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南京工程學院
工 業(yè) 中 心
本科畢業(yè)設計（論文）開題報告
題目：數控銑床主軸箱結構設計
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
班 級： D機加工122 學 號：231120404
學生姓名： 石佳倩
指導教師： 劉桂芝
2016年2月29日
本科畢業(yè)設計(論文)開題報告
學生姓名
石佳倩
學 號
231120404
專 業(yè)
機械設計制造及其自動化
指導教師姓名
劉桂芝
職 稱
研究員級高工
所在院系
工業(yè)中心
課題來源
D.自擬課題
課題性質
A.工程設計
課題名稱
數控銑床主軸箱結構設計
畢業(yè)設計的
內容和意義?
采用分析比較法、文獻查找法等方法，進行數控銑床主軸箱結構設計。該部件性能輸出及機械性能直接影響工件的加工質量和切削生產率，是決定機床性能和技術經濟指標的重要因素。
畢業(yè)設計的具體內容：
1、 數控銑床的主傳動系統的設計，涉及到主軸的精度，電機的選擇，以及對主傳動系統的各項要求等。
2、 繪制主軸箱裝配圖以及零件圖
3、 繪制主軸動平衡圖，輸出功率及扭矩圖
4、 完成主軸部件的設計計算
5、 完成主軸的受力分析及主軸前后軸承壽命的分析計算
6、 完成主軸預緊力的計算
7、 完成各零件的成本分析和計算
本課題研究的意義：
本課題對數控銑床主軸箱結構進行了設計，其意義如下：
1、主軸箱內主軸部件主要包括：主軸、主軸支撐和安裝在主軸上的傳動件、密封件等，因為主軸帶動工件或刀具直接參加工件表面形成運動，所以它的工作性能對加工質量和生產率產生直接影響，是最重要的部件之一。
2、通過對主傳動系統的設計，解決了主軸系統存在的問題，包含速度、精度、剛度、發(fā)熱、潤滑、噪音等問題。
3、通過研究高效率、高性能、高的使用壽命，提高數控銑床的進步性、合理性以及出產成本的經濟性。
4、鍛煉了我對所學知識的綜合能力、對文獻資料的查閱檢索能力以及對新知識的自學能力。綜合考查了我運用所學知識進行發(fā)現問題、分析問題和解決問題的能力。
英文期刊文章引用：作者. 題名. 期刊名, 出版年份，期號：起止頁碼
文獻綜述
進入21世紀,我國經濟與國際全面接軌,進入了一個蓬勃發(fā)展的新時期。機床制造業(yè)既面臨著機械制造業(yè)需求水平提升而引發(fā)的制造裝備發(fā)展的良機,也遭遇到加入世界貿易組織后激烈的國際市場競爭的壓力,加速推進數控機床的發(fā)展是解決機床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個關鍵。隨著制造業(yè)對數控機床的大量需求以及計算機技術和現代設計技術的飛速進步,數控機床的應用范圍還在不斷擴大,并且不斷發(fā)展以更適應生產加工的需要。
一、數控機床的發(fā)展趨勢
1、 高速化：隨著汽車、國防、航空、航天等工業(yè)的高速發(fā)展以及鋁合金等新材料的應用,對數控機床加工的高速化要求越來越高。
2、 高精度化：數控機床精度的要求現在已經不局限于靜態(tài)的幾何精度,機床的運動精度、熱變形以及對振動的監(jiān)測和補償越來越獲得重視[1]。
3、 功能復合化：復合機床的含義是指在一臺機床上實現或盡可能完成從毛坯至成品的多種要素加工[2]。采用復合機床進行加工相對于傳統的工序分散的生產方法具有明顯的優(yōu)勢。
4、 控制智能化：隨著人工智能技術的發(fā)展,為了滿足制造業(yè)生產柔性化、制造自動化的發(fā)展需求,數控機床的智能化程度在不斷提高。
5、 極端化（大型化和微型化）[2]：國防、航空、航天事業(yè)的發(fā)展和能源等基礎產業(yè)裝備的大型化需要大型且性能良好的數控機床的支撐。而超精密加工技術和微納米技術是21世紀的戰(zhàn)略技術,需發(fā)展能適應微小型尺寸和微納米加工精度的新型制造工藝和裝備,所以微型機床包括微切削加工(車、銑、磨)機床、微電加工機床、微激光加工機床和微型壓力機等的需求量正在逐漸增大。
6、 信息交互網絡化：對于面臨激烈競爭的企業(yè)來說,使數控機床具有雙向、高速的聯網通訊功能,以保證信息流在車間各個部門間暢通無阻是非常重要的。
7、 新型功能部件：為了提高數控機床各方面的性能,具有高精度和高可靠性的新型功能部件的應用成為必然。
8、高可靠性：為了保證數控機床有高的可靠性,就要精心設計系統、嚴格制造和明確可靠性目標以及通過維修分析故障模式并找出薄弱環(huán)節(jié)。
9、多媒體技術的應用[3]：多媒體技術集計算機、聲像和通信技術于一體,使計算機具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力,因此也對用戶界面提出了圖形化的要求。
二、數控機床國內發(fā)展現狀
我國數控技術的發(fā)展起步于二十世紀五十年代,通過“六五”期間引進數控技術,“七五”期間組織消化吸收“科技攻關”,我國數控技術和數控產業(yè)取得了相當大的成績。
英文期刊文章引用：作者. 題名. 期刊名, 出版年份，期號：起止頁碼
文獻綜述
特別是最近幾年,我國數控產業(yè)發(fā)展迅速,1998～ 2004年國產數控機床產量和消費量的年平均增長率分別為39.3%和34.9%。盡管如此,進口機床的發(fā)展勢頭依然強勁,從2002年開始,中國連續(xù)三年成為世界機床消費第一大國、機床進口第一大國,2004年中國機床主機消費高達94.6億美元,但進出口逆差嚴重,國產機床市場占有率連年下降。1999年33.6%,2003年僅占27.7%。1999年機床進口額為8.78億美元(7624臺),2003年達27.元(23320臺),相當于同年國內數控機床產值的2.7倍。國內數控機床制造企業(yè)在中高檔大型數控機床的研究開發(fā)方面與國外的差距更加明顯,70%以上的此類設備和絕大多數的功能部件均依賴進口。由此可以看出國產數控機床特別是中高檔數控機床仍然缺乏市場競爭力,究其原因主要在于國產數控機床的研究開發(fā)深度不夠、制造水平依然落后、服務意識與能力欠缺、數控系統生產應用推廣不力及數控人才缺乏等。我們應看清形勢,充分認識國產數控機床的不足,努力發(fā)展先進技術,加大技術創(chuàng)新與培訓服務力度,以縮短與發(fā)達國家之間的差距[4-5]。
3、 存在的問題
1、不斷加強技術創(chuàng)新是提高國產數控機床水平的關鍵
國產數控機床缺乏核心技術,從高性能數控系統到關鍵功能部件基本都依賴進口,即使近幾年有些國內制造商艱難地創(chuàng)出了自己的品牌,但其產品的功能、性能的可靠性仍然與國外產品有一定差距。近幾年國產數控機床制造商通過技術引進、海內外并購重組以及國外采購等獲得了一些先進數控技術,但缺乏對機床結構與精度、可靠性、人性化設計等基礎性技術的研究,忽視了自主開發(fā)能力的培育,國產數控機床的技術水平、性能和質量與國外還有較大差距,同樣難以得到大多數用戶的認可。
2、制造水平與管理手段依然落后
一些國產數控機床制造商不夠重視整體工藝與制造水平的提高,加工手段基本以普通機床與低效刀具為主,裝配調試完全靠手工,加工質量在生產進度的緊逼下不能得到穩(wěn)定與提高。另外很多國產數控機床制造商的生產管理依然沿用原始的手工臺賬管理方式,工藝水平和管理效率低下使得企業(yè)無法形成足夠生產規(guī)模。如國外機床制造商能做到每周裝調出產品,而國內的生產周期過長且很難控制。因此我們在引進技術的同時應注意加強自身工藝技術改造和管理水平的提升。
3、服務水平與能力欠缺也是影響國產數控機床占有率的一個重要因素
由于數控機床產業(yè)發(fā)展迅速,一部分企業(yè)不顧長遠利益,對提高自身的綜合服務水平不夠重視,甚至對服務缺乏真正的理解,只注重推銷而不注重售前與售后服務。有些企業(yè)派出的人員對生產的數控機床缺乏足夠了解,不會使用或使用不好數控機床,更不能指導用戶使用好機床;有的對先進高效刀具缺乏基本了解,不能提供較好的工藝解決方案,用戶自然對制造商缺乏信心。
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文獻綜述
制造商的服務應從研究用戶的加工產品、工藝、生產類型、質量要求入手,幫助用戶進行設備選型,推薦先進工藝與工輔具,配備專業(yè)的培訓人員和良好的培訓環(huán)境,幫助用戶發(fā)揮機床的最大效益、加工出高質量的最終產品,這樣才能逐步得到用戶的認同,提高國產數控機床的市場占有率。
4、 數控機床國外發(fā)展現狀
1、 發(fā)展“廉價的數控裝置”：這種“廉價數控裝置”,結構簡單,功能雖有限,但工作可靠,制造容易,成本低。它對于大量通用機床實現“數字控制化”和舊有數字控制機床的更新,具有特別重大的意義。因為,并不要求對現有普通機床或已運轉陳舊了的數控機床作大幅度的改動,就能裝上這種“廉價的數控裝置”。
2、 發(fā)展適應控制機床：（1）只能對予定的個別參數（如刀具的切削用量）在不超過規(guī)定的極限范圍內，進行調整控制。這是一種簡單的適應控制系統。（2）能連續(xù)地適應加工過程多種因素的突然變化（如切削功率、扭矩、刀具磨損、軸承升溫），改變若干參數，使系統和機床保持在最佳切削條件下工作。這種系統復雜一些。
3、 發(fā)展計算機數字控制(CNC)、多機數字控制(DNC)和計算機控制的生產系統：（1）計算機數字控制是將一臺小型通用計算機裝入數控裝置中去,以代替原來采用的很多邏輯電路。（2）多機數字控制采用通用計算機來直接控制一群數控機床。（3）計算機控制的生產系統，采用計算機控制生產系統的工廠,其全部的生產活動,都已綜合為一個單一的控制管理體系。
數控銑床主傳動系統系統是指將主軸電動機的原動力變成可供切削加工用的切削力矩和切削速度的傳動系統。主傳動系統要有較寬的轉速范圍及相應的輸出轉矩。還要有良好性能的主傳動系統和具有高精度、高剛度、振動小、熱變形及噪聲均能滿足需要的主軸部件。
5、 數控銑床對主傳動的要求
1、熱變形：電動機、主軸及傳動件都有熱源。降低溫升，減少熱變形是對主傳動系統要求的重要指標。
2、主軸的靜剛度和抗振性：由于數控機床的加工精度比較高，主軸的轉速又很高。因此，主軸組件的質量分布是否均勻以及主軸組件的阻尼等，對主軸組件的靜剛度和抗振性都會產生影響。
3、主軸組件的耐磨性：主軸組件必須有足夠的耐磨性，使之能夠長期保持要求的準確精度。凡是有機械摩擦的部位，軸承，錐孔等都要有足夠的硬度，軸承還應具有良好的潤滑[6]。
六、數控銑床對主軸部件的要求
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文獻綜述
1、 回轉精度 ：造成主軸回轉誤差的原因主要是由于主軸的結構及其加工精度、主軸軸承的選用及剛度等，而主軸及其回轉零件的不平衡，在回轉時引起的激振力，也會造成主軸的回轉誤差。因此加工中心的主軸不平衡量要控制在0.4㎜/s以下。
2. 主軸剛度：主軸組件的剛度越大，主軸受力的變形就越小。主軸組件的剛度不足，在切削力及其他力的作用下，主軸將產生較大的彈性變形，不僅影響工件的加工質量，還會破壞齒輪、軸承的正常工作條件，使其加快磨損，降低精度。主軸部件的剛度與主軸結構尺寸、支撐跨距、所選軸承類型及配置形勢、砂間隙的調整、主軸上傳動元件的位置等有關[7]。
3. 主軸抗振性
主軸組件的抗振性是指切削加工時，主軸保持平穩(wěn)的運轉而不發(fā)生振動的能力。主軸組件抗振性及在必要時安裝阻尼（消振）器。另外，使主軸固有頻率遠遠大于激振力的頻率。
4. 主軸溫升：主軸組件在運轉中，溫升過高會起兩方面的不良結果：一是主軸組件和箱體因熱膨脹而變形，主軸的回轉中心線和機床其他件的相對位置會有變化，直接影響加工精度；其次是軸承等元件會因溫度過高而改變已調好的間隙和破壞正常潤滑條件，影響軸承的正常工作。[8]嚴重時甚至會發(fā)生：“抱軸”。數控機床在解決溫升問題時，一般采用恒溫主軸箱。
5. 主軸的耐磨性：主軸組件必須有足夠的耐磨性，以便長期保持精度。主軸上易磨損的地方是刀具或工件的安裝部位以及移動式主軸的工作部位。為了提高耐磨性，主軸的上述部位應該淬硬，或者經過氮化處理，以提高硬度增加耐磨性[9]。主軸軸承也需要有良好的潤滑，提高其耐磨性。
以上這些要求，有的還是矛盾的，例如高剛度和高速，高速和高精度等，這就要具體問題具體分析，例如設計高效數控銑床的主軸組件的主軸應滿足高速和高剛度的要求；設計高精度數控銑床時，主軸應滿足高剛度、低溫升的要求。同時，主軸結構要保證個部件定位可靠，工藝性能好等要求。為了滿足以上要求，進行了以下措施：
1、 提高主軸組件抗振性的措施
（1）盡量縮短主軸前軸承結構的長度， 適當增大跨矩；
（2）盡量提高前軸承的剛度和阻尼；
（3）提高前軸承的精度，把推力軸承放在前支撐初可提高抗振性；
（4）對高速旋轉的零件作靜、動平衡，提高齒輪、主軸的制造精度都可適當減少強迫振動源[10]；
（5）對于非連續(xù)切削過程的銑削，滾削等加裝飛輪可減少振動；
（6）應用阻尼器消耗振動能量是有效的措施；考慮系統的固有頻率，避免共振。
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文獻綜述
2、減少主軸組件熱變形的措施
（1）把熱源移至機床以外。
（2）改善主傳動的潤滑條件。如進行箱外循環(huán)潤滑，用低粘度的潤滑油、油霧潤滑等，特別注意前軸承的潤滑情況。
（3）采用冷卻散熱裝置。例如用熱管冷卻減少機床各部位的溫差,進行熱補償。如可以在結構設計采用一些自動補償的裝置設法使熱變形朝不影響加工精度的方向發(fā)展[11]。還可以在工藝上減少熱變形的影響。如先空運轉一段時間再加工。把粗、精加工分開等。
以上這些措施可以提高主軸組件抗振性并且減少主軸組件熱變形，從而達到主傳動系統的要求。并且提高了主軸部件的精度，改善了速度、發(fā)熱、剛度等因素造成的影響。
參考文獻：
1、張曙.數控機床的未來展望 2005.2
2、盛伯浩.我國數控機床現狀與技術發(fā)展策略.現代金屬加工,2005(6):38～ 45
3、呂紅霞.數控技術的發(fā)展趨勢與途徑.機械制造與自動化,2005,34(1):8～ 10
4、文廣,馬宏偉.數控技術的現狀及發(fā)展趨勢.機械工程師,2003(1):9～ 12
5、王憲文.從中國機床海外并購試看機床版的“市場與技術”博弈.數控機床市場,2005(3):80～ 82
6、李峻勤,費仁元.數控機床及其使用與維修[M].北京:國防工業(yè)出版社,2000.
7、張柱銀,陳思義,明興祖.數控原理與數控機床[M].北京:化學工業(yè)出版社,2003.
8、王愛玲,白思遠.現代數控機床[M].北京:國防工業(yè)出版社,2001.
9、張寶林，數控技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997
10、李佳，數控機床及應用[M].北京：清華大學出版社，2002
11、林東.數控技術[M].北京:北京理工大學出版社,1995.
研究內容
1、主軸電機的選取
根據主電機功率3.7KW，考慮電機的型號、額定轉速、最高轉速、恒功率范圍等因素。
2、主軸受力分析
分析采用的是哪種結構（簡支梁、外伸梁、懸臂梁）進行設計，計算其跨距及受力情況。通過一對皮帶輪傳動，降速傳動比1：1.5，通過皮帶受力得出輸出力，計算切削力得出輸入力。
3、主軸軸承的選擇
根據載荷條件、轉速條件、裝調性能、經濟性等方面進行選擇
前軸承型號：75X115X20（2）/C46115
后軸承型號：60X95X18（2）/D36112
4、潤滑與密封件的設計
研究計劃
研究周期與時間安排
畢業(yè)設計起止日期：2.22—6.03（第1周—第15周）
第1周 (2.22-2.26) 收集資料，學習有關書籍文獻，參觀工廠，搜集設計過程中所要遵照的有關國家標準并進行學習
第2周 (2.29-3.04) 提出完成課題的基本思路和方法，暨完成該課題所采用的技術路線、方案，要設計和完成的任務完成
第3周 (3.07-3.11）開題報告及外文材料翻譯
第4周 (3.14-3.18）進行主軸箱部件設計及草算，完成裝配圖設計，繪制主軸動平衡圖，輸出功率和扭矩圖
第5周 (3.21-3.25) 完成主軸受力分析，完成主軸前后軸承壽命分析計算
第6周 (3.28-4.01) 完成裝配圖設計
第7周 (4.04-4.08）畢業(yè)設計中期檢查
第8周 (4.11-4.15）進行零件圖計算機繪圖
第9周 (4.18-4.22) 完成零件圖計算機繪圖
第10周 (4.25-4.29）進行各零件及課題成本分析，完成各零件成本及課題成本計算
第11周 (5.02-5.06) 遞交論文初稿
第12-13周 (5.09-5.20) 修改論文并定稿
第14周 (5.23-5.27) 論文評審及答辯資格確定
第15周 (5.30-6.03) 畢業(yè)設計（論文）答辯
第16周（6.6-6.10）整理資料存檔
特色與創(chuàng)新
本論文特色與創(chuàng)新如下：
（1） 主軸電機選擇大容量，高轉速的型號，滿足工作所需的要求，確保正常運行。
（2）主軸軸承承載能力好、剛度要求高、精度高。主軸軸承的良好的潤滑提高了其耐磨性，降低了工作溫度并且延長了使用壽命。
（3）主軸回轉精度高，剛度大，抗振性好，有足夠的耐磨性保證長期的精度。
（4）密封件防止了灰塵屑末和切削液進入，在密封裝置中起到密封的作用。
指導教師
意 見
指導教師簽名：
年 月 日
分中心意見
中心意見
分中心主任簽名：
年 月 日
教學主任簽名：
年 月 日
南京工程學院
工 業(yè) 中 心
本科畢業(yè)設計說明書（論文）
題 目： 數控銑床主軸箱結構設計
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
班 級： D機加工122 學 號： 231120404
學生姓名： 石佳倩
指導教師： 劉桂芝
起迄日期： 2016.2.22～2016.6.3
設計地點： 工程中心5-206
畢業(yè)設計說明書（論文）中文摘要
摘要：
本文是對數控銑床主軸箱結構做的設計。主軸箱是數控銑床的重要部件，而主軸是主軸箱內部件的重中之重。主軸箱是通過電機驅動帶傳動來帶動主軸作回轉運動，使得主軸獲得了一定的轉速和方向。主軸箱傳動系統的設計以及內部組件的設計直接影響了數控銑床的性能。本設計是對主傳動系統的分析研究以及對主軸箱內主軸、軸承、電機、帶輪等組件的設計以及選型。并且對主軸軸承壽命以及預緊的大小做了深入的分析與計算，在軸承潤滑劑的選用方面也做了深入的研究，還進行了零件的成本分析以及成本材料分析，對整個設計工作進行了總結，得到了很多有參考的價值。
關鍵詞：數控機床 主傳動 主軸 結構設計
I
畢業(yè)設計說明書（論文）英文摘要
Title CNC milling machine spindle box structure design
Abstract
This article is about the design of the CNC milling machine spindle box structure.Spindle box is an important part of a CNC milling machine, and the main shaft is the most important parts in the headstock.Spindle box is driven by motor driven belt drive spindle rotary motion, make the main shaft for a certain speed and direction.The design of spindle box transmission system and the design of the internal components directly affects the performance of the CNC milling machine.This design is the analysis of the main transmission system research and the main shaft, bearing, motor, belt wheel in the headstock and the design and selection of components.And on the size of the spindle bearing life and preload do a thorough analysis and calculation, in the selection of the bearing lubricant has also done in-depth research, also analyzed parts cost analysis and cost of materials, to the whole design work is summarized, got a lot of have the reference value.
Keywords The structure design The spindle Main drive
I
南京工程學院工業(yè)中心畢業(yè)設計說明書（論文）
目 錄
前 言 3
第一章 緒 論 4
1.1數控機床的產生與發(fā)展 4
1.1.1數控機床國內的發(fā)展現狀及存在的問題 5
1.1.2數控機床國外的發(fā)展現狀及存在的問題 6
1.2 數控銑床的功能和特點 6
1.2.1數控銑床的功能 6
1.2.2數控銑床的分類及特點 7
1.3數控銑床的組成 8
1.4數控銑床主傳動系統的簡介 8
第二章 主軸箱總體方案設計 10
2.1數控銑床總體布局形式 10
2.1.1臥式數控銑床的常用布局形式 10
2.1.2立式數控銑床的常用布局形式 10
2.2主傳動的結構特點和傳動方式? 10
2.2.1主傳動的結構特點 10
2.2.2傳動方式的分類及特點 11
2.3數控銑床的導軌主傳動導軌類型及確定 11
2.3.1導軌的技術要求 11
2.3.2導軌的分類 11
2.4數控銑床主傳動系統的配置方式及電機選取 13
2.4.1主傳動系統的配置方式 13
2.4.2電機型號的選取 13
2.4.3 V帶參數的計算 14
第三章 主軸組件的設計 17
3.1 對主軸組件的基本要求 17
3.2主軸的功用及結構設計 17
3.2.1主軸的功用 17
3.2.2主軸的結構設計 18
3.3 主軸主要參數的確定 18
3.3.1主軸參數的確定 18
3.3.2主軸強度校核 19
3.4主軸材料的選擇及熱處理 19
第四章 主軸軸承的選擇 20
4.1軸承的選擇及壽命計算 20
4.1.1軸承的功用及特點 20
4.1.2主軸軸承配置方式 20
4.1.3主軸軸承壽命的計算 21
4.2軸承的潤滑及密封 23
4.2.1主軸滾動軸承的潤滑 23
4.2.2主軸部件的密封 24
4.3軸承的預緊 24
4.3.1軸承預緊的意義 24
4.3.2軸承預緊方式 24
4.3.3軸承預緊力方式、大小的選擇原則 25
4.3.4軸承預緊力大小的確定 25
第五章 技術經濟分析 30
5.1 技術經濟分析的目的與意義 30
5.2成本材料分析 30
5.2.1 非標準件的成本材料分析 30
5.2.2 標準件的成本材料分析 30
5.3成本計算依據 31
5.4.成本經濟計算 32
第六章 結 論 33
致 謝 35
參 考 文 獻 36
附件1：數控銑床主軸箱結構總裝配圖 37
附件2：數控銑床主軸箱結構零件圖 38
附件3：畢業(yè)論文光盤資料 39
前 言
一個國家能夠實現經濟快速發(fā)展的重要一點就是制造業(yè)發(fā)展迅速，一個國家可以從它的經濟實力以及科技水平等方面看出該國家的發(fā)展情況以及有沒有可以提升的空間。每個國家在制造生產方面以及制造裝備方面存在著很大的競爭力，這些會直接影響到該國家的發(fā)展。制造業(yè)最主要的設備是機床，而數控機床是最能表現出其高精度、高效率的自動化生產設備。目前我國數控機床正向著高性能、高精度、高效率、高自動化等方向迅猛發(fā)展。雖然我國數控機床的一些相關技術得到了相對的發(fā)展，但是一與國外對比，差距還是很大，主要體現在以下幾點方面：可靠性相對比較差、應變能力較差、產品開發(fā)時間比較長、設計方式比較落后等，這種差距主要體現在高精度、高速度等方面。所以我們必須緊跟著國際機床技術發(fā)展的前端，進一步發(fā)展機床的設計、制造等方面的技術。
數控機床相比于普通機床存在著很多優(yōu)點，比如說適用各種零件的加工、能夠自動生成程序并進行加工、操作數控機床的工人的工作強度也比較低等方面。數控機床應用范圍最廣的就是數控銑床，數控銑床的功能有很多，目前大多數的加工方式都是通過數控銑床來實現加工的，我們一般都采用銑削的方法。數控銑削加工是最為復雜的，因為它的程序比較多而且存在的技術問題也特別多，需要我們一一去解決。所以我們在開發(fā)這方面的軟件時，就需要把銑削加工放在第一位去考慮。
2
第1章 緒 論
1.1 數控機床的產生與發(fā)展
隨著數控技術的飛速發(fā)展，我國機械產品的精度以及效率得到了大幅度的提高。數控機床適用場合：加工種類多批量小的零件、結構復雜、精度高的零件、需要經常改變形狀的零件、需要縮短生產周期的零件等[1]。
由于現在計算機技術發(fā)展越來越快，數控機床技術的發(fā)展也日益提升，適用于越來越多的場合，為了能夠滿足新的市場需求，使得數控技術能夠適應更高的要求，那么當前數控技術及其設備就要朝著以下特點發(fā)展：
（1）高速化：目前我國對數控機床加工的要求越來越高，為了滿足其加工要求，就需要從以下幾點去考慮。1)主軸回轉速度；2)進給率；3)運算速度:目前數控系統正向著高速、高精度方向發(fā)展，而由于微處理器的運算速度的較高,使得在加工過程中，分辨率比較低時候仍能獲得高的進給速度[1]；4)換刀速度:現如今國外刀具的裝卸時間普遍比較短，有的甚至只有0.5s[2]。
（2）高精度化：如今我們對于數控機床精度的要求越來越高，不僅僅只有幾何精度以及運動精度，熱變形也成為了影響數控機床精度要求的因素之一。1)數控系統的控制精度需要提高:可以采取插補技術,采用一段程序來保持持續(xù)進給,這樣可以使數控系統的控制更加完善；2)采用補償技術:通過間隙補償技術以及刀具誤差補償等技術來實現設備產生的一系列的誤差。3)我們可以通過使用網格解碼器來查看工件的運動軌跡,以確保機床的定位精度要求,使其性能能夠長時間保持穩(wěn)定,并且完成各種各樣的加工要求,還能保證零件的加工質量要求[3]。
（3）控制智能化：為了能夠加快生產步伐，滿足生產的需求,數控機床的水平在不斷地提升。
（4）極端化[4]：這是為了實現超精密加工和超微型化加工提供技術支持。
（5）信息交互網絡化：目前，企業(yè)競爭十分激烈,為了能夠讓信息在各個部門一路暢通，我們就需要實現數控機床高速雙向的通訊功能。
（6）新型功能部件：1)高頻電主軸:通過無級變速來實現主軸的回轉運動，回轉速度比較高等優(yōu)點；2)直線電動機:目前直線電動機已經普遍應用,雖然其價格比傳統的系統高一點,但是結構簡單,提高了機床的工作性能。3)電滾珠絲桿:結構簡單,傳動方便。
（7）高可靠性：為了能使數控機床的性能提高,特別是可靠性，我們就需要明確設計并且完成目標，通過研究分析找出其較弱的環(huán)節(jié)[5]。
（8）多媒體技術的應用[5]：多媒體技術是由計算機、聲像和通信組合而成的,這樣使得計算機擁有處理各種問題的能力。除此之外,多媒體技術還可以實現信息處理的綜合化、智能化等各種功能。
1.1.1 數控機床國內的發(fā)展現狀及存在的問題
我國通過引進并且吸收國外的數控技術，使我國在數控方面取得了非常大的進步。但是我國的數控機床技術相比于國外的數控技術差距還是非常明顯,我國的設備和以及各類部件十分依賴進口。從中可以看出我國數控機床特別缺乏市場競爭力,通過研究表明，形成這種情況最主要的原因是因為我國對數控機床的發(fā)展不夠上心，研究開發(fā)比較少，制造的水平太低而且推廣范圍不廣，對此有興趣的人很少，數控機床方面的人才較少等[5-8]。目前針對國內數控機床的發(fā)展提出了以下幾點問題：
(1)創(chuàng)新能力不高、接收能力不夠。目前國內的數控技術主要還是仿照國外的技術。自己創(chuàng)新的內容很少，十分依賴國外的技術，對國外技術的消化吸收能力不足，一直保持著自己的想法，沒有獨立開發(fā)技術的能力和創(chuàng)新能力。為了能夠加快技術的發(fā)展，我們就必須獨立創(chuàng)新數控技術，我們可以引進國外的技術作為參考，但不能一昧的依靠國外的技術，不做一點改變，這樣根本改變不了我國的數控技術的水平。
(2)技術創(chuàng)新環(huán)境不完善。我國還沒有建立適合技術發(fā)展創(chuàng)新的環(huán)境。我國技術創(chuàng)新發(fā)展的動力來自于對經濟效益的追求以及各種競爭壓力，因為我國的創(chuàng)新意識還不夠強，還沒有良好的技術創(chuàng)新體系，所以很難取得很好的成果。
(3)產品的可靠性以及穩(wěn)定性不高。國外數控系統與國產數控系統相比，平均無故障時間長的多，這使得國外技術的可靠性以及穩(wěn)定性比國內好的多。
(4)體系結構不夠“開放”。目前國內的數控產品體系結構十分封閉，只有少數的產品“開放”，但是也只能是半成品狀態(tài)。
現如今,我國數控機床的發(fā)展在勞動力、資源等方面相比于其他國家具有很大的優(yōu)勢,但是我國在技術創(chuàng)新方面以及獨立開創(chuàng)方面相比于國外還是有著很大的差距。我們不能安于如今的狀態(tài),應該努力發(fā)展自己的技術,加強數控人才的培訓力度,盡可能縮短與其他國家的差距。爭取早日實現數控機床產品的蛻變。
1.1.2 數控機床國外的發(fā)展現狀及存在的問題
數控機床國外發(fā)展現狀：
(1)目前數控機床已經朝著高速高精度加工方向發(fā)展，納米控制技術是其中的代表之一。
(2)目前機器人應用于機床已經普及，它有著結構形式種類多，應用范圍廣，運動速度快等優(yōu)點。
(3)目前國外在數控機床監(jiān)測與管理方面取得的很好的效果，可以及時獲得機床本身的信息，分析有關數據，預知其狀態(tài)，可以提前保護它，減少了機床出現的問題，提高了機床的效益。
(4)最新的CAD/CAM技術給數控機床的加工帶來了極高的效益，提高了機床加工的效率。
(5)刀具技術發(fā)展十分迅速，大部分的刀具設計包含了整個加工過程，并且滿足了抗振性的要求。
存在的問題：
（1）不能只局限于一種控制技術，要多去研究開發(fā)其他技術，以便提高數控機床的發(fā)展。
（2）由于機器人的應用普及，會有越來越多的國家運用此類技術，所以不能這一種技術方式上下功夫。
（3）目前數控機床一般都使用CAD等技術來提高機床的加工效率，但是隨著越來越快的發(fā)展技術，CAD技術遲早會被其他技術所代替。
1.2 數控銑床的功能和特點
1.2.1 數控銑床的功能
（1）點位控制功能：能夠滿足位置精度要求很高的孔加工。?
（2）連續(xù)輪廓控制功能：能夠滿足直線與圓弧的插補以及非圓曲線的加工。?
（3）刀具半徑補償功能：在編程時不用加入刀具的直徑，方便了我們計算尺寸而且編程也簡單。?
（4）刀具長度補償功能：能夠自動補償刀具的長度，來滿足加工過程中對刀具長度的要求。?
（5）鏡像比例加工功能：鏡像加工功能是可以通過坐標軸對稱來實現，我們只需要一個象限的程序，就能得出其它象限的輪廓。比例功能就是把程序段按照1：1、2：1等比例進行加工的方法。
（6）旋轉功能：能夠將編寫的程序段以任意角度來實現。?
（7）子程序調用功能：可以讓零件在各個位置重復加工上一次的程序，這樣就可以完成對整個零件的加工。?
（8）宏程序功能：可以用一個總指令來代替任意一種指令，實現變量計算，使程序更加方便靈活。
1.2.2 數控銑床的分類及特點
（1） 按主軸的位置分類。1）數控立式銑床。數控立式銑床是我國應用范圍最廣的數控機床。從數控機床的坐標數目來說，目前三坐標數控立銑是應用最多的一種機床；2）數控臥式銑床。其主軸軸線水平。臥式數控銑床一般通過添加數控轉盤來實現其他坐標加工。3）立臥兩用數控銑床?，F如今此類數控銑床已經不被使用，但是此類銑床具有很多優(yōu)點，包括其主軸方向可以隨意改變，既可以實現立式加工，又可以實現臥式加工，而同時擁有兩種功能的機床，其應用范圍更廣，功能更齊全，給加工帶來了不少的方便。
（2）按構造上分類。1）工作臺升降式數控銑床。此類數控銑床采用是工作臺移動、主軸不動的方法。不適用于小型數控銑床。2）主軸頭升降式數控銑床。此類數控銑床采用工作臺移動、主軸上下運動的方法。主軸頭升降式數控具有精度良好、承載力大等優(yōu)點，已經成為數控銑床的主要部分。3）龍門式數控銑床。此類數控銑床的主軸可以實現在橫向、縱向移動。龍門式數控銑床一般用于大型的數控銑床，因為大型的數控銑床需要考慮行程以及占地面積等方面的問題，所以采用龍門式數控銑床是最合適不過的。
數控銑床具有以下幾點特點：
（1）可以加工出一般機床加工不出或者很難加工出來的零件；
（2）能夠加工在裝夾定位后還需要進行多次工序的零件；
（3）加工精度高、加工質量可靠、生產能力強。數控加工減少了工人的操作失誤、減輕了工人的勞動強度。
（4）生產效率高。 數控銑床加工通常不使用專用夾具，在裝拆工件時只要改變數控裝置中有關于裝拆工件時所用到的數據就行，使得生產周期短，提高了生產效率。再者，數控銑床還具備其他種類機床的功能，使得工序大幅度的提升，提高了生產效率。而且，數控銑床是通過無極變速來實現主軸的轉速以及進給速度的，方便我們選擇最適合加工的切削用量；
（5）從切削原理上講，數控銑床的切削方式不像車削那樣能夠進行持續(xù)切削，所以我們對刀具的要求比較高，要求具有良好耐磨性、剛度、硬度以及韌性。在某些情況下還需要有良好的紅硬性。
1.3數控銑床的組成
（1） 機床本身--主要包括床身、立柱、主軸箱、銑頭等機械部件。
（2）數控系統--數控銑床的最主要的部分，包含各種電子元器件、監(jiān)視器以及鍵盤等。
（3）伺服驅動--數控銑床執(zhí)行運動部分，包含主電機、進給伺服電機等。
（4）輔助裝置--數控銑床的一些配置，包含液壓和氣動裝置、冷卻和潤滑裝置以及排屑裝置等。
1.4數控銑床主傳動系統的簡介
數控銑床主傳動系統與普通機床主傳動系統相比，結構更加簡單，這是由于數控銑床主軸電動機采用的是無級變速。不再需要復雜的齒輪變速。
數控銑床對主傳動的要求：
（1）范圍： 不同的數控機床對速度范圍的要求也不經相同，用途比較廣的機床，就要求主軸的速度范圍大，而且還要求主軸轉距大還要求高的主軸轉速。
（2）熱變形：主軸電動機、傳動系統以及主軸組件都有著比較高的溫度。所以我們要求降低溫升，減少熱變形來達到主傳動系統的要求。
（3）旋轉精度：是指主軸在低速輕載的情況下，所測量得到的軸向、徑向值。
（4）運動精度：是指主軸在以工作轉速回轉時，所測量的以上兩種的精度。數控機床的旋轉精度及運動精度就比較高。
（5）主軸的靜剛度：因為數控機床的加工精度比普通機床高的多，而且主軸的工作轉速也很高。主軸組件存在的一系列因素會對主軸的靜剛度產生很大的影響。
（6）主軸的抗振性：與主軸靜剛度的理由一樣，都是因為主軸組件存在的一系列因素對其造成的影響。
（7）耐磨性：為了使主軸組件能夠長時間保持精度要求，那么主軸組件就必須擁有足夠的耐磨性。特別是摩擦比較大的部位就需要有足夠的耐磨性，而且軸承處應保持良好的潤滑效果。
第2章 主軸箱總體方案設計
2.1數控銑床總體布局形式
2.1.1臥式數控銑床的常用布局形式
主軸軸線平行于水平面。適用于垂直水平面的各種加工，為了能夠對工件側面進行連續(xù)輪廓加工，我們就需要裝配上萬能數控轉盤，這樣就可以一次性加工工件的表面。我們經常通過添加數控轉盤來完成四、五軸的加工。這樣，工件在加工過程中，我們就可以通過數控轉盤來改變位置，并進行各個方位的加工，這樣臥式數控銑床在加工過程中比一般的機床優(yōu)勢明顯大得多。
2.1.2立式數控銑床的常用布局形式
主軸軸線垂直于水平面。是最常用的布局形式之一，其應用范圍最廣，特別是以三軸聯動銑床為主。其各坐標的控制方式有以下幾種：
（1） 工作臺橫向、縱向移動并且升降，而主軸采取不動的方式。適用于小型數控銑床。
（2） 工作臺橫向、縱向移動，而主軸采取升降的方式。適用于中型數控銑床。
（3） 龍門架移動式，其主軸可以實現在橫向、縱向移動。一般用于大型的數控銑床。
2.2主傳動的結構特點和傳動方式?
2.2.1主傳動的結構特點
（1）回轉速度高，功率比較大，適用于切削功率大以及切削速度高的場合，加工效率比較高。?
（2）因為主軸能夠實現無極變速，所以主軸的回轉速度轉變可靠，使得切削加工過程能在最佳狀態(tài)下進行加工。?
（3）主軸上一般都有設計刀具自動裝卸功能，這樣就可以快速實現刀具的自動裝卸，而且，主軸還需要設計定向停止裝置以及排屑裝置。
2.2.2傳動方式的分類及特點
（1） 二級以上變速的主傳動系統
可以實現各類切削運動的轉矩的輸出，并且具有良好的調速能力。但是因為二級以上變速的主傳動系統結構十分復雜，需要添加溫度控制裝置以及潤滑裝置，這樣就導致了我們所需成本的提高，另外，在制造和維修過程中，也會存在較多的問題，解決起來比較困難。
（2） 一級變速器的主傳動系統
現如今，數控機床大部分都通過帶傳動來實現機床的運動。因為帶傳動的結構相對其他傳動方式更加簡單，安裝調試起來也比較方便，而且能夠滿足數控機床所要達到的轉速以及輸出轉矩的要求。這種傳動方式可以降低數控機床工作時產生的振動與噪音，一般都用于要求轉矩較低的主軸。
（3） 調速電動機直接驅動的主傳動系統
相比于其他兩種傳動方式，調速電動機直接驅動的主傳動系統的優(yōu)點是：結構比較緊湊，使用范圍較少，頻率比較高。不過其轉速的變化以及轉矩的輸出和普通電動機的特點完全相同，所以一般不使用這種傳動方式。
2.3數控銑床的導軌主傳動導軌類型及確定
2.3.1導軌的技術要求
數控銑床對導軌的要求有以下幾點方面：
（1）導向精度高。導向精度是指機床導軌在運動過程中產生的直線度或者圓度。在加工過程中，不管是在運動還是空載，導軌都必須有著足夠的導向精度，這是最基本的要求。
（2）精度保持性好。精度保持性是指導軌在運動過程中能否長時間保證其一開始的精度。導軌的磨損是導致精度保持性降低的主要因素，另外，導軌的結構以及支承件的材料也是影響精度保持性的因素之一。為了能夠保證精度，我們應采取摩擦因素較小的導軌。
（3）足夠的剛度。因為導軌會受到各個運動部件帶來的外力，如果導軌受運動部件帶來的外力后變形過于大，就會降低了導軌的導向精度，使得導軌的工作條件惡劣，不便于零件的加工。導軌的剛度主要取決于導軌的類型選擇、結構尺寸的大小等。
（4）良好的摩擦特性。為了保證數控銑床的精度，數控銑床導軌的摩擦因素要經可能的小，這樣就可以減少工件的摩擦以及導軌產生的變形，在運動時能夠實現平穩(wěn)、低速無爬行的狀態(tài)。
2.3.2導軌的分類
（1） 按導軌的摩擦性能分為：滑動導軌、滾動導軌以及靜壓導軌。1）滑動導軌。優(yōu)點：結構較簡單而且制造很方便，其剛度較好而且抗振能力強，是應用最廣泛的一種導軌。我們一般對導軌進行淬火以及磨削加工，這樣就可以提高導軌的耐磨性以及精度要求。滑動導軌有三角形、矩形、燕尾形以及圓形等類型。2）滾動導軌。優(yōu)點：摩擦因數小，能夠實現平穩(wěn)、低速無爬行，精度要求較高而且精度保持性好，其壽命比較長。缺點：抗振性比較差而且對于其保護的要求比較高。3）液壓導軌。靜壓導軌是機床使用最多的一種。其摩擦因數最小并且功率最小。而且其精度保持性好，壽命比較長。能夠保持平穩(wěn)，無爬行的狀態(tài)。
（2） 按導軌的運動性質分：主運動導軌、進給運動導以及移置導軌。
（3） 按導軌的受力情況分：開式導軌和閉式導軌。
本設計采用的是矩形式的滑動導軌。利用壓板壓緊導軌與箱體，用螺釘及剎鐵調整間隙。如圖2-1所示。
圖2-1 滑動導軌的結構形式
1-螺釘 2-壓板 3-滑動導軌 4-箱體
2.4數控銑床主傳動系統的配置方式及電機選取
2.4.1主傳動系統的配置方式
（1） 帶有變速齒輪的主傳動
適用于大中型數控機床。其傳動方式是將幾對齒輪進行降速，使其能夠進行變速來保證在低速運行時能夠擁有足夠大的扭矩來滿足主軸輸出扭矩的要求。
（2）通過帶傳動的主傳動
適用于中小型數控機床。其傳動方式可以降低傳動時產生的振動和噪音，但是其只適用于主軸輸出扭矩要求較低的場合。
（3）由調速電動機直接驅動的主傳動
其傳動方式結構簡單，主軸部件的剛度較高。但是主軸輸出扭矩較低，電動機運動時產生的熱量會影響主軸的精度要求。調速電動機的驅動系統速度精度高、剛度高，轉距高以及恒功率運動范圍廣。
2.4.2電機型號的選取
電動機型號的選取直接影響著機床的結構及壽命，選取時要考慮機床的功能及結構設計等方面，然后選取合適的電機型號[13]。
根據設計要求，主電機功率3.7KW。額定轉速為1500r/min，額定轉矩為
（2-1）
圖2-2 輸出功率和扭矩圖
選取型號為YPNC-50-3.7-B的變頻主軸電動機。
圖2-3 主軸電動機
1-電機2-螺釘3-電機安裝板4-隔圈5-雙頭螺釘6-小皮帶輪7-V形帶8-螺釘
2.4.3 V帶參數的計算
本次設計選用V帶傳動。V帶傳動的運動原理是依靠帶與帶輪之間的摩擦力進行傳遞運動和動力的。V帶傳動的摩擦力比較大，適用于傳遞功率較大的場合。V帶傳動結構緊湊，傳動平穩(wěn)，是帶傳動中應用最廣泛的傳動之一。V帶傳動的優(yōu)點：能實現過載保護，具有緩沖吸振能力，運行時平穩(wěn)無噪音，適用于距離較遠傳動并且制造安裝精度要求不高 。缺點：存在彈性滑動，使得傳動比不恒定。結構尺寸較大、不緊湊，容易打滑，使得帶的壽命較短。
參數計算：
（1） 計算功率：
（2-2）
（2） 小帶輪直徑：
，取80mm。 （2-3）
（3） 大帶輪直徑：
，取112mm,（2-4）
（4） 帶速：
（2-5）
滿足要求。
（5）初定軸間距：，即，取180mm。
（6） 基準長度：
（2-6）
基準長度取710mm。
（7） 實際中心距：
（2-7）
實際中心距取204mm。
（8）安裝時最小軸間距：
（2-8）
張緊或調整最大軸間距：
（2-9）
（9）小帶輪包角：
（2-10）
滿足要求。
（10）帶的根數：
（2-11）
-單根V帶傳遞額定功率，取1.82KW
-傳動比的額定功率增量，取0.47KW
-小帶輪包角修正系數，取0.99
-帶長修正系數，取0.89
-V帶每米長重量，取0.1kg/m
（11）帶的張緊力：
（2-12）
（12）作用在軸上的力：
（2-13）
以上公式都由《機械零件設計手冊》提供。
第三章 主軸組件的設計
3.1 對主軸組件的基本要求
（1） 旋轉精度：是指主軸前端定位面的徑向、軸向和端面的跳動值。
（2） 剛度：是指主軸組件在受外部力量的作用時，抵抗其所受到的變形的能力。為了能夠降低主軸所受到的變形，我們就需要提高主軸組件的剛度。如果主軸組件的剛度不夠高的話，那么在外力的作用下，主軸就會受到嚴重的變形，這樣，不僅降低了工件的加工質量，而且還會使磨損速度變快從而降低主軸的精度。
（3） 抗振性：是指主軸組件在受到振動時還能保持平穩(wěn)運轉的能力。
（4） 溫升和熱變形：主軸組件在工作時會因為產生的摩擦以及損耗等因素而形成溫升。而熱變形是由于溫升使得主軸組件的形狀以及位置發(fā)生了改變。如果溫升過高就是產生很嚴重的后果，主軸組件會因為溫度過高而發(fā)生嚴重的變形，那么機床上的其他部件的位置就會隨著主軸組件的變形而發(fā)生改變，嚴重影響了工件的加工精度。還有，軸承也會因為溫度過高，其間隙大小也會發(fā)生改變，而且其潤滑方式也會不合適，影響了軸承精度。
（5） 耐磨性：是指能夠長時間保證其一開始精度的能力。主軸組件要求有足夠的耐磨性，不然無法長時間保持所需要達到的精度要求。為了能夠提高主軸組件的耐磨性，我們應該在主軸上容易磨損的部位進行淬硬處理或者進行氮化處理。主軸軸承還應具有良好的潤滑效果，這樣可以提高軸承的耐磨性。
3.2主軸的功用及結構設計
3.2.1主軸的功用
主軸是數控銑床組成部分的重中之重，它的選擇直接影響到銑床的精度要求。主軸部件在受外力作用時，很容易產生嚴重的變形，降低了工件加工精度要求以及零件的表面質量。我們在選擇主軸時必須考慮主軸的剛度、變形、噪音等性能，特別是主軸部件的變形。帶傳動在主軸傳動中運用最多的一種傳動方式，是依靠帶與帶輪之間的摩擦力來傳遞運動和動力的，帶傳動的傳動方式具有結構簡單、傳動效率高的特點。
3.2.2主軸的結構設計
本次設計采用是“背對背”式的角接觸球軸承。此類角接觸球軸承可以承受徑向和軸向載荷，但是在承受徑向載荷同時會引起軸承內部的軸向力，所以在選擇軸承時就需要成對使用，軸承配置方式的有“背對背”、“面對面”、“串聯”和“多聯”等配置方式，我們需要通過軸承預緊來提高主軸的剛度。
3.3 主軸主要參數的確定
3.3.1 主軸參數的確定
（1）主軸直徑
如果選擇很大的主軸直徑，那么軸承的尺寸以及軸上其他零件的尺寸也會相應變大，但是這樣主軸的剛度會很高[12]。而且主軸直徑越大，軸承的直徑也會越大，如果前、后軸承直徑相差不大，那么主軸的剛度會變高，其性能也會變好。根據主軸鼻端尺寸是BT40，確定前軸承處直徑為75mm，后軸承處直徑為60mm。
（2）主軸內孔直徑
主軸的內孔用來放置刀具夾緊裝置。主軸內孔直徑越大，那么主軸部件的重量也會越輕。主軸剛度的大小會直接影響到主軸內孔直徑的大小。根據設計要求，由于主軸是空心轉軸，因此根據設計，取d1=52，d2=60mm，d3=68mm，d4==72mm，d5==75mm，d6=88mm，d7=105mm。
圖3-1 主軸結構
3.3.2 主軸強度校核
主軸的疲勞強度安全系數校核計算：
s= ≥[s] （3-1）
____________只考慮彎距作用的安全系數；
____________只考慮扭距作用是的安全系數；
[s] ____________許用安全系數；
[s]=1.3～1.5； （3-2）
=270Mpa，=155Mpa，=1.71，=1.44，=1.6，=0.3，=0.21， =，=，，， （3-3）
所以s==1.08<[s]=1.3～1.5 ，所以主軸設計符合要求。
以上公式都是由《機械零件設計手冊》提供。
3.4主軸材料的選擇及熱處理
本次設計選擇的主軸材料為20CrMnTi，并且經過滲碳淬火處理至HRC56-62。使其有著很高的表面硬度、沖擊韌性以及心部強度，熱處理變形比20Cr小的多。
第四章 主軸軸承的選擇
4.1軸承的選擇及壽命計算
4.1.1 軸承的功用及特點
（1） 深溝球軸承
該類軸承承載的載荷性質可以是徑向載荷也可以是軸向載荷，使用還是非常廣泛的，主要用在高速，承受雙向載荷的場合[9]。
（2） 角接觸球軸承
這類軸承的載荷性質也可以是徑向或者軸向載荷，它角接觸角度的大小，可以影響其承載能力和轉速，在機床上運用的極為廣泛。
（3） 調心球軸承
這類軸承一般用于自動調節(jié)回轉軸的回轉跳動，使回轉軸減少或者消除跳動。
（4） 圓柱滾子軸承
這類軸承適用于承載大載荷時使用，因為其滾子結構，所以注定了它存在較高的能量損失，較易磨損。
（5） 圓錐滾子軸承
這類軸承適用于承載大載荷時使用，因為其滾子結構，所以只能承載單向載荷并注定了它存在較高的能量損失，較易磨損。但是如果成對使用，則可以承載雙向載荷。
（6） 調心滾子軸承
這類軸承一般用于自動調節(jié)回轉軸的回轉跳動，使回轉軸減少或者消除跳動，并可承載大載荷。
（7） 推力球軸承
這類軸承只能承載軸向力，一般只用于不受徑向力的場合。
4.1.2 主軸軸承配置方式
軸承的選擇原則一般分為：要考慮載荷性質；考慮精度要求；考慮轉速要求；考慮配合軸的要求。本數控銑床主軸箱的軸承選定為角接觸球軸承，選用該軸承的主要原因在于數控銑床加工時會收到軸向和徑向雙向受力，只要預緊得當，成對使用，軸承就會獲得高的精度和高的剛度[11]。
這里選定角接觸球軸承型號：
前軸承型號：75X115X20(2)/C46115
后軸承型號：60X95X18(2)/D36112
其典型結構如圖4-1所示：
圖4-1 角接觸球軸承的安裝方式
圖中（a）為單個角接觸球軸承，并不能承受太大的載荷。如果要增加承載能力，就得成對使用。圖中（b）為背對背式，其雙向載荷承載能力都不錯，還能使主軸運轉得很平穩(wěn)。圖中（C）為面對面式，其雙向載荷承載能力也都不錯，還能提高主軸回轉運動精度。圖中（d）為串聯式，其主要用于承載大軸向載荷的場合。圖中（e）為背對背串聯式，它兼容了串聯式和背對背式的優(yōu)點，它的剛性及運動平穩(wěn)性都很高，在各種機床上都得到廣泛的應用。不過，在這次主軸箱設計中選擇兩對背對背式的角接觸球軸承。
圖4-2 單列背對背角接觸球軸承
4.1.3 主軸軸承壽命的計算
銑削速度：
（4-1）
，銑刀直徑d=125mm，銑削寬度=13mm，銑削深度=13mm，，
轉速：
（4-2）
每分鐘進給量：
（4-3）
每齒進給量：
（4-4）
實際切削速度v=0.43m/s
主切削力：
（4-5）
功率：
（4-6）
因為主電機功率為3.7kw，
所以
（4-7）
因為[14]，所以軸承A壓緊，軸承B放松
前軸承壽命：
c=49.5KN (4-8)
后軸承壽命：
c=38.2KN (4-9)
4.2軸承的潤滑及密封
4.2.1 主軸滾動軸承的潤滑
（1）潤滑的目的?
說到軸承的潤滑，其目的很顯然就是減少磨損減少發(fā)熱，提高軸承的使用壽命和精度：?
1）減少磨損以及減少發(fā)熱?
在回轉過程中如果沒有潤滑，軸承內部的摩擦就會非常嚴重，磨損也就嚴重，也就會導致發(fā)熱嚴重，這樣會燒熔保持架，導致軸承的損壞。?
2）延長使用壽命?
在回轉過程中如果潤滑不好，軸承內部的摩擦就會非常嚴重，磨損也就越嚴重，使用壽命就越短，反之，使用壽命就越長。
（2）對潤滑劑的基本要求??
潤滑劑中帶有潤滑二字，那么潤滑就是它的第一大要求，原因是潤滑得當的軸承能平穩(wěn)的運轉及減少摩擦熱，軸承潤滑劑一般不采用水基潤滑劑，這樣做的原因是為了防止軸承銹蝕，銹蝕了的軸承，運轉不平穩(wěn)，并且容易損壞。潤滑劑還要能長時間保持其有效性和潤滑性，防止其失效導致軸承磨損或者損壞。就算在極限轉速下還要保持其油膜的有效性。總結上述就是潤滑劑要具備潤滑、防銹和有效性。
（3）潤滑方式
軸承的潤滑方式有三種，主要有脂潤滑，油潤滑以及固體潤滑。
1）脂潤滑的特點在于脂狀潤滑脂不宜流失，可適用于重載場合但不能適用于高速場合，由于在高速場合下，脂狀潤滑會造成的摩擦熱會比較大，散熱也較差。脂潤滑劑在添加的時候還需要拆卸部件才能進行添加。
2） 油潤滑的特點在于油潤滑適用于高速場合，在它缺少潤滑的時候可以直接加入潤滑油，這就是比脂潤滑好的地方。不過潤滑油易流失，需要經常添加，在機床系統中就需要使用加油裝置了，不過油潤滑的優(yōu)越性還是非常大的。
3）固體潤滑?
固態(tài)潤滑劑一般不采用，因為其導熱性差，摩擦損失也大，軸承易磨損，所以一般只在低速重載場合使用。
綜合上面的特點，本次主軸箱設計選用的是油潤滑。
4.2.2 主軸部件的密封
為了防止各種雜質進入主軸箱內，這些雜質會影響主軸的運行，所以主軸箱需要進行密封。
對密封裝置的要求有以下三點：
（1） 密封裝置所必須的就是密封性能要好。
（2） 因為密封裝置作用是抵擋外界物質入侵，所以它必須具備高的耐腐蝕性，摩擦損失也要小。
（3）適當緊湊的密封還能提高主軸的剛度，在結構緊湊的同時還要方便更換。
本次設計采用的是非接觸式密封。
4.3軸承的預緊
4.3.1軸承預緊的意義
為啥要進行軸承的預緊？主要原因在于可以減少甚至是消除軸承的游隙，這樣做的話會造成軸承產生一定變形，不過這種變形卻是良性的，這種變形也被稱為預變形。
這種預緊力產生的變形，軸承內部隨之變形，滾動體和內外圈處接觸面得以增大，承載能力也就相應變大，軸承的剛性也得以增大，其優(yōu)點還是非常之多的。
4.3.2軸承預緊方式
（1） 定位預緊：這種預緊方式使內外圈產生相對固定，一般是用預緊力同時向軸承的內外圈施加軸向力造成的。
（2） 定壓預緊：這種方式采用一般采用彈性元件進行軸向的壓緊造成的。
（3） 調壓預緊：這種方式利用可控制的液壓力產生的軸向力造成。
本次設計采用的是定位預緊，通過調整軸承的內圈實現預緊。
4.3.3軸承預緊力方式、大小的選擇原則
（1）承受載荷小，無特殊要求的滾動軸承通常是不用進行預緊的。
（2）一般根據軸承所要安裝的機器情況而定。
（3）在預緊方式中，定位預緊方式用得比較多，通常情況下都是采用這種。
（4）軸承的種類不同也會造成預緊方式的不同和預緊力的大小。
（5）定壓預緊一般用于輕載場合。
（6）調壓預緊一般用于重載場合。
（7）對于高溫或者低溫的場合要采用定壓預緊，因為定壓預緊施加的預緊力較小，不會因為高溫的熱脹作用產生卡死現象。
4.3.4軸承預緊力大小的確定
軸承的預緊力大小可以影響主軸剛度，預緊力會造成軸承的變形，雖然這樣會提高主軸系統的穩(wěn)定性和剛度，但在預緊力過大的時候，卻會加速軸承的磨損從而降低了軸承的壽命，在高速時導致的后果更加大，會造成主軸箱的溫度升高，甚至造成主軸的變形。因此在對在主軸箱的設計工作中也要合理的進行預緊設計。
預緊就是通過產生一個方向的軸向力來消除軸承中的間隙。經過預緊的軸承在工作時所受到的變形一定比沒有經過預緊的軸承變形要小的多，提高軸承的剛度，使得經過預緊的軸承在受到載荷作用時，其內外圈的相對位移量一定比沒有經過預緊的軸承要小得多。
軸承的剛度受到預緊力大小的影響，預緊力太大的話，可能會導致軸承本身的損壞，軸承預緊力過小的話，又起不到預緊的作用。這就需要有大量經驗的人員進行預緊。軸承失效的形式也有很多種，溫升過高也就是溫度過高，導致軸承內部磨損加快甚至是燒結，是軸承損壞的重要原因。因此控制溫度升高也就成為設計人員需要考慮的重要因素了。
控制溫升的主要方法有下面兩種:?
1.軸承要合理的安裝和配合在軸承座內；?
2.要合理的選擇潤滑劑，一般選用油潤滑。
下圖是對主軸在不同載荷下選取最佳預緊力的介紹：
圖4-3 不同載荷下主軸最佳預緊力的選取路線
角接觸球軸承的徑向剛度Kr可按下式計算：
(4-10)
式中：Km為材料系數，取1.3；Z為滾動體數，取16；為滾動體直徑，取13；為接觸角，取15度；
圖4-4 軸承剛度隨預緊力的變化曲線
軸承預緊力的越大，軸承的剛度就會越大，主軸的加工精度以及效率大幅度的提升。
軸承發(fā)熱是由滾滾珠與滾道之間的摩擦而產生的。接觸產生熱量與摩擦力矩及旋轉速度有關；摩擦力矩M、熱量H，生熱率q，軸承發(fā)熱量隨預緊力的變化關系：
（4-11）
式中:?為軸承平均直徑，v為潤滑劑的運動黏度，為軸承內圈旋轉速度。為取決于軸承設計載荷的因數。為軸承的當量靜載荷，為軸承額定靜載荷，為軸承摩擦力矩的計算載荷。
圖4-5 軸承最大溫度隨熱流量變化曲線
熱流量越大，軸承溫度越高，在軸承運動的過程中，我們需要確定一個關鍵點，以此來確定軸承的最佳預緊力[10]。
圖4-6 預緊力固定情況下轉速對軸承溫度的影響曲線
主軸的轉速越高，軸承的轉速也會隨之變得越高，摩擦產生的熱量也就越來越高，這樣也就會造成主軸箱溫度的升高，隨著溫升的提高，預緊力和轉速對軸承溫度的影響曲線也越來越靠近。
圖4-7 轉速固定的情況下預緊力對軸承生熱的影響曲線
轉速越高，軸承溫度越高，軸承內滾道在整個軸承中溫度是最高的。
圖4-8 預緊力F=300N的情況下軸承溫度隨轉速的變化
從圖中可以看出：軸承轉速對于軸承的溫度影響是最大的。
圖4-9 轉速在1000n/min時，軸承溫度隨預緊力的變化
圖4-10 軸承最大溫度隨熱流量變化趨勢圖
由以上分析結果可以得出：軸承的最佳預緊力在2400N，此時主軸的剛度最大，溫升處于零界點。
第五章 技術經濟分析
5.1 技術經濟分析的目的與意義
成本是一個產品設計人員所要考慮的重要因素。因為計算成本的背后是可以估算出產品的效益的，所以技術經濟分析就變得相當重要，當然并不是成本越低越好，還要在性能上滿足要求，因此要在滿足性能要求的前提下盡可能的降低成本，這就是技術經濟分析的目的和意義。
5.2成本材料分析
5.2.1 非標準件的成本材料分析
表 5-1 非標準件統計
序號
名稱
材料
數量
凈重（Kg）
1
隔圈
45
1
0.933
2
軸
20CrMnTi
1
2.181
3
套
45
4
0.181
4
塊
45
1
0.513
5
壓板
45
2
10.53
6
剎鐵
45
1
8.152
7
電機安裝板
45
1
53.81
8
導軌
40Cr
1
43.54
目前，45鋼的價格為3400元/噸，20CrMnTi的價格為4800元/噸,40Cr的價格是5800元/噸。45鋼總凈重：G=85.252Kg，20CrMnTi總凈重：G=2.181Kg,40Cr總凈重：G=43.54Kg,非標準件購費：552.56元。
5.2.2 標準件的成本材料分析
表 5-2標準件外購費用統計
序號
名稱
規(guī)格
數量
單價（元/件）
1
螺釘
M6X20
M8X20
M10*30
M12X50
8
1
5
4
0.01
0.01
0.01
0.01
2
雙頭螺釘
M12*12
1
0.1
3
圓柱銷
M6X16
1
0.5
4
螺母
M3
M10
2
2
1
1
5
鎖緊螺母
M6
2
1
標準件的外購件費用為6.78元。
5.3成本計算依據
按照零件的總量，求出所需的加工費用，就可以求得本課題設計的總成本。依據計算公式：
零件成本=材料費用+加工工時費用
材料費用=材料的單價×材料的毛坯重量
毛坯重量=凈重/材料的使用率
材料的使用率：,45鋼為0.6~0.7；工時費：主要件=材料費×8；一般件=材料費×（4~5）
（1）材料費的計算
由計算公式可得：
45鋼毛坯重量=85.252/0.65=131.16Kg
20CrMnTi毛坯重量=2.181/0.65=3.36Kg
40Cr毛坯重量=43.54/0.65=66.98Kg
（2）工時費的計算
主要的零件：主要的工時費用=552.56×8=4420.48元
一般的零件：一般的工時費用=6.28×4.5=28.26元
（3）熱處理工時的費用
表 5-3 熱處理零件統計
序號
名稱
材料
熱處理要求
凈重（Kg）
1
隔圈
45
表面鍍鋅
0.93
2
塊
45
發(fā)藍
3.72
3
套
45
表面鍍鋅
3.3
4
主軸
20CrMnTi
滲碳淬火
2.55
5
套
45
發(fā)藍
0.03
表 5-4 目前熱處理的價格
序號
名稱
單價（元/Kg）
1
鍍鋅
1.1
2
發(fā)藍
1
3
淬火
1.5
因此熱處理加工費用為12.23元。
5.4.成本經濟計算
課題總的成本=材料費用+工時費用+熱處理的費用+外購件的費用
=552.56+6.28+4420.48+28.26+12.23
=5019.81元
在以上的成本計算過程中，考慮到了材料種類