球面蜗杆加工专用数控机床及控制系统设计100

湖南科技大学弧面蜗杆加工专用数控机床设计目 录设计说明书中英文摘要第一章 弧面蜗杆蜗轮的特点 11-1 蜗杆蜗轮的形成、类型及其结构 11-2 蜗杆传动的特点及其应用 31-3 弧面蜗杆的加工 41-4 弧面蜗轮的加工 5第二章 弧面蜗杆数控专用机床总体结构方案设计 122-1 加工机床运动的基本要求 122-2 弧面蜗杆数控专用机床总体方案 132-3 专用球面蜗杆数控车床的基本结构 14第三章 弧面蜗杆数控专用机床的主传动系统设计 153-1 传动结构式和结构选择 15（1）主传动的确定，和公比的确定15（2）确定变速组和传动副数目15（3）确定传动顺序方案163-2 传动方案的拟订183-3 齿轮传动部分的设计193-4 轴的设计计算25（1）轴的设计计算25（2）轴的设计计算26（3）主轴的设计计算32第四章 弧面蜗杆数控专用机床的进给系统设计 325-1 进给系统传动方案拟订325-2 纵向进给系统的设计计算33（1） 纵向进给系统的设计33（2） 纵向进给系统的设计计算335-3 横向进给系统的设计计算395-4 齿轮传动间隙的消除46第五章 弧面蜗杆数控专用机床回转工作台设计 52第六章 弧面蜗杆数控专用机床控制系统总体方案拟定 54第七章 润滑油的选用 54结 束 语第一章 弧面蜗杆蜗轮的特点1-1蜗杆蜗轮的形成、类型及其结构1、蜗轮蜗杆的形成 蜗杆蜗轮传动是由交错轴斜齿圆柱齿轮传动演变而来的。小齿轮的轮齿分度圆柱面上缠绕一周以上，这样的小齿轮外形像一根螺杆，称为蜗杆。大齿轮称为蜗轮。为了改善啮合状况，将蜗轮分度圆柱面的母线改为圆弧形，使之将蜗杆部分地包住，并用与蜗杆形状和参数相同的滚刀范成加工蜗轮，这样齿廓间为线接触，可传递较大的动力。 蜗杆蜗轮传动的特征： 其一，它是一种特殊的交错轴斜齿轮传动，交错角为90，z1很少，一般z114； 其二，它具有螺旋传动的某些特点，蜗杆相当于螺杆，蜗轮相当于螺母，蜗轮部分地包容蜗杆。 2、蜗杆传动的类型 杆形状的不同可分： 圆柱蜗杆传动-普通圆柱蜗杆（阿基米德蜗杆、渐开线蜗杆、法向直廓蜗杆、锥面包络蜗杆）和圆弧蜗杆。 普通圆柱蜗杆圆弧蜗杆 环面蜗杆传动 环面蜗杆 锥蜗杆传动 锥蜗杆动3、蜗轮蜗杆结构 蜗杆结构： 蜗杆通常与轴为一体，采用车制或铣制，结构分别见下图 蜗轮结构： 蜗轮常采用组合结构，由齿冠和齿芯组成。联结方式有：铸造联结、过盈配合联结和螺栓联接，结构分别见下图。蜗轮只有在低速轻载时采用整体式。 1-2 蜗杆传动的特点及其应用1、蜗杆传动的特点 在动力传动中，一般传动比i5-80；在分度机构或手动机构的传动中，传动比可达300；若只传递运动，传动比可达1000。由于传动比大，零件数目又少，因而结构十分紧凑。 在蜗杆传动中，由于蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，它和蜗轮齿是逐渐进入啮合及逐渐退出啮合的，同时啮合的齿对又较多，故冲击载荷小，传动平稳，噪声低。 当蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角时，蜗杆传动便具有自锁性。这时，只能以蜗杆为主动件带动蜗轮传动，而不能由蜗轮带动蜗杆运动。 蜗杆传动与螺旋齿轮传动相似，在啮合处有相对滑动。当滑动速度很大，工作条件不够良好时，会产生较严重的摩擦与磨损，从而引起过分发热，使润滑情况恶化。因此摩擦损失较大，效率低；当传动具有自锁性时，效率仅为04左右。为保证有一定使用寿命，蜗轮常须采用价格较昂贵的减磨材料，因而成本高。 蜗杆轴向力较大，致使轴承摩擦损失较大。 2、蜗杆传动的应用 由于蜗杆蜗轮传动具有以上特点，故常用于两轴交错、传动比较大、传递功率不太大或间歇工作的场合。当要求传递较大功率时，为提高传动效率，常取z124。此外，由于当1较小时传动具有自锁性，故常用在卷扬机等起重机械中，起安全保护作用。它还广泛应用在机床、汽车、仪器、冶金机械及其它机器或设备中；利用蜗杆传动传动比大省力的特点，以及它的自锁性能，在起重机械中广泛应用。蜗杆传动由蜗杆相对于蜗轮的位置不同分为上置蜗杆和下置蜗杆传动。 1-3弧面蜗杆的加工 这种蜗杆按其蜗旋面的形成特征可分为阿基米德螺线蜗杆、法向直廓蜗杆和渐开线蜗杆，通常都采用前面两种。 蜗杆的技术要求与轴类零件相同，只是增加了蜗杆螺牙的制造程度和光洁度。 在车床上用车刀加工蜗杆是最普通的方法。车蜗杆和车梯形螺纹的方法相类似，所用的车刀刃是直线型的，刀尖角等于2=40。一般在蜗杆时将车刀刀刃放于水平位置，并且与蜗杆轴线在同一水平面内，这样加工出来的蜗杆在垂直于轴心线的截面内齿形是阿基米德螺线，所以叫阿基米德蜗杆，它的轴向截面齿形是直线的，法向截面齿形不是直线的。当螺旋线升角较大时，如果仍把车刀刀刃放置在水平位置上，车刃的两个刀刃的前后角就很不理想，总会有一个刀刃是没前角，为了使车刀获得合理的前角和后角，常用的把车刀分别加工蜗杆的两个侧面，或者将车刀刀刃放在蜗杆齿面的法向位置来加工蜗杆，这样加工出来的蜗杆，轴向截面齿形不是直线的，而法向截面齿形才是直线的。所以叫法向直廓蜗杆，也有叫延长渐升线蜗杆的，正因为如此，小螺旋线升角（小于5）常用阿基米德蜗杆，大螺旋线升角常用法向直廓蜗杆，也是由加工方法而决定的。 当批量较大时，可以在专用铣床或车床改装成专用铣床上，采用长状铣刀和指状铣刀来精铣蜗杆，然后再用车刀来进行精加工，可提高生产率。 如果蜗杆精度要求不太高，通常用车削就可完成加工。但对于高精度的分度蜗杆，或较高精度的高转速传动蜗杆，由于需经淬火处理，故车削只能作为淬火前的加工，而需采用启削作为终加工，用来启削蜗杆的机床，可以用车床改装，也可以用铲启车床，还有专门设计的蜗杆启床（例如S7712蜗杆启床）和精密螺母启床（如S7520W万能螺丝启床）。1-4弧面蜗轮的加工 普通蜗轮的技术要求与圆柱齿轮基本相同，主要包括三个方面：（1）齿形的加工精度和齿侧；（2）蜗轮胚基准孔，喉结部分的尺寸精度和几何形状精度，基准孔与喉结轴心线的不同轴度，基准端面对基准孔轴心线的不垂直度，如果是嵌入轮圈式蜗轮，还必须对组装的配合表面提出一定的精度要求；（3）装面光洁度。 与圆柱齿轮加工相似，蜗轮加工也是经过蜗轮胚加工和齿形加工两个阶段。齿胚加工与圆柱齿轮齿胚加工基本上相同，但胚加喉结部分的加工，如果是嵌入轮圈式的，首先将轮壳和轮圈分别进行加工，然后组装在一起时进行轮胚的精加工，在进行精加工时，应将喉结，基准孔和基准端面在一次安装下加工出来，或首先加工好基准孔，用心轴定位安装来加工喉结和基准端面，以保证喉结、基准孔的不同轴度，以及基准端面和轴心线的不垂直度。 螺轮齿形的加工是蜗轮整个加工过程中的关键工序，也是加工中的主要矛盾。齿形加工方法有滚齿、飞刀切齿、剃齿等。冶金矿山机械和重型机械厂主要采用滚齿和飞刀切齿。 1.用蜗轮滚刀加工蜗轮 在滚齿机上用蜗轮滚刀加工蜗轮齿形是加工蜗轮的一种基本方法，滚动蜗轮与滚切圆柱齿轮有许多共同点，但椰油很多不同点，这些特点是：齿轮滚刀的基本蜗杆没有严格的规定，可以采用阿基米德型，法向直廓型或渐升线型，按工作条件由自己选择，基本蜗杆的直径也可由自己决定。但蜗轮滚刀的基本蜗杆相当于一般加工蜗轮相啮合的蜗杆，不但蜗杆的类型应相同，而且主要尺寸（如轴向模数，分度圆直径，头数，螺旋方向，螺旋升角等）均须一致，只是外径比工作蜗杆稍大一些，以便使加工后的螺轮与蜗杆啮合时有齿顶间隙。坛大量通常为径向间隙的两倍，即20.2m =0.4m （m 为轴向模数）。蜗轮滚刀水平安装，不需要象加工圆柱齿轮那样刀架要搬角度，同时蜗轮滚刀轴心线应和蜗轮蜗杆传动啮合状态一样，应在蜗轮中心平面内。工件的分齿运动应符合蜗杆蜗轮传动速比的关系，即蜗轮滚刀一转，被加工蜗轮应转一个齿（单头滚刀）或几个齿（多头滚刀）。滚齿机分齿蜗轮的计算与加工圆柱齿轮的计算或相同。例如Y38滚齿机： 当Z161时，i分齿=a/b*c/d=24k/z 当Z161时, i分齿=a/b*c/d=48k/z但滚切蜗轮时，不能忽视蜗轮滚刀的头由文K。进给方向，加工圆柱齿轮时，滚刀相对被切齿轮由上向下或由下向上作垂直进给运动。但加工蜗轮时，蜗轮滚刀要保持在蜗轮中心平面内，因此蜗轮滚刀相对工件只能作径向进给或切向进给。a）径向进给法：这时蜗轮滚刀向被加工蜗轮作径向进刀，逐渐切至全齿深为止。这种方法在生产中应用较广，因为生产率高，而且不需要切向刀架（许多滚齿机往往没有这种附件）。 径向进给运动是滚切过程中被加工蜗轮转一转，滚刀在水平面没被切蜗轮半径方向移动S径毫米，运动是通过径向丝杆来实现的。Y38滚齿机径向供给传动关系。工作台蜗轮付Z96/K蜗杆蜗轮K1/Z30进给挂轮i进给接通离合器M1齿轮Z45/Z36锥齿轮Z17/Z17锥齿轮Z17/Z17蜗杆蜗轮K4/Z20接通M2螺旋齿轮X10/Z20脱落蜗杆K4/Z20蜗杆蜗轮K4/Z16锥齿轮Z20/Z25径向进给丝杆（t=10毫米）刀架立柱水平移动。 列成计算式：S径=（工作台转一转）*（96/1）*（1/30）*i进给*（45/36）*（17/17）*（17/17）*（4/20）*（10/20）*（4/20）*（4/16）*（20/25）*10 经简化和整理得到径向进给挂轮调整公式： i进给（径）=（a1/b1）*(c1/d1)=25/4*S径b)切向进给法：此时用一端为锥形的蜗轮滚刀（也有叫玉米滚刀的），沿被加工蜗轮位切向进给，滚刀和被加工蜗轮的中心距，予先调整到蜗轮蜗杆的中心距A，加工时保持不变，依滚刀齿高由小到大，逐渐切至全齿架。滚刀圆锥部分刀齿依切入和粗加工用，圆锥部分刀齿位精加工和最后修整用。用切向进给法加工蜗轮时，由于需要滚刀在刀架上作轴向移动，故必须用切向刀架。这时刀具和工件之间的相互运动关系，除了分齿运动外，还需要切向进给运动和差动运动。切向进给运动：指滚刀沿蜗轮切向（即滚刀本身轴线方向）移动，以实现连续进给的目的。Y38滚齿机是由专用切向刀架来完成的，其传动关系是工作台或工作转一转，滚刀沿切向移动S切毫米。工作台蜗轮蜗杆Z96/K1蜗杆蜗轮K1/Z30进给挂轮i进给接通离合器M1齿轮Z45/Z36锥齿轮Z17/Z17锥齿轮Z17/Z17（进入切向刀架）锥齿轮Z17/Z17齿轮Z35/Z35蜗杆蜗轮K1/Z50切向进给丝杆（t=5毫米）切向进给。列成计算式：S切=（工作台转一转）*（96/1）*（1/30）*（a1/b1*c1/d1）*（45/36）*（17/17）*（17/17）*（17/17）*（35/35）*(1/50)*5 经简化和整理得到切向进给挂轮调整公式： i进给（切）=（a1/b1）*(c1/d1)=5/2*S切 差动运动：切向进给法加工蜗轮时，由于滚刀多了一个切向进给运动。这时被加工蜗轮（工作台）必须随着刀具移动方向，相应地转过一定角度，称它为附加运动，因此需要挂差动挂轮。差动挂轮速比的计算，根据滚刀切向（轴向）移动一个轴向齿距ms 时，被加工蜗轮的附加转动应为1/Z转的关系，由刀具与工件的转动关系列出。 切向进给丝杆（t=5毫米）蜗杆蜗轮Z50/K1齿轮Z35/Z35锥齿轮Z17/Z17锥齿轮Z17/Z17锥齿轮Z17/Z17齿轮Z36/Z45插动挂轮i差挂蜗杆蜗轮K1/Z30差动机构i差动2分齿挂轮i分齿蜗杆蜗轮K1/Z96工作台。 列成计算式：ms/5*（50/1）*（35/35）*（17/17）*（17/17）*（17/17）*（36/45）*i差挂*（1/30）* i差动2*i分齿*（1/96）=1/Z 其中：i差动2=2，i分齿=24K/Z（当Z161时），代入并化简，得到切向进给时，差动挂轮调整公式： i差挂=a2/b2*(c2/d2)=15/(2msK)=0.38733/msK式中：ms被加工蜗轮轴向模由文； K蜗轮滚刀头数。 必须指出，用切向进给法加工蜗轮挂差动挂轮，与加工斜齿轮时挂差动挂轮的目的不同，斜齿轮主要为了保证螺旋角，而切向进给法是刀具多了一个切向移动，故工件（工作台）必须相应地附加转动以补偿刀具切向的移动。 切向进给法的加工精度和光洁度，要比径向进给法高，因为切向进给的滚刀是由不同的刀齿进行粗加工和精加工的。但切向进给时滚齿机必须富有单独的切向刀架，而一般中小型滚齿机除专门订货外是不带切向刀架的。因此径向进给法比切向进给法应用要广泛得多。 由以上看出，在滚齿机上用蜗轮滚刀加工蜗轮，只要滚刀和滚齿机的精密度较高，就可以加工出程度较高的蜗轮来。但这种无法需要有专门的蜗轮滚刀。在冶金厂或矿山机修车间里，也有用一般齿轮滚刀来加工蜗轮的，因为滚刀也是一个蜗杆，当加工时若齿轮滚刀的螺旋升角不等于被加工蜗轮的螺旋升角时，可用转动刀架的办法来解决。这种方法当滚刀与蜗杆的直径和螺旋升角相差较大时，加工误差越大。因此，采用这种方法加工，在设计蜗杆时应尽量按齿轮滚刀的形状来设计。 2.用飞刀加工蜗轮 用蜗轮滚刀加工蜗轮比较精确，而且生产率也高，但需要专门蜗轮滚刀。当单件小批生产，特别是一个或几个大型蜗轮时，专做蜗轮滚刀就不合算，而且时间要拖久。因此，许多冶金矿山机械厂和重型机械厂经常采用飞刀里加工蜗轮。 在滚齿原理和蜗杆蜗轮啮合原理中知道，滚刀或蜗杆在中心平面剖面内相当于一个齿条，旋齿加工就象齿条与齿轮相啮合的情况一样。如果只用蜗轮滚刀沙锅内一个刀齿来切削，使这个刀齿一方面旋转，同时又作相应的轴向移动，这样刀齿走的路线和滚刀刀齿的螺旋线一样，因此象滚刀一样能铣出正确的齿形来，这就是飞刀加工的原理。 飞刀刀头的齿形和蜗轮滚刀上一个刀齿一样，也和蜗杆轴向剖面内的齿形相同，仅齿顶高大0.2ms，飞刀刀头的尺寸根据被加蜗轮的模数=2，压力角=20的蜗轮飞刀刀头尺寸。飞刀在刀杆上的安装，其中： R=d顶1/2+0.2ms ， L=Rd刀杆/2，（d顶1蜗杆外径，d刀杆 飞刀刀杆直径 ） 飞刀刀杆材料选用W18Cr4V高速钢，淬大后切削部分硬度达HRC6064，齿形部分要进行研究，并用梯板透光检查。 飞刀刀杆的结果主要应满足刀头浆固，不致在加工中松动，是一种加工中小模数的飞刀刀杆，飞刀装在刀杆1的圆孔中，由螺母面通过压紧套筒工来压紧，这种结构简单调节方便。另外，在加工大模数蜗轮时，可采用刀杆结构，它用斜面或圆弧面来卡紧，使飞、刀不会转动或滑动，所以能承受较大的切削力。 用飞刀加工蜗轮时，飞刀装在专用的飞刀刀杆上，由刀杆带动飞刀一面旋转，一面切向（轴向）进给，这就要求在滚齿机上装上切向刀架，挂上切向进给挂轮，就能使飞刀在铣齿过程中连续的作轴向移动。由于飞刀作轴向移动，故被加工蜗轮除了有分齿运动外，还应有和上述切向进给法相同的附加转动，即应挂差挂轮。升车加工之前，应将刀杆中心的距离按图纸调整到蜗杆螺啮合时的中心距离，分几次将蜗轮切成，由于飞刀只有一个刀齿，一转内在蜗轮上的切痕比液刀一转的切痕少得多，为了保证齿面有一定的光洁度，切向进给很小，因此因产率很低，所以只是没有蜗轮滚刀并且单件小批生产才采用飞刀加工。 3.蜗轮的剃齿和珩齿 为了提高蜗轮付的接触精度，有些工厂在蜗轮粗精滚之后，采用剃齿作为最终齿形加工工序。剃齿刀的形状和主要尺寸与工作蜗杆相同，只是在这蜗杆螺旋工作台上开出很多小槽，以形成切削刃。剃齿刃的外径比工作蜗杆外径较大一点(约0.2ms),以保证蜗轮全部有效齿面都能加工。 剃齿方法有自由剃和强通剃两种，自由剃在剃削时蜗轮与机床传动能脱开，只是依靠顶尖和转台，由剃刀在切削过程中自由带动，只辅加以一定的阻尾力来提高切削效率，因此机床分变机构精度没有影响，被加工蜗轮的相邻周节误差主要取决于剃齿刀的齿距精度和机床装刀轴的径向和轴向窜动。强迫剃在剃齿时蜗轮仍与机床传动链相联系，故相邻周期误差仍与机床有关。 有些工厂在蜗轮经粗滚精滚后，采用珩面方法来作为精密蜗轮的最终工序。珩面是用珩面蜗杆装在滚齿机的滚刀上，以自由或强迫的运动来带动蜗轮进行切削。珩面杆是由面料、粘结剂（如环氧树脂等）浇注成形并经修面而制成，其参数除外径略小，齿厚称法外，其余与工作蜗杆在同样条件刃面出。 一般珩面蜗杆的线速度比剃齿高一些，珩面时应采用足够的冷却。珩齿对提高蜗轮齿面光洁度十分显著，一般可达 8。 剃齿和珩齿目前工厂里均有采用，剃齿的优点能提高接触粘度，生产率较高，但剃齿制造困难，且剃刀使用寿命有限，因此有些工厂多采用珩齿法加工，因珩齿蜗杆制造简单，成本低，周期小，其主要缺点是生产率低。第二章 弧面蜗杆数控专用机床总体结构方案设计2-1 加工机床运动的基本要求根据圆弧面蜗杆蜗轮的加工原理，对机床的运动要求如图所示，由于加工蜗轮的刀具与蜗杆相似，所以加工蜗杆的机床也能加工蜗轮，加工圆弧面蜗杆专用机床，必须具有以下基本运动：（1）切削运动（主运动）1：即被加工蜗杆的旋转运动。（2）分齿运动2：随着蜗杆以1旋转，刀盘也要以2的速度相应旋转，并要求1和2之间有准确的传动关系，即U分齿=1/2=Z2/Z1,被加工蜗杆和刀盘的旋转方向应符合蜗杆蜗轮副的啮合关系。1和2也可统一称齿廓形成运动（展成运动）。这两个运动是切削弧面蜗杆齿面或滚动蜗轮齿面的最基本运动，由速度挂轮和分齿挂轮来调整。（3）径向进给运动S1和圆周进给运动3。（4）调整运动S2和S3：此两个运动是用来调整蜗杆的轴向位置和刀盘的上下位置。2-2 弧面蜗杆数控专用机床总体方案设计任务是将CK6163型数控卧式车床改造成经济型弧面蜗杆数控专用机床。根据圆弧面蜗杆蜗轮的加工原理，初步选择弧面蜗杆数控加工专用机床参数如下：1、车床纵向运动由X1向（1#）步进电动机联接控制130BF001型步进电动机：配套丝杆螺距：8mm 脉冲当量：0.01mm2、车床横向运动由Z1向（2#）步进电动机联接控制110BF001型步进电动机：配套丝杆螺距：6mm 脉冲当量：0.005mm3、圆盘工作台由Y1向（3#）步进电动机联接控制130BF001型步进电动机：配套丝杆螺距：6mm 脉冲当量：0.005mm4、圆盘工作台上纵向运动由X2向（4#）步进电动机联接控制110BF001型步进电动机：配套丝杆螺距：6mm 脉冲当量：0.01mm5、圆盘工作台上横向运动由Z2向（5#）步进电动机联接控制110BF001型步进电动机：配套丝杆螺距：6mm 脉冲当量：0.005mmCK6163数控车床改造为弧面蜗杆专用加工机床后，要求能完成一般车削及加工任意锥面、球面、螺纹等，并具有回转工作台及其它辅助功能。根据设计任务，选用JWK-5/2经济型机床微机控制系统。该系统采用MCS-51系列单片机，ISO国际标准数控代码编程，功能较完备，驱动性能好。纵向和横向均采用步进电动机降速齿轮滚珠丝杠螺母副溜板的传动方式。2-3 专用弧面蜗杆数控车床的基本结构1、床身 床身是用HT300浇铸而成的。它由牢固的横向十字筋组成，振动低。2个90V形平导轨是经过高频淬火和精密磨削加工而成的，拖板和尾架各使用一个90V形平导轨。纵向走刀（Z向）采用滚珠丝杆传动，丝杆安装在床身前面，主电机安装在床身后面。2、主轴箱 主轴箱是用HT250浇铸而成的，它由4颗螺钉固定在床身上。在床头箱里，主轴安装在2个圆锥滚子轴承（7210、7212）上。主轴有一个38的通孔，主轴端内孔锥度为莫氏5号。3、拖板 大拖板是用HT200浇铸而成的，其滑动导轨面经过精密磨削，它与床身上的90V形平导轨之间无间隙，下面的滑动部分能够简单而又方便的调整。中拖板是安装在大拖板上的，通过滚珠丝杆传动可带动中拖板在大拖板上滑动，可通过镶条来调整中拖板与大拖板燕尾导轨的间隙。4、尾架及其调整 尾架通过锁紧受柄拉紧锁紧块，固定在床身上，尾架有一个带3号莫氏锥孔的套筒。尾架套筒在任何位置都能用锁紧手柄将其锁紧。5、工作台 弧面蜗杆数控专用加工机床的回转工作转台由滑座、十字滑台、工作台等零件组成。工作台X轴向移动，由已预紧且通过座、紧固在工作台上的滚珠螺母和两端分别用右托架、电机座固定在十字滑台上的丝杆的转动来实现。丝杆是由电机通过同步齿形带及两带轮来驱动的。工作台Y向移动由已预紧且通过底座、紧固在十字滑台上的滚珠螺母和用电机座固定在滑座上的丝杆转动来实现的。丝杆是由电动机通过同步齿形带及带轮来驱动的。工作台面有六条T形槽，用来对工件进行安装、定位，中间的T形槽是定位T形槽。第三章 弧面蜗杆数控专用机床的主传动系统设计3-1 传动结构式和结构选择（1）主传动的确定，和公比的确定：根据ZJK-7532的使用说明书，初步定主轴转速范围为321000rmin， 则=1.36由设计手册取标准值得：=1.26。令，则则取。（2）确定变速组和传动副数目：大多数机床广泛应用滑移齿轮的变速方式，为了满足结构设计和操纵方便的要求，通常采用双联或三联滑移齿轮，因此主轴转速为12级的变速系统，总共需要两个变速组。（3）确定传动顺序方案： 按着传动顺序，各变速组排列方案有： 12322 12232 12223从电机到主轴，一般为降速传动。接近电机处的零件，转速较高，从而转矩较小，尺寸也就较小。如使传动副较多的传动组放在接近电机处，则可使小尺寸的零件多些，而大尺寸的零件可以少些，这样就节省省材料，经济上就占优势，且这也符合“前多后少”的原则。从这个角度考虑，以取18=332的方案为好，本次设计即采用此方案。3-2 传动方案的拟订根据以上分析及计算，拟定主轴箱、变速箱传动结构图如下：图3-2中，第轴至第轴，其结构式为： 4=22.21图3-1中，第轴至第轴，机床主轴箱传动系统采用分离传动，其主要特点是：（1） 在满足传动副极限传动比的条件下，可以得到较大的变速范围。（2） 高速由短支传动，有助于减少高速时机床的空运转功率损失。而且高速分支的尺寸可相对小些。（3） 变速级数不像常规变速系统那样受2，3因子的限制，如与部分转速重合的方法配合，几乎可以得到任意的变速级数，大大增加了可供选择方案的数目。3-3 齿轮传动部分的设计选择以机床变速箱中第轴和第轴间，两啮合直齿圆柱齿轮Z1和Z2，对其进行齿轮传动部分的设计和验算。根据总体结构方案，主电机功率13KW,转速1450r/min，要求输出轴转速1000 r/min，齿轮齿数比U=1.25。具体计算如下：（1)大、小齿轮的材料均为45钢，经调质与表面淬火处理，硬度为4050HRC（2)选小齿轮齿数Z1=28,大齿轮齿数Z2=U3Z1=1.25328=35,齿数比U=1.25（3)按齿面接触强度设计由设计计算公式进行试算，即d1t 1选取载荷系数 Kt=1.2 2计算大齿轮传递的转矩 T2 =95.5310P1/n1=95.53103 13/1450 N.mm =8.562310 N.mm 3选取齿宽系数d =1 4查得材料的弹性影响系数ZE =189.8MPa 5按齿面硬度查得大、小齿轮的接触疲劳强度极限Hlim1 =Hlim2 =550 MPa 6计算应力循环次数N2 =60n1jLh=6031450313(2383365315)=7.6212310N1 =7.621231031.25=9.5265310 7查得接触疲劳寿命系数KHN1=0.86；KHN2=0.88 8计算接触疲劳许用应力 取失效概率为1%，安全系数S=1，得 = =9 试算小齿轮分度圆直径d1t,带入中较小的值d1t =69.429mm10计算圆周速度n11计算齿宽bb=d3d1t=1369.429 mm=69.429 mm12计算齿宽与齿高之比b/h模数 mt=d1t/Z1=69.429/28 mm=2.480 mm齿高 h=2.253mt=2.2532.480 mm=5.58 mm b/h=69.429/5.58=12.4413计算载荷系数根据n=3.64m/s,7级精度，查得动载荷系数Kv=1.14；直齿轮，假设KAFt/b 100 N/mm。查表得KH=KF=1.2；查表得使用系数KA=1；查得7级精度，小齿轮相对支承非对称布置时，KH=1.14+0.18（1+0.6d）d+0.23310b将数据带入后，得KH=1.14+0.18（1+0.631）31+0.23310369.429=1.444；由b/h=10.66，KH=1.444查图机械设计10-13得KF=1.32；故载荷系数 K=KAKvKHKH=131.1431.231.444=1.97514按实际的载荷系数效正所得的分度圆直径，由式 69.4293mm 15计算模数m m=d1/Z1=79.81/28 mm=2.85 mm（4）按齿根弯曲强度设计1查得大、小齿轮的弯曲疲劳强度极限均为FE1=710MPa；2查得弯曲疲劳寿命系数KFN1=0.805,KFN2=0.82；3计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 S=1.4，由式 4计算载荷系数KK=KAKvKFKF=131.1431.231.32=1.8065查取齿形系数查得YFa1=2.61； YFa2=2.52。6查取应力校正系数查得YSa1=1.58；YSa2=1.625。7计算大、小齿轮的并加以比较小齿轮的数值大。8设计计算 mm=1.53 mm对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数1.53并就近圆整为标准值m=3 mm，按接触强度算得的分度圆直径d1=79.81 mm,算出小齿轮的齿数，取Z1=32 mm大齿轮齿数 Z2=U3Z1=1.25332=40，取Z2=40。（5）几何尺寸计算 1计算分度圆直径d1= Z13m=3233 mm=96 mm ；d2= Z23m=4033 mm=120 mm 2计算中心距 a=(d1+d2)/2=108 mm 3计算齿轮宽度b=d3d1=1396 mm=96 mm因为变速箱中，小齿轮1固定安装在第轴上；大齿轮2安装在第轴上，且为双联滑移齿轮，两齿轮副传动比取值为1.25，变速箱做减速传动。考虑整个变速系统的总体结构及其安装，取B2=108 mm，B1=42 mm。4验算100 N/mm,合适。5结构设计及绘制齿轮零件图如下：机床主轴箱中，第轴和轴间为一对斜齿轮，两齿轮的材料选用40Cr，经过调质与表面淬火处理，硬度为4855HRC，许用接触强度疲劳应力，精度等级取7级。经校核，齿轮齿面接触强度和齿根弯曲疲劳强度均满足要求。此处，计算和验算过程略。两斜齿轮参数选择具体如下：1齿轮齿数Z1=30 ； Z2=u3Z1=2330=602中心距，将中心距圆整为210mm3按圆整后的中心距修正螺旋角：4大、小齿轮的分度圆直径5齿轮宽度圆整后取B2=100 mm，B1=110 mm。6齿轮结构如图所示 弧面蜗杆加工专用数控机床是对CK6163型数控车床的改造，弧面蜗杆数控加工机床主轴箱齿轮传动系统的总体结构布置和参数的选择均参考原CK6163型数控车床。主轴箱中，各轴间齿轮的齿数和模数与原CK6163型数控车床主轴箱内部齿轮的齿数和模数相同。变速箱和主轴箱内部齿轮结构简图4-2如下所示：3-4 轴的设计计算（1） 轴的设计计算 1轴的材料选用45钢，并经调质处理。2轴的结构设计 轴的结构是参考了CK6163的轴，如图所示：3 由于轴的实质结构没有变化，而且各部分直径也大于等于原轴的最小直径，故轴的强度是可以满足工作要求的，具体的校核计算就略去了。（2） 轴的设计计算 1轴的材料选用45号钢，并经过调质处理。2估算周的最小直径 查表得常数， 3 轴的结构设计（见图如下所示）4 轴的刚度验算 轴的变形条件和允许值轴上装齿轮和轴承处的挠度和倾角（y和）应小于弯曲刚度的许用值Y和，即 yY，。表4-1 轴的弯曲变形的允许值轴的类型Y（mm）变形部位（rad）一般传动轴（0.00030.0005）L装向心轴承处0.0025刚度要求较高（0.0002）L装齿轮处0.001安装齿轮轴（0.010.03）m装单列圆锥滚子轴承0.0006安装蜗轮轴（0.020.05）m装滑动轴承处0.001装单列圆柱滚子轴承处0.001L：轴的跨度 ； m：模数 轴的变形计算公式： 计算轴本身弯曲的挠度y及倾角时，一般常将一轴简化为集中载荷下的简支架，按材料力学的有关公式计算，当轴的直径相差不大且计算精度要求不高时，可把轴看做等直径，采用平均直径d1计算，计算轴时选择用平均直径（d1）或当量直径（d2）。圆轴： 平均直径 惯性矩矩形花键轴：平均直径 当量直径 惯性矩 轴的力分解和变形合式 对于复杂受力的变形，先将受力分解为三个垂直面上的分力，应用弯曲变形的公式求出所求截面的两个垂直平面的y和，然后进行叠加，在同一平面内进行代数叠加，在两个垂直面内则按几何合成，求出该截面的总载度和总倾角。 危险工作截面的判断： 验算刚度时应选择最危险的工作条件进行，一般是轴的计算转速最低，传动齿轮直径最小且位于周的中央，这时轴的受力将使总的变形剧烈。如果对两三种工作工作条件难以判断哪一种最危险，就分别进行计算，找到最大弯曲变形值y和。 提高轴的刚度的一些措施加大轴的直径，适当减小周的跨度或者增加第三支撑，重新安排齿轮在轴上的位置；改变轴的布置方位等。 轴的校核计算轴的受力简图：轴的传动路线有两条，一条是、由齿轮9传动至轴上，再又齿轮12至齿轮13带动主轴运转；另一条是由齿轮10和齿轮11传动至轴上，再又齿轮12至齿轮13带动主轴运转。a ) 先校核又齿轮10传入，齿轮12传出时轴的强度1)作轴的水平面（H）弯矩图和垂直面（V）弯矩图1计算轴上的功率： 轴上的转矩：齿轮11的圆周力齿轮11的径向力齿轮12的圆周力齿轮12的径向力齿轮12的轴向力2求在水平面内的支反力，由受力图,MA=0 ，ME=0 3求在垂直面内的支反力，由受力图,MA=0 ，ME=0 4画轴水平面（H）和垂直面（V）内的受力图、弯矩图如下2）作弯矩和转矩图1 齿轮11的作用力在水平面的弯矩图如上：齿轮11的作用力在垂直面的弯矩图如上：齿轮11在B截面作出的最大合成弯矩为2 齿轮12的作用力在水平面的弯矩图如上：齿轮12的作用力在垂直面的弯矩图如上：齿轮12在D截面作出的最大合成弯矩为3）作B、D两截面最大合成弯矩图和扭矩图4）轴的强度校核，经过分析可知，B所在的截面为危险截面，按第三强度理论计算弯矩查设计手册第二版第四卷，轴的抗弯截面系数 故满足第三强度理论。刚度校核： 在水平面（H）内FtB单独作用时FtD单独作用时 在和FtBFtD共同作用下在垂直面（V）内：单独作用时 单独作用时 在与 共同作用下时故在共同作用下，处为危险截面。其最大挠度为而一般y=（0.00030.0005）l =01221750203625mm.故,符合要求。轴的转角校核就不再验算。b）再校核由齿轮9传入，齿轮12传出时轴的强度；步骤方法同上，经过校核轴的强度和刚度均满足要求。设计过程中，依b)组传动方案，此处轴的强度和刚度校核过程省略。（3） 主轴的设计计算 轴的材料选用45号钢，并经过调质处理，结构设计如图。由于主轴的结构基本上采用原CK6163型数控车床的主轴，没有明显的改动，故具体的校核计算过程就略去不作。第四章 弧面蜗杆数控专用机床的进给系统设计4-1 进给系统传动方案拟订进给运动是数字控制的直接对象，被加工工件的最终位置精度和轮廓精度都与进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性有关。因此，在进行数控加工机床进给系统传动设计方案过程中，选用传动零件应充分注意减小摩擦阻力，提高传动精度和刚度，消除传动间隙和减小运动惯量等相关因素。弧面蜗杆数控专用机床的进给运动可采用无级调速的伺服驱动方式，控制系统的选择可以采用闭环、开环或半闭环控制。传动部分的选择，可以考虑采用伺服电机经过由最多一两级齿轮或带轮传动副和滚珠丝杆螺母副或齿轮齿条副或蜗杆蜗条副组成的传动系统传动给工作台等运动执行部件。根据设计任务，弧面蜗杆数控专用加工机床的伺服驱动装置采用开环伺服系统，机床纵向进给运动、横向进给运动，回转工作台上的纵向进给、横向进给以及回转工作台采用的均为步进电机驱动的开环伺服系统。4-2 纵向进给系统的设计计算（1） 纵向进给系统的设计根据设计任务，系统应采用连续控制系统。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路组成。纵向进给系统采用步进电机减速齿轮滚珠丝杆螺母溜板的传动方式，数控工作台为数控回转转台。（2） 纵向进给系统的设计计算已知条件：工作台质量： W=100kgf=1000N时间常数： T=25ms滚珠丝杆： Lo=8mm脉冲当量： p=0.01mm/脉冲1、 切削力计算由机床设计手册可知， 最大切削功率： 式中：-主电机功率，=7.5kW-主传动系统的总效率，一般为0.70.85，取=0.8则： 切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力(或转矩)和最大切削速度(转速)来计算，即：式中：-主切削力(N);-最大切削速度(m/min)。按用硬质合金刀具半精车钢件时的速度取值=100m/min;在一般外圆车削时，；取；2、滚珠丝杠副的计算和选型：滚珠丝杠副的设计主要是型号的选择和性能验算。纵向进给为综合型导轨，按式计算丝杠轴向进给切削力。其中K=1.5，取=0.16，则：最大切削力下的进给速度可取最高进给速度量的1/21/5(取为1/2)，纵向最大进给速度为0.6m/min,丝杠导程=8mm,则丝杠转速为：丝杠使用寿命时间取为T=15000h。则丝杠的计算寿命L为：根据工作负载、寿命L，计算滚珠丝杠副承受的最大动载荷，取，；由参照某厂滚珠丝杠副产品样本，可采用W6008内循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列3.5圈，其额定动负载为181000N，精度等级选为3级。其几何参数如下：公称直径=63mm,导程=8mm，螺纹升角, 滚珠直径=4.763mm,螺杆内径=60mm。按式(5-9)校验丝杆螺母副的传动效率，其中磨擦角纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如图所示支承间距。丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。丝杠的变形量计算如下：滚珠丝杠截面面积，按丝杠螺纹的底径确定：工作负载引起的导程的变化量可用下式计算：则丝杠拉伸或压缩变形量：由于两端均采用角接触，且丝杠又进行了预紧，故其拉压刚度可比一端固定的丝杠提高4倍。其实际变形量为:：滚珠与螺纹滚道间接变形量按下式进行计算：因丝杠加有预紧力，且预紧力为轴向最大负载的1/3时，可减少一半，因此实际变形量为：支承滚珠丝杆的轴承为51209型推力球轴承，几何参数为： =40mm,滚动体直径=10mm，滚动体数量=18。轴承的轴向接触变形量可按式(5-16)计算：注意，此公式中单位应为kg.f。因施加预紧力，故实际变形量：根据以上计算，总变形量为：三级精度丝杆允许的螺距误差为，故刚度足够。因为滚珠丝杆两端都采用推力球轴承并预紧，因此不会产生失稳现象，故不需做稳定性校核。1 ) 减速齿轮设计根据给定的纵向进给脉冲当量0.01mm，滚珠丝杠导程，及初选的步进电动机步距角，可计算出传动比选取齿轮齿数为=30、=50，m=2mm。2 ) 步进电动机的选择1 负载转动惯量计算：参考同类型机床，初选反应式步进电动机130BF001，其电动机转动惯量。传动系统折算到步进电动机轴上的等效转动惯量按表5-15中介绍方法计算。齿轮、的转动惯量为： 丝杠的转动惯量可从表5-16查出：等效惯量： 考虑步进电动机与传动系统惯量匹配问题不完全满足惯量匹配的要求。1 负载转矩计算及最大静转矩选择机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别进行计算快速空载起动时所需转矩可按下式进行计算考虑了电动机转子的转动惯量以后，传动系统折算到电动机轴上的总转动惯量：折算到电动机轴上的磨擦力矩：附加磨擦力矩：=9.98Ncm则： =633.84Ncm快速移动时所需力矩:最大切削负载时所需力矩:从上面计算看出、三种工况下，以快速空载起动的需力矩最大，以此项作为初选步进电动机的依据。对于工作方式为五相十拍的步进电动机最大静转矩：从相关资料查出，130BF001型步进电动机最大静转矩为9.31N.m，大于所需最大静转矩，可作为初选型号，但需考核步进电动机起动矩频特性和运行特性。2 步进电动机的空载起动频率：查相关资料知：130BF001型步进电动机允许的最高空载起动频率为3000Hz，运行频率为16000 Hz，满足设计要求。根据计算综合考虑，机床纵向进给机构选用130BF001型步进电机。4-3 横向进给系统的设计计算（1） 横向进给系统的设计计算1、脉冲当量和传动比的确定传动比的选定：2、传动系统等效转动惯量计算 初选步进电机的型号为110BF001则查表查出电机转子转动惯量40.06为了机床的布局紧凑且方便可取i=1.0。则滚珠丝杆转动惯量折算：工作台质量折算：传动系统等效转动惯量计算：+=（40.06+36.81+12.7）3、工作载荷分析及