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压缩包内含有CAD图纸和说明书,咨询Q 197216396 或 11970985 毕业论文题目：万能升降台铣床工作台结构设计学院：专 业 、班级：学生姓名：指导教师(职称)：摘要万能升降台铣床工作台结构设计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IIABSTRACThe 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 analysis压缩包内含有CAD图纸和说明书,咨询Q 197216396 或 11970985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 。10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 g cm3 ；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 L2 L2L10.7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 导轨宽度 B3B3 B11.3床身导轨结构对 x 方向的变形影响极大，采用矩形导轨代替燕尾形 导 轨 可 提 高 抗 扭 刚 度 （ 约50%70%），同时增加h3 可减小偏转角B3 B40.60.7床身 导轨面高度h3 、宽度b3 h3B30.10.14b3B30.240.32升降 台与床身导轨接合长度L3 L3B32L3 对偏转角均有较大影响，为了增大 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=408272.8N64丝杠许用转速：N = b(2-2)N：丝杠许用转速 r/min； b：安全系数 0.8；g 重力加速度9.8103 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。4N 107 l2L2d =2440r/min；(2-3)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； 64PL21 4丝杠轴径确定： d1 nap3 E ；(2-6)根据长径比计算轴颈d2 。长径比应该小于 60；LN L2-72 60 d3 max10 dl2；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)F 3 N t + F 3 N t + F 3 N t1基本额定载荷： Fam =（ 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)19工作机所需功率为： Pwd= Fv1000h；(2-2)传动的总效率为：h=h7hh ,h=0.69；(2-3)所需电机功率为： P12 3=Fv=1.432kw(2-4)d1000hPed 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T1T1 =95.5105 Pn= 5.87 104(N mm)(3-1)d取齿宽系数f = 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 10911hN4.147 1099N2 = 1= 1.29610(3-2)3.23.2取 K HN 1 = 0 .9 ， K HN 2安全系数S = 1 ，得：= 0.95 ,计算接触疲劳许用应力sH ,取失效概率值为1% ，s = KHN 1sil m1 = 0.9 600 = 540 MPa，H 1S1(3-3)s = KHN 2slim 2 = 0.95 500 = 475 MPaH 2S1计算小齿轮的分度圆直径d1t : d1t = 2.32d1r = 58.82 d 1 =d 1 t (3-4)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)模数 m 的确定 mz=d，d=65.87，m=3校核齿根弯曲强度： m 取弯曲强度极限sFE1 = 500MPa ，sFE 2= 420 M Pa(3-6)KFN 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 = 1.4sFK FN 1sF E 1=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 ， YFa 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 F = 2 TKFt = 27.635(3-11)tb 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d1t (3-12)试选 K=1.3；齿轮 1 所传递的转矩T = 9.55106 P / n， T = 10159.5 N m ；区域Ht11系数ZH = 2.5 ；齿宽系数fR = 0.3 ；材料的弹性影响系数：Z E = 189.8MPa ；计算解除疲2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：N1 = 60n1jLh= 6014101 2 8 300 15 =6.091 109 ；(3-13)21N = N /u =3.383109 ；12查取接触疲劳寿命系数 KHN = 0.88 ， KHN = 0.85 。取失效概率为1% ，安全系数S = 1 。1s = KHN sHlim1 = 0.88 600 MPa=557MPa(3-14)H 1S12s = KHN sHlim2 = 0.85 600 MPa=467.5MPaH 2S1可得sH =467.5MPa；计算小齿轮分度圆直径d1t =53.489mm；(3-15)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 1000当量齿轮的齿宽系数fdb=fR d1t= 0.3 53.489mm=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=53.489=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1m 3KFtT1 （YFaYSa ）(3-22)f（1- 0.5f）2z2u 2 +1s RR1F12确定公式中的各参数值。试选 KFt =1.3;计算 YFaYSa,由d = arctan(17 / 32) = 27.979o 和d =90-27.979=62.021，得当量齿数:sF zv1 = 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 。1s = KFN sFlim1 = 0.85 500 = 250MPa(3-25)F 1S1.72s = KFN sFlim2 = 0.88 380 = 197MPaF 2S1.7YFa1YSa1 = 2.811.58 =0.0177， YFa 2 YSa 2 = 2.32 1.78 =0.0209(3-26)sF 1250sF 2197取其中较大者可得 YFaYSasF =0.0209试算模数：1m 3KFtT1 （YFaYSa ）(3-27)f（1- 0.5f）2z2u 2 +1s 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：b=f d=0.336.380mm=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 = mt1.362=2.140 3mm=2.173mm；(3-33)1.3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计算分锥角：(3-34)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 =0.357 1.82 +1/2 mm=33.06mm，取bR 11= b =33mm；(3-36)2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：T9550000 PWtT =T0.2d3n tT (3-37)tT 扭转切应力，MPa ；T轴所受的扭矩 N mm ；TW 轴的抗扭截面系数， mm3 ；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；PtT 许用扭转切应力，MPa；可导出： d A0 = 3 9550000 30.2tT n = A0 3P 式中，n(3-38)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h取 0.95，圆柱齿轮传递效率h 取 0.99。P =hh6 P ，可得 P =1.341Kw；1211 21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） 1443218495247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 H 7 /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， F =1223N， F =817.9N；r2a2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 = 2882.07 NFV 1 = -1126.68N , FV 2 = -1545N弯矩 MMHmax = 3.18 10 Nmm4MVmax = 7.76 10 Nmm4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 + (aT )2sca= 2=W0.1 303= 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) 抗扭截面系数：Wt = 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：t = T2 = 74340 =14.41MPa；(3-45)WTT5400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：S =s-1=11.53， S =t1-= 12.58；(3-50)sK s +jstK t +jts bs mt at mSca =SsSt=8.49S=1.5，VIII 轴安全。(3-51)t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 ；截面上的弯曲应力：sb= M = 6.44MPa ；WT截面上的扭转切应力：t= T2= 10.286MPa ； k/e =3.75； k/e =0.83.75=3；sst tTW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：S =s-1= 10.08 ； S =t1-= 9.60 ； S=SsSt= 6.95S = 1.5sK s +jstK t +jtcas as mt at m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，Fa1 = 268.59 =0.31 Fa294Fr1859.5；Fr2=300.8=0.31;(3-56)P1 = Fr1 =859.5N, P2 = Fr2 =300.8；验算轴的寿命：106 C e106 54200 3L = = =2.9106 h48000h。(3-57)h60n P 60 293.7 859.5 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:CN206445579UP.2017.18 Denkena B, Flter F. Adaptive Cutting Force Control on a Milling Machine with Hybrid Axis ConfigurationJ.Procedia Cirp,2012,4:109-114.19 Brecher C, Altstdter H, Daniels M. Axis Position Dependent Dynamics of Multi-axis Milling MachinesJ.Procedia Cirp,2015,31:508-514.20 Shimana K, Kondo E, Chifu T, et al. Real-Time Estimation of Machining Error Caused by Vibrations of End Mill J.Procedia Cirp,2016,46:246-249.附录 1 外文译文多轴铣床的轴位置依赖动力学摘要：许多分析方法可用于预测铣削过程的稳定性。这些方法大多基于这样的假设，即机床的动力学是时不变的。这个假设在许多情况下似乎是有效的。然而，在巨大的平移或旋转轴运动或过程引起的工件质量和弹性的变化的情况下，可能需要时变的动态模型。提出了一种多轴铣床轴位置依赖动力学模型的建立方法。根据该方法，机床的模态参数在不同的离散轴位置上被预先确定。插补策略允许沿任意刀具路径计算任意分辨率的模态参数。这里，示例性的 2.5 维铣削过程作为示例。传统的逐步时域仿真程序由模态插值策略来补充，以考虑改变机器动态。确定动态变化对工艺的影响，并与切削试验进行比较。关键词：机床；动力学；铣削1. 简介加工过程中的振动可能有不同的原因。其中一个原因是再生效应会导致过度颤振1 这个振动已经被 Tlusty、Tobias 和 Opitz 描述过了2,3,4。他们介绍了所谓的稳定性图， 它把所有可能的旋转速度和切割深度的组合分离