车铣加工中心毕业设计论文

天津工业大学

毕业设计

车铣加工中心机床教学模型设计

姓 名 学 院 机械工程学院 专 业 机械工程及自动化 指导教师 职 称 副教授

2014 年 05 月 20日

天津工业大学毕业设计任务书

题目 学生姓名 课题类型 车铣加工中心机床教学模型设计 学院名称 机械工程学院 设计类 专业班级 机械工程及自动化 对于一些形状复杂，精度要求高的异形回转体零件可在既具备数控车床功能又具备铣床功能的机床中一次装夹中完成全部或大部分分工工课题意义 序的加工，既可保证精度，又可提高效率，缩短生产准备周期，降低成本。因此，研究此课程具有重要意义。 任务与进度要求 任务要求: (1)要求设计能够完成在同一机床内既然完成加工中心的零件加工又能完成数控车床的零件加工； (2)要求对机床五轴联动进行设计； (3) 要求对机床各坐标轴定位进行设计。 进度要求： 2014.3.1—2014.3.17 文献检索，了解课题 2014.3.18—2014.4.27确定总体设计方案，进行必要的理论计算。 2014.4.28—2014.5.31完成总装配图设计和部件零件图的设计。 2014.6.1—2014.6.15 前期研究整理，论文写作，准备答辩 1 曹金榜，易锡麟，张玉峰，陈田养，王长春.机床主轴变速箱设计指导.北京:机械工业出版社,1987 主要参考文献 2 徐锦康,蔡慧官,蒋同洋.机械设计.北京:机械工业出版社,2001 3 张新义.经济型数控机床系统设计.北京:国防工业出版社,1993 4 北京航空学院机械加工教研室.北京:国防工业出版社馆 5 王爱玲.现代数控机床结构与设计.北京:兵器工业出版社 起止日期 备注 2014.3.1-2014.6.10 院长 教研室主任 指导教师

毕业设计开题报告表

姓名 题目 2014 年03月25日 机械工程及自 学院 机械工程 专业 班级 机自1009 动化 车铣加工中心机床教学模型设计 指导教师 一、与本课题有关的国内外研究情况、课题研究的主要内容、目的和意义： 1. 国内外研究情况：车铣加工中心是在数控车床基础上发展起来的加工中心。以车削为主要加工方式，同时具备强大的钻镗铣攻丝等加工功能，因此它可以用来加工形状很复杂的混合体零件，如空间孔，空间外型等。实现了在一台机床上完成多种不同工艺方法的多工序加工，如同一台数控车床和一台中小型加工中心的复合加工。目前，德国的Aachen工业大学和Darmstadt工业大学都设有专门从事车铣技术研究的研究中心。1982年，奥地利林茨机床公司（WFL）开发出全世界第一台车铣数控专用机床——WVC500S车铣加工中心。20多年来经过不断努力，2002年WFL推出了新一代Millturn M40和M40-M数控车铣复合机床，该加工中心已经可以实现车削，铣削，镗孔加工，插齿滚齿等多种加工。 奥地利的WFL公司是车铣技术行业的开拓者，日本复合加工机开始于20世纪70年代末80年代初，目前德国和瑞士的机床精度最高，综合起来，德国的水平最高，日本的产值最大，全球市场占有率最高。 在国内，“十五”期间，通过国家相关的政策的支持，包括沈阳机床在内的国内机床行业通过自主创新，合作开发等手段，在中高档及大型数控机床关键技术研究方面有了较大突破。 我们在车铣复合加工机床成功取得多方面突破，例如：攻克了动力驱动单元，大直径大通孔的高速强力主轴，刀架，机床热平衡，精度补偿等多项关键技术，主传动兼顾了大扭矩输出和高速输出，动力刀具主轴的设计也实现了高转速与大扭矩的兼顾，Y/B轴部分的设计功能更完善，刚性更高，尾台的设计充分考虑刚性及高的自动化和安全性，高性能车铣复合机床的刀库及机械手换刀装置为完全自主知识产权。开发出五轴车铣复合加工中心并完成了系列化，规格化产品的设计和生产。主轴最高转速7000r/min，可满足形状复杂的大型回转体零件的加工要求，如飞机发动机主轴，起落架，船用发动机活塞，增压器蜗杆差速转换器，螺旋叶片合装的高速高效加工等。 2. 课题研究主要内容：既能实现车削的功能又能实现铣削功能于一体的机床设计，在设计中会遇到如下难题，由于这次设计时间有限，不能对所有重要部件进行校核，有的只能进行简单的选型，而不是经过严格计算得到。而且由于缺乏实践经验的积累，设计的很多方面都缺乏工艺性 3. 课题研究的目的及意义：对于一些形状复杂，精度要求高的异形回转体零件可在一次装夹中完成全部或大部分分工工序的加工，既可保证精度，又可提高效率，缩短生产准备周期，降低成本。 二、进度及预期结果： 起止日期 主要内容 预期结果 2014.3.1-2014.6.15 1. 文献检索，了解课题 完成预期工作要求，实2. 确定总体设计方案，进行必要的理论计现车铣一体功能 算。 3. 完成总装配图设计和部件零件图的设计。 4. 前期研究整理，论文写作，准备答辩 完成课题的现有条件 审查意见 指导教师： 年 月 日 主管领导： 年 月 日 学院意见

天津工业大学本科毕业设计评阅表

（设计类）

毕业设计 题目 学生姓名 评审项目 车铣加工中心机床教学模型设计 学生班级 机自1009 指标 能体现本专业培养目标，题目大小、难度适中；学生工选题 作量饱满，能得到较全面训练。 题目与生产、科研等实际问题结合紧密。 能独立查阅文献以及从事其它形式的调研，能较好地理课题调研 文献检索 外文应用 解课题任务并提出实施方案；有分析整理各类信息从中获取新知识的能力。 能正确引用外文文献，翻译准确，文字流畅。 设计图纸（插图）简洁、规范、无差错，设计栏目齐全合理，能正确使用国家标准单位，实验数据处理正确，35 5 15 指导教师姓名 满分 10 10 评分 设计说明结果分析准确。 书（论文） 设计说明书（论文）结构严谨，表达清楚，文字通顺，用语正确，基本无错别字和病句，书写格式符合规范。 设计具有创新性或实用价值。 合计 意见及建议 评阅人签名：

15 10 100 年 月 日

天津工业大学毕业设计成绩考核表

学生姓名 题目 学院名称 机械工程学院 专业班级 机自1009 车铣加工中心机床教学模型设计 1．毕业设计（论文）指导教师评语及成绩： 成绩： 指导教师签字： 年 月 日 2．毕业设计（论文）答辩委员会评语及成绩： 成绩： 答辩主席（或组长）签字： 年 月 日 3．毕业设计（论文）总成绩： a.指导教师 给定成绩 b.评阅教师 给定成绩 c.毕业答辩成绩 总成绩 (a×0.5+b×0.2+c×0.3)

摘 要

在现代社会中，复合于一体的机床已经成为机床行业发展的一个必然趋势，仅仅是立式铣床就能在一次装卡后，可以通过换刀不动工件位置来完成铣，钻，镗，扩，和攻螺纹等多种工序的加工，它是一种集自动化程度高，工序高度集中的机电一体化设备，更何况如果能将本就占有很大的比重的车床和铣床结合在一起，那么毫无疑问可以在很大程度上提高机床的工作效率，缩短生产周期，加大准确精度和加工范围。

在上个世纪中期，复合加工技术是兴起的一种先进制造技术，后期随着工业技术的蓬勃发展，对于零件形状趋于复杂化，追求零件精度和提高效率的各种大背景下，复合于一体的机床从此诞生，它可以一次装卡完成多工序或全部工序的需求。

本文的设计主要是以机械传动部分为主，电控部分为辅，机械部分包括三大部分，第一部分，车床主轴的设计，带有三爪卡盘的主轴与伺服电机之间的传动关系，第二部分，回转工作台的设计，带动回转工作台X,Y轴方向运动的丝杠设计，第三部分，铣床的主轴设计。想通过设计出这样一个小型的带有车床运动机构和铣床运动机构的能够车削铣削零件的机床作为教学上的教具，以便于当代大学生切身能在保证安全的情况下近距离接触，了解这二种机床的运动原理。对于车床，铣床乃至先进的车铣一体复合机床的发展带有很大的推动作用！

关键词：车铣一体机床，机械传动机构，教具设计

ABSTRACT

In modern society, the complex in one of the machines has become an inevitable trend in

the development of the machine tool industry , just after the vertical milling machine can be installed in a card , can be accomplished by milling tool change position is not working member , drilling, boring , expanding processing a variety of processes , and tapping , etc., it is a set of high degree of automation , process highly concentrated electromechanical integration equipment , let alone if it can account for a large proportion of the lathes and milling machines together, then There is no doubt in large part to improve the efficiency of machine tools , shorten production cycles , increase accuracy and precision machining range .

In the middle of last century , the rise of composite processing technology is an advanced manufacturing technology , under the latter with the vigorous development of industrial technology, the part shape tends to complicate the pursuit of precision parts and improve the efficiency of various background, complex in one machine was born , it can demand more than one card to complete installation process or all processes .

This design is mainly based on mechanical transmission parts based, supplemented by electric control part , the mechanical part consists of three parts , the first part of the transmission relations , design lathe spindle , spindle and servo motors with three-jaw chuck between the first two parts, the design of the rotary table , the rotary table drive X, Y -axis direction of the screw design , and the third part of the milling spindle design . Want to design such a small organization with a lathe and milling machine motion movement mechanism for turning and milling parts of the machine can be used as teaching aids in order to facilitate the vital energy of contemporary college students in close contact to ensure a safe situation , to understand these two machine movement principle . For lathes, milling machines and even the development of advanced composite milling machine with one big boost !

Key words：One milling machine, mechanical transmission, aids design

目 录

第一章 绪论 ..................................................... 1

1.1研究的背景目的及意义 ................................................. 1

1.2国内外相关现状 ....................................................... 2 1.3课题研究的主要内容 ................................................... 3

第二章 机床设计方案分析及确定 .................................... 4

2.1伺服进给系统的基本要求 ............................................... 4

2.2驱动方案的分析及确定 ................................................. 4 2.3传动方案分析及确定 ................................................... 5 2.4铣削主轴系统方案分析及确定 ........................................... 5 2.5 车削主轴系统方案分析及确定 ........................................... 6 2.6 车铣一体整体三维结构布局示意图 ....................................... 6

第三章 车削主轴系统设计 .......................................... 8

3.1主轴电机的选择 ....................................................... 8 3.2轴的设计与计算 ....................................................... 9 3.3 轴的校核 ............................................................ 11

第四章 铣削主轴系统设计 ......................................... 15

4.1铣削功率及铣削力计算 ................................................ 15 4.2电主轴的选择 ........................................................ 17 4.3 V带传动的选择与计算 ................................................ 17

第五章 滚珠丝杠设计计算与校核 .................................. 20

5.1 滚珠丝杠特点介绍 .................................................... 20

5.2滚珠丝杠的设计与计算 ................................................ 20

第六章 结论 ..................................................... 29 参考文献 ........................................................ 31 附录 英文文献翻译 ............................................... 32 致谢 ............................................................ 64

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第一章 绪论

1.1研究的背景目的及意义

车铣一体技术是20世纪末发展起来的复合技术，是一种在仪器精密技术和机械设计技术基础上，集成了当代CAD/CAM应用技术，先进控制，精密测量技术的一种先进新型的机械加工技术。这种加工控制技术的本质是基于当代工业技术，工艺水平，发达的科技等各种创新所引发的产品质量提升，工艺进步，效率提高，缩短工作周期的新技术。

现如今，这种车铣中心发展飞快，不论是在硬件还是软件上，功能都十分的强大。在硬件功能上，有标准库，功能模块标准配置，还有可定义自选的模块，如WFL的N系列可选模块带径向自动进给的角度头模块等等。在软件功能上，具备自动对刀，温度补偿，在线监测，刀具路径的实时监控，自动生成模态代码等等。

在全球机床金属加工领域，复合技术正在蒸蒸日上的发展着和被工业国家各生产制造公司所应用。复合加工技术技术的机床功能范围随着时代不同而不同，甚至在某一时期曾出现过吧加工中心成为复合技术加工机床，可是，大多数加工中心不能满足超过某种切削范围加工的需求，当代人口中的复合技术机床早已不是那时候人们口中的复合加工机床，具有天壤之别，譬如在车削机床上装带有铣削功能的回转刀具，在加工中心上装有车削功能的三爪卡盘模块，听说最近少数国家有研制出不同原理的加工集激光加工与刀具切削于一体的加工方法等，这些全能进一步提高机床的复合化程度，提高加工质量与效率。有利于社会工业化的发展推动人类文明的前进。

从1835年美国的转塔车床到1910年美国为汽车生产制造的第一台机床，在至1954年三轴数控铣床的问世，在至1959年七月美国KT研制出加工中心，这些都有力的开启了机床史上的新篇章。其实，复合机床加工技术至今已有百余年历史，只是每个时代对复合的概念不一样，但是真正认识到复合并且得到广泛应用的还是在二十世纪九十年代左右，数控机床和数控CAM技术的主流后出现的，中后期随着加工中心功能的完善与人们对其结构的更加了解，显示了这种工序集中不频繁装卸零件的数控机床的优越性，开始了车铣一体的车削中心等等，九十年代后期又发展起了有激光，超声波，电火花线切割等特种加工拘束的复合机床，将复合技术加工工艺的发展推到了另一个新篇章。

通过以上背景的介绍，我想我们已可想而知，在当今社会，特别是在中国，中国是发展中国家，工业帝国正是急需发展的关键时期，是奔向小康社会必经之路，所以说我们是必须要学号机床的运动机构及原理，为国家的发展贡献我们的力量，我此次设计的车铣于一体的机床教学模具正是为了方便大学生深刻理解机床加工零件过程，运动机构原理，运动的先后过程及每道工序之间的联系，我设计的教具可以保证学生在近距离接近机床了解机床运动及结构组成的情况下是安全的，不像真正的机床存在一定的安全风险，不便于学生近距离研究。

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1.2国内外相关现状

按机床加工分类，可以分为车削和铣削二大类，而机床行业通常将使用最广的铣削

中心称为加工中心，以铣削加工为主的加工中心从机构上可以分为如下图所示的种类。

图1-1 种类分类

1.2.1 国外现状

机床最先是由国外公司研制出来的，所以国外有关机床的技术水平，改善情况都有很多记载。德国的好多大学都专门设有从事车铣技术研究的工作人员，在1981年，奥地利林茨公司开发出世界上第一台车铣一体得 数控机床——WVC500S加工中心，在之后的几十年里林茨公司经过千万种尝试与努力，终于于2002年再次推出新一代数控复合机床——M40-M。奥地利是车铣行业的领头羊，开拓者，日本于二十世纪七十年代研制出车铣机床，论加工精度最高的当属瑞典和德国的车铣机床，综合起来，日本产值最大，但是德国技术水平最高。

1.2.2国内现状

我国在“十五”期间，在相关政策的扶持下，包括沈阳机床在内的机床行业通过自主创新，顽强拼搏的劲头，已经在数控机床领域有了很大突破与进展。譬如沈阳机床，，从上个世纪开始，通过自主开发设计，借鉴国外经验等，现在已发展为具有卧式五轴联动功能的车铣加工中心系列，集车，铣，钻，镗等于一体的高柔韧性机床，对于一些形状复杂，精度要求要的异形回转体零件可在一次装夹中完成全部或大部分的加工工序，即可保证精度，又可提高效率，降低成本，缩短生产周期。

2005五月左右，沈阳机床部分引进了德国大型有关车铣机床的图纸和工艺方案，并在有关专家的协助下大大的扩大了可切削的直径大小，也从重量上从几吨扩展到百吨级别。并且在机床的主轴方面也取得了重大突破，加快了主轴的转速，和主轴本身的强度、，还有关于刀架的形状，刀具到头的角度问题，机床若在长久加工零件后出现的热平衡问题，

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刀具在工作数个小时后对工件产生的磨损造成的精度补偿问题，等等诸多技术性问题得到了改善，主传动轴的大扭矩输出和高速输出，直接关系到机床的运行动力，效率问题，，尾台的设计也要充分考虑到操作员的安全性，和机床的自动化。

1.3课题研究的主要内容

本文主要研究了三大模块，第一模块，车削系统的方案分析及确定，车削电机的选择，车削系统的传动方案确定。带轮的传动比等等，第二模块，铣削系统方案的分析及确定，铣削电机的选型，铣削传动方案的选择，滚珠丝杠的选择及校核。第三模块，X,Y方向上回转工作台的运动，各方向上全行程的确定，电机的型号，功率的选择，滚珠丝杠的型号选择及校核等等。

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第二章 机床设计方案分析及确定

2.1伺服进给系统的基本要求

伺服系统的概念很大，总的来说带有PID数字调节的进给驱动系统都可以称之为伺服系统。而且伺服系统是数控机床的核心组成部分之一，也是机床之间互相区别的一个特殊部分，不同的伺服系统决定着数控机床的定位精度是否高，跟踪指令信号的响应快慢问题，机床的稳定性好与坏。 （1） 精度

精度指的是系统输入输出之间的偏差，或者是精准程度，即准确性。当然有些误差是在所难免的，譬如机床就存在动态误差和稳态误差，动态误差指的是瞬态过程中出现的偏差，是变动的，而稳态误差值得则是瞬态过程结束后系统出现的偏差，是静态的。影响到精度的因素很多，关系也很复杂，采用数字调节技术可以在很大程度少减少误差，提高机床的精度。

（2） 快速响应特性

快速响应特性指的是当操作员对系统输入指令后即输入信号，表示输入信号的响应速度和瞬态误差过程的快与慢。提高快速反应对加工效率，轨迹的跟踪精度都有好处，但是并不是速度越快越好，响应速度过快会造成系统超调现象，引起系统的不稳定。因此快速响应特性要视具体情况具体分析，选择一个最优的，在保证定位精度的情况下，并最好缩短定位时间，避免超调现象的发生。 （3） 系统的稳定性

系统在外界干扰下，譬如启动状态，输入量状态改变等情况下作用下，输出量经过几次衰减震荡后，能后很快的恢复到原有状态，或者很快适应新的状态，并正常运行。他是数控机床运行的基本条件，也是加工零件保证精度的前提条件。

2.2驱动方案的分析及确定

方案一：X,Y,Z三个方向上均采用直线电机进给

优点：如果采用直线电机直驱技术，那么久不需要将旋转运动转化为直线运动，零件 损耗少，并且精度高。

缺点：新型的直输技术还不是很成熟，有些地方不完善，譬如失电自锁保护功能，并 且对于直线电机来说，数值安装技术不成熟，成功率低。

方案二：X,Y,Z三方向均采用伺服电机带动滚珠丝杠实现进给

优点：实现三轴进给，技术很成熟，导致控制很方便，成本也相对来说很低 缺点：在丝杠和滚珠间存在间隙，导致加工精度一般

方案三：X,Y水平方向采用直线电机，竖直Z方向采用滚珠丝杠

优点：既然直线电机直驱技术在竖直方向上不成熟，那么在水平方向上采用直线电 机，竖直方向上采用丝杠，这样使得直线电机与滚动丝杠配合使用，最大的发挥了

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他们的精度，效率，并且Z轴也实现了自锁功能

缺点：这样混合使用，给编程控制带来了很大不便。

结合这三种方案，由于本沦为设计的机床主要是为打学生展示机床的各个机构及运动过程，所以对于加工精度要求不高，并且此机床的控制，机械部分要适合大众学生，不能仅仅让一些学习好的学生能看懂，操作编程要简单明了，所以最终选择方案二。

2.3传动方案分析及确定

方案一：

先将伺服电机与联轴器相连，在通过齿轮减速降比传动移动部件驱动

图2-1进给系统简图

优点：可以通过齿轮放大电机的扭矩，使得可以采用小功率电机，降低成本 缺点：齿轮间存在间隙，使得传动精度差 方案二：

采用伺服电机通过联轴器直接与滚珠丝杠相连接，实现对工件的移动驱动

图2-2进给系统简图

优点：精度有保证

缺点：需要功率大的电机，提供大扭矩，成本高

结合这两种方案的优缺点，为了保证机床必要的精度要求，所以最后采用方案二作为最终方案。

2.4铣削主轴系统方案分析及确定

方案一：

使用带有C轴功能的主轴电机带动，通过一级皮带轮降速后驱动主轴

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方案特点：成本低，结构简单，精度能达到要求 方案二：

采用步进电机作为主动力源，通过二级齿轮变速箱控制速度，在主轴上在加一个能够实现C轴的动力源——伺服电机

方案特点：加装的伺服分度系统能保证C轴功能，成本较低，但是采用了齿轮传动，存在误差，并且这样做使得系统太复杂，体积大，成本升高

方案三：

直接使用带有C轴功能的电主轴做动力源

方案特点：精度非常高，结构很简单，但是成本相当高

方案确定：由于本论文机床对精度要求一般，所以如果采用方案三显得浪费，而方案二太复杂，使得最后体积大，成本高，所以最终采用方案一

2.5 车削主轴系统方案分析及确定

方案一：

采用铣削用电主轴 方案特点：

结构简单，加工精度高，可控性强，成本高，不过能带有铣刀换刀功能 方案二：

采用普通铣床主轴铣头 方案特点：

设计成本低，有标准件可供购买，但是体积大，可控性差

方案确定：所选铣削主轴铣头不宜过大，重量不宜过重，所以最终选择方案一

2.6 车铣一体整体三维结构布局示意图

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图3-2轴的结构与受力分析

（1）画轴的受力简图

轴的受力简图如图3-2(b)所示 （2）计算支撑反力 ①在水平面上

F1H?F2H?Fr4?150N F1H*50?F2H*50 （3-5）

F1H?F2H?75N ②在垂直面上

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FV1?F2V?Ft4?2205NFt4*50?F2V*100?0 F2V?1102.5NFV?2205?F2V1FV?1102.5N1 （3-6）

③轴承1的总支撑反力为

2F1?FV?F1H21 F1?11022?752 （3-7）

F1?1105N④轴承2的总支撑反力为 F2?F1?1105N （3）画弯矩图

弯矩图如图3-2 (c),(d),(e)所示 在水平面上，带轮左侧为

MaH?F1H*l1MaH?75*50?3750N.mmMa'H?F2H*l2Ma'H?75*50?3750N.mm （3-8）

在垂直面上，带轮左侧为

MaV?FV1*l1 MaV?1102.5*50 （3-9）

MaV?55125N.mm 合成弯矩，带轮左侧为

Ma?MaH2?MaV2 Ma?37502?551252 （3-10）

Ma?55252N.mm（4）画出转矩图

转矩图如图3-2(f)所示 T2=694776N。mm

（5）按弯扭合成应力校核轴的强度

进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面）的强度，根据式及上述中的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取α=0.6，轴的计算应力

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?ca? ?ca?Ma2???T2?W255252??0.6*69476?320.1*14?ca?30.1MPa （3-11）

前已选定轴的材料为45钢，调质处理，由表15-1差得???1?=60MPa，因此?ca????1? ，故

安全。

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第四章 铣削主轴系统设计

4.1铣削功率及铣削力计算

工作台受力最大的情况是用盘状铣刀加工零件，所使用的最大盘铣刀是YT15硬质合金端铣刀，其直径是100mm，齿数5个

表4-1 YT15硬质合金端铣刀铣削的铣削速度及功率

T/ min /z / 铣削深度3 / V/ Pm/ (m/ min) kw 173 150 135 119 2.48 2.88 3.24 3.83 5 V/ Pm/ (m/ min) kw 166 144 130 114 4.05 4.50 5.40 6.30 ap/mm 9 V/ Pm/ (m/ min) kw 157 135 121 108 7.20 8.10 9.00 10.4 12 V/ Pm/ (m/ min) kw -- -- -- -- -- -- -- -- d0apafmm (mm/z) 0.07 0.10 0.13 0.18 180 100/5 60 加工中取刀具T=180 , d0/z=100/5，最大时,V=135m/min，Pm=3.24kw （1）求圆周力Fc

af=0.13mm/z，则由上表可知 =3mmapPmV3.24*103*60 FC? （4-1）

135FC?1440NFC?（2）求各横向纵向进给力Fx ,Fy ,Fz

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表4-2铣削时各切削力与圆周力比值

不对称铣 铣削条件 比值 对称端铣 逆铣 顺铣 FN/Fz 0.3-0.4 0.6-0.9 0.15-0.30 端铣 a0.4?0.8)d(mm)F V/Fzp?(0 0.85-0.95 0.45-0.7 0.9-1.0 a0.1?0.2mm/z f? Fa/Fz 0.50-0.55 0.50-0.55 0.50-0.55 立铣、圆柱铣、盘铣和成FN/Fz 1.1-1.2 0.8-0.9 型铣 ap?0.05d0(mm) FV/Fz 0.2-0.3 0.75-0.8 af?0.1?0.2mm/z F0.35-0.4 0.35-0.4 a/Fz

切削条件：端铣 aw?(0.4?0.8)d0，af??0.1?0.2?mm/z 由上表可知 ①

FV/FZ?0.95FYmax/FZ?0.95FYmax?0.95FZ FYmax?0.95*1.44FYmax?1.368KN

②

FN/FZ?0.9FXmax/FZ?0.9FXmax?0.95FZ FXmax?0.9*1.44FXmax?1.296KN 16

4-2）4-3） （

（

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Fa/FZ?0.55FZmax/FZ?0.55

③ FZmax?0.55FZ

FZmax?0.55*1.44FZmax?0.792KN

（4-4）

由计算结果可得知，在铣削过程中横向进给力Fx=Fy=1.368KN，纵向进给力Fz=0.792KN

4.2电主轴的选择

选择CyMill公司CS-25-135-A电主轴，功率10kw，额定转速5000r.p.m，最高转速20000r.p.m，具有自动换刀装置，装配HSK-A63刀柄刀具。电主轴结构如下图所示。

图 4-1 电主轴图片

4.3 V带传动的选择与计算

在此车床主轴传动机构中，第一级用普通V带传动，已知电动机功率7.5KW ,转速n1=1500r/min ,传动比i=1.5 ，每天工作八小时 （1）确定计算功率Pca

由表8-7查的工作情况系数Ka=1.1 ，故

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Pca?KA*PPca?1.1*7.5 （4-5） Pca?8.25KW（2）选择V带的带型

根据Pca ，n ,由图8-11(机械设计第八版西北工业大学机械原理及机械零件教研室 编著)选用Y型

（3）确定带轮的基准直径Dd1 并验算带速V

①最开始选择小带轮的基准直径Dd1

由表8-6和表8-8，选取小带轮的基准直径Dd1=40mm，

② 验算带速V ，按式（4-6）验算带的速度

V??Dd1*n160*1000??*40*150060*1000?5.86m/s 因为5m/s?V?30m/s，故带速合适 ③ 计算大带轮的基准直径，根据式（4-7）

计算大带轮的基准直径Dd2

Dd2=i*Dd1=1.5*40=60mm 根据表8-8，圆整为Dd2=63mm

（4）确定V带的中心距a和基准长度ld

①根据式（4-8），初定中心距110mm ②由式（4-8）计算带所需的基准长度

2ld0?2a0??2(Dd1?D)??Dd2?Dd1?d24a0 2ld0?2*110??(40?63)??63?40? 24*110ld0?220?161.71?1.2ld0?382.91mm 由表8-5初步选择带的基准长度ld=400mm ③按式（4-9）计算实际中心距a

a?ald?ld00?2 a?110?400?382.92 a?118（5）验算小带轮上的包角?1

18

（4-6） 4-7） 4-8）

4-9）

（ （ （天津工业大学2014届本科生毕业设计

57.3a57.3 ?1?180??63?40?* （4-10）

?1?180??Dd2?Dd1?*118?1?168.8?90（6）计算带的根数z

①计算单根V带的额定功率Pr

由Dd1=40mm和n1=1500r/min ,查表8-40a,得P0=2.32KW 根据n1=1500r/min ,i=1.5 ,和Y型带，查表8-4b得， ?P0?0.46

查表8-5得, K?0.96??0.98 ， 查表8-2得，Kl ，于是

Pr??P0??P0?*K?*Kl?7.36 ②计算V带的根数Z

z?PcaP?8.25?1.12 r7.36故取1根

（7）计算单根V带的初拉力的最小值（F0）min 由表8-3得，Y型带的单位长度质量q=0.02kg/m 所以

?F?2.5?K??*Pca0?min?500*KZ*V?q*v2a* ?F?2.5?0.98?*8.250?min?500*0.98*1*5.86?0.02*5.862 ?F0?min?110N应使带的实际初拉力F0??F0?min （8）计算压轴力Fp

压轴力的最小值为

?Fp?min?2*z?F?10?min*sin2 ?Fp?min?2*1*110*sin1682 ?Fp?min?220N

19

4-11）

4-12） 4-13）

4-14） （（ （ （天津工业大学2014届本科生毕业设计

第五章 滚珠丝杠设计计算与校核

5.1 滚珠丝杠特点介绍

滚珠丝杠的特性是将螺旋运动转化为上下直线或左右直线运动或直线运动转换为螺旋运动的一种机构，本文所用到的是滚珠丝杠前一个特性——将回转运动转化为直线运动。

它是由螺杆，滚珠，螺母三大部件组成的，它的重要意义就是将运动由某一种形式转换为另一种形式，由于摩擦阻力小，可逆性，高效率，精度较高等特点，滚珠丝杠被广泛应用于很多种工业和精密仪器设备。 （1）方案的选择——滚珠丝杠和滑动丝杠

因为滚动丝杠副的运动是靠丝杠轴与螺母之间的很多圆形滚珠在做滚动运动，所以相对滑动丝杠相比，所使他们运动的驱动力矩不同，滚珠丝杠的驱动力矩约是滑动丝杠副的三分之一，在省电方面很有帮助 （2）微进给

由于滚动丝杠是靠很多圆形的滚珠施以运动，启动力矩小，不会出现滑动爬行现象，嫩保证精确的微进给。 （3）高速进给

滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动) （4）刚性高，无侧间隙

因为滚珠与螺母产生斥力，而滚珠丝杠给滚珠施加予压力予压力也可使轴向间隙达到负值，从而能使丝母刚性得到加强。

5.2滚珠丝杠的设计与计算

工作台重量

W1=30KG=300N

工件及夹具最大重量W2=100N 工作台最大行程

LK=200mm

工作台导轨的摩擦系数为u=0.1

V快速进给速度 max=4m/min

定位精度为20um/300mm 全行程25um

重复定位精度为10um

要求寿命为10000小时（单班制工作十年）

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各种切削方式的纵向切削力Fa , 时间比例q , 速度V 及其他见下表

纵向切削力 垂向切削力 进给速度 切削方式 Pxi(N) Pzi(N) Vi(m/min) 强力切削 2000 1200 0.6 表1 各种切削方式的纵向切削力Fa,速度V和时间比例q

工作时间百分比 % 丝杠转速 丝杠轴向载荷 r/min (N) 2200 10 30 50 ５ 60 80 100 375 一般切削 1000 精切削 500 200 0 0.8 1 ４ 1150 620 1000 500 快速进给 0 （1） 确定滚珠丝杠副的导程

V P?max （5-1）

hi*nmax

Vmax：工作台最高移动速度 nmax：电机最高转速；

I ：传动比

电机与丝杠间为直接连接式，i=1

n由上表查得V1=4m/min，max=1200r/min

Ph?4000?3.333mm 1200查《现代机床设计手册》取P?4mm

h（2）确定当量载荷与当量转速

Vi ① 各种切削方式下，滚珠丝杠转速n?

iph由上表查的代入得，

v1=0.6, v2=0.8, v3=1, V4=4

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n1?n2?V10.6??150Ph0.004V20.8??200Ph0.004 （5-2）

n?V3P?13?250h0.004n4?V4P?40.004?1000h② 各种切削方式下，滚珠丝杠轴向载荷

Fi：丝杠轴向载荷 ，pzi：垂向切削力 ，pxi：纵向切削力

由上表得，

pzi(i=1,2,3,4)分别为1200N,500N,200N,0N pxi(i=1,2,3,4)分别为2000 N,1000N,500N,0N 又得知，w1＝300 N，w2＝100 N 代入得Fi(i=1,2,3,4)分别得

F1?PX1?W1?W2?PZ1 F1?2000?300?100?1200 F1?3600NF2?PX2?W1?W2?PZ2F2?1300?300?100?500 F2?1900NF3?PX3?W1?W2?PZ3 F3?500?300?100?200 F3?1100N

F4?PX4?W1?W2?PZ4 F4?0?300?100?0 F4?400N22

5-3）

5-4）

5-5）

5-6）

（ （ （ （ 天津工业大学2014届本科生毕业设计

③ 当量转速

T1,t2 ,t3??tn 工作时间百分比

nm: 当量转速 r/min

tt1t2nnm?n1100?n2100.......?nn100nt1nt2t3t4m?n1100?2100?n3100?n4100 n10m?150*100?200*30505100?250*100?1000*100 nm?15?60?125?50nm?250r/min④ 当量载荷

F3n1*t1?F3*n2*t2+F3*n3*t3+F3n*tm=3F1*234*44nm*100nm*100nm*100nm*100F336003*150*10m=?19003*200*30250*100+11003*250*501000*5250*100+4003250*100*250*100F3m=4.6656*1010*0.06?68.59*108*0.24?6.655*108?12800000Fm=1724N（3）初选滚珠丝杠副

查《现代机床设计手册》公式得知，

63L10?f*f*f*fc?h?60n*?kaht*a?? m?fwFm查表（3.7-52）——表（3.7-54）得

ft＝1，

fh＝1，

fa＝1，

fk＝0.53，

fw=1.3

又得知，Lh＝10000h

代入数据可求得ca＝13589N=13.58KN （4）确定所允许的最小螺纹底径

① 估算滚珠丝杠所允许的最大轴向变形量 ?m?（1/3—1/4）重复定位精度

?m? (1/4—1/5 )定位精度

?m：最大轴向变形量?m

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5-7）5-8）5-9） （ （ （

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已知重复定位精度10?m 定位精度25?m

①?m＝3?m，②?m＝6?m 取两种结果最小值?m＝3?m

② 估算最小螺纹底径

滚珠丝杠需要预拉伸，故取两端固定的支撑形式 d2m?10 d2m：最小螺纹底径mm

L＝（1.1—1.3）行程+(10—13) 静摩擦力F0=?0W1

已知行程200mm，W1＝300N, ?0=0.2 代入数据得L=280mm，F0＝60N, d2m=5mm （5）确定滚珠丝杠副得规格代号

① 选内循环浮动式法兰，直筒螺母型垫片预紧形式

P② h=4 ca=22000N>cam=13589N 由计算出的

Pcamd2mh，，在《现代机床设计手册》中选取相应规格的滚珠丝杠副

Ph （5-11）

10*F0*LF*L （5-10） ?0.0390?*?m*E?mFF1604

（6）确定滚珠丝杠副预紧力 1FmaxF P=3 其中Fmax＝3600

FP＝1/3*3600=1200N （7）行程补偿与拉伸力

?3?tl*10u① 行程补偿值 C=11.8 （5-12）

式中lu＝Lk?Ln?2La

查《现代机床设计手册》Lk＝200 ＝110，La＝（2—4）

0?t温差取2.5c 代入数据得C=30?m ② 预拉伸力

2Ft＝1.95?td2 （5-13）

LnPh＝15

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代入得Ft＝4807N

（8）确定滚珠丝杠副支承用得轴承代号，规格

① 轴承所承受得最大轴向力

FBmax?Ft?Fmax FBmax?4708?3600 （5-14）

FBmax?8308N② 所选轴承类型

选择两端支点固定支撑形式，选背对背60度角接触圆锥滚子轴承 ③ 轴承内径

1d略小于d2＝20， FBP=3FBmax 取d＝15

带入数据得FBP＝1/3*8308=2770N ④ 轴承预紧力：预力负荷?FBP

⑤ 按《现代机床设计手册》选取轴承型号规格 当d＝15mm，预加负荷为：?FBP 所以选15TAC 47A型号规格的轴承 内径：15mm 外径：47mm 宽 ：15mm 圆角：1mm （9）传动系统刚度 ① 丝杠抗压刚度 丝杠最小抗压刚度

k*d22*102smin＝6.6l1 l1：固定支承距离

d2:丝杠底径

代入数据

ksmin＝528N/?m

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（5-15）

5-16）

（天津工业大学2014届本科生毕业设计

丝杠最大抗压刚度

2d2*l1**102ksmax＝6 .64l0(l1?l0) （5-17）

代入数据得7200N/?m ② 支承轴承组合刚度

1)一对预紧轴承的组合刚度

KB0?2*2.34*3d2QzFamaxsin5? Z：滚珠数

dQ：滚珠直径mm

? ：轴承接触角

Famax：最大轴向工作载荷N

由《现代机床设计手册》查得

15TAC 47A轴承Famax是预加载荷得3倍

kamax＝6800N/?m KB0=245N/?m 2)支承轴承组合刚度 kb?2KB0 kb＝490N/?m 3)滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度

kFpc?k'c(0.1c)1/3a kc：《现代机床设计手册》上的刚度 k'c＝2150 N/?m, ca=Fmax=3600N,

Fp=1200N

代入数据得kc＝1621N/?m （10） 刚度验算及精度选择

d=2，Z＝17，?＝600Q

1?1① kmink?11smink?bkc 1代入前面所算数据得kmin＝

1245 1?1?1 kmaxkk?1smaxbkc 26

5-18）

5-19）

5-20）

（5-21）

（（（

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1代入前面所算数据得kmax?1489 F0??0w1

已知w1＝300N, ?0=0.2, F0=0.2*300=60N

?0：静摩擦系数， F0:静摩擦力， w1：正压力

② 验算传动系统刚度

已知重复定位精度或反向差值为10

k1.6F0min＝

反向差值=1.6*60/10=10 kmin=10﹥7.6

③ 传动系统刚度变化引起得定位误差

11?k＝F0（kmin－kmax） 代入?k＝3?m

④ 确定精度 v300p：任意300mm内行程变动量对系统而言 v300p?0.8×定位精度－?k 定位精度为20?m/300 v300p<14.3?m,丝杠精度取为3级 v300p＝12?m<14.3?m ⑤ 确定滚珠丝杠副得规格代号 已确定得型号：FF1604 公称直径：16mm 基本导程：4mm 钢球直径：2 丝杠大径：15.5mm 地径：16mm P类三级精度

故所选规格型号为FF1604-3-P3

27

(5-22)

(5-23)

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（11）验算临界压缩载荷

丝杠所受大轴向载荷Fmax小于丝杠预拉伸力F 不用验算

（12）验算临界转速

nd2c?f2*107LL

c2：临界转速计算长度c2mm d2：丝杠底径

nc：临界转速n/min f：与支承形式有关的系数

由《现代机床设计手册》得f＝20.9, 可得nc＝3128>nmax=1200

d2=16, Lc2=l1?l0 28

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第六章 结论

伴随着社会的发展，工业的发达，科技的进步，数控机床特别是车铣一体的数控机床更是未来工业社会，一个国家兴盛与否的一个衡量标准，所以当代大学生特别是机械类学生更有必要了解车床，铣床，加工中心的运动机构，原理及加工零件时的刀具，导轨运动轨迹，运功过程，对于操作，编程有着相当大重要的作用。

我这次得 毕业设计是受到大二金工实习学习到的数控车床，以及后加工中心培训，大三暑期实习做数控车床操作员的启发，想起做这个课题，一是将我所学，所涉及到的车床知识分享给大家，更是我对大学四年内我对车床的了解做一个总结，以便于日后学弟学妹们学习时能够轻松上手。

本文开始写于年后的三月份，本来在上学期初，也就是大四刚刚开学的时候，学校就已经陆陆续续的开始让我们准备一些有关的专业知识，便于学院给我们定下毕业设计课题后我们可以节省时间，省去在重新温习专业知识的时间，比便我们能轻松，心里有整件毕业设计如何去做方案的来龙去脉，大四上学期正是考研的火热时间，他们考研的学生每天都去自习室学习有关考研需要靠的专业知识，所以说他们不用学校推促就主动的去看专业知识，这给他们后来在用所学的专业知识校核轴的强度，刚度，轴承寿命，建的校核，画出弯矩图，扭矩图，还有就是分析受力情况打下了基础。虽然说年后考研成绩出来时整体感觉考得不理想，但是他们没考上的学生也有收获，那就是为毕业设计的专业知识做了提前的储备。那会我们很少有人去主动的看专业知识，当然我们也不是带着，我们在忙于实习，和各种投简历，找工作，考研的没时间看，我们其他人也不看，整体形势就是说上学期没有人做毕业设计，大家都是等到大四下学期，也就是年后才开始着手做的毕业设计。

从三月份开始每隔一天去图书馆一次，寻找与本次毕业设计有关的书籍，最开始找的是现代机床设计三，发现那个本子太厚了，全是公式，并且也没有找到寻找毕业设计的思路，于是又换了一本别的有关机床设计的书，在那本书里看到了有关数控车床主轴的概念图，从中吸取了很多经验教训，但是由于考虑到毕业设计类论文语言要组织完美，体现专业性，所以去了百度，中国知网搜寻了一些往届和我这次论文题目，车铣一体教学模具，或者车铣一体加工中心，或者是复合技术机床的有关论文，里面的语言组织的就是专业，但是考虑到如果按照书上专业术语，模式去写的话，但是最后的毕业论文设计查重肯定过不了，于是自己仔细的看透了那些语言，专业术语，后来熟到一定程度上，用自己的语言组织起来了，但是由于某些语言智能用专业术语，或者说这种解释的方法只有一种，所以还是存在一定的重复的。考虑到网上的东西重复率高，查重时被查到的可能性大。

我遇到的难题主要有车铣一体教学磨具的材料选择，本着低价，能达到标准去考虑，结构本着达到精度，结构明了，不对接近的学生存有安全隐患，一定要保证车床主轴的中心于刀具刀尖在同一水平线上，回转工作台X,Y方向的总行程问题，不能发生干涉，在画三维立体图仿真时，出现了零件固定，不会转动情况。后来这些问题相继被我解决了。

我本次论文主要做了以下这些内容：车削系统的方案分析及确定，车削电机的选择，

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车削系统的传动方案确定。带轮的传动比等等，铣削系统方案的分析及确定，铣削电机的选型，铣削传动方案的选择，滚珠丝杠的选择及校核。X,Y方向上回转工作台的运动，各方向上全行程的确定，电机的型号，功率的选择，滚珠丝杠的型号选择及校核等等。

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