毕业设计（论文）龙门式数控钻床机械结构设计

1、毕业设计（论文）龙门式数控钻床机械结构设计the mechanical structural design for gantry cnc drilling machine学生姓名所在院系所学专业所在班级指导教师教师职称完成时间： ： 机 电 学 院 ： 机械设计制造及其自动化 ： 机制0545 ： ： 教 授 ： 2009年6月18日 长 春 工 程 学 院摘 要近些年来，国内外机床工业的发展十分迅速，以数控为特征的现代化机床在生产中广泛应用。在工农业生产中，经常会碰到一些大型回转体类零件，其上需加工很多孔。用普通机床对其加工往往会遗漏，而小型数控加工中心则难以对其进行加工。本课题就是针对这一

2、问题，设计一台龙门式数控钻床，专门适合对这一类零件进行钻削加工。它不仅大大减轻了操作者的劳动强度，而且大大提高了劳动生产率。本次设计包括了数控钻床的主要机械结构，其中包括：主轴箱中的主传动系装配；进给系统中的工作台装配和传动系统中的丝杠螺母等设计。同时，将各项相关技术合理运用，以达到最优化设计的目的。机械制造工业是国民经济的基础。机床工业则是机械制造工业的基础，它在国民经济中起着至关重要的作用，但我国机床工业与发达国家相比还有较大差距，我们必须奋发图强，努力工作，以便早日赶上世界先进水平。关键词数控钻床 主轴箱 工作台 丝杠螺母abstractin recent years, domestic

3、 machine tool industry developed rapidly, to a modern cnc machine tool is characterized by widely used in the production. in the industrial and agricultural production, often encounter a number of large-scale rotating body parts, its a lot of holes to be processed. ordinary machine tools are often l

4、eft out of its processing, and small-scale cnc machining center is difficult to carry out its processing. the subject is a response to this problem, the design of a gantry cnc drilling machine, specifically suited for this type of drilling parts. it not only greatly reduces the operators labor inten

5、sity and labor productivity increased significantly. the design includes a cnc drilling machine of the main mechanical structure, including: the main spindle box powertrain assembly; feeding system table in the assembly and the lead screw nut drive system design. at the same time, the related techno

6、logy will be used in a reasonable manner, so as to achieve the purpose of optimum design. machinery manufacturing industry is the foundation of the national economy. machine tool industry is the basis of mechanical manufacturing industry, which in the national economy plays a vital role, but chinas

7、machine tool industry and still a wide gap between developed countries, we must work hard, work hard in order to catch up with the world at an early date advanced level.keywords:cnc drilling machine headstock worktable leadscrew and nut. 目 录一 绪论11.1 金属切削机床及其重要地位11.2 问题的提出11.3国内外发展状况1二 方案论证22.1 总体布局方

8、案论证22.1.1数控立式钻床22.1.2钻削中心22.1.3 印刷线路板数控钻床32.1.4其它大型数控钻床32.2 数控钻床功能组成及各部件方案论证32.2.1 数控系统总体方案确定32.2.2 主机部分总体方案确定4三 横梁滚珠丝杠设计计算53.1 动载强度计算53.2 滚珠丝杠轴向负荷f的计算63.3 确定滚珠丝杠型号73.4 珠丝杠副的几何参数73.5 传动效率计算73.6 刚度检验8四 机械部分设计计算84.1主传动系设计计算84.1.1 动设计计算84.2 主轴的设计与计算144.2.1 选择轴的材料144.2.2 估算轴的直径144.2.3 按弯扭轴上合成强度条件计算154.2

9、.4 按疲劳强度的安全系数校核计算164.3 轴承的选择与校核184.4 主轴上键的选择与校核204.4.1挤压强度校核204.4.2 耐磨条件校核20五 工作台设计与计算205.1 工作台电机的选择215.1.1 确定脉冲当量215.1.3 等效力矩计算225.1.4 确定蜗轮蜗杆的传动比225.1.5确定电机型号225.2 工作台蜗轮蜗杆的设计计算235.2.1 确定蜗轮蜗杆模数235.2.2蜗杆轴的刚度验算245.2.3蜗杆蜗轮几何尺寸计算245.2.4 蜗杆传动的效率和散热计算275.3 工作台弹簧的设计计算285.4 工作台滚动导轨设计计算285.4.1滚动体的尺寸要求及确定295.

10、4.2滚动体数目确定295.4.3 保持架样式29总结30致谢31参考文献32一 绪论1.1 金属切削机床及其重要地位 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械零件的机器。它是制造机器的机器，所以称它为“工作母机”。习惯上简称为机床。机床的母机属性决定了它在国民经济中的重要地位。机械制造业肩负着为国民经济各部分提供现代化技术装备的任务。机械制造业是国民经济的基础，而机床工业则是机械制造工业的基础，一个国家的机床工业技术水平在很大程度标志着这个国家的工业生产能力和科学技术水平。1.2 问题的提出在生产活动中，经常会遇到需要在大型回转

11、体零件上加工出许多孔。如用普通机床，往往会遗漏加工，故需设计一台大型数控钻床来对其进行加工。这不仅减轻了劳动者的劳动强度，而且大大提高了劳动生产率。1.3 国内外发展状况（一）国内数控机床现状 近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以fms模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。 2001年，我国机床工业产值已进入世界第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达47.39亿美元，仅次于美国的53.67亿美元，消费额比上一年增长25%。但由于国产数控机床

12、不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达24.06亿美元，比上年增长27.3%。 （二）国外数控机床现状况 1、国际机床市场的消费主流是数控机床。 1998年世界机床进口额中大部分是数控机床，美国进口机床的数控化率达70%，我国为60%。目前世界数控机床消费趋势已从初期以数控电加工机床、数控车床、数控铣床为主转向以加工中心、专用数控机床、成套设备为主。 2、国外数控机床的网络化。 随着计算机技术、网络技术日益普遍运用，数控机床走向网络化、集成化已成为必然的趋势和方向，互联网进入制造工厂的车间只是时间的问题。从另一角度来看，目前流行的erp即工

13、厂信息化对于制造业来说，仅仅局限于通常的管理部门（人、财、物、产、供、销）或设计、开发等等上层部分的信息化是远远不够的，工厂、车间的最底层加工设备数控机床不能够连成网络或信息化就必然成为制造业工厂信息化的制约瓶颈，所谓的erp就比较“虚”没有能够真正地解决制造工厂的最关键的问题。所以，对于面临日益全球化竞争的现代制造工厂来说，第一是要大大提高机床的数控化率，即数控机床必须达到起码的数量或比例；第二就是所拥有的数控机床必须具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在工厂、车间的底层之间及底层与上层之间通讯的畅通无阻。 以西门子为代表的数控系统生产厂商已在几年前推出了具有网络功能的数控系统。在这些

14、系统中，除了传统的rs232接口外，还备有以太网接口，为数控机床联网提供了基本条件。由于国外企业的发展水平，数控机床的网络接口功能被定义为用于远程监控、远程诊断。二 方案论证2.1 总体布局方案论证数控钻床是数字控制为主的孔加工机床。在数控机床的发展过程中，数控钻床的出现是比较早的。50年代末，我国已有几种数控钻床的雏形。美国普拉特惠特尼公司在1961年就成批生产tape-o-matic数控钻床。它也是数控钻床的最早产品。此后，美国、日本等国家的公司也陆续生产数控钻床，数控转塔钻床等产品。数控钻床按其布局形式及功能特点可分为数控立式钻床、钻削中心、印刷线路板数控钻床，数控深孔钻床及其它大型数控

15、钻床等。2.1.1 数控立式钻床数控立式钻床是在普通立式钻床的基础上发展起来的，可以完成钻，扩，铰，攻丝等多道工序。适用于孔间距离有一定精度要求的零件的中小批量生产。它一般带有两坐标数控十字型工作台，被加工零件装夹在工作台上可进行两坐标移动，其控制系统一般是点位控制系统。属于经济型数控，价格便宜。2.1.2 钻削中心钻削中心是在3坐标数控立式钻床的基础上增加转塔刀库及自动换刀机构而成的采用无级调速的主轴电动机，可实现自动变换主轴转速，可以进行钻、扩、铰、锪、攻丝等加工工序，而且，可以完成具有直线和圆弧插补的轮廓控制铣削。由于一般中小型零件大多需要几把刀具来加工，故增加自动换刀装置并同时自动变换

16、主轴转速。可减轻劳动强度，减少换刀时间，既提高了机床的自动化程度，又提高了生产率。由于用轮廓控制数控系统代替了点位控制数控系统。可进行具有直线和圆弧插补功能的铣削加工，更适合于钻铣联合加工的零件。根据换刀原理及机床结构的不同，目前钻削中心分为单立柱式玉双立柱式两种。多立柱式的换刀方式是在砖塔中径布置6或8根主轴，由转塔回转实现主轴转换及自动换刀。由于转塔中需要布置多根主机，并由主轴主传动，分度，定位等机构。由于转塔头结构复杂，加工困难，还有尺寸限制，主轴刚性受到一定影响，各主轴间的位置精度也不理想，因此多主轴式钻削中心存在上述一些问题，很多厂家开发了单轴式钻削中心，它是在同一根主轴上自动换装有

17、各种刀具的刀柄实现自动换刀，并采用转塔式刀库，克服了多轴式的缺点。2.1.3 印刷线路板数控钻床印刷线路板数控钻床是一种专门用来加工印刷线路板的专用钻孔机床。2.1.4 其它大型数控钻床对于某些大型零件，在一般数控钻床，钻削中心上无法加工。故使用大型数控钻床。由于该设计的钻床是要求钻妃的最大直径为，且工件为的盘形零件，工件高度为，属大型多孔零件，加工所需刀雎较少，且不频繁换刀，孔距精度要求不太高，故设计成龙门式数控 钻床，其也可完成钻、扩、铰、攻丝等多道工序。2.2 数控钻床功能组成及各部件方案论证数控钻床一般包括以下几个部分：（1）、主机 包括床身，立柱，工作台，和主轴箱等机械部件（2）、数

18、控系统（3）、驱动装置（4）、其它辅助装置，如冷却系统，防护罩，排屑器。2.2.1 数控系统总体方案确定2.2.1.1 系统运动方式的确定 数控统的运动方式可分为点位控制系统，点们直线系统，连续控制系统。点位控罅系统只能够实现由一个位置到另一个位置的精确移动，在移动过程中不进行任何加工。连续控制系统要求工作台或刀具沿各个坐标轴的运动有精确的运动关系。数控钻床在工作台移动过程中钻头并不进行钻孔加工，回此数控装置可采用点位控制方式。点位系统的要求是快速定位，保证定位精度。2.2.1.2 伺服系统的选择开环控制系统没有检测反馈部件，不能纠正系统的传动误差。但其结构简单，调整维修方便，在速度和精度要求

19、不太高的场合广泛应用。闭环控制系统在机床移动部件上装有检测反馈元件来检测实际位移，能补偿系统的传动误差，伺服控制精度高，调试复杂，系统造价高。由于该机床是加工敢距精度有要求但不太高的零件，采用开环控制系统。精度要求满足，结构简单，调整维修容易，可降低机床造价。并采用步进电机作为伺服电机。2.2.1.3 执行机构传动方式确定 为确保数控系统的传动精度和工作台平稳性，通常提出低摩擦，低质量，高刚度，无间隙，高谐振，以及由适宜阻尼比的要求。为满足低摩擦，尽量消除传动间隙的要求。本设计横梁采用滚珠丝杠螺母传动副。为提高系统的传动刚度，保证加工精度，丝杠支撑设计成两端轴向固定，并加预拉伸的结构。2.2.

20、2 主机部分总体方案确定2.2.2.1 工作台工作台是数控机床的重要部件，其形式尺寸往往表现机床的规格和性能。工作台有矩形，回转形式，以及倾斜成各种角度的万能工作台等三种。由于该机床是加工大型盘形零件。故采用回转工作台。并采用开环控制。其定们精度由控制系统决定。开环系统中的数控转台由传动系统，间隙消除装置，及蜗轮夹紧装置等组成。2.2.2.2 床身采用龙门式结构。由两立柱，顶梁，横梁，工作台，主轴箱等组成。其钻孔的位置定们分别由主轴箱沿横梁的横向移动和工作台的转动来实现。横梁可沿两个立柱的导轨上下调整位置，以适应不同高度的加式需要。这种布局形式由两个立柱，顶梁和床身构成龙门框架式结构，主轴中心

21、线的悬身距离也很小，所以刚度较高，可提高加工精度。2.2.2.3 主轴箱 带有刀具的主轴箱的垂直移动为z坐标。采用步进电机驱动。其旋转主运动采用交流电机驱动，可变换主轴转速，以适应钻孔直径改变的需要。各主要参数工件为的盘形零件钻孔大小为工件高度为查表：最大钻孔直径确定主轴圆锥孔莫氏号数为4主轴端面到工作台的最大距离主轴端面到底座工作台面的最大距离三 横梁滚珠丝杠设计计算3.1 动载强度计算 额定动负荷是指当一批规格相同的滚珠丝杠螺母副，在一负荷力的测试运转下，能通过运动，而有不产生疲劳损伤时所能承受的最大轴向载荷。当时，滚珠丝杠螺母的主要破坏形式是工作表面的疲劳点蚀，因此要进行动载荷强度计算，

22、其计算动载荷应小于或等于滚珠丝杠螺母副的额定动负荷，有公式：式中，动载荷系数，从数控机床系统设计15表5-1可查得：硬度影响系数，同上，表5-2可查得：当量动负荷，单位n滚珠丝杠螺母副的额定动负荷，单位n寿命，以为1个单位。式中，使用寿命，h;循环次数；滚珠丝杠的当量转速，。式中，、滚珠丝杠螺母副所承受的轴向载荷，n；、与、相对应的转速，；、相对应的工作时间，3.2 滚珠丝杠轴向负荷f的计算（1）摩擦力的计算初估算主轴箱重量为1000n， 知；（2）惯性力计算有公式： 显然惯性力很小，可忽略，所以。轴向负荷（3）丝杠螺母长度估算由公式： 查表得，使用推荐寿命，初选丝杠螺距由此可以算出丝杠转速：

23、所以： （4）确定最大动负荷：式中，滚珠丝杠轴向负荷；负荷性质系数；查数控机床机器人机械系统设计指导6中表4-2得=1.2温度系数；同上书中在表4-3中可得：=1;硬度系数；同上书中表4-4中得到：=1;精度系数；同上书中表4-5中得到：=1;可靠性系数；同上在表4-6中可得：=1；将查得数值：=1.2; =1; =1; =1; =1;代入公式得：3.3 确定滚珠丝杠型号额定动负荷应满足的条件为：额定动负荷最大动负荷查书数控机床设计实践指南7表f-8可得：取公称直径 滚珠丝杠螺母副的型号为：ff3204-3；其基本额定动负荷为96000n，足够用。3.4 珠丝杠副的几何参数公称直径 螺距 螺旋

24、升角 滚珠直径 滚道半径 偏心距 丝杠外径 丝杠内径 螺母配合外径 螺母装配总长度 3.5 传动效率计算式中，为摩擦角；为丝杠螺旋升角。3.6 刚度检验滚珠丝杠受工作负载引起的导程l的变化量p=100n； l=0.45cm;e= (材料为钢)所以丝杠因受扭矩而引起的导程变化量很小，可以忽略。所以导程总误差为：查标志b级精度的丝杠允许误差为50故刚度足够。四 机械部分设计计算4.1 主传动系设计计算在主传动时，应结合具体机床进行具体分析，一般应满足以下几个基本要求：a) 满足机床使用性能的要求b) 满足机床传递动力的要求c) 满足机床工作性能的要求d) 满足产品设计经济性的要求e) 调整维修方便

25、，结构简单、合理、便于加工和装配。防护性能好，使用寿命长。而且在设计过程中，还应按照主变速传动系设计的一般原则来设计：即传动副前多后少原则；传动顺序与扩大顺序相致的原则；变速组的降速要前慢后快，中间轴的转速不宜超过电动机的转速。4.1.1动设计计算4.1.1.1 主运动参数确定钻头采用高速钢钻头，同切削加工手册查得：（p516）页取切削速度，进给量取。4.1.1.2 计算转速的确定采用zk9350型龙门式数控钻床主轴转速范围。取由机械制造装备设计11表3-10（p97）页得：由切削用量手册10查得：（p61）切削功率 由此可以选取主轴电动机。4.1.1.3 主轴电动机型号由切削功率选取y系列（

26、ip44）电动机机械设计课程设计手册（p167-表12-1）。其参数如下：y132m1-6电机：极数为6极，额定功率4kw,满载转速960r/min,额定转矩2，质量73kg，同步转速为602530.由上面可以确定:主轴: ,电动机: ,， ，,通常，无级变速装置作为传动系中的基本组，而分级变速作为扩大组，其公比理论上应等于无级变速装置的变速范围。实际上，由于机械无级变速装置属于摩擦传动，有相对滑动现象，可能得不到理论上的转速。为了得到连续的无级变速，设计时应使分级变速箱的公比略小于无级变速的变速范围，即取。使转速之间有一小段重叠，保证转速连续。 由上面的已知条件可以知道： 主轴要求的恒功率调

27、速范围为： 电动机可达到的恒功率调速范围为：取，由机械制造装备设计11中式（3-19）(p105)页可算出变速箱的变速级数，取。由于主轴要求恒功率变速范围远大于电机恒功率变速范围。因此在电动机与主轴间串联一个分级变速箱.其总体布局如下图1：图1 主轴箱总体布局 在设计时，为了避免从动轮尺寸过大而增加箱体的径向尺寸，限制降速最小传动比；为避免扩大传动误差，减少振动噪声，直齿圆柱齿轮最大升速比；在满足主轴恒功率输出时的最大传动比为。可以将其分解为。而另一组的最大传动比为。可以将其分解为。所以。在轴i-ii间的变速组中的两个传动副中的传动比为：； ；在轴ii-iii间的变速组中的两个传动副中的传动比

28、为； 设计中，变速组中所有齿轮的模数相同，并是标准齿轮，所以这4对啮合齿轮的齿数和相同。查机械制造装备设计11可得：表3-9（p94页） 取则： 同上面的方法可得到ii-iii轴传动齿轮的齿数和： 各传动齿轮的参数如表1：表1 主轴箱内各传动齿轮参数序号齿数分度圆直径齿顶圆直径齿根圆直径模数1z=3614415213442z=3614415213443z=24961048644z=4819220018245z=251001089046z=6726827625847z=1664725448z=763043122944由上面的传动比和齿轮齿数可以得到转速图如图2：图2 转速图4.1.1.4齿轮模数

29、的估算初步计算齿轮的模数，由于是初步估算，传动链中传动副的机械效率可以可以忽略，可用主电动机的额功率直接代入。而且齿轮材料为45钢，齿部高频淬火，当计算转速远大于时，所得模数值可能对于接触疲劳强度是不够的，可以按下公式计算：在机床主传动系统中推荐齿宽系数 从中可以得到： 确定中心距：同理可得： 由于在设计中采用的是滑移齿轮。从现代实用机床设计手册8中可以查得：齿宽： 4.1.1.5 齿轮齿根弯曲疲劳强度校核校核主轴上的啮合齿轮其 ；查机械设计12图6-19、6-20(p129页)可得：，从上面可得： ， 从图6-22c,按小齿轮齿面硬度均值235hbs，在ml线上查得；同理，在图6-22b上，

30、查得： ；取 ，得：将确定出的各项数值代入弯曲强度校核公式，得：所以齿轮齿根弯曲疲劳足够。 4.1.1.6 齿面接触疲劳强度校核从机械设计12查表6-5（p-122页）得： 由图6-14查得： 由图6-13查得： 由图6-15，按不允许出现点蚀,查得： ,由图6-16e,按齿面硬度均值51hrc,在mq和ml线中间查出:则：将确定出的各项数值代入接触强度校核公式，得：所以，接触强度满足。主轴箱中的其它齿轮也是通过上述方法进行校核。在此不再展开。4.2 主轴的设计与计算4.2.1 选择轴的材料轴的材料选为45钢，调质处理。其力学性能可查得：， ，由于主轴为空心轴，根据公式求得其最小直径：，式中；

31、，即空心轴的内径与外径之比，通常取。对于直径mm的轴，有键槽时，轴径增大；有两个键槽时，应增大。4.2.2 估算轴的直径在主轴箱结构中，联轴器的效率、齿轮传动效率和滚动轴承的效率都比较高，因此在计算主轴的转矩时可以忽略。由公式可以得出：由公式可求：考虑到键槽对主轴强度的影响取主轴的直径为：在主轴上的两传动齿轮依靠套筒定位。齿轮的周向定位采用a型普通平键连接。根据，由机械设计课程设计手册14可以查得平面键截面，同时为了保证齿轮与轴配合具有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为。4.2.3 按弯扭轴上合成强度条件计算由所确定的结构图可确定出简支梁的支承距离，据此求出齿轮宽度中心所在截面的、及的值

32、。计算轴上的外力：齿轮的圆周力齿轮的径向力：轴上的支反力：水平面内支反力：垂直面内的支反力：计算轴的弯矩：水平面弯矩： 垂直面弯矩：合成弯矩： 计算并画当量弯矩：转矩按脉动循环变化计算，取： 进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩的截面的强度。由机械设计12中式8-4得4.2.4 按疲劳强度的安全系数校核计算4.2.4.1 判断危险截面危险截面的位置应是弯矩和转矩较大及截面面积较小且应力集中较严重处。当在同一截面处有几个应力集中源时，取各源所引起的应力集中的最大值。根据轴的结构尺寸可知，在齿轮配合和键槽引起的应力集中。所以按此处截面进行疲劳强度的安全系数计算。4.2.4.2 危险截面处疲劳强度

33、安全系数校核抗弯截面系数：抗扭截面系数：合成弯矩： 转矩 弯曲应力幅（按对称循环变应力计算）：弯曲平均应力： 扭转切应力幅（按脉动循环变应力计算）：扭转平均切应力： 由机械设计12中的。附图1a、附图2a可以查得，有效应力集中系数： 由，按附表5查得尺寸系数 同轴精车加工，按附图8查得表面质量系数按机械设计12书中公式（2-7a）和式（2-7b）计算可得综合影响系数值为：截面附近由于键槽引起的有效应力集中系数是和，按附表3、附表4查得： 故得综合影响系数值为：截面上由于齿轮轮毂与轴的过盈配合产生的有效应力集中系数与尺寸系数之比值由附图6b、附图7b查得： 故得综合影响系数值为：取上面综合影响系

34、数、中的较大值，故取，。轴的材料是45钢，查表8-1取弯曲等效系数，扭转等效系数。只考虑弯矩作用的安全系数，由式（8-7）得：只考虑转矩作用的安全系数，由式（8-8）得：同式（8-6）计算安全系数：取，所以截面安全。主轴箱中其它轴也可由上面的校核方法进行校核。在此不在展开。4.3 轴承的选择与校核由上面轴的设计中可知，轴承处的轴颈，转速，两支承的径向载荷，。轴向外载荷（切削用量简明手册10表2-19查得）试选角接触球轴承7211ac，查机械设计课程设计手册可知：，。对于70000ac型轴承，按机械设计12表9-9，轴承内部轴向力，并由表9-7可知判断系数。因为所以，轴承的轴向载荷为： 计算轴承

35、的当量载荷和，由于在该结构中，用的是3个轴承支承则受力按均分计算，各力除以3得：由表9-7可查得径向动载荷系数和轴向载荷系数对于轴承1 对于轴承2 由于载荷平稳，查机械设计12表9-8，取则由于按计算轴承应具有的额定动载荷根据公式（9-5） 由于机床在一般工作条件下工作，取，则它比所选轴承的额定动载荷小。因此所选轴承强度满足。其余也可以按上述方法进行校核。4.4 主轴上键的选择与校核键的选择包括类型选择和尺寸选择两个方面。键的截面尺寸（键宽和键高）按轴的直径由标准中选定；键的长度可根据轮毂的长度确定，可使键长等于或略短于轮毂的宽度；导向平键应按轮毂的长度及滑动距离而定。键的长度还须符合标准规定

36、的长度系列。由于安装键处的轴径为。根据机械设计课程设计手册14中表4-1可以确定。取键为a型普通平键。其基本尺寸为：。由于平键连接的可能失效形式有：较弱零件工作面被压溃（静连接）、磨损（动连接）、键的剪断（一般极少出现）。因此，对于普通平键连接只需要进行挤压强度计算；而对于导向平键或滑键连接需要进行耐磨性条件的计算。4.4.1 挤压强度校核式中：表示键与轮毂的接触高度。为键的工作长度，a型平键，b型键，c型键将值代入上式进行校核：所以挤压强度满足。4.4.2 耐磨条件校核代入数值可得：（说明：与键有相对滑动的被连接件表面经过淬火处理）五 工作台设计与计算数控回转工作台主要有两个功能：一是实现工

37、作台的进给分度运动，即在非切削时装有工件的工作台在整个圆周进行分度旋转；二是实现工作台圆周方向上的进给运动，即在运动切削时，与x，y，z三个坐标轴进行联动，加式复杂空间曲面。 回转工作台实现回转功能的结构形式多样，但需要数控机床具有复杂的曲线和曲面的加工能力时必须配备回转轴，而数控回转工作台是在数控机床上完成回转进给功能的直接部件。采用蜗轮蜗杆传动副的数控回转工作台，减速比大，可以提高电机扭矩，并且具有“自锁”功能，可以在电机失电后保持工件的位置，因此，在实际中得到广泛的应用。工作原理：在工作台接受到数控系统指令后，首先把蜗轮松开，然后启动电液脉冲马达，按指令脉冲来确定工作台的回转方向、回转速

38、度及回转角度等参数。工作台的运动由电液脉冲马达驱动，经齿轮和带动蜗杆，通过蜗轮使工作台回转。当工作台静止时必须处于锁紧状态。工作台面圆周方向分布八个夹紧液压缸进行夹紧。当工作台不回转时，夹紧液压缸的上腔进压力油，使活塞向下运动，通过钢球、夹紧瓦及将蜗轮夹紧；当工作台需要回转时，数控系统发出指令，使夹紧液压缸上腔的油流回油箱。在弹簧的作用下，钢球抬起，夹紧瓦松开蜗轮，然后由电液脉冲马达通过传动装置，使蜗轮和回转工作台按照控制系统的指令作回转运动。为了尽量消除传动间隙和反向间隙，图示中齿轮和齿轮的啮合的侧隙是靠偏心环来消除的。与蜗杆相连接的齿轮是靠楔形拉紧圆柱销来联接的，这种联接方式可以消除轴与套

39、的配合间隙。5.1 工作台电机的选择5.1.1 确定脉冲当量 脉冲当量是数控系统发出一个指令脉冲，工作台移动的距离或转过的角度。它决定了数控机床的加工精度和驱动系统的最高工作频率。对于回转工作台而言，脉冲当量可由下式计算：，式中，蜗杆头数，为蜗轮齿数。在步进电机数控开环系统中的脉冲当量一般取为或，也有选用或者。这时脉冲位移的分辨率和精度较高。初取满足加工要发求。5.1.2 步进电机的选择步进电动机每走一步的步距角，按理论设计是圆周的等分值。但是实际的步距角与理论值有误差。在数控机床中常见的反应式步进电动机的步距角一般为。步距角越小，数控机床的控制精度越高。但是，必须保证步进电动机的输出转矩大于

40、负载所需要的转矩。通常。其中为步进电动机最大静态转矩，为负载转矩。初取5.1.3 等效力矩计算 由公式：式中：为转动件所受力矩（nm） , 转动件的速度 为移动件所受力（n） 移动件的速度 转动件所受力矩为蜗杆磨擦力距，润滑良好可忽略。 移动件所受力，无切削力，可忽略。 故工作台旋转所克服的转矩很小，但考虑到工件较大，故取电机转矩。5.1.4 确定蜗轮蜗杆的传动比蜗杆为 工作台为 则蜗轮蜗杆的传动比为 确定传动比为 5.1.5 确定电机型号由数控机床设计实践指南7表f-9（p154）可以查得：110bf003型步进电动机。相数为三相，最大静转矩7.84n.m，最大启动频率1500hz,最大运行

41、频率7000hz。步距角。外形尺寸：外径，长度 轴径，质量。5.2 工作台蜗轮蜗杆的设计计算根据一般的龙门钻床中回转工作台的转速为。蜗轮蜗杆传动比，由于传动比过大，蜗杆头数取，则蜗轮齿数。蜗杆材料选为40cr,表面淬火，硬度；蜗轮齿圈材料为，金属模铸造。5.2.1 确定蜗轮蜗杆模数按齿面接触疲劳强度设计：从机械设计12表7-8查得 ；由于较低，估计，取；因载荷平稳，通过跑合可以改善偏载程度，取；载荷系数； 由表7-7查得 将以上数值代入接触强度设计公式，有： 按接触强度要求，查表7-1，选出， 中心距： 由于工作台结构要求，取中心距：5.2.1.1 检验初设参数 蜗轮圆周速度 原估计，选值，相

42、符。 滑动速度：。较大，选用锡青铜为蜗轮材料合适。 蜗杆传动效率 根据，查表7-9，得， ，初选与之相符。5.2.1.2 验算齿根弯曲疲劳强度 蜗轮当量齿数，由图6-19查得时，齿形系数； ，满足弯曲强度。5.2.2 蜗杆轴的刚度验算 因为工作台在回转时不克服任何切削力，只克服极小的滚动摩擦与惯性力。因此可以忽略。5.2.3 蜗杆蜗轮几何尺寸计算 蜗杆轴向齿距 蜗杆轴向齿厚 蜗杆法向齿厚 蜗杆齿顶圆直径 蜗杆齿根圆直径 蜗杆齿宽 取 蜗轮喉圆直径： 蜗轮齿根圆直径： 蜗轮咽喉母圆半径： 蜗轮齿宽 取 选蜗轮轮齿端面为锥面结构。 蜗轮轮缘宽度 取 为切去顶圆齿尖，蜗轮顶圆直径： 为不损伤齿，蜗轮

43、顶圆直径： 取注：为了消除蜗轮副的传动隙，采用双螺距渐厚蜗杆，通过移动蜗杆的轴向位置来调整间隙。蜗杆齿厚从头到尾逐渐增厚。由上面的数据可以得到蜗杆蜗轮参数见表2：表2 蜗轮蜗杆各参数名称符号结论中心距650蜗杆头数1蜗轮齿数83压力角模数10传动比83蜗杆直径系数10蜗杆轴向齿距31.4蜗杆导程31.4蜗杆分度圆直径160蜗杆齿顶圆直径180蜗杆齿根圆直径136顶隙0.2蜗杆齿顶高10蜗杆齿根高12蜗杆齿高22蜗杆导程角蜗杆齿宽230蜗轮分度圆直径830蜗轮喉圆直径850蜗轮齿根圆直径806蜗轮齿顶高20蜗轮齿根高24蜗轮咽喉母圆半径75蜗轮齿宽210蜗杆轴向齿距31.4蜗杆法向齿厚15.67

44、蜗轮轴向齿厚15.75.2.4 蜗杆传动的效率和散热计算4.3 传动效率： 啮合效率 搅油效率 轴承效率 所以 散热计算：由现代机床实用设计手册8公式（3-6-14）可得： 自然冷却 满足要求。5.3 工作台弹簧的设计计算设计弹簧时的方法很多，通常有三个方法。一是公式计算法；二是已知弹簧直径时的设计方法；三是查表法。因弹簧直径已知，故采用第二种设计方法。查表可知，确定弹簧中径为由公式：式中：为许用应力；为最大工作负荷；为弹簧直径。最大工作负荷计算：因弹簧工作时只需克服活塞，少量油液，圆柱体，与托柱体的自重：则由公式所以： 查表可知：所以，查表对应a值的c值为7.2。所以。查表，工作极限负荷32

45、4116n。满足要求。有效圈数的选取范围为，取圈。则最大心轴直径，最小套筒直径。验算弹簧刚度：由公式：。故为保证弹簧弹开116n重量，应使弹簧至少预先压缩。自由高度的选取范围为取弹簧压缩状态高度为。足够用。5.4 工作台滚动导轨设计计算在机床设计中，导轨设计应该满足导轨的基本要求，即导向性，耐磨性，刚度，低速运动平稳等要求。其按摩擦性质分类可分为滑动导轨和滚动导轨。由于滚动导轨摩擦小，允许转速高，寿命长，润滑简单，维护容易，故选用滚动导轨。而在导轨之间的滚动体又分为滚珠、滚针、滚柱三种。其材料一般为滚动轴承钢，淬火后硬度可达到60hrc以上。由于本设计的工作台为大型回转工作台，加工大型零件，为提高其承载能力，故选用滚动体为滚柱的导轨。5.4.1 滚动体的尺寸要求及确定滚动体的直径越大，摩擦系数越小，故在结构允许的情况下，尽量选用较大直径的滚动体，取，由于滚子长度增加，可提高刚度，但过长会使滚子在长度上的压力分布不均。查现代机床实用设计手册8可知：选圆柱滚子的尺寸为：，。5.4.2 滚动体数目确定对于滚动导轨有公式：式中为导轨上的载荷；为滚子长度；为导轨上的滚动体数目。导轨上载荷估算：所以，载荷估算值为：则取5.4.3 保持架样式采用整体注射式保持架，它具有以下特点：a)