車銑復(fù)合加工中心的主軸機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上圖書分類號：密 級：畢業(yè)設(shè)計(論文)車銑復(fù)合加工中心的主軸機械結(jié)構(gòu)設(shè)計THE DESIGN OF SPINDLE MECHANICAL STRUCTURE FOR TURN-MILLING MACHINING CENTER學生姓名班 級學院名稱專業(yè)名稱指導(dǎo)教師XXX學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明： 所呈交的學位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用或參考的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標注。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔。論文作

2、者簽名： 日期：日XXX學位論文版權(quán)協(xié)議書本人完全了解XXX關(guān)于收集、保存、使用學位論文的規(guī)定，即：本校學生在學習期間所完成的學位論文的知識產(chǎn)權(quán)歸XXX所擁有。XXX有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交學位論文的紙本復(fù)印件和電子文檔拷貝，允許論文被查閱和借閱。XXX可以公布學位論文的全部或部分內(nèi)容，可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容提交至各類數(shù)據(jù)庫進行發(fā)布和檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學位論文。論文作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日專心-專注-專業(yè)摘要本設(shè)計主要是針對于車銑復(fù)合加工中心主軸機械結(jié)構(gòu)部分。當前機械制造業(yè)涉及了機床技術(shù)，加工工藝技術(shù)，

3、數(shù)控技術(shù)以及計算機技術(shù)等多領(lǐng)域，是一個的綜合產(chǎn)業(yè)。目前由于機械零件制造呈小批量，復(fù)雜工藝過程的特點，因此，相比傳統(tǒng)的機械加工模式，這將對機床的加工效率，加工精度，自動化程度提出了更高的要求。近些年，復(fù)合加工技術(shù)成為了機械制造業(yè)的熱門發(fā)展方向，車銑復(fù)合加工中心作為具體實現(xiàn)裝置，它可以減少裝夾工件的次數(shù)，并且以此提高加工精度及效率。主軸作為機床的重要組成部分，它很大程度上決定了機床的性能，本論文主要對車銑復(fù)合加工中心的主軸機械結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，其內(nèi)容包括了總體的主軸結(jié)構(gòu)方案分析設(shè)計、具體主軸尺寸參數(shù)確定和校核、電機和軸承選型與計算校核以及根據(jù)主軸的承載重量、切削力等相關(guān)參數(shù)，進行主軸的動平衡計算，強度

4、、剛度校核。關(guān)鍵詞 車銑復(fù)合加工中心；主軸；機械結(jié)構(gòu)；設(shè)計AbstractThis design is mainly the spindle mechanical structure of turn-milling machining center. Currently, machinery manufacturing industry is related to the comprehensive processing technology, machine tool technology, CNC technology, computer technology, and other are

5、as. Compared to conventional machining modes, current characteristics due to mechanical parts manufacturing were small batches, complex process, for the machining efficiency, precision, a higher degree of automation requirements. In recent years, composite processing technology has become a hot deve

6、lopment direction of machinery manufacturing industry, turn-milling machining center as a concrete realization means that it can reduce the number of workpiece clamping, and in order to improve the precision and efficiency. As an important component part of the machine, the spindle of machine has a

7、decisive influence performance. This paper mainly focuses on the spindle mechanical structure design of the turn-milling machining center, including the entire spindle mechanical structure of turn-milling machining center, specific spindle size parameter determination and verification, selection and

8、 check the motor and bearings, and calculating and checking spindle balancing, strength, stiffness, according to the load weight of the spindle, cutting forces and other relevant parameters.Keywords Milling machining centers Spindle Mechanical structure Design目 錄1 緒論1.1 課題背景及研究意義零件機械加工，少則需要一兩道工序，多則上

9、百道工序，往往要經(jīng)過多臺設(shè)備進行加工，加上工件裝夾以及換刀，必將消耗大量時間，嚴重影響加工效率和加工精度。當今，機械制造業(yè)受到了各國的高度重視，為快速發(fā)展工業(yè)和國民經(jīng)濟，對高質(zhì)量、高精度、高效率、自動化先進機床的需求更為緊迫。為此，更為精密高效的機械加工工藝方法一直是工藝人員所最求的。復(fù)合加工技術(shù)就此應(yīng)運而生，是一種先進制造技術(shù)，符合當今機械制造的發(fā)展潮流，目前已經(jīng)成為國際上機械加工制造領(lǐng)域最為流行的加工方法之一。車銑復(fù)合加工中心承接復(fù)合加工技術(shù)，可以實現(xiàn)高效率的零件加工工藝，而且可以在提高加工效率的同時實現(xiàn)高精度生產(chǎn)。車銑復(fù)合加工中心作為復(fù)合加工機床的一種典型形式，具有復(fù)合機床的共性，可以經(jīng)

10、過一次裝夾零件進行多種加工工序，大大地提高了加工效率和加工精度。具體來說，車銑復(fù)合加工中心很好地結(jié)合了車床和銑床的加工特點，并且運用數(shù)控技術(shù)可以提高自動化程度來實現(xiàn)銑削平面，加工回轉(zhuǎn)類零件的表面，鉆削，擴孔，鏜孔等加工工序。具有車、銑、鏜等復(fù)合功能的車銑復(fù)合加工中心可以解決大部分的工序。車銑復(fù)合加工中心大致可以分為三大類：基于車床的復(fù)合加工機床，基于銑床的復(fù)合加工機床和其他復(fù)合加工機床。簡單來說，就是在車床、銑床或者其他機床的基礎(chǔ)上，增設(shè)可以進行其他工序的加工設(shè)備，所以便可在同一機床上實現(xiàn)多工序同時進行，在此基礎(chǔ)上，再結(jié)合數(shù)控技術(shù)提高車銑復(fù)合機床的自動化程度。目前較為先進的車銑復(fù)合加工中心可以

11、實現(xiàn)五軸聯(lián)動，其結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。作為機床制造業(yè)的高端產(chǎn)品，可以生產(chǎn)航天用零件，主要結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜和精度要求高的零件。本設(shè)計著重對車銑復(fù)合加工中心主軸的機械結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，涉及到車銑復(fù)合加工中心的主軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化，具體的設(shè)計包括主軸部件的支承，主傳動的變速方式，主軸的準停和夾緊裝置。以期待為車銑中心的相關(guān)設(shè)計提供一些技術(shù)參考。同時也是對自身本科四年的專業(yè)學習，包括機械設(shè)計，機械原理，理論力學，材料力學等相關(guān)的專業(yè)知識進行較為綜合地運用，鍛煉提高查閱資料、自主學習以及創(chuàng)新的能力，做到學以致用。1.2 車銑復(fù)合加工中心的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，提高加工效率，降低制造成本是機械制造業(yè)所追求

12、的共同目標。在機械制造領(lǐng)域，于是復(fù)合加工技術(shù)得到了各國的青睞。復(fù)合加工的實質(zhì)就是工序集中的一種加工方法。1845年，轉(zhuǎn)塔車床問世。1818年，惠特尼設(shè)計出了第一臺普通銑床。正由于復(fù)合加工理念的發(fā)展，車銑復(fù)合機床應(yīng)運而生，實現(xiàn)了車、銑兩種工序集中到一個機床上得以實現(xiàn)。19世紀后諸如此類的各種復(fù)合功能機床在不斷的研發(fā)與發(fā)展。目前，像日本的馬扎克,德國的DMG這樣的國際上一流的機床生產(chǎn)商掌握了世界上最先進的車銑技術(shù)，尤其高端五軸聯(lián)動的車銑復(fù)合加工機床的技術(shù)，幾乎形成技術(shù)壟斷。在世界經(jīng)濟全球化的過程中，復(fù)合加工技術(shù)在我國也得到了很大的發(fā)展。2001年我國引進德國MAXMULLER的技術(shù)，我國成功地研制

13、并且生產(chǎn)出第一臺五軸的車銑復(fù)合機床。由于與國外的制造技術(shù)相比，我國的技術(shù)經(jīng)驗積累少，在高端的技術(shù)水平的差距仍然較大。國內(nèi)市場上的銑方復(fù)合中心基本可以滿足一些零件的加工質(zhì)量需求，可是加工質(zhì)量還沒達到先進制造水品。在制造理念與日本、歐洲等制造先進國家接軌的同時，機械制造的相關(guān)產(chǎn)業(yè)，硬件設(shè)施以及技術(shù)人才仍然有待大力發(fā)展。圖1-1所示的是HTM系列車銑復(fù)合加工中心，這系列的車銑中心是沈陽機床廠引進國外的先進技術(shù)自主開發(fā)設(shè)計的，它可以實現(xiàn)五軸聯(lián)動，是一臺設(shè)備上的高柔性機床，可以在同一裝置上一次工件裝夾中進行車、銑、鉆、鏜、攻絲等工序，不但可保證零件的制造精度，而且可以大大提高效率、降低生產(chǎn)成本，尤其適合

14、加工一些形狀復(fù)雜、精度要求高的零件，比如航空、航天、軍工所需零件。圖1-1 HTM40/80系列車銑加工中心隨著先進加工方法不斷的發(fā)展，傳統(tǒng)的制造工藝與設(shè)備難以滿足當前的市場需求，尤其在航空領(lǐng)域，其零件產(chǎn)品具有小批量，形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高，材料的加工性能差等特點，在傳統(tǒng)的制造工藝與設(shè)備上，普遍存在加工效率低，精度差，材料切除量大等弊端。車銑復(fù)合加工的核心技術(shù)包括了先進制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、精密測量技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)。技術(shù)的獨特優(yōu)勢在于提高產(chǎn)品加工質(zhì)量和產(chǎn)品加工效率。車銑復(fù)合加工中心以其自身的加工性能特點，能夠很好的解決因為工件多次裝夾得到較差精度，換刀輔助時間過長的問題，而且作為柔性加

15、工設(shè)備，便于企業(yè)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)型，為今后機械制造的發(fā)展指明了方向。1.3 本設(shè)計的研究內(nèi)容車銑復(fù)合加工中心的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)高精度、高剛度、高切削速度的特點，它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自動化程度不斷提高。主軸作為機床的核心部件，它的設(shè)計是否合理關(guān)系到車銑復(fù)合加工中心的性能的優(yōu)劣，由于高精度的工件需求，必然對主軸的制造精度，裝配精度提出了更高的要求。車銑復(fù)合加工中心能夠?qū)崿F(xiàn)多工序的進行，粗加工切削量較大，為降低機床加工過程中的變形而導(dǎo)致的工件制造誤差，主軸的剛度設(shè)計是關(guān)鍵。本設(shè)計主要針對車銑復(fù)合加工中心的主軸機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，其主要設(shè)計內(nèi)容包括：（1） 確定最佳車銑復(fù)合加工中心主軸的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案；（2） 車銑復(fù)合加

16、工中心主軸的電機的選型；（3） 車銑復(fù)合加工中心的同步帶的選型；（4） 車銑復(fù)合加工中心主軸的具體尺寸參數(shù)設(shè)計；（5） 根據(jù)所確定的主軸的具體參數(shù)對相關(guān)零部件以及主要承重件進行計算校核；（6） 車銑復(fù)合加工中心軸承的選型；（7） 主軸零件的三維建模和裝配。2 車銑復(fù)合加工中心主軸機械結(jié)構(gòu)方案的確定。6 軸承選擇與校核車銑復(fù)合加工中心的精度以及運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性很大程度上取決于軸承的性能，本設(shè)計采用的是滾動軸承，它限定了主軸的軸向位置、決定了主軸的旋轉(zhuǎn)精度和主軸的動載荷承載能力。因此，主軸支承方式以及軸承合理選擇是本設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。軸承的滾動體和套圈會出現(xiàn)疲勞點蝕，導(dǎo)致軸承失效，是主軸在運作時發(fā)生振動

17、和發(fā)熱現(xiàn)象，所以滾動體是滾動軸承壽命計算的依據(jù)。本部分涉及滾動軸承的型號選擇、承載能力以及壽命校核，預(yù)計車銑復(fù)合加工中心主軸軸承可以連續(xù)工作5年，平均每年按照300小時計算。6.1徑向載荷的計算在第5章求得圖5-1中A、B支承點的水平和垂直力，分別為，。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，將力進行合成，求得:圖6-1 主軸軸承布局圖6-1為主軸軸承的分布情況，為方便說明已經(jīng)對進行編號，對應(yīng)圖5-1，A支承主要通過雙列圓柱滾子軸承實現(xiàn)主軸支承，B支承主要是三個60º角接觸球軸承支承主軸的端部。現(xiàn)對主軸軸承進行受力模型化簡，,。6.2軸向載荷的計算車銑復(fù)合加工中心加工工件的時候，主軸受到軸向力的作用，所以選擇

18、70000AC型角接觸球軸承，它可以承受較大的軸向載荷，接觸角為25º。主軸軸承內(nèi)孔直徑為140mm，選擇7028AC/DF型號成對安裝角接觸球軸承和7028AC單列角接觸球軸承。為了使主軸達到受力平衡，軸承的派生力，滿足，其中，可以解得：,。6.3軸承校核滾動軸承的當量動載荷可按如下式子進行計算。當時， 式(6.1)當時， 式(6.2)因為，所以選擇式(6.1)并且所得結(jié)果代入式(6.3)。 式(6.3)式中滾動軸承的當量載荷；載荷系數(shù)，見表6-1。表6-1 載荷系數(shù)載荷性質(zhì)無沖擊或輕微沖擊狀態(tài)1.01.2中等沖擊和中等慣性沖擊狀態(tài)1.21.8強大沖擊狀態(tài)1.83.0由于車銑復(fù)合加

19、工中心工作時較為平穩(wěn)，沖擊輕微所以選擇，代入式(8-3)求得。計算主軸軸承的預(yù)期壽命：查閱機械設(shè)計實用手冊的軸承承受的基本額定動載荷，如式(6.4)。 式(6.4)式中指數(shù).對于球軸承，對于滾動軸承，代入求得。查的所選的主軸軸承7028AC的基本額定載荷為228kN，代入式(6.5)，求得主軸軸承的許用使用壽命。 式(6.5)所以，所選主軸軸承復(fù)合車銑復(fù)合加工中心的設(shè)計要求。7 Pro/E三維建模Pro/ENGINEER是由美國PTC公司開發(fā)的軟件，廣泛地運用到制造行業(yè)，作為最流行的三維開發(fā)軟件，它集成了CAD/CAM/CAE功能，能夠?qū)崿F(xiàn)全參數(shù)設(shè)計，便于后期的設(shè)計與校核檢驗，尤其在實體建模方

20、面更有其特有的優(yōu)勢，能夠提高企業(yè)的工作效率。孫海波，陳功. Pro/ENGINEER WildFire 三維造型及應(yīng)用M. 南京：東南大學出版社.2008.9陶乾. 金屬切削原理(修訂版)M北京:人民教育出版社.200110王慶利，范春宏，吳麗等. 精密臥式主軸設(shè)計研究J. 制造技術(shù)與機床，2012(5):147-149.11高英賢，劉洋，張允良. 數(shù)控機床軸承預(yù)緊對主軸剛度的影響J. 組合機床與自動化加工技術(shù),2013(7):31-33.12魏興春，馮瑞成，郭俊鋒等. 加工中心主軸部件剛度分析J. 組合機床與自動化加工技術(shù)，2009(6):20-21.13申永勝. 機械原理教程M. 北京：清

21、華大學出版社,2005.14甘永立. 幾何量公差與檢測M. 上海：上海科學技術(shù)出版社，2010.15謝黎明，代昌浩，符衛(wèi)東. 車銑復(fù)合加工中心主軸結(jié)構(gòu)的有限元分析J. 組合機床與自動化加工技術(shù), 2006(2):29,30,33.16侯珍秀. 機械系統(tǒng)設(shè)計M. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2003.17Chengzhe Jin, Maoxia Zhu. Kinematics Simulation and Vibration Mode Analysis of Micro Turn-milling Machine ToolJ. Key Engineering Materials, 2014,58

22、9-590: 378-383.18Chen Hua She1, Chih Wei Hung. Development of multi-axis numerical control program for mill-turn machineJ. Engineering Manufacture, 2008(222):741-745.為了便于對主軸及其零件的直觀把握，使用Pro/E進行主軸零件實體建模。通過基于主軸零件參數(shù)所建的模型，可以為主軸零件的裝配和有限元分析提供可靠的數(shù)據(jù)參數(shù)。三維建模首先根據(jù)所設(shè)計的主軸參數(shù)，對主軸的各個零件分別構(gòu)建立體模型。然后將所鍵模型按照特定的位置關(guān)系，對其進行裝配

23、，這樣可以及時發(fā)現(xiàn)在裝配過程中可能出現(xiàn)的問題，避免在生產(chǎn)中的不必要的損失。7.1車銑復(fù)合加工中心的主軸零件建模主軸部件是車銑復(fù)合加工中心的主軸的核心零件，因為其為回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，可以使用Pro/E的旋轉(zhuǎn)建模特征快速實現(xiàn)，主軸部件上的螺紋孔經(jīng)過拉伸和陣列建立，最終的車銑復(fù)合加工中心的主軸零件三維模型如圖7-1所示。圖7-1 主軸零件車銑復(fù)合加工中心的主軸的動力是由主軸后端的同步輪，通過同步帶進行動力傳遞。同步帶輪的齒形不是漸開線，與一般的齒輪的齒形不同，有相應(yīng)的標準。在本設(shè)計中，同步帶輪還具有壓緊零件的作用，在其后端還要安裝編碼器的同步帶輪。具體三維模型如圖7-2所示，通過相應(yīng)的算法，可以生成同步帶輪

24、的齒形，其余部分拉伸便可完成。圖7-2 同步帶輪主軸的要實現(xiàn)準確的準停位置，需要增設(shè)編碼器，對主軸實現(xiàn)精確控制，編碼器要與車銑復(fù)合加工中心同步轉(zhuǎn)動。在裝配過程中，編碼器相應(yīng)的同步帶輪是安裝于圖7-2的凸臺上。編碼器對應(yīng)的同步帶輪如圖7.3所示。圖7-3 編碼器同步帶輪車銑復(fù)合加工中心主軸是在高速中進行切削加工，為了讓其便于安裝并且保證安裝精度，本設(shè)計有專門的主軸襯套，這樣的裝置不僅可以實現(xiàn)上述功能，而且便于散熱。圖7-4便是主軸襯套模型，它屬于回轉(zhuǎn)類零件，通過旋轉(zhuǎn)建模特征可以快速實現(xiàn)。圖7-4 主軸襯套7.2 車銑復(fù)合加工中心的主軸零件裝配車銑復(fù)合加工中心的主軸是由多個零件組裝而成，在實際的生產(chǎn)過程中，為了避免設(shè)計所出現(xiàn)的問題造成的經(jīng)濟資源損失，需要進行虛擬組裝。將上述建立的主軸各個零件在Pro/E新建組件模型進行裝配。主要運用軸線對其以及配對實現(xiàn)主軸零件相對位置完全約束。主軸襯套以內(nèi)部分的裝配圖如7-5所示。圖7-5 主軸襯套內(nèi)部裝配主軸的整體裝配，如圖7-6所示圖7-6 主軸整體裝配為了方便對本設(shè)計車銑復(fù)合加工中心主軸內(nèi)部更為直觀的了解，現(xiàn)將已建立的裝配實體剖切，主軸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7-7所示。圖7-7 主軸剖視結(jié)論車銑復(fù)合加工中心的主軸機械結(jié)構(gòu)設(shè)計是一次系統(tǒng)的機床部件的設(shè)計過程，根據(jù)設(shè)計要求擬定車銑復(fù)