加工中心主軸傳動系統(tǒng)設計說明書

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1、 摘 要 加工中心由于備有刀庫并能自動更換刀具，使得工件在一次裝夾中可以完成多工序的加工。加工中心一般不需要人為干預，當機床開始執(zhí)行程序后，它將一直運行到程序結束。加工中心還賦予了專業(yè)化車間一些諸多優(yōu)點，如：降低機床的故障率，提高生產效率，提高加工精度，削減廢料量，縮短檢驗時間，降低刀具成本，改善庫存量等。由于加工中心的眾多優(yōu)勢，所以它深受全球制造企業(yè)的青睞。 加工中心主要由主軸組件、回轉工作臺、移動工作臺、刀庫及自動換刀裝置以及其它機械功能部件組成。其中的主軸組件是機床重要的組成部分，其運動性能直接影響機床加工精度與表面粗糙度。本文在查閱大量國內外文獻的基礎上，通過研究分析不同加

2、工中心主軸組件的性能，綜合地比較了其特點，并擬定了一個較為合理的主軸組件結構方案。同時，還就主軸、軸承以及絲杠等重要零件的機械性能進行了探討，并對這些零件的剛度和強度進行了校核。此外，本設計中所采用的陶瓷軸承能有效地增加主軸的剛度，從而提高了加工中心的可靠性和穩(wěn)定性。 關鍵詞 主軸組件；加工中心；數(shù)控機床 I Abstract Machining center evolved from the need to be able to perform a variety of operations and machining sequences on a workpi

3、ece on a single machine in one setup. Machining center requires little operator intervention, and once the machine has been set up, it will machine without stopping until the end of the program is reached. Some of the other advantages that machining centers give a manufacturing shop are greater mach

4、ine uptime, increased productivity, maximum part accuracy, reduced scrap, less inspection time, lower tooling costs, less inventory and so on. Because of their many advantages, machining centers become widely accepted by manufacturing enterprises in the world. Machining centers are equipped with sp

5、indle units, rotary workbench, moving workbench, tool magazines and automatic tool changers, and other mechanical function components. Spindle unit is the important motion part of the metal cutting machine tool. Its movement behavior affects the machining accuracy and surface roughness of part to be

6、 machined. Through referring to a variety of technical literatures, the characteristics of some kinds of spindle units are compared with each other based on analysis and research work on different machining centers. A reasonable scheme can be studied out. Meanwhile, the mechanical behaviors of princ

7、iple parts such as the spindle, bearings and lead screw are discussed. Their rigidity and strength are calculated and examined here. Morever, a kind of advanced ceramic bearings is introduced into the spindle unit, which can effectively enhance the rigidity of spindle units. They will improve the re

8、liability and stability of machining centers. Key words spindle unit;machining center; NC machine tool -II- 目 錄 摘 要 I Abstract II 第1章 緒 論 1 1.1 加工中心的發(fā)展狀況 1 1.1.1 加工中心的國內外發(fā)展 1 1.1.2 主軸部件的研究進展 2 1.3 課題擬解決的關鍵問題 3 1.4 解決上述問題的策略 4 第2章 方案擬定 5 2.1 加工中心主軸組件的組成 5 2.2 機械系統(tǒng)方案的確定 5 2.

9、2.1 主軸傳動機構 5 2.2.2 主軸進給機構 6 2.2.3 主軸準停機構 7 2.3 加工中心主軸組件總體設計方案的確定 9 第3章 主軸組件的主運動部件 11 3.1 主軸電動機的選用 11 3.1.1 主電機功率估算 11 3.1.2 主電機選型 12 3.2 主軸 12 3.2.1 主軸的結構設計 12 3.2.1.1 主軸軸徑的確定 13 3.2.2 主軸受力分析 13 3.2.3 主軸的強度校核 16 3.2.4 主軸的剛度校核 17 3.2.5 軸承的配合 18 3.2.6 主軸軸承設計計算 18 3.2.6.1 軸承受力分析 18 3.2

10、.6.2 軸承7017AC壽命計算 19 3.2.6.3 軸承7015AC壽命計算 19 3.3同步帶的設計計算 20 第4章 主軸組件的進給運動部件 24 4.1 進給電動機的選用 24 4.1.1 進給電動機功率的估算 24 4.1.2 進給電動機的選用 24 4.2 聯(lián)軸器的設計計算 25 4.3 垂直方向伺服進給系統(tǒng)的設計計算 25 4.3.1 切力削估算 25 4.3.2 滾珠絲杠副的設計計算 26 4.3.2.1 滾珠絲杠的導程的確定 26 4.3.2.2 確定絲杠的等效轉速 26 4.3.2.3 確定絲杠的等效負載 26 4.3.2.4 確定絲杠所受的

11、最大動載荷 27 結 論 28 致 謝 30 參考文獻 31 附錄1 33 附錄2 37 -IV- 第1章 緒 論 1.1 加工中心的發(fā)展狀況 1.1.1 加工中心的國內外發(fā)展 對于高速加工中心，國外機床在進給驅動上，滾珠絲杠驅動的加工中心快速進給大多在以上，最高已達到。采用直線電機驅動的加工中心已實用化，進給速度可提高到，其應用范圍不斷擴大。國外高速加工中心主軸轉速一般都在，由于某些機床采用磁浮軸承和空氣靜壓軸承，預計轉速上限可提高到。國外先進的加工中心的刀具交換時間，目前普遍已在左右，高的已達，甚至更快。在結構上，國外的加工中心都采用了

12、適應于高速加工要求的獨特箱中箱結構或龍門式結構。在加工精度上，國外臥式加工中心都裝有機床精度溫度補償系統(tǒng)，加工精度比較穩(wěn)定。國外加工中心定位精度基本上按德國標準驗收，行程以下，定位精度可控制在之內。此外，為適應未來加工精度提高的要求，國外不少公司還都開發(fā)了坐標鏜精度級的加工中心。 相對而言，國內生產的高速加工中心快速進給大多在左右，個別達到。而直線電機驅動的加工中心僅試制出樣品，還未進入產量化，應用范圍不廣。國內高速加工中心主軸轉速一般在，定位精度控制在之內，重復定位精度控制在之內。在換刀速度方面，國內機床多在，無法與國際水平相比[1～3]。 雖然國產數(shù)控機床在近幾年中取得了可喜的進步，但

13、與國外同類產品相比，仍存在著不少差距，造成國產數(shù)控機床的市場占有率逐年下降。 國產數(shù)控機床與國外產品相比，差距主要在機床的高速、高效和精密上。除此之外，在機床可靠性上也存在著明顯差距，國外機床的平均無故障時間（MTBF）都在小時以上，而國產機床大大低于這個數(shù)字，國產機床故障率較高是用戶反映最強烈的問題之一。 1.1.2 主軸部件的研究進展 典型加工中心的機械結構主要有基礎支承件、加工中心主軸系統(tǒng)、進給傳動系統(tǒng)、工作臺交換系統(tǒng)、回轉工作臺、刀庫及自動換刀裝置以及其他機械功能部件組成[4]。圖1-1所示為立式加工中心結構圖。 主軸系統(tǒng)為加工中心的主要組成部分，它由主軸電動機、主軸傳動系統(tǒng)以

14、及主軸組件成。和常規(guī)機床主軸系統(tǒng)相比，加工中心主軸系統(tǒng)要具有更高的轉速、更高的回轉精度以及更高的結構剛性和抗振性。 圖1-1 立式加工中心結構圖 1-切削箱 2-X軸伺服電機 3-Z軸伺服電機 4-主軸電機 5-主軸箱 6-刀庫 7-數(shù)控柜 8-操縱面板 9-驅動電柜 10-工作臺 11-滑座 12-立柱 13-床身 14-冷卻水箱 15-間歇潤滑油箱 16-機械手 隨著電氣傳動技術（變頻調速技術、電動機矢量控制技術等）的迅速

15、發(fā)展和日趨完善，高速數(shù)控機床主傳動的機械結構已得到極大的簡化，取消了帶傳動和齒輪傳動，機床主軸由內裝式電動機直接驅動，從而把機床主傳動鏈的長度縮短為零，實現(xiàn)了機床主運動的“零傳動”。這種主軸電動機與機床主軸“合二為一”的傳動結構形式，使主軸組件從機床的傳動系統(tǒng)和整體結構中相對獨立出來，因此可做成“主軸單元”，俗稱“電主軸”。由于當前電主軸主要采用的是交流高頻電動機，故也稱為“高頻主軸”。由于沒有中間傳動環(huán)節(jié)，有時又稱它為“直接驅動主軸”。電主軸是一種智能型功能部件，不但轉速高、功率大，還有一系列控制主軸溫升與振動等機床運行參數(shù)的功能，以確保其高速運轉的可靠性與安全 1.2課題的目的及內容

16、加工中心是典型的集高新技術于一體的機械加工設備，它的發(fā)展代表了一個國家設計、制造的水平，因此在國內外企業(yè)界都受到高度重視。 本課題的目的是進行立式加工中心主軸組件的結構設計，主軸組件作為加工中心的執(zhí)行元件，它確保帶動刀具進行切削加工、傳遞運動、動力及承受切削力等，并滿足相關的技術指標要求。 本課題涉及的主要技術指標有： (a)主軸孔錐度：； (b)主軸孔直徑：； (c)主軸箱行程（Z軸）：； (d)主軸轉速范圍：； (e)快速移動速度（Z軸）：； (f)進給速度（Z軸）：。 1.3 課題擬解決的關鍵問題 各類機床對其主軸組件的要求，主要是精度問題，就是要

17、保證機床在一定的載荷與轉速下，主軸能帶動工件或刀具精確地、穩(wěn)定地繞其軸心旋轉，并長期地保持這一性能。主軸組件的設計和制造，都是圍繞著解決這個基本問題出發(fā)的。為了達到相應的精度要求，通常，主軸組件應符合以下幾點設計要求[6]： 旋轉精度 旋轉精度是指機床在空載低速旋轉時，主軸前端安裝工件或刀具部位的徑向和軸向跳動值滿足要求，目的是保證加工零件的幾何精度和表面粗糙度。 剛度 指主軸組件在外力的作用下，仍能保持一定工作精度的能力。剛度不足時，不僅影響加工精度和表面質量，還容易引起振動，惡化傳動件和軸承的工作條件。設計時應在其它條件允許的條件下，盡量提高剛度值。 抗振性 指主軸組件在切削過

18、程中抵抗強迫振動和自激振動保持平穩(wěn)運轉的能力。抗振性直接影響加工表面質量和生產率，應盡量提高。 溫升和熱變形 溫升會引起機床部件熱變形，使主軸旋轉中心的相對位置發(fā)生變化，影響加工精度。并且溫度過高會改變軸承等元件的間隙、破壞潤滑條件，加速磨損。 耐磨性 指長期保持其原始精度的能力。主要影響因素是材料熱處理、軸承類型和潤滑方式。 根據(jù)本課題的設計任務要求，由于主軸的轉速并不是很高，所以在抗振性、溫升等方面不必重點考慮，而應重點考慮加工中心的旋轉精度和剛性。但是在設計時仍應綜合考慮以上幾項要求，注意吸收新技術，以獲得滿意的設計方案。 1.4 解決上述問題的策略 旋轉精度主要取決于主軸

19、、支承軸承、主軸箱上軸承座等的制造、裝配和調整精度。顯然，若要保證主軸組件的旋轉精度，則必然對主軸支承軸頸的圓度、軸承滾道及滾子的圓度、主軸及其上的回轉零件的動平衡度、止推軸承的滾道及滾動體的誤差、以及對主軸的主要定心面的徑向跳動和軸向竄動等提出較高的整體要求，要保證旋轉精度，通常應盡量滿足以上要求。 第2章 方案擬定 2.1 加工中心主軸組件的組成 主軸組件是由主軸、主軸支承、裝在主軸上的傳動件和密封件等組成的。主軸的啟動、停止和變速等均由數(shù)控系統(tǒng)控制，并通過裝在主軸上的刀具參與切削運動，是切削加工的功率輸出部件。主軸是加工中心的關鍵部件，其結構的好壞對加工中心的性能有很大的影響，它

20、決定著加工中心的切削性能、動態(tài)剛度、加工精度等。主軸內部刀具自動夾緊機構是自動刀具交換裝置的組成部分。 2.2 機械系統(tǒng)方案的確定 2.2.1 主軸傳動機構 對于現(xiàn)在的機床主軸傳動機構來說，主要分為齒輪傳動和同步帶傳動。 齒輪傳動是機械傳動中最重要的傳動之一，應用普遍，類型較多，適應性廣。其傳遞的功率可達近十萬千瓦，圓周速度可達，效率可達。齒輪傳動大多數(shù)為傳動比固定的傳動，少數(shù)為有級變速傳動。但是齒輪傳動的制造及安裝精度要求高，價格較貴，且不宜用于傳動距離過大的場合。 同步帶是嚙合傳動中唯一一種不需要潤滑的傳動方式。在嚙合傳動中，它的結構最簡單，制造最容易，最經濟，彈性緩沖的能力最強

21、，重量輕，兩軸可以任意布置，噪聲低。它的帶由專業(yè)廠商生產，帶輪自行設計制造，它在遠距離、多軸傳動時比較經濟。同步帶傳動時的線速度可達（有時允許達），傳動功率可達，傳動比可達（有時允許達），傳動效率可達。 同步帶傳動的優(yōu)點是[9]： 無滑動，能保證固定的傳動比； 預緊力較小，軸和軸承上所受的載荷小； 帶的厚度小，單位長度的質量小，故允許的線速度較高； 帶的柔性好，故所用帶輪的直徑可以較小。 其主要缺點是安裝時中心距的要求嚴格。 由于齒輪傳動需要具備較多的潤滑條件，而且為了使主軸能夠達到一定的旋轉精度，必須選擇較好的工作環(huán)境，以防止外界雜物侵入。而同步帶傳動則避免了這些狀況，并且傳動

22、效率和傳動比等都能符合課題的要求，故在本課題的主軸傳動方式中選擇同步帶傳動。 2.2.2 主軸進給機構 表2-1 滑動螺旋、滾動螺旋的特點與應用場合 滑動螺旋 滾動螺旋 結構示意圖 使用性能 (1) 摩擦系數(shù)大，傳動效率低，約； (1) 摩擦系數(shù)很低，傳動效率高達； (2) 低速運行時有爬行或振動； (2) 低速運行時無爬行、振動； (3) 磨損大，使用壽命較短； (3) 耐磨性好，磨損極??； (4) 運轉時無噪聲。 (4) 高速運行有噪聲。 結構工藝性 結構簡單，加工及安裝精度要求較低。 結構復雜，加工及安裝精度要求較高。 成 本

23、 較低。 高，是滑動螺旋的倍。 應用場合 適用于中、高速的輕、中、重載荷，如一般機床的進給機構。 適用于高、中、低速的輕、中、重載荷，如數(shù)控、精密機床的進給機構。 對于主軸的進給機構，機床通常被設計為進給電動機與絲杠直接傳動的形式。而絲杠所作的則是螺旋傳動，它能將旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動。 螺旋傳動按摩擦狀態(tài)通常分為滑動螺旋，滾動螺旋，滾滑螺旋以及液壓螺旋。如今在機床上通常采用的是滑動螺旋和滾動螺旋，下面就這兩類傳動方式進行比較，見表2-1 由于本課題中絲杠用于主軸垂直方向的進給，所以對于高低速時運行的穩(wěn)定性要求較高。故對比以上兩種螺旋傳動的特點，結合本課題的需求，故采用傳動效率

24、高、磨損小、傳動平穩(wěn)的滾動螺旋傳動方式。 2.2.3 主軸準停機構 主軸準停裝置是換刀過程所要求的在加工中心上特有得裝置，也稱之為主軸準停機構。由于刀具裝在主軸上，在切削時的切削轉矩不能完全靠錐孔的摩擦力來傳遞，因此通常在主軸前端設置一個凸鍵，當?shù)毒哐b入主軸時，刀柄上的鍵槽必須與此凸鍵對準，為保證順利換刀，主軸必須停止在某一固定的角度方向，主軸定向裝置就是為保證主軸換刀時準確停止在換刀位置而設置的。 加工中心的主軸定向裝置有機械方式和電氣方式兩種。 圖2-1 機械式主軸準停裝置 1 — 無觸點開關；2 — 感應塊； 3 — V形槽輪定位盤 4 — 定位液壓缸；5

25、 — 定向滾輪；6 — 定向活塞 圖2-1所示為V形槽輪定位盤準停裝置，在主軸上固定一個V形槽定位盤，使V形槽與主軸上的端面鍵保持所需要的相對位置關系，其工作原理為：準停前主軸必須是處于停止狀態(tài)，當接受到主軸準停指令后，主軸電動機以低速轉動，主軸箱內齒輪換擋使主軸以低速旋轉，時間繼電器開始動作，并延時4～6s，保證主軸轉穩(wěn)后接通無觸電開關1的電源，當主軸轉到圖示位置即V形槽輪定位盤3上的感應塊2與無觸點開關1相接觸后發(fā)出信號，使主軸電動機停轉。另一延時繼電器延時0.2～0.4s后，壓力油進入定位液壓缸下腔，使定向活塞向左移動，當定向活塞上的定向滾輪5頂入定位盤的V形槽內時，行程開關LS2發(fā)出

26、信號，主軸準停完成。若延時繼電器延時1s后行程開關LS2仍不發(fā)信號，說明準停沒完成，需使定向活塞6后退，重新準停。當活塞桿向右移到位時，行程開關LS1發(fā)出定向滾輪5退出凸輪定位盤凹槽的信號，此時主軸可啟動工作。 目前常采用的電氣方式有兩種，一種是利用主軸上光電脈沖發(fā)生器的同步脈沖信號；另一種是用磁力傳感器檢測定向，其工作原理如圖2-2。 圖2-2 電氣式主軸準停 在主軸上安裝一個發(fā)磁體與主軸一起旋轉，在距離發(fā)磁體旋轉外軌跡處固定一個磁傳感器，磁傳感器經過放大器與主軸控制單元連接，當主軸需要定向時，便可停止在調整好的位置上。這種定向方式結構簡單，而發(fā)磁體的線速度可達到以上。這種準停裝置

27、機械結構簡單，發(fā)磁體與磁感傳感器間沒有接觸摩擦，準停的定位精度可達，能滿足一般換刀要求。并且定向時間短，可靠性較高，所以應用的比較廣泛。發(fā)磁體可安裝在一個圓盤的邊緣，但這對較精密的、高轉速加工中心主軸來說，由于需要較高的動平衡指標，就不十分有利。另一種是將發(fā)磁體做成動平衡效果很好的圓盤，使用時只需要將圓盤整體裝在主軸上即可。在各種加工中心上 采用什么形式的主軸定向裝置，要根據(jù)各自的約束條件來選擇[12]。 本課題采用電氣式主軸準停裝置，此方式避免了機械裝置的復雜結構，只需要數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令信號，主軸就可以準確地定向。 2.3 加工中心主軸組件總體設計方案的確定 綜合2-2節(jié)

28、中的方案，本課題的總體設計方案現(xiàn)確定如下： 由于同步帶無滑動，能保證固定的傳動比，且傳動效率高，允許的線速度較高，無需安置在很良好的工作環(huán)境中，所以在主軸傳動方式中選擇同步帶傳動。但是需要注意的是同步帶的安裝具有嚴格的要求。 在主軸的進給運動中，采用滾珠絲杠。其耐磨性好、磨損小，低速運行時無爬行、無振動，能夠很好地確保Z軸的進給精度。 由于加工中心具備自動換刀功能，所以在主軸組件中還應有主軸準停裝置、刀具自動夾緊機構以及切屑清除機構。在本課題中，主軸準停機構采用磁力傳感器檢測定向，其不僅能夠使主軸停止在調整好的位置上，而且能夠檢測到主軸的轉速，并在加工中心的操控面板上顯示出來，方便機床操

29、作者調整轉速。 在換刀過程中，刀具自動夾緊機構也是不可獲缺的一部分。它控制著刀桿的松緊，使刀具在加工時能緊緊地固定在主軸上，在換刀時能輕松地卸載。本課題采用了液壓缸運行的方式，通過活塞、拉桿、拉釘?shù)纫幌盗性倪\動來達到刀桿的松緊目的。同時，為了減少液壓推力對主軸支承的磨損，在主軸的內部設置了一段碟形彈簧，使活塞對拉桿的作用起到一個緩沖的作用。同時，在換刀過程中，活塞及拉桿的內部將被加工成中空狀。其間將通入一定的壓縮空氣來清除切屑。使刀桿和主軸始終具有很好的配合精度。 在伺服系統(tǒng)中，本課題在進給系統(tǒng)中選用直流伺服電動機，而在主運動系統(tǒng)中則選用交流伺服電動機。由于交流伺服電動機具有電刷和換向

30、器，需要常常維修，故不適合于主運動系統(tǒng)中。 第3章 主軸組件的主運動部件 3.1 主軸電動機的選用 3.1.1 主電機功率估算 (1) 計算主銑削力 經驗公式[6]： （3.1） 式中： — 銑削力，即主切削力（切向圓周分力）， — 銑削深度， — 每齒進給量， — 銑削寬度， — 銑刀直徑， Z — 銑刀齒數(shù) — 銑削力修正系數(shù)， — 工件材料抗拉強度， 已知：高速鋼刀具；刀具前角；主偏角；工件材料為碳鋼；每齒進給量；刀具

31、直徑為，齒數(shù)；工件寬度，切削深度 將上述各條件代入公式（3.1），則主切削力為 切削速度[6] (2) 主電機功率估算[6] 銑削功率 主電機功率 式中：——機床主傳動系統(tǒng)傳動效率。滾珠軸承傳動效率0.99[6]，同步帶傳動效率0.98[6] 3.1.2 主電機選型 利用交流伺服系統(tǒng)可進行精密定位控制，可作為CNC機床、工業(yè)機器人等的執(zhí)行元件。 FANUC交流主軸電機S系列從0.65kW～37kW共分13種。它的特點是轉速高、輸出功率大、性能可靠、精度好、振動小、噪音低，既適合于高速切削又適合于低速重切削。該系列可應用在各種類型的數(shù)控機床上。根據(jù)主電機功率P

32、E=5.48kW[6]，故本課題選用FANUC交流主軸電機6S型號[6]。其主要技術參數(shù)如下： a) 額定輸出功率：； b) 最高速度：； c) 額定輸出轉矩：； d) 轉子慣量：。 3.2 主軸 3.2.1 主軸的結構設計 主軸的主要參數(shù)是指：主軸前軸頸直徑；主軸內孔徑；主軸懸伸量和主軸支承跨距，見圖3-1。 圖3-1 主軸主要參數(shù)示意圖 3.2.1.1 主軸軸徑的確定 主軸軸徑通常指主軸前軸頸的直徑，其對于主軸部件剛度影響較大。加大直徑，可減少主軸本身彎曲變形引起的主軸軸端位移和軸承彈性變形引起的軸端位移，從而提高主軸部件剛度。但加大直徑受到軸承值的限制，同時造成相配零

33、件尺寸加大、制造困難、結構龐大和重量增加等，因此在滿足剛度要求下應取較小值。 設計時主要用類比分析的方法來確定主軸前軸頸直徑。加工中心主軸前軸頸直徑按主電動機功率來確定，由表3.11-6[2]查得。 由于裝配需要，主軸的直徑總是由前軸頸向后緩慢地逐段減小的。在確定前軸徑后，由式3.11-1[2]可知前軸頸直徑和后軸頸直徑有如下關系： 3.2.2 主軸受力分析 軸所受的載荷是從軸上零件傳來的。計算時，常常將軸上的分布載荷簡化為集中力，其作用點取為載荷分布段的中點。而作用在軸上的扭矩，一般從傳動件輪轂寬度的中點算起。 (a) (b) (c) 圖3-3 軸承受力圖 主軸上

34、的軸承采用一端固定，另一端游動的支承形式。圖示3-3a為軸承在空間力系的總受力圖，它可分解為鉛垂面（圖3-3b）和水平面（圖3-3c）兩個平面力系。 由公式（3.1）得出切向銑削力 徑向負荷[22] 切向負荷[22] 軸向負荷[22] 圖3-4 靜不定梁鉛垂面分解圖 由于此主軸的受力屬于簡單靜不定梁類型，所以要以靜不定梁的受力方法來解決問題。圖示3-4為靜不定梁的鉛垂面受力圖。為了使其變形與原靜不定梁相同，必須滿足變形協(xié)調條件，即要求。 利用疊加法，得撓度為： （3.6） 式中： — 徑向（切向）負荷分力，單位為； — 徑向（

35、切向）負荷，單位為； — 材料的彈性模量，； — 軸慣性矩，。 由公式（3.5）得。將，代入公式（3.6），則鉛垂面的撓度為： 得 得 得 將，代入公式（3.6），則水平面的撓度為： 得 得 得 3.2.3 主軸的強度校核 從合成彎矩圖和轉矩圖上得知，主軸在截面C、D處承受了較大的彎矩，并且還受到帶輪傳動所帶來的扭矩。因此，這兩個截面是危險截面。在校核主軸的強度時應按彎扭合成強度條件進行計算。 軸的彎扭合成強度條件為[23] （3.7） 式中： —軸的計算應力，； —軸的抗彎截面系數(shù)，； —折合系數(shù)； —軸的許

36、用彎曲應力，； —軸所受的扭矩，單位為； —軸所受的彎矩，單位為。 軸的抗彎截面系數(shù)為[23] 式中： —— 軸頸處直徑，單位為； —— ，此處，為軸孔直徑。 得 根據(jù)主軸材料為，由表15-1[23]查得許用彎曲應力。按扭轉切應力為脈動循環(huán)變應力，取折合系數(shù)。 將上述參數(shù)代入公式（3.7），則軸的計算應力為 因為，所以主軸的強度符合要求。 3.2.4 主軸的剛度校核 軸在載荷作用下，將產生彎曲或扭轉變形。若變形量超過允許的限度，就會影響軸上零件的正常工作，甚至會喪失機器應有的工作性能。對于本課題的主軸，應該按軸的彎曲剛度校核。軸計算剛度經驗公式為

37、 （3.8） 式中： —軸的計算撓度，單位為； — 軸慣性量，單位為； — 軸所用材料的彈性模量，單位為； — 支承跨度，單位為； — 軸所受圓周力，單位為； — 軸所受徑向力，單位為。 — 軸的允許撓度，單位為 已知：，，，，。由表15-1-42[24]查得軸的允許撓度為 將上述參數(shù)代入公式（3.8），則軸的計算剛度為 由于，所以軸能夠滿足剛度要求。 綜上所述，軸的強度，剛度均符合校核要求。 3.2.5 軸承的配合 由于主軸軸承在工作時基本上都是內圈旋轉、外圈相對固定不動,且主軸承受載荷多為定向載荷。因此,為了提高軸承的剛

38、性,防止軸承在工作期間因摩擦發(fā)熱而引起內圈膨脹,導致內圈與主軸之間產生相對轉動現(xiàn)象, 精密機床主軸軸承內圈與主軸之間一般選擇過盈配合。另外,為了使軸承外圈溝道不只在某一局部受力,允許軸承外圈在軸承座內出現(xiàn)蠕動現(xiàn)象, 以盡可能地延長軸承的使用壽命。同時,為防止軸承外圈因熱膨脹引起與軸承座之間的過緊現(xiàn)象, 引起軸承預緊增加,導致摩擦發(fā)熱加劇,故軸承外圈與軸承座之間一般選擇間隙配合。 在本課題中，固定端前支承的7017C角接觸球軸承與軸承座的配合采用間隙配合,配合目標間隙值取3～8μm。為了提高機床的切削剛性，該軸承與主軸的配合采用過盈配合, 配合目標過盈量取0～4μm。而后支承的7015C角接觸

39、球軸承與主軸選用過盈配合, 配合目標過盈量取0～3μm。與軸承座之間為間隙配合,配合目標間隙值取9～15μm[21]。 3.2.6 主軸軸承設計計算 3.2.6.1 軸承受力分析 軸承的受力簡圖參見圖3-3。從圖上可知，在A、B兩處所用的是同種型號的角接觸球軸承，且D處的軸承是成對使用，共同承擔支承作用。所以，校驗C、D處7017AC軸承只需取受力最大處即可。 已知： ，， ， 則軸承7017AC所受徑向合力為 軸承7015AC所受徑向合力為 3.2.6.2 軸承7017AC壽命計算 軸承的工作年限為7年（一年按300天計算），每天兩班工作制（按16h計算），則軸承預期

40、計算壽命為 已知軸承7017AC所受的軸向負荷，徑向負荷。由表13-5[23]查得分界判斷系數(shù)。 由表13-5[23]查得徑向動載荷系數(shù)X=1，軸向動載荷系數(shù)Y=0。根據(jù)載荷性質為中等沖擊，由表13-6[23]查得載荷系數(shù)一般為，取。則軸承的當量動載荷為[23] 以小時數(shù)表示的軸承壽命（單位為h）為 （3.9） 式中： — 失效率（可靠度）的基本額定壽命（） — 軸承的轉速，單位為； — 基本額定動載荷，單位為； — 當量動載荷，單位為； — 壽命指數(shù)，對球軸承，滾子軸承。 查表22-42[5]得基本額定動載荷。

41、將上述參數(shù)代入公式（3.9），則以小時數(shù)表示的軸承壽命為 由于，所以能夠滿足要求。 3.2.6.3 軸承7015AC壽命計算 軸承的工作年限為7年（一年按300天計算），每天兩班工作制（按16h計算），則軸承預期計算壽命為 已知軸承7015AC所受的軸向負荷，徑向負荷。由表13-5[23]查得分界判斷系數(shù)。 由表13-5[23]查得徑向動載荷系數(shù)X=0.41，軸向動載荷系數(shù)Y=0.87。根據(jù)載荷性質為中等沖擊，由表13-6[23]查得載荷系數(shù)一般為，取。則軸承的當量動載荷為[23] 查表22-42[5]得基本額定動載荷。將上述參數(shù)代入公式（3.9），則以小時數(shù)表示

42、的軸承壽命為 由于，所以能夠滿足要求。 3.3同步帶的設計計算 (1) 設計功率 根據(jù)工作機為加工中心，原動機為交流電動機，每天兩班制工作（按計），由表[5]查得。故設計功率為[5]： 式中： — 傳遞的功率， — 載荷修正系數(shù) (2) 選定帶型和節(jié)距 根據(jù)設計功率，小帶輪轉速，由圖[5]確定帶輪的帶型為H型。 按照同步帶的帶型為H型，由表[5]查得節(jié)距 (3) 小帶輪齒數(shù) 根據(jù)小帶輪轉速，同步帶的帶型為H型，由表[5]查得小帶輪的最小齒數(shù)，故取 (4) 小帶輪節(jié)圓直徑 式中： — 小帶輪齒數(shù)； — 節(jié)距。 按照小帶輪齒數(shù)，

43、同步帶的帶型為H型，由表[5]查得其外徑 (5) 大帶輪齒數(shù) 式中： — 小帶輪轉速； — 大帶輪轉速。 大帶輪齒數(shù) (6) 大帶輪節(jié)圓直徑 式中： — 節(jié)距。 按大帶輪齒數(shù)，同步帶帶型為H型，由表[5]查得其外徑 (7) 帶速 式中： — 小帶輪節(jié)圓直徑； — 小帶輪轉速。 (8) 初定軸間距 經驗公式[5]： （3.10） 式中： — 小帶輪節(jié)圓直徑； — 大帶輪節(jié)圓直徑。 將，值代入公式（3.10），得。 故取。 (9) 帶長及其齒數(shù) 式中： — 帶長；

44、 — 初定軸間距； — 小帶輪節(jié)圓直徑； — 大帶輪節(jié)圓直徑。 按帶長，同步帶的帶型為H型，由表[5]查得應選用帶長代號為的H型同步帶，節(jié)線長，節(jié)線長上的齒數(shù)。 (10) 實際軸間距 實際軸間距 式中： — 初定軸間距； — 節(jié)線長； — 帶長。 (11) 小帶輪嚙合齒數(shù) 式中： — 小帶輪嚙合齒數(shù)； — 節(jié)距。 (12) 基本額定功率 按照同步帶的帶型為H型，由表[5]查得帶的許用工作拉力，帶的單位長度的質量?；绢~定功率為： 式中： — 寬度為的帶的許用工作拉力

45、 — 寬度為的帶單位長度的質量 (13) 帶寬 按同步帶的帶型為H型，由表[5]查得；按小帶輪嚙合齒數(shù)，由表[5]查得嚙合齒數(shù)系數(shù)。帶寬為： 式中： — 嚙合齒數(shù)系數(shù) — 同步帶的基準寬度， 按照帶寬，同步帶帶型為H型，由表[5]確定選帶寬代號為的H型帶，其帶寬 第4章 主軸組件的進給運動部件 4.1 進給電動機的選用 4.1.1 進給電動機功率的估算 1.傳動效率η 根據(jù)本課題的結構設計，在進給部分中主要的機械傳動效率由聯(lián)軸器、滾珠軸承及滾動絲杠傳動組成。其中，聯(lián)軸器效率為0.99[6]，滾珠軸承效率為0.99[6]，滾動絲杠傳動效率為0.95[6

46、]。 總傳動效率： 2.電動機功率[6] 式中： — 進給傳動電動機功率，； — 進給牽引力，； — 進給速度，； — 進給傳動鏈的總機械效率。 4.1.2 進給電動機的選用 寬調速直流伺服電動機的結構特點是勵磁便于調整，易于安排補償繞組和換向極，電動機的換向性能得到改善，成本低，可以在較寬的速度范圍內得到恒轉速特性。當然，寬調速直流伺服電動機體積較大，其電刷易磨損，壽命受到一定限制。 日本法納克（FANUC）公司生產的用于工業(yè)機器人、CNC機床、加工中心（MC）的L系列適合于在頻繁啟動、制動場合應用。根據(jù)估算得出的電動機功率，選用FANUC的6L型電動機，其主要性

47、能指標如下： a) 輸出功率：； b) 額定轉矩：； c) 最大轉矩：； d) 最高轉速：； e) 轉子慣量：。 4.2 聯(lián)軸器的設計計算 (1) 類型選擇 為了隔離振動與沖擊，選用凸緣聯(lián)軸器。 (2) 載荷計算 已知進給電動機的額定轉矩為。根據(jù)工作機的轉矩是變化的，且沖擊載荷較大，原動機類型為電動機，由表14-1[23]查得工作情況系數(shù)。則計算轉矩為： (3) 型號選擇 選擇聯(lián)軸器時，聯(lián)軸器的許用轉矩要大于計算轉矩，許用最大轉速要大于電動機轉速。由GB5843-86中查得YL5型凸緣聯(lián)軸器的許用轉矩為，許用最大轉速為，適合于尺寸在之間的軸頸。故能夠滿足要求。 4

48、.3 垂直方向伺服進給系統(tǒng)的設計計算 4.3.1 切力削估算 由公式（3.1）得出切向銑削力 縱向切削力[22] 橫向切削力[22] 垂直切削力[22] 絲杠承重初估 4.3.2 滾珠絲杠副的設計計算 4.3.2.1 滾珠絲杠的導程的確定 在本課題中，電機和絲杠直接相連，所以傳動比，選擇電機6L型的最高工作轉速，最大轉矩，則絲杠的導程為： 4.3.2.2 確定絲杠的等效轉速 最大進給時，絲杠的轉速為 最慢進給時，絲杠的轉速為 則得到絲杠的等效轉速（估算）為 式中： —— 軸向載荷F1，F(xiàn)2作用下的轉速，單位為； —— 軸向載荷F1，F(xiàn)2作用下

49、的時間，單位為s。 4.3.2.3 確定絲杠的等效負載 工作負載是指機床工作時，實際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力，它的數(shù)值可用進給牽引力的試驗公式計算。選定導軌為滾動導軌，而一般情況下，滾動導軌的摩擦系數(shù)為，取摩擦系數(shù)為，則絲杠所受的最大工作負載為 式中： —— 顛覆力矩影響系數(shù)，一般取為。 而絲杠的最小工作負載為 故其等效負載可按下式計算（估算；）： 4.3.2.4 確定絲杠所受的最大動載荷 取絲杠的工作壽命為，同時取精度系數(shù)，負荷性質系數(shù)，溫度系數(shù)，硬度系數(shù)，可靠性系數(shù)[7]；平均轉速為。 則最大動載荷為 根據(jù)動載荷要求，選用插管埋入式雙螺母

50、墊片預緊滾珠絲杠副，型號為[5]。絲杠公稱直徑為，基本導程，其額定動載荷（），額定靜載荷，圈數(shù)列數(shù)=，絲杠螺母副的接觸剛度為，螺母長度為，取絲杠的精度為級。在本課題中采用雙螺母墊片式預緊。 結 論 本課題的指導思想是在滿足立式加工中心主軸組件的工作要求的前提下，盡可能使其性能優(yōu)越，傳動平穩(wěn)，并且使加工中心的整體機構的體積、質量盡可能減小，從而降低成本。 本課題確定了立式加工中心主軸組件的總體設計方案，對主軸組件的各組成機構進行了方案論證、設計計算以及選型。同時，通過對加工中心主軸組件的主要部件，如：主軸、軸承、絲杠、鍵等進行校核，較為理想地實現(xiàn)了任務書中對立式加工中心主軸組件的技術

51、指標。加工中心主軸組件的運轉過程比較平穩(wěn)，且主軸組件的結構簡單，拆裝方便，維修容易，價格低廉。 主軸組件的結構主要分為兩個部分，即主運動機構和進給運動機構。而在主運動機構中，按照功能來分，可主要分為主軸傳動機構、主軸準停機構、刀具自動夾緊機構以及切屑清除機構。 本課題采用了FANUC—6S型交流主軸電動機作為主軸傳動的原動力，通過同步帶傳動來實現(xiàn)主軸電機和主軸之間的減速傳動。通過對同步帶帶型的選擇，確定了同步帶傳動的線速度、帶長、軸間距等參數(shù)，并對大小帶輪進行了結構設計。為了防止同步帶的掉落，在帶輪的兩側按分別安裝了帶輪擋圈。在大帶輪上還安裝了動平衡較好的圓盤，主軸準停中的發(fā)磁體被設置在圓

52、盤上，而磁傳感器則安放于距離發(fā)磁體2～3mm處，實現(xiàn)了主軸準停功能。在刀具自動夾緊機構中，為了控制活塞的行程，采用了2個型號為LX19-111的行程開關，避免了刀具產生夾持過緊或過松的現(xiàn)象。為了提高主軸的剛度，主軸的支承采用了三支承形式，并在前后支承處讓角接觸軸承進行背對背安裝，使主軸能夠承受雙向的軸向載荷。通過計算校核，主軸的剛度和強度滿足設計的要求。同時，由于采用了混合陶瓷軸承，使軸承的運轉速度提高、剛性增大、熱穩(wěn)定性更好，改善了全鋼軸承所存在的一些不足之處。軸承的潤滑方式采用脂潤滑，其潤滑油的類型為高級鋰基油脂。 在主軸組件的進給傳動機構中，本課題采用了FANUC-6L型直流伺服電動機

53、作為原動機。電動機的輸出軸與絲杠通過凸緣聯(lián)軸器直接相連。絲杠的前支承采用了深溝球軸承，而后支承則采用了型號為35TAC72A的角接觸軸承?？紤]到絲杠在工作時的熱膨脹，所以，在絲杠的配置形式中，選用了固定——簡支形式，使絲杠在受熱膨脹后不會產生撓度。為了限制進給機構的行程，在滾珠絲杠副處設置了兩個撞塊，并在機架上安裝了2個型號為LX12-2的行程開關，使進給機構行程控制在470mm。 致 謝 歷時將近兩個月的時間終于將這篇論文寫完，在論文的寫作過程中遇到了無數(shù)的困難和障礙，都在同學和老師的幫助下度過了。他對我進行了無私的指導和幫助，不厭其煩的幫助進行論文的修改和改進。另外，在校圖書館查找

54、資料的時候，圖書館的老師也給我提供了很多方面的支持與幫助。感謝這篇論文所涉及到的各位學者。本文引用了數(shù)位學者的研究文獻，如果沒有各位學者的研究成果的幫助和啟發(fā)，我將很難完成本篇論文的寫作。感謝我的同學和老師，在我寫論文的過程中給予我了很多你問素材，還在論文的撰寫和排版燈過程中提供熱情的幫助。由于我的學術水平有限，所寫論文難免有不足之處，懇請各位老師和學友批評和指正。 參考文獻 [1] 廖勇，黃容申．數(shù)控機床發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢．重慶石油高等?？茖W報[J]，2002， 4（2）：25～26 [2] 陳循介．從日本2001年機電一體化展看機床發(fā)展新動向．精密制造與自動化[J]，2002（1）：4

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59、又叫電腦鑼。加工中心備有刀庫，具有自動換刀功能，是對工件一次裝夾后進行多工序加工的數(shù)控機床。加工中心是高度機電一體化的產品，工件裝夾后，數(shù)控系統(tǒng)能控制機床按不同工序自動選擇、更換刀具、自動對刀、自動改變主軸轉速、進給量等，可連續(xù)完成鉆、鏜、銑、鉸、攻絲等多種工序，因而大大減少了工件裝夾時間、測量和機床調整等輔助工序時間，對加工形狀比較復雜，精度要求較高，品種更換頻繁的零件具有良好的經濟效果。 按控制軸數(shù)可分為： （1）三軸加工中心 （2）四軸加工中心 （3）五軸加工中心。 項目二 機械加工中心設備技術分類 加工中心的品種、規(guī)格較多，這里僅從結構上對其作一

60、分類。 一、立式加工中心 指主軸軸線為垂直狀態(tài)設置的加工中心。其結構形式多為固定立柱式，工作臺為長方形，無分度回轉功能，適合加工盤、套、板類零件。一般具有三個直線運動坐標，并可在工作臺上安裝一個水平軸的數(shù)控回轉臺，用以加工螺旋線零件。 立式加工中心裝夾工件方便，便于操作，易于觀察加工情況，但加工時切屑不易排除，且受立柱高度和換刀裝置的限制，不能加工太高的零件。 立式加工中心的結構簡單，占地面積小，價格相對較低，應用廣泛。 二、臥式加工中心 指主軸軸線為水平狀態(tài)設置的加工中心。通常都帶有可進行分度回轉運動的工作臺。臥式加工中心一般都具有三個至五個運動坐標，常見的是三個

61、直線運動坐標加一個回轉運動坐標，它能夠使工件在一次裝夾后完成除安裝面和頂面以外的其余四個面的加工，最適合加工箱體類零件。 臥式加工中心調試程序及試切時不便觀察，加工時不便監(jiān)視，零件裝夾和測量不方便，但加工時排屑容易，對加工有利。與立式加工中心相比，臥式加工中心的結構復雜，占地面積大，價格也較高。 3、 龍門式加工中心 龍門式加工中心的形狀與龍門銑床相似，主軸多為垂直設置，除自動換刀裝置外，還帶有可更換的主軸附件，數(shù)控裝置的功能也較齊全，能夠一機多用，尤其適用于加工大型或形狀復雜的零件，如飛機上的梁、框、壁板等。 我國加工中心的未來發(fā)展趨勢！ 未來發(fā)展的前景確實喜人，不

62、過吳柏林也表示，由于我國工業(yè)基礎相對薄弱、以企業(yè)為主體的創(chuàng)新體系尚未建立、數(shù)控車床產業(yè)化時間短等原因，技術上和產業(yè)上與西方發(fā)達國家相比還存在一定差距，當前的發(fā)展還需要注意四個方面的問題。 2008年12月，《高檔數(shù)控車床與基礎制造裝備科技重大專項》得到國家批準。專項對高檔數(shù)控車床等重大裝備、數(shù)控系統(tǒng)、功能部件與關鍵部件、共性技術、創(chuàng)新平臺建設及應用示范工程做出了部署?！敖衲陮ｍ棇㈤_始逐步啟動實施，車床工具行業(yè)自主創(chuàng)新能力將進一步提高，將為國產高檔數(shù)控車床持續(xù)發(fā)展奠定堅實的技術基礎?！眳前亓终f。 三年前接受中國工業(yè)報記者采訪時，吳柏林提出需要重視功能部件的發(fā)展，此時又被

63、他再一次重點提出。功能部件發(fā)展滯后的狀況似乎并沒有太多的改觀?！皵?shù)控車床的發(fā)展需要高水平、專業(yè)化、規(guī)?；a的功能部件作基礎，目前我國差距很大?！睋?jù)了解，大多數(shù)中高檔數(shù)控車床主要配套的還是發(fā)那科和西門子等國外數(shù)控系統(tǒng)，刀庫機械手、數(shù)控刀架、滾珠絲杠和導軌、電主軸等主要還是日本、德國或中國臺灣地區(qū)的產品，用戶選購國產車床時普遍提出選用境外功能部件的要求。功能部件發(fā)展的滯后性，將制約國產中高檔數(shù)控車床的發(fā)展。 吳柏林還認為，當前外商獨資趨勢應引起重視。近幾年來，車床行業(yè)有些合資企業(yè)逐步擴資轉為外商絕對控股或獨資，同時又新成立一批外商獨資企業(yè)，這些企業(yè)的產品以占領國內中高端市場為目標，其

64、技術由國外母公司控制?！拔覀冇檬袌鰮Q不到技術，又喪失市場，客觀上壓制了國內車床企業(yè)的產業(yè)升級?！? 首先是新產品開發(fā)能力不足。從行業(yè)總體看，基礎技術和關鍵技術研究還很薄弱，基礎開發(fā)理論研究、基礎工藝研究和應用軟件開發(fā)還不能適應數(shù)控技術快速發(fā)展的要求，全行業(yè)科技人才不足，缺乏高級技術人員，科技投入和科研設施尚不適應等。據(jù)了解，當前，國防軍工生產科研和國家重大工程提出的一批高端數(shù)控車床，如超重型雙龍門鏜銑床等，由于車床企業(yè)開發(fā)能力不足或完成開發(fā)的周期太長而不能承接合同，一些數(shù)控專機也由于開發(fā)人員缺乏而拖延。 同時，擴大產能與未來實際需求錯位也需引起重視。當前行業(yè)企業(yè)技術改造項

65、目的產能目標過于龐大，技改項目產品的大型化、重型化趨勢明顯，高檔數(shù)控車床制造能力和功能部件的投入顯得不足。而且，車床企業(yè)自身裝備的數(shù)控化率低，信息化管理水平不高，生產效率低，企業(yè)的競爭力沒有得到足夠的提高，“從行業(yè)整體看，是否與未來的市場需求相符，還需要研究。 數(shù)控機床是一種高技術設備,它可以通過改變數(shù)控程序,適應不同零件的自動加工,而且可以采用較大的切削用量,利用軟件進行精度校正和補償,從而提高生產效率、加工精度和加工質量,可以實現(xiàn)工序集中、一機多用,能完成復雜型面的加工。數(shù)控機床是現(xiàn)代制造業(yè)的關鍵設備,一個國家的數(shù)控機床的產量和技術水平在某種程度上反映了這個國家的制造業(yè)水平和競爭

66、力。因此數(shù)控機床是將來機床研制的重點。本文針對經濟型數(shù)控立式銑床及其控制系統(tǒng)的設計作簡要的討論。 數(shù)控銑床是機械和電子技術相結合的產物，，它的機械結構隨著電子控制技術的在銑床上的餓應用，以及銑床性能提出的新要求，而逐步變化。與不同銑床相比數(shù)控銑床用三個數(shù)控伺服系統(tǒng)替代了傳統(tǒng)的機械進給系統(tǒng)，其外形和結構與普通銑床類似。數(shù)控銑床的設計主要是進行主運動系統(tǒng)與進給系統(tǒng)的機械結構設計和控制系統(tǒng)設計 通常，一個典型的數(shù)控機床進給系統(tǒng)，由位置比較，放大元件、驅動單元、機械傳動裝置和檢測反饋元件等幾部分組成。其中，機械傳動裝置是位置控制中的一個重要環(huán)節(jié)。這里所說的機械傳動裝置，是指將驅動源的旋轉運動變?yōu)楣ぷ髋_的直線運動的整個機械傳動鏈，包括齒輪裝置、絲杠螺母副等中間傳動機構。 齒輪傳動是應用非常廣泛的一種機械傳動，各種機床的傳動裝置中幾乎都有齒輪傳動。在數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)中采用齒輪傳動裝置的目的有兩個。一是將高轉速的轉矩的伺服電機（如步進電機、直流和交流伺服電機等）的輸出改變?yōu)榈娃D速大轉矩的執(zhí)行件的輸入；另一是使?jié)L珠絲杠和工作臺的轉動慣量在系統(tǒng)中專有較小的比重。此外，對于開環(huán)系統(tǒng)還可以保