立式加工中心主軸部件設(shè)計(jì).

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1、河南機(jī)電高等專科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 引言 裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度 ， 數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)（如：信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，生物技 術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，航空、航天等國防工業(yè)產(chǎn)業(yè)）的使能技術(shù)和最基本的裝備。制造技術(shù) 和裝備是人類生產(chǎn)活動(dòng)的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控技術(shù)則是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和 裝備最核心的技術(shù)。當(dāng)今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水 平，提高對動(dòng)態(tài)多變市場的適應(yīng)能力和競爭能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國家還將 數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技 術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，而且在“高精尖”數(shù)控

2、關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對我國實(shí)行封鎖和限制政 J策o 數(shù)控機(jī)床技術(shù)的發(fā)展自1953年美國研制出第一臺三坐標(biāo)方式升降臺數(shù)控銑床 算起，至今已有很多年歷史了。 20世紀(jì)90年開始，計(jì)算機(jī)技術(shù)及相關(guān)的微電子基礎(chǔ) 工業(yè)的高速發(fā)展，給數(shù)控機(jī)床的發(fā)展提供了一個(gè)良好的平臺，使數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)得到 了高速的發(fā)展。我國數(shù)控技術(shù)研究從 1958年起步，國產(chǎn)的第一臺數(shù)控機(jī)床是北京第 一機(jī)床廠生產(chǎn)的三坐標(biāo)數(shù)控銑床。雖然從時(shí)間上看只比國外晚了幾年，但由于種種 原因，數(shù)控機(jī)床技術(shù)在我國的發(fā)展卻一直落后于國際水平，到 1980年我國的數(shù)控機(jī) 床產(chǎn)量還不到700臺。到90年代，我國的數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展才得到了一個(gè)較大的提 速。目

3、前，與國外先進(jìn)水平相比仍存在著較大的差距。 總之，大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達(dá)國家加速 經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。 -1 - 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 1緒論 1.1加工中心的發(fā)展?fàn)顩r 1.1.1加工中心的國內(nèi)外發(fā)展 對于高速加工中心，國外機(jī)床在進(jìn)給驅(qū)動(dòng)上，滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的加工中心快速進(jìn) 給大多在40m/min以上，最高已達(dá)到90m/min。采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的加工中心已實(shí)用 化，進(jìn)給速度可提高到80?100m/min,其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。國外高速加工中心主 軸轉(zhuǎn)速一般都在12000?25000r/min ,由于某些機(jī)床采

4、用磁浮軸承和空氣靜壓軸承， 預(yù)計(jì)轉(zhuǎn)速上限可提高到100000r/min。國外先進(jìn)的加工中心的刀具交換時(shí)間，目前 普遍已在1s左右，高的已達(dá)0.5s，甚至更快。在結(jié)構(gòu)上，國外的加工中心都采用了 適應(yīng)于高速加工要求的獨(dú)特箱中箱結(jié)構(gòu)或龍門式結(jié)構(gòu)。在加工精度上，國外臥式加 工中心都裝有機(jī)床精度溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，加工精度比較穩(wěn)定。國外加工中心定位精度 基本上按德國標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收，行程1000mr以下，定位精度可控制在0.006?0.01mm之內(nèi)。 此外，為適應(yīng)未來加工精度提高的要求，國外不少公司還都開發(fā)了坐標(biāo)鏜精度級的 加工中心。 相對而言，國內(nèi)生產(chǎn)的高速加工中心快速進(jìn)給大多在 30m/min左右，個(gè)別達(dá)到

5、60m/mi n。而直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的加工中心僅試制出樣品，還未進(jìn)入產(chǎn)量化，應(yīng)用范圍 不廣。國內(nèi)高速加工中心主軸轉(zhuǎn)速一般在 6000?18000r/min，定位精度控制在 0.008?0.015mm之內(nèi)，重復(fù)定位精度控制在 0.005?0.01mm之內(nèi)。在換刀速度方面， 國內(nèi)機(jī)床多在4?5s，無法與國際水平相比。 雖然國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在近幾年中取得了可喜的進(jìn)步，但與國外同類產(chǎn)品相比，仍 存在著不少差距，造成國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的市場占有率逐年下降。 國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床與國外產(chǎn)品相比，差距主要在機(jī)床的高速、高效和精密上。除此 之外，在機(jī)床可靠性上也存在著明顯差距，國外機(jī)床的平均無故障時(shí)間（ MTBF都 在50

6、00小時(shí)以上，而國產(chǎn)機(jī)床大大低于這個(gè)數(shù)字，國產(chǎn)機(jī)床故障率較高是用戶反映 最強(qiáng)烈的問題之一。 1.1.2 立式加工中心的研究進(jìn)展 圖1-1立式加工中心結(jié)構(gòu)圖 1-切削箱2-X軸伺服電機(jī) 3-Z軸伺服電機(jī) 4-主軸電機(jī) 5-主軸箱6-刀庫7-數(shù)控柜8-操縱面板 9-驅(qū)動(dòng)電柜 10-工作臺11-滑座12-立柱 13-床身14-冷卻水箱15-間歇潤滑油箱 16-機(jī)械手 典型加工中心的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要有基礎(chǔ)支承件、加工中心主軸系統(tǒng)、進(jìn)給傳動(dòng)系 統(tǒng)、工作臺交換系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)工作臺、刀庫及自動(dòng)換刀裝置以及其他機(jī)械功能部件組 成。圖1-1所示為立式加工中心結(jié)構(gòu)圖。 1.2課題的目的及內(nèi)容 力

7、卩工中心是典型的集高新技術(shù)于一體的機(jī)械加工設(shè)備，它的發(fā)展代表了一個(gè)國 家設(shè)計(jì)、制造的水平，因此在國內(nèi)外企業(yè)界都受到高度重視。 畢業(yè)設(shè)計(jì)的基本數(shù)據(jù)： 1、 工作臺尺寸：600mm< 400mm最大承載：600kg 2、 主軸功率： 3.5 - 5KW；主軸轉(zhuǎn)速： 20 - 3000rpm 3、 進(jìn)給速度：X、丫向 1 - 10000mm/min ； Z向 1 - 5000mm/min 4、 行程：X、丫向、Z向：600mn< 400mn< 400mm 5、 定位精度：土 0.025mm 重復(fù)精度：土 0.01mm &圓盤式刀庫：10個(gè)刀位，換刀時(shí)間為6秒 1.3課題擬解決的關(guān)鍵問

8、題 各類機(jī)床對其主軸組件和進(jìn)給組件的要求，主要是精度問題，就是要保證機(jī)床 在一定的載荷與轉(zhuǎn)速下，組件能帶動(dòng)工件或刀具精確地、穩(wěn)定地繞其軸心旋轉(zhuǎn)，并 長期地保持這一性能。主軸組件和進(jìn)給組件的設(shè)計(jì)和制造，都是圍繞著解決這個(gè)基 本問題出發(fā)的。為了達(dá)到相應(yīng)的精度要求，通常，主軸組件和進(jìn)給組件應(yīng)符合以下 幾點(diǎn)設(shè)計(jì)要求： 1、 旋轉(zhuǎn)精度高，保證加工零件的幾何精度和表面粗糙度。 2、 在允許的條件下，盡量提高剛度值。使主軸組件和進(jìn)給組件在外力的作用 下，仍能保持一定工作精度的能力。 3、 提高抗振性，保證切削過程中的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。 4、 控制溫升，避免熱變形，防止溫度過高會改變軸承等元件的間隙、破壞潤

9、 滑條件，加速磨損，影響加工精度。 5、 保證耐磨性，以保持其原始精度的能力。 -4 - 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2加工中心機(jī)械系統(tǒng)方案擬定 2.1加工中心主軸組件的組成 主軸組件是由主軸、主軸支承、裝在主軸上的傳動(dòng)件和密封件等組成的。主軸 的啟動(dòng)、停止和變速等均由數(shù)控系統(tǒng)控制， 并通過裝在主軸上的刀具參與切削運(yùn)動(dòng)， 是切削加工的功率輸出部件。主軸是加工中心的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)的好壞對加工中 心的性能有很大的影響，它決定著加工中心的切削性能、動(dòng)態(tài)剛度、加工精度等。 主軸內(nèi)部刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)是自動(dòng)刀具交換裝置的組成部分。 2.2機(jī)械系統(tǒng)方案的確定 2.2.1 主

10、軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 對于現(xiàn)在的機(jī)床主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來說，主要分為齒輪傳動(dòng)和同步帶傳動(dòng)。 齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中最重要的傳動(dòng)之一，應(yīng)用普遍，類型較多，適應(yīng)性廣。 其傳遞的功率可達(dá)近十萬千瓦，圓周速度可達(dá) 200m/s，效率可達(dá)0.99。齒輪傳動(dòng)大 多數(shù)為傳動(dòng)比固定的傳動(dòng)，少數(shù)為有級變速傳動(dòng)。但是齒輪傳動(dòng)的制造及安裝精度 要求高，價(jià)格較貴，且不宜用于傳動(dòng)距離過大的場合。 同步帶是嚙合傳動(dòng)中唯一一種不需要潤滑的傳動(dòng)方式。在嚙合傳動(dòng)中，它的結(jié) 構(gòu)最簡單，制造最容易，最經(jīng)濟(jì)，彈性緩沖的能力最強(qiáng)，重量輕，兩軸可以任意布 置，噪聲低。它的帶由專業(yè)廠商生產(chǎn)，帶輪自行設(shè)計(jì)制造，它在遠(yuǎn)距離、多軸傳動(dòng) 時(shí)比較經(jīng)濟(jì)。同步帶

11、傳動(dòng)時(shí)的線速度可達(dá) 50m/s （有時(shí)允許達(dá)100m/s），傳動(dòng)功率可 達(dá)300kw,傳動(dòng)比可達(dá)10 （有時(shí)允許達(dá)20），傳動(dòng)效率可達(dá)0.98。 同步帶傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是： 無滑動(dòng)，能保證固定的傳動(dòng)比； 預(yù)緊力較小，軸和軸承上所受的載荷小； 帶的厚度小，單位長度的質(zhì)量小，故允許的線速度較高； 帶的柔性好，故所用帶輪的直徑可以較小。 其主要缺點(diǎn)是安裝時(shí)中心距的要求嚴(yán)格。 由于齒輪傳動(dòng)需要具備較多的潤滑條件，而且為了使主軸能夠達(dá)到一定的旋轉(zhuǎn) 精度，必須選擇較好的工作環(huán)境，以防止外界雜物侵入。而同步帶傳動(dòng)則避免了這 些狀況，并且傳動(dòng)效率和傳動(dòng)比等都能符合課題的要求，故在本課題的主軸傳動(dòng)方

12、式中選擇同步帶傳動(dòng)。 2.3加工中心主軸組件總體設(shè)計(jì)方案的確定 綜合2.1，2.2節(jié)中的方案，本課題的總體設(shè)計(jì)方案現(xiàn)確定如下： 由于同步帶無滑動(dòng)，能保證固定的傳動(dòng)比，且傳動(dòng)效率高，允許的線速度較高, 無需安置在很良好的工作環(huán)境中，所以在主軸傳動(dòng)方式中選擇同步帶傳動(dòng)。但是需 要注意的是同步帶的安裝具有嚴(yán)格的要求。 在主軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中，采用滾珠絲杠。其耐磨性好、磨損小，低速運(yùn)行時(shí)無爬 行、無振動(dòng)，能夠很好地確保Z軸的進(jìn)給精度。 由于加工中心具備自動(dòng)換刀功能，所以在主軸組件中還應(yīng)有主軸準(zhǔn)停裝置、刀 具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)以及切屑清除機(jī)構(gòu)。在本課題中，主軸準(zhǔn)停機(jī)構(gòu)采用磁力傳感器檢 測定向，其不僅能夠

13、使主軸停止在調(diào)整好的位置上，而且能夠檢測到主軸的轉(zhuǎn)速， 并在加工中心的操控面板上顯示出來，方便機(jī)床操作者調(diào)整轉(zhuǎn)速。 在換刀過程中，刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)也是不可獲缺的一部分。它控制著刀桿的松 緊，使刀具在加工時(shí)能緊緊地固定在主軸上，在換刀時(shí)能輕松地卸載。本課題采用 了液壓缸運(yùn)行的方式，通過活塞、拉桿、拉釘?shù)纫幌盗性倪\(yùn)動(dòng)來達(dá)到刀桿的松 緊目的。同時(shí)，為了減少液壓推力對主軸支承的磨損，在主軸的內(nèi)部設(shè)置了一段碟 形彈簧，使活塞對拉桿的作用起到一個(gè)緩沖的作用。同時(shí)，在換刀過程中，活塞及 拉桿的內(nèi)部將被加工成中空狀。其間將通入一定的壓縮空氣來清除切屑。使刀桿和 主軸始終具有很好的配合精度。 在伺服系統(tǒng)

14、中，本課題在進(jìn)給系統(tǒng)中選用直流伺服電動(dòng)機(jī)，而在主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中 則選用交流伺服電動(dòng)機(jī)。由于直流伺服電動(dòng)機(jī)具有電刷和換向器，需要常常維修， 故不適合于主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中。 3主軸主運(yùn)動(dòng)部件的設(shè)計(jì) 3.1主軸電動(dòng)機(jī)的選用 3.1.1主電機(jī)功率估算 由畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書知主軸功率 5kw 主電機(jī)功率 Pe 竺 kw : 5.36 kw nm 0.99 5 漢0.98 式中：n m——機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)效率。滾珠軸承傳動(dòng)效率 0.99，同步帶傳動(dòng) 效率0.98 3.1.2 主電機(jī)選型 利用交流伺服系統(tǒng)可進(jìn)行精密定位控制，可作為 CN（機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等的執(zhí) 行元件。 FANU交流主軸電機(jī)S系

15、列從0.65kW?37kV共分13種。它的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速高、輸出 功率大、性能可靠、精度好、振動(dòng)小、噪音低，既適合于高速切削又適合于低速重 切削⑸。該系列可應(yīng)用在各種類型的數(shù)控機(jī)床上。根據(jù)主電機(jī)功率 PE=5.36kW故本 課題選用FANU交流主軸電機(jī)6S型號。其主要技術(shù)參數(shù)如下： 額定輸出功率：5.5km/h ; 最高速度：3000r/min ； 額定輸出轉(zhuǎn)矩：35.0N ? M 轉(zhuǎn)子慣量：0.022N m s2。 3.2主軸 3.2.1主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 主軸的主要參數(shù)是指：主軸前軸頸直徑 D；主軸內(nèi)孔徑d;主軸懸伸量a和主軸 支承跨距L,見圖3-1。 圖3-1主軸主要

16、參數(shù)示意圖 （1 ）主軸軸徑的確定 主軸軸徑通常指主軸前軸頸的直徑，其對于主軸部件剛度影響較大。加大直徑 D，可減少主軸本身彎曲變形引起的主軸軸端位移和軸承彈性變形引起的軸端位 移，從而提高主軸部件剛度。但加大直徑受到軸承 dn值的限制，同時(shí)造成相配零件 尺寸加大、制造困難、結(jié)構(gòu)龐大和重量增加等，因此在滿足剛度要求下應(yīng)取較小值。 設(shè)計(jì)時(shí)主要用類比分析的方法來確定主軸前軸頸直徑 D。加工中心主軸前軸頸 直徑D按主電動(dòng)機(jī)功率來確定，由《現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》查得 D=85mm 由于裝配需要，主軸的直徑總是由前軸頸向后緩慢地逐段減小的。在確定前軸 徑Di后，可知前軸頸直徑D和后軸頸直徑D

17、2有如下關(guān)系： D2 = 0.85 D1 = 0.85 85mm ： 72mm （2）主軸內(nèi)孔直徑d的確定 主軸內(nèi)孔直徑與機(jī)床類型有關(guān)，主要用來通過棒料，通過拉桿、鏜桿或頂出頂 尖等。確定孔徑d的原則是，為減輕主軸重量，在滿足對空心主軸孔徑要求和最小 壁厚要求以及不削弱主軸剛度的要求下，應(yīng)盡量取大值。 由經(jīng)驗(yàn)得知，當(dāng)—>0 7時(shí)（D是主軸平均直徑），主軸剛度會急劇下降；而當(dāng) D d <0.5時(shí)，內(nèi)孔d對主軸剛度幾乎無影響，可忽略不計(jì)，所以常取孔徑d的極限值d D 為： dmax 0.7 D =0.7 85mm = 59.5mm 此時(shí)，剛度削弱小于25%。 按照任務(wù)書的要求

18、及綜合各軸段直徑的實(shí)際大小，確定內(nèi)孔直徑 d=52mm (3) 主軸端部形狀的選擇 機(jī)床主軸的軸端一般用于安裝刀具、夾持工件或夾具。在結(jié)構(gòu)上，應(yīng)能保證定 位準(zhǔn)確、安裝可靠、連接牢固、裝卸方便，并能傳遞足夠的扭矩。目前，主軸端部 的結(jié)構(gòu)形狀都已標(biāo)準(zhǔn)化。 圖3-2所示為銑床主軸的軸端形式，其尺寸大小按照 JB2324-78進(jìn)行加工，選擇 主軸序號為50的主軸端部尺寸。 圖3-2銃床主軸的軸端形式 (4) 主軸懸伸量a的確定 主軸懸伸量a是指主軸前端面到前支承徑向反力作用中點(diǎn)(一般即為前徑向支 承中點(diǎn))的距離。它主要取決于主軸端部結(jié)構(gòu)型式和尺寸、前支承的軸承配置和密 封裝置等，

19、有的還與機(jī)床其他結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，如工作臺的行程等，因此主要由結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)確定。 懸伸量a值對主軸部件的剛度和抗振性具有較大的影響。因此，確定懸伸量 a的 原則，是在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下盡可能取小值，同時(shí)應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)采取措施縮減 a 值。 (5) 主軸支承跨距I的確定 支承跨距L是指主軸相鄰兩支承反力作用點(diǎn)之間的距離?？缇?L是決定主軸系統(tǒng) 動(dòng)、靜剛度的重要影響因素。合理確定支承跨距，是獲得主軸部件最大靜剛度的重 要條件之一 最優(yōu)跨距|0是指在切削力作用下，主軸前端的柔度值最小時(shí)的跨距。其推導(dǎo)公 式是在靜態(tài)力作用下進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)證明，動(dòng)態(tài)作用下最優(yōu)跨距很接近于推得的最優(yōu) 值。 最優(yōu)跨距

20、Lo可按下列公式計(jì)算： I。- : -1.38 ,1.665K 5.65 ~~r^kj 6EI 1 + — 、k2丿 ki ，，，，，， 3 式中：a二 (3.2) (3.3) -10 - 河南機(jī)電高等專科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 -# - 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (3.4) (3.5) a 1 + — I k2丿 J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J 式中：a 主軸前端懸伸長，單位為cm； E ―― 材料的彈性模量，單位為 N/c卅； 1 軸慣性矩，單位為cm

21、； kl ――前軸承剛度值，單位為N/cm； k2 ――后軸承剛度值，單位為N/cm。 按上式計(jì)算最優(yōu)跨距L。，計(jì)算過程如下： I Dji4 64 J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J 式中：D1――主軸跨距部分的平均直徑，單位為 mm D――主軸跨距部分的平均孔頸，單位為 mm Dl = D =82mm , 送 di h 5676 + 42 漢 44 + 31 漢 32+26X80 + 52 漢 248 “ dl mm ： 43mm l L 600 由式（3.5 ）得:I ： 205cm4 ； 900N m， k? 730N m

22、 ；由主軸材料為 40Cr 查得材料的彈性模量E=206GPa”2.1 106 N cm2 ；由主軸的結(jié)構(gòu)形式確定主軸前端 懸伸長a =79mm 將上述參數(shù)值代入公式（3.3）（3.4），得a二862cm，K = 49 將° , K值代入公式（3.2 ），得I = 68615mm 按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，取丨=336mm。 由于I二336mm ：：： I。= 68615mm，故滿足設(shè)計(jì)要求。 3.2.2主軸受力分析 軸所受的載荷是從軸上零件傳來的。計(jì)算時(shí)，常常將軸上的分布載荷簡化為集 中力，其作用點(diǎn)取為載荷分布段的中點(diǎn)。而作用在軸上的扭矩，一般從傳動(dòng)件輪轂 寬度的中點(diǎn)算起。 （

23、c） 圖3-3軸承受力圖 主軸上的軸承采用一端固定，另一端游動(dòng)的支承形式。圖示 3-3a為軸承在空間 力系的總受力圖，它可分解為鉛垂面（圖 3-3b ）和水平面（圖3-3c ）兩個(gè)平面力系。 由公式（3.1 ）得出切向銑削力F切二4900N 徑向負(fù)荷 Fr =0.35 F切=0.35 4900N =1715N 切向負(fù)荷 Ft =0.9 F切=0.9 4900N =4410N 軸向負(fù)荷 Fa =0.525 F切二0.525 4900N =2573N 圖3-4靜不定梁鉛垂面分解圖 由于此主軸的受力屬于簡單靜不定梁類型，所以要以靜不定梁的受力方法來解 決問題。圖示3-4為

24、靜不定梁的鉛垂面受力圖。為了使其變形與原靜不定梁相同， 必須滿足變形協(xié)調(diào)條件，即要求CD B = 0 o 利用疊加法，得撓度為： 3EI —3l - a 6EI (3.6 ) -13 - 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 式中：Fr2v ――徑向（切向）負(fù)荷分力，單位為 N ; F 徑向（切向）負(fù)荷，單位為 N ； E —— 材料的彈性模量，E=2.1 106 N cm2 ; . 4 I ――軸慣性矩，cm o 由公式（3.5 ）得I =205cm4。將F = Fr，F(xiàn)「2 = 代入公式（3.6 ），則鉛垂面 的撓度為： Fr2V 83’ 2 2.

25、1 106 205 1715 792 6 2.1 106 205 3 83-79 =0 -# - 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 -# - 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 得 Fr2v 1060N Fr2v 253 Fr1v 253 83 - 253 83 79 =0 得 Fr1V 1320N Fr1V ' Fr2V ' Fr3V _ Fr - 0 得 Fr3V -665N 將F = Ft，F(xiàn)r2 = Fr2H代入公式(3.6 )，則水平面的撓度為: 3 Fr2H 83 2 2.1 106 205 2 4410 79 6

26、 2.1 106 205 3 83 - 79 1=0 得 Fr2H 2727.63N Fr2H 253 Fr1H 253 83 - Ft 253 83 79 = 0 -# - 河南機(jī)電高等專科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 -14 - 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 得 Fr1H : 3393N F r1H 得 Fr3H -1710.63N (a)機(jī)構(gòu)草圖 (b)受力簡圖 (c)水平面受力 (d)水平面彎矩圖 (e)垂直面受力 (f)垂直面彎矩圖 (g)合成彎矩圖 (h)扭矩圖 □ 廠 □n E r T J (￡|

27、 ■: P 1 Jr^rri 1 1 Er 圖3-5軸的結(jié)構(gòu)和載荷圖 -15 - 河南機(jī)電高等專科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 A-B段支承反力: 水平面： Fabx =0 垂直面： F ABY = 0 B-C段支承反力: 水平面： Fbcx 一Fr3H —1710.63(N) 垂直面：

28、FbcY 1 -Fr3V 1 -665(N) C-D段支承反力: 水平面： Fcdx = Fr2H -Fr3H =2727.63-1710.63 = 1017(N) 垂直面： Fcdy = Fr2V - Fr3V = 1060 - 665 = 395( N) D-E段支承反力: 水平面： Fdex 二 Fr1H Fr2H -Fr3H =3393 2727.63-1710.63 = 4410(N) 垂直面： Fdey =Fr1V Fr2V -Fr3V =1320 1060-665 =1715(N) 軸的受力簡圖、水平面及垂直面受力簡圖見圖 3-5b、c、

29、e A-B段彎矩： 水平面： M ABX = 0 垂直面： M ABY - 0 合成：M ab = M abx ' M aby = 0 B-C段彎矩： 水平面： M bcx = Fbcx 353 Fwh 100 小 一432.63( N m) 垂直面： M BCY = Fbcy 353 Fr3V 100“-168.245(N m) 合成：M BC 二..M Bcx M Bcy 二■- 432.632 168.2452 : 464.192( N m) C-D段彎矩： 水平面： Mcdx 二 Fcdx 436 - Fr2H 353 Fr3H 100 ： -34

30、8.219(N m) 垂直面： Mcdy 二 Fcdy 436 一 F「2v 353 Fr3H 100 ： —135.46(N m) 合成：Mcd =、：‘M Cdx +mCdy = J348.2192 +135.462 拓 373.638(N m) D-E段彎矩： 水平面： Mdex =Fdex 515-Fr2H 353-Fr1H 436 Fr3H 100=0.00041(N m) 垂直面： Mdey^Fdey 515-Fr2V 353-Fr1V 436 Fr3V 100=0.00133(N m) 合成：MDE = JmDex +mDey = Jo.000412 +

31、0.001332 癢 0.0014(N m) 軸的水平面、垂直面及合成彎矩圖見圖 3-5d、f、go -17 - 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 已知：小帶輪的輸出功率為 5.5kW，同步帶的傳動(dòng)效率為0.98。所以，大帶輪 的輸出功率為： P大 二 P小 二 5.5 0.98 二 5.39(kW) 則大帶輪的輸出轉(zhuǎn)矩為： P大 5.39 T=9550 =9550 17.16(Nm) n2 3000 軸的轉(zhuǎn)矩圖見圖3-5h。 3.2.3主軸的強(qiáng)度校核 從合成彎矩圖和轉(zhuǎn)矩圖上得知，主軸在截面 C D處承受了較大的彎矩，并且還 受到帶輪傳動(dòng)所帶來的扭矩。因此，這

32、兩個(gè)截面是危險(xiǎn)截面。在校核主軸的強(qiáng)度時(shí) 應(yīng)按彎扭合成強(qiáng)度條件進(jìn)行計(jì)算。 軸的彎扭合成強(qiáng)度條件為 吟:伽2+(訂)2 ▽ca = Ji ——：+41 ——I = < b 3.7) YlW 丿 12W 丿 W 式中：％a ――軸的計(jì)算應(yīng)力，MPa ； 3 W ――軸的抗彎截面系數(shù)，mm ; :――折合系數(shù)； 匕J ――軸的許用彎曲應(yīng)力，MPa ； T ――軸所受的扭矩，單位為 N mm ； M ――軸所受的彎矩，單位為 N mm。 軸的抗彎截面系數(shù)為 w ￡ 32 -18 - 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 式中：d——軸頸處直徑，單位為mm

33、； b ―― —蟲，此處，4為軸孔直徑 d 3.1416 853 32 h-/42TV56698(mm3) .⑧丿一 -# - 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 -# - 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 打=70MPa。按扭 根據(jù)主軸材料為40Cr，由《工程力學(xué)》查得許用彎曲應(yīng)力 -19 - 河南機(jī)電高等專科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 -20 - 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取折合系數(shù) :=0.6。 將上述參數(shù)代入公式（3.7），則軸的計(jì)算應(yīng)力為 ca I 2 2

34、4641922 0.6 17160 56698 = 8.2( MPa) 因?yàn)閏a ：：： A J - 70MPa，所以主軸的強(qiáng)度符合要求 3.2.4主軸的剛度校核 軸在載荷作用下，將產(chǎn)生彎曲或扭轉(zhuǎn)變形。若變形量超過允許的限度，就會影 響軸上零件的正常工作，甚至?xí)适C(jī)器應(yīng)有的工作性能。對于本課題的主軸，應(yīng) 該按軸的彎曲剛度校核。軸計(jì)算剛度經(jīng)驗(yàn)公式為 (3.8 ) 式中：％ —軸的計(jì)算撓度，單位為mm 1 —軸慣性量，單位為mm E ――軸所用材料的彈性模量，單位為 N/mri2; L 支承跨度，單位為mn; 耳一一軸所受圓周力，單位為N; Fr1——軸所受徑向力，單

35、位為No * 軸的允許撓度，單位為 已知：Ft =4410N，F(xiàn)r -1715N，I = 205cm4，E =2.1 106 N cm2，L = 336mm 由《工程力學(xué)》查得軸的允許撓度為 yp 二 0.0002L 二 0.0002 336 二 0.0672（mm） 將上述參數(shù)代入公式（3.8 ），則軸的計(jì)算剛度為 J44102 +17152 48 2.1 104 205 104 3363 :0.086(mm) 由于％ yP，所以軸能夠滿足剛度要求。 綜上所述，軸的強(qiáng)度，剛度均符合校核要求 3.3主軸組件的支承 3.3.1 主軸軸承的類型

36、 -21 - 河南機(jī)電高等專科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 機(jī)床主軸帶著刀具或夾具在支承件中作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，需要傳遞切削扭矩，承受切 削抗力，并保證必要的旋轉(zhuǎn)精度。數(shù)控機(jī)床主軸支承根據(jù)主軸部件的轉(zhuǎn)速、承載能 力及回轉(zhuǎn)精度等要求的不同而采用不同種類的軸承。主軸軸承是主軸組件的重要組 成部分，它的類型、結(jié)構(gòu)、配置、精度、安裝、調(diào)整、潤滑和冷卻都直接影響了主 軸組件的工作性能。在數(shù)控機(jī)床上主

37、軸軸承常用的有滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承。 滾動(dòng)軸承摩擦阻力小，可以預(yù)緊，潤滑維護(hù)簡單，能在一定的轉(zhuǎn)速范圍和載荷 變動(dòng)范圍下穩(wěn)定地工作。滾動(dòng)軸承由專業(yè)化工廠生產(chǎn)，選購維修方便，在數(shù)控機(jī)床 上被廣泛采用。但與滑動(dòng)軸承相比，滾動(dòng)軸承的噪聲大，滾動(dòng)體數(shù)目有限，剛度是 變化的，抗振性略差并且對轉(zhuǎn)速有很大的限制。數(shù)控機(jī)床主軸組件在可能條件下， 盡量使用了滾動(dòng)軸承，特別是大多數(shù)立式主軸和主軸裝在套筒內(nèi)能夠作軸向移動(dòng)的 主軸。這時(shí)滾動(dòng)軸承可以用潤滑脂潤滑以避免漏油。圖 3.6所示為主軸常用的幾種 滾動(dòng)軸承的類型。 ⑻ 雙列圓柱(b)雙列推力向 (c) 雙列圓錐滾 (d) 帶凸緣雙列圓柱 (e)帶彈簧的單

38、 滾子軸承 心球軸承 子軸承 滾子軸承 列圓錐滾子軸承 為了適應(yīng)主軸高速發(fā)展的要求，滾珠軸承的滾珠可采用陶瓷滾珠。陶瓷滾珠軸 承由于陶瓷材料的質(zhì)量輕，熱膨脹系散小， 耐高溫，所以具有離心小、動(dòng)摩擦力小、 預(yù)緊力穩(wěn)定、彈性變形小、剛度高的特點(diǎn)。但由于成本較高，在數(shù)控機(jī)床上還未普 及使用。 數(shù)控機(jī)床主軸支承根據(jù)主軸部件的轉(zhuǎn)速、承載能力及回轉(zhuǎn)精度等要求的不同而 采用不同種類的軸承。不同類型主軸軸承的優(yōu)缺點(diǎn)見表 3-1 表3-1數(shù)控機(jī)床的主軸軸承及其性能 性 能 滾動(dòng)軸承 液體靜壓軸承 氣體靜壓軸承 磁力軸 承 陶瓷軸承 精 度 一般或較高，在 預(yù)緊無間隙時(shí)較高

39、 高，精度保持性好 一般 同滾動(dòng)軸承 岡U 度 一般或較高，預(yù) 緊后較高，取決于所 用軸 高，與節(jié)流閥形式 有關(guān)，薄膜反饋或滑閥 反饋很高 較差，因空氣可 壓縮，與承載力大小 有關(guān) 不及一 般滾動(dòng)軸承 比一般滾動(dòng) 軸承差 抗振性 較差，阻尼比 匕=0.02~0.04 好，阻尼比 匕=0.045 ~ 0.065 好 較好 同滾動(dòng)軸承 速度性能 用于中、低速， 特殊軸承可用于較 高速 用于各級速度 用于超高速 用于高 速 用于中、高 速，熱傳導(dǎo)率低， 不易發(fā)熱 摩擦損耗 較小， 卩=0.002 ~ 0.008 小, 4

40、=0.0005~ 0.001 小 很小 同滾動(dòng)軸承 壽 命 疲勞強(qiáng)度限制 長 長 長 較長 結(jié)構(gòu)尺寸 軸向小，徑向大 軸向大，徑向小 軸向大，徑向小 徑向大 軸向小，徑向大 制造難易 軸承生產(chǎn)專業(yè) 化、標(biāo)準(zhǔn)化 自制，工藝要求 高，需要供油設(shè)備 自制，工藝較液壓系 統(tǒng)低，需要供氣系統(tǒng) 較復(fù)雜 比滾動(dòng)軸承難 使用維護(hù) 簡單，用油脂潤滑 要求供油系統(tǒng)清 潔，較難 要求供氣系統(tǒng) 清潔，較易 較難 較難 成 本 低 較高 較高 高 較高 機(jī)床主軸軸承發(fā)展，經(jīng)歷了滾、陶、氣浮、磁浮等階段。滾動(dòng)軸承發(fā)展到陶瓷 軸承，即鋼球改為

41、陶瓷球，滾道加 TiN或CrNi金屬。由于陶瓷球具有高剛度、高硬 度、低密度以及低熱脹和低導(dǎo)熱系數(shù)等特點(diǎn)，同時(shí)所用油脂為一次性，終身潤滑， 大大地提高了滾動(dòng)軸承的性能，所以被廣泛采用。 目前，一般中小規(guī)格的數(shù)控機(jī)床（如車床、銑床、鉆鏜床、加工中心、磨床等）的主軸部件多采用成組高精度滾動(dòng)軸承重型數(shù)控機(jī)床采用液體靜壓軸承，高精度數(shù) 控機(jī)床（如坐標(biāo)磨床）采用氣體靜壓軸承，轉(zhuǎn)速達(dá) 2?10 104r/min的主軸則可采用 磁力軸承或氮化硅材料的陶瓷滾珠軸承。數(shù)控機(jī)床的轉(zhuǎn)速高，為減少主軸的發(fā)熱， 必須改善軸承的潤滑方式。在數(shù)控機(jī)床上的潤滑一般采用高級油脂封入方式潤滑， 每加一次油脂可使用7~10年。

42、 3.3.2主軸軸承的配置 根據(jù)主軸部件的工作精度、剛度、溫升和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，合理配置軸承，可 以提高主傳動(dòng)系統(tǒng)的精度。采用滾動(dòng)軸承支承，有許多不同的配置形式，目前數(shù)控 機(jī)床主軸軸承的配置主要有如圖 3-7所示的幾種形式。 (c) 団 (d) 圖3-7數(shù)控機(jī)床主軸軸承的配置形式 在圖3-7a所示的配置中，前支承采用雙列短圓柱滾子軸承和 60o角接觸球軸承組 合，承受徑向載荷和軸向載荷，后支承采用成對角接觸球軸承，該配置可滿足強(qiáng)力 切削的要求，普遍應(yīng)用于各類數(shù)控機(jī)機(jī)床。 在圖3-7b所示的配置形式中，前軸承采用角接觸球軸承，由2~ 3個(gè)軸承組成一 套，背靠背安裝，承受徑向

43、載荷和軸向載荷，后支承采用雙列短圓柱滾子軸承，這 種配置適用于高速、重載的主軸部件。 在圖3-7c所示的配置形式中，前后支承均采用成對角接觸球軸承，以承受徑向 載荷和軸向載荷，角接觸球軸承具有較好的高速性能，主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá) 4000r/min，但這種軸承的承載能力小，因而這種配置適用于高速、輕載和精密的 數(shù)控機(jī)床主軸。 在圖3-7d所示的配置形式中，前支撐采用雙列圓錐滾子軸承，承受徑向載荷和 軸向載荷，后支承采用單列圓錐滾子軸承，這種配置徑向和軸向的剛度高，可承受 重載荷，尤其能承受較強(qiáng)的動(dòng)載荷，安裝與調(diào)整性能好，但主軸轉(zhuǎn)速和精度的提高 受到限制，因此適用于中等精度，低速與重載荷的數(shù)控

44、機(jī)床主軸。 (b) 3.3.3主軸支承方案的確定 主軸軸承的不同配置形式對主軸組件剛度損失有巨大的影響，從而確定當(dāng)支承 跨距較大時(shí)，降低支承剛度，或適當(dāng)增大主軸軸頸直徑和內(nèi)孔直徑是減小主軸組件 剛度損失的有效措施，并可提高其動(dòng)態(tài)性能。 本課題采用陶瓷球軸承做主軸支撐，即用氮化硅材料 （Si3N4）做成陶瓷球來替 代滾珠，軸承內(nèi)外套圈仍為 GCrl5鋼套圈。雖然只是把鋼球變成了氮化硅球，但是 另一方面，溝道的幾何尺寸也作了改進(jìn)以優(yōu)化軸承性能。這種軸承在減小了離心力 的同時(shí)，也減小了滾珠與該道間的摩擦力， 從而獲得較低的溫升及較好的高速性能。 混合陶瓷球軸承最常見的形式是角接觸球軸

45、承，它可以在既有徑向也有軸向負(fù) 荷時(shí)有效地高速運(yùn)轉(zhuǎn)。但是軸向負(fù)荷只能從一個(gè)方向施加。因此，這些軸承通常成 對安裝并施加預(yù)負(fù)荷以保證正確的接觸角。 由于加工中心在加工時(shí)不僅需要受到軸向力，還會受到一定的徑向力。因此在 本課題的軸承配置中選用如圖3-7的方式。而本課題的預(yù)緊方式采用隔套調(diào)整法及 雙螺母預(yù)緊。 3.3.4軸承的配合 由于主軸軸承在工作時(shí)基本上都是內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)、外圈相對固定不動(dòng) ，且主軸承受 載荷多為定向載荷。因此，為了提高軸承的剛性，防止軸承在工作期間因摩擦發(fā)熱而 引起內(nèi)圈膨脹，導(dǎo)致內(nèi)圈與主軸之間產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象 ，精密機(jī)床主軸軸承內(nèi)圈與 主軸之間一般選擇過盈配合。另外，為了

46、使軸承外圈溝道不只在某一局部受力 ，允許 軸承外圈在軸承座內(nèi)出現(xiàn)蠕動(dòng)現(xiàn)象，以盡可能地延長軸承的使用壽命。同時(shí)，為防 止軸承外圈因熱膨脹引起與軸承座之間的過緊現(xiàn)象，引起軸承預(yù)緊增加，導(dǎo)致摩擦 發(fā)熱加劇，故軸承外圈與軸承座之間一般選擇間隙配合。 在本課題中，固定端前支承的7217Q角接觸球軸承與軸承座的配合采用間隙配 合，配合目標(biāo)間隙值取3?8卩m為了提高機(jī)床的切削剛性，該軸承與主軸的配合采 用過盈配合,配合目標(biāo)過盈量取0?4卩m而后支承的7215C角接觸球軸承與主軸選 用過盈配合，配合目標(biāo)過盈量取0?3卩m與軸承座之間為間隙配合，配合目標(biāo)間隙 值取9?15卩m 3.3.5主軸軸承設(shè)計(jì)計(jì)算

47、 (1) 軸承受力分析 軸承的受力簡圖參見圖3-3。從圖上可知，在A、B兩處所用的是同種型號的角 接觸球軸承，且D處的軸承是成對使用，共同承擔(dān)支承作用。所以，校驗(yàn)C、D處7217AC 軸承只需取受力最大處即可。 已知： Fr2V =1060N，F(xiàn)r3V 二-665N， Fr2H = 2727.63N，F(xiàn)r3H = T710.63N 則軸承7217AC所受徑向合力為 Fr "F；v F；H h"060 軸承7217AC壽命計(jì)算 軸承的工作年限為7年(一年按300天計(jì)算)，每天兩班工作制(按16h計(jì)算)， 則軸承預(yù)期計(jì)算壽命為 Lh' = 7 300 1^33600(h) 已知軸承7

48、217AC所受的軸向負(fù)荷Fa =2573N，徑向負(fù)荷Fr =2926N。分界判斷 系數(shù)e =°.68 2727.632 ： 2926.36(N) 軸承7215C所受徑向合力為 Fr Fr23v -卩知 6652 1710.632 \ 4 ：917.67(N)  匚2573“87亠0.68 Fr 1715 由《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》查得徑向動(dòng)載荷系數(shù) X=0.41，軸向動(dòng)載荷系數(shù)丫=0.87。根 據(jù)載荷性質(zhì)為中等沖擊，查得載荷系數(shù)一般為 1.2~1.8，取fp =1.6。貝峙由承的當(dāng)量 動(dòng)載荷為 P 二 fpX Fr 丫 Fa =1.6 0.41 1715 0.87 25

49、73 4706.66（N） 以小時(shí)數(shù)表示的軸承壽命L10h （單位為h）為 .106（c￥ 60門1卩丿（3.9 ） 式中：L10h ――失效率10% （可靠度90% ）的基本額定壽命（106r ） n 軸承的轉(zhuǎn)速，單位為 r/min ； C 基本額定動(dòng)載荷，單位為N; P 當(dāng)量動(dòng)載荷，單位為N; :―― 壽命指數(shù)，對球軸承；=3，滾子軸承；=10 3。 查表得基本額定動(dòng)載荷 C =99.8KN。將上述參數(shù)代入公式（3.9 ），則以小時(shí)數(shù) 表示的軸承壽命為 0h 106鯽3 60 x 3000 < 4706 丿 :57986(h) -27 - 河南機(jī)電高等

50、?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 -# - 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 由于? Lh丨33600h，所以能夠滿足要求 （3）軸承7215C壽命計(jì)算 軸承的工作年限為7年（一年按300天計(jì)算），每天兩班工作制（按16h計(jì)算）， 則軸承預(yù)期計(jì)算壽命為 Lh' = 7 300 16 = 33600（h） 已知軸承7215C所受的軸向負(fù)荷Fa =2573N，徑向負(fù)荷二917.67N。由《機(jī)械 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》查得分界判斷系數(shù) e二0.68。 Fr 2573 917.67 :2.8 e = 0.68 由《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》查得徑向動(dòng)載荷系數(shù) X=0.41，軸向動(dòng)載荷

51、系數(shù)丫=0.87。根 據(jù)載荷性質(zhì)為中等沖擊，由《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》查得載荷系數(shù)一般為 1.2~1.8，取 fP九8。則軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷為 P =fp X Fr Y Fa =1.8 0.41 917.67 0.87 2573 : 4706(N) 查《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》得基本額定動(dòng)載荷 C =79200KN。將上述參數(shù)代入公式 (3.9 ),則以小時(shí)數(shù)表示的軸承壽命為 , 106 10h 一60 3000 *79200 T <4706 丿 :36481(h) -29 - 河南機(jī)電高等專科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 -# - 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書

52、 由于L10h Lh^33600h，所以能夠滿足要求。 3.4同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算 (1) 設(shè)計(jì)功率Pd 根據(jù)工作機(jī)為加工中心，原動(dòng)機(jī)為交流電動(dòng)機(jī)，每天兩班制工作(按 16h計(jì))， 由《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》查得 Ka =2.0。故設(shè)計(jì)功率為： Pd =Ka P=2.0 5.5KW -11KW 式中：P ――傳遞的功率，kw Ka――載荷修正系數(shù) (2) 選定帶型和節(jié)距 根據(jù)設(shè)計(jì)功率Pd =11KW，小帶輪轉(zhuǎn)速m =6000廠min，由《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》確 定帶輪的帶型為H型。 按照同步帶的帶型為H型，由《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》查得節(jié)距 Pb = 12.700mm ⑶小帶輪齒數(shù)乙 根據(jù)小帶輪

53、轉(zhuǎn)速m=6000rmin，同步帶的帶型為H型，由《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》查 得小帶輪的最小齒數(shù)Zmin 22，故取乙=30 (4) 小帶輪節(jié)圓直徑d1 d1 30 12.7 3.1416 mm = 121.28mm 式中：乙 小帶輪齒數(shù)； Pb ——節(jié)距。 按照小帶輪齒數(shù) 乙=30，同步帶的帶型為H型，由《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》查得其外 徑 =119.90mm ⑸大帶輪齒數(shù)Z2 n-i 6000 i 2 n2 3000 式中：n1 小帶輪轉(zhuǎn)速； 陽 大帶輪轉(zhuǎn)速。 大帶輪齒數(shù) Z? = i乙=2 30 = 60 (6)大帶輪節(jié)圓直徑d2 d2 Z2 pb 60 12

54、.7 3.1416 mm = 242.55mm -31 - 河南機(jī)電高等專科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 -# - 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 式中：Pb 節(jié)距。 按大帶輪齒數(shù)Z2 =60，同步帶帶型為H型，由《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》查得其外徑 da2 = 241.18mm ⑺帶速v 寫 d 1 n 1 v 二 60 1000 3.1416 121.28 6000 60^1000 m. s 二 38.10 m s ：： vmax -# - 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 -# - 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)

55、說明書 式中：d1 ——小帶輪節(jié)圓直徑; 厲 小帶輪轉(zhuǎn)速。 (8) 初定軸間距a0 經(jīng)驗(yàn)公式：0.7 d1 d2

56、； di——小帶輪節(jié)圓直徑； d2 ――大帶輪節(jié)圓直徑。 按帶長L。"095.92mm，同步帶的帶型為H型，由《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》查得應(yīng)選用 帶長代號為450的H型同步帶，節(jié)線長Lp = 1143.00mm，節(jié)線長上的齒數(shù)Z=90。 (10) 實(shí)際軸間距 a =a0 蟲=255 1143 一1095"92 mm =278.54mm 2 2 式中：a?！醵ㄝS間距; Lp 節(jié)線長； (11) 小帶輪嚙合齒數(shù) Zm 二 int Z1 Pb Z1 _乙 12 7^30 ‘ "I 2 60 -30 =12 2 3.14162 278.54 -33 - 河南機(jī)

57、電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 -# - 河南機(jī)電高等專科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 式中：Zm ――小帶輪嚙合齒數(shù); Pb ――節(jié)距 (12) 基本額定功率R 按照同步帶的帶型為H型，由《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》查得帶的許用工作拉力 Ta =2100.85N，帶的單位長度的質(zhì)量 m = 0.448kg m?；绢~定功率為： P。 Ta「m v2 v 1000 r 2 2100.85 -0.448 38.1 38.1 KW 1000 = 55.27KW -# - 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 式中：Ta ――寬度為bs,的帶的許用工作拉力 m

58、 ――寬度為bs,的帶單位長度的質(zhì)量 (13) 帶寬bs 按同步帶的帶型為H型，由《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》查得 = 76.2mm;按小帶輪嚙合 齒數(shù)Zm =12，由《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》查得嚙合齒數(shù)系數(shù) Kz = 1。帶寬為: 1 .14 TKz Pd P0 -76.2 1.14 11 ，1 55.27 mm 二 18.49 mm 式中：KZ 嚙合齒數(shù)系數(shù) bs0 ――同步帶的基準(zhǔn)寬度，mm 按照帶寬bs =18.49，同步帶帶型為H型，由《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》確定選帶寬代號 為075的H型帶，其帶寬 bs =19.1mm (14) 作用在軸上的力 1000

59、11 38.1 N =288.71N -34 - 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 -# - 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 式中：Fr——作用在軸上的力; Fd ――設(shè)計(jì)功率； v 帶速。 (15) 帶輪的結(jié)構(gòu)和尺寸 傳動(dòng)選用的同步帶為450H 075 小帶輪：Z1 =30，a =121.28mm, da = 119.90mm 大帶輪：Z2 =60， d2 = 242.55mm， da2 = 241.18mm 3.5鍵的設(shè)計(jì)計(jì)算 3.5.1 主軸上的鍵 對于采用常見的材料和按標(biāo)準(zhǔn)選取尺寸的普通平鍵聯(lián)接(靜聯(lián)接) ，其主要失

60、效形式是工作面被壓潰。除非存在嚴(yán)重過載，否則一般不會出現(xiàn)鍵的剪斷。因此， 通常只按工作面上的擠壓應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。 假定載荷在鍵的工作面上是均勻分布的，則普通平鍵聯(lián)接的強(qiáng)度條件為： 2T 103 k l d (3.11) 式中：T——傳遞的轉(zhuǎn)矩(T = F漢y^F漢d)，單位為N m ； 2 k ―― 鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，k=0.5?h，此處h為鍵的高度，單位為mm ； l 鍵的工作長度，單位為 mm，圓頭平鍵I = L - b，平頭平鍵I = L，這里 的L為鍵的公稱長度，單位為 mm，b為鍵的寬度，單位為 mm; d 軸的直徑，單位為 mm ――鍵、軸、輪轂

61、三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力，單位 MPa 已知：帶輪作用在軸上的力 F =288.71N，鍵所處主軸段直徑d = 72mm，鍵的 寬度b =20mm，鍵的公稱長度 L = 70mm，鍵的高度h =12mm。 鍵所傳遞的轉(zhuǎn)矩為 T = F - =288.71 —y- =10.39 N m 由于主軸處采用圓頭平鍵，故鍵的工作長度為 I = L - b = 70 - 20 = 50 mm 鍵與輪轂鍵槽的接觸高度為 k = 0.5 h = 0.5 12=6 mm 將上述參數(shù)代入公式（3.11 ），故聯(lián)接工作面擠壓應(yīng)力為 2X10.39003 ’ 匚 p 0.96 MPa 6

62、漢50沢72 按聯(lián)接工作方式為靜聯(lián)接，且載荷性質(zhì)具有沖擊性，查《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)手 冊》得鍵聯(lián)接的許用應(yīng)力 t p L 60MPa。 由于匚p ：：： tp，所以能滿足要求。 3.5.2 主電機(jī)上的鍵 已知：主電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩T =35N m，電機(jī)輸出軸的直徑d =32mm，鍵的寬度 b =10mm，鍵的公稱長度L =70mm，鍵的高度h =8mm，鍵聯(lián)接的許用應(yīng)力 !-J = 60MPa。 由于主軸處采用單圓頭普通平鍵，故鍵的工作長度為 l =L - b =70 -10 =65 mm 2 2 鍵與輪轂鍵槽的接觸高度為 k = 0.5 h = 0.5 8=4 mm 將上述參數(shù)

63、代入公式（3.11 ），故聯(lián)接工作面擠壓應(yīng)力為 -36 - 河南機(jī)電高等專科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 -# - 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 3 2 35 10 65 32 = 8.41 MPa -# - 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 -37 - 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 由于匚p "、p［所以能滿足要求 -# - 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 4電動(dòng)機(jī)與聯(lián)軸器的選擇 4.1電動(dòng)機(jī)的選擇 4.1.2進(jìn)給電動(dòng)機(jī)的選擇 寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是勵(lì)磁便于調(diào)整，易于安排補(bǔ)

64、償繞組和換向 極，電動(dòng)機(jī)的換向性能得到改善，成本低，可以在較寬的速度范圍內(nèi)得到恒轉(zhuǎn)速特 性。當(dāng)然，寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)體積較大，其電刷易磨損，壽命受到一定限制。 日本法納克(FANUC公司生產(chǎn)的用于工業(yè)機(jī)器人、 CN(機(jī)床、加工中心(MC 的L系列適合于在頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)場合應(yīng)用。根據(jù)估算得出的電動(dòng)機(jī)功率 Pf =0.37kW，選用FANU的6L型電動(dòng)機(jī)，其主要性能指標(biāo)如下： 輸出功率：1.1kW ； 額定轉(zhuǎn)矩：8.8N m ； 最大轉(zhuǎn)矩：44.1N m ； 最高轉(zhuǎn)速：2000r min ； 轉(zhuǎn)子慣量：0.0018kg m2。 4.2聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)計(jì)算 (1) 類型選擇 為了

65、隔離振動(dòng)與沖擊，選用凸緣聯(lián)軸器。 (2) 載荷計(jì)算 已知進(jìn)給電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為 8.8N m。根據(jù)工作機(jī)的轉(zhuǎn)矩是變化的，且沖擊 載荷較大，原動(dòng)機(jī)類型為電動(dòng)機(jī)，由《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》查得工作情況系數(shù) Ka=2.3 則計(jì)算轉(zhuǎn)矩為： Tea 二 kA T =2.3 8.8 =20.24(N m) (3) 型號選擇 選擇聯(lián)軸器時(shí)，聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩要大于計(jì)算轉(zhuǎn)矩，許用最大轉(zhuǎn)速要大于電動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)速。由GB5843-8外查得YL5型凸緣聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩為 63N m，許用最大轉(zhuǎn)速 為5500r..min，適合于尺寸在22 ~ 32mm之間的軸頸。故能夠滿足要求。 結(jié)論 本課題的指導(dǎo)思想是在滿足立式

66、加工中心主軸組件的工作要求的前提下，盡可 能使其性能優(yōu)越，傳動(dòng)平穩(wěn)，并且使加工中心的整體機(jī)構(gòu)的體積、 質(zhì)量盡可能減小, 從而降低成本。 本課題確定了立式加工中心主軸組件的總體設(shè)計(jì)方案，對主軸組件的各組成機(jī) 構(gòu)進(jìn)行了方案論證、設(shè)計(jì)計(jì)算以及選型。同時(shí)，通過對加工中心主軸組件的主要部 件，如：主軸、軸承、絲杠、鍵等進(jìn)行校核，較為理想地實(shí)現(xiàn)了任務(wù)書中對立式加 工中心主軸組件的技術(shù)指標(biāo)。加工中心主軸組件的運(yùn)轉(zhuǎn)過程比較平穩(wěn)，且主軸組件 的結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便，維修容易，價(jià)格低廉。 主軸組件的結(jié)構(gòu)主要分為兩個(gè)部分，即主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。而在主運(yùn) 動(dòng)機(jī)構(gòu)中，按照功能來分，可主要分為主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、主軸準(zhǔn)停機(jī)構(gòu)、刀具自動(dòng)夾 緊機(jī)構(gòu)以及切屑清除機(jī)構(gòu)。 本課題采用了 FANU—6S型交流主軸電動(dòng)機(jī)作為主軸傳動(dòng)的原動(dòng)力，通過同步 帶傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)主軸電機(jī)和主軸之間的減速傳動(dòng)。通過對同步帶帶型的選擇，確定了 同步帶傳動(dòng)的線速度、帶長、軸間距等參數(shù)，并對大小帶輪進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為了 防止同步帶的掉落，在帶輪的兩側(cè)按分別安裝了帶輪擋圈。在大帶輪上還安裝了動(dòng) 平衡較好的圓盤，主軸準(zhǔn)停中的發(fā)磁體被設(shè)置在圓盤上，而磁