V400柔性制造系统主轴主轴箱.doc

1、 目 次1. 引言.12. 加工中心的发展现状及形态演化过程.23. 毕业设计的目的.54.毕业设计的任务.65.加工中心的概述.76.设计计算6.1.电动机的计算与选择.106.2.同步带与带轮的选择.116.3.主轴直径的计算.126.4.轴承的计算与校核.166.5.碟簧的计算与选择.187.设计总结.21致谢.23参考文献.241 引言机械制造业是整个工业和国民经济的基石，是强国之本。而数控机床的拥有量及其技术水平的高低，已成为衡量一个国家机械制造水平的标志。而加工中心的出现为数控加工技术提供了一个很高的发展平台，克服了很多普通数控机床不能完成的复杂工序。随着技术的进步与发展，加工中心

2、的应用已日趋普及，现代的数控加工技术使得机械制造业制造过程发生了显著变化，对技术人员的要求也越来越高。本次毕业设计V400柔性制造系统主轴主轴箱是加工中心必不可少的部分。是为加工中心提供动力；保证加工准度、精度；提高加工效率；降低生产加工成本起了十分重要的作用。2 加工中心的发展现状及型态演化过程从1952年世界上第一台数控机床出现到现在，数控机床随着电子、计算机、材料、信息等技术的发展得到了质的飞跃。从臃肿、笨拙、功能简单的数控铣床已发展到精致、灵巧、功能齐全的各种数控机床。从开始的纯军事用途发展的至今，已经用到各个制造领域。数控机床已从稀有到普及。发达国家数控机床在工业产值中的比重占据了一

3、大部分，成为机床工业的主导产品。科技的发展日新月异，目前我国的数控机床工业也得到了飞跃的发展，已从原先的稀有发展到现今的普及，从原来的笨拙、功能低下、效率低到现在的精致、功能强大、效率高等，在我国机械工业生产中的比重越来越大。现在加工中心逐渐成为机械加工业中最主要的设备，它加工范围广，使用量大。近年来在品种、性能、功能方面有很大的发展。品种：有新型的立、卧五轴联动加工中心，可用于航空、航天零件加工；有专门用于模具加工的高性能加工中心，集成三维CAD/CAM对模具复杂的曲面超精加工；有适用于汽车、摩托车大批量零件加工的高速加工中心，生产效率高且具备柔性化。性能：普遍采用了万转以上的电主轴，最高可

4、达610万转；直线电机的应用使机床加速度达到了3-5g；执行ISO/VDI检测标准，促使制造商提高加工中心的双向定位精度。功能：糅合了激光加工的复合功能，结构上适合于组成模块式制造单元（FMC）和柔性生产线（FMS），并具有机电、通讯一体化功能。 为了满足市场和科学技术发展的需要，为了达到现代制造技术队数控加工技术提出的更高的要求，当前，数控机床的发展趋势主要体现在以下几个方面： 高速、高效、高精度、高可靠性要提高加工效率，首先必须切削和进给速度，同时，还要减少加工时间；要确保加工质量，必须提高机床部件运动轨迹的精度而可靠性则是上述目标的基本保证。为此，必须要有高性能的数控机床作为保证。1.高

5、速、高效。加工中心向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可以大幅提高加工效率，降低加工成本，而且还可以提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。2.新一代加工中心只有通过高速化大幅缩短切削工时才可能进一步提高其生产效率。超高速加工特别是超高速铣削与新一代高速加工中心的开发与应用密切相关。20世纪90年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速加工中心，加快了加工中心高速化发展的步伐。高速主轴单元（电主轴，转速15000100000r/min）、高速且高加（减）速度的进给运动部件（快移速度60120m/min，切削进给速度高达6

6、0m/min）、高性能数控和伺服系统，以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。随着超高速切削原理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具，大功率高速电主轴、高加（减）速度直线电机驱动进给部件，以及高性能控制系统（含监控系统）和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决，应不失时机的开发应用新一代高速加工中心数控系统。依靠快速、准确的数字量传递技术对高性能的加工中心执行部件进行高精密度、高响应速度的试试处理，由于采用了新型的刀具，车削和铣削的切削速度已达到50008000m/min米每分以上；主轴转速在30000r/min（有的高达100000r/min）以上。根据高效率、大批量生产需求和

7、电子驱动技术的飞速发展，高速直线电机的飞速发展，高速直线电机的推广应用，开发出一批高速、高效的高速响应的加工中心，以满足汽车、农机等行业的需求。3. 高精度。从精密加工发展到超精密加工，是世界各个工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级，其应用范围日趋广泛。4. 高可靠性。是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是越高越好，仍然是适度可靠。过去五轴加工中心多为德国、美国、日本、意大利制造，令人欣喜的是在2009年3月在上海举行的“中国数控机床展览会”上，展出了多台国内生产的五轴加工中心。如济南二机床集团公司展出的龙门式五轴联动加工中心，工作台长6m

8、,宽2m，采用立式主轴回转，A轴转角100度，C轴转角200度，这个庞然大物吸引了许多参观者，它标志着中国数控机床工业达到了先进水平。上海第三机床厂、第四机床厂制造的立卧加工中心，工作台630mm2，采用高速内冷电主轴，主轴可立、卧转换，工作台可以360度等分，类似于上述简单配置为立、卧转换的三轴加工中心，可对工件实现五面体加工，尽管还没有配置五轴，也非常实用。现在加工中心逐渐成为机械加工业中最主要的设备，它加工范围广，使用量大。近年来在品种、性能、功能方面有很大的发展。品种：有新型的立、卧五轴联动加工中心，可用于航空、航天零件加工；有专门用于模具加工的高性能加工中心，集成三维CAD/CAM对

9、模具复杂的曲面超精加工；有适用于汽车、摩托车大批量零件加工的高速加工中心，生产效率高且具备柔性化。性能：普遍采用了万转以上的电主轴，最高可达610万转；直线电机的应用使机床加速度达到了3-5g；执行ISO/VDI检测标准，促使制造商提高加工中心的双向定位精度。功能：糅合了激光加工的复合功能，结构上适合于组成模块式制造单元（FMC）和柔性生产线（FMS），并具有机电、通讯一体化功能。可见现代的加工中心正想着智能化、自动化、多方位、多用途等方面发展，我们可以预见在不久的将来，随着科技的进步，加工中心的发展将更加完善，功能将更加强大，机械制造业不久将迎来有一个春天。3毕业设计目的大学四年就要结束，毕

10、业设计是本科生获得学士学位的必要条件。毕业设计它能够综合运用大学间段所学的专业知识，并与实际的生产相结合,只有在实际的设计过程中我们才能真正的体会到一个机械产品在从设计到生产的一系列工作。毕业设计是培养学生综合运用本学科的基本理论、专业知识和基本技能，提高分析与解决实际问题的能力，完成工程师的基本训练和初步培养从事科学研究工作的重要环节。毕业设计能够培养我们的独立工作能力、开发创造能力为主，兼顾所学知识的巩固、应用和扩大了专业知识。毕业设计内容包括工作计划和组织、检索与阅读中外文献资料、调查研究、方案比较选择、设计与计算、综合分析、计算机绘图、方案模拟抽象、总结提高、撰写报告等。通过毕业设计培

11、养学生综合运用所学基础理论、基本知识、基本技能和专业知识，联系生产及科研实际完成某一课题，全面检验学生分析和解决问题的能力，使学生掌握基本方法，受到初步的工程技术训练。是培养大学生的创新能力、实践能力和创业精神的重要实践环节。能够掌握如何针对某一机械设备进行设计，是本次毕业设计的目的。希望能够通过此次的毕业设计能够达到这一点。运用四年来所学的专业知识使之与现实中的设备相结合，也正是我们学习的最终目的。用我们的理论知识在现实中能够有所创新，使中国的制造业更上一步。通过本设计锻炼了我们对所学知识的综合应用能力、对文献资料的查阅检索能力以及对新知识的自学能力。深化和检查学生所学专业知识的深度和广度,

12、综合考查我们运用所学专业知识进行理论探讨或发现问题,分析问题和解决问题的能力。4 毕业设计的任务 1、设计题目：V400型柔性制造单元主轴主轴箱设计 2、主要技术规格： 本课题主要完成V400型柔性制造单元主轴主轴箱部分方案选择、结构设计及零件设计。要求设计产品在满足功能要求的前提下尽可能降低成本。 3、基本参数： 主轴伺服电机功率7.5/11KW，主轴转速06000rpm，自动无级变速，主轴内锥孔采用BT40#，具有定向停止功能，主轴箱具有较好的刚度，与立柱联接尺寸协调。 4、设计内容：在规定时间内完成设备的总装图、部装图、零件图以及说明书（不得少于4张零号图纸）设计要求：A. 综合现有设备

13、的工作情况及存在问题，确定合理的设计方案和总体设计方案。B. 制图应严格遵守机械制图、国家标准的有关规定，要求图面清晰，表达准确合理，尺寸 精确。C. 大胆创新，合理设计，精确加工，并注意提高标准化设计。5 加工中心的概述5.1加工中心的分类 加工中心又称多工序自动换刀数控机床。它把铣削、镗削、钻销等功能集中在一台设备上，一次装夹可完成多个加工要素的加工。根据加工中心的结构和功能，有以下几种分类形式：1. 按工艺用途分类（1） 镗削加工中心（2） 钻销加工中心（3） 车削加工中心（4） 复合加工中心2. 按主轴特征分类（1） 立式镗铣加工中心（2） 卧式镗铣加工中心5.2 加工中心机械结构构成

14、 典型加工中心的机械结构主要有基础支撑件、加工中心主轴系统、进给传动系统、工作台交换系统、回转工作台、刀库及自动换刀装置以及其他机械功能部件组成。如图1-1是T型加工中心结构件图。加工中心基础支撑件是指床身、立柱、横梁、工作台、底座等结构件，它构成了机床的基本框架。基础支撑件对加工中心各部件起支撑和导向作用，因而要求基础支撑件具有较高的刚性、较高的固有频率和较大的阻尼。主轴系统为加工中心的主要组成部分，它有主轴电动机、主轴传动系统以及主轴组件组成。和常规机床主轴系统相比，加工中心主轴系统要具有更高的转速、更高的回转精度以及更高的结构刚性和抗震性。图 1加工中心进给驱动机械系统直接实现直线或旋转

15、运动的进给和定位，对加工的精度和质量有很大影响，因此对对加工中心进给系统的要求是运动精度、运动稳定性和快速响应能力。根据工作要求，回转工作台通常分成两种类型，即数控转台和分度转台。数控转台在加工过程中参与切削，相当于进给运动坐标轴；分度转台只完成分度运动，主要要求分度精度和在切削力作用下位置保持不变。为了在一次安装后进可能多得完成同一工件不同部位的加工要求，并尽可能减少加工中心的非故障停机时间，数控加工中心通常具有自动换刀装置、刀库和自动托盘交换装置。对自动换刀装置的基本要求主要是结构简单、功能可靠、交换迅速。其他机械功能部件主要指冷却、润滑、排屑和监控装置。由于加工中心生产效率极高，并可长时

16、间实现自动化加工，因而冷却、润滑、排屑等问题比常规机床更突出。大切削量的加工需要强力冷却和及时排屑。大量冷却和润滑液的作用还对系统的密封和泄露提出更高的要求，导致半封闭、全封闭结构机床的实现。图 2结构简图图3三维设计图6 设计计算6.1电动机的选择加工中心上的电动机是一种专用的主轴电机，它与一般的电机有很大的区别。最常用的主轴电动机为交流调速电动机和交流伺服电动机。交流调速电动机通过通过改变电动机的供电频率可以调整电动机的转速。加工中心使用该类电动机时，大多数为专用电动机与调速装置配套使用，电动机的电参数（工作电流、过载电流、过载时间、等）与调速装置一一对应。交流调速电动机制造成本成本较低，

17、但不能实现电动机轴在圆周任意方向的准确定位。交流伺服电动机时近几年发展起来的一种高效能的主轴驱动电动机，其工作原理与交流伺服电动机相同，但其工作转速比一般的交流伺服电动机要高。交流伺服电动机可以实现主轴在任意方向上的定位，并且以很大转速实现微小位移。本次设计的要求是主轴伺服电机功率7.5/11KW，主轴转速06000rpm，自动无级变速。因此选用交流伺服电机比较合适。主运动为旋转运动时，铣削速度的计算：.(1-1)式中 d刀具直径，n刀具转速有公式1可得：用高速钢铣刀铣削45#端铣刀计算公式查资料为：.(1-2)式中 铣削力系数，侧吃刀量，铣削工件直径d=90mm背吃刀量又进给速度进给速度计算

18、公式为：.(1-3)将n=6000，z=3带入式3得所以：=9.5kw所以铣削功率机床电动机功率为式中取0.60.8带入上式 所以电动机的功率至少11KW才能满足要求所以查资料选得主轴电机选择北京超同步的产品，型号为CTB-4011ZXB30-XXX.该主轴电机参数为表6.1.16.1.1CTB-4011ZXB30-XXX系列电动机参数表额定频率（Hz）额定功率（kw）额定电压（v）额定电流（A）额定转矩（N.m）极数（P）额定转速(rpm)最高转速（rpm）1001138022.135430008000安装机座号查资料可知。可选择B3 B5 B356.2 同步带与带轮的选择同步带是连接主轴电

19、机与主轴的纽带，主轴电机输出的功率通过同步带传递到主轴上，因此主轴的精度一部分取决于同步带传递的效率精度，同时同步带的韧性及强度对传递效率有很大的影响。1. 确定计算功率 .(6-2-1)为张紧轮影响系数，为工况系数无张紧轮故=1；本机型为教育型，间断工作，振动中等，故8=0.8.(6-2-2)从机械设计手册中查得同步带轮模数8M2. 确定同步带轮齿数、和节圆直径、 根据主轴结构此处选小皮带轮齿数=36,大皮带轮齿数=72，.（6-2-3）式中为节距，=8.线速度.（6-2-4）故选择的带合格。查资料可知同步带选择江苏泰州永丰生产的圆弧形同步带型号为：HTD8M，线长为720mm，齿数90同步

20、带轮选择宁波伏龙同步带，具体参数见表6.2.16.2.1同步带轮参数规格齿数节径d外径90-8M90229.18227.816.3 主轴直径的计算由于加工中心主轴受到弯矩和扭矩的作用，其中主要受的是扭矩，所以应按照弯扭合成作用初步估算轴的直径。1） 初步估算轴径： 因所设计的主轴含有空心部分，参考资料机械设计应按公式4计算 式中p=8.3kw，,内径与外径d之比计算得计算可知 所以主轴直径应大于55mm2）画出弯矩扭矩图选择轴的材料为40Cr，调质处理，由机械设计手册查得： =736N/mm2，=539 N/mm2，=314 N/mm2，=199 N/mm2， =245 N/mm2，b=118

21、 N/mm2 ，b=69N/mm2有图形可知，各段跨距，由此可作出轴的受力简图，如图a所示。则 同理可得，水平面支反力分别为：水平面弯矩图Mr 如图C所示：截面D左边右边 垂直面弯矩图 Mt如图e所示截面D左边 右边 合成弯矩图，如图f所示：扭矩 T=36254N.mm有图可见，截面C处弯矩最大，校核该截面处的当量弯矩=92832.13N.mm其中 校核结果，：b，截面C的强度足够。(a)（b）（c）（d）（e）6.4 轴承的计算与校核有设计可知所选轴承为两对角接触球轴承，所选型号为7014轴承的基本额定动载荷Cr=48.2N，基本额定静载荷C0r=43.5N。 对于70000C型轴承，按1中

22、表13-7，轴承派生轴向力Fd=eFr，其中，e为 1中表13-5中的判断系数，其值由的大小来决定,但现轴承轴向力Fa未知.故先取e=0.4，因此可估算Fd1=0.4Fr1=86.668NFd2=0.4Fr2=42.78N从而 Fa1=Fa+Fd2=720N+42.78N=762.78N Fa2=Fd2=42.78N =0.01367 =0.00077由1中表13-5进行插值计算，得e1=0.35，e2=0.02。再计算 Fd1= e1Fr1=0.35216.67N=75.83N Fd2= e2Fr2=0.02106.95N=2.14N Fa1=Fa+Fd2=720N+2.14N=722.14

23、NFa2=Fd2=2.14N =0.01294 =0.00004两次计算的的值差别在允许误差范围内，因此确定e1=0.35，e2=0.02，Fa1=722.14N，Fa2=2.14N6.2 求轴承当量动载荷P1和P2因为 =4.16e1 =0.033e2由1中表13-5分别进行查表或插值计算得径向载荷系数和轴向载荷系数为对轴承1 X1=0.44， Y1=1.35对轴承2 X2=0.44， Y2=0.08因轴承运转中有中等冲击载荷，按1中表13-6，fp=1.21.8，取fp =1.5。则P1= fp (X1Fr1+Y1Fa1)=1.5(0.44173.68+1.35722.14)N=1576.

24、96NP2= fp (X2Fr2+Y2Fa2)=1.5(0.4463.96+0.082.14)N=42.47N6.3 验算轴承寿命因为P1P2，所以按轴承1的受力大小验算 Lh=2343231.7h比预期计算寿命大。（f）6.5 碟簧的计算与选择 主轴内碟簧的计算：刀轴的拉力F=2000KgG=Fg=20000N初步设计有八个碟璜支撑承受，则每个碟簧承受载荷.选碟簧为B系列D=40mm复合组合，查表知，系列B, 计算如下:压平碟簧时的载荷.(6-3-1)计算系数,可有的比值从表中选取，=0.686因有支撑面，所以.（6-3-2）式中可有下表查得：有支撑面碟簧厚度减薄量系列ABC0.940.94

25、0.96将数据代入式3-2得：,所以将代入式3-1得：因是复合组合有图表可知，查得B系列及时，所以单片蝶形弹簧变形量当受到压力时要求变形量所以对合组合的片数及复合组合的组数取16组，共32片未受载荷时的自由高度： 式中n为自由方向数受20000N载荷作用时的高度碟簧压平时。OM点的应力 代入数值：与60Si2MnA的屈服点接近碟簧的刚度的计算：代入数据得所以采用B系列复合组合能满足要求参考文献1 沙杰等. 加工中心结构、调试与维护. 北京：机械工业出版社，20032 许晓旸， 专用机床设备设计. 重庆：重庆大学出版社，20033 王爱玲等. 现代数控机床. 北京：国防工业出版社， 20034

26、文怀兴. 数控机床设计. 北京：化学工业出版社，20065 廉元国等. 加工中心设计与应用. 北京: 机械工业出版社, 19956 周世增. DM1007小型立式加工中心的技术特点.设备管理与维修, 20027 实用数控机床技术手册. 北京：北京出版社19938 吴宗泽. 机械设计师手册. 北京：机械工业出版社，2009.19 张培忠. 柔性制造系统. 北京：机械工业出版社，199710 王侃夫. 机床数控技术基础. 北京：机械工业出版社，200111 孙汉卿. 数控机床维修技术. 北京：机械工业出版社，200012 李清新. 伺服系统与机床电气控制. 北京：机械工业出版社，199713 朱晓春. 数控技术. 北京：机械工业出版社，200114 铁维麟. 使用保养调整技术问答.北京冶金工业出版社，199915 毕承恩. 现代数控机床. 北京：机械工业出版社，199016 徐永生. 气压传动. 北京：机械工业出版社，200017 全国数控培训网络天津分中心， 数控机床. 北京：机械工业出版社，199721