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畢業(yè)設計(論文)
XK6125數控銑床總體及
橫向進給傳動機構設計
所在學院
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年 月 日
摘 要
本論文是對XK6125數控銑床總體及橫向進給傳動機構設計，其內容包括：進給伺服系統(tǒng)機械部分設計與計算、步進電動機的計算與選型、銑床改造的結構特點、安裝調整中應注意的問題等。對普通銑床進行數控改造符合我國國情，即適合我國目前的經濟水平、教育水平和生產水平，又是國內許多企業(yè)提高生產設備自動化水平和精密程度的主要途徑，在我國有著廣闊的市場。從另一個角度來說，該設計既有機床結構方面內容，又有機加工方面內容，還有數控技術方面的內容，有利于將大學所學的知識進行綜合運用。雖然設計者未曾系統(tǒng)的學習過機床設計的課程，但通過該設計拓寬了知識面，增強了實踐能力，對普通機床和數控機床都有了進一步的了解。
關鍵詞：橫向進給系統(tǒng)，數控化改造，機床改造，銑床
55
Abstract
The present paper is to XK6125 for feed system of NC transformation, its contents include: feed servo system of mechanical part design and calculation, and the calculation of the stepper motor selection, Miller structure characteristics, installation and adjustment should pay attention to the problem. On the common milling machine numerical control transformation in line with China's national conditions, that is suitable for China's current economic level, educational level and the level of production, but also many domestic enterprises to improve the level of automated production equipment and precision degree of the main way, has the broad market in our country. From another perspective, the design is a machine tool structure in terms of content, but also organic processing aspects, CNC technical content, the university knowledge to make comprehensive use of. Although the designers have not studied the machine design course, but through the design to broaden the knowledge, enhances the ability of practice, the general machine tools and CNC machine tools have a further understanding.
KeyWords: horizontal feed system, NC transformation, transformation of machine tools, milling machine
目錄
摘 要 I
Abstract II
目錄 III
第1章 數控機床發(fā)展概述 1
1.1數控機床發(fā)展概述 1
1.2數控機床的組成及分類 1
1.2.1數控機床的組成 1
1.2.2數控機床的分類 3
1.3數控機床的特點及應用范圍 4
1.3.1數控機床的特點 4
1.3.2數控機床的應用范圍 4
第2章 數控機床總體方案的制訂及比較 5
2.1課題要求 5
2.1.1題目名稱（包括主要技術參數）及技術要求 5
2.1.2課題內容及工作量 5
2.2設計原則 5
2.3總結構設計 6
2.3.1數控機床的機構設計要求 6
2.3.2提高機床的結構剛度 6
2.3.3提高進給運動的平穩(wěn)性和精度 7
第3章 確定切削用量及選擇刀具 8
3.1刀具選擇 8
3.2切削用量確定 8
3.3切削三要素 9
3.4加工精度和表面粗糙度 9
3.5刀具材料 12
第4章 傳動系統(tǒng)圖的設計計算 13
4.1 傳動系統(tǒng)設計 13
4.1.1 參數的擬定 13
4.1.2 傳動結構或結構網的選擇 13
4.1.3 轉速圖擬定 15
4.1.4 齒輪齒數的確定及傳動系統(tǒng)圖的繪制 18
4.2 傳動件的估算與驗算 22
4.2.1 傳動軸的估算和驗算 22
4.2.2 齒輪模數的估算與驗算 24
4.3 展開圖設計 29
4.3.1 結構實際的內容及技術要求 29
4.3.2 齒輪塊的設計 31
4.3.3 傳動軸設計 33
4.3.4 主軸組件設計 36
4.4 制動器設計 41
4.5 截面圖設計 42
4.5.1 軸的空間布置 42
4.5.2 潤滑 43
4.5.3 箱體設計的有關問題 44
第5章 橫向進給傳動機構裝配圖零件圖的設計計算 45
5.1 進給伺服系統(tǒng)的設計 45
5.1.1 對進給伺服系統(tǒng)的基本要求 45
5.1.2進給伺服系統(tǒng)的設計要求 45
5.1.3進給伺服系統(tǒng)的動態(tài)響應特性及伺服性能分析 46
5.2 橫向進給滾珠絲杠副設計 46
5.2.1 導程確定 46
5.2.2 確定絲桿的等效轉速 46
5.2.3 估計工作臺質量及負重 47
5.2.4 確定絲桿的等效負載 47
5.2.5 確定絲桿所受的最大動載荷 47
5.2.6 精度的選擇 48
5.2.7 選擇滾珠絲桿型號 49
5.3 校核 49
5.3.1 臨界壓縮負荷驗證 49
5.3.2 臨界轉速驗證 50
5.3.3 絲桿拉壓振動與扭轉振動的固有頻率 51
5.4 電機的選擇 51
5.4.1 電機軸的轉動慣量 52
5.4.2 電機扭矩計算 52
總結與展望 54
參考文獻 55
致 謝 56
第1章 數控機床發(fā)展概述
1.1數控機床發(fā)展概述
隨著社會生產和科學技術的發(fā)展，機械產品日趨精密復雜，且需頻繁改型。特別是在宇航、造船、軍事等領域所需的零件，精度要求高，形狀復雜，批量小。普通機床已不能適應這些需求。為了滿足上述要求，一種新型的機床——數字程序控制機床（簡稱數控機床）應運而生。
最早進行數控機床研制的是美國人。1952年，美國麻省理工學院成功地研制出一套三坐標聯(lián)動，利用脈沖乘法器原理的數控機床。但這臺數控機床僅是一臺試驗性的機床，當時用的電子元件是電子管。直到1954年11月，第一臺工業(yè)用的數控機床才生產出來。
從此以后，世界上其他一些工業(yè)國家也多開始開發(fā)、生產及應用數控機床。我國數控機床的研制是從1958年起步的。1965年國內開始研制晶體管數控系統(tǒng)。從70年代開始，數控技術廣泛應用于車、銑、鉆、鏜、磨、齒輪加工、點加工等領域，數控加工中心在上海、北京研制成功。在這一時期，數控線切割機床由于結構簡單，使用方便、價格低廉，在模具加工中得到了推廣。80年代，我國從日本及美國、德國引進一些新技術。這使我國的數控機床在性能和質量上產生了一個質的飛躍。1985年，我國數控機床品種有了新的發(fā)展。
早期的數控機床控制系統(tǒng)采用電子管，體積大、功耗高，只在軍事部門應用。只有在微處理機用于數控機床后，才真正使數控機床得到了普及。目前數控技術的主要發(fā)展趨勢是：實現(xiàn)高速度，搞可靠性，高精度，大功率，多功能；采用微處理機和微型計算機，向著增強功能、降低造價、方便使用的目標進展；積極應用計算技術、系統(tǒng)工程理論和控制技術的最新成果，像這綜合自動化方向變革。
1.2數控機床的組成及分類
1.2.1數控機床的組成
數控機床的種類繁多，但從組成一臺完整的數控機床上講，它由控制介質、數控裝置、伺服系統(tǒng)和機床本體絲大部分以及輔助設備組成。
（1）控制介質
控制介質是指零件加工信息傳送到數控裝置去的信息載體。控制介質有多種形式，它隨著數控裝置的類型不同而不同，常用的有穿孔紙帶、穿孔卡、磁帶、磁盤等。另外，隨著CAD/CAM技術的發(fā)展，有些數控設備利用CAD/CAM軟件在其他計算機上編程，然后通過計算機與數控系統(tǒng)通信，將程序和數據直接傳送給數控裝置。
（2）數控裝備
數控裝置是數控機床的控制中心。它由輸入裝置、控制裝置和輸出裝置等組成。如圖（2）所示，劃線框內位數控裝置。
輸入裝置受控制介質上的信息，經過識別與譯碼之后，送到控制運算器。這些信息將作為控制與運算的原始依據。
控制運算器根據輸入裝置送來的信息進行運算，并將控制命令輸送往輸出裝置。
輸出裝置將控制器發(fā)出的控制命令送到伺服系統(tǒng)，經功率放大，驅動機床完成相應的動作。
（3）伺服系統(tǒng)
伺服系統(tǒng)，亦稱隨動系統(tǒng)，是一種能夠跟蹤輸入的指令信號進行動作，從而獲得精確的位置、速度或力輸出的自動控制系統(tǒng)。它是數控機床的執(zhí)行機構，包括驅動和執(zhí)行兩大部分。伺服系統(tǒng)接受數控系統(tǒng)的指令信息，并按照指令信息的要求帶動機床移動部件運動，以加工出符合要求的零件。指令信息是以脈沖信息體現(xiàn)的，每一脈沖使機床移動部件產生的位移叫脈沖當量(常用的脈沖當量為0.001mm～0.01mm)。
從自動控制理論的角度來分析，無論多么復雜的伺服系統(tǒng)，都是有一些功能元件組成的。
目前數控機床的伺服系統(tǒng)中，常用的位移執(zhí)行機構有功率步進電機、直流伺服電動機和交流伺服電動機，后兩者都帶有光電編碼器等位置測量元件。
（4）機床本體
機床本體是數控機床的主體，是用于完成各種切削加工的機械部分，它是在原有的普通機床的基礎上改進而得到的，具有以下特點：
1)數控機床采用了高性能的主軸及伺服系統(tǒng)傳動系統(tǒng)，機械傳動結構簡化，傳動鏈較短。
2)數控機床機械結構具有較高的剛度，阻尼精度及耐磨性，熱變形小。
3)更多地采用高效傳動部件，如滾動絲杠副，直線滾動導軌等。
除了上述四個主要部分外，數控機床還有一些輔助裝置和附屬設備，如電器，液壓，氣動系統(tǒng)與冷卻、排屑、照明、儲運等裝置以及編程機、對刀塊等。
1.2.2數控機床的分類
（1）按控制系統(tǒng)的特點分類
1）點位控制數控機床點位控制機床的特點是只控制移動部件的終點位置，即控制移動部件由一個位置到另一個位置的精確定位，而對它們運動過程中的軌跡沒有嚴格的要求，在移動和定位過程中不進行任何加工。
2)線控制數控機床直線控制數控機床的特點是刀具相對于工件的運動不僅要控制兩點鍵的準確位置（距離），還要控制兩點之間移動的速度和軌跡。
3)廓控制數控機床輪廓控制又稱連續(xù)控制，大多數數控機床具有輪廓控制功能。其特點是能同時控制兩個以上的軸，具有插補功能。
4)執(zhí)行機構的控制方式分類
①開環(huán)控制系統(tǒng)它是指不帶反饋裝置的控制系統(tǒng)。
②閉環(huán)控制系統(tǒng)它是指在機床的運動部件上安裝位移測量裝置，將加工中測量到的實際位置值反饋到數控裝置中，與輸入值的指令相比較，用比較的差值控制移動部件，直到差值為零，即實現(xiàn)移動部件的精確定位。
③半閉環(huán)控制系統(tǒng)它是在開環(huán)控制系統(tǒng)的絲杠上或進給電動機的軸上裝有角位移檢測裝置。
(2)按工藝要求
①金屬切削類數控機床
②金屬成型類數控機床
③數控特種加工機床
④其它類的數控機床
(3)按數控機床的性能分類
①檔數控機床
②中檔數控機床
③高檔數控機床
1.3數控機床的特點及應用范圍
1.3.1數控機床的特點
數控機床是一個裝有程序控制系統(tǒng)的機床。它是一種高度機電一體化的產品。特點如下：
（1）工精度高
（2）工生產率高
（3）減輕勞動強度、改善勞動條件
（4）良好的經濟效益
（5）有利于生產管理的現(xiàn)代化
1.3.2數控機床的應用范圍
從最經濟的方面出發(fā)，數控機床適用于加工：
（1）多品種小批量零件；（2）結構較復雜，精度要求較高的零件；（3）需要頻繁改型的零件；（4）價格昂貴，不容許報廢的關鍵零件；（5）需要小生產周期的急需零件。
第2章 數控機床總體方案的制訂及比較
2.1課題要求
2.1.1題目名稱（包括主要技術參數）及技術要求
1、主軸轉速：25-1450轉/分
2、工作臺尺寸(長×寬)： 1100mm×250mm
3、工作臺最大行程： 縱向 700mm 橫向 280mm 垂直 360mm
4、快速移動速度： 10m/min
5、工作臺定位精度 x、y、z ±0.03mm；
工作臺重復定位精度 x、y、z ±0.02mm；
6、縱向、橫向及垂直進給為微機控制，采用步進電機或伺服電機驅動，滾珠絲杠傳動，脈沖當量0.010mm/脈沖。
7、實現(xiàn)功能：銑削平面、斜面、溝槽、齒輪等。
8、操作要求：起動、點動、單步運行、自動循環(huán)、暫停、停止
2.1.2課題內容及工作量
(1) 機床尺寸聯(lián)系圖A0一張
(2) 機床傳動系統(tǒng)圖A0一張
(3) 橫向進給伺服系統(tǒng)裝配圖A0一張
(4)計說明書一份1萬字以上
注：全部圖紙用計算機繪制，說明書由計算機輸出。
2.2設計原則
根據設計要求和銑床的具體情況，課題的基本設計方案如下：
（1）機床采用連續(xù)控制系統(tǒng)，定位方式采用增量坐標控制。
（2）考慮到機床加工精度要求不高，為了簡化結構，降低成本，采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)驅動。
（3）進給傳動的設計是機床設計的重點，數控機床必須有精確的進給傳動系，才會有高的精度和表面質量?？紤]到電機步距角和絲杠導程只能按標準選用，為達到分辨率0.01mm的要求，需采用齒輪降速傳動，利用電子控制系統(tǒng)消除誤差。
（4）為了保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，又要求機構緊湊，所以選用絲杠螺母副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加載荷的結構。
（5）傳動系統(tǒng)要加上脈動裝置。
以上為基本的設計方案，除了這些，課題應注意機床的幾何精度的修正，數控指令的顯示和使用等。
2.3總結構設計
2.3.1數控機床的機構設計要求
數控機床的結構設計要求主要有以下方面:
（1）有良好的抗振性能和很大的額定切削功率、高的靜、動態(tài)剛度；
（2）有較高的熱穩(wěn)定性和較高的幾何精度、傳動精度、定位精度；
（3）有數控系統(tǒng)及其介質。
下面我們詳述數控機床結構設計的主要要求
2.3.2提高機床的結構剛度
機床的剛度是指切削力和其它力作用下,抵抗變形的能力。機床在切削過程當中，要承受各種外力的作用，承受的靜態(tài)力有運動部件和被加工零件的自重；承受的動態(tài)力有：切削力、驅動力、加減速時引起的慣性力、摩擦阻力等。組成機床的結構部件在這種力作用下將產生變形。如固定連接表面或嚙合運動表面的接觸變形；各支撐零件不得彎曲和扭轉變形，以及某些支撐件的局部變形等，這些變形都會直接或間接的引起刀具和工件之間的相對位移，從而導致工件的加工誤差，或者影響機床切削過程的特性。
(1)選擇及布置隔板和筋條
床身的靜剛度是直接影響機床的加工精度和其生產率的主要因素之一。而靜剛度及固有頻率，是影響動剛度的重要因素。支承件的隔板和筋條的合理性，可提高構件的靜、動剛度。
(2)結構剛度
與普通機床相比，數控機床應有更高的靜、動剛度，更好的抗振性。機床的導軌和支承件往往是局部剛度最弱的部分，在本次設計中，采用雙臂聯(lián)接形式，X、Y軸導軌較窄。
(3)采用焊接結構的構件
采用鋼板和型鋼而不采用鑄件的原因：
1）鋼的彈性模量約為鑄鐵的兩倍，因此采用鋼板焊接結構床身有利于提高固有頻率。在形狀和輪廓尺寸相同的前提下，如要求焊接件與鑄件的剛度相同，則焊接件的臂厚只需鑄件的一半。
2）如果要求局部剛度相同，因局部剛度與臂厚的三次方成正比，所以焊接件的臂厚只需鑄件的80%左右。
3）鋼可以提高構件的諧振頻率使共振不易發(fā)生。
4）鋼板焊接能將構件做成全封閉的箱形結構，提高剛度。焊接結構床身的突出優(yōu)點是制造周期短，一般比鑄鐵快1.7-3.5倍。省去了制作木模和鑄造工序，不易出廢品。焊接結構設計靈活，便于產品更新、改進結構。焊接件能達到與鑄件相同，甚至更好的結構特性，可提高抗彎截面慣性矩，減少質量。
合理的結構布局可以提高剛度，機床的工作頭部分由于重力作用將會使機床立柱產生彎曲變形，切削力將使立柱產生彎曲和扭轉變形。這些變形將影響到加工精度。故本次設計中將采取通過在立柱上方安裝兩組定滑輪來平衡重力的方法，來減少立柱的變形，提高機床的剛度。
2.3.3提高進給運動的平穩(wěn)性和精度
數控機床各坐標軸進給運動的精度極大的影響零件的加工精度。在開環(huán)進給系統(tǒng)中運動精度取決于系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)，特別是機械傳動部件的精度；在閉環(huán)和半閉環(huán)進給系統(tǒng)中，位置監(jiān)測裝置的分辨率對運動精度有決定性的影響，但是機械傳動部件的特性對運動精度也有一定的影響。通常在開環(huán)進給系統(tǒng)中，設定的脈沖當量為0.01mm時，實際的定位精度最好的情況也只能達到0.025。在閉環(huán)進給系統(tǒng)中，設定的脈沖當量（或稱最小設定單位）一般為0.001mm，實際上定位精度只能達到0.003mm，當指令進給系統(tǒng)做單步進給（即每次移動0.001mm）時，開始一兩個單步指令，進給部件并不動作，到第三個單步指令時才突跳一段距離，以后又如此重復。這些現(xiàn)象都是因為進給系統(tǒng)的低速爬行現(xiàn)象引起的，而低速爬行現(xiàn)象又決定于機械傳動部件的特性。
本設計采取的方案有：（1）減少靜、動摩擦系數之差（2）提高系統(tǒng)的傳動剛度。
第3章 確定切削用量及選擇刀具
3.1刀具選擇
（一）刀具選擇：
銑平面：硬質合金端銑刀或立銑刀，盡是采用二次走刀。
凸臺、凹槽、箱口面：立銑刀。
毛坯表面或粗加工孔：鑲硬質合金刀片的玉米銑刀（粗皮刀）。
立體型面和變斜角輪廓外形：球刀、環(huán)形刀、錐形刀、盤形刀。
（二）原則：
安裝調整方便、剛性好、耐用和精度高。盡是用較短刀柄，保證剛性。
（三）排序原則
減少刀具數量；
裝夾一次，盡是加工完；
即使刀具規(guī)格相同，粗、精加工刀具分開；
先銑后鉆；
精加工，先曲面后二維輪廓；
盡可能自動換刀。
3.2切削用量確定
粗：效率；半精、精：質量、兼顧效率。
1、主軸轉速n：根據線速度v確定：π
V= (端銑：150m/min；周銑：30m/min)
2、切深t：最好是t等于加工余量。
3、切寬L：與刀具直徑成正比，與切深成反比。
L＝0.6－0.9d
粗加工：大切深、大進給、低切速。
精加工：小切深、小進給、高切速。
3.3切削三要素
主軸轉速、切削深度、進給速度。少切削，快進給。
3.4加工精度和表面粗糙度
1、加工精度：尺寸精度、形狀精度、位置精度。
（1）尺寸精度：公差與配合國家標準（GB1800－1804-97）。IT01、IT0、IT1、IT2……IT18。
新公差等級與舊公差等級的對照及應用
新公差等級
舊精度等級
加工方法
應用
軸
孔
IT01－IT2
無
研磨
用于量塊、量儀制造
IT3－IT4
研磨
用于精密儀表、精密機件的光整加工
IT5
1
無
研磨、珩磨、精磨、精鉸、精拉
用于一般精密配合。IT7－IT6在機床和較精密的機器、儀器制造中用得最為普遍
IT6
2
1
IT7
3
2
磨削、拉削、鉸孔、精車、精鏜、精銑、粉末冶金
IT8
3－4
IT9
4
車、鏜、銑、刨、插
用于一般要求。主要用于長度尺寸的配合外，如鍵和鍵槽的配合
IT10
5
IT11
6
粗車、粗鏜、粗銑、粗刨、插、鉆、沖壓、壓鑄
用于不重要的配合。IT12－IT13也用于非配合
IT12－IT13
7
IT14
8
沖壓、壓鑄
用于非配合
IT15－IT18
9－12
鑄、鍛、焊、氣割
?。?）形狀精度：零件上的線、面要素的實際形狀相對于理想形狀的準確程度。
國家標準（GB1182－1184-80）規(guī)定了六項形狀公差：直線度、平面度、圓度、圓柱度、線輪廓度、面輪廓度。
?。?）位置公差：零件上點、線、面要素的實際位置相對于理想位置的準確程度。
國家標準（GB1182－1184-80）規(guī)定了八項位置公差：
定向：平行度、垂直度、傾斜度。
定位：同軸度、對稱度、位置度。
跳動：圓跳動、全跳動。
2、表面粗糙度：表面上微小峰谷高低程度。國家標準（GB3503-83、GB1031－83、GB131-83）
輪廓算術平均偏差：
Ra＝ 或近似于Ra＝
微觀不平十點高度：
Rz＝(+)
在常用數值范圍內（Ra＝0.25－6.3μm，Rz＝0.1－25μm），在圖樣上應優(yōu)先選用Ra。
表面粗糙度Ra、Rz允許值及加工方法表
表面要求
表面特征
Ra(μm)
Rz(μm)
加工方法
舊國際光潔度級別代號
第1系列
第2系列
第1系列
第2系列
不
加
工
毛坯表面清除毛刺
1600
∽
1250
1000
800
630
500
100
400
粗
加
工
明顯可見的刀紋
80
320
粗車
粗銑
粗刨
鉆
粗銼
▽1
63
250
50
200
可見刀紋
40
160
▽2
32
125
25
100
微見刀紋
20
80
▽3
16.0
63
12.5
50
半
精
加
工
可見加工痕跡
10
40
半精車
精車
精銑
精刨
粗磨
▽4
8
32
6.3
25
微見加工痕跡
5
20
▽5
4
16
3.2
12.5
不見加工痕跡
2.5
10
▽6
2
8
1.6
精
加
工
可辨加工痕跡的方向
1.25
6.3
精鉸
刮
精拉
精磨
▽7
1.00
5
0.8
4
微辨加工痕跡的方向
0.63
3.2
▽8
0.5
2.5
0.4
2.0
不辨加工痕跡的方向
0.32
1.6
▽9
0.25
1.25
0.2
1.00
精
密
加
工
暗光澤面
0.16
0.80
精密磨削
珩磨
研磨
超精加工
拋光
▽10
0.125
0. 63
0.1
0.50
亮光澤面
0.080
0.40
▽11
0.063
0.32
0.05
0.25
鏡狀光澤面
0.040
0.20
▽12
0.032
0.16
0.025
0.125
霧狀光澤面
0.020
0.10
▽13
0.016
0.080
0.012
0.063
鏡面
0.010
0.050
鏡面磨削
研磨
▽14
0.008
0.040
0.025
0.032
3.5刀具材料
碳素工具鋼T10A、T12A：HRC60-64,200 -250℃，V＜8m/min。
合金工具鋼CrWMn、9SiCr：350-400℃，V＜10m/min。
高速鋼W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2：HRC62-67，550-600℃，V＜30m/min；
110W1.5Mo9.5Cr4Vco8、W6Mo5Cr4V2Al：HRC68-70，＞600℃
4、硬質合金：HRA89-93（HRC74-82），850-1000℃，V＝100-300m/min。
另外，還有新型硬質合金、陶瓷材料、人造金剛石、立方氮化硼等。
第4章 傳動系統(tǒng)圖的設計計算
4.1 傳動系統(tǒng)設計
4.1.1 參數的擬定
已知課題要求的主軸轉速：25-1450轉/分，而根據機床主軸變速標準數列的要求，無1450這個標準數據，所以擬采用30-1500轉/分，這樣這個轉速范圍正好可以包含25-1450轉/分，而又可以滿足主傳動變速要求
選定公比，確定各級傳送機床常用的公比 為1.26或1.41，考慮適當減少相對速度損失，這里取公比為 =1.26，根據給出的條件：主運動部分Z=18級，根據標準數列表，確定各級轉速為：（30，37.5，47.5，60，75，95，118，150，190，235，300，375，475，600，750，950，1180，1500R/min）.
4.1.2 傳動結構或結構網的選擇
1，確定變數組數目和各變數組中傳動副的數目
該機床的變數范圍較大，必須經過較長的傳動鏈減速才能把電機的轉速降到主軸所需的轉速。級數為Z的傳動系統(tǒng)由若干個傳動副組成，各傳動組分別有. .`````````個傳動副，即Z=```````。傳動副數由于結構的限制，通常采用P=2或3，即變速Z應為2或3的因子：Z=x
因此，這里18=3x3x2，共需三個變速組。
2，傳動組傳動順序的安排
18級轉速傳動系統(tǒng)的傳動組，可以排成：3x3x2，或3x2x3。
選擇傳動組安排方式時，要考慮到機床主軸變速率的具體結構，裝置和性能。I軸如果安置制動的電磁離和器時，為減少軸向尺寸。第一傳動組的傳動副數不能多，以2為宜，有時甚至用一個定比傳動副；主軸對加工精度，表面粗糙度的影響很大，因此主軸上齒輪少些為好，最后一個傳動組的傳動副選用2 ，或一個定比傳動副。
這里，根據前多后少的原則，選擇18=3x3x2方案。
3，傳動系統(tǒng)的擴大順序安排
對于18=3x3x2的傳動，有3！=6種可能安排，亦即有6種機構副和對應的結構網，傳動方案中，擴大順序與傳動順序可以一致，，結構式18=xx的傳動中，擴大順序與傳動順序一致，稱為順序擴大傳動，而，18=xx的傳動順序不一致，根據“前密后疏”的原則，選擇18=xx的結構式。
4驗算變速組的變速范圍
齒輪的最小傳動1/4，最大傳動比2，決定了一個傳動組的最大變速范圍=/
因此，可按下表，確定傳動方案：
根據傳動比及指數 x, 的值
公比
極限值傳動比指數
1.26
x值: =1/=1/4
6
值: ==2
3
（x+）值：==8
9
因此，可選擇18=xx的傳動方案。
5、最后擴大傳動組的選擇：
正常連續(xù)順序擴大傳動（串聯(lián)式）的傳動式為：
Z=*
最后擴大傳動組的變速范圍為：
r==
按原則，導出系統(tǒng)的最大收效Z和變速范圍為：
2
3
1.26
Z=18
R=50
Z=12
R=12.7
因此，傳動方案18=3*3*2符合上述條件，其結構網如下圖4.1：
圖4.1 結構網圖
4.1.3 轉速圖擬定
運動參數確定后，主軸各級轉速就已知，切削耗能確定電機功率。在此基礎上，選擇電機的型號，分配個變速組的最小傳動比；擬定轉速圖，確定各中間軸的轉速。
1，主電機的選擇
中型機床上，一般都采用交流異步電動機為動力源，可在下列中選用，在選擇電機型號時，應注意：
（1）電機的N：
根據機床切削能力的要求確定電機功率，但電機產品的功率已標準化，因此，按要求應選取相近的標準值。
（2）電機的轉速
異步電動機的轉速有：3000，1500，1000，750，r/min,這取決于電動機的極對數P
=60f/p=60x50/p ( r/min)
機床中最常用的是1500 r/min和3000r/min 兩種，選用是要使電機轉速與主軸最高速度和工軸轉速相近為宜，以免采用過大或過小的降速傳動。
根據以上要求，我們選擇功率為7.5KW，轉速為1500r/min的電機，查表，其型號為Y132M-4，其主要性能如下表
電機型號
額定功率KW
荷載轉速r/min
同步轉速r/min
Y132M-4
7.5KW
1440
1500
2、分配最小傳動比，擬定轉速圖
（1）軸的轉速：
軸從電機得到運動，經傳動系統(tǒng)轉化為主軸各級轉速，電機轉速和主軸最小轉速應相近，顯然，從動件在高速運轉下功率工作時所受扭矩最小來考慮，軸轉速不宜將電機轉速降得太低。弱軸上裝有離合器等零件時，高速下摩檫損耗，發(fā)熱都將成為突出矛盾，因此，軸轉速也不宜也太高，軸轉速一般取700~1000r/min左右較合適。
因此，使中間變速組降速緩慢。以減少結構的徑向尺寸，在電機軸I到主傳動系統(tǒng)前端軸增加一對26/54的降速齒輪副，這樣，也有利于變型機床的設計，改變降速齒輪傳動副的傳動比，就可以將主軸18級轉速一起提高或降低。
（2）中間軸的轉速
對于中間傳動軸的轉速的考慮原則是：妥善解決結構尺寸大小和噪音，振動等性能要求之間的矛盾。
中間傳動軸轉速較高時，中間傳動軸和齒輪承受扭矩小，可以使軸徑和齒輪模數小些：
d, m從而可使結構緊湊。但這樣引起空載功率和噪音加大：
=1/(3.5+cn)KW
式中：C——系數，兩支承滾動軸承和滑動軸承C=8.5，三支承滾動軸承C=10；
——所有中間軸軸徑的平均值；
——主軸前后軸徑的平均值
——中間傳動軸的轉速之和
n——主軸轉速（r/min）
=20lg-K
式中：（——所有中間傳動齒輪的分度圓直徑的平均值mm;
——主軸上齒輪分度圓直徑的平均值mm;
q——傳到主軸上所經過的齒輪對數
——主軸齒輪螺旋角
,K——系數，根據機床類型及制造水平選取，我國中型車床，銑床=3.5，銑床K=50.5
從上述經驗公式可知，主軸n和中間傳動軸的轉速和 對機床噪音和發(fā)熱的關系，確定中間軸轉速時，應結合實際情況做相應的修正。
a，對高速輕載或精密機床，中間軸轉速宜取低些
b,控制齒輪圓周速度v<8m/s(可用７級齒輪精度)，在此條件下，可適當選用較高的中間軸轉速。
（3），齒輪傳動比的限制
機床主傳動系統(tǒng)中，齒輪副的極限傳動比：
a, 升速傳動中，最大傳動比 2 ，過大，容易引起振動的噪音。
b, 降速傳動中，最小傳動比 1/4。過小，則主動齒輪與被動齒輪的直徑相差太大將導致結構龐大。
（4）分配最小傳動比
a,決定軸V-VI和VI-的傳動比，根據臺式銑床的結構特點，及對同類車床的比較，為使傳動平穩(wěn)取其傳動比為1，
b,決定各變速組的傳動比；
由前面2軸的轉速及中間軸轉速的分析，及齒輪傳動比的現(xiàn)在，根據“前緩后急”的原則，取軸IV-V的最小降速比為極限值的1/4，=1.26，=4，軸III-IV和軸II-III均取=1/
（5）擬定轉速圖：
根據結構圖及結構網圖及傳動比的分配，擬定轉速圖，如下圖4.2所示：
圖4.2 傳動系統(tǒng)圖
4.1.4 齒輪齒數的確定及傳動系統(tǒng)圖的繪制
1，齒輪齒數的確定的要求：
可用計算法或查表確定齒輪齒數，后者更為簡便，根據要求的傳動比u和初步定出的傳動副齒數和，查表即可求出小齒輪齒數：
選擇是應考慮：
a,傳動組小齒輪不應小于允許的最小齒數，即：
推薦：
對軸齒輪=12，特殊情況下=11，
對套裝在軸上的齒輪，=16，特殊情況下=14，
對套裝在滾動軸承上的空套齒輪，=20；
當齒數少于不發(fā)生根切的最小齒數時（壓力角a=20的直齒標準，=17），一般需對齒輪進行正變位修正。
b,保證強度和防止熱處理變形過大，齒輪齒根圓到鍵槽的壁厚，一般取則，如圖4.3所示。
c、同一傳動組的個齒輪副的中心矩應相等。若摸數相等時，則齒數和亦相等，
但由于傳動比要求，尤其是在傳動中使用了公用齒輪后，常常滿足不了上述要求，
機床上可用修正齒輪，在一定范圍內調整中心矩使其相等但修正量不能太大，一般齒數差不能夠超過3~4個齒。
2，變速傳動組中齒輪齒數的確定
為了減少齒輪數目和縮短變速箱的軸向尺寸，這里采用了公用齒輪。但由于公用齒輪的采用，使兩個傳動組間的傳動比互相牽制，不能獨立地按照最緊湊的原則決定傳動件的尺寸，因此，徑向尺寸一般較大，此外，公用齒輪的兩側齒面同時嚙合會影響其磨損和壽命。這里我們采用查表法來確定齒輪的齒數。查《機床設計手冊》確定個齒輪齒數如下：
軸II-III間變速齒輪齒數的確定：
由于公比=1.26，傳動比為=1/=，=1/=，=1/
設：傳動組中最小齒輪齒數=16，查《機床設計手冊》表7.3-14
可查得：=16/39 （0.1%），=19/36 （0.9%），=22/33 （-0.3%）
齒數和為=55
公用齒輪選為=39
軸III-IV間變速組齒輪齒數的確定：
傳動比為=1/ =1/ =
根據=，主動輪齒數為39，從表7.3-14可查得：=18/47 （-0.1%），=28/37 （0.9%），=39/26 （-0.3%）
齒數和為：=65
軸IV-V間變速組齒輪齒數的確定：
由于變數組齒輪傳動比和各傳動副上受力差別較大齒輪副的速度變化，受力差別較大，為了得到合理的結構尺寸，可采用不同模數的齒輪副。
軸IV-V間的兩對齒輪，其傳動比為=1/4, =2分別?。剑?，＝３則
／＝／＝3／4
?。耍?0，＝30x3=90, =30x4=120
按傳動比將齒數分配如下：
=1/4=18/7219/71 ，=2=80/4082/38軸V-VI及VI-VII間齒數確定，由于這兩個傳動組只是改變傳動方向，不起便速度作用，只需考慮其結構尺寸及磨損振動和噪音等因素。，取V-VI軸間錐材料齒輪齒數為29，ＶI-VII軸間齒輪齒數為67。
3、主軸轉速系列的驗算：
主軸轉速在使用上并要求十分準確，轉速稍高或稍低并無太大影響，但標牌上標準數列的數值一般也不允許與實際轉速相差太大。
由確定的齒輪齒數所得的實際轉速與傳動設計理論值難以完全相符，需要驗算主軸各級轉速，最大誤差不得超過即
%
主軸的各級實際轉速分別為：29.4，37.8，47.7，58，74.6，94.3，115，148，187，236.7，304.5，384.6，468，602，760，927，1192.6，1526.5 r/min
==2%
而%=2.6%故符合條件
同理：經驗算，其他各級轉速也滿足要求。
4、傳動系統(tǒng)圖的繪制
轉速圖和齒輪齒數確定后，變速箱的結構復雜程度也基本確定了（如齒輪個數，軸數，支承軸，為使變速箱的結構緊湊，合理布置齒輪是一個重要的問題，因為它直接影響變速箱的尺寸，變速操作的方便性和結構實現(xiàn)的可行性問題，在考慮主軸適當的支承距和散熱條件下，一般應盡可能減少變速箱尺寸。這里為使變速操作的方便，提高效率采用電磁離合器操縱方式。根據計算結果，繪制出傳動系統(tǒng)圖，如圖2.4所示
圖1.4 主傳動系統(tǒng)圖
主運動傳動鏈的傳動路線表達式如下：
電動機I——II——III——IV—=V——VI——VIII（主軸）
4.2 傳動件的估算與驗算
4.2.1 傳動軸的估算和驗算
傳動軸除應滿足強度要求外，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)精度要求高，不允許有較大的變形因此，疲勞強度一般不是主要矛盾，除載荷很大的情況下，可以不必驗算軸的強度。剛度要求保證軸在載荷下不致產生過大的變形（彎曲，失穩(wěn)，轉角）。若剛度不足，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，或產生振動和噪聲，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?？梢韵扰まD剛度估算軸的直徑，畫出草圖后，再根據受力情況，結構布置和有關尺寸，驗算彎曲剛度。
1，傳動軸直徑的估算
傳動軸直徑按扭轉剛度用下列公式估算傳動軸直徑：
d=91mm
式中：N——該傳動軸的輸入功率
N= KW
——電機額定功率
——從電機到該傳動軸之間傳動件的傳動效率的乘積（不計該軸軸承上的效率）。
——該傳動軸的計算轉速；
計算轉速是傳動件能傳遞全部功率的最低轉速，各傳動件的計算轉速可以從轉速圖上，按主軸的計算轉速和相應的傳動關系而確定，而中型車，銑床主軸的計算轉速為：
（主）=
——每米長度上允許的扭轉角（deg/m）;可根據傳動軸的要求選取。
對傳動軸剛度要求
允許扭轉角
主軸
一般傳動軸
較低的軸
（deg/m）
0.5-1
1-1.5
1.5-2
估算時應注意：
（1）值為每米長度上允許的扭轉角，而估算的傳動軸的長度往往不足1m，因此，在計算時應按軸的實際長度計算和修正，如軸為500mm，取=1deg/m則
d=91 mm
（2）效率y對估算軸徑d影響不大，可以忽略
（3）如使用花鍵是可根據估算的軸徑 d選取相近的標準花鍵軸的規(guī)格，主軸總軸徑可參考統(tǒng)計數據確定；
1.5-2.8
2.8-4
4.5-7.5
5.5-7.5
7.5-11
車床
60-80
70-90
70-105
95-130
110-145
升降臺銑床
50-90
60-90
60-95
75-100
90-105
各軸的計算轉速：
=95 r/min
=118 m/min =300 r/min
=750 r./min =1450 r/min
軸徑的估算：
=91x=24.4
=91x=28.78 =91x=36.18
=91x =45.69 =91x=48.24
2、傳動軸剛度的驗算
（1）軸的彎曲變形的條件和允許值
機床的主傳動軸的彎曲剛度驗算，主要驗算軸上裝齒輪和軸承出的撓度y和傾角。各類軸的撓度y，裝齒輪和軸承處的傾角，應小于彎曲剛度的許用值和，即
軸的彎曲變形的允許值：
軸的類型
允許撓度
變形部位
允許傾角
一般傳動軸
（0.0003~0.0005）
裝軸承處，裝齒輪處
0.0025 0.0001
剛度要求較高的軸
0.00021
裝單列圓錐磙子軸承
0.0006
安裝齒輪的軸
（0.01~0.03）
裝滑動軸承處
0.001
安裝蝸輪的軸
（0.02~0.05）
裝單列徑向圓錐磙子軸承處
0.001
（2）軸的彎曲復形計算公式：
計算花鍵軸的剛度時可采用平均直徑或當量直徑
計算公式：矩形花鍵軸：平均直徑=（D+d）/2
當量直徑 =
慣性矩： I=
4.2.2 齒輪模數的估算與驗算
1、 估算：
按接觸疲勞和彎曲強度計算次論模數比較復雜，而且有些系數只有在齒輪各參數都已知的情況先才能確定，所以只在草圖畫完之后校核用。在畫草圖之前，先估算，再選用標準齒輪模數。
齒輪彎曲疲勞強度的估算：
mm
齒面點蝕的估算：
A mm
其中 為大齒輪的計算轉速，A為齒輪中心矩，由中心矩A及齒數，求出模數
=2A/ mm
根據估算所得和中較大的值，選擇相近的標準模數，
各齒輪的計算轉數為：
=1450r/min =695r/min =300r/min 235r/min =95r/min =273r/min =235r/min =695r/min =475r/min =118r/min =695r/min =695r/min =300r/min
=300r/min =118r/min
軸I—II間傳動組齒輪模數的估算
齒輪彎曲疲勞估算：
=32=1.87
齒輪點蝕的估算：
A=370x =81.76 mm
=2A/=2x81.76/(26+54)=2.04 mm
所以模數為m=3.
軸II—III傳動組齒輪模數的估算
齒輪彎曲疲勞估算：
=32=2.759
齒面點蝕估算：
A=370x =108.18
=2A/=2x108.18/(16+39)=3.93 mm
取標準模數 m=4
軸III—IV間傳動組齒輪模數的估算
齒輪彎曲疲勞估算：
=32x=3.046
齒面點蝕估算：
A=370x =117.3
=2A/=2x147.3/(28+37)=3.61
所以取標準模數m=4mm。
軸V—VI間傳動組齒輪模數的估算：
齒輪彎曲疲勞計算，
4.46
齒面點蝕估算：
Ax=153.4
=2A/=2x153.4/(29+29)=5.29
取標準模數值m=5,軸VI—VII間齒輪模數的確定：
齒輪彎曲疲勞強度計算：
齒面點蝕估算：
Ax =158.7
=2A/=2x158.7/(67+67)=2.37
取模數值為m=4。
2、計算（驗算）
結構確定后，齒輪的工作條件：空間安排，材料和精度等級都已經確定，才可以核驗齒輪的接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度值是否滿足要求。
根據接觸疲勞強度計算齒輪模數的公式：
= mm
根據彎曲疲勞強度計算齒輪模數，公式：
= mm
式中：N——計算齒輪傳遞的額定功率N= KW
——計算齒輪的計算轉速r/min
——齒寬系數=b/m, 常取6-10；
——大齒輪與小齒輪齒數，一般取傳動中最小齒輪的齒數
i——大齒輪與小齒輪的傳動比， i=/1; “+”用于外嚙合，“-”用于內嚙合
——壽命系數，=，
——工作期限系數，=
齒輪等傳動件在接觸和彎曲交變載荷下的指數m和基準循環(huán)次數
n——齒輪的最低轉速 r/min
T——預先的齒輪工作期限，中型機床推薦：T=15000~20000h;
——轉速變化系數
——功率利用系數
——材料強化系數，幅值低的交變載荷可使金屬材料的晶粒邊界強化，起阻止疲勞的刃縫擴大的作用
——工作情況系數，中等沖擊的主運動，=1.2~1.6；
——動載荷系數
——齒向載荷分布系數
——齒形系數
——許用彎曲，接觸應力MPa;
1、軸I-II間齒輪模數的計算(驗算)
(1)按接觸疲勞計算齒輪模數:
N=y=0.987.5=7.35W
=8
查表: 取
則
取
線速度
查表: 取
查表 取
查表取 .
因此:
(2) 根據彎曲疲勞計算
查表取 :
而
查表取 .
Y=0.43,
因此: 。
由以上計算結果知，齒輪模數合格。
2、其它齒輪模數的驗算
其它齒輪的驗算過程與上面相同，將有關數值代入上式，經計算均滿足要求；
4.3 展開圖設計
4.3.1 結構實際的內容及技術要求
1．設計內容：
設計主軸變速箱的結構包括傳動件（傳動軸，軸承，齒輪，離合器和制動器等），主軸組件，操縱機構，潤滑密封系統(tǒng)和箱體及其連接件的結構設計與布置，用一張展開圖和若干張橫截面圖表示。
2．技術要求
主軸變速箱是指機床的主要部分，設計時除考慮一般機械傳動的有關要求外，著重考慮以下幾個方面的問題：
（1）精度
立式銑床主軸部分要求比較高的精度主軸的徑向跳動，〈0.01mm；主軸軸向串動〈0.01mm。
（2）剛度和抗振性
綜合剛度（主軸刀架之間的力與相對變形之比）；
綜合〉3400N/m
主軸與刀架之間的相對振幅的要求
等級
I
II
III
振幅（0.001mm）
1
2
3
(3)，傳動效率要求
等級
I
II
III
效率
0.85
0.8
0.75
（4）主軸總軸承處溫升和溫升應控制在以下范圍：
條件
溫度
溫升
用滾動軸承
70
40
用滑動軸承
60
30
噪聲要控制在以下范圍：
等級
I
II
III
dB
78
80
83
噪音
=20log
式中：——所有中間傳動齒輪分度圓直徑的平均值mm
——主軸上齒輪的分度圓直徑的平均值mm
——傳到主軸所經過的齒輪對數
,k——系數，根據個類型及制造水平選取。我國中型車床，銑床=3.5，銑床K50.5
（5）結構簡單，緊湊，加工和裝配工藝性好，便于維修和調整
（6）操作方便，安全可靠
（7）遵循標準化和通用化的原則
4.3.2 齒輪塊的設計
1，特點
齒輪是變速箱中的重要元件，齒輪同時嚙合的齒數是周期性變化的，也就是說，作用在一個齒上的載荷是變化的。同時由于齒輪制造及安裝誤差，不可避免要產生動載荷而引起振動和噪音，常常成為變速箱的主要噪聲源，并影響主軸回轉均勻性，在設計齒輪時，應充分考慮這些問題。
2，精度等級的選擇
變速箱中齒輪用于傳遞動力和運動。它的精度選擇主要取決于周圍速度。采用同一精度時，周圍速度越高，振動和噪聲越大，根據實驗結果，周圍速度增加一倍，噪音約增加6dB。工作平穩(wěn)性和接觸誤差對振動和噪音的影響比運動誤差更大。所以這兩項精度應選高一級，為了控制噪音，機床上主傳動齒輪都選用較高的精度，大都用7-6-6,這里主運動齒輪的精度選為7-6-6。
3、結構與加工方法
不同精度等級的齒輪，要采用不同的加工方法，對結構要求也有不同。
8級精度齒輪，一般滾齒或插齒就可以達到。
7級精度齒輪，用較高精度滾齒機或插齒機可以達到。但淬火后，由于變形，精度下降，因此，需淬火的7級齒輪一般滾（插）后要剃齒，使精度高于7級或淬火和衍齒才能達到6級。機床主軸變速箱中齒輪一般都需要淬火。多聯(lián)齒輪塊的結構形式如下圖2.5所示，各部分的尺寸推薦如下：
（1）、空刀槽，
插齒時： 模數 12mm， 5mm;
模數2.54mm, 6mm。
剃齒時：
采用公式：
=4.5+k(1.1+0.038-0.03)mm及計算。
圖4.5
式中，k——為與剃齒刀傾斜角有關的系數。
若齒面要高頻淬火，為避免互相影響，應大于8。由于這里采用的齒輪的精度為7-6-6，需要剃齒或珩齒，需齒面淬火，所以8，取=8?！ ?
（2）、齒寬b 圖4.5
齒寬影響齒的強度。但如果太寬，由于齒輪誤差和軸的變形，可能接觸不均勻，反而容易引起振動和噪音。一般取=(6~10)m
齒輪模數m小，裝在軸的中部或單片齒輪，取大值齒輪模數m大，裝在靠近支