立式加工中心主轴组件的结构设计【说明书+CAD】
立式加工中心主轴组件的结构设计【说明书+CAD】,说明书+CAD,立式加工中心主轴组件的结构设计【说明书+CAD】,立式,加工,中心,主轴,组件,结构设计,说明书,CAD
青岛滨海学院毕业设计(论文)任务书院(部): 机电工程学院 专业:机械设计制造及其自动化学生姓名张东学生学号20120360231指导教师徐卫彦职称讲师学位硕士课题名称立式加工中心主轴组件的结构设计起止时间2015年10月15日至2016年5月15日课题来源实验 实习 社会实践 工程实践科研项目 社会调查及实际应用设计(论文)的主要任务与基本要求:(一)主要任务1、通过对立式加工中心主轴进行分析,确定立式加工中心主轴的主要组成部件,确定总方案。2、对主轴部件的分析,确定主轴部件的组成部分。3、确定主轴的主运动部件,通过精确计算、校核,选用主轴直径、电机、轴承。4、通过对主要零件的分析选用适当的进给机构,并对其进行进行精确计算。(二)基本要求1、总体设计说明书一份。2、图纸:A2图纸1张(总体装配图),A3图纸2张(零件图纸各1张)。进度安排:1、2015年10月15日前 选择题目,确定导师 确定题目和导师2、2015年10月25日前 编制设计任务书 完成设计任务书3、2015年11月2日前 撰写开题报告 完成开题报告4、2015年11月2日12月20日 基本完成初稿 完成初稿5、2015年12月26 日 完成修订稿 中期答辩6、2015年1月16日 毕业设计修订稿 修订成型7、2016年4月10 日前 完成毕业设计终稿 完成答辩8、2016年5月15 日前 整理档案 完成材料归档 指导教师签字: 年 月 日院(部)本科毕业设计(论文)工作领导小组意见: 组长签字: 年 月 日青岛滨海学院机械专业毕业设计(论文)本科毕业设计(论文) 题 目:立式加工中心主轴系统的机械结构设计英文题目:_学 院:_专 业:_姓 名:_学 号:_指导教师:_2016年 月 日毕业设计(论文)独创性声明该毕业设计(论文)是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。文中除了特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或其他机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。作者签名: 日期: 年 月 日 毕业设计(论文)使用授权声明本人完全了解青岛滨海学院有关保留、使用毕业设计(论文)的规定,即:学校有权保留送交毕业设计(论文)的复印件,允许被查阅和借阅;学校可以公布全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存该毕业设计(论文)。保密的毕业设计(论文)在解密后遵守此规定。作者签名: 导师签名: 日期: 年 月 日 摘 要数控机床结构设计是高端装备制造业的重要组成部分。随着我国制造业转型升级面临重要战略机遇,亟需加快数字化结构设计进程,快速掌握机床结构薄弱环节,研究数控机床设计开发、分析评估、改进优化成为亟待解决的主要问题。加工中心是带有刀库和自动换刀装置的一种高度自动化的多功能数控机床,依次完成工件几个面上多工序的加工。并且有多种换刀或选刀功能,从而使生产效率大大提高。加工中心与普通的机床不同,他主要有如下配置:主轴、主轴马达、四瓣爪、三轴马达、数控系统、伺服系统、主轴冷却系统、连轴器、风路系统、油路系统、打刀系统、轴承等等。一般情况下,主轴部件是各类机床的主要结构组成,它工作性能的好坏很大程度上决定了机床的加工精度和加工能力。此次设计通过查阅大量的文献以及工厂的实际考察,分析了各类机床的主轴部件后,制订了一套比较合理和优越的设计方案。对主轴的各个组件以及其中的具体零件进行了系统的设计、求解以及分析。关键词:主轴组件;加工中心;数控机床 AbstractThe structure-design of NC machine tool is an important part of thehigh-end equipment manufacturing industry. With the development of Chinesemanufacturing industry facing the important strategic opportunities of thetransformation and upgrading, we need to speed up the digital structure designprocess, to grasp the weak links of the machine tool structure, researchingdesign and development, analysis and evaluation, improvement and optimization of CNC machine tool has become the main problems to be solved. Machining center is a knife library and automatic tool change device of a kind of highly automated multi-function nc machine tool, in order to complete a few more process on the surface of workpiece processing.And there are many in dao or choose function, which greatly improve the production efficiency.Machining center is a knife library and automatic tool change device of a kind of highly automated multi-function nc machine tool, in order to complete a few more process on the surface of workpiece processing.And there are many in dao or choose function, which greatly improve the production efficiency.Machining center is different from ordinary machine tool, he basically has the following configuration: spindle, spindle motor, four claws, three axis motor, CNC system, servo system, spindle cooling system, even the axis, the wind road system, oil system, play knife system, bearings and so on.In general, is the primary structure of machine tool spindle components, its performance depends to a large extent determines the machining accuracy of machine tools and machining capacity.This design through consulting a large number of literature as well as the factorys actual investigation, analyzed all kinds of machine tool spindle parts, formulate a set of reasonable and superior design.The various components of the spindle and the specific parts of the analysis and design, the solution of the system.Key words:spindle unit;machining center; NC machine tool目 录摘 要3Abstract4第1章 绪 论71.1 加工中心以及立式加工中心简介71.2加工中心发展现状81.3 加工中心的分类及其结构特点91.3.1 加工中心的分类91.3.2 加工中心的结构特点91.4 立式加工中心的发展趋势111.5 本设计的基本参数12第2章 主轴结构的组成及方案选定132.1 主轴结构的基本构成132.2 主轴运行方案的设计132.2.1 主轴传动系统分析132.2.2 主轴进给系统分析142.2.3 主轴准停系统分析15第3章 主轴系统的主运动机构163.1 主轴系统电机的确定163.1.1 主电机工作功率求解163.1.2 主轴电机的型号选择173.2 主轴构件183.2.1 主轴零件的设计183.2.2 主轴零件的力学分析193.2.3 主轴零件的强度校核213.2.4 主轴零件的刚度校核223.2.5支承方式的选择233.2.6轴承的求解分析243.3同步带的分析求解26第4章 主轴结构的进给运动机构314.1 进给电机的型号选择314.1.1 进给电机功率求解314.1.2 进给电机的选型314.2 联轴器装置的计算选择324.3 垂直方向伺服进给系统的设计计算324.3.1 切削力大小的估算324.3.2 滚珠丝杠副的设计计算33第5章 主轴结构的准停机构35总 结37致 谢38参考文献39第1章 绪 论1.1 加工中心以及立式加工中心简介机床是加工制造一切机器零部件的机器,也称为工作母机。随着工业“四高”和“四化”的发展,现代数控机床已然成为影响国民实体经济以及加快推进工业化进程的核心和基础。尤其是工业发达国家德国倡导的工业4.0时代,现代智能制造工厂中,3D打印、机器人等高科技产品所蕴含高附加值零部件的需求日益旺盛,致使超精密数控机床的设计与制造成为满足现代工业发展趋势的关键。同时,涉及精密、智能化的数控装备和数控系统及功能部件长期依赖美、日、德等工业发达国家,机床相关核心技术受欧盟美国、日本等国家严格封锁。因此,亟需打破这种格局,由国家组织和牵头,大力追赶工业发达国家脚步,充分集中科技力量攻关重大关键技术,推动装备制造业的发展,满足航空航天、军工、汽车制造业、以及能源冶金等工业建设。加工中心(英文缩写为CNC 全称为Computerized Numerical Control):是带有刀库和自动换刀装置的一种高度自动化的多功能数控机床。工件在加工中心上经一次装夹后,数字控制系统能控制机床按不同工序,自动选择和更换刀具,自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助机能,依次完成工件几个面上多工序的加工。并且有多种换刀或选刀功能,从而使生产效率大大提高。立式加工中心是指主轴轴线与工作台垂直设置的加工中心,如下图1-1所示,主要适用于加工板类、盘类、模具及小型壳体类复杂零件。立式加工中心能完成铣、镗削、钻削、攻螺纹和用切削螺纹等工序。立式加工中心最少是三轴二联动,一般可实现三轴三联动。有的可进行五轴、六轴控制。立式加工中心立柱高度是有限的,对箱体类工件加工范围要减少,这是立式加工中心的缺点。但立式加工中心工件装夹、定位方便;刃具运动轨迹易观察,调试程序检查测量方便,可及时发现问题,进行停机处理或修改;冷却条件易建立,切削液能直接到达刀具和加工表面;三个坐标轴与笛卡儿坐标系吻合,感觉直观与图样视角一致,切屑易排除和掉落,避免划伤加工过的表面。与相应的卧式加工中心相比,结构简单,占地面积较小,价格较低。 图1-1 立式加工中心实物图1.2加工中心发展现状 1952年世界上出现第一台数控机床,使多品种、中小批量的机械加工设备在柔性、自动化和效率上产生了巨大变革。它用易于修改的数控加工程序进行控制,因而比大批量生产重使用组合机床生产线和凸轮、开关控制的专用机床有更大的柔性,容易适应加工件品种的变化,进行多品种加工。它用数控系统对机床的工艺功能、几何图形运动功能和辅助功能实行全自动的数字控制,因为有更高的自动化程度和加工效率,大大改变了中小批量生产中普通机床占整个机械加工的状况。数控机床能实现两坐标以上联动的功能,其效率和精度比用手工和样板控制加工复杂零件要高得多。1958年第一台加工中心在美国卡尼、特雷克(Kearney&Trecker)公司问世。现代加工中心的内容是什么?第一,它是在数控镗床或数控铣床的基础上增加自动换刀装置,可使工件在一次装卡中,能够自动更换刀具,自动完成工件上的铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等工序的数控机床。第二,加工中心上如果带有自动分度回转工作台或自动转角度的主轴箱,可使工件在一次装卡中,自动完成多个平面和多个角度位置的多工序加工。第三,加工中心上如果带有交换工作台,工件在工作位置的工作台上进行加工的同时,另外的工件在装卸位置的工作台上进行装卸,不影响加工的进行。由上述可知,加工重心在加工的柔性、自动化程度和加工效率上,在一般数控机床的基础上又上了一个新的台阶,又是一次新的变革。加工中心的定义是什么?目前世界上并无标准定义,但目前普遍认为是指:在工件一次装卡中,能够实现自动铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等多工序的数控机床。更为明确的说法是:加工中心就是自动换刀数控镗铣床。这就把加工中心与自动换刀数控车床或车削中心区别开来1.3 加工中心的分类及其结构特点1.3.1 加工中心的分类加工中心常按主轴在空间所处的状态分为立式加工中心和卧式加工中心,加工中心的主轴在空间处于垂直状态的称为立式加工中心,主轴在空间处于水平状态的称为卧式加工中心。主轴可作垂直和水平转换的,称为立卧式加工中心或五面加工中心,也称复合加工中心。按加工中心立柱的数量分;有单柱式和双柱式(龙门式)。按加工中心运动坐标数和同时控制的坐标数分:有三轴二联动、三轴三联动、四轴三联动、五轴四联动、六轴五联动等。三轴、四轴是指加工中心具有的运动坐标数,联动是指控制系统可以同时控制运动的坐标数,从而实现刀具相对工件的位置和速度控制。按工作台的数量和功能分:有单工作台加工中心、双工作台加工中心,和多工作台加工中心。按加工精度分:有普通加工中心和高精度加工中心。普通加工中心,分辨率为1m,最大进给速度1525mmin,定位精度lOm左右。高精度加工中心、分辨率为0.1m,最大进给速度为15100mmin,定位精度为2m左右。介于2lOm之间的,以5m较多,可称精密级。1.3.2 加工中心的结构特点1机床的刚度高、抗振性好。为了满足加工中心高自动化、高速度、高精度、高可靠性的要求,加工中心的静刚度、动刚度和机械结构系统的阻尼比都高于普通机床(机床在静态力作用下所表现的刚度称为机床的静刚度;机床在动态力作用下所表现的刚度称为机床的动刚度)。2机床的传动系统结构简单,传递精度高,速度快。加工中心传动装置主要有三种,即滚珠丝杠副;静压蜗杆-蜗母条;预加载荷双齿轮-齿条。它们由伺服电机直接驱动,省去齿轮传动机构,传递精度高,速度快。一般速度可达15m/min,最高可达100m/min;3主轴系统结构简单,无齿轮箱变速系统(特殊的也只保留12级齿轮传动)。主轴功率大,调速范围宽,并可无级调速。目前加工中心95以上的主轴传动都采用交流主轴伺服系统,速度可从1020000r/min无级变速。驱动主轴的伺服电机功率一般都很大,是普通机床的12倍,由于采用交流伺服主轴系统,主轴电动机功率虽大,但输出功率与实际消耗的功率保持同步,不存在大马拉小车那种浪费电力的情况,因此其工作效率最高,从节能角度看,加工中心又是节能型的设备;4加工中心的导轨都采用了耐磨损材料和新结构,能长期的保持导轨的精度,在高速重切削下,保证运动部件不振动,低速进给时不爬行及运动中的高灵敏度。导轨采用钢导轨、淬火硬度HRC,与导轨配合面用聚四氟乙烯贴层。这样处理的优点:a摩擦系数小;b耐磨性好;c.减振消声;d工艺性好。所以加工中心的精度寿命比一般的机床高;5设置有刀库和换刀机构。这是加工中心与数控铣床和数控镗床的主要区别,使加工中心的功能和自动化加工的能力更强了。加工中心的刀库容量少的有几把,多的达几百把。这些刀具通过换刀机构自动调用和更换,也可通过控制系统对刀具寿命进行管理;6控制系统功能较全。它不但可对刀具的自动加工进行控制,还可对刀库进行控制和管理,实现刀具自动交换。有的加工中心具有多个工作台,工作台可自动交换,不但能对一个工件进行自动加工,而且可对一批工件进行自动加工。这种多工作台加工中心有的称为柔性加工单元。随着加工中心控制系统的发展,其智能化的程度越来越高,如FANUCl6系统可实现人机对话、在线自动编程,通过彩色显示器与手动操作键盘的配合,还可实现程序的输入、编辑、修改、删除,具有前台操作、后台编辑的前后台功能。加工过程中可实现在线检测,检测出的偏差可自动修正,保证首件加工一次成功,从而可以防止废品的产生。1.4 立式加工中心的发展趋势1向高精度、高效率方向发展随着科学技术的不断进步,对精度、效率、质量的要求愈来愈高,超精密加工技术就是要向加工精度的极限冲刺,应该说,这种极限是无限的,当前的目标是向纳米级进军,而现状是处于亚微米级水平。2向大型化、微型化方向发展由于航天航空等技术的发展,大型光电子器件要求大型超精密加工设备,如美国研制的加工直径为2.44m的大型光学器件超精密加工机床。由于微型机械、集成电路的发展,超精密加工技术向微型化发展,如微型传感器,微型驱动元件和动力装置、微型航空航天器件等。3向加工检测一体化发展由于超精密加工的精度很高,必须发展相应的检测技术才能适应其要求;同时,采用加工和检测独立进行的方法可能由于安装等误差而不能实现,因此,要采用在位检测方法,使加工检测一体化。4在线检测与误差补偿超精密加工的精度很高,影响因素多且复杂,进行在线检测、工况监控以确保加工质量及其稳定性是十分必要的。由于超精密加工的精度很高,加工设备本身的精度有时很难满足要求,就要采用在线检测和误差补偿的方法来提高精度,保证加工质量的要求。5新型超精密加工方法的机理加工机理的研究是新技术的生长点,超精密加工机理涉及微观世界和物质内部结构,所利用的能源包括机、光、电、声、热、化、磁、原子等,十分广泛。不仅可以采用分离去除加工,而且可以采用分层堆积加工方法;既可采取单独加工方法,更可采用复合加工方法。加工机理的研究往往具有突破性。6新材料的研究新材料包括新的工具材料(切削、磨削)和被加工材料。精密加工和超精密加工的被加工材料对其加工质量的影响极大,其化学成分、力学机械性能均有严格要求,亟待研究。当前,精密加工和超精密加工在我国急需要研究的是实用化,将一些成熟或比较成熟的精密加工和超精密加工技术推广到实际中去,以提高加工技术的水平,使生产的机械产品质量更好、生产率更高。1.5 本设计的基本参数本课题涉及的主要技术指标有:1主轴构件孔锥度:;2主轴构件孔直径:;3主轴箱基本工作行程(Z轴):;4主轴转动速度大小范围:;5在Z轴方向快速移动速度:;6在Z轴方向进给速度大小:。第2章 主轴结构的组成及方案选定2.1 主轴结构的基本构成加工中心主传动系统是由主轴电动机、主轴传动系统以及主轴组件组成,而主轴组件是加工中心的主传动部分的主要组成部分,在机床上,主轴主要作用是夹持工件或刀具旋转,提供足够的驱动功率或输出转矩,能在整个速度范围内提供切削所需功率和转矩,以满足机床强力切削时的要求,直接参加表面成形运动。主轴组件的基本组成可以用下图予以清晰表示:图2-1 主轴组件的基本组成2.2 主轴运行方案的设计2.2.1 主轴传动系统分析通常情况下主轴的传动机构大致有齿轮传动和同步带传动两种形式。1.齿轮传动。属于机械传动中应用最广的一种传动形式。齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动。按齿轮轴线的相对位置分平行轴圆柱齿轮传动、相交轴圆锥齿轮传动和交错轴螺旋齿轮传动。齿轮传动的特点是:齿轮传动平稳,传动比精确,工作可靠、效率高、寿命长,使用的功率、速度和尺寸范围大。例如传递功率可以从很小至几十万千瓦;速度最高可达300m/s;齿轮直径可以从几毫米至二十多米。但是制造齿轮需要有专门的设备,啮合传动会产生噪声。2.同步带传动。啮合型带传动一般也称为同步带传动。它通过传动带内表面上等距分布的横向齿和带轮上的相应齿槽的啮合来传递运动。同步带传动由于带与带轮是靠啮合传递运动和动力,故带与带轮之间无相对滑动,能保证准确的传动比。同步带通常以钢丝绳或玻璃纤维绳为抗拉体,氯丁橡胶或聚氨酯为基体,这种带薄而且轻,故可用于较高速度。传动时的线速度可达50m/s,传动比可达10,效率可达98%。传动噪声比带传动、链传动和齿轮传动小,耐磨性好,不需油润滑,寿命比摩擦带长。其主要缺点是制造和安装精度要求较高,中心距要求较严格。所以同步带广泛应用于要求传动比准确的中、小功率传动中。结合上述分析,齿轮传动需要考虑润滑情况,而带传动基本能满足主传动的需求,所以主轴传动方式中选择同步带传动。2.2.2 主轴进给系统分析通常情况在主轴进给的形式大致分为滑动螺旋和滚动螺旋,具体分析如下:1.滑动螺旋。它具有摩擦系数大,传动效率低,约;低速运行时有爬行或振动;磨损大,使用寿命较短;运转时无噪声等性能特点。在结构工艺上其结构简单,加工及安装精度要求较低,而且其成本较低,适用于中、高速的轻、中、重载荷,如一般机床的进给机构。2.滚动螺旋。它具有摩擦系数很低,传动效率高达;低速运行时无爬行、振动;耐磨性好,磨损极小;高速运行有噪声等性能特点,其结构复杂,加工及安装精度要求较高,而且成本较高,适用于高、中、低速的轻、中、重载荷,如数控、精密机床的进给机构。综合分析上述两种进给方式,考虑本课题中丝杠用于主轴垂直方向的进给,所以对于高低速时运行的稳定性要求较高。故采用传动效率高、磨损小、传动平稳的滚动螺旋传动方式。2.2.3 主轴准停系统分析数控机床为了完成ATC(刀具自动交换)的动作过程,必须设置主轴准停机构。 由于刀具装在主轴上,切削时切削转矩不可能仅靠锥孔的摩擦力来传递,因此在主轴前端设置一个突键,当刀具装入主轴时,刀柄上的键槽必须与突键对准,才能顺利换刀; 为此,主轴必须准确停在某固定的角度上。由此可知主轴准停是实现ATC过程的重要环节。加工中心的主轴定向装置有机械方式和电气方式两种。1. 机械方式:(1)机械凸轮机构;(2)光电盘方式进行粗定位,然后有一个液动或气动的定位销插入主轴上的销孔或销槽实现精确定位,完成换刀后定位销退出,主轴才开始旋转。 采用这种传统方法定位,结构复杂,在早期数控机床上使用较多。2. 电气方式:现代数控机床采用电气方式定位较多。(1)用磁性传感器检测定位,在主轴上安装一个发磁体与主轴一起旋转,在距离发磁体旋转外轨迹12mm处固定一个磁传感器,它经过放大器并与主轴控制单元相连接,当主轴需要定向时,便可停止在调整好的位置上。(2)主轴编码器检测定位,这种方法是通过主轴电动机内置安装的位置编码器或在机床主轴箱上安装一个与主轴11同步旋转的位置编码器来实现准停控制,准停角角度可任意设定。本课题采用电气式主轴准停装置,此方式避免了机械装置的复杂结构,只需要数控系统发出指令信号,主轴就可以准确地定向。第3章 主轴系统的主运动机构主轴是主轴箱的重要组成部分。它的结构尺寸和形状、制造精度、材料及其热处理,对主轴箱的工作性能有很大的影响。3.1 主轴系统电机的确定3.1.1 主电机工作功率求解 (1) 求解主铣削力的大小经验公式6: (3.1)式中: 铣削力,即主切削力(切向圆周分力),; 铣削深度, 每齿进给量,; 铣削宽度,; 铣刀直径,;Z 铣刀齿数; 铣削力修正系数,; 工件材料抗拉强度,已知:高速钢刀具;刀具前角;主偏角;工件材料为碳钢;每齿进给量;刀具直径为,齿数;工件宽度,切削深度将上述各条件代入公式(3.1),则主切削力为切削速度6 (2) 主电机功率估算6铣削功率 主电机功率 式中:机床主传动系统传动效率。滚珠轴承传动效率0.996,同步带传动效率0.9863.1.2 主轴电机的型号选择利用交流伺服系统可进行精密定位控制,可作为CNC机床、工业机器人等的执行元件。FANUC交流主轴电机S系列从0.65kW37kW共分13种。它的特点是转速高、输出功率大、性能可靠、精度好、振动小、噪音低,既适合于高速切削又适合于低速重切削。该系列可应用在各种类型的数控机床上。根据主电机功率PE=5.48kW6,故本课题选用FANUC交流主轴电机6S型号6。其主要技术参数如下:1.额定输出功率:;2.最高速度:;3.额定输出转矩:;4.转子惯量:。3.2 主轴构件3.2.1 主轴零件的设计主轴的主要参数是指:主轴前轴颈直径;主轴内孔径;主轴悬伸量和主轴支承跨距,见图3-1。图3-1 主轴主要参数示意图1.主轴轴径的确定主轴轴径通常指主轴前轴颈的直径,其对于主轴部件刚度影响较大。加大直径,可减少主轴本身弯曲变形引起的主轴轴端位移和轴承弹性变形引起的轴端位移,从而提高主轴部件刚度。但加大直径受到轴承值的限制,同时造成相配零件尺寸加大、制造困难、结构庞大和重量增加等,因此在满足刚度要求下应取较小值。设计时主要用类比分析的方法来确定主轴前轴颈直径。加工中心主轴前轴颈直径按主电动机功率来确定,由表3.11-62查得。由于装配需要,主轴的直径总是由前轴颈向后缓慢地逐段减小的。在确定前轴径后,由式3.11-12可知前轴颈直径和后轴颈直径有如下关系:3.2.2 主轴零件的力学分析轴所受的载荷是从轴上零件传来的。计算时,常常将轴上的分布载荷简化为集中力,其作用点取为载荷分布段的中点。而作用在轴上的扭矩,一般从传动件轮毂宽度的中点算起。 (a) (b) (c)图3-3 轴承受力图主轴上的轴承采用一端固定,另一端游动的支承形式。图示3-3a为轴承在空间力系的总受力图,它可分解为铅垂面(图3-3b)和水平面(图3-3c)两个平面力系。由公式(3.1)得出切向铣削力径向负荷22 切向负荷22 轴向负荷22 图3-4 静不定梁铅垂面分解图由于此主轴的受力属于简单静不定梁类型,所以要以静不定梁的受力方法来解决问题。图示3-4为静不定梁的铅垂面受力图。为了使其变形与原静不定梁相同,必须满足变形协调条件,即要求。利用叠加法,得挠度为: (3.6)式中: 径向(切向)负荷分力,单位为; 径向(切向)负荷,单位为; 材料的弹性模量,; 轴惯性矩,。由公式(3.5)得。将,代入公式(3.6),则铅垂面的挠度为:得得得将,代入公式(3.6),则水平面的挠度为:得得得3.2.3 主轴零件的强度校核从合成弯矩图和转矩图上得知,主轴在截面C、D处承受了较大的弯矩,并且还受到带轮传动所带来的扭矩。因此,这两个截面是危险截面。在校核主轴的强度时应按弯扭合成强度条件进行计算。轴的弯扭合成强度条件为23 (3.7)式中: 轴的计算应力,; 轴的抗弯截面系数,; 折合系数; 轴的许用弯曲应力,; 轴所受的扭矩,单位为; 轴所受的弯矩,单位为。轴的抗弯截面系数为23式中: 轴颈处直径,单位为; ,此处,为轴孔直径。得 根据主轴材料为,由表15-123查得许用弯曲应力。按扭转切应力为脉动循环变应力,取折合系数。将上述参数代入公式(3.7),则轴的计算应力为因为,所以主轴的强度符合要求。3.2.4 主轴零件的刚度校核轴在载荷作用下,将产生弯曲或扭转变形。若变形量超过允许的限度,就会影响轴上零件的正常工作,甚至会丧失机器应有的工作性能。对于本课题的主轴,应该按轴的弯曲刚度校核。轴计算刚度经验公式为 (3.8)式中: 轴的计算挠度,单位为; 轴惯性量,单位为; 轴所用材料的弹性模量,单位为; 支承跨度,单位为; 轴所受圆周力,单位为; 轴所受径向力,单位为。 轴的允许挠度,单位为已知:,。由表15-1-4224查得轴的允许挠度为将上述参数代入公式(3.8),则轴的计算刚度为由于,所以轴能够满足刚度要求。综上所述,轴的强度,刚度均符合校核要求。3.2.5支承方式的选择由于丝杠工作时,既承受轴向载荷又承受径向载荷,故支承丝杠的轴承选用能同时承受径向载荷与单向轴向载荷的角接触球轴承.丝杠在传动是要正反转,则轴承承受的轴向力的方向可能反复变化,故采用两个轴成面对面安装.如图所示:图3-5 角接触球轴承面对面安装在本课题中,固定端前支承的7017C角接触球轴承与轴承座的配合采用间隙配合,配合目标间隙值取38m。为了提高机床的切削刚性,该轴承与主轴的配合采用过盈配合, 配合目标过盈量取04m。而后支承的7015C角接触球轴承与主轴选用过盈配合, 配合目标过盈量取03m。与轴承座之间为间隙配合,配合目标间隙值取915m21。3.2.6轴承的求解分析所谓轴承的寿命,是指轴承中任一滚动体或内,外圈辊道上出现疲劳点蚀前所经历的总转数或一定转速下工作的小时数.滚动轴承寿命计算的目的是防止轴承在预期工作时间内产生点蚀破坏,其寿命与所受载荷的大小有关,作用载荷越大,引起的接触应力也就越大,因而在发生点蚀破坏前所经历的总转数也就越少,即轴承的寿命越短。图3-6 滚动轴承的疲劳曲线1.轴承受力分析轴承的受力简图参见图3-3。从图上可知,在A、B两处所用的是同种型号的角接触球轴承,且D处的轴承是成对使用,共同承担支承作用。所以,校验C、D处7017AC轴承只需取受力最大处即可。已知: , ,则轴承7017AC所受径向合力为轴承7015AC所受径向合力为2.轴承7017AC寿命计算轴承的工作年限为7年(一年按300天计算),每天两班工作制(按16h计算),则轴承预期计算寿命为已知轴承7017AC所受的轴向负荷,径向负荷。由表13-523查得分界判断系数。由表13-523查得径向动载荷系数X=1,轴向动载荷系数Y=0。根据载荷性质为中等冲击,由表13-623查得载荷系数一般为,取。则轴承的当量动载荷为23 以小时数表示的轴承寿命(单位为h)为 (3.9)式中: 失效率(可靠度)的基本额定寿命(); 轴承的转速,单位为; 基本额定动载荷,单位为; 当量动载荷,单位为; 寿命指数,对球轴承,滚子轴承。查表22-425得基本额定动载荷。将上述参数代入公式(3.9),则以小时数表示的轴承寿命为由于,所以能够满足要求。3.轴承7015AC寿命计算轴承的工作年限为7年(一年按300天计算),每天两班工作制(按16h计算),则轴承预期计算寿命为已知轴承7015AC所受的轴向负荷,径向负荷。由表13-523查得分界判断系数。由表13-523查得径向动载荷系数X=0.41,轴向动载荷系数Y=0.87。根据载荷性质为中等冲击,由表13-623查得载荷系数一般为,取。则轴承的当量动载荷为23 查表22-425得基本额定动载荷。将上述参数代入公式(3.9),则以小时数表示的轴承寿命为由于,所以能够满足要求。3.3同步带的分析求解 (1) 设计功率根据工作机为加工中心,原动机为交流电动机,每天两班制工作(按计),由表5查得。故设计功率为5:式中: 传递的功率, 载荷修正系数(2) 选定带型和节距根据设计功率,小带轮转速,由图5确定带轮的带型为H型。按照同步带的带型为H型,由表5查得节距(3) 小带轮齿数根据小带轮转速,同步带的带型为H型,由表5查得小带轮的最小齿数,故取(4) 小带轮节圆直径式中: 小带轮齿数; 节距。按照小带轮齿数,同步带的带型为H型,由表5查得其外径(5) 大带轮齿数式中: 小带轮转速; 大带轮转速。大带轮齿数 (6) 大带轮节圆直径式中: 节距。按大带轮齿数,同步带带型为H型,由表5查得其外径(7) 带速式中: 小带轮节圆直径; 小带轮转速。(8) 初定轴间距经验公式5: (3.10)式中: 小带轮节圆直径; 大带轮节圆直径。将,值代入公式(3.10),得。故取。(9) 带长及其齿数式中: 带长; 初定轴间距; 小带轮节圆直径; 大带轮节圆直径。按带长,同步带的带型为H型,由表5查得应选用带长代号为的H型同步带,节线长,节线长上的齿数。(10) 实际轴间距实际轴间距 式中: 初定轴间距; 节线长; 带长。(11) 小带轮啮合齿数式中: 小带轮啮合齿数; 节距。(12) 基本额定功率按照同步带的带型为H型,由表5查得带的许用工作拉力,带的单位长度的质量。基本额定功率为:式中: 宽度为的带的许用工作拉力; 宽度为的带单位长度的质量(13) 带宽按同步带的带型为H型,由表5查得;按小带轮啮合齿数,由表5查得啮合齿数系数。带宽为:式中: 啮合齿数系数; 同步带的基准宽度,按照带宽,同步带带型为H型,由表5确定选带宽代号为的H型带,其带宽第4章 主轴结构的进给运动机构4.1 进给电机的型号选择4.1.1 进给电机功率求解1.传动效率根据本课题的结构设计,在进给部分中主要的机械传动效率由联轴器、滚珠轴承及滚动丝杠传动组成。其中,联轴器效率为0.996,滚珠轴承效率为0.996,滚动丝杠传动效率为0.956。总传动效率:2.电动机功率6式中: 进给传动电动机功率,; 进给牵引力,; 进给速度,; 进给传动链的总机械效率。4.1.2 进给电机的选型宽调速直流伺服电动机的结构特点是励磁便于调整,易于安排补偿绕组和换向极,电动机的换向性能得到改善,成本低,可以在较宽的速度范围内得到恒转速特性。当然,宽调速直流伺服电动机体积较大,其电刷易磨损,寿命受到一定限制。日本法纳克(FANUC)公司生产的用于工业机器人、CNC机床、加工中心(MC)的L系列适合于在频繁启动、制动场合应用。根据估算得出的电动机功率,选用FANUC的6L型电动机,其主要性能指标如下:输出功率:;1、额定转矩:;2、最大转矩:;3、最高转速:;4、转子惯量:。4.2 联轴器装置的计算选择(1) 类型选择为了隔离振动与冲击,选用凸缘联轴器。(2) 载荷计算已知进给电动机的额定转矩为。根据工作机的转矩是变化的,且冲击载荷较大,原动机类型为电动机,由表14-123查得工作情况系数。则计算转矩为:(3) 型号选择选择联轴器时,联轴器的许用转矩要大于计算转矩,许用最大转速要大于电动机转速。由GB5843-86中查得YL5型凸缘联轴器的许用转矩为,许用最大转速为,适合于尺寸在之间的轴颈。故能够满足要求。4.3 垂直方向伺服进给系统的设计计算4.3.1 切削力大小的估算由公式(3.1)得出切向铣削力纵向切削力12 横向切削力12 垂直切削力12 丝杠承重初估 4.3.2 滚珠丝杠副的设计计算1.滚珠丝杠的导程的确定在本课题中,电机和丝杠直接相连,所以传动比,选择电机6L型的最高工作转速,最大转矩,则丝杠的导程为:确定丝杠的等效转速最大进给时,丝杠的转速为 最慢进给时,丝杠的转速为 则得到丝杠的等效转速(估算)为式中: 轴向载荷F1,F2作用下的转速,单位为; 轴向载荷F1,F2作用下的时间,单位为s。2.确定丝杠的等效负载工作负载是指机床工作时,实际作用在滚珠丝杠上的轴向压力,它的数值可用进给牵引力的试验公式计算。选定导轨为滚动导轨,而一般情况下,滚动导轨的摩擦系数为,取摩擦系数为,则丝杠所受的最大工作负载为式中: 颠覆力矩影响系数,一般取为。而丝杠的最小工作负载为故其等效负载可按下式计算(估算;):3.确定丝杠所受的最大动载荷取丝杠的工作寿命为,同时取精度系数,负荷性质系数,温度系数,硬度系数,可靠性系数7;平均转速为。则最大动载荷为根据动载荷要求,选用插管埋入式双螺母垫片预紧滚珠丝杠副,型号为5。丝杠公称直径为,基本导程,其额定动载荷(),额定静载荷,圈数列数=,丝杠螺母副的接触刚度为,螺母长度为,取丝杠的精度为级。在本课题中采用双螺母垫片式预紧。第5章 主轴结构的准停机构在数控钻床、数控铣床以及镗铣为主的加工中心上,由于特殊加工或自动换刀,要求主轴每次停在一个固定的准确的位置上。所以在主轴上必须没有准停装置。准停装置分机械式和电气式两种,本文的设计采用电气式。 图5-1所示机械准停装置的工作原理如下:准停前主轴必须是处于停止状态,当接收到主轴准停指令后主轴电动机以低速转动,主轴箱内齿轮换挡使主轴以低速旋转,时间继电器开始动作,并延时4-6s,保证主轴转稳后接通无触点开关1的电源,当主轴转到图示位置即凸轮定位盘3上的感应块2与无触点开关1相接触后发出信号,使主轴电动机停转。另一延时继电器延时0.2-0.4s后,压力油进入定位液压缸下腔,使定向活塞向左移动,当定向活塞上的定向滚轮5顶入凸轮定位盘的凹槽内时,行程开关LS2发出信号,主轴准停完成。若延时继电器延时1S后行程开关IS2仍不发信号,说明准停没完成,需使定向活塞6后退,重新准停。当活塞杆向右移到位时,行程开关lSl发出滚轮5退出凸轮定位盘凹槽的信号,此时主轴可启动工作。图5-1机械式主轴准停装置1-无触点开关 2-感应块 3-凸轮定位盘 4-定位液压缸 5-定向滚轮 6-定位活塞现代的数控铣床一般都采用电气式主轴准停装置,只要数控系统发出指令信号主轴就可以准确地定向。本文设计的常用磁力传感器检测定向的工作原理如图5-2所示是在主轴上安装有一个永久磁铁4与主轴一起旋转,在距离永久磁铁4旋转轨迹外12mm处固定有一个磁传感器5,当铣床主轴需要停车换刀时,数控装置发出主轴停转的指令,主轴电动机3立即降速,使主轴以很低的转速回转,当永久磁铁4对准磁传感器5时,磁传感器发出准停信号,此信号经放大后,由定向电路使电动机准确地停止在规定的周向位置上。这种准停装置机械结构简单,发磁体与磁感传感器间没有接触摩擦,准停的定位精度可达1。,能满足一般换刀要求。而且定向时间短,可靠性较高。图5-2电器式主轴准停装置1-主轴 2-同步感应器 3-主轴电动机 4-永久磁铁 5-磁传感器总 结加工中心是指备有刀库,具有自动换刀功能,对工件一次装夹后进行多工序加工的数控机床。加工中心是高度机电一体化的产品,工件装夹后,数控系统能控制机床按不同工序自动选择、更换刀具,自动对刀、自动改变主轴转速、进给量等,可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等多种工序。因而大大减少了工件装夹时间,测量和机床调整等辅助工序时间,对加工形状比较复杂,精度要求较高,品种更换频繁的零件具有良好的经济效果。主轴是立式中心的核心部件,其性能直接影响到机床的整体性能。为了提高立式加工中心的整体性能,发挥高速切削的优势,对主轴的深入研究才显得如此地重要。本文针对主轴组件的各个部分进行了分析设计,主轴组件的结构主要分为两个部分,即主运动机构和进给运动机构。而在主运动机构中,按照功能来分,可主要分为主轴传动机构、主轴准停机构、刀具自动夹紧机构以及切屑清除机构。分别对上述三种机构进行了方案的设计、具体结构的设计优化以及参数的选取与计算。本次毕业设计是一次综合性很强的设计,设计所涉及的内容很广,如机械设计,车床,滚珠丝杠,导轨,伺服电机,数控技术,AutoCAD等,这使我对这些知识在实践中的应用有了更深切的体会,同时本次设计使我的实际分析能力、计算能力和运用能力也得到了很大的提高。对以后的学习和工作有了一定的经验和基础。致 谢大学四年的学习生活让我学到了许许多多终身对我有益东西,我的专业理论知识以及学习能力思考能力分析解决问题的能力都得到了质的提高,这对将来我走向工作岗位有很大的帮助,同时在大学里让我学会了为人处世,学会了人际交往,学会了思考,懂得了许多的人生哲学。在这里我要十分感谢我的毕业设计指导老师对我的悉心指导,老师是一个治学严谨,学术能力很强的人,是我学习的榜样,同时我要感谢我所有的大学老师,是你们的无私奉献把最可贵的知识教给了我,你们的严谨教学,让我打下了扎实的专业知识基础,除了在学习上,你们还耐心教导我如何学习如何培养思维如何做人,这些都对我以后的人生都具有重要的帮助,同时也感谢和我同窗的大学同学,我们互相帮助互相学习,不管在学习上生活上都互相关心毫无保留,这些帮助我都十分地感谢,同时我们一起度过了人生中最难忘的阶段,这也将留给我最深刻的印象,在这次毕业设计过程中,我搜索了很多文献和资料,这让我接触到了许多新的理论和知识,同时我也对文献和资料作了很多学习思考,让我从中领悟和懂得了很多科学知识,让我受益匪浅,最后我也通过自己的努力终于顺利完成了此次毕业设计。最后,我要感谢养育我这么多年的父母以及对我关心帮助的亲人,正是有你们的关心与支持,让我能够有克服一切困难的勇气,顺利完成自己的学业。未来我将更加努力,不辜负你们的期望!参考文献1 邹慧君.机构系统设计M.上海:上海科技出版社,1996:58752 邹慧君.机械运动方案设计手册M.北京:高等教育出版社,1995:214265 3 毕承恩等. 现代数控机床(上册)M.北京:机械工业出版社,1993:7893 4 刘鸿文.材料力学IM.北京:高等教育出版社,2010:142187 5 吴宗泽,罗圣国.机械设计课程设计手册(机械部分)M 北京:高等教育出版社, 2001.11:1671816 廉元国,张永洪.加工中心设计与应用M.北京:机械工业出版社,1995:1521757 王科社,张怀存.加工中心ATC 凸轮式与液压式的比较J.组合机床与自动化加工技术,1995:1581958 孙凡国,邹慧君.基于实例的机构创新理论与方法的研究J.机械与电子,1996:2452759 邹慧君,汪利等.机械产品概念设计及其方法的研究J .机械设计与研究,1998:17819510贺炜,蔚泽峰等. 加工中心弧面凸轮式自动换刀装置J.制造技术与机床,2000:9811311何立民.MCS- 51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术M.北京:北京航空航天大学出版社,1999:22325212邱映辉.机械设计M.北京:清华大学出版社,2004:17518613 E.Guze1.Research on the fatigue behavior for peanut shelling. Journal of Food Engineering 2005.: 5768.14 Schoorl D, Holt JE. Bruise、resistance measurements . in apples. Journal of Texture Studies, 1980: 214252.15BV75立式加工中心J.CAD/CAM与制造业信息化.2006(9):9516陈国威编.机械工程手册551.北京:机械工业出版社.199617编写组.机床设计手册5.北京:机械工业出版社.197918阎树田,龚俊,张思成.计算主轴最佳跨距的新方法J.机械设计与制造.2001(5):10010119田华.数控机床高速电主轴结构设计及性能分析D1. 硕士学位论文.成都:四川大学.200641
收藏