最大加工工件直径为500mm数控机床主传动系统设计（全套含CAD图纸）
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下载后包含有CAD图纸和说明书,咨询Q197216396I摘要本课题首先主要介绍我国数控机床的发展得过程与现状，并分析其存在的问题，对数控机床的发展趋势进行探讨，并对数控机床主轴箱进行了设计和计算。主轴箱由安装在精密轴承上的空心主轴和一系列的变速出伦组成。数控机床能获得在调速范围内的任意切削速度，以满足零件的切削要求。目前，数控机床的发展趋势是通过电气与机械装置进行无级调速。变频电机通过带传动和变速齿轮为主轴提供动力，通常变频电机的调速范围为35，不能满足主轴的变速要求，需串联变速箱以扩大其变速范围。本设计将原来的带轮不卸荷结构设计为带轮卸荷机构，使输入轴在带轮出只受转矩，将轴上的径向力传递到箱体，改善输入轴的受力情况。关键字主传动系统；分级变速；主轴组件下载后包含有CAD图纸和说明书,咨询Q197216396IIABSTRACTINTHISDESIGN,THEDEVELOPMENTANDCURRENTSIUUATIONOFNCMACHINEINCHINAWASINTRODUCEDANGASERIESOFPLOBLEMSWEREPRESENTEDTHEDEVELOPMENTTRENDTONCLATHEWASDISCUSSEDSOMECOUNTERMEASURESWASPRESENTEDFORTHEDEVELOPMENTOFNCMACHINEINCHINAANDTHEHEADSTOCKHASBEENDESIGNEGHEADSTOCKSISCOMPOSEDOFTHEHOLLOWSPINDLEWHICHISINSTALLEDINPRECISIONBEARINGSANDASERIESOFTRANSMISSIONGEARSTHESPINDLECANOBTAINANYSPEEDINTHESPEEDRANGETOMEETTHEPROCESSINGREQUIREMENTSOFCUTTINGATPRESENT,THEDEVELOPMENTTRENGISTOPROVIDEACONTINUOUSLYVARIABLESPEEDTHROUGHTHEELECTRICALORMECHANICALDEVICESVARIABLEFREQUENCYMOTOUCONVEYSTHEPOWERTHROUGHBELTDRIVEANGASETOFTRANSMISSIONGEARSTHESPEEDRANGEREQUIREMENTSOFTHESPINDLESPEEDTHETRANSMISSIONGEARSISTOEXPANDTHESCOPEOFAVARIABLESPEEDTOMEETTHESPEEDRANGEOFTHESPINDLEINADDITION,INTHISDESIGNOFTHEBELTDRIVESHASBEENCHANGEDFROMTHEORIGINALUNLOADINGSTRUCTUREINTOTHELOADINGSTRUCTURE,TRANSMISSEDTHEFORCETOTHELATHEBODYSOTHATINPUTSHAFTINONLYFORCEDTORQUE,IMPROVEDTHEFORCINGSTATEOFTHESHAFTKEYWORDSMAINDRIVESYSTEM；STEPSPEEDCHANGING；SPINDLEUNIT下载后包含有CAD图纸和说明书,咨询Q197216396I目录摘要IABSTRACTII1引言111本课题的研究背景和意义112本课题的国内外研究现状113本课题研究方法和系统论述214本课题的设计内容概述32数控机床主传动系统设计421主传动系统的设计要求422主传动系统的参数设计523主传动系统的总体设计6231无级变速与数控机床主传动系统设计7232主传动系统的运动设计924带传动设计173数控机床主轴组件设计2331主轴组件设计的基本要求2332主轴轴承的选择2433主轴设计2634主轴组件设计2735提高主轴组件性能的措施294数控机床自动送夹料机构设计3141自动送夹料机构的设计目的3142夹料机构设计3143送料机构设计335其它机构设计3451操纵机构设计3452润滑机构设计366机床主要零件的验算39下载后包含有CAD图纸和说明书,咨询Q197216396II61传动轴的验算3962齿轮的验算4363轴承的验算46结论50致谢51参考文献52附录A53附录B6611引言11本课题的研究背景和意义20世纪50年代，国际上首先提出了数控机床的概念，国内于不久后也开始对数控机床进行研究。从20世纪80年代至现在，我国机床制造业的发展虽有起伏，但总体来说国家对数控技术和数控机床一直给予较大的关注，也使得国内的数控机床制造业一直可以稳步地前进。国家主要还是推广国内的中档数控系统。在中档数控系统方面竞争比较激烈，中国的企业起步比较晚，现在虽然技术也在逐步向欧美企业靠拢，但是企业的品牌效应还没有形成，因此在市场上不具备很强的竞争力。目前国家组织了有关方面的人员进行沟通和交流，企业也在积极努力研发，争取早日把在中档数控系统市场上国内产品只占10的局面扭转过来【2】。数控机床行业是具有高技术含量的行业。其特点是技术要求高、产品更新换代快、投资密度大、产品综合性强，各功能部件对整机的质量和性能至关重要。产品市场容量小，竞争对手强大。这对政府的支持协调和企业经营的有效灵活均提出很高要求。基本的政策方向是要把国家政策导向、行业结构的改善和灵活高效的企业机制三者更好地结合起来。在机床行业，信息化和网络化是一个必然的趋势，是智能化的基础。这几年随着网络技术的发展以及传感技术的发展，机床越来越多地用于大批量生产，其管理、产量、产值、调度等等都可以与自动化技术联系上，从而可以全面实现全数字化、误差控制、数据补偿、网络诊断等功能。12本课题的国内外研究现状目前国产低档经济型机床已经在国内机床生产企业得到了很好的应用，部分中档普及型数控机床的功能、性能和可靠性方面已具有较强的市场竞争力。但在中、高档数控机床方面与国外一些先进产品相比，仍存在较大差距，这是由于欧、美、日等先进工业国家于20世纪80年代先后完成了数控机床产业进程，其中一些著名机床公司致力于科技创新和新产品的研发，引导着数控机床技术发展。相比之下，我国大部分2数控机床产品在技术上还处于跟踪阶段。国内生产的数控机床可以大致分为经济型机床、普及型机床、高档型机床三种类型。经济型机床基本都是开环控制；普及型机床采用半闭环控制技术，分辨率可达到1微米；高档型机床采用闭环控制，同时具有高精度、高速度、复合化，具有各种补偿功能、新控制功能、自动诊断，分辨率可以达到01微米，计算机能够代替人进行编程。图11数控车床在国内应用的经济型数控机床基本都是国内产品，国内产品不管是从质量上还是从可靠性上都可以满足大部分机床用户的需要。国内普及型数控机床中大约有6070是采用的国内产品，但是需要指出的是，这些国产数控机床当中大约80的数控系统都在使用国外产品。高档机床方面国内产品大约只能占到2，基本都是靠进口。在市场需求方面低档机床和中档机床大约各占50和40，高档数控机床的需求大约是10。由于国内数控系统生产企业的起点都很低，这样导致了企业的技术水平落后，目前国内数控系统生产企业在设计原理、元器件及应用技术上差距比较大，而国家的科研投入基本都被企业用做新产品的开发而不是关键技术的研发。13本课题研究方法和系统论述1资料收集及调研。2机床主传动系统总体设计及计算。3机床主轴组件、自动送夹料机构设计及计算。34毕业论文。5基本参数工件床身最大加工工件直径DMAX500MM、轴孔最大加工棒料直径DMAX20MM；主轴NMIN20RPM、NMAX3000RPM、计算转速NJ180RPM；电机ND1500RPM、NMAX4500RPM、P11KW。要求在教师的指导下，由学生本人独立、认真，正确、按时完成毕业设计任务，对所研究的课题有自己的新见解，并保证一定的工作量。能够独立完成本次设计任务，满足生产要求。14本课题的设计内容概述根据课题要求，由于系统要求的恒功率变速范围大于电机的恒功率变速范围，本设计拟采用分级变速箱与无级变速系统串联来扩大系统变速范围的设计方案。分级变速箱变速级数拟采用三级/四级/由于变速范围较大，拟采用背轮机构进行主传动系统设计。根据设计题目给定的机床用途、规格、主轴极限转速，拟定转速图、传动系统图、计算带轮直径和齿轮齿数。根据题目给定的机床类型、规格及工作条件，确定主电动机功率；确定主轴及各传动件的结构参数。为提高生产率和自动化程度，主轴部件中拟设计自动上下料机构/刀具自动夹紧和吹屑机构。完成运动设计和动力设计之后，还要将主传动方案“结构化”。要设计主轴变速箱装配图及零件工作图，侧重进行传动轴组件、主轴组件、变速机构、操纵机构、润滑与密封，以及主轴、传动轴、滑移齿轮、操纵元件、箱体等零件的设计。完成毕业设计论文。42数控机床主传动系统设计本次毕业设计课题是数控机床主传动系统的结构设计，其主要内容是主传动系统的设计，由于电机提供的恒功率变速范围远远小于主轴所需的恒功率变速范围，因此，必须要串联一个变速箱来满足主轴所需的变速范围。串联有级变速箱的目的是为了提高电机的变速范围。机床主传动系统是实现机床主运动的传动，属于外联系传动链，其功用是1将一定的动力由动力源传递给执行件；2保证执行件有一定的速度和足够的转速范围；3能够实现运动的开停、变速、换向和制动。【2】主传动一般由动力源（如电机、变速装置）及执行件（如主轴、刀架、工作台），以及开停、换向、和制动机构等组成部分。动力源给执行件提供动力，并使其得到一定的速度和方向；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；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止的装置，以减少辅助时间。21主传动系统的设计要求数控机床的主传动系统除了应满足普通机床主传动的要求外，还提出如下要求1具有更大的调速范围，并实现无极调速数控机床为了保证加工时能合理的选用切削用量，充分发挥刀具的切削性能，从而获得更高的生产率，加工精度和表面质量，必须具有最高的转速和更大的转速范围。2具有较高的刚度和精度，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处理以增加耐磨性。3良好的抗振性和热稳定性5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断续续的切削，加工余量不均匀，运动部件不平稳以及切削过程中的自激振动等原因引起的冲击力或者交变力的干扰，使主轴产生振动，影响加工精度和表面质量，严重时甚至破坏刀具或机床零件，是加工无法继续进行。因此在主传动系统中各主要零件不仅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。机床在切削过程中主传动系统的发热使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，增加了零件的加工误差，而且热变形限制了切削用量的提高，降低传动效率，影响生产率。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尽量减小加工误差，提高零件的加工精度和表面质量。22主传动系统的参数设计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。1机床主传动功率机床主传动的功率P可根据切削功率PC与主传动的总效率由下式确定PPC/（21）【5】数控机床的加工范围一般都比较大，切削效率PCKW可根据其有代表性的加工情况，由其主切削抗力FZ按下式确定PC22【5】式中FZ主切削力的切向分力（N）V切削速度（M/MIN）M切削扭矩（N/CM）N主轴转速（R/MIN）主传动的总效率一般取070085，数控机床的主传动多用调速电机和有限的机械变速来实现，传动链较短，因此，效率可能取较大值。2运动参数运动参数是指机床执行件如主轴，工件安装部件的运动速度。1主轴转速的确定6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NR/MIN23【5】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者刀具直径的变化，主轴的最高转速和最低转速可由下式确定NMAXR/MIN24【5】NMINR/MIN25【5】式中NMAX，NMIN主轴的最高转速，最低转速VMAX，VMIN最高，最低的切削速度DMAX，DMIN相应最大，最小的计算轴径3主轴的变速范围RN主轴最高转速与最低转速之比称为主轴的变速范围，用RN表示，即RN264主轴的计算转速NC对于主传动系统采用无级变速系统的机床，主轴的计算转速可由下式确定NC275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确定RNP286电动机恒功率的调速范围对于主传动采用无级调速系统的机床，电动机恒功率调速范围可由下式确定RDP29式中电动机的额定转速（R/MIN）。23主传动系统的总体设计数控机床是典型的机电一体化产品。以数控机床主传动系统结构设计为课题可以提高学生对机械设计制造，机械装备设计，和工程力学等知识的综合运用能力。培养7和提高学生的结构设计水平，为从事产品设计工作打下基础。方案设计主要是确定主轴箱的总体结构，传动原理以及基本的运动动力参数。而本课题的研究内容是对数控机床主传动系统的结构设计和自动送夹料结构的设计。231无级变速与数控机床主传动系统设计数控机床采用无级变速系统，以利于在一定的调速范围内选择到合理的切削速度，这样利于提高加工精度和切削效率。无级变速是指在一定的范围内，转速能连续的交换，从而获得最有利的切削速度。机床主传动和进给运动中采用无级调速系统的主要优点是1可进行无级调速，以得到最有利的切削用量和最小的相对生产率损失2允许在负载下变速，可随时修改切削用量，以避免产生振动3缩短变速时间，便于实现遥控和自动控制；4可实现车端面时保持恒定的切削速度，换向迅速而平稳，可大大减少齿轮变速箱，减少制造工作量；5缩短传动链，提高传动的平稳性等。缺点是有些无级变速系统的成本较高。机床主传动中采用的无级变速装置有三大类变速电动机，机械无级变速装置，和液压无极变速装置。机械无级变速装置时机床主传统中常用的无级变速装置。机械无级变速器有钢球式，宽带式等多种机构。它们都是利用摩擦力来传递扭矩，通过连续的改变摩擦传动副工作半径来实现无级调速。由于它变速范围太小，因此必须串联优级变速箱，以扩大其变速范围。1无级变速主传动设计原则（1）尽量选择功率或者扭矩特性符合传动系统的无级变速装置。如执行元件作直线运动的主传动系，对变速装置的要求是恒转矩传动；如主传动系要求恒功率传动，就应选择恒功率无级变速装置。（2）无级变速系统装置单独使用时，其调速范围较小，尤其是恒功率调速范围往往小于机床所需要的实际的变速范围。为此，常把无级变速装置与机械分级变速装置串8联在一起使用，以扩大其变速范围。如机床主轴要求的变速范围为RN，选取的无级变速器的变速范围为RD，串联分级变速箱的变速范围RF应为RFRN/RD式中Z机械分级变速箱的变速级数机械分级变速箱的工比通常，无级变速装置作为传动系中的基本组，而分级变速箱作为扩大组，其公比理论上应等于无级变速想的变速范围RD。实际上由于机械无级变速装置属于摩擦传动，有相对滑动的现象，可能得不到理论上的转速。为了得到连续的无级变速，设计时应该使分级变速箱的公比略小于无级变速装置的变速范围，即取（09097）RD使转速之间有一小段重叠，保证转速连续。2数控机床主传动系的设计特点（1）数控机床主传动系统的主传动采用直流或交流电动机无级调速数控机床采用变速电动机拖动运动系统。采用的电机有直流电机和交流调频电机两种。目前，中小型数控机床中，交流调频电机占优势，有取代直流电机之势。设计时，必须注意机床主轴与电动机在功率特性方面的匹配。交流调频电机通常是通过调频进行变速，一般为笼式感应电动机结构，体积小，转动惯行小，动态响应快，无电刷因而最高转速不受火花限制；采用全封闭结构，具有空气强冷，保证高转速和较强的超载能力，具有很宽的调速范围。（2）数控机床驱动电机和主轴的功率特性匹配设计在设计数控机床主传动时，必须要考虑电机与机床主轴功率匹配的问题。由于主轴要求的恒功率变速范围RNP远大于电机的恒功率变速范围RDP，所以在电动机与主轴之间要串联一个分级变速箱，以扩大恒功率调速范围，满足低速大功率切削时对电机的输出功率要求。在设计分级变速箱时，考虑机床结构的复杂程度，运转平稳性要求等因素，变速公比的选取有下列情况1）取变速箱的公比等于电动机的恒功率调速范围RDP，功率特性图是连续的，无缺口也无重合，如变速箱的变速级数为Z，则主轴的恒功率变速范围RNP为RNPRDP210【4】变速箱的萹蓄级数Z可由下式算出Z211【4】92）若要简化变速箱结构，希望变速级数少一些，则不得不取较大的公比。变速箱的公比可取大于电动机的恒功率调速范围RDP，即RDP。这时，变速箱每档内有部分转速只能恒转矩变速，变速系统功率特性图中出现缺口，称之为功率降低区。使用缺口范围内的转速时，为限制扭矩过大，得不到电机输出的全部功率，为保证缺口处的输出功率，电机的功率应相应的增加，这就是说，简化变速箱是以选择较大功率的电机为代价的。若级数Z取小一些，则根据下式计算出公比212【4】3）如果数控机床为了得到恒线速切削需在运转中变速时，取变速箱公比电动机的恒功率调速范围，即RDP，在主传动功率特性图上有小段重合，这时变速箱的变速级数可根据公式Z进行计算。图21主传动系统转开图232主传动系统的运动设计1转速图拟定10分析和设计主传动系统须应用一种特殊的线图，称为转速图。转速图能够清晰的表达出传动轴的数目，主轴及各传动轴的的转速级数，转速值及其传动路线，变速组的个数，传动顺序以及扩大顺序，各变速组的传动副数以及传动比数值，变数规律等。已知本课题的基本参数为床身最大加工工件直径DMAX500MM、轴孔最大加工棒料直径DMAX20MM；主轴最低转速为NMIN20RPM、最高转速为NMAX3000RPM、计算转速NJ180RPM；电机的额定转速为ND1500RPM、最高转速为NMAX4500RPM、电机额定功率为P11KW。（1）确定主轴的变速范围RNRN1502确定主轴的计算转速NJNJ180R/MIN3确定主轴的恒功率变速范围RNP1667（4）确定电机能够提供的恒功率变速范围RDP3根据上述计算结果可知，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变速范围。（5）确定变速箱的变速级数取F3则Z255取Z3则则235由于变速级数电机所提供的变速范围RDP，所以在主传动系功率特性图上会出现有一小段重合，对于数控机床，为了加工端面时满足恒线速度切削的要求，应使转速有一些重复，所以取Z3。（6）拟定转速图和功率特性图由于转速级数Z3，采用背轮机构的类似结构，拟用三联滑移齿轮，获得三11级变速，采用背轮机构是为了增加变速组以扩大变速范围。分级变速箱的结构式为331,包含1个变速组，转速图和功率特性图如图22所示。图22主轴转速图和主轴功率特性图2齿轮齿数的确定1确定齿轮齿数应注意的问题（1）齿轮的齿数和不应过大，一面加大两轴之间的中心距，使机床机构庞大；同时，增加齿数和还会提高齿轮的线速度而加大噪音。一般推荐的齿数和SZ100120（2）齿轮的齿数和也不应过小，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ZMIN1820。B受结构限制的各齿轮（尤其是最小齿轮），应能可靠的装到轴上或进行安装；齿轮的齿槽到孔壁的厚度A2M，以保证有足够的强度，避免出现变形或断裂造成齿轮失效。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小或相互干涉。（3）确定齿轮齿数时，应符合转速图上的传动比要求，实际传动比与理论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，一12般允许超过10（）即10（）213【4】式中N主轴的标准转速主轴的实际转速公比2确定齿轮齿数确定齿数时，首先必须确定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是否适合。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较大，受力情况相差也较大，在同一变速组中才采用不同的模数。在统计变速组中，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。确定变速组的齿数和SZ时，一般地说SZ主要是受最小齿轮的限制。显然最小齿轮实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ZMIN，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。根据图21确定主传动系中各齿轮副的传动比。（1）轴和轴之间的齿轮齿数取ZMIN48,由转速图可知，轴和轴之间的公比U1106，根据公式U/106，所以取49根据120,所以满足要求。（2）轴和轴之间的齿轮齿数取ZMIN35,由转速图可知，轴和轴之间的公比U1141，根据公式U,/141，所以取,49根据,120,所以满足要求。（3）轴和轴之间的齿轮齿数取ZMIN36,由转速图可知，轴和轴之间的公比U1188，根据公式U/,188，所以取,68根据,120,所以满足要求。取ZMIN,22,由转速图可知，轴和轴之间的公比U137，根13据公式U,/,188，所以取,82根据,120,所以满足要求。（4）轴和轴之间的齿轮齿数取ZMINZ3530,由转速图可知，轴和轴之间的公比U1，根据公式UZ35/Z35,1，所以取,30根据Z35Z35,120,所以满足要求。（5）轴和轴之间的齿轮齿数取ZMINZ446,由转速图可知，轴和轴之间的公比U15，根据公式UZ4/Z515，所以取Z569根据Z4Z5115120,所以满足要求。3绘制传动系统图根据上述求出的齿轮齿数和转速图的设计，设计出满足上述要求的传动系统图如下图23传动系统图4主轴及各传动轴计算转速的确定（1）主轴计算转速的确定根据转速图得机床主轴的计算转速NJ180R/MIN。（2）各轴的计算转速的确定主轴计算转速确定后，就可以从转速图上得出各传动轴的计算转速，对于上述转14速图可得各传动轴的计算转速如下轴的计算转速N11500R/MIN轴的计算转速N21415R/MIN轴的计算转速N31000R/MIN轴的计算转速N1270R/MIN5估算各传动轴轴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估算。214【5】式中D受扭部分的最小的直径K键槽系数A根据许用扭转角确定的系数P电动机的额定功率从电动机到所计算的轴的机械效率被估算的传动轴的计算转速表21估算轴径时的A和K值表22各传动轴机械效率的概略值由于各传动轴属于一般轴承，所以取1，所对应的A92，电动机的额定功率P11KW。（1）轴轴径的估算由于轴上有平键，所以取K105151带轴承齿096099099094N11500R/MIND10592278MM所以圆整取D130MM。（2）轴轴径的估算由于轴上有平键，所以取K10521轴承094099091N21415R/MIND105922801MM所以圆整取D230MM。（2）轴轴径的估算因为轴上有滑移齿轮，滑移齿轮需要在轴上滑动，还需要传递上一齿轮轴的扭矩，所以，在滑移齿轮轴上需设计花键轴。花键轴连接强度和工艺方面有如下特点1）因为在轴上与孔上直接而匀称地制出较多的齿与槽，故连接受力均匀；2）因槽较浅，齿根处应力集中小，轴与毂的强度削弱减少；3齿数较多，总接触面积较大，因而可承受的载荷较大；4轴上零件与轴的对中性好；5）花键的导向性比较好；6）可用磨削的加工方法提高加工精度和连接质量。其缺点是齿根仍有集中力存在，有时需要专门的加工设备，加工成本较高。因此花键连接适用于定心精度较高、载荷较大，经常滑移的连接【04】。由于轴为花键轴，所以取K09332轴承0910990865N31000R/MIND09392267所以圆整取D230MM。（4）轴轴径的估算由于轴为花键轴，所以取K09343轴承094099083N1270R/MIND093924142所以圆整取D445MM。16（5）轴轴径的估算轴为主轴，其前轴径D1的尺寸，根据电机的额定功率为11KW，D1应在90120之间取值，所以取D190则D2为D2（07085）9063765（MM）所以取D265MM6齿轮模数的估算初步计算齿轮模数时，按简化的接触疲劳强度的公式进行。一般同一变速组中的齿轮取同一模数，选择负荷最重的小齿轮进行计算。从等强度的观点出发，可减小其他齿轮的宽度，使齿轮基本上处于在相近的接触应力或弯曲应力状态下进行工作。这样一来，还可以缩短该传动组的轴向尺寸。模数的估算公式如下215【5】式中MJ按接触疲劳强度估算的齿轮模数，应圆整取标准值P电动机额定功率；J被估算齿轮的计算转速；大齿轮与小齿轮齿数之比；Z小齿轮齿数；齿宽系数，B/M（610），B为齿宽，M为模数【06】；许用接触应力；为满足刚度要求，选择40CR钢（整体淬火），其接触应力1250MPA，取6，由公式来确定齿轮的模数。（1）第一对齿轮因为N11500R/MIN；Z148，094；144取标准值2（2）第二对齿轮因为N21415R/MIN；35，071；155取标准值2（3）第三对齿轮因为1000R/MIN；30，1；17224取标准值3（4）第四对齿轮因为N31000R/MIN；36，053；224取标准值3（5）第五对齿轮因为N31000R/MIN；22，027；366取标准值35（6）第六对齿轮因为270R/MIN；69，067；326取标准值3524带传动设计带传动是由带和带轮组成的传递动力和运动的传动。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，常见的有平带和V带传动；啮合带传动只有同步带一种传动方式【1】。普通V带传动是常见的带传动方式，其结构为承载层为绳芯或胶帘布；楔角为40；相对高度近似为07，梯形截面环形带。其特点为当量摩擦系数大，工作面与轮槽粘附好，允许包角小，传动比大，预紧力小等特点。其应用于带速V2530M/S；传动功率小于700KW；传动比I10轴间距小的传动。本课题采用的是V带传动，选择V带传动有如下特点V带的横截面呈等腰梯形，带轮上也做出相应的轮槽。传动时，带轮传动比较平稳，V带的两个侧面和轮槽接触，增大了槽面之间的摩擦力，槽面摩擦可以提供更大的摩擦力以提供传动的动力，另外，V带传动允许的传动比较大，结构紧凑【15】。V带传动主要的失效形式1带在带轮上打滑，不能传递动力。182带由于疲劳产生脱层，撕裂或拉断。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他带传动设计的主要依据。带轮的设计计算如下（1）设计功率的确定查机械设计手册工况系数表取12P12132KW（3）选定带型根据132KW和N11500R/MIN；查实用机床设计手册，查得满足上诉要求的带型为B型，因此选用B型带。（4）传动比根据转速图21图可知，带传动的传动比1。（5）确定带轮基本直径参考实用机床设计手册取180MM（6）确定大带轮基本直径根据带轮基本直径的计算公式（1）式中带的滑动率，通常取。（1）（1）1764MM根据普通带轮的标准直径系列表取180MM。（7）验算带速根据机械设计手册得带速的验算公式为V即V141M/SV许用速度。因为V141M/S在V525M/S之间，所以经济耐用。（8）确定带轮轴中心距根据轴间距的公式07（）2（）,即07（180180）2（）得252720MM19初取400MM（9）确定带基准长度带基准长度计算公式为（）【5】根据公式可得（）2（）MM13654MM根据查表普通带的基准长度系列表选取基准长度1400MM。（10）计算轴实际间距带基准长度计算公式为A根据公式可得A4004173MM取标准值A450MM。安装时所需最小轴间距A00154500015429MM张紧或补偿伸长量所需最大轴间距A003450003442MM（11）验算小带轮包角根据带轮包角验算公式，由于带传动传动比为1，因此0，所以，所以带轮包角合适。（12）单根V带的基本额定功率根据180MM和N11500R/MIN查得B型V带的基本额定功率439KW。（13）单根V带的额定功率增量考虑到传动比对功率的影响，额定功率的增量由表查得0（14）计算带的根数Z432（根）所以取V带的根数为五根。（15）单根V带的预紧力根据机械设计教材得带轮预紧力的计算公式为2050050011702N（16）作用在轴上的力2ZN211702N（17）带轮的结构尺寸根据V带轮槽截面尺寸查得带轮的结构尺寸如下基准直径14MM，基准线上槽深35MM，基准线下槽深108MM，槽间距E194MM,115MM。带轮宽B（Z1）E2F99MM，外径2180235187MM。带轮的结构设计图如图24所示21图24带轮的结构设计图带轮机构采用的是卸荷式带轮机构。卸荷式带轮的机械原理是带轮联接到卸荷套上，螺套先拧到轴端螺纹上再通过螺栓联接到卸荷套上，卸荷套上有花键，卸荷套和花键轴之间通过花键来传递动力。螺套的作用是将卸荷套固定在轴上，否则卸荷套容易从轴上松脱下来，设计卸荷式带轮的目的在于，由于带轮在传动时会产生径向力，产生的径向力通过卸荷带轮机构，将径向力传递到卸荷套上，由于卸荷套和箱体之间是通过螺钉直接连接，因此将径向力传递到箱体上，减小了带轮传动轴上的径向力，减小了轴的弯曲变形，提高了机床主轴的旋转精度。22图25主传动系统总装图233数控机床主轴组件设计本次毕业设计课题是数控机床主传动系统的结构设计，在主轴部件包含自动送夹料机构，该主轴能实现自动送料和自动夹紧，自动送料和夹紧机构都由液压缸提供动力，通过数控装置可实现自动送夹料机构，使得机床能连续上料、连续加工，以提高机床的生产率和实现自动化。主轴组件是机床的重要组件之一。它通常由主轴，主轴支撑和安装在主轴上的传动件等组成。主轴是机床的执行部件，由它带动工件或刀具直接参加表面成型运动，主轴组件的工件性能直接影响工件的加工质量（包括几何精度，表面粗糙度等）和机床的生产率。因此对于主轴组件，除了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。31主轴组件设计的基本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，应满足以下要求一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任何载荷的情况下，用手动或低速空转主轴时测定的。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的径向跳动，直接影响加工表面的圆柱度，而轴向窜动则影响端面加工或螺纹螺距的精度。因此提高主轴的旋转精度是必要的，要保证主轴的径向跳动和轴向窜动精度，除了要求主轴和轴承具有一定精度外，还必须采用正确的装配方法。轴承的定向装配实质是根据误差补偿原则，将主轴链孔中心线的偏差高点或低点与前后轴承内环的偏差低点或高点置于同一轴向截面内，并按一定方向装配，从而补偿其误差，以提高主轴组件旋转精度。在前、后轴承内圈径向跳动和主轴锥孔中心线的偏差不变的条件下，不同的装配，主轴检验处的径向跳动量数值不同在装配前，应测量轴承内、外围的跳动量并记录其的误差方向。另外，选择后轴承的精度应比前轴承低一级，即后轴承内圈径向跳动要比前轴承稍大。如果后轴承的精度和前轴承的精度一样，甚至高24一些，主轴的径向跳动反而加大以致影响主轴的正常工作。最后是轴承锁紧螺母的调整，因主轴轴承锁紧螺母端面与其螺纹中心线的垂直度及螺纹齿的误差,在螺母拧紧后很可能造成主轴弯曲及轴承内、外圈倾斜，对主轴组件旋转精度有很大影响。所以拧紧螺母后，应测量其主轴旋转精度，找出径向跳动最高点，并在反方向180处于螺母上作出标记。拧下螺母后，在作标记处修刮螺母结合面，再装上重新测量，直至主轴旋转精度合格为止二刚度主轴部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，会使安装在主轴上的齿轮啮合不好，轴承的工作条件恶化，从而加快磨损。提高主轴刚度的措施有选择主轴的直径尽可能大；主轴间的跨矩尽可能小；通过热处理增强物理性能。三抗振性主轴组件的抗振性是指机床工作时，主轴组件保持平稳地运转而不发生不振动的能力。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振性。随着机床向高精度和高生产率方向发展，对抗振性的要求也越来越高。四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的位置。如果前后温度不相同，还会使主轴倾斜。五精度保持性主轴组件的精度保持性是指长期的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和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，都有助于提高主轴组件的精度保持性。2532主轴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、润滑和冷却等现象，都直接影响主轴的工作性能。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、适应变速范围广、摩擦功耗小、噪声低、寿命长等性能，同时应满足制造简单，使用和维修方便、成本低、结构尺寸小等要求。在数控机床上的主轴常用的有滚动轴承盒滑动轴承。由于滚动轴承摩擦阻力小，可以预紧，润滑和维修方便，能在一定的转速范围和载荷变动范围下稳定的工作。滚动轴承由专业化工厂生产，选购维修方便，而且它在精度、刚度、承载能力、转速、发热等主要性能上能满足主轴部件的要求，特别是具有在转速和载荷变动幅度较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。主轴较粗，主轴轴承的直径较大。相对的说，轴承的负载较轻。因此在一般情况下，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、刚度和转速等要求来进行选择。为了提高精度和刚度，主轴轴承应该是可调的，这是主轴轴承的特点。机床主轴常用的滚动轴承有角接触球轴承、双列圆柱滚子轴承和球轴承。双向推力角接触球轴承既可承受轴向力，又可承受径向载荷，接触角常见的有15和25两种。15接触角多用于轴向载荷较小，转速较高的场合。25接触角多用于轴向载荷较大的场合【12】。通过把轴承内外圈相对轴向位移来调整轴向间隙，实现预紧。在主轴上，角接触球轴承一般采用背靠背组合的形式。双列圆柱滚子轴承的特点是内孔为112的锥孔，与主轴的锥形配合，轴向移动内圈，可以把内圈胀大，以消除间隙和预紧，这种轴承只承受径向载荷【13】。双向推力角接触球轴承与双列圆柱滚子轴承配套使用，用于受轴向载荷。滚动轴承的精度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。主轴轴承通常以4级为主，高精度主轴可用P2级，要求较低的主轴或三支承的主轴可用P5级，P6级P0一般不采用。本课题主轴轴承采用4级精度即可。基本尺寸精度是指轴承内径、外径、宽度等尺寸的加工精度。旋转精度是指内外圈的径向圆跳动，内圈的端面圆跳动，外圈表面对基准面的垂直度和内圈端面的平行度等。因为为了提高主轴的精度，必须选用等级较高的轴承，因此主轴轴承选用四级精度的角接触球轴承背对背安装。2633主轴设计主轴的设计包括主轴结构的确定，合理选择主轴的材料和热处理方法，以及主轴的技术条件。一主轴结构的确定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。主轴的结构还决定所采用的的轴承类型及调整方法，安装在主轴上的传动件的数目、位置、定位和链接方法等。由于主轴上通常安装零件，为了便于装配，以及齿轮、推力轴承等的轴向定位的需要，主轴一般做成阶梯形，直径从前往后逐渐缩小。为避免后轴径过小，以致过分削弱主轴的刚度，并使内孔直径受到限制，轴上阶梯的数目不宜过多。主轴上长的尺寸，除个别要保证零件的轴向尺寸外，其他尺寸均为自由尺寸。为使切削螺纹时，砂轮或车刀能越出加工表面，这些阶梯件应有退刀槽。为了齿轮等传动件的链接和传动扭矩，主轴上还常常有单键槽或花键槽。二主轴的材料和热处理方法主轴最常用的材料为45钢，对于在滚动轴承中工作的主轴，进行调质处理，硬度HB250。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HRC50。为了能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应采用局部淬火。三主轴的技术条件主轴主要技术要求的确定1常见机床主轴部件回转精度主轴前、后轴径的同轴度，锥孔相对于前后轴径中心线的径向跳动，定心轴颈及其定位轴肩相对于前后轴径中心线连线的径向跳动，是决定主轴精度的主要技术要求项目，直接影响主轴的回转精度。主轴的技术要求，除少数机床有标准外，大多数机床的主轴主要技术要求，需要根据主轴部件的回转精度来进行确定。2主轴零件本身各项精度允差的确定考虑到轴承的误差和装配造成的误差，要留下必要的精度储备，一般取主轴零件本身各项精度允许的误差为主轴部件回转精度规定的对应项目允差的1/21/3。2734主轴组件设计一主轴组件的传动方式主轴旋转运动传动方式的选择，决定于主轴转速的高低，传递扭矩的大小，对运转平稳性的要求及结构紧凑、装卸维修方便等。机床主轴传动的方式有齿轮传动，带传动及电动机直接传动。大多数机床主轴是由齿轮传动的，其结构简单、紧凑和能传递较大的扭矩。齿轮装在前后支撑之间，且靠近主轴的前支撑处，这样与切削力的位置比较靠近，因而主轴的扭转变形可以减小些。当主轴上装有大小两个齿轮时，大齿轮应靠前支撑，因为大齿轮用于低速，作用力较大，因此应使其靠近前支撑处。二主轴传动件位置的合理布置多数主轴是由齿轮传动的。齿轮可位于前后支撑之间，也可以位于后轴承之后。如果齿轮位于前后支承之间，则齿轮应该尽量靠近前轴承。这样做的好处是可以减少主轴的弯曲变形。因为主轴上传递转矩的部分较短，扭转变形也较小。如果主轴上装有几个齿轮，则一般情况下常使大齿轮靠近前轴承。这样的安排使前轴承的负荷较大，但前轴承的轴径也比后轴承轴径大，因而承载能力也较大。为了使主轴组件能成为一个独立的主轴单元，常使传动齿轮位于后支承之后的主轴悬伸处，这时，后支承的负荷较大，应采用承载能力较大的轴承。三滚动轴承的预紧轴承的预紧或预载荷是指轴承滚道与滚动体之间有一定的过盈量。当滚动轴承在有间隙的条件下工作时，会造成载荷集中作用在处于受力方向的少数几个滚动体上，使这几个滚动体和滚道之间产生很大的接触应力和接触变形。如略有过盈，可使承载的滚动体增多，滚动体受力均匀，还可以均匀误差。所以适当预紧可提高轴承的刚度和寿命。但是，过度预紧，会使滚动体和滚道的变形过大，将导致提高其温升，并降低其轴承寿命【01】。角接触轴承的预紧是在轴向力的作用下，使内外圈产生轴向错位实现预紧。衡量预紧大小的是轴向预紧力，简称预紧力。多联角接触球轴承是根据预紧力组配的，轴承厂在内圈（背对背）或者外圈（面对面）的端面根据预紧力的大小磨去一小段距离。装配时挤进便可得到预定的预紧力。如果两个轴承间需要隔开一定的距离，便可在两轴承之间加入厚度相同的内外隔套。在轴向载荷的作用下，不受力侧轴承的滚动体与28滚道不脱离接触，满足这个条件的预紧力，双联组配为最大轴向载荷的1/3，三联组配为其最大轴向载荷的1/4。双列圆柱滚子轴承是靠内孔锥面，使内圈径向胀大实现预紧的，故称之为径向预紧。衡量预紧力大小的是滚子包络圆与外圈滚道直径之差。称之为径向预紧量。装配时，把外圈装入壳体孔内，测量出D1，先不装隔离套，把内圈装上主轴，拧动螺母，用专用的包络圆测量仪测量包络圆直径，直到使它比D1大，测出距离L，按L值磨隔套的厚度完成后，装上隔套，拧紧螺母，便可以实现预紧。图31主轴前端结构图29图32主轴部件图35提高主轴组件性能的措施1提高旋转精度的主要措施选择合适的轴承精度及有关零件的精度，根据机械设计手册正确选用合适的滚动轴（1）用轴承选配法可以提高主轴的旋转精度，使前后轴承的最大圆跳动点在同一轴向平面内，且在轴线的同一方向。此外，选择轴承时，应使前轴承的精度高于后轴承的精度高，通常高一级。（2）正确的选择轴承调整螺母以保证螺母端面与轴线的垂直，保证主轴的旋转精度。2提高主轴组件刚度的主要措施合理确定主轴的结构，这里主要指主轴前轴颈直径、内孔直径、悬伸量以及跨距等，应综合考虑他们之间的关系。选择刚度好的轴承，特别注意轴承预紧会明显提高轴承的刚度。预紧力应根据试验合理确定，以提高刚度又不明显增大磨损为原则。30在主轴端部的变形中，支承引起的位移占有显著的地位，应充分重视与支承有关的轴承数目、类型、尺寸及与其相关的支承座结构、零件的表面质量、表面尺寸精度、轴承内外圈与轴径、支座孔的配合等。如支承座应该有凸台。凸台的直径为孔径的14倍左右，凸台的高度最好不小于壁厚的25倍。孔座凸台的筋条力求对称布置，以防止热变形破坏孔的圆度，合理布置传动力的位置与方向。3提高主轴组件抗振性的主要措施尽量缩短主轴前轴承部结构的长度，适当增大跨距，这样一方面有助于重心向内侧移，又能适当减少前轴承的受力。当跨距较短时，应增加两轴承间的重量达到此目的。尽量提高前轴承的刚度和阻尼。如选择刚度大的轴承并适当预紧。提高前轴承的精度，把推力轴承放在前支承处可提高抗振性。对高速旋转的零件作静、动平衡，提高齿轮、主轴的制造精度都可适当减少强迫振动源。对于非连续切削过程的铣削、滚削等加装飞轮可减小振动。应用阻尼器消耗振动能量是有效的措施，增加箱体的刚度也可提高抗振性。4提高主轴组件热变形的主要措施把热源（如电机，液压系统等）移置机床之外。改善主传动箱的润滑条件。如进行箱外循环润滑，用低粘度的润滑油、油雾润滑等。特别注意前轴承的润滑情况。采用冷却散热装置。例如用热管冷却等。减少机床各部分的温差，进行热补偿。在结构中设计中采用一些自动补偿装置。设法使热变形朝不影响加工精度的方向发展。还可以在工艺上减少热变形，如先空转一段时间在加工；把粗精加工分开等。314数控机床自动送夹料机构设计41自动送夹料机构的设计目的随着机械制造业的日益发展和数控机床的普及使用，工件的装夹往往成为了制约提高加工效率的主要原因，而普通机床的夹紧送料方式是采用手工送料，利用装在机床主轴法兰盘上的三爪卡盘或四爪卡盘进行夹紧工件，这样装夹工件的时间较长，工人的劳动强度比较大。对于数控机床而言，人
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