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齊 齊 哈 爾 工 程 學 院畢業(yè)設計（論文）題 目 XK715 數控立式床身銑床主軸箱的設計院 （系） 專業(yè)班級學生姓名指導教師成 績年 月 日齊齊哈爾工程學院畢業(yè)設計（論文）IXK715 數控立式銑床床身主軸箱的設計摘要從研究數控銑床著手，借鑒國內外先進經驗，設計了一臺 XK715 數控立式銑床，滿足了生產和設計的要求。整個銑床主要包括橫縱向進給機構、立柱、橫梁、底座、工作臺等主要組部件。其中所有進給機構均采用滾珠絲杠進行傳動，并由伺服電機進行驅動。主軸箱安裝在龍門架上，運用類比法自行設計了滾珠絲杠螺母副的制動裝置。全面闡述了數控銑床的結構原理，設計特點，論述了采用伺服電機和滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點。詳細介紹了數控銑床的結構設計及校核，并進行了分析。另外匯總了有關技術參數。其中著重介紹了滾珠絲杠的原理及選用原則，系統(tǒng)地對滾珠絲杠生產、應用等環(huán)節(jié)進行了介紹。包括種類選擇、參數選擇、精度選擇、循環(huán)方式選擇、與主機匹配的原則以及廠家的選擇等。關鍵詞：銑床，數控，伺服電機，滾珠絲杠齊齊哈爾工程學院畢業(yè)設計（論文）IIAbstractBegins from the research CNC planer type milling machine, to profit from the domestic and foreign advanced experiences, designed one to use in the sheet material and various workpiece the numerical control CNC planer type milling machine, has satisfied the production and the design request.Elaborated comprehensively the numerical control CNC planer type milling machine's structure principle, the design feature, elaborated has used step-by-steps the electrical machinery and the ball bearing guide screw nut vice-merit. Introduced in detail the numerical control CNC planer type milling machine's structural design and the examination, and have carried on the analysis. And has compiled the related technical parameter.In which introduced emphatically the ball bearing guide screw principle and selects the principle，To ball bearing links and so on guide screw production, application has systematically carried on the introduction. Including the type choice, the parameter choice, the precision choice, the round-robin mode choice, the principle as well as the factory choice which matches with the main engine and so on.Key Words: milling machine, Numerical control, Step-by-step, serve motor, Ball bearing guide screw nut齊齊哈爾工程學院畢業(yè)設計（論文）III目錄摘要 .IAbstract II引言.1第 1 章 緒論.21.1 概述 .21.2 數控機床的發(fā)展 .3第 2 章 立式數控銑床主軸箱系統(tǒng)方案的確定.92.1 對立式數控銑床主軸箱系統(tǒng)簡介 92.2 對立式數控銑床主軸箱系統(tǒng)的要求 92.3 主軸箱的類型及方案選擇 10第 3 章 主軸箱變速系統(tǒng)主要參數計算.123.1 計算切削功率 123.1.1 切削力的計算 123.1.2 切削功率的計算 123.1.3 主軸轉速范圍的確定 133.2 計算主軸箱功率 133.3 分級變速箱的傳動系統(tǒng)的設計及主軸電動機的功率的確定 133.3.1 變速級數 Z 的確定 143.3.2 電動機的功率的確定 .143.3.3 電動機參數 .153.3.4 分級變速箱的傳動系統(tǒng)變速機構的確定 .16第 4 章 主軸組件設計.174.1 概述 .174.1.1 軸的分類 174.1.2 主軸材料 174.2 主軸結構設計 .174.2.2 軸的結構設計 19齊齊哈爾工程學院畢業(yè)設計（論文）IV4.2.3 草擬軸上零件的裝配方案 194.2.4 軸上零件的定位 204.2.5 各軸段直徑與的確定 .204.2.6 提高主軸強度的措施 .214.2.7 軸的結構工藝性 .224.3 主軸強度的校核 .224.3.1 按扭轉強度進行計算 224.3.2 強度校核計算 .24第 5 章 銑床床身整體設計.285.1 床身設計應滿足的要求 285.2 床身材料的選擇及壁厚的設計 295.2.1 床身材料的選擇 .295.2.2 壁厚的設計 .305.2.3 機床床身的制造方法的選擇 .315.2.4 鑄造床身強度校核 .32第 6 章 機架的設計計算.346.1 主梁危險載面的強度驗算 346.2 支腿危險載面的強度驗算 366.3 下橫梁的強度驗算 366.3.1 檢測架受力分析 .396.3.2 截面強度計算 .406.3.3 截面剪切強度計算 .41結 論.43致謝.44參考文獻.46齊齊哈爾工程學院畢業(yè)設計（論文）1引言數控（numerical control,NC）機床，顧名思義，是一類由數字程序實現(xiàn)控制的機床。與人工操作的普通機床相比，它具有適應范圍廣、自動化程度高、柔性強、操作者勞動強度低、易于組成自動生產系統(tǒng)等優(yōu)點。數控機床也就是一種裝了程序控制系統(tǒng)的機床，該系統(tǒng)能邏輯處理具有使用號碼或其他符號編碼指令規(guī)定的程序。通過這次畢業(yè)設計，可以達到以下目的：1.培養(yǎng)綜合運用專業(yè)基礎知識和專業(yè)技能來解決工程實際問題的能力；2.強化工程實踐能力和意識,提高本人綜合素質和創(chuàng)新能力；3.使本人受到從事本專業(yè)工程技術和科學研究工作的基本訓練,提高工程繪圖、計算、數據處理、外文資料文獻閱讀、使用計算機、使用文獻資和手冊、文字表達等各方面的能力；4.培養(yǎng)正確的設計思想和工程經濟觀點，理論聯(lián)系實際的工作作風，嚴肅認真的科學態(tài)度以及積極向上的團隊合作精神。齊齊哈爾工程學院畢業(yè)設計（論文）2第 1 章 緒論1.1 概述數控銑床是一種加工功能很強的數控機床，目前迅速發(fā)展起來的加工中心、柔性加工單元都是在數控銑床、數控鏜床的基礎上產生的，兩者都離不開銑削方式。由于數控銑削工藝最復雜，需要解決的技術問題也很多，因此，人們在研究和開發(fā)數控系統(tǒng)及自動編程語言的軟件系統(tǒng)時，也一直把銑削加工作為重點。數控銑床機械部分與普通銑床基本相同，工作臺可以做橫向、縱向和垂直三個方向的運動。因此普通銑床能加工的工藝內容，數控銑床度能做到。一般情況下，在數控銑床上可以加工平面曲線輪廓。數控銑床也像通用銑床那樣可分為立式、臥式和立臥兩用式數控銑床，各類銑床配置的是數控系統(tǒng)不同，其功能也不盡相同。在機床行業(yè)，由于采用了數控技術，許多過去在普通機床上無法完成的工藝內容得以完成，大量普通機床為數控機床所代替，這就極大地促進了機床行業(yè)的技術進步和行業(yè)發(fā)展。目前數控機床已經遍布軍工、航空航天、汽車、造船、機車車輛、機床、建筑、通用機械、紡織、輕工、電子等幾乎所有制造行業(yè)。數控機床在促進技術進步和經濟發(fā)展，提高人類生存質量和創(chuàng)造新的就業(yè)機會等方面，起著非常重要的作用。數控機床是一種高效能自動加工機床，是一種典型的機電一體化產品。與普通機床相比，數控機床具有如下一些優(yōu)點：易于加工異型復雜零件；提高生產率；可以實現(xiàn)一機多用，多機看管；可以大大減少專用工裝卡具，并有利于提高刀具使用壽命；提高零件的加工精度，易于保證加工質量，一致性好；工件加工周期短，效率高；可以大大減少在制品的數量；可以大大減輕工人勞動強度，減少所需工人數量等。與普通機床相比，數控機床機械結構有許多特點。1.目的、意義 數控加工技術的應用是機械制造業(yè)的一次技術革命，使機械制造的的發(fā)展進入了一個嶄新的階段。由于數控機床綜合應用了電子計算機、自動控制、伺服驅動、精密檢測與新型機械結構等方面的技術成果具有高柔性、高精度與高度自動化的特點，因此它提高了機械制造的制造水平，解決了接卸制造中的常規(guī)加工技術難以解決甚至無法解決的發(fā)雜型面零件加工，為社會提供了高質量、多品種及高可靠的機械產品已取得了巨大的經濟效益 。目前，數控技術已逐步晉級，數控機床在工業(yè)生產中得到了廣泛應用，已成為機齊齊哈爾工程學院畢業(yè)設計（論文）3械自動化的一個重要發(fā)展方向。機械加工工藝過程的自動化和智能化是適應上述發(fā)展特點的最重要手段。2.國內外研究現(xiàn)狀中國是世界上最大的機床生產國，但在國際市場的競爭仍處于即使在國內市場也面臨著嚴峻的形勢較低水平，一方面是大的國內市場需求對每一臺機器，而另一方面，滯銷，國外機床產品的國內眾多機床積壓充斥市場。（1） ，產品開發(fā)或與國外先進水平比設計的總周期時間有很大差距（2） ，由于工廠缺乏基于新的自主研發(fā)產品的科學分析和設計大多基于模擬設計，末落的設計時成功的把握直覺和經驗，需要經常反復試驗定型，這可能會錯過新產品推向市場的可能性。（3）用戶必須使用，常常以適應一些特殊的要求，甚至在即將到來的產品的生產只是暫時的用戶的要求，這要求快速變化和附圖和技術文件。（4） 、現(xiàn)在我國工廠設計和工藝人員中青年占多數，他們的專業(yè)知識和實際經驗不足，有擔負著開發(fā)的重任。1.2 數控機床的發(fā)展隨著機械制造生產模式的演變,對機械制造裝備提出了不同的要求.在 50 年代“剛性”生產模式下，通過提高效率，自動化程度,進行單一或少品種的大批量生產，以“規(guī)模經濟”實現(xiàn)降低成本和提高質量的目的。從 90 年代開始，為了對世界生產進行快速響應，逐步實現(xiàn)社會制造資源的快速集成，要求機械制造裝備的柔性化程度更高,采用擬實制造和快速成形制造技術。工業(yè)發(fā)達國家都非常注重機械制造業(yè)的發(fā)展，為了用先進技術和工藝裝備制造業(yè)，機械制造裝備工業(yè)得到先發(fā)展。對比之下，我國目前機械制造業(yè)的裝備水平還比較落后，表現(xiàn)在大部分工廠的機械制造裝備基本上是通用機床加專用工藝裝備，數控機床在機械制造裝備中的比重還非常低，導致“剛性” 強 ,更新產品速度慢，生產批量不宜太小，生產品種不宜過多；自動化程度基本上還是“ 一個工人，一把刀，一臺機床” ，導致勞動生產率低下，產品質量不穩(wěn)定。 因此，要縮小我國同工業(yè)發(fā)達國家的差距,我們必須在機械制造裝備方面大下功夫，其中最重要的一個方面就是增加數控機床在機械制造裝備中的比重。數控設備的發(fā)展方向 六個方面：智能化、網絡化、高速、高精度、符合、環(huán)保。目前德國和瑞士的機床精度最高，綜合起來，德國的水平最高，日本的產值最大。美齊齊哈爾工程學院畢業(yè)設計（論文）4國的機床業(yè)一般。中國大陸、韓國。臺灣屬于同一水平。但就門類、種類多少而言，我們應該能進世界前 4 名。數控系統(tǒng)國內的數控系統(tǒng)剛剛開始產業(yè)化、水平質量一般。高檔次的系統(tǒng)全都是進口。廣州機床廠的簡易數控系統(tǒng)也不錯。 我們國家機床業(yè)最薄弱的環(huán)節(jié)在數控系統(tǒng)。機床精度 1.機械加工機床精度分靜精度、加工精度（包括尺寸精度和幾何精度） 、定位精度、重復定位精度等 5 種。 2.機床精度體系：目前我們國家內承認的大致是四種體系：德國 VDI 標準、日本 JIS 標準、國際標準 ISO 標準、國標 GB，國標和國際標準差不多。3.看一臺機床水平的高低，要看它的重復定位精度，一臺機床的重復定位精度如果能達到 0.005mm(ISO 標準.、統(tǒng)計法),就是一臺高精度機床，在0.005mm(ISO 標準.、統(tǒng)計法)以下，就是超高精度機床，高精度的機床，要有最好的軸承、絲杠。4.加工出高精度零件，不只要求機床精度高，還要有好的工藝方法、好的夾具、好的刀具。目前世界著名機床廠商在我國的投資情況 1. 2000 年，世界最大的專業(yè)機床制造商馬扎克（MAZAK）在寧夏銀川投資建了名為“寧夏小巨人機床公司”的機床公司，生產數控車床、立式加工中心和車銑復合中心。機床質量不錯，目前效益良好，年產 600臺，目前正在建 2 期工程，建成后可以年產 1200 臺。 2. 2003 年，德國著名的機床制造商德馬吉在上海投資建廠，目前年組裝生產數控車床和立式加工中心 120 臺左右。 3. 2002 年，日本著名的機床生產商大隈公司和北京第一機床廠合資建廠，年生產能力為 1000 臺，生產數控車床、立式加工中心、臥式加工中心。 4.韓國大宇在山東青島投資建廠，目前生產能力不知。 5.臺灣省的著名機床制造商友嘉在浙江蕭山投資建廠，年生產能力 800 臺。民營企業(yè)進入機床行業(yè)情況 1.浙江日發(fā)公司，2000 年投產，生產數控車床、加工中心。年生產能力 300 臺。 2．2004 年，浙江寧波著名的鑄塑機廠商海天公司投資生產機床，主要是從日本引進技術，目前剛開始，起點比較高。 3．2002 年，西安北村投產，名字象日本的，其實老板是中國人，采用日本技術。生產小型儀表數控車床，水平相當不錯。軍工企業(yè)技改情況 軍工企業(yè)得到國家撥款開始于當年“大使館被炸”，后來臺灣阿齊齊哈爾工程學院畢業(yè)設計（論文）5扁上臺后，大規(guī)模技改開始了，軍工企業(yè)進入新一輪的技改高峰，我們很多軍工企業(yè)開始停止購買普通設備。尤其是近 3 年來，我們的軍工企業(yè)從歐洲和日本買了大批量的先進數控機床。也從國內機床廠哪里采購了大批普通數控機床，國內機床廠商為了迎接這次大技改，也引進了不少先進技術，爭取軍工企業(yè)的高端訂單。 聽在軍工企業(yè)的朋友講，阿扁如果再能“頂” 三年，我們的整體水平會上一個臺階。 其實，胡錦濤總書記掌權以來，已經把國防事業(yè)提到了和經濟發(fā)展一樣的高度上，他說，我們要建立和經濟發(fā)展相適應的國防能力，相信再過 10 年，隨著我國國防工業(yè)和汽車行業(yè)的發(fā)展，我們國家會誕生世界水平的機床制造商，也將會超越日本，成為世界第一機床生產大國。近年來，我國數控機床的產量持續(xù)增長，數控化率也顯著提高。另一方面我國數控產品的技術水平和質量也不斷提高。我國在數控機床高端產品的生產上取得了一定的突破。目前我國已經可以供應網絡化、集成化、柔性化的數控機床。同時，我國也已進入世界高速數控機床生產國和高精度精密數控機床生產國的行列。目前我國已經研制成功一批主軸轉速在 8000~10000 轉/分以上的數控機床。 中國數控機床行業(yè)近年來推廣使用信息技術，如 CAD，許多公司已經開始規(guī)劃和實施 ERP 應用， MRPⅡ和電子商務。如 CAD 患病濟南二機床集團有限公司，高達100％的公司，是國家“CAD 示范企業(yè)” ，企業(yè)的 MRPⅡ系統(tǒng)的應用也是現(xiàn)代管理非常成功的，高水平。然而，與發(fā)達國家相比，中國的數控機床產業(yè)在信息技術的應用，還是有很多不足之處。第一，信息技術基礎上的高科技弱，對外依存度。中國數控機床行業(yè)的整體技術基礎開發(fā)能力和技術力量薄弱，信息技術的應用程度不高?，F(xiàn)有的信息技術產業(yè)的來源主要依賴于完善引進國外技術，高度的對外技術依存度，引進技術的消化仍然在技術狀態(tài)和國產化率的控制沒有上升到自主產品開發(fā)能力的形成和技術創(chuàng)新水平。具有高精度，高性能數控機床，高速，高效，復雜的功能，特性，如多軸實際上不得不依靠進口。第二，降低產品的成熟度，可行性不高。 10000 小時對外數控系統(tǒng)平均無故障時間，國內自主開發(fā)的數控系統(tǒng)僅 3000-5000 小時;國外失敗之間的總體平均時間 800 小齊齊哈爾工程學院畢業(yè)設計（論文）6時以上，國內最好只有 300 小時。第三，創(chuàng)新能力低，市場競爭力較差。中國生產的數控機床，雖達一百，但多數未能生產規(guī)模，信息利用，低創(chuàng)新能力，生產成本高，產品市場競爭能力不強。成人柔性制造系統(tǒng)和計算機集成系統(tǒng)的快速發(fā)展，數控技術提出了更高的要求。數控機床在當今信息技術的發(fā)展是在以下幾個方面移動。高速，高精度。速度和精度是數控機床的兩個重要指標，直接將加工和產品質量。此時，中國的產量提高了第六代數控機系統(tǒng)中的使用數字，在基本操作頻率更高的處理器的系統(tǒng)的速度，使得高速計算，模塊化和多軸群控制是可能的。同時，新一代的數控機床將使用 VLSI 和多個微處理器架構，數據處理，以提高該系統(tǒng)。智能化。智能發(fā)展，物理試驗的加工精度和效率，建模，特征提取，外部環(huán)境和該處理系統(tǒng)的內部狀態(tài)的自動檢測，快速做出智能決策最好目標，機床的現(xiàn)代數控機床影響的工藝參數的實時控制，從而使機器在最佳狀態(tài)?；?CAD 和 CAM 的數控編程自動化。隨著計算機技術的發(fā)展，目前的 CAD / CAM 具有自動編程的交互式圖形應用程序越多，新的趨勢是數控技術的發(fā)展。它是利用 CAD 圖紙零件加工設計，計算系統(tǒng)和后處理的刀具軌跡數據，自動生成數控機床零件加工程序，以實現(xiàn) CAD 和 CAM 的集成。隨著 CIMS 技術的發(fā)展和當前 CAD 的出現(xiàn)/ CAPP / CAM 集成自動設定模式，做編程所需的工藝參數是不 CAPP 數據庫由專人參與，直接進入系統(tǒng)，數控便于機器自動化的進一步發(fā)展。最大化的可靠發(fā)展。數控機床的用戶的可靠性的最重要指標是最關心的問題。數控系統(tǒng)，新一代高集成電路芯片，利用大規(guī)?；蛩饺撕突旌霞呻娐?，從而部件數量，從而使可靠性提高的。同時實現(xiàn)多種診斷程序自動運行診斷，在線診斷，離線診斷，系統(tǒng)的硬件，軟件和故障排除各種外部設備和報警。 一，高速的處理的快速發(fā)展高速加工技術的迅速發(fā)展，它被廣泛應用于高檔數控機床。新機床運動學的理論和先進的驅動應用，優(yōu)化了機器的結構與目前的數控機床技術的發(fā)展趨勢高性能特點輕巧的移動部件，以減少慣性。在支持工具，材料和結構，單高速加工的切削刀具，全面的高速加工中心，如每分鐘數千轉的發(fā)展到數萬次的數控機床的齊齊哈爾工程學院畢業(yè)設計（論文）7發(fā)展速度，把幾十萬;快速移動幾十米的步伐，以幾十每分鐘米，一百多平方米 ;換刀時間從十秒減少到 10 秒，三秒，一秒或更小，更快的換刀幾倍到十倍?？s短的高速處理技術應用的切削時間和耗材，實現(xiàn)高品質和生產效率。二，精密加工技術的突破通過優(yōu)化的機器，精密結構，高精密制造和裝配功能，提高精，數控伺服控制系統(tǒng)和認可，溫度，振動誤差補償編輯幾何精度，精密運動技術應用，以減少形狀和位置誤差，所述表面的粗糙度。提高精度平均每八年 1950-2000 一倍，50 年增長了 100倍。這時，重復精度數控機床的定位精度可以達到 1 微米，在亞微米超精加工時代。三，技術集成和技術復雜明顯技術集成和復合技術是最活躍的數控技術的發(fā)展趨勢，如復雜的過程中的一個 - 車，銑，鉆，磨，齒輪加工工藝復雜，交叉處理復雜的技術類 - 金屬激光切割，沖壓和激光切割金屬燒結和復合鏡，目前，未加工的復合加工的發(fā)展是復雜的，因此兼容零部件制造和開發(fā)信息管理和應用軟件，專注于完整的加工和生產復雜的形狀集約化管理的過程。技術集成和一類新的復雜的機械的形成 - 化合物機器，機器展品創(chuàng)新多樣性復合物。四，數字控制技術已經進入智能的新階段數字化控制技術已經歷了三個階段：單機機器控制數字控制技術;生產管理聚集形成的生產過程自動控制信息;生產過程中的遙控器，智能電網的新階段和無化工廠。智能智能指的是工作，利用計算機，信息，網絡和智能技術和人工智能等有機結合的監(jiān)督 CNC 加工的智能化的自動編程的實現(xiàn)?？梢詫崿F(xiàn)工件裝卡定位自動運行，刀具直徑和長度測量誤差，工藝刀具磨損和破損的診斷，處理部分物流監(jiān)控，自動補償調節(jié)，自動換刀等，機器全自動智能監(jiān)控系統(tǒng)的智能化監(jiān)測中的應用故障的機械，電氣，液壓系統(tǒng)，報警，故障顯示診斷直至關機過程。隨著網絡技術的發(fā)展，智能遠程故障診斷專家系統(tǒng)開始適用。數控系統(tǒng)與在線技術備份和在線備份服務。人工智能，自動編程系統(tǒng)自動加工零件的加工按要求。在線服務可以被激活隨時 INTERNET 根據用戶的要求接受遠程服務。智能技術實現(xiàn)管理信息化融合和重建決策的自適應控制，錯誤校正表智能控制，智能故障診斷和維護功能的智能優(yōu)化下，極大地提高了形成和加工精度，提高生產效率。信息技術在生產中的應用，發(fā)展成為工廠的柔性制造單元和智能齊齊哈爾工程學院畢業(yè)設計（論文）8網絡，以及生產重組方向的進一步發(fā)展。五，是新的技術領域最大的生產擴張極端的生產技術是指生產工藝非常大，非常小，非常精確型等極端條件。極端的生產技術是數控機床技術發(fā)展的一個重要方向。制造技術的重點是微納機電系統(tǒng)，超精密制造，生產等相關制度巨人數控制造技術，檢測技術及數控機床，如微型，高精度的生產技術和應用相關的開發(fā)遠程手術機器人;在大型電力設備，重型大型船舶和航天設備，超重型數控機床的發(fā)展，IT 產業(yè)和超微細加工和微納米等高科技的需求開發(fā)生產中的應用加工技術，開發(fā)出適應微小尺寸的微納米加工極端制造復雜的機器，如研發(fā)，生產微型數控機床和專用機床。齊齊哈爾工程學院畢業(yè)設計（論文）9第 2 章 立式數控銑床主軸箱系統(tǒng)方案的確定2.1 對立式數控銑床主軸箱系統(tǒng)簡介主軸箱系統(tǒng)是用來實現(xiàn)機床主運動的傳動系統(tǒng)，他應具有一定的轉速和一定的變速范圍，以便采用不同材料的刀具，加工不同的材料、不同尺寸、不同要求的工作、并能方便的實現(xiàn)運動的開停、變速、換向和制動等。數控機床主軸箱系統(tǒng)主要包括電動機、傳動系統(tǒng)和主軸部件，它與普通機床的主軸箱系統(tǒng)相比在結構上簡單，這是因為變速功能全部或大部分主軸電動機的無極調速來承擔，省去了復雜的齒輪變速機構，有些只有二級或三極齒輪變速系統(tǒng)用以擴大電動機無級調速的范圍。在主軸箱系統(tǒng)方面，具有下列特點：1.目前數控機床的主軸箱電機已不再采用普通的交流異步電機或傳統(tǒng)的直流調速電機，它們已逐步被新型的交流調速電機和直流調速電機所代替。2.轉速高，功率大。它能使數控機床進行大功率切削和高速切削，實現(xiàn)高效率加工。3.變速范圍大。數控機床的主軸箱系統(tǒng)要求有較大的調速范圍，一般Rn＞100，以保證加工時能選用合理的切削用量，從而獲得最佳的生產率、加工精度和表面質量。4.主軸速度的變換迅速可靠。數控機床的變速是按照控制指令自動進行的，因此變速機構必須適應自動操作的要求。由于直流和交流主軸電機的調速系統(tǒng)日趨完善，不僅能夠方便地實現(xiàn)寬范圍的無級變速，而且減少了中間傳遞環(huán)節(jié)，提高了變速控制的可靠性。2.2 對立式數控銑床主軸箱系統(tǒng)的要求 1.主軸具有一定的轉速和足夠的轉速范圍、轉速級數，能夠實現(xiàn)運動的開停、變速、換向和制動，以滿足機床的運動要求。2.主電動機具有足夠的功率，全部機構和元件具有是夠的強度和剛度，以滿足機床的動力要求。齊齊哈爾工程學院畢業(yè)設計（論文）103.主軸箱的有關結構，特別是主軸組件要有足夠高的精度、抗振性，熱變形和噪聲要小，傳動效率要高，以滿足機床的工作性能要求。4.操縱靈活可靠，調整維修方便，潤滑密封良好，以滿足機床的使用要求。5.結構簡單緊湊，工藝性好，成本低，以滿足經濟性要求。2.3 主軸箱的類型及方案選擇 數控機床的調速是按照控制指令自動執(zhí)行的，因此變速機構必須適應自動操作的要求。在主軸箱系統(tǒng)中，目前多采用交流主軸電動機和直流主軸電動機無級凋速系統(tǒng)。為擴大調速。為了適應不同的加工要求，目前主軸箱系統(tǒng)主要有三種變速方式1．具有變速齒輪的主軸箱這是大、中型數控機床采用較多的一種變速方式。通過幾對齒輪降速，增大輸出扭矩，以滿足主軸輸出扭矩特性的要求，見圖2-1所示。一部分小型數控機床也采用此種傳動方式以獲得強力切削時所需要的扭矩。圖 2-1 圖 2-2 圖 2-32．通過帶傳動的主軸箱通常選用同步齒形帶或多楔帶傳動，這種傳動方式多見于數控車床，它可避免齒輪傳動時引起的振動和噪聲，見圖2-2所示。3．由調速電機直接驅動的主軸箱這種主軸箱是由電動機直接驅動主軸，即電動機的轉子直接裝在主軸上，因而大大簡化了主軸箱體與主軸的結構，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出扭矩小，電機發(fā)熱對主軸的精度影響較大。如圖2-3所示。近年來，出現(xiàn)了一種新式的內裝電動機主軸，即主軸與電動機轉子合為一體。其齊齊哈爾工程學院畢業(yè)設計（論文）11優(yōu)點是主軸組件結構緊湊，重量輕，慣量小，可提高起動、停止的響應特性，并利于控制振動和噪聲。缺點是電動機運轉產生的熱量亦使主軸產生熱變形。因此，溫度控制和冷卻是使用內裝電動機主軸的關鍵問題。日本研制的立式加工中心主軸組件，其內裝電動機最高轉速可達20000r/min。本次設計采用變速齒店主軸箱系統(tǒng)。使主軸獲得較高的轉速和驕傲大的轉矩。二級以上齒輪變速系統(tǒng)雖然此種結構復雜，制造和維修費用高，但和以上兩種驅動方式比，變速裝置多采用齒輪變速結構，可以使用可調的交、直流無級變速電動機，經齒輪變速后，實現(xiàn)分段無級變速，調速范圍增加，且能滿足各種切削運動的轉矩輸出，因此選用二級以上齒輪變速系統(tǒng)作為主軸箱的變速方式。齊齊哈爾工程學院畢業(yè)設計（論文）12第 3 章 主軸箱變速系統(tǒng)主要參數計算3.1 計算切削功率 3.1.1 切削力的計算銑削時的切削力，公式如下（3-1）0.74.8698FpZCBfaD???式中 ------銑削時的主切削力（N）CF------加工材料影響的系數------每齒進給量（mm）Zf------背吃刀量（mm）ap------銑削寬度B------銑刀齒數Z------銑刀直徑(mm)D用直徑 =50mm 的四齒錐柄立銑刀，銑刀寬 =40mm 的剛工件，B=0.05mm， =4mm， =68mm，fzapfC計算得： =132NF3.1.2 切削功率的計算切削時所消耗的功率稱為切削功率。切削功率的公式計算：（3-2）60CVFP??齊齊哈爾工程學院畢業(yè)設計（論文）13式中： ------切削功率（kw）CP------切削力（N）F------切削速度（ m/min）CV根據機床設計手冊典型加工條件以及鋼材料的銑削速度范圍，取 =100m/minVc計算得： =2.2kwCP3.1.3 主軸轉速范圍的確定? 主軸轉速范圍：50-2000r/min；3.2 計算主軸箱功率 用下列粗略估算主電動機的功率（3-3）CLP??式中， 為銑床主軸箱系統(tǒng)總機械效率，主運動為回轉運動時，C?；主運動為直線運動時， 。0.78C?:0.67C?:取主軸箱的總效率 =0.7則初選電動機功率 2./073.14dkwP?取 4dkwP?電動機額定轉速為；150/drmin?額定最高轉速為 max4/dri齊齊哈爾工程學院畢業(yè)設計（論文）143.3 分級變速箱的傳動系統(tǒng)的設計及主軸電動機的功率的確定由 3.2 中初選電動機功率 為 4kw，dP計算轉速依據如下公式計算:（3-4）0.3542/j rminn????????則電動機的恒功率調速范圍: 450/13dpR?主軸恒功率調速范圍: /40/2519.npmaxj??因此主軸要求的恒功率變速范圍 遠大于電動機所能提供的恒功率圍 ，所np dpR以在電動機與主軸之間要串聯(lián)一個分級變速箱，來擴大電動功率變速范圍。3.3.1 變速級數 Z 的確定如取變速箱的公比 3dpfR??則由于無級變速時 1zznpdpff?故變速箱的變速極數 可取 Z=3 （3-5）lgl19.527043npfZ???雖然此中方法功率特性圖示連續(xù)的、無缺口(即沒有功率降低區(qū))和無重但是Z=3，變速箱機構較復雜。因此為簡化變速箱機構，取 Z=2。3.3.2 電動機的功率的確定由公式（3---5）可知，應增大 f?齊齊哈爾工程學院畢業(yè)設計（論文）15即 lgnpfZR??lg19.52f?所以 比 大很多。4.2f??3dp此時變速箱每擋內有部分低轉速只能恒轉矩變速，主軸箱系統(tǒng)的功率特性圖中出現(xiàn)缺口區(qū)。缺口處的功率為 ????/34/.2.71dpfPkwR?????低谷處功率應保證傳遞全部功率，只有選擇額定功率較大的電機給予補償。所以選用 的交流變頻電動機。5.kw則缺口處的功率為 。有很大的改善。????/35./423.7dpfPkw?????3.3.3 電動機參數一、電動機性能指標電機采用 CTB 系列變頻電機,型號：CBT---43P5BXB50---4,主要技術指標如下。（1）電壓:三相 380V/50Hz；（2）變頻調速范圍:5～100Hz 無級調速,5～50Hz 恒轉矩調速,50～100Hz 恒功率調速,級數為 4 級,額定轉速 1440r/min;（3）電機應能承受額定轉矩的 60%過載,歷時 1min,低速時轉矩平滑,無爬行現(xiàn)象;能通過變頻裝置的電壓提升,保證電動機頻率在 5Hz 時輸出額定轉矩而不致使電機因發(fā)熱而燒毀。（4）CTB 系列變頻電機,型號：CBT---43P5BXB50---4 主要性能參數如表 3.1 所示：齊齊哈爾工程學院畢業(yè)設計（論文）16表 3-1圖 3-1 為電動機外形圖3.3.4 分級變速箱的傳動系統(tǒng)變速機構的確定本系統(tǒng)設計的傳動系統(tǒng)具有兩檔速度，低檔轉速為 ，高檔轉409/rmin?。采用二級變速傳動，傳動比為 的高速傳動304/rmin? 3/6/?的低速傳動兩種變速機構，采用撥叉變速。顯然如果要求巧/627?內作恒功率的不停車變速可用高檔。如果要求在 內作15/i 1509/rin?恒功率的不停車變速可用低檔。轉速圖和功率特性圖如圖 3-2 所示。齊齊哈爾工程學院畢業(yè)設計（論文）17圖 3-1 轉速圖和功率特性圖齊齊哈爾工程學院畢業(yè)設計（論文）18第 4 章 主軸組件設計4.1 概述主軸部件設計是機床重要部件之一，它是機床的執(zhí)行件。它的功用是支撐并帶動工件或刀具旋轉進行切削，承受切削力和驅動力等載荷，完成表面成型運動。4.1.1 軸的分類軸是機械傳動的一個重要零件，一般作回轉運動的零件常要裝在軸上才能實現(xiàn)其回轉運動。其承載在載荷可分為：1.轉軸------工作時既承受彎矩又承受扭矩。2.心軸------用于支撐轉動零件，只承受彎矩。3.傳動軸------傳遞扭矩。在高速傳動的軸不僅要考慮軸的材料、結構、強度和剛度，而且要防止軸的振動（動平衡） 。此外，注意軸上零件的固定，結構工藝性，熱處理等要求。作為制造機器的機器上的軸，設計的主要原則是------剛度原則,本次設計選擇轉軸。4.1.2 主軸材料軸的材料主要是碳鋼和合金鋼。數控主軸主要傳遞扭矩，且在高速旋轉中產生大量的熱，產生一定的軸伸長，其他零件的變形，從而影響加工精度和表面質量。從多方面考慮選用 40Cr 為本次數控銑床主軸材料。4.2 主軸結構設計主軸部件由主軸及其支承軸承、傳動件、密封件及定位元件等組成。 4.2.1 主軸部件應滿足的基本要求（1）旋轉精度 主軸的旋轉精度指裝配后，在無載荷、低轉速條件下，在安裝工件或刀具的主軸部位的徑向和端面圓跳動。其主要取決于主軸、軸承、箱體孔等的制造、裝配和調整精度。（2）剛度 主軸部件的剛度指其在外加載荷的作用下抵抗變形的能力，通常以主軸前端產生單位位移的彈性形變時，在位移方向上所施加的作用力來定義。如圖 4-1齊齊哈爾工程學院畢業(yè)設計（論文）19所示。主軸部件的剛度是主軸、軸承等剛度的綜合反映。因此，主軸的尺寸和形狀、軸承的類型和數量、預緊和配置形式、傳動件布置形式、主軸部件的制造和裝配質量都影響主軸部件的剛度。圖 4-1（3）抗振性 主軸部件的抗振性指抵抗受迫振動和自激振動的能力。在切削過程中，主軸部件不僅受靜態(tài)力作用，同時也受沖擊力和交變力的干擾，使主軸產生振動。影響抗振性的主要因素是主軸部件的靜剛度、質量分布及阻尼。其評價指標是主軸部件的低階固有頻率與振型。（4）溫升和熱變形 主軸部件運轉時，因相對運動產生的摩擦熱、切削的切削熱等使主軸部件的溫度升高，形狀尺寸和位置發(fā)生變化，造成主軸部件的熱變形。其引起軸承間隙變化，潤滑油溫度升高會使粘度降低，這些變化會影響主軸部件的工作性能，降低加工精度。（5）精度保持性 主軸部件的精度保持性指長期保持其原始制造精度的能力。磨損是主軸部件喪失原始精度的主要原因。因此，必須提高主軸部件的耐磨性。對耐磨性影響較大的有主軸的材料、軸承的材料、熱處理方式、軸承類型及潤滑防護方式等。由于機械結構的要求而需在軸中裝設其他零件或者減少軸的質量具有特別重大的作用的場合,則將軸制成空心的,空心軸內徑與外徑的比值通常為 0.5-0.6 為保證軸的剛度和扭轉穩(wěn)定性。軸的設計也和其他的零件的設計相似，包括結構設計和工作能力的計算兩方面的內容。軸的結構設計是根據軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝性等方面的要求,合理地確定軸的結構形式和尺寸。軸的結構不合理會影響軸的工作能力和軸上零件的工作可靠性,還會增加軸的制造成本和軸上零件裝配的困難等。因此軸的結構設計很重要。齊齊哈爾工程學院畢業(yè)設計（論文）20軸的工作能力計算指的是軸的強度、剛度和振動穩(wěn)定性等方面的計算。多數情況下，軸的工作能力主要取決于軸的強度。這時只需對軸進行強度計算，以防止斷裂或塑性變形。對于機械裝備則需剛度計算，防止工作時產生過大的彈性變形，影響加工精度和表面質量。對于高速運轉的軸，還應進行振動穩(wěn)定性計算，防止發(fā)生共振而破壞。4.2.2 軸的結構設計軸的結構主要取決于以下因素:1.軸在機器中的安裝位置及形式；2.軸上安裝零件的類型、尺寸、數量和軸連接的方法；3.載荷的性質、大小、方向及分布情況；4.軸的加工工藝。不論什么條件,軸的結構應滿足以下條件：1. 軸和裝在軸上的零件要有準確的工作位置,周向和軸向要有準確的定位；2. 軸上的零件應便于裝拆和調整；3. 軸應具有良好的結構工藝性和制造工藝性。4.2.3 草擬軸上零件的裝配方案 圖 4-2 主軸裝配圖預定出軸上主要零件的裝配方向、順序和關系，如下圖立式數控銑床主軸的裝配。齊齊哈爾工程學院畢業(yè)設計（論文）21前軸承（前支撐） 、套筒、軸承、套筒（曲路密封）與端蓋（曲路密封）齒輪（動力輸入部分） 、圓螺母、軸承（后支撐） 、端蓋、依次從軸的后端向前端安裝。4.2.4 軸上零件的定位 為防止軸上零件受力時發(fā)生沿軸向和周向的相對運動,軸上零件除了有游動或空轉要求外,都必須進行軸向和周向定位,以保證其準確的工作位置。 1.零件的軸向固定:通常由軸肩、套筒、軸端擋圈、軸承端蓋和圓螺母來保證； 2.零件的周向固定:周向固定的目的是限制軸上零件與軸發(fā)生相對運動。常用周向定位零件有鍵、花鍵、銷、緊定螺釘以及過盈配合等,其中緊定螺釘只用在傳力不大之處。4.2.5 各軸段直徑與的確定由軸的結構和拉刀方式確定出軸的最小直徑：立式數控銑床主軸必須制成空心軸，且又因為 為空心軸的內徑 與外徑 d 之比，為了保證軸的剛度和扭轉剛度,通常在?1之間 ,取為 0.6。故 d=50mm。按軸上零件的裝配方案和定位要求，從 處起0.5~6 mind逐一確定各軸段的直徑。在實際的設計中，軸的直徑亦可憑設計者的經驗確定，或參考同類機器用類比的方法確定。有配合要求的軸段，應盡量采用標準直徑。安裝標準件的部位的軸徑，應取為相應的標準值及所選的配合公差。且在這樣的軸段需 0.5mm 的碳氮共滲層。為了使帶輪、軸承等有配合要求的零件裝配拆卸方便，并減少配合面的擦傷，在配合軸段前應采用較小的直徑，發(fā)揮軸肩的作用。 確定各軸段長度時，應盡可能使結構緊湊，同時還需要保證零件所需的裝配或調整空間。軸的各段長度主要是根據各零件與軸配合部分的軸向尺寸和相鄰零件必要的空隙來確定的。為了保證軸向定位可靠與帶輪等零件相配合部分的軸段長度一般應比輪轂長度短 2 3mm，所以取 Dmax=78mm.~1.主軸懸伸量 a 與前端軸頸 D1之比可按下表 4-1 選擇：表 4-1 主軸懸伸量與前端軸頸之比機床和主軸的類型 a/D1齊齊哈爾工程學院畢業(yè)設計（論文）22通用和精密機床，自動車床和短主軸端銑床，用滾動軸承和支架0.5~1.5中等長度和較長主軸端的車床和銑床，懸伸較長的精密鏜床 和內圓磨床1.25~2.5孔加工機床應用加工細長孔的機床，由加工技術決定，需要有長的懸伸刀桿或主軸可移動，因切削較長而不適用于有高精度要求的機床2.5取 a=65mm2.主軸合理跨距的選擇：在具體設計時，常常由于結構上的限制，實際跨距 l≠ 最佳合理跨距。這樣就造0l成主軸組件的剛度損失。在設計中一般認為 l/ = 時，剛度損失不大（5%左0l.75~1右） 。應該認為在合理范圍之內，稱之為合理跨距，合理跨距 =（ ） 是合 理l.75~10l一個區(qū)域。4.2.6 提高主軸強度的措施軸和軸上零件的結構、工藝及軸上零件的安裝布置等對軸的強度有很大的影響，所以應在這些方面進行考慮，以利提高軸的承載的能力，減小軸的尺寸和機器的質量，降低制造成本。1.合理布置軸上零件以減小軸的載荷。為了減小軸所承受的彎矩，傳動件應盡量靠近軸承，并盡可能不采用懸臂的支承形式，力求縮短支承跨距及懸臂長度。通常軸是在變應力條件下工作的，軸的截面尺寸發(fā)生突變處產生應力集中，軸的疲勞破壞也常常發(fā)生在此處。軸肩要采用較大的 R 減小應力集中；選擇合適的配合關系；可在輪轂或軸上開減載槽；切制螺紋處的應力集中較大，應避免在軸上受載較大的區(qū)段切制螺紋。2.改進軸的表面質量提高軸的疲勞強度。軸的表面愈粗糙，疲勞強度愈低。因此，應合理減小軸的表面及圓角處的 ，提aR高軸的疲勞強度。表面強化處理的方法有：表面高頻淬火；表面滲碳、氮化；碾壓、齊齊哈爾工程學院畢業(yè)設計（論文）23噴丸等強化處理。4.2.7 軸的結構工藝性軸的結構工藝性指軸的結構形式應便于加工和裝配軸上的零件，生產率高，成本低。一般說，軸的結構越簡單，工藝性越好。因此，在滿足使用要求的前提下，軸的結構形式應盡量簡單。為了便于裝配零件并去掉毛刺，軸端應制出 45°的倒角；需要磨削加工的軸段，應留有砂輪越程槽；需要切制螺紋的軸段，應留有退刀槽。為了減少加工刀具種類和提高勞動生產率，軸上直徑相近處的圓角、倒角、鍵槽寬度、砂輪越程槽寬度和退刀槽寬度等應盡量采用相同的尺寸。主軸結構設計如下圖：圖 4-2 主軸結構示意圖4.3 主軸強度的校核常見軸材料見表 4.2 所示。表 4-2 常見軸材料軸的材料 Q235-A、20 Q275、35 45 40Cr[?] 15-25 20-35 25-45 35-45A0 149-126 135-112 126-103 112-974.3.1 按扭轉強度進行計算下面這種方法只是按軸所承受的扭矩來計算軸的強度；如果還承受有不大的彎矩時，則用降低許用扭轉切應力的方法予以考慮。在作軸的結構設計時通常用這種方法初步估算軸徑。對于不大重要的軸，也可作為計算結果。軸的扭轉強度條件為 齊齊哈爾工程學院畢業(yè)設計（論文）24（4-1）??3950.2TTPnWd????------扭轉切應力，單位 MPaT?T------軸所受的扭矩，單位為 N mm?------軸的抗扭截面系數，單位為TW3mn------軸的轉速，單位為 r/minP------軸傳遞的功率，單位為 kwd------計算截面處軸的直徑，單位為 mm------許用扭轉切應力，單位為 MPa??T?由上式可的直徑（4-2）??30950.2TPdAn???式中: ??2301.TAm??對于空心軸 （4-3）3418()Pdmn????應當指出，當軸截面上開有鍵槽時，應增大軸徑以考慮鍵槽對軸的強度的削弱。對于直徑 d100mm 的軸，有一個鍵槽時，軸徑應增大 7%。對于直徑 d100mm 的軸，有一個鍵槽時，軸徑應增大 5%-7%有兩個鍵槽時，應增大 10%-15%。然后將軸徑圓整為標準直徑。應當注意，這樣求出的直徑，只能作為承受扭矩作用的軸段的最小直徑 。mind