立式加工中心主轴箱结构设计和实现 机械制造专业

立式加工中心主轴箱结构设计摘要加工中心由于备有刀库并能自动更换刀具，使得工件在一次装夹中可以完成多工序的加工。加工中心一般不需要人为干预，当机床开始执行程序后，它将一直运行到程序结束。加工中心还赋予了专业化车间一些诸多优点，如：降低机床的故障率，提高生产效率，提高加工精度，削减废料量，缩短检验时间，降低刀具成本，改善库存量等。由于加工中心的众多优势，所以它深受全球制造企业的青睐。加工中心主要由主轴组件、回转工作台、移动工作台、刀库及自动换刀装置以及其它机械功能部件组成。其中的主轴组件是机床重要的组成部分，其运动性能直接影响机床加工精度与表面粗糙度。本文在查阅大量国内外文献的基础上，通过研究分析不同加工中心主轴组件的性能，综合地比较了其特点，并拟定了一个较为合理的主轴组件结构方案。同时，还就主轴、轴承以及丝杠等重要零件的机械性能进行了探讨，并对这些零件的刚度和强度进行了校核。此外，本设计中所采用的陶瓷轴承能有效地增加主轴的刚度，从而提高了加工中心的可靠性和稳定性。关键词：主轴组件，加工中心，数控机床SpindleunitdesignofVerticalmachiningcenterABSTRACTMachiningcenterevolvedfromtheneedtobeabletoperformavarietyofoperationsandmachiningsequencesonaworkpieceonasinglemachineinonesetup.Machiningcenterrequireslittleoperatorintervention,andoncethemachinehasbeensetup,itwillmachinewithoutstoppinguntiltheendoftheprogramisreached.Someoftheotheradvantagesthatmachiningcentersgiveamanufacturingshoparegreatermachineuptime,increasedproductivity,maximumpartaccuracy,reducedscrap,lessinspectiontime,lowertoolingcosts,lessinventoryandsoon.Becauseoftheirmanyadvantages,machiningcentersbecomewidelyacceptedbymanufacturingenterprisesintheworld.Machiningcentersareequippedwithspindleunits,rotaryworkbench,movingworkbench,toolmagazinesandautomatictoolchangers,andothermechanicalfunctioncomponents.Spindleunitistheimportantmotionpartofthemetalcuttingmachinetool.Itsmovementbehavioraffectsthemachiningaccuracyandsurfaceroughnessofparttobemachined.Throughreferringtoavarietyoftechnicalliteratures,thecharacteristicsofsomekindsofspindleunitsarecomparedwitheachotherbasedonanalysisandresearchworkondifferentmachiningcenters.Areasonableschemecanbestudiedout.Meanwhile,themechanicalbehaviorsofprinciplepartssuchasthespindle,bearingsandleadscrewarediscussed.Theirrigidityandstrengtharecalculatedandexaminedhere.Morever,akindofadvancedceramicbearingsisintroducedintothespindleunit,whichcaneffectivelyenhancetherigidityofspindleunits.Theywillimprovethereliabilityandstabilityofmachiningcenters.Keywords：spindleunit，machiningcenter，NCmachinetool目录引言 5一、概述 71.1立式加工中心主轴箱结构设计课题的背景和意义 71.1.1课题拟解决的关键问题 71.1.2解决上述问题的策略 91.2国内外研究现状、技术特点 91.2.1加工中心的国内外发展 91.2.2主轴部件的研究进展 11二、主轴箱的总体设计 122.1主轴箱传动方案 122.2.1主轴传动机构 122.2.2主轴进给机构 132.2.3主轴准停机构 152.2.4刀具自动夹紧机构 172.2.5切屑清除机构 202.3主轴箱转速图 212.3.1绘制转速图 212.3.2、防止各种碰撞和干涉 222.3.3、确定带轮直径 222.3.4、验算主轴转速误差 222.3.5、绘制传动系统图 23三、电动机的选择 243.1电动机功率计算 243.2电动机参数选择 25四、齿轮传动设计计算 254.1模数的估算 25(1)Ⅰ-Ⅱ齿轮弯曲疲劳的计算： 26(2)Ⅱ-Ⅲ齿轮弯曲疲劳的计算： 26(3)Ⅲ-Ⅳ齿轮弯曲疲劳的计算： 27(4)Ⅳ-Ⅴ齿轮弯曲疲劳的计算： 27(5)Ⅴ-Ⅵ齿轮弯曲疲劳的计算： 28齿轮尺寸表 284.2尺寸各参数的计算 314.2.1、齿轮的验算 314.2.2齿轮强度校核 33五、轴的设计计算 355.1各传动轴轴径估算 355.2各轴段长度值的确定 365.3轴的刚度和强度校核 375.4主轴的选择 37六、离合器的选用 38七、总结 40参考文献 42

引言装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展高新技术产业和尖端工业（如：信息技术及其产业，生物技术及其产业，航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。制造技术和装备是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术则是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。数控机床技术的发展自1953年美国研制出第一台三坐标方式升降台数控铣床算起，至今已有53年历史了。20世纪90年开始，计算机技术及相关的微电子基础工业的高速发展，给数控机床的发展提供了一个良好的平台，使数控机床产业得到了高速的发展。我国数控技术研究从1958年起步，国产的第一台数控机床是北京第一机床厂生产的三坐标数控铣床。虽然从时间上看只比国外晚了几年，但由于种种原因，数控机床技术在我国的发展却一直落后于国际水平，到1980年我国的数控机床产量还不到700台。到90年代，我国的数控机床技术发展才得到了一个较大的提速。目前，与国外先进水平相比仍存在着较大的差距。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。

一、概述1.1立式加工中心主轴箱结构设计课题的背景和意义本课题来源于同济现代制造技术研究所立式加工中心机床设计项目的子课题之一。加工中心是典型的集高新技术于一体的机械加工设备，它的发展代表了一个国家设计、制造的水平，因此在国内外企业界都受到高度重视。本课题的目的是进行立式加工中心主轴组件的结构设计，主轴组件作为加工中心的执行元件，它确保带动刀具进行切削加工、传递运动、动力及承受切削力等，并满足相关的技术指标要求。本课题涉及的主要技术指标有：主轴孔锥度：；主轴孔直径：；主轴箱行程（Z轴）：；主轴转速范围：；快速移动速度（Z轴）：；进给速度（Z轴）：。1.1.1课题拟解决的关键问题各类机床对其主轴组件的要求，主要是精度问题，就是要保证机床在一定的载荷与转速下，主轴能带动工件或刀具精确地、稳定地绕其轴心旋转，并长期地保持这一性能。主轴组件的设计和制造，都是围绕着解决这个基本问题出发的。为了达到相应的精度要求，通常，主轴组件应符合以下几点设计要求[6]：旋转精度旋转精度是指机床在空载低速旋转时，主轴前端安装工件或刀具部位的径向和轴向跳动值满足要求，目的是保证加工零件的几何精度和表面粗糙度。刚度指主轴组件在外力的作用下，仍能保持一定工作精度的能力。刚度不足时，不仅影响加工精度和表面质量，还容易引起振动，恶化传动件和轴承的工作条件。设计时应在其它条件允许的条件下，尽量提高刚度值。抗振性指主轴组件在切削过程中抵抗强迫振动和自激振动保持平稳运转的能力。抗振性直接影响加工表面质量和生产率，应尽量提高。温升和热变形温升会引起机床部件热变形，使主轴旋转中心的相对位置发生变化，影响加工精度。并且温度过高会改变轴承等元件的间隙、破坏润滑条件，加速磨损。耐磨性指长期保持其原始精度的能力。主要影响因素是材料热处理、轴承类型和润滑方式。根据本课题的设计任务要求，由于主轴的转速并不是很高，所以在抗振性、温升等方面不必重点考虑，而应重点考虑加工中心的旋转精度和刚性。但是在设计时仍应综合考虑以上几项要求，注意吸收新技术，以获得满意的设计方案。1.1.2解决上述问题的策略旋转精度主要取决于主轴、支承轴承、主轴箱上轴承座等的制造、装配和调整精度。显然，若要保证主轴组件的旋转精度，则必然对主轴支承轴颈的圆度、轴承滚道及滚子的圆度、主轴及其上的回转零件的动平衡度、止推轴承的滚道及滚动体的误差、以及对主轴的主要定心面的径向跳动和轴向窜动等提出较高的整体要求，特别要提高支承轴承的精度等级。要保证旋转精度，通常应尽量满足以上要求。而对于主轴组件的刚度，实际上是主轴、轴承、轴承座等加工设计的综合反映。主轴自身的结构形状和尺寸，滚动轴承的配置形式(背靠背、面对面、同向、混合等)、数量、类型、预紧等，以及支承的跨距、主轴前端的悬伸量等都将直接影响其刚度。为了保证机床的主轴具有足够的刚度，通常应尽量使主轴前端的悬伸量缩短，主轴直径增大，并通过计算求出支承轴承间的最佳跨距、进行预紧、采用合理的轴承及其相应的配置形式等措施[6]。采用以上各种措施必然会使机床的刚性及旋转精度大幅度提高，但是，若盲目地全部采纳上述措施，则一定会使机床的制造难度增大，成本增加。所以，在设计的时候，要综合各项因素考虑。1.2国内外研究现状、技术特点1.2.1加工中心的国内外发展对于高速加工中心，国外机床在进给驱动上，滚珠丝杠驱动的加工中心快速进给大多在以上，最高已达到。采用直线电机驱动的加工中心已实用化，进给速度可提高到，其应用范围不断扩大。国外高速加工中心主轴转速一般都在，由于某些机床采用磁浮轴承和空气静压轴承，预计转速上限可提高到。国外先进的加工中心的刀具交换时间，目前普遍已在左右，高的已达，甚至更快。在结构上，国外的加工中心都采用了适应于高速加工要求的独特箱中箱结构或龙门式结构。在加工精度上，国外卧式加工中心都装有机床精度温度补偿系统，加工精度比较稳定。国外加工中心定位精度基本上按德国标准验收，行程以下，定位精度可控制在之内。此外，为适应未来加工精度提高的要求，国外不少公司还都开发了坐标镗精度级的加工中心。相对而言，国内生产的高速加工中心快速进给大多在左右，个别达到。而直线电机驱动的加工中心仅试制出样品，还未进入产量化，应用范围不广。国内高速加工中心主轴转速一般在，定位精度控制在之内，重复定位精度控制在之内。在换刀速度方面，国内机床多在，无法与国际水平相比[1～3]。虽然国产数控机床在近几年中取得了可喜的进步，但与国外同类产品相比，仍存在着不少差距，造成国产数控机床的市场占有率逐年下降。国产数控机床与国外产品相比，差距主要在机床的高速、高效和精密上。除此之外，在机床可靠性上也存在着明显差距，国外机床的平均无故障时间（MTBF）都在小时以上，而国产机床大大低于这个数字，国产机床故障率较高是用户反映最强烈的问题之一。1.2.2主轴部件的研究进展图1.1立式加工中心结构图1-切削箱2-X轴伺服电机3-Z轴伺服电机4-主轴电机5-主轴箱6-刀库7-数控柜8-操纵面板9-驱动电柜10-工作台11-滑座12-立柱13-床身14-冷却水箱15-间歇润滑油箱16-机械手典型加工中心的机械结构主要有基础支承件、加工中心主轴系统、进给传动系统、工作台交换系统、回转工作台、刀库及自动换刀装置以及其他机械功能部件组成[4]。图1.1所示为立式加工中心结构图。主轴系统为加工中心的主要组成部分，它由主轴电动机、主轴传动系统以及主轴组件成。和常规机床主轴系统相比，加工中心主轴系统要具有更高的转速、更高的回转精度以及更高的结构刚性和抗振性。随着电气传动技术（变频调速技术、电动机矢量控制技术等）的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主传动的机械结构已得到极大的简化，取消了带传动和齿轮传动，机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床主运动的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴组件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”。由于当前电主轴主要采用的是交流高频电动机，故也称为“高频主轴”。由于没有中间传动环节，有时又称它为“直接驱动主轴”。电主轴是一种智能型功能部件，不但转速高、功率大，还有一系列控制主轴温升与振动等机床运行参数的功能，以确保其高速运转的可靠性与安全。二、主轴箱的总体设计 2.1主轴箱传动方案2.2.1主轴传动机构对于现在的机床主轴传动机构来说，主要分为齿轮传动和同步带传动。齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，应用普遍，类型较多，适应性广。其传递的功率可达近十万千瓦，圆周速度可达，效率可达。齿轮传动大多数为传动比固定的传动，少数为有级变速传动。但是齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵，且不宜用于传动距离过大的场合。同步带是啮合传动中唯一一种不需要润滑的传动方式。在啮合传动中，它的结构最简单，制造最容易，最经济，弹性缓冲的能力最强，重量轻，两轴可以任意布置，噪声低。它的带由专业厂商生产，带轮自行设计制造，它在远距离、多轴传动时比较经济。同步带传动时的线速度可达（有时允许达），传动功率可达，传动比可达（有时允许达），传动效率可达。同步带传动的优点是[9]：无滑动，能保证固定的传动比；预紧力较小，轴和轴承上所受的载荷小；带的厚度小，单位长度的质量小，故允许的线速度较高；带的柔性好，故所用带轮的直径可以较小。其主要缺点是安装时中心距的要求严格。由于齿轮传动需要具备较多的润滑条件，而且为了使主轴能够达到一定的旋转精度，必须选择较好的工作环境，以防止外界杂物侵入。而同步带传动则避免了这些状况，并且传动效率和传动比等都能符合课题的要求，故在本课题的主轴传动方式中选择同步带传动。2.2.2主轴进给机构对于主轴的进给机构，机床通常被设计为进给电动机与丝杠直接传动的形式。而丝杠所作的则是螺旋传动，它能将旋转运动转变为直线运动。螺旋传动按摩擦状态通常分为滑动螺旋，滚动螺旋，滚滑螺旋以及液压螺旋。如今在机床上通常采用的是滑动螺旋和滚动螺旋，下面就这两类传动方式进行比较，见表2.1。表2.1滑动螺旋、滚动螺旋的特点与应用场合滑动螺旋滚动螺旋结构示意图使用性能摩擦系数大，传动效率低，约；(1)摩擦系数很低，传动效率高达；低速运行时有爬行或振动；(2)低速运行时无爬行、振动；磨损大，使用寿命较短；(3)耐磨性好，磨损极小；运转时无噪声。(4)高速运行有噪声。结构工艺性结构简单，加工及安装精度要求较低。结构复杂，加工及安装精度要求较高。成本较低。高，是滑动螺旋的倍。应用场合适用于中、高速的轻、中、重载荷，如一般机床的进给机构。适用于高、中、低速的轻、中、重载荷，如数控、精密机床的进给机构。由于本课题中丝杠用于主轴垂直方向的进给，所以对于高低速时运行的稳定性要求较高。故对比以上两种螺旋传动的特点，结合本课题的需求，故采用传动效率高、磨损小、传动平稳的滚动螺旋传动方式。2.2.3主轴准停机构主轴准停装置是换刀过程所要求的在加工中心上特有得装置，也称之为主轴准停机构。由于刀具装在主轴上，在切削时的切削转矩不能完全靠锥孔的摩擦力来传递，因此通常在主轴前端设置一个凸键，当刀具装入主轴时，刀柄上的键槽必须与此凸键对准，为保证顺利换刀，主轴必须停止在某一固定的角度方向，主轴定向装置就是为保证主轴换刀时准确停止在换刀位置而设置的。加工中心的主轴定向装置有机械方式和电气方式(如磁力传感器检测定向)两种。图2.1机械式主轴准停装置1——无触点开关；2——感应块；3——V形槽轮定位盘4——定位液压缸；5——定向滚轮；6——定向活塞图2.1所示为V形槽轮定位盘准停装置，在主轴上固定一个V形槽定位盘，使V形槽与主轴上的端面键保持所需要的相对位置关系，其工作原理为：准停前主轴必须是处于停止状态，当接受到主轴准停指令后，主轴电动机以低速转动，主轴箱内齿轮换挡使主轴以低速旋转，时间继电器开始动作，并延时4～6s，保证主轴转稳后接通无触电开关1的电源，当主轴转到图示位置即V形槽轮定位盘3上的感应块2与无触点开关1相接触后发出信号，使主轴电动机停转。另一延时继电器延时0.2～0.4s后，压力油进入定位液压缸下腔，使定向活塞向左移动，当定向活塞上的定向滚轮5顶入定位盘的V形槽内时，行程开关LS2发出信号，主轴准停完成。若延时继电器延时1s后行程开关LS2仍不发信号，说明准停没完成，需使定向活塞6后退，重新准停。当活塞杆向右移到位时，行程开关LS1发出定向滚轮5退出凸轮定位盘凹槽的信号，此时主轴可启动工作。目前常采用的电气方式有两种，一种是利用主轴上光电脉冲发生器的同步脉冲信号；另一种是用磁力传感器检测定向，其工作原理如图2.2。图2.2电气式主轴准停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处固定一个磁传感器，磁传感器经过放大器与主轴控制单元连接，当主轴需要定向时，便可停止在调整好的位置上。这种定向方式结构简单，而发磁体的线速度可达到以上。这种准停装置机械结构简单，发磁体与磁感传感器间没有接触摩擦，准停的定位精度可达，能满足一般换刀要求。并且定向时间短，可靠性较高，所以应用的比较广泛。发磁体可安装在一个圆盘的边缘，但这对较精密的、高转速加工中心主轴来说，由于需要较高的动平衡指标，就不十分有利。另一种是将发磁体做成动平衡效果很好的圆盘，使用时只需要将圆盘整体装在主轴上即可。在各种加工中心上采用什么形式的主轴定向装置，要根据各自的约束条件来选择[12]。本课题采用电气式主轴准停装置，此方式避免了机械装置的复杂结构，只需要数控系统发出指令信号，主轴就可以准确地定向。2.2.4刀具自动夹紧机构在自动交换刀具时要求能自动松开和夹紧刀具。图2.3示为数控镗铣床主轴组件机构示意图。碟形弹簧11通过拉杆7，双瓣卡爪5，在套筒14的作用下，将刀柄的尾端拉紧。当换刀时，要求松开刀柄，此时，在主轴上端油缸的上腔A通入压力油，活塞12的端部推动拉杆7向下移动，同时压缩碟形弹簧11，当拉杆7下移到使双瓣卡爪5的下端移出套筒14时，在弹簧6的作用下，卡爪张开，喷气头13将刀柄顶松，刀具即可由机械手拔出。待机械手将新刀装入后，油缸10的下腔通入压力油，活塞12向上移，碟形弹簧伸长将拉杆7和双瓣5拉着向上，双瓣卡爪5重新进入套筒14，将刀柄拉紧。活塞12移动的两个极限位置都有相应的行程开关（LS1，LS2）作用，作为刀具松开和夹紧的回答信号。图2.3数控镗铣床主轴组件机构示意图1——调整半环；2——双列园柱滚子轴承；3——向心球轴承；4，9——调整环；5——双瓣卡爪；6——弹簧；7——拉杆；8——向心推力球轴承；10——油缸；11——碟形弹簧；12——活塞；13——喷气头；14——套筒(a)(b)图2.4刀柄拉紧结构刀杆尾部的拉紧结构，除上述的卡爪式以外，还有图2.4a所示的弹簧夹头结构以及图2.4b所示的钢球拉紧机构。在本课题中，刀具自动夹紧机构借用如图2.3的夹紧方式，采用气压缸夹紧方式，从而避免因油路堵塞等常见情况。而在拉杆处则采用钢球拉紧机构，因为其加工简单，并可以有效的拉紧刀杆。2.2.5切屑清除机构自动清除主轴孔内的灰尘和切屑是换刀过程的一个不容忽视的问题。如果主轴锥孔中落入了切屑，灰尘或其它污物，在拉紧刀杆时，锥孔表面和刀杆锥柄会被划伤，甚至会使刀杆发生偏斜，破坏刀杆的正确定位，影响零件的加工精度，甚至会使零件超差报废。为了保持主轴锥孔的清洁，常采用的方法是使用压缩空气吹屑。为了提高吹屑效率，喷气小孔要有合理的喷射角度，并均匀布置[10]。其工作原理图可参考图2.3。2.3主轴箱转速图 2.3.1绘制转速图图2转速图利用查表法求出各传动粗齿轮齿数表1齿轮齿数变速组第一变速组第二变速组第三变速组齿数和728490齿轮齿数36363042244842422262603018722.3.2、防止各种碰撞和干涉三联滑移齿轮的相邻两齿轮的齿数差应大于4，如齿数差小于4，齿轮在滑移中将与齿轮的齿顶圆相碰，不便于变速，这时，可以将轴向尺寸从7b增大到9b来解决上述矛盾。避免齿轮与Ⅰ轴相碰，与轴Ⅲ相碰，因而要求：（+2）+>（+）m；（+2）+>（+）2.3.3、确定带轮直径确定计算功率K-工作情况系数工作时间为二班制查表的k=1.2N-主动带轮传动的功率计算功率为根据计算功率和小带轮的转速选用的三角带型号为O查表的小带轮直径推荐植为70大带轮直径2.3.4、验算主轴转速误差主轴各级实际转速值用下列公式计算:式中分别为第一,第二第三变速组齿轮传动比.转速误差用主轴实际转速与标准转速相对误差的绝对值表示:主轴转速标准转速r/min1400100071050035525018012590634531.5实际转速r/min14201014710503.8359.87251.9177.5126.788.762.9844.9831.49转速误差%1.431.400.761.370.761.391.361.440..00.040.0137表2转速误差表转速误差用实际转速和标准转速相对误差应小于等于4.1%转速误差满足要求。2.3.5、绘制传动系统图三、电动机的选择3.1电动机功率计算(1)计算主铣削力经验公式[6]：………（3.1）式中：——铣削力，即主切削力（切向圆周分力），——铣削深度，——每齿进给量，——铣削宽度，——铣刀直径，Z——铣刀齿数——铣削力修正系数，——工件材料抗拉强度，已知：高速钢刀具；刀具前角；主偏角；工件材料为碳钢；每齿进给量；刀具直径为，齿数；工件宽度，切削深度将上述各条件代入公式（3.1），则主切削力为切削速度[6](2)主电机功率估算[6]铣削功率主电机功率3.2电动机参数选择宽调速直流伺服电动机的结构特点是励磁便于调整，易于安排补偿绕组和换向极，电动机的换向性能得到改善，成本低，可以在较宽的速度范围内得到恒转速特性。当然，宽调速直流伺服电动机体积较大，其电刷易磨损，寿命受到一定限制。日本法纳克（FANUC）公司生产的用于工业机器人、CNC机床、加工中心（MC）的L系列适合于在频繁启动、制动场合应用。根据估算得出的电动机功率，选用FANUC的6L型电动机，其主要性能指标如下：输出功率：；额定转矩：；最大转矩：；最高转速：；转子惯量：。四、齿轮传动设计计算4.1模数的估算 (1)Ⅰ-Ⅱ齿轮弯曲疲劳的计算：（机床主轴变速箱设计指导P36，为大齿轮的计算转速，可根据转速图确定）齿面点蚀的计算：取A=90，由中心距A及齿数计算出模数：根据计算选取两个中的较大值，选取相近的标准模数。取所以取(2)Ⅱ-Ⅲ齿轮弯曲疲劳的计算：齿面点蚀的计算：取A=121，由中心距A及齿数计算出模数：根据计算选取两个中的较大值，选取相近的标准模数。取所以取(3)Ⅲ-Ⅳ齿轮弯曲疲劳的计算：齿面点蚀的计算：，取A=162，由中心距A及齿数计算出模数：根据计算选取两个中的较大值，选取相近的标准模数。取所以取(4)Ⅳ-Ⅴ齿轮弯曲疲劳的计算：齿面点蚀的计算：，取A=161，由中心距A及齿数计算出模数：根据计算选取两个中的较大值，选取相近的标准模数。取所以取(5)Ⅴ-Ⅵ齿轮弯曲疲劳的计算：齿面点蚀的计算：，取A=172，由中心距A及齿数计算出模数：根据计算选取两个中的较大值，选取相近的标准模数。取所以取(4)标准齿轮：从机械原理表10-2查得以下公式齿顶圆齿根圆分度圆齿顶高齿根高齿轮的具体值见表齿轮尺寸表齿轮齿数z模数m分度圆d齿顶圆1342.585902542.51351403392.597.5102.54492.5122.5127.55343102108654316216874431321388443132138925375811063318919511263788412653195201135631681741435310511115234921001672428829617534212220184241681761944417618420564224232齿轮齿根圆齿顶高齿根高191.2591.2591.252141.25141.25141.253103.75103.75103.754128.75128.75128.755109.5109.5109.56169.5169.5169.57139.5139.5139.58139.5139.5139.5982.582.582.510196.5196.5196.51185.585.585.512202.5202.5202.513175.5175.5175.514112.5112.5112.51510210210216298298298172222222221817817817819186186186202342342344.2尺寸各参数的计算 4.2.1、齿轮的验算验算变速箱中齿轮强度应选择相同模数承受载荷最大齿数最小的齿轮进行接触压力和弯曲压力计算，一般对高速传动的齿轮验算齿面接触压力，对低速传动的齿轮验算齿根弯曲压力对硬齿面软齿心渗碳淬火的齿轮要验算齿根弯曲压力。接触压力的验算公式：弯曲应力的验算公式：其中寿命系数工作期限系数T-齿轮在机床工作期限（的总工作时间h，同一变速组内的齿轮总工作时间可近似地认为，P为该变速组的传动副数。表6齿轮验算第一传动组第二传动组第三传动组齿轮传递功率N2.1122.12.08齿轮计算转速710355355齿轮的模数m223齿宽B151822小齿轮数Z242218大齿轮与小齿轮齿数比u22824寿命系数111速度转化系数(接触载荷)弯曲载荷0.740.850.980.90.920.92功率利用系数（接触载荷）弯曲载荷0.580.580.580.780.780.78材料利用系数（接触载荷）弯曲载荷0.760.760.760.770.770.77工作情况系数1.51.51.5动载荷系数111齿向载荷分布系数1.051.051.05齿形系数Y0.420.4080.378稳定工作用量载荷下的极限值=1。高速传动件可能存在情况，此时取，大载荷低速传动件可能存在时取计算值。第一传动组和第三传动组的齿轮是经过淬火的许用接触应力为1100MPa，许用弯曲应力为320MPa。第二传动组的齿轮是经过高频淬火其许用接触应力为1370MPa，许用弯曲应力为354MPa。4.2.2齿轮强度校核 由于机床变速箱中各轴的应力都比较小，验算时，通常采用复合应力公式进行计算：特性等因素；W-轴的危险断面的抗弯断面模数矩形花键轴：轴II的图3剪力图和弯矩图经过验算轴合格。五、轴的设计计算 5.1各传动轴轴径估算 其中：P-电动机额定功率K-键槽系数A-系数-从电机到该传动轴之间传动件的传动效率的乘积；-该传动轴的计算转速。计算转速是传动件能传递全部功率的最低转速。各传动件的计算转速可以从转速图上，按主轴的计算转速和相应的传动关系确定。Ⅰ轴：K=1.06，A=120所以，取28mmⅡ轴：K=1.06，A=120,取30mmⅢ轴：K=1.06，A=110,取40mmⅣ轴：K=1.06，A=100,取30mmⅤ轴：K=1.06，A=90,取40mm取39mmⅥ轴：K=1.06，A=80取39mm此轴径为平均轴径，设计时可相应调整。5.2各轴段长度值的确定 5.3轴的刚度和强度校核轴承的受力简图参见图3.3。从图上可知，在A、B两处所用的是同种型号的角接触球轴承，且D处的轴承是成对使用，共同承担支承作用。所以，校验C、D处7017AC轴承只需取受力最大处即可。已知：，，，则轴承7017AC所受径向合力为轴承7015AC所受径向合力为5.4主轴的选择Ⅰ轴：6208D=80B=18深沟球轴承Ⅱ轴：7207CD=72B=17角接触球轴承Ⅲ轴：7207CD=72B=17角接触球轴承Ⅳ轴：7208CD=80B=18角接触球轴承Ⅴ轴：7210CD=90B=20角接触球轴承Ⅵ轴：3182115D=115B=30双向推力球轴承离合器的选用机床厂牙嵌式离合器是嵌入式离合器中常用的一种，它由两个端面带牙的半离台器组成。数控机床厂半离合器1用平键和主动轴相联接，另一半离合器2通过导向平键与从动轴联接，利用操纵杆移动滑环4可使离合器接合或分离，对中环5固定在半离台器1上，使从动轴能在环中自由转动，保证两轴对中。 牙嵌式离合器常用的牙形有矩形、梯形和锯齿形三种。矩形牙不便于离合，磨损后无法补偿，故使用较少；梯形牙容易离合，牙根部强度高，能补偿牙齿的磨损与间隙从而减小冲击，故应用较广；锯齿形牙强度撮高，但只能传递单方向的转矩。 牙嵌式离合器的主要特点是结构简单，尺寸紧凑、传动准确。其失效形式是接合表面的磨损和牙的折断，因此离合器的接合必须在两轴转速差很小或停转时进行 。总结大学四年的学习，使我掌握了机械工程及自动化专业的基础知识和相关技能，这次毕业设计就是对于自己所学知识的一次较全面的实践。本次设计的是立式加工中心的主轴组件部分，在设计过程中，所要接触的专业知识范围很广，可以说包括了我所学过的决大部分专业课程的知识。通过一个学期的研究和设计，我不仅复习并巩固了以前所学的专业知识，还学到了许多新的知识，并且看到了自身一些不足之处和今后应该努力的方向。由于我以前曾参加过数控机床的操作培训，所以对于数控机床的加工过程非常熟悉，但是对于其内部结构却不甚了解。通过前期查阅了大量的技术资料以及导师的讲解，使我对于加工中心主轴组件的结构有了进一步的了解。然而，在随后的设计过程中还是有一定的阻碍。但是在参考了其它机床的主轴结构，在王老师的悉心指导、启发和帮助下，并通过我的努力，使这次设计得以很好地完成，也使我进一步掌握了加工中心的加工原理。在此，我对于王明红老师的指导表示深深的感谢。毕业设计可以说是最结合实际的一次