机械机床毕业设计19CK6163型数控机床设计
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机械机床毕业设计19CK6163型数控机床设计,机械毕业设计论文
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编号 毕业设计（论文） 题目： CK6163型数控机床设计 信机 系 机械 工程 及 自 动 化 专业 学 号： 学生姓名： 指导教师： （职称： 副教授 ） （职称： ） nts II 摘 要 数控技术是当今先进制造技术和装备最核心的技术，机械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争 。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看 ,其主要研究热点有以下几个方面： 1 功能发展方向 ； 2 结构体系发展方向 ； 3 高速、高效、高精度、高可靠性发展方向 ； CK6163 型数控机床是开环式的数字程序控制车床。能进行内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、圆柱螺纹和圆锥螺纹等加工。机床主轴的启动、停止和变速，纵向和横向进给运动的行程和速度，刀具的变换和冷却，都可以自动控制。并具有直线、锥度、直螺纹和锥螺纹等自动循环机能。 CK6163 型数控机床有床头箱、变速箱、进给机构、刀架、控制箱等组成。床头箱中由操纵油缸中的活塞杆 带动拔叉来控制双向内齿离合器的接通或放松，使主轴实现四级变速。主运动采用分离传动从而使变速箱实现四级变速。进给机构由床鞍纵向进给电液脉冲马达、滚珠丝杠副和中间传动齿轮副组成。 关键词： 数控技术；床头箱；变速箱；进给机构；滚珠丝杠； nts III Abstract Numerical control technology is the core technology of the advanced manufacturing technology and equipment, machinery manufacturing competition, and its essence is the competition of numerical control technology.From the numerical control technology and equipment development trend, its main research focus has the following several aspects： 1 .The direction of function development； 2. The direction of structural system development； 3. High speed, high efficiency, high precision and high reliability； CK6163 numerical controlled machine tool is the open loop type digital program controlled lathe. To inside and outside the cylinder, cone surface, such as processing arc face, straight thread and taper thread. Start, stop, and variable speed machine tool spindle, longitudinal and transverse feed motion of stroke and speed, transformation and the cooling of a tool, can be controlled automatically. And with a straight line, taper, straight thread and automatic cycle function of taper thread and so on. CK6163 numerical controlled machine tool headstock, transmission, feeding mechanism, tool carriage, control box, etc. Bedside box by manipulating the oil cylinder piston rod to control the bidirectional drive fork of the internal tooth clutch connected or relax, for level 4 speed of spindle. Separation is used in the main movement transmission so that realize four speed gearbox. Feed mechanism by the bed saddle longitudinal feed electric hydraulic pulse motor, ball screw pair and the intermediate transmission gears. Key words: Numerical control technology; Bedside cabinet; Gearbox; Feed mechanism; Ball screw; nts V 目 录 摘 要 . II ABSTRACT . III 目 录 . V 1 绪论 . 1 1.1 本课题的研究内容和意义 . 1 1.2 国内外的发展概况 . 1 1.3 本课题应达到的要求 . 2 2 总体方案 . 3 2.1 CK6163 的现状和发展 . 3 2.2 CK6163 卧式车床的总体方案 . 3 3 主轴箱的设计 . 4 3.1 主轴箱的 运动设计 . 4 3.1.1 已知条件 . 4 3.1.2 结构分析式 . 4 3.1.3 拟定转速图 . 4 3.1.4 确定转速图 . 5 3.1.5 确定各变速组传动副齿数 . 6 3.2 齿轮传动设计 . 7 3.2.1 渐开线直齿轮设计 . 7 3.2.2 斜齿轮设计 . 8 3.3 主轴传动设计 . 11 3.3.1 确定主 轴最小直径 . 11 3.3.2 主轴最佳跨距的确定 . 11 3.3.3 主轴刚度的校核 . 12 3.4 带传动设计 . 12 3.5 滚珠螺母丝杠 . 14 3.5.1 滚珠丝杠副的种类与结构 . 14 3.5.2 内循环式 . 14 3.5.3 外循环式 . 14 3.5.4 滚珠丝杠副的结构参数 . 15 3.5.5 滚珠丝杠副的结构特点 . 15 3.5.6 滚珠丝杠副的安装支撑方式 . 15 4 变速箱的设计 . 17 4.1 运动部分计算 . 17 4.1.1 参数确定的步骤和方法 . 17 4.2 传动设计 . 18 4.2.1 传动结构式、结构网的选择 . 18 nts VI 4.2.2 主传动顺序的安排 . 19 4.2.3 传动系统的扩大顺序的安排 . 19 4.2.4 传动组的变速范围的极限植 . 19 4.2.5 最后扩大传动组的选择 . 20 4.3 转速图的拟定 . 20 4.3.1 主电机的选定 . 20 4.3.2 双速和多速电机的应用 . 20 4.3.3 电机的安装和外形 . 20 4.3.4 常用电机的资料 . 21 4.3.5 齿轮传动比的限制 . 21 4.4 带轮传动部分的设计 . 21 4.4.1 带轮直径确定的方法、 步骤 . 21 4.4.2 三角带传动的计算 . 21 4.4.3 选择三角带的型号 . 21 4.4.4 确 定带轮的计算直径 D1、 D2 . 22 4.5 齿轮传动部分的设计 . 24 4.6 电磁离合器的选择 . 28 4.6.1 按扭距选择 . 28 4.6.2 步骤 . 28 4.7 轴的设计计算 . 29 4.7.1 轴的设计计算 . 29 4.7.2 轴的设计计算 . 29 4.8 纵向进给系统的设计计算 . 34 4.8.1 纵向进给系统的设计 . 34 4.8.2 纵向进给系统的设计计算 . 34 5 结论与展望 . 40 5.1 结论 . 40 5.2 不足之处及未来展望 . 40 致谢 . 41 参 考 文 献 . 42 ntsCK6163 型数控机床设计 1 1 绪论 1.1本课题的研究内容 和 意义 数控机床通常由控制系统，伺服系统，检测系统，机械传动及其他辅助系统组成。数控机床相比较于普通机床有以下特点：（ 1）加工精度高，拥有稳定加工质量；（ 2）拥有多坐标的联动，能加工较为复杂的工件；（ 3）加工时间短；（ 4）生产效率高；（ 5）自动化程度高，减轻劳动强度； 数控机床的控制方式有很多种，主要分为开环控制，闭环控制和半闭环控制。开环控制系统没有反馈装置， 系统不会计算误差，精度不高，但属于经济型；闭环控制系统和半闭环控制系统都装有反馈装置，他们区别在于反馈检测装置安装位置不同，闭环 控制系统的反馈装置在工作台上，而半闭环控制系统的反馈装置在轴端或者丝杆上。本次研究的 CK6263 型数控机床的控制就属于开环控制系统。 CK6163 型 数控车 床，是车床中应用最广泛、最典型的一种数控车床。该机床是开环式的数字控制车床。能进行内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、圆柱螺纹和圆锥螺纹等加工。机床主轴的起动、停止和变速，纵向和横向进给运动的行程和速度，刀具的变换和冷却，都可以自动控制。并具有直线、锥度、直螺纹和锥螺纹等自动循环功能。在该机床中采用液压卡盘、液压尾座、快换刀架和机床外对刀装置。该机床使用于加工形状 复杂的中小批量的零件。 数控机床的主传动方式分为集中传动方式和分离传动方式。集中传动是指主传动和变速传动在同一个主轴箱内的传动方式，其优点在于结构紧凑，便于实现集中操作，安装调整方便，主要用于普通精度的大中型机床；分离传动是指主传动的大部分传动和变速传动安装于远离主轴的单独变速箱内，通过带传动将运动传到主轴箱的传动方式，其优点在于变速箱内各传动件所产生的的振动和热能不直接传给或少传给主轴，有利于提高主轴工作精度，主要运用于对精度要求高的机床。 CK6163型数控机床就是采用了 分离传动， 来提高工作精度。 1.2国内外的发展概况 数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备。世界各国信息产业、生物产业、航空、航天等国防工业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对市场的适应能力和竞争能力。工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅大力发展自己的数控技术及其产业，而且在 高精尖 数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。因此大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。 目前，欧、美、日等工业化国家已经先 后完成数控机床产业化进程，而我国是从 20世纪 80 年代才开始起步，处于发展阶段。 国内本土数控机床企业大多处于“粗放型”阶段，在产品设计水平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平相比落后了 5-10 年；在高、精、尖技术方面的差距则达到了 10-15 年 。 同时中国在应用技术及技术集成方面的能力也还比较低，相关的技术规范和标准的研究制定相对滞后，国产的数控机床还没有形成品牌效应。同时，中国的数控机床产业目前还缺少完善的技术培训、服务网络等支撑体系，市 nts无 锡太湖学院学士学位论文 2 场营销能力和经营管理水平也不高。更重要原因是缺乏自主创新能力，完全拥 有自主知识产权的数控系统少之又少，制约了数控机床产业的发展 。 十二五期间我国将持续投入，且力度加大，力争通过 10-15 年的时间，实现由机床工具生产大国向机床工具强国转变，实现国产中高档数控机床在国内市场占有主导地位等一系列中长期目标。 在数控机床制造方面，德国和日本一直处于领先地位， 德国是老牌工业强国，其锻压机械种类齐全，基本上每一种锻压设备都有代表世界最先进水平的产品，比如通快的钣金成形机床、舒勒的大型覆盖件压力机、多工位压力机和冲压自动生产线、米勒万家顿的电动螺旋压力机、奥姆科的热模锻压力机、哈森克勒佛 的离合器式螺旋压力机、拉斯科的锻锤、辛北尔康普的大型液压机、瓦格纳 -班宁的碾环机、雷菲尔德的旋压机、 FELSS 的旋锻机等等的锻压机械 。 日本的锻压机械和 德国 一样， 在世 界上居于领先地位，尽管在大型和重型锻压设备方面不如 德国 ，但在数控锻压机械，尤其在伺服驱动压力机方面具有很高的技术水平 。而在我国沈阳、大连两市已基本成为全国数控车床、加工中心的中央综治委开发基地；在长江三角洲地区已成为数控磨床、电加工机床、板材加工设备、等的主要生产基地。 1.3本课题应 达到的要求 本课题主要研究 CK6163 型数控机床的设计， 主要设 计主轴箱和变速箱，还有涉及到进给机构的设计，以及一些零部件的设计。 而主要问题是：相关文献资料的缺乏，对一些结构设计部分的具体设计指导，以及制图软件的高级运用技巧。 图 1.1 CK6163 型数控机床 ntsCK6163 型数控机床设计 3 2 总体方案 2.1 CK6163的现状和发展 数控机床是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造产业的渗透形成的机电一体化产品；其技术范围复盖很多领域： (1)机械制造技术 ； (2)信息处理、加工、传输技术 ； (3)自动控制技术 ； (4)伺服驱动技术 ； (5)传感器技术 ； (6)软件技术等。计算 机对传统机械制造产业的渗透，完全改变了制造业。制造业不但成为工业化的象征，而且由于信息技术的渗透，使制造业犹如朝阳产业具有广阔的发展天地。数控技术的发展趋势 ： 智能化 ；网络化 ； 集成化 ； 微机电控制系统 ； 数字化 。 我国数控产业发展的思考 ： 1、注重系统配套 ； 2、注重产品的可靠性 ； 3、提倡创新，加强服务 。 2.2 CK6163卧式车床的总体方案 由于该设计给出的已知条件是 16 级变速，对于主轴箱的设计采用双联齿轮、拨叉、电磁离合器实现主轴的变速、正转、反转。进给部分 用数控系统控制纵横两方向的 步进电机，实现 X、 Y两方向的进给运动；刀架采用四方刀架；参考的普通机床拆除其中的丝杠、光杠进给箱、溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副；在主轴后端加一主轴编码器，以便加工螺纹。 车床的主参数（规格尺寸）和基本参数 （ GB1582-79， JB/Z143-79） 最大的工件回转直径 D 是 630mm；刀架上最大工件回转直径 D1 大于或等于 315mm；主轴通孔直径 d要大于或等于 80mm；主轴头号 （ JB2521-79） 是 4.5；最大工件长度 L 是 1500mm；主轴转速范围是： 32 1000r/min；级数范围是： 16 级； 主轴前端孔锥度 是公制 100 号； 纵向进给量 0.01 20.47mm； 刀架横进给量范围 (在直径上 ) 是 0.0120.47mm；刀架纵向和横向进给的脉冲当量 0.01mm； 主电机功率是 13kw。 本设计主要着重于主轴箱、变速箱和进给机构的设计。 CK6163型数控机床主要结构图如 图 2.1 图 2.1 CK6163型数控机床主nts无 锡太湖学院学士学位论文 4 3 主轴箱的设计 3.1 主轴箱的 运动设计 3.1.1 已知条件 低转速 nmin 为 32r/min ，高转速 nmax 为 1000r/min ， 转 速 调 整 范 围 为Rn=nmax/nmin=31.25 取 Rn=32 确 定公比 :选定主轴转速数列的公比为 1.25； 求出主轴转速级数 Z Z=lgRn/lg+1= lg32/lg1.25+1=16.53 取 Z=16 3.1.2 结构分析式 确定结构式 ： 16=2222 16=224 16=242 根据拟定转速图的原则筛选结构式 1.极限传动比、极限变速范围原则； 2.确定传动顺序及传动副数的原则 “前多后少”的原则； 3.确定传动顺序与扩大顺序相一致的原则 “前密后疏” 的原则 ； 4.确定最小传动比的原则 “前慢后快”（降速），“前快后慢”（升速）的 原则。 经整理得： 16=212 2242 8 3.1.3 拟定转速图 (1)选定电动机 一般金属切削机床的驱动，如无特殊性能要求，多采用 Y 系列封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机。 Y 系列电动机高效、节能、起动转矩大、噪声低、振动小、运行安全可靠。根据机床所需功率选择 Y160M-4，其同步转速为 1460r/min。 （ 2）分配总降速传动比 总降速传动比为 uII=nmin/nd=32/14600.0213,nmin为主轴最低转速，考虑是否需要增加定比传动副，以使转速数列符合标准或有利于减少齿轮和及径 向与轴向尺寸，并分担总降速传动比。然后，将总降速传动比按 “ 先缓后急 ” 的递减原则分配给串联的各变速组中的最小传动比。 （ 3） 确定各级转速并绘制转速图 由 nmin= 32r/min;=1.25； z = 16 确定各级转速： 1000、 800、 630、 500、 400、315、 250、 200、 160、 135、 100、 80、 63、 40、 32r/min。 本设计有四种传动机构，四段无级变速： (1)IV V VI VII VIII (2)IV V VII VIII (3)IV VI VII VIII （下拨叉左） (4)IV VI VII VIII （下拨叉右） 先来确定 IV轴的转速 nmax=1450130/18640/3236/36190/304=791；取 nmax=800 ntsCK6163 型数控机床设计 5 nmin=145032/4032/40190/304=405；取 nmin=400 根据转速图跟结构式，可确定 IV轴的转速为 400、 500、 630、 800r/min 确定轴 V 的转速 因为 IV 轴跟 V 轴是 1： 1 传递，所以 V 轴的转速等同 IV 轴转速： 400、 500、 630、800r/min。 确定轴 VI 的转速 由轴 IV 传递到轴 VI 可以得 到四级转速： 400、 500、 630、 800r/min 由轴 V 传递到轴 VI 可以得到四级转速： 40024/60=160； 50024/60=200 ；63024/60=252 取 n=250 ； 80024/60=320 取 n=315 所以 VI 轴的转速确定为 160、 200、 250、 315、 400、 500、 630、 800r/min 确定轴 VII 的转速 由轴 IV 经轴 V 直接传递到轴 VII 可以得到四级转速： 400、 500、 630、 800r/min 由轴 IV 经轴 VI 传递到轴 VII 可以得到八级转速： 80024/60=160 ； 63024/60=125；50024/60=100； 40024/60=80 (80060/24=2000 3060/24=1575 n=1600 50060/24=1250 40060/24=1000) 由轴 IV 经轴 V 传递到轴 VI 再传递到轴 VII 可以得到四级转速： 31524/60=160 25024/60=100 20024/60=80 16024/60=63 确定 VII 轴的转速为： 2000、 1600、 1250、 1000、 800、 630、 500、 400、 315、 250、200、 160、 135、 100、 80、 63r/min 3.1.4 确定转速图 图 3.1 CK6163 转速图 nts无 锡太湖学院学士学位论文 6 3.1.5 确定各变速组传动副齿数 轴 IV-V: 1/11 ia1/12ia1/11 ia 时： zS 64 、 66、 68、 70、 72、 74、 76、 84 1/11 ia 时： zS 64 、 66、 68、 70、 72、 74、 76、 84 可取 zS 84,于是可得轴 IV 齿数为： 42；于是 1/11 ia可得轴 V 上的齿轮齿数为： 42 轴 V-VI: 5.2/11 ib， 5.2/11 ib 时： zS 69 、 72、 73、 76、 77、 80、 81、 84、 87 可取 zS 84，于是可得轴 V上齿轮的齿数为： 24； 于是 60/241 ib，得轴 VI上齿轮的齿数为： 60 轴 VI-轴 VII: 5.21 ci5.22 ci 时： zS 72 、 75、 78、 81、 84、 87、 89、 90 可取 zS 84；得轴 VI 齿轮齿数为 24； 由 5.21 ci； 得 VII 轴齿轮齿数为 60 VII-轴 VIII： 21 di21 di 时： zS 72 、 75、 78、 81、 84、 87、 89、 90 可取 zS 90.得轴 VII 齿轮齿数为 30； 由 21 di得 VIII 轴齿轮齿数为 60 根据轴数，齿轮副，电动机等已知条件可有如下系统图： 图 3.2 CK6163 床头箱传动系统图 ntsCK6163 型数控机床设计 7 3.2 齿轮传动设计 3.2.1 渐开线直齿轮设计 （ 1） 选择齿轮材料及精度等级 : 因为是 1:1 传递 ,所以两齿轮材料选择一致 :齿轮选用合金钢调质，硬度为 220250HBs； 选 8 级精度，要求齿面粗糙度 Ra3.2 6.3 m （ 2） 模数的确定： 在 IV 轴上 42 齿数的齿轮最容易受损，所以应以 42 齿 数齿轮位代表进行模数计算， 因为： 13211 . 2 6 FSFdKm T Y Yz (3.1) 查 机械设计基础表 10.11“载荷系数 K”得： 1.2K ，因为： 61 9 . 5 5 1 0 pT n (3.2) 式子中 P 为主动轴的传输功率 n 为从动轴的的转数 IV 轴的计算转速为： 1 4 0 0 / m innr 则有 61 9 . 5 5 1 0 pT n (3.3) 6 139 . 5 5 1 0 400kw 60 . 3 1 0n m m 查 机械设计基础表 11.19 得 1d 查 机械设计基础表 10.13“标准外齿轮的齿形系数 YF ”得 ： 当 z=42 时 所对应的外齿轮齿形系数 2.41FY 查 机械设计基础表 10.14“标准外齿轮的应力修正系数 YS ”得： 当 z=42 时 所对应的外齿轮的应力修正系数 1.67SY 查 机械设计基础图 11.24 得：lim 210F M P a 查图 11.25 得： 1NY 查表 11.9 得： 1.3FS 因为 l i m /F N F FYS所以 1 2 1 0 / 1 . 3 1 6 1F 经整理得： 63 21 . 2 0 . 3 1 0 2 . 4 1 1 . 6 71 . 2 6 4 2 2 1 0m nts无 锡太湖学院学士学位论文 8 4.27m 取 4m 于是轴 IV 齿轮的直径为 ；mmdb 1684241 因为是渐开线标准直齿轮 ,所以 V 轴齿轮的模数也为 m=4. ；mmdb 1684242 （ 3） 校核齿轮 按齿根弯曲疲劳强度校核 : 如果 211F F S FKT YYb m d ，则校核合格。 确定有关系数与参数： 齿形系数FY； 查表 11.12 得 2.41FY 应力修正系数sY；查表 11.13 得 1.67sY 许用弯曲应力 F由图 11.24 查得lim 210F M P a 由表 11.9 查得 1.3FS 由图 11.25 查得 1sY由式 21 1F F S FKT YYb m d 可得 2101 1 6 11 . 3F M P a 故 2 1 2 1 . 2 3 1 0 6 2 . 4 1 1 . 8 7 2 81 1 6 8 4 4 4 2F F S FKT Y Y M P ab m m z 齿根弯曲强度校核合格 . 验算齿轮的圆周速度 1 6 8 4 0 0 3 . 5 1 / 5 /6 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0dnv m s m s 查表可知 ,选 8 级精度是合适的 . 3.2.2 斜齿轮设计 （ 1） 选择齿轮材料及精度等级 : 按表 查得 选择齿轮的材料为 小齿轮选用 45 钢调质，硬度为 220-150HBs； 大齿轮选用 45 钢正火，硬度为 170-210HBs； 选 8 级精度，要求齿面粗糙度 Ra3.2-6.3um。 （ 2） 确定设计准则 由于为闭式齿轮传动 ,且两齿轮均为齿面硬度 HBs 小于等于 350 的软齿面 ,齿面点蚀是最主要的失效形式 .应选按齿面接触疲劳强度进行设计计算 ,确定齿轮的主要参数和尺ntsCK6163 型数控机床设计 9 寸 ,然后再按弯曲疲劳强度校核齿根的弯曲强度 （ 3） 按齿面接触疲劳强度设计 确定有关参数与系数 : 转矩 T1 61 9 . 5 5 1 0 pT n (3.3) 6 139 . 5 5 1 0 63kw 61 .9 1 0 n m m 荷系数 查 机械设计基础表 10.11“载荷系数 K”得： K=1.1 齿数1Z,螺旋角 和齿宽系数 d 小齿轮齿数取为 30， 大齿轮齿数是 60 初选螺旋角 =15 弹性系数EZ 由表 11.11 查得 189.8EZ 许用接触应力 H 查 机械设计基础由图 11
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