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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書 1 畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求 掌握機(jī)床主軸的基本知識(shí) 掌握機(jī)床主軸設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵 研究數(shù)控機(jī)床主軸單元 的關(guān)鍵技術(shù) 掌握其相關(guān)知識(shí)及選型 應(yīng)用 設(shè)計(jì)方法等 完成一種數(shù)控銑床主軸單元 的設(shè)計(jì) 要求主軸工作的轉(zhuǎn)速可達(dá) 8000r min 輸出功率可達(dá) 5kW 使用 40 柄刀具 2 畢業(yè)設(shè)計(jì)的具體工作內(nèi)容 1 分析題目要求 查閱相關(guān)的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn) 設(shè)計(jì)資料 有關(guān)專利文獻(xiàn)等 在此基 礎(chǔ)上 了解開(kāi)題報(bào)告的撰寫方法 基本要求 完成開(kāi)題報(bào)告 2 學(xué)習(xí)和掌握機(jī)床主軸的有關(guān)知識(shí) 了解主軸單元 電主軸的有關(guān)知識(shí)及發(fā)展現(xiàn) 狀 了解數(shù)控機(jī)床 加工中心對(duì)主軸的要求 總結(jié)機(jī)床主軸的設(shè)計(jì)要點(diǎn) 技術(shù) 關(guān)鍵及發(fā)展方向 力爭(zhēng)提出主軸設(shè)計(jì)的發(fā)展方向 3 按題目要求 設(shè)計(jì)一種數(shù)控銑床的主軸單元 完成裝配圖及主要零件圖 給出 功率 強(qiáng)度 剛度 軸承等必要的計(jì)算 4 編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書 5 翻譯本專業(yè)外文科技文獻(xiàn)一份 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書 3 對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)成果的要求 1 主軸裝配圖 主要零件圖 2 主軸技術(shù)的研究及設(shè)計(jì)說(shuō)明書一份 3 本專業(yè)外文科技文獻(xiàn)譯文一份 4 畢業(yè)設(shè)計(jì)工作進(jìn)度計(jì)劃 起 迄 日 期 工 作 內(nèi) 容 2016 年 02 月 29 日 03 月 21 日 03 月 22 日 04 月 30 日 05 月 01 日 05 月 20 日 05 月 21 日 05 月 31 日 06 月 01 日 06 月 05 日 分析課題要求 查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料 了解機(jī)床主軸設(shè)計(jì)的 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 提出自己的設(shè)計(jì)思路 完成開(kāi)題 報(bào)告 全面掌握主軸相關(guān)的基本知識(shí) 了解高速主軸的關(guān)鍵技術(shù) 了解主軸單元的設(shè)計(jì)特點(diǎn) 分析總結(jié)主軸技術(shù)的發(fā)展方向 設(shè)計(jì)主軸 完成裝配圖和主要零件圖 完成研究總結(jié)及設(shè)計(jì)說(shuō)明書 撰寫答辯講稿 準(zhǔn)備答辯 學(xué)生所在系審查意見(jiàn) 同意下發(fā)任務(wù)書 系主任 2016 年 2 月 29 日 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開(kāi) 題 報(bào) 告 1 結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)課題情況 根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料 撰寫 2000 字左右 的文獻(xiàn)綜述 文 獻(xiàn) 綜 述 1 1 國(guó)內(nèi)外機(jī)床主軸研究現(xiàn)狀 1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 目前國(guó)內(nèi)研究高速電主軸的科研機(jī)構(gòu)有我國(guó)河南省洛陽(yáng)軸承研究所 他們能自行 研究開(kāi)發(fā)電主軸 其 DmN 值達(dá)到了很高的水平 廣州鉅聯(lián)高速電主軸有限公司研發(fā)的 大功率靜壓軸承電主軸曾獲得日內(nèi)瓦國(guó)際專利技術(shù)博覽會(huì)金獎(jiǎng) 廣東工業(yè)大學(xué)高速加 工和機(jī)床研究所也開(kāi)發(fā)了數(shù)控銑床高速電主軸 其主要技術(shù)指標(biāo)為 電主軸的額定功 率是 13 5kW 最高轉(zhuǎn)速為 180 0 0r min 在額定轉(zhuǎn)速 5 0 0r min 時(shí)產(chǎn)生最大輸出轉(zhuǎn) 矩為 85Nm 在我國(guó)的安陽(yáng)市 有一家中外合資的電主軸生產(chǎn)廠家 安陽(yáng)萊必泰機(jī) 械有限公司 它擁有先進(jìn)的電主軸 機(jī)床主軸設(shè)計(jì)和制造技術(shù) 該公司研制生產(chǎn)的加 工中心電主軸 采用先進(jìn)技術(shù) 配有矢量閉環(huán)控制系統(tǒng) 能對(duì)主軸實(shí)行恒功率調(diào)速 準(zhǔn)停制動(dòng) 功率為 3 7 2 5kW 恒功率段 15 0 0 12 0 0 0r min 采用進(jìn)口高速 精密軸承 旋轉(zhuǎn)件經(jīng)高精度平衡 該系列產(chǎn)品具有高精度 高剛度 高速度 低噪聲 低振動(dòng) 低溫升等優(yōu)點(diǎn) 系 99 國(guó)家火炬計(jì)劃項(xiàng)目 2 國(guó)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外高速電主軸技術(shù)由于研究較早 技術(shù)水平也處于領(lǐng)先地位 電主軸已越來(lái)越 多地應(yīng)用到工業(yè)制造業(yè)中 著名的有瑞士的 Fisher 公司 Ibag 公司 德 國(guó)的 GMN 公 司 Hofer 公司 Siemens 公司 意大利 Faemat 公司 Gamfior 公司及美國(guó) Ingersoll 公司 日本 Okuma 公司和 Fanuc 公司等 它們的技術(shù)水平代表了這個(gè)領(lǐng)域的世界先進(jìn)水 平 這些公司生產(chǎn)的電主軸較之國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的有以下幾個(gè)特點(diǎn) 功率大 轉(zhuǎn)速高 采 用高速 高剛度軸承 國(guó)外高速精密主軸上采用高速 高剛度軸承 主要有陶瓷軸承 和液體動(dòng)靜壓軸承 特殊場(chǎng)合采用空氣潤(rùn)滑軸承和磁懸浮軸承 精密加工與精密裝 配工藝水平高 配套控制系統(tǒng)水平高 這些控制系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子自動(dòng)平衡系統(tǒng) 軸承 油氣潤(rùn)滑與精密控制系統(tǒng) 定轉(zhuǎn)子冷卻溫度精密控制系統(tǒng) 主軸變形溫度補(bǔ)償精密控 制系統(tǒng)等 并在此基礎(chǔ)之上 這些外國(guó)廠家如美國(guó) 日本 德國(guó) 意大利和瑞士等工業(yè) 發(fā)達(dá)國(guó)家已生產(chǎn)了多種商品化高速機(jī)床 如瑞士米克朗公司 就是世界上著名的精密 機(jī)床制造商 它生產(chǎn)的機(jī)床配備最高達(dá) 6 0 0 0 0r min 的高速電主軸 可以滿足不同 的切削要求 所有的電主軸均裝有恒溫冷卻水套對(duì)主軸電機(jī)和軸承進(jìn)行冷卻 并通過(guò) 高壓油霧對(duì)復(fù)合陶瓷軸承進(jìn)行潤(rùn)滑 所有的電主軸均采用矢量控制技術(shù) 可以在低轉(zhuǎn) 速時(shí)輸出大扭矩 國(guó)產(chǎn)電主軸和國(guó)外產(chǎn)品相比較 無(wú)論是性能 品種和質(zhì)量都有較大差距 國(guó)產(chǎn)電主 軸產(chǎn)品和國(guó)外的相比較 主要存在以下差距 1 國(guó)外電主軸低速段的輸出扭矩最大可 達(dá) 30 0Nm 而我國(guó)目前僅在 10 0Nm 以內(nèi) 2 在高轉(zhuǎn)速方面 國(guó)外用于加工中心的 電主軸轉(zhuǎn)速已達(dá) 75 0 0 0r min 我國(guó)則多在 15 0 0 0r min 以內(nèi) 3 電主軸的軸承 潤(rùn)滑 國(guó)外普遍采用油氣潤(rùn)滑 而我國(guó)仍用油脂潤(rùn)滑 4 其他配套技術(shù)也有較大差 距 如主軸電機(jī)矢量控制 交流伺服控制技術(shù) 精確定向技術(shù) 快速啟動(dòng) 停止等 5 在產(chǎn)品的品種 規(guī)格 數(shù)量和制造規(guī)模等方面 國(guó)產(chǎn)電主軸仍然處于小量研發(fā)試 制階段 沒(méi)有形成系列化 專業(yè)化 遠(yuǎn)不能滿足國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床和加工中心發(fā)展的需求 所以目前國(guó)產(chǎn)的高轉(zhuǎn)速 高精度數(shù)控機(jī)床和加工中心所用的電主軸 仍然主要從國(guó)外 進(jìn)口 1 2 主軸技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 1 繼續(xù)向高速度 高剛度方向發(fā)展 由于高速切削和實(shí)際應(yīng)用的需要 隨著主軸軸承及其潤(rùn)滑技術(shù) 精密加工技術(shù) 精 密動(dòng)平衡技術(shù) 高速刀具及其接口技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展 數(shù)控機(jī)床用電主軸高速化 已成為目前發(fā)展的普遍趨勢(shì) 如鉆 銑用電主軸 瑞士 IBAG 的 HF42 的轉(zhuǎn)速達(dá)到 140000r min 英國(guó) WestWind 公司的 PCB 鉆孔機(jī)電主軸 D1733 更是達(dá)到了 250000r min 加工中心用電主軸 瑞士 FISCHER 最高轉(zhuǎn)速達(dá)到 42000r min 意大利 CAMFIOR 達(dá)到了 75000r min 在電主軸的系統(tǒng)剛度方面 由于軸承及其潤(rùn)滑技術(shù)的發(fā) 展 電主軸的系統(tǒng)剛度越來(lái)越大 滿足了數(shù)控機(jī)床高速 高效和精密加工發(fā)展的需要 2 向高速大功率 低速大轉(zhuǎn)矩方向發(fā)展 根據(jù)實(shí)際使用的需要 多數(shù)數(shù)控機(jī)床需要同時(shí)能夠滿足低速粗加工時(shí)的重切削 高 速切削時(shí)精加工的要求 因此 機(jī)床電主軸應(yīng)該具備低速大轉(zhuǎn)矩 高速大功率的性能 如意大利 CAMFIOR 瑞士 Step Tec 德國(guó) GMN 等制造商生產(chǎn)的加工中心用電主軸 低 速段輸出轉(zhuǎn)矩到 200Nm 以上的已經(jīng)不是難事 德國(guó) CYTEC 的數(shù)控銑床和車床用電主軸 的最大扭矩更是達(dá)到了 630N m 在高速段大功率方面 一般在 l0 50kW CYTEC 電主 軸的最大輸出功率為 50kW 瑞士 Step Tec 電主軸的最大功率更是達(dá)到 65kW S1 用 于航空器制造和模具加工 更有電主軸功率達(dá)到 80kW 的報(bào)道 3 進(jìn)一步向高精度 高可靠性和延長(zhǎng)工作壽命方向發(fā)展 用戶對(duì)數(shù)控機(jī)床的精度和使用可靠性提出了越來(lái)越高的要求 作為數(shù)控機(jī)床核心功 能部件之一的電主軸 要求其本身的精度和可靠性隨之越來(lái)越高 如主軸徑向跳動(dòng)在 0 001mm 以內(nèi) 軸向定位精度 0 0005mm 以下 同時(shí) 由于采用了特殊的精密主軸軸承 先進(jìn)的潤(rùn)滑方法以及特殊的預(yù)負(fù)荷施加方式 電主軸的壽命相應(yīng)得到了延長(zhǎng) 其使用 可靠性越來(lái)越高 Step Tec 的電主軸還加裝了加速度傳感器 降低軸承振動(dòng)加速度水 平 為了監(jiān)視和限制軸承上的振動(dòng) 安裝了振動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊 以延長(zhǎng)電主軸工作壽命 4 快速啟動(dòng) 停止響應(yīng)速度加快 為縮短輔助時(shí)間 提高效率 要求數(shù)控機(jī)床電主軸的啟 停時(shí)間越短越好 因此需 要很高的啟動(dòng)和停機(jī)加 減 速度 目前 國(guó)外機(jī)床電主軸的啟 停加速度可達(dá)到 lg 以 上 全速啟 停時(shí)間在 ls 以內(nèi) 5 軸承及其預(yù)加載荷方式 潤(rùn)滑方式多樣化 除了常規(guī)的鋼制滾動(dòng)軸承外 近年來(lái)陶瓷球混合軸承越來(lái)越得到廣泛的應(yīng)用 潤(rùn)滑 方式有油脂 油霧 油氣等 尤其是油氣潤(rùn)滑方法 又 Oil air 由于具有適應(yīng)高速 環(huán)保節(jié)能的特點(diǎn) 得到越來(lái)越廣泛的推廣和應(yīng)用 滾動(dòng)軸承的預(yù)負(fù)荷施加方式除了剛 性預(yù)負(fù)荷 又稱定位預(yù)負(fù)荷 彈性預(yù)負(fù)荷 又稱定壓預(yù)負(fù)荷 之外 又發(fā)展了一種智能 預(yù)負(fù)荷方式 即利用液壓油缸對(duì)軸承施加預(yù)負(fù)荷 并且可以根據(jù)主軸的轉(zhuǎn)速 負(fù)載等 具體工況控制預(yù)負(fù)荷的大小 使軸承的支承性能更加優(yōu)良 在非接觸形式軸承支承的 電主軸方面 如磁浮軸承 氣浮軸承電主軸 瑞士 IBAG 等 液浮軸承電主軸 美國(guó) Ingersoll 等 等已經(jīng)有系列商品供應(yīng)市場(chǎng) 6 向多功能 智能化方向發(fā)展 在多功能方面 有角向停機(jī)精確定位 準(zhǔn)停 C 軸傳動(dòng) 換刀中空吹氣 中空通冷 卻液 軸端氣體密封 低速轉(zhuǎn)矩放大 軸向定位精密補(bǔ)償 換刀自動(dòng)動(dòng)平衡技術(shù)等 在智能化方面 主要表現(xiàn)在各種安全保護(hù)和故障監(jiān)測(cè)診斷措施 如換刀聯(lián)鎖保護(hù) 軸 承溫度監(jiān)控 電機(jī)過(guò)載和過(guò)熱保護(hù) 松刀時(shí)軸承卸荷保護(hù) 主軸振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)和故障 異常診斷 軸向位置變化自動(dòng)補(bǔ)償 砂輪修整過(guò)程信號(hào)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制 刀具磨損和 損壞信號(hào)監(jiān)控等 如 Step Tec 電主軸安裝有診斷模塊 維修人員可通過(guò)紅外接口讀取 數(shù)據(jù) 識(shí)別過(guò)載 統(tǒng)計(jì)電主軸工作壽命 參考文獻(xiàn) 1 鄭修本 機(jī)械制造工藝學(xué) 機(jī)械工業(yè)出版社 2012 03 2 韓秋實(shí) 械制造技術(shù)基礎(chǔ) 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2010 3 谷玉芳 立式加工中心主軸箱的抗振特性研究和拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì) D 陜西科技大學(xué) 2012 4 秦大同 謝里陽(yáng) 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 第 1 卷 化學(xué)工業(yè)出版社 2011 03 5 孫開(kāi)元 駱?biāo)鼐?常見(jiàn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用圖例 化學(xué)工業(yè)出版社 2010 07 6 凌云 朱金生 機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真圖解 電子工業(yè)出版社 2014 01 7 楊雪寶 機(jī)械制造裝備與設(shè)計(jì) 西北工業(yè)大學(xué)出版社 2010 8 李國(guó)斌 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 機(jī)械工業(yè)出版社出版 2010 9 辛文彤 Solidworks2012 中文版從入門到精通 人民郵電出版社 2012 01 10 詹迪維 Solid Works 高級(jí)應(yīng)用教程 2012 中文版 機(jī)械工業(yè)出版社 2012 03 11 呂建法 閆兵 王文芝 鏜銑床有限元建模及其瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析 J 機(jī)械工程師 2012 12 12 任小星 BFK150 2 鏜銑床主軸夾緊裝置的改造 J 制造技術(shù)與機(jī)床 2016 02 13 劉超峰 張功學(xué) 張淳 陳英 DVG850 高速立式加工中心主軸箱靈敏度分析 J 組合 機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù) 2010 10 14 張霄 機(jī)床主軸箱的固定聯(lián)接及其結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) D 大連理工大學(xué) 2015 15 張樂(lè)平 面向重載數(shù)控車床的主軸箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化 D 南京航空航天大學(xué) 2014 16 陸暢 重型數(shù)控車床主軸箱的分析及優(yōu)化 D 沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 2014 17 梁東旭 球面車磨床主軸箱及其關(guān)鍵零件的有限元分析與優(yōu)化 D 蘭州理工大學(xué) 2013 18 韓君 組合機(jī)床主軸箱智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究 D 河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 2012 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開(kāi) 題 報(bào) 告 本課題要研究或解決的問(wèn)題和擬采用的研究手段 途徑 2 1 研究或解決的問(wèn)題 1 通過(guò)對(duì)自己所查找的相關(guān)資料 了解掌握銑床主軸的基本知識(shí) 2 熟悉銑床主軸單元的關(guān)鍵技術(shù) 掌握其相關(guān)知識(shí)及選型 應(yīng)用 設(shè)計(jì)方法等 3 學(xué)會(huì) CAD 設(shè)計(jì)軟件 完成相應(yīng)的工程圖設(shè)計(jì) 4 編寫說(shuō)明書 2 2 擬采用的設(shè)計(jì)方案 1 本次設(shè)計(jì)擬采用數(shù)控銑床的電主軸 其結(jié)構(gòu)如圖所示 圖 1 數(shù)控銑床主軸結(jié)構(gòu)圖 2 主軸伺服驅(qū)動(dòng)器的選擇 由于本次設(shè)計(jì)要求主軸工作轉(zhuǎn)速達(dá) 8000r min 輸出 功率達(dá) 5KW 可采用深圳步科的伺服驅(qū)動(dòng)器 具體的相關(guān)的技術(shù)參數(shù)如下 控制器等 級(jí) 0 75Kw 75Kw 調(diào)速范圍 0r min 15000r min 四級(jí)電機(jī) 0r min 30000r min 二級(jí)電機(jī) 本次的電機(jī)的主功率為 5Kw 轉(zhuǎn)速 8000r min 3 確定主軸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù) 確定主軸的軸徑 主軸前端懸伸量和主軸主要支承 間的跨距 4 利用 CAD 軟件繪制工程圖 2 3 擬采用的研究思路和手段 初步擬采用理論分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合的研究方法 針對(duì)銑床主軸單元設(shè)計(jì)主要 采取以下方法 收集國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究資料 對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析并總結(jié)各自方案的優(yōu)缺點(diǎn) 通過(guò) 對(duì)比國(guó)內(nèi)外研究情況 提出自己的看法 擁有自己的創(chuàng)新點(diǎn) 通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行總體分析并詳細(xì)設(shè)計(jì) 初步確定本設(shè)計(jì)的研究思路 總結(jié)自己的思路 并與指導(dǎo)老師 同學(xué)們進(jìn)行交流 最終確保本畢業(yè)設(shè)計(jì)思路 的正確性和可行性 在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中 如果遇到疑問(wèn)或問(wèn)題 及時(shí)與老師溝通交流 最終完 成銑床主軸變速箱設(shè)計(jì) 撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 準(zhǔn)備答辯 進(jìn)度安排 2 月 29 日 3 月 3 日 查閱資料 3 月 4 日 3 月 21 日 撰寫開(kāi)題報(bào)告 3 月 22 日 5 月 18 日 確定優(yōu)化方案 5 月 19 日 6 月 1 日 完成畢業(yè)論文初稿 6 月 2 日 6 月 5 日 根據(jù)指導(dǎo)老師意見(jiàn) 修改論文初稿 完成終稿 準(zhǔn)備答辯 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開(kāi) 題 報(bào) 告 指導(dǎo)教師意見(jiàn) 報(bào)告表明 該同學(xué)近期查閱了大量文獻(xiàn)資料 特別是企業(yè)產(chǎn)品的技術(shù)資料 對(duì)數(shù) 控機(jī)床 電主軸等有了一些新認(rèn)識(shí) 對(duì)國(guó)內(nèi)外采用了什么新技術(shù) 關(guān)鍵技術(shù)等還有些 不足 但對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)基本明確 同意開(kāi)題 指導(dǎo)教師 2016 年 3 月 22 日 所在學(xué)院審查意見(jiàn) 同意開(kāi)題 負(fù)責(zé)人 2016 年 3 月 22 日