主轴组件结构图_1
加工中心由于备有刀库并能自动更换刀具，使得工件在一次装夹中可以完成多工序的加工。加工中心一般不需要人为干预，当机床开始执行程序后，它将一直运行到程序结束。加工中心还赋予了专业化车间一些诸多优点，如：降低机床的故障率，提高生产效率，提高加工精度，削减废料量，缩短检验时间，降低刀具成本，改善库存量等。由于加工中心的众多优势，所以它深受全球制造企业的青睐。
加工中心主要由主轴组件、回转工作台、移动工作台、刀库及自动换刀装置以及其它机械功能部件组成。其中的主轴组件是机床重要的组成部分，其运动性能直接影响机床加工精度与表面粗糙度。本文在查阅大量国内外文献的基础上，通过研究分析不同加工中心主轴组件的性能，综合地比较了其特点，并拟定了一个较为合理的主轴组件结构方案。同时，还就主轴、轴承以及丝杠等重要零件的机械性能进行了探讨，并对这些零件的刚度和强度进行了校核。此外，本设计中所采用的陶瓷轴承能有效地增加主轴的刚度，从而提高了加工中心的可靠性和稳定性。
目录
摘要…………………………………………………………………… 1
ABSTRACT……………………………………………………………… 2
0引言………………………………………………………………… 4
1概述………………………………………………………………… 5
1.1加工中心的发展状况…………………………………………… 5
1.1.1加工中心的国内外发展……………………………………… 5
1.1.2主轴部件的研究进展………………………………………… 6
1.2课题的目的及内容……………………………………………… 7
1.3课题拟解决的关键问题………………………………………… 8
1.4解决上述问题的策略…………………………………………… 9
2方案拟定…………………………………………………………… 10
2.1加工中心主轴组件的组成……………………………………… 10
2.2机械系统方案的确定…………………………………………… 10
2.2.1主轴传动机构………………………………………………… 10
2.2.2主轴进给机构………………………………………………… 12
2.2.3主轴准停机构………………………………………………… 13
2.2.4刀具自动夹紧机构…………………………………………… 15
2.2.5切屑清除机构………………………………………………… 17
2.3伺服驱动系统方案的确定……………………………………… 18
2.4加工中心主轴组件总体设计方案的确定……………………… 19
3主轴组件的主运动部件…………………………………………… 22
3.1主轴电动机的选用……………………………………………… 22
3.1.1主电机功率估算……………………………………………… 22
3.1.2主电机选型…………………………………………………… 23
3.2主轴……………………………………………………………… 23
3.2.1主轴的结构设计……………………………………………… 23
3.2.2主轴受力分析………………………………………………… 27
3.2.3主轴的强度校核……………………………………………… 32
3.2.4主轴的刚度校核……………………………………………… 33
3.3主轴组件的支承………………………………………………… 34
3.3.1主轴轴承的类型……………………………………………… 34
3.3.2主轴轴承的配置……………………………………………… 37
3.3.3主轴轴承的预紧……………………………………………… 38
3.3.4主轴支承方案的确定………………………………………… 41
3.3.5轴承的配合…………………………………………………… 41
3.3.6主轴轴承设计计算…………………………………………… 42
3.4同步带的设计计算……………………………………………… 44
3.5主轴组件的润滑与密封………………………………………… 48
3.5.1主轴组件的润滑……………………………………………… 48
3.5.2主轴组件的密封……………………………………………… 49
3.5.3本课题的润滑与密封方案的确定…………………………… 51
3.6键的设计计算…………………………………………………… 52
3.6.1主轴上的键…………………………………………………… 52
3.6.2主电机上的键………………………………………………… 53
3.7液压缸的设计计算……………………………………………… 54
4主轴组件的进给运动部件………………………………………… 55
4.1进给电动机的选用……………………………………………… 55
4.1.1进给电动机功率的估算……………………………………… 55
4.1.2进给电动机的选用…………………………………………… 56
4.2联轴器的设计计算……………………………………………… 57
4.3垂直方向伺服进给系统的设计计算…………………………… 57
4.3.1切削力估算…………………………………………………… 57
4.3.2滚珠丝杠副的设计计算……………………………………… 58
5结论………………………………………………………………… 65
小结…………………………………………………………………… 68
参考文献……………………………………………………………… 70
附录…………………………………………………………………… 72
译文…………………………………………………………………… 73
原文说明……………………………………………………………… 84
典型加工中心的机械结构主要有基础支承件、加工中心主轴系统、进给传动系统、工作台交换系统、回转工作台、刀库及自动换刀装置以及其他机械功能部件组成[4]。图1.1所示为立式加工中心结构图。
主轴系统为加工中心的主要组成部分，它由主轴电动机、主轴传动系统以及主轴组件成。和常规机床主轴系统相比，加工中心主轴系统要具有更高的转速、更高的回转精度以及更高的结构刚性和抗振性。
随着电气传动技术（变频调速技术、电动机矢量控制技术等）的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主传动的机械结构已得到极大的简化，取消了带传动和齿轮传动，机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床主运动的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴组件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”。由于当前电主轴主要采用的是交流高频电动机，故也称为“高频主轴”。由于没有中间传动环节，有时又称它为“直接驱动主轴”。电主轴是一种智能型功能部件，不但转速高、功率大，还有一系列控制主轴温升与振动等机床运行参数的功能，以确保其高速运转的可靠性与安全。
1.2课题的目的及内容
本课题来源于同济现代制造技术研究所立式加工中心机床设计项目的子课题之一。加工中心是典型的集高新技术于一体的机械加工设备，它的发展代表了一个国家设计、制造的水平，因此在国内外企业界都受到高度重视。
本课题的目的是进行立式加工中心主轴组件的结构设计，主轴组件作为加工中心的执行元件，它确保带动刀具进行切削加工、传递运动、动力及承受切削力等，并满足相关的技术指标要求。
本课题涉及的主要技术指标有：
a)主轴孔锥度： ；
b)主轴孔直径： ；
c)主轴箱行程（Z轴）： ；
d)主轴转速范围： ；
e)快速移动速度（Z轴）： ；
f)进给速度（Z轴）： 。
1.3课题拟解决的关键问题
各类机床对其主轴组件的要求，主要是精度问题，就是要保证机床在一定的载荷与转速下，主轴能带动工件或刀具精确地、稳定地绕其轴心旋转，并长期地保持这一性能。主轴组件的设计和制造，都是围绕着解决这个基本问题出发的。为了达到相应的精度要求，通常，主轴组件应符合以下几点设计要求[6]：
1）旋转精度
旋转精度是指机床在空载低速旋转时，主轴前端安装工件或刀具部位的径向和轴向跳动值满足要求，目的是保证加工零件的几何精度和表面粗糙度。
2）刚度
指主轴组件在外力的作用下，仍能保持一定工作精度的能力。刚度不足时，不仅影响加工精度和表面质量，还容易引起振动，恶化传动件和轴承的工作条件。设计时应在其它条件允许的条件下，尽量提高刚度值。
3）抗振性
指主轴组件在切削过程中抵抗强迫振动和自激振动保持平稳运转的能力。抗振性直接影响加工表面质量和生产率，应尽量提高。
4）温升和热变形
温升会引起机床部件热变形，使主轴旋转中心的相对位置发生变化，影响加工精度。并且温度过高会改变轴承等元件的间隙、破坏润滑条件，加速磨损。
5）耐磨性
指长期保持其原始精度的能力。主要影响因素是材料热处理、轴承类型和润滑方式。
根据本课题的设计任务要求，由于主轴的转速并不是很高，所以在抗振性、温升等方面不必重点考虑，而应重点考虑加工中心的旋转精度和刚性。但是在设计时仍应综合考虑以上几项要求，注意吸收新技术，以获得满意的设计方案。
旋转精度主要取决于主轴、支承轴承、主轴箱上轴承座等的制造、装配和调整精度。显然，若要保证主轴组件的旋转精度，则必然对主轴支承轴颈的圆度、轴承滚道及滚子的圆度、主轴及其上的回转零件的动平衡度、止推轴承的滚道及滚动体的误差、以及对主轴的主要定心面的径向跳动和轴向窜动等提出较高的整体要求，特别要提高支承轴承的精度等级。要保证旋转精度，通常应尽量满足以上要求。
而对于主轴组件的刚度，实际上是主轴、轴承、轴承座等加工设计的综合反映。主轴自身的结构形状和尺寸，滚动轴承的配置形式(背靠背、面对面、同向、混合等)、数量、类型、预紧等，以及支承的跨距、主轴前端的悬伸量等都将直接影响其刚度。为了保证机床的主轴具有足够的刚度，通常应尽量使主轴前端的悬伸量缩短，主轴直径增大，并通过计算求出支承轴承间的最佳跨距、进行预紧、采用合理的轴承及其相应的配置形式等措施[6]。
采用以上各种措施必然会使机床的刚性及旋转精度大幅度提高，但是，若盲目地全部采纳上述措施，则一定会使机床的制造难度增大，成本增加。所以，在设计的时候，要综合各项因素考虑。
垂直丝杠_14
大带轮_19
带轮盖_16
密封端盖_4
轴承座_7
拉杆_9
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