CNC指数控机床是由什么控制的？
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数控机床主轴箱设计 数控主轴设计原理
毕业设计（论文） 数控机床主轴设计原理 学院学号姓名专业学历层次学习形式学习年限学习地点指导教师 完成日期 年 月毕业设计 (论文)数控机床主轴设计原理 摘要随着我过国民经济的快速发展,数控机床在国内的应用越来越普遍,数控机床作为高效率自动化装备越来越广大应用,数控技术是集计算机技术,自动控制技术,测试控制技术,机械知道技术为一体的综合性高新技术,它将机械装备的功能,可靠性,效率,质量及自动化程度等提高到一个新的水平。数控机床的组成不见大致可以分为机械和电气两部分,机械部分通常称为机床本体,它由对主轴组件的主运动系统,进给系统,支撑系统和自动换刀系统组成。主轴组件由主轴,主轴轴承和安装在主轴的传动件,密封件等组成。主轴组件是机床实现旋转运动的执行件,它直接带动工件或刀具参加表成形运动是机床上的一个关键组件。主轴组件是机床主要部件之一,它的性能,对整机性能有很大的影响,主轴直接承受切削力,速度范围很大,所以对主轴组件的主要性能提出很高的要求。在数控机床中，不论是数控车床、钻床还是铣床，其主轴是最关键的部件，对机床精度起着至关重要的作用。因此如何正确地设计机床主轴及其组件对机床加工精度的影响是至关重要的。 2数控机床主轴设计原理Numerical Control Machine Tool Spindle DesignPrinciple ABSTRACT With the national economy, I have the rapid development of CNC machine tools in China increasing application, CNC machine tools as an efficient application of the broad masses of more and more automated equipment, numerical control technology is a set of computer technology, automatic control technology, control of test Technology, machinery and technical know that a comprehensive and high-tech, machinery and equipment will function, reliability, efficiency, quality and degree of automation and so on to a new level. The composition of CNC machine tools not generally be divided into two parts, machinery and electrical and mechanical parts of the body are usually referred to as machine tools, which is the main axis of the main components of the Movement system, feeding system, support system and automatic tool changing system.Spindle assembly by the spindle, the spindle bearing and spindle installed in the transmission of documents, seals, and other components. Is the main component of the campaign spin machine to achieve the implementation of pieces, which led directly to work or participate in the tool table are Movement forming machine tools, a key component. Axis machine tool components is one of the major components, and its performance, on the whole a great performance, cutting force under the direct axis, the speed of a large area, so the main axis of the main components of the proposed high performance. In the CNC machine tools, both CNC lathes, milling or drilling, the spindle is the most critical components of precision machine tools play a crucial role. Therefore, how to properly design and components for machine tool spindle machining accuracy is essential. 3 毕业设计 (论文) 目
录中文摘要ABSTRACT第1章
绪论,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5第2章
数控机床主轴传动系统设计,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,152.1 设计的基本参数和资料,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,152.2 主轴的设计过程及加工工艺,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,17第3章3.1 第4章第5章 数控机床主轴组件结构设计,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,21
主轴组件的结构设计,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,21 总结,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,29 参考文献,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,314数控机床主轴设计原理 第 1 章 绪论1.1数控机床的应用从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求100%检验的零件。数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展以更适应生产加工的需要。 1.2数控机床的发展趋势 1.2.1高速化随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用，对数控机床加工的高速化要求越来越高。（1）主轴转速：机床采用电主轴（内装式主轴电机），主轴最高转速达200000r/min；（2）进给率：在分辨率为0.01μm时，最大进给率达到240m/min且可获得复杂型面的精确加工；（3）运算速度：微处理器的迅速发展为数控系统向高速、高精度方向发展提供了保障，开发出CPU已发展到32位以及64位的数控系统，频率提高到几百兆赫、上千兆赫。由于运算速度的极大提高，使得当分辨率为0.1μm、0.01μm时仍能获得高达24～240m/min的进给速度； 5 毕业设计 (论文) （4）换刀速度：目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在1s左右，高的已达0.5s。德国Chiron公司将刀库设计成篮子样式，以主轴为轴心，刀具在圆周布置，其刀到刀的换刀时间仅0.9s。 1.2.2高精度化 数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度，机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。（1）提高CNC系统控制精度：采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化，并采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度（日本已开发装有106脉冲/转的内藏位置检测器的交流伺服电机，其位置检测精度可达到0.01μm/脉冲），位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法；（2）采用误差补偿技术：采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术，对设备的热变形误差和空间误差进行综合补偿。研究结果表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60%～80%；（3）采用网格解码器检查和提高加工中心的运动轨迹精度，并通过仿真预测机床的加工精度，以保证机床的定位精度和重复定位精度，使其性能长期稳定，能够在不同运行条件下完成多种加工任务，并保证零件的加工质量。 1.2.3 功能复合化复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的多种要素加工。根据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型两类。工艺复合型机床如镗铣钻复合——加工中心、车铣复合——车削中心、铣镗钻车复合——复合加工中心等；工序复合型机床如多面多轴联动加工的复合机床和双主轴车削中心等。采用复合机床进行加工，减少了工件装卸、更换和调整刀具的辅助时间以及中间过程中产生的误差，提高了零件加工精度，缩短了产品制造周期，提高了生产效率和制造商的市场反应能力，相对于传统的工序分散的生产方法具有明显的优势。 6数控机床主轴设计原理 加工过程的复合化也导致了机床向模块化、多轴化发展。德国Index公司最新推出的车削加工中心是模块化结构，该加工中心能够完成车削、铣削、钻削、滚齿、磨削、激光热处理等多种工序，可完成复杂零件的全部加工。随着现代机械加工要求的不断提高，大量的多轴联动数控机床越来越受到各大企业的欢迎。在2005年中国国际机床展览会（CIMT2005）上，国内外制造商展出了形式各异的多轴加工机床（包括双主轴、双刀架、9轴控制等）以及可实现4～5轴联动的五轴高速门式加工中心、五轴联动高速铣削中心等。 1.2.4控制智能化随着人工智能技术的发展，为了满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求，数控机床的智能化程度在不断提高。具体体现在以下几个方面：（1）加工过程自适应控制技术：通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法进行识别，以辩识出刀具的受力、磨损、破损状态及机床加工的稳定性状态，并根据这些状态实时调整加工参数（主轴转速、进给速度）和加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度、降低加工表面粗糙度并提高设备运行的安全性；（2）加工参数的智能优化与选择：将工艺专家或技师的经验、零件加工的一般与特殊规律，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的“加工参数的智能优化与选择器”，利用它获得优化的加工参数，从而达到提高编程效率和加工工艺水平、缩短生产准备时间的目的；（3）智能故障自诊断与自修复技术：根据已有的故障信息，应用现代智能方法实现故障的快速准确定位；（4）智能故障回放和故障仿真技术：能够完整记录系统的各种信息，对数控机床发生的各种错误和事故进行回放和仿真，用以确定错误引起的原因，找出解决问题的办法，积累生产经验； 7 毕业设计 (论文) （5）智能化交流伺服驱动装置：能自动识别负载，并自动调整参数的智能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置。这种驱动装置能自动识别电机及负载的转动惯量，并自动对控制系统参数进行优化和调整，使驱动系统获得最佳运行； （6）智能4M数控系统：在制造过程中，加工、检测一体化是实现快速制造、快速检测和快速响应的有效途径，将测量（Measurement）、建模（Modelling）、加工（Manufacturing）、机器操作（Manipulator）四者（即4M）融合在一个系统中，实现信息共享，促进测量、建模、加工、装夹、操作的一体化。1.2.5 体系开放化（1）向未来技术开放：由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期； （2）向用户特殊要求开放：更新产品、扩充功能、提供硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求； （3）数控标准的建立：国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEP-NC），以提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程乃至各个工业领域产品信息的标准化。标准化的编程语言，既方便用户使用，又降低了和操作效率直接有关的劳动消耗。 8数控机床主轴设计原理 1.2.6 驱动并联化并联运动机床克服了传统机床串联机构移动部件质量大、系统刚度低、刀具只能沿固定导轨进给、作业自由度偏低、设备加工灵活性和机动性不够等固有缺陷，在机床主轴（一般为动平台）与机座（一般为静平台）之间采用多杆并联联接机构驱动，通过控制杆系中杆的长度使杆系支撑的平台获得相应自由度的运动，可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能，更能满足复杂特种零件的加工，具有现代机器人的模块化程度高、重量轻和速度快等优点。并联机床作为一种新型的加工设备，已成为当前机床技术的一个重要研究方向，受到了国际机床行业的高度重视，被认为是“自发明数控技术以来在机床行业中最有意义的进步”和“21世纪新一代数控加工设备”。 1.2.7 极端化国防、航空、航天事业的发展和能源等基础产业装备的大型化需要大型且性能良好的数控机床的支撑。而超精密加工技术和微纳米技术是21世纪的战略技术，需发展能适应微小型尺寸和微纳米加工精度的新型制造工艺和装备，所以微型机床包括微切削加工（车、铣、磨）机床、微电加工机床、微激光加工机床和微型压力机等的需求量正在逐渐增大。 1.2.8信息交互网络化对于面临激烈竞争的企业来说，使数控机床具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在车间各个部门间畅通无阻是非常重要的。既可以实现网络资源共享，又能实现数控机床的远程监视、控制、培训、教学、管理，还可实现数控装备的数字化服务（数控机床故障的远程诊断、维护等）。例如，日本Mazak公司推出新一代的加工中心配备了一个称为信息塔（e-Tower）的外部设备，包括计算机、手机、机外和机内摄像头等，能够实现语音、图形、视像和文本的通信故障报警显示、在线帮助排除故障等功能，是独立的、自主管理的制造单元。9 毕业设计 (论文) 1.2.9 新型功能部件为了提高数控机床各方面的性能，具有高精度和高可靠性的新型功能部件的应用成为必然。具有代表性的新型功能部件包括：（1）高频电主轴：高频电主轴是高频电动机与主轴部件的集成，具有体积小、转速高、可无级调速等一系列优点，在各种新型数控机床中已经获得广泛的应用；（2）直线电动机：近年来，直线电动机的应用日益广泛，虽然其价格高于传统的伺服系统，但由于负载变化扰动、热变形补偿、隔磁和防护等关键技术的应用，机械传动结构得到简化，机床的动态性能有了提高。如：西门子公司生产的1FN1系列三相交流永磁式同步直线电动机已开始广泛应用于高速铣床、加工中心、磨床、并联机床以及动态性能和运动精度要求高的机床等；德国EX-CELL-O公司的XHC卧式加工中心三向驱动均采用两个直线电动机；（3）电滚珠丝杆：电滚珠丝杆是伺服电动机与滚珠丝杆的集成，可以大大简化数控机床的结构，具有传动环节少、结构紧凑等一系列优点。 1.2.10 高可靠性数控机床与传统机床相比，增加了数控系统和相应的监控装置等，应用了大量的电气、液压和机电装置，易于导致出现失效的概率增大；工业电网电压的波动和干扰对数控机床的可靠性极为不利，而数控机床加工的零件型面较为复杂，加工周期长，要求平均无故障时间在2万小时以上。为了保证数控机床有高的可靠性，就要精心设计系统、严格制造和明确可靠性目标以及通过维修分析故障模式并找出薄弱环节。国外数控系统平均无故障时间在7～10万小时以上，国产数控系统平均无故障时间仅为10000小时左右，国外整机平均无故障工作时间达800小时以上，而国内最高只有300小时。 10数控机床主轴设计原理 1.2.11 加工过程绿色化随着日趋严格的环境与资源约束，制造加工的绿色化越来越重要，而中国的资源、环境问题尤为突出。因此，近年来不用或少用冷却液、实现干切削、半干切削节能环保的机床不断出现，并在不断发展当中。在21世纪，绿色制造的大趋势将使各种节能环保机床加速发展，占领更多的世界市场。 1.2.12 多媒体技术的应用多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力，因此也对用户界面提出了图形化的要求。合理的人性化的用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。除此以外，在数控技术领域应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，应用于实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等，因此有着重大的应用价值。 1.3我国数控机床发展现状及思考我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%34.9%。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2002年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004年中国机床主机消费高达94.6亿美元，但进出口逆差严重，国产机床市场占有率连年下降，1999年是33.6%，2003年仅占27.7%。1999年机床进口额为8.78亿美元（7624台），2003年达27.1亿美元（23320台），相当于同年国内数控机床产值的2.7倍。国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中 1 1 毕业设计 (论文) 高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。我们应看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大技术创新与培训服务力度，以缩短与发达国家之间的差距。 1.3.1不断加强技术创新是提高国产数控机床水平的关键国产数控机床缺乏核心技术，从高性能数控系统到关键功能部件基本都依赖进口，即使近几年有些国内制造商艰难地创出了自己的品牌，但其产品的功能、性能的可靠性仍然与国外产品有一定差距。近几年国产数控机床制造商通过技术引进、海内外并购重组以及国外采购等获得了一些先进数控技术，但缺乏对机床结构与精度、可靠性、人性化设计等基础性技术的研究，忽视了自主开发能力的培育，国产数控机床的技术水平、性能和质量与国外还有较大差距，同样难以得到大多数用户的认可。 1.3.2制造水平与管理手段依然落后一些国产数控机床制造商不够重视整体工艺与制造水平的提高，加工手段基本以普通机床与低效刀具为主，装配调试完全靠手工，加工质量在生产进度的紧逼下不能得到稳定与提高。另外很多国产数控机床制造商的生产管理依然沿用原始的手工台账管理方式，工艺水平和管理效率低下使得企业无法形成足够生产规模。如国外机床制造商能做到每周装调出产品，而国内的生产周期过长且很难控制。因此我们在引进技术的同时应注意加强自身工艺技术改造和管理水平的提升。 12数控机床主轴设计原理 1.3.3服务水平与能力欠缺也是影响国产数控机床占有率的一个重要因素由于数控机床产业发展迅速，一部分企业不顾长远利益，对提高自身的综合服务水平不够重视，甚至对服务缺乏真正的理解，只注重推销而不注重售前与售后服务。有些企业派出的人员对生产的数控机床缺乏足够了解，不会使用或使用不好数控机床，更不能指导用户使用好机床；有的对先进高效刀具缺乏基本了解，不能提供较好的工艺解决方案，用户自然对制造商缺乏信心。制造商的服务应从研究用户的加工产品、工艺、生产类型、质量要求入手，帮助用户进行设备选型，推荐先进工艺与工辅具，配备专业的培训人员和良好的培训环境，帮助用户发挥机床的最大效益、加工出高质量的最终产品，这样才能逐步得到用户的认同，提高国产数控机床的市场占有率。1.3.4加大数控专业人才的培养力度从我国数控机床的发展形式来看需要三种层次的数控技术人才：第一种是熟悉数控机床的操作及加工工艺、懂得简单的机床维护、能够进行手工或自动编程的车间技术操作人员；第二种是熟悉数控机床机械结构及数控系统软硬件知识的中级人才，要掌握复杂模具的设计和制造知识，能够熟练应用UG、PRO/E等CAD/CAM软件，同时有扎实的专业理论知识、较高的英语水平并积累了大量的实践经验；第三种是精通数控机床结构设计以及数控系统电气设计、能够进行数控机床产品开发及技术创新的数控技术高级人才。我国应根据需要有目标的加大人才培养力度，为我国的数控机床产业提供强大的技术人才支撑。1.4我国数控机床发展目标目前，数控机床的发展日新月异，高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、并联驱动化、网络化、极端化、绿色化已成为数控机床发展的趋势和方向。中国作为一个制造大国，主要还是依靠劳动力、价格、资源等方面的比较优势，而在产品的技术创新与自主开发方面与国外同行的差距还很大。中国的数控产业不能安于现状，应该抓住机会不断发展，努力发展自己的先进技术，加大技术创新与人才培训力度，提高企业综合服务能力，努力缩短与发达国家之间的差距。力争早日实现数控机床产品从低端到高端、从初级产品加工到高精尖产品制造的转变，实现从中国制造到中国创造、从制造大国到制造强国的转变。 1 3 毕业设计 (论文) 高速加工对机床主轴系统不仅要求转速高，输出的扭矩和功率要大，还要求具有较高的主轴回转精度和在高速运转中保持具有良好的刚度、抗震性及热稳定性。目前，国际上工业发达国家生产的高速加工中心主轴最高转速高达20,000～100,000r/min，国内中小型加工中心、数控铣床的主轴最高转速也达r/min。实际应用中主要有两类高速主轴：一类是具有零传动的高速电主轴，这类主轴因采用电机和机床主轴一体化的结构，并经过精确的动平衡校正，因此具有良好的回转精度和稳定性，但对输出的扭矩和功率有所限制；另一类是以变频主轴电机与机械变速机构相结合的主轴，这类主轴输出的扭矩和功率要大得多，但相对来说回转精度和平稳性要差一点，因此对于这类主轴来说，如何正确地设计机床主轴及其组件对机床加工精度的影响是至关重要的。 14数控机床主轴设计原理 第 2 章 数控机床主轴传动系统设计2.1设计的基本参数和资料2.1.1设计技术条件；2、主传动比：高速: 1.5 : 1
低速: 15.8 : 12.1.2设计要求1、部件装配图；2、主要零件图；3、主要零件工艺规程；4、计算过程。2.1.3 主轴的技术要求主轴的精度直接影响到主轴组件的旋转精度,主轴和轴承,齿轮等零件相连接处的表面几何形状误差和表面粗糙度,关系到接触刚度,零件接触表面形状越准确,表面粗糙度越小,则受力后的接触变形越小,既接触刚度越高,因此对主轴设计必须提示一定的技术要求,它主要包括主轴各配合表面的尺寸公差,形位公差,表面粗糙读和表面硬度等内容.2.1.4--
主轴组件的特殊要求机床主轴和一般传动轴的相同点是两者传递运动和转矩都要保证轴上传动件和支承的正常工作条件,但主轴还要直接带动工件或刀具旋转实现表面成形运动,因此对主轴组件又有特殊的要求:1. 旋转精度主轴的旋转精度是指机床空载时,低速转动主轴,此时在主轴安装工件或刀具部位的定心表面上测得的径向跳动,端面跳动和轴向窜动值的大小. 1 5 毕业设计 (论文)2. 刚度刚度主要反映机床或部件抵抗外载荷的能力.影响到刚度的因素很多,如主轴的尺寸和形状,滚动轴承的型号,数量,预紧和配置形式,前后支承的跨矩和主轴前悬伸量,传动件的布置方式等.数控机床既要完成粗加工,又要完成精加工,因此对其主轴组件的刚度提出更高的要求. 3温升温升将引起热变形使主轴伸长,轴承间隙变化,降低了加工精度;温升也会降低润滑剂的黏度,恶化润滑条件.因此,对高精度机床应研究如何减少主轴组件的发热,如何控温等. 4抗振性主轴组件的抗振性是指其抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳运转的能力.主轴的振动将降低甚至恶化工件的表面质量,限制机床能力的充分发挥,增大机床的噪声.一般来说,粗加工机床切削宽度较大,产生自激振动的可能性较大. 5精度保持性机床的主轴组件必须有足够的耐磨性,才能长期保持精度. 2．1．5主轴的传动方式本次设计主轴采用齿轮传动,齿轮传动的优点是构造简单,紧凑和能传递较大的转矩,是一般机床最常用的传动方式.为使主轴运转平稳,传动齿轮采用斜齿. 16数控机床主轴设计原理 2.2主轴的设计过程及加工工艺2.2.1主轴是主传动系统的组成部件主轴的经济精度、强度、刚度影响着机床的切削精度。当轴的长度于直径比大于12时称挠性轴，就要根据轴的工作情况采取一些必要措施保证其刚性。在本次设计中因为轴的中间不受径向力，可以不对其刚性进行校核，主要校核轴的强度。2.2.2估算轴的最细部位直径T＝T/Wp=9.55×10/0.2dn≤[T]d≥(9.55×106/0.2[T])-3(p/n)-3=C3(p/n)-3其中Wp为抗扭截面系数，Wp＝Ⅱd3/16(mm 3)轴传递的功率为P（kw），轴的转速为n(r/min),轴传递的扭矩为T＝9.55×10p/n［T］和C从参考文献3中表10-3查得：［T］：40—52Mpa
C：107—98d= C3(p/n)-3=26.18mm为了提高轴的搞弯强度和刚度并参考轴的设计手册取其一倍大的最小的轴径值，即最小直径为60mm。 1 7663毕业设计 (论文)2.2.3轴加工工艺过程轴只要支承起来才能运转，轴与轴衬的配合部分称轴颈，轴颈的长与轴颈的直而不同，主要取决于抗压强度和散热要求。如采用滚动轴衬时，轴颈的确定必须与滚动轴承综合考虑，因为轴承是标准件。由于轴上装有各种零件，为保证不同要求的配合表面和精度等数，便于定位减少精加工面，大部分轴设计成稍大于理论轴外形的阶梯轴。轴上零件的定位除了台肩外，还可利用套筒或挡环。在轴的加工过程中，轴端和各台阶应有倒角，为了减少集中应力的影响，轴的过度部分有过度圆弧，如有配合则半径应小于零件的倒角半径。对于要求磨削的表面需要车越程槽。轴类零件主要表面的加工顺序在很大程度上取决于定位基准的选择。一般以外圆为粗基准，以轴两端面的顶尖孔为精基准。以顶尖孔为精基准除了使设计基准与定位基准重合外，同时也能获得较高的定位精度，即使二次装夹，调头加工也能得到较好的相互位置精度。 18数控机床主轴设计原理2．2．4主轴加工工艺过程： 1 9 毕业设计 (论文)2.2.5轴承的选用根据主传动系统输出轴所受载荷情况：主要承受径向载荷。故可选用最普通的深沟球轴承，其性能为主要承受径向载荷，亦能承受一定的双向轴向载荷：高速时可用来承受纯轴向载荷，并且价格便宜。由参考文献4中表9-1查出轴承代号分别为。2.2.6弹簧挡圈选择由于要固定轴承的位置，为了便于设计采用最简单的挡圈和台阶固定方式：对6212左边用轴弹性挡圈-A型，内径d＝57.8mm，并在两段间加调整垫，右边用孔用弹性挡圈-A型，外径D＝117mm。对轴承6214右端由轴的台肩来固定，左由轴、孔用弹性挡圈-A型固定。 20数控机床主轴设计原理第3章 数控机床主轴组件结构设计3.1 主轴组件的结构设计主轴组件由主轴,主轴轴承和安装在主轴的传动件,密封件等组成。主轴组件是机床实现旋转运动的执行件,它直接带动工件或刀具参加表成形运动是机床上的一个关键组件。主轴组件是机床主要部件之一,它的性能,对整机性能有很大的影响,主轴直接承受切削力,速度范围很大,所以对主轴组件的主要性能提出很高的要求。在数控机床中，不论是数控车床、钻床还是铣床，其主轴是最关键的部件，对机床精度起着至关重要的作用。因此如何正确地设计机床主轴及其组件对机床加工精度的影响是至关重要的。 3.1.1主轴前端的结构设计主轴前端的结构应保证夹具,顶尖或刀具安装准确,装卸方便,并尽量缩短主轴端的悬伸长度,本主轴单元结构采用角接触轴承,可以同时承受径向和一个轴向载荷,元件的极限速度高木设计采用四个角接触轴承,背靠背组配,使承点A-B两点向外扩展缩短了主轴头部的悬伸,大大地减少了主轴端部的变形,提高主轴刚度.大部分机床主轴前端结构如图1所示，重点讨论主轴前支承部分。主轴前端支承是由3182100系列轴承和一个能承受双向力的角接触轴承构成。国外有很多数控机床主轴也采用这种结构。 2 1 毕业设计 (论文) 图1 机床主轴前端结构 该结构对技术力量较强的厂家来说，凭经验进行合理的选配和调整，不会对精度产生太大的影响。但这种结构在设计上存在不妥之处，当前面的3182100系列轴承2需要预紧时，要靠拧紧螺母6来实现。在装配前选配调整垫1时，因为主轴本身的加工等原因，很难使调整垫1正好符合3182100系列轴承的预紧力要求，因为当各件都装上后，拧紧螺母6使3182100系列轴承开始预紧，但当轴承2的外端与调整垫1端面接触时，因轴承位置已经靠死，螺母拧不动。若轴承2未达到应有的预紧力时，将会影响主轴的刚性和回转精度。在轴承精度已选好，且工件加工情况也良好时，从理论上分析前后轴承的调整对主轴精度的影响，如果2所示。前后轴承最大径向跳动位于同一平面，并在主轴轴线的同侧。δ表示主轴前端检验处的径向跳动，δ1表示前轴承的最大径向跳动，δ2表示后轴承的最大径向跳动，且δ＜δ1＜δ2，a为主轴前支承到检验处的距离，L为主轴前后支承之间的距离。另一种情况，如图3所示，前后支承的最大跳动位于同一平面，但在主轴轴线的两侧。主轴前端检验处的最大径向跳动为δ′，且δ′＞δ1。比较两种情况可以得出以下结论：δ＜δ′，表明若使主轴前端检验处径向跳动最小，应使其满足图1的条件，而应避免图3所示的情况。对图1所示的前支承调整环节来说，要达到图2所示的情况是比较困难的。 22数控机床主轴设计原理 图2 图3 轴承的间隙是影响主轴回转精度及刚度的重要因素。然而轴承在预紧过程中，若间隙过小，容易引起主轴轴承过热；若间隙过大，又会影响回转精度，所以用图1所示的结构对轴承进行预紧时，很难将间隙一次性调好。如调不好，还要重新拆下轴承等相关的一些零件，再拿出调整垫1进行配磨。磨去多少合理，理论上无法算出，只能凭经验。这样既烦琐，又难以保证效果。如果将主轴前支承的定位方式改为图4所示。以螺母1进行轴向定位，垫片2起防松作用。在加工中若稍有位置偏差，也可通过垫片1使之与轴承3的端面均匀接触。由此可见，螺母1既是轴向定位基准，又可控制轴向移动量，因此调整控制比较方便。 图4 2 3 毕业设计 (论文)在过去，这种定位方式较难推广，其主要原因在于主轴上切削螺纹时，螺纹孔和螺母端面的垂直度要求很高，因此难以加工。但在目前数控机床普及的情况下，切削螺纹的工序已经比较容易。这种结构在理论上是正确的，在实践上是可行的。 3.1.2 主轴单元式结构设计高速加工中心和数控铣床大多采用单元式主轴结构，将主轴前后轴承在恒温环境下进行配磨，配磨好后装入一个圆套筒内，然后在总装时以一个完整的单元装入机床主轴箱内，这样不仅保证了机床主轴组件的装配精度，而且又易于安装和维修调整，如图1所示。 图1 主轴单元式结构3.1.3 主轴轴承设计主轴轴承的选择：鉴于加工中心和高速数控铣床的大负荷、高转速和高精密的要求，普通的主轴双联轴承结构已满足不了要求现在对于高速加工中心和数控铣床，大多采用角接触轴承组合设计。因为角接触轴承可以同时承受径向和一个方向的轴向载荷，允许的极限转速较高。 如图2所示，采用两个角接触球轴承背靠背组配，使支承点A、B两点向外扩展，缩短了主轴头部的悬伸，大大地减少了主轴端部的挠曲变形，提高了主轴刚度。 24数控机床主轴设计原理 图2 角接触轴承成组组配主轴轴承的预紧：用普通螺母作主轴轴承轴向限位，通常难以保证螺母端面与轴心线有较高的垂直度(如图3a)，锁紧后易使轴承偏斜，甚至有可能使轴弯曲(如图3b)，这都将影响轴的旋转精度。 a) b)图3 普通螺母锁紧时螺纹偏斜对轴承的影响如图4a所示锁紧螺母3，在锁紧时不能保证端面与孔的垂直度，为了提高轴承的调整精度应改为如图4b中用挡圈5、6修磨调整，以便提高修磨精度。用两个分离型螺母8、9调整，或采用双沟槽锁紧螺母(见图5)加十字垫片和采用过盈套等锁紧方式。 1、4、11.法兰盘 2、7.轴承 3、9.锁紧螺母 5、6.档圈8.调整螺母 10.挡油盘 12.主轴图4 主轴轴承锁紧、密封结构示意图 2 5 毕业设计 (论文) 1.压缩空气管 2.活塞 3.双沟锁紧螺母 4.碟形弹簧 5.拉杆6.主轴 7.主轴套筒 8.主轴内冷却环 9.刀具拉钉 10.挡油法兰图5 KX714主轴结构主轴轴承的密封和润滑：由于高速机床主轴转速较高，转速达5000r/min以上时脂润滑已很难达到要求，而稀油润滑在高速运动中润滑油的多少明显地影响到主轴运行的平稳性。因此在目前的设计中多数采用集中定量定时油雾或滴油润滑方式。在高速加工中为了提高主轴轴承的寿命和确保轴承的旋转精度，必须采取严格的密封措施，然而密封效果较好的接触式密封又势必影响到主轴转速的提高，因此目前通用的有主轴吹气、迷宫密封等非接触式密封方式，对于要求不高的可以采用间隙密封，但必须准确地控制间隙的大小，一般是在0.02～0.04mm之间。 3.1.4 主轴拉杆自动装刀系统设计机床主轴还有一个拉刀杆机构由蝶形弹簧预紧控制轴向拉力,再由液压和机械螺杆执行机构实现松刀和夹刀动作的拉杆机构,执行机构有与主轴一同旋转的随行单元结构比较紧凑主轴刀柄夹紧机构用液压放松,弹簧夹紧以保在工作中如果突然挺电,刀柄不会自行松脱,行程开关用于发出监测放松夹紧刀柄的信号. 在加工中心和高速数控铣床中刀具安装势必采用自动装刀机构。由预紧弹簧控制轴向拉力，再由气压、液压或机械螺杆等执行机构实现松刀和夹刀动作的拉杆机构(如图5)。执行机构有与主轴一同旋转的随动单元，也有不随主轴旋转的分离型结构，前者结构比较紧凑，复杂程度高，后者结构简单，成本低，但占用空间较大。另外，为了提高刀具重复安装精度，减少刀具锥柄和主轴锥孔非正常接合，在自动装刀系统中必须设置主轴准停机构和用以清洁刀具锥柄、主轴锥面的吹气或喷液的机构。26数控机床主轴设计原理 3.1.5 主轴水冷却系统设计在高速旋转运动中轴承温升是造成主轴变形、加工精度下降的重要因素之一。大量的热能会造成主轴严重的热变形，不仅影响主轴回转精度，而且还会抑制主轴转速的提高，速度愈高这种现象愈明显。因此，如何改善机床主轴系统热特性，减少系统的热源强度，降低温升及减少系统的热位移，在高速主轴设计中就显得尤为重要。在主轴设计中除了正确地选择主轴组件，减少系统热源强度外，对主轴要进行水冷却，以降低温升和减少系统热位移。在主轴套筒外设计连续的水冷却环槽，让机床冷却液先流经主轴套筒上的冷却环槽，然后再喷出到刀具刀尖，用这种方式带走轴承产生的绝大部分热量，减少系统热能向机床主轴传导。对于有些要求较高的机床可将主轴水冷却和切削液分为两个不同的系统，当然这种结构只能应用到单元式主轴上。3.1.6 换档机构设计换档是有一个拨叉机构组成,拨叉着一个内外齿轮,当内外齿轮向上移动到位是,主轴箱转素为高档,当拨叉把内外齿轮向下移动到位时,主轴箱速度为低速 当拨叉在中间位时是空档,空挡时手可以拨动齿进行机床原点的校准和角度的校准.3.1.7 离合器设计离合器在传动链中的位置是很重要的,若将离合器放置在转速较高的传动轴,则传递转矩较小,结构紧凑;将它放置在传动链前端,即靠近动力源的传动轴上，停车后可使传动链的大部分运动件停止不动,能够减少空载功率损失.因此,除了结构上特殊需要外,开停装置一般宜放置在传动链前端的转速较高的轴上.3.1.8 润滑机构设计主轴轴承密封和润滑由于机床高速旋转运动中轴承温度升高会造成主轴变形,加工精度下降,大量的热量会造成主轴严重热变形,不仅影响主轴回转精度,而且还会抑制主轴转速的提高,速度越高这种现象越明显,因此如何改善机床系统的散热性,减少系统的热源强度,降低温升及减少系统的热位移,在设计中显得尤为重要,在主轴设计中除了正确地选择主轴组件减少系统热源强度外,对主轴进行了油冷却以降低温升和减少系统热位移在主轴套筒外冷却,一方面对主轴冷却,另一方面对齿轮变速的机构进行润滑,一举两得,回流出来的油用回油泵抽出再经过冷却系统进行冷却,温度由温控器进行控制,不断循环使用,以达到主轴箱润滑和冷却作用. 2 7 毕业设计 (论文) 3.1.9 主轴箱设计主轴箱有两个速度范围,一个高档,一个低档,提供了一个换档,换档是否到位由接近开关监控齿轮华东是否到位,并提供反馈信号到系统,说明它是选定的速度范围. 28数控机床主轴设计原理第4章
结经过三个多月的时间，我完成了毕业设计。在这短短的三个月内，我学到了很多东西，可以说是受益匪浅。虽说是短短的三个月，但我认为通过实践所得比从书本上学到的东西要有价值的多。通过毕业设计使我真正做到了理论联系实际。在杜宝江老师耐心、认真的指导下，使我成功地完成了这次毕业设计，同时也清楚的认识到了实践与理论的差别。更重要的是经过这次设计，使我更加牢固、扎实的掌握了专业理论知识，对我以后的学习工作上有了更大的帮助，并奠定了扎实的基础。非常感谢老师在我的设计过程中给予我的帮助指导，使我能合理的利用我所学的专业知识完成我的毕业设计，通过自己的实践和老师的指导帮助使我学到了书上没有的知识，增长了自己的知识面和实践动手能力。 在设计过程中学到了一些新知识，并发现了自己的很多不足之处。1、机械加工工艺是一门理论与实践密切结合课程，学起来比较难，随着电子、航天、生物工程等行业的不断发展对机械加工能力要求越来越高，于是对零件尺寸、形状、精度、性能提出了更高的要求，必然导致加工工艺的发展和革新。而我国在这方面较落后，应该引起我们的足够重视。2、设计是培养自己动手能力和巩固知识的最有效的方式，在平时的学习中应该主动给自己找一些课题来练习，但未能去实施，因此放弃了学习的机会，并且导致了今日有些知识面的欠缺。3、此次主要设计数控机床的主轴部分，要求有一套整体思路，必须对机床有一定的认识和经验。并要确定其工作能力和范围，而这些对设计过程起决定作用。自己没有及时的与老师进行沟通，导致进度慢。4、在平时的学习中很少对基础知识进行总结，当用起来时，要反复地翻阅资料，身边的很多机械和电子类的杂志，偶尔看了两眼觉得难就没有再过问，而这些知识点恰恰是将来走出校门最实用的理论和经验。由于本人水平有限，时间仓促，本次设计难免有错误和欠妥之处，恳请老师们批评指正。最后我诚挚的感谢老师对我的教导，没有你的热心帮助，我很难完成这次设计。 2 9 毕业设计 (论文)展望尽管机床的切削速度还存在不小发展空间，但近三年世界高速加工机床主轴的最高转速，似乎已进入一个相对平稳的发展阶段。以高速加工中心为例，目前其主轴最高转速除个别产品外基本上是：小型r/min、中型r/min、大(重)r/min。从EMO2003得到的信息，其加工中心展品的最高转数绝大多数为r/min，最高的为60000r/min。
现在，高速切削机床的主轴系统主要采用电主轴单元，而电主轴的轴承又基本为滚动轴承，其dmh值一般都不超过250×104。从目前的研究开发情况来看，在不久的将来有可能达到300×104甚至更高一点，也就是说滚动轴承内径为Φ50~55mm的电主轴，其最高转速有望达到50000r/min左右。更高的速度需求则寄希望于磁浮轴承，磁浮轴承推广应用的关键是要降低成本，同时也要考虑发热和漏磁方面的问题。此外，与电主轴相关的课题，比如集成传感监控、小型高出力主轴电机、轻量化主轴等，都正在深入研讨中。
现时，国内生产电主轴的厂家很少，国产电主轴尚未能充分满足市场需求(在CIMT2003展会上，国产数控机床配装的电主轴只有23.8%是国内产品)。不过，在这一领域，中国也已具有一定的基础和能力，在当前国家明确支持国产数控机床功能部件发展的政策环境下，我们更应抓住机遇，加快国产高速电主轴的发展。 30数控机床主轴设计原理第5章 参 考 文 献 1. 《机械结构设计》 方键,
化学工业出版社,
2006 2.《机械制造工艺学》王信义 计志孝 王润田 张建明编，北京理工大学出版社。3、《金属切削机床设计简明手册》范云涨 陈兆年主编，北京机械工业出版社，1993。4、《机械制造工艺学》赵志修主编，北京机械工业出版社，1993。 5、《经济型数控机床系统设计》张新义主编，北京机械工业出版社。 6、《机械零件设计手册》周开勤主编，高等教育出版社。 7、《精密机械设计基础》赵跃进 何献忠主编，北京理工大学出版社。 3 1
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