精密超声铣床的设计——总体方案及超声主轴箱设计.doc
2978 精密超声铣床的设计——总体方案及超声主轴箱设计
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精密超声铣床的设计——总体方案及超声主轴箱设计
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河南理工大学万方科技学院本科毕业论文摘 要当今各种先进材料在航空航天、化工、军事、机械、电子电器以及精密制造领域得到了日益广泛的应用。但是,对于这些材料,如具有高强度、高硬度、高脆性的先进陶瓷材料,利用传统的机械加工方式进行加工,加工困难且无法满足对加工的要求。超声加工技术是一种将超声振动运用于精密或超精密加工的技术，特别是在超硬材料、复合材料的难加工方面显示出优越性，具有低切削力、低切削温度、低的表面粗糙度，被加工零件有良好的耐磨性、耐腐蚀性。因此精密超声铣床将会制造出质量更加优异的产品。本文设计分析了超声精密铣床的发展现状和研究超声精密铣床的意义及超声精密铣床机构尺寸对铣床性能的影响。设计内容主要包括了总体方案及超声主轴箱设计，进给箱设计，液压系统和超声部分设计。关键词：精密铣床 超声装置AbstractTodays various advanced materials in the aerospace industry, chemical industry, military, mechanical, electronic electric appliance and precision manufacturing areas to be more widely used. But, for these materials, such as high strength, high hardness and high brittle advanced ceramic materials, using the traditional mechanical processing way, processing difficult and can meet the requirements of processing. Ultrasonic machining technology is a kind of ultrasonic vibration used in precision or ultra-precision processing technology, especially in superhard materials, composite materials processing hard showed superiority, with low cutting force, low temperature and low cutting the surface roughness, be processing components have good wear resistance and corrosion resistance. So precision ultrasound milling machine will create quality more excellent products.This paper analyzes the design of ultrasonic precision milling machine development present situation and research the significance and the ultrasonic precision milling machine ultrasonic precision milling machine dimensions of the institutions influence on the performance of the milling machine. Design content mainly includes the overall scheme and the ultrasonic spindle box design, the box design, hydraulic system and ultrasonic part of the design.Key words: precision milling machine Ultrasound device目录1 绪论51.1 机床制造业的发展51.1.1 金属切削机床及其在国民经济中的地位51.1.2 世界机床业的发展态势51.2 超声波相关技术概述71.2.1 超声加工的提出及其分类71.2.2 超声加工的发展91.2.3 旋转超声加工的特点及优势121.2.4 旋转超声加工的应用141.3 超声波加工机床的发展171.4 设计的目的及任务192 总体方案设计202.1 总体方案概述202.2 总体布局212.3 传动系统方案设计232.4 主要参数确定242.5 主轴箱设计方案263 拟定主传动系统及运动设计计算283.1 标准公比及模数的选择283.2.拟定主传动选择283.3 转速图确定303.3.1 选定电动机303.3.2 分配总降速传动比303.3.3 确定传动轴的轴数303.3.4 结构网的选择313.3.5 画转速图313.4 计算转速的确定333.5 主传系统的结构设计343.5.1 变速机构选择343.5.2 齿轮的布置与排列353.6 V带传动的计算373.7 齿数的确定403.7.1确定齿轮齿数的原则和要求403.7.2 齿轮齿数的确定413.7.3 齿轮齿数检验423.7.4齿轮具体值确定433.8 各轴直径的估算443.9传动件校检473.9.1齿轮的校检473.9.2传动轴的校检493.9.3轴承疲劳强度校核523.10主轴箱的箱体533.11 润滑与密封55结束语56致 谢58参考文献591 绪论1.1 机床制造业的发展1.1.1 金属切削机床及其在国民经济中的地位金属切削机床(Metal cutting machine tools) 是用切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器。它是用来制造机器的机器,所以又称为“工业母机”或“工具机”(machinetools) ,习惯上简称为机床。金属切削机床是用来加工机器零件的主要设备,约占机器总制造量的40 %60 %。机械制造工业肩负着为国民经济各部门提供现代化技术设备的任务,是国民经济各部门赖以发展的基础,而机床工业则是机械制造工业的基础,一个国家机床工业的技术水平在很大程度上标志着这个国家的工业生产能力和科学技术水平。所以,金属切削机床在国民经济现代化建设中起着重要的作用。1.1.2 世界机床业的发展态势全球机床市场在1994 年跌至谷底后,便一路上扬。据美国Gardner Publication 公司最新统计资料显示,到目前为止,全球机床产值已达到50 亿美元左右,从世界机床值的统计来看,机床生产十分集中,仅日本与德国就占世界总产值的43. 1 %左右。目前世界机床业中,日本为第一生产国,占总额的22 % , 其它依次为德国21 % , 美国13 % , 意大利11 % ,瑞士6 % ,中国台湾7 % ,中国3 % ,西班牙2. 8 % ,英国2. 7 % ,各国机床制造业的特点如下:（1）日本日本大量制造的是通用型机种,比较受各国中小型公司的欢迎。其切削机床与成型机床比例为85 :15 ,日本机床业的特点是具有高生产力、高弹性且利润较高的精简式制造系统,在亚洲市场占有明显的优势。（2） 德国切削机床与成型机床比例为70 :30 。其机床产品特点是精度高、专用性强,通常能根据各行业客户的特殊要求而特别设计制造,整个机床产业约350 家机床制造商,以中小型企业为主,其用户主要集中在国内一些传统的工业结构上,如汽车制造业、机械业、电机等行业中。（3）美国美国为世界技术进步的领头羊,其机床业的发展方向也是世界机床业今后的发展趋势。目前,由电脑控制,高精度且具有优异切割性能的激光加工机床的需求不断上升,已成为美国机床市场的后起之秀,美国机床产品的需求主要来自对精度要求极高的航空及其高科技产业,其切削机床与成型机床的比71 :29 。（4） 中国中国目前批量生产的产品均为由传统的电器、液压控制的通用机床,大部分还是在20 世纪七、八十年代开发的,特点是性能良好,基本机械机构合理,但控制和驱动方式落后,仍然属于中、低档产品,机床加工精度能满足各类零件的精加工要求。今后通用机床的发展方向应是抓住“入世”机遇,降低生产成本,提高产品质量,积极主动地参与质量体系国际认证,努力提高产品竞争力。而目前国内机床行业的数控机床主要有仿制产品和技术引进产品两大类,仿制产品一般是结构原理与国外机床相同,只是在局部功能与外形尺寸上有一些较大的变动。而技术引进产品则多数采用了国外进口的数控系统,测量仪器及轴承、滚珠、丝杠等配套件,如上海机床行业曾投资近4 亿元人民币进行大规模技术改进,引进了加工中心制造技术(德国Norte) ,数控磨床制造技术(美国Landis) 等。该类机床目前正处于消化吸收阶段,生产规模尚未达到经济批量,所以中国的机床产业今后的努力方向应为加快技术创新,优化组织结构,调整产业结构,提高产品技术档次和质量,努力开发高技术含量和高附加值的机床产品。1.2 超声波相关技术概述1.2.1 超声加工的提出及其分类随着生产发展和科学实验的需要，很多工业部门，尤其是宇航、国防工业部门要求产品向高精度、高速度、高温、高压、大功率、小型化等方向发展，所用的材料愈来愈难加工，如硬质合金、钛合金、耐热钢、不锈钢、淬硬钢、金刚石、宝石、石英以及钨、硅等各种高硬度、高强度、高韧性、高脆性的金属及非金属材料的加工；工件形状愈来愈复杂，精度、表面租糙度和某些特殊要求也愈来愈高。传统的切削加工的本质和特点：一是刀具材料比工件更硬；二是靠机械能把工件材料切除。但当工件材料愈来愈硬，零件结构愈来愈复杂的情况下，原来行之有效的方法转变成限制生产率和影响加工质量的不利因素。于是人们开始探索、发掘用软的工具加工较硬的工件材料，不仅用机械能而且还采用电、化学、光、声等能量来进行加工的特种加工方式，超声加工技术就是在此背景下发展起来的。采用超声加工，可以对上述难加工进行经济加工，如图1-1 所示。实践证明超声加工在硬脆性材料加工方面是仅次于磨削加工的一种高效加工方法。超声技术在工业中的应用开始于上个世纪10到20年代，以经典声学理论为基础，同时结合电子技术、计量技术、机械振动、相关技术和材料学等学科领域的成就发展起来的一门综合技术。超声技术的应用领域可划分为功率超声和检测超声两大领域。其中，功率超声是利用超声超声加工超声磨料加工超声复合加工游离磨料超声加工固结磨料超声加工超声孔加工套料超声研磨抛光超声成型加工超声电化学超声去毛刺超声砂带抛光超声放电研磨超声磨削、铣削旋转超声加工（超声磨、铣、钻等）超声电化学超声振动切削超声塑性加工超声放电加工（磨、铣等）图1-1 超声加工分类振动形成的能量使物质的一些物理、化学和生物特性或状态发生改变，或者使这种状态改变加快的一门技术。超声技术在机械加工方面的应用按其加工工艺特征，大致分为两类，如图1-1所示。一类是带磨料的超声磨料加工（包括游离磨料和固结磨料），另一类是采用切削工具（如车刀、冲头、压头、钻头、砂轮、铣刀）与其它加工方法相结合形成的超声复合加工，其分类繁多。旋转超声加工包括超声磨削、超声铣削、超声钻孔、超声套料、超声螺纹加工等。本次设计的超声铣床属于后者（超声复合加工）中的旋转超声加工。1.2.2 超声加工的发展1927 年，美国物理学家伍德和卢米斯最早作了超声加工试验，利用超声振动对玻璃板进行雕刻和快速钻孔。但当时并未应用在工业上，直到在大约1940 年在工业文献上第一次出现了有用的超声加工（USM）工艺技术描述。从那时以来，超声机械加工一直吸引了大量的注意，并且逐渐步入相当广泛的工业领域。1951 年，美国的科恩制成第一台实用的超声加工机。在1953-1954 年，第一个超声机械工具已经建立起来，它多数是基于钻和铣的机器。在大约1960 年左右，已经看到了各种用途、各种类型和加工尺寸的超声机械加工工具，并且某些型号已经开始进入正常生产USM 提供了比常规机械加工技术更多的优点。导电和非导电材料都可以加工，并且复杂的三维轮廓也可以象简单形状那样快速加工。此外，加工过程不会产生有害的热区域，或不会在工件表面带来化学/电气变化，在工件表面上所产生的有压缩力的残余应力可以增加被加工零件的高周期性疲劳强度。然而，在USM中，必须供给泥浆并且要将泥浆从工具和工件之间的间隙中清除。因此，材料的去除速率相当慢，甚至于在切削深度增加时停止工作。在磨粒及切屑混合液返回表面时，也可能磨损已加工孔壁的边墙，这就限制了精度，尤其是小孔加工。此外，磨料泥浆还要磨蚀工具本身，它将引起工具端面及径向的大量磨损，进而，很难保证加工精度。继而，1964年，英国人P. Legge 提出使用烧结或电镀金刚石工具的超声旋转加工的方法，克服了一般超声加工深孔时，加工速度低和精度差的缺点。在第一台旋转超声机械加工装置中，没有采用磨粒液泥浆，而是用一个充满了金刚石的振动工具来加工旋转工件。然而，由于工件是被夹在一个旋转的4爪卡盘上，只能加工圆孔。后来出现了一种旋转超声换能器的机器。旋转换能器使它可能精确地加工工件达到公差允许范围。结合不同形状工具的使用，其工作范围可以扩大到端部研磨，T形开槽，楔形切割，螺纹和内、外圆研磨等。到目前为止，英、美、苏、法、日、中等国家己对超声旋转加工方法作了一些研究，包括设备研制和工艺研究。英国Kerry超声公司研制生产“Sonicmill”落地式超声旋转加工机。前苏联莫斯科航空工艺研究所在20世纪60年代就生产出带磨料的超声波钻孔机床。法国Extrude Hone 公司生产销售SoneX 型旋转超声加工机。瑞士Erosonic AG公司生产销售Erosonic US400/US800 型旋转超声加工机。日本超声波工业公司开发了体积小、重量轻、刚度大、可安装在金属切削机床的USSP系列超声波主轴系统。日本超音波工业株式会社于1994年研制新型UMT-7 三座标数控超声旋转加工机，机床功率450W，工作频率20KHz，可在玻璃上加工孔径1.6mm、深150mm 的深小孔，其圆度可达0.005mm，圆柱度为0.02mm。日本还研制成一种新型“纵-弯”型振动系统，并已在手持式超声复合振动研磨机上成功应用。该系统压电换能器采用半圆形压电陶瓷片产生来“纵-弯”型复合振动。日本金泽工业学院的研究人员研制了加工硬脆材料的超声低频振动组合钻孔系统。将金刚石中心钻的超声振动与工件的低频振动相结合，制造了一台组合振动钻孔设备，该设备能检测钻孔力的变化以及钻孔精度和孔的表面质量，并用该组合设备在不同的振动条件下进行了一系列实验。实验结果表明，将金刚石中心钻的超声振动与工件的低频振动相结合是加工硬脆材料的一种有效方法。在美国，利用工具旋转同时作轴向振动进行孔加工已取得了较好的效果。美国Branson 声能公司先后制成UMT-3 和UMT-5 两种超声旋转加工机。UMT 的主轴旋转精度0.0010002 英寸，转速为05000 转/分，工具的最大尺寸为38 毫米，在玻璃板上已加工出直径1.6 毫米深达305 毫米和直径1 毫米深300 毫米的孔。美国堪萨斯州立大学提出了一种超声旋转加工陶瓷材料去除率模型的计算方法，并将其应用到氧化锆陶瓷的加工中，确定了材料去除率和加工参数之间的关系，该研究大大推动了陶瓷材料旋转加工技术的发展。在第八届中国国际机床展览会（CIMT2003）上，德国DMG 公司展出了其新产品DMS35 Ultrasonic 超声振动加工机床，该机床主轴转速300040000r/min，特别适合陶瓷、玻璃、硅等硬脆材料的加工。与传统加工方式相比，生产效率提高5 倍，加工表面粗糙度Ra0.2m，可加工0.3mm 精密小孔，堪称硬脆材料加工设备性能的新飞跃。国内机电部第十一研究所范国良等人研制的用于加工YGA 激光晶体棒的T3030-3/ZV 超声旋转加工实验样机，已成功用于YAG 激光晶体棒的成行加工。该机工作频率7-22KHz，功率400W，加工晶体棒直径310mm，加工精度：圆度8不允许 18=3 3 2 符合 即方案有18=9 2 18=3 3 2 在2种方案中： 方案中，有三根轴，11对齿轮，轴向齿轮组过大方案中，有四根轴，8对齿轮 因此比较可选择方案。3.3 转速图确定3.3.1 选定电动机 一般金属切削机床的驱动，如无特殊性能要求，多采用Y系列封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机。Y系列电动机高效、节能、起动转矩大、噪声低、振动小、运行安全可靠。根据机床所需功率选择Y132S2-4，其同步转速为1440/min。3.3.2 分配总降速传动比总降速传动比为u=30/15000.02,nmin为主轴最低转速，考虑是否需要增加定比传动副，以使转速数列符合标准或有利于减少齿轮和及径向与轴向尺寸，并分担总降速传动比。然后，将总降速传动比按“先缓后急”的递减原则分配给串联的各变速组中的最小传动比。又知=1.26，则18级转速分别为30、37.5、47.5、60、75、95、118、150、190、235、300、375、475、600、750、950、1180、1500.3.3.3 确定传动轴的轴数 传动轴数变速组数+定比传动副数+1=43.3.4 结构网的选择在18332中。又因基本组和扩大组排列顺序的不同而有不同的方案。在这些方案中，可根据下列原则选择最佳方案。a 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。在升速传动时，为防止产生过大的振动和噪声，常限制最大传动比；斜齿齿轮传动比较平稳，可取。因此，变速传动组的最大变速范围一般为，当采用斜齿轮传动时可达到10。b 基本组和扩大组排列顺序。原则是选择中间传动轴变速范围最小的方案。因为如果各方案同号传动轴的最高转速相同，则变速范围小的，最低转速较高，转矩较小，传动件的尺寸也就可以小些，这就是“前密后疏”的原则。即如果没有别的要求，则应尽量使扩大顺序和传动顺序一致，即可实现前密后疏。3.3.5 画转速图电动机和主轴的转速是已定。当选定结构网或结构式后，应合理分配各传动组的传动比并确定中间轴的转速。再加上定比传动，就可画出转速图。如果中间轴的转速能高一些，传动件的尺寸也就可以小一些。通常，从电动机到主轴是降速传动，为使尺寸小的传动件多一些，所以在传动顺序上各变速组的最小传动比应采用所谓的“前缓后急”原则，即要求 但是，如果中间轴转速过高，将会引起很大的振动、发热和噪声。通常希望齿轮的线速度不超过1215。对于中型车、钻、铣等机床，中间轴的最高转速不宜超过电动机的转速。对于小型机床和精密机床，由于功率较小，传动件不会太大，这时振动、发热和噪声是应该考虑的主要问题。因此要注意限制中间轴的转速，不使其过高。 本设计所选定的结构式共有3个变速组，变速机构共需4轴。加上电动机轴共5轴。故转速图需5条竖线，主轴共18级转速，电动机轴转速与主轴最高转速相近，故需18条横线。注明主轴的各级转速。电动机轴转速也应在电动机轴上注明。中间各轴的转速可以从电动机开始往后推，也可从主轴开始往前推。通常，以往前推比较方便。变速传动组c的变速范围为，可知两个传动副的传动比必然是前文叙述的极限值：, 这样就确定了轴的9种转速只有一种可能，即为118、150、190、750r/min。同理可推定的3种转速只有一种可能，即为300、375、475r/min. 由此可作转速图，如图3-1所示。图3-1 转速图 3.4 计算转速的确定（1）主轴根据图3-1，升降台铣床主轴的计算转速是第一个的三分之一范围内的最高一级转速，即=95r/min.表3-1 各轴计算转速轴序号计算转速r/min75030011895（2）各传动轴轴上有9级转速，其最低转速是118r/min、通过双联齿轮使主轴获得两级转速:30r/min和235r/min，235r/min比主轴的计算转速高，需传递全部功率，故轴的118r/min转速也应能传递全部功率，是计算转速。以此类推，各轴的计算转速如表3-1所示。3.5 主传系统的结构设计3.5.1 变速机构选择本设计加工范围广泛，采用有级变速机构，有级变速机构有下列几种：(1) 交换齿轮变速机构 这种变速机构的变速简单，结构紧凑，主要用于大批量生产的自动或半自动机床、专用机床及组合机床等。(2)滑移齿轮变速机构 这种变速机构广泛应用于通用机床和一部分专用机床中。其优点是变速范围大，变速级数也较多，又节省时间，在较大的变速范围内可传递较大的功率和转矩，不工作的齿轮不啮合，因而空载功率损失较小等。其缺点是变速箱的构造较复杂，不能在运转中变速。为使滑移齿轮容易进入啮合，多用直齿圆柱齿轮传动，故传动平稳性不如斜齿轮传动。(3)离合器变速传动 在离合器变速机构中应用较多的有牙嵌式离合器、齿轮式离合器和摩擦片式离合器。当变速机构为斜齿或人字齿圆柱齿轮时，不便于采用滑移齿轮变速，则应用牙嵌式或齿轮式离合器变速。摩擦片式离合器可以是机械的、电磁的或液压的，特点是可在运转过程中变速，接合平稳，冲击小，便于实现自动化。采用摩擦离合器变速时，为减小离合器的尺寸，应尽可能将离合器安排在转速较高的传动轴上，而且要防止出现超速现象。 本次设计的超声铣床要求变速范围大，变速级数较多，变速也方便，因此选择滑移齿轮变速机构。3.5.2 齿轮的布置与排列 （1）滑移齿轮的轴向布置 变速组中的滑移齿轮一般布置在主动轴上，因转速一般比被动轴的转速高，可使滑移齿轮尺寸小、重量轻、操作省力。但有时由于具体结构上的考虑，需将滑移齿轮放在被动轴上；有时为了使变速操作力。便将两个变速组的滑移齿轮都放在同一根轴上。为了避免同一滑移齿轮变速组内两对齿轮同时啮合，两个固定齿轮的间距应大于滑移齿轮的总宽度，即留有一定的间隙（mm）。（2）一个变速组内齿轮轴向位置的排列 如无特殊情况，应尽量缩小齿轮轴向排列尺寸。滑移齿轮的轴向位置排列通常有窄式和宽式两种，一般窄式排列(即滑移齿轮轴向尺寸窄小)轴向长度较小。宽式排列(即滑移齿轮的轴向尺寸宽)，则占用的轴向尺寸较大，以致在相同的载荷条件下，轴径需增大，轴上的小齿轮的齿数增加，相应使齿数和径向尺寸加大。因此，我们采用窄式排列。 （3）缩小径向和轴向尺寸 为了减小变速箱的尺寸和增加齿轮传动的稳定性，既需缩短轴向尺寸，又要缩短径向尺寸，。它们之间往往是相互联系的，应该根据具体情况考虑全局，恰当地解决齿轮布置问题。轴轴轴图3-2 主轴箱齿轮分布图 采用公用齿轮不仅可减少齿轮的数量，而且可缩短轴向尺寸。又知轴有齿数为38的两个齿轮，因此在轴可选用公用齿轮。轴的轴向尺寸略等于a、b、c组传动副在轴上的轴向距，将会造成轴向尺寸过大，因此可在轴中间某位置选用轴承支撑。 综上所述，部分轴齿轮分布如图3-2所示。3.6 V带传动的计算普通V带的选择应保证带传动不打滑的前提下能传递最大功率，同时要有足够的疲劳强度，以满足一定的使用寿命。(1) 确定计算功率设计功率 （kW）工况系数，查机床设计指导（任殿阁，张佩勤 主编）表2-5，取1.1； 故（2） 选择V带的带型 根据，选用A型带（3）确定带轮的基准直径，并验算带速由表8-6和8-8，小带轮基准直径取为150mm；带速 ；故带速合适大带轮基准直径 圆整为280mm（4）确定V带的中心距和基准长度依据由机床总体布局确定，过小，增加带弯曲次数；过大，易引起振动。初选中心距500mm, 带基准长度查机床设计指导（任殿阁，张佩勤 主编）表2-7，取1400mm实际中心距(5) 计算小带轮上的包角小带轮包角（6） 计算带的根数单根V带的基本额定功率,查机床设计指导（任殿阁，张佩勤 主编）表2-8，取2.28kW；单根V带的基本额定功率增量 弯曲影响系数，取 传动比系数，取1.12 故；带的根数 包角修正系数，取0.93； 带长修正系数，取1.01；故 圆整z取3；（7）计算单根带初拉力单根带初拉力 q为每米长质量，取0.10； 故159.2N 应使带的实际初拉力大于（8）计算压轴力带对轴压力3.7 齿数的确定3.7.1确定齿轮齿数的原则和要求齿轮齿数确定的原则是使齿轮结构紧凑，主轴转速误差小。具体要求如下。 （1）齿轮的齿数和不应过大齿轮的齿数和过大会加大两轴之间的中心距，使机床的结构庞大。一般推荐齿数和;特殊情况下也可取得。（2）最小齿轮的齿数要尽可能小 最小齿轮的齿数尽可能小，但还需考虑以下3个问题。 最小齿轮不产生根切，机床变速箱中，对于标准直齿圆柱齿轮，一般取最小齿数. 受结构限制的最小齿数的各齿轮(尤其是最小齿轮)，应能可靠地装到轴上或进行套装，齿轮的齿槽到孔壁或键槽的壁厚 (m为齿轮模数)，以保证有足够的强度，避免出现变形、断裂。 两轴间最小中心距应取得适当，若齿数和太小，将导致两轴件的的轴承及其他结构之间的距离过近或碰撞。3.7.2 齿轮齿数的确定如参考文献1表3.2-3，横坐标是齿数和，纵坐标是传动副的传动比,由此可查出传动副的从动轮齿数，齿数和减去从动轮齿数就是主动轮齿数。表中所列的值全大于1，即全是升速运动，对于降速运动可取其倒数查表。 速组a有三个传动副，按传动比u=1.5，1.89，2.24查表，分别有： =1.5 =52，53，54，55，56，57，58，59，60 =1.89 =52，53，54，55，56，57，58，59，60 =2.38 =52，53，54，55，56，57，58，59，60 从表中查处三个传动副的齿数和应相同，则=55或72或75。考虑到中心距及轴向距离等问题选为55，那么可查出三个传动副的主动轮齿数分别为22、19、17，因此可算出三个传动副的从动轮齿数分别为33、36、37。 依此可推出变速组b的齿数和选为64，三个传动副的主动轮齿数分别为38、27、17，从动轮的齿数分别为26、37、47；变速组c的齿数和选为90，三个传动副的主动轮齿数分别为60、18，从动轮的齿数分别为30、72。则齿轮齿数如表3-2所示。表3-2 齿轮齿数分布表齿轮分布（以齿数表示各齿轮）轴19、22、17轴36、33、3838（公用）、 27、 17轴26、 37、 4760、 18轴30、 723.7.3 齿轮齿数检验实际传动比(齿轮齿数之比)与理论传动比(转速图上要求的传动比)之间允许有误差，但不能过大。齿轮齿数所造成的转速误差，一般不应超过，即式中 要求的主轴转速 齿轮传动实现的主轴转速变速组a第一传动副 =0.446, =0.448，则： 所以此对齿轮齿数选择合理。同理可验证其余齿数选择和理。3.7.4齿轮具体值确定 标准齿轮： 齿顶圆 齿根圆 分度圆 齿轮的具体值初拟为如下表3-3所示：表3-3 齿轮具体值齿轮齿数模数分度圆齿顶圆齿根圆1194364426222488967831746876584364144152134527410811698617468765873341321401228384152160142齿轮齿数模数分度圆齿顶圆齿根圆9374148156138104741881961781126410411294126042402482301318472906214304120128110157242882962783.8 各轴直径的估算 机床各传动轴在工作时必须保证具有足够的弯曲刚度和扭转刚度。轴在弯矩作用下，如产生过大的弯曲变形，则装在轴上的齿轮会因倾角过大而使齿面的压强分布不均，产生不均匀磨损和加大噪声；也会使滚轴承内外圈产生相对倾斜，影响轴承使用寿命。如果轴的扭转刚度不够，则会引起传动轴的扭振。所以在设计开始时，要先按扭转刚度估算传动轴的直径。待结构确定以后。定出轴的跨距。再按弯曲刚度进行验算。 知： 其中：P-电动机额定功率 K-键槽系数 A-系数，如表3-4所示 -从电机到该传动轴之间传动件的传动效率的乘积； -该传动轴的计算转速。 表3-4 估算轴径时系数A、K值0.250.51.01.52.0A130110928377K无键单键双键花键1.01.041.051.071.11.051.09 一般传动轴的每米长允许扭转角=，要求高的轴取=，要求低的轴取= 则： 轴：K=1.05，A=92，=750 =0.960.980.97=0.91 取30mm 轴：K=1.05，A=92，=300 =0.87 取35mm 轴：K=1.05，A=92，=118 =0.83 , 取35mm 轴：K=1.05，A=92，=95 =0.79 , 取55mm 以上所计算轴径为各轴最小轴径，设计时可相应调整。3.9传动件校检3.9.1齿轮的校检验算齿轮强度，应选择相同模数承受载荷最大的齿数最小的齿轮，进行接触应力和弯曲应力验算。一般对高速传动的齿轮验算齿面接触应力，对低速传动的齿轮验算齿根弯曲应力。对硬齿面、软齿芯渗碳淬火的齿轮，一定要验算齿根弯曲应力。接触应力的验算公式为（MPa） （3-1）弯曲应力的验算公式为 （3-2）式中 N-齿轮传递功率（KW），N=； T-齿轮在机床工作期限（）内的总工作时间（h），对于中型机床的齿轮取=1500020000h，同一变速组内的齿轮总工作时间可近似地认为T=/P，P为变速组的传动副数； -齿轮的最低转速（r/min）;-基准循环次数；查表3-1（以下均参见机床设计指导） m疲劳曲线指数，查表3-1；速度转化系数，查表3-2；功率利用系数，查表3-3；材料强化系数，查表3-4；的极限值，见表3-5，当时，则取=；当时，取=；工作情况系数，中等冲击的主运动，取=1.21.6；动载荷系数，查表3-6；齿向载荷分布系数，查表3-9；Y标准齿轮齿形系数，查表3-8；许用接触应力（MPa）,查表3-9；许用弯曲应力（MPa），查表3-9。如果验算结果或不合格时，可以改变初算时选定的材料或热处理方法，如仍不满足时，就得采取调整齿宽或重新选择齿数及模数等措施。轴上的齿轮采用整淬的方式进行热处理传至轴时的最大转速为：=750，N=7.1在三齿轮中齿数最少的齿轮为174，u=1.05 =符合强度要求。同理可验算其余齿轮均合格3.9.2传动轴的校检对于传动轴，除重载轴外，一般无须进行强度校核，只进行刚度验算。（1）轴花键轴的抗弯断面惯性矩（）计算=式中 d花键轴的小径（mm）；i花轴的大径（mm）；b、N花键轴键宽，键数；传动轴上弯曲载荷的计算，一般由危险断面上的最大扭矩求得：=式中 N该轴传递的最大功率（kw）; 该轴的计算转速（r/min）。传动轴上的弯矩载荷有输入扭矩齿轮和输出扭矩齿轮的圆周力、径向力，齿轮的圆周力式中 D齿轮节圆直径（mm）,D=mz。 齿轮的径向力：式中 为齿轮的啮合角，20；齿面摩擦角，；齿轮的螺旋角；0故 N（2）花键轴键侧挤压应力的验算花键键侧工作表面的挤压应力为：式中 花键传递的最大转矩（）； D、d花键轴的大径和小径（mm）； L花键工作长度； N花键键数； K载荷分布不均匀系数，K=0.70.8； 故此花键轴校核合格。同理其余轴经校核均合格。3.9.3轴承疲劳强度校核 机床传动轴用滚动轴承，主要是因疲劳破坏而失效，故应进行疲劳验算。其额定寿命的计算公式为：或按计算负荷的计算公式进行计算式中 额定寿命 计算动载荷 T工作期限，对一般机床取10000-15000小时C滚动轴承的额定负载（N）速度系数， 为滚动轴承的计算转速（r/mm） 寿命系数， 寿命系数，对球轴承=3，对滚子轴承=；工作情况系数，对轻度冲击和振动的机床（车床、铣床、钻床、磨床等多数机床），；功率利用系数；速度转化系数；齿轮轮换工作系数，查机床设计手册；P当量动载荷，按机床设计手册。校核轴上轴承 故轴承校核合格，同理可校核其余轴承均合格。3.10主轴箱的箱体主轴箱中有主轴、变速机构，操纵机构和润滑系统等。主轴箱除应保证运动参数外，还应具有较高的传动效率，传动件具有足够的强度或刚度，噪声较低，振动要小，操作方便，具有良好的工艺性，便于检修，成本较低，防尘、防漏、外形美观等。表3-4 箱体壁厚表长宽高()壁厚(mm) 500 500 300-800 500 50010-15 800 800 50012-20箱体材料以中等强度的灰铸铁HT150及HT200为最广泛,本设计选用材料为HT20-40.箱体铸造时的最小壁厚根据其外形轮廓尺寸(长宽高),按表3-4选取.由于箱体轴承孔的影响将使扭转刚度下降10%-20%，弯曲刚度下降更多，为弥补开口削弱的刚度，常用凸台和加强筋；并根据结构需要适当增加壁厚。如中型车床的前支承壁一般取25mm左右，后支承壁取22mm左右，轴承孔处的凸台应满足安装调整轴承的需求。箱体在主轴箱中起支承和定位的作用。主轴箱中共有4根轴，轴的定位要靠箱体上安装空的位置来保证，因此，箱体上安装空的位置的确定很重要。本设计中各轴安装孔的位置的确定主要考虑了齿轮之间的啮合及相互干涉的问题，根据各对配合齿轮的中心距及变位系数，并参考有关资料，确定箱体上轴安装的位置。箱体在床身上的安装方式，机床类型不同，其主轴变速箱的定位安装方式亦不同。有固定式、移动式两种。铣床主轴箱为固定式变速箱，用箱体底部平面与底部突起的两个小垂直面定位，用螺钉和压板固定。本主轴箱箱体为一体式铸造成型，留有安装结构，并对箱体的底部为安装进行了相应的调整。 箱体的颜色根据机床的总体设计确定，并考虑机床实际使用地区人们心理上对颜色的喜好及风俗。3.11 润滑与密封主轴转速高，必须保证充分润滑，一般常用单独的油管将油引到轴承处。主轴是两端外伸的轴，防止漏油更为重要而困难。防漏的措施有两种：（1）堵加密封装置防止油外流。 主轴转速高，多采用非接触式的密封装置，形式很多，一种轴与轴承盖之间留0.10.3的间隙（间隙越小，密封效果越好，但工艺困难）。还有一种是在轴承盖的孔内开一个或几个并列的沟槽（圆弧形或形），效果比上一种好些。在轴上增开了沟槽（矩形或锯齿形），效果又比前两种好。在有大量切屑、灰尘和冷却液的环境中工作时，可采用曲路密封，曲路可做成轴向或
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