数控机床主轴箱课程设计说明书.docx

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数控机床主轴箱课程设计说明书

数

控

车

床

主箱

轴结

构

设

计

系别：

机械工程学院

专业：

机械设计制造及其自动化

学号：

*******B0214

：

周凌峰

引言..............................................................1

第一章主轴电动机的选取............................................2

1.1主轴电动机的选取...............................................2

1.2转速图.........................................................3

第二章同步带传动设计与计算........................................4

 2.1 材料选择.......................................................5 

2.2 参数计算.....................................................6

第三章主轴组件的设计.............................................9

 3.1 主轴组件的设计要求.......................................... 9 

3.1.1主轴刚度..................................................9 

3.1.2 主轴的耐磨性...............................................9 

3.2 主轴材料的选择及尺寸、参数的计算............................. 9 

3.3 主轴箱体的截面形状和壁厚计算................................. 9 

第四章主轴轴承的选择.............................................12

 4.1 轴承的选择和轴承的精度........................................10 

4.2 选取轴承.................................................... 10 

4.3 轴承寿命校核.................................................10 

第五章键的选择计算

5.1 主轴的键....................................................14

5.2电机的键....................................................14

第六章螺钉联接的设计.............................................15 

6.1 根据设计要求计算............................................ 15 

6.2 螺钉的强度计算与校核........................................ 16

结论.............................................................. 17 

参考文献.......................................................... 18

引言

 数控技术，简称数控（Numerical Control）。

它是利用数字化信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。

用数控技术实施加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控机床（NC）。

数控技术包括：

数控装置，可编程控制器，主轴驱动及进给装置等部分。

 有较高的生产率，切削速度高，空行程的速度可达１０mm以上，再因辅助时间很短。

目前，现代数控机床正发展迅速，正朝以下几个趋势发展：

1、具有先进的自检能力使之长期可靠的工作。

在现在机床上装有多种监控、检测装置，从而提高了机床的综合性能。

2、单元模块化。

数控机床的主轴部件、变速箱立柱、工作台、刀架等都可以模块化生产，有专门生产厂家供货。

不仅可提高产品质量，也大大的缩短了机床的生产周期。

 数控技术的发展，对我国国民经济的发展起着巨大的作用，特别是对我国要机械制造工业的现代化起到至关重要的作用。

为此，我们要加大数控机床的研究和探讨，把三坐标铣床主轴设计作为我的毕业设计，也是对我大学期间学习成果的一次全方位的检验。

设计题目:

Φ400毫米数控车床主轴箱设计。

主轴最高转速3500r/min，最低转速35r/min，计算转速120r/min，主电机功率:

11KW。

采用直流主轴伺服电机，其额定转速1500r/min，最高转速4500r/min，最低转速为35rpm。

第一章主轴电动机的选取

 1.1电机的选取

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。

 电动机功率的选择：

工作机所需的有效功率为：

Pw=Fv/1000=10.4kw,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=11KW.

电动机转速的选择:

此次设计要求电动机必须有额定转速2000r/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，本次设计中选取电机厂生产的1PH5131-4CG4型号交流主轴电动机。

 其主要参数入下表：

表1-1 电动机转速参数表

额定转速

（r/min）

最高转速

（r/min）

额定转矩（kN*m）

惯性矩

（N*m）

电机功率

（KW）

恒功率围

1500

4500

70.1

0.049

11

1：

4

1.2转速分配图及传动图

主轴最高转速3500r/min，最低转速35r/min，计算转速120r/min，电机功率11kw；交流主轴伺服电机，其额定转速1500r/min，最高转速4500r/min；

主轴要求的恒功率调速围

电动机的调速围

在设计数控机床主传动时，必须要考虑电动机与机床主轴功率特性匹配问题。

由于主轴要求的恒功率变速围远大于电动机恒功率变速围，所以在电动机与主轴之间串联一个分级变速箱，以扩大其功率变速围，满足低速大功率切削时对电动机的输出功率的要求。

若取，则可得到变速箱的变速级数3.07

所以，Z可近似取为3。

根据可以得出，查表取的标准值为2.99，,即主传动系功率特性图上有小段重合。

则各齿轮齿数和模数列表如下：

齿轮

Z0

Z0,

Z1

Z1,

Z2

Z2,

Z3

Z3,

齿数

23

57

39

41

23

57

50

30

第二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。

2.1 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。

2.2 参数计算

 设计计算的容主要是：

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。

 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《机械设计计算手册》查得其计算功率Pd与题目所给的主电机功率近似相等，即Pd=11kw，由齿形带模数选用图可选m=2。

表2-1 齿行带模数表

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=30 

3）同步带节距Pb 由Pd=11KW，n1=1500r/min,查表选取节距

Pb=12.70mm,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=40～45mm. 

4）节圆直径d1 d1=Pb·z1/π=121.44㎜

5）大带轮齿数z2z2=i·z1=60

6）大带轮直径d2=i·d1=2×121.28=242.88㎜

7）带的速度V V=πd1·n1/（60*1000）=9.53m/s

由表查得Vmax=40～45  V

8）定中心距a00.7（d1+d2） ≤a0≤2（d1+d2） 

所以：

0.7×（121.28+242.55）mm≤a0≤2×（121.28+242.55） mm则有254.68≤a0≤727.66

初选a0=500mm

9）带的节线长度Lp以及齿数Zb

= 1578.85mm

查表选取Lp=1562.1㎜Zb=123

10）计算中心距a（采用中心距可调）

 a≈a。

+（Lp-Lp0）/2=500+（1562.1-1578.85）/2=491.6㎜

选取a=492㎜

11）带轮与带的啮合齿数Zm 

Zm≈Z/2*[1-（z2-z1）/π2a]=13.85 取Zm=14因为当m≥2时，Zm应不小于6 ，所以计算的Zm满足条件。

12.带宽bs:

bs≥查表取Kz=1.20,Fa=20N/mm

Fc=mbV=4.8×10-3×7.6182=0.278

所以bs≥41.39㎜选取bs=41㎜

13.作用与轴上的力Fr：

Fr=1443.9

14.小带轮最小包角ɑ：

α≈180º-60º（d2-d1）/a=180。

-60。

（242.55-121.28）/500=165.45。

15.带轮宽度bf,bf1,bf2

bf=bs+（1.5～3）=43.5～45

bf1=bs+（6～7）=47～49

bf2=bs+（3～5）=45～48

第三章主轴组件的设计

 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。

 3.1 主轴组件的设计要求

 3.1.1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。

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。

 3.1.2 主轴的耐磨性

  主轴组件必须有足够的耐磨性，以