钻削中心主轴系统设计

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1、I摘 要随着国家的发展，社会的进步。老式的钻床，铣床已经不能满足现有的加工需求。不错，在原有技术落后的情况下，根据现有的技术，必须进行改造，研制出新型的数控机床- 钻销中心。 新型的机床必须具有钻孔，铣削等功能，自动化的程度也要大大地提高，才能满足当代制造业的需求。 在本文中，主要进行新型机床的主轴系统的设计。在这种设计里,主轴调速机构采用交流电动机进行调速;主轴的传动方式采用带传动加齿轮来完成;高刚度的轴承是也是设计里的要求，半闭环伺服进给系统是z方向上的进给，自动换刀在主轴的内部完成。简而言之，结合本次设计的思路，经过对主轴改造的初步设想，能满足高的加工精度、高效的工作方式。关键词 : 数

2、控技术 ; 钻削中心 ; 主轴系统;老式钻床；自动化ABSTRACTWith the advancement of technology and the development of CNC machining technology, old-fashioned drilling machines and milling machines have been unable to meet the existing processing needs. The famous great Newton once said: The reason why I stand tall is because

3、 I stand on the shoulders of giants. Yes, under the condition that the original technology is backward, according to the existing technology, it is necessary to carry out transformation and develop a new type of CNC machine tool-drilling and pinning center. The new machine tools must have functions

4、such as drilling, milling, etc., and the degree of automation should be greatly improved to meet the needs of the contemporary manufacturing industry. In this paper, the design of the spindle system of the new machine tool is mainly carried out. In this design, the spindle speed governing mechanism

5、adopts AC motor for speed regulation; the spindle drive mode is completed by belt drive plus gear; the automatic tool change function is used inside the spindle; the vertical feed of the spindle adopts semi-closed loop servo To the system; the spindle bearing has a bearing assembly that meets the hi

6、gh rigidity requirements.In short, it can be said that the spindle system is designed to meet the requirements of high efficiency and high machining accuracy of the drilling center.Keywords :NC technology ; Drilling Center; spindle system;Traditional drilling machine；AutomationII目 录摘 要IAbstractII第1章

7、 绪论11.1主轴的发展状况11.1.1概述11.1.2主轴的国内外发展现状21.2 课题研究的目的与意义31.3设计方案的确定3第2章 钻削中心主轴部件结构设计52.1 主轴的结构设计52.1.1主轴的基本尺寸参数的确定52.1.2主轴端部结构62.1.3主轴刀具自动夹紧机构72.1.4主轴的验算82.1.5主轴材料和热处理的选择122.2主轴传动的设计132.2.1传动方式的选择132.2.2多楔带带轮的设计计算142.2.3多楔带的选择及带轮尺寸参数的确定162.2.4传动件在主轴上的位置172.2.5主轴电动机的选择172.3主轴轴承182.3.1主轴轴承的选用182.3.2主轴轴承的

8、配置192.3.3滚动轴承调整和预紧方法202.3.4主轴轴承的润滑212.4碟形弹簧的计算222.4.1钻削力分析222.4.2碟形弹簧设计计算242.4.3碟形弹簧的校核262.5气缸的设计计算272.5.1气缸的结构设计272.5.2气动回路的选择312.6本章小结.32第3章 主轴进给系统的设计333.1 概述333.1.1伺服进给系统的组成333.1.2伺服进给系统的类型333.2 进给系统设计计算343.2.1主要参数的设定343.2.2切削力的估算353.2.3滚珠丝杠副设计计算353.2.4丝杠的校核373.2.5选伺服系统和检测装置393.2.6伺服电机计算393.3本章小结

9、.40第4章 工程影响分析.424.1本章小结.43结 论.43参考文献44致谢46第1章 绪论1.1主轴的发展状况及发展趋势1.1.1概述高的运转速度的加工方式，是现有制造方法中的一个重要环节，用提高切削速度来提升生产效率，加工精度，加工质量。这已经成为未来不可阻挡趋势。被国家列入重大科技奖项的高速立式加工中心，是制造行业里的龙头，可以说是高速机床里的典型代表了。如图1.1所示。它是精度高，效率好，韧性佳的代名词。能够明显的改变产品的质量，提高效率。说了这么多，但其实真正决定产品好坏的核心部件是机床的主轴部分。主轴部分要求具有大功率的工作范围。因此，开发高速，高扭矩的电动高速主轴非常重要且关

10、键。如图1.2所示。图1.1高速机床图1.2高速电主轴作为现代制造设备的高端功能部件，高速电主轴由多个部件组成：主要模块包括内置交流电机，变速设备，冷却系统，润滑系统，拉床和编码系统。 显然它包含各种技术技术。 电主轴自诞生以来就经过广泛开发，其开发涵盖了高速电自动主轴技术的各种角度。 高加工速度电自动主轴的功能通过其组件的进一步发展和相关的支持技术得到了增强，例如 ，最高速度和动态性能，不断提高。1.1.2主轴的国内外发展现状电主轴的应用一开始在我国用在了小型磨床上，主要对工件进行磨削和粗加工，在我国起步晚，并且因为没有好的轴承的影响，主轴功率低，刚度也是不够的，所以没有大面积的推广。20世

11、纪末期，高速轴承的发展有利于电主轴的发展，轴承的刚性和速度大大提高，木材，高速离心机烘干等应用范围广泛， 领域显着改善。可以说改革开放使国外地先进地技术走进国门，打开市场，使技术得到发展应用。也对人类文明进步作出重大的贡献。是实现中华民族伟大复兴的垫脚石。如今,通过一些电气产品的先进来源,电器的使用更好,并用于硅切割机或高质量的医学实验。目前,研究基地增加了研究工具,大学和其他大公司。这些方面对于主轴的发展进步贡献出不少的力量。下面就我国一些高校对电主轴的研究作出举例。来自洛阳的陈全兵以及北京地区的刘素华二者基于相应的主轴转速以及相应的频率求解，再凭借有限元分析，建立系统模型，随后对主轴的静特

12、性和动特性进行了深入的研发。来自浙大的蒋兴奇指出在轴承运动的同时会因摩擦产生热量，造成其形状的改变，考虑其变形和固有频率，会对轴承载荷产生影响，进而才能建立更精准模型。来自武汉理工的杨光研究了电主轴的动态特性，所用的方法为传递矩阵法。另外，对于电主轴的热态性能，胡秋、王保民等人对发热和散热特性作出相关研发并建立有限元模型。提出了先进的改进方法。主轴运动产生的热量会造成误差，清华大学研究了主轴的热误差，同样建立模型。近年来我国对于主轴的发展进步非常快，在转速不断提高的情况下，精度、恒定功率、稳定调速也得到了提升。这些进步离不开控制系统的开发，不仅提高了机床的性能，还拓宽了应用的范围。国外发达国家

13、对于电主轴的研究比我国要早很多年，工业革命以来，一开始只应用在磨床上，随着技术的进步，应用更加广泛。在加工中心等高精度机床方面广受外界市场关注。当前形势下，相应的电主轴的转速可由原始的几千逐步上升到当前的1000000转以上。应用广泛的结果就会出现很多专业制造商。这些商家使电主轴的生产更加规范化。比如瑞士的 以及，德国的 以及 ， 意大利的以及等。这些研发机构都有着相同的特点：精度高、速度快、可控性好。国外的高水平发展带动着整个行业的进步，高效精确的机床也是我们的生活品质得以提高。首先，它将继续朝着高速，高功率，高扭矩和寿命周期逐步提升的趋势发展。与此同时，相应的支撑系统各方面的性能也能得到切

14、实有效的改善，其内置电机的相关性能有所提升，相应的冷却以及润滑措施能够得到相对较为明显的改善，并基于相对较为先进的刀架技术来改进主轴。与工具连接的刚性;最后，将智能模块引入倒相应的电主轴当中，不仅能够将其适应性有效提升，而且其功能还能呈现出多元化。1.2 设计目的与意义针对传统机床在大批量自动化的生产中的不足，为了适应国内外技术的发展与进步，同时在满足国家政策与法律法规的前提下，非常有必要设计研究出一种新型的加工机床-钻销中心。在原有技术的支持下，应该有意识的进行创新设计，来满足市场大得需求。从而大大提高产品的品质，进而解放劳动力。并且还要提高产品的加工地精度。达到机电一体化。国外发达的工业水

15、平，在一定程度上，也要超过他们，甚至遥遥领先。外国的机床地自动化程度很高，约占整个机床的比例的80%左右。而我国仅仅占了30%。一个国家工业化程度代表了这个国家的发达程度，所以自动化是非常必要的。钻销中心适合加工制造高精度各种孔类零件。1.3设计方案的确定该设计从结构的角度出发，主要代表了主轴系统的结构，通过研究发现，主轴系统的结构由以下三部分组成，并提出如下内容：1.传动系统 主轴的速度控制优先于换档机构，但是由AC电动机执行，并且在主轴和电动机轴之间使用皮带传动。主轴上的传动细节，主要是齿轮和皮带。 变速器可以传递高扭矩，并且是对传统机器的常见驱动。 但是，线速度不能太高，传输也不够稳定。

16、皮带传动，适用于高速主轴，运行平稳。 这种结构使用皮带驱动。多楔带结合了平V型带和V型带的优点是：良好的柔软性，高摩擦，大的发送功率，并且所述多个V形带的长度是不同的问题，并的强度带是不均匀的。该多楔带主要用于大发送功率，根据设计的要求，传动比最大10，传送带速度基本上为40米/秒。 这个情况下的最高速度是3000转/分钟，这是一种高速传动，这就是选择多楔带式传动的原因。2.主轴进给系统 老式的钻孔机主轴的进给系统主要由主轴，主轴箱，主轴套桶，导轨和轴承组成。 主轴在加工过程中旋转，并且还具有轴向进给运动。机床主轴安装在主轴轮毂上，套筒设置在主轴体的插入口内，主轴顶部通过槽连接。当机器被加工时

17、，旋转运动通过槽传递，并且进给的运动通过齿条传动通过齿轮进行，以使套筒在衬里中移动。在该配置中，一个半封闭控制系统被使用，其比闭环控制系统准确性稍差，但结构简单，并易于调整。3.夹紧系统 常规钻头的夹紧通常是手动完成的，工件用夹具夹紧。 为了便于自动控制，主轴内部的自动工具夹紧使用碟形弹簧和气动驱动技术完成。第2章 钻削中心主轴部件相关结构设计2.1 关于主轴的相关设计2.1.1关于主轴的基本尺寸相关参数确定1.关于平均直径的确定其上支承轴径凭借符号来表示，基于钻销中心相应的电机功率进而切实有效的选取确定。不难了解到，相应的电机功率大约是。基于当中的图，进而可知其上支承轴径即为，相应的下支承轴

18、径即为。二者的均值即为。2.关于主轴内孔直径的确定主轴里边的孔用于夹持工具，驱动气动或者是相应的液压卡盘等。有效凭借的夹紧装置其相应的主轴内孔大小与相应的主轴部件重量呈现出一定的反比关系。 具体的主轴孔大小在一定程度上受限于相应的主轴刚度。 一旦主轴孔径以及相应的主轴直径所呈现出的比值低于，便可以理解为，相应的空心主轴刚度与相应的整体主轴刚度几乎保持相对一致。相应的碟形弹簧具体的长度规划为。针对于相应壁厚进行分析。故的结果定为能够满足相应的需求。3.主轴前端悬伸量的选取所谓的主轴悬垂具体可以归结为相应的主轴托架承受的径向反作用力以及相应的主轴前部所承受的相应载荷之间的有效距离。 根据理论分析或

19、实际测试结果，主轴部分的刚度越大，主轴悬伸越小。如图2.1所示。故在满足于相应的具体设计指标的条件下其主轴悬垂量必须尽可能的取其下限值。基于当中的表可知。 。4.主轴合理跨距的选取所谓的跨距具体可以归结为主轴相应的上、下支承点之间呈现出的有效距离，如图所示，不难分析出，相应的主轴支承跨距在一定程度上会对相应的自身刚度以及相应的支承刚度造成一定的干扰。基于有以下公式 （2.1）式中： ； ； 单位。 刚度值，其下限值,精密机床值为； 所以可以得到： 凭借有效求解可知：，基于各方面的实际情况，将其取为。2.1.2主轴端部结构加工中心相应的主轴末端的具体功效在于保存相应的紧固装置以及各种形式的工具。

20、 进而必须确保该装置以及相应的工具拥有相对较高的轴端定位精度来实现精准定位的需求，除此之外还要具有相对较高的定位刚度，进而便于进行相应的安装与卸载以及主轴悬架的很小长度。 短锥形凸缘的设计具有较高的定位精度，悬架具有较短的悬挂长度，其相应的主轴刚度得到了较为显著的提升。基于相应的 可知，如表，呈现出相应的主轴端部结构尺寸：主轴头有4个用于端铣刀的螺纹孔和2个用于固定刀旋转的键槽。如图所示，呈现出其端部的具体结构。2.1.3主轴刀具自动夹紧机构相应的刀具自动夹紧装置在一定程度上占据着加工装置当中的重中之重地位，其不可或缺。 进行相应的自动更换刀具，使主轴系统必须具有自动释放刀具和刀具地自动夹紧功

21、能。 主轴里边安装有自动工具夹紧机构，此次设计应用如图23所示的工具夹紧机构。1.刀柄 2.钢球 3.拉杆图2.3工具夹紧机构如图2.4所示，主轴的内部安装自动夹紧装置。工具保持架有效凭借其两个钢球完成相应的保持工作。蝶形弹簧本体需要有效跨过滑块以及相应的螺母5。有效凭借拉杆当中的钢球的触发动作便可实现相应的刀具夹紧。一旦需要进行换刀，首先就要将刀柄有效释放。与此同时，相应的主轴上端可完成相应的空气压缩，导致相应的活塞杆以及拉杆完成朝下运动，进而相应的蝶形弹簧形成受压状态，并且当相应的拉杆朝下运动的时候，相应的刀具便会得到释放。其可以有效凭借机械手完成相应的更换。完成相应的新刀安装操作以后，相

22、应的缸上室便会终止相应空气的供给，随后相应的活塞杆圆柱形线圈便会凭借相应的弹力向上移动。蝶形弹黄簧的力的作用下，拉杆使钢球往上移动，刀柄被再次拧紧。活塞杆的运动的两个极限位置分别设置有行驶开关8作为用于工具夹紧和释放的信号。 图2.4 钻铣刀自动夹紧示意图2.1.4关于主轴的相关验证1.关于主轴刚度的验证(1)关于当量直径的求解如图所示，呈现出相应的主轴尺寸示意图；具体涵盖了相应的当量直径求解结果为基于上式的推导，可进行相应的求解即：(2)关于主轴刚度的求解主轴的前端所产出的形变相对较小在一定程度上可将其进行忽略，由于该段很粗并且刚度够强。后端不影响刚性，所以忽略不计。倘若在其前段引入一定的外

23、负载，基于相应的材料力学知识可知，相应的前端挠度可以表示成如下式形式： 式中： ； ； ,； ，； ； 。把与的具体数值带入到相应的式当中可得以下关系 (2.3)因为，所以孔忽略不计，即 (2.4)弯曲刚度 (2.5)当时，所以有总结以上数据： ，得到2.主轴扭转刚度验算钻削中心的主轴，其主要承受扭转力，相应的扭转刚度必须进行相应的校核工作。通常下其相应的扭转角度需要切实有效落在区间内部，的长度大小通常不允许高于，即： 式中：； ，。； ；，；，。将以上各项数据的数值代入到式当中进行求解：经过以上计算得出结论：符合扭转刚度相应的需求。3.关于主轴临界转速的相关验证如图所示，基于当中的表可知：相

24、应的一阶临界转速的求解式具体为： 式中： ，； 在本文所提出的设计当中中，其相应的外伸端所采用的部件具体为带轮，相应的重力求解方式如下： ，；，； 。可知： 故： ； ，； , ； ，； ，； ， ； ， ，。图2.7 临界速度表把上面的数代入到相应的（2.1）式具体可以求解出：，, 针对于相应的刚性轴来讲，基于相应的验证性求解结果表明各项条件均满足。2.1.5关于相应的主轴材料以及相应的热处理方式的选取可以有效凭借相应的主轴刚度、具体的结构形式、具体的加工工艺、具体的相关装配流程以及相应的使用场合等方面可对相应的主抽尺寸相关参数进行切实有效的估算。一般情况下，需要针对于其颈部完成相应的高频淬

25、火处理;针对于直径相对较大的主轴，也可有效凭借相应的火焰淬火方式确保其表面硬度得到进一步的提升;针对于抗冲击锭子，也可以对钢15或20进行回火和淬火以及在颈部表面上进行固结， 主轴材料通常用于钢45，等，必须有效凭借相应的氮化以及相应的感应淬火进行切实有效的处理。本文所涉及到的主轴需要应用到相对较高的载荷条件下，因此材料选择45种钢，用于淬火和回火。2.2主轴传动部件的设计2.2.1关于传动方式的选取其中相应的带以及齿轮可以归结为主轴上的主要传动工件。普通机床共同的传动副一般为齿轮，因为齿轮可以传送大的转矩。但是线速度不能过高，传输不够稳定。一般情况下，线速度为。本次设计选用斜齿轮，因为可以使

26、运转更为平稳，螺旋倾角一般不应超过-20，以避免造成太大的轴向分力。齿与轴优选地选取圆锥配合。带传动可以使操作平稳，更适合高速主轴，多楔带的优点：柔韧性好，摩擦力大，可传递的动力大，以及解觉多个V带的长度和受力问题。多楔带主要用于结构紧凑，功率大，传动比可达10，带速可达40 m / s的机床。带的设计要充分地考虑中心距离，合理的中心距，便于安装与拆卸，以便有可靠的防护，以防止与油接触腐蚀。线速度，V型带，多楔带或一个同步齿型带都可以使用; 由于本文所涉及到的主轴转速应用环境相对较高，也就是说其线速度相对较高，故在这里采取多楔带形式进行传动。2.2.2关于多楔带带轮的相关计算本文任务书当中的具

27、体数据需求：；相应的传动比大小是1. 关于设计功率的求解上面的公式当中：，。2.关于带型的选取基于前面所求解出的功率，由手动变速箱手册表6.3，多楔带PJ型是本次设计选用的。3.小带轮直径的确定依据上边所得数据、以及带的类型还有功率，由手动变速箱手册表6.4小带轮节圆直径。4.大带轮基准直径的确定依据上边所得数据、以及带的类型还有功率， ：。5.关于带速的相关求解 ，由手动变速箱手册表6.6得，。6 有公式计算得 。7.由手动变速箱手册表6.7得到的差不多的数为；8. (2.9)9. 10.Z (2.10)式中： ，查表6.8 ，； ； :； ， ，； ，见表6.11，。 ，查表6.12，；

28、，； ，见图6.13，； 由以上公式代入数据得到：，。2.2.3关于多楔带的选取以及相关带轮尺寸参数的确定1.关于多楔带带轮的相关参数如果皮带速度超过了30 m / s，那么会选用45钢制成。但是如果没有超过这个速度，HT 200通常会是制造带轮常用的材料，由手动变速箱手册表7.5得。 详细数据见表2.2。 皮带轮如图2.8所示。 ：2.多楔带的选择由手动变速箱手册表8.9，查到了多楔带的相关的具体参数数据，如表所示。：。2.2.4关于传动带在相应主轴上的具体位置如图所示。基于相应的当中的表可知，当主轴由皮带驱动以便于更换皮带并防止皮带润滑时，皮带轮一般情况下都会装配在其外侧相对较为靠后的支撑

29、上。 2.2.5关于主轴电机的相关选取 最重要的参数列于表2.4中。根据设计要求是主机的性能主电动机功率为，。 有关选择变频交流电机的信息，详细数据见4.17数控机器人系统设计指南。 如表所示呈现出具体的各项参数。 如图所示，呈现出具体的外形结构。2.3主轴轴承2.3.1关于主轴轴承具体的相关的选取相应的主轴组件在一定程度上占据着机床当中重中之重的地位，具体可以归结为主轴、轴承以及一系列的传动件。其实相应额轴承类型多种多样，对其产生一定影响的因素也比比皆是，譬如：。 滚动轴承与滑动轴承是整个机械行业中经常使用的轴承。滚动轴承具有低摩擦，预加载，便于润滑和维护等优点，并且在一系列速度和负载变化范

30、围内是可以稳定运行的。滚动轴承在生产生活中有着很普遍的应用，它损坏了容易维修，用不了的时候便于购买。和滑动轴承比较的话，生产中会造成巨大的噪声，因而使人烦躁。抗摩擦力不好，有速度的限制，刚性较差。虽然它有缺点，但是我们这次的设计安装的轴承是滚动轴承，安装在轴套里，作轴向运动。本文当中所涉及的轴承基于相应的工况具体选取确定为圆锥滚子轴承。基于相应的当中的表可知，如表所示，呈现出型号的圆锥滚子轴承当中各项基本参数。关于前支承轴承相关的寿命周期校核求解 式中： ； ，； ,：； ，。 ： ； ； ； 。根据本次得设计要求得知滚动轴承所受的径向力很小，主要受的是轴向力，下面对轴向力进行计算：得：， ,

31、：我国当前形势下所产出的标准化轴承相应的寿命周期大约是；因此，轴承的选择符合设计要求。后轴承没有前轴承所受得力大。所以，后轴承也就不必进行校准了。2.3.2主轴轴承的配置1.主轴轴承安装位置一般轴承的选用都是为了满足刚性的需求，此次设计要求的刚性高。所以根据需求，前轴承需要采用精度高的圆锥滚子轴承。高精度的轴承不仅可以满足刚性的要求，还会保证转速的需求，前两个小支撑孔安装在前面，后面的则是大的支撑孔，安装的时候需要彼此靠近，以保证径向力和轴向力的分散。后支架是一个圆锥滚子轴承，它的安装方式为背对背。后轴承仅加载径向，因此不需要检查。根据负载大小和刚性设计和结构设计的要求，图2.11的特定组合的

32、轴承的组合。 图2.11 轴承配置示意图2.主轴轴承的精度配置根据精度等级，C级轴承为前支撑轴，D级轴承为后支撑轴。2.3.3滚动轴承调整和预紧方法见上图2.9，隔套调整不需要拆卸轴承，当然，这需要一个有丰富经验的操作员来调整它的预载值，预载的方法为磨削内圈。越高速度的转动越需要高精度的轴承来满足，但是这需要轴承间有合适的间隙，所以本设计用隔套调整的方法来改变两个衬套的宽度以满足间隙的调整。由在一定程度上限制着相应的轴套选型，具体查表可知相应的内隔套,具体选用的材料形式是，如表所示，呈现出其各项基本形式的参数，如图所示，呈现出整体形式的相关结构。2.3.4关于主轴轴承的相关润滑1.关于润滑方式

33、的选取机械的加工离不开摩擦力，而降低摩擦力可以减少零件的更换与维修，节约成本，减少不必要的麻烦，所以零件的润滑就是本设计的重要一环。润滑与密封是我们设计时重点考虑的两个问题，好的密封可以防止灰尘的进入与润滑油的流出，还可以延长零件的使用寿命，一隅三得。本次设计的思路是在润滑的过程中不能限制主轴运转的速度，而这些年轴承的润滑的方式具体可以归结为以下几种，即：油、油循环、润滑脂、油气、油雾润滑等形式。需要注意的是相应的润滑方式选取在一定程度上始终与相应的轴承类型脱离不开干系，一旦选取相对较为适合的润滑方式，便可将其相应运转当中的温度切实有效下降，与轴承起到相辅相成的作用。因为本次设计选用的是滚动轴

34、承，大家都知道圆的接触面积时是最小的，所以润滑剂的需求量很小，但是正因为接触面积小所以压强会很大，接触时会产生接触变形。在这种高压下会产生很高的温度，所以耐温就是本次选择的重要条件，因为过高的温度会使润滑剂变得极为粘稠。上文中提到的五种方法中，润滑脂和润滑油都符合耐高温的要求，但是此次设计的速度高，所以选用油润滑。在一定程度上可以将相应的摩擦阻力切实有效的消除掉，而且还能呈现出相对较为良好的冷却效果，还能呈现出一定的冲洗功效。在具体实际的润滑过程当中相应的油量消耗相对较小，几乎呈现出大约平均每分钟进行滴的消耗。随着相应的油量逐步提升时，基于相应的搅拌效应相应的油温也会呈现出逐渐上升的趋势;倘若

35、针对于相应的油量不断增加，相应的冷却效果便会慢慢高于相应的搅拌效果，具体的温升会呈现出稍稍下降的趋势，但相应伴随的能量消耗便会呈现出上升的趋势。通常较为常用油的粘度大约是。油滑的具体方式相对较多，可以基于当中的表具体选取相对较为适宜的润滑方式，有效凭借值进行切实有效的选取。代表，也就是内外径之和除以； 代表相应的轴转速。，具体的润滑方式应该选取为相应的油气润滑。2.关于油气润滑的具体工作原理如图所示，呈现出其具体的运作形式。可以有效凭借气体阀转入到相应的油壶当中，相应的定时器会周期性的控制相应的气体阀打开与关闭，进行相应的空气压缩即可相应的油进一步喷射到相应的油气混合室内部，在此过程当中与源自

36、于节流阀的另一压缩空气逐步转入到相应的塑料管当中完成相应的混合。相应的塑料管大约具备毫米的孔的直径，和油附着在管壁，并且通过压缩的空气的流动朝向所述轴承便逐渐运动到相应的喷嘴。混合室内部的填充过程具备一定的间歇性，但相应的喷射喷嘴依然是始终连续的。倘若相应的管道越长，进一步的石油供应便呈现出越均匀的形式。相应的油气润滑器可以到外面商铺够买，,当润滑油，天然气，油末雾化，它可在完成相应的使用后进行切实有效的二次回收，几乎不会对相应的环境造成一定的污染。在一定程度上其具体的应用前景相对较为广泛。2.4关于碟形弹簧的相关设计2.4.1钻削力的相关分析切削力由切向切削力、径向切削抗力、轴向切削抗力三力

37、组合而成，当左右切削刃保持相互一定对称时，则相应的径向抗力呈现出平衡的状态。进而切向抗力致使相应的钻削扭矩产出，它在此过程中将相应的切削功率消耗掉。如图 所示，相应的切削刃当中全部形式的轴向抗力进行求和，其结果也就是所谓的钻头当中的沿轴方向的载荷。具体运作当中，相应工作台所承受的载荷几乎全与进给方向垂直，在数值上几乎与相应的钻削轴向力保持相对一致，也就是所谓的等大反向。一旦相应的工作台不进行沿垂向进给，所代表的即为静压垂直载荷；反之将其称之为相应的垂直抗力。基于当中的表可知，当所需进行相应钻孔径达到左右时，相应的钻头必须采取高速钢材料，本次设计要有一定的钻铣功能，所以钻削力的分解过程可以有效凭

38、借铣削力的相关分解进行类比，基于可知： 所以对: 2.4.2关于碟形弹簧相关设计求解1.关于弹簧所受载荷的求解 ； ; 2.关于弹簧的具体选取以及求解，。，。 关于弹簧的相关求解的计算B系列， (2.13) ，；，重， 。 ，。 ，。，。的计算 的计算 (2.15) 2.4.3关于碟形弹簧的相关校核,； ，。 ， ； 式中：， 。 针对于寿命周期进行相应的校验 ，7-6-5查得N2 时的。：。故相应的碟形弹簧在一定程度上能够进行相应的持久工作。2.5气缸的设计2.5.1关于气缸结构相关设计1.关于气缸的选取基于 当中的表，最终选取的形式为单作用活塞式凭借进行相应复位的气缸，如图所示，呈现出相应

39、的具体运行方式。利用空气为介质推动活塞单方向运动，靠弹簧做反方向运动，但是这个原理只能够满足于响度较短的行程。 ； ,； ，； ，； ，。 ,，一般所以。将以上数据代（2.17）式得：。2.圆柱螺旋弹簧的计算 P1，进行估算 查机械设计手册单行本气压传动表22-1-69，选取。 单圈。 的确定因是类载荷，故2621.3N。 d及 ，。 ；，。 ，不用再去进行相应的一系列万定性校验，基于上面的各项求解可知，其能够在一定程度上满足本文所提出的相关设计需求。2.5.2关于气动回路的相关选取1.关于压力控制回路的相关概述压力控制回路能够实现调压，稳压，增压，减压，卸荷等目的，以满足执行元件对力和力矩的

40、要求。此次设计主要对油路，气缸进行控制保护，以实现自动换刀功能，主要是对系统压力进行调节和控制的回路。控制一次压力和控制二次压力是气动控制系统中压力控制的两种方法，控制一次压力的优点为安全性高，控制二次压力的优点为工作压力稳定。2. 一次压力控制回路上图2.17所示为一次压力控制回路的原理。这个回路必须把压力始终控制在系统的额定值下，系统的压力高于额定值时会增加压缩空气的压力，有可能还会造成泄露，更严重的可能使管道或零件发生破裂。 在这项回路当中，通常情况下，有效凭借相应的外控形式的溢流阀确保相应的供气压力保持相对恒定不变，再有效凭借电触点形式的相应压力计针对于空气压缩机完成相应的运转状况把控

41、，确保相应的气罐当中的压力呈现在事先规定的区间之内内。通常情况下，相应的空气压缩机出口位置的压力大小在左右。3.关于二次压力控制回路如图所示，呈现出相应的二次压力控制相关的回路。其在一定程度上具备相对稳定的运转形式，其具体的功效在于进行相应的入口压力调整。这项回路通常情况下的部件构成形式具体可以归结为：空气过滤器、油雾器以及相应的减压阀构成，也可以叫作气动调整装置。在此过程当中，相应的过滤器可以将掺杂在空气当中的一系列灰尘、水分有效清除掉；相应的减压阀负责对压力进行切实有效的把控；所谓的油雾器先将相应的润滑油发生一定的雾化，其次将其导入到相应的空气流当中，进而完成相应的润滑工作。 4.关于控制

42、回路的选取前面针对于相应的两项回路完成了相应的分析比对，不难发现，二次压力控制回路因其更为出色的稳定工作压力，使它更适合气缸。2.6本章小结本章通过对钻削中心具体参数的设计以及计算分析，主要是主轴部分，包括主轴选用什么材料，基本参数的确定，传动方式的确定以及轴承的选用，碟形弹簧的分析，计算，以及气压装置的设计。这一章是整个设计的核心。第3章 主轴进给系统的设计3.1 概述3.1.1进给伺服系统进给伺服系统由机械执行部件、驱动元件、检测与反馈单元、伺服驱动器（位置、速度控制单元）组成。这里说一下其中的速度控制单元，它由速度环、位置环组成。测速发电机保证对速度的检测。而位置环主要对运动坐标进行把控

43、。图3.1 CNC系统框图3.1.2伺服进给系统的类型伺服进给系统由两部分组合而成，一部分为闭环伺服系统，另一部分为半闭环伺服系统。 （1） 下图3.2呈现出相应的伺服闭环系统的具体运作形式，具体可以归结为伺服电机，伺服放大系统，比较电路，相应的检测部件等一系列的部件构成，进而基于相应的反馈与相应的指令信号完成切实有效的比对来实现相应的位置控制。通常情况下，其具体的反馈信号来源于相应的工作台当中的检测装置，理论上相应的闭环系统几乎能够将相应的各种形式的误差进行彻底消除，相应的控制精度可以实现相应高的效果，故大型机床会经常用到它。伺服反馈系统的精度通常为0.010.005 mm。由于反馈装置具体

44、取用作相应的位置确定，其相应的定位精度也就是全面依托于相应的检测装置所能够实现的度。 （2）如图所示，相应的半闭环形式的伺服系统具体的检测部件装配在位于中间部位的传动装置上，具体可以布置在相应的伺服电机轴以及相应的滚珠丝杠传动部件内部，从而对对相应的位置进行切实有效的测定。 在此过程当中仅仅局限于部分组件所引申出来的误差进行相应的补偿。 故其相应的控制精度略低于具有闭环的系统的精度，但其结构形式以及相应的调试步骤相对较为简便。反馈系统有效凭借相应的移动部件的具体位移进行切实有效的测量来提供高度精确的反馈控制。 闭环系统的设备的复杂安装程度以及坏了难以维修。 相反，半闭环系统容易实现测量的角度，

45、结构没有那么复杂。但是精度相比较差一些。通过分析和比较上述两个系统，参照本设计的要求，应选择半闭环伺服系统。它，易于设置，原理易懂，结构相对简单，并且对于该设计能够呈现出相对较高的控制精度。3.2 关于进给系统具体设计的相关计算3.2.1关于主要参数的配置； 11000mm/min；为10m/min；3.2.2关于切削力的相关估算 ，采基于相应的 ；3.2.3关于滚珠丝杠副的相关设计计算1.关于滚珠丝杠相应导程的确定本文所进行的相关设计当中，相应的电机与丝杠完成有效对接，具体的传动比大小是，即。基于当中的表，具体选取的电机，其相应的，最大转矩，则为： (3.1)2.确定丝杠等效转速 最大进给时

46、，为；最慢进给时，为；则得到（ ） 3.关于丝杠等效负载的相关确定所谓的工作负荷具体可以归结为实际运行过程当中其滚珠丝杠所承受的沿轴的压力载荷。 其值可以通过测试进给力的公式计算。 所选择的导向装置是滚动导向装置，通常，滑动塑料导向装置的摩擦系数为0.04。则为 式中： 为，估算 ； 为，；计算得：而为：（） 4.关于丝杠最大动载荷的确定 式中： ，； ； ，； ，； ，； ，； ，； ，。，珠，为，其额定为（）,为，4列，的接触是，是，是，。5.关于相应的临界压缩负荷的确定 确定,等于（）加上（）加（）。即。应略大于，取。为。为 (3.5)式中： ，； ，； ，按照结构设计取； ，； ，;

47、，； ，。3.2.4关于丝杠的相关校核求解1.关于临界转速的的相关验算 ：； ； ，； ，； ，；固定端采用一对，装，。 ，所示。 2.关于丝杠扭转刚度的相关校验； ； (3.8) ； (3.9)； (3.10)为 (3.11)计算结果远远大于规定值，符合设计要求。3.丝杠压杆稳定性校核细长丝杠在受压缩负荷时，不会发生失稳的： (3.12）式中： ，； ，； ，根据结构分析，； ，。，。，所以丝。3.2.5关于伺服系统以及相应检测装置选取在这部分的设计当中，相应的伺服控制方式具体选取为相应的半闭环形式，通常情况下相应的导螺杆的具体精度等级可以归结为。 所涉及到的的监测装置选取为旋转角度测量形式

48、的编码器。3.2.6关于伺服电机的相关选取1.关于转动惯量的求解以及相应加速度求解 基于相应的方框图可以针对于各个部件进行相应的转动惯量的转化求解，相应的求解结果如表所示，进而可以得知相应的负载以及传动惯性矩之和为： 。满足惯量匹配原则。：，式中为，可查实用机床设计手册，一般取9.717.5。： （3.13）可见，加速度能力够，可以应用。2.关于转矩匹配方面相关核验 针对于数控机床来讲，往往都需要其具备一定的动态响应特性，而且具体的要求也相对较高，故相应的电机力矩的具体功效在于完成加速度的产出。 基于前面的分析求解结果显示，本文所选取的电机能够满足相应的设计要求。3.3本章小结本章主要对主轴进

49、给系统进行设计，包括了对伺服进给系统的组成和类型的设计和进给系统的计算。通过比较分析，选择了半闭环伺服系统。因其精度较高更符合本次设计。确定了z向工作行程，工作进给速度，最大加工直径的计算。第4章工程影响分析1设计项目对社会影响评价本次课题为钻削中心主轴系统设计。是制造业非常重要的组成部分。小到我们平常用的圆珠笔的笔头，大到航母辽宁号，生活处处充满了机床加工的零件。当然了，提到机床的加工自然就离不开孔的加工。钻削中心属于孔加工，我国的机床制造业工业完全是在解放后建立的，起步晚但发展快。从一开始的人工钻孔到现在的自动化机床。提高了工业生产率。 2设计项目对健康的影响评价本次设计对外部环境的有一定

50、地要求，具体为室内环境干燥，地面平整。再制造过程中，会产生少许地噪音，废泄等污染物。使用过程中，不会产生有害气体，不会对加工人员造成伤害，最大程度上接近绿色生态产品。本设计为自动换刀，可减少工作人员常年工作所造成的腰肌劳损，小腿静脉曲张等疾病。还可避免手动换刀时的手外伤。设计时安装防尘罩，最大可能得避免减少粉尘的产生。并且设计还符合人机工程学的要求。总体来说啊，对人体和环境的影响非常小。3设计项目考虑安全因素评价本设计的零部件都是严格按照国家的规定要求来采购、安装和生产。所用的材料均为环保形材料。有控制开关，发生意外时，可及时停止机床的运转。防止对工作人员造成二次伤害。工作周期内，相关人员会安

51、全的检查设备，及时发现问题、及时得维修。确保安全生产和设备的正常运转，排除隐患。4设计项目考虑法律因素评价，本次得设计结构简单合理，严格得按照国家相关法律法规，进行相关的设计，严格遵守中华人民共和国安全生产法生产过程中安全卫生要求总则等相关得法律。严于律己，在产品生产中发生的事故数不胜数，严格得遵守法律法规不仅可以减少事故的发生，还可以提高工作人员的安全感，归属感。5设计项目考虑文化因素评价 设计的难易程度影响着设备的推广和应用范围，文化程度高的人群能接受操作使用更为复杂的设备，而文化程度低的人群上手可能就比较困难了。本设计得结构简单，易操作，实用价值较高，对于教育水平低得地区也可普及，不影响

52、推广销售。更为的亲民、接地气，更受用户欢迎。6该设计项目对环境及社会可持续发展的影响评价 为了贯彻落实国家的节能减排的政策，结合此次设计得实际情况，对辅助设备的购买，零件的利用均应使用国家节能形产品。尽最大可能得降低能源的使用。实现机床的可持续发展。以绿色环保为理念进行设计，响应国家政策，造福人民。7经济性分析评价 根据我国国情，独立的设计一个新型得机床,成本昂贵,导致资源被大量浪费。这极大地增加了机床加工成本。基于这一点思路，本文对传统钻床进行改造。传统的钻床为手动换刀，本设计是采用了碟形弹簧与气压技术的自动换刀，减少了工件的二次安装，提高了产品加工的精度，避免材料的浪费，节约成本。俗话说时

53、间就是金钱，本设计方案可以节省加工时间。并且降低劳动者的劳动强度。结构简单，调整方便，便于维修和保养，操作起来简单易懂，未来的发展趋势。4.1本章小结本章陆续得对社会、健康、安全、法律、环境、经济、可持续发展等几方面进行了总结。得到得结论是此次的设计符合国家相关的法律法规，对社会、环境、经济等方面有着很好的影响。此次得设计可以批量生产，投入到实际中去。 结 论本次得设计在老式的立式钻床与新型数控机床技术的基础上，主要对钻削中心主轴系统的结构进行了设计。体现在以下几部分：1.主轴的调速取消了齿轮变速机构，而是由交流伺服电动机实现。2.主轴内部刀具的自动夹紧由刀杆拉紧机构通过碟形弹簧实现，而刀具的

54、自动松开采用了气压传动技术。3.轴承的润滑则采用了先进的油气润滑。4.在主轴进给系统中，电机与丝杠直接相连。进给伺服系统采用半闭环伺服进给系统。5.通过碟形弹簧的设计，保证了刀具夹紧机构能够实现刀具自动夹紧与松开。总之，通过本次设计，能够实现主轴的无级调速，刀具自动夹紧与松开，较高速旋转与主轴垂直进给等功能，达到了预期的目的。参考文献1李金莲.数控技术在机械制造中的有效应用分析J.内燃机与配件,2018(21):93-95.2许雷.数控立式车床结构设计及有限元分析J.科技与企业.2015.123JB/T 11657-2013加工中心用机械主轴单元M.2015.114现代实用机床设计手册（下册）M.机械工业出版社.2006.075邓小雷,盛泽枫,张江林,林欢,王建臣,谢长雄.数控机床主轴系统多体拓扑优化研究J.制造技术与机床,2018(10):91-94.