高精度車銑復(fù)合機床電主軸部件設(shè)計

高精度車銑復(fù)合機床電主軸部件設(shè)計,高精度,復(fù)合,機床,主軸,部件,設(shè)計 本科畢業(yè)論文(設(shè)計)開題報告 論 文 題 目：高精度車銑復(fù)合機床電主軸部件設(shè)計學(xué) 院： 專 業(yè) 、 班 級： 學(xué) 生 姓 名： 年 12 月 一、選題依據(jù) 1.論文（設(shè)計）題目 高精度車銑復(fù)合機床電主軸部件設(shè)計。2.研究領(lǐng)域 機床部件結(jié)構(gòu)設(shè)計 3. 論文（設(shè)計）工作的理論意義和應(yīng)用價值 車銑復(fù)合機床是在一臺機床上實現(xiàn)或盡可能完成從毛坯至成品的多種要素加工， 減少了工件的裝卸、更換和調(diào)整刀具的輔助時間以及中間過程產(chǎn)生的誤差，所以采用車銑加工技術(shù)不但可以大幅度提高生產(chǎn)效率，而且加工精度和加工表面的完整性都大大優(yōu)于傳統(tǒng)的車削加工，是一種高金屬去除率的關(guān)鍵先進制造技術(shù)，尤其適合加工加工凸輪軸、曲軸、細長軸及薄壁套等零部件的加工，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景，是機械制造領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。 作為復(fù)合機床核心零件的主軸部件尤其重要，盲目使用電主軸部件的話，在高轉(zhuǎn)速下，內(nèi)置電機的自然散熱能力差，溫度容易升高，導(dǎo)致電主軸產(chǎn)生的振動、熱量直接影響主軸的運轉(zhuǎn)，大幅降低機床對產(chǎn)品的加工精度，效率和質(zhì)量，軸承的選用和配置不當會影響主軸的剛度、轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)精度，所以機床主軸部件對機床以及機床的效率質(zhì)量都會有很大影響，需要設(shè)計有效的主軸部件結(jié)構(gòu)，保障整臺機床的加工精度和工作性能。 4. 目前研究的概況和發(fā)展趨勢 國外數(shù)控機床研制的時間比較早，1948 年，美國帕森斯設(shè)備生產(chǎn)商根據(jù)美國空軍要求，與麻省理工學(xué)院一起研制，并在 1952 年成功試制出第一臺三坐標數(shù)控機床， 在以后的 60 年里，國外各類數(shù)控機床相繼問世；我國對數(shù)控機床的研制起步較晚， 且研制速度較慢，主要集中在 20 世紀 80、90 年代，通過引進了國外先進技術(shù)，解決了數(shù)控車床研究和生產(chǎn)上的難點和重點，在經(jīng)歷改革開放后，我國數(shù)控機床通過自主研究在各個方面都有了長足的進步和發(fā)展。 伴隨著機床的出現(xiàn)，國內(nèi)外對主軸部件的研制也從未停止過，主軸部件已經(jīng)初步成型，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，機床主軸部件從機械式主軸部件發(fā)展到電主軸，而電主軸又稱為內(nèi)置式電機主軸單元（Build-in Motor spindle），就是將高速電機置于機床主軸部件內(nèi)部，通過交流變頻控制系統(tǒng)，使主軸獲得所需的工作速度和扭矩，實現(xiàn)電機、主軸的一體化功能。 隨著多功能復(fù)合數(shù)控技術(shù)的成熟，制造業(yè)對高、精、尖數(shù)控機床的需求在不斷增加，促使越來越多的數(shù)控機床生產(chǎn)企業(yè)去開發(fā)，研制符合個性化、細分化的市場需求的數(shù)控機床，由半自動化向自動化，由單一化向復(fù)合化，由低速化向高速化，由低精度向高精度等幾個方向發(fā)展，車銑復(fù)合數(shù)控機床作為典型的多功能復(fù)合化數(shù)控機床亦是在這樣的趨勢下不斷的自我更新，迅速發(fā)展，不僅規(guī)格齊全，在硬件功能上十分完善，且軟件功能也很強大。 10 雖然車銑復(fù)合加工機床已有許久的發(fā)展歷史，技術(shù)也已經(jīng)成熟而且被國內(nèi)外用戶接受和認可，不過依然有廣闊的發(fā)展前景，它的發(fā)展趨勢如下： （1） 更高的工藝范圍。 （2） 更高的效率。 （3） 大型化。 （4） 結(jié)構(gòu)模塊化和功能可快速重組。 機床性能的提高離不開主軸部件的質(zhì)量性能，電主軸為了迎合機床和產(chǎn)品質(zhì)量等的要求也需要自己的發(fā)展方向，電主軸的發(fā)展趨勢如下： （1） 繼續(xù)向高速度、高剛度方向發(fā)展。 （2） 向高速大功率、低速大轉(zhuǎn)矩方向發(fā)展。 （3） 進一步向高精度、高可靠性和延長工作壽命方向發(fā)展。 （4） 電主軸內(nèi)置電機性能和形式多樣化。 （5） 向快速啟、停方向發(fā)展。 （6） 軸承及其預(yù)載荷施加方式、潤滑方式多樣化。 （7） 刀具接口逐步趨于 HSK 刀柄技術(shù)。 （8） 向多功能、智能化方向發(fā)展。 總之，車銑復(fù)合加工技術(shù)的先進理念是提高產(chǎn)品質(zhì)量和縮短產(chǎn)品制造周期，因此這些技術(shù)應(yīng)用了廣泛的領(lǐng)域，電主軸作為相應(yīng)的重要部件，也有舉足輕重的地位，但是它們還需要更多的進步，需要更先進的，更高科技的技術(shù)和更創(chuàng)新的發(fā)展。 二、論文（設(shè)計）研究的內(nèi)容 1. 重點解決的問題 （1） 車銑復(fù)合機床主軸系統(tǒng)設(shè)計，包括西門子內(nèi)置電機、軸承、主軸尺寸其余軸上零部件，以及控制溫度的冷卻結(jié)構(gòu)。 （2） 車銑復(fù)合機床的主軸系統(tǒng)參數(shù)選擇以及計算和主軸尺寸跨度計算。 2. 擬開展研究的幾個主要方面 （1） 了解電主軸的主要結(jié)構(gòu)和工作要求，初步設(shè)想設(shè)計方案 （2） 設(shè)計電主軸部件：西門子內(nèi)置電機、軸承、軸套、端蓋等零部件，并進行電機、軸承參數(shù)選擇和計算。 （3） 根據(jù)控制溫度設(shè)計電機軸承的循環(huán)水冷氣冷結(jié)構(gòu)，計算其他零部件的尺寸，主軸的尺寸和計算主軸跨度。 （4） 電主軸系統(tǒng)的整體三維設(shè)計、整體裝配圖設(shè)計、主要零部件設(shè)計。 3. 本論文（設(shè)計）預(yù)期取得的成果 （1） 一套完整的電主軸系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)的裝配圖及零件圖 （2） 一份完整的高精度車銑復(fù)合機床電主軸系統(tǒng)設(shè)計的說明書 三、論文（設(shè)計）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計參數(shù)） （1） 查閱、整理參考文獻資料 學(xué)習(xí)掌握車銑復(fù)合機床的主要結(jié)構(gòu)和工作特點，了解電主軸系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)和工作要求，選出合適的設(shè)計方案。 （2） 機械畫圖以及選擇計算 主電機的選擇及參數(shù)計算、主軸軸承的選擇及計算、主軸各尺寸的確定及軸承跨度的計算，電主軸三維結(jié)構(gòu)裝配圖、零件圖設(shè)計畫圖 2.論文（設(shè)計）進度計劃 第 1 周 根據(jù)題目查閱車銑復(fù)合機床和電主軸的相關(guān)文獻，了解復(fù)合機床的主要結(jié)構(gòu)和工作特點。 第 2 周 了解車銑復(fù)合機床的發(fā)展概況和未來趨勢，總結(jié)解決的問題，設(shè)計的思路，預(yù)期的成果，主要的研究方法，文獻查閱綜述等內(nèi)容。 第 3 周 修改開題報告和文獻綜述，并查找并確定相關(guān)設(shè)計的外文翻譯。第 4 周 對外文進行翻譯，準備開題答辯。 第 5 周 了解電主軸系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)和功要求，提出設(shè)計方案。 第 6、7 周 對主電機進行選擇和參數(shù)計算，確定主軸軸承及其參數(shù)計算，計算確定主軸的各尺寸和軸承跨度，計算后并進行檢驗校核。 第 8、9、10 周 用各項參數(shù)設(shè)計電主軸部件的三維結(jié)構(gòu)，利用 Solids work 作圖，進行中期檢查，修改指出的錯誤和修改不足。 第 11、12 周 設(shè)計零部件中的控制溫度的結(jié)構(gòu)，內(nèi)置電機和軸承采用螺旋循環(huán)水冷方式 ，主軸箱采用螺旋循環(huán)水冷和氣冷的方式，再用 Solids work 畫出裝配圖和關(guān)鍵零部件的零件圖。 第 13 周 整理設(shè)計資料，編寫設(shè)計說明書，完善設(shè)計說明書，做好答辯的準備。第 14 周 評閱，答辯。 四、需要閱讀的參考文獻 [1]毛村.基于虛擬樣機技術(shù)的車銑復(fù)合數(shù)控機床設(shè)計[D].成都理工大學(xué),2016. 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Artificial Life and Robotics，2009.（13）：423-427. 附：文獻綜述 文獻綜述 一、車銑復(fù)合加工的發(fā)展與特點 車銑是 20 世紀 80 年代初在西方工業(yè)發(fā)達國家發(fā)展起來的一種全新的機械加工方 法，1982 年，奧地利林茨機床公司（WFL）開發(fā)出了全世界第一臺車銑加工中心，經(jīng)過將近 30 年的不斷努力，車銑已經(jīng)發(fā)展到可以實現(xiàn)多種加工。隨著 CNC、機床和刀具的發(fā)展，目前許多國內(nèi)外機床廠家都推出了車削機床和車銑加工中心。 車銑加工技術(shù)是以銑刀代替車刀，通過銑刀的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)回轉(zhuǎn)體零件切削的一種先進加工技術(shù)，按照刀具旋轉(zhuǎn)軸線與工件旋轉(zhuǎn)軸線相對位置不同，車銑加工可主要分為軸向車銑和正交車銑。車銑運動是復(fù)合運動，是利用銑刀旋轉(zhuǎn)和工件旋轉(zhuǎn)的合成運動來實現(xiàn)對工件的車削加工。車銑不是簡單的將車削和銑削兩種加工方法合并在一起，而是利用車銑合成運動來完成各類表面加工。在進行車銑切削時，工件不需要高速轉(zhuǎn)動，主運動是刀具的旋轉(zhuǎn)運動，從而不需要使工件高速旋轉(zhuǎn)就能實現(xiàn)高速切削， 有利于對大型回轉(zhuǎn)體工件進行高速切削，以及實現(xiàn)難加工材料的干式切削。 所以車銑加工是間斷切削加工，根據(jù)它的特點非常適合切削難斷屑材料。車銑加工極易實現(xiàn)高速切削加工，一般車銑加工中心的刀柄接口都是諸如：HSK、CAPTO 等高速加工刀柄，刀具高速旋轉(zhuǎn)，工件低速旋轉(zhuǎn)，因此其切削力比傳統(tǒng)切削加工要小很多。采用車銑加工技術(shù)不但可以大幅度提高生產(chǎn)效率，而且加工精度和加工表面的完整性都大大優(yōu)于傳統(tǒng)的車削加工，是一種高金屬去除率的關(guān)鍵先進制造技術(shù)，尤其適合加工凸輪軸、曲軸、細長軸及薄壁套等零部件的加工，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景，是機械制造領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。 二、電主軸的工作特點 機床主軸是機床的重要部件，傳統(tǒng)機床主軸是通過中間的傳動裝置（如皮帶、齒 輪等）帶動主軸旋轉(zhuǎn)工作。而電主軸又稱為內(nèi)置式電機主軸單元（Build-in Motor spindle），就是將高速電機置于機床主軸部件內(nèi)部，通過交流變頻控制系統(tǒng)，使主軸獲得所需的工作速度和扭矩，實現(xiàn)電機、主軸的一體化功能。電主軸及驅(qū)動系統(tǒng)是一種技術(shù)含量很高的機電一體化產(chǎn)品涉及領(lǐng)域非常廣泛，是一套相對獨立完整的功能部件，它具有以下特點： （1） 結(jié)構(gòu)緊湊，機械效率高，噪聲低，熱振動小，精度高。 （2） 運行平穩(wěn)，沒有沖擊，使主軸軸承壽命得到延長。 （3） 易于實現(xiàn)高速化，動態(tài)精度和靜態(tài)精度穩(wěn)定性更好。 （4） 可在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實現(xiàn)無級變速，以適應(yīng)各種工況和負載變化的要求。 （5） 利用電機矢量控制要求，不僅可以滿足強力切削時大扭矩的要求，還可以實現(xiàn)準確的 C 軸定位及傳動功能，適應(yīng)對 C 軸功能有較高要求的車削、鏜削等加工及其它數(shù)控機床的需求。 三、電主軸融合的技術(shù) （1） 高速軸承技術(shù)。通常采用復(fù)合陶瓷軸承，耐磨耐熱，壽命是傳統(tǒng)軸承的幾倍， 有時也采用電磁懸浮軸承或靜壓軸承，內(nèi)外圈不接觸，理論上壽命無限。 （2） 高速電機技術(shù)。電主軸是電機與主軸融合在一起的產(chǎn)物，電機的轉(zhuǎn)子即為主軸的旋轉(zhuǎn)部分，理論上可以把電主軸看作一臺高速電機，其關(guān)鍵技術(shù)是高速度下的動平衡。 （3） 潤滑。電主軸潤滑一般采用定時定量的油氣潤滑，也可以采用油脂潤滑， 但其相應(yīng)的速度要大打折扣。定時是指每隔一定的時間間隔注一次油，定量是指通過一個叫做定量閥的器件，精確的控制每次潤滑油的注油量。而油氣潤滑，通常是潤滑油在壓縮空氣的攜帶下，被吹入陶瓷軸承。這里。油量控制顯得十分重要，過少，起 不到潤滑作用，過多，又會在軸承高速旋轉(zhuǎn)時因油的阻力而發(fā)熱。 （4） 冷卻。為了盡快給高速運行的電主軸散熱，通常對電主軸的外壁通以循環(huán)冷卻劑，冷卻裝置的作用是保持冷卻劑的溫度。 （5） 內(nèi)置編碼器。為了實現(xiàn)自動換刀以及剛性攻絲，電主軸內(nèi)需要安裝一個脈沖編碼器，以實現(xiàn)準確的相位控制以及與進給的配合。 （6） 自動換刀裝置。為了適用于加工中心，電主軸配備了能進行自動換刀的裝置，包括蝶形簧、拉刀油缸等 （7） 高速刀具的裝卡方式。廣為熟悉的 BT、ISO 刀具，已被實踐證明不適合于高速加工。在此背景下出現(xiàn)了 HSK、SKI 等高速刀柄。 （8） 高頻變頻裝置。要實現(xiàn)電主軸每分鐘幾萬甚至十幾萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，必須用高頻變頻裝置來驅(qū)動電主軸的內(nèi)置高速電機，變頻器的輸出頻率甚至需要達到幾千赫茲。 四、我國電主軸設(shè)計研究現(xiàn)狀和差距 隨著高速加工技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，各個工業(yè)部門特別是宇航和航天、汽 車、模具加工等行業(yè)，對高速度、高精度數(shù)控機床的需求迅猛增長。傳統(tǒng)的滾動軸承主軸結(jié)構(gòu)難以滿足數(shù)控車床的高轉(zhuǎn)速、高精度的要求，美國、德國、日本、瑞士、意大利等工業(yè)發(fā)達國家，都在高速數(shù)控機床上廣泛采用電主軸結(jié)構(gòu)。 我國對電主軸的研究和開發(fā)工作起始比較晚，開發(fā)了一系列的磨床電主軸、鉆小孔用的高速電主軸、小型數(shù)控銑床電主軸和在“九五”期間開發(fā)的功率為 2.5～2.9KW， 扭矩為 4～86N·m 應(yīng)用與數(shù)控車床和加工中心的電主軸，但是國產(chǎn)電主軸和國外產(chǎn)品無論在性能、品種和質(zhì)量都有較大差距，所以目前國內(nèi)的高速度、高精度的數(shù)控機床和加工中心所用的電主軸主要從國外進口，主要存在的差距有以下部分： （1） 國外電主軸低速段的輸出扭矩最大可達 300N·m，而我國目前僅在100N·m以內(nèi)。 （2） 在高轉(zhuǎn)速方面，國外用于加工中心的電主軸已達 7.5×104r/min，我國則多在 1.5×104r/min 以下。 （3） 電主軸的軸承潤滑，國外普遍采用油氣潤滑，我國仍用油脂潤滑。 （4） 其他配套技術(shù)也有較大的差距，如主軸電機矢量控制、交流伺服控制技術(shù)、精確定向技術(shù)、快速啟動和停止等。 （5） 在產(chǎn)品的品質(zhì)、規(guī)格、數(shù)量和制造規(guī)模等方面，仍然處于小量研發(fā)試制階段，沒有形成系列化、專業(yè)化，遠不能滿足國內(nèi)數(shù)控機床和加工中心發(fā)展的需求。 所以我國的電主軸技術(shù)還有很大的提升空間，需要設(shè)計更好的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)高速度、高精度的高要求。 五、電主軸的發(fā)展趨勢 隨著機床技術(shù)、高速切削技術(shù)的發(fā)展實際應(yīng)用的需要，對機床電主軸的性能也 提出越來越高的要求，電主軸技術(shù)的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在幾個方面： （1） 繼續(xù)向高速度、高剛度方向發(fā)展。由于高速切削和實際應(yīng)用的需要，隨著主軸軸承機器潤滑技術(shù)、精密加工技術(shù)、精密動平衡技術(shù)、高速刀具及其接口技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控車床電主軸高速化已成為目前發(fā)展的普遍趨勢，在電主軸的系統(tǒng)剛度方面，由于軸承及其潤滑技術(shù)的發(fā)展，電主軸的系統(tǒng)剛度越來越大，滿足數(shù)控機床高速、高效和精密加工發(fā)展的需要。 （2） 向高速大功率、低速大轉(zhuǎn)矩方向發(fā)展。根據(jù)實際使用需要，多數(shù)數(shù)控機床需要同時滿足低速粗加工時的重切削、高速切削時精加工的要求，因此，機床電主軸應(yīng)該具備低速大轉(zhuǎn)矩、高速大功率的性能。 （3） 進一步向高精度、高可靠性和延長工作壽命方向發(fā)展。發(fā)展對數(shù)控機床的 精度和可靠性提出越來越高的要求，作為數(shù)控機床核心功能部件之一的電主軸，要求其本身的精度和可靠性隨之越來越高。比如主軸徑向跳動在 0.001mm 以內(nèi)，軸向定位精度在 0.0005mm 以下，同時采用特殊的精密主軸軸承、先進的潤滑方法及特殊的預(yù)負荷施加方式，電主軸的壽命相應(yīng)的得到延長，使其可靠性越來越高。 （4） 電主軸內(nèi)置電機性能和形式多樣化。為了滿足實際應(yīng)用需求，電主軸電機的性能應(yīng)該得到改善，恒功率調(diào)速范圍需要擴大。此外出現(xiàn)了永磁同步電機電主軸， 較其他同功率的異步電機相比，尺寸小，有利于提高功率密度，易于實現(xiàn)小尺寸，大功率。 （5） 向快速啟、停方向發(fā)展。為縮短輔助時間，提高效率，要求數(shù)控機床電主軸的啟、停時間越短越好，目前，國外電主軸的啟、停加速度可達到 1g 以上，全速啟、停時間在 1s 以內(nèi)。 （6） 軸承及其預(yù)載荷施加方式、潤滑方式多樣化。除常規(guī)的鋼制滾動軸承外， 近年來陶瓷球混合軸承得到廣泛應(yīng)用。潤滑方式有油脂、油霧、油氣等，尤其是油氣潤滑方法，具有適應(yīng)高速、環(huán)保節(jié)能的特點，得到廣泛的推廣和應(yīng)用；滾動軸承的預(yù)負荷施加方式除剛性預(yù)負荷、彈性預(yù)負荷之外，又發(fā)展了一種智能預(yù)負荷方式。在非接觸形式軸承支承的電主軸方面，出現(xiàn)了磁浮軸承電主軸、氣浮軸承電主軸、液浮軸承電主軸等產(chǎn)品。 （7） 刀具接口逐步趨于 HSK 刀柄技術(shù)。機床主軸高速化后，由于離心力的作用，傳統(tǒng)的刀柄結(jié)構(gòu)已不能滿足使用的需求，需要采用 HSK 等符合高速要求的刀柄接口形式。HSK 刀柄具有突出的靜態(tài)和動態(tài)聯(lián)接剛性、大的傳遞扭矩能力、高的刀具重復(fù)定位精度和聯(lián)接可靠性，適合在高精度、高速的情況下使用。 （8） 向多功能、智能化方向發(fā)展。在多功能方面，有角向停機精確定位（準停）、 C 軸傳動、換刀中空吹氣、中空通冷卻液、軸端氣體密封、低速轉(zhuǎn)矩放大、軸向定位精度補償、換刀自動動平衡技術(shù)等。在智能化方面，主要表現(xiàn)在各種安全保護和故障監(jiān)測診斷措施，如換刀連鎖保護、軸承溫度監(jiān)控、電機過載和過熱保護、松刀時軸承卸荷保護、主軸振動信號監(jiān)測和故障異常診斷、軸向位置變化自動補償、砂輪修整過程信號監(jiān)測和自動控制、刀具磨損和損壞信號監(jiān)控等。 總之，我國數(shù)控機床功能部件和技術(shù)雖然有了很大的發(fā)展，帶動了我國功能部件技術(shù)水平和產(chǎn)品檔次的提高，但遠遠不能滿足國際數(shù)控技術(shù)發(fā)展快速的需求，電主軸及其車銑復(fù)合加工技術(shù)仍存在技術(shù)水平和其他問題，要趕上國際先進水平，我們?nèi)沃氐肋h，還要不斷提高創(chuàng)新設(shè)計開發(fā)的能力。 六、本設(shè)計任務(wù)和主要內(nèi)容 高精度車銑復(fù)合機床電主軸系統(tǒng)設(shè)計，其中車銑復(fù)合電主軸部件采用西門子內(nèi)置 電機，帶 C 軸，電動機及軸承需要冷卻來控制溫度，西門子內(nèi)置電機采用螺旋式水冷以及氣冷，依靠水循環(huán)和空氣流動帶走熱量，軸承的溫度控制依靠外圍軸套的螺旋式水冷來冷卻，主軸轉(zhuǎn)速最高 3500r/min，前端規(guī)格為 A2-11，通孔要達到 e100 以上， 設(shè)計包含的運算有主電機的選擇及參數(shù)計算，主軸軸承的選擇及設(shè)計計算，主軸各尺寸的確定及軸承跨度的計算等。