石材立式球磨机的设计（含CAD图纸和说明书）
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毕业设计（论文）课 题 名 称： 石材立式球磨机 专 业 班 级： 学 生 姓 名： 学 生 学 号： 起迄日期： 指导教师： 发任务书日期：2014年5月1 日摘 要本次设计是对石材立式球磨机的设计。在这里主要包括:传动系统的设计、装夹部位系统的设计、球磨机主轴部位系统的设计这次毕业设计对设计工作的基本技能的训练，提高了分析和解决工程技术问题的能力，并为进行一般机械的设计创造了一定条件。整机结构主要由电动机产生动力通过联轴器将需要的动力传递到丝杆上，丝杆带动丝杆螺母，从而带动整机运动，提高劳动生产率和生产自动化水平。更显示其优越性，有着广阔的发展前途。本论文研究内容：(1) 石材立式球磨机总体结构设计。(2) 石材立式球磨机工作性能分析。(3)电动机的选择。(4) 石材立式球磨机的传动系统、执行部件及机架设计。(5)对设计零件进行设计计算分析和校核。 (6)绘制整机装配图及重要部件装配图和设计零件的零件图。 关键词：石材立式球磨机， 联轴器，滚珠丝杠 VIIAbstractThis design is the design of vertical mill stone. Here mainly include: design, drive system design, parts of the clamping system of ball mill main part of the system design of the graduation design on the design of the basic skills training, enhancing the analysis and to solve engineering problems, and create a certain condition for general mechanical design.The structure is mainly produced by the motor power through the coupling will need to transfer the power to the screw rod, the screw rod drives the screw rod nut, thereby driving the movement, improve labor productivity and automation level of production. But also show its superiority, there are broad prospects for the development.The research of this thesis:(1) the overall structure of stone vertical mill design.(2) performance analysis of vertical mill stone.(3) the choice of motor.(4) transmission system, execution unit and frame design of stone vertical mill.(5) the design of components for the design calculation and check.(6) to draw the assembly drawing and parts assembly diagram and parts diagram design.Keywords: coupling stone, vertical mill, ball screw目 录摘 要IIAbstractIII目 录IV第1章 绪论11.1异型石材的分类11.1.1异型石材的分类11.1.2按加工方法分11.1.3按截面尺寸分11.2异形石材的装饰效果21.3异形石材加工的损耗介绍21.4石材加工机械分类31.5国内异形石材加工机械设备现状与发展4第2章 石材立式球磨机总体结构设计12.1 石材立式球磨机的构成12.2 球磨机磨削部分计算12.2.1 同步带计算选型12.2.2 同步带的主要参数（结构部分）42.2.3 同步带的设计62.2.4 同步带轮的设计7第3章 主轴组件要求与设计计算93.1 主轴的基本要求93.1.1 旋转精度93.1.2 刚度93.1.3 抗振性103.1.4 温升和热变形103.1.5 耐磨性113.2 主轴组件的布局113.3 主轴结构的初步拟定143.4 主轴的材料与热处理143.5 主轴的技术要求153.6 主轴直径的选择153.7 主轴前后轴承的选择163.8 轴承的选型及校核173.9 主轴前端悬伸量193.10 主轴支承跨距203.11 主轴结构图213.12 主轴组件的验算213.12.1 支承的简化213.12.2 主轴的挠度223.12.3 主轴倾角23第4章 X结构及传动设计244.1 X向滚珠丝杆副的选择254.1.1导程确定254.1.2确定丝杆的等效转速254.1.3估计工作台质量及负重254.1.4确定丝杆的等效负载254.1.5确定丝杆所受的最大动载荷264.1.6精度的选择274.1.7选择滚珠丝杆型号274.2校核284.2.1 临界压缩负荷验证284.2.2临界转速验证294.2.3丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率304.3电机的选择304.3.1电机轴的转动惯量314.3.2电机扭矩计算32第5章 Y向结构设计345.1 Y轴滚动导轨副的计算和选择345.2 滚珠丝杠计算和选择355.3 步进电机惯性负载的计算38第6章 Z轴机械结构设计416.1 确定脉冲当量416.2滚珠丝杠螺母副的计算和选型416.2.1 精度的选择416.2.2丝杠导程的确定416.2.3 最大工作载荷的计算416.2.4 最大动载荷的计算426.2.5 滚珠丝杠螺母副的选型436.2.6 滚珠丝杠副的支承方式436.2.7 传动效率的计算446.2.8 刚度的验算446.2.9 稳定性校核456.2.10 临界转速的验证466.3 步进电动机的选择466.4 丝杠轴的校核496.5 键的校核506.6 轴承的校核506.7 直线滚动导轨副的计算和选择52第7章 减速器机构的设计557.1电机选择557.1.1 计算输出轴的转矩557.1.2 确定各轴传动比577.1.3 传动装置的运动和动力参数577.2齿轮设计与计算597.2.1高速级齿轮设计与计算597.2.2 低速级齿轮设计与计算647.3 轴的设计与计算687.3.1输入轴的设计与计算687.3.2 中间轴的设计与计算717.3.3输出轴的设计与计算747.4 轴承的校核767.4.1 输入轴上轴承寿命计算767.4.2 中间轴上轴承寿命计算777.4.3 输出轴上轴承寿命计算787.5 键的选择和校核807.5.1键的选择807.5.2键的校核80结论82参考文献83致 谢85第1章 绪论所谓异型石材：广泛的说，为除了石头板材（平板）以外的所有的其他的石材制成品，比如说是路沿石、柱子、柱头、雕刻、线条、台阶、台面、拱门、窗台、门框、石凳、石桌、洗手盆、车止石等等。1.1异型石材的分类1.1.1异型石材的分类从大的分类可分为天然异型石材，人造石异型石材。从制作工艺分类由于异型石材制品可以指除了石头平板材以外的所有的石材制成品，所以其种类非常的繁多，分类也很多。1.1.2按加工方法分1）.立体异型石材产品：包括立体的人像、动物、抽象、以及其他题材或造型的石雕品， 平面浮雕，带雕刻的柱子、柱头、柱座，雕刻家具，栏杆扶手，石头壁炉，花盆花瓶，墓碑，喷泉，带雕刻的窗套门套，工艺品等等。可以是规则的对称产品，也可 以是不规则的非对称产品。其中立体类的异型石材的加工方式主要方式是：劈、剁、磨、铲、凿、钻等，并可以是通过手工加工完成，或是采用机械化加工来实现。 2）.平面异型石材产品：如像是厨卫的台面板，常规的石材线条，水刀拼花板材，工作台面板和桌面，常规的路沿石，拐 角等等，其形状可以是对称的，也可以是不对称的。平面型的异型石材其加工相对来说比较简单，主要通过切、磨、抛光等简单的加工工序就能生产出来；其主要是 由机器加工完成的。3）.曲面板材产品：比如弧型板、圆柱、规则弧度的曲线线条等，其形状基本是对称的。曲面异型石材的加工也是相对来 说比较简单（会比平面异型石材难度大些），主要通过切、磨、抛等简单加工完成，但是其设备教先进，是专门用来加工曲线截面的（比如说金刚石绳锯），其主要 也是由机器加工完成的。1.1.3按截面尺寸分1）.等截面异形产品：即无论主体的形状及其截面的是怎样的，按柱体轴线的垂直面来剖开，其所得的各截面图是相同的，即为等截面异形石材。等截面异形石材是一种对称的异型石材。 2）.非等截面异形产品：是指无论主体的形状及其截面的是怎样的，如果按柱体轴线的垂直面来剖开，其所得的各截面图是并没有处处相同的，则是非等截面异形石材。非等截面异形石材是非对称异型石材，其主要是有着复杂结构的石材产品。 3.此外还有其他的一些分类方法。1.2异形石材的装饰效果随着经济的发展、生活水平的提高以及审美观念的变化，现今人们更推崇自然而且华丽高贵的装饰效果。石材制品以其独特的天然花色纹理，优异的物理性质及加工 性能和华丽庄重的装饰效果，赢得了广大消费者的青睐，被广泛的用于建筑安装、家居装饰、艺术雕刻、生活用具等方面，特别是在建筑装饰的使用，像是门套窗 套、罗马柱、喷泉、拱门、雕刻、拼花等等，衬托出建筑物的高雅庄重大气，已经成了高级身份的象征，更是夺得可广大消费者和设计师所的芳心，使用量年年激 增。而且各种异形天然石材凭借着其艺术性，犹如画龙点睛一般，更添加了整个建筑的高雅华贵的档次和艺术气息。还有像一些艺术洗手盆、花湓、茶几、壁炉、雕 刻等生活装饰用品越来越多的融入到人们的生活，更增强了人们的生活品质和艺术格调。1.3异形石材加工的损耗介绍天然石材异型制品的加工流程比较复杂，也很烦琐，这里就不按流程来介绍各种异型石材的加工损耗情况，而是按不同的异石材种类整体介绍一下各类异型石材加工的损耗情况。1. 石材荒料加工成圆形石材（原柱体），损耗通常在20%-70%。2. 石材荒料雕刻为异型雕刻品，损耗通常为40%-75%3. 圆形石材加工成花瓶，损耗通常为40%-60%4. 圆形石材加工成圆形桌面，损耗通常为40%-50%5. 圆形石材加工成圆形凳子，损耗通常为30%-40%6. 石材荒料加工成圆球，损耗通常为50%-60%7. 石板材加工成烟灰缸，损耗通常为35%-75%8. 圆形石材加工成蜡烛台架，损耗通常为45%-80%9. 圆形石材加工成罐子，损耗通常为50%-70%10. 石材荒料加工成椭圆型球体，损耗通常为45%-60%11. 圆形石材加工成圆盘状（类）器具，损耗通常为30%-40%12. 石板材加工成方盘状（类）器具，损耗通常为20%-30%13. 圆形石材加工成梭状柱体，损耗通常为20%-50%天然石材异型类产品的损耗情况受石材性质、加工工具、加工方法、产品造型和工艺技术等许多方面的影响，所以同一产品有时不同工厂生产，损耗的差异度也很大，所以以上数据仅供大家参考。1.4石材加工机械分类1. 按生产工艺过程分类石材机械可分为石材开采机械、石材加工机械、石材装修机械、石材维护机械、石材加工工具、石材检测机械等，另外还有一些工具和辅具，如金刚石锯片、磨具、磨料、石材化学防护用品、各类石材监测仪器等。2. 按加工工艺分类包括切机和钻机。如切机，在切割石材毛板，现场装修、检测时都会用到装有金刚石节块（或整边）圆锯片的切机；再如钻机，在矿山取样、加工钻孔、装修、艺术品雕刻时也会用上各类不同的钻机等。3. 按刀具材料分类如使用金刚石、立方氮化硼等作磨料制作的石材加工工具统称为超硬材料工具；使用石材碎料制作的合成石设备称为合成石生产线等。石材机械举例【勘查与矿山设计阶段】地质钻机、地钻机、放射性检测仪、样品分析仪、裂石机等【石材开采阶段】凿岩机、金刚石绳锯、桅杆吊、顶石机、汽车吊、挖掘机、链式推机、空压机、链臂锯等。【石材加工阶段】砂锯、圆盘锯、框架锯、磨机、异型加工机、抹胶机、板材加工流水线、合成石流水线、金刚石工具等【石材装饰装修设计】CAD软件、数码相机、计算机、扫描仪、激光划线仪等【石材装饰装修阶段】墙锯、清洗机、翻新机、化学锚栓、干挂件、放线仪等【石材检测阶段】压力机、放射性检测仪、卡尺、钢直尺、耐磨仪等【石材维修与防护】石材翻新机、清洗机、吸水机、光泽度检测仪等【石材综合利用】合成石生产流水线、过滤机、净水机、石材冲压机、石材制砖机等1.5国内异形石材加工机械设备现状与发展目前，国内石材异型加工设备有几十种，但是与意大利等先进设备相比，还存在很大差距。国内少数大型石材加工企业，近几年从意大利引进数控异型加工设 备，进行复杂的异型石材加工，进口异型加工设备主要有石材加工中心、卧式数控加工机床、立式数控加工机床、数控台面加工机床等。石材异型加工有许多工序， 即使是大企业，也是靠手工完成，特别是不规则形状表面的磨抛光，基本上是靠手工完成。国产异型加工设备虽然有许多品种，但真正功能强的数控加工机床还没 有。异型石材加工设备的发展空间较大，主要方向就是多维数控，异型石材的设备磨抛光技术，各种复杂空间曲面的加工设备及刀具，可以借鉴金属数控加工设备的 结构及控制技术，用于石材异型加工设备。石材平面异型加工设备工艺较成熟，数控金刚石串珠绳锯，数控水刀切割机，三维数控铣床等异型加工设备已经成熟，并 广泛应用于石材加工。圆弧石材、球形石材的切割及磨抛技术相对成熟。异型磨边设备（特别是各种圆弧边），近几年不断推向市场，并实现了多头连续磨削、磨 光，设备化水平不断提高。国内石材设备发展趋势从国外石材设备近年来的发展和在国内石材行业中的应用，目前国内石材设备的发展趋势主要体现在三个方面：1、石材设备向高效方面发展，如在锯片数量上增加；2、石材设备向自动化方面发展，如数控技术在石材加工设备的广泛运用；3、石材设备向环境化发展，如金刚石串珠绳锯，高压水射流等环保加工设备的研制与应用。可以预见，随着石材加工技术及装备的进步，石材加工企业将朝着工厂化、管理信息化、优质低耗的方向发展，而高效以及自动化依然是石材设备发展的永恒主题！86第2章 石材立式球磨机总体结构设计2.1 石材立式球磨机的构成该机在整体结构的主要零部件有底座基础、纵向导轨、横向导轨、支柱、切削头、旋转工作台、控制箱、等组成。其中底座基础上安装有地脚螺栓，纵向导轨支撑体通过地脚螺栓与基础体固定在一起。该机分为主运动系统、横向进给系统（X向）、纵向进给系统（Y向）、竖直进给系统（Y向）、工作原理:机器工作时，主电机运动将动力通过带轮传递给主轴，主轴带动磨块高速磨削工作台上的工件。通过纵向导轨和横向导轨实现刀具的上下运动和左右运动。其中主动电机固定在滑块14上。工作台还可以在水平面内自身旋转360度。整机的运动是在PLC的控制下进行的，进而实现了对工件加工的连续性和自动化.2.2 球磨机磨削部分计算2.2.1 同步带计算选型设计功率是根据需要传递的名义功率、载荷性质、原动机类型和每天连续工作的时间长短等因素共同确定的，表达式如下：式中需要传递的名义功率工作情况系数，按表2工作情况系数选取=1.7；表2.工作情况系数1） 确定带的型号和节距 可根据同步带传动的设计功率Pd和小带轮转速n1，由同步带选型图中来确定所需采用的带的型号和节距。 其中Pd=0.63kw，n1=56rpm。查表3-2-2表3-2-2选同步带的型号为H：，节距为：Pb=8.00mm1） 选择小带轮齿数z1，z2 可根据同步带的最小许用齿数确定。查表3-3-3得。 查得小带轮最小齿数14。实际齿数应该大于这个数据初步取值z1=34故大带轮齿数为：z2=iz1=1z1=34。 故z1=34，z2=34。 确定带轮的节圆直径d1，d2小带轮节圆直径d1=Pbz1/=8.0034/3.1486.53mm大带轮节圆直径d2=Pbz2/=8.0034/3.1486.53mm 验证带速v 由公式v=d1n1/60000计算得， svmax=40m/s,其中vmax=40m/s由表3-2-4查得。a) 确定带长和中心矩根据机械设计基础得 所以有：现在选取轴间间距为取224mm10、同步带带长及其齿数确定=() = =719.7mm11、带轮啮合齿数计算有在本次设计中传动比为1，所以啮合齿数为带轮齿数的一半，即=17。12、基本额定功率的计算查基准同步带的许用工作压力和单位长度的质量表4-3可以知道=2100.85N，m=0.448kg/m。 所以同步带的基准额定功率为=0.21KW表2-3 基准宽度同步带的许用工作压力和单位长度的质量13、计算作用在轴上力=71.6N2.2.2 同步带的主要参数（结构部分）1、同步带的节线长度 同步带工作时，其承载绳中心线长度应保持不变，因此称此中心线为同步带的节线，并以节线周长作为带的公称长皮，称为节线长度。在同步带传动中，带节线长度是一个重要参数。当传动的中心距已定时，带的节线长度过大过小，都会影响带齿与轮齿的正常啮合，因此在同步带标准中，对梯形齿同步带的各种哨线长度已规定公差值，要求所生产的同步带节线长度应在规定的极限偏差范围之内（见表2-4）。表2-4 带节线长度表2、带的节距Pb如图4-2所示，同步带相邻两齿对应点沿节线量度所得约长度称为同步带的节距。带节距大小决定着同步带和带轮齿各部分尺寸的大小，节距越大，带的各部分尺寸越大，承载能力也随之越高。因此带节距是同步带最主要参数在节距制同步带系列中以不同节距来区分同步带的型号。在制造时，带节距通过铸造模具来加以控制。梯形齿标准同步带的齿形尺寸见表2-5。3、带的齿根宽度 一个带齿两侧齿廓线与齿根底部廓线交点之间的距离称为带的齿根宽度，以s表示。带的齿根宽度大，则使带齿抗剪切、抗弯曲能力增强，相应就能传动较大的裁荷。图2-2 带的标准尺寸表2-5 梯形齿标准同步带的齿形尺寸4、带的齿根圆角 带齿齿根回角半径rr的大小与带齿工作时齿根应力集中程度有关t齿根圆角半径大，可减少齿的应力集中，带的承载能力得到提高。但是齿根回角半径也不宜过大，过大则使带齿与轮齿啮合时的有效接触面积城小，所以设计时应选适当的数值。5、带齿齿顶圆角半径八 带齿齿项圆角半径八的大小将影响到带齿与轮齿啮合时会否产生于沙。由于在同步带传动中，带齿与带轮齿的啮合是用于非共扼齿廓的一种嵌合。因此在带齿进入或退出啮合时，带齿齿顶和轮齿的顶部拐角必然会超于重叠，而产生干涉，从而引起带齿的磨损。因此为使带齿能顺利地进入和退出啮合，减少带齿顶部的磨损，宜采用较大的齿顶圆角半径。但与齿根圆角半径一样，齿顶圆角半径也不宜过大，否则亦会减少带齿与轮齿问的有效接触面积。 6、齿形角梯形带齿齿形角日的大小对带齿与轮齿的啮合也有较大影响。如齿形角霹过小，带齿纵向截面形状近似矩形，则在传动时带齿将不能顺利地嵌入带轮齿槽内，易产生干涉。但齿形角度过大，又会使带齿易从轮齿槽中滑出，产生带齿在轮齿顶部跳跃现象。2.2.3 同步带的设计在这里，我们选用梯形带。带的尺寸如表2-6。带的图形如图2-3。表2-6 同步带尺寸型号节距齿形角齿根厚齿高齿根圆角半径齿顶圆半径H840。6.124.31.021.02图2-3 同步带2.2.4 同步带轮的设计同步带轮的设计的基本要求1、保证带齿能顺利地啮入与啮出由于轮齿与带齿的啮合同非共规齿廓啮合传动，因此在少带齿顶部与轮齿顶部拐角处的干涉，并便于带齿滑入或滑出轮齿槽。2、轮齿的齿廊曲线应能减少啮合变形，能获得大的接触面积，提高带齿的承载能力即在选探轮齿齿廓曲线时，应使带齿啮入或啮出时变形小，磨擦损耗小，并保证与带齿均匀接触，有较大的接触面积，使带齿能承受更大的载荷。3、有良好的加了工艺性 加工工艺性好的带轮齿形可以减少刀具数量与切齿了作员，从而可提高生产率，降低制造成本。4、具有合理的齿形角齿形角是决定带轮齿形的重要的力学和几何参数，大的齿形角有利于带齿的顺利啮入和啮出，但易使带齿产生爬齿和跳齿现象；而齿形角过小，则会造成带齿与轮齿的啮合干涉，因此轮齿必须选用合理的齿形角。同步带轮的设计结果同步带轮用梯形齿，其图形如图2-4。 图 2-4 同步带轮第3章 主轴组件要求与设计计算主轴组件是砂轮磨头的执行件，它的功用是支承并带动砂轮旋转，完成表面成形运动，同时还起传递运动和扭矩、承受切削力和驱动力等载荷的作用。由于主轴组件的工作性能直接影响到砂轮磨头的加工质量和生产率，因此它是砂轮磨头中的一个关键组件。主轴和一般传动轴的相同点是，两者都传递运动、扭矩并承受传动力，都要保证传动件和支承的正常工件条件，但主轴直接承受切削力，还要带动工件或刀具，实现表面成形运动，因此对主轴有较高的要求。3.1 主轴的基本要求3.1.1 旋转精度主轴的旋转精度是指主轴在手动或低速、空载时，主轴前端定位面的径向跳动r、端面跳动a和轴向窜动值o。如图3-1所示：图中实线表示理想的旋转轴线，虚线表示实际的旋转轴线。当主轴以工作转速旋转时，主轴回转轴线在空间的漂移量即为运动精度。主轴组件的旋转精度取决于部件中各主要件（如主轴、轴承及支承座孔等）的制造精度和装配、调整精度；运动精度还取决于主轴的转速、轴承的性能和润滑以及主轴部件的动态特性。各类通用砂轮磨头主轴部件的旋转精度已在砂轮磨头精度标准中作了规定，专用砂轮磨头主轴部件的旋转精度则根据工件精度要求确定。图3-1 主轴的旋转误差3.1.2 刚度主轴组件的刚度K是指其在承受外载荷时抵抗变形的能力，如图3-2所示，即K=F/y（单位为N/m），刚度的倒数y/F称为柔度。主轴组件的刚度，是主轴、轴承和支承座的刚度的综合反映，它直接影响主轴组件的旋转精度。显然，主轴组件的刚度越高，主轴受力后的变形就越小，如若刚度不足，在加工精度方面，主轴前端弹性变形直接影响着工件的精度；在传动质量方面，主轴的弯曲变形将恶化传动齿轮的啮合状况，并使轴承产生侧边压力，从而使这些零件的磨损加剧，寿命缩短；在工件平稳性方面，将使主轴在变化的切削力和传动力等作用下，产生过大的受迫振动，并容易引起切削自激振动，降低了工件的平稳性。图3-2 主轴组件静刚度主轴组件的刚度是综合刚度，影响主轴组件刚度的因素很多，主要有：主轴的结构尺寸、轴承的类型及其配置型式、轴承的间隙大小、传动件的布置方式、主轴组件的制造与装配质量等。3.1.3 抗振性主轴组件的抗振性是指其抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳运转的能力。在切削过程中，主轴组件不仅受静载荷的作用，同时也受冲击载荷和交变载荷的作用，使主轴产生振动。如果主轴组件的抗振性差，工作时容易产生振动，从而影响工件的表面质量，降低刀具的耐用度和主轴轴承的寿命，还会产生噪声影响工作环境。随着砂轮磨头向高精度、高效率方向发展，对抗振性要求越来越高。评价主轴组件的抗振性，主要考虑其抵抗受迫振动和自激振动能力的大小。3.1.4 温升和热变形主轴组件工作时因各种相对运动处的摩擦和搅油等而发热，产生了温升，温升使主轴组件的形状和位置发生畸变，称为热变形。热变形应以主轴组件运转一定时间后各部分位置的变化来度量。主轴组件温升和热变形，使砂轮磨头各部件间相对位置精度遭到破坏，影响工件加工精度，高精度砂轮磨头尤为严重；热变形造成主轴弯曲，使传动齿轮和轴承的工作状态变坏；热变形还使主轴和轴承，轴承与支承座之间已调整好的间隙和配合发生变化，影响轴承正常工作，间隙过小将加速齿轮和轴承等零件的磨损，严重时甚至会发生轴承抱轴现象。影响主轴组件温升、热变形的主要因素有：轴承的类型和布置方式，轴承间隙及预紧力的大小，润滑方式和散热条件等。3.1.5 耐磨性主轴组件的耐磨性是指长期保持其原始精度的能力，即精度的保持性。因此，主轴组件各个滑动表面，包括主轴端部定位面、锥孔，与滑动轴承配合的轴颈表面，移动式主轴套筒外圆表面等，都必须具有很高的硬度，以保证其耐磨性。为了提高主轴组件的耐磨性，应该正确地选用主轴和滑动轴承的材料及热处理方法、润滑方式，合理调整轴承间隙，良好的润滑和可靠的密封。3.2 主轴组件的布局主轴组件的设计，必须保证满足上述的基本要求，从而从全局出发，考虑主轴组件的布局。砂轮磨头主轴有前、后两个支承和前、中、后三个支承两种，以前者较多见。两支承主轴轴承的配置型式，包括主轴轴承的选型、组合以及布置，主要根据对所设计主轴组件在转速、承载能力、刚度以及精度等方面的要求，并考虑轴承的供应、经济性等具体情况，加以确定。在选择时，具体有以下要求：（1）适应刚度和承载能力的要求主轴轴承选型应满足所要求的刚度和承载能力。径向载荷较大时，可选用滚子轴承；较小时，可选用球轴承。双列滚动轴承的径向刚度和承载能力，比单列的大。同一支承中采用多个轴承的支承刚度和承载能力，比采用单个轴承大。一般来说，前支承的刚度，应比后支承的大。因为前支承刚度对主轴组件刚度的影响要比后支承的大。表2-1所示为滚动轴承和滑动轴承的比较。表2-1 滚动轴承和滑动轴承的比较基本要求滚动轴承滑动轴承动压轴承静压轴承旋转精度精度一般或较差。可在无隙或预加载荷下工作。精度也可以很高，但制造困难单油楔轴承一般，多油楔轴承较高可以很高刚度仅与轴承型号有关，与转速、载荷无关，预紧后可提高一些随转速和载荷升高而增大与节流形式有关，与载荷转速无关承载能力一般为恒定值，高速时受材料疲劳强度限制随转速增加而增加，高速时受温升限制与油腔相对压差有关，不计动压效应时与速度无关抗振性能不好，阻尼系数D=0.029较好，阻尼系数D=0.055很好，阻尼系数D=0.4速度性能高速受疲劳强度和离心力限制，低中速性能较好中高速性能较好。低速时形不成油漠，无承载能力适应于各种转速摩擦功耗一般较小，润滑调整不当时则较大f=0.0020.008较小f=0.0010.08本身功耗小，但有相当大的泵功耗f=0.00050.001噪声较大无噪声本身无噪声，泵有噪声寿命受疲劳强度限制在不频繁启动时，寿命较长本身寿命无限，但供油系统的寿命有限（2）适应转速要求由于结构和制造方面的原因，不同型号和规格的轴承所允许的最高转速是不同的。轴承的规格越大，精度等级越低，允许的最高转速越低。在承受径向载荷的轴承当中，圆柱滚子轴承的极限转速，比圆锥滚子轴承的高。在承受轴向载荷的轴承当中，向心推力轴承的极限转速最高；推力球轴承的次之；圆锥滚子轴承的最低，但承载能力与上述次序相反。因此，应综合考虑转速和承载能力两方面要求来选择轴承型式。（3）适应精度的要求起止推作用的轴承的布置有三种方式：前端定位止推轴承集中布置在前支承；后端定位集中布置在后支承；两端定位分别布置在前、后支承。采用前端定位时，主轴受热变形向后延伸，不影响轴向定位精度，但前支承结构复杂，调整轴承间隙较不便，前支承处发热量较大；后端定位的特点与前述的相反；两端定位时，主轴受热伸长后，轴承轴向间隙的改变较大，若止推轴承布置在径向轴承内侧，主轴可能因热膨胀而弯曲。（4）适应结构的要求当要求主轴组件在性能上有较高的刚度和一定的承载能力，而在结构上径向尺寸要紧凑时，则可在一个支承（尤其是前支承）中配置两个或两个以上的轴承。对于轴间距很小的多主轴砂轮磨头，由于结构限制，宜采用滚针轴承来承受径向载荷，用推力球轴承来承受轴向载荷，并使两轴承错开排列。（5）适应经济性要求确定主轴轴承配置型式，除应考虑满足性能和结构方面要求外，还应作经济性分析，使经济效果好。在中速和大载荷情况下，采用圆锥滚子轴承要比采用向心轴承和推力轴承组合配置型式成本低，因为前者节省了两个轴承，而且箱体工艺性较好。综合考虑以上因素，本设计的主轴采用前、后支承的两支承主轴，前支承采用双列向心短圆柱滚子轴承和推力球轴承的组合，D级精度；后支承采用圆柱滚子轴承，E级精度。其中前支承的双列圆柱滚子轴承，滚子直径小，数量多（5060个），具有较高的刚度；两列滚子交错布置，减少了刚度的变化量；外圈无挡边，加工方便；轴承内孔为锥孔，锥度为1：12，轴向移动内圈使之径向变形，调整径向间隙和预紧；黄铜实体保持架，利于轴承散热。前支承的总体特点是：主轴静刚度好，回转精度高，温升小，径向间隙可以调整，易保持主轴精度，但由于前支承结构比较复杂，前、后支承的温升不同，热变形较大，此外，装配、调整比较麻烦。3.3 主轴结构的初步拟定主轴的结构主要决定于主轴上所安装的刀具、夹具、传动件、轴承和密封装置等的类型、数目、位置和安装定位的方法，同时还要考虑主轴加工和装配的工艺性，一般在砂轮磨头主轴上装有较多的零件，为了满足刚度要求和能得到足够的止推面以及便于装配，常把主轴设计成阶梯轴，即轴径从前轴颈起向后依次递减。主轴是空心的或者是实心的，主要取决于砂轮磨头的类型。此次设计的主轴，也设计成阶梯形，同时，在满足刚度要求的前提下，设计成空心轴，以便通过刀具拉杆。主轴端部系指主轴前端。它的形状决定于砂轮磨头的类型、安装夹具或刀具的形式，并应保证夹具或刀具安装可靠、定位准确，装卸方便和能传递一定的扭矩。3.4 主轴的材料与热处理主轴材料主要根据刚度、载荷特点、耐磨性和热处理变形大小等因素选择。主轴的刚度与材料的弹性模量E值有关，钢的E值较大（2.110N/cm左右），所以，主轴材料首先考虑用钢料。钢的弹性模量E的数值和钢的种类和热处理方式无关，即不论是普通钢或合金钢，其弹性模量E基本相同。因此在选择钢料时应首先选用价格便宜的中碳钢（如45钢），只有在载荷特别重和有较大的冲击时，或者精密砂轮磨头主轴需要减少热处理后的变形时，或者轴向移动的主轴需要保证其耐磨性时，才考虑选用合金钢。当主轴轴承采用滚动轴承时，轴颈可不淬硬，但为了提高接触刚度，防止敲碰损伤轴颈的配合表面，不少45钢主轴轴颈仍进行高频淬火（HRC4854）.有关45钢主轴热处理情况如下表3-2所列：表3-2 使用滚动轴承的45钢主轴热处理等参数工 作 条 件使 用 机 床材 料 牌 号热 处 理硬 度常 用代 用轻中负载车、钻、铣、磨床主轴4550调质HB220250轻中负载局部要求高硬度磨床的砂轮轴4550高频淬火HRC5258轻中负载PV40（Nm/cms）车、钻、铣、磨床的主轴4550淬火回火高频淬火HRC4250HRC5258此次设计的砂轮磨头主轴，考虑到主轴材料的选择原则，选用价格便宜的中碳钢（45钢）。查表3-2中，因工作中承受轻、中负荷，且要求局部高硬度，故热处理采用高频淬火，HRC5258。3.5 主轴的技术要求主轴的精度直接影响到主轴组件的旋转精度。主轴和轴承、齿轮等零件相连接处的表面几何形状误差和表面粗糙度，关系到接触刚度，零件接触表面形状愈准确、表面粗糙度愈低，则受力后的接触变形愈小，亦即接触刚度愈高。因此，对主轴设计必须提出一定的技术要求。（1）轴颈 此次设计的主轴，应首先考虑轴颈。支承轴颈是主轴的工作基面、工艺基面和测量基面。主轴工作时，以轴颈作为工作基面进行旋转运动；加工主轴时，为了保证锥孔中心和轴颈中心同轴，一般都以轴颈作为工艺基面来最后精磨锥孔；在检查主轴精度时，以轴颈作为测量基面来检查各部分的同轴度和垂直度。采用滚动轴承时，轴颈的精度必须与轴承的精度相适应。轴颈的表面粗糙度和硬度，将影响其与滚动轴承的配合质量。对于普通精度级砂轮磨头的主轴，其支承轴颈的尺寸精度为IT5，轴颈的几何形状允差（圆度、圆柱度等）通常应小于直径公差的1/41/2。（2）内锥孔 内锥孔是安装刀具或顶尖的定位基面。在检验砂轮磨头精度时，它是代表主轴中心线的基准，用来检查主轴与其他部件的相互位置精度，如主轴与导轨的平行度等。由于刀具和顶尖要经常装拆，故内锥孔必须耐磨。锥孔与轴承轴颈的同轴度，一般以锥孔端部及其相距100300毫米处对轴颈的径向跳动表示；其形状误差用标准检验锥着色检查的接触面积大小来检验，此乃综合指标；还要求一定的表面粗糙度和硬度等。3.6 主轴直径的选择主轴直径对主轴组件刚度的影响很大，直径越大，主轴本身的变形和轴承变形引起的主轴前端位移越小，即主轴组件的刚度越高。但主轴前端轴颈直径D1越大，与之相配的轴承等零件的尺寸越大，要达到相同的公差则制造越困难，重量也增加。同时，加大直径还受到轴承所允许的极限转速的限制，甚至为砂轮磨头结构所不允许。通常，主轴前轴颈直径D1可根据传递功率，并参考现有同类砂轮磨头的主轴轴颈尺寸确定。查金属切削砂轮磨头设计第506页表5-12中，几种常见的通用砂轮磨头钢质主轴前轴颈的直径D1，可供参考，如下表3-3所示：砂轮磨头，查上表中对应项，初取D1= D2=30。表3-3 主轴前轴颈直径D1的选择机床机床功率 （千瓦）1.472.52.63.63.75.55.67.37.4111114.7车床608070907010595130110145140165铣床5090609060957510090105100115外圆磨床5090557070807590751003.7 主轴前后轴承的选择根据前述关于轴承的选择原则，查金属切削设计简明手册第375页，选取主轴前支承的36206是旧型号，新型号是7206C，即接触角为15的角接触球轴承。图3-6 轴承结构参数及安装尺寸3.8 轴承的选型及校核滚动轴承的选择包括轴承类型选择、轴承精度等级选择和轴承尺寸选择。轴承类型选择适当与否，直接影响轴承寿命以至机器的工作性能。选择轴承类型时应当分析比较各类轴承的特性，并参照同类机器中的轴承使用经验。 在选择轴承类型时，首先要考虑载荷的大小、方向以及轴的转速。一般说来，球轴承便宜，在载荷较小时，宜优先选用。滚子轴承的承载能力比球轴承大，而且能承受冲击载荷，因此在重载荷或受有振动、冲击载荷时，应考虑选用滚子轴承。但要注意滚子轴承对角偏斜比较敏感。当主要承受径向载荷时，应选用向心轴承。当承受轴向载荷而转速不高时，可选用推力轴承；如转速较高，可选用角接触球轴承。当同时承受径向裁荷和轴向载荷时，若轴向载荷较小，可选用向心球轴承或接触角不大的角接触球轴承；若轴向载荷较大，而转速不高，可选用推力轴承和向心轴承的组合方式，分别承受轴向载荷和径向载荷；当轴向载荷较大，且转速较高时，则应选用接触角较大的角接触轴承。各类轴承适用的转速范围是不相同的，在机械设计手册中列出了各类轴承的极限转速。一般应使轴承在低于极限转速下运转。向心球轴承、角接触球轴承和短圆柱痞子轴承的极限转速较高。适用于较高转速场合。推力轴承的极限转速较低只能用于较低转速场合。其次，在选择轴承类型时还需考虑安装尺寸限制、装拆要求，以及轴承的调心件能和风度，一般球轴承外形尺寸较大，滚子轴承较小，滚针轴承的径向尺寸最小而轴向尺寸较大，此外，不同系列的轴承，其外形尺寸也不相同。选择轴承一般应根据机械的类型、工作条件、可靠性要求及轴承的工作转速n，预先确定一个适当的使用寿命Lb (用工作小时表示)，再进行额定动裁荷和额定静载荷的计算。对于转速较高的轴承(n10rmin),可按基本额定动载荷计算值选择轴承，然后校核其额定静载荷是否满足要求。当轴承可靠性为90、轴承材料为常规材料并在常规条件下运转时，取500h作为额定寿命的基准，同时考虑温度、振动、冲击等变化，则轴承基本额定动载荷可按下式进行简化计算。C基本额定动载荷计算值，N；P当量动载荷，N；fh寿命因数；1fn速度因数；0.822fm力矩载荷因数，力矩载荷较小时取1.5，较大时取2；fd冲击载荷因数；1.5fT温度因数；1CT轴承尺寸及性能表中所列径向基本额定动载荷，N；查文献3中的表6-2-8至6-2-12，得，fh=1；fn=0.822；fm=1.5；fd=1.5；fT=1。在本输送装置中，可以假设轴承只承受径向载荷，则当量动载荷为：P=XFr+YFa查文献3的表6-2-18，得，X=1，Y=0；所以，P=Fr=1128N。由以上可得：本输送机中的轴承承受的载荷多为径向载荷，所以选取深沟球轴承，查文献6的附表6-1，并考虑轴的外径，选取轴承6305-RZ，其具体参数为：内径d=25mm，外径D=62mm，基本额定载荷，基本额定静载荷，极限速度为10000r/min，质量为0.219kg。然后校核该轴承的额定静载荷。额定静载荷的计算公式为：式中：基本额定静载荷计算值，N; 当量静载荷，N；安全因数轴承尺寸及性能表中所列径向基本额定静载荷，N。查文献3的表6-2-14知，对于深沟球轴承，其当量静载荷等于径向载荷。查文献3的表6-2-14知，安全系数则轴承的基本额定静载荷为：由上式可知，选取的轴承符合要求。3.9 主轴前端悬伸量主轴前端悬伸量a指的是主轴前支承支反力的作用点到主轴前端受力作用点之间的距离，它对主轴组件刚度的影响较大。悬伸量越小，主轴组件刚度越好。主轴前端悬伸量a取决于主轴端部的结构形状及尺寸，一般应按标准选取，有时为了提高主轴刚度或定心精度，也可不按标准取。另外，主轴前端悬伸量a还与前支承中轴承的类型及组合型式、工件或夹具的夹紧方式以及前支承的润滑与密封装置的结构尺寸等有关。因此，在满足结构要求的前提下，应尽可能减小悬伸量a，以利于提高主轴组件的刚度。初算时，可查金属切削砂轮磨头设计第158页，如下表3-4所示：表3-4 主轴的悬伸量与直径之比类型机 床 和 主 轴 的 类 型a/ D1通用和精密车床，自动车床和短主轴端铣床，用滚动轴承支承，适用于高精度和普通精度要求0.61.5中等长度和较长主轴端的车床和铣床，悬伸量不太长（不是细长）的精密镗床和内圆磨，用滚动和滑动轴承支承，适用于绝大部分普通生产的要求1.252.5孔加工砂轮磨头，专用加工细长深孔的砂轮磨头，由加工技术决定需要有长的悬伸刀杆或主轴可移动，由于切削较重而不适用于有高精度要求的砂轮磨头2.5根据上表所列，所设计的砂轮磨头属于型，所以取a/ D1为1.252.5，即：a=（1.252.5）D1=（1.252.5）30=37.575初取a=45。3.10 主轴支承跨距主轴支承跨距L是指主轴前、后支承支承反力作用点之间的距离。合理确定主轴支承跨距，可提高主轴部件的静刚度。可以证明，支承跨距越小，主轴自身的刚度越大，弯曲变形越小，但支承的变形引起的主轴前端的位移量将增大；支承跨距大，支承的变形引起的主轴前端的位移量较小，但主轴本身的弯曲变形将增大。可见，支承跨距过大或过小都会降低主轴部件的刚度。有关资料对合理跨距选择的推荐值可作参考：（1） L=（45）D1（2） L=（35）a，用于悬伸长度较小时；（3） L=（12）a，用于悬伸长度较大时。根据此次设计的砂轮磨头刚性主轴的悬伸量较大，取L2.5a为宜。即此次设计的主轴两支承的合理跨距L2.5a=2.5120=300初取L=280。3.11 主轴结构图根据以上的分析计算，可初步得出主轴的结构如图3-7所示：图3-7 主轴结构图3.12 主轴组件的验算主轴在工作中的受力情况严重，而允许的变形则很微小，决定主轴尺寸的基本因素是所允许的变形的大小，因此主轴的计算主要是刚度的验算，与一般轴着重于强度的情况不一样。通常能满足刚度要求的主轴也能满足强度的要求。刚度乃是载荷与弹性变形的比值。当载荷一定时，刚度与弹性变形成反比。因此，算出弹性变形量后，很容易得到静刚度。主轴组件的弹性变形计算包括：主轴端部挠度和主轴倾角的计算。3.12.1 支承的简化对于两支承主轴，若每个支承中仅有一个单列或双列滚动轴承，或者有两个单列球轴承，则可将主轴组件简化为简支梁，如下图3-8所示；若前支承有两个以上滚动轴承，可认为主轴在前支承处无弯曲变形，可简化为固定端梁，如图3-9所示：图3-8 主轴组件简化为简支梁图3-9 主轴组件简化为固定端梁此次设计的主轴，前支承选用了一个双列向心短圆柱滚子轴承和两个推力球轴承作为支承，即可认为主轴在前支承处无弯曲变形，可简化为上图2-9所示。3.12.2 主轴的挠度查材料力学I第188页的表6.1，对图2-9作更进一步的分析，如下图2-10所示：根据图3-10，可得此时的最大挠度=其中，F主轴前端受力。此处，F=F=1213.1NlA、B之间的距离。此处，l=a=12cm图3-10 固定端梁在载荷作用下的变形E主轴材料的弹性模量。45钢的E=2.110N/cmI主轴截面的平均惯性矩。当主轴平均直径为D，内孔直径为d时，I=。此处，D=35故可计算出，主轴端部的最大挠度：=-1.8710 mm3.12.3 主轴倾角主轴上安装主轴和安装传动齿轮处的倾角，称为主轴的倾角。此次设计的主轴主要考虑主轴前支承处的倾角。若安装轴承处的倾角太大，会破坏轴承的正常工作，缩短轴承的使用寿命。根据图2-10，可得此时的最大倾角=其中，F主轴前端受力。此处，F=Fz=1213.1NlA、B之间的距离。此处，l=a=12cmE主轴材料的弹性模量。45钢的E=2.110N/cmI主轴截面的平均惯性矩。当主轴平均直径为D，内孔直径为d时，I=。此处，D=133故可计算出，主轴倾角为：=-2.310 rad查砂轮磨头设计第一册中机械部分的第670页，可知：当x0.0002L mm0.001 rad时，刚性主轴的刚度满足要求。此处的x，即为最大挠度和最大倾角，L为主轴支承跨距。将已知数据和代入，即可得：初步设计的主轴满足刚度要求。第4章 X结构及传动设计表 4-1滚珠丝杆副支承支承方式简图特点一端固定一端自由结构简单，丝杆的压杆的稳定性和临界转速都较低设计时尽量使丝杆受拉伸。这种安装方式的承载能力小，轴向刚度底，仅仅适用于短丝杆。一端固定一端游动需保证螺母与两端支承同轴，故结构较复杂，工艺较困难，丝杆的轴向刚度与两端相同，压杆稳定性和临界转速比同长度的较高，丝杆有膨胀余地，这种安装方式一般用在丝杆较长，转速较高的场合，在受力较大时还得增加角接触球轴承的数量，转速不高时多用更经济的推力球轴承代替角接触球轴承。两端固定只有轴承无间隙，丝杆的轴向刚度为一端固定的四倍。一般情况下，丝杆不会受压，不存在压杆稳定问题，固有频率比一端固定要高。可以预拉伸，预拉伸后可减少丝杆自重的下垂和热膨胀的问题，结构和工艺都比较困难，这种装置适用于对刚度和位移精度要求较高的场合。4.1 X向滚珠丝杆副的选择滚珠丝杆副就是由丝杆、螺母和滚珠组成的一个机构。他的作用就是把旋转运动转和直线运动进行相互转换。丝杆和螺母之间用滚珠做滚动体，丝杠转动时带动滚珠滚动。设X向最大行程为300mm,最快进给速度为18m/min,主轴箱大概质量为50kg,工作台大概质量为80kg,移动部件大概质量为30kg，工作台最大行程为300mm。4.1.1导程确定电机与丝杆通过联轴器连接，故其传动比i=1, 选择电机Y系列异步电动机的最高转速，则丝杠的导程为 取Ph=12mm4.1.2确定丝杆的等效转速基本公式 最大进给速度是丝杆的转速 最小进给速度是丝杆的转速 丝杆的等效转速 式中取故4.1.3估计工作台质量及负重 主轴箱重量 工作台重量 移动部件重量 4.1.4确定丝杆的等效负载工作负载是指机床工作时，实际作用在滚珠丝杆上的轴向压力，他的数值用进给牵引力的实验公式计算。选定导轨为滑动导轨，取摩擦系数为0.03，K为颠覆力矩影响系数，一般取1.11.5，本课题中取1.3，则丝杆所受的力为其等效载荷按下式计算（式中取，）4.1.5确定丝杆所受的最大动载荷fw-负载性质系数，（查表：取fw=1.2）ft-温度系数（查表：取ft=1）fh-硬度系数（查表：取fh =1）fa-精度系数（查表：取fa =1）fk-可靠性系数（查表：取fk =1）Fm-等效负载nz-等效转速Th -工作寿命，取丝杆的工作寿命为15000h由上式计算得Car=17300N表3-1-1各类机械预期工作时间Lh表3-1-2精度系数fa表3-1-3可靠性系数fk表3-1-4负载性质系数fw4.1.6精度的选择滚珠丝杠副的精度对电气机床的定位精度会有影响，在滚珠丝杠精度参数中，导程误差对机床定位精度是最明显的。一般在初步设计时设定丝杠的任意300行程变动量应小于目标设定定位精度值的1/31/2,在最后精度验算中确定。，选用滚珠丝杠的精度等级X轴为13级（1级精度最高），Z轴为25级，考虑到本设计的定位精度要求及其经济性，选择X轴Y轴精度等级为3级，Z轴为4级。4.1.7选择滚珠丝杆型号 计算得出Ca=Car=17.3KN,则Coa=(23)Fm=（34.651.9）KN公称直径Ph=12mm则选择FFZD型内循环浮动返向器，双螺母垫片预紧滚珠丝杆副，丝杆的型号为FFZD40103。公称直径 d0=40mm 丝杆外径d1=39.5mm 钢球直径dw=7.144mm 丝杆底径d2=34.3mm 圈数=3圈 Ca=30KN Coa=66.3KN 刚度kc=973N/m4.2校核滚珠丝杆副的拉压系统刚度影响系统的定位精度和轴向拉压震动固有频率，其扭转刚度影响扭转固有频率。承受轴向负荷的滚珠丝杆副的拉压系统刚度KO有丝杆本身的拉压刚度KS，丝杆副内滚道的接触刚度KC，轴承的接触刚度Ka，螺母座的刚度Kn，按不同支撑组合方式计算而定。4.2.1 临界压缩负荷验证丝杆的支撑方式对丝杆的刚度影响很大，采用一端固定一端支撑的方式。临界压缩负荷按下列计算：式中E-材料的弹性模量E钢=2.1X1011（N/m2）LO-最大受压长度（m）K1-安全系数，取K1=1.3Fmax-最大轴向工作负荷（N）f1-丝杆支撑方式系数：f1=15.1I=丝杆最小截面惯性距（m4）式中do-是丝杆公称直径（mm）dw-滚珠直径（mm），丝杆螺纹不封闭长度Lu=工作台最大行程+螺母长度+两端余量Lu=300+148+20X2=488mm支撑距离LO应该大于丝杆螺纹部分长度Lu，选取LO=620mm代入上式计算得出Fca=5.8X108N可见FcaFmax，临界压缩负荷满足要求。4.2.2临界转速验证滚珠丝杠副高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速，要求丝杠的最高转速： 式中：A-丝杆最小截面：A=-丝杠内径，单位；P-材料密度p=7.85*103(Kg/m)-临界转速计算长度，单位为，本设计中该值为=148/2+300+(620-488)/2=440mm-安全系数，可取=0.8fZ-丝杠支承系数，双推-简支方式时取18.9经过计算，得出= 6.3*104，该值大于丝杠临界转速，所以满足要求。4.2.3丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率 丝杠系统的轴向拉压系统刚度Ke的计算公式式中 A丝杠最小横截面，；螺母座刚度KH=1000N/m。当导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中，L植分别为750mm和100mm。经计算得：式中 Ke 滚珠丝杠副的拉压系统刚度(N/m)； KH螺母座的刚度(N/m)；KH=1000 N/mKc丝杠副内滚道的接触刚度(N/m)；KS丝杠本身的拉压刚度(N/m)；KB轴承的接触刚度(N/m)。经计算得丝杠的扭转振动的固有频率远大于1500r/min，能满足要求。4.3电机的选择步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲的频率。步进电机具有惯量低、定位精度高、无累计误差、控制简单等优点，所以广泛用于机电一体化产品中。选择步进电动机时首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率，再者还要考虑转动惯量、负载转矩和工作环境等因素。4.3.1电机轴的转动惯量a、回转运动件的转动惯量上式中：d直径,丝杆外径d=39.5mmL长度=1mP钢的密度=7800经计算得b、X向直线运动件向丝杆折算的惯量上式中：M质量 X向直线运动件M=160kgP丝杆螺距（m）P=0.001m经计算得c、联轴器的转动惯量查表得 因此4.3.2电机扭矩计算a、折算至电机轴上的最大加速力矩上式中：J=0.0028kg/m2ta加速时间 KS系统增量，取15s-1,则ta=0.2s经计算得b、折算至电机轴上的摩擦力矩上式中：F0导轨摩擦力，F0=Mf，而f=摩擦系数为0.02，F0=Mgf=32NP丝杆螺距（m）P=0.001m传动效率，=0.90I传动比，I=1经计算得c、折算至电机轴上的由丝杆预紧引起的附加摩擦力矩上式中P0滚珠丝杆预加载荷1500N0滚珠丝杆未预紧时的传动效率为0.9经计算的T0=0.05NM则快速空载启动时所需的最大扭矩 根据以上计算的扭矩及转动惯量，选择电机型号为SIEMENS的IFT5066，其额定转矩为6.7。第5章 Y向结构设计5.1 Y轴滚动导轨副的计算和选择根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数fSL=C0/P，式中：C0为导轨的基本静额定载荷，kN；工作载荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.03.0(一般运行状况)，3.05.0（运动时受冲击、振动）。根据计算结果查有关资料初选导轨：因系统受中等冲击,因此取根据计算额定静载荷初选导轨:选择汉机江机床厂HJG-D系列滚动直线导轨,其型号为:HJG-D25基本参数如下:额定载荷/N静态力矩/N*M滑座重量导轨重量导轨长度动载荷静载荷L(mm)17500260001981982880.603.1760滑座个数单向行程长度每分钟往复次数M40.64导轨的额定动载荷N依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷 (kN)验算导轨的工作寿命Ln：额定行程长度寿命: 导轨的额定工作时间寿命: 导轨的工作寿命足够.5.2 滚珠丝杠计算和选择初选丝杠材质：CrWMn钢，HRC5860，导程：l0=5mm强度计算丝杠轴向力：(N)其中：K=1.15，滚动导轨摩擦系数f=0.0030005；在车床车削外圆时：Fx=(0.10.6)Fz，Fy=(0.150.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz计算。取f=0.004,则:寿命值：，其中丝杠转速(r/min)最大动载荷：式中：fW为载荷系数，中等冲击时为1.21.5；fH为硬度系数，HRC58时为1.0。查表得中等冲击时则:根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号为: CM系列滚珠丝杆副，其型号为：CM2005-5。其基本参数如下:其额定动载荷为14205N 足够用.滚珠循环方式为外循环螺旋槽式,预紧方式采用双螺母螺纹预紧形式.滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算如下表名称计算公式结果公称直径20mm螺距mm接触角钢球直径3.175mm螺纹滚道法向半径1.651mm偏心距0.04489mm螺纹升角螺杆外径19.365mm螺杆内径16.788mm螺杆接触直径17.755mm螺母螺纹外径23.212mm螺母内径（外循环）20.7mm（1） 传动效率计算丝杠螺母副的传动效率为：式中：=10，为摩擦角；为丝杠螺旋升角。（2） 稳定性验算丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。（3） 刚度验算滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为：(cm)Y向所受牵引力大,故用Y向参数计算丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计。导程变形总误差为E级精度丝杠允许的螺距误差 =15m/m。5.3 步进电机惯性负载的计算根据等效转动惯量的计算公式，有：（1）等效转动惯量的计算折算到步进电机轴上的等效负载转动惯量为：式中：为折算到电机轴上的惯性负载；为步进电机轴的转动惯量；为齿轮的转动惯量；为齿轮的转动惯量；为滚珠丝杠的转动惯量；为移动部件的质量。对钢材料的圆柱零件可以按照下式进行估算：式中为圆柱零件直径，为圆柱零件的长度。所以有：电机轴的转动惯量很小，可以忽略，所以有：步进电机的选用(）步进电机启动力矩的计算设步进电机的等效负载力矩为，负载力为，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力所做的功有如下的关系：式中为电机转角，为移动部件的相应位移，为机械传动的效率。若取，则，且。所以：式中：为移动部件负载（N），G为移动部件质量（N），为与重力方向一致的作用在移动部件上的负载力（N），为导轨摩擦系数，为步进电机的步距角（rad）,T为电机轴负载力矩（N.cm）。取=0.3（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），.8，=279.23。考虑到重力影响，向电机负载较大，因此1200，所以有：考虑到启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩：取系数为.，则： 对于工作方式为三相拍的步进电机： (） 步进电机的最高工作频率为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率,同时电机最大静转矩要足够大,查表选择两个90BF001型三相反应式步进电机.电机有关参数如下:型号主要技术参数相数步距角电压(V)相电流(A)最大静转矩(n.m)空载启动频率空载运行频率分配方式90BF00140.98073.92200080004相8拍外形尺寸(mm)重量kg转子转动惯量Kg.m外直径长度轴直径9014594.51764第6章 Z轴机械结构设计6.1 确定脉冲当量一个进给脉冲，使高速电火花打小孔机床运动部件产生位移量，也称为高速电火花打小孔机床的最小设定单位。脉冲当量是衡量数控高速电火花打小孔机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控机床常采用的脉冲当量是0.010.005mm/脉冲。根据高速电火花打小孔机床精度要求确定脉冲当量0.01mm/脉冲。6.2滚珠丝杠螺母副的计算和选型 滚珠丝杠副的作用是将旋转运动转变为直线运动，其螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放人适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动。螺母上设有返向器，与螺纹滚道构成滚珠的循环通道。为了在滚珠与滚道之间形成无间隙甚至有过盈配合，可设置预紧装置。为延长工作寿命，可设置润滑件和密封件。6.2.1 精度的选择滚珠丝杠副的精度直接影响数控高速电火花打小孔机床的定位精度，在滚珠丝杠精度参数中，其导程误差对高速电火花打小孔机床定位精度最明显。一般在初步设计时设定丝杠的任意300行程变动量应小于目标设定定位精度值的1/31/2,在最后精度验算中确定。对于车床，选用滚珠丝杠的精度等级X轴为13级（1级精度最高），Z轴为25级，考虑到本设计的定位精度要求和改造的经济性，选择X轴精度等级为3级，Z轴为4级。6.2.2丝杠导程的确定 选择导程跟所需要的运动速度、系统等有关，通常在：4、5、6、8、10、12、20中选择，规格较大，导程一般也可选择较大（主要考虑承载牙厚）。在速度满足的情况下，一般选择较小导程（利于提高控制精度），本设计中初选向丝杠导程为8。6.2.3 最大工作载荷的计算最大工作载荷是指滚珠丝杠螺母副在驱动工作台时所承受的最大轴向力，也叫进给牵引力,其实验计算公式如表3-1所示。表3-1 实验计算公式及参考系数导轨类型实验公式矩形导轨1.10.15燕尾导轨1.40.2综合或三角导轨1.150.15-0.18表中为考虑颠覆力矩影响时的实验系数；为滑动导轨摩擦系数；为移动部件总重量。假设重量G=1000 N查表3-1选择综合导轨，取1.15,取0.18,为1000；算得=1.151197+0.18（3420+1000） =2171.556.2.4 最大动载荷的计算载荷随时间急剧变化且使构件的速度有显著变化（系统产生惯性力），此类载荷为动载荷。比如起重机以等速度吊起重物，重物对吊索的作用为静载，起重机以加速度吊起重物，重物对吊索的作用为动载。对于滚珠丝杠螺母副的最大动载荷计算公式如下： 式中：滚珠丝杠副的寿命系数，单位为r，（T为使用寿命，普通高速电火花打小孔机床T取5000-10000h，数控高速电火花打小孔机床T取15000h；n为丝杠每分钟转速）； 载荷系数，一般取1.21.5，本设计取1.2； 硬度系数（HRC58时取1.0；等于55时取1.11；等于52.5时取1.35；等于50时取1.56；等于45时取2.40）； 滚珠丝杠副的最大工作载荷，单位为N。本设计中车床纵向承受最大切削力条件下最快的进给速度,初选丝杠基本导程，则丝杠转速。取滚珠丝杠使用寿命，带入得=90；取，代入，求得 ：=17390N。6.2.5 滚珠丝杠螺母副的选型初选滚珠丝杆副时应使其额定动载荷, 当滚珠丝杠副在静态或低速状态下长时间承受工作载荷时，还应使额定静载荷。根据计算出的最大动载荷,选择江苏启东润泽高速电火花打小孔机床附件有限公司生产的FL4008-3型内循环式滚珠丝杠副，采用双螺母螺纹式预紧，精度等级为4级，其参数如表3-2所示。表3-2 FL4008-3型滚珠丝杠相关参数公称直径/导程/钢球直径/丝杠外径/丝杠底径/额定载荷/接触刚度/ 18974084.76338.635.2466316.2.6 滚珠丝杠副的支承方式 滚珠丝杠副的支承主要用来约束丝杠的轴向窜动，为了提高轴向刚度，丝杠支承常用推力轴承为主的轴承组合。考虑到纵向丝杠长度较大，本设计丝杠采用双推简支支承方式，该方式临界转速、压杆稳定性高，有热膨胀的余地。6.2.7 传动效率的计算滚珠丝杠的传动效率一般在0.80.9之间，其计算公式如下： =式中：螺距升角，根据,可得=291； 摩擦角，一般取=10。算得： =96.67%6.2.8 刚度的验算滚珠丝杠副工作时受轴向力和转矩的作用，引起导程的变化，从而影响定位精度和运动的平稳性。轴向变形主要包括丝杠的拉伸或压缩变形、丝杠与螺母间滚道的接触变形、支承滚珠丝杆的轴承的轴向接触变形。因转矩和丝杠-螺母滚道接触对丝杠产生的导程变化很小，所以、可以忽略不计，所以丝杠的拉伸或压缩变形量为：=（“+”号代表拉伸，“-”代表压缩）式中：丝杠的最大工作载荷，单位为； 丝杠纵向最大有效行程，单位为； 丝杠材料的弹性模量，钢； 丝杠的横截面面积，单位按丝杠螺纹的底径确定。根据前面的设计，为3234.36，取1665，为45.24，算得： =0.01597=15.97查表3-3可知，,所以刚度足够。表3-3 有效行程内的目标行程公差和行程变动量有效行程精度等级12345大于至31566881212161623234005008710915132019272616002000181325183525483665516.2.9 稳定性校核由于滚珠丝杠本身比较细长又受轴向力的作用，若轴向负载过大，则会产生失稳现象，不失稳时的临界载荷Fk应该满足： =式中：丝杠支承系数，双推-简支方式时，取2，其他方式如表3-4所示； 滚珠丝杠稳定安全系数，一般取2.54，垂直安装时取最小值，本设计取4； 滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为，本设计中该值为2000；（其中工件加工长度为1400，取2000，留600的两端余量） 按丝杠底径确定的截面惯性矩（，单位为）,本设中将代入算出=205513.36。 由以上数据可以算出：= 临界载荷远大于工作载荷（3234.36N），故丝杠不会失稳。表3-4 丝杠支承系数支承方式双推-双推双推-简支单推-单推双推-自由取值4210.256.2.10 临界转速的验证滚珠丝杠副高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速，要求丝杠的最高转速： 式中：丝杠支承系数，双推-简支方式时，取值如表3-5所示；临界转速计算长度，单位为，本设计中该值为2300；丝杠内径，单位；安全系数，可取=0.8表3-5 丝杠支承系数支承方式双推-双推双推-简支单推-单推双推-自由取值27.418.912.14.3 经过计算，得出=1293，由已知，可以算出，该值小于丝杠临界转速，所以满足要求。6.3 步进电动机的选择（1）工作台质量折算到电机轴上的转动惯量丝杠的转动惯量 式中 滚珠丝杠的公称直径； 丝杠长度。则齿轮的转动惯量 电机的转动惯量很小可忽略。因此，总转动惯量 （2）所需转动力矩计算快速空载启动时所需力矩最大切削负载时所需力矩快速进给时所需力矩式中 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩；折算到电机轴上的摩擦力矩；由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩；切削时折算到电机轴上的加速度力矩；折算到电机轴上的切削负载力矩。 当时 当时 当时， 时 当时预加载荷，则 所以，快速空载启动所需力矩 切削时所需力矩 快速进给时所需力矩由上分析计算可知，所需最大力矩发生在快速启动时：（3）纵向进给系统步进电机的确定为了满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知所以，步进电机最大静转距为步进电机最高工作频率综合考虑，查表选用110BF003型直流步进电动机，能满足要求7-12。6.4 丝杠轴的校核需要验算传动轴薄弱环节处的倾角荷挠度。验算倾角时，若支撑类型相同则只需验算支反力最大支撑处倾角；当此倾角小于安装齿轮处规定的许用值时，则齿轮处倾角不必验算。验算挠度时，要求验算受力最大的齿轮处，但通常可验算传动轴中点处挠度（误差%3）.当轴的各段直径相差不大，计算精度要求不高时，可看做等直径，采用平均直径进行计算，弯曲刚度验算；的刚度时可采用平均直径或当量直径。一般将轴化为集中载荷下的简支梁，其挠度和倾角计算公式见【5】表7-15.分别求出各载荷作用下所产生的挠度和倾角，然后叠加，注意方向符号，在同一平面上进行代数叠加，不在同一平面上进行向量叠加。：通过受力分析，最大挠度：查【1】表3-12许用挠度； 。6.5 键的校核键和轴的材料都是钢，由【4】表6-2查的许用挤压应力,取其中间值，。键的工作长度，键与轮榖键槽的接触高度。由【4】式（6-1）可得可见连接的挤压强度足够了，键的标记为：6.6 轴承的校核、轴轴承的校核轴选用的是深沟球轴承6206，其基本额定负荷为19.5KN, 由于该轴的转速是定值，所以齿轮越小越靠近轴承，对轴承的要求越高。根据设计要求，应该对轴未端的滚子轴承进行校核。轴传递的转矩 受力 根据受力分析和受力图可以得出轴承的径向力为:在水平面：在水平面： 因轴承在运转中有中等冲击载荷，又由于不受轴向力，【4】表13-6查得载荷系数，取，则有： 轴承的寿命计算:所以按轴承的受力大小计算寿命 故该轴承6206能满足要求。、其他轴的轴承校核同上，均符合要求。6.7 直线滚动导轨副的计算和选择根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数fSL=C0/P，式中：C0为导轨的基本静额定载荷，kN；工作载荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.03.0(一般运行状况)，3.05.0（运动时受冲击、振动）。根据计算结果查有关资料初选导轨：（1）选BR直线滚动导轨导轨,E级精度.查得,fh=1,ft=1,fc=0.81,f=1,fw=1.（2）工作寿命每天8小时，连续工作5年，250/年,额定寿命为:Lh=52508=10000 h,每分钟往复次数nz=8L=(2lsnz60Lh)/(103)=(20.3186038400)/ (103)=11428Km计算四滑块的载荷,工作台及其物重约为4000N计算需要的动载荷CP=110/4=27.5N C=( fwP)(fh ft fc f)(L/50)1/3=208N由机械电子工程专业课程设计指导书表3-20中选用LY15AL直线滚动导轨副,其C=606N, C0=745N.基本参数如下:导轨的额定动载荷N依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷 (kN)验算导轨的工作寿命Ln：额定行程长度寿命: 导轨的额定工作时间寿命: 导轨的工作寿命足够.（3）滚动导轨间隙调整预紧可以明显提高滚动导轨的刚度,预紧采用过盈配合,装配时,滚动体、滚道及导轨之间有一定的过盈量。（4）润滑与防护润滑:采用脂润滑,使用方便,但应注意防尘。防护装置的功能主要是防止灰尘、切屑、冷却液进入导轨,以提高导轨寿命。防护方式用盖板式。第7章 减速器机构的设计7.1电机选择7.1.1 计算输出轴的转矩 （7-1） （7-2） （7-3） （7-4） （7-5） （7-6）惯性力矩 摩擦力矩 输出轴转动角速度 转动惯量旋转机构自身转动惯量启动时间=0.5s=0.8m/s=0.5m 1.6 rad/s =1.6kgm由同组组员算出的小臂质量及相关小臂相对oa线的垂直距离得出：=1000mm，m=20kg，代入式（7-5）得：=6.67kgmm计算相关旋转机构设计数值得出：kg代入式（7-6）得：=5.75kgm代入（7-2）得到=44.86Nm 带入（7-1）得到=49.85Nm= =6.86Nm选择二级圆柱齿轮减速器i=9 （7-7）=0.99 联轴器传动效率=0.96 齿轮传动效率=0.98 轴承传动效率代入式（7-7）得到：0.8077.1.2 确定各轴传动比总传动比=9 ，根据推荐的传动副传动比合理范围，取：高速级传动比=3 ，低速级传动比=3 7.1.3 传动装置的运动和动力参数由图3.2，各轴由高速至低速依次设计为轴（输入轴）、轴（中间轴）、轴（输出轴）。图3.2 传动示意简图各轴转速 （7-8） （7-9） =1.6rad/s=15.3r/min代入式（7-8）、式（7-9）得：45.9r/min，137.7r/min转矩计算 （7-10）49.85Nm代入式（7-7）得：17.7Nm同理得到：=17.7Nm=6.27Nm=6.66Nm北京和利时电机电器有限公司的一些步进电机技术参如表7-1。表7-1 步进电机产品系列及技术参数型号相数步距角(DEG.)电压(V)电流(A)静转矩(N.m)空载运行频率(KHZ)转动惯量(Kg.cm2)备注86BYG250AN20.9/1.81103.62.4150.5686BYG250BN20.9/1.811045.0151.286BYG250CN20.9/1.811057.0154.28北京和利时电机电器有限公司86BYG250CN型步进电机的运行矩频特性曲线如图7-3。图7-3 运行矩频特性由计算得到所需：=6.86Nm，137.7r/min该电机可以满足要求。 北京和利时电机电器有限公司86BYG250CN型步进电机的外型简图如图7-4。图7-4 步进电机外形简图根据前面计算，选择北京和利时电机电器厂的86BYG250CN型步进电机。由电机输出轴尺寸选择TL2型弹性套柱销联轴器，主从动端均选用型轴孔16。7.2齿轮设计与计算7.2.1高速级齿轮设计与计算（1） 选定齿轮类型、精度等级、材料与齿数按已知条件，选用直齿圆柱齿轮传动。由资料14（下同）表10-1小齿轮材料选用45Cr(调质)，表面硬度为280HBS,大齿轮材料选用45钢（调质），表面硬度为240HBS。选择7级精度，（2） 按齿面接触疲劳强度计算根据设计计算公式（10-9a）试算小齿轮分度圆直径，即： （7-11）载荷系数输入轴承受扭矩齿宽系数重合度系数弹性影响系数接触疲劳许用应力确定上式中各参数：试选载荷系数=1.3，小齿轮传递的扭矩为 =6.27Nm查表10-7，选齿宽系数=1；查表10-6，得弹性影响系数=189.8，查图10-21d，查得小齿轮接触疲劳强度极限为MPa；大齿轮接触疲劳强度极限为MPa。计算应力循环: （7-12）输入轴转速工作时间137.7r/min=10000h双向转动，取=2代入式（3.12）得： =1.65108次=4.96108次 查图10-19，得接触疲劳寿命系数1.15，1.26；计算接触疲劳许用应力：取安全系数S=1，则=690MPa， =693MPa计算设计公式中代入中较小值，得21.74mm计算小齿轮分度圆圆周速度0.17m/s计算齿宽b=21.74mm计算齿宽与齿高之比： b/h （7-13）模数0.91mm齿高=2.04mm代入式（3.13）得： =10.67计算载荷系数 （7-14）查图10-8，由v=0.17m/s，7级精度，得：=1.0查表10-4，得：1.2查表10-2，得：=1.25查表10-3，得：=1.30查图10-13，得：=1.28以上代入式（3.14）得： 1.95 按实际载荷系数修正 24.87mm （7-15）计算模数m：1.04mm按弯曲强度设计由公式（10-5 ） （7-16）弯曲疲劳寿命系数弯曲疲劳需用应力齿形系数应力校正系数由图10-20c查得小齿轮弯曲疲劳强度极限=500MPa；大齿轮弯曲强度极限=380MPa；由图10-18取弯曲疲劳寿命系数=0.93，=0.97计算载荷系数=1.92计算弯曲疲劳需用应力，取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得：=332.1MPa=263.3MPa查取齿形系数，由表10-5得：=2.65；=2.226查取应力校正系数，由表10-5查得：=1.58；=1.764=0.013=0.015大齿轮对应数值大，将以上数值代入得：0.86对比计算结果，由于齿轮模数m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的承载能力仅与齿轮直径有关，所以取由弯曲疲劳强度算得的m=0.86，并取圆整为标准值m=1，前面计算得=24.87mm,得小齿轮的齿数：24.8725=75几何尺寸计算：分度圆直径 （7-17)将模数、齿数代入式（3.17）得：25mm；75mm中心距 （7-18）将，代入式（3.18）得： 50mm齿轮宽度 （7-19）由式（3.19）得：=25mm；=30mm7.2.2 低速级齿轮设计与计算（1） 选定齿轮类型、精度等级、材料与齿数（a） 按已知条件，选用直齿圆柱齿轮传动。 （b）由表10-1小齿轮的材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮的材料为45钢（调质），硬度为240HBS。（c）选择7级精度，（2）按齿面接触疲劳强度计算试选载荷系数：=1.3小齿轮传递的扭矩为：=17.7Nm查表10-7，选齿宽系数=1查表10-6，得弹性影响系数=189.8；查图10-21d，查得小齿轮接触疲劳强度极限为MPa；大齿轮接触疲劳强度极限为MPa。计算应力循环系数=5.5108次=1.84107次 查图10-19，得接触疲劳寿命系数1.26，1.31；计算接触疲劳许用应力：取安全系数S=1，则：=756MPa， =720.5MPa计算设计公式中代入中较小值，得：29.85mm计算小齿轮分度圆圆周速度0.072m/s计算齿宽b=29.85mm计算齿宽与齿高之比b/h模数1.24mm齿高=2.8mm =10.67计算载荷系数查图10-8，由v=0.07m/s，7级精度，得：=1.0查表10-4，得：1.2查表10-2，得：=1.25查表10-3，得：=1.30查图10-13，得：=1.28所以载荷系数1.95按实际载荷系数修正34.17mm计算模数m1.42mm按弯曲强度设计由式（10-5）得：由图10-20c查得小齿轮弯曲疲劳强度极限=500MPa；大齿轮弯曲强度极限=380MPa；由图10-18取弯曲疲劳寿命系数=0.93，=0.97计算弯曲疲劳需用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得：=332.1MPa=263.3MPa计算载荷系数=1.92查取齿形系数。由表10-5得：=2.65；=2.226查取应力校正系数由表10-5查得：=1.58；=1.764=0.013=0.015大齿轮对应数值大将以上数值代入得：0.86对比计算结果，由于齿轮模数m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的承载能力仅与齿轮直径有关，所以取由弯曲疲劳强度算得的m=1.21，并取圆整为标准值m=1.5，前面计算得=29.85mm,得小齿轮的齿数24.6725=75几何尺寸计算分度圆直径37.5mm；112.5mm中心距=75mm齿轮宽度=37.5mm；=42.5mm7.3 轴的设计与计算7.3.1输入轴的设计与计算（1） 求输入轴上的功率、转速、扭矩0.456kW137.7r/min6.27Nm（2） 初估轴直径 （7-20）选取轴的材料为45钢，调质处理，查表11-3，取，并将数据代入式（7-20）得： =17mm （3） 轴的结构设计输入轴的最小直径与先前计算齿轮直径相差很少，所以做成齿轮轴。轴的结构尺寸如图7-5。图7-5 输入轴结构尺寸简图（4） 求轴上支反力与弯矩水平方向： ； （7-21）垂直方向： ； （7-22） 对锥齿轮： , （7-23） 对直齿轮： ， （7-24） 将输入轴参数代入式（3.24）得：538.2N,138.5N501.6N,182.6N代入得：408.6N,867.2N 514.8N ,558.9N作出输入轴水平方向及垂直方向的弯矩图7-6： 图7-6 输入轴的受力分析图 从输入轴的结构图和受力情况分析得到截面II是输入轴的危险截面，计算结果如表7-4。表7-4 截面处的弯矩载荷水平面H垂直面V支反力408.6N867.2N514.8N558.9N弯矩44.8Nm 0.7Nm 总弯矩44.8Nm 扭矩6.27Nm（5） 按弯扭合成应力校核轴的强度 （7-25）式中：轴的计算应力 轴受得弯矩 轴所受的扭矩 轴的抗弯截面系数 （7-26）校核轴上承受最大计算弯矩的截面处的强度，取1，将各数值代入式（7-25）、（7-26）得：7.66MPa轴的材料为45钢，查表11-1，。因此，故安全。7.3.2 中间轴的设计与计算（1） 求输入轴上的功率、转速、扭矩0.429kW45.9r/min17.7Nm（2） 初估轴直径选取轴的材料为45钢，调质处理，查表11-3，取，得：25mm（3） 轴的结构设计中间轴的直径与小齿轮分度圆直径相差很少，所以做成锥齿轮轴。轴的结构尺寸如图7-.7。图7-7 中间轴结构尺寸简图（4） 求轴上支反力与弯矩水平方向： ； （7-27）垂直方向： ； （7-28） 对直齿轮：，将输入轴参数代入得：472N,171.8N944N,343.6N代入得：35.8N,436.2N13N,158.7N作出中间轴水平方向及垂直方向的弯矩图： 图7-8 中间轴的受力分析图 从轴的结构图和受力情况分析得到截面II是轴的危险截面，计算结果如表7-5。表7-5 截面处的弯矩载荷水平面H垂直面V支反力35.8N436.2N13N158.7N弯矩31.7Nm11.51Nm总弯矩33.7Nm扭矩17.7Nm（5） 按弯扭合成应力校核轴的强度校核轴上承受最大计算弯矩的截面处的强度2.01MPa轴的材料为45钢，查表11-1，60MPa。因此，故安全。7.3.3输出轴的设计与计算（1） 求输出轴上的功率、转速、扭矩0.404kW15.3r/min49.85Nm（2） 初估轴直径选取轴的材料为45钢，调质处理，查表11-3，取，得：33mm（3） 轴的结构设计轴的结构尺寸如图7-9，输出轴的直径与齿轮直径相差很少，所以做成锥齿轮轴。图7-9 输出轴结构尺寸简图（4） 求轴上支反力与弯矩水平方向： ； （7-29）垂直方向： ； （7-30） 对直齿轮：，将输入轴参数代入得：886.2N,322.6N代入得：1364.4N,478.1N 496.6N,174N作出输出轴水平方向及垂直方向的弯矩图7-10：图7-10 输出轴的受力分析图 从轴的结构图和受力情况分析得到轴的危险截面，计算结果如表7-7。表7-7 截面处的弯矩载荷水平面H垂直面V支反力1364.4N478.1N496.68N174N弯矩33.5Nm12.2Nm总弯矩35.7Nm扭矩49.85Nm（5） 按弯扭合成应力校核轴的强度校核轴上承受最大计算弯矩的截面处的强度35MPa轴的材料为45钢，查表11-1，60MPa。因此，故安全。7.4 轴承的校核7.4.1 输入轴上轴承寿命计算查阅资料14表13-3得到轴承的预期寿命为由图3.5可知轴上安装轴承处直径为17mm，考虑其承受齿轮轴和联轴器的重量，所以选择圆锥滚子轴承30203，e=0.35，=1.7， 1， Cr=20.8kN、Cor=21.8kN。求出各力即可算出强度。轴上所受的支反力： 657.2N 1031.5N （7-31） 193.3N， 303.2N （7-32）式中：径向支反力轴向支反力193.3N，303.2N193.3N，303.2N ，查表13-5得：0.4， ，查表13-5得：1，0查表13-6载荷系数=1.2，将以上代入式（3.33）、（3.34），轴承当量动载荷为 750.5N （7-33） 1237.8N （7-34）由公式（13-15） （7-35）式中：轴承所在轴的转速温度系数额定动载荷轴承所在轴的传动功率计算轴承寿命。 137.7r/min=25000N10/3查表13-7，温度系数=1代入式（3.35）得：h，满足使用要求。7.4.2 中间轴上轴承寿命计算（1） 由图3.7可知轴上安装轴承处直径为25mm，考虑其承受齿轮轴和联轴器的重量，所以选择圆锥滚子轴承3007105，e=0.37，=1.6， 0.9， Cr=32kN，Cor=37kN。求出各力即可算出强度。轴上所受的支反力：38.1N，464.2N11.9N，145.1N， 考虑其轴上零件重量得到，50 N；61.9N，145.1N；61.9N，=145.1N ，查表13-5得0.4，1.6 ，查表13-5得1，0查表13-6载荷系数=1.2，轴承当量动载荷为 137.1N557N计算轴承寿命。 45.9r/min C=28000N 10/3 查表13-7，温度系数=1代入得h，满足使用要求。7.4.3 输出轴上轴承寿命计算轴承受力如图7-11所示，轴安装出直径为35mm，由于轴向要承受大小臂的重力，所以选择圆锥滚子轴承2007907E，Cr=54.2kN，Cor=63.5kN，e=0.37，1.6，0.9，求出各力大小，即可算出强度。 图7
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