表面的疲劳点蚀是作为我们的滚动轴承最为普遍的一种基本的失效的种类，在实际的工作当中，这种失效经常看到，所以我们把这种失效的形式看做为我们的滚动轴承的使用寿命的一个参考，当我们的轴承失效了以后，在工作的高速运转时候，就会出现很强的震动，以及很大的噪音跟发热的情况。滚动轴承的使用的寿命主要就是指的我们的轴承第一次出现点蚀之前，轴承的转速或相应的运转小时数。滚动轴承的承载能力计算主要是指轴承的寿命计算。角接触球轴承的校核轴承轴向载荷 f=N)，径向载荷 N)，轴承转速1000r/轴承处的轴颈直径可在 7080围内选择，由于数控铣床是属于每日 8h 工作的机械（利用率高），所以选预期计算寿命 L

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