數(shù)控銑床主軸箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-開題報(bào)告

南京工程學(xué)院 工 業(yè) 中 心 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 題目： 數(shù)控銑床主軸箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí)： D 機(jī)加工 122 學(xué) 號(hào)： 231120404 學(xué)生姓名： 石佳倩 指導(dǎo)教師： 劉桂芝 2016 年 2 月 29 日 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )開題報(bào)告 學(xué)生姓名 石佳倩 學(xué) 號(hào) 231120404 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師姓名 劉桂芝 職 稱 研究員級(jí)高工 所在院系 工 業(yè) 中心 課題來源 課題性質(zhì) 課題名稱 數(shù)控銑床主軸箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)的 內(nèi)容和意義 采用 分析比較法、文獻(xiàn)查找法等方法 ，進(jìn)行 數(shù)控銑床主軸箱結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)。 該部件性能輸出及機(jī)械性能直接影響工件的加工質(zhì)量和切削生產(chǎn)率，是決定機(jī)床性能和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的重要因素。 畢業(yè)設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容： 1、 數(shù)控銑床的主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，涉及到主軸的精度，電機(jī)的選擇，以及對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)的各項(xiàng)要求等。 2、 繪制主軸箱裝配圖以及零件圖 3、 繪制主軸動(dòng)平衡圖，輸出功率及扭矩圖 4、 完成主 軸部件的設(shè)計(jì)計(jì)算 5、 完成主軸的受力分析及主軸前后軸承壽命的分析計(jì)算 6、 完成主軸預(yù)緊力的計(jì)算 7、 完成各零件的成本分析和計(jì)算 本課題研究的意義： 本課題對(duì) 數(shù)控銑床主軸箱結(jié)構(gòu) 進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其意義如下： 1、 主軸箱內(nèi) 主軸 部 件主要包括：主軸、主軸支撐和安裝在主軸上的傳動(dòng)件、密封件等，因?yàn)橹鬏S帶動(dòng)工件或刀具直接參加工件表面形成運(yùn)動(dòng)，所以它的工作性能對(duì)加工質(zhì)量和生產(chǎn)率產(chǎn)生直接影響，是最重要的部件之一。 2、 通過對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，解決了主軸系統(tǒng)存在的問題，包含速度、精度、剛度、發(fā)熱、潤滑、噪音等問題。 3、 通過研究高效率、高性能 、高的使用壽命，提高數(shù)控銑床的進(jìn)步性、合理性以及出產(chǎn)成本的經(jīng)濟(jì)性。 4、 鍛煉了我對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合能力、對(duì)文獻(xiàn)資料的查閱檢索能力以及對(duì)新知識(shí)的自學(xué)能力。綜合考查了我運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。 文獻(xiàn)綜述 進(jìn)入 21 世紀(jì) ,我國經(jīng)濟(jì)與國際全面接軌 ,進(jìn)入了一個(gè)蓬勃發(fā)展的新時(shí)期。機(jī)床制造業(yè)既面臨著機(jī)械制造業(yè)需求水平提升而引發(fā)的制造裝備發(fā)展的良機(jī) ,也遭遇到加入世界貿(mào)易組織后激烈的國際市場(chǎng)競(jìng) 爭的壓力 ,加速推進(jìn)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展是解決機(jī)床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵。隨著制造業(yè)對(duì)數(shù)控機(jī)床的大量需求以及計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的飛速進(jìn)步 ,數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大 ,并且不斷發(fā)展以更適應(yīng)生產(chǎn)加工的需要。 一、 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì) 1、 高速化 ：隨著汽車、國防、航空、航天等工業(yè)的高速發(fā)展以及鋁合金等新材料的應(yīng)用 ,對(duì)數(shù)控機(jī)床加工的高速化要求越來越高。 2、 高精度化：數(shù)控機(jī)床精度的要求現(xiàn)在已經(jīng)不局限于靜態(tài)的幾何精度 ,機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度、熱變形以及對(duì)振動(dòng)的監(jiān)測(cè)和補(bǔ)償越來越獲得重視 1。 3、 功能復(fù)合化：復(fù)合機(jī)床的含義是指在一臺(tái)機(jī) 床上實(shí)現(xiàn)或盡可能完成從毛坯至成品的多種要素加工 2。采用復(fù)合機(jī)床進(jìn)行加工相對(duì)于傳統(tǒng)的工序分散的生產(chǎn)方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)。 4、 控制智能化：隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展 ,為了滿足制造業(yè)生產(chǎn)柔性化、制造自動(dòng)化的發(fā)展需求 ,數(shù)控機(jī)床的智能化程度在不斷提高。 5、 極端化（大型化和微型化） 2：國防、航空、航天事業(yè)的發(fā)展和能源等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)裝備的大型化需要大型且性能良好的數(shù)控機(jī)床的支撐。而超精密加工技術(shù)和微納米技術(shù)是 21 世紀(jì)的戰(zhàn)略技術(shù) ,需發(fā)展能適應(yīng)微小型尺寸和微納米加工精度的新型制造工藝和裝備 ,所以微型機(jī)床包括微切削加工 (車、銑、磨 )機(jī)床、微電加工機(jī)床、微激光加工機(jī)床和微型壓力機(jī)等的需求量正在逐漸增大。 6、 信息交互網(wǎng)絡(luò)化：對(duì)于面臨激烈競(jìng)爭的企業(yè)來說 ,使數(shù)控機(jī)床具有雙向、高速的聯(lián)網(wǎng)通訊功能 ,以保證信息流在車間各個(gè)部門間暢通無阻是非常重要的。 7、 新型功能部件：為了提高數(shù)控機(jī)床各方面的性能 ,具有高精度和高可靠性的新型功能部件的應(yīng)用成為必然。 8、高可靠性：為了保證數(shù)控機(jī)床有高的可靠性 ,就要精心設(shè)計(jì)系統(tǒng)、嚴(yán)格制造和明確可靠性目標(biāo)以及通過維修分析故障模式并找出薄弱環(huán)節(jié)。 9、多媒體技術(shù)的應(yīng)用 3：多媒體技術(shù)集計(jì)算機(jī)、聲像和通信技術(shù)于一體 ,使計(jì)算機(jī)具 有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力 ,因此也對(duì)用戶界面提出了圖形化的要求。 二、數(shù)控機(jī)床國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展起步于二十世紀(jì)五十年代 ,通過“六五”期間引進(jìn)數(shù)控技術(shù) ,“七五”期間組織消化吸收“科技攻關(guān)” ,我國數(shù)控技術(shù)和數(shù)控產(chǎn)業(yè)取得了相當(dāng)大的成績。 文獻(xiàn)綜述 特別是最近幾年 ,我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速 ,1998 2004 年國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量和消費(fèi)量的年平均增長率分別為 盡管如此 ,進(jìn)口機(jī)床的發(fā)展勢(shì)頭依然強(qiáng)勁 ,從 2002 年開 始 ,中國連續(xù)三年成為世界機(jī)床消費(fèi)第一大國、機(jī)床進(jìn)口第一大國 ,2004 年中國機(jī)床主機(jī)消費(fèi)高達(dá) 美元 ,但進(jìn)出口逆差嚴(yán)重 ,國產(chǎn)機(jī)床市場(chǎng)占有率連年下降。 1999年 2003年僅占 1999年機(jī)床進(jìn)口額為 7624臺(tái) ),2003年達(dá) 23320 臺(tái) ),相當(dāng)于同年國內(nèi)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)值的 。國內(nèi)數(shù)控機(jī)床制造企業(yè)在中高檔大型數(shù)控機(jī)床的研究開發(fā)方面與國外的差距更加明顯 ,70%以上的此類設(shè)備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴進(jìn)口。由此可以看出國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床特別是中高檔數(shù)控機(jī)床仍然缺乏市場(chǎng) 競(jìng)爭力 ,究其原因主要在于國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的研究開發(fā)深度不夠、制造水平依然落后、服務(wù)意識(shí)與能力欠缺、數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)應(yīng)用推廣不力及數(shù)控人才缺乏等。我們應(yīng)看清形勢(shì) ,充分認(rèn)識(shí)國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的不足 ,努力發(fā)展先進(jìn)技術(shù) ,加大技術(shù)創(chuàng)新與培訓(xùn)服務(wù)力度 ,以縮短與發(fā)達(dá)國家之間的差距 4 三、 存在的問題 1、不斷加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新是提高國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床水平的關(guān)鍵 國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床缺乏核心技術(shù) ,從高性能數(shù)控系統(tǒng)到關(guān)鍵功能部件基本都依賴進(jìn)口 ,即使近幾年有些國內(nèi)制造商艱難地創(chuàng)出了自己的品牌 ,但其產(chǎn)品的功能、性能的可靠性仍然與國外產(chǎn)品有一定差距。近幾年國產(chǎn) 數(shù)控機(jī)床制造商通過技術(shù)引進(jìn)、海內(nèi)外并購重組以及國外采購等獲得了一些先進(jìn)數(shù)控技術(shù) ,但缺乏對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)與精度、可靠性、人性化設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)性技術(shù)的研究 ,忽視了自主開發(fā)能力的培育 ,國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平、性能和質(zhì)量與國外還有較大差距 ,同樣難以得到大多數(shù)用戶的認(rèn)可。 2、制造水平與管理手段依然落后 一些國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床制造商不夠重視整體工藝與制造水平的提高 ,加工手段基本以普通機(jī)床與低效刀具為主 ,裝配調(diào)試完全靠手工 ,加工質(zhì)量在生產(chǎn)進(jìn)度的緊逼下不能得到穩(wěn)定與提高。另外很多國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床制造商的生產(chǎn)管理依然沿用原始的手工臺(tái)賬管理方式 ,工藝水平和管理效率低下使得企業(yè)無法形成足夠生產(chǎn)規(guī)模。如國外機(jī)床制造商能做到每周裝調(diào)出產(chǎn)品 ,而國內(nèi)的生產(chǎn)周期過長且很難控制。因此我們?cè)谝M(jìn)技術(shù)的同時(shí)應(yīng)注意加強(qiáng)自身工藝技術(shù)改造和管理水平的提升。 3、服務(wù)水平與能力欠缺也是影響國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床占有率的一個(gè)重要因素 由于數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速 ,一部分企業(yè)不顧長遠(yuǎn)利益 ,對(duì)提高自身的綜合服務(wù)水平不夠重視 ,甚至對(duì)服務(wù)缺乏真正的理解 ,只注重推銷而不注重售前與售后服務(wù)。有些企業(yè)派出的人員對(duì)生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床缺乏足夠了解 ,不會(huì)使用或使用不好數(shù)控機(jī)床 ,更不能指導(dǎo)用戶使用好機(jī)床 ;有的對(duì)先 進(jìn)高效刀具缺乏基本了解 ,不能提供較好的工藝解決方案 ,用戶自然對(duì)制造商缺乏信心。 文獻(xiàn)綜述 制造商的服務(wù)應(yīng)從研究用戶的加工產(chǎn)品、工藝、生產(chǎn)類型、質(zhì)量要求入手 ,幫助用戶進(jìn)行設(shè)備選型 ,推薦先進(jìn)工藝與工輔具 ,配備專業(yè)的培訓(xùn)人員和良好的培訓(xùn)環(huán)境 ,幫助用戶發(fā)揮機(jī)床的最大效益、加工出高質(zhì)量的最終產(chǎn)品 ,這樣才能逐步得到用戶的認(rèn)同 ,提高國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的市場(chǎng)占有率。 四、 數(shù)控機(jī)床國外發(fā)展現(xiàn)狀 1、 發(fā)展“廉價(jià)的數(shù)控裝置”：這種“廉價(jià)數(shù)控裝置” ,結(jié)構(gòu)簡單 ,功能雖有限 ,但工作可靠 ,制造容易 ,成本低。它對(duì)于大量通用機(jī)床實(shí)現(xiàn)“數(shù)字控制化”和舊有數(shù)字控制機(jī)床的更新 ,具有特別重大的意義。因?yàn)?,并不要求對(duì)現(xiàn)有普通機(jī)床或已運(yùn)轉(zhuǎn)陳舊了的數(shù)控機(jī)床作大幅度的改動(dòng) ,就能裝上這種“廉價(jià)的數(shù)控裝置”。 2、 發(fā)展適應(yīng)控制機(jī)床：（ 1）只能對(duì)予定的個(gè)別參數(shù)（如刀具的切削用量）在不超過規(guī)定的極限范圍內(nèi)，進(jìn)行調(diào)整控制。這是一種簡單的適應(yīng)控制系統(tǒng)。（ 2）能連續(xù)地適應(yīng)加工過程多種因素的突然變化（如切削功率、扭矩、刀具磨損、軸承升溫），改變?nèi)舾蓞?shù)，使系統(tǒng)和機(jī)床保持在最佳切削條件下工作。這種系統(tǒng)復(fù)雜一些。 3、 發(fā)展計(jì) 算機(jī)數(shù)字控制 (多機(jī)數(shù)字控制 (計(jì)算機(jī)控制的生產(chǎn)系統(tǒng)：（ 1）計(jì)算機(jī)數(shù)字控制是將一臺(tái)小型通用計(jì)算機(jī)裝入數(shù)控裝置中去 ,以代替原來采用的很多邏輯電路。（ 2）多機(jī)數(shù)字控制采用通用計(jì)算機(jī)來直接控制一群數(shù)控機(jī)床。（ 3）計(jì)算機(jī)控制的生產(chǎn)系統(tǒng)，采用計(jì)算機(jī)控制生產(chǎn)系統(tǒng)的工廠 ,其全部的生產(chǎn)活動(dòng) ,都已綜合為一個(gè)單一的控制管理體系。 數(shù)控銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)是指將主軸電動(dòng)機(jī)的原動(dòng)力變成可供切削加工用的切削力矩和切削速度的傳動(dòng)系統(tǒng)。主傳動(dòng)系統(tǒng)要有較寬的轉(zhuǎn)速范圍及相應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩。還要有良好性能的主傳動(dòng)系統(tǒng)和具有高精度、高 剛度、振動(dòng)小、熱變形及噪聲均能滿足需要的主軸部件。 五、 數(shù)控銑床對(duì)主傳動(dòng)的要求 1、熱變形：電動(dòng)機(jī)、主軸及傳動(dòng)件都有熱源。降低溫升，減少熱變形是對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)要求的重要指標(biāo)。 2、主軸的靜剛度和抗振性：由于數(shù)控機(jī)床的加工精度比較高，主軸的轉(zhuǎn)速又很高。因此，主軸組件的質(zhì)量分布是否均勻以及主軸組件的阻尼等，對(duì)主軸組件的靜剛度和抗振性都會(huì)產(chǎn)生影響。 3、 主軸組件的耐磨性 ： 主軸組件必須有足夠的耐磨性，使之能夠長期保持要求的準(zhǔn)確精度。凡是有機(jī)械摩擦的部位，軸承，錐孔等都要有足夠的硬度，軸承還應(yīng)具有良好的潤滑 6。 六、數(shù)控銑床對(duì) 主軸 部 件的要求 文獻(xiàn)綜述 1、 回轉(zhuǎn)精度 ： 造成主軸回轉(zhuǎn)誤差的原因主要是由于主軸的結(jié)構(gòu)及其加工精度、主軸軸承的選用及剛度等，而主軸及其回轉(zhuǎn)零件的不平衡，在回轉(zhuǎn)時(shí)引起的激振力，也會(huì)造成主軸的回轉(zhuǎn)誤差。因此加工中心的主軸不平衡量要控制在 /s 以下。 2. 主軸剛度 ： 主軸組件的剛度越大，主軸受力的變形就越小。主軸組件的剛度不足，在切削力及其他力的作用下，主軸將產(chǎn)生較大的彈性變形，不僅影響工件的加工質(zhì)量，還會(huì)破壞齒輪、 軸承的正常工作條件，使其加快磨損，降低精度。主軸部件的剛度與主軸結(jié)構(gòu)尺寸、支撐跨距、所選軸承類型及配置形勢(shì)、砂間隙的調(diào)整、主軸上傳動(dòng)元件的位置等有關(guān) 7。 3. 主軸抗振性 主軸組件的抗振性是指切削加工時(shí)，主軸保持平穩(wěn)的運(yùn)轉(zhuǎn)而不發(fā)生振動(dòng)的能力。主軸組件抗振性及在必要時(shí)安裝阻尼（消振）器。另外，使主軸固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激振力的頻率。 4. 主軸溫升 ： 主軸組件在運(yùn)轉(zhuǎn)中，溫升過高會(huì)起兩方面的不良結(jié)果：一是主軸組件和箱體因熱膨脹而變形，主軸的回轉(zhuǎn)中心線和機(jī)床其他件的相對(duì)位置會(huì)有變化，直接影響加工精度；其次是軸承等元 件會(huì)因溫度過高而改變已調(diào)好的間隙和破壞正常潤滑條件，影響軸承的正常工作。 8嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生：“抱軸”。數(shù)控機(jī)床在解決溫升問題時(shí)，一般采用恒溫主軸箱。 5. 主軸的耐磨性 ： 主軸組件必須有足夠的耐磨性，以便長期保持精度。主軸上易磨損的地方是刀具或工件的安裝部位以及移動(dòng)式主軸的工作部位。為了提高耐磨性，主軸的上述部位應(yīng)該淬硬，或者經(jīng)過氮化處理，以提高硬度增加耐磨性 9。主軸軸承也需要有良好的潤滑，提高其耐磨性。 以上這些要求，有的還是矛盾的，例如高剛度和高速，高速和高精度等，這就要具體問題具體分析，例如設(shè)計(jì) 高效數(shù)控 銑 床的主軸組件的主軸應(yīng)滿足高速和高剛度的要求；設(shè)計(jì)高精度數(shù)控 銑 床時(shí)，主軸應(yīng)滿足高剛度、低溫升的要求。同時(shí)，主軸結(jié)構(gòu)要保證個(gè)部件定位可靠，工藝性能好等要求。 為了滿足以上要求，進(jìn)行了以下措施： 1、 提高主軸組件抗振性的措施 （ 1）盡量縮短主軸前軸承結(jié)構(gòu)的長度， 適當(dāng)增大跨矩； （ 2）盡量提高前軸承的剛度和阻尼； （ 3）提高前軸承的精度，把推力軸承放在前支撐初可提高抗振性； （ 4）對(duì)高速旋轉(zhuǎn)的零件作靜、動(dòng)平衡，提高齒輪、主軸的制造精度都可適當(dāng)減少強(qiáng)迫振動(dòng)源 10； （ 5）對(duì)于非連續(xù)切削過程的銑削，滾削等加裝 飛輪可減少振動(dòng)； （ 6）應(yīng)用阻尼器消耗振動(dòng)能量是有效的措施；考慮系統(tǒng)的固有頻率，避免共振。 文獻(xiàn)綜述 2、 減少主軸組件熱變形的措施 （ 1）把熱源移至機(jī)床以外。 （ 2）改善主傳動(dòng)的潤滑條件。如進(jìn)行箱外循環(huán)潤滑，用低粘度的潤滑油、油霧潤滑等，特別注意前軸承的潤滑情況。 （ 3）采用冷卻散熱裝置。例如用熱管冷卻減少機(jī)床各部位的溫差 ,進(jìn)行熱補(bǔ)償。如可以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用一些自動(dòng)補(bǔ)償?shù)难b置設(shè)法使熱變形朝不影響加工精度的方向發(fā)展11。還可以在工藝上減少熱變形的影響。如先空運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間再加 工。把粗、精加工分開等。 以上這些措施可以 提高主軸組件抗振性 并且減少主軸組件熱變形，從而達(dá)到主傳動(dòng)系統(tǒng)的要求。并且提高了主軸部件的精度，改善了速度、發(fā)熱、剛度等因素造成的影響。 參考文獻(xiàn)： 1、張曙 、盛伯浩 現(xiàn)代金屬加工 ,2005(6):38 45 3、呂紅霞 機(jī)械制造與自動(dòng)化 ,2005,34(1):8 10 4、文廣 ,馬宏偉 機(jī)械工程師 ,2003(1):9 12 5、王憲文 機(jī)床海外并購試看機(jī)床版的“市場(chǎng)與技術(shù)”博弈 2005(3):80 82 6、 李峻勤 ,費(fèi)仁元 M國防工業(yè)出版社 ,2000. 7、 張柱銀 ,陳思義 ,明興祖 M化學(xué)工業(yè)出版社 ,2003. 8、 王愛玲 ,白思遠(yuǎn) M國防工業(yè)出版社 ,2001. 9、 張寶林，數(shù)控技術(shù) M械工業(yè)出版社， 1997 10、 李佳，數(shù)控機(jī)床及應(yīng)用 M 清華大學(xué)出版社， 2002 11、 林東 M北京理工大學(xué)出版 社 ,1995. 研究內(nèi)容 1、 主軸電機(jī)的選取 根據(jù)主電機(jī)功率 慮電機(jī)的型號(hào)、額定轉(zhuǎn)速、最高轉(zhuǎn)速、恒功率范圍等因素。 2、主軸受力分析 分析采用的是哪種結(jié)構(gòu)（簡支梁、外伸梁、懸臂梁）進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算其跨距及受力情況。 通過一對(duì)皮帶輪傳動(dòng)，降速傳動(dòng)比 1： 通過皮帶受力得出輸出力，計(jì)算切削力得出輸入力。 3、主軸軸承的選擇 根據(jù)載荷條件、轉(zhuǎn)速條件、裝調(diào)性能、經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行選擇 前軸承型號(hào)： 752） /軸承型號(hào)： 602） /、潤滑與密封件的設(shè)計(jì) 研究計(jì)劃 研究周期與時(shí)間安排 畢業(yè)設(shè)計(jì)起止日期： 1