1、1目录绪论 .1第一章 数控加工技术概论 31.1 数控技术及数控加工的基本概念 .31.2 数控机床的组成与分类 .41.3 数控机床的特点与数控机床的发展方向 .6第二章 数控铣床主传动系统 .72.1 数控机床对主传动的要求 .72.2 数控铣床主传动的配置方式 .7第三章 主轴电动机的选取 .10第四章 同步带传动 .114.1 材料选择 114.2 参数计算 11第五章 主轴组件的设计 .145.1 主轴组件的设计要求 145.2 主轴材料的选择及尺寸、参数的计算 .165.3 主轴传动装置箱体的作用 205.4 主轴箱体的截面形状和壁厚计算 .20第六章 主轴轴承的选择 .216.
2、1 轴承的选择和轴承的精度 216.2 轴承预紧力的要求 226.3 主轴轴承的润滑与密封 236.4 轴承寿命校核 24第七章 联接键的选择和碟形弹簧的选择与计算 .257.1 联接键的选择 257.2 碟形弹簧的选择与计算 257.3 碟形弹簧材料及热处理、厚度和脱碳 267.4 碟形弹簧的强压处理、表面强化处理和防腐处理 26第八章 螺钉联接的设计 .28第九章 液压缸与密封件的设计 3029.1 液压缸安装时应注意的问题 319.2 液压缸各部分的结构及主要尺寸的确定 319.3 强度校核 319.4 密封件的作用及其意义 329.5 密封的分类及密封件的材料要求 329.6 防尘圈设
3、计要求 33结 论 34致 谢 .35参考文献 .36附录 373绪 论在工业生产中，金属热切割一般有气割、等离子切割、数控铣床等。其中数控铣床与气割相比，其切割范围更广、效率更高。而精细等离子切割技术在材料的切割表面质量方面已接近了激光切割的质量，但成本却远低于激光切割。因此，数控铣床自 20 世纪 50 年代中期在美国研制成功以来，得到迅速发展。1 国外数控铣床现状与发展趋势国外数控铣床的生产厂家主要集中在德国、美国和日本。从机械结构上看，其发展经历了十字架型（轻型） 、门型（小型） 、龙门型（大型）3 个阶段，相应的型号种类繁多。能够代表数控铣床技术最高水平的厂家主要集中在德国，目前，国
4、外已有厂家在龙门式切割机上安装一个专用切割机械手，开发出五轴控制系统的龙门式专用切割工具，该系统可以在空间切割出各种轨迹，利用特殊的跟踪探头，在切割过程中控制切割运行轨迹。我国工厂的板材下料中应用最为普遍的是数控铣床和等离子切割，所用的设备包括手工下料、仿形机下料、半自动切割机下料及数控切割机下料等。与其他切割方式比较而言，手工下料随意性大、灵活方便，并且不需要专用配套下料设备。但手工切割下料的缺点也是显而易见的，其割缝质量差、尺寸误差大、材料浪费大、后道加工工序的工作量大，同时劳动条件恶劣。用仿形机下料，虽可大大提高下料工件的质量，但必须预先加工与工件相适应的靠模，不适于单件、小批量和大工件
5、下料。半自动切割机虽然降低了工人劳动强度，但其功能简单，只适合一种形状的切割。上述 3 种切割方式，相对于数控切割来说由于设备成本较低、操作简单，所以在我国的中小企业甚至在一些大型企业中仍在广泛使用。随着国内经济形势的蓬勃发展以及以焊代铸趋势的加速，数控铣床的优势正在逐渐为人们所认识。数控铣床不仅使板材利用率大幅度提高，产品质量得到改进，而且改善了工人的劳动环境，劳动效率进一步提高。目前，我国金属加工行业使用的数控铣床是以火焰和普通等离子切割机为主，但纯火焰切割，已不能适应现代生产的需要，该类切割机可满足不同材料、不同厚度的金属板材的下料以及金属零件的加工的需要，因此需求量将会越来越大，但与国
6、外的差距仍极为明显，主要表现4为：发达国家金属加工行业 90%为数控切割机下料，仅 10%为手工下料；而我国数控切割机下料仅占下料总量的 10%，其中数控铣床下料所占比例更小。我国数控铣床每年市场需求量约在 400500 台之间。相较而言，仿形切割机每年销售几千台，半自动切割机每年销售达上万台。由此可见，我国数控切割市场，尤其是数控铣床市场的发展潜力是巨大的。2 数控技术的现状与发展计算机技术的飞速发展推动了数控技术的更新换代，而这也日益完善了数控铣床的高精、高速、高效功能。代表世界先进水平的欧洲、美国、日本的数控系统生产商利用工控机丰富的软硬件资源开发的新一代数控系统具有开放式体系结构，即数
7、控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能） ，形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次产品的开发。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向发展。近几年来，由于对切割质量、劳动环境等的要求越来越高，其相应产品在我国的市场需求量也逐年上升。在我国的数控铣床设备生产行业中，由于缺乏切割理论研究与生产实践相转换的机制，因此新技术运用不广、新产品开发速度不快，制约了数控铣床技术的进一步发展和运用。5第 一 章 数 控 加 工 技 术 概 论1.1 数控技术及数控
8、加工的基本概念一 数控技术数控技术是本世纪中期发展起来的机床控制技术，是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术。数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透行程的机电一体化铲平，即所谓的数字化装备。(1)数控与数控机床数字控制 （Numerical Control，简称 NC）,国家标准定义为：“是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方法” 。定义中的“机床” ，不仅指金属切削机床，还包括其他各类机床，如线切割机床等。数控机床 （Numerical Control Machine Tools）是技术密集度及自动化程度很高的机电一体化加工装备。简单地说就
9、是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。国际信息处理联盟 （Internaional Federation of Information Proceccing，简称 IFIP）第五技术委员会对数控机床作了如下定义：数控机床是一种装有程序控制系统的机床，该系统能逻辑地处理具有特定代码和其他符号编码指令规定的程序。（2） 数控系统数控系统 （NC System）就是上诉定义中所指的那种程序控制系统，它是逻辑地处理驶入到系统中具有特定代码的程序，并将其译码，从而使机床运行并加工零件。数控系统在本质上是一台计算机。在硬件方面，它经历了电子管、晶体管、小规模集成电路、微处理机到当前 PC
10、结构的五代发展；在体系结构上，经历了硬件数控系统（NC） 、计算机数控（CNC） 、到目前的 PC 数控（PC-NC）三个阶段。 9二 数控加工数控加工技术是 20 世纪 40 年代后期为适应加工复杂外形零件而发展起来的一种自动化加工技术。数控加工就是用数控机床加工零件的方法。数控加工是伴随数6控机床的产生、发展而逐步完善起来的一种应用技术，它是人们长期从事数控加工实践的经验总结。1.2 数控机床的组成与分类一 数控机床的组成数控机床的种类很多，但是任何一种数控机床都主要由数控系统、伺服系统和机械系统组成。1 数控系统数控系统是数控机床的核心，是数控机床的“指挥系统” 。 数控系统通常是一台带
11、有专门系统软件的专用微型计算机。2 伺服系统伺服系统（或称驱动系统）是数控机床的执行机构，是由驱动和执行两大部分组成。用于实现数控机床的进给伺服控制和株洲伺服控制。它接受数控装置的指令信息，并按指令信息的要求控制执行部件的进给熟读、方向和位移。3 机械系统数控机床的机械系统，除机床基础件意外，有下列各部分组成:(1)主轴部件：包括主轴电动机和主轴传动系统。(2)进给系统：包括进给执行电动机和进给传动系统。(3)实现共建回转、定位的装置和附件。(4)实现某些部件动作和辅助功能的系统和装置。(5)刀库和自动换刀装置(Autormatic Tools Changer, 简称 ATC)(6)自动托盘交
12、换装置（Autormatic Pallet Changer，简称 APC）机床基础件或称机床大件，通常是指床身(或底座) 、立柱、滑座和工作台等，它是整台机床的基础和框架。 9二 数控机床的分类1 按工艺用途分按照工艺的不同，数控机床可分为数控车床、数控铣床、数控钻床、数控镗床、数控齿轮加工机床、数控电火花加工机床、数控线切割机床、数控冲床、数控剪床、7数控液压机等各种工艺用途的数控机床。2 按运动方式划分按运动方式即刀具与工件相对运动方式，数控机床可分为：点位控制、直线控制和轮廓控制。3 按伺服系统类型划分按伺服系统类型的不同，数控机床可分为：开环伺服系统数控机床、闭环伺服系统数控机床和半闭
13、环伺服系统时空机床。（1） 开环伺服系统数控机床开环伺服系统数控机床是一种不叫原始的数控机床。这类机床的数控系统将零件的程序处理后，输出数据指令给伺服系统，驱动机床运动，没有来自位置传感器的反馈信号。最典型的系统就是采用步进电动机的伺服系统。这类系统的信息流是单向的，即进给脉冲发出去以后，实际移动值不再反馈回来，所以称为开环控制。这类机床较为经济，但加工速度和加工精度较低。（2） 闭环伺服系统数控机床闭环伺服系统数控机床带有检测装置，直接对工作台的位移量进行检测。这类控制系统，因为把机床工作台纳入位置控制环，故称为闭环控制系统。该系统可以消除包括工作台传动链在内的运动误差，因而定位精度高、调节
14、速度快。但由于该系统受进给丝杠的拉压刚度、扭转刚度、摩擦阻尼特性和间隙等非线性因素的影响，给调试工作造成较大的困难。由于闭环伺服系统复杂和成本高，故适用于精度要求很高的数控机床，如精密镗铣床、超精密数控机床等。（3） 半闭环伺服系统数控机床大多数数控机床是半闭环伺服系统，这类系统介于开环和闭环之间，精度没有闭环高，调试却比闭环方便，因而得到了广泛的应用。4 按数控机床系统的功能水平划分按数控机床系统的功能水平可分为：低档、中档和高档。按控制轴数和联动轴数可分为几轴联动等多种数控机床；按数控机床功能多少可分为经济型数控机床和全功能型数控机床等。 981.3 数控机床的特点与数控机床的发展方向1
15、数控机床的特点数控机床与普通机床比较具有以下特点。（1） 自动化程度高。（2） 进给传动机构简单。（3） 工艺复合化和功能集成化。（4） 具有加工复杂形状两件的能力。（5） 具有高度柔性，适用性强。（6） 加工精度高、质量稳定。（7） 生产效率高。2 数控机床的发展方向当今数控机床正朝着以下几个方向发展。（1） 高速度、高精度。（2） 多功能化。（3） 智能化。（4） 目前 CAD/CAM 图形交互式自动变成已得到较多的应用，是数控技术发展的新趋势。（5） 可靠性最大化数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标。（6） 控制系统小型化和时空系统小型化便于将机、电装置结合为一体。 209第 二
16、章 数 控 铣 床 主 传 动 系 统数控机床的主传动系统包括主轴电动机，传动系统和主轴组件。与普通机床的主传动系统相比数控机床在结构上比较简单，这是因为变速功能全部或大部分由主轴电动机的无级调速来承担。省去了繁杂的齿轮变速机构，还有一些数控机床设计中还存在二级或三级齿轮变速机构用以扩大主轴电动机无级变速的范围。2.1 数控机床对主传动的要求1. 范围： 各种不同的机床对调速范围的要求不同，多用途，通用性比较大的机床，要求主轴的调速范围大，不但有低速大转距的功能，而且还要有比较高的速度。2. 热变形：电动机、主轴及传动件都有热源。降低温升，减少热变形是对主传动系统要求的重要指标。3. 旋转精度
17、和运动精度（1）主轴的旋转精度:是指装配后，在无载荷，低速转动条件下，测量主轴前端和 300mm 处的径向和轴向跳动值。（2）主轴在以工作速度旋转时，测量上述两项精度称为运动精度。4. 主轴的静刚度和抗振性由于数控机床的加工精度比较高，主轴的转速又很高。因此，主轴组件的质量分布是否均匀以及主轴组件的阻尼等，对主轴组件的静刚度和抗振性都会产生影响。5. 主轴组件的耐磨性 主轴组件必须有足够的耐磨性，使之能够长期保持要求的准确精度。凡是有机械摩擦的部位，轴承，锥孔等都要有足够的硬度，轴承还应具有良好的润滑。 6102.2 数控铣床主传动的配置方式数控铣床的主传动系统要求有较大的调速范围，以保证进行
18、加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产效率、加工精度和表面质量。数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此机构必须适应自动操作的要求。大多数的数控铣床是用无级变速系统控制的。数控机床主传动系统主要有以下三种配置方式：1. 带有变速齿轮的主传动这种配置方式在大中型数控机床中采用比较普遍。它通过少数几对齿轮进行降速，使之能够分段变速，确保低速时拥有足够的扭矩，以满足主轴输出扭矩特性。但也有一部分小型数控机床也采用这种传动方式，以获得强力切削时所需要的扭矩。2. 通过带传动的主传动主要应用在中小数控机床上，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，但它只能适用于低扭矩特性要求的主轴。同步带有多楔
19、带，齿形带，圆弧带等，是一种综合了带传动和链传动优点的新型传动。带的工作面及带轮外圆上均制成齿形，通过带轮与轮齿相嵌合，做无滑动的啮合传动。带内采用了承载后无弹性伸长的材料作强力层，以保持带的节距不变，使主动和从动带轮可做无相对滑动的同步传动。与一般带传动相比，同步带传动具有以下优点：（1）无滑动，传动比准确。（2）传动效率高，可达 98%以上。（3） 传动平稳可靠，噪声小。（4） 使用范围广，速度要达到 50m/s，速比可达 10 左右，传动功率由几瓦到数千瓦。（5） 修保养方便，不需要润滑。但是同步带也有不足之处，其安装时中心距要求严格，带与带轮制造工艺较复杂，成本高。3. 由调速电动机直
20、接驱动的主传动这种主传动方式大大简化了主轴箱与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚11度。但主轴输出扭矩小，电动机转动时发出的热量对主轴的精度影响比较大。在低于额定转速时为恒转矩输出，高于额定转矩时为恒功率输出。使用这种电动机可实现电气定向。我们把机床主轴驱动与一般工业的驱动相比较，便可知机床要求其驱动系统有较高的速度精度和动态刚度，而且要求具有能连续输出的高转距能力和非常宽的恒功率运动范围。随着功率电子，计算机技术，控制理论，新材料和电动机设计的进一步发展和完善，矢量控制交流主轴电动机驱动系统的性能已经达到甚至超过了直流电动机驱动系统，交流主轴驱动系统正在逐步取代直流系统。 412第 三 章
21、 主 轴 电 动 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。图 3-1 主轴电动机电动机功率的选择，工作机所需的有效功率为：Pw=Fv/1000=17.5kw 1,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 ，设 1、2、分别为同步带轮和同步带的传动效率，查表所得 1 和 2 都等于 0.97。则传动的总效率为 =12=0.94 1， 所以电动机所需的功率为 Pd=Pw/=18.5KW 1电动机传速的选择:此次设计要求电动机必
22、须有额定转速 1500r/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，本次设计中选取兰州电机厂生产的1PH5167-4CF4 型号交流主轴电动机。其主要参数如下表：13表 3-1 1PH5167-4CF4 型号交流主轴电动机的主要参数 11第 四 章 同 步 带 传 动同步带传动综合了带传动和链传动的特点，同步带传动的优点是:（1）无相对滑动，带长不变，传动比稳定；（2）带薄而轻，强力层强度高，适用于高速传动，速度可达 40 m/s；（3）带的柔性好，课用直径较小的带轮，传动结构紧凑，能获得较大的传动比；（4）传动效率高，可达 0.98-0.99，因而应用日益
23、广泛；（5）初拉力较小，故轴和轴承上所受的载荷小。主要缺点是制造、安装精度要求较高、成本高。同步带主要用于要求传动比准确的中、小功率传动中，如计算机、录音机、磨床和纺织机等。 134.1 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。 134.2 参数计算设计计算的内容主要是：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。额定转速（r/min）最高转速(r/min)额定转矩惯性矩(N.M)电机功率(KW)恒功率范围1500 6000 117.7 0.046 18.
24、5 1:90141. 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，通过查现代数控机床表 4-33 查得 Pd=KA*P, 式中 P传动功率表 4-1 工作情况系数 KA一天运转时间/h载荷性质10 1016 16 以上载荷平稳 1.0 1.1 1.2载荷变化小 1.2 1.4 1.6载荷变化大 1.4 1.7 2.0选取 KA=1.7，所以 PC=5.51.7=9.35KW由齿形带模数选用图可选 m=42. 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=243. 同步带节距 Pb:由 PD=9.35KW n1=150
25、0r/min, 查表选取节距Pb=12.566mm, 齿形角 2=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 =1.000mm, 带 bs=3540mm。4. 节圆直径 d1:d1= =96 zpb5. 大带轮齿数 z2 与直径：z 2=iz1=366. 大带轮直径 d2=id1=1.596=1447. 带的速度 V:V= =7.536， (式 4-06n1)15由表查得 13Vmax=3540 VT 8.460132.3809.52.1143因为
26、轴承使用寿命远大于轴承预期的寿命所以轴承合格的。第 七 章 联 接 键 的 选 择 和 碟 形 弹 簧 的 选 择 与 计 算7.1 联接键的选择键的类型可根据联接的结构特点，使用要求和工作条件选择，键截面尺寸通常根据轴的直径，从标准中选取，对于某些特殊情况（如阶梯轴）在保证传递所需的转矩的条件下，允许选用较标准规定小一挡的截面尺寸，有时候由于工艺和强度原因，也可以选用较标准规定尺寸大一挡的键，键的长度按轮毂长度而定，即键的长28度等于略短于轮毂的长度，而导向平键就得按轮毂的长度及滑动距离而定，键的长度应该符合标准规定的长度系列。根据设计尺寸和 GB/T1096-1979 选普通平键联接，键的
27、公称尺寸是bhL=108(2836)，材料选取 45 号钢。7.2 碟形弹簧的选择与计算碟形弹簧它是一种用钢板冲压的截面锥形压缩弹簧，其特点是：图 7-1 碟形弹簧（1）刚度大，用于负荷大，轴向空间要求小的地方。（2）具有变刚度特性，适应范围广，根据其极限变形量 h0和弹簧板厚度 t 不同，可有各种不同的特性曲线和承载能力。（3）在工作过程中，碟片之间有摩擦损失，加载和卸载时的特性曲线不重合，吸振能力强，制造维修方便。根据设计要求，选用 A 系列碟形弹簧。采用对合组合方式安装。 177.3 碟形弹簧材料及热处理、厚度和脱碳碟形弹簧材料为 60Si2MnA，碟簧成型后，进行淬火，回火后的硬度必须
28、在HRC4245 范围内单面脱碳层深度，对于厚度小于 1.25mm 的第一类碟形弹簧，不得超过其厚度的 5%，对于厚度不小于 1.25mm 的碟形弹簧，不超过其厚度的 3%（其最29小值允许为 0.06） 。7.4 碟形弹簧的强压处理、表面强化处理和防腐处理碟形弹簧应全部进行强压处理，处理方法为：一次压平，持续时间不少于12h，或者进行短时压平，压平次数不小于 5 次，压平力不小于二倍的 Pf=0.75h0,强化处理后自由高度应稳定。对于受变负荷的碟形弹簧，内锥面推荐表面作强化处理，例如喷丸处理等，根据需要，碟形弹簧表面进行防腐处理（如磷化、氧化、镀锌等） ，经电镀后的碟形弹簧，必须进行去氢处
29、理，不过对受变负载的碟形弹簧应该避免采用电镀方法处理。6其主要设计参数如下：D=50 d=25.4 t=3 h0=1.1 H0=4.1 P=12000N f=0.83 H0-f=3.27 M=-1250N/ 2 =1430 N/ 2 Q=34.30kg/1000 件D/t18 h0=0.4 E=206000N/ 2 =0.3 K4=1 C=2 压平弹簧的负载：PC= （式 7-NDhtE810144210321）K1= =0.69， （式 7-2lnC2）P/Pc=5000/8410=0.59 因为 h0/t=0.4 (查表所得) 所以 57.0hff=0.57h0=0.51 所以对合组合的片数为 I= 取 12 片.6.1.fZ未受负载的高度是 HZ=i.H0=223.15=69.330受负载时的高度 H1=HZ-if=69.3-220.51=58.08压平弹簧时(f=h 0)M 点的应力 M= （式 7-31350144212 tfKDtE）此数据与 60Si2MnA 的屈服极限 1400 接近碟形弹簧的刚度 P=9015.53N （式 7-4）12314 020422132 tftfhtKDtE第 八 章 螺 钉 联 接 的 设 计设计要求：1.螺钉的布置一般对称形式，并应
