立式數(shù)控銑床進給傳動系統(tǒng)設(shè)計全套
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立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)設(shè)計
[摘要]本文介紹了立式數(shù)控銑床的一些基本概況，簡述了機床主傳動系統(tǒng)方面的原理和類型，分析了各種傳動方案的機理。立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)包括了主軸電動機、主軸傳動系統(tǒng)和主軸組件三部分組成。本文詳細介紹了立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)的設(shè)計過程，該立式數(shù)控銑床主軸變速箱是靠齒輪進行傳動的，主軸箱傳動系統(tǒng)采用齒輪傳動，傳動形式采用集中式傳動，主軸變速系統(tǒng)采用多聯(lián)滑移齒輪變速。齒輪傳動具有傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠、壽命長，傳動比準(zhǔn)確等優(yōu)點。文中介紹了立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)各種傳動方案優(yōu)缺點的比較、主傳動方案的選擇和確定、主傳動變速系統(tǒng)的設(shè)計計算、主軸組件的設(shè)計、軸承的選用基潤滑、關(guān)鍵零件的校核、以及主軸電動機的控制等設(shè)計過程。
[關(guān)鍵詞]數(shù)控機床；立式數(shù)控銑床；主傳動系統(tǒng)；主軸組件；軸承；主軸電動機
The sign type number controls the miller lord to spread to move the system design
Abstract： this text introduces the sign type number to control some basic general situations of the miller, Chien says the tool machine lord to spread the principle and types of move the systems, analyzing various mechanism that spreads to move the project.The sign type number controls the miller lord to spread to move the system to include the principal axis electric motor, principal axis to spread to move the system and the principal axis module three partses to constitute.Detailed introduction of this text the sign type number controls the design process that the miller lord spreads to move the system, should the sign type number control the miller principal axis to become soon the box is to is carry on by wheel gear to spread to move of, the principal axis box spreads to move the system adoption wheel gear to spread to move, spreading to move the form adoption concentration type to spread to move, the principal axis become soon many of the system adoption slip to move the wheel gear to become soon.The wheel gear spreads to move to have to spread to move the efficiency high, the structure tightly packed, work credibility, the life span is long, spreading to move than accurate etc. advantage.It introduced the sign type number to control the miller lord to spread to move various comparison, lord that spreads to move the project merit and shortcoming of system to spread in the text the choice and assurance, lords of move the projects spread to move to become soon system of design, bearings of design calculation, the principal axis module choose the control of the school pit, and the principal axis electric motor of use the lubrication, the key spare parts etc. the design process.
Key words： the number controls the tool machine;The sign type number controls the miller;The lord spreads to move the system;Principal axis module; Bearings; Principal axis electric motor.
目 錄
引言 1
第一章 緒論 2
1.1概述 2
1.2數(shù)控機床的發(fā)展 3
第二章 立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)方案的確定 9
2.1 對立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)簡介 9
2.2 對立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)的要求 9
2.3 主傳動的類型及方案選擇 10
第三章 主傳動變速系統(tǒng)主要參數(shù)計算 12
3.1 計算切削功率 12
3.1.1切削力的計算 12
3.1.2切削功率的計算 12
3.1.3主軸轉(zhuǎn)速范圍的確定 13
3.2 計算主傳動功率 13
3.3 分級變速箱的傳動系統(tǒng)的設(shè)計及主軸電動機的功率的確定 14
3.3.1 變速級數(shù)Z的確定 14
3.3.2 電動機的功率的確定 15
3.3.3 電動機參數(shù) 15
3.3.4 分級變速箱的傳動系統(tǒng)變速機構(gòu)的確定 16
第四章 主軸組件設(shè)計 17
4.1概述 17
4.1.1軸的分類 17
4.1.2主軸材料 17
4.2主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計 17
4.2.1主軸部件應(yīng)滿足的基本要求 18
4.2.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 19
4.2.3草擬軸上零件的裝配方案 19
4.2.4軸上零件的定位 20
4.2.5 各軸段直徑與的確定 20
4.2.6 提高主軸強度的措施 21
4.2.7 軸的結(jié)構(gòu)工藝性 22
4.3主軸強度的校核 22
4.3.1按扭轉(zhuǎn)強度進行計算 22
4.3.2 強度校核計算 23
第五章 軸承的設(shè)計 27
5.1概述 27
5.2軸承的類型選擇 27
5.3 軸承游隙等級的選擇 28
5.4 軸承的壽命計算 28
5.4.1軸承布局 28
5.5軸承裝置的設(shè)計 29
5.5.1軸承的配置 29
5.5.2軸承的配合 30
5.5.3 軸承的潤滑 31
5.5.4軸承的密封 32
第六章 數(shù)控銑床主軸電氣控制系統(tǒng)設(shè)計 33
6.1控制方式選擇 33
6.2 PLC的簡單介紹 33
6.4.1 可編程控制器的由來 33
6.4.2 可編程控制器的現(xiàn)狀 33
6.4.3 可編程控制器的分類 33
6.2.4 可編程控制器的特點 35
6.2.5 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域 35
6.3主軸電動機控制 36
總論 37
致謝 38
參考文獻 39
III
引言
制造業(yè)是一個國家或地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱，其發(fā)展水平標(biāo)志著該國或地區(qū)經(jīng)濟的實力，科技水平，生活水準(zhǔn)和國防實力。國際市場的競爭歸根到底是各國制造生產(chǎn)能力及機械制造裝備的競爭。機床是制造業(yè)的主要生產(chǎn)設(shè)備，而數(shù)控機床是高精度、高效率的自動化生產(chǎn)設(shè)備。目前，國內(nèi)、外數(shù)控機床正朝著高性能、高精度、高效率、高柔性、高自動化和模塊化方向迅速發(fā)展。盡管我國數(shù)控機床的制造、設(shè)計、檢測等技術(shù)得到了一定的發(fā)展，但與國外相比，差距還是很大，主要表現(xiàn)在:可靠性差、應(yīng)變能力差、產(chǎn)品開發(fā)周期長、設(shè)計手段落后等，這種差距尤其表現(xiàn)在高精度、高速度等尖端機床方面。因此，我們必須緊跟國際機床技術(shù)發(fā)展的前沿，發(fā)展機床的設(shè)計、檢測、制造等技術(shù)。
數(shù)控（numerical control,NC）機床，顧名思義，是一類由數(shù)字程序?qū)崿F(xiàn)控制的機床。與人工操作的普通機床相比，它具有適應(yīng)范圍廣、自動化程度高、柔性強、操作者勞動強度低、易于組成自動生產(chǎn)系統(tǒng)等優(yōu)點。數(shù)控機床也就是一種裝了程序控制系統(tǒng)的機床，該系統(tǒng)能邏輯處理具有使用號碼或其他符號編碼指令規(guī)定的程序。
通過這次畢業(yè)設(shè)計，可以達到以下目的：1.培養(yǎng)綜合運用專業(yè)基礎(chǔ)知識和專業(yè)技能來解決工程實際問題的能力；2.強化工程實踐能力和意識,提高本人綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力；3.使本人受到從事本專業(yè)工程技術(shù)和科學(xué)研究工作的基本訓(xùn)練,提高工程繪圖、計算、數(shù)據(jù)處理、外文資料文獻閱讀、使用計算機、使用文獻資和手冊、文字表達等各方面的能力；4.培養(yǎng)正確的設(shè)計思想和工程經(jīng)濟觀點，理論聯(lián)系實際的工作作風(fēng)，嚴肅認真的科學(xué)態(tài)度以及積極向上的團隊合作精神。
第 39 頁 共 39 頁
第一章 緒論
1.1概述
數(shù)控銑床是一種加工功能很強的數(shù)控機床，目前迅速發(fā)展起來的加工中心、柔性加工單元都是在數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，兩者都離不開銑削方式。由于數(shù)控銑削工藝最復(fù)雜，需要解決的技術(shù)問題也很多，因此，人們在研究和開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)及自動編程語言的軟件系統(tǒng)時，也一直把銑削加工作為重點。數(shù)控銑床機械部分與普通銑床基本相同，工作臺可以做橫向、縱向和垂直三個方向的運動。因此普通銑床能加工的工藝內(nèi)容，數(shù)控銑床度能做到。一般情況下，在數(shù)控銑床上可以加工平面曲線輪廓。
數(shù)控銑床也像通用銑床那樣可分為立式、臥式和立臥兩用式數(shù)控銑床，各類銑床配置的是數(shù)控系統(tǒng)不同，其功能也不盡相同。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)越來越合理，其性能、精度和效率日趨提高，更新?lián)Q代頻繁，生產(chǎn)類型由大批大量生產(chǎn)向多品種小批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)化。因此，對機械產(chǎn)品的加工相應(yīng)地提出了高精度、高柔性與高度自動化的要求。在機床行業(yè)，由于采用了數(shù)控技術(shù)，許多過去在普通機床上無法完成的工藝內(nèi)容得以完成，大量普通機床為數(shù)控機床所代替，這就極大地促進了機床行業(yè)的技術(shù)進步和行業(yè)發(fā)展。目前數(shù)控機床已經(jīng)遍布軍工、航空航天、汽車、造船、機車車輛、機床、建筑、通用機械、紡織、輕工、電子等幾乎所有制造行業(yè)。
綜上所述，數(shù)控機床在促進技術(shù)進步和經(jīng)濟發(fā)展，提高人類生存質(zhì)量和創(chuàng)造新的就業(yè)機會等方面，起著非常重要的作用。
數(shù)控機床是一種高效能自動加工機床，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。與普通機床相比，數(shù)控機床具有如下一些優(yōu)點：
易于加工異型復(fù)雜零件；提高生產(chǎn)率；可以實現(xiàn)一機多用，多機看管；可以大大減少專用工裝卡具，并有利于提高刀具使用壽命；提高零件的加工精度，易于保證加工質(zhì)量，一致性好；工件加工周期短，效率高；可以大大減少在制品的數(shù)量；可以大大減輕工人勞動強度，減少所需工人數(shù)量等。
數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)主要由傳動系統(tǒng)、支承部件、分度臺等部分組成。傳動系統(tǒng)的作用是把運動和力由動力源傳遞給機床執(zhí)行件，而且要保證傳遞過程中有良好的動態(tài)特性。傳動系統(tǒng)在工作過程中，經(jīng)常受到激振力和激振力矩的作用，使傳動系統(tǒng)的軸組件產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)振動，從而影響機床的工作性能。隨著機床切削速度的提高和自動化方向的發(fā)展，傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成越來越簡單，但對其機械結(jié)構(gòu)性能的要求卻越來越高，從而使傳統(tǒng)的設(shè)計方法遠遠達不到要求，這樣，各種設(shè)計理論的研究和使用就得到了迅猛的發(fā)展。
數(shù)控機床是高精度和高生產(chǎn)率的自動化機床，其加工過程中的動作順序、運動部件的坐標(biāo)位置及輔助功能，都是通過數(shù)字信息自動控制的，操作者在加工過程中無法干預(yù)，不能像在普通機床上加工零件那樣，對機床本身的結(jié)構(gòu)和裝配的薄弱環(huán)節(jié)進行人為補償，所以數(shù)控機床幾乎在任何方面均要求比普通機床設(shè)計得更為完善，制造得更為精密。為滿足高精度、高效率、高自動化程度的要求，數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計已形成自己的獨立體系，在這一結(jié)構(gòu)的完善過程中，數(shù)控機床出現(xiàn)了不少完全新穎的結(jié)構(gòu)及元件。與普通機床相比，數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)有許多特點。
1.2數(shù)控機床的發(fā)展
隨著機械制造生產(chǎn)模式的演變,對機械制造裝備提出了不同的要求.在50年代“剛性”生產(chǎn)模式下，通過提高效率，自動化程度,進行單一或少品種的大批量生產(chǎn)，以“規(guī)模經(jīng)濟”實現(xiàn)降低成本和提高質(zhì)量的目的。從90年代開始，為了對世界生產(chǎn)進行快速響應(yīng)，逐步實現(xiàn)社會制造資源的快速集成，要求機械制造裝備的柔性化程度更高,采用擬實制造和快速成形制造技術(shù)。
工業(yè)發(fā)達國家都非常注重機械制造業(yè)的發(fā)展，為了用先進技術(shù)和工藝裝備制造業(yè)，機械制造裝備工業(yè)得到先發(fā)展。對比之下，我國目前機械制造業(yè)的裝備水平還比較落后，表現(xiàn)在大部分工廠的機械制造裝備基本上是通用機床加專用工藝裝備，數(shù)控機床在機械制造裝備中的比重還非常低，導(dǎo)致“剛性”強,更新產(chǎn)品速度慢，生產(chǎn)批量不宜太小，生產(chǎn)品種不宜過多；自動化程度基本上還是“一個工人，一把刀，一臺機床”，導(dǎo)致勞動生產(chǎn)率低下，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。 因此，要縮小我國同工業(yè)發(fā)達國家的差距,我們必須在機械制造裝備方面大下功夫，其中最重要的一個方面就是增加數(shù)控機床在機械制造裝備中的比重。
數(shù)控設(shè)備的發(fā)展方向 六個方面：智能化、網(wǎng)絡(luò)化、高速、高精度、符合、環(huán)保。目前德國和瑞士的機床精度最高，綜合起來，德國的水平最高，日本的產(chǎn)值最大。美國的機床業(yè)一般。中國大陸、韓國。臺灣屬于同一水平。但就門類、種類多少而言，我們應(yīng)該能進世界前4名。
數(shù)控系統(tǒng) 由顯示器、控制器伺服、伺服電機、和各種開關(guān)、傳感器構(gòu)成。目前世界最大的三家廠商是：日本發(fā)那客、德國西門子、日本三菱；其余還有法國扭姆、西班牙凡高等。國內(nèi)由華中數(shù)控、航天數(shù)控等。國內(nèi)的數(shù)控系統(tǒng)剛剛開始產(chǎn)業(yè)化、水平質(zhì)量一般。高檔次的系統(tǒng)全都是進口。 華中數(shù)控這幾年發(fā)展迅速，軟件水平相當(dāng)不錯，但差就差在電器硬件上，故障率比較高。華中數(shù)控也有意向數(shù)控機床業(yè)進軍，但機床的硬件方面不行，質(zhì)量精度一般。目前國內(nèi)一些大廠還沒有采用華中數(shù)控的。廣州機床廠的簡易數(shù)控系統(tǒng)也不錯。 我們國家機床業(yè)最薄弱的環(huán)節(jié)在數(shù)控系統(tǒng)。
機床精度 1.機械加工機床精度分靜精度、加工精度（包括尺寸精度和幾何精度）、定位精度、重復(fù)定位精度等5種。 2.機床精度體系：目前我們國家內(nèi)承認的大致是四種體系：德國VDI標(biāo)準(zhǔn)、日本JIS標(biāo)準(zhǔn)、國際標(biāo)準(zhǔn)ISO標(biāo)準(zhǔn)、國標(biāo)GB，國標(biāo)和國際標(biāo)準(zhǔn)差不多。3.看一臺機床水平的高低，要看它的重復(fù)定位精度，一臺機床的重復(fù)定位精度如果能達到0.005mm(ISO標(biāo)準(zhǔn).、統(tǒng)計法),就是一臺高精度機床，在0.005mm(ISO標(biāo)準(zhǔn).、統(tǒng)計法)以下，就是超高精度機床，高精度的機床，要有最好的軸承、絲杠。4.加工出高精度零件，不只要求機床精度高，還要有好的工藝方法、好的夾具、好的刀具。
目前世界著名機床廠商在我國的投資情況 1. 2000年，世界最大的專業(yè)機床制造商馬扎克（MAZAK）在寧夏銀川投資建了名為“寧夏小巨人機床公司”的機床公司，生產(chǎn)數(shù)控車床、立式加工中心和車銑復(fù)合中心。機床質(zhì)量不錯，目前效益良好，年產(chǎn)600臺，目前正在建2期工程，建成后可以年產(chǎn)1200臺。 2. 2003年，德國著名的機床制造商德馬吉在上海投資建廠，目前年組裝生產(chǎn)數(shù)控車床和立式加工中心120臺左右。 3. 2002年，日本著名的機床生產(chǎn)商大隈公司和北京第一機床廠合資建廠，年生產(chǎn)能力為1000臺，生產(chǎn)數(shù)控車床、立式加工中心、臥式加工中心。 4.韓國大宇在山東青島投資建廠，目前生產(chǎn)能力不知。 5.臺灣省的著名機床制造商友嘉在浙江蕭山投資建廠，年生產(chǎn)能力800臺。
民營企業(yè)進入機床行業(yè)情況 1.浙江日發(fā)公司，2000年投產(chǎn)，生產(chǎn)數(shù)控車床、加工中心。年生產(chǎn)能力300臺。 2．2004年，浙江寧波著名的鑄塑機廠商海天公司投資生產(chǎn)機床，主要是從日本引進技術(shù)，目前剛開始，起點比較高。 3．2002年，西安北村投產(chǎn)，名字象日本的，其實老板是中國人，采用日本技術(shù)。生產(chǎn)小型儀表數(shù)控車床，水平相當(dāng)不錯。
軍工企業(yè)技改情況 軍工企業(yè)得到國家撥款開始于當(dāng)年“大使館被炸”，后來臺灣阿扁上臺后，大規(guī)模技改開始了，軍工企業(yè)進入新一輪的技改高峰，我們很多軍工企業(yè)開始停止購買普通設(shè)備。尤其是近3年來，我們的軍工企業(yè)從歐洲和日本買了大批量的先進數(shù)控機床。也從國內(nèi)機床廠哪里采購了大批普通數(shù)控機床，國內(nèi)機床廠商為了迎接這次大技改，也引進了不少先進技術(shù)，爭取軍工企業(yè)的高端訂單。 聽在軍工企業(yè)的朋友講，阿扁如果再能“頂”三年，我們的整體水平會上一個臺階。 其實，胡錦濤總書記掌權(quán)以來，已經(jīng)把國防事業(yè)提到了和經(jīng)濟發(fā)展一樣的高度上，他說，我們要建立和經(jīng)濟發(fā)展相適應(yīng)的國防能力，相信再過10年，隨著我國國防工業(yè)和汽車行業(yè)的發(fā)展，我們國家會誕生世界水平的機床制造商，也將會超越日本，成為世界第一機床生產(chǎn)大國。
數(shù)控技術(shù)是先進制造技術(shù)的核心，是制造業(yè)實現(xiàn)自動化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、集成化的基礎(chǔ)。數(shù)控裝備的整體水平標(biāo)志著一個國家工業(yè)現(xiàn)代化水平和綜合國力的強弱。
數(shù)控機床的發(fā)展在很大程度上取決于數(shù)控系統(tǒng)的性能和水平，而數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展及其技術(shù)基礎(chǔ)離不開微電子技術(shù)和計算機技術(shù)。隨著計算機及其軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺趨于一致化，而控制系統(tǒng)軟件的競爭日益加劇。我國的數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過“六五”期間的引進，“七五”期間的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)，“八五”期間的數(shù)控應(yīng)用技術(shù)研究以及“九五”期間的主數(shù)控系統(tǒng)軟件開發(fā)應(yīng)用，已逐步形成了以航天數(shù)控、藍天數(shù)控、華中數(shù)控和中華數(shù)控為主的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。
近年來，我國數(shù)控機床的產(chǎn)量持續(xù)增長，數(shù)控化率也顯著提高。另一方面我國數(shù)控產(chǎn)品的技術(shù)水平和質(zhì)量也不斷提高。目前我國一部分普及型數(shù)控機床的生產(chǎn)已經(jīng)形成一定規(guī)模，產(chǎn)品技術(shù)性能指標(biāo)較為成熟，價格合理，在國際市場上具有一定的競爭力。我國數(shù)控機床行業(yè)所掌握的五軸聯(lián)動數(shù)控技術(shù)較成熟，并已有成熟商品走向市場。
我國在數(shù)控機床高端產(chǎn)品的生產(chǎn)上取得了一定的突破。目前我國已經(jīng)可以供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化、集成化、柔性化的數(shù)控機床。同時，我國也已進入世界高速數(shù)控機床生產(chǎn)國和高精度精密數(shù)控機床生產(chǎn)國的行列。目前我國已經(jīng)研制成功一批主軸轉(zhuǎn)速在8000~10000轉(zhuǎn)/分以上的數(shù)控機床。
我國數(shù)控機床行業(yè)近年來大力推廣應(yīng)用CAD等信息技術(shù)，很多企業(yè)已開始和計劃實施應(yīng)用ERP、MRPⅡ和電子商務(wù)。如，濟南第二機床集團有限公司的CAD普及率達100%，是國家級“CAD示范企業(yè)”，企業(yè)的MRPⅡ系統(tǒng)應(yīng)用也非常成功，現(xiàn)代化管理水平較高。
但是和發(fā)達國家相比，我國數(shù)控機床行業(yè)在信息化技術(shù)應(yīng)用上仍然存在很多不足。
一、信息化技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，對國外技術(shù)依存度高。我國數(shù)控機床行業(yè)總體的技術(shù)開發(fā)能力和技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，信息化技術(shù)應(yīng)用程度不高。行業(yè)現(xiàn)有的信息化技術(shù)來源主要依靠引進國外技術(shù)，對國外技術(shù)的依存度較高，對引進技術(shù)的消化仍停留在掌握已有技術(shù)和提高國產(chǎn)化率上，沒有上升到形成產(chǎn)品自主開發(fā)能力和技術(shù)創(chuàng)新能力的高度。具有高精、高速、高效、復(fù)合功能、多軸聯(lián)動等特點的高性能數(shù)控機床基本上還得依賴進口。
二、產(chǎn)品成熟度較低，可行性不高。國外數(shù)控系統(tǒng)平均無故障時間在10000小時以上，國內(nèi)自主開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)僅3000-5000小時；整機平均無故障工作時間國外達800小時以上，國內(nèi)最好只有300小時。
三、創(chuàng)新能力低，市場競爭力不強。我國生產(chǎn)數(shù)控機床的企業(yè)雖達百余家，但大多數(shù)未能形成規(guī)模生產(chǎn)，信息化技術(shù)利用不足，創(chuàng)新能力低，制造成本高，產(chǎn)品市場競爭能力不強。
隨著柔性制造系統(tǒng)的迅速發(fā)展和計算機集成系統(tǒng)的不斷成熟，對數(shù)控加工技術(shù)提出了更高要求。當(dāng)今數(shù)控機床信息化正朝著以下幾個方面發(fā)展。
高速度、高精度化。速度和精度是數(shù)控機床的兩個重要指標(biāo)，它直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。目前，我國生產(chǎn)的第六代數(shù)控機床系統(tǒng)均采用位數(shù)、頻率更高的處理器，以提高系統(tǒng)的基本運算速度，使得高速運算、模塊化及多軸成組控制系統(tǒng)成為可能。同時，新一代數(shù)控機床將采用超大規(guī)模的集成電路和多微處理器結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。
智能化。現(xiàn)代數(shù)控機床的智能化發(fā)展將通過對影響加工精度和效率的物理量進行檢測、建模、提取特征、自動感知加工系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)及外部環(huán)境，快速作出實現(xiàn)最佳目標(biāo)的智能決策，對機床的工藝參數(shù)進行實時控制，使機床的加工過程處于最佳狀態(tài)。
基于CAD和CAM的數(shù)控編程自動化。隨著計算機應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，目前CAD/CAM圖形交互式自動編程已得到較多的應(yīng)用，是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的新趨勢。它是利用CAD繪制的零件加工圖樣，經(jīng)計算機內(nèi)的刀具軌跡數(shù)據(jù)進行計算和后置處理，從而自動生成數(shù)控機床零部件加工程序，以實現(xiàn)CAD與CAM的集成。隨著CIMS技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前又出現(xiàn)了CAD/CAPP/CAM集成的全自動編程方式，其編程所需的加工工藝參數(shù)不必由人工參與，直接從系統(tǒng)內(nèi)的CAPP數(shù)據(jù)庫獲得，推動數(shù)控機床系統(tǒng)自動化的進一步發(fā)展。
發(fā)展可靠性最大化。數(shù)控機床的可靠性一直是用戶最關(guān)心的主要指標(biāo)。新一代的數(shù)控系統(tǒng)將采用更高集成度的電路芯片，利用大規(guī)?；虺笠?guī)模的專用及混合式集成電路，減少元器件的數(shù)量，從而提高可靠性。同時通過自動運行診斷、在線診斷、離線診斷等多種診斷程序，實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)硬件、軟件和各種外部設(shè)備進行故障診斷和報警。
一、是高速加工技術(shù)發(fā)展迅速
??? 高速加工技術(shù)發(fā)展迅速，在高檔數(shù)控機床中得到廣泛應(yīng)用。應(yīng)用新的機床運動學(xué)理論和先進的驅(qū)動技術(shù)，優(yōu)化機床結(jié)構(gòu)，采用當(dāng)前數(shù)控機床技術(shù)發(fā)展趨勢
高性能功能部件，移動部件輕量化，減少運動慣性。在刀具材料和結(jié)構(gòu)的支持下，從單一的刀具切削高速加工，發(fā)展到機床加工全面高速化，如數(shù)控機床主軸的轉(zhuǎn)速從每分鐘幾千轉(zhuǎn)發(fā)展到幾萬轉(zhuǎn)、幾十萬轉(zhuǎn)；快速移動速度從每分鐘十幾米發(fā)展到幾十米和超過百米；換刀時間從十幾秒下降到10秒、3秒、1秒以下，換刀速度加快了幾倍到十幾倍。應(yīng)用高速加工技術(shù)達到縮短切削時間和輔助時間，從而實現(xiàn)加工制造的高質(zhì)量和高效率。
二、是精密加工技術(shù)有所突破
??? 通過機床結(jié)構(gòu)優(yōu)化、制造和裝配的精化，數(shù)控系統(tǒng)和伺服控制的精密化，高精度功能部件的采用和溫度、振動誤差補償技術(shù)的應(yīng)用等，從而提高機床加工的幾何精度、運動精度，減少形位誤差、表面粗糙度。加工精度平均每8年提高1倍，從1950年至2000年50年內(nèi)提升100倍。目前，精密數(shù)控機床的重復(fù)定位精度可以達到1μm，進入亞微米超精加工時代。
三、是技術(shù)集成和技術(shù)復(fù)合趨勢明顯
技術(shù)集成和技術(shù)復(fù)合是數(shù)控機床技術(shù)最活躍的發(fā)展趨勢之一，如工序復(fù)合型——車、銑、鉆、鏜、磨、齒輪加工技術(shù)復(fù)合，跨加工類別技術(shù)復(fù)合——金切與激光、沖壓與激光、金屬燒結(jié)與鏡面切削復(fù)合等，目前已由機加工復(fù)合發(fā)展到非機加工復(fù)合，進而發(fā)展到零件制造和管理信息及應(yīng)用軟件的兼容，目的在于實現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的全部加工及生產(chǎn)過程集約化管理。技術(shù)集成和復(fù)合形成了新一類機床——復(fù)合加工機床，并呈現(xiàn)出復(fù)合機床多樣性的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)。
四、是數(shù)字化控制技術(shù)進入了智能化的新階段
數(shù)字化控制技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了三個階段:數(shù)字化控制技術(shù)對機床單機控制；集合生產(chǎn)管理信息形成生產(chǎn)過程自動控制；生產(chǎn)過程遠程控制，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和無人化工廠的智能化新階段。智能化指工作過程智能化，利用計算機、信息、網(wǎng)絡(luò)等智能化技術(shù)有機結(jié)合，對數(shù)控機床加工過程實行智能監(jiān)控和人工智能自動編程等。加工過程智能監(jiān)控可以實現(xiàn)工件裝卡定位自動找正，刀具直徑和長度誤差測量，加工過程刀具磨損和破損診斷、零件裝卸物流監(jiān)控，自動進行補償、調(diào)整、自動更換刀具等，智能監(jiān)控系統(tǒng)對機床的機械、電氣、液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障自動診斷、報警、故障顯示等，直至停機處理。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，遠程故障診斷專家智能系統(tǒng)開始應(yīng)用。數(shù)控系統(tǒng)具有在線技術(shù)后援和在線服務(wù)后援。人工智能自動編程系統(tǒng)能按機床加工要求對零件進行自動加工。在線服務(wù)可以根據(jù)用戶要求隨時接通INTERNET接受遠程服務(wù)。采用智能技術(shù)來實現(xiàn)與管理信息融合下的重構(gòu)優(yōu)化的智能決策、過程適應(yīng)控制、誤差補償智能控制、故障自診斷和智能維護等功能，大大提高成形和加工精度、提高制造效率。信息化技術(shù)在制造系統(tǒng)上的應(yīng)用，發(fā)展成柔性制造單元和智能網(wǎng)絡(luò)工廠，并進一步向制造系統(tǒng)可重組的方向發(fā)展。
五、是極端制造擴張新的技術(shù)領(lǐng)域
極端制造技術(shù)是指極大型、極微型、極精密型等極端條件下的制造技術(shù)。極端制造技術(shù)是數(shù)控機床技術(shù)發(fā)展的重要方向。重點研究微納機電系統(tǒng)的制造技術(shù)，超精密制造、巨型系統(tǒng)制造等相關(guān)的數(shù)控制造技術(shù)、檢測技術(shù)及相關(guān)的數(shù)控機床研制，如微型、高精度、遠程控制手術(shù)機器人的制造技術(shù)和應(yīng)用；應(yīng)用于制造大型電站設(shè)備、大型艦船和航空航天設(shè)備的重型、超重型數(shù)控機床的研制；IT產(chǎn)業(yè)等高新技術(shù)的發(fā)展需要超精細加工和微納米級加工技術(shù)，研制適應(yīng)微小尺寸的微納米級加工新一代微型數(shù)控機床和特種加工機床；極端制造領(lǐng)域的復(fù)合機床的研制等。
第二章 立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)方案的確定
2.1 對立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)簡介
主傳動系統(tǒng)是用來實現(xiàn)機床主運動的傳動系統(tǒng)，他應(yīng)具有一定的轉(zhuǎn)速和一定的變速范圍，以便采用不同材料的刀具，加工不同的材料、不同尺寸、不同要求的工作、并能方便的實現(xiàn)運動的開停、變速、換向和制動等。
數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)主要包括電動機、傳動系統(tǒng)和主軸部件，它與普通機床的主傳動系統(tǒng)相比在結(jié)構(gòu)上簡單，這是因為變速功能全部或大部分主軸電動機的無極調(diào)速來承擔(dān)，省去了復(fù)雜的齒輪變速機構(gòu)，有些只有二級或三極齒輪變速系統(tǒng)用以擴大電動機無級調(diào)速的范圍。
在主傳動系統(tǒng)方面，具有下列特點：
(1)目前數(shù)控機床的主傳動電機已不再采用普通的交流異步電機或傳統(tǒng)的直流調(diào)速電機，它們已逐步被新型的交流調(diào)速電機和直流調(diào)速電機所代替。
(2)轉(zhuǎn)速高，功率大。它能使數(shù)控機床進行大功率切削和高速切削，實現(xiàn)高效率加工。
(3)變速范圍大。數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)要求有較大的調(diào)速范圍，一般Rn＞100，以保證加工時能選用合理的切削用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。
(4)主軸速度的變換迅速可靠。數(shù)控機床的變速是按照控制指令自動進行的，因此變速機構(gòu)必須適應(yīng)自動操作的要求。由于直流和交流主軸電機的調(diào)速系統(tǒng)日趨完善，不僅能夠方便地實現(xiàn)寬范圍的無級變速，而且減少了中間傳遞環(huán)節(jié)，提高了變速控制的可靠性。
2.2 對立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)的要求
（1）主軸具有一定的轉(zhuǎn)速和足夠的轉(zhuǎn)速范圍、轉(zhuǎn)速級數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)運動的開停、變速、換向和制動，以滿足機床的運動要求。
（2）主電動機具有足夠的功率，全部機構(gòu)和元件具有是夠的強度和剛度，以滿足機床的動力要求。
（3）主傳動的有關(guān)結(jié)構(gòu)，特別是主軸組件要有足夠高的精度、抗振性，熱變形和噪聲要小，傳動效率要高，以滿足機床的工作性能要求。
（4）操縱靈活可靠，調(diào)整維修方便，潤滑密封良好，以滿足機床的使用要求。
（5）結(jié)構(gòu)簡單緊湊，工藝性好，成本低，以滿足經(jīng)濟性要求。
2.3 主傳動的類型及方案選擇
數(shù)控機床的調(diào)速是按照控制指令自動執(zhí)行的，因此變速機構(gòu)必須適應(yīng)自動操作的要求。在主傳動系統(tǒng)中，目前多采用交流主軸電動機和直流主軸電動機無級凋速系統(tǒng)。為擴大調(diào)速。
為了適應(yīng)不同的加工要求，目前主傳動系統(tǒng)主要有三種變速方式
1．具有變速齒輪的主傳動
這是大、中型數(shù)控機床采用較多的一種變速方式。通過幾對齒輪降速，增大輸出扭矩，以滿足主軸輸出扭矩特性的要求，見圖1-1所示。一部分小型數(shù)控機床也采用此種傳動方式以獲得強力切削時所需要的扭矩。
圖1.1 圖1.2 圖1.3
2．通過帶傳動的主傳動
通常選用同步齒形帶或多楔帶傳動，這種傳動方式多見于數(shù)控車床，它可避免齒輪傳動時引起的振動和噪聲，見圖1-2所示。
3．由調(diào)速電機直接驅(qū)動的主傳動
這種主傳動是由電動機直接驅(qū)動主軸，即電動機的轉(zhuǎn)子直接裝在主軸上，因而大大簡化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出扭矩小，電機發(fā)熱對主軸的精度影響較大。如圖1-3所示。
近年來，出現(xiàn)了一種新式的內(nèi)裝電動機主軸，即主軸與電動機轉(zhuǎn)子合為一體。其優(yōu)點是主軸組件結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，慣量小，可提高起動、停止的響應(yīng)特性，并利于控制振動和噪聲。缺點是電動機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量亦使主軸產(chǎn)生熱變形。因此，溫度控制和冷卻是使用內(nèi)裝電動機主軸的關(guān)鍵問題。日本研制的立式加工中心主軸組件，其內(nèi)裝電動機最高轉(zhuǎn)速可達20000r/min。
本次設(shè)計采用變速齒店主傳動系統(tǒng)。使主軸獲得較高的轉(zhuǎn)速和驕傲大的轉(zhuǎn)矩。二級以上齒輪變速系統(tǒng)雖然此種結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造和維修費用高，但和以上兩種驅(qū)動方式比，變速裝置多采用齒輪變速結(jié)構(gòu)，可以使用可調(diào)的交、直流無級變速電動機，經(jīng)齒輪變速后，實現(xiàn)分段無級變速，調(diào)速范圍增加，且能滿足各種切削運動的轉(zhuǎn)矩輸出，因此選用二級以上齒輪變速系統(tǒng)作為主傳動的變速方式。
第三章 主傳動變速系統(tǒng)主要參數(shù)計算
3.1 計算切削功率
3.1.1切削力的計算
銑削時的切削力，公式如下
（3-1）
式中——銑削時的主切削力（N）
——加工材料影響的系數(shù)
——每齒進給量（mm）
——背吃刀量（mm）
——銑削寬度
——銑刀齒數(shù)
——銑刀直徑(mm)
用直徑=50mm的四齒錐柄立銑刀，銑刀寬=40mm的剛工件，=0.05mm，=4mm，=68mm，
計算得：=132N
3.1.2切削功率的計算
切削時所消耗的功率稱為切削功率。
切削功率的公式計算：
（3-2）
式中：——切削功率（kw）
——切削力（N）
——切削速度（m/min）
根據(jù)機床設(shè)計手冊典型加工條件以及鋼材料的銑削速度范圍，取=100m/min
計算得：=2.2kw
3.1.3主軸轉(zhuǎn)速范圍的確定
主軸最高轉(zhuǎn)速為，最低轉(zhuǎn)速為
3.2 計算主傳動功率
用下列粗略估算主電動機的功率
（3-3）
式中，為銑床主傳動系統(tǒng)總機械效率，主運動為回轉(zhuǎn)運動時，；主運動為直線運動時，。
取主傳動的總效率=0.7
則初選電動機功率
取
電動機額定轉(zhuǎn)速為
；
額定最高轉(zhuǎn)速為
3.3 分級變速箱的傳動系統(tǒng)的設(shè)計及主軸電動機的功率的確定
由3.2中初選電動機功率為4kw，
計算轉(zhuǎn)速依據(jù)如下公式計算:
（3-4）
則電動機的恒功率調(diào)速范圍:
主軸恒功率調(diào)速范圍:
因此主軸要求的恒功率變速范圍遠大于電動機所能提供的恒功率圍，所以在電動機與主軸之間要串聯(lián)一個分級變速箱，來擴大電動功率變速范圍。
3.3.1 變速級數(shù)Z的確定
如取變速箱的公比
則由于無級變速時
故變速箱的變速極數(shù)
可取Z=3 （3-5）
雖然此中方法功率特性圖示連續(xù)的、無缺口(即沒有功率降低區(qū))和無重但是Z=3，變速箱機構(gòu)較復(fù)雜。
因此為簡化變速箱機構(gòu)，取Z=2。
3.3.2 電動機的功率的確定
由公式（3—5）可知，應(yīng)增大
即
所以比大很多。
此時變速箱每擋內(nèi)有部分低轉(zhuǎn)速只能恒轉(zhuǎn)矩變速，主傳動系統(tǒng)的功率特性圖中出現(xiàn)缺口區(qū)。
缺口處的功率為
低谷處功率應(yīng)保證傳遞全部功率，只有選擇額定功率較大的電機給予補償。所以選用的交流變頻電動機。
則缺口處的功率為。有很大的改善。
3.3.3 電動機參數(shù)
一、電動機性能指標(biāo)
電機采用CTB系列變頻電機,型號：CBT—43P5BXB50—4,主要技術(shù)指標(biāo)如下。
（1）電壓:三相380V/50Hz；
（2）變頻調(diào)速范圍:5～100Hz無級調(diào)速,5～50Hz恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速,50～100Hz恒功率調(diào)速,級數(shù)為4級,額定轉(zhuǎn)速1440r/min;
（3）電機應(yīng)能承受額定轉(zhuǎn)矩的60%過載,歷時1min,低速時轉(zhuǎn)矩平滑,無爬行現(xiàn)象;
能通過變頻裝置的電壓提升,保證電動機頻率在5Hz時輸出額定轉(zhuǎn)矩而不致使電機因發(fā)熱而燒毀。
（4）CTB系列變頻電機,型號：CBT—43P5BXB50—4 主要性能參數(shù)如表3.1所示：
表3.1
圖3.1為電動機外形圖
圖3.1
3.3.4 分級變速箱的傳動系統(tǒng)變速機構(gòu)的確定
本系統(tǒng)設(shè)計的傳動系統(tǒng)具有兩檔速度，低檔轉(zhuǎn)速為，高檔轉(zhuǎn)。采用二級變速傳動，傳動比為的高速傳動的低速傳動兩種變速機構(gòu)，采用撥叉變速。顯然如果要求巧內(nèi)作恒功率的不停車變速可用高檔。如果要求在內(nèi)作恒功率的不停車變速可用低檔。轉(zhuǎn)速圖和功率特性圖如圖3.2所示。
圖3.1
第四章 主軸組件設(shè)計
4.1概述
主軸部件設(shè)計是機床重要部件之一，它是機床的執(zhí)行件。它的功用是支撐并帶動工件或刀具旋轉(zhuǎn)進行切削，承受切削力和驅(qū)動力等載荷，完成表面成型運動。
4.1.1軸的分類
軸是機械傳動的一個重要零件，一般作回轉(zhuǎn)運動的零件常要裝在軸上才能實現(xiàn)其回轉(zhuǎn)運動。其承載在載荷可分為：
1.轉(zhuǎn)軸——工作時既承受彎矩又承受扭矩。
2.心軸——用于支撐轉(zhuǎn)動零件，只承受彎矩。
3.傳動軸——傳遞扭矩。
在高速傳動的軸不僅要考慮軸的材料、結(jié)構(gòu)、強度和剛度，而且要防止軸的振動（動平衡）。此外，注意軸上零件的固定，結(jié)構(gòu)工藝性，熱處理等要求。作為制造機器的機器上的軸，設(shè)計的主要原則是——剛度原則,本次設(shè)計選擇轉(zhuǎn)軸。
4.1.2主軸材料
軸的材料主要是碳鋼和合金鋼。數(shù)控主軸主要傳遞扭矩，且在高速旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生大量的熱，產(chǎn)生一定的軸伸長，其他零件的變形，從而影響加工精度和表面質(zhì)量。從多方面考慮選用40Cr為本次數(shù)控銑床主軸材料。
4.2主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計
主軸部件由主軸及其支承軸承、傳動件、密封件及定位元件等組成。
4.2.1主軸部件應(yīng)滿足的基本要求
（1）旋轉(zhuǎn)精度 主軸的旋轉(zhuǎn)精度指裝配后，在無載荷、低轉(zhuǎn)速條件下，在安裝工件或刀具的主軸部位的徑向和端面圓跳動。其主要取決于主軸、軸承、箱體孔等的制造、裝配和調(diào)整精度。
（2）剛度 主軸部件的剛度指其在外加載荷的作用下抵抗變形的能力，通常以主軸前端產(chǎn)生單位位移的彈性形變時，在位移方向上所施加的作用力來定義。如圖4-1所示。主軸部件的剛度是主軸、軸承等剛度的綜合反映。因此，主軸的尺寸和形狀、軸承的類型和數(shù)量、預(yù)緊和配置形式、傳動件布置形式、主軸部件的制造和裝配質(zhì)量都影響主軸部件的剛度。
圖4-1
（3）抗振性 主軸部件的抗振性指抵抗受迫振動和自激振動的能力。在切削過程中，主軸部件不僅受靜態(tài)力作用，同時也受沖擊力和交變力的干擾，使主軸產(chǎn)生振動。影響抗振性的主要因素是主軸部件的靜剛度、質(zhì)量分布及阻尼。其評價指標(biāo)是主軸部件的低階固有頻率與振型。
（4）溫升和熱變形 主軸部件運轉(zhuǎn)時，因相對運動產(chǎn)生的摩擦熱、切削的切削熱等使主軸部件的溫度升高，形狀尺寸和位置發(fā)生變化，造成主軸部件的熱變形。其引起軸承間隙變化，潤滑油溫度升高會使粘度降低，這些變化會影響主軸部件的工作性能，降低加工精度。
（5）精度保持性 主軸部件的精度保持性指長期保持其原始制造精度的能力。磨損是主軸部件喪失原始精度的主要原因。因此，必須提高主軸部件的耐磨性。對耐磨性影響較大的有主軸的材料、軸承的材料、熱處理方式、軸承類型及潤滑防護方式等。由于機械結(jié)構(gòu)的要求而需在軸中裝設(shè)其他零件或者減少軸的質(zhì)量具有特別重大的作用的場合,則將軸制成空心的,空心軸內(nèi)徑與外徑的比值通常為0.5-0.6為保證軸的剛度和扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。
軸的設(shè)計也和其他的零件的設(shè)計相似，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作能力的計算兩方面的內(nèi)容。
軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計是根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝性等方面的要求,合理地確定軸的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。軸的結(jié)構(gòu)不合理會影響軸的工作能力和軸上零件的工作可靠性,還會增加軸的制造成本和軸上零件裝配的困難等。因此軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計很重要。
軸的工作能力計算指的是軸的強度、剛度和振動穩(wěn)定性等方面的計算。多數(shù)情況下，軸的工作能力主要取決于軸的強度。這時只需對軸進行強度計算，以防止斷裂或塑性變形。對于機械裝備則需剛度計算，防止工作時產(chǎn)生過大的彈性變形，影響加工精度和表面質(zhì)量。對于高速運轉(zhuǎn)的軸，還應(yīng)進行振動穩(wěn)定性計算，防止發(fā)生共振而破壞。
4.2.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
軸的結(jié)構(gòu)主要取決于以下因素:
（1）軸在機器中的安裝位置及形式；
（2）軸上安裝零件的類型、尺寸、數(shù)量和軸連接的方法；
（3）載荷的性質(zhì)、大小、方向及分布情況；
（4）軸的加工工藝。
不論什么條件,軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下條件：
（1） 軸和裝在軸上的零件要有準(zhǔn)確的工作位置,周向和軸向要有準(zhǔn)確的定位；
（2） 軸上的零件應(yīng)便于裝拆和調(diào)整；
（3） 軸應(yīng)具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性和制造工藝性。
4.2.3草擬軸上零件的裝配方案
圖2.1 主軸裝配圖
預(yù)定出軸上主要零件的裝配方向、順序和關(guān)系，如下圖立式數(shù)控銑床主軸的裝配。
前軸承（前支撐）、套筒、軸承、套筒（曲路密封）與端蓋（曲路密封）齒輪（動力輸入部分）、圓螺母、軸承（后支撐）、端蓋、依次從軸的后端向前端安裝。
4.2.4軸上零件的定位
為防止軸上零件受力時發(fā)生沿軸向和周向的相對運動,軸上零件除了有游動或空轉(zhuǎn)要求外,都必須進行軸向和周向定位,以保證其準(zhǔn)確的工作位置。
1.零件的軸向固定:通常由軸肩、套筒、軸端擋圈、軸承端蓋和圓螺母來保證；
2.零件的周向固定:周向固定的目的是限制軸上零件與軸發(fā)生相對運動。常用周向定位零件有鍵、花鍵、銷、緊定螺釘以及過盈配合等,其中緊定螺釘只用在傳力不大之處。
4.2.5 各軸段直徑與的確定
由軸的結(jié)構(gòu)和拉刀方式確定出軸的最小直徑：立式數(shù)控銑床主軸必須制成空心軸，且又因為為空心軸的內(nèi)徑與外徑d 之比，為了保證軸的剛度和扭轉(zhuǎn)剛度,通常在之間,取為0.6。故d=50mm。按軸上零件的裝配方案和定位要求，從處起逐一確定各軸段的直徑。在實際的設(shè)計中，軸的直徑亦可憑設(shè)計者的經(jīng)驗確定，或參考同類機器用類比的方法確定。
有配合要求的軸段，應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)直徑。安裝標(biāo)準(zhǔn)件的部位的軸徑，應(yīng)取為相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值及所選的配合公差。且在這樣的軸段需0.5mm的碳氮共滲層。為了使帶輪、軸承等有配合要求的零件裝配拆卸方便，并減少配合面的擦傷，在配合軸段前應(yīng)采用較小的直徑，發(fā)揮軸肩的作用。
確定各軸段長度時，應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊，同時還需要保證零件所需的裝配或調(diào)整空間。軸的各段長度主要是根據(jù)各零件與軸配合部分的軸向尺寸和相鄰零件必要的空隙來確定的。為了保證軸向定位可靠與帶輪等零件相配合部分的軸段長度一般應(yīng)比輪轂長度短23mm，所以取Dmax=78mm.
（1）主軸懸伸量a與前端軸頸D1之比可按下表4.1選擇：
表4.1 主軸懸伸量與前端軸頸之比
機床和主軸的類型
a/D1
通用和精密機床，自動車床和短主軸端銑床，用滾動軸承和支架
0.5~1.5
中等長度和較長主軸端的車床和銑床，懸伸較長的精密鏜床 和內(nèi)圓磨床
1.25~2.5
孔加工機床應(yīng)用加工細長孔的機床，由加工技術(shù)決定，需要有長的懸伸刀桿或主軸可移動，因切削較長而不適用于有高精度要求的機床
>2.5
取a=65mm
（2）主軸合理跨距的選擇：
在具體設(shè)計時，常常由于結(jié)構(gòu)上的限制，實際跨距l(xiāng)≠最佳合理跨距。這樣就造成主軸組件的剛度損失。在設(shè)計中一般認為l/=時，剛度損失不大（5%左右）。應(yīng)該認為在合理范圍之內(nèi)，稱之為合理跨距，合理跨距 =（）是一個區(qū)域。
4.2.6 提高主軸強度的措施
軸和軸上零件的結(jié)構(gòu)、工藝及軸上零件的安裝布置等對軸的強度有很大的影響，所以應(yīng)在這些方面進行考慮，以利提高軸的承載的能力，減小軸的尺寸和機器的質(zhì)量，降低制造成本。
（1）合理布置軸上零件以減小軸的載荷。
為了減小軸所承受的彎矩，傳動件應(yīng)盡量靠近軸承，并盡可能不采用懸臂的支承形式，力求縮短支承跨距及懸臂長度。
通常軸是在變應(yīng)力條件下工作的，軸的截面尺寸發(fā)生突變處產(chǎn)生應(yīng)力集中，軸的疲勞破壞也常常發(fā)生在此處。軸肩要采用較大的R減小應(yīng)力集中；選擇合適的配合關(guān)系；可在輪轂或軸上開減載槽；切制螺紋處的應(yīng)力集中較大，應(yīng)避免在軸上受載較大的區(qū)段切制螺紋。
（2）改進軸的表面質(zhì)量提高軸的疲勞強度。
軸的表面愈粗糙，疲勞強度愈低。因此，應(yīng)合理減小軸的表面及圓角處的，提高軸的疲勞強度。表面強化處理的方法有：表面高頻淬火；表面滲碳、氮化；碾壓、噴丸等強化處理。
4.2.7 軸的結(jié)構(gòu)工藝性
軸的結(jié)構(gòu)工藝性指軸的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)便于加工和裝配軸上的零件，生產(chǎn)率高，成本低。一般說，軸的結(jié)構(gòu)越簡單，工藝性越好。因此，在滿足使用要求的前提下，軸的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)盡量簡單。
為了便于裝配零件并去掉毛刺，軸端應(yīng)制出45°的倒角；需要磨削加工的軸段，應(yīng)留有砂輪越程槽；需要切制螺紋的軸段，應(yīng)留有退刀槽。為了減少加工刀具種類和提高勞動生產(chǎn)率，軸上直徑相近處的圓角、倒角、鍵槽寬度、砂輪越程槽寬度和退刀槽寬度等應(yīng)盡量采用相同的尺寸。
主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計如下圖：
圖2.2 主軸結(jié)構(gòu)示意圖
4.3主軸強度的校核
常見軸材料見表4.2所示。
表4.2 常見軸材料
軸的材料
Q235-A、20
Q275、35
45
40Cr
[]
15-25
20-35
25-45
35-45
A0
149-126
135-112
126-103
112-97
4.3.1按扭轉(zhuǎn)強度進行計算
下面這種方法只是按軸所承受的扭矩來計算軸的強度；如果還承受有不大的彎矩時，則用降低許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的方法予以考慮。在作軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計時通常用這種方法初步估算軸徑。對于不大重要的軸，也可作為計算結(jié)果。軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為
（2-1）
——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位MPa
T——軸所受的扭矩，單位為Nmm
——軸的抗扭截面系數(shù)，單位為
n——軸的轉(zhuǎn)速，單位為r/min
P——軸傳遞的功率，單位為kw
d——計算截面處軸的直徑，單位為mm
——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為MPa
由上式可的直徑
（2-2）
式中:
對于空心軸
（2-3）
應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)軸截面上開有鍵槽時，應(yīng)增大軸徑以考慮鍵槽對軸的強度的削弱。對于直徑d>100mm的軸，有一個鍵槽時，軸徑應(yīng)增大7%。對于直徑d<100mm的軸，有一個鍵槽時，軸徑應(yīng)增大5%-7%有兩個鍵槽時，應(yīng)增大10%-15%。然后將軸徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑。應(yīng)當(dāng)注意，這樣求出的直徑，只能作為承受扭矩作用的軸段的最小直徑。
4.3.2 強度校核計算
軸的精確計算主要是軸的強度和剛度校核計算，且在滿足軸的強度和剛度要求，必要時還應(yīng)進行軸的振動穩(wěn)定性計算。
進行軸的強度校核計算時，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況,采取相應(yīng)的計算方法,并恰當(dāng)?shù)剡x用許用應(yīng)力。BT30銑床機械主軸既承受彎矩又承受扭矩,應(yīng)按彎扭合成強度條件進行計算,需要時還應(yīng)按疲勞強度進行精確校核計算。
1. 按扭轉(zhuǎn)強度條件進行校核計算。
（2-4）
式中：——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位MPa。
T——軸所受的扭矩，單位為Nmm。
d——計算截面處軸的直徑，單位為mm。
——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為MPa。
——軸的抗扭截面系數(shù)，單位為。
由《機械設(shè)計手冊》表8-348查得為45MPa；由《機械設(shè)計課程設(shè)計手冊》表4-1（GB1059-79）可查得；；。
將以上各值代入式（2—4）得：
=4.7MPa
2. 按彎扭合成強度計算：
過軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，軸上零件的位置，外載荷和支反力的作用位置都已確定，算出軸上載荷。
由金屬切削手冊表得：
表2.3 參數(shù)表
項目
參數(shù)
數(shù)值
出處
<<金屬切削手冊>>
D
50mm
表9-7
B
30mm
表9-4
S
0.1mm/齒
表9-11
t
8mm
t=0.02*D
Z
4
表9-7
由金屬切削機床夾具設(shè)計手冊表3-56得
查手冊表1-2逆銑時得;
, ,
所以,
求出支反力：
已知 ；
聯(lián)立解得：
剛度校核計算:
軸在載荷作用下,將產(chǎn)生彎曲或扭轉(zhuǎn)變形。若變形量超過了允許的限度,就會影響軸上零件的正常工作,甚至?xí)适C器應(yīng)有的工作性能。對于制造產(chǎn)品的銑床主軸來說剛度是關(guān)鍵。
由誤差復(fù)映原理可知,剛度較差的機床造出的產(chǎn)品,根本就談不上精度。因此,本次設(shè)計的BT40主軸必須校核剛度。
軸的彎曲剛度以撓度和偏轉(zhuǎn)角來度量的;扭轉(zhuǎn)剛度以扭轉(zhuǎn)角來度量。主要任務(wù)是:計算主軸在受載時的變形量,并控制其在允許范圍內(nèi)。剛度校核計算：
階梯軸的剛度條件：
(2-5)
T ——扭矩，單位為Nmm
G ——剪切彈性模量，單位為，對于各種鋼材，
——極慣性矩，單位為
L ——階梯軸受扭矩的長度，單位為mm
Z ——階梯軸受扭矩軸段數(shù)
、、 ——階梯軸第i段上的扭矩、長度、慣性矩
由《機械設(shè)計》查得°/m，顯然，。
故滿足剛度條件。
第五章 軸承的設(shè)計
5.1概述
由于在高速機械上使用的軸承對于轉(zhuǎn)速的要求很高，國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)軸承無法滿足本次設(shè)計要求，根據(jù)本次設(shè)計的要求選取國外生產(chǎn)的FAG型號軸承為本次設(shè)計所用軸承。
5.2軸承的類型選擇
通過本次設(shè)計的BT40銑床機械主軸的受力分析可知：軸承在工作過程中，既受徑向載荷又受軸向載荷。因此，本次設(shè)計必須選用角接觸球軸承。
由于本次設(shè)計的主軸為高速機械主軸，所以對主軸軸承要求較高，國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)軸承以無法滿足本次設(shè)計，所以選擇國外的FAG型號軸承作為本次設(shè)計所選軸承。
（1） 主軸前端支撐用角接觸球FAG軸承XCB7013C.T.P4S參數(shù)如表5.1所示。
表5.1 FAG軸承XCB7013C.T.P4S
圖5.1 FAG軸承型號1
圖5.2 FAG軸承型號1
（2）主軸后端支撐用角接觸球FAG軸承XCB7010C.T.P4S參數(shù)如表5.2所示。
表5.1 FAG軸承XCB7010 C.T.P4S
（3）花鍵軸用圓珠滾子FAG軸承FD1007T.P4S參數(shù)如表5.3所示。
表5.3 FAG軸承FD1007T.P4S
5.3 軸承游隙等級的選擇
為了提高主軸的剛度和抗振性，BT40銑床主軸采用三支承方式，且前后為主要支承，中間支撐為輔助支承。但是三支承方式對三支承孔的同軸度要求較高，制造裝配較復(fù)雜。主軸承也應(yīng)消除間隙或預(yù)緊，且輔助支承必須選用較大游隙的軸承。因此，前、后軸承選4組游隙并預(yù)緊，輔助支承選用4組游隙。
5.4 軸承的壽命計算
軸承在承受負荷旋轉(zhuǎn)時，由于套圈滾道面及滾動體滾動面不斷地受到交變負荷的作用，即使在正常的使用條件下，也會因材料疲勞使?jié)L道面及滾動面出現(xiàn)疲勞損傷。出現(xiàn)這種滾動疲勞損傷之前的總旋轉(zhuǎn)數(shù)稱做軸承的“（疲勞）壽命”。即使是結(jié)構(gòu)、尺寸、材料、加工方法等完全相同的
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