高精度車銑復合機床電主軸部件設計含3張CAD圖.zip

高精度車銑復合機床電主軸部件設計含3張CAD圖.zip,高精度,復合,機床,主軸,部件,設計,CAD 一、選題依據 1.論文（設計）題目 高精度車銑復合機床電主軸部件設計。 2.研究領域 機床部件結構設計 3.論文（設計）工作的理論意義和應用價值 車銑復合機床是在一臺機床上實現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、更換和調整刀具的輔助時間以及中間過程產生的誤差，所以采用車銑加工技術不但可以大幅度提高生產效率，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鍵先進制造技術，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)展和應用前景，是機械制造領域的重要發(fā)展方向。 作為復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，在高轉速下，內置電機的自然散熱能力差，溫度容易升高，導致電主軸產生的振動、熱量直接影響主軸的運轉，大幅降低機床對產品的加工精度，效率和質量，軸承的選用和配置不當會影響主軸的剛度、轉速和回轉精度，所以機床主軸部件對機床以及機床的效率質量都會有很大影響，需要設計有效的主軸部件結構，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 國外數控機床研制的時間比較早，1948 年，美國帕森斯設備生產商根據美國空軍要求，與麻省理工學院一起研制，并在 1952 年成功試制出第一臺三坐標數控機床， 在以后的 60 年里，國外各類數控機床相繼問世；我國對數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，解決了數控車床研究和生產上的難點和重點，在經歷改革開放后，我國數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，國內外對主軸部件的研制也從未停止過，主軸部件已經初步成型，經過十幾年的發(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，實現電機、主軸的一體化功能。 隨著多功能復合數控技術的成熟，制造業(yè)對高、精、尖數控機床的需求在不斷增加，促使越來越多的數控機床生產企業(yè)去開發(fā)，研制符合個性化、細分化的市場需求的數控機床，由半自動化向自動化，由單一化向復合化，由低速化向高速化，由低精度向高精度等幾個方向發(fā)展，車銑復合數控機床作為典型的多功能復合化數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。 11 雖然車銑復合加工機床已有許久的發(fā)展歷史，技術也已經成熟而且被國內外用戶接受和認可，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）結構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量性能，電主軸為了迎合機床和產品質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。 （8） 向多功能、智能化方向發(fā)展。 總之，車銑復合加工技術的先進理念是提高產品質量和縮短產品制造周期，因此這些技術應用了廣泛的領域，電主軸作為相應的重要部件，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，更高科技的技術和更創(chuàng)新的發(fā)展。 二、論文（設計）研究的內容 1.重點解決的問題 （1）車銑復合機床主軸系統(tǒng)設計，包括西門子內置電機、軸承、主軸尺寸其余軸上零部件，以及控制溫度的冷卻結構。 （2）車銑復合機床的主軸系統(tǒng)參數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構和工作要求，初步設想設計方案 （2）設計電主軸部件：西門子內置電機、軸承、軸套、端蓋等零部件，并進行電機、軸承參數選擇和計算。 （3）根據控制溫度設計電機軸承的循環(huán)水冷氣冷結構，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)的整體三維設計、整體裝配圖設計、主要零部件設計。 3.本論文（設計）預期取得的成果 （1）一套完整的電主軸系統(tǒng)設計結構的裝配圖及零件圖 （2）一份完整的高精度車銑復合機床電主軸系統(tǒng)設計的說明書 三、論文（設計）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數） （1）查閱、整理參考文獻資料 學習掌握車銑復合機床的主要結構和工作特點，了解電主軸系統(tǒng)主要結構和工作要求，選出合適的設計方案。 （2）機械畫圖以及選擇計算 主電機的選擇及參數計算、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，電主軸三維結構裝配圖、零件圖設計畫圖 2.論文（設計）進度計劃 第 1 周 根據題目查閱車銑復合機床和電主軸的相關文獻，了解復合機床的主要結構和工作特點。 第 2 周 了解車銑復合機床的發(fā)展概況和未來趨勢，總結解決的問題，設計的思路，預期的成果，主要的研究方法，文獻查閱綜述等內容。 第 3 周 修改開題報告和文獻綜述，并查找并確定相關設計的外文翻譯。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)的主要結構和功要求，提出設計方案。 第 6、7 周 對主電機進行選擇和參數計算，確定主軸軸承及其參數計算，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 用各項參數設計電主軸部件的三維結構，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 設計零部件中的控制溫度的結構，內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 畫出裝配圖和關鍵零部件的零件圖。 第 13 周 整理設計資料，編寫設計說明書，完善設計說明書，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.基于虛擬樣機技術的車銑復合數控機床設計[D].成都理工大學,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，經過將近 30 年的不斷努力，車銑已經發(fā)展到可以實現多種加工。隨著 CNC、機床和刀具的發(fā)展，目前許多國內外機床廠家都推出了車削機床和車銑加工中心。 車銑加工技術是以銑刀代替車刀，通過銑刀的旋轉來實現回轉體零件切削的一種先進加工技術，按照刀具旋轉軸線與工件旋轉軸線相對位置不同，車銑加工可主要分為軸向車銑和正交車銑。車銑運動是復合運動，是利用銑刀旋轉和工件旋轉的合成運動來實現對工件的車削加工。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，工件不需要高速轉動，主運動是刀具的旋轉運動，從而不需要使工件高速旋轉就能實現高速切削， 有利于對大型回轉體工件進行高速切削，以及實現難加工材料的干式切削。 所以車銑加工是間斷切削加工，根據它的特點非常適合切削難斷屑材料。車銑加工極易實現高速切削加工，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，工件低速旋轉，因此其切削力比傳統(tǒng)切削加工要小很多。采用車銑加工技術不但可以大幅度提高生產效率，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鍵先進制造技術，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)展和應用前景，是機械制造領域的重要發(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）帶動主軸旋轉工作。而電主軸又稱為內置式電機主軸單元（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，實現電機、主軸的一體化功能。電主軸及驅動系統(tǒng)是一種技術含量很高的機電一體化產品涉及領域非常廣泛，是一套相對獨立完整的功能部件，它具有以下特點： （1）結構緊湊，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）可在額定轉速范圍內實現無級變速，以適應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，還可以實現準確的 C 軸定位及傳動功能，適應對 C 軸功能有較高要求的車削、鏜削等加工及其它數控機床的需求。 三、電主軸融合的技術 （1）高速軸承技術。通常采用復合陶瓷軸承，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，內外圈不接觸，理論上壽命無限。 （2）高速電機技術。電主軸是電機與主軸融合在一起的產物，電機的轉子即為主軸的旋轉部分，理論上可以把電主軸看作一臺高速電機，其關鍵技術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）內置編碼器。為了實現自動換刀以及剛性攻絲，電主軸內需要安裝一個脈沖編碼器，以實現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。在此背景下出現了 HSK、SKI 等高速刀柄。 （8）高頻變頻裝置。要實現電主軸每分鐘幾萬甚至十幾萬轉的轉速，必須用高頻變頻裝置來驅動電主軸的內置高速電機，變頻器的輸出頻率甚至需要達到幾千赫茲。 四、我國電主軸設計研究現狀和差距 隨著高速加工技術的迅猛發(fā)展和廣泛應用，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、高精度數控機床的需求迅猛增長。傳統(tǒng)的滾動軸承主軸結構難以滿足數控車床的高轉速、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，都在高速數控機床上廣泛采用電主軸結構。 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 應用與數控車床和加工中心的電主軸，但是國產電主軸和國外產品無論在性能、品種和質量都有較大差距，所以目前國內的高速度、高精度的數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。 （2）在高轉速方面，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）其他配套技術也有較大的差距，如主軸電機矢量控制、交流伺服控制技術、精確定向技術、快速啟動和停止等。 （5）在產品的品質、規(guī)格、數量和制造規(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，遠不能滿足國內數控機床和加工中心發(fā)展的需求。 所以我國的電主軸技術還有很大的提升空間，需要設計更好的結構來實現高速度、高精度的高要求。 五、電主軸的發(fā)展趨勢 隨著機床技術、高速切削技術的發(fā)展實際應用的需要，對機床電主軸的性能也 提出越來越高的要求，電主軸技術的發(fā)展趨勢主要表現在幾個方面： （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用的需要，隨著主軸軸承機器潤滑技術、精密加工技術、精密動平衡技術、高速刀具及其接口技術等相關技術的發(fā)展，數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的發(fā)展，電主軸的系統(tǒng)剛度越來越大，滿足數控機床高速、高效和精密加工發(fā)展的需要。 （2）向高速大功率、低速大轉矩方向發(fā)展。根據實際使用需要，多數數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，機床電主軸應該具備低速大轉矩、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)展對數控機床的 精度和可靠性提出越來越高的要求，作為數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，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負荷施加方式，電主軸的壽命相應的得到延長，使其可靠性越來越高。 （4）電主軸內置電機性能和形式多樣化。為了滿足實際應用需求，電主軸電機的性能應該得到改善，恒功率調速范圍需要擴大。此外出現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。 （6）軸承及其預載荷施加方式、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，具有適應高速、環(huán)保節(jié)能的特點，得到廣泛的推廣和應用；滾動軸承的預負荷施加方式除剛性預負荷、彈性預負荷之外，又發(fā)展了一種智能預負荷方式。在非接觸形式軸承支承的電主軸方面，出現了磁浮軸承電主軸、氣浮軸承電主軸、液浮軸承電主軸等產品。 （7）刀具接口逐步趨于 HSK 刀柄技術。機床主軸高速化后，由于離心力的作用， 傳統(tǒng)的刀柄結構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)聯接剛性、大的傳遞扭矩能力、高的刀具重復定位精度和聯接可靠性，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、低速轉矩放大、軸向定位精度補償、換刀自動動平衡技術等。在智能化方面，主要表現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，我國數控機床功能部件和技術雖然有了很大的發(fā)展，帶動了我國功能部件技術水平和產品檔次的提高，但遠遠不能滿足國際數控技術發(fā)展快速的需求，電主軸及其車銑復合加工技術仍存在技術水平和其他問題，要趕上國際先進水平，我們任重道遠，還要不斷提高創(chuàng)新設計開發(fā)的能力。 六、本設計任務和主要內容 高精度車銑復合機床電主軸系統(tǒng)設計，其中車銑復合電主軸部件采用西門子內置 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，主軸轉速最高 3500r/min，前端規(guī)格為 A2-11，通孔要達到 e100 以上， 設計包含的運算有主電機的選擇及參數計算，主軸軸承的選擇及設計計算，主軸各尺寸的確定及軸承跨度的計算等。