普通數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)設(shè)計模板

普通數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)設(shè)計資料內(nèi)容僅供參考，如有不當(dāng)或者侵權(quán)，請聯(lián)系本人改正或者刪除。普通數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)設(shè)計摘要數(shù)控車床不但能夠車外圓還能用于鏜孔、車端面、鉆孔與鉸孔。與其它種類的機床相比,車床在生產(chǎn)中使用最廣。本論文首先介紹了中國數(shù)控機床發(fā)展的過程與現(xiàn)狀,并分析了其存在的問題;對數(shù)控機床的發(fā)展趨勢進行了探討;并對數(shù)控車床主軸箱傳動系統(tǒng)進行了設(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)控車床主軸能夠獲得在調(diào)速范圍內(nèi)的任意速度,以滿足加工切削要求。當(dāng)前,數(shù)控車床的發(fā)展趨勢是經(jīng)過電氣與機械裝置進行無級變速。變頻電機經(jīng)過帶傳動和變速齒輪為主軸提供動力。一般變頻電機調(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體上,改進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)AbstractNClathecandoboring,facing,drillingandReaminginadditiontoturning.Theuseoflathesintheproductionthantheothertypesofmachinetoolsandmore.Andcomparedtoothertypesofmachinetools,lathesintheproductionisthemostwidelyused.Inthisdesign,thedevelopmentandcurrentsituationofNCmachineinChinawasintroducedandaseriesofproblemswerepresented.ThedevelopmenttrendtoNClathewasdiscussed.SomecountermeasureswaspresentedforthedevelopmentofNCmachineinChinaandthentheheadstockofNClathehasbeencalculatlydesigned.Headstocksiscomposedofthehollowspindlewhichisinstalledinprecisionbearingsandaseriesoftransmissiongears.Thespindlecanobtainanyspeedinthespeedrangetomeettheprocessingrequirementsofcutting.Atpresent,thedevelopmenttrendistoprovideacontinuouslyvariablespeedthroughtheelectricalormechanicaldevices.VariableFrequencyMotorconveysthepowerthroughbeltdriveandasetoftransmissiongears.ThespeedrangeofVariableFrequencyMotorisusually3-5,whichisdifficulttomeetthespeedrangerequirementsofthespindlespeed;Thetransmissiongearsistoexpandthescopeofavariable-speedtomeetthespeedrangeofthespindleInaddition,inthisdesignthedesignofthebeltdrivehasbeenchangedfromtheoriginalunloadingstructureintotheloadingstructure,transmissedtheforcetothelathebodysothatinputshaftisonlyforcedtorque,improvedtheforcingstateoftheinputshaft.Keywords:headstocks,acontinuouslyvariablespeed,transmissionSysterm目錄摘要 ⅠAbstract(英文摘要) Ⅱ目錄 ⅢTOC\o\t"標(biāo)題3,3,標(biāo)題4,4"第一章緒論 11.1數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的要求 11.2數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)方式 11.3國內(nèi)外數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的發(fā)展 21.3.1設(shè)數(shù)控車床發(fā)展總趨勢21.3.2確中國數(shù)控車床發(fā)展的主要問題4TOC\o"1-4"第二章變速主傳動系統(tǒng)法案的制定 62.1主傳動技術(shù)指標(biāo)的制定 72.1.1動力參數(shù)的確定計的數(shù)72.1.2主運動調(diào)速范圍的確定82.1.3主軸計算轉(zhuǎn)速的確定92.2變速主傳動系統(tǒng)的設(shè)計 102.2.1確定傳動方案102.2.2轉(zhuǎn)速圖的擬定112.2.3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 153.1傳動皮帶的設(shè)計與選定 153.1.1V帶傳動設(shè)計153.1.2帶結(jié)構(gòu)的設(shè)計163.2齒輪的設(shè)計與校核 173.2.1各傳動軸傳遞動力計算173.2.2齒輪副32/76齒輪的設(shè)計與校核193.2.3齒輪副30/54齒輪的設(shè)計與校核233.2.4齒輪副54/54齒輪的設(shè)計與校核263.3傳動軸的設(shè)計與校核 303.3.1傳動軸I的設(shè)計與校核303.3.2軸II的設(shè)計與校核33第四章主軸組件的設(shè)計與校核 354.1主軸的要求 354.2主軸軸承選擇 364.3主軸的設(shè)計與校核 36第五章主軸驅(qū)動與控制 395.1主軸轉(zhuǎn)速的自動變換 395.2齒輪有級變速變擋裝置 405.3主軸旋轉(zhuǎn)與軸向進給的同步控制 405.3主軸旋轉(zhuǎn)與徑向進給的同步控制 40第六章總結(jié)與展望 41參考文獻 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動及加工過程進行控制,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,因此特別適合加工形狀復(fù)雜的軸類和盤套類零件。與通用機床和專用機床相比,數(shù)控車床具有加工靈活、通用性強、能適應(yīng)產(chǎn)品的品種和規(guī)格頻繁變化的特點,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,是一種典型的機電一體化產(chǎn)品,因此被廣泛應(yīng)用于機械制造業(yè)。數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)包括主軸電機、傳動系統(tǒng)與主軸組件,與普通機床相比,變速功能絕大部分由主軸電機的無級調(diào)速來承擔(dān),省去了繁雜的齒輪變速機構(gòu),結(jié)構(gòu)簡單,有些只有兩極或三級齒輪變速機構(gòu)系統(tǒng)用以擴大電機無級調(diào)速的范圍1.1數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的要求數(shù)控機床作為高自動化的機電一體化設(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)滿足機床的運動特性。如機床主軸有足夠的轉(zhuǎn)速范圍和轉(zhuǎn)速級數(shù),不但有低速大轉(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和傳動機構(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、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。另外,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;防護性好;使用壽命長。1.2數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的方式機床主傳動系統(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,主要用于普通機床。無級變速形式能夠在一定范圍內(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,能在運轉(zhuǎn)中變速,便于自動變速。數(shù)控車床得主傳動系統(tǒng)一般采用無級變速。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,電動機調(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\*GB2⑴電動機直接驅(qū)動主軸電動機與主軸經(jīng)過聯(lián)軸器直接連接,或采用內(nèi)裝式主軸電動機驅(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的性能,因而這種變速傳動的應(yīng)用受到一定限制。=2\*GB2⑵采用定比傳動主軸電動機經(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的調(diào)速范圍相同。當(dāng)前,交流、直流主軸電動機的恒功率轉(zhuǎn)速范圍一般只有2-4,而恒轉(zhuǎn)矩范圍則達100以上;許多大、中型機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的功率特性和機床主軸的要求不匹配:調(diào)速電動機的恒功率范圍遠小于主軸要求的恒功率變速范圍。因此這種變速方式多用于小型或高速數(shù)控機床。=3\*GB2⑶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的功率特性和機床主軸功率特性不匹配。變速多采用齒輪副來實現(xiàn),電動機的無級變速配合變速機構(gòu)可確保主軸的功率、轉(zhuǎn)矩要求,滿足各種切削運動的轉(zhuǎn)矩輸出,特別是保證低速時的轉(zhuǎn)矩和擴大恒功率的調(diào)速范圍。=4\*GB2⑷用兩個電機分別驅(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,低速時另一個電機經(jīng)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\*GB2⑴高速主軸單元為了適應(yīng)數(shù)控加工高速化的發(fā)展,當(dāng)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,就是將高速的主軸電動機置于主軸內(nèi)部,經(jīng)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,實現(xiàn)電動機、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轉(zhuǎn)時皮帶和帶輪等傳動的振動和噪聲問題;可精確實現(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)含量很高的機電一體化產(chǎn)品。=2\*GB2⑵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)合化的目的是進一步提高機床的生產(chǎn)效率,使用于非加工輔助時間減至最少。經(jīng)過功能的復(fù)合化,能夠擴大車床的使用范圍、提高效率,實現(xiàn)一機多用、一機多能,即一臺數(shù)控車床既能夠?qū)崿F(xiàn)車削功能,也能夠?qū)崿F(xiàn)銑削加工。寶雞機床廠已經(jīng)研制成功的CX25Y數(shù)控車銑復(fù)合中心,該機床同時具有X、Z軸以及C軸和Y軸。經(jīng)過C軸和Y軸,能夠?qū)崿F(xiàn)平面銑削和偏孔、槽的加工。該機床還配置有強動力刀架和副主軸。副主軸采用內(nèi)藏式電主軸結(jié)構(gòu),經(jīng)過數(shù)控系統(tǒng)可直接實現(xiàn)主、副主軸轉(zhuǎn)速同步。該機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(數(shù)控單機、加工中心和數(shù)控復(fù)合加工機床)、線(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段車間獨立制造島、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,是先進制造領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)。其重點是以提高系統(tǒng)的可靠性、實用化為前提,以易于聯(lián)網(wǎng)和集成為目標(biāo),注重加強單元技術(shù)的開拓和完善。CNC單機向高精度、高速度和高柔性方向發(fā)展。數(shù)控機床及其構(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)計不但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)控機床特點、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))引進數(shù)控機床先進技術(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、使用和維護的人才;經(jīng)過合作生產(chǎn)先進數(shù)控機床,使設(shè)計、制造、使用水平大大提高,縮小了與世界先進技術(shù)的差距;經(jīng)過利用國外先進元部件、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”機電法”、”機信法”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)控機床產(chǎn)業(yè),既要深入總結(jié)過往的經(jīng)驗教訓(xùn),切實改進存在的問題,又要認(rèn)真學(xué)習(xí)國外的先進經(jīng)驗,沿正確的道路前進。建議切實做好以下幾點: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)濟實效,以切實提高生產(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)控機床,批量生產(chǎn),占領(lǐng)市場,減少進口,擴大出口。在步驟措施上,必須使國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)先進、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,擴大國產(chǎn)數(shù)控車床的國內(nèi)市場份額,遠期謀求趕超世界先進水平,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,從根本上改變當(dāng)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。隨著世界科技進步和機床工業(yè)的發(fā)展,數(shù)控車床作為機床工業(yè)的主流產(chǎn)品,已成為實現(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)控機床的擁有量及其性能水平的高低,是衡量一個國家綜合實力的重要標(biāo)志。加快發(fā)展數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)也是中國裝備制造業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實要求。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,能夠加工直線、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)和運動參數(shù)。動力參數(shù)是指主運動驅(qū)動電動機的功率;運動參數(shù)是指主運動變速范圍。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,電動機常在低負(fù)載下工作,功率因數(shù)小而浪費能源;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,可經(jīng)過類比、統(tǒng)計方法相互比較來確定。查機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)速電動機和較短的機械傳動鏈,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=8.333kwP==10.68kw考慮到空轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)的功率損失,如各傳動件在空轉(zhuǎn)運行時的摩損功耗,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機床是中等規(guī)格數(shù)控車床,參照國內(nèi)外同類機床的電動機功率,此機床能夠選取11kw的電動機,考慮到數(shù)控機床變速范圍比較大,選用交流變頻電動機YVP160-4,標(biāo)稱功率11kw,額定轉(zhuǎn)矩70N?m調(diào)頻電動機功率轉(zhuǎn)矩與2.1.2主運動調(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,=r\min。則數(shù)控車床總變速范圍==1002.1.3主軸計算轉(zhuǎn)速的確定由切削原理知主運動為直線運動的機床,主運動為恒轉(zhuǎn)矩運動;主運動為旋轉(zhuǎn)運動的機床,主運動為恒功率運動。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、小的進給量;低速主軸轉(zhuǎn)速小,不需傳動電動機的全部功率。我們把機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。當(dāng)前數(shù)控機床計算轉(zhuǎn)速的確定尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),確定是參考同類機床,并結(jié)合該機床加工工藝要求,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確定傳動方案機床傳動形式分為有極和無極變速兩種,無級變速形式能夠在一定范圍內(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,能在運轉(zhuǎn)中變速,便于自動變速,這對與提高機床生產(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)控機床總變速范圍是=\20=100,變速范圍較大,單靠無級變速裝置有難以實現(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)機械有級變速來擴大變速范圍并選擇合適的無級變速器以滿足機床的功率扭矩特性要求。該數(shù)控機床是以經(jīng)濟型數(shù)控車床,設(shè)計主軸由交流變頻電動機經(jīng)皮帶論、齒輪傳動至主軸。從圖1與圖2能夠看出:調(diào)頻電機的恒功率轉(zhuǎn)速范圍為4500\1500=3,而主軸要求的恒功率調(diào)速范圍為\250=8,顯然電動機不能滿足主軸所要求的恒功率變速范圍。因此在設(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)考慮電動機與主軸的功率匹配。主軸恒功率調(diào)速范圍Rnp=max\=\250=8,電動機恒功率調(diào)速范圍Rdp=max\=4500\1500=3為了使主軸和電動機的恒功率匹配,現(xiàn)經(jīng)過增加變速齒輪來滿足要求,該變速齒輪組擴大了電動機的恒功率調(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)速圖能夠清楚的表示出: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。:已知機床的轉(zhuǎn)速范圍在20r/min~r/min,電動機的最高轉(zhuǎn)速為4000r/min,額定轉(zhuǎn)速為1500r/min,電動機的額定功率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)控機床主軸的變速范圍大,計算轉(zhuǎn)速應(yīng)比計算值高些,因此圓整取計算轉(zhuǎn)速nc=。(3)確定主軸的恒功率變速范圍(4)確定電動機所能夠提供的恒功率變速范圍由于Rnp>>Rdp,電動機直接驅(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:在保證機床的運動和使用要求的前提下,運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),使機床結(jié)構(gòu)緊湊。主軸變速擬采用經(jīng)過滑移齒輪的移位來實現(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才能開始進入嚙合,因此齒輪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。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°、相對高度進似為0.7、梯形截面環(huán)行帶。其特點為: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,因此經(jīng)濟耐用。(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)計算實際軸間距:取標(biāo)準(zhǔn)值。安裝時所需最小軸間距:張緊或補償伸長所需最大軸間距:(10)驗算小帶輪包角:因此小帶輪包角合適。(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度公式進行初算。因此從最小齒輪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輸出功率==11kw,額定轉(zhuǎn)速=1500r/min,輸出轉(zhuǎn)矩=9550=軸=1\*ROMANI==110.96=10.56kw為帶傳動效率===750r/min=9550=中間軸=2\*ROMANII==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\*ROMANIII==10.140.990.97=9.7kw,分別為、軸=3\*ROMANIII上軸承、齒輪傳動效率==5211=521r\min=9550=9550= 低速檔軸=3\*ROMANIII==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--11--7015000.96軸=1\*ROMANI10.5610.1470107937.51:1.60.9603軸=2\*ROMANII10.149.7134.461835211:1.80.9603軸=3\*ROMANIII高速9.79.31551835211:10.9603低速9.79.31554842171:2.40.96033.2.2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接觸疲勞強度極限=710MPa,=580MPa,許用接觸疲勞強度極=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=35mm2).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,因此取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==1.21.11.711.16=3.05彈性系數(shù)=189.8節(jié)點區(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==(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==(0.2+0.5+0.2)=7.24=(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,固不作靜強度校核.=3\*Arabic3.齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計估計傳動軸=2\*ROMANII的直徑在35mm左右,小齒輪分度圓直徑=96mm,因此沒必要做成齒輪軸.考慮到該齒輪與Z=54齒輪作滑移齒輪,因此應(yīng)與Z=54齒輪一起進行結(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接觸疲勞強度極限=710MPa,=580MPa,許用接觸疲勞強度極=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=70mm2).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,因此取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==1.251.21.61.2=2.95彈性系數(shù)=189.8節(jié)點區(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==(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..251.21.61.2=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==(0.2+0.5+0.2)=7.24=(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,固不作靜強度校核.=3\*Arabic3.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)?小齒輪寬度最少應(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接觸疲勞強度極限=710MPa,=580MPa,許用接觸疲勞強度極=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=25mm2).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,因此取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==1.251.21.231.15=2.12彈性系數(shù)=189.8節(jié)點區(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==(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..251.21.231.16=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==(0.2+0.5+0.2)=7.24=(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,固不作靜強度校核.=3\*Arabic3.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\*ROMANI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行簡化:在水平面內(nèi)與豎直平面內(nèi)對軸進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)==0.59f).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.mmg).校核軸頸齒輪中間處軸直徑d===27mm<35mm。在軸頸處d===30mm<35mm,因此該軸設(shè)計得合理。附圖13.3.2.軸=2\*ROMANII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行簡化:在水平面內(nèi)與豎直平面內(nèi)對軸進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)==0.59f).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.mmg).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行且誤差在5%之內(nèi),因此合理。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。各類機床主軸組件的剛度當(dāng)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)遠大于激動力的頻率,以使它不易發(fā)生共振。當(dāng)前,尚未制定出抗振性的指標(biāo),只有一些實驗數(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),因此高精度機床要進一步提高加工精度,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)力一般遠遠小于鋼的強度極限。因此,強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)控機床的材料一般是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,主軸一般作成階梯形的,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。主軸中孔用與經(jīng)過棒料,拉桿或其它工具。為了能夠經(jīng)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能夠承受徑向載荷又能夠承受軸向載荷。它常見于高速主軸,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。經(jīng)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(按電機功率)mm功率(kw)D1mm1.4～2.52～3.63～5.55～7.37.4～11車床60～8070～9070～10595～130110～145銑床及加工中心50～9060～9060～9575～10090～105外圓磨床——50～6055～7070～8075～90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,當(dāng)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=53.911mm4．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。機床支撐跨度很大程度上受其它零件結(jié)構(gòu)的影響,此機床L=510mm左右,主軸的外伸長度a=170~102mm范圍即可。5．頭部尺寸的選擇當(dāng)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)==0.59f).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.mmg).校核軸頸齒輪中間處軸直徑d===45mm<90mm。因此該軸設(shè)計得合理第五章主軸驅(qū)動與控制數(shù)控車床是機電一體化的典型產(chǎn)品,是集機床、計算機、電機及其拖動、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,電機的轉(zhuǎn)速波動要小;(3)加減速時間短;(4)過載能力強;(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)進入實用階段。當(dāng)前,交流驅(qū)動的性能已達到直流驅(qū)動的水平。而且,籠型交流變頻電機不限制六電動機那樣有機械換向帶來的麻煩和高速大功率的限制,而且體積小、重量輕、采用全封閉式罩殼、對灰塵和油有較好的防護優(yōu)點。在當(dāng)前數(shù)控車床中,主軸控制裝置一般是采用交流變頻器來控制交流主軸電動機。主傳動采用調(diào)速電動機進行無級變速,主軸的正反轉(zhuǎn)、啟動與停止是直接驅(qū)動電動機來實現(xiàn)的,主軸電動機調(diào)速與分檔變速機構(gòu)的配合來實現(xiàn)的。5.1主軸轉(zhuǎn)速的自動變換主軸電動機調(diào)速時,電動機的驅(qū)動信號由電動機的驅(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)速并輸出至電動機變頻驅(qū)動裝置。參看變頻器驅(qū)動電機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就能夠直接實現(xiàn)電動機由正轉(zhuǎn)成反轉(zhuǎn),中間不需要停車;按鈕SB6與SB8為點動按鈕,用于機床的調(diào)整對刀等;ST1、ST2、ST3為行程開關(guān),對齒輪換擋進行檢測,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床齒輪有級變速采用液壓撥叉來實現(xiàn)。齒輪在低速進行強力切削時,應(yīng)使用低速檔;在進行精密切削時使用高速擋;在裝卸工件時,主軸能夠停在空擋上。上述三擋經(jīng)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進油。5.3主軸旋轉(zhuǎn)與軸向進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與退刀點。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。該機床光電編碼器經(jīng)過1:1的同步齒輪與主軸同步旋轉(zhuǎn),實現(xiàn)進給系統(tǒng)的每轉(zhuǎn)進給和螺紋切削。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),使進給量與主軸轉(zhuǎn)數(shù)保持所要求的比率。經(jīng)過改變主軸的旋轉(zhuǎn)方向能夠加工出左螺紋與右螺紋,而主軸方向的判別是經(jīng)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),能夠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,該令為信號能夠作為刀具的切入點,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給運動,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、傳動系統(tǒng)與主軸組件,與普通機床相比,變速功能絕大部分由