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第1章 緒論
1.1 數(shù)控機(jī)床的概念
數(shù)字控制是利用數(shù)字化信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)以及加工過(guò)程進(jìn)行控制的一種方法，簡(jiǎn)稱(chēng)數(shù)控(Numerical Control, NC).數(shù)控機(jī)床是指采用了數(shù)控技術(shù)控制的機(jī)床，或者說(shuō)是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床，也可稱(chēng)作NC機(jī)床。由于現(xiàn)在數(shù)控系統(tǒng)是通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制的，因此，數(shù)控機(jī)床又稱(chēng)CNC機(jī)床。
1.2 數(shù)控機(jī)床的組成
數(shù)控機(jī)床主要由數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、程序載體、輸入輸出裝置、強(qiáng)電控制裝置、輔助裝置、和機(jī)床主體組成。輸入數(shù)控裝置的程序指令記錄在信息載體上，由程序讀入裝置接收，或由數(shù)控裝置的鍵盤(pán)直接手動(dòng)輸入。
1.3 數(shù)控技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r及發(fā)展趨勢(shì)
我國(guó)的機(jī)床制造工業(yè)完全是在解放后建立起來(lái)的，現(xiàn)在，我國(guó)的機(jī)床工業(yè)已經(jīng)從無(wú)到有，從小到大的成長(zhǎng)起來(lái)了，形成了比較完整的機(jī)床體系。目前我國(guó)的機(jī)床產(chǎn)量不斷的上升，完全的可以滿(mǎn)足社會(huì)的需求，并有大量的機(jī)床出口，但是我國(guó)的機(jī)床技術(shù)水平和世界現(xiàn)進(jìn)的水平還有一定的差距，主要表現(xiàn)在生產(chǎn)率低，壽命短和質(zhì)量不穩(wěn)定，此外在掌握某些重型機(jī)床，精度高的機(jī)床及數(shù)控機(jī)床方面，還需要進(jìn)一步的努力，我國(guó)想達(dá)到發(fā)達(dá)的水平就必須發(fā)奮圖強(qiáng)，努力的工作，還需做進(jìn)一步的努力，深入廣泛的開(kāi)展科學(xué)的研究技術(shù)的革命，要善于吸取國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，并和自己的創(chuàng)新結(jié)合起來(lái)，以加快我們的發(fā)展速度，把我國(guó)的機(jī)床事業(yè)推向輝煌。
隨著電子技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。大地推動(dòng)了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，但是結(jié)合我國(guó)的國(guó)情普遍機(jī)床仍占有很突出的地位，普通車(chē)床的萬(wàn)能性大，它適用加工各種軸類(lèi)，套筒類(lèi)和盤(pán)類(lèi)零件上的回轉(zhuǎn)面，如外圓柱面，圓錐面，環(huán)槽類(lèi)及成型回轉(zhuǎn)表面；車(chē)削端面及加工各類(lèi)常用的公制，英制，模數(shù)制和節(jié)制螺紋；在普通車(chē)床上還能作鉆孔，擴(kuò)孔，鉸孔，滾花等工作。用處很廣，考慮到我國(guó)的勞動(dòng)力眾多，和一些企業(yè)的資金和技術(shù)能力普通機(jī)床還是很有市場(chǎng)的，普通機(jī)床按照它們的萬(wàn)能程度分為
(1) 專(zhuān)門(mén)化機(jī)床，這類(lèi)機(jī)床重要用于加工不同尺寸的一類(lèi)或幾類(lèi)零件的特定工序。
(2) 通用機(jī)床，這種機(jī)床的加工范圍廣，在這種機(jī)床上可以加工各種零件的不同工序，例如普通車(chē)床，臥式車(chē)床，萬(wàn)能升降臺(tái)銑床等，都屬于通用機(jī)床，通用機(jī)床由于萬(wàn)能性較大，它的結(jié)構(gòu)往往比較復(fù)雜，通用機(jī)床主要適用于單量小批生產(chǎn)。
(3) 專(zhuān)用機(jī)床，這類(lèi)機(jī)床是加工某一種零件的特定工序，例如：加工汽車(chē)后橋蓋的組合鏜床，機(jī)床主軸箱專(zhuān)用鏜床等等，都是專(zhuān)用機(jī)床，專(zhuān)用機(jī)床是根據(jù)工藝要求專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，它的生產(chǎn)率比較高，機(jī)床的自動(dòng)化的程度往往也比較高，所以專(zhuān)用機(jī)床主要用于成批及大量生產(chǎn)[1-3]。
數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來(lái)了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著它的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，它對(duì)國(guó)計(jì)民生的一些重要行業(yè)（IT、汽車(chē)、輕工等）的發(fā)展起著越來(lái)越重要的作用，因?yàn)檫@些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢(shì)。當(dāng)前世界上數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢(shì)：
(1) 高速度高精度化
速度和精度是數(shù)控系統(tǒng)地兩個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，它直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)，高速度化，首先是要求計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)在讀入加工指令數(shù)據(jù)后，能高速度處理并計(jì)算出伺服電機(jī)的位移量，并要求伺服電機(jī)高速度的作出反應(yīng)；其次，要是下生產(chǎn)系統(tǒng)的高速度化，必須使主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給率、刀具交換、托盤(pán)交換等各種關(guān)鍵部件實(shí)現(xiàn)高速度化。
提高數(shù)控機(jī)床的加工精度，一般是通過(guò)減少數(shù)控系統(tǒng)的誤差和采用補(bǔ)償技術(shù)來(lái)達(dá)到。在減少數(shù)控系統(tǒng)誤差方面，一般采取三種方法：提高數(shù)控系統(tǒng)的分辨率，以微小程序段實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)給；提高位置檢測(cè)精度；位置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與非線性控制。在采用補(bǔ)償技術(shù)方面，除采用間隙補(bǔ)償、絲杠螺距補(bǔ)償和刀具補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)外，還可以采用熱變形補(bǔ)償技術(shù)[4]。
(2) 多功能化
一機(jī)多能的數(shù)控系統(tǒng)，可以最大限度的提高設(shè)備的利用率。數(shù)控加工中心（Machining Center-MC）便是一種能實(shí)現(xiàn)多工序加工的數(shù)控機(jī)床。這類(lèi)數(shù)控系統(tǒng)控制的機(jī)床，一般配有機(jī)械手和刀具庫(kù)（可存放16~100把刀具）。工件一經(jīng)裝夾，數(shù)控系統(tǒng)就能控制機(jī)床自動(dòng)的更換刀具，連續(xù)對(duì)工件的各個(gè)加工面完成銑削、鉸孔、擴(kuò)孔及攻螺紋等多工序加工，從而可以避免多次裝夾所造成的定位誤差。這樣減少了設(shè)備臺(tái)數(shù)、工件夾具和操作人員，節(jié)省了占地面積和輔助時(shí)間。為了提高效率，新型數(shù)控機(jī)床在控制系統(tǒng)和機(jī)床結(jié)構(gòu)上也有所改革。例如，采取多系統(tǒng)混合控制方式，用不同的切削方式（車(chē)、鉆、銑、攻螺紋等）同事加工零件的不同部件等?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)控制軸數(shù)多達(dá)15軸，同事聯(lián)動(dòng)的軸數(shù)已達(dá)到6軸[5]。
(3) 智能化
數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用高技術(shù)的重要目標(biāo)是這能化。智能化技術(shù)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
(a) 引進(jìn)自適應(yīng)控制技術(shù)
引進(jìn)自適應(yīng)控制技術(shù)（Adaptive Control-AC）的目的是要求在隨機(jī)的加工過(guò)程中，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)加工過(guò)程中所測(cè)得的工作特征、狀態(tài)，按照給定的評(píng)價(jià)指標(biāo)自動(dòng)校正自身的工作參數(shù)，以達(dá)到或接近最佳的工作狀態(tài)。通常數(shù)控機(jī)床是按照預(yù)先編好的程序進(jìn)行控制，但隨機(jī)因素，如毛坯余量和硬度的不均勻、刀具的磨損等難以預(yù)測(cè)。為了確保質(zhì)量，勢(shì)必在編程時(shí)采用較保守的切削用量，從而降低了加工效率。AC系統(tǒng)可對(duì)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)矩、切削力、切削溫度、刀具磨損等參數(shù)值進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，并由CPU進(jìn)行比較運(yùn)算后發(fā)出修改主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量大小的信號(hào)，確保AC處于最佳切削用量狀態(tài)，從而在保證質(zhì)量條件下使加工成本最低或生產(chǎn)率最高[6]。
（b） 附加人機(jī)械化自動(dòng)編程功能
建立切削用量專(zhuān)家系統(tǒng)和示數(shù)系統(tǒng)，從而達(dá)到提高編程效率和降低對(duì)編程人員技術(shù)水平的要求。
（c） 具有設(shè)備故障診斷功能
數(shù)控系統(tǒng)出了故障，控制系統(tǒng)能夠進(jìn)行自診斷，并自動(dòng)采取排除故障的措施，以適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人操作環(huán)境的要求。
(4) 小型化
蓬勃發(fā)展的機(jī)電一體化設(shè)備，對(duì)CNC系統(tǒng)提出了小型化的要求，體積小型化便于將機(jī)、電裝置糅合為一體。日本新開(kāi)發(fā)的FS16和FS18都采用了三維安裝方法，使電子元器件得以高精度的安裝，縮小了新型TFT彩色液晶薄型顯示器，使CNC系統(tǒng)進(jìn)一步小型化，這樣可更方便地將它們裝到機(jī)械設(shè)備上[7]。
1.4 設(shè)計(jì)的目的與意義
在機(jī)床加工中鉆床的加工工作量在總制造工作量中占有很大的比量。鉆床為孔加工機(jī)床，按其機(jī)構(gòu)形式不同可以分為搖臂鉆床、立式鉆床、臥式鉆床、深孔鉆床、多軸鉆床等。主要用來(lái)進(jìn)行鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、攻絲等。長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)的機(jī)械制造工業(yè)中孔類(lèi)加工多數(shù)由傳統(tǒng)鉆床來(lái)完成，但是傳統(tǒng)的鉆床在大批生產(chǎn)時(shí)存在許多的不足之處：
(1) 自動(dòng)化程度不高，難以進(jìn)行大批量生產(chǎn)；
(2) 工作效率低，且工人的工作環(huán)境惡劣；
(3) 占用人力較多，操作固定不交易出錯(cuò)；
(4) 精度不高，工件裝夾費(fèi)時(shí)；
(5) 加工產(chǎn)品質(zhì)量不高。
再生產(chǎn)過(guò)程中，手動(dòng)的操作、繁瑣的裝夾、大量生產(chǎn)力的投入和單一的生產(chǎn)流程導(dǎo)致了鉆床加工的自動(dòng)化程度低、生產(chǎn)效率低、共作環(huán)境惡劣和產(chǎn)品質(zhì)量不高，因此，我們需要解決的問(wèn)題在于如何實(shí)現(xiàn)鉆削加工的自動(dòng)化、減少生產(chǎn)力的投入生產(chǎn)和與其他工藝流程相結(jié)合同時(shí)也要考慮經(jīng)濟(jì)問(wèn)題[7]。
針對(duì)以上傳統(tǒng)鉆床的不足之處及生產(chǎn)中存在的問(wèn)題，我們有必要在傳統(tǒng)鉆床的基礎(chǔ)上研究出新型數(shù)控鉆床——立式鉆銷(xiāo)中心。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)鉆床手動(dòng)的進(jìn)給系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)及傳動(dòng)系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，假如新技術(shù)，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，降低勞動(dòng)強(qiáng)度及工作量。
鉆銷(xiāo)中心具有自動(dòng)換刀功能，可減少工件在機(jī)床上的兩次安裝，提高加工精度，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。鉆銷(xiāo)中心適用于機(jī)械制造各行業(yè)中的中小型零件的孔、平面加工，并可加工平面凸輪[8]。
第2章 總體設(shè)計(jì)方案的確定
2.1 設(shè)計(jì)方案
本設(shè)計(jì)從角度入手，主要對(duì)主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)分析，確定出主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括以下三部分，并對(duì)其提出設(shè)計(jì)方案，方案如下：
1. 傳動(dòng)系統(tǒng)
主軸的調(diào)速取消了齒輪變速機(jī)構(gòu)，而是由交流電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，且主軸與電機(jī)軸之間采用帶傳動(dòng)。主軸上的傳動(dòng)件，主要有齒輪和帶。齒輪能夠傳遞較大的轉(zhuǎn)矩，是一般機(jī)床常用的傳動(dòng)副。但其線速度不能太高，傳動(dòng)也不夠平穩(wěn)。對(duì)于較高速主軸，用帶傳動(dòng)可以使運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。本次設(shè)計(jì)采用多楔帶傳動(dòng)。多楔帶兼有V平帶和V帶的優(yōu)點(diǎn)：柔性好，摩擦力大，能傳遞的功率大，并解決了多根V帶長(zhǎng)短不一使各帶受力不均的問(wèn)題。多楔帶主要用于傳遞功率較大而結(jié)構(gòu)要求緊湊的場(chǎng)合，傳動(dòng)比可達(dá)10，帶速可達(dá)40m/s.本次設(shè)計(jì)最高轉(zhuǎn)速為3000r/min，為較高速的傳動(dòng)，故選擇多楔帶傳動(dòng)合適[9]。
主軸上的傳動(dòng)件，主要由齒輪和帶。齒輪能傳遞較大的轉(zhuǎn)矩，是一般機(jī)床常用的傳動(dòng)副。缺點(diǎn)是線速度不能太高，傳動(dòng)也不夠平穩(wěn)。通常，線速度V≤12-15m/s。為使主軸運(yùn)行平穩(wěn)，可采用斜齒輪。螺旋傾角一般不宜超過(guò)15°-20°，以免引起有太大的軸向分力。主軸上盡量不要有華裔齒輪或其它活裝零件（如離合器），以免因軸頸與活裝零件孔間有間隙而引起震振動(dòng)。齒輪與主軸最好用圓錐配合。
較高速的主軸，用帶傳動(dòng)可使運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。在帶傳動(dòng)中，常用的有平帶傳動(dòng)、V帶傳動(dòng)、多楔帶傳動(dòng)和同步帶傳動(dòng)等。平帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，帶輪也容易制造，在傳動(dòng)中心距較大的情況下應(yīng)用較多。常用的平帶有帆布芯平帶、編織平帶（棉織、毛織和縫合棉布帶）、棉綸片復(fù)合平帶等數(shù)種。其中以帆布芯平帶應(yīng)用最廣，它的規(guī)格可查閱國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或手冊(cè)。在一般的機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用最廣泛的是V帶傳動(dòng)。V帶的橫截面呈等腰梯形，帶輪上也做出相應(yīng)的輪槽。傳動(dòng)時(shí)，V槽只和輪槽的兩個(gè)側(cè)面接觸，即以?xún)蓚?cè)面為工作面。根據(jù)槽面摩擦的原理，在同樣的張緊力下，V帶傳動(dòng)較平帶傳動(dòng)能產(chǎn)生更大的摩擦力，這是V帶傳動(dòng)性能上的最主要優(yōu)點(diǎn)。再加上V帶傳動(dòng)允許的傳動(dòng)比較大，結(jié)構(gòu)較緊湊，以及V帶多以標(biāo)準(zhǔn)化并能大量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因而V帶傳動(dòng)的應(yīng)用比平帶傳動(dòng)廣泛的多。多楔角兼有V平帶和V帶的優(yōu)點(diǎn)：柔性好，摩擦力大，能傳遞的功率大，并解決了多根V帶長(zhǎng)短不一而使各帶受力不均的問(wèn)題。多楔角主要由于傳遞功率較大而結(jié)構(gòu)要求緊湊的場(chǎng)合，傳動(dòng)比可達(dá)10，帶速可達(dá)40m/s.
傳動(dòng)帶易拉長(zhǎng)和磨損，設(shè)計(jì)時(shí)必須注意能調(diào)解中心距；磨損后易于更換；有可靠的防護(hù)裝置以及防止與油接觸受侵蝕。當(dāng)線速度v≤30m/s時(shí)，可用V形帶、多楔角或同步齒形帶；v＞30m/s時(shí)，可用橡膠或皮革平帶；v＞35m/s時(shí)，可用絲（天然絲、滌綸絲）織呆由于本設(shè)計(jì)為較高速主軸，線速度v≤30m/s，故選用多楔角運(yùn)動(dòng)[10]。
2. 主軸進(jìn)給系統(tǒng)
傳統(tǒng)的鉆床主軸進(jìn)給系統(tǒng)主要由主軸、主軸套筒、主軸套筒箱套、齒輪齒條和軸承等組成。主軸在加工時(shí)即要做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也要做軸向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。機(jī)床的主軸被安裝在主軸的套筒內(nèi)，套筒安置在主軸箱體孔的箱套內(nèi)，主軸上側(cè)由花鍵連接。機(jī)床加工時(shí)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由花鍵傳入，而進(jìn)給運(yùn)動(dòng)則有齒輪通過(guò)齒條帶動(dòng)套筒在箱套內(nèi)運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)中采用了半閉環(huán)控制系統(tǒng)，半閉環(huán)系統(tǒng)的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度略低，但是其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且調(diào)整方便。
3. 夾緊系統(tǒng)
傳統(tǒng)鉆床的夾緊主要是手工操作，由夾具夾緊工件。為了便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，主軸內(nèi)部刀具的自動(dòng)加緊，則采用了碟形彈簧與氣壓傳動(dòng)技術(shù)。
2.2 方案的可行性分析
2.2.1 鉆銷(xiāo)中心的設(shè)計(jì)特點(diǎn)
采用本文提出的設(shè)計(jì)方案，所設(shè)計(jì)出的鉆銷(xiāo)中心具有如下特點(diǎn)：
(1) 自動(dòng)化程度較高 鉆銷(xiāo)中心不僅具有一般數(shù)控鉆床的自動(dòng)加工功能，而且裝有轉(zhuǎn)塔式刀庫(kù)，可以自動(dòng)更換刀具，進(jìn)行多工序加工。由于采用了半閉環(huán)、連續(xù)輪廓控制的數(shù)控系統(tǒng)，可進(jìn)行輪廓控制的銑削工序。當(dāng)配有工業(yè)機(jī)器人時(shí)，尚可自動(dòng)裝卸工件，實(shí)現(xiàn)無(wú)人化生產(chǎn)。
(2) 加工效率高 為了適應(yīng)各種材料、各種尺寸的零件加工，采用了寬調(diào)速電機(jī)，使主軸調(diào)速范圍寬，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)3000r/min。適合進(jìn)行高速切削，以減少加工時(shí)的切削時(shí)間。機(jī)床快速定位速度也較高，工作臺(tái)X向和Y向快速進(jìn)給速度可達(dá)15r/min.主軸箱垂直上下（Z向）快速進(jìn)給速度可達(dá)10r/min.自動(dòng)換刀時(shí)間一般為5s，可縮短加工的輔助時(shí)間，提高生產(chǎn)率。
(3) 維修方便 在主機(jī)上沒(méi)有齒輪傳動(dòng)、沒(méi)有液壓傳動(dòng)，應(yīng)用了高壽命的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌及滾珠絲杠螺母副，是日常維修大大簡(jiǎn)單化，維修方便。
使用此中機(jī)電一體化設(shè)備，可減少工件在機(jī)床建的兩次安裝，提高加工精度，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，減輕操作者勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本[11]。
2.2.2 本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處
1. 軸承配置
為適應(yīng)高崗度要求，前、后支撐都采用了圓錐滾子軸承，背靠背安裝，前面兩個(gè)軸承大口朝向主軸前端，后一個(gè)軸承大口朝向主軸尾端。
2. 自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)由機(jī)械傳動(dòng)改為氣壓傳動(dòng)
氣壓傳動(dòng)與機(jī)械傳動(dòng)相比具有動(dòng)作迅速，調(diào)節(jié)方便，維護(hù)簡(jiǎn)單，不存在介質(zhì)變質(zhì)以及補(bǔ)充等問(wèn)題。氣壓傳動(dòng)以空氣為工作介質(zhì)，綠色環(huán)保。氣動(dòng)元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、壽命長(zhǎng)，易于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化[12]。
第3章 鉆削中心主軸部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1.1 主軸的基本尺寸參數(shù)的確定
1. 主軸平均直徑
主軸前支承軸徑，根據(jù)機(jī)床主電動(dòng)機(jī)功率來(lái)確定。已知鉆削中心主電動(dòng)機(jī)功率為5.5kW。查《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》圖3-30，選取前支承軸徑，后支承軸徑。主軸當(dāng)前平均直徑。
2. 主軸內(nèi)孔直徑
主軸的內(nèi)孔直徑用于通過(guò)刀具夾緊裝置固定刀具﹑傳動(dòng)氣動(dòng)或液壓卡盤(pán)等。主軸內(nèi)孔直徑越大，主軸部件相對(duì)重量也越輕。主軸孔徑大小主要受主軸剛度制約。主軸孔徑與主軸直徑之比，小于0.5是空心主軸的剛度幾乎與實(shí)心主軸剛度相當(dāng)。考慮碟形彈簧的設(shè)計(jì)取。校核壁厚。所以，取合適。
3. 主軸前端懸伸量的選擇
主軸懸伸量是指主軸前支承徑向反力作用點(diǎn)到主軸前端受力作用點(diǎn)之間的距離，見(jiàn)圖2-1。無(wú)論從理論分析還是從實(shí)際測(cè)試的結(jié)果來(lái)看，主軸懸伸量值愈小愈能提高主軸部件的剛度。因此，確定主軸懸伸量的原則是在滿(mǎn)足機(jī)構(gòu)要求的前提下，盡可能取小值。查《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3-8。
實(shí)際取。
4. 主軸合理跨距的選擇
主軸前支承點(diǎn)至主軸后支承點(diǎn)之間的距離稱(chēng)為跨距，見(jiàn)圖3-1。
圖3-1 主軸支承跨距及懸伸量
主軸組件的支承跨距對(duì)主軸本身剛度和對(duì)支承剛度有很大的影響。根據(jù)《數(shù)控加工中心設(shè)計(jì)》所介紹如下經(jīng)驗(yàn)公式
(3-1)
式中 —?jiǎng)偠戎?，其下限?精密機(jī)床值為；
—主軸平均外徑，單位；
—主軸平均內(nèi)徑，即中空主軸平均內(nèi)徑，單位；
—主軸軸承支承跨距，單位。
則有：
計(jì)算得：，考慮到實(shí)際結(jié)構(gòu)，取。
3.1.2 主軸端部結(jié)構(gòu)
加工中心主軸的軸端用于安裝夾具和刀具。要求夾具和刀具在軸端定位精度高、定位剛度高、裝卸方便，同時(shí)使主軸的懸伸長(zhǎng)度短。短錐法蘭結(jié)構(gòu)有很高的定位精度，主軸的懸伸長(zhǎng)度短，大大提高了主軸的剛度。查《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》卷3表6.1-36，查得主軸端部結(jié)構(gòu)以及主要尺寸如表3-1：
表3-1 主軸端部結(jié)構(gòu)尺寸
69.85mm
39.6mm
27mm
147mm
128.57mm
25mm
主軸端部有四個(gè)螺紋孔是用來(lái)裝端銑刀的，另外有兩個(gè)端面鍵是用來(lái)固定刀的周向的轉(zhuǎn)動(dòng)，具體結(jié)構(gòu)如圖3-2[15]。
圖3-2 主軸端部結(jié)構(gòu)
3.1.3 主軸刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)
主軸內(nèi)部刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)是加工中心必不可少的機(jī)構(gòu)。加工中心自動(dòng)換刀，所以，主軸系統(tǒng)應(yīng)具備自動(dòng)松開(kāi)和夾緊刀具的功能。刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)安裝在主軸內(nèi)部，本設(shè)計(jì)采用如圖3-3所示的刀桿拉緊機(jī)構(gòu)。
1.刀柄 2.鋼球 3.拉桿
圖3-3 刀桿拉緊機(jī)構(gòu)
1.鋼球 2.拉桿 3.碟形彈簧 4.滑塊 5.螺母 6.汽缸 7.活塞桿 8.行程開(kāi)關(guān)
圖3-4 刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)示意圖
刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)安裝在主軸的內(nèi)部，如圖3-4所示，刀柄由兩個(gè)鋼球夾持，碟形彈簧3通過(guò)滑塊4、螺母5，在拉桿2上的鋼球1作用下，將刀柄拉緊。當(dāng)換刀時(shí)，要求松開(kāi)刀柄，此時(shí)將主軸上端汽缸的上腔通壓縮空氣，活塞桿7及拉桿向下移動(dòng)，同時(shí)壓縮碟形彈簧，當(dāng)拉桿下移到使刀具松開(kāi)的位置，刀具即可由機(jī)械手更換。待新刀裝入后，汽缸上腔停止供氣，活塞桿在圓柱螺旋彈簧力的作用下上移，在碟形彈簧作用下拉桿帶動(dòng)鋼球上移，重新將刀柄拉緊?；钊麠U移動(dòng)的兩個(gè)極限位置分別設(shè)有行程開(kāi)關(guān)8，作為刀具夾緊和松開(kāi)的信號(hào)。
3.1.4 主軸的驗(yàn)算
1. 主軸剛度驗(yàn)算
(1) 計(jì)算當(dāng)量直徑
圖3-5 主軸尺寸示意圖
主軸尺寸示意圖，如圖3-5所示；
其中
當(dāng)量直徑
由此計(jì)算可得：
(2) 剛度計(jì)算
主軸前懸伸部分較粗，剛度較高，其變形可以忽略不計(jì)。后懸伸部分不影響剛度，也可不計(jì)。如主軸前端作用一外載荷，則主軸前端撓度為：
(3-2)
式中 — 外載荷，單位；
— 前懸伸，等于外載荷作用點(diǎn)至支承點(diǎn)間的距離，單位mm；
— 跨距，等于前后支撐點(diǎn)間的距離，單位mm；
— 彈性模量，鋼為,單位；
— 截面慣性矩，,單位：mm；
— 主軸的外徑和孔徑，單位。
圖3-6 主軸受力示意圖
將及之值代入上式可得
如果，則孔的影響可以忽略，即
彎曲剛度
所以，當(dāng)時(shí)，則
N/μm
本設(shè)計(jì)：;
，所以
N/μm
2. 主軸扭轉(zhuǎn)剛度驗(yàn)算
對(duì)鉆床等以扭轉(zhuǎn)變形為主的主軸，還要驗(yàn)算其扭轉(zhuǎn)剛度。通常要求其扭轉(zhuǎn)角在（20～25）的長(zhǎng)度內(nèi)不超過(guò)，即：
(3-3)
式中 —主軸傳遞最大扭矩，單位；
—計(jì)算長(zhǎng)度，取，單位。；
；
—剪切彈性模量，鋼料為8.1N/cm；
—截面極慣性矩，對(duì)于圓截面，單位為；
—主軸當(dāng)量直徑，。
代入上式得：
故滿(mǎn)足扭轉(zhuǎn)剛度的要求。
3. 主軸臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)算
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)·單行本·軸及其連接》表5-1-47：一階臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式如3-4式，計(jì)算示意圖如圖3-7。
（3-4）
式中 — 外伸端第個(gè)圓盤(pán)重力，； 本設(shè)計(jì)中，外伸端圓盤(pán)為帶輪，其重力估算如下：
— 軸的重力，；對(duì)實(shí)心鋼軸，；
對(duì)空心鋼軸應(yīng)乘以 。本軸為空心軸，由前面計(jì)算知： 則有：
；
— 空心軸內(nèi)徑與外徑之比，；
— 軸的全長(zhǎng)，；
— 支撐跨距，；
— 外伸端第個(gè)圓盤(pán)至支承間的距離，;
— 臨界系數(shù)
— 外伸端長(zhǎng)度與軸長(zhǎng)之比，
；
當(dāng)時(shí)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)·單行本·軸及其聯(lián)接》表5-1-49，。
圖3-7 臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算示意圖
將以上數(shù)據(jù)代入（3-1）式可得：，, 對(duì)
于剛性軸
，滿(mǎn)足臨界轉(zhuǎn)速條件。
3.1.5 主軸材料和熱處理的選擇
評(píng)價(jià)和考慮主軸主要尺寸參數(shù)的依據(jù)是主軸的剛度、結(jié)構(gòu)工藝性和主軸組件的工藝適用范圍。主軸材料的選擇主要根據(jù)剛度、載荷特點(diǎn)、耐磨性、熱處理變形大小等因素確定。主軸的剛度與材料彈性模量有關(guān)，鋼的值較大（左右），所以主軸材料首先考慮鋼料。值得注意的是鋼的彈性模量E的數(shù)值與鋼的種類(lèi)和熱處理方式無(wú)關(guān)，即不論是普通鋼或合金鋼，其彈性模量基本相同。因此在選擇鋼料時(shí)應(yīng)首先選用價(jià)格便宜的中碳鋼（如45鋼），只有在載荷特別重和有較大的沖擊時(shí)，或者精密機(jī)床主軸需要減小熱處理后的變形時(shí)，或者軸向移動(dòng)的主軸需要保證其耐磨性時(shí)，才考慮選用合金鋼。當(dāng)主軸軸承采用滾動(dòng)軸承時(shí)，軸頸可以不淬硬，但為了提高接觸剛度，防止敲碰損傷軸頸的配合表面，不少45鋼主軸軸頸仍進(jìn)行高頻淬火（48～54HRC）[9]。當(dāng)采用滑動(dòng)軸承時(shí)，為減少磨損，軸頸表面必須有很高的硬度。因此，通常在軸頸處進(jìn)行高頻淬火；對(duì)大直徑主軸（Φ350～400mm）也可用火焰淬火來(lái)提高表面硬度；對(duì)于受較大沖擊的主軸，可用15或20號(hào)鋼，并在軸頸表面滲碳、淬火及回火。主軸材料常采用的有45號(hào)鋼、GCr15等，需經(jīng)滲氮和感應(yīng)加熱淬火。
由于本次設(shè)計(jì)主軸承受載荷為中重載荷，所以材料選用45號(hào)鋼，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。
3.2 主軸傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)
3.2.1 傳動(dòng)方式的選擇
主軸上的傳動(dòng)件，主要有齒輪和帶。齒輪能傳遞較大的轉(zhuǎn)矩，是一般機(jī)床常用的傳動(dòng)副。缺點(diǎn)是線速度不能太高，傳動(dòng)也不夠平穩(wěn)。通常，線速度。為使主軸運(yùn)行平穩(wěn)，可采用斜齒輪。螺旋傾角一般不宜超過(guò)，以免引起有太大的軸向分力。主軸上盡量不要有滑移齒輪或其它活裝零件（如離合器），以免因軸頸與活裝零件孔間有間隙而引起振動(dòng)。齒輪與主軸最好用圓錐配合。
較高速的主軸，用帶傳動(dòng)可使運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。在帶傳動(dòng)中，常用的有平帶傳動(dòng)、V帶傳動(dòng)、多楔帶傳動(dòng)和同步帶傳動(dòng)等。平帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，帶輪也容易制造，在傳動(dòng)中心距較大的情況下應(yīng)用較多。常用的平帶有帆布芯平帶、編織平帶（棉織、毛織和縫合棉布帶）、錦綸片復(fù)合平帶等數(shù)種。其中以帆布芯平帶應(yīng)用最廣，它的規(guī)格可查閱國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或手冊(cè)。在一般機(jī)械傳動(dòng)中，應(yīng)用最廣泛的是V帶傳動(dòng)。V帶的橫截面呈等腰梯形，帶輪上也做出相應(yīng)的輪槽。傳動(dòng)時(shí)，V帶只和輪槽的兩個(gè)側(cè)面接觸，即以?xún)蓚?cè)面為工作面。根據(jù)槽面摩擦的原理，在同樣的張緊力下，V帶傳動(dòng)較平帶傳動(dòng)能產(chǎn)生更大的摩擦力，這是V帶傳動(dòng)性能上的最主要優(yōu)點(diǎn)。再加上V帶傳動(dòng)允許的傳動(dòng)比較大，結(jié)構(gòu)較緊湊，以及V帶多已標(biāo)準(zhǔn)化并能大量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因而V帶傳動(dòng)的應(yīng)用比平帶傳動(dòng)廣泛得多。多楔帶兼有V平帶和V帶的優(yōu)點(diǎn)：柔性好，摩擦力大，能傳遞的功率大，并解決了多根V帶長(zhǎng)短不一而使各帶受力不均的問(wèn)題。多楔帶主要用于傳遞功率較大而結(jié)構(gòu)要求緊湊的場(chǎng)合，傳動(dòng)比可達(dá)10，帶速可達(dá)40m/s。
傳動(dòng)帶易拉長(zhǎng)和磨損，設(shè)計(jì)時(shí)必須注意能調(diào)節(jié)中心距；磨損后易于更換；有可靠的防護(hù)裝置以防止與油接觸受侵蝕。當(dāng)線速度時(shí)，可用V形帶、多楔帶或同步齒形帶；時(shí)，可用橡膠或皮革平帶；時(shí)，可用絲（天然絲、錦綸絲或滌綸絲）織帶。由于本設(shè)計(jì)為較高速主軸，線速度，故選用多楔帶傳動(dòng)。
3.2.2 多楔帶帶輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
基本設(shè)計(jì)參數(shù)：由設(shè)計(jì)要求kW；本次設(shè)計(jì)選用傳動(dòng)比為1。
1. 設(shè)計(jì)功率
kW
查《現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)》[13]5.1-17，。工況系數(shù)。
2. 帶型的選擇
根據(jù)所算的設(shè)計(jì)功率，查《現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)》[13]表5.1-20，選用PJ型多楔帶。
3. 小帶輪直徑的確定
根據(jù)帶型與設(shè)計(jì)功率，查《現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)》[13]表5.1-78，小帶輪節(jié)圓直徑。
4. 大帶輪基準(zhǔn)直徑的確定
根據(jù)帶型與設(shè)計(jì)功率，查《現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)》[13]
查《現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)》[13]，可知通常
按《現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)》[13]表5.1-18圓整得：。
5. 帶速的計(jì)算
（3-5）
，查《現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)》[13]表5.1-67，
進(jìn)行動(dòng)平衡。
6. 初定中心距
（3-6）
取 。
7. 所需基準(zhǔn)長(zhǎng)度
（3-7）
查《現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)》[13]表5.1-70選取近似值
8. 實(shí)際中心距
（3-8）
9. 小帶輪包角
10. 楔數(shù)Z
（3-9）
式中 — 工作情況系數(shù)，查表5.1-17 ，；
— 傳遞的功率kW；
— 每楔的基本額定功率，查表5.1-77～5.1－81:
kW；
— 當(dāng)i=1時(shí)，；
— 彎曲影響系數(shù)，查表5.1－75，；
— 傳動(dòng)比系數(shù)，查表5.1－76，；
— 小帶輪轉(zhuǎn)速，；
— 小輪包角系數(shù)，見(jiàn)圖5.1－6，=1.0；
— 帶長(zhǎng)系數(shù)，見(jiàn)表5.1－74，。
計(jì)算得：，取。
3.2.3 多楔帶的選擇及帶輪尺寸參數(shù)的確定
1. 多楔帶帶輪的參數(shù)
多楔帶的帶輪常采用HT200制造，當(dāng)帶速超過(guò)30m/s時(shí)，常采用35或45號(hào)鋼制造。查《現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)》[13]表5.1-82，具體參數(shù)見(jiàn)表3-2，
表3-2 帶輪參數(shù)表
帶型
槽間距
實(shí)際槽深
輪槽角
最小邊距
PJ
2.34+0.03mm
1.8mm
帶型
最小槽頂圓角半徑
最大槽根圓角半徑
節(jié)線差
帶輪寬度
PJ
0.2mm
0.4mm
1.2mm
15.3mm
帶輪寬度
帶輪示意圖如圖3-8所示。
圖3-8 帶輪示意圖
2. 多楔帶的選擇
查《現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)》表5.1-69，可得多楔帶參數(shù)，具體見(jiàn)表3-3。
表3-3 多楔帶參數(shù)表
帶型
節(jié)距
帶高
計(jì)算齒高
楔角
楔根
楔頂
PJ
2.34mm
4.0mm
3.21mm
40°
0.4mm
0.2mm
寬度mm。
3.2.4 傳動(dòng)帶在主軸上的位置
查《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》卷3表6.1-5，主軸采用帶傳動(dòng)時(shí)，為了便于更換帶和防止皮帶沾油，帶輪通常裝在主軸后支承外側(cè)。如圖3-9所示。
1.帶輪 2.多楔帶 3.主軸
圖3-9傳動(dòng)件位置示意圖
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，主電動(dòng)機(jī)功率為5.5kW，～3000r/min。查《數(shù)控機(jī)床機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)》[14]表4-17，選取交流變頻調(diào)速電機(jī)，其基
本參數(shù)如表3-4。
表3-4 電機(jī)參數(shù)表
型號(hào)
極數(shù)
額定功率
額定電流
同步轉(zhuǎn)速
YTPS132S-4
4
5.5kW
18A
180-3000r/min
查表4－18，其外形安裝尺寸如下表3-5。
表3-5 電機(jī)安裝尺寸參數(shù)表
機(jī)座號(hào)
90L
32mm
50mm
20mm
7mm
340mm
180mm
具體外形如圖3-10所示。
圖3-10 電機(jī)外形尺寸圖
3.3 主軸軸承
3.3.1 主軸軸承的選用
主軸軸承是主軸組件的重要組成部分，它的類(lèi)型、結(jié)構(gòu)、配置、精度、安裝、調(diào)整、潤(rùn)滑和冷卻都直接影響了主軸組件的工作性能。常用的主軸軸承有滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承。
滾動(dòng)軸承的摩擦力小，可以預(yù)緊，潤(rùn)滑維護(hù)簡(jiǎn)單，能在一定的轉(zhuǎn)速和載荷變動(dòng)范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。滾動(dòng)軸承由專(zhuān)業(yè)化工廠生產(chǎn)，選購(gòu)維修方便。但與滑動(dòng)軸承相比，滾動(dòng)軸承的噪聲大，滾動(dòng)體數(shù)目有限，剛度是變化的，抗震性略差并且對(duì)轉(zhuǎn)速有很大限制。加工中心主軸組件在可能條件下，盡量使用滾動(dòng)軸承，特別是大多數(shù)立式主軸和主軸裝在套筒內(nèi)能夠做軸向移動(dòng)的主軸。
本次設(shè)計(jì)選用圓錐滾子軸承。查《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3.8-52選用型號(hào)為32016的圓錐滾子軸承，其基本參數(shù)表3-6。
表3-6 軸承基本參數(shù)表
極限轉(zhuǎn)速（油潤(rùn)滑）
80mm
125mm
27mm
140kN
220kN
3800
前支承軸承壽命校核
軸承壽命 （3-10）
式中 — 對(duì)滾動(dòng)軸承；
— 滾動(dòng)軸承額定動(dòng)負(fù)荷,查《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3.8-52，
kN；
— 軸承轉(zhuǎn)速,根據(jù)設(shè)計(jì)要求：r/min；
此處；
— 當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷，。
對(duì)鉆削中心整體以及設(shè)計(jì)要求進(jìn)行分析，可知滾動(dòng)軸承在此處主要承受軸向負(fù)荷。徑向負(fù)荷極小.對(duì)軸向負(fù)荷進(jìn)行估算：
N
取=2000N
（3-11）
式中 — 軸承所受徑向負(fù)荷；
— 軸承所受軸向負(fù)荷；
— 徑向系數(shù)；
— 軸向系數(shù)。
查《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3.8-50：
選取， （3-12）
,
kN
將以上數(shù)據(jù)代入軸承壽命計(jì)算公式可得：
h
一般精密機(jī)床軸承壽命為；
所以，選用該軸承滿(mǎn)足要求。后支承軸承所受力比前支承軸承力小，后支承軸承不必校驗(yàn)。
3.3.2 主軸軸承的配置
1. 主軸軸承安裝位置
根據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)要求和已選軸承分析，為適應(yīng)高剛度要求，前支承采用兩個(gè)超精密級(jí)圓錐滾子軸承的組合方式，且因軸承精度較高，能保證高的回轉(zhuǎn)精度。前后支承都采用了圓錐滾子軸承，背靠背安裝，前面兩個(gè)軸承小口朝向主軸前端，后一個(gè)軸承小口朝向主軸尾部。前支承既承受徑向載荷，又承受兩個(gè)方向的軸向載荷。后支承為圓錐滾子軸承，也是背靠背安裝。后支承僅承受徑向載荷，故可以不必進(jìn)行校核。軸承的組合形式，根據(jù)載荷大小和剛度設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，具體組合形式見(jiàn)圖3-11。
圖3-11 軸承配置示意圖
2. 主軸軸承的精度配置
在加工中心上，主軸軸承精度一般有三種B﹑C﹑D級(jí)。對(duì)于精密級(jí)主軸，前支承常采用B級(jí)軸承，后支承常采用C級(jí)軸承。普通精度級(jí)主軸前支承常采用C級(jí)軸承，后支承采用D級(jí)軸承。本設(shè)計(jì)采用前支承C級(jí)軸承，后支承采用D級(jí)軸承。
3.3.3 滾動(dòng)軸承調(diào)整和預(yù)緊方法
如圖3-9所示，本設(shè)計(jì)采用隔套調(diào)整的方法。采用兩個(gè)隔套調(diào)整，通過(guò)改變兩個(gè)調(diào)整套的寬度差達(dá)到調(diào)整軸承間隙的目的。這種調(diào)整方法不必拆卸軸承，預(yù)緊力的大小全憑操作人員的經(jīng)驗(yàn)確定。因軸承精度高，能保證較高的回轉(zhuǎn)精度，軸承的預(yù)緊采用修磨內(nèi)圈的方式。
隔套的選?。?
查《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表1.8－7,查得內(nèi)隔套,材料為HT150，具體參數(shù)參考表3-7，結(jié)構(gòu)圖如圖3-12所示。
表3-7 內(nèi)隔套基本參數(shù)表
型號(hào)
平行度
A
80mm
95mm
0.040mm
5～120mm
圖3-12 隔套示意圖
3.3.4 主軸軸承的潤(rùn)滑
1. 潤(rùn)滑方式的選擇
主軸組件的潤(rùn)滑密封是加工中心使用和維護(hù)過(guò)程中值得重視的兩個(gè)問(wèn)題。良好的潤(rùn)滑效果可以減低摩擦﹑降低軸承的工作溫度。密封不僅要防止灰塵和切削液進(jìn)入，還要防止?jié)櫥偷男孤?。?rùn)滑劑和潤(rùn)滑方式?jīng)Q定于軸承的類(lèi)型﹑速度和工作負(fù)荷。如果選擇的合適，可以降低軸承的工作溫度和延長(zhǎng)使用壽命。以往加工中心主軸軸承的潤(rùn)滑方式，大多采用油脂封入式潤(rùn)滑方式。但這種潤(rùn)滑方式的轉(zhuǎn)速有一定的限度，為了適應(yīng)主軸轉(zhuǎn)速向高速化發(fā)展的需要，相繼開(kāi)發(fā)了新型潤(rùn)滑和冷卻方式。在加工中心上，主軸軸承的潤(rùn)滑方式主要有：油脂潤(rùn)滑﹑油液潤(rùn)滑﹑油液循環(huán)潤(rùn)滑﹑油霧潤(rùn)滑﹑油氣潤(rùn)滑等方式。
滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑基于彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑方式。滾動(dòng)體和滾道接觸處壓強(qiáng)很高，會(huì)產(chǎn)生接觸變形。接觸區(qū)是一小塊面積的接觸，而不是一條線或一個(gè)點(diǎn)的接觸。潤(rùn)滑劑在高壓下被壓縮，黏度急劇升高。瞬時(shí)局部高黏度的油可以在接觸區(qū)形成油膜，把滾動(dòng)體和滾道分隔開(kāi)。滾動(dòng)體滾道的接觸面積小，所以需要的潤(rùn)滑劑也很少。
滾動(dòng)軸承可以用潤(rùn)滑脂或潤(rùn)滑油潤(rùn)滑。在速度較低時(shí)，用潤(rùn)滑脂比用潤(rùn)滑油溫升低；速度較高時(shí)，用潤(rùn)滑油較好。本次設(shè)計(jì)主軸轉(zhuǎn)速較高，所以選用油潤(rùn)滑。
主軸軸承速度較高時(shí)，宜采用油潤(rùn)滑。它不僅摩擦阻力消，冷卻效果好，還具有沖洗作用。滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑所需油量是很少的，約每分鐘1～5滴。油量增加，則因攪拌作用而使油溫升高；油量若再增加，則冷卻作用逐漸超過(guò)了攪拌作用，溫升將下降，但耗能卻加大了。常用油的粘度（40％）為12～13。
油滑方式較多，為選取合適的油潤(rùn)滑方式，查《專(zhuān)用機(jī)床設(shè)備設(shè)計(jì)》表3-13，利用值選取。為軸承的平均直徑，即（外徑+內(nèi)徑）/2； 為軸的轉(zhuǎn)速。
=615000
查表3-13，圓錐滾子軸承在=615000時(shí)，應(yīng)選取油氣潤(rùn)滑方式。
2. 油氣潤(rùn)滑工作原理
其工作原理如圖3-13所示。一路經(jīng)氣閥進(jìn)入注油器，定時(shí)器定時(shí)打開(kāi)氣閥，壓縮空氣把一股油注入油氣混合室，與經(jīng)節(jié)流閥來(lái)的另一路壓縮空氣混合，進(jìn)入塑料管道。塑料管道孔徑約為1.5mm，油附在管壁上，在壓縮空氣流的作用下蠕動(dòng)到噴嘴處，噴向軸承。往混合室內(nèi)注油是間歇的，但噴嘴處噴油卻是連續(xù)的。管道越長(zhǎng)，供油越均勻。油氣潤(rùn)滑器是一個(gè)可外購(gòu)的獨(dú)立部件，油氣潤(rùn)滑時(shí)，油未霧化，用過(guò)后可回收，不致污染環(huán)境，是一種很有前途的潤(rùn)滑方式。
圖3-13 油氣潤(rùn)滑工作原理圖
3.4 碟形彈簧的設(shè)計(jì)
3.4.1 鉆削力分析
普通麻花鉆每一切割刃都產(chǎn)生切向切削抗力、徑向切削抗力與軸向切削抗力。這些分力合成即為鉆削力。當(dāng)左右切削刃對(duì)稱(chēng)時(shí)，徑向抗力相平衡。切向抗力形成鉆削扭矩，它消耗了切削功率。所有切削刃上軸向抗力之和形成了鉆頭上的軸向力，如圖3-14所示：
鉆削時(shí)，工作臺(tái)載荷主要是垂直進(jìn)給方向，其大小與鉆削軸向力相同，方向相反。當(dāng)鉆削工作臺(tái)不做垂直進(jìn)給時(shí)，是工作臺(tái)的靜壓垂直載荷；當(dāng)工作臺(tái)作垂直進(jìn)給時(shí)，是工作臺(tái)垂直抗力。
查《數(shù)控機(jī)床機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)》[1-3]表2-2，當(dāng)最大鉆孔直徑為20mm時(shí)，采用高速鋼鉆頭，最大軸向力
N
鉆削中心具有一定的銑削能力，故鉆削力的分解可以參照銑削力的分解，查《數(shù)控機(jī)床機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)》得：
縱向切削力
橫向切削力
垂直切削力
故切向切削抗力=8240N
對(duì)鋼球進(jìn)行受力分析，如圖3-15，對(duì)鋼球所受合力進(jìn)行估算:
圖3-14 鉆削力分解圖
圖3-15 鋼球受力分析圖
3.4.2 碟形彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算
1. 彈簧所受載荷的估算
靜載荷 (3-13)
式中 — 彈簧所承受的重力；
— 刀具重力;
故
動(dòng)載荷
2. 彈簧的選擇與計(jì)算
(1) 彈簧的選擇
已知條件：靜載荷為500N時(shí)，變形量為5mm，導(dǎo)桿最大直徑25mm。
根據(jù)導(dǎo)桿尺寸，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)·單行本·彈簧·起重運(yùn)輸件·五金件》[23]表7-6-3，選取＝25.4mm時(shí)的碟形彈簧參數(shù)如表3-8。
表3-8 彈簧參數(shù)表
B系列
50mm
25.4mm
2mm
1.4mm
Ⅱ或Ⅲ
B系列
3.4mm
4760N
1.05mm
1140Mpa
(2) 彈簧的計(jì)算
① 壓平彈簧時(shí)的載荷的計(jì)算
B系列，對(duì)合組合
(3-14)
其中：,;,《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)·單行本·彈簧·起重運(yùn)輸件·五金件》表7-6-5得：
則5194N
② 的計(jì)算
因是對(duì)合組合，單個(gè)彈簧載荷，。
③ 的計(jì)算
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)·單行本·彈簧·起重運(yùn)輸件·五金件》圖7-6-2查得B系列，及時(shí)，，則。
④ 對(duì)合組合片數(shù)的計(jì)算
，取片數(shù)為20片。
⑤ 未受載荷時(shí)的自由高度的計(jì)算
⑥ 受載荷時(shí)的高度 的計(jì)算
⑦ 碟形彈簧壓平時(shí)的最大應(yīng)力
=
=-990N
小于60Si2MnA的屈服點(diǎn)，本彈簧符合設(shè)計(jì)要求。
⑧ 彈簧剛度 的計(jì)算
3.4.3 碟形彈簧的校核
已知,；
(1) 計(jì)算及和
=5194N
，。
(2) 計(jì)算和
根據(jù)已知數(shù)據(jù)算，根據(jù)及和，從圖7-6-0查出＝0.18，，代入求出＝0.252， ＝0.35；
(3) 確定疲勞破壞關(guān)鍵部位為Ⅱ處并計(jì)算和應(yīng)力幅
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)·單行本·彈簧·起重運(yùn)輸件·五金件》表7-6-3上確定疲勞關(guān)部位，并計(jì)算和應(yīng)力幅。
(3-15)
式中
代入上式，時(shí)
=281.2MPa=
時(shí)
=387.6MPa=
應(yīng)力幅。
(4) 校驗(yàn)持久壽命范圍
根據(jù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)·單行本·彈簧·起重運(yùn)輸件·五金件》圖7-6-5查得N≥2× 時(shí)的MPa應(yīng)力幅：
MPa>
所以此碟形彈簧能持久工作。
3.5 氣缸的設(shè)計(jì)
3.5.1 氣缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1. 氣缸的選擇
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)·單行本·氣壓傳動(dòng)》[20]表22-1-16，選擇單作用活塞式彈簧復(fù)位氣缸，工作原理圖如圖3-16所示。
圖3-16 氣缸工作原理圖
其工作原理為壓縮空氣驅(qū)動(dòng)活塞向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，復(fù)位靠彈簧力彈簧起背壓作用，輸出力隨行程而變化，適用于短行程。
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)·單行本·氣壓傳動(dòng)》表22-1-56：
（3-16）
式中 —?dú)飧纵敵鐾屏?= N
— 碟形彈簧剛度,；
— 氣缸內(nèi)徑，；
— 氣缸工作壓力，選取；
— 彈簧力，。
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)·單行本·氣壓傳動(dòng)》表22-1-64，選取,
壁厚，一般氣缸缸筒壁厚與外徑之比
所以。將以上數(shù)據(jù)代（3-2）式得：。
2. 圓柱螺旋彈簧的計(jì)算
(1) 最小載荷P1，進(jìn)行估算
(2) 最大工作載荷
N
(3) 工作行程
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)·單行本·氣壓傳動(dòng)》表22-1-69，選取。
(4) 彈簧類(lèi)別
本設(shè)計(jì)中彈簧在一天中受載次數(shù)N，次，故彈簧端部并緊、磨
平，支承圈為一圈。
(5) 彈簧材料
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)·單行本·彈簧·起重運(yùn)輸件·五金件》表2-3-5，
選擇材料為65Mn。
(6) 初算彈簧剛度
N/mm (3-17)
(7) 工作極限載荷的確定
因是Ⅲ類(lèi)載荷,，故＝2621.3N。
(8) 彈簧材料直徑d及彈簧中徑D與有關(guān)參數(shù)的確定
根據(jù)條件從《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)·單行本·彈簧·起重運(yùn)輸件·五金件》
表7-2-19得，見(jiàn)表3-9。
表3-9 彈簧參數(shù)表
12mm
85mm
4189N
12.56mm
333N/mm
(9) 有效圈數(shù)的計(jì)算
，按表7-2-10取標(biāo)準(zhǔn)值。
(10) 總?cè)?shù)的確定
(11) 彈簧剛度的計(jì)算
=N/mm
(12) 工作極限載荷下變形量的計(jì)算
mm
(13) 節(jié)距的計(jì)算
mm
(14) 自由高度的確定
；按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)·單行
本·彈簧·起重運(yùn)輸件·五金件》表7-2-12取標(biāo)準(zhǔn)值，。
(15) 彈簧外徑的確定
(16) 彈簧內(nèi)徑確定
(17) 最小載荷時(shí)的高度確定
(18) 最大載荷時(shí)的高度確定
mm
(19) 實(shí)際工作行程的確定
mm
(20) 高徑比的計(jì)算
，不必進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，此彈簧能夠滿(mǎn)足設(shè)
計(jì)要求。
3.5.2 氣動(dòng)回路選擇
1. 壓力控制回路概述
壓力控制回路是對(duì)系統(tǒng)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制的回路。在氣動(dòng)控制系統(tǒng)中，進(jìn)行壓力控制主要有兩種。第一是控制一次壓力，提高氣動(dòng)系統(tǒng)工作的安全性。第二是控制二次壓力，給氣動(dòng)裝置提供穩(wěn)定的工作壓力，這樣才能充分發(fā)揮元件的功能和性能。
2. 一次壓力控制回路圖
3-17所示為一次壓力控制回路。此回路主要用于把空氣壓縮機(jī)的輸出壓力控制在一定的壓力范圍內(nèi)。因?yàn)橄到y(tǒng)中壓力過(guò)高，除了會(huì)增加壓縮空氣輸送過(guò)程中的壓力損失和泄漏以外，還會(huì)使管道或元件破裂而發(fā)生危險(xiǎn)。因此，壓力應(yīng)始終控制在系統(tǒng)的額定值以下。
1－溢流閥 2－空氣壓縮機(jī) 3－單向閥 4－氣罐 5－電觸點(diǎn)式壓力計(jì) 6－氣源調(diào)節(jié)裝置
圖3-17 一次壓力控制回路
該回路中常用外控性溢流閥1保持供氣壓力基本恒定和用電觸點(diǎn)式壓力計(jì)5來(lái)控制空氣壓縮機(jī)2的轉(zhuǎn)、停，使氣罐4內(nèi)的壓力保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。一般情況下，空氣壓縮機(jī)的出口壓力為0.8Mpa左右。
3. 二次壓力控制回路
圖3-18所示為二次壓力控制回路。此回路的主要作用是對(duì)氣動(dòng)裝置的氣源入口處壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，提供穩(wěn)定地工作壓力。
該回路一般由空氣過(guò)濾器、減壓閥和油霧器組成，通常稱(chēng)為氣動(dòng)調(diào)節(jié)裝置（氣動(dòng)三聯(lián)件）。其中，過(guò)濾器除去壓縮空氣中的灰塵、水分等雜質(zhì)；減壓閥調(diào)節(jié)壓力并使其穩(wěn)定；油霧器使清潔的潤(rùn)滑油霧化后注入空氣流中，對(duì)需要潤(rùn)滑的部件進(jìn)行潤(rùn)滑。
a)詳圖 b)簡(jiǎn)圖
1－空氣過(guò)濾器 2－減壓閥 3－壓力計(jì) 4－油霧器
圖3-18 二次壓力控制回路
4. 控制回路的選擇
通過(guò)對(duì)以上兩種回路的分析結(jié)合本設(shè)計(jì)的實(shí)際需要，應(yīng)選用二次壓力控制回路。二次壓力控制回路能夠提供穩(wěn)定的工作壓力，應(yīng)用于氣動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)非常的合適[25]。
第4章 主軸進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
4.1 概述
4.1.1 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的組成
如圖4-1所示，伺服進(jìn)給系統(tǒng)是一個(gè)雙閉環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)是速度環(huán)，外環(huán)是位置環(huán)。速度環(huán)中可以采用測(cè)速發(fā)電機(jī)、脈沖編碼器等作為速度反饋的檢測(cè)裝置。速度控制單元是一個(gè)獨(dú)立的單元部件，它由速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、功率驅(qū)動(dòng)放大器等各部分組成。位置環(huán)是由CNC裝置中的位置控制模塊、速度控制單元、位置檢測(cè)及反饋控制等各部分組成。位置控制主要是對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)進(jìn)行控制。
圖4-1 伺服進(jìn)給系統(tǒng)組成示意圖
4.1.2 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的類(lèi)型
加工中心伺服系統(tǒng)一般為閉環(huán)或半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。
（1） 閉環(huán)伺服系統(tǒng) 如圖4-2所示是典型的閉環(huán)伺服系統(tǒng)，它由伺服電動(dòng)機(jī)、檢測(cè)裝置、比較電路、伺服放大系統(tǒng)等部分組成。閉環(huán)伺服系統(tǒng)根據(jù)來(lái)自檢測(cè)裝置的反饋信號(hào)與指令信號(hào)比較的結(jié)果進(jìn)行速度和位置的控制。這種系統(tǒng)通常是直接從安裝在工作臺(tái)等移動(dòng)部件上的檢測(cè)裝置中取得反饋信號(hào)，閉環(huán)系統(tǒng)可以消除機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的全部誤差，控制精度較高，因此適用于高精度或大型加工中心控制。
由于采用了位置檢測(cè)反饋裝置，所以閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置精度主要取決于檢測(cè)裝置的精度。閉環(huán)伺服系統(tǒng)的定為精度一般可達(dá)±0.01～0.005mm。
圖4-2 閉環(huán)伺服系統(tǒng)的工作原理
（2） 半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)如圖4-3所示。檢測(cè)元件被安裝在伺服電動(dòng)機(jī)軸或滾珠絲杠等中間傳動(dòng)件上，間接測(cè)量執(zhí)行部件位置。半閉環(huán)系統(tǒng)只能補(bǔ)償系統(tǒng)環(huán)路內(nèi)部分元件的誤差，因此，半閉環(huán)系統(tǒng)的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度要低一些，但是它的結(jié)構(gòu)與調(diào)試都比較簡(jiǎn)單。
圖4-3 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)
閉環(huán)系統(tǒng)通過(guò)直接測(cè)量工作臺(tái)等移動(dòng)部件的位移從而實(shí)現(xiàn)精度高的反饋控制。但這種測(cè)量裝置的安裝及調(diào)整都比較復(fù)雜且不易保養(yǎng)。相比之下，半閉環(huán)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)角測(cè)量就比較容易實(shí)現(xiàn)，但由于后繼傳動(dòng)鏈傳動(dòng)誤差的影響，測(cè)量補(bǔ)償精度比閉環(huán)系統(tǒng)差。
通過(guò)對(duì)以上兩種系統(tǒng)的分析比較，并結(jié)合本次設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，應(yīng)選用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。半閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且調(diào)整方便，精度較高，適合與本次設(shè)計(jì)。
4.2 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算
4.2.1 主要參數(shù)的設(shè)定
Z向工作行程350mm；
工作進(jìn)給速度1～1000mm/min；快速進(jìn)給速度為10m/min；
最大鉆孔直徑20mm；
4.2.2 切削力的估算
查《數(shù)控機(jī)床機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表2-2，當(dāng)最大鉆孔直徑為20mm時(shí)，采用高速鋼鉆頭，最大軸向力
N
鉆削中心具有一定的銑削能力，故鉆削力的分解可以參照銑削力的分解，查《銑工工藝學(xué)》中級(jí)本得：
縱向切削力
橫向切削力
垂直切削力
故計(jì)算可得：N, =211.57N，=8240N；
4.2.3 滾珠絲杠副設(shè)計(jì)計(jì)算
1. 滾珠絲杠導(dǎo)程的確定
在本設(shè)計(jì)中，電機(jī)和絲杠直接相連，傳動(dòng)比為1，即。查《數(shù)控機(jī)床機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表4-16，選擇FB-35電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，最大轉(zhuǎn)矩，則絲杠的導(dǎo)程為：
2. 確定絲杠等效轉(zhuǎn)速
最大進(jìn)給時(shí)，絲杠的轉(zhuǎn)速為r/min;最慢進(jìn)給時(shí)，絲杠的轉(zhuǎn)速為r/min, 則得到絲杠的等效轉(zhuǎn)速（估算）為：
r/min
3. 確定絲杠的等效負(fù)載
工作負(fù)載是指機(jī)床工作時(shí)，實(shí)際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力，它的數(shù)值可用進(jìn)給牽引力的試驗(yàn)公式計(jì)算。選定導(dǎo)軌為滾動(dòng)導(dǎo)軌，而一般情況下，滑動(dòng)塑料導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為0.04，則絲杠所受最大牽引力為
式中 — 為主軸箱的重力，估算
N
— 為顛覆力矩影響系數(shù)，；
計(jì)算得：N
而絲杠最小工作負(fù)載荷為：N
故其等效負(fù)載可按下式計(jì)算（估算）
N
4. 確定絲杠所受最大動(dòng)載荷
(4-1)
式中 — 額定壽命，=15000h;
— 絲杠軸向當(dāng)量負(fù)荷；
— 絲杠當(dāng)量轉(zhuǎn)速，；
— 負(fù)載性質(zhì)系數(shù)，=1.3;
— 溫度系數(shù)，；
— 可靠性系數(shù)，=1;
— 硬度系數(shù)，=1;
— 精度系數(shù)，=1。
代入上式，計(jì)算可得：kN
查《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3-7-26，選用內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)反向器雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲杠副，型號(hào)為FFZ8010，絲杠公稱(chēng)直徑，基本導(dǎo)程為，其額定動(dòng)負(fù)荷為65kN（），額定靜負(fù)荷為，4列，絲杠螺母副的接觸剛度為m，絲杠大徑為，螺母長(zhǎng)度為，取絲杠精度為1級(jí)。
5. 臨界壓縮負(fù)荷
確定絲杠螺紋部分地長(zhǎng)度,等于工作臺(tái)最大行程（）加上螺母長(zhǎng)度（）加兩端余程（）。即。支承跨距應(yīng)略大于，取。絲杠全長(zhǎng)為861mm。臨界壓縮負(fù)荷為
(4-2)
式中 — 材料的彈性模量，；
— 絲杠最小截面慣性矩，
；
— 最大受壓長(zhǎng)度，按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)??；
— 安全系數(shù)，；
— 最大軸向工作載荷，;
— 絲杠支承方式系數(shù)，查《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3.7-37，；
N>=9188N
可見(jiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于，滿(mǎn)足要求。
4.2.4 絲杠的校核
1. 臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)算
(4-3)
式中 — 絲杠最小橫截面：；
— 臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度，取=m;
— 安全系數(shù)，一般取；
— 材料密度，；
— 絲杠支承方式系數(shù)，查《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3.7－37，
取。
將以上數(shù)據(jù)代入上式，則
r/min
本設(shè)計(jì)絲杠采用一端固定，另一端游動(dòng)的支承方式，固定端選用一對(duì)角接觸球軸承，背靠背安裝，查《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3.8－50可得其參數(shù)如表4-1。
表4-1 角接觸球軸承參數(shù)表
型號(hào)
7015AC
75mm
115mm
20mm
46.8kN
44.2kN
游動(dòng)端選用深溝球軸承，查《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3.8-44可得其參數(shù)如表4-2所示。
表4-2 深溝球軸承參數(shù)表
型號(hào)
6214
70mm
125mm
24mm
60.