數(shù)控導(dǎo)軌磨床設(shè)計(jì)[三維PROE][含CAD高清圖紙和說明書]

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4 題目名稱 數(shù)控導(dǎo)軌磨床設(shè)計(jì) 題目性質(zhì) 結(jié)合科研 題目來源 適用專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 所屬學(xué)院、系 機(jī)電工程學(xué)院 地 點(diǎn) 長春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 題目主要內(nèi)容： 設(shè)計(jì)數(shù)控導(dǎo)軌磨床M52160總布置圖、周邊磨頭部件圖、關(guān)鍵零件圖。（注：設(shè)計(jì)圖量：A0 3張，其中：總布置圖 A0 1張；周邊磨頭部件圖 A0 1張；關(guān)鍵零件圖折合 A0 1張。） 具體要求及指標(biāo)： 1.根據(jù)導(dǎo)軌磨床的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)并參考其它普通導(dǎo)軌磨床的尺寸參數(shù)，確定數(shù)控導(dǎo)軌磨床M52160的基本參數(shù)。并繪制其總布置圖。 2.對周邊磨頭的動力參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。 3.對主軸的支承結(jié)構(gòu)、主軸帶傳動、主軸端部卸荷帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、主軸強(qiáng)度剛度校核。 4.對周邊磨頭垂直滑板滾珠絲杠副及其支撐方式進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。 5.床身工作臺導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)。 6.控制系統(tǒng)大體設(shè)計(jì)。 7.撰寫詳細(xì)設(shè)計(jì)說明書（要求有中、英文摘要，目錄，正文，參考文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)總結(jié)等）一份；翻譯量不少于5000字符。 題目所涉及的知識面： 1.磨削原理及磨削變形對加工精度的影響。 2.零件、材料強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的計(jì)算。 3.機(jī)床總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)和機(jī)械零部件設(shè)計(jì)等。 4.要有一定的計(jì)算機(jī)繪圖能力。 題目性質(zhì)：結(jié)合科研、結(jié)合生產(chǎn)、結(jié)合實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、結(jié)合社會實(shí)踐、理論研究、其他。 題目來源：來源于立項(xiàng)課題的題目，請?zhí)顚懻n題名稱及編號、來源、經(jīng)費(fèi)；未立項(xiàng)，請?zhí)顚懽詳M。 地點(diǎn)：校外地點(diǎn)請?zhí)顚懰谑》?、城市、具體單位名稱；校內(nèi)地點(diǎn)請?zhí)顚懰谠合?、?shí)驗(yàn)室名稱。 題目的時(shí)間安排（分階段按實(shí)際教學(xué)周填寫）： 教學(xué)周 任務(wù)安排 教學(xué)周 任務(wù)安排 第1周： 開題 第9周： 關(guān)鍵部件參數(shù)確定 第2周： 調(diào)研及翻譯 第10周： 總體裝配圖（三維建模選） 第3周： 調(diào)研及翻譯 第11周： 繪制總體裝配圖（二維圖） 第4周： 撰寫開題報(bào)告 第12周： 繪制零件圖 第5周： 方案論證 第13周： 繪制零件圖 第6周： 方案論證 第14周： 可行性檢查 第7周： 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第15周： 整理畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第8周： 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第16周： 準(zhǔn)備答辯 經(jīng)費(fèi)使用預(yù)算：  參考資料與來源： 主、副導(dǎo)師分工（如聯(lián)合指導(dǎo)，請明確填寫主、副導(dǎo)師分工，否則請?zhí)顚憽蔼?dú)立指導(dǎo)”）： 獨(dú)立指導(dǎo) 主、副導(dǎo)師簽字： 年 月 日 系審核意見： 系主任簽字： 年 月 日 本論證書由指導(dǎo)教師認(rèn)真填寫、簽字后，交相關(guān)院系。由各系組織審核、題目論證完成后，由各系統(tǒng)一保管，并填寫“系審核意見”。 本論證書待畢業(yè)設(shè)計(jì)工作結(jié)束后，各學(xué)院按要求歸檔。 數(shù)控導(dǎo)軌磨床設(shè)計(jì) 開題報(bào)告 課題研究的目的和意義 在國民經(jīng)濟(jì)各部門、人民的日常生活中，使用者各種機(jī)器設(shè)備、 儀器工具，這些機(jī)器、機(jī)械 、儀器和設(shè)備和工具大部分是由一定的 形狀和尺寸的金屬零件所組成的。生產(chǎn)這些零件并將它們裝配成機(jī)器、 機(jī)械、儀器和工具的工業(yè)，稱為機(jī)械制造工業(yè)。在機(jī)械零件的制造過 程中，采用鑄造、鍛壓、焊接、沖壓等制造方法，可以獲得低精度零 件。對于精度要求高、表面粗糙度小的零件，主要依靠切削加工的方 法獲得，尤其是加工精密零件時(shí)，需經(jīng)過多道工序的切削加工才能完 成。因此，機(jī)械加工設(shè)備是機(jī)械制造業(yè)的主要加工設(shè)備。在一般的機(jī) 器制造廠中，金屬切削機(jī)床所負(fù)擔(dān)的加工工作量，余額占總工作量的 40%～60%。金屬切削機(jī)床的技術(shù)性能直接影響機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量及其制 造的經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)而決定著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展水平。 。 機(jī)床是在人類認(rèn)識和改造自然的過程中產(chǎn)生，又隨著社會生產(chǎn)的 發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而不斷發(fā)展、不斷完成的。最原始的機(jī)床是木 制的，所有運(yùn)動由人力或畜力驅(qū)動，主要用于加工木料、石料和陶瓷 制品的泥坯，它們實(shí)際上并不是一種完整的機(jī)器。現(xiàn)代意義上的用于 加工金屬機(jī)械零件的機(jī)床，是在 18 世紀(jì)中葉開始發(fā)展起來的。 機(jī)床設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)人員根據(jù)不同使用部門的要求，運(yùn)用有關(guān)的科學(xué) 技術(shù)知識，進(jìn)行創(chuàng)造性的勞動。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，使用的要求也不 斷地提高，而科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工藝水平的提高，從而使機(jī)床的設(shè) 計(jì)和制造獲得了迅速的發(fā)展。 畢業(yè)設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)能力的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，通過設(shè)計(jì)掌握 機(jī)械設(shè)計(jì)的一般規(guī)律，樹立正確的設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決 實(shí)際問題的能力，使學(xué)生成功的走向工作崗位。我設(shè)計(jì)的題目為： M1432A 萬能外圓磨床工作臺及砂輪架的設(shè)計(jì)，通過本次設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè) 計(jì)對普通機(jī)床組成、控制、結(jié)構(gòu)運(yùn)動、設(shè)計(jì)加以了解；通過機(jī)床設(shè) 計(jì)掌握普通機(jī)床設(shè)計(jì)的基本方法,并且對專用機(jī)床的設(shè)計(jì)作進(jìn)一步了 解；通過機(jī)床設(shè)計(jì)培養(yǎng)和鍛煉自身的工程素質(zhì)和工程實(shí)踐能力。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 機(jī)床研究現(xiàn)狀 20 世紀(jì)人類社會最偉大的科技成果是計(jì)算機(jī)的發(fā)明與應(yīng)用，計(jì) 算機(jī)及控制技術(shù)在機(jī)械制造設(shè)備中的應(yīng)用是世紀(jì)內(nèi)制造業(yè)發(fā)展的最 重大的技術(shù)進(jìn)步。自從 1952 年美國第１臺數(shù)控銑床問世至今已經(jīng)歷 了 50 個(gè)年頭。 數(shù)控設(shè)備包括：車、銑、加工中心、鏜、磨、沖壓、電加工以 及各類專機(jī)，形成龐大的數(shù)控制造設(shè)備家族，每年全世界的產(chǎn)量有 10～20 萬臺，產(chǎn)值上百億美元。 世界制造業(yè)在 20 世紀(jì)末的十幾年 中經(jīng)歷了幾次反復(fù)，曾一度幾乎快成為夕陽工業(yè)，所以美國人首先 提出了要振興現(xiàn)代制造業(yè)。90 年代的全世界數(shù)控機(jī)床制造業(yè)都經(jīng)過 重大改組。如美國、德國等幾大制造商都經(jīng)過較大變動，從 90 年代 初開始已出現(xiàn)明顯的回升，在全世界制造業(yè)形成新的技術(shù)更新浪潮。 如德國機(jī)床行業(yè)從 2000 年至今已接受３個(gè)月以后的訂貨合同，生產(chǎn) 任務(wù)飽滿。 我國數(shù)控機(jī)床制造業(yè)在 80 年代曾有過高速發(fā)展的階段，許多機(jī) 床廠從傳統(tǒng)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)向數(shù)控化產(chǎn)品的轉(zhuǎn)型。但總的來說，技術(shù)水平 不高，質(zhì)量不佳，所以在 90 年代初期面臨國家經(jīng)濟(jì)由計(jì)劃性經(jīng)濟(jì)向 市場經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)移調(diào)整，經(jīng)歷了幾年最困難的蕭條時(shí)期，那時(shí)生產(chǎn)能力 降到 50％，庫存超過４個(gè)月。從 1995 年“九五”以后國家從擴(kuò)大 內(nèi)需啟動機(jī)床市場，加強(qiáng)限制進(jìn)口數(shù)控設(shè)備的審批，投資重點(diǎn)支持 關(guān)鍵數(shù)控系統(tǒng)、設(shè)備、技術(shù)攻關(guān)，對數(shù)控設(shè)備生產(chǎn)起到了很大的促 進(jìn)作用，尤其是在 1999 年以后，國家向國防工業(yè)及關(guān)鍵民用工業(yè)部 門投入大量技改資金，使數(shù)控設(shè)備制造市場一派繁榮。從 2000 年８ 月份的上海數(shù)控機(jī)床展覽會和 2001 年４月北京國際機(jī)床展覽會上， 也可以看到多品種產(chǎn)品的繁榮景象。 數(shù)控技術(shù)經(jīng)過 50 年的２個(gè)階段和６代的發(fā)展： 第１階段：硬 件數(shù)控（NC） 第１代： 1952 年的電子管 第２代：1959 年晶體管分 離元件 第３代： 1965 年的小規(guī)模集成電路。第２階段：軟件數(shù)控 （CNC） 第４代：1970 年的小型計(jì)算機(jī) 第５代：1974 年的微處理 器 第６代： 1990 年基于個(gè)人 PC 機(jī)（PC-BASEO） 第６代的系統(tǒng)優(yōu) 點(diǎn)主要有： （１） 元器件集成度高，可靠性好，性能高，可靠性已可達(dá)到 ５萬小時(shí)以上； （2） 提供了開放式基礎(chǔ)，可供利用的軟、硬件資源豐富，使 數(shù)控功能擴(kuò)展到很寬的領(lǐng)域（如 CAD、CAM、CAPP，連接網(wǎng)卡、聲卡、 打印機(jī)、攝影機(jī)等） ； （3） 對數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠來說，提供了優(yōu)良的開發(fā)環(huán)境，簡化 了硬件。 目前，國際上最大的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠是日本 FANUC 公司， １年生產(chǎn)５萬套以上系統(tǒng)，占世界市場約 40％左右，其次是德國的 西門子公司約占 15％以上，再次是德海德漢爾，西班牙發(fā)格，意大 利菲亞，法國的ＮＵＭ，日本的三菱、安川。 發(fā)展趨勢 制造業(yè)是一個(gè)國家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱，機(jī)械制造是制 造業(yè)的核心。數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用使得傳統(tǒng)的制造業(yè)帶來了革命性的變 化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用 領(lǐng)域的擴(kuò)大，它對國民生計(jì)起著越來與重要的作用。當(dāng)前數(shù)控技術(shù) 及其裝備的發(fā)展的趨勢：1、高速、精密化 2、可靠性 3、數(shù)控機(jī) 床設(shè)計(jì) CAD 化、功能多樣化 4、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、集成化 5、開放性 6、復(fù)合性 7、串行總線計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng) 8、重視新技術(shù) 標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的建立 擬采取的研究路線 機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)的步驟設(shè)計(jì)類型而不同。創(chuàng)新設(shè)計(jì)可分為產(chǎn) 品規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)等四個(gè)階段。 （一）產(chǎn)品規(guī)劃階段 產(chǎn)品規(guī)劃階段的任務(wù)是明確設(shè)計(jì)任務(wù)，通常應(yīng)在市場調(diào)查與預(yù) 測的基礎(chǔ)上識別產(chǎn)品需求，進(jìn)行可行性分析，制定設(shè)計(jì)任務(wù)書。 在產(chǎn)品規(guī)劃階段將綜合運(yùn)用技術(shù)預(yù)測、市場學(xué)、信息學(xué)等理論 和方法來解決設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題。 1、 需求分析 產(chǎn)品設(shè)計(jì)是為了滿足市場的要求，而市場的需求往往是不具體 的，有時(shí)是模糊的 、潛在的，甚至是不可能實(shí)現(xiàn)的。需求分析的任 務(wù)是使這些需求具體化和恰到好處。明確設(shè)計(jì)任務(wù)的要求。需求分 析的任務(wù)本身就是設(shè)計(jì)工作的一部分，是設(shè)計(jì)工作的一部分，是設(shè) 計(jì)工作的開始，而且自始至終指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作的進(jìn)行。 需求分析一般包括對銷售市場和原材料市場的分析 1、 調(diào)查研究 調(diào)查研究包括市場調(diào)研、技術(shù)調(diào)研和社會環(huán)境調(diào)研三個(gè)部分 2、 預(yù)測 定性預(yù)測和定量預(yù)測 3、 可行性分析 4、 編制設(shè)計(jì)任務(wù)書 (二) 方案設(shè)計(jì)階段 1、對設(shè)計(jì)任務(wù)的抽象 2、建立功能結(jié)構(gòu) 3、尋求原理與求解方法 4、初步設(shè)計(jì)方案的形成 5、設(shè)計(jì)方案的評價(jià)與賽選 （三） 技術(shù)設(shè)計(jì)階段 1、確定結(jié)構(gòu)原理方案 2、總體設(shè)計(jì) 3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （四）工藝設(shè)計(jì)階段 1、零件圖設(shè)計(jì) 在零件圖中包含了為制造零件所需的全部信息，這些信息包括 幾何形狀、全部尺寸、加工面的尺寸公差、形位公差和表面粗糙度、 材料和熱處理要求、其他特殊技術(shù)要求等。 2、完善裝配圖 在繪制零件圖時(shí)，更加具體地從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、工藝性和標(biāo)準(zhǔn)化等 方面進(jìn)行零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不可避免地要對技術(shù)設(shè)計(jì)階段提供的裝 配圖做些修改 3 編寫技術(shù)文檔 設(shè)計(jì)工作大體的可分為三個(gè)步驟： 1、調(diào)查研究 調(diào)查研究的內(nèi)容一般包括有： ①學(xué)習(xí)有關(guān)機(jī)床設(shè)計(jì)的方 針、政策，明確設(shè)計(jì)要求； ②到使用單位調(diào)查了解所涉及機(jī) 床所要承擔(dān)的生產(chǎn)任務(wù)和加工工藝，了解使用單位的對機(jī)床的 要求； ③到制造單位調(diào)查，了解制造廠的設(shè)備條件、技術(shù)能 力和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)； ④收集國內(nèi)外同類型機(jī)床的技術(shù)文獻(xiàn)和圖紙 資料，并注意調(diào)查它的結(jié)構(gòu)性能、使用和制造情況等，尤其注 意了解新技術(shù)在同類機(jī)床上應(yīng)用的情況，以及在設(shè)計(jì)新機(jī)床時(shí) 將要進(jìn)行那些科學(xué)試驗(yàn)。 2、方案擬定 在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，通常可擬定出多個(gè)方案進(jìn)行比較分 析。每個(gè)方案所包括的內(nèi)容有：工藝分析、主要技術(shù)參數(shù)、總 體布局、主要部件的結(jié)構(gòu)草圖、試驗(yàn)結(jié)果及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析等 在制定方案時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： ①處理好使用和制造之間的關(guān)系：應(yīng)首先滿足使用要求， 其次是盡可能便于制造。 ②注意傾聽各方面意見，經(jīng)過分析比較，去粗取精，最后 形成一個(gè)比較使用方案。 ③ 實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)必須以生產(chǎn)實(shí)踐和 科學(xué)實(shí)驗(yàn)為依據(jù)，凡是未經(jīng)實(shí)踐考驗(yàn)的方案，必須經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證 明可考后采用與設(shè)計(jì)。 ④繼承性和創(chuàng)造性的相結(jié)合，盡量采用先進(jìn)技術(shù)，迅速提 高生產(chǎn)力。 文獻(xiàn)綜述 題 目：磨床概述文獻(xiàn)綜述 目 錄 1.1 磨床的類型與用途 3 1.1.1 磨床的類型及其特點(diǎn) .3 1.1.2 磨床的用途 .3 1.1.3 外圓磨削和端面外圓磨床 4 1.1.4 磨床的用途 .5 1.2 磨床的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢 .6 參考文獻(xiàn) .7 1.1 磨床的類型與用途 1.1.1 磨床的類型及其特點(diǎn) 用磨料磨具（砂輪、砂帶、油石和研磨料等）為工具進(jìn)行切削加工的機(jī)床， 統(tǒng)稱為磨床（英文為 Grinding machine） ，它們是因精加工和硬表面的需要而發(fā) 展起來的 [1]。 磨床種類很多，主要有：外圓磨床、內(nèi)圓磨床、平面磨床、工具磨床和用 來磨削特定表面和工件的專門化磨床，如花鍵軸磨床、凸輪軸磨床、曲軸磨床 等 [2]。 對外圓磨床來說，又可分為普通外圓磨床、萬能外圓磨床、無心外圓磨床、 寬砂輪外圓磨床、端面外圓磨床等 以上均為使用砂輪作切削工具的磨床。此外，還有以柔性砂帶為切削工具 的砂帶磨床，以油石和研磨劑為切削工具的精磨磨床等。 磨床與其他機(jī)床相比，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)： 1、磨床的磨具（砂輪）相對于工件做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動（一般砂輪圓周線速度 在 35 米/秒左右，目前已向 200 米/秒以上發(fā)展） ； 2、它能加工表面硬度很高的金屬和非金屬材料的工件； 3、它能使工件表面獲得很高的精度和光潔度； 4、易于實(shí)現(xiàn)自動化和自動線，進(jìn)行高效率生產(chǎn)； 5、磨床通常是電動機(jī)---油泵--- 發(fā)動部件，通過機(jī)械，電氣，液壓傳動--- 傳 動部件帶動工件和砂輪相對運(yùn)動---工件部分組成 [1]。 1.1.2 磨床的用途 磨床可以加工各種表面，如內(nèi)、外圓柱面和圓錐面、平面、漸開線齒廓面、 螺旋面以及各種成形表面。磨床可進(jìn)行荒加工、粗加工、精加工和超精加工， 可以進(jìn)行各種高硬、超硬材料的加工，還可以刃磨刀具和進(jìn)行切斷等，工藝范 圍十分廣泛。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對機(jī)械零件的精度和表面質(zhì)量要求越來越高，各種 高硬度材料的應(yīng)用日益增多。精密鑄造和精密鍛造工藝的發(fā)展，使得有可能將 毛坯直接磨成成品。高速磨削和強(qiáng)力磨削，進(jìn)一步提高了磨削效率。因此，磨 床的使用范圍日益擴(kuò)大。它在金屬切削機(jī)床所占的比重不斷上升。目前在工業(yè) 發(fā)達(dá)的國家中，磨床在機(jī)床總數(shù)中的比例已達(dá) 30%----40%。 據(jù) 1997 年歐洲機(jī)床展覽會(EMO)的調(diào)查數(shù)據(jù)表明， 25%的企業(yè)認(rèn)為磨削是 他們應(yīng)用的最主要的加工技術(shù)，車削只占 23%， 鉆削占 22%，其它占 8%；而 磨床在企業(yè)中占機(jī)床的比例高達(dá) 42%，車床占 23%，銑床占 22%，鉆床占 14%[3]。由此可見，在精密加工當(dāng)中，有許多零部件是通過精密磨削來達(dá)到其 要求的，而精密磨削加工會要在相應(yīng)的精密磨床上進(jìn)行，因此精密磨床在精密 加工中占有舉足輕重的作用。但是要實(shí)現(xiàn)精密磨削加工，則所用的磨床就應(yīng)該 滿足以下幾個(gè)基本要求： 1.高幾何精度。 精密磨床應(yīng)有高的幾何精度，主要有砂輪主軸的回轉(zhuǎn)精度 和導(dǎo)軌的直線度以保證工件的幾何形狀精度。主軸軸承可采用液體靜壓軸承、 短三塊瓦或長三塊瓦油膜軸承，整體度油楔式動壓軸承及動靜壓組合軸承等。 當(dāng)前采用動壓軸承和動靜壓軸承較多。主軸的徑向圓跳動一般應(yīng)小于 1um，軸 向圓跳動應(yīng)限制在 2—3um 以內(nèi)。 2.低速進(jìn)給運(yùn)動的穩(wěn)定性。 由于砂輪的修整導(dǎo)程要求 10—15mm/min，因 此工作臺必須低速進(jìn)給運(yùn)動，要求無爬行和無沖擊現(xiàn)象并能平穩(wěn)工作。 3.減少振動。 精密磨削時(shí)如果產(chǎn)生振動，會對加工質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重不良影響。 故對于精密磨床，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)考慮減少振動。 4.減少熱變形。 精密磨削中熱變形引起的加工誤差會達(dá)到總誤差的 50％，故機(jī)床和工藝系統(tǒng)的熱變形已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)精密磨削的主要障礙。 1.1.3 外圓磨削和端面外圓磨床 1.外圓磨削 在外圓磨削過程中，工件是安裝在兩頂尖的中心之間，砂輪旋轉(zhuǎn)是引起切 削旋轉(zhuǎn)的主要來源和原因?；镜猛鈭A磨削方法有兩種，即橫磨法磨外圓和縱 磨法磨外圓，如圖 1－1 和圖 1－2 所示。 事實(shí)上，外圓磨削可以通過其他以下幾種方法來實(shí)施： （1）傳遞方法：在這種方法中，磨削砂輪和工件旋轉(zhuǎn)以及徑向進(jìn)給都應(yīng)滿 足所有的整個(gè)長度，切削的深度是由磨削砂輪到工件的縱向進(jìn)給來調(diào)整的。 （2）沖壓切削方法：在這種方法中，磨削是通過砂輪的縱向進(jìn)給和無軸向 進(jìn)給來完成的，正如我們所看到的，只有在表面成為圓柱的寬度比磨削輪磨損 寬度短時(shí)，這種方法才能完成。 圖 1－1 橫磨法磨外圓 圖 1－2 縱磨法磨外圓 （3）整塊深度切削方法：除了在磨削過程中，要進(jìn)行間隙調(diào)整外，這種方 法與傳遞方法很相似，同時(shí)這種方法具有代表性，除了磨削短而粗的軸。 2.端面外圓磨床及其特點(diǎn) 端面外圓磨床是外圓磨床的一種變形機(jī)床，它宜于大批量磨削帶肩的軸類 工件，有較高的生產(chǎn)率。它的特點(diǎn)如下 （1）這種磨床的布局形成和運(yùn)動聯(lián)系與外圓磨床相似，只是砂輪架與頭架， 尾架中心連線傾斜一角度（通常 10°，15°，26.23°，30°，45°） ，如圖 1－3 所示，數(shù)控端面外圓磨床 MKS1632A 的砂輪架與頭架，尾架中心連線傾 斜 30°。為避免砂輪架與工件或尾架相碰，砂輪安裝在砂輪架的右邊，從斜向 切入，一次磨削工件外圓和端面。 （2）由于它適用于大批量生產(chǎn)，所以具有自動磨削循環(huán)，完成快速進(jìn)給 （長切入）---粗磨---精磨—無花磨削。由定程裝置或自動測量控制工件尺寸。 （3）裝有砂輪成型修整器，按樣板修整出磨削工件外圓和端面的成型砂輪， 為保證端面尺寸穩(wěn)定及操作安全，一般具有軸向?qū)Φ堆b置。 圖 1－3 砂輪架與頭架，尾架中心連線傾斜一角度 1.2 磨床的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢 隨著機(jī)械產(chǎn)品精度、可靠性和壽命的要求不斷提高以及新型材料的應(yīng)用增 多，磨削加工技術(shù)正朝著超硬度磨料磨具、開發(fā)精密及超精密磨削（從微米、 亞微米磨削向納米磨削發(fā)展）和研制高精度、高剛度、多軸的自動化磨床等方 向發(fā)展 [4]，如用于超精密磨削的樹脂結(jié)合劑砂輪的金剛石磨粒平均半徑可小至 4μm、磨削精度高達(dá) 0.025μm；使用電主軸單元可使砂輪線速度高達(dá) 400m/s，但這樣的線速度一般僅用于實(shí)驗(yàn)室，實(shí)際生產(chǎn)中常用的砂輪線速度為 40－60m/s ；從精度上看，定位精度＜2μm，重復(fù)定位精度≤±1μm 的機(jī)床已 越來越多；從主軸轉(zhuǎn)速來看，8.2kw 主軸達(dá) 60000r/min，13kw 達(dá) 42000r/min， 高速已不是小功率主軸的專有特征；從剛性上看，已出現(xiàn)可加工 60HRC 硬度材 料的加工中心。 北京第二機(jī)床廠引進(jìn)日本豐田工機(jī)公司先進(jìn)技術(shù)并與之合作生產(chǎn)的 GA（P）62－ 63 數(shù)控外圓/數(shù)控端面外圓磨床，砂輪架采用原裝進(jìn)口，砂輪線速 度可達(dá) 60m/s，砂輪架主軸采用高剛性動靜壓軸承提高旋轉(zhuǎn)精度，采用日本豐 田工機(jī)公司 GC32－ECNC 磨床專用數(shù)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)二軸（X 和 Z）到四軸 （X、Z 、U 和 W）控制。 此外，對磨床的環(huán)保要求越來越高，絕大部分的機(jī)床產(chǎn)品都采用全封閉的 罩殼，絕對沒有切屑或切削液外濺的現(xiàn)象。大量的工業(yè)清洗機(jī)和切削液處理機(jī) 系統(tǒng)反映現(xiàn)代制造業(yè)對環(huán)保越來越高的要求。 參考文獻(xiàn) [1] 蘭雄侯，王繼先，高航磨削溫度理論研究的現(xiàn)狀與進(jìn)展[A]，沈陽：東 北大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院. 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[13] 王西彬，師漢民，任敬心，結(jié)構(gòu)陶瓷的磨削溫度，西安：西北工業(yè)大 學(xué)，2002. 長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 2012屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)題目申報(bào)表 題目名稱 數(shù)控導(dǎo)軌磨床設(shè)計(jì) 適用專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 指導(dǎo)教師姓名 題目性質(zhì) 結(jié)合科研 題目類別 設(shè)計(jì)/理論 地點(diǎn) 長春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 擬指導(dǎo)的人數(shù) 1人 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目 題目內(nèi)容及要求： 主要內(nèi)容:設(shè)計(jì)數(shù)控導(dǎo)軌磨床M52160總布置圖、周邊磨頭部件圖、關(guān)鍵零件圖。 要求：1．根據(jù)導(dǎo)軌磨床的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)并參考其它普通導(dǎo)軌磨床的尺寸參數(shù)，確定數(shù)控導(dǎo)軌磨床M52160的基本參數(shù)。并繪制其總布置圖。2.對周邊磨頭的動力參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。3.對主軸的支承結(jié)構(gòu)、主軸帶傳動、主軸端部卸荷帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、主軸強(qiáng)度剛度校核。4.對周邊磨頭垂直滑板滾珠絲杠副及其支撐方式進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。5.床身工作臺導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)。6.控制系統(tǒng)大體設(shè)計(jì)。 注：設(shè)計(jì)圖量：A0 3張，其中：總布置圖 A0 1張；周邊磨頭部件圖 A0 1張； 關(guān)鍵零件圖折合 A0 1張。 題目所涉及的知識面： 1.磨削原理及磨削變形對加工精度的影響。 2.零件、材料強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的計(jì)算。 3.機(jī)床總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)和機(jī)械零部件設(shè)計(jì)等。 4.要有一定的計(jì)算機(jī)繪圖能力。 系審核小組成員簽字 年 月 日 系 審 核 意見 系主任簽字： 年 月 日 學(xué)院 審核 意見 教學(xué)副院長簽字： 年 月 日 摘 要 磨床可以加工各種表面，如內(nèi)、外圓柱面和圓錐面、平面、漸開線齒廓面、螺旋面以及各種成形表面。磨床可進(jìn)行荒加工、粗加工、精加工和超精加工，可以進(jìn)行各種高硬、超硬材料的加工，還可以刃磨刀具和進(jìn)行切斷等，工藝范圍十分廣泛。 磨床可以加工各種表面，如內(nèi)、外圓柱面和圓錐面、平面、漸開線齒廓面、螺旋面以及各種成形表面。磨床的種類很多，按其工作性質(zhì)可分為：外圍磨床、內(nèi)圓磨床、平面磨床，工具磨床以及一些專用磨床。如螺紋磨床、球面磨床、花鍵磨床、導(dǎo)軌磨床與無心磨床等。導(dǎo)軌磨床就是一種按照工作性質(zhì)劃分出來的磨床。 本文主要是對導(dǎo)軌磨床進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究。 關(guān)鍵詞：導(dǎo)軌磨床，磨床，磨床設(shè)計(jì) V Abstract The grinder can process a variety of surfaces, such as inner, outer cylindrical surface and a conical surface, plane, tooth profile of involute spiral surface and various surface, forming surface. The grinder can be hogging machining, rough machining, finish machining and ultra precision machining, can be a variety of high hard, superhard materials processing, can also be grinding tool and cutting process, a very wide range of. The grinder can process a variety of surfaces, such as inner, outer cylindrical surface and a conical surface, plane, tooth profile of involute spiral surface and various surface, forming surface. Grinder of many types, according to the nature of their work can be divided into: external grinder, internal grinder, surface grinder, grinding machine tools and some special grinding machine. Thread grinder, grinding machine, such as spherical spline grinding machine, grinder and centerless grinder. Rail grinding machine is a kind of according to the nature of the work out of the grinder. This paper is mainly about the design and research of guideway grinder. Key Words: Rail grinding machine, grinding machine, grinding machine design 目 錄 摘 要 I Abstract II 目 錄 III 第1章 緒 論 1 1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1.2 磨床的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢 2 1.3論文研究的主要內(nèi)容 2 第2章 數(shù)控龍門導(dǎo)軌磨床總體方案設(shè)計(jì) 4 2.1 機(jī)床的設(shè)計(jì)要求 4 2.2 設(shè)計(jì)方案 4 2.2.1 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 4 2.2.2 數(shù)控系統(tǒng)選型 5 2.3 本章小節(jié) 6 第3章 機(jī)床主軸箱的設(shè)計(jì) 7 3.1 主軸箱的設(shè)計(jì)要求 7 3.2主傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7 3.2.1 主傳動功率 7 3.2.2 驅(qū)動源的選擇 8 3.2.3 轉(zhuǎn)速圖的擬定 8 3.2.4傳動軸的估算 10 3.2.5齒輪模數(shù)的估算 11 3.3主軸箱展開圖的設(shè)計(jì) 12 3.3.1設(shè)計(jì)的內(nèi)容和步驟 12 3.3.2 有關(guān)零部件結(jié)構(gòu)和尺寸的確定 12 3.3.3 各軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 15 3.3.4 主軸組件的剛度和剛度損失的計(jì)算 16 3.4 零件的校核 18 3.4.1齒輪強(qiáng)度校核 18 3.4.2傳動軸撓度的驗(yàn)算 19 3.5 本章小節(jié) 19 第4章 主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)及計(jì)算 26 4.1 主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則 26 4.2主軸部件精度 26 4.3主軸部件結(jié)構(gòu) 27 4.4傳動方案設(shè)計(jì) 27 4.5主軸材料的選擇 28 4.6 主軸參數(shù)設(shè)計(jì) 31 4.7 主軸組件的剛度計(jì)算 33 4.7 主軸強(qiáng)度計(jì)算 36 4.8 帶傳動設(shè)計(jì) 38 4.9 聯(lián)軸器設(shè)計(jì) 38 4.10 伺服電動機(jī)的選擇 39 第5章 周邊磨頭的動力參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算 41 5.1 砂輪架設(shè)計(jì)的基本要求 41 5.2 主軸旋轉(zhuǎn)精度及其提高措施 41 5.3 主軸軸承系統(tǒng)的剛性 41 5.4 砂輪架主軸初步設(shè)計(jì) 41 5.5 主軸剛度校核 42 5.6 動靜壓軸承 43 5.7 傳動裝置設(shè)計(jì) 44 第6章 磨頭垂直滑板滾珠絲杠副及其支撐方式設(shè)計(jì) 50 6.1 對磨頭垂直滑板滾珠絲杠副及其支撐方式的基本要求 50 6.2 磨頭垂直滑板滾珠絲杠副及其支撐方式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 51 6.3滾珠絲杠的選擇 52 6.3.1 滾珠絲杠副的導(dǎo)程 52 6.3.2 滾珠絲杠副的載荷及選絲杠 52 6.4同步齒形帶的選擇 54 6.5伺服電機(jī)的選擇 54 6.6 滾珠絲杠副的安全使用 55 6.6.1 潤滑 55 6.6.2 防塵 56 6.6.3使用 56 6.6.4 安裝 56 6.8 本章小節(jié) 57 第7章 床身、橫梁導(dǎo)軌和工作臺 58 7.1 床身結(jié)構(gòu) 58 7.1.1 對床身結(jié)構(gòu)的基本要求 58 7.1.2 床身的結(jié)構(gòu) 59 7.2 導(dǎo)軌 61 7.2.1 導(dǎo)軌的潤滑與防護(hù) 61 7.2.2 導(dǎo)軌的安裝調(diào)整 61 7.3 工作臺 62 7.4 本章小節(jié) 62 第8章 控制系統(tǒng)大體設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 63 8.1 概述 63 8.2 確定硬件電路總體方案 63 8.3 接口，即I/O 輸入/輸出接口電路 64 8.4 數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖 64 8.4.1 主控制器CPU的選擇 64 8.4.2 程序存儲器擴(kuò)展 65 8.4.3 數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展 65 8.4.4 I/O口擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) 65 8.4.5 鍵盤，顯示接口電路 68 8.4.6 8031與控制電機(jī)與電液閥8255A的聯(lián)接其它輔助電路設(shè)計(jì) 69 8.4.7 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路 69 參考文獻(xiàn) 71 致 謝 72 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第1章 緒 論 1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 20世紀(jì)人類社會最偉大的科技成果是計(jì)算機(jī)的發(fā)明與應(yīng)用，計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)在機(jī)械制造設(shè)備中的應(yīng)用是世紀(jì)內(nèi)制造業(yè)發(fā)展的最重大的技術(shù)進(jìn)步。自從1952年美國第１臺數(shù)控銑床問世至今已經(jīng)歷了50個(gè)年頭。 數(shù)控設(shè)備包括：車、銑、加工中心、鏜、磨、沖壓、電加工以及各類專機(jī)，形成龐大的數(shù)控制造設(shè)備家族，每年全世界的產(chǎn)量有10～20萬臺，產(chǎn)值上百億美元。 世界制造業(yè)在20世紀(jì)末的十幾年中經(jīng)歷了幾次反復(fù)，曾一度幾乎快成為夕陽工業(yè)，所以美國人首先提出了要振興現(xiàn)代制造業(yè)。90年代的全世界數(shù)控機(jī)床制造業(yè)都經(jīng)過重大改組。如美國、德國等幾大制造商都經(jīng)過較大變動，從90年代初開始已出現(xiàn)明顯的回升，在全世界制造業(yè)形成新的技術(shù)更新浪潮。如德國機(jī)床行業(yè)從2000年至今已接受３個(gè)月以后的訂貨合同，生產(chǎn)任務(wù)飽滿。 我國數(shù)控機(jī)床制造業(yè)在80年代曾有過高速發(fā)展的階段，許多機(jī)床廠從傳統(tǒng)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)向數(shù)控化產(chǎn)品的轉(zhuǎn)型。但總的來說，技術(shù)水平不高，質(zhì)量不佳，所以在90年代初期面臨國家經(jīng)濟(jì)由計(jì)劃性經(jīng)濟(jì)向市場經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)移調(diào)整，經(jīng)歷了幾年最困難的蕭條時(shí)期，那時(shí)生產(chǎn)能力降到50％，庫存超過４個(gè)月。從1995年“九五”以后國家從擴(kuò)大內(nèi)需啟動機(jī)床市場，加強(qiáng)限制進(jìn)口數(shù)控設(shè)備的審批，投資重點(diǎn)支持關(guān)鍵數(shù)控系統(tǒng)、設(shè)備、技術(shù)攻關(guān)，對數(shù)控設(shè)備生產(chǎn)起到了很大的促進(jìn)作用，尤其是在1999年以后，國家向國防工業(yè)及關(guān)鍵民用工業(yè)部門投入大量技改資金，使數(shù)控設(shè)備制造市場一派繁榮。從2000年８月份的上海數(shù)控機(jī)床展覽會和2001年４月北京國際機(jī)床展覽會上，也可以看到多品種產(chǎn)品的繁榮景象。 數(shù)控技術(shù)經(jīng)過50年的２個(gè)階段和６代的發(fā)展： 第１階段：硬件數(shù)控（NC） 第１代：1952年的電子管 第２代：1959年晶體管分離元件 第３代：1965年的小規(guī)模集成電路。第２階段：軟件數(shù)控（CNC） 第４代：1970年的小型計(jì)算機(jī) 第５代：1974年的微處理器 第６代：1990年基于個(gè)人PC機(jī)（PC-BASEO） 第６代的系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)主要有： （１） 元器件集成度高，可靠性好，性能高，可靠性已可達(dá)到５萬小時(shí)以上； （2） 提供了開放式基礎(chǔ)，可供利用的軟、硬件資源豐富，使數(shù)控功能擴(kuò)展到很寬的領(lǐng)域（如CAD、CAM、CAPP，連接網(wǎng)卡、聲卡、打印機(jī)、攝影機(jī)等）； （3） 對數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠來說，提供了優(yōu)良的開發(fā)環(huán)境，簡化了硬件。 目前，國際上最大的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠是日本FANUC公司，１年生產(chǎn)５萬套以上系統(tǒng)，占世界市場約40％左右，其次是德國的西門子公司約占15％以上，再次是德海德漢爾，西班牙發(fā)格，意大利菲亞，法國的ＮＵＭ，日本的三菱、安川。 1.2 磨床的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢 隨著機(jī)械產(chǎn)品精度、可靠性和壽命的要求不斷提高以及新型材料的應(yīng)用增多，磨削加工技術(shù)正朝著超硬度磨料磨具、開發(fā)精密及超精密磨削（從微米、亞微米磨削向納米磨削發(fā)展）和研制高精度、高剛度、多軸的自動化磨床等方向發(fā)展[4]，如用于超精密磨削的樹脂結(jié)合劑砂輪的金剛石磨粒平均半徑可小至4μm、磨削精度高達(dá)0.025μm；使用電主軸單元可使砂輪線速度高達(dá)400m/s，但這樣的線速度一般僅用于實(shí)驗(yàn)室，實(shí)際生產(chǎn)中常用的砂輪線速度為40－60m/s；從精度上看，定位精度＜2μm，重復(fù)定位精度≤±1μm的機(jī)床已越來越多；從主軸轉(zhuǎn)速來看，8.2kw主軸達(dá)60000r/min，13kw達(dá)42000r/min，高速已不是小功率主軸的專有特征；從剛性上看，已出現(xiàn)可加工60HRC硬度材料的加工中心。 北京第二機(jī)床廠引進(jìn)日本豐田工機(jī)公司先進(jìn)技術(shù)并與之合作生產(chǎn)的GA（P）62－63數(shù)控外圓/數(shù)控端面外圓磨床，砂輪架采用原裝進(jìn)口，砂輪線速度可達(dá)60m/s，砂輪架主軸采用高剛性動靜壓軸承提高旋轉(zhuǎn)精度，采用日本豐田工機(jī)公司GC32－ECNC磨床專用數(shù)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)二軸（X和Z）到四軸（X、Z、U和W）控制。 此外，對磨床的環(huán)保要求越來越高，絕大部分的機(jī)床產(chǎn)品都采用全封閉的罩殼，絕對沒有切屑或切削液外濺的現(xiàn)象。大量的工業(yè)清洗機(jī)和切削液處理機(jī)系統(tǒng)反映現(xiàn)代制造業(yè)對環(huán)保越來越高的要求。 1.3論文研究的主要內(nèi)容 論文主要的章節(jié)和內(nèi)容： 1.第一章綜述了導(dǎo)軌磨床的發(fā)展?fàn)顩r，闡述課題提出的目的和意義，明確了本文研究的主要內(nèi)容。 2.第二章對導(dǎo)軌磨床的總體進(jìn)行研究，進(jìn)行總體布局設(shè)計(jì)。 3.第三章對導(dǎo)軌磨床主軸系統(tǒng)進(jìn)行整體的設(shè)計(jì)，進(jìn)行關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算。 4.第四章對周邊磨頭的動力參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。 5.第五章對床身工作臺導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)。 6.第六章控制系統(tǒng)大體設(shè)計(jì)。 19 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第2章 數(shù)控龍門導(dǎo)軌磨床總體方案設(shè)計(jì) 數(shù)控機(jī)床的總體設(shè)計(jì)方案由以下三部分組成： 1.技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)：主要尺寸規(guī)格、運(yùn)動參數(shù)（轉(zhuǎn)速和進(jìn)給范圍)、動力參數(shù)（電機(jī)功率，最大拉力）。 2.總體布局設(shè)計(jì)：相互位置關(guān)系、運(yùn)動分析、運(yùn)動仿真（干涉檢查）、外觀造型。 3.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)：整機(jī)靜剛度、整機(jī)的運(yùn)動性能、整機(jī)的熱特性。 總布局與使用要求： 1.便于同時(shí)操作和觀察。 2.刀具、工件，裝卸、夾緊方便。 3.排屑和冷卻。 2.1 機(jī)床的設(shè)計(jì)要求 本機(jī)床的設(shè)計(jì)，符合國家機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)。已定設(shè)計(jì)參數(shù)： 工作臺：3000×1200mm 工作臺最大荷重2t 高速高效，結(jié)構(gòu)簡單可靠，功能強(qiáng)大，性能穩(wěn)定，精度較高，可用于銑削板材以及多種工件等。 2.2 設(shè)計(jì)方案 我設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是工作臺移動數(shù)控龍門導(dǎo)軌磨床。工作臺數(shù)控龍門導(dǎo)軌磨床是指工作臺作縱向移動的龍門導(dǎo)軌磨床。工作臺移動龍門導(dǎo)軌磨床的最大特點(diǎn)是：（1）造價(jià)便宜,容易制造生產(chǎn)。工作臺移動式龍門導(dǎo)軌磨床，整機(jī)長度必須兩倍于縱向行程長度，而移動式龍門導(dǎo)軌磨床的整機(jī)長度只需縱向行程加上龍門架側(cè)面寬度即可。（2）機(jī)床的動態(tài)響應(yīng)好。工作臺移動式龍門導(dǎo)軌磨床采用的是固定龍門架,工作臺移動可以銑刀做切削運(yùn)動時(shí)更加穩(wěn)定，從而保證了加工精度和機(jī)床的響應(yīng)性能。 2.2.1 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 整機(jī)分為床身、龍門架、滑臺、主軸箱、三軸進(jìn)給驅(qū)動機(jī)構(gòu)機(jī)械部分及相關(guān)數(shù)控伺服部分?，F(xiàn)把設(shè)計(jì)過程中的重點(diǎn)闡述如下： 床身是本次設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)，床身的尺寸設(shè)計(jì)影響著對整機(jī)的設(shè)計(jì)，而且設(shè)計(jì)的合理性直接影響到整機(jī)的剛度。床身的上平面即工作臺面設(shè)計(jì)有 K 條T形槽，為方便床身工作臺面和T形槽的精刨加工，槽完全貫通。床身的左、右兩下腳各設(shè)計(jì)有一個(gè)狹長平面，用來安放滾動直線導(dǎo)軌副。我把導(dǎo)軌面設(shè)計(jì)在床身的兩下側(cè)，主要是考慮力的傳遞方向與卸荷問題。因床身會受到龍門框架的重力、切削力和工件的重力，這樣的設(shè)計(jì)可使龍門框架的重力直接傳入到機(jī)床的基礎(chǔ)上，而床身只受到工件的重力。 龍門框架采用的是整體龍門架的設(shè)計(jì)概念，即把橫梁與左右立柱設(shè)計(jì)成一體，雖然使鑄造和裝配調(diào)整時(shí)的難度加大，但整體龍門框架的剛性更好，更重要的是使主軸箱、滑臺等部件有了裝配基準(zhǔn)。 滑臺的設(shè)計(jì)是在龍門架和主軸箱的幾何尺寸確定后，按照主軸的中心盡量貼近橫梁上的導(dǎo)軌面為原則，并把Z軸驅(qū)動安裝位置設(shè)計(jì)在滑臺上，有效地減輕滑臺的重量。 設(shè)計(jì)進(jìn)給驅(qū)動機(jī)構(gòu)的構(gòu)思如下：X 軸的進(jìn)給驅(qū)動機(jī)構(gòu)采用雙邊齒輪齒條副加重預(yù)壓滾動直線導(dǎo)軌副，Y 軸與 X 軸采用大直徑預(yù)壓滾珠絲杠副加硬導(dǎo)軌副，且導(dǎo)軌滑動部分貼有工程塑料，避免低速時(shí)產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，而且導(dǎo)軌部分設(shè)計(jì)有斜鑲條可調(diào)裝置。這樣設(shè)計(jì)使機(jī)床的整體進(jìn)給性能得以協(xié)調(diào)，各軸的進(jìn)給速度和進(jìn)給力得到了最佳匹配。 主軸箱的上下垂直運(yùn)動Z軸采用滾珠絲杠副傳動。由于本機(jī)床不是高速導(dǎo)軌磨床，Z軸的進(jìn)給系統(tǒng)為伺服電動機(jī)通過傳動比為4的平行軸定比齒輪箱帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)。Z 軸的安全問題。首先選用帶電磁剎車的伺服電動機(jī)，其次在滾珠絲杠上裝有一雙向超越離合器，防止?jié)L珠螺母自轉(zhuǎn)引起主軸箱機(jī)械式下垂。當(dāng)然，為了保護(hù)Z軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)的精度，還在滑臺上裝有兩個(gè)平衡油缸。 平衡力Q等于主軸箱部件質(zhì)量的85﹪。 主軸箱的左右移動為Y軸，為了保證Y軸的傳動精度，并使絲杠只受水平軸向力，故采用伺服電動機(jī)與滾珠絲杠直聯(lián)方式。筆者選用的聯(lián)軸器帶有過載保護(hù)裝置，在過載時(shí)聯(lián)軸器會自動脫開。 2.2.2 數(shù)控系統(tǒng)選型 數(shù)控系統(tǒng)采用的是西門子 4-05，因?yàn)榇讼到y(tǒng)提供了龍門軸的同步功能。使用此功能，本機(jī)床可以對龍門框架進(jìn)給軸（X1，X2）實(shí)現(xiàn)無機(jī)械偏差的位移。運(yùn)動的實(shí)際值可進(jìn)行連續(xù)比較，即使最小的偏差也可以得到糾正，因此提高了軸的運(yùn)動精度。 圖1-1 數(shù)控龍門導(dǎo)軌磨床總裝圖（主視圖） 2.3 本章小節(jié) 本章主要講解了數(shù)控龍門導(dǎo)軌磨床的總理方案設(shè)計(jì)，其主要內(nèi)容有機(jī)械部分的設(shè)計(jì)和數(shù)控部分設(shè)計(jì)，根據(jù)所給要求制定出總體設(shè)計(jì)方案。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第3章 機(jī)床主軸箱的設(shè)計(jì) 3.1 主軸箱的設(shè)計(jì)要求 1. 具有更大的調(diào)速范圍，并實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。 2. 具有較高的精度和剛度，傳動平穩(wěn)，噪聲低。 3. 良好的抗震性和熱穩(wěn)定性。 3.2主傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.2.1 主傳動功率 機(jī)床主傳動的功率P 可由下式來確定： 式中 －機(jī)床主傳動的功率 －切削功率 －主傳動鏈的總效率 數(shù)控機(jī)床的加工范圍一般都比較大，可根據(jù)有代表性的加工情況，由下式確定： 式中 －主切削力的切向力（N） －切削速度（m/min） －切削扭矩 （N/cm） －主軸轉(zhuǎn)速 （r/min） 主傳動的總效率一般可取為＝0.70～0.85，數(shù)控機(jī)床的主傳動多用調(diào)速電機(jī)和有限的機(jī)械變速來實(shí)現(xiàn)，傳動鏈比較短，因此，效率可以取較大值。 主傳動中各傳動件的尺寸都是根據(jù)其傳動的功率確定的，如果傳動效率定的過大，將使傳動件的尺寸笨重而造成浪費(fèi)，電動機(jī)常在低負(fù)荷下工作，功率因數(shù)太小從而浪費(fèi)能源。如果功率定的過小，將限制機(jī)床的切削加工能力而降低生產(chǎn)率。因此，要較準(zhǔn)確合適的選用傳動功率。 3.2.2 驅(qū)動源的選擇 機(jī)床上常用的無級變速機(jī)構(gòu)是直流或交流調(diào)速電動機(jī)，直流電動機(jī)從額定轉(zhuǎn)速nd向上至最高轉(zhuǎn)速nmax是調(diào)節(jié)磁場電流的方法來調(diào)速的，屬于恒功率，從額定轉(zhuǎn)速nd向下至最低轉(zhuǎn)速nmin是調(diào)節(jié)電樞電壓的方法來調(diào)速的，屬于恒轉(zhuǎn)矩；交流調(diào)速電動機(jī)是靠調(diào)節(jié)供電頻率的方法調(diào)速。由于交流調(diào)速電動機(jī)的體積小，轉(zhuǎn)動慣量小，動態(tài)響應(yīng)快，沒有電刷，能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速比同功率的直流調(diào)速電動機(jī)高，磨損和故障也少，所以在中小功率領(lǐng)域，交流調(diào)速電動機(jī)占有較大的優(yōu)勢，鑒于此，本設(shè)計(jì)選用交流調(diào)速電動機(jī)。 根據(jù)主軸要求的最高轉(zhuǎn)速4500r/min，最大切削功率5.5KW,選擇北京數(shù)控設(shè)備廠的BESK-8型交流主軸電動機(jī)，最高轉(zhuǎn)速是4500 r/min。 3.2.3 轉(zhuǎn)速圖的擬定 根據(jù)交流主軸電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速和基本轉(zhuǎn)速可以求得交流主軸電動機(jī)的恒功率轉(zhuǎn)速范圍 Rdp=nmax/nd=4500/1500=3 （3-1） 而主軸要求的恒功率轉(zhuǎn)速范圍Rnp= nmax/nd=4500/150=30 ,遠(yuǎn)大于交流主軸電動機(jī)所能提供的恒功率轉(zhuǎn)速范圍，所以必須串聯(lián)變速機(jī)構(gòu)的方法來擴(kuò)大其恒功率轉(zhuǎn)速范圍。 設(shè)計(jì)變速箱時(shí)，考慮到機(jī)床結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性等因素，取變速箱的公比Фf等于交流主軸電動機(jī)的恒功率調(diào)速范圍Rdp，即Фf=Rdp=3，功率特性圖是連續(xù)的，無缺口和無重合的。 變速箱的變速級數(shù): Z=lg Rnp/lg Rdp=lg30/ lg 3=3.10 (3-2) 取 Z=3 確定各齒輪副的齒數(shù)： 取S=114 由u=2 得Z1=38 Z1′=76 由u=0.67 得Z2=68 Z2′=46 由u=0.22 得Z3=94 Z3′=20 如取總效率η=0.75，則電動機(jī)功率P=5.5/0.75=7.3kw?？蛇x用北京數(shù)控設(shè)備廠的BESK-8型交流主軸電動機(jī)，連續(xù)額定輸出功率為7.5kw。 由此擬定主傳動系統(tǒng)圖、轉(zhuǎn)速圖以及主軸功率特性圖分別如圖3-1、圖3-2、圖3-3。 圖3-1 主傳動系統(tǒng)圖 圖3-2轉(zhuǎn)速圖 圖3-3主軸功率特性 3.2.4傳動軸的估算 傳動軸除應(yīng)滿足強(qiáng)度要求外，還應(yīng)滿足剛度要求。強(qiáng)度要求保證軸在反復(fù)載荷和扭轉(zhuǎn)載荷作用下不發(fā)生疲勞破壞。機(jī)床主傳動系統(tǒng)精度要求較高，不允許有較大的變形。因此疲勞強(qiáng)度一般不是主要矛盾。除了載荷比較大的情況外，可以不必驗(yàn)算軸的強(qiáng)度。剛度要求軸在載荷下（彎曲，軸向，扭轉(zhuǎn)）不致產(chǎn)生過大的變形（彎曲，失穩(wěn)，轉(zhuǎn)角）。如果剛度不夠，軸上的零件如齒輪，軸承等由于軸的變形過大而不能正常工作，或者產(chǎn)生振動和噪音，發(fā)熱，過早磨損而失效。因此，必須保證傳動軸有足夠的剛度。通常，先按扭轉(zhuǎn)剛度軸的直徑，畫出草圖后，再根據(jù)受力情況，結(jié)構(gòu)布置和有關(guān)尺寸，驗(yàn)算彎曲剛度。 計(jì)算轉(zhuǎn)速nj是傳動件傳遞全部功率時(shí)的最低轉(zhuǎn)速，各個(gè)傳動軸上的計(jì)算轉(zhuǎn)速可以從轉(zhuǎn)速圖上直接得出如表3-1所示: 軸 Ⅰ Ⅱ III 計(jì)算轉(zhuǎn)速（r/min） 1500 750 173 表3-1 各軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速 各軸功率和扭矩計(jì)算： 已知一級齒輪傳動效率為0.97（包括軸承），則： Ⅰ軸：P1=Pd×0.99=7.5×0.99=7.42 KW Ⅱ軸：P2=P1×0.97=7.42×0.97=7.20 KW III軸：P3=P2×0.97=7.20×0.97=6.98 KW Ⅰ軸扭矩：T1=9550P1/n1 =9550×7.42/1500=47.24 N.m Ⅱ軸扭矩：T2=9550P2/n2 =9550×7.20/750=91.68N.m III軸扭矩：T3=9550P3/n3 =9550×6.98/173=385.31N.m [φ]是每米長度上允許的扭轉(zhuǎn)角（deg/m），可根據(jù)傳動軸的要求選取，其選取的原則如表3-2所示: 表3-2 許用扭轉(zhuǎn)角選取原則 軸 主軸 一般傳動軸 較低的軸 [φ]（deg/m） 0.5-1 1-1.5 1.5-2 根據(jù)表2-2確定各軸所允許的扭轉(zhuǎn)角如表3-3所示: 表3-3 許用扭轉(zhuǎn)角的確定 軸 Ⅰ Ⅱ III [φ]（deg/m） 1 1 1 把以上確定的各軸的輸入功率N=7.5KW、計(jì)算轉(zhuǎn)速nj（如表2-1）、允許扭轉(zhuǎn)角[φ]（如表2-3）代入扭轉(zhuǎn)剛度的估算公式 (3-3) 可得各個(gè)傳動軸的估算直徑： Ⅰ軸： d1=28.8mm 取d1=30mm Ⅱ軸： d2=34.0mm 取d1=35mm 主軸軸徑尺寸的確定： 已知導(dǎo)軌磨床最大加工直徑為Dmax=400mm, 則： 主軸前軸頸直徑 D1=0.25Dmax±15=85～115mm 取D1=95mm 主軸后軸頸直徑 D2=(0.7～0.85)D1=67～81mm 取D2=75mm 主軸內(nèi)孔直徑 d=0.1Dmax±10=35～55mm 取d=40mm 3.2.5齒輪模數(shù)的估算 按接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算齒輪模數(shù)比較復(fù)雜，而且有些系數(shù)只有在齒輪的各參數(shù)都已知方可確定，故只有在裝配草圖畫完后校驗(yàn)用。在畫草圖時(shí)用經(jīng)驗(yàn)公式估算，根據(jù)估算的結(jié)果然后選用標(biāo)準(zhǔn)齒輪的模數(shù)。 齒輪模數(shù)的估算有兩種方法，第一種是按齒輪的彎曲疲勞進(jìn)行估算，第二種是按齒輪的齒面點(diǎn)蝕進(jìn)行估算，而這兩種方法的前提條件是各個(gè)齒輪的齒數(shù)必須已知，所以必須先給出各個(gè)齒輪的齒數(shù)。 根據(jù)齒輪不產(chǎn)生根切的基本條件：齒輪的齒數(shù)不小于17，在該設(shè)計(jì)中，即最小齒輪的齒數(shù)不小于17。而由于Z3,Z3’這對齒輪有最大的傳動比，各個(gè)傳動齒輪中最小齒數(shù)的齒輪必然是Z3’。取Z3’=20,S=114，則Z3=94。 從轉(zhuǎn)速圖上直接看出直接可以看出Z3的計(jì)算轉(zhuǎn)速是750r/min。 根據(jù)齒輪彎曲疲勞估算公式mω=2.4 (3-4) 根據(jù)齒輪接觸疲勞強(qiáng)度估算公式計(jì)算得: m=2.84 由于受傳動軸軸徑尺寸大小限制，選取齒輪模數(shù)為m =3mm，對比上述結(jié)果，可知這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，而且考慮到兩傳動軸的間距，故取同一變速組中的所有齒輪的模數(shù)都為m=3mm?，F(xiàn)將各齒輪齒數(shù)和模數(shù)列表如下： 表3-4 齒輪的估算齒數(shù)和模數(shù)列表 齒輪 Z0 Z0’ Z1 Z1’ Z2 Z2’ Z3 Z3’ 齒數(shù) 35 70 38 76 68 46 94 20 模數(shù)（mm） 3 3 3 3 3 3 3 3 3.3主軸箱展開圖的設(shè)計(jì) 主軸箱展開圖是反映各個(gè)零件的相互關(guān)系，結(jié)構(gòu)形狀以及尺寸的圖紙。因此設(shè)計(jì)從畫展開圖開始，確定所有零件的位置，結(jié)構(gòu)和尺寸，并以此為依據(jù)繪制零件工作圖。 3.3.1設(shè)計(jì)的內(nèi)容和步驟 這一階段的設(shè)計(jì)內(nèi)容是通過繪圖設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)尺寸及選出軸承的型號，確定軸的支點(diǎn)距離和軸上零件力的作用點(diǎn)，計(jì)算軸的強(qiáng)度和軸承的壽命。 3.3.2 有關(guān)零部件結(jié)構(gòu)和尺寸的確定 傳動零件，軸，軸承是主軸部件的主要零件，其它零件的結(jié)構(gòu)和尺寸是根據(jù)主要零件的位置和結(jié)構(gòu)而定。所以設(shè)計(jì)時(shí)先畫主要零件，后畫其它零件，先畫傳動零件的中心線和輪廓線，后畫結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。 1）傳動軸的估算 這一步在前面已經(jīng)做了計(jì)算。 2）齒輪相關(guān)尺寸的計(jì)算 為了確定軸的軸向距離，齒輪齒寬的確定是必須的。 而容易引起振動和噪聲，一般取齒寬系數(shù)Φm =(6-10)m。這里取齒寬系數(shù)Φm=10, 則齒寬B=Φm×m=10×3=30mm.現(xiàn)將各個(gè)齒輪的齒厚確定如表3-5所示: 表3-5 各齒輪的齒厚 齒輪 Z1 Z1′ Z2 Z2′ Z3 Z3′ 齒厚（mm） 30 30 30 30 30 30 齒輪的直徑?jīng)Q定了各個(gè)軸之間的尺寸，所以在畫展開圖草圖前，各個(gè)齒輪的尺寸必須算出?，F(xiàn)將主軸部件中各個(gè)齒輪的尺寸計(jì)算如表3-6所示: 表3-6 各齒輪的直徑 齒輪 Z1 Z1′ Z2 Z2′ Z3 Z3′ 分度圓直徑（mm） 114 228 204 138 282 60 齒頂圓直徑（mm） 120 234 210 144 288 66 齒根圓直徑（mm） 106.5 220.5 196.5 130.5 274.5 52.5 Z0 Z0’ 105 210 111 216 97.5 202.5 由表3-2可以計(jì)算出各軸之間的距離，現(xiàn)將它們列出如表3-7所示: 表3-7 各軸的中心距 軸 ⅠⅡ ⅡⅢ 距離（mm） 160 175 3）確定齒輪的軸向布置 為避免同一滑移齒輪變速組內(nèi)的兩對齒輪同時(shí)嚙合，兩個(gè)固定齒輪的間距，應(yīng)大于滑移齒輪的寬度，一般留有間隙1-2mm，所以首先設(shè)計(jì)滑移齒輪。 Ⅱ軸上的滑移齒輪的兩個(gè)齒輪輪之間必須留有用于齒輪加工的間隙，插齒時(shí)，當(dāng)模數(shù)在1-2mm范圍內(nèi)時(shí)，間隙必須不小于5mm,當(dāng)模數(shù)在2.5-4mm范圍內(nèi)時(shí)，間隙必須不小于6mm，且應(yīng)留有足夠空間滑移，據(jù)此選取該滑移齒輪三片齒輪之間的間隙分別為d1= 45mm,d2=8mm。 由滑移齒輪的厚度以及滑移齒輪上的間隙可以得出主軸上的齒輪的間隙。 現(xiàn)取齒輪之間的間距為82mm和45mm。 圖3-4 齒輪的軸向間距 4）軸承的選擇及其配置 主軸組件的滾動軸承既要有承受徑向載荷的徑向軸承，又要有承受兩個(gè)方向軸向載荷的推力軸承。軸承類型及型號選用主要應(yīng)根據(jù)主軸的剛度，承載能力，轉(zhuǎn)速，抗振性及結(jié)構(gòu)要求合理的進(jìn)行選定。 同樣尺寸的軸承，線接觸的滾子軸承比電接觸的球軸承的剛度要高，但極限轉(zhuǎn)速要低；多個(gè)軸承的承載能力比單個(gè)軸承的承載能力要大；不同軸承承受載荷類型及大小不同；還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)要求，如中心距特別小的組合機(jī)床主軸，可采用滾針軸承。 為了提高主軸組件的剛度，通常采用輕型或特輕型系列軸承，因?yàn)楫?dāng)軸承外徑一定時(shí)，其孔徑（即主軸軸頸）較大。 通常情況下，中速重載采用雙列圓柱滾子軸承配雙向推力角接觸球軸承（如配推力軸承，則極限轉(zhuǎn)速低），或者成對圓錐滾子軸承，其結(jié)構(gòu)簡單，但是極限轉(zhuǎn)速較低，如配空心圓錐滾子軸承，其極限轉(zhuǎn)速顯著提高，但成本也相應(yīng)的提高了。高速輕載采用成組角接觸球軸承，根據(jù)軸向載荷的大小分別選用25°或 15°的接觸角。軸向載荷為主且精度要求不高時(shí)，選用推力軸承配深溝球軸承，精度要求較高時(shí)，選用向心推力軸承。 該設(shè)計(jì)的主軸不僅有剛度高的要求，而且有轉(zhuǎn)速高的要求，所以在選擇主軸軸承時(shí)，剛度和速度這兩方面都要考慮。主軸前軸承采用3182119型軸承一個(gè)，后支承采用30215型和8215型軸承各一個(gè)。 3.3.3 各軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) I軸的一端與電動機(jī)相連，將其結(jié)構(gòu)草圖繪制如下圖4—2所示 圖3—5 II軸安裝滑移齒輪，其結(jié)構(gòu)如草圖3—2所示 圖3-6 III軸其結(jié)構(gòu)完全按標(biāo)準(zhǔn)確定，根據(jù)軸向的尺寸將結(jié)構(gòu)簡圖繪制如下圖4—4所示 圖4-4 3.3.4 主軸組件的剛度和剛度損失的計(jì)算 最佳跨距的確定 取彈性模量E=2.1X，D=（95+75）/2=85； 主軸截面慣距 截面面積：A=4415.63 主軸最大輸出轉(zhuǎn)矩： 床身上最大回轉(zhuǎn)直徑約為最大加工直徑的60%，即240mm。故半徑為0.12m Fy=0.5Fz=1989.6N 故總切削力為： F==4448.9N 估算時(shí)，暫取L0/a=3,即取3x120=360mm. 前支承支反力 后支承支反力 取 則 則 因在上式計(jì)算中，忽略了ys的影響，故L0應(yīng)稍大一點(diǎn)，取L0=300mm 計(jì)算剛度損失： 取L=385mm,χ=4.61因在上式計(jì)算中，忽略了ys的影響，故L0應(yīng)稍大一點(diǎn)，取L0=300mm 計(jì)算剛度損失： 取L=385mm,χ=4.61 表3-8 由 公式 彈 性 主 軸 y1 彈性支承k 總 柔 度 總 剛度 彎曲變形 yb 剪切變形ys 前支承 后支承 懸伸段 跨距段 懸伸段 跨距段 L=385 5.488×10-7 2.224×10-6 2.361×10-7 1.165×10-7 11.12×10-7 2.28×10-7 44.65×10-7 2.24×105 12.29％ 49.8％ 5.29％ 2.61％ 24.9％ 5.1％ 100％ L0=300 5.488×10-7 1.732×10-6 2.361×10-7 1.4915×10-7 12.4×10-7 3.756×10-7 42.83×10-7 2.33×105 12.81％ 40.46％ 5.51％ 3.48％ 28.9％ 8.77％ 100％ 由L≠L0引起的剛度損失約為3.68％,可知，主軸剛度損失較小，選用的軸承型號及支承形式都能滿足剛度要求。 3.4 零件的校核 3.4.1齒輪強(qiáng)度校核 校核II軸齒輪 校核齒數(shù)為20的即可，確定各項(xiàng)參數(shù) P=7.2KW, n=750r/min Ⅱ軸扭矩: T2=9550P2/n2 =95507.2/750=91.68 N.m （5-1） 確定動載系數(shù)：=2.35m/s 齒輪精度為7級，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》查得使用系數(shù) 非對稱 查《機(jī)械設(shè)計(jì)》得 確定齒間載荷分配系數(shù): ==42.1 100N/m由《機(jī)械設(shè)計(jì)》查得 =1.2 確定動載系數(shù): =11.051.21.42=1.6 查表 10-5 2.65 1.58 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力，由圖查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 540MPa 圖10-18查得0.9,S = 1.3 （5-3） 49.489.3 故滿足要求。 3.4.2傳動軸撓度的驗(yàn)算 II軸的校核：通過受力分析，在一軸的三對嚙合齒輪副中，中間的兩對齒輪對II軸中點(diǎn)處的撓度影響最大，所以，選擇中間齒輪嚙合來進(jìn)行校核 已知d=60mm， E=2.1X，b=30mm ，x=180mm （5-4） 。 3.5 本章小節(jié) 本章主要講述了龍門導(dǎo)軌磨床的主軸箱的設(shè)計(jì)，其主要內(nèi)容包括傳動比的確定電機(jī)的選擇，軸的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核，齒輪的參數(shù)的確定等內(nèi)容。 第4章 主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)及計(jì)算 主軸系統(tǒng)是一個(gè)機(jī)床的重要部件。由于機(jī)床對不同工件的加工，要保持很高的加工精度，刀具就要在加工不同工件時(shí)選用不同的轉(zhuǎn)動速度，在保證加工精度的情況下就不能通過一種主軸系統(tǒng)的傳動，因?yàn)樵谵D(zhuǎn)速大幅度變化下會使加工精度受到很大的影響。所以在模塊化的理念下對加工中心的主軸系統(tǒng)也進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。 模塊化設(shè)計(jì)能夠使機(jī)床快速的在三種主軸系統(tǒng)件快速的互換，為了能夠?qū)崿F(xiàn)這一目的，所設(shè)計(jì)的三種主軸系統(tǒng)的外型尺寸相同，在同一卡具下能夠快速的裝載和卸載。 確定三中主軸系統(tǒng)的傳動方式；低速主軸采用帶輪傳動，準(zhǔn)高速采用電機(jī)與主軸直連方式傳動，高速主軸直接選用型號合適的電主軸。 機(jī)床設(shè)計(jì)的基本要求： 1、設(shè)計(jì)的加工中心刀具主軸最高轉(zhuǎn)速1.8萬轉(zhuǎn)/min；3000轉(zhuǎn)/min；8000轉(zhuǎn)/min；主軸功率15KW； 2、設(shè)計(jì)的加工中心的加工范圍為1.2mX1.6m； 3、設(shè)計(jì)的機(jī)床要求可以進(jìn)行粗加工、半精加工和精加工。定位精度0.003mm. 4.1 主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則是：（1）受力合理，有利于提高州的剛度和強(qiáng)度；（2）軸和軸上零件有確定的工作位置。即保證軸相對與機(jī)架定位可靠性，軸上零件的軸向定位可靠；（3）軸有良好的結(jié)構(gòu)公益性包括：便于加工制造，軸上應(yīng)力集中小，材料省、重量輕；軸上零件裝、拆和調(diào)整方便，保證每個(gè)零件裝配到周上市，不論其配合性質(zhì)如何，均能自由地通過前面各軸段，而不損傷其表面。 4.2主軸部件精度 加工中心主軸部件由主軸動力、傳動及主軸組件組成，它是加工中心成型運(yùn)動的重要執(zhí)行部件之一，因此要求加工中心的主軸部件具有高的運(yùn)轉(zhuǎn)精度、長久的精度保持性以及長時(shí) 期運(yùn)行的精度穩(wěn)定性。 加工中心通常作為精密機(jī)床使用，主軸部件的運(yùn)轉(zhuǎn)精度決定了機(jī)床加工精度的高低．考核機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)精度一般有動態(tài)檢驗(yàn)和靜態(tài)檢驗(yàn)兩種方法。靜態(tài)檢驗(yàn)是指在低速或手動轉(zhuǎn)動主軸情況下，檢驗(yàn)主軸部件各個(gè)定位面及工作表面的跳動量。動態(tài)檢驗(yàn)則需使用一定的儀器在機(jī)床主軸額定轉(zhuǎn)速下．采用非接觸的檢測方法檢驗(yàn)主軸的回轉(zhuǎn)精度。由于加工中心通常具有自動換刀功能，刀具通過專用刀柄由安裝在加工中心主軸內(nèi)部的拉緊機(jī)構(gòu)緊固。因此主軸的回轉(zhuǎn)精度要考慮由于刀柄定位面的加工誤差所引起的誤差。 加工中心主軸軸承通常使用C級軸承，在二支承主軸部件中多采用4-1、2-2組合使用，即前支承和后支承分別用四個(gè)向心推力軸承和一個(gè)向心球軸承，或前、后支承都使用兩個(gè)向心推力軸承組成主軸部件的支承體系．對于輕型高精度加工中心，也有前、后支承各使用一個(gè)向心推力軸承組成主軸部件的支承體系，該種結(jié)構(gòu)適宜高精度、高速主軸部件的場合。簡單的主軸軸承組合，可以大大降低主軸部件的裝配誤差和熱傳導(dǎo)引起的主軸隙喪失，但主軸的承載能力會有較大幅度的下降。 4.3主軸部件結(jié)構(gòu) 主軸組件的設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)按如下程序進(jìn)行： （1）根據(jù)機(jī)械傳動方案的整體布局，擬定軸上零件的布置和裝配方案 （2）選擇軸的合適材料 （3）初步估算軸的直徑 （4）進(jìn)行軸系、零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （5）進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì) （6）進(jìn)行剛度設(shè)計(jì) （7）校核鍵的聯(lián)接強(qiáng)度 （8）驗(yàn)算軸承 （9）根據(jù)計(jì)算結(jié)果修改設(shè)計(jì) （10）繪制軸的零件工作圖 4.4傳動方案設(shè)計(jì) 常見的傳動形式有如下三種：即變速齒輪傳動，皮帶傳動和調(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動。如圖3-1所示。 圖3-1 傳動方案 本設(shè)計(jì)采用皮帶傳動和聯(lián)軸器直接傳動，由于同步齒形帶傳動時(shí)沒有滑動，故加工出現(xiàn)故障時(shí)容易燒毀電機(jī)，所以采用平帶傳動;聯(lián)軸器的傳動精度高,對于中級轉(zhuǎn)速的傳動較為合適。 4.5主軸材料的選擇 軸的材料種類很多，選擇時(shí)應(yīng)主要考慮如下因素： 1、軸的強(qiáng)度、剛度及耐磨性要求； 2、軸的熱處理方法及機(jī)加工工藝性的要求； 3、軸的材料來源和經(jīng)濟(jì)性等。 合金鋼具有比碳鋼更好的機(jī)械性能和淬火性能，但對應(yīng)力集中比較敏感，且價(jià)格較貴，多用于對強(qiáng)度和耐磨性有特殊要求的軸。如20Cr、20CrMnTi等低碳合金鋼，經(jīng)滲碳處理后可提高耐磨性；20CrMoV、38CrMoAlA等合金鋼，有良好的高溫機(jī)械性能，常用于在高溫、高速和重載條件下工作的軸。由表3-1選擇38CrMoAlA材料，并經(jīng)氮化處理850-1000HV。 表3-1 主軸材料 材料牌號 熱處理 毛坯直徑 （mm） 硬度 (HBS) 抗拉強(qiáng)度極限σb 屈服強(qiáng)度極限σs 彎曲疲勞極限 σ-1 剪切疲勞極限 τ-1 許用彎曲應(yīng)力[σ-1] 備注 Q235A 熱軋或鍛后空冷 ≤100 400~420 225 170 105 40 用于不重要及受載荷不大的軸 >100~250 375~390 215 45 正火 回火 ≤10 170~217 590 295 225 140 55 　 應(yīng)用最廣泛 >100~300 162~217 570 285 245 135 調(diào)質(zhì) ≤200 217~255 640 355 275 155 60 40Cr 調(diào)質(zhì) ≤100 >100~300 241~286 735 685 540 490 355 355 200 185 70 用于載荷較大，而無很大沖擊的重要軸 40CrNi 調(diào)質(zhì) ≤100 >100~300 270~300 240~270 900 785 735 570 430 370 260 210 75 用于很重要的軸 38SiMnMo 調(diào)質(zhì) ≤100 >100~300 229~286 217~269 735 685 590 540 365 345 210 195 70 用于重要的軸，性能近于40CrNi 38CrMoAlA 調(diào)質(zhì) ≤60 >60~100 >100~160 293~321 277~302 241~277 930 835 785 785 685 590 440 410 375 280 270 220 　 75 用于要求高耐磨性，高強(qiáng)度且熱處理（氮化）變形很小的軸 20Cr 滲碳 淬火 回火 　 ≤60 滲碳 56~62HRC 　 640 　 390 　 305 　 160 　 60 用于要求強(qiáng)度及韌性均較高的軸 3Cr13 調(diào)質(zhì) ≤100 ≥241 835 635 395 230 75 用于腐蝕條件下的軸 1Cr18Ni9Ti 淬火 ≤100 ≤192 530 195 190 115 45 用于高低溫及腐蝕條件下的軸 180 110 100~200 490 QT600-3 　 　 190~270 600 370 215 185 　 用于制造復(fù)雜外形的軸 QT800-2 　 　 245~335 800 480 290 250 4.6 主軸參數(shù)設(shè)計(jì) （1） 軸頸直徑的確定 初選前軸頸直徑為170mm，后軸頸直徑為120mm，主軸平均直徑D=(+)=145mm 主軸內(nèi)孔作用： 1.通過棒料、夾緊刀具或工件用的拉桿、冷卻管等 2.大型、重型機(jī)床的空心主軸，減輕重量 初選內(nèi)孔直徑為45mm。 （2） 前懸量及跨距的選擇 主軸懸伸量指主軸前支承徑向反力作用點(diǎn)到主軸前端受力作用點(diǎn)之間的距離，主軸懸伸 量a值愈小愈能提高主軸組件剛度。在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下，盡可能取小值。一般a主要取決于以下幾點(diǎn)： 主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸 工件或刀具的安裝方式 前軸承的類型及組合方式 潤滑與密封裝置的結(jié)構(gòu)等 由表7初定前懸量，a=1.6x170=272mm 表3-2 前懸量與前軸徑關(guān)系 如圖3.3所示，L即為跨距，即前后兩支承點(diǎn)之間的距離。當(dāng)主軸組件的D、a、 和為定值時(shí)，必存在一個(gè)能使主軸軸端撓度y=的跨距（對應(yīng)于曲線c的最低點(diǎn)）。當(dāng)所設(shè)計(jì)的主軸支承跨距L=L0時(shí)，可使主軸組件的剛度K＝，稱為“最佳跨距”。在具體設(shè)計(jì)時(shí)，常由于結(jié)構(gòu)上的限制，實(shí)際跨距L≠L0，這樣就造成主軸組件的剛度損失，當(dāng)L/=0.75～1.5時(shí)，剛度損失不大（5％左右），應(yīng)認(rèn)為在合理范圍之內(nèi)，稱為合理跨距。合理跨距=（0.75～1.5），是一個(gè)區(qū)間，最佳跨距只是一個(gè)點(diǎn)。 圖3-3 跨距 計(jì)算前支承剛度 =1700×=22.55×N／mm ，后軸承直徑小于前軸承， 取/=1.4, 則=16.10xN／mm。計(jì)算綜合變量η==0.3376 此處彈性模量E=2×N／m,I=π/64(-) 由圖3-4可知，/a=2.2 則有=2.2x272=598.4mm 所以=（0.75～1.5）=（448.8～897.6）mm 取=460mm 圖3-4 4.7 主軸組件的剛度計(jì)算 機(jī)床主軸往往有較高的剛度要求, 因此, 軸承直徑的尺寸往往較大, 根據(jù)這些軸承直徑尺寸所選定的滾動軸承, 其疲勞壽命往往是富裕的, 因此常常不需要作疲勞壽命的計(jì)算, 這類軸承的選擇主要取決于其精度和剛度。而主軸的軸向剛度完全取決于軸承的軸向剛度, 下面主要對主軸組件的徑向剛度進(jìn)行校核計(jì)算。 （1） 軸承的選擇 本加工中心主軸是裝在前后支承之間, 通過后端皮帶輪傳動運(yùn)動的。而影響主軸部件旋轉(zhuǎn)精度的主要因素有主軸的制造精度、軸承的制造精度與支承座孔的制造精度、調(diào)整螺母與襯套隔圈等的制造精度、主軸裝配與調(diào)整質(zhì)量以及工作時(shí)的溫升等, 其中起決定性作用的是軸承的精度, 尤其是前軸承, 故將前軸承精度取為P4 級, 后軸承精度取為P5 級。影響主軸組件剛度的主要因素有主軸的結(jié)構(gòu)尺寸、軸承類型與配置形式、軸承間隙的大小、傳動件的布置方式、主軸組件的制造和裝配質(zhì)量等。由于該機(jī)床主軸要求高剛度、高轉(zhuǎn)速, 因此前軸承采用雙列圓柱滾子軸承, 內(nèi)孔為錐面, 型號為61919, 主要承受徑向載荷; 軸向載荷由一對背靠背組配A= 30°、型號為100BA 10XDBEL 推力角接觸球軸承承受, 由于一對背靠背角接觸球軸承支承點(diǎn)的距離較大, 因而能產(chǎn)生一個(gè)較大的抗彎力矩。主軸后軸承采用30230 雙列圓柱滾子軸承, 主軸運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)熱后膨脹, 該軸承外圈是可分的,膨脹主軸帶著內(nèi)圈及滾子, 沿軸向方向上在外圈滾道上自由移動, 減小了主軸的軸向受力。由于運(yùn)動是由電機(jī)通過皮帶直接傳給主軸, 減少了產(chǎn)生熱變形和振動的因素, 這樣就保證了主軸的旋轉(zhuǎn)精度和剛度。 （2） 支承的簡化 先將主軸組件簡化為主軸組件計(jì)算模型, 由于一對背對背角接觸球軸承只承受軸向力, 故可將支承點(diǎn)簡化為雙列圓柱滾子軸承中心, 見圖3-5。 圖3-5　主軸組件計(jì)算模型 （3） 主軸剛度計(jì)算 已知主軸前軸承61919內(nèi)徑=150mm , 后軸承32030內(nèi)徑= 130mm , 跨距L= 460mm , 主軸前懸伸a=2720mm , 主軸孔直徑=45mm , 前軸承預(yù)緊量= 3m, 后軸承預(yù)緊量= 0,主軸前端加載F = 6000N , 則主軸的徑向剛度為: K = F/= F/(++) 式中: ——主軸的前端撓度, m ——前軸承的徑向彈性變形量, m ——后軸承的徑向彈性變形量, m (1) 計(jì)算軸承支反力： 前軸承支反力 為: = F ×( l+ a)/l= 9547.83N。 后軸承支反力 為: = - F = 3547.83N。 (2) 主軸前端撓度的計(jì)算 主軸的當(dāng)量直徑d 為:d = (+)/2= 140mm。 在軸端載荷F 的作用下, 主軸前端撓度Ds 可按下式計(jì)算: Ds= Fl/30 (-)。 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入計(jì)算得Ds= 5.015m (3) 軸承徑向彈性變形量計(jì)算 前軸承徑向彈性變形量計(jì)算： 由公式可以計(jì)算，=221.93 則有=404.49N 其中， ——軸承預(yù)緊量, m; ——滾子所受預(yù)載荷,N; ——滾動體有效長度,mm ==4853.88N 則前軸承所受載荷為： =7.116m =12672N 軸承徑向彈性變形為：=5.363m 同理推出后軸承徑向彈性變形量=0.413m （4） 主軸組件的徑向剛度 主軸組件的徑向剛度K為: =551.42N/m 圖3-6 軸承內(nèi)徑與徑向剛度曲線 與圖3.7相比較，軸承剛度合適。 4.7 主軸強(qiáng)度計(jì)算 （1） 機(jī)床主要技術(shù)參數(shù) 表3-5 機(jī)床主要技術(shù)參數(shù) 行程: 橫梁移動行程(X向) 主軸滑座移動行程(Y向) 主軸滑枕上下移動行程(Z向) 6000mm 3000mm 1250mm 主軸轉(zhuǎn)速 25-2500 r/min 主電機(jī)功率連續(xù)/30分鐘 22/30KW 主軸扭矩 1150NM 主軸錐孔 BT50 工作臺進(jìn)給速度： X Y Z 5～8000mm/min 5～8000mm/min 5～8000mm/min 快速進(jìn)給速度： X Y Z 20000mm/min 20000mm/min 20000mm/min 機(jī)床外形（長×寬×高） 10600×7800×4800 mm 位置控制 全閉環(huán) 表8 機(jī)床技術(shù)參數(shù) （2） 強(qiáng)度計(jì)算 1、初算最小直徑 由得： 232.5r/min 取C=140，則軸的最小直徑為：69.1mm 最小直徑是安裝聯(lián)軸器處的直徑，該處有兩個(gè)鍵槽，故=69.1x(1+10%)=76mm.取d=80mm 2、選擇聯(lián)軸器 取載荷系數(shù)=1.3，則聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩為： 　　==1.3×1150=1495　 　　根據(jù)計(jì)算轉(zhuǎn)矩、最小軸徑、軸的轉(zhuǎn)速，查標(biāo)準(zhǔn)GB5014-85或手冊，選用彈性膜片聯(lián)軸器，其型號為：JMC9 計(jì)算軸上的彎矩，并畫彎、轉(zhuǎn)矩圖 轉(zhuǎn)矩按脈動循環(huán)變化計(jì)算, 取 , 則 0.6x1150=690 以右端截面為例 = =715897=716 考慮鍵槽影響， 圖3-7 軸的彎、轉(zhuǎn)矩圖 ==42 MP 故安全 4.8 帶傳動設(shè)計(jì) 帶傳動是由兩個(gè)帶輪和一根緊繞在兩輪上的傳動帶組成，靠帶與帶輪接觸面之間的摩擦力來傳遞運(yùn)動和動力的一種撓性摩擦傳動。本設(shè)計(jì)中，電機(jī)通過平帶同步驅(qū)動主軸運(yùn)動。在加工出現(xiàn)故障時(shí)，平帶會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，但不會燒毀電機(jī)，優(yōu)于同步齒形帶。 4.9 聯(lián)軸器設(shè)計(jì) 聯(lián)