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数控机床
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毕业设计数控机床主传动系统设计学 生 姓 名： 指导教师： 合 作 指 导 教师： 专业名称： 机械设计制造及其自动化 所在学院： 2009 年 6 月目 录摘摘 要要 .I IABSTRACTABSTRACT .IIII第一章第一章 前言前言 .1 11.1 数控机床的发展概况 .11.2 数控机床的发展方向 .11.3 数控机床的主传动系统 .1第二章第二章 主传动系统的运动设计主传动系统的运动设计 .2 22.1 主运动系统驱动电机的选择 .22.2 拟定转速图 .52.3 拟定传动方案 .6第三章轴的结构设计第三章轴的结构设计 .8 831 轴的结构设计及齿轮尺寸参数 .83.2 电磁摩擦离合器的计算和选择 .163.3 轴承的选择 .21第四章第四章 主轴结构设计主轴结构设计 .22224.1 主轴组件的性能要求 .224.2 编码器的选择与安装 .244.3 联轴器的选择及带轮参数 .25结束语结束语 .2828I致致 谢谢 .2929参参 考考 文文 献献 .3030大连水产学院本科毕业设计 摘要摘摘 要要装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。随着数控技术的发展，考虑到它的控制方式和使用特点，才对机床的生产率、加工精度和寿命提出了更高的要求。本课题主要研究的是数控机床的主体机构。并将研究重点放在以下两个方面：1）由于采用了高性能的无级变速主轴及伺服传动系统，数控机床的极限传动结构大为简化，传动链也大大缩短。2）为适应连续的自动化加工和提高加工生产率，数控机床机械结构具有较高的静、动态刚度和阻尼精度，以及较高的耐磨性，而且热变形小。关键词：关键词：数控机床，主轴，无级变速数控机床，主轴，无级变速大连水产学院本科毕业设计 ABSTRACTAbstractAbstractThe engineering level of equipment industry and modernized intensity are determining the level of the whole national economy and modernized intensity, numerical control technology and equip, develop new developing new high-tech industry and most advanced industry To can make technology and basic equipment most (national defense industry industries, such as information technology and their industry, biotechnology, industry, aviation, space flight, etc.). With the development of technology of numerical control, consider its control method and use characteristic, have just put forward higher requirement for the productivity, machining accuracy and life span of the machine tool. That originally designed main research is the subject organization of the numerical control machine tool. And will study and place on two following respects especially: 1) Because of adopting the high-performance infinitely variable speeds spindle and servo transmission, the terminal transmission structure of the numerical control machine tool is greatly simplified, the drive chain is shortened greatly too. 2) For meet continuous automation process and improve productivity of processing, numerical control lathe mechanical structure have high quiet, dynamic rigidity and damping precision, and higher wear ability, and hot and out of shape and small. Keyword: Numerical control machine tool, spindle, infinitely variable speeds大连水产学院本科毕业设计 前言0第一章第一章 前言前言1.1 数控机床的发展概况数控机床是现代制造业的关键设备，一个国家数控机床的产量和技术水平在某种程度上就代表这个国家的制造业水平和竞争力。近年来，党中央、国务院高度重视包括数控机床在内的装备制造业发展，相继出台的一系列政策措施，进一步确立了数控机床产业的战略地位，为行业发展创造了有利条件。我国机床行业经过几十年的发展，形成了具有一定生产规模和技术水平的产业体系，具备了快速提升的基础，尤其是“十五”以来，面对持续高涨的国内市场需求和良好的政策环境，我国机床行业发展迅速，在质和量上都取得了飞跃。我国现在已基本掌握了从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及其配套件的基础技术，其中大部分技术已具备进行商品化开发的基础，部分技术已商品化、产业化。初步形成了数控产业基地。数控机床产业的发展，需要自身装备水平的提升。另外， “十五”期间技术改造的不断投入，极大地提高了机床行业的自身装备水平。齐一、齐二、沈阳机床、大连机床等主机企业，在国家的支持下已投入了一批技术改造项目，哈量、哈一工、华中数控、南京工艺等数控机床配套基础制造企业也提升了自身装备水平，北京第一机床、武汉重型机床等通过搬迁改造也将很快奠定快速发展的基础。1.2 数控机床的发展方向1) 高速度、高精度化。速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。2) 多功能化。配有自动换刀机构（刀库容量可达把以上）的各类加工中心，能在同一台机床上同时实现铣削、镗削、钻削、车削、铰孔、扩孔、攻螺纹等多种工序加工，现代数控机床还采用了多主轴、多面体切削，即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切削加工。数控系统由于采用了多结构和分级中断控制方式，即可在一台机床上同时进行零件加工和程序编制，实现所谓的“前台加工，后台编辑” 。 3) 机床的智能化。加工设备不仅提供“体力” ，也有“头脑” ，能够在线监测工况、独立自主地管理自己，并与企业的生产管理系统通信。4) 数控编程自动化。随着计算机应用技术的发展，目前图形交互式自动编程已得到较多的应用，是数控技术发展的新趋势 5）可靠性最大化。数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标。6）控制系统小型化。数控系统小型化便于将机、电装置结合为一体。1.3 数控机床的主传动系统主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，它应具有一定的转速(速度)和一定的变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工件，并能方便地实现运动的开停、变速、换向和制动等。 数控机床主传动系统主要包括电动机、传动系统和主轴部件，它与普通机床的主传动系统相比在结构上比较简单，这是因为变速功能全部或大部分由主轴电动机的无级调速来承担，省去了复杂的齿轮变速机构，有些只有二级或三级齿轮变速系统用以扩大电动机无级调速的范围。大连水产学院本科毕业设计 前言1大连水产学院本科毕业设计 第二章 主传动系统的运动设计2第二章第二章 主传动系统的运动设计主传动系统的运动设计2.1 主运动系统驱动电机的选择.1 选择电机应综合考虑的问题选择电机应综合考虑的问题(1)根据机械的负载特性和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速等要求，选择电动机类型。(2)根据负载转矩、转速变化范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制、过载能力额启动转矩，选择电动机功率，并确定冷却通风方式。所选电动机功率应留有余量，负荷率一般取 0.80.9。(3)根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护措施，选择电动机的结构型式。(4)根据企业的电网电压标准和对功率因素的要求，确定电动机的电压等级和类型。(5)根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程的要求，以及机械减速机构的复杂程度，选择电动机额定转速。此外，还要考虑节能、可靠性、供货情况、价格、维护等等因素11。.2 电动机类型和结构型式的选择电动机类型和结构型式的选择由于不同的机床要求不同的主轴输出性能(旋转速度，输出功率，动态刚度，振动抑制等)，因此，主轴选用标准与实际使用需要是紧密相关的。总的来说，选择主轴驱动系统将在价格与性能之间找出一种理想的折衷9。表 1 简要给出了用户所期望的主轴驱动系统的性能。下面将对各种交流主轴系统进行对比、分析。表表 1.11.1 理想主轴驱动系统性能理想主轴驱动系统性能项目内容高性能低速区要有足够的转矩宽恒功率范围,并在高速范围内保持一定转矩高旋转精度高动态响应高加减速,起制动能力具有强鲁棒性,能适应环境条件和参数变化高效率,低噪声低价格低购买价格,低维护价格,低服务价格通用要求耐用性,可维护性,安全可靠性大连水产学院本科毕业设计 第二章 主传动系统的运动设计3感应电机交流主轴驱动系统是当前商用主轴驱动系统的主流，其功率范围从零点几个 kW 到上百 kW，广泛地应用于各种数控机床上。 经过对比分析本设计中决定采用 FANU系列交流主轴电机。系列是高速、高精、高cici效的伺服系统，可实现机床的高速、高精控制，并使机床更紧凑。.3 电动机容量的选择电动机容量的选择选择电动机容量就是合理确定电动机的额定功率。决定电动机功率时要考虑电动机的发热、过载能力和起动能力三方面因素，但一般情况下电动机容量主要由运行发热条件而定。电动机发热与其工作情况有关。但对于载荷不变或变化不大，且在常温下连续运转的电动机（如本课题中的电动机），只要其所需输出功率不超过其额定功率，工作时就不会过热，可不进行发热计算9，本设计中电机容量按以下步骤确定：（1）确定主轴切削力(如无特殊说明，该小节计算方法均出自资料 7)确定主轴材料为 45 号钢，淬硬处理（淬火及低温回火），硬度为 44HRC，单位切削力为().2270/m公斤0.3/smm r切削用量范围： 90 105/min1 50.1 0.5/rmtmmsmm s 主切削力： (2.1)FzPzPzXYFzVPzPzrPznPzPzFzCtSKKKKK料取 167,1.0,0.751.09,1.081.3,1.05,0.9FzFzFzFzzVFznFzVFzCXYKKKKK料F切深 取，进给量取。t5mm0.3/mm r切削功率： 102 606120105/min,489.5 1058.3976120Fz vFz vPKwvmPKw切削切削切削速度（2）确定电机输出动率 Pd dPP切削 传动装置的总效率 (2.2)1213 其中，圆柱直齿轮传动效率，由资料12，表 24 查得0.98；13大连水产学院本科毕业设计 第二章 主传动系统的运动设计4轴轴承效率，由资料12，表 24 查得20.990.990.98；2轴（主轴）轴承效率，由资料7，表 24 查得30.990.990.98。 4由此，0.980.980.980.980.922。 故，8.3979.1070.922dPKw（3）选择电动机额定功率edP如前所述，电动机功率应留有余量，负荷率一般取 0.80.9，所以电动机额定功率选取为11。Kw（4）电动机电压和转速的选择由资料10,表 2219，小功率电动机一般选为 380V 电压。所以本电机的电压可选为380V。 同一类型、功率相同的电动机具有多种转速。一般而言，转速高的电动机，其尺寸和重量小，价格较低，但会使传动装置的总传动比、结构尺寸和重量增加。选用转速低的电动机则情况相反。要综合考虑电机性能、价格、车床性能要求等因素来选择。10本课题中数控机床的主轴的转速范围要求为。由于只有一根中间35 /min 4000 /minrr传动轴，传动链较短，因此变速级数较少，故对电动机恒功率变速范围以及整个变速范围要求较高。I 轴上齿轮传动比确定为，II 轴上两对直齿轮的传动比分别为，12/1i 29/16i 。所以两条传动链中，高速传动链传动比，低速传动链传动318/7i 12i=ii =2/1 9/16=9/8比。由此可得电机的转速范围:13i=ii =2/1 18/7=36/7maxmin n4000 9/8=4500r/min , n35 36/7=180r/min（5）确定电机的型号由前面信息，可选取 FANUC 交流电机，型号为。这种电机转动非常平稳，采12/6000ci用 160,000,000/rev 的超高分辨率位置编码器，通过线圈切换可实现电机的高速、高加速控制，作为 系列的后续产品，具有更先进的节能效果。电机参数如下表所示：表表 2.22.2 电机参数电机参数机座长为，电机轴径为，轴伸为，中心高，其余安装尺寸465mm48mm110mm132mm及其外形由资料8得8。型号额定功率连续 30min 功率最低转速最高转速重量振动冷却12/6000ci11Kw15Kw1500 /minr4500 /minr95Kg5V56W大连水产学院本科毕业设计 第二章 主传动系统的运动设计5.4 计算各轴计算转速、功率和转矩计算各轴计算转速、功率和转矩1、各轴计算转速（本小节公式除非特别说明，均出自资料12）首先估算主轴的计算转速，由于采用的是无级调速，所以采用以下的公式： ； (2.3)0.30.3max3min4000()35 ()145 /min35nnrn然后通过传动比计算传动轴和电机轴的计算转速， 233145 18/7372.9 /min373 /minnnirr 121373 2746 /minnnir上式中 、 、的意义如前所述。i1ii2、各轴输入功率=11KwIPedP (2.4)IIP12IP 11 0.98 0.9810.6Kw IIIP4121411 0.9810.2IPKw 上式中，、的意义如前所述。1233、各轴输入转矩19550 11/746140.82TN m 29550 10.6/373271.39TN m39550 10.2/145671.79TN m将以上计算结果整理后列于表 2.2，供以后计算选择，供以后计算使用：表表 2.32.3 各轴的传动参数各轴的传动参数参数 轴I 轴（电机轴）II 轴（中间传动轴）III 轴（主轴）计算转速（）minr746373145输入功率（Kw） 11 10.6 10.2转矩（）N m 140.82 271.39 671.79 传动比12/1i ，29/16i 318/7i 2.2 拟定转速图由电机的转速范围(包括恒功率变速范围)和各轴传动比,作数控车床的转速图,见图 2-2.大连水产学院本科毕业设计 第二章 主传动系统的运动设计6图 2.2 转速图2.3 拟定传动方案数控机床需要自动换刀、自动变速；且在切削不同直径的阶梯轴，曲线螺旋面和端面时，需要切削直径的变化,主轴必须通过自动变速，以维持切削速度基本恒定。这些自动变速又是无级变速，以利于在一定的调速范围内选择理想的切削速度，这样有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。无级调速有机械、液压和电气等多种形式，数控机床一般采用由直流或交流调速电动机作为驱动源的电气无级变速。由于数控机床的主运动的调速范围较大（），单靠调速电机无法满足这么大的调速范围，另一方面调速电机的功率扭矩特100200R 性也难于直接与机床的功率和转矩要求相匹配。因此，数控机床主传动变速系统常常在无级变速电机之后串联机械有级变速传动，以满足机床要求的调速范围和转矩特性。 为简化主轴箱结构，本方案仅采用二级机械变速机构，运动方案如图 2.1：有级变速的自动变换方法一般有液压和电磁离合器两种。液压变速机构是通过液压缸、活塞杆带动拨叉推动滑移齿轮移动来实现变速，双联滑移齿轮用一个液压缸，而三联滑移齿轮则必须使用两个液压缸（差动油缸）实现三位移动。液压拨叉变速是一种有效的方法，工作平稳，易实现自动化。但变速时必须主轴停车后才能进行，另外，它增加了数控机床的复杂性，而且必须将数控装置送来的电信号转换成电磁阀的机械动作，然后再将压力油分配到相应的液压缸，因而增加了变速的中间环节，带来了更多的不可靠因素。图 2.1 主轴传动图大连水产学院本科毕业设计 第二章 主传动系统的运动设计7电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元件，由于它便于实现自动操作，并有现成的系列产品可供选用，因而它已成为自动装置中常用的操作元件。电磁离合器用于数控机床的主传动时，能简化变速机构，操作方便。通过若干个安装在各传动轴上的离合器的吸合和分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现主轴的变速。电磁离合器一般分为摩擦片式和牙嵌式6。本方案决定采用牙嵌式离合器。.1 传动图传动图初定数控车床的传动图,如图 1-3.图 1.3 传动图 大连水产学院本科毕业设计 第三章 轴的结构设计8第三章轴的结构设计第三章轴的结构设计31 轴的结构设计及齿轮尺寸参数3 31.11.1 I I 轴结构设计及齿轮尺寸参数轴结构设计及齿轮尺寸参数（如无特殊说明，本小节公式均出自资料14）I 轴上的零件主要是齿轮 1。一端用凸台定位,另一端用紧定螺钉定位。1.1.选定齿轮类型选定齿轮类型, ,精度等级精度等级, ,材料及齿数材料及齿数. .根据选定的传动方案,选用直齿圆柱齿轮传动.（1）本次设计属于金属切削机床类,一般齿轮传动,故选用 6 级精度.（2）材料选择.由表 10-1 选择小齿轮材料为 40Cr(调质),硬度为 280HBS,大齿轮材料为 45钢(调质)硬度为 240HBS,二者材料硬度差为 40HBS.（3）选小齿轮齿数大齿轮齿数 135,z 22 3570z 2.2.按齿面接触强度设计按齿面接触强度设计 由设计计算公式(10-9a)进行试算,即 (2.5)213112.32()tEtdHK TZudu1）确定公式内的各计算数值（1）试选载荷系数3 . 1tK（2）计算小齿轮传递的转矩由上文可知为140.82N m（3）由表 10-7 选取齿宽系数5 . 0d（4）由表 10-6 查得材料的弹性影响系数2/18 .189 MPaZE（5）由图 10-21d 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限大齿轮的;6001limMPaH接触疲劳强度极限;MPaH5502lim（6）由式 10-13 计算应力循环次数 (2.6)9119926060 746 1 500002.24 102.24 10 /21.12 10hNn jLN （7）由图 10-19 查得接触疲劳寿命系数120.90;0.95HNHNKK（8）计算接触疲劳许用应力取失效概率为 1%，安全系数 S=1，由式（10-12）得大连水产学院本科毕业设计 第三章 轴的结构设计9 (2.7)1lim112lim220.90 6005400.95 550528HNHHHNHHKMPaMPaSKMPaMPaS2）计算（1）小齿轮分度圆直径，代入中较小的值1tdH(2.8)52213311.3 1.408 102 1189.812.32()2.32()0.5252896.047tEdHK TZud tmmumm（2）计算圆周速度v (2.9)113.14 96.047 7463.75/60 100060 1000td nvm s（3）计算齿宽b (2.10)10.5 96.04748.024dtbdmm（4）计算齿宽与齿高之比/b h 模数 (2.11)11/96.047/352.744ttmdzmmmm 齿高 (2.12)2.252.25 2.7446.175thmmm (2.13)/48.024/6.1757.78b h （5）计算载荷系数根据，6 级精度，由图 10-8 查得动载系数；3.75/vm s1.07vK 直齿轮，假设。由表 10-3 查得；/100/AtK F bN mm1.2HFKK由表 10-2 查得使用系数；1.25AK 由表 10-4 查得 6 级精度，小齿轮悬臂支承时， (2.14)2231.11 0.18(1 6.7)0.15 10HddKb将数据代入得 ； (2.15)2231.11 0.18(1 6.7 0.5 ) 0.50.15 1044.0011.237HK由，查图 10-13 得；故载荷系数/7.78,1.237Hb hK1.18FK (2.16)1.25 1.07 1.2 1.2371.985AVHHKK K KK（6）按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由式（10-10a）得 (2.17)3311/96.0471.985/1.3110.60ttddK Kmm（7）计算模数m大连水产学院本科毕业设计 第三章 轴的结构设计10 (2.18)11/110.60/353.16mdzmm3.3.按齿根弯曲强度设计按齿根弯曲强度设计由式（10-5）得弯曲强度的设计公式为 (2.19)13212()FaSadFY YKTmz1）确定公式内的各计算数值（1）由图 10-20c 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限；大齿轮的弯曲疲劳1500FEMPa强度极限；2380FEMPa（2）由图 10-18 查得弯曲疲劳寿命系数，；10.82FNK20.85FNK（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（10-12）得 (2.20)1110.82 500292.861.4FNFEFKMPaS（4）计算载荷系数 K (2.21)1.25 1.07 1.2 1.181.894AVFFKK K KK（5）查取齿形系数由表 10-5 查得；。12.45FaY22.24FaY（6）查取应力校正系数由表 10-5 查得；。11.65SaY21.75SaY（7）计算大小齿轮的并加以比较FaSaFY Y (2.22)1112.45 1.650.01380292.86FaSaFYY2222.24 1.750.01699230.71FaSaFYY大齿轮的数值大。2）设计计算大连水产学院本科毕业设计 第三章 轴的结构设计115322 1.894 1.408 100.016992.460.5 35mmmmm对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，m由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的m承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲疲劳强度算得的模数 2.46并就近圆整为标准值，按接触强度算得的分度圆直径，算出小齿轮2.5mmm1110.60dmm齿数1110.60/2.544z 大齿轮齿数212 4488zuz这样设计出的齿轮传动，即满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。4.4.几何尺寸计算几何尺寸计算1）计算分度圆直径1144 2.5110dz mmmmm2288 2.5220dz mmmmm2）计算中心距12()/2(110220)/2165addmm3）计算齿轮宽度10.5 11055dbdmm取。2155,60Bmm Bmm5.5.验算验算51122 1.407 102558110tTFNNd，合适。1.25 2558/58.14/100/55AtK FN mmN mmN mmb.2 IIII 轴结构设计轴结构设计（如无特殊说明，本小节公式均出自资料14）1.1.轴的支承形式轴的支承形式该轴不受或只受极小的轴向力，而右端所受径向力矩明显高于左端，故左端选用深沟球轴承，而右端选用一对角接触球轴承背靠背安装，如图所示：图 2.4 中间轴的支承形式2.2.轴上零件的轴向定位轴上零件的轴向定位大连水产学院本科毕业设计 第三章 轴的结构设计12II 轴上的主要零件主要有三对直齿圆柱齿轮及其中两直齿圆柱齿轮对应的电磁离合器。滚子轴承的左端靠在端盖上，右端用轴肩定位。与电机轴上齿轮相啮合的齿轮左端用圆螺母固定,右端用轴肩定位.另外两齿轮所对应的电磁离合器位于它们中间，相互紧靠，两齿轮的另两端用螺钉锁紧挡圈定位。轴右端的轴承左边利用轴肩定位，右端用一摔油盘（有套筒的作用）和圆螺母进行定位。（1）轴的选材和最小直径得确定mind轴的材料选择为：45 号钢（调质处理） 。轴的最小尺寸，由式（152） ， 3min0PdAn式中，由表 153，可取得 110，故 0A 3min10.611033.6373dmm取35mm。由于取值较计算值大的多，所以不用再按弯扭合成强度条件计算和进mindmind行疲劳强度校合。轴的零件图如图 2-5.图 2.5 中间轴零件图（2 2）齿轮的设计）齿轮的设计齿轮 1 和 2 的直径相差较大，对齿轮 1（小齿轮）在模数和选材及热处理方面要求较高，所以首先进行该对齿轮的设计。1.1.选定齿轮的精度等级和材料，初选齿数选定齿轮的精度等级和材料，初选齿数本数控机床的运行速度较高，精度等级选择 6 级精度；由表 101，小齿轮材料选择为 40，调质后表面淬火，硬度为 280HBS；大齿轮材料选rc择为 45 钢，调制后表面淬火，硬度为 240HBS。小齿轮齿数初选为24， 1z2z1z3i24 18/7622.2.按齿面接触强度进行设计按齿面接触强度进行设计按式（109）试算，a大连水产学院本科毕业设计 第三章 轴的结构设计13 213112.32()tEtdHK TZudu确定公式内的各计算值：初选载荷系数 Kt1.6；计算小齿轮传递的转矩由前文可知小齿轮传递的转矩为 271.39;由表 107 及其说明，可选定齿宽系数0.4； d由表 106，查得材料的弹性影响系数189.8；EZ1/2aMP由图 1021d，按齿面接触硬度查得小齿轮的接触疲劳强度650MPa；大齿轮的接lim1H触疲劳强度600MPa；lim2H两齿轮的设计寿命为 50000h，由式 1013，计算应力循环次数 9116060 373 1 500001.119 10nNn jL 9821/1.119 107/184.352 10NNi由图 1019 查得接触疲劳寿命系数=0.9,=0.95;1HNK2HNK计算接触疲劳许用应力取失效概率为 1%,安全系数 s1。由式（1012） ，=0.9650/1585MPa 1H1lim1HNHKS=0.95600/1=570MPa 2H2lim2HNHKS将以上参数代入公式进行计算 试算小齿轮分度圆直径 d1t，代入H-中较小的值32311.6 271.39 1018/7 1189.92.32()127.850.418/7570tdmm计算圆周速度 v 1143.14 127.85 373/2.50/60 10006 10td nvm sm s计算齿宽 10.4 127.8551.14dtbdmmmm计算齿宽与齿高之比 齿轮模数 11/127.85/245.327ttmdzmmmm齿高 2.252.25 5.32711.986thmmmmm大连水产学院本科毕业设计 第三章 轴的结构设计14/51.14/11.9864.27b h 计算载荷系数 K由图 108，查得动载系数；1.06VK 由表 103，查得;1.2HFKK由表 102，查得使用系数1.25；AK小齿轮精度为 6 级，相对支撑作对称分布。由表 104，HK23d1.11 0.180.15 10 b31.11 0.180.15 1051.141.1522（1+0. 6 0. 4）0. 4由 b/h4.27，=1.15,查图 1013，得1.12，HKFK故，动载系数1.25 1.06 1.2 1.151.829AVHHKK K KK按实际得载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式（1010a）得 3311/127.851.829/1.6133.68tTddK Kmm计算模数 11/133.68/245.57mdz3.3.按齿根弯曲强度设计按齿根弯曲强度设计由式（105）得弯曲疲劳的设计公式为 13212()FaSadFY YKTmz以下确定式中各参数的值：由图 1020c 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限520MPa；大齿轮的弯曲疲劳强度极1FE限440MPa；2FE由图 1018 查得弯曲疲劳寿命系数0.82，0.87；1FNK2FNK计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 S1.3，由式（1012）得0.82520/1.3328MPa1F11FNFEKS0.87440/1.3294.46Mpa 2F22FNFEKS计算载荷系数 K 1.25 1.06 1.2 1.121.781AVFFKK K KK查取齿形系数由表 10-5 查得。122.65;2.28FaFaYY查取应力校正系数大连水产学院本科毕业设计 第三章 轴的结构设计15由表 105,查得；。11.58SaY21.73SaY计算大、小齿轮的并加以比较FaSaFY Y 1112.65 1.580.01277328FaSaFYY2222.28 1.730.01340294.46FaSaFYY大齿轮数值大，将用于以下计算。将以上参数代入式（105）进行计算5322 1.781 2.714 100.013403.80.4 24mmmmm对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，m由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而由齿面接触疲劳强度所决定m的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度所算得的模数，按接触强度算得的分度圆直径，算出小齿轮齿数3.5mmm1133.68dmm11/133.68/3.538zdm2118/7 3897zuz4.4.几何尺寸计算几何尺寸计算1）计算分度圆直径1138 3.5133dz mmmmm2297 3.5339.5dz mmm2）计算中心距12()/2(133339.5)/2236.25addmm3）计算齿轮宽度10.4 13353.2dbdmm取。2160,65Bmm Bmm5.5.验算验算3112/2 271.4 10 /1334081.2tFTdNN，合适。4081.2 1.2585.0310060tAFKNNb第二对齿轮的模数可取得比齿轮 1 小，3。由于这两齿轮得中心距与齿轮 1 和 2 的34mm中心距相等，故,.3236.25 16/25 2/3100z 4100 9/1656z 四个齿轮的尺寸参数如表 2.4 所示。大连水产学院本科毕业设计 第三章 轴的结构设计16表表 2.42.4 齿轮尺寸参齿轮尺寸参 齿轮参数1234模数 m3.53.533齿数 z389710056中心距 a236.25分度圆直径 d133339.5300168齿顶圆直径ad140346.5306174齿根圆直径fd124.25330.75292.5160.5全齿高 h7.8756.75齿宽 b60545560压力角20202020基圆直径bd125319282 158传动比i18/79/16齿轮宽 B65607075齿宽系数d0.2轮毂宽706585903.2 电磁摩擦离合器的计算和选择本课题中数控机床得转速较高，对工作可靠性要求高，根据资料13中的结构选择原则，选取牙嵌式电磁离合器。形式选定后，应进一步确定其规格（本小节公式及参数除非特别说明，均出自资料15）（1）规格计算其规格选择计算的基本原则是使其计算转矩小于或等于其薄弱环节的失效条件限制而允许cT其传递的许用转矩T，即 (2.23)maxmax cnTTTTTT nn其中-理论转矩T-计算转矩cT大连水产学院本科毕业设计 第三章 轴的结构设计17-公称转矩nT-许用转矩 T-最大转矩maxT-许用最大转矩maxT-许用转速 n1）计算转矩由于各类联轴器，离合器实际工况不同，在确定计算转矩时应将理论转矩乘以不同系cTT数 K，本机床承受长期平稳载荷，故 (2.24) cTKTT式中，-分别为离合器的计算转矩，公称，许用转矩，；cTnT TN m-离合器理论转矩，；TN mK离合器工况系数，见下表所示。本文中为金属切学机床，取 K=1.4，从而得到 (2.25)1.4 271.39379.946TcN m根据计算转矩，查表 5-3-42 选取规格为 DLY5-40A 的牙嵌式离合器，相关尺寸可从表中查取。（2）牙嵌式离合器的设计计算1）离合器的外径计算（经验公式） (2.26)33502.80.08502.80.08 379.946160.69()cDTmm牙的外径： (2.27)160.69ZDDmmmm表表 2.52.5 离合器工况系数离合器工况系数机械类型K机械类型K金属切削机床1.3-1.5轻纺机械1.2-2曲柄式压力机械1.1-1.3农业机械2-3.5汽车,车辆1.2-3挖掘机械1.2-2.5拖拉机1.5-3钻探机械2-4船舶1.3-2.5活塞泵,通风机,压力机1.3起重运输机械在最大载荷下结合1.35-1.5活塞泵(单缸),大型通风机,压缩机,木材加工机械1.7在空载下结合1.25-1.5冶金矿山机械1.8-3.2牙的内径： (2.28)0.70.7 160.69112.49ZZDDmm牙的平均直径： (2.29)0.5()0.5 (160.69 112.49)136.59mZZDDDmm牙的宽度： (2.30)0.5()0.5 (160.69 112.49)24.1ZZZbDDmm大连水产学院本科毕业设计 第三章 轴的结构设计18牙的高度： (2.31)0.650.65 24.115.67ZZhbmm牙的个数： (2.32)60/()Zn t 式中-主，从动半离合器的转速差n (2.33)60 1000/(), /minmnvDr-牙齿接合圆周速度差，一般取v(0.70.8)/vm s-离合器允许结合时间，一般机床，取t0.5ts本文中取，则可以得到0.7/vm s0.1ts60 1000 0.7/(3.14 136.59)98 /minnr60/(98 0.1)6z 2）牙间压紧力 (2.34)1112 tan()cdmuQTFDd近似可取 (2.35)2tan()cdmTQFD式中 -牙形角，一般取30 -摩擦角，钢与钢接触，取79 -牙的平均直径mD -弹簧推力，一般取dF3050dFN本课题中取，30 ,8 ,40dFN 从而， (2.36)2 379.946tan(308 )4042.5136.59QN （3）磁路结构设计1）磁轭铁心截面积 (2.37)222.5/()AQ Bmm式中，-磁感应强度，一般取B1.2 1.4BT大连水产学院本科毕业设计 第三章 轴的结构设计19 -牙间压紧力，N。Q取，1.3BT2222.5/2.5 42.5/1.354()AQ Bmm2）线圈槽内径（内铁心外径） (2.38) 222.3 /2.3 54/3.144545.5ndAdmm式中-离合器轴径。d3）线圈槽外径（外铁心内径） (2.39)222.3 /160.692.3 54/3.14160.5wdDAmm4）线圈槽宽度 (2.40)()/2(160.545.5)/257.5()nwnbddmm5）励磁磁势 (2.41)41.6 10( )IWBVA式中，-气隙中磁感应强度，一般取B0.50.7BT -工作气隙，近似取牙的高度。 -气隙系数，一般取V2.53.5V 取，则0.6BT3V (2.42)431.6 1015.67 0.6 3 0.145.1 10IWA 6）线圈槽高度 (2.43)2350()nsHIWhmmft式中，-线圈槽高宽比，/46;nnhb -传热系数。线圈散热良好时，；s80.056st线圈散热不良时， ；7.420.043st-填充系数，按导线直径由图 9-13 查得；Hf0d-温升，K，按技术要求确定；t大连水产学院本科毕业设计 第三章 轴的结构设计20-电阻系数，可取；210.017mm m取查得，得4,80.0568.056,1st0.7Hf (2.44)23 24335050 5 0.017 (45.1 10 )1053.5()8.056 0.7 1nsHIWhmmft 7）导线直径 (2.45)300.0686/0.0686 0.017 103 45.1 10 /243.94()mdd IW Umm式中，-线圈的平均直径， md0.5()0.5 (160.545.5)103,mwndddmm -电源电压，一般取 24VU8）线圈匝数 (2.46)2204/()4 53.5 57.5 0.7/(3.14 3.94 )176.7nnHWb h fd9）磁轭底部厚度 (2.47)2/2176.7/(2 3.14 45)0.63()hAdmm磁轭高度：，一般取253.50.632 56.13()nhhhmm 23mm10）衔铁厚度 20.6322.63()xbhmm 衔铁内径由轴径根据结构确定，外径xddxDDmm（4）磁路验算1）线圈总磁势 (2.48)61(880960)900 83.5 15.671.17 10 ( )nKKRIWH LBA式中，-气隙，磁轭，衔铁等各部分的磁均强度与磁路长度,KKHL2）气隙磁场强度 (2.49)3/(880960)45.1 10 /(900 0.6)83.5( )BIWT3）电磁吸力 (2.50)2250.40.4 83.5541.5 10 ()QB AN大连水产学院本科毕业设计 第三章 轴的结构设计213.3 轴承的选择由资料12，可选得轴承的型号和其他参数，如表 2-7 所示：键和圆螺母的选择键和圆螺母的选择由资料12，可选择键的尺寸如下表 2-6： 表表 2.6 键的尺寸参数键的尺寸参数 参数键公称尺寸b h长度L轴深度t孔深度1t与离合器配合的键14 9505.53.8圆螺母选用 M351.5。表表 2.72.7 轴承尺寸参数轴承尺寸参数参数轴承 型号内径d外径D轴承宽B安装尺寸1D安装尺寸3D1073562144157轴两端的支撑轴承7307C7307AC3580214471与齿轮配合的轴承7308C7308AC4090234981 第四章主轴结构设计22第四章第四章 主轴结构设计主轴结构设计4.1 主轴组件的性能要求主轴组件是机床主要部件之一，它的性能对整机性能由很大的影响。主轴直接承受切削力，转速范围又很大，所以对主轴组件的主要性能特提出如下要求：回转精度 主轴组件的回转精度，是指主轴的回转精度。当主轴做回转运动时，线速度为零的点的连线称为主轴的回转中心线。回转中心线的空间位置，在理想的情况下应是固定不变。实际上，由于主轴组件中各种因素的影响，回转中心线的空间位置每一瞬间都是变化的，这些瞬时回转中心线的平均空间位置成为理想回转中心线。瞬时回转中心线相对于理想回转中心线在空间的位置距离，就是主轴的回转误差，而回转误差的范围，就是主轴的回转精度。纯径向误差、角度误差和轴向误差，它们很少单独存在。当径向误差和角度误差同时存在时，构成径向跳动，而轴向误差和角度误差同时存在构成端面跳动。由于主轴的回转误差一般都是一个空间旋转矢量，它并不是所有的情况下都表示为被加工工件所得到的加工形状。主轴回转精度的测量，一般分为三种：静态测量、动态测量和间接测量。目前我国在生产中沿用传统的静态测量法，用一个精密的测量棒插入主轴锥孔中，使千分表触头触及检测棒圆柱表面，以低速转动主轴进行测量。千分表最大和最小的读数差即认为是主轴的径向回转误差。端面误差一般以包括主轴所在平面内的直角坐标系的垂直坐标系的垂直度数据综合表示。动态测量是用以标准球装在主轴中心线上，与主轴同时旋转；在工作态上安装两个互成 90 角的非接触传感器，通过仪器记录回转情况。间接测量是用小的切削量加工有色金属试件，然后在圆度仪上的测量试件的圆度来评价。出厂时，普通级加工中心的回转精度用静态测量法测量，当L300mm 时允许误差应小于 0.02mm。造成主轴回转误差的原因主要是由于主轴的结构及其加工精度、主轴轴承的选用及刚度等，而主轴及其回转零件的不平衡，在回转时引起的激振力，也会造成主轴的回转误差。因此加工中心的主轴不平衡量一般要控制在 0.4mm/s 以下。刚度 主轴部件的刚度是指受外力作用时，主轴组件抵抗变形的能力。通常以主轴前端产生单位位移时，在位移方向上所施加的作用力大小来表示。主轴组件的刚度越大，主轴受力变形就越小。主轴组件的刚度不足，在切削力及其它力的作用下，主轴将产生较大的弹性变形，不仅影响工件的加工质量，还会破坏齿轮、轴承的正常工作条件，使其加快磨损，降低精度。主轴部件的刚度与主轴结构尺寸、支承跨距、轴承类型及配置型式、轴承间隙的调整、主轴上传动元件的位置等有关。抗振性 主轴组件的抗振兴是指切削加工时，主轴保持平稳地运行而不发生振动的能力。主轴组件抗振兴差，工作时容易产生，不仅降低加工质量，而且限制了机床生产率的提高，使刀具耐用度下降。提高主轴抗振兴必须提高主轴组件的静刚度，采用较大阻尼比的前轴承，以及在必要时安装阻尼器。另外，使主轴的固有频率远远大于激振力的频率。温升 主轴组件在运转中，温升过高会引起两方面的不良后果：一是主轴组件和箱体因热彭涨而变形，主轴的回转中心线和机床其它组件的相对位置会发生变化，直接影响加工精 第四章主轴结构设计23度；其次是轴承等元件会因温度过高而改变已调好的间隙和破坏正常润滑条件，影响轴承的正常工作。严重时甚至会发生“抱轴” 。数控机床一般采用恒温主轴箱来解决恒温问题。耐磨性 主轴组件必须有足够的耐磨性，以能长期保持精度。主轴上易磨损的地方是刀具或工件的安装部位以及移动式主轴的工作部位。为了提高耐磨性，主轴的上述部位应该淬硬或氮化处理。主轴轴承也需有良好的润滑，以提高耐磨性。以上这些要求，有的还是矛盾的。例如高刚度和高速，高速与低温升，高速与高精度等。这就要具体问题具体分析，例如设计高效数控机床的主轴组件时，主轴应满足高速和高刚度的要求；设计高精度数控机床时，主轴应满足高刚度、低温升的要求6。轴承配置型式本课题中数控机床的转速较高，却要求径向刚度好，所以轴承的配置型式选择为刚度速度型13。前轴承采用双列角接触球轴承，接触角为，它们通过套筒背靠背配置，以减少主轴25悬伸量。后轴承采用双列短圆柱滚子轴承，以承受较大的传动力。如下图所示：图 2.6 主轴支承型式3.主要参数的确定主轴的主要参数是指：主轴平均直径 D（或主轴前轴颈直径） ；主轴内孔直径；主轴悬1Dd伸量 a 和主轴支承跨距 。这些参数直接影响主轴的工作性能，但为简化问题，主要是由静刚度l条件来确定这些参数，即选择 D、d、a、l 使主轴获得最大静刚度，同时兼顾其它要求，如高速性、抗振性等。（1）主轴前轴颈直径的确定1D主轴平均直径对主轴部件刚度影响较大。加大直径，可减少主轴本身弯曲变形引起的主1D轴轴端位移和轴承弹性变形引起的轴端位移，从而 提高主轴部件刚度。但加大直径受到轴承 dn值的限制，同时造成相配零件尺寸加大、制造困难、结构庞大和重量增加等，因此在满足刚度要求下应取较小值。按车床主电动机功率来确定，由资料16图 6.183 可取。 190Dmm（2）主轴内孔直径 d 的确定确定孔径的原则是，为减轻主轴重量，在满足对空心主轴孔颈要求和最小壁厚要求以及不削弱主轴刚度的要求下，应取较大值。对于数控机床，本课题中车床主轴尾端需要安装皮带轮，轴径较小，故/0.60.5d D 取16，即。/0.55d D d50mm（3）主轴悬伸量的确定a主轴悬伸量是指主轴前端面到支承径向反力作用中点的距离，它对主轴部件的刚度和抗a振性影响很大。因此在满足结构要求的前提下尽可能取小值。减小的常见措施有：a尽量采用短锥法兰式主轴端部结构。 第四章主轴结构设计24推力轴承配置在前支承时，应安装在径向轴承的内侧而不是外侧。合理设计前支承的调整结构和密封装置形式。尽量采用主轴端部的法兰盘和轴肩等构成密封装置。采用向心推力轴承来代替向心轴承。成对安装的圆锥滚子轴承，应采取滚锥小端相对的形式；成对安装的向心推力轴承应采取背对背或面朝外的同方向排列形式。本课题中主轴前端的一对向心推力轴承正是采用这种安装形式。改变轴端工夹具的结构形式来减小 a 值16。（4）支承跨距 的确定l支承跨距 是指相邻两支承的支承反力作用点之间的距离。合理确定 是获得主轴部件最大ll静刚度的重要条件之一。当时，主轴部件具有最大刚度，即为主轴部件的最佳跨距。在0ll0l具体设计时，往往由于结构上的限制而使，这就造成主轴部件的刚度损失。合理跨距0ll,通常取。因为 D、a 一定时， 越大，轴承的径向跳动对主轴前端(0.75 1.5)ratll0ratllll的径向跳动影响越小，且加大 可较小振动。当需要 远大于时，可采用三支承结构6。ll0l4.主轴头的选用如前文所述，采用短锥法兰式主轴端部结构有利于减小主轴悬伸量。本课题选用 B 型法a兰式主轴端部，代号为 6，其基本尺寸由资料16表 6.131 可获得。5.轴承型号的选择考虑到主轴上部件的安装需要利用轴肩来进行轴向定位，初步确定好安装轴承部位轴径后，选择轴承型号及其尺寸如表 2-8 所示：表表 2.82.8 主轴轴承尺寸参数主轴轴承尺寸参数 参数轴承型号内径d外径D轴承宽B安装尺寸1D安装尺寸2D安装尺寸4D安装尺寸5D前轴承362189016030103147后轴承31821147011030801031024.2 编码器的选择与安装在经济型数控车床上加工螺纹或丝杠时，进刀速度应与车床主轴转速之间保持一个恒定的比例关系，为此要在车床主轴上安装一个主轴位置信号的反馈元件。即主轴脉冲发生器。在选用简易数控装置时，应选用含有螺纹加工功能的系统软件和相应的主轴脉冲发生器。光电编码器由于是数字信号，所以噪声容限大，容易实现高分辨率，检测精度高，且体积小、重量轻、易安装，在现代检测技术中得到了广泛地应用。本课题选用LF1024 型光电编码器。光电编码器的安装通常采用两种方式:同轴安装和异轴安装。同轴安装结构简单，缺点是安装后不能加工穿出车床主轴孔的零件;异轴安装较同轴安装麻烦，需配一对同步平带轮及同步平带。在加工螺纹时，将其装上，不使用时将其断开，避免磨损和信号干扰，延长主轴脉冲发生 第四章主轴结构设计25器的使用寿命。本课题采用异轴安装方式，利用同步带传动带动轴转动，轴通过联轴器IVIV与光电编码器相联，带动光电编码器转动17。4.3 联轴器的选择及带轮参数（1）联轴器的选择本课题中联轴器选用柱销联轴器，由资料15,表 4290 可知，它应用于正反转多，启动频繁的高、低速传动，其结构简单，制造容易，维护方便，寿命长，能缓冲减振，符合要求。由于轴所传动的力矩不大，故联轴器的尺寸由 LF1024 型光电编码器的轴径（28mm）决IV定。由资料15,表 4319 可选取型号为 LX2 的弹性柱销联轴器，其尺寸和性能参数可由该表查取。 （2）同步齿形带传动设计(以下公式均出自参考资料14) 齿形带传递的计算功率 (2.51)()(1.20) 0.250.3cASpKKPKw120z 带轮传递的功率很小，模数不需太大，取。1.5m 确定两轮传动比 12/210inn 取两带轮齿数 ，130z 260z 计算两轮节圆直径 ，11d =mz =1.5 30=45mm22d =mz =1.5 60=90mm 初定中心距 0170amm 初定胶带长度 2220120(1)3.14452()2 170135554.52424 200opddLaddmma(2.52) 初定齿数 120z 计算中心距 (2.53)0565.5554.5170175.522oppLLaamm带宽 b 取为，20mm选用同步齿形带规格为。1.5 120 20mz b 带轮几何尺寸的计算如表 2-9 所示. 第四章主轴结构设计26表表 2.92.9 带轮几何尺寸带轮几何尺寸 带轮参数小带轮大带轮z3060齿形角4040节距pm4.714.71节圆直径dmz4590顶圆直径22 0.25addd 44.2589.25顶圆齿距aadpz4.634.67齿侧间隙0jj0.400.40径向间隙0cc0.550.55顶圆齿槽宽2.16afeSjj2.562.56齿槽深0.9hhcc1.451.45根圆直径22.90faaddhd41.3586.35根圆齿槽宽faes1.51.5齿根圆角直径0.1frm
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