数控车床主传动机构设计课程设计

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0引言

这次毕业设计中,我所从事设计的课题是经济型数控车床主传动机构设计。此类数控车床属于经济型中档精度机床，这类机床的传动要求采用手动与电控双操纵方式，在一定范围内实现电控变速。总体的设计方案就是对传动方案进行比较，绘出转速图，对箱体及内部结构进行设计，包括轴和齿轮的设计、校核等。

为什么要设计此类数控车床呢？由于随着我国国民经济的不断发展，我国制造业领域涌现出了大量私营企业，这些企业的规模普遍不大，没有太多的资本。一些全功能数控系统，其功能虽然丰富，但成本高，对于这些中小型企业来说购置困难，但是中小型企业为了发展生产，希望对原有机床进行改造，进行数控化、自动化，以提高生产效率。我国机床工业的发浮现状是机床拥有量大、工业生产规模小，突出的任务就是用较少的资金迅速改变机械工业落后的生产面貌，使之尽可能提高自动化程度，保证加工质量，减轻劳动强度，提高经济效益。我国是拥有300多万台机床的国家，而这些机床又大量是多年累积生产的通用机床，自动化程度低，要想在近几年内用自动和缜密设备更新现有机床，不管是资金还是我国机床厂的能力都是办不到的。因此，普通机床的数控改造，大有可为。它适合我国的经济水平、教育水平和生产水平，已成为我国设备技术改造主要方法之一。目前，我国经济型数控系统发展迅速，研制了几十种简易数控系统，有力地促进了我国数控事业的发展。经济型数控机床系统就是结合现实的生产实际，我国的国情，在满足系统基本功能的前提下，尽可能地降低价格。

经济型数控车床有大量优点。1）其降格低廉，且性能价格比适中，与进口标准数控车床相比，前者只需一万元左右，后者则需十万甚至几十万元。因此，它特别适合于改造在设备中占有较大比重的普通车床，适合在生产第一线大面积推广。从提高资本效率出发，改造闲置设备，能发挥机床的原有功能和改造后的新增功能，提高机床的使用价值。2）适用于多品种、中小批量产品的适应性强。在普通车床上加工的产品，大都可在经济型数控车床上进行。加工不同零件，只要改变加工程序，很快适应和达到批量生产的要求。3）相对于普通车床，经济型数控车床能提高产品质量，降低废品损失。数控有较高的加工精度，加工出的产品尺寸一致性好，合格率高。4）采用数控车床，能解决繁杂的加工精度，还能俭约大量工装费用，降低生产成本。5）采用此类车床，还能减轻工人劳动强度将工人从紧张、繁重的体力劳动中解脱出来。6）可以提高工人素质，促进技术进步。数控系统的出现扩大了工人的视野，带动了学习微电子技术的热潮，为工人由“体力型〞向“智力型〞过渡创造了条件，促进了工厂的技术进步。7）加强了企业应变能力，为提高企业竞争能力创造了条件。企业应用经济型数控设备对设备进行改造后，提高了加工精度和批量生产的能力，同时又

数控车床主传动机构设计

保持“万能加工〞和“专用高效〞这两种属性，提高设备自身对产品更新换代所需要的应变能力，加强企业的竞争能力。

本设计中的数控车床主传动系统的特点就是主电机采用双速电机，这样可以简化箱体内的结构。操纵方式并非是完全数控，而是采用采用手动与电控双操纵方式，在一定范围内实现电控变速。本设计就是对在我国应用十分广泛的C6型数控车床进行的改造，具有广泛的适应性。C6型车床是一种加工效率高，操作性能好，社会拥有量大的普通车床。实践证明，把这种车床改造为数控车床，已经收到了良好的经济效益。

总体的设计方案就是对传动方案进行比较，绘出转速图，对箱体及内部结构进行设计，包括轴和齿轮的设计、校核等。设计时一要注意设计的科学性和条理性，另一点就是要注意和实际的结合。设计的依据主要是以经验或类比为基础的传统(经验)设计方法。作为一名尚未毕业的大学生，经验自然是我们所欠缺的，所以除了老师的指导，最主要的就是借鉴书上的设计方法。书上虽然不会有完全一致的例如，但一些其他类型的主轴箱设计方法在这个课题上同样适用，适用也只是大体上的适用，具体到一些细节的设计就需我们自己查设计手册了。譬如说其中涉及到电磁离合器的设计就需自己解决。虽然我们很缺乏设计的经验，但还应四处从实际出发。从大处讲，联系实际是指在进行机床工艺可能性的分析、参数拟定和方案确定中，既要了解当今的先进生产水平和可能趋势，更应了解我国实际生产水平，使设计的机床、机器在四化建设中发挥最正确的效益。从小处讲，指对设计的机床零部件的制造、装配和维修要进行认真的、切实的考虑和分析，对推荐的设计数据和资料要结合实际状况进行取舍。通过设计实践，了解和把握结合实际、综合思考的设计方法。

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1总体设计方案拟定

1．1拟定主运动参数(nmax、nmin、Z)

机床设计的初始，首先需要确定有关参数，它们是传动设计和结构设计的依据，影响到产品是否能满足所需要的功能要求。根据拟定的参数、规格和其他特点，了解典型工艺的切削用量，了解极限转速nmax、nmin和级数Z、主传动电机功率N。

1．2运动设计

根据拟定的参数，通过结构网和转速图的分析，确定传动结构方案和传动系统图。传动方案有多种，传动型式更是式样众多，譬如：传动型式上有集中传动的主轴变速箱。分开传动的主轴箱与变速箱；扩大变速范围可以用增加传动组数，也可用背轮机构、分支传动等型式；变速型式上既可用多速电机，也可用交换齿轮、滑移齿轮、公用齿轮等。然后计算各传动比及齿轮的齿数。

1．3动力计算和结构草图设计

估算齿轮模数m和轴颈d，选择和计算离合器。

将各传动件及其它零件在展开图和剖面图上做初步的安排、布置和设计。

1．4轴和齿轮的验算

在结构草图的基础上，对一根传动轴和齿轮的刚度、强度进行校核。

1．5主轴变速箱装配设计

主轴变速箱装配图是以结构草图为“底稿〞，进行设计和绘制的。图上各零部件要表达明白，并标明尺寸和协同。

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2参数拟定

2.1车床主参数(规格尺寸)和基本参数

此经济型数控车床是由C6140普通车床改装而来，根据任务书上提供的条件：此数控车床的主轴转速可分高低两档,共有12级转速：其中高低两档各有6级转速，低速档时nmax=340/,nmin=45r/min;高速档时nmax=1800r/min，nmin=235r/min；此车床床身上最大回转直径为?400mm,主轴端部型式为C6；主轴通孔直径为?65mm；主轴孔锥度为公制70；采用双速电机:其中电机的转速和功率分别为1000/1500r/min，4/5.5KW。

2.2各级转速的确定

该齿轮为中模数齿轮，控制侧隙的指标宜采用公法线平均长度极限偏差EwsEwi，按换算式12-20、式12-21、式12-22得

Ewms?Esscos?n?0.72Frsin?n??66?cos20??0.72?36?sin20???70.9?m[6]Ewsi?Esicos?n?0.72Frsin?n??132?cos20??0.72?36?sin20??115.2?m[6]齿轮工作图

下图为本例齿轮零件图。

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法向模数齿数齿形角齿顶高系数径向变化系数跨齿数跨K齿公法线平均长度偏差精度等级齿轮副中心距及其极限偏差配对齿轮公差组mnzαha*k3.5662023880.724-0.071-0.115wka±fa图号齿数检验项目6GKGB10095-88145.5±0.02023817公差值ⅠⅡⅢFwFrFpff±fpt±fpbFβ0.0250.0360.0450.0090.0110.0100.009两端面其余未注倒角（）

4.2电磁离合器的选择和使用

随着机床设备向自动化趋势发展,电磁离合器和制动器的应用越来越广泛,本设计为经济型数控车床,采用手动和电动相结合的方式,其中的电控就是用电磁离合器来实现的,电磁离合器是自动化控制的主要元件之一,它具有结构紧凑、易于实现远距离操纵和自动控制等特点，同时能满足简化机床结构，提高齿轮箱的传动刚度和加工精度，实现机床高响应性、高频率动作等方面的要求。

我设计的主轴箱采用了3个电磁离合器，大大简化了主轴箱内结构。离合器的类

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型好多，有通电工作的，也有失电工作的。按其传递扭矩形式可分为摩擦式离合器、牙嵌式离合器，磁粉式离合器以及转差式离合器；按其工作条件可分为湿式离合器和干式离合器；按其电流馈入的方式可分为有滑环离合器和无滑环离合器。

选择离合器的型号规格之前，必需充分了解各种离合器的动作特性及其优缺点。在选择离合器过程中最重要的因素是扭矩，扭矩表示所传递的动力，假使摩擦片数一定，则所传递扭矩大小和离合器有效半径相对应。但在实际上，速度、温度、摩擦片的磨损状况，污染状况都影响工作扭矩。

在设计过程中，计算扭矩是工作载荷的惯性和运动载荷的惯性之和，用T表示计

(WrK2)NSWLVRS[7]

算扭矩可用下式求出：T??kg.m

308(t?tm)g(t?tm)式中

Wr旋转组件的重量K旋转组件的回转半径N回转转速S工作安全系数

WL直线运动组件的重量V线性速度

R变旋转运动为直线运动皮带轮的半径g9.8

t机器启动所需时间

tm电磁离合器吸合时间

但在实际工作中,好多设备的确切载荷难以计算。一般是根据输入动力确定所需扭矩。

T?975PSkg.m[7]

N

式中P输入功率S工作安全系数N输入转数

从上式中看出，对扭矩影响最大的是安装离合器轴的回转转数。因此。一定动力下，较高的转数对应低的扭矩，因此，在设计中尽可能将离合器装在传动链中转速较高的位置，这寻常要求离合器和电机同轴。

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本设计中的主轴箱采用的是油润滑，所以选用的电磁式离合器是湿式的。根据轴的结构和相互关系，而且Ⅰ轴的扭矩小于Ⅱ轴的扭矩，分析后，选择在Ⅰ轴上的两个离合器均为DLM5系列离合器，其型号为DLM5-10；Ⅱ轴上的扭矩大于Ⅰ轴，其型号可选为DLM5-25。

5轴的设计和验算

5.1轴的结构设计

机床传动轴，广泛采用滚动轴承作支承。轴上要安装齿轮、离合器和制动器等。传动轴应保证这些传动件或机构能正常工作。

传动轴应有足够的强度、刚度。如挠度和倾角过大，将使齿轮啮合不良，轴承工作条件恶化，使振动、噪声、空载功率、磨损和发热增大。

两轴中心距误差和轴心线间的平行度等装配及加工误差也会引起上述问题。所以，在设计轴时要充分考虑轴的强度刚度等因素。在选择材料和估算直径都要满足条件，估算完以后还要对轴的强度和刚度进行校核。

轴的结构设计主要是使轴的各部分具有合理的结构和尺寸。

影响轴的结构的因素好多，因此轴的结构没有标准形式。设计时，必需针对轴的具体状况作具体分析，全面考虑解决。

轴的结构设计的主要要求是：

装在轴上的零件有确定的位置。且布置合理。

轴受力合理，能可靠地传递力和转矩，有利于提高强度和刚度。具有良好的工艺性。便于安装和调整。节省材料，减轻质量。Ⅰ轴（输入轴）的设计

Ⅰ轴的特点:1．将运动传入变速箱的齿轮，一般都安装在轴端，轴变形较大，结构上应注意加强轴的刚度或使轴不受带的拉力（带轮卸荷）;2．若Ⅰ轴上安装正反向的离合器，由于组成离合器的零件好多，在箱内装配很不便利，一般都希望在箱外将

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Ⅰ轴组装好后在整体装入箱内（最好连皮带轮也组装在上面）。

卸荷装置:带轮将动力传到Ⅰ轴有两类方式：一类是带轮直接装在Ⅰ轴上。除了传递扭矩外，带的拉力也作用在轴上。另一类是带轮装在轴承上，轴承装在套筒（法兰盘）上，传给轴的只是扭矩，径向力由固定在箱体上的套筒承受。这种结构称为卸荷装置。

5.2轴的强度校核(以Ⅰ轴为例)

由盐城市机床厂1997-10-01发布的卧式车床企业标准表9知主轴转速为103r/min时,扭矩为468N.m,这时Ⅰ轴的转速为1000?0.534?534r/min

5.2.1选择轴的材料

由于这个车头箱传动的功率不大，分别为4和5.5KW，对其重量和尺寸也无特别要求，故此输入轴采用45钢。

5.2.2初估轴径

按扭矩初估轴的直径，查表10-2(见参考书2)得C=106～117，考虑到安装带轮的轴段仅受扭矩作用，取C=106,则

dmin?C3p5.5?1063?23.06mmn534[2]

5.2.3结构设计

(1)各轴段直径的确定初估直径后就可依照轴上零件的安装顺序,从dmin处开始逐段确定直径。考虑到轴段1上安装带轮，上面将安装有轴承为了符合轴承内径系列，即轴段的直径应与轴承型号的选择同时进行，取轴承为6306的深沟球轴承，其内孔直径为30，同理可取其他各段轴的内径；

（2）各轴长度的选择轴段一处上要安装有带轮、轴承、密封圈等，根据这些部件的尺寸，可以得出各段轴段的长度。各个轴段尺寸的确定主要是根据轴上零件的毂长或轴上零件协同部分的长度确定。而另一些轴段的长度除与轴上零件有关外，还与箱体及轴承盖等零件有关。寻常从齿轮端面开始，为避免转动零件与不动零件干扰，取齿轮端面与箱体内壁的距离H=15mm,考虑箱体的铸造误差，轴承内端面应距箱体内壁一段距离，取??5mm，考虑上下轴承座的联接，取轴衬座宽度为45mm。

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（3）轴上倒角及圆角为了保证轴承内圈端面紧靠定位轴肩的端面，根据轴承手册推荐，取轴肩圆角半径为1mm。为便利加工，其他轴肩圆角半径均取为1mm，根据标准GB/T6403.4，轴的左右端倒角均为1?45?。

上述确定尺寸和结构的过程，与画草图同时进行，结构设计草图（见下图-a）

带轮齿轮轴承aaL2=199.4L3=97.1aL1=40.5bcdTFR1VFR1HFtFrFR2VFR2HMHMVefM5.2.4轴的受力分析

Ft?T468?2??2039Nr3?m?51

Fr?Fttg20??742.2

(1)画轴的受力简图(见上图-b)，由于齿轮为直齿圆柱齿轮，所以,齿轮上不存在轴向力。

(2)计算支承反力在水平面上

FR1H?Fr72.07?1000??243.06NL2?L3296.5

FR2H?Fr?Fr1H?742.2N?243.06?499.14N在垂直面上

FR1V?FR2V?Ft/2?2039/2?1019.5N

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(3)画弯矩图（见上图-cde）在水平面上，a-a剖面左侧

MaH?FR1HL2?243.06?199.4?48466N.mma-a剖面右侧

M'aH?FR2HL3?499.14?97.1?48466N.mm在垂直面上

MaV?M'Av?FR2V?L3?97.1?1019.5?98993.45N.mm合成弯矩

a剖面左侧和右侧的弯矩一致

Ma?M'a?M2aH?M2aV?484662?98993.432?110220.54N.mm

(4)画弯矩图（见上图-f）

N.mm转矩T=Ft?d/2?468/3?156000(5)判断危险截面

显然，a-a面处无论是弯矩还是扭矩都为最大，a-a面为危险截面(6)轴的弯扭合成强度校核

由表10-1查得???????1?b?55MPa，??0?b?100MPa在a-a截面左侧

bt(d?t)2?12?5?(40?5)?[2]3??W?0.1d???0.1?403?mm?26.63MP??a?2d2?40??3适合。

(7)轴的疲乏强度安全系数校核

??1?155MPa；???0.1。??1?300MPa，???0.2，由表10-1查得?B?650MPa，

在a-a截面左侧

bt(d?t)2?12?5?(40?5)2?3[2]

WT?0.2d???0.2?64000??12093mm?2d2?40??3由附表10-1查得K??1，K??1.63；由附表10-4查得绝对尺寸系数???0.81，

???0.76；轴经磨削加工，由附表10-5查得表面质量系数??1.0。则

10

弯曲应力?b?M/W?110220?9.11MPa

12093应力幅?a??b?9.11MPa平均应力?m?0切应力?T?T156000??12.90MPaWT12093?a??m?安全系数

?T2?12.90?6.45MPa2S??

??1K??26.67

???S??K?????m??1???????m?6.45

2

S?

S?S?S??S?2?9.66

～1.5，显然s??s?，故，a-a截面安全,即整个查表10-6得许用安全系数?s??1.3轴都是安全的，其弯扭合成强度和疲乏强度均是足够的。

5.3轴的刚度校核(以Ⅰ轴为例)

轴受载后要发生弯曲和扭转变形，假使变形过大，会影响轴上零件正常工作。传动轴除应满足强度要求外，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乏破坏。机床主传动系统精度要求较高，不允许有较大变形。刚度要求保证轴在（弯曲、轴向、扭转）不致产生过大的变形（弯曲、失稳、转角）。假使刚度不足，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、过早磨损而失效。因此，必需保证传动轴有足够的刚度。寻常，先按扭转刚度估算轴的直径，画出草图之后，再根据受力状况、结构布置和有关尺寸，验算弯曲刚度。

Ⅰ轴的直径按扭转刚度估算，上文已完成，估算出的直径为40mm.

车床传动轴的弯曲刚度验算，主要验算轴上装齿轮和轴承处的挠度y和倾角θ。各类轴的挠度y和倾角θ，应小于弯曲刚度的许用值[Y]和[θ]值，即：

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y≤[Y]；θ≤[θ]值，即：轴的弯曲变形的允许值：

安装齿轮的轴允许的挠度为（0.01～0.03）m

计算轴本身弯曲变形产生的挠度y和倾角θ时,一般常将轴简化为集中载荷下的简支梁,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（dii)来计算。计算公式为：圆轴：平均直径d1??di

惯性矩I??d4164

Ⅰ轴为圆轴,其平均直径d?40?501??dii?303?40mm

4惯性矩I??d1???404?125664mm46464

带轮轴承齿轮aayxpxxb=199.4a=97.1c=40.5l=296.5计算挠度:

a段内:yPbxx?6EIl(l2?b2?x2)?1560?199.4?x6?2?107?125664(296.52?199.42?x2)[1]其中P力载荷(N)I截面惯性矩M弯矩载荷θ倾角y挠度x所求之点距离

E轴材料的弹性模量,钢材E=

2?107MPab段内:yPa(l?x)x?[l2?(l?x)2?a2][1]

6EIl

12

c段内:yx??B(x?1)?由图分析得,a段内挠度yx??Pab(2a?b)(x?1)[1]

6EIl

Pbx21560?199.4?x(l?b2?x2)?(296.52?199.42?x2)[1]76EIl6?2?10?125664x的值为0和97.1之间由求导得x的值为97.1时,挠度最大,其挠度值为

0.0025081,而轴的挠度的允许值为(0.01～0.03)m,其中m为齿轮模数,

所以,[y]=0.03～0.09mm可知a段内挠度数控车床主传动机构设计

分析两种极限状况，就可以了解一般状况下的主轴部件受力和变形方法，以选择和确定适合的主轴上齿轮传动力的位置和方向。

Ⅰ轴（输入轴）的位置1．Ⅰ轴上往往装有摩擦离合器等机构，这些部件的位置安排应便于调装。2．摩擦离合器或摩擦式制动器，需要考虑便于冷却与润滑，离主轴部件要远一些，以减少由于摩擦发热对主轴部件热变形的影响。3．Ⅰ轴的端部常装有皮带轮，而主轴尾端外伸，有可能装自动卡盘的操纵气缸或油缸，布置Ⅰ轴位置时，必需保证两者不会相碰，Ⅰ轴上带轮外缘不能高出箱体，以免影响外观。

综述以上各点，车床上Ⅰ轴一般多安排在变速箱后壁靠近箱盖处。

中间各传动轴的位置:主轴和Ⅰ轴位置既定，中间各传动轴位置即可按传动顺序进行安排，应考虑满足以下要求：

(1)装有离合器的轴：要便于装调、维修和润滑。

(2)装有制动装置的轴：要便于装调、维修，该轴应布置在靠近箱盖或箱壁处，同时还应考虑与起、停装置的互锁。

(3)装有润滑油泵的轴：要有足够的空间安装润滑油泵，其高度要便于油泵吸油和排油，并便于装卸和调整油泵，装有溅油轮或溅油齿轮的轴应注意圆周速度和浸入油面的深度。

(4)与相关部件有联系的轴：车床主运动与进给运动间的内在联系是通过变速箱内的进给运动输出轴联系，它应布置在主轴前下方靠近进给箱处。

(5)其他：使箱体截面