立式加工中心总体主轴部件及立柱设计docx.docx

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加工中心总体、主轴部件及立柱设计

摘要

加工中心是一种具有刀库并能自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控机床。

它是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的高科技产品，综合了数控铣床、数控镗床、数控钻床多功能的加工设备。

基于加工中心的迅速发展，本次毕业设计的任务是设计加工中心总体、主轴部件及立柱。

加工中心的总体设计主要是通过设计各部件之间的尺寸联系来满足它们之间的位置关系要求。

主轴部件是机床的重要部件之一。

它是机床的执行件，其功用是支承并带动工件或刀具旋转进行切削，承受切削力和驱动力等载荷，从而完成表面成形运动。

主轴部件由主轴及其支承和安装在主轴上的传动件、密封件等组成。

加工中心立柱主要是对主轴箱起到支承作用，满足主轴Z向运动。

根据对立柱的结构、性能及其经济性的要求，采用井字型的内腔结构。

加工中心的设计符合数控机床高速化、高精度化、智能化、系统化与高可靠性等发展趋势。

目前，加工中心已成为现代机床发展的主流方向，广泛应用于机械制造中。

关键词：

加工中心，主轴，轴承，立柱

DESIGNOFTHEOVERALL,SPINDLEASSEMBLYANDCOLUMNOFMACHINININGCENTER

ABSTRACT

Machiningcenter（MC）isakindofCNCmachinewithtoolmagazine.

Itcanperformthemulti-processingofworkpiecebychangecuttingtoolautomatically.Itisthehigh-techproductdevelopedtoadapttotherequirementsforeffort-savingandtime-saving,andthemulti-function

equipmentwhichintegratedCNCmillingmachinewithCNCboringanddrillingmachines.

Thetasksofgraduationdesignaretodesigntheoverallofmachine,thespindleassemblyandcolumn.ThepurposeofMCoveralldesignistoestablishthedimensionrelationbetweencomponents.Spindleassemblyisoneoftheimportantpartsofthemachine.Itistheexecutivepieces,

anditsfunctionistosupportandcarrytheworkpieceorrotarycuttingtools,andbearthecuttingforce.Thespindleassemblyconsistsofthespindleanditssupport,thetransmissionmembers,sealsandothercomponentsmountedonit.ThefunctionofMCcolumnistosupporttheheadstocktosatisfythemovementofZ-axis.Basedontheperformancerequirementsofthestructureandtheeconomy,Columnisofthecross-typestructureinside.

ThedesignofMCisconsistentwiththedevelopmenttrendinhigh-speed,highprecision,intelligent,andhighreliabilityofCNCmachinetools.Currently,MCstandsforthemaindevelopmentdirectionofmodernmachinetool,whichiswidelyusedinmachinemanufacturing.KEYWORDS:

machiningcenter,spindle,bearing,column

刖言

1952年，第一台数控机床诞生.在制造业，数控装备出现，使许多复杂的加工曲面都能够顺利进行，如今数控机床已经成为制造业加工零件的主流器械。

设计的生产面越来越广，能满足越来越多的工业需求，现已被国家科技人员高度重视。

数控机床的集机械制造技术、信息处理技术、微电处理技术和自动化等合为一体，随着科学技术的发展而不断地发展与创新。

在制造业行的的技术的突飞猛进中，数控机床的推动作用是至关重要的，同时也带动了周边产业经济规模不断壮大的支柱。

一些发达国家如德国、日本、荷兰、美国等都已经实现了大规模数控化。

作为对比，我国机床的发展却有自己的特点，作为世界上机床产量最大的国家之一，我国的数控机床产品得竞争力却处于国际水平中下游，距世界一流水平还相差甚

远。

就算面对中国国内机床市场的竞争，国产机床也面临着严峻考验：

一方面对于需求方，国内市场对数控机床尤其是加工中心需求量大，另一方面对于供应方，不幸的是，国产机床质量差，生产成本高，利用率低，生产滞销堆积；而进口产品质量好，能满足各企业的大量需求，占据着市场大部分区域，这就严重阻碍了我国自主品牌数控机床的发展。

国内机床行业的现状，对于我们青年大学生而言，是一种机遇，也是一种挑战，下面介绍一下数控机床的优点：

加工种类繁多；效率率高；劳动力消耗小；工作量小；刀具寿命长；节约成本。

一般来说，数控机床大体分为数控车，数控镗、加工中心。

此次毕设只要针对立式加工中心主轴部件来设计、因此下面将会介绍有关加工中心主轴部件的相关知识。

这次毕业设计对我们即将毕业的大四学生至关重要，它不仅仅是对这几年所学习课程的总结，在这次的《加工中心总体、主轴部件及立柱设计》设计中培，还养了我运用所学知识分析和解决问题的能力，让我能够将知识转化为实践，通过这次毕业设计，我的各方面综合能力都得到了良好的锻炼、能够综合设计中遇到的问题练习工程实际问题；复习了机械设计，熟悉和掌握了数控机床主轴设计的方法，合理运用所学相关知识，同时增强技能专业化。

本次设计我的主要利用材料是数控加工中心设计、机械设计及机械设计课程手机手册等。

通过反复查阅资料，教材，我对这些理论有了更好的掌握。

本说明书共分为六大块，第一章介绍了关于加工中心的一些概念，工作原理;第二章讲述了加工中心的主传动系统设计；第三章讲述主轴电机的计算选型；第四章讲述的是传动系统一一同步带的设计；第五章讲述了主轴组件的设计以及相关零件的校核；第六章时对本次设计的大总结。

第一章加工中心概述

一、基本概念

即装有刀库和自换换刀装置的数控机床。

它的特点是能够在倒库里存下许多种刀具，有程序控制自动换刀，这样就可以在没有认为干涉的情况下一次完成很多种加工任务。

在加工中心上，一次装卡工件可同时完成多道工序一一数控系统能够根据程序控制不同的安装刀具，自动改变主轴进给量，主轴转速，道具相对于工件的运动轨迹，依次完成一个或者几个面的工艺加工。

因此可以减少换装工件和机床的调整时间、减少零件生产周期、贮存时间、生产效率高、自动化程度很强。

二、加工中心的分类

（1）立式加工中心主轴轴线垂直，为立柱固定，矩形工作台。

（2）卧式加工中心主轴轴线水平。

是带有分度回转转运动工作台的一类加工中心，适合加工体积较大的零部件。

（3）五坐标加工中心可以完成任意面的加工。

三、加工中心基本结构

（1）基础部件一一床体、立柱和工作台

（2）主轴组件——由主轴箱体、交流主轴电动机、主轴和轴承等零件。

（3）控制系统一一单台加工中心数控系统是由数字编程装置、编程控制元件、伺服驱动装置、电动机、

（4）伺服系统

（5）自动换刀装置一一刀库、换刀机械手和驱动元件。

第二章主传动系统设计

传动系统简介

加工中心主传动系统是由带动主轴传动的电机、主轴的传动系统以及主轴组件组成［1］与普通机床主轴系统相比，转速更高，回转精度更精确，结构刚性和抗震性优良。

加工中心主要的优点就是它能够完成由多台机床才能够完成的加工任务，这里列举一些加工中心突出的优点：

（1）在数控机床的基础上增加了装有各种刀具的刀库以及自动换刀装置。

可以一次同时进行多工步加工操作。

（2）特有的装备：

自动回转工作台；

（3）主轴转速可以变更、进给量可调、具有插补功能，方便操作员编程。

（4）如果带有APC工作台，工件在加工时，其他工件就在装卡卸下的位置等待加工，不会耽误正在进行的工件的加工。

主传动系统设计的要求

加工中心整体尺寸图如2-1所示

图2-1加工中心总体尺寸图

如图2-1，操作面板在机床的右侧，左侧是刀库，里面贮存加工时所需的刀具；本设计的加工中心工作台分X向进给工作台、丫向进给工作台、Z向进给工作台。

其中X向进给量为500毫米，丫向进给量为600毫米，Z向进给量为600毫米。

当需要加工工件时，自动换刀装置会根据编程选定合适的刀具，然后安装在主轴前端。

主轴通过加紧机构将刀具锁紧。

这时，主轴电机通过同步带带动主轴旋转，共建加工开始。

等工件加工完成以后，下一个在装卸位置等待的待加工工件就会被推至加工处，进行下一轮加工。

若一批零件加工完成以后或者需要加工另一道工序时，机床系统选择合适道具，然后自动装卡，进行加工。

在换刀过程中，由主轴上端通过主轴内孔股进来的压缩空气会把主轴前端安装刀具部位清理干净，避免刀具安装时产生误差。

本次设计的立式加工中心的总体大概设计：

主轴电机：

交流调速电动机

传动部件：

圆弧同步带圆弧齿同步带应力分布均匀，在高速条件下产生的震动小，匀化了应力分布，啮合齿数，因此选用圆弧齿同步带作为本次设计的传动系统部件。

同步带传动装置简图见2-2。

图2-2同步带传动传动系统设计分析机械传动的方式有带传动，齿轮传动，链传动，在大三的机械设计课程设计中，二级减速器的传动方案中，我们选择带传动在高速级，将齿轮传动放在中间级，将链传动放在了最后一级。

这样以来，每种传动都克服了彼此的缺点并发扬了自己的优点，相辅相成。

对于同步带传动这栋特殊的传动方式，克服了链传动传动比不稳定，传递效率低，齿轮传动结构安装复杂，噪声大，V带传动压轴力大，容易发生打滑等缺点。

可谓是一带多用。

它的带型是齿轮状的，工作与带轮上的齿进行正确啮合，避免打滑破坏带的性能。

抗拉层是由特殊的纤维材料或金属制成，这样就使带不发生过大的弹性滑动。

同步带虽然优点众多，但是维护不力的话，同样会发生损坏，比如承载载荷绳发生断裂、爬齿跳齿等。

对于第一种失效，通常是因为工作过程中带承载的拉力过大，超出承载范围。

若选用的主动带轮直径不合适的话，同步带在啮合带轮和推出带轮时会收到周期性弯曲应力。

也会导致带断裂。

对于第二种失效，一般是由于设计时尺寸不合理或者受力等因素造成的。

我们可以通过以下几个方面来避免跳齿爬齿的发生：

（1）切向力比带的许用许用应力小。

（2）设计时带节距的差值的在规定范围内。

（3）适当增加带的初始安装拉力（初拉力），使带齿与轮的齿吻合牢靠。

第三章主轴电机的选型与参数

计算切削力

经验公式[2]:

F切821?

a095P?

a0.8f?

a1.1e?

d1.10?

K^（3-1）

式（3-1）中，F切：

主切削力（N）

ap:

铣削深度（mr）i

af:

每齿进给量（z/mm）

ae:

铣削宽度（mr）i

d0:

铣刀直径（mr）i

铣刀齿数

Kfz:

铣削力修正系数

已知高速钢刀具：

刀具前角y0=15度；主偏角Ky=60度；工件材料b=75kgf/mm2碳钢；每齿进给量=zb;刀具直径d0=16mm齿数Z=8工件宽度ae=12mm；切肖U深度ap=3mm

将上述数据带入经验公式（3-1）得

=821X30.95X0.10.8X121.1X161.1X8X0.92X（759.81103/）0.3

切削速度[3]

Vmax?

Dmin?

nmax/1000（3-2）

主电机功率估算

铣

削

功

率

Pm1

F切?

Vmax/60000

（3-3）

20467401.92/1

60000

主

电

机

功

率

Pepm/

（3-4）

式中m，为机床主传动系统效率，滚动轴承传动效率为，带传动传递效率为

确定电动机型号

这里选择FUNU主轴电机，型号为ail8/10000。

参数如下:

额定功率：

15KW

最大功率（30min）:

额定基本转速：

1500r/min

额定功率速度上限：

6000r/min

最高转速：

7000r/min

额定扭矩：

转子惯量：

Kg/m2

第四章主传动变速系统设计

同步带参数计算

结合前述的条件可知：

主轴电机功率15KW转速m1500r/min传动比为1，则n2n11500r/mn；二班制工作；中心距可调。

（1）确定设计功率⑷

查《机设计手册》取工况系数K01.3则

设计功率PdK°?

p1.3?

1519.5kw

（4-1）

（2）选定带型个节距由Pd19.5kw，n仁1500r/min参考《机设手册》选同步带，型号14M节距Pb14mm

（3）选取小带轮齿数

在带速和安装尺寸允许的情况下，Z1尽可能取大值，乙Zmin；而Zmin查表得，当带型号为14M转速在1200――1800之间时，查表可得Zmin40故选取小带轮齿数乙64

（4）小带轮节圆直径

diPb?

z/864/3.14162.98mm（4-2）

由《机械设计手册》查得0.685则

小带轮顶圆直径drid12162.9820.685161.61mm（4-3）

（5）校核带速

d1?

n1/60000162.981500/6000012.8m/s35m/s设计合理

（6）传动比

in1/n2110（4-4）

传动比满足要求

（7）大带轮齿数

Z2iZ164（4-5）

（8）带轮n2的节圆直径mm,d?

d1162.98大带轮顶圆直径

dr2d22161.61mm

（9）初定中心距a。

0.7（d1d2）a02（d1d2）即114.09a0325.6

（4-6）

初定中心距a032mm

（10）初定带Lop长

Lop2a°?

（dd1d2）/2（dp2dp1）/4a°

（4-7）

查表选取带长为Lp1190mm带齿数Zb85

（11）计算实际中心距

中心距可调，则实际中心距为

（12）小带带轮齿合齿数

zmentZ,2卩匕？

乙込ZJ/（22?

a）

（4-8）

故满足设计要求

（13）基本额定功率

由表查得对应型号为14M的同步带，F012.17kw

（14）所需带宽

带宽bsbs0?

1.14Pd/（Ps0?

Ki?

Kz）

（4-9）

查表得bs040mm,Kl1,Kz1

则bs401.1419.5/（12.7T1）58.26mm

查表可得：

型号为14M的同步带带宽为bs55mm，小于带轮节圆直径

d1162.98mm，设计满足要求

（15）计算压轴力

Fq1000Fd/V100019.5/12.81523.4N

（4-10）

（16）计算汇总

同步带规格：

1040-14M-55

大、小带轮规格：

均为64-14M-55

大小带轮中心距：

a0339mm

压轴力：

Fq1523.4N

齿形带单位宽度上的力F:

FFq/b21523.4/5527.7N/mm

（4-11）

圆弧同步带设计总结

节距Pb

齿根厚s

齿高h1

带咼hs

圆角半径rr

弧齿半径ra

齿顶距a

双边挡环带轮的

宽bf

带轮宽度b

挡圈厚度t

挡圈高K

第五章主轴组件的设计

加工中心主轴部件图5-1

1――内六角螺钉；2――主轴；3――钢球；4、8――角接触球轴承；5――预紧螺母；6――碟形弹簧7――圆弧齿同步带；；9――拉杆；10――套筒

如图5-1所示主轴组件是机床动力实现的部件。

主轴组件一根主轴、角接触球轴承、圆头平键、若干密封装置等组成。

由于现在的加工的中心对待转速的指标越来越高，因此需要主轴具有良好的回环转精度、结构性刚度、热的稳定性和抗击震动性。

加工中心还应该具备刀库和自动换刀装置以及自动夹紧机构、主轴准停配置和切削屑清扫配置。

主轴是一根开有内控孔的轴，端部装定向键，装刀柄处结构采用7：

24锥

度结构，前端支承采用三个角接触球轴承，前两个贴紧安装小口朝上，提高刚度;第三个小口朝下。

后支承也采用两个角接触球轴承，大口相背安装，承受径向载荷，外圈轴向没有定位。

轴承润滑方式为脂润滑。

在主轴内孔中，内置有刀具自动加紧和松开元及切削屑清扫元件。

如上图所示，加紧时液压油通入活塞刚下腔，将活塞顶起，从而将拉杆拉起，自动装卡机构在安装刀具以后拉杆带动钢球上移从而夹紧刀具。

松开刀具时，将液压油通入上腔，将活塞下压，拉杆下移，小钢球随之下移，松开刀具头部，同时拉杆顶松刀具端部，有自动换刀装置更换刀具。

这时，从上段通入主轴内孔的压缩空气将切削屑清除掉，保证下一个刀具的安装精度。

主轴组件的设计要求

主轴组件的回转精度、刚度、耐磨性、抗震性以及温升和热变形等都会影响加工中心工作时的效率，设计时应尽量满足以下要求

回转精度

指空载时，装置工件或者刀具部位的径跳动和轴跳动值达到要求。

保证主轴的回转精度是通过保证加工中心零部件的几何精度和表面粗糙度来实现的

刚度

主轴组件刚度越大主轴受力变形越小,与主轴尺寸、支承跨度、选用的轴承类型及配置形式等因素有关。

在条件允许下，应尽量提高主轴刚度

耐磨性

采取合适的材料热处理方法，这样可以使耐磨性增强

抗震性

提咼主轴抗震性必须提咼主轴组件

的静刚度另外，要使主轴固有频率远远大于激振频率

温升和热变形

为了防止热变形导致的箱体膨胀变形主轴中心线发生变化进而影响加工精度应尽量控温升

表5-1

主轴设计

主轴是主轴部件重要设计元件，主轴结构，尺寸，设计时的精度、加工主轴的材料及进行热处理的方式对主轴部件的工作都会产生影响。

同时，主轴的设计构造要可以满足整体的定位可靠性程度高、工艺性能优等要求。

1主轴直径D

2内孔径d

3悬伸量a

4支承跨距L

我们可以依据主轴的刚度、构造工艺性以及轴的工艺适用范围，几何参考资

料通过合理计算和反复的校验来气确定轴颈的以上参数。

（1）主轴直径直径大小与刚度大小成正比例关系，主轴前端的轴颈可根据主

轴电机的功率来选择，后端轴颈逼前端轴颈小一般去倍的前端轴颈值。

最终尺寸，要在主轴组件设计时确定，前后轴颈之差值不宜过大。

（2）主轴的内孔径作用是通过拉杆，压缩空气，棒料等。

主轴孔径与主轴直

径值之比，一般不能低于但不能高于，低于时设计不合理，工艺性不好；当•大

于时主轴的刚度就会遭到极大的削弱，本次设计取。

（3）悬伸量a。

就是主轴两个前端轴承的中点距主轴轴端的距离。

与轴承选型、如何组合、润滑方式的选择、主轴前端形状大小有关。

在满足结构要求条件下，

a的值尽量取小。

（4）主轴的支撑跨距L。

就是指主轴前轴承支承中点与后轴承支承作用中点之间的距离。

L太大，那设计的那根轴变形量大，L越小，则设计的那根变形量就越小。

L太大或者太小都会降低综合刚度，它是有一个最佳值的，可以通过查阅