加工中心主轴系统设计-机械毕业设计说明书论文CAD图
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摘要本文对加工中心进行了初步的讲解，主要阐述的是加工中心的主传动系统，主轴系统的传动方案有四种，主要讲述的是其中的分段无级变速。加工中心的主轴电动机、传动系统、主轴组件三个部分组成加工中心的主传动系统，本文中主要采取的是主轴电动机加齿轮变速箱进行变速，其特点在于在低速时能满足较大的输出转矩，同时在高档时也能达到主轴最高转速的要求。通过查阅书籍与参考文献，本文同时也对其余传动方案进行了简易描述，本文的重点是主轴组件和传动部件的设计与校核，其中刚度校核比较重要，同时也对主轴的受力情况进行了分析，对加工中心特有的自动换刀装置进行了详细描述。关键词：分段无级变速；加工中心；主传动；主轴43AbstractThis paper gives a preliminary explanation of the machining center, mainly describing the main drive system of the machining center. There are four drive schemes of the spindle system, mainly talking about the piecewise stepless speed change. The spindle motor, transmission system and spindle assembly of the machining center constitute the main transmission system of the machining center. In this paper, the spindle motor and gear box are mainly used for speed change, which is characterized by meeting the larger output torque at low speed and meeting the requirement of the highest speed of the spindle at high grade. By consulting books and references, this paper also briefly describes other transmission schemes. This paper focuses on the design and check of spindle components and transmission components, in which stiffness check is more important. At the same time, it also analyzes the stress of spindle and describes the special automatic tool changing device of machining center in detail. Key words: sectional stepless speed change machining center main drive spindle目录摘要IAbstractII1 绪论11.1背景11.2加工中心的发展趋势11.3加工中心的概念21.4加工中心的组成部分及工作原理21.4.1加工中心的组成21.4.2加工中心的工作原理31.5课题设计内容42 加工中心主传动系统方案的确定62.1加工中心主传动系统简介62.2加工中心主传动系统的设计要求62.3加工中心主传动的类型及方案选择72.3.1主传动的类型72.3.2传动方案的选择93 主传动系统设计103.1计算切削功率103.1.1刀具的选择103.1.2切削力的计算103.2选择电动机型号113.3无极变速传动链的设计113.4转速图的绘制133.5确定各轴和齿轮的计算转速134 传动系统的设计144.1齿轮的设计144.1.1齿数的确定144.1.2齿轮模数的估算144.1.3确定各轴之间的中心距164.2传动轴的设计164.2.1各轴输出功率和扭矩的计算164.2.2传动轴直径的估算164.2.3轴的结构设计174.2.4传动轴的键与轴承的选择174.2.5联轴器的选择194.2.6轴的刚度和强度的校核195 主轴组件的设计215.1主轴组件的设计要求215.2主轴尺寸参数的确定225.2.1主轴直径的确定225.2.2主轴悬伸量的确定225.2.3主轴的支承跨距225.2.4主轴受力分析235.2.5主轴强度计算275.2.6主轴刚度计算275.3主轴端部275.4主轴轴承的选择与校核285.4.1主轴轴承选型285.4.2轴承的刚度计算285.5主轴的键的选择与校核295.6主轴组件的润滑与密封295.7提高主轴组件性能的措施296 气动夹持分析与计算326.1蝶形弹簧的设计326.2主轴气缸的设计326.3主轴内部的刀具自动拉紧机构336.4锥孔吹屑装置336.5主轴准停装置336.6气动系统图347 控制系统设计36总结37致谢38参考文献39附录1391 绪论1.1 背景数控机床顾名思义是数控技术与机床的结合体，它能在实现普通机床功能的基础上具有控制技术的特点。以前的机床是需要操作者在旁边长时间操作的，而数控机床则能使操作者的的操作强度降低，并且数控机床一般只需要操作者进行工件装夹和程序设定，比之普通机床需要操作者进行手动加工的风险程度下降了许多。在这个飞速发展的时代，零件加工的数量也大大增加，所以加工效率成为了人们重视的问题，数控机床的产生就是为了解决这类问题，数控机床的加工效率往往是普通机床的数倍。1946年世界上诞生了前台电子计算机，这代表着人类创造了可以增强或代替部分脑力劳动的工具，让人们的生活实现了质的飞越，为后来进入信息时代奠定了基础。在6年以后的1952年，计算机技术被运用到机床中，美国的一家名为parson的公司与麻省理工学院（MIT）合作,成功的将计算机技术运用到了机床之中，研制出来了世界上第一台数控机床。从此，机床产生了性质上的变化，使制造业及其相关行业进入了一个新的发展阶段。与此同时，数控系统也被尝试性的运用到机床中，成功的实现了三轴联动，这类机床则在1954年被进行量产。在1960年以后，点位控制的数控机床得到了迅速发展。其中加工中心是数控机床中比较特别的一类，在1959年被美国的一家公司研发出来。1.2 加工中心的发展趋势在这个经济与科学技术飞快发展的时代，科学技术越来越完善，其中数控技术是在机械制造领域的研究重点，人们对其也有了越来越多的运用，这使社会向着自动化加工的时代发展。如今社会人们对机械产品的种类的需求增加，同时在数控技术的基础上人们对零件的加工精度有了越来越高的要求，这就对加工机械的性能有了更高的要求。如今小批量和中批量生产逐渐占据了市场中的大部分比例，普通机床的产量已经满足不了当今社会的需求，因此越来越多的人回去选择数控机床，这使得数控机床在现实生活中有了更多的发展机会，然后随着数控机床技术的不断发展，科学的不断进步，加工中心也发展的越来越完善。在我国，各个行业都在飞速发展，其中汽车、船舶、航空航天及各类机器零件都有非常高的精度要求，各类高效高精度的加工中心被用来此类零件的生产，所以高精度、高速的加工中心成为了现在的发展趋势，但是随着我国各个高精密行业的发展，现在的加工中心的性能无法达到预想中的精度，所以多轴联动加工中心成为了我国的重点研究对象，一旦研发取得了重要成功，我国的综合国力会得到非常大的提升。然而在发展高精度加工中心的同时，也不能忘记环境保护，这时“绿色生态机床”这个概念就进入了大众的视野，在研发科技的同时，减少对环境的影响，这对人类的长远发展极为重要。1.3 加工中心的概念加工中心类似于数控铣床，但是有一个最大的不同点，那就是加工中心有自己独立的刀库，其中刀库能够存放大量的各种各样的刀具，然后这些刀具会通过机械手进入主轴中，然后主轴得刀具自动拉紧装置会进行工作将刀具拉紧来，然后加工中心再进行工件不同工序的加工。加工中心最大的特点就是它独有的刀具库能存放几十把甚至更多不同的刀具，当然其刀具的多少由刀库的形式决定，然后，在连续进行多个工序的时候能够自动换刀，自动换刀是通过控制系统控制的，这样就可以预先设定程序，对整个工件进行加工，这样就可以省去人工换刀环节，缩短加工时间，大大提高了加工效率。加工中心整个加工过程都是通过控制系统控制其机构或者装置完成的，首先进行工件装夹，之后是工件定位调整，调整时也会进行刀具的选择，由控制系统中代码决定机械手刀具的选择，然后与主轴进行换刀，一个工件的加工往往不止一个工序，所以数控系统能根据代码给不同机构输送脉冲信号，让主轴对不同工序不同刀具的更换，不同转速的选择，让进给系统进行不同的进给量选择及其他辅助功能的运行。加工中心能在一次装夹之后进行多种不同工序的加工，所以可以缩短工件的装夹之后的调整定位时间，也能减少人工换刀的时间，这样加工中心的加工效率就会远远高于数控机床。当要进行复杂零件加工的时候，其精度的要求也会更高，在其他机床中往往会出现因为换刀而导致精度下降的现象，而加工中心则不会，在加工中心中各种工序加工都是由数控系统控制编码器进行定位，使每次加工的位置都非常精确，这样就能大大提高工件的加工精度。加工中心是由数控铣床和数控镗床发展而来的，它可以进行铣削、镗削、钻削、攻螺纹和切削螺纹等工序，它的别名是镗铣加功中心，是距今为止加工效率和自动化程度最高的综合性机床。1.4 加工中心的组成部分及工作原理1.4.1 加工中心的组成在1958年，那是一个科学技术飞速发展的时代，美国有一家公司，它就是大名鼎鼎的卡尼-特富克公司，这家公司产生了一个“大胆”的想法，那就是在一台数控镗铣床上增加自动换刀装置，并且还成功实现了，于是世界上第一台加工中心就问世了。虽然在加工中心里面每一个系列的的外型结构都不同，但是对于加工中心这个总体来说，它基本上是由以下几部分组成，分别为：（1） 基础部件基础部件在加工中心里面是它的一个基础部分，它需要床身来承受重量、由立柱按放主轴、以及工作台来装夹工件等，所以它需要有足够的刚度来承受加工中心的静载荷以及切削加工时的动载荷，它的材料可以选择铸铁。（2） 主轴部件主轴部件是一个加工中心能够进行加工的必要前提，它需要主轴电动机通过齿轮带动主轴旋转，在旋转时则需要主轴轴承去支承主轴，然后主轴箱是保护主轴组件的，这些都是主轴组件必备的零件，其中主轴的结构往往决定着加工中心的精度、刚度、切削功能等。（3） 数控系统数控系统顾名思义是数控技术被运用于加工中心里面并且对其机构进行控制的部分，它同时也是加工中心里非常重要的一部分，主轴的启动、停止等动作都由它控制，可以说整个工件的加工都离不开它，它能控制每一个步骤的进行，它是加工中心执行顺序控制动作和完成加工过程的控制中心。（4） 自动换刀系统自动换刀系统在机械加工领域是加工中心中独特的一个部分，它能把加工中心与其他数控机床进行区分，它由刀库、机械手、驱动机构等组成，它也是能解决一次加工时多工序连续加工的关键。其中有的加工中心用主轴箱或者刀库的移动来实现换刀，而不需要机械手这个部分。（5） 自动托盘交换系统有的加工中心与一般的加工中心不同，它可能有多个工作台，并且这些工作台在加工时通过控制系统自发的进行交换，当加工中心需要加工时，首先在第一个工作台上安装好工件，在第一个工件加工的同时，另外的可交换的工作台面上也能安装其他的工件，以此来减短非切削时间，当前面的托盘上的工件完成加工后，它后面的托盘会自动的和它进行交换，然后对后面托盘上的新的工件进行加工，这样能缩短换工件的时间，有效的提高加工中心的加工效率。（6） 辅助系统辅助系统是别的机构装置能够长时间运转的前提保障，它虽然不直接参加切削工作，但是它是加工中心里不可或缺的一部分，在加工中心进行工件加工时一套好的辅助系统能保障加工中心的加工效率、加工工件的精度及可靠性。在加工中心中它主要包括个零件之间的润滑，防止摩擦过大影响加工精度；在长时间工作时会产生一部分热量，这时辅助系统起冷却的作用来保持工件加工时的恒温；在加工时往往会有切屑产生，这时就需要辅助系统的排屑装置；为了操作者的安全考虑，加工中心也需要辅助系统中的防护装置；辅助系统中同样也需要液压、气动、检测系统等部分，来完成定位、调速、换刀等功能。1.4.2 加工中心的工作原理加工中心的工作原理如图所示，在需要加工一个零件时，操作者会根据提供的图纸来确定此零件的加工方案，在确定加工方案之后操作者会根据加工工艺进行程序的编写，在加工中心里，编写程序的方法有两种，分别是手动编写和计算机编程，在计算机编程时计算机与数控装置可以通过接口相连，它们之间可以直接进行信息的输入，也可以同手动编程时一样，将加工零件的各种参数和加工工艺变成程序代码，这些代码则会通过穿孔机被存储在穿孔带等信息载体中，这些有信息代码的的信息载体会被送入输入装置里面，输入装置则会将加工信息通过某种方法读出，输入装置在读出这些信息后会将其传输给数控装置。数控装置在接收到输入装置读出的信息后，会经过其内部处理，把加工信息改变为一些脉冲信号，这些脉冲信号会被输送到伺服系统和自动换刀装置中。一部分脉冲信号被送到了机床的伺服系统后，这些脉冲信号会被伺服机构进行转换，然后通过放大器将转换后的信号放大，这些信号放大后被输送到机床的各个机构或装置，机床的传动机构及有关部件在接收到放大信号后，会让刀具和加工工件按照零件的需求去加工，一部分信号又被输送到可编程序的控制器里面，被用来控制机床中的一些辅助动作，以此来实现刀具的自动更换。图 11加工中心工作原理图1.5 课题设计内容主轴转速：80-8000rpm主轴锥度：ISO40主电机马达：AC11kw气压：6kg/cm刀具最大重量：8kg刀具最大长度：250mm2 加工中心主传动系统方案的确定2.1 加工中心主传动系统简介加工中心的主传动系统主要分为三部分，首先主轴电动机提供动力、然后通过主轴传动系统进行转速的改变以使主轴达到扭矩的要求和足够的调速范围，最后则是主轴，主轴则是通过拉杆拉紧刀具，然后再进行工件加工。它是加工中心里的一个非常重要的部分，在普通的机床中转速普遍较低，而加工中心则具能够拥有比机床主轴更高的转速，来满足加工的需求，更加高的主轴回转精度，使加工工件的精度更高，比机床更高的结构刚性与抗振性则体现了加工中心的优点。2.2 加工中心主传动系统的设计要求在加工中心里有几个特点，那就是比常规机床的加工效率更高，使用的范围也更加宽广，加工的精度也更加精密，所以，加工中心的主轴传动系统的设计要求分为：（1） 调速功能在加工中心里有不同的切削工艺，为了适应不同的工艺、工序及材料的不同，主轴应该具有在一定范围内进行调速的功能，并且电动机由实现无级变速，以此来确保当在加工工件时选用的切削用量合理时，能够获得更好的加工精度和切削效率（其中调速范围主要由主轴的最高速度、最低速度来确定）。（2） 精度和刚度要求加工中心具有较高的精度和刚度，与机床相比它的传动更加平稳，也能使噪声降低。主轴部件的精度主要有旋转精度和运动精度。在加工中心里多数采用抗弯刚度来衡量主轴部件的刚度，静态刚度主要反映的是部件和零件抵抗静态外载的能力，其中主轴的会有许多因素影响部件的弯曲刚度，如：主轴的尺寸、形状、主轴轴承的类型、数量、配置形式、预紧的情况与方式、前后支承跨距、主轴前端的悬伸量等。（3） 动态响应性能一般在设计时，会要求升速和降速的时间比较短，在调速的时候也要求运转平衡，有时也需要实现正反切削。（4） 抗振性和热稳定性要求加工中心在运转时可能会有一些内在或外在的因素导致主轴产生振动，主轴产生的振动时工件的加工精度就会下降，甚至在严重的时候会破坏刀具和零件，所以主轴的抗振性的要求更高。主轴在运转的时候往往会产生热量，当热量达到一定的程度就会使零件产生热变形，热变形会导致主轴的形状和各零件机构间的数据产生改变，比如会破坏相对位置精度和一些加工时的运动精度，最后造成加工误差，因此主轴组件需要冷却系统，可以选择具有合适的配合间隙方式并且进行循环润滑，以润滑液带走部分热量。（5） 刀具的自动夹紧功能加工中心中有一个比较突出的特点，根据它能区分一般的数控机床和加工中心，它就是加工中心的自动换刀功能，其中主轴需要具有刀具自动夹紧功能，以此保证加工的连续进行。（6） 功率要求加工中心必须具有一定的驱动功率和输出转矩，使其能够为主轴达到预定的调速范围提供足够的功率与转矩。（7） 主轴定位功能要求主轴定位（主轴准停）是指主轴在运转之后停止时，控制系统控制主轴停在固定的位置上。2.3 加工中心主传动的类型及方案选择2.3.1 主传动的类型在加工中心里主传动是决定主轴转速范围和扭矩的，不同的传动方式有不同的优点和缺点，在此将主传动的类型主要分为四类，如下所示：（1） 二级齿轮变速传动其一般是低速主轴通过运用一定传动比的齿轮机构或者带传动机构进行减速，同时会在减速的同时增大输出转矩来满足主轴的一些特性，例如：图中传动方式是电动机加上二级齿轮变速，由电动机带动与电动机相连轴上的齿轮旋转，然后让中间轴上的滑移齿轮组上齿轮滑移，不同的齿轮组啮合会使主轴拥有高速和低速两个转速系列，这种方式主要运用于大中型加工中心，这种也被成为分段无级变速，让加工中心在低速时也能有较大的转矩，以此来满足机床的一些特殊要求，其中齿轮变速机构常用液压拨叉或者电磁离合器来改变滑移齿轮的位置，是不同的齿轮组啮合获得不同转速。图 21二级齿轮变速（2） 定比传动定比传动采用的方法一般是齿轮传动和带传动，其中带传动主要运用于小型的机床中，主轴的电动机通过定比传动传递给主轴，这样可以避免齿轮传动产生的一些噪声和振动。图 22定比传动（3） 由主轴电动机直接驱动主轴电动机通过联轴器直接驱动主轴而不需要经过带传动或齿轮传动进行变速，此类方式虽然大大的简化了主轴的结构，加强了主轴的刚度，但是输出转矩比较小，主轴电动机在运转时产生的热量也会影响主轴的精度。图 23电动机直接驱动主轴（4） 内装电动机主轴在上诉传动方式中，齿轮、带传动在工作时往往会产生较大的噪声和振动，同时也增大了转动惯量，这达不到高速主轴的一些要求。高速主轴一般要求在很短的时间内实现升降速，主轴在准停的同时要求在指定的位置快速准停，因此将主轴和电动机合为一体，制造出来了电主轴，从而实现不需要齿轮传动和带传动等中间环节的直接传动。电主轴是最近几年在数控领域出现的一项新技术，它标志着人类在数控领域的进步，它主要包括电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置等，特别是它取消了齿轮箱与电动机的连接，使形状减小、质量减小、主轴的响应特性提高、让振动和噪声更容易控制，但是同样有热变形的问题，所以电主轴最重要的问题是温度控制和冷却。图 24电主轴1-后轴承；2-定子；3-转子；4-前轴承；5-主轴2.3.2 传动方案的选择本次设计的加工中心的转速范围为80-8000r/min，采用的传动方案为标准型交流主轴电机和二级变速齿轮传动，二级齿轮传动大多用于大中型加工中心。运用fanuc无级调速电机加上二级齿轮变速以满足转速范围要求，选择分段无级变速优点是在低速时能满足较大的输出转矩，同时在高档时也能达到主轴最高转速的要求，缺点是噪声和振动的产生。与电主轴相比也能解决电动机热量对主轴加工精度的影响，因为电机没有在主轴箱中，电机产生的热量对主轴影响较小。3 主传动系统设计3.1 计算切削功率在加工中心里铣削加工时消耗的功率较大，因此本次设计采用铣削工件来估算切削功率，刀具选择硬质合金端铣刀。3.1.1 刀具的选择通过查询切削用量简明手册表1.2选择YT15硬质合金端铣刀查表3.1选择铣刀直径d0=90mm、铣削宽度ae=80mm,铣削深度ap=5mm,齿数Z=5查表3.2得，当加工工件的工件材料抗拉强度b700MPa时，选择K=60，K=5，K=30，0=8，0=10，s=12，0=5根据表3.5可知，当机床的功率大于10KW时，fz=0.120.18mm/z采用不对称端铣刀用来提高进给量，取fz较大值，即fz=0.18mm/z在表3.7，表3.8中查得铣刀刀齿后刀面最大磨损量为（1.0mm-1.2mm）,这里选择1.2mm,并且因为铣刀直径d0=100mm，所以刀具使命为T=180min根据表3.15来确定切削速度Vc,已知d0=90mm、ap=5mm、Z=5、fz=0.18mm/z，求得Vt=137m/min、nt=436r/min、Vft=349mm/min查得各项修正系数为：KMv=KMn=KMvf=0.89KSv=KSn=KSvf=0.8因此Vc=VtKv=1370.890.8=97.5m/minn=ntKn=4360.890.8=310.4r/minVt=VftKvt=3490.890.8=248.5mm/min3.1.2 切削力的计算由表3.28可知铣削力的计算公式为：FC=CfapxFfzyFaeuFZd0qFnwFkFc（3-1）已知CF=7900,ap=5mm,xF=1.0,fz=0.18mm,yF=0.75,ae=80mm,uF=1.1,Z=5,d0=90mm,qF=1.3,n=310.4r/min,wF=0.2,kFc=1.0求得FC=5395.6N加工中心总功率已知Pc=FcVc60000（3-2）得Pc=5395.697.560000=8.8KW机床的主传动的总效率为0.75-0.85，此处取=0.8，则P总=Pc=8.80.8=11KW3.2 选择电动机型号上诉计算得出电动机的功率大概为11 KW，根据求出的功率，查询电动机相关资料选择FANUC-系列交流主轴电动机，电机型号及参数如下：电机型号：12i连续额定输出功率：11KW30分钟额定输出功率：15KW额定转速：1500r/min恒功率最高转速：6000r/min最高转速：6000r/min连续额定输出转矩：70.0Nm转动惯量：0.09kgm3.3 无极变速传动链的设计（1）确定主轴的变速范围RnRn=nmaxnmin=800080=100（3-3）（2）计算转速的确定已知，电动机的连续额定输出功率为11KW额定转速n电=1500r/min最高转速n电max=6000r/min主轴最高转速nmax=8000r/min主轴最低转速nmin=80r/min由计算转速公式nj=nminnmaxnmin0.3（3-4）求得主轴的计算公式nj=808000800.3=318.5r/min因为在主轴上的最高转速与最低转速之间相差很大，所以nj取320r/min（3）确定主轴的恒功率转速范围RnpRnp=nmaxnj=8000320=25（3-5） (4)确定电动机的恒功率变速范围RP=n电maxn电d=60001500=4（3-6）因为Rp远小于Rnp,所以电动机直接驱动主轴不能满足变速要求，所以在设计时需要串联一个有级变速箱来达到主轴的变速范围（5）系统转速级数Z的确定初拟变速箱的公比（实为级比）F=RP=4,当传动链为无级变速时Rnp=FZ1Rp=FZ（3-7）Z=lgRnplgF（3-8）据公式求得Z=2.32，在此次设计中Z取2（6）传动比的确定i12=1:1.6i34=2.13:1i56=1:2.93主轴转速误差n实=600042677435=7952r/minn标=8000r/min因为n实n标n标100%=0.6%5%，所以合适。3.4 转速图的绘制图 31转速图3.5 确定各轴和齿轮的计算转速表 31各轴的计算转速计算转速电机轴轴轴nj1500938320表 32各齿轮的计算转速齿轮齿轮转速Z1Z2Z3Z4Z5Z6nj15009389383209383204 传动系统的设计4.1 齿轮的设计4.1.1 齿数的确定根据要求此次设计选择直齿圆柱齿轮，查询资料其小齿轮材料选择40Cr，调质处理、硬度280HBS，轴上大齿轮材料选择45钢、同样进行调质处理、硬度240HBS。确定电动机轴与轴之间的齿轮齿数U0=Z1Z2=11.6，此次选择Z1=42，Z2=67轴与轴（主轴）之间的齿轮齿数增速U1=Z3Z4=2.131，Z3=74，Z4=35降速U2=Z5Z6=12.93，Z5=28，Z6=814.1.2 齿轮模数的估算根据金属切削机床设计P175-P176,可知齿轮模数根据弯曲疲劳强度和接触疲劳强度计算，并且根据两个中较大值选择相近的标准模数按接触疲劳强度计算齿轮模数：mj=163003(u1)K1K2KsjKsNmZ12j2nj(mm)（4-1）按弯曲疲劳强度计算齿轮模数：mw=2753K1K2K3KswNZ1Ymnjw(mm)（4-2）公式中的一些字母含义：N所传递的额定功率，单位KWN=N电N电主轴电动机的功率，单位为KW从电动机到所计算齿轮的传动效率，查上诉书籍表1-6nj计算转速，单位rpm(r/min)m齿宽系数，m=Bm，m一般选择6-10Z1小齿轮齿数u齿轮组的传动比，相当于大齿轮齿数与小齿轮齿数之比，即i1，其中公式里i后面的正号表示齿轮外啮合，负号则表示齿轮内啮合Ks寿命系数，根据本书中2-1选取，（包括Ksj和Ksw）K1工作状况系数，考虑载荷冲击的影响辅助传动（轻微冲击）K1=11.2主运动（中等冲击）K1=1.21.6冲击性机床（刨床、插床）K1=1.61.8K2动载荷系数，根据书中表4-4选取K3齿向载荷分布系数，根据书中表4-5选取Y齿形系数，根据书中表4-6选取w许用弯曲应力（MPa），根据书中表4-7选取j许用接触应力（MPa），根据书中表4-7选取选取K1=1.4、m=6、K2=1.1、Ksw=0.99、Y=0.475、w=275MPa、K3=1求得mw=27531.41.110.9911420.47561500275=1.92（mm)Z1选取K1=1.4、m=6、K2=1.1、Ksj=0.98、j=650MPa、Ks=0.6mj=163003(1.6+1)1.41.10.980.61164221.665021500=2.2(mm)轴与轴（主轴）之间的齿轮模数Z5选取K1=1.4、m=6、K2=1.1、Ksw=0.90、Y=0.438、w=275MPa、K3=1求得mw=27531.41.110.910.7280.4386938275=2.53（mm)Z5选取K1=1.4、m=6、K2=1.1、Ksj=0.91、j=650MPa、Ks=0.6mj=163003(2.93+1)1.41.10.910.610.762822.936502938=3.03(mm)表 41齿轮模数表齿轮计算mj(mm)计算mw(mm)模数取值(mm)Z1221.922.5Z53.032.533所以齿宽：B=mm齿顶高：a=am齿根高：f=(f+c)m齿轮分度圆直径：d=mz齿轮齿根圆直径：df=d2f齿轮齿顶圆直径：da=d+2a表 42齿轮参数表齿轮齿数模数(mm)齿宽(mm)分度圆直径(mm)齿顶圆直径(mm)齿根圆直径(mm)Z1422.51510510098.75Z2672.515167.5172.5161.25Z374318222228214.5Z43531810511197.5Z528318849076.5Z681318243249235.54.1.3 确定各轴之间的中心距电机轴与轴之间的中心距d电=mZ1+Z22=2.542+672=136.25(mm)轴与轴之间的中心距d=mZ5+Z62=328+812=163.5(mm)4.2 传动轴的设计4.2.1 各轴输出功率和扭矩的计算已知各轴的计算转速，计算各轴的输出功率和扭矩电机轴的输出功率和扭矩P0=Pd=11KWT0=9550P0n0j=9550111500=70.03Nm轴的输出功率和扭矩P1=P0齿滚=110.980.99=10.7NmT1=9550P1n1j=955010.7938=108.94Nm轴的输出功率和扭矩P2=P1齿滚=10.70.980.99=10.4NmT2=9550P2n2j=955010.4320=310.38Nm4.2.2 传动轴直径的估算根据现代实用机床设计手册上册P973可知当P的数值大于nj时，可按扭转刚度估算传动轴的直径d114Pnj（4-3）式中d危险断面处的轴径(cm)，当轴上有一个键槽时，d值应增大4%5%;当同一断面上有两个键槽时，d值应增大7%10%;当轴为花键轴时，则轴的内径可比d值减小7%P该轴传递的额定功率(kW)nj该轴的计算转速(r/min)估算电机轴的直径d114111500=3.22cm=32.2mm估算轴的直径d11410.7938=3.59cm=35.9mm所以取d0=35mm、d1=35mm4.2.3 轴的结构设计轴的结构设计的要求：轴上各零件位置准确，方便拆卸足够的刚度以满足设计要求工艺性好图 41与电动机相连的轴图 42轴4.2.4 传动轴的键与轴承的选择键是一种用在轴和其他零件之间的一种标准件，它的作用是对轴和零件进行周向固定，从而传递扭矩，在存在滑移齿轮的时候还能进行轴向滑动的导向作用，其中键的类型主要有平键、半圆键、切向键、花键等。在此次设计中在与电动机相连的那根轴上主要使用的是平键，按国家标准GB/T1095-1979选择与联轴器相连的平键尺寸为10828，分别表示键宽b键高h键长L，然后与齿轮Z1相连的平键也是10828；轴则与电机轴不同，这根传动轴上有两个滑移齿轮和一个固定齿轮，所以在固定齿轮连接处选择平键10828，在滑移齿轮处则做成花键，并且选择的是渐开线花键，其分度圆压力角选择30，其尺寸按国家标准GB/T3478.1-1995选择为14Z3m30R5h。（1）键的校核电机轴：查阅机械设计书平键强度的计算公式为：bs=2000Tkld=4000Tldbs（4-4）连轴器连接处：bs=400070.0382834=36.7MPa，根据书中表6-2可知bsbs,所以满足强度条件Z1齿轮连接处：bs=400070.0382838=32.9MPa，根据书中表6-2可知bsbs,所以满足强度条件轴：查阅机械设计书渐开线花键强度的计算公式为：bs=2000TzldbsZ2齿轮连接处：bs=4000108.9482835=55.6MPa，根据书中表6-2可知bsbs,所以满足强度条件滑移齿轮连接处：bs=2000Tzld=2000108.940.75142.410041.25=2.09MPa根据书中表6-3可知bsbs,所以满足强度条件（2）轴承的选择电机轴一般在工作时不大受到轴向力的作用，根据机械设计书表13-1选择深沟球轴承6207，轴上有滑移齿轮，会受到轴向力，所以选择角接触球轴承7207C。4.2.5 联轴器的选择联轴器的作用就是将两根轴连接在一起，在运转时两轴不会分开，在本次设计中用来连接电动机和传动轴。联轴器主要分为两类：刚性联轴器，挠性联轴器；其中刚性联轴器没有补偿能力，挠性联轴器具有补偿能力，而后者又分为有弹性元件和无弹性元件的两种。在本次设计中选择的是梅花形弹性联轴器，其优点在于有缓冲减振的作用，具体数据按国家标准（GB/T5272-2017）选择。表 43联轴器参数表联轴器型号公称转矩（Nm）最大转矩（Nm）许用转速（r/min）轴孔直径d1、d2、d3轴孔长度D1（mm）D2(mm)H(mm)转动惯量（kgm2）Y型J型Z型LL1LLM125450810600030、32、3560826012585330.0144.2.6 轴的刚度和强度的校核（1）扭转强度校核查阅机械设计书籍可知，按照扭转强度来计算轴的强度公式为：T=TWT9550000Pn0.2d3（4-5）此公式受条件约束，只能用于受扭矩切弯矩不大的轴。电机轴：T=TWT9550000Pn0.2d3=95500001115000.2343=8.9T=25MPa轴：T=TWT9550000Pn0.2d3=955000010.79380.2353=12.7T=25MPa所以两轴的扭转强度条件都符合。（2）扭转刚度校核机械设计书P387页，轴的扭转刚度计算公式为：=5.73104TGIp（4-6）由于阶梯轴的直径相差很小，所以在此用光轴公式计算电机轴：=5.7310470.038.110434432=0.37=0.51()轴：=5.73104108.948.110435432=0.52=0.51()所以两轴刚度也满足要求。5 主轴组件的设计主轴组件是加工中心里非常重要的组成部分，是加工中心的执行件，主轴组件的性能往往对整个机械有着很大的影响，所以主轴组件需要较高的刚度和很强的抵抗热变形的能力，它的组成成分主要为主轴、主轴轴承、密封件、刀具自动拉紧装置等。5.1 主轴组件的设计要求回转精度：主轴的回转精度一般是指主轴在空载低速旋转时，主轴上的刀具或者其前端的加工工件的轴向和径向跳动的数值满足其要求，来确保工件的几何精度和粗糙度。主轴的回转误差的范围也是所说的回转精度，它表示瞬时回转中心线在空间上与理想回转中心线的距离。它的测量方法一般为静态测量、动态测量和间接测量三种，其中我们国家常用的是静态测量。刚度：主轴组件的刚度在设计时非常重要，它一般是指在工作时受到某些力的作用的情况下，还能拥有一定的工作精度的能力。在加工中心运行时，主轴的前端往往会有一些位移，这时常用单位位移方向上的作用力的大小来表示，主轴组件的刚度值：K=Fy。主轴组件需要拥有较高的刚度是因为在其刚度小的时候，它会在切削力和某些力的作用下发生较大的弹性形变。刚度小，抵抗变形的能力变小，会引起振动影响加工工件的精度，当刚度大时主轴的变形就小，所以在条件允许的范围内我们应该尽量使刚度值提高。影响刚度因素有很多，其主要为：主轴的设计的结构、尺寸，主轴的前后支承的跨距，主轴的悬伸量，轴承的选择型号、安装、调整，主轴上一些传动元件的位置等。抗振性：在加工中心的运作过程里，主轴会有一些振动，主轴组件此时会有抵抗振动、保持主轴平稳运转的能力，我们称其为抗振性，当主轴组件这种能力较差的时候，会降低加工质量影响生产率。我们可以提供其静刚度、选用特殊轴承或者安装阻尼器来提高抗振性。升温和热变形：加工中心在加工时，主轴组件会产生一些热量，这些热量会使温度升高，当主轴部件温升时会产生热变形，使某些部件的位置改变，也会使轴承的间隙改变，加速轴承的磨损，从而影响加工精度，所以一般都会选择恒温主轴箱。耐磨性：主轴组件在长期工作时肯定会有磨损的问题，所以为了减少磨损，尽量使其保持最初的精度时，我们应该在容易磨损的地方做一些特殊处理：淬硬，氮化等，以此来提高部件的硬度，较高的硬度会使其主轴部件更加耐磨，并且轴承需要得到良好的润滑。5.2 主轴尺寸参数的确定主轴对的材料和热处理：在主轴设计的时候会有一定的刚度、强度及耐磨性的要求，所以在选择主轴材料的时候需要考虑材料的弹性模量，此次设计主轴的材料为40CrMoA。5.2.1 主轴直径的确定主轴的直径决定着主轴刚度，主轴的直径越大，其刚度越高；在主轴上往往有各种零件，因为装配的需要，主轴在设计的时候往往从主轴前端到后面是逐渐减小的。主轴的直径一般需要确定主轴前轴颈的直径、后轴颈的直径和内孔直径。根据金属切削机床设计书P286表5-7选择前轴颈的直径。表格 51前轴颈直径选型表机床D1(mm)功率（kW）1.472.52.63.63.75.55.67.37.4111114.714.818.418.5222229.5车床608070907010595130110145140165150190220220升降台铣床5090609060957510090105100115外圆磨床50605570708075907510090100105105此设计根据图中表格选择前轴颈直径D1=100mm，后轴颈直径D2=(0.70.85)D1,选择D2=80mm，在选取内孔直径的时候，我们需要考虑主轴内孔对主轴刚度的影响，在满足要求的情况下选择，查询资料得当d和主轴平均直径的比值大于等于0.7时，主轴的刚度会下降；当它们的比值小于等于0.5时，内孔的直径对主轴的刚度几乎没有影响。查资料可知经验公式为：d=0.50.6D2=4048mm,本次设计选择d=40mm。5.2.2 主轴悬伸量的确定主轴的悬伸量是指主轴前端面到前支承轴承中点的距离，悬伸量a的大小与主轴的形状、尺寸等因素有关，悬伸量的选择对主轴的影响很大，所以在选择时需要在满足要求的前提下选择较小的数值。查阅书籍专业机床设计与制造表5-15能够知道aD1=0.61.5，a=60150mm，在此次设计中选择悬伸量a=100mm。5.2.3 主轴的支承跨距在主轴的设计中主轴支承跨距的选择是一个非常重要的问题。查阅数控机床系统设计例4-1可知（1）求轴承刚度主轴最大输出转矩由n=1000vd（5-1）即v=471.24mmin又由Pc=Fzv60000即Fz=60000Pcv=1400N由设计指导书可知Fy=0.5Fz=700NF=Fz2+Fy2=1565N这里还没有考虑压轴力Fq，因此支承反力的计算结果可能会与后边强度计算时得出的结果有所偏差。此处估算时，暂取初值为l0a=2l0=2a=200mm前后支承反力分别为RA=Fl0+al0=2347.5NRB=Fal0=782.5N取前后支承刚度为KA=1200N/m KB=448Nm（2）求最佳跨距KAKB=2.68开始计算时一般假设主轴的当量外径D（与实际主轴具有相同抗弯刚度的等直径轴的直径）为前、后轴径的平均值，即D=（100+80）/2=90mm，故当前所设计加工中心主轴惯性矩为：I=(D2d2)64=(902402)64=319108(m4)则=EIKAa3=2.1101131910812001060.13=0.56查图4-20得l0/a=3故支承跨距l0=3100=300mm5.2.4 主轴受力分析图 51主轴主轴上齿轮的受力分析图 52齿轮受力分析图齿轮Z4的受力分析：转矩T主=9550P主n主j=955010.4320=310.375(Nm)周向力：Ft=2T主mz=2310.3753355.91(KN)径向力：Fr=Fttan=5.91tan202.15(KN)，（在这次设计中，直齿圆柱齿轮的压力角为20度）法向力：Fn=Ftcos=5.91cos206.29(KN)齿轮Z6的受力分析：转矩T主=9550P主n主j=955010.4320=310.375(Nm)周向力：Ft=2T主mz=2310.3753812.55(KN)径向力：Fr=Fttan=2.55tan200.93(KN)法向力：Fn=Ftcos=2.55cos202.71(KN)支承力的计算：FR=FR2+FR2水平面反力：FR1=Ft452.5+Fn4135+Ft6121.5+Fn6105300=5.85(KN)FR2=Ft452.5+Fn4165Ft6121.5+Fn6195300=3.15（KN)垂直面反力：FR1=Fr4135+Fr6105FZ100300=0.51(KN)(已知FZ=5395.6N)FR2=Fr4165+Fr6195FZ400300=5.41(KN)画出转矩图和弯矩图弯矩M=FL合成弯矩M=Mxy2+Mxz2水平面弯矩：图 53水平面弯矩图垂直面弯矩：图 54垂直面弯矩图合成弯矩：图 55合成弯矩图转矩T=T主=9550P主n主j=955010.4320=310.375(Nm)图 56转矩图计算当量弯矩根据资料查得则应力修正系数为:0b=102mpa1b=60mpa=1b0b=0.59当量转矩：T=0.59310.375=183.12N.m当量弯矩：Mz4=M42+T2=986.06KN.mmMz6=M62+T2=682.36KN.mm当量弯矩图如图所示：图 57当量弯矩图5.2.5 主轴强度计算查阅机械设计书籍可知，按照扭转强度来计算轴的强度公式为：T=TWT9550000Pn0.2d3（5-2）此公式受条件约束，只能用于受扭矩切弯矩不大的轴，当轴受弯矩和扭矩时，用轴的弯扭合成强度公式计算：ca=MW2+4T2W2=M2+T2W1（5-3）前面已知T=0.59310.375=183.12N.m，W=d4+DdD+d2zb32D,MMAX=986.06Nm所以ca=17.3MPa1=55MPa,所以强度条件符合5.2.6 主轴刚度计算主轴是阶梯轴，所以当量直径dd=d1l1+d2l2+dnlnl（5-4）公式中d、l都是各段的轴长和直径，总长直径是各直径的总和，主轴前端挠度y为：y=Fa2l3EI=Fa2l3EI103(m)（5-5）其中钢的弹性模量E=2105MPa；将E、I代入公式得y=Fa2l30d4di4，如果轴的孔径小于0.5d时，孔的影响可以忽略，yFa2l30d4，则轴的弯曲刚度Ky=30d4a2l=309041002300=656.1(N/m)，所以轴的刚度也符合条件。5.3 主轴端部主轴的端部一般是用来安装夹具或者刀具的，在设计时我们需要注意主轴的端部必须要求定位精度高，并且刚度也要好，在形状方面也要方便装卸，它也会使主轴的悬伸量变小。我们一般主轴的端部都有7:24的锥孔（短锥法兰式的结构具有很高的定心精度），用来插入刀柄，再通过拉杆夹紧，防止刀具松动。刀柄一般都是BT40，主轴的端面常常用4个螺孔来固定刀具，还会有两个端面长键来给刀具周向定位，同时它也能传递扭矩。5.4 主轴轴承的选择与校核5.4.1 主轴轴承选型主轴轴承常用的有滚动和滑动两种，它是主轴部件中的重要成分，它会直接影响主轴的工作性能。滚动轴承：滚动轴承主要有球轴承、圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承三种，其优点是摩擦阻力较小，能够预紧、在出现问题时容易维护。在设计超高速加工中心时选用陶瓷轴承，特性是重量轻、热膨胀系数小、弹性模量大。滑动轴承：滑动轴承主要有液体动压轴承、液体静压轴承、磁力轴承等，它的优点是具有良好的抗振性、运动平稳、旋转精度高，所以常运用于精密或高精密加工中心。轴承中的流体介质有液体和气体两种。在加工中心里面，主轴轴承的精度主要有B、C、D三个级别，通常前支承的精度要高于后支承，对于设计的主轴精度比较高时，前支承常使用B级，后支承使用C级；在普通精度时一般都是前C后D的选择。在轴承的装配时不同的轴承安装情况其装配也不同，当单个轴承在装配时常采用选配法。当两个轴承在装配时，一般使前后轴承的偏心量同向，并且要求前支承的比后支承的轴承精度要高，可使偏心量变小。滚动轴承往往会存在间隙，当其间隙较大的时候，会使轴承的刚度降低，这时需要给轴承进行适当的预紧，使其发生预变形，提高刚度、受力均匀。其中角接触球轴承在安装时需要注意，主轴与轴承一般采用15m的过盈配合，轴承与内孔使用05m的间隙配合。轴承在设计时需要考虑调整和预紧的方法，比如角接触球轴承，可以将轴承端面磨去实现，也可以使用隔套的方法，让内外隔套宽度形成差值来调整间隙，或者直接设立外隔套，然后在装配时用螺母并紧内圈获得需要的预紧力。前支承选用30220双列圆锥滚子轴承，后支承选用7216C角接触球轴承5.4.2 轴承的刚度计算由于受到的轴向力较小，在此只对轴承径向刚度计算前文已知RA=2347.5N，RB=782.5N径向力刚度公式：Kr=3.39Fr0.1la0.8iz0.9cos1.9(N/m)（5-6）所以KA=3.392347.50.180.82300.9cos1.925=1285(N/m)KB=3.39782.50.180.82260.9cos1.915=1142.4(N/m)5.5 主轴的键的选择与校核主轴上的齿轮受到比较小的轴向力，所以选择的是矩形花键10828812bs=2000Tzld=2000310.3750.7582.47085=7.24MPa根据书中表6-3可知bsbs,5.6 主轴组件的润滑与密封在加工中心里有两个非常重要的问题就是主轴组件的润滑与密封，如果主轴组件的润滑处理的很好，可以减少零件之间的摩擦，从而降低工作时的温度，良好的密封性可以防止润滑剂的泄漏，也可以把加工时的切屑挡在外面。不同的润滑适用于不同场合，合适的润滑方式可以使加工组件的寿命延长。滚动轴承的润滑方式主要为润滑脂或润油润滑，油脂润滑一般使用在低速运转的时候，因为油脂使用的时候非常方便，不会出现像油液那样因为密封性不好出现漏油的情况，但是再维修时更换需要拆卸零件，非常不方便。油液循环润滑一般用在高速主轴上，因为高速运转会产生大量的热，油液循环的润滑方式可以为主轴降温，起冷却的作用，而且维修时更换方便，但是需要主轴有非常好的密封性。油雾和油气的润滑则会污染环境，影响操作工人的身体健康，这里不大建议使用。主轴需要有较好的密封性，一是防止润滑油的泄漏，二能防止加工时产生的切屑进入主轴从而影响加工精度，主轴的密封主要有接触式密封和非接触式密封，非接触式密封一般都是使用零件的结构进行间隙密封，对零件的精度要求很高；接触式密封主要有油毡圈和橡胶密封圈两种，使用这种方式的优点有结构简单、成本也很低，尺寸结构也简单，不用对零件进行特殊结构加工，密封效果也很好。在此次设计中主轴是采用润滑油给轴承进行润滑，在轴承两遍分别设计了入油口和出油口，通过润滑油的流动带走主轴旋转时产生的热量，以此形成一个冷却系统，对于油液的密封则采用的是橡胶密封圈，油液通道需要堵住的地方则用堵盖堵住。5.7 提高主轴组件性能的措施1、提高主轴旋转精度的主要措施 选择合适的轴承精度及有关零件的精度。（1）可以通过轴承选配法来提高主轴的旋转精度，这时需要使前后轴承的最大径向跳动点在同一轴向平面内，并且在轴线的同一方，且设计时应使前轴承精度高于后轴承的精度，通常高一级。（2）正常选择轴承调整螺母以保证螺母端面与轴线的垂直，保证主轴的旋转精度。2、提高主轴组件刚度的主要措施 合理确定主轴的结构尺寸，在主轴系统中主要指主轴前轴颈直径D1、后轴颈直径D2内孔直径d、悬伸量a及跨距l等，应综合考虑它们对主轴刚度的影响和它们之间的关系。选择刚度好的轴承，并且需要注意轴承预紧会明显提高轴承刚度，所以应该选择合适的轴承预紧方式。预紧力应根据情况和实验合理确定，以提高刚度又不明显增大磨损为原则。合理布置传动力的位置与方向。(1) 传动力在前后支承跨距之间且与切削力同向:优点：减小主轴的弯曲变形；缺点：增加了前支承受力；且传动力应该尽量靠近前支承。(2) 传动力在前后支承跨距之间且与切削力反向:优点：增大主轴的弯曲变形；缺点：减小了前支承受力；且传动力应该尽量靠近前支承。(3) 传动力在后支承左边且与切削力同向：优点：主轴的支承受力小；缺点：主轴受力情况不好弯曲变形较大；且传动力应该尽量靠近后支承。(4) 传动力在后支承左边且与切削力反向：优点：减小了主轴的弯曲变形；缺点：增加了主轴支承受力，引起传动力和切削力位移的叠加；且传动力应该尽量靠近后支承。(5)传动力在前支承右边且与切削力反向：优点：能够有效的减小主轴的支承受力和弯曲变形；缺点：结构较为复杂，比较难实现且主轴的悬伸量过大；且传动力应该尽量靠近前支承。此次设计中选择的方式是方案一。3、提高主轴组件抗振性的措施（1）尽量缩短主轴前轴承部结构的长度，比如选择合适的轴承，适当增大前后轴承之间的跨距，这样设计一方面有利于主轴重心向内侧移，又能适当减少前轴承的受力。当跨距短时，应增加两支承间的重量达到此目的。（2）尽可能的提高前轴承的刚度和阻尼。比如选择刚度大的滚动轴承并通过某种方式进行适当预紧，增加阻尼可通过加飞轮和阻尼器。（3）进行前轴承的合理选择，提高前轴承的精度。（4）对于高速旋转的零件来说，进行静、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(在此次设计中齿轮充当飞轮的作用)可减少振动，如果一个飞轮不够满足要求可以增加多个飞轮。（6）在飞轮无法满足要求的情况下应用阻尼器消耗振动能量是有效的措施。（7）考虑系统的固有频率和电机产生的振动频率，避免零件之间共振。通过合理的箱体结构设计，增加箱体刚度，这样能提高抗振性。4、减少主轴组件热变形的措施（1）把能产生大量热量的结构（如电机、液压系统等）移至机床或者主轴箱体以外。（2）设计合适的润滑系统，改善主传动箱的润滑方式和条件，如进行箱外循环润滑，用低黏度的润滑油、油雾润滑等。其中最重要的是前轴承的润滑情况。（3）采用冷却散热装置，例如用冷却液、用热管冷却等。（4）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装置。（5）设计时需要使热变形朝不影响加工精度的方向发展。（6）还可以在工艺上减少热变形的影响，不同的功艺已热变形也不同。如先空运转一段时间再加工，粗、精加工分开等。6 气动夹持分析与计算6.1 蝶形弹簧的设计蝶形弹簧在本设计中被用在刀具自动夹紧装置里，通过拉动拉杆使刀柄被拉紧，其数据通过国家标准GB/T1972-1992选择。此次设计中选择的是蝶形弹簧A40，并且是对合蝶形弹簧。表 61蝶形弹簧参数表Ddt0H0PfH-f4020.42.250.93.1565400.682.47选用A系列D=40mm的对合弹簧组，可知Pc=4E12t30K1D2K42（6-1）其中E=2.06105N/m，=0.3，K4=1，K1=0.69，得Pc=8410N根据查询资料可知bt40刀具的预紧力为4000N，压缩量为10.5mmP1Pc=40008410=0.476根据查f0和P1Pc表查得f0=0.47，则f1=0.470=0.470.9=0.423mm，需要满足压缩量10.5mm,所以需要的弹簧片数为i=fxf1=10.50.423=24.8，取26片在弹簧未预紧前时，组合弹簧高度H=iH0=263.15=81.9mm已知弹簧组总长度为81.9mm，是由26个弹簧片组成，拉杆只需要向里面位移3mm就能时刀柄被松开，所以弹簧组的位移为13.5mm。f1=fx1i=13.526=0.52f0=0.520.9=0.58根据查f0和P1Pc表可知P1Pc=0.57，得P1=0.57Pc=0.578410=4793.7N,所以气缸需要改拉杆4793.7N的力。6.2 主轴气缸的设计气缸是一种将压缩空气对活塞杆的压力转化成机械能的一种执行机构，气缸的种类有许多，分为普通气缸和特殊气缸，它与液压缸类似，在这里主要是推动拉杆压缩蝶形弹簧，使刀柄被松开。已知空气压力为6kg/cm2=0.6MPa，气缸所需推力4793.7N根据附录1图中表格选择缸径125mm,根据液压与气压传动书中可知气缸的推力为F=P(D24d24)（6-2）其中为气缸的负载率，此处取0.8，活塞杆d=0.3D=37.5mm，求出D=106mm,取整得D=125mm。活塞杆的行程在此次设计中不要取太大，选择为30mm。6.3 主轴内部的刀具自动拉紧机构在加工中心里有一个特殊的功能就是可以自动换刀，所以主轴的刀具自动夹紧装置是加工中心不可或缺的一部分，刀具夹紧装置的工作原理是刀柄在安装时会被主轴中的抓刀爪夹持，在主轴内部的蝶形弹簧通过拉杆把抓刀爪往上拉，在内套的作用下抓刀爪拉紧刀柄上的拉钉；在需要换刀的时候，主轴上方的汽缸会在上腔中通入压缩空气，空气对活塞杆产生压力使活塞杆向下移动活塞杆会推动拉杆使蝶形弹簧压缩，抓刀爪这时也会松开拉钉，拉杆顶开刀柄，然后刀具由机械手或者刀库拿走。在新的刀具装入的时候，在汽缸下腔中通入压缩空气，活塞杆会往上移动，蝶形弹簧受到的压力减小，弹簧恢复带动拉杆往上移，抓刀爪将刀柄抓紧。还有另外的方式就是钢球拉紧装置，并非卡爪式的，原理与卡爪式的一样，就是在拉紧时一个是抓紧，一个是通过钢球移动卡紧。本次设计运用的是钢球拉紧装置。6.4 锥孔吹屑装置在加工中心加工完工件之后，可能会有一些切屑进入主轴当中，这时就需要吹屑装置将其中的切屑处理干净，锥孔吹气装置的原理就是在汽缸的上方会有一个喷气嘴与活塞杆相连，当工件加工之后换刀时，喷气嘴会喷出压缩空气通过活塞杆和拉杆的压缩空气通道将切屑吹走。吹力计算：已知压缩空气压强等于0.6Mpa，压缩空气通道直径10mm所以F吹=PS=610552106=47.1(N)计算可知锥孔吹力为47N，远大于切屑的重量，所以满足条件要求。6.5 主轴准停装置在加工中心里一般会在主轴设置准停装置，它的作用在于主轴在运转后需要停止时能够使其每一次都在固定的周向位置上，以此来确保主轴在换刀的时候主轴端部的键能够与刀夹上的键槽相配合，同时自每一个工序加工完之后需要换刀时主轴的位置不变，刀具更换就不会影响主轴的加工精度，其工作原理如图所示，在主轴带轮的端面上装有一个凸轮转盘5，转盘上有一个凹槽和一个感应器，在主轴箱体对应的位置上装有两个感应测量器4和6，当机床需要停车换刀时，感应器转到4时，数控系统发出主轴停转的指令，主轴电机立即降速，当感应器转至6时，液压缸2开始工作，制动器3上升，卡住凸轮转盘，使主轴准确停止在规定的周向位置上。图 61主轴准停装置1 行程开关；2液压缸；3制动器；4、6感应测量器；5凸轮转盘本次设计中选用的主轴准停装置是用磁性传感器检测定位，在主轴上安装一个发磁体与主轴一起旋转，在距离发磁体旋转外轨迹12mm处固定一个磁传感器，它经过放大器并与主轴控制单元相连接，当主轴需要定向时，便可停止在调整好的位置上。6.6 气动系统图图 62自动换刀气压系统原理图气动换刀的流程：主轴定位主轴松开刀具机械手拔刀主轴的锥孔吹气插入新的刀具工作原理则是：在加工中心进行工件加工时，根据程序数控系统会发出换刀的指令，发出指令后主轴停止旋转恢复到最初的位置，与此同时4YA会通电，压缩空气会通过气动三联件进入到主轴定位气缸中，此气缸中的活塞会在压力作用下移动，使主轴实现定位，定位后会经过稍微的处理使6YA通电，压缩空气会经过换向阀和排气阀进入到主轴左方的气缸左方，压缩空气给活塞压力使活塞向右移动给主轴拉杆一个向右的推力，使主轴松开刀具，与此同时机械手那边也会收到信号通过液压缸或气缸实现拔刀，拔刀之后，1YA会通电，这时主轴中间的压缩空气通道里面会通入压缩空气，将加工时的切屑吹走，一定时间后，1YA断电，2YA会通电，这时锥孔停止吹气，机械手会将新的刀具装入主轴里，主轴装入新的刀具后会5YA通电主轴左方气缸的右边会通入压缩空气，使活塞杆左移回到最初的位置，这时拉杆会在蝶形弹簧的恢复拉力下将新的刀具拉紧，机械手收回，3YA通电主轴定位气缸会在弹簧的作用力下恢复到最初的位置，此时整个换刀过程结束。7 控制系统设计在加工中心里有一个非常重要的部分，那就是
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