南京工程學院 工 業 中 心 本科畢業設計（論文）開題報告 題目： 數控銑床主軸箱結構設計 專 業： 機械設計制造及其自動化 班 級： D 機加工 122 學 號： 231120404 學生姓名： 石佳倩 指導教師： 劉桂芝 2016 年 2 月 29 日 本科畢業設計 (論文 )開題報告 學生姓名 石佳倩 學 號 231120404 專 業 機械設計制造及其自動化 指導教師姓名 劉桂芝 職 稱 研究員級高工 所在院系 工 業 中心 課題來源 課題性質 課題名稱 數控銑床主軸箱結構設計 畢業設計的 內容和意義 采用 分析比較法、文獻查找法等方法 ，進行 數控銑床主軸箱結構 設計。 該部件性能輸出及機械性能直接影響工件的加工質量和切削生產率，是決定機床性能和技術經濟指標的重要因素。 畢業設計的具體內容： 1、 數控銑床的主傳動系統的設計，涉及到主軸的精度，電機的選擇，以及對主傳動系統的各項要求等。 2、 繪制主軸箱裝配圖以及零件圖 3、 繪制主軸動平衡圖，輸出功率及扭矩圖 4、 完成主 軸部件的設計計算 5、 完成主軸的受力分析及主軸前后軸承壽命的分析計算 6、 完成主軸預緊力的計算 7、 完成各零件的成本分析和計算 本課題研究的意義： 本課題對 數控銑床主軸箱結構 進行了設計，其意義如下： 1、 主軸箱內 主軸 部 件主要包括：主軸、主軸支撐和安裝在主軸上的傳動件、密封件等，因為主軸帶動工件或刀具直接參加工件表面形成運動，所以它的工作性能對加工質量和生產率產生直接影響，是最重要的部件之一。 2、 通過對主傳動系統的設計，解決了主軸系統存在的問題，包含速度、精度、剛度、發熱、潤滑、噪音等問題。 3、 通過研究高效率、高性能 、高的使用壽命，提高數控銑床的進步性、合理性以及出產成本的經濟性。 4、 鍛煉了我對所學知識的綜合能力、對文獻資料的查閱檢索能力以及對新知識的自學能力。綜合考查了我運用所學知識進行發現問題、分析問題和解決問題的能力。 文獻綜述 進入 21 世紀 ,我國經濟與國際全面接軌 ,進入了一個蓬勃發展的新時期。機床制造業既面臨著機械制造業需求水平提升而引發的制造裝備發展的良機 ,也遭遇到加入世界貿易組織后激烈的國際市場競 爭的壓力 ,加速推進數控機床的發展是解決機床制造業持續發展的一個關鍵。隨著制造業對數控機床的大量需求以及計算機技術和現代設計技術的飛速進步 ,數控機床的應用范圍還在不斷擴大 ,并且不斷發展以更適應生產加工的需要。 一、 數控機床的發展趨勢 1、 高速化 ：隨著汽車、國防、航空、航天等工業的高速發展以及鋁合金等新材料的應用 ,對數控機床加工的高速化要求越來越高。 2、 高精度化：數控機床精度的要求現在已經不局限于靜態的幾何精度 ,機床的運動精度、熱變形以及對振動的監測和補償越來越獲得重視 1。 3、 功能復合化：復合機床的含義是指在一臺機 床上實現或盡可能完成從毛坯至成品的多種要素加工 2。采用復合機床進行加工相對于傳統的工序分散的生產方法具有明顯的優勢。 4、 控制智能化：隨著人工智能技術的發展 ,為了滿足制造業生產柔性化、制造自動化的發展需求 ,數控機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、航天事業的發展和能源等基礎產業裝備的大型化需要大型且性能良好的數控機床的支撐。而超精密加工技術和微納米技術是 21 世紀的戰略技術 ,需發展能適應微小型尺寸和微納米加工精度的新型制造工藝和裝備 ,所以微型機床包括微切削加工 (車、銑、磨 )機床、微電加工機床、微激光加工機床和微型壓力機等的需求量正在逐漸增大。 6、 信息交互網絡化：對于面臨激烈競爭的企業來說 ,使數控機床具有雙向、高速的聯網通訊功能 ,以保證信息流在車間各個部門間暢通無阻是非常重要的。 7、 新型功能部件：為了提高數控機床各方面的性能 ,具有高精度和高可靠性的新型功能部件的應用成為必然。 8、高可靠性：為了保證數控機床有高的可靠性 ,就要精心設計系統、嚴格制造和明確可靠性目標以及通過維修分析故障模式并找出薄弱環節。 9、多媒體技術的應用 3：多媒體技術集計算機、聲像和通信技術于一體 ,使計算機具 有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力 ,因此也對用戶界面提出了圖形化的要求。 二、數控機床國內發展現狀 我國數控技術的發展起步于二十世紀五十年代 ,通過“六五”期間引進數控技術 ,“七五”期間組織消化吸收“科技攻關” ,我國數控技術和數控產業取得了相當大的成績。 文獻綜述 特別是最近幾年 ,我國數控產業發展迅速 ,1998 2004 年國產數控機床產量和消費量的年平均增長率分別為 盡管如此 ,進口機床的發展勢頭依然強勁 ,從 2002 年開 始 ,中國連續三年成為世界機床消費第一大國、機床進口第一大國 ,2004 年中國機床主機消費高達 美元 ,但進出口逆差嚴重 ,國產機床市場占有率連年下降。 1999年 2003年僅占 1999年機床進口額為 7624臺 ),2003年達 23320 臺 ),相當于同年國內數控機床產值的 。國內數控機床制造企業在中高檔大型數控機床的研究開發方面與國外的差距更加明顯 ,70%以上的此類設備和絕大多數的功能部件均依賴進口。由此可以看出國產數控機床特別是中高檔數控機床仍然缺乏市場 競爭力 ,究其原因主要在于國產數控機床的研究開發深度不夠、制造水平依然落后、服務意識與能力欠缺、數控系統生產應用推廣不力及數控人才缺乏等。我們應看清形勢 ,充分認識國產數控機床的不足 ,努力發展先進技術 ,加大技術創新與培訓服務力度 ,以縮短與發達國家之間的差距 4 三、 存在的問題 1、不斷加強技術創新是提高國產數控機床水平的關鍵 國產數控機床缺乏核心技術 ,從高性能數控系統到關鍵功能部件基本都依賴進口 ,即使近幾年有些國內制造商艱難地創出了自己的品牌 ,但其產品的功能、性能的可靠性仍然與國外產品有一定差距。近幾年國產 數控機床制造商通過技術引進、海內外并購重組以及國外采購等獲得了一些先進數控技術 ,但缺乏對機床結構與精度、可靠性、人性化設計等基礎性技術的研究 ,忽視了自主開發能力的培育 ,國產數控機床的技術水平、性能和質量與國外還有較大差距 ,同樣難以得到大多數用戶的認可。 2、制造水平與管理手段依然落后 一些國產數控機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床與低效刀具為主 ,裝配調試完全靠手工 ,加工質量在生產進度的緊逼下不能得到穩定與提高。另外很多國產數控機床制造商的生產管理依然沿用原始的手工臺賬管理方式 ,工藝水平和管理效率低下使得企業無法形成足夠生產規模。如國外機床制造商能做到每周裝調出產品 ,而國內的生產周期過長且很難控制。因此我們在引進技術的同時應注意加強自身工藝技術改造和管理水平的提升。 3、服務水平與能力欠缺也是影響國產數控機床占有率的一個重要因素 由于數控機床產業發展迅速 ,一部分企業不顧長遠利益 ,對提高自身的綜合服務水平不夠重視 ,甚至對服務缺乏真正的理解 ,只注重推銷而不注重售前與售后服務。有些企業派出的人員對生產的數控機床缺乏足夠了解 ,不會使用或使用不好數控機床 ,更不能指導用戶使用好機床 ;有的對先 進高效刀具缺乏基本了解 ,不能提供較好的工藝解決方案 ,用戶自然對制造商缺乏信心。 文獻綜述 制造商的服務應從研究用戶的加工產品、工藝、生產類型、質量要求入手 ,幫助用戶進行設備選型 ,推薦先進工藝與工輔具 ,配備專業的培訓人員和良好的培訓環境 ,幫助用戶發揮機床的最大效益、加工出高質量的最終產品 ,這樣才能逐步得到用戶的認同 ,提高國產數控機床的市場占有率。 四、 數控機床國外發展現狀 1、 發展“廉價的數控裝置”：這種“廉價數控裝置” ,結構簡單 ,功能雖有限 ,但工作可靠 ,制造容易 ,成本低。它對于大量通用機床實現“數字控制化”和舊有數字控制機床的更新 ,具有特別重大的意義。因為 ,并不要求對現有普通機床或已運轉陳舊了的數控機床作大幅度的改動 ,就能裝上這種“廉價的數控裝置”。 2、 發展適應控制機床：（ 1）只能對予定的個別參數（如刀具的切削用量）在不超過規定的極限范圍內，進行調整控制。這是一種簡單的適應控制系統。（ 2）能連續地適應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），改變若干參數，使系統和機床保持在最佳切削條件下工作。這種系統復雜一些。 3、 發展計 算機數字控制 (多機數字控制 (計算機控制的生產系統：（ 1）計算機數字控制是將一臺小型通用計算機裝入數控裝置中去 ,以代替原來采用的很多邏輯電路。（ 2）多機數字控制采用通用計算機來直接控制一群數控機床。（ 3）計算機控制的生產系統，采用計算機控制生產系統的工廠 ,其全部的生產活動 ,都已綜合為一個單一的控制管理體系。 數控銑床主傳動系統系統是指將主軸電動機的原動力變成可供切削加工用的切削力矩和切削速度的傳動系統。主傳動系統要有較寬的轉速范圍及相應的輸出轉矩。還要有良好性能的主傳動系統和具有高精度、高 剛度、振動小、熱變形及噪聲均能滿足需要的主軸部件。 五、 數控銑床對主傳動的要求 1、熱變形：電動機、主軸及傳動件都有熱源。降低溫升，減少熱變形是對主傳動系統要求的重要指標。 2、主軸的靜剛度和抗振性：由于數控機床的加工精度比較高，主軸的轉速又很高。因此，主軸組件的質量分布是否均勻以及主軸組件的阻尼等，對主軸組件的靜剛度和抗振性都會產生影響。 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確精度。凡是有機械摩擦的部位，軸承，錐孔等都要有足夠的硬度，軸承還應具有良好的潤滑 6。 六、數控銑床對 主軸 部 件的要求 文獻綜述 1、 回轉精度 ： 造成主軸回轉誤差的原因主要是由于主軸的結構及其加工精度、主軸軸承的選用及剛度等，而主軸及其回轉零件的不平衡，在回轉時引起的激振力，也會造成主軸的回轉誤差。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，主軸將產生較大的彈性變形，不僅影響工件的加工質量，還會破壞齒輪、 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構尺寸、支撐跨距、所選軸承類型及配置形勢、砂間隙的調整、主軸上傳動元件的位置等有關 7。 3. 主軸抗振性 主軸組件的抗振性是指切削加工時，主軸保持平穩的運轉而不發生振動的能力。主軸組件抗振性及在必要時安裝阻尼（消振）器。另外，使主軸固有頻率遠遠大于激振力的頻率。 4. 主軸溫升 ： 主軸組件在運轉中，溫升過高會起兩方面的不良結果：一是主軸組件和箱體因熱膨脹而變形，主軸的回轉中心線和機床其他件的相對位置會有變化，直接影響加工精度；其次是軸承等元 件會因溫度過高而改變已調好的間隙和破壞正常潤滑條件，影響軸承的正常工作。 8嚴重時甚至會發生：“抱軸”。數控機床在解決溫升問題時，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式主軸的工作部位。為了提高耐磨性，主軸的上述部位應該淬硬，或者經過氮化處理，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，例如設計 高效數控 銑 床的主軸組件的主軸應滿足高速和高剛度的要求；設計高精度數控 銑 床時，主軸應滿足高剛度、低溫升的要求。同時，主軸結構要保證個部件定位可靠，工藝性能好等要求。 為了滿足以上要求，進行了以下措施： 1、 提高主軸組件抗振性的措施 （ 1）盡量縮短主軸前軸承結構的長度， 適當增大跨矩； （ 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）對高速旋轉的零件作靜、動平衡，提高齒輪、主軸的制造精度都可適當減少強迫振動源 10； （ 5）對于非連續切削過程的銑削，滾削等加裝 飛輪可減少振動； （ 6）應用阻尼器消耗振動能量是有效的措施；考慮系統的固有頻率，避免共振。 文獻綜述 2、 減少主軸組件熱變形的措施 （ 1）把熱源移至機床以外。 （ 2）改善主傳動的潤滑條件。如進行箱外循環潤滑，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床各部位的溫差 ,進行熱補償。如可以在結構設計采用一些自動補償的裝置設法使熱變形朝不影響加工精度的方向發展11。還可以在工藝上減少熱變形的影響。如先空運轉一段時間再加 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，從而達到主傳動系統的要求。并且提高了主軸部件的精度，改善了速度、發熱、剛度等因素造成的影響。 參考文獻： 1、張曙 、盛伯浩 現代金屬加工 ,2005(6):38 45 3、呂紅霞 機械制造與自動化 ,2005,34(1):8 10 4、文廣 ,馬宏偉 機械工程師 ,2003(1):9 12 5、王憲文 機床海外并購試看機床版的“市場與技術”博弈 2005(3):80 82 6、 李峻勤 ,費仁元 M國防工業出版社 ,2000. 7、 張柱銀 ,陳思義 ,明興祖 M化學工業出版社 ,2003. 8、 王愛玲 ,白思遠 M國防工業出版社 ,2001. 9、 張寶林，數控技術 M械工業出版社， 1997 10、 李佳，數控機床及應用 M 清華大學出版社， 2002 11、 林東 M北京理工大學出版 社 ,1995. 研究內容 1、 主軸電機的選取 根據主電機功率 慮電機的型號、額定轉速、最高轉速、恒功率范圍等因素。 2、主軸受力分析 分析采用的是哪種結構（簡支梁、外伸梁、懸臂梁）進行設計，計算其跨距及受力情況。 通過一對皮帶輪傳動，降速傳動比 1： 通過皮帶受力得出輸出力，計算切削力得出輸入力。 3、主軸軸承的選擇 根據載荷條件、轉速條件、裝調性能、經濟性等方面進行選擇 前軸承型號： 752） /軸承型號： 602） /、潤滑與密封件的設計 研究計劃 研究周期與時間安排 畢業設計起止日期： 1