毕业设计（论文）CK6163型数控车床设计

1、 目录1机床主传动系统设计31.1主要技术参数41.2 主传动系统设计满足的基本要求51.3主传动系统传动方式的选择51.4运动设计61.4.1 已知条件61.4.2 结构分析式71.4.3 拟定转速图71.4.4 确定转速图,81.4.5 确定各变速组传动副齿数91.4.6 绘制传动系统图102 齿轮传动设计102.1渐开线直齿轮设计182.1.1 选择齿轮材料及精度等级102.1.2模数的确定102.1.3 校核齿轮102.2斜齿轮设计122.2.1选择齿轮材料及精度等级122.2.2确定设计准则132.2.3按齿面接触疲劳强度设计143. 主轴传动设计153.1确定主轴最小直径153.1

2、.1选择轴的材料,确定许用应力153.1.2按扭转强度估算轴径153.2主轴最佳跨距的确定163.3主轴刚度的校核174. 带传动设计185. 滚珠螺母丝杠205.1、 滚珠丝杠副的种类与结构205.2、滚珠丝杠副的结构参数275.3、滚珠丝杠副的结构特点22总结23参考书本24绪 论ck6163型数控车床，是车床中应用最广泛、最典型的一种数控车床。该机床是开环式的数字控制车床。能进行内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、圆柱螺纹和圆锥螺纹等加工。机床主轴的起动、停止和变速，纵向和横向进给运动的行程和速度，刀具的变换和冷却，都可以自动控制。并具有直线、锥度、直螺纹和锥螺纹等自动循环功能。在该机床中采用液

3、压卡盘、液压尾座、快换刀架和机床外对刀装置。该机床使用于加工形状复杂的中小批量的零件。数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备。世界各国信息产业、生物产业、航空、航天等国防工业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对市场的适应能力和竞争能力。工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅大力发展自己的数控技术及其产业，而且在高精尖数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。因此大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。目前高速加工中心进给速度最高可达80m/min，空运行速度可达

4、100m/min左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国cincinnati公司的hypermach机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/min，加速度达2g，主轴转速已达60000r/min。加工一薄壁飞机零件，只用30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需3小时，在普通铣床加工需8小时。由于机构各组件分工的专业化，在专业主轴厂的开发下，主轴高速化日益普及。过去只用于汽车工业高速化的机种（每分钟1.5万转以上的机种），现在已成为必备的机械产品要件。 在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由1

5、0m提高到5m，精密级加工中心则从35m，提高到11.5m，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01m)。对机床高速及精密化要求的提高导致了对加工工件制造速度的要求提高。同时，由于产品竞争激烈，产品生命周期快速缩短，模具的快速加工已成为缩短产品开发时间必须具备的条件。对制造速度的要求致使加工模具的机床朝着高效能专业化机种发展。 数控机床已逐渐发展成为系统化产品。现在可以用一台电脑控制一条生产线的作业，不但可缩短产品的开发时间，还可以提高产品的加工精度和产品质量。如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性。美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控

6、系统规范(omac、osaca、osec)的研究和制定，世界3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和技术规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在2000年也开始进行中国的onc数控系统的规范框架的研究和制定。我国装备制造业所存在的许多问题中，最基本的是技术开发力量不强和制造水平低这两个问题。过去我国为了发展装备工业，缩小与国际先进水平的差距，主要通过技术引进和对企业进行技术改造等手段，取得一定的成效。至今技术引进仍是我国装备制造业解决技术来源的主要手段。“。本次毕业设计ck6163型数控车床，机床的研制、开发、生产直至出厂都由我们自己完成。根据大学所学的课程和理论，

7、结合现有的参数，查阅图书馆的资料，毕业设计指导老师的帮助，完成ck6163数控车床主轴箱的设计。 设计者的水平有限，设计中难免有错误和不足之处，希望老师批评指正。1 机床主传动系设计1.1 主要技术参数工件最大回转直径 630mm工件最大长度 1500mm主轴孔径 80mm主轴前端孔锥度 公制100号主轴转速范围（16级） 321000转/分 刀架纵进给和螺纹的螺距范围 0.0120.47毫米 刀架横向进给量范围（在直径上）0.0120.47毫米 刀架纵向与横向进给的脉冲当量 0.01毫米 刀架快速移动速度： 纵向 3.6米/分横向 1.8米/分 尾座顶尖套筒直径 100毫米 尾座顶尖套液压最

8、大行程 80毫米 尾座顶尖手动最大形成 250毫米 尾座顶尖套端孔锥度 莫氏5号 数控装置座标数 2 插补运算原理 逐点比较 数据输入方式 增量值和绝对值单用或混合使用 纸带标准 eia标准 纸带代码 iso 单程序段最大指令值： 直线 10485.75毫米 圆弧 5242.87毫米 脉冲当量： z轴（纵向） 0.01毫米/脉冲 x轴（横向，在直径上） 0.01毫米/脉冲1.2 主传动系统设计满足的基本要求机床主传动系因机床的类型、性能、规格尺寸等因素的不同，应满足的要求也不一样。设计机床主传动系是最基本的原则就是以最经济、合理的方式满足既定的要求。在设计时应结合具体机床进行具体分析。一般应满

9、足下述基本要求：1.满足机床使用性能的要求。首先应满足机床的运动特性，如机床的主轴有足够的转速范围和转速级数（对与主传动为直线运动的机床，则有足够的每分钟双行程数范围及变速级数）。传动设计合理，操纵方便、灵活、迅速、安全可靠等。2.满足机床传递动力要求。主电动机和传动机构能提供和传递足够的功率和转矩，具有较高的传动效率。3.满足机床工作性能的要求。主传动中所有零件要有足够的刚度、精度、和抗震性、热变形特性稳定。4.满足产品设计经济性的要求。传动链尽可能简短，零件数目要少，以便于接生材料，降低成本。5.调整维修方便，结构简单、合理，便于加工和装配。防护性能好，使用寿命长。1.3 主传动系传动方式

10、的选择主传动系一般由动力源、变速装置及执行件，以及开停、换向和制动机构等部件组成。动力源给执行件提供动力，并使用其得到一定的运动速度和方向；变速装置传动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。1.3.1 主传动系选择按驱动主传动的电动机类型可分为交流电动机驱动和直流电动机驱动。本次设计采用交流电动机驱动.变速的连续性可以分为分级变速传动和无级变速传动,本次设计采用无级变速传动.1.3.2 传动方式的选择本次设计采用分离传动方式：主传动系中的大部分的传动和变速机构装在远离主轴的单独变速箱中，然后通过带传动将运动传到主轴箱。1.4 运动设计1.4.1 已知条件 已知主轴

11、最低转速nmin为32r/min,最高转速nmax为1000r/min，转速调整范围为 rn=nmax/nmin=31.25 取rn=32确定公比 选定主轴转速数列的公比为1.25求出主轴转速级数z z=lgrn/lg+1= lg32/lg1.25+1=16.53 取z=16 21.4.2 结构分析式确定结构式： 16=2222 16=224 16=242根据拟定转速图的原则筛选结构式1.极限传动比、极限变速范围原则；2.确定传动顺序及传动副数的原则“前多后少”的原则；3.确定传动顺序与扩大顺序相一致的原则“前密后疏” 的原则 4.确定最小传动比的原则“前慢后快”（降速），“前快后慢”（升速）

12、的原则。经整理得：16=212224281.4.3 拟定转速图（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y160m-4，其同步转速为1460r/min。（2）分配总降速传动比总降速传动比为uii=nmin/nd=32/14600.0213,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。（3

13、）确定各级转速并绘制转速图由 z = 16 确定各级转速：1000、800、630、500、400、315、250、200、160、135、100、80、63、40、32r/min。本设计有四种传动机构，四段无级变速： （1）iv v vi vii viii （2）iv v vii viii（3）iv vi vii viii （下拨叉左）（4）iv vi vii viii （下拨叉右） 先来确定iv轴的转速nmax=1450130/18640/3236/36190/304=791 取nmax=800nmin=145032/4032/40190/304=405 取 nmin=400根据转速图跟结

14、构式，可确定iv轴的转速为400、500、630、800r/min 确定轴v的转速因为iv轴跟v轴是1：1传递，所以v轴的转速等同iv轴转速。400、500、630、800r/min。确定轴vi的转速由轴iv传递到轴vi可以得到四级转速：400、500、630、800r/min由轴v传递到轴vi可以得到四级转速：40024/60=16050024/60=200 63024/60=252 取n=250 80024/60=320取n=315所以vi轴的转速确定为160、200、250、315、400、500、630、800r/min确定轴vii的转速由轴iv经轴v直接传递到轴vii可以得到四级转速

15、：400、500、630、800r/min由轴iv经轴vi传递到轴vii可以得到八级转速：80024/60=160 63024/60=125 50024/60=100 40024/60=80 （80060/24=2000 3060/24=1575 n=1600 50060/24=1250 40060/24=1000）由轴iv经轴v传递到轴vi再传递到轴vii可以得到四级转速：31524/60=160 25024/60=100 20024/60=80 16024/60=63确定vii轴的转速为：2000、1600、1250、1000、800、630、500、400、315、250、200、160

16、、135、100、80、63r/min1.4.4 确定转速图图1.1 转速图1.4.5 确定各变速组传动副齿数轴iv-v: 时：64、66、68、70、72、74、76、84时：64、66、68、70、72、74、76、84可取84,于是可得轴iv齿数为：42于是 可得轴v上的齿轮齿数为：42轴v-vi: ， 时：69、72、73、76、77、80、81、84、87可取 84，于是可得轴v上齿轮的齿数为：24于是 ，得轴vi上齿轮的齿数为：60轴vi-轴vii:时： 72、75、78、81、84、87、89、90可取 84.得轴vi齿轮齿数为24；由得vii轴齿轮齿数为60轴vii-轴viii

17、：时：72、75、78、81、84、87、89、90可取 90.得轴vii齿轮齿数为30；由得viii轴齿轮齿数为60根据轴数，齿轮副，电动机等已知条件可有如下系统图： 图1.2 传动系统图2 齿轮传动设计2.1 渐开线直齿轮设计2.1.1 选择齿轮材料及精度等级:因为是1:1传递,所以两齿轮材料选择一致:齿轮选用合金钢调质，硬度为220250hbs；选8级精度，要求齿面粗糙度ra3.26.32.1.2 模数的确定：在iv轴上42齿数的齿轮最容易受损，所以应以42齿数齿轮位代表进行模数计算，因为 m1.262.1 5查机械设计基础表10.11“载荷系数 k”得：k=1.2因为 =9.552.2

18、 5 式子中p为主动轴的传输功率n为从动轴的的转数iv轴的计算转速为：=400r/min则有 =9.552.3 5 =9.550.3n查机械设计基础表11.19得=1查机械设计基础表10.13“标准外齿轮的齿形系数”得：当z=42时 所对应的外齿轮齿形系数=2.41查机械设计基础表10.14“标准外齿轮的应力修正系数”得：当z=42时 所对应的外齿轮的应力修正系数=1.67查机械设计基础图11.24得：=210 mpa查图11.25得: yn=1 查表11.9得sf=1.3 因为=yn/sf所以=1=161经整理得：m1.26 m4.27 取m=4.于是轴iv齿轮的直径为 因为是渐开线标准直齿

19、轮,所以v轴齿轮的模数也为m=4. 2.1.3 校核齿轮按齿根弯曲疲劳强度校核:如果 yf ys，则校核合格。确定有关系数与参数：齿形系数yf查表11.12得 yf=2.41应力修正系数ys查表11.13得 ys=1.67许用弯曲应力由图11.24查得 =210 mpa由表11.9查得 sf=1.3由图11.25查得 yn=1由式 yf ys可得=1=161 mpa故 yf ys=2.411.67 =28 mpa齿根弯曲强度校核合格.验算齿轮的圆周速度5m/s查表11.21可知,选8级精度是合适的.2.2 斜齿轮设计2.2.1 选择齿轮材料及精度等级:按表11.8选择齿轮的材料为小齿轮选用45

20、钢调质，硬度为220250hbs；大齿轮选用45钢正火，硬度为170210hbs；选8级精度，要求齿面粗糙度ra3.26.32.2.2 确定设计准则由于为闭式齿轮传动,且两齿轮均为齿面硬度hbs小于等于350的软齿面,齿面点蚀是最主要的失效形式.应选按齿面接触疲劳强度进行设计计算,确定齿轮的主要参数和尺寸,然后再按弯曲疲劳强度校核齿根的弯曲强度2.2.3 按齿面接触疲劳强度设计确定有关参数与系数:转矩=9.55 2.3=9.551.9n载荷系数 查机械设计基础表10.11“载荷系数 k”得：k=1.1齿数z1,螺旋角和齿宽系数小齿轮齿数取为30，大齿轮齿数是60 初选螺旋角=15弹性系数ze由

21、表11.11查得ze=189.8许用接触应力查机械设计基础由图11.23查得=560mpa =530mpa由表11.9查得 sh=1n1=60njlh=60631105240=7.86107n2= n1/i=3.93107查图11.26得zn1=zn2=1由=zn/sh可得1=zn1/sh=560mpa 2=zn2/sh=562mpa故153mmmn= = mm=4.92mm由表11. 3取标准模数为m=4.5确定中心距a螺旋角a= = mm=209.64mm取中心距a=210mm主要尺寸计算= = =139.762mm= = =278.52mmb=1139=139mm取=140mm, =13

22、5mm按齿根弯曲疲劳强度校核确定有关参数与系数：(1)当量齿数 = = =33.28=2=66.76(2)齿形系数yf查表11.12得yf1=2.54 yf2=2.30(3)应力修正系数ys查表11.13得ys1=1.63 ys2=1.73(4)许用弯曲应力由图11.24查得=210mpa =190mpa由表11.9查得sf=1.3由图11.25查得yn1= yn2=1由式=yn/sf可得1=yn/sf=162mpa2=yn/sf=146mpa故 yfys=116mpa1= =111mpa2齿根弯曲强度校核合格.验算齿轮的圆周速度 10m/s由表11.21可知,选8级精度是合适的.3 主轴传动

23、设计3.1 确定主轴最小直径3.1.1 选择轴的材料,确定许用应力由已知条件可知此主轴箱传递的功率属中小功率,对材料无特殊的要求,故选45号钢并经调质处理,由机械设计基础一书中表16.1查得强度极限=637mpa,再由表16.3得许用弯曲应力=60mpa.3.1.2 按扭转强度估算轴径由式c=118=87考虑到主轴的最小直径处要安装联轴器,会有键槽存在.故需要将估算直径加大.设计手册取标准直径=110mm.3.2主轴最佳跨距的确定630mm车床，p=13kw.求轴承刚度考虑机械效率主轴最大输出转距床身上最大加工直径约为最大回转直径的60%,取50%即315,切削力 背向力 故总的作用力 次力作

24、用于顶在顶尖间的工件上主轴尾架各承受一半,故主轴轴端受力为 先假设 前后支撑分别为根据 。3.3主轴刚度的校核前支承为双列圆柱滚子轴承，后支承为双列圆柱滚子轴承当量外径主轴刚度：由于故根据式（10-8）对于机床的刚度要求，取阻尼比当v=50m/min,s=0.1mm/r时,取 计算 可以看出，该机床主轴是合格的.4 带传动设计电动机转速n=1450r/min,传递功率p=13kw,传动比i=1.6，1确定计算功率 取1.1，则2选取v带型 根据小带轮的转速和计算功率，选b型带。3确定带轮直径和验算带速 查表小带轮基准直径, 验算带速成 其中 -小带轮转速，r/min； -小带轮直径，mm； ,

25、合适4确定带传动的中心距和带的基准长度 设中心距为,则 055（）a2（） 于是 357.2a988,初取中心距为400mm。 带长 查表取相近的基准长度，。 带传动实际中心距5验算小带轮的包角 一般小带轮的包角不应小于。 。合适。6确定带的根数 其中： -时传递功率的增量； -按小轮包角，查得的包角系数； -长度系数； 为避免v型带工作时各根带受力严重不均匀，限制根数不大于10。 7计算带的张紧力 其中： -带的传动功率,kw； v-带速,m/s； q-每米带的质量，kg/m；取q=0.17kg/m。 v = 1440r/min = 9.42m/s。 8计算作用在轴上的压轴力 5.滚珠螺母丝

26、杠5.1、 滚珠丝杠副的种类与结构 滚珠丝杠螺母副：是回转运动与直线运动相互转换的传动装置，在数控机床进给系统中一般采用滚珠丝杠副来改善摩擦特性。工作原理是：当丝杠相对于螺母旋转时，两者发生轴向位移，而滚珠则可沿5.1.1内循环式内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触。如图3。在螺母的侧面孔内，装有接通相邻滚道的反向器，利用反向器引导滚珠越过丝杠的螺纹顶部进入相邻滚道，形成一个循环回路。一般在同一螺母上装有24个反向器，并沿螺母圆周均匀分布。 优缺点：滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小，但制造精度要求高。图3 内循环示意图 1凸键 2、3反向键5.1.2外循环

27、式 外循环方式的滚珠在循环反向时，离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外做循环运动。如图4，（a）为螺旋槽式外循环（b）为插管式外循环。优缺点：结构简单、制造容易、但径向尺寸大，且弯管两端耐磨性和抗冲击性差。图4 外循环示意图（a）螺旋槽式：1套筒；2螺母；3滚珠；4挡珠器；5丝杠（b）插管式：1弯管；2压板；3丝杠；4滚珠；5滚道5.2、滚珠丝杠副的结构参数 滚珠丝杠副的主要参数有：公称直径d、导程l和接触角。 1）公称直径d：是指滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆柱直径。它与承载能力直接有关，常用范围为3080 mm，一般大于丝杠长度的1/35/30。 2）导程l：导程的大小要根

28、据机床加工精度的要求确定，精度高时，导程小一些；精度低时，导程大些。但导程取小后，滚珠直径将取小，使滚珠丝杠副的承载能力下降；若滚珠直径不变，导程取小后，螺旋升角也小，传动效率将下降。因此，一般地，导程数值的确定原则是：在满足加工精度的条件下尽可能取得大一些。5.3、滚珠丝杠副的结构特点 1）摩擦因素小，传动效率高。滚珠丝杠副的传动效率可达0.920.96，比常规的丝杠螺母副提高34倍。因此，功率消耗只相当于常规丝杠的1/41/3。2）可预紧消隙。给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的间隙，反向运动时无死区，定位精度高，刚度好。3）运动平稳，低速时不易出现爬行现象，传动精度高。4）运动具有可逆性。可

29、以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母均可以作为主动件。5）磨损小，使用寿命长。6）所需传动转矩小。7）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度要求也高，故制造成本高。8）不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于处于重惯性力的作用，常需添加辅助制动装置。5.4、滚珠丝杠副的安装支撑方式 为提高传动刚度，滚珠丝杠合理的支撑结构及正确的安装很重要一般采用高刚度的止推轴承支撑结构，以提高滚珠丝杠的轴向承载能力。 图5 （a）一端装止推轴承（固定-自由式）。其承载能力小，轴向刚度低，仅适用于短丝杠，如用于数控机床的调整环节或升降台式数控机床的垂直坐标中

30、。 （b）一端装止推轴承，另一端装深沟球轴承（固定-支承式）。当滚珠丝杠较长时，一端装止推轴承固定，另一端由深沟球轴承支承。为了减小丝杠热变的影响，止推轴承的安装位置应远离热源（如液压马达）。 （c）两端装止推轴承。将止推轴承装在滚珠丝杠的两端，并施加预紧拉力，有助于提高传动刚度。但这种安装方式对热伸长较为敏感。 （d）两端装双重止推轴承及深沟球轴承（固定-固定式）。为了提高刚度，丝杠两端采用双重支承，如止推轴承和深沟球轴承，并施加预紧拉力。这种结构形式，可使丝杠的热变形能转化为止推轴承的预紧力。结 论 此次毕业设计是我们从大学毕业生走向未来工程师重要的一步。从最初的选题，开题到计算、绘图直到完成设计。其间，查找资料，老师指导，与同学交流，反复修改图纸，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。通