320mm数控车床主传动系统的机械结构设计【5.5KW 无级 】(全套含CAD图纸)
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本科毕业设计开题报告 题 目: 320mm数控车床主传动系统的机械结构设计 院 (系): 机械工程学院 班 级: 机制08-1 班 姓 名: 吴彬 学 号: 2008021480 指导教师: 卢玉梅 教师职称: 讲师 黑龙江科技学院本科毕业设计开题报告题 目320mm数控车床主传动系统的机械结构设计来源工程实际1、研究目的和意义我国目前机床总量380余万台,而其中数控机床总数只有11.34万台,即我国机床数控化率不到3。近10年来,我国数控机床年产量约为0.60.8万台,年产值约为18亿元。机床的数控化率仅为6。这些机床中,役龄10年以上的占60以上;10年以下的机床中,自动/半自动机床不到20,FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数(美国和日本自动和半自动机床占60以上)。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床,而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品国内、外市场上缺乏竞争力,直接影响一个企业的的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。 而相对于传统机床,数控机床有以下明显的优越性:1、可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 2、可以实现加工的柔性自动化,从而效率比传统机床提高37倍。 3、加工零件的精度高,尺寸分散度小,使装配容易,不再需要“修配”。 4、可实现多工序的集中,减少零件在机床间的频繁搬运。 5、拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能,可实现长时间无人看管加工。 因此,采用数控机床,可以降低工人的劳动强度,节省劳动力(一个人可以看管多台机床),减少工装,缩短新产品试制周期和生产周期,可对市场需求作出快速反应。 此外,机床数控化还是推行FMC(柔性制造单元)、FMS(柔性制造系统)以及CIMS(计算机集成制造系统)等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。 由于以上优越性,数控机床所占的比例逐渐增大。从2005年的市场消费内容也可可看出,普通机床的市场份额在下降,数控机床则大幅度增长,尤其是中高档数控机床供不应求。可以预见,未来几年普通机床的市场份额将不断下滑, 数控机床的消费会逐渐扩大。2 通过本次设计培养综合运用基础知识和专业知识,解决工程实际问题的能力,使工程绘图、数据处理、外文文献阅读、程序编制、使用手册等基本技能及能力得到训练和提高。此外,力求完成课题之余,熟悉国内外数控技术及数控机床的现状及发展趋势,增强对如何发展民族数控机床产业的感性认识。2、国内外发展情况数控系统的发展趋势自从1951年计算机技术应用于机床上,数控系统经历了数控(NC)和计算机数控(CNC)两个阶段的发展。目前,数控系统正处于第六代基于PC(PCBASED)。未来数控系统将呈以下发展趋势:1、 继续向开放式、基于PC的第六代方向发展 基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点,更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机,来处理人机界面、编程、联网通信等问题,由原有的系统承担数控的任务。2、向高速化和高精度化发展 3、向智能化方向发展 (1)应用自适应控制技术向高速化和高精度化发展 数控系统能检测过程中一些重要信息,并自动调整系统的有关参数,达到改进系统运行状态的目的。 (2)引入专家系统指导加工 将熟练工人和专家的经验,加工的一般规律和特殊规律存入系统中,以工艺参数数据库为支撑,建立具有人工智能的专家系统。 (3)引入故障诊断专家系统 (4)引入动装置智能化数字伺服驱动系统可以通过自动识别负载,而自动调整参数,使驱动系统获得最佳的运行我国数控机床的发展现状 机床产业是国民经济发展的基础,装备制造业发展的重中之重。国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)将“高档数控机床与基础制造装备”确定为16个科技重大专项之一。通过国家相关计划的支持,我国在数控机床关键技术研究方面有了较大突破,创造了一批具有自主知识产权的研究成果和核心技术。主要体现在以下几个方面: (1)中高档数控机床的开发取得了较大进展,在五轴联动、复合加工、数字化设计以及高速加工等一批关键技术上取得了突破,自主开发了包括大型、五轴联动数控加工机床,精密及超精密数控机床以及一大批专门化高性能机床,并形成了一批中档数控机床产业化基地。 (2)关键功能部件的技术水平、制造质量逐年稳步提高,功能逐步完善,部分性能指标接近国际先进水平,形成了一批具有自主知识产权的功能部件。开发出了高速主轴单元、高速滚珠丝杠、重载直线导轨、高速导轨防护装置、直线电机、数控转台、刀库与机械手、A/C轴数控铣头、高速工具系统、数字化量仪等高性能功能部件样机,其中有的品种已实现小批量生产。 (3)中高档数控系统开发研究与应用取得一定成果。通过自主研发或与国外开展技术合作,在中档数控系统的开发和生产上取得明显进展。初步解决了多坐标联动、远程数据传输等技术难题;为适应数控系统的配套要求,相继开发出交流伺服驱动系统和主轴交流伺服控制系统,并形成了系列化产品。与国外的差距 (1)高档数控机床的国内供应能力不足。 尽管我国机床行业近年来取得了长足的发展,数控化率稳步提高,但机床消费和生产的结构性矛盾仍然比较突出。目前,国内对中高档机床的需求量逐渐超过低档机床。但国产数控机床以低档为主,高档数控机床绝大部分依赖进口。 (2)自主创新能力不足。 长期以来,我国机床制造业的基础、共性技术研究工作主要在行业性的研究院所进行。能力薄弱,技术创新投入不足,引进消化吸收能力差,低水平生产能力过剩,自主创新能力不高,缺乏优秀技术人才。虽然国产数控机床制造商通过技术引进、海内外并购重组以及国外采购等获得了一些先进数控技术,但缺乏对基础共性技术的研究,忽视了自主开发能力的培育,企业的市场响应速度慢。 (3)产品质量、可靠性及服务等能力不强。 国产机床在质量、交货期和服务等方面与国外著名品牌相比存在较大的差距。在质量方面,国产数控系统的可靠性指标MTBF与国际先进数控系统相差较大。国产数控车床、加工中心的MTBF与国际上先进水平也有较大差距。在交货期方面,绝大多数企业由于任务重拖期交货。服务体系不健全,在市场开拓、成套技术服务、快速反应能力等方面不能满足市场快节奏和个性化的要求。 (4)功能部件发展滞后。 机床是由各种功能部件(主轴单元及主轴头、滚珠丝杠副、回转工作台和数控伺服系统等)在床身、立柱等基础机架上集装而成的,功能部件是数控机床的重要组成部分。数控机床整体技术与数控机床功能部件的发展是相互依赖、共同发展的,所以功能部件的创新也深深地影响着数控机床的发展。我国数控机床功能部件已有一定规模,电主轴、主轴单元、数控系统等也有专门的制造厂家,其中个别产品的制造水平接近国际先进水平。但整体上,我国机床功能部件发展缓慢、品种少、产业化程度低,精度指标和性能指标的综合情况还不过硬。目前,滚珠丝杠、数控刀架、电主轴等功能部件仅能满足中低档数控机床的配套需要。衡量数控机床水平的高档数控系统、高速精密电主轴、高速滚动功能部件等还依赖进口。3、研究/设计的目标:现代切削加工正朝着高速、高效和高精度的方向发展,要求机床主传动系统具有更高的转速和更大的无极调速范围;在切削加工中能自动变换速度,机床结构要简单,噪声要小,动态性能要好,可靠性要高。数控车床作为高度自动化的机电一体化设备,其主传动系统的设计一般应满足如下基本要求。(1)使用性能要求 首先应满足机床的运动特性,如机床的主轴有足够的转速范围和转速级数。传动系统设计合理,操纵方便灵活、迅速、安全可靠。(2)传递动力要求 主电动机和传动机能提供和传递足够的功率和转矩,具有较高的传动效率。(3)工作性能要求 主传动中所有零部件要有足够的刚度、精度和抗震性,热变形特性稳定。 此外,还要求主传动系统结构简单,便于调整和维修;工艺性好,便于加工和装配;防护性能好;使用寿命长。4、设计方案:主传动系统的传动方式机床主传动系统可分为分级变速传动和无极变速传动。无极变速传动可以在一定的变速范围内连续改变转速,以便得到满足加工要求的最佳速度,能在运转中变速,便于自动变速。数控车床的主传动系统通常采用无级变速传动。与普通机床相比,数控车床的主传动采用交、直流主轴调速电动机,电动机调速范围大,并可无极调速,使主轴箱结构大为简化。为了适应不同的加工需要,数控车床的主传动系统有以下三种传动方式。(1)由电动机直接驱动 主轴电动机与主轴通过联轴器直接连接,或采用内装式主轴电动机直接驱动,。采用直接驱动可大大简化主轴箱结构,能有效地提高主轴刚度。这种传动的特点是主轴转速的变化、输出转矩与电动机的特性完全一致。但由于主轴的功率和转矩特性直接决定于主轴电动机的性能,因而使这种变速传动的应用受到一定限制。(2)采用定比传动 主轴电动机经定比传动传递给主轴。定比传动可采用带传动或齿轮传动,。带传动具有传动噪声小、振动小的优点,一般应用在中、小型数控车床上。采用定比传动扩大了直接驱动的应用范围,即在一定程度上能满足主轴功率与转钜的要求,但其变速范围仍与电动机的调速范围相同。(3)采用分档变速传动 采用分档变速传动主要是为了解决主轴电动机的功率特性与机床主轴功率特性的匹配。变速机构一般仍采用齿轮副来实现,。通过电动机的无级变速,配合变速机构可确保主轴的功率、转矩要求。目前,电动机本身的调速范围已达1:1001:1000,所以多数机床的变速传动机构不超过2级。采用分档变速传动可适应更多种类的刀具材料和更广泛的工艺要求,并满足各种切削运动的转矩输出,特别是保证低速时的转矩和扩大恒功率的调速范围。经综合比较,所设计车床属于中、小型,采用定比传动方式较好。5、方案的可行性分析:320mm数控车床主传动系统的机械结构设计主要包括确定车床的传动方式,确定主轴的转速,确定传动轴的转速及其他运动参数和动力参数的确定。车床主轴采用高精度主轴专用角接触球轴承支承,并采用高速润滑脂润滑。车床的进给轴由混合式步进电机(或交流伺服电机)直接驱动滚珠丝杠副,带动溜板运动。为了提高进给轴的动态响应时间,减少摩擦和磨损,车床的移动副都采用了贴塑工艺。车床的移动导轨副和滚珠丝杠副的润滑采用手动集中润滑系统(或间歇式自动润滑系统),方便了各润滑点的润滑。其主轴系统结构合理、能保证一定的加工精度和表面质量切较为经济。通过综合分析以上设计方法和设计制造难度,方案可行。6、该设计的创新之处所设计主传动系统有更大的调速范围,能实现无极调速。无级变速电机的性能进一步提高,价格下降,直接由电机通过皮带将动力传给主轴,这样数控机床的主轴系统进一步简化,速度进一步提高。特别是电主轴的应用,真正将数控机床带入了超高速时代。从而生产率、加工精度和表面质量等都有提高。而且传动较平稳,噪声较低。抗振性也有所提高。7、设计产品的主要用途和应用领域:数控车床用于加工轴类或盘类的回转体零件,可自动完成内外圆柱面、圆锥面、端面、螺纹等工序的切削加工。可加工高精度的曲面与端面螺纹。用的刀具主要是车刀、各种孔加工刀具(如钻头、铰刀、镗刀等)及螺纹刀具。数控车床和盘类零件上的回转表面。数控车床加工零件的尺寸精度可达IT5IT6,表面粗糙度可达Ra1.6m以下。在汽车、船舶、飞机、模具等行业都有重要作用。8、时间进程3月19日-3月23日 整理实习日记、撰写实习总结和准备开题。3月26日-3月30日 总体结构确定。4月2日-4月6日 主传动系统传动方式确定。4月9日-4月13日 计算及选择其运动参数和动力参数。4月16日-4月20日 各零部件的设计计算。4月23日-5月4日 绘制床头箱装配总图。5月7日-5月25日 绘制主要零部件图。5月28日-6月4日 修改图纸,撰写及核对说明书,准备答辩。 9、参考文献:1. 文怀兴 ,夏田. 数控机床系统设计M .化学工业出版社, 20052. 濮良贵, 纪名刚. 机械设计.第七版. M 高等教育出版社, 20043. 龚桂义. 机械设计课程设计图册.第三版M. 高等教育出版社,20044. 哈尔滨工业大学 上海纺织工业学院 天津大学 机床设计图册M. 上海科学技术出版社, 20035. 王爱玲. 现代数控机床M. 国防工业出版社,20056. 成大先. 机械设计手册.第三版.M.化学工业出版社 20007. 刘百喜. 中国车床制造业现状及数控车床的发展.J. 机械论坛 20068. 刘百喜. 中国数控车床的现状和发展趋势分析.J. 机械工程师 20069. 李梦群, 武文革, 孙厚芳.21世纪机械制造业.J. 机械设计与制造,200310. 张伯霖 高速切削技术及应用.M.机械工业出版社,200211. Design in the New Millennium ADVANCED ENGINEERING ENVIRONMENTS. Committee on Advanced Environments. Commission on Engineering and Technical Systems. National Research Council. .Nation Academy of Engineering. NATIONAL ACADEMY PREDD. Washington, D. C. Copyright 2004 National Academy of Sciences.12. Shici Sano, Yoshimi Furukawa, etc. Four Wheel Steering System with Rear Wheel Steel Angle: SEA Technical Paper series,No.860625, 200413. Industrial automation systems and integration Physical device control IOS 14649 DataModel for Computerized Numerical Controllers. Part10; General Process Data. Reference number of working document; ISO/TC 184/SC 1N 000 Version description; V3-August 2000. Data: 2000-08-03.Reference number of document; ISO/DIS 14649-10.Committee identification.指导教师意见教师签字:年 月 日开题答辩小组意见:组长签字: 成员签字:年 月 日毕业设计领导小组意见: 组长签字:年 月 日任务姓名: 吴彬 一、设计题目: 320mm数控车床主传动系统的机械结构设计二、设计要求:设计出经济实用的320mm数控车床主传动系统,其主轴系统结构合理、能保证一定的加工的精度和表面质量。能熟练使用PRO/E、AUTOCAD,等三维CAD,CAM绘图软件。随着数控加工技术在汽车、船舶、飞机、模具等各行业的广泛应用,对数控机床的需求量日益增加,数控机床在加工制造业中的重要性也日益突出。数控机床作为一种高度机电一体化的产品,其技术水平的高低已经成为衡量一个国家加工制造业水平的重要标志之一 。 三、设计(论文)主要内容:论文包括说明书和图纸两部分,说明书主要包括:零件的工艺分析和工艺方案的确定;工艺与设计计算;各主要零件尺寸的确定。图纸包括:绘制主轴零件的2D图;主轴箱的总装配图,并绘制箱体零件的2D图;可以附加机床结构的示意图;(绘图量不少于折成A0号图纸2张) 四、设计目标:根据机床结构和工艺特性设计出经济合理的主传动系统,其主轴系统结构合理、能保证一定的加工的精度和表面质量。又能为学生将来从事相关设计工作打下了良好的基础,并通过设计完成能培养学生独立设计能力。 320mm数控车床320mm数控车床简介3该车床为水平床身结构,机床外观造型为半封闭滑动防护门结构。车床的床座采用优质铸铁整体铸造而成,不但提高了机床的整体刚性,而且具有较好的吸振性。主轴变速有两种方式,一种为手动集中变速方式,所有变速机构都集中在主轴箱内,通过数控系统对双速电机的控制,在每一个手动变速档下,可以有高、低两档自动变速。另一种为无级变速方式,由交流变频调速电机通过三角胶带直接带动主轴,在这种情况下,车床主轴采用高精度主轴专用角接触球轴承支承,并采用高速润滑脂润滑。车床的进给轴由混合式步进电机(或交流伺服电机)直接驱动滚珠丝杠副,带动溜板运动。为了提高进给轴的动态响应时间,减少摩擦和磨损,车床的移动副都采用了贴塑工艺。车床的移动导轨副和滚珠丝杠副的润滑采用手动集中润滑系统(或间歇式自动润滑系统),方便了各润滑点的润滑。该车床配置了立式四工位电动刀架,可一次装夹四把刀具,便于工件一次装夹,多工序加工。对进给轴进行开环(或半闭环)控制。该车床适用于中、小型轴类、盘套类零件的内、外圆柱面、圆锥面、圆弧面、端面和螺纹面的加工,特别适用于批量生产的加工中。机床主要技术参数和连接尺寸表1-1 机床的技术参数项目 单位 参数 床身上最大回转直径 mm 320 最大工件长度 mm 750 刀架上最大回转直径 mm 170 主轴通孔直径 mm 55 主轴内孔锥度 莫氏6号 主轴头部形式 A25 主轴转速级数 无级 主轴转速范围 r.p.m 502500 进给轴快速移动速度 mm/min 7000(X轴减半) 进给轴驱动电机功率 kw 1.0 进给轴最小设定单位 mm 0.001 进给轴重复定位精度 mm X轴:0.007Z轴:0.01 主电机功率 kw =5.5 电动刀架刀具容量 支 4 尾座套筒内孔锥度 莫氏6号 加工标准试件的表面粗糙度Ra m 1.6 外形尺寸(长宽高) mm 210010501500 机床净重/机床总重 kg 1900/2100 机床精度的选择选择机床的精度等级应根据典型零件关键部位加工精度的要求来定。表1-2 (mm)精度项目普通型精密型单轴定位精度0.01/0.300或全长 0.005/全长单轴重复定位精度0.006 0.003 铣圆精度 0.030.04 0.02数控机床的其它精度与表中所列数据都有一定的对应关系。定位精度和重复定位精度综合反映了该轴各运动元部件的综合精度。尤其是重复定位精度,它反映了该控制轴在行程内任意定位点的定位稳定性。这是衡量该控制轴能否稳定可靠工作的基本指标。目前的数控系统软件功能比较丰富,一般都具有控制轴的螺距误差和累积误差可以用螺距补偿功能,能对进给传动链上各环节系统误差进行稳定的补偿。如丝杠的螺距补偿来消除。但这是一种理想的做法,实际造成这反向运动量损失的原因是,存在驱动元部件的反向死区、传动链各环节的间隙、弹性变形和接触刚度等变化因素。其中有些误差是随机误差,它们往往随着工作台的负载大小、移动距离长短、移动定位的速度改变等反映出不同的损失运动量。这不是一个固定的电气间隙补偿值所能全部补偿的。所以,即使是经过仔细的调整补偿,还是存在单轴定位重复性误差,不可能得到高的重复定位精度。总之,力求提高每个数控坐标轴的重复定位精度是机床制造厂和用户的共同愿望。铣圆精度是综合评价数控机床有关数控轴的伺服跟随运动特性和数控系统插补功能的指标。由于数控机床具有一些特殊功能,因此在加工中等精度的典型工件时,一些大孔径、圆柱面和大圆弧面可以采用高切削性能的立铣刀铣削。测定每台机床的铣圆精度的方法是用一把精加工立铣刀铣削一个标准圆柱试件;中小型机床圆柱试件的直径一般在左右。将标准圆柱试件放到圆度仪上,测出加工圆柱的轮廓线,取其最大包络圆和最小包络圆,两者间的半径差即为其精度(一般圆轮廓曲线仅附在每台机床的精度检验单中,而机床样本只给铣圆精度允差)从机床的定位精度可估算出该机床在加工时的相应有关精度。如在单轴上移动加工两孔的孔距精度约为单轴定位精度的1.52倍(具体误差值与工艺因素密切相关)。因此,普通型加工中心可以批量加工出8级精度零件,精密型加工中心可以批量加工出67级精度零件。这些都是选择数控机床的一些基本参考因素。此外,普通型数控机床进给伺服驱动机构大都采用半闭环方式,对滚珠丝杠受温度变化造成的位置伸长无法检测,因此会影响工件的加工精度。 摘 要近年来,我国机械制造业的自动化生产技术有了较快的发展。据统计,生产过程中材料、半成品的输送、定向及设备的上、下料等辅助工序所花的费用约占全部加工费用的三分之一,所花时间约占全部加工时间的三分之二以上。为了解决上述问题,发展了一种用计算机以数字指令方式控制的数字控制机床。数控机床的应用几乎已扩展到所有加工领域,许多工厂为了适应产品的频繁更新,提高加工精度、降低生产成本、缩短产品交货周期和减轻劳动强度等目的,在中等批量、甚至大批量生产中也应用了数控机床,即使在5000件的生产批量下加工结构形状不太复杂的零件,使用数控机床也能取得良好的经济效益。320mm数控车床为全能型加工车床,可进行多次重复循环加工,特别适合于汽车、石油机械、军工等多种行业的机械加工,主要用于轴类、盘类的精加工和半精加工,可以加工内、外圆柱表面、锥面、车削螺纹、镗孔、铰孔以及各种曲线回转体。可根据用户要求配置手动、电动、液压卡盘和手动、电动、液压尾座等。机床防护有全防护、封闭防护两种形式。关键字:数控车床;精加工;液压尾座 AbstractIn recent years, the automation production technique of the our country machine manufacturing industry contain quicker development. According to the covariance, material in the production line, the semi-processed goods transport, definite direction and equipments of up, bottom anticipate the etc., the expenses that the assistance work preface spend about has all 1/3 of process the expenses, time spend about has all 2/3 of process time is above.For resolving the above-mentioned problem, produce a kind of numeral control tool machine that controls by numerical instruction with the calculator. The application that number controls the tool machine almost has already expand to all process the realm.Many factory for the sake of the multifarious renewal of the orientation product, the exaltation processes the accuracy, lowers the production cost and shortens the product to deliver goods the period and ease to labor the strength etc. purpose, also applied the number to control the tool machine in win wait batch quantity, even mass-produce, even process the not that complicated spare parts of the structure shape under 5000 pieces production batch quantities, using the number to control the tool machine also can obtain good economic performance.320 mm the number controls the lather to process the lather for the omnipotent type, can carry on many repetitions to process circularly, special suitable for automobile, petroleum machine, the soldier work etc. the machine of various profession process, mainly using for stalk, dish s process to process with the half , can process inside, the outside cylinder surface, face, the car pares thread, bore of ,bore of and various curves turn-over body.Can request to install to move according to the customer, dynamoelectric, the liquid presses the card dish and hands to move, dynamoelectric, the liquid presses the tail.The tool machine protection contain whole protection, close two kinds of forms of protection. Keywords:The number controls;the lather to process;the liquid to press the tail目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景及目的11.2 国内外研究现状及发展趋势21.2.1 数控系统的发展趋势21.2.2 我国数控车床的研究现状及发展趋势2第2章 320mm数控车床72.1 320mm数控车床简介72.2 机床主要技术参数和连接尺寸82.3 机床精度的选择82. 4 电动机的选择102.4.1 选择电动机类型102.4.2 选择电动机容量102.4.3 确定电动机的转速112.5 无级变速的主传动系统设计112. 6主轴组件的基本要求112.6.1 旋转精度122.6.2 静刚度122.6.3 抗震性122.6.4 温升和热变形132.6.5 耐磨性13第3章 数控机床的主轴及其机械结构143.1 对主轴驱动的要求143.1.1 主传动要有宽的调速范围及尽可能实现无级变速143.1.2 功率大143.1.3 动态响应性要好153.1.4 精度高153.1.5 旋转轴联动功能153.1.6 恒线速度切削功能153.2 初选主轴直径153.3 传动轴直径183.4 确定带轮直径183.5 普通V带的设计18第4章 轴承选用与寿命计算274.1 轴承选用274.2 轴承的寿命计算284.3 轴承的润滑与密封284.3.1 主轴滚动轴承的润滑29第5章 箱体的设计315.1 箱体的结构特点及技术要求315.1.1 箱体的结构要求315.1.2 箱体的主要技术要求315.2 壁厚的选择32结 论33致 谢34参考文献35CONTENTSAbstractIChapter 1 Introduction11.1 Background and objective11.2 The trend of domestic and international research status and development21.2.1 The trend of NC system development21.2.2 The trend of Chinas CNC lathe research status and development2Chapter 2 320mm NC lathe72.1 320mm CNC lathe72.2 The main machine technical parameters and connection size82.3 The selection of the precision of the machine tool82.4 Motor selection102.4.1 The selection of motor type102.4.2 Selection of motor capacity102.4.3 The selection of the motor speed112.5 The design of stepless main driving system 112.6 The basic requirements of main components112.6.1 The rotating accuracy122.6.2 The static stiffness122.6.3 The resistance of earthquake122.6.4 Temperature-rise and thermal deformation132.6.5 The resistance of Wear13Chapter 3 CNC machine tool spindle and its mechanical structure143.1 The requirements of spindle drive143.1.1 The main drive to a wide speed range and possible to realize stepless speed143.1.2 High-power143.1.3 Better dynamic response153.1.4 High-precision153.1.5 The function of rotation axis153.1.6 Constant line speed and cutting function153.2 The primary chosen of spindle diameter153.3 The diameter of drive shaft183.4 The determination of the belt wheel diameter183.5 The design of common V belt18Chapter 4 Selection and calculation of fatigue bearing life274.1 The selection of bearing274.2 The calculation of bearing life284.3 Bearing lubrication and sealing284.3.1 The lubrication spindle rolling bearing29Chapter 5 The design of box315.1 The structure of box body characteristics and technical requirements315.1.1 The requirements of box body structure315.1.2 The main technical requirements of box315.2 Selection of wall thickness32Conclusion33Thanks34Reference3536第1章 绪论1.1 课题背景及目的我国目前机床总量380余万台,而其中数控机床总数只有11.34万台,即我国机床数控化率不到3。近10年来,我国数控机床年产量约为0.60.8万台,年产值约为18亿元。机床的数控化率仅为6。这些机床中,役龄10年以上的占60以上;10年以下的机床中,自动/半自动机床不到20,FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数(美国和日本自动和半自动机床占60以上)。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床,而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品国内、外市场上缺乏竞争力,直接影响一个企业的的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。 而相对于传统机床,数控机床有以下明显的优越性:1、可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 2、可以实现加工的柔性自动化,从而效率比传统机床提高37倍。 3、加工零件的精度高,尺寸分散度小,使装配容易,不再需要“修配”。 4、可实现多工序的集中,减少零件在机床间的频繁搬运。 5、拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能,可实现长时间无人看管加工。 因此,采用数控机床,可以降低工人的劳动强度,节省劳动力(一个人可以看管多台机床),减少工装,缩短新产品试制周期和生产周期,可对市场需求作出快速反应。 此外,机床数控化还是推行FMC(柔性制造单元)、FMS(柔性制造系统)以及CIMS(计算机集成制造系统)等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。 由于以上优越性,数控机床所占的比例逐渐增大。从2005年的市场消费内容也可可看出,普通机床的市场份额在下降,数控机床则大幅度增长,尤其是中高档数控机床供不应求。可以预见,未来几年普通机床的市场份额将不断下滑, 数控机床的消费会逐渐扩大。1.2 国内外研究现状及发展趋势1.2.1 数控系统的发展趋势自从1951年计算机技术应用于机床上,数控系统经历了数控(NC)和计算机数控(CNC)两个阶段的发展。目前,数控系统正处于第六代基于PC(PCBASED)1。未来数控系统将呈以下发展趋势:1. 继续向开放式、基于PC的第六代方向发展 基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点,更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机,来处理人机界面、编程、联网通信等问题,由原有的系统承担数控的任务。2. 向高速化和高精度化发展 3. 向智能化方向发展 (1) 应用自适应控制技术向高速化和高精度化发展 数控系统能检测过程中一些重要信息,并自动调整系统的有关参数,达到改进系统运行状态的目的。 (2) 引入专家系统指导加工 将熟练工人和专家的经验,加工的一般规律和特殊规律存入系统中,以工艺参数数据库为支撑,建立具有人工智能的专家系统。 (3) 引入故障诊断专家系统 (4) 引入动装置智能化数字伺服驱动系统可以通过自动识别负载,而自动调整参数,使驱动系统获得最佳的运行。1.2.2 我国数控车床的研究现状及发展趋势1. 研究现状我国数控车床从20世纪70年代初进入市场,至今通过各大机床厂家的不懈努力,通过采取与国外著名机床厂家的合作、合资、技术引进、样机消化吸收等措施,使得我国的机床制造水平有了很大的提高,其产量在金属切削机床中占有较大的比例。目前,国产数控车床的品种、规格较为齐全,质量基本稳定可靠,已进入实用和全面发展阶段2。 (1) 床身按照床身导轨面与水平面的相对位置,床身有图1-1所示的5种布局形式。一般来说,中、小规格的数控车床采用斜床身和平床身斜滑板的居多,只有大型数控车床或小型精密数控车床才采用平床身,立床身采用的较少。平床身工艺性好,易于加工制造。由于刀架水平放置,对提高刀架的运动精度有好处,但排屑困难;刀架横滑板较长,加大了机床的宽度尺寸,影响外观。平床身斜滑板结构,再配置上倾斜的导轨防护罩,这样既保持了平床身工艺性好的优点,床身宽度也不会太大。斜床身和平床身斜滑板结构在现代数控车床中被广泛应用,是因为这种布局形式具有以下特点: 1) 容易实现机电一体化; 2) 机床外形整齐、美观,占地面积小; 3) 容易设置封闭式防护装置; 4) 容易排屑和安装自动排屑器; 5) 从工件上切下的炽热切屑不至于堆积在导轨上影响导轨精度; 6) 宜人性好,便于操作; 便于安装机械手,实现单机自动化。 (2) 导轨 车床的导轨可分为滑动导轨和滚动导轨两种。 滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点。但传统滑动导轨摩擦阻力大,磨损快,动、静摩擦系数差别大,低速时易产生爬行现象。目前,数控车床已不采用传统滑动导轨,而是采用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。它们具有摩擦性能良好和使用寿命长等特点。 滚动导轨的优点是摩擦系数小,动、静摩擦系数很接近,不会产生爬行现象,可以使用油脂润滑。根据滚动体的不同,滚动导轨可分为滚珠直线导轨和滚柱直线导轨。后者的承载能力和刚度都比前者高,但摩擦系数略大。 a)后斜床身-斜滑板 b)直立床身-直立滑板 c)平床身-平滑板 d)前斜床身-平滑板 e)平床身-斜滑板 图1-1 床身布局型式(3) 主轴变速系统经济型数控车床大多数是不能自动变速的,全功能数控车床的主传动系统大多采用无级变速。目前,无级变速系统主要有变频主轴系统和伺服主轴系统两种,一般采用直流或交流主轴电机,通过带传动带动主轴旋转,或通过带传动和主轴箱内的减速齿轮带动主轴旋转。由于主轴电机调速范围广,又可无级调速,使得主轴箱的结构大为简化。(4) 刀架系统 按换刀方式的不同,数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式。排式刀架一般用于小规格数控车床,以加工棒料或盘类零件为主。回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架,通过刀架的旋转分度定位来实现机床的自动换刀动作,根据加工要求可设计成四方、六方刀架或圆盘式刀架。根据刀架回转轴与安装底面的相对位置,回转刀架分为立式刀架和卧式刀架两种。排刀式刀架和回转刀架对刀具的数目有一定的限制,当需要数量较多的刀具时,应采用带刀库的自动换刀装置。(5) 进给传动系统 数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统,按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。前者定位精度低,但它结构简单、工作可靠、造价低廉;后者控制精度高、快速性能好,但它对机床的要求比较高,且造价较昂贵。闭环系统中采用的位置检测装置有:脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和激光干涉仪等。 数控车床的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机。伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机之分。前者由于具有可靠性高、造价低等特点而被广泛采用。2. 发展趋势(1) 高速、高精密化 当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展,加工精度也在不断地提高。另一方面,电主轴和直线电机的成功应用,陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的直线导轨副等机床功能部件的面市,也为机床向高速、精密发展创造了条件。 (2) 高可靠性 (3) 数控车床设计CAD化、结构设计模块化 采用CAD技术以替代人工完成繁琐的绘图工作,进行设计方案选择和大件整机的静、动态特性分析、计算、预测及优化设计,以及对整机各工作部件进行动态模拟仿真。这样大大提高了工作效率,提高设计的一次成功率,从而缩短试制周期,降低设计成本,提高市场竞争能力。 (4) 功能复合化扩大机床的使用范围、提高效率,实现一机多用、一机多能,即一台数控车床既可以实现车削功能,也可以实现铣削加工。(5) 智能化、网络化、柔性化和集成化。,第2章 320mm数控车床2.1 320mm数控车床简介该车床为水平床身结构,机床外观造型为半封闭滑动防护门结构。车床的床座采用优质铸铁整体铸造而成,不但提高了机床的整体刚性,而且具有较好的吸振性。主轴变速有两种方式,一种为手动集中变速方式,所有变速机构都集中在主轴箱内,通过数控系统对双速电机的控制,在每一个手动变速档下,可以有高、低两档自动变速。另一种为无级变速方式,由交流变频调速电机通过三角胶带直接带动主轴,在这种情况下,车床主轴采用高精度主轴专用角接触球轴承支承,并采用高速润滑脂润滑。车床的进给轴由混合式步进电机(或交流伺服电机)直接驱动滚珠丝杠副,带动溜板运动。为了提高进给轴的动态响应时间,减少摩擦和磨损,车床的移动副都采用了贴塑工艺。车床的移动导轨副和滚珠丝杠副的润滑采用手动集中润滑系统(或间歇式自动润滑系统),方便了各润滑点的润滑。该车床配置了立式四工位电动刀架,可一次装夹四把刀具,便于工件一次装夹,多工序加工。对进给轴进行开环(或半闭环)控制。该车床适用于中、小型轴类、盘套类零件的内、外圆柱面、圆锥面、圆弧面、端面和螺纹面的加工,特别适用于批量生产的加工中。2.2 机床主要技术参数和连接尺寸表2-1 机床的技术参数项目单位参数床身上最大回转直径mm320最大工件长度mm750刀架上最大回转直径mm170主轴通孔直径mm55主轴内孔锥度莫氏6号主轴头部形式A25主轴转速级数无级主轴转速范围r.p.m502500进给轴快速移动速度mm/min7000(X轴减半)进给轴驱动电机功率kw1.0进给轴最小设定单位mm0.001进给轴重复定位精度mmX轴:0.007Z轴:0.01主电机功率kw=5.5电动刀架刀具容量支4尾座套筒内孔锥度莫氏6号加工标准试件的表面粗糙度Ram1.6外形尺寸(长宽高)mm210010501500机床净重/机床总重kg1900/21002.3 机床精度的选择选择机床的精度等级应根据典型零件关键部位加工精度的要求来定。表2-2 精度项目普通型精密型单轴定位精度0.01/0.300或全长0.005/全长单轴重复定位精度0.0060.003铣圆精度0.030.040.02数控机床的其它精度与表中所列数据都有一定的对应关系。定位精度和重复定位精度综合反映了该轴各运动元部件的综合精度。尤其是重复定位精度,它反映了该控制轴在行程内任意定位点的定位稳定性。这是衡量该控制轴能否稳定可靠工作的基本指标。目前的数控系统软件功能比较丰富,一般都具有控制轴的螺距误差和累积误差可以用螺距补偿功能,能对进给传动链上各环节系统误差进行稳定的补偿。如丝杠的螺距补偿来消除。但这是一种理想的做法,实际造成这反向运动量损失的原因是,存在驱动元部件的反向死区、传动链各环节的间隙、弹性变形和接触刚度等变化因素。其中有些误差是随机误差,它们往往随着工作台的负载大小、移动距离长短、移动定位的速度改变等反映出不同的损失运动量。这不是一个固定的电气间隙补偿值所能全部补偿的。所以,即使是经过仔细的调整补偿,还是存在单轴定位重复性误差,不可能得到高的重复定位精度5。总之,力求提高每个数控坐标轴的重复定位精度是机床制造厂和用户的共同愿望。铣圆精度是综合评价数控机床有关数控轴的伺服跟随运动特性和数控系统插补功能的指标。由于数控机床具有一些特殊功能,因此在加工中等精度的典型工件时,一些大孔径、圆柱面和大圆弧面可以采用高切削性能的立铣刀铣削。测定每台机床的铣圆精度的方法是用一把精加工立铣刀铣削一个标准圆柱试件;中小型机床圆柱试件的直径一般在左右。将标准圆柱试件放到圆度仪上,测出加工圆柱的轮廓线,取其最大包络圆和最小包络圆,两者间的半径差即为其精度(一般圆轮廓曲线仅附在每台机床的精度检验单中,而机床样本只给铣圆精度允差)从机床的定位精度可估算出该机床在加工时的相应有关精度。如在单轴上移动加工两孔的孔距精度约为单轴定位精度的1.52倍(具体误差值与工艺因素密切相关)。因此,普通型加工中心可以批量加工出8级精度零件,精密型加工中心可以批量加工出67级精度零件。这些都是选择数控机床的一些基本参考因素。此外,普通型数控机床进给伺服驱动机构大都采用半闭环方式,对滚珠丝杠受温度变化造成的位置伸长无法检测,因此会影响工件的加工精度。2.4 电动机的选择选择电动机的容量时应保证电动机的额定功率、等于或稍大于工作机所需的电动机的功率,即工作机所需电动机功率为:= kW (2-1)式中 工作机所需功率。指输入工作机轴的功率kW: 有电动机至工作机的总功率: kW (2-2)式中 工作机的阻力矩Nm 工作机的转速殊 运动副效率乘积; 2.4.1 选择电动机类型按工作要求选用Y系列鼠笼型交流伺服电动机,电压380V,2.4.2 选择电动机容量各部分的传动效率:V带传动效率=0. 96;滚动轴承传动效率=0. 99;编码器传动效率=0.97;同步齿形带= 0.95;0.858 Kw2.4.3 确定电动机的转速电动机的同步转速越高,磁极对数越少,其重量越轻,外廓尺寸越小,价格越低,而转速越大,价格越高。所以根据条件,选电动机型号为Y132S一4,功率5.5 kw,转速1450r/min,最大转矩2.2Nm2.5 无级变速的主传动系统设计数控机床、重型机床和精密机床已广泛地采用直流或交流无级变速电动机,作旋转运动的主轴。从计算转速至最高转速为恒功率区,从计算转速至最低转速为恒扭矩区,恒功率变速范围比恒扭矩变速范围大2-4倍。直流并激电动机从额定转速向上至最高转速,是采用调节磁场电流的办法来调速的,属恒功率调速;从额定转速向下至最低转速,是利用调节电枢电压的方法来调速的,属于恒转矩调速。普通直流电机的,恒功率调速范围为24。恒转矩调速范围达几十甚至100以上;交流调速电机的,额定转速向上至最高转速为恒功率,范围为3-5,由额定转速至最低转速为恒转矩,调速范围达几十或超过100。如果用它们驱动做旋转运动的主轴,则由于主轴要求的恒功率调速范围远大于电动机所能提供的恒功率范围,常用串联分级变速箱的办法来扩大其恒功率调速范围变速箱的公比原则上应等于电动机的恒功率调速范围。如果为了简化变速机构,取心,则电动机的功率应取得比要求的功率大些。 通过一级带传动实现变速的主传动系统,本机床采用的就是这种传动,其优点是机构简单,安装调试方便,且在一定程序上能满足转速与转矩的输出要求,但调速范围受电机调速范围比的约束。2.6主轴组件的基本要求 与一般传动轴一样,主轴也要在一定的转速下传递一定的扭矩。但是主轴要带着工件或刀具参与切削工作,以形成工件表面。所以,一台机床的加工质量在很大程度上决定于主轴组件的质量。主轴要传递扭矩,直接承受切削力,而且还要满足通用机床、专用机床、数控机床各自不同的要求。2.6.1 旋转精度 主轴组件的旋转精度是指装配后,在无载荷、低速转动的条件下,主轴前端安装工件或刀具部位的径向跳动和轴向跳动。当主轴以工作转速旋转时,由于润滑油膜的产生和不平衡的扰动,旋转精度将有所变化。这一点对于精密、高精度机床尤为重要。 主轴组件的旋转精度主要取决于各主要件,如主轴、轴承、箱体孔等的制造、装配和调整精度。旋转精度还决定于主轴转速、支撑的设计和性能,润滑剂以及主轴组件的平衡。2.6.2 静刚度 主轴组件的静刚度反映组件抵抗静态外载荷变形的能力。主轴组件的弯曲刚度定义为:使主轴前端产生单位位移时,在位移方向测量所需施加的力,即,影响主轴组件弯曲刚度的因素很多,如主轴的尺寸和形状,滚动轴承的型号、数量、配置形式和预紧,滑动轴承的型号和油膜刚度,前后支撑间的距离和主轴前端的悬伸量,传动件的布置方式,主轴组件的制造和装配质量等。各类机床主轴组件的刚度目前尚无统一的标准。2.6.3 抗震性 主轴组件工作时产生振动会降低工件的表面质量和刀具耐用度,缩短主轴轴承寿命,还会产生噪声影响环境。 振动表现为强迫振动和自激振动两种形式。主轴组件产生自激振动,不仅严重影响加工质量,甚至使切削无法进行下去。抵抗强迫振动则要提高动刚度,动刚度是指激振力幅值与振动幅值之比。 影响抗振性的因素主要有主轴组件的静刚度、质量分布和阻尼。主轴的固有频率应远大于激振力的频率,以使它不易发生共振。目前,尚未制定出抗震性的指标,只有一些实验数据可供设计时参考。2.6.4 温升和热变形 主轴组件工作时因为各相对运动处的搅油等而发热,产生温升,从而使主轴组件的形状和位置发生变化。 主轴组件受热伸长,使轴承间隙发生变化。温升使润滑油粘度下降,降低了滑动轴承的承载。主轴箱因温升而变形,使主轴偏离正确位置。前后轴承温升不同,还会导致主轴轴线倾斜。因此,对主轴轴承的温升要做出限制,主轴轴承在高速空转、连续运转情况下的允许温升:高精度机床为8度到10度,精密机床和数控机床为15度到20度,普通机床为30度到40度。 由于受热膨胀是材料固有的性质,因此高精度机床要进一步提高加工精度,往往受热变形的限制。研究如何减少主轴组件的发热,如何控温,是高精度机床主轴组件研究的重要课题之一。2.6.5 耐磨性 主轴组件的耐磨性是指长期保持原始精度的能力,即精度保持性。对精度有影响的部位首先是轴承,其次是安装刀、夹具或工件的部位,如锥孔,定心轴颈等。此外,还有移动式主轴的工作表面如幢床主轴的外圆,坐标幢床和某些加工中心主轴的套筒外圆等。 装有滚动轴承的主轴,支撑处的耐磨性则决定于滚动轴承。如果用滑动轴承,则轴颈的耐磨性在很大程度上影响精度保持性。为了提高耐磨性,一般机床主轴的上述部分应淬硬至HRC60左右,深约1 mm。第3章 数控机床的主轴及其机械结构3.1 对主轴驱动的要求 数控机床的主轴驱动是指产生切削运动的传动,它是数控机床的重要组成部分之一。在数控机床上,主运动的最高与最低转速、转速范围、传递功率和动力特征,决定了数控车床的切削加工效率和加工工艺性能。主轴组件的回转精度、刚度、抗振性能和热变形,直接影响加工零件的尺寸,位置精度和表面质量,随着数控技术的不断发展,现代数控车床对主轴驱动提出了更高的要求。3.1.1 主传动要有宽的调速范围及尽可能实现无级变速 数控加工时切削用量的选择,特别是切削速度的选择,关系到表面加工质量和机床生产率。对于自动换刀数控机床,为适应各种工序和不同材料加工的要求,更需要主传动有宽的自动变速范围。数控机床的主轴变速是依指令自动进行的,要求能在较宽的转速范围内进行无级变速,并减少中间传递环节,以简化主轴箱和降低传动误差。 目前数控机床的主驱动系统要求在1:(1001000)范围内进行恒转矩和1: 10范围内的恒功率调速。由于主轴电机与驱动的限制,为满足数控机床低速强力切削的需要,常采用分段无级变速的方法,即在低速段采用机械减速装置,以提高输出转矩。3.1.2 功率大 要求主轴有足够的驱动功率或输出转矩,在整个速度范围内均能提供切削所需的功率或转矩,特别是在强力切削时,并且有一定的过载能力和较硬的调速机械特性,即在负载变化的情况下,电机转速波动小。3.1.3 动态响应性要好 要求主轴升降速时间短,调速时运转平稳,对有的数控机床需同时能实现正、反转切削,则要求换向时均可进行自动加减速控制,即要求主轴有四象限驱动能力。3.1.4 精度高 主要指主轴回转精度,要求主轴部件具有足够的刚度和抗振性,具有较好的热稳定性,即主轴的轴向和径向尺寸随温度变化较小,另外,要求主传动的传动链要短。3.1.5 旋转轴联动功能 要求主轴与其他直线坐标轴同时实现插补联动控制,如在车削中心上,为了使之具有螺纹车削功能,要求主轴能与进给驱动实行联动控制,即主轴具有旋转进给轴(c轴)的控制功能。3.1.6 恒线速度切削功能 为了提高工件表面质量和加工效率,有时要求数控机床能实现表面恒线速度切削,如数控机床对大直径工件端面切削时,要求主轴转速随切削端面的直径变小而变快,并以切削表面为恒线速度的规律变化。3.2 初选主轴直径 主轴直径直接影响主轴部件的刚度。直径越粗,刚度越高,但同时与它相配的轴承等零件的尺寸也越大。故设计之初,只能根据统计资料选择主轴直径。 车床、铣床、幢床、加工中心等机床因装配的需要,主轴直径常是自前往后逐步减小的。前轴颈直径大于后轴颈直径。对于车、铣床,一般。表3-1几种常见的通用机床钢质主轴前轴颈主电机功率5.57.51115卧式车床6090mm75110mm90120mm100160mm升降台铣床6090mm75100mm90110mm100120mm外圆磨床5575mm7080mm7590mm75100mm 为了提高刚度,主轴的直径应尽量大些。前轴承至主轴前端的距离应尽可能小些。为了便于装配,主轴常做成阶梯形的。主轴的结构与形状和主轴上所安装的传动件、轴承等零件的类型、数量、位置和安装方法有直接的关系。 为了便于在主轴上安装各种标准刀具或夹具,前端用双键传递扭矩。前端圆螺母用来调整刀具的轴向位置,平键用来传递扭矩。图3-1 主轴前端 主轴中孔用于通过拉杆。为了能通过更粗的棒料,车床的中孔直径希望大些,但受刚度条件的限制,孔径不宜超过外径的70% 。 多数机床主轴中心有孔,主要用来确定棒料或安装工具,主轴内孔直径在一定范围内对主轴刚度影响很小。若超出此范围则能使主轴刚度急剧下降。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:一般,0. 7对刚度影响不大,若0. 7将使刚度急剧下降。所以前轴颈95 mm,后轴颈(0.7-0. 85 )=70 mm 主轴前端悬伸量的选择: 主轴悬伸量是指主轴前支承径向作用点到主轴前端受力作用点之间的距离,无论从理论分析还是从实际测试的结果来看,主轴悬伸量a值愈小愈能提高主轴部件的刚度。因此,确定主轴悬伸量a的原则是在满足结构要求的前提下尽可能取小值。1. 主轴悬伸量与前轴径直径之比 =114mm2. 根据查表,计算前支承刚度=1700=13.85n/mm 因为后轴承直径略小于前轴承,取, 则=9.9n/mm计算综合变量= 故取弹性模量E=2 x =3. 确定最佳跨距查表之点,向上做垂线与的斜直线相交,由交点向左作平线和纵坐标轴相交,得,所以=215 mm合理跨距的范围为之间合理图3-2 普通V带3.3 传动轴直径 mm (3-1)式中 计算转速,1450输入功率(kW),=5. 5 x 0. 96=5. 28 kW允许扭转角,=1.5=650 mm 花键6x21x25x53.4 确定带轮直径查机械设计第七版,表8-3,得小带轮基准直径=125 mm大带轮直径由公式 mm3.5 普通V带的设计1. 确定计算功率查表查得工作情况系数=1.1=1.15.5=6.05 kW2. 选取普通V带带型根据、n确定选用B型。3. 初选中心矩=700 mm4. 计算带的基准长度 mm mm5. 选择带基准长度 查=1800 mm6. 实际中心矩 mm mm mm7. 小带轮包角8. 带速v 合格9. 带的挠曲次数u 合格 10. 带的根数Z (3-2)式中 包角系数 查表 -长度系数 查表 V带传动功率及其增量经查表,得, 。 取3根 3.6 同步齿形带设计1. 设计功率查表查得工作情况系数 kW2. 选取同步带带型根据, n确定选用圆弧齿5M型。3. 小带轮齿数4. 小带轮节圆直径 mm5. 带速V (合格)6. 传动比i 7. 大带轮齿数8. 大带轮节圆直径 mm9. 初定中心矩选定=500 mm10. 初定带的节线长度及其齿数mm mm选1800mm 11. 实际中心矩a mm mm 3.7 主轴的刚度计算主轴组件的刚度,可以用有限元法或传递矩阵法结合迭代借助电子计算。1. 主轴的简化及刚度计算如主轴前后轴承之间由数段组成,则当量直径 mm 如果前后轴承颈的直径相差不大,也可把前后轴承颈直径的平均值近似地作为当量直径d。 主轴的前悬伸部分较粗,刚度较高,其变形可以忽略不计。后悬伸部分不影响刚度,也可不计。如主轴前端作用一外载荷F,则挠度 (3-2)式中 外载荷; 前悬伸,等于载荷作用点至前支撑点间的距离; 跨距,等于前后支撑间的距离;弹性摸量,刚的= (MPa) ;截面惯性矩,=0. 05 ()(mm) 轴的外径和孔径(mm)将及之值代入,可得如,则孔的影响可忽略+弯曲刚度当 则 N3.8 轴的校核 1. 轴的强度校核 在主轴中,主轴承受的载荷较大,相对尺寸较小,下面仅对这根轴的强度和轴承寿命进行校核计算6。 主轴的材料为40Cr,下面就按弯扭合成强度条件 (1) 轴的受力分析 作出轴的计算简图,即力学模型,在不同转速下不同。图3-3力学模型(2) 作出受力图,弯矩图,扭矩图分别按水平面和垂直面计算各力,以及各力产生的弯矩、扭矩并根据计算结果做了弯矩图、扭矩图。图3-4水平面受力图3-5水平面剪力图3-6水平面弯矩图3-7垂直面受力图3-8垂直面弯矩图3-9扭矩 (3) 轴的强度校核A.按弯扭合成强度条件,对II轴进行强度校核,根据弯矩、扭矩图确定工一工截面水平弯矩: Nm垂直弯矩: Nm合成弯矩: Nm截面扭矩:T=16.94BN.m B.安全系数校核计算 由于该减速机轴转动,弯矩引起脉动循环的弯应力,转矩引起脉动循环的剪应力。弯曲应力幅为: MPa式中 抗弯断面系数,=0.643由机械设计手册查得,由于是对称循环弯曲应力,故平均应为力=0,根据公式 (3-3) 式中 5称循环应力时的疲劳极限,由机械设计手册表26.1-1查得 = 255 MPa ;正应力有效应力集中系数,由表26.3-5,按键槽得=1.82,按配合查得2.62,故取=1.62表面质量系数,轴经车削加工,按表26.3-8查得0.92 ;尺寸系数,由26.3 0.91;平均应力折算系数,由表26-3-13查得。剪应力幅为: MPa (3-4)式中 抗扭断面系数,由26.3-17查得根据式 45号钢扭转疲劳极限,由表26-1-1查得140 MPa ;剪应力有效应力集中系数,由表26.3-5按键槽查得1.62,按配合查得1.89,故取1.62;表面质量系数,轴经车削加工,按表26.3-8查得=0.92;尺寸系数,由表26.3-11查得 0.91;平均应力折算系数,由表26.3-13查得轴-1截面安全系数由式确定由表26.3-4可知故,该轴1-I截面是安全的。第4章 轴承选用与寿命计算4.1 轴承选用 选择滚动轴承类型时,必须了解轴承的工作载荷(大小、性质、方向)转速及其他使用要求8。 1、转速较高,载荷较小,要求旋转精度高时宜选用球轴承,转速较低,载荷较大或有冲击载荷时则选用滚动轴承。 2、轴承上同时受径向和轴向联合载荷,一般选用角接触轴承或圆锥滚子轴承,若径向载荷较大,轴向载荷小,可选用深沟球轴承,而当轴向载荷较大,径向载荷较小,可采用推力角接触球轴承,四点接触球轴承,或选用推力球轴承和深沟球轴承的组合结构。 3、各类轴承使用时内、外圈间的倾斜角应控制在允许角偏斜值之内,否则会增大轴承的附加载荷而降低寿命,当两轴承座孔不对中或由于加工、安装误差和轴挠曲变形大等原因使轴承内、外圈倾角较大时,选用调心轴承,对轴和轴承的工作情况会有一定改善,带座外球面轴承则特别适用于补偿安装不良引起的对中性误差。 4、为便于安装拆卸和调整间隙常选用内、外圈可分离的分离型轴承(如圆锥滚子轴承,四点接触球轴承、具有内锥孔的轴承或带紧定套的轴承。 5、选轴承时要注意经济性,球轴承比滚子轴承便宜。同型号尺寸公差等级为、的滚动轴承价格比约为。本次设计主轴选用角接触球轴承,他多用于高速主轴,随接触角的不同又有所区别,的轴向刚度较高,但径向刚度和允许的转速略低,用于车、铣加工中心等主轴;的转速可更高些,但轴向刚度较低,常用于轴向载荷较小,转速较高的磨床主轴或不承受轴向载荷的车、幢、铣主轴后轴承。这种球轴承为点接触,刚度较低。为了提高刚度和承载能力,常用多联组配的办法。背靠背、面对面和同向组配,为三种基本组配方式。背靠背和面对面组配都能承受双向轴向载荷;同向组配则只能承受单向轴向载荷。背靠背与面对面组配相比,支承点(接触线与轴线的交点)间的距离前者比后者大,因而,能产生一个较大的抗弯力矩,即支承刚度较大。运转时,轴承外圈的散热条件比内圈好,因此,内圈的温度将高于外圈,径向膨胀的结果将使轴承的过盈加大。轴向膨胀对背靠背组配将使过盈减小,于是,可以补偿一部分径向膨胀;而对于面对面组配,将使过盈进一步增加。面对面组配常用于丝杠轴承。4.2 轴承的寿命计算 对于具有额定动载荷C轴承,当他所受的载荷P恰好为额定动载荷时,其额定寿命就是转。但是当所受的载荷PC时,轴承的寿命是多少呢?这就是轴承寿命计算所要解决的一类问题。轴承寿命计算所要解决的另一类问题是,轴承所受的载荷等于P,而且要求轴承具有的寿命L,那么,须选用具有多大的额定动载荷的轴承?额定寿命 转式中为指数,对于球轴承用小时表示为 h额定载荷N (4-1)式中 载荷, kW 转速,预期计算寿命, 预期寿命为2年 h为指数,对于球轴承代入 h h4.3 轴承的润滑与密封 润滑的作用是减少摩擦、降低温升和防止腐蚀。润滑不良会使轴承温升剧增,加速轴承的磨损,影响主轴部件的正常工作。润滑剂的选用和润滑方式决定于轴承的类型、速度和工作负荷,良好的润滑可以降低轴承温度,延长寿命。4.3.1 主轴滚动轴承的润滑滚动轴承可以用润滑脂或润滑油来润滑。速度较低时温升较低,可用脂润滑;速度较高时用油润滑较好,一般可按轴承的速度因数来选择。1. 脂润滑润滑脂的粘度大,不易流失,因此不需要经常更换,密封也较简单。但摩擦阻力大,机械效率低,流动性差,导热系数小。因此适用于值较低的场合,特别适用于立式或套筒式主轴部件,可防止漏油。 润滑脂填充量不宜过多,尤其不能把轴承的空间填满,否则将引起过多的发热,并且有可能使油脂溶化流出,效果就适得其反。通常填充量不宜超过轴承内部空间体积的30% 。机床主轴常用的润滑脂是钾基润滑脂和精密机床主轴润滑脂。表4-1脂润滑和油润滑适用的值轴承类型脂润滑油润滑飞溅油浴润滑滴油润滑油气润滑喷射润滑深沟球轴承30000050000060000010000002500000角接触球轴承3000005000005000009000002500000圆柱滚子轴承2500040000400000
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