NC机床无级变速二级主传动系统设计方案Ⅱ

欢迎下载本文档参考使用，如果有疑问或者需要CAD图纸的请联系q1484406321太原工业学院毕业设计 毕业设计NC机床无级变速二级主传动系统设计方案机械工程系学生姓名： 学号： 机械设计制造及其自动化系 部： 专 业： 指导教师： 二零一二年六月 太原工业学院毕业设计NC机床无级变速二级主传动系统设计方案摘要数控机床的主传动要求传递给主轴以一定的功率，要求主轴转速可以按加工要求在一定的转速范围内有级调速或无级调速，并且要求转速的转换要迅速可靠；对机床的主传动还要求有足够的使用寿命。调速电机连接有级变速箱可实现扩大机床变速范围。为了保证加工时能选用合理的切削用量，充分发挥刀具的切削性能，从而获得最高的生产率、加工精度和表面质量，数控机床必须具有最高的转速和更大的调速范围。关键词：数控机床、主传动、无级调速、调速范围Abstract: CNC main transmission requirements to the power, with certain spindle spindle speed can request according to the requirements of the processing in a certain speed stepless speed regulation or with stepless speed conversion and rapidly sound. The main transmission of a sufficient use life.Variable speed motors are connected with grade gearbox can expand machine speed range. In order to guarantee the process can choose reasonable cutting dosages, give full play to the cutting performance, thereby cutting maximum productivity, machining precision and surface quality, nc machine tools must have the highest speed and greater speed range.Keywords: NC machine tools，main transmission，stepless speed conversion，speed range.目录前言11论有级变速器的根据22传动方案的确定33齿轮的设计84轴的设计145轴承的选择186皮带轮的设计197箱体的设计24结束语25参考文献26致谢27 II前言做好毕业设计工作，是培养学生科学精神、科学作风、良好的思想品德以及事业心和责任感等综合素质所不可缺少的环节。毕业设计是实现人才培养目标的重要实践环节，使学生跨入社会的必要转折点，是理论知识向实践的转变；毕业设计使学生常新精神，独立工作生化所学理论知识，培养学生创新精神，独立工作能力、分析和解决问题的能力、工程实践能力起着重要作用。本次设计是NC机床无级变速三级主传动系统设计，设计过程中运用了CAD绘图软件，利用其方便的绘图功能，完成工程图纸的绘制。由于编者水平有限，在设计中难免存在疏漏和错误之处，希望各位老师给予指正。1论有级变速器的根据机床主传动是实现机床主运动的传动，属于外联系传动链，其功用是：将一定的动力由动力源传递给执行件（如主轴或工作台）；保证执行件具有一定的转速（或速度）和足够的转速范围；能够实现运动的开停、变速、换向和制动等。主传动一般由动力源（如电动机）、变速装置及执行件（如主轴、刀架、工作台），以及开停、换向和制动机够等组成部分。动力源给执行件提供动力，并使其得到一定的运动速度和方向；变速装置传递动力以及变换运动速度；执行件执行机床所需的运动，完成旋转或直线运动。开停机构用来实现机床主轴的启动和停止的装置；换向机构用来变换机床主轴旋转方向的装置；制动机构用来控制机床主轴迅速停转的装置，以减少辅助时间。数控机床的主传动系统除应满足普通机床主传动要求外，还提出如下要求：1.具有更大的调速范围，并实现无级调速数控机床为了保证加工时能选用合理的切削用量，充分发挥刀具的切削性能，从而获得最高的生产率、加工精度和表面质量，必须具有最高的转速和更大的调速范围。 2.具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低数控机床加工精度的提高，与主传动系统的刚度密切相关。为此，应提高传动件的制造精度与刚度，齿轮齿面进行高频感应加热淬火增加耐磨性；3.良好的抗振性和热稳定性数控机床上一般既要进行粗加工，又要进行精加工；加工时可能由于断续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至破坏刀具或零件，使加工无法进行。因此在主传动系统中各主要零部件不但要具有一定的 静刚度，而且要求具有足够的抑制各种干扰力引起振动的能力抗振性。机床在切削加工中主传动系统的发热使其中所有零部件产生热变形，破坏了零部件之间的相对位置精度和运动精度造成的加工误差，且热变形限制了切削用量的提高，降低传动效率，影响到生产率。为此，要求主轴部件具有较高的热稳定性，通过保持合适的配合间隙，并进行循环润滑保持热平衡等措施来实现。2传动方案的确定电动机：Y132S22，P=7.5KW同步转速n=3000/min,主运动系统的参数机床主传动系统的参数有动力参数和运动参数。动力参数是指主运动驱动电机的功率，运动参数是指主运动的变速范围。机床主传动的功率可根据切削功率与主传动传动链的总效率 由下式确定： 数控机床的加工范围一般都比较大，切削功率可根据有代表性的加工情况，由其主切削抗力按下式确定：p=式中 主切削力的切向分力() 切削速度()；切削扭矩()； 主轴转速()。主传动的总效率一般取，数控机床的主传动多用调速电机和有限的机械变速传动来实现，传动链较短，因此，效率可取较大值。运动参数是指机床执行件如主轴、工件安装部件（工作台、刀架）的运动速度。 1主轴转速的确定主运动为旋转运动的机床，主轴转速n 由切削速度v 和工件或刀具的直径 d 来确定： 2. 主轴最高转速和最低转速的确定对于数控机床，为了适应切削速度和工件或刀具直径的变化，主轴的最高、最低转速可由下式确定：式中 主轴的最高、最低转；最高、最低的切削速度（）； 相应最大、最小计算转径(mm)；3主轴的变速范围主轴的最高转速与最低转速之比值，称为主轴的变速范围，用表示,即： 4主轴的计算转速对于主传动采用无级变速系统的机床，主轴的计算转速可由下式求出： 5主轴恒功率的变速范围对于主传动采用无级变速系统的机床，主轴恒功率的调速范围可由下式求出 6电动机恒功率的调速范围 对于主传动采用无级变速系统的机床，电动机恒功率的调速范围可由下式求出： 式中 电动机的额定转速。机床的转速范围在30r/min5000r/min，电动机的最高转速为5000 r/min，额定转速为3000 r/min，电动机的额定功率P=11kW，确定主轴箱结构（1）确定主轴的变速范围 （2）确定主轴的计算转速 由于数控机床主轴的变速范围大，计算转速应比计算值高些，所以圆整取计算转速nc=。（3）确定主轴的恒功率变速范围 （4）确定电动机所能够提供的恒功率变速范围 由于RnpRdp，电动机直接驱动主轴不能满足恒功率变速要求，因此需要串联一个有级变速箱，以满足主轴的恒功率调速范围。（5）拟定转速图图1转速图7传动组和传动副数的确定图2展开示意图8齿轮齿数的确定: 确定齿轮齿数应注意的问题： 齿轮的齿数和不应过大，以免加大两轴之间的中心距，使机床的机构庞大；同时，增加齿数和，还会提高齿轮的线速度而加大噪音。一般推荐齿数和。齿轮的齿数和不应过小，应考虑：a.最小齿轮不产生根切现象，对于标准直齿圆柱齿轮，一般取最小齿数。b.受结构限制的各齿轮（尤其是最小齿轮），应能可靠地装到轴上或进行套装；齿轮的齿槽到孔壁或键槽的厚度 (为模数），以保证有足够的强度，避免出现变形或断裂现象。c.两轴间最小中心距应取得适宜。若齿数和太小，则中心距过小，将导致两轴上的轴承及其他结构之间的距离过近或相碰。确定齿轮齿数时，应符合转速图上传动比的要求。实际传动比（齿轮齿数之比）与理论传动比（转速图上给定的传动比）之间允许有误差，但不应过大。由于确定齿轮齿数所造成的主轴转速相对误差，一般于允许超过。即 式中 主轴的实际转速； 主轴的标准转速； 公比。确定齿轮齿数（变速组内齿轮模数相同时齿轮齿数的定）：确定齿轮齿数时，首先必须确定出各变速组内齿轮副的模数，以便根据结构尺寸判断其最小齿轮齿数或齿数和是否适宜。在同一变速组内的齿轮可取相同的模数，也可取不同的模数。后者只有在一些特殊的情况下，如最后扩大组或背轮传动中，因各齿轮副的速度变化大，受力情况相差也较大，在同一变速组内才采用不同的模数。在本设计中，同一变速组内的齿轮取相同的模数。在同一变速组内，各对齿轮的齿数之比，必须满足转速图上已经确定的传动比。计算公式为： 式中 分别为齿轮副的主动与从动齿轮的齿数；齿轮副的传动比；齿轮副的齿数和。确定变速组的齿数和时，一般地说主要是受最小齿轮的限制。显然最小齿轮是在变速组内降速比或升速比最大的一对齿轮中，因此可先假定该小齿轮的齿数，根据传动比求出齿数和，然后按各齿轮副的传动比，再分配其他齿轮副的齿数；如果传动比误差较大，应重新调整齿数和，再按传动比分配齿数。传动比a组:= /,= /,b组: =/, =/,=/3齿轮的设计a组:1. 选定齿轮类型,精度等级,材料2. 机床的变速成箱无特殊要求,速度不高,故7级精度(国标)3. 材料选择,选择齿轮材料为40(调质),硬度为280HBS, 齿轮材料为45钢 (调质),硬度为240HBS,二者材料硬度差为40HBS.4. 齿轮齿数=30,=405. 按齿面接触强度设计由设计计算公式式中 mj按接触疲劳强度估算的齿轮模数（mm），应圆整为标准值； P电动机额定功率（kW）；nj被估算齿轮的计算转速（r/min）；u大齿轮与小齿轮齿数之比，u1,外啮合为“+”号，内啮合为“-”号；Z小齿轮齿数；计算齿轮传递的转矩 =57.3N选择齿宽系数, 金属切削机床的齿轮传动,若传递的功率不大时, 可小到0.2齿宽系数取=0.2由表查得材料的弹性影响系数=189。8M由图按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限=600M大齿轮=550M由式计算应该力循环次数=60j=607501 (2830015)=3.24=1.0125由图取接触疲劳系数=0.90, =0.95计算接触疲劳许用应力,取失效概率为1%,安全系数S=1,由式得:=0.9600 M=540 M=0.95550 M= 522.5M计算齿轮的分度圆直径，代入中较小的值2.32=2.32mm=151.43mm计算圆周速度=0.99m/s计算齿宽b：金属切削机床的齿轮传动,若传递的功率不大时, 可小到0.2取0.2b=d=0.2151.43=30.286mm计算齿宽与齿高之比模数m=5.04 mm齿高h=2.255.04=11.34=2.67计算载荷系数根据V=,7级精度,由图查得动载荷系统=1.12直齿轮=1由表查得使用系统=1由表查得7级精度,小齿轮相对与对称布置时=1.423,由=2.67,=1.423,查图得=1.35故载荷系数K=1.594按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径d=d=151.43=161 mm计算模数m=5.36 mm按齿根的弯曲强度设计m设计计算:m=3.16 mm对此计算结果可取弯曲强度计算得的模数,并就近圆整为标准值m=3.5,按接触强度算得的分度圆直径d=105算出小齿轮齿数=30,大齿轮齿数=50几何尺寸计算计算分度圆直径d=175计算中心距a=140mm计算齿轮宽度, 金属切削机床的齿轮传动,若传递的功率不大时, 可小到0.2b=d=0.2105=21mmB=30B=25b组:1选定齿轮类型,精度等级,材料2机床的变速成箱无特殊要求,速度不高,故7级精度(国标)3材料选择,选择齿轮材料为40(调质),硬度为280HBS, 齿轮材料为454钢 (调质),硬度为240HBS,二者材料硬度差为40HBS.5齿轮齿数=31,=77按齿面接触强度设计由设计计算公式d2.32确定公式内的各计算数值试选载荷系数=1.3计算齿轮传递的转矩T=95.5N选择齿宽系数=0.2由表查得材料的弹性影响系数=189。8M由图按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限=600M大齿轮=550M由式计算应该力循环次数=60j=607501 (2830015)=3.24=1.0125由图取接触疲劳系数=0.90, =0.95计算接触疲劳许用应力,取失效概率为1%,安全系数S=1,由式得:=0.9600 M=540 M=0.95550 M= 522.5M计算齿轮的分度圆直径，代入中较小的值2.32=2.32mm=106mm计算圆周速度=0.41m/s计算齿宽bb=d=0.2106=21.2 mm 计算齿宽与齿高之比模数m=3.41mm齿高h=2.253.41=7.67=13.8计算载荷系数根据V=,7级精度,由图查得动载荷系统=1.12直齿轮=1由表查得使用系统=1由表查得7级精度,小齿轮相对与对称布置时=1.423,由=13.8,=1.423,查图得=1.35故载荷系数K=1.594按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径d=d=119=124mm计算模数m=4mm按齿根的弯曲强度设计m设计计算:m=3.51 mm对此计算结果可取弯曲强度计算得的模数,并就近圆整为标准值m=4,按接触强度算得的分度圆直径d=124算出小齿轮齿数=31,大齿轮齿数=77几何尺寸计算计算分度圆直径d=308计算中心距a=216mm计算齿轮宽度b=d=0.2124=24.8mmB=30B=25表1各轴转矩T电动机T/57.3N95.5N表2传动比一级二级三级带轮组1/1齿轮组a3/51/1齿轮组b5/35/65/12表3各齿轮参数ZmBD1303.5301052403.5301403503.5251754403.52514053143012466843027276043024087742530894042516010484251924轴的设计求轴上的功率P转速和转矩每级齿轮的传动效率=0.97表4各轴转矩TT/57.3N95.5N初步确定轴的最小直径根据传动轴传动的功率大小，用扭转刚度公式进行初步的计算。 式中 d受扭部分的最小直径（mm），计算值应圆整为标准直径系列； K键槽系数，按表选取； A根据许用扭转角确定的系数，按表2.1选取； d传动轴受扭部分的直径（mm）； P电动机额定功率 （kW）； 从电动机到所计算的轴的机械效率，见表 被估算的传动轴的计算转速（）。 表5传动件机械效率 0.250.511.52A130110928377K无键单键双键花键轴内径11.041.051.071.10.93 类别传动件平均机械效率齿轮传动直齿圆柱齿轮，磨齿0.99带传动V带0.96滚动轴承滚子轴承0.99由于各传动轴属于一般传动轴，所以取，所对应的，电动机的额定功率。先按式估算出轴的最小直径，选取轴的材料为45钢，d=A=112=1120.39=43.8mm,圆整为45d=A=112=1120.46=51.9mm圆整为55d=A=112=1120.61=68.32mm圆整为75轴的强度校核计算：以轴为对象进行校核，做出弯矩图图3轴的载荷分析图轴的结构设计（图纸）主轴组件主轴组件是机床的重要组件之一。它通常由主轴、主轴支轴和安装在主轴上的传动件等组成。主轴是机床的执行件，由它带动工件或刀具直接参加表面成形运动，主轴组件的工件性能直接影响加工质量（包括几何精度、表面粗糙度等）和机床生产率。因此，对于机床主轴组件，除应满足一般传动轴的要求外，还应满足有别于一般传动轴的特殊要求。为了保证主轴组件在规定的条件下获得要求的工作性能，应满足以下要求：1旋转精度主轴的旋转精度是指主轴前端夹持工件或刀具部分的径向跳动、端面跳动和轴向窜动的大小。旋转精度通常是在机床不受载荷的情况下，用手动或低速空转主轴时进行测量的。主轴旋转精度直接影响工件的加工精度，例如在车床上，安装卡盘的定心轴颈与安装顶尖的锥孔中心线的径向跳动，直接影响加工表面的圆度，而轴向窜动则影响端面加工以及所加工的螺纹螺距精度。2刚度主轴组件的刚度是指承受切削力时，主轴抵抗变形的能力。 如果主轴刚度不足，在切削力和传动力的作用下，主轴将产生过大的变形，会使装在主轴上的齿轮啮合不好，轴承的工作条件恶化，从而加快磨顺损。3抗振性主轴组件的抗振性性是指机床工作时，主轴组件保持平稳地运转而不发生振动的能力。主轴组件的振动，影响被加工表面的质量，限制机床的生产率；此外，还降低刀具耐用度和机床零件的寿命，发出噪声，影响工作环境等。生产上常以对加工表面质量、精度和生产率的影响来衡量主轴组件的抗震性。随着机床向高精度、高生产率方向发展，对抗振性要求越来越高。 4温升和热变形温升使润滑油的粘度下降。如用脂润滑，温度过高会使脂熔化流失。这些都将影响轴承的工作性能。温升产生热变形，使主轴伸长，轴承间隙变化。主轴箱的热膨胀使主轴偏离正确位置。如果前后轴承温度不同，还将使主轴倾斜。5精度保持性主轴组件的精度保持性是指长期地保持原始制造精度的能力。为了提高精度保持性，主轴的端部和内锥孔必须具有一定的硬度；滑动轴承配合的轴颈及移动方式主轴的工作表面必须耐磨；同时，正确的选择主轴和滑动轴承的材料与热处理方法以及轴承的类型与润滑方式等，也有助于提高主轴组件的精度保持性。6主轴的结构主轴的结构决定于主轴前端安装标准刀具或装夹工件的夹具（如卡盘）等的类型，以及轴上所安装的传动件，轴承等零件的类型、数量，位置和安装方法等，同时还应考虑主轴的加工和装配工艺性。由于通用机床所使用的刀具和夹具大部分是标准件，因此主轴前端的结构必须与标准相适应，以保证通用性。同时还应保证夹具和刀具安装可靠、定位基准、装卸方便和能传递一定的动力。主轴的结构还决定于所采用的轴承类型及调整方法，安装主轴上的传动件数目、位置、定位和连接方法等。由于主轴上通常安装零件，为便于装配，以及推力轴承、齿轮等轴向定位的需要，主轴一般都做成阶梯形，直径从前向后逐渐缩小。为了避免后轴颈的直径过小，以致过分削弱主轴刚度，并使内孔直径受到限制，轴上阶梯的数目不宜过多。主轴上长的长度尺寸，除个别要保证传动零件的轴向位置外（此时轴向尺寸偏差通常为为0.5mm左右），其他轴向尺寸均为自由尺寸。为使切削螺纹时，砂轮或车刀能越出加工表面，这些部位的阶梯间应有退刀槽。为了齿轮等传动件联接和传动扭矩，主轴上还常常有单键槽或花键槽。7主轴的材料与热处理主轴最常用的材料是45号钢，对于在滚动轴承中工作的主轴，进行调质处理，硬度HB=250。对于在滑动轴承中工作的轴颈，可采用局部高频淬火，硬度达HRC=50。为了进一步提高主轴的寿命，对于滑移齿轮的键和主轴的端部也可以采用局部淬火。 8主轴的技术要求主轴主要技术要求的确定：主轴前、后轴颈的同轴度，锥孔相对于前、后轴颈中心连线的径向跳动，定心轴颈及其定位轴肩相对于前、后轴颈中心连线的径向和轴向跳动，是决定主轴精度的主要技术要求项目，直接影响主轴部件的回转精度。主轴的技术要求，除少数机床已有标准外，大多数机床的主轴主要技术要求，需根据主轴部件的回转精度确定。考虑到轴承的误差和装配造成的误差，及留有必要的精度储备，一般取主轴零件本身的各项精度允差为主轴部件回转精度规定的对应项目允差的1/21/3。5轴承的选择主轴轴承是主轴部件的重要组成部分，它的类型、结构、配置、精度、安装、润滑和冷却等状况，都直接影响主轴部件的工作性能。主轴部件上的轴承应具有旋转精度高、刚度高、承载能力强、抗振性好、极限转速高、适应变速范围大、摩擦功耗小、噪声低、寿命长等性能，同时应满足制造简单，使用维修方便、成本低、结构尺寸小等要求。1主轴部件轴承的选择在数控机床上的主轴轴承常用的有滚动轴承和滑动轴承。由于滚动轴承摩擦阻力小，可以预紧，润滑维修方便，能在一定的转速范围和载荷变动范围下稳定地工作。滚动轴承由专业化工厂生产，选购维修方便，而且它在旋精度、刚度、承载能力、转速、发热等主要性能上能满足大多数主轴部件的要求，特别是它具有能在转速和载荷变动幅度很大的条件下稳定工作的优点，因此在设计主轴部件时，应尽量选用滚动轴承。2主轴滚动轴承的选型主轴较粗，主轴轴承的直径较大。相对地说，轴承的负载较轻。因此，一般情况下，承载能力和疲劳寿命不是选择主轴轴承的主要指标。主轴轴承应根据精度、刚度、和转速选择。为了提高精度和刚度，主轴轴承的间隙应该是可调的，这是主轴轴承主要的特点。：角接触球轴承，角接抽球轴承可承受径向载荷，又可承受轴向载荷。接触角常见的有和两种。前者编号为7000C系列；后者为7000AC系列。接触角多用于轴向载荷较小，转速较高的地方，如磨床主轴。的多用于轴向载荷较大的地方，如车床和加工中心主轴。把内、外圈相对轴向位移，可以调整间隙，实现预紧。这种轴承多用于高速主轴.3 滚动轴承的精度选择滚动轴承按基本尺寸精度和旋转精度分为2、4、5、6、0五个公差等级，其中2级最高，0级为普通精度级。主轴轴承以4级为主（记作P4）。高精度主轴可用P2级。要求较低的主轴或三支承主轴的辅助轴承可用P5级。P6级和P0级一般不用。基本尺寸精度指轴承内径、外径和宽度等尺寸的加工精度。旋转精度指内圈和外圈的径向圆跳动，内圈的端面圆跳动，外圈表面对基准面的垂直度，内外圈端面的平行度等。轴承精度包括的项目很多，但决定的只有一二项。轴承的工作精度主要决定于旋转精度。对径向轴承（如圆柱滚子轴承）主要是成套轴承内圈的径向跳动Kia或成套轴承外圈的径向跳动Kea。对推力轴承主要是成套轴承内圈端面对滚道的跳动Sia。而对角接触轴承则应兼顾Kia（或Kea）和Sia。主轴滚动轴承内、外圈的旋转精度见表。 拟定轴上零件的装配方案（图）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度6皮带轮的设计带传动是由带和带轮组成传递运动和动力的传动。根据工作原理可分为两类：摩擦带传动和啮合带传动。摩擦带传动是机床主要传动方式之一，常见的有平带传动和V带传动；啮合传动只有同步带一种。普通V带传动是常见的带传动形式，其结构为：承载层为绳芯或胶帘布，楔角为40、相对高度进似为0.7、梯形截面环行带。其特点为：当量摩擦系数大，工作面与轮槽粘附着好，允许包角小、传动比大、预紧力小。绳芯结构带体较柔软，曲挠疲劳性好。其应用于：带速V2530m/s;传动功率P700kW;传动比i10轴间距小的传动。1主要失效形式(1)带在带轮上打滑，不能传递动力；(2)带由于疲劳产生脱层、撕裂和拉断；(3)带的工作面磨损。保证带在工作中不打滑的前提下能传递最大功率，并具有一定的疲劳强度和使用寿命是V带传动设计的主要依据，也是靠摩擦传动的其它带传动设计的主要依据。2设计计算普通V带传动的设计计算见表。设计普通V带传动的原始数据为：传递的功率P(KW）；小、大带轮的转速n1、n2(r/min)；传动对外廓尺寸的要求；传动的工作条件。表6普通V带传动的设计计算表续表7工况系数KA (摘自GB/T13575.1-1992)表8普通V带每米长的质量m 摘自(GB/T13575.1-1992)表9小带轮包角修正系数摘自GB/T13575.1-1992设计皮带轮：(1)设计功率的确定：查得工况系数(2) 选定带型：根据和确定为B型。(3)传动比：根据转速图知,传动比为(4)确定小带轮基准直径：参考表取(5)确定大带轮直径：(6) 验算带速：V=因为在之间，所以经济耐用。(7)初定带轮轴中心距：得： 即： 初取 (8)确定带基准长度：L=2=2=1192.5mm选取基准长度(9)计算实际轴间距：取标准值。安装时所需最小轴间距：张紧或补偿伸长所需最大轴间距：(10)验算小带轮包角：