数控铣床的主轴箱结构设计

全日制普通本科生毕业设计

数控铣床的主轴箱结构设计

NUMERICAL CONTROL OF MILLING MACHINES

CONTROLLED DESIGN

学生姓名： 学 号： 年级专业及班级： 指导老师及职称：

目 录

摘要……………………………………………………………………………….1 关键词…………………………………………………………………………….1 第1章 前言…………………………………………………..............................2 第2章 数控铣床主传动系统的配置方式……………………………………...3 第3章 主轴电动机的选取…………………………………………...…………4 第4章 同步带传动设计与计算………………………………………………...6 4.1、同步材料选择……………………………..………………………………6 4.2、同步带参数的计算………………………..………………………………6 4.2.1、模数的选取……………………………………………………………6 4.2.2、小带轮齿数……………………………………………………………7 4.2.3、同步带节距……………………………………………………………7 4.2.4、节圆直径………………………………………………………………7 4.2.5、大带轮齿数……………………………………………………………7 4.2.6、大带轮直径……………………………………………………………7 4.2.7、带的速度………………………………………………………………7 4.2.8、定中心距………………………………………………………………7 4.2.9、带的节线长度…………………………………………………………7 4.2.10、计算中心距…………………………………………………………..8 4.2.11、带轮与带的啮合齿数………………………………………………..8 4.2.12、带宽…………………………………………………………………..8 4.2.13、作用在轴上的力……………………………………………………..8 4.2.14、小带轮的最小包角…………………………………………………..8 4.2.15、带轮宽度……………………………………………………………..8 第5章 主轴组件的设计…………………………………………………………..9 5.1、主轴组件的设计要求……………………………………………………...9 5.1.1、回转精度………………………………………………………………9 5.1.2、主轴刚度………………………………………………………………10 5.1.3、主轴的抗振性…………………………………………………………10 5.1.4、主轴温升………………………………………………………………10 5.1.5、主轴耐磨性……………………………………………………………10 5.1.6、提高主轴组件抗振性的措施…………………………………………11 5.2、减少主轴组件热变形的措施……………………………………………...11 5.3、主轴材料的选择及尺寸、参数的计算…………………………………...11 5.4、主轴转动装置箱体的作用………………………………………………...15 5.5、主轴箱体的截面形状和壁厚的计算……………………………………...15 第6章 主轴轴承的选择…………………………………………………………….15 6.1、轴承的选择和轴承的精度…………………………………………………..16

6.2、轴承预紧力的要求…………………………………………………………..16 6.3、主轴轴承的润滑与密封……………………………………………………..16 6.4、选取轴承求…………………………………………………………………..16 6.5、轴承寿命校核………………………………………………………………..19 6.6、轴承座孔的设计要求………………………………………………………..20 第7章 联接键的选择碟形弹簧的选择与计算……………………………………21 7.1、碟形弹簧的特点……………………………………………………………...21 7.2、碟形弹簧材料及热处理厚度和脱碳………………………………………...21 7.3、碟形弹簧的强压处理………………………………………………………...21 7.4、表面强化处理和防腐处理…………………………………………………...22 第8章 螺钉联接的设计…………………………………………………………….23 8.1、根据设计要求计算…………………………………………………………...24 8.2、螺钉的强度计算与校核……………………………………………………...24 第9章 液压缸的设计……………………………………………………………….24 9.1.液压压缸安装应注意的问题…………………………………………………25 9.2.压缸各部分的结构及主要尺寸的确定………………………………………25 9.3.强度校核………………………………………………………………………25 第10章 润滑与密封件设计………………………………………………………..26 10.1、封件的作用及其意义………………………………………………………26 10.2、密封的分类及密封件的材料要求……………………………………….. 26 10.3、防尘圈的设计要求…………………………………………………………27 结论………………………………………………………………………………..... 27

致谢………………………………………………………………………………..................... 28

参考文献…………………………………………………………………………..................... 29

数控铣床的主轴箱结构设计

摘要：数字控制是近代发展起来的一种自动化控制技术是用数字化信号对机床运动极

其加工过程进行控制的一种方法,随着科学技术的迅猛发展，数控机床已经是一个国家机械工业水平的重要标准。

数控机床是装有程序控制系统的机床。该系统能够逻辑地处理具有使用号码，或其他符号编码指令规定的程序。

数控机床是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业的渗透形成的机电一体化产品，起技术范围覆盖很多领域：（1）机械制造技术（2）信息处理、加工、传输技术；（3）自动控制技术；（4）伺服驱动技术；（5）传感技术；(6)软件技术等。计算机对传统机械业的渗透，完全改变了制造业。制造业不但成为工业化的象征，而且由于信息技术的渗透，使制造业犹如朝阳产业，具有广阔的发展天地。

数控机床就是将加工过程所需的各种步骤以及刀具与工件之间的相对位移量都是用数字化的代码来表示。通过控制介质数字信息送入专用区域通用的计算机。计算机对输入的信息进行处理，发出各种指令来控制机床的伺服系统或其他执行元件，使机床自动加工出所需要的工件。

关键词：机械设计，数控三坐标铣床，主轴，数控系统。

Numerical Control of Milling Machines Controlled Design

Student: he yi Tutor: chenzhiliang

(Oriental Science ＆Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128)

Summary : Digital control the modern development of automation control of digital

technology is a signal for machine tools are processes to control movement, as a method of science and technology has developed rapidly and Numerical Control machine is a national machinery industry standards of important standard. the machine is a program Numerical Control control system of machine tools. the system to be logical to use a number or other symbols

specified procedure. the instruction encoding.

Numerical Control machine tools in Numerical Control technology of new technology industries through the traditional manufacturing a product of the electromechanical integration technology, covering many areas ： （ one ） machinery manufacturing technology （ tow ） information processing, processing and transmission technology ； （ three ） automatic technology ； （ four ） servo driving technological ； （ five ） sensing technology ； ( six ) software technology, etc. the computer to traditional service trade the manufacturing industry, has changed completely. and has become industrialized, and because of the information technology, manufacturing into a rising industry, have broad development of the world.

Numerical Control machine tools are the processes of the various steps and the tool relative to the workpiece between the amount of displacement is the use of digital code to represent information media. by controlling figures into a special area of the computer. computer for the processing of information and instructions to control the machine tools or other enforcement servo system components and tools automatically processed out the work.

Key words: Mechanical design, Numerical Control three coordinates of milling

machines, Spindle, Numerical Control system.

1前言

主传动系统设计概述

数控机床的主传动系统包括主轴电动机，传动系统和主轴组件。与普通机床的主传动系统相比数控机床在结构上比较简单，这是因为变速功能全部或大部分由主轴电动机的无级调速来承担。省去了繁杂的齿轮变速机构，还有一些数控机床设计中还存在二级或三级齿轮变速机构用以扩大主轴电动机无级变速的范围。 对主传动系统的要求:

范围： 各种不同的机床对调速范围的要求不同，多用途，通用性比较大的机床，要求主轴的调速范围大，不但有低速大转距的功能，而且还要有比较高的速度。

热变形：电动机、主轴及传动件都有热源。降低温升，减少热变形是对主传

动系统要求的重要指标。

旋转精度和运动精度：

主轴的旋转精度:是指装配后，在无载荷，低速转动条件下，测量主轴前端和300mm处的径向和轴向跳动值。

主轴在以工作速度旋转时，测量上述两项精度称为运动精度。 数控机床要求有较高的旋转精度和运动精度。 主轴的静刚度和抗振性；

由于数控机床的加工精度比较高，主轴的转速又很高。因此，主轴组件的质量分布是否均匀以及主轴组件的阻尼等，对主轴组件的静刚度和抗振性都会产生影响。 主轴组件的耐磨性；

主轴组件必须有足够的耐磨性，使之能够长期保持要求的准确精度。凡是有机械摩擦的部位，轴承，锥孔等都要有足够的硬度，轴承还应具有良好的润滑。

第2章 数控铣床主传动系统的配置方式

数控铣床的主传动系统要求有较大的调速范围，以保证进行加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产效率、加工精度和表面质量。数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此机构必须适应自动操作的要求。大多数的数控铣床是用无级变速系统控制的。数控机床主传动系统主要有以下三种配置方式： 带有变速齿轮的主传动

这种配置方式在大中型数控机床中采用比较普遍。它通过少数几对齿轮进行降速，使之能够分段变速，确保低速时拥有足够的扭矩，以满足主轴输出扭矩特性。但也有一部分小型数控机床也采用这种传动方式，以获得强力切削时所需要的扭矩。 通过带传动的主传动

主要应用在中小数控机床上，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，但它只能适用于低扭矩特性要求的主轴。同步带有多楔带，齿形带，圆弧带

等，是一种综合了带传动和链传动优点的新型传动。带的工作面及带轮外圆上均制成齿形，通过带轮与轮齿相嵌合，做无滑动的啮合传动。带内采用了承载后无弹性伸长的材料作强力层，以保持带的节距不变，使主动和从动带轮可做无相对滑动的同步传动。与一般带传动相比，同步带传动具有以下优点：

1.无滑动，传动比准确。 2.传动效率高，可达98%以上。 3.传动平稳可靠，噪声小。

4.使用范围广，速度要达到50m/s，速比可达10左右，传动功率由几瓦到数千瓦。

5.修保养方便，不需要润滑。

但是同步带也有不足之处，其安装时中心距要求严格，带与带轮制造工艺较复杂，成本高。

由调速电动机直接驱动的主传动：

这种主传动方式大大简化了主轴箱与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度。但主轴输出扭矩小，电动机转动时发出的热量对主轴的精度影响比较大。在低于额定转速时为恒转矩输出，高于额定转矩时为恒功率输出。使用这种电动机可实现电气定向。我们把机床主轴驱动与一般工业的驱动相比较，便可知机床要求其驱动系统有较高的速度精度和动态刚度，而且要求具有能连续输出的高转距能力和非常宽的恒功率运动范围。随着功率电子，计算机技术，控制理论，新材料和电动机设计的进一步发展和完善，矢量控制交流主轴电动机驱动系统的性能已经达到甚至超过了直流电动机驱动系统，交流主轴驱动系统正在逐步取代直流系统。

第3章 主轴电动机的选取

正确选择电动机的类型、型号及容量是机床设计的重要问题之一，它直接影响着机床的结构和寿命，选择时要根据机床的功能要求，所设计的结构，工作状况等全面考虑，然后选择适宜的结构型式及容量。

图3-1主轴电动机

电动机功率的选择：工作机所需的有效功率为：Pw=Fv/1000=17.5kw,为了计算电动机所需的功率，先要确定从电动机到工作部件的总效率η，设η1、η2、分别为同步带轮和同步带的传动效率，查表所得η1和η2都等于0.97。则传动的总效率为η=η1×η2=0.94， 所以电动机所需的功率为Pd=Pw/η=18.5KW

电动机传速的选择:此次设计要求电动机必须有额定转速1500r/min,最高转速必须达到4000r/min.

电动机型号的选取：根据设计要求，本次设计中选取兰州电机厂生产的1PH5167-4CF4型号交流主轴电动机。

其主要参数如下表：

表3-1

额定最高额定惯性电恒转速（r/min） 1500 转速(r/min) 6000 转矩 矩(N.M) 机功率(KW) 功率范围 117.7 0.046 18.5 1:90

第4章 同步带传动设计与计算

同步带传动，综合了带、链和齿轮传动的优点，带的工作面呈齿形,与带轮的的齿槽作啮合传动，使主、从带轮间作无滑差的同步运动，其特点是传动比准确，对轴作用力小，结构 紧凑，耐油耐磨损，抗老化性能好，传动效率可达99.5%，传动功率从几瓦到数百千瓦，传动比可达10，线速度可达40m/s以上。

此次设计选用梯形同步带，它靠齿啮合传动，速比准确，传动效率高，初张紧力最小，轴承承受压力最小，瞬时速度均匀，单位质量传递的功率最大，与链和齿轮传动相比，噪声小，不需要润滑，传动比、线速度范围大，传递功率大，而冲击振动较好，维修简单，经济。广泛用于各种机械传动中。

4.1、材料选择：

根据设计要求，选用聚氨酯同步带，由带背、带齿、抗拉层三部分组成。带背和带齿材料为聚氨酯，抗拉层采用钢丝绳，适用于中小功率的高速运转部分。

4.2、参数计算：

设计计算的内容主要是：齿形带的模数、齿数、和宽度的结构和尺寸，传动中心距，作用在轴上载荷以及结构设计。 4.2.1、模数的选取：

模数主要根据齿形带所传递的计算功率Pd和小带轮转速n1确定的，通过查《现代数控机床》表4-33查得Pd=KA*P, 式中P———传动功率

表4-1

一天运转时间/h 载荷性质 ≤10 载荷平稳 载荷变化小 载荷变化大 1.0 1.2 1.4 10～16 1.1 1.4 1.7 16以上 1.2 1.6 2.0 选取KA=1.7，所以PC=5.5×1.7=9.35KW 由齿形带模数选用图可选m=4

4.2.2、小带轮齿数Z1:由《机械传动装置设计手册》表8-38 得Zmin=22,所以取Z1=24

4.2.3、同步带节距Pb:由 PD=9.35KW n1=1500r/min, 查表选取节距Pb=12.566mm, 齿形角2β=40。 齿根厚S=5.75mm。齿顶厚St=4mm, 齿高hg=ht+e=2.4+2.7=5.1mm, 齿根圆半径Rr=齿顶圆半径Ra=0.40mm, 带高hs=4.4mm, 节顶距δ=1.000mm, 带bs=35～40mm. 4.2.4、节圆直径d1:d1=

=96㎜ 4.2.5、大带轮齿数z2与直径：z2=iz1=36 4.2.6、大带轮直径d2=id1=1.5×96=144㎜ 4.2.7、带的速度V:V=

pbz1d1n1601000=7.536， (式

4-1)

由表查得

Vmax=35～40 V所以：0.7（96+144）≤a0≤2(96+144) 则有168≤a0≤480 初选a0=300 4.2.9、带的节线长度Lp以及齿数Zb：

Lp0=2a0+(d1+d2)+

4-2）

2(d2d1)2304=2300+×240+=978.72 （式

242204a0查表选取Lp=1005㎜ Zb=80

4.2.10、计算中心距a（采用中心距可调）

a≈a0+

LpLp0753.98724.07=300+（式313.36㎜ 224-3）

选取a=314㎜

4.2.11、带轮与带的啮合齿数Zm：

Zm≈

Z2[1(Z2Z1)（式4-4）

10a]=11.82 取Zm=12 因为当m≥2时，Zm应不小于6 ，所以计算的Zm满足条件。 4.2.12、带宽bs:

bs≥PdKz(FaFc)V103 查表取Kz=1.20, Fa=20N/mm 4-5）

Fc=mbV2=4.8×10-3 ×7.5362=0.273 所以 bs≥

9.351.20(200.273)7.53610339.12㎜选取bs=40㎜

4.2.13、作用与轴上的力Fr：

Fr=PdV1039.357.5361031240.7N 4-6）

4.2.14、小带轮最小包角ɑ：

α≈180º-60º（d2-d1）/a=180。-60。（144-96）/314=170.8。 5.2.15、带轮宽度bf, bf1, bf2 bf=bs+(1.5～3)=41.5～43 bf1=bs+(6～7)=46～47

（式

（式bf2=bs+(3～5)=43～45

第5章 主轴组件的设计

主轴组件主要包括：主轴、主轴支撑和安装在主轴上的传动件、密封件等，因为主轴带动工件或刀具直接参加工件表面形成运动，所以它的工作性能对加工质量和生产率产生直接影响，是机床最重要的部件之一。

5.1.主轴组件的设计要求：

主要体现在如下方面： 5.1.1回转精度：

主轴组件的回转精度,是指主轴的回转精度。当主轴做回转运动时，线速度为零的点的连线称为主轴的得回转中心线。回转中心线的空间位置，每一瞬间都是变化的，这些瞬间回转中心线的平均空单位转移不为理想回转中心线。瞬时回转中心线相对于理想回转中心线在空间位置的距离，就是主轴的回转误差，而回转误差的范围，就是主轴的回转精度。纯径转误差、角度误差和轴向误差，它们很少单独存在。当径向误差和角度误差同时存在构成径向跳动，而轴向误差和角度误差同时存在构成端面跳动。由于主轴的回转误差一般都是一个空间旋转矢量，它并不是在所有的情况下都表示为被加工工件所得的加工形状。主轴回转精度的测量，一般分为三种静态测量、动态测量和间接测量。目前我国在生产中沿着传统的静态测量法，用一个精密的检测棒插入主轴锥孔中千分表触头触及检测棒圆柱表面，以低速转动主轴进行测量。千分表最大和最小的读数差既认为是主轴的径向回转误差。端面误差一般以包括主轴所在平面内的直角坐标系的垂直度，数据综合表示。动态测量是用一标准球装在主轴中心线上，与主轴中心线上，与主轴同时旋转；在主轴同时旋转；在工作台上安装两个互成90度角的非接触传感器，通过仪

器记录回转情况。间接测量是用小的切削量用小的切削量回工有色金属试件，然后在圆度仪上测量试件的圆度来评价。出厂时，普通级加工中心的回转精度用静态测量法测量，当L=300mm时允许误差应小于0.02㎜。造成主轴回转误差的原因主要是由于主轴的结构及其加工精度、主轴轴承的选用及刚度等，而主轴及其回转零件的不平衡，在回转时引起的激振力，也会造成主轴的回转误差。因此加工中心的主轴不平衡量要控制在0.4㎜/s以下。 5.1.2、主轴刚度：

主轴组件的刚度是指受外力作用时，主轴组件抵抗变形的能力。通常抵以主轴前端产生单位位移时，在位移方向上所施加的作用力大小来表示。主轴组件的刚度越大，主轴受力的变形就越小。主轴组件的刚度不足，在切削力及其他力的作用下，主轴将产生较大的弹性变形，不仅影响工件的加工质量，还会破坏齿轮、轴承的正常工作条件，使其加快磨损，降低精度。主轴部件的刚度与主轴结构尺寸、支撑跨距、所选轴承类型及配置形势、砂间隙的调整、主轴上传动元件的位置等有关。 5.1.3、主轴抗振性：

主轴组件的抗振性是指切削加工时，主轴保持平稳的运转而不发生振动的能力。主轴组件抗振性及在必要时安装阻尼（消振）器。另外，使主轴固有频率远远大于激振力的频率。 5.1.4、主轴温升：

主轴组件在运转中，温升过高会起两方面的不良结果：一是主轴组件和箱体因热膨胀而变形，主轴的回转中心线和机床其他件的相对位置会有变化，直接影响加工精度；其次是轴承等元件会因温度过高而改变已调好的间隙和破坏正常润滑条件，影响轴承的正常工作。严重时甚至会发生：“抱轴”。数控机床在解决温升问题时，一般采用恒温主轴箱。 5.1.5、主轴的耐磨性：

主轴组件必须有足够的耐磨性，以便长期保持精度。主轴上易磨损的地方是刀具或工件的安装部位以及移动式主轴的工作部位。为了提高耐磨性，主轴的上述部位应该淬硬，或者经过氮化处理，以提高硬度增加耐磨性。主轴轴承也需要有良好的润滑，提高其耐磨性。

以上这些要求，有的还是矛盾的，例如高刚度和高速，高速和高精度等，这就要具体问题具体分析，例如设计高效数控机床的主轴组件的主轴应满足高速和高刚度的要求；设计高精度数控机床时，主轴应满足高刚度、低温升

的要求。同时，主轴结构要保证个部件定位可靠，工艺性能好等要求。 5.1.6、提高主轴组件抗振性的措施：

尽量缩短主轴前轴承结构的长度， 适当增大跨矩；尽量提高前轴承的刚度和阻尼；提高前轴承的精度，把推力轴承放在前支撑初可提高抗振性；对高速旋转的零件作静、动平衡，提高齿轮、主轴的制造精度都可适当减少强迫振动源；对于非连续切削过程的铣削，滚削等加装飞轮可减少振动；应用阻尼器消耗振动能量是有效的措施；考虑系统的固有频率，避免共振。

5.2、减少主轴组件热变形的措施：

把热源移至机床以外。

改善主传动的润滑条件。如进行箱外循环润滑，用低粘度的润滑油、油雾润滑等，特别注意前轴承的润滑情况。采用冷却散热装置。例如用热管冷却减少机床各部位的温差,进行热补偿。如可以在结构设计采用一些自动补偿的装置设法使热变形朝不影响加工精度的方向发展。还可以在工艺上减少热变形的影响。如先空运转一段时间再加工。把粗、精加工分开等。

5.3、主轴材料的选择及尺寸、参数的计算：

图5-1主轴

主轴是主轴组件的重要组成部分，它的结构尺寸和形状、制造精度、材料、及其热处理，对主轴组件的工作性能都有很大的影响。主轴结构随系统设计要求的不同而有各种形式。

主轴的主要尺寸参数包括：主轴直径、内孔直径、悬伸长度和支撑跨距。

评价和考虑主轴的主要尺寸参数的依据使主轴的刚度、结构工艺性和主轴组件的工艺适应范围。 主轴直径

主轴直径越大，其刚度越高，但使得轴承和轴上其他零件的尺寸相应增大。轴承的直径越大，同等级精度轴承的公差值也越大，要保证主轴的旋转精度就越困难。同时极限转数下降。主轴后端支撑轴颈的直径可视为0.7～0.8的前支承轴颈值，实际尺寸要在主轴组件结构设计时确定。前、后轴颈的差值越小则主轴的刚度越高，工艺性能也越好。 主轴内孔直径

主轴的内孔用来安放棒料、刀具夹紧装置固定刀具、传动气动或液动卡盘等。主轴孔径越大，可通过的棒料直径也越大，机床的适用范围就越广，同时主轴部件的相对重量也越轻。主轴孔径的大小主要受主轴刚度的制约。主轴的孔径与主轴的直径之比，小于0.3时空心主轴的刚度几乎与实心主轴的刚度相当；等于0.35时，空心主轴的刚度为实心主轴刚度的90%；大于0.7时空心主轴的刚度急剧下降。一般可取其比值为0.5左右。

根据设计要求，此设计选用的主轴材料是45#钢。其热处理及参数如下表

表5-1

许抗拉强度极限 屈服强度极限σs 弯曲疲劳极限σ-1 剪切疲劳极限τ-1 用弯曲应力[σ-1] 材料 热处理 硬度（HBS） 调 45 质、渗氮 因为选用的主轴电机功率为P=18.5KW，额定转速nc=1500r/min

217～255 640 355 300 155 60 所以主轴功率

p=pc/η1η2η3=因为主轴是空心转轴，所以

18.5=9.67 kw (式5-1)

0.980.970.98 d1=21.68 ×3M2(T)21.

1314 （式5-2）

查表得

1314=1.23 所以d1=21.68×1.2321.23=56.6㎜

又因为此处轴上有一个键槽，所以d1=d×(1+5%)=59.45㎜ 取d1=60㎜;d2=d1+2a,a为轴肩高度，用于轴上零件的定位和固定，故a值应该稍微大于毂孔的圆角半径或倒角深，通常取a≥（0.07～0.1）d1；d2应符合密封件的孔径要求。 所以 d2=63mm

d3=d2+5～8mm=72mm。 d4=d3+1～5mm=74mm。 d5=d4+1～5mm=78mm。

d6=d5+2a。a≥(0.07～0.1)d1 所以d6=80mm。 根据选用的轴承确定d7=98mm

主轴的疲劳强度安全系数校核，危险截面安全系数s的校核计算： s=

ssss22≥[s] （式5-3）

s____________只考虑弯距作用的安全系数；

sτ____________只考虑扭距作用是的安全系数； [s] ____________许用安全系数；

1s在此查表所得[s]=1.3～1.5；sσ= k

kmm1查表得出σ-1=270Mpa

τ-1=155Mpa kσ=1.71 kτ=1.44 β=1.6 εσ=0.78 ετ

d3M(14) =0.74，ψσ=0.3，ψτ=0.21，σα=， σm=σα M=322Wd0d3(14) Wp=16d所以：s=

sss2s2=1.08<[s]=1.3～1.5

所以主轴设计符合要求。 主轴的轴端结构

主轴的轴端是用于安装夹具和刀具。要求夹具和刀具在轴端定位精度高、定位好、装卸方便，同时使主轴的悬伸长度短。数控铣床的主轴端部结构，一般采用短圆锥法兰盘式。 轴主要精度指标

前支承轴承轴颈得同轴度约为5µm左右；轴承轴颈需要按轴承内孔“实际尺寸”配合，并且需要保证配合过盈1µm～5µm；锥孔与轴承轴颈得同轴度为3µm～5µm，与锥面的接触面积不小于80%，且大端接触较好；装圆柱滚子轴承与轴承内圈的接触面积应该不小于85%。 主轴动态特性的改善

改善主轴动态特性的措施有以下几个方面： 使主轴组件的固有频率避开激振力的频率

通常应该使固有频率高于激振力频率的30%以上。如果发生共振的那阶模态属于主轴在弹性基础上（轴承）的刚度振动则应提高轴承的刚度。如果属于主轴的弯曲振动，则应提高主轴的刚度，如加粗直径。激振力可能来自主轴组件的不平衡，这时激振频率等于主轴转速乘以π/30。也可能来自断续切削，这时激振频率还应该乘以刀齿数z。 增大阻尼

如前面所述，低阶模态常是主轴的刚体振动。这时主轴轴承，特别是前轴承的阻尼对主轴组件的抗振性影响很大。如果要求得到很光的加工表

面，主轴又是水平的，可用滑动轴承。滚动轴承适当预紧可以增大阻尼，但过大的预紧反而使阻尼减少，故选择预紧时还应该考虑阻尼的因素。 采用三支承

如主轴后端悬深很长，可增加辅助支承，成为三支承主轴。辅助支承可用深沟球轴承，保留游动间隙。辅助支承的作用，与其说是提高刚度，不如说是为了提高抗振性。

5.4、主轴传动装置箱体的作用：

通过传动轴承支撑传动件的轴；存储润滑剂，实现传动件和轴承的润滑；密封作用，减少环境不良因素；保护机器操作者的人身安全，避免伤亡事故。

5.5、主轴箱体的截面形状和壁厚计算：

传动装置箱体的典型纵截面形状为矩形或圆形。箱体壁厚N的计算:

N=2lbh23mm （式5-4）

3000

第6章 主轴轴承的选择：

主轴轴承是主轴组件的重要组成部分，它的类型、结构、配置、安装、调整、润滑和冷却都直接影响了主轴组件的工作性能。在数控机床上主轴轴承常用的有滚动轴承和滑动轴承两大类。

滚动轴承摩擦阻力小，可以预紧，润滑维护简单，能在一定的转速范围和载荷变动范围下稳定的工作。滚动轴承由专业化的工厂生产，选购维修很方便，在数控机床上被广泛采用。但与滑动轴承相比，滚动轴承的噪声大，滚动体数目有限，刚度是变化的，抗振性略差，并且对转速有很大的限制。数控机床主轴组件在可能条件下，尽量使用了滚动轴承，特别是大多数立式主轴和主轴装在套筒内能够作轴向移动的主轴。这时用滚动轴承可以用润滑脂润滑以避免漏油。滚动轴承根据滚动体的结构的不同可分为球轴承、圆柱轴承、圆锥滚子轴承三大类。

6.1、轴承的选择和轴承的精度

轴承的选择原则有以下几点：满足承载能力和刚度要求；满足精度要求；满足转速要求；适应机构的要求。

本次设计中选用了的轴承是角接触轴承和双向推力向心球轴承。角接触轴承可以同时承受径向载荷和轴向载荷的联合作用，其轴上载荷能力的大小，随接触角的增大而增大；轴承的精度，分为2、4、5、6、0五级。其中2级最高，0级为普通精度级。主轴轴承以4级为主。高精度主轴可用P2级。要求较低的主轴或三支撑主轴的辅助轴承可用P5级。P6级和P0级一般不用。

6.2、轴承预紧力的要求:

因为预紧力提高刚度有一定的效果,这是与线接触的滚子轴承不同的。点接触的球轴承，应在温升允许的条件下，尽量用较高的预紧力。

在轴向力的作用下，不受力测轴承的滚动体与滚道不配时为最大轴向载荷的35%；三联组配时为24%。

6.3、主轴轴承的润滑与密封：

主轴的密封有接触式密封和非接触式密封，主轴轴承的润滑与密封是机床使用和维护过程中值得重视的两个问题。良好的润滑效果可以较低轴承的工作温度和延长使用寿命。密封不仅要防止灰尘屑末和切削液进入，还要防止润滑油的泄漏。

数控机床上，主轴轴承润滑方式有：油脂润滑、油液循环润滑、油雾润滑、油气润滑等方式。此次设计选用的是油脂润滑方式。主轴的润滑状态可分为流体润滑状态和非流体润滑状态两大类，流体润滑状态又可分为边界润滑状态和干摩擦润滑状态。除上述外，还常见有混合润滑状态，即流体润滑状态和边界润滑状态同时存在。

油脂润滑方式： 是目前在数控机床的主轴轴承上最常用的润滑方式，特别是在前支承轴承上更是常常用到。当然，如果主轴箱中没有冷却润滑油系统，那么后支承轴承和其他轴承，一般采用油脂润滑方式润滑。

油液润滑方式： 在数控机床主轴上，有采用油液循环润滑方式的。装有CA-MET轴承的主轴，即可使用这种方式润滑，对一般主轴轴承，后支承上采用这种方式润滑比较常见。不过在用油液润滑角接触轴承的时候，要注意角接触轴承有泵油效应，必须使油液从小口进入。

油雾润滑方式： 油雾润滑方式是将油液经高压气体雾化后从喷嘴成雾状喷出倒需要润滑的部位达到润滑目的的方式。由于雾状油吸热性好，又无油液搅拌作用，所以常用于高速主轴轴承的润滑。但是，油雾容易吹出，污染环境。

油气润滑方式： 油气润滑方式是针对高速主轴而开发的新型的润滑方式。它是用极微量的油（约0.03㎝3）润滑轴承，以抑制轴承发热。油箱中的油位开关和管路的压力开关，确保在油箱中无油或者压力不足的时候，能自动启动切断主电动机电源。

轴承间隙调整和预紧 主轴轴承的内部间隙，必须能够调整。多数轴承，还应在过盈状态下滚动体与滚道之间有一定的预变形，这就叫做轴承的预紧。工作，使

轴承预紧后，内部无间隙，滚动体从各个方向支承主轴，有利于提高运动精度。滚动体的直径不可能绝对相等，滚道也不可能绝对正圆，因而预紧前只有部分滚动体与滚道接触。预紧后，滚动体和滚道都有了一定的变形，参加工作的滚动体将更多，各滚动体的受力将更为均匀。这些都有利于提高轴承的精度、刚度和寿命。如主轴产生振动，则由于各个方面都有滚动体支承，可以提高抗振性。但是，预紧将使轴承寿命下降，故预紧要适量。

6.4、选取轴承：

所选轴承主要尺寸参数如下表：

表6-1

图6-1角接触轴承

普通角接触轴承： 这种轴承可承受轴向载荷。

图6-2 圆柱滚子轴承

表6-2

表6-3

图6-3双向推力球轴承

6.5、轴承寿命校核：

主轴轴承通常载荷相对较轻,除一些特殊的重载主轴外,轴承的承载能力是没有问题的。主轴轴成的寿命，主要不是取决于疲劳点蚀，而是因为磨损而降低精度。通常，如轴承精度为P4级，经使用导致磨损后跳动精度降至P5级时，这个轴承就不能满足加工精度要求了。应该更换了。虽然还远未达到其疲劳寿命，但是这种“精度寿命”目前还难以估算准确。

所选轴承按照每天两班工作制，每班工作8小时，预计使用五年。则T=16×365×5=29200h 根据轴承寿命校核公式： Lh=500(Lh----轴承寿命。 T----滚动轴承许用寿命。

Cfn)T （式7-1）

KAKHPKnKLPC----滚动轴承额定动负荷。 fn----速度系数fn=10000.281 3ncε----寿命指数。 对球轴承ε=3；对滚子轴承ε=10/3。 KA----使用系数。查表去KA=1.2. Kn----转速变化系数，查表的Kn=0.89。 KL----齿轮轮换工作系数，查表取KL=0.8. P----当量动载荷。 所以根据公式计算得：

38.40.281Lh=50046013.8h>T

1.20.850.890.83.28因为轴承使用寿命远大于轴承预期的寿命所以轴承合格的。

36.6、轴承座孔的设计要求：

箱体壁上有安装轴承的轴承座孔，通常轴承座孔宽度均大于壁厚，而且，孔的两端面往往需要机械加工，壁厚则不需要加工，故在箱壁单侧或者双侧制造出凸台，凸台可以增强主轴箱体的局部刚度，但D/d小于或等于2时，增强效果较为明显。由于结构的原因，h/t>2的情况下，为改善凸台的局部刚度，应该设有加强肋。

第7章 联接键的选择和碟形弹簧的选择与计算

键的类型可根据联接的结构特点，使用要求和工作条件选择，键截面尺寸通常根据轴的直径，从标准中选取，对于某些特殊情况（如阶梯轴）在保证传递所需的转矩的条件下，允许选用较标准规定小一挡的截面尺寸，有时候由于工艺和强度原因，也可以选用较标准规定尺寸大一挡的键，键的长度按轮毂长度而定，即键的长度等于略短于轮毂的长度，而导向平键就的按轮毂的长度及滑动距离而定，键的长度应该符合标准规定的长度系列。

根据设计尺寸和GB/T1096-1979选普通平键联接，键的公称尺寸是b×h×L=10×8×(28～36)，材料选取45号钢。

7.1碟形弹簧的选择与计算

碟形弹簧它是一种用钢板冲压的截面锥形压缩弹簧，其特点是：

图7-1碟形弹簧

7.1.1、刚度大，用于负荷大，轴向空间要求小的地方。

7.1.2、具有变刚度特性，适应范围广，根据其极限变形量h0和弹簧板厚度t不同，可有各种不同的特性曲线和承载能力。

7.1.3、在工作过程中，碟片之间有摩擦损失，加载和卸载时的特性曲线不重合，吸振能力强，制造维修方便。

根据设计要求，选用A系列碟形弹簧。采用对合组合方式安装。

7.2、碟形弹簧材料及热处理、厚度和脱碳。

碟形弹簧材料为60Si2MnA，碟簧成型后，进行淬火，回火后的硬度必须在HRC42～45范围内单面脱碳层深度，对于厚度小于1.25mm的第一类碟形弹簧，不得超过其厚度的5%，对于厚度不小于1.25mm的碟形弹簧，不超过其厚度的3%（其最小值允许为0.06㎜）。

7.3、碟形弹簧的强压处理：

碟形弹簧应全部进行强压处理，处理方法为：一次压平，持续时间不少于12h，或者进行短时压平，压平次数不小于5次，压平力不小于二倍的Pf=0.75h0,强化处理后自由高度应稳定。

7.4、表面强化处理和防腐处理：

对于受变负荷的碟形弹簧，内锥面推荐表面作强化处理，例如喷丸处理等，根据需要，碟形弹簧表面进行防腐处理（如磷化、氧化、镀锌等），经电镀后的碟形弹簧，必须进行去氢处理，不过对受变负载的碟形弹簧应该避免采用电镀方法处理。

其主要设计参数如下：D=50 d=25.4 t=3 h0=1.1 H0=4.1 P=12000N f=0.83 H0-f=3.27 σM=-1250N/㎜2 σⅡ =1430 N/㎜2 Q=34.30kg/1000件

D/t≈18 h0=0.4 E=206000N/㎜2 μ=0.3 K4=1 C=2 压平弹簧的负载：

PC=

4Et3h0（式7-1）

12K2K48410N 21DC12 K1=1CC12=0.69， C1lnCP/Pc=5000/8410=0.59 因为h0/t=0.4 (查表所得) 所以

fh0.57 0h0=0.51 所以对合组合的片数为I=

fZf60.5111.76 取12片. 未受负载的高度是HZ=i.H0=22×3.15=69.3 受负载时的高度H1=HZ-if=69.3-22×0.51=58.08 压平弹簧时(f=h0)M点的应力

σM=4Et2f312K2•K41Dt1350此数据与60Si2MnA的屈服极限1400接近 碟形弹簧的刚度

式7-2）f=0.57×式7-3） （

（ 2h02h0f3f4Et322P=K4K431=9015.53N 22tt2t1K1Dt（式7-4）

第8张 螺钉联接的设计

设计要求：

1.螺钉的布置一般对称形式，并应该根据结构和力流方向使螺钉受力合理，加工与安装方便。

2.形心与结合面的形心应该重合。

3.用铰制孔螺钉（受剪切螺钉）承受横向载荷时，沿力流方向的螺钉应不多于6个。

4.一组螺钉的直径和长度应该尽量相同。 5.一组螺钉中每个螺钉的预紧力应该相同。

6.钉中心线间的最小距离t=（1.5～2.0）s，s为六角螺母的对边宽度，最大距离与联接用途有关。

7.该满足拧螺钉时需要的最小扳手空间。 8.校核计算时只计算受力最大的螺钉。 六角头头部带槽螺钉：

图8-1六角头头部带槽螺钉

8.1、根据设计要求计算：

选用M6和M8两种螺钉，其中M6型号螺钉主要尺寸参数为：b=24, dk=9.78～10, K=3.9, t=2, B=4.15, l=10～60,精度等级为8.8级。

M8型号螺钉主要尺寸参数为：b=28, dk=12.73～13, K=5, t=2.6, B=5, l=12～80， 精度等级为8.8级。

8.2、螺钉的强度计算与校核：

承受横向载荷和轴向载荷的普通螺钉的校核M6螺钉

校核公式：4×1.3F0/(πd1)2≤[б], 96.32≤[б]=106.2所以合格。

设计公式：d1≥[4×1.3F0/π[б]1/2 =5.96 式中 (d1是螺钉的螺纹小径，[б]是螺钉的许用拉应力)

第9章 液压缸的设计

设计液压缸时，要在对液压系统工作情况分析的基础上，根据液压缸在机构中所要完成的任务来选择液压缸的结构形式，然后按负载、运动要求、运动要求、最大行程等确定主要尺寸，进行强度、稳定性和缓冲验算，最后进行具体的结构设计。

此次设计选用的是双杆活塞式液压缸，这种液压缸是缸筒固定的双杆活塞缸，活塞的两侧的活塞杆直径相等，它的进油口和出油口位于缸筒的两端，当工作压力和输入流量向同时，两个方向上的推力和速度是相等的。

图9-1 液压缸

9.1.液压缸安装时应注意的问题：

9.1.1液压缸的基座必须有足够的刚度，如果按装基座不够坚固，加压时，缸筒将会呈弓形和向上翘起，致使活塞杆弯曲或折损，还有得就是尽量使活塞杆在受拉力状态下能够承受最大负载，或在受压状态下活塞杆具有良好的纵向稳定性。

9.1.2液压缸轴向两端不要固定死， 因为液压缸热膨胀等因素，会在轴向伸缩，假若两端固定死，将会使液压缸的整体向上弯曲，而导致个部分变形，当活塞移动时，会产生阻滞现象，活塞和活塞杆的导向套等表面产生不均匀的磨损等不良现象，所以必须避免这种安装方法。

9.1.3安装前，先要检查加工零件上有无毛刺或锐角；装入密封件时，要用高熔点润滑油；正确安装，搞清安装方向；注意密封件的挤出和拧扭； 密封圈要顺利的通过螺纹或孔口。

9.2.液压缸各部分的结构及主要尺寸的确定：

尽可能按推荐的结构形式和设计标准进行设计，尽量做到结构简单、紧凑、加工、装配和维修方便。

正确确定液压缸的安装和固定方式。考虑液压缸的热变形，它只能一端固定。

缸筒内径D： 根据负载大小和选定的工作压力，或运动速度和输入流量计算，再参考GB2348-80标准选取缸筒内径D=78.5mm

活塞杆直径d： 按工作时受力情况，参考GB3458-80标准确定d=27mm 钢筒长度L: 根据最大工作行程确定L=126mm

9.3.强度校核

对于液压缸的缸筒壁厚δ活塞杆直径d缸盖处固定螺钉的直径，在高压系统中，必须进行强度校核。

筒壁厚δ，在中、低压液压系统中，缸筒壁厚往往由结构工艺要求决定，一般不要校核。在高压系统中，须按下列情况进行校核。

当D/δ>10时为薄壁，δ可按下式校核，δD----缸筒的内径

py----试验压力，当缸的额定压力pn≤16Mpa时，取 py=1.5pn；pn>16Mpa

pyD2 = 23mm 式中

时，取py=1.25

[σ]----缸筒材料的许用应力, [σ]=σb/n, σb为材料抗拉强度,n为安全系数,一般取n=5。

活塞杆直径d的校核 d4F=26.66mm （式9-1）

式中F----活塞杆上的作用力。

[σ]----活塞杆上的许用应力，[σ]= σb/1.4

第10章 密封件设

10.1、密封件的作用及其意义：

在液压与气压系统及其元件中，安置密封装置和密封的作用，在于防止工作介质的泄漏及外界尘埃和异物的侵入。设置于密封装置中、起密封作用的元件称为密封件。

液压与气压传动工作介质，在系统及元件的容腔内流动或暂存时，由于压力、间隙、黏度等因素的变化，而导致少量工作介质越过容腔边界，由高压腔或外界流出，这种“越界流出”现象就叫做泄漏。泄漏分为内泄漏和外泄漏两类。内泄漏指在系统或元件内部工作介质由高压腔向低压腔的泄漏；外泄漏则是由系统或元件内部向外界的泄漏。单位时间内泄漏的工作介质的体积称为泄漏量。

对于液压传动系统，内泄漏会引起系统容积效率的急剧下降，达不到所需的工作压力，使设备无法正常运转；外泄漏则造成工作介质的浪费和环境的污染，甚至引发设备操作失灵和人身事故。

因此，正确和合理的使用密封件事液压系统正常运转的重要保证。

10.2、密封的分类及密封件的材料要求：

密封的作用是阻止泄漏。造成泄漏的原因主要有两方面：一是密封面上有间隙；二是密封部位两侧存在较大压力差。消去或减少任一因素都可以阻止或减少泄漏。因此，密封的方法通常有：封住结合面的间隙；切断泄漏通

道；增加泄漏通道中的阻力；设置做功元件，对泄漏介质造成的压力，以抵消或平衡泄漏通道的压力差。所以，密封的分类存在多种方法。

用于制造密封件的材料主要有橡胶（如丁晴橡胶、聚氨酯橡胶、硅橡胶等）、塑料（如四氟乙烯、聚酰胺、聚甲醛等），以及皮革、金属等。密封件的材料应满足密封功能的要求。由于被密封工作介质以及设备工作条件的不同，密封件材料具有不同的适应性。

密封材料应具用的一般要求：1.材料密实，不易泄漏工作介质；2.对工作介质有良好的适应性和稳定性；有适当的机械强度和硬度，受工作介质的影响小；3.压缩性和复原性好，永久变形小；4.温度适应性好，高温下不软化、不分解，低温下不硬化，不脆裂；5.摩擦系数小，耐磨性好；6.抗腐蚀性能好，能在工作介质中长期工作，其体积和硬度变化小；7.与密封面贴合的柔软性和弹性好；8.耐臭氧性和耐老化性好，使用寿命长；9.加工性能好，价格低廉；

显然，能同时满足上述所有要求的密封材料是不易求得的，但密封性能优越的材料应能够满足上述大部分的要求。

10.3、防尘圈设计要求：

在液压缸中，防尘圈被设置于或活塞杆或柱塞运动期间，外界尘埃、沙粒等异物侵入液压缸，从而引起密封圈、导向环和支撑环等损伤和早期磨损，并污染工作介质，导致液压元件损坏。

结论

此次毕业设计所设计的题目是“数控铣床主轴箱结构设计”通过这次设计，我对数控技术的发展现状有了一个全面地了解，了解了数控技术在现在以及以后机械工业中所起的作用，明白了数控技术的在以后工业的发展中所扮演的角色。为自己今后更好的学习数控技术指明了方向。

通过这次毕业设计，使我对大学期间所学的知识，进行了融会贯通，有了一个全新的认识，对以前许多不太清楚的地方，通过问老师和查资料的方法，已经明白了很多，知道了自己以前学习的不足，所以以后应该更加努力。

此次设计，我认为最重要的就是使我明白了，无论做什么事情，要想做好，必须态度端正；要善于学习，时刻学习；做事要严谨、认真，细致、不

怕吃苦，还要有创新精神。

致谢

本论文是在陈志亮老师的悉心指导和热情关怀下完成的。但是时间总是过的很快，转眼间大专生活即将在这次艰辛又充满乐趣的毕业设计中结束。在整个设计过程中，我充分领略到了“书上得来终觉浅，要知此事要躬行”这句话的深刻哲理。

这次毕业设计能够顺利完成，是由于指导老师陈志亮如同黑夜的指明灯一样给我指明了方向，在这里我深深地感谢陈志亮老师的悉心指导。正是由于有陈老师的指导，我的毕业设计才能顺利进行下去，他的工作精神和对学生的严格要求与细心指导，让我非常感动。在此我对陈老师对我的帮助，表示最深的感谢。

同时，对所有帮助我完成毕业设计的老师和同学表示感谢。

这次设计，不仅使我学到了数控技术方面的知识，更让我认识到“书到用时方恨少”的道理，端正了我的学习态度，对我以后工作起到了至关重要的作用。

通过这次设计，我对大学所学的知识进行了一次全面的总结和应用。初步了解了整个机械设计的过程，学会了怎样利用有关资料和手册去获得所需的数据，更重要的是，在这次设计中，我明白了，无论做什么事情都必须严谨，认真，不能有丝毫马虎，要有吃苦耐劳的精神。

大学生活即将结束，我马上就要步入社会，我将更加努力，把自己培养成对社会有用的人才

参考文献

(1)、《机械设计手册》 成大先 化学工业出版社 (2)、《机械设计与制造简明手册》 唐保宁 同济大学出版社 (3)、《机械设计》 许菊若 化学工业出版社 (4)、《数控机床维修技术手册》 孙汗卿 机械工业出版社 (5)、《机械工程英语》 陈统坚 机械工业出版社 (6)、《机械设计图册》 成大先 化学工业出版社 (7)、《机械设计手册》 (8)、《机械零件设计手册》 (9)、《机械工程师手册》 (10)、《现代数控机床》 (11)、《数控原理与系统》 (12)、《液压与气压传动》 (13)、《公差与配合技术手册》

成大先 化学工业出版社 吴宗泽 机械工业出版社赵明生 机械工业出版社王爱玲 国防工业出版社 李宏胜 机械工业出版社 王积伟 机械工业出版社 唐锡杰 机械工业出版社

附录附件图纸

铣床主轴箱装配图

数控铣床主轴

大同步带轮

小同步带轮

数控铣床卡爪