机械毕业设计论文数控铣床的主轴箱结构设计新含全套图纸.docx

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机械毕业设计论文数控铣床的主轴箱结构设计新含全套图纸

数控铣床的主轴箱结构设计

摘要：

本文主要有如下几个方面的内容1）主传动系统设计，其中包括主传动电机的选择及其型号的确定。

2）数控铣床主传动系统的配置方式，其中要考虑传动性能的最优化选择，如：

传动准确，无滑动；传动效率高且传动平稳可靠，噪音小等。

4）同步带传动设计与计算，其中包括同步材料的选择和同步参数的计算。

5）主轴组件的设计。

6）主轴轴承的选择，其中包括轴承的精度，预紧力几轴承的润滑与密封等问题。

7）联接键的选择和碟形弹簧的选择与计算，这里要考虑弹簧的热处理问题。

8）螺钉联接的设计。

9）液压缸的设计。

10）润滑与密封件设计。

关键词：

机械设计；数控三坐标铣床；主轴

Mainspindleboxstructuredesignofnumericalcontrolmillingmachine

Student:

heyi

Tutor:

chenzhiliang

（OrientalScience＆TechnologyCollegeofHunanAgriculturalUniversity,Changsha410128）

Abstract:

Thisthesismainlyincludesthefollowingcontent:

1）maindrivesystemdesignanditcontainedthecontentofselectionmaindrivemotoranditsmodel.2）configurationofnumericalcontrolmillingmachinemaindrivesystemanditshallconsideroptimizationselectionofdriveperformance,suchasaccuratedrive,nonslip;highdriveefficiencywithstability,reliabilityandlownoiseetc.3）designandcalculationofsynchronousbeltdriveincludingselectionofsynchronousmaterialandcalculationofsynchronousparametric.4）designofspindleparts.5）selectionofspindlebearing,includingprecisionofbearing,lubricationandsealingofpreloadbearingetc.6）selectionofjointboltandselectionandcalculationofdiskspring,thermaltreatmentofspringshallbeconsidered.7）designofboltjoint.8）designofhydrauliccylinder.9）designoflubricationandsealingparts.10）lubricationandsealdesign.

Keywords:

Mechanicaldesign,NumericalControlthreecoordinatesofmillingmachines,Spindle.

1前言

数控机床的主传动系统包括主轴电动机，传动系统和主轴组件。

与普通机床的主传动系统相比数控机床在结构上比较简单，这是因为变速功能全部或大部分由主轴电动机的无级调速来承担。

省去了繁杂的齿轮变速机构，还有一些数控机床设计中还存在二级或三级齿轮变速机构用以扩大主轴电动机无级变速的范围[3]。

对主传动系统的要求:

范围：

各种不同的机床对调速范围的要求不同，多用途，通用性比较大的机床，要求主轴的调速范围大，不但有低速大转距的功能，而且还要有比较高的速度。

热变形：

电动机、主轴及传动件都有热源。

降低温升，减少热变形是对主传动系统要求的重要指标。

旋转精度和运动精度：

主轴的旋转精度:

是指装配后，在无载荷，低速转动条件下，测量主轴前端和300mm处的径向和轴向跳动值。

主轴在以工作速度旋转时，测量上述两项精度称为运动精度。

数控机床要求有较高的旋转精度和运动精度。

主轴的静刚度和抗振性；由于数控机床的加工精度比较高，主轴的转速又很高。

因此，主轴组件的质量分布是否均匀以及主轴组件的阻尼等，对主轴组件的静刚度和抗振性都会产生影响。

主轴组件的耐磨性；主轴组件必须有足够的耐磨性，使之能够长期保持要求的准确精度。

凡是有机械摩擦的部位，轴承，锥孔等都要有足够的硬度，轴承还应具有良好的润滑。

2数控铣床主传动系统的配置方式

数控铣床的主传动系统要求有较大的调速范围，以保证进行加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产效率、加工精度和表面质量。

数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此机构必须适应自动操作的要求。

大多数的数控铣床是用无级变速系统控制的。

数控机床主传动系统主要有以下三种配置方式[3]：

带有变速齿轮的主传动,这种配置方式在大中型数控机床中采用比较普遍。

它通过少数几对齿轮进行降速，使之能够分段变速，确保低速时拥有足够的扭矩，以满足主轴输出扭矩特性。

但也有一部分小型数控机床也采用这种传动方式，以获得强力切削时所需要的扭矩。

通过带传动的主传动主要应用在中小数控机床上，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，但它只能适用于低扭矩特性要求的主轴。

同步带有多楔带，齿形带，圆弧带等，是一种综合了带传动和链传动优点的新型传动。

带的工作面及带轮外圆上均制成齿形，通过带轮与轮齿相嵌合，做无滑动的啮合传动。

带内采用了承载后无弹性伸长的材料作强力层，以保持带的节距不变，使主动和从动带轮可做无相对滑动的同步传动。

与一般带传动相比，同步带传动具有以下优点：

1）无滑动，传动比准确。

2）.传动效率高，可达98%以上。

3）.传动平稳可靠，噪声小。

4）.使用范围广，速度要达到50m/s，速比可达10左右，传动功率由几瓦到数千瓦。

5）.修保养方便，不需要润滑。

但是同步带也有不足之处，其安装时中心距要求严格，带与带轮制造工艺较复杂，成本高。

由调速电动机直接驱动的主传动，这种主传动方式大大简化了主轴箱与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度。

但主轴输出扭矩小，电动机转动时发出的热量对主轴的精度影响比较大。

在低于额定转速时为恒转矩输出，高于额定转矩时为恒功率输出。

使用这种电动机可实现电气定向。

我们把机床主轴驱动与一般工业的驱动相比较，便可知机床要求其驱动系统有较高的速度精度和动态刚度，而且要求具有能连续输出的高转距能力和非常宽的恒功率运动范围。

随着功率电子，计算机技术，控制理论，新材料和电动机设计的进一步发展和完善，矢量控制交流主轴电动机驱动系统的性能已经达到甚至超过了直流电动机驱动系统，交流主轴驱动系统正在逐步取代直流系统。

3主轴电动机的选取

正确选择电动机的类型、型号及容量是机床设计的重要问题之一，它直接影响着机床的结构和寿命，选择时要根据机床的功能要求，所设计的结构，工作状况等全面考虑，然后选择适宜的结构型式及容量[4]。

图1主轴电动机

Fig.1Spindlemotor

电动机功率的选择：

工作机所需的有效功率为：

Pw=Fv/1000=17.5kw,为了计算电动机所需的功率，先要确定从电动机到工作部件的总效率η，设η1、η2、分别为同步带轮和同步带的传动效率，查表所得η1和η2都等于0.97。

则传动的总效率为η=η1×η2=0.94，所以电动机所需的功率为Pd=Pw/η=18.5KW，电动机传速的选择:

此次设计要求电动机必须有额定转速1500r/min,最高转速必须达到4000r/min.

电动机型号的选取：

根据设计要求，本次设计中选取兰州电机厂生产的1PH5167-4CF4型号交流主轴电动机。

其主要参数如下表[5]：

表1电机参数的选择

Tab.1Motorparameterselection

额定转速（r/min）

最高转速（r/min）

额定转矩

惯性矩（N.M）

电机功率（KW）

恒功率范围

1500

6000

117.7

0.046

18.5

1:

90

4同步带传动设计与计算

同步带传动，综合了带、链和齿轮传动的优点，带的工作面呈齿形,与带轮的的齿槽作啮合传动，使主、从带轮间作无滑差的同步运动，其特点是传动比准确，对轴作用力小，结构紧凑，耐油耐磨损，抗老化性能好，传动效率可达99.5%，传动功率从几瓦到数百千瓦，传动比可达10，线速度可达40m/s以上。

此次设计选用梯形同步带，它靠齿啮合传动，速比准确，传动效率高，初张紧力最小，轴承承受压力最小，瞬时速度均匀，单位质量传递的功率最大，与链和齿轮传动相比，噪声小，不需要润滑，传动比、线速度范围大，传递功率大，而冲击振动较好，维修简单，经济。

广泛用于各种机械传动中。

4.1材料选择

根据设计要求，选用聚氨酯同步带，由带背、带齿、抗拉层三部分组成。

带背和带齿材料为聚氨酯，抗拉层采用钢丝绳，适用于中小功率的高速运转部分。

4.2参数计算

设计计算的内容主要是：

齿形带的模数、齿数、和宽度的结构和尺寸，传动中心距，作用在轴上载荷以及结构设计。

4.2.1模数的选取

模数主要根据齿形带所传递的计算功率Pd和小带轮转速n1确定的，通过查《现代数控机床》表4-33查得Pd=KA*P[5]，（式中P为传动功率）。

表2带轮转速表

Tab.2Beltwheelspeedtable

载荷性质

一天运转时间/h

≤10

10～16

16以上

载荷平稳

1.0

1.1

1.2

载荷变化小

1.2

1.4

1.6

载荷变化大

1.4

1.7

2.0

选取KA=1.7，所以PC=5.5×1.7=9.35KW。

由齿形带模数选用图可选m=4

4.2.2小带轮齿数Z1:

由《机械传动装置设计手册》表8-38得Zmin=22,所以取Z1=24

4.2.3同步带节距Pb:

由PD=9.35KWn1=1500r/min,查表选取节距Pb=12.566mm,齿形角2β=40。

　齿根厚S=5.75mm。

齿顶厚St=4mm,齿高hg=ht+e=2.4+2.7=5.1mm,齿根圆半径Rr=齿顶圆半径Ra=0.40mm,带高hs=4.4mm,节顶距δ=1.000mm,带bs=35～40mm.

4.2.4节圆直径d1:

d1==96㎜

4.2.5大带轮齿数z2与直径：

z2=iz1=36

4.2.6大带轮直径d2=id1=1.5×96=144㎜

4.2.7带的速度V:

V==7.536，

（1）

由表查得[6]：

Vmax=35～40V

4.2.8定中心距a0:

5（d1+d2）≤a0≤2（d1+d2），所以：

0.7（96+144）≤a0≤2（96+144），则有168≤a0≤480初选a0=300

4.2.9带的节线长度Lp以及齿数Zb：

Lp0=2a0+（d1+d2）+=2300+×240+=978.72

（2）

查表选取Lp=1005㎜Zb=80

4.2.10计算中心距a（采用中心距可调）

a≈a0+=300+㎜（3）

选取a=314㎜

4.2.11带轮与带的啮合齿数Zm：

Zm≈=11.82取Zm=12（4）

因为当m≥2时，Zm应不