毕业设计（论文）-CK6136数控卧式车床机械结构设计（全套图纸） .pdf

目 录 1 数控车床的加工特点分析 . 1 1.1 数控车床的优点 1 1.2 数控车床加工特点 1 1.3 适合数控车床加工的零件 2 2 总体方案设计 . 4 2.1 主传动的组成部分 5 2.2 机床主要部件及其运动方式的选定 6 2.3 机床参数的拟定 6 2.4 各组成部件的特性与所应达到的要求 9 3 机床主传动设计 11 3.1 主要技术参数的确定 . 11 3.2 电动机的选择 . 19 3.3 齿轮传动的设计计算 . 20 3.4 轴的设计计算 . 22 4 横向进给系统的设计计算 34 4.1 滚珠丝杠螺母副的选择计算 . 34 4.2 步进电机的选择 . 38 5.1 绘制控制系统结构框图 . 41 5.2 选择中央处理单元（cpu）的类型 42 5.3 存储器扩展电路设计 . 42 5. i/o 接口电路及辅助电路设计 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 致 谢 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 附 录 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 1 1 数控车床的加工特点分析 1.1 数控车床的优点 数控车床已越来越多的应用于现代制造业，并发挥出普通车床无法比拟的优势， 数控车床主要有以下几优点： （1） 传动链短，与普通车床相比主轴驱动不再是电机 皮带 齿轮副机构变速， 而是采用横向和纵向进给分别由两台伺服电机驱动运动完成，不再使 用挂轮、离合器等传统部件，传动链大大缩短。 （2） （3） 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 （2） 刚性高，为了与数控系统的高精度相匹配，数控车床的刚性高，以便适应 高精度的加工要求。 （3） 轻拖动，刀架（工作台）移动采用滚珠丝杠副，摩擦小，移动轻便。丝杠 两端的支承式专用轴承，其压力角比普通轴承大，在出厂时便选配好；数控车床的润 滑部分采用油雾自动润滑，这些措施都使得数控车床移动轻便。 1.2 数控车床加工特点 （1） 自动化程度高，可以减轻操作者的体力劳动强度。数控加工过程是按输入 的程序自动完成的，操作者只需起始对刀、装卸工件、更换刀具，在加工过程中， 主 要是观察和监督车床运行。但是，由于数控车床的技术含量高，操作者的脑力劳动相 应提高。 2 （2） 加工零件精度高、 质量稳定。 数控车床的定位精度和重复定位精度都很高， 较容易保证一批零件尺寸的一致性，只要工艺设计和程序正确合理，加之精心操作， 就可以保证零件获得较高的加工精度，也便于对加工过程实行质量控制。 （3） 生产效率高。数控车床加工是能再一次装夹中加工多个加工表面，一般只 检测首件，所以可以省区普通车床加工时的不少中间工序，如划线、尺寸检测等，减 少了辅助时间，而且由于数控加工出的零件质量稳定，为后续工序带来方便，其综合 效率明显提高。 （4） 便于新产品研制和改型。数控加工一般不需要很多复杂的工艺装备，通过 编制加工程序就可把形状复杂和精度要求较高的零件加工出来，当产品改型，更改设 计时，只要改变程序，而不需要重新设计工装。所以，数控加工能大大缩短产品研制 周期，为新产品的研制开发、产品的改进、改型提供了捷径。 （5） 可向更高级的制造系统发展。数控车床及其加工技术是计算机辅助制造的 基础。 （6） 初始投资较大。这是由于数控车床设备费用高，首次加工准备周期较长， 维修成本高等因素造成。 （7） 维修要求高。数控车床是技术密集型的机电一体化的典型产品，需要维修 人员既懂机械，又要懂微电子维修方面的知识，同时还要配备较好的维修装备。 1.3 适合数控车床加工的零件 （1） 最适合多品种中小批量零件。随着数控车床制造成本的逐步下降，现在不 管是国内还是国外， 加工大批量零件的情况也已经出现。 加工很小批量和单件生产时， 如能缩短程序的调试时间和工装的准备时间也是可以选用的。 （2） 精度要求高的零件。有于数控车床的刚性好，制造精度高，对刀精确，能 方便的进行尺寸补偿，所以能加工尺寸精度要求高的零件。 （3） 表面粗糙度值小的零件。在工件和刀具的材料、精加工余量及刀具角度一 定的情况下，表面粗糙度取决于切削速度和进给速度。在加工表面粗糙度不同的表 面时，粗糙度小的表面选用小的进给速度，粗糙度大的表面选用大些的进给速度，可 变性很好，这点在普通车床很难做到。 （4） 轮廓形状复杂的零件。任意平面曲线都可以用直线或圆弧来逼近，数控车 床具有圆弧插补功能，可以加工各种复杂轮廓的零件。 3 4 2 总体方案设计 机床工业是机器制造业的重要部门，肩负着为农业、工业、科学技术和国防现代 化提供技术装备的任务，是使现代化工业生产具有高生产率和先进的技术经济指标的 保证。设计机床的目标就是选用技术先进。经济效果显著的最佳可行方案，以获得高 的经济效益和社会效益。 我国是一个机床拥有量大、 大部分机床役龄长、数控化程度不高的发展中国家。 因此，从事机床设计的人员，应不断地把经过实践检验的新理论、新技术、新方法应 用到设计中，做到既要技术先进、经济效益好、效率高。要不断的吸收国外的成功经 验，做到既要符合我国国情，又要赶超国际水平。要不断的开拓创新，设计和制造出 更多的生产率高、静态动态性能好、结构简单、使用方便、维修容易、造型美观、耗 能少、成本低的现代化机床。设计本着以上原则进行，尽量向低成本、高效率、简化 操作、符合人机工程的方向考虑。 图 1 ck6136 数控卧式车床 5 2.1 主传动的组成部分 主传动由动力源、变速装置及执行元件（如主轴、刀架、工作台等）部分组成。 主传动系统属于外联系传动链。 主传动包括动力源（电动机） 、变速装置、定比传动机构、主轴组件、操纵机构等 十部分组成。 2.1.1 动力源 电动机或液压马达，它给执行件提供动力，并使其获得一定的运动速度和方向。 2.1.2 定比传动机构 具有固定传动比的传动机构，用来实现降速、升速或运动联接，本设计中采用齿 轮和带传动。 2.1.3 变速装置 传递动力、运动以及变换运动速度的装置，本设计中采用两个滑移齿轮变速组和 一个背轮机构使主轴获得 18 级转速。 2.1.4 主轴组件 机床的执行件之一，它由主轴支承和安装在主轴上的传动件等组成， 2.1.5 开停装置 用来实现机床的启动和停止的机构，本设计中采用直接开停电动机来实现主轴的 启动和停止。 2.1.6 制动装置 用来控制主轴迅速停止转动的装置，以减少辅助时间。本设计中采用电磁式制动 器。 2.1.7 换向装置 用来变换机床主轴的旋转方向的装置。本设计中采用电动机直接换向。 2.1.8 操纵机构 控制机床主轴的开停、换向、变速及制动的机构。本设计中，开停、换向和制动 采用电控制；变速采用液压控制。 2.1.9 润滑与密封 为了保证主传动的正常工作和良好的使用寿命，必须有良好的润滑装置和可靠的 密封装置。本设计中采用箱外循环强制润滑，主轴组件采用迷宫式密封。 2.1.10 箱体 上述个机构和装置都装在箱体中，并应保证其相互位置的准确性。本设计中采用 灰铁铸造箱体。 6 2.1.11 刀架 数控机床中为了实现对刀架的自动控制，采用制动转位刀架。 2.2 机床主要部件及其运动方式的选定 2.2.1 主运动的实现 根据设计要求，本设计采用分离式主传动系统，包括变速箱、主轴箱两部分。其 中，变速箱与电动机至于机座内，主轴箱与变速箱采用带传动连接。所有的变速都采 用液压操作。 2.2.2 进给运动的实现 本次所设计的机床进给运动均由单片机进行数字控制，因此在 x、y 方向上，进 给运动均采用滚珠丝杠螺母副，其动力由步进电机通过齿轮传递。齿轮的消隙采用偏 心环调整。 2.2.3 数字控制的实现 采用单片机控制，各个控制按扭均安装在控制台上，而控制台摆放在易操作的位 置，这一点须根据实际情况而定。 2.2.4 机床其它零部件的选择 考虑到生产效率以及生产的经济性，机床附件如油管、行程开关等，以及标准件 如滚珠丝杠、轴承等均选择外购形式。 2.3 机床参数的拟定 2.3.1 主参数的拟定 机床设计的初始，首先需要确定有关参数，它们是传动设计和结构设计的 依据，影响到产品是否能满足所需要的功能要求。 机床主参数直接反映机床的加工能力、特性，决定和影响其它基本参数的数值， 如车床的最大加工直径 d。 机床基本参数是一些与加工工件尺寸、机床结构、运动和动力特性有关的数， 可归纳为：尺寸参数、运动参数和动力参数。 在拟定参数时，还要考虑机床发展趋势的要求，与国内外同类型机床的对比 等，使拟定的参数 能满足机床在经济合理的原则下，最大限度地适应各种不同的工 艺要求。 设计题目中已直接给出 ck6136 数控车床的主参数： 最大工件回转直径 d=360 刀架上最大工件回转直径 d1=180 7 选取最大工件长度 l=1000 主轴通孔直径 d=36 主轴头号： （jb2521- 79）5 号 2.3.2 拟定基本参数的步骤和方法 （1） 极限切削速度 vmax、vmin 根据典型的和可能的工艺选取极限切削速度要考虑：工序种类、工艺要求、刀具 和工件材料等因素。允许的切削速度极限参考值如下： 表 1 极限切削速度参考值 加 工 条 件 vmax（m/min） vmin（m/min） 硬质合金刀具粗加工铸铁工件 3050 硬质合金刀具半精加工碳钢工件 150300 螺纹（丝杠等）加工和铰孔 38 通过比较最后选取： vmax=300 minm vmin=6 minm （2） 主轴的极限转速 计算车床主轴极限转速时的的加工直径， 按经验分别取 （0.10.2） d和(0.450.5)d。 则主轴极限转速应为： max n= d v )2 . 01 . 0( 1000 max minr min n= d v )5 . 045 . 0 ( 1000 min minr 在 nmin中考虑车螺纹和铰孔时，其加工最大直径应根据实际加工情况选取 0.1d 和 50 左右。 在最后确定 nmax，nmin时，还应与同类型车床进行对比。根据切削需要，主轴极 限转速确定为： nmax= min 1000 d vmav = 36013 . 0 3001000 =2040 minr nmin= max min 1000 d v = 50 61000 =38 minr 转速范围 r= min max n n = 38 2040 =53.68 8 考虑到设计的结构复杂程度要适中,故采用常规的扩大传动, 已知级数 z=18。 今以 =1.26 和 1.41 代入 r= (z- 1)式，得 r=50.85 和 344,因此取公比 1.26 更为 合适。 各级转速数列可直接从标准数列表中查出。标准数列表给出了以 =1.06 的从 110000 的数值，因 1.26=1.06 4 ，从表中找到 nmax=2000，就可每隔 3 个数值 取出一个数，得： 2000， 1600， 1250， 1000， 800， 630， 500， 400， 315， 250， 200， 160， 125，100， 80， 63， 50， 40 共 18 级转速。 （3） 主轴转速级数 z 和公比 已知 nmax / nmin=rn n r = (z- 1) 且 z=2a3b （4） 主电机功率动力参数的确定 合理地确定电机功率 n，使机床既能充分发挥其使用性能，满足生产需要，又不 致使电机经常轻载而降低功率因素。 一般采用估算法类比法相结合方法确定通用机床电机功率。 a 中型普通车床典型重切削条件下的的用量 刀具材料：yt15； 工件材料：45 号钢； 切削方式：车削外圆。 推荐数据： 表 2 切削用量推荐表 系列和规格 切削用量 320 400 普通型 轻型 普通型 轻型 切削深度 dp（t） 35 3 4 35 进给量 f（s）/r 035 025 04 035 切削速度 v m/min 90 75 100 80 b 功率估算法用的计算公式 1） 、主切削力： fz=1900apf 0.75 =19003.50.350.75 =3026n； 2)、切削功率： n切= 61200 vfz = 61200 953026 =4.7kw； 3） 、估算主电机功率： n= 总 切 n = 8 . 0 7 . 4 =5.875kw 9 n 值必须按我国生产的电机在 y 系列的额定功率选取，计有 2.2 、3.4 、5.5、 7.5、 10、 11kw 等。 因此选取 n=5.5kw。 2.4 各组成部件的特性与所应达到的要求 2.4.1 床身 机床床身采用优质铸铁，内部筋采用 u 形布局，床身整体刚性高。滑动导轨面采 用中频淬火， 淬硬层深。 硬度达 hrc52 以上， 拖板滑动面贴塑， 使得进给系统的刚度， 摩擦阻尼系数等动、静特性都处于最佳状态。 2.4.2 床头箱结构 机床主传动采用液压操纵机构，可实现十八级转速。机床主轴箱内的传动齿轮均 经淬硬磨齿处理，传动比稳定，运转噪音低。机床主轴为二支撑结构，前支撑采用 c 级高精度轴承，润滑油润滑，提高了回转精度，使机床主轴具有良好的精度和刚性。 机床采用单片式电磁刹车离合器，解决主轴的刹车及离合问题，离合器安装于床头箱 带轮侧，使床头箱内结构大为简化，便于维修。 2.4.3 进给系统 机床两轴进给系统采用步进电机驱动滚珠丝杠的典型传动方式，在滑板与床鞍及 床鞍与床身之间的滑动面处贴有 tsf 导轨板，滑动磨擦系数非常小，有助于提高了机 床的快速响应性能及生产效率。在进给系统各滑动处及两轴丝杠丝母处都设置了润滑 点。 2.4.4 刀架 机床采用立式四工位刀架，该刀架布刀方便，刚性好。 2.4.5 尾座 采用手动尾座 2.4.6 冷却系统 冷却箱放在后床腿中。 2.4.7 卡盘 机床标准配置为_250 手动卡盘。 2.4.8 电气系统 电路的动力回路，均有过流、短路保护，机床相关动作都有相应的互锁，以保障 设备和人身安全。电气系统具有自诊断功能，操作及维修人员可根据指示灯及显示器 等随时观察到机床各部分的运行状态。 10 2.4.9 安全保护 当机床遇到外部突然断电或自身故障时，由控制电路的设计，机床可动进给轴， 冷却电机等如已在“启动”状态者，将进入“停止”状态；如已在“停止”状态的则不可自 行进入启动状态，确保了机床的安全。另外由于机床计算机内的控制程序是“固化”在 芯片中的，而零件加工程序是由电池供电保护的，所以，意外断电或故障时，不会丢 失计算机内存储的程序菜单。 机床具有报警装置及紧急停止按钮，可防止各种突发故障给机床造成损坏。由于 软件的合理设计， 报警可通过显示器显示文字及报警号， 通过操作面板的指示灯指示； 机床根据情况将报警的处理方式分为三类：对紧急报警实行“急停”；对一般报警实行 “进给保持”；对操作错误只进行“提示”。 11 3 机床主传动设计 3.1 主要技术参数的确定 机床的主要技术参数包括主参数和基本参数。主参数是机床参数中最主要的，它 必须满足以下要求： a、 直接反映出机床的加工能力和特性； b、决定其他基本参数值的大小； c、 作为机床设计的出发点； d、作为用户选用机床的主要依据。 对于通用机床（包括专门化机床） ，主参数通常都以机床的最大加工尺寸表示， 只有在不适用于用工件最大尺寸表示时，才采用其他尺寸或物理量。如卧式镗床的主 参数用主轴直径，拉床用额定拉力等。为了更完整地表示出机床的工作能力和加工范 围，有时在主参数后面标出另一参数值，称为第二主参数。如最大工件长度、最大跨 度、主轴数和最大加工模数等。 除主参数外，机床的主要技术参数还包括下列基本参数： a、 与工件尺寸有关的参数； b、与工、夹、量具标准化有关的参数； c、 与机床结构有关的参数； 3.1.1 尺寸参数 表 3 机床主要尺寸参数内容 与工件主要尺 寸有关的参数 最大加工 尺寸 最大加工直径或最大工件直径，最大加工模数、螺旋角 主轴通孔直径 最大加工长度或最大工件长度 最大工件安装尺寸。 如工作台尺寸、 主轴端面至工作台面最 大距离、主轴中心线至工作台面最大距离或立柱间距等 最小工件加工尺寸。 如主轴中心线至工作台面距离、 最小车 削直径、最小磨削外径或孔径等 部件运动 尺寸范围 刀架、工作台、主轴箱、横梁的最大行程 刀架、工作台、砂轮（导轮）箱或摇臂的最大回转角度 与工、夹、量具标准化有关的 参数 主轴或尾架套筒的锥孔大小 工件头架或尾架的顶尖安装锥度 刀杆断面尺寸、刀夹最大尺寸、安装的刀具直径 工作台 t 型槽的尺寸和数目 与机床结构有关的参数 床身或摇臂的导轨宽度 花盘或圆工作台的直径 主轴中心线或工作台面至地面的高度 12 尺寸参数是表示机床工作范围的主要尺寸和工、夹、量具的标准化及机床结构有 关的主要参数。如普通车床横刀架上最大工件的回转直径，在相同中心高的情况下， 这一尺寸参数既决定加工长工件的最大直径，又决定刀架的厚度及其刚性。 机床的主参数主要决定于工件的尺寸。对于各类通用机床，已在调查研究各种工 件的基础上制定出了机床的参数标准，设计时应该遵照执行。专用机床的主参数则基 本上可以根据工件尺寸决定。 主参数系列采用优先数系，这样做有如下好处： （1）优先数按等比级数分级，能在较宽的范围内以较少的品种，经济合理地满 足用户的需要，即可把产品的品种规格限制在必需的最少范围内。 （2）优先数系具有各种不同公比的系列，因而可以满足较密和较疏的分级要求。 其他尺寸参数一般根据主参数来确定。但由于机床的使用情况比较复杂，这些 尺寸参数的确定还有相似分析法和图解分析法及回归分析法。由此可以得尺寸参数 表 4 ck6136 数控卧式车床的主要尺寸参数 参数项目 单位 数值 床身上最大工件回转直径 mm 360 刀架上最大工件回转直径 mm 180 主轴通孔直径 mm 36 主轴锥孔莫氏 nq 6 尾架顶尖套锥孔莫氏 nq 5 最大工件长度 l mm 750 刀杆截面尺寸 mm 2020 3.1.2 运动参数 运动参数包括机床主运动（切削运动）的速度范围和级数，进给量范围和级数以 及辅助运动的速度等，它是由加工表面成形运动的工艺要求所决定的。 主轴极限转速和变速范围 对于主运动为回转运动的机床，主轴极限转速为： min)( 1000 min max max r d v n = min)( 1000 max min min r d v n = 式中的 min d或 max d不是该机床可能加工的的最小或最大直径，而是认为是在机床 13 全部工艺范围内可以用最大切削速度 max v来加工时的最小工件直径和用最小切削速度 min v来加工时的最大工件直径，这样才能得出合理的极限转速值。 （1）极限切削速度 vmax、vmin 根据典型的和可能的工艺选取极限切削速度要考虑：工序种类、工艺要求、刀具 和工件材料等因素。 表 5 允许的切削速度极限参考值 加工条件 max v min v 硬质合金刀具粗加工 80120 硬质合金刀具半精加工 或精加工 150250 高速钢刀具低速光刀 10 安装磨头附件进行磨削 3.57.5 精铰孔 1.54 宽刀加工 1.53.5 精车丝杠或蜗轮 1.251.5 选择极限转速的典型条件为： a最大切削速度按硬质合金车刀半精车和精车钢料来取值考虑较小规格车床 可普遍采用可转位刀片，切速可适当提高，故对主参数为（最大工件回转直径） 250630mm 的车床取 250m/min,而大规格车床换刀费时取切速小些耐用度可以高些， 故8001000mm 的车床取 200m/min； b最小切速 min v可考虑两种情况，即（a）高速钢车刀精车丝杠和（b）高速钢车 刀低速光车盘类零件，故 min v分别取（a）1.5m/min 和（b）8m/min； c最小工件直径 min d，即使用 max v时可能遇到的最小工件直径，一般取 0.1； d最大工件直径 max d，当 min v为 b 中情况（a）时，即按车削丝杠可能遇到的最 大直径，取 0.1， min v为 b 中情况（b）时，按刀架滑板上最大工件回转直径1（对 多数车床10.5） 14 由上分析得到按典型加工条件选取的数值如下表所示： 表 6 典型加工条件选取的数值表 主参数 系列 极限切削速度（m/min） 最大和最小工件直径 （mm） 变速范围nr 最大工 件回转直 径 （mm） max v min v rv min d max d rn=rvrd （a） ( b ) （a） （b） 250630 250 1.5 8 （ a ） rv=166.7 （ b ） rv=31.25 0.1 d 0.1d d1 （0.5d） (a) rn=166.7 (b) rn=156.2 8001000 200 （ a ） rv=133.3 （b） rv=25 (a) rn=133.3 (b) rn=125 3.1.3 主轴转速的确定 （1）主轴最高转速 max n的确定 根据分析，用硬质合金车刀对小直径钢材半精车外圆时，主轴转速为最高，按经 验，并参考切削用量资料，取min/200mvmax=，k=0.5, rd=0.2, 则： 180mm3605 . 0dkdmax= 36mm1802 . 0drd maxdmin = min/1990r d 1000v n min max max = 15 （2）主轴最低转速 min n的确定 根据分析，主轴最低转速由以下工序决定： 用高速钢车刀，对铸铁材料的盘形零件粗车端面。按经验，并参切削用量资料， 取 vmax=15m/min,则最低转速为： min/27r 180 151000 d 1000v n max min min = = 3.1.4 转速范围及公比的确定 根据最高转速与最底转速可初步得出主轴转速范围 min max n n n r = 27 1990 73.7 则公比 29 . 1 7 . 73 118 1 = z n r 由设计手册取标准值得 =1.26 根据标准公比及初算 min n，查表取 min n=40r/min，则最高转速 max n= min n 17 =40 17 26 . 1 =2034r/min 则主轴转速范围 85.50 40 2034 = min max n n n r 且验算公比得 =1.25993 1.26,满足要求。 3.1.5 结构式与结构网的确定 1）结构式的确立 结构式的方案共有如下几种： 18=332 18=233 18=323 在上述方案中，三个方案可根据下述原则比较：从电机到主轴，一般为降速传 动。接近电机处的零件，转速较高，从而转矩较小，尺寸也就较小。如使传动副较多 的传动组放在接近电机处，则可使小尺寸的零件多些，而大尺寸的零件可以少些，这 样就节省省材料，经济上就占优势，且这也符合“前多后少”的原则。从这个角度考 虑，以取 18=332 的方案为好，本次设计即采用此方案。 根据设计要求确定如下结构式： 18 = 3（1） 3（3） 2（9） 基本组 扩一组 扩二组 2）构网的拟定 （1）传动副的极限传动比范围和传动组的极限变速范围 在降速时，为防止被动齿轮的直径过大而使径向尺寸太大，常限制最小传动比 16 max i1/4。在升速时，为防止产生过大的振动和噪声，常限制最大传动比 max i2。 （2）基本组和扩大组的排列顺序 原则是选择中间传动轴变速范围最小的方案。因为如果各方案同号传动轴的最高转速 相同，则变速范围小的，最低转速高，转矩小，传动件的尺寸也就小些。 根据前面求得的公比 =1.26,按照以上原则，选择最佳方案， 作结构网图如下图所示： n1 n2 n3 n4 n5 n6 n7 n8 n9 n10 n11 n12 n13 n14 n15 n16 n17 n18 图 2 车床结构网图 17 3.1.6 转速图的拟定 电动机和主轴的转速是已定的，当选定了结构式和结构网后，就可分配各传动组 的传动比，并确定中间轴的转速。再加上定比传动，就可画出转速图。中间轴的转速 如果能高一些，传动件的尺寸也就可以小一些。但是，中间轴如果转速过高，将会引 起过大的振动、发热和噪声。因此，要注意限制中间轴的转速，不使过高。 本次设计所选用的结构式共有三个传动组，变速机构共需 5 根轴，加上电动机轴 共 6 根轴，故转速图上需 6 条竖线；主轴共 18 种转速，电动机轴与轴 1 之间采用定 比传动。转速图如下图所示： 图 3 车床转速图 18 3.1.7 传动比参数的确定 （1） 、电动机与轴 1 传动副齿轮齿数的确定 因为铣床不需要正反转，为了便于速度的分配，该传动副采用定比传动，其传动 比有速度可求得： i=1142/1440=1/1.26 为了方便电动机与变速箱在机座内的布置，电动机与变速箱的联结采用带传动。 根据带轮的标准，尺寸值定为 112mm 和 140mm。 变速箱与主轴箱之间采用带传动， 为了便于完成转速的要求和速度的分配确定其带 轮的尺寸比为：172：200。 为了减少变速箱的轴向尺寸，减少齿轮数目，简化结构，采用一对公用齿轮的传 动 系 统 。 因 而 ， 两 变 速 组 的 传 动 比 互 相 牵 制 ， 可 能 会 增 加 径 向 尺 寸 。 （2） 、轴 1 与轴 2 传动副齿轮齿数的确定 根据转速图可得，该传动副的传动比i=1/1.26、i=1、i=1.26。查金属切削机 床page156 页表 8- 1，并考虑到主轴箱的几何尺寸，取该传动副中 min z=30，齿数和 z s =104，则由传动比可求得该传动副齿数比为： 当i=1/1.6 时 z1/z2=46：58 当i=1 时 z1/z2=52：52 当i=1.6 时 z1/z2=58：46 （3） 、轴 2 与轴 3 传动副齿轮齿数的确定 根据转速图可得，该传动副的传动比i= 2 26 . 1 ，i= - 1 26 . 1 及i 4 26 . 1 。查金属切削 机床page156 页表 8- 1，并考虑到主轴箱的几何尺寸，取该传动副 min z=22，齿数和 z s =108，则由传动比可求得： 该传动副齿数比为： z2/z3=42：66 z2/z3=54：54 , z2/z3=66：42 轴 4 与轴 5 间采用背轮机构，总传动比为 9 26. 1 1 ，和齿形离合器，传动比为：1。 齿数为： 第一级：20*2.5：65*2.5 第二级：30*3：75*3 19 3.1.8 传动系统图的绘制 根据计算结果，用规定的符号，以适当比例在方格纸上绘出转速图和主传动系统 图。 图 4 ck6136 数控车床主传动系统图 3.2 电动机的选择 3.2.1 电动机的功率计算 按在各种加工情况下较经常遇到的最大切削力和最大切削速度来计算，在车床中，切 断工件的切削力大于外圆车削，因而按用硬质合金刀具切断钢材时来计算。即： 00126 vf n z 切 (1) 式中 z f 主切削力的切向分力(n) v切削速度(m/min ) 具体计算见下章 )kgf(25pfb . 1 fz= )kgf(f)55 . 0 4 . 0(f zy = 由查机床设计手册得出参数: p=200 b= 6 f=0.3mm/r 则 4410n3 . 08 . 9620025 . 1 fz= 所以得有效功率为： 20 kw9 . 2 61200 404410 n 切 取m=0.8， 则由经验公式可得电动机总功率为： kw625 . 3 8 . 0 2.9 n n m c = = 3.2.2 电动机参数的选择 在选择电动机时，必须使得 p额定p总，根据这个原则，查机械设计手册选 取 y112- m- 4 型电动机. 3.3 齿轮传动的设计计算 由于直齿圆柱齿轮具有加工和安装方便、生产效率高、生产成本低等优点，而 且直齿圆柱齿轮传动也能满足设计要求，所以本次设计选用渐开线直齿圆柱齿轮传 动；主轴箱中的齿轮用于传递动力和运动，它的精度直接与工作的平稳性、接触误差 及噪声有关。为了控制噪声，机床上主传动齿轮都选用较高的精度，但考虑到制造成 本，本次设计都选用 6- 7 级的精度。具体设计步骤如下： 3.3.1 模数的估算： 按接触疲劳和弯曲疲劳计算齿轮模数比较复杂，而且有些系数只有在齿轮各参数 都已知道后方可确定，所以只在草图画完之后校核用。在画草图之前，先估算，再选 用标准齿轮模数。 齿轮弯曲疲劳的估算公式： w m332 j zn n mm （式中n即为齿轮所传递的功率） (2) 齿面点蚀的估算公式： a332 j n n mm （式中n即为齿轮所传递的功率） (3) 其中 j n 为大齿轮的计算转速， a为齿轮中心距。 由中心距 a及齿数 21,z z求出模数： 21 2 zz a mj + =mm 根据估算所得 w m 和 j m 中较大的值，选取相近的标准模数。 前面已求得各轴所传递的功率，各轴上齿轮模数估算如下： 第一对齿轮副 w m5 . 1 015130 99 . 0 4.0 323 mm a 3 . 48 0151 99 . 0 0 . 4 323= mm 25. 1 4730 3 . 482 mj= + =mm 所以，第一对齿轮副传动的齿轮模数应为5 . 1mm w mm 21 同理，对各对齿轮的模数计算从略，最后计算得出最高的模数为 2.5 综上所述，为了降低成本，机床中各齿轮模数值应尽可能取相同，所以，本次设计中 取各个齿轮模数均为m =2.5mm。 3.3.2 齿轮传动各轴的轴中心矩计算 根据渐开线标准直齿圆柱齿轮分度圆直径计算公式可得各个传动副中齿轮的分 度圆直径为： 1 轴与 2 轴： d1=mz/2=2.5*(46+58)/2=130 2 轴与 3 轴： 1352/ )6624(*5 . 22/mzd2=+= 3.3.3 齿轮宽度 b 的确定 齿宽影响齿的强度，但如果太宽，由于齿轮制造误差和轴的变形，可能接触不均 匀，反儿容易引起振动和噪声。一般取 b=（610）m。本次设计中，取单片齿轮宽度 b=8m=83=24mm，则与其啮合的从动齿轮的宽度一致；而取多联齿轮的宽度 b=6m=63=18mm，则与其啮合的从动齿轮的宽度一致。 3.3.4 齿轮其他参数的计算 根据机械原理中关于渐开线圆柱齿轮参数的计算公式几相关参数的规定，齿 轮的其它参数都可以由以上计算所得的参数计算出来，本次设计中，这些参数在此不 在一一计算。 3.3.5 齿轮结构的设计 不同精度等级的齿轮，要采用不同的加工方法，对结构的要求也不同，7 级精度 的齿轮，用较高精度的滚齿机或插齿机可以达到。但淬火后，由于变形，精度将下降。 因此，需要淬火的 7 级齿轮一般滚或插后要剃齿，使精度高于 7 级，或者淬火后再珩 齿。6 级精度的齿轮，用精密滚齿机可以达到。淬火齿轮，必须才能达到 6 级。机床 主轴箱中的齿轮齿部一般都需要淬火。多联齿轮块的一般形式如下图所示，各部分的 尺寸确定如下： 图 5 齿轮各部分尺寸的确定 22 （1） 、退刀槽 k b 本次设计中多联齿轮多采用插齿加工方法，因此取 k b =6mm。 （2） 、其他问题 滑移齿轮进出啮合的一端要圆齿，有规定的形状和尺寸，如下图所示，圆齿和倒 角性质不同， 加工方法也不一样。 图中安装拨动齿轮的滑块的尺寸在本次设计中取 b1 h=105。 图 6 齿轮滑块尺寸 3.3.6 齿轮的校核（接触疲劳强度）： k k kkk va = = 1.251.071.11.43 = 2.1 查表得： z =0.88 h z =2.5 e z =189.8 h = h z e z z ubd uk 2 1 ) 1(2+ (4) 将数据代入得： h 1100mpa 齿轮接触疲劳强度满足，因此接触的应力小于许用的接触应力。其它齿轮也符 合要求，故其余齿轮不在验算，在此略去 3.4 轴的设计计算 3.4.1 各传动轴轴径的估算 滚动轴承的型号是据轴端直径确定的，而且轴的设计是在初步计算轴径的基础上 进行的，因此先要初算轴径。轴的直径可按扭转强度法用下列公式进行估算。 3 0 n p ad mm (5) 对于空心轴， 则 mm3 4 0 )-n(1 p ad (6) 23 式中，p 轴传递的功率，kw； n轴的计算转速，r/min； 0 a 其经验值见表 15- 3； 取的值为 0.5。 （1） 、计算各传动轴传递的功率 p 根据电动机的计算选择可知，本次设计所选用的电动机额定功率kwnd5 . 5=各 传动轴传递的功率可按下式计算： = d np 电机到传动轴之间传动效率； (7) 由传动系统图可以看出，本次设计中没有采用联轴器，而直接由电动机轴将动 力传到轴上，即各个轴之间均为齿轮传动，所以可得各轴传递的功率为： 1 =0.96， 2 =0.93， 3 =0.904 4 =0.877 所以，各传动轴传递的功率分别为： kw88 . 3 98 . 0 99 . 0 4np 1d1 = kw76 . 3 99 . 0 98 . 0 88 . 3 pp 212 = kw61 . 3 99 . 0 79 . 076 . 3 pp 323 = 18kw . 3 99 . 0 98 . 0 61 . 3 pp 434 = (2) 估算各轴的最小直径 本次设计中，考虑到主轴的强度与刚度以及制造成本的经济性，初步选择主轴 的材料为 40cr，其它各轴的材料均选择 45 钢，取 a0 值为 115，各轴的计算转速由转 速图得出， n1j=1000r/min, n2j=400r/min, n3j=125r/min, n4j=125r/min, 所以各轴的最小直径为： mm15 1400 18 . 3 115d 3 1 = mmd1 .16 1501 18. 3 115 3 1 = mmd17.5 900 18. 3 115 3 1 = 在以上各轴中都开有花键，所以为了使键槽不影响轴的强度，应将轴的最小直径 增大 5%，将增大后的直径圆整后分别取各轴的最小直径为： min1 d=25mm, min2 d=25mm, min3 d=35mm。 根据本次设计的要求，需选择除主轴外的一根轴进行强度校核，而主轴必须进 行刚度校核。在此选择第一根轴进行强度校核。 24 1)、第一根轴的强度校核 （1） 、轴的受力分析及受力简图 由主轴箱的展开图可知，该轴的动力源由电动机通过齿轮传递过来，而后通过一 个三联齿轮将动力传递到下一根轴。其两端通过一对角接触球轴承将力转移到箱体上 去。由于传递的齿轮采用的直齿圆柱齿轮，因此其轴向力可以忽略不计。所以只要校 核其在 xz 平面及 yz 平面的受力。轴所受载荷是从轴上零件传来的，计算是，常将轴 上的分布载荷简化为集中力，其作用点取为载荷分布段的中点。作用在轴上的扭矩， 一般从传动件轮毂宽度的中点算起。通常把轴当作铰链支座上的梁，支反力的作用点 与轴承的类型和布置方式有关。其受力简图如下： 在 xz 平面内： 图 7 xz 平面受力简图 在 yz 平面内： 图 8 yz 平面受力简图 （2） 、作出轴的弯矩图 根据上述简图，分别按 xz 平面及 yz 平面计算各力产生的弯矩，并按计算结果分 别作出两个平面的上的弯矩图。 在 xz 平面内，根据力的平衡原理可得： r1xz+r2xz+f2xz=f1xz (8) 将各个力对 r1 取矩可得： f1xza=f2xz（l-b）+r2xzl (9) 由以上两式可解出： r1xz=f1xz（l-a）/l-f2xzb/l (10) 25 r2xz=f1xza/l-f2xz+f2xzb/l (11) 由于有多个力的存在，弯矩无法用一个方程来表示，用 x 来表示所选截面距 r1 的距 离，则每段的弯矩方程为： 在 ab 段： m=-r1xzx （ax0） (12) 在 bc 段： m=f1xz-r1xz（a+x）-f1xza （l-bxa） (13) 在 cd 段： m=-r2xz（l-x） （lxl-b） (14) 则该轴在 xz 平面内的弯矩图为： 图 9 xz 平面弯矩图 同理可得在 yz 平面内的弯矩图为： 图 10 yz 平面弯矩图 （3） 、作出轴的扭矩图 由受力分析及受力简图可知，该轴只在 yz 平面内存在扭矩。其扭矩大小为： t1=fyzr1 (15) t2=fyzr2 (16) 则扭矩图为 图 11 轴的扭矩图 26 （4） 、作出计算弯矩图 图 12 轴的计算弯矩图 根据已作出的总弯矩图和扭矩图，则可由公式 mca= 22 )( tm+求出计算弯矩， 其中是考虑扭矩和弯矩的加载情况及产生应力的循环特性差异的系数，因通常由弯 矩产生的弯曲应力是对称循环的变应力，而扭矩所产生的扭转切应力则常常不是对称 循环的变应力，故在求计算弯矩时，必须计及这种循环特性差异的影响。即当扭转切 应力为静应力时，取0.3；扭转切应力为脉动循环变应力时，取0.6；若扭转 切应力也为对称循环变应力时，则取=1。应本次设计中扭转切应力为静应力，所以 取0.3。 （5） 、校核轴的强度 选择轴的材料为 45 钢，并经过调质处理。由机械设计手册查得其许用弯曲应力 为 60mp，由计算弯矩图可知，该轴的危险截面在 f1 的作用点上，由于该作用点上安 装滑移齿轮，开有花键，由机械设计可查得其截面的惯性矩为： w= d4+（d- d） （d+d）2zb/32d 其中 z 为花键的数目，在本次设计中，z=6，d=30mm，d=26mm， b=4mm 所以其截面的惯性矩为 w=575.963mm3 根据标准直齿圆柱齿轮受力计算公式可得圆周力与径向力： ft=2t1/d1 (17) fr=fttg (18) 其中 t1 为小齿轮传递的扭矩，nmm；为啮合角，对标准齿轮，取=20 o ； 而 ft 与 fr 分别对应与 xz 平面及 yz 平面的力。各段轴的长度可从 2 号 a0 图中得出， 则根据前面的公式可得出该轴危险截面的计算弯矩为：mca=25014.22nm，则该轴 危险截面所受的弯曲应力为：ca=25014.22/575.96343.43mp60mp，所以该轴的 强度满足要求。 2） 、主轴的刚度校核 （1） 、主轴材料的选择 考虑到主轴的刚度几强度，选择主轴的材料为 40cr，并经过调质处理； （2） 、主轴结构的确定 主轴的结构应根据主轴上应安装的组件以及在主轴箱里的具体布置来确定，主轴 的具体结构已在零件图上表达清楚，其图号为 6，在此不在绘出。 27 （3） 、主轴的刚度验算 轴的变形和允许值 轴上装齿轮和轴承处的绕度和倾角（y 和）应该小于弯曲变形的许用值 和y 即 y y 表 7 轴的变形和允许值 轴的类型 y （mm） 变形部位 （rad） 一般传动轴 4.00030.0005l 装向心轴承处 0.0025 刚度的要求较高 - 0.0002l 装齿轮处 0.001 安装齿轮轴 （0.010.00）m 装单列圆锥滚子轴承 0.006 l 表跨距，m 表模数 轴的变形计算公式 计算轴本身弯曲变形产生的绕度 y 及倾角时，一般常将轴简化为集中载荷下的 简支梁。 按材料力学相关公式计算， 主轴的直径相差不大且计算精度要求不高的时候， 可把轴看作等径轴，采用平均直 d 来计算，计算花键时同样选择用平均直径 圆轴： i d d i = (19) 惯性矩： 64 d i 4 i = (20) 矩形花键轴： 2 dd d1 + = (21) i d 64 4 2 = (22) 惯性矩： 64 )(6 24 ddddzd i + = (23) 轴的分解和变形合成 对于复杂受力的变形，先将受力分解为三个垂直面上的分力，应用弯曲变形公式 求出所求截面的两个垂直平面的 y和 。然后进行叠加，在同以平面内的可进行代数叠 加，在两平面内的按几何公式，求出该截面的总绕度和总倾角 危险工作面的判断 28 验算刚度时应选择最危险的工作条件进行，一般时轴的计算转速低传动齿轮的直 径小，且位于轴的中央时，轴受力将使总变形剧烈，如对：二、三种工作条件难以判 断那一种最危险，就分别进行计算，找到最大弯曲变形值 y和 提高轴刚度的一些措施 加大轴的直径，适当减少轴的跨度或增加第三支承，重新安排齿轮在轴上的位置 改变轴的布置方位等。 轴的校核计算 轴的计算简图在 xz 平面内： 图 13 轴在 xz 平面受力简图 同理可得在 yz 平面内的受力图，在此不在画出。 主轴的传动功率： p 主= 46 9 . 099 . 0 4 =3.513kw 主轴转矩： 250 513 . 3 10500 . 9 t 6 = 主 =156900nmm 支点上的力： n d ftb 8 . 2614 35 1056