题 目： 数控车床电主轴设计
摘 要
本文阐述了车床电主轴的发展历史、现状以及趋势，并介绍了电主轴的工作 原理及关键技术。然后，确定了合理的电主轴总体结构，分别对电主轴的电机、 编码器、转子、定子和冷却系统等各零部件作了设计，产生了装配图、零件图与 设计说明书等设计文档。最后，对电主轴的旋转轴和轴承进行了详细的分析和校 核，计算表明，该电主轴设计符合要求。.
关键词：车床；电主轴；主轴；轴承
Abstract
This paper describes the history, status and trends of lathe electrical spindle development, and also introduce the working principle and key technology of electrical spindle. Then, the reasonable structure of the electrical spindle is determined. The structure of main components is designed, such as axis, encoders, rotor, stator and cooling systems. The assembly drawings, part drawings and design specifications and other design documents is generated. Finally, the detailed analysis and verification of the axis and bearing are made. The calculation result shows that the design of electrical spindle meets the requirements.
Key words:lathe；electrical spindle；spindle；bearing
第 1章 绪论
1.1 选题的目的和意义
我国数控机床的发展历程充分证明，数控机床电主轴发展的滞后，始终是制 约我国数控机床发展的瓶颈问题之一。高速电主轴的功能部件跟不上，发展数控 机床将成为空话。我国数控机床整体技术水平的发展和提高，最终离不开先进的 功能部件产业的支持。我国数控机床经历了二十多年的发展历程,形成了一定的 生产规模，具备了进一步发展的基础。但在数控机床品种、质量和性能等方面与 发达国家还存在较大差距，很难能满足市场需求，特别是高端数控机床主要依赖 进口，已明显制约我国国民经济和国防工业的发展。高速电主轴制造技术成为了 决定高端的数控机床发展的关键技术。 对决定电主轴发展的关键技术要进行重点 攻关， 特别是在电主轴应用中的关键部件诸如复合陶瓷轴承、 内置式无外壳电机、 性能优良的伺服控制器、高精度位置编码器、气密封装置等进行自主研发，改变 这些关键部件主要靠进口的局面。高速电主轴也是高端的数控机床的核心，大力 发展高速电主轴将对我国的装备制造行业会起到强大的推动作用。
1.2 数控车床电主轴的国内外的研究现状和发展趋势
1.2.1 数控车床电主轴的国内外的研究现状
国内对电主轴技术的研究始于20世纪60 年代，主要用于零件内表面磨削， 这种电主轴的功率低，刚度小，并且它采用无内圈式向心推力球轴承，限制了高 速电主轴的产业化。到 80 年代，随着国内高速主轴轴承的开发成功，研制出一 系列高刚度、高速电主轴，广泛应用于各种内圆磨床和各个机械制造领域。在 90年代以后由磨用电主轴转向铣用电主轴，它不仅能加工各种形体复杂的模具， 而且开发了用于木工机械用的风冷式高速铣用电主轴， 推动了高速电主轴在切削 中的应用。在国内以洛阳轴承研究所(洛阳轴研科技股份有限公司)为代表，早在 1958 年就研制出了磨用电主轴之后又研发了大功率、高转速系列电主轴，磁悬 浮和气静压电主轴等，并将电主轴在 90 年代应用于大型数控铣床，加工中心和 数控车床，是我国电主轴技术的引领者。广州工业大学高速加工和机床研究所也 开发研制了多种电主轴，并应用于数控铣床由于近些年数控加工技术的飞速发
展，在军工、基础装备制造，航空航天等领域对高速电主轴的迫切需要，国内的 电主轴研究也得到了很大的发展。同济大学、北京机床研究所和上海机床厂在高 速电主轴方面也取得了很大的成就。目前国内生产的磨削用电主轴的转速在 15000r/min 以内；加工中心用电主轴的转速最高 30000r/ min，转矩达 200N·m 的加工中心用电主轴转速只有 4000r/min；车削用电主轴最高转速可达 12000r/min，最大功率只有11kw。在电主轴的润滑方面，国外普遍采用先进的油 气润滑技术，而我国主要以油脂润滑和油雾润滑为主。
国外电主轴最早用于内圆磨床，上世纪 80 年代，随着数控机床和高速切削 技术的发展和需要，逐渐将电主轴技术应用于加工中心、数控铣床等高档数控机 床。目前电主轴已经成为现代数控机床最主要功能部件之一，世界上形成许多著 名的机床电主轴功能部件专业制造商，它们生产的电主轴功能部件已经系列化。 具有代表性有美国福特公司和Ingerso1l公司联合推出的HVM800卧式加工中心
瑞士IBAG 的大功率电主轴最高转速达15000r/min由静止升至最高转速仅需15s。
公司在电主轴行业技术领先现在被公认为代表了行业的发展趋势。IBAG公司提 供的电主轴已经系列化、标准化电主轴最大转速可达140000r/min，直径范围33 到 300mm，功率范围 125W-SOkW,扭矩范围 0.02～300N·m。日本三井精机公 司生产的 HT3A 卧式加工中心采用陶瓷轴承支承的电主轴,主轴转速达 40000r/min 此外还有瑞士的 Fisher 公司、德国的 GMN 公司、Hofer 公司、西门 子、意大利的 Faemat 公司和 Gamfior 公司等，这些公司生产的电主轴有以下特 点：(l) 功率大、转速高。(2) 采用高速、高刚度轴承。国外高速精密主轴上采 用高速、高刚度轴承，主要有陶瓷轴承和液体动静压轴承，特殊场合采用空气润 滑轴承和磁悬浮轴承。(3) 精密加工与精密装配工艺水平高。(4) 配套控制系统 水平高。这些控制系统包括转子自动平衡系统、轴承油气润滑与精密控制系统、 定转子冷却温度精密控制系统、主轴变形温度补偿精密控制系统等 [1] 。
1.2.2数控车床电主轴的国内外的发展趋势
（1）向高速度、高刚度方向发展
随着主轴轴承及其润滑技术、精密加工技术、精密动平衡技术、高速刀具及 其接口技术等相关技术的发展， 数控机床用电主轴高速化已成为目前发展的普遍 趋势。电主轴的功率和转速是受电主轴体积及轴承限制的，D m N 值是反映电主
轴刚度和转速的一个重要的综合特征参数，D m N 值越大，其电主轴性能越。因 此，在保证电主轴高转速的前提下，加大主轴直径，提高其刚性，也是电主轴技 术发展的方向之一。
（2）向高速大功率、低速大转矩方向发展
现代数控机床需要同时能够满足低速粗加工时的重切削、 高速切削时精加工 的要求，因此机床电主轴应该具备低速大转矩、高速大功率的性能。高速电主轴 的大功率化已是国际机床产业发展的一个方向。 近年大功率半导体器件有了飞跃 性发展，已经完全可以满足现有的电主轴应用场合所要求的功率等级，这为高速 电主轴的大功率化奠定了基础。德国GMN公司的电主轴低速粗加工时的重切削 力可达1250N·m,高速切削时精加工最大输出功率可到150kW。
（3）电机形式与控制方式多样化方向发展
主轴电机方面：目前国内外主轴电机常见的是感应电动机，但由于其结构和 特性的限制，运行状态改变时导致电机很难在最佳效率点运行，功率因数低、效 率低。虽然采用变频调速、矢量控制、功率因数补偿等技术改善了电机系统的效 率，但由于感应电机的工作原理决定其运行效率的提高是有限的，特别是在位置 和速度要求非常高的高精度高速电主轴系统中应用有时很难满足系统要求。 因此 选用转动惯量小，转矩密度高，控制精度高的永磁电机代替感应电动机也将是电 主轴发展的一个重要方向。在主轴电机控制方面：采用矢量控制已经被大多数高 速电主轴生产厂家所采用，针对感应电动机采用自适应控制、直接转矩控制、定 子优化控制等措施不断提高感应电动机在电主轴的应用性能。 对于永磁同步电动 机在低速粗加工时的重切削多采用恒转矩控制方式,高速切削时精加工采用恒功 率控制， 在扩大永磁电机在弱磁区域的同时提高稳定性也将成为高速电主轴研究 热点问题。
此外，柔性主轴及其轴承弹性支承技术的研究也将进一步深化。目前国内市 场的轴承多以用高速角接触球轴承支承， 气静压方式将逐渐取代角接触球轴承成 为主流方式。 另外随着磁悬浮技术的不断进步和成熟， 在满足成本要求的情况下， 磁悬浮轴承将由一些特殊场合的应用到普通场合的特殊要求的应用。 提高高速电 主轴动平衡等级，降低振动，使电主轴寿命更长。在保证转速的情况下，应尽量 降低电主轴的整体振动。 主轴单元的自动平衡装置也将因高速电主轴的振动指标
更高而不断的更新和完善。润滑技术不断改进，预负荷施加技术不断进步。陶瓷 球复合轴承和油气润滑技术的广泛应用，使得轴承发热更小，而且更能适应高速 需要。在非接触式轴承中，磁浮和气浮轴承不断发展，已有系列产品出现。轴承 预负荷施加方式上，过去主要使用刚性预负荷，不断发展为弹性预负荷，后又出 现智能预负荷方式，使轴承承载性能更优。油气润滑方式和成本更低的非接触式 轴承技术也将是高速电主轴发展的方向 [1] 。
1.3 本课题主要研究内容
（1）数控车床电主轴总体方案设计；
（2）根据产品特点，进行工艺分析、结构分析、结构计算和校核；
（3）绘制装配图及其他零件图；
（4）撰写设计计算说明书1份，撰写其他相关设计技术文档。
第 2章 数控车床电主轴的介绍
2.1 车床电主轴的工作原理
电主轴作为加工中心的核心部件，它将机床主轴与交流伺服电机轴合二为 一，即将主轴电机的定子、转子直接装入主轴组件的内部，并经过精确的动平衡 校正，具有良好的回转精度和稳定性，形成一个完美的高速主轴单元，也被称为 内装式电主轴，其间不再使用皮带齿轮传动副，从而实现机床主轴系统的“零传 ，通电后转子直接带动主轴运转。
动”
2.2 数控车床电主轴的特征
（1）高回转精度
车削中心的主轴是装夹工件的基准，并将运动传递给工件，因此主轴的回转 精度直接影响加工精度。为保证电主轴在高速运转时的回转精度，其关键零件必 须进行精加工和超精加工，选用尺寸和精度等级合适的轴承，采用合理的装配方 案；
（2）高刚度
主轴刚度反映主轴单元抵抗外载荷的能力。尤其，进行车削粗加工时，切削 量较大，主轴要承受很大的径向力。为了保证加工精度、避免振动，要求电主轴 具备较高的刚度，特别是径向刚度；
（3）抗振性强
机床工作时，主轴部件不仅受静态力的作用，同时还受其他冲击力和交变干 扰力的作用而产生振动。振动是主轴动态性能的重要指标，振动将会产生噪声， 并直接影响工件的表面加工质量，振动严重时会产生崩刃和打刀现象。因此，电 主轴的抗振性要强；
（4）电机特性优良
车削中心要求有较广的加工范围， 这就要求电主轴既要有优良的低速加工性 能，又要有好的高速加工性能。在起步及低速段采用恒转矩调速，保证低速时有 较大的输出转矩，满足低速大进给的切削要求；而高速段采用恒功率调速，可满
足小切削量的高转速要求。对一些低速要求高的电主轴，应采用高性能的矢量变 频器控制；
（5）热特性稳定
由于电主轴是将高速电机置于机床主轴部件内部，高速运转时，电机转子、 定子和轴承的的发热量很大，并引起热变形，直接影响机床的工作性能和加工精 度，因此要求电主轴的热态性能稳定 [2] 。
第 3章 车床电主轴结构设计
3.1 电主轴结构图
1—主轴箱体 2—主轴前轴承 3—主轴 4—冷却液进口 5—主轴前轴承座 6—前轴 承冷却套 7—定子 8—转子 9—定子冷却套 10—冷却液出口 11—主轴后轴承
图 3.1 车削中心电主轴结构示意图
电主轴由主轴及主轴箱本体、辅助装置、检测装置组成。电机的转子采用压 配方法与主轴做成一体，主轴则由前后轴承支撑。转子定子通过冷却套安装于主 轴单元的壳体中。主轴的变速由主轴驱动模块控制，而主轴单元内的温升由冷却 装置控制。在主轴的后面装有松刀油缸、旋转接头；前端的内锥孔和端面用于安 装刀具、刀具夹爪；中间有刀具拉杆、刀具夹紧弹簧。
3.2 同步带的选择
3.2.1 同步带介绍
同步带传动是一种新型的机械传动。由于它是一种啮合传动，因而带和带轮 之间没有相对滑动，从而使主从轮间的传动达到同步。同步带传动和 V 带、平 带相比具有以下优点：
(1)传动准确，无滑动，能达到同步传动的目的；
(2)传动效率高，一般可达98%；
(3)速比范围大，允许线速度也高；
(4)传递功率范围大，从几十瓦到几百千瓦；
(5)结构紧凑，还适用于多轴传动。
同步带传动设计目的是确定带的型号节距带长(节线长度)中心距、带宽及 主、从动带轮齿数，直径等参数。
3.2.2 同步带计算
一台额定功率为12.5kw，转速为1000r/min的异步电机，一天工作8个小时 以上，以此来设计电主轴的同步带。
(1) 求设计功率Pd
P d=K0P m=1.6×12.5=20 kw
式中 K0 载荷修正系数（由表3.1得）
表 3.1 载荷修正系数 K（部分）
工 作 机
原 动 机
运 转 时 间（小时/日）
3~5 8~10 16~24
带式输送机，烘干机，杠车床，带锯，筛选机 1.2 1.4 1.6 液体搅拌机，钻床，车床，龙门刨床，造纸机 1.4 1.6 1.8 牛头刨床，磨床，铣床，钻镗床，纺织机械 1.5 1.7 1.9
(2) 确定带的型号和节距
由于电主轴是内装式电机，电机转速就是主轴转速，所及小齿轮转速
n1=n2×i0=3100r/min，由图 3.2 查的带的型号为 H 型，对应节距 Pb=12.7mm(见 表3.2)
图 3.2 通过功率找同步带型号
(3) 选择小带轮齿数
由小带轮转速 n1=3100r/min 和 H 型带，查表 3.3 得小带轮最小许用齿数 Z1=20，则 Z2=iZ1，其中 i=n1／n2=3.1
Z2=62, 取标准带轮齿数Z2=60 (4) 确定带轮节圆直径：
d1=PbZ1／π=80.892mm d2= PbZ2／π=242.675mm
(5) 确定同步带的节线长度Lp
Lp=2acosφ+π(d2+d1) ／2+πφ(d2-d1) ／180
（3-2）
式中：φ= a
d d 2 1
2 sin 1
- - =9.31?(以a=500mm 代入) 则Lp=1521.102 选择最接近计算值的标准节线长(见表3.4) Lp=1524.00mm
(6) 计算同步带齿数Zb
Zb=Lp ／Pb=1524.00/12.70=120
(7) 传动中心距a 的计算
a=Pb(Z2-Z1) ／2πcosθ
（3-3）
式中：inVθ=π Z1
- Zz z
Z Zb - =3.1416 inVθ=tgθ-θ用逐步逼近法计算，θ=1．3518(弧度)
代入上式:
a=Pb(Z2-Z1) ／2πcosθ=373.53mm
表 3.2 七种同步带型号的主要参数
带型号
节距
Pd(mm)
基准宽度 bэ?(mm) 拉力 T? （N ） 质量 （Kg/m ） 带宽 bэ（mm ） MXL 2.032 6.4 20 0.010 3.0 4.8 6.4 XXL 3.175 6.4 31 0.010 3.0 4.8 6.4 XL 5.080 9.5 50.17 0.022 6.4 7.9 9.5 L 9.525 25.4 244.46 0.095 12.7 19.1 25.4 H 12.700 76.2 2100.85 0.448
19.1 25.4 38.1 50.8 76.2
XH
22.227
101.6
4048.90
1.484 50.8 76.2 101.6 XXH 31.750 127.0 6398.03
2.473
50.8 76.2 101.6
127.0
表 3.3 带轮最少许用齿数
小带轮转速 （r/min ） 带 型 号 MXL XL L H XH XXH 900 以下 10 10 12 14 22 22 900~1200以下 12 10 12 16 24 24 1200~1800以下 14 12 14 18 26 26 1800~3600以下 16 12 16 20 30 —— 3600~4800以下
18
15
18
22
——
——
(8) 确定同步带设计功率为Pd 时所需带宽 (a). 计算所选型号同步带的基准额定功率Po
Po=(Ta-mv 2
)v ／1000
(kw) （3-4）
式中：Ta——许用工作拉力，查表3.2得Ta=2100.85 N
m——单位长度质量，查表3.2可得 m=0.448Kg/m V——线速度
(m/s)
V= p
w 2 10 1 3 - ′ PbZ =6.35 (m/s)
（3-5）
表 3.4 标准同步带的节线长度(部分)
节线长度 节线长度上的齿数
基本尺寸 （m ） 极限偏差
（mm ） MXL
XXL
XL
L
H
XH
XXH
1422.40 ±0.81 —— 64
1447.80 ±0.81 —— 114 1524.00 ±0.81 160
120 1600.02 ±0.86 126 72 1676.40
±0.86
132
带入上式的Po=13.23 (kw)
(b). 计算小带轮啮合齿数Zm
Zm=
2 1 Z — a
PbZ 2 2 1
p （Z2-Z1）=8.62>6 (c). 确定实际所需带宽bэ
P≈PoKzKw
（3-6）
式中： P——带所能传递功率
kw
Kz——啮合系数，因Zm>6
故 Kz=1
Kw—— 14
. 1 ) ( s
á á b b 查表3.2，H 型带 bэ?=76.20mm
将P 式代入P ≥Pd
则bэ≥bэ? 14
. 1 / 1 ) ( O Z d P K P =26.65mm 取标准带宽38.1mm 见表3.2
(9) 验算
1000
) ( 2
v b mv b T K K P a W Z á?
á - = =22.15 > 20 kw
额定功率大于设计功率，则带的传动能力已足够，所选参数合格 [4] 。
3.3 内置编码器的选择
为了提高机械装置的加工精度，必须提高检测元件和检测系统的精度。其中
以旋转编码器，线性编码器，旋转变压器，测速发电机等比较普遍。本人在电主 轴设计的内置编码器是属于旋转编码器的。它的特点是：非接触式，无摩擦和磨 损，体积小，重量轻，机构紧凑，安装方便，维护简单，其具有高精度，大量程 测量等。旋转编码器非常适合测速度，可无限累加测量。
3.4 转子和定子的设计
高速电主轴的定子由具有高导磁率的优质矽钢片迭压而成。 迭压成型的定子 内腔带有冲制嵌线槽。转子是中频电机的旋转部分，它的功能是将定子的电磁场 能转换成机械能。它能带动主轴旋转。转子由转子铁芯、鼠笼、转轴三部分组成。
此次设计的电主轴电机转子的基本尺寸为：转子的外径2b ＝126.5mm ，转子 内孔直径2a ＝85.5mm ，转子的轴向长度为346mm ，转子配合面的有效接触长度 B ＝300mm 。主轴配合面的基本尺寸为：外径 2a ＝85.5mm ，内孔直径为 2c ＝ 46mm 。电机的最高转速为8000r ／min ，所以其最大角速度ωmax 为837.3 rad ／s 。 额定功率为12.5 kW ，额定转矩为114 Nm ，电主轴的结构如图3.3所示。
Ce= b a = 06325 . 0 04275
. 0 =0.6759
（3-7） Ci= a c = 04275
. 0 023 . 0 =0.5380
（3-8）
电机转子和主轴均为钢质材料，材料的弹性模量 E ＝2.1×10 11 N ／m 2
，泊凇
比υ＝0.3，主轴配合面间的摩擦系数μ＝0.09， 电机转子衬套材料的许用应力 ［σ］
为287N ／mm 2 ，主轴材料的许用应力［σ］为 567 N ／mm 2
。
要满足电主轴的高速性能， 电机转子与主轴配合面间的动态过盈分量的最小 值Δd min 可由下式求得：
Δdmin =
2
3
2 2 2 2 ) 1 )( 2
3 )( 1 ( ECe
a Ci Ce v v w - - + r =0.0205 （3-9）
要满足电主轴的扭矩传递能力， 电机转子与主轴配合面之间的静态过盈分量 的最小值Δsmin 可由下式求得：
Δsmin = EBa Mt v Kc pm ) 1 ( 2 - ( 2 2 1 1 Ce Ce - + + 2
2
1 1 Ci Ci - + )=0.00245
（3-10）
根据计算可知， 高速电主轴要求的动态过盈量Δd min 是其要求的静态过盈量
的6
倍多，由此可见，高速主轴的过盈量主要由动态过盈量确定。高速电主轴的最小 过盈 量Δmin 为：
图 3.3 电主轴的结构
Δmin ＝Δd min ＋Δs min ＝0.02295 （mm ） （3-11）
据此，在GD －Ⅱ型电主轴设计中，主轴与电机转子的配合采用Φ66H6／s6 的过盈配合，这种配合的实际最小过盈量为0.040mm(＞0.02295 mm)，能满足 电主轴的高速传动要求。其实际的最大过盈量为0.078mm ，配合面实际产生的最
大正压力为：
p max = a
Ce Ci Ci Ce E ) 1 )( v - 2(1 ) 1 )( 1 ( 2 2 2 max 2 2 - D - - =93.6 (N/mm 2
)
（3-12）
电机转子内孔配合面上具有最大的切向拉应力 σθemax 和最大的径向压应力 σremax ，其值为：
σθemax
(r=a)=-p max =-93.6
(N/mm 2
)
（3-13）
σremax (r=a)= 2
2 max 1 ) 1 ( Ci
Ce P - + =191.9 (N/mm 2
) （3-14）
主轴的 σri （r ）和 σθi （r ）均为压应力，其中主轴的配合面上具有最大的径 向压应力σrimax ，在主轴内孔壁处具有最大的切向压应力σθimax ，其值为：
σrimax
(r=a)=-p max =-93.6
(N/mm 2
)
（3-15）
σθimax (r=c)= 2 max 1 2 Ci
P - - =-263.4 (N/mm 2
)
（3-16）
电主轴的装配应力分布如图3.4所示。
由此可见，电主轴的危险点在电机转子的内侧，根据第三强度理论：
σr3=σθemax -σremax =285.5 (N/mm 2
)
电机转子衬套材料的许用应力［σ］为287 N ／mm ，σr3＜［σ］，使用安全。
图 3.4 主轴与转子过盈配合的应力分布
3.5 轴承的选择
3.5.1轴承的选择
按轴系零件轴向定位方法的不同，轴的支承结构可分为三种基本型式：两端 固定支承， 一端固定、 一段游动支承和两端游动支承。 本设计采用两端固定支承。 采用两端固定支承时，应留出适当的轴向间隙，以补偿工作时轴的热伸长量，同 时应提供适当的间隙调整方法。我采用的是角接触轴承，所以可利用调整垫片或 螺纹件来调整轴承的游隙，以保证轴承的正常运转。
首先通过对轴的受力分析得到了轴承的大致载荷在 3000~4000N 左右，属于 中等载荷，故采用球轴承；接着看转速，球轴承与滚子轴承相比较，有较高的极 限转速，电主轴的转速在1000~8000r/min ，所以优先选用球轴承。最后轴承在承
受径向载荷的同时，还有不大的轴向载荷，所以选用深沟球轴承和角接触轴承。
故在主轴的两端我分别采用了角接触球轴承和深沟球轴承，分别见图 3.5 和 图 3.6。成对安装角接触球轴承（GB/T292-1994）可同时承受径向载荷和轴 向载荷。它能在较高的转速下工作，接触角越大，轴向承载能力越高。高精 度和高速轴承通常取 15 度接触角。
深沟球轴承是最具代表性的滚动轴承，用途广泛。适用于高转速甚至极 高转速的运行，而且非常耐用，无需经常维护。深沟球轴承的摩擦系数很小， 极限转速也很高， 特别是在轴向载荷很大的高速运转工况下，深沟球轴承 比推力球轴承更有优越性。
图 3.5 角接触球轴承
3.5.2 轴承材料的选择
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，密度只有钢的 40%。在高速运转时， 可大幅减小滚动体的离心力，从而减小球与套圈滚道间的接触应力，延长轴 承的使用寿命。
图 3.6 深沟球轴承
（2）弹性模量大、硬度高。与钢质球轴承相比，相同负荷下陶瓷球在 接触应力作用区域材料塑性变形小，使轴承的刚度提高，从而提高主轴系统 的临界转速。
（3）膨胀系数小。混合轴承的工作游隙及工作游隙的变化幅度小，导 致高速高温时，滚动体与沟道接触的最大接触应力及接触负荷的变化幅度均 较小，确保了轴承运行平稳和发热量的减少。
3.6 冷却系统的设计
电主轴中电机高速旋转所产生的发热和轴承的摩擦发热，是不可避免 的。机床工作时，在内、外热源的作用下，主轴系统的各个部分会产生不 同程度的温升。升温后，主轴和机床其他部件的空间相对位置和尺寸都将 与温升前不同，形成不同的温度场，进而产生不同程度的热膨胀，导致加 工误差。因此通过对高速电主轴的冷却系统的设计改良，来控制电主轴的 温升，减小电主轴的热膨胀，对于保证电主轴性能和提高其使用寿命，是
至关重要的。
3.6.1 热源的主要构成
电动机和轴承是主要的发热源。具体的热源主要可分为三部分：
（1）主轴电动机内置于机床主轴的结构中，电机高速旋转所产生的发热， 是其结构内部的主要的热源。
（2）电动机转子在主轴壳体内的高速搅动，使内腔中的空气也会发热，这 些热源产生的热量，主要通过主轴壳体和主轴进行散热，所以电动机产生的热量 有相当一部分会通过主轴传到轴承上去，因而影响轴承的寿命，并且会使主轴产 生热伸长，影响加工精度。
（3）随着主轴转速的升高，主轴轴承的摩擦所产生的发热量也随之增大 [5] 。
3.6.2 冷却系统的冷却路线
车床电主轴主要是通过在主轴壳体内加冷却油，并不断的循环，把热量带 走，来进行冷却的（如图3.7）。其基本的冷却路线是：首先从主轴冷却油温控制 器流出冷却油，经过在靠近后端盖1的冷却环套上入水口，使冷却油进入后端轴 承2的外围，
1. 后端盖
2. 后端轴承
3. 转子
4. 定子
5. 电机冷却套
6.前端轴承
7.壳体机
架
图 3.7 电主轴冷却设计
并对后端轴承2进行冷却。接着通过液压把冷却油挤向电动机冷却环套5，对主
轴的定子 4 、转子 3 和前端轴承 6 进行冷却，最后从壳体 7 的出水口，流回主 轴冷却油温控制器完成循环。 3.6.3 主轴传动的热平衡计算
主轴传动由于效率低，所以工作时发热量大。在闭式传动中，如果产 生的热量不能及时散逸，将因温度不断升高而使润滑油稀释，从而增大摩 擦损失，甚至发生胶合。所以，必须根据单位时间内的发热量 Φ1 等于同时 间内的散热量 Φ2 的条件进行热平衡计算，以保证油温稳定在规定的范围内
[3]
。
由于摩擦损耗的功率 ) 1 ( h - = P
P f ，则产生的热流量为： ）
（ h f - = 1 1000 1 P 式中，P 为主轴传递的功率，KW 。
以自然冷却方式，从箱体外壁散发到周围空气中去的热流量Φ2 （单位为W ）
[3]
为，
） （ h a f - = 1 2 S
d 式中： d a ——箱体的表面传热系数，可取 d a =（8.15~17.45） W/ (m2 · ?C)，
当周围空气流通良好时，取偏大值；
S——内表面能被润滑油所飞溅到，而外表面又可为周围空气所冷却的
箱体表面面积，m 2
；
to——油的工作温度，一般限制在60~70 ?C，最高不应超过80 ?C； ta——周围空气的温度，常温情况可取为20?C；
按热平衡条件 Φ1=Φ2，可求得在既定工作条件下的油温 to(单位为?C) 为：
S
P t t d a o a h )
1 ( 1000 - +
= （3-16）
为了保持正常工作温度所需要的散热面积 S，当 80 ￡ o t ?C，而总效率h ，估取
h =0.7，P=12.5KW，所以
2
6 2 10 6.25 6.25m )
( ) 1 ( 1000 mm t t P S a o d ′ = = - - 3 a h 因此只要散热面积 S 大于 2
6 10 6.25 mm ′ ，主轴的在工作条件下的油温 to 就
能保证在80?C 一下，再看本人设计的冷却系统的散热面积S:
RL
rL S p p 2 2 + = 式中： r——冷却管道的内壁半径 mm；
R——冷却管道的外壁半径 mm； L——冷却管道的长度 mm；
故 6 10 8 . 7 5 . 474 135 14 . 3 2 5 . 474 127 14 . 3 2 2 2 ′ = ′ ′ ′ + ′ ′ ′ = + = RL rL S p p mm 2
，
所以能证明主轴冷却系统的热平衡是稳定的。
3.7 主轴的主要结构参数
主轴的主要结构参数有主轴前端悬伸量和主轴主支承间的跨距。 这些参数直 接影响主轴的旋转精度和主轴的刚度。 3.7.1 主轴前端悬伸量的确定
主轴的前端悬伸量主要取决于主轴端部的结构，前支承轴承的配置和密封 装置的形式和尺寸，由结构设计确定。 3.7.2 主轴主支承间的跨距L 的确定
主轴主支承间的跨距是主轴获得最大静刚度的重要条件之一。跨距过小， 主轴的弯曲变形固然较小，但因支承变形引起主轴前端的位移量增大；反之，支 承跨距过大，支承变形引起主轴前端的位移量减小了，但主轴的弯曲变形增大， 也会引起主轴前端较大的位移。一般取L=(2~3.5)a 。 3.7.3 主轴的构造
主轴的构造和形状主要决定于主轴上所安装的刀具，夹具，传动件，轴承 等零件的类型，数量，位置和安装定位方法等。设计时还应考虑主轴加工工艺性 和装配工艺性。本次设计的主轴为空轴，主轴的前端型式取决于机床类型，后端 结构取决于安装刀具的型式。主轴的结构如图 3.8。 3.7.4 主轴挡板的设计
结构如图 3.9，材料为45钢，轴承选用角接触球轴承，深沟球轴承。
中北大学 课程设计任务书 15/16 学年第一学期 学院：机械工程与自动化学院 专业：机械设计制造及其自动化 学生姓名：王前学号：1202014233 课程设计题目：《金属切削机床》课程设计 （车床主轴箱设计） 起迄日期： 12 月 21 日～ 12 月 27 日 课程设计地点：机械工程与自动化学院 指导教师：马维金讲师 系主任：王彪 下达任务书日期: 2012年12月21日
课程设计任务书 课程设计任务书
目录 1.机床总体设计 (5)
2. 主传动系统运动设计 (5) 2.1拟定结构式 (5) 2.2结构网或结构式各种方案的选择 (6) 2.2.1 传动副的极限传动比和传动组的极限变速围 (6) 2.2.2 基本组和扩大组的排列顺序 (6) 2.3绘制转速图 (7) 2.4确定齿轮齿数 (7) 2.5确定带轮直径 (8) 2.6验算主轴转速误差 (8) 2.7 绘制传动系统图 (8) 3．估算传动件参数确定其结构尺寸 (10) 3.1确定传动见件计算转速 (10) 3.2确定主轴支承轴颈尺寸 (10) 3.3估算传动轴直径 (10) 3.4估算传动齿轮模数 (10) 3.5普通V带的选择和计算 (11) 4．结构设计 (12) 4.1带轮设计 (12) 4.2齿轮块设计 (12) 4.3轴承的选择 (13) 4.4主轴主件 (13) 4.5操纵、滑系统设计、封装置设计 (13) 4.6主轴箱体设计 (13) 4.7主轴换向与制动结构设计 (13) 5.传动件验算 (14) 5.1齿轮的验算 (14) 5.2传动轴的验算 (16) 5.3花键键侧压溃应力验算 (19) 5.4滚动轴承的验算 (20) 5.5主轴组件验算 (20) 5.6主轴组件验算 (13) 6.参考文献 (14) 1.机床总体设计 轻型车床是根据机械加工业发展需要而设计的一种适应性强，工艺围广，结构简单，制
绪论 随着市场上产品更新换代的加快和对零件精度提出更高的要求，传统机床已不能满足要求。数控机床由于众多的优点已成为现代机床发展的主流方向。它的发展代表了一个国家设计、制造的水平，在国内外都受到高度重视。 现代数控机床是信息集成和系统自动化的基础设备，它集高效率、高精度、高柔性于一身，具有加工精度高、生产效率高、自动化程度高、对加工对象的适应强等优点。实现加工机床及生产过程的数控化，已经成为当今制造业的发展方向。可以说，机械制造竞争的实质就是数控技术的竞争。 本课题的目的和意义在于通过设计中运用所学的基础课、技术基础课和专业课的理论知识，生产实习和实验等实践知识，达到巩固、加深和扩大所学知识的目的。通过设计分析比较机床的某些典型机构，进行选择和改进，学习构造设计，进行设计、计算和编写技术文件，达到学习设计步骤和方法的目的。通过设计学习查阅有关设计手册、设计标准和资料，达到积累设计知识和提高设计能力的目的。通过设计获得设计工作的基本技能的训练，提高分析和解决工程技术问题的能力，并为进行一般机械的设计创造一定的条件。
一、设计题目及参数 1.1 题目 本设计的题目是数控车床的主轴组件的设计。它主要由主轴箱，主轴，电动机，主轴脉冲发生器等组成。我主要设计的是主轴部分。 主轴是加工中心的关键部位，其结构优劣对加工中心的性能有很大的影响，因此，在设计的过程中要多加注意。主轴前后的受力不同，故要选用不同的轴承。 1.2参数 床身回转空间400mm 尾架顶尖与主轴端面距离1000mm 主轴卡盘外径Φ200mm 最大加工直径Φ600mm 棒料作业能力50～63mm 主轴前轴承内和110～130mm 最大扭矩480N·m 二、主轴的要求及结构 2.1主轴的要求 2.1.1旋转精度 主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷，低转速的条件下，主轴前端工件或刀具部位的径向跳动和轴向跳动。 主轴组件的旋转精度主要取决于各主要件，如主轴、轴承、箱体孔的的制造，装配和调整精度。还决定于主轴转速，支撑的设计和性能，润滑剂及主轴组件的平衡。 通用（包括数控）机床的旋转精度已有标准规定可循。 2.1.2 静刚度 主轴组件的静刚度（简称刚度）反映组件抵抗静态外载荷变形的能力。影响主轴组件弯曲刚度的因素很多，如主轴的尺寸和形状，滚动轴承的型号，数量，配置形式和预紧，前后支撑的距离和主轴前端的悬伸量，传动件的布置方式，主轴组件的制造和装配质量等。 各类机床主轴组件的刚度目前尚无统一的标准。 2.1.3抗振性 主轴组件工作时产生震动会降低工件的表面质量和刀具耐用度，缩短主轴轴承寿命，还会产生噪声影响环境。 振动表现为强迫振动和自激振动两种形式。
毕业设计 标题︰轴类零件工艺设计学生姓名︰ 系部︰机械工程系专业︰数控技术 班级︰ 指导老师︰ 校外指导老师︰
目录 摘要 (4) 1．绪论 (5) 1.1数控技术的现状与发展趋势 (5) 2. 零件工艺分析 (6) 2.1零件的用途 (6) 2.2零件图工艺分析 (6) 2.3零件毛坯及材料的选择 (7) 3.加工设备及辅助工具的选择 (9) 3.1机床的选择 (9) 3.2刀具的选择 (9) 3.3量具的选择 (10) 3.4夹具的选择 (10) 4.拟定工艺方案 (11) 4.1加工工序的划分 (11) 4.2加工顺序的确定 (11) 4.3加工路线的确定 (12) 4.4零件定位基准的确定 (14) 4.5装夹方式的确定 (15) 4.6工作坐标原点与换刀点的确定 (16) 5.切削用量选择 (17) 5.1背吃刀量的确定 (17) 5.2主轴转速的确定 (17) 5.3进给速度的确定 (19) 6.切削液的选择 (20)
7.工艺文件的制定及程序编制 (21) 7.1数控加工工艺卡 (21) 7.2刀具卡 (22) 7.3程序编制 (23) 8．机械加工精度及零件表面质量 (31) 8.1机械加工精度 (31) 8.2零件表面质量 (31) 结论 (33) 参考文献 (34) 附录 (35) 后记 (36)
摘要 数控加工工艺是数控编程与操作的基础，合理的工艺是保证数控加工质量、发挥数控机床效能的前提条件。因此本文主要是对轴类零件的数控加工工艺进行分析，详细地阐述了轴类零件的加工工艺分析及制定加工方案的整个设计过程。该轴类零件的结构特点是由圆柱、圆弧、椭圆弧、螺纹、槽等组成内外表面的回转体。零件的加工过程是首先用粗基准定位，加工出精基准表面；然后采用精基准定位，加工零件的其他表面。工艺路线的拟订是制订工艺规程的关健，它与定位基准的选择有密切关系。其次在机床、刀具、夹具切削用量的选择中，着重考虑到其对零件的加工的因素，为工艺设计节省了大量的时间。提高了设计效率。本文内容大致介绍了数控技术的发展趋势、对零件加工工艺步骤分析以及数控编程等。利用计算机辅助设计-AuToCAD绘制椭圆轴的二维图，用G代码指令进行手工编程并制定了相关的工艺文件，最后对机械加工精度及零件表面质量进行分析。 关键词：数控技术、轴类零件、工艺设计、程序编制
第一章概述 1.1设计目的 (2) 1.2主轴箱的概述 (2) 第2章主传动的设计 (2) 2.1驱动源的选择 (2) 2.2转速图的拟定 (2) 2.3传动轴的估算 (4) 2.4齿轮模数的估算 (3) 2.5V带的选择 (4) 第3章主轴箱展开图的设计 (7) 3.1各零件结构尺寸的设计 (7) 3.1.1 设计内容和步骤 (7) 3.1.2有关零件结构和尺寸的设计 (7) 3.1.3各轴结构的设计 (9) 3.1.4主轴组件的刚度和刚度损失的计算 (10) 3.1.5轴承的校核 (13) 3.2装配图的设计的概述 (13) 总结 (19) 参考文献 (20)
第一章概述 1-1设计目的 数控机床的课程设计，是在数控机床设计课程之后进行的实践性教学环节。其目的在于通过数控机床伺服进给系统的结构设计，使我们在拟定进给传动及变速等的结构方案过程中得到设计构思、方案分析、结构工艺性、CAD制图、设计计算、编写技术文件、查阅技术资料等方面的综合训练，建立正确的设计思想，掌握基本的设计方法，培养我们初步的结构设计和计算能力。 1-2 主轴箱的概述 主轴箱为数控机床的主要传动系统它包括电动机、传动系统和主轴部件它与普通车床的主轴箱比较，相对来说比较简单只有两极或三级齿轮变速系统，它主要是用以扩大电动机无级调速的范围，以满足一定恒功率、和转速的问题。 第二章2主传动设计 2-1驱动源的选择 机床上常用的无级变速机构是直流或交流调速电动机，直流电动机从额定转速nd向上至最高转速nmax是调节磁场电流的方法来调速的，属于恒功率，从额定转速nd向下至最低转速nmin时调节电枢电压的方法来调速的属于恒转矩；交流调速电动机是靠调节供电频率的方法调速。由于交流调速电动机的体积小，转动惯量小，动态响应快，没有电刷，能达到的最高转速比同功率的直流调速电动机高，磨损和故障也少，所以在中小功率领域，交流调速电动机占有较大的优势，鉴于此，本设计选用交流调速电动机。 根据主轴要求的最高转速4000r/min，最大切削功率5kw，选择北京数控设备厂的BESK-8型交流主轴电动机，最高转速是4500r/min。 2-2 转速图的拟定 根据交流主轴电动机的最高转速和基本转速可以求得交流主轴电动机的恒功率转速范围Rdp=nmax/nd=3 而主轴要求的恒功率转速范围Rnp=3，远大于交流主轴电动机所能提供的恒功率
设计题目机床主传动系统设计系别机电工程分院 专业机械制造及其自动化学生姓名 专业班级 班级学号 设计日期
车床设计任务书一、设计题目 工件最大回转直径D max=300mm， /r 轴最低转速=355min /r 轴最高转速=1800min 电机功率P=3KW，公比Ф=1.26= 二、运动设计，确定结构式 1. 查表得 250 500 1000 265 530 1060 280 560 1120 300 600 1180 315 630 1250 335 670 1320 355 710 1400 375 750 1500 400 800 1600 425 850 1700 450 900 1800
475 950 1900 355，450，560，710，900，1120，1400，1800（共8级） 或者 Z=8 2.结构式、传动组和传动副数的确定 ①传动组和传动副数可能的方案有： 8=4×2 8= 2×4 8 = 2×2×2 第一行方案有时可以省掉一根轴。缺点是有一个传动组内有四个传动副。如果用一个四联滑移齿轮，则会增加轴向尺寸；如果用两个双联滑移齿轮，则操纵机构必须互锁以防止两个滑移齿轮同时啮合。所以一般少用。 第二行的方案根据 “前多后少”的原则。取8 = 2×2×2 的方案。 ②结构式或结构网的各种方案的确定 由①知方案有 a.4212228??= b.4122228??= c.2142228??= d.2412228??= e.1422228??= f.1242228??=
选择原则： I)传动副的极限传动比和传动组的极限变速范围 降速传动中，主动齿轮的最少齿数受到限制m in u ≥41 ； 避免被动齿轮的直径过大升速传动比最大值max u ≤2（斜齿传动max u = 2.5）尽量减少振动和噪声； 各变速组的变速范围m ax R =max u /m in u ≤8-10 之间； 对于进给传动链，由于转速通常较低，零件尺寸也较小，上述限制可放宽些。 8.251 ≤≤进i 。故max 进R 14≤ 在检查传动组的变速范围时，只需检查最后一个扩大组。因为其它传动组的变 速范围都比它小。应为: max ) 1-(p n R R n x n ≤=? II)基本组与扩大组的排列顺序。 原则是选择中间传动轴变速范围最小的方案。 综上所述，方案4212228??= 较好 三、转速图与传动系统图 1.根据已知参数，取 4级电动机Y100L2-4，额定功率3KW ，满载转速1430min /r 本例所选定的结构式共有三个传动组，变速机构共需4轴。加上电动机轴
数控专业毕业设计论文 Document serial number【UU89WT-UU98YT-UU8CB-UUUT-UUT108】
四川托普信息技术职业学院铣床加工零件与编程 学生姓名曹骏 学生学号 专业方向数控技术 年级班级 10级数控1 班 指导教师向杰 指导单位四川托普学院 2012年 10月 31 日 摘要 数控技术和数控机床在当今机械制造业中的重要地位，显示了其在国家基础工业现代化中的战略性作用，并已成为传统机械制造工业提升改造和实现自动化、柔性化、集成化生产的重要手段和标志，数控加工技术的整个过程也是目前许多制造人员的要掌握较为重要的知识。数控技术是用数字信心对机械运动和工作过程控制的技术。数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，更使制造业成为工业化的象征。数控机床是集高、精、尖技术于一体，集机、电、光、液于一身的高技术产物。具有加工精度高、加工质量稳定可靠、生产效率高、适应性强、灵活性好等众多优点，在各个行业受到广泛欢迎，在使用方面，也是越来越受到重视。但由于它是集强、弱电于一体，数字技术控制机械制造的一体化设备，一旦系统的某些部分出现故障，就势必使机床停
机，影响生产，所以如何正确维护设备和出现故障时能及时抢修就是保障生产正常进行的关键。本论文通过数控工艺分析、数控手动编程基础介绍、CAD/CAM软件自动编程、软件后处理文件制作、数控软件仿真、数控机床加工等一般步骤与方法。运用机械制造的相关知识进行严格的工艺分析与加工方式的制定，经过成本核算，该方案具有可行性。有效的利用CAD/CAM软件通过最合适的造型方式设计出零件模型，根据我们之前的工艺分析使用软件做出最佳的加工方式，采用铣削手工编程基础于FANUD oim 数控系统进行了程序后处理文件的编写，并在数控仿真软件和数控机床上进行了具体验证，最终加工出符合图纸要求的零件实体。经具体检验符合图纸标准。 关键词：工艺分析、CAD/CAM编程、后处理文件、软件仿真、机床加工 Abstract Numerical control technology and CNC machine tool in the mechanical manufacturing industry in the important position, shows its in the national basic industry in the modern strategic role, and has become a traditional mechanical manufacturing industry promotion transformation and the realization of automation, flexibility, integration production of an important means and sign, nc machining technology of the whole process is at present a lot of manufacturing staff to grasp more important knowledge. At present, the advanced
新疆工程学院机械工程系毕业设计（论文）任务书 学生姓名专业班级机电一体化09-11（1）班设计(论文)题目数控机床主传动系统及主轴设计 接受任务日期2012年2月29日完成任务日期2012年4月9日指导教师指导教师单位机械工程系 设 计(论文)内容目标 培养学生综合应用所学的基本理论，基础知识和基本技能进行科学研究能力的初步训练；培养和提高学生分析问题，解决问题能力。通过毕业设计，使学生对学过的基础理论和专业知识进行一次全面地系统地回顾和总结。通过对具体题目的分析和设计，使理论与实践结合，巩固和发展所学理论知识，掌握正确的思维方法和基本技能。 设计(论文)要求 1．论文格式要正确。 2．题目要求：设计题目尽可能选择与生产、实验室建设等任务相结合的实际题目，完成一个真实的小型课题或大课题中的一个完整的部分。 3．设计要求学生整个课题由学生独立完成。 4．学生在写论文期间至少要和指导老师见面5次以上并且和指导教师随时联系，以便掌握最新论文的书写情况。 论文指导记录 2012年3月1号早上9：30-12：00在教室和XX老师确定题目。2012年3月6日早上10：00-12:00在教室确定论文大纲与大纲审核。2012年3月13日早上10:00-12：00在教室确定论文格式。 2012年3月20日早上9：30-12:00在教室对论文一次修改。 2012年3月27日早上9：30-12:00在教室对论文二次修改。 2012年4月6日早上9：30-12：30在教室对论文三次修改。 2012年4月9日早上9:30-12：00在教室老师对论文进行总评。 参考资料[1]成大先.机械设计手册-轴承[M].化学工业出版社 2004.1 [2]濮良贵纪名刚.机械设计[M].高等教育出版社 2006.5 [3]李晓沛张琳娜赵凤霞. 简明公差标准应用手册[M].上海科学技术出版社 2005.5 [4]文怀兴夏田.数控机床设计实践指南[M].化学工业出版社 2008.1 [5][日]刚野修一(著). 杨晓辉白彦华(译) .机械公式应用手册[M].科学出版社 2004
一、数控专业毕业设计任务书 一、目的与要求： 1．培养学生综合运用所学职业基础知识、职业专业知识和职业技能，提高解决实际问题的能力，从而达到巩固、深化所学的知识与技能。 2．培养学生建立正确的科学思想，培养学生认真负责、实事求是的科学态度和严谨求实作风。 3．培养学生调查研究，收集资料，熟悉有关技术文件，运用国家标准、手册、资料等工具书进行机械零件设计或加工（如设计计算，数据处理，工程制图等）、编写技术文件等独立工作能力。 二、选题： 学生在教师指导下，独立完成一项自选或给定的数控加工等方面的设计任务，编写出符合要求的设计说明、正确编制数控加工程序、绘制二维、三维图形。 三、题目要求： 加工所示零件，毛坯直径为**mm，长为**mm，材料为***，未注倒角***，其余***。 （题目图见课题库） 四、设计要求： 绘制零件的二维图、三维图、进行零件的工艺分析、选择设备、切削用量的确定、刀具选择、数控加工工艺卡、零件粗精加工手工编程、Pro/E自动编程、刀具轨迹路径、设计小结和参考文献。 五、设计进度 学生及时与指导教师联系，根据指导教师要求，安排设计进度。 六、毕业答辩 答辩时间请及时关注学院青岛校区网站-机电系系网站公告栏。 目录 一、绪论…………………………………………………………… 二、毕业设计任务........................................................................ 三、二维图……………………………………………………….... 四、三维图……………………………………………………….... 五、零件的工艺分析……………………………………………… 六、选择设备……………………………………………………… 七、切削用量的确定……………………………………………… 八、刀具选择……………………………………………………… 九、数控加工工艺卡……………………………………………… 十、零件粗精加工手工编程……………………………………… 十一、Pro/E自动编程………………………………………… 十二、刀具轨迹路径…………………………………………… 十三、设计小结………………………………………………… 十四、参考文献………………………………………………… 注：所有数控设计题目设计要求均根据上面的要求进行，设计说明书的目录依照上面的目录进行
目录 1. 绪论 (2) 2. 数控机床主轴总体设计 (3) 2.1数控机床的加工原理 (3) 2.2机床主传动系统设计 (3) 2.2.1机床主传动功率 (3) 2.2.2 主传动的调速围 (4) 2.2.3主传动系统设计要求 (4) 2.2.4 主传动系统电机选择 (6) 2.2.5 主传动分级变速设计 (6) 3. 主轴设计 (8) 3.1 主轴材料的选择及热处理 (8) 3.2 主轴尺寸确定 (8) 3.2.1 主轴前后颈及孔尺寸确定 (8) 3.2.2 主轴部件支承结构选择 (8) 3.3主轴组件设计 (9) 3.3.1主轴组件的性能要求 (9) 3.3.2 主轴轴承的选择……………………………………………………… 10 3.3.3 主轴轴承的预紧及润滑……………………………………………… 11 3.3.4 主轴上齿轮参数确定及键的选择…………………………………… 12 3.3.5 主轴部件结构图……………………………………………………… 13 4. 主轴验算 (14) 4.1 确定弯曲变形的验算条件 (14) 4.1.1刚度标准 (14) 4.1.2主轴的载荷 (15) 4.2三支承主轴刚度验算………………………………………………………
17 5. 设计总结 (19) 6. 参考文献 (20) 1 绪论 在现代制造技术中，数控机床已经用它所显示的效益和巨大潜力，引起世界各国科技界和工业界的普遍重视。发展现代数控机床是当前机械制造业技术改造，技术更新的必由之路，是未来工厂自动化的基础。 数控机床主轴及其部件作为数控机床主要部件的一部分，在数控机床中占据着重要的地位，主轴系统的精度将直接影响到数控加工产品的精度，因此在数控机床设计中当十分注意主轴及其部件的设计。 此次课程设计，主要针对数控车床主传动系统和主轴组件设计，学习和了解数控机床主轴设计的基本思路，理解数控车床主传动系统的传动原理，以及主轴组件选用和数控主轴结构的构成。并熟悉数控机床主轴设计相关计算，了解数控机床设计中的一些验算公式，并对关键部件进行强度或者刚度验算。 通过此次课程设计，应当达到熟悉数控机床主轴系统设计的基本思路，熟练掌握主轴系统设计流程，绘制主轴系统结构装配图和部分零件图，了解设计过程中的必要计算及一些经验公式的运用，初步具备数控机床主轴设计能力。
数控机床主轴部件结构 主轴部件是数控机床的核心部件，其运转精确度、耐磨性能、防震性能、机械强度等都会影响到工件加工的质量，再加上操作过程中还会有环境的影响以及人为因素的影响，工件加工的质量就更难得到保证。所以要从可控的方面着手，将一切可控因素都调整到位，比如数控机床的主轴结构设计以及主轴结构的日常维护等。 目前所使用的数控机床类型主要包括数控车床、数控铣床以及工件加工中心。 1.数控车床主轴部件结构特点 （1）主轴的主体结构是一个空心阶梯轴。 （2）主轴的前面部分主要由法兰盘和专门的卡盘结构组成。 （3）主轴的后面部分放置回转油缸。 （4）主轴空心部分用于设置油缸的活塞杆。 （5）车床的传动装置主要有齿轮传动、传送带传送以及齿轮-传送带组合传动等方式。 （6）驱动器主要作用是连接电动机，驱动数控车床的运转。 （7）光电脉冲编码器，用于测量主轴的转动速度，并
及时反馈信息至数控系统。 （8）回转油缸的主要作用是通过调整液压来控制卡盘装置与法兰盘的结合与分离。 2.数控铣床主轴部件结构特点 （1）同数控车床一样，主轴的中心是空心的。 （2）主轴的前面部分是一个比例为7：24的锥型孔洞，并且在端面上设有一对专门的主轴转矩检测装置将主轴转矩数据传输给铣刀。 （3）主轴的后面部分设有液压缸装置用于放松铣刀。 （4）主轴中间的空心部分用于弹簧的安装、以及铣刀固定刀爪的安装等。 （5）主轴的传动装置主要是齿轮传动，而且是变速传动。 （6）电气结构与数控车床相似，驱动器用于连接电动机，驱动数控铣床的运转；光电脉冲编码器，用于测量主轴的转动速度，并及时反馈信息至数控系统；液压缸的主要作用是通过调整液压来控制回路。 3.工件加工中心主轴部件结构特点 工件加工中心主轴部件的大致结构与数控铣床相类似，唯一不同的地方在于工件加工中心自带刀库和自动换刀的装置，自动化程度相对较高，在控制结构上与数控铣刀会有所不同，具体表现在：
欧亚技工学校毕业论文 毕业设计 题目汽车塑料内饰件的模具设计与NC加工 姓名徐海翔 专业数控技术 班级 12高级数控 2014年6月9日 毕业设计任务书
2012 — 2015学年 数控专业 学生：徐海翔系主任：曾雄 1.设计题目：汽车塑料内饰件的模具设计与NC加工 2.原始资料：零件图 毕业设计说明书 论文题目：汽车塑料内饰件的模具设计与NC加工 学生姓名：徐海翔 系专业：数控专业 指导教师：曾雄 2014 年 6 月 9 号
摘要 关键词：汽车，数控机床，模具设计，NC加工，精密数控技术及数控机床在当今机械制造业中的重要地位和巨大效益，显示了其在国家基础工业现代化中的战略性作用，并已成为传统机械制造工业提升改造和实现自动化、柔性化、集成化生产的重要手段和标志。数控技术及数控机床的广泛应用，给机械制造业的产业结构、产品种类和档次以及生产方式带来了革命性的变化。数控机床是现代加工车间最重要的装备。它的发展是信息技术(1T)与制造技术(MT)结合发展的结果。现代的CADCAM、FMS、CIMS、敏捷制造和智能制造技术，都是建立在数控技术之上的。掌握现代数控技术知识是现代机电类专业学生必不可少的。 因此我们要掌握好数控加工工艺与设计。数控加工工艺与设计的内容包括选择适合的机床、刀具、夹具、走刀路线及切削用量等，还要有合理的加工方法、工艺参数等。 随着时代的发展、社会需要和科学技术的发展，产品的竞争愈来愈激烈，更新的周期越来越短，因而要求设计者不但能根据市场的要求很快的设计出新产品，而且能在尽可能短的时间内制作出产品的样品。产品的材料也是很重要的部分；随着现代科技的进步和生产的快速发展，机械工业对材料性能的要求越来越高，单一的金属材料已不能满足生产发展的需要，因而各种非金属材料应运而生，特别是工程塑料，其发展特别迅猛。 对此我设计了汽车塑料内饰件的模具设计与NC加工。介绍了数控加工工艺和数控加工的特点，加工工艺过程的概念，数控加工工艺和数控加工工艺过程的主要内容，数控加工工艺与数控编程的关系，设计方法，对此零件如何工艺分析，程序如何编辑等。利用CADCAM软件及G代码指令进行自动编程。 目录 第一章绪论 1.1 数控加工的特点 1.2 数控加工工艺的概念
西门子802S数控车床变频主轴设计与调试 摘要 主轴运行的是否平稳直接影响数控车床加工的精度。通过对西门子802S数控车床主轴的研究、分析，从而掌握数控应用系统设计的一般方法。主轴控制系统由西门子802S数控系统、变频器和主轴电机组成，通过PLC控制主轴的正反转、CNC控制主轴的转速。 关键词：数控车床；主轴；西门子802S Designing Spindle Control System for a Siemens 802S CNC Lathe Abstract Whether or not the smooth running of the spindle directly affects the accuracy of CNC lathe.T o grasp the general design method of CNC application system, the Spindle control system of Siemens CNC Lathe was researched and analyzed, which had Siemens 802S CNC system, inverter and the spindle motor, where PLC controlling the direction, and CNC controlling the speed. Keywords: CNC Lathe；Spindle；Siemens 802S system
目录 引言 (2) 第一章数控系统的介绍 (3) 1.1 数控系统发展简史 (3) 1.1.1 数控NC阶段 (3) 1.1.2 计算机数控(CNC)阶段 (3) 1.2 数控技术未来发展方向 (4) 1.2.1 向开放式、基于PC的第六代方向发展 (4) 1.2.2 向高速化和高精度化发展 (4) 1.2.3 向智能化方向发展 (4) 第二章西门子802S数控车床系统 (6) 2.1 西门子802S的系统 (6) 2.2 人机界面 (7) 2.3 步进进给系统 (8) 2.4 主轴驱动系统 (8) 2.5 刀架控制系统 (9) 第三章西门子802S数控车床主轴的设计 (10) 3.1 设计方案 (10) 3.2 变频器MICROMASTER 420 (11) 3.2.1 变频器的选型 (11) 3.2.2 变频器的接口 (12) 3.2.3 变频器的主要参数设置 (12) 3.4 控制电路的设计 (12) 3.5 西门子802S的主轴参数调试 (13) 第四章 PLC程序设计 (15) 4.1 PLC控制流程图 (15) 4.2 PLC的I/O分配 (16) 4.3 PLC的部分参数设定 (18) 致谢............................................................ 错误！未定义书签。参考文献. (20) 附录1 PLC程序 (21) 附录2 电气原理图 (31)
吉林工业职业技术学院 学生毕业设计（论文）报告 系别：化工机械系 专业：数控技术 班号：3101 学生姓名：阴向明 学生学号：21 设计（论文）题目：传动轴数控加工工艺设计指导教师：邵永录 设计地点：吉林工业职业技术学院起迄日期：2013.4.24～2013.5.8
毕业设计（论文）任务书 专业数控技术班级 3101 姓名阴向明 一、课题名称：传动轴加工工艺设计 二、主要技术指标：1 大批量生产 2 Ф60和Ф32轴段公差等级较高分别要达到6级和7级公差。 3 Ф32Ф60轴段表面粗糙度要求较高要达到1.6。 4 Ф60的轴心线相对于Ф32的轴心线的同轴度公差为Ф0.03。 三、工作内容和要求：1零件图分析 2 结构与工艺分析 3 数控加工工艺过程卡片和工序卡片 4 零件图一张轴的三维造型 四、主要参考文献： [1]李志华主编.数控加工工艺与装备[M].第一版本.出版地：清华大学出版社，2006 [2]孙学强主编.机械加工技术[M]. 第一版本.出版地：机械工业出版社，2007 [3]赵长旭主编.数控加工工艺西安[M]. 第一版本.出版地：电子科技大学出版社，2009 [4]宋书善主编.数控加工工艺[M]. 第一版本.出版地：电子科大出版社,2008 [5]王凡主编.实用机械制造工艺设计手册[M]. 第一版本.出版地：机械工业出版社,2008 [6]邱坤主编.MasterCAM数控自动编程[M]. 第一版本.出版地：中国林业出版社 ,2007 学生（签名）年月日 指导教师（签名）年月日 教研室主任（签名）年月日 系主任（签名）年月日
毕业设计（论文）开题报告
毕业设计（论文）任务书 指导老师 课题名称CA6150车床主轴箱设计学生姓名 专业班级数控班
目录 1、概述 2、主运动的方案选择与主运动的设计 3、确定齿轮齿数 4、选择电动机 5、皮带轮的设计计算 6、传动装置的运动和运动参数的计算 7、主轴调速系统的选择计算 8、主轴刚度的校核 一、概述 主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，它应具有一定的转速（速度）和一定的变速范围，以便采用不同材料的
刀具，加工不同的材料，不同尺寸，不同要求的工件，并能方便的实现运动的开停，变速，换向和制动等。 数控机床主传动系统主要包括电动机、传动系统和主轴部件，它与普通机床的主传动系统相比在结构上比较简单，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，剩去了复杂的齿轮变速机构，有些只有二级或三级齿轮变速系统用以扩大电动机无级调速的范围。 1.1数控机床主传动系统的特点 与普通机床比较，数控机床主传动系统具有下列特点。 4转速高、功率大。它能使数控机床进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。 5变速范围宽。数控机床的主传动系统有较宽的调速范围，一般Ra>100，以保证加工时能选用合理的切 削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面 质量。 6主轴变速迅速可靠，数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的 要求。由于直流和交流主轴电动机的调速系统日趋 完善，所以不仅能够方便地实现宽范围无级变速， 而且减少了中间传递环节，提高了变速控制的可靠 性。 7主轴组件的耐磨性高，使传动系统具有良好的精度保持性。凡有机械摩擦的部位，如轴承、锥孔等都 有足够的硬度，轴承处还有良好的润滑。 1.2 主传动系统的设计要求 ①主轴具有一定的转速和足够的转速范围、转速级数， 能够实现运动的开停、变速、换向和制动，以满足 机床的运动要求。 ②主电机具有足够的功率，全部机构和元件具有足够 的强度和刚度，以满足机床的动力要求。 ③主传动的有关结构，特别是主轴组件要有足够高的
课 程 设 计 说 明 书
学生姓名： 学 专 题
学 号：
院： 机械工程与自动化学院 业： 机械设计制造及其自动化 目： 金属切削机床课程设计 ——车床主轴箱设计
指导教师： 指导教师：
职称: 职称:
2007 年 12 月 7 日
中北大学
课程设计任务书
2007/2008 学年第 1 学期
学 专
院： 机械工程与自动化学院 业： 机械设计制造及 其自动化 学 号：
学 生 姓 名：
课程设计题目：金属切削机床课程设计
——车床主轴箱设计
起 迄 日 期： 课程设计地点： 指 导 教 师： 系 主 任：
下达任务书日期:2007 年 12 月 2 日
课 程 设 计 任 务 书
1．设计目的：
通过本课程设计的训练，使学生初步掌握机床的运动设计（包括主轴箱、变速箱传 动链） ，动力计算（包括确定电机型号，主轴、传动轴、齿轮的计算转速） ，以及关键零 部件的强度校核，获得工程师必备设计能力的初步训练，从而提高分析问题、解决问题 尽快适应工程实践的能力。
2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等） ：
1． 运动设计： 根据所给定的转速范围及变速级数， 拟定机床主运动传动结构方案(包 括传动结构式、转速分布图)和传动系统图，确定各传动副的传动比，计算齿轮的齿数， 主轴实际转速及与标准转速的相对误差。 2．动力计算：选择电动机型号及转速，确定传动件的计算转速、对主要零件（如皮 带、齿轮、主轴、轴承等）进行计算（初算和验算） 。 3．结构设计 进行主传动系统的轴系、变速机构、主轴组件等的布置和设计并绘制展开图、剖面 图、主要零件工作图。 4．编写设计说明书 1）机床的类型、用途及主要参数 主轴转速范围 nmax = 2000rpm ， nmin = 160rpm 变速级数：z=12，电动机功率： N = 3KW 。 2）工件材料：45 号钢 刀具材料：YT15 3）设计部件名称：车床主轴箱
3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、 实物样品等〕 ：
1．课程设计设计说明书一份（A4>15 页） 2．主轴箱展开图一张 3．主轴箱剖面图一张 4．机床传动系统图一张 5．一个零件工作图（主轴）一张
课 程 设 计 任 务 书
4．主要参考文献：
毕业设计 院系：机械工程系 专业：数控技术 班级学号： 学生姓名： 指导教师： 2009年月日
摘要 在数字化制造技术中，计算机数控技术和数控编程技术是最重要的技术之一， 本文主要对模具加工所使用的动模板进行CNC加工，采用西门子系统对动模板进行数控编程加工。首先是对工件进行加工工序的确定，并且进行工艺分析，装夹方式的选择，切削用量的确定。再对刀具进行了选择。然后就工艺路线进行编程加工。 当前数控加工的重点发展方向是无图化生产、单件高精度并行加工、少人化无人化加工，这就要求数控机床能满足高速、高动态精度、高刚性、热稳定性、高可靠性、网络化以及与之配套的控制系统，最重要的是模具三维型面加工特别注重机床的动态性能国内已有一些公司引进了高速铣床，并开始应用。国内机床厂陆续开发出一些准高速的铣床，并正开发高速加工机床。 数控技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。1908年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；19世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；1938年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础。数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。 数控机床是一种技术密集度及自动化程度很高的机电一体化加工设备,是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密加工精度高,质量容易保证,发展前景十分广阔,因此掌握数控车床的加工编程技术尤为重要 关键词：数控技术、手工编程、精度
摘要 数控车床又称数字控制（Numbercal control，简称NC）机床。它是基于数字控制的，采用了数控技术，是一个装有程序控制系统的机床。它是由主机，CNC，驱动装置，数控机床的辅助装置，编程机及其他一些附属设备所组成。 本次设计课题是CK6140数控卧室车床，CK是数控车床，61是卧式车床，40是床身上最大工件回转直径为400mm。 此次设计包括机床的总体布局设计，纵向进给设计，其中还包括齿轮模数计算及校核，主轴刚度的校核等。控制系统部分包括步进电机的选用及硬件电路设计和软件系统设计，说明了芯片的扩展，键盘显示接口的设计等等。 车床适用于车削内外圆柱面，圆锥面及其他基准面，车削各种公制、英制、模数和径节螺纹，并能进行钻孔，铰孔和拉油槽等工作。设计主抽箱主要是从主传动系统的运动设计、主运动部件的结构设计和箱体这三方面进行设计。 主传动系统的运动设计有:确定极限转速、确定公比、确定转速级数、确定结构网和结构式、绘制转速图、确定齿轮齿数和拟定传动系统图。 主运动部件的结构设计有：带传动的设计、确定各种计算转速、确定齿轮模数、确定各轴最小直径和设计部分主轴主件。 关键词：数控机床；开放式数控系统；电动机；纵向进给设计
Abstract The numerical control lathe called the numerical control (Numbercal control, is called NC) the engine bed. It is based on the numerical control, has used the numerical control technology, is loaded with the procedure control system the engine bed. It is by the main engine, CNC, the drive, the numerical control engine bed auxiliary unit, the programming machine and other some appurtenances is composed. This design topic is the CK6140 numerical control bedroom lathe, CK is the numerical control lathe, 61 is the horizontal lathe, 40 is on the lathe bed the biggest work piece rotation diameter is 400mm. This design including the engine bed overall layout design, longitudinal enters for the design, also includes the gear modulus computation and the examination, the main axle rigidity examination and so on. The control system partially including step-by-steps the electrical machinery to select and the hardware circuit design and the software system design, explained the chip expansion, keyboard demonstration connection design and so on. Key word：numerical ；control tool；Open-architecture；motor
毕业设计说明书 （格式） 课题名称 系别 专业 班级 姓名 学号 指导教师
随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，数控加工技术对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为效率和质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。而对于数控加工，无论是手工编程还是自动编程，在编程前都要对所加工的零件进行工艺分析，拟定加工方案，选择合适的刀具，确定切屑用量，对一些工艺问题（如对刀点、加工路线等）也需要做一些处理，并在加工过程掌握控制精度的方法，才能加工出合格的产品。 本文根据数控机床的特点。针对具体的零件，进行了工艺方案的分析，工装方案的确定，刀具和切屑用量的选择，确定加工顺序和加工路线，数控加工程序编制。通过整个工艺的过程的制定，充分体现了数控设备在保证加工精度、加工效率、简化工序等方面的优势。 关键词工艺分析加工方案进给路线控制尺寸
第1章前言 第2章工艺方案的分析 2.1 零件图 2.2 零件图分析 2.3 零件技术要求分析 2.4 确定加工方法 2.5 确定加工方案 第3章工件的装夹 3.1 定位基准的选择 3.2 定位基准选择的原则 3.3 确定零件的定位基准 3.4 装夹方式的选择 3.5 数控车床常用的装夹方式 3.6 确定合理装夹方式 第4章刀具及切削用量 4.1 选择数控刀具的原则 4.2 选择数控车削刀具 4.3 设置刀点和换刀点 4.4 确定切削用量 第5章轴类零件的加工
5.1 轴类零件加工工艺分析 5.2 轴类零件加工工艺 5.3 加工坐标系设置 5.4 保证加工精度方法 第6章数控加工程序 第6章结束语 第7章致谢词 参考文献