设计描述：

文档包括:
Word版说明书一份，共84页，约28000字
CAD版本图纸，共22张

一、题目来源、目的、意义
题目来源：本课题来源于同济现代制造技术研究所，是立式加工中心机床设计
项目下的子课题之一。
目的：课题的目的是设计立式加工中心的主轴组件结构，主轴组件作为执行件，
确保带动刀具进行切削加工、传递运动、动力及承受切削力等，并满足相关的
技术指标要求。
意义：主轴组件作为机床的一个重要组件，要带动刀具直接参与表面成形运动，
其工作性能对机床的加工质量及生产率有直接影响。

二、主要工作内容
（1）熟悉现有的各种主轴组件的要求和特点；
（2）完成主轴组件的设计总图；   
（3）设计分析计算工作；   
（4）主轴等主要零件的零件图绘制；
（5）主轴组件各部分的综合分析。

三、主要技术指标（或主要论点）
立式加工中心的特点是结构简单，占地面积小。总体结构方案的结构形式
为固定立柱式，即主轴箱吊挂在立柱的一侧，作Z方向的上下移动。
主轴孔锥度：7：24；主轴孔直径：54mm；主轴箱行程（Z轴）：470mm；
主轴转速范围：30?3000r/mm；快速移动速度（Z轴）：10m/min；
进给速度（Z轴）：1?400mm/min。

四、进度计划
第1周?第3周：查阅资料，翻译要求字数的英文资料，调研目前市场上数控
机床的主轴组件几种主要的结构形式，并进行方案论证，写出开题报告。
第4周?第6周：通过查阅资料和参考一些机床的结构，进行主轴组件的结构
设计。
第7周?第9周：结构分析与验算，满足技术性能指标和使用要求。
第10周?第14周：计算机绘制结构设计图纸，包括总图和一些零件图。
第15周?第16周：编写毕业设计说明书。
第17周?第18周：评审、准备答辩。

五、主要参考资料（外文资料至少一篇）
1、谢红.数控机床机器人机械系统设计指导[M].上海：同济大学出版社，2004.
2、韩鸿鸾.数控机床的机械结构与维修[M].山东：山东科学技术出版社，2005.
3、罗学科,等.数控原理与数控机床[M].北京：化学工业学出版社，2004.
4、周宏甫.数控技术[M].广州：华南理工大学出版社，2005.
5、陈蔚芳,等.机床数控技术及应用[M].北京：科学出版社，2005.
6、王仁诚.加工中心主轴系统的设计[J] .钻镗床，2000,(1)：43?47.
7、Purdum.T.. Machine tools re-discover gravity[J]. Industry Week, 2004, 253(12): 93-96.
8、李佳.数控机床及应用[M].北京：清华大学出版社，2001.
9、娄锐.数控应用关键技术[M].北京：电子工业出版社，2005.
10、吴祖育等. 数控机床[M].上海：上海科学技术出版社，2000.

目    录

摘要……………………………………………………………………  1
ABSTRACT………………………………………………………………  2
0 引言…………………………………………………………………  4
1 概述…………………………………………………………………  5
1.1 加工中心的发展状况……………………………………………  5
1.1.1 加工中心的国内外发展………………………………………  5
1.1.2 主轴部件的研究进展…………………………………………  6
1.2 课题的目的及内容………………………………………………  7
1.3 课题拟解决的关键问题…………………………………………  8
1.4 解决上述问题的策略……………………………………………  9
2 方案拟定…………………………………………………………… 10
2.1 加工中心主轴组件的组成……………………………………… 10
2.2 机械系统方案的确定…………………………………………… 10
2.2.1 主轴传动机构………………………………………………… 10
2.2.2 主轴进给机构………………………………………………… 12
2.2.3 主轴准停机构………………………………………………… 13
2.2.4 刀具自动夹紧机构…………………………………………… 15
2.2.5 切屑清除机构………………………………………………… 17
2.3 伺服驱动系统方案的确定……………………………………… 18
2.4 加工中心主轴组件总体设计方案的确定……………………… 19
3 主轴组件的主运动部件…………………………………………… 22
3.1 主轴电动机的选用……………………………………………… 22
3.1.1 主电机功率估算……………………………………………… 22
3.1.2 主电机选型…………………………………………………… 23
3.2 主轴……………………………………………………………… 23
3.2.1 主轴的结构设计……………………………………………… 23
3.2.2 主轴受力分析………………………………………………… 27
3.2.3 主轴的强度校核……………………………………………… 32
3.2.4 主轴的刚度校核……………………………………………… 33
3.3 主轴组件的支承………………………………………………… 34
3.3.1 主轴轴承的类型……………………………………………… 34
3.3.2 主轴轴承的配置……………………………………………… 37
3.3.3 主轴轴承的预紧……………………………………………… 38
3.3.4 主轴支承方案的确定………………………………………… 41
3.3.5 轴承的配合…………………………………………………… 41
3.3.6 主轴轴承设计计算…………………………………………… 42
3.4 同步带的设计计算……………………………………………… 44
3.5 主轴组件的润滑与密封………………………………………… 48
3.5.1 主轴组件的润滑……………………………………………… 48
3.5.2 主轴组件的密封……………………………………………… 49
3.5.3 本课题的润滑与密封方案的确定…………………………… 51
3.6 键的设计计算…………………………………………………… 52
3.6.1 主轴上的键…………………………………………………… 52
3.6.2 主电机上的键………………………………………………… 53
3.7 液压缸的设计计算……………………………………………… 54
4 主轴组件的进给运动部件………………………………………… 55
4.1 进给电动机的选用……………………………………………… 55
4.1.1 进给电动机功率的估算……………………………………… 55
4.1.2 进给电动机的选用…………………………………………… 56
4.2 联轴器的设计计算……………………………………………… 57
4.3 垂直方向伺服进给系统的设计计算…………………………… 57
4.3.1 切削力估算…………………………………………………… 57
4.3.2 滚珠丝杠副的设计计算……………………………………… 58
5 结论………………………………………………………………… 65
小结…………………………………………………………………… 68
参考文献……………………………………………………………… 70
附录…………………………………………………………………… 72
译文…………………………………………………………………… 73
原文说明……………………………………………………………… 84

摘　　要

加工中心由于备有刀库并能自动更换刀具，使得工件在一次装夹中可以完成多工序的加工。加工中心一般不需要人为干预，当机床开始执行程序后，它将一直运行到程序结束。加工中心还赋予了专业化车间一些诸多优点，如：降低机床的故障率，提高生产效率，提高加工精度，削减废料量，缩短检验时间，降低刀具成本，改善库存量等。由于加工中心的众多优势，所以它深受全球制造企业的青睐。
加工中心主要由主轴组件、回转工作台、移动工作台、刀库及自动换刀装置以及其它机械功能部件组成。其中的主轴组件是机床重要的组成部分，其运动性能直接影响机床加工精度与表面粗糙度。本文在查阅大量国内外文献的基础上，通过研究分析不同加工中心主轴组件的性能，综合地比较了其特点，并拟定了一个较为合理的主轴组件结构方案。同时，还就主轴、轴承以及丝杠等重要零件的机械性能进行了探讨，并对这些零件的刚度和强度进行了校核。此外，本设计中所采用的陶瓷轴承能有效地增加主轴的刚度，从而提高了加工中心的可靠性和稳定性。

关键词：主轴组件，加工中心，数控机床

Spindle unit design of Vertical machining center

ABSTRACT

Machining center evolved from the need to be able to perform a variety of operations and machining sequences on a workpiece on a single machine in one setup. Machining center requires little operator intervention, and once the machine has been set up, it will machine without stopping until the end of the program is reached. Some of the other advantages that machining centers give a manufacturing shop are greater machine uptime, increased productivity, maximum part accuracy, reduced scrap, less inspection time, lower tooling costs, less inventory and so on. Because of their many advantages, machining centers become widely accepted by manufacturing enterprises in the world.
Machining centers are equipped with spindle units, rotary workbench, moving workbench, tool magazines and automatic tool changers, and other mechanical function components. Spindle unit is the important motion part of the metal cutting machine tool. Its movement behavior affects the machining accuracy and surface roughness of part to be machined. Through referring to a variety of technical literatures, the characteristics of some kinds of spindle units are compared with each other based on analysis and research work on different machining centers. A reasonable scheme can be studied out. Meanwhile, the mechanical behaviors of principle parts such as the spindle, bearings and lead screw are discussed. Their rigidity and strength are calculated and examined here. Morever, a kind of advanced ceramic bearings is introduced into the spindle unit, which can effectively enhance the rigidity of spindle units. They will improve the reliability and stability of machining centers.

Key words：spindle unit，machining center，NC machine tool

立式加工中心主轴组件的结构设计
0 引言
装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展高新技术产业和尖端工业（如：信息技术及其产业，生物技术及其产业，航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。制造技术和装备是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术则是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。
数控机床技术的发展自1953年美国研制出第一台三坐标方式升降台数控铣床算起，至今已有53年历史了。20世纪90年开始，计算机技术及相关的微电子基础工业的高速发展，给数控机床的发展提供了一个良好的平台，使数控机床产业得到了高速的发展。我国数控技术研究从1958年起步，国产的第一台数控机床是北京第一机床厂生产的三坐标数控铣床。虽然从时间上看只比国外晚了几年，但由于种种原因，数控机床技术在我国的发展却一直落后于国际水平，到1980年我国的数控机床产量还不到700台。到90年代，我国的数控机床技术发展才得到了一个较大的提速。目前，与国外先进水平相比仍存在着较大的差距。
总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。