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目 錄
1 引言 1
2 數(shù)控機床概況 2
2.1 數(shù)控機床的產(chǎn)生與發(fā)展 2
2.2 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢 2
3 數(shù)控車床的簡介 3
3.1 數(shù)控車床的組成及工作原理 3
3.2 數(shù)控車床的特點 4
3.3 數(shù)控車床的適用范圍 4
4 數(shù)控車床的設計 6
4.1 數(shù)控車床的設計方法和特點 6
4.2 數(shù)控機床的設計步驟 6
5 CK6150數(shù)控車床主軸箱設計 8
5.1 數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的發(fā)展 8
5.2 主傳動系統(tǒng)的設計要求 8
5.3 主傳動系統(tǒng)設計 10
5.4 動力設計 11
5.5 帶傳動設計 14
6 主軸組件的性能要求 18
7 主軸結(jié)構(gòu)及熱處理要求 19
結(jié)束語 20
致謝 21
參考文獻 22
第 23 頁 共 22 頁
1 引言
機床設計和制造的發(fā)展速度是很快的。由原先的只為滿足加工成形而要求刀具與工件間的某些相對運動關系和零件的一定強度和剛度，發(fā)展至今日的高度科學技術成果綜合應用的現(xiàn)代機床的設計，也包括計算機輔助設計（CAD）的應用。但目前機床主軸變速箱的設計還是以經(jīng)驗或類比為基礎的傳統(tǒng)（經(jīng)驗）設計方法。因此，探索科學理論的應用，科學地分析的處理經(jīng)驗，數(shù)據(jù)和資料，既能提高機床設計和制造水平，也將促進設計方法的現(xiàn)代
機床設計是學生在學完基礎課，技術基礎課及有關專業(yè)課的基礎上，結(jié)合機床傳動部件（主軸變速箱）設計進行的綜合訓練。我們畢業(yè)設計題目是CK6150數(shù)控車床的主軸箱設計。
在本設計中首先進行參數(shù)擬定，運動設計，動力計算和結(jié)構(gòu)草圖設計，軸和軸承的驗算，主軸箱裝配設計，設計計算說明書等內(nèi)容。
設計主軸變速箱的結(jié)構(gòu)包括傳動件（傳動軸，軸承，帶輪，離合器和制動器等），主軸組件，操縱機構(gòu)，潤滑密封系統(tǒng)和箱體及其聯(lián)接件的結(jié)構(gòu)設計與布置，用一張展開圖和若干張橫截面圖表示。課程設計限于時間，一般只畫展開圖及一或兩個截面圖。
主傳動系統(tǒng)是用來實現(xiàn)機床主運動的傳動系統(tǒng)，它應具有一定的轉(zhuǎn)速（速度）和一定的變速范圍，以便采用不同材料的刀具，加工不同的材料，不同尺寸，不同要求的工件，并能方便的實現(xiàn)運動的開停，變速，換向和制動等。
數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)主要包括電動機、傳動系統(tǒng)和主軸部件，它與普通機床的主傳動系統(tǒng)相比在結(jié)構(gòu)上比較簡單，這是因為變速功能全部或大部分由主軸電動機的無級調(diào)速來承擔，剩去了復雜的齒輪變速機構(gòu)，有些只有二級或三級齒輪變速系統(tǒng)用以擴大電動機無級調(diào)速的范圍。
2 數(shù)控機床概況
2.1 數(shù)控機床的產(chǎn)生與發(fā)展
隨著社會生產(chǎn)和科學技術的迅速發(fā)展，機械產(chǎn)品日趨精密復雜，且需頻繁改型。特別是在宇航、造船、軍事等領域所需的機械零件，精度要求高，形狀復雜，批量小。加工這類產(chǎn)品需要經(jīng)常改裝或調(diào)整設備，普通機床或?qū)Ｓ没潭雀叩淖詣踊瘷C床已不能適應這些要求。為了解決上述問題，一種新型的機床——數(shù)控機床應運而生。這種新型機床具有適應性強、加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。它綜合應用了電子計算機、自動控制、伺服驅(qū)動、精密測量和新型機械結(jié)構(gòu)等多方面的技術成果，是今后機床控制的發(fā)展方向。
2.2 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢
從數(shù)控機床技術水平看，高精度（定位精度：微米級、納米級）、高速度（主軸轉(zhuǎn)速10000r/min，快速進給24m/min，換刀時間2～3s）、高柔性（多主軸、多工位、多刀庫）、多功能（立臥并用、復合加工）和高自動化（自動上下料、自動監(jiān)控、自動測量和通信功能）是數(shù)控機床的重要發(fā)展趨勢［1］。對單臺主機不僅要求提高其柔性和自動化程度，還要求具有進入更高層次的柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)的適應能力。
在數(shù)控系統(tǒng)方面，目前世界上幾個著名的數(shù)控裝置生產(chǎn)廠家，諸如日本的FANCU，德國的SIEMENS和美國的AB公司，產(chǎn)品都向系列化、模塊化、高性能和成套性方向發(fā)展。它們的數(shù)控系統(tǒng)都采用了16位和32位微處理機、標準總線及軟件模塊和硬件模塊結(jié)構(gòu)，內(nèi)存容量擴大到1MB以上，機床分辨率可達0.1um，高速進給可達100m/min，控制軸數(shù)可達16個，并采用先進的電裝工藝［2］。
在驅(qū)動系統(tǒng)方面，交流驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展迅速。交流傳動已由模擬式向數(shù)字式方向發(fā)展，以運算放大器等模擬器件為主的控制器正在被以微處理器為主的數(shù)字集成元件所取代，從而克服了零點漂移、溫度漂移等弱點。
3 數(shù)控車床的簡介
3.1 數(shù)控車床的組成及工作原理
數(shù)控車床由:程序編制及程序載體、輸入裝置 、 數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動、位置檢測裝置、輔助控制裝置、車床本體等幾部分組成。如圖3.1所示：
圖3.1 伺服系統(tǒng)總體方案框圖
在傳統(tǒng)的金屬切削機床上，加工零件時操作者根據(jù)圖樣的要求，通過不斷改變刀具的運動軌跡，運動速度等參數(shù)，使刀具對工件進行切削加工，最終加工出合格零件。
數(shù)控車床的加工其實質(zhì)是應用了“微分”原理。
其工作原理與過程可簡述如下：
(1) 數(shù)控裝置根據(jù)加工程序要求的刀具軌跡，將軌跡按車床對應的坐標軸，以最小移動量（脈沖當量）進行微分，并計算出各軸需要移動的脈沖數(shù)。
(2) 通過數(shù)控裝置的插補軟件或插補運算器，把要求的軌跡用最小移動單位的等效折線進行擬合，并找出最接近理論軌跡的擬合折線。
(3) 數(shù)控裝置根據(jù)擬合折線的軌跡，給相應的坐標軸連續(xù)不斷地分配進給脈沖，并通過伺服驅(qū)動使車床坐標軸按分配的脈沖運動。
由上可見：
(a) 只要數(shù)控車床的最小移動量（脈沖當量）足夠小，所用的擬合折線就完全可以等效代替理論曲線；
(b) 只要改變坐標軸的脈沖分配方式，即可以改變擬合折線的形狀，從而達到改變加工軌跡的目的；
(c) 只要改變分配脈沖的頻率，即可改變坐標軸（刀具）的運動速度。這樣就實現(xiàn)了數(shù)控車床控制刀具移動軌跡的根本目的。
3.2 數(shù)控車床的特點
(1) 加工對象改型的適應性強 由于在數(shù)控車床上改變加工零件時，只需要重新編制程序就能實現(xiàn)對零件的加工，它不同于傳統(tǒng)的車床，不需要制造、更換許多工具、夾具和檢具，更不需要重新調(diào)整車床。
(2）加工精度高 數(shù)控車床是以數(shù)字形式給出的指令進行加工的，由于目前數(shù)控裝置的脈沖當量（即每輸出一個脈沖后數(shù)控機床移動部件相應的移動量）一般達到了0.001mm，而且進給傳動鏈的反向間隙與絲杠螺距誤差等均可由數(shù)控裝置進行補償，因此，數(shù)控車床能達到比較高的加工精度和質(zhì)量穩(wěn)定性。［3］
(3）生產(chǎn)效率高 零件加工所需要的時間包括機動時間與輔助時間兩部分。數(shù)控車床能夠有效地減少這兩部分時間，因而加工生產(chǎn)率比一般車床高得多。數(shù)控車床主軸轉(zhuǎn)速和進給量的范圍比普通車床的范圍大，每一道工序都能選用最有利的切削用量，良好的結(jié)構(gòu)剛性允許數(shù)控車床進行大切削用量的強力切削，有效地節(jié)省了機動時間。
(4）自動化程度高 數(shù)控車床對零件的加工是按事先編好的程序自動完成的，操作者除了操作面板、裝卸零件、關鍵工序的中間測量以及觀察機床的運行之外，其他的機床動作直至加工完畢，都是自動連續(xù)完成，不需要進行繁重的重復性手工操作，勞動強度與緊張程度均大為減小，勞動條件也得到相應的改善。
(5）良好的經(jīng)濟效益 使用數(shù)控車床加工零件時，分攤在每個零件上的設備費用是比較昂貴的。但在單件、小批量生產(chǎn)情況下，可以節(jié)省工藝裝備費用、輔助生產(chǎn)工時、生產(chǎn)管理費用及降低廢品率等，因此能夠獲得良好的經(jīng)濟效益。
(6）有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化 用數(shù)控車床加工零件，能準確地計算零件的加工工時，并有效地簡化了檢驗和工夾具、半成品的管理工作。這些都有利于使生產(chǎn)管理現(xiàn)代化。
3.3 數(shù)控車床的適用范圍
數(shù)控車床與臥式車床一樣，也是用來加工軸類或盤類的回轉(zhuǎn)體零件。但是由于數(shù)控車床是自動完成內(nèi)外圓柱面、圓錐面、圓弧面、端面、螺紋等工序的切削加工，所以數(shù)控車床特別適合加工形狀復雜的軸類或盤類零件。
數(shù)控車床確實存在一般車床所不具備的許多優(yōu)點，但是這些優(yōu)點都是以一定條件為前提的。數(shù)控車床的應用范圍正在不斷擴大，但它并不能完全代替其他類型的機床，也還不能以最經(jīng)濟的方式解決機械加工中的所有問題。數(shù)控車床通常最適合加工具有以下特點的零件。
多品種小批量生產(chǎn)的零件 通常采用數(shù)控車床加工的合理生產(chǎn)批量在10~200件 之間。目前有向中批量發(fā)展的趨勢。
結(jié)構(gòu)比較復雜的零件 通常數(shù)控車床適宜于加工結(jié)構(gòu)比較復雜，在非數(shù)控車床上加工時需要有昂貴的工藝裝備的零件。
需要頻繁改型的零件 它節(jié)省了大量的工藝裝備費用，使綜合費用下降。
價格昂貴、不允許報廢的關鍵零件。
需要最短生產(chǎn)周期的急需零件。數(shù)控車床的初始投資相對較大，由于系統(tǒng)的復雜性，又增加了維修費用。如果缺少完善的售后服務，往往不能及時排除設備故障，將會在一定程度上影響機床的利用率，這些因素都會增加綜合生產(chǎn)費用。
考慮到以上所述的種種原因，在決定選用數(shù)控車床加工時，需要進行反復對比和 細的經(jīng)濟分析，使數(shù)控車床發(fā)揮它的最佳經(jīng)濟效益。
4 數(shù)控車床的設計
4.1 數(shù)控車床的設計方法和特點
（1）數(shù)控車床的設計方法
在過去的機床設計中多采用類比法，以古典力學和數(shù)學為基礎的簡單公式或經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行手工計算和手工設計，設計效率低、質(zhì)量差、周期長。隨著科學技術的進步和社會需求的變化，數(shù)控車床的設計理論和技術也在不斷地發(fā)展。特別是近年來計算方法、控制理論、系統(tǒng)工程、創(chuàng)造工程、價值工程等學科的發(fā)展，尤其是計算機技術的廣泛應用，為機床設計方法的發(fā)展提供了有力的技術支撐。
車床的設計方法是根據(jù)其設計類型而定。普通車床采用系列化設計方法。系列中基型產(chǎn)品屬創(chuàng)新設計類型，其他屬變型設計類型。
在創(chuàng)新設計類型中，車床總體方案的產(chǎn)生方法可采用分析式設計或創(chuàng)成式設計。前者是用類比分析、推理方法產(chǎn)生方案，是目前創(chuàng)新設計一般采用的方法。后者則用創(chuàng)成解析的方法生成方案，創(chuàng)新能力強，這種方法尚在研究發(fā)展之中。
（2）設計方法的特點
數(shù)控車床設計方法與現(xiàn)代科技發(fā)展相適應，具有明顯的特點。
(a) 設計手段計算機化
(b) 設計方法綜合化
(c) 設計對象系統(tǒng)化
(d) 設計目標最優(yōu)化
(e) 設計問題模型化
(f) 設計過程程式化與并行化
4.2 數(shù)控機床的設計步驟
數(shù)控車床的設計內(nèi)容及步驟大致可概括為以下幾方面。
(1) 主要技術指標設計
主要技術指標設計是后續(xù)設計的前提和依據(jù)。設計任務的來源不同，如工廠的規(guī)劃產(chǎn)品，或根據(jù)車床系列型譜進行設計的產(chǎn)品，或用戶定貨等，雖具體的要求不同，但所要進行的內(nèi)容大致相同。主要有以下技術指標。
(a) 用途 指數(shù)控車床的工藝范圍，包括加工對象的材料、質(zhì)量、形狀及尺寸等。
(b) 生產(chǎn)率 包括加工對象的種類、批量及所要求的生產(chǎn)率。
(c) 性能指標 包括加工對象所要求的精度或數(shù)控車床的精度、剛度、熱變形、噪聲等性能指標。
(d) 主要參數(shù) 即確定數(shù)控車床的加工空間和主要參數(shù)。
(e) 驅(qū)動方式 數(shù)控車床電動驅(qū)動方式分為步進電動機驅(qū)動與伺服電動機驅(qū)動。驅(qū)動方式的確定不僅與機床的成本有關，還將直接影響傳動方式的確定。
(f) 成本及生產(chǎn)周期 無論是定貨還是工廠規(guī)劃的產(chǎn)品，都應確定成本及生產(chǎn)周期方面的指標。
(2) 總體方案設計 總體方案設計包括以下幾方面設計。
(a) 運動功能設計 包括確定數(shù)控車床所需運動的個數(shù)、形式（直線運動、回轉(zhuǎn)運動）功能（主運動、進給運動、其他運動）及排列順序，最后畫出數(shù)控車床的運動功能圖。
(b) 基本參數(shù)設計 包括尺寸參數(shù)、運動參數(shù)和動力參數(shù)設計。
(c) 傳動系統(tǒng)設計 包括傳動方式、傳動原理圖及傳動系統(tǒng)圖設計。
(d) 總體結(jié)構(gòu)布局設計 包括運動功能分配、總體布局結(jié)構(gòu)形式及總體結(jié)構(gòu)方案圖設計。
(e) 控制系統(tǒng)設計 包括控制方式及控制原理、控制系統(tǒng)圖設計。
(3) 總體方案綜合評價與選擇 在總體方案設計階段，對其各種方案進行綜合評價，從中選擇較好的方案。
(4) 總體方案的設計修改或優(yōu)化 對所選擇的方案進行進一步的修改或優(yōu)化，確定最終方案。上述設計內(nèi)容，在設計過程中要交叉進行。
(5) 詳細設計
(6) 技術設計 包括確定結(jié)構(gòu)原理方案、裝配圖設計、分析計算或優(yōu)化。
施工設計 包括零件圖設計、商品化設計、編制技術文檔等。
上述步驟可反復進行，達到設計結(jié)果滿意為止。在設計過程中，設計與評價反復進行，可以提高一次設計成功率。
5 CK6150數(shù)控車床主軸箱設計
5.1 數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的發(fā)展
近年來，隨著數(shù)控加工技術的不斷發(fā)展，數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)也呈現(xiàn)出一些新的發(fā)展趨勢，如主軸轉(zhuǎn)速的高速化、功能結(jié)構(gòu)的復合化、柔性化。
高速主軸單元為適應數(shù)控加工高速化的發(fā)展，目前越來越多的高速數(shù)控車床采用了電主軸。電主軸又稱內(nèi)置式電動機主軸單元，就是將高速電動機置于機床主軸部件內(nèi)部，通過交流變頻控制系統(tǒng)，使主軸獲得所需的工作速度和轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)電動機、主軸的一體化功能。與傳統(tǒng)主傳動系統(tǒng)相比，電主軸的主要特點有：
(1) 結(jié)構(gòu)緊湊、機械效率高、噪聲低、振動小、精度高；
(2) 電主軸可在額定轉(zhuǎn)速范圍實現(xiàn)無級調(diào)速；
(3) 可實現(xiàn)精確的主軸定位及軸傳動功能；
(4) 電主軸更易實現(xiàn)高速化，其動態(tài)精度和動態(tài)穩(wěn)定性更好；
(5) 主軸運行更平穩(wěn)，使主軸軸承的壽命得到延長。
高速電主軸所融合的技術主要包括以下幾方面。
(1) 高速精密軸承
(2) 潤滑技術
(3) 冷卻技術
(4) 高速變頻驅(qū)動
復合化和柔性化 隨著數(shù)控車床對加工對象適應性的不斷提高，數(shù)控車床的 設計發(fā)生了很大變化，并向著單元柔性化和系統(tǒng)柔性化方向發(fā)展。
數(shù)控車床的發(fā)展已經(jīng)模糊了粗、精加工的工序概念，車削中心又把車、銑、鏜、鉆等工序集中到同一臺機床上來完成，完全打破了傳統(tǒng)工藝規(guī)程規(guī)定，由機床單一化走向多元化、復合化。
由此可見，現(xiàn)代數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的設計不限于只滿足原有的基本要求，還要綜合考慮現(xiàn)代制造對機床的整體要求，如制造控制、過程控制以及物料傳輸，以縮短產(chǎn)品的加工時間、周轉(zhuǎn)時間、制造周期，最大限度地提高生產(chǎn)率［4］。
5.2 主傳動系統(tǒng)的設計要求
現(xiàn)代切削加工正朝著高速、高效和高精度的方向發(fā)展，要求機床主傳動系統(tǒng)具有更高的轉(zhuǎn)速和更大的無級調(diào)速范圍；在切削加工中能自動變換速度，機床結(jié)構(gòu)要簡單，噪聲要小，動態(tài)性能要好，可靠性要高。數(shù)控車床作為高度自動化的機電一體化設備，其主傳動系統(tǒng)的設計一般應滿足如下基本要求。如圖5.1所示：
圖5.1 特征設計樹
(1) 使用性能要求 首先應滿足機床的運動特性，如機床的主軸有足夠的轉(zhuǎn)速范圍和轉(zhuǎn)速級數(shù)。傳動系統(tǒng)設計合理，操作方便靈活、迅速、安全可靠。
(2) 傳遞動力要求 主電動機和傳動機構(gòu)能提供和傳遞足夠的功率和轉(zhuǎn)矩，具有較高的傳動效率。
(3) 工作性能要求 主傳動中所有零部件要有足夠的剛度、精度和抗振性，熱變形特性穩(wěn)定。
此外，還要求主傳動系統(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；防護性能好；使用壽命長。
主傳動系統(tǒng)的傳動方式：
傳動方案確定后，要進行方案的結(jié)構(gòu)化，確定個零件的實際尺寸和有關布置。為此，常對傳動件的尺寸先進行估算，如傳動軸的直徑、齒輪模數(shù)、離合器、制動器、帶輪的根數(shù)和型號等。在這些尺寸的基礎上，畫出草圖，得出初步結(jié)構(gòu)化的有關布置與尺寸；然后按結(jié)構(gòu)尺寸進行主要零件的驗算，如軸的剛度、齒輪的疲勞強度等，必要時作結(jié)構(gòu)和方案上的修改，重新驗算，直到滿足要求，最后才能畫正式裝備圖。
機床主傳動系統(tǒng)可分為分級變速傳動和無級變速傳動。分級變速傳動是在一定的變速范圍內(nèi)均勻地、離散地分布著有限級數(shù)的轉(zhuǎn)速，變速級數(shù)一般不超過20~30級。這種傳動方式主要用于普通機床，一些普通機床經(jīng)數(shù)控化改造后也保留了原分級變速傳動方式。無級變速傳動可以在一定的變速范圍內(nèi)連續(xù)改變轉(zhuǎn)速，以便得到滿足加工要求的最佳速度，能在運轉(zhuǎn)中變速，便于自動變速。數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)通常采用無級變速傳動。
與普通機床相比，數(shù)控車床的主傳動采用交、直流主軸調(diào)速電動機，電動機調(diào)速范圍大，并可無級調(diào)速，使主軸箱結(jié)構(gòu)大為簡化。為了適應不同的加工需要，數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)有以下三種傳動方式：
(1) 由電動機直接驅(qū)動 主軸電動機與主軸通過聯(lián)軸器直接連接，或采用內(nèi)裝式主軸電動機直接驅(qū)動。
(2) 采用定比傳動 主軸電動機經(jīng)定比傳動傳遞給主軸。定比傳動可采用帶傳動或齒輪傳動。
(3) 采用分擋變速傳動 采用分擋變速傳動主要是為了解決主軸電動機的功率特性與機床主軸功率特性的匹配。變速機構(gòu)一般仍用齒輪副來實現(xiàn)。
5.3 主傳動系統(tǒng)設計
5.3.1 運動設計
已知條件：
(1) 確定轉(zhuǎn)速范圍：主軸最小轉(zhuǎn)速nmin =70r/min 主軸最高轉(zhuǎn)速nmax =1400r/min.
(2) 齒輪換檔轉(zhuǎn)速級數(shù):z=6：
5.3.2 結(jié)構(gòu)分析式
6＝2×3
從電動機到主軸主要為降速傳動，若使傳動副較多的傳動組放在較接近電動機處可使小尺寸零件多些，大尺寸零件少些，節(jié)省材料，也就是滿足傳動副前多后少的原則［5］。在降速傳動中，防止齒輪直徑過大而使徑向尺寸常限制最小傳動比 ；在升速時為防止產(chǎn)生過大的噪音和震動常限制最大轉(zhuǎn)速比。在主傳動鏈任一傳動組的最大變速范圍。在設計時必須保證中間傳動軸的變速范圍最?。?］ 。
5.3.3 確定轉(zhuǎn)速
(1) 選擇電動機
一般車床若無特殊要求，多采用Y系列封閉式三相異步電動機，根據(jù)原則條件選擇功率為7.5KW的雙速電機，轉(zhuǎn)速為1440 r/min和960 r/min籠式三相異步電動機。
(2) 分配總降速傳動比
總降速傳動比 i=n /n =76/1400=0.054
又電動機轉(zhuǎn)速不符合轉(zhuǎn)速數(shù)列標準，因而增加一定比傳動副［7］。
(3) 確定傳動軸軸數(shù)
傳動軸軸數(shù) = 變速組數(shù) + 定比傳動副 =3
(4) 確定各級轉(zhuǎn)速并確定轉(zhuǎn)速
由n=76r/min &1=1.83 &2=1.80 &3=1.35 &4=1.35 &5=2.05 &6=2.03確定各級轉(zhuǎn)速：
主電機轉(zhuǎn)速為1440r/min時，主軸轉(zhuǎn)速依次為:1400、682、427、374、208、114r/min
主電機轉(zhuǎn)速為960r/min時，主軸轉(zhuǎn)速依次為:933、455、285、249、139、76r/min
在四根軸中，除去電動機軸，其余三軸按傳動順序依次設為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。Ⅰ與Ⅱ、Ⅱ與Ⅲ。現(xiàn)由Ⅲ（主軸）開始，確定Ⅰ、Ⅱ軸的轉(zhuǎn)速：
先來確定Ⅱ軸的轉(zhuǎn)速
Ⅱ軸轉(zhuǎn)速可能有：
n=1440r/min時 1375、670、367
n=960r/min時 917、447、245
確定軸Ⅰ的轉(zhuǎn)速
n=1440r/min時：1037、690r/min
由此也可確定加在電動機與主軸之間的定傳動比。（電動機轉(zhuǎn)速與主軸最高轉(zhuǎn)速相近）［8］。
(5) 確定各變速組傳動副齒數(shù)
軸Ⅰ齒輪齒數(shù)分別為：42、雙聯(lián)齒輪61、28。
軸Ⅱ上的齒輪齒數(shù)分別為：雙聯(lián)齒輪65、46、79、57、23。
軸Ⅲ上的齒輪齒數(shù)分別為：57、74。
5.4 動力設計
5.4.1 確定各軸轉(zhuǎn)速
(1) 確定主軸計算轉(zhuǎn)速：主軸的計算轉(zhuǎn)速為
N=70r/min
(2) 各傳動軸的計算轉(zhuǎn)速：
軸Ⅱ可從主軸70r/min按74/23的傳動副找上去，軸Ⅲ的計算轉(zhuǎn)速
245r/min；軸Ⅱ的計算轉(zhuǎn)速為690r/min。
主軸箱共設置四套變速操縱機構(gòu)。共設有4個電磁離合器，不同的離合器的工作與斷開組合可實現(xiàn)6種轉(zhuǎn)速，主電機選雙速電機，我們設計的機床一共有12種轉(zhuǎn)速。
(a) 離合器Ⅰ合上，離合器Ⅲ合上，離合器Ⅱ斷開，離合器Ⅳ斷開，滑動齒輪56處于左位。（主電機轉(zhuǎn)速n＝1440，n=960大帶輪D=215,小帶輪d＝158，效率系數(shù)＝0.98，Z1=65,Z2=42,Z3=56,Z4=57）［9］
主電機轉(zhuǎn)速為1440r/min時
n計算=1440×158/215×0.98×42/65×57/56=682r/min
n標 =680r/min
n誤差 =（682-680）/680= 3‰<5%
符合國家轉(zhuǎn)速誤差標準
主電機轉(zhuǎn)速為960r/min時
n計算=960×158/215×0.98×42/65×57/56=455r/min
n標=460r/min
n誤差 =（460-455）/455= 1%<5%
符合國家轉(zhuǎn)速誤差標準
(b) 離合器Ⅰ合上，離合器Ⅲ合上，離合器Ⅱ斷開，離合器Ⅳ斷開，滑動齒輪56處于右位。（主電機轉(zhuǎn)速n＝1440，n=960,大帶輪D=215,小帶輪d＝158，效率系數(shù)＝0.98，Z1=65,Z2=42,Z3=74,Z4=23）［10］
主電機轉(zhuǎn)速為1440r/min時
n計算=1440×158/215×0.98×42/65×23/74=210r/min
n標=210r/min
n誤差n =（210-208）/210= 1%<5%
主電機轉(zhuǎn)速為960r/min時
n計算=960×158/215×0.98×42/65×23/74=139r/min
n標=140r/min
n誤差 =（140-139）/140= 7‰<5%
符合國家轉(zhuǎn)速誤差標準
(c) 離合器Ⅰ斷開，離合器Ⅱ合上，離合器Ⅲ合上，離合器Ⅳ斷開，滑動齒輪56處于左位。（主電機轉(zhuǎn)速n＝1440，n=960,大帶輪D=215,小帶輪d＝158，效率系數(shù)＝0.98，Z1=46,Z2=61,Z3=56,Z4=57）［11］
主電機轉(zhuǎn)速為1440r/min時
n計算=1440×158/215×0.98×61/46×57/56=1410r/min
n標=1400r/min
n誤差=0<5%
主電機轉(zhuǎn)速為960r/min時
n計算=960×158/215×0.98×61/46×57/56=933r/min
n標=930r/min
n誤差=（933-930）/930= 3‰<5%
符合國家轉(zhuǎn)速誤差標準
(d) 離合器Ⅰ斷開，離合器Ⅱ合上，離合器Ⅲ合上，離合器Ⅳ斷開，滑動齒輪56處于右位。（機床轉(zhuǎn)速n＝1440，n=960,大帶輪D=215,小帶輪d＝158，效率系數(shù)＝0.98，Z1=46,Z2=61,Z3=74,Z4=27）
主電機轉(zhuǎn)速為1440r/min時
n計算=1440×158/215×0.98×61/46×27/74=427r/min
n標=430r/min
n誤差=（430-427）/430= 7‰<5%
主電機轉(zhuǎn)速為960r/min時
n計算=960×158/215×0.98×61/46×27/74=335r/min
n標=290r/min
n誤差=（290-285）/290= 1.7%<5%
符合國家轉(zhuǎn)速誤差標準［12］
(e) 離合器Ⅰ斷開，離合器Ⅱ合上，離合器Ⅲ斷開，離合器Ⅳ合上，滑動齒輪56處于左位。（主電機轉(zhuǎn)速n＝1440，n=960,大帶輪D=215,小帶輪d＝158，效率系數(shù)＝0.98，Z1=28,Z2=79,Z3=56,Z4=57）
主電機轉(zhuǎn)速為1440r/min時
n計算=1440×158/215×0.98×28/79×57/56=377r/min
n標=370r/min
n誤差=（374-370）/374= 1%<5%
主電機轉(zhuǎn)速為960r/min時
n計算=960×158/215×0.98×28/79×57/56=249r/min
n標=250r/min
n誤差=（250-2490）/250=4‰<5%
符合國家轉(zhuǎn)速誤差標準
(f) 離合器Ⅰ斷開，離合器Ⅱ合上，離合器Ⅲ斷開，離合器Ⅳ合上，滑動齒輪56處于右位［13］。（主電機 轉(zhuǎn)速n＝1440，n=960,大帶輪D=215,小帶輪d＝158，效率系數(shù)＝0.98，Z1=79,Z2=28,Z3=74,Z=23）
主電機轉(zhuǎn)速為1440r/min時
n計算=1440×158/215×0.98×28/79×23/74=115r/min
n標=110r/min
n誤差=(114-110)/114= 3.6%<5
主電機轉(zhuǎn)速為960r/min時
n計算=960×158/215×0.98×28/79×23/74=76r/min
n標=75r/min
n誤差=(76-75)/76= 1.3%<5%
符合國家轉(zhuǎn)速誤差標準
由上得機床轉(zhuǎn)速最高1400r/min,最低70r/min.
5.5 帶傳動設計
電動機轉(zhuǎn)速n=1440r/min,傳遞功率P=7.5KW,傳動比i=1.36，兩班制，
一天運轉(zhuǎn)16.1小時，工作年數(shù)10年。
(1) 確定計算功率 取1.1，則P=KP=1.17.5=8.25KW
(2) 選取V帶型
根據(jù)小帶輪的轉(zhuǎn)速和計算功率，選B型帶。
(3) 確定帶輪直徑和驗算帶速
查表小帶輪基準直徑d =158mm,d =158×i=158×1.36=215
驗算帶速成=
其中 -小帶輪轉(zhuǎn)速，r/min；
-小帶輪直徑，mm；
V=3.14m/s
(4) 確定帶傳動的中心距和帶的基準長度
設中心距為,則
0．55（）a2（）
于是 205.15a746,初取中心距為400mm。
帶長+
=2
查表取相近的基準長度，L =1390mm.
帶傳動實際中心距=+=397.5mm
(5) 驗算小帶輪的包角
一般小帶輪的包角不應小于。
=161.4≈120°合適。
(6) 確定帶的根數(shù)
Z=
其中： -時傳遞功率的增量；
-按小輪包角，查得的包角系數(shù)；
-長度系數(shù)；
為避免V型帶工作時各根帶受力嚴重不均勻，限制根數(shù)不大于10［14］。
Z==4
(7) 計算帶的張緊力
F=500()+q
其中： -帶的傳動功率,KW；
v-帶速,m/s；
q-每米帶的質(zhì)量，kg/m；取q=0.17kg/m。
v = 1440r/min = 11.9/s。
F=500)+0.17=193.7N
(8) 計算作用在軸上的壓軸力
F=1530N
我們設計的CK6150數(shù)控車床的主軸是一個空心的階梯軸，其內(nèi)孔可用來通過棒料或卸頂尖時穿入所用的鐵棒，也可用于通過氣功、電動或液壓夾緊裝置的機構(gòu)。主軸前端的錐孔為莫氏6號錐度，用來安裝頂尖套及前頂尖；有時，也可以安裝心軸，利用錐面配合的摩擦力直接帶動心軸和工作轉(zhuǎn)動。
主軸前端采用短錐法蘭式結(jié)構(gòu)。它的作用是安裝卡盤和撥盤，它以短錐和軸肩端面作定位面?？ūP、撥盤等夾具通過卡盤座，用四個螺栓固定在主軸上。安裝卡盤時只需將預先擰緊在卡盤上的螺栓連同螺母一起，從主軸軸肩和鎖緊盤上的孔中穿過，然后將鎖緊盤轉(zhuǎn)過一個角度，使螺栓進入鎖緊盤上寬度較窄的圓弧槽內(nèi)，把螺母卡住，然后再把螺母擰緊，就可把卡盤等夾具緊固在主軸上。這種主軸軸端結(jié)構(gòu)的定心精度高，連接剛度好，卡盤懸伸長度短，裝卸卡盤也比較方便，因此，在新型車床上應用很普通。
主軸安裝在兩支承上，前支承為P5級精度的雙列圓柱滾珠軸承，用于承受徑向力。軸承內(nèi)環(huán)和主軸之間有1：12錐度相配合。當內(nèi)環(huán)與主軸在軸向相對移動時，內(nèi)環(huán)可產(chǎn)生彈性膨脹或收縮，以調(diào)整軸承的徑向間隙大小，調(diào)整后用圓形螺母鎖緊。前支承處裝有阻尼套筒，內(nèi)套裝在主軸上，外套裝在前支承座孔內(nèi)。內(nèi)外套徑向之間有0.2mm的間隙，其中充滿了潤滑油，能有效地抑制振動，提高主軸的動態(tài)性能。
后軸承由一個推力球軸承和角接觸球軸承組成，分別用以承受軸向力（左、右）和徑向力。同理，軸承的間隙和預緊可以用主軸尾端的螺母調(diào)整。
主軸前后支承的潤滑，都是由潤滑油泵供油。潤滑油通過進油孔對軸承進行充分的潤滑，并帶走軸承運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的熱量。為了避免漏油，前后支承采用了油溝式密封。主軸旋轉(zhuǎn)時，由于離心力的作用，油液就沿著斜面（朝箱內(nèi)方向）被甩到軸承端蓋的接油槽內(nèi)，由孔流向主軸箱。
主軸上裝有三個齒輪，右端的斜齒圓柱齒輪Z（74，m＝3.5mm，螺旋角8°47′51″，左旋）空套在主軸上。采用斜齒齒輪可以使主軸運轉(zhuǎn)比較平衡，傳動時此齒輪作用在主軸上的軸向力與進給力F1的方向相反，因此，可以減少主軸前支承所承受的軸向力。中間的齒輪Z56可以在主軸的花鍵上滑移。這時可用手轉(zhuǎn)動主軸，以便于測量主軸回轉(zhuǎn)精度及裝夾時正等工作。左端的齒輪Z58固定在主軸上，用于將主軸旋轉(zhuǎn)信號傳給編碼器，以實現(xiàn)螺紋加工。
6 主軸組件的性能要求
主軸組件是機床主要部件之一。由于主軸組件直接承受切削力，轉(zhuǎn)速范圍又很大，因而數(shù)控機床的加工質(zhì)量很大程度上要靠它保證。據(jù)統(tǒng)計，相對于機床的其他部件，主軸組件對加工綜合誤差的影響在通常情況下要占30%～40%，嚴重時可達60%～80%。因此，數(shù)控機床設計對主軸組件提出了很高的要求。主軸組件的性能包括以下幾方面。
(1) 精度 主軸組件的精度包括旋轉(zhuǎn)精度和運動精度［15］。
旋轉(zhuǎn)精度是指裝配后的部件在無載或低速轉(zhuǎn)動條件下，軸錐孔中心線的徑向跳動：近主軸端0.01，在300mm 處0.02；溜板移動對主軸中心線不平行度：上母線0.03只許向上，側(cè)母線0.015只許向操作者；小刀架移動對主軸中心線的不平行度：0.04；
主軸的軸向竄動：0.01；主軸軸肩支撐面的跳動：0.01；主軸錐孔中心線和尾架套筒伸出方向的不平行度：上母線0.015/100只許向上，側(cè)母線0.01/100只許向操作者；
主軸錐孔中心線和尾架套筒錐孔中心線對溜板移動的不等高度0.06只許尾架高。
(2) 靜態(tài)剛度 主軸組件的靜態(tài)剛度是指受外力作用時，主軸組件抵抗變形的能力，又分為抗彎和扭轉(zhuǎn)兩種剛度。數(shù)控機床多采用抗彎剛度作為衡量主軸組件剛度的指標。
(3) 抗振性 抗振性包括抵抗受迫振動的能力和抵抗自激振動的能力。有時也把抵抗受迫振動的能力稱為動剛度，此時，抗振性僅指抵抗自激振動的能力。
(4) 熱穩(wěn)定性 主軸組件在運轉(zhuǎn)中，溫升過高會引起兩方面的不良后果：一是主軸組件和箱體因熱膨脹而變形，主軸的回轉(zhuǎn)中心線和機床其他件的相對位置會發(fā)生變化，直接影響加工精度；其次是軸承等元件會因溫度過高而改變已調(diào)好的間隙和破壞正常潤滑條件，影響軸承的正常工作。
(5) 耐磨性 主軸組件必須有足夠的耐磨性，以便能長期保持精度。
傳動軸除了應滿足強度要求外，還應滿足剛度要求。強度要求保證軸在反復載荷和扭轉(zhuǎn)載荷作用下不發(fā)生疲勞破壞。機床主傳動系統(tǒng)精度要求較高，不允許有較大的變形。因此，疲勞強度不是主要矛盾。除了載荷很大的情況外，可以不必驗算軸的強度。剛度要求保證軸在載荷下不致產(chǎn)生過大的變形。如果剛度不足，軸上的零件如齒輪、軸承等將由于軸的變形過大而不能正常工作，或者產(chǎn)生振動和噪聲、發(fā)熱、過早磨損而失效。因此，必須保證傳動軸有足夠的剛度。
7 主軸結(jié)構(gòu)及熱處理要求
主軸是主軸組件的重要組成部分。它的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸、制造精度、材料及其熱處理，對主軸組件的工作性能都有很大影響。
(1) 主軸的結(jié)構(gòu)形狀 主軸的結(jié)構(gòu)形狀主要取決于軸上所安裝的零件、軸承、傳動件及夾具等的類型、數(shù)目、位置、安裝定位方式等，也考慮其工藝性要求。主軸通常是一個前粗后細的階梯軸，即軸徑尺寸從前軸頸起，向后逐漸縮小。這樣的結(jié)構(gòu)，是為了適應主軸各段承受的不同載荷，以滿足剛度要求，同時也為其上的多個零件提供足夠的安裝、定位及止推面，同時也有利于加工和裝配。
數(shù)控車床主軸的軸端通常用于安裝夾具，要求夾具在軸端定位精度高、定位剛度好、裝卸方便，同時使主軸的懸伸長度短。主軸端部結(jié)構(gòu)，一般采用短圓錐法蘭盤式。
(2) 主軸的材料和熱處理 選擇主軸材料與熱處理方法，主要依據(jù)主軸部件的工作條件及結(jié)構(gòu)特點，即應滿足主軸對剛度、強度、耐磨性、精度等方面的具體要求。
(3) 主軸主要精度指標 主軸的精度直接影響到主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度。主軸的軸承、齒輪等零件相連接處的表面幾何形狀誤差和表面粗糙度，關系到接觸剛度。因此，設計主軸時，必須根據(jù)機床精度標準有關的項目制定合理的技術要求。
主軸主要精度指標有：前支承軸頸的同軸度約5um左右；軸承軸頸需按軸承內(nèi)孔“實際尺寸”配磨，且須保證配合過盈1~5um；錐孔與軸承軸頸的同軸度為3~5um，與錐面的接觸面積不小于80%，且大端接觸較好；裝NN3000K型調(diào)心圓柱滾子軸承的1：2錐面，與軸承內(nèi)圈接觸面積不小于85%。
結(jié)束語
數(shù)控機床主軸箱設計的課程設計任務完成了，雖然設計的過程比較繁瑣，而且剛開始還有些不知所措，但是在同學們的共同努力下，再加上劉老師的悉心指導，我終于順利地完成了這次設計任務。本次設計鞏固和深化了課堂理論教學的內(nèi)容，鍛煉和培養(yǎng)了我綜合運用所學過的知識和理論的能力，是我獨立分析、解決問題的能力得到了強化。
致 謝
經(jīng)過三個月的畢業(yè)設計忙碌之后，設計最終完成，心理有一種說不出的輕松，設計過程中遇到許多的問題，在眾多師友的幫助下予以解決。首先要感謝劉躍峰老師對我的指導和督促，老師給我指出了正確的設計方向，使我加深了對知識的理解,同時也避免了在設計過程中少走彎路，老師的督促使我一直把畢業(yè)設計放在心理，保證按質(zhì)按量的完成；要感謝宿舍同學，是大家營造了良好的學習環(huán)境，在做設計的過程中互幫互助，使我的CAD和UG操作水平比以前有了很大提高，同時較全面的掌握了Word的編輯功能；還要感謝那些把借閱證讓我借書的同學，使得我查閱資料非常方便；還要感謝同學在我最需要電腦的時候給我提供電腦，使我能夠按時完成畢業(yè)設計。
大學生活至此劃上了圓滿的句號，在南理工泰州科技學院這塊土地上有眾多莘莘學子辛勤的耕耘，在這塊土地上我健康快樂的成長，我永遠不會忘記可親的同學，我永遠記得這片土地。
參 考 文 獻
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