CK6125数控车床主传动系统的设计说明

1、CK6125数控车床主传动系统设计摘要：数控车床不仅能够车外圆还能用于镗孔、车端面、钻孔与铰孔。与其他种类的机床相比，车床在生产中使用最广。本论文首先介绍了我国数控机床发展的过程与现状 ,并分析了其存在的问题 ;对数控机床的发展趋势进行了探讨；并对ck6125数控车床主轴箱传动系统进行了设计与计算。主轴箱有安装在精密轴承中的空心主轴和一系列变速齿轮组成。数控车床主轴可以获得在调速围的任意速度，以满足加工切削要求。目前，数控车床的发展趋势是通过电气与机械装置进行无级变速。变频电机通过带传动和变速齿轮为主轴提供动力。通常变频电机调速围35，难以满足主轴变速要求；串联变速齿轮则扩大了齿轮的变速围 。

2、本设计将原来的带轮不卸荷结构变为了带轮卸荷结构，使输入轴在带处只受转矩，将轴上的径向力传动到车床机体上,改善了输入轴的受力情况。关键词：主轴箱，无级调速，传动系统 29 / 32Abstract： NC lathe can do boring, facing, drilling and Reaming in addition toturning.The use of lathes in the production than the other types of machine tools and more. And compared to other types of machine too

3、ls, lathes in the production is the most widely used.In this design ,the development and current situation of NC machine in China was introduced and a series of problems were presented .The development trend to NC lathe was discussed.Some countermeasures was presented for the development of NC machi

4、ne in Chinaand then the headstock of ck6125NC lathe has been calculatly designed .Headstocks is composed of the hollow spindle which is installed in precision bearings and a series of transmission gears.The spindle can obtain any speedin the speed range to meet the processing requirements of cutting

5、.At present, the development trend is to provide a continuously variablespeed through the electrical or mechanical devices .Variable Frequency Motor conveys the power through belt drive and a set of transmission gears. The speed range of Variable Frequency Motor is usually 3-5 , which is difficult t

6、o meet the speed range requirements of the spindle speed; The transmission gears is to expand the scope of a variable-speed to meet the speed rangeof the spindle .In addition, in this design the design of the belt drivehas been changedfrom the original unloading structure into the loading structure,

7、 transmissed the force to the lathe body so that input shaft is only forced torque, improvedthe forcing stateofthe input shaft.Key words:headstocks, a continuously variablespeed , transmission Systerm目录摘要IABSTRACT.II第一章 前言11.1课题背景与目的11.2国外研究现状与发展趋势11.2.1 数控系统的发展趋势11.2.2 我国数控车床的研究现状与发展趋势21.3课题研究容与方法5

8、1.3.1 课题研究容51.3.2 研究方法51.4 论文构成5第二章 主传动系统的设计62.1主传动系统的设计要求62.2总体设计62.2.1 拟定传动方案62.2.2 选择电机72.2.3 主运动调速围的确定92.2.4 转速图11第三章 传动系统零部件设计123.1传动皮带的设计和选定123.1.1V带传动设计123.2轴系部件的结构设计143.2.1 I轴结构设计143.2.2 II轴结构设计173.2.3电磁摩擦离合器的计算和选择21第四章主轴结构设计234.1 对主轴组件的性能要求234.2 轴承配置型式244.3 主要参数的确定244.4 主轴头的选用254.5 编码器的选择与安

9、装25第五章结论27参考文献28致29第一章 前言1.1课题背景与目的我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3。近10年来，我国数控机床年产量约为0.60.8万台，年产值约为18亿元。机床的数控化率仅为6。这些机床中,役龄10年以上的占60以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品国、外市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的的生

10、存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。而相对于传统机床，数控机床有以下明显的优越性：1、可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。2、可以实现加工的柔性自动化，从而效率比传统机床提高37倍。3、加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。4、可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。5、拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，可实现长时间无人看管加工。因此，采用数控机床，可以降低工人的劳动强度，节省劳动力（一个人可以看管多台机床），减少工装，缩短新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应。此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、F

11、MS（柔性制造系统）以与CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。由于以上优越性，数控机床所占的比例逐渐增大。从2005年的市场消费容也可可看出,普通机床的市场份额在下降,数控机床则大幅度增长，尤其是中高档数控机床供不应求。可以预见，未来几年普通机床的市场份额将不断下滑, 数控机床的消费会逐渐扩大。2在这样一种背景下，我的课题选择为设计一台数控车床CK20，用于对转体零件的圆柱面、圆弧面、圆锥面、端面、切槽、与各种公、英制螺纹等进行批量、高效、高精度的自动加工，以提高生产效率和产品质量和降低工人劳动强度。通过本次设计培养综合运用基础

12、知识和专业知识，解决工程实际问题的能力，使工程绘图、数据处理、外文文献阅读、程序编制、使用手册等基本技能与能力得到训练和提高。此外，力求完成课题之余，熟悉国外数控技术与数控机床的现状与发展趋势,增强对如何发展民族数控机床产业的感性认识。1.2国外研究现状与发展趋势1.2.1 数控系统的发展趋势自从1951年计算机技术应用于机床上，数控系统经历了数控（NC）和计算机数控（CNC）两个阶段的发展。目前，数控系统正处于第六代基于PC（PCBASED）。未来数控系统将呈以下发展趋势：1、继续向开放式、基于PC的第六代方向发展基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统

13、生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。2、向高速化和高精度化发展3、向智能化方向发展（1）应用自适应控制技术向高速化和高精度化发展数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。（2）引入专家系统指导加工将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。（3）引入故障诊断专家系统（4）引入动装置智能化数字伺服驱动系统可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行3。1.2.2 我国数控车床的研究现

14、状与发展趋势1、研究现状我国数控车床从20世纪70年代初进入市场，至今通过各大机床厂家的不懈努力，通过采取与国外著名机床厂家的合作、合资、技术引进、样机消化吸收等措施，使得我国的机床制造水平有了很大的提高，其产量在金属切削机床中占有较大的比例。目前，国产数控车床的品种、规格较为齐全，质量基本稳定可靠，已进入实用和全面发展阶段。1）床身按照床身导轨面与水平面的相对位置，床身有图1所示的5种布局形式。一般来说，中、小规格的数控车床采用斜床身和平床身斜滑板的居多，只有大型数控车床或小型精密数控车床才采用平床身，立床身采用的较少。平床身工艺性好，易于加工制造。由于刀架水平放置，对提高刀架的运动精度有好

15、处，但排屑困难；刀架横滑板较长，加大了机床的宽度尺寸，影响外观。平床身斜滑板结构，再配置上倾斜的导轨防护罩，这样既保持了平床身工艺性好的优点，床身宽度也不会太大。斜床身和平床身斜滑板结构在现代数控车床中被广泛应用，是因为这种布局形式具有以下特点：容易实现机电一体化；机床外形整齐、美观，占地面积小；容易设置封闭式防护装置；容易排屑和安装自动排屑器；从工件上切下的炽热切屑不至于堆积在导轨上影响导轨精度；宜人性好，便于操作； 便于安装机械手，实现单机自动化。2)导轨车床的导轨可分为滑动导轨和滚动导轨两种。滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点。但传统滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动、静摩擦系

16、数差别大，低速时易产生爬行现象。目前，数控车床已不采用传统滑动导轨，而是采用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。它们具有摩擦性能良好和使用寿命长等特点。滚动导轨的优点是摩擦系数小，动、静摩擦系数很接近，不会产生爬行现象，可以使用油脂润滑。根据滚动体的不同，滚动导轨可分为滚珠直线导轨和滚柱直线导轨。后者的承载能力和刚度都比前者高，但摩擦系数略大。       a)后斜床身-斜滑板b)直立床身-直立滑板c)平床身-平滑板d)前斜床身-平滑板 e)平床身-斜滑板图1.1 床身布局型式3）主轴传动系统机床主传动系统可分为分级变速

17、传动和无级变速传动。分级变速传动是在一定围能均匀的、离散地分布着有限级数的转速，主要用于普通机床。无级变速形式可以在一定围连续改变转速，以便得到满足加工要求的最佳转速，能在运转中变速，便于自动变速。数控车床得主传动系统通常采用无级变速。 与普通车床相比，数控车床的主传动采用交、直主轴调速电动机，电动机调速围大，并可无级调速，使主轴结构大为简化。为了适应不同的加工需求数控车床主传动系统有以下三种方式。电动机直接驱动 主轴电动机与主轴通过联轴器直接连接，或采用装式主轴电动机驱动。采用直接驱动可大大简化主轴箱结构，能有效地提高主轴刚度。这种传动的特点是主轴转速的变化、输出转矩与主轴的特性完全一致。但

18、因主轴的功率和转矩特性直接决定主轴电机的性能，因而这种变速传动的应用受到一定限制。采用定比传动 主轴电动机经定比传动给主轴。 定比传动可采用带传动或齿轮传动，这种传动方式在一定程度上能满足主轴功率和转矩的要求，但其变速围仍和电动机的调速围一样。 目前，交流、直流主轴电动机的恒功率转速围一般只有2-4，而恒转矩围则达100以上；许多大、中型机床的主轴要求有更宽的恒功率转速围。很明显，这种情况下主轴电动机的功率特性和机床主轴的要求不匹配:调速电动机的恒功率围远小于主轴要求的恒功率变速围。所以这种变速方式多用于小型或高速数控机床。采用分档变速方式 采用这种变速方式主要是为了解决主轴电动机的功率特性和

19、机床主轴功率特性不匹配。变速多采用齿轮副来实现，电动机的无级变速配合变速机构可确保主轴的功率、转矩要求，满足各种切削运动的转矩输出，特别是保证低速时的转矩和扩大恒功率的调速围。用两个电机分别驱动主轴 上述两种方式的混合传动，高速时带轮直接驱动主轴，低速时另一个电机通过齿轮减速后驱动主轴4）刀架系统按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式。排式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒料或盘类零件为主。回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架，通过刀架的旋转分度定位来实现机床的自动换刀动作，根据加工要求可设计成四方、六方刀架或圆盘式刀架。根据刀架回

20、转轴与安装底面的相对位置，回转刀架分为立式刀架和卧式刀架两种。排刀式刀架和回转刀架对刀具的数目有一定的限制，当需要数量较多的刀具时，应采用带刀库的自动换刀装置。5）进给传动系统数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统，按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。前者定位精度低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉；后者控制精度高、快速性能好，但它对机床的要求比较高，且造价较昂贵。闭环系统中采用的位置检测装置有：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和激光干涉仪等。数控车床的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机。伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机之分。前者由于具有可靠性高、造价低等特

21、点而被广泛采用4。2、发展趋势1）高速、高精密化当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高。另一方面，电主轴和直线电机的成功应用，瓷滚珠轴承、高精度大导程空心冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副与带滚珠保持器的直线导轨副等机床功能部件的面市，也为机床向高速、精密发展创造了条件。2）高可靠性3）数控车床设计CAD化、结构设计模块化采用CAD技术以替代人工完成繁琐的绘图工作，进行设计方案选择和大件整机的静、动态特性分析、计算、预测与优化设计，以与对整机各工作部件进行动态模拟仿真。这样大大提高了工作效率，提高设计的一次成功率，从而缩短试制周期，降低设计成本，提高市场竞争能

22、力。4）功能复合化扩大机床的使用围、提高效率，实现一机多用、一机多能，即一台数控车床既可以实现车削功能，也可以实现铣削加工。5）智能化、网络化、柔性化和集成化5。1.3课题研究容与方法1.3.1 课题研究容本课题设计的数控车床的主要参数如下：床身上最大回转直径：；溜板箱上直径：最大车削长度：；主轴锥度：莫氏6#主轴转速：252500rpm（有级或无极变频调速）；主轴功率：4Kw课题研究的主要容包括主轴传动系统的设计、编码盘的安装与离合器的使用。1.3.2 研究方法第一步，明确设计要求，找出研究的重难点：普通数控车床最基本的要精度达标，稳定可靠，操作、维修、保养方便，寿命较长，此外力求外型美观。

23、第二步，进工厂观摩，大量收集国外相关资料，吸取专家的设计经验。第三步，初步确定总体设计方案：1、软件方面综合考虑功能、价格、技术先进、服务方便等因素，以与数控系统所具有的功能是否与CK6125的性能相匹配，尽量减少过剩的数控功能。选择了SINUMERIK 802D机床微机控制系统。2、硬件方面（1）根据机床性能要求，确定机床支承件结构形式为斜床身结构，并进行总体布局；（2）选择主电机。根据切削力大小与机床的变速要求，初步确定主电机型号；（3）设计主传动系统与箱体。由主电机的变速围，确定变速箱的减速级数以与传动方式。1.4 论文构成本论文构成如下：第一章阐述课题的研究背景与容。第二章详细论述主轴

24、系统包括各传动轴的结构设计。第三章详细介绍液压卡盘的设计选用。第四章阐述数控系统的选择与其设计。第五章提供了在本机床加工一典型零件的程序。第六章总结本课题设计的特点与其有待改进之处。论文最后是本次毕业设计的心得和参考文献。第二章 主传动系统的设计2.1主传动系统的设计要求数控系统的主轴系统除了应满足普通机床主传动要求外，还提出以下要求：1、具有更大的调速围，并实现无级调速;2、具有较高的精度和刚度、传动平稳，噪声低;3、良好的抗振性和热稳定性.2.2总体设计2.2.1 拟定传动方案数控机床需要自动换刀、自动变速；且在切削不同直径的阶梯轴，曲线螺旋面和端面时，需要切削直径的变化,主轴必须通过自动

25、变速，以维持切削速度基本恒定。这些自动变速又是无级变速，以利于在一定的调速围选择理想的切削速度，这样有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。无级调速有机械、液压和电气等多种形式，数控机床一般采用由直流或交流调速电动机作为驱动源的电气无级变速。由于数控机床的主运动的调速围较大（），单靠调速电机无法满足这么大的调速围，另一方面调速电机的功率扭矩特性也难于直接与机床的功率和转矩要求相匹配。因此，数控机床主传动变速系统常常在无级变速电机之后串联机械有级变速传动，以满足机床要求的调速围和转矩特性。为简化主轴箱结构，本方案仅采用二级机械变速机构，运动方案如图2.1：有级变速的自动变换方法一般有液压和电磁

26、离合器两种。液压变速机构是通过液压缸、活塞杆带动拨叉推动滑移齿轮移动来实现变速，双联滑移齿轮用一个液压缸，而三联滑移齿轮则必须使用两个液压缸（差动油缸）实现三位移动。液压拨叉变速是一种有效的方法，工作平稳，易实现自动化。但变速时必须主轴停车后才能进行，另外，它增加了数控机床的复杂性，而且必须将数控装置送来的电信号转换成电磁阀的机械动作，然后再将压力油分配到相应的液压缸，因而增加了变速的中间环节，带来了更多的不可靠因素。图2.1 主轴传动图电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元件，由于它便于实现自动操作，并有现成的系列产品可供选用，因而它已成为自动装置中常用的操作元件。电磁离合器用于数控机床

27、的主传动时，能简化变速机构，操作方便。通过若干个安装在各传动轴上的离合器的吸合和分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现主轴的变速。电磁离合器一般分为摩擦片式和牙嵌式6。2.2.2 选择电机1、选择电机应综合考虑的问题(1)根据机械的负载特性和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速等要求，选择电动机类型。(2)根据负载转矩、转速变化围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制、过载能力额启动转矩，选择电动机功率，并确定冷却通风方式。所选电动机功率应留有余量，负荷率一般取0.80.9。(3)根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以与腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护措施，选择电

28、动机的结构型式。(4)根据企业的电网电压标准和对功率因素的要求，确定电动机的电压等级和类型。(5)根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程的要求，以与机械减速机构的复杂程度，选择电动机额定转速。此外，还要考虑节能、可靠性、供货情况、价格、维护等等因素11。2、电动机类型和结构型式的选择由于不同的机床要求不同的主轴输出性能(旋转速度，输出功率，动态刚度，振动抑制等)，因此，主轴选用标准与实际使用需要是紧密相关的。总的来说，选择主轴驱动系统将在价格与性能之间找出一种理想的折衷9。表1简要给出了用户所期望的主轴驱动系统的性能。下面将对各种交流主轴系统进行对比、分析。表1.1 理想主轴驱动

29、系统性能项目容高性能低速区要有足够的转矩宽恒功率围,并在高速围保持一定转矩高旋转精度高动态响应高加减速,起制动能力具有强鲁棒性,能适应环境条件和参数变化高效率,低噪声低价格低购买价格,低维护价格,低服务价格通用要求耐用性,可维护性,安全可靠性感应电机交流主轴驱动系统是当前商用主轴驱动系统的主流，其功率围从零点几个kW到上百kW，广泛地应用于各种数控机床上。经过对比分析本设计中决定采用VFNC系列变频主轴电机。VFNC系列是高速、高精、高效的伺服系统，可实现机床的高速、高精控制，并使机床更紧凑。3、电动机容量的选择选择电动机容量就是合理确定电动机的额定功率。决定电动机功率时要考虑电动机的发热、过

30、载能力和起动能力三方面因素，但一般情况下电动机容量主要由运行发热条件而定。电动机发热与其工作情况有关。但对于载荷不变或变化不大，且在常温下连续运转的电动机（如本课题中的电动机），只要其所需输出功率不超过其额定功率，工作时就不会过热，可不进行发热计算8，本设计中电机容量按以下步骤确定：（1）确定电机输出动率Pd（）传动装置的总效率 (2.2) 其中，V带轮传动效率，由资料12，表24查得0.96；滚动轴承效率，由资料12，表24查得0.99；圆柱齿轮传动效率，由资料12，表24查得98；由此，=0.88故，（3）选择电动机额定功率如前所述，电动机功率应留有余量，负荷率一般取0.80.9，所以电动

31、机额定功率选取为5.5Kw。（4）电动机电压和转速的选择由资料10,表2219，小功率电动机一般选为380V电压。所以本电机的电压可选为380V。同一类型、功率一样的电动机具有多种转速。一般而言，转速高的电动机，其尺寸和重量小，价格较低，但会使传动装置的总传动比、结构尺寸和重量增加。选用转速低的电动机则情况相反。要综合考虑电机性能、价格、车床性能要求等因素来选择 10 。本课题中数控机床的主轴的转速围要求为25r/min2500r/min。由于只有一根中间传动轴，传动链较短，因此变速级数较少，故对电动机恒功率变速围以与整个变速围要求较高。V带轮传动比确定为，I轴上齿轮传动比确定为，II轴上两对

32、直齿轮的传动比分别为，所以两条传动链中，高速传动链传动比4，低速传动链传动比，由此可得电机的转速围：（5）确定电机的型号由前面信息，可选取VFNC系列变频主轴电机型号VFNC 132M-33.3-5.5-4。VFNC系列变频主轴电机的特点：1. 双功率设计，应对短时重载切削。2.恒功率围宽，可实现1:6倍恒功率设计3.导入基频33.3Hz设计（是我司“基频制设计原理”在机床主轴电机上的成功应用），达成低速力矩大，确保低速强力切削，超宽恒功率调速围，保障高速切削光洁度。降低变频器功率，节省成本和电源容量。 VFNC系列变频主轴电机特别适合数控车床类机床的主轴驱动，配合高性能矢量变频器或

33、主轴驱动器，更能发挥其优良的主轴特性，成为性能与经济性具佳的数控车床类机床的变频主轴驱动方案。电机参数如下表所示：表2.2 电机参数型号S1-100%连续额定S6-50% ED转动惯量G（）恒转矩围恒功率围额定功率Kw额定电流A额定转矩Nm额定功率Kw额定电流A额定转矩Nm0.05241-33.3Hz，301000r/minS1-100%,10006000 r/minS6-50%,10004500 r/minVFNC 132M-33.3-5.5-45.514.1545.519.274机座长为470mm，电机轴径为，轴伸为60mm，中心高115mm，其余安装尺寸与其外形由资料7得。2.2.3 主

34、运动调速围的确定、计算各轴计算转速、功率和转矩主运动调速围的确定（本小节公式除非特别说明，均出自资料12）数控车床主轴转速围252500r/min则数控车床总变速围 估算主轴的计算转速，由于采用的是无级调速，所以采用以下的公式： (2.3)因为数控机床主轴的变速围大于计算转速的实际值同时为了便于计算故取：主轴的恒功率变速围电机的恒功率变速围由于Rnp>>Rdp，电动机直接驱动主轴不能满足恒功率变速要求，因此需要串联一个有级变速箱，以满足主轴的恒功率调速围。取，则对于数控车床，为了加工端面时满足恒线速度切削的要求，应使转速有一些重复，故取Z=2故前面传动比分配可取。各轴计算转速各轴输

35、入功率各轴输入转矩将以上计算结果整理后列于表2.2，供以后计算选择，供以后计算使用：表2.3 各轴的传动参数参数轴0轴（电机轴）I轴(传动轴）II轴（中间传动轴）III轴（主轴)计算转（）1000416.7208 104/416.7输入功率（Kw）5.55.285.124.79转矩（）54121235 456.4/114传动比，2.2.4 转速图由电机的转速围(包括恒功率变速围)和各轴传动比,作数控车床的转速图, 见图2-2.图2.2 转速图第三章 传动系统零部件设计3.1传动皮带的设计和选定（如无特殊说明，本小节公式均出自资料14）带传动是由带和带轮组成传递运动和动力的传动。根据工作原理可分

36、为两类：摩擦带传动和啮合带传动。摩擦带传动是机床主要传动方式之一，常见的有平带传动和V带传动；啮合传动只有同步带一种。普通V带传动是常见的带传动形式，其结构为：承载层为绳芯或胶帘布，楔角为40°、相对高度进似为0.7、梯形截面环行带。其特点为：当量摩擦系数大，工作面与轮槽粘附着好，允许包角小、传动比大、预紧力小。绳芯结构带体较柔软，曲挠疲劳性好。其应用于：带速V2530m/s;传动功率P700kW;传动比i10轴间距小的传动。一主要失效形式 1带在带轮上打滑，不能传递动力； 2带由于疲劳产生脱层、撕裂和拉断； 3带的工作面磨损。保证带在工作中不打滑的前提下能传递最大功率，并具有一定的

37、疲劳强度和使用寿命是V带传动设计的主要依据，也是靠摩擦传动的其它带传动设计的主要依据。3.1.1V带传动设计(1)设计功率的确定：由表8-7查得工况系数(2) 选定带型：根据和由图8-10确定选用A型。确定带轮的基准直径并验算带速传V：1>初选带轮的基准直径由表8-6和表8-8确定：取小带轮直径=125mm2>验算带速V：因为5m/s<V<30m/s,故带速合适。3>计算大带轮的基准直径。=i=2.4×125=300mm根据表8-8圆整为=315mm确定V带的中心距a和基准长度Ld 1>初定带轮距得： 即:初取 2>计算带所需的基准长度：由表

38、8-2选带的基准长度Ld=1800mm3>计算实际中心距：安装时所需最小轴间距：紧或补偿伸长所需最大轴间距：(5)验算小带轮包角：所以小带轮包角合适。(6)计算带的根数Z。1>单根V带的基本额定功率：根据dd1和=1000r/min查表8-4a得基本额定功率=1.428Kw。再根据=1000r/min、i=2.4和A型带查表8-4b得=0.12Kw查表8-5得：2>计算带的根数z。取 根。计算单根V带的初拉力的最小值：应使带的实际初拉力计算压轴力压轴力的最小值为：(9)带轮的结构和尺寸：由表8-10可查得为了减轻传动轴上载荷，采用卸荷式带轮结构，使带轮上的载荷由轴承支撑进而传

39、给箱体，轴只承受转矩，装配装置参见装配图。3.2轴系部件的结构设计3.2.1 I轴结构设计（如无特殊说明，本小节公式均出自资料14）I轴上的零件主要是齿轮1。一端用凸台定位,另一端用紧定螺钉定位。1.选定齿轮类型,精度等级,材料与齿数.根据选定的传动方案,选用直齿圆柱齿轮传动.（1）本次设计属于金属切削机床类,一般齿轮传动,故选用6级精度.（2）材料选择.由表10-1选择小齿轮材料为40Cr(调质),硬度为280HBS,大齿轮材料为45钢(调质)硬度为240HBS,二者材料硬度差为40HBS.（3）选小齿轮齿数大齿轮齿数2.按齿面接触强度设计由设计计算公式(10-9a)进行试算,即： (2.5

40、)确定公式的各计算数值（1）试选载荷系数（2）计算小齿轮传递的转矩由上文可知为121N/m（3）由表10-7选取齿宽系数（4）由表10-6查得材料的弹性影响系数（5）由图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限大齿轮的接触疲劳强度极限;（6）由式10-13计算应力循环次： (2.6)（7）由图10-19查得接触疲劳寿命系数（8）计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数S=1，由式（10-12）得： (2.7)2）计算（1）小齿轮分度圆直径，代入中较小的值：(2.8)（2）计算圆周速度：(2.9)（3）计算齿宽：(2.10)（4）计算齿宽与齿高之比：模数(2.11)齿高 (2.1

41、2) (2.13)（5）计算载荷系数根据，6级精度，由图10-8查得动载系数；直齿轮，假设。由表10-3查得；由表10-2查得使用系数；由表10-4查得6级精度，小齿轮悬臂支承时： (2.14) 将数据代入得：； (2.15)由，查图10-13得；故载荷系数：(2.16) （6）按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由式（10-10a）得： (2.17)（7）计算模数： (2.18)3.按齿根弯曲强度设计：由式（10-5）得弯曲强度的设计公式为： (2.19)1）确定公式的各计算数值（1）由图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限；大齿轮的弯曲疲劳强度极限；（2）由图10-18查得弯曲疲劳寿

42、命系数，；（3）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由式（10-12）得： (2.20) （4）计算载荷系数K： (2.21) （5）查取齿形系数由表10-5查得；。（6）查取应力校正系数由表10-5查得；。（7）计算大小齿轮的并加以比较： (2.22)大齿轮的数值大。2）设计计算：对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数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所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲疲劳强度算得的模数2.31并就近圆整为标准值m=2.5，按接触强度算得的分度圆直径，算

43、出小齿轮齿数：大齿轮齿数这样设计出的齿轮传动，即满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。4.几何尺寸计算1）计算分度圆直径：2）计算中心距：3）计算齿轮宽度：取。5.验算：，合适。3.2.2 II轴结构设计（如无特殊说明，本小节公式均出自资料14）1.轴的支承形式该轴不受或只受极小的轴向力，而右端所受径向力矩明显高于左端，故左端选用深沟球轴承，而右端选用一对角接触球轴承背靠背安装，如图所示：图2.4 中间轴的支承形式2.轴上零件的轴向定位II轴上的主要零件主要有三对直齿圆柱齿轮与其中两直齿圆柱齿轮对应的电磁离合器。滚子轴承的左端靠在端盖上，右端用轴肩定位。与

44、电机轴上齿轮相啮合的齿轮左端用圆螺母固定,右端用轴肩定位.另外两齿轮所对应的电磁离合器位于它们中间，相互紧靠，两齿轮的另两端用螺钉锁紧挡圈定位。轴右端的轴承左边利用轴肩定位，右端用一摔油盘（有套筒的作用）和圆螺母进行定位。（1）轴的选材和最小直径得确定轴的材料选择为：45号钢（调质处理）。轴的最小尺寸，由式（152），式中，由表153，可取得110，故：取35mm。由于取值较计算值大的多，所以不用再按弯扭合成强度条件计算和进行疲劳强度校合。轴的零件图如图2-5.图2.5 中间轴零件图（2）齿轮的设计齿轮1和2的直径相差较大，对齿轮1（小齿轮）在模数和选材与热处理方面要求较高，所以首先进行该对齿

45、轮的设计。1.选定齿轮的精度等级和材料，初选齿数本数控机床的运行速度较高，精度等级选择6级精度；由表101，小齿轮材料选择为40，调质后表面淬火，硬度为280HBS；大齿轮材料选择为45钢，调制后表面淬火，硬度为240HBS。小齿轮的齿数初选为24，24×2=482.按齿面接触强度进行设计按式（109）试算：确定公式的各计算值：初选载荷系数Kt1.6；计算小齿轮传递的转矩由前文可知小齿轮传递的转矩为235;由表107与其说明，可选定齿宽系数；由表106，查得材料的弹性影响系数189.8；由图1021d，按齿面接触硬度查得小齿轮的接触疲劳强度650MPa；大齿轮的接触疲劳强度600MP

46、a；两齿轮的设计寿命为50000h，由式1013，计算应力循环次数：由图1019查得接触疲劳寿命系数=0.9,=0.95;计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%,安全系数s1。由式（1012），=0.9×650/1585MPa =0.95×600/1=570MPa 将以上参数代入公式进行计算算小齿轮分度圆直径d1t，代入H-中较小的值：计算圆周速度v：计算齿宽：计算齿宽与齿高之比：齿轮模数齿高计算载荷系数K由图108，查得动载系数；由表103，查得;由表102，查得使用系数1.25；小齿轮精度为6级，相对支撑作对称分布。由表104，由b/h4.27，=1.15,查图1013，

47、得1.12，故，动载系数：按实际得载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式（1010a）得：计算模数：3.按齿根弯曲强度设计由式（105）得弯曲疲劳的设计公式为以下确定式中各参数的值：由图1020c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限520MPa；大齿轮的弯曲疲劳强度极限440MPa；由图1018查得弯曲疲劳寿命系数0.82，0.87；计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S1.3，由式（1012）得：0.82×520/1.3328MPa0.87×440/1.3294.46Mpa 计算载荷系数 K：查取齿形系数由表10-5查得。查取应力校正系数由表105,查得；。计算大、小齿轮的并加以

48、比较：大齿轮数值大，将用于以下计算。将以上参数代入式（105）进行计算：对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而由齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度所算得的模数m=4，按接触强度算得的分度圆直径，算出小齿轮齿数4.几何尺寸计算1）计算分度圆直径2）计算中心距3）计算齿轮宽度取。5.验算，合适。第二对齿轮的模数可取得比齿轮1小，4。由于这两齿轮得中心距与齿轮1和2的中心距相等，故,四个齿轮的尺寸参数如表2.4所示。表2.4 齿轮尺寸参参数齿轮1234模

49、数m4444齿数z38767638中心距a228分度圆直径d152304304152齿顶圆直径160312312160齿根圆直径142194194142全齿高h99压力角基圆直径142.8285.67285.67142.8传动比2/11/2齿轮宽B45404045齿宽系数0.253.2.3电磁摩擦离合器的计算和选择本课题中数控机床得转速较高，对工作可靠性要求高，根据资料13中的结构选择原则，选取湿式多片电磁离合器。形式选定后，应进一步确定其规格（本小节公式与参数除非特别说明，均出自资料15）（1）规格计算其规格选择计算的基本原则是使其计算转矩小于或等于其薄弱环节的失效条件限制而允许其传递的许用

50、转矩T，即 (2.23)其中-理论转矩-计算转矩-公称转矩-许用转矩-最大转矩-许用最大转矩-许用转速1）计算转矩由于各类联轴器，离合器实际工况不同，在确定计算转矩时应将理论转矩乘以不同系数K。本机床承受长期平稳载荷，故： (2.24)式中，-分别为离合器的计算转矩，公称，许用转矩，N/m；-离合器理论转矩,N/m；K离合器工况系数离合器接合频率系数离合器滑动速度系数本文中为金属切学机床，由表15.2-3查得K=1.4，由表15.2-4查得 =1.00，由表15.2-4查得=1.08从而得到： (2.25)根据计算转矩，查表资料00000选取规格为DLMS-16A的湿式多片电磁离合器，相关尺寸

51、可从资料中查取。第四章 主轴结构设计4.1对主轴组件的性能要求主轴组件是机床主要部件之一，它的性能对整机性能由很大的影响。主轴直接承受切削力，转速围又很大，所以对主轴组件的主要性能特提出如下要求：回转精度主轴组件的回转精度，是指主轴的回转精度。当主轴做回转运动时，线速度为零的点的连线称为主轴的回转中心线。回转中心线的空间位置，在理想的情况下应是固定不变。实际上，由于主轴组件中各种因素的影响，回转中心线的空间位置每一瞬间都是变化的，这些瞬时回转中心线的平均空间位置成为理想回转中心线。瞬时回转中心线相对于理想回转中心线在空间的位置距离，就是主轴的回转误差，而回转误差的围，就是主轴的回转精度。纯径向

52、误差、角度误差和轴向误差，它们很少单独存在。当径向误差和角度误差同时存在时，构成径向跳动，而轴向误差和角度误差同时存在构成端面跳动。由于主轴的回转误差一般都是一个空间旋转矢量，它并不是所有的情况下都表示为被加工工件所得到的加工形状。主轴回转精度的测量，一般分为三种：静态测量、动态测量和间接测量。目前我国在生产中沿用传统的静态测量法，用一个精密的测量棒插入主轴锥孔中，使千分表触头触与检测棒圆柱表面，以低速转动主轴进行测量。千分表最大和最小的读数差即认为是主轴的径向回转误差。端面误差一般以包括主轴所在平面的直角坐标系的垂直坐标系的垂直度数据综合表示。动态测量是用以标准球装在主轴中心线上，与主轴同时

53、旋转；在工作态上安装两个互成90º角的非接触传感器，通过仪器记录回转情况。间接测量是用小的切削量加工有色金属试件，然后在圆度仪上的测量试件的圆度来评价。出厂时，普通级加工中心的回转精度用静态测量法测量，当L300mm时允许误差应小于0.02mm。造成主轴回转误差的原因主要是由于主轴的结构与其加工精度、主轴轴承的选用与刚度等，而主轴与其回转零件的不平衡，在回转时引起的激振力，也会造成主轴的回转误差。因此加工中心的主轴不平衡量一般要控制在0.4mm/s以下。刚度主轴部件的刚度是指受外力作用时，主轴组件抵抗变形的能力。通常以主轴前端产生单位位移时，在位移方向上所施加的作用力大小来表示。主轴

54、组件的刚度越大，主轴受力变形就越小。主轴组件的刚度不足，在切削力与其它力的作用下，主轴将产生较大的弹性变形，不仅影响工件的加工质量，还会破坏齿轮、轴承的正常工作条件，使其加快磨损，降低精度。主轴部件的刚度与主轴结构尺寸、支承跨距、轴承类型与配置型式、轴承间隙的调整、主轴上传动元件的位置等有关。抗振性主轴组件的抗振兴是指切削加工时，主轴保持平稳地运行而不发生振动的能力。主轴组件抗振兴差，工作时容易产生，不仅降低加工质量，而且限制了机床生产率的提高，使刀具耐用度下降。提高主轴抗振兴必须提高主轴组件的静刚度，采用较大阻尼比的前轴承，以与在必要时安装阻尼器。另外，使主轴的固有频率远远大于激振力的频率。温升主轴组件在运转中，温升过高会引起两方面的不良后果：一是主轴组件和箱体因热涨而变形，主轴