【JX17-78】xk2116主传动系统主轴部件设计（二维+论文）
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JX17-78
【JX17-78】xk2116主传动系统主轴部件设计二维+论文
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【JX17-78】xk2116主传动系统主轴部件设计（二维+论文）,JX17-78,【JX17-78】xk2116主传动系统主轴部件设计二维+论文
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1 摘要 本文设计了一种 XK2116 主轴数控镗铣床，主要用于铣削和钻削，主轴的 重新设计，但仍与主轴箱原始需求、5r/min-600r/min 的主轴速度范围内，切削 功率查机械设计手册来确定切割的典型过程可以根据的切削主轴总效率计算。 确定 P =3.53kw 电源和主传动链，机床驱动然后选择电机的类型根据为了电力 传输机满足主轴转速的要求，选择合适的传动比和轴承。 关键词关键词 铣床 主轴 设计 校核 2 ABSTRACT This paper designed a XK2116 spindle NC boring milling machine， mainly used for milling and drilling， re design of the spindle， but still with the original requirements of headstock， the spindle speed range of 5r/min-600r/min， cutting power to check the mechanical design manual to determine the typical cutting process can be calculated according to the total efficiency of the spindle. The cutting power and the main transmission chain of power P=35.3KW， machine tool drive and then choose the type of the motor according to the power transmission machine P. In order to meet the spindle speed requirements， select the appropriate transmission ratio and bearings. KEY WORDS：Milling machine; spindle; design; check 3 目 录 摘要摘要 .1 ABSTRACT2 目目 录录 .3 第一章第一章 数控铣床的介绍数控铣床的介绍 .6 1.1 数控铣床的主要功能.6 1.2 数控铣床的主要特点.7 第二章第二章 总体设计方案总体设计方案 .9 第三章第三章 电机的选择电机的选择 .10 3.1 确定主轴传动功率.10 3.2 主传动方案设计.11 3.3 主轴的变速过程.13 第四章第四章 轴类零件的设计轴类零件的设计 .14 4.1 轴的设计概述.14 4.2 主轴主要结构参数的确定.14 4.2.1 主轴最小直径的估算.14 4.2.2 主轴序号的确定.15 4.2.3 主轴前端悬伸量的确定.15 4.2.4 主轴支承跨距 L 的确定.16 4.2.5 选择轴的材料和热处理方法.16 4.2.7 初选轴承.17 4.3 轴的结构设计.17 4.3.1 拟定轴上零件的装配方案.17 4.3.2 确定轴各段的直径.17 4.3.3 确定各轴段的长度.18 4.3.4 轴向零件的周向固定.19 4.3.5 确定轴上倒角和退刀槽的尺寸.19 4.4 主轴刚度的计算.19 第五章第五章 齿轮传动设计与计算齿轮传动设计与计算 .22 5.1 主要参数的选择.22 5.2 齿轮的设计与计算.22 5.2.1、选择材料.22 5.2.2 有关参数和系数的确定.23 5.2.3 中心距及主要参数的确定.23 4 5.2.4 许用弯曲应力 F 23 5.2.5 主要尺寸的计算24 5.2.6 校核齿面接触疲劳强度.24 5.2.7 验算齿轮圆周速度v.25 第六章第六章 轴承的设计与计算轴承的设计与计算 .26 6.1 轴承当量动载荷的计算.26 6.1.1 切削力的计算.26 6.1.2 径向力的确定.26 6.1.3 计算两轴承的派生轴向力 s 26 6.1.4 计算两轴承的轴向载荷.27 6.1.5 计算两轴承的当量动载荷 P27 6.2 验算两轴承的寿命.27 第七章第七章 圆弧齿同步带的设计圆弧齿同步带的设计 .29 7.1 确定圆弧齿同步带的基本参数.29 7.1.1 确定设计功率 d p.29 7.1.2 选择带形和节距.29 7.1.3 传动比的选择.29 7.1.4 小带轮齿数 1 z29 7.1.5 小带轮的节圆直径 1 d29 7.1.6 大带轮节圆直径 2 d.29 7.1.7 带的传动速度v.30 7.2 确定带的中心距.30 7.2.1 初定轴间距 0 a30 7.2.2 带长及其齿数的确定.30 7.2.3 实际轴间距a，所设计的结构的轴间距可调整.30 7.3 选择带的类型.31 第八章第八章 碟形弹簧的设计碟形弹簧的设计 .32 8.1 碟形弹簧的结构尺寸.32 8.1.1 碟形弹簧的基本概念.32 8.1.2 碟形弹簧的分类.32 8.2 弹簧的许用应力和疲劳极限.33 8.2.1 碟形弹簧按其载荷性质分为两类：.33 8.2.2 变载荷作用下碟簧使用寿命可分为两类.33 8.3 碟形弹簧的设计与计算.34 8.4 碟形弹簧的校核.35 第九章第九章 拉杆的设计拉杆的设计 .38 5 9.1 确定拉杆的直径.38 9.2 确定拉杆的长度.38 总总 结结 .40 参考文献参考文献 .41 致致 谢谢 .42 6 第一章 数控铣床的介绍 数控机床在计算机技术、电子技术、自动控制、传感器测量、机械制造、 网络通信技术，是一种典型的机电一体化产品，并应用自己的发展，创造了制 造业的新时代，数控技术水平的高低已成为衡量一个国家制造业的核心现代化 的标志，他意识到加工机和数控生产过程，已成为制造业发展的方向。数控铣 床是数控机床的一个功能强大的加工中心，加工中心的迅速发展，柔性加工单 元是基于数控铣床、数控镗床上的，两者都离不开铣削。由于数控铣削加工过 程是最复杂、最需要解决的技术问题，人们在研究和开发数控系统和自动编程 语言软件的过程中，一直把重点放在铣削加工上。 1.1 数控铣床的主要功能 数控铣床可分为立式、卧式和立式和卧式数控铣床，数控铣床越来越广泛 的应用，主要具有以下功能： 1、点控制功能，利用此功能，数控铣床只能做点控制的砖孔、铰孔、扩孔、 镗削等加工。 2、直线和圆弧插补数控铣床连续轮廓控制功能，实现刀具轨迹的连续轮廓 控制，加工平面轮廓由直线和圆弧两个几何元素组成。对于非圆曲线（椭圆、 抛物线、双曲线等曲线和两个对数螺线的阿基米德螺线曲线，以及列表等）构 成平面轮廓，经过近似直线或圆弧后也可以进行处理。此外，一些空间曲面可 以加工。 3、刀具半径补偿功能的自动使用这个功能的程序可以很容易地根据实际轮 廓形状和尺寸进行了计算，和过程可以使工件的刀具中心自动偏离轮廓一个半 径的刀具加工以满足轮廓曲面的要求。还可以通过改变刀具半径补偿方法来补 偿铣刀的尺寸精度误差，增大刀具的直径选择范围和刀具磨削的允许误差。 4、刀具长度补偿功能，利用此功能可以自动改变切削平面的高度，同时可 以减少制造和修理刀具长度对刀具尺寸精度的要求，同时也弥补了轴向刀具的 误差。 5、镜面加工，功能镜面加工，又称轴对称加工。对于轴对称工件，它可以 7 做所有的加工，只有一半的形状的程序。 6、采用固定循环功能的数控铣床进行钻孔、扩口、和镗镗的时空加工是基 本动作：无切削刀具快速到达孔-慢速和快速切削进给。对于典型的动作，可以 专门设计一个程序（子程序） ，用来实现循环时的需要，特别是在处理多个同一 个孔时，应用固定循环函数可以大大简化程序。 1.2 数控铣床的主要特点 1、高度灵活性和工艺配合 数控铣床具有柔性（可变性）和复杂加工的特点。所谓“柔性”即灵活、 通用、通用，能适应加工各种形状的自动机床。数控铣床的发展已经模糊了粗 加工和精加工的概念，打破了传统的工艺界限和分离加工程序，最大限度地提 高了设备的利用率。 数控铣床一般可完成钻孔、镗削、铰孔、铣刨、铣锥、铣槽、铣面（凸轮） 、 攻丝等加工。此外，在一般情况下，它是可能的，以完成所需的过程中，在一 个单一的夹具。 2、提高加工精度 目前，对数控装置的脉冲当量（即运动的滑板在每个脉冲）一般是 0.001mm。高精度数控系统可以达到 0.0001mm，可以保证在正常条件下，工件 的加工精度。此外，数控加工操作可以避免工人的错误，一些工件的大小具有 良好的（包括工件的主要尺寸和倒角大小相同） ，而且通过软件校正和补偿的准 确性，大大提高了产品质量。 三.生产效率高 零件加工所需的时间包括操作时间和辅助时间。数控铣床可以有效地减少 时间的量，所以加工效率远远高于一般铣床。良好的结构刚性，使强大的切割 参数，数控铣床，节省时间有效。快速定位和定位移动部分数控铣床采用加速 和减速措施，它选择的气动速度非常高，消耗在快进，快退和定位时间小于一 般铣床。 数控铣床主轴转速和进给速度无级变速。因此，有利于选择最佳的切削参 数。 4、降低操作者的劳动强度 8 数控铣床零件加工程序是由程序提前自动完成的。除了键盘的操作、工件 的装卸和机床运动的测量和观察外，操作者不需要进行繁重的重复人工操作， 大大降低了劳动强度。 由于数控铣床具有上述独特的优势，数控铣床已成为机械制造业的主要设 备。但数控铣床编程操作较为复杂，对编程人员的素质要求较高。否则，很难 发挥数控铣床的作用。 本文根据设计要求加工需要改装一台铣床，主要用于铣削平面和钻孔，对 主轴部件进行重新设计，但仍要用原来的主轴箱，要求主轴的转速范围为 5r/min-600r/min，查机械设计手册确定典型的切削工艺可以求得主轴的切削功 率为 5.4KW，根据切削功率与主运动传动链的总效率确定机床传动的功率 c P ，然后，根据机床传递的功率来选择电机的类型。为了满足主轴的转速要 求，选择合适的传动比和轴承。 9 第二章 总体设计方案 XK2116 立式数控铣床要达到的技术要求：主轴转速 5r/min600r/min，换 刀时间 0.6s，换刀的时间靠打刀缸的性能来保证。主轴切削力，切2800PN 削速度，刀盘直径。主轴锥孔采用 ISO60。60/ min j Vm320 j Dmm XK2116 立式数控铣床的加工中心的特点。可实现自动换刀和自动变速。 变速方法采用无级变速和变档速度。无级变速采用交流变频调速电机实现两极 变速。在齿轮变速过程中，通过离合器功率增益和功率损耗实现齿轮啮合。为 满足主轴转速要求，皮带轮传动比为 2，齿轮传动减少，传动比为 1.78，两齿 轮啮合，一对齿轮实现变速传动，另一对实现减速传动。 对 XK2116 立式数控铣床主轴主轴和连杆轴类零件，设计，选择合适的电 机功率，满足切割要求，是根据切削功率所需的典型切削过程中电机的选择； 打刀缸的选择，首先根据变化的工具来实现第二时间根据碟形弹簧张力手柄作 用力打刀缸是由拉应力产生略大于弹簧。 10 第三章 电机的选择 现在数控铣床可以实现无级变速或无级变速加变速，数控铣床一般采用直 流或交流电机作为驱动电机无级调速。由于数控铣床的运动速度范围大，电机 本身不能满足转速范围大的要求，另一方面功率力矩电机难以直接与功率和转 矩要求相匹配的机床。因此，数控机床的主传动和变速系统常与无级变速电机 串联。机械变速驱动器用于满足机床要求的速度控制范围和转矩特性。 3.1 确定主轴传动功率 数控机床主要用于中、小批量加工，零件更换频繁，而不同尺寸的零件加 工，加工的零件和工具的材料是不一样的，粗加工的差异，所以你需要选择不 同的处理速度，粗糙低速加工要求，高速加工；工件的硬质材料速度低，软质 材料需要高速数控铣床根据龙门文件处理部分的范围、钻孔或精加工（如加工 轻合金铣刀） 、最高速度、大文件的孔或所需的最低速度的刀。最高转速为每分 钟 600 转，最小转速为每分钟转速为 5 转，转速变化范围可达最大转速的 120 倍。 对于数控机床来说，主电机的功率是一个非常重要的参数。在龙门的数控 铣床上，由于刀具和硬质材料刀具在低速状态下切削，所以机床应尽可能在低 速下获得大功率。由切削功率计算公式及导出：= 60000 j P V N 切 = N N 切 电 = 60000 j P V N 电 式中: 为主电机功率；N电 为切削功率；N切 为主切削力；P 为计算切削速度； j V 为机械传动总效率。 通过工艺分析和调查类比，定出 XK2116 数控龙门锉铣床的主切削力 11 ，计算切削速度一般在 50-80 米/分中取值，按中等水平考虑，定=2800PN ，机械传动总效率取为，所以，可得出主电机功率如下：=60/ min j Vm=0.85 2800 60 3.3 6000060000 0.85 j P V Nkw 电 依据上述计算，选定主电机额定功率为 4.5KW 为了实现高效率的切削，在低速时，必须有足够高的扭矩，否则就不能达 到重型切削，不能获得更高的切削效率。因此，实现转矩是低速恒电机的又一 重要性能指标。根据公式： = 2 j PD M 主 式中: 为主轴传递的最大扭矩；M主 为主切削力；P 为计算刀盘直径； j D 依据经验数据和类比可知，XK2116 数控龙门镗铣床的推荐刀盘直径为 ，由此可得出：320 j Dmm 2800 0.32 =448 . 22 j PD MN m 主 经圆整，最后确定为=450 .MN m 主 3.2 主传动方案设计 主传动方式多种多样，但对于数控机床来说，采用较多的方式是直流主轴 电机，用简单的齿轮传动，无级调速。使用这个系统，它的主要优点是：无级 调速，以获得最有利的切削用量和最小相对生产率的损失；缩短传输时间；便 于远程控制和自动控制的实现；简化变速箱；提高传输的稳定性。此时，电机 本身具有较宽的调速范围，低速区作为调速器的额定转速是由额定转速下降， 恒转矩、高转速可调磁调速，是从额定转速到恒功率区。 对于 XK2116 数控龙门键铣床而言，所选定的额定功率为 4.5 千瓦的电机， 就是这样一种直流主轴电机，其额定转速，最高转速1000 / minnr 额 12 ，可知它的调磁调速范围为 3 倍。但由于 DC 电机恒功率调速 max 3000 / minnr 区是固定的，可以达到满功率的最小转速，即额定转速为 100 转/分或太高，不 能满足使用要求。为了获得更高的功率在较低的速度，齿轮变速机构必须添加 到扩大这个恒定功率变化区。 另一方面，直流电动机在低速时的最大转矩是一个固定值，而这个转矩值 不能完全满足加工的需要。其结果是，齿轮减速机构也需要实现更高的扭矩。 综上所述，最终决定采用直流主轴电机无级调速，而简单的齿轮传动，然 后传输到主轴的机床传动程序。 机床的转速、扭矩、功率特性参见图 3-1 图 3-1 机床转速-扭矩-功率特性图 图 3-1 中，为机床恒扭矩调速范围，为机床恒功率调速范围，为 M R N RR 主电机恒功率调速范围，为缺口宽度。几个需说明的问题如下：K 主轴的计算转速，经过圆整，取 60 59.7 / min 0.32 j j V nr D 。60 / minnr 主轴最低转速为，最高转速，因此，机床恒 min 5 / minnr max 600 / minnr 扭矩调速范围倍，机床恒功率调速范围 min 60 12 5 M n R n 13 倍，而主电机恒功率调速范围倍。由公 max 600 10 60 N n R n max 3000 =3 1000 n R n 电 额 式可知： n N RRK N n R K R 式中，n 为机械变速的档位，K 为缺口宽度，如取 n=2，即采用二级变速， 则根据上式可得。 2 10 1.11 3 K 对于重型机床即为可行(1.26 为万能机床转速公比)，现1.26K 1.26，所以机床恒功率调速范围中的缺口不影响机床正常使用。1.11K 决定设置一个具有二个机械档的齿轮变速箱来满足使用要求。 从以上图表显示：各机械齿轮主电机采用电压可调磁性连接速度，可以实 现各机电变速齿轮的范围，减少了操作时的频移，但也因为增加的机械齿轮， 获得高功率、低转速高扭矩，保证满足服务要求。 3.3 主轴的变速过程 为了实现无级变速数控铣床、变频电机铣床，电机是本文要实现两速度设 计的，当通电时，当离合器分离时，小齿轮和齿轮啮合，实现传输；当转速下 降到电机，计算速度离合器拉，大齿轮和小齿轮传输实现。 14 第四章 轴类零件的设计 主轴零件是机床的运动部件，是机床的重要组成部分。主轴部分由主轴、 主轴支撑、传动部件、密封等组成，铣床主轴部分也分别为拉杆和拉爪。 4.1 轴的设计概述 主轴是一个重要的机械部件，它支持其他旋转部件，传递扭矩，同时通过 轴承和支架，在轴线的轴作旋转运动的部件，部件的组合的形成，与 TC 轴系 轴作为参考，所以我们不仅可以在考虑轴本身轴设计，结构也必须密切联系、 轴系零件。 轴的设计特点：在轴类零件的具体结构确定，支点和跨之间的轴向力不精 确确定，所以弯曲的大小和分布可以计算出来，所以在轴的设计有一定的强度 计算和结构设计的轴系零件轴交错，边画边，计算、边修改。 4.2 主轴主要结构参数的确定 主轴的主要结构参数有：主轴前、后轴颈和，主轴内孔直径，主轴 1 D 2 Dd 前端悬伸量和主轴主要支撑间的跨距 。这些参数直接影响主轴旋转精度和主al 轴的刚度。 4.2.1 主轴最小直径的估算 主轴前端颈径是龙门数控镗铣床主要参数中最重要的参数。在主轴结构的 设计中，要使主轴不受齿轮传动所造成的径向力的影响，避免主轴弯曲，使主 轴只传递扭矩。当主轴参数确定时，主轴参数只能由静态刚度条件来确定，也 就是说，主轴的计算主要是从刚度的角度出发。一般来说，刚度足够，强度足 够。如果刚度足够，主轴的振动阻力良好。保持几何中心位置的能力直接关系 到加工零件的几何精度、表面粗糙度和生产率。 介绍了一种确定主轴前轴直径的方法，但一般来说，其范围过大或过复杂。 特别是在设计初期，由于没有确定的轴承及其位置，没有一种精确有效的计算 方法。根据多年的实践，认为在主轴设计开始时，可采用扭转经验公式计算主 15 轴轴颈刚度的早期，然后通过类比分析，最后成功确定相关参数。该方法简单 实用。 根据经验公式，然后通过对国内外同类型产品进行类比分析，最后确定 。 1 0.16Dm 确定了的尺寸后，主轴后轴径一般不作计算，而在考虑装配和加工工 1 D 2 D 艺许可的情况下，尽量取最大的尺寸。根据结构需要和类比分析，可确定 。 2 0.14Dm 4.2.2 主轴序号的确定 龙门数控镗铣床主轴数量主要是确定结构的主轴刀具安装端部的尺寸和结 构的主轴端部尺寸应确保可靠和准确的定位，并具有较高的连接刚度传递足够 的扭矩。按照国际标准，有 iso30，40，50，60，65，70 等规格主轴编号。 龙门 xk2116 数控镗铣床主轴安装工具有两种方式，一是通过内锥孔，二是 通过主轴。内锥孔是用来安装铣刀或刀杆（包括心轴附件）由主轴、后张尾锥 杆，锥孔锥度 7:24。主轴端主要是安装端面铣刀，通过端面螺钉孔紧固，用面 键传递扭矩。锭数主要是根据机床规格的大小，XK2116 数控龙门镗铣床可以 选择主轴数为 50 或 60。通过参考国外产品和 X K2116 重型机床类型相同，并 与配件（直角铣头）的情况下，决定利用主轴是 60 号。 4.2.3 主轴前端悬伸量的确定 主轴的前悬部是主轴前端与前轴径向支撑的径向力（或前端径向支撑中点） 之间的距离。它主要取决于主轴端结构、前支承轴承和密封装置的形式和尺寸， 由结构设计确定。由于前悬对主轴部件的刚度和振动性能的影响，变形是对因 此两或三边成比例，满足结构要求的前提下，悬臂应尽可能缩短。 应在确定主轴的外伸的前端结构如下要求：主轴的前端应安装切削液喷嘴 位置；轴承的宽度 b = 27；轴承挡圈的厚度 b = 8；在支撑和轴肩宽度的安装位 置在主轴。 4.2.4 主轴支承跨距 L 的确定 支承跨距是主轴两支承轴支承点之间的距离，合理确定支承跨距是获得主 轴部件最大静刚度的重要条件之一。在过去，确定最佳轴承跨度，更是保证主 16 轴的径向刚度的角度来看，为保证讨论的最佳跨距下主轴的轴向刚度的前提下 减少，但与常用的两支撑卸载主轴结构，这个问题已经越来越受到人们的关注。 在龙门 XK2116 数控镗铣床主轴设计，传动功率是由同心的内、外齿轮传 动传给主轴，主轴，因此，主轴不承受径向力引起的传输。对于这两种轴承主 轴结构的这种情况，当末端受偏心力作用时，要保证在轴向刚度条件下，最佳 跨度可以通过公式求得： 1/31/3 44 011 1212 1111 66 64 lEJEDd KKKK 式中：E 为弹性模量；J 为主轴跨距部分的惯性矩；为主轴前支撑刚度； 1 K 为主轴后支撑的支撑刚度；为主轴跨距部分的平均直径；为主轴跨距 2 K 1 D 1 d 部分的平均孔径。 对于 XK2116 数控龙门镗铣床，主轴所用材料为，属合金钢。可查得：40Cr 。取，。 52 2.156 10/EN mm 1 160Dmm 1 80dmm 同时，根据经验可得，按估算求出的、值往往偏大，在计算时可适当 1 K 2 K 取小，现取，。 1 850000/KN mm 2 600000/KN mm 将以上数据代入公式，求得：。 0 480.5lmm 考虑到适当加大跨距有利于提高主轴旋转精度和抗震性，并根据结构需要 取。 0 0.5lm 4.2.5 选择轴的材料和热处理方法 选择轴的材料为 40Cr， ，经调质处理，其机械性能有设计手册查得 =700Mpa，=500Mpa，=185Mpa b s 1 查机械设计手册得 =190Mpa 1 b 4.2.7 初选轴承 铣床的设计主要用于铣削和钻削，轴承在径向载荷作用下，轴向载荷是受 力的，单排圆锥滚子轴承的组合又回到了后面。根据工作要求和后桥颈直径 17 （50mm），选择单列圆锥滚子轴承 32010 型轴承目录，其尺寸（内径外径 宽度）为 dDb=508020。 4.3 轴的结构设计 4.3.1 拟定轴上零件的装配方案 本设计主轴与主轴箱的原，根据结构，主轴轴零件的定位，加工要求和不 同的零件组装，结构设计方案，基本要求的参考轴，轴的结构如图所示。 图图 4-2 主轴的结构主轴的结构 图 4-2，连杆和 BT50 拉刀抓，从右边进洞，然后加载 BT50 柄；齿轮、轴 承、轴套、轴承和电磁铁固定架从左到法兰盖从右侧进入轴承套筒螺纹连接。 4.3.2 确定轴各段的直径 根据前面的计算知：最小直径 D=45mm，小轴承用锁紧螺母进行轴向固定， 所以取轴段 1 外螺纹的直径 M =45mm；根据轴承的型号以及与轴的配合关系， 1 取轴段 2 的直径=50mm。 2 D 轴段 4 处装小齿轮，承受很大的径向力，同时主轴是空心的，考虑到主轴 的整体刚性，取轴段 4 的直径=75mm，小齿轮用锁紧螺母压紧，则轴段 4 的 4 D 直径比轴段 3 的直径大 23mm，所以取轴段 3 处的外螺纹直径 M =72mm。 4 轴段 5 上有两个轴套，轴套左侧用于定位小齿轮，中间用来压紧和定位电 磁铁固定架，考虑到拆卸方便，轴段 5 要比轴段 4 大 23mm，同时要比轴段 6 小 23mm 因此取轴段 5 的直径=78mm，轴段 6 的直径=80mm。 5 D 6 D 18 大齿轮主要靠轴段 7 的轴肩来定位的，为了保证定位可靠，轴段 7 要比轴 段 6 的直径大 510mm，但是考虑到主轴前端的内孔交大，因此取轴段 7 的直 径为=92mm。 7 D 轴段 8 是前轴颈，主轴的直径因与轴承的内径相等，考虑到轴承的型号以 及与主轴的配合关系，取轴段 8 的直径=95mm，轴承的型号为 32109。 8 D 主轴前端内孔采用 7：24 的锥度，装 BT50 的刀柄，内孔较大，取轴段 10 的外径=127mm，轴段 9 主要起定位作用，因比轴段 10 大 510mm，因此 10 D 取轴段 9 的直径为=137mm。 9 D 4.3.3 确定各轴段的长度 轴段 4 和 6 的长度要比轮毂宽度（38mm）短 23mm，故这两处轴段的长 度取为 36mm。其中轴段 4 不包括退刀槽的长度。 轴段 1 和 3 有外螺纹，装径向锁紧螺母，故轴段 1 和 3 的长度比锁紧螺母 长 23mm，取轴段 1 的长度为 15.7mm，轴段 3 的长度为18.2mm 轴段 7 主要与轴承套配合，压紧轴承，为了保证轴承套与大齿轮之间有一 定的间隙，取轴段 7 的长度为 25mm；轴段 8 是后轴颈，所选轴承的宽度 B=32mm，轴承挡环的宽度 T=8mm，故取轴段 8 的长度为 44mm。 轴段 9 是一个轴肩，主要起定位作用，取轴段 9 的长度为 11 即可；主轴的 前端面要装端面键，同时主轴前端要留下装切削液喷头的位置，因此取轴段 10 的长度为 69mm。 主轴内孔要装拉杆、拉刀抓及 BT50 刀柄，整体装配起来应该让拉杆不要 伸出主轴内孔太长，否则铣床的整体动刚度不好，根据主轴和主动轴的整体装 配关系，取轴段 1 的长度为 75.4mm，轴段 5 的长度为 209mm。 综上所述，主轴的跨距 L500mm，悬伸量 a=96mm 4.3.4 轴向零件的周向固定 齿轮、电磁铁固定架与轴的周向定位均采用半圆键联接。对于齿轮，由手 册查得半圆键的截面尺寸宽高直径=101332(GB/T1098-2003)，键槽用键槽 铣刀加工，长为 29。7mm(标准键长见 GB1096-79)；对于电磁铁固定架，由手 册查得半圆键的截面尺寸宽高直径=6922(GB/T1098-2003)，键槽用键槽铣 19 刀加工，长为 29.7mm(标准键长见 GB1096-79)，轴承与轴的周向定位是采用过 盈 配合来保证的。 4.3.5 确定轴上倒角和退刀槽的尺寸 取主轴前端的倒角为445，其余倒角 145；所有退刀槽的尺寸为 21 4.4 主轴刚度的计算 轴在荷载作用下会产生弯曲和扭转变形。如果变形量超过允许限度，就会 影响轴类零件的正常工作，甚至破坏铣床的工作性能。因此，在设计一个重要 的轴，必须检查轴的变形，这被称为刚性计算的轴的设计 刚度计算包括扭转刚度计算和弯曲刚度计算两种。前者以扭转角 来度量； 后者以挠度 y 和截面转角 来度量。本文以弯曲刚度校核，查机械设计手册知： y=0.00025L；圆锥滚子轴承处的偏转角0.0016rad。 主轴的简化和弯曲刚度的计算 1、如主轴前后轴承颈之间有数段组成，则当量直径 d 1 12 2n n d ld ld l d l 式中：、；、；、分别为各段的直径和长度 1 d 1 l 2 d 2 l n d n l 总长， =+（mm）ll 1 l 2 l n l =78.6mmd 373 3 . 289525923680209783875 2 . 2172 5 . 1550 2、主轴切削力的计算 切 F 根据公式 P=得：=，则当线速度 最小时，切削力最大 切 Fv 切 F v P v =0.21m/s min v min 1000 60 Dn 601000 4010014 . 3 =25.7KN 切 F v P5.4 0.21 3、挠度的计算 20 主轴的前悬伸部分较粗，刚度较高，其变形可以忽略不计。后悬伸部分不 影响刚度。当主轴前端作用一外载，则挠度 切 F y=（mm）=10 （m） EI laF 3 2 切 EI laF 3 2 切3 式中 典型切削工艺的切削力 切 F 前悬伸，等于载荷作用点至前支承点间的距离（mm）a 跨距，等于前后支承之间的距离（mm）l 弹性模量，钢取210 （Mpa） 5 I截面惯性矩，I=0.05（-）（mm ） 4 d 4 i d 4 ，主轴的外径和孔径（mm）d i d 将 E 和 I 的值待人，可得 =79m0.0002L=0.09325mm 2 44 30() i F a l y dd 切 ）（ 44 23 32 6 . 7830 3739610 7 . 25 4、偏转角 主轴切削工件时承受很大的切削力，主轴前端产生弯曲变形，查机床设计 手册得 D )32( 6 al EI aF 切 式中 主轴前端偏转角(rad) D 、与前面相同 切 Fal 代入数据得 (2373+369)0.0011 rad D ）（ 445 3 32 6 . 7805 . 0 1026 9610 7 . 25 所以 =0.0016 rad D 综上所述 主轴的刚度满足条件，不必重新设计。 21 第五章 齿轮传动设计与计算 一般，设计齿轮传动时，已知的条件是：传递的功率 P=5.4KW，转速 n=5rmin600rmin，传动比暂取 i=1.78；预定的寿命 5 年，每年工作 300 天，每天 24 小时。 在设计的初期，齿轮的尺寸和参数往往是未知的，并且一些系数的数值不 能准确地确定，因此不能进行准确的计算。因此，通常需要首先选择一些参数， 然后根据简化的计算方法确定主要尺寸，然后进行精确的检查计算。当主要参 数和几何尺寸都正确时，进行齿轮的结构设计，绘制零件的工作图。 5.1 主要参数的选择 1、模数 m 模数由强度计算或结构设计确定，要求圆整为标准值，传递动 力的齿轮传动 m2。初步确定模数时，对于软齿面齿轮(齿面硬度)350HBS）外 啮合传动 m=（0.0070.02）a；载荷平稳，中心距过大时取小值，本文所设计 的主轴传动采用已有的箱体，可以知道中心距 a=150mm，因此取模数 m=0.015a=2.25mm，将模数圆整到标准值，取 m=2.5mm 2、螺旋角 角太小，将失去斜齿轮的优点；但太大将会引起很大的轴 向力。一般取 =8 -15 ，此处取 =13 。 000 3、齿数 z 中心距一定时，齿数越多，重合度增大，传动稳定性提高。同 时齿数小，齿顶圆直径小，可减少金属切削量，节约材料，降低加工成本。然 而，当齿数增加时，模数减小，齿轮的弯曲强度减小。因此，应采取更多的牙 齿，以满足弯曲强度的要求。 5.2 齿轮的设计与计算 5.2.1、选择材料 查机床设计手册，小齿轮：20CrMnTi，渗碳淬火，硬度 4555HRC 大齿轮：20CrMnTi，渗碳淬火，硬度 4555HRC 按 MQ 级质量要求取值，查得=780N/mm ，=820N/mm ； lim1H 2 lim2H 2 22 =620 N/mm ，=640 N/mm 。 1FE 2 2FE 2 5.2.2 有关参数和系数的确定 最大转矩 =3.43810 N max T 4 载荷系数 K 查表取 K =1.4 齿宽系数 查设计手册取=0.25 a a 5.2.3 中心距及主要参数的确定 本文根据原有数控铣床的结构进行设计，用原有的主轴箱，根据主轴箱的 结构要求，确定齿轮啮合时的中心距 a=150mm 按经验公式，=(0.0070.02)a=(0.0070.02)150mm=1.053 n m 取标准模数=2.5mm n m 初取 =13 ，cos=cos13 =0.9744 00 初取齿数比 =1.78 =42.06 z1 2 cos (1) n a m ) 178. 1 (5 . 2 9744 . 0 1502 取=42，则=1.7842=74.76，则取=75z 1 z 2 z 1 z 2 精求螺旋角 cos=0.975 12 () 2 n m a zz 1502 )7542(5 . 2 即 =arccos0.975=12 48 24 ，此值与初选 值相差不大，故不必重新计算。 0 传动比 =1.786，此值与初选齿数比相差不大，故不必重新计算i z z 1 2 42 75 5.2.4 许用弯曲应力 F 1、当量齿数为： =45.3 zvzv1 3 1 cos z 3 975 . 0 42 =80.9 zv2 3 2 cos z 3 975 . 0 75 23 根据当量齿数查得：齿形系数=2.37，=2.25 1F Y 2F Y 应力修正系数=1.69，=1.77 1S Y 2S Y 2、应力循环次数 =60=6012001（533024）=2.8510 2 Nnj h L 9 =2.8510 1.786=510 1 N 2 Ni 99 根据、查得：=0.86，=0.88 1 N 2 N 1N Y 2N Y 3、查机械设计手册得：安全系数=1.4 F S 根据公式=得：许用弯曲应力 F limNF F Y S =393Mpa F 1 1limNF F Y S 4 . 1 64086 . 0 =389Mpa F 2 2limNF F Y S 4 . 1 62088 . 0 5.2.5 主要尺寸的计算 分度圆直径 d： =107.7mm 1 d 1 cos n m z 975 . 0 425 . 2 =192.3mm 2 d 2 cos n m z 975 . 0 755 . 2 齿宽 b =0.25150=37.5mmb a a 取=38mm 1 b 2 b 5.2.6 校核齿面接触疲劳强度 =3.17 H E Z 1 2 1 (1)KT bd H 确定有关系数和参数 1、许用接触应力 H 24 查机械设计手册得=850Mpa，安全系数=1.2 lim1H lim2H H S 根据、查得=0.86，=0.88 1 N 2 N 1N Z 2N Z 许用弯曲应力 =609Mpa H 1 1lim1NH H Z S 2 . 1 85086 . 0 =623Mpa H 2 2lim2NH H Z S 2 . 1 85088 . 0 查设计手册得：弹性系数=189.8，故 E Z =3.17189.8=246.7Mpa H 786 . 1 7 . 10738 ) 1786. 1 (10438 . 3 4 . 1 2 4 ，齿面接触疲劳强度合格。 H H 1 5.2.7 验算齿轮圆周速度v =22.5m/s max1 v 1max 60 1000 d n 100060 4000107.714 . 3 =40.25m/s max2 v 2max 60 1000 d n 100060 4000192.314 . 3 查机械设计手册知选择 6 级精度即可，至此齿轮的设计与校核已经全部完成。 25 第六章 轴承的设计与计算 数控铣床的设计主要用于铣削和钻削，轴承的径向载荷和轴向载荷都是受 试者，根据轴承的负载特性，选择单列圆锥滚子轴承背靠背。 查轴承手册得：32010 型轴承基本额定动载荷 Cr=61KN，e=0.42，Y =1.4。 32109 型轴承基本额定动载荷 Cr=175KN，e=0.44，Y =1.4。 6.1 轴承当量动载荷的计算 6.1.1 切削力的计算 根据公式 P=得：=，根据典型切削工艺取 n=1200r/min 切 Fv 切 F v P =6.28m/sv 601000 Dn 601000 120010014. 3 =0.86KN 切 F v P 28 . 6 4 . 5 6.1.2 径向力的确定 单列圆锥滚子轴承背对背组合，如图 5-1 所示，可知： =0.86=0.22KN 1r F 373 96 F切 373 96 =+=0.22+0.86=1.08KN 2r F 1r FF切 图图 6-1 轴承受载示意图轴承受载示意图 6.1.3 计算两轴承的派生轴向力 s 查机械设计手册得，单列圆锥滚子轴承的派生轴向力为 S=/(2Y)，则 r F 26 =0.08KN 1 S 1 2 r F Y4 , 12 22 . 0 =0.39KN 2 S 2 2 r F Y 1.08 2 1.4 6.1.4 计算两轴承的轴向载荷 轴承外加的轴向力=2KN A F +=0.39+5=2.39KN 2 S A F 1 S 所以轴承被“压紧”，轴承被“放松”，故 =+=2.39KN 1a F 2 S A F =0.39KN 2a F 2 S 6.1.5 计算两轴承的当量动载荷 P 查机械设计基础得：载荷系数=1.5 p f 轴承的当量动载荷 P1： =10.8e=0.42 1 1 a r F F22 . 0 39 . 2 查机械设计手册得：=0.4，=1.4 1 X 1 Y =(+ Y)=1.5(0.40.22+1.42.39)=5.2KN 1 P p f 1 X 1r F 1a F 轴承的当量动载荷 P1： =0.36e=0.44 2 2 a r F F08 . 1 39 . 0 查机械设计手册得：=1，=0 2 X 2 Y =1.51.08=1.62KN 2 P p f 2r F 6.2 验算两轴承的寿命 由于轴承是在正常温度下工作，t 6.014.0有 2、碟形弹簧按外径 D、压平时变形量和厚度 t 的比值 D/t、/t 分为三个系 0 h 0 h 列，如表 8-2 所示 表表 8-2 碟簧按外径碟簧按外径 D 的分类的分类 系列D/t /t 0 h E(Gpa)uf A180.42060.3 0.75 0 h B180.752060.3 0.75 0 h C281.32060.3 0.75 0 h 8.2 弹簧的许用应力和疲劳极限 8.2.1 碟形弹簧按其载荷性质分为两类： 1、静载荷作用载荷在规定寿命内变化次数小于 110 次。 4 2、变载荷作用在碟簧上的载荷，在预知载荷和工作载荷之间，在规定 1 F 2 F 寿命内变化次数大于 110 次。 4 （1） 、静载荷作用下碟簧许用应力 静载荷作用下的碟簧，应通过校核 OM 点的应力来保证自由高度的稳定， OM 0 H 在压平时的应接近弹簧材料的屈服点。 OM s （2）变载荷作用下碟簧的疲劳极限 8.2.2 变载荷作用下碟簧使用寿命可分为两类 1、有限寿命可以在持久强度范围内承受 110 -210 次有限的加载次数值至 66 破坏 2、无限寿命可以在持久强度范围内承受 210 次有限的加载次数值至破坏 6 33 8.3 碟形弹簧的设计与计算 碟簧的组合方法包括折叠组合、组合和复合组合。本文设计的铣床采用反 向组合的方法，结构简单，切屑数量少。 主轴采用的是 BT50 的刀柄，通常 BT50 的刀柄需要用 3.5 吨的力才能拉紧， 既工作载荷=35009.8=34300N，在装配时用锁紧螺母固定弹簧，预紧力为 2 F =2000N，使用过程中要求弹簧的最大变形量为 8.5mm，根据要求设计合适的 1 F 弹簧组合。 1、根据要求查机械设计手册，从、B、C 系列中选取一个规格，其尺寸 和参数如下表， F=0.75 0 h 碟簧D/mmd/mmt/mm /mm 0 h/mm 0 H F/f/mm 或 II III A1005162.28.248001.651420 B100513.52.86.3131002.11050 C100512.73.56.286102.631240 2、由=1.96 查机械设计手册得0.686，碟簧有支承面时，取 d D 51 100 1 K =1.6 4 k 当碟簧压平时碟簧载荷 = C F 3 2 0 4 42 1 4 1 t hE K k D 其中：弹性模量（pa） ，弹簧钢取 E=2.06pa 5 10 泊松比，弹簧钢取 =0.3 带入数据解得=1.47N C F 5 4 4 2.06 10 1 0.3 3 2 62.2 0.686 100 2 1.6 5 10 3、根据=0.4 和=0.23 由查得=0.22 0 h t6 2 . 2 2 c F F 5 34300 1.47 10 1 0 f h 34 由此变形量=0.22=0.48mm 1 f 0 h 满足总变形量=8.5，所需的碟簧片数为 =17.7，取 =18 片 z fi 1 z f f48 . 0 5 . 8 i 对合碟簧组的总自由高度为 =188.2=147.6mm z Hi 0 H 承受载荷 3.5 吨时的高度 =147.6180.48=138.96mm 1 H z H 1z f 8.4 碟形弹簧的校核 1、由、求、 1 F 2 F 1 f 2 f 根据上面的计算知：=1.47N C F 5 10 因此 /=0.03 /=0.23 1 F c F 5 2000 1.47 10 2 F c F 5 34300 1.47 10 按照 =0.4，查图 5-1 得到/= /=0.22 0 h t 1 f 0 h 2 f 0 h 由此 =0.03=0.032.2=0.066mm 1 f 0 h =0.22=0.222.2=0.48mm 2 f 0 h 3、疲劳破坏的关键部位 由=0.64 和 C=1.96，查图 8-3 得，疲劳强度破坏的关键部位在二点或 4 k 0 h t 0 h t 0 4 h k t 35 图图 8-3 碟簧疲劳破坏的关键部位碟簧疲劳破坏的关键部位 4、计算应力并检验碟簧寿命 II 当=0.066mm 时，由下式得： 1 f =（-）- II 2 4 1 E 2 2 1 t K D 4 K t f 42 K K 0 h tt f 2 3 K =-1.61.61.2111(-)- 5 2 4 2.06 10 1 0.3 2 2 6 0.686 1006 12 . 0 6 2 . 2 62 12 . 0 1.362Mpa=55.34Mpa 当=0.22 时，由下式得： 2 f =（-）- II 2 4 1 E 2 2 1 t K D 4 K t f 42 K K 0
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