臥式加工中心主軸箱設計說明書.doc

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1、 畢業(yè)設計說明書(論文) 作 者： 學 號： 系 部： 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化（機械設計） 題 目： 臥式加工中心主軸箱設計 指導者： 評閱者： 注： 2011 年 6 月 南 京 畢業(yè)設計說明書（論文）中文摘要

2、 隨著現(xiàn)代機械制造行業(yè)的迅速發(fā)展，新技術、新工藝的充分應用，立式加工中心在各種場合的使用越來越普遍，技術也越來越成熟。本課題的目的是進行臥式加工中心主軸組件的結構設計，并滿足相關的技術指標要求。 本次畢業(yè)設計對臥式加工中心的工藝特點進行了分析，對主軸箱和刀庫進行整機總體方案擬定及結構設計，并對關鍵零件的承載能力進行分析，最后用CAD繪制部件裝配圖、零件圖。本文在查閱大量國內外文獻的基礎上，通過研究分析不同加工中心主軸組件的性能，綜合地比較特點，并擬定了較為合理的結構方案。 關鍵詞：臥式加工中心，主軸箱，刀庫，主軸 畢業(yè)設計說明書（論文）外

3、文摘要 Title the Design for Spindle Box of Horizontal Machining Centers Abstract With modern machinery manufacturing industry, the rapid development of new technology, full use of new technology, horizontal machining center used in a variety of occasions, more and more common, more and more sop

4、histicated technology. The purpose of this subject is to be horizontal machining centers design, and meet the relevant technical requirements. The graduation design of process of horizontal machining center are analyzed, spindle box and knife database are made and the overall scheme of the structur

5、e design, and the bearing capacity of the key parts are analyzed, finally use CAD drawings, parts graph drawing parts. Based on consulting literatures through research, on the basis of analyzing the different processing center spindle component, the comprehensive comparative performance characterist

6、ics, and draws up the reasonable structure scheme. Keywords: Horizontal processing center, spindle box, knife library, spindle 目 錄 前 言 1 第一章 概述 2 1.1課題背景 2 1.2課題意義 2 1.3課題內容 2 第二章 加工中心綜述 3 2.1加工中心簡介 3 2.2加工中心發(fā)展現(xiàn)狀及特點 3 2.3加工中心選用注意事項 5 第三章 主軸箱總體方案擬定 6 3.1加工中心主軸組件的組成 6 3.2 主軸箱機械系

7、統(tǒng)總體方案的確定 6 3.2.1主軸傳動機構方案擬定 6 3.2.2刀具自動夾緊機構方案擬定 6 第四章 主軸箱傳動方案擬定及結構設計 9 4.1設定主軸箱傳動方案 9 4.2電動機的選用 9 4.2.1計算加工中心主銑削力 9 4.2.2主電機功率估算 10 4.3確定加工中心總傳動比 10 4.3.1當總傳動比最小時（1檔） 10 4.3.2當總傳動比最大時（4檔） 11 4.3.3設計中檔傳動比（2檔） 11 4.3.4設計中檔傳動比（3檔） 12 4.4計算各個傳動軸的轉速、功率和扭矩（以第二檔減速為例） 13 4.5主軸箱各傳動軸結構設計 14 第五章

8、齒輪傳動設計 15 5.1齒輪傳動簡介 15 5.1.1齒輪傳動的特點 15 5.1.2齒輪傳動的類型 15 5.1.3齒輪的材料 15 5.1.4齒輪傳動的失效形式設計準則 16 5.2齒輪各個參數(shù)的計算（以第一對齒輪為例） 17 5.2.1選擇齒輪材料、熱處理方法、精度等級、齒數(shù)及齒寬系數(shù) 17 5.2.2按齒面接觸疲勞強度計算 17 5.3校核齒根彎曲疲勞強度 18 5.4計算第二對齒輪 19 5.5計算第三對齒輪 22 第六章 主軸設計計算 25 6.1軸的簡介 25 6.1.1軸的分類 25 6.1.2軸的結構 25 6.1.3軸的扭矩 25 6.1

9、.4軸的材料 26 6.2主軸的計算 26 6.2.1確定主軸的運動和動力參數(shù) 26 6.2.2主軸的結構設計 27 6.2.3分析主軸上的作用力 29 第七章 刀庫機構設計 32 個人小結 34 致謝 35 參考文獻 36 附 錄 37 前 言 臥式加工中心是由機械設備與數(shù)控系統(tǒng)組成的使用于加工復雜形狀工件的高效率自動化機床。加工中心備有刀庫，具有自動換刀功能，是對工件一次裝夾后進行多工序加工的數(shù)控機床。因此在社會機械制造行業(yè)飛速發(fā)展的今天，臥式加工中心在各種場合使用的越來越普遍，技術也越來越成熟。裝備工業(yè)的技術水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經(jīng)濟的水平和

10、現(xiàn)代化程度，制造技術和裝備是人類生產(chǎn)活動的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控技術則是當今先進制造技術和裝備最核心的技術。當今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術，以提高制造能力和水平，提高對動態(tài)多變市場的適應能力和競爭能力。大力發(fā)展以數(shù)控技術為核心的先進制造技術已成為世界各發(fā)達國家加速經(jīng)濟發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。 本次設計的題目是臥式加工中心重要組成部分---主軸箱。主軸箱的運動性能直接影響機床加工精度與表面粗糙度，而機械手是自動換刀裝置中交換刀具的主要工具，它擔負著把刀庫上的刀具送到主軸上，再把主軸上已用過的刀具返回刀庫上的任務。 本課題的設計是在我國臥式加工中心已有的設計基礎上，吸收國

11、內外的一些先進技術，并解決傳統(tǒng)臥式加工中心存在的些許問題，使臥式加工中心能夠滿足現(xiàn)代企業(yè)的機械加工要求，并盡量降低生產(chǎn)成本及提高機械產(chǎn)品的市場競爭力。本課題設計的臥式加工中心主軸箱既保證了其原有的使用功能和質量，又降低了生產(chǎn)成本，適用于多數(shù)企業(yè)的生產(chǎn)車，具有較高的實際使用價值和可觀的市場經(jīng)濟效益。 第一章 概述 1.1課題背景 隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，新技術、新工藝的充分應用，社會生產(chǎn)力又躍上了一個新水平，中國成為世界制造大國，加工中心在各種加工場合使用的越來越普遍，技術也越來越成熟。由于生產(chǎn)的實際以及市場競爭的需要，對加工中心的技術要求也越來越高。 1.2課題

12、意義 主軸箱是加工中心的重要的部件，是用于布置機床工作主軸及其傳動零件和相應的附加機構的。主軸箱采用多級齒輪傳動，通過一定的傳動系統(tǒng)，經(jīng)主軸箱內各個位置上的傳動齒輪和傳動軸，最后把運動傳到主軸上，使主軸獲得規(guī)定的轉速和方向。主軸箱傳動系統(tǒng)的設計，以及主軸箱各部件的加工工藝直接影響機床的性能。沒有性能良好、工作正常、結構合理的主軸箱，任何機床和加工中心都不能確保其加工精度，從而加工出令人滿意的產(chǎn)品。 隨著時代的發(fā)展和科技的進步，舊一代機床的技術及精度已經(jīng)無法滿足各行各業(yè)的使用要求，由于加工中心高精度、高效率的工作特點，開始逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)機床，并普遍運用在機械、工業(yè)、造船等行業(yè)。 1.3課題內

13、容 本次畢業(yè)設計的課題為臥式加工中心主軸箱設計，課題核心在于主軸箱設計。事實上，主軸箱的主要技術參數(shù)很大程度是就決定了臥式加工中心的技術參數(shù)和加工范圍及精度。設計內容主要有：擬定設計方案，選取最優(yōu)方案，設計多級減速傳動系統(tǒng)，零、部件設計，力學校核，以及運用AutoCAD完成系統(tǒng)裝配圖和全部零、部件圖。最后撰寫了畢業(yè)設計論文（說明書）。 設計臥式加工中心主軸箱，主要多級齒輪減速傳動，設計部分包含各個軸和齒輪的設計，箱體結構設計(有限元分析)等。 使用新材料，新工藝，多使用標準件設備、組合構件，能夠快速制造與安裝，適應市場變化和發(fā)展趨勢要求。 第二章 加工中心綜述 2.1加工中心簡介 加

14、工中心,簡稱CNC，是由機械設備與數(shù)控系統(tǒng)組成的使用于加工復雜形狀工件的高效率自動化機床。加工中心是高度機電一體化的產(chǎn)品，工件裝夾后，數(shù)控系統(tǒng)能控制機床按不同工序自動選擇、更換刀具、自動對刀、自動改變主軸轉速、進給量等，可連續(xù)完成鉆、鏜、銑、鉸、攻絲、切槽等多種工序，因而大大減少了工件裝夾時間、測量和機床調整等輔助工序時間，對加工形狀比較復雜，精度要求較高，品種更換頻繁的零件具有良好的經(jīng)濟效果。 加工中心可根據(jù)不同參數(shù)進行分類，其中可按主軸與工作臺相對位置分類可分為一下三類： 第一類為臥式加工中心：臥式加工中心一般具有分度轉臺或數(shù)控轉臺，可加工工件的各個側面，也可作多坐標的聯(lián)合運動，以便加

15、工復雜的空間曲面；第二類為立式加工中心：立式加工中心一般不帶轉臺，僅作頂面加工，主要適用于加工板類、盤類、模具及小 型殼體類復雜零件。第三類為萬能加工中心(又稱多軸聯(lián)動型加工中心)：是指通過加工主軸軸線與工作臺回轉軸線的角度可控制聯(lián)動變化，完成復雜空間曲面加工的加工中心。適用于具有復雜空間曲面的葉輪轉子、模具、刃具等工件的加工。 此外，還有帶立、臥兩個主軸的復合式加工中心，和主軸能調整成臥軸或立軸的立臥可調式加工中心，它們能對工件進行五個面的加工。 2.2加工中心發(fā)展現(xiàn)狀及特點 現(xiàn)代加工中心具有如下鮮明的特點鮮明： 1、工序集中 加工中心備有刀庫并能自動更換刀具，對工件進行多工序加工

16、，使得工件在一次裝夾后，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、進給量和刀具相對工件的運動軌跡，以及其他輔助功能，現(xiàn)代加工中心更大程度地使工件在一次裝夾后實現(xiàn)多表面、多特征、多工位的連續(xù)、高效、高精度加工，即工序集中．這是加工中心最突出的特點。 2、 對加工對象的適應性強 加工中心生產(chǎn)的柔性不僅體現(xiàn)在對特殊要求的快速反應上．而且可以快速實現(xiàn)批量生產(chǎn)，提高市場競爭能力。 3、 加工精度高 加工中心同其他數(shù)控機床一樣具有加工精度高的特點，而且加工中心由于加工工序集中，避免了長工藝流程，減少了人為千擾，故加工精度更高，加工質量更加穩(wěn)定。 4、 加工生產(chǎn)率高

17、 零件加工所需要的時間包括機動時間與輔助時間兩部分。加工中心帶有刀庫和自動換刀裝置，在一臺機床上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，減少工件半成品的周轉、搬運和存放時間，使機床的切削利用率（切削時間和開動時間之比）高于普通機床3～4倍，達80％以上。 5、 操作者的勞動強度減輕 加工中心對零件的加工是按事先編好的程序自動完成的，操作者除了操作鍵盤、裝卸零件、進行關鍵工序的中間測量以及觀察機床的運行之外，不需要進行繁重的重復性手工操作，勞動強度和緊張程度均可大為減輕，勞動條件也得到很大的改善。 6、 經(jīng)濟效益高 使用加工中心加工零件時，分攤在每個零件上的設備費用

18、是較昂貴的，但在單件、小批生產(chǎn)的情況下，可以節(jié)省許多其他方面的費用，因此能獲得良好的經(jīng)濟效益。例如，在加工之前節(jié)省了劃線工時，在零件安裝到機床上之后可以減少調整、加工和檢驗時間，減少了直接生產(chǎn)費用。另外，由于加工中心加工零件不需手工制作模型、凸輪、鉆模板及其他工夾具，省去了許多工藝裝備，減少了硬件投資．還由于加工中心的加工穩(wěn)定，減少了廢品率，使生產(chǎn)成本進一步下降。 7、 有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化 用加工中心加工零件，能夠準確地計算零件的加工工時，并有效地簡化了檢驗和工夾具、半成品的管理工作。這些特點有利于使生產(chǎn)管理現(xiàn)代化。當前有許多大型CAD/CAM集成軟件已經(jīng)開發(fā)了生產(chǎn)管理模塊，實現(xiàn)了計算

19、機輔助生產(chǎn)管理。做好基礎自動化的工作仍是我國制造企業(yè)一項十分緊迫而艱巨的任務。但加工中心無論是數(shù)量還是利用率都很低。可編程控制器的使用并不普及，工業(yè)機器人的應用還很有限。因此，我們要立足于我國的實際情況，在看到國際上制造業(yè)發(fā)展趨勢的同時扎扎實實地做好基礎工作。 當今社會，加工中心逐漸成為機械加工業(yè)中最主要的設備。它加工范圍廣，使用量大，近年來在品種、性能、功能方面有很大的發(fā)展，品種繁多：有新型的立、臥五軸聯(lián)動加工中心，可用于航空、航天零件加工；有專門用于模具加工的高性能加工中心，集成三維CAD/CAM對模具復雜的曲面超精加工；有適用于汽車、摩托車大批量零件加工的高速加工中心，生產(chǎn)效率高且具備

20、柔性化。在性能方面，普遍采用了萬轉以上的電主軸，最高可達6～10萬轉；直線電機的應用使機床加速度達到了3-5g；執(zhí)行ISO/VDI檢測標準，促使制造商提高加工中心的雙向定位精度。功能：糅合了激光加工的復合功能，結構上適合于組成模塊式制造單元(FMC)和柔性生產(chǎn)線(FMS)，并具有機電、通訊一體化功能。 2.3加工中心選用注意事項 1、規(guī)格其中包括加工空間的尺寸大小，主軸轉速范圍，進給速度范圍，規(guī)范刀具的大小和范圍，數(shù)控裝置的能力和任選附件種類的多少等。 2、性能其中包括靜態(tài)精度、加工精度、移動精度、定位精度、熱變形狀況和抗振動性能等。 3、其它其中包括與系統(tǒng)的適應性，維修保養(yǎng)是否方

21、便，技術支持體制和安全性等。 第三章 主軸箱總體方案擬定 3.1加工中心主軸組件的組成 主軸組件是由主軸、主軸支承、裝在主軸上的傳動件和密封件等組成的。主軸的啟動、停止和變速等均由數(shù)控系統(tǒng)控制，并通過裝在主軸上的刀具參與切削運動，是切削加工的功率輸出部件。主軸是加工中心的關鍵部件，其結構的好壞對加工中心的性能有很大的影響，它決定著加工中心的切削性能、動態(tài)剛度、加工精度等。主軸內部刀具自動夾緊機構是自動刀具交換裝置的組成部分。 3.2 主軸箱機械系統(tǒng)總體方案的確定 3.2.1主軸傳動機構方案擬定 對現(xiàn)在的機床主軸傳動機構來說，主要分為齒輪傳動和帶傳動。

22、齒輪傳動是機械傳動中最重要的傳動之一，應用普遍，類型較多，適應性廣。其傳遞的功率可達近十萬千瓦，圓周速度可達，效率可達。齒輪傳動大多數(shù)為傳動比固定的傳動，少數(shù)為有級變速傳動。但是齒輪傳動的制造及安裝精度要求高，價格較貴，且不宜用于傳動距離過大的場合。 帶是嚙合傳動中唯一一種不需要潤滑的傳動方式。在嚙合傳動中，它的結構最簡單，制造最容易，最經(jīng)濟，彈性緩沖的能力最強，重量輕，兩軸可以任意布置，噪聲低。但其缺點還是很明顯的：不能保證準確的傳動比，且需要較大的張緊力，增大了軸和軸承的受力。 本次畢業(yè)設計的主要任務是臥式加工中心主軸箱設計，針對臥式加工中心主軸低轉速高扭矩的加工特性，需要設計減速器系

23、統(tǒng)從而滿足加工特性及要求，由于帶傳動在傳動效率和傳動比上是無法滿足設計需要的，也無法滿足臥式加工中心的加工工藝要求，故在本課題的主軸傳動方式中選擇圓柱齒輪傳動。 3.2.2刀具自動夾緊機構方案擬定 在自動交換刀具時要求能自動松開和夾緊刀具。圖3.3示為數(shù)控鏜銑床主軸組件機構示意圖。 碟形彈簧11通過拉桿7，雙瓣卡爪5，在套筒14的作用下，將刀柄的尾端拉緊。當換刀時，要求松開刀柄，此時，在主軸上端油缸的上腔A通入壓力油，活塞12的端部推動拉桿7向下移動，同時壓縮碟形彈簧11，當拉桿7下移到使雙瓣卡爪5的下端移出套筒14時，在彈簧6的作用下，卡爪張開，噴氣頭13將刀柄頂松，刀具即可由機械手拔

24、出。待機械手將新刀裝入后，油缸10的下腔通入壓力油，活塞12向上移，碟形彈簧伸長將拉桿7和雙瓣5拉著向上，雙瓣卡爪5重新進入套筒14，將刀柄拉緊。活塞12移動的兩個極限位置都有相應的行程開關（LS1，LS2）作用，作為刀具松開和夾緊的回答信號。 圖3.3 典型數(shù)控鏜銑床主軸組件機構示意圖 1——調整半環(huán)；2——雙列園柱滾子軸承；3——向心球軸承；4，9——調整環(huán)； 5——雙瓣卡爪； 6——彈簧； 7——拉桿； 8——向心推力球軸承； 10——油缸；11——碟形彈簧；12——活塞；13——噴氣頭；14——套筒 (a) (b) 圖3.4 典型刀柄拉緊結構 刀

25、桿尾部的拉緊結構，除上述的卡爪式以外，還有圖3.4a所示的彈簧夾頭結構以及圖3.4b所示的鋼球拉緊機構。 在本課題中，刀具自動夾緊機構借用如圖3.3的夾緊方式，采用氣壓缸夾緊方式，從而避免因油路堵塞等常見情況。而在拉桿處則采用鋼球拉緊機構，因為其加工簡單，并可以有效的拉緊刀桿。 第四章 主軸箱傳動方案擬定及結構設計 4.1設定主軸箱傳動方案 臥式加工中心的工藝特點為在降低主軸轉速的同時，提高主軸的扭矩。而簡單的帶傳動或者主電機本身的調速，是很難實現(xiàn)這個工作要求的。為此，必須加上機械調速裝置，查閱資料，對傳動比要求不高，故決定采用直齒圓柱齒輪傳動。 4.2電動機的選用 4.2.1計算加工中心主銑削力 根據(jù)本次畢業(yè)設計所給參數(shù)：高速鋼刀具；刀具前角；主偏角；工件材料為碳鋼；每齒進給量；刀具直徑為，齒數(shù)；工件寬度，切削深度，由公式 計算出臥式加工中心主切削力。 公式中： —— 銑削力，即主切削力（切向圓周分力）， —— 銑削深度， —— 每齒進給量， —— 銑削寬度， —— 銑刀直徑， —— 銑削力修正系數(shù)， —— 工件材料抗拉強度， —— 銑刀齒數(shù) 將所給技術參數(shù)代入公式，則主切削力為： 如有需要，請與小弟聯(lián)系，QQ：2281422879，我將為您提供最優(yōu)質的服務！ 第10頁