立式加工中心总体、主轴部件及立柱设计

1952年，第一台数控机床诞生.在制造业，数控装备出现，使许多复杂的加工曲面都能够顺利进行，如今数控机床已经成为制造业加工零件的主流器械。设计的生产面越来越广，能满足越来越多的工业需求，现已被国家科技人员高度重视。数控机床的集机械制造技术、信息处理技术、微电处理技术和自动化等合为一体，随着科学技术的发展而不断地发展与创新。在制造业行的的技术的突飞猛进中，数控机床的推动作用是至关重要的，同时也带动了周边产业经济规模不断壮大的支柱。一些发达国家如德国、日本、荷兰、美国等都已经实现了大规模数控化。

作为对比，我国机床的发展却有自己的特点，作为世界上机床产量最大的国家之一，我国的数控机床产品得竞争力却处于国际水平中下游，距世界一流水平还相差甚远。就算面对中国国内机床市场的竞争，国产机床也面临着严峻考验：一方面对于需求方，国内市场对数控机床尤其是加工中心需求量大，另一方面对于供应方，不幸的是，国产机床质量差，生产成本高，利用率低，生产滞销堆积；而进口产品质量好，能满足各企业的大量需求，占据着市场大部分区域，这就严重阻碍了我国自主品牌数控机床的发展。

国内机床行业的现状，对于我们青年大学生而言，是一种机遇，也是一种挑战，下面介绍一下数控机床的优点：

加工种类繁多；效率率高；劳动力消耗小；工作量小；刀具寿命长；节约成本。

一般来说，数控机床大体分为数控车，数控镗、加工中心。此次毕设只要针对立式加工中心主轴部件来设计、因此下面将会介绍有关加工中心主轴部件的相关知识。

这次毕业设计对我们即将毕业的大四学生至关重要，它不仅仅是对这几年所学习课程的总结,在这次的《加工中心总体、主轴部件及立柱设计》设计中培，还养了我运用所学知识分析和解决问题的能力，让我能够将知识转化为实践，通过这次毕业设计，我的各方面综合能力都得到了良好的锻炼、能够综合设计中遇到的问题练习工程实际问题；复习了机械设计，熟悉和掌握了数控机床主轴设计的方法，合理运用所学相关知识，同时增强技能专业化。本次设计我的主要利用材料是数控加工中心设计、机械设计及机械设计课程手机手册等。通过反复查阅资料，教材，我对这些理论有了更好的掌握。

本说明书共分为六大块，第一章介绍了关于加工中心的一些概念,工作原理；第二章讲述了加工中心的主传动系统设计；第三章讲述主轴电机的计算选型；第四章讲述的是传动系统——同步带的设计；第五章讲述了主轴组件的设计以及相关零件的校核；第六章时对本次设计的大总结。

第一章加工中心概述

一、基本概念

即装有刀库和自换换刀装置的数控机床。它的特点是能够在倒库里存下许多种刀具，有程序控制自动换刀，这样就可以在没有认为干涉的情况下一次完成很多种加工任务。在加工中心上，一次装卡工件可同时完成多道工序——数控系统能够根据程序控制不同的安装刀具，自动改变主轴进给量，主轴转速，道具相对于工件的运动轨迹，依次完成一个或者几个面的工艺加工。因此可以减少换装工件和机床的调整时间、减少零件生产周期、贮存时间、生产效率高、自动化程度很强。

二、加工中心的分类

（1）立式加工中心 主轴轴线垂直，为立柱固定，矩形工作台。

（2）卧式加工中心 主轴轴线水平。是带有分度回转转运动工作台的一类加工中心，适合加工体积较大的零部件。

（3）五坐标加工中心 可以完成任意面的加工。

三、加工中心基本结构

（1）基础部件 ——床体、立柱和工作台

（2）主轴组件 ——由主轴箱体、交流主轴电动机、主轴和轴承等零件。

（3）控制系统 ——单台加工中心数控系统是由数字编程装置、编程控制元件、伺服驱动装置、电动机、

（4）伺服系统

（5）自动换刀装置 ——刀库、换刀机械手和驱动元件。

第二章 主传动系统设计

2.1传动系统简介

加工中心主传动系统是由带动主轴传动的电机、主轴的传动系统以及主轴组件组成[]与普通机床主轴系统相比，转速更高，回转精度更精确，结构刚性和抗震性优良。

加工中心主要的优点就是它能够完成由多台机床才能够完成的加工任务，这里列举一些加工中心突出的优点：

（1）在数控机床的基础上增加了装有各种刀具的刀库以及自动换刀装置。可以一次同时进行多工步加工操作。

（2）特有的装备：自动回转工作台；

（3）主轴转速可以变更、进给量可调、具有插补功能，方便操作员编程。

（4）如果带有APC工作台，工件在加工时，其他工件就在装卡卸下的位置等待加工，不会耽误正在进行的工件的加工。

2.2主传动系统设计的要求

加工中心整体尺寸图如2-1所示

图2-1 加工中心总体尺寸图

如图2-1，操作面板在机床的右侧，左侧是刀库，里面贮存加工时所需的刀具；本设计的加工中心工作台分X向进给工作台、Y向进给工作台、Z向进给工作台。其中X向进给量为500毫米，Y向进给量为600毫米，Z向进给量为600毫米。当需要加工工件时，自动换刀装置会根据编程选定合适的刀具，然后安装在主轴前端。主轴通过加紧机构将刀具锁紧。这时，主轴电机通过同步带带动主轴旋转，共建加工开始。等工件加工完成以后，下一个在装卸位置等待的待加工工件就会被推至加工处，进行下一轮加工。若一批零件加工完成以后或者需要加工另一道工序时，机床系统选择合适道具，然后自动装卡，进行加工。在换刀过程中，由主轴上端通过主轴内孔股进来的压缩空气会把主轴前端安装刀具部位清理干净，避免刀具安装时产生误差。

本次设计的立式加工中心的总体大概设计：

主轴电机：交流调速电动机

传动部件：圆弧同步带 圆弧齿同步带应力分布均匀，在高速条件下产生的震动小，匀化了应力分布，啮合齿数，因此选用圆弧齿同步带作为本次设计的传动系统部件。

同步带传动装置简图见2-2。

图2-2同步带传动

传动系统设计分析

机械传动的方式有带传动，齿轮传动，链传动，在大三的机械设计课程设计中，二级减速器的传动方案中，我们选择带传动在高速级，将齿轮传动放在中间级，将链传动放在了最后一级。这样以来，每种传动都克服了彼此的缺点并发扬了自己的优点，相辅相成。

对于同步带传动这栋特殊的传动方式，克服了链传动传动比不稳定，传递效率低，齿轮传动结构安装复杂，噪声大，V带传动压轴力大，容易发生打滑等缺点。可谓是一带多用。它的带型是齿轮状的，工作与带轮上的齿进行正确啮合，避免打滑破坏带的性能。抗拉层是由特殊的纤维材料或金属制成，这样就使带不发生过大的弹性滑动。

同步带虽然优点众多，但是维护不力的话，同样会发生损坏，比如承载载荷绳发生断裂、爬齿跳齿等。

对于第一种失效，通常是因为工作过程中带承载的拉力过大，超出承载范围。若选用的主动带轮直径不合适的话，同步带在啮合带轮和推出带轮时会收到周期性弯曲应力。也会导致带断裂。对于第二种失效，一般是由于设计时尺寸不合理或者受力等因素造成的。

我们可以通过以下几个方面来避免跳齿爬齿的发生：

（1）切向力比带的许用许用应力小。

（2）设计时带节距的差值的在规定范围内。

（3）适当增加带的初始安装拉力（初拉力），使带齿与轮的齿吻合牢靠。

、

第三章 主轴电机的选型与参数

3.1计算切削力

经验公式[]：

                           (3-1)                                                          式(3-1)中，F切 : 主切削力（N）

 : 铣削深度（mm）

 : 每齿进给量（z/mm）

  : 铣削宽度（mm）

  : 铣刀直径（mm）

Z : 铣刀齿数

 : 铣削力修正系数

已知高速钢刀具：刀具前角y0=15度；主偏角Ky=60度；工件材料

=75 kgf/mm

碳钢；每齿进给量=0.1mm/z

 ; 刀具直径

=16mm ; 齿数Z=8 工件宽度

=12mm ；切削深度ap=3mm。

将上述数据带入经验公式(3-1)得

 =821×

×

×

×

×

×

×（

/0.638）

切削速度[]

                                          (3-2)

3.2主电机功率估算

铣削功率

                                      (3-3)

/

主电机功率

                                             (3-4)

式中

，为机床主传动系统效率，滚动轴承传动效率为0.99 ，带传动传递效率为0.98.

3.3确定电动机型号

这里选择FUNUC主轴电机，型号为aiI8/10000 。参数如下：

额定功率 ： 15 KW

最大功率（30min）：18.8 KW

额定基本转速 : 1500 r/min

额定功率速度上限 ：6000 r/min

最高转速 ： 7000 r/min

额定扭矩 ： 95.4

转子惯量 ： 0.09

第四章 主传动变速系统设计

4.1同步带参数计算

结合前述的条件可知：主轴电机功率15 KW转速

传动比为1，则

；二班制工作；中心距可调。

（1）确定设计功率[]

查《机设计手册》取工况系数

则

设计功率

                    (4-1)           

（2）选定带型个节距 由

，n1=1500r/min 参考《机设手册》选同步带，型号14M，节距

（3）选取小带轮齿数

在带速和安装尺寸允许的情况下，Z1尽可能取大值，

；而

查表得，当带型号为14M，转速在1200——1800之间时，查表可得

故选取小带轮齿数

（4）小带轮节圆直径

                               (4-2)

由《机械设计手册》查得

则

小带轮顶圆直径

             (4-3)

（5）校核带速

设计合理

（6）传动比

                                                (4-4)

传动比满足要求

（7）大带轮齿数

                                                  (4-5)

（8）带轮

的节圆直径mm，

大带轮顶圆直径

mm

（9）初定中心距

即

                     (4-6)

初定中心距

（10）初定带

长

                            (4-7)

查表选取带长为

带齿数

（11）计算实际中心距

中心距可调，则实际中心距为

（12）小带带轮齿合齿数

                               (4-8)

故满足设计要求

（13）基本额定功率

由表查得对应型号为14M的同步带，

（14）所需带宽

带宽

                                   (4-9)

查表得

则

查表可得： 型号为14M的同步带带宽为

，小于带轮节圆直径

，设计满足要求

（15）计算压轴力

                           (4-10)

（16）计算汇总

同步带规格：1040-14M-55

大、小带轮规格：均为64-14M-55

大小带轮中心距：

压轴力 ：

齿形带单位宽度上的力F：

           (4-11)

4.2 圆弧同步带设计总结

第五章 主轴组件的设计

加工中心主轴部件图5-1

1 ——内六角螺钉；2——主轴；3——钢球；4、8——角接触球轴承；5——预紧螺母；6——碟形弹簧7——圆弧齿同步带；；9——拉杆；10——套筒

如图5-1所示主轴组件是机床动力实现的部件。主轴组件一根主轴、角接触球轴承、圆头平键、若干密封装置等组成。由于现在的加工的中心对待转速的指标越来越高，因此需要主轴具有良好的回环转精度、结构性刚度、热的稳定性和抗击震动性。加工中心还应该具备刀库和自动换刀装置以及自动夹紧机构、主轴准停配置和切削屑清扫配置。

主轴是一根开有内控孔的轴，端部装定向键，装刀柄处结构采用7：24锥度结构，前端支承采用三个角接触球轴承，前两个贴紧安装小口朝上，提高刚度；第三个小口朝下。后支承也采用两个角接触球轴承，大口相背安装，承受径向载荷，外圈轴向没有定位。轴承润滑方式为脂润滑。

在主轴内孔中，内置有刀具自动加紧和松开元及切削屑清扫元件。如上图所示，加紧时液压油通入活塞刚下腔，将活塞顶起，从而将拉杆拉起，自动装卡机构在安装刀具以后拉杆带动钢球上移从而夹紧刀具。松开刀具时，将液压油通入上腔，将活塞下压，拉杆下移，小钢球随之下移，松开刀具头部，同时拉杆顶松刀具端部，有自动换刀装置更换刀具。这时，从上段通入主轴内孔的压缩空气将切削屑清除掉，保证下一个刀具的安装精度。

5.1 主轴组件的设计要求

主轴组件的回转精度、刚度、耐磨性、抗震性以及温升和热变形等都会影响加工中心工作时的效率，设计时应尽量满足以下要求

表5-1

5.2 主轴设计

主轴是主轴部件重要设计元件，主轴结构，尺寸，设计时的精度、加工主轴的材料及进行热处理的方式对主轴部件的工作都会产生影响。同时，主轴的设计构造要可以满足整体的定位可靠性程度高、工艺性能优等要求。

5.2.1主轴的主要尺寸参数

     1主轴直径D

     2内孔径d

     3悬伸量a

     4支承跨距L

我们可以依据主轴的刚度、构造工艺性以及轴的工艺适用范围，几何参考资料通过合理计算和反复的校验来气确定轴颈的以上参数。

（1）主轴直径 直径大小与刚度大小成正比例关系，主轴前端的轴颈可根据主轴电机的功率来选择，后端轴颈逼前端轴颈小一般去0.8倍的前端轴颈值。最终尺寸，要在主轴组件设计时确定，前后轴颈之差值不宜过大。

（2）主轴的内孔径 作用是通过拉杆，压缩空气，棒料等。主轴孔径与主轴直径值之比，一般不能低于0.5但不能高于0.7，低于0.5时设计不合理，工艺性不好；当.大于0.7时主轴的刚度就会遭到极大的削弱，本次设计取0.5。

（3）悬伸量a 。就是主轴两个前端轴承的中点距主轴轴端的距离。与轴承选型、如何组合、润滑方式的选择、主轴前端形状大小有关。在满足结构要求条件下，a的值尽量取小。

（4）主轴的支撑跨距L 。就是指主轴前轴承支承中点与后轴承支承作用中点之间的距离。L太大，那设计的那根轴变形量大，L越小，则设计的那根变形量就越小。L太大或者太小都会降低综合刚度，它是有一个最佳值的，可以通过查阅相关文献来确定这一最佳值。

5.2.2 主轴轴端结构

本次设计选用BT45刀柄，主轴端面上有螺栓孔和端面键，螺栓孔作用是将刀具固定，端面键能够传递转矩，也用来对刀具的周向定位。

5.2.3 主轴材料和热处理

考虑实际情况，本次设计选用45钢、高频频率的淬火处理。

5.3 主轴的轴承

本次设计选用的是滚动轴承。滚动轴承与轴承内外圈接触面积小，因此阻力力小，滚动轴承可以进行轴端预紧，维护和更换方便，能在一定转速范围和载荷变动范围内稳定工作[，]结合加工中心实际安装的轴承类型，也可以选择角接接球轴承来匹配主轴。前端的两个轴承，采用背对背方式安装，后支承也采用背对背安装方式。

所选型号：前轴承和中间轴承7028AC，后支承轴承：7025AC。

5.4主轴组件的计算

5.4.1初选主轴直径

查《数控机床系统设计》曲线图，取主轴前端直径

则后端直径

。取

。主轴内孔径：

，

，取

。

5.4.2主轴悬伸量a的确定

根据结构选

5.4.3主轴最佳跨距的确定

参考《数控机床系统设计》例题4.1 有计算过程如下

（1）求轴承刚度

切削速度

             (5-1)

由

                                                    (5-2)

带入数据得

故

                            (5-3)

估算时暂取

即

前后支承反力分别为：

                    (5-4)

                                (5-5)

由点接触轴承条件求出轴端位移量：

取前后支承刚度

（2）求最佳跨距

假设主轴的轴颈为前后轴平均直径。

即

                                        (5-6)

固当前设计的加工中心主轴的

为

                         (5-7)

则

       (5-8)

查线图得:

故支撑跨距为

5.5 主轴组件校核

5.5.1主轴组件的刚度计算

查参考书，下面用一种简化近似计算方法，首先应把主轴组件简化成一个均匀截面的简支梁[]

当量直径

                            (5-9)

主轴前端挠度

                               (5-10)

：惯性矩，

：外径和孔径

这里

因此影响忽略不计。则

所以，弯曲刚度

验算合格

5.5.2主轴强度校核计算

轴所受载荷是从轴上的零件传递过来的，计算时，通常将散步在轴上的载荷简化为集中载荷，集中点取为载荷分布中点，轴上扭矩的作用点，一般是从轮毂中点算起。

图5-2   主轴在承受转矩时的受力分析图

由之前计算知：

                    (5-11)

主轴属于静不定梁所以

挠度

                            (5-12)

将

代入上式得：

又

               (5-13)

得

由

（5-14）

得

将

带入挠度公式得：

得

（5-15）

得

图5-3-a 主轴承受切削力时的水平面弯矩图

图5-3-b主轴承受切削力时的垂直面弯矩图

AB段

（5-16）

BC段

（5-17）

（5-18）

合成

（5-19）

CD段

（5-20）    

合成

（5-21）  

合成弯矩图如下：

5-4 合成弯矩图、扭矩图

大带轮输出功率：

（5-22）

大带轮输出转矩：

（5-23）

转矩见图见5-4

5.5.3主轴强度校核

经分析可知，截面C初承受较大弯矩，切还受到带传动带来的转矩，因此这个界面是危险界面，校核时依照弯扭合成强度来计算。有缘学习更多：fu置内容￥PHUX1Er9kkI￥打楷τao寶 关注【奉献教育】店铺

（5-24）

式（5-24）中，

。

主轴材料为45钢，查表得

折合系数

则

所以强度满足设计要求

5.6轴承、键的校核

5.6.1轴承校核计算

轴承安装方式为两个轴承背对背安装在一起作为支撑。可以承受径向和轴向载荷，这样就可以保证支承刚度和旋转精度达到设计要求，参考机设教材进行轴承的校核。7028AC轴承与轴承套的配合采用间隙配合。刚度也要满足要求，为了提高刚度，轴承与主轴的配合采用过盈配合；后支承型号为7025AC，与轴承座之间是间隙配合。

轴承受力分析：

检验校核CD初7028AC轴承即可。

已知，C处

（5-25）

      D处

（5-26）    

C处轴承所受径向力合力：

（5-27）

D处轴承所受径向力合力：

（5-28）   

C处派生轴向力   

（5-29）

D处派生轴向力   

（5-30）

固轴承左压紧，右放松

（5-31）    

假设轴承工作年限为7年一年按360天算，两班制（16h），则预期寿命为：

已知轴承7028AC所受轴向力

查《机械设计》知道

则轴承当量动载荷为：

（5-32）

轴承寿命

=

                     (5-23)             

故能满足设计要求

5.6.2键的设计计算校核

主轴上的键，普通平键连接强度条件

                                 (5-24)

带轮作用在轴上的力

，键所处轴段直径

，查《机设课程设》选键的公称尺寸

键所传递的转矩

选用圆头平键，则工作长度：

将上述参数带入校核公式得：

查表知道

=60MPa，而

，故满足设计要求

5.7刀具自动加紧机构以及切削屑清洗机构

加工中心能够自动换刀，因此主轴应具有自动加紧和松开的功用，主轴内部装有自动加紧机构，设计者在主轴前端加工出一个7：24的锥度孔，用来装卡刀具，通过向液压缸通入压力油使刀具加紧和放松。如果在换刀之前，锥孔残存的有切削屑或者其他污染物品，将使安装刀具发生偏差，刀具安装不可靠，加工误差增加，甚至会导致零件报废。

主轴锥孔的卫生需要经常打扫清洁和保持，保持干净。设计时常常设计一个压缩空气通气孔，从主轴上端内控通入压缩空气，压缩空气经过主轴内控，将锥孔清理干净。，使喷射出来的压缩空气能清洗到每一个地方，以提高效率。

5.8润滑与密封

润滑和密封是加工中心设计时必须考虑的条件。润滑良好时，摩擦阻力小，同时能够将温升控制在合理范围。密封件作用是杜绝外界的脏东西、切削时产生的金属屑、遗漏切削液等进入，同时还要能够保证脂润滑的脂不因温度升高融化而泄露。润滑剂和润滑方式可以根据轴轴承承的类型以及负负荷荷决定。轴承选择合适，轴承温升就低，寿命就长。轴承的润滑一般都采用油脂封入式润滑，但这种润滑的缺点是，主轴转速有限制。为了符合现代加工中心向高速化转变，润滑剂可以采用油脂、油雾、气油以及油液循环等。

主轴的密封。最常见的形式就是旋旋转转式了。根据相关规定旋转式可分为能够区分为接触的密封和非接触的密封，本次设计参考文献后选接触的密封。

接触式密封，一般都是分为毡圈的密封和橡胶型的密封。通常选用毡圈式密封。它的优点是：构造不复杂，成本不高，尺寸紧凑，但摩擦阻力大，适合用脂润滑来润滑。

第六章 设计总结

本次毕业设计主要设计加工中心总体、主轴部件及立柱的设计，通过这次毕业设计过程得出以下结论：

(1)通过本次毕业设计使我更加熟悉立式加工中心的总体布局及各个部件的联系尺寸，同时通过比较立式和卧式加工中心，完成了加工中心总体联系尺寸的设计工作。

(2)通过主轴部件的设计得出主轴组件的结构，及其它们之间的装配关系，其中主轴的设计是加工中心设计的关键部件之一。

(3)立柱是加工中心较大的基本构件之一。通过进行立柱的设计，根据对立柱的结构和性能的要求，及其经济性，用井字型的内腔结构。

本次毕业设计是基于自己的工作需要选择了关于加工中心方面的设计，由于以前没有接触过这样的大型设计工作，缺乏设计经验并且关于加工中心的参考资料相对比较少，在数据参数的选取方面肯定有许多的不合理之处。设计的内容可能给实际的生产还有很大的差距，也有可能不能运用到实际生产中。通过此次三个月的毕业设计工作，也使自己更加深刻认识到实际工作经验的重要性，所以在以后工作要更加努力的学习。