1、 摘 要近年來，我國機械制造業的自動化生產技術有了較快的發展。據統計，生產過程中材料、半成品的輸送、定向及設備的上、下料等輔助工序所花的費用約占全部加工費用的三分之一，所花時間約占全部加工時間的三分之二以上。為了解決上述問題，發展了一種用計算機以數字指令方式控制的數字控制機床。數控機床的應用幾乎已擴展到所有加工領域，許多工廠為了適應產品的頻繁更新，提高加工精度、降低生產成本、縮短產品交貨周期和減輕勞動強度等目的，在中等批量、甚至大批量生產中也應用了數控機床，即使在5000件的生產批量下加工結構形狀不太復雜的零件，使用數控機床也能取得良好的經濟效益。320mm數控車床為全能型加工車床，可進行多次

2、重復循環加工，特別適合于汽車、石油機械、軍工等多種行業的機械加工，主要用于軸類、盤類的精加工和半精加工，可以加工內、外圓柱表面、錐面、車削螺紋、鏜孔、鉸孔以及各種曲線回轉體。可根據用戶要求配置手動、電動、液壓卡盤和手動、電動、液壓尾座等。機床防護有全防護、封閉防護兩種形式。關鍵字：數控車床；精加工；液壓尾座 abstractin recent years, the automation production technique of the our country machine manufacturing industry contain quicker development. accor

3、ding to the covariance, material in the production line, the semi-processed goods transport, definite direction and equipments of up, bottom anticipate the etc., the expenses that the assistance work preface spend about has all 1/3 of process the expenses, time spend about has all 2/3 of process tim

4、e is above.for resolving the above-mentioned problem, produce a kind of numeral control tool machine that controls by numerical instruction with the calculator. the application that number controls the tool machine almost has already expand to all process the realm.many factory for the sake of the m

5、ultifarious renewal of the orientation product, the exaltation processes the accuracy, lowers the production cost and shortens the product to deliver goods the period and ease to labor the strength etc. purpose, also applied the number to control the tool machine in win wait batch quantity, even mas

6、s-produce, even process the not that complicated spare parts of the structure shape under 5000 pieces production batch quantities, using the number to control the tool machine also can obtain good economic performance.320 mm the number controls the lather to process the lather for the omnipotent typ

7、e, can carry on many repetitions to process circularly, special suitable for automobile, petroleum machine, the soldier work etc. the machine of various profession process, mainly using for stalk, dish s process to process with the half , can process inside, the outside cylinder surface, face, the c

8、ar pares thread, bore of ，bore of and various curves turn-over body.can request to install to move according to the customer, dynamoelectric, the liquid presses the card dish and hands to move, dynamoelectric, the liquid presses the tail.the tool machine protection contain whole protection, close tw

9、o kinds of forms of protection. keywords：the number controls；the lather to process；the liquid to press the tail目 錄摘 要iabstractii第1章 緒論11.1 課題背景及目的11.2 國內外研究現狀及發展趨勢21.2.1 數控系統的發展趨勢21.2.2 我國數控車床的研究現狀及發展趨勢2第2章 320mm數控車床72.1 320mm數控車床簡介72.2 機床主要技術參數和連接尺寸82.3 機床精度的選擇82. 4 電動機的選擇102.4.1 選擇電動機類型102.4.2 選擇電

10、動機容量102.4.3 確定電動機的轉速112.5 無級變速的主傳動系統設計112. 6主軸組件的基本要求112.6.1 旋轉精度122.6.2 靜剛度122.6.3 抗震性122.6.4 溫升和熱變形132.6.5 耐磨性13第3章 數控機床的主軸及其機械結構143.1 對主軸驅動的要求143.1.1 主傳動要有寬的調速范圍及盡可能實現無級變速143.1.2 功率大143.1.3 動態響應性要好153.1.4 精度高153.1.5 旋轉軸聯動功能153.1.6 恒線速度切削功能153.2 初選主軸直徑153.3 傳動軸直徑183.4 確定帶輪直徑183.5 普通v帶的設計18第4章 軸承選用

11、與壽命計算274.1 軸承選用274.2 軸承的壽命計算284.3 軸承的潤滑與密封284.3.1 主軸滾動軸承的潤滑29第5章 箱體的設計315.1 箱體的結構特點及技術要求315.1.1 箱體的結構要求315.1.2 箱體的主要技術要求315.2 壁厚的選擇32結 論33致 謝34參考文獻35contentsabstractichapter 1 introduction11.1 background and objective11.2 the trend of domestic and international research status and development21.2.1

12、the trend of nc system development21.2.2 the trend of chinas cnc lathe research status and development2chapter 2 320mm nc lathe72.1 320mm cnc lathe72.2 the main machine technical parameters and connection size82.3 the selection of the precision of the machine tool82.4 motor selection102.4.1 the sele

13、ction of motor type102.4.2 selection of motor capacity102.4.3 the selection of the motor speed112.5 the design of stepless main driving system 112.6 the basic requirements of main components112.6.1 the rotating accuracy122.6.2 the static stiffness122.6.3 the resistance of earthquake122.6.4 temperatu

14、re-rise and thermal deformation132.6.5 the resistance of wear13chapter 3 cnc machine tool spindle and its mechanical structure143.1 the requirements of spindle drive143.1.1 the main drive to a wide speed range and possible to realize stepless speed143.1.2 high-power143.1.3 better dynamic response153

15、.1.4 high-precision153.1.5 the function of rotation axis153.1.6 constant line speed and cutting function153.2 the primary chosen of spindle diameter153.3 the diameter of drive shaft183.4 the determination of the belt wheel diameter183.5 the design of common v belt18chapter 4 selection and calculatio

16、n of fatigue bearing life274.1 the selection of bearing274.2 the calculation of bearing life284.3 bearing lubrication and sealing284.3.1 the lubrication spindle rolling bearing29chapter 5 the design of box315.1 the structure of box body characteristics and technical requirements315.1.1 the requireme

17、nts of box body structure315.1.2 the main technical requirements of box315.2 selection of wall thickness32conclusion33thanks34reference3536第1章 緒論1.1 課題背景及目的我國目前機床總量380余萬臺，而其中數控機床總數只有11.34萬臺，即我國機床數控化率不到3。近10年來，我國數控機床年產量約為0.60.8萬臺，年產值約為18億元。機床的數控化率僅為6。這些機床中,役齡10年以上的占60以上；10年以下的機床中，自動/半自動機床不到20，fmc/fms

18、等自動化生產線更屈指可數（美國和日本自動和半自動機床占60以上）。可見我們的大多數制造行業和企業的生產、加工裝備絕大數是傳統的機床，而且半數以上是役齡在10年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的產品國內、外市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業的的生存和發展。所以必須大力提高機床的數控化率。 而相對于傳統機床，數控機床有以下明顯的優越性：1、可以加工出傳統機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。 2、可以實現加工的柔性自動化，從而效率比傳統機床提高37倍。 3、加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。 4、可實現多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。 5、擁有自動報警、自動

19、監控、自動補償等多種自律功能，可實現長時間無人看管加工。 因此，采用數控機床，可以降低工人的勞動強度，節省勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少工裝，縮短新產品試制周期和生產周期，可對市場需求作出快速反應。 此外，機床數控化還是推行fmc（柔性制造單元）、fms（柔性制造系統）以及cims（計算機集成制造系統）等企業信息化改造的基礎。數控技術已經成為制造業自動化的核心技術和基礎技術。 由于以上優越性，數控機床所占的比例逐漸增大。從2005年的市場消費內容也可可看出,普通機床的市場份額在下降,數控機床則大幅度增長，尤其是中高檔數控機床供不應求。可以預見，未來幾年普通機床的市場份額將不斷下滑, 數

20、控機床的消費會逐漸擴大。1.2 國內外研究現狀及發展趨勢1.2.1 數控系統的發展趨勢自從1951年計算機技術應用于機床上，數控系統經歷了數控（nc）和計算機數控（cnc）兩個階段的發展。目前，數控系統正處于第六代基于pc（pcbased）1。未來數控系統將呈以下發展趨勢：1. 繼續向開放式、基于pc的第六代方向發展 基于pc所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，更多的數控系統生產廠家會走上這條道路。至少采用pc機作為它的前端機，來處理人機界面、編程、聯網通信等問題，由原有的系統承擔數控的任務。2. 向高速化和高精度化發展 3. 向智能化方向發展 (1) 應用自適應控制技術向

21、高速化和高精度化發展 數控系統能檢測過程中一些重要信息，并自動調整系統的有關參數，達到改進系統運行狀態的目的。 (2) 引入專家系統指導加工 將熟練工人和專家的經驗，加工的一般規律和特殊規律存入系統中，以工藝參數數據庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統。 (3) 引入故障診斷專家系統 (4) 引入動裝置智能化數字伺服驅動系統可以通過自動識別負載，而自動調整參數，使驅動系統獲得最佳的運行。1.2.2 我國數控車床的研究現狀及發展趨勢1. 研究現狀我國數控車床從20世紀70年代初進入市場，至今通過各大機床廠家的不懈努力，通過采取與國外著名機床廠家的合作、合資、技術引進、樣機消化吸收等措施，使得我國

22、的機床制造水平有了很大的提高，其產量在金屬切削機床中占有較大的比例。目前，國產數控車床的品種、規格較為齊全，質量基本穩定可靠，已進入實用和全面發展階段2。 (1) 床身按照床身導軌面與水平面的相對位置，床身有圖1-1所示的5種布局形式。一般來說，中、小規格的數控車床采用斜床身和平床身斜滑板的居多，只有大型數控車床或小型精密數控車床才采用平床身，立床身采用的較少。平床身工藝性好，易于加工制造。由于刀架水平放置，對提高刀架的運動精度有好處，但排屑困難；刀架橫滑板較長，加大了機床的寬度尺寸，影響外觀。平床身斜滑板結構，再配置上傾斜的導軌防護罩，這樣既保持了平床身工藝性好的優點，床身寬度也不會太大。斜

23、床身和平床身斜滑板結構在現代數控車床中被廣泛應用，是因為這種布局形式具有以下特點： 1) 容易實現機電一體化； 2) 機床外形整齊、美觀，占地面積小； 3) 容易設置封閉式防護裝置； 4) 容易排屑和安裝自動排屑器； 5) 從工件上切下的熾熱切屑不至于堆積在導軌上影響導軌精度； 6) 宜人性好，便于操作； 便于安裝機械手，實現單機自動化。 (2) 導軌 車床的導軌可分為滑動導軌和滾動導軌兩種。 滑動導軌具有結構簡單、制造方便、接觸剛度大等優點。但傳統滑動導軌摩擦阻力大，磨損快，動、靜摩擦系數差別大，低速時易產生爬行現象。目前，數控車床已不采用傳統滑動導軌，而是采用帶有耐磨粘貼帶覆蓋層的滑動導軌

24、和新型塑料滑動導軌。它們具有摩擦性能良好和使用壽命長等特點。 滾動導軌的優點是摩擦系數小，動、靜摩擦系數很接近，不會產生爬行現象，可以使用油脂潤滑。根據滾動體的不同，滾動導軌可分為滾珠直線導軌和滾柱直線導軌。后者的承載能力和剛度都比前者高，但摩擦系數略大。 a)后斜床身-斜滑板 b)直立床身-直立滑板 c)平床身-平滑板 d)前斜床身-平滑板 e)平床身-斜滑板 圖1-1 床身布局型式(3) 主軸變速系統經濟型數控車床大多數是不能自動變速的，全功能數控車床的主傳動系統大多采用無級變速。目前，無級變速系統主要有變頻主軸系統和伺服主軸系統兩種，一般采用直流或交流主軸電機，通過帶傳動帶動主軸旋轉，或

25、通過帶傳動和主軸箱內的減速齒輪帶動主軸旋轉。由于主軸電機調速范圍廣，又可無級調速，使得主軸箱的結構大為簡化。(4) 刀架系統 按換刀方式的不同，數控車床的刀架系統主要有回轉刀架、排式刀架和帶刀庫的自動換刀裝置等多種形式。排式刀架一般用于小規格數控車床，以加工棒料或盤類零件為主。回轉刀架是數控車床最常用的一種典型換刀刀架，通過刀架的旋轉分度定位來實現機床的自動換刀動作，根據加工要求可設計成四方、六方刀架或圓盤式刀架。根據刀架回轉軸與安裝底面的相對位置，回轉刀架分為立式刀架和臥式刀架兩種。排刀式刀架和回轉刀架對刀具的數目有一定的限制，當需要數量較多的刀具時，應采用帶刀庫的自動換刀裝置。(5) 進給

26、傳動系統 數控車床的進給傳動系統一般均采用進給伺服系統，按其控制方式不同可分為開環系統和閉環系統。前者定位精度低，但它結構簡單、工作可靠、造價低廉；后者控制精度高、快速性能好，但它對機床的要求比較高，且造價較昂貴。閉環系統中采用的位置檢測裝置有：脈沖編碼器、旋轉變壓器、感應同步器、磁尺、光柵尺和激光干涉儀等。 數控車床的進給伺服系統中常用的驅動裝置是伺服電機。伺服電機有直流伺服電機和交流伺服電機之分。前者由于具有可靠性高、造價低等特點而被廣泛采用。2. 發展趨勢(1) 高速、高精密化 當前機床正向高速切削、干切削和準干切削方向發展，加工精度也在不斷地提高。另一方面，電主軸和直線電機的成功應用，

27、陶瓷滾珠軸承、高精度大導程空心內冷和滾珠螺母強冷的低溫高速滾珠絲杠副及帶滾珠保持器的直線導軌副等機床功能部件的面市，也為機床向高速、精密發展創造了條件。 (2) 高可靠性 (3) 數控車床設計cad化、結構設計模塊化 采用cad技術以替代人工完成繁瑣的繪圖工作，進行設計方案選擇和大件整機的靜、動態特性分析、計算、預測及優化設計，以及對整機各工作部件進行動態模擬仿真。這樣大大提高了工作效率，提高設計的一次成功率，從而縮短試制周期，降低設計成本，提高市場競爭能力。 (4) 功能復合化擴大機床的使用范圍、提高效率，實現一機多用、一機多能，即一臺數控車床既可以實現車削功能，也可以實現銑削加工。(5)

28、智能化、網絡化、柔性化和集成化。，第2章 320mm數控車床2.1 320mm數控車床簡介該車床為水平床身結構，機床外觀造型為半封閉滑動防護門結構。車床的床座采用優質鑄鐵整體鑄造而成，不但提高了機床的整體剛性，而且具有較好的吸振性。主軸變速有兩種方式，一種為手動集中變速方式，所有變速機構都集中在主軸箱內，通過數控系統對雙速電機的控制，在每一個手動變速檔下，可以有高、低兩檔自動變速。另一種為無級變速方式，由交流變頻調速電機通過三角膠帶直接帶動主軸，在這種情況下，車床主軸采用高精度主軸專用角接觸球軸承支承，并采用高速潤滑脂潤滑。車床的進給軸由混合式步進電機（或交流伺服電機）直接驅動滾珠絲杠副，帶動

29、溜板運動。為了提高進給軸的動態響應時間，減少摩擦和磨損，車床的移動副都采用了貼塑工藝。車床的移動導軌副和滾珠絲杠副的潤滑采用手動集中潤滑系統（或間歇式自動潤滑系統），方便了各潤滑點的潤滑。該車床配置了立式四工位電動刀架，可一次裝夾四把刀具，便于工件一次裝夾，多工序加工。對進給軸進行開環（或半閉環）控制。該車床適用于中、小型軸類、盤套類零件的內、外圓柱面、圓錐面、圓弧面、端面和螺紋面的加工，特別適用于批量生產的加工中。2.2 機床主要技術參數和連接尺寸表2-1 機床的技術參數項目單位參數床身上最大回轉直徑mm320最大工件長度mm750刀架上最大回轉直徑mm170主軸通孔直徑mm55主軸內孔錐度

30、莫氏6號主軸頭部形式a25主軸轉速級數無級主軸轉速范圍r.p.m502500進給軸快速移動速度mm/min7000（x軸減半）進給軸驅動電機功率kw1.0進給軸最小設定單位mm0.001進給軸重復定位精度mmx軸：0.007z軸：0.01主電機功率kw=5.5電動刀架刀具容量支4尾座套筒內孔錐度莫氏6號加工標準試件的表面粗糙度ram1.6外形尺寸（長寬高）mm210010501500機床凈重/機床總重kg1900/21002.3 機床精度的選擇選擇機床的精度等級應根據典型零件關鍵部位加工精度的要求來定。表2-2 精度項目普通型精密型單軸定位精度0.01/0.300或全長0.005/全長單軸重復

31、定位精度0.0060.003銑圓精度0.030.040.02數控機床的其它精度與表中所列數據都有一定的對應關系。定位精度和重復定位精度綜合反映了該軸各運動元部件的綜合精度。尤其是重復定位精度，它反映了該控制軸在行程內任意定位點的定位穩定性。這是衡量該控制軸能否穩定可靠工作的基本指標。目前的數控系統軟件功能比較豐富，一般都具有控制軸的螺距誤差和累積誤差可以用螺距補償功能，能對進給傳動鏈上各環節系統誤差進行穩定的補償。如絲杠的螺距補償來消除。但這是一種理想的做法，實際造成這反向運動量損失的原因是，存在驅動元部件的反向死區、傳動鏈各環節的間隙、彈性變形和接觸剛度等變化因素。其中有些誤差是隨機誤差，它

32、們往往隨著工作臺的負載大小、移動距離長短、移動定位的速度改變等反映出不同的損失運動量。這不是一個固定的電氣間隙補償值所能全部補償的。所以，即使是經過仔細的調整補償，還是存在單軸定位重復性誤差，不可能得到高的重復定位精度5。總之，力求提高每個數控坐標軸的重復定位精度是機床制造廠和用戶的共同愿望。銑圓精度是綜合評價數控機床有關數控軸的伺服跟隨運動特性和數控系統插補功能的指標。由于數控機床具有一些特殊功能，因此在加工中等精度的典型工件時，一些大孔徑、圓柱面和大圓弧面可以采用高切削性能的立銑刀銑削。測定每臺機床的銑圓精度的方法是用一把精加工立銑刀銑削一個標準圓柱試件；中小型機床圓柱試件的直徑一般在左右

33、。將標準圓柱試件放到圓度儀上，測出加工圓柱的輪廓線，取其最大包絡圓和最小包絡圓，兩者間的半徑差即為其精度（一般圓輪廓曲線僅附在每臺機床的精度檢驗單中，而機床樣本只給銑圓精度允差）從機床的定位精度可估算出該機床在加工時的相應有關精度。如在單軸上移動加工兩孔的孔距精度約為單軸定位精度的1.52倍（具體誤差值與工藝因素密切相關）。因此，普通型加工中心可以批量加工出8級精度零件，精密型加工中心可以批量加工出67級精度零件。這些都是選擇數控機床的一些基本參考因素。此外，普通型數控機床進給伺服驅動機構大都采用半閉環方式，對滾珠絲杠受溫度變化造成的位置伸長無法檢測，因此會影響工件的加工精度。2.4 電動機的

34、選擇選擇電動機的容量時應保證電動機的額定功率、等于或稍大于工作機所需的電動機的功率,即工作機所需電動機功率為:= kw (2-1)式中 工作機所需功率。指輸入工作機軸的功率kw: 有電動機至工作機的總功率: kw (2-2)式中 工作機的阻力矩nm 工作機的轉速殊 運動副效率乘積; 2.4.1 選擇電動機類型按工作要求選用y系列鼠籠型交流伺服電動機，電壓380v,2.4.2 選擇電動機容量各部分的傳動效率:v帶傳動效率=0. 96;滾動軸承傳動效率=0. 99;編碼器傳動效率=0.97;同步齒形帶= 0.95;0.858 kw2.4.3 確定電動機的轉速電動機的同步轉速越高，磁極對數越少，其重

35、量越輕，外廓尺寸越小，價格越低，而轉速越大，價格越高。所以根據條件，選電動機型號為y132s一4，功率5.5 kw，轉速1450r/min,最大轉矩2.2nm2.5 無級變速的主傳動系統設計數控機床、重型機床和精密機床已廣泛地采用直流或交流無級變速電動機，作旋轉運動的主軸。從計算轉速至最高轉速為恒功率區，從計算轉速至最低轉速為恒扭矩區，恒功率變速范圍比恒扭矩變速范圍大2-4倍。直流并激電動機從額定轉速向上至最高轉速，是采用調節磁場電流的辦法來調速的，屬恒功率調速;從額定轉速向下至最低轉速，是利用調節電樞電壓的方法來調速的，屬于恒轉矩調速。普通直流電機的,恒功率調速范圍為24。恒轉矩調速范圍達幾

36、十甚至100以上;交流調速電機的,額定轉速向上至最高轉速為恒功率，范圍為3-5,由額定轉速至最低轉速為恒轉矩，調速范圍達幾十或超過100。如果用它們驅動做旋轉運動的主軸，則由于主軸要求的恒功率調速范圍遠大于電動機所能提供的恒功率范圍，常用串聯分級變速箱的辦法來擴大其恒功率調速范圍變速箱的公比原則上應等于電動機的恒功率調速范圍。如果為了簡化變速機構，取心，則電動機的功率應取得比要求的功率大些。 通過一級帶傳動實現變速的主傳動系統，本機床采用的就是這種傳動，其優點是機構簡單，安裝調試方便，且在一定程序上能滿足轉速與轉矩的輸出要求，但調速范圍受電機調速范圍比的約束。2.6主軸組件的基本要求 與一般傳

37、動軸一樣，主軸也要在一定的轉速下傳遞一定的扭矩。但是主軸要帶著工件或刀具參與切削工作，以形成工件表面。所以，一臺機床的加工質量在很大程度上決定于主軸組件的質量。主軸要傳遞扭矩，直接承受切削力，而且還要滿足通用機床、專用機床、數控機床各自不同的要求。2.6.1 旋轉精度 主軸組件的旋轉精度是指裝配后，在無載荷、低速轉動的條件下，主軸前端安裝工件或刀具部位的徑向跳動和軸向跳動。當主軸以工作轉速旋轉時，由于潤滑油膜的產生和不平衡的擾動，旋轉精度將有所變化。這一點對于精密、高精度機床尤為重要。 主軸組件的旋轉精度主要取決于各主要件，如主軸、軸承、箱體孔等的制造、裝配和調整精度。旋轉精度還決定于主軸轉速

38、、支撐的設計和性能，潤滑劑以及主軸組件的平衡。2.6.2 靜剛度 主軸組件的靜剛度反映組件抵抗靜態外載荷變形的能力。主軸組件的彎曲剛度定義為:使主軸前端產生單位位移時，在位移方向測量所需施加的力，即，影響主軸組件彎曲剛度的因素很多，如主軸的尺寸和形狀，滾動軸承的型號、數量、配置形式和預緊，滑動軸承的型號和油膜剛度，前后支撐間的距離和主軸前端的懸伸量，傳動件的布置方式，主軸組件的制造和裝配質量等。各類機床主軸組件的剛度目前尚無統一的標準。2.6.3 抗震性 主軸組件工作時產生振動會降低工件的表面質量和刀具耐用度，縮短主軸軸承壽命，還會產生噪聲影響環境。 振動表現為強迫振動和自激振動兩種形式。主軸

39、組件產生自激振動，不僅嚴重影響加工質量，甚至使切削無法進行下去。抵抗強迫振動則要提高動剛度，動剛度是指激振力幅值與振動幅值之比。 影響抗振性的因素主要有主軸組件的靜剛度、質量分布和阻尼。主軸的固有頻率應遠大于激振力的頻率，以使它不易發生共振。目前，尚未制定出抗震性的指標，只有一些實驗數據可供設計時參考。2.6.4 溫升和熱變形 主軸組件工作時因為各相對運動處的攪油等而發熱，產生溫升，從而使主軸組件的形狀和位置發生變化。 主軸組件受熱伸長，使軸承間隙發生變化。溫升使潤滑油粘度下降，降低了滑動軸承的承載。主軸箱因溫升而變形，使主軸偏離正確位置。前后軸承溫升不同，還會導致主軸軸線傾斜。因此，對主軸軸

40、承的溫升要做出限制，主軸軸承在高速空轉、連續運轉情況下的允許溫升:高精度機床為8度到10度，精密機床和數控機床為15度到20度，普通機床為30度到40度。 由于受熱膨脹是材料固有的性質，因此高精度機床要進一步提高加工精度，往往受熱變形的限制。研究如何減少主軸組件的發熱，如何控溫，是高精度機床主軸組件研究的重要課題之一。2.6.5 耐磨性 主軸組件的耐磨性是指長期保持原始精度的能力，即精度保持性。對精度有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，定心軸頸等。此外，還有移動式主軸的工作表面如幢床主軸的外圓，坐標幢床和某些加工中心主軸的套筒外圓等。 裝有滾動軸承的主軸，支撐處的耐

41、磨性則決定于滾動軸承。如果用滑動軸承，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，一般機床主軸的上述部分應淬硬至hrc60左右，深約1 mm。第3章 數控機床的主軸及其機械結構3.1 對主軸驅動的要求 數控機床的主軸驅動是指產生切削運動的傳動，它是數控機床的重要組成部分之一。在數控機床上，主運動的最高與最低轉速、轉速范圍、傳遞功率和動力特征，決定了數控車床的切削加工效率和加工工藝性能。主軸組件的回轉精度、剛度、抗振性能和熱變形，直接影響加工零件的尺寸，位置精度和表面質量，隨著數控技術的不斷發展，現代數控車床對主軸驅動提出了更高的要求。3.1.1 主傳動要有寬的調速范圍及盡可能實現

42、無級變速 數控加工時切削用量的選擇，特別是切削速度的選擇，關系到表面加工質量和機床生產率。對于自動換刀數控機床，為適應各種工序和不同材料加工的要求，更需要主傳動有寬的自動變速范圍。數控機床的主軸變速是依指令自動進行的，要求能在較寬的轉速范圍內進行無級變速，并減少中間傳遞環節，以簡化主軸箱和降低傳動誤差。 目前數控機床的主驅動系統要求在1:(1001000)范圍內進行恒轉矩和1: 10范圍內的恒功率調速。由于主軸電機與驅動的限制，為滿足數控機床低速強力切削的需要，常采用分段無級變速的方法，即在低速段采用機械減速裝置，以提高輸出轉矩。3.1.2 功率大 要求主軸有足夠的驅動功率或輸出轉矩，在整個速

43、度范圍內均能提供切削所需的功率或轉矩，特別是在強力切削時，并且有一定的過載能力和較硬的調速機械特性，即在負載變化的情況下，電機轉速波動小。3.1.3 動態響應性要好 要求主軸升降速時間短，調速時運轉平穩，對有的數控機床需同時能實現正、反轉切削，則要求換向時均可進行自動加減速控制，即要求主軸有四象限驅動能力。3.1.4 精度高 主要指主軸回轉精度，要求主軸部件具有足夠的剛度和抗振性，具有較好的熱穩定性，即主軸的軸向和徑向尺寸隨溫度變化較小，另外，要求主傳動的傳動鏈要短。3.1.5 旋轉軸聯動功能 要求主軸與其他直線坐標軸同時實現插補聯動控制，如在車削中心上，為了使之具有螺紋車削功能，要求主軸能與

44、進給驅動實行聯動控制，即主軸具有旋轉進給軸(c軸)的控制功能。3.1.6 恒線速度切削功能 為了提高工件表面質量和加工效率，有時要求數控機床能實現表面恒線速度切削，如數控機床對大直徑工件端面切削時，要求主軸轉速隨切削端面的直徑變小而變快，并以切削表面為恒線速度的規律變化。3.2 初選主軸直徑 主軸直徑直接影響主軸部件的剛度。直徑越粗，剛度越高，但同時與它相配的軸承等零件的尺寸也越大。故設計之初，只能根據統計資料選擇主軸直徑。 車床、銑床、幢床、加工中心等機床因裝配的需要，主軸直徑常是自前往后逐步減小的。前軸頸直徑大于后軸頸直徑。對于車、銑床，一般。表3-1幾種常見的通用機床鋼質主軸前軸頸主電機

45、功率5.57.51115臥式車床6090mm75110mm90120mm100160mm升降臺銑床6090mm75100mm90110mm100120mm外圓磨床5575mm7080mm7590mm75100mm 為了提高剛度，主軸的直徑應盡量大些。前軸承至主軸前端的距離應盡可能小些。為了便于裝配，主軸常做成階梯形的。主軸的結構與形狀和主軸上所安裝的傳動件、軸承等零件的類型、數量、位置和安裝方法有直接的關系。 為了便于在主軸上安裝各種標準刀具或夾具，前端用雙鍵傳遞扭矩。前端圓螺母用來調整刀具的軸向位置，平鍵用來傳遞扭矩。圖3-1 主軸前端 主軸中孔用于通過拉桿。為了能通過更粗的棒料，車床的中孔

46、直徑希望大些，但受剛度條件的限制，孔徑不宜超過外徑的70% 。 多數機床主軸中心有孔，主要用來確定棒料或安裝工具，主軸內孔直徑在一定范圍內對主軸剛度影響很小。若超出此范圍則能使主軸剛度急劇下降。由材料力學可知，剛度k正比于截面慣性矩i，它與直徑之間有下列關系:一般，0. 7對剛度影響不大，若0. 7將使剛度急劇下降。所以前軸頸95 mm，后軸頸(0.7-0. 85 )=70 mm 主軸前端懸伸量的選擇: 主軸懸伸量是指主軸前支承徑向作用點到主軸前端受力作用點之間的距離，無論從理論分析還是從實際測試的結果來看，主軸懸伸量a值愈小愈能提高主軸部件的剛度。因此，確定主軸懸伸量a的原則是在滿足結構要求

47、的前提下盡可能取小值。1. 主軸懸伸量與前軸徑直徑之比 =114mm2. 根據查表，計算前支承剛度=1700=13.85n/mm 因為后軸承直徑略小于前軸承，取， 則=9.9n/mm計算綜合變量= 故取彈性模量e=2 x =3. 確定最佳跨距查表之點，向上做垂線與的斜直線相交，由交點向左作平線和縱坐標軸相交，得，所以=215 mm合理跨距的范圍為之間合理圖3-2 普通v帶3.3 傳動軸直徑 mm (3-1)式中 計算轉速，1450輸入功率(kw)，=5. 5 x 0. 96=5. 28 kw允許扭轉角，=1.5=650 mm 花鍵6x21x25x53.4 確定帶輪直徑查機械設計第七版，表8-3

48、，得小帶輪基準直徑=125 mm大帶輪直徑由公式 mm3.5 普通v帶的設計1. 確定計算功率查表查得工作情況系數=1.1=1.15.5=6.05 kw2. 選取普通v帶帶型根據、n確定選用b型。3. 初選中心矩=700 mm4. 計算帶的基準長度 mm mm5. 選擇帶基準長度 查=1800 mm6. 實際中心矩 mm mm mm7. 小帶輪包角8. 帶速v 合格9. 帶的撓曲次數u 合格 10. 帶的根數z (3-2)式中 包角系數 查表 -長度系數 查表 v帶傳動功率及其增量經查表，得, 。 取3根 3.6 同步齒形帶設計1. 設計功率查表查得工作情況系數 kw2. 選取同步帶帶型根據,

49、 n確定選用圓弧齒5m型。3. 小帶輪齒數4. 小帶輪節圓直徑 mm5. 帶速v (合格)6. 傳動比i 7. 大帶輪齒數8. 大帶輪節圓直徑 mm9. 初定中心矩選定=500 mm10. 初定帶的節線長度及其齒數mm mm選1800mm 11. 實際中心矩a mm mm 3.7 主軸的剛度計算主軸組件的剛度，可以用有限元法或傳遞矩陣法結合迭代借助電子計算。1. 主軸的簡化及剛度計算如主軸前后軸承之間由數段組成，則當量直徑 mm 如果前后軸承頸的直徑相差不大，也可把前后軸承頸直徑的平均值近似地作為當量直徑d。 主軸的前懸伸部分較粗，剛度較高，其變形可以忽略不計。后懸伸部分不影響剛度，也可不計。

50、如主軸前端作用一外載荷f，則撓度 (3-2)式中 外載荷; 前懸伸，等于載荷作用點至前支撐點間的距離; 跨距，等于前后支撐間的距離;彈性摸量，剛的= (mpa) ;截面慣性矩，=0. 05 ()(mm) 軸的外徑和孔徑(mm)將及之值代入，可得如，則孔的影響可忽略+彎曲剛度當 則 n3.8 軸的校核 1. 軸的強度校核 在主軸中，主軸承受的載荷較大，相對尺寸較小,下面僅對這根軸的強度和軸承壽命進行校核計算6。 主軸的材料為40cr，下面就按彎扭合成強度條件 (1) 軸的受力分析 作出軸的計算簡圖，即力學模型，在不同轉速下不同。圖3-3力學模型(2) 作出受力圖，彎矩圖，扭矩圖分別按水平面和垂直

51、面計算各力，以及各力產生的彎矩、扭矩并根據計算結果做了彎矩圖、扭矩圖。圖3-4水平面受力圖3-5水平面剪力圖3-6水平面彎矩圖3-7垂直面受力圖3-8垂直面彎矩圖3-9扭矩 (3) 軸的強度校核a.按彎扭合成強度條件，對ii軸進行強度校核，根據彎矩、扭矩圖確定工一工截面水平彎矩: nm垂直彎矩: nm合成彎矩: nm截面扭矩:t=16.94bn.m b.安全系數校核計算 由于該減速機軸轉動，彎矩引起脈動循環的彎應力，轉矩引起脈動循環的剪應力。彎曲應力幅為: mpa式中 抗彎斷面系數，=0.643由機械設計手冊查得，由于是對稱循環彎曲應力，故平均應為力=0，根據公式 (3-3) 式中 5稱循環應力時的疲勞極限，由機械設計手冊表26.1-1查得 = 255 mpa ;正應力有效應力集中系數，由表26.3-5，按鍵槽得=1.82,按配合查得2.62，故取=1.62表面質量系數，軸經車削加工，按表26.3-8查得0.92 ;尺寸系數，由26.3 0.91;平均應力折算系數，由表26-3-13查得。剪應力幅為： mpa (3-4)式中 抗扭斷面系數，由26.3-17查得根據式 45號鋼扭轉疲勞極限，由表26-1-1查得140 mpa ;剪應力有效應力集中系數，由表26.3-5按鍵槽查得1.62，按配合查得1.89，故取1.62;表面質量系數，軸經車削加工，按表26.3-8查得=0.