數(shù)控車床畢業(yè)論文設(shè)計

數(shù)控車床畢業(yè)論文

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JIFCNC-B數(shù)控車床主軸箱傳動系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計與計算。

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)通過帶傳動和變速齒輪為主軸提供動力。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)計將原來的帶輪不卸荷結(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，無級調(diào)速，傳動系統(tǒng)

Abstract

NClathecandoboring,facing,drillingandReaminginadditiontoturning.Theuseoflathesintheproductionthantheothertypesofmachinetoolsandmore.Andcomparedtoothertypesofmachinetools,lathesintheproductionisthemostwidelyused.

Inthisdesign，thedevelopmentandcurrentsituationofNCmachineinChinawasintroducedandaseriesofproblemswerepresented.ThedevelopmenttrendtoNClathewasdiscussed.SomecountermeasureswaspresentedforthedevelopmentofNCmachineinChinaandthentheheadstockofJIFCNC-BNClathehasbeencalculatlydesigned.Headstocksiscomposedofthehollowspindlewhichisinstalledinprecisionbearingsandaseriesoftransmissiongears.Thespindlecanobtainanyspeedinthespeedrangetomeettheprocessingrequirementsofcutting.

Atpresent,thedevelopmenttrendistoprovideacontinuouslyvariablespeedthroughtheelectricalormechanicaldevices.VariableFrequencyMotorconveysthepowerthroughbeltdriveandasetoftransmissiongears.ThespeedrangeofVariableFrequencyMotorisusually3-5,whichisdifficulttomeetthespeedrangerequirementsofthespindlespeed;Thetransmissiongearsistoexpandthescopeofavariable-speedtomeetthespeedrangeofthespindle

Inaddition,inthisdesignthedesignofthebeltdrivehasbeenchangedfromtheoriginalunloadingstructureintotheloadingstructure,transmissedtheforcetothelathebodysothatinputshaftisonlyforcedtorque,improvedtheforcingstateoftheinputshaft.

Keywords:headstocks,acontinuouslyvariablespeed,transmissionSysterm

目錄

摘要 Ⅰ

Abstract（英文摘要） Ⅱ

目錄 Ⅲ

TOC\o\t"標(biāo)題3,3,標(biāo)題4,4"

第一章緒論 1

1.1數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的要求 1

1.2數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)方式 1

1.3國內(nèi)外數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的發(fā)展 2

1.3.1設(shè)數(shù)控車床發(fā)展總趨勢2

1.3.2確中國數(shù)控車床發(fā)展的主要問題4

TOC\o"1-4"

第二章變速主傳動系統(tǒng)法案的制定 6

2.1主傳動技術(shù)指標(biāo)的制定 7

2.1.1動力參數(shù)的確定計的數(shù)7

2.1.2主運(yùn)動調(diào)速范圍的確定8

2.1.3主軸計算轉(zhuǎn)速的確定9

2.2變速主傳動系統(tǒng)的設(shè)計 10

2.2.1確定傳動方案10

2.2.2轉(zhuǎn)速圖的擬定11

2.2.3擬定傳動變速系統(tǒng)圖12

第三章傳動系統(tǒng)零部件設(shè)計 15

3.1傳動皮帶的設(shè)計與選定 15

3.1.1V帶傳動設(shè)計15

3.1.2帶結(jié)構(gòu)的設(shè)計16

3.2齒輪的設(shè)計與校核 17

3.2.1各傳動軸傳遞動力計算17

3.2.2齒輪副32/76齒輪的設(shè)計與校核19

3.2.3齒輪副30/54齒輪的設(shè)計與校核23

3.2.4齒輪副54/54齒輪的設(shè)計與校核26

3.3傳動軸的設(shè)計與校核 30

3.3.1傳動軸I的設(shè)計與校核30

3.3.2軸II的設(shè)計與校核33

第四章主軸組件的設(shè)計與校核 35

4.1主軸的要求 35

4.2主軸軸承選擇 36

4.3主軸的設(shè)計與校核 36

第五章主軸驅(qū)動與控制 39

5.1主軸轉(zhuǎn)速的自動變換 39

5.2齒輪有級變速變擋裝置 40

5.3主軸旋轉(zhuǎn)與軸向進(jìn)給的同步控制 40

5.3主軸旋轉(zhuǎn)與徑向進(jìn)給的同步控制 40

第六章總結(jié)與展望 41

參考文獻(xiàn) 43

致謝 45

第一章緒論

數(shù)控車床利用數(shù)字化的信息對車床運(yùn)動及加工過程進(jìn)行控制，是一種可編程的通用加工設(shè)備，能自動完成內(nèi)外圓柱面、圓錐面、圓弧面、端面、螺紋等工序的切削加工，所以特別適合加工形狀復(fù)雜的軸類和盤套類零件。

與通用機(jī)床和專用機(jī)床相比，數(shù)控車床具有加工靈活、通用性強(qiáng)、能適應(yīng)產(chǎn)品的品種和規(guī)格頻繁變化的特點(diǎn)，能夠滿足新產(chǎn)品的開發(fā)和多品種、小批量、生產(chǎn)自動化的要求，是一種柔性的、高性能的自動化車床，代表了現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展方向，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，因此被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)。

數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)包括主軸電機(jī)、傳動系統(tǒng)與主軸組件，與普通機(jī)床相比，變速功能絕大部分由主軸電機(jī)的無級調(diào)速來承擔(dān)，省去了繁雜的齒輪變速機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，有些只有兩極或三級齒輪變速機(jī)構(gòu)系統(tǒng)用以擴(kuò)大電機(jī)無級調(diào)速的范圍

1.1數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的要求

數(shù)控機(jī)床作為高自動化的機(jī)電一體化設(shè)備，其主傳動系統(tǒng)的設(shè)計一般應(yīng)滿足以下基本要求。

使用性能要求高首先應(yīng)滿足機(jī)床的運(yùn)動特性。如機(jī)床主軸有足夠的轉(zhuǎn)速范圍和轉(zhuǎn)速級數(shù)，不僅有低速大轉(zhuǎn)矩功能而且還要有較高的轉(zhuǎn)速。傳動系統(tǒng)設(shè)計合理，操作方便靈活、迅速、安全可靠。

傳遞動力要求主電動機(jī)和傳動機(jī)構(gòu)能提供和傳遞足夠的功率和轉(zhuǎn)速，具有較高的傳遞效率。

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，才能保證加工零件有較高的質(zhì)量。電動機(jī)、主軸及傳動部件都是熱源，低溫升、小變形是對主軸傳動系統(tǒng)的重要指標(biāo)；主軸要較高的旋轉(zhuǎn)精度與運(yùn)動精度；主軸軸頸尺寸、軸承類型及裝配方式，軸承預(yù)緊量大小、主軸組件的質(zhì)量分布是否均勻及主軸組件的阻尼對主軸組件的靜剛度和抗振性都會產(chǎn)生影響；主軸組件必須有足夠的耐磨性，使之保持良好的精度；軸承處還要有良好的潤滑。

此外，還要求主創(chuàng)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于調(diào)整與維修；工藝性好，便于加工與裝配；防護(hù)性好；使用壽命長。

1.2數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的方式

機(jī)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，便于自動變速。數(shù)控車床得主傳動系統(tǒng)通常采用無級變速。

與普通車床相比，數(shù)控車床的主傳動采用交、直主軸調(diào)速電動機(jī)，電動機(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)控車床主傳動系統(tǒng)有以下三種方式。

=1\*GB2

⑴

電動機(jī)直接驅(qū)動主軸電動機(jī)與主軸通過聯(lián)軸器直接連接，或采用內(nèi)裝式主軸電動機(jī)驅(qū)動。采用直接驅(qū)動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，因而這種變速傳動的應(yīng)用受到一定限制。

=2\*GB2

⑵

采用定比傳動主軸電動機(jī)經(jīng)定比傳動給主軸。定比傳動可采用帶傳動或齒輪傳動，這種傳動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機(jī)的調(diào)速范圍相同。

目前，交流、直流主軸電動機(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機(jī)的功率特性和機(jī)床主軸的要求不匹配:調(diào)速電動機(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。

=3\*GB2

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)動的轉(zhuǎn)矩輸出，特別是保證低速時的轉(zhuǎn)矩和擴(kuò)大恒功率的調(diào)速范圍。

=4\*GB2

⑷

用兩個電機(jī)分別驅(qū)動主軸

上述兩種方式的混合傳動，高速時帶輪直接驅(qū)動主軸，低速時另一個電機(jī)通過齒輪減速后驅(qū)動主軸

1.3國內(nèi)外數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的發(fā)展

.1.3.1數(shù)控車床發(fā)展總趨勢

近年來，隨著數(shù)控加工技術(shù)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(fù)合化、柔性化。

=1\*GB2

⑴

高速主軸單元

為了適應(yīng)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(jī)主軸單元，就是將高速的主軸電動機(jī)置于主軸內(nèi)部，通過交流變頻控制系統(tǒng)，使主軸獲得所需的工作轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)、主軸的一體化功能；取消了皮帶、帶輪和齒輪等環(huán)節(jié)，大大減少了主傳動的轉(zhuǎn)動慣量，提高了主軸動態(tài)響應(yīng)速度和工作精度，徹底解決了主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時皮帶和帶輪等傳動的振動和噪聲問題；可精確實(shí)現(xiàn)主軸的定位和軸傳動功能。采用電主軸結(jié)構(gòu)可使主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到10000r/min以上，它融合了尖端的高速精密軸承、潤滑技術(shù)、冷卻技術(shù)、高速變頻驅(qū)動技術(shù)，是技術(shù)含量很高的機(jī)電一體化產(chǎn)品。

=2\*GB2

⑵

功能復(fù)合化、柔性化

隨著數(shù)控車床對加工對象的適應(yīng)性的不斷提高，數(shù)控車床（特別適合主傳動系統(tǒng)）的設(shè)計發(fā)生了很大變化，并向著功能復(fù)合化和系統(tǒng)柔性化的方向發(fā)展。

功能復(fù)合化的目的是進(jìn)一步提高機(jī)床的生產(chǎn)效率，使用于非加工輔助時間減至最少。通過功能的復(fù)合化，可以擴(kuò)大車床的使用范圍、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。寶雞機(jī)床廠已經(jīng)研制成功的CX25Y數(shù)控車銑復(fù)合中心，該機(jī)床同時具有X、Z軸以及C軸和Y軸。通過C軸和Y軸，可以實(shí)現(xiàn)平面銑削和偏孔、槽的加工。該機(jī)床還配置有強(qiáng)動力刀架和副主軸。副主軸采用內(nèi)藏式電主軸結(jié)構(gòu)，通過數(shù)控系統(tǒng)可直接實(shí)現(xiàn)主、副主軸轉(zhuǎn)速同步。該機(jī)床工件一次裝夾即可完成全部加工，極大地提高了效率。

數(shù)控車床向柔性自動化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是：從點(diǎn)(數(shù)控單機(jī)、加工中心和數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床)、線(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段車間獨(dú)立制造島、FA)、體(CIMS、分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng))的方向發(fā)展，另一方面向注重應(yīng)用性和經(jīng)濟(jì)性方向發(fā)展。柔性自動化技術(shù)是制造業(yè)適應(yīng)動態(tài)市場需求及產(chǎn)品迅速更新的主要手段，是各國制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢，是先進(jìn)制造領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)。其重點(diǎn)是以提高系統(tǒng)的可靠性、實(shí)用化為前提，以易于聯(lián)網(wǎng)和集成為目標(biāo)，注重加強(qiáng)單元技術(shù)的開拓和完善。CNC單機(jī)向高精度、高速度和高柔性方向發(fā)展。數(shù)控機(jī)床及其構(gòu)成柔性制造系統(tǒng)能方便地與CAD、CAM、CAPP及MTS等聯(lián)結(jié)，向信息集成方向發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向開放、集成和智能化方向發(fā)展

由此可見，現(xiàn)代數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)設(shè)計不僅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(jī)床的整體要求，如制造控制、過程控制以及物料傳送，以縮短產(chǎn)品的加工時間、周轉(zhuǎn)時間、制造時間，以最大限度的提高生產(chǎn)率。

中國數(shù)控機(jī)床現(xiàn)狀及發(fā)展中的主要問題

1.3.2中國發(fā)展數(shù)控車床存在的主要問題

中國於1958年研制出第一臺數(shù)控機(jī)床，發(fā)展過程大致可分為兩大階段。在1958～1979年間為第一階段，從1979年至今為第二階段。第一階段中對數(shù)控機(jī)床特點(diǎn)、發(fā)展條件缺乏認(rèn)識，在人員素質(zhì)差、基礎(chǔ)薄弱、配套件不過關(guān)的情況下，一哄而上又一哄而下，曾三起三落、終因表現(xiàn)欠佳，無法用於生產(chǎn)而停頓。主要存在的問題是盲目性大，缺乏實(shí)事求是的科學(xué)精神。在第二階段從日、德、美、西班牙先后引進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)，從日、美、德、意、英、法、瑞士、匈、奧、韓國、臺灣省共11國(地區(qū))引進(jìn)數(shù)控機(jī)床先進(jìn)技術(shù)和合作、合資生產(chǎn)，解決了可靠性、穩(wěn)定性問題，數(shù)控機(jī)床開始正式生產(chǎn)和使用，并逐步向前發(fā)展。

在20余年間，數(shù)控機(jī)床的設(shè)計和制造技術(shù)有較大提高，主要表現(xiàn)在三大方面：培訓(xùn)一批設(shè)計、制造、使用和維護(hù)的人才；通過合作生產(chǎn)先進(jìn)數(shù)控機(jī)床，使設(shè)計、制造、使用水平大大提高，縮小了與世界先進(jìn)技術(shù)的差距；通過利用國外先進(jìn)元部件、數(shù)控系統(tǒng)配套，開始能自行設(shè)計及制造高速、高性能、五面或五軸聯(lián)動加工的數(shù)控機(jī)床，供應(yīng)國內(nèi)市場的需求，但對關(guān)鍵技術(shù)的試驗、消化、掌握及創(chuàng)新卻較差。至今許多重要功能部件、自動化刀具、數(shù)控系統(tǒng)依靠國外技術(shù)支撐，不能獨(dú)立發(fā)展，基本上處於從仿制走向自行開發(fā)階段，與日本數(shù)控車床的水平差距很大。存在的主要問題包括：缺乏象日本“機(jī)電法”、“機(jī)信法”那樣的指引；嚴(yán)重缺乏各方面專家人才和熟練技術(shù)工人；缺少深入系統(tǒng)的科研工作；元部件和數(shù)控系統(tǒng)不配套；企業(yè)和專業(yè)間缺乏合作，基本上孤軍作戰(zhàn)，雖然廠多人眾，但形成不了合力。

中國今后要加速發(fā)展數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)，既要深入總結(jié)過往的經(jīng)驗教訓(xùn)，切實(shí)改善存在的問題，又要認(rèn)真學(xué)習(xí)國外的先進(jìn)經(jīng)驗，沿正確的道路前進(jìn)。建議切實(shí)做好以下幾點(diǎn)：

中國廠多人眾，極需正確的方針、政策對數(shù)控車床的發(fā)展進(jìn)行有力的指引。應(yīng)學(xué)習(xí)美、德、日經(jīng)驗，政府高度重視、正確決策、大力扶植。在方針政策上，應(yīng)講究科學(xué)精神、經(jīng)濟(jì)實(shí)效，以切實(shí)提高生產(chǎn)率、勞動生產(chǎn)率為原則。在方法上，深入用戶，精通工藝，低中高檔并舉，學(xué)習(xí)日本，首先解決量大而廣的中檔數(shù)控機(jī)床，批量生產(chǎn)，占領(lǐng)市場，減少進(jìn)口，擴(kuò)大出口。在步驟措施上，必須使國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)先進(jìn)、可靠，狠抓產(chǎn)品質(zhì)量與配套件過關(guān)，打好技術(shù)基礎(chǔ)。近期重在打基礎(chǔ)，建立信譽(yù)，擴(kuò)大國產(chǎn)數(shù)控車床的國內(nèi)市場份額，遠(yuǎn)期謀求趕超世界先進(jìn)水平，大步走向世界市場；

必須狠抓根本，堅持“以人為本”，加速提高人員素質(zhì)、培養(yǎng)各種專家人才，從根本上改變目前低效、落后的狀態(tài)。人是一切事業(yè)成敗的根本，層層都要重視“培才、選才、用才”，建立學(xué)習(xí)型企業(yè)，樹立企業(yè)文化，加速培育新人，培訓(xùn)在職人員，建立師徒相傳制度，舉辦各種技術(shù)講座、訓(xùn)練班和專題討論會，甚至聘請外國專家、顧問等，盡力提高數(shù)控。

隨著世界科技進(jìn)步和機(jī)床工業(yè)的發(fā)展，數(shù)控車床作為機(jī)床工業(yè)的主流產(chǎn)品，已成為實(shí)現(xiàn)裝備制造業(yè)現(xiàn)代化的關(guān)鍵設(shè)備，是國防軍工裝備發(fā)展的戰(zhàn)略物資。數(shù)控機(jī)床的擁有量及其性能水平的高低，是衡量一個國家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志。加快發(fā)展數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)也是我國裝備制造業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)要求。

第二章變速主傳動系統(tǒng)方案的制定

2.1主傳動系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)的確定

J1FCNC-B是中等規(guī)格的二軸聯(lián)動的數(shù)控車床，床身最大回轉(zhuǎn)直徑￠460mm，最大工件長度1000mm；主軸通孔直徑56mm，主軸錐度莫氏六號，可以加工直線、錐度、球面、螺紋罩等，功能齊全、精度可靠、操作方便。主傳動系統(tǒng)的主要參數(shù)有動力參數(shù)和運(yùn)動參數(shù)。動力參數(shù)是指主運(yùn)動驅(qū)動電動機(jī)的功率；運(yùn)動參數(shù)是指主運(yùn)動變速范圍。根據(jù)數(shù)控車床的加工工藝、加工對象、所要求的精度、成本及生產(chǎn)周期并結(jié)合國內(nèi)外機(jī)床發(fā)展現(xiàn)狀確定數(shù)控車床主要技術(shù)指標(biāo)。

2.1.1動力參數(shù)的確定

主傳動中個傳動件的尺寸要根據(jù)傳動功率來確定。傳動功率過大，使傳動件尺寸粗大，電動機(jī)常在低負(fù)載下工作，功率因數(shù)小而浪費(fèi)能源；功率過小將限制車床切削加工能力而降低生產(chǎn)效率。因此需合理確定主傳動功率。但由于實(shí)際加工過程切削用量變化范圍大、傳動件之間的摩擦等不確定因素，用理論計算方法來確定主傳動功率尚有困難，可通過類比、統(tǒng)計方法相互比較來確定。

查機(jī)電一體化手冊車削功率在8-16kw之間根據(jù)切削功率PC與主傳動鏈的總效率η估算,即P=。主傳動鏈的功率效率η=0.7—0.85，數(shù)控車床多采用調(diào)速電動機(jī)和較短的機(jī)械傳動鏈，效率較大，因此取=0.78,則估計P在10.26kw~20.51kw.之間。

數(shù)控車床的加工范圍一般都比較大，切削功率PC可根據(jù)有代表性的加工情況，由其主切削抗力

PC=KW

主切削力的切向分力，N；

切削速度N??；

查金屬切削手冊知，以硬質(zhì)合金刀具車削合金結(jié)構(gòu)鋼為例，數(shù)控車床有代表型的主切削力的切向分力大約在2500左右，切削速度取90—250r\min，則知道

PC=2500200\60000=8.333kw

P==10.68kw

考慮到空轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)的功率損失，如各傳動件在空轉(zhuǎn)運(yùn)行時的摩損功耗，傳動件的攪油和克服空氣阻力功率以及其其它動載荷的摩擦損耗等。

J1FCNCI-B機(jī)床是中等規(guī)格數(shù)控車床，參照國內(nèi)外同類機(jī)床的電動機(jī)功率，此機(jī)床可以選取11kw的電動機(jī)，考慮到數(shù)控機(jī)床變速范圍比較大，選用交流變頻電動機(jī)YVP160-4，標(biāo)稱功率11kw，額定轉(zhuǎn)矩70N?m調(diào)頻電動機(jī)功率轉(zhuǎn)矩與

2.1.2主運(yùn)動調(diào)速范圍的確定

主軸轉(zhuǎn)速由切削速度（r/min）與工件的直徑（mm）來確定

=（r/min）

計算該數(shù)控車床

=、=，

則數(shù)控車床變速范圍=

代入公式，選擇，，，要據(jù)車床上幾種典型加工情況考慮，不可能將一切情況考慮進(jìn)去，也不是加工情況的最大值和最小值。

經(jīng)統(tǒng)計分析車床的最高轉(zhuǎn)速出現(xiàn)在硬質(zhì)合金刀具精車鋼料的外圓工藝中，最低轉(zhuǎn)速出現(xiàn)在高速工具鋼刀具精車合金鋼工件的梯形絲杠中。由工藝手冊可知硬質(zhì)合金刀具刀具精車鋼料的絲杠=250r\min；高速車刀粗車圓柱體=30-50r\min（隨被吃刀量與進(jìn)給量的增加而減少）；高速工具鋼低速精車絲杠=1.5r\min，車床主參數(shù)￠460mm，加工絲杠的最大直徑=50mm，則

=0.5D=0.5460mm=230mm

=（0.2-0.25）=（46-58）mm，取=50mm。

max===1591r/min

==41.52r/min

由于現(xiàn)代數(shù)控車床向高速高精度方向發(fā)展，考慮到今后的技術(shù)儲備，類比行業(yè)中同類數(shù)控車床的轉(zhuǎn)速范圍初步選取=20r\min，=2000r\min。

則數(shù)控車床總變速范圍==100

2.1.3主軸計算轉(zhuǎn)速的確定

由切削原理知主運(yùn)動為直線運(yùn)動的機(jī)床，主運(yùn)動為恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)動；主運(yùn)動為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)床，主運(yùn)動為恒功率運(yùn)動。數(shù)控車床加工工藝范圍廣，變速范圍大。有些典型工藝如：精車絲杠、加工螺紋、等，工件尺寸大，需采用小的被吃刀量、小的進(jìn)給量；低速主軸轉(zhuǎn)速小，不需傳動電動機(jī)的全部功率。我們把機(jī)床能傳遞全部功率的最低轉(zhuǎn)速稱為主軸計算轉(zhuǎn)速，以它為臨界轉(zhuǎn)速，如圖。從至最高轉(zhuǎn)速的區(qū)域為恒功率區(qū)域，任意轉(zhuǎn)速能夠傳遞電動機(jī)的全部功率，但主軸轉(zhuǎn)矩隨主軸轉(zhuǎn)速的上升而下降；從最低轉(zhuǎn)速至的區(qū)域b為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，任意轉(zhuǎn)速能夠輸出最大轉(zhuǎn)矩，但主軸輸出的功率將隨主軸轉(zhuǎn)速的下降而下降。

數(shù)控車床變速范圍比較廣，計算轉(zhuǎn)速比普通車床高。目前數(shù)控機(jī)床計算轉(zhuǎn)速的確定尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，確定是參考同類機(jī)床，并結(jié)合該機(jī)床加工工藝要求，使=154r\min.

圖2.2主軸轉(zhuǎn)速曲線

2.2變速主傳動系統(tǒng)的設(shè)計

2.2.1確定傳動方案

機(jī)床傳動形式分為有極和無極變速兩種，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，便于自動變速，這對與提高機(jī)床生產(chǎn)效率和提高被加工零件的質(zhì)量都有重要意義；同時采用無級變速可使主軸結(jié)構(gòu)大為簡化，縮短傳動鏈；因此無級變速應(yīng)用日益廣泛。

該數(shù)控機(jī)床總變速范圍是=2000\20=100，變速范圍較大，單靠無級變速裝置有難以實(shí)現(xiàn)。而且，無級變速裝置的功率扭轉(zhuǎn)特性應(yīng)同傳動鏈的工作要求相適應(yīng)，這就要求串聯(lián)機(jī)械有級變速來擴(kuò)大變速范圍并選擇合適的無級變速器以滿足機(jī)床的功率扭矩特性要求。

該數(shù)控機(jī)床是以經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，設(shè)計主軸由交流變頻電動機(jī)經(jīng)皮帶論、齒輪傳動至主軸。

從圖1與圖2可以看出：調(diào)頻電機(jī)的恒功率轉(zhuǎn)速范圍為4500\1500=3，而主軸要求的恒功率調(diào)速范圍為2000\250=8，顯然電動機(jī)不能滿足主軸所要求的恒功率變速范圍。所以在設(shè)計師不能依據(jù)總變速范圍來設(shè)計主創(chuàng)動系統(tǒng)，而應(yīng)考慮電動機(jī)與主軸的功率匹配。

主軸恒功率調(diào)速范圍Rnp=max\=2000\250=8,

電動機(jī)恒功率調(diào)速范圍Rdp=max\=4500\1500=3

為了使主軸和電動機(jī)的恒功率匹配，現(xiàn)通過增加變速齒輪來滿足要求，該變速齒輪組擴(kuò)大了電動機(jī)的恒功率調(diào)速。

2.2.2轉(zhuǎn)速圖的擬定

1．轉(zhuǎn)速圖的擬定

分析和設(shè)計主傳動系統(tǒng)須應(yīng)用一種特殊線圖，稱為轉(zhuǎn)速圖。

轉(zhuǎn)速圖能夠清楚的表達(dá)出：傳動軸的數(shù)目，主軸及各傳動軸的轉(zhuǎn)速級數(shù)、轉(zhuǎn)速值及其傳動路線，變速組的個數(shù)、傳動順序及擴(kuò)大順序，各變速組的傳動副數(shù)及其傳動比數(shù)值，變速規(guī)律等。

首先根據(jù)最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速確定變速范圍，選擇合適的公比后再確定轉(zhuǎn)速級數(shù)，繪制轉(zhuǎn)速圖。

：已知機(jī)床的轉(zhuǎn)速范圍在20r/min~2000r/min，電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為4000r/min，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，電動機(jī)的額定功率P=11kW，確定主軸箱結(jié)構(gòu)．

（1）確定主軸的變速范圍

（2）確定主軸的計算轉(zhuǎn)速

由于數(shù)控機(jī)床主軸的變速范圍大，計算轉(zhuǎn)速應(yīng)比計算值高些，所以圓整取計算轉(zhuǎn)速nc=。

（3）確定主軸的恒功率變速范圍

（4）確定電動機(jī)所能夠提供的恒功率變速范圍

由于Rnp>>Rdp，電動機(jī)直接驅(qū)動主軸不能滿足恒功率變速要求，因此需要串聯(lián)一個有級變速箱，以滿足主軸的恒功率調(diào)速范圍。

（5）確定轉(zhuǎn)速級數(shù)

取，則

對于數(shù)控車床，為了加工端面時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

（6）擬定轉(zhuǎn)速圖和功率特性圖如圖

2.2.3擬定傳動變速系統(tǒng)圖

擬定傳動系統(tǒng)的原則是：在保證機(jī)床的運(yùn)動和使用要求的前提下，運(yùn)動傳動鏈要盡可能的短而簡單；傳動效率高以及操作簡單方便。首先要考慮某些結(jié)構(gòu)方面的問題，考慮結(jié)構(gòu)能否實(shí)現(xiàn)：如小齒輪的齒根圓是否大于軸的直徑，大齒輪的頂圓是否會碰及相鄰軸等；其次因考慮結(jié)構(gòu)是否合理，如布置是否緊湊，操縱是否方便等。

該機(jī)床采用雙聯(lián)滑移齒輪變速組，采用窄式排列結(jié)構(gòu)，使機(jī)床結(jié)構(gòu)緊湊。主軸變速擬采用通過滑移齒輪的移位來實(shí)現(xiàn)，需保證當(dāng)齒輪2與齒輪4完全脫開嚙合之后，齒輪3和齒輪6才能開始進(jìn)入嚙合，所以齒輪5與齒輪6相鄰間的距離b要大于于滑移齒輪的寬度（齒輪2與齒輪寬度之和），一般b++△,△=14mm。綜合考慮個因素，擬訂傳動系統(tǒng)示意圖，如圖2.4。

圖2.4主傳動系統(tǒng)示意圖

第三章傳動系統(tǒng)零部件設(shè)計

3.1傳動皮帶的設(shè)計和選定

帶傳動是由帶和帶輪組成傳遞運(yùn)動和動力的傳動。根據(jù)工作原理可分為兩類：摩擦帶傳動和嚙合帶傳動。摩擦帶傳動是機(jī)床主要傳動方式之一，常見的有平帶傳動和V帶傳動；嚙合傳動只有同步帶一種。

普通V帶傳動是常見的帶傳動形式，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;傳動功率P＜700kW;傳動比i≤10軸間距小的傳動。

一．主要失效形式

1．帶在帶輪上打滑，不能傳遞動力；

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帶傳動設(shè)計的主要依據(jù)，也是靠摩擦傳動的其它帶傳動設(shè)計的主要依據(jù)。

3.1.1．V帶傳動設(shè)計

(1)設(shè)計功率的確定：

查得工況系數(shù)

(2)選定帶型：

根據(jù)和

確定為B型。

(3)傳動比：

根據(jù)轉(zhuǎn)速圖知,傳動比為

(4)確定小帶輪基準(zhǔn)直徑：

參考表取

(5)確定大帶輪直徑：

取標(biāo)準(zhǔn)值

(6)驗算帶速：

因為在之間，所以經(jīng)濟(jì)耐用。

(7)初定帶輪軸中心距：

得：

即：

初取

(8)確定帶基準(zhǔn)長度：

選取基準(zhǔn)長度

(9)計算實(shí)際軸間距：

取標(biāo)準(zhǔn)值。

安裝時所需最小軸間距：

張緊或補(bǔ)償伸長所需最大軸間距：

(10)驗算小帶輪包角：

所以小帶輪包角合適。

(11)單根V帶的基本額定功率：

根據(jù)和查得B型V帶的基本額定功率。

(12)單根V帶的額定功率增量：

考慮到傳動比的影響，額定功率的增量由表查得：

(13)計算帶的根數(shù)：

取根。

(14)單根V帶的預(yù)緊力：

(15)作用在軸上的力：

(16)帶輪的結(jié)構(gòu)和尺寸：

由表可查得

帶輪的具體結(jié)構(gòu)參見零件圖

為了減輕傳動軸上載荷，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齒輪的的設(shè)計與校核

一般同一變速組的齒輪模數(shù)相同,所有齒輪中首先選擇負(fù)荷較重的小齒輪按接觸疲勞強(qiáng)度公式進(jìn)行初算。所以從最小齒輪Z=26開始設(shè)計校核。（注意：為便于閱讀在本節(jié)內(nèi)容中，在相嚙合的每對齒輪的設(shè)計與校核時，主動齒以數(shù)字1為下角標(biāo)，被動齒輪以數(shù)字2為下角標(biāo)）

3.2.1各傳動軸傳遞動力計算

電動機(jī)輸出功率==11kw，額定轉(zhuǎn)速=1500r/min，

輸出轉(zhuǎn)矩=9550=

軸

=1\*ROMAN

I

==110.96=10.56kw為帶傳動效率

===750r/min

=9550=

中間軸

=2\*ROMAN

II

==10.560.990.97=10.14kw，分別為軸承、齒輪傳動效率。

==937.51.8=521r/min

=9550=9550=

高速檔軸

=3\*ROMAN

III

==10.140.990.97=9.7kw，分別為、軸

=3\*ROMAN

III

上軸承、齒輪傳動效率

==5211=521r\min

=9550=9550=

低速檔軸

=3\*ROMAN

III

==9.7kw

==5212.4=217r\min

=9550=9550=

動力傳動情況表：

軸號

功率kw

轉(zhuǎn)矩

轉(zhuǎn)速r\min

傳動比

傳動效率

輸入

輸出

輸入

輸出

電機(jī)

--

11

--

70

1500

0.96

軸

=1\*ROMAN

I

10.56

10.14

70

107

937.5

1：1.6

0.9603

軸

=2\*ROMAN

II

10.14

9.7

134.46

183

521

1：1.8

0.9603

軸

=3\*ROMAN

III

高速

9.7

9.3

155

183

521

1:1

0.9603

低速

9.7

9.3

155

484

217

1:2.4

0.9603

3.2.2齒輪副(32/76)齒輪的設(shè)計與校核

因生產(chǎn)批量較小，故小齒輪用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度241HB~286HB,平均取為260HB,與之嚙合的大齒輪用42SiMn合金鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度217HB~255HB,平均取為235HB.載荷變化規(guī)律如圖3.2:

圖3.2載荷變化圖

計算步驟如下：

齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算

1）.初步計算

轉(zhuǎn)矩=9550=9550=.

齒寬系數(shù)=0.4

接觸疲勞強(qiáng)度極限=710MPa,=580MPa,

許用接觸疲勞強(qiáng)度極=0.9=639MPa,

=0.9=522MPa

取值β=查表=82

初步計算小齒輪直徑===85.2mm

取=90mm

初步計算齒寬b=36mm,取b=35mm

2).校核計算

圓周速度vv==2.69m/s.

精度等級8級

齒數(shù)Z和模數(shù)m=32,m==2.9,所以取m=3,=96mm

=76,m=3,=763=232mm

使用系數(shù)=1.1

動載荷系數(shù)=1.16

齒間載荷分配系數(shù)==3751N

==117.2N\mm>100N\mm

=[1.88-3.2(+)]cosβ

=[1.88-3.2×]=1.86

由此得

齒間載荷分布系數(shù)查表=

=

載荷系數(shù)KK==11.16=3.05

彈性系數(shù)=189.8

節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)=2.45

重合度系數(shù)由式得因得故

螺旋角系數(shù)

接觸最小安全系數(shù)=1.05

總工作時間=1030080.2=4800h

應(yīng)力循環(huán)次數(shù)估計<<,則查表指數(shù)m=8.78

=

=6016254800(0.2+0.5+0.2)=3.62

=1.45

接觸壽命系數(shù)查圖=1.2,=1.25

許用接觸應(yīng)力===798MPa

===690MPa

驗算=

=189.82.450.73

=640MPa<698MPa滿足要求.

3).確定傳動主要尺寸

分度圓直徑由以上運(yùn)算知道=32,=76,模數(shù)=3;

分度圓直徑

==3.0532=96.1mm

=3.0576=231.8mm

中心距a==165mm

齒寬b大齒輪,小齒輪

齒面彎曲疲勞強(qiáng)度驗算

齒形系數(shù)

查表得

應(yīng)力重合修正系數(shù)查表得

重合系數(shù)

=

=1.72

=0.25+=0.25+=0.69

螺旋角系數(shù)

>

齒間載荷分配系數(shù)由上面知=1.71

齒間載荷分布系數(shù)b/h=35/(2.253.5)=4.44查相關(guān)圖知=1.175

載荷系數(shù)KK==1..251.11.751.175=2.77

彎曲疲勞極限查試驗齒輪的彎曲極限表=600MPa,

=450MPa,

彎曲最小安全系數(shù)有相關(guān)表=1.25

應(yīng)力循環(huán)次數(shù)估計<<,則查表指數(shù)m=49.91

==6026254800(0.2+0.5+0.2)=7.24

=6016984800(0.2+0.5+0.2)=4.02

彎曲壽命系數(shù)查彎曲壽命系數(shù)圖=1.01,=1.03

尺寸系數(shù)査尺寸系數(shù)圖=1.0

許用彎曲應(yīng)力=

=

驗算=

=277MPa<

<

傳動無嚴(yán)重過載情況,固不作靜強(qiáng)度校核.

=3\*Arabic

3

.齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計

估計傳動軸

=2\*ROMAN

II

的直徑在35mm左右,小齒輪分度圓直徑=96mm,所以沒必要做成齒輪軸.考慮到該齒輪與Z=54齒輪作滑移齒輪,所以應(yīng)與Z=54齒輪一起進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計,見零件圖.

3.2.3齒輪副()齒輪設(shè)計與校核

因生產(chǎn)批量較小，故小齒輪用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度241HB~286HB,平均取為260HB,與之嚙合的大齒輪用40Cr合金鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度241HB~286HB,平均取為260HB.載荷變化規(guī)律如上圖。

計算步驟如下：

齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算

1）.初步計算

轉(zhuǎn)矩=9550=9550=.

齒寬系數(shù)=0.8

接觸疲勞強(qiáng)度極限=710MPa,=580MPa,

許用接觸疲勞強(qiáng)度極=0.9=639MPa,

=0.9=522MPa

取值β=查表=82

初步計算小齒輪直徑===83mm

取=90mm

初步計算齒寬b=70mm,取b=70mm

2).校核計算

圓周速度vv==4.417m/s.

精度等級8級

齒數(shù)Z和模數(shù)m=30,m==3,所以取m=3,=90mm

=54,m=3,=543=165mm

使用系數(shù)=1.25

動載荷系數(shù)=1.2

齒間載荷分配系數(shù)==2360N

==117.2N\mm>100N\mm

=[1.88-3.2(+)]cosβ

=[1.88-3.2×]=1.57

由此得

齒間載荷分布系數(shù)查表=

=

載荷系數(shù)KK==1.2=2.95

彈性系數(shù)=189.8

節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)=2.45

重合度系數(shù)由式得因得故

螺旋角系數(shù)

接觸最小安全系數(shù)=1.05

總工作時間=1030080.2=4800h

應(yīng)力循環(huán)次數(shù)估計<<,則查表指數(shù)m=8.78

=

=6016254800(0.2+0.5+0.2)=3.62

=1.45

接觸壽命系數(shù)查圖=1.2,=1.25

許用接觸應(yīng)力===798MPa

===690MPa

驗算=

=189.82.450.92

=652MPa<698MPa滿足要求.

3).確定傳動主要尺寸

分度圓直徑由以上運(yùn)算知道=30,=54,模數(shù)=3;

分度圓直徑

==3.0530=91.5mm

=3.0554=165.2mm

中心距a==127mm

齒寬b大齒輪,小齒輪

齒面彎曲疲勞強(qiáng)度驗算

齒形系數(shù)

查表得

應(yīng)力重合修正系數(shù)查表得

重合系數(shù)

=

=1.69

=0.25+=0.25+=0.69

螺旋角系數(shù)

>

齒間載荷分配系數(shù)由上面知=1.6

齒間載荷分布系數(shù)b/h=70/(2.253.5)=8.88查相關(guān)圖知=1..2

載荷系數(shù)KK==1..=2.88

彎曲疲勞極限查試驗齒輪的彎曲極限表=600MPa,

=450MPa,

彎曲最小安全系數(shù)有相關(guān)表=1.25

應(yīng)力循環(huán)次數(shù)估計<<,則查表指數(shù)m=49.91

==6026254800(0.2+0.5+0.2)=7.24

=6016984800(0.2+0.5+0.2)=4.02

彎曲壽命系數(shù)查彎曲壽命系數(shù)圖=1.01,=1.03

尺寸系數(shù)査尺寸系數(shù)圖=1.0

許用彎曲應(yīng)力=

=

驗算=

=220MPa<

<

傳動無嚴(yán)重過載情況,固不作靜強(qiáng)度校核.

=3\*Arabic

3

.齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計為保證滑移齒輪在滑移時總處于嚙合狀態(tài)，小齒輪因足夠?qū)挘↓X輪寬度最少應(yīng)大于最大滑移距離與Z=54齒輪的寬度值之和。見零件圖

3.2.4齒輪副()各齒輪設(shè)計與校核

因生產(chǎn)批量較小，故小齒輪用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度241HB~286HB,平均取為260HB,與之嚙合的大齒輪用40Cr合金鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度241HB~286HB,平均取為260HB.載荷變化規(guī)律同上圖。

計算步驟如下：

齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算

1）.初步計算

轉(zhuǎn)矩=9550=9550=.

齒寬系數(shù)=0.3

接觸疲勞強(qiáng)度極限=710MPa,=580MPa,

許用接觸疲勞強(qiáng)度極=0.9=639MPa,

=0.9=522MPa

取值β=查表=82

初步計算小齒輪直徑===165mm

取=165mm

初步計算齒寬b=25mm,取b=25mm

2).校核計算

圓周速度vv==4.5m/s.

精度等級8級

齒數(shù)Z和模數(shù)m=54,m==3.1,所以取m=3,=165mm

=54,m=3,=543=165mm

使用系數(shù)=1.25

動載荷系數(shù)=1.2

齒間載荷分配系數(shù)==2208N

==117.2N\mm>100N\mm

=[1.88-3.2(+)]cosβ

=[1.88-3.2×]=1.2

由此得=1.23

齒間載荷分布系數(shù)查表=

=

載荷系數(shù)KK==31.15=2.12

彈性系數(shù)=189.8

節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)=2.45

重合度系數(shù)由式得因得故

螺旋角系數(shù)

接觸最小安全系數(shù)=1.05

總工作時間=1030080.2=4800h

應(yīng)力循環(huán)次數(shù)估計<<,則查表指數(shù)m=8.78

=

=6016254800(0.2+0.5+0.2)=3.62

=1.45

接觸壽命系數(shù)查圖=1.2,=1.25

許用接觸應(yīng)力===798MPa

===690MPa

驗算=

=189.82.450.91

=632MPa<698MPa滿足要求.

3).確定傳動主要尺寸

分度圓直徑由以上運(yùn)算知道=54,=54,模數(shù)=3;

分度圓直徑

==3.0530=165.2mm

=3.0554=165.2mm

中心距a==165mm

齒寬b大齒輪,小齒輪

齒面彎曲疲勞強(qiáng)度驗算

齒形系數(shù)

查表得

應(yīng)力重合修正系數(shù)查表得

重合系數(shù)

=

=1.73

=0.25+=0.25+=0.68

螺旋角系數(shù)

>

齒間載荷分配系數(shù)由上面知=1.23

齒間載荷分布系數(shù)b/h=25/(2.253.5)=4查相關(guān)圖知=1.16

載荷系數(shù)KK==1..6=2.12

彎曲疲勞極限查試驗齒輪的彎曲極限表=600MPa,

=450MPa,

彎曲最小安全系數(shù)有相關(guān)表=1.25

應(yīng)力循環(huán)次數(shù)估計<<,則查表指數(shù)m=49.91

==6026254800(0.2+0.5+0.2)=7.24

=6016984800(0.2+0.5+0.2)=4.02

彎曲壽命系數(shù)查彎曲壽命系數(shù)圖=1.01,=1.03

尺寸系數(shù)査尺寸系數(shù)圖=1.0

許用彎曲應(yīng)力=

=

驗算=

=197MPa<

<

傳動無嚴(yán)重過載情況,固不作靜強(qiáng)度校核.

=3\*Arabic

3

.齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計見零件圖。

3.3傳動軸的設(shè)計與校核

3.3.1傳動軸

=1\*ROMAN

I

的設(shè)計與校核

1）.估算軸頸d

假設(shè)軸材料為45#鋼，則由公式，查表C=118,=25mm，

2)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計

該軸兼有傳動軸和液壓變檔滑移作用，畫出Z=26的齒輪輪廓,齒輪分度圓直徑較大,不需要采用齒輪軸結(jié)構(gòu);根據(jù)軸及軸上零件作用，完成軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計,詳見零件圖.為便于計算對軸上受力進(jìn)行簡化：

在水平面內(nèi)與豎直平面內(nèi)對軸進(jìn)行受力分析計算如下：

a）.計算齒輪受力=9550=107.37

圓周力==2360N.

徑向力=N，

軸向力

b）.計算支撐反力

水平面內(nèi)支撐反力=2895N,=360N

垂直面支撐反力,

畫水平面內(nèi)xy和垂直面內(nèi)xz受力圖,見附圖1.

c).畫水平面彎矩圖見附圖1.Mxy

畫垂直面彎矩圖Mxz

畫合成彎矩圖

d).畫軸轉(zhuǎn)矩圖見附圖1.

e)許用應(yīng)力

用查入法查表=102.5MPa,=60MPa

應(yīng)力校正系數(shù)==0.59

f).畫出當(dāng)量彎矩圖見附圖1

當(dāng)量彎矩0.59107370N.mm=63346N.mm

齒輪中間截面處當(dāng)量彎矩=160010N.mm

軸頸處當(dāng)量彎矩==180200N.mm

軸頸處當(dāng)量彎矩==161550N.mm

g).校核軸頸

齒輪中間處軸直徑d===27mm<35mm。

在軸頸處d===30mm<35mm，所以該軸設(shè)計得合理。

附圖1

3.3.2.軸

=2\*ROMAN

II

的設(shè)計與校核

1）.估算軸頸d

假設(shè)軸材料為45#鋼，則由公式，查表C=118,=25mm，

2)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計

該軸兼有傳動軸和液壓變檔滑移作用，畫出Z=26的齒輪輪廓,齒輪分度圓直徑較大,不需要采用齒輪軸結(jié)構(gòu);根據(jù)軸及軸上零件作用，完成軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計,詳見零件圖.為便于計算對軸上受力進(jìn)行簡化：

在水平面內(nèi)與豎直平面內(nèi)對軸進(jìn)行受力分析計算如下：

a）.計算齒輪受力=9550=183

圓周力==3751N.

徑向力=N，

軸向力

b）.計算支撐反力

垂直面內(nèi)支撐反力=580N,=806N

水平面支撐反力,

畫水平面內(nèi)xy和垂直面內(nèi)xz受力圖,見附圖1.

c).畫水平面彎矩圖見附圖1.Mxy

畫垂直面彎矩圖Mxz

畫合成彎矩圖

d).畫軸轉(zhuǎn)矩圖見附圖

e)許用應(yīng)力

用查入法查表=102.5MPa,=60MPa

應(yīng)力校正系數(shù)==0.59

f).畫出當(dāng)量彎矩圖見附圖1

當(dāng)量彎矩0.59183000N.mm=108460N.mm

齒輪中間截面處當(dāng)量彎矩=N.mm

g).校核軸頸

齒輪中間處軸直徑d===35.62mm>35mm;考慮載荷較均勻分布，本次校核是在極端情況下進(jìn)行且誤差在5%之內(nèi)，所以合理。

附圖2

第四章主軸組件的設(shè)計與校核

4.1主軸的要求

1旋轉(zhuǎn)精度

主軸的旋轉(zhuǎn)精度上是指裝配后，在無載荷，低轉(zhuǎn)速的條件下，主軸前端工件或刀具部位的徑向跳動和軸向跳動。主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度主要取決于各主要件，如主軸，軸承，箱體孔的的制造，裝配和調(diào)整精度。還決定于主軸轉(zhuǎn)速，支撐的設(shè)計和性能，潤滑劑及主軸組件的平衡。通用（包括數(shù)控）機(jī)床的旋轉(zhuǎn)精度已有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可循。

2靜剛度

主軸組件的靜剛度（簡稱剛度）反映組件抵抗靜態(tài)外載荷變形的能力。影響主軸組件彎曲剛度的因素很多，如主軸的尺寸和形狀，滾動軸承的型號，數(shù)量，配置形式和欲緊，前后支撐的距離和主軸前端的懸伸量，傳動件的布置方式，主軸組件的制造和裝配質(zhì)量等。各類機(jī)床主軸組件的剛度目前尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

3抗振性

主軸組件工作時產(chǎn)生震動會降低工件的表面質(zhì)量和刀具耐用度，縮短主軸軸承壽命，還會產(chǎn)生噪聲影響環(huán)境。振動表現(xiàn)為強(qiáng)迫振動和自激振動兩種形式。影響抗振性的因素主要有主軸組件的靜剛度，質(zhì)量分布和阻尼（特別是主軸前支撐的阻尼）主軸的固有頻率應(yīng)遠(yuǎn)大于激動力的頻率，以使它不易發(fā)生共振。

目前，尚未制定出抗振性的指標(biāo)，只有一些實(shí)驗數(shù)據(jù)可供設(shè)計時參考。

4升溫和熱變形

主軸組件工作時因各相對運(yùn)動的處的摩擦和攪油等而發(fā)熱，產(chǎn)生溫升，從而使主軸組件的形狀和位置發(fā)生變化（熱變形）。主軸組件受熱伸長，使軸承間隙發(fā)生變化。溫度是使?jié)櫥驼扯冉档?，降低了軸承的承載能力。主軸箱因溫升而變形，使主軸偏離正確位置。前后軸承的溫度不同，還會導(dǎo)致主軸軸線傾斜。

由于受熱膨脹是材料固有的性質(zhì)，因此高精度機(jī)床要進(jìn)一步提高加工精度，往往受熱變形的限制。研究如何減少主軸組件的發(fā)熱，如何控制溫度，是高精度機(jī)床主軸組件的研究的主要課題之一。

5耐磨性

主軸組件的耐磨性是指長期保持原始精度的能力，即精度保持性。對精度有影響的首先是軸承，其次是安置刀，夾具和工件的部位，如錐孔，定心軸徑等。為了提高耐磨性，一般機(jī)床主軸上的上述部分應(yīng)淬硬至HRC60左右，深約1mm.

6材料和熱處理

主軸承載后允許的彈性變形很小，引起的應(yīng)力通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼的強(qiáng)度極限。因此，強(qiáng)度一般不做為選材的依據(jù)。主軸的形狀，尺寸確定之后，剛度主要取決于材料的彈性模量。各種材料的彈性模量幾乎相同，因此剛度也不是選材的依據(jù)。

主軸材料的選擇主要根據(jù)耐磨性和熱處理變形來考慮。數(shù)控機(jī)床的材料通常是45號或60號優(yōu)質(zhì)中碳鋼，需調(diào)質(zhì)處理。

7主軸的結(jié)構(gòu)

為了提高剛度，主軸的直徑應(yīng)該大些。前軸承到主軸前端的距離（稱懸伸量）應(yīng)盡可能小一些。為了便于裝配，主軸通常作成階梯形的，主軸的結(jié)構(gòu)和形狀與主軸上所安裝的傳動件，軸承等零件的類型，數(shù)量，位置和安裝方法有直接的關(guān)系。

主軸中孔用與通過棒料，拉桿或其它工具。為了能夠通過更大的棒料，車床的中空希望大些，但受剛度條件的影響和限制，孔徑一般不宜超過外徑的70%。

4.2主軸軸承選擇

角接觸軸承既可以承受徑向載荷又可以承受軸向載荷。它常用于高速主軸，接觸角越大軸向剛度越大，徑向剛度和允許轉(zhuǎn)速越低。角接觸軸承為點(diǎn)接觸，為了提高剛度和承載能力采用三聯(lián)組培的方式。主軸前軸承采用三個接觸角向里；軸承由圓螺母進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊量在軸承制造時配好。軸承精度等級選P4級。

雙列向心短圓柱滾子軸承，內(nèi)圈有錐度為1：12的錐孔與主軸的錐形軸頸相配。通過軸向移動內(nèi)圈，改變其在主軸上的位置來調(diào)整軸承間隙。這種軸承徑向剛度和承載能力較大，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速高，徑向結(jié)構(gòu)緊湊。主軸后端安裝雙列向心短圓柱滾子軸承，其徑向間隙也由圓螺母來調(diào)整。因前軸承鐜主軸組件的精度影響較大，后軸承精度等級采用P5級。

這種配置保證了軸承有較高的回轉(zhuǎn)精度，允許較高的轉(zhuǎn)速和剛性，適用于負(fù)載較大的數(shù)控車床。

4.3主軸的設(shè)計與校核：

主軸的主要參數(shù)是：主軸前端直徑D1，主軸內(nèi)徑d,主軸懸伸量a和主軸支撐跨距L。

1.前端直徑D1，主軸后軸頸的直徑D2

表4.1主軸D1（按電機(jī)功率）mm

功率（kw）

D1mm

1.4～2.5

2～3.6

3～5.5

5～7.3

7.4～11

車床

60～80

70～90

70～105

95～130

110～145

銑床及加工中心

50～90

60～90

60～95

75～100

90～105

外圓磨床

——

50～60

55～70

70～80

75～90

由上表可取D1=110mm

因此可知由式子

后端直徑

圓整后

2．主軸內(nèi)徑

主軸孔徑d取主軸平均直徑的55%--65%，取d=56mm。

3．前錐孔尺寸

前錐孔用來裝頂尖或其它工具錐柄，要求能夠自鎖，目前采用莫氏錐孔。因車床最大回轉(zhuǎn)直徑D=460mm>400mm，采用莫氏錐度6號，錐度大端直徑D=63.348mm，錐度=1：19.180，長度L=181mm，d=53.911mm

4．支撐跨度及懸伸長度

為了提高剛度，應(yīng)盡量縮短主軸的外伸長度a，選擇適當(dāng)?shù)闹慰缍萀。一般推薦取：L\a=3~5.應(yīng)使L\a盡量大，提高主軸剛度。

機(jī)床支撐跨度很大程度上受其他零件結(jié)構(gòu)的影響，此機(jī)床L=510mm左右，主軸的外伸長度a=170~102mm范圍即可。

5．頭部尺寸的選擇

目前頭部尺寸廣泛采用短圓錐式的頭部結(jié)構(gòu)，懸伸短，剛度好。采用快速裝卸卡盤結(jié)構(gòu)。

詳細(xì)結(jié)構(gòu)件零件在水平面內(nèi)與豎直平面內(nèi)對軸進(jìn)行受力分析計算如下：

a）.計算齒輪受力=9550=441196

圓周力==3803N.

徑向力=N，

軸向力

b）.計算支撐反力

垂直面內(nèi)支撐反力=488N,=919N

水平面支撐反力,

畫水平面內(nèi)xy和垂直面內(nèi)xz受力圖,見附圖1.

c).畫水平面彎矩圖見附圖1.Mxy

畫垂直面彎矩圖Mxz

畫合成彎矩圖

d).畫軸轉(zhuǎn)矩圖見附圖

e)許用應(yīng)力

用查入法查表=102.5MPa,=60MPa

應(yīng)力校正系數(shù)==0.59

f).畫出當(dāng)量彎矩圖見附圖

當(dāng)量彎矩0.59441196N.mm=260305N.mm

齒輪中間截面處當(dāng)量彎矩=477074N.mm

g).校核軸頸

齒輪中間處軸直徑d===45mm<90mm。

所以該軸設(shè)計得合理

第五章主軸驅(qū)動與控制

數(shù)控車床是機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，是集機(jī)床、

計算機(jī)

、電機(jī)及其拖動、自動控制、檢測等技術(shù)為一身的自動化設(shè)備。其中主軸運(yùn)動是數(shù)控車床的一個重要內(nèi)容，以完成切削任務(wù)，其動力約占整臺車床的動力的70%～80%?；究刂剖侵鬏S的正、反轉(zhuǎn)和停止，可自動換檔和無級調(diào)速。

為滿足數(shù)控車床對主軸驅(qū)動的要求，必須有以下性能:(1)寬調(diào)速范圍，且速度穩(wěn)定性能要高;(2)在斷續(xù)負(fù)載下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動要小;(3)加減速時間短;(4)過載能力強(qiáng);(5)噪聲低、震動小、壽命長。隨著微電子技術(shù)、交流調(diào)速理論和大功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，交流變頻技術(shù)進(jìn)入實(shí)用階段。目前，交流驅(qū)動的性能已達(dá)到直流驅(qū)動的水平。而且，籠型交流變頻電機(jī)不限制六電動機(jī)那樣有機(jī)械換向帶來的麻煩和高速大功率的限制，并且體積小、重量輕、采用全封閉式罩殼、對灰塵和油有較好的防護(hù)優(yōu)點(diǎn)。在目前數(shù)控車床中，主軸控制裝置通常是采用交流變頻器來控制交流主軸電動機(jī)。

主傳動采用調(diào)速電動機(jī)進(jìn)行無級變速，主軸的正反轉(zhuǎn)、啟動與停止是直接驅(qū)動電動機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，主軸電動機(jī)調(diào)速與分檔變速機(jī)構(gòu)的配合來實(shí)現(xiàn)的。

5.1主軸轉(zhuǎn)速的自動變換

主軸電動機(jī)調(diào)速時，電動機(jī)的驅(qū)動信號由電動機(jī)的驅(qū)動電路根據(jù)轉(zhuǎn)速指令來轉(zhuǎn)換。

變速過程如下：讀入控制系統(tǒng)主軸轉(zhuǎn)速的代碼，判斷速度對應(yīng)哪一擋、是否需要換擋。如不須換擋，則在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)按線性插值求出新的轉(zhuǎn)速值，輸出至變頻器驅(qū)動裝置，調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。如需換擋，發(fā)出降速指令，換擋時使頻率降到最低，經(jīng)延時速度穩(wěn)定后，發(fā)換擋請求信號，換擋繼電器動作，熱愛背后檢測判斷換擋結(jié)束信號，及等齒輪到位后，在新檔位內(nèi)根據(jù)讀入的轉(zhuǎn)速代碼按插值法求新的轉(zhuǎn)速并輸出至電動機(jī)變頻驅(qū)動裝置。

參看變頻器驅(qū)動電機(jī)的電氣接線圖和主軸正反轉(zhuǎn)及變檔電氣接線圖。

圖中SB5為正轉(zhuǎn)按鈕，SB7為反轉(zhuǎn)按鈕；利用復(fù)合按鈕SB5與SB7就可以直接實(shí)現(xiàn)電動機(jī)由正轉(zhuǎn)成反轉(zhuǎn)，中間不需要停車；按鈕SB6與SB8為點(diǎn)動按鈕，用于機(jī)床的調(diào)整對刀等；ST1、ST2、ST3為行程開關(guān)，對齒輪換擋進(jìn)行檢測，如齒輪不到位，則開關(guān)不發(fā)訊主軸無法啟動。

5.2齒輪有級變速變擋裝置

該機(jī)床齒輪有級變速采用液壓撥叉來實(shí)現(xiàn)。齒輪在低速進(jìn)行強(qiáng)力切削時，應(yīng)使用低速檔；在進(jìn)行精密切削時使用高速擋；在裝卸工件時，主軸可以停在空擋上。上述三擋通過電磁閥改變液壓缸通油方式的不同組合，推動變擋齒輪軸來實(shí)現(xiàn)。參看液壓變檔控制原理圖：高速擋時電磁閥CT1得電，液壓缸P通油，液壓缸N回油滑移齒輪處于最左端；空擋時電磁閥CT2、CT3得電液壓缸P、M進(jìn)油，液壓缸N回油，滑移齒輪處于中位；低速檔時液壓缸P、M回油，液壓缸N進(jìn)油。

5.3主軸旋轉(zhuǎn)與軸向進(jìn)給的同步控制

在螺紋加工中，為保證切削螺紋的螺距，必須有固定的起刀點(diǎn)與退刀點(diǎn)。螺紋螺距多數(shù)為常數(shù)，但為有規(guī)律的遞增或遞減的變螺距螺紋的使用也越來越多。加工螺紋時，應(yīng)是帶動工件旋轉(zhuǎn)的主軸轉(zhuǎn)速與坐標(biāo)軸的進(jìn)給量保持一定的關(guān)系，即主軸每轉(zhuǎn)一圈，按所要求的螺距沿工件的軸向坐標(biāo)進(jìn)給相應(yīng)的脈沖量。

采用光電脈沖編碼器作為主軸的脈沖發(fā)生器，并將其裝在主軸上，與主軸一起旋轉(zhuǎn)，檢測主軸的轉(zhuǎn)角、相位、零位等信號。該機(jī)床光電編碼器通過1：1的同步齒輪與主軸同步旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)的每轉(zhuǎn)進(jìn)給和螺紋切削。

主軸旋轉(zhuǎn)時編碼器即發(fā)出脈沖，這些脈沖送給數(shù)控裝置作為坐標(biāo)軸進(jìn)給的脈沖源，經(jīng)過對節(jié)距計算后，發(fā)給坐標(biāo)軸位置私服系統(tǒng)，使進(jìn)給量與主軸轉(zhuǎn)數(shù)保持所要求的比率。通過改變主軸的旋轉(zhuǎn)方向可以加工出左螺紋與右螺紋，而主軸方向的判別是通過脈沖編碼器發(fā)出的正交的兩相脈沖信號相位的先后順序判別出來的。脈沖編碼器還輸出一個零位脈沖信號，對應(yīng)主軸旋轉(zhuǎn)的每一轉(zhuǎn)，可以用于主軸絕對位置的定位。例如在多次循環(huán)切削同一螺紋時，該令為信號可以作為刀具的切入點(diǎn)，以確保螺紋不出現(xiàn)亂扣現(xiàn)象。

5.4主軸旋轉(zhuǎn)與徑向進(jìn)給的同步控制

數(shù)控車床在切削端面時為了保證端面的光潔度，就必須是該表面的粗糙度小于或等于某值。由加工工藝知識可知，要使表面粗糙度為某值，需保證工件與切削刃處接觸點(diǎn)的切削速度為以恒定值。由于在車削端面時，刀具要不斷的作徑向進(jìn)給運(yùn)動，從而使刀具的切削直徑逐漸減小。由切削速度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系可知，如保持切削速度v恒定不變，當(dāng)切削直徑d逐漸減少時，主軸轉(zhuǎn)速必須逐漸增大但也不能超過極限。因此，數(shù)控裝置必須設(shè)計相應(yīng)的軟件來完成主軸的調(diào)整。

第六章總結(jié)與展望

本文在在系統(tǒng)地了解數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)上，考慮對JIFCNC-B數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)進(jìn)行的初步設(shè)計。

數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)包括主軸電機(jī)、傳動系統(tǒng)與主軸組件，與普通機(jī)床相比，變速功能絕大部分由主軸電機(jī)的無級調(diào)速來承擔(dān)，省去了繁雜的齒輪變速機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，有些只有兩極或三級齒輪變速機(jī)構(gòu)系統(tǒng)用以擴(kuò)大電機(jī)無級調(diào)速的范圍

設(shè)計過程中存在的主要問題：

1、起初對于數(shù)控車床傳動系統(tǒng)的工作原理及結(jié)構(gòu)沒有十分明確的概念，未能在最短的時間內(nèi)初步設(shè)計出機(jī)器的零部件草圖，耽誤了很多不必要的時間。

2.運(yùn)用CAD進(jìn)行零件設(shè)計過程中的某些命令不能熟練的應(yīng)用，造成了設(shè)計時間的大量浪費(fèi)，加長了設(shè)計的時間。

3.對數(shù)控車床控制部分，變頻器的使用了解不多，查閱了大量資料后才弄明白。耽誤了一些時間。

設(shè)計中著重考慮問題與解決的問題：

1.數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)齒輪多級變速的情況變?yōu)榉謾n無級變速，電動機(jī)變頻調(diào)速后，通過帶輪輸送到輸入軸上，再經(jīng)過齒輪有級變速擴(kuò)大變速范圍，滿足變速范圍的要求

2.本設(shè)計將原來的帶輪不卸荷結(jié)構(gòu)變?yōu)榱藥л喰逗山Y(jié)構(gòu)，使輸入軸帶輪處只受轉(zhuǎn)矩，將軸上的徑向力傳動到車床機(jī)體上改善了輸入軸的受力情況。

參考文獻(xiàn)

[1]金屬切削機(jī)床設(shè)計手冊，北京：機(jī)械工業(yè)出版社2003

[2]李慶余、孟廣耀主編，機(jī)械制造裝備技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社，2008.7

[3]陳嬋娟參主編，數(shù)控車床設(shè)計，化學(xué)工業(yè)出版社，2006，12-45p.

[4]許曉暢編著，專用機(jī)床設(shè)計，重慶大學(xué)出版社，2003.7

[5]邱宣懷主編，機(jī)械設(shè)計（第四版），高等教育出版社，1997.01

[6]機(jī)械設(shè)計手冊，共五卷，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004

[7]楊世成，陳蕊妍；數(shù)控機(jī)床分級變速機(jī)構(gòu)主要參數(shù)的確定，中文期刊全文數(shù)據(jù)庫，廣西輕工業(yè)，2007(6).

[8]李勁松.

\o"論我國數(shù)控技術(shù)和裝備發(fā)展動態(tài)與趨勢"

論我國數(shù)控技術(shù)和裝備發(fā)展動態(tài)與趨勢

[J].

機(jī)電新產(chǎn)品導(dǎo)報

,

HYPERLINK"3/kns50/Navi/Bridge.aspx?DBCode=cjfd&LinkType=IssueLink&Field=BaseID*year*issue&TableName=CJFDYEARINFO&Value=J