CK6140數(shù)控車床主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)【含19張CAD圖紙、說明書】
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畢業(yè)論文
題目：CK6140數(shù)控車床主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
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摘要
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數(shù)控機(jī)床發(fā)展的過程與現(xiàn)狀 ,并分析了其存在的問題 ;對數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢進(jìn)行了探討；并對ck6140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)展趨勢是通過電氣與機(jī)械裝置進(jìn)行無級變速。變頻電機(jī)通過帶傳動(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)的不足之處由于受到傳遞轉(zhuǎn)矩的限制而無法采用電磁離合器進(jìn)行變速換擋，而采用了液壓撥叉進(jìn)行變速換擋，增加了機(jī)床的復(fù)雜性，必須將數(shù)控裝置的電信號轉(zhuǎn)換為電磁閥的機(jī)械動(dòng)作，從而增加了變速機(jī)構(gòu)的中間環(huán)節(jié)，相應(yīng)地帶來更多不可靠的因素。
關(guān)鍵詞：數(shù)控車床，無級調(diào)速，傳動(dòng)系統(tǒng) ，變速機(jī)構(gòu)
I
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 ck6140NC 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 .
Disadvantages of this design because of the transmission torque limit and cannot use electromagnetic clutch to shift gears, and adopts the hydraulic fork are shifting, machine tools increased complexity, we must convert electrical signals into mechanical actions of numerical control device of electromagnetic valve, thereby increasing the intermediate link transmission mechanism, accordingly bring more unreliable factors.
Key words: CNC lathes, a continuously variable speed , transmission Systerm, Transmission mechanism
目錄
目錄
摘要 I
Abstract II
第一章 緒論 - 1 -
1.1 課題背景及目的 - 1 -
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 - 2 -
1.2.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 - 2 -
1.2.2 我國數(shù)控車床的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 - 2 -
1.3 課題研究內(nèi)容及方法 - 6 -
1.3.1 課題研究內(nèi)容 - 6 -
1.3.2 研究方法 - 6 -
1.4 論文構(gòu)成 - 6 -
第二章 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) - 7 -
2.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 - 7 -
2.2 總體設(shè)計(jì) - 7 -
2.2.1 擬定傳動(dòng)方案 - 7 -
2.2.2 選擇電機(jī) - 8 -
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 - 11 -
2.2.4 轉(zhuǎn)速圖 - 13 -
第三章 傳動(dòng)系統(tǒng)零部件設(shè)計(jì) - 14 -
3.1 傳動(dòng)皮帶的設(shè)計(jì)和選定 - 14 -
3.1.1 V帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) - 14 -
3.2 皮帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - 16 -
3.2.1 對三角皮帶帶輪設(shè)計(jì)的要求： - 16 -
3.2.2 皮帶輪的材料 - 16 -
3.2.3 結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì) - 17 -
3.3 軸系部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - 18 -
3.3.1 Ⅰ軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 - 18 -
3.3.2 ⅠⅡ軸齒輪組的設(shè)計(jì) - 21 -
3.3.3 Ⅱ軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - 25 -
3.3.4 ⅡⅢ軸齒輪組的設(shè)計(jì) - 26 -
第四章 主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - 31 -
4.1 主軸的要求 - 31 -
4.2 主軸軸承選擇 - 32 -
4.3 主軸的設(shè)計(jì)與校核 - 33 -
4.4 主軸驅(qū)動(dòng)與控制 - 37 -
第五章 結(jié)論 - 41 -
參考文獻(xiàn) - 42 -
致謝 - 43 -
結(jié)論
第一章 緒論
1.1 課題背景及目的
我國目前機(jī)床總量380余萬臺，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有11.34萬臺，即我國機(jī)床數(shù)控化率不到3％。近10年來，我國數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為0.6～0.8萬臺，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)（美國和日本自動(dòng)和半自動(dòng)機(jī)床占60％以上）?？梢娢覀兊拇蠖鄶?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的產(chǎn)品國內(nèi)、外市場上缺乏競爭力，直接影響一個(gè)企業(yè)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)長時(shí)間無人看管加工。
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，可對市場需求做出快速反應(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年的市場消費(fèi)內(nèi)容也可可看出,普通機(jī)床的市場份額在下降,數(shù)控機(jī)床則大幅度增長，尤其是中高檔數(shù)控機(jī)床供不應(yīng)求?？梢灶A(yù)見，未來幾年普通機(jī)床的市場份額將不斷下滑, 數(shù)控機(jī)床的消費(fèi)會(huì)逐漸擴(kuò)大。
在這樣一種背景下，我的課題選擇為設(shè)計(jì)一臺數(shù)控車床——CK20，用于對轉(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。通過本次設(shè)計(jì)培養(yǎng)綜合運(yùn)用基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識，解決工程實(shí)際問題的能力，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,增強(qiáng)對如何發(fā)展民族數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的感性認(rèn)識。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
1.2.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
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）。
未來數(shù)控系統(tǒng)將呈以下發(fā)展趨勢：
1、 繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展
基于PC所具有的開放性、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)，來處理人機(jī)界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，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)能檢測過程中一些重要信息，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)
可以通過自動(dòng)識別負(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。
1.2.2 我國數(shù)控車床的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
1、研究現(xiàn)狀
我國數(shù)控車床從20世紀(jì)70年代初進(jìn)入市場，至今通過各大機(jī)床廠家的不懈努力，通過采取與國外著名機(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。但數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)品競爭力在國際市場中仍處于較低水平，即使在國內(nèi)市場也面臨著嚴(yán)峻的形勢：一方面國內(nèi)市場對各類機(jī)床產(chǎn)品特別是數(shù)控機(jī)床有大量需求，而另一方面卻有不少國產(chǎn)機(jī)床滯銷積壓，國內(nèi)機(jī)床產(chǎn)品充斥市場，嚴(yán)重影響我國數(shù)控機(jī)床自主發(fā)展的勢頭。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，除了有經(jīng)營上、產(chǎn)品質(zhì)量上和促銷手段上等的原因外，一個(gè)最主要的原因就是新產(chǎn)品（包括基型、變型和專用機(jī)床）的開發(fā)周期長，不能及時(shí)針對用戶的需求提供滿意的產(chǎn)品。
1）床身
按照床身導(dǎo)軌面與水平面的相對位置，床身有圖1所示的5種布局形式。一般來說，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，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。結(jié)構(gòu)如下圖所示：
??????
a)后斜床身-斜滑板 b)直立床身-直立滑板
圖 1.2 1導(dǎo)軌布置圖
c)平床身-平滑板 d)前斜床身-平滑板 e)平床身-斜滑板
3）主軸傳動(dòng)系統(tǒng)
機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)可分為分級變速傳動(dòng)和無級變速傳動(dòng)。分級變速傳動(dòng)是在一定范圍能均勻的、離散地分布著有限級數(shù)的轉(zhuǎn)速，主要用于普通機(jī)床。無級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)通常采用無級變速。
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，并可無級調(diào)速，使主軸結(jié)構(gòu)大為簡化。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實(shí)現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)的無級變速配合變速機(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，通過刀架的旋轉(zhuǎn)分度定位來實(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。
2、發(fā)展趨勢
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)測及優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及對整機(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，提高市場競爭能力。
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 課題研究內(nèi)容及方法
1.3.1 課題研究內(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：
最大車削長度：；主軸錐度：莫氏6#
主軸轉(zhuǎn)速：25~2500rpm（有級或無極變頻調(diào)速）；主軸功率：5.5Kw
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)、換擋變速機(jī)構(gòu)的選用。
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，此外力求外型美觀。
第二步，進(jìn)工廠觀摩，大量收集國內(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CK6140的性能相匹配，盡量減少過剩的數(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。（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)方案的制定。
第三章傳動(dòng)系統(tǒng)零部件的設(shè)計(jì)。
第四章主軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
第五章總結(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)。
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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
現(xiàn)代切削加工正朝著高速、高效和高精度的方向發(fā)展，要求機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)具有更高的轉(zhuǎn)速和更大的無極調(diào)速范圍；在切削過程中能自動(dòng)變換速度，機(jī)床結(jié)構(gòu)要簡單，噪聲要小，動(dòng)態(tài)性能要好，可靠性要高。數(shù)控車床作為高度自動(dòng)化的機(jī)電一體化設(shè)備，其主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下基本要求。
①使用性能要求 首先應(yīng)滿足機(jī)床的運(yùn)動(dòng)性能，如機(jī)床的主軸有足夠的轉(zhuǎn)速范圍和轉(zhuǎn)速級數(shù)。傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，操縱方便靈活、迅速、安全可靠。
②傳遞動(dòng)力要求 主電動(dòng)機(jī)和傳遞結(jié)構(gòu)能夠提供和傳遞足夠的功率和轉(zhuǎn)矩，具有較高的傳動(dòng)效率。
③工作性能要求 主傳動(dòng)中所有零部件要有足夠的剛度、精度和抗振性，熱變形性穩(wěn)定。
此外，還要求主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于調(diào)整和維修；工藝性好，便于加工和裝配；防護(hù)性能好；使用壽命長。
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)變速又是無級變速，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。無級調(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)源的電氣無級變速。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)常常在無級變速電機(jī)之后串聯(lián)機(jī)械有級變速傳動(dòng)，以滿足機(jī)床要求的調(diào)速范圍和轉(zhuǎn)矩特性。
為簡化主軸箱結(jié)構(gòu)，本方案僅采用二級機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)方案如圖2.1：
有級變速的自動(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)是通過液壓缸、活塞桿帶動(dòng)撥叉推動(dòng)滑移齒輪移動(dòng)來實(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)控裝置送來的電信號轉(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)，帶來了更多的不可靠因素。
圖 2.2 1機(jī)械變速方案示意圖
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)，能簡化變速機(jī)構(gòu)，操作方便。通過若干個(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。
2.2.2 選擇電機(jī)
1、選擇電機(jī)應(yīng)綜合考慮的問題
(1)根據(jù)機(jī)械的負(fù)載特性和生產(chǎn)工藝對電動(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)和對功率因素的要求，確定電動(dòng)機(jī)的電壓等級和類型。
(5)根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的最高轉(zhuǎn)速和對電力傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程的要求，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。
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?？偟膩碚f，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。表2.2-1簡要給出了用戶所期望的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能。下面將對各種交流主軸系統(tǒng)進(jìn)行對比、分析。
表 2.2 1主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的理想性能
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)過對比分析本設(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其額定功率，工作時(shí)就不會(huì)過熱，可不進(jìn)行發(fā)熱計(jì)算，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（）
(2.1)
傳動(dòng)裝置的總效率
其中， ―V帶輪傳動(dòng)效率，由資料[10]，表2－4查得＝0.96； (2.2)
―滾動(dòng)軸承效率，由資料[10]，表2－4查得＝0.99；
―圓柱齒輪傳動(dòng)效率，由資料[10]，表2－4查得＝0.98；
由此， =0.87
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7.5Kw。
（4）電動(dòng)機(jī)電壓和轉(zhuǎn)速的選擇
由資料[7],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選擇。
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，因此變速級數(shù)較少，故對電動(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,ⅠⅡ軸上齒輪傳動(dòng)比確定為ⅡⅢ軸上兩對直齒輪的傳動(dòng)比分別為，所以兩條傳動(dòng)鏈中，底速傳動(dòng)鏈傳動(dòng)比，高速傳動(dòng)鏈傳動(dòng)比，由此可得電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍：
r/min,
（5）確定電機(jī)的型號
由前面信息，可選取VFNC系列變頻主軸電機(jī)型號VFNC 160M-33.3-7.5-4。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，確保低速強(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 2電機(jī)參數(shù)
型號
S1-100%連續(xù)額定
S6-50% ED
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
（錯(cuò)誤!未找到引用源。）
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
0.1087
1-33.3Hz，
30~1000r/min
S1-100%,1000~6000 r/min
S6-50%,1000~4500 r/min
VFNC 160M-33.3-7.5-4
7.5
18.8
73.5
11
25
105
機(jī)座長為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[2]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)公式除非特別說明，均出自資料[10]）
∵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
(2.3)
估算主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速，由于采用的是無級調(diào)速，所以采用以下的公式：
(2.4)
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
(2.5)
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)有級變速箱，以滿足主軸的恒功率調(diào)速范圍。
取，則對于數(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
(2.7)
各軸輸入功率
(2.8)
各軸輸入轉(zhuǎn)矩
(2.9)
將以上計(jì)算結(jié)果整理后列于表2.2-3，供以后計(jì)算選擇，供Fz以后計(jì)算使用：
表 2.2 3各軸傳動(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
769.2
427．3
178/427.3
輸入功率（Kw）
7.5
7.2
6.85
6.51
轉(zhuǎn)矩（）
71.6
89.4
153
349/145.5
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, 見圖2.2-2.
圖 2.2 2 轉(zhuǎn)速圖
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
（如無特殊說明，本小節(jié)公式均出自資料[5]）
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)
(3-1)
(2) 選定帶型：
根據(jù)和由圖8-11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=160mm
2>驗(yàn)算帶速V：
(3-2)
因?yàn)?m/s計(jì)算大帶輪的基準(zhǔn)直徑。
=i?=1.3×160=208mm
根據(jù)表8-8圓整為=224mm
確定V帶的中心距a和基準(zhǔn)長度Ld
1>初定帶輪距
得： (3-3)
即
初取
2>計(jì)算帶所需的基準(zhǔn)長度：
(3-4)
由表8-2選帶的基準(zhǔn)長度Ld=1800mm
3>計(jì)算實(shí)際中心距：
(3-5)
安裝時(shí)所需最小軸間距：
(3-6)
張緊或補(bǔ)償伸長所需最大軸間距：
(3-7)
(5)驗(yàn)算小帶輪包角：
(3-8)
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)和=1000r/min查表8-4a得基本額定功率=2.8Kw。
再根據(jù)=1000r/min、i=1.3和A型帶查表8-4b得Δ=0.22Kw
查表8-5得：
(3-9)
2>計(jì)算帶的根數(shù)z。
(3-10)
取Z=4根
計(jì)算單根V帶的初拉力的最小值：
(3-11)
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：
(3-12)
(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，裝配裝置參見裝配圖。
3.2 皮帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.2.1 對三角皮帶帶輪設(shè)計(jì)的要求：
⑴、重量輕；
⑵、結(jié)構(gòu)工藝性好，無過大鑄造內(nèi)應(yīng)力，便于制造；
⑶、質(zhì)量分布均勻；
⑷、輪槽工作面要精細(xì)加工▽5～▽6，以減少皮帶的磨損；
⑸、應(yīng)保證一定的幾何尺寸精度，以使載荷分布均勻；
⑹、要有足夠的強(qiáng)度和剛度；
⑺、盡可能的從經(jīng)濟(jì)角度加以考慮。
3.2.2 皮帶輪的材料
根據(jù)V=10.55m／s≦30m／s ,考慮到加工方便及經(jīng)濟(jì)性的原則，采用HT15-30的鑄鐵帶輪。
3.2.3 結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)
⑴、輪槽的設(shè)計(jì)
對與A型皮帶由【3】*表12-12查得有關(guān)參數(shù)
表格 三 1 A型帶各參數(shù)
M
f
T
s
b△
δ
B
φ=3?
12.5
3.5
16
10
11
6
68
b?=17
B=（Z-1）t+2s=（4-1）×16+2×10=68mm (3-13)
圖 3.2 1帶輪各參數(shù)的定義
⑵帶輪的設(shè)計(jì)
∵ mm＜300mm， 故采用腹板式。
又：D1－d1=194－45=149＞100 ，故在腹板上開4孔，
a）、有關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸如下：
d=25mm; 第I軸直徑
d1=1.8×25=45mm
D0=0.5（D1＋d1）=0.5×（45＋194）=119.5mm
D1=224－2×6－2×（12.5－3.5）=194mm
d0=0.25（280－30－58）=48mm
L=2d=32×2=64mm
=224＋7=231mm
3.3 軸系部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.3.1 Ⅰ軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核
（如無特殊說明，本小節(jié)公式均出自資料[5]）
I軸上的零件主要是齒輪1。一端用軸肩定位,另一端用套筒定位。
（1）軸的選材和最小直徑得確定
軸的材料選擇為：45號鋼（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：
(3-14)
（2）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度
初步選擇滾動(dòng)軸承
因該軸承僅承受徑向力的作用，故選用深溝球軸承。參照工作要求選擇型號為6006的深溝球軸承，參數(shù)如下
，安裝尺寸
所以
取安裝齒輪處的軸段2-3的直徑29mm;齒輪的左端與左軸承之間采用套筒定位。已知齒輪輪轂的寬度為37mm, 為了使套筒端面可靠地壓緊齒輪，此軸段應(yīng)略短于輪轂寬度，故取，齒輪右端采用軸肩定位，軸肩高度h>0.07d,故取h=3mm,則軸環(huán)處的直徑，軸環(huán)寬度,取。
取齒輪距箱體內(nèi)壁之距離a=18mm,考慮到箱體的鑄造誤差，在確定滾動(dòng)軸承位置時(shí)，應(yīng)距箱體內(nèi)壁一段距離s，取s=8mm,已知滾動(dòng)軸承寬度b=12mm,則
軸Ⅰ結(jié)構(gòu)如圖所示：
圖 3.3 1軸Ⅰ結(jié)構(gòu)圖
軸的受力分析和彎矩的計(jì)算
1.輸入軸的功率=7.2KW，轉(zhuǎn)速=769.2r/min，轉(zhuǎn)矩
2.求作用在齒輪上的力
(3-15)
3.計(jì)算支撐反力
在水平面上
(3-16)
在垂直平面上
(3-17)
4.計(jì)算彎矩和轉(zhuǎn)矩并做彎矩扭矩圖（如下圖所示）
(3-18)
5.按彎扭組合強(qiáng)度校核軸的強(qiáng)度
對于直徑為d的圓軸，彎曲應(yīng)力為,扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為,將，則軸的彎扭合成強(qiáng)度條件為
(3-19)
式中：—軸的計(jì)算應(yīng)力，MPa
M—軸所受的彎矩，N·mm
T—軸所受的扭矩，N·mm
W—軸的抗彎截面系數(shù)，
進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險(xiǎn)截面D）的強(qiáng)度。根據(jù)校核公式及以上數(shù)據(jù)，以及軸雙向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取，軸的計(jì)算應(yīng)力：
前已選定軸的材料為45鋼，調(diào)制處理，查表可得:。因此，故安全。
圖 3.3 2 軸的載荷分析圖
3.3.2 ⅠⅡ軸齒輪組的設(shè)計(jì)
1.選定齒輪類型,精度等級,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：
(3-19)
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89.4Nm
（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：
(3-20)
（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：
(3-21)
2）計(jì)算
（1）小齒輪分度圓直徑，代入[]中較小的值：
(3-22)
（2）計(jì)算圓周速度：
(3-23)
（3）計(jì)算齒寬：
(3-24)
（4）計(jì)算齒寬與齒高之比：
模數(shù) (3-25)
齒高 (3-26)
(3-27)
（5）計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù)，6級精度，由圖10-8查得動(dòng)載系數(shù)；
直齒輪，
由表10-2查得使用系數(shù)
由表10-4查得6級精度，小齒輪非對稱支承時(shí)：
(3-28)
將數(shù)據(jù)代入得：
； (3-29)
由b/h=4.66,，查圖10-13得；故載荷系數(shù)：
(3-30)
（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：
(3-31)
（7）計(jì)算模數(shù)：
(3-32)
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：
(3-33)
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：
(3-34)
（4）計(jì)算載荷系數(shù)K：
(3-35)
（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：
(3-36)
大齒輪的數(shù)值大。
2）設(shè)計(jì)計(jì)算：
對比計(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)2.47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。
3.3.3 Ⅱ軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（如無特殊說明，本小節(jié)公式均出自資料[5]）
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，而右端選用一對角接觸球軸承背靠背安裝，如圖所示：
圖 3.3 3中間軸支撐形式
2.軸上零件的軸向定位
II軸上的主要零件主要有三對直齒圓柱齒輪及其中兩直齒圓柱齒輪是雙聯(lián)滑移齒輪。滾動(dòng)軸承的左端靠在端蓋上，右端用軸肩定位，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：
（2）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度
初選型號6008的深溝球軸承 參數(shù)如下
故軸 ，即安裝滑移齒輪處軸段的直徑
取安裝固定齒輪處軸段2-3的直徑齒輪左端與左端軸承之間采用套筒定位。已知齒輪輪轂的寬度為32mm,為了使套筒端面可靠地壓緊齒輪，此軸段應(yīng)略短于輪轂寬度，故取，齒輪右端采用軸肩定位，軸肩高度h>0.07d,故取h=5mm,則軸環(huán)處的直徑，軸環(huán)寬度,取。
取齒輪距箱體內(nèi)壁之距離a=18mm,考慮到箱體的鑄造誤差，在確定滾動(dòng)軸承位置時(shí)，應(yīng)距箱體內(nèi)壁一段距離s，取s=8mm,已知滾動(dòng)軸承寬度b=15mm,則
?。?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3.3-4.
圖 3.3 4中間軸零件圖
3.3.4 ⅡⅢ軸齒輪組的設(shè)計(jì)
齒輪1和2的直徑相差較大，對齒輪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)行該對齒輪的設(shè)計(jì)。
1.選定齒輪的精度等級和材料，初選齒數(shù)
①本數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行速度較高，精度等級選擇6級精度；
②由表10－1，小齒輪材料選擇為20，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，＝ ＝24×2.4=57.6
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153N?m;
③由表10－7及其說明，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72000h，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)=0.92,=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），
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，代入中較小的值：
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，相對支撐作對稱分布。由表10－4，
由b/h＝2.66，=1.13,查圖10－13，得＝
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