毕业设计组合机床刚性主轴的设计 崔.docx
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毕业设计组合机床刚性主轴的设计崔
云南机电职业技术学院
毕业
设计
任务书
论文
机械工程系系机械制造与自动化专业05112班
毕业
设计
题目
主轴的设计
论文
专题题目
组合机床刚性主轴的设计
发题日期:
2008年
4月
20日
设计、论文
自
2008年
4月
22日
完成期限:
至
2008年
5月
28日
答辩日期:
2008年
6月
日
学生姓名:
崔同魁
指导教师:
马延辉
系主任:
黄晓明
毕业设计、论文任务与要求:
方案与设计步骤:
毕业设计版权使用授权书
本人完全了解云南机电职业技术学院关于收集、保存、使用毕业设计的规定,同意如下各项内容:
按照学校要求提交毕业设计的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计的印刷本和电子版,并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存毕业设计;学校有权提供目录检索以及提供本毕业设计全文或者部分的阅览服务;学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交毕业设计的复印件和电子版;在不以赢利为目的的前提下,学校可以适当复制毕业设计的部分或全部内容用于学术活动。
作者签名:
崔同魁
2008年6月8日
云南机电职业技术学院毕业设计原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的毕业设计,是本人在指导教师指导下,进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外,本毕业设计的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。
对本毕业设计所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本文原创性声明的法律责任由本人承担。
作者签名:
崔同魁
2008年6月8日
目录
第一章设计题目-----------------------------组合机床刚性主轴的设计
第二章主轴主要参数的确定--------------主轴悬伸长的确定
--------------支承距和主轴的悬伸比L/a确定
--------------主轴平均直径D的确定
----------------主轴内孔直径d的确定
第三章-----------------主轴刚度的验算
第四章主轴支承系统的设计----------主轴轴承种类的确定
轴承的选择
轴承精度等级的选择
影响支承精度的零件的要求
安装和调整轴承的
轴承的润滑的密封
第五章--------------------------------------------小结
前言
机床高速化的应用和发展,要求主轴转速提高。
但机床主轴组零件在制造过程中,不可避免会因材质不均匀、形状不对称、加工装配误差而导致重心偏离旋转中心,使机床产生振动和振动力,引起机床噪声、轴承发热等。
随着转速升高,不平衡引起的振动越加激烈。
由于机床主轴组件转动时产生的变形很小,为了简化计算,故视其作为刚性转子的平衡方法来处理。
将转子视作绝对刚体,且假定工作时,不平衡离心力作用下的转轴不会发生显著变形。
为此在这些条件下刚性转子的许多复杂不平衡状态,可简化为力系不平衡来处理,即可在任意选定的两个平面上增加或减去两个等效于Ud1,和Ud2的动平衡力使其平衡。
刚性转子动平衡一般为低速动平衡,一般选用第一临界转速的1/3以下。
本文将在大学中所学到的基础知识简单的应用于生产实践当中,将理论与实践有机结合,着重设计拉一个零件产品图,并阐述拉它的设计方法、加工工艺、走刀路线及编程程序,对制造活动有一个总体的、全貌的了解与把握,能掌握金属切削过程的基本规律,掌握机加工的基本知识,敬请指导老师指正。
一设计题目------组合机床刚性主轴的设计
刚性镗削主轴箱、精镗头、镗孔车端面头、铣头等,一个共同特点是,刀具不需要借助于导向进行加,主轴和刀杆(式刀盘)是采用的刚性连接,这就要求主轴有较高的刚度,加工质量在很大程度上取决于为轴系统本身的刚性。
如果主轴的刚性不足,在加过程中往往会产生振动(崩刀),使被除数加工零件难以达到要求的精度和光洁度,甚至损坏刀具。
因此,在设计刚性镗削主轴箱,精镗头,铣削头和镗孔车端面头时,尽管需要考虑的因素很多,但最主要的是为轴系统的设计,所以在这类部件的设计中,一般都是把主要精力放在主轴系统的设计中,确保主轴系统的精度和足够的刚性。
二主轴参数的确定
下面以镗削主轴为例,设计刚性主轴
设计刚性主轴的主要内容之一是选择主轴参数,主轴参数确定的正确与否,对主轴的刚性不足有很大的影响。
在设计刚性主轴箱时,往往因为主轴参数选择不合理,使主轴刚性不足,造成切削时主轴热振动,使被加工零件达不到要求的精度和光洁度,所以在设计刚性主轴箱式专用头时,首先就要根据实际工作条件来确定主轴的各参数。
主轴的主要参数(图1-1)
D-主要平均外径
L-主轴支承矩
a-主轴的悬仲长
d-空心主轴的内孔直径
L/a-主轴的悬仲此
d/D-主轴直径此
1---1
1.主轴悬伸长a的确定
从提高主轴刚性的观点出发,希望主轴的前支承尽量靠近刀具(即使得主轴的悬伸尽量小)。
但是,在组合机床的刚性主轴设计中,主轴悬伸量的大小是由被除数加工零件的需要而定。
2.支承距和主轴的悬伸比L/a确定
在确定支承距时,通常引出一个悬伸比的概念,即支承距和悬伸长比。
这个数值直接影响主轴的刚度。
悬伸比选择过小,主轴受力后产生的度和支承处的倾角就会增大,影响主轴的工作性能。
怎样才能正确的确定合理的支承距和悬伸比呢?
在研究这个问题时,大都从主轴和轴承的刚度出发,把主轴视为弹性支承的梁,其在切削力的作用下产生的变形,可以分为两部分,即主轴本身的变形和支承系统的变形,研究前者时,把主轴的支承视为刚性的,而把轴视为弹性(即刚性支承弹性轴梁)的情况下所产生的变形,如图(1-20)所示。
研究后者时,则把轴视为刚性的,而把支承视为弹性(即弹性支承刚性梁)的情况下所产生的变形,如图(1-3)所示。
实际上,无论轴还是轴承在工作时都会发生变形,其变形是这两种变形的合成如图(1-4)所示。
弹性支承梁的弯曲
主轴系统变形的度与轴悬伸比L/a存在一定的关系。
图(1-5)所示就是当主轴系统前支承刚度为后支承刚度的2倍时,主轴系统变形的饶度x1随悬伸长L/a的增加而增加;而由支承变形引起的饶x2随悬伸比的增加而减小。
从图中的曲线还可以看出,悬伸比力某一定值时,总饶度最小,如果加长或缩短这个间距,都会使其饶度增大。
因此,必须合理的确定刚性主轴的悬伸长。
1----5
弹性支承梁的饶度与支承间距L的关系
在组合机床刚性主轴的设计中,通常推荐主轴的悬伸比
根据以上内容可选取a为250cm,L为450cm,L/a=1.8L/a=450/250=1.8
1.5≤L/A=1.8≤2符合设计要求.
3.主轴平均直径D的确定
主轴直径D是决定主轴刚度的重要因素,在刚性设计中,确定主轴直径,目前尚无一成熟的方法,如有的采用比较法,即根据使用中类似的刚性主轴,与所设计的主轴,从其工作条件上加一对比,然后进行选取轴径,选好后再作些简单的验算。
但也是有的是根据主轴传递的扭矩,按下式作初步估算:
D=0.73
(厘米)
式中M扭---主轴传递的扭矩。
50=0.73x
=68.50
M扭=22017210
这个公式是很粗略的,系数0.73是按主轴在一米长度上允许的最大扭转角时考虑的。
为确保主轴刚度,再将估算出的主轴平均直径根据推荐选用的刚度系数,按下式进行核算:
=530
式中D-主轴平均外径(厘米)
d-空心主轴内孔直径(厘米)
L-主轴支承间距离(厘米)
刚度系数Rb的数值,一般不低于25公斤/微米。
通常取
=(25-50),根据组合机床的使用经验表明,只要保证L/D=4-7的关系。
就可获得较高主轴刚性。
根据以上内容可取主轴的平均直径D为50cm.
4.主轴内孔直径d的确定
在有些刚性主轴的设计中,主轴采用空心的,主轴内孔直径d应选择适当,否则将会影响主轴的刚度。
通常推荐主轴的直径比,即d/D〈0。
5。
实际表明,d/D值增大将使轴的刚度减弱d/D<0.5时,对主轴的刚度影响不大。
第一方案d取40cm时
=530x
==530x
=530530x0.04
21.5
第二方案d取20cm时1----6
=530x
=530x=530530x0.07
37.1
第二方案
25<
=37.1<50
所以取第二方案即d<50
1----7
三主轴刚度的验算
在按经验数据的估算选好主轴参数后,为了确保主轴刚性,有时还可以根据主轴受外力作用的情况,借助于计算公式进行一些验算。
一般说来,刚性主轴只要其刚度能满足要求,强度大多是足够的,除在特殊的重切削情况下工作的主轴外,通常不必作强度验算,只验算其刚度就可以了。
主轴的刚度验算,主要是验算主轴在受力时的弯曲变形,即主轴前端的饶度x和前支承处的倾角
。
1----8
χ=
[p
(a+l)-0.5QC(
-
)
-Mla](毫米)
=
[pla-0.5QC(
-
)
-ML](弧度)
试中E------主轴材料的弹性模数公斤/毫米纲的E=2.0×
(公斤/
)
J=前支承的截面惯性矩
实心轴J=π
空心轴J=
π(
-
)
R-----主轴的半径
r-----空心轴内孔半径
M----轴支承的反力矩(公斤.毫米)
P-----切削力(公斤)
Q----传动力(公斤)
第一种方案P为500,Q为1500,L取250,M取22017210
R=
=25cmr=
=
=10cm
由上述公式得:
χ
0.00038
根据许用值.χ最大
0.0002l.此时χ=0.00038.
所以不符合设计条件.
由上述公式得:
-
0.0043弧度
根据许用值
最大0.001弧度,此时
=0.0043弧度.所以不符合设计条件.
第一种方案P为800,Q为1600,L取250,M取22017210
R=
=25cmr=
=
=10cm
由上述公式得:
χ
0.00017
0.00092弧度
根据许用值:
χ=0.00017
0.0002所以符合设计条件.
=0.00092
0.001所以符合设计条件.
四主轴支承系统的设计
前面讲述了主轴本身的设计,但是,影响刚性主轴工作性能的因素很多,除与主轴本身的刚度有关外,与主轴支承系统的刚性有关系,由于支承刚性不足,往往严重地影响着主轴的工作性能。
1主轴轴承种类的确定
日前在刚性主轴设计中对滑动轴承和滚动轴承都有采用,但多数情况下是采用滚动轴承,因为滚动轴承具有尺寸小、转速高,寿命长、装配简单,密封和润滑也较简单,而且可以直接从样本中选用等优点。
但是,因为滑动轴承抗振性好,工作平稳,径向尺寸较小,所以在刚性主轴设计中也常被采用。
在刚性主轴的设计中,采用滚动轴承的种类很多,根据主轴所受载荷的大小,方向和转数的不同而不同,常用的滚动轴承有以下几种:
单列向心球轴承,单列向心推力球轴承,单列圆锥滚子轴承,双列向心短圆柱滚子轴承(3182100型),单向推力球承(用于承受轴向载荷),单列向心短圆柱滚子轴承(2000型)等。
第2种方案(图1-7)为同样的主轴,不过这个主轴是装在36000系列的向心推力球轴承上。
成对使用的向心推力球轴承以两个外圈的宽羰面相对着(为增加接触角),并带有预紧。
主轴因轴承的变形和轴的弯曲而产生的饶度,对两各结构方案各不相同,分别用图表示在切削的作用线上出现为弯曲变形的大小。
设:
a后-为主轴后轴承变形引起的饶度
a前-为主轴前轴承变形引起的饶度
a轴-为主轴的弯曲引起的饶度
AI=a后+a前+a轴
AII=a’后+a’前+a’轴
比较两个方案不难看出,装有3182100系列轴承的主轴径向的决饶度,比装有36000系列向心推力球轴承的主轴径向总饶度要小得多。
即
AI〈AII
从上面分析可以看出,在主轴条件的设计中,要获得较高的刚度,最好采用31821000系列双列向心短圆柱滚子轴承和8000系列单向推力球轴承配合使用。
2轴承的选择
知道了轴承的结构特性,就可以比较正确地选择轴承的类型,从而确定轴承部件的合理配置,应当指出,影响选择轴承的因素很多,所以只能就共同性的问题进行一些讨论,选择时必须根据主轴的实际工作条件和不同用途来配置合理的轴承。
为了承受较大的轴向力或要求轴向刚性特别高时,建议采用单用推力轴承。
在中等转速和低速下,采用圆锥滚子轴承,以承受较大的径向力和轴向力。
通常在铣床主轴上多采用这种轴承,而且是成对使用,以承受较大的载荷。
在高速精镗时,轴向力比较小,也常采用向心推力球轴承,成对使用,为了得到较大的接触角,把两个宽边相对,在有预紧力的情况下,可以承受径向式的和轴向载荷。
根据以上内容,建议采用单向推力球轴承,为了承受较在的轴向力和轴向刚性要求特别高。
3轴承精度等级的选择
轴承的精度等级对主轴的工作性能影响很大,特别是刚性主轴,这一步尤其重要。
有时常用主轴轴承精度选择不当,因而使用主轴径向跳动过大,不能保证加工质量。
选择轴承精度等级,主要是根据主轴的工作条件和被加工零件的精度要求,即对主轴的径向跳动和轴向跳动的要求来确定。
选择轴承的精度等级,除根据实际经验来选取外,还可以用下列公式,通过计算的办法来确定。
c1=0.33qm/m+1c2=0.33qmf
式中:
c1,c2-分别为前后轴承允许的径向跳动(毫米)
-主轴前端检验处允许的径向跳动(毫米)
f-并用几个轴承的修正系数
m-主轴支承距与主轴外伸长的比值
m=l/a
a-主轴悬伸长(毫米)
l-主轴前后支承间距(毫米)
每组轴承的件数
f
1
1.0
2
1.4
3
1.7
4
2.0
(1---10)
主轴前端检验处允许径向跳动取8为0。
1mm,主轴支承距与主轴外伸长的比值为m=l/a=450/250=9/5=1.8并用2个轴承的修正系数f为1.4。
c1=033x0.1x1.8/1.8+1x1.4=0.0594/2.8x1.4=0.021214286x1.4=0.0297mm
c2=0.33x0.1x1.8x1.4=0.08316mm
所以刚性主轴的前轴承采用D级的3182100系列的轴承与其相配的推力轴承采用E级。
计算出c1和c2值后,根据轴承样本中规定的轴承的径向跳动来确定轴承的精度等级。
4.影响支承精度的零件的要求
与轴承相配合的轴和座体孔以及隔片、压紧螺母等,这些零件的配合珍面的加工制造质量,对轴承部件的旋转精度和刚性影响很大。
因此在高速及精密的主轴部件设计中必须注意。
因为轴承圈比较薄容易受轴或座体孔配合表面的几何形状偏差的影响而发生变形。
所以,若配合处理不精确,轴承面的形状偏差的允许值不应超过表(1-11)、(1-12)、(1-13)所列数据。
对轴和及座体孔配合表面几何形状的允许偏差
几何形状
椭圆度
锥形度
轴承精度等级
G,F,E
D,C
G,F,E
D,C
允许偏差
配合面任意截面上直径公差的1/2
配合面任意截面上直径公差的1/4
配合面直径公差的1/2
配合面直径公差的1/4
(1---11)
轴肩的端面跳动
轴的公称直径
米毫
球轴承与圆柱滚子轴承的精度等级
G与F
E
D
C
起止
允许偏差(微米)
---50
20
10
7
4
50120
25
12
8
6
120250
30
15
10
8
250315
35
17
12
---
315400
40
20
13
---
(1---12)
座体孔凸肩的端面跳动
座体孔的公称直径毫米
球轴承与圆柱滚子轴承的精度等级
G与F
E
D
C
起止
允许偏差(微米)
---80
40
20
13
8
80120
45
22
15
9
120150
50
25
18
10
150180
60
30
23
14
180250
70
30
23
16
250315
80
35
27
16
315400
90
40
30
---
400500
100
50
30
---
(1---13)
5、轴承的安装和调整
在轴承精度等级选择正确,主轴零件加工制造良好的条件下,轴承的安装和调整对主轴装配的精度,有决定性的影响。
(1)主轴承径向跳动的相互补偿
图(1-11)所示是主轴轴承径向跳动的相互补偿理图,第一种情况(1-11a)前后支承的最大径向跳动于图-平面,且在主轴几何轴线的一侧。
第二种情况,前后支承的最大跳动位于同一平面,但位于主轴几何轴线的两侧。
主田园风光前端检验处的最大径向跳动8’,从图中可以看出8’>
。
若将两种情况加以比较,不难看出s<
这说明在主轴装配时,要使主轴的径向跳动最小,前后轴承的最大径向跳动,应位于同一平面内,而且在主轴几何轴线的同一侧,后轴承的精度需较前轴承低一级。
(2)轴承的调整
轴承的间隙是影响主轴刚度和旋转精度的重要因素。
减少囝承的间隙,可以提高主轴部件的精度。
但是,轴承间隙过小又会引起轴承过热,调整轴承时,就是要选择一个适当的间隙,使其在这间隙下,轴承工作时,既不发热,又能保证所要求的旋转精度。
为了获得最佳间隙,向心推力球轴承,可以采用预紧的办法以消除间隙,预紧力的大小可以根据主轴的工作条件来确定。
圆锥滚子轴承的间隙,通常是用隔套和螺母来进行调整的。
6.轴承的润滑的密封
在设计轴承部件时,应当同时考虑轴承的润滑和密封问题。
(1)轴承的润滑用于滚动轴承的洗涤剂可以分为两类:
(a)油脂的润滑如:
黄干油、钙基脂、铝基脂、锂基脂、二硫化钼…….等剂,但从使用方便来看,还是润滑脂,在使用润滑脂时,轴承的维护最简单,润滑脂可以使轴承和外面介质隔开,避免外面介质对轴承的影响。
当采用液体油润滑时,密封结构就要复杂些,并且须经常注意观测对轴承部件的供油的情况。
选择洗涤剂的种类,通常应考虑以下几方面:
1轴的类型、尺寸、构造及内部间隙;
2轴承的工作条件(转数、载荷性质、轴承部分的工作温度等);
3给油的方法;
4密封结构;
5周围介质的状态.
液体油润滑的方式很多,如:
油浴润滑,滴注式润滑,飞溅等,可根据主轴的工作条件和要求来选择。
(2)轴承的密封
轴承的密封装置的作用不外等两种,其一是保护轴承,不让外面的杀物侵入;另一点是防止洗涤剂从装轴承的部位流出。
如果密封装置不可靠,不仅仅浪费大量洗涤剂,而且会使轴承不清洁,加速轴承的磨损。
因此,对每个具体的囝承部件,应选择最有效的,同时又最经济的密封装置,密封装置的设计应力简单可靠。
如果采用过于复杂的密封装置,不仅会增加部件的成本,而且往往增加摩擦损出,增加主轴转动的阴力。
设计密封装置时应考虑,洗涤剂的种类;供油方法;轴承部件的工作温度;因固介质情况及承部件的构造等。
五.小结
通过这次课程设计,使我掌握了机械设计的一般方法和步骤,获得了一定的安全经验。
对以前所学知识进行了系统的学习并得到了深化和归纳,对刚性主轴中各类零件的结构原理及作用有了更深的理解。
学会了对相关资料、手册的查阅,对数据的处理。
致谢
通过本次的毕业设计,感谢学校及相关领导能够给予我们这次充分表现自我的机会,将我在大学三年所学的专业知识充分派上用武之地,将理论很好的应用在生产实践中,进一步巩固拉专业知识,提高了动手操作水平,忠心感谢学校为我们安排拉这次设计,为进一步培养我们的应用实践能力,创造拉一个良好的空间及机会,为我们将来走入工作岗位奠定拉一个扎实的基础,更为感谢的是我们的指导老师,感谢他在百忙之中来指导我们圆满的完成拉这次设计。
.
参考文献
1.刘朝儒、高政一等主编,《机械制图》,高等教育出版社,2000年。
2.沈乐年、范珍良等编,《机械设计基础》,清华大学出版社,1989年9月。
3.吴宗泽主编,高等机械设计,北京:
高等教育出版社,1991,ISBN7-302-00683-0/TH.29
4.邱宣怀主编机械设计第七版北京:
高等教育出版社,2001
5.叶丽的主编.AutoCAD基础及应用。
北京化文工业出版社,2002
6.1984年版组合机床的设计手册。
。
云南省机电职业技术学院
高职学生中期考核表
姓名崔同魁
学号0511240
班级05112班
专业机制
入学年月2005年09月
指导教师马延辉
2008年05月30日填
教务员审核学生中期考核成绩单:
(成绩单粘贴处)《高职生中期考核课程成绩单》
教务员审核中期考核成绩情况(注明是否已完成培养计划规定的课程学习):
教务员签名:
年月日
中期考核小结
内容包括:
政治思想、业务学习、科研情况、社会实践等方面。
(主要内容包括:
自选题至考核中期,本人在以上方面所取得的进步以及所做课题的完成情况,在课题可行性、新颖性和应用价值方面的要求下,该课题是否需要要更换,若能继续课题的研究,请阐述今后的研究方向及所需补充的相关知识)
班级(党、团支部)意见:
班主任签名:
年月日
指导教师意见:
签名:
年月日
考核小组成员名单:
系(部、所)考核小组意见(请在以下拦目内打“√”)
姓名
职称
考核优秀
考核合格
考核不合格
系(部、所)主管领导签名:
年月日
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- 毕业设计组合机床刚性主轴的设计 毕业设计 组合 机床 刚性 主轴 设计