数控车床主轴组件设计说明.doc
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1、目 录绪 论4一、设计题目及参数51.1 题目51.2 参数5二、主轴的要求及结构52.1主轴的要求52.1.1旋转精度52.1.2静刚度62.抗振性62.1.4温升和热变形62.耐磨性72.1.6材料和热处理72.2主轴的结构7三、主传动系统变速方式8四、机床夹具的确定10五、主轴主要参数的计算及校核115.1主轴主要参数的计算115.1.1主轴前端直径D1125.1.2主轴径d125.1.3主轴前端悬伸量确定135.1.4主轴跨距的确定145.2 轴的刚度计算15六、主轴轴承的选择166.1 轴承的选型166.1.1角接触球轴承176.1.2圆柱滚子轴承196.1.3圆锥滚子轴承166.1
2、.4深沟球轴承196.2轴承间隙调整和预紧19七、主轴箱箱体的设计207.1主轴箱的概述207.2主传动的设计207.2.1驱动源的选择207.2.2传动轴的估算217.2.3齿轮模数的估算237.2.4V带的选择247,3主轴箱展开图的设计247.3.1各零件结构尺寸的设计247.3.1.1 设计容和步骤247.3.1.2有关零件结构和尺寸的设计257.3.1.3各轴结构的设计2773.1.4主轴组件的刚度和刚度损失的计算287.3.1.5轴承的校核30八、主轴组件的润滑和密封328.1主轴滚动轴承的润滑328.1.1脂润滑328.1.2油润滑338.2主轴组件的密封33设计心得35参考文献
3、37绪 论随着市场上产品更新换代的加快和对零件精度提出更高的要求,传统机床已不能满足要求。数控机床由于众多的优点已成为现代机床发展的主流方向。它的发展代表了一个国家设计、制造的水平,在国外都受到高度重视。现代数控机床是信息集成和系统自动化的基础设备,它集高效率、高精度、高柔性于一身,具有加工精度高、生产效率高、自动化程度高、对加工对象的适应强等优点。实现加工机床及生产过程的数控化,已经成为当今制造业的发展方向。可以说,机械制造竞争的实质就是数控技术的竞争。本课题的目的和意义在于通过设计中运用所学的基础课、技术基础课和专业课的理论知识,生产实习和实验等实践知识,达到巩固、加深和扩大所学知识的目的
4、。通过设计分析比较机床的某些典型机构,进行选择和改进,学习构造设计,进行设计、计算和编写技术文件,达到学习设计步骤和方法的目的。通过设计学习查阅有关设计手册、设计标准和资料,达到积累设计知识和提高设计能力的目的。通过设计获得设计工作的基本技能的训练,提高分析和解决工程技术问题的能力,并为进行一般机械的设计创造一定的条件。第一章 设计题目及参数1.1题目本设计的题目是数控车床的主轴组件的设计。它主要由主轴箱,主轴,电动机,主轴脉冲发生器等组成。我主要设计的是主轴部分。主轴是加工中心的关键部位,其结构优劣对加工中心的性能有很大的影响,因此,在设计的过程中要多加注意。主轴前后的受力不同,故要选用不同
5、的轴承。1.2参数床身回转空间400mm尾架顶尖与主轴端面距离1000mm主轴卡盘外径200mm最大加工直径600mm棒料作业能力5063mm主轴前轴承和110130mm最大扭矩480Nm第二章 主轴的要求及结构2.1主轴的要求2.1.1旋转精度主轴的旋转精度是指装配后,在无载荷,低转速的条件下,主轴前端工件或刀具部位的径向跳动和轴向跳动。主轴组件的旋转精度主要取决于各主要件,如主轴、轴承、箱体孔的的制造,装配和调整精度。还决定于主轴转速,支撑的设计和性能,润滑剂及主轴组件的平衡。通用包括数控机床的旋转精度已有标准规定可循。2.1.2静刚度主轴组件的静刚度简称刚度反映组件抵抗静态外载荷变形的能
6、力。影响主轴组件弯曲刚度的因素很多,如主轴的尺寸和形状,滚动轴承的型号,数量,配置形式和预紧,前后支撑的距离和主轴前端的悬伸量,传动件的布置方式,主轴组件的制造和装配质量等。各类机床主轴组件的刚度目前尚无统一的标准。2.1.3抗振性主轴组件工作时产生震动会降低工件的表面质量和刀具耐用度,缩短主轴轴承寿命,还会产生噪声影响环境。振动表现为强迫振动和自激振动两种形式。影响抗振性的因素主要有主轴组件的静刚度,质量分布和阻尼特别是主轴前支撑的阻尼,主轴的固有频率应远大于自激振动的频率,以使它不易发生共振。目前,尚未制定出抗振性的指标,只有一些实验数据可供设计时参考。2.1.4温升和热变形主轴组件工作时
7、因各相对运动处的摩擦和搅油等而发热,产生温升,从而使主轴组件的形状和位置发生变化热变形。主轴组件受热伸长,使轴承间隙发生变化。温度使润滑油粘度降低,降低了轴承的承载能力。主轴箱因温升而变形,使主轴偏离正确位置。前后轴承的温度不同,还会导致主轴轴线倾斜。由于受热膨胀是材料固有的性质,因此高精度机床要进一步提高加工精度,往往受热变形的限制。研究如何减少主轴组件的发热,如何控制温度,是高精度机床主轴组件的研究的主要课题之一。2.1.5耐磨性主轴组件的耐磨性是指长期保持原始精度的能力,即精度保持性。对精度有影响的首先是轴承,其次是安置刀,夹具和工件的部位,如锥孔,定心轴径等。为了提高耐磨性,一般机床主
8、轴上的上述部分应淬硬至HRC60左右,深约1mm.2.1.6材料和热处理主轴承载后允许的弹性变形很小,引起的应力通常远远小于钢的强度极限。因此,强度一般不做为选材的依据。主轴的形状,尺寸确定之后,刚度主要取决于材料的弹性模量。各种材料的弹性模量几乎相同,因此刚度也不是选材的依据。主轴材料的选择主要根据耐磨性和热处理变形来考虑。普通机床的材料通常是45号或60号优质中碳钢,数控机床需调质处理和淬火。2.2主轴的结构为了提高刚度,主轴的直径应该大些。前轴承到主轴前端的距离称悬伸量应尽可能小一些。为了便于装配,主轴通常作成阶梯形的,主轴的结构和形状与主轴上所安装的传动件,轴承等零件的类型,数量,位置
9、和安装方法有直接的关系。主轴中的孔主要 用于通过棒料,拉杆或其它工具。为了能够通过更大的棒料,车床的中空希望大些,但受刚度条件的影响和限制,孔径一般不宜超过外径的70%。主轴的结构如附图1。图1第三章 主传动系统变速方式为了适应不同的加工要求,数控机床主传动主要有以下几种配置方式:1带有变速齿轮的主传动。这种方式在大、中型数控机床采用较多。通过少数几对齿轮降速,扩大了输出扭矩,以满足主轴的输出扭矩特性的要求,一部分小型数控机床也采用此种传动方式。以获得强有力的切削时所需要扭矩。数控机床使用可调无级变速交流、直流电动机。所以经齿轮变速后,实现8段无级变速,调速围增加。其优点是可满足各种切削运动输
10、出转矩,具有大围调速能力。但是由于结构复杂,需要增加润滑及温度控制装置。成本较高,此外,制造和维修也比较困难。参图a2一级带传动变速方式。这种传动方式主要应用在中小型数控机床上。采用V型带或同步带传动,可以避免齿轮传动时可引起的振动与噪声,适用于低扭矩特性要求的主轴。这种方式结构简单,安装方便,调试容易,被广泛用于许多数控机床传动中。参图b3调速电机直接驱动方式,这种主轴传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构,有效地提高主轴部件的刚度,由于结构紧凑,占用空间少,加工中心的可加工空间相对变大。但是主轴转速的变化及扭矩的输出和电动机输出特性完全一致,电动机的发热对主轴的精度影响大,最好装有冷却装置
11、,否则使用还是受到约束。参图c4电主轴直接驱动方式:这种驱动方式其实和c图方式差不多,但这种传动方式结构方式更为紧凑,占用空间更小。它主要是将主轴作为电机的转子,箱体壳与主轴配合箱体壳作为电机的定子。但是这种电机形式的主轴结构,连带主轴组件都是成套,要求很高,精度也高。另外制造成本也很高。且容易发热,同样会影响主轴精度。参图d以下为传动方式的结构图:图a带有变速齿轮的主传动图b一级带传动变速方式 图 调速电机直接驱动方式 图电主轴直接驱动方式综上所述,进行各种传动方式优缺点进行分析和比较来选取本设计所采用的主轴传动方式。首先是该设计为数控车床,主轴选用带传动同步齿形带,主轴主要是车削加工,必须
12、保证其加工精度,而带传动能缓和冲击、吸收振动,故传动平稳。由此选用一级带传动变速方式。第四章 机床夹具的确定本次设计的数控车床所加工工件长度约为300mm长附图2,夹具相对设计较单一,选用卡盘夹紧工具即可满足加工要求。卡盘夹紧工件与主轴联接,并与主轴同步旋转。对于数控车床夹具主要就是卡盘夹具。卡盘从它的工作原理上分为以下几种类型:手动松紧卡盘液压松紧卡盘气动松紧卡盘电动松紧卡盘首先从数控车床的自动化程度讲,手动卡盘属人工操作,不合适。另外液压和气动松紧卡盘实际工作原理相似,一个是油泵进行驱动,一个是气泵驱动,结构设计简明,传动机构简单。另外电动卡盘同样结构紧凑,效率高,但综上所述,我们选择液压
13、卡盘,液压卡盘结构紧凑,自动化程度高,结构比电动卡盘简单,有时可改装为与其相似的气动卡盘。另外所设计的数控车床许多装置重于用液压系统,所以用液压卡盘是比较合理的。液压卡盘的控制原理实质为一锁紧回路附图3。第五章 主轴主要参数的计算及校核5.1主轴主要参数的计算主轴的主要参数是:主轴前端直径D1,主轴径d。主轴悬伸量a和主轴支撑跨距L。5.1.1主轴前端直径D1主轴D1按电机功率如下表5-1mm:功率kwD1机床1.42.523.635.557.37.411车床608070907010595130110145铣床及加工中心5090609060957510090105外圆磨床50605570708
14、07590车床、铣床、镗床、加工中心等机床因装配的需要,主轴直径常是自前往后逐渐减小的。前轴颈直径D1大于后轴直径D2。对于车、铣床一般,由上表可取D1=110mm。因此可知由式子后端直径圆整后5.1.2主轴径 主轴孔径与机床类型有关,主要用来通过棒料、镗杆、拉杆或顶尖。确定孔径原则是为减轻主轴重量,在满足对空心主轴孔径要求和最小壁厚要求下,应取最大值。主轴的径是通过刀具夹具装置固定刀具、传动气动或液压卡盘等。主轴孔径越大,主轴部件的相对重量就越轻。主轴的孔径大小主要受主轴刚度的制约。主轴的孔径与主轴直径之比,小于0.3时空心主轴的刚度几乎与实心主轴相等;等于0.5时空心主轴的刚度为实心主轴的
15、90%;大于0.7时,空心主轴的刚度就急剧下降。一般可取其比值为0.5左右。主轴本身刚度K正比于抗弯断面惯性矩I由式子可知取孔径的直径极限为此时若孔径再大,刚度急剧下降根据推荐值 取 d1=55 mm5.1.3主轴前端悬伸量a确定图5-1主轴悬伸量指主轴前端面到前支承径向反力作用中点一般即为前径支撑中点的距离,参考1表6.1-45,它主要取决于主轴前端部结构形式和尺寸,前支撑轴承配置和密封等。因此主要由结构设计确定。悬伸量与主轴部件的刚度及抗振性成反比,故应尽量取小值。E-材料的弹性模量I-轴惯性距-前刚度值-后刚度值初选a值可参考下表5-2确定车床和主轴类型精密车床、自动车床用滚动轴承支承,
16、适用高精度和普通精度要求0.61.5中等长度和较长主轴端的车床和铣床,悬伸不太长不是细长的精密镗床和圆磨床,用滚动轴承和滑动轴承支承适用于绝大部分普通生产要求1.252.5计算得悬伸量为80mm5.1.4主轴跨距的确定主轴跨距是决定主轴系统动静刚度的重要影响因素,目的是找出在切削力作用下,主轴前端的柔度值最小的跨距称为最优跨距。实验证明,动态作用下最优跨距很接近于推得最优值,因此设计时尽量达到最优值。前端角接触球轴承的刚度主要为轴向刚度其中:径为110mm,查参考2表4.3-5查轴承样本额定动载荷取计算得主轴跨距为300mm5.2 轴的刚度计算如果主轴前后轴承由数段组成,则当量直径mm参考文献
17、2式中、分别为各段的直径和长度;总长,如果前后轴承的直径相差不大,也可把前后轴承直径的平均值近似地作为当量直径d。主轴的前悬伸部分较粗,刚度较高,其变形可以忽略不记,后悬伸部分不影响刚度,也可不计算。如主轴前端作用一外载荷F如下图参考文献3图5-2 主轴组件计算模型则挠度:参考文献2式中 F外载荷N; a前悬伸,等于载荷作用点至前支承点间的距离mm; l跨距,等于前后支承的距离mm; E弹性模量,钢的; I截面惯性距, ;主轴的外径和孔径mm。又因为,孔的影响可以忽略由此可得主轴刚度满足要求。第六章 主轴轴承的选择6.1 轴承的选型主轴轴承是主轴组件的重要组成部分,它的类型、结构、配置、精度、
18、安装、调整、润滑和冷却都直接影响了主轴组件的工作性能。在数控机床上主轴轴承常用的有滚动轴承和滑动轴承。滚动轴承摩擦阻力小,可以预紧,润滑维护简单,能在一定的转速围和载荷变动围下稳定地工作。滚动轴承有专业化工厂生产,选购维修方便,在数控机床上被广泛采用。与滑动轴承相比,滚动轴承的噪声大,滚动体的数目有限,刚度是变化的,抗震性略差,但总体来说,数控机床主轴组件在可能的条件下,应尽量使用滚动轴承,特别是大多数立式主轴和主轴在套筒能够做轴向移动的主轴。这时用滚动轴承可以用润滑脂润滑,以避免漏油。滚动轴承根据滚动体的结构分为球轴承、圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承三大类。主轴轴承主要应根据精度、刚度和转速来选
19、择,为了提高精度和刚度,主轴轴承间的间隙应该是可调的。线接触的滚子轴承比点接触的球轴承的刚度高,但一定温升下允许的转速较低,下面就简述几种常用的数控机床主轴的机构及适用围。6.1.1 角接触球轴承这种轴承既可以承受径向载荷又可以承受轴向载荷。常用的接触角主要有两种:=25,=15,其中=25的编号为7000AC型旧代号为46100型,属于特轻型;或编号为7190AC型旧代号为46900型,属于超轻型。=15的编号为7000C型旧代号为36100型,属于特轻型;或编号为7190C型;或编号为7190C型旧代号为1036900型,属于超轻型。如图6-1所示参考文献2. 图6-1角接触球轴承角接触球
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