铣削组合机床及其主轴组件设计说明书(编辑修改稿)

铣削组合机床及其主轴组件设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

需要两个运动，机床和刀具结构简单，装夹在工件台上快速，稳固，但生产率低，加工精度也达不到工件 机械主要技术参数的确定 5 要求；用端铣刀进行铣削加工 时，生产率不仅提高了，也能满足工件所要求的加工精度，且装夹快速，方便。 与普通机床相比，组合机床具有生产率高，加工精度稳定，研制周期短，便于设计、制造和使用维护、成本低、自动化程度高、劳动强度低，配置灵活等特点，因此，当生产量很大时，用组合机床进行加工更合理。 机床总体布局 机床的总体布局指确定机床的组成部件之间的相对位置及相对运动关系。 合理的总体布局的基本要求有： (1)保证工艺方法所要求的工件与刀具的相对运动关系； (2)保证机床具有足够的加工精度和相适应的刚度和抗振性； (3)便于操纵、调整、维修，便于输送、装卸工件和排屑等； (4)节省材料，占地面积小，即经济效果好； (5)造型美观。 根据减荷阀体的加工要求，机床总体布局图如图 11所示： 图 12 机床总体布局图 减荷阀体安装在工作台上，铣削动力头带动铣刀作旋转主运动，工作台作纵向进给运动，完成对工件的切削加工。 此方案的优点是各部件均是针对减荷阀体设计的，因此，结构紧凑， 刚性好，生产率高，加工质量稳定。 机床运动的确定 确定机床运动，指确定机床运动的数目，运动类型以及运动的执行件。 本次毕业设计的组合机床的工艺方法是，用一把端铣刀直接进行加工。 相应的表面成形运动为：单主轴的回转运动，工作台纵向进给运动；辅助运动为：主轴轴向调整运动。 机床主要技术参数的确定 机床主要技术参数包括主参数和基本参数，基本参数又包括尺寸参数，运动参数，动力参数。 确定工件余量 VF6/7 型空压机减荷阀体，零件材料为 HT200，硬度 190— 210HB，生产类型为大批量，铸 造毛坯。 查《机械制造工艺设计简明手册》表 ～ ,取加工余量为 (此为双边加 机床主要技术参数的确定 6 工 )。 选择切削用量 由于被加工零件的铣削宽度为 175mm,需进行二次走刀，故一次走刀为 90mm(宽度 )，二次走刀为 17590=85mm，即： ae =90mm。 根据《组合机床设计简明手册》第 132～ 133 页，选择铣削切削用量。 铣削用量的选择与要求的加工表面粗糙度值及其生产率有关系。 当铣削表面粗糙度数值要求较低时，铣削速度应选高一些，每齿走刀量应小些。 若生产率 要求不高，可以取很小的每齿走刀量，一次铣削 4～ 5mm 的余量达到 Ra = m 的表面粗糙度。 这时每齿的进给量一般为 ～。 根据本次设计所加工的零件要求，其表面粗糙度数值较高，加工材料为铸铁，查表616 得： af =～ ,V=50～ 80m/min,取 af =。 运动参数 机械主要技术参数的确定 7 动力参数 — 主运动驱动电 动机功率的确定四川理工学院毕业设计 5 切削力的计算 由前面已知，本次设计的组合机床的最高转速为 n4=315r/min，则此时的切削速度为： V=1000n4 d=1000 =200m/min 由此可见，切削速度满足要求。 计算铣削工件时的切削力 Fz = Z d  式中： ae — 铣削宽度， ae =90mm ap — 铣削深度，由于是一次铣削就能达到设计尺寸，则铣削深度为工件加工余量，即 ap =。 af— 每齿进给量， af=Z— 转数级数，取 Z=4 则铣削力的大小为： Fz = 4 110  = 切削功率的计算 根据《机械制造工艺金属机床设计指导》 第 72 页，可得切削功率公式为： Pm =60000VFz = 60000  = 估算电动机功率 根据《机械制造工艺金属机床设计指导》第 72 页，有 Pe =mP= = 式中：η — 主传动系统的机械效率，回转运动的机床η =～。 选择主电机 查《机械设计课程设计手册》第 155 页表 121，选 Y1124电机，主要参数有： 额定功率 Pe =4KW，满载转速 ne =1440r/min，同步转速 n=1500r/min，级数 P=4，质量 m=43kg。 进给驱动电动机功率的确定 查《金属切削机床设计》第 41页，可知：进给驱动电动机功率取决于进给的有效功率和传动件的机械效率，即：第二章 主轴组件设计 6 Ns =ssQV60000 式中： Ns — 进给驱动电动机功率 (KW) Q — 进给抗力 (N) Vs— 进给速度 (m/min) η s— 进给传动系统的总机械效率 (一般取 ～ ) 粗略计算时，可根据进给传动与主传动所需功率之比值来估算进给驱动电机功率。 对于铣床： Ns = N= 4= 查《机械设计课程设计手册》第 155 页表 121，选 Y90S4电机，主要参数有： 额定功率 Pe =，满载转速 ne =1440r/min，同步转速 n=1500r/min，级数 P=4，质量 m=22kg。 第二章 主轴组件设计 主轴组件是机床的执行件，它的功用是支承并带动工件或刀具旋转，完成表面成形运动，同时还起传递运动和扭矩、承受切削力和驱动力等载荷的作用。 由于主轴组件的工作性能直接影响到机床 的加工质量和生产率，因此它是机床中的一个关键组件。 主轴和一般传动轴的相同点是，两者都传递运动、扭矩并承受传动力，都要保证传动件和支承的正常工件条件，但主轴直接承受切削力，还要带动工件或刀具，实现表面成形运动，因此对主轴有较高的要求。 主轴的基本要求 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△ o。 如图 21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。 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。 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 22所示，即 K=F/y（单位为 N/ m），刚度的倒数 y/F 称为柔度。 主轴组件的刚度，是主轴、轴承和支承座四川理工学院毕业设计 7 的刚度的 综合反映，它直接影响主轴组件的旋转精度。 显然，主轴组件的刚度越高，主 △a△o△r 图 21 主轴的旋转误差 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。 图 22 主轴组件静刚度 主轴组件的刚度是综合刚度，影响主轴组件刚度的因素很多，主要有：主轴的结构尺寸、轴承的类型及其配置型式、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。 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。 主轴的基本要求 8 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。 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。 根据所设计的机床加工表面粗糙度的要求，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，它只能部分地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。 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之，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，或称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（在主振方向）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，切削宽度大，切削自振的可能性大，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，因为激振力的频率和幅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。 温升和热变形 四川理工学院毕业设计 9 主轴组件工作时因各种相对运动处的摩擦和搅油等而发热，产生了温升，温升使主轴组件的形状和位置发生畸变，称为热变形。 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，轴承与支承座之间已调整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。 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。