数控立式加工中心的主轴箱设计设计开题报告

1、数控立式加工中心的主轴箱设计设计开题报告1开题依据机床是将金属毛坯加工成机器零件的机器，它是制造机器的机器，所以又称为”工作母机”或”工具机”，习惯上简称机床。现代机械制造中加工机械零件的方法很多：除切削加工外，还有铸造、锻造、焊接、冲压、挤压等。在一般的机器制造中，机床所担负的加工工作量占机器总制造工作量的40-60，机床在国民经济现代化的建设中起着重大作用。所以此次提出数控立式加工中心的设计。2文献综述数控机床的基本概况数控(numericalcontrol,NC)机床，顾名思义，是一类由数字程序实现控制的机床。与人工操作的普通机床相比，它具有适应范围广、自动化程度高、柔性强、操作者劳动强

2、度低、易于组成自动生产系统等优点2。数控机床也就是一种装了程序控制系统的机床，该系统能逻辑处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序8。1952年，美国PARSON公司与麻省理工学院(MIT)合作，研制出世界上第一台数控机床。从此机床行业，乃至整个制造业和相关产业进入了一个新的发展阶段。在机床行业，由于采用了数控技术，许多过去在普通机床上无法完成的工艺内容得以完成，大量普通机床为数控机床所代替，这就极大地促进了机床行业的技术进步和行业发展。对于整个制造业，由于大量引用数控机床，使得产品质量大幅度提高，新产品开发周期明显缩短，满足了广大消费者求新和追求个性化的要求，从而形成了制造业与市场相互促

3、进的发展趋势。一段时期内机床行业在技术发展上曾被视为“夕阳工业”，如今再度受到全世界的高度重视。在这一历史转变中，数控机床的产生与发展功不可没。此外，数控机床的发展，还带动了众多相关产业和技术的发展。随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高，更新换代频繁，生产类型由大批大量生产向多品种小批量生产转化。因此，对机械产品的加工相应地提出了高精度、高柔性与高度自动化的要求。在机床行业，由于采用了数控技术，许多过去在普通机床上无法完成的工艺内容得以完成，大量普通机床为数控机床所代替，这就极大地促进了机床行业的技术进步和行业发展。目前数控机床已经遍布军工、航空航天、汽车、

4、造船、机车车辆、机床、建筑、通用机械、纺织、轻工、电子等几乎所有制造行业2。综上所述，数控机床在促进技术进步和经济发展，提高人类生存质量和创造新的就业机会等方面，起着非常重要的作用。数控机床是一种高效能自动加工机床，是一种典型的机电一体化产品。与普通机床相比，数控机床具有如下一些优点：易于加工异型复杂零件；提高生产率；可以实现一机多用，多机看管；可以大大减少专用工装卡具，并有利于提高刀具使用寿命；提高零件的加工精度，易于保证加工质量，一致性好；工件加工周期短，效率高；可以大大减少在制品的数量；可以大大减轻工人劳动强度，减少所需工人数量等。一般来说，数控机床可分为数控车床、数控铣床、加工中心、车

5、削中心几类2。此次毕业设计主要是针对立式加工中心主传动系统设计，故以下介绍一些加工中心的应用和发展情况。二、加工中心的基本概念和分类（1）加工中心的基本概念在数控铣床的基础上，如果再配以刀具库和自动换刀系统，就构成加工中心2。加工中心的特点是它的刀具库能存放几十把甚至更多的刀具，由程序控制换刀机构自动调用与更换，这样就可以在没有人工干预的情况下，一次完成很多工艺内容。加工中心是一种备有刀库并能自动更换刀具对工件进行许多工序加工的数控机床。在加工中心上，工件经一次装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量、刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助功能，依次完成工

6、件一个或几个面上多工序的加工。加工中心能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和机床的调整时间，减少工件周转、搬运和存放时间，使机床的切削利用率（切削时间和开放时间之比）可达80%以上，高于普通机床3-4倍。尤其是在加工形状比较复杂，精度要求较高、品种更换频繁的零件时，加工中心更体现出良好的加工效果。所以说，加工中心不仅提高了工件的加工精度，而且是数控机床中生产率和自动化程度最高的综合性机床。加工中心最先是在镗铣类机床上发展起来的，可称为镗铣加工中心，习惯上简称为加工中心3。（2）加工中心的分类按照加工中心的形态不同进行分类，可分为立式、卧式和五坐标加工中心1。1）立式加工中心立式加工中心

7、的主轴轴心线为垂直状态配置，结构形式多为固定立柱式，工作台为长方形，适合加工小型板类、盘类、壳体类零件。立式加工中心结构简单，占地面积小，价格底，配备各种附件后，可进行大部分工件的加工。2）卧式加工中心卧式加工中心的主轴轴心线为水平状态配置，通常都带有可进行分度回转运动的工作台，适合加工箱体类零件。它与立式加工中心相比，结构复杂、占地面积大、质量大、价格亦高。五坐标加工中心五坐标加工中心兼具立式和卧式加工中心的功能，工件一次装夹后能完成除安装面外的所有侧面和顶面等五个面的加工，因此也叫五面加工中心。常见的五坐标加工中心有两种结构形式，一种是主轴可以90旋转，另一种是工作台可以90旋转。3方案论

8、证3.1概述主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，它应具有一定的转速和一定的变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工不同材料，不同尺寸，不同要求的工件，并能方便的实现运动的开停、变速、换向和制动等。数控机床的主传动系统主要包括电动机、传动系统和主轴部件，它与普通机床的主传动系统相比在结构上比较简单，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，省去了复杂的齿轮变速机构，有些只有二级或三级齿轮变速系统用以扩大电动机无级调速的范围。数控机床的主传动系统的特点与普通机床比较，数控机床主传动系统具有下列特点。转速高、功率大。它能使数控机床进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。3.1.

9、1变速范围宽。数控机床的主传动系统有较宽的调速范围，一般Rn100,以保证加工时能选用合理的切削量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。主轴变速迅速可靠。数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。由于直流和交流主轴电机的调速系统日益完善，所以不仅能够方便的实现宽范围无级变速，而且减少了中间传递环节，提高了变速控制的可靠性。主轴组件的耐磨性高，使传动系统具有良好的精度保持性。凡有机械摩擦的部位，如轴承，锥孔等都有足够的硬度，轴承处还有良好的润滑。主传动系统的设计要求主轴具有一定的转速和足够的转速范围、转速级数，能够实现运动的开停、变速、换向和制动，以满足机

10、床的运动要求。主电机具有足够的功率，全部机构和元件具有足够的强度和刚度，以满足机床的动力要求。主传动的有关结构，特别是主轴组件要有足够高的精度、抗振性，热变形和噪声要小，传动效率要高，以满足机床的工作性能要求。操纵灵活可靠，调整维修方便，润滑密封良好，以满足机床的使用要求。结构简单紧凑，工艺性好，成本低，以满足经济性要求。数控机床主传动系统配置方式主传动系统主要有四种配置方式：带有变速齿轮的主传动大中型数控机床采用这种变速方式。通过少数几对齿轮降速，扩大输出转矩，以满足主轴低速时对输出转矩特性要求。数控机床在交流或直流电动机无级变速的基础上配以齿轮变速，使之成为分段无级变速。滑移齿轮的移位大都

11、采用液压缸加拨叉，或者直接采用由液压缸带动齿轮来实现。通过带传动的主传动这种传动主要应用于转速较高、变速范围不大的机床。电动机本身的调速就能够满足要求，不用齿轮变速，可以避免齿轮传动引起的振动与噪声。适用于高速、低转矩特性要求的主轴。常用V带或同步齿形带。用两个电动机分别驱动主轴这是上述两种方案的结合，具有上述两种性能。高速时电动机通过带轮直接驱动主轴旋转；低速时，另一个电动机通过两级齿轮传动驱动主轴旋转，齿轮起到降速和扩大变速范围的作用，这样就使恒功率区增大，扩大了变速范围，克服了低速时转矩不够且电动机功率不能充分利用的缺陷。内装电动机主轴传动结构该主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，

12、有效的提高了主轴部件的刚度，但主轴转矩小，电动机发热对主轴影响较大。综上所述，我认为选取第一种配置较为合理，因为该种配置应用较为广泛并且满足数控立式加工中心的设计要求，有足够的变速范围。3.4主传动系统的类型按动力源的类型可分为交流电机驱动和直流电机驱动。交流电动机驱动中又可分为单速交流电机驱动、调速交流电机驱动和交流伺服电机驱动。调速交流电机驱动又有多速交流电机驱动和变频交流电机驱动。按传动装置类型可分为机械传动装置、液压传动装置、电气传动装置以及它们的组合。按变速的连续性可分为分级变速传动和无级变速传动无级变速传动可以在一定的变速范围内连续改变转速，以便得到最有利的切削速度；能在运转中变速

13、，便于实现变速自动化；能在负载下变速，便于车削大断面时保持恒定的切削速度。以提高生产效率和加工质量。无级变速传动可由机械摩擦无级变速器、液压无级变速器和电气无级变速器实现。机械摩擦无级变速器结构简单、实用可靠，常用在中小型车床，铣床等主传动中。液压无级变速器传动平稳，运动换向冲击小，易于实现直线运动，常用于主运动为直线运动的机床。电气无级变速器有直流电动机和交流调速电机两种，由于可以大大简化机械结构，便于实现自动变速、连续变速和负载下变速，应用越来越广泛，尤其在数控机床上，目前几乎都采用电气变速。主轴组件设计组件设计基本要求：旋转精度、刚度、抗振性、温升和热变形、精度保持性。3.5.1主轴的构

14、造通用机床主轴短部结构形状应用范围：铣床应用特点:7：24锥孔作定位面，供安装铣刀或铣刀心轴的尾椎，再用拉杆从主轴后端拉紧，四个螺孔供安装端铣刀用，两个长槽供安装端面键以传递扭矩主轴组件的设计计算设计步骤；1.根据统计资料，初选主轴直径；选择主轴跨距；进行主轴组件的结构设计，根据结构要求修正上述数据；进行验算；根据验算结果对设计进行必要的修改。机床主轴端部结构形状：主轴中心孔前段锥度，摩氏3-6度。为装配方便，车床主轴直径通常是从前向后逐段递减。一般车、铣床主轴后轴颈的直径d=(0.7-0.9)d，d为前轴颈尺寸。21主轴前轴颈尺寸应按所传递的功率确定，初选时可参照下表初定。主轴前轴径的直径卧

15、式车床60-8070-9070-10595-130110T45140-165150-190220230铣床50-9060-9060-9575-10090-105100-115外圆磨床50-9055-7070-8075-9075-10090-100105105主轴前端面到前支撑径向支反力作用点之间的距离为主轴悬伸量，减小悬伸量对提高主轴组件的刚度与抗振性有明显效果。主轴悬伸量的选择，可参照下表确定。主轴悬申量与前轴颈直径之比机床和主轴的类型a/D通用和精密车床，自动车床和短主轴端铣床，用滚动轴承支承，适用于高精度和普通精度要求0.6-1.25中等长度和较长主轴端的车床和铣床，悬申不太长(不是细长

16、)的精密镗床和内圆磨床，用滚动轴承和滑动轴承支撑，适用于绝大部普通生产的要求。1.25-2.5孔加工机床，专用加工细长深孔的机床，由加工技术决定，需要有长的悬伸刀杆或主轴可移动，因切削较重而不适用于有咼精度要求的机床。2.5主轴最佳跨距可据下列经验公式初定L=(35)a0式中L最佳跨距a悬伸量(悬仲量大的机床L=(12)a)0若实际跨距L宀与最佳跨距L不能相等时,可取合理跨距L=(0.75-1.5)L。实0合0若LL时,应适当加强主轴刚度；反之,LL时,应适当加强轴承刚度。实0实0其他传动轴的径向尺寸,可按该轴所传递的扭矩初定,轴向尺寸必须保证各轴间齿轮不相干涉。滑移齿轮在一对齿轮彻底脱开后,

17、下一对才能进行啮合,并且留有1-2mm间隙的实际需要的基础上,据结构要求确定。主轴滚动支承的选择主轴组件的滚动轴承既要有承受径向载荷的径向轴承,又要有承受两个方向轴向载荷的推力轴承。轴承类型及型号选用主要应根据主轴组件的刚度、承载能力、转速、抗振性及结构等要求合理进行选定。其他附件的设计与选择联结键的选择和蝶形弹簧的选择与计算螺钉联结的设计润滑与密封件设计3.6草图设计要求绘制展开图、截面图各一张，以表达所设计主轴变速箱的基本结构。两图应并行绘制。其中展开图以将各轴展开到同一平面的展开形势绘制，所表达的是各轴及轴上所有零件的实际形状，及轴向位置及尺寸。截面图则反映各轴的空间关系及经向尺寸。设计

18、展开图时，应考虑主轴的悬伸量、合理跨距；各传动轴上齿轮宽度、滑移齿轮必须保证一对齿轮彻底脱开、另一对齿轮才能进入啮合、并留有1-2mm间隙，不相邻轴上的齿轮在滑动中不干涉等需要，轴承布置，皮带轮的位置等因素综合确定轴向尺寸。结构草图确定后，对有关轴及齿轮进行校验计算。3.7结构图设计箱壁各安装轴承处可适当设凸缘，加筋条。主轴箱应留有在床身上安装定位的基准面。主传动系统应设有刹车制动装置，安放位置最好在接近执行件，转速较高且变速范围较小的传动轴上。在向进给系统输出的部位有加工左右螺纹的换向装置，一般采用介轮换向，而且介轮放在反向传动中。4.选题的难点及解决方法4.1难点在于，之前没有接触过机床的

19、主轴箱设计，对无级变速的设计了解不多，一开始会有较多障碍，另外，对于主轴的强度校核和应力分析将会是一大挑战。解决办法：1.借阅书籍，寻找相似设计案例，熟悉铣床的设计步骤和方法。实在不懂得地方，咨询指导老师。5.毕业设计内容完成数控立式加工中心的主轴箱设计，并进行制作与装配；研究主轴箱的运行原理和特性，基本采用标准件的选择方式，合理装配。综合运用过去所学理论知识，提高理论联系实际和综合分析能力，培养机电一体化的设计能力；树立现代设计理念，提高机械设计和查阅设计资料、标准及规范等基本技能，并完成毕业设计论文、计算说明书等任务。进行必要的调研工作。1.完成20000字符外文资料的翻译。2.撰写毕业设

20、计论文。绘制总装图一张，部件图、零件图若干张5工作进度安排2周：调查研究，阅读文献，查找资料，整理资料，完成开题报告，翻译外文资料；5周：理论设计；4周：装配图，零件图绘制；2周：检查，修改设计与计算；2周：撰写毕业设计论文及准备答辩；1周：准备答辩、答辩及成绩评定。6参考资料1.吴宗泽.机械设计手册（第二版）.北京：机械工业出版社.2000.1；2.机械设计实用手册编委会.机械设计实用手册.北京：机械工业出版社，2008.4；何红华，马振宝.互换性与测量技术.北京：清华大学出版社，2008.1；徐茂功.公差配合与技术测量（第三版）.北京：机械工业出版社，2008.6；张展.机械设计通用手册.北京：机械工业出版社，2008.5；安小龙，安继儒金属材料手册.北京，化学工业出版社，2008.1；黄伯云，李成功，石力开等.有色金属材料手册.北京：化学工业出版社，2009.6姚家伦。机床课程