车铣复合加工中心的主轴机械结构设计

图书分类号： 密 级：

毕业设计(论文)

车铣复合加工中心的主轴机械结构设计 THE DESIGN OF SPINDLE MECHANICAL

STRUCTURE FOR TURN-MILLING

MACHINING CENTER

学生姓名 班 级 学院名称 专业名称 指导教师

XXX毕业设计(论文)

XXX学位论文原创性声明

本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 日期：日

XXX学位论文版权协议书

本人完全了解XXX关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归XXX所拥有。XXX有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。XXX可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日

II

XXX毕业设计(论文)

摘要

本设计主要是针对于车铣复合加工中心主轴机械结构部分。当前机械制造业涉及了机床技术，加工工艺技术，数控技术以及计算机技术等多领域，是一个的综合产业。目前由于机械零件制造呈小批量，复杂工艺过程的特点，因此，相比传统的机械加工模式，这将对机床的加工效率，加工精度，自动化程度提出了更高的要求。近些年，复合加工技术成为了机械制造业的热门发展方向，车铣复合加工中心作为具体实现装置，它可以减少装夹工件的次数，并且以此提高加工精度及效率。主轴作为机床的重要组成部分，它很大程度上决定了机床的性能，本论文主要对车铣复合加工中心的主轴机械结构进行设计，其内容包括了总体的主轴结构方案分析设计、具体主轴尺寸参数确定和校核、电机和轴承选型与计算校核以及根据主轴的承载重量、切削力等相关参数，进行主轴的动平衡计算，强度、刚度校核。

关键词 车铣复合加工中心；主轴；机械结构；设计

I

XXX毕业设计(论文)

Abstract

This design is mainly the spindle mechanical structure of turn-milling machining center. Currently, machinery manufacturing industry is related to the comprehensive processing technology, machine tool technology, CNC technology, computer technology, and other areas. Compared to conventional machining modes, current characteristics due to mechanical parts manufacturing were small batches, complex process, for the machining efficiency, precision, a higher degree of automation requirements. In recent years, composite processing technology has become a hot development direction of machinery manufacturing industry, turn-milling machining center as a concrete realization means that it can reduce the number of workpiece clamping, and in order to improve the precision and efficiency. As an important component part of the machine, the spindle of machine has a decisive influence performance. This paper mainly focuses on the spindle mechanical structure design of the turn-milling machining center, including the entire spindle mechanical structure of turn-milling machining center, specific spindle size parameter determination and verification, selection and check the motor and bearings, and calculating and checking spindle balancing, strength, stiffness, according to the load weight of the spindle, cutting forces and other relevant parameters.

Keywords Milling machining centers Spindle Mechanical structure Design

II

XXX毕业设计(论文)

目 录

摘要 ........................................................................ I Abstract ................................................................... II 1 绪论 ...................................................................... 1 1.1 课题背景及研究意义 ................................................... 2 1.2 车铣复合加工中心的现状及发展趋势 ..................................... 3 1.3 本设计的研究内容 ..................................................... 4 2 车铣复合加工中心主轴机械结构方案的确定 .................................... 6 2.1 车铣复合加工中心的整体结构分析 ....................... 错误!未定义书签。 2.2 车铣复合加工中心的主要技术参数拟定 ................... 错误!未定义书签。 2.3 车铣复合加工中心主轴部件传动方案的总体设计 ........... 错误!未定义书签。 2.3.1 主轴的传动方式 .................................. 错误!未定义书签。 2.3.2 主轴传动件的布置 ................................ 错误!未定义书签。 2.3.3 主轴端部结构 .................................... 错误!未定义书签。 2.3.4 主轴的支承方式 .................................. 错误!未定义书签。 2.4 主轴的准停与锁紧装置 ................................. 错误!未定义书签。 2.4.1主轴的准停 ...................................... 错误!未定义书签。 2.4.2主轴的锁紧 ...................................... 错误!未定义书签。 2.5主轴的润滑与密封装置 ................................. 错误!未定义书签。 2.5.1主轴的润滑 ...................................... 错误!未定义书签。 2.5.2主轴的密封 ...................................... 错误!未定义书签。 2.6主轴的材料选择与热处理 ............................... 错误!未定义书签。 2.6.1主轴的材料 ...................................... 错误!未定义书签。 2.6.2主轴的热处理 .................................... 错误!未定义书签。 3 电机的计算与选型 .......................................... 错误!未定义书签。 3.1 主传动的功率估算 ..................................... 错误!未定义书签。 3.2 确定电机 ............................................. 错误!未定义书签。 3.2.1电机选型 ........................................ 错误!未定义书签。 3.2.2电机校核 ........................................ 错误!未定义书签。 4 同步带的计算与选型 ........................................ 错误!未定义书签。 4.1 同步带的设计功率 ..................................... 错误!未定义书签。 4.2 同步带型号的确定 ..................................... 错误!未定义书签。 4.3 同步带轮直径确定 ..................................... 错误!未定义书签。 4.4同步带轮键的选择及校核 ............................... 错误!未定义书签。

III

XXX毕业设计(论文)

4.4.1键的选型 ........................................ 错误!未定义书签。 4.4.2键的计算校核 .................................... 错误!未定义书签。 4.5 同步带轮中心距确定 ................................... 错误!未定义书签。 4.5 同步带带宽距确定 ..................................... 错误!未定义书签。 5 主轴结构参数的确定 ........................................ 错误!未定义书签。 5.1 主轴直径的确定 ....................................... 错误!未定义书签。 5.2 主轴内孔直径的确定 ................................... 错误!未定义书签。 5.3 主轴悬伸量的确定 ..................................... 错误!未定义书签。 5.3 主轴支承跨距的确定 ................................... 错误!未定义书签。 5.4 主轴校核 ............................................. 错误!未定义书签。 5.4.1主轴受力分析 .................................... 错误!未定义书签。 5.4.2校核 ............................................ 错误!未定义书签。 6 轴承选择与校核 ............................................................ 7 6.1径向载荷的计算 ....................................................... 7 6.2轴向载荷的计算 ....................................................... 7 6.3轴承校核 ............................................................. 8 7 Pro/E三维建模 ........................................................... 10 7.1车铣复合加工中心的主轴零件建模 ...................................... 10 7.2 车铣复合加工中心的主轴零件装配 ...................................... 12 结论 ....................................................................... 14 致谢 ....................................................................... 15 参考文献 ................................................................... 16

IV

XXX毕业设计(论文)

1

XXX毕业设计(论文)

1 绪论

1.1 课题背景及研究意义

零件机械加工，少则需要一两道工序，多则上百道工序，往往要经过多台设备进行加工，加上工件装夹以及换刀，必将消耗大量时间，严重影响加工效率和加工精度。当今，机械制造业受到了各国的高度重视，为快速发展工业和国民经济，对高质量、高精度、高效率、自动化先进机床的需求更为紧迫。为此，更为精密高效的机械加工工艺方

2

XXX毕业设计(论文)

法一直是工艺人员所最求的。复合加工技术就此应运而生，复合加工是一种先进制造技术，符合当今机械制造的发展潮流，目前已经成为国际上机械加工制造领域最为流行的加工方法之一。车铣复合加工中心承接复合加工技术，可以实现高效率的零件加工工艺，而且可以在提高加工效率的同时实现高精度生产。

车铣复合加工中心作为复合加工机床的一种典型形式，具有复合机床的共性，可以经过一次装夹零件进行多种加工工序，大大地提高了加工效率和加工精度。具体来说，车铣复合加工中心很好地结合了车床和铣床的加工特点，并且运用数控技术可以提高自动化程度来实现铣削平面，加工回转类零件的表面，钻削，扩孔，镗孔等加工工序。具有车、铣、镗等复合功能的车铣复合加工中心可以解决大部分的工序。车铣复合加工中心大致可以分为三大类：基于车床的复合加工机床，基于铣床的复合加工机床和其他复合加工机床。简单来说，就是在车床、铣床或者其他机床的基础上，增设可以进行其他工序的加工设备，所以便可在同一机床上实现多工序同时进行，在此基础上，再结合数控技术提高车铣复合机床的自动化程度。目前较为先进的车铣复合加工中心可以实现五轴联动，其结构更为复杂。作为机床制造业的高端产品，可以生产航天用零件，主要结构形状复杂和精度要求高的零件。

本设计着重对车铣复合加工中心主轴的机械结构进行设计，涉及到车铣复合加工中心的主轴结构的设计与优化，具体的设计包括主轴部件的支承，主传动的变速方式，主轴的准停和夹紧装置。以期待为车铣中心的相关设计提供一些技术参考。同时也是对自身本科四年的专业学习，包括机械设计，机械原理，理论力学，材料力学等相关的专业知识进行较为综合地运用，锻炼提高查阅资料、自主学习以及创新的能力，做到学以致用。

1.2 车铣复合加工中心的现状及发展趋势

在保证产品质量的前提下，提高加工效率，降低制造成本是机械制造业所追求的共同目标。在机械制造领域，于是复合加工技术得到了各国的青睐。复合加工的实质就是工序集中的一种加工方法。1845年，转塔车床问世。1818年，惠特尼设计出了第一台普通铣床。正由于复合加工理念的发展，车铣复合机床应运而生，实现了车、铣两种工序集中到一个机床上得以实现。19世纪后诸如此类的各种复合功能机床在不断的研发与发展。

目前，像日本的马扎克,德国的DMG这样的国际上一流的机床生产商掌握了世界上最先进的车铣技术，尤其高端五轴联动的车铣复合加工机床的技术，几乎形成技术垄断。在世界经济全球化的过程中，复合加工技术在我国也得到了很大的发展。2001年我国引进德国MAXMULLER的技术，我国成功地研制并且生产出第一台五轴的车铣复合机床。由于与国外的制造技术相比，我国的技术经验积累少，在高端的技术水平的差距仍然较大。国内市场上的铣方复合中心基本可以满足一些零件的加工质量需求，可是加工质量还没达到

3

XXX毕业设计(论文)

先进制造水品。在制造理念与日本、欧洲等制造先进国家接轨的同时，机械制造的相关产业，硬件设施以及技术人才仍然有待大力发展。图1-1所示的是HTM系列车铣复合加工中心，这系列的车铣中心是沈阳机床厂引进国外的先进技术自主开发设计的，它可以实现五轴联动，是一台设备上的高柔性机床，可以在同一装置上一次工件装夹中进行车、铣、钻、镗、攻丝等工序，不但可保证零件的制造精度，而且可以大大提高效率、降低生产成本，尤其适合加工一些形状复杂、精度要求高的零件，比如航空、航天、军工所需零件。

图1-1 HTM40/80系列车铣加工中心

随着先进加工方法不断的发展，传统的制造工艺与设备难以满足当前的市场需求，尤其在航空领域，其零件产品具有小批量，形状结构复杂，精度要求高，材料的加工性能差等特点，在传统的制造工艺与设备上，普遍存在加工效率低，精度差，材料切除量大等弊端。车铣复合加工的核心技术包括了先进制造技术、数控技术、精密测量技术、CAD/CAM技术。车铣复合加工技术的独特优势在于提高产品加工质量和产品加工效率。车铣复合加工中心以其自身的加工性能特点，能够很好的解决因为工件多次装夹得到较差精度，换刀辅助时间过长的问题，而且作为柔性加工设备，便于企业产品的转型，为今后机械制造的发展指明了方向。

1.3 本设计的研究内容

车铣复合加工中心的发展趋势呈现高精度、高刚度、高切削速度的特点，它的结构复杂，自动化程度不断提高。主轴作为机床的核心部件，它的设计是否合理关系到车铣复合加工中心的性能的优劣，由于高精度的工件需求，必然对主轴的制造精度，装配精度提出了更高的要求。车铣复合加工中心能够实现多工序的进行，粗加工切削量较大，为降低机床加工过程中的变形而导致的工件制造误差，主轴的刚度设计是关键。本设计主要针对车铣复合加工中心的主轴机械结构的设计，其主要设计内容包括：

（1）确定最佳车铣复合加工中心主轴的总体结构设计方案； （2）车铣复合加工中心主轴的电机的选型；

4

XXX毕业设计(论文)

（3）车铣复合加工中心的同步带的选型； （4）车铣复合加工中心主轴的具体尺寸参数设计；

（5）根据所确定的主轴的具体参数对相关零部件以及主要承重件进行计算校核； （6）车铣复合加工中心轴承的选型； （7）主轴零件的三维建模和装配。

5

XXX毕业设计(论文)

2 车铣复合加工中心主轴机械结构方案的确定

。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。

6

XXX毕业设计(论文)

6 轴承选择与校核

车铣复合加工中心的精度以及运转的平稳性很大程度上取决于轴承的性能，本设计采用的是滚动轴承，它限定了主轴的轴向位置、决定了主轴的旋转精度和主轴的动载荷承载能力。因此，主轴支承方式以及轴承合理选择是本设计的重要环节。

轴承的滚动体和套圈会出现疲劳点蚀，导致轴承失效，是主轴在运作时发生振动和发热现象，所以滚动体是滚动轴承寿命计算的依据。本部分涉及滚动轴承的型号选择、承载能力以及寿命校核，预计车铣复合加工中心主轴轴承可以连续工作5年，平均每年按照300小时计算。

6.1径向载荷的计算

在第5章求得图5-1中A、B支承点的水平和垂直力，分别为FAy8445.8N，

FBy7780.3N，FAx880N，FBx3080N。

根据上述数据，将力进行合成，求得:

FAFAxFAy8492N

22FBFBxFBy8368N22

图6-1 主轴轴承布局

图6-1为主轴轴承的分布情况，为方便说明已经对进行编号，对应图5-1，A支承主要通过双列圆柱滚子轴承实现主轴支承，B支承主要是三个60º角接触球轴承支承主轴的端部

。

现

对

主

轴

轴

承

进

行

受

力

模

型

化

简

，

Fr1FA8492N,Fr2Fr3Fr41/3FB2789N。

6.2轴向载荷的计算

车铣复合加工中心加工工件的时候，主轴受到轴向力的作用，所以选择70000AC型角接触球轴承，它可以承受较大的轴向载荷，接触角为25º。主轴轴承内孔直径为140mm，选择7028AC/DF型号成对安装角接触球轴承和7028AC单列角接触球轴承。

为了使主轴达到受力平衡，轴承的派生力Fd2Fd3Fd4eFr2eFr3eFr4，满足

Fr2Fr3Fr4Fae0，其中Fae1545N，可以解得：

7

XXX毕业设计(论文)

Fd2Fd3Fd41545N,eFd2/Fr20.55。

6.3轴承校核

滚动轴承的当量动载荷可按如下式子进行计算。 当Fa/Fr0.68时，

PFr0.92Fa 式(6.1)

当Fa/Fr0.68时，

P0.67Fr1.41Fa 式(6.2)

因为eFd2/Fr20.550.68，所以选择式(6.1)并且所得结果代入式(6.3)。

Pfd(Fr0.92Fa) 式(6.3) 式中P——滚动轴承的当量载荷；

fd——载荷系数，见表6-1。

表6-1 载荷系数fd

载荷性质 无冲击或轻微冲击状态 中等冲击和中等惯性冲击状态 强大冲击状态 fd 1.0~1.2 1.2~1.8 1.8~3.0 由于车铣复合加工中心工作时较为平稳，冲击轻微所以选择fd1，代入式(8-3)求得

Pfd(Fr0.92Fa)127890.9215454210.4N。

计算主轴轴承的预期寿命：

Lh'5300243600h

查阅《机械设计实用手册》的轴承承受的基本额定动载荷，如式(6.4)。

CP式中——指数.

60nLh' 式(6.4) 610对于球轴承3，对于滚动轴承10/3，代入求得C28918.23N。

查的所选的主轴轴承7028AC的基本额定载荷为228kN，代入式(6.5)，求得主轴轴承的许用使用寿命Lh69952Lh'。

106CLh 式(6.5)

60nP8

XXX毕业设计(论文)

所以，所选主轴轴承复合车铣复合加工中心的设计要求。

9

XXX毕业设计(论文)

7 Pro/E三维建模

Pro/ENGINEER是由美国PTC公司开发的软件，广泛地运用到制造行业，作为最流行的三维开发软件，它集成了CAD/CAM/CAE功能，能够实现全参数设计，便于后期的设计与校核检验，尤其在实体建模方面更有其特有的优势，能够提高企业的工作效率。[1]

为了便于对主轴及其零件的直观把握，使用Pro/E进行主轴零件实体建模。通过基于主轴零件参数所建的模型，可以为主轴零件的装配和有限元分析提供可靠的数据参数。三维建模首先根据所设计的主轴参数，对主轴的各个零件分别构建立体模型。然后将所键模型按照特定的位置关系，对其进行装配，这样可以及时发现在装配过程中可能出现的问题，避免在生产中的不必要的损失。

7.1车铣复合加工中心的主轴零件建模

主轴部件是车铣复合加工中心的主轴的核心零件，因为其为回转结构，可以使用Pro/E的旋转建模特征快速实现，主轴部件上的螺纹孔经过拉伸和阵列建立，最终的车铣复合加工中心的主轴零件三维模型如图7-1所示。

图7-1 主轴零件

车铣复合加工中心的主轴的动力是由主轴后端的同步轮，通过同步带进行动力传递。同步带轮的齿形不是渐开线，与一般的齿轮的齿形不同，有相应的标准。在本设计中，同步带轮还具有压紧零件的作用，在其后端还要安装编码器的同步带轮。具体三维模型如图7-2所示，通过相应的算法，可以生成同步带轮的齿形，其余部分拉伸便可完成。

10

XXX毕业设计(论文)

图7-2 同步带轮

主轴的要实现准确的准停位置，需要增设编码器，对主轴实现精确控制，编码器要与车铣复合加工中心同步转动。在装配过程中，编码器相应的同步带轮是安装于图7-2的凸台上。编码器对应的同步带轮如图7.3所示。

图7-3 编码器同步带轮

车铣复合加工中心主轴是在高速中进行切削加工，为了让其便于安装并且保证安装精度，本设计有专门的主轴衬套，这样的装置不仅可以实现上述功能，而且便于散热。图7-4便是主轴衬套模型，它属

11

XXX毕业设计(论文)

于回转类零件，通过旋转建模特征可以快速实现。

图7-4 主轴衬套

7.2 车铣复合加工中心的主轴零件装配

车铣复合加工中心的主轴是由多个零件组装而成，在实际的生产过程中，为了避免设计所出现的问题造成的经济资源损失，需要进行虚拟组装。将上述建立的主轴各个零件在Pro/E新建组件模型进行装配。主要运用轴线对其以及配对实现主轴零件相对位置完全约束。

主轴衬套以内部分的装配图如7-5所示。

12

XXX毕业设计(论文) 图7-5 主轴衬套内部装配

主轴的整体装配，如图7-6所示

图7-6 主轴整体装配

为了方便对本设计车铣复合加工中心主轴内部更为直观的了解，现将已建立的装配实体剖切，主轴的内部结构如图7-7所示。

图7-7 主轴剖视

13

XXX毕业设计(论文)

结论

车铣复合加工中心的主轴机械结构设计是一次系统的机床部件的设计过程，根据设计要求拟定车铣复合加工中心的主轴机械结构方案，并且对于所提出的方案作出客观的评估，结合本设计的自身设计需求再进行结构优化。具体来说车铣复合加工中心的支承结构，我们通过查阅《机床设计实用手册》可以了解常用的支承方式，然而各有其优缺点，要综合考虑结构、安装简易程度、结构稳定性和达到设计精度的简易程度等方面的因素进行选择，选定的方案虽然是其他几种方案的优者，但是仍然要对结构进一步优化，争取取得最有的现实效果。

本设计的另一个关键就是区别于其他数控车床主轴的设计部分，普通数控车床其主轴只要提供切削工件时的动力，而具体的主轴角度位移并不需要实现控制。但是，对于车铣复合加工中心，因为它要求实现铣削工序，主轴上所加持的工件在进行铣削时需要保持确定的位置。因此，本设计就要针对这一要求考虑关于主轴准停和锁紧设计相关装置。准停装置有机械式和电气式，车铣复合加工中心属于高自动化的柔性加工机床，电气式相对容易实现精准控制。主轴的夹紧装置主要作用就是在主轴加持工件定在某一特定的角度，为了防止工件在进行其他工序是发生失位而导致零件报废，所以该装置可以让主轴抱死在特定的角度。

为了使车铣复合加工中心在寿命期限内完成工件加工任务，达到设计的要求，需要对主轴的尺寸结构进行系统科学的设定，而且根据实际情况对主轴的强度以及刚度进行校核。主轴在切削工件受到切削力、支承处受到支承反力、同步带的轴压力以及自重的作用，会发生变形扭曲，甚至主轴部件遭到破坏。为此，需要对主轴的结构参数科学设定，包括主轴直径、主轴通孔直径、主轴长度以及悬伸量。符合强度要求是车铣复合加工中心所要满足的基本条件，刚度要求关系到车铣复合加工中心能否按照设计要求精度加工工件，主要对主轴单位扭转角进行考察。

经过以上对车铣复合加工中心的系统设计，综合运用到了机械原理、机械设计、材料力学和理论力学等机械专业知识，是对自己专业素养的全面考察，培养了机械设计方面的基本思维和理论方法的运用能力，同时对我的创新思维有了很大的开拓。

14

XXX毕业设计(论文)

致谢

15

XXX毕业设计(论文)

参考文献

[1] 孙海波，陈功. Pro/ENGINEER WildFire 三维造型及应用[M]. 南京：东南大学出版社.2008. [9] 陶乾. 金属切削原理(修订版)[M]．北京:人民教育出版社.2001．

[10] 王庆利，范春宏，吴丽等. 精密卧式主轴设计研究[J]. 制造技术与机床，2012(5):147-149. [11] 高英贤，刘洋，张允良. 数控机床轴承预紧对主轴刚度的影响[J]. 组合机床与自动化加工技术,201

3(7):31-33.

[12] 魏兴春，冯瑞成，郭俊锋等. 加工中心主轴部件刚度分析[J]. 组合机床与自动化加工技术，2009(6): 20-21.

[13] 申永胜. 机械原理教程[M]. 北京：清华大学出版社,2005.

[14] 甘永立. 几何量公差与检测[M]. 上海：上海科学技术出版社，2010.

[15] 谢黎明，代昌浩，符卫东. 车铣复合加工中心主轴结构的有限元分析[J]. 组合机床与自动化加工技 术, 2006(2):29,30,33.

[16] 侯珍秀. 机械系统设计[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003.

[17] Chengzhe Jin, Maoxia Zhu. Kinematics Simulation and Vibration Mode Analysis of Micro Turn-milling Machine Tool[J]. Key Engineering Materials, 2014,589-590: 378-383.

[18] Chen Hua She1, Chih Wei Hung. Development of multi-axis numerical control program for mill-turn machine[J]. Engineering Manufacture, 2008(222):741-745.

16