一种车铣复合加工试验装置的设计及仿真 - 图文

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一种车铣复合加工试验装置的设计及仿真 A MILLING PROCESS DESIGN AND SIMULATION OF COMPLEX TEST

EQUIPMENT

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摘要

车铣技术是一种利用刀具的旋转和直线运动的回转体零件的旋转运动加工。目前，铣削过程中都是在车铣加工中心机床完成，其价格高，生产成本也高。本毕业设计对这个问题，设计了一个车铣加工固定工件的辅助装置的。该装置能够安装在普通铣床上，让普通铣床实现车铣加工。此装置具有易加工，零件组装方便，便于固定，准确和方便的速度调配和可靠的轴承润滑密封等特点。本毕业设计拟制订一个车铣复合加工试验装置的总体结构设计方案，并进行零部件的三维建模和装配。 关键字 车铣；辅助装置；总体结构

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Abstract

Milling technology is a rotational movement, processing and utilization of the tool rotary and linear motion of the rotary part. At present, the milling process are milling machining center is completed, its price is high, the production cost is high. The graduation of the problem, namely the design of an auxiliary device fixed milling a work piece, the apparatus installed in ordinary milling machine, can achieve general milling milling functions. This means easy processing, easy parts assembly, easy fixed, accurate and easy to speed deployment and reliable bearing lubrication and sealing characteristics. The graduation project intends to develop an overall design scheme milling complex processing test equipment, and 3D modeling and assembly of components Keywords Milling Assisi devices General structure

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目录

摘要 .................................................................................................................................................. I Abstract .......................................................................................................................................... II 目录 ............................................................................................................................................... III 1绪论 .............................................................................................................................................. 1 1.1立题背景 ................................................................................................................................ 1 1.2国内外研究概况 .................................................................................................................... 1 1.2.1车铣复合加工技术的概述 .............................................................................................. 1 1.2.2国外车铣复合发展状况 .................................................................................................. 2 1.2.3国内车铣复合发展状况 .................................................................................................. 3 1.3.1课题研究的内容和目的 .................................................................................................. 4 2车铣复合加工试验装置的的总体结构设计方案 ...................................................................... 5 2.1车铣加工装置的总体方案 .................................................................................................... 5 2.2装置主传动的选择与设计 .................................................................................................... 5 2.2.1主电机的选择与设计 ...................................................................................................... 5 2.2.2同步带的选择与介绍 ...................................................................................................... 6 2.3主轴系统选择与设计 ............................................................................................................ 7 2.3.1轴的设计应满足的要求 .................................................................................................. 7 2.3.2轴的选材 .......................................................................................................................... 7 2.3.3影响轴的结构设计因素 .................................................................................................. 8 2.3.4轴的分类 .......................................................................................................................... 8 2.4键的选择与设计 .................................................................................................................... 9 2.5轴承选择与设计 .................................................................................................................. 10 2.5.1轴承的类型 .................................................................................................................... 10 2.5.2轴承的材料 .................................................................................................................... 12 2.5.3轴承的支承方式 ............................................................................................................ 13 2.5.4轴承的密封与润滑 ........................................................................................................ 14 3车铣复合加工试验装置的主传动的设计 ................................................................................ 15 3.1主电动机与同步带的选型与计算 ...................................................... 错误！未定义书签。 3.1.1主电动机功率的确定 .................................................................... 错误！未定义书签。 3.1.2主电动机功率的校核 .................................................................... 错误！未定义书签。 3.2.1同步带的计算 ................................................................................ 错误！未定义书签。 4主轴系统的设计与计算 ............................................................................................................ 16 4.1主轴所受外力的计算 .......................................................................................................... 16

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4.1.1切削力的计算 ................................................................................................................ 16 4.1.2同步带压轴力的计算 .................................................................................................... 17 4.1.3按扭转强度条来计算轴的最小直径 ............................................................................ 19 4.2主轴各主要参数的确定 ...................................................................................................... 20 4.2.1确定主轴的直径 ............................................................................................................ 20 4.2.2主轴内孔直径的确定 .................................................................................................... 20 4.2.3主轴悬伸量的确定 ........................................................................................................ 20 4.2.4主轴跨距的确定 ............................................................................................................ 21 4.3主轴的受力分析 .................................................................................................................. 22 4.4主轴的校核 .......................................................................................................................... 23 4.5键联结的强度计算 .............................................................................................................. 24 5轴承的计算与校核 .................................................................................................................... 26 5.1径向载荷的计算 .................................................................................................................. 26 5.2轴向载荷的计算 .................................................................................................................. 27 5.3轴承校核 .............................................................................................................................. 27 结论 ............................................................................................................................................... 29 致谢 ............................................................................................................................................... 30 参考文献 ....................................................................................................................................... 31

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1绪论

1.1立题背景

车铣技术是一种利用刀具的旋转和直线运动的回转体零件的旋转运动加工。与普通车床相比，车铣加工技术具有以下优点：一、车削是连续的切削，刀具或容易擦伤创面，而铣刀的使用可以间断的切削。这样，刀具可以充足的冷却，也可以得到比较短的切屑，方便于自动除屑；二、因为切削速度是刀具和工件的旋转速度共同决定的，所以，工件不需要高速旋转也可以完成高速切削。当采用高速铣削，切削带走更多的热量，热变形小；与传统切削相比切削力降低，径向力引起的工件变形也随之降低，刀具和机床所受载荷小；三，由于车铣易于实现高速和超高速加工，所以加工效率大大高于车削。同时，铣削过程的多刃铣刀加工，加工过程稳定，刀具磨损小，且因径向切削力或高频周期引起的偏心振动消除工件的缓慢运动，可降低工件的形状误差和表面粗糙度。

对于一些薄壁回转体零件的加工，精密微型轴或精细轴的车削加工，不能满足加工要求，但利用铣削可以改善切削条件，实现高速切削，减小切削力和切削温度，延长刀具寿命，保证零件的加工质量，提高工作效率，以满足加工要求。目前，铣削过程中都是在车铣加工中心机床完成，其价格高，生产成本也高。本毕业设计对这个问题加以研究设计，即一个车铣加工固定工件的辅助装置的设计，该装置安装在普通铣床，能使普通铣床实现车铣加工。此装置具有易加工，零件组装方便，可以很容易地固定，准确和方便的速度调配和可靠的轴承润滑密封等特点。

1.2国内外研究概况

1.2.1车铣复合加工技术的概述

伴随着科学技术的飞速发展，具有车铣复合加工功能的机床是产品适应现代复杂化和现代高效生产而发展的机床种类。从以往的经验我们可以分析出，传统模式下新产品的试

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制过程循环时间长。而目前，高端数控机床正在往高速度、高精度、高效率的、复杂化的、智能化的方向发展。如今世界机床制造和机械加工领域中，复合加工技术发展较快。复合加工是一种先进制造技术，是一种最流行的方法，可以实现各种机加工工艺。复合工艺和复合类型的基本点，是机械制造技术的发展和追求，致力于仅用一个装卡就完成零件的加工和制造。这是当今制造技术的发展趋势。

通常一个加工，至少有一个或者两个的工序，而有的则需要上百道工序，并需要通过各种设备完成。但在同一时间准备设备和工具，都有一个经济成本，往往导致问题复杂化以致延误商机。并且面对这种复杂的加工，物流也是一个问题。多装夹基准转换部分，有时会带来不必要的流程，也减少了零件的加工精度。

加工中心夹具，最完整的处理过程的范围内，特别是相对位置的操作要求。这种设计理念解决以下问题：物流长度的减少，基准转换的减少，灯具的数量的减少，占地面积的减少，新产品的测试周期缩短。

车铣复合设备既提高了制造工艺的有效性，还由于在制造过程中仅仅只需装夹一次，这就更加保证了加工的精度，同时大大剪短了生产链。并且此时，一个加工任务只要一个加工步骤，仅要一个工作岗位即可完成，使得生产管理和计划调度得以简化，同时加工透明度得以提升，无需复杂的计划，车铣系统就可以解决问题并将之优化。工件越复杂，其相对于传统加工的优势也就越明显。

1.2.2国外车铣复合发展状况

21世纪，车铣作为一门新兴的科技本身就是为了工业的需求而发展起来的。二十世纪七十年代，欧美国家首次发展起来车铣这一新型加工方法。它并不是车削与铣削的简单的结合，而是利用铣刀和工件的旋转来完成切削的全新工艺。WNC500车铣加工中心--奥地利WFL机床公司于1980年研发出的世界上的第一台车铣专用的数控机床。这台机床实现了在同一台机床上进行四轴联动，以及五轴车铣的成套加工。

继三轴、四轴车削加工中心成功的推向国际市场之后，二十世纪九十年代，国外的高性能的数控五轴车铣复合加工机床被研发。这次为了高精度回转的零件的切削而设计的车铣复合加工机床，特别适用于类似于军工，航空航天等高精密产业的需求。而在国际上有实力的供应商主要有：奥地利WFL公司、日本MAZAK公司、德国MAXMULLER公司等。而在这些公司中以WFL公司的产品研发较早，品牌知名度高，并且技术水平处于领先水平。

目前世界上的车铣复合加工流派主要有：一个是以德国的NILES，奥地利的WFL公司为代表的欧式流派。这种流派主要适用于深色金属的加工，主要手段是中速的大切深来提高工作效率；而另一个流派则是以德国的DMG公司以及日本的MAZARK公司为代表。他们主要是适合有色金属的加工，主要手段是高速的小切深提高工作效率。

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通过对近年来的德国汉诺威机床展的了解，我们不难看出。这些机床，数量和种类不断增多，精度也越来越高，显示出车铣加工中心正在朝着“三高”、“三化”（即高速、高精、高效及柔性化、智能化、模块化）的方向发展。随着数控机床产品的商业化，对于数控机床的研究水平也更高，各厂商之间的竞争也更加激烈，导致了机床的性价比有利于消费者。

1.2.3国内车铣复合发展状况

国内的数控机床研究起步较晚，并不能与国际水平接轨。特别是高精度的数控五轴机床，国内急需这种高精度机床。目前国内的生产机床的企业主要以合作和引进新技术的方式来开发新产品。虽然已经生产出某一类产品，但关键技术并没有掌握手中，做到真正的国有化。这种情况也从某一侧面反应了国内机床研究开发的窘境。

目前国内的车铣加工中心在转速、典型零件的加工精度、进给速度等方面的差距差不多有将近15年。而这些差距主要体现在，国外主轴转速到达了30000r/min,而中国只有差不多12000r/min;国外的最大进给速度能够在50m/min以上，而国内的只能保持在30m/min左右；国外的车铣加工中心车削主轴采用了高速的电主轴，而国内还在采用功率小，转速低的伺服电动机；并且动力刀架，伺服电机，液压元件，高精密轴承等均采用进口，且依赖严重。

虽然作为一门新兴的学科，车铣技术在国内的发展并不是十分的完善，但是每个研究者都在为他不断地完善和发展做着不懈的努力。在这样的大背景下，国内的机床发展也取得了一定成就与辉煌。

沈阳机床厂研发的五轴车铣复合中心--HTM125600。他的最大加工直径可以达到1250mm，最大加工长度6000mm。该车床五采用五轴联动，具有双刀架的配备，承载能力可以相比于一般的重型机床。

车铣复合加工中心CDH25型9轴5联动---大连机床厂研制，采用双主轴双刀架,只需一次装卡即可完成所有的加工工序,大大的提高了加工效率。

此外还有南京数控机床有限公司的五轴车磨复合加工机床N一094，采用五轴三联动，工件仅需一次装夹就可以完成内孔、端面、外圆三个部位的磨削这三道工序，大幅度提高了加工精度和加工效率。

作为国内的车床企业的研究和发展而言，要想摆脱国外对各种数控机床技术的垄断,进一步完善和深化加工技术显得日益迫切。对于我国的国防工业和满足未来市场需求有深远意义。我国对车铣技术应重视以下方向的研究和完善:

(l)车铣加工的可靠性;

(2)车铣加工中心的结构动态特性; (3)车铣加工原理; (4)车铣技术应用前景;

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(5)高速、超高速车铣以及相关技术。

1.3.1课题研究的内容和目的

目前，铣削过程中都是在车铣加工中心机床完成，其价格高，生产成本也高。本毕业设计对这个问题加以研究设计，即一个车铣加工固定工件的辅助装置的设计，该装置能够安装在普通铣床上，让普通铣床实现车铣加工。此装置具有易加工，零件组装方便，可以很容易地固定，准确和方便的速度调配和可靠的轴承润滑密封等特点。

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2车铣复合加工试验装置的的总体结构设计方案

2.1车铣加工装置的总体方案

本次毕业设计涉及一种车铣加工的装置，包括轴承、尾座、主轴、三角卡盘、伺服电机。通过将该装置安装在普通铣床上，辅助普通铣床实现车铣加工的功能。该车铣加工辅助装置各零部件加工容易，装配方便，可以方便的进行安装固定，在普通铣床上就可以实现不同偏心量的正交以及正切车铣加工，降低了加工的成本，提高了产品的加工质量以及加工效率。车铣加工装置如下图所示:

图2-1 车铣加工装置总体结构图

1.同步齿形带 2.固定板 3.伺服驱动器 4.伺服电机 5.铣床主轴 6.尾座 7.铣床工作台 8.工件 9.三

爪卡盘 10.前轴承端盖 11.轴承座

2.2装置主传动的选择与设计

2.2.1主电机的选择与设计

由于本发明需要是选择的伺服电动机，因此我们在这里选择的是伺服电动机，其具有伺服控制系统，其又被称为执行电动机。相比于由变频器控制的三相异步电动机，伺服电动机属于精密控制的电动机。伺服电动机具有独立的旋转编码器，可以对电动机运转时的角误差进行记录和反馈。而伺服电机中还具有伺服控制器，可以对误差进行修补，保证了伺服电动机的可靠性。这种控制，称为伺服电动机的转速闭环控制。并且在实际的应用中，我们可以将独立的编码器作为转速反馈元件装在传动机构的末端，将其反馈，达到全闭环

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控制的效果。

伺服电动机的优特点：

（1）调速范围宽，高速性能好；

（2）机械性能和调节性能为线性，有利于提高控制系统精度； （3）动态响应快，加减速的响应时间短； （4）低速运行平稳，抗过载能力强

然而我国并没有相应的伺服电动机产品，我们只能选择诸如德国西门子（Siemens）公司，日本法那克（Fanuc）公司、三菱公司的电动机。

图2-2 伺服电动机

2.2.2同步带的选择与介绍

同步带传动是一种综合了多种传动的优点而发展起来的一种新型的机械传动。他的工作原理是：带齿的工作面与带轮的齿槽相啮合，然后进行进行齿轮传动。其具有带传动、齿轮传动、链传动的优点。同步带的平带层轻薄，主要依靠平带上的齿来传递运动。因为带齿是经过精确加工的模具压铸而出的，所以带齿的节距与齿轮的齿距相类似，具有一定的节距精度，这样便能达到传动同步，故称之同步带传动。

相比于V带、平带、链传动，同步带传动的优点很多： （1）传动准确、平稳，无滑动且噪声低 （2）传动效率一般高达98%，能够节能

（3）同步带靠带齿传动，不靠摩擦传动，所以无需润滑 （4）速比范围大，传动功率范围也大 （5）结构紧凑，可用于多轴或长距离传动

（6）较小的预紧力，使得轴承和轴上，所受载荷也较小

设计同步带传动目的：确定带的型号、节距、带长（节线长度）、带宽、中心距及主、从动轮齿数等参数。

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2.3主轴系统选择与设计

2.3.1轴的设计应满足的要求

1.合理的结构：保证轴和轴上的零件工作位置准确,进行合理的设计，使其上零件便于装拆和调整,轴的制造最好具有一定的工艺性。

2.必要的强度：轴的承载能力要强，能够保持工作寿命内的工作强度。

3.足够的刚度：轴的精度要求很高的话，除了要保持强度要求外，还要有一定的刚度。此外，还应保持稳定性。

2.3.2轴的选材

机床的传动轴部分进行着不同程度的摩擦，特别是轴颈部位与轴承配合时的摩擦过大，所以要求具有一定耐磨性和硬度。还需要满足强度和刚度要求，因为高速运转时，机床的轴要承受多种载荷的作用（主要是弯曲、扭转、冲击等），所以要求轴具有抵抗各种载荷的能力。当传动轴载荷又大、转速又高时，传动轴还承受着变焦应力。同时，选择轴的材料还要按照经济性因素，考虑轴的工作环境，工艺性合理的原则，考虑材料资源及供应情况。

碳素钢和合金钢是轴的常用材料。

而铸铁，有时也可制造形状复杂劳动的轴，如凸轮轴，曲轴，空心轴等，经过铸造成型，可得到比较复杂的形状。虽然球墨铸铁价格低廉，但是也具有许多不错的属性，如耐磨性和可加工性。但是，对应力差，不仅如此，铸铁的冲击韧性低，工艺过程不易控制，轴的质量不易控制。

相比于合金钢，碳素钢的价格更加便宜，对应力集中敏感性低。而且作为钢材，碳素钢的可加工性能好，可以进行化学处理和热处理。由于碳素钢的的性能较好，所以他的应用也较为广泛，一般的机器，多选用优质碳素钢制造。而在型号众多的优质钢中，45号钢的性能较好，也最为常见。对于一些不重要的轴，或者对于强度要求不高，可以采用普通钢。而以45号钢为主轴材料，最好的热处理方式应当是正火或者调质处理。

合金钢又被称为高强度钢。合金钢的性能比之碳素钢要更好，并且在热处理方面的能力也更加出色。由于合金钢对应力集中性较为敏感，且价格较为昂贵，所以必须要保证轴的结构设计合理，这才能使合金钢的使用恰到好处。所以合金钢一般用来制造有特殊要求或者性能要求较高的轴，如那些处于高温、低温或腐蚀介质中工作的轴，即飞机发动机的轴、精密机床的轴、矿山井下的轴、酸碱介质中工作的轴等等。

在普通环境的温度下，两种钢材的弹性模量并没有显著差别。即使通过热处理的方式并不能改变钢的弹性模量，所以合金钢并不能代替碳素钢。要想提高轴的刚度，应从钢材的本身性质入手。合金钢制造的轴，对应力集中敏感，对于选择合金钢作为轴的材料我们应当慎重考虑。

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综合以上考虑我们应当选择45号钢进行正火处理。。 由参考资料《机械设计实用手册》表2.8-22知：

?b?635N/mm2?s?353N/mm2??1?268N/mm2??1?155N/mm2[?0]b?98/mm2[??1]b?216N/mm2[??1]b?59N/mm2

2.3.3影响轴的结构设计因素

轴的结构设计应当根据轴的工作条件与环境，以及设计所需要的条件，合理地设计轴的外形结构尺寸。

影响轴的结构的因素有很多。比如轴在机器上的安装位置和要求，定位和固定形式；轴的受力情况，轴上零件的布置，轴承的类型和尺寸等。由于这些因素的影响，所以使得轴与轴之间的区别较大。因此轴的结构不可能是一样的。轴的设计必须具体情况具体分析，根据所需要的各部分条件，筛选出轴需要的条件精心设计。相比与其他设计，轴的合理结构应符合下列要求：轴首先要有一定的制造工艺性，轴合理受力，根据力学观点能减小轴的应力集中效果，这样能做到材料的节省以及轴质量的削减。轴和装配在轴上的零件应有正确的工件位置，并可以进行牢靠的固定，便于方便的装拆和调整轴上的零件。

我们如果对轴的结构开始设计，如下条件必须为已知：机器部件的主要参数和尺寸，装配简图，传递的功率，轴的转速，传动零件类型等。

2.3.4轴的分类

按轴线形状来分，轴可以分为两种不同类型，分为直轴和曲轴两类，直轴是大多类机械中使用的零件。曲轴是往复式机械中的专用零件，用来将回转运动转换为直线运动或将直线运动转换为回转运动。

按工作时的受载情况不同，轴可分为以下的三种类型。

（1）心轴 用来支承转动零件，工作时只承受弯距不传递转距。可分为固定心轴和转动心轴。

（2）传动轴 工作时只承受转矩，不承受弯矩或所受弯矩很小的轴。

（3）转轴 转轴是机器中最为常见的轴，通常简称为轴，其工作时既承受弯矩又承受转矩

a.按轴的表面形状不同，轴可分为光轴和阶梯轴；

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光轴加工工艺性好，具有良好的制造性。但是不便于轴上工件的装拆，固定和定位。常用于纺织机械，农业机械和桥式起重机械中。阶梯轴的各截面直径并不同，加式制造较为复杂。但是方便于工作于轴上工件的装拆，固定和定位，并且各轴段强度相近。所以在一般机械中应用最为广泛。

b.按轴承的截面形状，轴可分为实心轴和空心轴。

轴一般都不能制成实心的。实心轴加工工艺性好。有时为了减轻轴的重量或者由于机器结构的要求而需在轴中装设某种零件时，则将轴制成空心的。如汽车中的传动轴，机床的主轴，一般都是空心轴。

此外，还有一些特殊用途的轴。如由紧贴在一起的几层钢线层构成的钢线软轴，可以灵活的把回转运动和转矩传递至所有位置。

根据设计需要，此处轴设计为转轴。按轴的表面分类是阶梯轴，按轴的载面形状分类为空心轴。他在工作时既同时承受弯矩的作用，又同时承受转矩的作用，

2.4键的选择与设计

轴与轴上的旋转件可以通过键或者花键联结。键是一种标准件，可以实现轴和轮毂转矩传递。根据键的类型的不同，键可以分为应用最广的平键、用于轻载的半圆键、对精度要求不高的楔键、用于载荷很大的切向键。

普通平键联结的的两侧是工作面，键与轴槽的配合较紧，适用于高精度，高速的场合。并且这种键对中性好，装卸方便，所以也应用最为广泛。但是这种键不能受轴向力，因此不能轴向固定。

键的选型，主要是类型和尺寸的选择。由于我们所需精度较高，所以选用平键联结。由于齿轮不在轴端，键在槽中轴向固定良好，所以选用圆头A型普通平键。

图2-3 普通平键联结（图中b、c、d下方为键及键槽示意图）

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2.5轴承选择与设计

2.5.1轴承的类型

主轴轴承数控机床的重要零件，他的工作性能受到各种因素的影响。根据功能和结构以及摩擦力的不同，数控机床上主轴轴承常用的有：滚动轴承和滑动轴承。

滚动轴承根据滚动体的结构各不相同，依据结构的不同可以分为球轴承、圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承三大类。

主轴支承分径向和轴向支承。角接触轴承（包括角接触球轴承和圆锥滚子轴承）兼起径向和轴向支承的作用。

推力支撑应位于前支撑内，原因是数控机床的坐标原点常设在主轴的前端。为了减少热膨胀造成的坐标原点移动，应尽量缩短坐标原点至推力支撑之间的距离。

主轴轴承可以选用圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承由于滚子大端面与内圈挡边之间为滑动摩擦，发热较多，故转速受到限制。

由于滚动轴承优点较多，加之具有较高的加工精度，所以，一般情况下数控机床应尽量采用滚动轴承。只有要求加工表面粗糙度数值和小时，且主轴又是水平的机床时才用滑动轴承。

本设计内容为小型加工中心主轴组件设计，要选用滚动轴承。

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表2-1 常用的各类滚动轴承的性能及特点 极限基本额定动转速结构简图 允许偏位角 载荷比＊ 比＊＊ 轴承名称 类型及代号 主要特性及应用 调心球轴承 10000 0.6～0.9 中 2°～3° 主要承受径向载荷，也能承受少量的轴向载荷。因为外圈滚道表面是以轴线中点为球心的球面，故能自动调心。 调心滚子轴承 20000 主要承受径向载荷，也可承受一些不1°～2.5° 大的轴向载荷，承载能力大，能自动调心。 1.8～4 低 圆锥滚子轴承 30000 1.1～2.5 中 2′ 推力球轴承 51000 1 低 不允许 能承受以径向载荷为主的径向、轴向联合载荷，当接触角α大时，亦可承受纯单向轴向联合载荷。因系线接触，承载能力大于7类轴承。内、外圈可以分离，装拆方便，一般成对使用。 接触角α=0°，只能承受单向轴向载荷。而且载荷作用线必须与轴线相重合，高速时钢球离心力大，磨损、发热严重，极限转速低。所以只用于轴向载荷大，转速不高之处。 双向推力 球轴承 52000 1 低 不允许 能承受双向轴向载荷。其余与推力轴承相同。 11

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极限转速比＊＊ 轴承名称 类型及代号 结构简图 基本额定动载荷比＊ 允许偏位角 主要特性及应用 深沟球轴承 60000 1 高 8′～16′ 主要承受径向载荷，同时也能承受少量的轴向载荷。当转速很高而轴向载荷不太大时，可代替推力球轴承承受纯轴向载荷。生产量大，价格低。 能同时承受径向和轴向联合载荷.接触角?越大，承受轴向载荷的能力越大。接触角?有15°、25°和40°三种。一般成对使用，可以分装于两个支点或同装于一个支点上。 角接触球轴承70000 1.0～1.4 较高 2′～10′ 外圈（或内圈）可以分离，故不能承受轴向载荷。由于是线接触，所以能承受较大的径向载荷，。 圆柱滚子轴承 N0000 1.5～3 较高 2′～4′ 滚针轴承 NA0000 —— 低 不允许 在同样内径条件下，与其它类型轴承相比，其外径最小，外圈（或内圈）可以分离，径向承载能力较大，一般无保持架，磨擦系数大。 2.5.2轴承的材料

目前，滚动轴承电主轴的支承形式主要采用钢质球轴承和陶瓷球混合轴承。本人采用陶瓷球混合轴承。陶瓷球混合轴承与传统的钢质球轴承相比， 具有密度小、弹性模量大、热膨胀系数小、耐高温等优良物理性能和机械性能。

（1）陶瓷球混合轴承材料 Si3N4，密度相当于钢的四成。 （2）弹性模量大、硬度高。

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（3）膨胀系数小。

2.5.3轴承的支承方式

表2-2 轴承的支承方式 速度型 该方案如图所示，前支承采用的是三联角接触球轴承，三个60o角接触球轴承中左边两个采用背向布置，相对于面向布置，它的压力中心间距离更大，可以使支承刚度更大。后支承采用的是双联角接触球轴承，能够承受径向和轴向的力。适合运用在高切削速度、较高负载和高精度场合的机床。 高刚度型 如图所示，该方案的前支承采用的是双向角接触球轴承和双列圆柱滚子轴承的配合使用，后支承是一个双列圆柱滚子轴承。圆柱滚子轴承的滚动体是先接触形式，磨损相对小，可以承受高的径向负载。轴向负载可以由前支承的双向角接触球轴承进行平衡。这种方案具有很高的刚度，使用寿命相对长，适合对刚度、承载能力和精度要求较高的机床。 速度刚度型 如图所示，方案的前支承是三联角接触球轴承，后支承采用双列圆柱滚子轴承。三联角接触球轴承中靠近端面的两个角接触球轴承呈大口朝外的配置，可以承受较大的轴向力，还有一个与其他两个背向布置，可以得到很大的支承跨距，有利于提高抵抗主轴的颠覆力矩的能力。 由上表所示的三种支承方案，我们可以知道速度型的可以满足主轴高速运转的需求，但是强度较低，与轴承的滚子以点接触，比较容易磨损，使得使用寿命较短；而高刚度型虽然具有很高的承载能力，但是不能满足机床的高速运转要求。而速度刚度型的

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支承方式，结合了前两种的优势，所以本次设计我们选择速度刚度型，以满足承载要求和高速加工。

2.5.4轴承的密封与润滑

轴承在运动过程中，轴承上的运动体之间必然会相互运动，这样就造成了摩擦，这样各部分之间互相消耗，并产生磨损。这时候就需要轴承的润滑，而为了保持轴承的润滑，还需要考虑轴承的密封。

润滑的作用就是在摩擦面之间加入润滑剂，降低消耗和磨损，并降低温度。滚动轴承有脂润滑和油润滑，而主轴滑动轴承的轴承的润滑，采用润滑油润滑。并且五种润滑方式中，因为发热较大，应该采用循环润滑方式。

相比于轴承的润滑，我们还需要轴承密封来进行保护，密封装置既可以保证润滑油的外露，以致污染环境，又可以防止铁屑灰尘的进入。轴承的密封分为接触式和非接触式两种，在这里我们可以选用非接触式。

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3车铣复合加工试验装置的主传动的设计

。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。

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4主轴系统的设计与计算

4.1主轴所受外力的计算

4.1.1切削力的计算

设加工工件的材料为碳素结构钢，选用刀具材料为硬质合金；刀具的几何参数为：主偏角Kr?45?、刃倾角?s?-10?、前角?0?10?；切削用量：背吃刀量a=6mm、进给量f=0.6mm、切削速度切削速度V=200m/min（n=212r/min）。

主切削力Fc

Fc?CFC?ap背向力FP

xFC?fyFC?VCnFC?KFC 式（4.1）

FP?CFP?ap进给力Ff

xFO?fyFO?VCnFO?KFP 式（4.2）

Ff?CFf?apxFf?fyFf?VCnFf?KFf 式（4.3）

图4-1 切削力计算公式

查上表得，式（4.1）（4.2）（4.3）部分数据

CFc?270，xPc?1.0，yFc?0.75，nFc??0.15

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CFp?199，xFp?0.9，yFp?0.6，nFp??0.3 CPf?294，xFf?1.0，yFf?0.5，nFf??0.4

然而上述式中，

切削力的修正系数KFc，KFp，KFf并不知道，通过下表的查阅计算，

图4-2 钢和铸铁的强度改变时切削力的修正系数Kmf

可得：

KFc?0.96，KFp?0.93，KFf?0.95

综上所述，可以求出

式（4.1）主切削力

Fc?4668.5N

式（4.2）背向力

FP?1614.3N

式（4.3）进给力

Ff?1528.1N

4.1.2同步带压轴力的计算

同步带的压轴力：同步带作用在同步带轴上的力，是松边拉力和紧边拉力的矢量和，如下图所示

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图4-3 同步带压轴力示意图

据机械标准 JB/T7512.3-1994 压轴力Q计算如下所示：

Q?KF(F1?F2) (N) 式（4.4） 式中KF为矢量相加修正系数，如下图4-4所示

图4-4 矢量相加修正系数KF

式中V是带速，V=3.53m/s 紧边拉力F1?1250Pd/V N 松边拉力F2?250Pd/V N

由同步带的选型和计算可知，Pd是设计功率

Pd?KAPm?51.68kw 式中V是带速，V=3.53m/s

带入式（4.4），得同步带的压轴力为：

1500KFKAP1500?0.8?51.68Q???17568.3 N

V3.53

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4.1.3按扭转强度条来计算轴的最小直径

P9550000Tn?[?] 式（4.5） ?T??TWT0.2d3式中 ?T——扭转切应力，M pa；

T——所受到的扭矩，N·mm；

WT——抗扭截面系数，mm3； n——转速， r/min； P——传递的功率， kw；

d——计算截面处轴的直径， mm； [?T]——许用扭转切应力，M pa，见图4-5

图4-5 轴的几种材料[?T]及A0值

由上式（4.5）可得轴的直径：

d?3实心轴已知，则：

9550000P9550000PP3?3?A03 0.2[?T]n0.2[?T]nnd?A03p

n(1??4)式中，??d1/d，即空心轴的内径d1与外径d比值，根据实际情况我们可以取??0.6 所以：

d?43.2 mm

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4.2主轴各主要参数的确定

4.2.1确定主轴的直径

主轴直径对强度有着直接的影响。根据我们以往的经验，我们可知，主轴直径越大，主轴的刚度越高。但是主轴直径并不是越大越好，因为直径越大，与之相配的轴承等零件的尺寸就越大，这样一来，达到相通公差得制造就越困难。直径的增加也使得重量增加，轴承的极限转速会受到限制，甚至不被机床机构允许。

通常情况下，主轴前轴颈的前直径D1可以依据机床的功率来进行取值。几种常见的机床主轴前轴颈的直径D1，如下表4-1所示

切削功率/kw 车床 铣床 外圆磨床 1.47～25 60～88 50～90 —— 表4-1主轴前轴颈的前直径 2.6～3.7～5.6～11～7.4～11 3.6 5.5 7.3 14.7 110～140～70～90 70～105 95～130 145 165 100～60～90 60～95 75～100 90～105 115 50～60 55～70 70～80 14.8～18.4 150～190 —— 18.5～22 220 —— 105 22～29.5 230 —— 105 75～90 75～100 90～100 根据上文所述切削功率为21.18Kw，结合上述表格，可取D1?220 mm

4.2.2主轴内孔直径的确定

主轴内孔直径和机床类型有关，主要用来通过棒料，镗杆，拉杆，或顶尖。主轴内孔直径的选取目的是为了减轻主轴的重量，但是它的取值应该在一定的范围内，这样才能满足主轴刚度和强度要求。并且应满足对空心主轴孔径要求，和最小壁厚要求下取最大值的原则。

考虑到主轴刚度，主轴内孔直径有下列的关系式： 普通车床d/D?0.55~0.6； 半自动车床d/D?0.6~0.65。 考虑到实际工作性能，选取d/D?0.6 内孔直径

d?D1?0.6?220?0.6?132

4.2.3主轴悬伸量的确定

主轴悬伸量：主轴前端面到前支承径向反力作用中点（一般即为前径支撑中点）的距离。主轴前端悬伸量一般取决于轴的形状与尺寸，因此可以按标准选取。但若是为了提高主轴刚度或是其他原因，也可以不按照标准选取。但是主轴悬伸量与主轴部件的刚度及抗振性成反比，故应尽量取小值。

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图4-6 主轴悬伸量受力示意图

初选a值可参考下表确定

图4-7 主轴悬伸量与前轴颈直径之比

根据上表所述，可以大致选定主轴悬伸量与前轴颈直径比为1，即

a?D1?220

4.2.4主轴跨距的确定

主轴支承跨距L是指主轴前后支承支承反力作用点之间的距离。

主轴跨距是决定主轴系统动静刚度的重要影响因素，目的是找出在切削力作用下，主轴前端的柔度值最小的跨距称为最优跨距。因此，支承跨距越小，弯曲变形越小，主轴自身刚度越大。但是变形引起的主轴前端的位移量变大；反之，越跨距越大，虽然主轴前端位移量较小，但是弯曲变形将变大。所以，主轴跨距选择不当都会降低主轴部件的强度。

下面是对合理跨距选择的推荐值，可用作参考： L合理?（4~5）D1

L合理?（3~5）a，用于悬伸长度较小时 L合理?（1~2）a，用于悬伸长度较大时 根据此次设计，选定L?2.5a ，即

L?2.5?220?550

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4.3主轴的受力分析

主轴主要受切削力、支承反力、自重P、同步带的压轴力和扭矩MQ的作用。作用在主轴上的主切削力等，主要使轴在垂直平面内完成弯曲形变；而径向车削力，则使轴在水平面上产生弯曲变形。

图4-8 主轴受力分析

而根据4.2部分的计算我们已知：FC?4668.5N，MC?1528.1N?m，Fp?1614.3N 而根据之前部分的计算主轴外径为220mm,内孔直径为132mm，长可以估算为770mm，据此，我们可以算出主轴的体积：

V?(R2?r2)?l?(1102?662)???770?1.87?107mm3?1.87?104cm3 式（4.6） 查的主轴材料的密度为??7.89g/cm3，根据式（4.6）我们可以大致计算出主轴的自重：

P???V?g/1000?7.89?1.87?104?9.8/1000?1446N

由4.1.2计算可得，同步带的压轴力：

Q?1500KFKAP1500?0.8?51.68??17568.3N

V3.53Q?① 在垂直平面内：

Pd?103?4600N v?F?0,?Q?FAy?P?FBy?Fc?0 式（4.7）

??M② 在水平平面内：

?A?0，

140Q?175P?350FBy?490Fc?0 式（4.8）

联立式（4.7）（4.8），解得FAy?27186.02N,FBy?12840.22N

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? ?F?0??，

FAx?FBx?Fp?0 式（4.9）

MA?0350FBx?490Fp?0， 式（4.10）

联立式（4.9）（4.10），解得FAx?645.72N,FBx?2260.02N

4.4主轴的校核

轴在工作载荷作用下会产生弯曲和扭转形变。而轴的变形首先影响轴上传动件的传动精度，过大的弯曲和扭转变形还会引起旋转部件的震动和噪声，影响设备的正常工作。因此要进行轴的弯曲刚度和扭转刚度的校核。校核轴的扭转刚度，就是计算出轴在受力情况下，每米长度的轴的扭转角?。

由做出的受力简图可得：

N?m MA?FAx?FAy?27193.7，MB?FBx?FBy?13037.62222则我们可以看出A处截面的弯矩和扭矩最大。

在转矩T和弯矩的共同作用下，按照第三强度理论轴的应力计算公式：

?2?4????2???-1?

对于直径为d的圆轴，弯曲应力为：

??M/W

扭转切应力为：

??T/WT?T/(2W)

则轴的弯扭合成强度条件为

M2?(?T)2M2?T2?ca?()?4()?????1? 式（4.11）

W2WW式中 ?ca——轴的计算应力，M Pa；

??-1?——许用应力，抵挡工作时可取598MPa； M——轴所受的合成弯矩MA，N?mm； W——轴的抗弯截面系数，W???1??4?32D3；

T——轴所受的扭矩，N?mm。

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本设计中的扭转切应力为脉动循环变应力，所以?可以取0.6,即

??1??4?3??1-0.64?W?D?2203?909885.7 3232带入式（4.11）中：

27193.72?(0.6?1528.1)2?ca??28.52???-1?

909885.7故主轴符合强度要求。

主轴的校核不仅是强度的校核，还有刚度的校核。轴的扭转变形用每米长的扭转角?来表示。扭转角公式如下所示：

180T 式（4.12）

G?IP????9式中G——剪切模量，G?80?10；

1-?4）D4/32 IP——极惯矩，IP??（带入式（4.12）则可以得到：

??180?1528.1?0.033? 44??0.14（1-0.6）80?109??32对于不同的机械和轴的工作条件下单位长度可转角[?']的值，通过《机械设计使用手册》可知：

精密机械传动轴：

[?']?(0.25~0.50)?/m

一般传动轴：

[?']?(0.5~1)?/m

精度不高的轴： [?']?(1~2.5)?/m

所以主轴满足刚度要求。

4.5键联结的强度计算

由于键和轴上联结件的都是在较大的载荷下工作，所以我们需要都键联结进行强度校核。在2.4中，我们已经选择了圆头A型普通平键，我们查阅资料可以知道，其属于静联结配合，平键的联结强度计算公式为挤压强度计算公式：

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?p?式中 T——传递的转矩，N?m；

2T??pp 式（4.13） kld k——键与轮毂的接触高度，k?0.5h，h是键的高度，已知为10mm； d——轴的直径，mm；

l——键的工作长度，圆头键l?L?b,查的b?16mm； L——键的公称长度； ?pp——许用挤压应力；

而许用挤压应力可以查阅下图4-9，取?pp?60

图4-9 键联结的许用挤压应力和压强

根据之前求得数据，已知T?725N?m,k?5mm,d?220mm,L?100mm，l?84mm，代入式（4.13）

2?725?103?p??15.7?60

5?84?220所以键联结符合强度要求。

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5轴承的计算与校核

考虑到主轴的使用寿命及稳定性，轴承的刚度与强度必须符合设计要求，对轴承的寿命进行计算校核是势在必行的。滚动轴承的寿命是指轴承的滚动体或套圈首次出现点蚀（滚动轴承的正常失效形式）之前，轴承的转速或相应的运转小时数。如果轴承产生了点蚀破坏后，会产生震动、噪声和发热。

我们不难看出，本次设计的机床可以看成每日工作8h的机械，所以可以选择预期计算寿命为L'h?25000h，见图5-1。

图5-1 推荐的轴承预期计算寿命

5.1径向载荷的计算

在前面4.3中A、B支承点的水平和垂直力，分别为FAy?27186.02N，

N，FBx?2260.02N。 FBy?12840.22N，FAx?645.72根据已经得到的数据，将各个力进行合成，得:

FA?FAx?FAy?27194N,FB?FBx?FBy?13038N

2222图5.-2 主轴轴承布局

图5-2为主轴轴承的布局，对其进行的编号，是为了对应图4.7，A支承主要通过双列

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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。现在对主轴轴承受力分析，并进行模型化简，可得：

Fr1?FA?27194N,Fr2?Fr3?Fr4?1/3FB?4346N。

5.2轴向载荷的计算

车铣复合加工中心加工工件的时候，滚子轴承受径向载荷作用，会受到派生出的轴向力的作用，所以选择可以承受较大的轴向载荷70000AC型角接触球轴承，接触角为25o。之前主轴轴承内孔直径已知为220mm，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。

要使主轴达到受力平衡，必须使轴承的派生力Fd2?Fd3?Fd4?eFr2?eFr3?eFr4，满足Fr2?Fr3?Fr4?Fae?0，其中Fae?1545N，可以解得：

Fd2?Fd3?Fd4?1545N,e?Fd2/Fr2?0.55。

5.3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

当Fa/Fr?0.68时，

P?0.67Fr?1.41Fa

因为e?Fd2/Fr2?0.55?0.68，所以

P?fd(Fr?0.92Fa) 式（5.1）

式中 P——滚动轴承的当量载荷；

fd——载荷系数。

可以查得fp?1.2~1.8，取fp?1.5，带入上式（5.1）可以求得

??8651.1N P?fd(Fr?0.92Fa)?1.5??4346?0.92?1545h 根据表5-1，已知L'h?25000参照《机械设计实用手册》的轴承承受的基本额定动载荷，。

C?P?60nLh' 式（5.2） 10627

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式中，?——指数，对于球轴承??3，对于滚动轴承??10/3。 代入式（5.2）求得

C?59418.23N。

查的所选的主轴轴承7028AC的基本额定载荷为228KN,根据下式：

106?C? Lh??? 式（5.3）

60n?P?求得，带入式（5.3）

?Lh?78199?Lh'所以，所选主轴轴承符合设计要求。

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结论

本文是对一种车铣复合加工试验装置的设计及仿真。这种车铣复合加工试验装置目的在于安装在普通铣床上，使普通铣床可以实现车铣加工的过程。此装置具有易加工，零件组装方便，可以很容易地固定，准确和方便的速度调配和可靠的轴承润滑密封等特点。此试验装置的设计过程，亦是对机床部件系统的简单加工过程。

本次毕业设计的关键点在于机床部件系统的设计。主要涉及到了机床主轴进给系统和传动系统的设计。对于电机、同步带、主轴、轴承的选型和计算，涵盖了机械设计、机械原理、材料力学等专业课程。毕业设计的设计过程是对我们大学期间温习旧知识和自学掌握新知识的过程，也是对于自身结合动手动脑能力及其他技能的一次全方位的大检阅。

正是因为对本次毕业设计的积极追求和认真对待，所以我在整个过程中也出现了不少的状况，感受到了自身的不足。首先，我深深的感受到机械设计专业知识的浩海无涯，以及自己知识的匮乏。我经常遇到一些自己难以解决的问题，经常向同学和老师求助。再者，我的动手动脑能力，也就是实践能力比较薄弱，并不具备机设设计师应有的丰富经验，这一点上，我仍然需要加强锻炼。

综合各方面的因素来考虑，本次毕业设计是一次成功的尝试。虽然在设计过程中磕磕绊绊，但是看到自己的成果，我内心还是感到十分的欣喜。我感觉到了自身全方面的升华，这不仅为我坚定了信心，也为接下来毕业进入社会工作打下了坚实的基础。须知求知是有穷尽的，而人的创造力是无穷无尽的，这是一次令人受益匪浅的毕业设计过程。

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致谢

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