320mm数控车床主传动系统的机械结构设计毕业论文

摘要近年来，我国机械制造业的自动化生产技术有了较快的发展。据统计，生产过程中材料、半成品的输送、定向及设备的上、下料等辅助工序所花的费用约占全部加工费用的三分之一，所花时间约占全部加工时间的三分之二以上。为了解决上述问题，发展了一种用计算机以数字指令方式控制的数字控制机床。数控机床的应用几乎已扩展到所有加工领域，许多工厂为了适应产品的频繁更新，提高加工精度、降低生产成本、缩短产品交货周期和减轻劳动强度等目的，在中等批量、甚至大批量生产中也应用了数控机床，即使在5000件的生产批量下加工结构形状不太复杂的零件，使用数控机床也能取得良好的经济效益。320MM数控车床为全能型加工车床，可进行多次重复循环加工，特别适合于汽车、石油机械、军工等多种行业的机械加工，主要用于轴类、盘类的精加工和半精加工，可以加工内、外圆柱表面、锥面、车削螺纹、镗孔、铰孔以及各种曲线回转体。可根据用户要求配置手动、电动、液压卡盘和手动、电动、液压尾座等。机床防护有全防护、封闭防护两种形式。关键字数控车床；精加工；液压尾座ABSTRACTINRECENTYEARS,THEAUTOMATIONPRODUCTIONTECHNIQUEOFTHEOURCOUNTRYMACHINEMANUFACTURINGINDUSTRYCONTAINQUICKERDEVELOPMENTACCORDINGTOTHECOVARIANCE,MATERIALINTHEPRODUCTIONLINE,THESEMIPROCESSEDGOODSTRANSPORT,DEFINITEDIRECTIONANDEQUIPMENTSOFUP,BOTTOMANTICIPATETHEETC,THEEXPENSESTHATTHEASSISTANCEWORKPREFACESPENDABOUTHASALL1/3OFPROCESSTHEEXPENSES,TIMESPENDABOUTHASALL2/3OFPROCESSTIMEISABOVEFORRESOLVINGTHEABOVEMENTIONEDPROBLEM,PRODUCEAKINDOFNUMERALCONTROLTOOLMACHINETHATCONTROLSBYNUMERICALINSTRUCTIONWITHTHECALCULATORTHEAPPLICATIONTHATNUMBERCONTROLSTHETOOLMACHINEALMOSTHASALREADYEXPANDTOALLPROCESSTHEREALMMANYFACTORYFORTHESAKEOFTHEMULTIFARIOUSRENEWALOFTHEORIENTATIONPRODUCT,THEEXALTATIONPROCESSESTHEACCURACY,LOWERSTHEPRODUCTIONCOSTANDSHORTENSTHEPRODUCTTODELIVERGOODSTHEPERIODANDEASETOLABORTHESTRENGTHETCPURPOSE,ALSOAPPLIEDTHENUMBERTOCONTROLTHETOOLMACHINEINWINWAITBATCHQUANTITY,EVENMASSPRODUCE,EVENPROCESSTHENOTTHATCOMPLICATEDSPAREPARTSOFTHESTRUCTURESHAPEUNDER5000PIECESPRODUCTIONBATCHQUANTITIES,USINGTHENUMBERTOCONTROLTHETOOLMACHINEALSOCANOBTAINGOODECONOMICPERFORMANCE320MMTHENUMBERCONTROLSTHELATHERTOPROCESSTHELATHERFORTHEOMNIPOTENTTYPE,CANCARRYONMANYREPETITIONSTOPROCESSCIRCULARLY,SPECIALSUITABLEFORAUTOMOBILE,PETROLEUMMACHINE,THESOLDIERWORKETCTHEMACHINEOFVARIOUSPROFESSIONPROCESS,MAINLYUSINGFORSTALK,DISHSPROCESSTOPROCESSWITHTHEHALF,CANPROCESSINSIDE,THEOUTSIDECYLINDERSURFACE,FACE,THECARPARESTHREAD,BOREOF，BOREOFANDVARIOUSCURVESTURNOVERBODYCANREQUESTTOINSTALLTOMOVEACCORDINGTOTHECUSTOMER,DYNAMOELECTRIC,THELIQUIDPRESSESTHECARDDISHANDHANDSTOMOVE,DYNAMOELECTRIC,THELIQUIDPRESSESTHETAILTHETOOLMACHINEPROTECTIONCONTAINWHOLEPROTECTION,CLOSETWOKINDSOFFORMSOFPROTECTIONKEYWORDSTHENUMBERCONTROLS；THELATHERTOPROCESS；THELIQUIDTOPRESSTHETAIL目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111课题背景及目的112国内外研究现状及发展趋势2121数控系统的发展趋势2122我国数控车床的研究现状及发展趋势2第2章320MM数控车床721320MM数控车床简介722机床主要技术参数和连接尺寸823机床精度的选择824电动机的选择10241选择电动机类型10242选择电动机容量10243确定电动机的转速1125无级变速的主传动系统设计1126主轴组件的基本要求11261旋转精度12262静刚度12263抗震性12264温升和热变形13265耐磨性13第3章数控机床的主轴及其机械结构1431对主轴驱动的要求14311主传动要有宽的调速范围及尽可能实现无级变速14312功率大14313动态响应性要好15314精度高15315旋转轴联动功能15316恒线速度切削功能1532初选主轴直径1533传动轴直径1834确定带轮直径1835普通V带的设计18第4章轴承选用与寿命计算2741轴承选用2742轴承的寿命计算2843轴承的润滑与密封28431主轴滚动轴承的润滑29第5章箱体的设计3151箱体的结构特点及技术要求31511箱体的结构要求31512箱体的主要技术要求3152壁厚的选择32结论33致谢34参考文献35CONTENTSABSTRACTICHAPTER1INTRODUCTION111BACKGROUNDANDOBJECTIVE112THETRENDOFDOMESTICANDINTERNATIONALRESEARCHSTATUSANDDEVELOPMENT2121THETRENDOFNCSYSTEMDEVELOPMENT2122THETRENDOFCHINASCNCLATHERESEARCHSTATUSANDDEVELOPMENT2CHAPTER2320MMNCLATHE721320MMCNCLATHE722THEMAINMACHINETECHNICALPARAMETERSANDCONNECTIONSIZE823THESELECTIONOFTHEPRECISIONOFTHEMACHINETOOL824MOTORSELECTION10241THESELECTIONOFMOTORTYPE10242SELECTIONOFMOTORCAPACITY10243THESELECTIONOFTHEMOTORSPEED1125THEDESIGNOFSTEPLESSMAINDRIVINGSYSTEM1126THEBASICREQUIREMENTSOFMAINCOMPONENTS11261THEROTATINGACCURACY12262THESTATICSTIFFNESS12263THERESISTANCEOFEARTHQUAKE12264TEMPERATURERISEANDTHERMALDEFORMATION13265THERESISTANCEOFWEAR13CHAPTER3CNCMACHINETOOLSPINDLEANDITSMECHANICALSTRUCTURE1431THEREQUIREMENTSOFSPINDLEDRIVE14311THEMAINDRIVETOAWIDESPEEDRANGEANDPOSSIBLETOREALIZESTEPLESSSPEED14312HIGHPOWER14313BETTERDYNAMICRESPONSE15314HIGHPRECISION15315THEFUNCTIONOFROTATIONAXIS15316CONSTANTLINESPEEDANDCUTTINGFUNCTION1532THEPRIMARYCHOSENOFSPINDLEDIAMETER1533THEDIAMETEROFDRIVESHAFT1834THEDETERMINATIONOFTHEBELTWHEELDIAMETER1835THEDESIGNOFCOMMONVBELT18CHAPTER4SELECTIONANDCALCULATIONOFFATIGUEBEARINGLIFE2741THESELECTIONOFBEARING2742THECALCULATIONOFBEARINGLIFE2843BEARINGLUBRICATIONANDSEALING28431THELUBRICATIONSPINDLEROLLINGBEARING29CHAPTER5THEDESIGNOFBOX3151THESTRUCTUREOFBOXBODYCHARACTERISTICSANDTECHNICALREQUIREMENTS31511THEREQUIREMENTSOFBOXBODYSTRUCTURE31512THEMAINTECHNICALREQUIREMENTSOFBOX3152SELECTIONOFWALLTHICKNESS32CONCLUSION33THANKS34REFERENCE35第1章绪论11课题背景及目的我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有1134万台，即我国机床数控化率不到3。近10年来，我国数控机床年产量约为0608万台，年产值约为18亿元。机床的数控化率仅为6。这些机床中,役龄10年以上的占60以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品国内、外市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。而相对于传统机床，数控机床有以下明显的优越性1、可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。2、可以实现加工的柔性自动化，从而效率比传统机床提高37倍。3、加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。4、可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。5、拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，可实现长时间无人看管加工。因此，采用数控机床，可以降低工人的劳动强度，节省劳动力（一个人可以看管多台机床），减少工装，缩短新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应。此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。由于以上优越性，数控机床所占的比例逐渐增大。从2005年的市场消费内容也可可看出,普通机床的市场份额在下降,数控机床则大幅度增长，尤其是中高档数控机床供不应求。可以预见，未来几年普通机床的市场份额将不断下滑,数控机床的消费会逐渐扩大。12国内外研究现状及发展趋势121数控系统的发展趋势自从1951年计算机技术应用于机床上，数控系统经历了数控（NC）和计算机数控（CNC）两个阶段的发展。目前，数控系统正处于第六代基于PC（PCBASED）1。未来数控系统将呈以下发展趋势1继续向开放式、基于PC的第六代方向发展基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。2向高速化和高精度化发展3向智能化方向发展1应用自适应控制技术向高速化和高精度化发展数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。2引入专家系统指导加工将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。3引入故障诊断专家系统4引入动装置智能化数字伺服驱动系统可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。122我国数控车床的研究现状及发展趋势1研究现状我国数控车床从20世纪70年代初进入市场，至今通过各大机床厂家的不懈努力，通过采取与国外著名机床厂家的合作、合资、技术引进、样机消化吸收等措施，使得我国的机床制造水平有了很大的提高，其产量在金属切削机床中占有较大的比例。目前，国产数控车床的品种、规格较为齐全，质量基本稳定可靠，已进入实用和全面发展阶段2。1床身按照床身导轨面与水平面的相对位置，床身有图11所示的5种布局形式。一般来说，中、小规格的数控车床采用斜床身和平床身斜滑板的居多，只有大型数控车床或小型精密数控车床才采用平床身，立床身采用的较少。平床身工艺性好，易于加工制造。由于刀架水平放置，对提高刀架的运动精度有好处，但排屑困难；刀架横滑板较长，加大了机床的宽度尺寸，影响外观。平床身斜滑板结构，再配置上倾斜的导轨防护罩，这样既保持了平床身工艺性好的优点，床身宽度也不会太大。斜床身和平床身斜滑板结构在现代数控车床中被广泛应用，是因为这种布局形式具有以下特点1容易实现机电一体化；2机床外形整齐、美观，占地面积小；3容易设置封闭式防护装置；4容易排屑和安装自动排屑器；5从工件上切下的炽热切屑不至于堆积在导轨上影响导轨精度；6宜人性好，便于操作；便于安装机械手，实现单机自动化。2导轨车床的导轨可分为滑动导轨和滚动导轨两种。滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点。但传统滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。目前，数控车床已不采用传统滑动导轨，而是采用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。它们具有摩擦性能良好和使用寿命长等特点。滚动导轨的优点是摩擦系数小，动、静摩擦系数很接近，不会产生爬行现象，可以使用油脂润滑。根据滚动体的不同，滚动导轨可分为滚珠直线导轨和滚柱直线导轨。后者的承载能力和刚度都比前者高，但摩擦系数略大。A后斜床身斜滑板B直立床身直立滑板C平床身平滑板D前斜床身平滑板E平床身斜滑板图11床身布局型式3主轴变速系统经济型数控车床大多数是不能自动变速的，全功能数控车床的主传动系统大多采用无级变速。目前，无级变速系统主要有变频主轴系统和伺服主轴系统两种，一般采用直流或交流主轴电机，通过带传动带动主轴旋转，或通过带传动和主轴箱内的减速齿轮带动主轴旋转。由于主轴电机调速范围广，又可无级调速，使得主轴箱的结构大为简化。4刀架系统按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式。排式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒料或盘类零件为主。回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架，通过刀架的旋转分度定位来实现机床的自动换刀动作，根据加工要求可设计成四方、六方刀架或圆盘式刀架。根据刀架回转轴与安装底面的相对位置，回转刀架分为立式刀架和卧式刀架两种。排刀式刀架和回转刀架对刀具的数目有一定的限制，当需要数量较多的刀具时，应采用带刀库的自动换刀装置。5进给传动系统数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统，按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。前者定位精度低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉；后者控制精度高、快速性能好，但它对机床的要求比较高，且造价较昂贵。闭环系统中采用的位置检测装置有脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和激光干涉仪等。数控车床的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机。伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机之分。前者由于具有可靠性高、造价低等特点而被广泛采用。2发展趋势1高速、高精密化当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高。另一方面，电主轴和直线电机的成功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的直线导轨副等机床功能部件的面市，也为机床向高速、精密发展创造了条件。2高可靠性3数控车床设计CAD化、结构设计模块化采用CAD技术以替代人工完成繁琐的绘图工作，进行设计方案选择和大件整机的静、动态特性分析、计算、预测及优化设计，以及对整机各工作部件进行动态模拟仿真。这样大大提高了工作效率，提高设计的一次成功率，从而缩短试制周期，降低设计成本，提高市场竞争能力。4功能复合化扩大机床的使用范围、提高效率，实现一机多用、一机多能，即一台数控车床既可以实现车削功能，也可以实现铣削加工。5智能化、网络化、柔性化和集成化。，第2章320MM数控车床21320MM数控车床简介该车床为水平床身结构，机床外观造型为半封闭滑动防护门结构。车床的床座采用优质铸铁整体铸造而成，不但提高了机床的整体刚性，而且具有较好的吸振性。主轴变速有两种方式，一种为手动集中变速方式，所有变速机构都集中在主轴箱内，通过数控系统对双速电机的控制，在每一个手动变速档下，可以有高、低两档自动变速。另一种为无级变速方式，由交流变频调速电机通过三角胶带直接带动主轴，在这种情况下，车床主轴采用高精度主轴专用角接触球轴承支承，并采用高速润滑脂润滑。车床的进给轴由混合式步进电机（或交流伺服电机）直接驱动滚珠丝杠副，带动溜板运动。为了提高进给轴的动态响应时间，减少摩擦和磨损，车床的移动副都采用了贴塑工艺。车床的移动导轨副和滚珠丝杠副的润滑采用手动集中润滑系统（或间歇式自动润滑系统），方便了各润滑点的润滑。该车床配置了立式四工位电动刀架，可一次装夹四把刀具，便于工件一次装夹，多工序加工。对进给轴进行开环（或半闭环）控制。该车床适用于中、小型轴类、盘套类零件的内、外圆柱面、圆锥面、圆弧面、端面和螺纹面的加工，特别适用于批量生产的加工中。22机床主要技术参数和连接尺寸表21机床的技术参数23机床精度的选择选择机床的精度等级应根据典型零件关键部位加工精度的要求来定。项目单位参数床身上最大回转直径MM320最大工件长度MM750刀架上最大回转直径MM170主轴通孔直径MM55主轴内孔锥度莫氏6号主轴头部形式A25主轴转速级数无级主轴转速范围RPM502500进给轴快速移动速度MM/MIN7000（X轴减半）进给轴驱动电机功率KW10进给轴最小设定单位MM0001进给轴重复定位精度MMX轴0007Z轴001主电机功率KW55电动刀架刀具容量支4尾座套筒内孔锥度莫氏6号加工标准试件的表面粗糙度RAM16外形尺寸（长宽高）MM210010501500机床净重/机床总重KG1900/2100表22精度项目普通型精密型单轴定位精度001/0300或全长0005/全长单轴重复定位精度00060003铣圆精度003004002数控机床的其它精度与表中所列数据都有一定的对应关系。定位精度和重复定位精度综合反映了该轴各运动元部件的综合精度。尤其是重复定位精度，它反映了该控制轴在行程内任意定位点的定位稳定性。这是衡量该控制轴能否稳定可靠工作的基本指标。目前的数控系统软件功能比较丰富，一般都具有控制轴的螺距误差和累积误差可以用螺距补偿功能，能对进给传动链上各环节系统误差进行稳定的补偿。如丝杠的螺距补偿来消除。但这是一种理想的做法，实际造成这反向运动量损失的原因是，存在驱动元部件的反向死区、传动链各环节的间隙、弹性变形和接触刚度等变化因素。其中有些误差是随机误差，它们往往随着工作台的负载大小、移动距离长短、移动定位的速度改变等反映出不同的损失运动量。这不是一个固定的电气间隙补偿值所能全部补偿的。所以，即使是经过仔细的调整补偿，还是存在单轴定位重复性误差，不可能得到高的重复定位精度5。总之，力求提高每个数控坐标轴的重复定位精度是机床制造厂和用户的共同愿望。铣圆精度是综合评价数控机床有关数控轴的伺服跟随运动特性和数控系统插补功能的指标。由于数控机床具有一些特殊功能，因此在加工中等精度的典型工件时，一些大孔径、圆柱面和大圆弧面可以采用高切削性能的立铣刀铣削。测定每台机床的铣圆精度的方法是用一把精加工立铣刀铣削一个标准圆柱试件；中小型机床圆柱试件的直径一般在左右。将标准圆柱试件放到M302圆度仪上，测出加工圆柱的轮廓线，取其最大包络圆和最小包络圆，两者间的半径差即为其精度（一般圆轮廓曲线仅附在每台机床的精度检验单中，而机床样本只给铣圆精度允差）从机床的定位精度可估算出该机床在加工时的相应有关精度。如在单轴上移动加工两孔的孔距精度约为单轴定位精度的152倍（具体误差值与工艺因素密切相关）。因此，普通型加工中心可以批量加工出8级精度零件，精密型加工中心可以批量加工出67级精度零件。这些都是选择数控机床的一些基本参考因素。此外，普通型数控机床进给伺服驱动机构大都采用半闭环方式，对滚珠丝杠受温度变化造成的位置伸长无法检测，因此会影响工件的加工精度。24电动机的选择选择电动机的容量时应保证电动机的额定功率、等于或稍大于工作机CDP所需的电动机的功率,即DPCDP工作机所需电动机功率为KW21DWP式中工作机所需功率。指输入工作机轴的功率KWWP有电动机至工作机的总功率KW22950WWTNP式中工作机的阻力矩NMT工作机的转速殊WNR/I运动副效率乘积123N241选择电动机类型按工作要求选用Y系列鼠笼型交流伺服电动机，电压380V,242选择电动机容量各部分的传动效率V带传动效率096滚动轴承传动效率1099编码器传动效率097同步齿形带09523450858145KW0867999WTNP243确定电动机的转速电动机的同步转速越高，磁极对数越少，其重量越轻，外廓尺寸越小，价格越低，而转速越大，价格越高。所以根据条件，选电动机型号为Y132S一4，功率55KW，转速1450R/MIN,最大转矩22NM25无级变速的主传动系统设计数控机床、重型机床和精密机床已广泛地采用直流或交流无级变速电动机，作旋转运动的主轴。从计算转速至最高转速为恒功率区，从计算转速至最低转速为恒扭矩区，恒功率变速范围比恒扭矩变速范围大24倍。直流并激电动机从额定转速向上至最高转速，是采用调节磁场电流的办法来调速的，属DNMAXN恒功率调速从额定转速向下至最低转速，是利用调节电枢电压的方法DMAX来调速的，属于恒转矩调速。普通直流电机的,恒10/IN20/MINDNRR功率调速范围为24。恒转矩调速范围达几十甚至100以上交流调速电机的,额定转速向上至最高转速为恒功率，范围为35,由额定转速至最低转速MAXND为恒转矩，调速范围达几十或超过100。如果用它们驱动做旋转运动的主MAXN轴，则由于主轴要求的恒功率调速范围远大于电动机所能提供的恒功率范围，常用串联分级变速箱的办法来扩大其恒功率调速范围变速箱的公比原则P上应等于电动机的恒功率调速范围。如果为了简化变速机构，取心PR，则电动机的功率应取得比要求的功率大些。PR通过一级带传动实现变速的主传动系统，本机床采用的就是这种传动，其优点是机构简单，安装调试方便，且在一定程序上能满足转速与转矩的输出要求，但调速范围受电机调速范围比的约束。26主轴组件的基本要求与一般传动轴一样，主轴也要在一定的转速下传递一定的扭矩。但是主轴要带着工件或刀具参与切削工作，以形成工件表面。所以，一台机床的加工质量在很大程度上决定于主轴组件的质量。主轴要传递扭矩，直接承受切削力，而且还要满足通用机床、专用机床、数控机床各自不同的要求。261旋转精度主轴组件的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转动的条件下，主轴前端安装工件或刀具部位的径向跳动和轴向跳动。当主轴以工作转速旋转时，由于润滑油膜的产生和不平衡的扰动，旋转精度将有所变化。这一点对于精密、高精度机床尤为重要。主轴组件的旋转精度主要取决于各主要件，如主轴、轴承、箱体孔等的制造、装配和调整精度。旋转精度还决定于主轴转速、支撑的设计和性能，润滑剂以及主轴组件的平衡。262静刚度主轴组件的静刚度反映组件抵抗静态外载荷变形的能力。主轴组件的弯曲刚度定义为使主轴前端产生单位位移时，在位移方向测量所需施加的K力，即，影响主轴组件弯曲刚度的因素很多，如主轴的尺寸和/FNM形状，滚动轴承的型号、数量、配置形式和预紧，滑动轴承的型号和油膜刚度，前后支撑间的距离和主轴前端的悬伸量，传动件的布置方式，主轴组件的制造和装配质量等。各类机床主轴组件的刚度目前尚无统一的标准。263抗震性主轴组件工作时产生振动会降低工件的表面质量和刀具耐用度，缩短主轴轴承寿命，还会产生噪声影响环境。振动表现为强迫振动和自激振动两种形式。主轴组件产生自激振动，不仅严重影响加工质量，甚至使切削无法进行下去。抵抗强迫振动则要提高动刚度，动刚度是指激振力幅值与振动幅值之比。影响抗振性的因素主要有主轴组件的静刚度、质量分布和阻尼。主轴的固有频率应远大于激振力的频率，以使它不易发生共振。目前，尚未制定出抗震性的指标，只有一些实验数据可供设计时参考。264温升和热变形主轴组件工作时因为各相对运动处的搅油等而发热，产生温升，从而使主轴组件的形状和位置发生变化。主轴组件受热伸长，使轴承间隙发生变化。温升使润滑油粘度下降，降低了滑动轴承的承载。主轴箱因温升而变形，使主轴偏离正确位置。前后轴承温升不同，还会导致主轴轴线倾斜。因此，对主轴轴承的温升要做出限制，主轴轴承在高速空转、连续运转情况下的允许温升高精度机床为8度到10度，精密机床和数控机床为15度到20度，普通机床为30度到40度。由于受热膨胀是材料固有的性质，因此高精度机床要进一步提高加工精度，往往受热变形的限制。研究如何减少主轴组件的发热，如何控温，是高精度机床主轴组件研究的重要课题之一。265耐磨性主轴组件的耐磨性是指长期保持原始精度的能力，即精度保持性。对精度有影响的部位首先是轴承，其次是安装刀、夹具或工件的部位，如锥孔，定心轴颈等。此外，还有移动式主轴的工作表面如幢床主轴的外圆，坐标幢床和某些加工中心主轴的套筒外圆等。装有滚动轴承的主轴，支撑处的耐磨性则决定于滚动轴承。如果用滑动轴承，则轴颈的耐磨性在很大程度上影响精度保持性。为了提高耐磨性，一般机床主轴的上述部分应淬硬至HRC60左右，深约1MM。第3章数控机床的主轴及其机械结构31对主轴驱动的要求数控机床的主轴驱动是指产生切削运动的传动，它是数控机床的重要组成部分之一。在数控机床上，主运动的最高与最低转速、转速范围、传递功率和动力特征，决定了数控车床的切削加工效率和加工工艺性能。主轴组件的回转精度、刚度、抗振性能和热变形，直接影响加工零件的尺寸，位置精度和表面质量，随着数控技术的不断发展，现代数控车床对主轴驱动提出了更高的要求。311主传动要有宽的调速范围及尽可能实现无级变速数控加工时切削用量的选择，特别是切削速度的选择，关系到表面加工质量和机床生产率。对于自动换刀数控机床，为适应各种工序和不同材料加工的要求，更需要主传动有宽的自动变速范围。数控机床的主轴变速是依指令自动进行的，要求能在较宽的转速范围内进行无级变速，并减少中间传递环节，以简化主轴箱和降低传动误差。目前数控机床的主驱动系统要求在11001000范围内进行恒转矩和110范围内的恒功率调速。由于主轴电机与驱动的限制，为满足数控机床低速强力切削的需要，常采用分段无级变速的方法，即在低速段采用机械减速装置，以提高输出转矩。312功率大要求主轴有足够的驱动功率或输出转矩，在整个速度范围内均能提供切削所需的功率或转矩，特别是在强力切削时，并且有一定的过载能力和较硬的调速机械特性，即在负载变化的情况下，电机转速波动小。313动态响应性要好要求主轴升降速时间短，调速时运转平稳，对有的数控机床需同时能实现正、反转切削，则要求换向时均可进行自动加减速控制，即要求主轴有四象限驱动能力。314精度高主要指主轴回转精度，要求主轴部件具有足够的刚度和抗振性，具有较好的热稳定性，即主轴的轴向和径向尺寸随温度变化较小，另外，要求主传动的传动链要短。315旋转轴联动功能要求主轴与其他直线坐标轴同时实现插补联动控制，如在车削中心上，为了使之具有螺纹车削功能，要求主轴能与进给驱动实行联动控制，即主轴具有旋转进给轴C轴的控制功能。316恒线速度切削功能为了提高工件表面质量和加工效率，有时要求数控机床能实现表面恒线速度切削，如数控机床对大直径工件端面切削时，要求主轴转速随切削端面的直径变小而变快，并以切削表面为恒线速度的规律变化。32初选主轴直径主轴直径直接影响主轴部件的刚度。直径越粗，刚度越高，但同时与它相配的轴承等零件的尺寸也越大。故设计之初，只能根据统计资料选择主轴直径。车床、铣床、幢床、加工中心等机床因装配的需要，主轴直径常是自前往后逐步减小的。前轴颈直径大于后轴颈直径。对于车、铣床，一般1D2D。21079D表31几种常见的通用机床钢质主轴前轴颈主电机功率55751115卧式车床6090MM75110MM90120MM100160MM升降台铣床6090MM75100MM90110MM100120MM外圆磨床5575MM7080MM7590MM75100MM为了提高刚度，主轴的直径应尽量大些。前轴承至主轴前端的距离应尽可能小些。为了便于装配，主轴常做成阶梯形的。主轴的结构与形状和主轴上所安装的传动件、轴承等零件的类型、数量、位置和安装方法有直接的关系。为了便于在主轴上安装各种标准刀具或夹具，前端用双键传递扭矩。前端圆螺母用来调整刀具的轴向位置，平键用来传递扭矩。图31主轴前端主轴中孔用于通过拉杆。为了能通过更粗的棒料，车床的中孔直径希望大些，但受刚度条件的限制，孔径不宜超过外径的70。多数机床主轴中心有孔，主要用来确定棒料或安装工具，主轴内孔直径在一定范围内对主轴刚度影响很小。若超出此范围则能使主轴刚度急剧下降。由材料力学可知，刚度K正比于截面惯性矩I，它与直径之间有下列关系44K1/6DID空空实实（）一般，07对刚度影响不大，若07将使刚度急剧下降。所以前轴颈95MM，后轴颈0708570MM1D21主轴前端悬伸量的选择主轴悬伸量是指主轴前支承径向作用点到主轴前端受力作用点之间的距离，无论从理论分析还是从实际测试的结果来看，主轴悬伸量A值愈小愈能提高主轴部件的刚度。因此，确定主轴悬伸量A的原则是在满足结构要求的前提下尽可能取小值。1主轴悬伸量与前轴径直径之比114MM06159A2根据查表，计算前支承刚度AK17001385N/MM因为后轴承直径略小于前轴承，取AK14D5，则99N/MMBB计算综合变量故取弹性模量E2X302AEIK5102NM48906DD643确定最佳跨距查表之点，向上做垂线与的斜直线相交，由交点向左作021ABK平线和纵坐标轴相交，得，所以215MM018LA0L合理跨距的范围为之间合理752436合理（）图32普通V带33传动轴直径MM31491CPDN式中计算转速，1450CNMIRIR输入功率KW，55X096528KWPP允许扭转角，15EGDEGM650MM花键6X21X25X5D34确定带轮直径查机械设计第七版，表83，得小带轮基准直径125MM1D大带轮直径由公式MM1227D35普通V带的设计1确定计算功率DP查表查得工作情况系数11AK1155605KWDP2选取普通V带带型根据、N确定选用B型。3初选中心矩0700MM0A4计算带的基准长度0DLMM2012024DDLAMM201752752196440DL5选择带基准长度DL查1800MMD6实际中心矩A2AB148DDL2MM107531AMM28BMM351057A7小带轮包角1211SIN984DA8带速VM160D5MVS合格2549V9带的挠曲次数U1S10DML合格2945810带的根数Z321DALPK602683195式中包角系数查表AKA长度系数查表LK095LKV带传动功率及其增量经查表，得,。1P183P10取3根Z36同步齿形带设计1设计功率DP查表查得工作情况系数17AKKW17593DP2选取同步带带型根据,N确定选用圆弧齿5M型。3小带轮齿数1Z1MINZI244小带轮节圆直径1DMM19356820P68Z5带速VMS1MAX0DNVMAX45S合格MAX2481366传动比I120NI7大带轮齿数Z2168I8大带轮节圆直径2DMM20D9初定中心矩A120127D88选定500MM010初定带的节线长度及其齿数MMOPLBZ21012024OPDLAA5MM6348选1800MMPL6BZ11实际中心矩AMM02POLMM18345583AM37主轴的刚度计算主轴组件的刚度，可以用有限元法或传递矩阵法结合迭代借助电子计算。1主轴的简化及刚度计算如主轴前后轴承之间由数段组成，则当量直径12NDLDLL953870516MM如果前后轴承颈的直径相差不大，也可把前后轴承颈直径的平均值近似地作为当量直径D。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，也可不计。如主轴前端作用一外载荷F，则挠度32223103SFALLMMEII式中外载荷F前悬伸，等于载荷作用点至前支撑点间的距离A跨距，等于前后支撑间的距离L弹性摸量，刚的MPAE5210截面惯性矩，005MMII4ID轴的外径和孔径MMDI将及之值代入，可得2430SIFLAD如，则孔的影响可忽略5ID242106871395SLM弯曲刚度420ISSDFKLA当则5,IDN423SNML4237916038轴的校核1轴的强度校核在主轴中，主轴承受的载荷较大，相对尺寸较小,下面仅对这根轴的强度和轴承寿命进行校核计算6。主轴的材料为40CR，下面就按弯扭合成强度条件1轴的受力分析作出轴的计算简图，即力学模型，在不同转速下不同。图33力学模型2作出受力图，弯矩图，扭矩图分别按水平面和垂直面计算各力，以及各力产生的弯矩、扭矩并根据计算结果做了弯矩图、扭矩图。图34水平面受力图35水平面剪力图36水平面弯矩图37垂直面受力图38垂直面弯矩图39扭矩3轴的强度校核A按弯扭合成强度条件，对II轴进行强度校核，根据弯矩、扭矩图确定工一工截面水平弯矩NM3196072XM垂直弯矩NM37259X合成弯矩NM2276XY截面扭矩T1694BNMB安全系数校核计算由于该减速机轴转动，弯矩引起脉动循环的弯应力，转矩引起脉动循环的剪应力。弯曲应力幅为SMWMPA67510243式中抗弯断面系数，0643由机械设计手册查得，由于是对W称循环弯曲应力，故平均应为力0，根据公式M331/MK679式中5称循环应力时的疲劳极限，由机械设计手册表12611查得255MPA1正应力有效应力集中系数，由表2635，按键槽得182,按KK配合查得262，故取162K表面质量系数，轴经车削加工，按表2638查得092尺寸系数，由263091平均应力折算系数，由表26313查得。034剪应力幅为MPA3412MPTW59式中抗扭断面系数，由26317查得PW63140PM根据式1RMK645号钢扭转疲劳极限，由表2611查得140MPA11剪应力有效应力集中系数，由表2635按键槽查得162，按KK配合查得189，故取162K表面质量系数，轴经车削加工，按表2638查得092尺寸系数，由表26311查得091平均应力折算系数，由表26313查得R021R轴1截面安全系数由式确定2RS由表2634可知158S故，该轴1I截面是安全的。S第4章轴承选用与寿命计算41轴承选用选择滚动轴承类型时，必须了解轴承的工作载荷（大小、性质、方向）转速及其他使用要求8。1、转速较高，载荷较小，要求旋转精度高时宜选用球轴承，转速较低，载荷较大或有冲击载荷时则选用滚动轴承。2、轴承上同时受径向和轴向联合载荷，一般选用角接触轴承或圆锥滚子轴承，若径向载荷较大，轴向载荷小，可选用深沟球轴承，而当轴向载荷较大，径向载荷较小，可采用推力角接触球轴承，四点接触球轴承，或选用推力球轴承和深沟球轴承的组合结构。3、各类轴承使用时内、外圈间的倾斜角应控制在允许角偏斜值之内，否则会增大轴承的附加载荷而降低寿命，当两轴承座孔不对中或由于加工、安装误差和轴挠曲变形大等原因使轴承内、外圈倾角较大时，选用调心轴承，对轴和轴承的工作情况会有一定改善，带座外球面轴承则特别适用于补偿安装不良引起的对中性误差。4、为便于安装拆卸和调整间隙常选用内、外圈可分离的分离型轴承如圆锥滚子轴承，四点接触球轴承、具有内锥孔的轴承或带紧定套的轴承。5、选轴承时要注意经济性，球轴承比滚子轴承便宜。同型号尺寸公差等级为、的滚动轴承价格比约为。0P6542P15270本次设计主轴选用角接触球轴承，他多用于高速主轴，随接触角的不同又有所区别，的轴向刚度较高，但径向刚度和允许的转速略低，用于车、铣加工中心等主轴的转速可更高些，但轴向刚度较低，常用于轴向载15荷较小，转速较高的磨床主轴或不承受轴向载荷的车、幢、铣主轴后轴承。这种球轴承为点接触，刚度较低。为了提高刚度和承载能力，常用多联组配的办法。背靠背、面对面和同向组配，为三种基本组配方式。背靠背和面对面组配都能承受双向轴向载荷同向组配则只能承受单向轴向载荷。背靠背与面对面组配相比，支承点接触线与轴线的交点间的距离前者比后者大，因而，能产生一个较大的抗弯力矩，即支承刚度较大。运转时，轴承外圈的散热条件比内圈好，因此，内圈的温度将高于外圈，径向膨胀的结果将使轴承的过盈加大。轴向膨胀对背靠背组配将使过盈减小，于是，可以补偿一部分径向膨胀而对于面对面组配，将使过盈进一步增加。面对面组配常用于丝杠轴承。42轴承的寿命计算对于具有额定动载荷C轴承，当他所受的载荷P恰好为额定动载荷时，其额定寿命就是转。但是当所受的载荷PC时，轴承的寿命是多少呢610这就是轴承寿命计算所要解决的一类问题。轴承寿命计算所要解决的另一类问题是，轴承所受的载荷等于P，而且要求轴承具有的寿命L，那么，须选用具有多大的额定动载荷的轴承额定寿命转CLP610式中为指数，对于球轴承3用小时表示为H7CHPN额定载荷N41601LCP360175205998式中载荷，KWP8转速，NMINRN预期计算寿命，预期寿命为2年HHL3524HL1750为指数，对于球轴承3代入H31679580HH443轴承的润滑与密封润滑的作用是减少摩擦、降低温升和防止腐蚀。润滑不良会使轴承温升剧增，加速轴承的磨损，影响主轴部件的正常工作。润滑剂的选用和润滑方式决定于轴承的类型、速度和工作负荷，良好的润滑可以降低轴承温度，延长寿命。431主轴滚动轴承的润滑滚动轴承可以用润滑脂或润滑油来润滑。速度较低时温升较低，可用脂润滑速度较高时用油润滑较好，一般可按轴承的速度因数来选择。MND1脂润滑润滑脂的粘度大，不易流失，因此不需要经常更换，密封也较简单。但摩擦阻力大，机械效率低，流动性差，导热系数小。因此适用于值较低的场合，特别适用于立式或套筒式主轴部件，可防止漏油。润滑脂填充量不宜过多，尤其不能把轴承的空间填满，否则将引起过多的发热，并且有可能使油脂溶化流出，效果就适得其反。通常填充量不宜超过轴承内部空间体积的30。机床主轴常用的润滑脂是钾基润滑脂和精密机床主轴润滑脂。表41脂润滑和油润滑适用的值MND油润滑轴承类型脂润滑飞溅油浴润滑滴油润滑油气润滑喷射润滑深沟球轴承30000050000060000010000002500000角接触球轴承3000005000005000009000002500000圆柱滚子轴承250004000040000010000002000000圆锥滚子轴承250000350000350000450000推力球轴承70000100002000002油润滑主轴轴承速度较高时，宜采用润滑油。它不仅摩擦阻力小，冷却效果好，还具有冲洗作用。滚动轴承的润滑所需要的油量是很少的，约每分钟15滴。油量增加，则因搅拌作用而使油温增高油量若再增加，则冷却作用逐渐超过了搅拌作用，温升将下降，但能耗却加大了。常用油的粘度为123040C2/MS1飞溅润滑利用齿轮或专门叶片等的旋转，使润滑油飞溅。一般溅油齿轮浸入油中高度为齿高23倍，圆周速度36M/S，以免润滑不充分或造成过大1/的空转损失。此种润滑装置简单，但起动时润滑状况不太好，用于要求不高的轴承润滑。2油浴润滑轴承的一部份浸入油中，轴承运转时，保持架每转动一圈，每个滚动体都浸入油中一次，将油带到滚道上来，常用于低速和中速的场合。3滴油润滑润滑油通过针阀式注油杯靠自重滴入轴承部位进行润滑。对于竖轴的场合，油靠自重容易进入轴承中。当主轴处于水平位置时，润滑油是先滴在轴承旁边，再飞溅到轴承上，滴油量可调节。用于高速回转的小直径轴承。4循环润滑用油泵将经过过滤的润滑油压力约为015MPA输送到轴承部位，通过轴承后返回油箱，经过滤、冷却后循环使用。适用于高速重载的主轴轴承值约为4200060000。循环润滑可分为体内循环和体外循环两种形MND式。采用体内循环润滑时变速箱兼作润滑油箱，各润滑元件均在变速箱体内，因而结构简单。但摩擦产生的热量仍留在变速箱体内，常用于较简单的变速箱。采用体内循环润滑方式时，应尽量使传动件不浸入油中。体外循环润滑时，油箱、滤油箱、润滑泵等润滑元件均在变速箱体外，一路通主轴的前、后轴承，另一路通过配油盘引向各润滑部件。回油经油管流回油箱，在油箱内冷却。这种方式可使变速箱内的轴承温升较低，但结构略复杂些。5油气润滑压缩空气分为两路，一路经气阀进入注油器，定时器定时打开气阀，压缩空气把一股油注入油气混合室，与经节流阀来的另一路压缩空气混合，进入塑料管道。塑料管道孔径约为15MM，油附在管壁上，在压缩空气流的作用下蠕动到喷油嘴处，喷向轴承。往混合室内注油是间歇的，但喷嘴处喷油却是连续的。管道越长，供油越均匀。油气润滑器是一个可以外购的独立部件，油气润滑时油未雾化，用过后可回收，不致污染环境，是一种很有前途的润滑方式。6喷射润滑当轴承高速旋转时，滚动体和保持架也以相当高的速度旋转，使周围空气形成气流，这将阻碍润滑油输送到轴承中去，此时必须