立式数控铣床主轴部件设计

机械设计课程设计说明书题目：XKFA714数控仿形铣床主轴箱指导老师：艾尔肯学生姓名：许成锋学号：20102001061所属院系：机械工程学院专业：机械工程及自动化班级：机械10-1班完成日期：2014年3月27号新疆大学机械工程学院2014年3月1目录第一章数控铣床的介绍………………………………………………41.1数控铣床的主要功能……………………………………………41.2数控铣床的主要特点……………………………………………5第二章总体设计方案…………………………………………………7第三章电机的选择……………………………………………………83.1确定主轴传动功率………………………………………………83.2电机的选择………………………………………………………93.3主轴的变速过程…………………………………………………9第四章轴类零件的设计……………………………………………104.1轴的设计概述…………………………………………………104.2主轴主要结构参数的确定………………………………………104.3轴的结构设计……………………………………………………134.4主轴刚度的计算…………………………………………………15第五章齿轮传动设计与计算…………………………………………175．1主要参数的选择……………………………………………………175.2齿轮的设计与计算…………………………………………………17第六章轴承的设计与计算……………………………………………206.1轴承当量动载荷的计算……………………………………………206.2验算两轴承的寿命…………………………………………………22第七章圆弧齿同步带的设计………………………………………227.1确定圆弧齿同步带的基本参数……………………………………2227.2确定带的中心距……………………………………………………237.3选择带的类型………………………………………………………24第八章碟形弹簧的设计………………………………………………258.1碟形弹簧的结构尺寸………………………………………………258．2弹簧的许用应力和疲劳极限……………………………………268．3碟形弹簧的设计与计算…………………………………………278.4碟形弹簧的校核……………………………………………………28第九章拉杆的设计………………………………………………………309.1确定拉杆的直径……………………………………………………309.2确定拉杆的长度……………………………………………………30第十章拉抓和打刀缸的选择…………………………………………3110.1拉抓的选择…………………………………………………………3110.2打刀缸的选择……………………………………………………31小结……………………………………………………………………………32参考文献………………………………………………………………………333[摘要］本文根据公司生产加工需要改装一台铣床,主要用于铣削平面和钻孔，对主轴部件进行重新设计，但仍要用原来的主轴箱，要求主轴的转速范围为40r/min—4000r/min，查机械设计手册确定典型的切削工艺可以求得主轴的切削功率为4.3KW，根据切削功率pc与主运动传动链的总效率η确定机床传动的功率Ｐ=5.4KW，然后，根据机床传递的功率Ｐ来选择电机的类型。为了满足主轴的转速要求，选择合适的传动比和轴承。[关键词]铣床主轴设计校核4第一章数控铣床的介绍数控机床集计算机技术、电子技术、自动控制、传感测量、机械制造、网络通讯技术于一体，是典型的机电一体化产品，他的发展和运用，开创了制造业的新时代，数控技术水平的高低已成为衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，他实现加工机床及生产过程数控化，已成为当今制造业的发展方向。数控铣床是一种加工功能很强的数控机床，目前迅速发展起来的加工中心、柔性加工单元都是在数控铣床、数控镗床的基础上产生的，两者都离不开铣削方式。由于数控铣削工艺最复杂，需要解决的技术问题也最多，因此人们在研究和开发数控系统及自动编程语言的软件时，也一直把铣削加工作为重点。1.1数控铣床的主要功能数控铣床可以分为立式、卧式和立卧两用式数控铣床，数控铣床的应用越来越广泛，主要具有下列功能：1、点位控制功能利用这一功能，数控铣床可以进行只需要作点位控制的砖孔、扩孔、忽孔、铰孔和镗孔等加工。2、连续轮廓控制功能数控铣床通过直线和圆弧插补，可以实现对刀具运动轨迹的连续轮廓控制，加工出由直线和圆弧两种几何要素构成的平面轮廓工件。对非圆曲线（椭圆、抛物线、双曲线等二次曲线及对数螺旋线、阿基米德螺旋线和列表曲线等）构成的平面轮廓，在经过直线或圆弧逼近后也可以加工。除此之外，还可以加工一些空间曲面。3、刀具半径自动补偿功能使用这一功能，在编程时可以很方便地按工件实际轮廓形状和尺寸进行编程计算，而加工中可以使刀具中心自动偏离工件轮廓一个刀具半径，加工出符合要求的轮廓表面。也可以利用该功能，通过改变刀具半径补偿量的方法来弥补铣刀制造的尺寸精度误差，扩大刀具直径选用范围及刀具返修刃磨的允许误差。4、刀具长度补偿功能利用该功能可以自动改变切削平面高度，同时可以5降低在制造与返修时对刀具长度尺寸的精度要求，还可弥补轴向对刀误差。5、镜像加工功能镜像加工也称为轴对称加工。对于一个轴对称形状的工件来说，利用这一功能，只要编出一半形状的加工程序就可完成全部加工了。6、固定循环功能利用数控铣床对空进行钻、扩、铰、鍃和镗加工时，加工的基本动作是：刀具无切削快速到达孔位—慢速切削进给—快速退回。对于这种典型化动作，可以专门设计一段程序（子程序）在需要的时候进行掉用来实现上述加工循环，特别是在加工许多相同的孔时，应用固定循环功能可以大大简化程序。1.2数控铣床的主要特点1、高柔性及工序复合化数控铣床具有柔性（可变性）高和工序复合化的特点。所谓“柔性”即灵活、通用和万能性，可以适应加工不同形状工件的自动化机床。数控铣床的发展已经模糊了粗、精加工工序的概念，打破了传统的工序界限和分开加工的工艺规程，可最大限度地提高设备利用率。数控铣床一般都能完成钻孔、镗孔、铰孔、铣平面、铣斜面、铣槽、铣曲面（凸轮）、攻螺纹等加工。而且，一般情况下，可以在一次装夹中，完成所需的加工工序。2、加工精度提高目前数控装置的脉冲当量（即每发出一个脉冲后滑板的移动量）一般为0.001mm。高精度的数控系统可达0.0001mm，一般情况下可以保证工件的加工精度。另外，数控加工可避免工人的操作误差，一批加工工件的尺寸同一性比较好（包括工件的主要尺寸和倒角等尺寸的同一性），而且还可以利用软件进行精度校正和补偿，大大提高了产品质量。3。、生产效率高零件加工所需要的时间包括机动时间和辅助时间量部分。数控铣床能够有效的减少这量部分时间，因而加工生产率比一般铣床高得多。良好的结构刚性允许数控铣床大切削用量的强力切削，有效的节省了机动时间。数控铣床移动部件的快速移动和定位采用了加速和减速措施，因而选用了很高的空行程运动速度，消耗在快进、快退和定位的时间要比一般铣床少的多。6数控铣床的主轴转速和进给量都是无级变速的。因此，有利于选择最佳切削用量。4、减轻操作者的劳动强度数控铣床对零件加工是按事先编好的程序自动完成的。操作者除了操作键盘、装卸工件和中间测量及观察机床运动外，不需要进行繁重的重复性手工操作，可大大减轻劳动强度。由于数控铣床具有以上独特的优点，因此数控铣床已成为机械制造业的主要设备。但是，数控铣床的编程操作比较复杂，对编程人员的素质要求较高。否则很难发挥数控铣床的作用。本文根据公司生产加工需要改装一台铣床,主要用于铣削平面和钻孔，对主轴部件进行重新设计，但仍要用原来的主轴箱，要求主轴的转速范围为40r/min—4000r/min，查机械设计手册确定典型的切削工艺可以求得主轴的切削功率为5.4KW，根据切削功率pc与主运动传动链的总效率η确定机床传动的功率Ｐ，然后，根据机床传递的功率Ｐ来选择电机的类型。为了满足主轴的转速要求，选择合适的传动比和轴承。7第二章总体设计方案XKFA714数控仿形铣床机械规格（1）、工作台长度×宽度：1100×400mm（2）、X轴行程：600mm（3）、Y轴行程：450mm（4）、Z轴行程：500mm（5）、主轴鼻端至工作台面最小距离：100mm（6）、工作台最大承重：500kg（7）、T型槽（槽数*槽宽*节数）：4×14×80mm（8）、主轴锥度：7:24mm（9）、主轴转速：100～4000rpm（10）、主轴传动方式：皮带传动（11）、轴承润滑方式：润滑脂（12）、主轴马达功率：5.4/7.5（30min）kw（13）、三轴快速进给：20m/min（14）、刀柄型式：BT50（15）、导轨形式：直线导轨主轴采用BT50、的刀柄和拉抓。XKFA714数控仿形铣床具有加工中心的特点，能够实现自动变速，变速方法采用无级变速，无级变速采用交流变频调速电机，实现两极变速，变速过程中齿轮的啮合通过离合器的得电和失电来实现。为了满足主轴的转速要求选择带轮的传动比为2，实现增速传动。XKFA714数控仿形铣床主轴部件的设计主要有轴以及轴上零件、拉杆的设计，选择合适的电机，满足切削时的功率要求，选择电机时根据典型切削工艺求得切削是需要的功率；打刀缸的选择，首先根据换刀所要达到的时间，其次，根据碟形弹簧拉紧刀柄的力，打刀缸动作是所产生的力应稍大于弹簧的拉紧力。8第三章电机的选择现在的数控铣床能够实现无级变速或无级变速加有级变速，数控铣床一般都采用由直流或交流调速电动机作为驱动的电气无级调速。由于数控铣床的运动调速范围较大，单靠调速电机无法满足这么大的调速范围，另一方面调速电机的功率扭矩特性也难于直接与机床的功率和转矩要求相匹配。因此，数控机床主传动变速系统常常在无级变速电机之后串联机械有级变速传动，以满足机床要求的调速范围和转矩特性。3.1确定主轴传动功率数控铣床的加工范围一般都比较大，所传动的额定功率可以根据典型切削工艺的情况计算，根据设计的铣床主要的加工范围，查机床设计手册确定如下典型加工工艺：用高速刚圆柱平刀铣削灰铸铁工件平面，刀具直径D=100mm，刀齿数为10，工件材料为HT200，硬度190HBS，切削速度v=23.5m／min，进给速度为160mm／min，背吃刀量ap＝5mm，切宽为75mm。由公式n=Dv1000计算得n=1200r／min则每齿进给量sz＝zn160＝120010160＝0.013mm根据典型切削工艺公式：P切＝2.8×102·t9.0·sz74.0·B·z·n·190HB式中：t—切削厚度，即被吃刀量（mm）sz—每齿进给量（mm）B—切削宽度（mm）Z—刀齿数HB—材料硬度代入数值得P切=2.8×102×59.0×0.01374.0×75×10×1200×190190=4300W=4.3KW主传动的总效率一般可取为η=0.70～0.85,数控机床的主传动多用调速电机和有限的机械变速传动实现，传动链较短，因此效率可取较大值，由此可求得主轴传递的功率为9P=p切=8.03.4=5.4kw3.2电机的选择现在数控机床常用直流电动机和交流调频电机两种。目前，中小型数控机床中，交流调频电机已占优势，有取代直流电机之势。本文所设计的铣床采用交流调频电机调节电源频率来达到调速的目的，额定转速常为1500r／min，如图1-1所示是变速电机的功率特性。从额定转速nd到最高转速nmax的区域Ⅰ为恒功率区，从最低转速nmin至nd的区域Ⅱ为恒转矩区。图3-1变速电动机的功率特性在设计数控铣床主传动时，必须考虑电机与机床主轴功率特性匹配问题。由于主轴要求的恒功率变速范围Rnp远大于电机的恒功率变速范围Rdp，所以在电机与主轴之间要串联一个分级变速箱，以扩大其功率调速范围，满足低速大功率切削时对电机的输出功率要求。为了简化变速箱结构，变速级数应少些，变速箱公比f可取大于电机的恒功率调速范围Rdp，即f〉R