【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 圖 主軸端部結(jié)構(gòu) 主軸端部結(jié)構(gòu)常用有三種形式 —— A 型、 C 型和 D 型 [2]，擬定主軸 選擇 A 型端面結(jié)構(gòu)， 根據(jù) GB/T —— 1997和 GB/—— 1997， A型有可以細(xì)分 1A 和 2A 。 A型主軸端部結(jié)構(gòu)主要用于臥式車床和一些精度較高的機(jī)床主軸，依靠主軸前端的短錐面進(jìn)行定位，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛度好。 車銑復(fù)合加工中心的車主軸端部選擇 2A 型，如圖 26 所示，XXX 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 8 具體型號(hào)將根據(jù)之后具體數(shù)據(jù)的計(jì)算進(jìn)行確定。 圖 26 車主軸的端面結(jié)構(gòu)示意圖 主軸的支承方式 主軸在切削工件時(shí)，除了有自重，還受到軸向、徑向的切削力作用，而且在高速的狀態(tài)下工作，所以使用合理的軸承配置形式構(gòu)造最優(yōu)的支承方式就顯得格外重要。在設(shè)計(jì)支承方式時(shí)要著重考慮降低主軸的軸向竄動(dòng)、徑向跳動(dòng)和角度擺動(dòng)對(duì)車銑復(fù)合加工中心的精度影響，同時(shí)，在切削過(guò)程中由于高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致主軸受熱膨脹以致將軸承卡死，這樣的狀況也將在設(shè)計(jì)過(guò)程中得以解決。目前的支承方式主要由三大典型的配置：速度型 、剛度型和速度剛度型。 （ 1） 速度型的主軸支承 該方案如圖 27 所示，前支承采用的是三聯(lián)角接觸球軸承，三個(gè) 60186。角接觸球軸承中左邊兩個(gè)采用背向布置，相對(duì)于面向布置，它的壓力中心間距離更大，可以使支承剛度更大。后支承采用的是雙聯(lián)角接觸球軸承，能夠承受徑向和軸向的力。適合運(yùn)用在高切削速度、較高負(fù)載和高精度場(chǎng)合的機(jī)床。 圖 27 速度型的主軸部件支承 （ 2）剛度型的主軸部件支承 如圖 28 所示，該方案的前支承采用的是雙向角接觸球軸承和雙列圓柱滾子軸承的配合使用，后支承是一個(gè)雙列圓柱滾子軸承。圓柱滾子軸承的滾動(dòng) 體是先接觸形式，磨損相對(duì)較小，可以承受更高的徑向負(fù)載。軸向負(fù)載可以由前支承的雙向角接觸球軸承進(jìn)行平衡。這種方案具有很高的剛度，使用壽命相對(duì)較長(zhǎng)，適合對(duì)剛度、承載能力和精度要求較高的機(jī)床。 XXX 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 9 圖 28 剛度型的主軸部件支承 （ 3） 速度剛度型的主軸支承 如圖 29 所 示，方案的前支承是三 個(gè) 角接觸球軸承，后支承采用雙列圓柱滾子軸承。其中 兩個(gè)角接觸球軸承呈大口朝外的配置，可以承受較大的軸向力，還有一個(gè)與其他兩個(gè)背向布置，可以得到很大的支承跨距，有利于提高抵抗主軸的顛覆力矩的能力 和結(jié)構(gòu)剛度 。 圖 29 速度剛度型 主軸部件支承 （ 4） 主軸支承方案的分析比較與確定 根據(jù)對(duì)上述的三種支承方案的分析，速度型的支承方式可以滿足主軸的高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的工作性能，但是在主軸受熱膨脹時(shí)會(huì)導(dǎo)致軸承卡死，而且角接觸球軸承的滾子以點(diǎn)接觸，磨損嚴(yán)重，使用壽命較短。剛度型支承方案可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床的較大承載能力，但是其運(yùn)轉(zhuǎn)速度受到限制。結(jié)合前兩種方案的速度剛度型具有良好的綜合性能，能夠在較高承載的情況下，實(shí)現(xiàn)高速加工。綜上所述，本設(shè)計(jì)車銑復(fù)合加工中心的支承方式采用速度剛度型的支承方案。 主軸的準(zhǔn)停與鎖緊裝置 車銑復(fù)合加工中心可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)車削與銑 削，當(dāng)對(duì)一個(gè)工件進(jìn)行銑削時(shí)，車主軸要求能夠在制定的角度停車，并且能夠鎖緊以提供在切削加工過(guò)程中的反切削力。所以在主軸的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要考慮到準(zhǔn)定與鎖緊裝置。 主軸的準(zhǔn)停 目前的主要有兩種形式的主軸準(zhǔn)停裝置 —— 機(jī)械式準(zhǔn)停和電氣式準(zhǔn)停。 在早期的數(shù)控機(jī)床上主要使用機(jī)械式的準(zhǔn)停裝置，機(jī)械式利用光電盤或者凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行粗定位，而精定位是通過(guò)液動(dòng)的定位銷插入主軸的定位銷槽實(shí)現(xiàn)的。 然而，電氣式準(zhǔn)停成為當(dāng)今機(jī)床準(zhǔn)停方式的主要方向。具體分類，電氣式準(zhǔn)停又可分為兩類，一種是傳感器定位，主軸上裝有發(fā)磁體，在主軸徑向 1 至 2 毫米的位置處有一個(gè)磁性傳感器，控制系統(tǒng)可以檢測(cè)到傳感器的信號(hào)，控制主軸在調(diào)整好的位置上。另一種是編碼器定位，如圖 210 所示，編碼器和主軸通過(guò)同步帶實(shí)現(xiàn) 1:1 的同步轉(zhuǎn)動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)XXX 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 10 主軸在任意角度準(zhǔn)停。 圖 210 編碼器 結(jié)合車銑復(fù)合加工中心的切削性能要求，編碼器準(zhǔn)停方式更為復(fù)合設(shè)計(jì)要求。 主軸的鎖緊 車銑復(fù)合加工中心車削主軸，不僅需要為車削傳遞動(dòng)力，而且需要根據(jù)實(shí)際加工具體要實(shí)現(xiàn)定角度主軸準(zhǔn)停，但是在車銑復(fù)合加工中心主軸準(zhǔn)停時(shí)會(huì)受到銑削主軸的切削力，從而導(dǎo)致主軸會(huì)發(fā)生角位移，使得工件加工工件失 去原先要加工的位置，最終工件報(bào)廢。為此，主軸的鎖緊裝置可以在主軸位置準(zhǔn)停好之后將主軸鎖緊，然后再對(duì)工件進(jìn)行銑削和鉆削工序，達(dá)到加工工藝要求。 本設(shè)計(jì)選定主軸后支承附近采用主軸鎖緊裝置，如圖 211 所示，圖中 1 為主軸 ， 2 為制動(dòng)盤， 11 為液壓缸， 10 為活塞， 9 為彈簧， 6 為液壓油路， 7,8 為壓盤。通過(guò)控制液壓缸使得活塞同時(shí)向制動(dòng)盤移動(dòng)直至壓緊，可以實(shí)現(xiàn)主軸鎖緊。 圖 211 鎖緊裝置示意圖 XXX 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 11 主軸的潤(rùn)滑與密封裝置 車銑復(fù)合加工中心在切削時(shí)，主軸處于較高的轉(zhuǎn)速狀態(tài)，會(huì)使的主軸部件（尤其主軸軸承） 加快磨損和熱變形，以致主軸運(yùn)動(dòng)的精度嚴(yán)重下降，加工的工件的質(zhì)量難以達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。而且，在車銑復(fù)合加工中心的外部，會(huì)有雜質(zhì)進(jìn)入主軸部件內(nèi)部，也會(huì)加大零部件的磨損。因此，在主軸的設(shè)計(jì)中，關(guān)于主軸潤(rùn)滑和密封的裝置設(shè)計(jì)是必不可少的。 主軸的潤(rùn)滑 主軸潤(rùn)滑會(huì)減少主軸運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的摩擦、帶走熱量，降低主軸的磨損和熱變形程度。目前，主軸的潤(rùn)滑形式主要利用循環(huán)潤(rùn)滑系統(tǒng)，具體有兩種形式：油氣潤(rùn)滑方式和噴注潤(rùn)滑方式 [3]。油氣潤(rùn)滑就是在一定時(shí)間間隔給主軸潤(rùn)滑系統(tǒng)添加一定量的油霧。而噴注潤(rùn)滑則是用恒溫大流量潤(rùn)滑油對(duì)主軸軸 承進(jìn)行潤(rùn)滑，同時(shí)對(duì)主軸有冷卻的功能，降低主軸的熱變形，挺高主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的精度。 主軸的密封 主軸系統(tǒng)為了運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，降低組件的磨損，往往會(huì)使用潤(rùn)滑油以及油脂。然而，為了防止?jié)櫥土魇Ш屯饨珉s物（包括切削液、灰塵和切削等）進(jìn)入主軸系統(tǒng)中，需要為主軸設(shè)計(jì)出相應(yīng)的密封裝置。 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要綜合考慮主軸的轉(zhuǎn)速、零件空間布局、密封方向和經(jīng)濟(jì)性。密封方式分為靜密封和動(dòng)密封，因?yàn)橹鬏S在運(yùn)轉(zhuǎn)工作是處于運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，因此，主要考慮動(dòng)密封的方式。 動(dòng)密封主要由兩種 —— 接觸式和非接觸式 [3]。在主軸的高速工作時(shí)，非接觸式的密封方式更為合理，而在非接觸式的密封方式包括迷宮式、離心式、螺旋式、浮環(huán)式、全閉式和磁流式。在以上的密封方式中，迷宮式的密封方式主要用于旋轉(zhuǎn)軸上的潤(rùn)滑油的密封，它與其他的密封（氈封和橡膠圈密封）相比，在主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不易磨損，對(duì)主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)不產(chǎn)生影響。迷宮密封的機(jī)構(gòu)有三種形式，如圖 212 所示。但在一般情況下會(huì)聯(lián)合使用迷宮溝槽或者與其他的密封方式聯(lián)合配置，會(huì)達(dá)到更好的密封效果， 圖 212 迷宮密封的結(jié)構(gòu)種類 XXX 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 12 主軸的材料選擇與熱處理 主軸的機(jī)械 性能，包括其強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，往往決定于主軸的材料選擇和熱處理方式。主軸要求具有較好的剛度，在主軸部件的連接處還要有足夠的硬度抵抗零件對(duì)其的磨損，而且主軸切削時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，所以要求主軸能夠抗熱變形。上述的這些性質(zhì)要求，必須再設(shè)計(jì)主軸結(jié)構(gòu)時(shí)選擇好符合要求的材料和熱處理方式。 主軸的材料 車銑復(fù)合加工中心具有較高的加工精度，這對(duì)主軸的剛度要求比較苛刻，而主軸的剛度則取決于使用材料的性能，彈性模量可以很好的描述材料的剛性。因此，要選擇彈性模量大的材料制造主軸，鋼材作為首選材料，鋼材之間的彈性模量 差別不大。常用的鋼材有優(yōu)質(zhì)合金鋼，其中 45 號(hào)鋼最為典型，對(duì)于精度要求較高的主軸可以考慮合金結(jié)構(gòu)鋼（比如 40Cr）。結(jié)合本設(shè)計(jì)的技術(shù)要求選擇 40Cr 作為車銑復(fù)合加工中的主軸材料。 主軸的熱處理 車銑復(fù)合加工中心的主軸在工作運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，要承受工件重量與主軸的自重，在支承端要有較高的接觸強(qiáng)度和耐磨性。為了提高工件的定位精度，對(duì)于軸端面的定位表面要求表面質(zhì)量高和硬度大。于是可以對(duì)主軸進(jìn)行局部熱處理，本設(shè)計(jì)在上述的材料選擇部分已經(jīng)說(shuō)明，采用 40Cr 作為主軸材料。合金結(jié)構(gòu)鋼可以經(jīng)過(guò)化學(xué)熱處理，比如滲碳處理和滲氮 處 理 。 XXX 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 13 3 電機(jī)的計(jì)算與選型 機(jī)床切削需要穩(wěn)定的動(dòng)力源，動(dòng)力源的性能好壞將直接影響機(jī)床的整體性能。車銑復(fù)合加工中心主軸對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)速度以及穩(wěn)定扭矩有著較高的要求，而且所選的動(dòng)力源要利于控制，實(shí)現(xiàn)根據(jù)不同加工精度要求提供相應(yīng)的轉(zhuǎn)速和扭矩。電機(jī)作為動(dòng)力源，有利于主軸的控制，且動(dòng)力平穩(wěn)，已經(jīng)成為機(jī)床的主流動(dòng)力源。為了選擇合適的電機(jī)，需要對(duì)車銑復(fù)合加工中心的主傳動(dòng)功率進(jìn)行估算，并且由此為根據(jù)選擇合適的電機(jī)型號(hào)。以下逐步進(jìn)行計(jì)算與電機(jī)選型。 主傳動(dòng)的功率估算 為了估算主傳動(dòng)的功率，可以采用假設(shè)車銑復(fù)合加工中心進(jìn)行重 切 [4]時(shí)，計(jì)算機(jī)床所能提供的最大扭矩 ,現(xiàn)作如表 31 所示的參數(shù)設(shè)定： 表 31 切削參數(shù) 工件材料 45 號(hào)鋼 工件直徑 mm250 刀具材料 硬質(zhì)合金刀具 刀具參數(shù) ??75rK 切削用量 背吃刀量 mm5ap ? 進(jìn)給量 r/ ? 切削速度 r/mim250vc ? 首先對(duì)車銑復(fù)合加工中心進(jìn)行重切時(shí)的切削力計(jì)算。工件切削時(shí)，由于刀具與工件的相互作用的作用力可以在三個(gè)正交方向上分解，即主切削力、背向力和進(jìn)給力。如圖31 所示。 圖 31 切削力分解示意圖 XXX 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 14 圖所示的切削力分解可以用數(shù)學(xué)關(guān)系式表達(dá)成如下： 2p22c FFFF f ??? 式 () 式中 cF —— 主切削力 (N)； fF —— 進(jìn)給力 (N)； pF —— 背向力 (N)。 車銑復(fù)合加工中心在切削加工時(shí)所消耗的功率 eP (W)可以細(xì)分為兩部分組成 —— 切削功率 cP (W)和進(jìn)給功率 fP (W)。具體公式可以表示為： 3e 10 ?????? nfFvFPPP fccfc 式 () 式中 cv —— 切削速度 (m/s)； n —— 主軸轉(zhuǎn)速； f —— 進(jìn)給量。 但是在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，相比于切削功率，進(jìn)給功率只占到總消耗功率的（ 1%~2%），而本部分為選擇合適的電機(jī)進(jìn)行的估算。所以，切削過(guò)程消耗的功率可以理想化為只有工作功率。接下來(lái)將以主切削力為出發(fā)點(diǎn)，求解近似的電機(jī)最低功率。主切削力可以利用切削層單位面積的切削力來(lái)計(jì)算，計(jì)算公式為 cc FpcFDcc fKakKAkF ?? 式 () 式中 ck —— 切削層單位面積切削力； cFK—— 切削條件修正系數(shù)。 相關(guān)參數(shù)可以從切削用量手冊(cè)查找，表 32 為硬質(zhì)合金刀具切削常用金屬的單位切削力。 表 32 硬質(zhì)合金刀具切削常用金屬的單位切削力相關(guān)系數(shù) [5] 工件材料 單位切削力 /(N/mm178。) 實(shí)驗(yàn)條件 名稱 牌號(hào) 熱處理狀態(tài) 硬度/HBS 刀具 幾何參數(shù) 切削用量范圍 鋼材 45 正火或熱軋 187 1962（ 200） ???075150???srK?? 前刀面帶卷屑槽 01??b smvrmmfmmacp/~/~5~1??? 調(diào)質(zhì) 229 2305（ 235） ?20~01?????b 40Cr 正火或熱軋 212 1962(200) 01??b 條件 285 2305（ 235） ?20~01?????b 灰口鑄鐵 HT200 退火 170 1118（ 114） 01??b平前刀面為卷木屑槽 smv rmmfmmacp/~/~10~2??? XXX 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 15 查的切削 條件修正系數(shù)為 ，單位切削力為 196，將設(shè)定的參數(shù)代入式 (33)可得 主切削力為： NF c 4 1 9 6 2 ????? 由此可進(jìn)一步求得切削功率： 33 ?? ??? ??? ccce vFPP 主傳動(dòng)的效率 ? 為 80%， 主傳動(dòng)的功率估算為： kwPP e 18%80 ??? ? 確定電機(jī) 電機(jī)選型 圖 32 西門子交流伺服電機(jī)型號(hào)相關(guān)參數(shù) XXX 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 16 交流電動(dòng)機(jī)，特別三相異步電機(jī)被廣泛地用來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作，它作為動(dòng)力源提供切削力，主要起到轉(zhuǎn)換能量的作用，但是在車銑 復(fù)合 加工中心，不僅需要提供切削所需的能量，而且為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，可以在任意角度準(zhǔn)停進(jìn)行銑削，具有轉(zhuǎn)換傳遞控制信號(hào)的任務(wù)。所以，常用的三相異步電機(jī)無(wú)法滿足車銑復(fù)合加工中心的性能要求。為了實(shí)現(xiàn)車銑復(fù)合加工中心的高自動(dòng)化，本設(shè)計(jì)主要考慮選用控制電機(jī)，伺服電機(jī)是常用的控制類電機(jī)，它可以把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩來(lái)驅(qū)動(dòng)主軸，伺服電 機(jī)內(nèi)有編碼器，可以對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)角進(jìn)行修正和補(bǔ)償，保證了主軸的轉(zhuǎn)角的精確度。 目前國(guó)內(nèi)使用的伺服電機(jī)的主要是德國(guó)的西門子和日本的三菱等公司的產(chǎn)品。根據(jù)之前關(guān)于主傳動(dòng)功率的估算，并結(jié)