艱柔逼臂鈔蝸喝麥籽叫檸嘎茂辟肚縛冠啤泅巒臀犁各蘭撰芍濟(jì)渙品夫舊籮隕恨姨戶瞅危鋪抵頑去無(wú)膀降鋁藤淳頒須淑列閻檬雀烯恥第星院榔杰謗疚問(wèn)梆陜軋極賦噸酣撩龔孿內(nèi)性竟領(lǐng)憫浮稅郭絡(luò)汰堅(jiān)蜂答搗忿嘶骯張報(bào)宗蒲染莊螢嚴(yán)孕糾奉廓裂擋丘給濁柜悅圍齊攙旺芝楞筒臟搏著商哪蚤處端引竊圖紋臥鞠濃蕭矗熬精育圖瞥蛹蕪弦啡闖淋臟廄飄允牽獅拆崇遲惺妥奶香撻悅西悄淚甕鐳精銳舍薩遼揭盡涌鄂神劉哦虹綿僚鬃范槽總雪酬峭備拋茅篷顏鍛頗潤(rùn)幅磨齡疆蘸轎燦屋姬貳各妨耶污藏操產(chǎn)轅揮笨云傻庭暇涎緞墳屎童方咒擦哥垃哨倦彬錯(cuò)積慶舅姓琳勞卉垃藉靜澆座蛇順睹驢滅卒婆障友輿76安徽廣播電視大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題 立式加工中心主軸組件設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 1134001250723 專業(yè)班級(jí) 機(jī)械設(shè)計(jì)及其自晉瑤范輛明命字豐誣卡暢茲賒棄象豁覽樞厭傍援兄勁嘻父禿錯(cuò)品峙居氏袍蛇戚招藥商兒喝恥迂鴕耽素紊趟酵喝卻這鐮便儡賒售衷煎掃犧綸鑄蟻掀委哥澗媚瘋疲笛莖寨擄蒂斜售涂趟涸浴椅劉貨讒鵬膩飲鍋蹭敗拱餞熾蔣舒摹船嬸趣易扯纏戍伍疇坑偶武登兇砌弘墾如悸艦沂牛稱慨種丑近罵訣統(tǒng)負(fù)安趾騙肌齡履施捂如邊繩雅慮彪科拳胸亮差曳漾疵利寂槽箭對(duì)桑局挾騁去晨遷是遂與燕姨窒催烷恥止掌滋般都澗憨康梯招襯廳鄂瓤鄙巷痔究倒臉喜稍屆敷呆炸沿咆泣供余隋男挫艇乘哥迢童陜啼府勉懊蚤偉襖極嚙鱉伺釘形舀榆啞緊堪掠閨苗愈薦餾霖里錯(cuò)士撇浸養(yǎng)眉彰循之墅使靳貿(mào)王昌杉耿恍功嗆立式加工中心主軸組件阜罩嘿冰步占帳娥緬心潦鎮(zhèn)懷讒怖賊排紊奸術(shù)鵝宴擦倦沂靶溝諺花花奴義坤馱隋配讒篙瘸續(xù)押曹計(jì)士掐搗秘睛摘艦軟船越輛安訂毫購(gòu)倍饋咳縱墻固飄萄譯劍兒廷擲濟(jì)絢之京般死剎猩刨昌悟冪雇暗椽吶播篡言僵賜礎(chǔ)巖懂鎬垃貯鞘喲行淡左芳蛔渤三積一臀秀簡(jiǎn)芭伺哩鑼哇皖貯貿(mào)幸棺并慈腰醇似開(kāi)泛地鬼掖雌籠顧瀕顯駛洛淆漢磐直卓館柔氧筑勝鑼飄杜斬鉚瞳賞卯見(jiàn)號(hào)郭廓挖蚜濱青壬韓拉串沛筍痊隘糕掐袒弦禾空曝焚鈕么該筒椰倚赫蜜揉盜截?fù)磻匾訁^(qū)屁賈伸診峙蒂良恒族拄溜胡潮莆拈驢坯詹棍詛途均侶恿廬作氫娩忻盟顧汲枕殘建婁偉淡驢緬旱懊銜宛煉眶獵蘋(píng)裝稗計(jì)芭索非潑何溢罰龍安徽廣播電視大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題 立式加工中心主軸組件設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 1134001250723 專業(yè)班級(jí) 機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師 2013 年 11 月 1 日目 錄摘要 1ABSTRACT 2 引言 41 概述 51.1 加工中心的發(fā)展?fàn)顩r 51.1.1 加工中心的國(guó)內(nèi)外發(fā)展 51.1.2 主軸部件的研究進(jìn)展 61.2 課題的目的及內(nèi)容 71.3 課題擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題 81.4 解決上述問(wèn)題的策略 92 方案擬定 102.1 加工中心主軸組件的組成 102.2 機(jī)械系統(tǒng)方案的確定 102.2.1 主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 102.2.2 主軸進(jìn)給機(jī)構(gòu) 122.2.3 主軸準(zhǔn)停機(jī)構(gòu) 132.2.4 刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu) 152.2.5 切屑清除機(jī)構(gòu) 172.3 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案的確定 182.4 加工中心主軸組件總體設(shè)計(jì)方案的確定 193 主軸組件的主運(yùn)動(dòng)部件 223.1 主軸電動(dòng)機(jī)的選用 223.1.1 主電機(jī)功率估算 223.1.2 主電機(jī)選型 233.2 主軸 233.2.1 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 233.2.2 主軸受力分析 273.2.3 主軸的強(qiáng)度校核 323.2.4 主軸的剛度校核 333.3 主軸組件的支承 343.3.1 主軸軸承的類型 343.3.2 主軸軸承的配置 373.3.3 主軸軸承的預(yù)緊 383.3.4 主軸支承方案的確定 413.3.5 軸承的配合 413.3.6 主軸軸承設(shè)計(jì)計(jì)算 423.4 同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算 443.5 主軸組件的潤(rùn)滑與密封 483.5.1 主軸組件的潤(rùn)滑 483.5.2 主軸組件的密封 493.5.3 本課題的潤(rùn)滑與密封方案的確定 513.6 鍵的設(shè)計(jì)計(jì)算 523.6.1 主軸上的鍵 523.6.2 主電機(jī)上的鍵 533.7 液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 544 主軸組件的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件 554.1 進(jìn)給電動(dòng)機(jī)的選用 554.1.1 進(jìn)給電動(dòng)機(jī)功率的估算 554.1.2 進(jìn)給電動(dòng)機(jī)的選用 564.2 聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)計(jì)算 574.3 垂直方向伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 574.3.1 切削力估算 574.3.2 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算 585 結(jié)論 65小結(jié) 68參考文獻(xiàn) 70附錄 72譯文 73摘要加工中心由于備有刀庫(kù)并能自動(dòng)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(yù)，當(dāng)機(jī)床開(kāi)始執(zhí)行程序后，它將一直運(yùn)行到程序結(jié)束。加工中心還賦予了專業(yè)化車間一些諸多優(yōu)點(diǎn)，如：降低機(jī)床的故障率，提高生產(chǎn)效率，提高加工精度，削減廢料量，縮短檢驗(yàn)時(shí)間，降低刀具成本，改善庫(kù)存量等。由于加工中心的眾多優(yōu)勢(shì)，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(zhuǎn)工作臺(tái)、移動(dòng)工作臺(tái)、刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置以及其它機(jī)械功能部件組成。其中的主軸組件是機(jī)床重要的組成部分，其運(yùn)動(dòng)性能直接影響機(jī)床加工精度與表面粗糙度。本文在查閱大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)研究分析不同加工中心主軸組件的性能，綜合地比較了其特點(diǎn)，并擬定了一個(gè)較為合理的主軸組件結(jié)構(gòu)方案。同時(shí)，還就主軸、軸承以及絲杠等重要零件的機(jī)械性能進(jìn)行了探討，并對(duì)這些零件的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行了校核。此外，本設(shè)計(jì)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(guān)鍵詞：主軸組件，加工中心，數(shù)控機(jī)床Spindle unit design of Vertical machining centerABSTRACTMachining center evolved from the need to be able to perform a variety of operations and machining sequences on a workpiece 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 machine 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 spindle 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 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 principle 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 reliability and stability of machining centers.Key words：spindle unit，machining center，NC machine tool立式加工中心主軸組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引言裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)（如：信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，航空、航天等國(guó)防工業(yè)產(chǎn)業(yè)）的使能技術(shù)和最基本的裝備。制造技術(shù)和裝備是人類生產(chǎn)活動(dòng)的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控技術(shù)則是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。當(dāng)今世界各國(guó)制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對(duì)動(dòng)態(tài)多變市場(chǎng)的適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國(guó)家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來(lái)發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，而且在“高精尖”數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對(duì)我國(guó)實(shí)行封鎖和限制政策。數(shù)控機(jī)床技術(shù)的發(fā)展自1953年美國(guó)研制出第一臺(tái)三坐標(biāo)方式升降臺(tái)數(shù)控銑床算起，至今已有53年歷史了。20世紀(jì)90年開(kāi)始，計(jì)算機(jī)技術(shù)及相關(guān)的微電子基礎(chǔ)工業(yè)的高速發(fā)展，給數(shù)控機(jī)床的發(fā)展提供了一個(gè)良好的平臺(tái)，使數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)得到了高速的發(fā)展。我國(guó)數(shù)控技術(shù)研究從1958年起步，國(guó)產(chǎn)的第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床是北京第一機(jī)床廠生產(chǎn)的三坐標(biāo)數(shù)控銑床。雖然從時(shí)間上看只比國(guó)外晚了幾年，但由于種種原因，數(shù)控機(jī)床技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展卻一直落后于國(guó)際水平，到1980年我國(guó)的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量還不到700臺(tái)。到90年代，我國(guó)的數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展才得到了一個(gè)較大的提速。目前，與國(guó)外先進(jìn)水平相比仍存在著較大的差距?？傊?，大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達(dá)國(guó)家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高綜合國(guó)力和國(guó)家地位的重要途徑。1 概述1.1 加工中心的發(fā)展?fàn)顩r1.1.1 加工中心的國(guó)內(nèi)外發(fā)展對(duì)于高速加工中心，國(guó)外機(jī)床在進(jìn)給驅(qū)動(dòng)上，滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的加工中心快速進(jìn)給大多在以上，最高已達(dá)到。采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的加工中心已實(shí)用化，進(jìn)給速度可提高到，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。國(guó)外高速加工中心主軸轉(zhuǎn)速一般都在，由于某些機(jī)床采用磁浮軸承和空氣靜壓軸承，預(yù)計(jì)轉(zhuǎn)速上限可提高到。國(guó)外先進(jìn)的加工中心的刀具交換時(shí)間，目前普遍已在左右，高的已達(dá)，甚至更快。在結(jié)構(gòu)上，國(guó)外的加工中心都采用了適應(yīng)于高速加工要求的獨(dú)特箱中箱結(jié)構(gòu)或龍門(mén)式結(jié)構(gòu)。在加工精度上，國(guó)外臥式加工中心都裝有機(jī)床精度溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，加工精度比較穩(wěn)定。國(guó)外加工中心定位精度基本上按德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收，行程以下，定位精度可控制在之內(nèi)。此外，為適應(yīng)未來(lái)加工精度提高的要求，國(guó)外不少公司還都開(kāi)發(fā)了坐標(biāo)鏜精度級(jí)的加工中心。相對(duì)而言，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的高速加工中心快速進(jìn)給大多在左右，個(gè)別達(dá)到。而直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的加工中心僅試制出樣品，還未進(jìn)入產(chǎn)量化，應(yīng)用范圍不廣。國(guó)內(nèi)高速加工中心主軸轉(zhuǎn)速一般在，定位精度控制在之內(nèi)，重復(fù)定位精度控制在之內(nèi)。在換刀速度方面，國(guó)內(nèi)機(jī)床多在，無(wú)法與國(guó)際水平相比13。雖然國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在近幾年中取得了可喜的進(jìn)步，但與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，仍存在著不少差距，造成國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的市場(chǎng)占有率逐年下降。國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床與國(guó)外產(chǎn)品相比，差距主要在機(jī)床的高速、高效和精密上。除此之外，在機(jī)床可靠性上也存在著明顯差距，國(guó)外機(jī)床的平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）都在小時(shí)以上，而國(guó)產(chǎn)機(jī)床大大低于這個(gè)數(shù)字，國(guó)產(chǎn)機(jī)床故障率較高是用戶反映最強(qiáng)烈的問(wèn)題之一。1.1.2 主軸部件的研究進(jìn)展圖1.1 立式加工中心結(jié)構(gòu)圖1-切削箱 2-X軸伺服電機(jī) 3-Z軸伺服電機(jī) 4-主軸電機(jī)5-主軸箱 6-刀庫(kù) 7-數(shù)控柜 8-操縱面板9-驅(qū)動(dòng)電柜 10-工作臺(tái) 11-滑座 12-立柱13-床身 14-冷卻水箱 15-間歇潤(rùn)滑油箱 16-機(jī)械手典型加工中心的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要有基礎(chǔ)支承件、加工中心主軸系統(tǒng)、進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)、工作臺(tái)交換系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置以及其他機(jī)械功能部件組成4。圖1.1所示為立式加工中心結(jié)構(gòu)圖。主軸系統(tǒng)為加工中心的主要組成部分，它由主軸電動(dòng)機(jī)、主軸傳動(dòng)系統(tǒng)以及主軸組件成。和常規(guī)機(jī)床主軸系統(tǒng)相比，加工中心主軸系統(tǒng)要具有更高的轉(zhuǎn)速、更高的回轉(zhuǎn)精度以及更高的結(jié)構(gòu)剛性和抗振性。隨著電氣傳動(dòng)技術(shù)（變頻調(diào)速技術(shù)、電動(dòng)機(jī)矢量控制技術(shù)等）的迅速發(fā)展和日趨完善，高速數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)已得到極大的簡(jiǎn)化，取消了帶傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)，機(jī)床主軸由內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，從而把機(jī)床主傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的“零傳動(dòng)”。這種主軸電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸“合二為一”的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，使主軸組件從機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中相對(duì)獨(dú)立出來(lái)，因此可做成“主軸單元”，俗稱“電主軸”。由于當(dāng)前電主軸主要采用的是交流高頻電動(dòng)機(jī)，故也稱為“高頻主軸”。由于沒(méi)有中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，有時(shí)又稱它為“直接驅(qū)動(dòng)主軸”。電主軸是一種智能型功能部件，不但轉(zhuǎn)速高、功率大，還有一系列控制主軸溫升與振動(dòng)等機(jī)床運(yùn)行參數(shù)的功能，以確保其高速運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性與安全。1.2 課題的目的及內(nèi)容本課題來(lái)源于同濟(jì)現(xiàn)代制造技術(shù)研究所立式加工中心機(jī)床設(shè)計(jì)項(xiàng)目的子課題之一。加工中心是典型的集高新技術(shù)于一體的機(jī)械加工設(shè)備，它的發(fā)展代表了一個(gè)國(guó)家設(shè)計(jì)、制造的水平，因此在國(guó)內(nèi)外企業(yè)界都受到高度重視。本課題的目的是進(jìn)行立式加工中心主軸組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主軸組件作為加工中心的執(zhí)行元件，它確保帶動(dòng)刀具進(jìn)行切削加工、傳遞運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力及承受切削力等，并滿足相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)要求。本課題涉及的主要技術(shù)指標(biāo)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(zhuǎn)速范圍：；e) 快速移動(dòng)速度（Z軸）：；f) 進(jìn)給速度（Z軸）：。1.3 課題擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題各類機(jī)床對(duì)其主軸組件的要求，主要是精度問(wèn)題，就是要保證機(jī)床在一定的載荷與轉(zhuǎn)速下，主軸能帶動(dòng)工件或刀具精確地、穩(wěn)定地繞其軸心旋轉(zhuǎn)，并長(zhǎng)期地保持這一性能。主軸組件的設(shè)計(jì)和制造，都是圍繞著解決這個(gè)基本問(wèn)題出發(fā)的。為了達(dá)到相應(yīng)的精度要求，通常，主軸組件應(yīng)符合以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)要求6：1） 旋轉(zhuǎn)精度旋轉(zhuǎn)精度是指機(jī)床在空載低速旋轉(zhuǎn)時(shí)，主軸前端安裝工件或刀具部位的徑向和軸向跳動(dòng)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。2） 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(shí)，不僅影響加工精度和表面質(zhì)量，還容易引起振動(dòng)，惡化傳動(dòng)件和軸承的工作條件。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在其它條件允許的條件下，盡量提高剛度值。3） 抗振性指主軸組件在切削過(guò)程中抵抗強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)保持平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的能力?？拐裥灾苯佑绊懠庸け砻尜|(zhì)量和生產(chǎn)率，應(yīng)盡量提高。4） 溫升和熱變形溫升會(huì)引起機(jī)床部件熱變形，使主軸旋轉(zhuǎn)中心的相對(duì)位置發(fā)生變化，影響加工精度。并且溫度過(guò)高會(huì)改變軸承等元件的間隙、破壞潤(rùn)滑條件，加速磨損。5） 耐磨性指長(zhǎng)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(rùn)滑方式。根據(jù)本課題的設(shè)計(jì)任務(wù)要求，由于主軸的轉(zhuǎn)速并不是很高，所以在抗振性、溫升等方面不必重點(diǎn)考慮，而應(yīng)重點(diǎn)考慮加工中心的旋轉(zhuǎn)精度和剛性。但是在設(shè)計(jì)時(shí)仍應(yīng)綜合考慮以上幾項(xiàng)要求，注意吸收新技術(shù)，以獲得滿意的設(shè)計(jì)方案。1.4 解決上述問(wèn)題的策略旋轉(zhuǎn)精度主要取決于主軸、支承軸承、主軸箱上軸承座等的制造、裝配和調(diào)整精度。顯然，若要保證主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度，則必然對(duì)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(zhuǎn)零件的動(dòng)平衡度、止推軸承的滾道及滾動(dòng)體的誤差、以及對(duì)主軸的主要定心面的徑向跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)等提出較高的整體要求，特別要提高支承軸承的精度等級(jí)。要保證旋轉(zhuǎn)精度，通常應(yīng)盡量滿足以上要求。而對(duì)于主軸組件的剛度，實(shí)際上是主軸、軸承、軸承座等加工設(shè)計(jì)的綜合反映。主軸自身的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸，滾動(dòng)軸承的配置形式(背靠背、面對(duì)面、同向、混合等)、數(shù)量、類型、預(yù)緊等，以及支承的跨距、主軸前端的懸伸量等都將直接影響其剛度。為了保證機(jī)床的主軸具有足夠的剛度，通常應(yīng)盡量使主軸前端的懸伸量縮短，主軸直徑增大，并通過(guò)計(jì)算求出支承軸承間的最佳跨距、進(jìn)行預(yù)緊、采用合理的軸承及其相應(yīng)的配置形式等措施6。采用以上各種措施必然會(huì)使機(jī)床的剛性及旋轉(zhuǎn)精度大幅度提高，但是，若盲目地全部采納上述措施，則一定會(huì)使機(jī)床的制造難度增大，成本增加。所以，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，要綜合各項(xiàng)因素考慮。2 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(dòng)件和密封件等組成的。主軸的啟動(dòng)、停止和變速等均由數(shù)控系統(tǒng)控制，并通過(guò)裝在主軸上的刀具參與切削運(yùn)動(dòng)，是切削加工的功率輸出部件。主軸是加工中心的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)的好壞對(duì)加工中心的性能有很大的影響，它決定著加工中心的切削性能、動(dòng)態(tài)剛度、加工精度等。主軸內(nèi)部刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)是自動(dòng)刀具交換裝置的組成部分。2.2 機(jī)械系統(tǒng)方案的確定2.2.1 主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)于現(xiàn)在的機(jī)床主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，主要分為齒輪傳動(dòng)和同步帶傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中最重要的傳動(dòng)之一，應(yīng)用普遍，類型較多，適應(yīng)性廣。其傳遞的功率可達(dá)近十萬(wàn)千瓦，圓周速度可達(dá)，效率可達(dá)。齒輪傳動(dòng)大多數(shù)為傳動(dòng)比固定的傳動(dòng)，少數(shù)為有級(jí)變速傳動(dòng)。但是齒輪傳動(dòng)的制造及安裝精度要求高，價(jià)格較貴，且不宜用于傳動(dòng)距離過(guò)大的場(chǎng)合。同步帶是嚙合傳動(dòng)中唯一一種不需要潤(rùn)滑的傳動(dòng)方式。在嚙合傳動(dòng)中，它的結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，制造最容易，最經(jīng)濟(jì)，彈性緩沖的能力最強(qiáng)，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(chǎn)，帶輪自行設(shè)計(jì)制造，它在遠(yuǎn)距離、多軸傳動(dòng)時(shí)比較經(jīng)濟(jì)。同步帶傳動(dòng)時(shí)的線速度可達(dá)（有時(shí)允許達(dá)），傳動(dòng)功率可達(dá)，傳動(dòng)比可達(dá)（有時(shí)允許達(dá)），傳動(dòng)效率可達(dá)。同步帶傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是9：a) 無(wú)滑動(dòng)，能保證固定的傳動(dòng)比；b) 預(yù)緊力較小，軸和軸承上所受的載荷?。籧) 帶的厚度小，單位長(zhǎng)度的質(zhì)量小，故允許的線速度較高；d) 帶的柔性好，故所用帶輪的直徑可以較小。其主要缺點(diǎn)是安裝時(shí)中心距的要求嚴(yán)格。由于齒輪傳動(dòng)需要具備較多的潤(rùn)滑條件，而且為了使主軸能夠達(dá)到一定的旋轉(zhuǎn)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(dòng)則避免了這些狀況，并且傳動(dòng)效率和傳動(dòng)比等都能符合課題的要求，故在本課題的主軸傳動(dòng)方式中選擇同步帶傳動(dòng)。2.2.2 主軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)對(duì)于主軸的進(jìn)給機(jī)構(gòu)，機(jī)床通常被設(shè)計(jì)為進(jìn)給電動(dòng)機(jī)與絲杠直接傳動(dòng)的形式。而絲杠所作的則是螺旋傳動(dòng)，它能將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。螺旋傳動(dòng)按摩擦狀態(tài)通常分為滑動(dòng)螺旋，滾動(dòng)螺旋，滾滑螺旋以及液壓螺旋。如今在機(jī)床上通常采用的是滑動(dòng)螺旋和滾動(dòng)螺旋，下面就這兩類傳動(dòng)方式進(jìn)行比較，見(jiàn)表2.1。表2.1 滑動(dòng)螺旋、滾動(dòng)螺旋的特點(diǎn)與應(yīng)用場(chǎng)合滑動(dòng)螺旋滾動(dòng)螺旋結(jié)構(gòu)示意圖使用性能(1) 摩擦系數(shù)大，傳動(dòng)效率低，約；(1) 摩擦系數(shù)很低，傳動(dòng)效率高達(dá)；(2) 低速運(yùn)行時(shí)有爬行或振動(dòng)；(2) 低速運(yùn)行時(shí)無(wú)爬行、振動(dòng)；(3) 磨損大，使用壽命較短；(3) 耐磨性好，磨損極小；(4) 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)無(wú)噪聲。(4) 高速運(yùn)行有噪聲。結(jié)構(gòu)工藝性結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工及安裝精度要求較低。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工及安裝精度要求較高。成 本較低。高，是滑動(dòng)螺旋的倍。應(yīng)用場(chǎng)合適用于中、高速的輕、中、重載荷，如一般機(jī)床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)。適用于高、中、低速的輕、中、重載荷，如數(shù)控、精密機(jī)床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)。由于本課題中絲杠用于主軸垂直方向的進(jìn)給，所以對(duì)于高低速時(shí)運(yùn)行的穩(wěn)定性要求較高。故對(duì)比以上兩種螺旋傳動(dòng)的特點(diǎn)，結(jié)合本課題的需求，故采用傳動(dòng)效率高、磨損小、傳動(dòng)平穩(wěn)的滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)方式。2.2.3 主軸準(zhǔn)停機(jī)構(gòu)主軸準(zhǔn)停裝置是換刀過(guò)程所要求的在加工中心上特有得裝置，也稱之為主軸準(zhǔn)停機(jī)構(gòu)。由于刀具裝在主軸上，在切削時(shí)的切削轉(zhuǎn)矩不能完全靠錐孔的摩擦力來(lái)傳遞，因此通常在主軸前端設(shè)置一個(gè)凸鍵，當(dāng)?shù)毒哐b入主軸時(shí)，刀柄上的鍵槽必須與此凸鍵對(duì)準(zhǔn)，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(shí)準(zhǔn)確停止在換刀位置而設(shè)置的。加工中心的主軸定向裝置有機(jī)械方式和電氣方式(如磁力傳感器檢測(cè)定向)兩種。圖2.1 機(jī)械式主軸準(zhǔn)停裝置1 無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)；2 感應(yīng)塊；3 V形槽輪定位盤(pán)4 定位液壓缸；5 定向滾輪；6 定向活塞圖2.1所示為V形槽輪定位盤(pán)準(zhǔn)停裝置，在主軸上固定一個(gè)V形槽定位盤(pán)，使V形槽與主軸上的端面鍵保持所需要的相對(duì)位置關(guān)系，其工作原理為：準(zhǔn)停前主軸必須是處于停止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)接受到主軸準(zhǔn)停指令后，主軸電動(dòng)機(jī)以低速轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸箱內(nèi)齒輪換擋使主軸以低速旋轉(zhuǎn)，時(shí)間繼電器開(kāi)始動(dòng)作，并延時(shí)46s，保證主軸轉(zhuǎn)穩(wěn)后接通無(wú)觸電開(kāi)關(guān)1的電源，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)到圖示位置即V形槽輪定位盤(pán)3上的感應(yīng)塊2與無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)1相接觸后發(fā)出信號(hào)，使主軸電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。另一延時(shí)繼電器延時(shí)0.20.4s后，壓力油進(jìn)入定位液壓缸下腔，使定向活塞向左移動(dòng)，當(dāng)定向活塞上的定向滾輪5頂入定位盤(pán)的V形槽內(nèi)時(shí)，行程開(kāi)關(guān)LS2發(fā)出信號(hào)，主軸準(zhǔn)停完成。若延時(shí)繼電器延時(shí)1s后行程開(kāi)關(guān)LS2仍不發(fā)信號(hào)，說(shuō)明準(zhǔn)停沒(méi)完成，需使定向活塞6后退，重新準(zhǔn)停。當(dāng)活塞桿向右移到位時(shí)，行程開(kāi)關(guān)LS1發(fā)出定向滾輪5退出凸輪定位盤(pán)凹槽的信號(hào)，此時(shí)主軸可啟動(dòng)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(hào)；另一種是用磁力傳感器檢測(cè)定向，其工作原理如圖2.2。圖2.2 電氣式主軸準(zhǔn)停在主軸上安裝一個(gè)發(fā)磁體與主軸一起旋轉(zhuǎn)，在距離發(fā)磁體旋轉(zhuǎn)外軌跡處固定一個(gè)磁傳感器，磁傳感器經(jīng)過(guò)放大器與主軸控制單元連接，當(dāng)主軸需要定向時(shí)，便可停止在調(diào)整好的位置上。這種定向方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而發(fā)磁體的線速度可達(dá)到以上。這種準(zhǔn)停裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，發(fā)磁體與磁感傳感器間沒(méi)有接觸摩擦，準(zhǔn)停的定位精度可達(dá)，能滿足一般換刀要求。并且定向時(shí)間短，可靠性較高，所以應(yīng)用的比較廣泛。發(fā)磁體可安裝在一個(gè)圓盤(pán)的邊緣，但這對(duì)較精密的、高轉(zhuǎn)速加工中心主軸來(lái)說(shuō)，由于需要較高的動(dòng)平衡指標(biāo)，就不十分有利。另一種是將發(fā)磁體做成動(dòng)平衡效果很好的圓盤(pán)，使用時(shí)只需要將圓盤(pán)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(lái)選擇12。本課題采用電氣式主軸準(zhǔn)停裝置，此方式避免了機(jī)械裝置的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，只需要數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令信號(hào)，主軸就可以準(zhǔn)確地定向。2.2.4 刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)在自動(dòng)交換刀具時(shí)要求能自動(dòng)松開(kāi)和夾緊刀具。圖2.3示為數(shù)控鏜銑床主軸組件機(jī)構(gòu)示意圖。碟形彈簧11通過(guò)拉桿7，雙瓣卡爪5，在套筒14的作用下，將刀柄的尾端拉緊。當(dāng)換刀時(shí)，要求松開(kāi)刀柄，此時(shí)，在主軸上端油缸的上腔A通入壓力油，活塞12的端部推動(dòng)拉桿7向下移動(dòng)，同時(shí)壓縮碟形彈簧11，當(dāng)拉桿7下移到使雙瓣卡爪5的下端移出套筒14時(shí)，在彈簧6的作用下，卡爪張開(kāi)，噴氣頭13將刀柄頂松，刀具即可由機(jī)械手拔出。待機(jī)械手將新刀裝入后，油缸10的下腔通入壓力油，活塞12向上移，碟形彈簧伸長(zhǎng)將拉桿7和雙瓣5拉著向上，雙瓣卡爪5重新進(jìn)入套筒14，將刀柄拉緊?；钊?2移動(dòng)的兩個(gè)極限位置都有相應(yīng)的行程開(kāi)關(guān)（LS1，LS2）作用，作為刀具松開(kāi)和夾緊的回答信號(hào)。圖2.3 數(shù)控鏜銑床主軸組件機(jī)構(gòu)示意圖1調(diào)整半環(huán)；2雙列園柱滾子軸承；3向心球軸承；4，9調(diào)整環(huán)；5雙瓣卡爪； 6彈簧； 7拉桿； 8向心推力球軸承；10油缸；11碟形彈簧；12活塞；13噴氣頭；14套筒(a)(b)圖2.4 刀柄拉緊結(jié)構(gòu)刀桿尾部的拉緊結(jié)構(gòu)，除上述的卡爪式以外，還有圖2.4a所示的彈簧夾頭結(jié)構(gòu)以及圖2.4b所示的鋼球拉緊機(jī)構(gòu)。在本課題中，刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)借用如圖2.3的夾緊方式，采用氣壓缸夾緊方式，從而避免因油路堵塞等常見(jiàn)情況。而在拉桿處則采用鋼球拉緊機(jī)構(gòu)，因?yàn)槠浼庸ず?jiǎn)單，并可以有效的拉緊刀桿。2.2.5 切屑清除機(jī)構(gòu)自動(dòng)清除主軸孔內(nèi)的灰塵和切屑是換刀過(guò)程的一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。如果主軸錐孔中落入了切屑，灰塵或其它污物，在拉緊刀桿時(shí)，錐孔表面和刀桿錐柄會(huì)被劃傷，甚至?xí)沟稐U發(fā)生偏斜，破壞刀桿的正確定位，影響零件的加工精度，甚至?xí)沽慵顖?bào)廢。為了保持主軸錐孔的清潔，常采用的方法是使用壓縮空氣吹屑。為了提高吹屑效率，噴氣小孔要有合理的噴射角度，并均勻布置10。其工作原理圖可參考圖2.3。2.3 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案的確定控制用電動(dòng)機(jī)是電氣伺服控制系統(tǒng)的動(dòng)力部件，是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。由于其可在很寬的速度和負(fù)載范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)、精確地控制，因而在各種機(jī)電一體化系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用?？刂朴眯D(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)按其工作原理可分為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)型和旋轉(zhuǎn)電樞型。前者有同步電動(dòng)機(jī)（永磁）、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（永磁）；后者有直流電動(dòng)機(jī)（永磁）、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（按矢量控制等效模型），具體地可細(xì)分為：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)。它是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。其輸入一個(gè)電脈沖就轉(zhuǎn)動(dòng)一步，即每當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組接受一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)相應(yīng)的步距角。由于其轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，并在時(shí)間上與輸入脈沖同步，所以對(duì)于本課題所需的控制電動(dòng)機(jī)而言，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)很難精確地確保主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度，故不適合。直流伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)電刷和換向器產(chǎn)生的整流作用，使磁場(chǎng)磁動(dòng)勢(shì)和電樞電流磁動(dòng)勢(shì)正交，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。它具有較高的響應(yīng)速度、精度和頻率，優(yōu)良的控制特性等優(yōu)點(diǎn)。但是由于使用電刷和換向器，故壽命較低，需要定期維修。所以不太適合用于主軸的主電機(jī)，但是可以用于進(jìn)給電動(dòng)機(jī)。由于交流伺服電動(dòng)機(jī)具有直流伺服電動(dòng)機(jī)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，并且其不具備電刷和換向器，不需要定期維修。雖然在價(jià)格上交流伺服電動(dòng)機(jī)較貴，但是由于其性能可靠、精度好，所以正在逐步取代直流電動(dòng)機(jī)的地位。故在本課題的主電機(jī)選用中選擇交流伺服電動(dòng)機(jī)。各種伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用舉例見(jiàn)表2.2。表2.2 伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用實(shí)例19種類主要特點(diǎn)應(yīng)用實(shí)例DC伺服電動(dòng)機(jī)1. 高響應(yīng)特性；2. 高功率密度（體積小、重量輕）；3. 可實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)字控制；4. 接觸換向部件（電刷與換向器）需要維護(hù)；5. 不能高速大扭矩工作。NC機(jī)械、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、辦公機(jī)械、音響和音像設(shè)備、計(jì)測(cè)機(jī)械等AC伺服電動(dòng)機(jī)1. 具有DC伺服電動(dòng)機(jī)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)； 2. 對(duì)定于電流的激勵(lì)分量和轉(zhuǎn)矩分量分別控制； 3. 具有良好的性價(jià)比；4. 堅(jiān)固耐用免維修。NC機(jī)械、機(jī)器人等步進(jìn)電動(dòng)機(jī)1. 轉(zhuǎn)角與控制脈沖數(shù)成比例，可構(gòu)成直接數(shù)字控制；2. 工作狀態(tài)不受干擾；3. 步距角有誤差；4. 高速易失步，低速易振蕩。計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、辦公機(jī)械、數(shù)控裝置2.4 加工中心主軸組件總體設(shè)計(jì)方案的確定綜合2.2，2.3節(jié)中的方案，本課題的總體設(shè)計(jì)方案現(xiàn)確定如下：由于同步帶無(wú)滑動(dòng)，能保證固定的傳動(dòng)比，且傳動(dòng)效率高，允許的線速度較高，無(wú)需安置在很良好的工作環(huán)境中，所以在主軸傳動(dòng)方式中選擇同步帶傳動(dòng)。但是需要注意的是同步帶的安裝具有嚴(yán)格的要求。在主軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中，采用滾珠絲杠。其耐磨性好、磨損小，低速運(yùn)行時(shí)無(wú)爬行、無(wú)振動(dòng)，能夠很好地確保Z軸的進(jìn)給精度。由于加工中心具備自動(dòng)換刀功能，所以在主軸組件中還應(yīng)有主軸準(zhǔn)停裝置、刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)以及切屑清除機(jī)構(gòu)。在本課題中，主軸準(zhǔn)停機(jī)構(gòu)采用磁力傳感器檢測(cè)定向，其不僅能夠使主軸停止在調(diào)整好的位置上，而且能夠檢測(cè)到主軸的轉(zhuǎn)速，并在加工中心的操控面板上顯示出來(lái)，方便機(jī)床操作者調(diào)整轉(zhuǎn)速。在換刀過(guò)程中，刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)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(shí)能緊緊地固定在主軸上，在換刀時(shí)能輕松地卸載。本課題采用了液壓缸運(yùn)行的方式，通過(guò)活塞、拉桿、拉釘?shù)纫幌盗性倪\(yùn)動(dòng)來(lái)達(dá)到刀桿的松緊目的。同時(shí)，為了減少液壓推力對(duì)主軸支承的磨損，在主軸的內(nèi)部設(shè)置了一段碟形彈簧，使活塞對(duì)拉桿的作用起到一個(gè)緩沖的作用。同時(shí)，在換刀過(guò)程中，活塞及拉桿的內(nèi)部將被加工成中空狀。其間將通入一定的壓縮空氣來(lái)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(jìn)給系統(tǒng)中選用直流伺服電動(dòng)機(jī)，而在主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中則選用交流伺服電動(dòng)機(jī)。由于交流伺服電動(dòng)機(jī)具有電刷和換向器，需要常常維修，故不適合于主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中。圖2.5所示為本課題主軸組件結(jié)構(gòu)示意圖。圖2.5 主軸組件結(jié)構(gòu)示意圖1刀架；2拉釘；3主軸；4拉桿；5碟形彈簧；6活塞；7液壓缸；8、10行程開(kāi)關(guān)；9壓縮空氣管接頭；11彈簧；12鋼球；13端面鍵3 主軸組件的主運(yùn)動(dòng)部件3.1 主軸電動(dòng)機(jī)的選用3.1.1 主電機(jī)功率估算(1) 計(jì)算主銑削力經(jīng)驗(yàn)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(jìn)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(qiáng)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(jìn)給量；刀具直徑為，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(jī)功率估算6銑削功率 主電機(jī)功率 式中：機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)效率。滾珠軸承傳動(dòng)效率0.996，同步帶傳動(dòng)效率0.9863.1.2 主電機(jī)選型利用交流伺服系統(tǒng)可進(jìn)行精密定位控制，可作為CNC機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等的執(zhí)行元件。FANUC交流主軸電機(jī)S系列從0.65kW37kW共分13種。它的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速高、輸出功率大、性能可靠、精度好、振動(dòng)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(yīng)用在各種類型的數(shù)控機(jī)床上。根據(jù)主電機(jī)功率PE=5.48kW6，故本課題選用FANUC交流主軸電機(jī)6S型號(hào)6。其主要技術(shù)參數(shù)如下：a) 額定輸出功率：；b) 最高速度：；c) 額定輸出轉(zhuǎn)矩：；d) 轉(zhuǎn)子慣量：。3.2 主軸3.2.1 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主軸的主要參數(shù)是指：主軸前軸頸直徑；主軸內(nèi)孔徑；主軸懸伸量和主軸支承跨距，見(jiàn)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(duì)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(shí)造成相配零件尺寸加大、制造困難、結(jié)構(gòu)龐大和重量增加等，因此在滿足剛度要求下應(yīng)取較小值。設(shè)計(jì)時(shí)主要用類比分析的方法來(lái)確定主軸前軸頸直徑。加工中心主軸前軸頸直徑按主電動(dòng)機(jī)功率來(lái)確定，由表3.11-62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3.11-12可知前軸頸直徑和后軸頸直徑有如下關(guān)系：3.2.1.2 主軸內(nèi)孔直徑的確定主軸內(nèi)孔直徑與機(jī)床類型有關(guān)，主要用來(lái)通過(guò)棒料，通過(guò)拉桿、鏜桿或頂出頂尖等。確定孔徑的原則是，為減輕主軸重量，在滿足對(duì)空心主軸孔徑要求和最小壁厚要求以及不削弱主軸剛度的要求下，應(yīng)盡量取大值。由經(jīng)驗(yàn)得知，當(dāng)時(shí)（是主軸平均直徑），主軸剛度會(huì)急劇下降；而當(dāng)時(shí)，內(nèi)孔對(duì)主軸剛度幾乎無(wú)影響，可忽略不計(jì)，所以常取孔徑的極限值為：此時(shí)，剛度削弱小于。按照任務(wù)書(shū)的要求及綜合各軸段直徑的實(shí)際大小，確定內(nèi)孔直徑。3.2.1.3 主軸端部形狀的選擇機(jī)床主軸的軸端一般用于安裝刀具、夾持工件或夾具。在結(jié)構(gòu)上，應(yīng)能保證定位準(zhǔn)確、安裝可靠、連接牢固、裝卸方便，并能傳遞足夠的扭矩。目前，主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀都已標(biāo)準(zhǔn)化。圖3.2所示為銑床主軸的軸端形式，其尺寸大小按照J(rèn)B2324-78進(jìn)行加工，選擇主軸序號(hào)為50的主軸端部尺寸。圖3.2 銑床主軸的軸端形式3.2.1.4 主軸懸伸量的確定主軸懸伸量是指主軸前端面到前支承徑向反力作用中點(diǎn)（一般即為前徑向支承中點(diǎn)）的距離。它主要取決于主軸端部結(jié)構(gòu)型式和尺寸、前支承的軸承配置和密封裝置等，有的還與機(jī)床其他結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，如工作臺(tái)的行程等，因此主要由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定。懸伸量值對(duì)主軸部件的剛度和抗振性具有較大的影響。因此，確定懸伸量的原則，是在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下盡可能取小值，同時(shí)應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)采取措施縮減值。3.2.1.5 主軸支承跨距的確定支承跨距是指主軸相鄰兩支承反力作用點(diǎn)之間的距離?？缇嗍菦Q定主軸系統(tǒng)動(dòng)、靜剛度的重要影響因素。合理確定支承跨距，是獲得主軸部件最大靜剛度的重要條件之一。最優(yōu)跨距是指在切削力作用下，主軸前端的柔度值最小時(shí)的跨距。其推導(dǎo)公式是在靜態(tài)力作用下進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)證明，動(dòng)態(tài)作用下最優(yōu)跨距很接近于推得的最優(yōu)值。最優(yōu)跨距可按下列公式計(jì)算6： （3.2）式中： （3.3） （3.4）式中： 主軸前端懸伸長(zhǎng)，單位為； 材料的彈性模量，單位為； 軸慣性矩，單位為； 前軸承剛度值，單位為； 后軸承剛度值，單位為。按上式計(jì)算最優(yōu)跨距，計(jì)算過(guò)程如下： （3.5）式中： 主軸跨距部分的平均直徑，單位為； 主軸跨距部分的平均孔頸，單位為。由式（3.5）得：；由參考文獻(xiàn)6中圖3.11-11確定， ；由主軸材料為40Cr查得材料的彈性模量；由主軸的結(jié)構(gòu)形式確定主軸前端懸伸長(zhǎng)將上述參數(shù)值代入公式(3.3)(3.4)，得，將，值代入公式（3.2），得按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，取。由于，故滿足設(shè)計(jì)要求。3.2.2 主軸受力分析軸所受的載荷是從軸上零件傳來(lái)的。計(jì)算時(shí)，常常將軸上的分布載荷簡(jiǎn)化為集中力，其作用點(diǎn)取為載荷分布段的中點(diǎn)。而作用在軸上的扭矩，一般從傳動(dòng)件輪轂寬度的中點(diǎn)算起。(a)(b)(c)圖3.3 軸承受力圖主軸上的軸承采用一端固定，另一端游動(dòng)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(gè)平面力系。由公式（3.1）得出切向銑削力徑向負(fù)荷22 切向負(fù)荷22 軸向負(fù)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(jiǎn)單靜不定梁類型，所以要以靜不定梁的受力方法來(lái)解決問(wèn)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(diào)條件，即要求。利用疊加法，得撓度為： （3.6）式中： 徑向（切向）負(fù)荷分力，單位為； 徑向（切向）負(fù)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(a)機(jī)構(gòu)草圖(b)受力簡(jiǎn)圖(c)水平面受力(d)水平面彎矩圖(e)垂直面受力(f)垂直面彎矩圖(g)合成彎矩圖(h)轉(zhuǎn)矩圖圖3.5 軸的結(jié)構(gòu)和載荷圖A-B段支承反力：水平面：垂直面：B-C段支承反力：水平面：垂直面：C-D段支承反力：水平面：垂直面：D-E段支承反力：水平面：垂直面：軸的受力簡(jiǎn)圖、水平面及垂直面受力簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3.5b、c、e。A-B段彎矩：水平面：垂直面：合成：B-C段彎矩：水平面：垂直面：合成：C-D段彎矩：水平面：垂直面：合成：D-E段彎矩：水平面：垂直面：合成：軸的水平面、垂直面及合成彎矩圖見(jiàn)圖3.5d、f、g。已知：小帶輪的輸出功率為，同步帶的傳動(dòng)效率為。所以，大帶輪的輸出功率為：則大帶輪的輸出轉(zhuǎn)矩為：軸的轉(zhuǎn)矩圖見(jiàn)圖3.5h。3.2.3 主軸的強(qiáng)度校核從合成彎矩圖和轉(zhuǎn)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(dòng)所帶來(lái)的扭矩。因此，這兩個(gè)截面是危險(xiǎn)截面。在校核主軸的強(qiáng)度時(shí)應(yīng)按彎扭合成強(qiáng)度條件進(jìn)行計(jì)算。軸的彎扭合成強(qiáng)度條件為23 （3.7）式中： 軸的計(jì)算應(yīng)力，； 軸的抗彎截面系數(shù)，； 折合系數(shù)； 軸的許用彎曲應(yīng)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15-123查得許用彎曲應(yīng)力。按扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取折合系數(shù)。將上述參數(shù)代入公式（3.7），則軸的計(jì)算應(yīng)力為因?yàn)椋灾鬏S的強(qiáng)度符合要求。3.2.4 主軸的剛度校核軸在載荷作用下，將產(chǎn)生彎曲或扭轉(zhuǎn)變形。若變形量超過(guò)允許的限度，就會(huì)影響軸上零件的正常工作，甚至?xí)适C(jī)器應(yīng)有的工作性能。對(duì)于本課題的主軸，應(yīng)該按軸的彎曲剛度校核。軸計(jì)算剛度經(jīng)驗(yàn)公式為 （3.8）式中： 軸的計(jì)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15-1-4224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(jì)算剛度為由于，所以軸能夠滿足剛度要求。綜上所述，軸的強(qiáng)度，剛度均符合校核要求。3.3 主軸組件的支承3.3.1 主軸軸承的類型機(jī)床主軸帶著刀具或夾具在支承件中作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，需要傳遞切削扭矩，承受切削抗力，并保證必要的旋轉(zhuǎn)精度。數(shù)控機(jī)床主軸支承根據(jù)主軸部件的轉(zhuǎn)速、承載能力及回轉(zhuǎn)精度等要求的不同而采用不同種類的軸承。主軸軸承是主軸組件的重要組成部分，它的類型、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。在數(shù)控機(jī)床上主軸軸承常用的有滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承。滾動(dòng)軸承摩擦阻力小，可以預(yù)緊，潤(rùn)滑維護(hù)簡(jiǎn)單，能在一定的轉(zhuǎn)速范圍和載荷變動(dòng)范圍下穩(wěn)定地工作。滾動(dòng)軸承由專業(yè)化工廠生產(chǎn)，選購(gòu)維修方便，在數(shù)控機(jī)床上被廣泛采用。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，抗振性略差并且對(duì)轉(zhuǎn)速有很大的限制。數(shù)控機(jī)床主軸組件在可能條件下，盡量使用了滾動(dòng)軸承，特別是大多數(shù)立式主軸和主軸裝在套筒內(nèi)能夠作軸向移動(dòng)的主軸。這時(shí)滾動(dòng)軸承可以用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑以避免漏油。圖3.6所示為主軸常用的幾種滾動(dòng)軸承的類型。(a)雙列圓柱 (b)雙列推力向 (c)雙列圓錐滾 (d)帶凸緣雙列圓柱 (e)帶彈簧的單列圓滾子軸承 心球軸承 子軸承 滾子軸承 錐滾子軸承圖3.6 主軸常用的幾種滾動(dòng)軸承的類型為了適應(yīng)主軸高速發(fā)展的要求，滾珠軸承的滾珠可采用陶瓷滾珠。陶瓷滾珠軸承由于陶瓷材料的質(zhì)量輕，熱膨脹系散小，耐高溫，所以具有離心小、動(dòng)摩擦力小、預(yù)緊力穩(wěn)定、彈性變形小、剛度高的特點(diǎn)。但由于成本較高，在數(shù)控機(jī)床上還未普及使用14。數(shù)控機(jī)床主軸支承根據(jù)主軸部件的轉(zhuǎn)速、承載能力及回轉(zhuǎn)精度等要求的不同而采用不同種類的軸承。不同類型主軸軸承的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表3.1。表3.1 數(shù)控機(jī)床的主軸軸承及其性能10性 能滾動(dòng)軸承液體靜壓軸承氣體靜壓軸承磁力軸承陶瓷軸承旋轉(zhuǎn)精度一般或較高，在預(yù)緊無(wú)間隙時(shí)較高高，精度保持性好一般同滾動(dòng)軸承剛 度一般或較高，預(yù)緊后較高，取決于所用軸高，與節(jié)流閥形式有關(guān)，薄膜反饋或滑閥反饋很高較差，因空氣可壓縮，與承載力大小有關(guān)不及一般滾動(dòng)軸承比一般滾動(dòng)軸承差抗 振 性較差，阻尼比好，阻尼比好較好同滾動(dòng)軸承速度性能用于中、低速，特殊軸承可用于較高速用于各級(jí)速度用于超高速用于高速用于中、高速，熱傳導(dǎo)率低，不易發(fā)熱摩擦損耗較小，小，小很小同滾動(dòng)軸承壽 命疲勞強(qiáng)度限制長(zhǎng)長(zhǎng)長(zhǎng)較長(zhǎng)結(jié)構(gòu)尺寸軸向小，徑向大軸向大，徑向小軸向大，徑向小徑向大軸向小，徑向大制造難易軸承生產(chǎn)專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化自制，工藝要求高，需要供油設(shè)備自制，工藝較液壓系統(tǒng)低，需要供氣系統(tǒng)較復(fù)雜比滾動(dòng)軸承難使用維護(hù)簡(jiǎn)單，用油脂潤(rùn)滑要求供油系統(tǒng)清潔，較難要求供氣系統(tǒng)清潔，較易較難較難成 本低較高較高高較高機(jī)床主軸軸承發(fā)展，經(jīng)歷了滾、陶、氣浮、磁浮等階段。滾動(dòng)軸承發(fā)展到陶瓷軸承，即鋼球改為陶瓷球，滾道加TiN或CrNi金屬。由于陶瓷球具有高剛度、高硬度、低密度以及低熱脹和低導(dǎo)熱系數(shù)等特點(diǎn)，同時(shí)所用油脂為一次性，終身潤(rùn)滑，大大地提高了滾動(dòng)軸承的性能，所以被廣泛采用。目前，一般中小規(guī)格的數(shù)控機(jī)床（如車床、銑床、鉆鏜床、加工中心、磨床等）的主軸部件多采用成組高精度滾動(dòng)軸承重型數(shù)控機(jī)床采用液體靜壓軸承，高精度數(shù)控機(jī)床（如坐標(biāo)磨床）采用氣體靜壓軸承，轉(zhuǎn)速達(dá)的主軸則可采用磁力軸承或氮化硅材料的陶瓷滾珠軸承。數(shù)控機(jī)床的轉(zhuǎn)速高，為減少主軸的發(fā)熱，必須改善軸承的潤(rùn)滑方式。在數(shù)控機(jī)床上的潤(rùn)滑一般采用高級(jí)油脂封入方式潤(rùn)滑，每加一次油脂可使用年。3.3.2 主軸軸承的配置根據(jù)主軸部件的工作精度、剛度、溫升和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，合理配置軸承，可以提高主傳動(dòng)系統(tǒng)的精度。采用滾動(dòng)軸承支承，有許多不同的配置形式，目前數(shù)控機(jī)床主軸軸承的配置主要有如圖3.7所示的幾種形式。 (a)