畢業(yè)設(shè)計(jì)異型石材平面數(shù)控銑床畢業(yè)論文

1、1前言1.1石材行業(yè)的發(fā)展天然石材自古以來就成為一種優(yōu)質(zhì)的建筑材料，具有質(zhì)感好、外觀莊重、機(jī)械以與物理化學(xué)性能好，如耐壓、耐磨與耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。在古代，石材的加工完全是靠手工來完成。直至到了19世紀(jì)，歐洲才出現(xiàn)了第一臺(tái)用于加工石材的機(jī)械，這給石材加工行業(yè)帶來了一場(chǎng)革命，從此，石材加工開始從手工操作向機(jī)械化方向發(fā)展。進(jìn)30年來，我國(guó)石材開采和加工業(yè)的持續(xù)發(fā)展推動(dòng)了我國(guó)的石材機(jī)械制造業(yè)的興旺。1.2異型加工機(jī)械由于異型加工制品附加值高，無論碑石和石材家具制造還是現(xiàn)代的建筑裝飾，對(duì)異型石材加工機(jī)械的需求與日俱增。石材的異型加工如果用人工，則勞動(dòng)量大、生產(chǎn)效率低、拋光成本高，難于滿足質(zhì)量要求，而且運(yùn)用金

2、剛石工具耗損快。因此國(guó)外出現(xiàn)了許多專門針對(duì)異型石材設(shè)計(jì)的機(jī)械設(shè)備。異型石材加工機(jī)械按制品加工形狀的不同可大致分為兩類：一類是用來加工等截面的異性石材制品；另一類是來加工截面不等的立體制品，二者控制維數(shù)是不同的。對(duì)于異型石材制品的加工形狀不同，對(duì)機(jī)械的要求也是不同的。對(duì)于用來加工等截面的石材異性制品，或者截面相似，但面積不等的異型制品以金剛石串珠繩鋸和高壓水射流技術(shù)為主，而對(duì)于用來加工截面形狀不等的空間立體制品則主要是仿形、數(shù)控機(jī)械為主。1.3國(guó)外發(fā)展動(dòng)向1.3.1國(guó)發(fā)展特點(diǎn)（1）單機(jī)設(shè)備多能化；目前，國(guó)異性石材制品加工設(shè)備的功能越來越多、用途也越來越廣。（2）向?qū)I(yè)化、集成化生產(chǎn)配套方向發(fā)展；

3、為了滿足高自動(dòng)化要求的石材生產(chǎn)項(xiàng)目的需要，國(guó)石材專業(yè)化生產(chǎn)配套設(shè)施越來越完善。（3）向智能化、機(jī)電一體化方向發(fā)展，設(shè)備自動(dòng)化程度逐漸升高；異型石材設(shè)備已經(jīng)開始使用可編程控制器、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與變頻調(diào)速器等，提高了工作效率和使用壽命。1.3.2國(guó)外發(fā)展特點(diǎn)（1）石材設(shè)備品種越來越全；各種功能的異性石材加工設(shè)備以與加工中心應(yīng)有盡有，幾乎所有形狀的異性石材制品都有相應(yīng)的加工設(shè)備以供選擇。（2）設(shè)備的性能和控制系統(tǒng)日益改善，加工設(shè)備的功能逐步提高；用各種電腦程控設(shè)備來加工形狀比較復(fù)雜的立體雕刻制品或畫像，有的可以選配激光掃描器，對(duì)于小型模型，通過配備專用的軟件，直接進(jìn)行加工，不再需要瑣碎的編程工作。（

4、3）功能更加完善、操縱系統(tǒng)的兼容性更好的數(shù)控加工中心的應(yīng)用；由CNC/CAM，刀具庫(kù)來提供加工各種曲面的刀具，可實(shí)現(xiàn)銑、磨、切削、鉆孔、拋光等工序。（4）向高自動(dòng)化、高效化的方向發(fā)展；石材生產(chǎn)除了單機(jī)設(shè)備的自動(dòng)化以外，主要是通過配備自動(dòng)輸送系統(tǒng)，使生產(chǎn)線連接成一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的連續(xù)自動(dòng)化，提高了生產(chǎn)的效率?？偠灾?，異型石材加工機(jī)械正向數(shù)控、多功能、單機(jī)智能化的方向發(fā)展，但是與世界先進(jìn)水平相比我國(guó)石材設(shè)備在技術(shù)性能、自動(dòng)化的程度、品種的匹配等綜合性能上還存在著很大差距，所以我們應(yīng)該積極發(fā)展，努力開拓、研制出更高水平的異型石材加工機(jī)械，提升我國(guó)在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。2總體方案的設(shè)計(jì)與最優(yōu)方案的

5、選擇2.1總體方案設(shè)計(jì)異性石材平面加工異性制品的平面加工所需要的運(yùn)動(dòng)都比較簡(jiǎn)單，三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸無需聯(lián)動(dòng)、選用一般的平面銑加工工具就可完成加工。影響銑床布局的主要因素：機(jī)床的抗振性以與剛性要求；銑削系統(tǒng)進(jìn)行銑削時(shí)切削力變動(dòng)所產(chǎn)生的振動(dòng)較大，所以機(jī)床剛度是個(gè)值得注意的問題。一般來說，框架式的布局（如龍門銑床）比懸臂梁式的布局（如單臂銑床）剛度要高，工作臺(tái)不升降式的布局比升降式的布局剛度要高。寬導(dǎo)軌雙壁聯(lián)結(jié)和窄導(dǎo)軌單壁聯(lián)結(jié)加垂直筋條，都是為了提高床身的剛度。工件本身的大小和形狀；工件的形狀和大小與各個(gè)坐標(biāo)的行程和方向都要求不同，工作臺(tái)的布置也是不同的，如加工大型的工件時(shí)一般都采用龍門式的；加工中型的工件

6、一般都采用工作臺(tái)固定不升降的，而加工小型的工件一般都采用升降臺(tái)式布局。選用材料要合理；床身、立柱等支撐件一般都采用鋼板或型鋼焊接而成，具有減輕重量提高剛度的特點(diǎn)。將型砂或者混凝土等阻尼材料填充在支承件的夾壁中，可以有效地提高阻尼特性，增加支承件剛度。2.2總體方案模塊劃分機(jī)械設(shè)備一般按主軸在空間所處狀態(tài)劃分為立式的和臥式的，因?yàn)榱⑹浇Y(jié)構(gòu)的機(jī)械設(shè)備適應(yīng)于加工復(fù)雜的輪廓、曲面以與板類工件等，根據(jù)加工的異性制品的特點(diǎn)，首先可把數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)形式確定為立式的，并且采用封閉式結(jié)構(gòu)。銑床的總體的功能是由相應(yīng)的功能模塊來完成的，按照模塊化的設(shè)計(jì)特點(diǎn)以與模塊劃分的原則，將設(shè)備的總體功能可分解成四大功能模塊，包

7、括控制、機(jī)械、冷卻與潤(rùn)滑以與其它輔助的擴(kuò)展功能模塊。根據(jù)各種異形石材制品的加工特點(diǎn)、設(shè)備運(yùn)動(dòng)的功能分析來對(duì)設(shè)備模塊分解：1動(dòng)力模塊是帶動(dòng)加工工具來進(jìn)行主旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、帶動(dòng)加工刀具進(jìn)行輔助旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以與帶動(dòng)工件進(jìn)行X、Y、Z三個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)。2運(yùn)動(dòng)模塊是實(shí)現(xiàn)加工工具相對(duì)工件的X、Y、Z三方向的運(yùn)動(dòng)部件的模塊。3支承模塊是用來支承、連接其它的部件，并使其在工作過程中保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)關(guān)系。4功能擴(kuò)展模塊是擴(kuò)大設(shè)備功能的模塊為以后設(shè)備功能做準(zhǔn)備。2.3最優(yōu)方案的選擇2.3.1方案一圖2.1龍門式銑床2.3.2方案二圖2.2 工作臺(tái)移動(dòng)式單臂銑床示意圖立式數(shù)控銑床的應(yīng)用圍在數(shù)控銑床中最為廣泛。小型立

8、式數(shù)控銑床與普通立式升降臺(tái)銑床的工作原理相差不大，銑床的工作臺(tái)可以自由移動(dòng)，但是升降臺(tái)和主軸固定不能移動(dòng)；中型立式數(shù)控銑床的工作臺(tái)通?？梢钥v向和橫向移動(dòng)，主軸可沿垂直方向的溜板上下運(yùn)動(dòng)；大型歷史數(shù)控銑床在設(shè)計(jì)過程?？紤]擴(kuò)大行程、縮小占地面積以與剛性等技術(shù)上的問題，所以往往采用龍門式，主軸可在龍門架的橫向和垂直方向的溜板上做縱向運(yùn)動(dòng)。（1）圖2.2銑床的運(yùn)動(dòng)方式：銑頭可沿立柱上下移動(dòng)，立柱可沿底座橫向移動(dòng)，工作臺(tái)可作縱向移動(dòng)。（2）特點(diǎn)：縱、橫向行程都可根據(jù)需求增減，以改變加工的圍。這兩個(gè)方向移動(dòng)精度較高，但橫向移動(dòng)部件比較重，需設(shè)置卸荷的裝置。一般B=5001250m由于銑床的規(guī)格為：800*

9、1200mm，因此對(duì)銑床的剛度要求并不是很高，從機(jī)床的剛度和抗振性與操作方便性和制造成本等方面比較，最優(yōu)方案選擇二。2.3.3機(jī)構(gòu)原理1主電機(jī)；2橫梁；3絲杠；4主軸；5工作臺(tái)；6立柱：7銑刀； 8絲杠； 9步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；圖2.3異型石材數(shù)控銑床工作原理：1主電動(dòng)機(jī)通過一法蘭與主軸箱連接，再將運(yùn)動(dòng)傳遞到4主軸，主電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，主軸帶動(dòng)7銑刀旋轉(zhuǎn)，完成對(duì)石材的銑削。9步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過錐銷套筒聯(lián)軸器與3絲杠連接將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)主軸箱通過溜板在2橫梁上完成X方向的運(yùn)動(dòng)。2橫梁通過手輪的調(diào)節(jié)在6立柱中間的8絲杠上完成Z方向的運(yùn)動(dòng)。石料置于5工作臺(tái)上，工作臺(tái)由另一臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)通過聯(lián)軸器

10、與滾珠絲杠連接，完成Y方向上的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而完成整個(gè)對(duì)石材平面的加工。3數(shù)控銑床的機(jī)械結(jié)構(gòu)典型的數(shù)控銑床的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要有以下幾個(gè)部分組成。（1）機(jī)床基礎(chǔ)件，如床身、底座等。（2）主傳動(dòng)系統(tǒng)。（3）進(jìn)給系統(tǒng)。（4）實(shí)現(xiàn)工件回轉(zhuǎn)、定位的裝置和附件。（5）刀架或自動(dòng)換刀裝置（ATC）。（6）自動(dòng)托盤交換裝置（APC）。（7）輔助裝置，如液壓、氣動(dòng)、潤(rùn)滑、冷卻、排屑、防護(hù)等裝置。（8）特殊功能裝置，如刀具破損監(jiān)控、精度檢測(cè)和監(jiān)控裝置等。（9）各種反饋信號(hào)裝置與組件。3.1基礎(chǔ)件數(shù)控銑床的基礎(chǔ)件通常指的是床身、立柱、橫梁、工作臺(tái)、底座等結(jié)構(gòu)件，由于它尺寸較大，俗稱為大件，是構(gòu)成機(jī)床的基本框架。其它部分則

11、附著在基礎(chǔ)件上，有的構(gòu)件還需要沿著基礎(chǔ)件運(yùn)動(dòng)。由于基礎(chǔ)件起著支撐和導(dǎo)向作用，因而對(duì)基礎(chǔ)件的基本要?jiǎng)偠群?。此外，由于基礎(chǔ)件通常固有頻率較低，在設(shè)計(jì)時(shí)希望它的固有頻率應(yīng)盡量高一些，阻尼盡量大一些。3.1.1立柱的設(shè)計(jì)立柱的功能是支承部件載荷和引導(dǎo)橫梁沿其導(dǎo)向面完成準(zhǔn)確的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。立柱導(dǎo)軌應(yīng)滿足下列要求：導(dǎo)向精度高、壽命長(zhǎng)、剛度與承載能力大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于加工和維修等優(yōu)點(diǎn)，因此立柱導(dǎo)軌選用滑動(dòng)導(dǎo)軌。滑動(dòng)導(dǎo)軌的類型有：1山形與V形截面，2矩形截面，3圓柱形截面，4平面環(huán)形截面，5燕尾形截面由于立柱的導(dǎo)向精度不太高，根據(jù)要求可選擇燕尾型的導(dǎo)軌如下圖所示：圖3.1.1立柱立柱由鑄鐵制造，中間部分裝有絲杠，

12、兩側(cè)為燕尾型的導(dǎo)軌，懸臂橫梁懸掛在立柱上并通過螺紋與立柱中的固定絲杠聯(lián)結(jié)。為了提高剛度和抗振性除了合理的選擇截面外還要在兩側(cè)布肋。采用鑲條調(diào)整導(dǎo)軌的側(cè)向間隙。尺寸為：3.1.2工作臺(tái)的設(shè)計(jì)工作臺(tái)不升降的銑床也稱無降臺(tái)式銑床。工作臺(tái)以與滑座支承在床身上，工作臺(tái)做縱橫兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，主電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，整個(gè)主軸箱沿立柱做垂直的升降運(yùn)動(dòng)。故機(jī)床剛性好，適合高速切削加工比較重和大尺寸的工件。目前有兩種工作方式：（1）十字工作方式 這種銑床工作臺(tái)在滑座和床身上完成縱橫兩個(gè)方向的移動(dòng)，主軸箱沿立柱作上下移動(dòng)，同時(shí)主軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。（2）立柱移動(dòng)式 這種銑床的工作臺(tái)只作縱向移動(dòng)，立柱帶著主軸箱一

13、起作橫向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)主軸箱主軸沿立柱作垂直升降移動(dòng)。綜合考慮，選擇第二種立柱移動(dòng)式工作臺(tái)。 工作臺(tái)主要由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、滾珠絲杠、夾緊機(jī)構(gòu)等組成。其特點(diǎn)是整機(jī)緊湊，調(diào)整靈活。工作臺(tái)導(dǎo)軌承載大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，要求導(dǎo)向精度高，制造維修方便。根據(jù)上述要求選擇矩形截面導(dǎo)軌，設(shè)計(jì)工作臺(tái)如圖所示：圖3.1.2工作臺(tái)所以材料選擇冷硬鑄鐵，硬度一般在HB320以上。采用鑲條調(diào)整導(dǎo)軌間隙，導(dǎo)軌的平面度應(yīng)達(dá)到0.05mm。工作臺(tái)的尺寸：960mm×1400mm3.1.3橫梁的設(shè)計(jì)橫梁是數(shù)控銑床上的一個(gè)重要大件，橫梁結(jié)構(gòu)尺寸和布局形式?jīng)Q定它本身的靜動(dòng)態(tài)特性，而這些特性對(duì)設(shè)備的性能影響很大，體現(xiàn)在加工精度、抗

14、振性、使用壽命等。銑床在布局規(guī)劃時(shí)已經(jīng)確定了橫梁的外觀，而橫梁的部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需對(duì)其動(dòng)靜態(tài)性能研究獲得，由于石材設(shè)備加工精度要求沒有機(jī)械行業(yè)的設(shè)備的要求高，所以無需采用復(fù)雜的橫梁結(jié)構(gòu)，橫梁的導(dǎo)軌選用滑動(dòng)導(dǎo)軌，截面形狀采用燕尾型導(dǎo)軌。根據(jù)要求橫梁的設(shè)計(jì)如下：圖3.1.3橫梁結(jié)構(gòu)圖橫梁由結(jié)構(gòu)鋼焊接而成，用鑲條調(diào)整間隙，橫梁的導(dǎo)軌面可采用磨削加工。按加工規(guī)格，選定橫梁尺寸為橫梁的受力分析：圖3.1.4橫梁的受力分析P1=1814NP2=2775NMc=P1×L1+P2×L2=1814×0.996+2775×0.508=3217N.m （3.1.1）（3.1.2）

15、橫梁符合要求3.1.4主軸箱的設(shè)計(jì)銑床的主軸箱也是銑床的一個(gè)重要組成部分，箱體的設(shè)計(jì)是根據(jù)被加工件的要求，主軸的放置，運(yùn)動(dòng)以與動(dòng)力的傳遞，轉(zhuǎn)速的要求。主軸箱通常是由前端蓋、后端蓋和箱體三部分組成。主軸箱的尺寸：b×h=192mm×495mm，為了減輕橫梁上的載荷，主軸箱的厚度=10mm連接方式：用以法蘭與主電機(jī)連接，如圖3.1.5所示主軸箱的兩側(cè)有幾個(gè)凸臺(tái)，是為了方便將主軸箱固定到溜板上。圖3.1.5主軸箱的結(jié)構(gòu)圖3.1.5溜板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)溜板是帶動(dòng)主軸箱在橫梁的導(dǎo)向面上完成X方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。材料選擇：HT200。結(jié)構(gòu)圖如下所示：圖3.1.6溜板3.2數(shù)控銑床傳動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控銑床

16、的傳動(dòng)裝置是指將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)的整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)鏈與其附屬機(jī)構(gòu)。傳動(dòng)裝置是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，因此，數(shù)控銑床傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)除了具有較高的定位精度之外，還應(yīng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征。3.2.1主傳動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控銑床的主傳動(dòng)系統(tǒng)包括主軸電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和主軸部件。主傳動(dòng)是由三相異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)刀具的轉(zhuǎn)動(dòng)。由于異型石材數(shù)控銑床的主軸轉(zhuǎn)速要求很高一般都在1500r/min，所以電動(dòng)機(jī)出來無需使用減速器，可直接通過一個(gè)法蘭與軸連接，實(shí)現(xiàn)刀具轉(zhuǎn)動(dòng)。3.2.2主軸電動(dòng)機(jī)的選擇銑床規(guī)格為：800*1200mm、主動(dòng)電壓工作電壓：380v主電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速：1420r/min按照以上條件，選用三相異步電動(dòng)機(jī)，

17、其中Y系列電動(dòng)機(jī)為一般用途全封閉自扇冷式籠型三相異步電動(dòng)機(jī)，具有防止灰塵或其它雜物進(jìn)入電動(dòng)機(jī)部的特點(diǎn)，所以選擇Y型。表3.2電動(dòng)機(jī)的參數(shù)電動(dòng)機(jī)型號(hào)額定功率/kw滿載轉(zhuǎn)速/(r/min)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩質(zhì)量/kg額定轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩同步轉(zhuǎn)速1500r/min,4級(jí)Y100l2-4314302.22.3383.3主軸組件主軸組件是數(shù)控銑床的一個(gè)重要的組成部分。它包括主軸、軸承以與安裝在主軸上的傳動(dòng)件。機(jī)床工作時(shí)，主軸要夾持刀具來完成表面成型運(yùn)動(dòng)，所以主軸組件的工作性能好壞將直接影響到工件的質(zhì)量和機(jī)床的生產(chǎn)率。與一般的傳動(dòng)軸一樣，主軸也需要在一定的轉(zhuǎn)速下來傳遞一定的轉(zhuǎn)矩。但主軸要帶動(dòng)著刀具參與銑削工作，

18、已完成工件表面加工。因此一臺(tái)銑床的加工質(zhì)量在一定程度上決定與主軸組件質(zhì)量。主軸要傳遞轉(zhuǎn)矩，直接承受銑削力，還要滿足各種不同要求。1旋轉(zhuǎn)精度主軸組件旋轉(zhuǎn)精度是指裝配后，在無載荷、低速的條件下，主軸前端安裝工件或刀具部位的徑向跳動(dòng)和軸向跳動(dòng)。當(dāng)主軸以工作轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于潤(rùn)滑油膜的產(chǎn)生和不平衡的擾動(dòng)，旋轉(zhuǎn)精度將會(huì)有所變化，主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度主要取決于各主要件，如主軸、軸承、箱體孔等的制造、裝配和調(diào)整精度。旋轉(zhuǎn)精度還取決于主軸轉(zhuǎn)速、支撐的設(shè)計(jì)和性能，潤(rùn)滑劑以與主軸組件的平衡。2靜剛度主軸組件的靜剛度反映組件抵抗靜止?fàn)顟B(tài)下外載荷的變形能力。主軸組件的彎曲剛度K定義為：使主軸前端產(chǎn)生單位位移時(shí)，在位移方向

19、測(cè)量處所需施加的力即：K=F/ （N/um）影響主軸組件彎曲剛度的因素很多，如主軸的尺寸和形狀，滾動(dòng)軸承的型號(hào)、數(shù)量、配置形式和預(yù)緊，滑動(dòng)軸承的類型和油膜剛度，前后支撐的距離和主軸組件的制造和裝配質(zhì)量等。3抗振性主軸組件工作時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)會(huì)降低工件的表面質(zhì)量和刀具的耐用度，縮短主軸壽命，還會(huì)產(chǎn)生噪聲影響環(huán)境。振動(dòng)表現(xiàn)為強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)兩種形式。主軸組件產(chǎn)生自激振動(dòng)，不僅嚴(yán)重影響加工質(zhì)量，甚至使切削無法進(jìn)行下去。抵抗強(qiáng)迫振動(dòng)則要提高動(dòng)剛度。動(dòng) 剛度是指激振力幅值與振動(dòng)幅值之比。影響抗振性的因素主要有主軸組件的靜剛度，質(zhì)量分布和阻尼。主軸的固有頻率應(yīng)遠(yuǎn)大于激振力的頻率，以使它不易發(fā)生共振。4溫升、熱

20、變形主軸組件工作時(shí)因各相對(duì)運(yùn)動(dòng)處的摩擦和攪油等而發(fā)熱，產(chǎn)生溫升，從而使主軸組件的形狀和位置發(fā)生變化。主軸組件受熱伸長(zhǎng)，是軸承間隙發(fā)生變化。溫升使?jié)櫥驼扯认陆?，降低?rùn)滑軸承的承載能力。主軸箱因溫升而變形，使主軸偏離正確位置。前后軸承溫度不同，還會(huì)導(dǎo)致主軸軸線傾斜。因此，對(duì)主軸軸承的溫升要作出限制，主軸軸承在高速空轉(zhuǎn)、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的允許溫升：高精度機(jī)床為8-10，精密機(jī)床和數(shù)控機(jī)床為15-20,普通機(jī)床為30-40。5耐磨性主軸組件耐磨性是能夠長(zhǎng)期保持原始精度的能力，即為精度保持性。使精度受影響的部位首先是軸承，其次是安裝刀、夾具或工件的部位，如錐孔、定心軸勁等。裝有滾動(dòng)軸承的主軸，支承處的耐

21、磨性則決定于滾動(dòng)軸承。如果用滑動(dòng)軸承，則軸頸的耐磨性在很大程度上影響精度保持性。為了提高耐磨性，一般機(jī)床主軸的上述部分應(yīng)淬硬至HRC60左右，此硬度層厚約1mm。3.3.1主軸的結(jié)構(gòu)為了提高剛度，主軸的直徑應(yīng)盡量大些。前軸承至主軸前端面的距離應(yīng)盡可能小些。為了便于裝配，主軸常做成階梯形。主軸的結(jié)構(gòu)與形狀和主軸上所安裝的傳動(dòng)件、軸承等零件的類型、數(shù)量、位置和安裝方法有直接的關(guān)系。為了便于在主軸上安裝各種標(biāo)準(zhǔn)刀具或夾具，主軸前段部以標(biāo)準(zhǔn)化，圖3.3.1為銑床的主軸端部，銑刀或刀桿靠7:24的錐孔定位，用拉桿從主軸后端拉緊，前段用雙鍵傳遞扭矩。圖3.3.1主軸端部主軸材料的選擇主要依據(jù)耐磨性和熱處理

22、變形來考慮。此銑床的主軸可用45號(hào)優(yōu)質(zhì)鋼，調(diào)質(zhì)到220-250HB。1、主軸的計(jì)算主軸的輸出功率P1，P1=P一般選擇彈性聯(lián)軸器效率為0.99-0.995選用0.99則，P1=P=3×0.99=2.97kw轉(zhuǎn)速n=1420×r/min轉(zhuǎn)矩T (3.3.1)2、初步估算軸的最小直徑先按機(jī)械設(shè)計(jì)書中式15-2。選擇軸的材料為45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)表15-3機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，取A0=112，于是得： (3.3.2)輸出軸的最小直徑顯然是安裝軸承器處軸的直徑d-（圖3.3.2）。選擇聯(lián)軸器型號(hào)聯(lián)軸器的孔徑應(yīng)與軸的直徑相適應(yīng)聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩Ta=kT,查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表14-1，考慮到轉(zhuǎn)

23、矩變化很小，故取k=1.3則Ta=19974×1.3=25966.2（N·mm）按照計(jì)算轉(zhuǎn)矩Ta應(yīng)小于聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩條件，查標(biāo)準(zhǔn)GB/T5014-2003,查得N23型撓性爪型聯(lián)軸器，其半聯(lián)軸器的孔徑d=28mm，故取d-=28mm。3、軸上的各段直徑和長(zhǎng)度的確定1）為了滿足半聯(lián)軸器的軸向定位要求，-軸段右端需制出一軸肩，故取-軸段的直徑dII-III=40mm；左端用軸端擋圈定位，按軸端直徑取擋圈直徑D=45mm,為了保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而不壓在軸的端面上，故取LI-II=60mm。2）初步選擇滾動(dòng)軸承。因軸承同時(shí)受到徑向力和軸向力作用，故選用單列圓錐滾子軸承。參

24、照工作要求并根據(jù)dII-III=40mm由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取O基本游隙組，標(biāo)準(zhǔn)精度級(jí)的單列圓錐滾子軸承7310，其尺寸為，故dIII-IV=dV-IV=50mm,而LIII-IV=28mm。兩端滾動(dòng)軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位，需將IV-V段直徑放大以構(gòu)成軸肩。有手冊(cè)上查得， 7310型軸承，它的定位軸肩高度h=6mm，現(xiàn)取dIV-V=62mm。取安裝銑刀處的軸段V-VI部分dV-VI=50mm，部需加螺紋，螺紋直徑為M25mm，LV-VI=105mm。軸上零件的周向定位。本聯(lián)軸器與軸的周向定位采用平鍵聯(lián)接，由表6-1查得平鍵截面bh=8mm7mm，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長(zhǎng)為40mm。滾動(dòng)軸承與

25、軸的周向定位借過渡配合來保證的。此處選軸的直徑尺寸公差為m6.參考機(jī)械設(shè)計(jì)表15-2確定軸肩處的圓角半徑r=25mm。軸端倒角均為245º。圖3.3.2主軸4、求軸上的載荷首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖（圖3.3.2）做出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖，毛坯直徑小于200mm,由材料查表得圖3.3.3主軸的受力分析軸的剖面D處的彎矩為 （3.3.3）扭矩計(jì)算扭矩Mca：5按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大計(jì)算彎矩的剖面（即剖面D）的強(qiáng)度 （3.3.4）按機(jī)械設(shè)計(jì)表15-3，對(duì)于的碳鋼，承受對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力時(shí)的許用應(yīng)力故該軸安全。3.3.2主軸軸承配置滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承都可用于機(jī)床主軸，都能滿

26、足旋轉(zhuǎn)精度的要求。相比之下滾動(dòng)軸承有下述優(yōu)點(diǎn)：在轉(zhuǎn)速和載荷變化圍很大的情況下滾動(dòng)軸承仍能穩(wěn)定工作，而滑動(dòng)軸承在低速時(shí)難以形成具有足夠壓力的油膜；滾動(dòng)軸承能在零間隙甚至負(fù)間隙的條件下工作，對(duì)提高旋轉(zhuǎn)精度和剛度有利，而滑動(dòng)軸承必須有一定的間隙才能正常工作；滾動(dòng)軸承摩擦系數(shù)小，發(fā)熱少；滾動(dòng)軸承容易潤(rùn)滑，可以用脂潤(rùn)滑，填裝一次用到修理時(shí)才更換，若用油時(shí)所需的油量也遠(yuǎn)小于滑動(dòng)軸承。由此分析，在一般情況下盡量采用滾動(dòng)軸承尤其是立式主軸，因軸承同時(shí)受到徑向力和軸向力作用，故可選用單列圓錐滾子軸承。查表6-7（機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)）現(xiàn)選用30310型軸承（°）。軸承的計(jì)算：軸承的受力分析：查機(jī)械設(shè)計(jì)表13-

27、7得：求軸承的軸向力，由于由式13-11得：按表13-5，對(duì)30310型軸承，對(duì)軸承1：對(duì)軸承2：按表13-6，=1.21.8.取=1.5。則 （3.3.5）軸承2的型號(hào)根據(jù)軸承2的受力大小選擇軸承型號(hào)，軸承應(yīng)具有的徑向基本額定動(dòng)載荷值為： (3.3.6)其中查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選30310型軸承，。3.4進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是數(shù)字控制的直接對(duì)象，不論試點(diǎn)位控制還是輪廓控制，工件的最后尺寸精度還是輪廓控制，工件的最后尺寸精度和輪廓精度都受進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)精度、靈敏度、和穩(wěn)定性的影響。為確保數(shù)控銑床進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作穩(wěn)定性在設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝置時(shí)，通常提出了無間隙、低摩擦、低慣量、高剛度、高

28、諧振頻率以與有適宜的阻尼比。為了達(dá)到這些要求，采取以下措施： 摩擦阻力小。為了提高數(shù)控銑床進(jìn)給系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能和運(yùn)動(dòng)精度，。必須減小運(yùn)動(dòng)件的摩擦阻力和動(dòng)、靜摩擦力之差。為了滿足上述要求，在數(shù)控銑床進(jìn)給系統(tǒng)中，采用滾動(dòng)絲杠螺母副；滑動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌和塑料導(dǎo)軌。傳動(dòng)精度和剛度。進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和剛度，從機(jī)械結(jié)構(gòu)方面考慮主要取決于傳動(dòng)間隙和絲杠螺母副與其支承結(jié)構(gòu)的精度和剛度，因此提高進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和剛度所采取的措施：縮短傳動(dòng)鏈，加大絲杠直徑以與對(duì)絲杠螺母副、支承部件、絲杠本身施加預(yù)緊力。運(yùn)動(dòng)部件慣量小。運(yùn)動(dòng)部件的慣量對(duì)伺服系統(tǒng)的啟動(dòng)和制動(dòng)等動(dòng)態(tài)特性都有影響，尤其是處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的零部件。因

29、此在滿足部件剛度和強(qiáng)度前提下，盡可能減小運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量、減小旋轉(zhuǎn)零件的直徑和質(zhì)量，以降低其慣量。盡量消除傳動(dòng)間隙，減少反向死去誤差。如采用消除間隙的聯(lián)軸器（如用加錐銷固定的聯(lián)軸套，用鍵加頂絲緊固的聯(lián)軸套以與用無扭轉(zhuǎn)間隙的撓性聯(lián)軸器等），采用消除間隙措施的傳動(dòng)副。3.4.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的性能在很大程度上取決于伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)與其驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移的電動(dòng)機(jī)。其角位移與電脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與電脈沖頻率成正比。通過改變脈沖頻率就可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果停機(jī)后某些相的繞組仍能保持通電狀態(tài)，則還具有自鎖能力。每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，步

30、進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一定角度。伺服電動(dòng)機(jī)直接傳動(dòng)滾珠絲桿螺母副，帶動(dòng)工作臺(tái)和橫梁在導(dǎo)軌上移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)刀具和工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，已形成加工零件表面。1工作臺(tái)和橫梁上的電動(dòng)機(jī)的選擇初選電動(dòng)機(jī)的步距角°傳動(dòng)比 i=滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1=0.77DL代入數(shù)據(jù)得 J1=1.5×10Kg.m工作臺(tái)折算到絲杠的J210 （3.4.1）代入數(shù)據(jù)得 絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)總慣量J=J1+J2=3.6×10Kg.m初選電動(dòng)機(jī)型號(hào)150BF002，最大靜轉(zhuǎn)矩13.72N.m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J3=98×10Kg·mJd=J1+J2+J3=1.34×10驗(yàn)算慣量匹

31、配，電動(dòng)機(jī)軸向慣量比值應(yīng)控制在一定的圍，既不應(yīng)太大也不應(yīng)太小，即伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性取決與負(fù)載特性。為使該系統(tǒng)的慣量達(dá)到較合理的配合，一般比值控制在1/41之間，J3/Jd=0.73由此可見此電動(dòng)機(jī)符合要求。3.4.2開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)主要靠步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)伺服控制，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換，它將每一個(gè)輸入脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成固定的步距角。圖3.4.1開環(huán)系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)容易掌握，維修也容易，但因?yàn)闆]有測(cè)量與反饋裝置，其位置精度主要由電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、絲杠螺母副和工作臺(tái)導(dǎo)軌精度決定。因此對(duì)傳動(dòng)元件的制造精度要求高，運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦力要小，要實(shí)現(xiàn)無間隙傳動(dòng)。3.4.3絲杠的選擇為了提高伺服進(jìn)

32、給系統(tǒng)的靈敏度、定位精度和防止爬行，必須降低設(shè)備進(jìn)給設(shè)備進(jìn)給系統(tǒng)摩擦并減少靜、動(dòng)摩擦系數(shù)之差，滾動(dòng)絲杠的靜、動(dòng)摩擦系數(shù)實(shí)際上幾乎沒有區(qū)別，它可以消除反向間隙并施加預(yù)載，有助于提高定位精度和剛度。 因此，根據(jù)結(jié)構(gòu)需要，在X方向與Z方向進(jìn)給系統(tǒng)中選用滾珠絲桿副傳遞驅(qū)動(dòng)力，滾珠絲桿副的摩擦角小于1度，不自鎖。1滾動(dòng)絲杠螺母副的特點(diǎn)滾動(dòng)絲杠螺母副是一種低摩擦、高精度、高效率的機(jī)構(gòu)。在數(shù)控銑床上得到廣泛應(yīng)用。它的機(jī)械效率（=0.920.96）比滑動(dòng)絲杠（=0.200.40）高34倍。滾珠絲杠螺母副的動(dòng)（靜）摩擦系數(shù)相差極小。滾珠絲杠螺母副的滾珠循環(huán)方式一般分為外循環(huán)和循環(huán)兩種。外循環(huán)過程中滾珠與絲桿脫離

33、接觸，目前使用插管完成滾珠循環(huán)結(jié)構(gòu)，工藝性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但滾到管突出于螺母外面，所以外循環(huán)絲桿螺母徑向尺寸大。對(duì)于循環(huán)方式，滾珠在循環(huán)過程中始終保持與絲杠接觸。這時(shí)在左右螺母上各裝2個(gè)回珠反向器，它迫使?jié)L珠越過絲桿的螺母外徑，進(jìn)入相鄰的螺紋滾道。循環(huán)滾珠絲桿螺母副工作滾珠數(shù)目少，傳動(dòng)效率高，流暢性好，徑向尺寸緊湊，軸向剛度好。但需三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床才能加工。滾珠絲杠螺母副事先通過左右螺母的相互離開和相互靠近消除間隙；滾珠和滾珠絲杠螺母副接觸處有過盈時(shí)，即達(dá)到預(yù)緊。2 工作臺(tái)滾珠絲杠的選擇根據(jù)銑床的加工條件一般采用循環(huán)。工作臺(tái)重量G1=（80×960-12×9-20×8

34、）×1400×7.8×10×9.8×10=8190N工件重量G2=1.2×0.8×0.4×2.8×10×9.8=10537N絲杠上的力G=G1+G2=8190+10537=2247N計(jì)算銑削力立銑刀 最大直徑d=15mm，立銑刀齒數(shù)Z=3，最大切削寬度最大被吃刀量每齒進(jìn)給量銑刀轉(zhuǎn)速n=300r/min由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)查得公式： （3.4.1）代入上式得：Fc=1229N 取1.1 取0.25 取0.38由此得 最大工作載荷： （3.4.2）設(shè)工作臺(tái)承受銑削力最快進(jìn)給速度V=400mm/min，初選

35、絲桿導(dǎo)程P=5mm，則此絲杠轉(zhuǎn)速n=V/P=80r/min預(yù)計(jì)滾珠絲杠工作五年，每天工作八小時(shí)，由此使用壽命T=5×360×8=14400h （3.4.3） （3.4.4）代入數(shù)據(jù)得Cc=10554N規(guī)格型號(hào)選擇FF25063，公稱直徑為25mm，導(dǎo)程6mm，循環(huán)圈數(shù)為3，額定動(dòng)載為11.3KN，大于最大計(jì)算動(dòng)載荷Cc=10554N,滿足要求。3滾珠絲杠上的聯(lián)軸器的選擇為了消除傳動(dòng)間隙，減少反向死區(qū)誤差，采用加錐銷固定的連軸套。4橫梁和立柱的絲杠選擇由于加工材料為石材，加工過程中易產(chǎn)生灰塵，橫梁和立柱為半開放式的，所以選擇滑動(dòng)絲杠。5絲杠支承的方式因?yàn)榻z杠大多承受的是軸向力

36、，所以選擇單向推力球軸承，還可以選單列向心球軸承進(jìn)行徑向的定位。單向推力球軸承選擇型號(hào)：8308單列向心球軸承選擇型號(hào)：308.校核：因?yàn)檩S承主要承受的是軸向力，軸向力為P=5285（N），8308額定動(dòng)載荷，符合要求。3.4.4導(dǎo)軌機(jī)床上兩相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的配合面組成一對(duì)導(dǎo)軌副，不動(dòng)的配合面為支撐導(dǎo)軌，運(yùn)動(dòng)的配合面為動(dòng)導(dǎo)軌。導(dǎo)軌的主要作用是導(dǎo)向和承載，為此，導(dǎo)軌副只許具有1個(gè)自由度。滾動(dòng)導(dǎo)軌副工作面之間裝有滾動(dòng)體，使兩導(dǎo)軌面之間形成滾動(dòng)摩擦。普通滑動(dòng)導(dǎo)軌以與靜壓導(dǎo)軌、動(dòng)壓導(dǎo)軌等導(dǎo)軌副工作面的摩擦性質(zhì)為滑動(dòng)摩擦。1導(dǎo)軌副的材料構(gòu)成鑄鐵淬硬鑄鐵動(dòng)導(dǎo)軌常用灰鑄鐵，并經(jīng)刮配加工。支承導(dǎo)軌采用HT20-H

37、T40鑄鐵并進(jìn)行表面淬火提高硬度與耐磨性。一般說來，動(dòng)導(dǎo)軌的硬度比支承導(dǎo)軌硬度低HB15HB45為宜。2導(dǎo)軌的截面形狀根據(jù)石材加工條件，精度要求并不是很高，而且速度低，所以選擇滑動(dòng)導(dǎo)軌，矩形和燕尾形導(dǎo)軌有調(diào)整方便、承受力矩大等特點(diǎn)，所以工作臺(tái)選擇矩形導(dǎo)軌，橫梁和立柱選擇燕尾形導(dǎo)軌。圖3.4.2燕尾形導(dǎo)軌的截面形狀圖3.4.2是立柱和橫梁的燕尾型導(dǎo)軌，用一根鑲條可同時(shí)調(diào)整M、J 2個(gè)方向間隙。圖3.4.3工作臺(tái)導(dǎo)軌4數(shù)控機(jī)床中的其它裝置4.1鍵的選擇和校核鍵的型號(hào)可選擇圓頭平鍵連接。查表6-1（機(jī)械設(shè)計(jì)）得鍵的尺寸為;b×h×l=8×7×40強(qiáng)度校核：（4

38、.1）所以合格。4.2刀具的選擇在異性石材加工中刀具的選擇也是至關(guān)重要的，因?yàn)槭膶儆诖嘤膊牧?，切削加工是比較困難的，普通材料的刀具加工實(shí)現(xiàn)比較困難，而金剛石是自然界已知最硬的物質(zhì)，它優(yōu)異的性能決定了其在石材加工領(lǐng)域中具有廣闊應(yīng)用。本銑床采用金剛石熱壓成型法制備的圓柱形銑刀。金剛石銑刀盤的結(jié)構(gòu)圖為圖4.1所示，刀盤通過錐孔裝在銑削頭的主軸上，來確保刀盤具有很小的徑向跳動(dòng)。刀盤的直徑為150mm。刀盤基體材料采用65Mn，在刀盤上焊有金剛石的刀塊，刀塊長(zhǎng)25mm，寬6mm，高10mm，共12塊，刀塊采用鈷基結(jié)合劑，金剛石粒度號(hào)為4050，濃度50%。切削參數(shù)刀具的最大切削速度：12米/秒，銑削深

39、度：815mm，進(jìn)給量可調(diào)，銑削速度120140mm。最大直徑d=15mm。圖4.2金剛石銑刀盤4.2.1銑削受力分析異性石材對(duì)金剛石圓柱銑刀的作用，實(shí)際上是沿著銑削弧的區(qū)域分布，為了使研究方便，可將作用力的合力合成為一對(duì)力，為水平方向的力Fx和垂直方向的力Fy，也可分解成切向力Ft和法向力Fn，規(guī)定X向右為正，Y向向上為正。如圖4.1所示為一般的狀態(tài)下的銑削，如果使其合力作用點(diǎn)與Y軸方向的夾角為，縱向的切深為ap,a為Z方向?yàn)檩S向的切深，得： （4.2.1）（4.2.2）Ap的值為銑刀直徑D狀態(tài)時(shí)銑削力，如圖4.1，即全弧在進(jìn)給條件下進(jìn)行銑削，可通過分別來改變主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度與銑削速度這三個(gè)參數(shù)來獲取數(shù)據(jù)，在此條件下的理想狀態(tài)的合力的作用點(diǎn)應(yīng)該在銑刀的最左端邊緣，隨著銑刀的切入值ap值的逐漸增大，當(dāng)銑刀完全的切入時(shí)，切削深度ap的值等于銑刀得直徑D，而合力角的值為90°，此時(shí)測(cè)得銑削力Fx和Fy大小即為所求的切向力與法向力的大小。合力大小為：圖4.3銑刀受力示意圖5潤(rùn)滑、冷卻和密封系統(tǒng)5.1潤(rùn)滑潤(rùn)滑的作用是減少摩擦、降低溫升，并與密封裝置一起保護(hù)軸承等不受到外部損壞與腐蝕。本銑床采用的潤(rùn)滑方式：定期手工