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畢 業(yè) 設 計 任 務 書 1 畢業(yè)設計的任務和要求 掌握機床主軸的基本知識 掌握機床主軸設計的技術關鍵 研究數控機床主軸單元 的關鍵技術 掌握其相關知識及選型 應用 設計方法等 完成一種數控銑床主軸單元 的設計 要求主軸工作的轉速可達 8000r min 輸出功率可達 5kW 使用 40 柄刀具 2 畢業(yè)設計的具體工作內容 1 分析題目要求 查閱相關的國內外文獻 設計資料 有關專利文獻等 在此基 礎上 了解開題報告的撰寫方法 基本要求 完成開題報告 2 學習和掌握機床主軸的有關知識 了解主軸單元 電主軸的有關知識及發(fā)展現 狀 了解數控機床 加工中心對主軸的要求 總結機床主軸的設計要點 技術 關鍵及發(fā)展方向 力爭提出主軸設計的發(fā)展方向 3 按題目要求 設計一種數控銑床的主軸單元 完成裝配圖及主要零件圖 給出 功率 強度 剛度 軸承等必要的計算 4 編寫設計說明書 5 翻譯本專業(yè)外文科技文獻一份 畢 業(yè) 設 計 任 務 書 3 對畢業(yè)設計成果的要求 1 主軸裝配圖 主要零件圖 2 主軸技術的研究及設計說明書一份 3 本專業(yè)外文科技文獻譯文一份 4 畢業(yè)設計工作進度計劃 起 迄 日 期 工 作 內 容 2016 年 02 月 29 日 03 月 21 日 03 月 22 日 04 月 30 日 05 月 01 日 05 月 20 日 05 月 21 日 05 月 31 日 06 月 01 日 06 月 05 日 分析課題要求 查閱相關文獻資料 了解機床主軸設計的 國內外現狀及發(fā)展趨勢 提出自己的設計思路 完成開題 報告 全面掌握主軸相關的基本知識 了解高速主軸的關鍵技術 了解主軸單元的設計特點 分析總結主軸技術的發(fā)展方向 設計主軸 完成裝配圖和主要零件圖 完成研究總結及設計說明書 撰寫答辯講稿 準備答辯 學生所在系審查意見 同意下發(fā)任務書 系主任 2016 年 2 月 29 日 畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告 1 結合畢業(yè)設計課題情況 根據所查閱的文獻資料 撰寫 2000 字左右 的文獻綜述 文 獻 綜 述 1 1 國內外機床主軸研究現狀 1 國內研究現狀 目前國內研究高速電主軸的科研機構有我國河南省洛陽軸承研究所 他們能自行 研究開發(fā)電主軸 其 DmN 值達到了很高的水平 廣州鉅聯高速電主軸有限公司研發(fā)的 大功率靜壓軸承電主軸曾獲得日內瓦國際專利技術博覽會金獎 廣東工業(yè)大學高速加 工和機床研究所也開發(fā)了數控銑床高速電主軸 其主要技術指標為 電主軸的額定功 率是 13 5kW 最高轉速為 180 0 0r min 在額定轉速 5 0 0r min 時產生最大輸出轉 矩為 85Nm 在我國的安陽市 有一家中外合資的電主軸生產廠家 安陽萊必泰機 械有限公司 它擁有先進的電主軸 機床主軸設計和制造技術 該公司研制生產的加 工中心電主軸 采用先進技術 配有矢量閉環(huán)控制系統 能對主軸實行恒功率調速 準停制動 功率為 3 7 2 5kW 恒功率段 15 0 0 12 0 0 0r min 采用進口高速 精密軸承 旋轉件經高精度平衡 該系列產品具有高精度 高剛度 高速度 低噪聲 低振動 低溫升等優(yōu)點 系 99 國家火炬計劃項目 2 國外研究現狀 國外高速電主軸技術由于研究較早 技術水平也處于領先地位 電主軸已越來越 多地應用到工業(yè)制造業(yè)中 著名的有瑞士的 Fisher 公司 Ibag 公司 德 國的 GMN 公 司 Hofer 公司 Siemens 公司 意大利 Faemat 公司 Gamfior 公司及美國 Ingersoll 公司 日本 Okuma 公司和 Fanuc 公司等 它們的技術水平代表了這個領域的世界先進水 平 這些公司生產的電主軸較之國內生產的有以下幾個特點 功率大 轉速高 采 用高速 高剛度軸承 國外高速精密主軸上采用高速 高剛度軸承 主要有陶瓷軸承 和液體動靜壓軸承 特殊場合采用空氣潤滑軸承和磁懸浮軸承 精密加工與精密裝 配工藝水平高 配套控制系統水平高 這些控制系統包括轉子自動平衡系統 軸承 油氣潤滑與精密控制系統 定轉子冷卻溫度精密控制系統 主軸變形溫度補償精密控 制系統等 并在此基礎之上 這些外國廠家如美國 日本 德國 意大利和瑞士等工業(yè) 發(fā)達國家已生產了多種商品化高速機床 如瑞士米克朗公司 就是世界上著名的精密 機床制造商 它生產的機床配備最高達 6 0 0 0 0r min 的高速電主軸 可以滿足不同 的切削要求 所有的電主軸均裝有恒溫冷卻水套對主軸電機和軸承進行冷卻 并通過 高壓油霧對復合陶瓷軸承進行潤滑 所有的電主軸均采用矢量控制技術 可以在低轉 速時輸出大扭矩 國產電主軸和國外產品相比較 無論是性能 品種和質量都有較大差距 國產電主 軸產品和國外的相比較 主要存在以下差距 1 國外電主軸低速段的輸出扭矩最大可 達 30 0Nm 而我國目前僅在 10 0Nm 以內 2 在高轉速方面 國外用于加工中心的 電主軸轉速已達 75 0 0 0r min 我國則多在 15 0 0 0r min 以內 3 電主軸的軸承 潤滑 國外普遍采用油氣潤滑 而我國仍用油脂潤滑 4 其他配套技術也有較大差 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 停止等 5 在產品的品種 規(guī)格 數量和制造規(guī)模等方面 國產電主軸仍然處于小量研發(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 所以目前國產的高轉速 高精度數控機床和加工中心所用的電主軸 仍然主要從國外 進口 1 2 主軸技術的發(fā)展趨勢 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 隨著主軸軸承及其潤滑技術 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 數控機床用電主軸高速化 已成為目前發(fā)展的普遍趨勢 如鉆 銑用電主軸 瑞士 IBAG 的 HF42 的轉速達到 140000r min 英國 WestWind 公司的 PCB 鉆孔機電主軸 D1733 更是達到了 250000r min 加工中心用電主軸 瑞士 FISCHER 最高轉速達到 42000r min 意大利 CAMFIOR 達到了 75000r min 在電主軸的系統剛度方面 由于軸承及其潤滑技術的發(fā) 展 電主軸的系統剛度越來越大 滿足了數控機床高速 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 根據實際使用的需要 多數數控機床需要同時能夠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 如意大利 CAMFIOR 瑞士 Step Tec 德國 GMN 等制造商生產的加工中心用電主軸 低 速段輸出轉矩到 200Nm 以上的已經不是難事 德國 CYTEC 的數控銑床和車床用電主軸 的最大扭矩更是達到了 630N m 在高速段大功率方面 一般在 l0 50kW CYTEC 電主 軸的最大輸出功率為 50kW 瑞士 Step Tec 電主軸的最大功率更是達到 65kW S1 用 于航空器制造和模具加工 更有電主軸功率達到 80kW 的報道 3 進一步向高精度 高可靠性和延長工作壽命方向發(fā)展 用戶對數控機床的精度和使用可靠性提出了越來越高的要求 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 如主軸徑向跳動在 0 001mm 以內 軸向定位精度 0 0005mm 以下 同時 由于采用了特殊的精密主軸軸承 先進的潤滑方法以及特殊的預負荷施加方式 電主軸的壽命相應得到了延長 其使用 可靠性越來越高 Step Tec 的電主軸還加裝了加速度傳感器 降低軸承振動加速度水 平 為了監(jiān)視和限制軸承上的振動 安裝了振動監(jiān)測模塊 以延長電主軸工作壽命 4 快速啟動 停止響應速度加快 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 因此需 要很高的啟動和停機加 減 速度 目前 國外機床電主軸的啟 停加速度可達到 lg 以 上 全速啟 停時間在 ls 以內 5 軸承及其預加載荷方式 潤滑方式多樣化 除了常規(guī)的鋼制滾動軸承外 近年來陶瓷球混合軸承越來越得到廣泛的應用 潤滑 方式有油脂 油霧 油氣等 尤其是油氣潤滑方法 又 Oil air 由于具有適應高速 環(huán)保節(jié)能的特點 得到越來越廣泛的推廣和應用 滾動軸承的預負荷施加方式除了剛 性預負荷 又稱定位預負荷 彈性預負荷 又稱定壓預負荷 之外 又發(fā)展了一種智能 預負荷方式 即利用液壓油缸對軸承施加預負荷 并且可以根據主軸的轉速 負載等 具體工況控制預負荷的大小 使軸承的支承性能更加優(yōu)良 在非接觸形式軸承支承的 電主軸方面 如磁浮軸承 氣浮軸承電主軸 瑞士 IBAG 等 液浮軸承電主軸 美國 Ingersoll 等 等已經有系列商品供應市場 6 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 軸向定位精密補償 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 如換刀聯鎖保護 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 如 Step Tec 電主軸安裝有診斷模塊 維修人員可通過紅外接口讀取 數據 識別過載 統計電主軸工作壽命 參考文獻 1 鄭修本 機械制造工藝學 機械工業(yè)出版社 2012 03 2 韓秋實 械制造技術基礎 北京 機械工業(yè)出版社 2010 3 谷玉芳 立式加工中心主軸箱的抗振特性研究和拓撲優(yōu)化設計 D 陜西科技大學 2012 4 秦大同 謝里陽 現代機械設計手冊 第 1 卷 化學工業(yè)出版社 2011 03 5 孫開元 駱素君 常見機構設計及應用圖例 化學工業(yè)出版社 2010 07 6 凌云 朱金生 機械設計實用機構運動仿真圖解 電子工業(yè)出版社 2014 01 7 楊雪寶 機械制造裝備與設計 西北工業(yè)大學出版社 2010 8 李國斌 機械設計基礎 機械工業(yè)出版社出版 2010 9 辛文彤 Solidworks2012 中文版從入門到精通 人民郵電出版社 2012 01 10 詹迪維 Solid Works 高級應用教程 2012 中文版 機械工業(yè)出版社 2012 03 11 呂建法 閆兵 王文芝 鏜銑床有限元建模及其瞬態(tài)動力學分析 J 機械工程師 2012 12 12 任小星 BFK150 2 鏜銑床主軸夾緊裝置的改造 J 制造技術與機床 2016 02 13 劉超峰 張功學 張淳 陳英 DVG850 高速立式加工中心主軸箱靈敏度分析 J 組合 機床與自動化加工技術 2010 10 14 張霄 機床主軸箱的固定聯接及其結構方案設計 D 大連理工大學 2015 15 張樂平 面向重載數控車床的主軸箱結構優(yōu)化 D 南京航空航天大學 2014 16 陸暢 重型數控車床主軸箱的分析及優(yōu)化 D 沈陽航空航天大學 2014 17 梁東旭 球面車磨床主軸箱及其關鍵零件的有限元分析與優(yōu)化 D 蘭州理工大學 2013 18 韓君 組合機床主軸箱智能設計系統的研究 D 河北農業(yè)大學 2012 畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告 本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段 途徑 2 1 研究或解決的問題 1 通過對自己所查找的相關資料 了解掌握銑床主軸的基本知識 2 熟悉銑床主軸單元的關鍵技術 掌握其相關知識及選型 應用 設計方法等 3 學會 CAD 設計軟件 完成相應的工程圖設計 4 編寫說明書 2 2 擬采用的設計方案 1 本次設計擬采用數控銑床的電主軸 其結構如圖所示 圖 1 數控銑床主軸結構圖 2 主軸伺服驅動器的選擇 由于本次設計要求主軸工作轉速達 8000r min 輸出 功率達 5KW 可采用深圳步科的伺服驅動器 具體的相關的技術參數如下 控制器等 級 0 75Kw 75Kw 調速范圍 0r min 15000r min 四級電機 0r min 30000r min 二級電機 本次的電機的主功率為 5Kw 轉速 8000r min 3 確定主軸的主要結構參數 確定主軸的軸徑 主軸前端懸伸量和主軸主要支承 間的跨距 4 利用 CAD 軟件繪制工程圖 2 3 擬采用的研究思路和手段 初步擬采用理論分析和結構設計相結合的研究方法 針對銑床主軸單元設計主要 采取以下方法 收集國內外相關研究資料 對其進行詳細分析并總結各自方案的優(yōu)缺點 通過 對比國內外研究情況 提出自己的看法 擁有自己的創(chuàng)新點 通過對機構進行總體分析并詳細設計 初步確定本設計的研究思路 總結自己的思路 并與指導老師 同學們進行交流 最終確保本畢業(yè)設計思路 的正確性和可行性 在做畢業(yè)設計的過程中 如果遇到疑問或問題 及時與老師溝通交流 最終完 成銑床主軸變速箱設計 撰寫畢業(yè)設計說明書 準備答辯 進度安排 2 月 29 日 3 月 3 日 查閱資料 3 月 4 日 3 月 21 日 撰寫開題報告 3 月 22 日 5 月 18 日 確定優(yōu)化方案 5 月 19 日 6 月 1 日 完成畢業(yè)論文初稿 6 月 2 日 6 月 5 日 根據指導老師意見 修改論文初稿 完成終稿 準備答辯 畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告 指導教師意見 報告表明 該同學近期查閱了大量文獻資料 特別是企業(yè)產品的技術資料 對數 控機床 電主軸等有了一些新認識 對國內外采用了什么新技術 關鍵技術等還有些 不足 但對設計任務基本明確 同意開題 指導教師 2016 年 3 月 22 日 所在學院審查意見 同意開題 負責人 2016 年 3 月 22 日