数控车床主轴系统设计.doc
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1、毕 业 论 文论文题目: 数控车床主轴系统设计 题 目: 数控车床主轴系统设计班 级: 机制113专 业: 机械制造与自动化学生姓名: 黄鑫指导教师: 李中喜日 期: 2014 年 5 月 25 日目 录内容摘要1第一部分 1.1前言2第二部分 主轴组件设计2.1主轴结构的初步拟定112.2主轴的材料与热处理132.3主轴的技术要求13(1)轴颈13(2)内锥孔14第三部分 主轴组件的计算143.1主轴直径的选择143.2主轴前后支承轴承的选择15(1)主轴前支承轴承的选择15(2)主轴后支承轴承的选择163.3主轴内孔直径163.4主轴前端悬伸量173.5主轴支承跨距18第四部分 主轴结构图
2、18第五部分 主轴组件的验算185.1主轴端部挠度195.2支承的简化195.3主轴的挠度205.4主轴倾角20第六部分 主轴组件的润滑和密封216.1主轴轴承的润滑216.2主轴组件的密封21(1)主轴组件密封装置的功用22(2)对主轴组件密封装置的要求22(3)主轴组件密封装置的类型22(4)主轴组件密封装置的选择22第七部分 主轴组件中相关部件237.1轴肩挡圈237.2挡圈237.3圆螺母237.4套筒247.5前、后支承的轴承盖257.6主轴用套筒及其锁紧部分267.7主轴尾部的内花键27第八部分 主轴组件轴向调节机构288.1丝杠螺纹288.2丝杠轴承的选择288.3丝杠螺母298
3、.4丝杠中段螺纹298.5丝杠上的内隔套298.6丝杠上调节用锥齿轮30第九部分 箱体设计30致谢31 内容摘要 组合机床,是由大量的通用部件和少量专用部件组成的工序集中的高效率机床。其特点有:结构紧凑、工作质量可靠、设计和制造周期短、投资少、经济效果好、生产率高等。 本次设计首先针对所要加工的零件入手,对机床进行总体方案设计,进而确定机床的总体布局,随后,对主轴组件进行设计。在设计主轴组件时,以主轴为线索,在满足刚度、精度等要求下,完成其它(如轴承、轴向调节机构、锁紧机构等)所有零件的设计。 关键词:组合机床;主轴组件;主轴;轴承;轴向调节机构 第一部分1.1引言金属切削机床中的组合机床,是
4、根据工件加工需要,以大量通用部件为基础,配以少量专用部件组成的一种高效专用机床。它具有:生产率高;加工精度稳定;研制周期短,便于设计、制造和使用维护,成本低;配置灵活等。正是由于这些特点的存在,决定了组合机床在当今新形势下仍能被广泛应用于汽车、拖拉机、柴油机、电机、仪器仪表、军工及自行车等轻工行业和机床、机车、工程机械等制造业中。此次设计的是铣削组合机床及主轴组件。首先,对机床进行总体设计,确定总体方案后得到机床总体布局图;再着重进行主轴组件的设计,其中包括主轴的设计、支承的选取、主轴轴向移动机构和主轴锁紧机构等的设计。由于能力所限,设计尚有许多不足之处,恳请各位老师给予指导第二部分 主轴组件
5、设计2.1主轴结构的初步拟定主轴的结构主要决定于主轴上所安装的刀具、夹具、传动件、轴承和密封装置等的类型、数目、位置和安装定位的方法,同时还要考虑主轴加工和装配的工艺性,一般在机床主轴上装有较多的零件,为了满足刚度要求和能得到足够的止推面以及便于装配,常把主轴设计成阶梯轴,即轴径从前轴颈起向后依次递减。主轴是空心的或者是实心的,主要取决于机床的类型。此次设计的主轴,也设计成阶梯形,同时,在满足刚度要求的前提下,设计成空心轴,以便通过刀具拉杆。主轴端部系指主轴前端。它的形状决定于机床的类型、安装夹具或刀具的形式,并应保证夹具或刀具安装可靠、定位准确,装卸方便和能传递一定的扭矩。短圆锥法兰盘式主轴
6、端部结构形式特点是:主轴端面上有四个螺孔,用来固定和传递扭矩给刀具。主轴是空心的,前端有锥度为7:24的锥孔,结构如下所示: 图2-3 短圆锥法兰盘式主轴端部结构2.2主轴的材料与热处理主轴材料主要根据刚度、载荷特点、耐磨性和热处理变形大小等因素选择。主轴的刚度与材料的弹性模量E值有关,钢的E值较大(2.110N/cm左右),所以,主轴材料首先考虑用钢料。钢的弹性模量E的数值和钢的种类和热处理方式无关,即不论是普通钢或合金钢,其弹性模量E基本相同。因此在选择钢料时应首先选用价格便宜的中碳钢(如45钢),只有在载荷特别重和有较大的冲击时,或者精密机床主轴需要减少热处理后的变形时,或者轴向移动的主
7、轴需要保证其耐磨性时,才考虑选用合金钢。当主轴轴承采用滚动轴承时,轴颈可不淬硬,但为了提高接触刚度,防止敲碰损伤轴颈的配合表面,不少45钢主轴轴颈仍进行高频淬火(HRC4854).有关45钢主轴热处理情况如下表2-2所列:表2-2 使用滚动轴承的45钢主轴热处理等参数工 作 条 件使 用 机 床材 料 牌 号热 处 理硬 度常 用代 用轻中负载车、钻、铣、磨床主轴4550调质HB220250轻中负载局部要求高硬度磨床的砂轮轴4550高频淬火HRC5258轻中负载PV400(Nm/cms)车、钻、铣、磨床的主轴4550淬火回火高频淬火HRC4250HRC5258此次设计的机床主轴,考虑到主轴材料
8、的选择原则,选用价格便宜的中碳钢(45钢)。查表2-2中,因工作中承受轻、中负荷,且要求局部高硬度,故热处理采用高频淬火,HRC5258。2.3主轴的技术要求主轴的精度直接影响到主轴组件的旋转精度。主轴和轴承、齿轮等零件相连接处的表面几何形状误差和表面粗糙度,关系到接触刚度,零件接触表面形状愈准确、表面粗糙度愈低,则受力后的接触变形愈小,亦即接触刚度愈高。因此,对主轴设计必须提出一定的技术要求。(1)轴颈此次设计的主轴,应首先考虑轴颈。支承轴颈是主轴的工作基面、工艺基面和测量基面。主轴工作时,以轴颈作为工作基面进行旋转运动;加工主轴时,为了保证锥孔中心和轴颈中心同轴,一般都以轴颈作为工艺基面来
9、最后精磨锥孔;在检查主轴精度时,以轴颈作为测量基面来检查各部分的同轴度和垂直度。采用滚动轴承时,轴颈的精度必须与轴承的精度相适应。轴颈的表面粗糙度和硬度,将影响其与滚动轴承的配合质量。对于普通精度级机床的主轴,其支承轴颈的尺寸精度为IT5,轴颈的几何形状允差(圆度、圆柱度等)通常应小于直径公差的1/41/2。(2) 内锥孔内锥孔是安装刀具或顶尖的定位基面。在检验机床精度时,它是代表主轴中心线的基准,用来检查主轴与其他部件的相互位置精度,如主轴与导轨的平行度等。由于刀具和顶尖要经常装拆,故内锥孔必须耐磨。锥孔与轴承轴颈的同轴度,一般以锥孔端部及其相距100300毫米处对轴颈的径向跳动表示;其形状
10、误差用标准检验锥着色检查的接触面积大小来检验。第三部分 主 轴 组 件 的 计 算主轴组件的结构参数主要包括:主轴的平均直径D(初选时常用主轴前轴颈的直径D来表示);主轴内孔直径d;主轴前端部的悬伸量a;以及主轴支承跨距L等。一般步骤是:首先根据机床主电机功率或机床的主参数来选取D,在满足主轴本身刚度的前提下,按照工艺要求来确定d,根据主轴前端部结构形状和前支承的结构型式来确定a,最后根据D、a和主轴前支承的支承刚度来确定L。主轴轴承的配置型式,对主要结构参数的确定很有关系,故在设计过程中常需交叉进行,最终以主轴组件刚度等性能来衡量其设计的合理性。3.1主轴直径的选择主轴直径对主轴组件刚度的影
11、响很大,直径越大,主轴本身的变形和轴承变形引起的主轴前端位移越小,即主轴组件的刚度越高。但主轴前端轴颈直径D越大,与之相配的轴承等零件的尺寸越大,要达到相同的公差则制造越困难,重量也增加。同时,加大直径还受到轴承所允许的极限转速的限制,甚至为机床结构所不允许。通常,主轴前轴颈直径D可根据传递功率,并参考现有同类机床的主轴轴颈尺寸确定。几种常见的通用机床钢质主轴前轴颈的直径D,如下表2-3所示:已知主电机功率P=4KW,机床类型是铣床,查上表中对应项,初取D=80。主轴后轴颈直径D和前轴颈直径D的关系,可根据下列经验公式来定:D=(0.70.85)D因此,有D=(0.70.85)D=(0.70.
12、85)80=5668,取D=65。表2-3 主轴前轴颈直径D的选择机床机 床 功 率 (千瓦)1.472.52.63.63.75.55.67.37.4111114.7车床608070907010595130110145140165铣床5090609060957510090105100115外圆磨床5090557070807590751003.2主轴前后支承轴承的选择(1)主轴前支承轴承的选择根据前述关于轴承的选择原则,选取主轴前支承的双列向心短圆柱滚子轴承型号为3182116。其中,d=80,D=125,B=34,D=91,D=117,D=117,r=1。具体结构参数如图2-4所示: 图2-4
13、 双列向心短圆柱滚子轴承(GB285-87)结构参数及安装尺寸再选取主轴前支承的推力球轴轴承型号为8215。其中,d=75,d=75.2,D=110,H=27, D=86, D=99,r=1。具体结构参数如图2-5所示:(2)主轴后支承轴承的选择选取主轴后支承的圆柱滚子轴承型号为2213。其中:d=65,D=120,B=23,D=77,D=110,r=1.5。具体结构参数如图2-6所示:3.3主轴内孔直径该组合机床用于铣削加工,其主轴需有一通过铣刀拉杆的孔,该主轴内孔直径应取在一定范围内,才不致影响主轴刚度。一般,主轴内孔直径受到主轴后轴颈的直径所限制。 图2-5 推力球轴承(GB301-84
14、)结构参数及安装尺寸 图2-6 圆柱滚子轴承(GB283-87)结构参数及安装尺寸由材料力学可知,刚度K正比于截面惯性矩I,它与直径之间有下列关系:=1-()=1-根据此式可得:当0.3时,空心与实心截面主轴的刚度很接近;当=0.5时,空心主轴的刚度为实心主轴刚度的90%,对刚度影响不大;0.7时,则主轴刚度急剧下降,故一般应使0.7,即d0.7D。由以上分析可得:d0.7 D=0.765=45.5考虑到此组合机床主轴为铣削主轴,铣刀拉杆的直径比较小,故可将取小些,即取=0.5,即:d2.5根据上表所列,所设计的组合机床属于型,所以取a/ D为1.252.5,即:a=(1.252.5)D=(1
15、.252.5)80=100200初取a=120。3.5主轴支承跨距主轴支承跨距L是指主轴前、后支承支承反力作用点之间的距离。合理确定主轴支承跨距,可提高主轴部件的静刚度。可以证明,支承跨距越小,主轴自身的刚度越大,弯曲变形越小,但支承的变形引起的主轴前端的位移量将增大;支承跨距大,支承的变形引起的主轴前端的位移量较小,但主轴本身的弯曲变形将增大。可见,支承跨距过大或过小都会降低主轴部件的刚度。有关资料对合理跨距选择的推荐值可作参考:(1) L=(45)D;(2) L=(35)a,用于悬伸长度较小时;(3) L=(12)a,用于悬伸长度较大时。根据此次设计的组合机床刚性主轴的悬伸量较大,取L2.
16、5a为宜。即此次设计的主轴两支承的合理跨距L2.5a=2.5120=300初取L=280。第四部分 主 轴 结 构 图根据以上的分析计算,可初步得出主轴的结构如图2-7所示:第五部分 主 轴 组 件 的 验 算主轴在工作中的受力情况严重,而允许的变形则很微小,决定主轴尺寸的基本因素是所允许的变形的大小,因此主轴的计算主要是刚度的验算,与一般轴着重于强度的情况不一样。通常能满足刚度要求的主轴也能满足强度的要求。刚度乃是载荷与弹性变形的比值。当载荷一定时,刚度与弹性变形成反比。因此,算出弹性变形量后,很容易得到静刚度。主轴组件的弹性变形计算包括:主轴端部挠度和主轴倾角的计算。5.1主轴端部挠度主轴
17、端部挠度直接影响加工精度和表面粗糙度,因此必须加以限制,一般计算主轴端部最大挠度。5.2支承的简化对于两支承主轴,若每个支承中仅有一个单列或双列滚动轴承,或者有两个单列球轴承,则可将主轴组件简化为简支梁,如下图2-8所示;若前支承有两个以上滚动轴承,图2-8 主轴组件简化为简支梁可认为主轴在前支承处无弯曲变形,可简化为固定端梁,如下图2-9所示:图2-9 主轴组件简化为固定端梁此次设计的主轴,前支承选用了一个双列向心短圆柱滚子轴承和两个推力球轴承作为支承,即可认为主轴在前支承处无弯曲变形,可简化为上图2-9所示。5.3主轴的挠度查表,对图2-9作更进一步的分析,如下图2-10所示:根据图2-1
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