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南京工程學(xué)院
工 業(yè) 中 心
本科畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告
題目： 車銑復(fù)合機(jī)床A28電主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
班 級： D機(jī)加工122 學(xué) 號：231120418
學(xué)生姓名： 柯珂
指導(dǎo)教師： 劉桂芝
2016年 3月 11 日
本科畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告
學(xué)生姓名
柯珂
學(xué) 號
231120418
專 業(yè)
機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
指導(dǎo)教師姓名
劉桂芝
職 稱
研究員級高級 工程師
所在院系
工業(yè)中心
課題來源
D、自擬課題
課題性質(zhì)
A、工程設(shè)計
課題名稱
車銑復(fù)合加工機(jī)床A28電主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
畢業(yè)設(shè)計的
內(nèi)容和意義?
采用文獻(xiàn)分析法、比較法的方法，進(jìn)行車銑復(fù)合加工機(jī)床A28電主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，主要是主軸箱零件，包括主軸箱主軸，軸承隔套,鎖緊螺母, 迷宮法蘭，齒形皮帶輪，皮帶輪、聯(lián)結(jié)法蘭等。
畢業(yè)設(shè)計的具體內(nèi)容：
1、進(jìn)行機(jī)械制圖繪制，繪制主軸箱裝配圖，主軸、軸承、螺母等零件圖，和繪制主軸動平衡圖,輸出功率和扭矩圖。
2、設(shè)計計算主軸切削扭矩，進(jìn)行主軸的受力分析，計算主軸的剛度，計算軸承的壽命，分析軸承的剛度，磨損，潤滑等。
3、分析技術(shù)經(jīng)濟(jì)和個零件的成本。
4、翻譯有關(guān)外文資料并撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書。
本課題研究的意義：
本課題對車銑復(fù)合加工機(jī)床A28電主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，車銑復(fù)合機(jī)床常應(yīng)用于航空航天、汽車和模具等制造業(yè)中，其意義如下：
1、車銑復(fù)合高速電主軸使用內(nèi)裝式電機(jī),取消了諸如齒輪、皮帶等中間傳動環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動”。銑車復(fù)合加工集傳統(tǒng)銑削與車削加工技術(shù)于一身，可顯著提高機(jī)械加工效率、降低生產(chǎn)加工成本。實(shí)現(xiàn)主軸的C軸功能，機(jī)床在加工時直接帶動零件作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動并與機(jī)床的X軸或與機(jī)床的Z軸聯(lián)動，提高機(jī)床的生產(chǎn)率。
2、了解到我國現(xiàn)在電主軸的技術(shù)實(shí)力較弱，創(chuàng)新能力嚴(yán)重不足，電主軸的關(guān)鍵可信部件不過關(guān)，與國外相比，我們還有很大的差距。了解到現(xiàn)代車銑復(fù)合電主軸向高速度。高精度、高生產(chǎn)率方向發(fā)展。通過對A28復(fù)合電主軸系統(tǒng)的設(shè)計，為以后更好的研究電主軸的高速、高精度化提供必要的理論依據(jù)。
3、針對這次設(shè)計，經(jīng)常翻閱文獻(xiàn)，對比各種書籍，認(rèn)真分析，積極與同學(xué)討論，向老師詢問問題，增強(qiáng)了自己學(xué)習(xí)能力。在設(shè)計過程中，運(yùn)用了許多的書本知識，并發(fā)現(xiàn)這些知識都是在課堂上學(xué)習(xí)的，也對自己大學(xué)四年的學(xué)習(xí)進(jìn)行了一個總的概述。
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(xiàn)綜述
一 、引言
隨著數(shù)控應(yīng)用技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)以及機(jī)床研發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，復(fù)合機(jī)床技術(shù)應(yīng)然
而生[1]。復(fù)合加工指的是在某一設(shè)備上能夠?qū)崿F(xiàn)的多工序加工技術(shù)的總稱，即當(dāng)工件裝夾完成后能通過控制系統(tǒng)完成車削、銑削、鉆削、鏜削等加工，因此復(fù)合加工擁有它非常優(yōu)越的特點(diǎn)[2]。高檔數(shù)控機(jī)床正向高速度、高精度、高剛度、高效率、復(fù)合化方向發(fā)展，具有諸多優(yōu)點(diǎn)的銑車加工中心是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床發(fā)展方向之一。
二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
早在20世紀(jì)50年代，就已出現(xiàn)了用于磨削小孔的高速電主軸，當(dāng)時的變頻器采用的是真空電子管，雖然轉(zhuǎn)速高，但傳遞的功率小，轉(zhuǎn)矩也小。隨著高速切削發(fā)展的需和功率電子器件、徽電子器件和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了全固態(tài)元件的變頻器和矢量控制驅(qū)動器；加上混合陶瓷球軸承的出現(xiàn)，使得在20世紀(jì)90年代初出現(xiàn)了用于銑削、鉆削、加工中心及車削等加工的大功率、大轉(zhuǎn)矩、高轉(zhuǎn)速的電主軸[3]。
在國外，高速電主軸已成為一種機(jī)電一體化的高科技產(chǎn)品，由一些技術(shù)水平很高的專業(yè)工廠生產(chǎn)。國際上著名的電主軸生產(chǎn)廠家主要有：瑞士的FIScHER公司，IBAG公司和sTEP-TEc公司，德國的GMN公司和FAG公司，美國的PREcIsE公司，意大利的GAMFIOR公司和FOE姒T公司，日本的NSK公司和KOYO公司。以及瑞典的SKF公司等。當(dāng)前國內(nèi)外專業(yè)生產(chǎn)電主軸廠家多達(dá)幾十家[4]。在國外的廠家中，以德國G刪和瑞士FIScHER名氣最大、產(chǎn)品性能和質(zhì)量也較好。
隨著先進(jìn)的電氣傳動技術(shù)(如變頻調(diào)速技術(shù)、電動機(jī)矢量控制技術(shù)等)在高速機(jī)床上的廣泛應(yīng)用，大大地簡化了高速機(jī)床主傳動的機(jī)械結(jié)構(gòu)。高速機(jī)床基本上取消了帶傳動和齒輪傳動等中間傳動環(huán)節(jié)，其主軸由內(nèi)裝式電機(jī)直接驅(qū)動，從而把機(jī)床主傳動鏈縮短為零，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床主軸的“零傳動”[5]。
三、發(fā)展趨勢
高速電主軸的結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、響應(yīng)特性好，并可改善主軸的動
平衡，減少振動和噪聲。是高速機(jī)床主軸單元的理想結(jié)構(gòu)[6]。
隨著機(jī)床技術(shù)、高速切削技術(shù)的發(fā)展及實(shí)際應(yīng)用的需要，對機(jī)床電主軸的性
能也提出越來越高的要求，電主軸技術(shù)的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面[7][8]：
(1)向高速度、高剛度方向發(fā)展
(2)向高速大功率、低速大轉(zhuǎn)矩方向發(fā)展
(3)進(jìn)一步向高精度、高可靠性和延長工作壽命方向發(fā)展
(4)電主軸內(nèi)裝電機(jī)性能和形式多樣化
(5)向快速啟、停方向發(fā)展
(6)軸承及其預(yù)載荷施加方式、潤滑方式多樣化
(7)刀具接口逐步趨于HSK刀柄技術(shù)
文獻(xiàn)綜述
(8)向多功能、智能化方向發(fā)展
為了適應(yīng)國內(nèi)外市場的需要，滿足用戶對高速、高精度及復(fù)合加工的需求，最大限度地一次性完成所有零件的表面加工，機(jī)床多軸復(fù)合加工已日益普及，數(shù)控機(jī)床向復(fù)合化發(fā)展的趨勢已經(jīng)相當(dāng)明顯，精密、高效雙電主軸銑車(車銑)復(fù)合加工中心的出現(xiàn)和發(fā)展就充分地體現(xiàn)了這種變化的趨勢，馬維新[9]等介紹了德國西門子公司的雙主軸數(shù)控機(jī)床，并對同步電主軸進(jìn)行了研究。。雖然銑車(車銑)復(fù)合加工中心的出現(xiàn)還不到20年，但發(fā)展速度很快，產(chǎn)品性能越來越完善’。由于該設(shè)備加工適應(yīng)能力強(qiáng)、工 藝范圍廣、裝夾次數(shù)少、節(jié)約輔助時間、提高加工精度，深受航天、航空、兵器、汽車、能源及其他重點(diǎn)領(lǐng)域[10]。
四、設(shè)計問題與解決
現(xiàn)代機(jī)床普遍精度不高，效率低，所以導(dǎo)致產(chǎn)品水平不高，但車銑復(fù)合高速電主軸的結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、響應(yīng)特性好，并可改善主軸的動平衡，減少振動和噪聲，是高速機(jī)床主軸單元的理想結(jié)構(gòu)。數(shù)控車床只能做軸向零件加工，主軸并不具備c軸功能，當(dāng)需要進(jìn)行工件表面加工的時候，就需要用到c軸功能，所以需用到車銑復(fù)合加工機(jī)床。車銑復(fù)合加工機(jī)床A28電主軸系統(tǒng)是由內(nèi)藏式電主軸及高精度速度與位置反饋裝置組成，使機(jī)床的主軸具有C軸功能，機(jī)床在加工時直接帶動零件作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動并與機(jī)床的X軸或與機(jī)床的Z軸聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)，完成零件的銑削功能。
為實(shí)現(xiàn)機(jī)床的C軸功能，通常C軸傳動機(jī)構(gòu)前端的齒輪通過液壓缸的拉動與主軸后端的齒輪嚙合，動作簡單，經(jīng)常會出現(xiàn)齒頂齒的狀況，使機(jī)床出現(xiàn)故障，多數(shù)情況嚙合不上。用機(jī)械傳動的方式實(shí)現(xiàn)C軸功能，主要是在不用改變主軸箱的基礎(chǔ)上，增加一個C軸主軸箱就行，不過C軸控制箱傳動軸只能通 過錐形環(huán)聯(lián)軸套與主軸后端相連，使用的場合比較少，用起來十分麻煩。
C軸功能就是C軸繞主軸進(jìn)行回轉(zhuǎn)。為了更好的實(shí)現(xiàn)C軸功能的方式主要有三種。第一種由電主軸直接驅(qū)動，電主軸的驅(qū)動慣性小，徹底的消除了傳動鏈的間隙，切削較小零件和材質(zhì)較軟的材料時，如加工銅及銅和金、鋁及鋁合金，精度和零件表面質(zhì)量都會高，切削高硬質(zhì)零件時也會滿足零件的功能性要求。第二種是伺服主軸電機(jī)由帶輪驅(qū)動，用帶輪驅(qū)動方式轉(zhuǎn)矩要比主軸的轉(zhuǎn)矩大，所以只能加工一些較大的零件。第三種用進(jìn)給伺服電機(jī)經(jīng)減速器驅(qū)動。由于減速器的減速 比很大，所以 C 軸的輸出扭矩也很大。當(dāng)工 件主軸用作車削加工時需高速旋轉(zhuǎn)，這時 C 軸的動 力傳動系統(tǒng)必須與工件主軸脫離，否則會成為車削主 軸的阻礙。三種方式對比之下。電主軸驅(qū)動的方式實(shí)現(xiàn)C 軸功能是最好不過的[11]。
現(xiàn)階段復(fù)合機(jī)床電主軸的潤滑、冷卻是主要解決的問題 ，電主軸的軸承承主要有流體靜壓軸承、磁懸浮軸承和滾動軸承。而滾動軸承是高速電主軸的主要支撐元件且首
文獻(xiàn)綜述
先選擇的是角接觸軸承，因?yàn)榻墙佑|球軸承具有很好的高速性能。 軸承的潤滑主要是為了降低滾珠與滾道的摩擦阻力、減輕磨損和延長軸承壽命，保證軸承正常工作。所以現(xiàn)在軸承的潤滑裝置一般采用油一氣潤滑[12]或油霧潤滑系統(tǒng)。油霧潤滑雖然潤滑效果良好，價格也比較便宜，但是會污染環(huán)境。所以選擇油氣潤滑。電主軸的冷卻主要指內(nèi)裝式主軸電機(jī)的冷卻，電主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時溫度不能高，但也不能太低，一般大于20℃，最高不超過40℃，所以一般選擇油．水油交換系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)合電主軸的冷卻。
影響主軸部件工作性能的主要因素是它的剛度特性，在設(shè)計主軸部件時，應(yīng)綜合考慮力、扭矩、傳動力的作用，來決定有關(guān)參數(shù)。軸承的徑向剛度隨著預(yù)緊力的增加而增大，也就是說，主軸剛度隨著前軸承剛度的增加而顯著增大。但后軸承預(yù)緊力的變化對主軸剛度的影響不大，而隨著前軸承預(yù)緊力的增加，主軸剛度則顯著增大。
文獻(xiàn)綜述
參考文獻(xiàn)
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研究內(nèi)容
1、復(fù)合機(jī)床電主軸向高速化、高精度發(fā)展，所以電主軸的冷卻和潤滑是一個問題，對冷卻系統(tǒng)和潤滑方式進(jìn)行研究。
2、計算確主軸切削扭矩，分析主軸的剛性和剛度，并研究軸承的潤滑和磨損，還有軸承預(yù)緊力對主軸剛度的影響。從而對復(fù)合機(jī)床電主軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解與分析。
3、車銑復(fù)合加工是我國現(xiàn)在主要的發(fā)展方向，車銑復(fù)合加工主要是使主軸具有C軸的功能。為實(shí)現(xiàn)復(fù)合加工機(jī)床C軸功能，機(jī)床在加工時直接帶動零件作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動并與機(jī)床的X軸或與機(jī)床的Z軸聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)。比較三種實(shí)現(xiàn)c軸功能的方法，選擇出電主軸驅(qū)動的方式是實(shí)現(xiàn)C軸功能最好的方式。
研究計劃
研究周期與時間安排
第1周 (2.22-2.26) 收集資料，學(xué)習(xí)有關(guān)書籍文獻(xiàn)，參觀工廠，搜集設(shè)計過程中所要遵照的有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)并進(jìn)行學(xué)習(xí)
第2周 (2.29-3.04) 提出完成課題的基本思路和方法， 完成該課題所采用的技路
線、方案，要設(shè)計和完成的任務(wù)
第3周 (3.07-3.11） 完成開題報告及外文材料翻譯
第4周 (3.14-3.18) 主軸箱部件設(shè)計及計算，完成裝配圖草圖設(shè)計
第5周 (3.21-3.25) 繪制主軸動平衡圖，確定主軸傳遞扭矩，繪制輸出功率和扭矩
第6周 (3.28-4.01) 完成主軸受力分析及前后軸承計算完成裝配圖
第7周 (4.04-4.08） 設(shè)計畢業(yè)設(shè)計中期檢查
第8周 (4.11-4.15） 進(jìn)行零件圖計算機(jī)繪圖
第9周 (4.18-4.22） 完成零件圖計算機(jī)繪圖
第10周 (4.25-4.29） 完成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周 (5.09-5.13) 修改論文并定稿
第13周 (5.16-5.20) 完成定稿
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(shè)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、使主軸具有c軸功能，機(jī)床在加工時直接帶動零件作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動并與機(jī)床的X軸或與機(jī)床的Z軸聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)，完成零件的銑削功能。
2、復(fù)合電主軸實(shí)現(xiàn)高速加工，提高工件的加工質(zhì)量，機(jī)床的生產(chǎn)效率。
3、設(shè)計過程中采用角接觸軸承，實(shí)現(xiàn)電主軸的高速性能。采用油氣潤滑的方式，使得電主軸成本變低，并且潤滑效好。采用油水的冷卻系統(tǒng)，使電主軸更加簡便，冷卻效果更好。
指導(dǎo)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(xué)主任簽名：
年 月 日