立式加工中心主軸組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【說(shuō)明書+CAD】

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青島濱海學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 院（部）： 機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名 張東 學(xué)生學(xué)號(hào) 20120360231 指導(dǎo)教師 徐衛(wèi)彥 職稱 講師 學(xué)位 碩士 課題名稱 立式加工中心主軸組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 起止時(shí)間 2015年10月15日至2016年5月15日 課題來(lái)源 □實(shí)驗(yàn) □實(shí)習(xí) □社會(huì)實(shí)踐 t工程實(shí)踐 □科研項(xiàng)目 □社會(huì)調(diào)查及實(shí)際應(yīng)用 設(shè)計(jì)（論文）的主要任務(wù)與基本要求： （一）主要任務(wù) 1、通過(guò)對(duì)立式加工中心主軸進(jìn)行分析，確定立式加工中心主軸的主要組成部件，確定總方案。 2、對(duì)主軸部件的分析，確定主軸部件的組成部分。 3、確定主軸的主運(yùn)動(dòng)部件，通過(guò)精確計(jì)算、校核，選用主軸直徑、電機(jī)、軸承。 4、通過(guò)對(duì)主要零件的分析選用適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給機(jī)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行進(jìn)行精確計(jì)算。 （二）基本要求 1、總體設(shè)計(jì)說(shuō)明書一份。 2、圖紙：A2圖紙1張（總體裝配圖），A3圖紙2張（零件圖紙各1張）。 進(jìn)度安排：1、2015年10月15日前 選擇題目，確定導(dǎo)師 確定題目和導(dǎo)師 2、2015年10月25日前 編制設(shè)計(jì)任務(wù)書 完成設(shè)計(jì)任務(wù)書 3、2015年11月2日前 撰寫開(kāi)題報(bào)告 完成開(kāi)題報(bào)告 4、2015年11月2日—12月20日 基本完成初稿 完成初稿 5、2015年12月26 日 完成修訂稿 中期答辯 6、2015年1月16日 畢業(yè)設(shè)計(jì)修訂稿 修訂成型 7、2016年4月10 日前 完成畢業(yè)設(shè)計(jì)終稿 完成答辯 8、2016年5月15 日前 整理檔案 完成材料歸檔 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 院（部）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作領(lǐng)導(dǎo)小組意見(jiàn)： 組長(zhǎng)簽字： 年 月 日 立式加工中心主軸組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 立式加工中心主軸組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 綜述 1.1 本課題研究的目的和意義 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)和裝備就是人類生產(chǎn)活動(dòng)的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控技術(shù)又是當(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。 總之，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。 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)界都受到了高度重視。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，并需滿足相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)要求。 1.2 本課題擬解決的關(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： 1） 旋轉(zhuǎn)精度 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[1]。 設(shè)計(jì)時(shí)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。 1.3 加工中心的發(fā)展?fàn)顩r 1.3.1 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。 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。 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[2～4]。 1.3.2 本課題涉及的主軸部件的研究進(jìn)展 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[5]。圖1.1所示為立式加工中心結(jié)構(gòu)圖。 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 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。 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。機(jī)床加工時(shí)，主軸帶動(dòng)工件或刀具參與表面成形運(yùn)動(dòng)，所以主軸的精度、剛度和熱變形對(duì)加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率等有著重要的影響[5]。由于加工中心在加工過(guò)程中不進(jìn)行人工調(diào)整，這些影響就更為嚴(yán)重。 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[3]。 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。也有用油氣潤(rùn)滑，除在軸承中加入少量潤(rùn)滑油外，還引入壓縮空氣，使?jié)L動(dòng)體上包有油膜起到潤(rùn)滑作用，再用空氣循環(huán)冷卻[4]。 2 方案論證 2.1 主軸 主軸是主軸組件的重要組成部分,機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速﹑功率﹑動(dòng)態(tài)平衡﹑剛性及熱變形特性等對(duì)機(jī)床的剛性和熱穩(wěn)定性都有相當(dāng)程度的影響。因此，設(shè)計(jì)高速數(shù)控機(jī)床的主軸組件時(shí)，主軸應(yīng)滿足高速度和高剛性的要求；設(shè)計(jì)高精度數(shù)控機(jī)床時(shí)，主軸應(yīng)滿足高精度低溫升的要求等[6]。 主軸的主要尺寸參數(shù)包括：主軸的直徑、內(nèi)孔直徑、懸伸長(zhǎng)度和支承跨距。評(píng)價(jià)和考慮主軸的主要尺寸參數(shù)的依據(jù)時(shí)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)、耐磨性和熱處理變形大小等因素確定，主軸材料常采用的有45鋼、GCr15等，須經(jīng)滲氮和感應(yīng)加熱淬火[7]。 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[7]。圖2.1所示為幾種機(jī)床上通用的結(jié)構(gòu)形式。 (a) 車床 (b) 銑鏜類機(jī)床 (c) 外圓磨床 (d) 內(nèi)圓磨床 (e) 鉆床鏜床 (f) 數(shù)控鏜床 圖2.1 機(jī)床主軸軸端形式 2.2 主軸組件的支承 2.2.1 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2.2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2.2 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[7～10]。 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2.1。 表2.1 數(shù)控機(jī)床的主軸軸承及其性能[12] 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 2.2.2 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2.3所示的幾種形式。 (a) (b) (c) (d) 圖2.3 數(shù)控機(jī)床主軸軸承的配置形式 在圖2.3(a)所示的配置中，前支承采用雙列短圓柱滾子軸承和60o角接觸球軸承組合，承受徑向載荷和軸向載荷，后支承采用成對(duì)角接觸球軸承，該配置可滿足強(qiáng)力切削的要求，普遍應(yīng)用于各類數(shù)控機(jī)機(jī)床。 在圖2.3(b)所示的配置形式中，前軸承采用角接觸球軸承，由個(gè)軸承組成一套，背靠背安裝，承受徑向載荷和軸向載荷，后支承采用雙列短圓柱滾子軸承，這種配置適用于高速、重載的主軸部件。 在圖2.3(c)所示的配置形式中，前后支承均采用成對(duì)角接觸球軸承，以承受徑向載荷和軸向載荷，角接觸球軸承具有較好的高速性能，主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)，但這種軸承的承載能力小，因而這種配置適用于高速、輕載和精密的數(shù)控機(jī)床主軸。 在圖2.3(d)所示的配置形式中，前支撐采用雙列圓錐滾子軸承，承受徑向載荷和軸向載荷，后支承采用單列圓錐滾子軸承，這種配置徑向和軸向的剛度高，可承受重載荷，尤其能承受較強(qiáng)的動(dòng)載荷，安裝與調(diào)整性能好，但主軸轉(zhuǎn)速和精度的提高受到限制，因此適用于中等精度，低速與重載荷的數(shù)控機(jī)床主軸[13～15]。 2.2.3 主軸軸承的預(yù)緊 對(duì)主軸滾動(dòng)軸承進(jìn)行預(yù)緊和合理選擇預(yù)緊量，可以提高主軸部件的回轉(zhuǎn)精度、剛度和抗振性。滾動(dòng)軸承間隙的調(diào)整或預(yù)緊，通常是通過(guò)軸承內(nèi)、外圈的相對(duì)軸向移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 1） 軸承內(nèi)圈移動(dòng) 這種方法適用于錐孔雙列圓柱滾子軸承。用螺母通過(guò)套筒推動(dòng)內(nèi)圈在錐形軸頸上做軸向移動(dòng)，使內(nèi)圈變形脹大，在滾道上產(chǎn)生過(guò)盈，從而達(dá)到預(yù)緊的目的。圖2.4所示為幾種軸承內(nèi)圈的預(yù)緊形式。 (a) (b) (c) (d) 圖2.4 軸承的預(yù)緊形式 圖2.4(a)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但預(yù)緊量不易控制，常用于輕載機(jī)床主軸部件。 圖2.4(b)用螺母限制內(nèi)圈的移動(dòng)量，易于控制預(yù)緊量。 圖2.4(c)在主軸凸緣上均布數(shù)個(gè)螺釘以調(diào)整內(nèi)圈的移動(dòng)量，調(diào)整方便，但是用幾個(gè)螺釘調(diào)整。易使墊圈歪斜。 圖2.4(d)將緊靠軸承右端的墊圈做成兩個(gè)半環(huán)，可以徑向取出，修磨其厚度可控制預(yù)緊量的大小，調(diào)整精度較高。調(diào)整螺母一般采用細(xì)牙螺紋，便于微量調(diào)整，而且在調(diào)好后要鎖緊防松[15,16]。 2） 修磨座圈 通過(guò)修磨軸承的內(nèi)外座圈，可以調(diào)整軸承的預(yù)緊力。圖2.5所示為兩種修磨的形式。 (a) 修磨軸承內(nèi)圈的內(nèi)側(cè) (b) 修磨軸承外圈的內(nèi)側(cè) 圖2.5 修磨軸承座圈 圖2.5(a)為軸承外圍寬邊相對(duì)(背對(duì)背)安裝，這時(shí)修磨軸承內(nèi)圈的內(nèi)側(cè)，使間隙a增大。 圖2.5(b)所示為外圍窄邊相對(duì)(面對(duì)面)安裝，這時(shí)修磨軸承外圈的窄邊。在安裝時(shí)按圖示的相對(duì)關(guān)系裝配，并用螺母或法蘭蓋將兩個(gè)軸承軸向壓攏，使兩個(gè)修磨過(guò)的端面貼緊，這樣能夠使兩個(gè)軸承的滾道之間產(chǎn)生預(yù)緊[12,13]。 另一種方法是將兩個(gè)厚度不同的隔套放在兩軸承內(nèi)、外圈之間，同樣將兩個(gè)軸承軸向相對(duì)壓緊，使?jié)L道之間產(chǎn)生預(yù)緊，隔套調(diào)整法如圖2.6所示[12,15,17]。 (a) (b) 圖2.6 隔套調(diào)整法 2.3 主軸組件的潤(rùn)滑與密封 主軸部件的潤(rùn)滑與密封是機(jī)床使用和維護(hù)過(guò)程中值得重視的兩個(gè)問(wèn)題。良好的潤(rùn)滑效果可以降低軸承的工作溫度和延長(zhǎng)使用壽命。密封不僅要防止灰塵屑末和切削液進(jìn)入，還要防止?jié)櫥偷男孤? 2.3.1 主軸組件的潤(rùn)滑 在數(shù)控機(jī)床上，主軸軸承潤(rùn)滑方式有油脂潤(rùn)滑，油液循環(huán)潤(rùn)滑、油霧潤(rùn)滑、油氣潤(rùn)滑等。 1） 油脂潤(rùn)滑方式 這是目前在數(shù)控機(jī)床的主軸軸承上最常用的潤(rùn)滑方式，特別是在前支承軸承上更是常用。當(dāng)然，如果主軸箱中沒(méi)有冷卻潤(rùn)滑油系統(tǒng)，那么后支承軸承和其他軸承一般采用油脂潤(rùn)滑方式。主軸軸承油脂封入量，通常為軸承空間容積的，切忌隨意填滿。油脂過(guò)多，會(huì)加劇主軸發(fā)熱[13,18]。 采用油脂潤(rùn)滑方式，要采取有效的密封措施，以防止切削液或潤(rùn)滑油進(jìn)入軸承中。 2） 油液循環(huán)潤(rùn)滑 在數(shù)控機(jī)床主軸上，有采用油液循環(huán)潤(rùn)滑方式的。裝有g(shù)amet軸承的主軸，即可使用這種方式。對(duì)一般主軸軸承來(lái)說(shuō)，后支承上采用這種潤(rùn)滑方式比較常見(jiàn)[19]。 圖2.7所示是恒溫油液循環(huán)潤(rùn)滑冷卻方式。 圖2.7 恒溫冷卻主軸箱 由油溫自動(dòng)控制箱控制的恒溫油液，經(jīng)油泵打到潤(rùn)軸箱，一路沿主軸前支承套外圈上的螺旋槽流動(dòng)，帶走主軸軸承所發(fā)出的熱量，另一路通過(guò)主軸箱內(nèi)的分油器，把恒溫油噴射到傳動(dòng)齒輪和傳動(dòng)軸支承軸承上，以帶走它們所產(chǎn)生的熱量[20]。這種方式潤(rùn)滑和降溫效果都很好。 3） 油霧潤(rùn)滑方式 油霧潤(rùn)滑方式是將油液經(jīng)高壓氣體霧化后，從噴嘴成霧狀噴到需潤(rùn)滑部位的潤(rùn)滑方式。由于霧狀油液吸熱性好，又無(wú)油液攪拌作用，所以此方式常用于高速主軸軸承的潤(rùn)滑。但是，油霧容易吹出，污染環(huán)境[13]。 4） 油氣潤(rùn)滑方式 油氣潤(rùn)滑方式是針對(duì)高速主軸而開(kāi)發(fā)的新型潤(rùn)滑方式。它是用極微量油(約油)潤(rùn)滑軸承，以抑制軸承發(fā)熱。其潤(rùn)滑原理如圖2.8所示。 圖2.8 油氣潤(rùn)滑原理圖 1—油箱（帶油位開(kāi)關(guān)） 2—壓力開(kāi)關(guān) 3—定量柱塞式分配器 4—混合物形成閥 5—噴嘴 6—時(shí)間繼電器 7—壓力開(kāi)關(guān) 8—壓力表 9—過(guò)濾器 10—電磁閥 11—泵 油箱中的油位開(kāi)關(guān)和管路中的壓力開(kāi)關(guān)，確保在油箱中無(wú)油或壓力不足時(shí)，能自動(dòng)切斷主電動(dòng)機(jī)電源[14,16]。 2.3.2 主軸組件的密封 主軸的密封有接觸式密封和非接觸式密封。圖2.9是幾種非接觸密封的形式。 (a) (b) (c) 圖2.9 非接觸式密封 1—端蓋 2—螺母 圖2.9(a)是利用軸承蓋與軸的間隙密封，軸承蓋的孔內(nèi)開(kāi)槽是為了提高密封效果。這種密封用在工作環(huán)境比較清潔的油脂潤(rùn)滑處。 圖2.9(b)是在螺母的外圓上開(kāi)鋸齒形環(huán)槽，當(dāng)油向外流時(shí)，靠主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的離心力把油沿斜面甩到端蓋1的空腔內(nèi)，油液流回箱內(nèi)。 圖2.9(c)是迷宮式密封結(jié)構(gòu)，在切削多、灰塵大的工作環(huán)境下可獲得可靠的密封效果，這種結(jié)構(gòu)適用油脂或油液潤(rùn)滑的密封。非接觸式的油液密封時(shí)，為了防漏，重要的是保證回油能盡快排掉，要保證回油孔的暢通[15]。 接觸式密封主要有油氈圈和耐油橡膠密封圈密封，如圖2.10所示[12]。 (a) (b) 圖2.10 接觸式密封 1—甩油環(huán) 2—油氈圈 3—耐油橡膠密封圈 2.4 主軸準(zhǔn)停裝置 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)得切削轉(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。 機(jī)械方式采用機(jī)械凸輪等機(jī)構(gòu)和光電盤方式進(jìn)行初定位，然后由一個(gè)定位銷(由液動(dòng)或氣動(dòng))插入主軸上的銷孔或銷槽來(lái)完成精定位，換刀后定位銷退出，主軸才可旋轉(zhuǎn)。采用這種方法定向比較可靠準(zhǔn)確，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜[18～20]。 目前常采用的電氣方式是用磁力傳感器檢測(cè)定向，其工作原理如圖2.11。 圖2.11 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。由于沒(méi)有機(jī)械摩擦和接觸，同時(shí)定位精度也能夠滿足一般換刀的要求，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，使用時(shí)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(lái)選擇[17]。 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[12,19]。 2.6 本課題的設(shè)計(jì)方案擬定 鑒于上述主軸組件各部分的優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)初步?jīng)Q定采用以下方案： 在本課題中，加工中心主要用于銑削作用，所以在主軸軸端采用適用于銑鏜類機(jī)床的軸端。圖2.12所示為銑床主軸的軸端形式。 圖2.12 銑床主軸的軸端形式 主軸軸承是主軸組件的重要部分之一。本課題采用如圖2.13所示的軸承配置形式。 圖2.13 主軸軸承的配置形式 在此種配置形式中，前后支承均采用成對(duì)角接觸球軸承，由于角接觸球軸承能承受徑向載荷也能承受軸向載荷，并且可以通過(guò)內(nèi)外圍之間的相對(duì)位移來(lái)調(diào)整其間隙的大小，同時(shí)角接觸球軸承具有較好的高速性能，主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)[18]，因此此種配置在輕載時(shí)應(yīng)用廣泛。 在本課題中，軸承的預(yù)緊形式將采用隔套調(diào)整法，此方法采用兩個(gè)套調(diào)整，通過(guò)兩個(gè)套的寬度差，調(diào)整軸承的間隙，或在軸承外圈設(shè)隔套，裝配時(shí)用螺母并緊內(nèi)圈獲得所需預(yù)緊力。這種調(diào)整方法不必拆卸軸承，預(yù)緊力的大小全憑工人的經(jīng)驗(yàn)確定。 本課題中主軸組件的潤(rùn)滑方式采用油脂潤(rùn)滑方式，潤(rùn)滑脂的粘度大，不易流失，因此不需要經(jīng)常更換，而且密封也較簡(jiǎn)單，特別適用于立式或套筒式主軸部件，可防止漏油。這也是目前在數(shù)控機(jī)床的主軸軸承上最常用的潤(rùn)滑方式，特別是在前支承軸承上更是常用。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，所用油脂種類為高級(jí)鋰基油脂或德國(guó)產(chǎn)NBU-15型油脂，每加一次油脂可使用年。 由于本課題采用油脂潤(rùn)滑方式，密封主要是防止外界異物進(jìn)入，所以可采用間隙式或迷宮式密封裝置。本課題采用徑向迷宮式密封。如圖2.14所示為徑向迷宮式密封裝置。 圖2.14 徑向迷宮式密封 迷宮式密封是在組件的轉(zhuǎn)動(dòng)和固定部分之間做成復(fù)雜而曲折的通道，間隙不超過(guò)，并填滿潤(rùn)滑脂。由于這種密封方法能有效地保護(hù)軸承，所以得到廣泛應(yīng)用[16]。 主軸準(zhǔn)停方式采用電氣方式。此方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位準(zhǔn)確，能夠很好的達(dá)到要求的定位精度。 切屑清除機(jī)構(gòu)則采用壓縮空氣吹屑，此方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且能高效清除金屬殘屑。 綜合以上各部件的特點(diǎn)，現(xiàn)初步確定加工中心主軸組件的傳動(dòng)方案如圖2.15所示。 圖2.15 主軸組件傳動(dòng)示意圖 1—主軸 2—傳動(dòng)軸 3—Z軸滾珠絲杠 4—主軸準(zhǔn)停插銷 5—Z軸進(jìn)給電機(jī) 6—主軸轉(zhuǎn)角位置編碼器 7—齒形帶傳動(dòng) 8—三角帶傳動(dòng) 9—主電機(jī) 10—傳至大箱體升降絲杠齒形帶 11、12—電磁離合器 13—花鍵軸 14—大箱體 15—主軸頭 2.7 進(jìn)度計(jì)劃 第1周~第3周： 查閱資料，翻譯英文資料，攥寫開(kāi)題報(bào)告； 第4周~第6周： 查閱資料，進(jìn)行主軸組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 第7周~第9周： 結(jié)構(gòu)分析與驗(yàn)算； 第10周~第14周：計(jì)算機(jī)繪制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙； 第15周~第16周：編寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書； 第17周~第18周：評(píng)審、答辯。 參考文獻(xiàn) [1] 李洪．實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]．沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1999. 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With the development of Chinesemanufacturing industry facing the important strategic opportunities of thetransformation and upgrading, we need to speed up the digital structure designprocess, to grasp the weak links of the machine tool structure, researchingdesign and development, analysis and evaluation, improvement and optimization of CNC machine tool has become the main problems to be solved. Machining center is a knife library and automatic tool change device of a kind of highly automated multi-function nc machine tool, in order to complete a few more process on the surface of workpiece processing.And there are many in dao or choose function, which greatly improve the production efficiency.Machining center is a knife library and automatic tool change device of a kind of highly automated multi-function nc machine tool, in order to complete a few more process on the surface of workpiece processing.And there are many in dao or choose function, which greatly improve the production efficiency. Machining center is different from ordinary machine tool, he basically has the following configuration: spindle, spindle motor, four claws, three axis motor, CNC system, servo system, spindle cooling system, even the axis, the wind road system, oil system, play knife system, bearings and so on.In general, is the primary structure of machine tool spindle components, its performance depends to a large extent determines the machining accuracy of machine tools and machining capacity.This design through consulting a large number of literature as well as the factory's actual investigation, analyzed all kinds of machine tool spindle parts, formulate a set of reasonable and superior design.The various components of the spindle and the specific parts of the analysis and design, the solution of the system. Key words：spindle unit;machining center; NC machine tool 目 錄 摘 要 3 Abstract 4 第1章 緒 論 7 1.1 加工中心以及立式加工中心簡(jiǎn)介 7 1.2加工中心發(fā)展現(xiàn)狀 8 1.3 加工中心的分類及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 9 1.3.1 加工中心的分類 9 1.3.2 加工中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 9 1.4 立式加工中心的發(fā)展趨勢(shì) 11 1.5 本設(shè)計(jì)的基本參數(shù) 12 第2章 主軸結(jié)構(gòu)的組成及方案選定 13 2.1 主軸結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成 13 2.2 主軸運(yùn)行方案的設(shè)計(jì) 13 2.2.1 主軸傳動(dòng)系統(tǒng)分析 13 2.2.2 主軸進(jìn)給系統(tǒng)分析 14 2.2.3 主軸準(zhǔn)停系統(tǒng)分析 15 第3章 主軸系統(tǒng)的主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 16 3.1 主軸系統(tǒng)電機(jī)的確定 16 3.1.1 主電機(jī)工作功率求解 16 3.1.2 主軸電機(jī)的型號(hào)選擇 17 3.2 主軸構(gòu)件 18 3.2.1 主軸零件的設(shè)計(jì) 18 3.2.2 主軸零件的力學(xué)分析 19 3.2.3 主軸零件的強(qiáng)度校核 21 3.2.4 主軸零件的剛度校核 22 3.2.5支承方式的選擇 23 3.2.6軸承的求解分析 24 3.3同步帶的分析求解 26 第4章 主軸結(jié)構(gòu)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 31 4.1 進(jìn)給電機(jī)的型號(hào)選擇 31 4.1.1 進(jìn)給電機(jī)功率求解 31 4.1.2 進(jìn)給電機(jī)的選型 31 4.2 聯(lián)軸器裝置的計(jì)算選擇 32 4.3 垂直方向伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 32 4.3.1 切削力大小的估算 32 4.3.2 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算 33 第5章 主軸結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)停機(jī)構(gòu) 35 總 結(jié) 37 致 謝 38 參考文獻(xiàn) 39  第1章 緒 論 1.1 加工中心以及立式加工中心簡(jiǎn)介 機(jī)床是加工制造一切機(jī)器零部件的機(jī)器,也稱為工作母機(jī)。隨著工業(yè)“四高”和“四化”的發(fā)展,現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床已然成為影響國(guó)民實(shí)體經(jīng)濟(jì)以及加快推進(jìn)工業(yè)化進(jìn)程的核心和基礎(chǔ)。尤其是工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家德國(guó)倡導(dǎo)的工業(yè)4.0時(shí)代,現(xiàn)代智能制造工廠中,3D打印、機(jī)器人等高科技產(chǎn)品所蘊(yùn)含高附加值零部件的需求日益旺盛,致使超精密數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)與制造成為滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的關(guān)鍵。同時(shí),涉及精密、智能化的數(shù)控裝備和數(shù)控系統(tǒng)及功能部件長(zhǎng)期依賴美、日、德等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家,機(jī)床相關(guān)核心技術(shù)受歐盟美國(guó)、日本等國(guó)家嚴(yán)格封鎖。因此,亟需打破這種格局,由國(guó)家組織和牽頭,大力追趕工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家腳步,充分集中科技力量攻關(guān)重大關(guān)鍵技術(shù),推動(dòng)裝備制造業(yè)的發(fā)展,滿足航空航天、軍工、汽車制造業(yè)、以及能源冶金等工業(yè)建設(shè)。 加工中心（英文縮寫為CNC 全稱為Computerized Numerical Control）：是帶有刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置的一種高度自動(dòng)化的多功能數(shù)控機(jī)床。工件在加工中心上經(jīng)一次裝夾后，數(shù)字控制系統(tǒng)能控制機(jī)床按不同工序，自動(dòng)選擇和更換刀具，自動(dòng)改變機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和刀具相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)軌跡及其他輔助機(jī)能，依次完成工件幾個(gè)面上多工序的加工。并且有多種換刀或選刀功能，從而使生產(chǎn)效率大大提高。 立式加工中心是指主軸軸線與工作臺(tái)垂直設(shè)置的加工中心，如下圖1-1所示,主要適用于加工板類、盤類、模具及小型殼體類復(fù)雜零件。立式加工中心能完成銑、鏜削、鉆削、攻螺紋和用切削螺紋等工序。立式加工中心最少是三軸二聯(lián)動(dòng)，一般可實(shí)現(xiàn)三軸三聯(lián)動(dòng)。有的可進(jìn)行五軸、六軸控制。立式加工中心立柱高度是有限的，對(duì)箱體類工件加工范圍要減少，這是立式加工中心的缺點(diǎn)。但立式加工中心工件裝夾、定位方便;刃具運(yùn)動(dòng)軌跡易觀察，調(diào)試程序檢查測(cè)量方便，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，進(jìn)行停機(jī)處理或修改;冷卻條件易建立，切削液能直接到達(dá)刀具和加工表面;三個(gè)坐標(biāo)軸與笛卡兒坐標(biāo)系吻合，感覺(jué)直觀與圖樣視角一致，切屑易排除和掉落，避免劃傷加工過(guò)的表面。與相應(yīng)的臥式加工中心相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占地面積較小，價(jià)格較低。 圖1-1 立式加工中心實(shí)物圖 1.2加工中心發(fā)展現(xiàn)狀 1952年世界上出現(xiàn)第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，使多品種、中小批量的機(jī)械加工設(shè)備在柔性、自動(dòng)化和效率上產(chǎn)生了巨大變革。它用易于修改的數(shù)控加工程序進(jìn)行控制，因而比大批量生產(chǎn)重使用組合機(jī)床生產(chǎn)線和凸輪、開(kāi)關(guān)控制的專用機(jī)床有更大的柔性，容易適應(yīng)加工件品種的變化，進(jìn)行多品種加工。它用數(shù)控系統(tǒng)對(duì)機(jī)床的工藝功能、幾何圖形運(yùn)動(dòng)功能和輔助功能實(shí)行全自動(dòng)的數(shù)字控制，因?yàn)橛懈叩淖詣?dòng)化程度和加工效率，大大改變了中小批量生產(chǎn)中普通機(jī)床占整個(gè)機(jī)械加工的狀況。數(shù)控機(jī)床能實(shí)現(xiàn)兩坐標(biāo)以上聯(lián)動(dòng)的功能，其效率和精度比用手工和樣板控制加工復(fù)雜零件要高得多。 1958年第一臺(tái)加工中心在美國(guó)卡尼、特雷克（Kearney&Trecker）公司問(wèn)世?，F(xiàn)代加工中心的內(nèi)容是什么？第一，它是在數(shù)控鏜床或數(shù)控銑床的基礎(chǔ)上增加自動(dòng)換刀裝置，可使工件在一次裝卡中，能夠自動(dòng)更換刀具，自動(dòng)完成工件上的銑削、鉆孔、鏜孔、鉸孔、攻絲等工序的數(shù)控機(jī)床。第二，加工中心上如果帶有自動(dòng)分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)或自動(dòng)轉(zhuǎn)角度的主軸箱，可使工件在一次裝卡中，自動(dòng)完成多個(gè)平面和多個(gè)角度位置的多工序加工。第三，加工中心上如果帶有交換工作臺(tái)，工件在工作位置的工作臺(tái)上進(jìn)行加工的同時(shí)，另外的工件在裝卸位置的工作臺(tái)上進(jìn)行裝卸，不影響加工的進(jìn)行。 由上述可知，加工重心在加工的柔性、自動(dòng)化程度和加工效率上，在一般數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)上又上了一個(gè)新的臺(tái)階，又是一次新的變革。 加工中心的定義是什么？目前世界上并無(wú)標(biāo)準(zhǔn)定義，但目前普遍認(rèn)為是指：在工件一次裝卡中，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)銑削、鉆孔、鏜孔、鉸孔、攻絲等多工序的數(shù)控機(jī)床。更為明確的說(shuō)法是：加工中心就是自動(dòng)換刀數(shù)控鏜銑床。這就把加工中心與自動(dòng)換刀數(shù)控車床或車削中心區(qū)別開(kāi)來(lái) 1.3 加工中心的分類及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 1.3.1 加工中心的分類 加工中心常按主軸在空間所處的狀態(tài)分為立式加工中心和臥式加工中心，加工中心的主軸在空間處于垂直狀態(tài)的稱為立式加工中心，主軸在空間處于水平狀態(tài)的稱為臥式加工中心。主軸可作垂直和水平轉(zhuǎn)換的，稱為立臥式加工中心或五面加工中心，也稱復(fù)合加工中心。按加工中心立柱的數(shù)量分；有單柱式和雙柱式（龍門式）。 按加工中心運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)數(shù)和同時(shí)控制的坐標(biāo)數(shù)分：有三軸二聯(lián)動(dòng)、三軸三聯(lián)動(dòng)、四軸三聯(lián)動(dòng)、五軸四聯(lián)動(dòng)、六軸五聯(lián)動(dòng)等。三軸、四軸是指加工中心具有的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)數(shù)，聯(lián)動(dòng)是指控制系統(tǒng)可以同時(shí)控制運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)刀具相對(duì)工件的位置和速度控制。 按工作臺(tái)的數(shù)量和功能分：有單工作臺(tái)加工中心、雙工作臺(tái)加工中心，和多工作臺(tái)加工中心。 按加工精度分：有普通加工中心和高精度加工中心。普通加工中心，分辨率為1μm，最大進(jìn)給速度15～25m／min，定位精度lOμm左右。高精度加工中心、分辨率為0.1μm，最大進(jìn)給速度為15～100m／min，定位精度為2μm左右。介于2～lOμm之間的，以±5μm較多，可稱精密級(jí)。 1.3.2 加工中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 1機(jī)床的剛度高、抗振性好。為了滿足加工中心高自動(dòng)化、高速度、高精度、高可靠性的要求，加工中心的靜剛度、動(dòng)剛度和機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的阻尼比都高于普通機(jī)床（機(jī)床在靜態(tài)力作用下所表現(xiàn)的剛度稱為機(jī)床的靜剛度；機(jī)床在動(dòng)態(tài)力作用下所表現(xiàn)的剛度稱為機(jī)床的動(dòng)剛度）。 2機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳遞精度高，速度快。加工中心傳動(dòng)裝置主要有三種，即滾珠絲杠副；靜壓蝸桿-蝸母條；預(yù)加載荷雙齒輪-齒條。它們由伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，省去齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳遞精度高，速度快。一般速度可達(dá)15m/min，最高可達(dá)100m/min； 3主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)齒輪箱變速系統(tǒng)（特殊的也只保留1～2級(jí)齒輪傳動(dòng)）。主軸功率大，調(diào)速范圍寬，并可無(wú)級(jí)調(diào)速。目前加工中心95％以上的主軸傳動(dòng)都采用交流主軸伺服系統(tǒng)，速度可從10～20000r/min無(wú)級(jí)變速。驅(qū)動(dòng)主軸的伺服電機(jī)功率一般都很大，是普通機(jī)床的1～2倍，由于采用交流伺服主軸系統(tǒng)，主軸電動(dòng)機(jī)功率雖大，但輸出功率與實(shí)際消耗的功率保持同步，不存在大馬拉小車那種浪費(fèi)電力的情況，因此其工作效率最高，從節(jié)能角度看，加工中心又是節(jié)能型的設(shè)備； 4加工中心的導(dǎo)軌都采用了耐磨損材料和新結(jié)構(gòu)，能長(zhǎng)期的保持導(dǎo)軌的精度，在高速重切削下，保證運(yùn)動(dòng)部件不振動(dòng)，低速進(jìn)給時(shí)不爬行及運(yùn)動(dòng)中的高靈敏度。導(dǎo)軌采用鋼導(dǎo)軌、淬火硬度≥HRC，與導(dǎo)軌配合面用聚四氟乙烯貼層。這樣處理的優(yōu)點(diǎn)：a．摩擦系數(shù)??；b．耐磨性好；c.減振消聲；d．工藝性好。所以加工中心的精度壽命比一般的機(jī)床高； 5設(shè)置有刀庫(kù)和換刀機(jī)構(gòu)。這是加工中心與數(shù)控銑床和數(shù)控鏜床的主要區(qū)別，使加工中心的功能和自動(dòng)化加工的能力更強(qiáng)了。加工中心的刀庫(kù)容量少的有幾把，多的達(dá)幾百把。這些刀具通過(guò)換刀機(jī)構(gòu)自動(dòng)調(diào)用和更換，也可通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)刀具壽命進(jìn)行管理； 6控制系統(tǒng)功能較全。它不但可對(duì)刀具的自動(dòng)加工進(jìn)行控制，還可對(duì)刀庫(kù)進(jìn)行控制和管理，實(shí)現(xiàn)刀具自動(dòng)交換。有的加工中心具有多個(gè)工作臺(tái)，工作臺(tái)可自動(dòng)交換，不但能對(duì)一個(gè)工件進(jìn)行自動(dòng)加工，而且可對(duì)一批工件進(jìn)行自動(dòng)加工。這種多工作臺(tái)加工中心有的稱為柔性加工單元。隨著加工中心控制系統(tǒng)的發(fā)展，其智能化的程度越來(lái)越高，如FANUCl6系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話、在線自動(dòng)編程，通過(guò)彩色顯示器與手動(dòng)操作鍵盤的配合，還可實(shí)現(xiàn)程序的輸入、編輯、修改、刪除，具有前臺(tái)操作、后臺(tái)編輯的前后臺(tái)功能。加工過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)，檢測(cè)出的偏差可自動(dòng)修正，保證首件加工一次成功，從而可以防止廢品的產(chǎn)生。 1.4 立式加工中心的發(fā)展趨勢(shì) 1向高精度、高效率方向發(fā)展 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)精度、效率、質(zhì)量的要求愈來(lái)愈高，超精密加工技術(shù)就是要向加工精度的極限沖刺，應(yīng)該說(shuō)，這種極限是無(wú)限的，當(dāng)前的目標(biāo)是向納米級(jí)進(jìn)軍，而現(xiàn)狀是處于亞微米級(jí)水平。 2向大型化、微型化方向發(fā)展 由于航天航空等技術(shù)的發(fā)展，大型光電子器件要求大型超精密加工設(shè)備，如美國(guó)研制的加工直徑為2.4～4m的大型光學(xué)器件超精密加工機(jī)床。由于微型機(jī)械、集成電路的發(fā)展，超精密加工技術(shù)向微型化發(fā)展，如微型傳感器，微型驅(qū)動(dòng)元件和動(dòng)力裝置、微型航空航天器件等。 3向加工檢測(cè)一體化發(fā)展 由于超精密加工的精度很高，必須發(fā)展相應(yīng)的檢測(cè)技術(shù)才能適應(yīng)其要求；同時(shí)，采用加工和檢測(cè)獨(dú)立進(jìn)行的方法可能由于安裝等誤差而不能實(shí)現(xiàn)，因此，要采用在位檢測(cè)方法，使加工檢測(cè)一體化。 4在線檢測(cè)與誤差補(bǔ)償 超精密加工的精度很高，影響因素多且復(fù)雜，進(jìn)行在線檢測(cè)、工況監(jiān)控以確保加工質(zhì)量及其穩(wěn)定性是十分必要的。由于超精密加工的精度很高，加工設(shè)備本身的精度有時(shí)很難滿足要求，就要采用在線檢測(cè)和誤差補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)提高精度，保證加工質(zhì)量的要求。 5新型超精密加工方法的機(jī)理 加工機(jī)理的研究是新技術(shù)的生長(zhǎng)點(diǎn)，超精密加工機(jī)理涉及微觀世界和物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所利用的能源包括機(jī)、光、電、聲、熱、化、磁、原子等，十分廣泛。不僅可以采用分離去除加工，而且可以采用分層堆積加工方法；既可采取單獨(dú)加工方法，更可采用復(fù)合加工方法。加工機(jī)理的研究往往具有突破性。 6新材料的研究 新材料包括新的工具材料(切削、磨削)和被加工材料。精密加工和超精密加工的被加工材料對(duì)其加工質(zhì)量的影響極大，其化學(xué)成分、力學(xué)機(jī)械性能均有嚴(yán)格要求，亟待研究。 當(dāng)前，精密加工和超精密加工在我國(guó)急需要研究的是實(shí)用化，將一些成熟或比較成熟的精密加工和超精密加工技術(shù)推廣到實(shí)際中去，以提高加工技術(shù)的水平，使生產(chǎn)的機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量更好、生產(chǎn)率更高。 1.5 本設(shè)計(jì)的基本參數(shù) 本課題涉及的主要技術(shù)指標(biāo)有： 1．主軸構(gòu)件孔錐度：； 2．主軸構(gòu)件孔直徑：； 3．主軸箱基本工作行程（Z軸）：； 4．主軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度大小范圍：； 5．在Z軸方向快速移動(dòng)速度：； 6．在Z軸方向進(jìn)給速度大?。骸?  第2章 主軸結(jié)構(gòu)的組成及方案選定 2.1 主軸結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成 加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)是由主軸電動(dòng)機(jī)、主軸傳動(dòng)系統(tǒng)以及主軸組件組成，而主軸組件是加工中心的主傳動(dòng)部分的主要組成部分，在機(jī)床上，主軸主要作用是夾持工件或刀具旋轉(zhuǎn)，提供足夠的驅(qū)動(dòng)功率或輸出轉(zhuǎn)矩，能在整個(gè)速度范圍內(nèi)提供切削所需功率和轉(zhuǎn)矩，以滿足機(jī)床強(qiáng)力切削時(shí)的要求，直接參加表面成形運(yùn)動(dòng)。主軸組件的基本組成可以用下圖予以清晰表示： 圖2-1 主軸組件的基本組成 2.2 主軸運(yùn)行方案的設(shè)計(jì) 2.2.1 主軸傳動(dòng)系統(tǒng)分析 通常情況下主軸的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)大致有齒輪傳動(dòng)和同步帶傳動(dòng)兩種形式。 1.齒輪傳動(dòng)。屬于機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用最廣的一種傳動(dòng)形式。齒輪傳動(dòng)是利用兩齒輪的輪齒相互嚙合傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)。按齒輪軸線的相對(duì)位置分平行軸圓柱齒輪傳動(dòng)、相交軸圓錐齒輪傳動(dòng)和交錯(cuò)軸螺旋齒輪傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)是：齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)比精確，工作可靠、效率高、壽命長(zhǎng)，使用的功率、速度和尺寸范圍大。例如傳遞功率可以從很小至幾十萬(wàn)千瓦；速度最高可達(dá)300m/s；齒輪直徑可以從幾毫米至二十多米。但是制造齒輪需要有專門的設(shè)備，嚙合傳動(dòng)會(huì)產(chǎn)生噪聲。 2.同步帶傳動(dòng)。嚙合型帶傳動(dòng)一般也稱為同步帶傳動(dòng)。它通過(guò)傳動(dòng)帶內(nèi)表面上等距分布的橫向齒和帶輪上的相應(yīng)齒槽的嚙合來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)。同步帶傳動(dòng)由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，故帶與帶輪之間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)比。同步帶通常以鋼絲繩或玻璃纖維繩為抗拉體，氯丁橡膠或聚氨酯為基體，這種帶薄而且輕，故可用于較高速度。傳動(dòng)時(shí)的線速度可達(dá)50m/s，傳動(dòng)比可達(dá)10，效率可達(dá)98%。傳動(dòng)噪聲比帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)小，耐磨性好，不需油潤(rùn)滑，壽命比摩擦帶長(zhǎng)。其主要缺點(diǎn)是制造和安裝精度要求較高，中心距要求較嚴(yán)格。所以同步帶廣泛應(yīng)用于要求傳動(dòng)比準(zhǔn)確的中、小功率傳動(dòng)中。 結(jié)合上述分析，齒輪傳動(dòng)需要考慮潤(rùn)滑情況，而帶傳動(dòng)基本能滿足主傳動(dòng)的需求，所以主軸傳動(dòng)方式中選擇同步帶傳動(dòng)。 2.2.2 主軸進(jìn)給系統(tǒng)分析 通常情況在主軸進(jìn)給的形式大致分為滑動(dòng)螺旋和滾動(dòng)螺旋，具體分析如下： 1.滑動(dòng)螺旋。它具有摩擦系數(shù)大，傳動(dòng)效率低，約；低速運(yùn)行時(shí)有爬行或振動(dòng)；磨損大，使用壽命較短；運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)無(wú)噪聲等性能特點(diǎn)。在結(jié)構(gòu)工藝上其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工及安裝精度要求較低，而且其成本較低，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)。 2.滾動(dòng)螺旋。它具有摩擦系數(shù)很低，傳動(dòng)效率高達(dá)；低速運(yùn)行時(shí)無(wú)爬行、振動(dòng)；耐磨性好，磨損極小；高速運(yùn)行有噪聲等性能特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工及安裝精度要求較高，而且成本較高，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)。 綜合分析上述兩種進(jìn)給方式，考慮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)停系統(tǒng)分析 數(shù)控機(jī)床為了完成ATC(刀具自動(dòng)交換)的動(dòng)作過(guò)程，必須設(shè)置主軸準(zhǔn)停機(jī)構(gòu)。 由于刀具裝在主軸上，切削時(shí)切削轉(zhuǎn)矩不可能僅靠錐孔的摩擦力來(lái)傳遞，因此在主軸前端設(shè)置一個(gè)突鍵，當(dāng)?shù)毒哐b入主軸時(shí)，刀柄上的鍵槽必須與突鍵對(duì)準(zhǔn)，才能順利換刀; 為此，主軸必須準(zhǔn)確停在某固定的角度上。由此可知主軸準(zhǔn)停是實(shí)現(xiàn)ATC過(guò)程的重要環(huán)節(jié)。 加工中心的主軸定向裝置有機(jī)械方式和電氣方式兩種。 1. 機(jī)械方式：(1)機(jī)械凸輪機(jī)構(gòu)；(2)光電盤方式?進(jìn)行粗定位，然后有一個(gè)液動(dòng)或氣動(dòng)的定位銷插入主軸上的銷孔或銷槽實(shí)現(xiàn)精確定位，完成換刀后定位銷退出，主軸才開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。 采用這種傳統(tǒng)方法定位，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在早期數(shù)控機(jī)床上使用較多。 2. 電氣方式：現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床采用電氣方式定位較多。(1)用磁性傳感器檢測(cè)定位，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1~2mm處固定一個(gè)磁傳感器，它經(jīng)過(guò)放大器并與主軸控制單元相連接，當(dāng)主軸需要定向時(shí)，便可停止在調(diào)整好的位置上。(2)主軸編碼器檢測(cè)定位，這種方法是通過(guò)主軸電動(dòng)機(jī)內(nèi)置安裝的位置編碼器或在機(jī)床主軸箱上安裝一個(gè)與主軸1∶1同步旋轉(zhuǎn)的位置編碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)?？刂疲瑴?zhǔn)停角角度可任意設(shè)定。 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。  第3章 主軸系統(tǒng)的主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 主軸是主軸箱的重要組成部分。它的結(jié)構(gòu)尺寸和形狀、制造精度、材料及其熱處理，對(duì)主軸箱的工作性能有很大的影響。 3.1 主軸系統(tǒng)電機(jī)的確定 3.1.1 主電機(jī)工作功率求解 (1) 求解主銑削力的大小 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0.99[6]，同步帶傳動(dòng)效率0.98[6] 3.1.2 主軸電機(jī)的型號(hào)選擇 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0.65kW～37kW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=5.48kW[6]，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： 1.額定輸出功率：； 2.最高速度：； 3.額定輸出轉(zhuǎn)矩：； 4.轉(zhuǎn)子慣量：。 3.2 主軸構(gòu)件 3.2.1 主軸零件的設(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 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3.11-6[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(guān)系： 3.2.2 主軸零件的力學(xué)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 3.2.3 主軸零件的強(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15-1[23]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)?，所以主軸的強(qiáng)度符合要求。 3.2.4 主軸零件的剛度校核 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15-1-42[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(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。 3.2.5支承方式的選擇 由于絲杠工作時(shí)，既承受軸向載荷又承受徑向載荷,故支承絲杠的軸承選用能同時(shí)承受徑向載荷與單向軸向載荷的角接觸球軸承.絲杠在傳動(dòng)是要正反轉(zhuǎn),則軸承承受的軸向力的方向可能反復(fù)變化,故采用兩個(gè)軸成面對(duì)面安裝.如圖所示： 圖3-5 角接觸球軸承面對(duì)面安裝 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(biāo)間隙值取3～8μm。為了提高機(jī)床的切削剛性，該軸承與主軸的配合采用過(guò)盈配合, 配合目標(biāo)過(guò)盈量取0～4μm。而后支承的7015C角接觸球軸承與主軸選用過(guò)盈配合, 配合目標(biāo)過(guò)盈量取0～3μm。與軸承座之間為間隙配合,配合目標(biāo)間隙值取9～15μm[21]。 3.2.6軸承的求解分析 所謂軸承的壽命,是指軸承中任一滾動(dòng)體或內(nèi),外圈輥道上出現(xiàn)疲勞點(diǎn)蝕前所經(jīng)歷的總轉(zhuǎn)數(shù)或一定轉(zhuǎn)速下工作的小時(shí)數(shù).滾動(dòng)軸承壽命計(jì)算的目的是防止軸承在預(yù)期工作時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生點(diǎn)蝕破壞,其壽命與所受載荷的大小有關(guān),作用載荷越大,引起的接觸應(yīng)力也就越大,因而在發(fā)生點(diǎn)蝕破壞前所經(jīng)歷的總轉(zhuǎn)數(shù)也就越少,即軸承的壽命越短。 圖3-6 滾動(dòng)軸承的疲勞曲線 1.軸承受力分析 軸承的受力簡(jiǎn)圖參見(jiàn)圖3-3。從圖上可知，在A、B兩處所用的是同種型號(hào)的角接觸球軸承，且D處的軸承是成對(duì)使用，共同承擔(dān)支承作用。所以，校驗(yàn)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 2.軸承7017AC壽命計(jì)算 軸承的工作年限為7年（一年按300天計(jì)算），每天兩班工作制（按16h計(jì)算），則軸承預(yù)期計(jì)算壽命為 已知軸承7017AC所受的軸向負(fù)荷，徑向負(fù)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(dòng)載荷系數(shù)X=1，軸向動(dòng)載荷系數(shù)Y=0。根據(jù)載荷性質(zhì)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(dāng)量動(dòng)載荷為[23] 以小時(shí)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(zhuǎn)速，單位為； — 基本額定動(dòng)載荷，單位為； — 當(dāng)量動(dòng)載荷，單位為； — 壽命指數(shù)，對(duì)球軸承，滾子軸承。 查表22-42[5]得基本額定動(dòng)載荷。將上述參數(shù)代入公式（3.9），則以小時(shí)數(shù)表示的軸承壽命為 由于，所以能夠滿足要求。 3.軸承7015AC壽命計(jì)算 軸承的工作年限為7年（一年按300天計(jì)算），每天兩班工作制（按16h計(jì)算），則軸承預(yù)期計(jì)算壽命為 已知軸承7015AC所受的軸向負(fù)荷，徑向負(fù)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(dòng)載荷系數(shù)X=0.41，軸向動(dòng)載荷系數(shù)Y=0.87。根據(jù)載荷性質(zhì)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(dāng)量動(dòng)載荷為[23] 查表22-42[5]得基本額定動(dòng)載荷。將上述參數(shù)代入公式（3.9），則以小時(shí)數(shù)表示的軸承壽命為 由于，所以能夠滿足要求。 3.3同步帶的分析求解 (1) 設(shè)計(jì)功率 根據(jù)工作機(jī)為加工中心，原動(dòng)機(jī)為交流電動(dòng)機(jī)，每天兩班制工作（按計(jì)），由表[5]查得。故設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)功率，小帶輪轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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)，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(zhuǎn)速； — 大帶輪轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速。 (8) 初定軸間距 經(jīng)驗(yàn)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(zhǎng)及其齒數(shù) 式中： — 帶長(zhǎng)； — 初定軸間距； — 小帶輪節(jié)圓直徑； — 大帶輪節(jié)圓直徑。 按帶長(zhǎng)，同步帶的帶型為H型，由表[5]查得應(yīng)選用帶長(zhǎng)代號(hào)為的H型同步帶，節(jié)線長(zhǎng)，節(jié)線長(zhǎng)上的齒數(shù)。 (10) 實(shí)際軸間距 實(shí)際軸間距 式中： — 初定軸間距； — 節(jié)線長(zhǎng)； — 帶長(zhǎng)。 (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(zhǎng)度的質(zhì)量?；绢~定功率為： 式中： — 寬度為的帶的許用工作拉力； — 寬度為的帶單位長(zhǎng)度的質(zhì)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(zhǔn)寬度， 按照帶寬，同步帶帶型為H型，由表[5]確定選帶寬代號(hào)為的H型帶，其帶寬 第4章 主軸結(jié)構(gòu)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 4.1 進(jìn)給電機(jī)的型號(hào)選擇 4.1.1 進(jìn)給電機(jī)功率求解 1.傳動(dòng)效率η 根據(jù)本課題的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在進(jìn)給部分中主要的機(jī)械傳動(dòng)效率由聯(lián)軸器、滾珠軸承及滾動(dòng)絲杠傳動(dòng)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(dòng)絲杠傳動(dòng)效率為0.95[6]。 總傳動(dòng)效率： 2.電動(dòng)機(jī)功率[6] 式中： — 進(jìn)給傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率，； — 進(jìn)給牽引力，； — 進(jìn)給速度，； — 進(jìn)給傳動(dòng)鏈的總機(jī)械效率。 4.1.2 進(jìn)給電機(jī)的選型 寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是勵(lì)磁便于調(diào)整，易于安排補(bǔ)償繞組和換向極，電動(dòng)機(jī)的換向性能得到改善，成本低，可以在較寬的速度范圍內(nèi)得到恒轉(zhuǎn)速特性。當(dāng)然，寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)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(chǎn)的用于工業(yè)機(jī)器人、CNC機(jī)床、加工中心（MC）的L系列適合于在頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)場(chǎng)合應(yīng)用。根據(jù)估算得出的電動(dòng)機(jī)功率，選用FANUC的6L型電動(dòng)機(jī)，其主要性能指標(biāo)如下： 輸出功率：； 1、額定轉(zhuǎn)矩：；2、最大轉(zhuǎn)矩：；3、最高轉(zhuǎn)速：；4、轉(zhuǎn)子慣量：。 4.2 聯(lián)軸器裝置的計(jì)算選擇 (1) 類型選擇 為了隔離振動(dòng)與沖擊，選用凸緣聯(lián)軸器。 (2) 載荷計(jì)算 已知進(jìn)給電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為。根據(jù)工作機(jī)的轉(zhuǎn)矩是變化的，且沖擊載荷較大，原動(dòng)機(jī)類型為電動(dòng)機(jī)，由表14-1[23]查得工作情況系數(shù)。則計(jì)算轉(zhuǎn)矩為： (3) 型號(hào)選擇 選擇聯(lián)軸器時(shí)，聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩要大于計(jì)算轉(zhuǎn)矩，許用最大轉(zhuǎn)速要大于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。由GB5843-86中查得YL5型凸緣聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩為，許用最大轉(zhuǎn)速為，適合于尺寸在之間的軸頸。故能夠滿足要求。 4.3 垂直方向伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 4.3.1 切削力大小的估算 由公式（3.1）得出切向銑削力 縱向切削力[12] 橫向切削力[12] 垂直切削力[12] 絲杠承重初估 4.3.2 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算 1.滾珠絲杠的導(dǎo)程的確定 在本課題中，電機(jī)和絲杠直接相連，所以傳動(dòng)比，選擇電機(jī)6L型的最高工作轉(zhuǎn)速，最大轉(zhuǎn)矩，則絲杠的導(dǎo)程為： 確定絲杠的等效轉(zhuǎn)速 最大進(jìn)給時(shí)，絲杠的轉(zhuǎn)速為 最慢進(jìn)給時(shí)，絲杠的轉(zhuǎn)速為 則得到絲杠的等效轉(zhuǎn)速（估算）為 式中： —— 軸向載荷F1，F(xiàn)2作用下的轉(zhuǎn)速，單位為； —— 軸向載荷F1，F(xiàn)2作用下的時(shí)間，單位為s。 2.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，滾動(dòng)導(dǎo)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(fù)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(fù)載為 故其等效負(fù)載可按下式計(jì)算（估算；）： 3.確定絲杠所受的最大動(dòng)載荷 取絲杠的工作壽命為，同時(shí)取精度系數(shù)，負(fù)荷性質(zhì)系數(shù)，溫度系數(shù)，硬度系數(shù)，可靠性系數(shù)[7]；平均轉(zhuǎn)速為。 則最大動(dòng)載荷為 根據(jù)動(dòng)載荷要求，選用插管埋入式雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲杠副，型號(hào)為[5]。絲杠公稱直徑為，基本導(dǎo)程，其額定動(dòng)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(zhǎng)度為，取絲杠的精度為級(jí)。在本課題中采用雙螺母墊片式預(yù)緊。 第5章 主軸結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)停機(jī)構(gòu) 在數(shù)控鉆床、數(shù)控銑床以及鏜銑為主的加工中心上，由于特殊加工或自動(dòng)換刀，要求主軸每次停在一個(gè)固定的準(zhǔn)確的位置上。所以在主軸上必須沒(méi)有準(zhǔn)停裝置。準(zhǔn)停裝置分機(jī)械式和電氣式兩種，本文的設(shè)計(jì)采用電氣式。 圖5-1所示機(jī)械準(zhǔn)停裝置的工作原理如下：準(zhǔn)停前主軸必須是處于停止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)接收到主軸準(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)4--6s，保證主軸轉(zhuǎn)穩(wěn)后接通無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)1的電源，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)到圖示位置即凸輪定位盤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)0.2--0.4s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頂入凸輪定位盤的凹槽內(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)IS2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)lSl發(fā)出滾輪5退出凸輪定位盤凹槽的信號(hào)，此時(shí)主軸可啟動(dòng)工作。 圖5-1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-凸輪定位盤 4-定位液壓缸 5-定向滾輪 6-定位活塞 現(xiàn)代的數(shù)控銑床一般都采用電氣式主軸準(zhǔn)停裝置，只要數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令信號(hào)主軸就可以準(zhǔn)確地定向。本文設(shè)計(jì)的常用磁力傳感器檢測(cè)定向的工作原理如圖5-2所示是在主軸上安裝有一個(gè)永久磁鐵4與主軸一起旋轉(zhuǎn)，在距離永久磁鐵4旋轉(zhuǎn)軌跡外1—2mm處固定有一個(gè)磁傳感器5，當(dāng)銑床主軸需要停車換刀時(shí)，數(shù)控裝置發(fā)出主軸停轉(zhuǎn)的指令，主軸電動(dòng)機(jī)3立即降速，使主軸以很低的轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)，當(dāng)永久磁鐵4對(duì)準(zhǔn)磁傳感器5時(shí)，磁傳感器發(fā)出準(zhǔn)停信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)放大后，由定向電路使電動(dòng)機(jī)準(zhǔn)確地停止在規(guī)定的周向位置上。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)±1。,能滿足一般換刀要求。而且定向時(shí)間短，可靠性較高。 圖5-2電器式主軸準(zhǔn)停裝置 1-主軸 2-同步感應(yīng)器 3-主軸電動(dòng)機(jī) 4-永久磁鐵 5-磁傳感器 總 結(jié) 加工中心是指?jìng)溆械稁?kù)，具有自動(dòng)換刀功能，對(duì)工件一次裝夾后進(jìn)行多工序加工的數(shù)控機(jī)床。加工中心是高度機(jī)電一體化的產(chǎn)品，工件裝夾后，數(shù)控系統(tǒng)能控制機(jī)床按不同工序自動(dòng)選擇、更換刀具，自動(dòng)對(duì)刀、自動(dòng)改變主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)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(shí)間，測(cè)量和機(jī)床調(diào)整等輔助工序時(shí)間，對(duì)加工形狀比較復(fù)雜，精度要求較高，品種更換頻繁的零件具有良好的經(jīng)濟(jì)效果。 主軸是立式中心的核心部件，其性能直接影響到機(jī)床的整體性能。為了提高立式加工中心的整體性能，發(fā)揮高速切削的優(yōu)勢(shì)，對(duì)主軸的深入研究才顯得如此地重要。本文針對(duì)主軸組件的各個(gè)部分進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)，主軸組件的結(jié)構(gòu)主要分為兩個(gè)部分，即主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。而在主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，按照功能來(lái)分，可主要分為主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、主軸準(zhǔn)停機(jī)構(gòu)、刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)以及切屑清除機(jī)構(gòu)。分別對(duì)上述三種機(jī)構(gòu)進(jìn)行了方案的設(shè)計(jì)、具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化以及參數(shù)的選取與計(jì)算。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是一次綜合性很強(qiáng)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)所涉及的內(nèi)容很廣，如機(jī)械設(shè)計(jì)，車床，滾珠絲杠，導(dǎo)軌，伺服電機(jī)，數(shù)控技術(shù)，AutoCAD等，這使我對(duì)這些知識(shí)在實(shí)踐中的應(yīng)用有了更深切的體會(huì)，同時(shí)本次設(shè)計(jì)使我的實(shí)際分析能力、計(jì)算能力和運(yùn)用能力也得到了很大的提高。對(duì)以后的學(xué)習(xí)和工作有了一定的經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)。 致 謝 大學(xué)四年的學(xué)習(xí)生活讓我學(xué)到了許許多多終身對(duì)我有益東西，我的專業(yè)理論知識(shí)以及學(xué)習(xí)能力思考能力分析解決問(wèn)題的能力都得到了質(zhì)的提高，這對(duì)將來(lái)我走向工作崗位有很大的幫助，同時(shí)在大學(xué)里讓我學(xué)會(huì)了為人處世，學(xué)會(huì)了人際交往，學(xué)會(huì)了思考，懂得了許多的人生哲學(xué)。 在這里我要十分感謝我的畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師對(duì)我的悉心指導(dǎo)，老師是一個(gè)治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)術(shù)能力很強(qiáng)的人，是我學(xué)習(xí)的榜樣，同時(shí)我要感謝我所有的大學(xué)老師，是你們的無(wú)私奉獻(xiàn)把最可貴的知識(shí)教給了我，你們的嚴(yán)謹(jǐn)教學(xué)，讓我打下了扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)，除了在學(xué)習(xí)上，你們還耐心教導(dǎo)我如何學(xué)習(xí)如何培養(yǎng)思維如何做人，這些都對(duì)我以后的人生都具有重要的幫助，同時(shí)也感謝和我同窗的大學(xué)同學(xué)，我們互相幫助互相學(xué)習(xí)，不管在學(xué)習(xí)上生活上都互相關(guān)心毫無(wú)保留，這些幫助我都十分地感謝，同時(shí)我們一起度過(guò)了人生中最難忘的階段，這也將留給我最深刻的印象，在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我搜索了很多文獻(xiàn)和資料，這讓我接觸到了許多新的理論和知識(shí)，同時(shí)我也對(duì)文獻(xiàn)和資料作了很多學(xué)習(xí)思考，讓我從中領(lǐng)悟和懂得了很多科學(xué)知識(shí)，讓我受益匪淺，最后我也通過(guò)自己的努力終于順利完成了此次畢業(yè)設(shè)計(jì)。 最后，我要感謝養(yǎng)育我這么多年的父母以及對(duì)我關(guān)心幫助的親人，正是有你們的關(guān)心與支持，讓我能夠有克服一切困難的勇氣，順利完成自己的學(xué)業(yè)。未來(lái)我將更加努力，不辜負(fù)你們的期望！ 參考文獻(xiàn) [1] 鄒慧君.機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].上海:上?？萍汲霭嫔纾?996：58～75 [2] 鄒慧君.機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:高等教育出版社，1995：214～265 [3] 畢承恩等. 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