立式数控铣床主传动系统设计

2017届本科生毕业设计分类号：TH122题目: 立式数控铣床主传动系统设计

作者姓名：陶诚

学号：

学院：机械与电子工程学院

专业：机械设计制造及其自动化

指导教师姓名：杨权王松

指导教师职称：助教工程师

2017年5月

摘要

本文介绍了立式数控铣床的一些基本概况，叙述了机床主传动系统方面的原理以及类型，分析了各种传动方案的机理。立式数控铣床主传动系统主要包括了主轴电动机、主轴传动系统两部分。

本文详细地介绍了立式数控铣床主传动系统的设计过程，该立式数控铣床主轴变速箱是靠齿轮进行传动的，主轴箱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。另外文中还介绍了立式数控铣床主传动系统各种传动方案优缺点的比较、主传动方案的选择和确定、主传动变速系统的设计计算、主轴组件的设计、轴承的选用及润滑、关键零件的校核以及主轴电动机的控制等内容。

关键词：立式数控铣床；主传动系统；主轴组件；轴承

ABSTRACT

This paper introduces the general situation of the basic vertical CNC milling machine, this paper expounds the principle and type of the machine tool main drive system, analyzes the mechanism of various kinds of transmission scheme.

The main drive system of vertical nc milling machine consists of two parts: main shaft motor and spindle drive system.

Vertical CNC milling machine are introduced in detail in this paper the design process of the main transmission system, the vertical CNC milling machine spindle is by the gear transmission gearbox, spindle box transmission system adopts gear drive, drive mode adopts centralized transmission, spindle drive system using sliding multigang gear.

This paper introduces the vertical CNC milling machine main drive system of the comparison of the advantages and disadvantages of various transmission schemes, the choice and determination of main transmission scheme, the design and calculation of main drive variable speed system, the design of spindle component, the selection of bearing and the key parts of lubrication, checking and spindle motor control, etc.

Key words：Vertical nc milling machine; Main drive system; The spindle component; bearing

目录

绪论

制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，它的发展水平标志了该国或地区经济的实力，科技水平和国防实力。国际市场的竞争归根到底就是各国制造生产能力及机械制造装备的竞争。机床是制造业的主要生产设备，而数控机床是高精度、高效率的自动化生产设备。目前，国内、外数控机床正朝着高性能、高精度、高效率、高柔性、高自动化和模块化方向迅速发展。数控机床，顾名思义，是一类由数字程序实现控制的机床。与人工操作的普通机床相比，它具有适应范围广、自动化程度高、柔性强、操作者劳动强度低、易于组成自动生产系统等优点。数控机床也就是一种装了程序控制系统的机床，该系统能逻辑处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序。

数控铣床是一种加工功能非常强的数控机床。数控铣床也像通用铣床那样可分为立式、卧式和立卧两用式数控铣床，各类铣床配置的数控系统不同，其功能也有所不同。

随着科学技术的极速发展，机械产品的结构也越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高，生产类型由大批大量生产向多品种小批量生产转化。所以，对机械产品的加工相应地提出了高精度、高柔性与高度自动化的要求。在机床行业，由于采取了数控技术，使得许多以前在普通机床上无法完成的工艺内容得以完成，大量普通机床为数控机床所代替，这就极大地促进了机床行业的技术进步和行业发展。

综上所述，数控机床在促进技术进步，提高人类生存质量以及创造新的就业机会等方面都起着非常重要的作用。

1 立式数控铣床主传动系统方案的确定

对立式数控铣床主传动系统简介

主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，它应具有一定的转速和变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工作、并能方便地实现运动的开停、变速、换向和制动等。

数控机床主传动系统主要包括了电动机、传动系统和主轴部件，它与普通机床的主传动系统相比在结构上较简单，因为变速功能全部或大部分主轴电动机的无极调速来承担，省去了复杂的齿轮变速机构，有些只有二级或三极齿轮变速系统用以扩大电动机无级调速的范围。

在主传动系统方面，具有以下几个特点：(1)目前数控机床的主传动电机已不再采用普通的交流异步电机或传统的直流调速电机，它们已经逐步被新型的交流调速电机和直流调速电机所代替。(2)转速高，功率大。(3)变速范围大。(4)主轴速度的变换迅速可靠。

对立式数控铣床主传动系统的要求

（1）主轴具有一定的转速和足够的转速范围、转速级数，能够实现运动的开停、变速、换向和制动，以满足机床的运动要求。

（2）主电动机具有足够大的功率，全部机构和元件具有足够的强度和刚度，以满足动力要求。

（3）主传动的有关结构，特别是主轴组件要有足够高的精度、抗振性，并且噪声要小，传动效率要高，以满足机床的工作性能要求。

（4）操纵灵活可靠，润滑密封良好，以满足机床的使用要求。

（5）结构简单紧凑，工艺性好，成本低，以满足经济性要求。

主传动的类型及方案选择

数控机床的调速是按照控制指令自动执行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。在主传动系统中，目前多采用交流主轴电动机和直流主轴电动机无级凋速系统。

为了适应不同的加工要求，主传动系统目前主要有三种变速方式：

1．具有变速齿轮的主传动

这是大、中型数控机床采用较多的一种变速方式。通过几对齿轮降速，增大输出扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求，见图1-1所示。一部分小型数控机床也采用此种传动方式以获得强力切削时所需要的扭矩。

图具有变速齿轮的主传动

2．通过带传动的主传动

通常选用同步齿形带或多楔带传动，这种传动方式多见于数控车床，它可避免齿轮传动时引起的振动和噪声，见图1-2所示。

图通过带传动的主传动

3．由调速电机直接驱动的主传动

这种主传动是由电动机直接驱动主轴，即电动机的转子直接装在主轴上，因此大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大。如图1-3所示。

图由调速电机直接驱动的主传动

近些年来，出现了一种新式的内装电动机主轴，即主轴与电动机转子合为一

体。其优点是主轴组件结构紧凑，重量轻，惯量小，可提高起动、停止的响应特性，并利于控制振动和噪声。缺点是电动机运转产生的热量亦使主轴产生热变形。因此，使用内装电动机主轴的关键问题是温度控制和冷却。

本章小结

本章主要是对立式数控铣床主传动系统的确定，本次设计采用了变速齿店主传动系统。使主轴获得较高的转速和较大的转矩。

2 主传动变速系统主要参数计算

计算切削功率

切削力的计算

铣削时的切削力，公式如下 86.074.086.098.0D Z B f a C F z p F C ??= （2-1）

式中：C F ——铣削时的主切削力（N ）；

F C ——加工材料影响的系数；

Z f ——每齿进给量（mm ）；

p a ——背吃刀量（mm ）；

B ——铣削宽度；

Z ——铣刀齿数；

D ——铣刀直径(mm)。

用直径D =50mm 的四齿锥柄立铣刀，铣刀宽B =40mm 的刚工件，Z f =，p a =4mm ，

F C =68mm ，

计算得：C F =132N

切削功率的计算

切削时所消耗的功率称为切削功率。切削功率的公式计算：

6000

C C C V F P ?= （2-2） 式中：C P ——切削功率（kw ）；

C F ——切削力（N ）；

C V ——切削速度（m/min ）。

根据机床设计手册典型加工条件以及钢材料的铣削速度范围，取

C V =100m/min

计算得：C P =

主轴转速范围的确定

主轴最高转速为m in /4000max r n =，最低转速为m in

/40min r n =

计算主传动功率 用下列粗略估算主电动机的功率 C C

L P P η= （2-

3）

式中：C η为铣床主传动系统总机械效率，主运动为回转运动时，8.0~7.0=C η；主运动为直线运动时，7.0~6.0=C η。

取主传动的总效率η=

则初选电动机功率

kw P d 14.37.0/2.2== 取kw P d 4=

电动机额定转速为

min /1500r n d =；

额定最高转速为

分级变速箱的传动系统的设计及主轴电动机的功率的确定

由中初选电动机功率d P 为4kw ，

计算转速依据如下公式计算: min /205404004035.0r n j =??? ??= （2-4）

则电动机的恒功率调速范围:

主轴恒功率调速范围:

因此主轴要求的恒功率变速范围np R 远大于电动机所能提供的恒功率围dp R ，

所以在电动机与主轴之间要串联一个分级变速箱，来扩大电动功率变速范围。 确定变速级数Z

如取变速箱的公比 3==dp f R ?

则由于无级变速时 z f dp z

f np R R ??==-1

故变速箱的变速极数 704.23

lg 5.19lg lg lg ===f np

R Z ? 可取Z=3 （2-5） 虽然此方法功率特性图示连续的、无缺口(即没有功率降低区)和无重但是

Z=3，变速箱机构较复杂。

因此为简化变速箱机构，取Z=2。

电动机的功率的确定

由公式（2—5）可知，应增大f ?

f np

R Z ?lg lg = 即 f

?lg 5.19lg 2= 所以42.4=f ?比3=dp R 大很多。

缺口处的功率为

所以选用5.5kw 的交流变频电动机。

则缺口处的功率为()()kw P R P f d dp 73.342.4/5.53/=?=?=?。有很大的改善。

电动机参数

电动机性能指标：

电机采用CTB 系列变频电机,型号：CBT —43P5BXB50—4,主要技术指标如下：

（1）电压:三相380V/50Hz ；

（2）变频调速范围:5～100Hz 无级调速,5～50Hz 恒转矩调速,50～100Hz 恒

功率调速,级数为4级,额定转速1440r/min;

（3）电机应能承受额定转矩的60%过载,历时1min,低速时转矩平滑,无爬行

现象;

（4）CTB 系列变频电机,型号：CBT —43P5BXB50—4

图 电动机外形图

分级变速箱的传动系统变速机构的确定

本系统设计的传动系统具有两档速度，低档转速为40900/r min -，高档转

3004000/r min -。显然如果要求巧15004000/r min -内作恒功率的不停车变速可用高档。转速图和功率特性图如图所示。 图转速图和功率特性图

本章小结

本章通过对切削规律和主传动功率的计算，分级变速箱传动系统的设计以及主轴电动机功率的确定得出主传动变速系统的主要参数。

3 主轴组件设计

概述

主轴部件设计是机床重要部件之一，它是机床的执行件。它的功用是支撑并带动工件或刀具旋转进行切削，承受切削力和驱动力等载荷，完成表面成型运动。

轴的分类

轴是机械传动的一个重要零件，一般作回转运动的零件常要装在轴上才能实现其回转运动。其承载在载荷可分为：

1.转轴——工作时既承受弯矩又承受扭矩。

2.心轴——用于支撑转动零件，只承受弯矩。

3.传动轴——传递扭矩。

在高速传动的轴不仅要考虑轴的材料、结构、强度和刚度，而且要防止轴的振动（动平衡）。此外，注意轴上零件的固定，结构工艺性，热处理等要求。作为制造机器的机器上的轴，设计的主要原则是——刚度原则,本次设计选择转轴。

主轴材料

轴的材料主要是碳钢和合金钢。数控主轴主要传递扭矩，且在高速旋转中产生大量的热，产生一定的轴伸长，其他零件的变形，从而影响加工精度和表面质量。从多方面考虑选用40Cr为本次数控铣床主轴材料。

主轴结构设计

主轴部件由主轴及其支承轴承、传动件、密封件及定位元件等组成。

主轴部件的工作性能对整机性能和加工质量以及机床生产率有着直接影响，是决定机床性能和技术经济指标的重要因素。因此，对主轴部件有较高的要求。

主轴部件应满足的基本要求

（1）旋转精度主轴的旋转精度指装配后，在无载荷、低转速条件下，在安装工件或刀具的主轴部位的径向和端面圆跳动。其主要取决于主轴、轴承、箱体孔等的制造、装配和调整精度。

（2）刚度主轴部件的刚度指其在外加载荷的作用下抵抗变形的能力，通常以主轴前端产生单位位移的弹性形变时，在位移方向上所施加的作用力来定义。如图4-1所示。主轴部件的刚度是主轴、轴承等刚度的综合反映。因此，主轴的尺寸和形状、轴承的类型和数量、预紧和配置形式、传动件布置形式、主轴部件的制造和装配质量都影响主轴部件的刚度。

图3-1 主轴形变

（3）抗振性

（4）温升和热变形

轴的设计也和其他的零件的设计相似，包括结构设计和工作能力的计算两方面的内容。

轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺性等方面的要求。轴的结构不合理会影响轴的工作能力和轴上零件的工作可靠性。因此轴的结构设计很重要。

轴的工作能力计算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的计算。对于机械装备则需刚度计算，防止工作时产生过大的弹性变形，影响加工精度和表面质量。

轴的结构设计

轴的结构主要取决于以下因素:

（1）轴在机器中的安装位置及形式；

（2）轴上安装零件的类型、尺寸、数量和轴连接的方法；

（3）载荷的性质、大小、方向及分布情况；

（4）轴的加工工艺。

不论什么条件,轴的结构应满足以下条件：

（1）轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置,周向和轴向要有准确的定位；

（2）轴上的零件应便于装拆和调整；

（3）轴应具有良好的结构工艺性和制造工艺性。

草拟轴上零件的装配方案

图主轴装配图

预定出轴上主要零件的装配方向、顺序和关系，如下图立式数控铣床主轴的装配。

前轴承（前支撑）、套筒、轴承、套筒（曲路密封）与端盖（曲路密封）齿轮（动力输入部分）、圆螺母、轴承（后支撑）、端盖、依次从轴的后端向前端安装。

轴上零件的定位

为防止轴上零件受力时发生沿轴向和周向的相对运动,轴上零件除了有游动或空转要求外,都必须进行轴向和周向定位,以保证其准确的工作位置。

1.零件的轴向固定:通常由轴肩、套筒、轴端挡圈、轴承端盖和圆螺母来保证；

2.零件的周向固定:周向固定的目的是限制轴上零件与轴发生相对运动。常用周向定位零件有键、花键、销、紧定螺钉以及过盈配合等,其中紧定螺钉只用在传力不大之处。

各轴段直径与的确定

由轴的结构和拉刀方式确定出轴的最小直径：立式数控铣床主轴必须制成空心轴，且又因为α为空心轴的内径1d 与外径d 之比，为了保证轴的刚度和扭转刚

度,通常在0.5~0.6之间,取为。故d=50mm 。按轴上零件的装配方案和定位要求，从min d 处起逐一确定各轴段的直径。在实际的设计中，轴的直径亦可凭设计者的

经验确定，或参考同类机器用类比的方法确定。

有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径。安装标准件的部位的轴径，应取为相应的标准值及所选的配合公差。且在这样的轴段需的碳氮共渗层。为了使带轮、轴承等有配合要求的零件装配拆卸方便，并减少配合面的擦伤，在配合轴段前应采用较小的直径，发挥轴肩的作用。

确定各轴段长度时，应尽可能使结构紧凑，同时还需要保证零件所需的装配或调整空间。轴的各段长度主要是根据各零件与轴配合部分的轴向尺寸和相邻零件必要的空隙来确定的。为了保证轴向定位可靠与带轮等零件相配合部分的轴段长度一般应比轮毂长度短2~3mm ，所以取Dmax=78mm.

（1）主轴悬伸量a 与前端轴颈D 1之比可按下表选择：

机床和主轴的类型 a/D1 通用和精密机床，自动车床和短主轴端铣床，用滚动轴承和支架 ~

中等长度和较长主轴端的车床和铣床，悬伸较长的精密镗床 和内圆磨床

~ 孔加工机床应用加工细长孔的机床，由加工技术决定，需要有长的悬伸

刀杆或主轴可移动，因切削较长而不适用于有高精度要求的机床 >

取a=65mm

（2）主轴合理跨距的选择：

在具体设计时，常常由于结构上的限制，实际跨距0l l ≠最佳合理跨距。这样

就造成主轴组件的刚度损失。在设计中一般认为5.1~75.0/0=l l 时，刚度损失不大

（5%左右）。应该认为在合理范围之内，称之为合理跨距，合理跨距

()05.1~75.0l l =合理是一个区域。

提高主轴强度的措施

轴和轴上零件的结构、工艺及轴上零件的安装布置等对轴的强度有很大的影响，所以应在这些方面进行考虑，以利提高轴的承载的能力，减小轴的尺寸和机器的质量，降低制造成本。

（1）合理布置轴上零件以减小轴的载荷。

为了减小轴所承受的弯矩，传动件应尽量靠近轴承，并尽可能不采用悬臂的支承形式，力求缩短支承跨距及悬臂长度。

通常轴是在变应力条件下工作的，轴的截面尺寸发生突变处产生应力集中，轴的疲劳破坏也常常发生在此处。轴肩要采用较大的R 减小应力集中；选择合适的配合关系；可在轮毂或轴上开减载槽；切制螺纹处的应力集中较大，应避免在轴上受载较大的区段切制螺纹。

（2）改进轴的表面质量提高轴的疲劳强度。

轴的表面愈粗糙，疲劳强度愈低。因此，应合理减小轴的表面及圆角处的a R ，提高轴的疲劳强度。表面强化处理的方法有：表面高频淬火；表面渗碳、氮化；碾压、喷丸等强化处理。

轴的结构工艺性

轴的结构工艺性指轴的结构形式应便于加工和装配轴上的零件，生产率高，成本低。一般说，轴的结构越简单，工艺性越好。因此，在满足使用要求的前提下，轴的结构形式应尽量简单。

为了便于装配零件并去掉毛刺，轴端应制出45°的倒角；需要磨削加工的轴段，应留有砂轮越程槽；需要切制螺纹的轴段，应留有退刀槽。主轴结构设计如下图：

图 主轴结构示意图

主轴强度的校核

常见轴材料见表所示。

轴的材料

Q235-A 、20 Q275、35 45 40Cr [τ]

15-25 20-35 25-45 35-45 A 0 149-126 135-112 126-103 112-97

按扭转强度进行计算

下面这种方法只是按轴所承受的扭矩来计算轴的强度；如果还承受有不大的弯矩时，则用降低许用扭转切应力的方法予以考虑。在作轴的结构设计时通常用这种方法初步估算轴径。对于不大重要的轴，也可作为计算结果。轴的扭转强度条件为

[]T T T d n P W T ττ≤==

32.09550000 （3-1） 式中：T τ——扭转切应力，单位MPa ；

T ——轴所受的扭矩，单位为N ?mm ；

T W ——轴的抗扭截面系数，单位为3mm ；

n ——轴的转速，单位为r/min ；

P ——轴传递的功率，单位为kw ； d ——计算截面处轴的直径，单位为mm []T τ——许用扭转切应力，单位为MPa 。

由上式可的直径

[]302.09550000n P A P d T =≥

τ （3-2） 式中:

20102A mm ==

对于空心轴

18d mm ≥= （3-3） 应当指出，当轴截面上开有键槽时，应增大轴径以考虑键槽对轴的强度的削弱。对于直径d>100mm 的轴，有一个键槽时，轴径应增大7%。对于直径d<100mm 的轴，有一个键槽时，轴径应增大5%-7%有两个键槽时，应增大10%-15%。然后将轴径圆整为标准直径。应当注意，这样求出的直径，只能作为承受扭矩作用的轴段的最小直径min d 。

强度校核计算

轴的精确计算主要是轴的强度和刚度校核计算，且在满足轴的强度和刚度要求，必要时还应进行轴的振动稳定性计算。

进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况,采取相应的计算方法,并恰当地选用许用应力。BT30铣床机械主轴既承受弯矩又承受扭矩,应按弯扭合成强度条件进行计算,需要时还应按疲劳强度进行精确校核计算。 1. 按扭转强度条件进行校核计算。

[]r 23d

t -d bt 16τπτ≤-==）（d T W T T T （3-4）

式中：T τ——扭转切应力，单位MPa ；

T ——轴所受的扭矩，单位为N g mm ；

d ——计算截面处轴的直径，单位为mm ；

[]T τ——许用扭转切应力，单位为MPa ；

T W ——轴的抗扭截面系数，单位为3mm 。

由 《机械设计手册》查得[]T τ为45MPa ；由《机械设计课程设计手册》可查

得 5.0t mm =；12b mm =；42T Ngmm =。

将以上各值代入式（3—4）得： T τ=

2. 按弯扭合成强度计算：

过轴的结构设计，轴上零件的位置，外载荷和支反力的作用位置都已确定，算出轴上载荷。

由金属切削手册表得：

表 参数表

D

50mm 表9-7 B 30mm 表9-4 S

齿 表9-11 t

8mm t=*D Z 4 表9-7

由金属切削机床夹具设计手册表得

查手册表1-2逆铣时得;

0.8P P =纵, 0.7P P =横 , 0.5P P =垂

所以N p 140617588.0=?=纵, 123017587.0=?=横p

求出支反力：