数控机床主轴总体设计

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1、1. 绪论22. 数控机床主轴总体设计32.1数控机床的加工原理32.2机床主传动系统设计32.2.1机床主传动功率32.2.2主传动的调速围 42.2.3主传动系统设计要求42.2.4主传动系统电机选择62.2.5主传动分级变速设计63. 主轴设计83.1主轴材料的选择及热处理83.2主轴尺寸确定83.2.1主轴前后颈及孔尺寸确定83.2.2主轴部件支承结构选择83.3主轴组件设计93.3.1主轴组件的性能要求93.3.2主轴轴承的选择103.3.3主轴轴承的预紧及润滑113.3.4主轴上齿轮参数确定及键的选择123.3.5主轴部件结构图 134. 主轴验算144.1确定弯曲变形的验算条件1

2、44.1.1刚度标准144.1.2主轴的载荷154.2三支承主轴刚度验算175. 设计总结196. 参考文献201绪论在现代制造技术中，数控机床已经用它所显示的效益和巨大潜力，引起世界 各国科技界和工业界的普遍重视。发展现代数控机床是当前机械制造业技术改 造，技术更新的必由之路，是未来工厂自动化的基础。数控机床主轴及其部件作为数控机床主要部件的一部分，在数控机床中占据 着重要的地位，主轴系统的精度将直接影响到数控加工产品的精度，因此在数控 机床设计中当十分注意主轴及其部件的设计。此次课程设计，主要针对数控车床主传动系统和主轴组件设计，学习和了解 数控机床主轴设计的基本思路，理解数控车床主传动系

3、统的传动原理，以及主轴 组件选用和数控主轴结构的构成。并熟悉数控机床主轴设计相关计算，了解数控 机床设计中的一些验算公式，并对关键部件进行强度或者刚度验算。通过此次课程设计，应当达到熟悉数控机床主轴系统设计的基本思路，熟练 掌握主轴系统设计流程，绘制主轴系统结构装配图和部分零件图，了解设计过程 中的必要计算及一些经验公式的运用，初步具备数控机床主轴设计能力。2数控机床主轴总体设计2.1数控机床的加工原理金属切削机床加工零件，是操作者依据工程图样的要求，不断改变刀具 与工件 之间相对运动的参数（位置、速度等），使刀具对工件进行切削加 工，最终得到所要求的合格零件。数控机床的加工，是把刀具与工件的

4、运动坐标分割成一些最小的单位量， 即最 小位移量，由数控系统按照零件程序的要求，使坐标移动若干个最小位 移量（即控制刀具运动轨迹），从而实现刀具与工件的相对运动，完成对零件加 工。刀具沿各坐标轴的相对运动，是以脉冲当量5为单位的（mm/脉冲）。当走刀轨迹为直线或圆弧时，数控装置则在线段的起点和终点坐标值之 间进行“数据点的密化”，求出一系列中间点的坐标值，然后按中间的坐标值， 向各坐标输出脉冲数，保证加工出需要的直线或圆弧轮廓。数控装置进行的这种“数据点的密化”称作插补，一般数控装置都具有 对基本 函数（如直线函数和圆函数）进行插补的功能。对任意曲面零件的加工，必须使刀具运动的轨迹与该曲面完全

5、吻合，才 能加工出所需的零件。此次设计机床的主要技术参数如下：工件最大回转直径：床身上/床鞍上500/280 mm工件最大长度：1000 mm2.2机床主传动系统设计2.2.1机床主传动功率机床主传动功率P可根据切削功率p与主运动传动链总效率门，可由下 式来确定：P=P /nC由于数控机床的加工围一般都比较大，切削功率P可以根据有代表性的 加工情况，由其主切削抗力按下式来确定：Cp_FX=_MC 60000 655000式中：Fz主切削力切向分力（N）V切削速度（m/min）M切削扭矩（N-cm）n主轴转速（r/min）主传动总效率一般可取为n =0.700.85。2.2.2主传动的调速围主传

6、动为旋转运动的机床，主轴转速n由切削速度v（m/min）和工件或刀具直径d（mm）来确定：一 1000Vn= （r / min ）兀d对于数控机床，为了适应切削速度和工件或刀具直径变化，主轴最低和最高转速可根据下式确定：(r/min)?1000V n =minmin 兀 dmaxnmax1000Vmax兀dmin(r/min)则调速围:R =nnmax = max min mindmax dmin（6）由于数控机床的加工围较大，因此，切削速度和刀具或工件直径的变化也很大，可根据机床的几种点型加工和经常遇到的加工情况决定：v，maxv 及 d ， d 。min max min2.2.3主传动系统

7、设计要求数控机床的主传动系统除应满足普遍机床传动要求外，还提出如下要求：1）具有更大的调速围，并实现无级调速。数控机床就要为了保证加工时能选用合理的切削用量，充分发挥刀具的切削性能，从而获得最高的生产率加工精度和表面质量，必须具有更高的转速和更大 的调速围。对于自动换 刀的数控机床，工序集中，工件一次装夹， 可完成许多工序，所以，为了适合各种工序和各种加工材质的要求， 主运动的调速围还应进一步扩大。2）具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低。数控机床加工精度 的提高与主传动系统的刚度密切相关。为此，应提高传动件的制造 精度与刚度，齿齿面进行高频感应加热淬火增加耐磨性；最后一级 采用斜齿轮传动，

8、使传动平稳；采用高精度轴承及合理的支承夸距 等，以提高组件组成的刚度。3）良好的抗振性和热稳定性，数控机床上一般既要进行初加工，又要 精加工；加工时可能由于断续切削、加工余量不均匀、运动部件不 平衡以及切削过程中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的 干扰，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至 破坏刀具或零件，使加工无法进行。因此在主传动系统中的各主要 零部件不但要具有一定的静刚度，而且要求具有足够的抑制各种干 扰力引起振动的能力抗振性。抗振性用动刚度或动柔度来度 量。例如主轴组件的动刚度取决于主轴的当量静刚度、阻尼比及固 有频率等参数。如果把主轴组件视为一个等效的单自由度系统

9、，则动刚度kd与动力参数的关系为:k =k d1-件2wn JL我兽wn j式中k机床主轴结构系统的静刚度（N/u m）；W 外加激振力的激振（Hz）；主轴组件固有频率（wn=J兰，m为当量质量，k为当量静刚度）;是阻尼系数，y c是临界阻尼系阻尼比（& =匕，YYc数，y =2mw )o由上式可见，为提高主轴组件的抗振性，须使k值较大，为此应 尽量使阻尼比、当量静刚度或固有频率的值较高。在设计数控机床的主 传动系统时，要注意选择上述几个参数的合理关系。机床在切削加工中主传动系统的发热使其中所有零部件产生热变 形，破坏了零部件之间的相对位置精度和运动精度造成的加工误差，且 热变形限制了切削用量

10、的提高，降低传动效率，影响到生产率。为此， 要求主轴部件具有较高的热稳定性，通过保持合适的配合间隙，并行循 环润滑保持热平衡等措施来实现。2.2.4主传动系统电机选择由于数控机床需要自动换刀，自动变速，且在切削阶梯轴的不同直径， 切削曲线旋转面和端面时，需要随切削直径的变化而自动变速，以维持切 削速度基本恒定。这些自动变速又是无极变速，为了有利于在一定调速围 选择到理想的切削速度，这样既有利于提高加工精度，又有利于提高切削 效率。无极调速有机械、液压和电气多种型式，数控机床一般都采用由直 流或交流电机作为驱动源的电气无极调速。参照CK6150选取电机转速为1450 r/min，功率为5.5 k

11、w，型号为 J03112L4。2.2.5主传动分级变速设计1）有机变速自动变速方法选择由于电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元件，便于实现 自动操作，并有现成的系列产品可供选用，因而它已成为自动装置中 常用的操作元件。电磁离合器用于数控机床主传动时，能简化变速机 构，操作方便，通过若干个安装在各传动轴上的离合器的吸合和分离 的不同组合来改变齿轮传动路线，实现主轴变速，因此参照CK6150 选用电磁离合器。2）确定极限转速和公比参照CK615。数控机床转速图，选取极限转速如下：n =1600 r/minn =25 r/min则转速围为：R = maxn n160025=64min有中=1.

12、58又由于级数Z=12，则由下面公式:R = max =9 z-1 n n min3）绘制转速图机床转速图可以通过类比典型机床，参照典型机床进行绘制，因此 现参照CK6150数控车床图册，类比传动转速图，绘制转速图。选定 结构共有5个传动组，变速机构共需6轴，转速图共需7条竖线，主 轴12级转速，需12条横线。转速图绘制如下：Cr/p：门）图112级传动系统转速图4）绘制传动系统图参照CK6150数控车床传动系统图，通过轴I上的摩擦式电磁离合器M1和M2，轴川上的摩擦式电磁离合器M3和M4可得四档自动变 （公比为1.58）搬动手柄通过齿轮齿条带动拨板，操纵双联齿轮快，实现三档手动调速用以扩大变

13、速围。绘制主传动路线图如下：图2 主传动系统图3主轴设计3.1主轴材料的选择及热处理主轴材料的选择应根据所需要的刚度、强度、耐磨性和热处理后的变 形大小确定。由于几何形状一定时，主轴的刚度决定于材料的弹性模量， 而各种钢材的弹性模量几乎没有什么差别，故机床主轴如无特殊要求，均 可采用45钢。一般机床主轴，若支承为滚动轴承，可用45钢调质到HB 220250左右。因此，选用45钢，调质处理到HB 220250左右。3.2主轴尺寸确定3.2.1主轴前后颈及孔尺寸确定机床主轴前颈直径D通常借助于统计现有机床的方法参考确定。资1料推荐普通车床主轴前轴颈直径D1，根据最大加工直径Dmax由下式确 定：1

14、D =0.2 D 15 mm(8)由于D 为500 mm,故可取D为100 mm。主轴后轴颈由下式确定：D2= (0.70.85) D(9)根据上面去取定的D值，可选取后轴颈D为80 mm。主轴孔直径确定如下：2很多机床的主轴是空心的，主要用以通过棒料、拉杆和取出顶尖等。为了能通过较粗的棒料和减轻主轴的重量，中间孔常希望取大一些。但 孑L过大，将会降低主轴刚度。由于空心轴的惯性矩取决于1 -(Q)4(d D和D分别为孔和主轴的平均直径)，为了不致使主轴刚度受过大的影响，d / D的数值一般不宜大于0.7。对于普通车床，建议采用下式确定：d = 0.1D10 mm(10)根据最大加工直径d 为5

15、00mm，选取孔直径d为52 mm。3.2.2主轴部件支承结构选择顺目前，大多数机床的主轴部件采用有前后二支承。如果前后轴承间距 太大，可以加第三支承以提高刚度而成为三支承主轴部件。三支承有两种 情况：以前、后支承为主，中间支承为辅和以前、中支承为主，后支承为 辅。以前、后支承为主，以中间为辅的三支承主轴部件可参见CA614。型 车床。前、后均为双列短圆柱滚子轴承，中间支承则为E级精度的单列向 心圆柱滚子轴承。这种轴承的径向游隙较大(0.030.07mm)。在箱体和 主轴的技术要求中，规定箱体的三个主轴轴承孔间的同轴度，以及主轴装 中间轴承的轴颈对前后轴颈的径向跳动之和，小于轴承的最小径向游隙。 这样，当主轴不受力或受力较小时，中间轴承不起作用。当主轴受力较大， 中间支承处的挠度较大时，中间支承就参