機床主軸設(shè)計及相關(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，，請放心下載，，有疑問咨詢QQ:414951605或者1304139763 ======================== 機床主軸單元 1.介紹 機床主軸基本上完成兩個任務(wù)：在空間精確的旋轉(zhuǎn)刀具（鉆削，銑削，磨削）或工件（車削）；把所需要的能量傳遞到切削區(qū)。 很顯然主軸對切削效率和機加工件的質(zhì)量有很大影響，這篇文章評論了目前的狀態(tài)和介紹了主軸技術(shù)的研究挑戰(zhàn)。 1.1歷史回顧 典型地，主軸是被皮帶或齒輪驅(qū)動的，轉(zhuǎn)速只能通過改變傳動比或通過電器開關(guān)改變驅(qū)動級的數(shù)量來改變。 之后，簡單的電氣或液壓控制器開始發(fā)展，主軸旋轉(zhuǎn)速度通過無級調(diào)速方式來改變，要提高生產(chǎn)力就需要更高的速度，加工技術(shù)要求發(fā)展新型軸承，電力電子與逆變器系統(tǒng)。在致力于發(fā)展緊湊的電力電子（靜止變頻器）領(lǐng)域的進步 導(dǎo)致在使用高頻三相異步電動機上的低成本維護，對于早在80年代的主軸，高轉(zhuǎn)速只能利用磁力軸承來實現(xiàn)，在軸承，潤滑，滾動材料和驅(qū)動系統(tǒng)(馬達和轉(zhuǎn)換器)領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展已經(jīng)允許建造直接驅(qū)動電機主軸來滿足目前各種需求。 1.2 主要結(jié)構(gòu) 如今，絕大多數(shù)機床都裝配了點主軸。不同于外部驅(qū)動主軸，電主軸不需要像齒輪和接頭一樣的機械傳動單元。 主軸至少有兩套主要的球軸承系統(tǒng)。軸承系統(tǒng)是對主軸的壽命影響最大的組成部件。最常見的電機是安裝在兩個軸承系統(tǒng)之間。 而冷卻主要是通過水冷。冷卻劑流過電機定子周圍的冷卻套而還經(jīng)常流過軸承外圈。 主軸末端的密封件防止碎屑及切削液的侵入，通常這些是做了空氣凈化的。 一個標(biāo)準(zhǔn)的工具接口例如HSK和SK是被放置在主軸前端的。一個夾緊系統(tǒng)是用于快速automatictool變化。理想情況下，一個可以控制夾緊力的未夾緊單元需要可靠的加工。如果切削液一定要通過刀具流到切削上，那么對應(yīng)的軌道和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)就要求具有夾緊系統(tǒng)的特點。 今天，幾乎每個主軸都裝配有用于監(jiān)視電機溫度(熱敏電阻或熱電偶)的傳感器和定位夾緊系統(tǒng)。用于監(jiān)測軸承的附加傳感器，可以監(jiān)測驅(qū)動過程的穩(wěn)定性，但在許多工業(yè)領(lǐng)域卻不太普遍。 1.3當(dāng)前發(fā)展?fàn)顩r 大功率、高轉(zhuǎn)速電主軸是為了加工用于航空、航天工業(yè)的大型鋁制框架而發(fā)展起來的。高轉(zhuǎn)速、低功率的電主軸用于電子工業(yè)為印刷電子版鉆孔（PCB）。 1.4工業(yè)方面的實際開發(fā)領(lǐng)域 當(dāng)前電主軸的發(fā)展主要集中在電動機的技術(shù)，降低用于預(yù)防性維護監(jiān)測的成本。另一個核心問題是為了減少主軸上的熱量發(fā)展用于抵消存在的約束力和輸出頻率的驅(qū)動系統(tǒng)。 過去注意力主要放在增加可靠的旋轉(zhuǎn)速度。如今，如今的關(guān)注點已經(jīng)改變，朝著具有高轉(zhuǎn)速（15000r/min）的同時還要有很高的轉(zhuǎn)矩。由于在可靠性，產(chǎn)品生命周期和可預(yù)測維護方面需求的增加，電機主軸的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)變得越來越重要。對主軸各狀態(tài)參數(shù)的定期和或連續(xù)觀測能夠檢測磨損、過熱和即將發(fā)生的故障。 了解主軸的產(chǎn)品壽命周期費用對預(yù)測服務(wù)期間內(nèi)的維護、故障和運行成本有很大幫助。 2.應(yīng)用領(lǐng)域和具體需求 主軸被研制和制造的主要目的是實現(xiàn)金屬切削效率和加工精度的最大化。 工件材料可以分門別類，包括簡單的，例如像鋁，要用具有高轉(zhuǎn)速和大功率的主軸，還包括難加工的，例如鎳鈦合金，要求主軸除了具有較低的轉(zhuǎn)速，還要具有較大的轉(zhuǎn)矩和剛度。切削具有磨料碳或碳纖維塑料的工件材料要求主軸前端具有良好的密封性。 給電路板鉆孔的主軸轉(zhuǎn)速要控制在100 000到300 000轉(zhuǎn)/每分鐘。隨著空氣軸承的精度的不斷提高，電機主軸應(yīng)用領(lǐng)域的生產(chǎn)力和轉(zhuǎn)速也在不斷提高。 用于模具加工的主軸必須以很高的進給率完成粗軋機組操作(高性能切割、HSC)、以很高的切削速度完成切削過程（高切削速度，HSC）.依據(jù)磨具和壓鑄車間的實施策略和機械裝置，可以是兩個機床配備兩個不同的主軸或一個機床配備一個主軸切換單元。另一種情況就是用一個主軸來同時完成高速切削和高性能切割，但生產(chǎn)力仍然保持合理的水平。 航空航天用的主軸要求具有大功率和高轉(zhuǎn)速。如今的主軸要求材料切除率達到每分鐘切除鋁材料101個單位。 磨削是一個要求高精度的操作過程，需要軸承具有很小的擺動的剛性軸。目前的內(nèi)部磨床主軸要求軸承擺動不超過1毫米。 主要用于鉆孔的主軸單元要求具有很高的軸向剛度，這需要使用具有高接觸角的角接觸球軸承來實現(xiàn)。相反，高速銑削操作要使用有小接觸角的軸承用以減少由于離心力引起的徑向剛度變化。 現(xiàn)代加工中心往往具有多種功能如銑、鉆、磨，有時珩磨操作可以在相同的工件上實現(xiàn)。提高機床先進性的瓶頸仍然是機床主軸，因為他不能在相同精度的條件下滿足所有的操作?？芍貥?gòu)和模塊化的機床需要有規(guī)范化的機械、液壓、氣動、電氣接口的可互換的主軸。 3.主軸分析 主軸單元的模型和分析的目標(biāo)是為了實現(xiàn)最大的動態(tài)剛度，以最小的尺寸和功率增加材料去除率，在設(shè)計階段模擬主軸的性能和優(yōu)化它的尺寸。主軸裝配的機械部件是由安裝有軸承的空心主軸組成。角接觸球軸承廣泛用于高速主軸，由于其低摩擦性能和可以同時承受徑向和軸向載荷的能力。主軸可以在有限元環(huán)境下用梁、塊、或管道單元來模擬。軸承剛度可以用一個球軸承接觸角的函數(shù)、在操作期間由主軸的外部負(fù)載或熱膨脹所引起的預(yù)緊力來模擬。運動方程以矩陣的形式導(dǎo)出，包括陀螺和離心效應(yīng)，還有得到了附在主軸上的工具的固有頻率、振型的形狀和頻率響應(yīng)函數(shù)。如果軸承剛度與速度有關(guān)，或如果主軸在切削載荷下模擬，數(shù)值方法用于預(yù)測沿主軸軸振動荷載和軸承上的接觸載荷。 主軸仿真模型考慮了主軸設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化，目的是為了使主軸在全速運行時達到最大的動剛度，用一把指定的專用刀具用指定的速度實現(xiàn)最大軸向切削深度。在不損壞軸承和主軸的前提下以指定的速度，主軸設(shè)計的主要目標(biāo)是實現(xiàn)切除材料的最大化，同時還要保證各項其他指標(biāo)如精度和可靠性。 3.1實驗?zāi)M 一個現(xiàn)有的電主軸的動態(tài)行為是通過測量它的力和位移之間的頻率響應(yīng)函數(shù)得到的。在機械加工過程中，主軸結(jié)構(gòu)會引起振動，可測量的頻率響應(yīng)函數(shù)可以用曲線來擬合，可用于預(yù)測固有頻率、阻尼比和剛度值。頻率響應(yīng)函數(shù)的實驗測量對于在加工工藝設(shè)計階段評估動態(tài)剛度和確定切削顫振條件是實用的。然而，以下困難需要考慮在內(nèi)： （1）只需要測量旋轉(zhuǎn)軸的一小部分就可行了，因此模擬整個主軸是不可能的； （2）運算速度和溫度主要影響特征值，但當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)時頻率響應(yīng)函數(shù)的測量是相當(dāng)困難的； （3）運用從測量的輸入和輸出數(shù)據(jù)中提取的參數(shù)進行曲線擬合或其他方法 并不總是得到主軸動態(tài)參數(shù)的精確分析。 3.2理論模型 理論模型是基于物理定律，在設(shè)計階段用來預(yù)測和改善主軸的性能。模型提供輸入F（力，速度）和輸出q（撓度，軸承載荷，和溫度）之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。數(shù)學(xué)模型可以用狀態(tài)空間形式或通過一系列的微分方程來表達，在這兩種方案中主軸的線性或非線性行為都可以被精確的模擬。 3.2.1軸和外殼的力學(xué)建模 有限元方法普遍適用于主軸的結(jié)構(gòu)力學(xué)和動態(tài)模型。該方法是通過偏導(dǎo)數(shù)微分方程組在有限元區(qū)域基于結(jié)構(gòu)的離散化。該分析屬于轉(zhuǎn)子動態(tài)研究的類型，具有對稱性的軸通常用梁單元來模擬，可以得到質(zhì)量和剛度矩陣。 Timoshenko梁單元最為常用，因為它考慮了彎曲、轉(zhuǎn)動慣量和剪切的影響，因此對主軸的固有頻率和模態(tài)形狀的預(yù)測有很大幫助。普遍都知道的有限元分析軟件ANSYS中PIPE16單元也是使用了Timoshenko理論與質(zhì)量和剛度矩陣。 3.3角接觸球軸承的建模 角接觸球軸承普遍應(yīng)用于高速主軸。為了保持徑向和軸向的旋轉(zhuǎn)精度和足夠的剛度以滿足基本的操作要求，軸承需要預(yù)緊來防止打滑?；旧希袃煞N類型的軸承預(yù)緊力：剛性預(yù)緊和恒預(yù)緊。 圖1 機床—主軸—軸承系統(tǒng)的有限元模型 畢 業(yè) 設(shè) 計 任 務(wù) 書 1．畢業(yè)設(shè)計的任務(wù)和要求： 掌握機床主軸的基本知識；掌握機床主軸設(shè)計的技術(shù)關(guān)鍵；研究數(shù)控機床主軸單元的關(guān)鍵技術(shù)，掌握其相關(guān)知識及選型、應(yīng)用、設(shè)計方法等；完成一種數(shù)控銑床主軸單元的設(shè)計，要求主軸工作的轉(zhuǎn)速可達8000r/min，輸出功率可達5kW，使用40柄刀具。 2．畢業(yè)設(shè)計的具體工作內(nèi)容： 1） 分析題目要求，查閱相關(guān)的國內(nèi)外文獻、設(shè)計資料、有關(guān)專利文獻等，在此基礎(chǔ)上，了解開題報告的撰寫方法、基本要求，完成開題報告； 2） 學(xué)習(xí)和掌握機床主軸的有關(guān)知識，了解主軸單元、電主軸的有關(guān)知識及發(fā)展現(xiàn)狀；了解數(shù)控機床、加工中心對主軸的要求；總結(jié)機床主軸的設(shè)計要點、技術(shù)關(guān)鍵及發(fā)展方向；力爭提出主軸設(shè)計的發(fā)展方向； 3） 按題目要求，設(shè)計一種數(shù)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(shè)計說明書； 5） 翻譯本專業(yè)外文科技文獻一份。 畢 業(yè) 設(shè) 計 任 務(wù) 書 3．對畢業(yè)設(shè)計成果的要求： 1）主軸裝配圖、主要零件圖； 2）主軸技術(shù)的研究及設(shè)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(shè)計工作進度計劃： 起 迄 日 期 工 作 內(nèi) 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(guān)文獻資料，了解機床主軸設(shè)計的國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，提出自己的設(shè)計思路，完成開題報告； 全面掌握主軸相關(guān)的基本知識，了解高速主軸的關(guān)鍵技術(shù)，了解主軸單元的設(shè)計特點；分析總結(jié)主軸技術(shù)的發(fā)展方向； 設(shè)計主軸，完成裝配圖和主要零件圖； 完成研究總結(jié)及設(shè)計說明書 撰寫答辯講稿，準(zhǔn)備答辯； 學(xué)生所在系審查意見： 同意下發(fā)任務(wù)書 系主任： 2016年 2 月 29 日 畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告 1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計課題情況，根據(jù)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(nèi)外機床主軸研究現(xiàn)狀 （1）國內(nèi)研究現(xiàn)狀 目前國內(nèi)研究高速電主軸的科研機構(gòu)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(lián)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(nèi)瓦國際專利技術(shù)博覽會金獎 ;廣東工業(yè)大學(xué)高速加工和機床研究所也開發(fā)了數(shù)控銑床高速電主軸。其主要技術(shù)指標(biāo)為 :電主軸的額定功率是 13.5kW ,最高轉(zhuǎn)速為 180 0 0r/min ,在額定轉(zhuǎn)速 5 0 0r/min時產(chǎn)生最大輸出轉(zhuǎn)矩為 85Nm。在我國的安陽市 ,有一家中外合資的電主軸生產(chǎn)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(shè)計和制造技術(shù)。該公司研制生產(chǎn)的加工中心電主軸 ,采用先進技術(shù) ,配有矢量閉環(huán)控制系統(tǒng) ,能對主軸實行恒功率調(diào)速 ,準(zhǔn)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(zhuǎn)件經(jīng)高精度平衡。該系列產(chǎn)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(xiàn)狀 國外高速電主軸技術(shù)由于研究較早 ,技術(shù)水平也處于領(lǐng)先地位 ,電主軸已越來越多地應(yīng)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(shù)水平代表了這個領(lǐng)域的世界先進水平。 這些公司生產(chǎn)的電主軸較之國內(nèi)生產(chǎn)的有以下幾個特點 :①功率大、轉(zhuǎn)速高。②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。③精密加工與精密裝配工藝水平高。④配套控制系統(tǒng)水平高。這些控制系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子自動平衡系統(tǒng)、軸承油氣潤滑與精密控制系統(tǒng)、定轉(zhuǎn)子冷卻溫度精密控制系統(tǒng)、主軸變形溫度補償精密控制系統(tǒng)等。并在此基礎(chǔ)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(chǎn)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(chǎn)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(fù)合陶瓷軸承進行潤滑。所有的電主軸均采用矢量控制技術(shù) ,可以在低轉(zhuǎn)速時輸出大扭矩。 國產(chǎn)電主軸和國外產(chǎn)品相比較 ,無論是性能、品種和質(zhì)量都有較大差距 ,國產(chǎn)電主軸產(chǎn)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(nèi)。(2 )在高轉(zhuǎn)速方面 ,國外用于加工中心的電主軸轉(zhuǎn)速已達 75 0 0 0r/min ,我國則多在15 0 0 0r/min以內(nèi)。(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(shù)也有較大差距 ,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、停止等。(5 )在產(chǎn)品的品種、規(guī)格、數(shù)量和制造規(guī)模等方面 ,國產(chǎn)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(yuǎn)不能滿足國內(nèi)數(shù)控機床和加工中心發(fā)展的需求。所以目前國產(chǎn)的高轉(zhuǎn)速、高精度數(shù)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(shù)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(yīng)用的需要，隨著主軸軸承及其潤滑技術(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(zhuǎn)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(zhuǎn)速達到42000r／min，意大利CAMFIOR達到了75000r／min。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，滿足了數(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)實際使用的需要，多數(shù)數(shù)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(yīng)該具備低速大轉(zhuǎn)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(chǎn)的加工中心用電主軸，低速段輸出轉(zhuǎn)矩到200Nm以上的已經(jīng)不是難事，德國CYTEC的數(shù)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(shù)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(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。如主軸徑向跳動在0.001mm 以內(nèi)、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(yù)負(fù)荷施加方式，電主軸的壽命相應(yīng)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(yīng)速度加快 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，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(nèi)。 5） 軸承及其預(yù)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(yīng)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(yīng)高速、環(huán)保節(jié)能的特點，得到越來越廣泛的推廣和應(yīng)用；滾動軸承的預(yù)負(fù)荷施加方式除了剛性預(yù)負(fù)荷(又稱定位預(yù)負(fù)荷)、彈性預(yù)負(fù)荷(又稱定壓預(yù)負(fù)荷)之外，又發(fā)展了一種智能預(yù)負(fù)荷方式，即利用液壓油缸對軸承施加預(yù)負(fù)荷，并且可以根據(jù)主軸的轉(zhuǎn)速、負(fù)載等具體工況控制預(yù)負(fù)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(jīng)有系列商品供應(yīng)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(zhǔn)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、軸向定位精密補償、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，如換刀聯(lián)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(shù)據(jù)，識別過載，統(tǒng)計電主軸工作壽命。 參考文獻 [1]鄭修本.機械制造工藝學(xué).機械工業(yè)出版社,2012,03 [2]韓秋實.械制造技術(shù)基礎(chǔ).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?fù)鋬?yōu)化設(shè)計[D].陜西科技大學(xué) 2012. 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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 5 3.1 電主軸結(jié)構(gòu)圖原理 5 3.2主軸伺服驅(qū)動器的選擇 5 3.3 主軸的轉(zhuǎn)子和定子的設(shè)計 5 3.4 軸承的選擇 7 3.5 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計 8 3.5.1 熱源的主要構(gòu)成 8 3.5.2 主軸傳動的熱平衡計算 8 4 主軸的設(shè)計 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 軸的強度校核計算 12 4.3 軸的剛度校核計算 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: 21 致 謝 22 6 1 緒 論 隨著國家經(jīng)濟的大力發(fā)展，以及工業(yè)進程的加快，尤其是機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]。在機加工的過程中，對于很多的零部件的加工，往往都是大批量進行加工，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，對于加工的單位來說的話也是一種動力，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，并能夠按時完成大批量的工件加工，在規(guī)定的時間能生產(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算機的應(yīng)用相連的，通過我們在計算機中輸入我們需要對零件進行加工的步驟和工序，以及加工的尺寸的需求，在計算機中又通過數(shù)字信息的形式傳給我們的數(shù)控銑床設(shè)備，進而實現(xiàn)一定的指令動作，完成對我們工件的基本加工，這種的操作加工方式比較簡單，也是高智能化的生產(chǎn)，完全通過設(shè)備的自動走刀實現(xiàn)對零件的加工，并且精度也非常的高，生產(chǎn)的效率非常高，數(shù)控銑床對于我們的操作人員的要求也不高。對于企業(yè)來說，加工的成本相對也就低了，能夠達到經(jīng)濟性的生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)[5][6]。 我們國家的數(shù)控銑床的發(fā)展技術(shù)起步比較晚一些，相對與歐美的發(fā)達國家來比的話，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)這些機床設(shè)備的，很多的機床設(shè)備都是靠進口來滿足企業(yè)的生產(chǎn)要求的，沒有一個自主的數(shù)控銑床的專利，數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)也比較簡單，很多機加工的企業(yè)有通過買一些國外的二手機床來滿足加工的生產(chǎn)要求。在改革開發(fā)的帶動下，我們國家的經(jīng)濟發(fā)展比較快，各行各業(yè)欣欣向榮的一副景象，在這么一個背景下，對于數(shù)控機床的需求量非常的大。企業(yè)通過進口的話成本非常高，因此獨立自主的設(shè)計數(shù)控機床的出現(xiàn)成為一個必然的趨勢，在這么一個背景下，我們的機械設(shè)計人員，通過國外高精度的數(shù)控機床的基礎(chǔ)知 Machine tool spindle units1 IntroductionMachine tool spindles basically fulfill two tasks:rotate the tools (drilling, milling and grinding) or work piece (turning) precisely inspace transmit the required energy to the cutting zone for metal removalObviously spindles have a strong influence on metal removal rates and quality of the machinedparts. This paper reviews the current state.and presents research challenges of spindle technology.1.1.Historical reviewClassically, main spindles were driven by belts or gears and the rotational speeds could only bevaried by changing either the transmission ratio or the number of driven poles by electricalswitches.Later simple electrical or hydraulic controllers were developed and the rotational speed of thespindle could be changed by means of infinitely adjustable rotating transformers (Ward Leonardsystem of motor control).The need for increased productivity led to higher speed machiningrequirements which led to the development of new bearings, power electronics and invertersystems. The progress in the field of the power electronics (static frequency converter) led to thedevelopment of compact drives with low-cost maintenance using high frequency three-phaseasynchronous motors.Through the early 1980s high spindle speeds were achievable only by usingactive magnetic bearings. Continuous developments in bearings, lubrication, the rolling elementmaterials and drive systems (motors and converters) have allowed the construction of direct drivemotor spindles which currently fulfill a wide range of requirements.1.2. Principal setupToday, the overwhelming majority of machine tools are equipped with motorized spindles.Unlike externally driven spindles, the motorized spindles do not require mechanical transmissionelements like gears and couplings.The spindles have at least two sets of mainly ball bearing systems. The bearing system is thecomponent with the greatest influence on the lifetime of a spindle. Most commonly the motor isarranged between the two bearing systems.Due to high ratio of power to volume active cooling is often required, which is generallyimplemented through water based cooling. The coolant flows through a cooling sleeve around thestator of the motor and often the outer bearing rings.Seals at the tool end of the spindle prevent the intrusion of chips and cutting fluid. Often this isdone with purge air and a labyrinth seal.A standardized tool interface such as HSK and SK is placed at the spindles front end. Aclamping system is used for fast automatictool changes. Ideally, an unclamping unit (drawbar)which can also monitor the clamping force is needed for reliable machining. If cutting fluid has tobe transmitted through the tool to the cutter, adequate channels and a rotary union become requiredfeatures of the clamping system.Today, nearly every spindle is equipped with sensors for monitoring the motor temperature(thermistors or thermocouples) and the position of the clamping system. Additional sensors formonitoring the bearings, the drive and the process stability can be attached, but are not common inmany industrial applications.1.3. State of the artSpindles with high power and high speeds are mainly developed for the machining of largealuminum frames in the aerospace industry. Spindles with extremely high speeds and low powerare used in electronics industry for drilling printed circuit boards (PCB).1.4. Actual development areas in industryCurrent developments in motor spindle industrial application focus on motor technology,improving total cost of ownership(TCO) and condition monitoring for predictive maintenanceAnother central issue is the development of drive systems which neutralize the existing constraintsof power and output frequency while reducing the heating of the spindle shaft.Particular attention was paid to the increase of the reliable reachable rotational speeds in the past.However, the focus has changed towards higher torque at speeds up to 15,000 rpm. Because ofIncreased requirements in reliability, life-cycle and predictable maintenance the conditionmonitoring systems in motor spindles have become more important. Periodic and/or continuousobservation of the spindle status parameters is allowing detection of wear, overheating andimminent failures.Understanding the life cycle cost (LCC) of the spindles has steadily gained importance inpredicting their service period with maintenance, failure and operational costs.2. Fields of application and specific demandsSpindles are developed and manufactured for a wide range of machine tool applications with acommon goal of maximizing the metal removal rates and part machining accuracy.The work materials range from easy to machine materials like aluminum at high speeds withhigh power spindles, to nickel and titanium alloys which require spindles having high torque andstiffness at low speeds. Cutting work materials with abrasive carbon or fiber-reinforced plastics(FRP) content need good seals at the spindle front end.Spindles for drilling printed circuit boards operate in the angular speed range of 100,000 to300,000 rpm. The increase in productivity and speed in this application field over the last fewyears was possible with the development of precision air bearings.Spindles used in die and mould machining have to fulfill the roughing operations (highperformance cutting, HPC) at high feed rates as well as the finishing processes (high-speed cutting,HSC) at high cutting speeds. Depending on the strategy and the machinery of the mould and dieshop either two different machine tools equipped with two different spindles are used or onemachine is equipped with a spindle changing unit. Another possibility is to use a spindle which canfulfill both, HSC and HPC conditions, but this still remains a compromise regarding overallproductivity.Aerospace spindles are defined by high power as well as high rotational speeds. Todaysspindles allow a material removal rate(MRR) of more than 10 l of aluminum per minute.Grinding is a finishing operation where high accuracy is necessary, which requires stiff spindleswith bearings having minimum runout. The present internal cylindrical grinding spindles have arunout requirement of less than 1 mm.Spindle units which are used mainly for boring and drilling operations require high axialstiffness, which is achieved by using angular contact bearings with high contact angles. On thecontrary, high-speed milling operations use spindles with bearings having small contact angles inorder to reduce the dependency of radial stiffness on the centrifugal forces.Contemporary machining centers tend to have multi functions where milling, drilling, grindingand sometimes honing operations can be realized on the same work piece. The bottleneck for theenhancement of the multi-technology machines is still the spindle, which cannot satisfy all themachining operations with the same degree of performance. Reconfigurable and modular machinetools require interchangeable spindles with standardized mechanical, hydraulic, pneumatic andelectrical interfaces.3. Spindle analysisThe aim of modeling and analysis of spindle units is to simulate the performance of the spindleand optimize its dimensions during the design stage in order to achieve maximum dynamicstiffness and increased material removal rate with minimal dimensions and power consumption.The mechanical part of the spindle assembly consists of hollow spindle shaft mounted to a housingwith bearings. Angular contact ball bearings are most commonly used in high-speed spindles dueto their low-friction properties and ability to withstand external loads in both axial and radialdirections. The spindle shaft is modeled by beam, brick or pipe elements in finite elementenvironment. The bearing stiffness is modeled as a function of ball bearing contact angle, preloadcaused by the external load or thermal expansion of the spindle during operation. The equation ofmotion is derived in matrix form by including gyroscopic and centrifugal effects, and solved toobtain natural frequencies, vibration mode shapes and frequency response function at the toolattached to the spindle. If the bearing stiffness is dependent on the speed, or if the spindle needs tobe simulated under cutting loads, the numerical methods are used to predict the vibrations alongthe spindle axis as well as contact loads on the bearings.Spindle simulation models allow for the optimization of spindle design parameters either toachieve maximum dynamic stiffness at all speeds for general operation, or to reach maximum axialdepth of cut at the specified speed with a designated cutter for a specificmachining application.The objective of cutting maximum material at the desired speed without damaging the bearingsand spindle is the main goal of spindle design while maintaining all other quality and performancemetrics, e.g. accuracy and reliability.does not always lead to accurate identification of the spindles dynamicparameters； A.3.2. Theoretical modelingTheoretical models are based on physical laws, and used to predict and improve theperformance of spindles during the design stage. The models provide mathematical relationbetween the inputs F (force, speed) and the outputs q (deflections, bearing loads, and temperature).The mathematical models can be expressed in state space forms or by a set of ordinary differentialequations. In both cases linear or nonlinear behavior of the spindles can be modeled.3.2.1. Mechanical modeling of shaft and housingFinite element (FE) methods are most commonly used to model structural mechanics anddynamics of the spindles. The method is based on discretization of the structure at finite elementlocations by partial derivative differential equations. The analysis belongs to the class of rotor-dynamic studies where the axis-symmetric shaft is usually modeled by beam elements, which leadto construction of mass (Me) and stiffness (Ke) matrices.Timoshenko beam element is most commonly used because it considers the bending, rotaryinertia and shear effects, hence leads to improved prediction of natural frequencies and modeshapes of the spindle .The element PIPE16 of the commonly known FEA software ANSYS is alsoan implementation of the Timoshenko theory and use the mass matrix and stiffness matrixAs an example in the finite element model in Fig. 1, the black dots represent nodes, and eachnode has three Cartesian translational displacements and two rotations . The pulley is modeled as arigid disk, the bearing spacer as a bar element, and the nut and sleeve as a lumped mass. Thespindle in this case has two front bearings in tandem and three bearings in tandem at the rear. Thefive bearings are in overall back-to-back configuration. The tool is assumed to be rigidlyconnected to the tool holder which is fixed to the spindle shaft rigidly or through springs withstiffness in both directions translation and rotation. The flexibility of the spindle mounting has tobe reflected in the model of the spindle-machine system. Springs are also used between the spindlehousing and spindle head, whose stiffness is obtained from experience.Fig. 1. The finite element model of the spindle-bearing-machine-tool system