车铣复合加工中心的主轴机械结构设计毕业设计(论文).doc
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车铣复合加工中心的主轴机械结构设计
THEDESIGNOFSPINDLEMECHANICALSTRUCTUREFORTURN-MILLINGMACHININGCENTER
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年 月 日
II
XXX毕业设计（论文）
摘要
本设计主要是针对于车铣复合加工中心主轴机械结构部分。
当前机械制造业涉及了机床技术，加工工艺技术，数控技术以及计算机技术等多领域，是一个的综合产业。
目前由于机械零件制造呈小批量，复杂工艺过程的特点，因此，相比传统的机械加工模式，这将对机床的加工效率，加工精度，自动化程度提出了更高的要求。
近些年，复合加工技术成为了机械制造业的热门发展方向，车铣复合加工中心作为具体实现装置，它可以减少装夹工件的次数，并且以此提高加工精度及效率。
主轴作为机床的重要组成部分，它很大程度上决定了机床的性能，本论文主要对车铣复合加工中心的主轴机械结构进行设计，其内容包括了总体的主轴结构方案分析设计、具体主轴尺寸参数确定和校核、电机和轴承选型与计算校核以及根据主轴的承载重量、切削力等相关参数，进行主轴的动平衡计算，强度、刚度校核。
关键词车铣复合加工中心；主轴；机械结构；设计
Abstract
Thisdesignismainlythespindlemechanicalstructureofturn-millingmachiningcenter.Currently,machinerymanufacturingindustryisrelatedtothecomprehensiveprocessingtechnology,machinetooltechnology,CNCtechnology,computertechnology,andotherareas.Comparedtoconventionalmachiningmodes,currentcharacteristicsduetomechanicalpartsmanufacturingweresmallbatches,complexprocess,forthemachiningefficiency,precision,ahigherdegreeofautomationrequirements.Inrecentyears,compositeprocessingtechnologyhasbecomeahotdevelopmentdirectionofmachinerymanufacturingindustry,turn-millingmachiningcenterasaconcreterealizationmeansthatitcanreducethenumberofworkpiececlamping,andinordertoimprovetheprecisionandefficiency.Asanimportantcomponentpartofthemachine,thespindleofmachinehasadecisiveinfluenceperformance.Thispapermainlyfocusesonthespindlemechanicalstructuredesignoftheturn-millingmachiningcenter,includingtheentirespindlemechanicalstructureofturn-millingmachiningcenter,specificspindlesizeparameterdeterminationandverification,selectionandcheckthemotorandbearings,andcalculatingandcheckingspindlebalancing,strength,stiffness,accordingtotheloadweightofthespindle,cuttingforcesandotherrelevantparameters.
KeywordsMillingmachiningcentersSpindleMechanicalstructureDesign
全套图纸外文翻译
扣扣:
1411494633
目录
摘要 I
Abstract II
1绪论 1
1.1课题背景及研究意义 1
1.2车铣复合加工中心的现状及发展趋势 1
1.3本设计的研究内容 2
2车铣复合加工中心主轴机械结构方案的确定 4
2.1车铣复合加工中心的整体结构分析 4
2.2车铣复合加工中心的主要技术参数拟定 5
2.3车铣复合加工中心主轴部件传动方案的总体设计 5
2.3.1主轴的传动方式 5
2.3.2主轴传动件的布置 7
2.3.3主轴端部结构 7
2.3.4主轴的支承方式 8
2.4主轴的准停与锁紧装置 9
2.4.1主轴的准停 9
2.4.2主轴的锁紧 10
2.5主轴的润滑与密封装置 11
2.5.1主轴的润滑 11
2.5.2主轴的密封 11
2.6主轴的材料选择与热处理 12
2.6.1主轴的材料 12
2.6.2主轴的热处理 12
3电机的计算与选型 13
3.1主传动的功率估算 13
3.2确定电机 15
3.2.1电机选型 15
3.2.2电机校核 16
4同步带的计算与选型 18
4.1同步带的设计功率 18
4.2同步带型号的确定 18
4.3同步带轮直径确定 19
4.4同步带轮键的选择及校核 20
4.4.1键的选型 20
4.4.2键的计算校核 20
4.5同步带轮中心距确定 21
4.5同步带带宽距确定 22
5主轴结构参数的确定 24
5.1主轴直径的确定 24
5.2主轴内孔直径的确定 25
5.3主轴悬伸量的确定 25
5.3主轴支承跨距的确定 26
5.4主轴校核 27
5.4.1主轴受力分析 27
5.4.2校核 29
6轴承选择与校核 31
6.1径向载荷的计算 31
6.2轴向载荷的计算 31
6.3轴承校核 32
7Pro/E三维建模 33
7.1车铣复合加工中心的主轴零件建模 33
7.2车铣复合加工中心的主轴零件装配 35
结论 37
致谢 38
参考文献 39
39
1绪论
1.1课题背景及研究意义
零件机械加工，少则需要一两道工序，多则上百道工序，往往要经过多台设备进行加工，加上工件装夹以及换刀，必将消耗大量时间，严重影响加工效率和加工精度。
当今，机械制造业受到了各国的高度重视，为快速发展工业和国民经济，对高质量、高精度、高效率、自动化先进机床的需求更为紧迫。
为此，更为精密高效的机械加工工艺方法一直是工艺人员所最求的。
复合加工技术就此应运而生，复合加工是一种先进制造技术，符合当今机械制造的发展潮流，目前已经成为国际上机械加工制造领域最为流行的加工方法之一。
车铣复合加工中心承接复合加工技术，可以实现高效率的零件加工工艺，而且可以在提高加工效率的同时实现高精度生产。
车铣复合加工中心作为复合加工机床的一种典型形式，具有复合机床的共性，可以经过一次装夹零件进行多种加工工序，大大地提高了加工效率和加工精度。
具体来说，车铣复合加工中心很好地结合了车床和铣床的加工特点，并且运用数控技术可以提高自动化程度来实现铣削平面，加工回转类零件的表面，钻削，扩孔，镗孔等加工工序。
具有车、铣、镗等复合功能的车铣复合加工中心可以解决大部分的工序。
车铣复合加工中心大致可以分为三大类：
基于车床的复合加工机床，基于铣床的复合加工机床和其他复合加工机床。
简单来说，就是在车床、铣床或者其他机床的基础上，增设可以进行其他工序的加工设备，所以便可在同一机床上实现多工序同时进行，在此基础上，再结合数控技术提高车铣复合机床的自动化程度。
目前较为先进的车铣复合加工中心可以实现五轴联动，其结构更为复杂。
作为机床制造业的高端产品，可以生产航天用零件，主要结构形状复杂和精度要求高的零件。
本设计着重对车铣复合加工中心主轴的机械结构进行设计，涉及到车铣复合加工中心的主轴结构的设计与优化，具体的设计包括主轴部件的支承，主传动的变速方式，主轴的准停和夹紧装置。
以期待为车铣中心的相关设计提供一些技术参考。
同时也是对自身本科四年的专业学习，包括机械设计，机械原理，理论力学，材料力学等相关的专业知识进行较为综合地运用，锻炼提高查阅资料、自主学习以及创新的能力，做到学以致用。
1.2车铣复合加工中心的现状及发展趋势
在保证产品质量的前提下，提高加工效率，降低制造成本是机械制造业所追求的共同目标。
在机械制造领域，于是复合加工技术得到了各国的青睐。
复合加工的实质就是工序集中的一种加工方法。
1845年，转塔车床问世。
1818年，惠特尼设计出了第一台普通铣床。
正由于复合加工理念的发展，车铣复合机床应运而生，实现了车、铣两种工序集中到一个机床上得以实现。
19世纪后诸如此类的各种复合功能机床在不断的研发与发展。
目前，像日本的马扎克,德国的DMG这样的国际上一流的机床生产商掌握了世界上最先进的车铣技术，尤其高端五轴联动的车铣复合加工机床的技术，几乎形成技术垄断。
在世界经济全球化的过程中，复合加工技术在我国也得到了很大的发展。
2001年我国引进德国MAXMULLER的技术，我国成功地研制并且生产出第一台五轴的车铣复合机床。
由于与国外的制造技术相比，我国的技术经验积累少，在高端的技术水平的差距仍然较大。
国内市场上的铣方复合中心基本可以满足一些零件的加工质量需求，可是加工质量还没达到先进制造水品。
在制造理念与日本、欧洲等制造先进国家接轨的同时，机械制造的相关产业，硬件设施以及技术人才仍然有待大力发展。
图1-1所示的是HTM系列车铣复合加工中心，这系列的车铣中心是沈阳机床厂引进国外的先进技术自主开发设计的，它可以实现五轴联动，是一台设备上的高柔性机床，可以在同一装置上一次工件装夹中进行车、铣、钻、镗、攻丝等工序，不但可保证零件的制造精度，而且可以大大提高效率、降低生产成本，尤其适合加工一些形状复杂、精度要求高的零件，比如航空、航天、军工所需零件。
图1-1HTM40/80系列车铣加工中心
随着先进加工方法不断的发展，传统的制造工艺与设备难以满足当前的市场需求，尤其在航空领域，其零件产品具有小批量，形状结构复杂，精度要求高，材料的加工性能差等特点，在传统的制造工艺与设备上，普遍存在加工效率低，精度差，材料切除量大等弊端。
车铣复合加工的核心技术包括了先进制造技术、数控技术、精密测量技术、CAD/CAM技术。
车铣复合加工技术的独特优势在于提高产品加工质量和产品加工效率。
车铣复合加工中心以其自身的加工性能特点，能够很好的解决因为工件多次装夹得到较差精度，换刀辅助时间过长的问题，而且作为柔性加工设备，便于企业产品的转型，为今后机械制造的发展指明了方向。
1.3本设计的研究内容
车铣复合加工中心的发展趋势呈现高精度、高刚度、高切削速度的特点，它的结构复杂，自动化程度不断提高。
主轴作为机床的核心部件，它的设计是否合理关系到车铣复合加工中心的性能的优劣，由于高精度的工件需求，必然对主轴的制造精度，装配精度提出了更高的要求。
车铣复合加工中心能够实现多工序的进行，粗加工切削量较大，为降低机床加工过程中的变形而导致的工件制造误差，主轴的刚度设计是关键。
本设计主要针对车铣复合加工中心的主轴机械结构的设计，其主要设计内容包括：
（1）确定最佳车铣复合加工中心主轴的总体结构设计方案；
（2）车铣复合加工中心主轴的电机的选型；
（3）车铣复合加工中心的同步带的选型；
（4）车铣复合加工中心主轴的具体尺寸参数设计；
（5）根据所确定的主轴的具体参数对相关零部件以及主要承重件进行计算校核；
（6）车铣复合加工中心轴承的选型；
（7）主轴零件的三维建模和装配。
2车铣复合加工中心主轴机械结构方案的确定
2.1车铣复合加工中心的整体结构分析
车铣复合加工中心的整体结构同普通加工中心一样，由六个部分组成，分别为基础部件、数控系统、主轴部件、进给系统、换刀装置以及辅助设备。
基础部分主要指的是机床床身，其强度、刚度、稳定性和吸振性影响了车铣复合加工中心的性能，它承受着加工中心的静态负载和在加工过程中的动态负载。
通常，床身是通过铸造成形，工艺相对简单，铸铁的刚度较好，而且能够吸振。
数控系统是加工中心实现自动化的核心，作为加工中心的大脑，往往决定加工中心的性能、稳定性和可靠性，包括了数控装置，伺服系统，PLC等。
主轴部件与普通加工中心不同，车铣复合加工中心有多个主轴，如图2-1所示，包括车削主轴和铣削主轴。
当车削主轴准停锁紧时，可以在确定的角度对工件进行铣削操作，所以车铣复合加工中心可以实现工序集中，减少生产周期。
但是，车铣复合加工中心的主轴相对普通的数控主轴有了更为严格的设计要求。
进给系统以伺服电机为动力源，通过滚珠丝杠控制车削刀架的进给，因此，较高加工精度的车铣复合加工中心需要使用精度高的丝杠和先进的控制系统。
换刀装置可以节约加工过程中的辅助时间，实现加工中心的自动化程度。
辅助设备完成冷却，排削的功能，虽然没有直接参与切削，但对提高加工质量起到重大影响。
图2-1车铣复合加工中心的主轴分布
目前的车铣复合加工中心有欧式和日式两大流派[[] 李宪凯，崔佩强，吴俊勇等.车铣复合加工中心结构分析[J].设备管理与维修.2006
（1）:
36,42.
]，欧式结构是以WFL、NILES、沈阳数控为代表的，日式结构是以DMG、MAZARK为代表的。
两种结构各有其特点，欧式结构为斜床身，具有较好的结构刚度，在加工过程中运转平稳，有利于实现高精度，但是，床身相对笨重，制造工艺复杂，成本较高。
而日式结构为平床身，体积较小，布局相对欧式的紧凑，但是刚度不如欧式结构。
2.2车铣复合加工中心的主要技术参数拟定
本设计的车铣复合加工中心的主要技术参数表2-1所示：
表2-1车铣复合加工中心的主要技术参数
项目
规格
单位
最大回转直径
650
mm
最大切削直径
500
mm
最大切削长度
1000
mm
主轴的最高转速
3000
r/min
主轴的额定转矩
800
N▪m
2.3车铣复合加工中心主轴部件传动方案的总体设计
车铣复合加工中心在加工工件的过程中不仅需要提供切削力，而且要根据不同工艺加工需求实时变换切削速度。
于是，需要合理的主轴传动方式以及传动件的结构配置，在一定的切削功率和最佳的切削速度的条件下实现工件的切削加工。
2.3.1主轴的传动方式
在机床设计中有多钟传动方式，这些传动方式根据自身不同的传动特点，被运用到不同工艺要求的加工场合中，为了确定最为优化的车系符合加工中心主轴的传动方式，一下列举几种常用的传动方式，并且根据本设计的具体设计要求拟定符合车铣复合加工中心的方案。
（1）齿轮传动方式
作为机械传动方式的重要形式——齿轮传动，如图2-2所示，应用的场合十分广泛，能够实现较大功率的机械运作状态。
齿轮传动具有传动效率高、结构紧凑、机械工作寿命长和传动比固定的特点，但是，在实际齿轮制造以及安装要求需要很高的精度导致成本较高，而且传动距离受到限制，不宜有太远距离的跨度。
图2-2齿轮传动方式示意图
（2）带传动方式
带传动也是常见的传动方式，一种典型的挠性传动形式。
带轮之间通过传动带实现动力传递。
目前主要由两种形式的带传动——平带、V带、多楔带和同步带。
带传动相对于齿轮传动，其结构简单、传动平稳和成本低，最为重要的性质它可以缓冲吸振，具有过载保护的功能。
而同步带相比于V带，如图2-3所示，又有类似齿轮的特性，它可以保证固定的传动比，实现定比传动。
图2-3同步带传动方式示意图
（3）电主轴传动方式
目前机械加工朝着高速切削的方向发展，于是出现一种较为新型的传动形式，将电机与机床的主轴设计为一体结构，成为独立的电主轴动力系统，如图2-4所示。
电主轴大大降低了主轴结构的复杂程度，主轴作为转子，可以实现高速转动。
电主轴相比其他的传动方案，它具有结构简单，质量轻，转动惯量小，动平衡性能较好的特点，可以实现高速切削，可以提高了机床的工件加工精度。
图2-4电主轴传动方案实物图
（4）主轴传动方式分析比较及方案确定
车铣复合加工中心的主轴转动要求精度高，传动平稳。
齿轮传动可靠，但是齿轮间的中心距的跨度不宜过大，在使用过程还中会出现轮齿折断、磨损、胶合和点蚀等失效形式，会影响机床的整体性能以致达不到设计要求，齿轮更换较为繁琐且成本高。
电主轴可以高速运转，可是它只能提供的扭矩较小，在主轴运转的过程中热量会不断聚集，而且受热容易变形，对散热系统要求高，主轴的精度难以保证。
带传动可以对运转的主轴实现过载保护，能较长跨距传动，其中同步带有着类似于齿轮的轮齿，可以保证电机与轴有着固定的传动比，这对车铣复合加工中心主轴可以在任意角度准停与锁紧的实现至关重要。
综合上述分析，从各方案的传动性能、经济性以及车铣复合加工中的工作特点综合考虑分析，同步带传动是本设计的最佳传动形式。
2.3.2主轴传动件的布置
主轴在进行切削加工时受到切削力、传动力和支承反力的作用下，主轴会发生扭和轴向转弯曲变形，所以传动件在主轴轴向位置分布的不同情况，设计出的机床的切削性能将会有所不同。
本设计有三种预选方案（a）、（b）和（c），如图2-5所示。
其中（a）方案放在后支承处悬伸，传动件尽量接近后支承的位置，尤其在带传动的场合较为多见，方便传动带的安装与更换，适合用于精度要求较高的机床主轴。
（b）的传动布置形式最为普遍，传动件在两个支承之间，受力情况好。
（c）传动件安置在前支承出悬伸，这种配置形式能降低主轴受弯变形程度和反支承力，适用于较大转盘的机床和重型机床。
结合本设计的实际情况，主要使用带传动方式，而且车铣复合加工中心要求有较高的精度，最终选用（a）的传动件布置方式。
（a）传动件布置方式方便同步带的更换，适合精度要求较高的机床主轴设计需求。
图2-5主轴传动件的布置示意图
2.3.3主轴端部结构
主轴端部结构常用有三种形式——A型、C型和D型[[] 隋秀凛,高安邦.实用机床设计手册[M].北京：
机械工业出版社出版，2010.
]，拟定主轴选择A型端面结构，根据GB/T5900.1——1997和GB/T5900.3——1997，A型有可以细分和。
A型主轴端部结构主要用于卧式车床和一些精度较高的机床主轴，依靠主轴前端的短锥面进行定位，其结构简单、刚度好。
车铣复合加工中心的车主轴端部选择型，如图2-6所示，具体型号将根据之后具体数据的计算进行确定。
图2-6车主轴的端面结构示意图
2.3.4主轴的支承方式
主轴在切削工件时，除了有自重，还受到轴向、径向的切削力作用，而且在高速的状态下工作，所以使用合理的轴承配置形式构造最优的支承方式就显得格外重要。
在设计支承方式时要着重考虑降低主轴的轴向窜动、径向跳动和角度摆动对车铣复合加工中心的精度影响，同时，在切削过程中由于高速运转产生大量热量，导致主轴受热膨胀以致将轴承卡死，这样的状况也将在设计过程中得以解决。
目前的支承方式主要由三大典型的配置：
速度型、刚度型和速度刚度型。
（1）速度型的主轴支承
该方案如图2-7所示，前支承采用的是三联角接触球轴承，三个60º角接触球轴承中左边两个采用背向布置，相对于面向布置，它的压力中心间距离更大，可以使支承刚度更大。
后支承采用的是双联角接触球轴承，能够承受径向和轴向的力。
适合运用在高切削速度、较高负载和高精度场合的机床。
图2-7速度型的主轴部件支承
（2）刚度型的主轴部件支承
如图2-8所示，该方案的前支承采用的是双向角接触球轴承和双列圆柱滚子轴承的配合使用，后支承是一个双列圆柱滚子轴承。
圆柱滚子轴承的滚动体是先接触形式，磨损相对较小，可以承受更高的径向负载。
轴向负载可以由前支承的双向角接触球轴承进行平衡。
这种方案具有很高的刚度，使用寿命相对较长，适合对刚度、承载能力和精度要求较高的机床。
图2-8刚度型的主轴部件支承
（3）速度刚度型的主轴支承
如图2-9所示，方案的前支承是三个角接触球轴承，后支承采用双列圆柱滚子轴承。
其中两个角接触球轴承呈大口朝外的配置，可以承受较大的轴向力，还有一个与其他两个背向布置，可以得到很大的支承跨距，有利于提高抵抗主轴的颠覆力矩的能力和结构刚度。
图2-9速度刚度型主轴部件支承
（4）主轴支承方案的分析比较与确定
根据对上述的三种支承方案的分析，速度型的支承方式可以满足主轴的高速运转时的工作性能，但是在主轴受热膨胀时会导致轴承卡死，而且角接触球轴承的滚子以点接触，磨损严重，使用寿命较短。
刚度型支承方案可以实现机床的较大承载能力，但是其运转速度受到限制。
结合前两种方案的速度刚度型具有良好的综合性能，能够在较高承载的情况下，实现高速加工。
综上所述，本设计车铣复合加工中心的支承方式采用速度刚度型的支承方案。
2.4主轴的准停与锁紧装置
车铣复合加工中心可以同时实现车削与铣削，当对一个工件进行铣削时，车主轴要求能够在制定的角度停车，并且能够锁紧以提供在切削加工过程中的反切削力。
所以在主轴的设计过程中，要考虑到准定与锁紧装置。
2.4.1主轴的准停
目前的主要有两种形式的主轴准停装置——机械式准停和电气式准停。
在早期的数控机床上主要使用机械式的准停装置，机械式利用光电盘或者凸轮机构进行粗定位，而精定位是通过液动的定位销插入主轴的定位销槽实现的。
然而，电气式准停成为当今机床准停方式的主要方向。
具体分类，电气式准停又可分为两类，一种是传感器定位，主轴上装有发磁体，在主轴径向1至2毫米的位置处有一个磁性传感器，控制系统可以检测到传感器的信号，控制主轴在调整好的位置上。
另一种是编码器定位，如图2-10所示，编码器和主轴
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