立式加工中心主軸組件的結構設計

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南 京 理 工 大 學 紫 金 學 院 畢業(yè)設計(論文)外文資料翻譯 系： 機械工程系 專 業(yè)： 機械工程及自動化 姓 名： 朱露 學 號： 060104233 (用外文寫) 外文出處： Journal of Mechanical Design SEPTEMBER 1999, Vol. 121 / 359—367 附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 指導教師評語： 譯文基本上翻譯出原文的意思，層次分明，具有條理，語句基本通順，翻譯質量稍差。少數(shù)的中文表達欠妥，一些專業(yè)術語翻譯不準。 簽名： 年 月 日 注：請將該封面與附件裝訂成冊。 附件1：外文資料翻譯譯文 帶自動換刀裝置加工中心的配置綜合方法 本論文的目的是提出帶自動換刀裝置加工中心的配置綜合的設計方法，以滿足所需的拓撲結構和運動特性。根據(jù)坐標系的概念、圖論、概括化、具體化和運動合成，提出了這種設計方法并計算機化，而且綜合了帶有多達8個連桿的自動換刀裝置的加工中心。結果，對于有鼓型刀庫的加工中心，具有6連桿、7連桿和8連桿的加工中心的配置數(shù)分別為2、13和20。同樣，對于有線型刀庫的加工中心，具有5連桿、6連桿、7連桿和8連桿的加工中心的配置數(shù)分別為1、5 、20和60。此外，這項工作還提供了一種系統(tǒng)方法用于綜合帶拓撲和運動要求的空間開鏈機構。 引言 加工中心運動學可以被看作是開鏈式機構，他們具有特定拓撲特征的特殊功能。有關平面機構問題的創(chuàng)意設計在過去的幾年里一直是許多項研究課題 （約翰遜，1965；弗羅伊登施泰因和真希，1979，1983；厄爾德曼等。1980年，嚴和徐，1983；嚴和陳，1985；嚴，1992年）。但是，空間運動開鏈型機構的結構綜合設計方法不可得到。 過去的幾年里，只有少數(shù)幾篇文章涉及加工中心配置的設計。杉村（1981年）等，使用分析調(diào)查方法設計機床。伊藤和信乃（1982年，1983年和1987年），通過使用定向圖機床法產(chǎn)生結構配置。列舍托夫和波特曼（1988）提出了綜合的具有相同成型機床的功能配置代碼。該概念廣泛使用在合成5軸機床上（石澤等，1991； 坂本和稻崎，1992年）。然而，自動換刀系統(tǒng)并沒有在考慮范圍。 在主軸與加工中心刀庫之間自動執(zhí)行換刀操作的系統(tǒng)稱為自動換刀裝置(ATC)。ATC為減少加工過程中機器閑置的時間發(fā)揮了重要作用，從而提高了生產(chǎn)率。 本論文的目的是提出帶有自動換刀裝置加工中心的所有可能的配置系統(tǒng)產(chǎn)生的設計方法，該加工中心是一種開鏈式空間機構的受拓撲結構和運動限制空間。 拓撲特征 1.空間開鏈式多自由度機構。 2.有固定的連桿（支架）。 3.有單連桿。 4.有在主軸和工作臺之間有4個接頭的工作臺。 5.有刀庫，該刀庫為從位于支架的連桿到主軸頭的單一連桿分支。 6. 單一連桿可以是主軸，刀庫或者工作臺。此外，單一連桿不能超過3個。 7. 主軸產(chǎn)生的接頭必須是轉動副。 8. 主軸端和工作臺之間的接頭必須是棱柱副。 9. 刀庫和分支連桿的接頭是轉動副，棱柱副，或圓柱副。如果有回轉副或圓柱副，則必須依附于刀庫。 設計過程 圖2是提出的開鏈式機構配置的設計過程。該設計理念進程啟動現(xiàn)有機構進行調(diào)查，并推定出其拓撲結構和運動特性。設計過程的第二個步是基于樹形圖表現(xiàn)出的觀念，鏈接鄰接矩陣，和機構分配矩陣描述現(xiàn)有拓撲結構。第三步是把這些機構根據(jù)進程具體化變成其相應的廣義樹圖。第四步是獲取給定數(shù)量邊和基于列舉圖的頂點所有可能的樹形圖。第五步是分配一些連桿和鏈接給有效的樹形圖來經(jīng)過專業(yè)化以滿足拓撲結構。在設計過程的最后一步是獲得機構圖集指定運動機構。 以下，以自動換刀加工中心作為例子來詳細說明這種設計方法。 現(xiàn)有機構 在設計過程的第一步是研究現(xiàn)有的機構并推定它們的拓撲結構和運動特性。 加工中心是由4個基本部件組成的機床：軸，刀庫，換刀機構，以及包括動力軸運動的機床結構。那個機床結構在很大程度上決定了加工表面精度，剛度和動力性能。主軸旋轉該工具加工工件所需的表面。該工具庫儲存工具并在機械加工操作中移動它們到合適位置來使用。該換刀機構在工具庫和主軸工具間執(zhí)行刀具轉換。最簡單的ATC是沒有換刀機構的設計，且在工具庫和主軸間的相對運動中實現(xiàn)換刀。圖3（a）和（b）分別顯示兩個 3軸鼓型和直線型工具庫的臥式加工中心。 為了代表和分析加工中心的拓撲結構和運動特性，基于國際標準化組織中心（國際標準化組織，1974）定義了坐標系來描述加工中心的每個運動軸的配置。 本標準坐標系是右手矩形笛卡兒之一，相關的工件安裝在與主要線性橫向對齊的機器。對機器的組成部分運動產(chǎn)生有利趨勢，這給工件帶來更多的優(yōu)勢。臥式加工中心的結構圖附加ISO標準圖如圖3所示。 通過分析提供現(xiàn)有3軸無換刀機構的臥式加工中心，我們可以總結出如下拓撲結構和運動特性（陳燕，1995年）。 圖2 設計過程 （a） （b） 圖3 三軸水平加工中心 結論 總之，本文提出了受拓撲結構和運動的限制的帶自動換刀裝置加工中心配置設計。設計過程已計算機化，已綜合所有多達8加工中心可能的配置。從找到的配置中，設計者可以根據(jù)設計要求，專利權，機床結構和空間限制選擇有用的。這種設計方法可以綜合加工中心的可能的不同類型的機床結構配置，如4軸、垂直軸、或不同分配運動軸。此外，這項工作的成果可以擴展和應用于開鏈式拓撲結構和運動要求結構配置的綜合，如機器人、車床、磨床，...等 。 畢業(yè)設計（畢業(yè)論文）任務書 學 院 機械工程學院 專 業(yè) 機械工程及自動化 班級學號 學 生 指導教師 題 目 立式加工中心主軸組件的結構設計 任務規(guī)定 進行日期 自 2006 年 2月 20 日起，至 2006 年 6月 23日止 一、題目來源、目的、意義 題目來源：本課題來源于同濟現(xiàn)代制造技術研究所，是立式加工中心機床設計 項目下的子課題之一。 目的：課題的目的是設計立式加工中心的主軸組件結構，主軸組件作為執(zhí)行件， 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。 意義：主軸組件作為機床的一個重要組件，要帶動刀具直接參與表面成形運動， 其工作性能對機床的加工質量及生產(chǎn)率有直接影響。 二、主要工作內(nèi)容 （1）熟悉現(xiàn)有的各種主軸組件的要求和特點； （2）完成主軸組件的設計總圖； （3）設計分析計算工作； （4）主軸等主要零件的零件圖繪制； （5）主軸組件各部分的綜合分析。 三、主要技術指標（或主要論點） 立式加工中心的特點是結構簡單，占地面積小。總體結構方案的結構形式 為固定立柱式，即主軸箱吊掛在立柱的一側，作Z方向的上下移動。 主軸孔錐度：7：24；主軸孔直徑：54mm；主軸箱行程（Z軸）：470mm； 主軸轉速范圍：30~3000r/mm；快速移動速度（Z軸）：10m/min； 進給速度（Z軸）：1~400mm/min。 四、進度計劃 第1周~第3周：查閱資料，翻譯要求字數(shù)的英文資料，調(diào)研目前市場上數(shù)控 機床的主軸組件幾種主要的結構形式，并進行方案論證，寫出開題報告。 第4周~第6周：通過查閱資料和參考一些機床的結構，進行主軸組件的結構 設計。 第7周~第9周：結構分析與驗算，滿足技術性能指標和使用要求。 第10周~第14周：計算機繪制結構設計圖紙，包括總圖和一些零件圖。 第15周~第16周：編寫畢業(yè)設計說明書。 第17周~第18周：評審、準備答辯。 五、主要參考資料（外文資料至少一篇） 1、謝紅.數(shù)控機床機器人機械系統(tǒng)設計指導[M].上海：同濟大學出版社，2004. 2、韓鴻鸞.數(shù)控機床的機械結構與維修[M].山東：山東科學技術出版社，2005. 3、羅學科,等.數(shù)控原理與數(shù)控機床[M].北京：化學工業(yè)學出版社，2004. 4、周宏甫.數(shù)控技術[M].廣州：華南理工大學出版社，2005. 5、陳蔚芳,等.機床數(shù)控技術及應用[M].北京：科學出版社，2005. 6、王仁誠.加工中心主軸系統(tǒng)的設計[J] .鉆鏜床，2000,(1)：43~47. 7、Purdum.T.. Machine tools re-discover gravity[J]. Industry Week, 2004, 253(12): 93-96. 8、李佳.數(shù)控機床及應用[M].北京：清華大學出版社，2001. 9、婁銳.數(shù)控應用關鍵技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005. 10、吳祖育等. 數(shù)控機床[M].上海：上?？茖W技術出版社，2000. 六、系審批意見 系主任（簽名）: 七、院領導審核意見 院領導（簽名）: 八、學生實際完成日期 九、同組設計（論文）者 4 立式加工中心主軸組件的結構設計 立式加工中心主軸組件的結構設計 1 綜述 1.1 本課題研究的目的和意義 裝備工業(yè)的技術水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經(jīng)濟的水平和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術及裝備是發(fā)展高新技術產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)（如：信息技術及其產(chǎn)業(yè)，生物技術及其產(chǎn)業(yè)，航空、航天等國防工業(yè)產(chǎn)業(yè)）的使能技術和最基本的裝備。制造技術和裝備就是人類生產(chǎn)活動的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控技術又是當今先進制造技術和裝備最核心的技術。當今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術，以提高制造能力和水平，提高對動態(tài)多變市場的適應能力和競爭能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達國家還將數(shù)控技術及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術及其產(chǎn)業(yè)，而且在“高精尖”數(shù)控關鍵技術和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策。 總之，大力發(fā)展以數(shù)控技術為核心的先進制造技術已成為世界各發(fā)達國家加速經(jīng)濟發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。 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(nèi)外企業(yè)界都受到了高度重視。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，它帶動刀具進行切削加工、傳遞運動、動力及承受切削力等，并需滿足相關的技術指標要求。 1.2 本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： 1） 旋轉精度 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。 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，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。 3） 抗振性 指主軸組件在切削過程中抵抗強迫振動和自激振動保持平穩(wěn)運轉的能力?？拐裥灾苯佑绊懠庸け砻尜|量和生產(chǎn)率，應盡量提高。 4） 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。 5） 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[1]。 設計時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。 1.3 加工中心的發(fā)展狀況 1.3.1 加工中心的國內(nèi)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(nèi)。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。 國內(nèi)生產(chǎn)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(chǎn)量化，應用范圍不廣。國內(nèi)高速加工中心主軸轉速一般在，定位精度控制在之內(nèi)，重復定位精度控制在之內(nèi)。在換刀速度方面，國內(nèi)機床多在，無法與國際水平相比。 雖然國產(chǎn)數(shù)控機床在近幾年中取得了可喜的進步，但與國外同類產(chǎn)品相比，仍存在著不少差距，造成國產(chǎn)數(shù)控機床的市場占有率逐年下降。 國產(chǎn)數(shù)控機床與國外產(chǎn)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(chǎn)機床大大低于這個數(shù)字，國產(chǎn)機床故障率較高是用戶反映最強烈的問題之一[2～4]。 1.3.2 本課題涉及的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[5]。圖1.1所示為立式加工中心結構圖。 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 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。 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。機床加工時，主軸帶動工件或刀具參與表面成形運動，所以主軸的精度、剛度和熱變形對加工質量和生產(chǎn)效率等有著重要的影響[5]。由于加工中心在加工過程中不進行人工調(diào)整，這些影響就更為嚴重。 機床主軸軸承發(fā)展，經(jīng)歷了滾、陶、氣浮、磁浮等階段。滾動軸承發(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熱系數(shù)等特點，同時所用油脂為一次性，終身潤滑，大大地提高了滾動軸承的性能，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軸承重型數(shù)控機床采用液體靜壓軸承，高精度數(shù)控機床（如坐標磨床）采用氣體靜壓軸承，轉速達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)控機床的轉速高，為減少主軸的發(fā)熱，必須改善軸承的潤滑方式。在數(shù)控機床上的潤滑一般采用高級油脂封入方式潤滑，每加一次油脂可使用年。也有用油氣潤滑，除在軸承中加入少量潤滑油外，還引入壓縮空氣，使?jié)L動體上包有油膜起到潤滑作用，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,機床主軸的轉速﹑功率﹑動態(tài)平衡﹑剛性及熱變形特性等對機床的剛性和熱穩(wěn)定性都有相當程度的影響。因此，設計高速數(shù)控機床的主軸組件時，主軸應滿足高速度和高剛性的要求；設計高精度數(shù)控機床時，主軸應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、懸伸長度和支承跨距。評價和考慮主軸的主要尺寸參數(shù)的依據(jù)時主軸的剛度、結構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、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)滲氮和感應加熱淬火[7]。 機床主軸的軸端一般用于安裝刀具、夾持工件或夾具。在結構上，應能保證定位準確、安裝可靠、連接牢固、裝卸方便，并能傳遞足夠的扭矩。目前，主軸端部的結構形狀都已標準化[7]。圖2.1所示為幾種機床上通用的結構形式。 (a) 車床 (b) 銑鏜類機床 (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 機床主軸帶著刀具或夾具在支承件中作回轉運動，需要傳遞切削扭矩，承受切削抗力，并保證必要的旋轉精度。數(shù)控機床主軸支承根據(jù)主軸部件的轉速、承載能力及回轉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、結構、配置、精度、安裝、調(diào)整、潤滑和冷卻都直接影響了主軸組件的工作性能。在數(shù)控機床上主軸軸承常用的有滾動軸承和滑動軸承。 滾動軸承摩擦阻力小，可以預緊，潤滑維護簡單，能在一定的轉速范圍和載荷變動范圍下穩(wěn)定地工作。滾動軸承由專業(yè)化工廠生產(chǎn)，選購維修方便，在數(shù)控機床上被廣泛采用。但與滑動軸承相比，滾動軸承的噪聲大，滾動體數(shù)目有限，剛度是變化的，抗振性略差并且對轉速有很大的限制。數(shù)控機床主軸組件在可能條件下，盡量使用了滾動軸承，特別是大多數(shù)立式主軸和主軸裝在套筒內(nèi)能夠作軸向移動的主軸。這時滾動軸承可以用潤滑脂潤滑以避免漏油。圖2.2所示為主軸常用的幾種滾動軸承的類型。 (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軸承的類型 為了適應主軸高速發(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量輕，熱膨脹系散小，耐高溫，所以具有離心小、動摩擦力小、預緊力穩(wěn)定、彈性變形小、剛度高的特點。但由于成本較高，在數(shù)控機床上還未普及使用[7～10]。 數(shù)控機床主軸支承根據(jù)主軸部件的轉速、承載能力及回轉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)缺點見表2.1。 表2.1 數(shù)控機床的主軸軸承及其性能[12] 性 能 滾動軸承 液體靜壓軸承 氣體靜壓軸承 磁力軸承 陶瓷軸承 旋轉精度 一般或較高，在預緊無間隙時較高 高，精度保持性好 一般 同滾動軸承 剛 度 一般或較高，預緊后較高，取決于所用軸 高，與節(jié)流閥形式有關，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 不及一般滾動軸承 比一般滾動軸承差 抗 振 性 較差，阻尼比 好，阻尼比 好 較好 同滾動軸承 速度性能 用于中、低速，特殊軸承可用于較高速 用于各級速度 用于超高速 用于高速 用于中、高速，熱傳導率低，不易發(fā)熱 摩擦損耗 較小， 小， 小 很小 同滾動軸承 壽 命 疲勞強度限制 長 長 長 較長 結構尺寸 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、標準化 自制，工藝要求高，需要供油設備 自制，工藝較液壓系統(tǒng)低，需要供氣系統(tǒng) 較復雜 比滾動軸承難 使用維護 簡單，用油脂潤滑 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、溫升和結構的復雜程度，合理配置軸承，可以提高主傳動系統(tǒng)的精度。采用滾動軸承支承，有許多不同的配置形式，目前數(shù)控機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，后支承采用成對角接觸球軸承，該配置可滿足強力切削的要求，普遍應用于各類數(shù)控機機床。 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，主軸最高轉速可達，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，尤其能承受較強的動載荷，安裝與調(diào)整性能好，但主軸轉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)控機床主軸[13～15]。 2.2.3 主軸軸承的預緊 對主軸滾動軸承進行預緊和合理選擇預緊量，可以提高主軸部件的回轉精度、剛度和抗振性。滾動軸承間隙的調(diào)整或預緊，通常是通過軸承內(nèi)、外圈的相對軸向移動來實現(xiàn)的。 1） 軸承內(nèi)圈移動 這種方法適用于錐孔雙列圓柱滾子軸承。用螺母通過套筒推動內(nèi)圈在錐形軸頸上做軸向移動，使內(nèi)圈變形脹大，在滾道上產(chǎn)生過盈，從而達到預緊的目的。圖2.4所示為幾種軸承內(nèi)圈的預緊形式。 (a) (b) (c) (d) 圖2.4 軸承的預緊形式 圖2.4(a)結構簡單，但預緊量不易控制，常用于輕載機床主軸部件。 圖2.4(b)用螺母限制內(nèi)圈的移動量，易于控制預緊量。 圖2.4(c)在主軸凸緣上均布數(shù)個螺釘以調(diào)整內(nèi)圈的移動量，調(diào)整方便，但是用幾個螺釘調(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半環(huán)，可以徑向取出，修磨其厚度可控制預緊量的大小，調(diào)整精度較高。調(diào)整螺母一般采用細牙螺紋，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 通過修磨軸承的內(nèi)外座圈，可以調(diào)整軸承的預緊力。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 (b) 修磨軸承外圈的內(nèi)側 圖2.5 修磨軸承座圈 圖2.5(a)為軸承外圍寬邊相對(背對背)安裝，這時修磨軸承內(nèi)圈的內(nèi)側，使間隙a增大。 圖2.5(b)所示為外圍窄邊相對(面對面)安裝，這時修磨軸承外圈的窄邊。在安裝時按圖示的相對關系裝配，并用螺母或法蘭蓋將兩個軸承軸向壓攏，使兩個修磨過的端面貼緊，這樣能夠使兩個軸承的滾道之間產(chǎn)生預緊[12,13]。 另一種方法是將兩個厚度不同的隔套放在兩軸承內(nèi)、外圈之間，同樣將兩個軸承軸向相對壓緊，使?jié)L道之間產(chǎn)生預緊，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 主軸組件的潤滑與密封 主軸部件的潤滑與密封是機床使用和維護過程中值得重視的兩個問題。良好的潤滑效果可以降低軸承的工作溫度和延長使用壽命。密封不僅要防止灰塵屑末和切削液進入，還要防止?jié)櫥偷男孤? 2.3.1 主軸組件的潤滑 在數(shù)控機床上，主軸軸承潤滑方式有油脂潤滑，油液循環(huán)潤滑、油霧潤滑、油氣潤滑等。 1） 油脂潤滑方式 這是目前在數(shù)控機床的主軸軸承上最常用的潤滑方式，特別是在前支承軸承上更是常用。當然，如果主軸箱中沒有冷卻潤滑油系統(tǒng)，那么后支承軸承和其他軸承一般采用油脂潤滑方式。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。油脂過多，會加劇主軸發(fā)熱[13,18]。 采用油脂潤滑方式，要采取有效的密封措施，以防止切削液或潤滑油進入軸承中。 2） 油液循環(huán)潤滑 在數(shù)控機床主軸上，有采用油液循環(huán)潤滑方式的。裝有gamet軸承的主軸，即可使用這種方式。對一般主軸軸承來說，后支承上采用這種潤滑方式比較常見[19]。 圖2.7所示是恒溫油液循環(huán)潤滑冷卻方式。 圖2.7 恒溫冷卻主軸箱 由油溫自動控制箱控制的恒溫油液，經(jīng)油泵打到潤軸箱，一路沿主軸前支承套外圈上的螺旋槽流動，帶走主軸軸承所發(fā)出的熱量，另一路通過主軸箱內(nèi)的分油器，把恒溫油噴射到傳動齒輪和傳動軸支承軸承上，以帶走它們所產(chǎn)生的熱量[20]。這種方式潤滑和降溫效果都很好。 3） 油霧潤滑方式 油霧潤滑方式是將油液經(jīng)高壓氣體霧化后，從噴嘴成霧狀噴到需潤滑部位的潤滑方式。由于霧狀油液吸熱性好，又無油液攪拌作用，所以此方式常用于高速主軸軸承的潤滑。但是，油霧容易吹出，污染環(huán)境[13]。 4） 油氣潤滑方式 油氣潤滑方式是針對高速主軸而開發(fā)的新型潤滑方式。它是用極微量油(約油)潤滑軸承，以抑制軸承發(fā)熱。其潤滑原理如圖2.8所示。 圖2.8 油氣潤滑原理圖 1—油箱（帶油位開關） 2—壓力開關 3—定量柱塞式分配器 4—混合物形成閥 5—噴嘴 6—時間繼電器 7—壓力開關 8—壓力表 9—過濾器 10—電磁閥 11—泵 油箱中的油位開關和管路中的壓力開關，確保在油箱中無油或壓力不足時，能自動切斷主電動機電源[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滑處。 圖2.9(b)是在螺母的外圓上開鋸齒形環(huán)槽，當油向外流時，靠主軸轉動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)是迷宮式密封結構，在切削多、灰塵大的工作環(huán)境下可獲得可靠的密封效果，這種結構適用油脂或油液潤滑的密封。非接觸式的油液密封時，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 主軸準停裝置 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，在切削時得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(如磁力傳感器檢測定向)兩種。 機械方式采用機械凸輪等機構和光電盤方式進行初定位，然后由一個定位銷(由液動或氣動)插入主軸上的銷孔或銷槽來完成精定位，換刀后定位銷退出，主軸才可旋轉。采用這種方法定向比較可靠準確，但結構較復雜[18～20]。 目前常采用的電氣方式是用磁力傳感器檢測定向，其工作原理如圖2.11。 圖2.11 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(jīng)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(diào)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。由于沒有機械摩擦和接觸，同時定位精度也能夠滿足一般換刀的要求，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[17]。 2.5 切屑清除機構 自動清除主軸孔內(nèi)的灰塵和切屑是換刀過程的一個不容忽視的問題。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，錐孔表面和刀桿錐柄會被劃傷，甚至會使刀桿發(fā)生偏斜，破壞刀桿的正確定位，影響零件的加工精度，甚至會使零件超差報廢。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 本課題的設計方案擬定 鑒于上述主軸組件各部分的優(yōu)缺點，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，并且可以通過內(nèi)外圍之間的相對位移來調(diào)整其間隙的大小，同時角接觸球軸承具有較好的高速性能，主軸最高轉速可達[18]，因此此種配置在輕載時應用廣泛。 在本課題中，軸承的預緊形式將采用隔套調(diào)整法，此方法采用兩個套調(diào)整，通過兩個套的寬度差，調(diào)整軸承的間隙，或在軸承外圈設隔套，裝配時用螺母并緊內(nèi)圈獲得所需預緊力。這種調(diào)整方法不必拆卸軸承，預緊力的大小全憑工人的經(jīng)驗確定。 本課題中主軸組件的潤滑方式采用油脂潤滑方式，潤滑脂的粘度大，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)控機床的主軸軸承上最常用的潤滑方式，特別是在前支承軸承上更是常用。在數(shù)控機床上的潤滑一般采用高級油脂封入方式潤滑，所用油脂種類為高級鋰基油脂或德國產(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滑方式，密封主要是防止外界異物進入，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動和固定部分之間做成復雜而曲折的通道，間隙不超過，并填滿潤滑脂。由于這種密封方法能有效地保護軸承，所以得到廣泛應用[16]。 主軸準停方式采用電氣方式。此方式結構簡單，定位準確，能夠很好的達到要求的定位精度。 切屑清除機構則采用壓縮空氣吹屑，此方式結構簡單，并且能高效清除金屬殘屑。 綜合以上各部件的特點，現(xiàn)初步確定加工中心主軸組件的傳動方案如圖2.15所示。 圖2.15 主軸組件傳動示意圖 1—主軸 2—傳動軸 3—Z軸滾珠絲杠 4—主軸準停插銷 5—Z軸進給電機 6—主軸轉角位置編碼器 7—齒形帶傳動 8—三角帶傳動 9—主電機 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 進度計劃 第1周~第3周： 查閱資料，翻譯英文資料，攥寫開題報告； 第4周~第6周： 查閱資料，進行主軸組件的結構設計； 第7周~第9周： 結構分析與驗算； 第10周~第14周：計算機繪制結構設計圖紙； 第15周~第16周：編寫畢業(yè)設計說明書； 第17周~第18周：評審、答辯。 參考文獻 [1] 李洪．實用機床設計手冊[M]．沈陽：遼寧科學技術出版社，1999. 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