QKA1219数控管螺纹车床主轴组件设计

QKA1219 数控管螺纹车床主轴组件设计1QKA1219 数控管螺纹车床主轴组件设计摘要：本课题主要研究的内容是针对 QKA1219 数控管螺纹车床主轴组件部分的设计。根据 QKA1219 数控管螺纹车床的主要规格和性能要求，先进行主轴箱传动装置的总体设计，确定电动机，计算传动装置的速度和动力参数，接着设计装在主轴的齿轮，确定主轴结构及尺寸，最后选用轴承并进行相应的校核。QKA1219 车床主轴组件设计的关键是主轴结构设计，齿轮的设计及轴承的选用。齿轮的设计中，分别按齿面接触强度和齿根弯曲强度设计，综合分析得出结构合理，满足使用要求的结构及尺寸。主轴的设计中，初步确定主轴的结构参数，接着拟定组件的装配方案，选择合适的轴承，通过计算确定主轴各段的直径和长度等参数,在确定主轴结构尺寸之后进行主轴和轴承的强度校核。通过对数控车床主轴组件的科学设计和相应的计算和校核，从而实现对主轴组件的优化设计。主轴上所选用的轴承既考虑承受径向和轴向载荷，还考虑到了实际生产中主轴受热膨胀伸长的情况。主轴组件中的轴承在满足使用寿命条件下承受径向和轴向载荷，支承主轴转动，保证转动精度。主轴采用斜齿圆柱齿轮传递运动，通过相应的设计计算和校核，优化齿轮的结构，从而保证传递运动的平稳和准确。关键词：数控 主轴 设计 主轴组件 齿轮 QKA1219 数控管螺纹车床主轴组件设计2Spindle of thread Component Design of QKA1219 CNC machineAbstract：The main content for the topics of the QKA1219 NC machine is the design of main component part. Under the main specifications and performance requirements of QKA1219 CNC，First for the overall design of headstock gear, determine the motor，calculate the speed and power of transmission parameters.Then design the gear Installed in the main spindle , determine spindle structure and size,bearing the final selection and check. The key of the spindle component design of QKA1219 CNC is the design of spindle structure,gear design and bearing selection.For gear design, respectively according to tooth surface contact strength and tooth root strength. comprehensive analysis would get reasonable and meet the requirements of the structure and size. Spindle design, initially identified spindle structure parameters,development of components and then assembling the program, select the right bearing,through the calculation to determine the diameter and length of each segment parameters of spindle. Then corresponding strength check. By the scientific design of spindle components and the corresponding calculation and verification, in order to achieve optimal design of the spindle components. The effect of spindle bearing on the selected ,not only consider the radial and axial load，but consider actual production situation of spindle elongation thermal expansion.The bearing in the spindle meet the conditions in life to bear radial and axial load, bearing spindle rotation, guarantee Rotational accuracy. Spindle with helical gears to transfer movement, to ensure smooth movement and precise passing by appropriate design calculations and check, optimization the structure gear.Key words：CNC Spindle Design Spindle components GearQKA1219 数控管螺纹车床主轴组件设计3引 言毕业设计是培养学生实践能力的重要环节之一。它是我们完成所学全部课程，并进行生产了实习，它要求我们全面综合地运用所学课程的理论和实践知识进行机械系统的设计。本设计选择 QKA1219 数控管螺纹车床主轴组件来设计，通过计算、校核、选用等方式得到期望的主轴组件。主轴箱是数控机床最关键的部件之一，是用于布置机床工作主轴及其传动零件和相应的附加机构。主轴箱采用多级齿轮传动，通过一定的传动系统，经主轴箱内各个位置上的传动齿轮和传动轴，最后把运动传到主轴上，使主轴获得规定的转速和方向。主轴箱传动系统的设计，以及主轴箱各部件的加工工艺直接影响机床的性能。主轴组件是数控机床的一个很重要的部分。数控机床的主轴组件设计的关键因素包括主轴结构设计，轴承的选用及齿轮的设计。主轴箱的主要作用是调节转速，调节速度的主要元件是齿轮，所以说齿轮的设计也是主轴组件的重点。第三章中根据强度设计理论计算出齿轮分度圆，在不断的修正中，计算出中心距，模数，齿数。再根据经验和实际情况，确定齿轮的结构尺寸。主轴的设计主要是结构设计。主轴的设计中首先进行的是主轴组件的装配顺序初步拟定。只有装配顺序决定后才能进行各段轴径及长度的计算。考虑到超静定和主轴安全校核的问题，主轴的支承类型选择二支承。主轴的校核中，考虑到所选主轴轴颈远远大于计算最小轴颈，只进行了强度校核。在轴承选用和安装方面，是实际生产中较为重要的一点。主轴上所装配的圆柱滚子轴承和推力球轴承的作用不仅仅是承受径向和轴向载荷，还考虑到了实际生产中主轴受热膨胀伸长的情况，轴上一系列装配的轴承和定位原件不受其影响，自动调节。这是实际生产加工中考虑的首要问题。轴承的密封和润滑的好坏对机床的加工精度有很大影响，因而需要选择合适的密封和润滑装置。经过科学的设计，最终可得到结构合理，满足使用要求的主轴组件。QKA1219 数控管螺纹车床主轴组件设计4第一章 绪 论1.1 论文研究背景数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业的发展起着越来越重要的作用。QKA1219 数控管螺纹车床的出现给油田开采行业带来了巨大效益，其为针对石油行业而研究开发的专用高效数控车床，该机床属于半闭环控制系统的普及型数控管螺纹机床,还可作普通数控机床使用。QKA1219 车床可进行内外圆、端面车削，螺纹加工，内外倒角。随着各行业的发展联系越来越紧密，QKA1219数控管螺纹车床必将得到更广泛的使用。数控机床的主轴部件是机床重要组成部件之一，包括主轴的支承和安装在主轴上的传动零件等。由于数控机床的转速高，功率大，并且在加工过程中不进行人工调整，因此要求良好的回转精度、结构刚度、抗振性、热稳定性及部件的耐磨性和精度的保持性。对于自动换刀的数控机床，为了实现在主轴上的自动装卸和夹持，还必须有刀具的自动夹紧装置、主轴准停装置和切屑清除装置等结构。数控机床主轴部件的研究状况：1.数控机床主轴轴承配置主要有 3 种形式(1)前、后支承采用不同轴承。数控机床前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60角接触双列向心推力球轴承，后支承采用成对向心推力球轴承。这种结构普遍应用于各种数控机床，其综合刚度高，可以满足强力切削要求。(2)前支承采用多个高精度向心推力球轴承。前支承采用多个高精度向心推力球轴承，这种配置具有良好的高速性能，但它的承载能力较小，适用于高速轻载和精密数控机床。(3)前、后支承采用单列和双列圆锥滚子轴承。前支承采用双列圆锥滚子轴承，后支承采用单列圆锥滚子轴承，其径向和轴向刚度很高，能承受重载荷。但这种结构限制了主轴的最高转速，因此适用于中等精度低速重载数控机床。对于高速精密数控机床，高速精密轴承是支承主轴转速高速化的关键技术。QKA1219 数控管螺纹车床主轴组件设计5因此，提高主轴转速的前提是需要性能优异的高速主轴轴承。数控机床主轴轴承有的采用油脂润滑、迷宫式密封，有的采用集中强制润滑。为了保证润滑的可靠性，常以压力继电器作为失压报警装置。2.刀具自动装卸及切屑清除装置在某些带有刀具库的数控机床中，主轴组件除了具有较高的精度和刚度外，还带有刀具自动装卸装置和主轴孔内的切屑清除装置。主轴前端有一定锥度的锥孔，用于装夹锥柄刀具。自动清除主轴孔中的切屑和尘埃是换刀操作中的一个不容忽视的问题。为了保证主轴锥孔的清洁，常用压缩空气吹屑。3.主轴准停装置自动换刀数控机床主轴组件设有准停装置，其作用是使主轴每次都准确地停止在固定的周向位置上，以保证换刀时主轴上的端面键能对准刀夹上的键槽，同时使每次装刀时刀夹与主轴相对位置不变，提高刀具的重复安装精度，从而提高孔加工时孔径一致性。现在多采用电气准停装置，这种装置可保证主轴准停装置的重复精度在-1到 1范围内。4.主轴组件的传动(1)数控机床上主轴用的传动件主要有齿轮。齿轮能传递较大的转矩，是一般机床最常用的传动副。缺点是线速度不能很高，传动也不够平稳。通常线速度12 15m/s。为使主轴传动平稳，可采用斜齿轮。主轴上尽量不要有滑移齿轮或其它活装零件，齿轮与主轴最好用圆锥配合。(2)主轴传动件的布置，齿轮可位于前、后轴承之间，也可位于后轴承之后。为了使主轴组件能成为一个独立的功能单元主轴单元，近年来常使转动齿轮位于后支承之后的主轴后悬伸处。高速、高精密化是现代数控技术的发展方向，高 速 数 控 机 床 （ CNC） 是 装备 制 造 业 的 技 术 基 础 和 发 展 方 向 之 一 ， 是 装 备 制 造 业 的 战 略 性 产 业 。 高 速 数控 机 床 的 工 作 性 能 ， 首 先 取 决 于 高 速 主 轴 组 件 的 性 能 。 高 速 主 轴 组 件 是 高速 切 削 机 床 最 重 要 的 部 件 ， 也 是 实 现 高 速 和 超 高 速 加 工 最 关 键 技 术 之 一 。 高速 主 轴 组 件 要 求 动 平 衡 性 高 ， 刚 性 好 ， 回 转 精 度 高 ， 有 良 好 的 热 稳 定 性 ， 能传 递 足 够 的 力 矩 和 功 率 ， 能 承 受 高 的 离 心 力 ， 带 有 准 确 的 测 温 装 置 和 高 效 的QKA1219 数控管螺纹车床主轴组件设计6冷 却 装 置 。 高 速 主 轴 单 元 的 类 型 有 电 主 轴 和 气 动 主 轴 。 气 动 主 轴 目 前 的 研 究主 要 是 应 用 于 精 密 加 工 ， 功 率 较 小 ， 其 最 高 转 速 15000 r/min， 输 出 功 率仅 30W 左 右 。高速主轴组件的核心是电主轴，由于高速电主轴对轴上零件的动平衡要求很高，因此轴承的定位元件与主轴不宜采用螺纹连接，电动机转子与主轴不宜采用键连接，而普遍采用可拆卸的阶梯过盈连接。目前，国内外专业的电主轴制造厂已可供应几百种规格的电主轴。其套筒直径从 32mm 刀 320mm、转速从10000 r/min 到 150000 r/min、功率从 0.5kW 到 80kW、转矩从 0.1Nm 到300Nm。国外中等规格的加工中心的主轴转速已普遍达到 10000 r/min,美国福特汽车公司推出的 HVM800 卧式加工中心主轴单元采用液体动静压轴承最高转速为 15000 r/min；德国 GMN 公司的磁浮轴承单元的转速最高达 100000 r/min以上；瑞士 Mikron 公司采用的电主轴具有先进的矢量式闭环控制、动平衡较好的主轴结构、油雾润滑的混合陶瓷轴承、可以随室温调整的温度控制环，以确保主轴在全部工作时间内温度恒定。现在国内 10000 r/min15000 r/min 的立式加工中心和 18000 r/min 的卧式加工中心已开发成功并投放市场，生产的高速数字化仿形铣床最高转速到了 40000 r/min。自 20 世纪五十年代数控机床的出现以来，揭开了 CAD/CAM 的序幕，现已逐步成为 CAD/NCP/CAM 信息集成的重要环节，是现代柔性制造单元（FMC） 、柔性制造系统(FMS)的基本组成设备。它将复杂的机床内传动链解耦，代之以软件控制多坐标轴联动，极大地提高机电产品和设备的精度。世界上数控技术正朝着高精度、高速度， 五轴联动加工和复合加工机床， 智能化、开放式、网络化发展。1.2 论文研究内容和意义主轴箱是数控机床最关键的部件之一，是用于布置机床工作主轴及其传动零件和相应的附加机构。主轴箱采用多级齿轮传动，通过一定的传动系统，经主轴箱内各个位置上的传动齿轮和传动轴，最后把运动传到主轴上，使主轴获得规定的转速和方向。主轴箱传动系统的设计，以及主轴箱各部件的加工工艺直接影响机床的性能。主轴组件是机床的一个重要组成部分，QKA1219 车床工作时，由主轴夹持工件直接参加表面成型运动。所以，主轴组件的工作性能，QKA1219 数控管螺纹车床主轴组件设计7对加工质量和机床生产率有重要影响。因此，选择 QKA1219 数控管螺纹车床主轴组件来研究，具有很大的现实意义。根据 QKA1219 数控管螺纹车床的主要规格和性能要求，先进行主轴箱传动装置的总体设计，确定电动机，计算传动装置的速度和动力参数，接着进行主轴及其组件的设计。QKA1219 车床主轴组件的设计关键是主轴结构的设计，轴承的选用及齿轮的设计，最后进行相应的校核，并优化设计。第二章 QKA1219 数控机床的总体设计2.1 QKA1219 数控机床的传动设计QKA1219 数控管螺纹车床能够加工各种螺纹面和回转表面，为了加工出所要求的工件表面，必须使刀具和工件保持准确的相对运动，这由软件系统来实现。机床主轴的运动为主运动，其传动的精度直接影响加工面的质量。本节主要确定该机床的主传动路线和运动参数。2.1.1 机床的规格及技术要求QKA1219 数控管螺纹车床主要为油田管螺纹的车削而开发,且适合于各类管螺纹的车削。该机床属于半闭环控制系统的普及型数控管螺纹机床,还可作普通数控机床使用。该数控车床可加工以各种曲线为母线的连续的回转体，加工分辨为 0.001mm。可以加工圆柱、锥面螺纹，以及圆柱与锥面连续连接螺纹、端面螺纹。具有刀具自动补偿功能，具有坯料循环、加工螺纹循环、切槽循环。可任意设定绝对零点。适合多品种、中小批量的轮番加工，工艺适应性强、效率高，成品一致性好。编程容易，操作简单，是理想中的中型机械加工设备。QKA1219 数控管螺纹车床要求的加工精度较高，传动平稳，因此必须保证传动系统具有足够的传递运动能力和传动精度。主轴组件是机床的重要组成部分，机床工作时，主轴夹持工件或刀具直接参加表面成形运动。为保证机床加工效率和加工质量，主轴组件应该有良好的旋转精度，高刚度，良好的抗振性，温升和热变形要小，耐磨性好。QKA1219 数控管螺纹车床主轴组件设计8主轴的转速是机床的重要参数，机床的结构尺寸决定加工工件的最大尺寸。为设计出合理的主轴组件，经过调研获取 QKA1219 数控管螺纹车床的规格参数和技术要求，表 2-1。加工最大管子直径 190mm 床身上最大回转直径 770mm主轴通孔直径 200mm 刀架上最大回转直径 480mm主轴锥孔 213mm 主轴顶尖锥度 MorseNo.6(莫氏)主轴转速范围 90-450r/min主轴转速级数 （手动二档，自动四档）8 级表 2-1 QKA1219 数控管螺纹车床主要规格参数2.1.2 确定电动机机床主运动的功率，包括切削功率 空转功率损失和附加机械摩擦损失三部分。进行切削加工时，要消耗切削功率 。QKA1219 数控管螺纹车床是专用车切P床，但也可以当作普通车床使用，所以切削功率与车床的刀具材料、工件材料和切削用量的大小有关。本车床所用的刀具材料为中低碳钢，由公式：（2-10ndv1）式中 n-转速（r/min）v-切削速度（m/min） d-工件（或刀具）的回转直径（mm）可以得到最大切削速度： maxa4503.19/min4.75/1ndv s在硬质合金钢允许的切削速度范围内。max根据刀具的材料计算：允许的最大切削力 ，允许最大纵向进给1960ZFNQKA1219 数控管螺纹车床主轴组件设计9力 ，允许最大横向进给力 。由公式：784XFN54YFN（2-10maxfnvFPwfYZ切2）得 =19604.475W=8.77 KW10maxfnvwfYZ切 maxvZ主电机功率为：（2-PP切主 切 机 空 空 机3）由机械系统图可以估算出 =0.92，那么：机= + =9.53+ KWP主 切 空机 92.078切P切QKA1219 管螺纹数控机床须在不变载荷下长期运行,则须所选电动机的额定功率 Ped,即 PedPd。在这种情况下工作电动机就不会过热, 不是很大，根切P据机床工作情况，初选选用功率为 11kw 的电动机，型号 Y160M-4-83，转速为1460 r/min。2.1.3 公比和最大相对转速损失率已知主轴的最大转速和最小转速分别为 450r/min 和 90r/min ，那么可以知道主轴的变速范围 :nR（2-maxi54）又因为主轴的转速级数 z=8，那么由：（2-1znR5） 得 .26最大相对转速损失率为： % （2-max1()02.6AQKA1219 数控管螺纹车床主轴组件设计106）2.1.4 传动组和传动副数的确定传动组和传动副可能的方案有：84282482其中方案 8=42 由于第一传动组的传动副有 4 个,必然会使传动组的径向尺寸增大,下一级传动副的径向尺寸势必会更大;这种方案会造成结构的臃肿 ,空间尺寸的增大,不仅不利于结构的优化,而且还会造成材料和动力的巨大浪费,所以,不考虑分析此方案.方案 8=24 排除其他细节的不同,只考虑第二传动组的 4 个传动副的安排有两种方案，一种结构简单但尺寸过大，增加零件加工工艺的难度，成本会升高，这种方案不是最佳的。另一种的结构和尺寸虽然比较合理，但设计工作量大，一般也不考虑这种方案。 在方案 8=222 中，有 4 种可能的方案，见图 2-1。(a) (b)QKA1219 数控管螺纹车床主轴组件设计11(c) (d)图 2-1 方案 8=222方案(a)最简单，有 4 根轴 3 组滑移齿轮副组成，但是主轴齿轮也和滑移齿轮啮合，这样，当齿轮换挡的时候就会给主轴很大的冲击，主轴的精度保证不了，此方案不可行。方案(b)在方案(a)上加了一根轴，避免了主轴齿轮和滑移齿轮的直接接触而带来的冲击，但是，轴上有两个双联滑移齿轮，不仅结构复杂，而且还极容易发生干涉，因此此方案不是最佳。方案(c)在(b)的基础上在轴增加一个摩擦离合器，代替了一个双联滑移齿轮，克服了 c 方案的不足，通过液压实现自动换挡，但是无法达到公比的要求。1.26方案(d) 在方案(c)的基础上增加一根轴，在轴上加一个滑移齿轮和一个双联齿轮，双联齿轮和轴起到中间过度作用，在轴上将双联滑移齿轮换成单一滑移齿轮，这样就不至于使公比过大而影响传动的精度，同时也使运动更加平稳，结构也比较合理，因而选用方案(d)。2.1.5 结构网和结构式的设计在 中，又因为基本组和扩大组的不同而有不同的方案。可能有82四种方案，其结构网和结构式见图 2-2。根据下列选择原则:（1）传动副的极限传动比和传动组的极限变速范围 在降速传动时，为防QKA1219 数控管螺纹车床主轴组件设计12止被动齿轮的直径过大而使径向尺寸太大，常限制最小传动比 。在升min1/4速时，为防止过大的振动和噪音，常限制最大传动比 。如果用斜齿齿轮ax2i传动，则 。因此，主传动链任意一个传动组的最大变速范围一般为max2.5i。axin810uR对于进给传动链，由于转速通常比较低，零件尺寸也比较小，上述范围可以放宽一些。 。故 。在检查传动组的变速范围时，只需要检12.85i进 max14R进查最后一个扩大组。因为其他传动组的变速范围都比它小。根据公式：（2-(1)maxnxpR7）(a) (b) 12482148QKA1219 数控管螺纹车床主轴组件设计13(c) (d) 41284218图 2-2 8 级结构网的各种方案图（2.1）中，方案 1） 、2） 、3） 、4）的第二扩大组 ， ，则23x2p（ =1.26） ，则 ，都是可行的。3(21)3R ma326.RR（2） 基本组和扩大组的排列顺序 在这四种结构网（式）方案中，进行比较选择最佳方案。尽量使中间传动轴的变速范围小一些。因为各个方案同号转动轴的最高转速度相同，则变速范围小的，最低转速教高，转矩比较小，传动件的尺寸也可以小一些。比较这四种方案，方案（1）中的传动轴变速范围最小，所以方案（1）最佳。即如果没有别的要求，应该尽量使扩大顺序与传动顺序一致。2.1.6 拟定转速图和确定齿轮齿数本机床选定的结构式中共有三个传动组,变速机构总共需要 6 根轴.加上电动机轴共 7 根轴.所以转速图需要 7 条竖线.主轴 8 级转速,而电动机轴转速与主轴最低转速差 6 个公比,所以需要 14 条横线.由已知, ,那么第三级传动1.2组的变速范围为 .这样就确定了轴的 8 种转速只能有一种可能,即4max2.5R为 180,224,280,255,455,560,710,900r/min.同样的道理,对于轴,可取 , 可得轴的转速为 967r/min. 1i12.6iQKA1219 数控管螺纹车床主轴组件设计14因为传动比 i 为公比的整数次方，齿数及 以及小齿轮的齿数可以从金zS属切削机床参考书中查得。 ， 。查 i 为 1，1.26 两行。有数字1i12.6i的即为可能的方案。结果如下：=92，94，96，98，100，104，108，1161izS=92，93，95，97，99，100，102，1042.6z从以上两行可以挑出， =116， =104 是共有的。如果取 =104，则从表zzSzS中查出小齿轮齿数分别为 46，52，58。即 ， 。152i1468i同理依次求出：轴与轴啮合处的齿数为 54,43 和 43，54。轴与轴啮合处的齿数为 23，37。轴和轴啮合处的齿数为 34,44。轴和轴间有双联齿轮，相啮合的齿轮齿数为 23,37 和 34,44。轴和轴啮合处的齿数为36,75。2.2 计算传动装置的速度和动力参数根据前面的设计可以得到 QKA1219 数控管螺纹车床主传动系统图，见图 2-3。1.传动系统的传动路线轴传到轴通过液压自动换挡，轴到轴为手动 A 档, 轴传到轴为手动 B 档。传动总体路线：QKA1219 数控管螺纹车床主轴组件设计15图 2-3 QKA1219 数控管螺纹车床主传动系统图4352主电动机 （带传动） 25149 54 5846343 （主轴）7536 372432.各轴转速： QKA1219 数控管螺纹车床主轴组件设计16轴转速 min/967251401 rinm轴转速 in/9675212 rimi/84122n轴转速 in/12359672131 ri04mi/213 rinn615374轴主要作用是调节中间速度从轴到轴有两种传动方式： 342347轴转速 min/9812351 rini/362472 i/503153 riin/03224 rmin/7496315 rini/2826 ri/431457 riin/13728 轴转速 mi/5069840516 rin32QKA1219 数控管螺纹车床主轴组件设计17min/2807536940536 rini/1240564riin/40753684056m276 rini/914058经过以上的计算得到各轴的转速，可以画出该系统的转速图，公比，图 2-4。26.1图 2-4 QKA1219 数控车床 8 级传动系统的转速图3主轴输出功率：QKA1219 数控管螺纹车床主轴组件设计18根据总体设计方案,可分解为两种传动精度路径：手动 A 和手动 B手动 A 路径： 435 2主电动机 （带传动） 25149 5846435 （主轴） 传动效率 =0.83437561手动 B 路径：435 2主电动机 （带传动） 25149 372 5846435 （主轴） 传动效率 =0.7837247536 2手动 A 主轴的输出功率 KW13.98.01NaP手动 B 主轴的输出功率 KW57224主轴输出转矩电动机轴输出转矩： Nm （2-9.146095. NdnPT8）手动 A 主轴输出转矩：Nm11iTd2543757.90.8316QKA1219 数控管螺纹车床主轴组件设计19Nm12iTd25843757.90.832466Nm3 .5Nm14id.5.4934手动 B 主轴输出转矩：Nm25iTd2757.90.78364Nm658434162Nm27id. .5936Nm8T75078214345.主轴转速及工作能力，见表 2-2主轴转速 r/min 主轴工作能力手动 A 手动 B 传动效率 输出功率KW最大扭距NmS1 450 161S2 355 204S3 280 258.5S4 2240.83 9.13323S1 180 364S2 140 468S3 112 585S4 900.78 8.58728表 2-2 主轴转速及工作能力2.3 QKA1219 数控机床的总体结构和系统功能前面已经进行数控机床的传动设计，接着便可对机床总体结构的设计和系统功能的分析，QKA1219 数控管螺纹车床总体结构见图 2-5。2.3.1 QKA1219 机床系统功能简介：（1）可加工圆柱、锥面螺纹，以及圆柱与锥面连续连接螺纹，端面螺纹。QKA1219 数控管螺纹车床主轴组件设计20（2）可加工以各种曲线为母线的连续的回转体。加工分辩率为 0.001mm。（3）具有刀具自动补偿功能。（4）具有固定循环加工功能。（5）可任意设定绝对零点，操纵非常方便。2.3.2 QKA1219 机床的操作简介如图 2-5 所示，QKA1219 数控管螺纹车床的总体传动系统图，机床的纵向（Z 向）进给是由装在进给箱左侧的交流伺服电机经挠性联轴器直接与纵向滚珠丝杠相联，带动装在溜板箱支架上的螺母使床鞍运动，横向（X 向）进给是由装在床鞍后部的交流伺服电机经挠性联轴器直接与横向滚珠丝杠相联，带动装在下滑板下面的螺母使刀架运动，在纵向滚珠丝杠的右端有四方头，在横向滚珠丝杠的前端有四方头，可用附带的专用摇把用手摇动以调整机床，两根滚珠丝杠与螺母在出厂前已加有适当的预紧力以消除间隙和增加刚性，在修理机床时切勿使螺母与丝杠分离，否则滚珠散落，极难恢复到原来要求，如因修正预紧力等必须将其分离。尾座装有卸荷装置,在尾座处于松动状态时,其重量大部由装在内部的弹性轴和两个滚动轴承承担,这样移动尾座可以很轻快, 不必借助其他机构。当发现尾座轴心与主轴轴心不重合时,可调整尾座体前后两个螺钉,使其横向移动以与主轴同心。该机床采用高可靠性数控系统。CTR 显示器装于操纵箱上，交流伺服驱动单元、PC 控制装置都装于电柜内，机电一体，运输或安装不需拆接电线，用户只需接上三相 380V 交流电源即可使用，请注意下列事项：（1） 、M、S、T 功能的实现，既可手动，也可在程序内编入（自动）实现，手动操作 S 功能时，应先打 M03 放松主轴。（2） 、刀架转位，采用记数方式，实现刀架的正反转最短趋近。在切削前，应首先手动转位以确认刀号，确保程序正常进行（四工位刀架采用绝对刀号，单方向转位） 。（3） 、当遇紧急情况，按红色蘑菇头按钮，即可切断主电机电源和两轴伺服电机供电，再断开总开关待排除故障。（4） 、总开关断开后，或因某些原因停电后，不得立刻合闸，等 3 分钟后，QKA1219 数控管螺纹车床主轴组件设计21方可合闸启动系统，以防损坏系统。工件通过卡盘等夹具装夹在主轴前端。主轴箱的功用是支承主轴并把动力经QKA1219 数控管螺纹车床主轴组件设计22图2-5QKA1219数控管螺纹车床总体传动系统图QKA1219 数控管螺纹车床主轴组件设计23过变速传动机构传给主轴，让主轴带动工件按规定的转速旋转，以实现主运动。主轴由主电机经 V 型带及变速齿轮带动，共有八级转速。A、B 两档为手动变速，可根据不同工件在停车时由手动变换转速范围，自动变速过程如下：数控系统发出变速信号轴油缸复位制动油缸制动，三秒左右主轴停止制动油缸放松液压马达转动，同时变速油缸动作带动二联齿轮位移齿轮到位后触动行程开关返回变速完了信号主轴起动程序往下进行。该设计方案能够满足工作性能的要求，保证工作可靠，并且结构简明，尺寸紧凑，传动效率高和使用维护方便。第三章 斜齿轮的设计齿轮是主轴箱最重要的元件之一，齿轮传动传递的功率可达数十万千瓦，圆周速度可达 200m/s。齿轮同时啮合的齿数是周期性变化的，也就是说，作用在一个齿上的载荷是变化的。同时由于齿轮制造及安装误差等，不可避免要产生动载荷而引起振动和噪声，常成为主轴箱的主要噪声来源，并影响主轴回转均匀性。所设计的齿轮在具体的工作情况下，必须具有足够的、相应的工作能力，以保证在整个工作寿命期间不致失效。在齿轮选材方面要考虑以下因素：齿轮材料必须满足工作条件的需求；考虑齿轮尺寸的大小毛坯成形方法及热处理和制造工艺。选用调质碳钢可用于制造在中等冲击载荷下工作的齿轮。但是，当齿轮线速度较高时，会增加齿面的冲击载荷并增大噪声；在间断切削机床上，齿轮传递能够增加传动系统中的动载荷，使主轴传动平稳性降低；由于齿距误差的影响也不能得到很高的表面加工质量等等。本章主要对主轴上相啮合的一对圆柱斜齿轮进行选材，结构设计，相关的传动强度计算及校核。3.1 齿轮的设计设计根据前面可知，轴上小齿轮传递的转矩为 Nmm,转速510.3Tr/min,小齿轮的齿数 ,大齿轮齿数 ，齿数比 。假9381n361z72z08.2u设齿轮工作寿命为 15 年（每年工作 300 天） ，两班制。QKA1219 数控管螺纹车床主轴组件设计243.1.1 选精度等级、材料及齿数1.由于要求转速较高，运动平稳，故选用 5 级精度（GB10095-2001）。2.材料选择。选择小齿轮材料 40Cr(调质)，硬度为 280HBS,大齿轮材料为45 钢（调质），硬度为 240HBS，二者材料硬度差 40HBS。3.选取螺旋角。初选螺旋角 。63.1.2 按齿面接触强度设计按公式（3-32112HEdtt ZuTK1）1. 确定公式内的各计算值（1）试选载荷系数 。6.1tK（2）由参考文献机械设计表 10-7 及注释选取齿宽系数 。25.0d（3）由参考文献机械设计表 10-6 查得材料的弹性影响系数 8.19EZMPa 。21（4）由参考文献机械设计图 10-21d 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳 MPa；齿轮的接触疲劳强度极限 MPa。51limH 502limH（5）根据公式 (3-2)hnjLN60计算齿轮的工作应力循环次数91 1052.4)13082(19360 hjLnN924.8.54（6）由参考文献机械设计图 10-19 取接触疲劳寿命曲线系数； 。9.01HNK96.02HNQKA1219 数控管螺纹车床主轴组件设计25（7）由参考文献机械设计图 10-30，选取区域系数 .482HZ（8）由参考文献机械设计图 10-26 查得 ， ，则15.00。695.121（9）根据公式齿轮的许用应力公式(3-3)SKNlim计算许用应力，取失效概率为 1%，安全系数 ,则1MPa6.5092.01lim1SHNMPa48.2li2KHMPa3.9506.5121 H2. 计算（1）试算小齿轮分度圆直径 ，由计算公式得td1mm41.523.4981208.2695.20331 td（2）计算圆周速度。m/s.710634.106nvt（3）计算齿宽 及模数 。bntmmm.384.52.1tdmm21.6coscos1ztntmm47.9.25.ntmh047.938b（4）计算纵向重合度 。QKA1219 数控管螺纹车床主轴组件设计26(3-4)308.6tan325.018.tan318.0 zd（5）计算载荷系数 。K已知使用系数 ，根据 m/s,5 级精度，查手册得 ,25.A49.7v 0.1VK由参考文献机械设计表 10-4 用插值法查得 5 级精度、小齿轮相对支承非对称布置时， ；由图 10-13 查得 ；由表 10-3 查得0.1H 03.1FK。故载荷系数FHK(3-5)567.1.8.25HVAK（6） 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由(3-6)31ttKd得mm35.16.74.1523d（7）计算模数 。nmmm18.436cos5.1cos1 zdn3.1.3 按齿根弯曲强度设计由式(3-7)321cosFSadn YzKTm1. 确定计算参数（1）计算载荷系数(3-8)537.10.8.125FVAK（2）根据纵向重合度 ，由参考文献机械设计图 10-28 查30.得螺旋角影响系数 。976.YQKA1219 数控管螺纹车床主轴组件设计27（3）计算当量齿数。6.3cos31zV25.7332zV（4）查取齿形系数由参考文献机械设计表 10-5 查得 ；45.1FaY231.FaY（5）查取应力校正系数由参考文献机械设计表 10-5 查得 ；6.1Sa76.2Sa（6） 由参考文献机械设计图 10-20c 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限MPa；大齿轮的弯曲疲劳强度极限 MPa；4501FE 402FE（7）由参考文献机械设计图 10-18 取弯曲疲劳寿命系数 ，8.01FNK；89.2FNK（8）计算弯曲疲劳许用应力，由公式(3-9) SKNFlim取弯曲疲劳安全系数 ,则4.1MPa 86.2.45081 SFENFMPa.1922KFEF（9）计算大、小齿轮的 并加以比较。FSaY0143.86.2541FSa.732FSaY大齿轮的数值大。QKA1219 数控管螺纹车床主轴组件设计282.设计计算mm025.3146.695.132.0cos75713 2nm对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数 大于由齿根弯曲疲nm劳强度计算的法面模数，查标准模数表（GB1357-1987），取 ，既满足5.4齿根弯曲疲劳强度也满足齿面接触疲劳强度。3.1.4 几何尺寸计算1.计算中心距mm (3-10)13.256cos2.4)73(cos2)(1 nmza将中心距圆整为 252 mm。2.按圆整后的中心距修正螺旋角 625.4)736(arcos2)(arcos1mzn3.计算大、小齿轮的分度圆直径mm9.16cos5.431nzdmm3.72nm4.计算齿轮宽度mm625.409.125.01db圆整后取 mm； mm。482B3.2 齿轮的结构设计通过齿轮传动的强度设计，只能确定出齿轮的主要尺寸，如齿数、模数、齿宽、螺旋角、分度圆直径等，而齿圆、轮辐、轮毂等的结构设计及尺寸大小，通常都由结构设计而定，在此只对大齿轮的结构设计。QKA1219 数控管螺纹车床主轴组件设计29齿轮的结构设计与齿轮的几何尺寸、毛坯、材料及加工方法，使用要求及经济性等因素有关，进行齿轮的结构设计时，必须综合考虑上述各方面的因素。虽然齿顶圆直径大于 160mm,但由于主轴的直径也很大，若做成腹板式结构将不能保证强度要求，为保证斜齿轮轮毂有足够的强度，应做成实心结构。考虑到齿轮与主轴的配合和紧定问题，将齿轮内孔做成 120 的锥孔。由于主轴齿轮传动精度要求较高，为保证传动平稳，在齿轮上增加平衡块。轮毂的宽度应取大一些，在轮毂上开有开口向内的槽，以便安装平衡块，根据荐用的经验数据，进行具体的设计。具体的结构尺寸详见零件图。第四章 主轴及组件的设计4.1 主轴的设计4.1.1 主轴及组件概述轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸。轴的结构尺寸主要取决于以下因素：轴在机器中的安装位置及形式；轴上安装的零件的类型、尺寸、数量以及和轴连接的方法；载荷的性质、大小、方向及分布情况；轴的加工工艺。由于影响轴的结构的因素较多，且其结构又要随着具体情况进行具体的分析。但是，不论何种具体条件，轴的结构都应满足。轴的工作能力计算指的是轴的强度，刚度和振动稳定性等方面的计算。多数情况下，轴的工作能力主要取决于轴的强度。这时只需对轴进行强度计算，以防止断裂或塑性变形。而对于刚度要求高的轴，还进行强度校核。主轴组件是机床的重要部件之一，它是机床的执行件。它的功用是支承并带动工件或刀具旋转进行切削，承受切削力和驱动力等载荷，完成表面成形运动。主轴组件由主轴及其支承和安装在主轴上的传动件、密封件等组成。由于数控机床的转速高，功率大，并且在加工过程中不进行人工调整，因此要求良好的回转精度、结构刚度、抗振性、热稳定性及精度的保持性。对于自动换刀的数控机床，为了实现刀具在主轴上的自动装卸和夹持，还必须有刀具的自动QKA1219 数控管螺纹车床主轴组件设计30夹紧装置、主轴准停装置和切屑清除装置等结构。主轴组件的工作性能对数控机床性能和加工质量以及机床生产率有着直接影响，是决定机床性能和技术经济指标的重要因素。因此，对主轴组件有较高的要求。4.1.2 主轴的设计1.主轴的输出功率 、转速 、输出转矩aPnT由前面计算得 =9.13 KW， =8.58 KW；转速1 2aP90,112,140,180,224,280，355,450r/min；对应的转矩n=728,585,468,364,323,258.5,204,161NmT2.求作用在齿轮上的力因已知主轴上斜齿轮的分度圆直径为mm36.9cos75.4zmdtN420.182axTFtN576costan9cosntrN41t420taF圆周力 ，径向力 ，轴向力 的方向如图 4-2 所示。traF3主轴的材料及热处理主轴的材料主要是应根据耐磨性，热处理方法和热处理后的变形选择。设计本机床的主轴选用 45 号优质中碳钢。调质到 220250HBS 左右。在主轴头部的锥孔，定心轴颈或定心锥面等部分，高频淬硬至 5055HRC。4.初步确定轴的最小直径QKA1219 数控管螺纹车床主轴为空心轴，按剪切强度估算轴径公式（4-340min1pAd1）QKA1219 数控管螺纹车床主轴组件设计31估算轴的直径，通常取 =0.50.6查表 （4-302.95TA2）由于这样求出的直径只能作为承受扭矩作用的轴段的最小直径，主轴材料为 45，则取 =126103。对于主轴功率和速度的比值，取其 比例较大者为0A pn宜。由前面已知， 即 0.040760.0953，现取9.13248.50=0.5， =12