直角铣头的结构设计

0 直角铣头的结构设计摘要随着制造业的发展，高速度、高效率、高精度和高刚度已经成为当今机床发展的主要方向。为了满足当前机床市场的需要，铣床已经成为了当今机械行业一个重要的发展趋势，特别是在工业制造，加工过程中有着举足轻重的地位。在各式各样的机床中，卧式铣床有着独特的加工对象。主要是对大型的平面、沟槽等进行铣削。在对铣床的研究中达到了一定的水平，从而铣床的主要配件直角铣头的研究在一定程度上也达到了空前的规模。通过以往的加工经验可以对直角铣头的研究在一定程度上有所改进，铣床主轴是靠齿轮进行传动的。铣床铣头的转动方式有多种多样，每种机床铣头的形式都不尽相同。直角铣头的传动方式也是多种多样，直角铣头主轴传动系统采用齿轮传动，传动形式采用集中式传动，主轴变速系统采用多联滑移齿轮变速。齿轮传动具有传动效率高，结构紧凑，工作可靠、寿命长，传动比准确等优点，齿轮机构是现代机械中应用最广泛的传动机构，用于传递空间任意两轴或多轴之间的运动和动力。现在的工业发展对铣削有了更加苛刻的要求，高精度、高速度、高效率、复合型、智能型等是今后发展的主要趋势。关键词：铣床；齿轮传动；直角铣头1 Vertical Milling Machine Legislation XitouAbstractWith the development of the manufacturing sector, high-speed, high efficiency, high precision and high rigidity of the current machine has become the main direction. In order to meet the needs of the market at present machine, milling machine has become todays machinery industry an important development trend, especially in the industrial manufacturing, processing is a pivotal position. In all kinds of machine tools, vertical milling machine has the unique objects. The main is milling , such as the plane and groove act. Milling spindles is on the gear transmission. Milling head turns way each are not identical , The main axis milling machine is relying on the power transmission gear. Spindle drive system using gear transmission, transmission using centralized form of transmission, multi-spindle transmission system of sliding gear transmission. Gear transmission with high efficiency, compact, reliable, long life and accurate transmission than the advantages of modern machinery is gearing the application of the most extensive transmission mechanism for the transfer of space or any multi-axis between the two axes of movement and Momentum.Key Words : Milling machine ; gear transmission ; vertical milling head ; Transmission systems2 目录摘要 .0Abstract .1目录 .21 绪论 .21.1 课题研究的目的及意义 .21.2 国内外研究现状 .11.3 本文研究内容及方法 .32 总体设计 .72.1 直角铣头的功能与结构分析 .72.2 拟定传动方案 .83 详细设计 .393.1 确定机床主要技术参数 .393.2 圆锥齿轮传动设计 .413.3 轴的设计 .433.3 滚动轴承 .48总结 .50参考文献 .473 1 绪论1.1 课题研究的目的及意义在我国的各个工农业生产部门，科研单位和国防部门中，使用着大量各式各样的机器，仪器和工具。这些机器，仪器和工具大部分是由一定形状和尺寸的金属零件所组成，生产这些零件并将它们装配成机器，仪器和工具的工业，称为机械制造工业。机械制造工业的任务，就是为国民经济各部门，科研单位和国防部门提供现代化的技术装备。如果我们没有强大而完整的现代化机械制造工业，就无法用现代化的装备来武装各个国民经济部门，科研单位和国防部门，就不能独立而迅速地发展我们国家的制造水平，这样会被国外的先进技术所替代，我们的国家就会落后，进而陷入没有自主产权的地步。铣床主要是利用刀具的旋转将工件表面多余的部分一层一层的切削而除去，从而形成具有一定尺寸，形状和精度的工件。在一般的生产体系中，铣床的加工范围占整个机器生产的重要部分，一个高效而精确的铣头是铣床切削毛坯必不可少的配置。随着我国国民经济的快速发展，我国民族机械制造业和高端装备制造业不断发展和壮大，高精度、高速度、多工位的机械生产加工设备不断推陈出新。直角铣头是卧式车床、加工中心等高性能机床的特殊加工附件，在机械加工中具有举足轻重的地位，是机床扩大加工范围的必选附件，可实现对加工件侧面的铣削加工或对结构件的内面的加工等。数控加工中心是近年发展起来的一种新型高精度机床，加工中心不仅可以更换主轴头，还可以换刀。而直角铣头就是针对数控加工中心或卧式铣床的一种机床附件，安装后可使刀具旋转中心与机床主轴中心成直角，可增大机床的加工范围和适应性，能减少工件重复装夹，提高加工效率。直角铣头是机床的一种附件，机床安上直角铣头后刀具旋转中心线可以与主轴旋转中心线成角度加工工件。现已广泛应用于航空、汽车、模具等机械加工的各个领域。使用直角铣头，无需改变机床结构就可以增大其加工范围和适应性，使一些用传统方法难以完成的加工得以实现，并能减少工件重复装夹，提高加工精度和效率。主要用于加工中心和龙门铣床，其中轻型可以装在刀库中，并可以在刀库和机床主轴之间自直角铣头的结构设计1 由转换；中型及重型拥有较大的刚性和扭矩，可适用于大部分加工需求。是机械加工中非常重要的一种机床附件，所以说这项设计有重要的意义。1.2 国内外研究现状20 世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用，计算机及控制技术在机械制造设备中的应用是世纪内制造业发展的最重大的技术进步。自从 1952 年美国第1 台数控铣床问世至今已经历了 50 个年头。 数控设备包括：车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工以及各类专用机床，形成庞大的数控制造设备家族，每年全世界的产量有 1020 万台，产值上百亿美元。 世界制造业在 20 世纪末的十几年中经历了几次反复，曾一度几乎快成为夕阳工业，所以美国人首先提出了要振兴现代制造业。90 年代的全世界数控机床制造业都经过重大改组。如美国、德国等几大制造商都经过较大变动，从 90 年代初开始已出现明显的回升，在全世界制造业形成新的技术更新浪潮。如德国机床行业从 2000 年至今已接受 3个月以后的订货合同，生产任务饱满。 我国数控机床制造业在 80 年代曾有过高速发展的阶段，许多机床厂从传统产品实现向数控化产品的转型。但总的来说，技术水平不高，质量不佳，所以在 90 年代初期面临国家经济由计划性经济向市场经济转移调整，经历了几年最困难的萧条时期，那时生产能力降到 50，库存超过 4 个月。从 1995 年“九五”以后国家从扩大内需启动机床市场，加强限制进口数控设备的审批，投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关，对数控设备生产起到了很大的促进作用，尤其是在 1999 年以后，国家向国防工业及关键民用工业部门投入大量技改资金，使数控设备制造市场一派繁荣。从 2000 年 8 月份的上海数控机床展览会和 2001 年 4 月北京国际机床展览会上，也可以看到多品种产品的繁荣景象。但也反映了下列问题： （1）低技术水平的产品竞争激烈，相互靠压价促销； （2） 高技术水平、全功能产品主要靠进口； （3） 配套的高质量功能部件、数控系统附件主要靠进口； （4） 应用技术水平较低，联网技术没有完全推广使用； （5） 自行开发能力较差，相对有较高技术水平产品主要靠引进图纸、合资生产或进口件组装。 当今世界工业国家数控机床的拥有量反映了这个国家的经济能力和国防实力。目前我国是全世界机床拥有量最多的国家（近 300 万台） ，但我们的机床数控化率仅达到直角铣头的结构设计3 1.9左右，这与西方工业国家一般能达到 20的差距太大。日本不到 80 万台的机床却有近 10 倍于我国的制造能力。数控化率低，已有数控机床利用率、开动率低，这是发展我国 21 世纪制造业必须首先解决的最主要问题。每年我们国产全功能数控机床30004000 台，日本 1 年产 5 万多台数控机床，每年我们花十几亿美元进口70009000 台数控机床，即使这样我国制造业也很难把行业中数控化率大幅度提上去。因此，国家计委、经贸委从“八五” 、 “九五”就提出数控化改造的方针，在“九五”期间，我协会也曾做过调研。当时提出数控化改造的设备可达 810 万台，需投入80100 亿资金，但得到的经济效益将是投入的 510 倍以上。因此，这两年来承担数控化改造的企业公司大量涌现，甚至还有美国公司加入。 “十五”刚刚开始，国防科工委就明确提出了在军工企业中投入 6.8 亿元，用于对 1.21.8 万台机床的数控化改造。直角铣头原产于欧洲，现已广泛应用于航空、汽车、模具等机械加工的各个领域。我国还未出现专注于制造直角铣头的生产商，大部分刀具刃具生产商兼顾直角铣头的生产和开发，但质量和性能于台湾及国外产品相比还存在差距，一些高品质和高性能的刀具刃具仍需进口。目前国外生产直角铣头的厂商众多，如德国 MI，德国 BENZ，德国 ROMAI，意大利 OMG，美国 PARLEC，西班牙 MADAULA 等，一般价位偏高，且维修较为不易。因此，我国对直角铣头的设计开发及生产方面的能力还需要提高。目前直角铣头在国外的发展比较迅速，前景较好，涌现出许多的生产和开发的制造厂商。直角铣头作为机床的一种附件，机床安上直角铣头后刀具旋转中心线可以与主轴的旋转中心线成角度加工工件，无需改变机床结构就可以增大其加工范围和适应性，使一些用传统难以完成的加工得以实现，并且能够减少工件的重复装夹，提高了加工的精度和效率。因为直角铣头扩充了机床的使用性能，相当于给机床增加了一根轴，甚至在某些大型工件不易翻转或是高精度要求的情况下，比第四轴更实用，因此直角铣头拥有良好的发展前景。进入 21 世纪。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机, 也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力, 加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步, 数控机床的应用范围还在不断扩大, 并且不断发展以更适应生产加工的需要。本文简要分析了数控机床高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、网络化、多轴化、绿色化等发展趋势。直角铣头的结构设计4 计算机技术的飞速发展, 推动数控机床技术更快的更新换代。利用 PC 机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。开放式体系结构使其有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性, 并向智能化、网络化方向发展。许多国家纷纷研究开发这种系统, 如美国科学制造中心 ( NCM S)与空军共同领导的 下一代工作站机床控制器体系结构 NGC , 欧共体的 自动化系统中开放式体系结构 OSACA ,日本的 OSEC 计划等。开发研究成果已得到应用, 如 Cincin-nati - M ilac ron 公司 1995 年开始在其生产的加工中心、数控铣床、数控车床等产品中采用开放式体系结构的 A2100 系统。开放式体系结构的新一代数控系统, 其硬件、软件和总线规范都是对外开放的, 因有充足的软、硬件资源可供利用, 不仅使数控系统制造商和用户进行的系统集成得到有力支持, 且为用户的二次开发带来极大方便, 促进数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用 Error! Reference source not found.。1.3 本文研究内容及方法制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，机械制造是制造业的核心。现代的制造技术的应用使得传统的制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，它对国民生计起着越来与重要的作用。对于现代机床的发展趋势，有一下几点总结。(1) 追求具有更高加工效率的机床。因为提高机床的效率就等于缩短零件的加工周期，缩短加工周期有两条途径，一条途径是提高切削速度，即提高主轴转速。目前车床和车削中心的主轴转速都在 8000r/min 以上，加工中心的主轴转速一般都在1500020000r/min，还有 40000r/min 和 60000r/min 的。同样，送给速度也有大幅度提高，可达 20m/min，甚至 60m/min。随着切削速度的增加，机床的结构刚性和动态特性都有明显提高，高速主轴和刀具系统的动平衡设计也获得相应提高；另一条途径是减少非加工时间。因为在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升、降速上，因此，复合机床的研发近期发展很快，其核心是在一台机床上要完成车、铣、钻、镗、攻丝、铰孔和扩孔等多种操作工序。车床技术发展的主要趋势是多功能机床，目前的多功能复合机床实际上就是一台具有车削功能的加工中心。在磨削方面，目前的技术重点是开发基于 PC 的磨削控制系统，一台磨床能进行内圆、外圆和台阶轴磨削，或给机床以不同的循环来加快生产进程，既磨得快又能保证尺寸精度和表面粗糙度。 (2) 追求更加安全可靠和符合环保要求的机床。由于机床的运行速度的提高，操作者的安全和健康也被提到优先考虑的位置。目前美国研制的高档机床在可能伤害人的直角铣头的结构设计5 地方几乎都加有安全警示装置。干切削和微量润滑剂切削方法因其可大大减少润滑剂的挥发而得到越来越广泛的应用，并且，几乎整个机床都是被封闭起来的，有些机床甚至看不到切屑，这样，即使有过量的油雾和烟雾也容易收集。同时，机床操作者在工作时的环境、位置会被考虑得非常舒适。此外，无污染的清洁加工技术也受到极大重视。 (3) 机床配套部件产业迅速发展。机床配套件发展很快，品种齐全。主要产品有滚珠丝杠副、精密轴承、各种转台、换刀装置、各种气动、液压装置、直线导轨及主轴部件等等。这些配套件产业的发展有力地推动了机床主机的发展，不但有助于提高机床的速度和性能，而且可以大大缩短主机的生产周期，降低生产成本。 (4) 追求更加完善的控制系统。更高速的处理器和更精确的控制设备使机床的功能和性能完善而强大。技术密集已进入超速发展阶段，而集成的关键是开放式结构。PCC技术的应用，开始改变了机床的工作方式，把 CNC 推向了控制中心而不局限于机床控制器的范围。控制软件发展更快，一年甚至改进几次。CNC 制造商已提供一些开放式结构的 CNC 系统。目前机械制造厂里开放式结构的 CNC 控制器占到 10%20%。 零件程序可以离线开发，然后传送到生产车间的编程系统，在 CNC 控制器上运行，操作者可以观察、检测刀具运行情况和加工过程，还可以对加工过程进行必要的修正。美国 GEFANUC 公司销售的控制器中，有 30%是开放式的，实现了真正的 CAM/CNC 集成，并趋于智能化控制，还可上网。虚拟制造和无纸化生产的技术基础已经具备，借助信息技术，此类软件的应用将以更快速度发展。 (5) 追求更高的机床外观质量。目前，机床制造商更加注重机床造型的美观和色调的协调柔和，机床精品更向工艺品方向发展。卧式铣床直角铣头是卧式铣床上一个不可或缺的附件，对铣床的工作有着举足轻重的影响。例如对一些工件的表面的加工，使得我们要在一定范围内转动工件，这样对工件的夹紧及其定位产生了一定的影响。因此，从相对运动的观点，我们可转动机床的铣头来加工工件。这样可以避免因工件定位而产生的误差。因此，研究铣头是个重要的环节，对我国工业的发展有一定的促进作用。如何在工件不动的情况下能对工件上的斜面进行加工，这个问题的解决是要对传统的铣床的铣头进行改造，使得它在一定的范围之内能进行加工零件，从而达到工件加工范围的要求。使得工业生产效率的大幅度提高。解决了国内机床界的一些问题。铣头采用手动方式，固定在滑枕端面，由机床主轴驱动铣头主轴旋转，铣头主轴采用手动方式可在 0-360o 范围转动以加工不同的面。直角铣头常采用锥齿轮传动方式，直角铣头的结构设计6 齿轮传动具有效率高，结构紧凑，工作可靠，寿命长，传动比准确等优点。直角铣头主轴结构形成采用铣床、车床、镗床的典型结构，其特点是钢性好，能承受较大负荷，热变形小。随着机床功能的不断增加，机床的稳定性要求日益提高，机床的加工精度和工作效率也相应日益提高，直角铣头是保证机床在正常稳定的工作条件下拥有较高的加工精度，提高工作效率及延长机床寿命的重要一环。本文研究了直角铣头的基本结构，运用机械设计原理及方法，设计了一种 90 度直角铣头。设计内容主要为主轴与铣头的定位结构、夹紧机构、扭矩传递机构以及传动机构。并详细介绍了设计的过程，对其中主要零部件进行了校核。本课题针对直角铣刀的结构设计，主要采用的研究方法是文献研究法。文献研究法是根据一定的研究目的或课题，通过调查文献来获得资料，从而全面地、正确地了解掌握所要研究问题的一种方法。文献研究法被子广泛用于各种学科研究中。查阅相关文献和资料，对目前广泛应用于卧式铣床和加工中心的直角铣刀的应用和发展进行深入调查、了解和研究。了解目前国内外直角铣头的研究现状和发展趋势，确定设计方向。通过查阅相关文献和资料，对直角铣头的种类有一定的了解。在开始设计时要充分的考虑到直角铣头的工作加工情况，输出情况和应用的场合。从而最终设计出既合理又实用并且有较高经济性的直角铣头。熟悉和了解决直角铣头的外观，为之后对其内部结构的研究和设计打下初步的基础。同时也对其工作原理和运动特点有了进一步了解。制定合理的设计方案，设计并计算出加工中心头库直角铣头的各个零部件的尺寸大小。查阅相关的机械设计手册并根据计算的结果选出符合规定的零部件。用计算机辅助设计软件 AutoCAD 绘制出直角铣头的各个零部件以及总装图，再利用三维设计软件 Solidworks 对所绘制的直角铣头的各个零部件进行三维建模，并进行计算机模拟装配和仿真。最后，整理设计资料和数据，完成毕业设计说明书。直角铣头的结构设计7 2 总体设计2.1 直角铣头的功能与结构分析卧式铣床的主轴是垂直安装的。直角铣头取代了卧铣的主轴悬梁、刀杆及其支承部分， 且可在垂直面内调整角度。卧式铣床适用于单件及成批生产中的平面、沟槽、台阶等表面的 加工；还可加工斜面；若与分度头、圆形工作台等配合，还可加工齿轮、凸轮及铰刀、钻头 等的螺旋面，在模具加工中，卧式铣床最适合加工模具型腔和凸模成形表面。直角铣头安装于卧式铣床主轴端，由铣床主轴以传动比 i=1 驱动直角铣头主轴回转，使卧式铣床起卧式铣床的功用，从而扩大了卧式铣床的工艺范围。直角铣头主轴在垂直平面内最大转动角度为45，其转速与铣床主轴转速相同。铣床直角铣头可绕水平轴在垂直平面内作 90回转调整，因而可切削斜面；若机床上采用分度头或圆形工作台，可又切削齿轮、铰刀和钻头的螺旋面，以及凸轮和圆弧槽等，在特殊的情况下还可换上钻头当作钻床使用。因而大大的提高了机床的通用性，对资源的节约有着至关重要的作用。卧式铣床在工业发展中有着非常重要的地位，特别是在铣削大型平面时，就显现出这种机床的重要性。直角铣头主要由本体、主轴组件、主轴套筒移动机构、主轴套筒锁紧机构、直角铣头回转机构等组成，其中最主要的是主轴组件。（1）主轴安装在主轴套筒中，前支持采用双列圆柱滚子轴承，承受径向力后支承采用一对角接触球轴承，面对面安装，承受径向力和两个方向饿轴向力，并使主轴轴向定位。（2）主轴的轴向移动主轴套筒装在直角铣头本体的大孔中，套筒能带着主轴一起作轴向移动，它由直角铣头旁边的手轮操作，转动手轮，经过一对圆锥齿轮，使丝杠转动，通过固定在套筒上的螺母及托架带动套筒轴向移动。当加工精度要求较高时，还可以在螺母托架上安装千分表，以便观察和检查。（3）主轴的转动带动主轴转动的齿轮不是直接装在主轴上，而是装在套筒上，轴套通过一对角接触球轴承支承在本体上。这样，齿轮传动的径向力就不作用在主轴上，而是通过轴套直角铣头的结构设计8 和轴承作用到本体上。同时，这种结构也便于主轴上下移动。（4）主轴套筒的夹紧主轴工作时，应把套筒夹紧，以免轴向窜动和减少振动。主轴套筒使利用差动螺纹机构夹紧（5）润滑与密封由于是立式主轴，且随套筒轴向移动，如用油润滑，很难解决漏油问题，故前后轴承均采用锂基润滑脂，每六个月压注一次。主轴下端采用迷宫式非接触密封。密封盘固定在主轴上，而密封盖固定在主轴套筒上，两件之间形成一条窄长而曲折的间隙，其间隙很小，且充填有润滑脂。这样，既能阻挡油脂漏出，又能防止外界的灰尘和冷却液等进入。主轴两个后轴承用密封套密封，主要防止上端的润滑油进入，使油脂稀释。2.2 拟定传动方案立式铣床与卧式铣床的主要区别是主轴是竖直安装的，也就是用直角铣头代替卧式铣床的水平主轴、悬梁、刀杆及其支撑部分。直角铣头的作用是关系到机床本身性能的重要环节。由于整个切削环节在于直角铣头，所以产生切削力也是靠整个直角铣头，电机带动主轴运转，铣刀同时也跟着运动，从而达到切削工件的目的。一般而言，尽管铣头外形变化多样，设计铣头时总体可以按照以下步骤进行：确定铣头外形尺寸和性能参数；铣头的传动链、主轴设计；液压控制及润滑冷却系统设计；铣头的装卸、运送、定位及转位系统设计；铣头与主铣头连接方式设计；铣头识别系统设计；铣头基础件工艺性设计等。设计通用型铣头时，机床制造商需结合所生产该机床的使用性能加工特点来确定基本外形参数和性能参数，用来保证机床的基本加工要求。设计专用型铣头时，生产厂的设计师及工艺师与使用单位的人员要一起经过研讨，共同确定铣头的外形参数和性能参数。同时在设计专用型铣头时，设计师应全面考虑，力争使专用型铣头具有一定通用性和前瞻性。对于铣头设计而言，传动链设计是非常重要的。传动链设计包括主传动链设计和进给传动链设计。铣头的传动链构成主要由锥齿轮传动、直齿轮传动、蜗杆传动、花键联接和键联接等几类常用的机械传动和联接方式组成。任何一种铣头设计时都需要根据外形参数、切削参数和主铣头性能参数来设计主传动链。例如通用型直角铣头设计(如图 I)，这类直角铣头设计可以使用普通弧齿锥齿轮传动方式进行传动。由于弧齿锥齿轮具备可以改变动力传递方向、传动平稳、传递直角铣头的结构设计7 扭矩大等机械特性，所以在主传动链设计中应用广泛。直角铣头传动齿数比一般选为l：l。确定传动比后，可以根据设计手册中提供的设计步骤进行齿轮的设计，在确定弧齿锥齿轮的齿数、模数等设计参数以后，还要注意工艺性设计，如：为每个弧齿锥齿轮设计轴向调整环节，以保证装配时调整齿轮的啮合间隙。(计算部分可查看设计手册在此不再赘述，此例仅供参考)。铣头进给传动链是伴随着机械五轴铣头的出现而出现的，一般采用蜗杆传动和直齿轮传动两种形式，可以按照机床进给系统设计原则结合实际条件进行设计，具体问题具体分析。通用型铣头主轴部分空间尺寸一般给定时较为宽裕，所以主轴可以参照数控铣床常用的主轴形式进行设计。设计时需要注意：(1)使主轴设计满足切削功率要求；(2)主轴设计要便于装配；(3)主轴轴向调整定位环节的设计。研究方案：方案一：如图下图 2.1 所示，是铣床传动系统的总体布局。传动系统通过齿轮来进行传递，中间环节有两个伞齿轮进行传递，它不仅可以传递力而且还可以对机床直角铣头进行定位控制。图 2.1如图 2.2 所示，是对直角铣头进行的简单剖析。轴的转动时通过齿轮的转动来带动它的转动，而且中间有轴承来配合轴的转动。主轴的前端是向心短圆柱滚子轴承，承受径向载荷，后支撑采用一对向心推力球轴承，承受径向和轴向载荷，使主轴轴向定位。直角铣头的结构设计38 图 2.2齿轮传递的运动由齿轮经双键，套筒等带动主轴运转，整个主轴部件装在长套筒中，可以跳动手轮使丝杠带动套筒作轴向调整，调整主轴。整个主轴的润滑是一个密封装置的润滑系统。经综合分析比较，既要实现机床的高扭矩，又要机床美观实用，并且尺寸小，易维修等。参考机床设计手册综合比对，由于切削工件时产生的切削力非常的大。因此采用齿轮传递切削力是一种有效的措施。其次，采用齿轮传动时，各个零件之间的位置配置合理，它们是传递切削力重要的环节，从而可使机床能够高速、高精度切削工件。另外，机床的动力源是靠电机带动，之间要经过齿轮减速环节，并且还要配离合器，以便在紧急关头是齿轮空转，从而达到对减速装置或者是传动装置的保护作用。直角铣头的结构设计39 3 详细设计3.1 确定机床主要技术参数传动装置的设计，机械传动装置的总体设计包括分析拟定传动方案，选择电动机型号，合理分配传动比及计算传动装置的运动和动力参数等内容。它为各级传动件设计和装配图绘制提供依据。机器常由原动机、传动装置及工作部分组成。合理的传动方案不仅满足工作部分的要求，而且还要工作可靠、结构简单紧凑、加工简单、成本低、传动效率高以及使用和维护方便。 因此， 设计时应先保证重点，并统筹兼顾其他条件。分析和选择传动机构的类型及组合，合理布置传动顺序，是拟定传动方案的重要一环，通常考虑以下几点：带传动：由于其承载能力较低，在传递相同转矩时， 结构尺寸较其它传动形式较大，但传动平稳，能吸振缓冲，因此用于传动系统的高速级。链传动：运转不平稳，且有冲击，以布置在传动的低速级。蜗杆传动：传动比较大，承载能力较齿轮传动低，故一般放在高速级，获得较小的结构尺寸和较高的齿面相对滑动速度，以便于形成液体动压润滑膜，提高承载能力和传动效率。 斜齿圆柱齿轮传动：因斜齿圆柱齿轮加工较困难，相对可用于高速级，并限制传动比。开式齿轮传动：其工作环境一般较差，润滑条件不好， 故寿命较短，宜布置在传动装置的低速级。故卧式铣床直角铣头采用齿轮传动，传动形式采用集中式传动，传动系统采用多联滑移齿轮变速。传动系统一般由动力源、变速机构、换向机构、运动分配机构、过载保险机构运动转换元件和执行元件等组成。换向机构：一种是进给电动机换向，换向方便，但换向次数不能太频繁。另一种是用齿轮换向（圆柱齿轮或锥齿轮） ，这种换向机构可靠，广泛用于各种机床中。本课题采用圆锥齿轮换向比较适宜。过载保险机构：其作用是在过载是自动断开进给运动，过载排除后自动接通。常直角铣头的结构设计40 用的是牙嵌式离合器、片式离合器。牙嵌式离合器利用两半离合器端面上的牙互相嵌合或脱开以达到主、从动轴的离合、牙有矩形、梯形、三角形、锯齿形和螺旋形等几种形式。由于同时参与嵌合的牙数多，故承载较高，适用范围广泛. 外形尺寸小，传递转矩大，接合后主从动轴无相对滑动，传动比不变。但接合时有冲击，适合于静止接合，或转速差较小时接合(对矩形牙转速差10r/min，对其余牙形300r/min)，主要用于低速机械的传动轴系。电磁片式离合器由内摩擦片、外摩擦片、止推片、压块和空套齿轮组成。离合器左右两部门结构是相同的。左离合器传动轴正转，用于切削加工。需要传递的转矩较大，片数较多。右离合器用来传动轴反转，主要用于退回，片数较少。这种离合器的工作原理是，内摩擦片的花键孔装在轴的花键上，随轴旋转。外摩擦片的孔为圆孔，直径略大于花键外径。外圆上有 4 个凸起，嵌在空套齿轮的缺口之中。内外摩擦片相间安装。用杆通过销向左推动压块时，将内片与外片相互压紧。轴的转矩便通过摩擦片间的摩擦力矩传递给齿轮，使主轴正传。同理，当压块向右时，使主轴反转。压块处于中间位置时，左、右离合器都脱开，该轴以后的各轴停转，过载排除后通过电气开关实现互锁。故本课题选择使用片式离合器。 卧式铣床主轴的驱动电动机类型根据电源种类（直流、交流） 、工作要求（转速特性、和过载情况等）工作环境（尘土、油、水、爆炸气体等） 、载荷大小和性质安装要求等条件来选择。工业上广泛应用我国新设计的、国际市场通用的统一系列Y 系列三相异步电动机。Y 系列电动机具有高效、节能、启动转矩大、噪声低。振动小、可靠性高、使用维护方便等优点。已知机床的进给功率 7.5KW 转速为 1450r/min,根据选定的电动机类型、结构、容量和转速，可由简明机械零件设计手册第一篇有关技术数据标准中查出电动机型号，并记录其型号、性能参数和主要参数。表 2.1额定功率 满载时转速 功率因数7.5KW1450 0.79Y90L-4同步转速=1500r/min设计的已知条件为机床的类型和主轴的最高转速及最低转速。查询机床设计手册，得主轴的极限转速： ， 。min150maxrnin30ir传动公比： =1.26，转速级数 Z= =18。2)3(转速数列为：直角铣头的结构设计41 30、37.5、47.5、60、75、95、118、150、190、235、300、375、475、600、750、950、1180、1500。铣削速度 V：铣削速度即为铣刀最大直径处的线速度，可用下式表示：(m/s) (2.2)601ndw式中， 为铣刀直径（mm） ； 为铣刀每分钟的转数（r/min） 。wd铣削进给量有三种表示方式：（1）每齿进给量 （mm/齿数） 指铣刀每转过一个齿，工件沿进给方向所移动的距zf离。（2）每转进给量 f（mm/r） 指铣刀每转一转，工件沿进给方向所移动的距离。（3）进给速度 （mm/min） 铣刀每转一分钟，工件沿进给方向所移动的距离。fV这三种进给量相互关联，但用途有所不同；每齿进给量是进给量选择的依据；每转进给量反映了进给量与铣刀转速之间的对应关系；而进给速度则是调整机床的使用数据。在实际生产中，按每分钟进给量来调整机床进给量的大小。上述三种进给量的关系如下：= (2.3)fVzfn式中，n铣刀每分钟转数（r/min） ；z铣刀齿数。机床主运动驱动电机功率 为: (2.4)paicp式中 -消耗于切削的功率（ )cpKw-空载功率（ )i-载荷附加功率（ ) a式中 -切削力的切向分力Ft切削速度V与当量切削厚度的关系有如下的经验公式：t=28agc (N/mm) (2.5)t78.0取 agc=0.05mm则 =2.7N/mmFt为了简化,省去计算 和 ,可用下列经验公式计算 :Pi P= 对于主运动回转的机床, =0.700.85pPc为机床总机械效率 取 =0.75 经计算得： pkw5.73.2 圆锥齿轮传动设计选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数（1）按传动方案，选用直齿圆锥齿轮传动直角铣头的结构设计42 （2）精度选用 8 级精度（3）选择小齿轮材料为 45 钢，调质处理，平均用度为 235HBS（4）选择大齿轮材料为 45 钢，正火处理，平均用度为 190HBS（5）基本参数和几何尺寸如下表：锥齿轮强度计算当两轴交角为 90 度时,齿面接触疲劳强度的校核公式:名称 符号 计算公式及数据模数 m m=4齿数 Z Z1=Z2=22基本参数分度压力角 A A=20齿顶高 ha Ha=m=4齿根高 hf Hf=1.25m=1.25*4=5齿全高 h H=ha+hf=4+5=9顶隙 C C=0.25m=0.254=1分度圆直径D1D2D1=mz1=424=96D2=mz2=4108=432齿顶圆直径Da1Da2Da1=d1+2ha=96+24=104Da2=d2+2ha=432+24=440齿根圆直径Df1Df2Df1=d1-2hf=96-25=86Df2=d2-2hf=432-25=422几何尺寸基圆直径Db1Db2Db1= Db2=mz1cos=424cos20=90直角铣头的结构设计43 H=4.98ZE/(1-0.5R ) 321HaUKT=4.98189.8(1-0.50.33) =1.04321a【H】齿根弯曲疲劳强度计算的校核公式为：F =4KT1YFYS/R(1-0.5R) 2M(U2+1)开 3 次根号=42.651.59100.271/3926.84=0.043【F】经校核齿轮强度足够（7） 、计算齿轮圆周速度 VV=（n1d1）/(601000)=(3.14342.8696)/(601000)=1.72m/s直齿圆锥齿轮几何尺寸Ds=60L=66C=10.56So=123.3 轴的设计机床轴类零件的设计计算，应根据轴的受载情况、传动精度要求等特点，有重点地进行。机床轴的设计步骤大致如下:第一步：估算轴的直径 根据轴所传递的功率（扭矩）及转速，按扭转刚度或扭转强度估算直径，作为危险断面的最小直径。第二步：轴的结构设计第三步：轴的受力分析-根据轴的受力及支承的跨距情况，计算支承反力、弯矩，画出轴的弯矩图及扭矩图。第四步：刚度或疲劳强度的核算，根据不同情况进行弯曲刚度或扭矩刚度的核算。直角铣头的结构设计44 轴径的估算当轴的长度及跨距未定，支承反力及弯矩无法求出时，可先按扭转刚度或扭转强度对轴的直径进行估算。(5.1)inpd1)(cm式中 d-危险断面处的轴径，当轴上有一个键槽时，d 值应增大 4-5%；当同一个断面上有两个键槽时，d 值应增大 7-10%；当为花键轴的内径可比的 d 减小 7%；N-轴的传递的额定功率（ ） ；kw-轴的计算转速（ ）;ininr计算轴的功率、转速及轴颈7.5 KW 1450r/min IpI7.5 0.97=7.275 KW 1450 =698r/minIn2654根据轴的标准系列 故取 36mm427.513698dm2d698 =286r/minI.0.=2KWpIn1639根据轴的标准系列 故取 65mm437.51638d 3d286 =109r/minIV.20.9=12KpIVn1847轴为花键轴并且该轴上有键槽，47.1638dm根据轴的标准系列 故取 65mm4d109 =98r/minV7.290.=57KWpVn19245.1dm根据轴的标准系列 故取 100mm5d轴的强度校核计算应根据轴上所受的在和类型，采用相应的方法。对于仅（或主要）用于传递扭矩的传动轴，应按扭转强度计算；对于既受弯矩又受扭矩的转轴，应按弯扭合成强度计算。首先计算齿轮啮合节点的作用力：直角铣头的结构设计47 圆周力：=22=2599.87轴向力：Fa=0径向力：=tancos0=844.75危险界面的复合强度校核按下列步骤进行：作III轴的受力简图：（图5.1a） 1作轴垂直面的受力简图，求支座反力， 2并作弯矩图：（图5.1b）=2+223 =422.375C 点稍偏左处弯矩为： 1=32=55.75C点稍偏右处弯矩为：2=32=55.75作轴水平面的受力简图，求支座反力， 3并作弯矩图：（图5.1c）=2=1299.935C点处弯矩为：=32=171.59作出轴的合成弯矩图：（图5.1d） 图5.1 4C点稍偏左处的合成弯矩为：1=12+2=180.42C点稍偏右处的合成弯矩为：2=22+2=108.42直角铣头的结构设计48 作轴的扭矩图：（图5.1e） 53=955033=10.95作出轴的当量弯矩图：（图5.1f） 6最大当量弯矩在C点处，其值为：=22+(2)2=180.53根据单向传动，式中校正系数=0.58.计算危险截面尺寸： 7根据轴的材料Q235号钢，调质处理其-1=170MPa,则危险截面直径为：3 0.11=31.08考虑到键槽影响，轴径加大5%，则d=31.08。结构设计时，实际采用轴径为：32，故满足要求。轴 III 轴的强度校核方法与步骤与从动轴相同，故省略。3.3 滚动轴承滚动轴承主要承受径向载荷，也能承受一定的轴向载荷；极限转速较高，当量摩擦因数最小；高转速时可用来承受不大的纯轴向载荷；允许角偏差较小，承受冲击能力差。适用于刚性较大的轴上。滚动轴承验算：机床的一般传动轴用的滚动轴承，主要是由于疲劳破坏而失效，故应对轴承进行疲劳寿命验算。下面对按轴颈尺寸及工作状况选定的滚动轴承型号进行寿命验算：=500 T (5.11)hL)(PKfClsn式中， 额定寿命；hLC 滚动轴承尺寸表所示的额定动负荷N； 速度系数， = (5.12)nfnfj310 工作情况系数；由表 36 可取为 1.1；f 寿命系数，对于球轴承：= 3 ；对于滚子轴承：=10/3 轴承的计算转速，为各轴的计算转速；jn 寿命系数，不考虑交变载荷对材料的强化影响