畢業(yè)設計（論文）數(shù)控雕銑機電主軸系統(tǒng)設計

1、目錄1緒論 411 數(shù)控雕銑機的概述 412 數(shù)控雕銑機和數(shù)控銑床的區(qū)別 413 數(shù)控雕銑機和數(shù)控雕刻機的區(qū)別 514 數(shù)控雕銑機的發(fā)展與現(xiàn)狀 6 1.4.1 典型數(shù)控雕銑機的介紹 624040s數(shù)控模具雕銑機的簡介 721 4040s數(shù)控模具雕銑機的工藝范圍 822 4040s數(shù)控模具雕銑機的特點 823 4040s數(shù)控模具雕銑機的主要技術參數(shù) 834040s數(shù)控模具雕銑機布局設計方案 931 機床總體布局設計 932 設計方案分析 104電主軸單元簡介 1141 電主軸概述 1242 電主軸對現(xiàn)代數(shù)控機床發(fā)展的意義 1343 電主軸的基本結構 145電主軸系統(tǒng)的設計 1551 z向主傳動系

2、統(tǒng)的方案設計 15511 電主軸的冷卻與潤滑 15512 3kw電主軸的安裝 1652 z向進給系統(tǒng)方案設計 17521 滾珠絲杠副的選擇 17522 滾珠絲杠的支承結構 18523 支撐軸承的選擇 18524 滾珠絲杠的制動裝置 19525 z向伺服電機與進給絲杠的聯(lián)結結構 19526 z向?qū)к?196主軸系統(tǒng)零部件的計算與校核 2061 主軸系統(tǒng)的重力計算 2062 主軸切削力計算 2163 滾珠絲杠副的選擇計算 2264 z向進給伺服電機功率的計算及選擇 317. 數(shù)控編程軟件mastercam簡介 37小結 39致謝 40附錄：參考文獻典型零件數(shù)控加工程序相關專業(yè)英文翻譯圖紙4040s

3、數(shù)控雕銑機電主軸系統(tǒng)設計摘要：調(diào)查研究了雕銑機的發(fā)展和電主軸對數(shù)控機床的發(fā)展意義。介紹4040s數(shù)控雕銑機床的設計過程，包括機床總體方案設計、主傳動系統(tǒng)設計和z向進給傳動系統(tǒng)的機械結構設計。在主傳動系統(tǒng)設計中，主要分析了3kw主軸安裝座的機械機構和電主軸的冷卻和潤滑的方式。z向進給傳動系統(tǒng)中主要分析了絲杠、導軌的安裝，以及相關固定和支承。計算主要有兩個方面：對滾珠絲杠和z軸伺服電機的選擇計算和校核。最后，通過模擬編程軟件mastercam,對相關零件進行加工。關鍵詞: 數(shù)控雕銑機床；電主軸；滾珠絲杠；直線滾動導軌；z軸the design of the electric spindle sys

4、tem in the 4040s cnc engraving and milling machineabstract:the development of the cnc engraving and milling and the meaning of the electric spindle to the nc machine was investigated. the process of design for 4040s cnc engraving and milling machine was introduced, including the design project of th

5、e machine, the design of main driving system and the mechanical structures of the feeding mechanism of z axis. in the section of main driving system, the 3kw fastening seat of the electril spindle and the coling and lubrication of the electric spindle was analysised. in the section of the feeding me

6、chansim of z axis , the assembly of the straight guide-way and the bearing of the ball screw and so forth was presented.the calculation mainly includes two aspects: choosing and verifying the ball screw and the servo-motor of z axis. at last, via the simulation programming software mastercam, the re

7、lated part was generated.keywords: cnc engraving and milling machine; electric spindle; ball screw; straight guide-way; z axis1緒論1.1 數(shù)控雕銑機的概述近年來，在模具加工行業(yè)中，人們一直在探索用一種比較完美的加工方式來替代電火花成型加工，以避免工件表面質(zhì)量因電加工后產(chǎn)生型面微觀裂紋。 深型腔加工優(yōu)勢 深槽窄縫加工傳統(tǒng)的電火花成型加工 微細復雜型腔加工 花紋加工 缺點 圖案型腔加工 大型面良好的表面粗糙度加工工藝較多、時間較長高速銑削方式在這些模具加工中具有很大的優(yōu)勢

8、，同時，伴隨著加工高硬度材料刀具技術的發(fā)展，高速數(shù)控銑床在模具加工中的應用越來越廣泛，但隨著模具加工業(yè)對加工表面質(zhì)量要求的提高，所需刀具半徑越來越小，于是高速銑削加工出現(xiàn)了另一種分支工具高速數(shù)控雕銑機。通過高速雕銑機的加工方式來彌補電火花成型加工的缺點。數(shù)控模具雕銑機的誕生為模具加工工業(yè)解決了這一問題。高速數(shù)控模具雕銑機不僅具有高效率強力粗銑半精銑加工能力，同時具有高表面加工質(zhì)量的精細雕刻功能，使高效率和良好表面質(zhì)量得以有機統(tǒng)一。1.2 數(shù)控雕銑機和數(shù)控銑床的比較i. 機型上的區(qū)別： i） 數(shù)控銑床主要用于完成較大銑削量的產(chǎn)品的加工； ii） 雕銑機主要用于較小銑削量或者輕金屬的加工；或?qū)浗?/p>

9、屬的加工。ii. 從機床的主軸轉(zhuǎn)速分析i） 數(shù)控銑床對數(shù)控系統(tǒng)要求速度一般，主軸轉(zhuǎn)速08000rpm左右； ii） 雕銑機要求高速的數(shù)控系統(tǒng)，主軸轉(zhuǎn)速150030000rpm左右。 iii. 從機床采用的數(shù)控系統(tǒng)的角度來看 i） 數(shù)控銑床對數(shù)控系統(tǒng)的要求：穩(wěn)定可靠，操作方面，維修方便等，現(xiàn) 在市場上的數(shù)控系統(tǒng)主要集中在fanuc和西門子及mitisubish控制器； ii） 雕刻機大部分采用企業(yè)自主研發(fā)或者外購的工業(yè)控制器。 綜上所述： 雕銑機大部分用于模具行業(yè)，也進行一些小切削量的銑削。而數(shù)控銑床大部分在機械加工行業(yè)中使用，主要用于一些精密零件的加工和小批量多品種的加工。1.3 雕銑機與雕刻

10、機的比較對雕銑機(router)與雕刻機(engraver)的區(qū)別，很多人都不清楚。人們直觀上的感覺是小幅面的是雕刻機，大幅面的是雕銑機，或叫雕鑿機、鏤銑機，或干脆統(tǒng)稱大雕刻機。其實它們是兩類不同結構的機器，但工作原理大致相同，都是由x、y、z三軸驅(qū)動，由電子控制器控制移動。i. 從用途上分：雕刻機主要是用于對板材的雕刻，大量應用于雙色板或亞克力雕刻，雕刻一次進刀深度約在1mm3mm左右，在標志、標牌方面應用較為普遍。ii. 從機械構造方面：雕刻機的設計輕巧，x、y軸移動速度快，z軸行程較短，適合雕刻5mm8mm的材料。雕刻主軸頭裝有彈簧壓鼻，作用是在雕刻過程中壓平3mm以下的薄板材。雕刻主軸

11、通過皮帶連接到直徑較大的馬達上，以此使轉(zhuǎn)速增大，這樣雕刻出來的工件質(zhì)量就較為光滑。其使用的雕刻刀具較長，長度約在15.9cm，直徑為4.35mm左右。由于設計方面的限制，它適合做切削量很小的高轉(zhuǎn)速的雕刻工藝制作。雕銑機可以理解為既可做精細雕刻，又能做切割、鏤銑。例如做三維雕刻，盡管落差很大，但200mm寬材料可一次完成，一次進刀量相當大。雕銑機可供選用的刀具直徑規(guī)格從1mm16mm，其刀具長度為5080mm。我們可以靈活使用，裝細刀干細活，裝粗刀干大活。由于機器設計注重重型負載，機架剛性大，z軸行程大，因此不僅可以做小型雕刻機的工藝，更可高速切割厚的板材，一次進刀量可達20mm30mm，這是雕

12、刻機根本做不到的工藝制造。1.4 國內(nèi)數(shù)控雕銑機的發(fā)展和現(xiàn)狀隨著家具制造業(yè)、廣告招牌業(yè)、模具業(yè)的發(fā)展，尤其是模具業(yè)對表面加工要求的提高，以及傳統(tǒng)電火花加工的不足，最近的一兩年綜合銑削與高速雕刻優(yōu)點的cnc雕銑機在國內(nèi)有了較大的發(fā)展。國內(nèi)幾家著名的數(shù)控機床廠在這個領域里面都有較好的成績。比如北京精雕、廣東佳鐵、南京四開、上海洛克等都是國內(nèi)著名的數(shù)控雕銑機廠家。在雕刻cad/cam技術、cnc數(shù)控技術、精密雕刻機設計技術工藝等領域取得了重大的突破，并真正實現(xiàn)了先進技術向產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)化。1.4.1 典型數(shù)控雕銑機的介紹北京精雕-睿雕系列carver600g_ucarver600g_u機械性能參數(shù)指標主

13、要性能指標項標準值工作臺尺寸700650mmx、y、z軸工作行程600500300mm快速移動速度10m/min主軸轉(zhuǎn)速2100-24000rpm最高切削進給速度6m/minx/y/z軸運動定位精度0.008/300mmx/y/z軸重復定位精度0.005mm機床外形尺寸204218902144mm圖1-1 carver600g_u模具雕刻機l 特點及應用： carver600g_u在合理的工藝方法下，最大可以使用16的刀具進行加工。carver600g_u使用精雕最新的jd45數(shù)控系統(tǒng)，各軸快速移動速度達10m/min,進給速度達6m/min；配備手輪，操作方便、控制平穩(wěn)。carver600g

14、_u適合中小型注塑模具、紫銅電極、鋁合金產(chǎn)品以及非金屬材料等產(chǎn)品的加工。上海洛克meii-4540模具雕刻機 meii-4540模具雕刻機技術參數(shù)表主要性能指標項標準值工作臺尺寸510x500mm最大雕刻尺寸(x、y、z)450x400x145mm高雕刻速度4.0 m/min主軸電機2200 w主軸電機最高轉(zhuǎn)速24000 r/min刀柄直徑4、6、3.175 mm外型尺寸1310x1330x1700 mm圖1-2 meii-4540模具雕刻機l 特點及應用： 2003年最新推出的新型模具雕刻機,機身采用雙立柱龍門式結構,裝夾進料都十分方便.采用德國原裝滾珠絲桿,進口矩形直線導軌副,精密細分驅(qū)動

15、系統(tǒng),滿足模具加工所需要的剛性和精度要求,2.2kw意大利變頻電主軸使此款模具雕刻機擁有更大的切削率。特別適用于注塑模,冷沖模等各種鋼模以及滴塑模、燙金模、紫銅電極等銅模的制作加工。通過上述兩臺同類型數(shù)控雕銑機性能的綜合比較。目前，國內(nèi)雕銑機的最大主軸轉(zhuǎn)速一般都在24000r/min、主軸電機功率在2.2kw左右、最高切削速度在46m/min之間。2. 4040s數(shù)控雕銑機的簡介：數(shù)控模具雕銑機是一款集雕刻機和銑床功能于一身的數(shù)控機床。它充分集合了兩種機床的優(yōu)勢，即能完成銑削任務，又能完成雕刻功能，使被加工工件達到高精度和高質(zhì)量表面。 圖2-1 4040s數(shù)控雕銑機2.1 4040s數(shù)控模具雕

16、銑機的工藝范圍：4040s是一款經(jīng)濟實用的高精密數(shù)控雕銑設備，該款設備外觀大方、結構穩(wěn)定、易操作、通用性強，主要用于各種鋼模、注塑模、紫銅電極、精密滴塑模、燙金模，以及冷沖模等的加工，在合理的工藝條件下，可加工出表面極佳的效果。2.2 4040s數(shù)控模具雕銑機的特點： 床身整體鑄造，剛性好，減震好 采用高精密級直線導軌 采用日本三菱（mitsubishi）公司伺服系統(tǒng)，精度高，性能好 主軸配置2.2千瓦恒功率電機，大功率，可滿足加工要求 有一定模具剛的粗加工能力 定位精度0.01mm 重復定位精度0.005mm 使用英國renishaw公司激光干涉儀進行精度保證 采用臺灣新代控制器，性能穩(wěn)定，

17、操作方便，支持g代碼，常用的cam軟件后處理，都可以運行加工，獨有的手輪模擬功能和自動對刀功能使在加工中保證了效率2.3 4040s數(shù)控模具雕銑機主要技術參數(shù)：表2-1名稱參數(shù)工作臺尺寸（x/y）500480mm最大行程(x/y/z)400400150mm最大工件尺寸（x/y/z）460600200mm最大刀具直徑（er20）13mm最大進給速度5m/min主軸電機功率3kw主軸轉(zhuǎn)速范圍150024000r/min分辨率0.001mm/脈沖定位精度0.01mm重復定位精度0.005mm外型尺寸（長/寬/高）150012001800機器總功率5 kw機器軸聯(lián)動數(shù)33. 4040s數(shù)控模具雕銑機總

18、體布局設計方案數(shù)控模具雕銑機是一種高效率、多功能的中小型經(jīng)濟型數(shù)控加工設備。它集雕刻與銑削功能為一體，既保證了銑削小型工件所需要的低轉(zhuǎn)速、大功率輸出、又具備了雕刻所需要高轉(zhuǎn)速的雙重要求。3.1 機床總體布局設計：數(shù)控雕銑機主要用于較小銑削量或軟金屬材料的工件的加工。不但要求加工精度較高，而且要求實現(xiàn)高速切削，其主軸轉(zhuǎn)速高達24 000rmin左右。其移動部件不但要剛性好，而且要盡可能輕巧，以保證其靈活性。對數(shù)控系統(tǒng)，要求其具有高的速度和極好的伺服電機特性。 對于數(shù)控雕銑機，從機械的角度分析，其結構應滿足：非移動部件剛性要好，移動部件在保證其具有良好剛性的前提下，盡可能輕巧，靈活性要好。要從機械

19、上滿足既輕巧又剛性好的要求，關鍵在于機械結構的合理設計上。 理論設計上，4040s數(shù)控模具雕銑機總體結構布局如圖所示。圖3-1 4040s數(shù)控雕銑機布局設計圖機床主要組成： 二維數(shù)控十字工作臺5( x-z向) 立柱4 一維數(shù)控工作臺1(y向) 主軸組件2 泵站3 操作及控制柜63.2 設計方案分析：本設計中，數(shù)控雕銑機選用龍門式結構。龍門式結構具有良好的剛性和對稱性，一直是高速切削設備的首選結構。本機床總體布局采用龍門架式銑床結構，并設計了較寬的立柱和橫梁。為克服不良力矩的問題，盡量加寬了x、y、z三向的兩根直線滾動導軌之間的跨距，從整體布置上有效保證了機床的剛性。因孕育鑄鐵（米漢那鑄鐵）具有

20、良好的穩(wěn)定性、吸振性和耐沖擊性，可使床身的結構強度和剛性有顯著提高，故本機床整體式床身底座采用孕育鑄鐵鑄造而成。它為箱形結構，內(nèi)部筋板采用米字型筋配合的網(wǎng)狀結構，確保了對y軸工作臺和兩立柱的剛性支承，使機床動態(tài)加工的穩(wěn)定性可達最好。因機床的剛性主要用于克服移動部分在高速移動時對非移動部分的強大沖擊，所以導軌和絲桿在設計時應盡量要求粗一些，以加強剛性。由于采取了這些措施，所設計的數(shù)控雕銑機的最大優(yōu)點是能進行比較細小的加工，加工精度比較高，對軟金屬可進行高速切削。4 電主軸單元簡介4.1 電主軸概述高速數(shù)控機床是裝備制造業(yè)的技術基礎和發(fā)展方向之一，是裝備制造業(yè)的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。高速數(shù)控機床的工作性能，

21、首先取決于高速主軸的性能。數(shù)控機床高速主軸單元包括主軸動力源、主軸、軸承和機架等幾個部分，它影響加工系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性及應用范圍，其動力學性能及穩(wěn)定性對高速加工起著關鍵的作用。高速高精度主軸單元系統(tǒng)，應該具有剛性好、回轉(zhuǎn)精度高、運轉(zhuǎn)時溫升小、穩(wěn)定性好、功耗低、壽命長、可靠性高等優(yōu)點，同時，制造及操作成本也應適中。要滿足這些要求，主軸的制造及動平衡、主軸的支承（軸承）、主軸系統(tǒng)的潤滑和冷卻、主軸系統(tǒng)的剛性等是很重要的。高速主軸單元的類型主要有電主軸、氣動主軸、水動主軸等。不同類型的高速主軸單元輸出功率相差較大。高速加工機床主軸要求在極短的時間內(nèi)實現(xiàn)升降速，并在指定位置快速準停。這就需要主軸有較高

22、的角減速度和角加速度。如果通過傳動帶等中間環(huán)節(jié)，不僅會在高速狀態(tài)下打滑，產(chǎn)生振動和噪聲，而且增加轉(zhuǎn)動慣量，給機床快速準停造成困難。目前，隨著電氣傳動技術（變頻調(diào)速技術、電動機矢量控制技術等）的迅速發(fā)展和日趨完善，高速數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)的機械結構已得到極大的簡化，基本上取消了帶輪傳動和齒輪傳動。機床主軸由內(nèi)裝式電動機直接驅(qū)動，從而把機床主傳動鏈的長度縮短為零，實現(xiàn)了機床的“零傳動”。這種主軸電動機與機床主軸“合二為一”的傳動結構形式，使主軸部件從機床的傳動系統(tǒng)和整體結構中相對獨立出來，因此可做成“主軸單元”，俗稱“電主軸”。它在英文中有多種稱謂，如electric spindle, motor

23、spindle和motorized spindle等等。由于當前電主軸主要采用的是交流高頻電動機，故也稱為“高頻主軸”（high frequency spindle）。由于沒有中間傳動環(huán)節(jié)，有時又稱它為“直接傳動主軸”（direct drive spindle）。電主軸是一種智能型功能部件，它采用無外殼電動機，將帶有冷卻套的電動機定子裝配在主軸單元的殼體內(nèi)，轉(zhuǎn)子和機床主軸的旋轉(zhuǎn)部件做成一體，主軸的變速范圍完全由變頻交流電動機控制，使變頻電動機和機床主軸合二為一。電主軸具有結構緊湊、重量輕、慣性小、振動小、噪聲低、響應快等優(yōu)點，不但轉(zhuǎn)速高、功率大，還具有一系列控制主軸溫升與振動等機床運行參數(shù)的功

24、能，以確保其高速運轉(zhuǎn)的可靠性與安全性。使用電主軸可以減少帶輪傳動和齒輪傳動，簡化機床設計，易于實現(xiàn)主軸定位，是高速主軸單元中的一種理想結構。當然，將電動機內(nèi)置也會帶來不少麻煩，但在高速加工時，采用該舉措幾乎是惟一的選擇，也是最佳的選擇。原因如下：（1）如果電動機不內(nèi)置，仍采用電動機通過帶輪或齒輪等方式傳動，則在高速運轉(zhuǎn)條件下，由此產(chǎn)生的振動等，勢必影響高速加工的精度、加工表面粗糙度，而產(chǎn)生的噪聲導致環(huán)境質(zhì)量的惡化，這些問題都很難解決。（2）高速加工的最終目的是為了提高生產(chǎn)率，相應地要求在最短時間內(nèi)實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速的速度變化，即要求主軸回轉(zhuǎn)時具有很高的角加速度和角減速度。達到這個要求的最經(jīng)濟的辦法是將

25、主軸傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量盡可能地減至最小。而只有將電動機內(nèi)置，省掉齒輪、帶輪等一系列中間環(huán)節(jié)，才有可能達到這一目的。（3）電動機內(nèi)置于主軸兩支承之間，與用帶輪、齒輪等作末端傳動的結構相比，可提高主軸系統(tǒng)的剛度，也就提高了系統(tǒng)的固有頻率、從而提高了其臨界轉(zhuǎn)速值。這樣，電主軸即使在最高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時，仍可確保低于其臨界轉(zhuǎn)速，保證高速運轉(zhuǎn)時的安全。（4）由于沒有中間傳動環(huán)節(jié)的傳動沖擊等外力作用，主軸高速運行更為平穩(wěn)，使得主軸軸承的使用壽命相應得到延長。（5）電主軸與傳統(tǒng)的主軸傳動系統(tǒng)相比有結構簡單、緊湊等優(yōu)點，這樣便于把它用在多軸聯(lián)動機床、多面體加工機床和并聯(lián)（虛擬軸）機床上。電主軸內(nèi)置于主軸部件后，不可

26、避免的將會產(chǎn)生發(fā)熱的問題，從而需要設計專門用于冷卻電動機的油冷或水冷系統(tǒng)。高頻電動機要有變頻器類的驅(qū)動器，以實現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速的變換。高速軸承有時要有專門的潤滑裝置。另外為了保證高速回轉(zhuǎn)部件的安全，還要有報警及停車因此，“電主軸”的概念不應簡單地理解為只一根主軸套筒，而是一個完整的、在機床數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)控下的子系統(tǒng)，如圖4-1所示。圖4-1 完整的電主軸系統(tǒng)4.2 電主軸對現(xiàn)代數(shù)控機床發(fā)展的意義采用電主軸高速加工的優(yōu)勢：（1）加工時間大幅度縮短，加工節(jié)拍只有原來的1/4，這意味著一臺高速機床可以代替4臺普通cnc機床。（2）表面質(zhì)量很高，不用在進行比如打磨等表面處理工序。（3）零件可換性好，有利于模具行

27、業(yè)制造（4）零件變形小，可以加工很薄的零件。（5）從管理角度看，高速機床的投資可以很快收回，并能縮短交貨期，占地面積小，人工數(shù)量可減少。表4-1 高速加工與傳統(tǒng)加工的比較機床類別技術參數(shù)普通cnc機床hsc高速機床刀具直徑/mm66主軸轉(zhuǎn)速/(r/min)200024000計算進給速度/(mm/min)60010000切削速度/(mm3/min)12004800表面粗糙度/m62.4加工時間/h9.422.36由表4-1 可見，電主軸帶給數(shù)控機床的是高切削速度、高進給速度、高加工精度。這將會是數(shù)控雕銑機及各類機床的主要發(fā)展方向。4.3 電主軸的基本結構高速電主軸要獲得好的動態(tài)性能和使用壽命，必

28、須對電主軸各個部分進行精心設計和制造。電主軸基本結構原理如圖所示。 圖4-2 電主軸的結構原理圖軸殼 軸殼是高速電主軸的主要部件。軸殼的尺寸精度和位置精度直接影響主軸的綜合精度。通常將軸承座孔直接設計在軸殼上。電主軸為加裝電動機定子，必須開放一端。大型或特種電主軸，為方便制造、節(jié)省材料，可將軸殼兩端均設計成開放型。高速、大功率和超高速電主軸，應該嚴格控制整機裝配精度。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸是速電主軸的主要回轉(zhuǎn)主體，其制造精度直接影響電主軸的最終精度。成品轉(zhuǎn)軸的形位公差和尺寸精度要求都很高。當轉(zhuǎn)軸高速運轉(zhuǎn)時，由偏心質(zhì)量引起的振動，嚴重影響其動態(tài)性能。因此，必須對轉(zhuǎn)軸進行嚴格的動平衡，部分安裝在轉(zhuǎn)軸上的零件也應

29、隨轉(zhuǎn)軸一起進行動平衡。軸承高速電主軸的核心支承部件是高速精密軸承。這種軸承具有高速性能好、動載荷承載能力高、潤滑性能好、發(fā)熱量小等優(yōu)點。近年來，相繼開發(fā)研制了陶瓷軸承、動靜壓軸承和磁浮軸承。5 電主軸系統(tǒng)的設計方案5.1 z向主傳動系統(tǒng)的方案設計主傳動系統(tǒng)是實現(xiàn)主運動的系統(tǒng)，它的轉(zhuǎn)速高，傳遞的功率大，是數(shù)控機床的關鍵部件之一。數(shù)控雕銑機轉(zhuǎn)速高，不適合采用傳統(tǒng)的“主電機+皮帶傳動+齒輪變速” 的傳動方式，因而采用了銑削電主軸。電主軸是為高速數(shù)控機床而開發(fā)的一種新型的主軸部件， 目前在高速切削機床上得到了廣泛的應用。它結構緊湊，重量輕，慣最小，可提高啟動、停止的響應特性，且利于控制振動和噪聲。5.

30、1.1 電主軸的冷卻與潤滑電主軸的工作轉(zhuǎn)速極高，為了盡快給高速運行的電主軸散熱，通常對電主軸的外壁通以循環(huán)冷卻劑。本機床電主軸采用水冷卻，其冷卻裝置配置在機床的后部。電主軸的潤滑方式有脂潤滑、油霧潤滑和油氣潤滑三種方式，可以根據(jù)不同情況下的需要任選其一。當采用脂潤滑時，一般其相應的速度相對油霧潤滑、油氣潤滑要低。因本機床主軸要求的最高轉(zhuǎn)速相對較低(最高轉(zhuǎn)速為24000rmin)，故采用脂潤滑。5.1.2 3kw電主軸的安裝3kw電主軸安裝座的3維造型如圖5-1所示圖5-1 3kw電主軸安裝座的3d建模在電主軸系統(tǒng)上的安裝如圖5-2所示。通過三個m10內(nèi)六角圓柱頭螺釘3將電主軸鎖緊，這種鎖緊方式

31、，操作簡單，夾緊可靠。在兩個m10內(nèi)六角圓柱頭鎖緊螺釘之間，分別打兩個m10的螺紋孔6。其作用是在拆卸的時候，通過擰入m10的內(nèi)六角圓柱頭螺釘，將距離為2mm的安裝間隙擴大，從而起到方便拆卸的作用。 1. 電主軸 2. 3kw主軸安裝座 3. m10內(nèi)六角螺釘3 4. z向滑座5. z向拖板 6. m10螺紋孔圖5-2 電主軸安裝圖5.2 z向進給系統(tǒng)方案設計在數(shù)控機床中，為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性，在設計機械傳動裝置時，通常需滿足低摩擦、低慣量、高精度、無間隙，高諧振以及有適宜阻尼比的要求。機床的精度很大程度取決于進給絲杠的精度和機床導軌的精度，因此，4040s數(shù)控雕銑機z向進給系

32、統(tǒng)采用內(nèi)循環(huán)浮動式墊片預緊滾珠絲杠副，z軸方向上采用高精度直線導軌。5.2.1 滾珠絲杠副的選擇本設計中z向工作臺的絲桿選用的是滾珠絲桿副。滾珠絲杠副是由絲杠、螺母、滾珠等零件組成的機械元件，其作用是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動或?qū)⒅本€運動變?yōu)樾D(zhuǎn)運動，它是傳統(tǒng)滑動絲杠的進一步延伸發(fā)展。選定進給傳動用滾珠絲杠副時，主要考慮的內(nèi)容是：與機床定位精度要求相適應的絲杠精度、絲杠的剛性與轉(zhuǎn)動慣量。在開環(huán)和半閉環(huán)數(shù)控機床中，滾珠絲杠的精度將直接影響機床的定位精度和隨動精度。為了獲得高精度、高剛度的進給系統(tǒng)，應選用精度高的滾珠絲杠傳動副。但是，隨著絲杠精度的提高，其價格也將大大上升。本機床z向進給方向的滾珠絲

33、杠副的精度等級為4級。4級精度的絲杠經(jīng)采用一些如消隙、螺距誤差補償?shù)却胧?，完全能滿足機床的定位精度要求。絲杠的剛度與直徑的大小直接相關，直徑大、剛度就好。要想使進給驅(qū)動系統(tǒng)有足夠的剛性，就要選用直徑粗大的絲杠。但是，隨著直徑的增大，其轉(zhuǎn)動慣量也大大增大。本機床經(jīng)設計計算后選定z軸滾珠絲杠的公稱直徑為25mm，導程為5mm。 5.2.2 滾珠絲杠的支承結構因為機床在加工工件時會產(chǎn)生熱量，引起絲杠發(fā)熱產(chǎn)生熱變形。如果絲杠兩端都進行固定預緊，雖然提高了絲杠的軸向剛度，但絲杠就沒有了熱變形的伸縮余量，會導致絲杠的扭曲變形，失去原本的直線度，影響機床的精度。4040s數(shù)控雕銑機的z向滾珠絲杠副的支承結構

34、如圖5-3所示。1. 伺服電機2. 聯(lián)軸器3. 角接觸球軸承4. 滾珠絲杠 圖5-3 z向滾珠絲杠支承和聯(lián)結結構5.2.3 支承軸承的選擇為了獲得高精度、高剛度的進給系統(tǒng)，不僅應選用高精度高剛度的滾珠絲杠副，而且必須十分重視滾珠絲杠支承的設計。因滾珠絲杠的主要載荷是軸向載荷，徑向載荷來自于臥式絲杠的自重，因此，滾珠絲杠的軸向精度和剛度要求很高。因數(shù)控雕銑機的進給系統(tǒng)要求運動靈活，對微小位移(絲杠微小轉(zhuǎn)角)響應要靈敏，因此應選用運轉(zhuǎn)精度高、軸向剛度高、摩擦力矩小的滾動軸承。目前，各類軸承中用得最多的是推力角接觸球軸承。數(shù)控機床選用這種角接觸球軸承，通常需要把2個以上的軸承組合起來，且施加預緊力來

35、使用。其組合形式有背靠背組配(db方式)、面對面組配(df方式)、串聯(lián)組配(dt方式)。在數(shù)控機床上選用此種軸承時，為了易于吸收滾珠螺母與軸承之間的不同軸度，一般采用df組配方式。5.2.4 滾珠絲杠的制動裝置由于滾珠絲杠副的逆?zhèn)鲃有屎芨撸嫦騻鲃硬荒茏枣i，因此當它處于垂直安置時必須另外設有制動裝置，以防止伺服電機在停止轉(zhuǎn)動時，運動部件由于自重而產(chǎn)生的逆?zhèn)鲃?，也可以防止因偶然因素造成的事故?040s雕銑機采用拉伸彈簧和伺服電機的制動來作為滾珠絲杠副的制動裝置。z向伺服電機經(jīng)連軸器帶動z軸絲杠，實現(xiàn)z向工作臺的升降。防止z向工作臺及其主軸組件由于自重而產(chǎn)生逆?zhèn)鲃拥年P鍵部件是z向彈簧拉板裝置(

36、由彈簧拉板、拉伸彈簧、m8內(nèi)六角圓柱頭螺釘?shù)冉M成)和伺服電機的制動器。當工作臺上升時，拉伸彈簧無逆止作用，伺服電機帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動從而帶動工作臺向上運動。當伺服電機停止轉(zhuǎn)動時(電機帶制動)，工作臺及其主軸組件由于自重而要下滑，這時，z向彈簧拉板裝置對工作臺及其主軸組件自重的反作用力和伺服電機的制動作用，阻礙其下滑的運動，從而防止了逆?zhèn)鲃?。這種結構的特點結構簡單。5.2.5 z向伺服電機與進給絲杠的聯(lián)結結構在數(shù)控機床進給系統(tǒng)中，伺服電機與滾珠絲杠聯(lián)結要保證傳動無間隙，這樣才能準確執(zhí)行脈沖指令，而不會丟掉脈沖造成“失步”，影響機床的加工精度和傳動精度。在4040s數(shù)控雕銑機床中，z軸采用直聯(lián)式，即

37、通過非金屬彈性元件聯(lián)軸器（屬于帶彈性元件擾性聯(lián)軸器）把伺服電機和滾珠絲杠聯(lián)結起來。帶彈性元件擾性聯(lián)軸器除有補償性能外，還具有緩沖和減震作用，此外非金屬彈性元件聯(lián)軸器能保證伺服電機與絲杠的同軸度，即使伺服電機與絲杠安裝時的同軸度不是很精確，也可通過非金屬彈性元件連軸器來調(diào)節(jié)。非金屬彈性元件聯(lián)軸器制造方便，易獲得各種結構形狀，更重要的是，它具有較高的阻尼性能，而高的阻尼性能，又可以提高機床的抗震性。彈性聯(lián)軸器的裝卸也非常方便。絲杠和伺服電機的聯(lián)結可參看圖5-35.2.6 z向?qū)к壱驍?shù)控雕銑機床要求有良好的靈活性以滿足機床的高速雕刻要求，本機床z軸方向上采用艾必希sbg 25 fl（帶法蘭形flan

38、ge type）型高精度直線導軌。直線滾動導軌通常兩條成對使用，可以水平安裝，也可以垂直或傾斜安裝。為保證兩條導軌平行，通常把一條導軌作為基準導軌。其安裝形式有單導軌定位和雙導軌定位，數(shù)控雕銑機床x、y、z三軸方向上均采用雙導軌定位，數(shù)控雕銑機床直線導軌的安裝結構如圖5-4所示。1. 內(nèi)六角圓柱頭螺釘 2. 基準導軌 3. z向拖板 4. 非基準導軌圖5-4 直線導軌的安裝結構對z向工作臺，導軌2和4均采用臺肩定位，基準側(cè)導軌2用內(nèi)六角圓柱頭螺釘頂緊定位，使基準導軌的基準側(cè)面緊貼滑座的的側(cè)基面(臺肩)；非基準側(cè)的導軌6在用螺釘頂緊定位時，側(cè)面只需輕靠在定位臺肩上，不能頂緊，以避免因過定位影響運

39、行的靈活性和精度?；鶞蕚?cè)滑塊座和非基準側(cè)滑塊座的安裝均采用螺釘頂緊定位，使滑塊座的基準側(cè)面緊靠在拖板3的基準面上。這種雙導軌定位方式，能有效抵抗高速加工時的振動和沖擊，且安裝調(diào)整簡單方便。6 主軸系統(tǒng)零部件的計算與校核6.1 主軸系統(tǒng)的重力計算主軸系統(tǒng)主要由三部分組成：3kw主軸安裝座、滑塊及拖板。根據(jù)附錄中的圖紙分別計算3kw主軸安裝座、滑塊的體積v及其重力g。u 查12表1-8 p5，可知工業(yè)用鋁合金的密度鋁合金=2.7103(kg/m3);灰鑄鐵的密度ht250=7.0 103(kg/m3)。u 3kw主軸安裝座的體積v1及重力g1計算： v1=（268155200-502200-212

40、554200-24040200）10-93.7210-3m3 g1=m1g=鋁合金 v1g=2.71033.7210-39.898nu 滑塊體積v2及重力g2計算： v2=（27096730-16081246-24048570-12981570-2973157）10-97.2510-3m3 g2=m2g=ht250 v2g=7.0 1037.2510-39.8=493.75nu 拖板體積v3及重力g3計算 v3=（24227505+4907212-1802006-1208642-702554）10-93.2410-3m3 g3=m3g=ht250 v3g=7.0 1033.2410-39.82

41、22.26n主軸系統(tǒng)的重力計算值 表6-13kw主軸安裝座98.43n滑塊493.75n拖板222.26n6.2 主軸銑削力計算4040s數(shù)控雕銑機加工方式與數(shù)控銑床相似，因此按計算銑床的銑削公式計算其銑削力。u 主銑削力fc計算：4040s數(shù)控雕銑機屬于立銑加工，刀具選用材料為硬質(zhì)合金鋼，加工材料為鋼材，查8表，選用公式： fc=cfkfae0.86af0.72d0-0.86zap （1）式（1）中，cf：切削系數(shù)。查8表3020 p1020取cf=669kf：修正系數(shù)。查8表3021 取cf=1.08ae：銑削寬度。查8表3035取ae=1.5mmaf：每齒進給量。查8表3035取af =

42、0.1mmd0：銑刀直徑。 查8表3035取d0 =8mmz： 銑刀齒數(shù)。查8表3035取z =6ap：銑削深度。查8表3035取ap=0.5mm 代入式（1）得： fc=6691.081.50.860.10.728-0.8660.5 97.89nu 垂直分力、橫向分力，縱向分力計算：根據(jù)7表8-6 p202，各銑削分力的比值可得：； ； 計算可得：=37.20n; =83.21n; =75.38n主軸銑削力相關計算值 表6-2主銑削力fc97.89n垂直分力37.20n橫向分力83.21n縱向分力75.38n6.3 滾珠絲杠副的選擇計算1)確定滾珠絲杠副的導程ph ph = （2）ph：滾珠

43、絲杠副的導程mmvmax: 工作臺最高移動速度m/minnmax: 電機最高轉(zhuǎn)速r/mini: 傳動比因4040s雕銑機伺服電機與滾珠絲杠副通過聯(lián)軸器直接傳遞力矩，因此傳動比i=1根據(jù)表2-1的技術參數(shù)可知，vmax =5m/min ;根據(jù)電動機功率為400w, 查得nmax =3000r/min 代入式（2）得 ph = =1.67mm 根據(jù)16表1 p1選擇導程為5mm的滾珠絲杠副2）確定當量轉(zhuǎn)速與當量載荷當負荷與轉(zhuǎn)速接近正比變化時，各種轉(zhuǎn)速使用機會均等時，可采用下列公式計算。l 當量轉(zhuǎn)速nm = （3）nm:當量轉(zhuǎn)速r/minnmax：滾珠絲杠副的最高轉(zhuǎn)速。因4040s雕銑機伺服電機與滾

44、珠絲杠副采用直聯(lián)方式連接，傳動比i=1。電動機所能達到的最高轉(zhuǎn)速即為滾珠絲杠副的最高轉(zhuǎn)速，所以nmax =3000r/minnmin：滾珠絲杠副的最低轉(zhuǎn)速。nmin =0代入式（3）得nm =1500r/minl 當量載荷 fm = （4）fm：當量載荷n；fmax：機器承受最大負荷時滾珠絲杠副的傳動力。fmax= g1+g2+g電主軸+=690.18+0.175.38=697.718n。 fmin：機器空載時滾珠絲杠副的傳動力。因所計算的絲杠帶動z軸方向的運動。所以fmin=g1+g2+g電主軸 =（98.43 +493.75+98）n=690.18n代入式（4）得 fm = 695.21n

45、3）確定預期額定動載荷l 按滾珠絲杠副的預期工作時間lh（小時）計算： cam = （n） （5） cam：確定預期額定動載荷n lh：預期工作時間（小時）。查14表-6 p19 取lh=20000h。 fa：精度系數(shù)。根據(jù)初定的精度等級p4，查14表-7 p19 取fa=0.9。 fc：可靠性系數(shù)。一般情況下為fc=1。在重要場合，要求一組同樣的滾珠絲杠副在同樣條件下使用壽命超過希望壽命的90%以上時fc根據(jù)14表-8 p19選。 fw：負荷系數(shù)。根據(jù)負荷性質(zhì)選擇，查14表-9取fw=1。代入式（5）得cam= 9396nl 擬采用預緊滾珠絲杠副，按最大載荷fmax計算 cam =fefmax （6）fe：預加負荷系數(shù)。查14表-10 p19 取fe=4.5代入式（6）得 cam =4.5697.718=3139n取以上2種結果的最大值 cam =9396n4）按精度要求確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑d2ml 估算滾珠絲杠的最大允許軸向變形量mm （）重復定位精度m （）定位精度m：最大軸向變形量m由表2-1可知，重復定位精度為0.005mm，定位精度為0.01mmm=1.5mm=2m取兩種結果的小值m=1.