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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上 皖 西 學(xué) 院 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 論 文 題 目 一次包絡(luò)蝸桿專用數(shù)控加工裝置 姓名（學(xué)號(hào)） 王超（） 系 別 機(jī)械與電子工程學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 導(dǎo) 師 姓 名 吳軍榮 二〇一三年六月 專心---專注---專業(yè) 一次包絡(luò)蝸桿專用數(shù)控加工裝置 作 者 王超 指導(dǎo)教師 吳軍榮 摘要：自從包絡(luò)蝸桿傳動(dòng)問(wèn)世以來(lái),已經(jīng)在重型機(jī)械等傳動(dòng)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。一次包絡(luò)蝸桿加工專用設(shè)備的研究和開(kāi)發(fā)也受到各方面的重視，各種設(shè)備相繼開(kāi)

2、發(fā)成功，并在實(shí)際生產(chǎn)中得到了很好的應(yīng)用。平面一次包絡(luò)環(huán)面蝸桿，具有較高的工作強(qiáng)度和較長(zhǎng)的工作壽命，其制造方式和精度要求較高，且必須嚴(yán)格遵循其嚙合理論，所以對(duì)一次包絡(luò)蝸桿專用數(shù)控加工裝置的研究有了特殊的要求和意義。 本課題研究的目的是對(duì)一次包絡(luò)蝸桿加工專用數(shù)控裝置提出合理的機(jī)床結(jié)構(gòu)布置方案，并根據(jù)一次包絡(luò)蝸桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)同時(shí)利用機(jī)床車削加工的工藝特點(diǎn)，進(jìn)行一次包絡(luò)蝸桿專用數(shù)控加工進(jìn)給系統(tǒng)和機(jī)床總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，達(dá)到數(shù)控車削一次包絡(luò)蝸桿的加工要求。 關(guān)鍵詞：一次包絡(luò)蝸桿；數(shù)控車床；設(shè)計(jì)；傳動(dòng)系統(tǒng) A special NC enveloping worm processing apparatu

3、s Abstract: since the advent of enveloping worm drive, has been widely used in heavy machinery and other areas of transmission. A research and development of special equipment for processing the worm also receives the attention of various fields, various devices have been developed, and has been we

4、ll applied and in the actual production. Planar enveloping hourglass worm, working life working intensity is higher and longer, its manufacturing method and high precision, and must strictly follow the meshing theory, so the research on a dedicated CNC machining worm device with special requirements

5、 and significance. The purpose of this research is to propose machine structure reasonable layout program for a special NC enveloping worm device, and the process characteristics of machine tool machining according to the structure characteristics of a worm, a worm NC machining feed system design of

6、 the overall structure of the system and machine tools, CNC turning once reached the requirements of machining worm. Keywords: an enveloping worm; NC lathe; design; drive system 目錄 1 緒論 1.1 一次包絡(luò)蝸桿的結(jié)構(gòu)分析 一次

7、包絡(luò)環(huán)面蝸桿副是蝸輪蝸桿傳動(dòng)中的一種，它是用來(lái)傳遞空間交錯(cuò)軸運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，一次包絡(luò)環(huán)面蝸桿與普通蝸桿相比具有有接觸齒數(shù)多、齒面接觸面較大、吃面光潔精度高，并有瞬時(shí)雙線接觸、接觸線總長(zhǎng)度長(zhǎng)、綜合曲率半徑大、接觸應(yīng)力小、嚙合潤(rùn)滑角大，嚙合中容易形成動(dòng)壓油膜、減少齒面磨損具、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，極其符合現(xiàn)代機(jī)械重載、高速的需求，由于一次包絡(luò)蝸桿具有以上優(yōu)點(diǎn)，所以自誕生以來(lái)很快被廣泛推廣，現(xiàn)已大量應(yīng)用于冶金設(shè)備、造船、采礦、機(jī)械、軍工、化工等領(lǐng)域。 分度曲面為圓環(huán)面的蝸桿統(tǒng)稱為環(huán)面蝸桿，一次包絡(luò)蝸桿為環(huán)面蝸桿的一種。從外形上看，普通圓柱蝸桿呈圓柱狀；環(huán)面蝸桿呈中間小、兩端大的馬鞍狀。從嚙合關(guān)系

8、來(lái)看，普通圓柱蝸桿副在軸向截面內(nèi)，像齒條與齒輪的嚙合。環(huán)面蝸桿的齒卻是沿著蝸輪的節(jié)圓“包圍”著蝸輪（如圖1）。從成形運(yùn)動(dòng)來(lái)看，圓柱蝸桿的母元素（直線、曲線或曲面）作平行于蝸桿中心線的直線運(yùn)動(dòng)；環(huán)面蝸桿母元素的動(dòng)軌跡則是一個(gè)圓弧。因此，圓柱蝸桿的節(jié)圓面是一個(gè)圓柱面，（圖1左圖）而環(huán)面蝸桿的節(jié)圓面是一個(gè)圓環(huán)面的一部分。（如圖1右圖所示即為環(huán)面蝸桿實(shí)物圖）環(huán)面蝸桿的外形，是以一個(gè)凹圓弧為母線繞蝸桿軸線回轉(zhuǎn)而形成的回轉(zhuǎn)面，是 圖1 普通蝸桿與包絡(luò)蝸桿嚙合特點(diǎn) 變直徑蝸桿。環(huán)面蝸桿與相配蝸輪組成環(huán)面蝸桿副稱環(huán)面蝸桿傳動(dòng)。蝸桿分度曲面為圓環(huán)面，蝸輪分度曲面亦為圓環(huán)面的環(huán)面蝸桿傳動(dòng)稱雙包圍環(huán)面蝸桿傳

9、動(dòng)。蝸桿分度曲面為圓環(huán)面、蝸輪分度曲面為圓柱面的環(huán)面蝸桿傳動(dòng)稱單包圍環(huán)面蝸桿傳動(dòng)。若包絡(luò)環(huán)面蝸桿直接和產(chǎn)形輪相同的圓柱蝸輪相共軛嚙合，組成環(huán)面蝸桿傳動(dòng)，稱該傳動(dòng)為一次包絡(luò)蝸桿傳動(dòng)，屬于單包圍環(huán)面蝸桿傳動(dòng)。 由環(huán)面蝸桿的形成原理可知, 蝸桿繞其軸心線O1以角速度ω1自轉(zhuǎn), 同時(shí), 在其軸心線平面內(nèi)直線L以角速度ω2繞O2旋轉(zhuǎn), 直線L在空間形成包絡(luò)跡面, 即環(huán)面蝸桿的螺旋齒面。當(dāng)螺旋齒面的母線為直線時(shí), 是直廓環(huán)面蝸桿(見(jiàn)圖2( a) ) ,稱為球面蝸桿或圓弧面蝸桿; 當(dāng)螺旋齒面的母線是平面時(shí), 稱為平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿(見(jiàn)圖2( b) ), 簡(jiǎn)稱包絡(luò)環(huán)面蝸桿。

10、 （a） （b） 圖2 包絡(luò)蝸桿的形成原理 1.2 數(shù)控車削蝸桿的現(xiàn)狀分析論述 1. 數(shù)控車削蝸桿的現(xiàn)狀：目前國(guó)內(nèi)許多廠礦加工環(huán)面蝸桿大都采用改裝滾齒機(jī)或普通車床的方法，很少采用專用機(jī)床，然而目前傳統(tǒng)的加工方法該蝸桿副在精度上存在無(wú)法解決的缺陷。隨著數(shù)字化已成為現(xiàn)代制造業(yè)中產(chǎn)品全生命周期不可缺少的驅(qū)動(dòng)因素，平面一次包絡(luò)環(huán)面蝸桿的數(shù)控加工將會(huì)成為一種新的生產(chǎn)模式。 2. 刀具加工產(chǎn)形線：蝸桿傳動(dòng)由蝸桿和蝸輪組成，蝸桿通常用直接展成法加工，即把蝸輪作為刀具展成蝸桿，作為刀具的蝸輪稱首創(chuàng)件，被展成的蝸桿成為被創(chuàng)成件。

11、形成首創(chuàng)件圖3 蝸桿加工刀具產(chǎn)形線 螺旋面的刀具刃廓稱刀具產(chǎn)形線。刀具產(chǎn)形線是形成首創(chuàng)件螺旋面幾何特點(diǎn)的基礎(chǔ)因素，亦是蝸桿傳動(dòng)嚙合特性的主要影響因素。此外，首創(chuàng)件齒面的齒廓形狀，還和刀具形狀，齒面形成原理（展成或軌跡法）等有關(guān)。 3． 齒面形成：以直齒（或斜齒）平面齒輪作為產(chǎn)形輪（刀具)，按照既定的傳動(dòng)比和中心距，相對(duì)蝸桿毛坯作機(jī)床嚙合運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)形輪刃面的包絡(luò)面構(gòu)成蝸桿的螺旋面，產(chǎn)形輪可以為盤形銑刀，也可以為切于基圓柱面（或基圓錐面）的平面砂輪 2 總體方案設(shè)計(jì)概述 2.1

12、一次包絡(luò)蝸桿專用數(shù)控加工裝置設(shè)計(jì)方案及主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 環(huán)面蝸桿加工的核心問(wèn)題是螺旋齒面加工，設(shè)計(jì)專用環(huán)面蝸桿加工機(jī)床，必須能滿足螺旋齒面的車削。根據(jù)環(huán)面蝸桿的形成原理，環(huán)面蝸桿加工機(jī)床必須具備以下基本運(yùn)動(dòng)，見(jiàn)圖4。 圖4 蝸桿專用機(jī)床的運(yùn)動(dòng)示意圖。 （1）切削運(yùn)動(dòng)（主運(yùn)動(dòng)）ω1：即被加工蝸桿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 （2）分齒運(yùn)動(dòng)ω2：隨著蝸桿以ω1旋轉(zhuǎn)，刀盤也要以ω2的速度相應(yīng)旋轉(zhuǎn)，并要求ω1和ω2之間有準(zhǔn)確的傳動(dòng)比關(guān)系。ω1和ω2也可統(tǒng)一稱齒廓形成運(yùn)動(dòng)（ 展成運(yùn)動(dòng)）。這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)是切削環(huán)面蝸桿齒面或滾切蝸輪齒面的最基本運(yùn)動(dòng)。 （3）徑向進(jìn)給運(yùn)

13、動(dòng)S1 。 （4）調(diào)整運(yùn)動(dòng)S2和S3。 由于環(huán)面蝸桿具備特殊的結(jié)構(gòu)，在制造加工時(shí)刀具必須繞蝸桿齒形發(fā)生基圓的中心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行切削，在加工時(shí)給我們帶來(lái)了難度。因此必須在車床上加裝自己設(shè)計(jì)制作的回轉(zhuǎn)刀架,從主軸上引出動(dòng)力帶動(dòng)刀架旋轉(zhuǎn)得到切削的動(dòng)力。 2.2 進(jìn)給系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 2.2.1 機(jī)床的主要性能參數(shù) 本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)控車床的進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，該車床主要用于一次包絡(luò)蝸桿的加工，根據(jù)一次包絡(luò)蝸桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工特性，初選車床的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。 表1 初選車床主要技術(shù)參數(shù) 序 號(hào) 項(xiàng) 目 子 項(xiàng) 目 單 位 參 數(shù) 值 1 加

14、工范圍 工件最大回轉(zhuǎn)直徑 mm 500 最大車削長(zhǎng)度 mm 650(頂尖距) 最大車削直徑 mm 310 2 主軸 主軸通孔直徑 mm 80 主軸轉(zhuǎn)速范圍 r.p.m 100~150 3 床鞍 傾斜角度 度 0 X軸行程 mm 180 Z軸行程 mm 650 X軸快速移動(dòng)速度 m/min 8 Z軸快速移動(dòng)速度 m/min 15 2.2.2進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)要求及傳動(dòng)類型的選擇 （1）進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)要求 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)裝置的精度、靈敏度和穩(wěn)定性，直接影響了數(shù)控車床的定位精度和工件的加

15、工精度。因此，數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的要求有:（1）傳動(dòng)部件的剛度高；（2）傳動(dòng)部件的慣性小穩(wěn)定性好；（3）運(yùn)動(dòng)部件的間隙和摩擦力小。 （2）絲杠螺母副傳動(dòng)類型的選擇 絲杠螺母副是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置。在數(shù)控車床上常用的是滾珠絲杠螺母副和靜壓絲杠螺母副。 滾珠絲杠螺母副： 在數(shù)控機(jī)床上，將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的傳動(dòng)裝置一般采用滾珠絲杠螺母副，它由絲杠、螺母、滾珠和反向器等組成。其特點(diǎn)是：傳動(dòng)效率高，摩擦損失??；絲杠螺母預(yù)緊后可以完全消除間隙，傳動(dòng)精度高、剛度好；運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)有可逆性。在數(shù)控機(jī)床上得到了廣泛的應(yīng)用，是目前中、小型數(shù)控機(jī)床的常見(jiàn)的傳動(dòng)方式。 靜壓絲杠螺

16、母副： 靜壓絲杠螺母副是在絲杠和螺母的螺紋間維持一定的厚度，且具有一定剛度的壓力油膜，當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，即通過(guò)油膜推動(dòng)螺母移動(dòng)，或做相反的傳動(dòng)。其特點(diǎn)是：摩擦系數(shù)小，僅為0.0005，；平穩(wěn)性高；反向間隙大大減??；承載能力與供油壓力成正比，而與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。對(duì)于油液的清潔度要求高，如果在運(yùn)動(dòng)中供油忽然中斷，將造成不良后果。 由以上比較，根據(jù)要求，縱向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)和橫向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)都采用滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)方式。 2.2.3進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn) 數(shù)控車床的進(jìn)給系統(tǒng)是控制X、Z坐標(biāo)軸的伺服系統(tǒng)的主要組成部分，它將伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為刀架的直線運(yùn)動(dòng)，而且對(duì)移動(dòng)精度要求很高。采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副

17、，可以有效地提高進(jìn)給系統(tǒng)的靈敏度、定位精度和防止爬行。另外，消除滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副的配合間隙和絲杠兩端的軸承間隙，也有利于塔高傳動(dòng)精度。 數(shù)控車床的進(jìn)給系統(tǒng)采用伺服電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)滾珠絲杠螺母帶動(dòng)刀架移動(dòng)，所以刀架的快速移動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)均為同一傳動(dòng)路線。 中小型數(shù)控車床的進(jìn)給系統(tǒng)普遍采用滾珠絲杠副傳動(dòng)。伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠的連接方式有兩種。 （1）滾珠絲杠與伺服電動(dòng)機(jī)軸端通過(guò)聯(lián)軸器直接連接，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可減少產(chǎn)生誤差的環(huán)節(jié)。且滾珠絲杠或伺服電動(dòng)機(jī)軸端與聯(lián)軸器的連接采用錐環(huán)連接，它是進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)消除傳動(dòng)間隙的一種比較理想的連接方式。它主要靠?jī)?nèi)外錐環(huán)面壓緊后產(chǎn)生的摩擦

18、力傳動(dòng)動(dòng)力，避免了鍵連接產(chǎn)生的間隙。這種連接方式在進(jìn)給傳動(dòng)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)得到了廣泛的應(yīng)用 （2）滾珠絲杠通過(guò)同步齒形帶及帶輪與伺服電動(dòng)機(jī)連接，這種結(jié)構(gòu)連接特點(diǎn)是通過(guò)帶輪降速，提高驅(qū)動(dòng)扭矩，切安裝精度要求不高。為了消除同步齒形帶傳動(dòng)對(duì)精度的影響，要把脈沖編碼器安裝在滾珠絲杠的端部，以便直接對(duì)滾珠絲杠的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。 在滿足機(jī)床要求的前提下，通過(guò)對(duì)比，本課題中橫向和縱向進(jìn)給系統(tǒng)采用第一種滾珠絲杠與伺服電動(dòng)機(jī)軸端通過(guò)聯(lián)軸器直接連接的方式，這是一種簡(jiǎn)單的聯(lián)接形式具有大的扭轉(zhuǎn)剛度，制造成本低，傳動(dòng)精度高，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝調(diào)整方便。 2.2.4 進(jìn)給傳動(dòng)方案設(shè)計(jì) 根據(jù)一次包絡(luò)蝸桿的特性和加工工

19、藝特點(diǎn)，對(duì)車床的精度和穩(wěn)定性要求較高，選用滾珠絲杠與伺服電動(dòng)機(jī)軸端通過(guò)聯(lián)軸器直接連接的方式。以減小傳動(dòng)鏈，并保證較高的剛度，提高傳動(dòng)系統(tǒng)效率，以減小溫升的影響。滾珠絲杠采用兩端裝軸承的支承方式。X、Z兩軸分別用獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)方案示意圖如圖5所示。 滑板 滾珠絲杠螺母副 聯(lián)軸器 Z軸驅(qū)動(dòng)電機(jī) (a)Z軸傳動(dòng)系統(tǒng) 刀架 滾珠絲杠螺母副 聯(lián)軸器 X軸驅(qū)動(dòng)電機(jī) (b)X軸傳動(dòng)系統(tǒng) 圖5 橫向縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)傳動(dòng)示意圖 對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，由于系統(tǒng)要求精度和穩(wěn)定性高，不宜采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因而選用交流伺服電機(jī)。 2.2.5 總體布局 機(jī)床結(jié)構(gòu)可以布

20、置成臥式、立式、倒立式及斜置式等，本車床選用臥式布置方式，主軸水平安裝?？傮w布局如下：Z、X軸傳動(dòng)系統(tǒng)采用穩(wěn)定性較高的滾珠絲杠副傳動(dòng)，滾珠絲杠螺母副直接連接電動(dòng)機(jī)；伺服方式上選擇最廣泛應(yīng)用的半閉環(huán)方式。為此，本設(shè)計(jì)要進(jìn)行滾珠絲杠副尺寸規(guī)格、交流伺服電動(dòng)機(jī)的型號(hào)傳動(dòng)軸的強(qiáng)度等方面的計(jì)算。 3 橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.1 主切削力的計(jì)算 要使刀具從工件毛坯上切除多余的金屬，使其成為具有一定形狀尺寸的零件，刀具和工件之間必須具有一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)稱為切削運(yùn)動(dòng)。切削運(yùn)動(dòng)又可以分為主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的矢量和稱為合成切削運(yùn)動(dòng)。在切削工件時(shí)

21、，為了便于測(cè)量和應(yīng)用，將切削合力F分解為三個(gè)互相垂直的分力，即主切削力FC背向力FP和進(jìn)給力Ff。如圖6 圖6 車削合力及分力 根據(jù)計(jì)算切削力的經(jīng)驗(yàn)公式 （3.1） 式中各個(gè)符號(hào)為與工件材料及切削條件有關(guān)的系數(shù)及相關(guān)指數(shù)和修正系數(shù)。 在加工蝸桿的過(guò)程中，圓盤刀具必須繞蝸桿齒形發(fā)生基圓的中心做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以刀具切削時(shí)的主偏角不斷變化，根據(jù)表2-11，在這里與其相關(guān)的修正系數(shù),取1.10[5]； 根據(jù)表2-10這里取1[5]； 根據(jù)表格2-6到表格2-14，車刀前角15度，=1[5]； 切削速度時(shí)，=1.05[5]； 車

22、刀刃傾角改變時(shí)切削力的修正系數(shù)=1[5]； 車刀后刀面磨損量改變時(shí)的修正系數(shù)=1[5]， 碳素結(jié)構(gòu)鋼45的=1640，,=1，=0.84,切削蝸桿時(shí)的背吃刀量ap選3mm，進(jìn)給量f選0.4mm/r[5]，帶入公式計(jì)算如下： 背向力FP和 進(jìn)給力Ff參照表2-12選取最大值，即： 切削功率 (3.2) 機(jī)床消耗功率 （3.3） 這里取機(jī)床傳動(dòng)效率為0.8。 3.2 滾珠絲杠的計(jì)算及選擇 （1）已知技術(shù)參數(shù) 橫向最大行程（X軸

23、）180mm； 工作進(jìn)給速度為18000mm/min； 橫向快速進(jìn)給速度：8 m/min； 刀架估計(jì)重量：100kg； 滑板的估計(jì)重量：50kg； 滾珠絲杠使用壽命：15000h。 滾珠絲杠的計(jì)算 （2）滾珠絲杠的計(jì)算 ①滾珠絲杠導(dǎo)程的確定 在本設(shè)計(jì)中，電機(jī)和絲杠直接相連，傳動(dòng)比為，設(shè)電機(jī)的最高工作轉(zhuǎn)速為，則絲杠導(dǎo)程為： (3.3) ，取 ②確定絲杠的等效轉(zhuǎn)速 (3.4) 由公

24、式(4.2),最大進(jìn)給速度時(shí)絲杠的轉(zhuǎn)速： 最小進(jìn)給速度時(shí)絲杠的轉(zhuǎn)速： 絲杠等效轉(zhuǎn)速： (3.5) ，——轉(zhuǎn)速，作用下的時(shí)間(s)，設(shè)轉(zhuǎn)速在和之間變化，則 ③ 確定絲杠的等效負(fù)載 估計(jì)工作臺(tái)質(zhì)量及工作臺(tái)承重 總質(zhì)量： 確定絲杠的等效負(fù)載 各種切削方式下，絲杠軸向載荷 （3.6） 摩擦因數(shù)f取0.03 帶入數(shù)據(jù)得： 取1834N 如果載荷在和間周期變化，則

25、 （3.7） ④ 確定絲杠所受的最大動(dòng)載荷 （3.8） fw——負(fù)荷性質(zhì)系數(shù)；（查表11-24：當(dāng)一般運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，fw 為1.21.5，取fw=1.5[1]。） ft——溫度系數(shù)；（查表11-25，取1[1]） fh——硬度系數(shù)；（查表11-25，滾道實(shí)際硬度≥HRC58時(shí)，fh=1[1]。） fa——精度系數(shù)；（查表11-26：當(dāng)精度等級(jí)為3時(shí)，fa=1.0[1]。） fk——可靠性系數(shù)；(查表11-27：可靠性為90%時(shí)，fk =1.00[1]。) Fm——等效負(fù)荷(N)； nm——等效轉(zhuǎn)速(r/min)；

26、 Tn——工作壽命(h)。（查表得：數(shù)控機(jī)床：Th=15000。） 由公式得： 帶入公式求得最大動(dòng)載荷： （3）選擇滾珠絲杠的型號(hào) 根據(jù)計(jì)算出的參數(shù)，查表18-33[1]可知，選定絲杠為外循環(huán)插管式雙-螺母墊皮預(yù)緊導(dǎo)珠管埋入型，型號(hào)為 CDM3206-3。滾珠絲杠的公稱直徑是φ32mm，公稱導(dǎo)程，絲杠螺紋底徑為27. 9mm，螺母長(zhǎng)度為112mm，循環(huán)圈數(shù)為1.52其額定動(dòng)載荷，額定靜載荷，接觸剛度為，取絲杠的精度為3級(jí)。在本設(shè)計(jì)中采用雙螺母墊片預(yù)緊。滾珠絲杠及其組件安裝示意圖見(jiàn)圖7 （4）聯(lián)軸器及軸承的選用 聯(lián)軸器是機(jī)械傳動(dòng)中常用的部件，主要

27、用于連接軸及其組件，用來(lái)傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)矩，根據(jù)聯(lián)軸器對(duì)位移有沒(méi)有一定的補(bǔ)償能力，把聯(lián)軸器分為撓性聯(lián)軸器和剛性聯(lián)軸器兩類。 剛性聯(lián)軸器一般有夾殼式、凸緣式和套筒式。其中凸緣式是將兩個(gè)帶有凸緣的半聯(lián)軸器以平鍵連接的方式使兩軸相連，用螺栓使其連為一體傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)和扭矩。這種連接方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可承受較大轉(zhuǎn)矩。 撓性聯(lián)軸器可分為無(wú)彈性元件的撓性聯(lián)軸器和有彈性元件的撓性聯(lián)軸器。無(wú)彈性元件的具有一定的撓性，可以補(bǔ)償兩軸的相對(duì)位移，但不能緩沖減震，常用的有十字滑塊聯(lián)軸器、滑塊聯(lián)軸器、十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器和齒式聯(lián)軸器等。有彈性元件的聯(lián)軸器裝有彈性元件，不僅能補(bǔ)償相對(duì)位移，而且能夠起到緩沖減震的作用，常用的有

28、彈性套筒銷聯(lián)軸器、彈性柱銷聯(lián)軸器和膜片聯(lián)軸器等。 本設(shè)計(jì)由于電機(jī)和滾珠絲杠通過(guò)聯(lián)軸器直接連接在一條直線上，并且傳動(dòng)的力矩較小，僅為，這里選用剛性聯(lián)軸器，型號(hào)為GYH2，軸孔直徑為25mm，公稱轉(zhuǎn)矩為63，許用轉(zhuǎn)速為10000r／min，滿足設(shè)計(jì)要求。剛性聯(lián)軸器見(jiàn)圖7。 圖7 剛性聯(lián)軸器 兩邊軸承分別是φ20mm和φ25mm 本設(shè)計(jì)中絲杠的支撐選用滾珠絲杠專用軸承，滾珠絲杠支承用專用軸承特點(diǎn)： 1. 剛性大，摩擦阻力小，潤(rùn)滑維修方便。 2. 用戶不需要進(jìn)行預(yù)調(diào)整，極限轉(zhuǎn)速快。 3. 起動(dòng)力矩小等特點(diǎn)。 滾珠絲杠及其組件安裝示意圖見(jiàn)圖8 圖8 滾珠絲杠及其組件安裝示意圖

29、 3.3 校核 根據(jù)所選的滾珠絲杠的型號(hào)，可知所選絲杠的額定動(dòng)載荷已經(jīng)滿足要求，現(xiàn)根據(jù)其靜載荷和臨界轉(zhuǎn)速來(lái)對(duì)其進(jìn)行校核。 （1）額定靜載荷校核 額定靜載荷系指滾珠絲杠副在靜止或低速下，滾珠與滾道型面在接觸點(diǎn)上產(chǎn)生塑性變形之和為滾珠直徑萬(wàn)分之一的軸向載荷。 滾珠絲杠的額定靜載荷的計(jì)算公式： （3.9） 式中為靜態(tài)安全系數(shù)，查文獻(xiàn)2表5-14選取， 帶入公式計(jì)算得: 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其額定靜載荷45968N,滿足要求。 （2）臨界轉(zhuǎn)速校核 查表得L1=134mm，L2=54mm，橫向最大行程（X軸）180mm； L1+L2+180=368 取絲杠

30、支承間距L為400mm。絲杠底徑，根據(jù)臨界轉(zhuǎn)速公式：大于 式中f為與支承方法有關(guān)的臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見(jiàn)表5-15[2]此處f取值21.9,設(shè)計(jì)滿足要求。 3.4 伺服電機(jī)的選擇和計(jì)算 3.4.1 伺服電機(jī)的分類 進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)、交流伺服電機(jī)、直流伺服電機(jī)和直線電機(jī)等。其中步進(jìn)電機(jī)主要用于開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)；直流伺服電機(jī)、直線電機(jī)和交流伺服電機(jī)主要用于半閉環(huán)和閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)。這里重點(diǎn)介紹交流伺服電機(jī)。 （1） 交流伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)原理 在數(shù)控車床上，閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)因?yàn)榫哂泄ぷ骺煽俊⒕雀吆涂垢蓴_性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)較為常用。閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于相應(yīng)執(zhí)行元件的要求更

31、高，要求盡可能提高過(guò)載能力，能夠適應(yīng)一定的沖擊現(xiàn)象；能夠提高低俗運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，保證伺服系統(tǒng)低速時(shí)的精度；電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要小，用以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。因此，此系統(tǒng)廣泛采用交流伺服電機(jī)和直流伺服電機(jī)。 直流伺服電機(jī)因?yàn)榫哂姓{(diào)速容易、機(jī)械特性硬等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。但由于直流伺服電機(jī)存在電刷磨損限制了電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，并且需要經(jīng)常對(duì)其進(jìn)行維護(hù)和更換，而且直流伺服電機(jī)的容量較小，體積大結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)，其應(yīng)用也受到了限制。近年來(lái)，交流伺服電機(jī)已經(jīng)慢慢取代了直流伺服電機(jī)。 交流伺服電機(jī)分為同步型和異步型兩大類。其中異步型交流電機(jī)即交流感應(yīng)電機(jī)，它可分為單相和三相，也可分為繞線式和鼠籠式兩種。由于鼠

32、籠式三相感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量較輕較為常用。 同步交流電機(jī)按照轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以分為電磁式和非電磁式兩大類。其中非電磁式又有磁滯式、反應(yīng)式和永磁式多種。 （2）交流永磁同步電機(jī)的工作原理與特性 交流永磁同步電機(jī)的組成部件主要有定子、轉(zhuǎn)子和定子繞組。其中定子與異步電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)相似，是由硅鋼片、固定鐵芯、三相繞組及端蓋組成。交流永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子通常采用永磁稀土材料制成，能夠產(chǎn)生固定穩(wěn)定的磁場(chǎng)。 當(dāng)定子三相繞組通交流電以后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)固定轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)用永磁鐵芯產(chǎn)生。定子的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)磁極相互吸引一起旋轉(zhuǎn)。 本設(shè)計(jì)使用交流永磁同步電機(jī)。 3.4.2扭矩的計(jì)算 扭矩的計(jì)

33、算為： （1）理論動(dòng)態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩 查表11-18[1]知3級(jí)滾珠絲杠 （2）最大動(dòng)態(tài)摩擦力矩 對(duì)于3級(jí)滾珠絲杠，， (3.11) 驅(qū)動(dòng)最大負(fù)載所耗轉(zhuǎn)矩 =1.95 (3.12) （3）支承軸承所需啟動(dòng)扭矩 查軸承表： 對(duì)于的軸承，其， 對(duì)于的軸承，其， 則 。 （4）驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副所需扭矩 =0.172+1.95+0.35=2.472 （3.13） （5）電機(jī)的額定扭矩

34、 3.4.3 電機(jī)的選擇 根據(jù)以上計(jì)算的扭矩，選擇交流永磁同步電機(jī)型號(hào)為SM 110-060-20 LFB，其額定轉(zhuǎn)矩為6 。 4 縱向進(jìn)給系統(tǒng) 4.1滾珠絲杠的計(jì)算及選擇 （1）已知技術(shù)參數(shù) 縱向最大行程（Z軸）650 mm； 工作進(jìn)給速度為mm/min； 縱向快速進(jìn)給速度：15 m/min； 工作臺(tái)重量：200kg ； 床鞍及其他的估計(jì)重量：150kg； 材料選為HT200； 滾珠絲杠使用壽命；15000h。 （2）滾珠絲杠的計(jì)算 ①

35、滾珠絲杠導(dǎo)程的確定 在本設(shè)計(jì)中，電機(jī)和絲杠直接相連，傳動(dòng)比為，設(shè)電機(jī)的最高工作轉(zhuǎn)速為，則由公式(3.1)可得絲杠導(dǎo)程為： （4.1） ② 確定絲杠的等效轉(zhuǎn)速 由公式(3.2) ，最大進(jìn)給速度時(shí)絲杠的轉(zhuǎn)速： 最小進(jìn)給速度時(shí)絲杠的轉(zhuǎn)速： 由公式(3.3) ，絲杠等效轉(zhuǎn)速為： （4.2） ③確定絲杠的等效負(fù)載 估計(jì)工作臺(tái)質(zhì)量及工作臺(tái)承重 縱向工作臺(tái)負(fù)載： 床鞍及其他負(fù)載： 總負(fù)載： 各種切削方式下，絲杠軸向載荷

36、 （4.3） 摩擦因數(shù)f取0.03帶入得: 取1631N （4.4） 如果載荷在和間周期變化，則當(dāng)量載荷 ④確定絲杠所受的最大動(dòng)載荷 （4.5） fw——負(fù)荷性質(zhì)系數(shù)；（查表11-24：當(dāng)一般運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，fw 為1.21.5，取fw=1.5[1]。） ft——溫度系數(shù)；（查表11-25,取1[1]：） fh——硬度系數(shù)；（查表11-25：滾道實(shí)際硬度≥HRC58時(shí)，

37、fh=1[1]。） fa——精度系數(shù)；（查表11-26：當(dāng)精度等級(jí)為3時(shí)，fa=1.0[1]。） fk——可靠性系數(shù)；(查表11-27：可靠性為90%時(shí)，fk =1.00[1]。) Fm——等效負(fù)荷(N)； nm——等效轉(zhuǎn)速(r/min)； Tn——工作壽命(h)。（查表得：數(shù)控機(jī)床：Th=15000。） 由公式得： 帶入公式求得最大動(dòng)載荷： （3）選擇滾珠絲杠及其組件型號(hào) 根據(jù)計(jì)算出的參數(shù)，查文表18-33[1]可知，選定絲杠為外循環(huán)插管式雙螺母墊皮預(yù)緊導(dǎo)珠管埋入型，型號(hào)為CBT3210-3。滾珠絲杠的公稱直徑是φ32mm，公稱導(dǎo)程，絲杠螺紋底徑為24.3mm，螺母長(zhǎng)度為

38、90mm，循環(huán)圈數(shù)為1.52其額定動(dòng)載荷，額定靜載荷，接觸剛度為，絲杠的精度為3級(jí)。在本設(shè)計(jì)中采用雙螺母墊片預(yù)緊。兩邊的軸承選為φ25mm與φ20mm。 本設(shè)計(jì)中絲杠的支承方式同樣選用滾珠絲杠專用軸承。 根據(jù)上述橫向進(jìn)給系統(tǒng)聯(lián)軸器的選用，縱向進(jìn)給系統(tǒng)選用同樣的聯(lián)軸器，即剛性聯(lián)軸器，型號(hào)為GYH2，軸孔直徑為25mm，公稱轉(zhuǎn)矩為63，許用轉(zhuǎn)速為10000r／min，滿足設(shè)計(jì)要求。 滾珠絲杠及其組件安裝示意圖見(jiàn)圖9。 圖9 滾珠絲杠及其組件安裝示意圖 4.2 校核 根據(jù)所選的滾珠絲杠的型號(hào)，可知所選絲杠的額定動(dòng)載荷已經(jīng)滿足要求，現(xiàn)根據(jù)其靜載荷和臨界轉(zhuǎn)速來(lái)對(duì)其進(jìn)行校核。 （

39、1）額定靜載荷校核 額定靜載荷系指滾珠絲杠副在靜止或低速下，滾珠與滾道型面在接觸點(diǎn)上產(chǎn)生塑性變形之和為滾珠直徑萬(wàn)分之一的軸向載荷。 滾珠絲杠的額定靜載荷的計(jì)算公式： （4.6） 式中為靜態(tài)安全系數(shù)，查表5-14選取為3[2]， 已知為1631N 帶入公式計(jì)算得: 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其額定靜載荷34158N,滿足設(shè)計(jì)要求。 （2）臨界轉(zhuǎn)速校核 查表的L1=90mm，， 縱向最大行程（Z軸）650mm； L1+650=740 取絲杠支承間距L為800mm。絲杠底徑24.3mm，根據(jù)臨界轉(zhuǎn)速公式： 式中f為與支承方法有關(guān)的臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見(jiàn)表5

40、-15 此處f取值21.9[2] 滿足要求。 4.3 伺服電機(jī)的選擇和計(jì)算 （1）扭矩的計(jì)算 ①理論動(dòng)態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩 （4.7） 理論動(dòng)態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩 （4.8） ②最大動(dòng)態(tài)摩擦力矩 對(duì)于3級(jí)滾珠絲杠，，所以 （4.9） ③驅(qū)動(dòng)最大負(fù)載所耗轉(zhuǎn)矩由公式(3.19) （4.10） ④支承軸承所需啟動(dòng)扭矩 查軸承表：對(duì)于φ20mm的軸承，其 對(duì)于

41、φ25mm的軸承，其 則 ⑤驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副所需扭矩： ⑥電機(jī)的額定扭矩： (2)電機(jī)的選擇 根據(jù)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理和以上計(jì)算的扭矩及伺服電機(jī)選型手冊(cè)，選擇交流永磁同步電機(jī)型號(hào)為SM 130-100-15LFB,其額定轉(zhuǎn)矩為10。 5 旋轉(zhuǎn)進(jìn)給系統(tǒng) 5.1 驅(qū)動(dòng)方式選擇及方案的確定 由于在車削蝸桿中要求蝸桿毛坯與蝸輪刀架有固定的旋轉(zhuǎn)比，而且機(jī)構(gòu)的工作功率不大，所以本設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)進(jìn)給機(jī)構(gòu)通過(guò)同步帶傳動(dòng)與電機(jī)聯(lián)接。同步帶傳動(dòng)通過(guò)帶內(nèi)表面等距分布的橫向齒與帶輪上相應(yīng)的齒槽嚙合來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)。同步帶與摩擦型帶傳動(dòng)相比沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)

42、，能夠保證嚴(yán)格的傳動(dòng)比。在確定所要加工的一次包絡(luò)蝸桿的參數(shù)，并且使旋轉(zhuǎn)主軸的轉(zhuǎn)速與主傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速保持一致之后，只需進(jìn)給系統(tǒng)中蝸桿的主要參數(shù)和蝸桿毛坯的參數(shù)一樣即可，這樣蝸輪刀架和兩側(cè)的蝸桿的嚙合的傳動(dòng)比一致，并且旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中蝸桿件的轉(zhuǎn)速與主軸相同，不需要減速結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了機(jī)床的結(jié)構(gòu)和加工過(guò)程，提高了加工的穩(wěn)定性和蝸桿的加工精度。 由前述一次包絡(luò)蝸桿的特性和對(duì)加工精度及工藝的特殊要求，本設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)進(jìn)給系統(tǒng)采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)的形式，即將車刀安裝在回轉(zhuǎn)蝸輪刀架上，回轉(zhuǎn)刀架由普通圓柱蝸桿傳動(dòng)，蝸輪刀架和蝸桿毛坯做嚙合切削運(yùn)動(dòng)。蝸輪蝸桿傳動(dòng)沖擊載荷比較小，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低，能達(dá)到較高的加工精度。 旋

43、轉(zhuǎn)進(jìn)給結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)方案為：電機(jī)——帶輪傳動(dòng)——蝸桿傳動(dòng)——工作臺(tái)。見(jiàn)圖10。 圖10 旋轉(zhuǎn)進(jìn)給機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)圖 蝸桿傳動(dòng)作為常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有以下幾個(gè)特點(diǎn)： （1）傳動(dòng)比大：在動(dòng)力傳動(dòng)中傳動(dòng)比可達(dá)到5—80:；在分度機(jī)構(gòu)和手動(dòng)機(jī)構(gòu)中可達(dá)300以上；若只傳動(dòng)動(dòng)力可達(dá)到1000。同時(shí)與其他傳動(dòng)形式相比，零件數(shù)目比較少，機(jī)構(gòu)尺寸小，因而結(jié)構(gòu)緊湊。 （2）傳動(dòng)平穩(wěn)：蝸桿齒是連續(xù)的螺旋齒，它與蝸輪的嚙合是逐漸進(jìn)出的連續(xù)嚙合，因此，蝸輪蝸桿傳動(dòng)沖擊載荷比較小，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低，能達(dá)到較高的加工精度。 （3）可以自鎖：當(dāng)蝸桿的螺旋線導(dǎo)程角小于齒輪的當(dāng)量摩擦角時(shí)，蝸桿傳動(dòng)便可以自鎖。 （4）效率比較

44、低、有相對(duì)滑動(dòng)：蝸桿傳動(dòng)是，當(dāng)齒面上具有較大的滑動(dòng)速度時(shí)，摩擦損失比較大，效率約為0.7-0.8，當(dāng)蝸桿傳動(dòng)具有自鎖性時(shí)，效率僅為0.4。 5.2 蝸輪蝸桿的選用與校核 （1）蝸輪蝸桿的材料和類型 基于蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn)，蝸桿、蝸輪的材料首先應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度；同時(shí)還要有良好的耐磨性。 蝸桿大多數(shù)采用碳鋼或合金鋼制造，高速重載蝸桿還要經(jīng)淬火處理后以提高其表面硬度，增強(qiáng)齒面的耐磨性，一般低速中載的蝸桿可以采用40或45鋼。 蝸輪的常用材料有錫青銅ZcuSn10Pb1，灰鑄鐵及鑄造鋁鐵青銅等。錫青銅價(jià)格高耐磨性好，通常用于高速重載的傳動(dòng)中?；瑒?dòng)速度小于4m/s時(shí)，可選用鑄造鋁鐵青

45、銅。當(dāng)滑動(dòng)速度小于2m/s時(shí)，可采用灰鑄鐵鐵制作渦輪。 考慮到本設(shè)計(jì)中要求的蝸桿傳動(dòng)轉(zhuǎn)速較低，滑動(dòng)速度也相應(yīng)較小，傳動(dòng)的力矩不大，故蝸桿材料選用用45號(hào)鋼，蝸輪材料用灰鑄鐵（HT200）鑄造。 （2）蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸 已知要加工的一次包絡(luò)蝸桿的參數(shù)為：模數(shù)為m=4mm，分度圓直徑為40mm，蝸桿頭數(shù)為1頭，則蝸輪蝸桿傳動(dòng)中蝸桿的主要參數(shù)應(yīng)與其相同，選取參數(shù)如表2。 表2 蝸輪蝸桿的基本尺寸 名稱 符號(hào) 公式 數(shù)值 模數(shù) m 4mm 蝸桿頭數(shù) 1 蝸桿分度圓直徑 40mm 蝸桿直徑系數(shù) q 10 變位系數(shù) Χ2

46、0 蝸桿軸向齒距 12.56mm 蝸桿導(dǎo)程 12.56mm 蝸桿齒頂圓直徑 45mm 蝸桿齒根圓直徑 35mm 蝸桿分度圓柱導(dǎo)程角 蝸輪軸向壓力角 α 蝸輪齒數(shù) 30 蝸輪齒頂高 4 蝸輪喉圓直徑 128 蝸輪分度圓直徑 120mm 蝸輪齒根圓直徑 115mm 蝸輪外徑 132mm 蝸輪齒寬 取為10mm 中心距 a 80mm 蝸輪蝸桿傳動(dòng)比： 5.3 蝸桿傳動(dòng)的強(qiáng)度校核 (1)蝸桿傳動(dòng)的受力分析 在蝸桿傳動(dòng)中，設(shè)為集中

47、作用在節(jié)點(diǎn)處的法向方向的載荷，可以分解成三個(gè)方向互相垂直的分力，即徑向力，圓周力和軸向力。見(jiàn)圖11. 圖11 蝸桿傳動(dòng)的受力分析 所以在蝸桿和蝸輪之間存在著相互作用的三個(gè)大小相等、方向相反的力，即和，和，和。在不計(jì)摩擦影響的情況下，在加工切削蝸桿毛坯時(shí)，蝸輪回轉(zhuǎn)刀架所受到的圓周力和切削時(shí)的進(jìn)給力相同， 即 其回轉(zhuǎn)力矩： (2)蝸輪齒面疲勞強(qiáng)度校核 參照公式11-13[3]如下： （5.1） 當(dāng)量齒數(shù)： （5.2） 根據(jù)Χ2

48、=0，ZV2=60，可查表11-19得齒形系數(shù)[3]，螺旋角系數(shù)： Yβ=1-γ/140°=0.961 查文獻(xiàn)3表11-8得蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力 =48MPa 校核結(jié)果所選齒輪齒根的彎曲強(qiáng)度滿足要求。 (3) 蝸桿的剛度校核 蝸桿在受力之后如果產(chǎn)生太大的變形，就會(huì)在輪齒上產(chǎn)生載荷集中的現(xiàn)象，影響蝸輪和蝸桿的嚙合，所以要對(duì)蝸桿進(jìn)行剛度校核。蝸桿的剛度校核主要是校核蝸桿的彎曲剛度，根據(jù)公式11-15[3]，蝸桿的最大撓度計(jì)算公式為：

49、 （5.3） 其中：和分別為蝸桿受到的圓周力和徑向力； E——為蝸桿所選材料的彈性模量，這里取鋼的彈性模量為200GPa; I——為蝸桿危險(xiǎn)截面慣性矩，； ——為蝸桿的支承跨距，這里??； ——許用最大撓度，。 根據(jù)圖11-17及公式11-10[3]得： ； （5.4） 。 （5.5） 將上述數(shù)據(jù)代入校驗(yàn)公式得：，遠(yuǎn)小于其最大許用撓度0.04mm，所以校核滿足要求。 蝸輪蝸桿軸簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖12，圖12上圖為蝸輪軸，下圖為蝸桿軸。由于旋轉(zhuǎn)進(jìn)給系統(tǒng)直接影響

50、到蝸桿加工的精度，所以對(duì)其系統(tǒng)的軸向和徑向的傳動(dòng)精度要求較高，本設(shè)計(jì)中蝸桿軸和蝸輪軸選用角接觸球軸承，蝸輪軸的兩端軸承型號(hào)均為7207AC,蝸桿軸兩端軸承型號(hào)分別為：7203AC和7205AC。 圖12 蝸輪蝸桿軸簡(jiǎn)圖 5.4 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)功率計(jì)算 根據(jù)公式，代入得蝸輪功率為： （5.6） 本設(shè)計(jì)中加工蝸桿毛坯時(shí)的主軸轉(zhuǎn)速為，這里取較大值，即式中蝸輪的轉(zhuǎn)速為。 則旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的總功率為： 這里取傳動(dòng)的總效率為0.8。 5.5 同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 設(shè)計(jì)同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算主要內(nèi)容是：齒形帶的模數(shù)、寬度和齒數(shù)，帶輪的結(jié)構(gòu)及尺寸，帶輪傳動(dòng)的中心距，作用在軸上的載荷及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

51、同步帶傳動(dòng)見(jiàn)圖13。 圖13 同步帶傳動(dòng) 本設(shè)計(jì)選定傳動(dòng)比為2，大帶輪與旋轉(zhuǎn)主軸聯(lián)接，則小帶輪的轉(zhuǎn)速為 （1）模數(shù)的選取 帶輪模數(shù)主要根據(jù)齒形帶傳動(dòng)的計(jì)算功率和小帶輪的最大轉(zhuǎn)速，計(jì)算功率計(jì)算公式為： （5.7） 式中 p——齒形帶傳遞功率 ——工作情況系數(shù)，參照表4-12選取1.6[2] 代入得： 根據(jù)計(jì)算公式和小帶輪轉(zhuǎn)速，參照?qǐng)D12-13選取L型帶輪，同步帶的基準(zhǔn)寬度為25.4mm，帶輪的節(jié)距為9.5，選擇齒數(shù)為12，其直徑查表12-56得分度園直

52、徑，齒頂圓直徑為，由于傳動(dòng)比為2，則大帶輪的齒數(shù)為24，其分度圓直徑,齒頂圓直徑為，選取模數(shù)為2[1] (2) 選定中心距 （5.8） ，初次選定為150mm 中心距初選以后，可按下列公式計(jì)算帶長(zhǎng) （5.9） 則帶的齒數(shù),選取齒數(shù)為80 最終確定中心距 （5.10） （3)小帶輪的嚙合齒數(shù) （5.11） 當(dāng)時(shí)，不小于4，當(dāng)

53、時(shí)，不小于6，所以滿足要求。 6 主傳動(dòng)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 6.1 數(shù)控車床對(duì)主軸系統(tǒng)的性能要求 數(shù)控車床的主軸系統(tǒng)就是數(shù)控車床的主傳動(dòng)系統(tǒng)，是車床的重要組成部分之一，數(shù)控車床主軸運(yùn)動(dòng)時(shí)車床成形運(yùn)動(dòng)之一，也就是一次包絡(luò)蝸桿毛坯件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，它的運(yùn)動(dòng)精度、轉(zhuǎn)速范圍、傳遞功率和動(dòng)力特性，決定了蝸桿的加工精度、加工效率和加工工藝能力。數(shù)控車床的主軸系統(tǒng)應(yīng)滿足如下性能要求： （1）主軸具有一定的轉(zhuǎn)速和足夠的轉(zhuǎn)速范圍，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，從而能夠保證加工時(shí)可以選用合理的切削用量，充分發(fā)揮刀具的切削性能。 （2）具有較高的精度和剛度，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低，以滿足機(jī)床的工作性能要求

54、。 （3）主傳動(dòng)的有關(guān)結(jié)構(gòu)，特別是主軸組件要有足夠高的精度、抗震性和熱穩(wěn)定性，傳動(dòng)效率高。 （4）操作靈活可靠，維修方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。 6.2 主傳動(dòng)方式的選擇 數(shù)控車床的主軸傳動(dòng)要求有較大的調(diào)速范圍，以保證加工時(shí)可以選用合理的切削用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)率和加工精度。數(shù)控車床的調(diào)速是按照控制指令自動(dòng)進(jìn)行的，因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動(dòng)操作的要求。所以數(shù)控車床通常采用無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)，其主軸主動(dòng)系統(tǒng)通常有一下幾種方式： （1）調(diào)速電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸傳動(dòng)方式 這種方式由電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)緊湊，這種主傳動(dòng)方式很好的簡(jiǎn)化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu)，而且有效地提高了主

55、軸部件的剛度，但主軸的調(diào)速及轉(zhuǎn)矩特性與電動(dòng)機(jī)的輸出特性一致，電動(dòng)機(jī)發(fā)熱對(duì)主軸精度的影響較大。 （2）具有變速齒輪的傳動(dòng)方式 一般在大、中型數(shù)控機(jī)床中采用這種變速方式。這種傳動(dòng)方式通過(guò)少數(shù)幾對(duì)齒輪降速，擴(kuò)大輸出轉(zhuǎn)矩，增大調(diào)速范圍，以滿足主軸對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩特性的要求。數(shù)控機(jī)床一般通過(guò)齒輪變速形成分段無(wú)級(jí)變速。當(dāng)有些小型數(shù)控車床要求獲得較大的切削轉(zhuǎn)矩時(shí)也可以采用這種傳動(dòng)方式。 （3）通過(guò)帶傳動(dòng)的傳動(dòng)方式 這種傳動(dòng)主要應(yīng)用于轉(zhuǎn)速要求較高、變速范圍不大的機(jī)床。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單調(diào)試方便，在一定條件下電動(dòng)機(jī)本身的調(diào)速能夠滿足要求，不需要齒輪變速，產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)較小。它適用于高速、低轉(zhuǎn)矩特性要求的主軸。在機(jī)床

56、生常用的是多楔帶和同步齒形帶。 由于本車床專用來(lái)加工一次包絡(luò)蝸桿，加工時(shí)主軸轉(zhuǎn)速不高，對(duì)調(diào)速范圍要求較低，所以本設(shè)計(jì)采用調(diào)速電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸傳動(dòng)方式。 根據(jù)車床車削所需總功率為2.75KW，則旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的總功率為0.056KW,這里選取電動(dòng)機(jī)型號(hào)為：YCJ132，其額定功率為3KW，調(diào)速范圍為,14—196r每分鐘，最大輸出扭矩為1910 6.3 主軸的主要尺寸參數(shù)及組件的選擇設(shè)計(jì) 主軸組件的尺寸參數(shù)主要包括：主軸的直徑D；主軸內(nèi)孔直徑d；主軸前端部的懸伸長(zhǎng)度a；以及主軸支承跨距L等。確定這些尺寸參數(shù)的一般步驟是：首先依據(jù)機(jī)床主電機(jī)功率或機(jī)床的主參數(shù)來(lái)選取D，在滿足主軸本身剛度的

57、情況下下，按照工藝要求確定內(nèi)孔直徑d，根據(jù)主軸總體結(jié)構(gòu)形狀和前支承的結(jié)構(gòu)型式確定懸伸長(zhǎng)度a,最后根據(jù)這些參數(shù)來(lái)確定L。 （1）主軸直徑確定 主軸直徑對(duì)主軸組件剛度的影響很大，主軸的直徑越大，剛度越高，同時(shí)主軸變形和由軸承變形引起的前端位移越小。 但主軸直徑越大，與之相配的軸承和軸上其他零件的尺寸等越大，同等級(jí)精度軸承要達(dá)到相同的公差則制造越困難，主軸的旋轉(zhuǎn)精度也難保證。同時(shí)，加大直徑主軸的極限轉(zhuǎn)速也急劇下降。 通常，主軸前軸頸直徑D可根據(jù)主電動(dòng)機(jī)功率和機(jī)床種類進(jìn)行初步估計(jì)。主軸后端支承軸頸的直徑一般為0.7—0.8的前軸承直徑，前后軸頸的差值大小越小則主軸的剛度就會(huì)越高，質(zhì)量也會(huì)越輕，

58、同時(shí)工藝性能越好。下表為幾種常見(jiàn)的機(jī)床主軸前軸頸的直徑D 已知主電機(jī)功率=3 KW，機(jī)床類型是車床，查表3初選D=70。 前軸頸直徑D和主軸后軸頸直徑D的關(guān)系，可根據(jù)下列公式來(lái)確定： D=（0.7～0.8）D D=（0.7～0.8）D=（0.7～0.8）×70=49～56，取D=55。 表 3主軸前軸頸直徑D的選擇 機(jī)床 機(jī) 床 功 率 （千瓦） 1.47～2.5 2.6～3.6 3.7～5.5 5.6～7.3 7.4～11 11～14.7 銑床 50～85 60～90 60～95 75～100 90～105 100～120 車床

59、60～80 70～90 70～105 95～130 110～145 140～165 外圓磨床 — 50～90 55～75 70～80 75～90 75～100 主軸的材料方面，因?yàn)橹鬏S的剛度與材料的彈性模量E值密切相關(guān)，而鋼的E值較大（2.1×10N/cm左右），因此主軸材料首先選用鋼料。同時(shí)鋼的彈性模量E和鋼的熱處理方式和種類無(wú)關(guān)，普通鋼和合金鋼的彈性模量基本相同。所以根據(jù)此次設(shè)計(jì)的機(jī)床主軸，考慮到主軸材料的選擇原則，選擇鋼料應(yīng)首先選用性價(jià)比較高的中碳鋼（45鋼調(diào)質(zhì)處理），只有在有較大的沖擊和載荷特別重時(shí)，才考慮到選用合金鋼。 該組合機(jī)床用于車削加工，主軸的內(nèi)孔可

60、用來(lái)通過(guò)棒料或傳動(dòng)液壓卡盤等，主軸孔徑大小主要受到剛度的限制，該車床主軸內(nèi)孔直徑應(yīng)選取合理，才不致于影響主軸剛度。主軸內(nèi) 孔直徑與主軸直徑之比為0.3—0.5，本設(shè)計(jì)中選用0.5 即d=0.5 D=0.5×55=27.5 將其圓整，d最后取為25 （2）主軸前后支承軸承的選擇 本課設(shè)計(jì)數(shù)控車床要求的轉(zhuǎn)速不高，軸承的徑向和軸向受力不大，前軸承采用兩個(gè)角接觸球軸承并列配置，以減少主軸懸伸量和端部變形，后軸承采用深溝球軸承，以承受較大的電機(jī)傳動(dòng)力，主軸的前后直徑分別為70mm和55mm。 選取的主軸前支承的兩個(gè)角接觸球軸承型號(hào)為7211C。其中，d=55，D=100，B=2

61、1，r=1.5。再選取主軸后支承的深溝球軸承型號(hào)為 6214。其中：d=70，D=125，B=24，r=1.8。 （3）主軸前端懸伸量和跨度 主軸前端懸伸量a是指主軸前端受力作用點(diǎn)到主軸前支承支反力的作用點(diǎn)之間的距離，懸伸長(zhǎng)度對(duì)主軸組件剛度的影響較大。懸伸長(zhǎng)度越短，則主軸組件剛度越好。 主軸前端懸伸長(zhǎng)度a一般應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)選取，為了滿足主軸的剛度要求,應(yīng)盡可能減小懸伸長(zhǎng)度a。初算時(shí)，可查表4。 表4 主軸的懸伸量與直徑之比 類 型 機(jī) 床 和 主 軸 的 類 型 a/ D Ⅰ 自動(dòng)車床和短主軸端銑床，通用和精密車床，用滾動(dòng)軸承支承，適用于普通精度和高精度要求 0.6～1.5

62、 Ⅱ 較長(zhǎng)主軸端和中等長(zhǎng)度的車床和銑床，懸伸長(zhǎng)度不太長(zhǎng)的精密鏜床和內(nèi)圓磨床，用滑動(dòng)或滾動(dòng)軸承支承，適用于大部分普通生產(chǎn)的要求 1.25～2.5 Ⅲ 專用加工細(xì)長(zhǎng)深孔的機(jī)床，由加工技術(shù)決定其需要有較長(zhǎng)的懸伸刀桿或主軸可以移動(dòng)，由于切削量大而不適用于較高精度要求的機(jī)床 >2.5 根據(jù)上表所示，所設(shè)計(jì)的車床屬于Ⅱ型，所以選取a/ D為1.25～2.5，即： a=（1.25～2.5）D=（1.25～2.5）×70=87.5～175 取a=100。 主軸的支承跨距長(zhǎng)度是指主軸前、后支承的支承反力作用點(diǎn)之間的跨距。 合理確定主軸的支承跨距，可提高主軸部件的剛度。支承跨距越小，主軸的剛

63、度就越大，彎曲變形也會(huì)越小，但是支承產(chǎn)生的變形引起的主軸前端的位移量也會(huì)增大；支承跨距大，支承產(chǎn)生的變形引起的主軸前端的位移量減小，但主軸的彎曲變形將增大剛度也會(huì)受影響。主軸的支承跨距存在最佳距離，一般可參照下列公式進(jìn)行選擇計(jì)算： （1） L=（4～5）D； （2） L=（3～5）a，用于懸伸長(zhǎng)度較小時(shí)； （3） L=（1～2）a，用于懸伸長(zhǎng)度較大時(shí)。 根據(jù)此次設(shè)計(jì)的車床剛性主軸的懸伸長(zhǎng)度較小，選取L≤4a為宜。即此次設(shè)計(jì)的車床主軸的合理跨距為 L≤4a=4×100=400 取L=400。主軸簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖14。 圖14 主軸簡(jiǎn)圖 （4）主軸的強(qiáng)度校核 對(duì)于兩邊支承的主軸，若前

64、支承有個(gè)雙列滾動(dòng)軸承或兩個(gè)以上滾動(dòng)軸承，則可將主軸組件簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁，如圖15所示 圖15 主軸組件簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁 圖16 主軸組件簡(jiǎn)化為固定端梁 此次設(shè)計(jì)的主軸，前支承選用了兩個(gè)角接觸球軸承作為支承，即可認(rèn)為主軸在前支承處無(wú)彎曲變形，可以簡(jiǎn)化成固定端梁，如圖16所示。 根據(jù)上述支承方式和簡(jiǎn)化結(jié)果，主軸所受的最大彎矩為： （6.1） 主軸所受到的扭矩為： （6.2） 假定在加工蝸桿時(shí)設(shè)計(jì)的最低切削速度時(shí)主軸轉(zhuǎn)速為100r/min 軸的抗彎截面系數(shù)為：

65、 （6.3） 根據(jù)第三強(qiáng)度理論，則軸的彎扭合成強(qiáng)度為： （6.4） 參考表15-1[3] 得知所選軸的許用彎曲應(yīng)力 所以強(qiáng)度校核滿足滿足要求 根據(jù)上述聯(lián)軸器的選用原則，這里選擇剛性聯(lián)軸器，型號(hào)為GYS8,其軸孔直徑為70mm，許用轉(zhuǎn)速為4800r/min，公稱轉(zhuǎn)矩為3150，滿足設(shè)計(jì)要求。 6.4 主軸組件的潤(rùn)滑和密封 （1）主軸軸承的潤(rùn)滑方式 潤(rùn)滑的作用是減小溫升，降低主軸部件的摩擦，降低軸承的工作溫度和延長(zhǎng)使用期限，并和密封裝置保護(hù)軸承減少受到外物的磨損及腐蝕。在數(shù)控車床上，主要的潤(rùn)滑方式

66、有：油脂潤(rùn)滑、油液循環(huán)潤(rùn)滑、油氣潤(rùn)滑及油霧潤(rùn)滑等。潤(rùn)滑方式的選擇取決于軸承的類型、工作負(fù)荷等因素。 滾動(dòng)軸承一般可以使用潤(rùn)滑脂或潤(rùn)滑油潤(rùn)滑。在速度較低時(shí)，用潤(rùn)滑脂比用潤(rùn)滑油效果好。所以，本設(shè)計(jì)的主軸支承采用潤(rùn)滑脂的潤(rùn)滑方式。 加潤(rùn)滑脂時(shí)，加入軸承容量的10%即可，油脂過(guò)多時(shí)會(huì)加劇主軸的發(fā)熱。 （2）主軸的密封 密封在一定程度上也影響著主軸組件的工作性能。機(jī)床主軸密封不好，將使?jié)櫥瑒┩饬?，造成浪費(fèi)，加速零件的磨損，還會(huì)嚴(yán)重地影響到工作環(huán)境及機(jī)床的外觀。密封是防止?jié)櫥瑒闹鬏S組件及其傳動(dòng)部件中流失，避免潤(rùn)滑油的浪費(fèi)，保護(hù)工作環(huán)境的穩(wěn)定，阻止灰塵、水等雜物從外面進(jìn)入部件，以延長(zhǎng)機(jī)床的使用壽命。 主軸組件的密封可分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式密封是在軸承蓋內(nèi)安置軟的密封材料和主軸直接接觸的密封形式，常用的幾種結(jié)構(gòu)形式有氈圈油封、唇形密封圈、密封環(huán)；非接觸式密封可以避免接觸式中的滑動(dòng)摩擦，主要結(jié)構(gòu)形式有：隙縫密封、甩油密封和曲路密封。 由于本設(shè)計(jì)的主軸轉(zhuǎn)速較低，所以選擇結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單適應(yīng)于低速運(yùn)動(dòng)的氈圈密封。橫向和縱向進(jìn)給系統(tǒng)也同樣采用這種密封形式。、 6.5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)