數(shù)控立式加工中心的主軸箱設計設計開題報告

1、<p>　　數(shù)控立式加工中心的主軸箱設計設計開題報告</p><p><b>　　1 開題依據</b></p><p>　　機床是將金屬毛坯加工成機器零件的機器，它是制造機器的機器，所以又稱為”工作母機”或”工具機”，習慣上簡稱機床。現(xiàn)代機械制造中加工機械零件的方法很多：除切削加工外，還有鑄造、鍛造、焊接、沖壓、擠壓等。在一般的機器制造中，機床所擔負的加工工

2、作量占機器總制造工作量的40％-60％，機床在國民經濟現(xiàn)代化的建設中起著重大作用。 所以此次提出數(shù)控立式加工中心的設計。</p><p><b>　　2 文獻綜述</b></p><p>　　2.1 數(shù)控機床的基本概況</p><p>　　數(shù)控（numerical control,NC）機床，顧名思義，是一類由數(shù)字程序實現(xiàn)控制的機床。與人工操作

3、的普通機床相比，它具有適應范圍廣、自動化程度高、柔性強、操作者勞 動強度低、易于組成自動生產系統(tǒng)等優(yōu)點[2]。數(shù)控機床也就是一種裝了程序控制系統(tǒng)的機床，該系統(tǒng)能邏輯處理具有使用號碼或其他符號編碼指令規(guī)定的程序 [8]。</p><p>　　1952年，美國PARSON公司與麻省理工學院（MIT）合作，研制出世界上第一臺數(shù)控機床。從此機床行業(yè)，乃至整個制造業(yè)和相關產業(yè)進入了一個 新的發(fā)展階段。在機床行業(yè)，由于采用了

4、數(shù)控技術，許多過去在普通機床上無法完成的工藝內容得以完成，大量普通機床為數(shù)控機床所代替，這就極大地促進了機床 行業(yè)的技術進步和行業(yè)發(fā)展。對于整個制造業(yè)，由于大量引用數(shù)控機床，使得產品質量大幅度提高，新產品開發(fā)周期明顯縮短，滿足了廣大消費者求新和追求個性化 的要求，從而形成了制造業(yè)與市場相互促進的發(fā)展趨勢。一段時期內機床行業(yè)在技術發(fā)展上曾被視為“夕陽工業(yè)”，如今再度受到全世界的高度重視。在這一歷史轉 變中，數(shù)控機床的產生與發(fā)展功不可沒。此

5、外，數(shù)控機床的發(fā)展，還帶動了眾多相關產業(yè)和技術的發(fā)展。</p><p>　　隨著科學技術的發(fā)展，機械產品的結構越來越合理，其性能、精度和效率日趨提高，更新?lián)Q代頻繁，生產類型由大批大量生產向多品種小批量生產轉化。因 此，對機械產品的加工相應地提出了高精度、高柔性與高度自動化的要求。在機床行業(yè)，由于采用了數(shù)控技術，許多過去在普通機床上無法完成的工藝內容得以完 成，大量普通機床為數(shù)控機床所代替，這就極大地促進了機床行業(yè)

6、的技術進步和行業(yè)發(fā)展。目前數(shù)控機床已經遍布軍工、航空航天、汽車、造船、機車車輛、機床、 建筑、通用機械、紡織、輕工、電子等幾乎所有制造行業(yè)[2]。</p><p>　　綜上所述，數(shù)控機床在促進技術進步和經濟發(fā)展，提高人類生存質量和創(chuàng)造新的就業(yè)機會等方面，起著非常重要的作用。</p><p>　　數(shù)控機床是一種高效能自動加工機床，是一種典型的機電一體化產品。與普通機床相比，數(shù)控機床具有如下一

7、些優(yōu)點：</p><p>　　易于加工異型復雜零件；提高生產率；可以實現(xiàn)一機多用，多機看管；可以大大減少專用工裝卡具，并有利于提高刀具使用壽命；提高零件的加工精度，易于 保證加工質量，一致性好；工件加工周期短，效率高；可以大大減少在制品的數(shù)量；可以大大減輕工人勞動強度，減少所需工人數(shù)量等。</p><p>　　一般來說，數(shù)控機床可分為數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心、車削中心幾類[2]。此次畢

8、業(yè)設計主要是針對立式加工中心主傳動系統(tǒng)設計，故以下介紹一些加工中心的應用和發(fā)展情況。</p><p>　　二、加工中心的基本概念和分類</p><p>　?。?）加工中心的基本概念  在數(shù)控銑床的基礎上，如果再配以刀具庫和自動換刀系統(tǒng)，就構成加工中心[2]。加工中心的特點是它的刀具庫能存放幾十把甚至更多的刀具，由程序控制換刀機 構自動調用與更換，這樣就可以在沒有人工干預的情況下，

9、一次完成很多工藝內容。加工中心是一種備有刀庫并能自動更換刀具對工件進行許多工序加工的數(shù)控機 床。在加工中心上，工件經一次裝夾后，數(shù)控系統(tǒng)能控制機床按不同工序自動選擇和更換刀具，自動改變機床主軸轉速、進給量、刀具相對工件的運動軌跡及其他輔 助功能，依次完成工件一個或幾個面上多工序的加工。加工中心能集中完成多種工序，因而可減少工件裝夾、測量和機床的調整時間，減少工件周轉、搬運和存放時 間，使機床的切削利用率（切削時間和開放時間之比）可達80

10、%以上，高于普通機床3-4倍。尤其是在加工形狀比較復雜，精度要求較高、品種更換頻繁的零件 時，加工中心更體現(xiàn)出良好的加工效果。所以說，加工中心不僅提高了工件的加工精度，而且是數(shù)控機床中生產率和自動化程度最高的綜合性機床。加工中心最先是 在鏜銑類機床上發(fā)展起來的，可稱為鏜銑加工中心，習慣上簡稱為加工中心[3]。</p><p>　?。?）加工中心的分類  按照加工中心的形態(tài)不同進行分類，可分為立式、臥式和

11、五坐標加工中心[1]。</p><p>　　1） 立式加工中心  立式加工中心的主軸軸心線為垂直狀態(tài)配置，結構形式多為固定立柱式，工作臺為長方形，適合加工小型板類、盤類、殼體類零件。立式加工中心結構簡單，占地面積小，價格底，配備各種附件后，可進行大部分工件的加工。</p><p>　　2） 臥式加工中心  臥式加工中心的主軸軸心線為水平狀態(tài)配置，通常都帶有可進行分度回轉

12、運動的工作臺，適合加工箱體類零件。它與立式加工中心相比，結構復雜、占地面積大、質量大、價格亦高。</p><p>　　3） 五坐標加工中心  五坐標加工中心兼具立式和臥式加工中心的功能，工件一次裝夾后能完成除安裝面外的所有側面和頂面等五個面的加工，因此也叫五面加工中心。常見的五坐標加工中心有兩種結構形式，一種是主軸可以90°旋轉，另一種是工作臺可以90°旋轉。</p>

13、<p><b>　　3 方案論證</b></p><p><b>　　3.1概述</b></p><p>　　主傳動系統(tǒng)是用來實現(xiàn)機床主運動的傳動系統(tǒng)，它應具有一定的轉速和一定的變速范圍，以便采用不同材料的刀具，加工不同材料，不同尺寸，不同要求的工件，并能方便的實現(xiàn)運動的開停、變速、換向和制動等。</p><p>

14、;　　數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)主要包括電動機、傳動系統(tǒng)和主軸部件，它與普通機床的主傳動系統(tǒng)相比在結構上比較簡單，這是因為變速功能全部或大部分由主軸電動機的無級調速來承擔，省去了復雜的齒輪變速機構，有些只有二級或三級齒輪變速系統(tǒng)用以擴大電動機無級調速的范圍。</p><p>　　3.1 數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)的特點</p><p>　　與普通機床比較，數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)具有下列特點。</p

15、><p>　　轉速高、功率大。它能使數(shù)控機床進行大功率切削和高速切削，實現(xiàn)高效率加工。</p><p>　　3.1.1變速范圍寬。數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)有較寬的調速范圍，一般Rn>100,以保證加工時能選用合理的切削量，從而獲得最佳的生產率、加工精度和表面質量。</p><p>　　主軸變速迅速可靠。數(shù)控機床的變速是按照控制指令自動進行的，因此變速機構必須適應自動操

16、作的要求。由于直流和交流主軸電機的調速系統(tǒng)日益完善，所以不僅能夠方便的實現(xiàn)寬范圍無級變速，而且減少了中間傳遞環(huán)節(jié)，提高了變速控制的可靠性。</p><p>　　主軸組件的耐磨性高，使傳動系統(tǒng)具有良好的精度保持性。凡有機械摩擦的部位，如軸承，錐孔等都有足夠的硬度，軸承處還有良好的潤滑。</p><p>　　主傳動系統(tǒng)的設計要求</p><p>　　3.2.1主軸具有一

17、定的轉速和足夠的轉速范圍、轉速級數(shù)，能夠實現(xiàn)運動的開停、變速、換向和制動，以滿足機床的運動要求。</p><p>　　3.2.2 主電機具有足夠的功率，全部機構和元件具有足夠的強度和剛度，以滿足機床的動力要求。</p><p>　　3.2.3 主傳動的有關結構，特別是主軸組件要有足夠高的精度、抗振性，熱變形和噪聲要小，傳動效率要高，以滿足機床的工作性能要求。</p><

18、p>　　3.2.4 操縱靈活可靠，調整維修方便，潤滑密封良好，以滿足機床的使用要求。</p><p>　　3.2.5 結構簡單緊湊，工藝性好，成本低，以滿足經濟性要求。</p><p>　　3.3 數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)配置方式</p><p>　　主傳動系統(tǒng)主要有四種配置方式：</p><p>　　帶有變速齒輪的主傳動 大中型數(shù)控機床

19、采用這種變速方式。通過少數(shù)幾對齒輪降速，擴大輸出轉矩，以滿足主軸低速時對輸出轉矩特性要求。數(shù)控機床在交流或直流電動機無級變速的基礎上配以齒輪變速，使之成為分段無級變速。滑移齒輪的移位大都采用液壓缸加撥叉，或者直接采用由液壓缸帶動齒輪來實現(xiàn)。</p><p>　　通過帶傳動的主傳動 這種傳動主要應用于轉速較高、變速范圍不大的機床。電動機本身的調速就能夠滿足要求，不用齒輪變速，可以避免齒輪傳動引起的振動與噪聲。適

20、用于高速、低轉矩特性要求的主軸。常用V帶或同步齒形帶。</p><p>　　用兩個電動機分別驅動主軸 這是上述兩種方案的結合，具有上述兩種性能。高速時電動機通過帶輪直接驅動主軸旋轉；低速時，另一個電動機通過兩級齒輪傳動驅動主軸旋轉，齒輪起到降速和擴大變速范圍的作用，這樣就使恒功率區(qū)增大，擴大了變速范圍，克服了低速時轉矩不夠且電動機功率不能充分利用的缺陷。</p><p>　　內裝電動機

21、主軸傳動結構 該主傳動方式大大簡化了主軸箱體與主軸的結構，有效的提高了主軸部件的剛度，但主軸轉矩小，電動機發(fā)熱對主軸影響較大。</p><p>　　綜上所述，我認為選取第一種配置較為合理，因為該種配置應用較為廣泛并且滿足數(shù)控立式加工中心的設計要求，有足夠的變速范圍。</p><p>　　3.4主傳動系統(tǒng)的類型</p><p>　　3.4.1 按動力源的類型<

22、;/p><p>　　可分為交流電機驅動和直流電機驅動。交流電動機驅動中又可分為單速交流電機驅動、調速交流電機驅動和交流伺服電機驅動。調速交流電機驅動又有多速交流電機驅動和變頻交流電機驅動。</p><p>　　3.4.2 按傳動裝置類型</p><p>　　可分為機械傳動裝置、液壓傳動裝置、電氣傳動裝置以及它們的組合。</p><p>　　3.4

23、.3 按變速的連續(xù)性</p><p>　　可分為分級變速傳動和無級變速傳動</p><p>　　無級變速傳動可以在一定的變速范圍內連續(xù)改變轉速，以便得到最有利的切削速度；能在運轉中變速，便于實現(xiàn)變速自動化；能在負載下變速，便于車削大斷面時保持恒定的切削速度。以提高生產效率和加工質量。無級變速傳動可由機械摩擦無級變速器、液壓無級變速器和電氣無級變速器實現(xiàn)。機械摩擦無級變速器結構簡單、實用可靠

24、，常用在中小型車床，銑床等主傳動中。液壓無級變速器傳動平穩(wěn)，運動換向沖擊小，易于實現(xiàn)直線運動，常用于主運動為直線運動的機床。電氣無級變速器有直流電動機和交流調速電機兩種，由于可以大大簡化機械結構，便于實現(xiàn)自動變速、連續(xù)變速和負載下變速，應用越來越廣泛，尤其在數(shù)控機床上，目前幾乎都采用電氣變速。</p><p><b>　　主軸組件設計</b></p><p><

25、b>　　組件設計基本要求：</b></p><p>　　旋轉精度、剛度、抗振性、溫升和熱變形、精度保持性。</p><p><b>　　主軸的構造</b></p><p>　　通用機床主軸短部結構形狀</p><p><b>　　應用范圍：銑床</b></p><

26、;p>　　應用特點: 7：24錐孔作定位面，供安裝銑刀或銑刀心軸的尾椎，再用拉桿從主軸后端拉緊，四個螺孔供安裝端銑刀用，兩個長槽供安裝端面鍵以傳遞扭矩</p><p>　　3.5.2 主軸組件的設計計算</p><p>　　設計步驟；1.根據統(tǒng)計資料，初選主軸直徑；</p><p><b>　　選擇主軸跨距；</b></p>

27、<p>　　進行主軸組件的結構設計，根據結構要求修正上述數(shù)據；</p><p><b>　　進行驗算；</b></p><p>　　根據驗算結果對設計進行必要的修改。</p><p>　　機床主軸端部結構形狀：</p><p>　　主軸中心孔前段錐度，摩氏3-6度。</p><p>

28、　　為裝配方便，車床主軸直徑通常是從前向后逐段遞減。一般車、銑床主軸后軸頸的直徑，為前軸頸尺寸。</p><p>　　主軸前軸頸尺寸應按所傳遞的功率確定，初選時可參照下表初定。</p><p>　　主軸前軸徑的直徑 mm</p><p>　　主軸前端面到前支撐徑向支反力作用點之間的距離為主軸懸伸量，減小懸伸量對

29、提高主軸組件的剛度與抗振性有明顯效果。主軸懸伸量的選擇，可參照下表確定。</p><p>　　主軸懸申量與前軸頸直徑之比</p><p>　　主軸最佳跨距可據下列經驗公式初定</p><p>　　式中 L0——最佳跨距 a——懸伸量</p><p>　　（懸伸量大的機床 </p><p>　　若實際跨距L實與最佳跨

30、距L0不能相等時，可取合理跨距。</p><p>　　若L實〉L0時，應適當加強主軸剛度；反之，L實<L0時，應適當加強軸承剛度。</p><p>　　其他傳動軸的徑向尺寸，可按該軸所傳遞的扭矩初定，軸向尺寸必須保證各軸間齒輪不相干涉。滑移齒輪在一對齒輪徹底脫開后，下一對才能進行嚙合，并且留有1-2mm間隙的實際需要的基礎上，據結構要求確定。</p><p>

31、　　3.5.3主軸滾動支承的選擇</p><p>　　主軸組件的滾動軸承既要有承受徑向載荷的徑向軸承，又要有承受兩個方向軸向載荷的推力軸承。軸承類型及型號選用主要應根據主軸組件的剛度、承載能力、轉速、抗振性及結構等要求合理進行選定。</p><p>　　3.5.4 其他附件的設計與選擇</p><p>　?、伲?lián)結鍵的選擇和蝶形彈簧的選擇與計算</p>

32、<p><b>　?、冢葆斅?lián)結的設計</b></p><p>　　③．潤滑與密封件設計</p><p><b>　　3.6 草圖設計</b></p><p>　　要求繪制展開圖、截面圖各一張，以表達所設計主軸變速箱的基本結構。兩圖應并行繪制。其中展開圖以將各軸展開到同一平面的展開形勢繪制，所表達的是各軸及軸上

33、所有零件的實際形狀，及軸向位置及尺寸。截面圖則反映各軸的空間關系及經向尺寸。</p><p>　　設計展開圖時，應考慮主軸的懸伸量、合理跨距；各傳動軸上齒輪寬度、滑移齒輪必須保證一對齒輪徹底脫開、另一對齒輪才能進入嚙合、 并留有1-2mm間隙，不相鄰軸上的齒輪在滑動中不干涉等需要，軸承布置，皮帶輪的位置等因素綜合確定軸向尺寸。</p><p>　　結構草圖確定后，對有關軸及齒輪進行校驗計算

34、。</p><p><b>　　3.7結構圖設計</b></p><p>　　箱壁各安裝軸承處可適當設凸緣，加筋條。主軸箱應留有在床身上安裝定位的基準面。</p><p>　　主傳動系統(tǒng)應設有剎車制動裝置，安放位置最好在接近執(zhí)行件，轉速較高且變速范圍較小的傳動軸上。</p><p>　　在向進給系統(tǒng)輸出的部位有加工左右螺

35、紋的換向裝置，一般采用介輪換向，而且介輪放在反向傳動中。</p><p>　　4.選題的難點及解決方法</p><p>　　4.1 難點在于，之前沒有接觸過機床的主軸箱設計，對無級變速的設計了解不多，一開始會有較多障礙，另外，對于主軸的強度校核和應力分析將會是一大挑戰(zhàn)。</p><p>　　解決辦法：1.借閱書籍，尋找相似設計案例，熟悉銑床的設計步驟和方法。<

36、/p><p>　　2.實在不懂得地方，咨詢指導老師。</p><p><b>　　5. 畢業(yè)設計內容</b></p><p>　　1. 完成數(shù)控立式加工中心的主軸箱設計，并進行制作與裝配；研究主軸箱的運行原理和特性，基本采用標準件的選擇方式，合理裝配。</p><p>　　綜合運用過去所學理論知識，提高理論聯(lián)系實際和綜合分

37、析能力，培養(yǎng)機電一體化的 設計能力；</p><p>　　樹立現(xiàn)代設計理念，提高機械設計和查閱設計資料、標準及規(guī)范等基本技能，并完成畢業(yè)設計論文、計算說明書等任務。</p><p>　　4. 進行必要的調研工作。</p><p>　　1. 完成20000字符外文資料的翻譯。</p><p>　　2. 撰寫畢業(yè)設計論文。</p>

38、;<p>　　5. 繪制總裝圖一張，部件圖、零件圖若干張</p><p><b>　　5 工作進度安排</b></p><p>　　2周：調查研究，閱讀文獻，查找資料，整理資料，完成開題報告，翻譯外文資料；</p><p><b>　　5周：理論設計；</b></p><p>　　4周

39、：裝配圖，零件圖繪制；</p><p>　　2周：檢查，修改設計與計算；</p><p>　　2周：撰寫畢業(yè)設計論文及準備答辯；</p><p>　　1周：準備答辯、答辯及成績評定。</p><p><b>　　6參考資料</b></p><p>　　1. 吳宗澤. 《機械設計手冊》（第二版）.

40、 北京：機械工業(yè)出版社. 2000.1；</p><p>　　2. 機械設計實用手冊編委會. 《機械設計實用手冊》. 北京：機械工業(yè)出版社，2008.4；</p><p>　　3. 何紅華，馬振寶. 《互換性與測量技術》. 北京：清華大學出版社，2008.1； </p><p>　　4. 徐茂功. 《公差配合與技術測量》（第三版）. 北京：機械工業(yè)出版社，20

41、08.6； </p><p>　　5. 張展.《機械設計通用手冊》. 北京：機械工業(yè)出版社，2008.5；</p><p>　　6. 安小龍，安繼儒《金屬材料手冊》. 北京，化學工業(yè)出版社，2008.1；</p><p>　　7. 黃伯云，李成功，石力開等.《有色金屬材料手冊》. 北京：化學工業(yè)出版社，2009.6</p><p>　　

42、8. 姚家倫。《機床課程設計指導書》 寧夏人民出版社 1989年版</p><p>　　9. 文懷興，夏田?！稊?shù)控機床設計實踐指南》 化學工業(yè)出版社 2008年版</p><p>　　10. 曹桄，高學滿?！督饘偾邢鳈C床掛圖》 上海交通大學出版社 1984年版</p><p>　　11. 華東紡織工學院，哈爾濱工業(yè)大學，天津大學?！稒C床設計圖冊》 1979年

43、版</p><p>　　12. 馮辛安?！稒C械制造裝備設計（第2版）》 2006年版</p><p>　　13．吳宗澤。《機械結構設計 準則與實例》2006年版</p><p>　　14. 李慶余，張佳 《機械制造裝備設計》 2002年版</p><p>　　15. 成大先?！稒C械設計手冊（軸承）》2004年版</p><

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45、lt;/p><p>　　for milling operation. IEEE conference on control applications.</p><p>　　New York, USA.</p><p>　　18. American Society of Mechanical Engineers .An Instructional aid for occ

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