數(shù)控銑床主軸系統(tǒng)的設計【YK2250型全數(shù)控螺旋錐齒輪銑齒機】

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Key words：CNC milling machine;The lord spreads to move the system;Principal axis module;Principal axis electric motor. 目錄 摘 要 I Abstract II 1 數(shù)控加工技術概論 1 1.1 數(shù)控技術及數(shù)控加工的基本概念 1 1.2 數(shù)控機床的組成與分類 1 1.3 數(shù)控機床的特點與數(shù)控機床的發(fā)展方向 3 1.4 螺旋錐齒輪及螺旋錐齒輪銑齒機簡介 3 2 數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng) 5 2.1 數(shù)控機床對主傳動的要求 5 2.2 數(shù)控銑床主傳動的配置方式 5 3 主軸電動機的選取 7 4 主軸組件的設計 8 4.1 主軸組件的設計要求 8 4.2 主軸材料的選擇及尺寸、參數(shù)的計算 9 4.3 主軸傳動裝置箱體的作用 12 4.4 主軸箱體的截面形狀和壁厚計算 12 5 主軸軸承的選擇 13 5.1 軸承的選擇和軸承的精度 13 5.2 軸承預緊力的要求 14 5.3 主軸軸承的潤滑與密封 14 5.4 軸承壽命校核 14 6 聯(lián)接鍵的選擇和碟形彈簧的選擇與計算 16 6.1 聯(lián)接鍵的選擇 16 6.2 碟形彈簧的選擇與計算 16 6.3 碟形彈簧材料及熱處理、厚度和脫碳 17 6.4 碟形彈簧的強壓處理、表面強化處理和防腐處理 17 7 螺釘聯(lián)接的設計 19 7.1 設計要求 19 7.2 計算結果及校核 19 致謝 20 參考文獻 21 II 1 數(shù)控加工技術概論 1.1 數(shù)控技術及數(shù)控加工的基本概念 1、 數(shù) 控 技 術 數(shù) 控 技 術 是 本 世 紀 中 期 發(fā) 展 起 來 的 機 床 控 制 技 術 ， 是 用 數(shù) 字 信 息 對 機 械 運 動 和 工 作 過 程 進 行 控 制 的 技 術 。 數(shù) 控 裝 備 是 以 數(shù) 控 技 術 為 代 表 的 新 技 術 對 傳 統(tǒng) 制 造 產(chǎn) 業(yè) 和 新 興 制 造 業(yè) 的 滲 透 行 程 的 機 電 一 體 化 鏟 平 ， 即 所 謂 的 數(shù) 字 化 裝 備 。 (1)數(shù) 控 與 數(shù) 控 機 床 數(shù) 字 控 制 （ Numerical Control， 簡 稱 NC） ,國 家 標 準 定 義 為 ： “ 是 用 數(shù) 字 化 信 號 對 機 床 的 運 動 及 其 加 工 過 程 進 行 控 制 的 一 種 方 法 ” 。 定 義 中 的 “ 機 床 ” ， 不 僅 指 金 屬 切 削 機 床 ， 還 包 括 其 他 各 類 機 床 ， 如 線 切 割 機 床 等 。 數(shù) 控 機 床 （ Numerical Control Machine Tools） 是 技 術 密 集 度 及 自 動 化 程 度 很 高 的 機 電 一 體 化 加 工 裝 備 。 簡 單 地 說 就 是 采 用 了 數(shù) 控 技 術 的 機 床 ， 或 者 說 是 裝 備 了 數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 機 床 。 國 際 信 息 處 理 聯(lián) 盟 （ Internaional Federation of Information Proceccing， 簡 稱 IFIP） 第 五 技 術 委 員 會 對 數(shù) 控 機 床 作 了 如 下 定 義 ： 數(shù) 控 機 床 是 一 種 裝 有 程 序 控 制 系 統(tǒng) 的 機 床 ， 該 系 統(tǒng) 能 邏 輯 地 處 理 具 有 特 定 代 碼 和 其 他 符 號 編 碼 指 令 規(guī) 定 的 程 序 。 （ 2） 數(shù) 控 系 統(tǒng) 數(shù) 控 系 統(tǒng) （ NC System） 就 是 上 訴 定 義 中 所 指 的 那 種 程 序 控 制 系 統(tǒng) ， 它 是 邏 輯 地 處 理 駛 入 到 系 統(tǒng) 中 具 有 特 定 代 碼 的 程 序 ， 并 將 其 譯 碼 ， 從 而 使 機 床 運 行 并 加 工 零 件 。 數(shù) 控 系 統(tǒng) 在 本 質 上 是 一 臺 計 算 機 。 在 硬 件 方 面 ， 它 經(jīng) 歷 了 電 子 管 、 晶 體 管 、 小 規(guī) 模 集 成 電 路 、 微 處 理 機 到 當 前 PC結 構 的 五 代 發(fā) 展 ； 在 體 系 結 構 上 ， 經(jīng) 歷 了 硬 件 數(shù) 控 系 統(tǒng) （ NC） 、 計 算 機 數(shù) 控 （ CNC） 、 到 目 前 的 PC數(shù) 控 （ PC-NC） 三 個 階 段 。 [1] 2、 數(shù) 控 加 工 數(shù) 控 加 工 技 術 是 20世 紀 40年 代 后 期 為 適 應 加 工 復 雜 外 形 零 件 而 發(fā) 展 起 來 的 一 種 自 動 化 加 工 技 術 。 數(shù) 控 加 工 就 是 用 數(shù) 控 機 床 加 工 零 件 的 方 法 。 數(shù) 控 加 工 是 伴 隨 數(shù) 控 機 床 的 產(chǎn) 生 、 發(fā) 展 而 逐 步 完 善 起 來 的 一 種 應 用 技 術 ， 它 是 人 們 長 期 從 事 數(shù) 控 加 工 實 踐 的 經(jīng) 驗 總 結 。 1.2 數(shù)控機床的組成與分類 1、 數(shù) 控 機 床 的 組 成 數(shù) 控 機 床 的 種 類 很 多 ， 但 是 任 何 一 種 數(shù) 控 機 床 都 主 要 由 數(shù) 控 系 統(tǒng) 、 伺 服 系 統(tǒng) 和 機 械 系 統(tǒng) 組 成 。 ⑴ 數(shù) 控 系 統(tǒng) 數(shù) 控 系 統(tǒng) 是 數(shù) 控 機 床 的 核 心 ， 是 數(shù) 控 機 床 的 “ 指 揮 系 統(tǒng) ” 。數(shù) 控 系 統(tǒng) 通 常 是 一 臺 帶 有 專 門 系 統(tǒng) 軟 件 的 專 用 微 型 計 算 機 。 ⑵ 伺 服 系 統(tǒng) 伺 服 系 統(tǒng) （ 或 稱 驅 動 系 統(tǒng) ） 是 數(shù) 控 機 床 的 執(zhí) 行 機 構 ， 是 由 驅 動 和 執(zhí) 行 兩 大 部 分 組 成 。 用 于 實 現(xiàn) 數(shù) 控 機 床 的 進 給 伺 服 控 制 和 株 洲 伺 服 控 制 。 它 接 受 數(shù) 控 裝 置 的 指 令 信 息 ， 并 按 指 令 信 息 的 要 求 控 制 執(zhí) 行 部 件 的 進 給 熟 讀 、 方 向 和 位 移 。 ⑶ 機 械 系 統(tǒng) 數(shù) 控 機 床 的 機 械 系 統(tǒng) ， 除 機 床 基 礎 件 意 外 ， 有 下 列 各 部 分 組 成 : (1)主 軸 部 件 ： 包 括 主 軸 電 動 機 和 主 軸 傳 動 系 統(tǒng) 。 (2)進 給 系 統(tǒng) ： 包 括 進 給 執(zhí) 行 電 動 機 和 進 給 傳 動 系 統(tǒng) 。 (3)實 現(xiàn) 共 建 回 轉 、 定 位 的 裝 置 和 附 件 。 (4)實 現(xiàn) 某 些 部 件 動 作 和 輔 助 功 能 的 系 統(tǒng) 和 裝 置 。 (5)刀 庫 和 自 動 換 刀 裝 置 (Autormatic Tools Changer, 簡 稱 ATC) (6)自 動 托 盤 交 換 裝 置 （ Autormatic Pallet Changer， 簡 稱 APC） 機 床 基 礎 件 或 稱 機 床 大 件 ， 通 常 是 指 床 身 (或 底 座 )、 立 柱 、 滑 座 和 工 作 臺 等 ， 它 是 整 臺 機 床 的 基 礎 和 框 架 。 [2] 2、 數(shù) 控 機 床 的 分 類 ⑴ 按 工 藝 用 途 分 按 照 工 藝 的 不 同 ， 數(shù) 控 機 床 可 分 為 數(shù) 控 車 床 、 數(shù) 控 銑 床 、 數(shù) 控 鉆 床 、 數(shù) 控 鏜 床 、 數(shù) 控 齒 輪 加 工 機 床 、 數(shù) 控 電 火 花 加 工 機 床 、 數(shù) 控 線 切 割 機 床 、 數(shù) 控 沖 床 、 數(shù) 控 剪 床 、 數(shù) 控 液 壓 機 等 各 種 工 藝 用 途 的 數(shù) 控 機 床 。 ⑵ 按 運 動 方 式 劃 分 按 運 動 方 式 即 刀 具 與 工 件 相 對 運 動 方 式 ， 數(shù) 控 機 床 可 分 為 ： 點 位 控 制 、 直 線 控 制 和 輪 廓 控 制 。 ⑶ 按 伺 服 系 統(tǒng) 類 型 劃 分 按 伺 服 系 統(tǒng) 類 型 的 不 同 ， 數(shù) 控 機 床 可 分 為 ： 開 環(huán) 伺 服 系 統(tǒng) 數(shù) 控 機 床 、 閉 環(huán) 伺 服 系 統(tǒng) 數(shù) 控 機 床 和 半 閉 環(huán) 伺 服 系 統(tǒng) 時 空 機 床 。 ① 開 環(huán) 伺 服 系 統(tǒng) 數(shù) 控 機 床 開 環(huán) 伺 服 系 統(tǒng) 數(shù) 控 機 床 是 一 種 不 叫 原 始 的 數(shù) 控 機 床 。 這 類 機 床 的 數(shù) 控 系 統(tǒng) 將 零 件 的 程 序 處 理 后 ， 輸 出 數(shù) 據(jù) 指 令 給 伺 服 系 統(tǒng) ， 驅 動 機 床 運 動 ， 沒 有 來 自 位 置 傳 感 器 的 反 饋 信 號 。 最 典 型 的 系 統(tǒng) 就 是 采 用 步 進 電 動 機 的 伺 服 系 統(tǒng) 。 這 類 系 統(tǒng) 的 信 息 流 是 單 向 的 ， 即 進 給 脈 沖 發(fā) 出 去 以 后 ， 實 際 移 動 值 不 再 反 饋 回 來 ， 所 以 稱 為 開 環(huán) 控 制 。 這 類 機 床 較 為 經(jīng) 濟 ， 但 加 工 速 度 和 加 工 精 度 較 低 。 ② 閉 環(huán) 伺 服 系 統(tǒng) 數(shù) 控 機 床 閉 環(huán) 伺 服 系 統(tǒng) 數(shù) 控 機 床 帶 有 檢 測 裝 置 ， 直 接 對 工 作 臺 的 位 移 量 進 行 檢 測 。 這 類 控 制 系 統(tǒng) ， 因 為 把 機 床 工 作 臺 納 入 位 置 控 制 環(huán) ， 故 稱 為 閉 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 。 該 系 統(tǒng) 可 以 消 除 包 括 工 作 臺 傳 動 鏈 在 內(nèi) 的 運 動 誤 差 ， 因 而 定 位 精 度 高 、 調 節(jié) 速 度 快 。 但 由 于 該 系 統(tǒng) 受 進 給 絲 杠 的 拉 壓 剛 度 、 扭 轉 剛 度 、 摩 擦 阻 尼 特 性 和 間 隙 等 非 線 性 因 素 的 影 響 ， 給 調 試 工 作 造 成 較 大 的 困 難 。 由 于 閉 環(huán) 伺 服 系 統(tǒng) 復 雜 和 成 本 高 ， 故 適 用 于 精 度 要 求 很 高 的 數(shù) 控 機 床 ， 如 精 密 鏜 銑 床 、 超 精 密 數(shù) 控 機 床 等 。 ③ 半 閉 環(huán) 伺 服 系 統(tǒng) 數(shù) 控 機 床 大 多 數(shù) 數(shù) 控 機 床 是 半 閉 環(huán) 伺 服 系 統(tǒng) ， 這 類 系 統(tǒng) 介 于 開 環(huán) 和 閉 環(huán) 之 間 ， 精 度 沒 有 閉 環(huán) 高 ， 調 試 卻 比 閉 環(huán) 方 便 ， 因 而 得 到 了 廣 泛 的 應 用 。 ⑷ 按 數(shù) 控 機 床 系 統(tǒng) 的 功 能 水 平 劃 分 按 數(shù) 控 機 床 系 統(tǒng) 的 功 能 水 平 可 分 為 ： 低 檔 、 中 檔 和 高 檔 。 按 控 制 軸 數(shù) 和 聯(lián) 動 軸 數(shù) 可 分 為 幾 軸 聯(lián) 動 等 多 種 數(shù) 控 機 床 ； 按 數(shù) 控 機 床 功 能 多 少 可 分 為 經(jīng) 濟 型 數(shù) 控 機 床 和 全 功 能 型 數(shù) 控 機 床 等 。 [3] 1.3 數(shù)控機床的特點與數(shù)控機床的發(fā)展方向 1、 數(shù) 控 機 床 的 特 點 數(shù) 控 機 床 與 普 通 機 床 比 較 具 有 以 下 特 點 。 （ 1） 自 動 化 程 度 高 。 （ 2） 進 給 傳 動 機 構 簡 單 。 （ 3） 工 藝 復 合 化 和 功 能 集 成 化 。 （ 4） 具 有 加 工 復 雜 形 狀 兩 件 的 能 力 。 （ 5） 具 有 高 度 柔 性 ， 適 用 性 強 。 （ 6） 加 工 精 度 高 、 質 量 穩(wěn) 定 。 （ 7） 生 產(chǎn) 效 率 高 。 2、 數(shù) 控 機 床 的 發(fā) 展 方 向 當 今 數(shù) 控 機 床 正 朝 著 以 下 幾 個 方 向 發(fā) 展 。 （ 1） 高 速 度 、 高 精 度 。 （ 2） 多 功 能 化 。 （ 3） 智 能 化 。 （ 4） 目 前 CAD/CAM圖 形 交 互 式 自 動 變 成 已 得 到 較 多 的 應 用 ， 是 數(shù) 控 技 術 發(fā) 展 的 新 趨 勢 。 （ 5） 可 靠 性 最 大 化 數(shù) 控 機 床 的 可 靠 性 一 直 是 用 戶 最 關 心 的 主 要 指 標 。 （ 6） 控 制 系 統(tǒng) 小 型 化 和 時 空 系 統(tǒng) 小 型 化 便 于 將 機 、 電 裝 置 結 合 為 一 體 。 [4] 1.4 螺旋錐齒輪及螺旋錐齒輪銑齒機簡介 螺 旋 錐 齒 輪 是 機 械 傳 動 實 現(xiàn) 相 交 軸 運 動 傳 遞 的 基 礎 元 件 ， 它 具 有 重 合 度 大 、 傳 動 平 穩(wěn) 、 噪 音 小 ， 承 載 能 力 高 等 優(yōu) 點 ， 被 廣 泛 應 用 于 各 種 機 器 設 備 中 ， 是 目 前 汽 車 、 飛 機 等 高 精 高 速 重 載 設 備 的 主 傳 動 元 件 。 在 齒 輪 加 工 行 業(yè) 屬 于 一 個 加 工 難 點 ， 加 工 過 程 中 對 機 床 調 整 的 要 求 很 高 。 因 此 對 螺 旋 錐 齒 輪 的 數(shù) 控 加 工 技 術 的 研 究 成 為 螺 旋 錐 齒 輪 加 工 行 業(yè) 的 一 個 重 點 。 1、 螺 旋 錐 齒 輪 銑 齒 展 成 原 理 螺 旋 錐 齒 輪 銑 齒 原 理 如 圖 1.l所 示 ： 機 床 上 的 搖 臺 機 構 模 擬 一 個 假 想 的 齒 輪 ， 安 裝 在 搖 臺 上 的 銑 刀 盤 旋 轉 形 成 切 削 面 相 當 于 假 想 齒 輪 的 一 個 齒 面 。 當 被 加 工 齒 輪 毛 坯 與 假 想 齒 輪 按 照 一 定 的 傳 動 比 繞 各 自 的 軸 線 一 同 旋 轉 時 ， 銑 刀 盤 就 在 齒 輪 毛 坯 上 切 出 一 個 齒 槽 。 然 后 搖 臺 反 轉 到 初 始 位 置 ， 工 件 箱 隨 床 鞍 一 起 后 退 ， 同 時 被 加 工 齒 輪 轉 過 一 定 的 分 齒 角 度 ， 進 入 下 一 個 切 齒 循 環(huán) 。 反 復 進 行 即 可 完 成 整 個 齒 輪 的 加 工 。 這 種 加 工 方 法 稱 為 展 成 法 ， 搖 臺 所 代 表 的 假 想 齒 輪 稱 為 產(chǎn) 形 輪 。 圖 1.1 螺旋錐齒輪加工原理圖 2、 數(shù) 控 螺 旋 錐 齒 輪 銑 齒 機 簡 介 數(shù) 控 螺 旋 錐 齒 輪 銑 齒 機 是 一 種 涉 及 多 學 科 （ 自 動 控 制 、 計 算 機 技 術 、 數(shù) 學 、 齒 輪 嚙 合 理 論 、 信 息 化 與 智 能 化 技 術 、 機 械 設 計 與 制 造 等 ） 的 高 科 技 產(chǎn) 品 ， 技 術 難 度 大 ， 科 技 含 量 高 ， 目 前 世 界 上 只 有 美 國 、 德 國 兩 個 國 家 能 夠 完 全 獨 立 生 產(chǎn) 。 2 數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng) 本 文 設 計 的 是 YK2250型 全 數(shù) 控 螺 旋 錐 齒 輪 銑 齒 機 的 主 軸 系 統(tǒng) ， 為 方 便 描 述 ， 下 文 統(tǒng) 一 稱 數(shù) 控 銑 床 。 數(shù) 控 機 床 的 主 軸 系 統(tǒng) 包 括 主 軸 電 動 機 ， 傳 動 系 統(tǒng) 和 主 軸 組 件 。 與 普 通 機 床 的 主 傳 動 系 統(tǒng) 相 比 數(shù) 控 機 床 在 結 構 上 比 較 簡 單 ， 這 是 因 為 變 速 功 能 全 部 或 大 部 分 由 主 軸 電 動 機 的 無 級 調 速 來 承 擔 。 省 去 了 繁 雜 的 齒 輪 變 速 機 構 ， 還 有 一 些 數(shù) 控 機 床 設 計 中 還 存 在 二 級 或 三 級 齒 輪 變 速 機 構 用 以 擴 大 主 軸 電 動 機 無 級 變 速 的 范 圍 。 本 文 設 計 的 主 軸 系 統(tǒng) 就 屬 于 這 樣 類 型 。 2.1 數(shù)控機床對主傳動的要求 1. 范 圍 ： 各 種 不 同 的 機 床 對 調 速 范 圍 的 要 求 不 同 ， 多 用 途 ， 通 用 性 比 較 大 的 機 床 ， 要 求 主 軸 的 調 速 范 圍 大 ， 不 但 有 低 速 大 轉 距 的 功 能 ， 而 且 還 要 有 比 較 高 的 速 度 。 2. 熱 變 形 ： 電 動 機 、 主 軸 及 傳 動 件 都 有 熱 源 。 降 低 溫 升 ， 減 少 熱 變 形 是 對 主 傳 動 系 統(tǒng) 要 求 的 重 要 指 標 。 3. 旋 轉 精 度 和 運 動 精 度 （ 1） 主 軸 的 旋 轉 精 度 :是 指 裝 配 后 ， 在 無 載 荷 ， 低 速 轉 動 條 件 下 ， 測 量 主 軸 前 端 和 300mm處 的 徑 向 和 軸 向 跳 動 值 。 （ 2） 主 軸 在 以 工 作 速 度 旋 轉 時 ， 測 量 上 述 兩 項 精 度 稱 為 運 動 精 度 。 4. 主 軸 的 靜 剛 度 和 抗 振 性 由 于 數(shù) 控 機 床 的 加 工 精 度 比 較 高 ， 主 軸 的 轉 速 又 很 高 。 因 此 ， 主 軸 組 件 的 質 量 分 布 是 否 均 勻 以 及 主 軸 組 件 的 阻 尼 等 ， 對 主 軸 組 件 的 靜 剛 度 和 抗 振 性 都 會 產(chǎn) 生 影 響 。 5. 主 軸 組 件 的 耐 磨 性 主 軸 組 件 必 須 有 足 夠 的 耐 磨 性 ， 使 之 能 夠 長 期 保 持 要 求 的 準 確 精 度 。 凡 是 有 機 械 摩 擦 的 部 位 ， 軸 承 ， 錐 孔 等 都 要 有 足 夠 的 硬 度 ， 軸 承 還 應 具 有 良 好 的 潤 滑 。 [6] 2.2 數(shù)控銑床主傳動的配置方式 數(shù) 控 銑 床 的 主 傳 動 系 統(tǒng) 要 求 有 較 大 的 調 速 范 圍 ， 以 保 證 進 行 加 工 時 能 選 用 合 理 的 切 削 用 量 ， 從 而 獲 得 最 佳 的 生 產(chǎn) 效 率 、 加 工 精 度 和 表 面 質 量 。 數(shù) 控 機 床 的 變 速 是 按 照 控 制 指 令 自 動 進 行 的 ， 因 此 機 構 必 須 適 應 自 動 操 作 的 要 求 。 大 多 數(shù) 的 數(shù) 控 銑 床 是 用 無 級 變 速 系 統(tǒng) 控 制 的 。 數(shù) 控 機 床 主 傳 動 系 統(tǒng) 主 要 有 以 下 三 種 配 置 方 式 ： 1. 帶 有 變 速 齒 輪 的 主 傳 動 這 種 配 置 方 式 在 大 中 型 數(shù) 控 機 床 中 采 用 比 較 普 遍 。 它 通 過 少 數(shù) 幾 對 齒 輪 進 行 降 速 ， 使 之 能 夠 分 段 變 速 ， 確 保 低 速 時 擁 有 足 夠 的 扭 矩 ， 以 滿 足 主 軸 輸 出 扭 矩 特 性 。 但 也 有 一 部 分 小 型 數(shù) 控 機 床 也 采 用 這 種 傳 動 方 式 ， 以 獲 得 強 力 切 削 時 所 需 要 的 扭 矩 。 2. 通 過 帶 傳 動 的 主 傳 動 主 要 應 用 在 中 小 數(shù) 控 機 床 上 ， 可 以 避 免 齒 輪 傳 動 時 引 起 的 振 動 和 噪 聲 ， 但 它 只 能 適 用 于 低 扭 矩 特 性 要 求 的 主 軸 。 同 步 帶 有 多 楔 帶 ， 齒 形 帶 ， 圓 弧 帶 等 ， 是 一 種 綜 合 了 帶 傳 動 和 鏈 傳 動 優(yōu) 點 的 新 型 傳 動 。 帶 的 工 作 面 及 帶 輪 外 圓 上 均 制 成 齒 形 ， 通 過 帶 輪 與 輪 齒 相 嵌 合 ， 做 無 滑 動 的 嚙 合 傳 動 。 帶 內(nèi) 采 用 了 承 載 后 無 彈 性 伸 長 的 材 料 作 強 力 層 ， 以 保 持 帶 的 節(jié) 距 不 變 ， 使 主 動 和 從 動 帶 輪 可 做 無 相 對 滑 動 的 同 步 傳 動 。 與 一 般 帶 傳 動 相 比 ， 同 步 帶 傳 動 具 有 以 下 優(yōu) 點 ： （ 1） 無 滑 動 ， 傳 動 比 準 確 。 （ 2） 傳 動 效 率 高 ， 可 達 98%以 上 。 （ 3） 傳 動 平 穩(wěn) 可 靠 ， 噪 聲 小 。 （ 4） 使 用 范 圍 廣 ， 速 度 要 達 到 50m/s， 速 比 可 達 10左 右 ， 傳 動 功 率 由 幾 瓦 到 數(shù) 千 瓦 。 （ 5） 修 保 養(yǎng) 方 便 ， 不 需 要 潤 滑 。 但 是 同 步 帶 也 有 不 足 之 處 ， 其 安 裝 時 中 心 距 要 求 嚴 格 ， 帶 與 帶 輪 制 造 工 藝 較 復 雜 ， 成 本 高 。 3. 由 調 速 電 動 機 直 接 驅 動 的 主 傳 動 這 種 主 傳 動 方 式 大 大 簡 化 了 主 軸 箱 與 主 軸 的 結 構 ， 有 效 地 提 高 了 主 軸 部 件 的 剛 度 。 但 主 軸 輸 出 扭 矩 小 ， 電 動 機 轉 動 時 發(fā) 出 的 熱 量 對 主 軸 的 精 度 影 響 比 較 大 。 在 低 于 額 定 轉 速 時 為 恒 轉 矩 輸 出 ， 高 于 額 定 轉 矩 時 為 恒 功 率 輸 出 。 使 用 這 種 電 動 機 可 實 現(xiàn) 電 氣 定 向 。 我 們 把 機 床 主 軸 驅 動 與 一 般 工 業(yè) 的 驅 動 相 比 較 ， 便 可 知 機 床 要 求 其 驅 動 系 統(tǒng) 有 較 高 的 速 度 精 度 和 動 態(tài) 剛 度 ， 而 且 要 求 具 有 能 連 續(xù) 輸 出 的 高 轉 距 能 力 和 非 常 寬 的 恒 功 率 運 動 范 圍 。 隨 著 功 率 電 子 ， 計 算 機 技 術 ， 控 制 理 論 ， 新 材 料 和 電 動 機 設 計 的 進 一 步 發(fā) 展 和 完 善 ， 矢 量 控 制 交 流 主 軸 電 動 機 驅 動 系 統(tǒng) 的 性 能 已 經(jīng) 達 到 甚 至 超 過 了 直 流 電 動 機 驅 動 系 統(tǒng) ， 交 流 主 軸 驅 動 系 統(tǒng) 正 在 逐 步 取 代 直 流 系 統(tǒng) 。 [7] 3 主軸電動機的選取 正 確 選 擇 電 動 機 的 類 型 、 型 號 及 容 量 是 機 床 設 計 的 重 要 問 題 之 一 ， 它 直 接 影 響 著 機 床 的 結 構 和 壽 命 ， 選 擇 時 要 根 據(jù) 機 床 的 功 能 要 求 ， 所 設 計 的 結 構 ， 工 作 狀 況 等 全 面 考 慮 ， 然 后 選 擇 適 宜 的 結 構 型 式 及 容 量 。 圖3.1 主軸電動機 電 動 機 功 率 的 選 擇 ， 工 作 機 所 需 的 有 效 功 率 為 ： Pw=Fv/1000=17.5kw[8],為 了 計 算 電 動 機 所 需 的 功 率 ， 先 要 確 定 從 電 動 機 到 工 作 部 件 的 總 效 率 η ， 設 η 1、 η 2、 分 別 為 同 步 帶 輪 和 同 步 帶 的 傳 動 效 率 ， 查 表 所 得 η 1和 η 2都 等 于 0.97。 則 傳 動 的 總 效 率 為 η =η 1× η 2=0.94[8]， 所 以 電 動 機 所 需 的 功 率 為 Pd=Pw/η =18.5KW[8] 電 動 機 傳 速 的 選 擇 :此 次 設 計 要 求 電 動 機 必 須 有 額 定 轉 速 1500r/min,最 高 轉 速 必 須 達 到 4000r/min。 電 動 機 型 號 的 選 取 ： 根 據(jù) 設 計 要 求 ， 本 次 設 計 中 選 取 蘭 州 電 機 廠 生 產(chǎn) 的 1PH5167-4CF4型 號 交 流 主 軸 電 動 機 。 其 主 要 參 數(shù) 如 下 表 ： 表 3-1 1PH5167-4CF4型 號 交 流 主 軸 電 動 機 的 主 要 參 數(shù) [9] 額 定 轉 速 （ r/min） 最 高 轉 速 (r/min) 額 定 轉 矩 慣 性 矩 (N.M) 電 機 功 率 (KW) 恒 功 率 范 圍 1500 6000 117.7 0.046 18.5 1:90 4 主軸組件的設計 主 軸 組 件 主 要 包 括 ： 主 軸 、 主 軸 支 撐 和 安 裝 在 主 軸 上 的 傳 動 件 、 密 封 件 等 ， 因 為 主 軸 帶 動 工 件 或 刀 具 直 接 參 加 工 件 表 面 形 成 運 動 ， 所 以 它 的 工 作 性 能 對 加 工 質 量 和 生 產(chǎn) 率 產(chǎn) 生 直 接 影 響 ， 是 機 床 最 重 要 的 部 件 之 一 。 4.1 主軸組件的設計要求 1. 回 轉 精 度 主 軸 組 件 的 回 轉 精 度 ,是 指 主 軸 的 回 轉 精 度 。 當 主 軸 做 回 轉 運 動 時 ， 線 速 度 為 零 的 點 的 連 線 稱 為 主 軸 的 得 回 轉 中 心 線 。 回 轉 中 心 線 的 空 間 位 置 ， 每 一 瞬 間 都 是 變 化 的 ， 這 些 瞬 間 回 轉 中 心 線 的 平 均 空 單 位 轉 移 不 為 理 想 回 轉 中 心 線 。 瞬 時 回 轉 中 心 線 相 對 于 理 想 回 轉 中 心 線 在 空 間 位 置 的 距 離 ， 就 是 主 軸 的 回 轉 誤 差 ， 而 回 轉 誤 差 的 范 圍 ， 就 是 主 軸 的 回 轉 精 度 。 純 徑 轉 誤 差 、 角 度 誤 差 和 軸 向 誤 差 ， 它 們 很 少 單 獨 存 在 。 當 徑 向 誤 差 和 角 度 誤 差 同 時 存 在 構 成 徑 向 跳 動 ， 而 軸 向 誤 差 和 角 度 誤 差 同 時 存 在 構 成 端 面 跳 動 。 由 于 主 軸 的 回 轉 誤 差 一 般 都 是 一 個 空 間 旋 轉 矢 量 ， 它 并 不 是 在 所 有 的 情 況 下 都 表 示 為 被 加 工 工 件 所 得 的 加 工 形 狀 。 主 軸 回 轉 精 度 的 測 量 ， 一 般 分 為 三 種 靜 態(tài) 測 量 、 動 態(tài) 測 量 和 間 接 測 量 。 目 前 我 國 在 生 產(chǎn) 中 沿 著 傳 統(tǒng) 的 靜 態(tài) 測 量 法 ， 用 一 個 精 密 的 檢 測 棒 插 入 主 軸 錐 孔 中 千 分 表 觸 頭 觸 及 檢 測 棒 圓 柱 表 面 ， 以 低 速 轉 動 主 軸 進 行 測 量 。 千 分 表 最 大 和 最 小 的 讀 數(shù) 差 既 認 為 是 主 軸 的 徑 向 回 轉 誤 差 。 端 面 誤 差 一 般 以 包 括 主 軸 所 在 平 面 內(nèi) 的 直 角 坐 標 系 的 垂 直 度 ， 數(shù) 據(jù) 綜 合 表 示 。 動 態(tài) 測 量 是 用 一 標 準 球 裝 在 主 軸 中 心 線 上 ， 與 主 軸 中 心 線 上 ， 與 主 軸 同 時 旋 轉 ； 在 主 軸 同 時 旋 轉 ； 在 工 作 臺 上 安 裝 兩 個 互 成 90度 角 的 非 接 觸 傳 感 器 ， 通 過 儀 器 記 錄 回 轉 情 況 。 間 接 測 量 是 用 小 的 切 削 量 用 小 的 切 削 量 回 工 有 色 金 屬 試 件 ， 然 后 在 圓 度 儀 上 測 量 試 件 的 圓 度 來 評 價 。 出 廠 時 ， 普 通 級 加 工 中 心 的 回 轉 精 度 用 靜 態(tài) 測 量 法 測 量 ， 當 L=300mm時 允 許 誤 差 應 小 于 0.02㎜ 。 造 成 主 軸 回 轉 誤 差 的 原 因 主 要 是 由 于 主 軸 的 結 構 及 其 加 工 精 度 、 主 軸 軸 承 的 選 用 及 剛 度 等 ， 而 主 軸 及 其 回 轉 零 件 的 不 平 衡 ， 在 回 轉 時 引 起 的 激 振 力 ， 也 會 造 成 主 軸 的 回 轉 誤 差 。 因 此 加 工 中 心 的 主 軸 不 平 衡 量 要 控 制 在 0.4㎜ /s以 下 。 2. 主 軸 剛 度 主 軸 組 件 的 剛 度 是 指 受 外 力 作 用 時 ， 主 軸 組 件 抵 抗 變 形 的 能 力 。 通 常 抵 以 主 軸 前 端 產(chǎn) 生 單 位 位 移 時 ， 在 位 移 方 向 上 所 施 加 的 作 用 力 大 小 來 表 示 。 主 軸 組 件 的 剛 度 越 大 ， 主 軸 受 力 的 變 形 就 越 小 。 主 軸 組 件 的 剛 度 不 足 ， 在 切 削 力 及 其 他 力 的 作 用 下 ， 主 軸 將 產(chǎn) 生 較 大 的 彈 性 變 形 ， 不 僅 影 響 工 件 的 加 工 質 量 ， 還 會 破 壞 齒 輪 、 軸 承 的 正 常 工 作 條 件 ， 使 其 加 快 磨 損 ， 降 低 精 度 。 主 軸 部 件 的 剛 度 與 主 軸 結 構 尺 寸 、 支 撐 跨 距 、 所 選 軸 承 類 型 及 配 置 形 勢 、 砂 間 隙 的 調 整 、 主 軸 上 傳 動 元 件 的 位 置 等 有 關 。 3. 主 軸 抗 振 性 主 軸 組 件 的 抗 振 性 是 指 切 削 加 工 時 ， 主 軸 保 持 平 穩(wěn) 的 運 轉 而 不 發(fā) 生 振 動 的 能 力 。 主 軸 組 件 抗 振 性 及 在 必 要 時 安 裝 阻 尼 （ 消 振 ） 器 。 另 外 ， 使 主 軸 固 有 頻 率 遠 遠 大 于 激 振 力 的 頻 率 。 4. 主 軸 溫 升 主 軸 組 件 在 運 轉 中 ， 溫 升 過 高 會 起 兩 方 面 的 不 良 結 果 ： 一 是 主 軸 組 件 和 箱 體 因 熱 膨 脹 而 變 形 ， 主 軸 的 回 轉 中 心 線 和 機 床 其 他 件 的 相 對 位 置 會 有 變 化 ， 直 接 影 響 加 工 精 度 ； 其 次 是 軸 承 等 元 件 會 因 溫 度 過 高 而 改 變 已 調 好 的 間 隙 和 破 壞 正 常 潤 滑 條 件 ， 影 響 軸 承 的 正 常 工 作 。 嚴 重 時 甚 至 會 發(fā) 生 ： “ 抱 軸 ” 。 數(shù) 控 機 床 在 解 決 溫 升 問 題 時 ， 一 般 采 用 恒 溫 主 軸 箱 。 5. 主 軸 的 耐 磨 性 主 軸 組 件 必 須 有 足 夠 的 耐 磨 性 ， 以 便 長 期 保 持 精 度 。 主 軸 上 易 磨 損 的 地 方 是 刀 具 或 工 件 的 安 裝 部 位 以 及 移 動 式 主 軸 的 工 作 部 位 。 為 了 提 高 耐 磨 性 ， 主 軸 的 上 述 部 位 應 該 淬 硬 ， 或 者 經(jīng) 過 氮 化 處 理 ， 以 提 高 硬 度 增 加 耐 磨 性 。 主 軸 軸 承 也 需 要 有 良 好 的 潤 滑 ， 提 高 其 耐 磨 性 。 以 上 這 些 要 求 ， 有 的 還 是 矛 盾 的 ， 例 如 高 剛 度 和 高 速 ， 高 速 和 高 精 度 等 ， 這 就 要 具 體 問 題 具 體 分 析 ， 例 如 設 計 高 效 數(shù) 控 機 床 的 主 軸 組 件 的 主 軸 應 滿 足 高 速 和 高 剛 度 的 要 求 ； 設 計 高 精 度 數(shù) 控 機 床 時 ， 主 軸 應 滿 足 高 剛 度 、 低 溫 升 的 要 求 。 同 時 ， 主 軸 結 構 要 保 證 個 部 件 定 位 可 靠 ， 工 藝 性 能 好 等 要 求 。 6. 提 高 主 軸 組 件 抗 振 性 的 措 施 （ 1） 盡 量 縮 短 主 軸 前 軸 承 結 構 的 長 度 ， 適 當 增 大 跨 矩 ； （ 2） 盡 量 提 高 前 軸 承 的 剛 度 和 阻 尼 ； （ 3） 提 高 前 軸 承 的 精 度 ， 把 推 力 軸 承 放 在 前 支 撐 初 可 提 高 抗 振 性 ； （ 4） 對 高 速 旋 轉 的 零 件 作 靜 、 動 平 衡 ， 提 高 齒 輪 、 主 軸 的 制 造 精 度 都 可 適 當 減 少 強 迫 振 動 源 ； （ 5） 對 于 非 連 續(xù) 切 削 過 程 的 銑 削 ， 滾 削 等 加 裝 飛 輪 可 減 少 振 動 ； （ 6） 應 用 阻 尼 器 消 耗 振 動 能 量 是 有 效 的 措 施 ； 考 慮 系 統(tǒng) 的 固 有 頻 率 ， 避 免 共 振 。 7. 減 少 主 軸 組 件 熱 變 形 的 措 施 （ 1） 把 熱 源 移 至 機 床 以 外 。 （ 2） 改 善 主 傳 動 的 潤 滑 條 件 。 如 進 行 箱 外 循 環(huán) 潤 滑 ， 用 低 粘 度 的 潤 滑 油 、 油 霧 潤 滑 等 ， 特 別 注 意 前 軸 承 的 潤 滑 情 況 。 （ 3） 采 用 冷 卻 散 熱 裝 置 。 例 如 用 熱 管 冷 卻 減 少 機 床 各 部 位 的 溫 差 ,進 行 熱 補 償 。 如 可 以 在 結 構 設 計 采 用 一 些 自 動 補 償 的 裝 置 設 法 使 熱 變 形 朝 不 影 響 加 工 精 度 的 方 向 發(fā) 展 。 還 可 以 在 工 藝 上 減 少 熱 變 形 的 影 響 。 如 先 空 運 轉 一 段 時 間 再 加 工 。 把 粗 、 精 加 工 分 開 等 。 4.2 主軸材料的選擇及尺寸、參數(shù)的計算 4.1 主 軸 主 軸 （ 圖 4.1） 是 主 軸 組 件 的 重 要 組 成 部 分 ， 它 的 結 構 尺 寸 和 形 狀 、 制 造 精 度 、 材 料 、 及 其 熱 處 理 ， 對 主 軸 組 件 的 工 作 性 能 都 有 很 大 的 影 響 。 主 軸 結 構 隨 系 統(tǒng) 設 計 要 求 的 不 同 而 有 各 種 形 式 。 主 軸 的 主 要 尺 寸 參 數(shù) 包 括 ： 主 軸 直 徑 、 內(nèi) 孔 直 徑 、 懸 伸 長 度 和 支 撐 跨 距 。 評 價 和 考 慮 主 軸 的 主 要 尺 寸 參 數(shù) 的 依 據(jù) 使 主 軸 的 剛 度 、 結 構 工 藝 性 和 主 軸 組 件 的 工 藝 適 應 范 圍 。 1. 主 軸 直 徑 主 軸 直 徑 越 大 ， 其 剛 度 越 高 ， 但 使 得 軸 承 和 軸 上 其 他 零 件 的 尺 寸 相 應 增 大 。 軸 承 的 直 徑 越 大 ， 同 等 級 精 度 軸 承 的 公 差 值 也 越 大 ， 要 保 證 主 軸 的 旋 轉 精 度 就 越 困 難 。 同 時 極 限 轉 數(shù) 下 降 。 主 軸 后 端 支 撐 軸 頸 的 直 徑 可 視 為 0.7～ 0.8的 前 支 承 軸 頸 值 ， 實 際 尺 寸 要 在 主 軸 組 件 結 構 設 計 時 確 定 。 前 、 后 軸 頸 的 差 值 越 小 則 主 軸 的 剛 度 越 高 ， 工 藝 性 能 也 越 好 。 2. 主 軸 內(nèi) 孔 直 徑 主 軸 的 內(nèi) 孔 用 來 安 放 棒 料 、 刀 具 夾 緊 裝 置 固 定 刀 具 、 傳 動 氣 動 或 液 動 卡 盤 等 。 主 軸 孔 徑 越 大 ， 可 通 過 的 棒 料 直 徑 也 越 大 ， 機 床 的 適 用 范 圍 就 越 廣 ， 同 時 主 軸 部 件 的 相 對 重 量 也 越 輕 。 主 軸 孔 徑 的 大 小 主 要 受 主 軸 剛 度 的 制 約 。 主 軸 的 孔 徑 與 主 軸 的 直 徑 之 比 ， 小 于 0.3時 空 心 主 軸 的 剛 度 幾 乎 與 實 心 主 軸 的 剛 度 相 當 ； 等 于 0.35時 ， 空 心 主 軸 的 剛 度 為 實 心 主 軸 剛 度 的 90%； 大 于 0.7時 空 心 主 軸 的 剛 度 急 劇 下 降 。 一 般 可 取 其 比 值 為 0.5左 右 。 根 據(jù) 設 計 要 求 ， 此 設 計 選 用 的 主 軸 材 料 是 45號 鋼 。 其 熱 處 理 及 參 數(shù) 如 表 4.1所 示 。 表 4.1 45號 鋼 熱 處 理 參 數(shù) [13] 材 料 熱 處 理 硬 度 （ HBS） 抗 拉 強 度 極 限 屈 服 強 度 極 限 σ s 彎 曲 疲 勞 極 限 σ -1 剪 切 疲 勞 極 限 τ -1 許 用 彎 曲 應 力 [σ -1] 45 調 質 、 滲 氮 217～ 255 640 355 300 155 60 因 為 選 用 的 主 軸 電 機 功 率 為 P=18.5KW， 額 定 轉 速 nc=1500r/min 所 以 主 軸 功 率 p=pc/η 1η 2η 3==9.67 kw (式 4.1) 因 為 主 軸 是 空 心 轉 軸 ， 所 以 d1=21.68 × . （ 式 4.2） 查 表 得 =1.23 所 以 d1=21.68× 1.2321.23=56.6㎜ 又 因 為 此 處 軸 上 有 一 個 鍵 槽 ， 所 以 d1=d× (1+5%)=59.45㎜ 取 d1=60㎜ ;d2=d1+2a,a為 軸 肩 高 度 ， 用 于 軸 上 零 件 的 定 位 和 固 定 ， 故 a值 應 該 稍 微 大 于 轂 孔 的 圓 角 半 徑 或 倒 角 深 ， 通 常 取 a≥ （ 0.07～ 0.1） d1； d2應 符 合 密 封 件 的 孔 徑 要 求 。 所 以 d2=63mm d3=d2+5～ 8mm=72mm。 d4=d3+1～ 5mm=74mm。 d5=d4+1～ 5mm=78mm。 d6=d5+2a。 a≥ (0.07～ 0.1)d1 所 以 d6=80mm。 根 據(jù) 選 用 的 軸 承 確 定 d7=98mm 主 軸 的 疲 勞 強 度 安 全 系 數(shù) 校 核 ， 危 險 截 面 安 全 系 數(shù) s的 校 核 計 算 ： s=≥ [s] （ 式 4.3） — 只 考 慮 彎 距 作 用 的 安 全 系 數(shù) ； sτ — 只 考 慮 扭 距 作 用 是 的 安 全 系 數(shù) ； [s] — 許 用 安 全 系 數(shù) ； [14] 在 此 查 表 所 得 [s]=1.3～ 1.5； sσ = 查 表 得 出 σ -1=270Mpa τ -1=155Mpa kσ =1.71 kτ =1.44 β =1.6 ε σ =0.78 ε τ =0.74， ψ σ =0.3， ψ τ =0.21， σ α =， σ m=σ α M= Wp= 所 以 ： s==1.08<[s]=1.3～ 1.5 所 以 主 軸 設 計 符 合 要 求 。 3. 主 軸 的 軸 端 結 構 主 軸 的 軸 端 是 用 于 安 裝 夾 具 和 刀 具 。 要 求 夾 具 和 刀 具 在 軸 端 定 位 精 度 高 、 定 位 好 、 裝 卸 方 便 ， 同 時 使 主 軸 的 懸 伸 長 度 短 。 數(shù) 控 銑 床 的 主 軸 端 部 結 構 ， 一 般 采 用 短 圓 錐 法 蘭 盤 式 。 4. 軸 主 要 精 度 指 標 前 支 承 軸 承 軸 頸 得 同 軸 度 約 為 5μ m左 右 ； 軸 承 軸 頸 需 要 按 軸 承 內(nèi) 孔 “ 實 際 尺 寸 ” 配 合 ， 并 且 需 要 保 證 配 合 過 盈 1μ m～ 5μ m； 錐 孔 與 軸 承 軸 頸 得 同 軸 度 為 3μ m～ 5μ m， 與 錐 面 的 接 觸 面 積 不 小 于 80%， 且 大 端 接 觸 較 好 ； 裝 圓 柱 滾 子 軸 承 與 軸 承 內(nèi) 圈 的 接 觸 面 積 應 該 不 小 于 85%。 5. 主 軸 動 態(tài) 特 性 的 改 善 改 善 主 軸 動 態(tài) 特 性 的 措 施 有 以 下 幾 個 方 面 ： （ 1） 使 主 軸 組 件 的 固 有 頻 率 避 開 激 振 力 的 頻 率 通 常 應 該 使 固 有 頻 率 高 于 激 振 力 頻 率 的 30%以 上 。 如 果 發(fā) 生 共 振 的 那 階 模 態(tài) 屬 于 主 軸 在 彈 性 基 礎 上 （ 軸 承 ） 的 剛 度 振 動 則 應 提 高 軸 承 的 剛 度 。 如 果 屬 于 主 軸 的 彎 曲 振 動 ， 則 應 提 高 主 軸 的 剛 度 ， 如 加 粗 直 徑 。 激 振 力 可 能 來 自 主 軸 組 件 的 不 平 衡 ， 這 時 激 振 頻 率 等 于 主 軸 轉 速 乘 以 π /30。 也 可 能 來 自 斷 續(xù) 切 削 ， 這 時 激 振 頻 率 還 應 該 乘 以 刀 齒 數(shù) z。 （ 2） 增 大 阻 尼 如 前 面 所 述 ， 低 階 模 態(tài) 常 是 主 軸 的 剛 體 振 動 。 這 時 主 軸 軸 承 ， 特 別 是 前 軸 承 的 阻 尼 對 主 軸 組 件 的 抗 振 性 影 響 很 大 。 如 果 要 求 得 到 很 光 的 加 工 表 面 ， 主 軸 又 是 水 平 的 ， 可 用 滑 動 軸 承 。 滾 動 軸 承 適 當 預 緊 可 以 增 大 阻 尼 ， 但 過 大 的 預 緊 反 而 使 阻 尼 減 少 ， 故 選 擇 預 緊