卧式加工中心主轴箱设计说明书.doc

毕业设计说明书(论文)作 者： 学 号： 系 部： 专 业： 机械设计制造及其自动化（机械设计） 题 目： 卧式加工中心主轴箱设计 指导者： 评阅者： 注： 2011 年 6 月 南 京毕业设计说明书（论文）中文摘要随着现代机械制造行业的迅速发展，新技术、新工艺的充分应用，立式加工中心在各种场合的使用越来越普遍，技术也越来越成熟。本课题的目的是进行卧式加工中心主轴组件的结构设计，并满足相关的技术指标要求。 本次毕业设计对卧式加工中心的工艺特点进行了分析，对主轴箱和刀库进行整机总体方案拟定及结构设计，并对关键零件的承载能力进行分析，最后用CAD绘制部件装配图、零件图。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，综合地比较特点，并拟定了较为合理的结构方案。关键词：卧式加工中心，主轴箱，刀库，主轴毕业设计说明书（论文）外文摘要Title the Design for Spindle Box of Horizontal Machining Centers AbstractWith 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 sophisticated 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 structure 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 characteristics, and draws up the reasonable structure scheme.Keywords: Horizontal processing center, spindle box, knife library, spindle 目 录前 言1第一章 概述21.1课题背景21.2课题意义21.3课题内容2第二章 加工中心综述32.1加工中心简介32.2加工中心发展现状及特点32.3加工中心选用注意事项5第三章 主轴箱总体方案拟定63.1加工中心主轴组件的组成63.2 主轴箱机械系统总体方案的确定63.2.1主轴传动机构方案拟定63.2.2刀具自动夹紧机构方案拟定6第四章 主轴箱传动方案拟定及结构设计94.1设定主轴箱传动方案94.2电动机的选用94.2.1计算加工中心主铣削力94.2.2主电机功率估算104.3确定加工中心总传动比104.3.1当总传动比最小时（1档）104.3.2当总传动比最大时（4档）114.3.3设计中档传动比（2档）114.3.4设计中档传动比（3档）124.4计算各个传动轴的转速、功率和扭矩（以第二档减速为例）134.5主轴箱各传动轴结构设计14第五章 齿轮传动设计155.1齿轮传动简介155.1.1齿轮传动的特点155.1.2齿轮传动的类型155.1.3齿轮的材料155.1.4齿轮传动的失效形式设计准则165.2齿轮各个参数的计算（以第一对齿轮为例）175.2.1选择齿轮材料、热处理方法、精度等级、齿数及齿宽系数175.2.2按齿面接触疲劳强度计算175.3校核齿根弯曲疲劳强度185.4计算第二对齿轮195.5计算第三对齿轮22第六章 主轴设计计算256.1轴的简介256.1.1轴的分类256.1.2轴的结构256.1.3轴的扭矩256.1.4轴的材料266.2主轴的计算266.2.1确定主轴的运动和动力参数266.2.2主轴的结构设计276.2.3分析主轴上的作用力29第七章 刀库机构设计32个人小结34致谢35参考文献36附 录37前 言卧式加工中心是由机械设备与数控系统组成的使用于加工复杂形状工件的高效率自动化机床。加工中心备有刀库，具有自动换刀功能，是对工件一次装夹后进行多工序加工的数控机床。因此在社会机械制造行业飞速发展的今天，卧式加工中心在各种场合使用的越来越普遍，技术也越来越成熟。装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，制造技术和装备是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术则是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。本次设计的题目是卧式加工中心重要组成部分-主轴箱。主轴箱的运动性能直接影响机床加工精度与表面粗糙度，而机械手是自动换刀装置中交换刀具的主要工具，它担负着把刀库上的刀具送到主轴上，再把主轴上已用过的刀具返回刀库上的任务。本课题的设计是在我国卧式加工中心已有的设计基础上，吸收国内外的一些先进技术，并解决传统卧式加工中心存在的些许问题，使卧式加工中心能够满足现代企业的机械加工要求，并尽量降低生产成本及提高机械产品的市场竞争力。本课题设计的卧式加工中心主轴箱既保证了其原有的使用功能和质量，又降低了生产成本，适用于多数企业的生产车，具有较高的实际使用价值和可观的市场经济效益。第一章 概述1.1课题背景随着现代工业的迅速发展，新技术、新工艺的充分应用，社会生产力又跃上了一个新水平，中国成为世界制造大国，加工中心在各种加工场合使用的越来越普遍，技术也越来越成熟。由于生产的实际以及市场竞争的需要，对加工中心的技术要求也越来越高。1.2课题意义主轴箱是加工中心的重要的部件，是用于布置机床工作主轴及其传动零件和相应的附加机构的。主轴箱采用多级齿轮传动，通过一定的传动系统，经主轴箱内各个位置上的传动齿轮和传动轴，最后把运动传到主轴上，使主轴获得规定的转速和方向。主轴箱传动系统的设计，以及主轴箱各部件的加工工艺直接影响机床的性能。没有性能良好、工作正常、结构合理的主轴箱，任何机床和加工中心都不能确保其加工精度，从而加工出令人满意的产品。随着时代的发展和科技的进步，旧一代机床的技术及精度已经无法满足各行各业的使用要求，由于加工中心高精度、高效率的工作特点，开始逐渐代替传统机床，并普遍运用在机械、工业、造船等行业。1.3课题内容本次毕业设计的课题为卧式加工中心主轴箱设计，课题核心在于主轴箱设计。事实上，主轴箱的主要技术参数很大程度是就决定了卧式加工中心的技术参数和加工范围及精度。设计内容主要有：拟定设计方案，选取最优方案，设计多级减速传动系统，零、部件设计，力学校核，以及运用AutoCAD完成系统装配图和全部零、部件图。最后撰写了毕业设计论文（说明书）。设计卧式加工中心主轴箱，主要多级齿轮减速传动，设计部分包含各个轴和齿轮的设计，箱体结构设计(有限元分析)等。 使用新材料，新工艺，多使用标准件设备、组合构件，能够快速制造与安装，适应市场变化和发展趋势要求。第二章 加工中心综述2.1加工中心简介加工中心,简称CNC，是由机械设备与数控系统组成的使用于加工复杂形状工件的高效率自动化机床。加工中心是高度机电一体化的产品，工件装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择、更换刀具、自动对刀、自动改变主轴转速、进给量等，可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝、切槽等多种工序，因而大大减少了工件装夹时间、测量和机床调整等辅助工序时间，对加工形状比较复杂，精度要求较高，品种更换频繁的零件具有良好的经济效果。加工中心可根据不同参数进行分类，其中可按主轴与工作台相对位置分类可分为一下三类：第一类为卧式加工中心：卧式加工中心一般具有分度转台或数控转台，可加工工件的各个侧面，也可作多坐标的联合运动，以便加工复杂的空间曲面；第二类为立式加工中心：立式加工中心一般不带转台，仅作顶面加工，主要适用于加工板类、盘类、模具及小 型壳体类复杂零件。第三类为万能加工中心(又称多轴联动型加工中心)：是指通过加工主轴轴线与工作台回转轴线的角度可控制联动变化，完成复杂空间曲面加工的加工中心。适用于具有复杂空间曲面的叶轮转子、模具、刃具等工件的加工。此外，还有带立、卧两个主轴的复合式加工中心，和主轴能调整成卧轴或立轴的立卧可调式加工中心，它们能对工件进行五个面的加工。2.2加工中心发展现状及特点现代加工中心具有如下鲜明的特点鲜明：1、工序集中加工中心备有刀库并能自动更换刀具，对工件进行多工序加工，使得工件在一次装夹后，数控系统能控制机床按不同工序，自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹，以及其他辅助功能，现代加工中心更大程度地使工件在一次装夹后实现多表面、多特征、多工位的连续、高效、高精度加工，即工序集中这是加工中心最突出的特点。2、 对加工对象的适应性强加工中心生产的柔性不仅体现在对特殊要求的快速反应上而且可以快速实现批量生产，提高市场竞争能力。3、 加工精度高加工中心同其他数控机床一样具有加工精度高的特点，而且加工中心由于加工工序集中，避免了长工艺流程，减少了人为千扰，故加工精度更高，加工质量更加稳定。4、 加工生产率高零件加工所需要的时间包括机动时间与辅助时间两部分。加工中心带有刀库和自动换刀装置，在一台机床上能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和机床的调整时间，减少工件半成品的周转、搬运和存放时间，使机床的切削利用率（切削时间和开动时间之比）高于普通机床34倍，达80以上。5、 操作者的劳动强度减轻加工中心对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了操作键盘、装卸零件、进行关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外，不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度和紧张程度均可大为减轻，劳动条件也得到很大的改善。6、 经济效益高使用加工中心加工零件时，分摊在每个零件上的设备费用是较昂贵的，但在单件、小批生产的情况下，可以节省许多其他方面的费用，因此能获得良好的经济效益。例如，在加工之前节省了划线工时，在零件安装到机床上之后可以减少调整、加工和检验时间，减少了直接生产费用。另外，由于加工中心加工零件不需手工制作模型、凸轮、钻模板及其他工夹具，省去了许多工艺装备，减少了硬件投资还由于加工中心的加工稳定，减少了废品率，使生产成本进一步下降。7、 有利于生产管理的现代化用加工中心加工零件，能够准确地计算零件的加工工时，并有效地简化了检验和工夹具、半成品的管理工作。这些特点有利于使生产管理现代化。当前有许多大型CAD/CAM集成软件已经开发了生产管理模块，实现了计算机辅助生产管理。做好基础自动化的工作仍是我国制造企业一项十分紧迫而艰巨的任务。但加工中心无论是数量还是利用率都很低。可编程控制器的使用并不普及，工业机器人的应用还很有限。因此，我们要立足于我国的实际情况，在看到国际上制造业发展趋势的同时扎扎实实地做好基础工作。当今社会，加工中心逐渐成为机械加工业中最主要的设备。它加工范围广，使用量大，近年来在品种、性能、功能方面有很大的发展，品种繁多：有新型的立、卧五轴联动加工中心，可用于航空、航天零件加工；有专门用于模具加工的高性能加工中心，集成三维CAD/CAM对模具复杂的曲面超精加工；有适用于汽车、摩托车大批量零件加工的高速加工中心，生产效率高且具备柔性化。在性能方面，普遍采用了万转以上的电主轴，最高可达610万转；直线电机的应用使机床加速度达到了3-5g；执行ISO/VDI检测标准，促使制造商提高加工中心的双向定位精度。功能：糅合了激光加工的复合功能，结构上适合于组成模块式制造单元(FMC)和柔性生产线(FMS)，并具有机电、通讯一体化功能。2.3加工中心选用注意事项1、规格其中包括加工空间的尺寸大小，主轴转速范围，进给速度范围，规范刀具的大小和范围，数控装置的能力和任选附件种类的多少等。 2、性能其中包括静态精度、加工精度、移动精度、定位精度、热变形状况和抗振动性能等。 3、其它其中包括与系统的适应性，维修保养是否方便，技术支持体制和安全性等。 第三章 主轴箱总体方案拟定3.1加工中心主轴组件的组成主轴组件是由主轴、主轴支承、装在主轴上的传动件和密封件等组成的。主轴的启动、停止和变速等均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。主轴是加工中心的关键部件，其结构的好坏对加工中心的性能有很大的影响，它决定着加工中心的切削性能、动态刚度、加工精度等。主轴内部刀具自动夹紧机构是自动刀具交换装置的组成部分。3.2 主轴箱机械系统总体方案的确定3.2.1主轴传动机构方案拟定对现在的机床主轴传动机构来说，主要分为齿轮传动和带传动。齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，应用普遍，类型较多，适应性广。其传递的功率可达近十万千瓦，圆周速度可达，效率可达。齿轮传动大多数为传动比固定的传动，少数为有级变速传动。但是齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵，且不宜用于传动距离过大的场合。带是啮合传动中唯一一种不需要润滑的传动方式。在啮合传动中，它的结构最简单，制造最容易，最经济，弹性缓冲的能力最强，重量轻，两轴可以任意布置，噪声低。但其缺点还是很明显的：不能保证准确的传动比，且需要较大的张紧力，增大了轴和轴承的受力。本次毕业设计的主要任务是卧式加工中心主轴箱设计，针对卧式加工中心主轴低转速高扭矩的加工特性，需要设计减速器系统从而满足加工特性及要求，由于带传动在传动效率和传动比上是无法满足设计需要的，也无法满足卧式加工中心的加工工艺要求，故在本课题的主轴传动方式中选择圆柱齿轮传动。3.2.2刀具自动夹紧机构方案拟定在自动交换刀具时要求能自动松开和夹紧刀具。图3.3示为数控镗铣床主轴组件机构示意图。碟形弹簧11通过拉杆7，双瓣卡爪5，在套筒14的作用下，将刀柄的尾端拉紧。当换刀时，要求松开刀柄，此时，在主轴上端油缸的上腔A通入压力油，活塞12的端部推动拉杆7向下移动，同时压缩碟形弹簧11，当拉杆7下移到使双瓣卡爪5的下端移出套筒14时，在弹簧6的作用下，卡爪张开，喷气头13将刀柄顶松，刀具即可由机械手拔出。待机械手将新刀装入后，油缸10的下腔通入压力油，活塞12向上移，碟形弹簧伸长将拉杆7和双瓣5拉着向上，双瓣卡爪5重新进入套筒14，将刀柄拉紧。活塞12移动的两个极限位置都有相应的行程开关（LS1，LS2）作用，作为刀具松开和夹紧的回答信号。图3.3 典型数控镗铣床主轴组件机构示意图1调整半环；2双列园柱滚子轴承；3向心球轴承；4，9调整环；5双瓣卡爪； 6弹簧； 7拉杆； 8向心推力球轴承；10油缸；11碟形弹簧；12活塞；13喷气头；14套筒(a)(b)图3.4 典型刀柄拉紧结构刀杆尾部的拉紧结构，除上述的卡爪式以外，还有图3.4a所示的弹簧夹头结构以及图3.4b所示的钢球拉紧机构。在本课题中，刀具自动夹紧机构借用如图3.3的夹紧方式，采用气压缸夹紧方式，从而避免因油路堵塞等常见情况。而在拉杆处则采用钢球拉紧机构，因为其加工简单，并可以有效的拉紧刀杆。第四章 主轴箱传动方案拟定及结构设计4.1设定主轴箱传动方案卧式加工中心的工艺特点为在降低主轴转速的同时，提高主轴的扭矩。而简单的带传动或者主电机本身的调速，是很难实现这个工作要求的。为此，必须加上机械调速装置，查阅资料，对传动比要求不高，故决定采用直齿圆柱齿轮传动。4.2电动机的选用4.2.1计算加工中心主铣削力根据本次毕业设计所给参数：高速钢刀具；刀具前角；主偏角；工件材料为碳钢；每齿进给量；刀具直径为，齿数；工件宽度，切削深度，由公式 计算出卧式加工中心主切削力。公式中： 铣削力，即主切削力（切向圆周分力）， 铣削深度， 每齿进给量， 铣削宽度， 铣刀直径， 铣削力修正系数， 工件材料抗拉强度， 铣刀齿数将所给技术参数代入公式，则主切削力为：如有需要，请与小弟联系，QQ：2281422879，我将为您提供最优质的服务！第10页