1885_XKA5750型數控銑床主傳動系統設計

1885_XKA5750型數控銑床主傳動系統設計,_xka5750,數控,銑床,傳動系統,設計 單位代碼 11834 學　號 080105011分 類 號 TH6 密 級 畢 業(yè) 設 計 說 明 書XKA5750 數控銑床主傳動系統設計院 （ 系 ） 名 稱 工 學 院 機 械 系 專 業(yè) 名 稱 機 械 設 計 及 自 動 化學 生 姓 名 韓 利 國 指 導 教 師 閆 存 富2012 年 5 月 12 日 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 I 頁XKA5750 數控銑床主傳動系統設計摘要本文介紹了 XKA5750 立式數控銑床的一些基本情況，簡述了機床主傳動系統方面的原理和類型，分析了各種傳動方案的機理。XKA5750 立式數控銑床主傳動系統包括主軸電動機、主軸傳動系統和主軸組件三部分。本文詳細介紹了立式數控銑床主傳動系統的設計過程，該立式數控銑床主軸變速箱是靠齒輪進行傳動的，傳動形式采用集中式傳動，主軸變速系統采用多聯滑移齒輪變速。齒輪傳動具有傳動效率高，結構緊湊，工作可靠、壽命長，傳動比準確等優(yōu)點。文中介紹了立式數控銑床主傳動系統各種傳動方案優(yōu)缺點的比較、主傳動方案的選擇和確定、主傳動變速系統的設計計算、主軸組件的設計、軸承的選用基潤滑、關鍵零件的校核、以及主軸電動機的控制等設計過程。關鍵詞：數控銑床，主傳動系統，主軸組件 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 II 頁The main drive system design of XKA5750 CNC milling machineAuthor:Han LiguoTutor:Yan CunfuAbstractThis paper introduces some basic situations of the XKA5750 vertical CNC milling machine, briefly discusses the principles and types about spindle driving system of machine tool and analyzes the mechanism of various transmission scheme. The main driving system of XKA5750 CNC milling machine includes three parts that is spindle motor, spindle driving system and spindle components. This paper describes the main driving system design process of the XKA5750 CNC milling machine in detail. The spindle gearbox of this vertical CNC milling machine is driven by gear, and the driving mode adopts a centralized transmission, the spindle speed system uses multi sliding gear transmission. The advantages of gear drive are high transmission efficiency, compact structure, reliable, long life and accurate transmission ratio and so on. This paper compares the advantages and disadvantages of the various transmission scheme for vertical CNC milling machine system, introduces the selection and identification of main drive program, gearshift design and calculation of the main drive, the design of the spindle components, the selection and lubrication of the bearing, verification of critical parts, and the control of spindle motor, and so on.Key words：CNC milling machine, spindle driving system, spindle components 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 III 頁目 錄1 緒 論 .......................................................................................................................................11.1 我國數控機床的發(fā)展現狀 ...............................................................................................11.2 課題提出的意義和目的 ...................................................................................................22 XKA5750 數控銑床主傳動系統方案的確定 .....................................................................32.1 數控銑床主傳動系統簡介 ...............................................................................................32.2 對數控銑床主傳動系統的要求 ......................................................................................32.3 主傳動的類型及方案選擇 ..............................................................................................43 主傳動變速系統主要參數計算 ...........................................................................................63.1 計算切削功率 ..................................................................................................................63.1.1 切削力的計算 .............................................................................................................63.1.2 切削功率的計算 .........................................................................................................63.1.3 主軸轉速范圍的確定 .................................................................................................63.2 計算主傳動功率 ..............................................................................................................73.3 分級變速箱的傳動系統的設計及主軸電動機的功率的確定 ......................................73.3.1 變速級數 Z 的確定 ...................................................................................................73.3.2 電動機的功率的確定 ................................................................................................83.3.3 電動機參數 ................................................................................................................83.3.4 分級變速箱的傳動系統變速機構的確定 ................................................................94 主軸組件設計 .......................................................................................................................94.1 概述 ...................................................................................................................................94.2 主軸組件應滿足的基本要求 ...........................................................................................94.3 主軸的設計 .......................................................................................................................94.3.1 軸的分類 .....................................................................................................................94.3.2 主軸材料選擇 .............................................................................................................94.3.3 主軸結構設計 .............................................................................................................94.3.4 主軸強度的校核 .........................................................................................................94.4 軸承設計 ...........................................................................................................................94.4.1 軸承的類型選擇 .........................................................................................................94.4.2 軸承游隙等級的選擇 ................................................................................................94.4.3 軸承布局 .....................................................................................................................94.4.4 軸承裝置的設計 .........................................................................................................95 數控銑床主軸電氣控制系統設計 .......................................................................................95.1 控制方式選擇 ...................................................................................................................95.2 PLC 概述 ...........................................................................................................................95.2.1 可編程控制器的由來及現狀 ....................................................................................95.2.2 PLC 按 I/O 點數和結構形式的分類 .........................................................................95.2.3 可編程控制器的特點 ................................................................................................95.2.4 PLC 的應用領域 ........................................................................................................9 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 IV 頁5.3 PLC 在主軸電動機控制中的應用 ..................................................................................9結論 .............................................................................................................................................9致謝 .............................................................................................................................................9參考文獻 .....................................................................................................................................9 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 1 頁1 緒 論1.1 我國數控機床的發(fā)展現狀數控技術和數控裝備是制造工業(yè)現代化的重要基礎。這個基礎是否牢固直接影響到一個國家的經濟發(fā)展和綜合國力，關系到一個國家的戰(zhàn)略地位。因此，世界上各工業(yè)發(fā)達國家均采取重大措施來發(fā)展自己的數控技術及其產業(yè)。 近幾年我國數控產品發(fā)展很快，但真正在市場上站住腳的卻不多。就數控系統而言，國產貨仍未真正被廣大機床廠所接受，因此出現國產數控系統用于舊機床改造的例子較多，而裝備新機床的卻很少，機床廠出產的國產數控機床大多數用的都是國外的系統。這當然不是說舊機床的數控化改造不重要，而是說明從商品的角度看，我們的數控系統與國外相比還存在相當大的差距。影響數控系統和數控機床商品化的主要因素除技術性能和功能外，更重要的就是可靠性、穩(wěn)定性和實用性。以往，一些數控技術和產品的研究、開發(fā)部門，所追求的往往是一些體現技術水平的指標（如多少通道、多少軸聯動、每分鐘多少米的進給速度等等），而對影響實用性的一些指標和一些小問題卻不太重視，在產品的穩(wěn)定性、魯棒性、可靠性、實用性方面花的精力相對較少。從而出現某些產品鑒定時的水平都很高，甚至也獲各種大獎。但這些高指標、高性能的產品到用戶哪兒卻由于一些小問題而表現不盡人意，最后喪失了信譽，打不開市場。這說明，高指標、高性能的樣機型的產品離用戶真正需要的實用、可靠的商品是有相當大的距離的，將一個高指標、高性能的產品變?yōu)橐粋€有市場的商品還需作出大量艱苦的努力。另一方面，數控系統和數控機床不像家電類產品那樣易于大批量生產，應用環(huán)境也不那么簡單。數控產品是在生產環(huán)境中使用，面臨的是五花八門的工藝問題。如果開發(fā)部門對這些問題掌握得不透，就難以將產品設計得很完善。而且數控產品的某些問題在開發(fā)、試用，甚至鑒定時都難以發(fā)現。這就造成，同樣型號的數控機床在有的用戶那兒運行得很好，而在別的用戶那兒卻表現欠佳。或者同樣型號的數控機床用于加工某些零件工作得很好，但用于加工其他零件時卻不盡人意。出現這種情況，有時是用戶操作人員的水平問題，但有時就是數控產品本身潛在問題的暴露。為解決這一問題，國外一些公司設立了專門機構來測試考驗自己的產品，如為考驗新開發(fā)的數控系統，廠家自己設計和從生產實際中收集了大量零件程序，讓數控系統運行各種各樣 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 2 頁的程序，一旦發(fā)現問題，即立即反饋給開發(fā)部門予以解決。經過這樣的測試考驗過程后，數控系統的潛在問題就大為減少。以往，我們的產品就很少進行這樣嚴格的全面的自我測試考驗。很多問題都要等到用戶去給我們挑出來。這樣，即使一個小問題也將嚴重影響國產數控產品的聲譽。1.2 課題提出的意義和目的與普通銑床的工藝裝備相比較，數控銑床工藝裝備的制造精度更高、靈活性好、適用性更強，一般采用電動、氣動、液壓甚至計算機控制，其自動化程度更高。合理使用數控銑床的工藝裝備，能提高零件的加工精度。各種類型數控銑床所配置的數控系統雖然各有不同，但各種數控系統的功能，除一些特殊功能不盡相同外，其主要功能基本相同。其主要功能如下：點位控制功能：此功能可以實現對相互位置精度要求很高的孔系加工；連續(xù)輪廓控制功能：此功能可以實現直線、圓弧的插補功能及非圓曲線的加工；刀具半徑補償功能：此功能可以根據零件圖樣的標注尺寸來編程，而不必考慮所用刀具的實際半徑尺寸，從而減少編程時的復雜數值計算；刀具長度補償功能：此功能可以自動補償刀具的長短，以適應加工中對刀具長度尺寸調整的要求；比例及鏡像加工功能：比例功能可將編好的加工程序按指定比例改變坐標值來執(zhí)行。鏡像加工又稱軸對稱加工，如果一個零件的形狀關于坐標軸對稱，那么只要編出一個或兩個象限的程序，而其余象限的輪廓就可以通過鏡像加工來實現；旋轉功能：該功能可將編好的加工程序在加工平面內旋轉任意角度來執(zhí)行；子程序調用功能：有些零件需要在不同的位置上重復加工同樣的輪廓形狀，將這一輪廓形狀的加工程序作為子程序，在需要的位置上重復調用，就可以完成對該零件的加工；宏程序功能：該功能可用一個總指令代表實現某一功能的一系列指令，并能對變量進行運算，使程序更具靈活性和方便性。這就使我們更加有需要來研究數控銑床的各個方面，而本設計主要真對 XKA5750數控滑枕升降臺銑床主傳動部分加以分析和設計，設計出可以實現數控加工經濟合理的主傳動系統，使純機械化的機床實現機電一體化的數控機床，獲得大的機械效益。 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 3 頁2 XKA5750 數控銑床主傳動系統方案的確定2.1 數控銑床主傳動系統簡介主傳動系統是用來實現機床主運動的傳動系統，他應具有一定的轉速和一定的變速范圍，以便采用不同材料的刀具，加工不同的材料、不同尺寸、不同要求的工作、并能方便的實現運動的開停、變速、換向和制動等。數控機床主傳動系統主要包括電動機、傳動系統和主軸部件，它與普通機床的主傳動系統相比在結構上簡單，這是因為變速功能全部或大部分主軸電動機的無極調速來承擔，省去了復雜的齒輪變速機構，有些只有二級或三極齒輪變速系統用以擴大電動機無級調速的范圍。在主傳動系統方面，具有下列特點：(1)目前數控機床的主傳動電機已不再采用普通的交流異步電機或傳統的直流調速電機，它們已逐步被新型的交流調速電機和直流調速電機所代替。(2)轉速高，功率大。它能使數控機床進行大功率切削和高速切削，實現高效率加工。(3)變速范圍大。數控機床的主傳動系統要求有較大的調速范圍，一般Rn＞100，以保證加工時能選用合理的切削用量，從而獲得最佳的生產率、加工精度和表面質量。(4)主軸速度的變換迅速可靠。數控機床的變速是按照控制指令自動進行的，因此變速機構必須適應自動操作的要求。由于直流和交流主軸電機的調速系統日趨完善，不僅能夠方便地實現寬范圍的無級變速，而且減少了中間傳遞環(huán)節(jié)，提高了變速控制的可靠性 [5,6]。2.2 對數控銑床主傳動系統的要求 （1）主軸具有一定的轉速和足夠的轉速范圍、轉速級數，能夠實現運動的開停、變速、換向和制動，以滿足機床的運動要求。（2）主電動機具有足夠的功率，全部機構和元件具有是夠的強度和剛度，以滿足 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 4 頁機床的動力要求。（3）主傳動的有關結構，特別是主軸組件要有足夠高的精度、抗振性，熱變形和噪聲要小，傳動效率要高，以滿足機床的工作性能要求。（4）操縱靈活可靠，調整維修方便，潤滑密封良好，以滿足機床的使用要求。（5）結構簡單緊湊，工藝性好，成本低，以滿足經濟性要求。2.3 主傳動的類型及方案選擇 數控機床的調速是按照控制指令自動執(zhí)行的，因此變速機構必須適應自動操作的要求。在主傳動系統中，目前多采用交流主軸電動機和直流主軸電動機無級凋速系統。為擴大調速。為了適應不同的加工要求，目前主傳動系統主要有三種變速方式。1．具有變速齒輪的主傳動這是大、中型數控機床采用較多的一種變速方式。通過幾對齒輪降速，增大輸出扭矩，以滿足主軸輸出扭矩特性的要求，如圖1.1所示。一部分小型數控機床也采用此種傳動方式以獲得強力切削時所需要的扭矩。圖 1.1 圖 1.2 圖 1.32.通過帶傳動的主傳動通常選用同步齒形帶或多楔帶傳動，這種傳動方式多見于數控車床，它可避免齒輪傳動時引起的振動和噪聲，如圖1.2所示。3．由調速電機直接驅動的主傳動這種主傳動是由電動機直接驅動主軸，即電動機的轉子直接裝在主軸上，因而大大簡化了主軸箱體與主軸的結構，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出扭矩小，電機發(fā)熱對主軸的精度影響較大。如圖1.3所示。近年來，出現了一種新式的內裝電動機主軸，即主軸與電動機轉子合為一體。其 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 5 頁優(yōu)點是主軸組件結構緊湊，重量輕，慣量小，可提高起動、停止的響應特性，并利于控制振動和噪聲。缺點是電動機運轉產生的熱量亦使主軸產生熱變形。因此，溫度控制和冷卻是使用內裝電動機主軸的關鍵問題。日本研制的立式加工中心主軸組件，其內裝電動機最高轉速可達20000r/min。本次設計采用變速齒輪主傳動系統。使主軸獲得較高的轉速和較大的轉矩。二級以上齒輪變速系統雖然此種結構復雜，制造和維修費用高，但和以上兩種驅動方式比，變速裝置多采用齒輪變速結構，可以使用可調的交、直流無級變速電動機，經齒輪變速后，實現分段無級變速，調速范圍增加，且能滿足各種切削運動的轉矩輸出，因此選用二級以上齒輪變速系統作為主傳動的變速方式。 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 6 頁3 主傳動變速系統主要參數計算3.1 計算切削功率 3.1.1 切削力的計算銑削時的切削力，公式如下（3.1）????=??????0.86????0.74????×0.98??0.86式中 Pc ——銑削時的主切削力（公斤力）CF ——加工材料影響的系數fz——每齒進給量（mm）aF——背吃刀量（mm） B——銑削寬度Z——銑刀齒數D——銑刀直徑(mm)根據經驗取銑刀直徑 D=50mm 的四齒錐柄立銑刀，銑刀寬B=40mm，f Z=0.05mm，a F=4mm， Cf=68mm，計算得：F c=132（公斤力） [7]。3.1.2 切削功率的計算切削時所消耗的功率稱為切削功率，切削功率的計算公式：（3.2）????=????????6000式中：P c——切削功率（kw）Fc——切削力（公斤力）Vc——切削速度（ m/min）根據機床設計手冊典型加工條件以及鋼材料的銑削速度范圍，取 Vc=100m/min計算得：P c=2.2kw 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 7 頁3.1.3 主軸轉速范圍的確定主軸最高轉速為 ，最低轉速為 。????????=4000???????? ????????=40????????3.2 計算主傳動功率 用下列方法粗略估算主電動機的功率（3.3）????=????????式中， 為銑床主傳動系統總機械效率，主運動為回轉運動時， ；主運動???? ????=0.7~0.8為直線運動時， 。取主傳動的總效率 ，則初選電動機功率????=0.6~0.7 ????=0.7????=2.20.7=3.14????取 ????=4????電動機額定轉速為；????=1500????????額定最高轉速為 ??????????=4500????????3.3 分級變速箱的傳動系統的設計及主軸電動機的功率的確定由 3.2 中初選電動機功率 為 4kw，計算轉速依據如下公式 :????????=(400040)0.35=205??∕??????電動機的恒功率調速范圍: 。??????=45001500=3主軸恒功率調速范圍: 。 ??????=????????????=4000205=19.5因此主軸要求的恒功率變速范圍 遠大于電動機所能提供的恒功率圍 ，所以在電動機與主軸之間要串聯一個分級變速箱，來擴大電動機恒功率變速范圍。3.3.1 變速級數 Z 的確定如取變速箱的公比 ，則由于無級變速時????=??????=3（3.4） ，??????=?????1????????=??????故變速箱的變速極數 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 8 頁??=log??????log????=log19.5log3 =2.704可取 Z=3。雖然此中方法功率特性圖示連續(xù)的、無缺口(即沒有功率降低區(qū))和無重疊，但是 Z=3，變速箱機構較復雜。因此為簡化變速箱機構，取 Z=2。3.3.2 電動機的功率的確定由公式（3.4）可知，應增大 又， 即 所以得 ，比??????=log??????log???? 2=log19.5log???? ????=4.42大很多。??????=3此時變速箱每擋內有部分低轉速只能恒轉矩變速，主傳動系統的功率特性圖中出現缺口區(qū)。缺口處的功率為： ??=(??????×????)????=(3×4)4.42=2.71????低谷處應保證傳遞全部功率，只有選擇額定功率較大的電機給予補償。所以選用功率為 5.5kw 的交流變頻電動機。則缺口處的功率為 。有很大的改善。??=(??????×????)????=(3×5.5)4.42=3.73????3.3.3 電動機參數電機采用 CTB 系列變頻電機,型號：CTB-45P5BXB50-4,主要技術指標如下：（1）電壓:三相 380V/50Hz；（2）變頻調速范圍:5～100Hz 無級調速,5～50Hz 恒轉矩調速,50～100Hz 恒功率調速,級數為 4 級,額定轉速 1445r/min;（3）電機應能承受額定轉矩的 60%過載,歷時 1min,低速時轉矩平滑,無爬行現象;能通過變頻裝置的電壓提升,保證電動機頻率在 50Hz 時輸出額定轉矩而不致使電機因發(fā)熱而燒毀。（4）CBT -45P5BXB50-4 電機 主要性能參數如表 3.1，法蘭安裝如圖 3.1，外形尺寸如表 3.2,3.3 所示： 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 9 頁表 3.1 CBT-45P5BXB50-4 電機的相關技術參數變頻器功率（kw）型號 額定功率（kw）機座號額定轉速(r?min)額定轉矩（N.m）（堵轉）額定轉矩（最大）額定轉矩轉動慣量（kg.m2）重量（kg）A型B型CTB-45P5BXB50-45.5 132S-41445 36.3 1.3 2.3 0.021470 5.5 7.5注：額定電壓/頻率：380V/50Hz，極數：4 極，同步轉速 1500r/min。圖 3.1 B5 法蘭安裝圖表 3.2 電機外形尺寸 1機座號 A AA AB AC AD AE AF B BB C D DH E ED F G80 125 35 165 175 140 65 160 100 130 50 19 M6*16 40 25 6 15.5 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 10 頁90S 140 37 180 195 150 65 170 100 140 56 24 M8*19 50 40 8 2090L 140 37 180 195 150 65 170 125 165 56 24 M8*19 50 40 8 20100L 160 45 200 215 165 65 190 140 180 63 28 M10*22 60 45 8 24112M 190 45 230 240 180 65 200 140 185 70 28 M10*22 60 45 8 24132S 216 50 275 275 190 65 220 140 205 89 38 M12*28 80 60 10 33表 3.3 電機外形尺寸 2機座號 H HA HB HD K KK L LA LD M N P S T80 80 10 180 215 10 M25 395 10 115 165 130 200 4*φ12 3.590S 90 13 200 235 10 M25 445 12 130 165 130 200 4*φ12 3.590L 90 13 200 235 10 M25 445 12 130 165 130 200 4*φ12 3.5100L 100 14 230 265 12 M32 500 12 145 215 180 250 4*φ15 4112M 112 14 255 290 12 M32 505 12 150 215 180 250 4*φ15 4132S 132 16 290 325 12 M32 575 13 180 265 230 300 4*φ15 43.3.4 分級變速箱的傳動系統變速機構的確定本系統設計的傳動系統具有兩檔速度，低檔轉速為 40~900r?min，高檔轉速為300~4000r?min。采用二級變速傳動，傳動比為 的高速傳動30/6/4?的低速傳動兩種變速機構，采用撥叉變速。顯然如果要求在30/627/?1500~4000r?min內作恒功率的不停車變速可用高檔。如果要求在 190~1500r?min內作恒功率的不停車變速可用低檔。電機的轉速圖和功率特性圖如圖 3.2 所示 [3,16] 。 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 11 頁I電機45010329524:.768n2.714P/kw圖 3.2 電機轉速圖和功率特性圖 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 12 頁4 主軸組件設計4.1 概述主軸部件設計是機床重要部件之一，它是機床的執(zhí)行件。它的功用是支撐并帶動工件或刀具旋轉進行切削，承受切削力和驅動力等載荷，完成表面成型運動。4.2 主軸組件應滿足的基本要求（1）旋轉精度 主軸的旋轉精度指裝配后，在無載荷、低轉速條件下，在安裝工件或刀具的主軸部位的徑向和端面圓跳動。其主要取決于主軸、軸承、箱體孔等的制造、裝配和調整精度。（2）剛度 主軸部件的剛度指其在外加載荷的作用下抵抗變形的能力，通常以主軸前端產生單位位移的彈性形變時，在位移方向上所施加的作用力來定義。如圖 4.1 所示。主軸部件的剛度是主軸、軸承等剛度的綜合反映。因此，主軸的尺寸和形狀、軸承的類型和數量、預緊和配置形式、傳動件布置形式、主軸部件的制造和裝配質量都影響主軸部件的剛度。圖 4.1 剛度定義示意圖（3）抗振性 主軸部件的抗振性指抵抗受迫振動和自激振動的能力。在切削過程中，主軸部件不僅受靜態(tài)力作用，同時也受沖擊力和交變力的干擾，使主軸產生振動。影響抗振性的主要因素是主軸部件的靜剛度、質量分布及阻尼。其評價指標是主軸部件的低階固有頻率與振型。（4）溫升和熱變形 主軸部件運轉時，因相對運動產生的摩擦熱、切削的切削熱等使主軸部件的溫度升高，形狀尺寸和位置發(fā)生變化，造成主軸部件的熱變形。其引起軸承間隙變化，潤滑油溫度升高會使粘度降低，這些變化會影響主軸部件的工作性能，降低加工精度。 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 13 頁（5）精度保持性 主軸部件的精度保持性指長期保持其原始制造精度的能力。磨損是主軸部件喪失原始精度的主要原因。因此，必須提高主軸部件的耐磨性。對耐磨性影響較大的有主軸的材料、軸承的材料、熱處理方式、軸承類型及潤滑防護方式等。由于機械結構的要求而需在軸中裝設其他零件或者減少軸的質量具有特別重大的作用的場合,則將軸制成空心的,空心軸內徑與外徑的比值通常為 0.5-0.6 為保證軸的剛度和扭轉穩(wěn)定性。4.3 主軸的設計4.3.1 軸的分類軸是機械傳動的一個重要零件，一般作回轉運動的零件常要裝在軸上才能實現其回轉運動。其承載在載荷可分為：1.轉軸——工作時既承受彎矩又承受扭矩。2.心軸——用于支撐轉動零件，只承受彎矩。3.傳動軸——傳遞扭矩。在高速傳動的軸不僅要考慮軸的材料、結構、強度和剛度，而且要防止軸的振動（動平衡） 。此外，注意軸上零件的固定，結構工藝性，熱處理等要求。作為制造機器的機器上的軸，設計的主要原則是——剛度原則,本次設計選擇轉軸。4.3.2 主軸材料選擇軸的材料主要是碳鋼和合金鋼。數控主軸主要傳遞扭矩，且在高速旋轉中產生大量的熱，產生一定的軸伸長，其他零件的變形，從而影響加工精度和表面質量。從多方面考慮選用 40Cr 為本次數控銑床主軸材料。4.3.3 主軸結構設計主軸部件由主軸及其支承軸承、傳動件、密封件及定位元件等組成. 軸的設計也和其他的零件的設計相似，包括結構設計和工作能力的計算兩方面的內容。軸的結構設計是根據軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝性等方面的要求,合理地確定軸的結構形式和尺寸。軸的結構不合理會影響軸的工作能力和軸上零件的工作可靠性,還會增加軸的制造成本和軸上零件裝配的困難等。因此軸的結構設計很重要。 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 14 頁軸的工作能力計算指的是軸的強度、剛度和振動穩(wěn)定性等方面的計算。多數情況下，軸的工作能力主要取決于軸的強度。這時只需對軸進行強度計算，以防止斷裂或塑性變形。對于機械裝備則需剛度計算，防止工作時產生過大的彈性變形，影響加工精度和表面質量。對于高速運轉的軸，還應進行振動穩(wěn)定性計算，防止發(fā)生共振而破壞。1、軸的結構主要取決于以下因素:（1）軸在機器中的安裝位置及形式；（2）軸上安裝零件的類型、尺寸、數量和軸連接的方法；（3）載荷的性質、大小、方向及分布情況；（4）軸的加工工藝。2、不論什么條件,軸的結構應滿足以下條件：（1） 軸和裝在軸上的零件要有準確的工作位置,周向和軸向要有準確的定位；（2） 軸上的零件應便于裝拆和調整；（3） 軸應具有良好的結構工藝性和制造工藝性。3、 確定軸上零件的裝配方案 圖 4.2 主軸裝配草圖預定出軸上主要零件的裝配方向、順序和關系，該數控銑床主軸的裝配如圖 4.2 所示。前軸承（前支撐） 、套筒、軸承、套筒（曲路密封）與端蓋（曲路密封）齒輪（動力輸入部分） 、圓螺母、軸承（后支撐） 、端蓋、依次從軸的后端向前端安裝。4、軸上零件的定位 為防止軸上零件受力時發(fā)生沿軸向和周向的相對運動,軸上零件除了有游動或空轉 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 15 頁要求外,都必須進行軸向和周向定位,以保證其準確的工作位置。 （1）零件的軸向固定:通常由軸肩、套筒、軸端擋圈、軸承端蓋和圓螺母來保證； （2）零件的周向固定:周向固定的目的是限制軸上零件與軸發(fā)生相對運動。常用周向定位零件有鍵、花鍵、銷、緊定螺釘以及過盈配合等,其中緊定螺釘只用在傳力不大之處。5、軸頸的初步設計（1）按扭轉強度初算最小軸頸下面這種方法只是按軸所承受的扭矩來計算軸的強度；如果還承受有不大的彎矩時，則用降低許用扭轉切應力的方法予以考慮。在作軸的結構設計時通常用這種方法初步估算軸徑。對于不大重要的軸，也可作為計算結果。軸的扭轉強度條件為 (4.1)??T=TWT=9550000????0.2??3 ≤[????]——扭轉切應力，單位 MPa????T——軸所受的扭矩，單位為 N?mm——軸的抗扭截面系數，單位為???? ????3n——軸的轉速，單位為 r/minP——軸傳遞的功率，單位為 kwd——計算截面處軸的直徑，單位為 mm——許用扭轉切應力，單位為 MPa????由上式可得直徑(4.2)??≥39550000??0.2[????]??=??03????式中:??0=395500000.2[????] =102????2對于空心軸??≥3 ????(1???4)=18???? 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 16 頁表 4.1 常見軸材料的 及 A0值[????]軸的材料 Q235-A、20 Q275、35 45 40Cr[?] 15-25 20-35 25-45 35-45A0 149-126 135-112 126-103 112-97應當指出，當軸截面上開有鍵槽時，應增大軸徑以考慮鍵槽對軸的強度的削弱。對于直徑 d>100mm 的軸，有一個鍵槽時，軸徑應增大 7%。對于直徑 d2.5取 a=65mm（2）主軸合理跨距的選擇：在具體設計時，常常由于結構上的限制，實際跨距 l≠l 0 最佳合理跨距。這樣就造成主軸組件的剛度損失。在設計中一般認為 l/l0=0.75~1.5 時，剛度損失不大（5%左右） 。應該認為在合理范圍之內，稱之為合理跨距，合理跨距 l 合理 = 是一個區(qū)域。(0.75~1.5)??06、 提高主軸強度的措施軸和軸上零件的結構、工藝及軸上零件的安裝布置等對軸的強度有很大的影響，所以應在這些方面進行考慮，以利提高軸的承載的能力，減小軸的尺寸和機器的質量，降低制造成本。（1）合理布置軸上零件以減小軸的載荷。為了減小軸所承受的彎矩，傳動件應盡量靠近軸承，并盡可能不采用懸臂的支承形式，力求縮短支承跨距及懸臂長度。通常軸是在變應力條件下工作的，軸的截面尺寸發(fā)生突變處產生應力集中，軸的疲勞破壞也常常發(fā)生在此處。軸肩要采用較大的 R 減小應力集中；選擇合適的配合關 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 18 頁系；可在輪轂或軸上開減載槽；切制螺紋處的應力集中較大，應避免在軸上受載較大的區(qū)段切制螺紋。（2）改進軸的表面質量提高軸的疲勞強度。軸的表面愈粗糙，疲勞強度愈低。因此，應合理減小軸的表面及圓角處的 ，提aR高軸的疲勞強度。表面強化處理的方法有：表面高頻淬火；表面滲碳、氮化；碾壓、噴丸等強化處理。7、 軸的結構工藝性軸的結構工藝性指軸的結構形式應便于加工和裝配軸上的零件，生產率高，成本低。一般說，軸的結構越簡單，工藝性越好。因此，在滿足使用要求的前提下，軸的結構形式應盡量簡單。為了便于裝配零件并去掉毛刺，軸端應制出 45°的倒角；需要磨削加工的軸段，應留有砂輪越程槽；需要切制螺紋的軸段，應留有退刀槽。為了減少加工刀具種類和提高勞動生產率，軸上直徑相近處的圓角、倒角、鍵槽寬度、砂輪越程槽寬度和退刀槽寬度等應盡量采用相同的尺寸。主軸結構設計如圖 4.3。圖 4.3 主軸結構圖4.3.4 主軸強度的校核軸的精確計算主要是軸的強度和剛度校核計算，且在滿足軸的強度和剛度要求，必要時還應進行軸的振動穩(wěn)定性計算。進行軸的強度校核計算時，應根據軸的具體受載及應力情況,采取相應的計算方法,并恰當地選用許用應力。BT30 銑床機械主軸既承受彎矩又承受扭矩,應按彎扭合成強度條件進行計算,需要時還應按疲勞強度進行精確校核計算 [1,2]。1、按扭轉強度條件進行校核計算。 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 19 頁（4.3）τ??=??????= ??π??316-????(??-??)2??≤[τ??]式中： ——扭轉切應力，單位 MPa。????T——軸所受的扭矩，單位為 N?mm。d——計算截面處軸的直徑，單位為 mm?！S用扭轉切應力，單位為 MPa。[????]——軸的抗扭截面系數，單位為 。???? ????3由《機械設計手冊》表 8-3 查得 為 45MPa；由《機械設計課程設計手冊》表 4-[????]1（GB1059-79）可查得 ； ； 。5.0tm?12b42TNgm?將以上各值代入式（4-3）得： =4.7MPa 滿足強度要求。???? 4000??????所以完全可以實現轉速為 4000r/min 的設計要求。又因為軸承支點跨距較大，溫升較高，所以本設計采用一端固定，一端游動的軸承固定方式。并且是三支承方式。4.4.4 軸承裝置的設計要想保證軸承順利的工作、 ，除了正確選擇軸承類型和尺寸外，還應該正確設計軸承的裝置。軸承裝置的設計主要是正確解決軸承的安裝、配置、緊固、調節(jié)、潤滑、密封等問題。下面提出一些設計中注意的要點。1、軸承的配置一般來說，一根軸需要兩個支點，每個支點可由一個或一個以上的軸承組成。合理的軸承配置應考慮軸在機器中有正確的位置、防止軸向竄動以及軸受熱膨脹后導致將軸承卡死等因素。常用的軸承配置方法有以下三種:（1）雙支點單向固定這種軸承配置常用兩個反向安裝的角接觸球軸承或圓錐滾子軸承，兩個軸承各限制一個方向的軸向移動。（2）單支點雙向固定 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 23 頁對于跨距較大（如大于 350mm）且工作溫度較高的軸，其熱伸長量大，應采用一支點雙向固定，另一支點游動的支承結構。作為固定支承的軸承，應能承受雙向軸向載荷，故內外圈在軸向都要固定。作為補償軸的熱膨脹的游動支承，若使用的是內外圈不可分離型軸承，只需固定內圈，其外留在座孔內應可以軸向游動。 （3）兩端游動支承對于一對人字齒輪軸，由于人字齒輪本身的相互軸向定位作用，它們的軸承內外圈的軸向緊固應設計成只保證其中一根軸相對機座有固定的軸向位置，而另一根軸上的兩個軸承都必須是游動的，以防止齒輪卡死或人字齒的兩側受力不均勻。首先通過 BT40 主軸的工作情況來說，是內圈旋轉，外圈固定。BT40 主軸的轉速為8000prm，額定轉矩為 42N?m，屬于高速中載的工作條件。由于高速旋轉，軸承等安裝在軸上的零件會和軸有摩擦，并產生大量的熱。雖然水冷卻系統能帶走一部分熱能，但仍會導致因溫升而產生熱伸長。因此，必須采用“一支點雙向固定，另一支點游動”的軸承配置形式。作為固定支承的軸承，應能承受雙向軸向載荷，內外圈在軸上都要固定。而作為補償軸的熱膨脹的游動支承，固定內圈，外圈在坐孔內可以游動，給軸的熱膨脹留余空間。在本次設計中，受力不是很大，選取前三后二的支承方式。2、軸承的配合配合的目的是使軸承內圈或外圈牢固地與軸或外殼固定，以免在相互配合面上出現不利的軸向滑動。這種不利的軸向滑動（稱做蠕變）會引起異常發(fā)熱、配合面磨損（進而使磨損鐵粉侵入軸承內部） 以及振動等問題，使軸承不能充分發(fā)揮作用。因此對于軸承來說，由于承受負荷旋轉，一般必須讓套圈帶上過盈使之牢固地與軸或外殼固定。配合的選擇一般按下述原則進行：根據作用于軸承的負荷方向、性質及內外圈的哪一方旋轉，則各套圈所承受的負荷可分為旋轉負荷、靜止負荷或不定向負荷。承受旋轉負荷及不定向負荷的套圈應取靜配合（過盈配合），承受靜止負荷的套圈，可取過渡配合或動配合（游隙配合）。軸承負荷大或承受振動、沖擊負荷時，其過盈須增大。采用空心軸、薄壁軸承箱或輕合金、塑料制軸承箱時，也須增大過盈量。要求保持高旋轉時，須采用高精度軸承，并提高軸及軸承箱的尺寸精度，避免過盈過大。如果過盈太大，可能使軸或軸承箱的幾何形狀精度影響軸承套圈的幾何形狀，從而損害軸承的旋轉精度。 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 24 頁非分離型軸承（例如深溝球軸承）內外圈都采用靜配合，則軸承安裝、拆卸極為不便，最好將內外圈的某一方采用動配合。所以本次設計的外圈為過硬配合，軸承內圈采用動配合 [8]。 3、 軸承的潤滑潤滑對于滾動軸承具有重要意義，軸承中的潤滑劑不僅可以降低摩擦阻力，還可以起散熱、減小接觸應力、吸收振動、防止銹蝕等作用。所以本次設計根據工作情況選用脂潤滑。脂潤滑的優(yōu)點：潤滑膜強度高，能夠承受較大的載荷，不易流失，容易密封，一次加脂可以維持相當長的一段時間，方便簡單。