完整版数控车床主轴设计.docx
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完整版数控车床主轴设计
绪论
随着市场上产品更新换代的加快和对零件精度提出更高的要求，传统机床已不能满足要求。
数控机床由于众多的优点已成为现代机床发展的主流方向。
它的发展代表了一个国家设计、制造的水平，在国内外都受到高度重视。
现代数控机床是信息集成和系统自动化的基础设备，它集高效率、高精度、高柔性于一身，具有加工精度高、生产效率高、自动化程度高、对加工对象的适应强等优点。
实现加工机床及生产过程的数控化，已经成为当今制造业的发展方向。
可以说，机械制造竞争的实质就是数控技术的竞争。
本课题的目的和意义在于通过设计中运用所学的基础课、技术基础课和专业课的理论知识，生产实习和实验等实践知识，达到巩固、加深和扩大所学知识的目的。
通过设计分析比较机床的某些典型机构，进行选择和改进，学习构造设计，进行设计、计算和编写技术文件，达到学习设计步骤和方法的目的。
通过设计学习查阅有关设计手册、设计标准和资料，达到积累设计知识和提高设计能力的目的。
通过设计获得设计工作的基本技能的训练，提高分析和解决工程技术问题的能力，并为进行一般机械的设计创造一定的条件。
一、设计题目及参数
1.1题目
本设计的题目是数控车床的主轴组件的设计。
它主要由主轴箱，主轴，电动机，主轴脉冲发生器等组成。
我主要设计的是主轴部分。
主轴是加工中心的关键部位，其结构优劣对加工中心的性能有很大的影响，因此，在设计的过程中要多加注意。
主轴前后的受力不同，故要选用不同的轴承。
1.2参数
床身回转空间400mm尾架顶尖与主轴端面距离1000mm主轴卡盘外径Φ200mm最大加工直径Φ600mm棒料作业能力50～63mm主轴前轴承内和110～130mm最大扭矩480N·m
二、主轴的要求及结构
2.1主轴的要求
2.1.1旋转精度主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷，低转速的条件下，主轴前端工件或刀具部位的径向跳动和轴向跳动。
主轴组件的旋转精度主要取决于各主要件，如主轴、轴承、箱体孔的的制造，装配和调整精度。
还决定于主轴转速，支撑的设计和性能，润滑剂及主轴组件的平衡。
通用（包括数控）机床的旋转精度已有标准规定可循。
2.1.2静刚度主轴组件的静刚度（简称刚度）反映组件抵抗静态外载荷变形的能力。
影响主轴组件弯曲刚度的因素很多，如主轴的尺寸和形状，滚动轴承的型号，数量，配置形式和预紧，前后支撑的距离和主轴前端的悬伸量，传动件的布置方式，主轴组件的制造和装配质量等。
各类机床主轴组件的刚度目前尚无统一的标准。
2.1.3抗振性主轴组件工作时产生震动会降低工件的表面质量和刀具耐用度，缩短主轴轴承寿命，还会产生噪声影响环境。
振动表现为强迫振动和自激振动两种形式。
影响抗振性的因素主要有主轴组件的静刚度，质量分布和阻尼（特别是主轴前支撑的阻尼），主轴的固有频率应远大于自激振动的频率，以使它不易发生共振。
目前，尚未制定出抗振性的指标，只有一些实验数据可供设计时参考。
2.1.4温升和热变形主轴组件工作时因各相对运动处的摩擦和搅油等而发热，产生温升，从而使主轴组件的形状和位置发生变化（热变形）。
主轴组件受热伸长，使轴承间隙发生变化。
温度使润滑油粘度降低，降低了轴承的承载能力。
主轴箱因温升而变形，使主轴偏离正确位置。
前后轴承的温度不同，还会导致主轴轴线倾斜。
由于受热膨胀是材料固有的性质，因此高精度机床要进一步提高加工精度，往往受热变形的限制。
研究如何减少主轴组件的发热，如何控制温度，是高精度机床主轴组件的研究的主要课题之一。
2.1.5耐磨性主轴组件的耐磨性是指长期保持原始精度的能力，即精度保持性。
对精度有影响的首先是轴承，其次是安置刀，夹具和工件的部位，如锥孔，定心轴径等。
为了提高耐磨性，一般机床主轴上的上述部分应淬硬至HRC60左右，深约1mm.
2.1.6材料和热处理主轴承载后允许的弹性变形很小，引起的应力通常远远小于钢的强度极限。
因此，强度一般不做为选材的依据。
主轴的形状，尺寸确定之后，刚度主要取决于材料的弹性模量。
各种材料的弹性模量几乎相同，因此刚度也不是选材的依据。
主轴材料的选择主要根据耐磨性和热处理变形来考虑。
普通机床的材料通常是45号或
60号优质中碳钢，数控机床需调质处理和淬火。
2.2主轴的结构为了提高刚度，主轴的直径应该大些。
前轴承到主轴前端的距离（称悬伸量）应尽可能小一些。
为了便于装配，主轴通常作成阶梯形的，主轴的结构和形状与主轴上所安装的传动件，轴承等零件的类型，数量，位置和安装方法有直接的关系。
主轴中的孔主要用于通过棒料，拉杆或其它工具。
为了能够通过更大的棒料，车床的中空希望大些，但受刚度条件的影响和限制，孔径一般不宜超过外径的70%。
主轴的结构如（附图1）。
三、主传动系统变速方式
为了适应不同的加工要求，数控机床主传动主要有以下几种配置方式：
（1）带有变速齿轮的主传动。
这种方式在大、中型数控机床采用较多。
通过少数几对齿轮降速，扩大了输出扭矩，以满足主轴的输出扭矩特性的要求，一部分小型数控机床也采用此种传动方式。
以获得强有力的切削时所需要扭矩。
数控机床使用可调无级变速交流、直流电动机。
所以经齿轮变速后，实现8段无级变速，调速范围增加。
其优点是可满足各种切削运动输出转矩，具有大范围调速能力。
但是由于结构复杂，需要增加润滑及温度控制装置。
成本较高，此外，制造和维修也比较困难。
（参图a）
（2）一级带传动变速方式。
这种传动方式主要应用在中小型数控机床上。
采用V型带
或同步带传动，可以避免齿轮传动时可引起的振动与噪声，适用于低扭矩特性要求的主轴。
这种方式结构简单，安装方便，调试容易，被广泛用于许多数控机床传动中。
（参图b）
（3）调速电机直接驱动方式，这种主轴传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高主轴部件的刚度，由于结构紧凑，占用空间少，加工中心的可加工空间相对变大。
但是主轴转速的变化及扭矩的输出和电动机输出特性完全一致，电动机的发热对主轴的精度影响大，最好装有冷却装置，否则使用还是受到约束。
（参图c）
（4）电主轴直接驱动方式：
这种驱动方式其实和（c图）方式差不多，但这种传动方式结构方式更为紧凑，占用空间更小。
它主要是将主轴作为电机的转子，箱体壳（与主轴配合箱体壳）作为电机的定子。
但是这种电机形式的主轴结构，连带主轴组件都是成套，
参图d）
要求很高，精度也高。
另外制造成本也很高。
且容易发热，同样会影响主轴精度以下为传动方式的结构图:
图（a）带有变速齿轮的主传动图（b）一级带传动变速方式
图（c）调速电机直接驱动方式图（d）电主轴直接驱动方式
综上所述，进行各种传动方式优缺点进行分析和比较来选取本设计所采用的主轴传动方式。
首先是该设计为数控车床，主轴选用带传动（同步齿形带），主轴主要是车削加工，必须保证其加工精度，而带传动能缓和冲击、吸收振动，故传动平稳。
由此选用一级带传动变速方式。
四、机床夹具的确定
本次设计的数控车床所加工工件长度约为300mm长（附图2），夹具相对设计较单一，选
用卡盘夹紧工具即可满足加工要求。
卡盘夹紧工件与主轴联接，并与主轴同步旋转。
对于数控车床夹具主要就是卡盘夹具。
卡盘从它的工作原理上分为以下几种类型：
①手动松紧卡盘
2液压松紧卡盘
3气动松紧卡盘
4电动松紧卡盘首先从数控车床的自动化程度讲，手动卡盘属人工操作，不合适。
另外液压和气动松紧卡盘实际工作原理相似，一个是油泵进行驱动，一个是气泵驱动，结构设计简明，传动机构简单。
另外电动卡盘同样结构紧凑，效率高，但综上所述，我们选择液压卡盘，液压
卡盘结构紧凑，自动化程度高，结构比电动卡盘简单，有时可改装为与其相似的气动卡盘另外所设计的数控车床许多装置重于用液压系统，所以用液压卡盘是比较合理的。
液压卡盘的控制原理实质为一锁紧回路（附图3）。
五、主轴主要参数的计算及校核
5.1主轴主要参数的计算主轴的主要参数是：
主轴前端直径D1，主轴内径d。
主轴悬伸量a和主轴支撑跨距L
5.1.1主轴前端直径D1
主轴D1（按电机功率）如下表5-1（mm）：
功率（kw）
1.4～
2～3.6
3～
5～
7.4～
D1
2.5
5.5
7.3
11
机床
车床
70～
95～
110～
60～80
70～90
105
130
145
铣床及加工中心
60～
75～
90～
50～90
60～90
95
100
105
55～
70～
外圆磨床
50～60
70
80
75～90
表5-1
车床、铣床、镗床、加工中心等机床因装配的需要，主轴直径常是自前往后逐渐减小
的。
前轴颈直径D1大于后轴直径D2。
对于车、铣床一般D2（0.7～0.9）D1，由上表可取
D1=110m。
m
因此可知由式子
D2（0.7～0.9）D1
后端直径D21100.7582.5mm
圆整后D280mm
5.1.2主轴内径d
主轴内孔径与机床类型有关，主要用来通过棒料、镗杆、拉杆或顶尖。
确定内孔径原则是为减轻主轴重量，在满足对空心主轴孔径要求和最小壁厚要求下，应取最大值。
主轴的内径是通过刀具夹具装置固定刀具、传动气动或液压卡盘等。
主轴孔径越大，主轴部件的相对重量就越轻。
主轴的孔径大小主要受主轴刚度的制约。
主轴的孔径与主轴直径之比，小于0.3时空心主轴的刚度几乎与实心主轴相等；等于0.5时空心主轴的刚度为实心主轴的90%；大于0.7时，空心主轴的刚度就急剧下降。
一般可取其比值为0.5左右。
主轴本身刚度K正比于抗弯断面惯性矩I
k空I空1（d1）4
k实I实D1
由式子可知取孔径的直径极限d1max为
d1max0.7D1
此时若孔径再大，刚度急剧下降
根据推荐值
5.1.3主轴前端悬伸量a确定
主轴悬伸量指主轴前端面到前支承径向反力作用中点（一般即为前径支撑中点）的距离，参考
（1）表6.1-45，它主要取决于主轴前端部结构形式和尺寸，前支撑轴承配置和密封等。
因此主要由结构设计确定。
悬伸量与主轴部件的刚度及抗振性成反比，故应尽量取小值。
E---材料的弹性模量
I---轴惯性距
K1--前刚度值K2--后刚度值
初选a值可参考下表5-2确定
车床和主轴类型
a1
D1
精密车床、自动车床用滚动轴承支承，适用高精度和普通精度要求
0.6—1.5
中等长度和较长主轴端的车床和铣床，悬伸不太长（不是细长）的精密镗床和内圆磨床，用滚动轴承和滑动轴承支承适用于绝大部分普通生产要求
1.25—2.5
表5-2
计算得悬伸量为80mm
5.1.4主轴跨距的确定主轴跨距是决定主轴系统动静刚度的重要影响因素，目的是找出在切削力作用下，主
轴前端的柔度值最小的跨距称为最优跨距（l0）。
实验证明，动态作用下最优跨距很接近于推得最优值，因此设计时尽量达到最优值。
前端角接触球轴承的刚度（主要为轴向刚度）
ka3.4433Fadbz2sin5332.370Nm
其中：
FFeF0
内径为110mm查,参考
（2）表4.3-5
25oz20db19.05
查轴承样本额定动载荷c74KN
取Fec10Fe7400NF01380N计算得主轴跨距为300mm
5.2轴的刚度计算
如果主轴前后轴承由数段组成，则当量直径d
d1l1d2l2Ldnln（mm）（参考文献2）
l
式中d1、l1、d2、l2、⋯、dn、ln——分别为各段的直径和长度（㎜）；l——总长，ll1l2Lln（mm）
如果前后轴承的直径相差不大，也可把前后轴承直径的平均值近似地作为当量直径d。
主轴的前悬伸部分较粗，刚度较高，其变形可以忽略不记，后悬伸部分不影响刚度，也可不计算。
图5-2主轴组件计算模型则挠度：
13274902300
544
321050.05（1104664）
6.6m7m
式中F——外载荷（N）；
a——前悬伸，等于载荷作用点至前支承点间的距离（mm）；
l——跨距，等于前后支承的距离（mm）；
5
E——弹性模量，钢的E2105（MPa）；
444
I——截面惯性距,I0.05（d4di4）（mm4）；
d、di——主轴的外径和孔径（mm）。
又因为di/d0.6，孔的影响可以忽略由此可得主轴刚度满足要求。
六、主轴轴承的选择
6.1轴承的选型
主轴轴承是主轴组件的重要组成部分，它的类型、结构、配置、精度、安装、调整、润滑和冷却都直接影响了主轴组件的工作性能。
在数控机床上主轴轴承常用的有滚动轴承和滑动轴承。
滚动轴承摩擦阻力小，可以预紧，润滑维护简单，能在一定的转速范围和载荷变动范围下稳定地工作。
滚动轴承有专业化工厂生产，选购维修方便，在数控机床上被广泛采用。
与滑动轴承相比，滚动轴承的噪声大，滚动体的数目有限，刚度是变化的，抗震性略差，但总体来说，数控机床主轴组件在可能的条件下，应尽量使用滚动轴承，特别是大多数立式主轴和主轴在套筒内能够做轴向移动的主轴。
这时用滚动轴承可以用润滑脂润滑，以避免漏油。
滚动轴承根据滚动体的结构分为球轴承、圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承三大类。
主轴轴承主要应根据精度、刚度和转速来选择，为了提高精度和刚度，主轴轴承间的间隙应该是可调的。
线接触的滚子轴承比点接触的球轴承的刚度高，但一定温升下允许的转速较低，下面就简述几种常用的数控机床主轴的机构及适用范围。
6.1.1角接触球轴承
这种轴承既可以承受径向载荷又可以承受轴向载荷。
常用的接触角主要有两种：
ａ=25°，ａ=15°，其中ａ=25°的编号为7000AC型（旧代号为46100型），属于特轻型；或编号为7190AC型（旧代号为46900型），属于超轻型。
ａ=15°的编号为7000C型（旧代号为36100型），属于特轻型；或编号为7190C型；或编号为7190C型（旧代号为1036900型），属于超轻型。
如图6-1所示（参考文献2）
图6-1角接触球轴承
角接触球轴承多用于高速主轴，随接触角的不同，其应用有所区别，α=25°的轴向刚
度较高，但径向刚度和允许的转速略低，多用于车、镗、铣加工中心等主轴；α=15°的转
速可更高一些，但是轴向刚度较低，常用于轴向载荷较小、转速较高的磨床主轴或不承受载荷的车、镗、铣主轴后轴承。
图6-2角接触球轴承
这种轴承为点接触，刚度较低。
为了提高刚度和承载能力，常用多联组配的方法。
所以本设计前支承采用双联组配的方式，代号为DF。
6.1.2圆柱滚子轴承
图6-3为双列圆柱滚子轴承（参考文献2），他的特点是内孔为1：
12的锥孔，与主轴的
锥行轴径相配合。
轴向移动为内圈，可把内圈胀大，以消除径向间隙或预紧，这种轴承只能承受径向载荷。
图6-3双列圆柱滚子轴承
6.1.3圆锥滚子轴承圆锥滚子轴承既能承受径向载荷，又能承受双向的轴向载荷，滚子数量大，故刚度和承载能力均较大。
由于圆锥滚子轴承是外缘凸肩轴向定位，因而箱体上通孔加工方便，但缺点是滚子大端的端面与内圈挡边之间为滑动摩擦，发热较大，故允许的极限转速较低。
6.1.4深沟球轴承这种轴承只能承受径向载荷，轴向载荷则由配套的推力轴承承受。
此种轴承一般不能调整，常用于精度要求和刚度要求不太高的地方。
在本设计中，前轴承采用角接触球轴承以适应较高速的要求。
主轴轴向载荷较大，故选用接触角25的轴承。
轴向力的方向是从轴头部指向尾部，故前轴承采用三联组配，前两轴承同向都面朝前，共同承担轴向载荷。
后一轴承与前两轴承背靠背，以实现预紧。
后支承的载荷较大，因此采用双列圆柱滚子轴承。
这种轴承的外圈是可以分离的，主轴热膨胀时，可连同轴承内圈的滚子在外圈滚道上轴向移动。
后轴承直径比前轴承小，预紧力也小，因此温升不致超过前轴承。
6.2轴承间隙调整和预紧主轴轴承的内部间隙，必须能够调整。
多数轴承，还应能够在过盈状态下工作，使滚动体和滚道之间有一定的欲变形，这就是轴承的预紧。
轴承预紧后，内部无间隙，滚动体从各个方向支承主轴，有利于提高运动精度。
滚动体的直径不可能绝对相等，滚道也不可能绝对正圆，因而预紧前只有部分滚动体和滚道接触。
预紧后，滚动体和滚道都有了一定的变形，参加工作的滚动体将更多，各滚动体的受力将更均匀。
这都有利于提高轴承的精度、刚度和寿命。
如主轴产生振动，则由于各个方向都有滚动体支承，可以提高抗振性。
但是，预紧后发热较多，温升较高；且太大的预紧将使轴承的寿命降低，故预紧要适当。
本设计为数控车床的主轴组件设计，功率相对较小，所以取中预紧。
七、主轴箱箱体的设计
7．1主轴箱的概述
主轴箱为数控机床的主要传动系统它包括电动机、传动系统和主轴部件它与普通车床的主轴箱比较，相对来手比较简单只有两极或三级齿轮变速系统，它主要是用以扩大电动机无级调速的范围，以满足一定恒功率、和转速的问题。
7.2主传动设计
7.2.1驱动源的选择
机床上常用的无级变速机构是直流或交流调速电动机，直流电动机从额定转速nd向上至最高转速nmax是调节磁场电流的方法来调速的，属于恒功率，从额定转速nd向下至最低转速nmin时调节电枢电压的方法来调速的属于恒转矩；交流调速电动机是靠调节供电频率的方法调速。
由于交流调速电动机的体积小，转动惯量小，动态响应快，没有电刷，能达到的最高转速比同功率的直流调速电动机高，磨损和故障也少，所以在中小功率领域，交流调速电动机占有较大的优势，鉴于此，本设计选用交流调速电动机。
根据主轴要求的最高转速4000r/min，最大切削功率5kw，选择北京数控设备厂的BESK-8型交流主轴电动机，最高转速是4500r/min。
7.2.2传动轴的估算
传动轴除应满足强度要求外，还应满足刚度要求。
强度要求保证轴在反复载荷和扭转载荷作用下不发生疲劳破坏。
机床主传动系统精度要求较高，不允许有较大的变形。
因此疲劳强度一般不是主要矛盾。
除了载荷较大的情况外，可以不必验算轴的强度。
刚度要求轴在载荷下不至于产生过大的变形。
如果刚度不够，轴上的零件由于轴的变形过大而不能正常工作，或者产生振动和噪音，发热，过早磨损而失效，因此，必须保证传动轴有足够的刚度。
计算转速n是传动件传递全部功率时的最低转速，各个传动轴上的计算转速可以从转速图是直接得出，如表2-1所示。
各轴的计算转速
轴
I
II
III
计算转速
1500
530
140
表7-2-1
各轴功率和扭矩计算：
已知一级齿轮传动效率为0.97（包括轴承），同步带传动效率为0.98，则
I轴：
P1=Pdx0.98=7.5x0.98=7.35KW
II轴p2=p1x0.97=7.5x0.97=7.28KW
III轴P3=P2x0.97=7.28x0.97=7.06KW
5
II轴扭矩：
T2=9550P2/n2=9550xx7.28/530=1.31x10
5
III轴扭矩：
T3=9550P3/N3=9550x7.06/140=4.82x10[Φ]是每米长度上允许的扭转角（deg/m）,可根据传动轴的要求选取，其选择的原则如表7.2-2所示。
表7.2-2许用扭转角选取原则
轴
主轴
一般传动轴
较低的轴
[Φ]（deg/m）
0.5-1
1-1.5
1.5-2
表7-2-2
最后所确定各轴所允许的扭转角如表2-3所示
轴
I轴
II轴
III轴
[Φ]（deg/m）
0.5
1
0.5
表7-2-3
把以上确定的各轴的输入功率N=7.5KW，计算转速nj，允许扭转角[Φ]代入扭转刚度
轴
I
II
III
估算直径
40
32
53
d1
N
914n
nj31.39mm.最后取值如下表所示：
主轴轴径尺寸的确定：
已知车床最大加工直径为Dmax=400mm则,主轴前轴颈直径D1=0.25Dmax15=85-115mm后颈直径D2=（0.7-0.85）D1=67-81mm内孔直径d=0.1Dmax10=35-55mm
7.2.3齿轮模数的估算
按接触疲劳强度和弯曲疲劳强度计算齿轮模数比较复杂，而且有些系数只有在齿轮的各参数都已知方可确定，故只有在装配草图画完后校验用。
在画草图时用经验公式估算，根据估算的结果然后选用标准齿轮的模数。
齿轮模数的估算方法有两种，一是按齿轮的弯曲疲劳进行估算，二是按齿轮的齿面点蚀进行估算。
这两种方法的前提条件是各个齿轮的齿数必须已知。
根据齿轮不产生跟切的基本条件：
齿轮数不小于17。
由于Z3,Z3'这对齿轮有较大的传动比，各个齿轮中最小齿数的齿轮必然是Z3.取Z4=22,S=105,则Z4'=83
从转速图上直接看出Z3的计算转速是530r/min.根据齿轮弯曲疲劳估算公式
m323N3237.52.7
mZ*nj22530根据齿轮接触疲劳强度估算公式计算得m=2.7由于受传动轴轴径尺寸大小限制，选取齿轮模数为m=3mm对,比上面的结果，可知这样设计的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，故取同一变速组中的所以齿轮的模数都为m=3mm可.得两轴中心距为a=157.5mm.圆整为a=158mm..7.2.4V型带的选择；
V带选择V型带，取小带轮的大小72mm，大带轮的大小为204mm；
2-5-1确定中心距a和带的基准长Ld
如果中心距未给出，可根据传动的结构需要初定长度中心距a0，取
0.7（dd1dd2）2
（dd2dd2）
Ld：
Ld=2a0+2（dd1dd2）+4a0
得到Ld=855.4，取Ld=900mm
LdL'd
a=a0+2=200+（900-855.4）/2=222mm。
验算主动轮上的包角1：
确定带的根数z：
V带速度的验算：
Vmax2530m/s
故带符合要求
7.3主轴箱展开图的设计主轴箱展开图是反应各个零件的相互关系，结构形状以及尺寸的图纸，并以此为依据绘制零件工作图。
7.3.1各零件结构和尺寸设计
1．设计内容和步骤通过绘图设计轴的结构尺寸以及选出轴承的型号，确定轴的支点距离和轴上零件力的作用点，计算轴的强度和轴承的寿命。
2．有关零件结构和尺寸的确定传动零件，轴，轴承是主轴部件
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