立式铣床主轴及铣头结构设计
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说明书
题 目:立式铣床主轴及铣头结构设计
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指导教师:
完成日期:
1 绪论 7
1.1课题研究的目的及意义 7
1.2国内外机床的发展现状 7
1.3机床的发展趋势 9
1.4 目前铣床方面存在的一些问题 10
1.5立式升降台铣床其主要组成部分 11
1.5.1 铣头 11
1.5.2 主轴 11
1.5.3 工作台 11
1.5.4 床鞍 12
1.5.5 升降台 12
1.6 立铣头结构 12
1.7立铣头结构分析 13
2 总体设计 13
2.1 立铣头的功能分析 13
2.2 方案的提出 14
2.3主轴轴承的调整 16
2.3详细的设计 17
2.3.1分析拟定传动方案 17
2.3.2选择电动机 18
2.4铣床加工误差、故障分析及排除方法 18
3.1 主轴的基本要求 20
3.1.1 旋转精度 20
3.1.2 刚度 20
3.1.3 抗振性 21
3.1.4抵抗受迫振动的能力 21
3.1.5 抵抗切削自激振动的能力 21
3.1.6 温升和热变形 22
3.1.7耐磨性 22
3.1.8其它 23
3.2 主轴组件的布局 23
3.2.1适应刚度和承载能力的要求 23
3.2.2 适应精度的要求 24
3.2.3 适应结构要求 24
3.2.4 适应经济性要求 25
3.3 主轴结构的初步拟定 25
3.4 主轴的材料与热处理 26
3.5 主轴的技术要求 26
3.5.1轴颈 27
3.5.2 内锥孔 27
3.6 主轴结构图 27
3.7 主轴组件的润滑和密封 27
3.7.1主轴组件的润滑 27
3.7.2 主轴组件的密封 28
4.传动件的选型及校核 29
4.1轴 29
4.1.1轴的拟定 29
4.1.2计算轴的功率、转速及轴颈 29
4.1.3轴的强度校核计算 30
4.2齿轮 33
4.2.1选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 33
4.2.2计算齿轮参数 34
4.2.3验算齿轮的弯曲强度 35
4.2.4计算主要几何参数 35
4.2.5润滑 35
4.3滚动轴承 36
4.4键的验算 36
4.5轴的强度校核计算 37
4.5.1传动轴校核计算 37
4.5.2主轴校核 38
5 结论 40
6参考文献 41
7致 谢 42
42
摘 要
随着制造业的发展,高速度、高效率、高精度和高刚度已经成为当今机床发展的主要方向。为了满足当前机床市场的需要,铣床已经成为了当今机械行业一个重要的发展趋势,特别是在工业制造,加工过程中有着举足轻重的地位。在各式各样的机床中,立式铣床有着独特的加工对象。主要是对大型的平面、沟槽等进行铣削。在对铣床的研究中达到了一定的水平,从而铣床的主要配件立铣头的研究在一定程度上也达到了空前的规模。通过以往的加工经验可以对立铣头的研究在一定程度上有所改进,铣床主轴是靠齿轮进行传动的。铣床铣头的转动方式有多种多样,每种机床铣头的形式都不尽相同。立铣头的传动方式也是多种多样,立铣头主轴传动系统采用齿轮传动,传动形式采用集中式传动,主轴变速系统采用多联滑移齿轮变速。齿轮传动具有传动效率高,结构紧凑,工作可靠、寿命长,传动比准确等优点,齿轮机构是现代机械中应用最广泛的传动机构,用于传递空间任意两轴或多轴之间的运动和动力。现在的工业发展对铣削有了更加苛刻的要求,高精度、高速度、高效率、复合型、智能型等是今后发展的主要趋势。
关键词:铣床;齿轮传动;传动系统图;立铣头
Vertical Milling Machine Legislation Xitou
Abstract
With the development of the manufacturing sector, high-speed, high efficiency, high precision and high rigidity of the current machine has become the main direction. In order to meet the needs of the market at present machine, milling machine has become today's machinery industry an important development trend, especially in the industrial manufacturing, processing is a pivotal position. In all kinds of machine tools, vertical milling machine has the unique objects. The main is milling , such as the plane and groove act. Milling spindles is on the gear transmission. Milling head turns way each are not identical , The main axis milling machine is relying on the power transmission gear. Spindle drive system using gear transmission, transmission using centralized form of transmission, multi-spindle transmission system of sliding gear transmission. Gear transmission with high efficiency, compact, reliable, long life and accurate transmission than the advantages of modern machinery is gearing the application of the most extensive transmission mechanism for the transfer of space or any multi-axis between the two axes of movement and Momentum.
Key Words : Milling machine ; gear transmission ; vertical milling head ; Transmission systems
1 绪论
1.1课题研究的目的及意义
在我国的各个工农业生产部门,科研单位和国防部门中,使用着大量各式各样的机器,仪器和工具。这些机器,仪器和工具大部分是由一定形状和尺寸的金属零件所组成,生产这些零件并将它们装配成机器,仪器和工具的工业,称为机械制造工业。机械制造工业的任务,就是为国民经济各部门,科研单位和国防部门提供现代化的技术装备。如果我们没有强大而完整的现代化机械制造工业,就无法用现代化的装备来武装各个国民经济部门,科研单位和国防部门,就不能独立而迅速地发展我们国家的制造水平,这样会被国外的先进技术所替代,我们的国家就会落后,进而陷入没有自主产权的地步。铣床主要是利用刀具的旋转将工件表面多余的部分一层一层的切削而除去,从而形成具有一定尺寸,形状和精度的工件。在一般的生产体系中,铣床的加工范围占整个机器生产的重要部分,一个高效而精确的铣头是铣床切削毛坯必不可少的配置。铣床立铣头可绕水平轴在垂直平面内作回转调整,因而可铣削斜面;机床采用分度头和圆形工作台时,可铣削齿轮﹑铰刀和钻头的螺旋面,以及凸轮和圆弧槽等;由于是多到断续切削,因而铣床的切削效率高。它的这种高效率和特殊的加工方法使得我们不断的研究和探索有关它的各种相关的配置及各式各样的机床。
1.2国内外机床的发展现状
20世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用,计算机及控制技术在机械制造设备中的应用是世纪内制造业发展的最重大的技术进步。自从1952年美国第1台数控铣床问世至今已经历了50个年头。
数控设备包括:车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工以及各类专用机床,形成庞大的数控制造设备家族,每年全世界的产量有10~20万台,产值上百亿美元。 世界制造业在20世纪末的十几年中经历了几次反复,曾一度几乎快成为夕阳工业,所以美国人首先提出了要振兴现代制造业。90年代的全世界数控机床制造业都经过重大改组。如美国、德国等几大制造商都经过较大变动,从90年代初开始已出现明显的回升,在全世界制造业形成新的技术更新浪潮。如德国机床行业从2000年至今已接受3个月以后的订货合同,生产任务饱满。
我国数控机床制造业在80年代曾有过高速发展的阶段,许多机床厂从传统产品实现向数控化产品的转型。但总的来说,技术水平不高,质量不佳,所以在90年代初期面临国家经济由计划性经济向市场经济转移调整,经历了几年最困难的萧条时期,那时生产能力降到50%,库存超过4个月。从1995年“九五”以后国家从扩大内需启动机床市场,加强限制进口数控设备的审批,投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关,对数控设备生产起到了很大的促进作用,尤其是在1999年以后,国家向国防工业及关键民用工业部门投入大量技改资金,使数控设备制造市场一派繁荣。从2000年8月份的上海数控机床展览会和2001年4月北京国际机床展览会上,也可以看到多品种产品的繁荣景象。但也反映了下列问题:
(1)低技术水平的产品竞争激烈,相互靠压价促销;
(2) 高技术水平、全功能产品主要靠进口;
(3) 配套的高质量功能部件、数控系统附件主要靠进口;
(4) 应用技术水平较低,联网技术没有完全推广使用;
(5) 自行开发能力较差,相对有较高技术水平产品主要靠引进图纸、合资生产或进口件组装。
当今世界工业国家数控机床的拥有量反映了这个国家的经济能力和国防实力。目前我国是全世界机床拥有量最多的国家(近300万台),但我们的机床数控化率仅达到1.9%左右,这与西方工业国家一般能达到20%的差距太大。日本不到80万台的机床却有近10倍于我国的制造能力。数控化率低,已有数控机床利用率、开动率低,这是发展我国21世纪制造业必须首先解决的最主要问题。每年我们国产全功能数控机床3000~4000台,日本1年产5万多台数控机床,每年我们花十几亿美元进口7000~9000台数控机床,即使这样我国制造业也很难把行业中数控化率大幅度提上去。因此,国家计委、经贸委从“八五”、“九五”就提出数控化改造的方针,在“九五”期间,我协会也曾做过调研。当时提出数控化改造的设备可达8~10万台,需投入80~100亿资金,但得到的经济效益将是投入的5~10倍以上。因此,这两年来承担数控化改造的企业公司大量涌现,甚至还有美国公司加入。“十五”刚刚开始,国防科工委就明确提出了在军工企业中投入6.8亿元,用于对1.2~1.8万台机床的数控化改造。
数控技术经过50年的2个阶段和6代的发展: 第1阶段:硬件数控(NC) 第1代:1952年的电子管 第2代:1959年晶体管分离元件 第3代:1965年的小规模集成电路。第2阶段:软件数控(CNC) 第4代:1970年的小型计算机 第5代:1974年的微处理器 第6代:1990年基于个人PC机(PC-BASEO) 第6代的系统优点主要有:
(1) 元器件集成度高,可靠性好,性能高,可靠性已可达到5万小时以上;
(2) 基于PC平台,技术进步快,升级换代容易;
(3) 提供了开放式基础,可供利用的软、硬件资源丰富,使数控功能扩展到很宽的领域(如CAD、CAM、CAPP,连接网卡、声卡、打印机、摄影机等);
(4) 对数控系统生产厂来说,提供了优良的开发环境,简化了硬件。 目前,国际上最大的数控系统生产厂是日本FANUC公司,1年生产5万套以上系统,占世界市场约40%左右,其次是德国的西门子公司约占15%以上,再次是德海德汉尔,西班牙发格,意大利菲亚,法国的NUM,日本的三菱、安川。
国产数控系统厂家主要有华中数控、北京航天机床数控集团、北京凯恩帝、北京凯奇、沈阳艺天、广州数控、南京新方达、成都广泰等,国产数控生产厂家规模都较小,年产都还没有超过300~400套。
近10年数控机床为适应加工技术发展,在以下几个技术领域都有巨大进步。
(1) 高速化 由于高速加工技术普及,机床普遍提高各方面速度,车床主轴转速由3000~4000r/min提高到8000~10000r/min,铣床和加工中心主轴转速由4000~8000r/min提高到12000r/min、24000r/min、40000r/min以上快速移动速度由过去的10~20m/min提高到48m/min、60m/min、80m/min、120m/min在提高速度的同时要求提高运动部件起动的加速度,其已由过去一般机床的0.5G(重力加速度)提高到1.5~2G,最高可达15G,直线电机在机床上开始使用,主轴上大量采用内装式主轴电机。
(2) 高精度化 数控机床的定位精度已由一般的0.01~0.02mm提高到0.008mm左右,亚微米级机床达到0.0005mm左右,纳米级机床达到0.005~0.01μm,最小分辨率为1nm(0.000001mm)的数控系统和机床已有产品。 数控中两轴以上插补技术大大提高,纳米级插补使两轴联动出的圆弧都可以达到1um的圆度,插补前多程序段预读,大大提高插补质量,并可进行自动拐角处理等。
(3) 复合加工、新结构机床大量出现 如5轴5面体复合加工机床,5轴5联动加工各类异形零件。也派生出各新颖的机床结构,包括6轴虚拟轴机床,串并联铰链机床等。采用特殊机械结构,数控的特殊运算方式,特殊编程要求。
(4) 使用各种高效特殊功能的刀具使数控机床“如虎添翼”。如内冷钻头由于使高压冷却液直接冷却钻头切削刃和排除切屑,在钻深孔时大大提高效率。加工钢件切削速度能达1000m/min,加工铝件能达5000m/min。
(5) 数控机床的开放性和联网管理,已是使用数控机床的基本要求,它不仅是提高数控机床开动率、生产率的必要手段,而且是企业合理化、最佳化利用这些制造手段的方法。因此,计算机集成制造、网络制造、异地诊断、虚拟制造、异行工程等等各种新技术都在数控机床基础上发展起来,这必然成为21世纪制造业发展的一个主要潮流。
1.3机床的发展趋势
制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱,机械制造是制造业的核心。现代的制造技术的应用使得传统的制造业带来了革命性的变化,使制造业成为工业化的象征,它对国民生计起着越来与重要的作用。对于现代机床的发展趋势,有一下几点总结。
(1) 追求具有更高加工效率的机床。因为提高机床的效率就等于缩短零件的加工周期,缩短加工周期有两条途径,一条途径是提高切削速度,即提高主轴转速。目前车床和车削中心的主轴转速都在8000r/min以上,加工中心的主轴转速一般都在15000~20000r/min,还有40000r/min和60000r/min的。同样,送给速度也有大幅度提高,可达20m/min,甚至60m/min。随着切削速度的增加,机床的结构刚性和动态特性都有明显提高,高速主轴和刀具系统的动平衡设计也获得相应提高;另一条途径是减少非加工时间。因为在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升、降速上,因此,复合机床的研发近期发展很快,其核心是在一台机床上要完成车、铣、钻、镗、攻丝、铰孔和扩孔等多种操作工序。车床技术发展的主要趋势是多功能机床,目前的多功能复合机床实际上就是一台具有车削功能的加工中心。在磨削方面,目前的技术重点是开发基于PC的磨削控制系统,一台磨床能进行内圆、外圆和台阶轴磨削,或给机床以不同的循环来加快生产进程,既磨得快又能保证尺寸精度和表面粗糙度。
(2) 追求更加安全可靠和符合环保要求的机床。由于机床的运行速度的提高,操作者的安全和健康也被提到优先考虑的位置。目前美国研制的高档机床在可能伤害人的地方几乎都加有安全警示装置。干切削和微量润滑剂切削方法因其可大大减少润滑剂的挥发而得到越来越广泛的应用,并且,几乎整个机床都是被封闭起来的,有些机床甚至看不到切屑,这样,即使有过量的油雾和烟雾也容易收集。同时,机床操作者在工作时的环境、位置会被考虑得非常舒适。此外,无污染的清洁加工技术也受到极大重视。
(3) 机床配套部件产业迅速发展。机床配套件发展很快,品种齐全。主要产品有滚珠丝杠副、精密轴承、各种转台、换刀装置、各种气动、液压装置、直线导轨及主轴部件等等。这些配套件产业的发展有力地推动了机床主机的发展,不但有助于提高机床的速度和性能,而且可以大大缩短主机的生产周期,降低生产成本。
(4) 追求更加完善的控制系统。更高速的处理器和更精确的控制设备使机床的功能和性能完善而强大。技术密集已进入超速发展阶段,而集成的关键是开放式结构。PCC技术的应用,开始改变了机床的工作方式,把CNC推向了控制中心而不局限于机床控制器的范围。控制软件发展更快,一年甚至改进几次。CNC制造商已提供一些开放式结构的CNC系统。目前机械制造厂里开放式结构的CNC控制器占到10%~20%。
零件程序可以离线开发,然后传送到生产车间的编程系统,在CNC控制器上运行,操作者可以观察、检测刀具运行情况和加工过程,还可以对加工过程进行必要的修正。美国GEFANUC公司销售的控制器中,有30%是开放式的,实现了真正的CAM/CNC集成,并趋于智能化控制,还可上网。虚拟制造和无纸化生产的技术基础已经具备,借助信息技术,此类软件的应用将以更快速度发展。
(5) 追求更高的机床外观质量。目前,机床制造商更加注重机床造型的美观和色调的协调柔和,机床精品更向工艺品方向发展。
1.4 目前铣床方面存在的一些问题
立式铣床立铣头是立式铣床上一个不可或缺的附件,对铣床的工作有着举足轻重的影响。例如对一些工件的表面的加工,使得我们要在一定范围内转动工件,这样对工件的夹紧及其定位产生了一定的影响。因此,从相对运动的观点,我们可转动机床的铣头来加工工件。这样可以避免因工件定位而产生的误差。因此,研究铣头是个重要的环节,对我国工业的发展有一定的促进作用。如何在工件不动的情况下能对工件上的斜面进行加工,这个问题的解决是要对传统的铣床的铣头进行改造,使得它在一定的范围之内能进行加工零件,从而达到工件加工范围的要求。使得工业生产效率的大幅度提高。解决了国内机床界的一些问题。
图1.1
图1所示为立式升降台铣床。立式升降台铣床,它是铣床中应用最多的一种。这类铣床与卧式升降台铣床的主要区别,在于他的主轴是垂直安置的,可用各种端铣刀或立铣刀加工平面、斜面、沟槽、台阶、齿轮、凸轮以及封闭轮廓表面等。图1为立式升降台铣床中常见的一种。其工作台3、床鞍4、及升降台5的结构与卧式升降台铣床相同。立铣头1可以根据加工要求在垂直平面内调整角度,主轴2并可沿轴线方向进行调整或作进给运动。
综上所述,升降台式铣床的优点是工艺范围较广泛,工作时切削加工的高低位置不变,有利于操作者的观察加工情况,且机床的操纵手柄较集中,便于调整及操纵。其缺点是工作台支承在成悬臂状态的升降台上,且层次多,因而刚性较差,不适合进行重型切削及加工大型工件。
1.5立式升降台铣床其主要组成部分
1.5.1 铣头
立铣头安装于卧式铣床主轴端,由铣床主轴以传动比i=1驱动立铣头主轴回转,使卧式铣床起立式铣床的功用,从而扩大了卧式铣床的工艺范围。立铣头主轴在垂直平面内最大转动角度为±45°,其转速与铣床主轴转速相同。
1.5.2 主轴
它是一根空心的阶梯轴,前端内部有锥度为7:24的锥孔,用来安装铣刀刀杆。
1.5.3 工作台
它可沿转台上面的燕尾导轨移动,带动安装在工作台上的工件纵向进给运动。
1.5.4 床鞍
它用来固定和支撑铣床上所有部件。其内部安装主轴、主轴变速箱、电器设备及润滑油泵等部件。
1.5.5 升降台
它可沿床身的垂直导轨移动,以调解工作台台面到主轴之间的距离,或者作垂直进给运动。在升降台的内部装有进给运动电动机和进给变速机构。
1.6 立铣头结构
立式铣床在工业发展中有着非常重要的地位,特别是在铣削大型平面时,就显现出这种机床的重要性。立铣头主要由本体、主轴组件、主轴套筒移动机构、主轴套筒锁紧机构、立铣头回转机构等组成,其中最主要的是主轴组件。
(1)主轴安装在主轴套筒中,前支持采用双列圆柱滚子轴承,承受径向力后支承采用一对角接触球轴承,面对面安装,承受径向力和两个方向饿轴向力,并使主轴轴向定位。
(2)主轴的轴向移动
主轴套筒装在立铣头本体的大孔中,套筒能带着主轴一起作轴向移动,它由立铣头旁边的手轮操作,转动手轮,经过一对圆锥齿轮,使丝杠转动,通过固定在套筒上的螺母及托架带动套筒轴向移动。当加工精度要求较高时,还可以在螺母托架上安装千分表,以便观察和检查。
(3)主轴的转动
带动主轴转动的齿轮不是直接装在主轴上,而是装在套筒上,轴套通过一对角接触球轴承支承在本体上。这样,齿轮传动的径向力就不作用在主轴上,而是通过轴套和轴承作用到本体上。同时,这种结构也便于主轴上下移动。
(4)主轴套筒的夹紧
主轴工作时,应把套筒夹紧,以免轴向窜动和减少振动。主轴套筒使利用差动螺纹机构夹紧
(5)润滑与密封
由于是立式主轴,且随套筒轴向移动,如用油润滑,很难解决漏油问题,故前后轴承均采用锂基润滑脂,每六个月压注一次。
主轴下端采用迷宫式非接触密封。密封盘固定在主轴上,而密封盖固定在主轴套筒上,两件之间形成一条窄长而曲折的间隙,其间隙很小,且充填有润滑脂。这样,既能阻挡油脂漏出,又能防止外界的灰尘和冷却液等进入。
主轴两个后轴承用密封套密封,主要防止上端的润滑油进入,使油脂稀释。
1.7立铣头结构分析
立铣头安装在床身上部弯颈的前面,两者之间利用一个直径为860毫米的凸缘定位。立铣头相对于床身可向左右回转至任意位置。但一般在45°的范围内,故只刻45°。转到所需要的位置后,可利用四个T形螺钉把它固定牢。为了保证主轴准确地垂直于工作台面。当立铣头处于中间零位时,有一个锥形销作准确定位。
立铣头内,运动自传动轴传至主轴,传动轴安装在立铣头上,由于锥齿轮在传动时有轴向推力,所示传动轴的下端用向心推力球轴承支承。传动轴的上端装有圆柱齿轮以带动主轴上的齿轮。在圆柱齿轮的外面装有向心球轴承。圆柱齿轮与传动轴之间用过渡配合和双键结合,以保证其装配精度和传递动力。主轴上齿轮用两个向心球轴承通过轴套安装在立铣头内,它不能作轴向移动。主轴上齿轮与轴套之间用键联结,轴套与主轴之间用花键联结,主轴可在轴套内作轴向滑动。主轴的下半部分安装在主轴套筒内,它可随主轴套筒作轴向移动,移动的范围是70毫米,以便调节铣削深度。
主轴套筒的上下移动是摇动手柄,通过一对锥齿轮带动丝杆旋转,丝杆旋转后使带螺孔的支架连同主轴套筒一起作上下移动。主轴套筒移动结束后,应于以夹紧,使固定在立铣头内,以减少振动。夹紧时,将夹紧手柄顺时针转动。由于两块滑块的螺纹方向相同而螺距不同,利用其移动量的差值,使两滑块间的距离缩小,从而把主轴套夹紧。
2 总体设计
2.1 立铣头的功能分析
立式铣床通常用于切削平面和沟槽;铣床立铣头可绕水平轴在垂直平面内作90°回转调整,因而可切削斜面;若机床上采用分度头或圆形工作台,可又切削齿轮、铰刀和钻头的螺旋面,以及凸轮和圆弧槽等,在特殊的情况下还可换上钻头当作钻床使用。因而大大的提高了机床的通用性,对资源的节约有着至关重要的作用。
2.2 方案的提出
立式铣床与卧式铣床的主要区别是主轴是竖直安装的,也就是用立铣头代替卧式铣床的水平主轴、悬梁、刀杆及其支撑部分。立铣头的作用是关系到机床本身性能的重要环节。由于整个切削环节在于立铣头,所以产生切削力也是靠整个立铣头,电机带动主轴运转,铣刀同时也跟着运动,从而达到切削工件的目的。
研究方案:
方案一:如图下图2.1所示,是铣床传动系统的总体布局。传动系统通过齿轮来进行传递,中间环节有两个伞齿轮进行传递,它不仅可以传递力而且还可以对机床立铣头进行定位控制。
图2.1
又如下图2.2所示:是对立铣头进行的简单剖析。轴的转动时通过齿轮的转动来带动它的转动,而且中间有轴承来配合轴的转动。主轴的前端是向心短圆柱滚子轴承,承受径向载荷,后支撑采用一对向心推力球轴承,承受径向和轴向载荷,使主轴轴向定位。
图2.2
齿轮传递的运动由齿轮经双键,套筒等带动主轴运转,整个主轴部件装在长套筒中,可以跳动手轮使丝杠带动套筒作轴向调整,调整主轴。整个主轴的润滑是一个密封装置的润滑系统。
方案二:在这个系统中是将主轴的传动系统的两个伞齿轮放在传动轴轴的顶端, 如下图2.3所示:
图2.3
在这个传动系统中,传动件的放置方式导致了传动链尺寸的增大,加大了传动误差,使工件的制造尺寸的不能准确的保证。同时也使立铣头的总体尺寸加大,违反了机床设计原则。
方案三:此方案的传动采用带传动,带传动的传动效率高,速度高,结构简单,并且带零件易制造,互换性强等优点。但是,这种传动存在很大方面的缺陷,一
图2.4
个很重要的方面就是在一定的范围内,它不能实现90°的旋转不能加工斜面等一些特殊要求的表面。另外,带传动的缺点是很明显的在传动件的功过过程中,如果遇到很大的冲击,因它传动的速度很高,因此不能立即降下来满足不了对工件起到保护作用。又因它满足不了传递高扭矩,在切削工件时会产生打滑现象。综上所述,方案三不是最优方案。
对上面提出的三个方案综合分析比较,既要实现机床的高扭矩,又要机床美观实用,并且尺寸小,易维修等。参考机床设计手册综合比对,方案一较合理。原因是由于切削工件时产生的切削力非常的大。因此采用齿轮传递切削力是一种有效的措施。其次,方案一各个零件之间的位置配置合理,各个零件的位置是传递切削力重要的环节,如果能够按照相应的依据取合理配置各个零件之间的位置,从而可使机床能够高速、高精度切削工件。另外,机床的动力源是靠电机带动,之间要经过齿轮减速环节,并且还要配离合器,以便在紧急关头是齿轮空转,从而达到对减速装置或者是传动装置的保护作用。
2.3主轴轴承的调整
立式铣床的主轴用三个移动轴承支撑,在主轴套筒内三个轴承的外围均紧密地压入主轴套筒内,并用带孔轴承盖和垫圈固定,使其不能作轴向位移。
主轴的前端装有D级精度的双列向心短圆柱滚动轴承,一确保主轴的运转精度。轴承的内圈具有锥形孔,主轴的锥形轴颈即与其配合,当把轴承内圈向轴颈大端压紧时,轴承内圈的直径能微量增大,就能调整轴承的径向间隙。
主轴的轴向间隙,是靠上面两个E级精度的向心推力轴承来调节的。因为周村外圈固定在主轴套筒上,所以只要减薄垫圈,就能减少主轴的轴向间隙。
2.3详细的设计
传动装置的设计,机械传动装置的总体设计包括分析拟定传动方案,选择电动机型号,合理分配传动比及计算传动装置的运动和动力参数等内容。它为各级传动件设计和装配图绘制提供依据。
2.3.1分析拟定传动方案
机器常由原动机、传动装置及工作部分组成。合理的传动方案不仅满足工作部分的要求,而且还要工作可靠、结构简单紧凑、加工简单、成本低、传动效率高以及使用和维护方便。 因此, 设计时应先保证重点,并统筹兼顾其他条件。
分析和选择传动机构的类型及组合,合理布置传动顺序,是拟定传动方案的重要一环,通常考虑以下几点:
(1) 带传动 由于其承载能力较低,在传递相同转矩时, 结构尺寸较其它传动形式较大,但传动平稳,能吸振缓冲,因此用于传动系统的高速级。
(2) 链传动 运转不平稳,且有冲击,以布置在传动的低速级。
(3) 蜗杆传动 传动比较大,承载能力较齿轮传动低,故一般放在高速级,获得较小的结构尺寸和较高的齿面相对滑动速度,以便于形成液体动压润滑膜,提高承载能力和传动效率。
(4) 斜齿圆柱齿轮传动 因斜齿圆柱齿轮加工较困难,相对可用于高速级,并限制传动比。
(5) 开式齿轮传动 其工作环境一般较差,润滑条件不好, 故寿命较短,宜布置在传动装置的低速级。
故立式铣床立铣头采用齿轮传动,传动形式采用集中式传动,传动系统采用多联滑移齿轮变速。
传动系统一般由动力源、变速机构、换向机构、运动分配机构、过载保险机构运动转换元件和执行元件等组成。
换向机构 一种是进给电动机换向,换向方便,但换向次数不能太频繁。另一种是用齿轮换向(圆柱齿轮或锥齿轮),这种换向机构可靠,广泛用于各种机床中。本课题采用圆锥齿轮换向比较适宜。
过载保险机构 其作用是在过载是自动断开进给运动,过载排除后自动接通。常用的是牙嵌式离合器、片式离合器。
牙嵌式离合器利用两半离合器端面上的牙互相嵌合或脱开以达到主、从动轴的离合、牙有矩形、梯形、三角形、锯齿形和螺旋形等几种形式。由于同时参与嵌合的牙数多,故承载较高,适用范围广泛. 外形尺寸小,传递转矩大,接合后主从动轴无相对滑动,传动比不变。但接合时有冲击,适合于静止接合,或转速差较小时接合(对矩形牙转速差≤10r/min,对其余牙形≤300r/min),主要用于低速机械的传动轴系。
电磁片式离合器由内摩擦片、外摩擦片、止推片、压块和空套齿轮组成。离合器左右两部门结构是相同的。左离合器传动轴正转,用于切削加工。需要传递的转矩较大,片数较多。右离合器用来传动轴反转,主要用于退回,片数较少。这种离合器的工作原理是,内摩擦片的花键孔装在轴的花键上,随轴旋转。外摩擦片的孔为圆孔,直径略大于花键外径。外圆上有4个凸起,嵌在空套齿轮的缺口之中。内外摩擦片相间安装。用杆通过销向左推动压块时,将内片与外片相互压紧。轴的转矩便通过摩擦片间的摩擦力矩传递给齿轮,使主轴正传。同理,当压块向右时,使主轴反转。压块处于中间位置时,左、右离合器都脱开,该轴以后的各轴停转,过载排除后通过电气开关实现互锁。故本课题选择使用片式离合器。
2.3.2选择电动机
电动机类型根据电源种类(直流、交流)、工作要求(转速特性、和过载情况等)工作环境(尘土、油、水、爆炸气体等)、载荷大小和性质安装要求等条件来选择。工业上广泛应用我国新设计的、国际市场通用的统一系列-Y系列三相异步电动机。Y系列电动机具有高效、节能、启动转矩大、噪声低。振动小、可靠性高、使用维护方便等优点。
已知机床的进给功率7.5KW 转速为1450r/min,根据选定的电动机类型、结构、容量和转速,可由简明机械零件设计手册第一篇有关技术数据标准中查出电动机型号,并记录其型号、性能参数和主要参数。
表2.1
额定功率
满载时
Y90L-4
7.5KW
转速
功率因数
1450
0.96
同步转速=1500r/min
2.4铣床加工误差、故障分析及排除方法
表2.4
故障原因分析
故障排除方法
1 加工表面接刀处不平
①主轴中心线与床身导轨面不平行,各部相对位置精度差
②导轨研伤造成工作台爬行及进给保险失灵
③主轴径向间隔大
④离合器爪严重磨损咬不住
⑤工作台镶条过松
①检查和调整升降及纵、横向的镶条间隙,对准立铣头刻度盘0位,如果还不能达到几何精度,就进行中,小修,使之达到要求
②修复导轨,并适当加大保险弹簧压力
③调整主轴间隙
④修理或更换离合器
⑤调整镶条间隙
2 加工工件尺寸精度超差
①主轴中心与工作台面不垂直
②工件装夹不合理,没有及时清理切屑等
③导轨间隙过大
④工作台面不平
①调整镶条间隙或修复工作台面
②正确夹紧工件,保持结合面清洁
③调整导轨间隙
④修理工作台面至符合技术要求
3 加工工件不垂直或平行面不平行
①立铣头转盘刻度不对0位
②机床几何精度差
③主轴轴向窜动大
④工作台面不平
①校正刻度对准0位,使之铣头轴中心线与工作台面垂直
②检查机床各部件,调整或修复,使之恢复原来的几何精度
③调整主轴上的螺母,使之窜动在0.02mm之内
④修复工作台面的平面度
4 工件加工时振动很大
①主轴的径向跳动和轴向窜动量太大
②主轴太镶条太松
③主轴套筒未夹紧
① 调整主轴轴承的间隙,调整前,先测出主轴的径向跳动量和轴向窜动量,以确定修整环的修磨量
主轴径向间隙的调整使先修磨两个半圆调整环,并拧紧后轴承上面的螺母从而调整前后轴承的间隙
主轴轴向间隙的调整,是靠修磨两个后轴承的外隔套来实现的
② 调整镶条的送进程度
③ 夹紧主轴套筒
5 加工工件角度精度超差
① 立铣头转盘刻度不准
② 转盘紧固螺母未上紧,产生振动
① 旋转刻度时要对准基线,如有误差,进行检修
② 紧固螺母
6 主轴温升较高或在运转中有噪音
① 润滑不良
② 主轴箱内轴承磨损或齿轮啮合不良
① 注意油路畅通,保证充分润滑
② 检修或更换轴承、齿轮
3.1 主轴的基本要求
3.1.1 旋转精度
主轴的旋转精度是指主轴在手动或低速、空载时,主轴前端定位面的径向跳动△r、端面跳动△a和轴向窜动值△0。如图所示:图中实线表示理想的旋转轴线,虚线表示实际的旋转轴线。当主轴以工作转速旋转时,主轴回转轴线在空间的漂移量即为运动精度。
图3.1
主轴组件的旋转精度取决于部件中各主要件(如主轴、轴承及支承座孔等)的制造精度和装配、调整精度:运动精度还取决于主轴的转速、轴承的性能和润滑以及主轴部件的动态特性。各类通用机床主轴部件的旋转精度已在机床精度标准中作了规定,专用机床主轴部件的旋转精度则根据工件精度要求确定。
3.1.2 刚度
主轴组件的刚度K是指其在承受外载荷时抵抗变形的能力,如图所示:即K=F/y(单位为N/um),刚度的倒数y/F称为柔度。主轴组件的刚度,是主轴、轴承和支承座的刚度的综合反映,它直接影响主轴组件的旋转精度。
图3.2 主轴组件静刚度
显然,主轴组件的刚度越高,主轴受力后的变形就越小,如若刚度不足,在加工精度方面,主轴前端弹性变形直接影响着工件的精度;在传动质量方面,主轴的弯曲变形将恶化传动齿轮的啮合状况,并使轴承产生侧边压力,从而使这些零件的磨损加剧,寿命缩短;在工件平稳性方面,将使主轴在变化的切削力和传动力等作用下,产生过大的受迫振动,并容易引起切削自激振动,降低了工件的平稳性。
主轴组件的刚度是综合刚度,影响主轴组件的刚度很多,主要有:主轴的结构尺寸、轴承的类型及其配置形式、轴承的间隙大小、传动件的布置方式、主轴组件的制造与装配质量等。
3.1.3 抗振性
主轴组件的抗振性是指其抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳运转的能力。在切削过程中,主轴组件不仅受静载荷的作用,同时也受冲击载荷和交变载荷的作用,使主轴产生振动。如果主轴组件的抗振性差,工作时容易产生振动,从而影响工件的表面质量,降低刀具的耐用度和主轴轴承的寿命,还会产生噪声影响工作环境。随着机床向高精度、高效率方向发展,对抗振性要求越来越高。
评价主轴组件的抗振性,主要考虑其抵抗受迫振动和自激振动能力的大小。
3.1.4抵抗受迫振动的能力
主轴组件受迫振动的干扰力,主要包括由于主轴上旋转零件(主轴、传动件和所装的工件或刀具等)的偏心质量而产生的离心力,传动件的运动速度不均匀而产生的惯性力,以及断续切削产生的周期性变化的切削力。由于这些干扰力引起主轴并带着刀具或工件一起振动,而在加工表面上留下振纹,使工件表面粗糙度提高。
根据所设计机床组件加表面粗糙度的要求,确定主轴前端的允许振幅,然后计算或测定主轴组件在各种动态干扰力的作用下,其前端的振幅,并同允许值比较,评价是否满足要求。在单独分析主轴组件时,只能求得主轴前端在切削部位的绝对振幅,它只能部分的反映刀具和工件之间的相对振幅。两者关系与激振频率有关,目前主要由试验来确定。此外,主轴组件的低阶固有频率与振型也是其抗振性的评价指标。一般来说,低阶固有频率应高些,并远离激振频率,主轴振型的节点应靠近切削部位。
3.1.5 抵抗切削自激振动的能力
金属切削加工时,虽然没有外界动态干扰力的作用,但由于机床-工件-刀具弹性系统振动对切削过程的反馈作用,刀具与工件之间发生了周期性的强烈的相对振动,称为切削自激振动,简称为颤振。
颤振将使加工表面质量恶化,甚至使切削过程无法继续下去,从而不得不降低切削用量来避免,所以机床的切削用量极限往往不是由机床的功率来决定,而是由加工时发生颤振的条件来决定。
机床切削时,从没有颤振到颤振的产生之间存在着明显的界限,这个界限即是稳定性的极限,或成为机床稳定性的条件。对现有机床的试验表明,切削自振频率往往接近于主轴组件弯曲振动的低阶固有频率。即主轴组件是颤振的主振部分,它的低阶弯曲振动模态是决定机床抵抗切削自振能力的主要模态。因此,在单独分析主轴组件时,可以认为主轴前端在切削部位激振点动柔度的最大负实部,反映了主轴组件抵抗切削自振的能力。
对于粗加工机床,切削宽度越大,切削自振的可能性越大,但加工表面质量要求不高,可主要考虑不产生颤振的条件。对于精密机床,切削用量小,切削自振的可能性小,但允许的振幅小,可主要考虑抵抗受迫振动的能力。对于高速机床,因为激振的频率和副值均随着转速提高而剧增,受迫振动和自激振动都比较突出。因此,在设计和评价高速机床时,自激和受迫振动均应考虑。
3.1.6 温升和热变形
主轴组件工作时因各种相对运动而产生的摩擦发热,产生了温升,温升使主轴组件的形状和位置发生畸变,成为热变形。热变形应以主轴组件运转一定时间后各部分位置的变化来度量。
主轴组件温升和热变形,使机床各部件间相对位置精度遭到破坏,影响工件加工精度,高精度机床尤为严重;热变形造成主轴弯曲,使传动齿轮和轴承的工作状态变坏:热变形还使主轴和轴承,轴承与支承座直接按已调好的间隙和配合发生变化,影响轴承正常工作,间隙过小将加速齿轮和轴承等零件的磨损,严重时甚至会发生轴承抱轴现象。
影响主轴组件温升、热变形的主要因素有:轴承的类型和布置方式,轴承间隙及预紧力的大小,润滑方式和散热条件等。
目前,对各种类型机床连续运转下的允许温升都有一定的规定。
3.1.7耐磨性
主轴组件的耐磨性是指长期保持其原始精度的能力,即精度的保持性。因此,主轴组件各个滑动表面,包括主轴端部定位面、锥孔,与滑动轴承配合的轴颈表面,移动式主轴套筒外圆表面等,都必须具有很高的硬度,以保证其耐磨性。
为了提高主轴组件的耐磨性,应该正确地选用主轴和滑动轴承的材料及热处理方式,润滑方式,合理调整轴承间隙,良好的润滑和可靠的密封。
3.1.8其它
主轴组件除保证上述基本要求外,还应满足下列要求:
(1)主轴的定位可靠。主轴在切削力和传动力的作用下,应有可靠的径向和轴向定位,使主轴在工作时受到切削力和传动力通过轴承可靠地传至箱体等基础零件上。
(2)主轴前端结构应保证工件或刀具转卡可靠,并有足够的定位精度。
(3)结构工艺好。在保证好用的基础上,尽可能地做到好制造、好安装、好拆卸和好修理,并尽可能降低主轴组件的成本。
3.2 主轴组件的布局
主轴组件的设计,必须保证满足上述的基本要求,从而从全局出发,考虑主轴组件的布局。
机床主轴有前、后两个支承和前、中、后三个支承两种,以前者较多见。两支承主轴轴承的配置型式,包括主轴轴承的选型、组合以及布置,主要根据所设计主轴组件在转速、承载能力、刚度以及精度等方面的要求,并考虑轴承的供应、经济性等具体情况,加以确定。在选择时,具有以下要求。
3.2.1适应刚度和承载能力的要求
主轴轴承选型应满足所要求的刚度和承载能力。径向承载较大时,可选用滚子轴承:较小时,可选用球轴承。双列滚动轴承的径向刚度和承载能力,比单列大。同一支承中采用多个轴承的支承刚度和承载能力,比采用单个轴承的大。一般来说,前支撑的刚度应比后支承大。因为前支承刚度对主轴组件刚度的影响要比后支承大,如下表。
表3.1 滚动轴承和滑动轴承的比较
基本要求
滚动轴承
滑动轴承
动压轴承
静压轴承
旋转精度
精度一般或较差。可在无隙或预加载荷下工作。精度也可以很高,但制造困难。
单油楔轴承一般,多油楔轴承较多
可以很高
刚度
仅与轴承型号有关,与转速、载荷无关,预紧可提高一些
随转速和载荷升高而增大
与节流型式有关,与载荷转速无关
承载能力
一般为恒定值,高速时受材料疲劳强度限制
随转速增加而增加,高速时受温升限制
与油腔相对压差有关,不计动压效应时与速度无关
抗振性能
不好,阻尼系数
D=0.029
较好,阻尼系数
D=0.055
很好,阻尼系数D=0.4
速度性能
高速受疲劳强度和离心力限制,低中速性能较好
中高速性能较好,低速时不形成油膜,无承载能力
适应于各种转速
摩擦功耗
一般较小,润滑调整不当时则较大=0.002~0.008
较小
=0.001~0.008
本身功耗小,但有相当大的泵功耗=0.0005~0.001
噪声
较大
无噪声
本身无噪声,泵有噪声
寿命
受疲劳强度限制
在不频繁启动时,寿命较长
本身寿命无限,但供油系统的寿命有限
3.2.2 适应精度的要求
起止推作用的轴承的布置有三种方式:前端定位—止推轴承集中布置在前支承:后端定位—集中布置在后支承;两端定位—分别布置 前、后支承。
采用前端定位时,主轴受热变形向后延伸,不影响轴向定位精度,但前支承结构复杂,调整轴承间隙较不方便,前支承处发热量较大:后端定位的特点与前述的相反:两端定位时,主轴受热伸长后,轴承轴向间隙的改变较大,若止推轴承布置在径向轴承内侧,主轴可能因热膨胀面弯曲。
3.2.3 适应结构要求
要求主轴组件在性能上有较高的刚度和一定的承载能力,而在结构上径向尺寸要紧凑时,则可在一个支承中配置两个或两个以上的轴承。
对轴间距很小的多主轴机床,由于结构限制,宜采用滚针轴承来承受径向载荷,用推力球轴承来承受轴向载荷,并使两轴承错开排列。
3.2.4 适应经济性要求
确定主轴轴承配置形式,除应考虑满足性能和结构方面要求外,还应作经济性分析,使经济效果好。例如,在能够满足要求的情况下,一般采用已经标准化、系列化、且大批量生产的滚动轴承较为经济,但对于一些大型,重型机床的主轴组件,当没有标准的大型号滚动轴承时,可采用动压轴承或静压轴承。
在中速和大载荷情况下,采用圆锥滚子轴承要比采用向心轴承和推力轴承组合的配置形式成本低,因为前者节省了两个轴承,而且箱体工艺性较好。
综合考虑上述因素,本设计的主轴采用前后支承的两支承主轴,主轴的前端是向心短圆柱滚子轴承,承受径向载荷,后支撑采用一对向心推力球轴承,承受径向和轴向载荷,使主轴轴向定位。
3.3 主轴结构的初步拟定
主轴的结构主要决定于主轴上所安装的刀具、夹具、传动件、轴承和密封装置等的类型、数目、位置和安装定位的方式,同时还要考虑主轴加工和装配的工艺性,一般在机床主轴上装有较多的零件,为了满足刚度要求和能得到足够的止推面以及便于装配,常把主轴设计成阶梯轴,即轴径从前轴颈起向后依次递减。主轴是空心的或者是实心的,主要取决于机床的类型。此次设计的主轴,也设计为阶梯轴。
主轴前部系指主轴前端。它的形式决定于机床的类型、安装夹具或刀具的形式,并应保证夹具或刀具安装可靠、定位准确,装卸方便和能传递一定的扭矩。
查《金属切削机床设计》第135页中通用机床主轴端部的形状图,选短圆锥法兰盘式主轴端部结构形式。其特点是:主轴端面上有4个螺孔,用来固定和传递扭矩给刀具。主轴前端的锥度为7:24的锥孔。如下图所示:
图3.3 短圆锥法兰盘式主轴端部结构
3.4 主轴的材料与热处理
主轴材料主要根据刚度,载荷特点、耐磨性和热处理变形大小等因素选择。
主轴的刚度与材料的弹性模量E值有关,钢的E值较大(左右),所以,主轴材料首先考虑用钢料。钢的弹性模量E的数值和钢的种类和热处理方式无关,即不论是普通钢或合金钢,其弹性模量E基本相同。因此在选择钢料时应首先选用价格便宜的中碳钢,只有在载荷特别重和有较大的冲击时,或者精密机床主轴需要减少热处理后的变形时,或者轴向移动的主轴需要保证其耐磨性时,才考虑选用合金钢。
当主轴轴承采用滚动轴承时,轴颈可不淬硬,但为了提高接触刚度,防止敲碰损伤轴颈的配合表面,不少45钢主轴轴颈仍进行高频淬火(HRC48~54),有关45钢主轴热处理情况如下表所示:
表3.2
工作条件
使用机床
材料牌号
热处理
硬度
常用
代用
轻中负载
车、钻、铣、磨床主轴
45
50
调质
HB220~250
轻中负载局部要求高硬度
磨床的砂轮轴
45
50
高频淬火
HRC52~58
轻中负载PV
车、钻、铣、磨床主轴
45
50
淬火回火高频淬火
HRC42~50
HRC52~58
此次设计的任务考虑到主轴材料的选择原则,选用价格便宜的中碳钢(45钢)根据工作中承受轻、中载荷,且要求局部高硬度,因此热处理采用高频淬火,HRC42~50。
3.5 主轴的技术要求
主轴的精度直接影响到主轴组件的旋转精度。主轴和轴承、齿轮等零件相连接处的表面几何形状误差和表面粗糙度,关系到接触刚度,零件接触表面形状愈准确、表面粗糙度愈低,则受力后的接触变形愈小,亦即接触刚度愈高。因此,对主轴设计必须提出一定的技术要求。
3.5.1轴颈
此次设计的主轴,应首先考虑轴颈。支承轴颈是主轴的工作表面、工艺基面和测量基面。主轴工作时,以轴颈作为工作基面进行旋转运动;加工主轴时,为了保证锥孔中心和轴颈中心同轴,一般都以轴颈作为工艺基面来最后精磨锥孔;在检查主轴精度时,以轴颈作为测量基面来检查各部分的同轴度和垂直度,将影响其滚动轴承的配合质量。
对于普通精度级机床的主轴,其支承轴颈的尺寸精度为IT5,轴颈的几何形状允差(圆度、圆柱度等)通常应小于直径公差的~。
3.5.2 内锥孔
内锥孔是安装刀具的定位基面。在检验机床精度时,它是代表主轴中心线的基准,用来检查主轴与其他部件的相互位置精度,如主轴与导轨的平行度等。由于刀具经常拆卸,所以内锥孔必须耐磨。
锥孔与轴承颈的同轴度,一般以锥孔端部及其相距100~300毫米处对轴颈的径向跳动表示:其形状误差用标准检验锥着色检查的接触面积大小来检验,此乃综合指标:还要求一定的表面粗糙度和硬度等。
3.6 主轴结构图
根据分析可初步确定主轴的结构图,如下图所示:
图3.4 主轴结构图
3.7 主轴组件的润滑和密封
3.7.1主轴组件的润滑
滑的作用是降低摩擦,减小温升,并与密封装置在一起,保护轴承不受外物的磨损和防止腐蚀。润滑剂和润滑方式决定于轴承的类型、速度和工作负荷。如果选择的合适,可以降低轴承的工作温度和延长使用期限。
滚动轴承可以用润滑油或者润滑脂来润滑。试验证明在速度较低时,用润滑脂比用润滑油温升低。所以,此次设计的主轴支承均采用润滑脂。同时,主轴是装在主轴套筒内的,为防止使用润滑油是泄露,应采用润滑脂润滑。
加润滑脂时,应该注意润滑脂的填充量不能过多,不能把轴承的空间填满,否则会引起过高的发热,并
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立式铣床主轴及铣头结构设计
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