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数控铣床主轴系统的设计【YK2250型全数控螺旋锥齿轮铣齿机】

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数控 铣床 主轴 系统 设计 YK2250 螺旋 齿轮 铣齿机
资源描述:
数控铣床主轴系统的设计【YK2250型全数控螺旋锥齿轮铣齿机】,数控,铣床,主轴,系统,设计,YK2250,螺旋,齿轮,铣齿机
内容简介:
摘 要本 文 介 绍 了 YK2250型全数控螺旋锥齿轮铣齿机的 一 些 基 本 概 况 , 简 述 了 机 床 主 传 动 系 统 方 面 的 原 理 和 类 型 , 分 析 了 各 种 传 动 方 案 的 机 理 。数 控 铣 床 主 传 动 系 统 包 括 了 主 轴 电 动 机 、 主 轴 传 动 系 统 和 主 轴 组 件 三 部 分 组 成 。 本 文 详 细 介 绍 了 数 控 铣 床 主 传 动 系 统 的 设 计 过 程 , 该 数 控 铣 床 主 轴 变 速 箱 是 靠 齿 轮 进 行 传 动 的 , 主 轴 箱 传 动 系 统 采 用 齿 轮 传 动 , 传 动 形 式 采 用 集 中 式 传 动 , 主 轴 变 速 系 统 采 用 多 联 滑 移 齿 轮 变 速 。 齿 轮 传 动 具 有 传 动 效 率 高 , 结 构 紧 凑 , 工 作 可 靠 、 寿 命 长 ,传 动 比 准 确 等 优 点 。 文 中 介 绍 了 该 数 控 铣 床 主 传 动 系 统 各 种 传 动 方 案 优 缺 点 的 比 较 、 主 传 动 方 案 的 选 择 和 确 定 、 主 传 动 变 速 系 统 的 设 计 计 算 、 主 轴 组 件 的 设 计 、 轴 承 的 选 用 及 润 滑 、 关 键 零 件 的 校 核 等 设 计 过 程 。 关 键 词 : 数 控 铣 床 ; 主 传 动 系 统 ; 主 轴 组 件 ; 主 轴 电 动 机 AbstractThis text introduces the sign type number to control some basic general situations of the miller, Chien says the tool machine lord to spread the principle and types of move the systems, analyzing various mechanism that spreads to move the project.The sign type number controls the miller lord to spread to move the system to include the principal axis electric motor, principal axis to spread to move the system and the principal axis module three partses to constitute.Detailed introduction of this text the sign type number controls the design process that the miller lord spreads to move the system, should the sign type number control the miller principal axis to become soon the box is to is carry on by wheel gear to spread to move of, the principal axis box spreads to move the system adoption wheel gear to spread to move, spreading to move the form adoption concentration type to spread to move, the principal axis become soon many of the system adoption slip to move the wheel gear to become soon.The wheel gear spreads to move to have to spread to move the efficiency high, the structure tightly packed, work credibility, the life span is long, spreading to move than accurate etc. advantage.It introduced the sign type number to control the miller lord to spread to move various comparison, lord that spreads to move the project merit and shortcoming of system to spread in the text the choice and assurance, lords of move the projects spread to move to become soon system of design, bearings of design calculation, the principal axis module choose the control of the school pit, and the principal axis electric motor of use the lubrication, the key spare parts etc. the design process.Key words:CNC milling machine;The lord spreads to move the system;Principal axis module;Principal axis electric motor.目录摘 要IAbstractII1 数控加工技术概论11.1 数控技术及数控加工的基本概念11.2 数控机床的组成与分类11.3 数控机床的特点与数控机床的发展方向31.4 螺旋锥齿轮及螺旋锥齿轮铣齿机简介32 数控铣床主传动系统52.1 数控机床对主传动的要求52.2 数控铣床主传动的配置方式53 主轴电动机的选取74 主轴组件的设计84.1 主轴组件的设计要求84.2 主轴材料的选择及尺寸、参数的计算94.3 主轴传动装置箱体的作用124.4 主轴箱体的截面形状和壁厚计算125 主轴轴承的选择135.1 轴承的选择和轴承的精度135.2 轴承预紧力的要求145.3 主轴轴承的润滑与密封145.4 轴承寿命校核146 联接键的选择和碟形弹簧的选择与计算166.1 联接键的选择166.2 碟形弹簧的选择与计算166.3 碟形弹簧材料及热处理、厚度和脱碳176.4 碟形弹簧的强压处理、表面强化处理和防腐处理177 螺钉联接的设计197.1 设计要求197.2 计算结果及校核19致谢20参考文献21II1 数控加工技术概论1.1 数控技术及数控加工的基本概念1、 数 控 技 术 数 控 技 术 是 本 世 纪 中 期 发 展 起 来 的 机 床 控 制 技 术 , 是 用 数 字 信 息 对 机 械 运 动 和 工 作 过 程 进 行 控 制 的 技 术 。 数 控 装 备 是 以 数 控 技 术 为 代 表 的 新 技 术 对 传 统 制 造 产 业 和 新 兴 制 造 业 的 渗 透 行 程 的 机 电 一 体 化 铲 平 , 即 所 谓 的 数 字 化 装 备 。 (1)数 控 与 数 控 机 床 数 字 控 制 ( Numerical Control, 简 称 NC) ,国 家 标 准 定 义 为 : “ 是 用 数 字 化 信 号 对 机 床 的 运 动 及 其 加 工 过 程 进 行 控 制 的 一 种 方 法 ” 。 定 义 中 的 “ 机 床 ” , 不 仅 指 金 属 切 削 机 床 , 还 包 括 其 他 各 类 机 床 , 如 线 切 割 机 床 等 。 数 控 机 床 ( Numerical Control Machine Tools) 是 技 术 密 集 度 及 自 动 化 程 度 很 高 的 机 电 一 体 化 加 工 装 备 。 简 单 地 说 就 是 采 用 了 数 控 技 术 的 机 床 , 或 者 说 是 装 备 了 数 控 系 统 的 机 床 。 国 际 信 息 处 理 联 盟 ( Internaional Federation of Information Proceccing, 简 称 IFIP) 第 五 技 术 委 员 会 对 数 控 机 床 作 了 如 下 定 义 : 数 控 机 床 是 一 种 装 有 程 序 控 制 系 统 的 机 床 , 该 系 统 能 逻 辑 地 处 理 具 有 特 定 代 码 和 其 他 符 号 编 码 指 令 规 定 的 程 序 。 ( 2) 数 控 系 统 数 控 系 统 ( NC System) 就 是 上 诉 定 义 中 所 指 的 那 种 程 序 控 制 系 统 , 它 是 逻 辑 地 处 理 驶 入 到 系 统 中 具 有 特 定 代 码 的 程 序 , 并 将 其 译 码 , 从 而 使 机 床 运 行 并 加 工 零 件 。 数 控 系 统 在 本 质 上 是 一 台 计 算 机 。 在 硬 件 方 面 , 它 经 历 了 电 子 管 、 晶 体 管 、 小 规 模 集 成 电 路 、 微 处 理 机 到 当 前 PC结 构 的 五 代 发 展 ; 在 体 系 结 构 上 , 经 历 了 硬 件 数 控 系 统 ( NC) 、 计 算 机 数 控 ( CNC) 、 到 目 前 的 PC数 控 ( PC-NC) 三 个 阶 段 。 12、 数 控 加 工 数 控 加 工 技 术 是 20世 纪 40年 代 后 期 为 适 应 加 工 复 杂 外 形 零 件 而 发 展 起 来 的 一 种 自 动 化 加 工 技 术 。 数 控 加 工 就 是 用 数 控 机 床 加 工 零 件 的 方 法 。 数 控 加 工 是 伴 随 数 控 机 床 的 产 生 、 发 展 而 逐 步 完 善 起 来 的 一 种 应 用 技 术 , 它 是 人 们 长 期 从 事 数 控 加 工 实 践 的 经 验 总 结 。 1.2 数控机床的组成与分类1、 数 控 机 床 的 组 成 数 控 机 床 的 种 类 很 多 , 但 是 任 何 一 种 数 控 机 床 都 主 要 由 数 控 系 统 、 伺 服 系 统 和 机 械 系 统 组 成 。 数 控 系 统 数 控 系 统 是 数 控 机 床 的 核 心 , 是 数 控 机 床 的 “ 指 挥 系 统 ” 。数 控 系 统 通 常 是 一 台 带 有 专 门 系 统 软 件 的 专 用 微 型 计 算 机 。 伺 服 系 统 伺 服 系 统 ( 或 称 驱 动 系 统 ) 是 数 控 机 床 的 执 行 机 构 , 是 由 驱 动 和 执 行 两 大 部 分 组 成 。 用 于 实 现 数 控 机 床 的 进 给 伺 服 控 制 和 株 洲 伺 服 控 制 。 它 接 受 数 控 装 置 的 指 令 信 息 , 并 按 指 令 信 息 的 要 求 控 制 执 行 部 件 的 进 给 熟 读 、 方 向 和 位 移 。 机 械 系 统 数 控 机 床 的 机 械 系 统 , 除 机 床 基 础 件 意 外 , 有 下 列 各 部 分 组 成 :(1)主 轴 部 件 : 包 括 主 轴 电 动 机 和 主 轴 传 动 系 统 。 (2)进 给 系 统 : 包 括 进 给 执 行 电 动 机 和 进 给 传 动 系 统 。 (3)实 现 共 建 回 转 、 定 位 的 装 置 和 附 件 。 (4)实 现 某 些 部 件 动 作 和 辅 助 功 能 的 系 统 和 装 置 。 (5)刀 库 和 自 动 换 刀 装 置 (Autormatic Tools Changer, 简 称 ATC)(6)自 动 托 盘 交 换 装 置 ( Autormatic Pallet Changer, 简 称 APC) 机 床 基 础 件 或 称 机 床 大 件 , 通 常 是 指 床 身 (或 底 座 )、 立 柱 、 滑 座 和 工 作 台 等 , 它 是 整 台 机 床 的 基 础 和 框 架 。 22、 数 控 机 床 的 分 类 按 工 艺 用 途 分 按 照 工 艺 的 不 同 , 数 控 机 床 可 分 为 数 控 车 床 、 数 控 铣 床 、 数 控 钻 床 、 数 控 镗 床 、 数 控 齿 轮 加 工 机 床 、 数 控 电 火 花 加 工 机 床 、 数 控 线 切 割 机 床 、 数 控 冲 床 、 数 控 剪 床 、 数 控 液 压 机 等 各 种 工 艺 用 途 的 数 控 机 床 。 按 运 动 方 式 划 分 按 运 动 方 式 即 刀 具 与 工 件 相 对 运 动 方 式 , 数 控 机 床 可 分 为 : 点 位 控 制 、 直 线 控 制 和 轮 廓 控 制 。 按 伺 服 系 统 类 型 划 分 按 伺 服 系 统 类 型 的 不 同 , 数 控 机 床 可 分 为 : 开 环 伺 服 系 统 数 控 机 床 、 闭 环 伺 服 系 统 数 控 机 床 和 半 闭 环 伺 服 系 统 时 空 机 床 。 开 环 伺 服 系 统 数 控 机 床 开 环 伺 服 系 统 数 控 机 床 是 一 种 不 叫 原 始 的 数 控 机 床 。 这 类 机 床 的 数 控 系 统 将 零 件 的 程 序 处 理 后 , 输 出 数 据 指 令 给 伺 服 系 统 , 驱 动 机 床 运 动 , 没 有 来 自 位 置 传 感 器 的 反 馈 信 号 。 最 典 型 的 系 统 就 是 采 用 步 进 电 动 机 的 伺 服 系 统 。 这 类 系 统 的 信 息 流 是 单 向 的 , 即 进 给 脉 冲 发 出 去 以 后 , 实 际 移 动 值 不 再 反 馈 回 来 , 所 以 称 为 开 环 控 制 。 这 类 机 床 较 为 经 济 , 但 加 工 速 度 和 加 工 精 度 较 低 。 闭 环 伺 服 系 统 数 控 机 床 闭 环 伺 服 系 统 数 控 机 床 带 有 检 测 装 置 , 直 接 对 工 作 台 的 位 移 量 进 行 检 测 。 这 类 控 制 系 统 , 因 为 把 机 床 工 作 台 纳 入 位 置 控 制 环 , 故 称 为 闭 环 控 制 系 统 。 该 系 统 可 以 消 除 包 括 工 作 台 传 动 链 在 内 的 运 动 误 差 , 因 而 定 位 精 度 高 、 调 节 速 度 快 。 但 由 于 该 系 统 受 进 给 丝 杠 的 拉 压 刚 度 、 扭 转 刚 度 、 摩 擦 阻 尼 特 性 和 间 隙 等 非 线 性 因 素 的 影 响 , 给 调 试 工 作 造 成 较 大 的 困 难 。 由 于 闭 环 伺 服 系 统 复 杂 和 成 本 高 , 故 适 用 于 精 度 要 求 很 高 的 数 控 机 床 , 如 精 密 镗 铣 床 、 超 精 密 数 控 机 床 等 。 半 闭 环 伺 服 系 统 数 控 机 床 大 多 数 数 控 机 床 是 半 闭 环 伺 服 系 统 , 这 类 系 统 介 于 开 环 和 闭 环 之 间 , 精 度 没 有 闭 环 高 , 调 试 却 比 闭 环 方 便 , 因 而 得 到 了 广 泛 的 应 用 。 按 数 控 机 床 系 统 的 功 能 水 平 划 分 按 数 控 机 床 系 统 的 功 能 水 平 可 分 为 : 低 档 、 中 档 和 高 档 。 按 控 制 轴 数 和 联 动 轴 数 可 分 为 几 轴 联 动 等 多 种 数 控 机 床 ; 按 数 控 机 床 功 能 多 少 可 分 为 经 济 型 数 控 机 床 和 全 功 能 型 数 控 机 床 等 。 31.3 数控机床的特点与数控机床的发展方向1、 数 控 机 床 的 特 点 数 控 机 床 与 普 通 机 床 比 较 具 有 以 下 特 点 。 ( 1) 自 动 化 程 度 高 。 ( 2) 进 给 传 动 机 构 简 单 。 ( 3) 工 艺 复 合 化 和 功 能 集 成 化 。 ( 4) 具 有 加 工 复 杂 形 状 两 件 的 能 力 。 ( 5) 具 有 高 度 柔 性 , 适 用 性 强 。 ( 6) 加 工 精 度 高 、 质 量 稳 定 。 ( 7) 生 产 效 率 高 。 2、 数 控 机 床 的 发 展 方 向 当 今 数 控 机 床 正 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 的 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 。 41.4 螺旋锥齿轮及螺旋锥齿轮铣齿机简介螺 旋 锥 齿 轮 是 机 械 传 动 实 现 相 交 轴 运 动 传 递 的 基 础 元 件 , 它 具 有 重 合 度 大 、 传 动 平 稳 、 噪 音 小 , 承 载 能 力 高 等 优 点 , 被 广 泛 应 用 于 各 种 机 器 设 备 中 , 是 目 前 汽 车 、 飞 机 等 高 精 高 速 重 载 设 备 的 主 传 动 元 件 。 在 齿 轮 加 工 行 业 属 于 一 个 加 工 难 点 , 加 工 过 程 中 对 机 床 调 整 的 要 求 很 高 。 因 此 对 螺 旋 锥 齿 轮 的 数 控 加 工 技 术 的 研 究 成 为 螺 旋 锥 齿 轮 加 工 行 业 的 一 个 重 点 。 1、 螺 旋 锥 齿 轮 铣 齿 展 成 原 理 螺 旋 锥 齿 轮 铣 齿 原 理 如 图 1.l所 示 : 机 床 上 的 摇 台 机 构 模 拟 一 个 假 想 的 齿 轮 , 安 装 在 摇 台 上 的 铣 刀 盘 旋 转 形 成 切 削 面 相 当 于 假 想 齿 轮 的 一 个 齿 面 。 当 被 加 工 齿 轮 毛 坯 与 假 想 齿 轮 按 照 一 定 的 传 动 比 绕 各 自 的 轴 线 一 同 旋 转 时 , 铣 刀 盘 就 在 齿 轮 毛 坯 上 切 出 一 个 齿 槽 。 然 后 摇 台 反 转 到 初 始 位 置 , 工 件 箱 随 床 鞍 一 起 后 退 , 同 时 被 加 工 齿 轮 转 过 一 定 的 分 齿 角 度 , 进 入 下 一 个 切 齿 循 环 。 反 复 进 行 即 可 完 成 整 个 齿 轮 的 加 工 。 这 种 加 工 方 法 称 为 展 成 法 , 摇 台 所 代 表 的 假 想 齿 轮 称 为 产 形 轮 。 图 1.1 螺旋锥齿轮加工原理图2、 数 控 螺 旋 锥 齿 轮 铣 齿 机 简 介 数 控 螺 旋 锥 齿 轮 铣 齿 机 是 一 种 涉 及 多 学 科 ( 自 动 控 制 、 计 算 机 技 术 、 数 学 、 齿 轮 啮 合 理 论 、 信 息 化 与 智 能 化 技 术 、 机 械 设 计 与 制 造 等 ) 的 高 科 技 产 品 , 技 术 难 度 大 , 科 技 含 量 高 , 目 前 世 界 上 只 有 美 国 、 德 国 两 个 国 家 能 够 完 全 独 立 生 产 。 2 数控铣床主传动系统本 文 设 计 的 是 YK2250型 全 数 控 螺 旋 锥 齿 轮 铣 齿 机 的 主 轴 系 统 , 为 方 便 描 述 , 下 文 统 一 称 数 控 铣 床 。 数 控 机 床 的 主 轴 系 统 包 括 主 轴 电 动 机 , 传 动 系 统 和 主 轴 组 件 。 与 普 通 机 床 的 主 传 动 系 统 相 比 数 控 机 床 在 结 构 上 比 较 简 单 , 这 是 因 为 变 速 功 能 全 部 或 大 部 分 由 主 轴 电 动 机 的 无 级 调 速 来 承 担 。 省 去 了 繁 杂 的 齿 轮 变 速 机 构 , 还 有 一 些 数 控 机 床 设 计 中 还 存 在 二 级 或 三 级 齿 轮 变 速 机 构 用 以 扩 大 主 轴 电 动 机 无 级 变 速 的 范 围 。 本 文 设 计 的 主 轴 系 统 就 属 于 这 样 类 型 。 2.1 数控机床对主传动的要求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. 旋 转 精 度 和 运 动 精 度 ( 1) 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 。 ( 2) 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 。 4. 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 。 5. 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 。 62.2 数控铣床主传动的配置方式数 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 : 1. 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 。 2. 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 。 3. 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 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 。 73 主轴电动机的选取正 确 选 择 电 动 机 的 类 型 、 型 号 及 容 量 是 机 床 设 计 的 重 要 问 题 之 一 , 它 直 接 影 响 着 机 床 的 结 构 和 寿 命 , 选 择 时 要 根 据 机 床 的 功 能 要 求 , 所 设 计 的 结 构 , 工 作 状 况 等 全 面 考 虑 , 然 后 选 择 适 宜 的 结 构 型 式 及 容 量 。 图3.1 主轴电动机电 动 机 功 率 的 选 择 , 工 作 机 所 需 的 有 效 功 率 为 : Pw=Fv/1000=17.5kw8,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 = 1 2=0.948, 所 以 电 动 机 所 需 的 功 率 为 Pd=Pw/ =18.5KW8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 兰 州 电 机 厂 生 产 的 1PH5167-4CF4型 号 交 流 主 轴 电 动 机 。 其 主 要 参 数 如 下 表 : 表 3-1 1PH5167-4CF4型 号 交 流 主 轴 电 动 机 的 主 要 参 数 9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 围 15006000117.70.04618.51:904 主轴组件的设计主 轴 组 件 主 要 包 括 : 主 轴 、 主 轴 支 撑 和 安 装 在 主 轴 上 的 传 动 件 、 密 封 件 等 , 因 为 主 轴 带 动 工 件 或 刀 具 直 接 参 加 工 件 表 面 形 成 运 动 , 所 以 它 的 工 作 性 能 对 加 工 质 量 和 生 产 率 产 生 直 接 影 响 , 是 机 床 最 重 要 的 部 件 之 一 。 4.1 主轴组件的设计要求1. 回 转 精 度 主 轴 组 件 的 回 转 精 度 ,是 指 主 轴 的 回 转 精 度 。 当 主 轴 做 回 转 运 动 时 , 线 速 度 为 零 的 点 的 连 线 称 为 主 轴 的 得 回 转 中 心 线 。 回 转 中 心 线 的 空 间 位 置 , 每 一 瞬 间 都 是 变 化 的 , 这 些 瞬 间 回 转 中 心 线 的 平 均 空 单 位 转 移 不 为 理 想 回 转 中 心 线 。 瞬 时 回 转 中 心 线 相 对 于 理 想 回 转 中 心 线 在 空 间 位 置 的 距 离 , 就 是 主 轴 的 回 转 误 差 , 而 回 转 误 差 的 范 围 , 就 是 主 轴 的 回 转 精 度 。 纯 径 转 误 差 、 角 度 误 差 和 轴 向 误 差 , 它 们 很 少 单 独 存 在 。 当 径 向 误 差 和 角 度 误 差 同 时 存 在 构 成 径 向 跳 动 , 而 轴 向 误 差 和 角 度 误 差 同 时 存 在 构 成 端 面 跳 动 。 由 于 主 轴 的 回 转 误 差 一 般 都 是 一 个 空 间 旋 转 矢 量 , 它 并 不 是 在 所 有 的 情 况 下 都 表 示 为 被 加 工 工 件 所 得 的 加 工 形 状 。 主 轴 回 转 精 度 的 测 量 , 一 般 分 为 三 种 静 态 测 量 、 动 态 测 量 和 间 接 测 量 。 目 前 我 国 在 生 产 中 沿 着 传 统 的 静 态 测 量 法 , 用 一 个 精 密 的 检 测 棒 插 入 主 轴 锥 孔 中 千 分 表 触 头 触 及 检 测 棒 圆 柱 表 面 , 以 低 速 转 动 主 轴 进 行 测 量 。 千 分 表 最 大 和 最 小 的 读 数 差 既 认 为 是 主 轴 的 径 向 回 转 误 差 。 端 面 误 差 一 般 以 包 括 主 轴 所 在 平 面 内 的 直 角 坐 标 系 的 垂 直 度 , 数 据 综 合 表 示 。 动 态 测 量 是 用 一 标 准 球 装 在 主 轴 中 心 线 上 , 与 主 轴 中 心 线 上 , 与 主 轴 同 时 旋 转 ; 在 主 轴 同 时 旋 转 ; 在 工 作 台 上 安 装 两 个 互 成 90度 角 的 非 接 触 传 感 器 , 通 过 仪 器 记 录 回 转 情 况 。 间 接 测 量 是 用 小 的 切 削 量 用 小 的 切 削 量 回 工 有 色 金 属 试 件 , 然 后 在 圆 度 仪 上 测 量 试 件 的 圆 度 来 评 价 。 出 厂 时 , 普 通 级 加 工 中 心 的 回 转 精 度 用 静 态 测 量 法 测 量 , 当 L=300mm时 允 许 误 差 应 小 于 0.02 。 造 成 主 轴 回 转 误 差 的 原 因 主 要 是 由 于 主 轴 的 结 构 及 其 加 工 精 度 、 主 轴 轴 承 的 选 用 及 刚 度 等 , 而 主 轴 及 其 回 转 零 件 的 不 平 衡 , 在 回 转 时 引 起 的 激 振 力 , 也 会 造 成 主 轴 的 回 转 误 差 。 因 此 加 工 中 心 的 主 轴 不 平 衡 量 要 控 制 在 0.4 /s以 下 。 2. 主 轴 刚 度 主 轴 组 件 的 刚 度 是 指 受 外 力 作 用 时 , 主 轴 组 件 抵 抗 变 形 的 能 力 。 通 常 抵 以 主 轴 前 端 产 生 单 位 位 移 时 , 在 位 移 方 向 上 所 施 加 的 作 用 力 大 小 来 表 示 。 主 轴 组 件 的 刚 度 越 大 , 主 轴 受 力 的 变 形 就 越 小 。 主 轴 组 件 的 刚 度 不 足 , 在 切 削 力 及 其 他 力 的 作 用 下 , 主 轴 将 产 生 较 大 的 弹 性 变 形 , 不 仅 影 响 工 件 的 加 工 质 量 , 还 会 破 坏 齿 轮 、 轴 承 的 正 常 工 作 条 件 , 使 其 加 快 磨 损 , 降 低 精 度 。 主 轴 部 件 的 刚 度 与 主 轴 结 构 尺 寸 、 支 撑 跨 距 、 所 选 轴 承 类 型 及 配 置 形 势 、 砂 间 隙 的 调 整 、 主 轴 上 传 动 元 件 的 位 置 等 有 关 。 3. 主 轴 抗 振 性 主 轴 组 件 的 抗 振 性 是 指 切 削 加 工 时 , 主 轴 保 持 平 稳 的 运 转 而 不 发 生 振 动 的 能 力 。 主 轴 组 件 抗 振 性 及 在 必 要 时 安 装 阻 尼 ( 消 振 ) 器 。 另 外 , 使 主 轴 固 有 频 率 远 远 大 于 激 振 力 的 频 率 。 4. 主 轴 温 升 主 轴 组 件 在 运 转 中 , 温 升 过 高 会 起 两 方 面 的 不 良 结 果 : 一 是 主 轴 组 件 和 箱 体 因 热 膨 胀 而 变 形 , 主 轴 的 回 转 中 心 线 和 机 床 其 他 件 的 相 对 位 置 会 有 变 化 , 直 接 影 响 加 工 精 度 ; 其 次 是 轴 承 等 元 件 会 因 温 度 过 高 而 改 变 已 调 好 的 间 隙 和 破 坏 正 常 润 滑 条 件 , 影 响 轴 承 的 正 常 工 作 。 严 重 时 甚 至 会 发 生 : “ 抱 轴 ” 。 数 控 机 床 在 解 决 温 升 问 题 时 , 一 般 采 用 恒 温 主 轴 箱 。 5. 主 轴 的 耐 磨 性 主 轴 组 件 必 须 有 足 够 的 耐 磨 性 , 以 便 长 期 保 持 精 度 。 主 轴 上 易 磨 损 的 地 方 是 刀 具 或 工 件 的 安 装 部 位 以 及 移 动 式 主 轴 的 工 作 部 位 。 为 了 提 高 耐 磨 性 , 主 轴 的 上 述 部 位 应 该 淬 硬 , 或 者 经 过 氮 化 处 理 , 以 提 高 硬 度 增 加 耐 磨 性 。 主 轴 轴 承 也 需 要 有 良 好 的 润 滑 , 提 高 其 耐 磨 性 。 以 上 这 些 要 求 , 有 的 还 是 矛 盾 的 , 例 如 高 刚 度 和 高 速 , 高 速 和 高 精 度 等 , 这 就 要 具 体 问 题 具 体 分 析 , 例 如 设 计 高 效 数 控 机 床 的 主 轴 组 件 的 主 轴 应 满 足 高 速 和 高 刚 度 的 要 求 ; 设 计 高 精 度 数 控 机 床 时 , 主 轴 应 满 足 高 刚 度 、 低 温 升 的 要 求 。 同 时 , 主 轴 结 构 要 保 证 个 部 件 定 位 可 靠 , 工 艺 性 能 好 等 要 求 。 6. 提 高 主 轴 组 件 抗 振 性 的 措 施 ( 1) 尽 量 缩 短 主 轴 前 轴 承 结 构 的 长 度 , 适 当 增 大 跨 矩 ; ( 2) 尽 量 提 高 前 轴 承 的 刚 度 和 阻 尼 ; ( 3) 提 高 前 轴 承 的 精 度 , 把 推 力 轴 承 放 在 前 支 撑 初 可 提 高 抗 振 性 ; ( 4) 对 高 速 旋 转 的 零 件 作 静 、 动 平 衡 , 提 高 齿 轮 、 主 轴 的 制 造 精 度 都 可 适 当 减 少 强 迫 振 动 源 ; ( 5) 对 于 非 连 续 切 削 过 程 的 铣 削 , 滚 削 等 加 装 飞 轮 可 减 少 振 动 ; ( 6) 应 用 阻 尼 器 消 耗 振 动 能 量 是 有 效 的 措 施 ; 考 虑 系 统 的 固 有 频 率 , 避 免 共 振 。 7. 减 少 主 轴 组 件 热 变 形 的 措 施 ( 1) 把 热 源 移 至 机 床 以 外 。 ( 2) 改 善 主 传 动 的 润 滑 条 件 。 如 进 行 箱 外 循 环 润 滑 , 用 低 粘 度 的 润 滑 油 、 油 雾 润 滑 等 , 特 别 注 意 前 轴 承 的 润 滑 情 况 。 ( 3) 采 用 冷 却 散 热 装 置 。 例 如 用 热 管 冷 却 减 少 机 床 各 部 位 的 温 差 ,进 行 热 补 偿 。 如 可 以 在 结 构 设 计 采 用 一 些 自 动 补 偿 的 装 置 设 法 使 热 变 形 朝 不 影 响 加 工 精 度 的 方 向 发 展 。 还 可 以 在 工 艺 上 减 少 热 变 形 的 影 响 。 如 先 空 运 转 一 段 时 间 再 加 工 。 把 粗 、 精 加 工 分 开 等 。 4.2 主轴材料的选择及尺寸、参数的计算4.1 主 轴 主 轴 ( 图 4.1) 是 主 轴 组 件 的 重 要 组 成 部 分 , 它 的 结 构 尺 寸 和 形 状 、 制 造 精 度 、 材 料 、 及 其 热 处 理 , 对 主 轴 组 件 的 工 作 性 能 都 有 很 大 的 影 响 。 主 轴 结 构 随 系 统 设 计 要 求 的 不 同 而 有 各 种 形 式 。 主 轴 的 主 要 尺 寸 参 数 包 括 : 主 轴 直 径 、 内 孔 直 径 、 悬 伸 长 度 和 支 撑 跨 距 。 评 价 和 考 虑 主 轴 的 主 要 尺 寸 参 数 的 依 据 使 主 轴 的 刚 度 、 结 构 工 艺 性 和 主 轴 组 件 的 工 艺 适 应 范 围 。 1. 主 轴 直 径 主 轴 直 径 越 大 , 其 刚 度 越 高 , 但 使 得 轴 承 和 轴 上 其 他 零 件 的 尺 寸 相 应 增 大 。 轴 承 的 直 径 越 大 , 同 等 级 精 度 轴 承 的 公 差 值 也 越 大 , 要 保 证 主 轴 的 旋 转 精 度 就 越 困 难 。 同 时 极 限 转 数 下 降 。 主 轴 后 端 支 撑 轴 颈 的 直 径 可 视 为 0.7 0.8的 前 支 承 轴 颈 值 , 实 际 尺 寸 要 在 主 轴 组 件 结 构 设 计 时 确 定 。 前 、 后 轴 颈 的 差 值 越 小 则 主 轴 的 刚 度 越 高 , 工 艺 性 能 也 越 好 。 2. 主 轴 内 孔 直 径 主 轴 的 内 孔 用 来 安 放 棒 料 、 刀 具 夹 紧 装 置 固 定 刀 具 、 传 动 气 动 或 液 动 卡 盘 等 。 主 轴 孔 径 越 大 , 可 通 过 的 棒 料 直 径 也 越 大 , 机 床 的 适 用 范 围 就 越 广 , 同 时 主 轴 部 件 的 相 对 重 量 也 越 轻 。 主 轴 孔 径 的 大 小 主 要 受 主 轴 刚 度 的 制 约 。 主 轴 的 孔 径 与 主 轴 的 直 径 之 比 , 小 于 0.3时 空 心 主 轴 的 刚 度 几 乎 与 实 心 主 轴 的 刚 度 相 当 ; 等 于 0.35时 , 空 心 主 轴 的 刚 度 为 实 心 主 轴 刚 度 的 90%; 大 于 0.7时 空 心 主 轴 的 刚 度 急 剧 下 降 。 一 般 可 取 其 比 值 为 0.5左 右 。 根 据 设 计 要 求 , 此 设 计 选 用 的 主 轴 材 料 是 45号 钢 。 其 热 处 理 及 参 数 如 表 4.1所 示 。 表 4.1 45号 钢 热 处 理 参 数 13材 料 热 处 理 硬 度 ( HBS) 抗 拉 强 度 极 限 屈 服 强 度 极 限 s弯 曲 疲 劳 极 限 -1剪 切 疲 劳 极 限 -1许 用 弯 曲 应 力 -145调 质 、 渗 氮 217 25564035530015560因 为 选 用 的 主 轴 电 机 功 率 为 P=18.5KW, 额 定 转 速 nc=1500r/min所 以 主 轴 功 率 p=pc/ 1 2 3=9.67 kw (式 4.1)因 为 主 轴 是 空 心 转 轴 , 所 以 d1=21.68 . ( 式 4.2) 查 表 得 =1.23 所 以 d1=21.68 1.2321.23=56.6 又 因 为 此 处 轴 上 有 一 个 键 槽 , 所 以 d1=d (1+5%)=59.45 取 d1=60 ;d2=d1+2a,a为 轴 肩 高 度 , 用 于 轴 上 零 件 的 定 位 和 固 定 , 故 a值 应 该 稍 微 大 于 毂 孔 的 圆 角 半 径 或 倒 角 深 , 通 常 取 a ( 0.07 0.1) d1; d2应 符 合 密 封 件 的 孔 径 要 求 。 所 以 d2=63mmd3=d2+5 8mm=72mm。 d4=d3+1 5mm=74mm。 d5=d4+1 5mm=78mm。 d6=d5+2a。 a (0.07 0.1)d1 所 以 d6=80mm。 根 据 选 用 的 轴 承 确 定 d7=98mm主 轴 的 疲 劳 强 度 安 全 系 数 校 核 , 危 险 截 面 安 全 系 数 s的 校 核 计 算 : s= s ( 式 4.3) 只 考 虑 弯 距 作 用 的 安 全 系 数 ; s 只 考 虑 扭 距 作 用 是 的 安 全 系 数 ; s 许 用 安 全 系 数 ; 14在 此 查 表 所 得 s=1.3 1.5; s = 查 表 得 出 -1=270Mpa -1=155Mpa k =1.71 k =1.44 =1.6 =0.78 =0.74, =0.3, =0.21, =, m= M= Wp= 所 以 : s=1.08T 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 。 6 联接键的选择和碟形弹簧的选择与计算6.1 联接键的选择键 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 得 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 b h L=10 8 (28 36), 材 料 选 取 45号 钢 。 6.2 碟形弹簧的选择与计算碟 形 弹 簧 ( 图 6.1) 它 是 一 种 用 钢 板 冲 压 的 截 面 锥 形 压 缩 弹 簧 , 其 特 点 是 : 图 6.1碟 形 弹 簧 ( 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 。 176.3 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 HRC42 45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 ) 。 6.4 碟形弹簧的强压处理、表面强化处理和防腐处理碟 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 。 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 。 6其 主 要 设 计 参 数 如 下 : D=50 d=25.4 t=3 h0=1.1 H0=4.1 P=12000N f=0.83 H0-f=3.27 M=-1250N/ 2 =1430 N/ 2 Q=34.30kg/1000件 D/t 18 h0=0.4 E=206000N/ 2 =0.3 K4=1 C=2 压 平 弹 簧 的 负 载 : PC= ( 式 6.1) K1=0.69, ( 式 6.2) P/Pc=5000/8410=0.59 因 为 h0/t=0.4 (查 表 所 得
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本文标题:数控铣床主轴系统的设计【YK2250型全数控螺旋锥齿轮铣齿机】
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