数控机床主轴设计

绪论

随着市场上产品更新换代的加快和对零件精度提出更高的要求，传统机床已不能满足要求。数控机床由于众多的优点已成为现代机床发展的主流方向。它的发展代表了一个国家设计、制造的水平，在国内外都受到高度重视。

现代数控机床是信息集成和系统自动化的基础设备，它集高效率、高精度、高柔性于一身，具有加工精度高、生产效率高、自动化程度高、对加工对象的适应强等优点。实现加工机床与生产过程的数控化，已经成为当今制造业的发展方向。可以说，机械制造竞争的实质就是数控技术的竞争。

本课题的目的和意义在于通过设计中运用所学的基础课、技术基础课和专业课的理论知识，生产实习和实验等实践知识，达到巩固、加深和扩大所学知识的目的。通过设计分析比较机床的某些典型机构，进行选择和改进，学习构造设计，进行设计、计算和编写技术文件，达到学习设计步骤和方法的目的。通过设计学习查阅有关设计手册、设计标准和资料，达到积累设计知识和提高设计能力的目的。通过设计获得设计工作的基本技能的训练，提高分析和解决工程技术问题的能力，并为进行一般机械的设计创造一定的条件。

一、设计题目与参数

1.1 题目

本设计的题目是数控车床的主轴组件的设计。它主要由主轴箱，主轴，电动机，主轴脉冲发生器等组成。我主要设计的是主轴部分。

主轴是加工中心的关键部位，其结构优劣对加工中心的性能有很大的影响，因此，在设计的过程中要多加注意。主轴前后的受力不同，故要选用不同的轴承。

1.2参数

床身回转空间400mm

尾架顶尖与主轴端面距离1000mm

主轴卡盘外径Φ200mm

最大加工直径Φ600mm

棒料作业能力50～63mm

主轴前轴承内和110～130mm

最大扭矩480N·m

二、主轴的要求与结构

2.1主轴的要求

2.1.1旋转精度

主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷，低转速的条件下，主轴前端工件或刀具部位的径向跳动和轴向跳动。

主轴组件的旋转精度主要取决于各主要件，如主轴、轴承、箱体孔的的制造，装配和调整精度。还决定于主轴转速，支撑的设计和性能，润滑剂与主轴组件的平衡。

通用（包括数控）机床的旋转精度已有标准规定可循。

2.1.2 静刚度

主轴组件的静刚度（简称刚度）反映组件抵抗静态外载荷变形的能力。影响主轴组件弯曲刚度的因素很多，如主轴的尺寸和形状，滚动轴承的型号，数量，配置形式和预紧，前后支撑的距离和主轴前端的悬伸量，传动件的布置方式，主轴组件的制造和装配质量等。

各类机床主轴组件的刚度目前尚无统一的标准。

2.1.3抗振性

主轴组件工作时产生震动会降低工件的表面质量和刀具耐用度，缩短主轴轴承寿命，还会产生噪声影响环境。

振动表现为强迫振动和自激振动两种形式。

影响抗振性的因素主要有主轴组件的静刚度，质量分布和阻尼（特别是主轴前支撑的阻尼），主轴的固有频率应远大于自激振动的频率，以使它不易发生共振。

目前，尚未制定出抗振性的指标，只有一些实验数据可供设计时参考。

2.1.4温升和热变形

主轴组件工作时因各相对运动处的摩擦和搅油等而发热，产生温升，从而使主轴组件的形状和位置发生变化（热变形）。

主轴组件受热伸长，使轴承间隙发生变化。温度使润滑油粘度降低，降低了轴承的承载能力。主轴箱因温升而变形，使主轴偏离正确位置。前后轴承的温度不同，还会导致主轴轴线倾斜。

由于受热膨胀是材料固有的性质，因此高精度机床要进一步提高加工精度，往往受热变形的限制。研究如何减少主轴组件的发热，如何控制温度，是高精度机床主轴组件的研究的主要课题之一。

2.1.5耐磨性

主轴组件的耐磨性是指长期保持原始精度的能力，即精度保持性。对精度有影响的首先是轴承，其次是安置刀，夹具和工件的部位，如锥孔，定心轴径等。

为了提高耐磨性，一般机床主轴上的上述部分应淬硬至HRC60左右，深约1mm.

2.1.6材料和热处理

主轴承载后允许的弹性变形很小，引起的应力通常远远小于钢的强度极限。因此，强度一般不做为选材的依据。

主轴的形状，尺寸确定之后，刚度主要取决于材料的弹性模量。各种材料的弹性模量几乎相同，因此刚度也不是选材的依据。

主轴材料的选择主要根据耐磨性和热处理变形来考虑。普通机床的材料通常是45号或60号优质中碳钢，数控机床需调质处理和淬火。

2.2主轴的结构

为了提高刚度，主轴的直径应该大些。前轴承到主轴前端的距离（称悬伸量）应尽可能小一些。为了便于装配，主轴通常作成阶梯形的，主轴的结构和形状与主轴上所安装的传动件，轴承等零件的类型，数量，位置和安装方法有直接的关系。

主轴中的孔主要用于通过棒料，拉杆或其它工具。为了能够通过更大的棒料，车床的中空希望大些，但受刚度条件的影响和限制，孔径一般不宜超过外径的70%。主轴的结构如（附图1）。

图1

三、主传动系统变速方式

为了适应不同的加工要求，数控机床主传动主要有以下几种配置方式：

（1）带有变速齿轮的主传动。这种方式在大、中型数控机床采用较多。通过少数几对齿轮降速，扩大了输出扭矩，以满足主轴的输出扭矩特性的要求，一部分小型数控机床也采用此种传动方式。以获得强有力的切削时所需要扭矩。数控机床使用可调无级变速交流、直流电动机。所以经齿轮变速后，实现8段无级变速，调速范围增加。其优点是可满足各种切削运动输出转矩，具有大范围调速能力。但是由于结构复杂，需要增加润滑与温度控制装置。成本较高，此外，制造和维修也比较困难。（参图a）

（2）一级带传动变速方式。这种传动方式主要应用在中小型数控机床上。采用V型带或同步带传动，可以避免齿轮传动时可引起的振动与噪声，适用于低扭矩特性要求的主轴。这种方式结构简单，安装方便，调试容易，被广泛用于许多数控机床传动中。（参图b）（3）调速电机直接驱动方式，这种主轴传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高主轴部件的刚度，由于结构紧凑，占用空间少，加工中心的可加工空间相对变大。但是主轴转速的变化与扭矩的输出和电动机输出特性完全一致，电动机的发热对主轴的精度影响大，最好装有冷却装置，否则使用还是受到约束。（参图c）

（4）电主轴直接驱动方式：这种驱动方式其实和（c图）方式差不多，但这种传动方式结构方式更为紧凑，占用空间更小。它主要是将主轴作为电机的转子，箱体壳（与主轴配合箱体壳）作为电机的定子。但是这种电机形式的主轴结构，连带主轴组件都是成套，