數(shù)控機(jī)床主軸箱課程設(shè)計(jì)說明書

數(shù)控車床主箱軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系別：機(jī)械工程學(xué)院專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化學(xué)號(hào)：2012031B0214姓名：周凌峰目錄引言..............................................................1主軸電動(dòng)機(jī)的選取............................................21.1主軸電動(dòng)機(jī)的選取...............................................21.2轉(zhuǎn)速圖.........................................................3第二章同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)與計(jì)算........................................4

材料選擇.......................................................5

參數(shù)計(jì)算.....................................................6第三章主軸組件的設(shè)計(jì).............................................9

主軸組件的設(shè)計(jì)要求..........................................

9

3.1.1主軸剛度..................................................9

主軸的耐磨性...............................................9

主軸材料的選擇及尺寸、參數(shù)的計(jì)算.............................

9

主軸箱體的截面形狀和壁厚計(jì)算.................................

9

第四章主軸軸承的選擇.............................................12

軸承的選擇和軸承的精度........................................10

選取軸承....................................................

10

軸承壽命校核.................................................10

第五章鍵的選擇計(jì)算

主軸的鍵....................................................145.2電機(jī)的鍵....................................................14第六章螺釘聯(lián)接的設(shè)計(jì).............................................15

根據(jù)設(shè)計(jì)要求計(jì)算............................................

15

螺釘?shù)膹?qiáng)度計(jì)算與校核........................................

16結(jié)論..............................................................

17

參考文獻(xiàn)..........................................................

18引言

數(shù)控技術(shù)，簡稱數(shù)控〔Numerical

Control〕。它是利用數(shù)字化信息對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)及加工過程進(jìn)行控制的一種方法。用數(shù)控技術(shù)實(shí)施加工控制的機(jī)床，或者說裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床稱為數(shù)控機(jī)床〔NC〕。數(shù)控技術(shù)包括：數(shù)控裝置，可編程控制器，主軸驅(qū)動(dòng)及進(jìn)給裝置等局部。

有較高的生產(chǎn)率，切削速度高，空行程的速度可達(dá)１０mm以上，再因輔助時(shí)間很短。目前，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床正開展迅速，正朝以下幾個(gè)趨勢開展：1、具有先進(jìn)的自檢能力使之長期可靠的工作。在現(xiàn)在機(jī)床上裝有多種監(jiān)控、檢測裝置，從而提高了機(jī)床的綜合性能。2、單元模塊化。數(shù)控機(jī)床的主軸部件、變速箱立柱、工作臺(tái)、刀架等都可以模塊化生產(chǎn)，有專門生產(chǎn)廠家供貨。不僅可提高產(chǎn)品質(zhì)量，也大大的縮短了機(jī)床的生產(chǎn)周期。

數(shù)控技術(shù)的開展，對(duì)我國國民經(jīng)濟(jì)的開展起著巨大的作用，特別是對(duì)我國要機(jī)械制造工業(yè)的現(xiàn)代化起到至關(guān)重要的作用。為此，我們要加大數(shù)控機(jī)床的研究和探討，把三坐標(biāo)銑床主軸設(shè)計(jì)作為我的畢業(yè)設(shè)計(jì)，也是對(duì)我大學(xué)期間學(xué)習(xí)成果的一次全方位的檢驗(yàn)。設(shè)計(jì)題目:Φ400毫米數(shù)控車床主軸箱設(shè)計(jì)。主軸最高轉(zhuǎn)速3500r/min，最低轉(zhuǎn)速35r/min，計(jì)算轉(zhuǎn)速120r/min，主電機(jī)功率:11KW。采用直流主軸伺服電機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速1500r/min，最高轉(zhuǎn)速4500r/min，最低轉(zhuǎn)速為35rpm。第一章主軸電動(dòng)機(jī)的選取

1.1電機(jī)的選取正確選擇電動(dòng)機(jī)的類型型號(hào)及容量是機(jī)床設(shè)計(jì)的重要問題之一，它直接影響著機(jī)床的結(jié)構(gòu)和壽命，選擇時(shí)要根據(jù)機(jī)床的功能要求，所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，工作狀況等全面考慮，然后選擇適宜的結(jié)構(gòu)型式及容量。

電動(dòng)機(jī)功率的選擇：工作機(jī)所需的有效功率為：Pw=Fv/1000=10.4kw,為了計(jì)算電動(dòng)機(jī)所需的功率，先要確定從電動(dòng)機(jī)到工作部件的總效率η，設(shè)η1、η2、分別為同步帶輪和同步帶的傳動(dòng)效率，查表所得:η1和η2都等于0.97。那么傳動(dòng)的總效率為η=η1×η2=0.94，所以電動(dòng)機(jī)所需的功率為Pd=Pw/η=11KW.電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇:此次設(shè)計(jì)要求電動(dòng)機(jī)必須有額定轉(zhuǎn)速2000r/min,最高轉(zhuǎn)速必須到達(dá)4000r/min.

電動(dòng)機(jī)型號(hào)的選?。焊鶕?jù)設(shè)計(jì)要求，本次設(shè)計(jì)中選取蘭州電機(jī)廠生產(chǎn)的1PH5131-4CG4型號(hào)交流主軸電動(dòng)機(jī)。

其主要參數(shù)入下表：表1-1

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)表額定轉(zhuǎn)速〔r/min〕最高轉(zhuǎn)速〔r/min〕額定轉(zhuǎn)矩〔kN*m〕慣性矩〔N*m〕電機(jī)功率(KW)恒功率范4主軸最高轉(zhuǎn)速3500r/min，最低轉(zhuǎn)速35r/min，計(jì)算轉(zhuǎn)速120r/min，電機(jī)功率11kw；交流主軸伺服電機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速1500r/min，最高轉(zhuǎn)速4500r/min；主軸要求的恒功率調(diào)速范圍電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)時(shí)，必須要考慮電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸功率特性匹配問題。由于主軸要求的恒功率變速范圍遠(yuǎn)大于電動(dòng)機(jī)恒功率變速范圍，所以在電動(dòng)機(jī)與主軸之間串聯(lián)一個(gè)分級(jí)變速箱，以擴(kuò)大其功率變速范圍，滿足低速大功率切削時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)的輸出功率的要求。假設(shè)取，那么可得到變速箱的變速級(jí)數(shù)所以，Z可近似取為3。根據(jù)可以得出，查表取的標(biāo)準(zhǔn)值為2.99，,即主傳動(dòng)系功率特性圖上有小段重合。那么各齒輪齒數(shù)和模數(shù)列表如下：齒輪Z0Z0,Z1Z1,Z2Z2,Z3Z3,齒數(shù)2357394123575030第二章同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)與計(jì)算

同步帶傳動(dòng)，綜合了帶、鏈和齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，帶的工作面呈齒形,與帶輪的的齒槽作嚙合傳動(dòng)，使主、從帶輪間作無滑差的同步運(yùn)動(dòng)，其特點(diǎn)是傳動(dòng)比準(zhǔn)確，對(duì)軸作用力小，結(jié)構(gòu)緊湊，耐油耐磨損，抗老化性能好，傳動(dòng)效率可達(dá)99.5%，傳動(dòng)功率從幾瓦到數(shù)百千瓦，傳動(dòng)比可達(dá)10，線速度可達(dá)40m/s以上。

材料選擇

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用聚氨酯同步帶，由帶背、帶齒、抗拉層三局部組成。帶背和帶齒材料為聚氨酯，抗拉層采用鋼絲繩，適用于中小功率的高速運(yùn)轉(zhuǎn)局部。

參數(shù)計(jì)算

設(shè)計(jì)計(jì)算的內(nèi)容主要是：齒形帶的模數(shù)、齒數(shù)、和寬度的結(jié)構(gòu)和尺寸，傳動(dòng)中心距，作用在軸上載荷以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1)模數(shù)的選取

模數(shù)主要根據(jù)齒形帶所傳遞的計(jì)算功率Pd和小帶輪轉(zhuǎn)速n1確定的，通過查《機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算手冊(cè)》查得其計(jì)算功率Pd與題目所給的主電機(jī)功率近似相等，即Pd=11kw，由齒形帶模數(shù)選用圖可選m=2。

表2-1

齒行帶模數(shù)表2)小帶輪齒數(shù)z1

由《機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)手冊(cè)》表8-38

得Zmin=22,所以取z1=30

3)同步帶節(jié)距Pb

由Pd=11KW，n1=1500r/min,查表選取節(jié)距Pb=12.70mm,齒形角2β=40。齒根厚S=5.75mm。齒頂厚St=4mm,齒高h(yuǎn)g=ht+e=2.4+2.7=5.1mm,

齒根圓半徑Rr=齒頂圓半徑Ra=0.40mm,帶高h(yuǎn)s=4.4mm,節(jié)頂距δ=1.000mm,帶bs=40～45mm.

4〕節(jié)圓直徑d1

d1=Pb·z1/π=121.44㎜5)大帶輪齒數(shù)z2z2=i·z1=606)大帶輪直徑d2=i·d1=2×121.28=242.88㎜7)帶的速度V

V=πd1·由表查得Vmax=40～45

V<Vmax所以合格。8)定中心距a00.7(d1+d2)

≤a0≤2(d1+d2)

×〔121.28+242.55〕mm≤a0≤2×(121.28+242.55)

≤a0≤初選a0=500mm9)帶的節(jié)線長度Lp以及齒數(shù)Zb

=

查表選取Lp=1562.1㎜Zb=12310)計(jì)算中心距a〔采用中心距可調(diào)〕

a≈a。+〔Lp-Lp0〕/2=500+〔1562.1-1578.85〕/2=491.6㎜選取a=492㎜11)帶輪與帶的嚙合齒數(shù)Zm

Zm≈Z/2*[1-(z2-z1)/π

取Zm=14因?yàn)楫?dāng)m≥2時(shí)，Zm應(yīng)不小于6

，所以計(jì)算的Zm滿足條件。12.帶寬bs:bs≥查表取Kz=1.20,Fa=20N/mmFc=mb×10-3×2所以bs≥41.39㎜選取bs=41㎜13.作用與軸上的力Fr：Fr=1443.914.小帶輪最小包角ɑ：α≈180o-60o〔d2-d1〕/a=180。-60?！?42.55-121.28〕/500=165.45。15.帶輪寬度bf,bf1,bf2bf=bs+(1.5～3)=43.5～45bf1=bs+(6～7)=47～49bf2=bs+(3～5)=45～48第三章主軸組件的設(shè)計(jì)

主軸組件主要包括：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帶開工件或刀具直接參加工件外表形成運(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，是機(jī)床最重要的部件之一。

主軸組件的設(shè)計(jì)要求

主軸組件的剛度是指受外力作用時(shí)，主軸組件抵抗變形的能力。通常抵以主軸前端產(chǎn)生單位位移時(shí)，在位移方向上所施加的作用力大小來表示。主軸組件的剛度越大，主軸受力的變形就越小。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、砂間隙的調(diào)整、主軸上傳動(dòng)元件的位置等有關(guān)。

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。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，設(shè)計(jì)高精度數(shù)控機(jī)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。3.2.1傳動(dòng)軸的估算：傳動(dòng)軸除應(yīng)滿足強(qiáng)度要求外，還應(yīng)滿足剛度要求。強(qiáng)度要求保證軸在反復(fù)載荷和扭轉(zhuǎn)載荷作用下不發(fā)生疲勞破壞。機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)精度要求較高，不允許有較大的變形。因此疲勞強(qiáng)度一般不是主要矛盾。除了載荷較大的情況外，可以不必驗(yàn)算軸的強(qiáng)度。剛度要求軸在載荷下不至于產(chǎn)生過大的變形。如果剛度不夠，軸上的零件由于軸的變形過大而不能正常工作，或者產(chǎn)生振動(dòng)和噪音，發(fā)熱，過早磨損而失效，因此，必須保證傳動(dòng)軸有足夠的剛度。計(jì)算轉(zhuǎn)速njQUOTE是傳動(dòng)件傳遞全部功率時(shí)的最低轉(zhuǎn)速，各個(gè)傳動(dòng)軸上的計(jì)算轉(zhuǎn)速從轉(zhuǎn)速圖是直接得出，如表:軸IIIIII計(jì)算轉(zhuǎn)速1500360120一級(jí)齒輪傳動(dòng)效率為0.97〔包括軸承〕，同步帶傳動(dòng)效率為0.98，那么:III軸扭矩：T3=9550P3/N3=9550x10.14*1000/120=8.07x是每米長度上允許的扭轉(zhuǎn)角〔deg/m〕,可根據(jù)傳動(dòng)軸的要求選取，查表得：最后所確定各軸所允許的扭轉(zhuǎn)角如下表所示：軸I軸II軸III軸〔deg/m〕1根據(jù)上述所得各軸輸入功率、計(jì)算轉(zhuǎn)速、允許的扭轉(zhuǎn)角帶入扭轉(zhuǎn)剛度估算公式：

以計(jì)算QUOTE為例，求解過程如下：QUOTEmm軸IIIIII估算直徑〔mm〕436283主軸軸徑尺寸確實(shí)定：車床最大加工直徑為Dmax=400mm,那么15=89-118mm后頸直徑D2=(0.7-0.85)D1=62-98mm10=29-52mm

.2主軸材料的選擇計(jì)算此設(shè)計(jì)選用的主軸材料是45#鋼。表3-1

45#鋼熱處理和參數(shù)表主軸的疲勞強(qiáng)度平安系數(shù)校核，危險(xiǎn)截面平安系數(shù)s的校核計(jì)算：Sσ----只考慮彎距作用的平安系數(shù)；Sη----只考慮扭距作用是的平安系數(shù)；[s]----許用平安系數(shù)；

在此查表所得[s]=1.3～1.5；

查表得出ζ-1=270Mpa

η-1=155Mpa

Kζ

Kη

β

εη=0.74，ψζ=0.3，ψζm=ζα

所以主軸設(shè)計(jì)符合要求。傳動(dòng)裝置箱體的典型縱截面形狀為矩形或圓形。箱體壁厚N的計(jì)算:

mm第四章主軸軸承的選擇

主軸軸承是主軸組件的重要組成局部，它的類型、結(jié)構(gòu)、配置、裝、調(diào)整、潤滑和冷卻都直接影響了主軸組件的工作性能。在數(shù)控機(jī)床上主軸軸承常用的有滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承兩大類。滾動(dòng)軸承根據(jù)滾動(dòng)體的結(jié)構(gòu)的不同可分為球軸承、圓柱軸承、圓錐滾子軸承三大類。

軸承的選擇和軸承的精度

軸承的選擇原那么有以下幾點(diǎn)：滿足承載能力和剛度要求；滿足精度要求；滿足轉(zhuǎn)速要求；適應(yīng)機(jī)構(gòu)的要求。軸承是角接觸軸承和雙向推力向心球軸承。角接觸軸承可以同時(shí)承受徑向載荷和軸向載荷的聯(lián)合作用，其軸上載荷能力的大小，隨接觸角的增大而增大。

選取軸承

所選軸承主要尺寸參數(shù)如下表

軸承壽命校核

主軸軸承通常載荷相對(duì)較輕,除一些特殊的重載主軸外,軸承的承載能力是沒有問題的。主軸軸成的壽命，主要不是取決于疲勞點(diǎn)蝕，而是因?yàn)槟p而降低精度。通常，如軸承精度為P4級(jí)，經(jīng)使用導(dǎo)致磨損后跳動(dòng)精度降至P5級(jí)時(shí)，這個(gè)軸承就不能滿足加工精度要求了。所選軸承按照每天兩班工作制，每班工作8小時(shí)，預(yù)計(jì)使用五年。那么T=16×365×5=29200h

根據(jù)軸承壽命校核公式：Lh----軸承壽命。T----滾動(dòng)軸承許用壽命。C----滾動(dòng)軸承額定動(dòng)負(fù)荷。fn----速度系數(shù)fn=

ε----壽命指數(shù)。對(duì)球軸承ε=3；對(duì)滾子軸承ε=10/3。KA----使用系數(shù)。查表去KA=1.2.

Kn----轉(zhuǎn)速變化系數(shù)，查表的Kn=0.89。KL----齒輪輪換工作系數(shù)，查表取KL=0.8.

P----當(dāng)量動(dòng)載荷。所以根據(jù)公式計(jì)算得：Lh=500*(38.4*0.281/(1.2*0.85*0.89*0.8*3.28))=460138h>T

因?yàn)檩S承使用壽命遠(yuǎn)大于軸承預(yù)期的壽命所以軸承合格的。第五章鍵的選擇與計(jì)算1主軸上的鍵對(duì)于采用常見的材料和按標(biāo)準(zhǔn)選取尺寸的普通平鍵聯(lián)接〔靜聯(lián)接〕，其主要失效形式是工作面被壓潰。除非存在嚴(yán)重過載，否那么一般不會(huì)出現(xiàn)鍵的剪斷。因此，通常只按工作面上的擠壓應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。假定載荷在鍵的工作面上是均勻分布的，那么普通平鍵聯(lián)接的強(qiáng)度條件為：………………〔6-1〕式中：——傳遞的轉(zhuǎn)矩〔〕，單位為；——鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，，此處為鍵的高度，單位為；——鍵的工作長度，單位為，圓頭平鍵，平頭平鍵，這里的為鍵的公稱長度，單位為，為鍵的寬度，單位為；——軸的直徑，單位為；——鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力，單位：帶輪作用在軸上的力，鍵所處主軸段直徑，鍵的寬度，鍵的公稱長度，鍵的高度。鍵所傳遞的轉(zhuǎn)矩為由于主軸處采用圓頭平鍵，故鍵的工作長度為鍵與輪轂鍵槽的接觸高度為將上述參數(shù)代入公式〔6-1〕，故聯(lián)接工作面擠壓應(yīng)力為按聯(lián)接工作方式為靜聯(lián)接，且載荷性質(zhì)具有沖擊性，查表9-3得鍵聯(lián)接的許用應(yīng)力。由于，所以能滿足要求。2主電機(jī)上的鍵：主電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，電機(jī)輸出軸的直徑，鍵的寬度，鍵的公稱長度，鍵的高度，鍵聯(lián)接的許用應(yīng)力。由于主軸處采用單圓頭普通平鍵，故鍵的工作長度為鍵與輪轂鍵槽的接觸高度為將上述參數(shù)代入公式〔6-1〕，故聯(lián)接工作面擠壓應(yīng)力為由于，所以能滿足要求。第六章螺釘聯(lián)接的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求：

1.螺釘?shù)牟贾靡话銓?duì)稱形式，并應(yīng)該根據(jù)結(jié)構(gòu)和力流方向使螺釘受力合理，加工與安裝方便。

2.形心與結(jié)合面的形心應(yīng)該重合。

3.用鉸制孔螺釘〔受剪切螺釘〕承受橫向載荷時(shí)，沿力流方向的螺釘應(yīng)不多于6個(gè)。

4.一組螺釘?shù)闹睆胶烷L度應(yīng)該盡量相同。

5.一組螺釘中每個(gè)螺釘?shù)念A(yù)緊力應(yīng)該相同。

6.釘中心線間的最小距離t=〔1.5～2.0〕s，s為六角螺母的對(duì)邊寬度，最大距離與聯(lián)接用途有關(guān)。

六