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万能升降台铣床工作台结构设计 万能升降台铣床 万能升降台铣床结构 万能升降台铣床工作台

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一、选题依据 1、论文（设计）题目及研究领域 题目：万能升降台铣床工作台结构设计。 研究领域：金属切削机床。 2、论文（设计）工作的理论意义和应用价值 理论意义：金属切削机床是机械加工的主要装备，刀具和工件安装在机床上完成加 工任务，机床的结构、功能和精度对工件的加工精度起到很大的作用。铣床是一种用 途广泛的机床，在铣床上可以加工平面（水平面、垂直面）、沟槽（键槽、T 形槽、燕 尾槽等）、分齿零件（齿轮、花键轴、链轮、螺旋形表面（螺纹、螺旋槽）及各种曲 面。此外，还可用于对回转体表面、内孔加工及进行切断工作等。铣床在工作时，工 件装在工作台上或分度头等附件上，铣刀旋转为主运动，辅以工作台或铣头的进给运 动，工件即可获得所需的加工表面。由于是多刀断续切削，因而铣床的生产率较高。简单来说，铣床就是用铣刀对工件进行铣削加工的机床。万能升降台铣床分别由床身、 横梁、主轴、升降台、横向工作台、转台、纵向工作台、底座构成。其中升降台可以 带动整个工作台沿床身的垂直导轨上下移动，以调整工件与铣刀的距离和垂直进给。 工作台可以带动台面上的工件横向或纵向移动。为了便于机床的工件加工，机床安装工件的工作台必须做成移动式的，可以在横 向、纵向、垂直方向移动。 应用价值:工作台 X/Y/Z 向有手动进给、机动进给和机动快进三种，万能升降台铣 床进给速度能满足不同的加工要求；快速进给可使工件迅速达到加工位置，加工方便 快捷缩短非加工时间。 3、目前研究的概况和发展趋势 了解国内外万能升降台铣床现状 进口大幅度增加，出口日趋减少 随国民经济的持续发展，国内生产的各种铣床，尤其是数控铣床已经满足不了各界用户的需求，需要大量进口。根据中国机床工具工业协会市场部提供的资料表明，1998 年到 2001 年，各种铣床进口量由 4622 台增加到 6471 台，增幅达 40%，其中数控铣床进口量由 563 台增加到 2290 台，增幅高达 258%。 与进口的快速增长形成鲜明对照的式铣床的出口增长缓慢，特别是其中数控铣床 出口，2001 年比 1998 年在数量上下降了 56%，在金额上下降了 14%。 技术低于世界水平 中国铣床发展起步晚，1949 年中华人名共和国成立以后，中国的机械工业才逐步 从修配性质发展成为一个门类比较齐全、具有一定规模、技术水平和成套水平不断提 高的工业部门。与西方上百年的发展有不小的差距。 尽管我国铣床发展迅速，一些产品产量居世界第一位，然而，我国的制造业在全 球产业链中总体上处于下游和低端位置。什么原因呢？关键问题在于我们的核心零部 件受到外国限制，具有自主知识产权的产品比重小，缺乏国际竞争力。只有在核心零 部件的技术创新研发方面加大马力，才能突破外国的封锁，提高技术。 业内人士认为，我国机械行业存在一个巨大的技术“黑洞”，最突出的表现是对 外技术依存度高。曾几何时，企业的进口机械成了宣传的噱头。以至于不重视自己的 创新，国人在潜移默化中接受：只有外国进口的生产线和生产设备是可靠的，是产品 的保证。 数控化率低但增长快 由于数控机床的增长速度明显快于普通机床的，数控机床在金属加工机床总量中的比重逐年上升，我国机床的数控化逐年提高。机床的产量数控化率从 2001 年的109.12%上升为 2009 年的 30%左右。虽然增长很快，但是基数大，数控化的普及率还是 不高，与发达国家 60%70%的水平仍存在很大差距。 专业人士指出，在中国机床行业整体高速增长的背后，仍然隐忧。从产品结构来 看，国产铣床行业的增长主要依靠低端普通机床的带动，高中档铣床所占比例不断减 少，重型铣床市场走势趋缓，因而目前行业的发展道路并不健康。 国家扶持的支点偏离 业内人士普遍认为，技术黑洞的形成与国家的重视程度、投入密切相关。国家在过去的二十多年来忽视了发展机械行业，在政策、资金等方面都出现了偏差。 产权激励制度式创新和研发产品的重要保障。Guoyouqiyeduichuangxinrencaide产权激励基本上没有实行。一方面创新成果的知识产权没有得到有效的保护，另一方 面，创新着的贡献没有得到产权确认。企业研发的技术和产品，要么被国家无偿拿走， 要么被其他的企业无偿抄袭。 了解国内外万能升降台铣床发展趋势 高速化发展 主要包括主轴转速高速化、进给系统高速化和辅助动作高速化。通过这些高速化 发展，可以有效提高产量。 主轴高速化主要是为了进给高速化打下结实基础，为了实现高速化，除了考虑主 轴结构形式和冷却方式以外，更主要的是选用轴承和其润滑方式。 进给系统的高速化是指高切削进给和快速进给速度。切削进给速度 yibantigaobu 多，因为它主要决定于可能的切削规范要求，而切削规范又由道具、被切材料、加工 精度及表面粗糙度的要求等因素决定。快速进给大幅度提高的原因主要是为了缩短非 加工时间。 辅助动作主要是指换刀动作和托盘交换动作。换到动作的高速化主要是改变传统的一个动作由一个执行元件带动，各个动作按顺序进行，而采用一种凸轮控制的机械 手，凸轮上的槽控制机械手运动，只要凸轮槽形状相互配合好，就可以是一些动作重 叠在一起同时进行。 高速化的最终目的式高效化，应用高速加工技术达到缩短切削时间和辅助时间， 从而实现加工制造的高质量和高效率。 高精度化发展 通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用高精度的全闭环控制及温度、震动等动态误差补偿技术，从而提高机床加工的几何精度、运动精度， 减少形位误差、表面粗糙度。 从精密加工发展的超精密加工，其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级，更是 世界各国各工业强国致力发展的方向。精密化是为了适应高新技术发展的需要，也是为了提高普通机电产品的性能、质量和可靠性，减少其装配时的工作量从而提高装配 效率的需要。随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对 机床加工精度的要求也越来越高。 智能化发展 智能化就是由各种测量元件对切削前后和切削中各种参数进行监测，并通过 CNC判断自动对异常现象加以补偿和调整，保证加工顺利进行和确保零件质量，减少停机 时间，提高生产率。 数控机床智能化技术要求： 自动抑制震动的功能。在高速加工过程中，机床容易出现震动，刀具也易于磨损。该机能自动抑制震动，大大提高了加工精度。 自动测量和自动补偿功能。减少高速主轴、立柱、床身热变形的影响，使机床加工精度大大提高。 自动防止刀具和工件碰撞的功能。大大减少突发事故，提高机床工作的可靠性。 自动补充润滑油和抑制噪音的功能。大大改善工作条件。 数控系统具有特殊的人机对话功能。在编程时能在监测画面上显示出刀具轨迹等，进一步提高了切削效率。 机床故障能进行远距离诊断。 智能化技术提升了数控机床的功能和品质，数控机床智能化的发展前景非常广 阔。它是世界制造技术进一步提高效率、自动化、智能化、网络化、集成化的努力目 标。也是在今天数字控制机床技术基础上向更高阶段发展的努力方向。 二、论文（设计）研究的内容 1.重点解决的问题 万能升降台铣床升降台机构设计，相关参数计算。 万能升降台铣床工作台机构设计，相关参数计算。 万能升降台铣床工作台操纵机构设计，相关参数计算。 2.拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路） 万能升降台铣床工作台机构设计，工作台的工作面积，工作台的最大行程，工作 台的最大回转角度，主轴轴心线到工作台台面的距离，主轴转速。 万能升降台铣床升降台机构设计，电机选择，齿轮计算，轴的计算与设计，滚动 轴承的选择。 万能升降台铣床工作台操纵机构设计，工作台外形尺寸及重量初步估算，计算切 削力，直线滚动导轨副的计算与选型，滚珠丝杠螺母副的计算与选型，步进电动机的计算与选型。 万能升降台铣床工作台操纵机构设计，摆块、凸块、纵进丝杠轴、牙嵌离合器 M5 左半块、拨叉、拨叉轴、弹簧、调节螺母、叉子、销子、摆动轴、垂直轴、微动 开关 SQ1、压块、微动开关 SQ2、手柄。 某零部件结构三维设计。 相关外文资料翻译。 3.本论文（设计）预期取得的成果 升降台 A0 装配图纸 1 张； 工作台 A0 装配图纸 1 张； 工作台操纵机构 A0 装配图纸 1 张； 设计说明书 1 份； 主要零部件三维图 1 份； 三、论文（设计）工作安排 1.拟采用的主要研究方法（技术路线或设计参数）； 主要研究方法： (2)在网上搜集相关资料 (2)查阅相关文献书籍 (3)向老师请教相关知识问题 (4)通过计算机 CAD 绘图 (5)相关外文资料翻译 主要技术参数： 工作台尺寸（长宽）1250320mm 工作台最大行程 纵向 800mm 横向 300mm 垂直 400mm 主轴转速范围（18 级） 301500r/min 主轴端孔锥度 7：24 主轴孔径 29mm 主轴中心线到工作台面间距离 30430mm 主轴中心线到悬梁间距离 155mm 床身垂直导轨到工作台面中心距离215515mm 刀杆直径（三种）22、27、32mm 进给量范围（21 级）： 纵向101000mm/min 横向101000mm/min 垂直3.3333mm/min 快速进给量： 纵向与横向2300mm/min 垂直 766.6mm/min 主电机： 功率 7.5Kw 转速 1400r/min 进给电机： 功率 1.5Kw 转速 1410r/min 机床外形尺寸（长宽高）183120641718mm 2.论文（设计）进度计划 第 1 周：安排设计任务，布置设计要求。 第 2 周：分析设计题目，了解设计内容，复习相关专业知识。 第 3 周：查找设计资料，查找设计文献。 第 4 周：撰写开题报告，修改开题报告，开题答辩。 第 5 周：分析万能升降台铣床工作参数。 第 6 周：设计万能升降台铣床升降台机构，计算相关参数。 第 7 周：绘制万能升降台铣床升降台机构装配图。 第 8 周：设计万能升降台铣床工作台机构，计算相关参数。 第 9 周：绘制万能升降台铣床工作台机构装配图。 第 10 周：设计万能升降台铣床工作台操纵机构，计算相关参数。 第 11 周：绘制万能升降台铣床工作台操纵机构装配图。 第 12 周：某零部件结构三维设计。 第 13 周：撰写设计说明书和外文翻译。 第 14 周：修改设计说明书，准备答辩。 四、需要阅读的参考文献 1李应弟.数控立式铣床工作台的结构设计与研究J.山东工业技术,2017(7):47- 47. 2王岩,郝宝珠.数控铣床工作台与床身设计J.科技创新与应用,2017(6):139-13 9. 3唐三叶.数控铣床 X-Y 工作台设计J.金山,2011(3). 4佚名.数控立式升降台铣床技术条件 JB/T 9928.21999(代替 ZB J54 015-88) J.设备管理与维修,2008(9):67-69. 5黄静,陈再良等.大型机床工作台的动态性能研究及结构优化J.制造技术与机 床,2014(11):62-65. 6沈军.铣床工作台的铸造工艺优化J.金属加工(热加工)热加工,2011(17):64-6 5. 7苗付标.一种新型数控升降台铣床进给机构J.制造技术与机床,2012(11):138- 139. 8郭红珍.X2020 龙门铣床工作台进给装置的设计J.机械管理开发,2008,23(6):3 8-39. 9濮良贵,陈国定,吴立言.机械设计M.高等教育出版社,2013. 10唐金松.机械设计手册第 3 版J.中国机械工程,2004(11):947-947. 附：文献综述文献综述文献一：主要对 XKA5750 数控立式铣床升降台横向进给，垂直进给系统进行了结 构设计、原理分析、零件尺寸计算级强度校核，基本上实现了升降台的正常运行，主 要工作包括横向进给、垂直进给系统内部传动系统的设计、进给系统驱动电机的选择， 滚柱丝杠的选择计算，传动齿轮的选取计算，以及相应的重点部件如轴、轴承的强度 校核，确保可靠性设计。实现了 XKA5750 铣床升降台的垂直进给和横向进给传动。创 新之处是使用了滚珠丝杠副，摒弃了以往的华东丝杠副的传动，具有轴向刚度高、传 动平稳、传动精度高、不易磨损、使用寿命长等优点，但是由于滚柱丝杠不能自锁， 具有传动的可逆性，所以在垂直传动系统的设计中使用了制动器。垂直进给方向中可 以不使用梯形同步带，而使用联轴器将传动轴与交流伺服电机相连，这个方案更经济， 效率更高。横向进给方向中也可以去掉梯形同步带部分，直接将滚柱丝杠与交流伺服 电机相连，同样可以将交流伺服电机改为步进电机，更经济，更合理，效率更高。文献二：数控车床是对回转体进行加工的设备，它可以实现复杂的回转体加工， 但是对于其他的复杂非回转体的零件，就不能用车床加工了，加工这种零件需要用到 数控铣床，数控铣床具有智能化、加工多元化的特点，而近年来数控铣床的工作台发 展也比较迅速，与以前相比加入了一些新的技术，提高了生产效率，式数控铣床的整 体质量提高了很多，同时数控铣床的床身也得到了很大的提升，再床身的设计上注入 了新的元素。工作台的设计上，需要从多方未进行设计，首先是对导轨的选择，对于 工作台，它的要求需要工作台的定位精度高。不要有爬行现象，同时在传递效率上要 高。所以工作台的导轨选择直线滚动副。数控铣床的伺服电机与工作台连接，是工作 台运动，需要通过丝杠螺母副进行连接，本工作台选取滚珠丝杠副，这样可以使工作 台寿命长，精度高。为了是工作台的传动精度高，不应使工作台的移动速度过快，尽 量减轻工作台轴上的扭转力，这样可以减轻工作台的颤动，减小工作台的惯量所以选 取联轴起到减速装置的作用，为了能更好地对工作台进行检查，需要对数控铣床工作 台增加检测装置，检测装置可以选用开环也可以选用闭环控制系统，本工作台的检测 系统采用闭环控制系统，安装光栅尺来对整个工作台进行监测。在机械设计专业，分 析数据、查阅设计手册、参考期刊资料设计出新型设备，或者改善现有设备的性能， 是设计环节最普遍也是最基础的能力，本数控铣床的设计中，就是采用对数控铣床的 性能提升。私服系统采用的步进电机，就是起到多元化驱动传动，像这样的性能改善， 是对数控铣床精度以及自动化的提升，同时也会是设备级元件的寿命延长，但随之而 来的也是有着成本上的提高，但可以设计出高品质的数控铣床。文献三：X-Y 数控工作台的机电系统设计是一个开环控制系统，其结构简单，实 现方便而且能够保证一定的精度。它充分的利用了微机的软件与硬件功能以实现对机 床的控制，使机床的加工范围扩大，精度和可靠性进一步得到提高。设计任务是完全 围绕数控机床工作原理而展开的。总体方案的确定，机械传动部件的选择 1 伺服电动 机的选用：本设计选用混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。2 导轨副的选 用：选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小，不易爬行，传动效率高，结构紧，安 装预紧方便等优点。3 丝杠螺母副的选用：选用滚珠丝杠副，它的传动精度高、动态 响应快、运转平稳、寿命长、效率高、于今后可消除反向间隙。4 减速装置的选择用： 选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩， 减低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应由消间隙机 构，选用无间隙齿轮传动减速箱。5 检测装置的选用：采用半闭环控制，拟在电动机 的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转交与转速。增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的布距角相匹配。考虑到 X、Y 两个方向的加工范围相 同，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X、Y 两个坐标的导轨副、丝杠 螺母副、减速装置、伺服电动机以及检测装置拟采用相同的型号与规格。控制系统的 设计机械传动部件的计算与选型，按照导轨上面移动不见得重量来进行估算。包括工 件、夹具、工作台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、导轨座等。现代科学技术的 不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，见算计技术的迅速发展及其向机械 工业的渗透相称机电一体化，式机械工业的技术结构、产品结构、功能与构成、生产 方式及管理体系发生了巨大变化，是工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化” 为特征的发展阶段。文献四：规定了数控立式升降台铣床制造和验收的要求，适用于工作台面宽度 200500mm 数控立式升降台铣床。加工和装配质量：机床三个方向的导轨副 ，必须 采取耐磨措施。床柱、升降台、工作台、床鞍、铣头体、滑枕为重要铸件，在粗加工 后必须进行时效处理或采取其他消除内应力的措施。粘贴和涂层导轨应牢固可靠，不 应有缝隙和气泡，与相配导轨的接触指标应符合 JB/T 3579 的规定。镶钢导轨应进行 探伤检测，不得有裂纹。液压系统的装配应符合 JB/T 10051 的有关规定。电气系统 的装配应符合 GB/T 5226.1 的有关规定。高速旋转的主轴组件，应做平衡试验。具有 消除间隙机构的丝杠副，装配后的调整量应符合设计规定。下列导轨与其相配件的表 面，应按“滑（滚）动导轨”的要求考核：工作台导轨与其相配件的表面；床鞍导轨 与其相配件的表面；升降台（或滑动铣头）导轨与其相配件的表面；滑枕导轨与其相 配件的表面。下列导轨与其相配件的表面，应按“移置导轨”的要求考核：具有回转 性能的铣头回转面与其相配件的表面；可移动铣头（升降台）导轨与其相配件的表面。文献五：利用 ANSYS 对工作台整体进行结构优化，根据可去除材料的分布云图， 得到了工作台内部筋板的布置以及筋板上出砂孔的位置。，对基本筋格单元进行变量 的动态优化，研究了筋格结构参数对筋格固有频率的影响及筋格相关参数对工作台整 体的影响，再次优化后得到理想的工作台筋格结构。优化后的工作台能减轻质量、提 高刚性及动态性能。文献六：铣床工作台的内在质量要求较高，工作台面和导轨上不允许有气孔、夹 渣、缩孔和缩松等任何缺陷。铸造生产难度大，废品率居高不下。最终利用“华铸 CAE” 凝固模拟分析系统，设置好初始条件及边界条件进行充型过程和凝固过程的数值模 拟，优化工艺，成功地解决了铸造技术难题。铣床工作台铸件是我们厂铣床的重要部 件，近年来，随着加工技术的快速发展，对产品的质量要求也越来越高。铣床产品种 类很多，工作台结构大致相同。以 X5040 工作台为例：材质为 HT300，铸件毛重 620kg， 工作台六面均为加工面，采用树脂砂造型，工作台面和导轨面要求比较严格，不允许 存在任何缺陷利用“华铸 CAE”系统对原工艺方案进行了充型过程的流动与传热耦合 模拟分析，找出了出现问题的关键原因，并于短时间内在该产品生产技术方面取得了 突破。文献七：众所周知，不少机床使用厂家对普通升降台铣床进行了数控化改造，工 作台纵、横向移动机构基本类同，但升降台垂向进给传动机构大多采用同步带传动； 考虑到同步带传递扭矩的局限性及长期使用有断裂（断裂后升降台下落）的可能，所 以就对机床的可靠性、安全性构成了隐患。此机构由伺服电动机、变速齿轮、传动轴、 滚珠丝杠副和超越阻尼器等件组成。文献八：介绍了 X2020 龙门铣床工作台进给箱的设计计算的主要内容，包括传动 设计、结构设计、电磁离合器选择、关键件校核等。各轴承的选择，箱体内各轴轴承 均选用普通的深沟球轴承，结构简单、使用方便，主要承受径向载荷，也可承受一定 的轴向载荷，而且摩擦系数小、极限转速高，能够满足进给箱的要求。进给箱内的轴承和齿轮均要有润滑，离合器也要在有油状态下工作。常用的箱体内润滑式飞溅润滑， 但对油位高度和旋转件线速度有一定的要求，存在不同程度的搅油损失，箱内润滑油 易发热。因此，我们在箱内装了一个润滑泵，再由分配器将润滑油分到各个润滑点。文献十：在该文献中可以确定工作台的基本尺寸工作台尺寸宽长（mm）为 200900，3201320，4001700，5002000.工作台 T 形槽宽度为（mm）14、18、22. 工作台行程 90 横向 L 为 500、800、1000、1250.横向（mm）190、300、375、450.垂 向 340/360、400/430、450/480、470/500.万能铣床工作台最大回转角度（）-45+45.工作台进给级数为 12、18。工作台快速进给量（mm/min）纵向横向 2100、2400、 2400、3000.垂向 700、800、800、1000.工作台最大拖力（kgf）700、1500、2000. 工作台最大承载重量（kgf）150、250、500、700、1200.在设计工作台操纵机构时拟采用滚珠丝杠副，具有轴向刚度高、传动平稳、传动 精度高、不易磨损、使用寿命长等优点，但是由于滚柱丝杠不能自锁，具有传动的可逆性，所以在垂直传动系统的设计中使用了制动器。在毛胚的选择时先用“华铸 CAE” 凝固模拟分析系统，设置好初始条件及边界条件进行充型过程和凝固过程的数值模 拟，优化工艺。摘要本次设计的铣床为万能升降台铣床，万能升降台铣床是一种通用金属切削机 床。本机床的主轴锥孔可直接或通过附件安装各种圆柱铣刀、成型铣刀、端面铣 刀、角度铣刀等刀具，适用于加工各种零部件的平面、斜面、沟槽、孔等，是机 械制造、模具、仪器、仪表、汽车、摩托车等行业的理想加工设备。具有机构合 理，操作简单，节能高效，稳定性好等特点。本次设计是对万能升降台铣床升降台、工作台、工作台操纵机构进行结构设 计、运动分析和主要参数计算。在本次设计中，对铣床升降台进行了结构设计、运动分析，并对主要零件进 行了校核。铣床升降台是工作台的支座，在升降台上安装着铣床的纵向工作台、 横向工作台和转台。由手柄控制变换进给速度，允许在开车的情况下进行变速。 升降台可以沿床身的垂直导轨移动。升降台的下面的垂直丝杠，带动升降台升降， 并且支撑着升降台。在本次设计中，对工作台进行了结构设计和运动分析，并对主要零件进行了 校核。工作台是用来安装工件或夹具，并带着工件作纵向、横向进给运动。该工 作台分为三层结构，最上层是纵向工作台，由丝杠使其进行 X 方向的移动，中 间为转台，控制工作台在水平面内进行 45 的转动，下层为横向工作台，通过 导轨使其进行 Y 方向的移动。在本次设计中，对工作台操纵机构进行了结构设计、运动分析。工作台操纵 机构用来控制工作台横向、纵向移动用以满足不同的加工要求。关键词：工作台；升降台；工作台操纵机构；结构设计；运动分析IABSTRACThe milling machine designed for this purpose is universal lifting platform milling machine. Universal lifting platform milling machine is a universal metal cutting machine tool. The main axis cone hole of this machine tool can directly or install various cylindrical milling cutters, forming milling cutter, end end milling cutter, angle milling cutter and so on. It is suitable for processing the plane, slope, groove and hole of various parts and parts. It is an ideal processing equipment for machinery manufacturing, mould, instrument, instrument, automobile and motorcycle. It has the characteristics of reasonable mechanism, simple operation, energy saving, high efficiency and good stability. This design is the structure design of the lifting platform, worktable and worktable control mechanism of the universal elevator. Through the structure design and overall plan design of the lifting platform, worktable and worktable, the lifting platform, worktable and worktable manipulating mechanism suitable for the universal lifter and the milling machine are designed.In this design, the structural design and motion analysis of the lifting platform of the milling machine were carried out, and the main parts were checked. The lifting platform of the milling machine is the support of the worktable, and the vertical table, transverse worktable and turntable of the milling machine are installed on the lifting platform. The feed rate is controlled by a mushroom handle, allowing for speed change when driving. The lifting platform can move along the vertical guide of the bed. There is a vertical screw under the lifting platform. It not only lifts up and down the platform, but also supports the lifting platform.In this design, the structural design and motion analysis of the worktable were carried out, and the main parts were checked. The worktable is used to install workpieces or fixtures, and take longitudinal and lateral feed movements with the workpiece. In this design, the worktable is divided into three layers, the top is the longitudinal worktable, the X direction is moved by the screw, the middle is the turntable, the rotation of the worktable in the horizontal plane is controlled, the lower layer is the horizontal working table, and the Y direction is moved by the guide rail.In this design, the structural design and motion analysis of the worktable manipulating mechanism are carried out. The worktable control mechanism is used to control the horizontal and vertical movement of the worktable to meet different processing requirements.Key words: worktable;lifting platform; worktable control mechanism;structural design; motion analysisII万能升降台铣床工作台结构设计目录摘要IABSTRACTII1.绪论11.1 万能升降台铣床工作台结构设计的目的和意义11.2 目前研究的概况和发展趋势11.3 主要设计和工作内容32.万能升降台铣床工作台结构设计52.1 万能升降台铣床工作台运动分析和主要参数计算52.2 铣削力的计算62.3 直线滑动导轨副的计算与选型72.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型92.5 电动机的计算与选型103.万能升降台铣床升降台结构设计113.1 万能升降台铣床升降台运动分析113.2 圆柱齿轮计算123.3 圆锥齿轮的计算133.4 轴的计算与设计173.5 滚动轴承的选择214.万能升降台铣床工作台操纵机构结构设计224.1 万能升降台铣床工作台操纵机构结构224.2 万能升降台铣床工作台操纵机构运动分析225.结论24参考文献25附录 1 外文译文26附录 2 外文原文29致 谢361.绪论1.1 万能升降台铣床工作台结构设计的目的和意义金属切削机床是机械加工的主要装备，刀具和工件安装在机床上完成加工任务，机 床的结构、功能和精度对工件的加工精度起到很大的作用。铣床是一种用途广泛的机床， 在铣床上可以加工平面（水平面、垂直面）、沟槽（键槽、T 形槽、燕尾槽等）、分齿 零件（齿轮、花键轴、链轮、螺旋形表面（螺纹、螺旋槽）及各种曲面。此外，还可用 于对回转体表面、内孔加工及进行切断工作等。铣床在工作时，工件装在工作台上或分 度头等附件上，铣刀旋转为主运动，辅以工作台或铣头的进给运动，工件即可获得所需 的加工表面。由于是多刀断续切削，因而铣床的生产率较高。简单来说，铣床就是用铣 刀对工件进行铣削加工的机床。万能升降台铣床分别由床身、横梁、主轴、升降台、横 向工作台、转台、纵向工作台、底座构成。其中升降台可以带动整个工作台沿床身的垂 直导轨上下移动，以调整工件与铣刀的距离和垂直进给。工作台可以带动台面上的工件 横向或纵向移动。为了便于机床的工件加工，机床安装工件的工作台必须做成移动式的， 可以在横向、纵向、垂直方向移动 1 。意义：工作台 X/Y/Z 向有手动进给、机动进给和机动快进三种，万能升降台铣床进 给速度能满足不同的加工要求；快速进给可使工件迅速达到加工位置，加工方便快捷缩 短非加工时间 2 。1.2 目前研究的概况和发展趋势1.2.1 国内外万能升降台铣床现状（1）进口大幅度增加，出口日趋减少 随国民经济的持续发展，国内生产的各种铣床，尤其是数控铣床已经满足不了各界用户的需求，需要大量进口。根据中国机床工具工业协会市场部提供的资料表明，1998 年到 2001 年，各种铣床进口量由 4622 台增加到 6471 台，增幅达 40%，其中数控铣床进口量由 563 台增加到 2290 台，增幅高达 258%。 与进口的快速增长形成鲜明对照的式铣床的出口增长缓慢，特别是其中数控铣床出口，2001 年比 1998 年在数量上下降了 56%，在金额上下降了 14%。（2）技术低于世界水平中国铣床发展起步晚，1949 年中华人名共和国成立以后，中国的机械工业才逐步从 修配性质发展成为一个门类比较齐全、具有一定规模、技术水平和成套水平不断提高的 工业部门。与西方上百年的发展有不小的差距 3 。9尽管我国铣床发展迅速，一些产品产量居世界第一位，然而，我国的制造业在全球 产业链中总体上处于下游和低端位置。什么原因呢？关键问题在于我们的核心零部件受 到外国限制，具有自主知识产权的产品比重小，缺乏国际竞争力 4 。只有在核心零部件 的技术创新研发方面加大马力，才能突破外国的封锁，提高技术。业内人士认为，我国机械行业存在一个巨大的技术“黑洞”，最突出的表现是对外 技术依存度高。曾几何时，企业的进口机械成了宣传的噱头。以至于不重视自己的创新， 国人在潜移默化中接受：只有外国进口的生产线和生产设备是可靠的，是产品的保证 5。（3）数控化率低但增长快 由于数控机床的增长速度明显快于普通机床的，数控机床在金属加工机床总量中的比重逐年上升，我国机床的数控化逐年提高。机床的产量数控化率从 2001 年的 9.12% 上升为 2009 年的 30%左右。虽然增长很快，但是基数大，数控化的普及率还是不高， 与发达国家 60%70%的水平仍存在很大差距 6 。专业人士指出，在中国机床行业整体高速增长的背后，仍然隐忧。从产品结构来看， 国产铣床行业的增长主要依靠低端普通机床的带动，高中档铣床所占比例不断减少，重 型铣床市场走势趋缓，因而目前行业的发展道路并不健康 7 。（4）国家扶持的支点偏离 业内人士普遍认为，技术黑洞的形成与国家的重视程度、投入密切相关。国家在过去的二十多年来忽视了发展机械行业，在政策、资金等方面都出现了偏差。 产权激励制度式创新和研发产品的重要保障。国有企业对创新人才的产权激励基本上没有实行。一方面创新成果的知识产权没有得到有效的保护，另一方面，创新着的贡 献没有得到产权确认。企业研发的技术和产品，要么被国家无偿拿走，要么被其他的企 业无偿抄袭 8 。1.2.2 国内外万能升降台铣床发展趋势（1）高速化发展 主要包括主轴转速高速化、进给系统高速化和辅助动作高速化。通过这些高速化发展，可以有效提高产量。 主轴高速化主要是为了进给高速化打下结实基础，为了实现高速化，除了考虑主轴结构形式和冷却方式以外，更主要的是选用轴承和其润滑方式 10。 进给系统的高速化是指高切削进给和快速进给速度。切削进给速度一般提高不多，因为它主要决定于可能的切削规范要求，而切削规范又由道具、被切材料、加工精度及 表面粗糙度的要求等因素决定。快速进给大幅度提高的原因主要是为了缩短非加工时 间。辅助动作主要是指换刀动作和托盘交换动作 11 。换到动作的高速化主要是改变传统的一个动作由一个执行元件带动，各个动作按顺序进行，而采用一种凸轮控制的机械手， 凸轮上的槽控制机械手运动，只要凸轮槽形状相互配合好，就可以是一些动作重叠在一 起同时进行 12。高速化的最终目的式高效化，应用高速加工技术达到缩短切削时间和辅助时间，从 而实现加工制造的高质量和高效率。（2）高精度化发展 通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用高精度的全闭环控制及温度、震动等动态误差补偿技术，从而提高机床加工的几何精度、运动精度，减 少形位误差、表面粗糙度 17 。从精密加工发展的超精密加工，其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级，更是世 界各国各工业强国致力发展的方向。精密化是为了适应高新技术发展的需要，也是为了 提高普通机电产品的性能、质量和可靠性，减少其装配时的工作量从而提高装配效率的 需要。随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对机床加工 精度的要求也越来越高 13 。（3）智能化发展 智能化就是由各种测量元件对切削前后和切削中各种参数进行监测，并通过 CNC 判断自动对异常现象加以补偿和调整，保证加工顺利进行和确保零件质量，减少停机时间， 提高生产率。（4）数控机床智能化技术要求：自动抑制震动的功能 14 。在高速加工过程中，机床容易出现震动，刀具也易于磨损。 该机能自动抑制震动，大大提高了加工精度。自动测量和自动补偿功能。减少高速主轴、立柱、床身热变形的影响，使机床加工 精度大大提高。自动防止刀具和工件碰撞的功能。大大减少突发事故，提高机床工作的可靠性。 自动补充润滑油和抑制噪音的功能。大大改善工作条件 16。 数控系统具有特殊的人机对话功能。在编程时能在监测画面上显示出刀具轨迹等，进一步提高了切削效率 15 。 机床故障能进行远距离诊断。智能化技术提升了数控机床的功能和品质，数控机床智能化的发展前景非常广阔。 它是世界制造技术进一步提高效率、自动化、智能化、网络化、集成化的努力目标。也 是在今天数字控制机床技术基础上向更高阶段发展的努力方向。1.3 主要设计和工作内容本次设计主要围绕万能升降台铣床，针对设计升降台和工作台的结构。重点解决的问题：(1)万能升降台铣床升降台机构设计，相关参数计算。(2)万能升 降台铣床工作台机构设计，相关参数计算。(3)万能升降台铣床工作台操纵机构设计，相 关参数计算。重点研究的几个方面：(1)能升降台铣床工作台机构设计，工作台的工作面积，工作 台的最大行程，工作台的最大回转角度，主轴轴心线到工作台台面的距离，主轴转速。 (2)万能升降台铣床升降台机构设计，电机选择，齿轮计算，轴的计算与设计，滚动轴承 的选择。(3)万能升降台铣床工作台操纵机构设计，工作台外形尺寸及重量初步估算，计 算切削力，直线滚动导轨副的计算与选型，滚珠丝杠螺母副的计算与选型，步进电动机 的计算与选型。(4)万能升降台铣床工作台操纵机构设计，操纵机构的运动分析。2.万能升降台铣床工作台结构设计2.1 万能升降台铣床工作台运动分析和主要参数计算图 2-1 为万能升降台铣床工作台的结构图，主要分为四个部分：纵向工作台，工 件放在纵向工作台上，由纵向工作台带动工件进行运动。转台，位于纵向工作台与横 向工作台中间，使工作台可以在水平面内进行一定程度的回转，回转角度为 45。横 向工作台，位于转台的下方，与底座相连，通过底座下的矩形导轨使工作台可以沿 Y 方 向运动。底座，底座下方由矩形导轨，通过矩形导轨使工作台获得 X 方向运动的能力。1-手轮；2-工作台；3-手柄；4-回转台；5-手柄；6-底座；7-螺母；8-弧形压板；9-螺钉；10-双螺母；11-齿条；12-齿轮；13-双螺母；14-齿轮；15-锥齿轮副；16-牙嵌式离合器；17-手柄；18-手轮；图 2-1万能升降台铣床工作台装配图在用电动机进给时，不可以进行手动操纵。横向工作台通过底座上的矩形导轨与升 降台配合，使横向工作台可以沿 Y 方向进行移动。手动进给时，通过工作台操纵机构使 得牙嵌式离合器处于断开状态，通过对电器开关的控制，使电机进行正转与反转，工作 台便获得 X 正方向和负方向运动的能力。万能升降台铣床工作台 X 方向的具体运动过程：工作台部件由工作台 2、回转台 4 和底座 6 组成。底座下部矩形导轨和升降台相配，螺母 7 和升降台上的横向运动丝杠相 结合，可传动工作台的横向移动。回转台 4 可绕垂直轴在水平面作 45范围内的调整。另外，运动由升降台轴上的锥齿轮传入，经底座下部的锥齿轮 14、锥齿轮副 15、牙嵌式离合器 16（合上），使纵向运动丝杠转动，通过固定在回转台上的双螺母 10、 13 实现工作台总横向移动。转动小丝杠，可以改变给予弹簧的压力，使齿条 11 进行移 动，经 12 齿轮拨动 10、13 双螺母作相对反向运动，可调整或消除工作台纵向运动丝杠 的传动间隙。为操纵方便，纵向进给运动是采用复式手柄操纵。机动进给，手柄 3 有三种位置对应两种不同的结果，在手柄 3 不处于中间位置时，由工作台操纵机构上的轴将运动传给 竖轴上的拨叉，拨叉带动突起的小球摆动，突起的小球使得横轴进行一定程度内的转动， 横轴上的拨叉随横轴摆动的时候使牙嵌式离合器处于合上状态，同时控制电器开关 E1 和E2 ，使进给电机正反转，工作台便获得 X 方向上的运动。手柄 20 在中间位置时，工作台操纵机构不做任何运动，牙嵌式离合器便处于工作状态，此时可用手轮 1 或 9 进行手 动操纵。底座 6 用手柄 5 和 17 固紧在升降台上。回转台 4 用四个螺钉 9 和两块弧形压板 8夹紧在工作台底座上。 工作台尺寸（长宽）1250320mm 工作台最大行程纵向800mm 横向300mm 垂直400mm工作台最大回转角度 45 主轴轴心线到工作台台面的距离30430mm 主轴转速范围（18 级）301500r/min 工作台外形尺寸1625320300mm工作台重量估算：使用灰口铸铁 HT 200 进行制造，取工作台平局密度为 7 gcm3 ；由 G = mg ， m = rv 可得 m=1092kg，G=10701.6N ，本次设计中 g 取 9.8N/kg；2.2 铣削力的计算在实际加工的时候，由于铣床在加工时加工条件及加工过程中受力情况较复杂，切 削力的精确值最好能根据实际加工条件测定，也可以利用已有的切削数据计算确定。 计算主铣削力 FC （指平均铣削力）的经验公式如表 2-1：表 2-1主铣削力 Fc 的经验公式工件材料铣刀名称铣削力计算式碳钢、青铜、铝合金、可锻铸铁等端铣刀F = C a1.1a0.8d -1.1a0.95 zCF eftp立铣刀、圆柱铣刀F = C a0.86 a0.72 d -0.86 a zCF eftp盘铣刀 、锯片铣刀角度铣刀半圆（凸或凹）成形 铣刀灰铸 铁立铣刀 、圆柱铣刀F = C a0.83a0.65d -0.83a zCF eftp端铣刀F = C a1.1a0.72 d -1.1a0.9 zCF eftp盘铣刀 、锯片铣刀F = C a0.83a0.85d -0.83a zCF eftp表 2.2-1 中 CF 系数， ae 铣削接触弧深（mm）， a f 每齿进给量（mm/齿），dt 铣刀直径（mm）， ap 铣削深度（mm），z铣刀齿数。 假设实际加工条件：假设刀具前角g = 10 ，主偏角kt = 75 （端铣刀）；工件材料为sb= 75kgf mm2 碳钢和 HB=190 铸铁；切速 v50m/min。CF =82, ae =60,a f =0.2, dt =90, ap =5,z=28; FC =1871.186N2.3 直线滑动导轨副的计算与选型导轨可以控制运动部件沿某一指定的运动方案进行运动，并且可以支撑着运动部 件，承受运动部件的重量和运动部件在加工时所受的切削力。导轨在设计的时候需要限制运动部件的其他方向的运动，使其只能沿某一指定的运 动方案进行运动。在本次设计中，工作台底部的底座与导轨相配，需承受工作台的重量以及工件的重 量，工作台可以加工最大为 500Kg 的工件，所以选择矩形导轨。矩形导轨可以承受较大 的重量，且它的制造较为简单。导轨可以使万能铣床的工作台进行 Y 方向的运动，改变工作台在 Y 方向的位置。 升降台铣床的导轨尺寸，多数升降台铣床受力后沿工作台纵向（x 轴）的变形最大，上下方向（z 轴）变形较小，前后方向（y 轴）最小。在 x 方向的变形中，刀具系统（心 轴、悬梁等）与工作台系统（工作台、滑座、升降台等）所占比例相近。在 y 向变形中， 工作台系统所占比例较大。在 z 向变形中，刀具系统所占比例较大。在工作台系统中， 导轨的层次多，会使运动部件的重心发生改变，重心会移动，同时在力矩作用下，导轨 面会产生一定程度的弹性变形，导致运动部件可能在运动中发生一定程度的偏转。选择 导轨尺寸时，应保证获得足够的刚度，尽量减小偏转变形。在计算中可由表 2-2 确定导 轨主要参数。表 2-2升降台铣床工作台部分导轨尺寸关系结构项目尺寸关系比值说明工 作 台 导 轨 宽 度B1 B0.7增大 B1 可以减小偏转角，但是B1B1 也不能太大，否则会减少导轨的接触面宽度 b1滑 座 上 导 轨长度 L1L1 L0.7 0.9L1 对偏转角影响大，为提高刚性，新型机床都采用大的 L1滑座下（横）导轨宽度 B2B2 L0.30.5随着 L1 的增大， B2 相应增大。增大 B2 可减小偏转角，同时增加了升降台宽度，提高了抗弯强度，也 有利于机构的安排滑 座 下 导 轨长度 L2L2 L10.7增大 L2 可减小偏转角。但 L2 不 宜太大，以免使升降台太长床 身 导 轨 宽B311.3床身导轨结构对 x 方向的变形度 B3B影响极大，采用矩形导轨代替燕尾形 导 轨 可 提 高 抗 扭 刚 度 （ 约B3 B40.60.750%70%），同时增加 h3 可减小偏床 身 导 轨 面 h30.10.14转角高度 h3 、宽度 b3B3b3B30.240.32升 降 台 与 床身 导 轨 接 合 长 度L3 B32L3 对偏转角均有较大影响，为L3了增大 L3 ，一般都在升降台上部伸出两条腿，将导轨延伸升 降 台 传 动丝杠位置 L4 L4L50.30.4L4 对偏转角、升降台弯曲变形及牵引力大小均有极大影响。从减小牵引力考虑，使丝杠位于重心与导轨之间较好；从减小升降台变形考虑，丝杠靠前端较好。多数铣床丝杠均靠近床身（大尺寸铣床前端另设辅助支撑）B1 =58.94mm, L1 =256mm, B2 =128mm, L2 =179.2mm, B3 =70.728mm, h3 =7.0728mm,b3 =17.628mm, L3 =141.456mm;2.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型万能升降台铣床工作台 X 方向的运动需要丝杠来将运动进行转化，回转直线。 可由电机带动，也可通过摇动手轮进行手动控制工作台 X 方向的运动。丝杠许用轴向负载计算： P = anp2 EI L2(2-1)P：丝杠许用轴向负载；a：安全系数 0.5； E 杨氏模量 2.08 105 N/ mm2 （MPa）d：丝杠轴底径： 32mm ；L：丝杠安装距离 90mm ；I：丝杠轴界面最小惯性矩。n 取 1，pd4I =I=34457.6 P=408272.8N6460l2丝杠许用转速：N = b2pL2EIggA(2-2)N：丝杠许用转速 r/min； b：安全系数 0.8；g 重力加速度 9.8 103 mm/ s2g：丝杠材料比重，g = rg = 7800 10-9 kg / mm3 9.8N / kg = 7.644 10-5 ；A：丝杠最小截面直径， A = pd2 =803.84 mm2 ；l取 3.14。4l2N 107d =2440r/min；(2-3)L2丝杠导程确定：l = VmaxNmax=9.8；(2-4)丝杠长度确定：L= 最大行程 + 螺帽长帽 + 轴端预留量 = 1010 ；轴向最大负载计算：F= mmg +ma；(2-5)工作台最大承载为 500kg， m取 0.002，a 取 0.5 ms2 ，F=259.8N；丝杠轴径确定：d 64PL2 1 4；(2-6)1 nap3 E 根据长径比计算轴颈 d2 。长径比应该小于 60；L 60d2d3 2N Lmaxl210-7；取 d max（d1，d2，d3），d 32 mm；(2-7)丝杠导程角： tan（b）= lpd=4.07 10-3 ；(2-8)19F 3 N t+ F 3 N t+ F 3 N t1am基本额定载荷： F=（ a1 1 1a 2 2 2a3 3 3 ）3 =198.7N；(2-9)N1t1+ N2t2+ N3t3选用型号为 4008 - 6 的滚珠丝杠副，公称直径为 40mm ，基本导程为10mm 。2.5 电动机的计算与选型电动机所需的功率 P = Pw ，h = 0.97 ，h = 0.9 ，h = 0.95 ；工作台最大承重 500Kg；dh123电动机所需工作功率为： P = Pw ；(2-1)工作机所需功率为： Pwd= Fv10007h；(2-2)传动的总效率为：h=h1 h2h3,h=0.69；(2-3)所需电机功率为： Pd=Fv1000h=1.432kw(2-4)Ped 略大于 Pd 即可。选用转速为 1410r/min，功率 1.432kw 的电机，在本次设计中选用 型号为 Y112M-4 的三相异步电动机。3.万能升降台铣床升降台结构设计3.1 万能升降台铣床升降台运动分析图 3-1 为万能升降台铣床升降台装配图，升降台是使工作台获得垂直运动的能力的 部件，通过升降台上的滚柱丝杠，使回转运动变为直线运动，使工作台可以进行垂直方 向的移动。升降台中有一个垂直放置的丝杠，它使升降台可以将电动机的回转运动变为 直线运动，使工作台获得垂直方向的进给。从进给电机到丝杠的传递中经过了 9 次运动 传递，2 次锥齿轮传动，7 次圆柱齿轮传动，最终将电机的转动传至垂直丝杠。工作台 进行横向与纵向机动进给运动的运动传递也由升降台来完成，在工作台的进给运动中， 升降台起着一个关键的传递作用。图 3-1万能升降台铣床升降台装配图升降台的具体运动过程：运动由进给箱中的齿轮传入，经升降台中的齿轮传至轴， 使工作台得到垂直、纵向、横向进给运动。手柄和电磁离合器分别操纵垂直和横向进给 运动。操纵手柄有五个位置（上、下、前、后、及中间位置）它带动鼓轮分别控制电器 开关的开合，手柄处于上、下或前、后位置时，工作台得到垂直升降或横向前、后运动； 在中间位置时，工作台停止进给。升降台的工作由一个垂直放置的丝杠来完成。在该铣床中，升降台与工作台通用一个电机，选用型号为 Y112M-4 的三相异步电 动机。3.2 圆柱齿轮计算初步选择小齿轮的齿数为 Z1 = 22 ，齿轮精度等级为 7 级，由 u 得到相啮合的大齿轮 齿数应为 Z1 = 27，选取载荷系数 Kt = 1.3计算齿轮传递的扭矩T15T = 95.5101n P = 5.87 104 (N mm)(3-1)取齿宽系数fd = 11选取材料的弹性影响系数 ZE = 189.8MPa 2 ,slim 1 = 600 MPa计算力循环次数：, slim 2 = 500 MPaN = 60n jL= 60 960 1 (2 8 300 15) = 4.147 10911hN = N14.147 109= 1.29610923.23.2取 K HN 1 = 0 .9 ， K HN 2(3-2)= 0 .95 ,计算接触疲劳许用应力sH ,取失效概率值为1% ，安全系数 S = 1 ，得：s = KHN 1slim1 = 0.9 600 = 540 MPa，H 1S1(3-3)s = KHN 2slim 2 = 0.95 500 = 475 MPaH 2S13KtT1u +1ZEfdu2sH计算小齿轮的分度圆直径 d1t : d1t = 2.32 d1r = 58.82 d 1 =d 1 t(3-4)K3K t计算载荷系数：K = K A Kv K H a K H b = 1.25 1.05 1 1.424 = 1.869(3-5)3f Z 2 2KT1 YFaYSa d 1s F模数 m 的确定 mz=d，d=65.87，m=3校核齿根弯曲强度： m (3-6)取弯曲强度极限sFE1 = 500MPa ，sFE 2= 420 M PaKFN 为弯曲疲劳寿命系数，取 KFN 1 = 0.85 ， KFN 2 = 0.88弯曲疲劳许用应力计算， S 为弯曲疲劳安全系数S = 1.41sF=K FN 1sF E 1S= 0.85 5001.4= 303.57 (MPa)(3-7)2sF=K FN 2sFE 2S= 0 .88 4201 .4= 264 (MPa)计算出载荷系数：K = K A K v K F a K F b = 1 .25 1 .05 1 1 .31 = 1 .719查得齿轮齿形系数：查得齿形系数为： YF a 1 =2 .6 5 ， YF a 2= 2 .53取应力校正系数，取应力校正系数： YSa 1= 1 .5 8 ，YSa 2 = 1.62大、小齿轮的 YFaYSa： YFa1YSa1 = 2.651.58 = 0.01379sFsF 1303.57(3-8)YF a 2 YSa 22sF = 2 .5 3 1 .6 22 6 4= 0 .0 1 4 5 2 5经计算分析得出大齿轮的值比小齿轮大，根据公式计算齿轮模数: 根据上述公式和相关选取的参数数据进行计算得出：m 3 ；根据模数 m 3 得出： z1齿轮几何尺寸的计算：= d1 =21.95，取 22， Zm2= 27(3-9)齿轮的分度圆直径： d = mz ， d1 = 66 mm， d2 = 81 mm；齿轮间中心距：a = d1 + d2 ，a=73.5mm；(3-10)2计算齿轮宽度： b1 = fd d1 =66mm， b2 = fd d2 =81mm； 齿轮的相关校核：K Ft sF 2 TFt =KFt = 27.635(3-11)b mYF a YS ad， bms F =75.432Y F a Y S a二者比较得出该齿轮规格符合要求。3.3 圆锥齿轮的计算电动机输入圆锥齿轮的功率为 P；其中 P1 =1.5Kw，P=1.5Kw，转速为 1410r/min，齿 数比为1.8 ，工作时会产生轻微的震动。选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数: (1)按传动方案选用直齿锥齿轮传动。 (2)选用 7 级精度。(3)材料选择，选择小齿轮材料为 40Cr （调质），硬度为 280HBS ，大齿轮材料为 45 钢（调质），硬度为 240HBS ，硬度差为 40HBS 。 (4)选小齿轮齿数 z1 =17，大齿轮齿数 z2 =17 1.8=32。 (5)初选压力角a=20按齿面疲劳强度设计 小齿轮分度圆直径d 34KH T12 Z Z H E1tf (1- 0.5f )2 u s (3-12)RRH6试选 KHt =1.3；齿轮 1 所传递的转矩 T1 = 9.5510P / n1 ， T = 10159.5 N m ；区域2系数 ZH = 2.5 ；齿宽系数fR = 0.3 ；材料的弹性影响系数：ZE = 189.8MPa；计算解除疲劳许用应力 sH ；选取小齿轮的接触疲劳极限为 600MPa ,大齿轮的接触疲劳极限为550MPa 。计算应力循环次数：9N1 = 60n1 jLh = 6014101 2 8 300 15 =6.091 1021N = N /u =3.383109 ；(3-13)查取接触疲劳寿命系数 KsHN1= 0.88 ， KHN2= 0.85 。取失效概率为1% ，安全系数 S = 1 。s KHN=1Hlim1 = 0.88 600 MPa=557MPa(3-14)H 1S1ssH 2KHN=2SHlim2 = 0.85 600 MPa=467.5MPa1可得 sH =467.5MPa； 计算小齿轮分度圆直径d 34KH T12 Z Z H E1tf (1- 0.5f )2 u s =53.489mm；(3-15)RRH调整小齿轮分度圆直径 数据准备圆周速度 vdm1 = d（1t 1- 0.5fR）= 53.489 (1- 0.5 0.3)mm=45.465mm；(3-16)vm =pdm1n160 1000= p 45.465 1410 m/s=3.354m/s；(3-17)60 1000u 2 +1/2当量齿轮的齿宽系数fdb=fR d1t= 0.3 53.489 (32/17)2 +1/2 mm=31.032mm；(3-18)fd = b/dm1 = 31.032/45.465=0.68；(3-19)计算实际载荷系数 KH 。 查表得使用系数 KA = 1 ；根据 vm = 3.354m/s 、八级精度,可以得到动载系数 Kv = 1.14 ； 由于齿轮的精度较低，可以取齿间载荷分配系数 KHa = 1； 在七级精度、小齿轮悬臂时，齿向载荷分布系数 KHb = 1.402 .可以得出实际载荷系数 KH = KAKV KHaKHb =11.1411.402=1.598；(3-20)按实际载荷系数算得的分度圆直径为d1 = d1t 3KHKHt=53.489 31.5981.3=57.298mm，(3-21)相应的模数为 m= d1/z1 =3.370mm；按齿根弯曲疲劳强度设计KFtT1（YFaYSa ）m1 3f（1- 0.5f ）2 z2u 2 +1s (3-22)RR1F确定公式中的各参数值。 试选 KFt =1.3;YFaYSa,由d = arctan(17 / 32) = 27.979o 和d =90-27.979=62.021，得当量齿数:F计算 s 12zv1 = z1/cosd1 = 17/cos（27.979）=19.24(3-23)zv2 = z2 /cos（d2）=32/cos（62.021）=68.20；(3-24)查得齿形系数 YFa1 = 2.81 、 YFa2 = 2.32 ; 应力修正系数 YSa1 = 1.58 、 YSa2 = 1.78 ；小齿轮和大齿轮的齿根弯曲疲劳极限分别为sFlim1 = 500MPa 、sFlim2 = 380MPa ； 弯曲疲劳寿命系数 KFN1 = 0.85 、 KFN 2 = 0.88 ；取弯曲疲劳安全系数 S = 1.7 。ss KFN=1Flim1 = 0.85 500 = 250MPa(3-25)F 1S1.7ssF 2KFN=2SFlim2 = 0.88 380 = 197MPa1.7YFa YSa2.811.58 =0.0177， YFa 2 YSa 22.32 1.78 =0.0209(3-26)11s =250s =197F 1F 2YFaYSaF取其中较大者可得 s =0.0209试算模数：KFtT1（YFaYSa ）m1 3f（1- 0.5f ）2 z2u 2 +1s (3-27)RR1F= 31.310159.50.3（1- 0.5 0.3）2 172 （32/17）2 +1 0.0209 mm=2.140mm调整齿轮模数： 圆周速度 v：d1 = mt z1 =2.14017=36.380mm(3-28)dm1 = d（1 1- 0.5fR）=36.38（1-0.15）mm=30.923mm；(3-29)vm =pdm1n160 1000= p 30.9231410 =2.281m/s;(3-30)60 1000齿宽 b：u 2 +1/2b=f d=0.336.380（1.8）2 +1/2mm=21.106mm(3-31)R 1计算实际载荷系数：根据 v = 2.281m/s ，八级精度，查得动载系数 Kv = 1.08 ； 由于直齿锥齿轮精度较低，取齿间载荷分配系数 KFa = 1 ； 查得 KHb = 1.334 ，于是 KFb = 1.262 ;则载荷系数为： KF = KAKV KFaKFb =11.0811.262=1.362；(3-32)齿轮的模数为：m = mt 3KFKFt= 2.140 31.3621.3mm=2.173mm；(3-33)就近选择标准模数 m=3mm，按照接触疲劳强度算得的分度圆直径 d1 = 57.289mm ， 算出小齿轮齿数 z1 = d1 /m = 19.09 .取 z1 为 20，则大齿轮齿数 z2 = uz1 = 1.8 20 = 34.37 ， 在齿轮的设计中，齿轮的齿数应为互质的两数，取 z2 = 33 。几何尺寸计算： 计算分度圆直径：d1 = z1m = 203=60mm， d2 = z2 m =333=99mm(3-34)计算分锥角：d1 = arctan(1 u)=arctan（20/33）=312154；(3-35)d2 =90-312154=583806；计算齿轮宽度：b = f du 2 +1/2 =0.3571.82 +1/2 mm=33.06mm，取 b = b =33mm；(3-36)R 112主要设计结论：齿数 z1 = 20 、 z2 = 33 ，模数 m =3mm，压力角a= 20，变位系数 0，分锥角d1 =31o2854 ，d = 583806 ，齿宽 b = b= 33mm 。小齿轮选用 40C （调质），大齿轮选212r用 45 钢（调质）。齿轮按七级精度计算。3.4 轴的计算与设计VIII 轴为万能升降台铣床升降台中十分重要的一根轴，通过 VIII 轴上的齿轮可以将 运动传递至丝杠上。下面对 VIII 轴进行计算与设计。按扭转强度条件计算轴的直径：TtT =WT9550000 Pn0.2d3 tT (3-37)tT 扭转切应力，MPa ；T轴所受的扭矩 N mm ；3WT 轴的抗扭截面系数， mm ；n轴的转速，r/min；P轴传递的功率，kW；d计算截面处轴的直径，mm；tT 许用扭转切应力，MPa；可导出： d 39550000P = 30.2tT n9550000P3 0.2tT n= A 3 P 0n式中，A0 = 395500000.2tT (3-38)6在本次设计中，选取tT 为 40MPa， A0 为 120；P1 为轴传递的功率；从电机中传递出 的额定功率为 1.5kw，电机进过 7 次齿轮传递，一次锥齿轮传动，六次圆柱齿轮传动， 锥齿轮传动效率h1 取 0.95，圆柱齿轮传递效率h2 取 0.99。P1 =h1h2 P ，可得 P1 =1.341Kw； 轴的转速会在传递过程中变化，在此次传动过程中，锥齿轮 1 的齿数为 17，锥齿轮 2的齿数为 32，第 1 对圆柱齿轮的齿数从 20 变为 44，第 2 对圆柱齿轮的齿数从 26 变为32，第 3 对圆柱齿轮的齿数从 40 变为 18，第 4 对圆柱齿轮的齿数从 40 变为 49，第五对圆柱齿轮的齿数从 38 变为 52，第 6 对圆柱齿轮的齿数从 20 变为 47。额定转速 n=1410r/min。轴的转速为 n= n 20 26 40 40 38 20 = 293.7r/min；（3-39）144 3218 495247可算得 d 19.9mm ，此直径为轴段的最小直径。 按弯扭合成强度条件计算：首先画出轴的简图，通过分析轴上的零件，大概确定此轴的最小直径，如图 3-2。图 3-2VIII 轴简图如图 3-2，因为轴上有两个键，则 d 应21.293mm，1- 2 段轴长 l1 = 34mm ， 2 - 3 段 轴长 l2 = 320mm ， 3 - 4 段轴长为 l3 = 21mm ， 4 - 5 段轴长为 l4 = 48mm ， 5 - 6 段轴长为 l5 = 10.5mm ， 6 - 7 段轴长为 l6 = 59 mm 。1- 2 段键宽度 b = 8mm ，高度 h = 7mm ，长度L = 28mm 的普通平键，键的型号为：GB/ T 1096键 8 7 28 。第二个键宽度 b = 10mm ，高度 h = 8mm ，长度 L = 32mm 的普通平键，键的型号为：GB/ T 1096键108 32 。为保证齿轮与轴由良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为 H7 /m6 ；滚动轴承与轴的 周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的尺寸公差 m6 。确定轴上圆角和倒角尺寸： 取轴端倒角为 2 45 。大圆柱齿轮受力情况：Fr2 = Ft2 tana=3751N，Fa2 = Ft2 tana= 4550N，Ft2 = 5855N ；(3-40)小圆柱齿轮受力情况：Ft2 =3278N， Fr2 =1223N， Fa2 =817.9N；计算出位于圆柱齿轮重点截面位置处的数据，列于下表。表 3-1截面处的 MH、MV 及 M 的数据表载荷水平面垂直面支反力FNH 1 = 2315.75N , FNH 2 = 2882.07NFV 1 = -1126.68N , FV 2 = -1545N弯矩 MM= 3.18 104 NmmHmaxM= 7.76 104 NmmVmax总弯矩 MM =(3.18 104 )2 + (7.76 104 )2 =3.273104 Nmm扭矩 TT= 7.434 104 Nmm根据轴的结构图，对轴进行受力分析。从弯矩和扭矩图中可以看出危险截面是大圆 柱齿轮的中点。图 3-3 为轴的受力分析及弯矩转矩图。按弯扭合成应力校核轴的强度，扭转切应力为脉动循环变应力，取a=0.6，轴的计算应力：M 2 + (aT2)2sca =W=327302 + (74340)20.1 303= 20.48MPa ；(3-41)图 3-3轴的受力分析及弯矩扭矩图轴的材料为 45 钢，调质处理，查得许用弯曲应力 s-1 = 60MPa ，因此sca s-1 ，故安 全。判断 VIII 轴危险截面的受力：截面右侧受到的应力最大。 截面右侧，抗弯截面系数：W = 0.1 d3 = 0.1 d3 303 = 2700 mm3 ；(3-42)t抗扭截面系数：W = 0.2 d3 = 0.2 303=5400 mm3 ；(3-43)截面右侧弯矩： M = 24570N mm ；截面上的扭矩： T2 = 74.34N m ；29M截面上的弯曲应力：sb =W= 24570 =9.1MPa；(3-44)2700截面上的扭转切应力：tT =T2 = 74340 =14.41MPa；(3-45)WT5400轴的材料为 45，可得sB = 640MPa ；s-1 = 275MPa ；t-1 = 155MPa ； 取应力集中系数as 及at ，as =2.018，at =1.382；查取轴的材料敏感系数为 qs =0.81， qt =0.85。有效应力集中系数为： ks = 1+ qs (as -1) =1+0.81（2.018-1）=1.82；(3-46)kt = 1+ qt (at -1) =1+0.85（1.382-1）=1.32；(3-47)取尺寸系数es = 0.73 ，扭转尺寸系数et = 0.84 。轴按磨削加工，所以轴的表面质量系数 为 bs = bt = 0.92 ，轴未经表面强化处理， bq = 1 ，综合系数为：Ks = ks/es +1/bs -1 = 1.82/0.73+1/0.92-1=2.58；(3-48)Kt = kt/et +1/bt -1=1.32/0.84+1/0.92-1=1.66；(3-49)计算安全系数 Sca 值：Ss =s-1=11.53， S =s bs mK s +jstt-1Ktta +jttm= 12.58；(3-50)Sca =SsSt S 2 + S 2=8.49S=1.5，VIII 轴安全。(3-51)stt截面左侧：抗弯截面系数：W = 0.1d3 ；抗扭截面系数：W= 0.2d3 ；截面左侧弯矩：M = 20756 N m ；截面上的扭矩： T3 = 743.4Nm ；M截面上的弯曲应力：sb =W= 6.44MPa ；截面上的扭转切应力：tT= T2 WT= 10.286MPa ； ks/es=3.75； kt/et =0.83.75=3；表面质量系数 ba = bt = 0.92 ；得到综合系数 Ks = ks/es +1/bs -1 = 3.75 +1/0.92 -1 = 3.84；Kt = kt/et +1/bt -1 = 3 +1/0.92 -1 = 3.09；碳钢的特性系数js = 0.1 ，jt = 0.05 ，所以 VIII 轴的危险截面左侧的安全系数为：Ss =s-1= 10.08 ； S =s as mK s +jstt-1Ktta +jttm= 9.60 ； Sca =SsSt S 2 + S 2= 6.95S = 1.5st故可知其安全。3.5 滚动轴承的选择VIII 轴在工作的时候既受了轴向力同时也受径向力，所以选用角接触球轴承。型号 为 7207 ，已知 n = 293.7r/min ， Ft = 859.5N，Fr = 300.8N , Fa = 85.9N ， C0r = 54.2KN ， e=0.37，Y=1.6；求相对应轴向载荷的 e 值和 Y 值。相对轴向载荷 Fa =C085.963500=0.0013;(3-52)Fa =Fr85.9300.8=0.286e;(3-53)求两轴承的轴向力：Fd1 = Ft1/（2Y）=859.5/（21.6）N=268.59N；(3-54)Fd2 = Fr2 /（2Y）=300.8/（21.6）N=94N；(3-55)Fa1 = Fd1 =268.59N； Fa2 =94N，FFa1 = 268.59 =0.31；a2 =94=0.31;(3-56)Fr1859.5Fr2300.8P1 = Fr1 =859.5N, P2 = Fr2 =300.8；3验算轴的寿命：e106 C 106 54200 6Lh =60nP=60 293.7859.5=2.910 h48000h。(3-57)4.万能升降台铣床工作台操纵机构结构设计4.1 万能升降台铣床工作台操纵机构结构图 4-1 为万能升降台铣床工作台操纵机构的部分三维造型。此结构由手柄、竖轴、 拨叉、横轴等零件组成。图 4-1万能升降台铣床工作台操纵机构三维造型4.2 万能升降台铣床工作台操纵机构运动分析本次设计的工作台操纵机构，可控制工作台的 X 方向上的进给运动的方式。通过摇 动手柄，使得竖轴上的拨叉进行一定程度的摆动，拨叉将摆动传到横轴上，横轴进行旋转，横轴的正反转使得横轴上的拨叉左右摆动，该拨叉使得工作台 X 进给方向上的丝杠 中的牙嵌式离合器处于工作或断开状态。在手柄对于横轴来说处于两边时，即当手柄不 平行于横轴，进给丝杠上的牙嵌式离合器处于工作状态，并且控制电器开关打开，由控 制电器来使电动机进行正转或反转，此时工作台通过电动机进行 X 方向上的进给，通过 电动机的正反转，可以得到工作台的沿 X 正负方向上的进给。在手柄处于中间位置时， 即手柄与横轴平行时，牙嵌式离合器处于断开状态，控制电器开关关闭，电动机不进行 转动，此时工作台处于手动进给模式，工作台上有两个手轮，通过转动这两个手轮，使 得工作台可以进行手动 X 方向上的进给运动。这种复式手柄操纵可以方便工件的加工， 使万能升降台铣床的操作方式变得十分方便。图 4-2 为铣床工作台操纵机构的剖视图：图 4-2万能升降台铣床工作台操纵机构剖视图5.结论本设计主要针对万能升降台铣床工作台进行设计，在铣床工作台的三个垂直方向上 的进给需要升降台及工作台操纵机构辅助完成。在对万能升降台铣床工作台的设计中，为满足三个垂直方向上和一个水平面上 45 的转动，将工作台分为：纵向工作台，转台，横向工作台，底座。通过底座上 的导轨工作台即可实现三个垂直方向上的运动，转台提供工作台可绕水平面进行 45的 转动。并且进行了运动分析，选取了工作台进行 X 方向的运动时，使用的滚珠丝杠副， 确定了导轨的尺寸，计算了铣削力，估算了铣床工作台的重量，确定了电机型号。在对万能升降台铣床升降台的设计中，进行了运动分析，对关键的齿轮、轴、轴承 进行了设计计算与校核。在工作台操纵机构的设计中，进行了运动分析。 优点：工作台的可在三个垂直方向上移动，并可以在水平面上进行 45的转动。工作台在 X、Y 方向上的运动既可以通过电动机进行激动进给，也可以通过人摇手轮 进行手动进给，使用起来比较方便。展望：本设计主要针对普通铣床，对普通铣床的数控化改造或设计数控铣床是现 在设计的走向。在电动机驱动时，经过了 9 次齿轮传动才将运动传至垂直丝杠，经过了 8 次齿轮传动才将运动传至水平丝杠，传动过程较为繁琐，如果齿轮精度不高，能量 在传递中损失较大。参考文献1李应弟.数控立式铣床工作台的结构设计与研究J.山东工业技术,2017(7):47-47. 2王岩,郝宝珠.数控铣床工作台与床身设计J.科技创新与应用,2017(6):139-139. 3唐三叶.数控铣床 X-Y 工作台设计J.金山,2011(3).4佚名.数控立式升降台铣床技术条件 JB/T 9928.21999(代替 ZB J54 015-88)J.设备管理与维 修,2008(9):67-69.5 黄 静 , 陈 再 良 等 . 大 型 机 床 工 作 台 的 动 态 性 能 研 究 及 结 构 优 化 J. 制 造 技 术 与 机 床,2014(11):62-65.6沈军.铣床工作台的铸造工艺优化J.金属加工(热加工)热加工,2011(17):64-65. 7苗付标.一种新型数控升降台铣床进给机构J.制造技术与机床,2012(11):138-139. 8郭红珍.X2020 龙门铣床工作台进给装置的设计J.机械管理开发,2008,23(6):38-39. 9濮良贵,陈国定,吴立言.机械设计M.高等教育出版社,2013. 10唐金松.机械设计手册第 3 版J.中国机械工程,2004(11):947-947. 11潘迎春.高速加工工艺在卧式铣床升降台的改进J.科技风,2017(12):162-162. 12刘岗.一种新型万能卧式铣床:,CN 105290877 AP.2016.13蔡厚道.一种升降台铣床支承套钻镗夹具,One kind of milling machine bearing sleeve clamp Boring:,CN 206065981 UP.2017.14王岩,郝宝珠.数控铣床工作台与床身设计J.科技创新与应用,2017(6):139-139. 15谢金俊,罗俊峰.种立式升降台铣床工作台底座的加工工艺:CN 104227346 BP.2017. 16张景龙,李宝成,辛学臣,等.一种铣床工作台 Y 轴进给传动系统结构:CN206445578UP.2017. 17张景龙,李宝成,辛学臣,等.一种铣床工作台 X 轴进给传动系统结构:CN206445579