【文章內(nèi)容簡介】 主學習以及創(chuàng)新的能力。 XXX 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 4 2 數(shù)控車床主軸機械結(jié)構(gòu)方案的確定 數(shù)控車床的主要技術(shù)參數(shù) 本次畢業(yè)設(shè)計數(shù)控車床的主要技術(shù)參數(shù)如下表 21 所示： 表 21 數(shù)控車床的主要技術(shù)參數(shù) 項目 規(guī)格 單位 最大回轉(zhuǎn)直徑 400 mm 最大切削直徑 220 mm 最大切削長度 1000 mm 主軸的最高轉(zhuǎn)速 1920 r/min 主軸的額定轉(zhuǎn)矩 600 N?m 數(shù)控車床的整體結(jié)構(gòu) 數(shù)控車床主要由六個部分組成，分別為基礎(chǔ)部分、數(shù)控裝置、主傳動系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、自動換刀裝置以及位置檢測裝置?；A(chǔ)部分主要指的是機床床身，其強度、剛度、穩(wěn)定性和吸振性影響了數(shù)控車床的性能，它承受著數(shù)控車床的靜態(tài)負載和在加工過程中的動態(tài)負載。通常，床身是通過鑄造成形，工藝相對簡 單，鑄鐵不僅剛度較好，而且能夠吸振和緩和沖擊。 主軸部件的技術(shù)要求 旋轉(zhuǎn)精度 主軸的旋轉(zhuǎn)精度是指裝配，在無負荷和低速度的條件下，前端的主軸上的工件或刀具徑向跳動和軸向跳動。 旋轉(zhuǎn)式精密主軸組件主要 取決于各部分零件，例如：主軸、軸承、箱體孔加工、裝配和調(diào)整精度。還取決于主軸轉(zhuǎn)速、設(shè)計和性能、潤滑劑和主軸組件的平衡。 通用機床的旋轉(zhuǎn)精度的已有標準可循。 主軸剛度 主軸靜剛度（剛度）反映了靜載變形阻力部件的能力。 主軸組件的抗彎剛度影響因素有很多，主要包括：主軸結(jié)構(gòu)，軸承的類型，數(shù)量，配置和預(yù)緊方式，前、后支的距離和主軸外伸的前端，安排的傳動部件，主要部件的制造和裝配質(zhì)量。 抗振性 主軸裝配工作產(chǎn)生振動會降低工件的表面質(zhì)量和刀具耐用度，縮短了主軸軸承的壽XXX 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 5 命，而且產(chǎn)生環(huán)境噪聲的影響。 振動分為強迫振 動和自激振動的兩種形式。 有影響的抗振動的因素很多，主要是主軸部件的靜剛度、質(zhì)量、阻尼自然頻率分布，主軸應(yīng)遠大于自激振動的頻率，否則會發(fā)生共振現(xiàn)象。 耐磨性 主軸的耐磨性（精度保持性）是指長期保持原始精度的能力。 對耐磨性有影響的因素主要包括軸承、安置刀、夾具以及工件的部位。 主軸部件的傳動方案 數(shù)控車床在加工工件的過程中不僅需要提供切削力，而且要根據(jù)不同工藝加工需求實時變換切削速度。于是，需要合理的主軸傳動方式以及傳動件的結(jié)構(gòu)配置，在一定的切削功率和最佳的切削速度的條件下實現(xiàn)工件的切削加工。需 要對數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)具有以下五點要求： 主軸的傳動方式 在機床設(shè)計中有多鐘傳動方式，這些傳動方式根據(jù)自身不同的傳動特點，被運用到了不同工藝要求的加工場合中，為了確定最為優(yōu)化的數(shù)控車床主軸的傳動方式，以下列舉四種常用的傳動方式，并且根據(jù)本設(shè)計的具體設(shè)計要求擬定符合半閉環(huán)數(shù)控車床的方案。 齒輪傳動方式 XXX 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 6 圖 21 齒輪傳動方式示意圖 帶傳動方式 帶傳動是一種常見的傳動方式。帶輪之間通過傳動帶實現(xiàn)動力傳遞。目前主要有四種形式的帶傳動：平帶、 V 帶、多楔帶和同步帶。帶 傳動的優(yōu)點是：（ 1）結(jié)構(gòu)比較簡單、成本也相對低廉；（ 2）帶與帶輪之間的打滑可以避免損壞其他零件；（ 3）可以吸收振動和緩和沖擊；（ 4）多用于中心距較大的傳動；帶傳動的缺點是：（ 1）傳動的整個輪廓比較大；（ 2）傳動比沒法保持不變；（ 3）傳動的效率低；帶傳動相對于齒輪傳動，它具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可以緩沖吸振和傳動平穩(wěn)的優(yōu)點，具有過載保護的功能。而同步帶相比于 V 帶，如圖 22 所示，又有類似齒輪的特性，它可以保證固定的傳動比，實現(xiàn)定比傳動。 圖 22 同步帶傳動方式示意圖 兩個電動機分別驅(qū)動主軸的傳 動方式 這是齒輪傳動和皮帶傳動的混合驅(qū)動。高速運行時，電機驅(qū)動的皮帶傳動；低速運行，由另一個電機驅(qū)動齒輪傳動，齒輪降速和擴大調(diào)速范圍，從而在恒功率區(qū)的增加和傳輸范圍擴大，這樣就可以解決電機功率不足以及低速扭矩不足的問題。兩個電動機分別驅(qū)動主軸的傳動方案示意圖如圖 23 所示。 XXX 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 7 圖 23 兩個電動機分別驅(qū)動主軸的傳動方式示意圖 電主軸傳動方式 目前，有一種比較新的傳動形式，它是將電機與主軸合并為一個整體，成為獨立的電主軸動力系統(tǒng)，如圖 24 所示。它在結(jié)構(gòu)上，具有以下優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)動慣量小 ，質(zhì)量小，動平衡性能較好。 圖 24 電主軸傳動方案實物圖 主軸傳動方式比較分析及方案確定 數(shù)控車床的主軸轉(zhuǎn)動要求精度高，傳動平穩(wěn)。齒輪傳動可靠，但是在使用過程中會出現(xiàn)輪齒折斷、磨損、膠合和點蝕等失效形式，會影響機床的整體性能以致達不到設(shè)計要求； 兩個電動機分別驅(qū)動主軸的傳動方式中的兩個電動機不能同時工作，這是一種浪費；電主軸可以高速運轉(zhuǎn)，可是它只能提供的扭矩較小，而且受熱容易變形，主軸的精度難以保證。帶傳動可以對運轉(zhuǎn)的主軸實現(xiàn)過載保護，能較長跨距傳動，其中同步帶能保證定傳動比。綜合上述分析， 從各方案的性能以及經(jīng)濟性考慮，同步帶傳動是本設(shè)計的最佳傳動XXX 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 8 形式。 主軸傳動件的布置 主軸在進行切削加工時受到切削力、傳動力和支承反力的作用下，主軸會發(fā)生扭和軸向轉(zhuǎn)彎曲變形，所以傳動件在主軸軸向位置分布的不同情況，可以設(shè)計出符合各種機床的工作需求。 本次畢業(yè)設(shè)計有五種預(yù)選方案（ a）、 (b）、（ c）、（ d）、（ e），如圖 所示。 在（ a）方案中，傳動件軸向位置在兩個跨距之間，傳動方向與切削力的方向相同。這種布置的優(yōu)點是能減小主軸的彎曲變形，但缺點是增加了前支承受力。它適用于軸承剛度和承載力較大、受力較 小或精度要求較高的主軸。 這種布置方案適用于大多數(shù)車、銑、鏜、鉆床。 （ a）方案 XXX 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 9 （ b）方案 在（ c）方案中，傳動件軸向位置安排在主軸尾端，并且傳動方向與切削力的方向相同。這種布置方式的優(yōu)點是支承受力較小，缺點是主軸的受力情況不好。 這種布置方式適用于載荷小的主軸，通常用于外圓磨床砂輪主軸。 （ c）方案 （ d）方案 在（ e）方案中，傳動件軸向位置安排在懸伸端，并且傳動力方向與切削力的方向相反。這種佈置方式優(yōu)點是能夠減少注重彎曲變形和支承受力，軸端位移也能夠抵消，但是缺點是結(jié)構(gòu)上比較複雜， 較難實現(xiàn)，而且主軸懸伸量過大。 這種布置方式適用于少數(shù)重型機床。 XXX 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 10 （ e）方案 結(jié)合本設(shè)計的實際情況，主要使用帶傳動方式，而且數(shù)控車床要有較高的精度，最終選用 （ d） 的傳動件布置方式。 主軸部件的支承方式 主軸在切削工件時，受到重力、軸向和徑向的切削力，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)造出最優(yōu)的支承方式就顯得格外重要。在設(shè)計支承方式時要著重考慮降低主軸的軸向竄動、徑向跳動和角度擺動對數(shù)控車床的精度影響，與此同時，在切削過程中由于高速運轉(zhuǎn)產(chǎn)生大量的熱量，導致主軸受熱膨脹以致將軸承卡 死，這樣的狀況也將在設(shè)計過程中得以解決。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。 速度型的主軸部件支承 該方案示意圖如圖 25 所示，前支承采用的是三聯(lián)角接觸球軸承，三個 60186。角接觸球軸承中左邊兩個采用背向布置，相對于面向布置，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力。適合運用在高切削速度、較高負載和高精度場合的機床。 XXX 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 11 圖 25 速度型的主軸部件支承 剛度型的主軸部件支承 如圖 26 所示，該方案的前支 承采用的是雙列圓柱滾子軸承和雙向角接觸球軸承的配合使用，后支承是一個雙列圓柱滾子軸承。圓柱滾子軸承的滾動體是先接觸形式，磨損相對較小，可以承受更高的徑向負載。軸向負載可以由前支承的雙向角接觸球軸承進行平衡。這種方案具有高剛度，壽命長的特點，適合對剛度、承載能力和精度要求較高的機床。 圖 26 剛度型的主軸部件支承 速度剛度型的主軸部件支承 如圖 27 所 示，方案的后支承采用雙列圓柱滾子軸承，前支承采用三聯(lián)角接觸球軸承。三聯(lián)角接觸球軸承中靠近端面的兩個角接觸球軸承呈大口朝外的配置，可以承受較大 的軸向力，還有一個與其他兩個背向布置，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。 圖 27 速度剛度型主軸部件支承 XXX 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 12 主軸部件支承方案的分析比較與確定 根據(jù)對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轉(zhuǎn)時的工作性能，但是在主軸受熱膨脹時會導致軸承卡死，而且角接觸球軸承的滾子以點接觸，磨損嚴重，使用壽命較短。剛度型支承方案可以實現(xiàn)機床的較大承載能力，但是其運轉(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，實現(xiàn)高速加工。綜 上所述，本設(shè)計數(shù)控車床的支承方式采用速度型的支承方案。 主軸組件的潤滑及密封 數(shù)控車床在切削加工的過程中，主軸轉(zhuǎn)速要求比較高，會使主軸部件（尤其主軸軸承）加快磨損和熱變形，從而導致（ 1）主軸運動的精度嚴重下降（ 2）加工的工件的質(zhì)量難以達到設(shè)計標準（ 3）在數(shù)控床的外部，會有雜質(zhì)進入主軸部件內(nèi)部，也會加大零部件的磨損。因此，在主軸的設(shè)計中，關(guān)于主軸潤滑和密封的裝置設(shè)計是必不可少的。 主軸軸承的潤滑 主軸潤滑會減少主軸運轉(zhuǎn)過程中的摩擦、帶走熱量，降低主軸的摩擦損失和受熱變形的程度。目前，主軸的潤滑 形式主要利用循環(huán)潤滑系統(tǒng)，具體有兩種形式：油氣潤滑和噴注潤滑。油氣潤滑就是在一定時間間隔給主軸潤滑系統(tǒng)添加一定量的油霧。而噴注潤滑則是用恒溫大流量潤滑油對主軸軸承進行潤滑，同時對主軸有冷卻的功能，降低主軸的熱變形，挺高主軸的運轉(zhuǎn)時的精度。 由于主軸前端速度較高，導致發(fā)熱比較多，所以采用油潤滑，在潤滑時也起冷卻的作用；為了防止油液外漏，后端采用的是脂潤滑。 主軸軸承的密封 如果要防止灰塵、水分等進入軸承以及潤滑劑的流失，往往就要對主軸進行密封。 選擇滾動軸承的密封方法必須考慮到潤滑劑的種類、工作環(huán)境、 溫度、密封表面的圓周速度。密封的方法可分為兩大類：接觸式密封和非接觸式密封。 前端軸承為角接觸球軸承，轉(zhuǎn)速較高，采用油潤滑，為防止油液甩出，此處采用了迷宮式密封，如圖 28 所示；后端軸承用脂潤滑，此處用非接觸式密封中的迷宮式密封，如圖 29 所示利用其節(jié)流的作用達到密封的效果，且間隙中充滿著潤滑脂，密封效果更好。 圖 28 毛氈圈密封 XXX 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 13 圖 29 迷宮式密封 主軸的材料選擇與熱處理 主軸的機械性能包括其強度、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其的磨損，而且主軸切削時會產(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)計主軸結(jié)構(gòu)時選擇好符合要求的材料和熱處理方式。 主軸的材料 數(shù)控車床具有較高的加工準確度，這對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，彈性模量必須選擇大一點材料來加工主軸，鋼材作為首選材料，鋼材之間的彈性模量差別不太大。常用的鋼材有優(yōu)質(zhì)合金鋼，其中 45 號鋼最為典型，對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)計的技術(shù)要求選擇 40Cr 作為數(shù)控車床的主軸材料。 主軸的熱處理 數(shù)控車床的主軸在工作運轉(zhuǎn)時，要承受工件重量與主軸的自重，在支承端要具有高的接觸強度和耐磨性。為了提高工件的定位精度，對于軸端面的定位表面要求表面質(zhì)量高和硬度大。于是可以對主軸進行局部熱處理 ，本設(shè)計在上述的材料選擇部分已經(jīng)說明，采用40Cr 作為主軸材料。合金結(jié)構(gòu)鋼可以經(jīng)過化學熱處理，比如滲碳處理和滲氮處理。 XXX 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 14 3 電機的選擇 伺服電機的選擇 機床切削需要穩(wěn)定的動力源，動力源的性能好壞將直接影響機床的整體性能。數(shù)控車床主軸對轉(zhuǎn)動速度以及穩(wěn)定扭矩有著較高的要求，而且所選的動力源要利于控制，實現(xiàn)根據(jù)不同加工精度要求提供相應(yīng)的轉(zhuǎn)速和扭矩。電機作為動力源，有利于主軸的控制，且動力平穩(wěn)，已經(jīng)成為機床的主流動力源。為了選 擇合適的電機，需要對數(shù)控車床的主傳動功率進行估算，并且由此為根據(jù)選擇合適的電機型號。以下逐步進行計算與電機選型。 電動機可以區(qū)分為交流電動機和直流電動機。交流電動機有可以區(qū)分為異步電動機和同步電動機。直流電動機按照勵磁方式的不同可以區(qū)分為四種形式：并勵、他勵、復勵和串勵。 國內(nèi)廣泛使用的 伺服電動機主要是德國的倫茨、西門子公司和日本的三菱電機、發(fā)那科公司等國外產(chǎn)品。 機床切削需要穩(wěn)定的動力源，動力源的性能好壞將直接影響機床的整體性能。電機的選擇采用試算法，現(xiàn)初步假設(shè)如下參數(shù)，如表 31 所示。 表 31 電機初始假設(shè)數(shù)據(jù) 工件材料 45號鋼 工件直徑 200mm 刀具材料