引言裝備工業的技術水平和現代化程度決定著整個國民經濟的水平和現代化程度,數控技術及裝備是發展高新技術產業和尖端工業（如：信息技術及其產業，生物技術及其產業，航空、航天等國防工業產業）的使能技術和最基本的裝備。制造技術和裝備是人類生產活動的最基本的生產資料，而數控技術則是當今先進制造技術和裝備最核心的技術。當今世界各國制造業廣泛采用數控技術，以提高制造能力和水平，提高對動態多變市場的適應能力和競爭能力。此外世界上各工業發達國家還將數控技術及數控裝備列為國家的戰略物資，不僅采取重大措施來發展自己的數控技術及其產業，而且在“高精尖”數控關鍵技術和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策。數控機床技術的發展自1953年美國研制出第一臺三坐標方式升降臺數控銑床算起，至今已有53年歷史了。20世紀90年開始，計算機技術及相關的微電子基礎工業的高速發展，給數控機床的發展提供了一個良好的平臺，使數控機床產業得到了高速的發展。我國數控技術研究從1958年起步，國產的第一臺數控機床是北京第一機床廠生產的三坐標數控銑床。雖然從時間上看只比國外晚了幾年，但由于種種原因，數控機床技術在我國的發展卻一直落后于國際水平，到1980年我國的數控機床產量還不到700臺。到90年代，我國的數控機床技術發展才得到了一個較大的提速。目前，與國外先進水平相比仍存在著較大的差距。總之，大力發展以數控技術為核心的先進制造技術已成為世界各發達國家加速經濟發展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。1概述1.1加工中心的發展狀況1.1.1加工中心的國內外發展對于高速加工中心，國外機床在進給驅動上，滾珠絲杠驅動的加工中心快速進給大多在以上，最高已達到。采用直線電機驅動的加工中心已實用化，進給速度可提高到，其應用范圍不斷擴大。國外高速加工中心主軸轉速一般都在，由于某些機床采用磁浮軸承和空氣靜壓軸承，預計轉速上限可提高到。國外先進的加工中心的刀具交換時間，目前普遍已在左右，高的已達，甚至更快。在結構上，國外的加工中心都采用了適應于高速加工要求的獨特箱中箱結構或龍門式結構。在加工精度上，國外臥式加工中心都裝有機床精度溫度補償系統，加工精度比較穩定。國外加工中心定位精度基本上按德國標準驗收，行程以下，定位精度可控制在之內。此外，為適應未來加工精度提高的要求，國外不少公司還都開發了坐標鏜精度級的加工中心。相對而言，國內生產的高速加工中心快速進給大多在左右，個別達到。而直線電機驅動的加工中心僅試制出樣品，還未進入產量化，應用范圍不廣。國內高速加工中心主軸轉速一般在，定位精度控制在之內，重復定位精度控制在之內。在換刀速度方面，國內機床多在，無法與國際水平相比。雖然國產數控機床在近幾年中取得了可喜的進步，但與國外同類產品相比，仍存在著不少差距，造成國產數控機床的市場占有率逐年下降。國產數控機床與國外產品相比，差距主要在機床的高速、高效和精密上。除此之外，在機床可靠性上也存在著明顯差距，國外機床的平均無故障時間（MTBF）都在小時以上，而國產機床大大低于這個數字，國產機床故障率較高是用戶反映最強烈的問題之一。1.1.2立式加工中心的研究進展圖1.1立式加工中心結構圖1-切削箱2-X軸伺服電機3-Z軸伺服電機4-主軸電機5-主軸箱6-刀庫7-數控柜8-操縱面板9-驅動電柜10-工作臺11-滑座12-立柱13-床身14-冷卻水箱15-間歇潤滑油箱16-機械手典型加工中心的機械結構主要有基礎支承件、加工中心主軸系統、進給傳動系統、工作臺交換系統、回轉工作臺、刀庫及自動換刀裝置以及其他機械功能部桿的松緊目的。同時，為了減少液壓推力對主軸支承的磨損，在主軸的內部設置了一段碟形彈簧，使活塞對拉桿的作用起到一個緩沖的作用。同時，在換刀過程中，活塞及拉桿的內部將被加工成中空狀。其間將通入一定的壓縮空氣來清除切屑。使刀桿和主軸始終具有很好的配合精度。在伺服系統中，本課題在進給系統中選用直流伺服電動機，而在主運動系統中則選用交流伺服電動機。由于交流伺服電動機具有電刷和換向器，需要常常維修，故不適合于主運動系統中。3主軸組件的主運動部件3.1主軸電動機的選用3.1.1主電機功率估算由畢業設計任務書知主軸功率5kw主電機功率式中：——機床主傳動系統傳動效率。滾珠軸承傳動效率0.99，同步帶傳動效率0.983.1.2主電機選型利用交流伺服系統可進行精密定位控制，可作為CNC機床、工業機器人等的執行元件。FANUC交流主軸電機S系列從0.65kW～37kW共分13種。它的特點是轉速高、輸出功率大、性能可靠、精度好、振動小、噪音低，既適合于高速切削又適合于低速重切削。該系列可應用在各種類型的數控機床上。根據主電機功率=5.36kW，故本課題選用FANUC交流主軸電機6S型號。其主要技術參數如下：額定輸出功率：；最高速度：；額定輸出轉矩：；轉子慣量：。3.2主軸3.2.1主軸的結構設計主軸的主要參數是指：主軸前軸頸直徑；主軸內孔徑；主軸懸伸量和主軸支承跨距，見圖3.1。圖3.1主軸主要參數示意圖（1）主軸軸徑的確定主軸軸徑通常指主軸前軸頸的直徑，其對于主軸部件剛度影響較大。加大直徑，可減少主軸本身彎曲變形引起的主軸軸端位移和軸承彈性變形引起的軸端位移，從而提高主軸部件剛度。但加大直徑受到軸承值的限制，同時造成相配零件尺寸加大、制造困難、結構龐大和重量增加等，因此在滿足剛度要求下應取較小值。設計時主要用類比分析的方法來確定主軸前軸頸直徑。加工中心主軸前軸頸直徑按主電動機功率來確定，由《現代數控機床結構設計》查得。由于裝配需要，主軸的直徑總是由前軸頸向后緩慢地逐段減小的。在確定前軸徑后，可知前軸頸直徑和后軸頸直徑有如下關系：（2）主軸內孔直徑的確定主軸內孔直徑與機床類型有關，主要用來通過棒料，通過拉桿、鏜桿或頂出頂尖等。確定孔徑的原則是，為減輕主軸重量，在滿足對空心主軸孔徑要求和最小壁厚要求以及不削弱主軸剛度的要求下，應盡量取大值。由經驗得知，當時（是主軸平均直徑），主軸剛度會急劇下降；而當時，內孔對主軸剛度幾乎無影響，可忽略不計，所以常取孔徑的極限值為：此時，剛度削弱小于。按照任務書的要求及綜合各軸段直徑的實際大小，確定內孔直徑。（3）主軸端部形狀的選擇機床主軸的軸端一般用于安裝刀具、夾持工件或夾具。在結構上，應能保證定位準確、安裝可靠、連接牢固、裝卸方便，并能傳遞足夠的扭矩。目前，主軸端部的結構形狀都已標準化。圖3.2所示為銑床主軸的軸端形式，其尺寸大小按照JB2324-78進行加工，選擇主軸序號為50的主軸端部尺寸。圖3.2銑床主軸的軸端形式（4）主軸懸伸量的確定主軸懸伸量是指主軸前端面到前支承徑向反力作用中點（一般即為前徑向支承中點）的距離。它主要取決于主軸端部結構型式和尺寸、前支承的軸承配置和密封裝置等，有的還與機床其他結構參數有關，如工作臺的行程等，因此主要由結構設計確定。懸伸量值對主軸部件的剛度和抗振性具有較大的影響。因此，確定懸伸量的原則，是在滿足結構要求的前提下盡可能取小值，同時應在設計時采取措施縮減值。（5）主軸支承跨距的確定支承跨距是指主軸相鄰兩支承反力作用點之間的距離。跨距是決定主軸系統動、靜剛度的重要影響因素。合理確定支承跨距，是獲得主軸部件最大靜剛度的重要條件之一。最優跨距是指在切削力作用下，主軸前端的柔度值最小時的跨距。其推導公式是在靜態力作用下進行的。實驗證明，動態作用下最優跨距很接近于推得的最優值。最優跨距可按下列公式計算：……（3.2）式中：…………（3.3）………（3.4）式中：——主軸前端懸伸長，單位為；——材料的彈性模量，單位為；——軸慣性矩，單位為；——前軸承剛度值，單位為；——后軸承剛度值，單位為。按上式計算最優跨距，計算過程如下：…………………（3.5）式中：——主軸跨距部分的平均直徑，單位為；——主軸跨距部分的平均孔頸，單位為。由式（3.5）得：；，；由主軸材料為40Cr查得材料的彈性模量；由主軸的結構形式確定主軸前端懸伸長將上述參數值代入公式(3.3)(3.4)，得，將，值代入公式（3.2），得按照結構設計的要求，取。由于，故滿足設計要求。3.2.2主軸受力分析軸所受的載荷是從軸上零件傳來的。計算時，常常將軸上的分布載荷簡化為集中力，其作用點取為載荷分布段的中點。而作用在軸上的扭矩，一般從傳動件輪轂寬度的中點算起。(a)(b)(c)圖3.3軸承受力圖主軸上的軸承采用一端固定，另一端游動的支承形式。圖示3.3a為軸承在空間力系的總受力圖，它可分解為鉛垂面（圖3.3b）和水平面（圖3.3c）兩個平面力系。由公式（3.1）得出切向銑削力徑向負荷切向負荷軸向負荷圖3.4靜不定梁鉛垂面分解圖由于此主軸的受力屬于簡單靜不定梁類型，所以要以靜不定梁的受力方法來解決問題。圖示3.4為靜不定梁的鉛垂面受力圖。為了使其變形與原靜不定梁相同，必須滿足變形協調條件，即要求。利用疊加法，得撓度為：…………（3.6）式中：——徑向（切向）負荷分力，單位為；——徑向（切向）負荷，單位為；——材料的彈性模量，；——軸慣性矩，。由公式（3.5）得。將，代入公式（3.6），則鉛垂面的撓度為：得得得將，代入公式（3.6），則水平面的撓度為：得得得(a)機構草圖(b)受力簡圖(c)水平面受力(d)水平面彎矩圖(e)垂直面受力(f)垂直面彎矩圖(g)合成彎矩圖(h)轉矩圖圖3.5軸的結構和載荷圖A-B段支承反力：水平面：垂直面：B-C段支承反力：水平面：垂直面：C-D段支承反力：水平面：垂直面：D-E段支承反力：水平面：垂直面：軸的受力簡圖、水平面及垂直面受力簡圖見圖3.5b、c、e。A-B段彎矩：水平面：垂直面：合成：B-C段彎矩：水平面：垂直面：合成：C-D段彎矩：水平面：垂直面：合成：D-E段彎矩：水平面：垂直面：合成：軸的水平面、垂直面及合成彎矩圖見圖3.5d、f、g。已知：小帶輪的輸出功率為，同步帶的傳動效率為。所以，大帶輪的輸出功率為：則大帶輪的輸出轉矩為：軸的轉矩圖見圖3.5h。3.2.3主軸的強度校核從合成彎矩圖和轉矩圖上得知，主軸在截面C、D處承受了較大的彎矩，并且還受到帶輪傳動所帶來的扭矩。因此，這兩個截面是危險截面。在校核主軸的強度時應按彎扭合成強度條件進行計算。軸的彎扭合成強度條件為……（3.7）式中：——軸的計算應力，；——軸的抗彎截面系數，；——折合系數；——軸的許用彎曲應力，；——軸所受的扭矩，單位為；——軸所受的彎矩，單位為。軸的抗彎截面系數為式中：——軸頸處直徑，單位為；——，此處，為軸孔直徑。得根據主軸材料為，由《工程力學》查得許用彎曲應力。按扭轉切應力為脈動循環變應力，取折合系數。將上述參數代入公式（3.7），則軸的計算應力為因為，所以主軸的強度符合要求。3.2.4主軸的剛度校核軸在載荷作用下，將產生彎曲或扭轉變形。若變形量超過允許的限度，就會影響軸上零件的正常工作，甚至會喪失機器應有的工作性能。對于本課題的主軸，應該按軸的彎曲剛度校核。軸計算剛度經驗公式為……………（3.8）式中：——軸的計算撓度，單位為；——軸慣性量，單位為；——軸所用材料的彈性模量，單位為；——支承跨度，單位為；——軸所受圓周力，單位為；——軸所受徑向力，單位為。——軸的允許撓度，單位為已知：，，，，。由《工程力學》查得軸的允許撓度為將上述參數代入公式（3.8），則軸的計算剛度為由于，所以軸能夠滿足剛度要求。綜上所述，軸的強度，剛度均符合校核要求。3.3主軸組件的支承3.3.1主軸軸承的類型機床主軸帶著刀具或夾具在支承件中作回轉運動，需要傳遞切削扭矩，承受切削抗力，并保證必要的旋轉精度。數控機床主軸支承根據主軸部件的轉速、承載能力及回轉精度等要求的不同而采用不同種類的軸承。主軸軸承是主軸組件的重要組成部分，它的類型、結構、配置、精度、安裝、調整、潤滑和冷卻都直接影響了主軸組件的工作性能。在數控機床上主軸軸承常用的有滾動軸承和滑動軸承。滾動軸承摩擦阻力小，可以預緊，潤滑維護簡單，能在一定的轉速范圍和載荷變動范圍下穩定地工作。滾動軸承由專業化工廠生產，選購維修方便，在數控機床上被廣泛采用。但與滑動軸承相比，滾動軸承的噪聲大，滾動體數目有限，剛度是變化的，抗振性略差并且對轉速有很大的限制。數控機床主軸組件在可能條件下，盡量使用了滾動軸承，特別是大多數立式主軸和主軸裝在套筒內能夠作軸向移動的主軸。這時滾動軸承可以用潤滑脂潤滑以避免漏油。圖3.6所示為主軸常用的幾種滾動軸承的類型。(a)雙列圓柱(b)雙列推力向(c)雙列圓錐滾(d)帶凸緣雙列圓柱(e)帶彈簧的單列圓滾子軸承心球軸承子軸承滾子軸承錐滾子軸承為了適應主軸高速發展的要求，滾珠軸承的滾珠可采用陶瓷滾珠。陶瓷滾珠軸承由于陶瓷材料的質量輕，熱膨脹系散小，耐高溫，所以具有離心小、動摩擦力小、預緊力穩定、彈性變形小、剛度高的特點。但由于成本較高，在數控機床上還未普及使用。數控機床主軸支承根據主軸部件的轉速、承載能力及回轉精度等要求的不同而采用不同種類的軸承。不同類型主軸軸承的優缺點見表3.1。表3.1數控機床的主軸軸承及其性能性能滾動軸承液體靜壓軸承氣體靜壓軸承磁力軸承陶瓷軸承精度一般或較高，在預緊無間隙時較高高，精度保持性好一般同滾動軸承剛度一般或較高，預緊后較高，取決于所用軸高，與節流閥形式有關，薄膜反饋或滑閥反饋很高較差，因空氣可壓縮，與承載力大小有關不及一般滾動軸承比一般滾動軸承差抗振性較差，阻尼比好，阻尼比好較好同滾動軸承速度性能用于中、低速，特殊軸承可用于較高速用于各級速度用于超高速用于高速用于中、高速，熱傳導率低，不易發熱摩擦損耗較小，小，小很小同滾動軸承壽命疲勞強度限制長長長較長結構尺寸軸向小，徑向大軸向大，徑向小軸向大，徑向小徑向大軸向小，徑向大制造難易軸承生產專業化、標準化自制，工藝要求高，需要供油設備自制，工藝較液壓系統低，需要供氣系統較復雜比滾動軸承難使用維護簡單，用油脂潤滑要求供油系統清潔，較難要求供氣系統清潔，較易較難較難成本低較高較高高較高機床主軸軸承發展，經歷了滾、陶、氣浮、磁浮等階段。滾動軸承發展到陶瓷軸承，即鋼球改為陶瓷球，滾道加TiN或CrNi金屬。由于陶瓷球具有高剛度、高硬度、低密度以及低熱脹和低導熱系數等特點，同時所用油脂為一次性，終身潤滑，大大地提高了滾動軸承的性能，所以被廣泛采用。目前，一般中小規格的數控機床（如車床、銑床、鉆鏜床、加工中心、磨床等）的主軸部件多采用成組高精度滾動軸承重型數控機床采用液體靜壓軸承，高精度數控機床（如坐標磨床）采用氣體靜壓軸承，轉速達的主軸則可采用磁力軸承或氮化硅材料的陶瓷滾珠軸承。數控機床的轉速高，為減少主軸的發熱，必須改善軸承的潤滑方式。在數控機床上的潤滑一般采用高級油脂封入方式潤滑，每加一次油脂可使用年。3.3.2主軸軸承的配置根據主軸部件的工作精度、剛度、溫升和結構的復雜程度，合理配置軸承，可以提高主傳動系統的精度。采用滾動軸承支承，有許多不同的配置形式，目前數控機床主軸軸承的配置主要有如圖3.7所示的幾種形式。(a)(b)(c)+(d)圖3.7數控機床主軸軸承的配置形式在圖3.7a所示的配置中，前支承采用雙列短圓柱滾子軸承和60o角接觸球軸承組合，承受徑向載荷和軸向載荷，后支承采用成對角接觸球軸承，該配置可滿足強力切削的要求，普遍應用于各類數控機機床。在圖3.7b所示的配置形式中，前軸承采用角接觸球軸承，由個軸承組成一套，背靠背安裝，承受徑向載荷和軸向載荷，后支承采用雙列短圓柱滾子軸承，這種配置適用于高速、重載的主軸部件。在圖3.7c所示的配置形式中，前后支承均采用成對角接觸球軸承，以承受徑向載荷和軸向載荷，角接觸球軸承具有較好的高速性能，主軸最高轉速可達，但這種軸承的承載能力小，因而這種配置適用于高速、輕載和精密的數控機床主軸。在圖3.7d所示的配置形式中，前支撐采用雙列圓錐滾子軸承，承受徑向載荷和軸向載荷，后支承采用單列圓錐滾子軸承，這種配置徑向和軸向的剛度高，可承受重載荷，尤其能承受較強的動載荷，安裝與調整性能好，但主軸轉速和精度的提高受到限制，因此適用于中等精度，低速與重載荷的數控機床主軸[15]。(a)(b)3.3.3主軸支承方案的確定主軸軸承的不同配置形式對主軸組件剛度損失有巨大的影響，從而確定當支承跨距較大時，降低支承剛度，或適當增大主軸軸頸直徑和內孔直徑是減小主軸組件剛度損失的有效措施，并可提高其動態性能。本課題采用陶瓷球軸承做主軸支撐，即用氮化硅材料(Si3N4)做成陶瓷球來替代滾珠，軸承內外套圈仍為GCrl5鋼套圈。雖然只是把鋼球變成了氮化硅球，但是另一方面，溝道的幾何尺寸也作了改進以優化軸承性能。這種軸承在減小了離心力的同時，也減小了滾珠與該道間的摩擦力，從而獲得較低的溫升及較好的高速性能。混合陶瓷球軸承最常見的形式是角接觸球軸承，它可以在既有徑向也有軸向負荷時有效地高速運轉。但是軸向負荷只能從一個方向施加。因此，這些軸承通常成對安裝并施加預負荷以保證正確的接觸角。由于加工中心在加工時不僅需要受到軸向力，還會受到一定的徑向力。因此在本課題的軸承配置中選用如圖3.7的方式。而本課題的預緊方式采用隔套調整法及雙螺母預緊。3.3.4軸承的配合由于主軸軸承在工作時基本上都是內圈旋轉、外圈相對固定不動,且主軸承受載荷多為定向載荷。因此,為了提高軸承的剛性,防止軸承在工作期間因摩擦發熱而引起內圈膨脹,導致內圈與主軸之間產生相對轉動現象,精密機床主軸軸承內圈與主軸之間一般選擇過盈配合。另外,為了使軸承外圈溝道不只在某一局部受力,允許軸承外圈在軸承座內出現蠕動現象,以盡可能地延長軸承的使用壽命。同時,為防止軸承外圈因熱膨脹引起與軸承座之間的過緊現象,引起軸承預緊增加,導致摩擦發熱加劇,故軸承外圈與軸承座之間一般選擇間隙配合。在本課題中，固定端前支承的7217C角接觸球軸承與軸承座的配合采用間隙配合,配合目標間隙值取3～8μm。為了提高機床的切削剛性，該軸承與主軸的配合采用過盈配合,配合目標過盈量取0～4μm。而后支承的7215C角接觸球軸承與主軸選用過盈配合,配合目標過盈量取0～3μm。與軸承座之間為間隙配合,配合目標間隙值取9～15μm。3.3.5主軸軸承設計計算（1）軸承受力分析軸承的受力簡圖參見圖3.3。從圖上可知，在A、B兩處所用的是同種型號的角接觸球軸承，且D處的軸承是成對使用，共同承擔支承作用。所以，校驗C、D處7217AC軸承只需取受力最大處即可。已知：，，，則軸承7217AC所受徑向合力為軸承7215C所受徑向合力為（2）軸承7217AC壽命計算軸承的工作年限為7年（一年按300天計算），每天兩班工作制（按16h計算），則軸承預期計算壽命為已知軸承7217AC所受的軸向負荷，徑向負荷。分界判斷系數。由《機械設計基礎》查得徑向動載荷系數X=0.41，軸向動載荷系數Y=0.87。根據載荷性質為中等沖擊，查得載荷系數一般為，取。則軸承的當量動載荷為以小時數表示的軸承壽命（單位為h）為……………………（3.9）式中：——失效率（可靠度）的基本額定壽命（）——軸承的轉速，單位為；——基本額定動載荷，單位為；——當量動載荷，單位為；——壽命指數，對球軸承，滾子軸承。查表得基本額定動載荷。將上述參數代入公式（3.9），則以小時數表示的軸承壽命為由于，所以能夠滿足要求。（3）軸承7215C壽命計算軸承的工作年限為7年（一年按300天計算），每天兩班工作制（按16h計算），則軸承預期計算壽命為已知軸承7215C所受的軸向負荷，徑向負荷。由《機械設計基礎》查得分界判斷系數。由《機械設計基礎》查得徑向動載荷系數X=0.41，軸向動載荷系數Y=0.87。根據載荷性質為中等沖擊，由《機械設計基礎》查得載荷系數一般為，取。則軸承的當量動載荷為查《機械設計基礎》得基本額定動載荷。將上述參數代入公式（3.9），則以小時數表示的軸承壽命為由于，所以能夠滿足要求。3.4同步帶的設計計算(1)設計功率根據工作機為加工中心，原動機為交流電動機，每天兩班制工作（按計），由《機械設計基礎》查得。故設計功率為：式中：——傳遞的功率，——載荷修正系數(2)選定帶型和節距根據設計功率，小帶輪轉速，由《機械設計基礎》確定帶輪的帶型為H型。按照同步帶的帶型為H型，由《機械設計基礎》查得節距(3)小帶輪齒數根據小帶輪轉速，同步帶的帶型為H型，由《機械設計基礎》查得小帶輪的最小齒數，故取(4)小帶輪節圓直徑式中：——小帶輪齒數；——節距。按照小帶輪齒數，同步帶的帶型為H型，由《機械設計基礎》查得其外徑(5)大帶輪齒數式中：——小帶輪轉速；——大帶輪轉速。大帶輪齒數(6)大帶輪節圓直徑式中：——節距。按大帶輪齒數，同步帶帶型為H型，由《機械設計基礎》查得其外徑(7)帶速式中：——小帶輪節圓直徑；——小帶輪轉速。(8)初定軸間距經驗公式：…………（3.10）式中：——小帶輪節圓直徑；——大帶輪節圓直徑。將，值代入公式（3.10），得。故取。(9)帶長及其齒數式中：——帶長；——初定軸間距；——小帶輪節圓直徑；——大帶輪節圓直徑。按帶長，同步帶的帶型為H型，由《機械設計基礎》查得應選用帶長代號為的H型同步帶，節線長，節線長上的齒數。(10)實際軸間距實際軸間距式中：——初定軸間距；——節線長；——帶長。(11)小帶輪嚙合齒數式中：——小帶輪嚙合齒數；——節距。(12)基本額定功率按照同步帶的帶型為H型，由《機械設計基礎》查得帶的許用工作拉力，帶的單位長度的質量。基本額定功率為：式中：——寬度為的帶的許用工作拉力——寬度為的帶單位長度的質量(13)帶寬按同步帶的帶型為H型，由《機械設計基礎》查得；按小帶輪嚙合齒數，由《機械設計基礎》查得嚙合齒數系數。帶寬為：式中：——嚙合齒數系數——同步帶的基準寬度，按照帶寬，同步帶帶型為H型，由《機械設計基礎》確定選帶寬代號為的H型帶，其帶寬(14)作用在軸上的力式中：——作用在軸上的力；——設計功率；——帶速。(15)帶輪的結構和尺寸傳動選用的同步帶為小帶輪：，，大帶輪：，，3.5鍵的設計計算3.5.1主軸上的鍵對于采用常見的材料和按標準選取尺寸的普通平鍵聯接（靜聯接），其主要失效形式是工作面被壓潰。除非存在嚴重過載，否則一般不會出現鍵的剪斷。因此，通常只按工作面上的擠壓應力進行強度校核計算。假定載荷在鍵的工作面上是均勻分布的，則普通平鍵聯接的強度條件為：………………（3.11）式中：——傳遞的轉矩（），單位為；——鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，，此處為鍵的高度，單位為；——鍵的工作長度，單位為，圓頭平鍵，平頭平鍵，這里的為鍵的公稱長度，單位為，為鍵的寬度，單位為；——軸的直徑，單位為；——鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應力，單位已知：帶輪作用在軸上的力，鍵所處主軸段直徑，鍵的寬度，鍵的公稱長度，鍵的高度。鍵所傳遞的轉矩為由于主軸處采用圓頭平鍵，故鍵的工作長度為鍵與輪轂鍵槽的接觸高度為將上述參數代入公式（3.11），故聯接工作面擠壓應力為按聯接工作方式為靜聯接，且載荷性質具有沖擊性，查《機械設計基礎設計手冊》得鍵聯接的許用應力。由于，所以能滿足要求。3.5.2主電機上的鍵已知：主電機額定轉矩，電機輸出軸的直徑，鍵的寬度，鍵的公稱長度，鍵的高度，鍵聯接的許用應力。由于主軸處采用單圓頭普通平鍵，故鍵的工作長度為鍵與輪轂鍵槽的接觸高度為將上述參數代入公式（3.11），故聯接工作面擠壓應力為由于，所以能滿足要求。4電動機與聯軸器的選擇4.1電動機的選擇4.1.2進給電動機的選擇寬調速直流伺服電動機的結構特點是勵磁便于調整，易于安排補償繞組和換向極，電動機的換向性能得到改善，成本低，可以在較寬的速度范圍內得到恒轉速特性。當然，寬調速直流伺服電動機體積較大，其電刷易磨損，壽命受到一定限制。日本法納克（FANUC）公司生產的用于工業機器人、CNC機床、加工中心（MC）的L系列適合于在頻繁啟動、制動場合應用。根據估算得出的電動機功率，選用FANUC的6L型電動機，其主要性能指標如下：輸出功率：；額定轉矩：；最大轉矩：；最高轉速：；轉子慣量：。4.2聯軸器的設計計算(1)類型選擇為了隔離振動與沖擊，選用凸緣聯軸器。(2)載荷計算已知進給電動機的額定轉矩為。根據工作機的轉矩是變化的，且沖擊載荷較大，原動機類型為電動機，由《機械設計基礎》查得工作情況系數。則計算轉矩為：(3)型號選擇選擇聯軸器時，聯軸器的許用轉矩要大于計算轉矩，許用最大轉速要大于電動機轉速。由GB5843-86中查得YL5型凸緣聯軸器的許用轉矩為，許用最大轉速為，適合于尺寸在之間的軸頸。故能夠滿足要求。5結論本課題的指導思想是在滿足立式加工中心主軸組件的工作要求的前提下，盡可能使其性能優越，傳動平穩，并且使加工中心的整體機構的體積、質量盡可能減小，從而降低成本。本課題確定了立式加工中心主軸組件的總體設計方案，對主軸組件的各組成機構進行了方案論證、設計計算以及選型。同時，通過對加工中心主軸組件的主要部件，如：主軸、軸承、絲杠、鍵等進行校核，較為理想地實現了任務書中對立式加工中心主軸組件的技術指標。加工中心主軸組件的運轉過程比較平穩，且主軸組件的結構簡單，拆裝方便，維修容易，價格低廉。主軸組件的結構主要分為兩個部分，即主運動機構和進給運動機構。而在主運動機構中，按照功能來分，可主要分為主軸傳動機構、主軸準停機構、刀具自動夾緊機構以及切屑清除機構。本課題采用了FANUC—6S型交流主軸電動機作為主軸傳動的原動力，通過同步帶傳動來實現主軸電機和主軸之間的減速傳動。通過對同步帶帶型的選擇，確定了同步帶傳動的線速度、帶長、軸間距等參數，并對大小帶輪進行了結構設計。為了防止同步帶的掉落，在帶輪的兩側按分別安裝了帶輪擋圈。在大帶輪上還安裝了動平衡較好的圓盤，主軸準停中的發磁體被設置在圓盤上，而磁傳感器則安放于距離發磁體2～3mm處，實現了主軸準停功能。在刀具自動夾緊機構中，為了控制活塞的行程，采用了2個型號為LX19-111的行程開關，避免了刀具產生夾持過緊或過松的現象。為了提高主軸的剛度，主軸的支承采用了三支承形式，并在前后支承處讓角接觸軸承進行背對背安裝，使主軸能夠承受雙向的軸向載荷。通過計算校核，主軸的剛度和強度滿足設計的要求。同時，由于采用了混合陶瓷軸承，使軸承的運轉速度提高、剛性增大、熱穩定性更好，改善了全鋼軸承所存在的一些不足之處。軸承的潤滑方式采用脂潤滑，其潤滑油的類型為高級鋰基油脂。在主軸組件的進給傳動機構中，本課題采用了FANUC-6L型直流伺服電動機作為原動機。電動機的輸出軸與絲杠通過凸緣聯軸器直接相連。絲杠的前支承采用了深溝球軸承，而后支承則采用了型號為35TAC72A的角接觸軸承。考慮到絲杠在工作時的熱膨脹，所以，在絲杠的配置形式中，選用了固定——簡支形式，使絲杠在受熱膨脹后不會產生撓度。為了限制進給機構的行程，在滾珠絲杠副處設置了兩個撞塊，并在機架上安裝