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摘 要
數(shù)控車床不僅能夠車外圓還能用于鏜孔、車端面、鉆孔與鉸孔。與其他種類的機(jī)床相比，車床在生產(chǎn)中使用最廣。
本論文首先介紹了我國(guó)數(shù)控機(jī)床發(fā)展的過(guò)程與現(xiàn)狀 ,并分析了其存在的問(wèn)題 ;對(duì)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討；并對(duì)ck6125數(shù)控車床主軸箱傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與計(jì)算。
主軸箱有安裝在精密軸承中的空心主軸和一系列變速齒輪組成。數(shù)控車床主軸可以獲得在調(diào)速范圍內(nèi)的任意速度，以滿足加工切削要求。
目前，數(shù)控車床的發(fā)展趨勢(shì)是通過(guò)電氣與機(jī)械裝置進(jìn)行無(wú)級(jí)變速。變頻電機(jī)通過(guò)帶傳動(dòng)和變速齒輪為主軸提供動(dòng)力。通常變頻電機(jī)調(diào)速范圍3—5，難以滿足主軸變速要求；串聯(lián)變速齒輪則擴(kuò)大了齒輪的變速范圍 。
本設(shè)計(jì)將原來(lái)的帶輪不卸荷結(jié)構(gòu)變?yōu)榱藥л喰逗山Y(jié)構(gòu)，使輸入軸在帶處只受轉(zhuǎn)矩，將軸上的徑向力傳動(dòng)到車床機(jī)體上,改善了輸入軸的受力情況。
關(guān)鍵詞：主軸箱，無(wú)級(jí)調(diào)速，傳動(dòng)系統(tǒng)
Abstract
Abstract： NC lathe can do boring, facing, drilling and Reaming in addition to turning.The use of lathes in the production than the other types of machine tools and more. And compared to other types of machine tools, lathes in the production is the most widely used.
In this design ,the development and current situation of NC machine in China was introduced and a series of problems were presented .The development trend to NC lathe was discussed.Some countermeasures was presented for the development of NC machine in China and then the headstock of ck6125NC lathe has been calculatly designed . Headstocks is composed of the hollow spindle which is installed in precision bearings and a series of transmission gears. The spindle can obtain any speed in the speed range to meet the processing requirements of cutting.
At present, the development trend is to provide a continuously variable speed through the electrical or mechanical devices . Variable Frequency Motor conveys the power through belt drive and a set of transmission gears. The speed range of Variable Frequency Motor is usually 3-5 , which is difficult to meet the speed range requirements of the spindle speed; The transmission gears is to expand the scope of a variable-speed to meet the speed range of the spindle .
In addition, in this design the design of the belt drive has been changed from the original unloading structure into the loading structure, transmissed the force to the lathe body so that input shaft is only forced torque, improved the forcing state of the input shaft.
Key words: headstocks, a continuously variable speed , transmission Systerm
目錄
目錄
摘要 I
ABSTRACT. II
第一章 前言 1
1.1課題背景及目的 1
1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 1
1.2.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 1
1.2.2 我國(guó)數(shù)控車床的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 2
1.3課題研究?jī)?nèi)容及方法 5
1.3.1 課題研究?jī)?nèi)容 5
1.3.2 研究方法 5
1.4 論文構(gòu)成 5
第二章 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6
2.1主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 6
2.2總體設(shè)計(jì) 6
2.2.1 擬定傳動(dòng)方案 6
2.2.2 選擇電機(jī) 7
2.2.3 主運(yùn)動(dòng)調(diào)速范圍的確定 9
2.2.4 轉(zhuǎn)速圖 11
第三章 傳動(dòng)系統(tǒng)零部件設(shè)計(jì) 12
3.1傳動(dòng)皮帶的設(shè)計(jì)和選定 12
3.1.1．V帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) 12
3.2軸系部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14
3.2.1 I軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14
3.2.2 II軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17
3.2.3電磁摩擦離合器的計(jì)算和選擇 21
第四章 主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 23
4.1 對(duì)主軸組件的性能要求 23
4.2 軸承配置型式 24
4.3 主要參數(shù)的確定 24
4.4 主軸頭的選用 25
4.5 編碼器的選擇與安裝 25
第五章 結(jié)論 27
參 考 文 獻(xiàn) 28
致謝 29
第一章 前言
第一章 前言
1.1課題背景及目的
我國(guó)目前機(jī)床總量380余萬(wàn)臺(tái)，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有11.34萬(wàn)臺(tái)，即我國(guó)機(jī)床數(shù)控化率不到3％。近10年來(lái)，我國(guó)數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為0.6～0.8萬(wàn)臺(tái)，年產(chǎn)值約為18億元。機(jī)床的數(shù)控化率僅為6％。這些機(jī)床中,役齡10年以上的占60％以上；10年以下的機(jī)床中，自動(dòng)/半自動(dòng)機(jī)床不到20％，F(xiàn)MC/FMS等自動(dòng)化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國(guó)和日本自動(dòng)和半自動(dòng)機(jī)床占60％以上）。可見(jiàn)我們的大多數(shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機(jī)床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機(jī)床。用這種裝備加工出來(lái)的產(chǎn)品國(guó)內(nèi)、外市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，直接影響一個(gè)企業(yè)的的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。
而相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)床，數(shù)控機(jī)床有以下明顯的優(yōu)越性：
1、可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來(lái)的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。
2、可以實(shí)現(xiàn)加工的柔性自動(dòng)化，從而效率比傳統(tǒng)機(jī)床提高3～7倍。
3、加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。
4、可實(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。
5、擁有自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人看管加工。
因此，采用數(shù)控機(jī)床，可以降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省勞動(dòng)力（一個(gè)人可以看管多臺(tái)機(jī)床），減少工裝，縮短新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對(duì)市場(chǎng)需求作出快速反應(yīng)。 此外，機(jī)床數(shù)控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動(dòng)化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。
由于以上優(yōu)越性，數(shù)控機(jī)床所占的比例逐漸增大。從2005年的市場(chǎng)消費(fèi)內(nèi)容也可可看出,普通機(jī)床的市場(chǎng)份額在下降,數(shù)控機(jī)床則大幅度增長(zhǎng)，尤其是中高檔數(shù)控機(jī)床供不應(yīng)求?？梢灶A(yù)見(jiàn)，未來(lái)幾年普通機(jī)床的市場(chǎng)份額將不斷下滑, 數(shù)控機(jī)床的消費(fèi)會(huì)逐漸擴(kuò)大。[2]
在這樣一種背景下，我的課題選擇為設(shè)計(jì)一臺(tái)數(shù)控車床——CK20，用于對(duì)轉(zhuǎn)體零件的圓柱面、圓弧面、圓錐面、端面、切槽、及各種公、英制螺紋等進(jìn)行批量、高效、高精度的自動(dòng)加工，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量和降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。通過(guò)本次設(shè)計(jì)培養(yǎng)綜合運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)，解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，使工程繪圖、數(shù)據(jù)處理、外文文獻(xiàn)閱讀、程序編制、使用手冊(cè)等基本技能及能力得到訓(xùn)練和提高。此外，力求完成課題之余，熟悉國(guó)內(nèi)外數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì),增強(qiáng)對(duì)如何發(fā)展民族數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的感性認(rèn)識(shí)。
1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
1.2.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)
自從1951年計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)床上，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了數(shù)控（NC）和計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）兩個(gè)階段的發(fā)展。目前，數(shù)控系統(tǒng)正處于第六代――基于PC（PC－BASED）。
未來(lái)數(shù)控系統(tǒng)將呈以下發(fā)展趨勢(shì)：
1、 繼續(xù)向開(kāi)放式、基于PC的第六代方向發(fā)展
基于PC所具有的開(kāi)放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點(diǎn)，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會(huì)走上這條道路。至少采用PC機(jī)作為它的前端機(jī)，來(lái)處理人機(jī)界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問(wèn)題，由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù)。
2、向高速化和高精度化發(fā)展
3、向智能化方向發(fā)展
（1）應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)向高速化和高精度化發(fā)展
數(shù)控系統(tǒng)能檢測(cè)過(guò)程中一些重要信息，并自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，達(dá)到改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的目的。
（2）引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工
將熟練工人和專家的經(jīng)驗(yàn)，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。
（3）引入故障診斷專家系統(tǒng)
（4）引入動(dòng)裝置智能化數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
可以通過(guò)自動(dòng)識(shí)別負(fù)載，而自動(dòng)調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)獲得最佳的運(yùn)行[3] 。
1.2.2 我國(guó)數(shù)控車床的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
1、研究現(xiàn)狀
我國(guó)數(shù)控車床從20世紀(jì)70年代初進(jìn)入市場(chǎng)，至今通過(guò)各大機(jī)床廠家的不懈努力，通過(guò)采取與國(guó)外著名機(jī)床廠家的合作、合資、技術(shù)引進(jìn)、樣機(jī)消化吸收等措施，使得我國(guó)的機(jī)床制造水平有了很大的提高，其產(chǎn)量在金屬切削機(jī)床中占有較大的比例。目前，國(guó)產(chǎn)數(shù)控車床的品種、規(guī)格較為齊全，質(zhì)量基本穩(wěn)定可靠，已進(jìn)入實(shí)用和全面發(fā)展階段。
1）床身
按照床身導(dǎo)軌面與水平面的相對(duì)位置，床身有圖1所示的5種布局形式。一般來(lái)說(shuō)，中、小規(guī)格的數(shù)控車床采用斜床身和平床身斜滑板的居多，只有大型數(shù)控車床或小型精密數(shù)控車床才采用平床身，立床身采用的較少。平床身工藝性好，易于加工制造。由于刀架水平放置，對(duì)提高刀架的運(yùn)動(dòng)精度有好處，但排屑困難；刀架橫滑板較長(zhǎng)，加大了機(jī)床的寬度尺寸，影響外觀。平床身斜滑板結(jié)構(gòu)，再配置上傾斜的導(dǎo)軌防護(hù)罩，這樣既保持了平床身工藝性好的優(yōu)點(diǎn)，床身寬度也不會(huì)太大。斜床身和平床身斜滑板結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代數(shù)控車床中被廣泛應(yīng)用，是因?yàn)檫@種布局形式具有以下特點(diǎn)：
☆ 容易實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化；
☆ 機(jī)床外形整齊、美觀，占地面積??；
☆ 容易設(shè)置封閉式防護(hù)裝置；
☆ 容易排屑和安裝自動(dòng)排屑器；
☆ 從工件上切下的熾熱切屑不至于堆積在導(dǎo)軌上影響導(dǎo)軌精度；
☆ 宜人性好，便于操作；
☆ 便于安裝機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化。
2)導(dǎo)軌
車床的導(dǎo)軌可分為滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌兩種。
滑動(dòng)導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、接觸剛度大等優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦阻力大，磨損快，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)差別大，低速時(shí)易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。目前，數(shù)控車床已不采用傳統(tǒng)滑動(dòng)導(dǎo)軌，而是采用帶有耐磨粘貼帶覆蓋層的滑動(dòng)導(dǎo)軌和新型塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌。它們具有摩擦性能良好和使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。
滾動(dòng)導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)是摩擦系數(shù)小，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)很接近，不會(huì)產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，可以使用油脂潤(rùn)滑。根據(jù)滾動(dòng)體的不同，滾動(dòng)導(dǎo)軌可分為滾珠直線導(dǎo)軌和滾柱直線導(dǎo)軌。后者的承載能力和剛度都比前者高，但摩擦系數(shù)略大。
??????
a)后斜床身-斜滑板 b)直立床身-直立滑板
c)平床身-平滑板 d)前斜床身-平滑板 e)平床身-斜滑板
圖1.1 床身布局型式
3）主軸傳動(dòng)系統(tǒng)
機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)可分為分級(jí)變速傳動(dòng)和無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)。分級(jí)變速傳動(dòng)是在一定范圍能均勻的、離散地分布著有限級(jí)數(shù)的轉(zhuǎn)速，主要用于普通機(jī)床。無(wú)級(jí)變速形式可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)改變轉(zhuǎn)速，以便得到滿足加工要求的最佳轉(zhuǎn)速，能在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速，便于自動(dòng)變速。數(shù)控車床得主傳動(dòng)系統(tǒng)通常采用無(wú)級(jí)變速。
與普通車床相比，數(shù)控車床的主傳動(dòng)采用交、直主軸調(diào)速電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍大，并可無(wú)級(jí)調(diào)速，使主軸結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。為了適應(yīng)不同的加工需求數(shù)控車床主傳動(dòng)系統(tǒng)有以下三種方式。
⑴電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng) 主軸電動(dòng)機(jī)與主軸通過(guò)聯(lián)軸器直接連接，或采用內(nèi)裝式主軸電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。采用直接驅(qū)動(dòng)可大大簡(jiǎn)化主軸箱結(jié)構(gòu)，能有效地提高主軸剛度。這種傳動(dòng)的特點(diǎn)是主軸轉(zhuǎn)速的變化、輸出轉(zhuǎn)矩與主軸的特性完全一致。但因主軸的功率和轉(zhuǎn)矩特性直接決定主軸電機(jī)的性能，因而這種變速傳動(dòng)的應(yīng)用受到一定限制。
⑵采用定比傳動(dòng) 主軸電動(dòng)機(jī)經(jīng)定比傳動(dòng)給主軸。 定比傳動(dòng)可采用帶傳動(dòng)或齒輪傳動(dòng)，這種傳動(dòng)方式在一定程度上能滿足主軸功率和轉(zhuǎn)矩的要求，但其變速范圍仍和電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍相同。
目前，交流、直流主軸電動(dòng)機(jī)的恒功率轉(zhuǎn)速范圍一般只有2-4，而恒轉(zhuǎn)矩范圍則達(dá)100以上；許多大、中型機(jī)床的主軸要求有更寬的恒功率轉(zhuǎn)速范圍。很明顯，這種情況下主軸電動(dòng)機(jī)的功率特性和機(jī)床主軸的要求不匹配:調(diào)速電動(dòng)機(jī)的恒功率范圍遠(yuǎn)小于主軸要求的恒功率變速范圍。所以這種變速方式多用于小型或高速數(shù)控機(jī)床。
⑶采用分檔變速方式 采用這種變速方式主要是為了解決主軸電動(dòng)機(jī)的功率特性和機(jī)床主軸功率特性不匹配。變速多采用齒輪副來(lái)實(shí)現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)變速配合變速機(jī)構(gòu)可確保主軸的功率、轉(zhuǎn)矩要求，滿足各種切削運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩輸出，特別是保證低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩和擴(kuò)大恒功率的調(diào)速范圍。
⑷用兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)主軸
上述兩種方式的混合傳動(dòng)，高速時(shí)帶輪直接驅(qū)動(dòng)主軸，低速時(shí)另一個(gè)電機(jī)通過(guò)齒輪減速后驅(qū)動(dòng)主軸
4）刀架系統(tǒng)
按換刀方式的不同，數(shù)控車床的刀架系統(tǒng)主要有回轉(zhuǎn)刀架、排式刀架和帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置等多種形式。排式刀架一般用于小規(guī)格數(shù)控車床，以加工棒料或盤類零件為主?；剞D(zhuǎn)刀架是數(shù)控車床最常用的一種典型換刀刀架，通過(guò)刀架的旋轉(zhuǎn)分度定位來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動(dòng)換刀動(dòng)作，根據(jù)加工要求可設(shè)計(jì)成四方、六方刀架或圓盤式刀架。根據(jù)刀架回轉(zhuǎn)軸與安裝底面的相對(duì)位置，回轉(zhuǎn)刀架分為立式刀架和臥式刀架兩種。排刀式刀架和回轉(zhuǎn)刀架對(duì)刀具的數(shù)目有一定的限制，當(dāng)需要數(shù)量較多的刀具時(shí)，應(yīng)采用帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置。
5）進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)
數(shù)控車床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)一般均采用進(jìn)給伺服系統(tǒng)，按其控制方式不同可分為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。前者定位精度低，但它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、造價(jià)低廉；后者控制精度高、快速性能好，但它對(duì)機(jī)床的要求比較高，且造價(jià)較昂貴。閉環(huán)系統(tǒng)中采用的位置檢測(cè)裝置有：脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、磁尺、光柵尺和激光干涉儀等。 數(shù)控車床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)中常用的驅(qū)動(dòng)裝置是伺服電機(jī)。伺服電機(jī)有直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)之分。前者由于具有可靠性高、造價(jià)低等特點(diǎn)而被廣泛采用[4]。
2、發(fā)展趨勢(shì)
1）高速、高精密化
當(dāng)前機(jī)床正向高速切削、干切削和準(zhǔn)干切削方向發(fā)展，加工精度也在不斷地提高。另一方面，電主軸和直線電機(jī)的成功應(yīng)用，陶瓷滾珠軸承、高精度大導(dǎo)程空心內(nèi)冷和滾珠螺母強(qiáng)冷的低溫高速滾珠絲杠副及帶滾珠保持器的直線導(dǎo)軌副等機(jī)床功能部件的面市，也為機(jī)床向高速、精密發(fā)展創(chuàng)造了條件。
2）高可靠性
3）數(shù)控車床設(shè)計(jì)CAD化、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊化
采用CAD技術(shù)以替代人工完成繁瑣的繪圖工作，進(jìn)行設(shè)計(jì)方案選擇和大件整機(jī)的靜、動(dòng)態(tài)特性分析、計(jì)算、預(yù)測(cè)及優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及對(duì)整機(jī)各工作部件進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬仿真。這樣大大提高了工作效率，提高設(shè)計(jì)的一次成功率，從而縮短試制周期，降低設(shè)計(jì)成本，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。
4）功能復(fù)合化
擴(kuò)大機(jī)床的使用范圍、提高效率，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用、一機(jī)多能，即一臺(tái)數(shù)控車床既可以實(shí)現(xiàn)車削功能，也可以實(shí)現(xiàn)銑削加工。
5）智能化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化和集成化[5]。
1.3課題研究?jī)?nèi)容及方法
1.3.1 課題研究?jī)?nèi)容
本課題設(shè)計(jì)的數(shù)控車床的主要參數(shù)如下：
床身上最大回轉(zhuǎn)直徑：；溜板箱上直徑：
最大車削長(zhǎng)度：；主軸錐度：莫氏6#
主軸轉(zhuǎn)速：25~2500rpm（有級(jí)或無(wú)極變頻調(diào)速）；主軸功率：4Kw
課題研究的主要內(nèi)容包括主軸傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、編碼盤的安裝及離合器的使用。
1.3.2 研究方法
第一步，明確設(shè)計(jì)要求，找出研究的重難點(diǎn)：普通數(shù)控車床最基本的要求是精度達(dá)標(biāo)，穩(wěn)定可靠，操作、維修、保養(yǎng)方便，壽命較長(zhǎng)，此外力求外型美觀。
第二步，進(jìn)工廠觀摩，大量收集國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料，吸取專家的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。
第三步，初步確定總體設(shè)計(jì)方案：
1、軟件方面 綜合考慮功能、價(jià)格、技術(shù)先進(jìn)、服務(wù)方便等因素，以及數(shù)控系統(tǒng)所具有的功能是否與CK6125的性能相匹配，盡量減少過(guò)剩的數(shù)控功能。選擇了SINUMERIK 802D機(jī)床微機(jī)控制系統(tǒng)。
2、硬件方面
（1）根據(jù)機(jī)床性能要求，確定機(jī)床支承件結(jié)構(gòu)形式為斜床身結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行總體布局；
（2）選擇主電機(jī)。根據(jù)切削力大小及機(jī)床的變速要求，初步確定主電機(jī)型號(hào)；
（3）設(shè)計(jì)主傳動(dòng)系統(tǒng)及箱體。由主電機(jī)的變速范圍，確定變速箱的減速級(jí)數(shù)以及傳動(dòng)方式。
1.4 論文構(gòu)成
本論文構(gòu)成如下：
第一章闡述課題的研究背景及內(nèi)容。
第二章詳細(xì)論述主軸系統(tǒng)包括各傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
第三章詳細(xì)介紹液壓卡盤的設(shè)計(jì)選用。
第四章闡述數(shù)控系統(tǒng)的選擇及其設(shè)計(jì)。
第五章提供了在本機(jī)床加工一典型零件的程序。
第六章總結(jié)本課題設(shè)計(jì)的特點(diǎn)及其有待改進(jìn)之處。
論文最后是本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的心得和參考文獻(xiàn)。
第二章 主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
第二章 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2.1主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求
數(shù)控系統(tǒng)的主軸系統(tǒng)除了應(yīng)滿足普通機(jī)床主傳動(dòng)要求外，還提出以下要求：
1、具有更大的調(diào)速范圍，并實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速;
2、具有較高的精度和剛度、傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低;
3、良好的抗振性和熱穩(wěn)定性.
2.2總體設(shè)計(jì)
2.2.1 擬定傳動(dòng)方案
數(shù)控機(jī)床需要自動(dòng)換刀、自動(dòng)變速；且在切削不同直徑的階梯軸，曲線螺旋面和端面時(shí)，需要切削直徑的變化,主軸必須通過(guò)自動(dòng)變速，以維持切削速度基本恒定。這些自動(dòng)變速又是無(wú)級(jí)變速，以利于在一定的調(diào)速范圍內(nèi)選擇理想的切削速度，這樣有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。無(wú)級(jí)調(diào)速有機(jī)械、液壓和電氣等多種形式，數(shù)控機(jī)床一般采用由直流或交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源的電氣無(wú)級(jí)變速。由于數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)的調(diào)速范圍較大（），單靠調(diào)速電機(jī)無(wú)法滿足這么大的調(diào)速范圍，另一方面調(diào)速電機(jī)的功率扭矩特性也難于直接與機(jī)床的功率和轉(zhuǎn)矩要求相匹配。因此，數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)變速系統(tǒng)常常在無(wú)級(jí)變速電機(jī)之后串聯(lián)機(jī)械有級(jí)變速傳動(dòng)，以滿足機(jī)床要求的調(diào)速范圍和轉(zhuǎn)矩特性。
為簡(jiǎn)化主軸箱結(jié)構(gòu)，本方案僅采用二級(jí)機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)方案如圖2.1：
有級(jí)變速的自動(dòng)變換方法一般有液壓和電磁離合器兩種。
液壓變速機(jī)構(gòu)是通過(guò)液壓缸、活塞桿帶動(dòng)撥叉推動(dòng)滑移齒輪移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)變速，雙聯(lián)滑移齒輪用一個(gè)液壓缸，而三聯(lián)滑移齒輪則必須使用兩個(gè)液壓缸（差動(dòng)油缸）實(shí)現(xiàn)三位移動(dòng)。液壓撥叉變速是一種有效的方法，工作平穩(wěn)，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。但變速時(shí)必須主軸停車后才能進(jìn)行，另外，它增加了數(shù)控機(jī)床的復(fù)雜性，而且必須將數(shù)控裝置送來(lái)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電磁閥的機(jī)械動(dòng)作，然后再將壓力油分配到相應(yīng)的液壓缸，因而增加了變速的中間環(huán)節(jié)，帶來(lái)了更多的不可靠因素。
圖2.1 主軸傳動(dòng)圖
電磁離合器是應(yīng)用電磁效應(yīng)接通或切斷運(yùn)動(dòng)的元件，由于它便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作，并有現(xiàn)成的系列產(chǎn)品可供選用，因而它已成為自動(dòng)裝置中常用的操作元件。電磁離合器用于數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)時(shí)，能簡(jiǎn)化變速機(jī)構(gòu)，操作方便。通過(guò)若干個(gè)安裝在各傳動(dòng)軸上的離合器的吸合和分離的不同組合來(lái)改變齒輪的傳動(dòng)路線，實(shí)現(xiàn)主軸的變速。電磁離合器一般分為摩擦片式和牙嵌式[6]。
2.2.2 選擇電機(jī)
1、選擇電機(jī)應(yīng)綜合考慮的問(wèn)題
(1)根據(jù)機(jī)械的負(fù)載特性和生產(chǎn)工藝對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求，選擇電動(dòng)機(jī)類型。
(2)根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變化范圍和啟動(dòng)頻繁程度等要求，考慮電動(dòng)機(jī)的溫升限制、過(guò)載能力額啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，選擇電動(dòng)機(jī)功率，并確定冷卻通風(fēng)方式。所選電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)留有余量，負(fù)荷率一般取0.8～0.9。
(3)根據(jù)使用場(chǎng)所的環(huán)境條件，如溫度、濕度、灰塵、雨水、瓦斯以及腐蝕和易燃易爆氣體等考慮必要的保護(hù)措施，選擇電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)型式。
(4)根據(jù)企業(yè)的電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)和對(duì)功率因素的要求，確定電動(dòng)機(jī)的電壓等級(jí)和類型。
(5)根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的最高轉(zhuǎn)速和對(duì)電力傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程的要求，以及機(jī)械減速機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，選擇電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速。
此外，還要考慮節(jié)能、可靠性、供貨情況、價(jià)格、維護(hù)等等因素[11]。
2、電動(dòng)機(jī)類型和結(jié)構(gòu)型式的選擇
由于不同的機(jī)床要求不同的主軸輸出性能(旋轉(zhuǎn)速度，輸出功率，動(dòng)態(tài)剛度，振動(dòng)抑制等)，因此，主軸選用標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際使用需要是緊密相關(guān)的。總的來(lái)說(shuō)，選擇主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將在價(jià)格與性能之間找出一種理想的折衷[9]。表1簡(jiǎn)要給出了用戶所期望的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能。下面將對(duì)各種交流主軸系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比、分析。
表1.1 理想主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能
項(xiàng)目
內(nèi)容
高性能
低速區(qū)要有足夠的轉(zhuǎn)矩
寬恒功率范圍,并在高速范圍內(nèi)保持一定轉(zhuǎn)矩
高旋轉(zhuǎn)精度
高動(dòng)態(tài)響應(yīng)
高加減速,起制動(dòng)能力
具有強(qiáng)魯棒性,能適應(yīng)環(huán)境條件和參數(shù)變化
高效率,低噪聲
低價(jià)格
低購(gòu)買價(jià)格,低維護(hù)價(jià)格,低服務(wù)價(jià)格
通用要求
耐用性,可維護(hù)性,安全可靠性
感應(yīng)電機(jī)交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是當(dāng)前商用主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主流，其功率范圍從零點(diǎn)幾個(gè)kW到上百kW，廣泛地應(yīng)用于各種數(shù)控機(jī)床上。
經(jīng)過(guò)對(duì)比分析本設(shè)計(jì)中決定采用VFNC系列變頻主軸電機(jī)。VFNC系列是高速、高精、高效的伺服系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)床的高速、高精控制，并使機(jī)床更緊湊。
3、電動(dòng)機(jī)容量的選擇
選擇電動(dòng)機(jī)容量就是合理確定電動(dòng)機(jī)的額定功率。決定電動(dòng)機(jī)功率時(shí)要考慮電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱、過(guò)載能力和起動(dòng)能力三方面因素，但一般情況下電動(dòng)機(jī)容量主要由運(yùn)行發(fā)熱條件而定。電動(dòng)機(jī)發(fā)熱與其工作情況有關(guān)。但對(duì)于載荷不變或變化不大，且在常溫下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)（如本課題中的電動(dòng)機(jī)），只要其所需輸出功率不超過(guò)其額定功率，工作時(shí)就不會(huì)過(guò)熱，可不進(jìn)行發(fā)熱計(jì)算[8]，本設(shè)計(jì)中電機(jī)容量按以下步驟確定：
（1）確定電機(jī)輸出動(dòng)率Pd（）
傳動(dòng)裝置的總效率 (2.2)
其中， ―V帶輪傳動(dòng)效率，由資料[12]，表2－4查得＝0.96；
―滾動(dòng)軸承效率，由資料[12]，表2－4查得＝0.99；
―圓柱齒輪傳動(dòng)效率，由資料[12]，表2－4查得＝98；
由此，=0.88
故，
（3）選擇電動(dòng)機(jī)額定功率
如前所述，電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)留有余量，負(fù)荷率一般取0.8～0.9，所以電動(dòng)機(jī)額定功率選取為5.5Kw。
（4）電動(dòng)機(jī)電壓和轉(zhuǎn)速的選擇
由資料[10],表22－1－9，小功率電動(dòng)機(jī)一般選為380V電壓。所以本電機(jī)的電壓可選為380V。
同一類型、功率相同的電動(dòng)機(jī)具有多種轉(zhuǎn)速。一般而言，轉(zhuǎn)速高的電動(dòng)機(jī)，其尺寸和重量小，價(jià)格較低，但會(huì)使傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比、結(jié)構(gòu)尺寸和重量增加。選用轉(zhuǎn)速低的電動(dòng)機(jī)則情況相反。要綜合考慮電機(jī)性能、價(jià)格、車床性能要求等因素來(lái)選擇 [10] 。
本課題中數(shù)控機(jī)床的主軸的轉(zhuǎn)速范圍要求為25r/min~2500r/min。由于只有一根中間
傳動(dòng)軸，傳動(dòng)鏈較短，因此變速級(jí)數(shù)較少，故對(duì)電動(dòng)機(jī)恒功率變速范圍以及整個(gè)變速范圍要求較高。V帶輪傳動(dòng)比確定為，I軸上齒輪傳動(dòng)比確定為，II軸上兩對(duì)直齒輪的傳動(dòng)比分別為，所以兩條傳動(dòng)鏈中，高速傳動(dòng)鏈傳動(dòng)比4，低速傳動(dòng)鏈傳動(dòng)比，由此可得電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍：
（5）確定電機(jī)的型號(hào)
由前面信息，可選取VFNC系列變頻主軸電機(jī)型號(hào)VFNC 132M-33.3-5.5-4。VFNC系列變頻主軸電機(jī)的特點(diǎn)：1. 雙功率設(shè)計(jì)，應(yīng)對(duì)短時(shí)重載切削。2. 恒功率范圍寬，可實(shí)現(xiàn)1:6倍恒功率設(shè)計(jì)3. 導(dǎo)入基頻33.3Hz設(shè)計(jì)（是我司“基頻制設(shè)計(jì)原理”在機(jī)床主軸電機(jī)上的成功應(yīng)用），達(dá)成低速力矩大，確保低速?gòu)?qiáng)力切削，超寬恒功率調(diào)速范圍，保障高速切削光潔度。 降低變頻器功率，節(jié)省成本和電源容量。
?VFNC系列變頻主軸電機(jī)特別適合數(shù)控車床類機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)，配合高性能矢量變頻器或主軸驅(qū)動(dòng)器，更能發(fā)揮其優(yōu)良的主軸特性，成為性能與經(jīng)濟(jì)性具佳的數(shù)控車床類機(jī)床的變頻主軸驅(qū)動(dòng)方案。電機(jī)參數(shù)如下表所示：
表2.2 電機(jī)參數(shù)
型號(hào)
S1-100%連續(xù)額定
S6-50% ED
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量G
（）
恒轉(zhuǎn)矩范圍
恒功率范圍
額定功率Kw
額定電流A
額定轉(zhuǎn)矩Nm
額定功率Kw
額定電流A
額定轉(zhuǎn)矩Nm
0.0524
1-33.3Hz，
30~1000r/min
S1-100%,
1000~6000 r/min
S6-50%,
1000~4500 r/min
VFNC 132M-33.3-5.5-4
5.5
14.1
54
5.5
19.2
74
機(jī)座長(zhǎng)為470mm，電機(jī)軸徑為，軸伸為60mm，中心高115mm，其余安裝尺寸及其外形由資料[7]得。
2.2.3 主運(yùn)動(dòng)調(diào)速范圍的確定、計(jì)算各軸計(jì)算轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)矩
主運(yùn)動(dòng)調(diào)速范圍的確定
（本小節(jié)公式除非特別說(shuō)明，均出自資料[12]）
∵數(shù)控車床主軸轉(zhuǎn)速范圍25～2500r/min
則數(shù)控車床總變速范圍
估算主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速，由于采用的是無(wú)級(jí)調(diào)速，所以采用以下的公式：
(2.3)
因?yàn)閿?shù)控機(jī)床主軸的變速范圍大于計(jì)算轉(zhuǎn)速的實(shí)際值同時(shí)為了便于計(jì)算
故?。?
主軸的恒功率變速范圍
電機(jī)的恒功率變速范圍
由于Rnp>>Rdp，電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸不能滿足恒功率變速要求，因此需要串聯(lián)一個(gè)有級(jí)變速箱，以滿足主軸的恒功率調(diào)速范圍。
取，則對(duì)于數(shù)控車床，為了加工端面時(shí)滿足恒線速度切削的要求，應(yīng)使轉(zhuǎn)速有一些重復(fù)，故取Z=2
故前面?zhèn)鲃?dòng)比分配可取。
各軸計(jì)算轉(zhuǎn)速
各軸輸入功率
各軸輸入轉(zhuǎn)矩
將以上計(jì)算結(jié)果整理后列于表2.2，供以后計(jì)算選擇，供以后計(jì)算使用：
表2.3 各軸的傳動(dòng)參數(shù)
參數(shù) 軸
0軸（電機(jī)軸）
I軸(傳動(dòng)軸）
II軸（中間傳動(dòng)軸）
III軸（主軸)
計(jì)算轉(zhuǎn)（）
1000
416.7
208
104/416.7
輸入功率（Kw）
5.5
5.28
5.12
4.79
轉(zhuǎn)矩（）
54
121
235
456.4/114
傳動(dòng)比
，
2.2.4 轉(zhuǎn)速圖
由電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍(包括恒功率變速范圍)和各軸傳動(dòng)比,作數(shù)控車床的轉(zhuǎn)速圖, 見(jiàn)圖2-2.
圖2.2 轉(zhuǎn)速圖
第三章 傳動(dòng)系統(tǒng)零部件設(shè)計(jì)
第三章 傳動(dòng)系統(tǒng)零部件設(shè)計(jì)
3.1傳動(dòng)皮帶的設(shè)計(jì)和選定
（如無(wú)特殊說(shuō)明，本小節(jié)公式均出自資料[14]）
帶傳動(dòng)是由帶和帶輪組成傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳動(dòng)。根據(jù)工作原理可分為兩類：摩擦帶傳動(dòng)和嚙合帶傳動(dòng)。摩擦帶傳動(dòng)是機(jī)床主要傳動(dòng)方式之一，常見(jiàn)的有平帶傳動(dòng)和V帶傳動(dòng)；嚙合傳動(dòng)只有同步帶一種。
普通V帶傳動(dòng)是常見(jiàn)的帶傳動(dòng)形式，其結(jié)構(gòu)為：承載層為繩芯或膠簾布，楔角為40°、相對(duì)高度進(jìn)似為0.7、梯形截面環(huán)行帶。其特點(diǎn)為：當(dāng)量摩擦系數(shù)大，工作面與輪槽粘附著好，允許包角小、傳動(dòng)比大、預(yù)緊力小。繩芯結(jié)構(gòu)帶體較柔軟，曲撓疲勞性好。其應(yīng)用于：帶速V≤25～30m/s;傳動(dòng)功率P＜700kW;傳動(dòng)比i≤10軸間距小的傳動(dòng)。
一．主要失效形式
1．帶在帶輪上打滑，不能傳遞動(dòng)力；
2．帶由于疲勞產(chǎn)生脫層、撕裂和拉斷；
3．帶的工作面磨損。
保證帶在工作中不打滑的前提下能傳遞最大功率，并具有一定的疲勞強(qiáng)度和使用壽命是V帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，也是靠摩擦傳動(dòng)的其它帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。
3.1.1．V帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)
(1)設(shè)計(jì)功率的確定：
由表8-7查得工況系數(shù)
(2) 選定帶型：
根據(jù)和由圖8-10確定選用A型。
確定帶輪的基準(zhǔn)直徑并驗(yàn)算帶速傳V：
1>初選帶輪的基準(zhǔn)直徑由表8-6和表8-8確定：
取小帶輪直徑=125mm
2>驗(yàn)算帶速V：
因?yàn)?m/s
計(jì)算大帶輪的基準(zhǔn)直徑。
=i?=2.4×125=300mm
根據(jù)表8-8圓整為=315mm
確定V帶的中心距a和基準(zhǔn)長(zhǎng)度Ld
1>初定帶輪距
得：
即:
初取
2>計(jì)算帶所需的基準(zhǔn)長(zhǎng)度：
由表8-2選帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度Ld=1800mm
3>計(jì)算實(shí)際中心距：
安裝時(shí)所需最小軸間距：
張緊或補(bǔ)償伸長(zhǎng)所需最大軸間距：
(5)驗(yàn)算小帶輪包角：
所以小帶輪包角合適。
(6)計(jì)算帶的根數(shù)Z。
1>單根V帶的基本額定功率：
根據(jù)dd1和=1000r/min查表8-4a得基本額定功率=1.428Kw。
再根據(jù)=1000r/min、i=2.4和A型帶查表8-4b得Δ=0.12Kw
查表8-5得：
2>計(jì)算帶的根數(shù)z。
取 根。
計(jì)算單根V帶的初拉力的最小值：
應(yīng)使帶的實(shí)際初拉力
計(jì)算壓軸力
壓軸力的最小值為：
(9)帶輪的結(jié)構(gòu)和尺寸：
由表8-10可查得
為了減輕傳動(dòng)軸上載荷，采用卸荷式帶輪結(jié)構(gòu)，使帶輪上的載荷由軸承支撐進(jìn)而傳給箱體，軸只承受轉(zhuǎn)矩，裝配裝置參見(jiàn)裝配圖。
3.2軸系部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.2.1 I軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（如無(wú)特殊說(shuō)明，本小節(jié)公式均出自資料[14]）
I軸上的零件主要是齒輪1。一端用凸臺(tái)定位,另一端用緊定螺釘定位。
1.選定齒輪類型,精度等級(jí),材料及齒數(shù).
根據(jù)選定的傳動(dòng)方案,選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng).
（1）本次設(shè)計(jì)屬于金屬切削機(jī)床類,一般齒輪傳動(dòng),故選用6級(jí)精度.
（2）材料選擇.由表10-1選擇小齒輪材料為40Cr(調(diào)質(zhì)),硬度為280HBS,大齒輪材料為45鋼(調(diào)質(zhì))硬度為240HBS,二者材料硬度差為40HBS.
（3）選小齒輪齒數(shù)大齒輪齒數(shù)
2.按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式(10-9a)進(jìn)行試算,即：
(2.5)
確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
（1）試選載荷系數(shù)
（2）計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
由上文可知為121N/m
（3）由表10-7選取齒寬系數(shù)
（4）由表10-6查得材料的彈性影響系數(shù)
（5）由圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限;
（6）由式10-13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次：
(2.6)
（7）由圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù)
（8）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由式（10-12）得：
(2.7)
2）計(jì)算
（1）小齒輪分度圓直徑，代入[]中較小的值：
(2.8)
（2）計(jì)算圓周速度：
(2.9)
（3）計(jì)算齒寬：
(2.10)
（4）計(jì)算齒寬與齒高之比：
模數(shù) (2.11)
齒高 (2.12)
(2.13)
（5）計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù)，6級(jí)精度，由圖10-8查得動(dòng)載系數(shù)；
直齒輪，假設(shè)。由表10-3查得；
由表10-2查得使用系數(shù)；
由表10-4查得6級(jí)精度，小齒輪懸臂支承時(shí)：
(2.14)
將數(shù)據(jù)代入得：
； (2.15)
由，查圖10-13得；故載荷系數(shù)：
(2.16)
（6）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，由式（10-10a）得：
(2.17)
（7）計(jì)算模數(shù)：
(2.18)
3.按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)：
由式（10-5）得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為：
(2.19)
1）確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
（1）由圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限；大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限；
（2）由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)，；
（3）計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由式（10-12）得：
(2.20)
（4）計(jì)算載荷系數(shù)K：
(2.21)
（5）查取齒形系數(shù)
由表10-5查得；。
（6）查取應(yīng)力校正系數(shù)
由表10-5查得；。
（7）計(jì)算大小齒輪的并加以比較：
(2.22)
大齒輪的數(shù)值大。
2）設(shè)計(jì)計(jì)算：
對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲疲勞強(qiáng)度算得的模數(shù)2.31并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=2.5，按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑，算出小齒輪齒數(shù)：
大齒輪齒數(shù)
這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)，即滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。
4.幾何尺寸計(jì)算
1）計(jì)算分度圓直徑：
2）計(jì)算中心距：
3）計(jì)算齒輪寬度：
取。
5.驗(yàn)算：
，合適。
3.2.2 II軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（如無(wú)特殊說(shuō)明，本小節(jié)公式均出自資料[14]）
1.軸的支承形式
該軸不受或只受極小的軸向力，而右端所受徑向力矩明顯高于左端，故左端選用深溝球軸承，而右端選用一對(duì)角接觸球軸承背靠背安裝，如圖所示：
圖2.4 中間軸的支承形式
2.軸上零件的軸向定位
II軸上的主要零件主要有三對(duì)直齒圓柱齒輪及其中兩直齒圓柱齒輪對(duì)應(yīng)的電磁離合器。滾子軸承的左端靠在端蓋上，右端用軸肩定位。與電機(jī)軸上齒輪相嚙合的齒輪左端用圓螺母固定,右端用軸肩定位.另外兩齒輪所對(duì)應(yīng)的電磁離合器位于它們中間，相互緊靠，兩齒輪的另兩端用螺釘鎖緊擋圈定位。軸右端的軸承左邊利用軸肩定位，右端用一摔油盤（有套筒的作用）和圓螺母進(jìn)行定位。
（1）軸的選材和最小直徑得確定
軸的材料選擇為：45號(hào)鋼（調(diào)質(zhì)處理）。
軸的最小尺寸，由式（15－2），
式中，由表15－3，可取得110，故：
?。?5mm。由于取值較計(jì)算值大的多，所以不用再按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算和進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校合。
軸的零件圖如圖2-5.
圖2.5 中間軸零件圖
（2）齒輪的設(shè)計(jì)
齒輪1和2的直徑相差較大，對(duì)齒輪1（小齒輪）在模數(shù)和選材及熱處理方面要求較高，所以首先進(jìn)行該對(duì)齒輪的設(shè)計(jì)。
1.選定齒輪的精度等級(jí)和材料，初選齒數(shù)
①本數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行速度較高，精度等級(jí)選擇6級(jí)精度；
②由表10－1，小齒輪材料選擇為40，調(diào)質(zhì)后表面淬火，硬度為280HBS；大齒輪材料選擇為45鋼，調(diào)制后表面淬火，硬度為240HBS。
③小齒輪的齒數(shù)初選為＝24，＝ ＝24×2=48
2.按齒面接觸強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)
按式（10－9）試算：
確定公式內(nèi)的各計(jì)算值：
①初選載荷系數(shù)Kt＝1.6；
②計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
由前文可知小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩為235;
③由表10－7及其說(shuō)明，可選定齒寬系數(shù)；
④由表10－6，查得材料的彈性影響系數(shù)＝189.8；
⑤由圖10－21d，按齒面接觸硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度＝650MPa；大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度＝600MPa；
⑥兩齒輪的設(shè)計(jì)壽命為50000h，由式10－13，計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：
⑦由圖10－19查得接觸疲勞壽命系數(shù)=0.9,=0.95;
⑧計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%,安全系數(shù)s＝1。由式（10－12），
==0.9×650/1＝585MPa
==0.95×600/1=570MPa
將以上參數(shù)代入公式進(jìn)行計(jì)算
① 算小齒輪分度圓直徑d1t，代入[H-]中較小的值：
②計(jì)算圓周速度v：
③計(jì)算齒寬：
④計(jì)算齒寬與齒高之比：
齒輪模數(shù)
齒高
⑤計(jì)算載荷系數(shù)K
由圖10－8，查得動(dòng)載系數(shù)；
由表10－3，查得;
由表10－2，查得使用系數(shù)＝1.25；
小齒輪精度為6級(jí)，相對(duì)支撐作對(duì)稱分布。由表10－4，
由b/h＝4.27，=1.15,查圖10－13，得＝1.12，
故，動(dòng)載系數(shù)：
⑥按實(shí)際得載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式（10－10a）得：
⑦計(jì)算模數(shù) ：
3.按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由式（10－5）得彎曲疲勞的設(shè)計(jì)公式為
以下確定式中各參數(shù)的值：
①由圖10－20c查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限＝520MPa；大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限＝440MPa；
②由圖10－18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)＝0.82，＝0.87；
③計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S＝1.3，由式（10－12）得：
＝＝0.82×520/1.3＝328MPa
＝＝0.87×440/1.3＝294.46Mpa
④計(jì)算載荷系數(shù) K：
⑤查取齒形系數(shù)
由表10-5查得。
⑥查取應(yīng)力校正系數(shù)
由表10－5,查得；。
⑦計(jì)算大、小齒輪的并加以比較：
大齒輪數(shù)值大，將用于以下計(jì)算。
將以上參數(shù)代入式（10－5）進(jìn)行計(jì)算：
對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而由齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲強(qiáng)度所算得的模數(shù)m=4，按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑，算出小齒輪齒數(shù)
4.幾何尺寸計(jì)算
1）計(jì)算分度圓直徑
2）計(jì)算中心距
3）計(jì)算齒輪寬度
取。
5.驗(yàn)算
，合適。
第二對(duì)齒輪的模數(shù)可取得比齒輪1小，＝4。由于這兩齒輪得中心距與齒輪1和2的中心距相等，故,,
四個(gè)齒輪的尺寸參數(shù)如表2.4所示。
表2.4 齒輪尺寸參
參數(shù) 齒輪
1
2
3
4
模數(shù)m
4
4
4
4
齒數(shù)z
38
76
76
38
中心距a
228
分度圓直徑d
152
304
304
152
齒頂圓直徑
160
312
312
160
齒根圓直徑
142
194
194
142
全齒高h(yuǎn)
9
9
壓力角
基圓直徑
142.8
285.67
285.67
142.8
傳動(dòng)比
2/1
1/2
齒輪寬B
45
40
40
45
齒寬系數(shù)
0.25
3.2.3電磁摩擦離合器的計(jì)算和選擇
本課題中數(shù)控機(jī)床得轉(zhuǎn)速較高，對(duì)工作可靠性要求高，根據(jù)資料[13]中的結(jié)構(gòu)選擇原則，選取濕式多片電磁離合器。
形式選定后，應(yīng)進(jìn)一步確定其規(guī)格（本小節(jié)公式及參數(shù)除非特別說(shuō)明，均出自資料[15]）
（1）規(guī)格計(jì)算
其規(guī)格選擇計(jì)算的基本原則是使其計(jì)算轉(zhuǎn)矩小于或等于其薄弱環(huán)節(jié)的失效條件限制而允許其傳遞的許用轉(zhuǎn)矩[T]，即
(2.23)
其中--理論轉(zhuǎn)矩
--計(jì)算轉(zhuǎn)矩
--公稱轉(zhuǎn)矩
--許用轉(zhuǎn)矩
--最大轉(zhuǎn)矩
--許用最大轉(zhuǎn)矩
--許用轉(zhuǎn)速
1）計(jì)算轉(zhuǎn)矩
由于各類聯(lián)軸器，離合器實(shí)際工況不同，在確定計(jì)算轉(zhuǎn)矩時(shí)應(yīng)將理論轉(zhuǎn)矩乘以不同系數(shù)K。
本機(jī)床承受長(zhǎng)期平穩(wěn)載荷，故：
(2.24)
式中，，，--分別為離合器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩，公稱，許用轉(zhuǎn)矩，N/m；
--離合器理論轉(zhuǎn)矩,N/m；
K—離合器工況系數(shù)
—離合器接合頻率系數(shù)
—離合器滑動(dòng)速度系數(shù)
本文中為金屬切學(xué)機(jī)床，由表15.2-3查得K=1.4，由表15.2-4查得 =1.00，由表15.2-4查得=1.08從而得到：
(2.25)
根據(jù)計(jì)算轉(zhuǎn)矩，查表資料[00000]選取規(guī)格為DLMS-16A的濕式多片電磁離合器，相關(guān)尺寸可從資料中查取。
第四章 主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
第四章 主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1 對(duì)主軸組件的性能要求
主軸組件是機(jī)床主要部件之一，它的性能對(duì)整機(jī)性能由很大的影響。主軸直接承受切削力，轉(zhuǎn)速范圍又很大，所以對(duì)主軸組件的主要性能特提出如下要求：
①回轉(zhuǎn)精度 主軸組件的回轉(zhuǎn)精度，是指主軸的回轉(zhuǎn)精度。當(dāng)主軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，線速度為零的點(diǎn)的連線稱為主軸的回轉(zhuǎn)中心線?；剞D(zhuǎn)中心線的空間位置，在理想的情況下應(yīng)是固定不變。實(shí)際上，由于主軸組件中各種因素的影響，回轉(zhuǎn)中心線的空間位置每一瞬間都是變化的，這些瞬時(shí)回轉(zhuǎn)中心線的平均空間位置成為理想回轉(zhuǎn)中心線。瞬時(shí)回轉(zhuǎn)中心線相對(duì)于理想回轉(zhuǎn)中心線在空間的位置距離，就是主軸的回轉(zhuǎn)誤差，而回轉(zhuǎn)誤差的范圍，就是主軸的回轉(zhuǎn)精度。純徑向誤差、角度誤差和軸向誤差，它們很少單獨(dú)存在。當(dāng)徑向誤差和角度誤差同時(shí)存在時(shí)，構(gòu)成徑向跳動(dòng)，而軸向誤差和角度誤差同時(shí)存在構(gòu)成端面跳動(dòng)。由于主軸的回轉(zhuǎn)誤差一般都是一個(gè)空間旋轉(zhuǎn)矢量，它并不是所有的情況下都表示為被加工工件所得到的加工形狀。
主軸回轉(zhuǎn)精度的測(cè)量，一般分為三種：靜態(tài)測(cè)量、動(dòng)態(tài)測(cè)量和間接測(cè)量。目前我國(guó)在生產(chǎn)中沿用傳統(tǒng)的靜態(tài)測(cè)量法，用一個(gè)精密的測(cè)量棒插入主軸錐孔中，使千分表觸頭觸及檢測(cè)棒圓柱表面，以低速轉(zhuǎn)動(dòng)主軸進(jìn)行測(cè)量。千分表最大和最小的讀數(shù)差即認(rèn)為是主軸的徑向回轉(zhuǎn)誤差。端面誤差一般以包括主軸所在平面內(nèi)的直角坐標(biāo)系的垂直坐標(biāo)系的垂直度數(shù)據(jù)綜合表示。動(dòng)態(tài)測(cè)量是用以標(biāo)準(zhǔn)球裝在主軸中心線上，與主軸同時(shí)旋轉(zhuǎn)；在工作態(tài)上安裝兩個(gè)互成90o角的非接觸傳感器，通過(guò)儀器記錄回轉(zhuǎn)情況。間接測(cè)量是用小的切削量加工有色金屬試件，然后在圓度儀上的測(cè)量試件的圓度來(lái)評(píng)價(jià)。出廠時(shí)，普通級(jí)加工中心的回轉(zhuǎn)精度用靜態(tài)測(cè)量法測(cè)量，當(dāng)L＝300mm時(shí)允許誤差應(yīng)小于0.02mm。造成主軸回轉(zhuǎn)誤差的原因主要是由于主軸的結(jié)構(gòu)及其加工精度、主軸軸承的選用及剛度等，而主軸及其回轉(zhuǎn)零件的不平衡，在回轉(zhuǎn)時(shí)引起的激振力，也會(huì)造成主軸的回轉(zhuǎn)誤差。因此加工中心的主軸不平衡量一般要控制在0.4mm/s以下。
②剛度 主軸部件的剛度是指受外力作用時(shí)，主軸組件抵抗變形的能力。通常以主軸前端產(chǎn)生單位位移時(shí)，在位移方向上所施加的作用力大小來(lái)表示。主軸組件的剛度越大，主軸受力變形就越小。主軸組件的剛度不足，在切削力及其它力的作用下，主軸將產(chǎn)生較大的彈性變形，不僅影響工件的加工質(zhì)量，還會(huì)破壞齒輪、軸承的正常工作條件，使其加快磨損，降低精度。主軸部件的剛度與主軸結(jié)構(gòu)尺寸、支承跨距、軸承類型及配置型式、軸承間隙的調(diào)整、主軸上傳動(dòng)元件的位置等有關(guān)。
③抗振性 主軸組件的抗振興是指切削加工時(shí)，主軸保持平穩(wěn)地運(yùn)行而不發(fā)生振動(dòng)的能力。主軸組件抗振興差，工作時(shí)容易產(chǎn)生，不僅降低加工質(zhì)量，而且限制了機(jī)床生產(chǎn)率的提高，使刀具耐用度下降。提高主軸抗振興必須提高主軸組件的靜剛度，采用較大阻尼比的前軸承，以及在必要時(shí)安裝阻尼器。另外，使主軸的固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激振力的頻率。
④溫升 主軸組件在運(yùn)轉(zhuǎn)中，溫升過(guò)高會(huì)引起兩方面的不良后果：一是主軸組件和箱體因熱彭漲而變形，主軸的回轉(zhuǎn)中心線和機(jī)床其它組件的相對(duì)位置會(huì)發(fā)生變化，直接影響加工精度；其次是軸承等元件會(huì)因溫度過(guò)高而改變已調(diào)好的間隙和破壞正常潤(rùn)滑條件，影響軸承的正常工作。嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生“抱軸”。數(shù)控機(jī)床一般采用恒溫主軸箱來(lái)解決恒溫問(wèn)題。
⑤耐磨性 主軸組件必須有足夠的耐磨性，以能長(zhǎng)期保持精度。主軸上易磨損的地方是刀具或工件的安裝部位以及移動(dòng)式主軸的工作部位。為了提高耐磨性，主軸的上述部位應(yīng)該淬硬或氮化處理。主軸軸承也需有良好的潤(rùn)滑，以提高耐磨性。
以上這些要求，有的還是矛盾的。例如高剛度和高速，高速與低溫升，高速與高精度等。這就要具體問(wèn)題具體分析，例如設(shè)計(jì)高效數(shù)控機(jī)床的主軸組件時(shí)，主軸應(yīng)滿足高速和高剛度的要求；