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機(jī)電工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
KC021-1
INSTITUTE OF TECHNOLOGY
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書
題目：帶有卸荷裝置的加工中心主傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)
二級學(xué)院（直屬學(xué)部）： 機(jī)電工程學(xué)院
專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化
班級： 05機(jī)三
學(xué)生姓名： 胥 林
學(xué)號： 05010332
指導(dǎo)教師姓名： 張海宇
職稱： 副教授
評閱教師姓名： 云 平
職稱： 講師
2009 年 6 月
摘要
本文介紹了立式加工中心的一些基本概況，簡述了機(jī)床主傳動系統(tǒng)方面的原理和類型，分析了各種傳動方案的機(jī)理。立式加工中心主傳動系統(tǒng)由主軸電動機(jī)、主軸傳動系統(tǒng)和主軸組件三部分組成。本文詳細(xì)介紹了立式加工中心主傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，該立式加工中心選用多楔帶傳動，該種傳動方式的特點(diǎn)在于它能使主傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較簡單，而且避免了齒輪傳動的振動和噪聲。文中介紹了立式加工中心主傳動系統(tǒng)各種傳動方案優(yōu)缺點(diǎn)的比較、主傳動方案的選擇和確定、主傳動變速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算、主軸組件的設(shè)計(jì)并確定主軸的卸荷裝置和結(jié)構(gòu)形式以及關(guān)鍵零件的校核等設(shè)計(jì)過程。
關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床 立式加工中心 主傳動系統(tǒng) 主軸組件 卸荷裝置
Ⅰ
Abstract
Ⅱ
Some basic concepts and the general knowledge of the vertical machining center were introduced in this paper. The principle and types of the main drive system, analysis mechanism of the transmission project are brief described. The spindle drive system of vertical machining center, including spindle drive motor, transmission and spindle subassembly. The design process of vertical machining center main drive system were introduced in detail in this paper. The vertical machining center used arc tooth timing belt drive, the species transmission features is that it enables the structure of main drive system is relatively simple, and to avoid the noise and vibration. Compared of the program merit and demerit are detailed, the program options and determines of vertical machining center spindle drive system is detailed, main gearshift system and spindle is subassembly designed in this paper.
Key Words: CNC Vertical machining center Main drive system Spindle subassembly Unloading device
Ⅲ
目 錄
第一章 緒論 …………………………………………………………………………… 1
1.1、引言 ………………………………………………………………………1
1.2、數(shù)控機(jī)床的基本概況 ………………………………………………………………1
1.3、加工中心的基本概念和分類 ………………………………………………………2
1.4、加工中心的結(jié)構(gòu)組成 ………………………………………………………………3
1.5、加工中心的發(fā)展趨勢 ………………………………………………………………3
第二章 加工中心主傳動系統(tǒng)方案的確定 …………………………………………5
2.1 加工中心主傳動系統(tǒng)簡介 ………………………………………………………5
2.2 對加工中心主傳動系統(tǒng)的要求 …………………………………………………5
2.3 主傳動的類型及方案選擇 ………………………………………………………6
2.4 主傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件 ………………………………………………………… 7
第三章 主傳動變速系統(tǒng)主要參數(shù)計(jì)算 ………………………………………… 8
3.1 計(jì)算切削功率 ………………………………………………………………… 8
3.2 計(jì)算主傳動功率 ……………………………………………………………… 8
3.3 確定電動機(jī)型號 ……………………………………………………………… 9
3.4多楔帶傳動的計(jì)算 ………………………………………………………………… 9
3.5 主軸的卸荷裝置……………………………………………………………………11
3.5.1 徑向力的卸荷………………………………………………………………12
3.5.2 軸向力的卸荷………………………………………………………………13
第四章 主軸組件設(shè)計(jì) ……………………………………………………… 14
4.1 主軸組件的設(shè)計(jì)要求和步驟 ………………………………………………… 14
4.1.1 主軸組件的設(shè)計(jì)要求 ………………………………………………… 14
4.1.2 主軸組件的設(shè)計(jì)步驟 ………………………………………………… 15
4.2主軸的設(shè)計(jì)要求 ……………………………………………………………… 15
4.2.1 主軸的主要尺寸參數(shù) ………………………………………………… 16
4.2.2 主軸軸端結(jié)構(gòu) ………………………………………………………… 16
4.2.3 主軸的材料和熱處理 ………………………………………………… 16
4.2.4 主軸主要精度指標(biāo) …………………………………………………… 17
4.3 主軸滾動軸承 ………………………………………………………………… 17
4.3.1 滾動軸承類型 ………………………………………………………… 17
4.3.2 主軸軸承配置與調(diào)整 ………………………………………………… 17
4.4主軸組件的設(shè)計(jì)計(jì)算 ………………………………………………………… 19
4.4.1 初選主軸直徑 ………………………………………………………… 19
4.4.2 主軸懸伸量的確定 …………………………………………………… 19
4.4.3 主軸最佳跨距的選擇 ………………………………………………… 19
4.5 主軸組件的校核計(jì)算 ………………………………………………………… 20
4.5.1 主軸組件的剛度計(jì)算 ………………………………………………… 20
4.5.2 主軸組件的強(qiáng)度計(jì)算 ………………………………………………… 21
4.5.3 軸承的校核計(jì)算 ……………………………………………………… 23
4.5.4 鍵的校核計(jì)算 ………………………………………………………… 25
4.6 主軸內(nèi)部刀具自動夾緊機(jī)構(gòu)及切屑清除裝置 ……………………………… 26
4.7 主軸組件的潤滑與密封 ……………………………………………………… 26
4.8 提高主軸組件性能的措施 …………………………………………………… 27
結(jié)論 ………………………………………………………………………………… 29
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………… 30
致謝…………………………………………………………………………………… 31
Ⅳ
第一章 緒 論
1.1、引言
畢業(yè)設(shè)計(jì)是對我們大學(xué)四年期間所學(xué)知識的一次綜合運(yùn)用過程，是對大學(xué)四年所學(xué)知識的一次總結(jié)，是一次較全面的設(shè)計(jì)訓(xùn)練，是理論聯(lián)系實(shí)際的重要實(shí)踐性環(huán)節(jié)，是我們在理論學(xué)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)踐基礎(chǔ)上邁向工程設(shè)計(jì)的一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在這一學(xué)習(xí)過程中，培養(yǎng)了我們運(yùn)用所學(xué)知識解決問題的能力，提高了我們對產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)把握的能力。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，可以培養(yǎng)和提高我們綜合運(yùn)用所學(xué)機(jī)械方面的課程和其它以前所學(xué)的各科基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識、結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際去分析和解決工程實(shí)際問題的能力；可以學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)的一般程序，熟悉和掌握通用機(jī)械零件、機(jī)床傳動系統(tǒng)和簡單機(jī)械的設(shè)計(jì)方法和步驟，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維能力和增強(qiáng)獨(dú)立、全面、科學(xué)的工程設(shè)計(jì)能力；可以完成機(jī)械設(shè)計(jì)基本技能的訓(xùn)練，學(xué)會使用各種設(shè)計(jì)資料（標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊、圖冊等）、經(jīng)驗(yàn)估算、數(shù)據(jù)處理及編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題是設(shè)計(jì)一個帶有卸荷裝置的立式加工中心的主傳動系統(tǒng)。參考TH5640立式加工中心，初步了解到該型號立式加工中心主傳動系統(tǒng)采用多楔帶傳動，從主軸電動機(jī)經(jīng)一級帶傳動傳遞給主軸。在本文中，詳細(xì)介紹了立式加工中心主傳動系統(tǒng)傳動方案的選擇設(shè)計(jì)、電動機(jī)選型及功率的計(jì)算、多楔帶傳動的計(jì)算、各種零件的設(shè)計(jì)并確定主軸的卸荷裝置和結(jié)構(gòu)形式及關(guān)鍵零件的校核等設(shè)計(jì)過程。
1.2、數(shù)控機(jī)床的基本概況
數(shù)控（numerical control,NC）機(jī)床，顧名思義，是一類由數(shù)字程序?qū)崿F(xiàn)控制的機(jī)床。與人工操作的普通機(jī)床相比，它具有適應(yīng)范圍廣、自動化程度高、柔性強(qiáng)、操作者勞動強(qiáng)度低、易于組成自動生產(chǎn)系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)[2]。數(shù)控機(jī)床也就是一種裝了程序控制系統(tǒng)的機(jī)床，該系統(tǒng)能邏輯處理具有使用號碼或其他符號編碼指令規(guī)定的程序[8]。
1952年，美國PARSON公司與麻省理工學(xué)院（MIT）合作，研制出世界上第一臺數(shù)控機(jī)床。從此機(jī)床行業(yè)，乃至整個制造業(yè)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了一個新的發(fā)展階段。在機(jī)床行業(yè)，由于采用了數(shù)控技術(shù)，許多過去在普通機(jī)床上無法完成的工藝內(nèi)容得以完成，大量普通機(jī)床為數(shù)控機(jī)床所代替，這就極大地促進(jìn)了機(jī)床行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)發(fā)展。對于整個制造業(yè)，由于大量引用數(shù)控機(jī)床，使得產(chǎn)品質(zhì)量大幅度提高，新產(chǎn)品開發(fā)周期明顯縮短，滿足了廣大消費(fèi)者求新和追求個性化的要求，從而形成了制造業(yè)與市場相互促進(jìn)的發(fā)展趨勢。一段時期內(nèi)機(jī)床行業(yè)在技術(shù)發(fā)展上曾被視為“夕陽工業(yè)”，如今再度受到全世界的高度重視。在這一歷史轉(zhuǎn)變中，數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展功不可沒。此外，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，還帶動了眾多相關(guān)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的發(fā)展。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)越來越合理，其性能、精度和效率日趨提高，更新?lián)Q代頻繁，生產(chǎn)類型由大批大量生產(chǎn)向多品種小批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)化。因此，對機(jī)械產(chǎn)品的加工相應(yīng)地提出了高精度、高柔性與高度自動化的要求。在機(jī)床行業(yè)，由于采用了數(shù)控技術(shù)，許多過去在普通機(jī)床上無法完成的工藝內(nèi)容得以完成，大量普通機(jī)床為數(shù)控機(jī)床所代替，這就極大地促進(jìn)了機(jī)床行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)發(fā)展。目前數(shù)控機(jī)床已經(jīng)遍布軍工、航空航天、汽車、造船、機(jī)車車輛、機(jī)床、建筑、通用機(jī)械、紡織、輕工、電子等幾乎所有制造行業(yè)[2]。
綜上所述，數(shù)控機(jī)床在促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高人類生存質(zhì)量和創(chuàng)造新的就業(yè)機(jī)會等方面，起著非常重要的作用。
數(shù)控機(jī)床是一種高效能自動加工機(jī)床，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床具有如下一些優(yōu)點(diǎn)：
易于加工異型復(fù)雜零件；提高生產(chǎn)率；可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，多機(jī)看管；可以大大減少專用工裝卡具，并有利于提高刀具使用壽命；提高零件的加工精度，易于保證加工質(zhì)量，一致性好；工件加工周期短，效率高；可以大大減少在制品的數(shù)量；可以大大減輕工人勞動強(qiáng)度，減少所需工人數(shù)量等。
一般來說，數(shù)控機(jī)床可分為數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心、車削中心幾類[2]。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是針對立式加工中心主傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)，故以下介紹一些加工中心的應(yīng)用和發(fā)展情況。
1.3、加工中心的基本概念和分類
（1）加工中心的基本概念 在數(shù)控銑床的基礎(chǔ)上，如果再配以刀具庫和自動換刀系統(tǒng)，就構(gòu)成加工中心[2]。加工中心的特點(diǎn)是它的刀具庫能存放幾十把甚至更多的刀具，由程序控制換刀機(jī)構(gòu)自動調(diào)用與更換，這樣就可以在沒有人工干預(yù)的情況下，一次完成很多工藝內(nèi)容。加工中心是一種備有刀庫并能自動更換刀具對工件進(jìn)行許多工序加工的數(shù)控機(jī)床。在加工中心上，工件經(jīng)一次裝夾后，數(shù)控系統(tǒng)能控制機(jī)床按不同工序自動選擇和更換刀具，自動改變機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、刀具相對工件的運(yùn)動軌跡及其他輔助功能，依次完成工件一個或幾個面上多工序的加工。加工中心能集中完成多種工序，因而可減少工件裝夾、測量和機(jī)床的調(diào)整時間，減少工件周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)和存放時間，使機(jī)床的切削利用率（切削時間和開放時間之比）可達(dá)80%以上，高于普通機(jī)床3-4倍。尤其是在加工形狀比較復(fù)雜，精度要求較高、品種更換頻繁的零件時，加工中心更體現(xiàn)出良好的加工效果。所以說，加工中心不僅提高了工件的加工精度，而且是數(shù)控機(jī)床中生產(chǎn)率和自動化程度最高的綜合性機(jī)床。加工中心最先是在鏜銑類機(jī)床上發(fā)展起來的，可稱為鏜銑加工中心，習(xí)慣上簡稱為加工中心[3]。
（2）加工中心的分類 按照加工中心的形態(tài)不同進(jìn)行分類，可分為立式、臥式和五坐標(biāo)加工中心[1]。
1） 立式加工中心 立式加工中心的主軸軸心線為垂直狀態(tài)配置，結(jié)構(gòu)形式多為固定立柱式，工作臺為長方形，適合加工小型板類、盤類、殼體類零件。立式加工中心結(jié)構(gòu)簡單，占地面積小，價格底，配備各種附件后，可進(jìn)行大部分工件的加工。
2） 臥式加工中心 臥式加工中心的主軸軸心線為水平狀態(tài)配置，通常都帶有可進(jìn)行分度回轉(zhuǎn)運(yùn)動的工作臺，適合加工箱體類零件。它與立式加工中心相比，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占地面積大、質(zhì)量大、價格亦高。
3） 五坐標(biāo)加工中心 五坐標(biāo)加工中心兼具立式和臥式加工中心的功能，工件一次裝夾后能完成除安裝面外的所有側(cè)面和頂面等五個面的加工，因此也叫五面加工中心。常見的五坐標(biāo)加工中心有兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是主軸可以90°旋轉(zhuǎn)，另一種是工作臺可以90°旋轉(zhuǎn)。
1.4、加工中心的結(jié)構(gòu)組成
1958年美國的卡尼——特富克公司在一臺數(shù)控鏜銑床上增加了自動換刀裝置，第一臺加工中心問世。隨后，出現(xiàn)了各種類型的加工中心，有立式加工中心、臥式加工中心、五坐標(biāo)加工中心等。雖然加工中心的外型結(jié)構(gòu)不盡相同，但從總體上看，加工中心基本上由以下幾部分組成：基礎(chǔ)部件、主軸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、自動換刀裝置、輔助系統(tǒng)、自動托盤更換系統(tǒng)等[3]。
（1）基礎(chǔ)部件 由床身、立柱和工作臺等大件組成，是加工中心的基礎(chǔ)構(gòu)件，它們可以是鑄鐵件，也可以是焊接鋼結(jié)構(gòu)件，均要承受加工中心的靜載荷以及在加工時的切削載荷。故必須是剛度很高的部件，亦是加工中心質(zhì)量和體積最大的部件。
（2）主軸組件 它是主軸箱、主軸電機(jī)、主軸和主軸軸承等零件組成。其啟動、停止和轉(zhuǎn)動等動作均由數(shù)控系統(tǒng)控制，并通過裝在主軸上的刀具參與切削運(yùn)動，是切削加工的功率輸出部件。主軸是加工中心的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)優(yōu)劣對加工中心的性能有很大的影響。
（3）控制系統(tǒng) 單臺加工中心的數(shù)控部分是由CNC裝置、可編程序控制器、伺服驅(qū)動裝置以及電機(jī)等部分組成。它們是加工中心執(zhí)行順序控制動作和完成加工過程中的控制中心。
（4）伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)的作用是把來自數(shù)控裝置的信號轉(zhuǎn)換為機(jī)床移動部件的運(yùn)動，其性能是決定機(jī)床的加工精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率的主要因素之一。加工中心普遍采用半閉環(huán)、閉環(huán)和混合環(huán)三種控制方式。
（5）自動換刀裝置 它由刀庫、機(jī)械手和驅(qū)動機(jī)構(gòu)等部件組成。
（6）輔助系統(tǒng) 包括潤滑、冷卻、排屑、防護(hù)、液壓和隨機(jī)檢測系統(tǒng)等部分。輔助系統(tǒng)雖不直接參與切削運(yùn)動，但對加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起到保障作用，因此，也是加工中心不可缺少的部分。
（7）自動托盤更換系統(tǒng) 有的加工中心為進(jìn)一步縮短非切削時間，配有兩個自動交換工件托盤，一個安裝在工作臺上進(jìn)行加工，另一個則位于工作臺外進(jìn)行裝卸工件。當(dāng)完成一個托盤上的工件加工后，便自動交換托盤，進(jìn)行新零件的加工，這樣可減少輔助時間，提高加工工效。
1.5、加工中心的發(fā)展趨勢
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品的形狀和結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，對零件加工質(zhì)量的要求也越來越高。隨著社會對產(chǎn)品多樣化需求的增強(qiáng)，產(chǎn)品品種增多，產(chǎn)品更新?lián)Q代加速。這使得數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)中得到更廣泛的應(yīng)用，并不斷地發(fā)展。尤其是隨著柔性制造系統(tǒng)的迅猛發(fā)展和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的興起和不斷成熟，對機(jī)床CNC系統(tǒng)提出更高的要求?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床（加工中心）正在向更高速度、更高精度、更加高度自動化、更高可靠性及更完善的方向發(fā)展[20]。
（1）高速度 加工中心向高速度發(fā)展的主要目的是提高生產(chǎn)率，主要措施是提高主軸轉(zhuǎn)速、提高進(jìn)給速度和縮短輔助時間等。
1）提高主軸轉(zhuǎn)速 近些年來，加工中心的主軸轉(zhuǎn)速普遍提高。中、小型加工中心的主軸最高轉(zhuǎn)速大部分提高到5000-6000r/min,有的加工中心已達(dá)到40000r/min。為此，在主軸軸承的材料、結(jié)構(gòu)、潤滑方式，主軸組件的結(jié)構(gòu)，電機(jī)的冷卻防振措施等方面都進(jìn)行了大量工作。例如某些高速加工中心主軸采用了陶瓷流動體軸承，潤滑方式采用了油氣潤滑以及主軸系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格的動平衡等。
2）提高進(jìn)給速度 一般的加工中心，進(jìn)給速度可達(dá)1-2m/min,快速移動速度已達(dá)33m/min，逐步靠近50m/min。為了實(shí)現(xiàn)高速，數(shù)控裝置可進(jìn)行快速處理。例如采用數(shù)控高速轉(zhuǎn)換器，將數(shù)據(jù)快速傳遞；采用32位的計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置等。在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面也相應(yīng)地采取了措施，例如采用大導(dǎo)程滾珠絲杠和滾動導(dǎo)軌等。驅(qū)動元件采用交流伺服電機(jī)也有利于提高伺服進(jìn)給的速度。
3）縮短輔助時間 縮短輔助時間包括縮短換刀時間、刀具移近或離開工件的時間及工件裝卸時間等?，F(xiàn)在許多小型加工中心的換刀時間達(dá)到1-2s,有的已縮短到0.5s?？煲扑俣扔钟兴岣?，以縮短刀具移近或離開工件的時間。
（2）高精度 在工廠的一般情況下，加工中心的加工精度可達(dá)IT7級，經(jīng)過努力可以達(dá)到IT6級。鏜孔加工時，如提高主軸主件的剛度和精度，其加工孔徑公差可達(dá)IT4級。提高加工中心加工精度的主要措施是提高編程時的圓弧插補(bǔ)精度、機(jī)床定位精度和精度補(bǔ)償技術(shù)。世界許多國家都在進(jìn)行機(jī)床運(yùn)動和負(fù)載變形誤差以及機(jī)床熱誤差的軟件補(bǔ)償技術(shù)的研究，有的可消除此類誤差的60%。
高精度加工中心，目前已達(dá)到坐標(biāo)鏜床的精度水平。所采用的數(shù)控系統(tǒng)，其最小設(shè)定單位（分辨率）可達(dá)0.1μm。這類高精度加工中心，必須在恒溫、恒濕的環(huán)境中工作。
（3）高度自動化 為了進(jìn)一步提高自動化程度，加工中心的硬件和軟件采取了許多改進(jìn)措施。例如采用對話系統(tǒng)，可使操作方便、操作時間短、檢驗(yàn)及時以及差錯率低。在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床上，裝有各種類型監(jiān)控、檢測裝置，實(shí)現(xiàn)了工件的自動檢測和刀具的監(jiān)控，從而提高了數(shù)控機(jī)床的自動化程度，保證了數(shù)控機(jī)床長時間工作時的產(chǎn)品質(zhì)量。
（4）可靠性的提高 由于現(xiàn)代機(jī)床、加工中心CNC系統(tǒng)的模塊化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化，便于組織批量生產(chǎn)，故可保證產(chǎn)品質(zhì)量。現(xiàn)代CNC系統(tǒng)大量采用大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路，采用專用芯片或混合式集成電路，提高了集成度，減少了元器件數(shù)量，降低了功耗，提高了可靠性。
（5）采用自動程序編制技術(shù) 現(xiàn)代機(jī)床CNC系統(tǒng)利用其自身很強(qiáng)的存儲及運(yùn)算能力，把很多自動編程功能植入CNC系統(tǒng)。在一些新型的CNC系統(tǒng)中，還裝入了小型工藝數(shù)據(jù)庫，使得CNC系統(tǒng)不僅具有在線零件程序編制功能，而且可以在零件程序編制過程中，根據(jù)機(jī)床性能、工件材料及零件加工要求，自動選擇最佳刀具及切削用量。有的CNC系統(tǒng)還具有自適應(yīng)控制功能。
第二章 加工中心主傳動系統(tǒng)方案的確定
2.1加工中心主傳動系統(tǒng)簡介
加工中心主傳動系統(tǒng)是由主軸電動機(jī)、主軸傳動系統(tǒng)以及主軸組件組成[1]。它是加工中心的主要組成部分。和常規(guī)機(jī)床主軸系統(tǒng)相比，加工中心主軸系統(tǒng)具有更高的轉(zhuǎn)速、更高的回轉(zhuǎn)精度以及更高的結(jié)構(gòu)剛性和抗振性。
2.2對加工中心主傳動系統(tǒng)的要求
由于加工中心具有更高的加工效率，更寬的使用范圍，更高的加工精度[1]，因此，它的主軸系統(tǒng)必須滿足如下要求。
（1）調(diào)速功能[15] 為了適應(yīng)不同工序、各種工件材料及刀具等各切削工藝要求，主軸必須具有一定的調(diào)速范圍并實(shí)現(xiàn)無級變速，以保證加工時選用合理的切削用量，從而獲得最佳切削效率、加工精度和表面質(zhì)量。調(diào)速范圍的指標(biāo)主要由各種加工工藝對主軸最低速度和最高速度的要求來確定。目前加工中心主軸基本實(shí)現(xiàn)無級變速。
（2）精度和剛度要求 具有較高的精度與剛度，傳動平穩(wěn)，噪聲低。加工中心加工精度與主軸系統(tǒng)精度密切相關(guān)。主軸部件的精度包括旋轉(zhuǎn)精度和運(yùn)動精度。旋轉(zhuǎn)精度指裝配好后，在無載荷和低速轉(zhuǎn)動條件下，主軸前端工作部位的徑向和軸向跳動值。主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度取決于部件中各個零件的幾何精度、裝配精度和調(diào)整精度。運(yùn)動精度指主軸在工作狀態(tài)下的旋轉(zhuǎn)精度，這個精度通常和靜止或低速狀態(tài)的旋轉(zhuǎn)精度有較大的差別，它表現(xiàn)在工作時主軸中心位置的不斷變化，即主軸軸心漂移。運(yùn)動狀態(tài)下的旋轉(zhuǎn)精度取決于主軸的工作速度、軸承性能和主軸部件的平衡。
靜態(tài)剛度反映了主軸部件或零件抵抗靜態(tài)外載的能力。加工中心多采用抗彎剛度作為衡量主軸部件剛度的指標(biāo)。影響主軸部件彎曲剛度的因素很多，如主軸的尺寸形狀，主軸軸承的類型、數(shù)量、配置形式、預(yù)緊情況、支承跨距、主軸前端的懸伸量等。
（3）動態(tài)響應(yīng)性能 要求升降速時間短，調(diào)速時運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。對有的機(jī)床需同時能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)切削，則要求換向時均可進(jìn)行自動加減速控制。
（4）抗振性和熱穩(wěn)定性要求 加工中心在加工時，由于斷續(xù)切削、加工余量大且不均勻、運(yùn)動部件速度高且不平衡，以及切削過程中的自振等原因引起的沖擊力和交變力的干擾，會使主軸產(chǎn)生振動，影響加工精度和表面粗糙度，嚴(yán)重時甚至破壞刀具和主軸系統(tǒng)中的零件。主軸系統(tǒng)的發(fā)熱使其中所有零部件產(chǎn)生熱變形，破壞相對位置精度和運(yùn)動精度，造成加工誤差。為此，主軸組件要有較高的固有頻率，保持合適的配合間隙并進(jìn)行循環(huán)潤滑等。
（5）具有刀具的自動夾緊功能 加工中心突出的特點(diǎn)是自動換刀功能。為保證加工過程的連續(xù)實(shí)施，加工中心主軸系統(tǒng)與其他主軸系統(tǒng)相比，必須具有刀具自動夾緊功能。
（6）功率要求 要求主軸具有足夠的驅(qū)動功率或輸出轉(zhuǎn)矩，能在整個速度范圍內(nèi)提供切削所需功率和轉(zhuǎn)矩，以滿足機(jī)床強(qiáng)力切削時的要求。
（7）主軸定位功能要求 主軸準(zhǔn)停功能又稱主軸定位功能（Spindle Specified Position Stop）。即當(dāng)主軸停止時，控制主軸停在固定的位置，這是自動換刀所必需的功能。在自動換刀的數(shù)控鏜銑加工中心上，切削轉(zhuǎn)矩通常是通過刀桿的端面鍵來傳遞的，這就要求主軸具有準(zhǔn)確定位于圓周上特定角度的功能。此外，在通過前臂小孔鏜內(nèi)壁的同軸大孔，或進(jìn)行反倒角等加工時，要求主軸實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)停，使刀尖停在一個固定的方位上（或在X軸方向上，或在Y軸方向上），以便主軸偏移一定尺寸后大刀刃能通過前臂小孔進(jìn)入箱體內(nèi)對大孔進(jìn)行鏜削。
2.3主傳動的類型及方案選擇
加工中心主傳動系統(tǒng)主要有以下四種形式。
（1）二級齒輪變速傳動 低速主軸通過采用齒輪變速機(jī)構(gòu)或同步帶傳動降速，增大輸出轉(zhuǎn)矩，以滿足主軸輸出轉(zhuǎn)矩特性的要求。該種主軸電動機(jī)經(jīng)過二級齒輪變速，使主軸獲得低速和高速兩種轉(zhuǎn)速系列，這是大中型加工中心機(jī)床采用較多的一種配置方式。這種分段無級變速，確保低速時的大轉(zhuǎn)矩，滿足機(jī)床內(nèi)轉(zhuǎn)矩特性的要求。滑移齒輪常用液壓撥叉或電磁離合器來改變其位置。
（2）定比傳動 該種傳動方式經(jīng)定比傳動傳遞給主軸，定比傳動采用齒輪傳動或帶傳動。帶傳動主要用于小型機(jī)床上，可以避免齒輪傳動的噪聲與振動。它適用于高速、低轉(zhuǎn)矩特性要求的主軸。常用的是V帶和同步齒形帶。本次設(shè)計(jì)的立式加工中心的主傳動系統(tǒng)即采用同步齒形帶，具體選擇原理及方案將在后文詳述。
（3）由主軸電動機(jī)直接驅(qū)動 該種傳動方式的電動機(jī)軸與主軸用聯(lián)軸器同軸連接。這種方式大大簡化了主軸結(jié)構(gòu)，有效地提高主軸剛度。但主軸輸出轉(zhuǎn)矩小，電動機(jī)的發(fā)熱對主軸精度影響大。
（4）內(nèi)裝電動機(jī)主軸 高速主軸要求在極短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)升降速，在指定位置快速準(zhǔn)停，這就要求主軸具有很高的角加減速度。通過齒輪或傳動帶這些中間環(huán)節(jié)，常常會引起較大振動和較大噪聲，而且增加了轉(zhuǎn)動慣量。為此將主軸電動機(jī)與主軸合而為一，制成電主軸，即主軸與電動機(jī)轉(zhuǎn)子合為一體。電動機(jī)的軸就是主軸本身，而電動機(jī)的定子被拼入在主軸內(nèi)。實(shí)現(xiàn)無中間環(huán)節(jié)的直接傳動，是主軸高速單元的理想結(jié)構(gòu)。電主軸是最近幾年在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域出現(xiàn)的將機(jī)床主軸與主軸電機(jī)融為一體的新技術(shù)，它與直線電機(jī)技術(shù)、高速刀具技術(shù)一起，將把高速加工推向一個新時代。電主軸是一套組件，它包括電主軸本身及其附件：電主軸、高頻變頻裝置、油霧潤滑器、冷卻裝置、內(nèi)置編碼器、換刀裝置等。電主軸所融合的技術(shù)有以下幾個方面[1]。
① 高速軸承技術(shù) 電主軸通常采用復(fù)合陶瓷軸承，耐磨耐熱，壽命是傳統(tǒng)軸承的幾倍；有時也采用電磁懸浮軸承，或靜壓軸承，內(nèi)外圈不接觸，理論上壽命無限長。
② 高速電機(jī)技術(shù) 電主軸是電機(jī)與主軸融合在一起的產(chǎn)物，電機(jī)的轉(zhuǎn)子即為主軸的旋轉(zhuǎn)部分，理論上可以把電主軸看作一臺高速電機(jī)，其關(guān)鍵技術(shù)是高速度下的動平衡。
③ 潤滑 電主軸的潤滑一般采用定時定量油氣潤滑；也可以采用脂潤滑，但相應(yīng)的速度要受到影響。所謂定時，就是每隔一定的時間間隔注一次油，所謂定量，就是通過一個叫做定量閥的器件，精確地控制每次潤滑油的注油量。而油氣潤滑，指的是潤滑油在壓縮空氣的攜帶下，被吹入陶瓷軸承。油量控制很重要，太少，起不到潤滑作用；太多，在軸承高速旋轉(zhuǎn)時會因油的阻力而發(fā)熱。
④ 冷卻裝置 為了盡快給高速運(yùn)行的電主軸散熱，通常對電主軸的外壁通以循環(huán)冷卻劑，冷卻裝置的作用是保持冷卻劑的溫度。
⑤ 內(nèi)置脈沖編碼器 為了實(shí)現(xiàn)自動換刀及剛性攻絲，電主軸內(nèi)置一脈沖編碼器，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的相位控制以及與進(jìn)給的配合。
⑥ 自動換刀裝置 為了適用于加工中心，電主軸配備了能進(jìn)行自動換刀的裝置，包括碟形簧、拉刀油缸。
⑦ 高速刀具的裝卡方式 常用的BT、ISO刀具，已不適合于高速加工。這種情況下出現(xiàn)了HSK、SKI等高速刀柄。
⑧ 高速變頻裝置 要實(shí)現(xiàn)電主軸每分鐘幾萬甚至十幾萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，必須用高頻變頻裝置來驅(qū)動電主軸的內(nèi)置高速電機(jī)，變頻器的輸出頻率甚至需要達(dá)到幾千赫茲。
由于取消了主軸齒輪箱的傳動與電動機(jī)的連接，因而主軸組件結(jié)構(gòu)更緊湊、質(zhì)量小、慣量小，可提高啟動、停止的響應(yīng)特性，并利于控制振動和噪聲。缺點(diǎn)同樣是熱變形問題，即電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量易使主軸產(chǎn)生熱變形。因此，溫度控制和冷卻是使用內(nèi)裝電動機(jī)主軸的關(guān)鍵問題。例如日本研制的某立式加工中心主軸組件，其內(nèi)裝電動機(jī)主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)20000r/min。
目前高速主軸已商品化，如瑞士IBAG主軸制造廠生產(chǎn)的主軸單元，其轉(zhuǎn)速可達(dá)到12000～14000 r/min，直徑范圍33～300mm，功率范圍125～80kW，轉(zhuǎn)矩范圍0.02～300N·m。美國Precise公司研制的SC40/120主軸，最高主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到120000 r/min。
本次設(shè)計(jì)的立式加工中心主軸的轉(zhuǎn)速范圍為20～6000 r/min，主軸電動機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)型交流調(diào)速主軸電動機(jī)，傳動采用多楔帶實(shí)現(xiàn)。這種傳動方式多用于數(shù)控車床和中、小型加工中心，可避免齒輪傳動時引起的振動和噪聲。多楔帶傳動功率大，空間相同時多楔帶比普通V帶的傳動功率約高30%；帶體薄，富有柔軟性，比較能適應(yīng)帶輪直徑小的傳動；適應(yīng)高速傳動，帶速可達(dá)40m/s，使用伸長小，發(fā)熱小，振動小，運(yùn)轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)。因此在加工中心中得到了優(yōu)先選用[1][5]。其傳動裝置簡圖如圖2-1所示。
2.4主傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件
切削性能參考值（工件材料45）：面銑時，刀具直徑100mm，刀齒數(shù)5，切削深度4mm，切削寬度70mm，主軸轉(zhuǎn)速1500rpm，進(jìn)給速度600mm/min；鉆孔時，刀具直徑（高速鋼）30mm，主軸轉(zhuǎn)速400rpm，進(jìn)給速率100mm/min；采用多楔帶傳動；主軸錐度ISO40。
圖2-1 傳動裝置簡圖
第三章 主傳動變速系統(tǒng)主要參數(shù)計(jì)算
3.1計(jì)算切削功率[10]
由《金屬切削手冊》P4-112例3，對面銑這種典型加工情況。
平均切削厚度
=
=0.063mm
金屬切削率 mm3/min
由圖4-17查得，單位切削功率在kW/（mm3/min）?？紤]到工件材料強(qiáng)度不高，取kW/（mm3/min），則：
切削功率 kW
又由《金屬切削手冊》P4-112例2，對鉆孔這種典型加工情況。
每分進(jìn)給量 mm/r
平均切削厚度 mm
金屬切削率 mm3/min
由圖4-17查得，單位切削功率在 kW/（mm3/min）范圍內(nèi)，綜合工件材料分析，取 kW/（mm3/min），則：
切削功率
kW
綜上，可取切削功率kW。
3.2計(jì)算主傳動功率
機(jī)床主傳動系統(tǒng)的參數(shù)有動力參數(shù)和運(yùn)動參數(shù)。動力參數(shù)是指主運(yùn)動驅(qū)動電機(jī)的功率，運(yùn)動參數(shù)是指主運(yùn)動的變速范圍。
（1）主傳動功率 機(jī)床主傳動的功率P可根據(jù)切削功率PC與主運(yùn)動傳動鏈的總效率η來確定[1]
加工中心的加工范圍一般比較大，切削功率PC可根據(jù)有代表性的加工情況，由其主切削抗力Fz按下式來確定
（kW）
式中 Fz——主切削力的切向分力，N；
v——切削速度，m/min；
M——切削轉(zhuǎn)矩，N·cm；
n——主軸轉(zhuǎn)速，r/min。
加工中心主傳動的總效率一般可取為η=0.70～0.85,加工中心的主傳動多用調(diào)速電機(jī)和有限的機(jī)械變速傳動來實(shí)現(xiàn)，傳動鏈較短，因此，效率可取較大值。
主傳動中各傳動件的尺寸都是根據(jù)其傳動功率確定的，如果傳動功率定得過大，將使傳動件的尺寸粗大而造成浪費(fèi)，電動機(jī)常在低負(fù)載下工作，功率因數(shù)很小而浪費(fèi)資源。如果功率定得過小，將限制機(jī)床的切削加工性能而降低生產(chǎn)率。因此，要較準(zhǔn)確合適地選用傳動功率。由于加工情況多變，切削用量變化范圍較大，加之對傳動系統(tǒng)因摩擦等因素消耗的功率也難于掌握，因此，單純用計(jì)算的方法來確定功率尚有困難，通常要用類比、測試、理論計(jì)算等幾種方法相互比較來確定。
這里按較高的傳動效率取值，取η=0.83，則：
主傳動功率 kW 取kW
（2）主運(yùn)動的調(diào)速范圍 由《帶有卸荷裝置的加工中心主傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明書》可知，所設(shè)計(jì)立式加工中心主軸的變速范圍在20r/min～6000r/min。
3.3確定電動機(jī)型號[10]
根據(jù)《現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》（下冊），選擇主軸電動機(jī)。這里選擇FANUC-S系列標(biāo)準(zhǔn)型交流主軸電動機(jī)。型號為6S型，連續(xù)負(fù)載5.5kW，短時負(fù)載30min，7.5kW，額定轉(zhuǎn)速1500r/min，最大轉(zhuǎn)速6000r/min，輸出力矩35.0N·m，慣性矩0.086。
3.4多楔帶傳動的計(jì)算
參照《機(jī)械傳動裝置設(shè)計(jì)手冊》8.2，多楔帶設(shè)計(jì)舉例以及《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》上關(guān)于帶傳動的設(shè)計(jì)計(jì)算介紹，并由前述能知以下已知條件：電動機(jī)功率P=5.5kW，轉(zhuǎn)速n1=1500r/min，從動輪n2=1500r/min，傳動比，二班制工作，中心距可調(diào)。
（1）確定設(shè)計(jì)功率[7] 由銑床、二班制工作等條件查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》表13-1-58，取工況系數(shù)KA=1.4，則：
設(shè)計(jì)功率 kW
（2）選定帶型和節(jié)距 根據(jù)Pd=7.7kW，n1=1500r/min，由《機(jī)械傳動裝置設(shè)計(jì)手冊》圖8-21選取PL型多楔帶。
（3）小帶輪有效直徑 由表8-90得，因?yàn)?初選
大帶輪有效直徑
（4）計(jì)算帶速
所以合適。
（5）初定中心距
根據(jù)即238680
所以初選=250mm
（6）帶的有效長度
由表8-52，選擇
（7）計(jì)算中心距 中心距可調(diào)，則實(shí)際中心距為：
（8）小帶輪包角
所以
（9）帶每楔所傳遞的額定功率及其增量
由帶型，，，按表8-55插值法計(jì)算得：
由于i=1，所以
（10）帶的楔數(shù)
由公式Z=（其中為包角修正系數(shù)；為帶長修正系數(shù)）
由表8-56，得，
所以
由表8-51，選取Z=6
（11）有效圓周力計(jì)算
（12）作用于軸上的力
（帶與帶輪楔合系數(shù)，見表8-58）
取得，=1.50=835.98N
（13）帶輪的結(jié)構(gòu)和尺寸
綜上所選的多楔帶為 6PL1030
由表8-51查得，槽距e=4.7，槽角a=，有效線差
3.5 主軸的卸荷裝置
隨著科技的發(fā)展，加工中心主軸的轉(zhuǎn)速越來越高，這種趨勢必然會去主軸的精度和剛度提出了更高的要求。主軸在告訴旋轉(zhuǎn)的過程中，由于動力輸入源存在徑向力（如：帶拉力）作用在主軸后端：動力源與主軸安裝不同心使主軸產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力變形，使主軸回轉(zhuǎn)綜合精度收到影響。同樣主軸再松刀過程中會受到很大的軸向力的影響，這種影響會導(dǎo)致主軸運(yùn)動精度及主軸使用壽命。在通常情況下，采用卸荷裝置來減小上述因素對主軸的影響，能收到很好的效果。本設(shè)計(jì)就是采用卸荷裝置，是主軸所受到的徑向載荷和軸向載荷轉(zhuǎn)移到床身上以達(dá)到加工精度的要求。
圖3-1 卸荷裝置圖
1-多楔帶輪 2-卸荷傳動軸 3-拉桿 4-螺釘 5-碟形彈簧 6-角接觸球軸承 7-內(nèi)隔套 8-支架 9-外隔套 10-墊片
3.5.1 徑向力的卸荷
隨著加工零件精度的不斷提高，對高速回轉(zhuǎn)主軸的綜合回轉(zhuǎn)精度提出了越來越高的要求，如一些高速大功率高精度的加工中心的回轉(zhuǎn)主軸轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到20000r/min,甚至更高，綜合回轉(zhuǎn)的精度要求小于4m,甚至0.5m,要達(dá)到如此高的主軸轉(zhuǎn)速和主軸回轉(zhuǎn)精度，除了提高主軸自身的回轉(zhuǎn)精度外，同時也采用卸荷裝置來減少主軸后端的徑向作用力。本設(shè)計(jì)由于動力源即多楔帶帶傳動過程中會產(chǎn)生張力，張力會作用在主軸的后端上，但主軸加工精度的要求是不允許主軸后端承受徑向作用力的，所以我們采用卸荷裝置消除這一影響。如圖3-1所示：
圖3-2 卸荷傳動軸
電動機(jī)動力通過多楔帶傳遞給卸荷傳動軸，多楔帶在傳遞動力的過程中會產(chǎn)生一定的張力，這就使得傳動軸的后端產(chǎn)生徑向載荷，為了消除徑向載荷的影響我們做了一個卸荷傳動軸，就是把主軸做成兩段，后端我們叫他卸荷傳動軸，如圖3-2所示。帶的張力傳遞到卸荷傳動軸2上，卸荷傳動軸2通過螺釘4固定在拉桿套上，所以徑向載荷傳遞到拉桿套上，拉桿套與傳動軸固定在軸承座上，因?yàn)槲覀冞x用的是角接觸球軸承，四個一組， 背對背安裝，角接觸球軸承是可以承受徑向載荷的，所以一部分的載荷通過軸承6傳遞到外隔套9上，外隔套9是和支架8一起連接在箱體上的，也就是說徑向載荷大部分傳遞到了主軸箱體上面去了，達(dá)到卸掉主軸徑向載荷的作用，又因?yàn)橹鬏S和卸荷傳動軸做成了兩段，沒完全卸載掉的載荷也不會對主軸的精度產(chǎn)生影響，保證了主軸的旋轉(zhuǎn)精度。
3.5.2 軸向力的卸荷
一般的加工中心在松刀過程中，主軸軸承要承受很大的軸向力，大約15-20KN，當(dāng)氣缸得到主軸松刀信號時，氣缸左腔通入壓縮空氣，活塞推桿向右運(yùn)動，與拉桿3左端面接觸后，拉桿3受壓向右運(yùn)動，拉桿3通過拉桿套和墊片，壓縮碟形彈簧5，碟形彈簧5將受到的作用力通過墊片10傳遞到主軸上，主軸受到此向右的軸向力后有向右運(yùn)動的趨勢，主軸前端背對背安裝的4個一組的角接觸球軸承必須限制這種趨勢，因此主軸軸承要承受主軸傳來的向右的軸向力，當(dāng)汽缸活塞運(yùn)動到最右端時，此時夾刀的彈簧卡爪應(yīng)經(jīng)松開拉釘，刀具已松開，碟形彈簧變形量最大，反作用力也最大，將達(dá)到大約15-20KN，這就是主軸軸承受到的軸向力，如此大的軸向力會對主軸軸承的旋轉(zhuǎn)精度、性能、使用壽命帶來很大的影響。為了解決上述問題，我們把加工中心的主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成如圖3-1所示。
當(dāng)氣缸得到主軸松刀信號時，氣缸左腔通入壓縮空氣，活塞推桿向右運(yùn)動，與拉桿3左端面接觸后，拉桿3受壓向右運(yùn)動，松刀過程的初始階段主軸軸承會承受一點(diǎn)軸向力，但此時碟形彈簧的壓縮量很小，所以主軸受到的力對主軸的影響非常小。隨著彈簧壓縮量的增大，卸荷傳動軸的作用就得到了體現(xiàn)，拉桿3和拉桿套通過螺釘4固定在卸荷傳動軸上，卸荷傳動軸把受到的載荷通過角接觸球軸承把受到的軸向載荷通過外隔套軸承座轉(zhuǎn)移到了箱體上。最終傳遞到主軸軸承的上的軸向載荷很小，主軸軸承完全可以卸載掉，不會影響主軸軸承的壽命和旋轉(zhuǎn)精度。
第四章 主軸組件設(shè)計(jì)
主軸組件是機(jī)床的重要部件之一，它是機(jī)床的執(zhí)行件。它的功用是支承并帶動工件或刀具旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切削，承受切削力和驅(qū)動力等載荷，完成表面成形運(yùn)動。主軸組件由主軸及其支承和安裝在主軸上的傳動件、密封件等組成。由于數(shù)控機(jī)床的轉(zhuǎn)速高，功率大，并且在加工過程中不進(jìn)行人工調(diào)整，因此要求良好的回轉(zhuǎn)精度、結(jié)構(gòu)剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性及精度的保持性。對于自動換刀的數(shù)控機(jī)床，為了實(shí)現(xiàn)刀具在主軸上的自動裝卸和夾持，還必須有刀具的自動夾緊裝置、主軸準(zhǔn)停裝置和切屑清除裝置等機(jī)構(gòu)。
主軸組件的工作性能對整機(jī)性能和加工質(zhì)量以及機(jī)床生產(chǎn)率有著直接影響，是決定機(jī)床性能和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的重要因素。因此，對主軸組件有較高的要求[14]。
4.1主軸組件的設(shè)計(jì)要求和步驟
加工中心主軸組件應(yīng)有更高的動、靜剛度和抵抗熱變形的能力。它的性能，對整機(jī)性能有很大的影響。主軸直接承受切削力，轉(zhuǎn)速范圍又很大，所以對主軸組件的主要性能提出如下要求。主軸組件主要包括主軸、主軸支承（軸承）、安裝在主軸上的傳動件、密封件、刀具自動卡緊機(jī)構(gòu)等組成。
4.1.1主軸組件的設(shè)計(jì)要求
主軸組件應(yīng)達(dá)到以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)基本要求[1]。
（1）回轉(zhuǎn)精度 指機(jī)床在空載低速旋轉(zhuǎn)時（機(jī)動或手動），主軸前端安裝工件或刀具部位的徑向和軸向跳動值滿足要求（其值可參見有關(guān)機(jī)床精度標(biāo)準(zhǔn)）。目的是保證加工中心零件的幾何精度和表面粗糙度。當(dāng)主軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動時，線速度為零的點(diǎn)的連線稱為主軸的回轉(zhuǎn)中心線?；剞D(zhuǎn)中心線的空間位置 ，在理想的情況下應(yīng)是固定不變的。實(shí)際上，由于主軸組件中各種因素的影響，回轉(zhuǎn)中心線的空間位置每一瞬間都是變化的，這些瞬時回轉(zhuǎn)中心線的平均空間位置稱為理想回轉(zhuǎn)中心線。瞬時回轉(zhuǎn)中心線相對于理想回轉(zhuǎn)中心線在空間的位置距離，就是主軸的回轉(zhuǎn)誤差，而回轉(zhuǎn)誤差的范圍，就是主軸的回轉(zhuǎn)精度。純徑向跳動，而軸向誤差和角度誤差同時存在時，構(gòu)成徑向跳動，而軸向誤差和角度誤差同時存在構(gòu)成端面跳動。由于主軸的回轉(zhuǎn)誤差一般都是一個空間旋轉(zhuǎn)矢量，它并不是在所有的情況下都表示為被加工工件所得到的加工形狀。
主軸回轉(zhuǎn)精度的測量，一般分為三種：靜態(tài)測量、動態(tài)測量和間接測量。目前我國在生產(chǎn)中沿用傳統(tǒng)的靜態(tài)測量法，用一個精密的檢測棒插入主軸錐孔中，使千分表觸頭觸及檢測棒圓柱表面，以低速轉(zhuǎn)動主軸進(jìn)行測量。千分表最大讀數(shù)和最小讀數(shù)的差值即為主軸的徑向回轉(zhuǎn)誤差。端面誤差一般以包括主軸所在平面內(nèi)的直角坐標(biāo)系的垂直度數(shù)據(jù)綜合表示。動態(tài)測量是用一標(biāo)準(zhǔn)球裝在主軸中心線上，與主軸同時旋轉(zhuǎn)；在工作臺上安裝兩個互成90°角的非接觸傳感器，通過儀器記錄回轉(zhuǎn)情況。間接測量是采用小切削量加工有色金屬試件，然后在圓度儀上測量試件的圓度來評價。出廠時，普通級加工中心的回轉(zhuǎn)精度用靜態(tài)測量法測量，當(dāng)L=300mm時允許誤差應(yīng)小于0.02mm。造成主軸回轉(zhuǎn)誤差的主要原因是由于主軸的結(jié)構(gòu)及其加工精度、主軸軸承的選用及剛度等，而主軸及其回轉(zhuǎn)零件的不平衡，在回轉(zhuǎn)時引起的激振力，也會造成主軸的回轉(zhuǎn)誤差。因此加工中心的主軸不平衡量一般要控制在0.4mm/s的范圍內(nèi)。
（2）剛度 主軸組件的剛度是指主軸組件在外力（例如切削力）的作用下，仍能保持一定工作精度的能力。通常以主軸前端產(chǎn)生單位位移時，在位移方向上所施加的作用力大小來表示。在主軸前端部加一作用力F，若主軸端的位移量為y，則主軸組件的剛度值
（N/μm）
主軸組件的剛度越大，主軸受力的變形就越小。主軸組件的剛度不足，在切削力及其他力的作用下，主軸將產(chǎn)生較大的彈性變形，不僅影響工件的加工質(zhì)量，還容易引起振動，惡化傳動件和軸承的工作條件，使其加快磨損，降低精度。主軸部件的剛度與主軸尺寸、支承跨距、所選用的軸承類型及配置形式、軸承間隙的調(diào)整、主軸上傳動元件的位置等有關(guān)。設(shè)計(jì)時應(yīng)在其他條件允許的條件下，盡量提高剛度值。
（3）抗振性 指主軸組件在切削過程中抵抗強(qiáng)迫振動和自激振動保持平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的能力。抗振性直接影響加工表面質(zhì)量和生產(chǎn)率的提高，使刀具耐用度下降。提高主軸抗振性必須提高主軸組件的靜剛度，采用較大阻尼比的前軸承，以及在必要時安裝阻尼（消振）器。另外，使主軸的固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激振力的頻率。
（4）溫升和熱變形 主軸組件在運(yùn)轉(zhuǎn)中，溫升會引起兩方面的不良結(jié)果：一是主軸組件和箱體因熱膨脹而變形，主軸的回轉(zhuǎn)中心線和機(jī)床其他件的相對位置會發(fā)生變化，直接影響加工精度；其次溫升會改變軸承等元件的間隙，破壞潤滑條件，加速磨損甚至抱軸，影響軸承的正常工作。加工中心在解決溫升問題時，一般采用恒溫主軸箱。
（5）耐磨性 指長期保持其原始精度的能力。主要影響因素是材料熱處理、軸承類型和潤滑方式。主軸組件必須有足夠的耐磨性，以便能長期保持精度。主軸上易磨損的地方刀具或工件的安裝部位以及移動式主軸的工作部位。為了提高耐磨性，主軸的上述部位應(yīng)該淬硬，或者經(jīng)過氮化處理，以提高其硬度增加其耐磨性。主軸軸承也需有良好的潤滑，提高其耐磨性。
4.1.2主軸組件的設(shè)計(jì)步驟
（1）調(diào)研 根據(jù)設(shè)計(jì)要求調(diào)查機(jī)床廠現(xiàn)行同類型機(jī)床的主軸系統(tǒng)情況。查閱、收集和分析國內(nèi)外有關(guān)技術(shù)資料。尤其注意新技術(shù)的應(yīng)用情況。
（2）在調(diào)研的基礎(chǔ)上，考慮設(shè)計(jì)要求及給定的設(shè)計(jì)條件，確定主軸軸承類型及配置方式，合理布置傳動件。
（3）確定主軸軸徑，選擇主軸端部形狀并初步確定支承跨距。然后在考慮各組件的定位、工藝性等要求的基礎(chǔ)上定出主軸全部結(jié)構(gòu)尺寸。
（4）進(jìn)行主軸剛度驗(yàn)算。如果轉(zhuǎn)速較高，還應(yīng)進(jìn)行主軸臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)算。
（5）選定主軸材料、熱處理及技術(shù)要求。
（6）繪制工作圖。
4.2主軸的設(shè)計(jì)要求
主軸是主軸組件的重要組成部分。它的結(jié)構(gòu)尺寸和形狀、制造精度、材料及其熱處理，對主軸組件的工作性能有很大的影響。同時，主軸結(jié)構(gòu)要保證各零件定位可靠、工藝性好等要求。
4.2.1主軸的主要尺寸參數(shù)
主軸的主要尺寸參數(shù)包括主軸直徑、內(nèi)孔直徑、懸伸長度和支承跨距。評價和考慮主軸的主要尺寸參數(shù)的依據(jù)是其主軸的剛度、結(jié)構(gòu)工藝性和主軸組件的工藝適用范圍。
（1）主軸直徑 主軸直徑越大，其剛度越高，但使得軸承和軸上其他零件的尺寸相應(yīng)增大。軸承的直徑越大，同等級精度軸承的公差值也越大，要保證主軸的旋轉(zhuǎn)精度就越困難。同時極限轉(zhuǎn)速下降。主軸前支承軸頸的直徑可根據(jù)主電動機(jī)功率初步選擇。主軸后端支承軸頸的直徑可以是0.7～0.8倍的前支承軸頸值，實(shí)際尺寸要在主軸組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時確定。前、后軸頸的差值越小則主軸的剛度越高，工藝性也越好。
（2）主軸內(nèi)孔直徑 主軸的內(nèi)孔直徑用于通過刀具夾緊裝置固定刀具、傳動氣動或液壓卡盤等。主軸的孔徑與主軸直徑之比，小于0.3時空心主軸的剛度幾乎與實(shí)心主軸的剛度相當(dāng)；等于0.5時空心主軸的剛度為實(shí)心主軸剛度的90%；大于0.7時空心主軸的剛度就急劇下降，一般可取其比值為0.5左右。
（3）前懸伸a 主軸前支承點(diǎn)至主軸前端的距離a稱為主軸的前懸伸。主軸的前懸伸長度與主軸前端結(jié)構(gòu)的形狀尺寸，前軸承的類型、組合方式和軸承的潤滑與密封有關(guān)。主軸的前懸伸長度對主軸的剛度影響很大。主軸前懸伸長度越短，其剛度越高。因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，應(yīng)盡量縮短懸伸量a。
（4）主軸的支撐跨距l(xiāng) 主軸前支撐點(diǎn)至主軸后支承點(diǎn)之間的距離稱為跨距l(xiāng)，主軸組件的支撐跨距對主軸本身剛度和對支承剛度有著很大的影響?？缇鄉(xiāng)對綜合剛度K的影響不是單向的。如l較大，則主軸變形較大；如l較小，則軸承的變形對主軸前端的位移影響較大。所以，l有一個最佳值，l太大或太小，都會降低綜合剛度。
4.2.2主軸軸端結(jié)構(gòu)
加工中心主軸的軸端用于安裝夾具和刀具。要求夾具和刀具在軸端定位精度高、定位剛度好、裝卸方便，同時使主軸的懸伸長度短。短錐法蘭結(jié)構(gòu)有很高的定位精度，主軸的懸伸長度短，大大提高了主軸的剛度。本次設(shè)計(jì)的立式加工中心主軸前端結(jié)構(gòu)即有錐孔，用于插入銑刀錐柄或刀桿尾錐時定位，再由拉桿從主軸后端拉緊防止切削時銑刀和主軸之間有相對松動。這里裝夾BT40刀柄、刀桿。主軸端面上有四個螺孔和兩個端面長鍵，螺孔用來固定銑刀，端面鍵既可傳遞刀具的扭矩，又可用于刀具的周向定位。
4.2.3主軸的材料和熱處理
評價和考慮主軸主要尺寸參數(shù)的依據(jù)是主軸的剛度、結(jié)構(gòu)工藝性和主軸組件的工藝適用范圍。主軸材料的選擇主要根據(jù)剛度、載荷特點(diǎn)、耐磨性、熱處理變形大小等因素確定。主軸的剛度與材料的彈性模量E有關(guān)，鋼的E值較大（E=2.1×107 N/cm2左右），所以主軸材料首先考慮鋼料。值得注意的是鋼的彈性模量E的數(shù)值與鋼的種類和熱處理方式無關(guān)，即不論是普通鋼或合金鋼，其彈性模量基本相同。因此在選擇鋼料時應(yīng)首先選用價格便宜的中碳鋼（如45鋼），只有在載荷特別重和有較大的沖擊時，或者精密機(jī)床主軸需要減小熱處理后的變形時，或者軸向移動的主軸需要保證其耐磨性時，才考慮選用合金鋼。這里主軸選用45鋼。
由于這里主軸軸承選用滾動軸承，軸頸可以不淬硬，但為了提高接觸剛度，防止敲碰損傷軸頸的配合表面，不少45鋼主軸軸頸仍進(jìn)行高頻淬火（48～54HRC）。
4.2.4主軸主要精度指標(biāo)
主軸的精度直接到主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度。主軸、軸承、齒輪等零件相連接處的表面幾何形狀誤差和表面粗糙度，關(guān)系到接觸剛度。零件接觸表面形狀愈準(zhǔn)確，表面粗糙度愈小，則受力后的接觸變形愈小，亦即接觸剛度愈高。因此，對主軸設(shè)計(jì)必須提出一定的技術(shù)要求，它主要包括主軸各配合表面的尺寸公差、形狀公差、表面粗糙度、表面硬度等內(nèi)容，并應(yīng)在主軸零件圖上標(biāo)注準(zhǔn)確、合理。
（1）前支承軸承軸頸的同軸度約為5μm左右。
（2）軸承軸頸需按軸承內(nèi)孔“實(shí)際尺寸”配磨，且需保證配合過盈1～5μm。
（3）錐孔與軸承軸頸的同軸度為3～5μm，與錐面的接觸面積不小于80%，且大端接觸較好。
4.3主軸滾動軸承
主軸軸承是主軸組件的重要組成部分，它的類型、結(jié)構(gòu)、配置、精度、安裝、調(diào)整、潤滑和冷卻都直接影響了主