機(jī)床主軸設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)研究-數(shù)控銑床的主軸結(jié)構(gòu)【含8張cad圖紙+文檔全套資料】

喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請(qǐng)放心下載，，有疑問咨詢QQ:414951605或者1304139763 ======================== 喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請(qǐng)放心下載，，有疑問咨詢QQ:414951605或者1304139763 ======================== 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院2016屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 1 機(jī)床主軸設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)研究 摘要：隨著我們的機(jī)械加工的不斷發(fā)展，對(duì)于我們的加工零件的要求也在不斷的變化和提高，在如今的加工設(shè)備中，有用到很多的銑床設(shè)備，數(shù)控銑床就是比較新式的加工設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)我們的各種零部件進(jìn)行各個(gè)工序的銑削加工，加工的精度比較高，生產(chǎn)的效率也高，尤其是對(duì)一些形狀和結(jié)構(gòu)尺寸比較特殊的工件，能夠滿足各個(gè)部位的精準(zhǔn)加工工序，可以滿足加工企業(yè)的各種要求。 本次我們?cè)O(shè)計(jì)的是數(shù)控銑床的主軸結(jié)構(gòu)，是我們數(shù)控銑床的關(guān)鍵的零部件，也是我們加工設(shè)備的最主要核心部件，主軸的前端部分是跟我們的夾具結(jié)構(gòu)直接連接的部分，帶動(dòng)我們的被夾持的工件進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的，本次的主軸的工作時(shí)候的轉(zhuǎn)速達(dá)到8000r/min,輸出的功率達(dá)到5KW，此主軸結(jié)構(gòu)能夠使用40把不同的刀具。主軸的性能和質(zhì)量的好壞直接會(huì)對(duì)我們加工的零件產(chǎn)生影響，因此我們對(duì)于主軸的設(shè)計(jì)，必須要求能夠有好的強(qiáng)度和韌性，這樣才能保證我們的銑床設(shè)備有著比較好的加工切削性能，滿足我們對(duì)于工件的加工的需求。如今市面上的用的主軸結(jié)構(gòu)種類較多，我們對(duì)于主軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可以在現(xiàn)有的主軸的基礎(chǔ)上，更加注重去考慮工藝方面的完善，選擇一個(gè)合理又比較經(jīng)濟(jì)的傳動(dòng)的方案，并對(duì)我們選用的相關(guān)的零部件進(jìn)行計(jì)算和相應(yīng)的校核，最后畫出我們結(jié)構(gòu)的裝配圖跟零件圖。運(yùn)用我們所學(xué)的機(jī)械傳動(dòng)的知識(shí)跟基礎(chǔ)原理，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)，也能提高我們的動(dòng)手操作的能力。 關(guān)鍵詞：數(shù)控銑床；主軸；設(shè)計(jì)計(jì)算 II 1 Machine tool spindle design and related technology research Abstract:With the continuous development of our machine, for the requirements of the processing parts also in constant change and improve, in today's processing equipment, useful to a lot of milling machine, CNC milling machine is a relatively new processing equipment to achieve various processes of milling to all parts of our, relatively high precision machining, production efficiency is high, especially for some of the shape, size and structure of special workpiece, can meet the needs of the various parts of the high precision machining process, and can satisfy the requirement of processing enterprises of all. This we design is CNC milling machine spindle structure, is the key to our numerical control milling machine parts, is also our processing equipment the main core components, part of the front end of the spindle is with our fixture structure directly connected, driven by our by clamping the workpiece high-speed rotation movement, achieve the working time of the spindle 8000r / min speed and power output to 5kW, the spindle structure to 40 different tools to use. Spindle performance and quality is good or bad will directly influence to our processing of parts, so we for the design of the spindle must request to note Oh ah good strength and toughness, so as to ensure our milling equipment has a good cutting performance and satisfy our demand for machining the workpiece. Now on the market with the spindle structure of many kinds, we design for the main structure of can on the basis of existing spindle, pay more attention to to consider the improvement of process, select a reasonable and economical transmission scheme, and the checking calculation and corresponding to our selection of related parts, and finally draw the assembly drawing and parts drawing. Using the knowledge of the mechanical transmission and the basic principles, the completion of the task of graduation design, but also to improve the ability of our hands. Key words: CNC milling machine ; principal axis ; design calculation 目 錄 摘 要 Ⅰ Abstract Ⅱ 目 錄 Ⅳ 1 緒 論 1 2 數(shù)控銑床主軸的介紹 3 2.1 電主軸的工作原理 3 2.2 電主軸的特征 3 3 電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 3.1 電主軸結(jié)構(gòu)圖原理 5 3.2主軸伺服驅(qū)動(dòng)器的選擇 5 3.3 主軸的轉(zhuǎn)子和定子的設(shè)計(jì) 5 3.4 軸承的選擇 7 3.5 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8 3.5.1 熱源的主要構(gòu)成 8 3.5.2 主軸傳動(dòng)的熱平衡計(jì)算 8 4 主軸的設(shè)計(jì) 10 4.1主軸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù) 10 4.1.1 前端懸伸量 10 4.1.2主支承間的跨距 10 4.1.3構(gòu)造 10 4.1.4材料和熱處理 10 4.1.5主軸的軸徑 11 4.2 軸的強(qiáng)度校核計(jì)算 12 4.3 軸的剛度校核計(jì)算 15 5 軸承的校核 17 5.1 角接觸球軸承的校核 17 5.2 深溝球軸承的校核 18 總結(jié) 20 參考文獻(xiàn): 21 致 謝 22 V 1 緒 論 隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的大力發(fā)展，以及工業(yè)進(jìn)程的加快，尤其是機(jī)加工零件的需求量的增加，需要用到的加工設(shè)備量也就非常的大。數(shù)控加工設(shè)備的使用能夠產(chǎn)生大大的提高我們生產(chǎn)的零件的質(zhì)量和提高生產(chǎn)的效率[1][2]。在機(jī)加工的過程中，對(duì)于很多的零部件的加工，往往都是大批量進(jìn)行加工，需要的量也是非常的大，并且在加工的零件精度要求上，這幾年也是越來的越嚴(yán)格了，各種的需求在提高，對(duì)于加工的單位來說的話也是一種動(dòng)力，但是也是非常的有壓力的，要想在加工的質(zhì)量上能夠滿足顧客的需求，并能夠按時(shí)完成大批量的工件加工，在規(guī)定的時(shí)間能生產(chǎn)出預(yù)期的產(chǎn)品的數(shù)量的話，完全通過傳統(tǒng)的加工設(shè)備和人力的加工生產(chǎn)，已經(jīng)完全無法滿足現(xiàn)在的市場(chǎng)需求了，因此，很多的現(xiàn)代高精度的加工設(shè)備也就被廣泛的應(yīng)用，數(shù)控銑床就是被我們用的比較多的設(shè)備，很多的企業(yè)加工車間都能看到數(shù)控銑床的身影。 數(shù)控銑床的使用，是在近幾十年來才不斷被廣泛使用的[4]。數(shù)控銑床的使用是跟我們的計(jì)算機(jī)的應(yīng)用相連的，通過我們?cè)谟?jì)算機(jī)中輸入我們需要對(duì)零件進(jìn)行加工的步驟和工序，以及加工的尺寸的需求，在計(jì)算機(jī)中又通過數(shù)字信息的形式傳給我們的數(shù)控銑床設(shè)備，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一定的指令動(dòng)作，完成對(duì)我們工件的基本加工，這種的操作加工方式比較簡(jiǎn)單，也是高智能化的生產(chǎn)，完全通過設(shè)備的自動(dòng)走刀實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的加工，并且精度也非常的高，生產(chǎn)的效率非常高，數(shù)控銑床對(duì)于我們的操作人員的要求也不高。對(duì)于企業(yè)來說，加工的成本相對(duì)也就低了，能夠達(dá)到經(jīng)濟(jì)性的生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)[5][6]。 我們國(guó)家的數(shù)控銑床的發(fā)展技術(shù)起步比較晚一些，相對(duì)與歐美的發(fā)達(dá)國(guó)家來比的話，整整遲了十幾年年，在改革開放初期，我們的企業(yè)很少能夠自主生產(chǎn)這些機(jī)床設(shè)備的，很多的機(jī)床設(shè)備都是靠進(jìn)口來滿足企業(yè)的生產(chǎn)要求的，沒有一個(gè)自主的數(shù)控銑床的專利，數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，很多機(jī)加工的企業(yè)有通過買一些國(guó)外的二手機(jī)床來滿足加工的生產(chǎn)要求。在改革開發(fā)的帶動(dòng)下，我們國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展比較快，各行各業(yè)欣欣向榮的一副景象，在這么一個(gè)背景下，對(duì)于數(shù)控機(jī)床的需求量非常的大。企業(yè)通過進(jìn)口的話成本非常高，因此獨(dú)立自主的設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)成為一個(gè)必然的趨勢(shì)，在這么一個(gè)背景下，我們的機(jī)械設(shè)計(jì)人員，通過國(guó)外高精度的數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)知識(shí)參考下，不斷的摸索，慢慢的生產(chǎn)出自己的國(guó)產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床設(shè)備，通過近幾年的發(fā)展我們的數(shù)控銑床的技術(shù)也在不斷的完善，尤其是沿海地區(qū)，很多的機(jī)床的生產(chǎn)的企業(yè)，生產(chǎn)流程也非常的規(guī)范，很多機(jī)械設(shè)計(jì)的從業(yè)人員素質(zhì)也非常的高，一些小型的數(shù)控銑床設(shè)備也能夠?qū)崿F(xiàn)少量的出口生產(chǎn)了。我們的數(shù)控銑床統(tǒng)行業(yè)的技術(shù)發(fā)展雖然比較快，但是跟發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)比的話，在工藝和精度上還是有一定差距的。因此我們的技術(shù)設(shè)計(jì)人員要更加努力，不斷進(jìn)步[7][8]。并且，我相信，我們國(guó)家的機(jī)械設(shè)備，在未來也能跟世界上的頂尖的技術(shù)進(jìn)行接軌，在國(guó)際舞臺(tái)上面也可以大放光彩[3]。 2 數(shù)控銑床主軸的介紹 2.1 電主軸的工作原理 本次的機(jī)床主要是采用的是數(shù)控銑床上的主軸，本次采用的是數(shù)控銑床的電主軸[10]。 電主軸是我們的加工設(shè)備上面的最為重要的零件，通過主軸能夠把我們的機(jī)床跟我們的電機(jī)軸進(jìn)行連接，也就是把我們的主軸電機(jī)的定子跟轉(zhuǎn)子部分直接連接到我們的主軸的組件的里面去，并對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較準(zhǔn)確的平衡的一個(gè)矯正過程，有著非常好的回轉(zhuǎn)的精度跟穩(wěn)定的性能，可以組合成為一個(gè)高效率的高速的主軸的單元結(jié)構(gòu)，通常也被我們叫做內(nèi)裝式的電主軸。電主軸結(jié)構(gòu)不需要用到皮帶和齒輪傳動(dòng)副這些，就可以滿足機(jī)床的主軸系統(tǒng)進(jìn)行傳動(dòng)，直接通上電以后就能帶動(dòng)我們的主軸進(jìn)行高速的運(yùn)轉(zhuǎn)了[11]。 2.2 電主軸的特征 （1）高回轉(zhuǎn)精度 我們的銑削加工設(shè)備的主軸主要是我們裝夾工件的一個(gè)基準(zhǔn)，而且能夠把運(yùn)動(dòng)傳遞到工件上面去，所以我們的主軸的回轉(zhuǎn)的精度對(duì)于我們的工件加工的精度是直接相關(guān)聯(lián)的，我們?yōu)榱吮ＷC主軸在工作的時(shí)候，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候的回轉(zhuǎn)的精度，對(duì)于關(guān)鍵的零件要進(jìn)行精加工和高精度的加工工序才行，并且要選擇一些精度跟尺寸都適合我們的主軸的相應(yīng)的軸承，選擇一個(gè)比較合理的裝配的方案才行。 （2）高剛度 主軸結(jié)構(gòu)的剛度的能力，主要是體現(xiàn)在主軸單元對(duì)與外部載荷的一個(gè)抵抗的能力的大小[9]。特別是在進(jìn)行銑削工序的時(shí)候，往往切削的量都比較大，這樣的話就收到非常大的一個(gè)徑向的力的大小，我們?yōu)榱艘ＷC主軸的加工精度，防止在加工的時(shí)候震動(dòng)過大，就對(duì)我們的主軸結(jié)構(gòu)要求有很高的剛度，尤其是在徑向的剛度的能力。 （3）抗振性強(qiáng) 對(duì)于加工設(shè)備來說，震動(dòng)往往能夠影響到加工零件的精度[12]。主軸在加工工作的適合，收到很大的沖擊的作用力，以及收到交變應(yīng)力的作用，這樣往往會(huì)產(chǎn)生很大的震動(dòng)。震動(dòng)也是我們對(duì)于機(jī)床主軸的一個(gè)考評(píng)的標(biāo)準(zhǔn)[13]。因?yàn)槿绻诔龇秶恼駝?dòng)的話，往往會(huì)產(chǎn)生很大的噪音，并且會(huì)對(duì)我們的零件的加工質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響，對(duì)我們的刀具也會(huì)有影響，嚴(yán)重的時(shí)候還會(huì)出現(xiàn)打刀的情況發(fā)生。所以說，我們的電主軸的抗振性能一定要好才行。 （4）電機(jī)特性優(yōu)良 一般來說對(duì)于銑削加工設(shè)備，都要求能夠適合各種型號(hào)的零件進(jìn)行加工，加工的適應(yīng)面要廣才行，所以就對(duì)我們的主軸有著比較高的要求，我們的主軸對(duì)于加工的轉(zhuǎn)速，不僅要有比較好的低速的加工要求，還要有很好的高速的加工性能。 （5）熱特性穩(wěn)定 因?yàn)槲覀兊碾娭鬏S加工，轉(zhuǎn)速都比較大，里面的電機(jī)會(huì)產(chǎn)生很大的熱量，并且我們的主軸是在機(jī)床的主軸部件的里面，在這么熱的溫度下，很容易產(chǎn)生熱變形的情況，這些都會(huì)對(duì)我們的機(jī)床的整體的性能和加工的精確度產(chǎn)生影響的，所以就對(duì)我們的電主軸的熱穩(wěn)定性要球要高。 本次在前提掌握機(jī)床主軸的基本知識(shí)的同時(shí)；掌握機(jī)床主軸設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵；研究數(shù)控機(jī)床主軸單元的關(guān)鍵技術(shù)，并熟悉的掌握主軸的相關(guān)的學(xué)習(xí)和知識(shí)的應(yīng)用，對(duì)于零件的選型，跟具體的計(jì)算這些。完成數(shù)控銑床主軸單元的設(shè)計(jì)，本次的數(shù)控銑床的電主軸工作的轉(zhuǎn)速可達(dá)8000r/min，輸出功率可達(dá)5kW。此主軸使用40把不同的刀具。 3 電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 電主軸結(jié)構(gòu)圖原理 我們的電主軸的結(jié)構(gòu)主要是包括了主軸箱的本體跟檢測(cè)裝置以及輔助結(jié)構(gòu)這些部分，電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分采用的是一種壓配的形式，讓轉(zhuǎn)子跟主軸成為一起，并使用前后軸承進(jìn)行對(duì)主軸實(shí)現(xiàn)支撐作用。對(duì)于主軸的轉(zhuǎn)速的大小是用過主軸里面的驅(qū)動(dòng)的模塊來實(shí)現(xiàn)控制，并且通過一個(gè)冷卻的結(jié)構(gòu)來對(duì)我們的主軸單元內(nèi)的溫度進(jìn)行一定的冷卻的作用。在主軸的后面結(jié)構(gòu)我們往往都安裝松刀油缸和旋轉(zhuǎn)的接頭，主軸的前端部分的內(nèi)錐孔跟端面被我們用來安裝刀具跟我們的刀具夾爪。 3.2 主軸伺服驅(qū)動(dòng)器的選擇 伺服控制器是我們的主軸上的比較重要的零部件[14]。伺服控制器在主軸上用的比較普遍，通過伺服控制器能夠非常的準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)精確的來控制，我們這次用的伺服的控制器是深圳步科的伺服控制器，相對(duì)來說，這類的伺服控制器有著比較好的控制性能，可以控制我們的主軸實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，使用的可靠性能非常的好，并且能夠讓我們的主軸在允許的轉(zhuǎn)速的范圍之內(nèi)實(shí)現(xiàn)一定量的無極變速的要求，在變速的性能方面，非常的好用，能夠滿足我們對(duì)于不同種類的零部件加工過程當(dāng)中的各種要求?？刂破鞯木唧w的相關(guān)的技術(shù)參數(shù)和內(nèi)容如下：控制器等級(jí)：0.75Kw～75Kw，（1.5～3倍額定轉(zhuǎn)矩輸出）調(diào)速范圍：0r/min～15000r/min（四級(jí)電機(jī)）；0r/min～30000r/min（二級(jí)電機(jī)）；本次的電機(jī)的主功率為5Kw，轉(zhuǎn)速8000r/min。所以采用此種的伺服驅(qū)動(dòng)器可以滿足要求。 3.3 主軸的轉(zhuǎn)子和定子的設(shè)計(jì) 我們的電主軸的定子部分是通過有著非常高的導(dǎo)磁率的優(yōu)質(zhì)材料生產(chǎn)出來的[15]。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是我們的電機(jī)的旋轉(zhuǎn)的主要的結(jié)構(gòu)，他的主要的作用呢，是把定子的磁場(chǎng)能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，編程我們需要的機(jī)械能，并且對(duì)我們的主軸進(jìn)行帶動(dòng)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的作用，轉(zhuǎn)子的主要結(jié)構(gòu)百科了鼠籠和轉(zhuǎn)子貼心跟轉(zhuǎn)軸這結(jié)構(gòu)部分形成的。 本次我們用的電主軸的轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，他的尺寸是外徑2b＝152mm，轉(zhuǎn)子內(nèi)孔的直徑的大小2a＝97mm，轉(zhuǎn)子的軸向的長(zhǎng)度的大小是180mm，轉(zhuǎn)子配合面的有效的接觸的長(zhǎng)度的大小尺寸是B＝158mm。主軸配合面的基本的尺寸大小是：外徑2a＝47，內(nèi)孔直徑為2c＝16。電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為8000r／min，所以其最大角速度ωmax為837.3 rad／s。額定功率為5kW，額定轉(zhuǎn)矩為50Nm。 Ce===0.6759 Ci===0.5380　 電機(jī)的轉(zhuǎn)子和我們的主軸的結(jié)構(gòu)使用的材料都是鋼的材料，這種材料的相對(duì)的彈性模量E＝2.1×1011N／m2，泊凇比υ＝0.3， 主軸配合面間的摩擦系數(shù)μ＝0.09，電機(jī)轉(zhuǎn)子襯套材料的許用應(yīng)力［σ］為287N／mm2，主軸材料的許用應(yīng)力［σ］為567 N／mm2。 我們要主軸滿足高速旋轉(zhuǎn)的具體要求，電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分和我們的主軸的配合面之間的動(dòng)態(tài)的過盈分量的最小值Δdmin可由下式求得： Δdmin==0.0205　 要滿足電主軸的扭矩傳遞能力，電機(jī)轉(zhuǎn)子與主軸配合面之間的靜態(tài)過盈分量的最小值Δsmin可由下式求得： 　　 Δsmin=(+)=0.00245 根據(jù)計(jì)算以后，我們可以知道，我們的高速電主軸結(jié)構(gòu)要求的動(dòng)態(tài)的過盈量Δdmin是其要求的靜態(tài)過盈量的6倍多，所以，高速主軸的過盈量主要由通過我們的動(dòng)態(tài)過盈量來定的。高速電主軸的最小過盈 量Δmin為：Δmin＝Δdmin＋Δsmin＝0.02295?。╩m） 據(jù)此，在GD－Ⅱ型電主軸設(shè)計(jì)中，主軸與電機(jī)轉(zhuǎn)子的配合采用Φ66H6／s6的過盈配合，這種配合的實(shí)際最小過盈量為0.040mm(＞0.02295　mm)，能滿足電主軸的高速傳動(dòng)要求。其實(shí)際的最大過盈量為0.078mm，配合面實(shí)際產(chǎn)生的最大正壓力為： 　　pmax==93.6 (N/mm2) 電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)孔配合面上具有最大的切向拉應(yīng)力σθemax和最大的徑向壓應(yīng)力σremax，其值為： 　　 σθemax (r=a)=-pmax=-93.6 (N/mm2) σremax (r=a)==191.9 (N/mm2)　 主軸的σri（r）和σθi（r）均為壓應(yīng)力，其中主軸的配合面上具有最大的徑向壓應(yīng)力σrimax，在主軸內(nèi)孔壁處具有最大的切向壓應(yīng)力σθimax，其值為： 　　 σrimax (r=a)=-pmax=-93.6 (N/mm2) σθimax (r=c)==-263.4 (N/mm2) 由此可見，電主軸的危險(xiǎn)點(diǎn)在電機(jī)轉(zhuǎn)子的內(nèi)側(cè)，根據(jù)第三強(qiáng)度理論： 　　 　　　　　 σr3=σθemax-σremax=285.5 (N/mm2) 電機(jī)轉(zhuǎn)子襯套材料的許用應(yīng)力［σ］為287　N／mm，σr3＜［σ］，使用安全。 3.4 軸承的選擇 軸承的選擇對(duì)于我們的整體結(jié)構(gòu)來說是比較重要的，軸承是跟我們的軸是相連的，對(duì)于軸承進(jìn)行選擇的時(shí)候，要進(jìn)行對(duì)軸分析才是，我們的軸進(jìn)行受力分析后得知，我們的軸承收到的大概的一個(gè)載荷是在3000~4000N的范圍左右，這個(gè)載荷的大小數(shù)值，在一個(gè)中等的載荷范圍，所以我們選用的是球軸承。并且還要對(duì)軸的轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析，球軸承跟滾子軸承來說的話，球軸承有著更高的極限的轉(zhuǎn)速大小，電主軸的轉(zhuǎn)速在1000~8000r/min，所以我們優(yōu)先選擇的是球軸承。最后軸承在承受徑向載荷的時(shí)候，還有承受到一個(gè)不大的軸向的載荷大小，所以選用深溝球軸承和角接觸軸承。 故在主軸的兩端分別采用了角接觸球軸承和深溝球軸承，成對(duì)安裝角接觸球軸承（GB/T292-1994）可同時(shí)承受徑向載荷和軸向載荷。它能在較高的轉(zhuǎn)速下工作，接觸角越大，軸向承載能力越高。 深溝球軸承結(jié)構(gòu)用的比較廣泛，也是使用的最普及，最有達(dá)標(biāo)線的滾動(dòng)軸承零部件，能夠普遍的滿足高速的旋轉(zhuǎn)要求，并且使用的周期很長(zhǎng)，基本上可以說是經(jīng)久耐用了，在后期的使用過程中，不用怎么維護(hù)，并且使用的時(shí)候的摩擦因素不大，尤其是在一些對(duì)于軸向的受力載荷非常大的高速運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，就比其他的推力球軸承更好用，性能就更加好。 3.5 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 由于電主軸在加工的過程中是高速的運(yùn)轉(zhuǎn)，所以說會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，并且軸承也會(huì)因?yàn)槟Σ廉a(chǎn)生很大一部分的熱量，這些熱量的產(chǎn)生是很普遍的。尤其是在機(jī)床的內(nèi)外部分的熱量的產(chǎn)生，各個(gè)地方的熱量不同，這些都會(huì)對(duì)我們的零部件產(chǎn)生影響，尤其是對(duì)我們的加工的產(chǎn)品的質(zhì)量和精度有一定的影響，所以要對(duì)我們的電主軸的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行一定的工藝改善才行，由此來實(shí)現(xiàn)改變電主軸的溫度，盡量的減少電主軸的熱膨脹的發(fā)生，這些對(duì)于電主軸的使用時(shí)間和性能都是很關(guān)鍵的。 3.5.1 熱源的主要構(gòu)成 電動(dòng)機(jī)和軸承是主要的發(fā)熱源。具體的熱源主要可分為三部分： （1）電主軸的電機(jī)處在我們的機(jī)床主軸的內(nèi)部中，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中會(huì)生產(chǎn)很大的熱量，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度升高。 （2）電機(jī)的轉(zhuǎn)子的高速運(yùn)動(dòng)，也會(huì)帶動(dòng)我們結(jié)構(gòu)內(nèi)部的空氣產(chǎn)生一定的發(fā)熱現(xiàn)象。 （3）隨著主軸轉(zhuǎn)速的升高，主軸軸承的摩擦所產(chǎn)生的發(fā)熱量也隨之增大[5]。 3.5.2 主軸傳動(dòng)的熱平衡計(jì)算 我們的高速電主軸在運(yùn)行的過程中，由于電主軸的相對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)的速度很高，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候會(huì)生產(chǎn)很大的熱量，在電主軸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，如果我們沒辦法把這里面的那些熱量都給帶出來的話，這樣的話，內(nèi)部的溫度就會(huì)比較高，高溫就會(huì)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的潤(rùn)滑系統(tǒng)產(chǎn)生影響，如果把潤(rùn)滑油稀釋了，就會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生很大的摩擦，對(duì)我們的整體結(jié)構(gòu)的磨損會(huì)增加，對(duì)結(jié)構(gòu)的壽命都是不好的，因此呢，我們就一定要按照單位時(shí)間內(nèi)的發(fā)熱量Φ1等于同時(shí)間內(nèi)的散熱量Φ2的條件進(jìn)行熱平衡計(jì)算，以保證油溫穩(wěn)定在規(guī)定的范圍內(nèi)。 由于摩擦損耗的功率，則產(chǎn)生的熱流量為： 式中，P為主軸傳遞的功率，KW。 以自然冷卻方式，從箱體外壁散發(fā)到周圍空氣中去的熱流量Φ2（單位為W）為， 式中：——箱體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，可取=（8.15~17.45） W/ (m2 · ?C)，當(dāng)周圍空氣流通良好時(shí)，取偏大值； S——內(nèi)表面能被潤(rùn)滑油所飛濺到，而外表面又可為周圍空氣所冷卻的箱體表面面積，m2； to——油的工作溫度，一般限制在60~70 ?C，最高不應(yīng)超過80 ?C； ta——周圍空氣的溫度，常溫情況可取為20?C； 按熱平衡條件Φ1=Φ2，可求得在既定工作條件下的油溫to(單位為?C)為： 為了保持正常工作溫度所需要的散熱面積S，當(dāng)?C，而總效率，估取=0.7，P=5KW，所以 因此只要散熱面積S大于，主軸的在工作條件下的油溫to就能保證在80?C以下，冷卻系統(tǒng)的散熱面積S: 式中： r——冷卻管道的內(nèi)壁半徑 mm； R——冷卻管道的外壁半徑 mm； L——冷卻管道的長(zhǎng)度 mm； 故 mm2， 因此可以說明我們的主軸的冷卻系統(tǒng)的熱平衡是穩(wěn)定的。 4 主軸的設(shè)計(jì) 4.1 主軸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù) 對(duì)于主軸的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的話，我們主要考慮的參數(shù)有主軸前端軸懸伸出量跟我們主軸主支承間的跨距的大小，這些數(shù)值的大小，是否合理的話都會(huì)對(duì)我們的主軸的旋轉(zhuǎn)加工的精度以及主軸在工作的時(shí)候的一個(gè)剛度的定量產(chǎn)生影響的。 4.1.1 前端懸伸量 我們的主軸的端蓋的結(jié)構(gòu)形式往往決定了主軸的前端懸伸量的大小，對(duì)于前支承軸承的結(jié)構(gòu)和密封結(jié)構(gòu)的具體的外形跟尺寸的大小，由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來確定。 4.1.2 主支承間的跨距 主軸主支承間的跨距的大小是我們的主軸結(jié)構(gòu)獲得最大的靜剛度的一個(gè)比較關(guān)鍵的條件[16]。如果跨距比較小的話，對(duì)于我們主軸來說的話，彎曲變形量肯定是比較小的，但是呢，會(huì)由于支承變形產(chǎn)生的主軸前端的移動(dòng)量就變大了。如果跨距大的話，往往也會(huì)造成主軸的完全的時(shí)候的變形量比較大，也會(huì)造成主軸前端產(chǎn)生比較大的位移，我們正常情況下取L=(2~3.5)a。 4.1.3 構(gòu)造 主軸的構(gòu)造往往是要具體參考，我們對(duì)于主軸的具體要求，尤其是我們要在主軸上安裝什么樣的刀具和夾具，傳動(dòng)件是怎樣的，還有我們選用的軸承是什么類型的，以及這些零部件的數(shù)量和安裝的方式和安裝的位置這些，我們?cè)诰唧w設(shè)計(jì)的過程中，還要更多的考慮主軸的加工的性能，以及工藝方面的 要求和裝配的性能要求這些。我們這次設(shè)計(jì)的主軸使用的是空州的形式，它的前端的形式主要是根據(jù)我們使用的數(shù)控銑床單的類型來定的，后端的部分主要是根據(jù)我們要安裝的刀具來具體定的。 4.1.4 材料和熱處理 對(duì)于我們的主軸，他在加工過程中有受到很大的載荷和沖擊力，所以要求有一定的剛度才行，然而主軸的剛度的大小又跟我們的主軸的材料的彈性模量E是息息相關(guān)的。由于各種鋼材的E值相差無幾（E＝2．1×1011N／m2），故影響不大。一般情況下，主軸的材料的選擇要根據(jù)我們的主軸在使用加工過程中的對(duì)耐磨的性能要求，以及他的熱處理加工以后的變形量的數(shù)值來進(jìn)行確定的。主軸選用45號(hào)優(yōu)質(zhì)中碳鋼，與球軸承連接的部分需調(diào)質(zhì)淬火處理。 4.1.5 主軸的軸徑 由于轉(zhuǎn)子是套在主軸上的，所以主軸受到轉(zhuǎn)子的重力。轉(zhuǎn)子的外徑R=87mm，而小徑r=48mm，所以轉(zhuǎn)子的體積V= (B是轉(zhuǎn)子和主軸的有效接觸長(zhǎng)度)，V==2.1×106 mm3 =2.1×103 cm3 而轉(zhuǎn)子的材料上文有提到是鋼材，ｐ=7.89 g/cm3 所以轉(zhuǎn)子的重力： G=ｐVg=181.7 (N) 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算軸的最小直徑 這種方法是只按軸所受的扭矩來計(jì)算軸的強(qiáng)度[3]； 式中：——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力， Mpa； T——軸所受到的扭矩， N·mm； WT——軸的抗扭截面系數(shù)， mm3 n——軸的轉(zhuǎn)速， r/min； P——軸傳遞的功率， kw； d——計(jì)算截面處軸的直徑， mm； []——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力， Mpa，見表4-1 表4-1　軸常用幾種材料[]及A0值 軸的材料 Q235-A、20 Q275、35(1Cr18Ni9Ti) 45 40Cr、35SiMn 38SiMnMo、3Cr13 []/MPa 15~25 20~35 25~45 35~55 Ao 149~126 135~112 126~103 112~97 由上式可得軸的直徑： 對(duì)于空心軸，則： 式中，β=d1/d，即空心軸的內(nèi)徑d1與外徑d之比，取0.6。 所以： 　　　　　 25 mm 4.2 軸的強(qiáng)度校核計(jì)算 軸的強(qiáng)度對(duì)于我們的加工的產(chǎn)品的質(zhì)量和精度都有比較大的影響的，主軸在工作的時(shí)候，主切削力和預(yù)緊力跟轉(zhuǎn)子的重力這些都會(huì)對(duì)我們的主軸的強(qiáng)度產(chǎn)生影響的，往往會(huì)對(duì)主軸在我們的垂直的平面上出現(xiàn)一個(gè)彎曲變形的情況，并且在徑向的切削力有會(huì)讓我們的軸在水平放心有一個(gè)彎曲的變現(xiàn)作用，先求取垂直面支點(diǎn)反力和水平面支點(diǎn)反力后，計(jì)算相應(yīng)的彎矩和。在轉(zhuǎn)矩和彎矩的共同作用下，按照第三強(qiáng)度理論軸的應(yīng)力計(jì)算公式如下。 （4-1） 式中的彎曲應(yīng)力為對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力。到扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力時(shí)，??；當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力時(shí)，??；若扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為對(duì)稱循環(huán)變變應(yīng)力使，則取[3]。 對(duì)于直徑為的圓軸，彎曲應(yīng)力為： （4-2） 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為： （4-3） 將和代入式（4-1），則軸的彎扭合成強(qiáng)度條件為 （4-4） 式中：——軸的計(jì)算應(yīng)力，； ——軸所受的合成彎矩，，； ——軸所受的扭矩，； ——軸的抗彎截面系數(shù)，，。 ——許用應(yīng)力，在抵擋工作時(shí)取。 本設(shè)計(jì)中扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，所以取。整理后式（4-4）可以寫成[3]： （4-5） 因?yàn)閭鲃?dòng)對(duì)我們的主軸起到減速的效果，在我們進(jìn)行具體的加工的時(shí)候，是沒有進(jìn)行工作的。所以我們沒必要去對(duì)同步帶輪的圓周力進(jìn)行考慮，所以此時(shí)只有垂直方向上的皮帶預(yù)緊力Q。 在水平面上根據(jù)力平衡和力矩平衡可列出方程組： （4-6） 代入各已知參數(shù)列出：， 圖4-1　受力簡(jiǎn)圖 畫出水平面的彎矩圖： 圖4-2水平面彎矩圖 在垂直面上的受力分析較為復(fù)雜其受力模型如圖4.3。 圖 4-3　垂直面受力模型 在垂直面上根據(jù)力平衡和力矩平衡可列出方程組： （4-7） 帶入各已知參數(shù)列出：，。 得出力后求出彎矩圖如下： 圖4-4　垂直面彎矩圖 根據(jù)得出合成彎矩圖 圖4-5　合成彎矩圖 圖4-6扭矩圖 將各已知參數(shù)代入式（4-5），得出： ，故主軸符合強(qiáng)度要求。 4.3 軸的剛度校核計(jì)算 對(duì)于軸的剛度來說的話，我們主要的標(biāo)準(zhǔn)是通過軸的扭矩的變形來衡量的，軸的扭矩變形主要是按照每米長(zhǎng)度上的扭矩角度來表示。圓軸的扭轉(zhuǎn)角是[單位為（?）/m]，扭角的大小跟我們的軸的長(zhǎng)度的大小是密切相關(guān)的。我們要盡量的消除長(zhǎng)度的影響的話，一般來說是用的單位的長(zhǎng)度的轉(zhuǎn)角來表示扭轉(zhuǎn)變形的一個(gè)具體的程度。 在工程中常限制單位長(zhǎng)度轉(zhuǎn)角的最大值=的最大值不得超過單位長(zhǎng)度許可轉(zhuǎn)角[]。因此，扭轉(zhuǎn)的剛度條件表述為 　　　　　　 對(duì)于空心圓軸： [3] (4-16) 對(duì)于不同的機(jī)械和軸的工作條件，可從有關(guān)手冊(cè)中查到單位長(zhǎng)度許可轉(zhuǎn)角的值。 精密機(jī)械傳動(dòng)軸： =（0.25~0.50）?/m 一般傳動(dòng)軸： =（0.5~1）?/m 精度要求不高的軸： =（1~2.5）?/m 車床電主軸應(yīng)該屬于一般傳動(dòng)軸，所以選擇0.7?/m，根據(jù)式（4-16）得： 　　 =0.038 m=38 mm 由于主軸的最小直徑D=45mm，所以符合剛度要求。 5 軸承的校核 軸承是我們電主軸的比較關(guān)鍵的零部件，軸承的質(zhì)量對(duì)于我們的電主軸的性能和工作的穩(wěn)定性都有著很大的影響，我們?cè)诰C合對(duì)電主軸的使用周期進(jìn)行分析，必須對(duì)軸承進(jìn)行一定的校核才行。 滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)在我們工作的時(shí)候有可能會(huì)出現(xiàn)失效的情況，這種失效的種類也比較多，其中套圈跟滾動(dòng)軸承的表面的疲勞點(diǎn)蝕是作為我們的滾動(dòng)軸承最為普遍的一種基本的失效的種類，在實(shí)際的工作當(dāng)中，這種失效經(jīng)?？吹?，所以我們把這種失效的形式看做為我們的滾動(dòng)軸承的使用壽命的一個(gè)參考，當(dāng)我們的軸承失效了以后，在工作的高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)很強(qiáng)的震動(dòng)，以及很大的噪音跟發(fā)熱的情況。滾動(dòng)軸承的使用的壽命主要就是指的我們的軸承第一次出現(xiàn)點(diǎn)蝕之前，軸承的轉(zhuǎn)速或相應(yīng)的運(yùn)轉(zhuǎn)小時(shí)數(shù)。滾動(dòng)軸承的承載能力計(jì)算主要是指軸承的壽命計(jì)算。 5.1 角接觸球軸承的校核 軸承軸向載荷Fa1=Ff=783.32 (N)，徑向載荷Fr1=4416.3 (N)，軸承轉(zhuǎn)速1000r/min，裝軸承處的軸頸直徑可在70~80mm范圍內(nèi)選擇，由于數(shù)控銑床是屬于每日8h工作的機(jī)械（利用率高），所以選預(yù)期計(jì)算壽命L′h=25000h，見表5.1。 （1）求比值： 　　 角接觸球軸承的最小e值為0.38，故此時(shí)：< e 。 （2）初步計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷P： 　　 按照表5.3，=1.2~1.8，取=1.5。 按照表5.2，X=1，Y=0，則： N （3）根據(jù)式 （N） （4）根據(jù)軸承設(shè)計(jì)手冊(cè)選擇C=80200 N的7015C/DT軸承。 此軸承的基本額定靜載荷Co=93000 N。演算如下： =29574.9 h >25000 h 故所選軸承滿足壽命要求。 5.2 深溝球軸承的校核 軸承軸向載荷Fa2=Ff=783.32 (N)，徑向載荷Fr2=848.8 (N)，軸承轉(zhuǎn)速1000r/min，裝軸承處的軸頸直徑可在85~95mm范圍內(nèi)選擇，由于數(shù)控銑床是屬于每日8h工作的機(jī)械（利用率高），所以選預(yù)期計(jì)算壽命L′h=25000h。 (1) 求比值： 　　 深溝球軸承的最大e值為0.44，故此時(shí)：> e (2) 求比值： 　　 =1.2~1.8，取=1.5。 X=0.56，Y值需在已知型號(hào)和基本額定靜載荷Co后才能求出。故暫選一近似中間值，取Y=1.5，則： N （3）根據(jù)式 （N） （4）根據(jù)軸承設(shè)計(jì)手冊(cè)選擇C=32800N的61918-Z軸承。 此軸承的基本額定靜載荷Co=31500 N。演算如下： 求相對(duì)軸向載荷對(duì)應(yīng)的e值與Y值。相對(duì)軸向載荷為，中是0.025這一檔的，對(duì)應(yīng)的e值為0.22，Y值為2。 所以求當(dāng)量動(dòng)載荷P： N 驗(yàn)算61918-Z軸承的壽命，根據(jù)式： =20465.8h < 25000h， 即低于預(yù)期計(jì)算壽命。所以改用6018-Z軸承。 此軸承的C=58000 N，所以 =113160h >25000h 故所選軸承滿足壽命要求。 總結(jié) 本次設(shè)計(jì)的數(shù)控銑床主軸，主要是結(jié)合了目前我們國(guó)內(nèi)外的的市面上的數(shù)控銑床主軸的研究的一個(gè)現(xiàn)狀跟具體的發(fā)展趨勢(shì)，主要是說明了一種能夠被我們用在數(shù)控銑床上的關(guān)鍵部件，本次的設(shè)計(jì)方面總結(jié)：主要是對(duì)數(shù)控銑床主軸系統(tǒng)的整體的結(jié)構(gòu)的方案的確定。主要是分析了數(shù)控銑床主軸結(jié)構(gòu)的的工作速率要求，工作方式等。確定它的總體的結(jié)構(gòu)方案，并最終確定一個(gè)可行性的方案。然后是進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，并對(duì)主要的結(jié)構(gòu)的畫圖。主要是對(duì)數(shù)控銑床主軸的的整體結(jié)構(gòu)，并且運(yùn)用到了CAD二維軟件進(jìn)行裝配圖的繪制，和主要的零部件繪圖。 設(shè)計(jì)之前呢，對(duì)于這個(gè)題目才看到的時(shí)候，相對(duì)來說還是比較陌生，因?yàn)槠綍r(shí)對(duì)于這種的結(jié)構(gòu)接觸的也不是很多，平時(shí)課本上看到的也少，頂多也就知識(shí)知道一點(diǎn)皮毛而已，老師有時(shí)候在課堂上也有提到過，但是也沒怎么在意。在拿到課題的時(shí)候，我反反復(fù)復(fù)的問老師，經(jīng)過老師的耐心講解給我說結(jié)構(gòu)原理和結(jié)構(gòu)示意圖這些以后，我才有了點(diǎn)思路，并去圖書館找這方面的書籍，大量的去查詢這種結(jié)構(gòu)的資料，并到一些加工中心去實(shí)地去看，通過在現(xiàn)場(chǎng)很認(rèn)真的觀察和學(xué)習(xí)，不懂的地方大量的跟那些加工中心的師傅去學(xué)習(xí)，很詳細(xì)的跟他們交流，我才大概弄明白了這種數(shù)控銑床的工作運(yùn)行的方式，以及他的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)是怎么實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。在進(jìn)行了這些大量的前期的工作以后，我進(jìn)行了大概的總結(jié)，然后進(jìn)行方案的初步確定，并在老師的指導(dǎo)下，反復(fù)修改，并最后把整體方案給定下來。在進(jìn)入設(shè)計(jì)計(jì)算的過程中，我參考了很多機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)和機(jī)械原理相關(guān)的書本，把這些計(jì)算的參數(shù)都進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化的選擇，在計(jì)算的過程中也發(fā)現(xiàn)了不少問題，尤其是工藝方面的考慮，我還是做的不夠全面，在老師的指導(dǎo)下都把問題都完美的解決了，最后就是進(jìn)行具體的CAD繪圖了。在畫圖的過程中，使我對(duì)軟件的應(yīng)用提升了一個(gè)層次，以前對(duì)于CAD的應(yīng)用很不好，只會(huì)大概話一些比較簡(jiǎn)單的規(guī)則的圖形，對(duì)于一些裝配圖就比較吃力，在這段時(shí)間的畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，我已經(jīng)能比較熟練的畫圖了。這些技能都是在這段時(shí)間給練出來的，這些對(duì)于我以后的工作幫助是非常大的。 參 考 文 獻(xiàn) ［1］王曉莉，機(jī)械制圖 北京，科學(xué)出版社 2006 ［2］邱士安，機(jī)電一體化技術(shù) 西安，西安電子科技大學(xué)出版社 2004.8 ［3］李華，機(jī)械制造技術(shù) 北京，高等教育出版社 2009.2 ［4］倪兆榮，張?；I，機(jī)械工程材料 北京，科學(xué)出版社 2007 ［5］唐劍兵，機(jī)械基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 重慶，重慶大學(xué)出版社 2006.2 ［6］鄭向華，唐劍兵，機(jī)械基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)重慶，重慶大學(xué)出版社 2008.10 ［7］楊好學(xué)，互換性與技術(shù)測(cè)量 西安，西安電子科技大學(xué)出版社 2006.2 ［8］王淑英，電氣控制與PLC應(yīng)用 北京，機(jī)械工業(yè)出版社 2009.1 ［9］張繼和等，電機(jī)控制與供電基礎(chǔ) 成都，西南交通大學(xué)出版社 2000.8 [10] 王明順，關(guān)守平，陳述平，李 丹.《一種分類機(jī)械手的研制與開發(fā)》 東北大學(xué)學(xué)報(bào) 第27卷 第9期. [11] 孟憲源。《現(xiàn)代機(jī)構(gòu)手冊(cè)（選例。構(gòu)型。設(shè)計(jì)）》北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1994. [12] 聞邦椿。《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)2,3》第5版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010. [13] 濮良貴，紀(jì)名剛.《機(jī)械設(shè)計(jì)》第8版.北京:高等教育出版社，2006. [14] 吳宗澤.《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003. [15] 于傳浩，章滌峰．一種氣動(dòng)機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]．液壓氣動(dòng)與密封， 2003(5)：22. [16] 耿躍峰，夏政偉．四自由度搬運(yùn)機(jī)械手液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．液壓與氣動(dòng)，2012(2)：42—44． 21 致 謝 1