畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-立式加工中心總體、主軸部件及立柱設(shè)計(jì)

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1、加工中心總體、主軸部件及立柱設(shè)計(jì)加工中心總體、主軸部件及立柱設(shè)計(jì)摘要摘要加工中心是一種具有刀庫(kù)并能自動(dòng)更換刀具對(duì)工件進(jìn)行多工序加工的數(shù)控機(jī)床。它是適應(yīng)省力、省時(shí)和節(jié)能的時(shí)代要求而迅速發(fā)展起來(lái)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?；诩庸ぶ行牡难杆侔l(fā)展，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)是設(shè)計(jì)加工中心總體、主軸部件及立柱。加工中心的總體設(shè)計(jì)主要是通過(guò)設(shè)計(jì)各部件之間的尺寸聯(lián)系來(lái)滿足它們之間的位置關(guān)系要求。主軸部件是機(jī)床的重要部件之一。它是機(jī)床的執(zhí)行件，其功用是支承并帶動(dòng)工件或刀具旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切削，承受切削力和驅(qū)動(dòng)力等載荷，從而完成表面成形運(yùn)動(dòng)。主軸部件由主軸及其支承和安裝在主軸上的傳動(dòng)件、

2、密封件等組成。加工中心立柱主要是對(duì)主軸箱起到支承作用，滿足主軸 Z 向運(yùn)動(dòng)。根據(jù)對(duì)立柱的結(jié)構(gòu)、性能及其經(jīng)濟(jì)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(jì)符合數(shù)控機(jī)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(shì)。目前，加工中心已成為現(xiàn)代機(jī)床發(fā)展的主流方向，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造中。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞： 加工中心，主軸，軸承，立柱DESIGN OF THE OVERALL , SPINDLE ASSEMBLY AND COLUMN OF MACHININING CENTERABSTRACTMachining center (MC) is a kind of CNC machine with tool

3、 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 m

4、achines.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

5、 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

6、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 sta

7、nds for the main development direction of modern machine tool, which is widely used in machine manufacturing. KEYWORDS: machining center, spindle, bearing, column 目錄目錄前言 .1第一章加工中心概述 .3第二章 主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) .42.1 傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介.42.2 主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求.4第三章 主軸電機(jī)的選型與參數(shù) .73.1 計(jì)算切削力.73.2 主電機(jī)功率估算.83.3 確定電動(dòng)機(jī)型號(hào).8第四章 主傳動(dòng)變速系統(tǒng)設(shè)計(jì) .94.1

8、同步帶參數(shù)計(jì)算.94.2 圓弧同步帶設(shè)計(jì)總結(jié) .11第五章 主軸組件的設(shè)計(jì) .125.1 主軸組件的設(shè)計(jì)要求 .135.2 主軸設(shè)計(jì) .145.2.1 主軸的主要尺寸參數(shù).145.2.2 主軸軸端結(jié)構(gòu) .155.2.3 主軸材料和熱處理 .155.3 主軸的軸承 .155.4 主軸組件的計(jì)算.155.4.1 初選主軸直徑.155.4.2 主軸懸伸量 a 的確定.155.4.3 主軸最佳跨距的確定.165.5 主軸組件校核 .165.5.1 主軸組件的剛度計(jì)算.165.5.2 主軸強(qiáng)度校核計(jì)算.175.5.3 主軸強(qiáng)度校核.205.6 軸承、鍵的校核.215.6.1 軸承校核計(jì)算.215.6.2

9、 鍵的設(shè)計(jì)計(jì)算校核.225.7 刀具自動(dòng)加緊機(jī)構(gòu)以及切削屑清洗機(jī)構(gòu).225.8 潤(rùn)滑與密封.23第六章 設(shè)計(jì)總結(jié) .24致謝 .25參考文獻(xiàn) .260前言前言 1952 年，第一臺(tái)數(shù)控機(jī)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(jìn)行，如今數(shù)控機(jī)床已經(jīng)成為制造業(yè)加工零件的主流器械。設(shè)計(jì)的生產(chǎn)面越來(lái)越廣，能滿足越來(lái)越多的工業(yè)需求，現(xiàn)已被國(guó)家科技人員高度重視。數(shù)控機(jī)床的集機(jī)械制造技術(shù)、信息處理技術(shù)、微電處理技術(shù)和自動(dòng)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(jìn)中，數(shù)控機(jī)床的推動(dòng)作用是至關(guān)重要的，同時(shí)也帶動(dòng)了周邊產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)規(guī)模不斷壯大的支柱。一些發(fā)

10、達(dá)國(guó)家如德國(guó)、日本、荷蘭、美國(guó)等都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模數(shù)控化。 作為對(duì)比，我國(guó)機(jī)床的發(fā)展卻有自己的特點(diǎn)，作為世界上機(jī)床產(chǎn)量最大的國(guó)家之一，我國(guó)的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品得競(jìng)爭(zhēng)力卻處于國(guó)際水平中下游，距世界一流水平還相差甚遠(yuǎn)。就算面對(duì)中國(guó)國(guó)內(nèi)機(jī)床市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，國(guó)產(chǎn)機(jī)床也面臨著嚴(yán)峻考驗(yàn)：一方面對(duì)于需求方，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)數(shù)控機(jī)床尤其是加工中心需求量大，另一方面對(duì)于供應(yīng)方，不幸的是，國(guó)產(chǎn)機(jī)床質(zhì)量差，生產(chǎn)成本高，利用率低，生產(chǎn)滯銷堆積；而進(jìn)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(chǎng)大部分區(qū)域，這就嚴(yán)重阻礙了我國(guó)自主品牌數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。 國(guó)內(nèi)機(jī)床行業(yè)的現(xiàn)狀，對(duì)于我們青年大學(xué)生而言，是一種機(jī)遇，也是一種挑戰(zhàn)，下面介紹一下數(shù)

11、控機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)：加工種類繁多；效率率高；勞動(dòng)力消耗?。还ぷ髁啃?；刀具壽命長(zhǎng)；節(jié)約成本。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)控機(jī)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(duì)立式加工中心主軸部件來(lái)設(shè)計(jì)、因此下面將會(huì)介紹有關(guān)加工中心主軸部件的相關(guān)知識(shí)。 這次畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)我們即將畢業(yè)的大四學(xué)生至關(guān)重要，它不僅僅是對(duì)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(jì)設(shè)計(jì)中培，還養(yǎng)了我運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析和解決問(wèn)題的能力，讓我能夠?qū)⒅R(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐，通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，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(jì)中遇到的問(wèn)題練習(xí)工程實(shí)際問(wèn)題；復(fù)習(xí)了機(jī)械設(shè)計(jì)，熟悉和掌握了數(shù)控機(jī)床主軸設(shè)計(jì)1的方法，合理運(yùn)用所學(xué)相關(guān)知

12、識(shí)，同時(shí)增強(qiáng)技能專業(yè)化。本次設(shè)計(jì)我的主要利用材料是數(shù)控加工中心設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)及機(jī)械設(shè)計(jì)課程手機(jī)手冊(cè)等。通過(guò)反復(fù)查閱資料，教材，我對(duì)這些理論有了更好的掌握。 本說(shuō)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(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；第三章講述主軸電機(jī)的計(jì)算選型；第四章講述的是傳動(dòng)系統(tǒng)同步帶的設(shè)計(jì)；第五章講述了主軸組件的設(shè)計(jì)以及相關(guān)零件的校核；第六章時(shí)對(duì)本次設(shè)計(jì)的大總結(jié)。2第一章加工中心概述第一章加工中心概述一、基本概念 即裝有刀庫(kù)和自換換刀裝置的數(shù)控機(jī)床。它的特點(diǎn)是能夠在倒庫(kù)里存下許多種刀具，有程序控制自動(dòng)換刀，這樣就可以在沒(méi)有認(rèn)為干涉的情況下一次完成很多種加工任

13、務(wù)。在加工中心上，一次裝卡工件可同時(shí)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(dòng)改變主軸進(jìn)給量，主軸轉(zhuǎn)速，道具相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡，依次完成一個(gè)或者幾個(gè)面的工藝加工。因此可以減少換裝工件和機(jī)床的調(diào)整時(shí)間、減少零件生產(chǎn)周期、貯存時(shí)間、生產(chǎn)效率高、自動(dòng)化程度很強(qiáng)。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(tái)。 （2）臥式加工中心 主軸軸線水平。是帶有分度回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)的一類加工中心，適合加工體積較大的零部件。 （3）五坐標(biāo)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(tái)（2）主軸組件 由主軸箱體、交流主軸電動(dòng)機(jī)、主

14、軸和軸承等零件。（3）控制系統(tǒng) 單臺(tái)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(dòng)裝置、電動(dòng)機(jī)、（4）伺服系統(tǒng) （5）自動(dòng)換刀裝置 刀庫(kù)、換刀機(jī)械手和驅(qū)動(dòng)元件。3第二章第二章 主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.12.1 傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)是由帶動(dòng)主軸傳動(dòng)的電機(jī)、主軸的傳動(dòng)系統(tǒng)以及主軸組件組成1與普通機(jī)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(diǎn)就是它能夠完成由多臺(tái)機(jī)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(diǎn)：（1）在數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)上增加了裝有各種刀具的刀庫(kù)以及自動(dòng)換刀裝置?？梢砸淮瓮瑫r(shí)進(jìn)行多工步加工操作。（2）特

15、有的裝備：自動(dòng)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)； （3）主軸轉(zhuǎn)速可以變更、進(jìn)給量可調(diào)、具有插補(bǔ)功能，方便操作員編程。 （4）如果帶有 APC 工作臺(tái)，工件在加工時(shí)，其他工件就在裝卡卸下的位置等待加工，不會(huì)耽誤正在進(jìn)行的工件的加工。2.22.2 主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)床的右側(cè)，左側(cè)是刀庫(kù)，里面貯存加工時(shí)所需的刀具；本設(shè)計(jì)的加工中心工作臺(tái)分 X 向進(jìn)給工作臺(tái)、Y 向進(jìn)給工作臺(tái)、Z 向進(jìn)給工4作臺(tái)。其中 X 向進(jìn)給量為 500 毫米，Y 向進(jìn)給量為 600 毫米，Z 向進(jìn)給量為 600毫米。當(dāng)需要加工工件時(shí)，自動(dòng)

16、換刀裝置會(huì)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(guò)加緊機(jī)構(gòu)將刀具鎖緊。這時(shí)，主軸電機(jī)通過(guò)同步帶帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，共建加工開始。等工件加工完成以后，下一個(gè)在裝卸位置等待的待加工工件就會(huì)被推至加工處，進(jìn)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(shí)，機(jī)床系統(tǒng)選擇合適道具，然后自動(dòng)裝卡，進(jìn)行加工。在換刀過(guò)程中，由主軸上端通過(guò)主軸內(nèi)孔股進(jìn)來(lái)的壓縮空氣會(huì)把主軸前端安裝刀具部位清理干凈，避免刀具安裝時(shí)產(chǎn)生誤差。 本次設(shè)計(jì)的立式加工中心的總體大概設(shè)計(jì)：主軸電機(jī)：交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)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(dòng)小，勻化了應(yīng)力分布，嚙合齒數(shù)，因此選用圓弧

17、齒同步帶作為本次設(shè)計(jì)的傳動(dòng)系統(tǒng)部件。同步帶傳動(dòng)裝置簡(jiǎn)圖見(jiàn) 2-2。圖 2-2 同步帶傳動(dòng) 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析機(jī)械傳動(dòng)的方式有帶傳動(dòng)，齒輪傳動(dòng)，鏈傳動(dòng)，在大三的機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)中，5二級(jí)減速器的傳動(dòng)方案中，我們選擇帶傳動(dòng)在高速級(jí)，將齒輪傳動(dòng)放在中間級(jí)，將鏈傳動(dòng)放在了最后一級(jí)。這樣以來(lái)，每種傳動(dòng)都克服了彼此的缺點(diǎn)并發(fā)揚(yáng)了自己的優(yōu)點(diǎn)，相輔相成。 對(duì)于同步帶傳動(dòng)這棟特殊的傳動(dòng)方式，克服了鏈傳動(dòng)傳動(dòng)比不穩(wěn)定，傳遞效率低，齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)安裝復(fù)雜，噪聲大，V 帶傳動(dòng)壓軸力大，容易發(fā)生打滑等缺點(diǎn)。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(jìn)行正確嚙合，避免打滑破壞帶的性能?？估瓕邮怯商厥獾睦w維材料或金屬

18、制成，這樣就使帶不發(fā)生過(guò)大的彈性滑動(dòng)。 同步帶雖然優(yōu)點(diǎn)眾多，但是維護(hù)不力的話，同樣會(huì)發(fā)生損壞，比如承載載荷繩發(fā)生斷裂、爬齒跳齒等。對(duì)于第一種失效，通常是因?yàn)楣ぷ鬟^(guò)程中帶承載的拉力過(guò)大，超出承載范圍。若選用的主動(dòng)帶輪直徑不合適的話，同步帶在嚙合帶輪和推出帶輪時(shí)會(huì)收到周期性彎曲應(yīng)力。也會(huì)導(dǎo)致帶斷裂。對(duì)于第二種失效，一般是由于設(shè)計(jì)時(shí)尺寸不合理或者受力等因素造成的。我們可以通過(guò)以下幾個(gè)方面來(lái)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(jì)時(shí)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。、6第三章第三章 主軸電機(jī)的選型與參數(shù)主軸電機(jī)的選型與

19、參數(shù)3.13.1 計(jì)算切削力計(jì)算切削力經(jīng)驗(yàn)公式2： (3-1) zFefpKZdaaaF01 . 11 . 18 . 095. 0821切式(3-1)中，F(xiàn) 切 : 主切削力（N） : 銑削深度（mm）ap : 每齒進(jìn)給量（z/mm）af : 銑削寬度（mm）ae : 銑刀直徑（mm）0d Z : 銑刀齒數(shù) : 銑削力修正系數(shù)ZFK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 bkgf/mm 碳鋼；每齒進(jìn)給量=0.1mm/z ; 刀具直徑=16mm ; 齒數(shù) Z=8 工件寬2b0d度=12mm ；切削深度 ap=3mm。ea將上述數(shù)據(jù)帶入經(jīng)驗(yàn)公式(3-1)得

20、zFefpKZdaaaF01 . 11 . 18 . 095. 0821切 =821 （/0.638）95. 038 . 01 . 01 . 1121 . 116892. 031081. 9753 . 0N2046切削速度3 (3-2)1000/maxminmaxnDV1000/80001614. 32/92.401sm73.23.2 主電機(jī)功率估算主電機(jī)功率估算銑削功率 (3-3)60000/maxVFpm切 /92.401204660000 kw7 .13主電機(jī)功率 (3-4)/mepp )98. 099. 0/(7 .132 26.14kw式中，為機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)效率，滾動(dòng)軸承傳動(dòng)效率為

21、0.99 ，帶傳動(dòng)傳遞效率m為 0.98.3.33.3 確定電動(dòng)機(jī)型號(hào)確定電動(dòng)機(jī)型號(hào)這里選擇 FUNUC 主軸電機(jī)，型號(hào)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/mKg8第四章第四章 主傳動(dòng)變速系統(tǒng)設(shè)計(jì)主傳動(dòng)變速系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.14.1 同步帶參數(shù)計(jì)算同步帶參數(shù)計(jì)算 結(jié)合前述的條件可知：主軸電機(jī)功率 15 KW 轉(zhuǎn)速 傳動(dòng)比為min/15001rn 1，則；二班制工作；中心

22、距可調(diào)。min/150012rnn（1）確定設(shè)計(jì)功率4查機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)取工況系數(shù)則3 . 10K設(shè)計(jì)功率 (4-1) pKpd0kw5 .19153 . 1（2）選定帶型個(gè)節(jié)距 由，n1=1500r/min 參考機(jī)設(shè)手冊(cè)選同kwPd5 .19步帶，型號(hào) 14M，節(jié)距mmpb14（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min1ZZ minZ得，當(dāng)帶型號(hào)為 14M，轉(zhuǎn)速在 12001800 之間時(shí)，查表可得故選取40minZ小帶輪齒數(shù)641Z（4）小帶輪節(jié)圓直徑 (4-2)mmzpdb98.16214. 3/648/1由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得則685. 0小帶輪頂圓直徑

23、 (4-3)mmddr61.161685. 0298.162211 （5）校核帶速設(shè)計(jì)合理smsmndV/35/8 .1260000/150098.16260000/11 （6）傳動(dòng)比 (4-4)101/21nni傳動(dòng)比滿足要求 （7）大帶輪齒數(shù) (4-5)6412 iZZ（8）帶輪的節(jié)圓直徑 mm，大帶輪頂圓直徑 2n98.16212 dd9mm61.161222ddr（9）初定中心距0a 即 (4-6)(2)(7 . 021021ddadd6 .32509.1140 a初定中心距mma320（10）初定帶長(zhǎng)opL (4-7)022104/)(2/ )(212addddaLppdop 0)9

24、8.16298.162(3202 mm8 .1151查表選取帶長(zhǎng)為 帶齒數(shù) mmLp119085bZ（11）計(jì)算實(shí)際中心距中心距可調(diào)，則實(shí)際中心距為 mmLLaap1 .3392/ )8 .11511190(3202/ )(00（12）小帶帶輪齒合齒數(shù) (4-8)2/()(2/21211aZZZPZentzbm ) 1 .3392/()6464(6482/642 ent 632minZ故滿足設(shè)計(jì)要求（13）基本額定功率由表查得對(duì)應(yīng)型號(hào)為 14M 的同步帶，kwP17.120（14）所需帶寬帶寬 (4-9)14. 100)/(zlsdssKKppbb查表得1, 1,400zlsKKmmb則mmb

25、s26.58) 117 .12/(5 .194014. 1查表可得： 型號(hào)為 14M 的同步帶帶寬為 ，小于帶輪節(jié)圓直徑mmbs55 ，設(shè)計(jì)滿足要求mmd98.1621（15）計(jì)算壓軸力 (4-10)NVPFdq4 .15238 .12/5 .191000/1000（16）計(jì)算匯總同步帶規(guī)格：1040-14M-5510大、小帶輪規(guī)格：均為 64-14M-55大小帶輪中心距：mma3390壓軸力 ：NFq4 .1523齒形帶單位寬度上的力 F： (4-11) mmNbFFq/7 .2755/4 .1523/24.24.2 圓弧同步帶設(shè)計(jì)總結(jié)圓弧同步帶設(shè)計(jì)總結(jié)節(jié)距bpmm14齒根厚smm40. 9

26、齒高1hmm02. 6帶高shmm0 .10圓角半徑rrmm35. 1弧齒半徑armm55. 4齒頂距amm397. 1雙邊擋環(huán)帶輪的寬fbmm60帶輪寬度bmm55擋圈厚度tmm3擋圈高Kmm711第五章第五章 主軸組件的設(shè)計(jì)主軸組件的設(shè)計(jì)加工中心主軸部件圖 5-11 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(jī)床動(dòng)力實(shí)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(duì)待轉(zhuǎn)速的指標(biāo)越來(lái)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(dòng)性

27、。加工中心還應(yīng)該具備刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置以及自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)、主軸準(zhǔn)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12結(jié)構(gòu)，前端支承采用三個(gè)角接觸球軸承，前兩個(gè)貼緊安裝小口朝上，提高剛度；第三個(gè)小口朝下。后支承也采用兩個(gè)角接觸球軸承，大口相背安裝，承受徑向載荷，外圈軸向沒(méi)有定位。軸承潤(rùn)滑方式為脂潤(rùn)滑。 在主軸內(nèi)孔中，內(nèi)置有刀具自動(dòng)加緊和松開元及切削屑清掃元件。如上圖所示，加緊時(shí)液壓油通入活塞剛下腔，將活塞頂起，從而將拉桿拉起，自動(dòng)裝卡機(jī)構(gòu)在安裝刀具以后拉桿帶動(dòng)鋼球上移從而夾緊刀具。松開刀具時(shí)，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

28、開刀具頭部，同時(shí)拉桿頂松刀具端部，有自動(dòng)換刀裝置更換刀具。這時(shí)，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(gè)刀具的安裝精度。5.1 主軸組件的設(shè)計(jì)要求主軸組件的設(shè)計(jì)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(huì)影響加工中心工作時(shí)的效率，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量滿足以下要求回轉(zhuǎn)精度 指空載時(shí)，裝置工件或者刀具部位的徑跳動(dòng)和軸跳動(dòng)值達(dá)到要求。保證主軸的回轉(zhuǎn)精度是通過(guò)保證加工中心零部件的幾何精度和表面粗糙度來(lái)實(shí)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

29、可以使耐磨性增強(qiáng)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jìn)而影響加工精度應(yīng)盡量控溫升13表 5-15.25.2 主軸設(shè)計(jì)主軸設(shè)計(jì)主軸是主軸部件重要設(shè)計(jì)元件，主軸結(jié)構(gòu)，尺寸，設(shè)計(jì)時(shí)的精度、加工主軸的材料及進(jìn)行熱處理的方式對(duì)主軸部件的工作都會(huì)產(chǎn)生影響。同時(shí)，主軸的設(shè)計(jì)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。5.2.15.2.1 主軸的主要尺寸參數(shù)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

30、藝適用范圍，幾何參考資料通過(guò)合理計(jì)算和反復(fù)的校驗(yàn)來(lái)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(jī)的功率來(lái)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(jì)時(shí)確定，前后軸頸之差值不宜過(guò)大。（2）主軸的內(nèi)孔徑 作用是通過(guò)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(shí)設(shè)計(jì)不合理，工藝性不好；當(dāng).大于 0.7 時(shí)主軸的剛度就會(huì)遭到極大的削弱，本次設(shè)計(jì)取 0.5。（3）懸伸量 a 。就是主軸兩個(gè)前端軸承的中點(diǎn)距主軸軸端的距離。與軸承選型、如何組合、潤(rùn)滑方式的

31、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(diǎn)與后軸承支承作用中點(diǎn)之間的距離。L 太大，那設(shè)計(jì)的那根軸變形量大，L 越小，則設(shè)計(jì)的那根變形量就越小。L 太大或者太小都會(huì)降低綜合剛度，它是有一個(gè)最佳值的，可以通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)來(lái)確定這一最佳值。145.2.25.2.2 主軸軸端結(jié)構(gòu)主軸軸端結(jié)構(gòu) 本次設(shè)計(jì)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(lái)對(duì)刀具的周向定位。5.2.35.2.3 主軸材料和熱處理主軸材料和熱處理 考慮實(shí)際情況，本次設(shè)計(jì)選用 45 鋼、高頻頻率的淬火

32、處理。5.35.3 主軸的軸承主軸的軸承本次設(shè)計(jì)選用的是滾動(dòng)軸承。滾動(dòng)軸承與軸承內(nèi)外圈接觸面積小，因此阻力力小，滾動(dòng)軸承可以進(jìn)行軸端預(yù)緊，維護(hù)和更換方便，能在一定轉(zhuǎn)速范圍和載荷變動(dòng)范圍內(nèi)穩(wěn)定工作5，結(jié)合加工中心實(shí)際安裝的軸承類型，也可以選擇角接接球軸承來(lái)匹配主軸。前端的兩個(gè)軸承，采用背對(duì)背方式安裝，后支承也采用背對(duì)背安裝方式。所選型號(hào)：前軸承和中間軸承 7028AC，后支承軸承：7025AC。5.45.4 主軸組件的計(jì)算主軸組件的計(jì)算5.4.15.4.1 初選主軸直徑初選主軸直徑 查數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)曲線圖，取主軸前端直徑則后端直徑mmD1401。取。主軸內(nèi)孔徑：，12)9 . 07 . 0(D

33、D mm12698mmD11227 . 0/Dd，取。mmDd981407 . 07 . 01mmd605.4.25.4.2 主軸懸伸量主軸懸伸量 a a 的確定的確定根據(jù)結(jié)構(gòu)選mma120155.4.35.4.3 主軸最佳跨距的確定主軸最佳跨距的確定參考數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)例題 4.1 有計(jì)算過(guò)程如下（1）求軸承剛度切削速度 (5-1)smDnV/85. 760000/150010060000/由 (5-2)VFpZc帶入數(shù)據(jù)得 NFZ1910NFFzy95519105 . 05 . 0故 (5-3)NFFFyz213595519102222估算時(shí)暫取即5 . 3/0aLmmL4201205 .

34、 30前后支承反力分別為： (5-4)NLaLFRA2745420/ )120420(2135/ )(00 (5-5)NLaFRB625420/1202135/0由點(diǎn)接觸軸承條件求出軸端位移量：mmBA0 . 2,4 . 2取前后支承剛度mKmKBA230,886（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)mmD1262/ )120140(固當(dāng)前設(shè)計(jì)的加工中心主軸的為I (5-7)4544102 . 1)06. 0126. 0(05. 0mI則 (5-8)65. 1)12. 010886/(102 . 1101 . 2)/(365113KaEI查線圖得: 故支撐跨距為4/

35、0aLmmL480412005.55.5 主軸組件校核主軸組件校核5.5.15.5.1 主軸組件的剛度計(jì)算主軸組件的剛度計(jì)算查參考書，下面用一種簡(jiǎn)化近似計(jì)算方法，首先應(yīng)把主軸組件簡(jiǎn)化成一個(gè)均勻截面的簡(jiǎn)支梁616當(dāng)量直徑 (5-9)mmDDd1262/ )(21主軸前端撓度 (5-10)3210)3/(EIlFay ：慣性矩，：外徑和孔徑Iidd,這里因此影響忽略不計(jì)。則ddi5 . 0 708. 1)12630/(420120213542y所以，彎曲剛度 驗(yàn)算合格mNyFKy/1250078. 1/2135/5.5.25.5.2 主軸強(qiáng)度校核計(jì)算主軸強(qiáng)度校核計(jì)算 軸所受載荷是從軸上的零件傳遞過(guò)

36、來(lái)的，計(jì)算時(shí)，通常將散步在軸上的載荷簡(jiǎn)化為集中載荷，集中點(diǎn)取為載荷分布中點(diǎn)，軸上扭矩的作用點(diǎn)，一般是從輪轂中點(diǎn)算起。圖 5-2 主軸在承受轉(zhuǎn)矩時(shí)的受力分析圖 由之前計(jì)算知： NF213517 (5-11)NFFNFFNFFatr9 .11202135525. 0525. 05 .192121359 . 09 . 03 .747213535. 035. 0主軸屬于靜不定梁所以0b撓度 (5-12)3()6/()3/(232aLEIFaEILFrb將 代入上式得：vrrrFFFFEI226,101 . 2,120NFvr3 .7472又 (5-13) 0)120120300()200300(300

37、12rvrvrFFF得 NFvr4271由 （5-0321RVRVRVRFFFF14）得 NFvr4273將 帶入撓度公式得：hrrtFFFF22,0)120101 . 26/()2 . 12 . 13(26. 15 .1921)120101 . 23/(2 . 162632hrbF得 NFhr5 .19212 （5-15） 0)120120300()120300(30012thrhrFFF 得 NFhr10981圖 5-3-a 主軸承受切削力時(shí)的水平面彎矩圖18圖 5-3-b 主軸承受切削力時(shí)的垂直面彎矩圖AB 段 （5-00ABXABYMM垂直面：水平面：16）BC 段 （5-17）mNB

38、CFMhrBCX4 .3293 （5-18） mNBCFMvrBCY1 .1283合成 （5-m4 .35322NMMMBCYBCXBC合19）CD 段 （5-mNCDFBDFMmNCDFBDFMvrvrCDYhrhrCDX66.8958.230232320） 合成 （5-m4 .24722NMMMCDYCBXCD合1921） 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）kwPP7 .1498. 015小大大帶輪輸出轉(zhuǎn)矩： （5-23） mNnPT59.93/9550大轉(zhuǎn)矩見(jiàn)圖見(jiàn) 5-45.5.35.5.3 主軸強(qiáng)度校核主軸強(qiáng)度校核經(jīng)分析可知，截面 C 初承受較大彎

39、矩，切還受到帶傳動(dòng)帶來(lái)的轉(zhuǎn)矩，因此這個(gè)界面是危險(xiǎn)界面，校核時(shí)依照彎扭合成強(qiáng)度來(lái)計(jì)算。 （5-122)/()/(WTWMca2024）式（5-24）中，。為軸孔直徑1143;/,32/ )1 (ddddW 34396181)26. 160(112614. 3mmW主軸材料為 45 鋼，查表得MPa701折合系數(shù) 6 . 0則1227 . 396181/)935906 . 0(353400MPaca所以強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求5.65.6 軸承、鍵的校核軸承、鍵的校核5.6.15.6.1 軸承校核計(jì)算軸承校核計(jì)算軸承安裝方式為兩個(gè)軸承背對(duì)背安裝在一起作為支撐。可以承受徑向和軸向載荷，這樣就可以保證支承剛度

40、和旋轉(zhuǎn)精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，參考機(jī)設(shè)教材進(jìn)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(guò)盈配合；后支承型號(hào)為 7025AC，與軸承座之間是間隙配合。軸承受力分析：檢驗(yàn)校核 CD 初 7028AC 軸承即可。已知，C 處 （5-25）NFNFhrvr5 .1921,3 .74722 D 處 （5-26） NFNFhrvr1098,42711C 處軸承所受徑向力合力： （5-NFrc20625 .19212 .7432227）D 處軸承所受徑向力合力： （5-NFrD58910984272228） C 處派生軸向力 （5-NFFRCd

41、c140268. 029）21D 處派生軸向力 （5-NFFrDdD40068. 030） 固軸承左壓緊，右放松 dDdCFF （5-NFFaDaC140231） 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： hLh33600163007/已知軸承 7028AC 所受軸向力NFNFra2062,1402 0168. 02062/1402/YXFFra，；所以查機(jī)械設(shè)計(jì)知道6 . 1pf則軸承當(dāng)量動(dòng)載荷為： （5-NYFXFfParp2 .329920626 . 1)(32）軸承壽命= (5-23) nPCLh60/)/(106hh3360071967 故能滿

42、足設(shè)計(jì)要求5.6.25.6.2 鍵的設(shè)計(jì)計(jì)算校核鍵的設(shè)計(jì)計(jì)算校核主軸上的鍵，普通平鍵連接強(qiáng)度條件 (5-24) b-l ,5 . 0, 2/)l/(1023LhKdFTdKTpp其中，帶輪作用在軸上的力，鍵所處軸段直徑，NF500mmd112查機(jī)設(shè)課程設(shè)選鍵的公稱尺寸mm70mm4 . 6tmm10t,16281Lhb公稱長(zhǎng)度，轂槽深鍵所傳遞的轉(zhuǎn)矩mNdFT282/012. 05002/選用圓頭平鍵，則工作長(zhǎng)度：mmbLl50將上述參數(shù)帶入校核公式得：MPap1 . 1)112509/(102823查表知道=60MPa，而，故滿足設(shè)計(jì)要求 p pp225.75.7 刀具自動(dòng)加緊機(jī)構(gòu)以及切削屑清

43、洗機(jī)構(gòu)刀具自動(dòng)加緊機(jī)構(gòu)以及切削屑清洗機(jī)構(gòu)加工中心能夠自動(dòng)換刀，因此主軸應(yīng)具有自動(dòng)加緊和松開的功用，主軸內(nèi)部裝有自動(dòng)加緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)者在主軸前端加工出一個(gè) 7：24 的錐度孔，用來(lái)裝卡刀具，通過(guò)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(bào)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(jì)時(shí)常常設(shè)計(jì)一個(gè)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(guò)主軸內(nèi)控，將錐孔清理干凈。，使噴射出來(lái)的壓縮空氣能清洗到每一個(gè)地方，以提高效率。5.85.8 潤(rùn)滑與密封潤(rùn)滑與密封潤(rùn)滑和密封是加

44、工中心設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的條件。潤(rùn)滑良好時(shí)，摩擦阻力小，同時(shí)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(shí)產(chǎn)生的金屬屑、遺漏切削液等進(jìn)入，同時(shí)還要能夠保證脂潤(rùn)滑的脂不因溫度升高融化而泄露。潤(rùn)滑劑和潤(rùn)滑方式可以根據(jù)軸軸承承的類型以及負(fù)負(fù)荷荷決定。軸承選擇合適，軸承溫升就低，壽命就長(zhǎng)。軸承的潤(rùn)滑一般都采用油脂封入式潤(rùn)滑，但這種潤(rùn)滑的缺點(diǎn)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(rùn)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(jiàn)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(jì)參考文獻(xiàn)后選接觸的密封。接觸式密封，一般都是

45、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(diǎn)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(rùn)滑來(lái)潤(rùn)滑。23第六章第六章 設(shè)計(jì)總結(jié)設(shè)計(jì)總結(jié)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)加工中心總體、主軸部件及立柱的設(shè)計(jì)，通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程得出以下結(jié)論：(1)通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我更加熟悉立式加工中心的總體布局及各個(gè)部件的聯(lián)系尺寸，同時(shí)通過(guò)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(jì)工作。(2)通過(guò)主軸部件的設(shè)計(jì)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(jì)是加工中心設(shè)計(jì)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(guò)進(jìn)行立柱的設(shè)計(jì)，根據(jù)對(duì)立柱的結(jié)構(gòu)和性能的要求

46、，及其經(jīng)濟(jì)性，用井字型的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jì)，由于以前沒(méi)有接觸過(guò)這樣的大型設(shè)計(jì)工作，缺乏設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并且關(guān)于加工中心的參考資料相對(duì)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(jì)的內(nèi)容可能給實(shí)際的生產(chǎn)還有很大的差距，也有可能不能運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中。通過(guò)此次三個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)工作，也使自己更加深刻認(rèn)識(shí)到實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)的重要性，所以在24以后工作要更加努力的學(xué)習(xí)。 致謝致謝 本次設(shè)計(jì)的指導(dǎo)老師任老師對(duì)我的幫助非常大，任老師認(rèn)真負(fù)責(zé)、知識(shí)淵博，在設(shè)計(jì)中我遇到很多設(shè)計(jì)的麻煩和問(wèn)題向老師請(qǐng)教，任老師每次都耐心講解，還鼓勵(lì)我們創(chuàng)新，有新的想法大家集體討論。這

47、兩個(gè)多月的畢業(yè)設(shè)計(jì)，每個(gè)星期老師都會(huì)組織好多次見(jiàn)面會(huì)。在老師的細(xì)心指導(dǎo)和督促下，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)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(jì)時(shí)解決了不少麻煩。在此對(duì)任老師和幫助我的同學(xué)表達(dá)衷心的感謝。25參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)夏田 .數(shù)控加工中心設(shè)計(jì) .北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2006.1750.1李佳 .趙小林等 .數(shù)控機(jī)床及應(yīng)用 .北京 .清華大學(xué)出版社 .2001.178. 2晏初紅 .數(shù)控機(jī)床與機(jī)械結(jié)構(gòu).北京 .機(jī)械工業(yè)出版社 .2005.20105.3楊美英 .數(shù)控機(jī)床主軸組件設(shè)計(jì)及剛度計(jì)算.機(jī)械工程與自動(dòng)化 .2004.2：71 7 4. 4王愛(ài)玲

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