床身上最大回转直径400mm的数控车床总体设计及主轴箱设计书

0 床身上最大回转直径 400第一章 总体方案 现状和发展 自第一台数控机床在美国问世至今的半个世纪内，机床数控技术的发展迅速，经历了六代两个阶段的发展过程。其中，第一个阶段为 二个阶段为 1974年微处理器开始用于数控系统，即为第五代数空系统。在近 20多年内，在生产中，实际使用的数控系统大多是这第五代数控系统，其性能和可靠性随着技术的发展得到了根本性的提高。从 20世纪 90年代开始，微电子技术和计算机技术的发展突飞猛进， 展尤为突出，无论是软硬件还是外器件的进展日新月异，计算机所采用的芯片集成化越来越高，功能越来越强，而成本却越来越低，原来在大，中型机上才能实现的功能现在在微型机上就可以实现。在美国首先推出了基于 统，它被划入为所谓的第六代数控系统。 下面从数控系统的性能、功能和体系结构三方面讨论机床。 数控技术的发展趋势： （ 1） （ 2） （ 3） （ 4） （ 1） （ 2） （ 3） （ 4） 5） 1 （ 1） （ 2） （ 3） （ 4） 控卧式车床的总体方案论证与拟定 控卧式车床的拟定 向和横向的直线插补功能，还能要求暂停，进行循环加工等，因此，数控系统选取连续控制系统。 保证一定加工精度的前提下，应简化结构、降低成本， 因此，进给伺服系统应采用步进电机开环控制系统。 运动部分 z=18级，即传动方案的选择采用有级变速最高转速是 2000r/低转速是 40r/ 。 机控制系统中除了 ，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器， I/括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路。此外，系统中还应该包括脉冲发生电路和其他辅助电路。 和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机，齿轮副，丝杆螺母副组成，它的传动比应满足机床所要求的。 用摩擦小，传动效率的滚珠丝杆螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙。齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。 于工作台实现精确和微量移动，且润滑方法简单。 （附注：伺服系统总体方案框图 2 图 第二章 主轴箱部分设计计算说明 运动部分计算 参数的确定 一 . 了解车床的基本情况和特点 1. 通用机床的规格和类型有系列型谱作为设计时应该遵照的基础。 格尺寸）和基本参数（ 143 最大的工件回转直径 D（ 400；刀架上最大工件回转直径 00；主轴通孔直径 6；主轴头号（ 6；最大工件长度 L 是 750 2000；主轴转速范围是： 32 1600；级数范围是： 18；纵向进给量 mm/电机功率（ 10。 二 . 参数确定的步骤和方法 1. 极限切削速度 据典型的和可能的工艺选取极限切削速度要考虑：工序种类 工艺要求 刀具和工件材料等因素。允许的切速极限参考值如机床主轴变速箱设计指导书。然而，根据本次设计的需要选取的值如下： 取 00m/ 0m/ 2. 主轴的极限转速 计算车床主轴的极限转速时的加工直径，按经验分别取（ 3 D 和（ D。由于 D=400主轴极限转速应为： m a 0 u Dr/ 2000r/ m 0 0 u Dr/ 40r/ 3. 主电机功率 动力参数的确定 合理地确定电机功率 N，使用的 功率实际情况既能充分的发挥其使用性能，满足生产需要，又不致使电机经常轻载而降低功率因素。 目前，确定机床电机功率的常用方法很多，而本次设计中采用的是：估算法，它是一种按典型加工条件（工艺种类 、 加工材料 、 刀具 、 切削用量）进行估算。根据此方法，中型车床典型重切削条件下的用量： 根据设计书表中推荐的数值： 取 P= 传动设计 一 构网的选择 结构式 、 结构网对于分析和选择简单的串联式的传动不失为有用的方法，但对于分析复杂的传动并想由此导出实际的方案，就并非 十分有效，可考虑到本次设计的需要可以参考一下这个方案。 确定传动组及各传动组中传动副的数目 级数为 传动组分别有 个传动副。即 Z=2 动副数由于结构的限制以 2或 3为合适，即变速级数 和 3的因子 : Z=23 以有几种方案，由于篇幅的原因就不一一列出了，在此只把已经选定了的和 本次设计所须的正确的方案列出，具体的内容如下： 4 传动齿轮数目 2x（ 3+3+2） +2=21 个 轴向尺寸 19b 传动轴数目 6根 图 的传动系统 二 18级转速传动系统的传动组，可以安排成： 32 3择传动组安排方式时，要考虑到机床主轴变速箱的具体结构 、 装置和性能。在轴上摩擦离合器时，应减小轴向尺寸，第一传动组的传动副不能多，以 2为宜 ，本次设计中就是采用的 2，一对是传向正传运动的，另一个是传向反向运动的。 主轴对加工精度 、 表面粗糙度的影响大，因此主轴上齿轮少些为好，最后一个传动组的传动副选用 2，或者用一个定比传动副。 三 对于 18级的传动可以有三种方案，准确的说应该不只有这三个方案，可为了使结构和其他方面不复杂，同时为了满足设计的需要，选择的设计方案是： 18=3 1 3 3 2 9 传动方案的扩大顺序与传动顺序可以一致也可以不一致，在此设计中，扩大顺序和传 5 动顺序就是一致的。这种扩大 顺序和传动顺序一致，称为顺序扩大传动。 四 齿轮传动副最小传动比 14，最大传动比 2，决定了一个传动组的最大变速范围 8 因此，要按照参考书中所给出的表，淘汰传动组变速范围超过极限值的所有传动方案。 极限传动比及指数 x， ,x 值为： 极限传动比指数 x： x=146 x 值； x =2 3 （ x+x ）值： =8 9 速图的拟定 运动参数确定以后，主轴各级转速就已知，切削耗能确定了电机功率。在此基础上， 选择电机型号，确定各中间传动轴的转速，这样就拟定主运动的转图，使主运动逐步具体化。 一 . 主电机的选定 中型机床上，一般都采用三相交流异步电机为动力源，可以在系列中选用。在选择电机型号时，应按以下步骤进行： 1. 电机功率 N： 根据机床切削能力的要求确定电机功率。但电机产品的功率已经标准化，因此，按要求应选取相近的标准值。 N=步电机的转速有： 3000、 1500、 1000、 750r/ 6 在此处选择的是： 500r/ 这个选择是根据电机的转速与主轴最高转速 的转速相近或相宜，以免采用过大的升速或过小的降速传动。 根据本次设计机床的需要，所选用的是：双速电机 根据电机不同的安装和使用的需要，有四种不同的外形结构，用的最多的有底座式和发兰式两种。本次设计的机床所需选用的是外行安装尺寸之一。具体的安装图可由手册查到。 根据常用电机所提供的资料，选用： 动机 轴从电机得到运动，经传动系统化成主轴各级转速。电机转速和主轴最高转速应相接近。显然，从传动件在高速运转下恒功率工作时所受扭矩最小来考虑，轴转速不宜将电机转速下降得太低。 但如果轴上装有摩擦离合器一类部件时，高速下摩擦损耗、发热都将成为突出矛盾，因此，轴转速不宜太高。 轴装有离合器的一些机床的电机、主轴、轴转速数据： 参考这些数据，可见，车床轴转速一般取 700 1000r/外，也要注意到电机与轴间的传动方式，如用带传动时，降速比不宜太 大，否则轴上带轮太大，和主轴尾端可能干涉。因此，本次设计选用： 60r/7 三 对于中间传动轴的转速的考虑原则是：妥善解决结构尺寸大小与噪音、震动等性能要求之间的矛盾。 中间传动轴的转速较高时（如采用先升后降的传动），中间转动轴和齿轮承受扭矩小，可以使用轴径和齿轮模数小写： d 4M 、 m 3M ，从而可以使用结构紧凑。但是，这将引 起空载功率 p（一般机床容许噪音应小于 85大： N 空 = 01 6) 中： 支承滚动或滑动轴承 C=支承滚动轴承 C=10； 主轴前后轴颈的平均直径（ n 主轴转速（ r/ 主主ta o a 所有中间传动齿轮的分度圆直径的平均值 （ 主轴上齿轮的分度圆的平均值 据机床类型及制造水平选取。我国中型车床、铣床 床 K=54，铣床 K= 从上诉经验公式可知：主轴转速 定中间传动轴的转速时，应结合实际情况作相应修正： 般主轴转速较低，中间轴的转速适当取高一些，对减小结构 尺寸的效果较明显。 间轴转速宜取低一些。 u 8m/s（可用 7级精度齿轮）。在此条件下，可适当选用较高的中间轴转速。 四 机床主传动系统中，齿轮副的极限传动比： 1. 升速传动中，最大传动比 2。过大，容易引起震动和噪音。 小传动比 1/4。过小，则使主动齿轮与被动齿轮的直径相差太大，将导致结构庞大。 8 图 运动的转速图 9 带轮直径和齿轮齿数的确定 根据拟定的转速图上的各传动比，就可以确定带轮直径和齿轮的齿数。 一 . 带轮直径确定的方法、步骤 一般机床上的都采用三角带。根据电机转速和功率查图即可确定型号（详情见机床主轴变速箱设计指导 4但图中的解并非只有一种，应使传动带数为 3 5根为宜。 本次设计中所选的带轮型号和带 轮的根数如下： 选取 3根 各种型号胶带推荐了最小带轮直径，直接查表即可确定。 根据皮带的型号，从教科书机械设计基础教程 查表可取： 40大 根据要求的传动比 大。当带轮为降速时： 11大三角胶带的滑动率 =2%。 三角传动中，在保证最小包角大于 120度的条件下，传动比可取 1/7 u 3。对中型通用机床，一般取 1 因此， 343查表取： 212 用计算法或查表法确定齿轮齿数，后者更为简单。根据要求的传动比 z，查表即可求出小齿轮齿数。 在本次设计中采用的就是常用传动比的适用齿数（小齿轮）表就见教科书机床简明设计手册。 不过在表中选取的时候应注意以下几个问题： 1. 不产生根 切。一般去 18 20。 2. 保证强度和防止热处理变形过大，齿轮齿根圆到键槽的壁厚 2般取 10 56.5+体的尺寸可参考图。 3. 同一传动组的各对齿轮副的中心距应该相等。若莫数相同时，则齿数和亦应相等。但由于传动比的要求，尤其是在传动中使用了公用齿轮后，常常满足比了上述要求。机床上可用修正齿轮，在一定范围内调整中心距使其相等。但修正量不能太大，一般齿数差不能超过 3 4个齿。 4. 防止各种碰撞和干涉 三联滑移齿轮的相邻的齿数差应大于 4。应避免齿轮和轴之间相撞，出现以上的情况可以采用相应的措施来补救。 5. 在同时满足以上的条件下齿轮齿数的确定已经可以初步定出，具体的各个齿轮齿数可以见传动图上所标写的。 6. 确定轴间距： 轴间距是由齿轮齿数和后面计算并且经验算而确定的模数 体的计算值如下（模数和齿轮的齿数而确定的轴间距必须满足以上的几个条件）： 轴与轴之间的距离： 取 m=转速图而确定 5 5 11 2 7 5 6 0150d 轮 1与 2之间的中心距： 121 21 2 7 5 021 3 8 轴与轴之间的距离： 取 m=转速图而确定的传动比见图， 38 11 33442 8952 8120d 轮 3与 4之间的中心距： 轴与轴之间的距离： 取 m=转速图而确定的传动比 54 9910 4119d 齿轮 9与 10之间的中心距： 9 103 2189 1192154 轴轴之间的中心距离： 取 m=转速图而确定的传动比 20 1 5 1 51 6 1 63 0703 8273d 12 1 5 1 64 27 0 2 7 321 7 1 轴到脉冲轴的中心距： 取 m=动比 1i 19 1920 9 2 05 21 1 5 1 5 5 轴到反转轴轴的中心距： 取 m=动比 2 1 2 12 2 2 22 01252 485d 2 1 2 26 21 2 5 8 52105 齿顶高 *10 ,h c 而 取可 知 ： 齿顶高和齿跟高只与所取的模数 13 可知取 m= *1 2 . 5 2 . 51 0 . 2 5 2 . 5 3 . 1 2 5h m m m m mh h c m m m m m 取 m= *1 3 . 5 3 . 51 0 . 2 5 3 . 5 4 . 3 7 5h m m m m mh h c m m m m m 三 主轴转速在使用上并不要十分准确，转速稍高或稍低并无太大影响。但标牌上标准数列的数值 一般也不允许与实际转速相差太大。 由确定的齿轮齿数所得的实际转速与传动设计理论值难以完全相符合，需要验算主轴各级转速，最大误差不得超过正负 10（ %。即 110 理论理论实际或 按公式： n= +6% 果超差，要根据误差的正负以及引起误差的主要环节，重新调整齿数，使转速数列得到改善。 主运动传动链的传动路线表达式如下： 主轴反转正转电动机336563255333283434506051212140m i n/传动路线 所有主轴的详细的校核如下： m i n/i n/ 04 00 4 1 n 核后，合格。 14 一 . 三角带传动的计算 三角带传动中，轴间距 于是摩擦传递，带与轮槽间会有打滑，亦可因而缓和冲击及隔离震动，使传动平稳。带传动结构简单，但尺寸，机床中多用于电机输出轴的定比传动。 1. 选择三角带的型号 根据计算 功率 小带轮 r/图选择带的型号。 计算功率 中 电机的额定功率， 工作情况系数。 车床的起动载荷轻，工作载荷稳定，二班制工作时，取： 的型号是： B 型号 2. 确定带轮的计算直径 ） 1 皮带轮的直径越小，带的弯曲应力就越大。为提高带的使用寿命，小带轮直径求大雨许用最小带轮直径 各型号带对应的最小带直径 40r/） 2 11111212 =212r/中 : r/r/ 一般取 算后应将数字圆整为整数。 3） u 具体的计算过程如下： 100060 11 = 10 0060 14 4014 0 s 对于 O、 A、 B、 5m/s u 25m/s。 而 u=5 10m/ 15 此速度完全符合 4） 0： 带轮的中心距，通常根据机床总体布局初步选定，一般可以在下列范围内选取： 2）（ 2） 352（ 2） 704 04 过小，将降低带的寿命；中心距过大时，会引起带振动。中型车床电机轴至变速箱带轮的中心距一般为 750 850 5） 0及内周长 三角带的计算长度是通过三角带截面重心的长度。 22 4021221214027042 =整到标准的计算长度 L=2033 查表 000 正值 Y=33 6） 曲次数 u 000 40 次 /s （则合格） 中： 加大 L（加大 A）或降低 u（减少 解决。 代入数据得 2033 u /s 40 次 /s 是合格的，不需作出任何修改。 7） 00 020 3370 4 = 740 16 8） 210 1 8 0 5 7 . 3 1 2 0 果 1过小，应加大中心距或加张紧装置。 代入数值如下： 21 =180 = 120 经校核合格。 9） z 10i 中： 1=180、特定长度、平稳工作情况下传递的功率值。 参数的选择可以根据书中的表差取： 1=w=入数值得： 10i 10 所以，传动带根数选 3根。 此公式中所有的参数没有作特别说明的都是从机床主轴变速箱设计指导 二 传动轴除了应满足强度要求外，还应满足刚度要求。强度要求保证轴在反复载荷和扭转载荷作用下不发生疲劳破坏。机床主传动系统精度要求较高，不允许有较大的变形。因此，疲劳强度 不是主要矛盾。除了载荷很大的情况外，可以不必验算轴的强度。刚度要求保证轴在载荷下不致产生过大的变形。如果刚度不足，轴上的零件如齿轮、轴承等将由于轴的变形过大而不能正常工作，或者产生振动和噪声、发热、过早 17 磨损而失效。因此，必须保证传动轴有足够的刚度。通常，先按扭转刚度估算轴的直径，画出草图之后，再根据受力情况、结构布置和有关尺寸，验算弯曲刚度。 传动轴直径按扭矩刚度用下列公式估算传动轴直径： d 中 ： N 该传动轴的输入功率 N= d 电机额定功率； 从电机到该传动轴之间传动件的传动效率的乘积（不计该轴轴承上的效率）。 该传动轴的计算转速 r/ 计算转速 传动件的计算转速可以从转速图上，按主轴的计算转速和相应的传动关系而确定，而中型车床主轴的计算转速为： 13 每米 长度上允许的扭转角（ m），可根据传动轴的要求选取。 根据参考书中所给出的公式和本次设计所必须满足的条件，在传动过程中所有轴的直径的估算如下： ） =z/3 125 r/主轴 nj=25 r/ 轴 nj=60 r/ 轴 nj=00 r/ 轴 nj=00 r/ 轴 60 r/ 由 ： d 计算主轴和中间轴的直径 主轴 4 轴 0 轴 0 轴 0 18 轴 0 3. 传动轴刚度的验算： 1） 机床主传动的弯曲刚度验算，主要验算轴上装齿轮和轴承处的桡度 类轴的桡度 小于弯曲刚度的许用值 Y和 值，即： y Y； 于书写量比较大而篇幅不足的原因，所以在此就省了。 2） 计算轴本身变形产生的桡度 般常将轴简化为集中载荷下的简支梁，按参考书中的表中的有关公式进行计算。 当轴的直径相差不大且计算精度要求不高时，可把轴看作等径轴，采用平均直径来进行计算。计算花键轴的刚度时可采用直径或当量直径 。 由于本次设计的说明书的篇幅和时间的关系就不在此详细的列出了。但一般的计算公式为： i1圆轴：平均直径 441惯性距 形花键轴：平均直径21 量直径42 64 性距 64624 ： 次设计机床中长采用矩形花键轴的 的数值和、 1 ： 19 花 键 轴 尺寸 （ 平均直径 4惯性距 4626306 28 8976 29488 1035406 00058 100029 1658656 428706 714353 根据本次设计的情况，主轴的刚度要求必须进行校核，具体的刚度校核结果如下： a） 主轴上的轴承所能承受的载荷在机械设计手册 3中查出，见下： 深沟球轴承 2110055 其基本额定载荷为 ： r 推力球轴承 169055 其基本额定载荷为： 列圆锥滚子轴承 其基本额定载荷为： r b） 20 图 的结构图与弯矩扭矩图 主轴上齿轮在高速转动时所产生的载荷： 齿轮 1： 21 轮 2： c） 经查表得： 安装圆锥滚子轴承处 安装深沟球轴承处 安装推力球轴承处 计算主轴圆轴的平均直径和惯性矩： 15 5 6 2 6 8 7 0 7 8 8 0 8 6 8 2 . 787 2 . 8 22 41464643 7 2 4161 1 0 2 0E M P a 角： 对1 221166761 6 . 6 5 4 2 5 8 5 . 5 5 8 5 . 5 5 4 2 5 4 26 5 8 5 . 5 2 . 1 1 0 1 . 3 8 1 04 . 3 1 0AF b l I 11158157261 6 . 6 7 5 5 1 0 . 5 2 5 8 5 . 5 5 1 0 . 51 . 0 2 1 04 . 2 1 01 . 0 2 1 04 . 1 2 1 0CF a b l I 2212214814764 5 . 5 4 5 1 0 . 5 5 4 2 5 1 0 . 59 . 4 2 1 07 . 7 1 09 . 4 2 1 00 . 8 2 1 0b l I 23 11147264 5 . 5 4 3 1 . 5 5 1 0 . 5 2 5 4 2 5 1 0 . 59 . 4 2 1 00 . 4 6 1 0a b l I 2 22315767 . 0 1 5 1 7 . 5 5 8 5 . 5 5 8 5 . 5 5 1 7 . 5 5 1 7 . 51 . 0 2 1 02 . 7 1 0CF b l I 32157267 . 0 1 6 8 5 1 7 . 5 2 5 8 5 . 5 5 1 7 . 51 . 0 2 1 01 . 5 8 1 0AF a b l I 2222214761 9 . 2 7 6 8 5 4 2 6 89 . 4 2 1 04 . 0 3 1 0b l 2147261 9 . 2 7 4 7 4 6 8 2 5 4 2 4 7 49 . 4 2 1 06 . 7 1 0a b l I 点 127774 . 1 2 1 0 2 . 7 1 01 . 4 2 1 0C y C y C y 24 77777 . 3 1 0 0 . 0 0 2 50 . 4 6 1 0 6 . 7 1 07 . 1 6 1 0a d r a d 22C Y C x 点 ra 点 倾角 度： 对1 a a a 25 a a 4 45 4 24 7 a 据表选用 此可得在主轴上的刚度是完全合格的。 三 按接触疲劳和弯曲强度计算齿轮模数比较复杂，而且有些系数只有在齿轮个参数都已知道后方可确定，所以只在草图画完之后校核用。在画草图之前，先估算，再选用标准齿轮模数。 齿轮弯曲疲劳的计算： 332m 面点蚀的估算： 26 3 其中 由中心距 m j 21 2 根据估算所得 标准的模数表查取相近的标准模数。 计算（验算）： 结构确定后，齿轮的工作条件、空间安排、材料和精度等级等都已确定，才可能核验齿轮的接触疲劳和弯曲疲劳强度值是否满足要求。 根据接触疲劳计算齿轮模数公式为： 1 2 33 221116300 K K K Nm m mz i n 据弯曲疲劳计算齿轮模数公式为： 1 2 31275 K K Nm m n 中： ； 齿轮）的计算转速 r/ mb/m，m常取 6 10； 1般取传动中最小齿轮的齿数； 11;zi z“ +”用于外啮合，“ -”用于内啮合； a r n N K K K； ； 齿轮等传动件在接触和弯曲脚变载荷下的疲劳曲线指数 0； r/ 型机床推荐： T=15， 000 20， 000h； 27 值低的交变载荷可使金属材料的晶粒边界强化，起着阻止疲劳细缝扩展的作用； 命系数）的及 值 时，则取 ；时，取当ns m m i n,m a x 等冲击的主运动： j 、 触应力 本次设计中的模数计算与选取如下： 1.轴传到轴的模数： 齿轮接触疲劳的计算： 333225 . 5328 0 0 5 11 . 6 4m 轮弯曲疲劳的计算： A=72mm 算（验算） 核验齿轮的接触疲劳和弯曲疲劳强度值是否满足要求。 根据接触疲劳计算齿轮模数公式为： 28 经查表取： 0, N= 5 0,8 ，代入公式得： 1 2 33 221116300 K K K Nm m mz i n 根据弯曲疲劳计算齿轮模数公式为： 查表取 02,6 80 1 2 31275 K K Nm m n 29 5 2 1 1 5 经校核和查表取 m= 2.轴传到轴的模数： 齿轮接触疲劳 的计算： 校核取 m= 齿轮弯曲疲劳的计算： A=90mm 校核和查 表取：取 .轴传到轴的模数： 齿轮接触疲劳的计算： 3 轮弯曲疲劳的计算： 30 A=122mm 校核和查表取：取 .轴传到轴的模数： 齿轮接触疲劳的计算： 轮弯曲疲劳的计算： A=192mm 校核和查表取：取 m=上所有的模数的选取都是根据参考书机械原理所提供的模数表中选取的标准值。 四 摩擦电磁离合器目前在数控机床中应用十分广泛，因为它可以在运转中自动的接通或脱开，且具有结合平稳，没有冲击、构造紧凑的特点，部分零件已经标准化，多 31 用于机床主传动。选用时应作必要的计算。 根据初步的计算可从离合器的选择与运用一书中选取，所有的作图和计算尺寸都见书中的表。 一般应使用和设计的离合器的额定静扭 距 于普通车床是在空载下启动和反向的，故只需按离合器结合后的静负载扭距来选。即： 9 5 5 0 于需要在负载下启动和变速，或启动时间有特殊要求时，应按动扭距设计离合器。 1） d。 根据结构需要，如为轴装式时，摩擦片的内径 6 2） 可以在参考书中选择，具体的型号见图纸。 3） z mv 3120 中： 表可选）； p 表可选）； 表可选）； 表可选）； 表可选）； 表可选）； 表可选）