滚珠丝杠驱动的加工中心目录1 引言 (1)1.1 加工中心的发展状况 (1)1.1.1 加工中心在国外的发展 (1)1.1.2 主轴部件的研究进展 (2)1.2 课题的目的及容 (3)1.3 课题解决的关键问题 (3)1.4 解决上述问题的策略 (4)2 方案拟定 (5)2.1 加工中心主传动系统的组成 (5)2.2 机械系统方案的确定 (5)2.2.1 主轴传动机构 (5)2.2.2 主轴进给机构 (6)2.2.3 主轴准停机构 (6)2.2.4 刀具自动夹紧机构 (6)2.3 加工中心主轴组件总体设计方案的确定 (8)3 主轴组件的主运动部件 (10)3.1 主电机选型 (10)3.2 主轴 (10)3.2.1 主轴的结构设计 (10)3.2.2 主轴受力分析 (16)3.2.3 主轴的刚度校核 (20)3.2.4 主轴的强度校核 (21)3.3 主轴组件的支承 (22)3.3.1 主轴轴承的类型 (22)3.3.2 主轴轴承的配置 (24)3.3.3 主轴轴承的预紧 (25)3.3.4 主轴支承方案的确定 (26)3.3.5 滚动轴承的精度与配合 (27)3.3.6 主轴轴承设计计算 (27)3.4同步带的设计计算 (29)3.5主轴组件的润滑与密封 (32)3.5.1 主轴组件的润滑 (32)3.5.2主轴组件的密封 (32)3.5.3 本课题的润滑与密封方案的确定 (34)3.6 主轴上键的设计与计算 (34)3.7 液压缸的设计计算 (35)结论.......................................................... 错误!未定义书签。

参考文献. (37)致谢.......................................................... 错误!未定义书签。

1引言1.1加工中心的发展状况1.1.1加工中心在国外的发展对于高速加工中心，国外机床在进给驱动上，滚珠丝杠驱动的加工中心快速进给大多在40m/min以上，最高已达到90m/min。

采用直线电机驱动的加工中心已实用化，进给速度可提高到80~100m/min，其应用围不断扩大。

国外高速加工中心主轴转速一般都在12000~25000r/min，由于某些机床采用磁浮轴承和空气静压轴承，预计转速上限可提高到100000r/min。

国外先进的加工中心的刀具交换时间，目前普遍已在1s左右，高的已达0.5s，甚至更快。

在结构上，国外的加工中心都采用了适应于高速加工要求的独特箱中箱结构或龙门式结构。

在加工精度上，国外卧式加工中心都装有机床精度温度补偿系统，加工精度比较稳定。

国外加工中心定位精度基本上按德国标准验收，行程1000mm以下，定位精度可控制在0.006~0.01mm之。

此外，为适应未来加工精度提高的要求，国外不少公司还都开发了坐标镗精度级的加工中心。

相对而言，国生产的高速加工中心快速进给大多在30m/min左右，个别达到60m/min。

而直线电机驱动的加工中心仅试制出样品，还未进入产量化，应用围不广。

国高速加工中心主轴转速一般在6000~18000r/min，定位精度控制在0.008~0.015mm 之，重复定位精度控制在0.005~0.01mm之。

在换刀速度方面，国机床多在，无法与国际水平相比。

虽然国产数控机床在近几年中取得了可喜的进步，但与国外同类产品相比，仍存在着不少差距，造成国产数控机床的市场占有率逐年下降。

国产数控机床与国外产品相比，差距主要在机床的高速、高效和精密上。

除此之外，在机床可靠性上也存在着明显差距，国外机床的平均无故障时间（MTBF）都在5000小时以上，而国产机床大大低于这个数字，国产机床故障率较高是用户反映最强烈的问题之一。

1.1.2主轴部件的研究进展图1.1立式加工中心结构图1-切削箱 2-X轴伺服电机 3-Z轴伺服电机 4-主轴电机5-主轴箱 6-刀库 7-数控柜 8-操纵面板9-驱动电柜 10-工作台 11-滑座 12-立柱13-床身 14-冷却水箱 15-间歇润滑油箱 16-机械手典型加工中心的机械结构主要有基础支承件、加工中心主轴系统、进给传动系统、工作台交换系统、回转工作台、刀库及自动换刀装置以及其他机械功能部件组成。

图1.1 所示为立式加工中心结构图。

主轴系统为加工中心的主要组成部分，它由主轴电动机、主轴传动系统以及主轴组件成。

和常规机床主轴系统相比，加工中心主轴系统要具有更高的转速、更高的回转精度以及更高的结构刚性和抗振性。

随着电气传动技术（变频调速技术、电动机矢量控制技术等）的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主传动的机械结构已得到极大的简化，取消了带传动和齿轮传动，机床主轴由装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床主运动的“零传动”。

这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴组件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”。

由于当前电主轴主要采用的是交流高频电动机，故也称为“高频主轴”。

由于没有中间传动环节，有时又称它为“直接驱动主轴”。

电主轴是一种智能型功能部件，不但转速高、功率大，还有一系列控制主轴温升与振动等机床运行参数的功能，以确保其高速运转的可靠性与安全。

1.2课题的目的及容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，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。

主轴组件是由主轴、主轴支承以及安装在主轴上的传动件组成。

主轴组件的设计，其实主要就是这三个部件的设计，但它们既是独立的，又是互相联系而不可分割的，因此设计时需要全面、综合地加以分析。

本课题的目的是进行立式加工中心主轴组件的结构设计，主轴组件作为立式加工中心的执行元件，它确保带动刀具进行切削加工、传递运动、动力及承受切削力等，并满足相关的技术指标要求。

本课题涉及的主要技术指标有：(1)主电机采用FANUC交流主轴电机，功率5.5KW。

（2）主轴转速：标准型22.5~2250rpm;高速型：45~4500rpm.（3）主轴锥孔为7:24，BT—45，大端直径Φ57.15.1.3课题解决的关键问题各类机床对其主轴组件的要求，主要是精度问题，就是要保证机床在一定的载荷与转速下，主轴能带动工件或刀具精确地、稳定地绕其轴心旋转，并长期地保持这一性能。

主轴组件的设计和制造，都是围绕着解决这个基本问题出发的。

为了达到相应的精度要求，通常，主轴组件应符合以下几点设计要求：(1)旋转精度旋转精度是指机床在空载低速旋转时，主轴前端安装工件或刀具部位的径向和轴向跳动值满足要求，目的是保证加工零件的几何精度和表面粗糙度。

(2)刚度指主轴组件在外力的作用下，仍能保持一定工作精度的能力。

刚度不足时，不仅影响加工精度和表面质量，还容易引起振动，恶化传动件和轴承的工作条件。

设计时应在其它条件允许的条件下，尽量提高刚度值。

(3)抗振性指主轴组件在切削过程中抵抗强迫振动和自激振动保持平稳运转的能力。

抗振性直接影响加工表面质量和生产率，应尽量提高。

(4)温升和热变形温升会引起机床部件热变形，使主轴旋转中心的相对位置发生变化，影响加工精度。

并且温度过高会改变轴承等元件的间隙、破坏润滑条件，加速磨损。

（5）耐磨性指长期保持其原始精度的能力。

主要影响因素是材料热处理、轴承类型和润滑方式。

根据本课题的设计任务要求，由于主轴的转速并不是很高，所以在抗振性、温升等方面不必重点考虑，而应重点考虑加工中心的旋转精度和刚性。

但是在设计时仍应综合考虑以上几项要求，注意吸收新技术，以获得满意的设计方案。

1.4解决上述问题的策略旋转精度主要取决于主轴、支撑轴承、主轴箱上轴承座等的制造、装配和调整精度。

显然，若要保证主轴组件的旋转精度，则必然对主轴支承轴颈的圆度、轴承滚道及滚子的圆度、主轴及其上的回转零件的动平衡度、止推轴承的滚道及滚动体的误差，以及对主轴的主要定心面的径向跳动和轴向窜动等提出较高的整体要求，特别是提高支承轴承的精度等级。

要保证旋转精度，通常应尽量满足以上要求。

而对于主轴组件的刚度，实际上市主轴、轴承、轴承座等加工设计的综合反映。

主轴自身的结构形状和尺寸，滚动轴承的配置形式（背靠背、面对面、同向、混合等）、数量、类型、预紧等，以及支承的跨距、主轴前端的悬身量等都将直接影响其刚度。

为了保证机床的主轴具有足够的刚度，通常应尽量使主轴前端的悬身量缩短，主轴直径增大，并通过计算求出支承轴间的最佳跨距、进行预紧、采用合理的轴承及相应的配置形式等措施。

采用以上各种措施必然会使机床的刚性及旋转精度大幅度提高，但是，若盲目地全部采纳上述措施，则一定会使机床的制造难度增大，成本增加。

所以，在设计的时候，要综合各项因素考虑。

2方案拟定2.1加工中心主传动系统的组成主传动组件是由主轴、主轴支承、装在主轴上的传动件和密封件等组成的。

主轴的启动、停止和变速等均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。

主轴是加工中心的关键部件，其结构的好坏对加工中心的性能有很大的影响，它决定着加工中心的切削性能、动态刚度、加工精度等。

主轴部刀具自动夹紧机构是自动刀具交换装置的组成部分。

2.2 机械系统方案的确定2.2.1 主轴传动机构对于现在的机床主轴传动机构来说，主要分为齿轮传动和同步带传动。

齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，应用普遍，类型较多，适应性广。

其传递的功率可达近十万千瓦，圆周速度可达200m/s，效率可达0.99。

齿轮传动大多数为传动比固定的传动，少数为有级变速传动。

但是齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵，且不宜用于传动距离过大的场合。

同步带是啮合传动中唯一一种不需要润滑的传动方式。

在啮合传动中，它的结构最简单，制造最容易，最经济，弹性缓冲的能力最强，重量轻，两轴可以任意布置，噪声低。

它的带由专业厂商生产，带轮自行设计制造，它在远距离、多轴传动时比较经济。

同步带传动时的线速度可达50m/s（有时允许达100m/s），传动功率可达300kW，传动比可达10（有时允许达20），传动效率可达0.98。

同步带传动的优点是：a)无滑动，能保证固定的传动比；b)预紧力较小，轴和轴承上所受的载荷小；c)带的厚度小，单位长度的质量小，故允许的线速度较高；d) 带的柔性好，故所用带轮的直径可以较小。

其主要缺点是安装时中心距的要求严格。

由于齿轮传动需要具备较多的润滑条件，而且为了使主轴能够达到一定的旋转精度，必须选择较好的工作环境，以防止外界杂物侵入。