數(shù)控立式鉆銑床改造設計

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第一章 數(shù)控機床概述 一數(shù)控機床的簡介 （一）數(shù)控機床的產(chǎn)生及其重要性 隨著社會生產(chǎn)和科學技術(shù)的飛躍發(fā)展，社會對產(chǎn)品多樣化的要求日益強烈， 產(chǎn)品更新越來越快，特別是在宇航、造船、軍事等領(lǐng)域需要的機械零件。此外， 激烈的市場競爭要求產(chǎn)品研制生產(chǎn)周期越來越短，傳統(tǒng)的加工設備和制造方法難 于適應這種多樣化與復雜形狀零件高質(zhì)量的加工要求，為了解決上述問題，數(shù)控 機床應運而生。 數(shù)控機床是綜合應用了微電子、計算機、自動檢測以及精密機械等技術(shù)的最 新成果而發(fā)展起來的新型機床，它標志著機床工業(yè)進入了一個新的階段。從第一 臺數(shù)控機床問世到現(xiàn)在，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展非常迅速，使制造技術(shù)發(fā)生了根本性的 變化，幾乎所有品種的機床都實現(xiàn)了數(shù)控化。數(shù)控機床的應用領(lǐng)域也從航空工業(yè) 部門逐步擴大到汽車、造船、機床、建筑等民用機械制造行業(yè)。努力發(fā)展數(shù)控加 工技術(shù)，并向更高層次的自動化、柔性化、敏捷化、網(wǎng)絡化和數(shù)字化制造方向推 進，是當前機械制造業(yè)發(fā)展的方向。 數(shù)控加工技術(shù)也是發(fā)展軍事工業(yè)的重要戰(zhàn)略技術(shù)。美國與西方各國在高檔數(shù) 控機床與技工技術(shù)方面，對我國進行封鎖限制，因為許多先進武器裝備的制造， 如飛機、導彈、坦克等的關(guān)鍵零件，都離不開高性能數(shù)控機床的加工。我國的航 空、能源、交通等行業(yè)也從西方引入了一些五坐標機床等高檔數(shù)控設備，但其使 用受到國外的監(jiān)控和限制，這一切均說明數(shù)控加工技術(shù)在國防現(xiàn)代化方面所起的 重要作用。 （二）數(shù)控機床應用范圍及特點 目前的數(shù)控加工主要應用于以下兩方面： 一方面的應用是常規(guī)零件加工，如二維車削、箱體類鏜銑等。其目的在于提 高加工效率，避免認為誤差，保證產(chǎn)品質(zhì)量，以柔性加工方式取代高成本的工裝 設備，縮短產(chǎn)品制造周期，適應市場需求。這類零件一般形狀較簡單，實現(xiàn)上述 目的的關(guān)鍵在于提高機床的柔性自動化程度、高速精加工能力、加工過程的可靠 性。 另一方面的應用是復雜形狀零件加工，如模具型腔、渦輪葉片等。該類零件 在眾多的制造行業(yè)中具有重要的地位，其加工質(zhì)量直接影響以至決定著整機床品 的質(zhì)量。這類零件型面復雜，常規(guī)加工方法難以實現(xiàn)，它不僅促使了數(shù)控加工技 術(shù)的產(chǎn)生，而且也一直是數(shù)控加工技術(shù)的主要研究及應用對象。由于零件型面復 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 2 雜，在加工技術(shù)方面，除要求數(shù)控機床具有較強的運動控制能力外，更重要的是 如何有效地獲得高效優(yōu)質(zhì)的數(shù)控加工程序，并從加工過程整體上提高生產(chǎn)效率。 （三）數(shù)控機床的組成 如圖所示，數(shù)控機床由一下幾個部分組成： 1程序編制 數(shù)控程序是數(shù)控機床自動加工零件的工作指令。在對加工零件進行工藝分析 的基礎(chǔ)上，確定零件坐標系在機床坐標系上的相對位置，即零件在機床上的安裝 位置，刀具與零件相對運動的尺寸參數(shù)，零件加工的工藝路線或加工順序，主運 動的起、停、換向、變速、進給運動的速度、位移大小等工藝參數(shù)，以及輔助裝 置的動作，得到零件的運動、尺寸、工藝參數(shù)等加工信息后，用由文字、數(shù)字和 符號組成的標準數(shù)控代碼，按規(guī)定的方法和格式，編制零件加工的數(shù)控程序單。 2輸入裝置 輸入裝置的作用是將程序載體上的數(shù)控代碼傳遞并存入數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)。根據(jù)控 制存儲介質(zhì)的不同，輸入裝置可以是光電閱讀機、磁帶機或軟盤驅(qū)動器等。數(shù)控 機床加工程序也可通過鍵盤用手工方式直接輸入數(shù)控系統(tǒng)。 零件加工程序輸入過程有兩種不同的方式：一種是邊讀入邊加工，另一種是 一次將零件加工程序全部讀入數(shù)控裝置內(nèi)部的存儲器，加工時再從內(nèi)部存儲器中 逐段逐段調(diào)出進行加工。 3數(shù)控裝置 數(shù)控裝置是數(shù)控機床的核心，數(shù)控裝置從內(nèi)部存儲器中取出或接受輸入裝置 送來的一段或幾段數(shù)控加工程序，經(jīng)過數(shù)控裝置的邏輯電路或系統(tǒng)軟件進行編譯、 運算和邏輯處理后，輸出各種控制信息和指令，控制機床各部分的工作，使其進 行規(guī)定的有序運動和動作。 4輔助控制裝置 輔助控制裝置的主要作用是接收數(shù)控裝置輸出的開關(guān)量指令信號，經(jīng)過編譯、 邏輯判別和運動，再經(jīng)功率放大后驅(qū)動相應的電器，帶動機床的機械、液壓、氣 動等輔助裝置完成指令規(guī)定的開關(guān)量動作。這些控制包括主軸運動部件的變速、 換向和啟停指令，刀具的選擇和交換指令，冷卻、潤滑裝置的啟動停止，工件和 機床部件的松開、夾緊，分度工作臺轉(zhuǎn)位分度等開關(guān)輔助動作 圖 1-1 數(shù)控機床組成 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 3 5驅(qū)動裝置和位置檢測裝置 驅(qū)動裝置接受來自數(shù)控裝置的指令信息，經(jīng)功率放大后，嚴格按照指令信息 的要求驅(qū)動機床移動部件，以加工出符合圖樣要求的零件。因此，它的伺服精度 和動態(tài)響應性能是影響數(shù)控機床加工精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)率的重要因素之一。 位置檢測裝置將數(shù)控機床各坐標軸的實際位移量檢測出來，經(jīng)反饋系統(tǒng)輸入到機 床的數(shù)控裝置之后，數(shù)控裝置將反饋回來的實際位移量值與設定值進行比較，控 制驅(qū)動裝置按照指令設定值運動。 6.機床的機械部件 數(shù)控機床的機床本體與傳統(tǒng)機床相似，由主軸傳動裝置、進給傳動裝置、床 身、工作臺以及輔助運動裝置、液壓氣動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻裝置等組成。但 數(shù)控機床在整體布局、外觀造型、傳動系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及操作機構(gòu)等方 面都發(fā)生了很大的變化，這種變化的目的是為了滿足數(shù)控機床的要求和充分發(fā)揮 數(shù)控機床的特點。 （四）數(shù)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 隨著科學技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機床借助于微電子、計算機技術(shù)的飛速進步正向 著高精度、多功能、高速化、高效率、復合加工功能、智能化等方向邁進，明顯 地反映出時代的特征。當前，數(shù)控機床技術(shù)呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢： 1.精度化 當代工業(yè)產(chǎn)品對精度提出了越高的要求，典型的高精度零件如陀螺框架、伺 服閥體、渦輪葉片、非球面透鏡、光盤、等，這些零件的尺寸精度要求均在微米、 亞微米級。因此，加工這些零件的機床也受到需求的牽引而向高精度發(fā)展。 2.高速度化 提高生產(chǎn)率是機床技術(shù)發(fā)展追求的基本目標之一，而實現(xiàn)這個目標的最主要、 最直接的方法就是提高切削速度和減少輔助時間。隨著刀具、電機、軸承、數(shù)控 系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)的突破及機床本身基礎(chǔ)技術(shù)的進步，使各種運動速度大為提高。 3.高柔性化 柔性是指機床適應加工對象變化的能力，當代產(chǎn)品的多樣化和個性化，對機 床提供了更高的柔性加工要求。數(shù)控機床在提高單機柔性化的同時，朝著單元柔 性化和系統(tǒng)柔性化方向發(fā)展。不僅中、小批量的生產(chǎn)方式在努力提高柔性化能力， 就是在大批量生產(chǎn)方式中，也積極向柔性化方向轉(zhuǎn)向。 4.高自動化 高自動化是指在全部加工過程中盡量減少“人”的介入而自動完成規(guī)定的任 務，包括物料流和信息流的自動化。自上世紀 80 年代中期以來，以數(shù)控機床為 主體的加工自動化已從“點”的自動化（單臺數(shù)控機床）發(fā)展到“線”的自動化 （柔性制造車間） ，結(jié)合信息管理系統(tǒng)的自動化，逐步形成整個工廠“體”的自 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 4 動化，并出現(xiàn)了 FA（自動化工廠）和 CIM（計算機集成制造）工廠的雛形實體。 數(shù)控機床的高自動化并向 FMC、FMS 集成方向發(fā)展的總趨勢仍然是機械制造業(yè)發(fā) 展的主流。 5.復合化 復合化包含工序復合化和功能復合化。在一臺數(shù)控設備上能完成多工序切削 加工（如車、銑、鏜、鉆等）的加工中心，打破了傳統(tǒng)的工序界限和分開加工的 規(guī)程。一臺具有自動換刀裝置、自動交換工作臺和自動轉(zhuǎn)換立臥主軸頭的鏜銑加 工中心，不僅一次裝夾便可以完成鏜、銑、鉆、鉸、攻絲和檢驗等工序，而且還 可以完成箱體件五個面粗、精加工的全部工序。 6.智能化 數(shù)控技術(shù)的一個重要發(fā)展趨勢是加工過程的智能化，帶有自適應控制功能的 控制系統(tǒng)，可以在加工過程中根據(jù)切削力和切削溫度等加工參數(shù)，自動優(yōu)化加工 過程，從而達到提高生產(chǎn)率，增加刀具壽命并改善加工表面質(zhì)量等目的。刀具破 損監(jiān)控和刀具智能管理功能可以智能的管理刀具，使得刀具保持最佳工作狀態(tài)。 另外以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐的、具有人工智能的專家系統(tǒng)被用于指導加工。 7.網(wǎng)絡化 為適應制造業(yè)的網(wǎng)絡化和全球化發(fā)展趨勢，數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡化功能也日趨重 要。在企業(yè)內(nèi)部，具有網(wǎng)絡功能的數(shù)控系統(tǒng)可以充分實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部的資源和信息 共享，適應未來車間的面向任務的定單的生產(chǎn)發(fā)展模式，使得生產(chǎn)控制系統(tǒng)的集 成更加簡便有效。 8.高可靠性 數(shù)控機床的可靠性是數(shù)控機床產(chǎn)品質(zhì)量的一項關(guān)鍵性指標，數(shù)控機床能否發(fā) 揮其高性能、高精度、高效率，并獲得良好的效益，關(guān)鍵取決于可靠性。數(shù)控系 統(tǒng)可采用更高集成度的電路芯片，利用大規(guī)模的專用及混合式集成電路，以減少 元器件的數(shù)量，提高可靠性。 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 5 圖 1-2 數(shù)控立式鉆銑床 第二章 機床總體布局設計 一.機床總體尺寸參數(shù)的選定 根據(jù)設計要求并參考實際情況，初步選定機床主要參數(shù)如下： 工作臺寬度長度 4001600mm 主軸錐孔 724 工作臺最大縱向行程 300mm 工作臺最大橫向行程 375mm 主軸箱最大垂直行程 400mm 主軸轉(zhuǎn)速級數(shù) 12 級 主軸轉(zhuǎn)速范圍 301500r/min X、Y 軸步進電機 130BF001（反應式步進電動機） Z 軸步進電動機 130BF001（反應式步進電動機） 主電動機的功率 4.0KW 主軸電動機轉(zhuǎn)速 1440r/min 機床外形尺寸（長寬高） 15012002300mm 機床凈重 500Kg 二.機床主要部件及其運動方式的選定 1.主運動的實現(xiàn) 因所設計的機床要求能進行立式的鉆和銑，垂直方向的行程比較大,因而采 用工作臺不動,而主軸箱各軸向擺放為立式的結(jié)構(gòu)布局。為了使主軸箱在數(shù)控的 計算機控制上齒輪的傳動更準確、更平穩(wěn)，工作更可靠，主軸箱主要采用液壓系 統(tǒng)控制滑移齒輪和離合器變換齒輪的有級變速。 2.進給運動的實現(xiàn) 本次所設計的機床進給運動均由單片機進行數(shù)字控制，因此在 X、Y、Z 三個 方向上，進給運動均采用滾珠絲杠螺母副，其動力由步進電機通過調(diào)隙齒輪傳遞。 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 6 3.數(shù)字控制的實現(xiàn) 采用單片機控制，各個控制按扭均安裝在控制臺上，而控制臺擺放在易操作 的位置，這一點須根據(jù)實際情況而定。 第三章 主傳動的設計 一議定轉(zhuǎn)速圖 （一）確定結(jié)構(gòu)式和結(jié)構(gòu)網(wǎng)式 1.主傳動的確定 ， 和公比 的確定：nmaxin 根據(jù) ZJK-7532 的使用說明書，初步定主軸轉(zhuǎn)速范圍為 951600rmin， 則 = 1.29 （3-1ZnR1minaxz19560 1） 由設計手冊取標準值得：=1.26 令 ，則in/160maxr min/9.1256.01maxin rZ 則取 i/6i,/25axin r 2.確定變速組和傳動副數(shù)目： 大多數(shù)機床廣泛應用滑移齒輪的變速方式，為了滿足結(jié)構(gòu)設計和操縱方便 的要求，通常采用雙聯(lián)或三聯(lián)滑移齒輪，因此主軸轉(zhuǎn)速為 12 級的變速系統(tǒng)，總 共需要三個變速組。 3.確定傳動順序方案： 按著傳動順序，各變速組排列方案有： 12322 12232 12223 從電機到主軸，一般為降速傳動，接近電機處的零件轉(zhuǎn)速較高，從而轉(zhuǎn)矩 較小，尺寸也就較小。如果使傳動副較多的傳動組放在接近電機處，則可使小 尺寸的零件多些，而大尺寸的零件可以少些，這樣就節(jié)省省材料，經(jīng)濟上就占 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 7 優(yōu)勢，且這也符合“前多后少”的原則。從這個角度考慮，以取 12=322 的 方案為好，本次設計即采用此方案。 4.確定擴大順序方案： 傳動順序方案確定以后，還可列出若干不同擴大順序方案。如無特殊要求， 根據(jù)“前密后疏”的原則，應使擴大順序和傳動順序一致，通常能得到最佳的 結(jié)構(gòu)式方案，故選用 12 結(jié)構(gòu)式方案。1326 檢查最后擴大組的變速范圍： r= 10 故合符要求。 80.46.)12(3 圖 2-1 12 級傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)圖 （二）議定轉(zhuǎn)速圖 根據(jù)已確定的結(jié)構(gòu)式或結(jié)構(gòu)網(wǎng)議定轉(zhuǎn)速圖時，應注意解決定比傳動和分配傳 動比，合理確定傳動軸的轉(zhuǎn)速。 1.定比傳動 在變速傳動系統(tǒng)中采用定比傳動，主要考慮傳動、結(jié)構(gòu)和性能等方面的要求， 以及滿足不同用戶的使用要求。在鉆銑床的設計中，總降速比為 u=125/1440=0.087。若每一個變速組的最小降速比均取 1/4，則三個變速組的總 降速可達 ，故無需要增加降速傳動，但為了使中間兩個變016.41 速組做到降速緩慢，以利于減小變速箱的徑向尺寸和有利于制動方便，在 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 8 軸間增加一對降速傳動齒輪（ ） ，同時也有利于設計變型機床，因為只要改變342 這對降速齒輪傳動比，在其他三個變速組不變的情況下，就可以將主軸的 12 種 轉(zhuǎn)速同時提高或降低，以便滿足不同用戶的要求。 2.分配降速比 前面已確定，12322 共需三個變速組，并在軸間增加一對降速 傳動齒輪，要用到四個變速組，在主軸上標出 12 級轉(zhuǎn)速：1251600r/min,在 第軸上用 A 點代表電動機轉(zhuǎn)速 ，最低轉(zhuǎn)速用 E 點標出，因此min/140r A,E 兩點相距約 11 格，即代表總降速傳動比為 。1ut 3.定出各變速組的最小傳動比 根據(jù)降速前慢后快的原則，在軸間變速組取 ，在軸間變4 速組取 ，在軸間變速組取 ，則31u 21u n (160)23975n8 (61)035n4 (2)198.75140 圖 2-2 轉(zhuǎn)速圖 根據(jù)結(jié)構(gòu)式可知：軸間變速組的級比指數(shù)分別為：1，3，6，傳動副 為：3，2，2，則畫出上圖的轉(zhuǎn)速圖。 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 9 （三）確定各齒輪的齒數(shù) 在確定齒輪齒數(shù)時應注意：齒輪的齒數(shù)和不應過大，以免加大兩軸之間的中 心距，使機床的結(jié)構(gòu)龐大，而且增大齒數(shù)和還會提高齒輪的線速度而增大噪聲， 所以在設計時要把齒數(shù)和控制在 ；為了控制每組嚙合齒輪不產(chǎn)生根120sz 切現(xiàn)象，使最小齒數(shù) ，因而齒輪的齒數(shù)和不應過小。18min 在軸間因為 ， ，又因為 而最小59.27u52.4817minz 齒輪的齒數(shù)是在 的齒輪副中，令 ，則 等，因為在8 0minz8,730,64sz 高速軸中盡量使齒輪的幾何尺寸小一點以減小主軸的尺寸，所以可取 67sz 可查出： ，195z481967 ，2423z 同理： ， 且查得 .1us674,2603sz 取 則查得： ，3z 112 ，39 360 ， ，12u26.135.124u 查得： .70,52sz 因為三聯(lián)滑移齒輪中的最大齒數(shù)與次大齒數(shù)之差必須要大于或等于 4 則必需有 。70min2z 又因為前傳動軸的轉(zhuǎn)速高，扭矩小，一般傳動件的尺寸要小一些，因而齒數(shù) 和可取比前一級變速組小。 用計算法取 ，則 ， 23min7z3759.12478uz60372sz 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 10 可得 ，2760.1135 suzz 32760z ，323z 4 因為 所以取 ，則 69.014213469.0212uz 滑移齒輪齒數(shù)的驗算：在三聯(lián)滑移齒輪 中，為了確保其左右移動時753, 能順利通過，不致相碰，則必須保證三聯(lián)滑移齒輪的次大齒輪 與最大齒輪的配z5 對齒輪 不相碰（最大齒輪布置在中間） ，即：z4 （3-Amz)2(1)2(145 2） 又因為 ， 則必須保證： ，從上面計算可知：)(43A 453z ， ，則 ，這與要求不符。但是由于與30z75 27305z 都采用了離合器，使齒輪 和 的距離拉大了，因而在滑移齒輪在移動過程48 中不存在相碰的情況，所以三聯(lián)滑移齒輪在這個設計里是可以實現(xiàn)的。 （四）傳動系統(tǒng)圖的擬定 根據(jù)以上分析及計算，擬定如下傳動系統(tǒng)圖： 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 11 2648411943323723023303424 主 電 機 二主傳動主要零件的強度計算 （一）電動機的選擇 1電動機的功率計算 鉆頭材料選用 W18Cr4V, ，根據(jù)加工要求選用鉆頭直徑毫 米公 斤 /80b D25mm，則查表得進給量 S0.390.47mm，根據(jù)鉆孔切削用量表查得： n377r/min，M=8580Nm 則可得： （3-kw32.6.17208536.1720 MnN 3） 2電動機參數(shù)的選擇 在選擇電動機時，必須使得 P P ，根據(jù)這個原則，查機械設計手額 定 總 圖 2-3 傳動系統(tǒng)圖 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 12 冊選取 Y112M-4 型電動機，其基本參數(shù)如下（單位為 mm）： A=190 B=140 C=70 D=28 E=60 F=8 G=24 H=112 K=12 AB=245 AC=230 AD=190 HD=265 BB=180 L=400 （二）齒輪傳動的設計計算 由于直齒圓柱齒輪具有加工和安裝方便、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低等優(yōu) 點，而且直齒圓柱齒輪傳動也能滿足設計要求，所以本次設計選用漸開線直 齒圓柱齒輪傳動；主軸箱中的齒輪用于傳遞動力和運動，它的精度直接與工 作的平穩(wěn)性、接觸誤差及噪聲有關(guān)。為了控制噪聲，機床上主傳動齒輪都選 用較高的精度，但考慮到制造成本，本次設計都選用 7-6-6 的精度，具體設 計步驟如下： 1.模數(shù)的估算 按接觸疲勞和彎曲疲勞計算齒輪模數(shù)比較復雜，而且有些系數(shù)只有在齒 輪各參數(shù)都已知道后方可確定，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(shù)。 齒輪彎曲疲勞的估算公式： mm （式中 即為齒輪所傳遞的功率） （3-wm32jZnNN 4） 齒面點蝕的估算公式： mm （式中 即為齒輪所傳遞的功率） （3-A32jnNN 5） 其中 為大齒輪的計算轉(zhuǎn)速， 為齒輪中心距。j A 由中心距 及齒數(shù) 求出模數(shù)：A21,Z mm （3-21mj 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 13 6） 根據(jù)估算所得 和 中較大的值，選取相近的標準模數(shù)。wmj 前面已求得各軸所傳遞的功率，各軸上齒輪模數(shù)估算如下： 第一對齒輪副 in/140rnj mmwm5.129.3 mmA48.0.43 mm15.2.j 所以，第一對齒輪副傳動的齒輪模數(shù)應為 mm。15.0wm 第二對齒輪副 in/0rnj mmwm76.102398.42 mmA.1.3 mm06.7298.j 所以，第二對齒輪副傳動的齒輪模數(shù)應為 mm。06.wm 第三對齒輪副 in/631rnj mmwm06.2631298.043 mmA7.5.3 mm1.04278.5j 所以，第三對齒輪副傳動的齒輪模數(shù)應為 mm。175.0wm 第四對齒輪副 in/35rnj 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 14 mmwm71.231598.0.43234 mmA.34 mm2.0819.7j 所以，第四對齒輪副傳動的齒輪模數(shù)應為 mm。2.0wm 綜上所述，為了降低成本，機床中各齒輪模數(shù)值應盡可能取相同，但因 為軸得轉(zhuǎn)速比較小，扭矩比較大，為了增加其強度和在主軸上能起到飛輪 的作用，需增加軸齒輪的幾何尺寸。所以，本次設計中在間各個齒 輪模數(shù)均為 =2.5mm，在軸上就取 。1mm32 2.齒輪分度圓直徑的計算 根據(jù)漸開線標準直齒圓柱齒輪分度圓直徑計算公式可得各個傳動副中齒 輪的分度圓直徑為： 605.241d 85.2342d 75.230d 73675 .86 .7 .9.8 9 2510d 521d 105.2412d 343 78364 735 816 3.齒輪寬度 B 的確定 齒寬影響齒的強度，但如果太寬，由于齒輪制造誤差和軸的變形，可能 接觸不均勻，反兒容易引起振動和噪聲。本次設計中，取主動齒輪寬度 B=8m=82.5=20mm(在最后一對齒輪嚙合取也取 B=7m20)，則與其嚙合的從 動齒輪的寬度一致。而取多聯(lián)齒輪的寬度 B=8m=82.5=20mm，為了使嚙合更 容易和平穩(wěn)，則與其嚙合的從動齒輪的寬度要小一點，取 B =6m62.515mm。 4.齒輪其他參數(shù)的計算 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 15 根據(jù)機械原理中關(guān)于漸開線圓柱齒輪參數(shù)的計算公式及相關(guān)參數(shù)的 規(guī)定，齒輪的其它參數(shù)都可以由以上計算所得的參數(shù)計算出來，本次設計中， 這些參數(shù)在此不在一一計算。 5.齒輪結(jié)構(gòu)的設計 不同精度等級的齒輪，要采用不同的加工方法，對結(jié)構(gòu)的要求也不同，7 級精度的齒輪，用較高精度的滾齒機或插齒機可以達到。但淬火后，由于變 形，精度將下降。因此，需要淬火的 7 級齒輪一般滾或插后要剃齒，使精度 高于 7 級，或者淬火后再珩齒。6 級精度的齒輪，用精密滾齒機可以達到。淬 火齒輪，必須才能達到 6 級。機床主軸箱中的齒輪齒部一般都需要淬火。 6.齒輪的校核（接觸疲勞強度） 計算齒輪強度用的載荷系數(shù) K，包括使用系數(shù) ,動載荷系數(shù) ,齒間載AKV 荷分配系數(shù) 及齒向載荷分布系數(shù) ，即：K =1.251.071.11.12=1.65 （3-vA 7） 查表得： =0.88 =2.5 =189.8ZHEZ = （3-HEubdK21)( 8） 將數(shù)據(jù)代入得： 1100mpaH 齒輪接觸疲勞強度滿足，因此接觸的應力小于許用的接觸應力，其它齒 輪也符合要求，故其余齒輪不再驗算，在此略去。 （三）軸的設計計算 1.各傳動軸軸徑的估算 滾動軸承的型號是根據(jù)軸端直徑確定的，而且軸的設計是在初步計算軸 徑的基礎(chǔ)上進行，因此先要初算軸徑。軸的直徑可按扭轉(zhuǎn)強度法用下列公式 進行估算： 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 16 （3-30nPAdm 9） 對于空心軸，則 （3-340)-n(1PAd 10） 式中， 軸傳遞的功率，kW 軸的計算轉(zhuǎn)速，r/minn 經(jīng)驗值0A 取 的值為 0.5 (1)計算各傳動軸傳遞的功率 P 根據(jù)電動機的計算選擇可知，本次設計所選用的電動機額定功率 各傳動軸傳遞的功率可按下式計算：kWNd0.4 （3-dP 11） 電機到傳動軸之間傳動效率 由傳動系統(tǒng)圖可以看出，本次設計中采用了聯(lián)軸器和齒輪傳動，則各軸傳遞 的功率為： kWNPd 842.39.0.0411 782322 k61.7.3 3.5099.061.44P (2)估算各軸的最小直徑 本次設計中，考慮到主軸的強度與剛度以及制造成本的經(jīng)濟性，初步選 擇主軸的材料為 40Cr，其它各軸的材料均選擇 45 鋼，取 A0 值為 115，各軸 的計算轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)速圖得出： 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 17 n1j=1002r/min, n2j=631r/min, n3j=315r/min, n4j=250r/min 所以各軸的最小直徑為： md8.16024.315 .7.31 md9.2561.531 7.0.31 在以上各軸中，每根軸都開有平鍵或花鍵，所以為了使鍵槽不影響軸的 強度，應將軸的最小直徑增大 5%，將增大后的直徑圓整后分別取各軸的最小 直徑為： mind=18 , =23 , =34 , =46mindmindmind 2.各軸段長度值的確定 各軸段的長度值，應根據(jù)主軸箱的具體結(jié)構(gòu)而定，且必須滿足以下的原則： （1）應滿足軸承及齒輪的定位要求。 （2）應滿足滑移齒輪安全滑移的要求。 3.軸的剛度與強度校核 根據(jù)本次設計的要求，需選擇除主軸外的一根軸進行強度校核，而主軸 必須進行剛度校核，在此選擇第根軸進行強度校核。 （1）第根軸的強度校核 1)軸的受力分析及受力簡圖 由主軸箱的展開圖可知，該軸的動力源由電動機通過齒輪傳遞過來，而后 通過一個三聯(lián)齒輪將動力傳遞到下一根軸，其兩端通過一對角接觸球軸承將力 轉(zhuǎn)移到箱體上去。由于傳遞的齒輪采用的直齒圓柱齒輪，因此其軸向力可以忽 略不計。所以只要校核其在 xz 平面及 yz 平面的受力。 軸所受載荷是從軸上零件傳來的，計算時常將軸上的分布載荷簡化為集中 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 18 力，其作用點取為載荷分布段的中點。作用在軸上的扭矩，一般從傳動件輪轂 寬度的中點算起。通常把軸當作鉸鏈支座上的梁，支反力的作用點與軸承的類 型和布置方式有關(guān)。其受力簡圖如下： 在 xz 平面內(nèi)： R2FtFt1R DCBA b=5l=450a=0 在 yz 平面內(nèi)： TT1a=0l=450b=25ABCDRFrFrR 2）作出軸的彎矩圖 根據(jù)上述簡圖，分別按 xz 平面及 yz 平面計算各力產(chǎn)生的彎矩，并按計算結(jié) 果分別作出兩個平面的上的彎矩圖。 在 xz 平面內(nèi)，根據(jù)力的平衡原理可得： R1+R2+Ft2=Ft1 將各個力對 R1 取矩可得： Ft1a=Ft2（l-b）+R2l Ft1=2 /d7P Ft2=2 /d11 由以上兩式可解出： 圖 2-4 xz 平面的受力圖 圖 2-5 yz 平面的受力圖 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 19 R1=Ft1（l-a）/l-Ft2b/l R2=Ft1a/l-F2xz+Ft2b/l 由于有多個力的存在，彎矩無法用一個方程來表示，用 x 來表示所選截面 距 R1 的距離，則每段的彎矩方程為： 在 AB 段：M=R1x （ax0） 在 BC 段：M=R1（a+x）-Ft1x （l-bxa） 在 CD 段：M=R2（l-x） （lxl-b） 則該軸在 xz 平面內(nèi)的彎矩圖為： DCBAXM 圖 2-6 軸在 xz 平面內(nèi)的彎矩圖 同理可得在 yz 平面內(nèi)的彎矩圖為： B 圖 2-7 軸在 yz 平面內(nèi)的彎矩圖 3）作出總的彎矩圖 由上求得的在 xz、yz 平面的彎矩圖，根據(jù) M= 可得總的彎矩圖yzMxz2 為： 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 20 DCBA XM 圖 2-8 軸的總彎矩圖 4）作出計算彎矩圖 根據(jù)已作出的總彎矩圖和扭矩圖，則可由公式 Mca= 求出計算彎22)(T 矩，其中 是考慮扭矩和彎矩的加載情況及產(chǎn)生應力的循環(huán)特性差異的系數(shù)， 因通常由彎矩產(chǎn)生的彎曲應力是對稱循環(huán)的變應力，而扭矩所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)切應力 則常常不是對稱循環(huán)的變應力，故在求計算彎矩時，必須計及這種循環(huán)特性差異 的影響。即當扭轉(zhuǎn)切應力為靜應力時，取 0.3；扭轉(zhuǎn)切應力為脈動循環(huán)變應 力時，取 0.6；若扭轉(zhuǎn)切應力也為對稱循環(huán)變應力時，則取 =1。應本次設 計中扭轉(zhuǎn)切應力為靜應力，所以取 0.3，則計算彎矩圖為：MXABCD 5）校核軸的強度 選擇軸的材料為 45 鋼，并經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。由機械設計手冊查得其許用彎曲 應力為 60MP，由計算彎矩圖可知，該軸的危險截面在 B 的作用點上，由于該作用 點上安裝滑移齒輪，開有花鍵，由機械設計可查得其截面的慣性矩為： W= d 4+（D-d） （D+d） 2zb/32D （3- 12） 圖 2-9 彎矩圖 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 21 其中 z 為花鍵的數(shù)目，在本次設計中，z=6，D=28mm，d=23mm， b=6mm 所以其截面的慣性矩為 W=524.38mm3 根據(jù)標準直齒圓柱齒輪受力計算公式可得圓周力與徑向力： Ft=2T1/d1， Fr=Fttan （3- 13） 其中 T1 為小齒輪傳遞的扭矩，Nmm； 為嚙合角，對標準齒輪，取 =20 ；而 Ft 與 Fr 分別對應與 xz 平面及 yz 平面的力。各段軸的長度可從 2 號 A0 圖 中得出，則根據(jù)前面的公式可得出該軸危險截面的計算彎矩為： Mca=25014.22Nm，則該軸危險截面所受的彎曲應力為： ca=25014.22/524.3847.7MP60MP，所以該 軸的強度滿足要求。 （2）主軸的剛度校核 1）主軸材料的選擇 考慮到主軸的剛度幾強度，選擇主軸的材料為 40Cr，并經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。 2）主軸結(jié)構(gòu)的確定 主軸直徑的選擇，根據(jù)機床主電機功率來確定 1D 因為 P4KW，屬于中等以上轉(zhuǎn)速，中等以下載荷的機床，所以可取mD7061 根據(jù)以下的公式確定主軸內(nèi)孔直徑 （3-4440 1)(6/)( DddDIK 14） 其中 ， -空心主軸的剛度和截面慣性矩0I K, I -實心主軸的剛度和截面慣性矩 當 則主軸的剛度急劇下降，故取 0.77. 主軸的結(jié)構(gòu)應根據(jù)主軸上應安裝的組件以及在主軸箱里的具體布置來確定， 在此不在繪出。 其中： D=31.750 832.691D0.542D d18 L=7314 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 22 3）主軸的剛度驗算 軸的變形和允許值： 軸上裝齒輪和軸承處的繞度和傾角（y 和 ）應該小于彎曲變形的許用值 ，即 y 和 軸的類型 （mm）y變形部位 （rad） 一般傳動軸 4.00030.0005l 裝向心軸承處 0.0025 剛度的要求較高 -0.0002l 裝齒輪處 0.001 安裝齒輪軸 （0.010.00）m 裝單列圓錐滾子軸 承 0.006 其中：L 表跨距，m 表模數(shù) 軸的變形計算： 計算軸本身彎曲變形產(chǎn)生的繞度 y 及傾角 時，一般常將軸簡化為集中載荷下 的簡支梁。按材料力學相關(guān)公式計算，主軸的直徑相差不大且計算精度要求不高 的時候，可把軸看作等徑軸，采用平均直 d 來計算，計算花鍵時同樣選擇用平均 直徑。 圓軸： d （3-i 15） 慣性矩： I= （3-64i 16） 矩形花鍵軸：d1= （3-2dD 17） （3-id64 18） 慣性矩： （3-64)( 24dDzI 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 23 19） 軸的分解和變形合成：對于復雜受力的變形，先將受力分解為三個垂直面上 的分力，應用彎曲變形公式求出所求截面的兩個垂直平面的 和 y。然后進行疊 加，在同以平面內(nèi)的可進行代數(shù)疊加，在兩平面內(nèi)按幾何公式，求出該截面的總 繞度和總傾角。 提高軸剛度的一些措施：加大軸的直徑，適當減少軸的跨度或增加第三支承， 重新安排齒輪在軸上的位置改變軸的布置方位等。 軸的校核計算： 軸的計算簡圖在 xz 平面內(nèi)： 主軸的傳動功率： P 主 = =3.513KW469.0.4 主軸轉(zhuǎn)矩： T 主 = =1569002513. 6mN 支點上的力： dFtB 8.26409.T5主 NtC351.21主 根據(jù)彎矩平衡得： 0)48623()962( tBtcHEFFR 求得：R HE=-84.9 根據(jù)力平衡得： NHA7.0 4）垂直平面的彎矩圖 =951.71NtgFBR =761.4NCr 根據(jù)平面內(nèi)彎矩平衡有： 0)48623()3962(3rBrCNE FFR.8 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 24 再根據(jù)力平衡得： ，則可得 B、C 點得彎矩圖：NRNA71.0 M X 圖 2-10 垂直平面內(nèi)的彎矩圖 在 B 點和 C 點為最危險截面，要滿足要求，B、C 點滿足即可，在 B、C 截面 得彎矩為： =803403.1N （3-22BVHBM 20） =675702.3 N （3-22CVHC 21） 扭矩圖為： T X 圖 2-11 垂直平面內(nèi)的扭矩圖 經(jīng)分析可知 B 所在得位置為最危險截面，只要 B 滿足條件即可，則剛度滿足。 計算彎矩： （3-2)(BBCTM 22） =862517.2 N 軸得抗彎截面系數(shù)為： （3-23） 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 25 347.14598021806)(mDzbddW 所以 53.96Mca1 故滿足第三強度理論。 剛度驗算： 在水平面內(nèi)， 單獨作用時：tBF （3-EIblpfc48)3(12 24） = I5 2210.48)463(.26 =-0.02598mm 其中 I= =274750032)( 4dD 在 單獨作用下：tcf （3-EIblpfc48)(22 25） = I5 2210.48)4963(90 =-0.0182mm 在兩力得共同作用下： mffcc078.12 在垂直面內(nèi)有(在 單獨作用時)rBF （3-EIblpfc483(12 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 26 26） = I5 2210.48)463(7.951 =-0.0072mm 其中 I= =274750032)( 4dD 在 單獨作用下：rCF （3-EIblpfc48)(22 27） = I5 2210.48)9463(9.761 =-0.0182mm 在兩力的共同作用下： mffcc06.12 故在 共同作用下，x 處為危險截面，其最大繞度為rCtrBt F、 l21 （3-ffcc0783.2 28） 而一般的剛度 ly)5.( =0.210.35mm ，故 符合剛度要求，其轉(zhuǎn)角就不驗算了。yfc 下面校核由 V 傳到主軸時的強度、剛度、校核， 主軸的傳動功率：P 主 = =5.9974KW697.05.7 主軸轉(zhuǎn)矩：T 主 = =143188Nmm410.9 6 支點上的力： NdFtB 5.238602T主 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 27 NdFtC8.137650421T主 根據(jù)彎矩平衡得： 2.48362tBtDHEFR 求得：R HE=-244.9N 根據(jù)力平衡得： NHA6.15 5）垂直平面彎矩： =868.6NtgFBR =501.1 NCr 根據(jù)平面內(nèi)的彎矩平衡有： 0215.48362rBrDNEFR1.9 再根據(jù)力的平衡： NNA.7 在 B 點和 C 點為最危險截面，要滿足要求，B、C 點滿足即可，在 B、C 截面 得彎矩為： =110489.6N （3-22BVHBM 29） =708402.5 N （3-22CVHC 30） 經(jīng)分析可知 B 所在得位置為最危險截面，只要 B 滿足條件即可，則剛度滿足。 計算彎矩 =942100 N （3-2)(BBCTM 31） 軸的抗彎截面系數(shù)為： （3-32) 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 28 347.14598021806)(mDzbddW =58.94 （3-Mca1 33） 故滿足第三強度理論。 剛度驗算： 在水平面內(nèi)， 單獨作用時tBF （3-EIblpfc48)3(12 34） = I5 2210.48)463(5.23 =-0.018147mm 其中 I= =274750032)( 4dD 在 單獨作用下tcf （3-EIblpfc48)(22 35） = I5 2210.).48363(.1376 =-0.00551mm 在兩力的共同作用下 mffcc01264.2 在垂直面內(nèi)有(在 單獨作用時)rBF （3-EIblpfc483(12 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 29 36） = I5 2210.48)463(.6 =-0.0066mm 其中 I= =274750032)( 4dD 在 單獨作用下rCF （3-EIblpfc48)(22 37） = I5 2210.48).48363(1.50 =-0.001515mm 在兩力的共同作用下 mffcc084.12 故在 共同作用下，x 處為危險截面，其最大繞度為rCtrBt F、 l21 （3-ffcc064.2 38） 而一般的剛度 =0.210.35mmly)5.3.( 故 符合剛度要求，其轉(zhuǎn)角就不用驗算了。fc （四）離合器的選用 離合器在機器運轉(zhuǎn)中可將傳動系統(tǒng)隨時分離或接合，對離合器的要求有：接 合平穩(wěn)、分離迅速徹底、調(diào)節(jié)和修理方便、外廓尺寸質(zhì)量小、耐磨性好和有足夠 的散熱能力、操作方便省力。離合器常用的可分牙嵌式和摩擦式，根據(jù)設計要求， 選用了電磁式摩擦片離合器。根據(jù)經(jīng)驗值 ； 。dD)32(1d)5.21(2 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 30 第四章 進給系統(tǒng)的設計計算 一垂直進給系統(tǒng)的設計計算 假定主軸箱的重量： =100kgf=1009.8=980NW Z 軸的行程為： 400mm 垂直脈沖當量： 0.005mm 預選滾珠絲杠基本導程： =10mm0L 步距角： 75.b 快速進給速度： =2.0m/min maxV (一)脈沖當量和傳動比的確定 (1)傳動比的選定 對于步進電機，當脈沖當量 確定，并且滾珠絲桿導程 和步進電機步距0L 角 都已初步選定后，則可用下式來計算該軸伺服傳動系統(tǒng)的傳動比：b （4-17.46250.36170PbLi 1） (2)計算轉(zhuǎn)動慣量 初選步進電機的型號為 130BF001，則查表查出電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 40.06DJ25m10kg 對于軸，軸承，齒輪，聯(lián)軸節(jié)，絲桿等圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量公式為： （4-8 2MJC)c(2k 2） 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 31 對于鋼材，材料密度為 ，則有3108.7)cm/(3kg （4-3478.0LDJ(2 3） 從資料定出齒輪副為： ， ， m1.5 mm， B=20mm21Z962 則齒輪轉(zhuǎn)動慣量： 334341 107.58410.278.0178.0 LDJ )cm(2kg 5 2kg 334342 .9.69. J )c(2k 5102mk 滾珠絲桿轉(zhuǎn)動慣量折算： 33434 104.581078.78. LDJS )cm(2kg 510.2kg 工作臺質(zhì)量折算： （4-53.2).()2(20MLJG )cm(2kg5103.2kg 4） 傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計算： （4-221/)(iJJGSD 5） 2555 17.4/03.2815.308.06.4 ） （ 6.162mkgckg (3)工作載荷分析及計算 普通麻花鉆每一切刃都產(chǎn)生切向切削抗力 ,徑向切削抗力 與軸向切削ZFyF 抗力 。當左，右切削刃對稱時，徑向抗力 相互平衡。切向抗力 形成鉆削xFy Z 扭矩 M，它消耗了切削功率 。所有切削刃上軸向抗力 之和形成了鉆頭上的軸mPx 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 32 向力 。xF 鉆削時安裝工件的工作臺是靜止的，不作縱，橫向進給運動，因此鉆削時 工作臺載荷主要是垂直進給方向載荷 ，其大小與鉆削軸向力 F 相同，方向相反。vF 當鉆削工作臺不作垂直進給時， 是工作臺的靜壓垂直載荷；當工作臺作垂直進 給時， 是工作臺垂直進給抗力。vF 因為鉆頭直徑 ，取進給量 f0.36mm/r，則查表得到高速鋼