立式加工中心總體、主軸部件及立柱設(shè)計

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. . 加工中心總體、主軸部件及立柱設(shè)計 摘要 加工中心是一種具有刀庫并能自動更換刀具對工件進行多工序加工的數(shù)控機 床。它是適應(yīng)省力、省時和節(jié)能的時代要求而迅速發(fā)展起來的高科技產(chǎn)品，綜合 了數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、數(shù)控鉆床多功能的加工設(shè)備。 基于加工中心的迅速發(fā)展，本次畢業(yè)設(shè)計的任務(wù)是設(shè)計加工中心總體、主軸 部件及立柱。加工中心的總體設(shè)計主要是通過設(shè)計各部件之間的尺寸聯(lián)系來滿足 它們之間的位置關(guān)系要求。主軸部件是機床的重要部件之一。它是機床的執(zhí)行件， 其功用是支承并帶動工件或刀具旋轉(zhuǎn)進行切削，承受切削力和驅(qū)動力等載荷，從 而完成表面成形運動。主軸部件由主軸及其支承和安裝在主軸上的傳動件、密封 件等組成。加工中心立柱主要是對主軸箱起到支承作用，滿足主軸 Z 向運動。根 據(jù)對立柱的結(jié)構(gòu)、性能及其經(jīng)濟性的要求，采用井字型的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)。 加工中心的設(shè)計符合數(shù)控機床高速化、高精度化、智能化、系統(tǒng)化與高可靠 性等發(fā)展趨勢。目前，加工中心已成為現(xiàn)代機床發(fā)展的主流方向，廣泛應(yīng)用于機 械制造中。 關(guān)鍵詞： 加工中心，主軸，軸承，立柱 . . DESIGN OF THE OVERALL , SPINDLE ASSEMBLY AND COLUMN OF MACHININING CENTER ABSTRACT Machining center (MC) is a kind of CNC machine with tool magazine. It can perform the multi-processing of workpiece by change cutting tool automatically. It is the high-tech product developed to adapt to the requirements for effort-saving and time-saving, and the multi-function equipment which integrated CNC milling machine with CNC boring and drilling machines. The tasks of graduation design are to design the overall of machine, the spindle assembly and column. The purpose of MC overall design is to establish the dimension relation between components. Spindle assembly is one of the important parts of the machine. It is the executive pieces, and its function is to support and carry the workpiece or rotary cutting tools, and bear the cutting force. The spindle assembly consists of the spindle and its support, the transmission members, seals and other components mounted on it. The function of MC column is to support the headstock to satisfy the movement of Z-axis. Based on the performance requirements of the structure and the economy, Column is of the cross-type structure inside. The design of MC is consistent with the development trend in high-speed, high precision, intelligent, and high reliability of CNC machine tools. Currently, MC stands for the main development direction of modern machine tool, which is widely used in machine manufacturing. KEYWORDS: machining center, spindle, bearing, column . . 目錄 前言 .................................................................1 第一章加工中心概述 ...................................................3 第二章 主傳動系統(tǒng)設(shè)計 ................................................4 2.1 傳動系統(tǒng)簡介 ..............................................4 2.2 主傳動系統(tǒng)設(shè)計的要求 ......................................4 第三章 主軸電機的選型與參數(shù) ..........................................7 3.1 計算切削力 ................................................7 3.2 主電機功率估算 ............................................8 3.3 確定電動機型號 ............................................8 第四章 主傳動變速系統(tǒng)設(shè)計 ............................................9 4.1 同步帶參數(shù)計算 ............................................9 4.2 圓弧同步帶設(shè)計總結(jié) ......................................11 第五章 主軸組件的設(shè)計 ...............................................12 5.1 主軸組件的設(shè)計要求 ......................................13 5.2 主軸設(shè)計 ................................................14 5.2.1 主軸的主要尺寸參數(shù) .....................................14 5.2.2 主軸軸端結(jié)構(gòu) ..........................................15 5.2.3 主軸材料和熱處理 ......................................15 5.3 主軸的軸承 ..............................................15 5.4 主軸組件的計算 ...........................................15 5.4.1 初選主軸直徑 ...........................................15 5.4.2 主軸懸伸量 a 的確定 .....................................15 5.4.3 主軸最佳跨距的確定 .....................................16 5.5 主軸組件校核 ............................................16 5.5.1 主軸組件的剛度計算 .....................................16 5.5.2 主軸強度校核計算 .......................................17 5.5.3 主軸強度校核 ...........................................20 . . 5.6 軸承、鍵的校核 ...........................................21 5.6.1 軸承校核計算 ...........................................21 5.6.2 鍵的設(shè)計計算校核 .......................................22 5.7 刀具自動加緊機構(gòu)以及切削屑清洗機構(gòu) .......................22 5.8 潤滑與密封 ...............................................23 第六章 設(shè)計總結(jié) .....................................................24 致謝 ................................................................25 參考文獻 ............................................................26 . . 前言 1952 年，第一臺數(shù)控機床誕生.在制造業(yè)，數(shù)控裝備出現(xiàn)，使許多復(fù)雜的加工 曲面都能夠順利進行，如今數(shù)控機床已經(jīng)成為制造業(yè)加工零件的主流器械。設(shè)計 的生產(chǎn)面越來越廣，能滿足越來越多的工業(yè)需求，現(xiàn)已被國家科技人員高度重視。 數(shù)控機床的集機械制造技術(shù)、信息處理技術(shù)、微電處理技術(shù)和自動化等合為一體， 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而不斷地發(fā)展與創(chuàng)新。在制造業(yè)行的的技術(shù)的突飛猛進中， 數(shù)控機床的推動作用是至關(guān)重要的，同時也帶動了周邊產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟規(guī)模不斷壯大的 支柱。一些發(fā)達國家如德國、日本、荷蘭、美國等都已經(jīng)實現(xiàn)了大規(guī)模數(shù)控化。 作 為 對 比 ， 我 國 機 床 的 發(fā) 展 卻 有 自 己 的 特 點 ，作 為世界上機床產(chǎn)量最大的國家之一， 我國的數(shù)控機床產(chǎn)品得競爭力卻處于國際水平中下游，距世界一流水平還相差甚 遠。就算面對中國國內(nèi)機床市場的競爭，國產(chǎn)機床也面臨著嚴峻考驗：一方面對 于需求方，國內(nèi)市場對數(shù)控機床尤其是加工中心需求量大，另一方面對于供應(yīng)方， 不幸的是，國產(chǎn)機床質(zhì)量差，生產(chǎn)成本高，利用率低，生產(chǎn)滯銷堆積；而進口產(chǎn) 品質(zhì)量好，能滿足各企業(yè)的大量需求，占據(jù)著市場大部分區(qū)域，這就嚴重阻礙了 我國自主品牌數(shù)控機床的發(fā)展。 國內(nèi)機床行業(yè)的現(xiàn)狀，對于我們青年大學(xué)生而言，是一種機遇，也是一種挑 戰(zhàn)，下面介紹一下數(shù)控機床的優(yōu)點： 加工種類繁多；效率率高；勞動力消耗??；工作量小；刀具壽命長；節(jié)約成 本。 一般來說，數(shù)控機床大體分為數(shù)控車，數(shù)控鏜、加工中心。此次畢設(shè)只要針 對立式加工中心主軸部件來設(shè)計、因此下面將會介紹有關(guān)加工中心主軸部件的相 關(guān)知識。 這次畢業(yè)設(shè)計對我們即將畢業(yè)的大四學(xué)生至關(guān)重要，它不僅僅是對這幾年所 學(xué)習(xí)課程的總結(jié),在這次的《加工中心總體、主軸部件及立柱設(shè)計》設(shè)計中培， 還養(yǎng)了我運用所學(xué)知識分析和解決問題的能力，讓我能夠?qū)⒅R轉(zhuǎn)化為實踐，通 過這次畢業(yè)設(shè)計，我的各方面綜合能力都得到了良好的鍛煉、能夠綜合設(shè)計中遇 到的問題練習(xí)工程實際問題；復(fù)習(xí)了機械設(shè)計，熟悉和掌握了數(shù)控機床主軸設(shè)計 . . 的方法，合理運用所學(xué)相關(guān)知識，同時增強技能專業(yè)化。本次設(shè)計我的主要利用 材料是數(shù)控加工中心設(shè)計、機械設(shè)計及機械設(shè)計課程手機手冊等。通過反復(fù)查閱 資料，教材，我對這些理論有了更好的掌握。 本說明書共分為六大塊，第一章介紹了關(guān)于加工中心的一些概念,工作原理； 第二章講述了加工中心的主傳動系統(tǒng)設(shè)計；第三章講述主軸電機的計算選型；第 四章講述的是傳動系統(tǒng) ——同步帶的設(shè)計；第五章講述了主軸組件的設(shè)計以及相 關(guān)零件的校核；第六章時對本次設(shè)計的大總結(jié)。 . . 第一章加工中心概述 一、基本概念 即裝有刀庫和自換換刀裝置的數(shù)控機床。它的特點是能夠在倒庫里存下許多 種刀具，有程序控制自動換刀，這樣就可以在沒有認為干涉的情況下一次完成很 多種加工任務(wù)。在加工中心上，一次裝卡工件可同時完成多道工序——數(shù)控系統(tǒng) 能夠根據(jù)程序控制不同的安裝刀具，自動改變主軸進給量，主軸轉(zhuǎn)速，道具相對 于工件的運動軌跡，依次完成一個或者幾個面的工藝加工。因此可以減少換裝工 件和機床的調(diào)整時間、減少零件生產(chǎn)周期、貯存時間、生產(chǎn)效率高、自動化程度 很強。 二、加工中心的分類 （1）立式加工中心 主軸軸線垂直，為立柱固定，矩形工作臺。 （2）臥式加工中心 主軸軸線水平。是帶有分度回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)運動工作臺的一類加工 中心，適合加工體積較大的零部件。 （3）五坐標加工中心 可以完成任意面的加工。 三、加工中心基本結(jié)構(gòu) （1）基礎(chǔ)部件 ——床體、立柱和工作臺 （2）主軸組件 ——由主軸箱體、交流主軸電動機、主軸和軸承等零件。 （3）控制系統(tǒng) ——單臺加工中心數(shù)控系統(tǒng)是由數(shù)字編程裝置、編程控制元 件、伺服驅(qū)動裝置、電動機、 （4）伺服系統(tǒng) （5）自動換刀裝置 ——刀庫、換刀機械手和驅(qū)動元件。 第二章 主傳動系統(tǒng)設(shè)計 . . 2.1 傳動系統(tǒng)簡介 加工中心主傳動系統(tǒng)是由帶動主軸傳動的電機、主軸的傳動系統(tǒng)以及主軸組 件組成 [1]與普通機床主軸系統(tǒng)相比，轉(zhuǎn)速更高，回轉(zhuǎn)精度更精確，結(jié)構(gòu)剛性和抗 震性優(yōu)良。 加工中心主要的優(yōu)點就是它能夠完成由多臺機床才能夠完成的加工任務(wù)，這 里列舉一些加工中心突出的優(yōu)點： （1）在數(shù)控機床的基礎(chǔ)上增加了裝有各種刀具的刀庫以及自動換刀裝置。 可以一次同時進行多工步加工操作。 （2）特有的裝備：自動回轉(zhuǎn)工作臺； （3）主軸轉(zhuǎn)速可以變更、進給量可調(diào)、具有插補功能，方便操作員編程。 （4）如果帶有 APC 工作臺，工件在加工時，其他工件就在裝卡卸下的位 置等待加工，不會耽誤正在進行的工件的加工。 2.2 主傳動系統(tǒng)設(shè)計的要求 加工中心整體尺寸圖如 2-1 所示 圖 2-1 加工中心總體尺寸圖 如圖 2-1，操作面板在機床的右側(cè)，左側(cè)是刀庫，里面貯存加工時所需的刀 具；本設(shè)計的加工中心工作臺分 X 向進給工作臺、Y 向進給工作臺、Z 向進給工 作臺。其中 X 向進給量為 500 毫米，Y 向進給量為 600 毫米，Z 向進給量為 600 . . 毫米。當(dāng)需要加工工件時，自動換刀裝置會根據(jù)編程選定合適的刀具，然后安裝 在主軸前端。主軸通過加緊機構(gòu)將刀具鎖緊。這時，主軸電機通過同步帶帶動主 軸旋轉(zhuǎn)，共建加工開始。等工件加工完成以后，下一個在裝卸位置等待的待加工 工件就會被推至加工處，進行下一輪加工。若一批零件加工完成以后或者需要加 工另一道工序時，機床系統(tǒng)選擇合適道具，然后自動裝卡，進行加工。在換刀過 程中，由主軸上端通過主軸內(nèi)孔股進來的壓縮空氣會把主軸前端安裝刀具部位清 理干凈，避免刀具安裝時產(chǎn)生誤差。 本次設(shè)計的立式加工中心的總體大概設(shè)計： 主軸電機：交流調(diào)速電動機 傳動部件：圓弧同步帶 圓弧齒同步帶應(yīng)力分布均勻，在高速條件下產(chǎn)生的震動 小，勻化了應(yīng)力分布，嚙合齒數(shù)，因此選用圓弧齒同步帶作為本次設(shè)計的傳動系 統(tǒng)部件。 同步帶傳動裝置簡圖見 2-2。 圖 2-2 同步帶傳動 傳動系統(tǒng)設(shè)計分析 機械傳動的方式有帶傳動，齒輪傳動，鏈傳動，在大三的機械設(shè)計課程設(shè)計中， 二級減速器的傳動方案中，我們選擇帶傳動在高速級，將齒輪傳動放在中間級， . . 將鏈傳動放在了最后一級。這樣以來，每種傳動都克服了彼此的缺點并發(fā)揚了自 己的優(yōu)點，相輔相成。 對于同步帶傳動這棟特殊的傳動方式，克服了鏈傳動傳動比不穩(wěn)定，傳遞效 率低，齒輪傳動結(jié)構(gòu)安裝復(fù)雜，噪聲大，V 帶傳動壓軸力大，容易發(fā)生打滑等缺 點。可謂是一帶多用。它的帶型是齒輪狀的，工作與帶輪上的齒進行正確嚙合， 避免打滑破壞帶的性能。抗拉層是由特殊的纖維材料或金屬制成，這樣就使帶不 發(fā)生過大的彈性滑動。 同步帶雖然優(yōu)點眾多，但是維護不力的話，同樣會發(fā)生損壞，比如承載載荷 繩發(fā)生斷裂、爬齒跳齒等。 對于第一種失效，通常是因為工作過程中帶承載的拉力過大，超出承載范圍。 若選用的主動帶輪直徑不合適的話，同步帶在嚙合帶輪和推出帶輪時會收到周期 性彎曲應(yīng)力。也會導(dǎo)致帶斷裂。對于第二種失效，一般是由于設(shè)計時尺寸不合理 或者受力等因素造成的。 我們可以通過以下幾個方面來避免跳齒爬齒的發(fā)生： （1）切向力比帶的許用許用應(yīng)力小。 （2）設(shè)計時帶節(jié)距的差值的在規(guī)定范圍內(nèi)。 （3）適當(dāng)增加帶的初始安裝拉力（初拉力），使帶齒與輪的齒吻合牢靠。 、 第三章 主軸電機的選型與參數(shù) . . 3.1 計算切削力 經(jīng)驗公式 [2]： (3-1) zFefp KZdaaF?????01..18.095.81切 式(3-1)中，F(xiàn) 切 : 主切削力（N） : 銑削深度（mm） : 每齒進給量（z/mm）af : 銑削寬度（mm）e : 銑刀直徑（ mm）0d Z : 銑刀齒數(shù) : 銑削力修正系數(shù)FK 已知高速鋼刀具：刀具前角 y0=15 度；主偏角 Ky=60 度；工件材料 =75 b? kgf/mm 碳鋼；每齒進給量=0.1mm/z ; 刀具直徑 =16mm ; 齒數(shù) Z=8 工件寬2 b?0d 度 =12mm ；切削深度 ap=3mm。ea 將上述數(shù)據(jù)帶入經(jīng)驗公式(3-1)得 zFefp KZdaF?????01..18.095.821切 =821 （ /0.638）.03..2.68923108.75??3.0?N46? 切削速度 [3] (3-2)10/maxinmaxDV???8164.?2/90s 3.2 主電機功率估算 銑削功率 (3-3)60/maxVFp??切 /92.41 . . ?kw7.13 主電機功率 (3-4)?/mep )98.0.(2? 614k 式中 ，為機床主傳動系統(tǒng)效率，滾動軸承傳動效率為 0.99 ，帶傳動傳遞效率m? 為 0.98. 3.3 確定電動機型號 這里選擇 FUNUC 主軸電機，型號為 aiI8/10000 。參數(shù)如下： 額定功率 ： 15 KW 最大功率（30min）：18.8 KW 額定基本轉(zhuǎn)速 : 1500 r/min 額定功率速度上限 ：6000 r/min 最高轉(zhuǎn)速 ： 7000 r/min 額定扭矩 ： 95.4 mN? 轉(zhuǎn)子慣量 ： 0.09 2/Kg 第四章 主傳動變速系統(tǒng)設(shè)計 . . 4.1 同步帶參數(shù)計算 結(jié)合前述的條件可知：主軸電機功率 15 KW 轉(zhuǎn)速 傳動比為min/150rn? 1，則 ；二班制工作；中心距可調(diào)。min/1502rn? （1）確定設(shè)計功率 [4] 查《機設(shè)計手冊》取工況系數(shù) 則3.10?K 設(shè)計功率 (4-1) pd?0kw59 （2）選定帶型個節(jié)距 由 ，n1=1500r/min 參考《機設(shè)手冊》選同Pd. 步帶，型號 14M，節(jié)距 mb14 （3）選取小帶輪齒數(shù) 在帶速和安裝尺寸允許的情況下，Z1 盡可能取大值， ；而 查表min1Z?in 得，當(dāng)帶型號為 14M，轉(zhuǎn)速在 1200——1800 之間時，查表可得 故選取40i? 小帶輪齒數(shù) 641?Z （4）小帶輪節(jié)圓直徑 (4-2)mzpdb 98.162.3/8/1??? 由《機械設(shè)計手冊》查得 則50? 小帶輪頂圓直徑 (4-3)mdr 61...1 ???? （5）校核帶速 設(shè)計合理sndV /35/8.260/598.6260/1 ???? （6）傳動比 (4-4)/21?i 傳動比滿足要求 （7）大帶輪齒數(shù) (4-5)6412?iZ （8）帶輪 的節(jié)圓直徑 mm， 大帶輪頂圓直徑 2n98.1622?d mm.2??dr （9）初定中心距 0a 即 (4-6))()(7.02121d??? 6.32509.4?a . . 初定中心距 ma320? （10）初定帶 長opL (4-7)02210 4/)(/)(12addLpop ?????? 98.6.32? 8.5? 查表選取帶長為 帶齒數(shù) mLp10?85?bZ （11）計算實際中心距 中心距可調(diào)，則實際中心距為 map 1.392/)8.1590(32/)(00 ????? （12）小帶帶輪齒合齒數(shù) (4-8)??)2/()(2/1211 aZPZentzbm ???? 1.3964864??? 3in? 故滿足設(shè)計要求 （13）基本額定功率 由表查得對應(yīng)型號為 14M 的同步帶， kwP17.20? （14）所需帶寬 帶寬 (4-9)14.00)/(zlsds Kpb??? 查表得 1,,lm 則 ms 26.58)7.2/(5914. ??? 查表可得： 型號為 14M 的同步帶帶寬為 ，小于帶輪節(jié)圓直徑mbs5? ，設(shè)計滿足要求d8.621? （15）計算壓軸力 (4-10)NVPFdq 4.15238./910/?? （16）計算匯總 同步帶規(guī)格：1040-14M-55 大、小帶輪規(guī)格：均為 64-14M-55 大小帶輪中心距： ma390? 壓軸力 ： NFq4.152 . . 齒形帶單位寬度上的力 F： (4-11) mNbq /7.25/413/2?? 4.2 圓弧同步帶設(shè)計總結(jié) 節(jié)距 bpm14齒根厚 sm40.9 齒高 1h02.6帶高 h1 圓角半徑 r35弧齒半徑 ar5. 齒頂距 a97.1 雙邊擋環(huán)帶輪的 寬 fb60 帶輪寬度 bm5擋圈厚度 tm3 擋圈高 K7 . . 第五章 主軸組件的設(shè)計 加工中心主軸部件圖 5-1 1 ——內(nèi)六角螺釘；2——主軸；3——鋼球；4、8——角接觸球軸承；5——預(yù)緊 螺母；6——碟形彈簧 7——圓弧齒同步帶；；9——拉桿；10——套筒 如圖 5-1 所示主軸組件是機床動力實現(xiàn)的部件。主軸組件一根主軸、角接觸 球軸承、圓頭平鍵、若干密封裝置等組成。由于現(xiàn)在的加工的中心對待轉(zhuǎn)速的指 標越來越高，因此需要主軸具有良好的回環(huán)轉(zhuǎn)精度、結(jié)構(gòu)性剛度、熱的穩(wěn)定性和 抗擊震動性。加工中心還應(yīng)該具備刀庫和自動換刀裝置以及自動夾緊機構(gòu)、主軸 準停配置和切削屑清掃配置。 主軸是一根開有內(nèi)控孔的軸，端部裝定向鍵，裝刀柄處結(jié)構(gòu)采用 7：24 錐度 結(jié)構(gòu)，前端支承采用三個角接觸球軸承，前兩個貼緊安裝小口朝上，提高剛度； 第三個小口朝下。后支承也采用兩個角接觸球軸承，大口相背安裝，承受徑向載 荷，外圈軸向沒有定位。軸承潤滑方式為脂潤滑。 . . 在主軸內(nèi)孔中，內(nèi)置有刀具自動加緊和松開元及切削屑清掃元件。如上圖所 示，加緊時液壓油通入活塞剛下腔，將活塞頂起，從而將拉桿拉起，自動裝卡機 構(gòu)在安裝刀具以后拉桿帶動鋼球上移從而夾緊刀具。松開刀具時，將液壓油通入 上腔，將活塞下壓，拉桿下移，小鋼球隨之下移，松開刀具頭部，同時拉桿頂松 刀具端部，有自動換刀裝置更換刀具。這時，從上段通入主軸內(nèi)孔的壓縮空氣將 切削屑清除掉，保證下一個刀具的安裝精度。 5.1 主軸組件的設(shè)計要求 主軸組件的回轉(zhuǎn)精度、剛度、耐磨性、抗震性以及溫升和熱變形等都會影響 加工中心工作時的效率，設(shè)計時應(yīng)盡量滿足以下要求 回轉(zhuǎn)精度 指空載時，裝置工件或者刀具部 位的徑跳動和軸跳動值達到要求。保 證主軸的回轉(zhuǎn)精度是通過保證加工中 心零部件的幾何精度和表面粗糙度來 實現(xiàn)的 剛度 主軸組件剛度越大主軸受力變形越 小，與主軸尺寸、支承跨度、選用的 軸承類型及配置形式等因素有關(guān)。在 條件允許下，應(yīng)盡量提高主軸剛度 耐磨性 采取合適的材料熱處理方法，這樣 可以使耐磨性增強 抗震性 提高主軸抗震性必須提高主軸組件 的靜剛度另外，要使主軸固有頻率遠 遠大于激振頻率 溫升和熱變形 為了防止熱變形導(dǎo)致的箱體膨脹變 形主軸中心線發(fā)生變化進而影響加工 精度應(yīng)盡量控溫升 表 5-1 . . 5.2 主軸設(shè)計 主軸是主軸部件重要設(shè)計元件，主軸結(jié)構(gòu)，尺寸，設(shè)計時的精度、加工主軸 的材料及進行熱處理的方式對主軸部件的工作都會產(chǎn)生影響。同時，主軸的設(shè)計 構(gòu)造要可以滿足整體的定位可靠性程度高、工藝性能優(yōu)等要求。 5.2.1 主軸的主要尺寸參數(shù) 1 主軸直徑 D 2 內(nèi)孔徑 d 3 懸伸量 a 4 支承跨距 L 我們可以依據(jù)主軸的剛度、構(gòu)造工藝性以及軸的工藝適用范圍，幾何參考資 料通過合理計算和反復(fù)的校驗來氣確定軸頸的以上參數(shù)。 （1）主軸直徑 直徑大小與剛度大小成正比例關(guān)系，主軸前端的軸頸可根據(jù)主 軸電機的功率來選擇，后端軸頸逼前端軸頸小一般去 0.8 倍的前端軸頸值。最終 尺寸，要在主軸組件設(shè)計時確定，前后軸頸之差值不宜過大。 （2）主軸的內(nèi)孔徑 作用是通過拉桿，壓縮空氣，棒料等。主軸孔徑與主軸直 徑值之比，一般不能低于 0.5 但不能高于 0.7，低于 0.5 時設(shè)計不合理，工藝性不 好；當(dāng).大于 0.7 時主軸的剛度就會遭到極大的削弱，本次設(shè)計取 0.5。 （3）懸伸量 a 。就是主軸兩個前端軸承的中點距主軸軸端的距離。與軸承選型、 如何組合、潤滑方式的選擇、主軸前端形狀大小有關(guān)。在滿足結(jié)構(gòu)要求條件下， a 的值盡量取小。 （4）主軸的支撐跨距 L 。就是指主軸前軸承支承中點與后軸承支承作用中點之 間的距離。L 太大，那設(shè)計的那根軸變形量大，L 越小，則設(shè)計的那根變形量就 越小。L 太大或者太小都會降低綜合剛度，它是有一個最佳值的，可以通過查閱 相關(guān)文獻來確定這一最佳值。 . . 5.2.2 主軸軸端結(jié)構(gòu) 本次設(shè)計選用 BT45 刀柄，主軸端面上有螺栓孔和端面鍵，螺栓孔作用是將 刀具固定，端面鍵能夠傳遞轉(zhuǎn)矩，也用來對刀具的周向定位。 5.2.3 主軸材料和熱處理 考慮實際情況，本次設(shè)計選用 45 鋼、高頻頻率的淬火處理。 5.3 主軸的軸承 本次設(shè)計選用的是滾動軸承。滾動軸承與軸承內(nèi)外圈接觸面積小，因此阻力 力小，滾動軸承可以進行軸端預(yù)緊，維護和更換方便，能在一定轉(zhuǎn)速范圍和載荷 變動范圍內(nèi)穩(wěn)定工作 [5， ]結(jié)合加工中心實際安裝的軸承類型，也可以選擇角接接 球軸承來匹配主軸。前端的兩個軸承，采用背對背方式安裝，后支承也采用背對 背安裝方式。 所選型號：前軸承和中間軸承 7028AC，后支承軸承： 7025AC。 5.4 主軸組件的計算 5.4.1 初選主軸直徑 查《數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計》曲線圖，取主軸前端直徑 則后端直徑mD140? 。取 。主軸內(nèi)孔徑： ，12)9.0~7(D?m268?mD12?7./?d ，取 。d4.1??d0 5.4.2 主軸懸伸量 a 的確定 根據(jù)結(jié)構(gòu)選 m120? . . 5.4.3 主軸最佳跨距的確定 參考《數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計》例題 4.1 有計算過程如下 （1）求軸承剛度 切削速度 (5-1)smDnV /85.760/1560/ ????? 由 (5-2)FpZc? 帶入數(shù)據(jù)得 N19NFzy 9.. 故 (5-3)yz 2135022???? 估算時暫取 即5.3/0aLm40.? 前后支承反力分別為： (5-4)NFRA 275/)12(/)(00 ?????? (5-5)aB 654/2135? 由點接觸軸承條件求出軸端位移量： BA??0.,4. 取前后支承剛度 mKBA?230,8 （2）求最佳跨距 0L 假設(shè)主軸的軸頸為前后軸平均直徑。 即 (5-6)D126/)14(??? 固當(dāng)前設(shè)計的加工中心主軸的 為I (5-7)454102.).0.(50mI ???? 則 (5-8)65.1)2.086/()/ 313 ??KaE? 查線圖得: 故支撐跨距為40?LL0 5.5 主軸組件校核 5.5.1 主軸組件的剛度計算 查參考書，下面用一種簡化近似計算方法，首先應(yīng)把主軸組件簡化成一個均勻截 面的簡支梁 [6] . . 當(dāng)量直徑 (5-9)mDd126/)(21?? 主軸前端撓度 (5-10)30??EIlFay ：慣性矩， ：外徑和孔徑Iid, 這里 因此影響忽略不計。則di5.0? 708.1)2630/(412354???y 所以，彎曲剛度 驗算合格mNFK?/578./? 5.5.2 主軸強度校核計算 軸所受載荷是從軸上的零件傳遞過來的，計算時，通常將散步在軸上的載荷 簡化為集中載荷，集中點取為載荷分布中點，軸上扭矩的作用點，一般是從輪轂 中點算起。 圖 5-2 主軸在承受轉(zhuǎn)矩時的受力分析圖 由之前計算知： NF2135? . . (5-11)NFat r 9.120352.05.974.3. ??? 主軸屬于靜不定梁所以 b? 撓度 (5-12))()6/)3/(22 aLEIILFrb ????? 將 代入上式得：vrrEI 2,,10.,1??Nvr.742 又 (5-13) 0)130()3(1 ????rvrF 得 Fvr1? 由 （5-32???RVRV 14） 得 Nvr473 將 帶入撓度公式得：hrtF2,? 0)12.6/()2.13(26.159)10./(.1 662 ???????hrb? 得 59 （5-15） 0)3()3(012 ???thrhrF 得 N8? 圖 5-3-a 主軸承受切削力時的水平面彎矩圖 . . 圖 5-3-b 主軸承受切削力時的垂直面彎矩圖 AB 段 （5-0ABX?YM垂 直 面 ：水 平 面 ： 16） BC 段 （5-17）mNBCFhrBCX???4.3293 （5-18） vY?18 合成 （5-.522?MBCYXBC合 19） CD 段 （5-mNCDFBMvrvrCDYhhX ????????6.89523023 20） 合成 （5-4.722?MCDYBXCD合 . . 21） 合成彎矩圖如下： 5-4 合成彎矩圖、扭矩圖 大帶輪輸出功率： （5-22）kwP7.1498.05?????小大 大帶輪輸出轉(zhuǎn)矩： （5-23） mNnT?.3/9大 轉(zhuǎn)矩見圖見 5-4 5.5.3 主軸強度校核 經(jīng)分析可知，截面 C 初承受較大彎矩，切還受到帶傳動帶來的轉(zhuǎn)矩，因此這個界 面是危險界面，校核時依照彎扭合成強度來計算。 （5-??122)/()/(???????WTMca . . 24） 式（5-24 ）中， 。為 軸 孔 直 徑143;/,2/)1(ddW????? ??3968.60214.3m?? 主軸材料為 45 鋼，查表得 MPa71?? 折合系數(shù) .0? 則 ??122 7.39618/)3506.(354 ?????? ?? aca 所以強度滿足設(shè)計要求 5.6 軸承、鍵的校核 5.6.1 軸承校核計算 軸承安裝方式為兩個軸承背對背安裝在一起作為支撐?？梢猿惺軓较蚝洼S向 載荷，這樣就可以保證支承剛度和旋轉(zhuǎn)精度達到設(shè)計要求，參考機設(shè)教材進行軸 承的校核。7028AC 軸承與軸承套的配合采用間隙配合。剛度也要滿足要求，為 了提高剛度，軸承與主軸的配合采用過盈配合；后支承型號為 7025AC，與軸承 座之間是間隙配合。 軸承受力分析： 檢驗校核 CD 初 7028AC 軸承即可。 已知，C 處 （5-25）NFhrvr 5.192,3.742?? D 處 （5-26） N081 C 處軸承所受徑向力合力： （5-rc 265.192.743? 27） D 處軸承所受徑向力合力： （5-NFrD589104272?? 28） C 處派生軸向力 （5-RCdc46. 29） . . D 處派生軸向力 （5-NFrDd4068.? 30） 固軸承左壓緊，右放松 dCF? （5-aDC1402 31） 假設(shè)軸承工作年限為 7 年一年按 360 天算，兩班制（16h），則預(yù)期壽命為： hLh3601/ ?? 已知軸承 7028AC 所受軸向力 NFra26,4 68.02/14/?YXFra ，； 所 以 查《機械設(shè)計》知道 1pf 則軸承當(dāng)量動載荷為： （5-NYXfParp 2.3906.)(??? 32） 軸承壽命 = (5-23) nPCLh/)(16???h36071? 故能滿足設(shè)計要求 5.6.2 鍵的設(shè)計計算校核 主軸上的鍵，普通平鍵連接強度條件 (5-24)??b-l,5.0,2/)l(10 3LhKdFTpp ????其 中 ， ?? 帶輪作用在軸上的力 ，鍵所處軸段直徑 ，Nmd12? 查《機設(shè)課程設(shè)》選鍵的公稱尺寸 70m4.6t10t,6281? Lhb 公 稱 長 度， 轂槽 深 鍵所傳遞的轉(zhuǎn)矩 dFT?????28/052/ 選用圓頭平鍵，則工作長度： bLl? 將上述參數(shù)帶入校核公式得： MPap 1.)2509/(1283??? 查表知道 =60MPa，而 ，故滿足設(shè)計要求??p??p?? . . 5.7 刀具自動加緊機構(gòu)以及切削屑清洗機構(gòu) 加工中心能夠自動換刀，因此主軸應(yīng)具有自動加緊和松開的功用，主軸內(nèi)部 裝有自動加緊機構(gòu)，設(shè)計者在主軸前端加工出一個 7：24 的錐度孔，用來裝卡刀 具，通過向液壓缸通入壓力油使刀具加緊和放松。如果在換刀之前，錐孔殘存的 有切削屑或者其他污染物品，將使安裝刀具發(fā)生偏差，刀具安裝不可靠，加工誤 差增加，甚至?xí)?dǎo)致零件報廢。 主軸錐孔的衛(wèi)生需要經(jīng)常打掃清潔和保持，保持干凈。設(shè)計時常常設(shè)計一個 壓縮空氣通氣孔，從主軸上端內(nèi)控通入壓縮空氣，壓縮空氣經(jīng)過主軸內(nèi)控，將錐 孔清理干凈。，使噴射出來的壓縮空氣能清洗到每一個地方，以提高效率。 5.8 潤滑與密封 潤滑和密封是加工中心設(shè)計時必須考慮的條件。潤滑良好時，摩擦阻力小， 同時能夠?qū)厣刂圃诤侠矸秶?。密封件作用是杜絕外界的臟東西、切削時產(chǎn)生 的金屬屑、遺漏切削液等進入，同時還要能夠保證脂潤滑的脂不因溫度升高融化 而泄露。潤滑劑和潤滑方式可以根據(jù)軸軸承承的類型以及負負荷荷決定。軸承選 擇合適，軸承溫升就低，壽命就長。軸承的潤滑一般都采用油脂封入式潤滑，但 這種潤滑的缺點是，主軸轉(zhuǎn)速有限制。為了符合現(xiàn)代加工中心向高速化轉(zhuǎn)變，潤 滑劑可以采用油脂、油霧、氣油以及油液循環(huán)等。 主軸的密封。最常見的形式就是旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)式了。根據(jù)相關(guān)規(guī)定旋轉(zhuǎn)式可分為 能夠區(qū)分為接觸的密封和非接觸的密封，本次設(shè)計參考文獻后選接觸的密封。 接觸式密封，一般都是分為氈圈的密封和橡膠型的密封。通常選用氈圈式密 封。它的優(yōu)點是：構(gòu)造不復(fù)雜，成本不高，尺寸緊湊，但摩擦阻力大，適合用脂 潤滑來潤滑。 . . 第六章 設(shè)計總結(jié) 本次畢業(yè)設(shè)計主要設(shè)計加工中心總體、主軸部件及立柱的設(shè)計，通過這次畢 業(yè)設(shè)計過程得出以下結(jié)論： (1)通過本次畢業(yè)設(shè)計使我更加熟悉立式加工中心的總體布局及各個部件的聯(lián)系尺 寸，同時通過比較立式和臥式加工中心，完成了加工中心總體聯(lián)系尺寸的設(shè)計工 作。 (2)通過主軸部件的設(shè)計得出主軸組件的結(jié)構(gòu)，及其它們之間的裝配關(guān)系，其中主 軸的設(shè)計是加工中心設(shè)計的關(guān)鍵部件之一。 (3)立柱是加工中心較大的基本構(gòu)件之一。通過進行立柱的設(shè)計，根據(jù)對立柱的結(jié) 構(gòu)和性能的要求，及其經(jīng)濟性，用井字型的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)。 本次畢業(yè)設(shè)計是基于自己的工作需要選擇了關(guān)于加工中心方面的設(shè)計，由于 以前沒有接觸過這樣的大型設(shè)計工作，缺乏設(shè)計經(jīng)驗并且關(guān)于加工中心的參考資 料相對比較少，在數(shù)據(jù)參數(shù)的選取方面肯定有許多的不合理之處。設(shè)計的內(nèi)容可 能給實際的生產(chǎn)還有很大的差距，也有可能不能運用到實際生產(chǎn)中。通過此次三 個月的畢業(yè)設(shè)計工作，也使自己更加深刻認識到實際工作經(jīng)驗的重要性，所以在 . . 以后工作要更加努力的學(xué)習(xí)。 致謝 本次設(shè)計的指導(dǎo)老師任老師對我的幫助非常大，任老師認真負責(zé)、知識淵博， 在設(shè)計中我遇到很多設(shè)計的麻煩和問題向老師請教，任老師每次都耐心講解，還 鼓勵我們創(chuàng)新，有新的想法大家集體討論。這兩個多月的畢業(yè)設(shè)計，每個星期老 師都會組織好多次見面會。在老師的細心指導(dǎo)和督促下，我的畢業(yè)設(shè)計進度也比 其他人快，質(zhì)量也有很大保證，因此感到十分自豪。私下里與其他同學(xué)的通力合 作也為我設(shè)計時解決了不少麻煩。在此對任老師和幫助我的同學(xué)表達衷心的感謝。 . . 參考文獻 夏 田 .數(shù) 控 加 工 中 心 設(shè) 計 .北 京 ： 化 學(xué) 工 業(yè) 出 版 社.2006.17~50.??1 李 佳 .趙 小 林 等 .數(shù) 控 機 床 及 應(yīng) 用 .北 京 .清 華 大 學(xué) 出 版 社 .2001.1~78.2 晏 初 紅 .數(shù) 控 機 床 與 機 械 結(jié) 構(gòu) .北 京 .機 械 工 業(yè) 出 版 社 .2005.20~105.??3 楊 美 英 .數(shù) 控 機 床 主 軸 組 件 設(shè) 計 及 剛 度 計 算.機 械 工 程 與 自 動 化 .2004.2： 71~ 74.4 王 愛 玲 ， 白 恩 遠 等 .現(xiàn) 代 數(shù) 控 機 床 .北 京 .國 防 工 業(yè) 出 版 社 .2003.26~187.??5 《 現(xiàn) 代 機 械 傳 動 手 冊 》 編 輯 委 員 會 編 輯 .現(xiàn) 代 機 械 傳 動 手 冊 .北 京 .機 械 工 業(yè) 出 版 社 .2002.10356 ~1041. 戴 署 .金 屬 切 削 機 床 .北 京 .機 械 工 業(yè) 出 版 社 .2001.??7 《 現(xiàn) 代 機 床 設(shè) 計 手 冊 》 編 輯 委 員 會 編 輯 .現(xiàn) 代 機 床 實 用 手 冊 .北 京 .機 械 工 業(yè) 出 版 社 .2006.14008 ~1516. 成 大 先 主 編 .機 械 設(shè) 計 手 冊 北 京 .化 學(xué) 工 業(yè) 出 版 社 .1993.3-13~79.??9 . . 吳 宗 憲 .羅 勝 國 .機 械 設(shè) 計 課 程 設(shè) 計 手 冊.北 京 .高 等 教 育 出 版 社 .1999.1~99.??10 文 懷 興 .夏 田 .數(shù) 控 機 床 系 統(tǒng) 設(shè) 計 .北 京 .化 學(xué) 工 業(yè) 出 版 社 .2005.5~103. 張 永 志 .苗 志 毅 .數(shù) 控 機 床 主 傳 動 無 極 調(diào) 速 系 統(tǒng) 設(shè) 計 方 法 討 論.河 南 電 視 廣 播 大 學(xué) 學(xué) 報.2004.17??2 （ 4） ： 47~49. 周 效 蕾 .李 田 .X62W型 銑 床 主 傳 動 系 統(tǒng) 的 巧 妙 設(shè) 計.機 械 設(shè) 計 與 研 究 .2006.22（ 4） ： 91~93.13 邱 宣 懷 .郭 可 兼 吳 宗 澤 .機 械 設(shè) 計 .北 京 .高 等 教 育 出 版 社 .1997.123~449.?? 上 海 市 金 屬 切 削 協(xié) 會 .金 屬 切 削 手 冊 .上 海 .上 海 科 學(xué) 技 術(shù) 出 版 社 .1997.5