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第一章 緒論
制造業(yè)是一個(gè)國家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱，其發(fā)展水平標(biāo)志著該國或地區(qū)經(jīng)濟(jì)的實(shí)力，科技水平，生活水準(zhǔn)和國防實(shí)力。國際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)歸根到底是各國制造生產(chǎn)能力及機(jī)械制造裝備的競(jìng)爭(zhēng)。機(jī)床是制造業(yè)的主要生產(chǎn)設(shè)備，而數(shù)控機(jī)床是高精度、高效率的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。目前，國內(nèi)、外數(shù)控機(jī)床正朝著高性能、高精度、高效率、高柔性、高自動(dòng)化和模塊化方向迅速發(fā)展。盡管我國數(shù)控機(jī)床的制造、設(shè)計(jì)、檢測(cè)等技術(shù)得到了一定的發(fā)展，但與國外相比，差距還是很大，主要表現(xiàn)在:可靠性差、應(yīng)變能力差、產(chǎn)品開發(fā)周期長(zhǎng)、設(shè)計(jì)手段落后等，這種差距尤其表現(xiàn)在高精度、高速度等尖端機(jī)床方面。因此，我們必須緊跟國際機(jī)床技術(shù)發(fā)展的前沿，發(fā)展機(jī)床的設(shè)計(jì)、檢測(cè)、制造等技術(shù)。
數(shù)控（numerical control,NC）機(jī)床，顧名思義，是一類由數(shù)字程序?qū)崿F(xiàn)控制的機(jī)床。與人工操作的普通機(jī)床相比，它具有適應(yīng)范圍廣、自動(dòng)化程度高、柔性強(qiáng)、操作者勞動(dòng)強(qiáng)度低、易于組成自動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)控機(jī)床也就是一種裝了程序控制系統(tǒng)的機(jī)床，該系統(tǒng)能邏輯處理具有使用號(hào)碼或其他符號(hào)編碼指令規(guī)定的程序。
1.1概述
數(shù)控銑床是一種加工功能很強(qiáng)的數(shù)控機(jī)床，目前迅速發(fā)展起來的加工中心、柔性加工單元都是在數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，兩者都離不開銑削方式。由于數(shù)控銑削工藝最復(fù)雜，需要解決的技術(shù)問題也很多，因此，人們?cè)谘芯亢烷_發(fā)數(shù)控系統(tǒng)及自動(dòng)編程語言的軟件系統(tǒng)時(shí)，也一直把銑削加工作為重點(diǎn)。數(shù)控銑床機(jī)械部分與普通銑床基本相同，工作臺(tái)可以做橫向、縱向和垂直三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。因此普通銑床能加工的工藝內(nèi)容，數(shù)控銑床度能做到。一般情況下，在數(shù)控銑床上可以加工平面曲線輪廓。
數(shù)控銑床也像通用銑床那樣可分為立式、臥式和立臥兩用式數(shù)控銑床，各類銑床配置的是數(shù)控系統(tǒng)不同，其功能也不盡相同。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)越來越合理，其性能、精度和效率日趨提高，更新?lián)Q代頻繁，生產(chǎn)類型由大批大量生產(chǎn)向多品種小批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)化。因此，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的加工相應(yīng)地提出了高精度、高柔性與高度自動(dòng)化的要求。在機(jī)床行業(yè)，由于采用了數(shù)控技術(shù)，許多過去在普通機(jī)床上無法完成的工藝內(nèi)容得以完成，大量普通機(jī)床為數(shù)控機(jī)床所代替，這就極大地促進(jìn)了機(jī)床行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)發(fā)展。目前數(shù)控機(jī)床已經(jīng)遍布軍工、航空航天、汽車、造船、機(jī)車車輛、機(jī)床、建筑、通用機(jī)械、紡織、輕工、電子等幾乎所有制造行業(yè)。
綜上所述，數(shù)控機(jī)床在促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高人類生存質(zhì)量和創(chuàng)造新的就業(yè)機(jī)會(huì)等方面，起著非常重要的作用。
數(shù)控機(jī)床是一種高效能自動(dòng)加工機(jī)床，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床具有如下一些優(yōu)點(diǎn)：
易于加工異型復(fù)雜零件；提高生產(chǎn)率；可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，多機(jī)看管；可以大大減少專用工裝卡具，并有利于提高刀具使用壽命；提高零件的加工精度，易于保證加工質(zhì)量，一致性好；工件加工周期短，效率高；可以大大減少在制品的數(shù)量；可以大大減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，減少所需工人數(shù)量等。
數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由傳動(dòng)系統(tǒng)、支承部件、分度臺(tái)等部分組成。傳動(dòng)系統(tǒng)的作用是把運(yùn)動(dòng)和力由動(dòng)力源傳遞給機(jī)床執(zhí)行件，而且要保證傳遞過程中有良好的動(dòng)態(tài)特性。傳動(dòng)系統(tǒng)在工作過程中，經(jīng)常受到激振力和激振力矩的作用，使傳動(dòng)系統(tǒng)的軸組件產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，從而影響機(jī)床的工作性能。隨著機(jī)床切削速度的提高和自動(dòng)化方向的發(fā)展，傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成越來越簡(jiǎn)單，但對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)性能的要求卻越來越高，從而使傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求，這樣，各種設(shè)計(jì)理論的研究和使用就得到了迅猛的發(fā)展。
數(shù)控機(jī)床是高精度和高生產(chǎn)率的自動(dòng)化機(jī)床，其加工過程中的動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)部件的坐標(biāo)位置及輔助功能，都是通過數(shù)字信息自動(dòng)控制的，操作者在加工過程中無法干預(yù)，不能像在普通機(jī)床上加工零件那樣，對(duì)機(jī)床本身的結(jié)構(gòu)和裝配的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行人為補(bǔ)償，所以數(shù)控機(jī)床幾乎在任何方面均要求比普通機(jī)床設(shè)計(jì)得更為完善，制造得更為精密。為滿足高精度、高效率、高自動(dòng)化程度的要求，數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已形成自己的獨(dú)立體系，在這一結(jié)構(gòu)的完善過程中，數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)了不少完全新穎的結(jié)構(gòu)及元件。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)有許多特點(diǎn)。
1.2數(shù)控機(jī)床的發(fā)展
隨著機(jī)械制造生產(chǎn)模式的演變,對(duì)機(jī)械制造裝備提出了不同的要求.在50年代“剛性”生產(chǎn)模式下，通過提高效率，自動(dòng)化程度,進(jìn)行單一或少品種的大批量生產(chǎn)，以“規(guī)模經(jīng)濟(jì)”實(shí)現(xiàn)降低成本和提高質(zhì)量的目的。從90年代開始，為了對(duì)世界生產(chǎn)進(jìn)行快速響應(yīng)，逐步實(shí)現(xiàn)社會(huì)制造資源的快速集成，要求機(jī)械制造裝備的柔性化程度更高,采用擬實(shí)制造和快速成形制造技術(shù)。
工業(yè)發(fā)達(dá)國家都非常注重機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，為了用先進(jìn)技術(shù)和工藝裝備制造業(yè)，機(jī)械制造裝備工業(yè)得到先發(fā)展。對(duì)比之下，我國目前機(jī)械制造業(yè)的裝備水平還比較落后，表現(xiàn)在大部分工廠的機(jī)械制造裝備基本上是通用機(jī)床加專用工藝裝備，數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造裝備中的比重還非常低，導(dǎo)致“剛性”強(qiáng),更新產(chǎn)品速度慢，生產(chǎn)批量不宜太小，生產(chǎn)品種不宜過多；自動(dòng)化程度基本上還是“一個(gè)工人，一把刀，一臺(tái)機(jī)床”，導(dǎo)致勞動(dòng)生產(chǎn)率低下，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。 因此，要縮小我國同工業(yè)發(fā)達(dá)國家的差距,我們必須在機(jī)械制造裝備方面大下功夫，其中最重要的一個(gè)方面就是增加數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造裝備中的比重。
數(shù)控設(shè)備的發(fā)展方向 六個(gè)方面：智能化、網(wǎng)絡(luò)化、高速、高精度、符合、環(huán)保。目前德國和瑞士的機(jī)床精度最高，綜合起來，德國的水平最高，日本的產(chǎn)值最大。美國的機(jī)床業(yè)一般。中國大陸、韓國。臺(tái)灣屬于同一水平。但就門類、種類多少而言，我們應(yīng)該能進(jìn)世界前4名。
數(shù)控系統(tǒng) 由顯示器、控制器伺服、伺服電機(jī)、和各種開關(guān)、傳感器構(gòu)成。目前世界最大的三家廠商是：日本發(fā)那客、德國西門子、日本三菱；其余還有法國扭姆、西班牙凡高等。國內(nèi)由華中數(shù)控、航天數(shù)控等。國內(nèi)的數(shù)控系統(tǒng)剛剛開始產(chǎn)業(yè)化、水平質(zhì)量一般。高檔次的系統(tǒng)全都是進(jìn)口。 華中數(shù)控這幾年發(fā)展迅速，軟件水平相當(dāng)不錯(cuò)，但差就差在電器硬件上，故障率比較高。華中數(shù)控也有意向數(shù)控機(jī)床業(yè)進(jìn)軍，但機(jī)床的硬件方面不行，質(zhì)量精度一般。目前國內(nèi)一些大廠還沒有采用華中數(shù)控的。廣州機(jī)床廠的簡(jiǎn)易數(shù)控系統(tǒng)也不錯(cuò)。 我們國家機(jī)床業(yè)最薄弱的環(huán)節(jié)在數(shù)控系統(tǒng)。
機(jī)床精度 1.機(jī)械加工機(jī)床精度分靜精度、加工精度（包括尺寸精度和幾何精度）、定位精度、重復(fù)定位精度等5種。 2.機(jī)床精度體系：目前我們國家內(nèi)承認(rèn)的大致是四種體系：德國VDI標(biāo)準(zhǔn)、日本JIS標(biāo)準(zhǔn)、國際標(biāo)準(zhǔn)ISO標(biāo)準(zhǔn)、國標(biāo)GB，國標(biāo)和國際標(biāo)準(zhǔn)差不多。3.看一臺(tái)機(jī)床水平的高低，要看它的重復(fù)定位精度，一臺(tái)機(jī)床的重復(fù)定位精度如果能達(dá)到0.005mm(ISO標(biāo)準(zhǔn).、統(tǒng)計(jì)法),就是一臺(tái)高精度機(jī)床，在0.005mm(ISO標(biāo)準(zhǔn).、統(tǒng)計(jì)法)以下，就是超高精度機(jī)床，高精度的機(jī)床，要有最好的軸承、絲杠。4.加工出高精度零件，不只要求機(jī)床精度高，還要有好的工藝方法、好的夾具、好的刀具。
目前世界著名機(jī)床廠商在我國的投資情況 1. 2000年，世界最大的專業(yè)機(jī)床制造商馬扎克（MAZAK）在寧夏銀川投資建了名為“寧夏小巨人機(jī)床公司”的機(jī)床公司，生產(chǎn)數(shù)控車床、立式加工中心和車銑復(fù)合中心。機(jī)床質(zhì)量不錯(cuò)，目前效益良好，年產(chǎn)600臺(tái)，目前正在建2期工程，建成后可以年產(chǎn)1200臺(tái)。 2. 2003年，德國著名的機(jī)床制造商德馬吉在上海投資建廠，目前年組裝生產(chǎn)數(shù)控車床和立式加工中心120臺(tái)左右。 3. 2002年，日本著名的機(jī)床生產(chǎn)商大隈公司和北京第一機(jī)床廠合資建廠，年生產(chǎn)能力為1000臺(tái)，生產(chǎn)數(shù)控車床、立式加工中心、臥式加工中心。 4.韓國大宇在山東青島投資建廠，目前生產(chǎn)能力不知。 5.臺(tái)灣省的著名機(jī)床制造商友嘉在浙江蕭山投資建廠，年生產(chǎn)能力800臺(tái)。
民營企業(yè)進(jìn)入機(jī)床行業(yè)情況 1.浙江日發(fā)公司，2000年投產(chǎn)，生產(chǎn)數(shù)控車床、加工中心。年生產(chǎn)能力300臺(tái)。 2．2004年，浙江寧波著名的鑄塑機(jī)廠商海天公司投資生產(chǎn)機(jī)床，主要是從日本引進(jìn)技術(shù)，目前剛開始，起點(diǎn)比較高。 3．2002年，西安北村投產(chǎn)，名字象日本的，其實(shí)老板是中國人，采用日本技術(shù)。生產(chǎn)小型儀表數(shù)控車床，水平相當(dāng)不錯(cuò)。
軍工企業(yè)技改情況 軍工企業(yè)得到國家撥款開始于當(dāng)年“大使館被炸”，后來臺(tái)灣阿扁上臺(tái)后，大規(guī)模技改開始了，軍工企業(yè)進(jìn)入新一輪的技改高峰，我們很多軍工企業(yè)開始停止購買普通設(shè)備。尤其是近3年來，我們的軍工企業(yè)從歐洲和日本買了大批量的先進(jìn)數(shù)控機(jī)床。也從國內(nèi)機(jī)床廠哪里采購了大批普通數(shù)控機(jī)床，國內(nèi)機(jī)床廠商為了迎接這次大技改，也引進(jìn)了不少先進(jìn)技術(shù)，爭(zhēng)取軍工企業(yè)的高端訂單。 聽在軍工企業(yè)的朋友講，阿扁如果再能“頂”三年，我們的整體水平會(huì)上一個(gè)臺(tái)階。 其實(shí)，胡錦濤總書記掌權(quán)以來，已經(jīng)把國防事業(yè)提到了和經(jīng)濟(jì)發(fā)展一樣的高度上，他說，我們要建立和經(jīng)濟(jì)發(fā)展相適應(yīng)的國防能力，相信再過10年，隨著我國國防工業(yè)和汽車行業(yè)的發(fā)展，我們國家會(huì)誕生世界水平的機(jī)床制造商，也將會(huì)超越日本，成為世界第一機(jī)床生產(chǎn)大國。
數(shù)控技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的核心，是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、集成化的基礎(chǔ)。數(shù)控裝備的整體水平標(biāo)志著一個(gè)國家工業(yè)現(xiàn)代化水平和綜合國力的強(qiáng)弱。
數(shù)控機(jī)床的發(fā)展在很大程度上取決于數(shù)控系統(tǒng)的性能和水平，而數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展及其技術(shù)基礎(chǔ)離不開微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)及其軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺(tái)趨于一致化，而控制系統(tǒng)軟件的競(jìng)爭(zhēng)日益加劇。我國的數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過“六五”期間的引進(jìn)，“七五”期間的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)，“八五”期間的數(shù)控應(yīng)用技術(shù)研究以及“九五”期間的主數(shù)控系統(tǒng)軟件開發(fā)應(yīng)用，已逐步形成了以航天數(shù)控、藍(lán)天數(shù)控、華中數(shù)控和中華數(shù)控為主的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。
近年來，我國數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)，數(shù)控化率也顯著提高。另一方面我國數(shù)控產(chǎn)品的技術(shù)水平和質(zhì)量也不斷提高。目前我國一部分普及型數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)已經(jīng)形成一定規(guī)模，產(chǎn)品技術(shù)性能指標(biāo)較為成熟，價(jià)格合理，在國際市場(chǎng)上具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力。我國數(shù)控機(jī)床行業(yè)所掌握的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)較成熟，并已有成熟商品走向市場(chǎng)。
我國在數(shù)控機(jī)床高端產(chǎn)品的生產(chǎn)上取得了一定的突破。目前我國已經(jīng)可以供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化、集成化、柔性化的數(shù)控機(jī)床。同時(shí)，我國也已進(jìn)入世界高速數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)國和高精度精密數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)國的行列。目前我國已經(jīng)研制成功一批主軸轉(zhuǎn)速在8000~10000轉(zhuǎn)/分以上的數(shù)控機(jī)床。
我國數(shù)控機(jī)床行業(yè)近年來大力推廣應(yīng)用CAD等信息技術(shù)，很多企業(yè)已開始和計(jì)劃實(shí)施應(yīng)用ERP、MRPII和電子商務(wù)。如，濟(jì)南第二機(jī)床集團(tuán)有限公司的CAD普及率達(dá)100%，是國家級(jí)“CAD示范企業(yè)”，企業(yè)的MRPII系統(tǒng)應(yīng)用也非常成功，現(xiàn)代化管理水平較高。
但是和發(fā)達(dá)國家相比，我國數(shù)控機(jī)床行業(yè)在信息化技術(shù)應(yīng)用上仍然存在很多不足。
一、信息化技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，對(duì)國外技術(shù)依存度高。我國數(shù)控機(jī)床行業(yè)總體的技術(shù)開發(fā)能力和技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，信息化技術(shù)應(yīng)用程度不高。行業(yè)現(xiàn)有的信息化技術(shù)來源主要依靠引進(jìn)國外技術(shù)，對(duì)國外技術(shù)的依存度較高，對(duì)引進(jìn)技術(shù)的消化仍停留在掌握已有技術(shù)和提高國產(chǎn)化率上，沒有上升到形成產(chǎn)品自主開發(fā)能力和技術(shù)創(chuàng)新能力的高度。具有高精、高速、高效、復(fù)合功能、多軸聯(lián)動(dòng)等特點(diǎn)的高性能數(shù)控機(jī)床基本上還得依賴進(jìn)口。
二、產(chǎn)品成熟度較低，可行性不高。國外數(shù)控系統(tǒng)平均無故障時(shí)間在10000小時(shí)以上，國內(nèi)自主開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)僅3000-5000小時(shí)；整機(jī)平均無故障工作時(shí)間國外達(dá)800小時(shí)以上，國內(nèi)最好只有300小時(shí)。
三、創(chuàng)新能力低，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)。我國生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的企業(yè)雖達(dá)百余家，但大多數(shù)未能形成規(guī)模生產(chǎn)，信息化技術(shù)利用不足，創(chuàng)新能力低，制造成本高，產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力不強(qiáng)。
隨著柔性制造系統(tǒng)的迅速發(fā)展和計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)的不斷成熟，對(duì)數(shù)控加工技術(shù)提出了更高要求。當(dāng)今數(shù)控機(jī)床信息化正朝著以下幾個(gè)方面發(fā)展。
高速度、高精度化。速度和精度是數(shù)控機(jī)床的兩個(gè)重要指標(biāo)，它直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。目前，我國生產(chǎn)的第六代數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)均采用位數(shù)、頻率更高的處理器，以提高系統(tǒng)的基本運(yùn)算速度，使得高速運(yùn)算、模塊化及多軸成組控制系統(tǒng)成為可能。同時(shí)，新一代數(shù)控機(jī)床將采用超大規(guī)模的集成電路和多微處理器結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。
智能化?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的智能化發(fā)展將通過對(duì)影響加工精度和效率的物理量進(jìn)行檢測(cè)、建模、提取特征、自動(dòng)感知加工系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)及外部環(huán)境，快速作出實(shí)現(xiàn)最佳目標(biāo)的智能決策，對(duì)機(jī)床的工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，使機(jī)床的加工過程處于最佳狀態(tài)。
基于CAD和CAM的數(shù)控編程自動(dòng)化。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，目前CAD/CAM圖形交互式自動(dòng)編程已得到較多的應(yīng)用，是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)。它是利用CAD繪制的零件加工圖樣，經(jīng)計(jì)算機(jī)內(nèi)的刀具軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和后置處理，從而自動(dòng)生成數(shù)控機(jī)床零部件加工程序，以實(shí)現(xiàn)CAD與CAM的集成。隨著CIMS技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前又出現(xiàn)了CAD/CAPP/CAM集成的全自動(dòng)編程方式，其編程所需的加工工藝參數(shù)不必由人工參與，直接從系統(tǒng)內(nèi)的CAPP數(shù)據(jù)庫獲得，推動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)自動(dòng)化的進(jìn)一步發(fā)展。
發(fā)展可靠性最大化。數(shù)控機(jī)床的可靠性一直是用戶最關(guān)心的主要指標(biāo)。新一代的數(shù)控系統(tǒng)將采用更高集成度的電路芯片，利用大規(guī)?；虺笠?guī)模的專用及混合式集成電路，減少元器件的數(shù)量，從而提高可靠性。同時(shí)通過自動(dòng)運(yùn)行診斷、在線診斷、離線診斷等多種診斷程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)硬件、軟件和各種外部設(shè)備進(jìn)行故障診斷和報(bào)警。
一、是高速加工技術(shù)發(fā)展迅速
高速加工技術(shù)發(fā)展迅速，在高檔數(shù)控機(jī)床中得到廣泛應(yīng)用。應(yīng)用新的機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)理論和先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，優(yōu)化機(jī)床結(jié)構(gòu)，采用當(dāng)前數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
高性能功能部件，移動(dòng)部件輕量化，減少運(yùn)動(dòng)慣性。在刀具材料和結(jié)構(gòu)的支持下，從單一的刀具切削高速加工，發(fā)展到機(jī)床加工全面高速化，如數(shù)控機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速從每分鐘幾千轉(zhuǎn)發(fā)展到幾萬轉(zhuǎn)、幾十萬轉(zhuǎn)；快速移動(dòng)速度從每分鐘十幾米發(fā)展到幾十米和超過百米；換刀時(shí)間從十幾秒下降到10秒、3秒、1秒以下，換刀速度加快了幾倍到十幾倍。應(yīng)用高速加工技術(shù)達(dá)到縮短切削時(shí)間和輔助時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)加工制造的高質(zhì)量和高效率。
二、是精密加工技術(shù)有所突破
通過機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化、制造和裝配的精化，數(shù)控系統(tǒng)和伺服控制的精密化，高精度功能部件的采用和溫度、振動(dòng)誤差補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用等，從而提高機(jī)床加工的幾何精度、運(yùn)動(dòng)精度，減少形位誤差、表面粗糙度。加工精度平均每8年提高1倍，從1950年至2000年50年內(nèi)提升100倍。目前，精密數(shù)控機(jī)床的重復(fù)定位精度可以達(dá)到1μm，進(jìn)入亞微米超精加工時(shí)代。
三、是技術(shù)集成和技術(shù)復(fù)合趨勢(shì)明顯
技術(shù)集成和技術(shù)復(fù)合是數(shù)控機(jī)床技術(shù)最活躍的發(fā)展趨勢(shì)之一，如工序復(fù)合型——車、銑、鉆、鏜、磨、齒輪加工技術(shù)復(fù)合，跨加工類別技術(shù)復(fù)合——金切與激光、沖壓與激光、金屬燒結(jié)與鏡面切削復(fù)合等，目前已由機(jī)加工復(fù)合發(fā)展到非機(jī)加工復(fù)合，進(jìn)而發(fā)展到零件制造和管理信息及應(yīng)用軟件的兼容，目的在于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的全部加工及生產(chǎn)過程集約化管理。技術(shù)集成和復(fù)合形成了新一類機(jī)床——復(fù)合加工機(jī)床，并呈現(xiàn)出復(fù)合機(jī)床多樣性的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)。
四、是數(shù)字化控制技術(shù)進(jìn)入了智能化的新階段
數(shù)字化控制技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段:數(shù)字化控制技術(shù)對(duì)機(jī)床單機(jī)控制；集合生產(chǎn)管理信息形成生產(chǎn)過程自動(dòng)控制；生產(chǎn)過程遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和無人化工廠的智能化新階段。智能化指工作過程智能化，利用計(jì)算機(jī)、信息、網(wǎng)絡(luò)等智能化技術(shù)有機(jī)結(jié)合，對(duì)數(shù)控機(jī)床加工過程實(shí)行智能監(jiān)控和人工智能自動(dòng)編程等。加工過程智能監(jiān)控可以實(shí)現(xiàn)工件裝卡定位自動(dòng)找正，刀具直徑和長(zhǎng)度誤差測(cè)量，加工過程刀具磨損和破損診斷、零件裝卸物流監(jiān)控，自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償、調(diào)整、自動(dòng)更換刀具等，智能監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)機(jī)床的機(jī)械、電氣、液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障自動(dòng)診斷、報(bào)警、故障顯示等，直至停機(jī)處理。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程故障診斷專家智能系統(tǒng)開始應(yīng)用。數(shù)控系統(tǒng)具有在線技術(shù)后援和在線服務(wù)后援。人工智能自動(dòng)編程系統(tǒng)能按機(jī)床加工要求對(duì)零件進(jìn)行自動(dòng)加工。在線服務(wù)可以根據(jù)用戶要求隨時(shí)接通INTERNET接受遠(yuǎn)程服務(wù)。采用智能技術(shù)來實(shí)現(xiàn)與管理信息融合下的重構(gòu)優(yōu)化的智能決策、過程適應(yīng)控制、誤差補(bǔ)償智能控制、故障自診斷和智能維護(hù)等功能，大大提高成形和加工精度、提高制造效率。信息化技術(shù)在制造系統(tǒng)上的應(yīng)用，發(fā)展成柔性制造單元和智能網(wǎng)絡(luò)工廠，并進(jìn)一步向制造系統(tǒng)可重組的方向發(fā)展。
五、是極端制造擴(kuò)張新的技術(shù)領(lǐng)域
極端制造技術(shù)是指極大型、極微型、極精密型等極端條件下的制造技術(shù)。極端制造技術(shù)是數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展的重要方向。重點(diǎn)研究微納機(jī)電系統(tǒng)的制造技術(shù)，超精密制造、巨型系統(tǒng)制造等相關(guān)的數(shù)控制造技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)及相關(guān)的數(shù)控機(jī)床研制，如微型、高精度、遠(yuǎn)程控制手術(shù)機(jī)器人的制造技術(shù)和應(yīng)用；應(yīng)用于制造大型電站設(shè)備、大型艦船和航空航天設(shè)備的重型、超重型數(shù)控機(jī)床的研制；IT產(chǎn)業(yè)等高新技術(shù)的發(fā)展需要超精細(xì)加工和微納米級(jí)加工技術(shù)，研制適應(yīng)微小尺寸的微納米級(jí)加工新一代微型數(shù)控機(jī)床和特種加工機(jī)床；極端制造領(lǐng)域的復(fù)合機(jī)床的研制等。
1.3本文設(shè)計(jì)內(nèi)容
本文要求設(shè)計(jì)一立式數(shù)控銑床的主傳動(dòng)系統(tǒng)，主要參數(shù)要求如下：
工作臺(tái)尺寸(寬×長(zhǎng)) mm：400×800；T型槽寬×數(shù)量×間距mm：18×3×125；工作臺(tái)最大承重kg：500；工作臺(tái)行程（X軸）mm：600；滑鞍行程（Y軸）mm：420；主軸箱行程（Z軸）mm：600；主軸伺服電機(jī)功率Kw：7.5/11；主軸轉(zhuǎn)速范圍rpm：20～6000；主軸最大扭矩：92Nm
第二章 電機(jī)的選擇
現(xiàn)在數(shù)控機(jī)床常用直流電動(dòng)機(jī)和交流調(diào)頻電機(jī)兩種。目前，中小型數(shù)控機(jī)床中，交流調(diào)頻電機(jī)已占優(yōu)勢(shì)，有取代直流電機(jī)之勢(shì)。本文所設(shè)計(jì)的銑床采用交流調(diào)頻電機(jī)調(diào)節(jié)電源頻率來達(dá)到調(diào)速的目的，額定轉(zhuǎn)速常為1500r／min，如圖1-1所示是變速電機(jī)的功率特性。從額定轉(zhuǎn)速到最高轉(zhuǎn)速的區(qū)域I為恒功率區(qū)，從最低轉(zhuǎn)速至的區(qū)域II為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。
圖 2-1 變速電動(dòng)機(jī)的功率特性
在設(shè)計(jì)數(shù)控銑床主傳動(dòng)時(shí)，必須考慮電機(jī)與機(jī)床主軸功率特性匹配問題。由于主軸要求的恒功率變速范圍遠(yuǎn)大于電機(jī)的恒功率變速范圍，所以在電機(jī)與主軸之間要串聯(lián)一個(gè)分級(jí)變速箱，以擴(kuò)大其功率調(diào)速范圍，滿足低速大功率切削時(shí)對(duì)電機(jī)的輸出功率要求。為了簡(jiǎn)化變速箱結(jié)構(gòu)，變速級(jí)數(shù)應(yīng)少些，變速箱公比可取大于電機(jī)的恒功率調(diào)速范圍，即＞。這時(shí)，變速箱每擋內(nèi)有部分低轉(zhuǎn)速只能恒轉(zhuǎn)矩變速，主傳動(dòng)系統(tǒng)功率特性圖中出現(xiàn)“缺口”，稱之功率降低區(qū)。使用“缺口”范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速時(shí)，為限制轉(zhuǎn)矩過大，得不到電動(dòng)機(jī)輸出的全部功率。為保證缺口處的輸出功率，電動(dòng)機(jī)的功率應(yīng)相應(yīng)的增大。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇上海富田電機(jī)生產(chǎn)的IAG系列變頻調(diào)速專用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，其型號(hào)為IAG 132M—1500—7.5。
其中：IAG—系列代號(hào)
132—極座號(hào)（中心高）
M—機(jī)座長(zhǎng)度代號(hào)，有S、M、L三種類型
1500—基本轉(zhuǎn)速（單位：r／min）
7.5—額定功率（單位：kw）
電機(jī)在20—1500r／min內(nèi)，實(shí)現(xiàn)恒扭矩輸出，在1500—4500r／min內(nèi)實(shí)現(xiàn)恒功率輸出；最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到6000r／min。
為了實(shí)現(xiàn)數(shù)控銑床的無級(jí)變速，采用交流調(diào)頻電機(jī)，本文所設(shè)計(jì)的銑床所選擇的電機(jī)需要實(shí)現(xiàn)兩級(jí)變速，當(dāng)通電時(shí)離合器脫離，小齒輪和大齒輪嚙合，實(shí)現(xiàn)增速傳動(dòng)；當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到電機(jī)的計(jì)算轉(zhuǎn)速時(shí)，離合器吸合，大齒輪和小齒輪嚙合，實(shí)現(xiàn)增速傳動(dòng)。
第三章 軸類零件的設(shè)計(jì)
主軸部件是機(jī)床實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行件，是機(jī)床上的一個(gè)重要部件。主軸部件由主軸、主軸支承和安裝在主軸上的傳動(dòng)件、密封件等組成，對(duì)于銑床主軸部件還有拉桿和拉抓。
3.1軸的設(shè)計(jì)概述
軸是主成機(jī)械的一個(gè)重要零件，它支承其它回轉(zhuǎn)件并傳遞轉(zhuǎn)矩，同時(shí)它又通過軸承和支架連接，所有軸上零件都圍繞軸心線做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成一個(gè)以軸為基準(zhǔn)的锝組合體—軸系部件，所以在軸的設(shè)計(jì)中不能只考慮軸的本身，還必須和軸系零件的整個(gè)結(jié)構(gòu)密切聯(lián)系起來。
軸設(shè)計(jì)的特點(diǎn)：在軸系零部件的具體結(jié)構(gòu)未確定之前，軸上力的作用點(diǎn)和支點(diǎn)間的跨距無法精確的確定，故彎距大小和分布情況不能求出，因此在軸的設(shè)計(jì)中必須把軸的強(qiáng)度計(jì)算和軸系零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)交錯(cuò)進(jìn)行，邊畫圖，邊計(jì)算，邊修改。
3.2主軸主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定
主軸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有：主軸前、后軸頸D1和D2，主軸內(nèi)孔直徑d，主軸前端懸伸量a和主軸主要支撐間的跨距L。這些參數(shù)直接影響主軸旋轉(zhuǎn)精度和主軸的剛度。
3.2.1 主軸最小直徑的估算
，將T=92Nm，電機(jī)功率代入式得
當(dāng)數(shù)值上時(shí)，可按扭轉(zhuǎn)剛度估算最小軸徑，即：
……………………………………………(1)
式中：d—主軸的最小直徑（cm）
P—主軸傳遞的功率(kw)，
—主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速(r/min)，前面已計(jì)算出
代人數(shù)值得：d≥4.4cm
取主軸的最小直徑=45mm，最小直徑本應(yīng)該是后軸頸，但是考慮到軸承的軸向固定采用鎖緊螺母，應(yīng)留鎖緊螺母的位置?？紤]到軸上裝軸承，有配合要求，應(yīng)將后軸頸的直徑圓整到標(biāo)準(zhǔn)直徑，同時(shí)要考慮到選擇軸承的類型，因此選擇后軸頸的直徑=50，
3.2.2 主軸內(nèi)孔直徑d及拉桿直徑的確定
主軸內(nèi)孔直徑與機(jī)床的類型有關(guān)，主要用來通過棒料、拉桿、鏜桿或頂出頂尖等，銑床主要用于通過拉桿和拉抓，確定孔徑的原則是：為減輕主軸重量在滿足上述工藝要求及不削弱主軸剛度的前提下，盡量取較大值，孔徑d對(duì)主軸剛度的影響影響是通過抗彎截面慣性矩而體現(xiàn)的，即主軸本身的剛度正比于抗彎截面慣性矩，其關(guān)系式為
Ｉ空/Ｉ實(shí)＝＝１－
根據(jù)上式可繪制出主軸孔徑對(duì)主軸剛度影響曲線，如圖4-1
D—主軸平均直徑，d—主軸平均孔徑，—直徑為Ｄ實(shí)心主軸剛度 ，
—直徑為Ｄ，孔徑為d的空心軸的剛度。
圖3-1 主軸孔徑對(duì)主軸剛度影響曲線
由圖3-1知：當(dāng)d／Ｄ≤0.5時(shí)，內(nèi)孔d對(duì)主軸剛度幾乎無影響，通常取孔徑d的極限值＜0.7D。此時(shí)Ｉ空＞0.75Ｉ實(shí)，即剛度消弱量小于25%，若孔徑再大主軸剛度急劇下降，一般銑床主軸孔徑d可比刀具拉桿直徑大5～10mm。
由于機(jī)床使用場(chǎng)合多種多樣，為了適應(yīng)加工工藝及刀具特點(diǎn)，機(jī)床工具行業(yè)已經(jīng)開發(fā)了多種軸端結(jié)構(gòu)，并已形成專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，銑床常用的主軸端部結(jié)構(gòu)前端帶有7:24的錐孔。供插入銑刀尾部錐柄定位,，拉桿從主軸后端拉緊刀具，常用的是BT—50刀柄，因此我們采用BT—50的外螺紋拉抓，查資料知BT—50拉抓外螺紋的尺寸為M22×P1.5，所以拉桿前端必須是M22的內(nèi)螺紋，為了滿足拉桿的剛性要求，取拉桿的直徑為φ28mm，根據(jù)拉桿的直徑確定主軸內(nèi)孔的最小直徑為φ32即可.
3.2.3 主軸前端懸伸量的確定
主軸前端懸伸量a是指主軸前端面到前軸承徑向支反力作用中點(diǎn)（或前徑向支承中點(diǎn)）的距離。它主要取決于主軸端部結(jié)構(gòu)、前支承軸承和密封裝置的形式和尺寸，由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定。由于前端懸伸量對(duì)主軸部件的剛度、抗振性影響很大，變形量與a的二次方或三次方成正比例關(guān)系。，因此在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量縮短該懸伸量。
在確定主軸前端懸伸量時(shí)應(yīng)該滿足以下結(jié)構(gòu)要求：主軸前端要留有裝切削液噴頭的位置；軸承的寬度B=27；軸承擋環(huán)的厚度b=8；主軸下支承的安裝位置以及軸肩的寬度。
3.2.4 主軸支承跨距L的確定
合理確定主軸主要支承間的跨距L，是獲得主軸部件最大靜剛度的重要條件之一。支承跨距過小，主軸的彎曲變形固然較小，但因支承變形引起主軸前軸端的位移量增大；反之，支承跨距過大，支承變形引起主軸前軸端的位移量盡管減小了，但主軸的彎曲變形增大，也會(huì)引起主軸前端較大的位移。因此存在一個(gè)最佳跨距，在該跨距時(shí)，因主軸彎曲變形和支承變形引起主軸前軸端的總位移量為最小。一般取=（2～3.5），本文所設(shè)計(jì)的主軸暫取L=2.5a=360，但是實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，由于結(jié)構(gòu)上的原因，以及支承剛度因磨損會(huì)不斷降低，主軸主要支承間的實(shí)際跨距L往往大于最佳跨距。
3.2.5 選擇軸的材料和熱處理方法
選擇軸的材料為40Cr，，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理, 其機(jī)械性能有設(shè)計(jì)手冊(cè)查得
，，
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得
3.2.6 初選軸承
本文所設(shè)計(jì)的銑床主要用于銑削平面和打孔，軸承承受徑向載荷，還承受不大的軸向載荷，故選擇單列圓錐滾子軸承背對(duì)背的組合。根據(jù)工作要求及后軸頸的直徑(為50mm)，由軸承產(chǎn)品目錄中選取型號(hào)為32010的單列圓錐滾子軸承，其尺寸（內(nèi)徑×外徑×寬度）為d×D×b=50×80×20。
3.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.3.1 擬定軸上零件的裝配方案
根據(jù)主軸箱的結(jié)構(gòu)、軸上零件定位、加工要求以及不同的零件裝配方案，，參考軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求，得出如圖所示的軸結(jié)構(gòu)。
圖3-2 主軸的結(jié)構(gòu)
如圖3-2中，拉桿與BT50拉刀抓連接，從右側(cè)裝入內(nèi)孔，然后再裝入BT50刀柄；齒輪、軸承、套筒、軸承套以及電磁鐵固定架從左側(cè)裝入，法蘭蓋從右側(cè)裝入，與軸承套用螺釘連接。
3.3.2 確定軸各段的直徑
根據(jù)前面的計(jì)算知：最小直徑D=45mm，小軸承用鎖緊螺母進(jìn)行軸向固定，所以取軸段1外螺紋的直徑M=45mm；根據(jù)軸承的型號(hào)以及與軸的配合關(guān)系，取軸段2的直徑=50mm。
軸段4處裝小齒輪，承受很大的徑向力，同時(shí)主軸是空心的，考慮到主軸的整體剛性，取軸段4的直徑=75mm，小齒輪用鎖緊螺母壓緊，則軸段4的直徑比軸段3的直徑大2～3mm，所以取軸段3處的外螺紋直徑M=72mm。
軸段5上有兩個(gè)軸套，軸套左側(cè)用于定位小齒輪，中間用來壓緊和定位電磁鐵固定架，考慮到拆卸方便，軸段5要比軸段4大2～3mm，同時(shí)要比軸段6小2～3mm因此取軸段5的直徑，軸段6的直徑。
大齒輪主要靠軸段7的軸肩來定位的，為了保證定位可靠，軸段7要比軸段6的直徑大5～10mm，但是考慮到主軸前端的內(nèi)孔交大，因此取軸段7的直徑為。 軸段8是前軸頸，主軸的直徑因與軸承的內(nèi)徑相等，考慮到軸承的型號(hào)以及與主軸的配合關(guān)系，取軸段8的直徑，軸承的型號(hào)為32109。
主軸前端內(nèi)孔采用7：24的錐度，裝BT50的刀柄，內(nèi)孔較大，取軸段10的外徑，軸段9主要起定位作用，因比軸段10大5～10mm，因此取軸段9的直徑為。
3.3.3 確定各軸段的長(zhǎng)度
軸段4和6的長(zhǎng)度要比輪轂寬度（38mm）短2～3mm，故這兩處軸段的長(zhǎng)度取為36mm。其中軸段4不包括退刀槽的長(zhǎng)度。
軸段1和3有外螺紋，裝徑向鎖緊螺母，故軸段1和3的長(zhǎng)度比鎖緊螺母長(zhǎng)2～3mm，取軸段1的長(zhǎng)度為15.7mm，軸段3的長(zhǎng)度為 18.2mm
軸段7主要與軸承套配合，壓緊軸承，為了保證軸承套與大齒輪之間有一定的間隙，取軸段7的長(zhǎng)度為25mm；軸段8是后軸頸，所選軸承的寬度B=32mm，軸承擋環(huán)的寬度T=8mm，故取軸段8的長(zhǎng)度為44mm。
軸段9是一個(gè)軸肩，主要起定位作用，取軸段9的長(zhǎng)度為11即可；主軸的前端面要裝端面鍵，同時(shí)主軸前端要留下裝切削液噴頭的位置，因此取軸段10的長(zhǎng)度為69mm。
主軸內(nèi)孔要裝拉桿、拉刀抓及BT50刀柄，整體裝配起來應(yīng)該讓拉桿不要伸出主軸內(nèi)孔太長(zhǎng)，否則銑床的整體動(dòng)剛度不好，根據(jù)主軸和主動(dòng)軸的整體裝配關(guān)系，取軸段1的長(zhǎng)度為75.4mm，軸段5的長(zhǎng)度為209mm。
綜上所述，主軸的跨距L＝373mm，懸伸量ａ=96mm
3.3.4 軸向零件的周向固定
齒輪、電磁鐵固定架與軸的周向定位均采用半圓鍵聯(lián)接。對(duì)于齒輪，由手冊(cè)查得半圓鍵的截面尺寸寬×高×直徑=10×13×32(GB/T1098-2003)，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長(zhǎng)為29.7mm(標(biāo)準(zhǔn)鍵長(zhǎng)見GB1096-79)；對(duì)于電磁鐵固定架，由手冊(cè)查得半圓鍵的截面尺寸寬×高×直徑=6×9×22(GB/T1098-2003)，鍵槽用鍵槽銑刀加工，
長(zhǎng)為29.7mm(標(biāo)準(zhǔn)鍵長(zhǎng)見GB1096-79)，軸承與軸的周向定位是采用過盈配合來保證的。
3.3.5 確定軸上倒角和退刀槽的尺寸
取主軸前端的倒角為4×45°，其余倒角1×45°；所有退刀槽的尺寸為2×1
3.4主軸剛度的計(jì)算
軸在載荷作用下，將產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。若變形量超過允許的限度，就會(huì)影響軸上零件的正常工作，甚至?xí)茐你姶驳墓ぷ餍阅堋Ｒ虼嗽谠O(shè)計(jì)重要軸時(shí)，必須檢驗(yàn)軸的變形量，這在軸的設(shè)計(jì)中稱為剛度計(jì)算。
剛度計(jì)算包括扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算和彎曲剛度計(jì)算兩種。前者以扭轉(zhuǎn)角ψ來度量；后者以撓度y和截面轉(zhuǎn)角θ來度量。本文以彎曲剛度校核，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)知：[y]=0.00025L；圓錐滾子軸承處的偏轉(zhuǎn)角[θ]＝0.0016rad。
3.4.1主軸的簡(jiǎn)化和彎曲剛度的計(jì)算
1、如主軸前后軸承頸之間有數(shù)段組成，則當(dāng)量直徑d
d=
式中：、；、；…；、—分別為各段的直徑和長(zhǎng)度
—總長(zhǎng)，=++…+（mm）
2、主軸切削力的計(jì)算
根據(jù)公式P=得：=，則當(dāng)線速度最小時(shí)，切削力最大
===0.21m/s
===25.7KN
3、撓度的計(jì)算
主軸的前懸伸部分較粗，剛度較高，其變形可以忽略不計(jì)。后懸伸部分不影響剛度。當(dāng)主軸前端作用一外載，則撓度
y=（mm）=×10（μm）
式中 —典型切削工藝的切削力
—前懸伸，等于載荷作用點(diǎn)至前支承點(diǎn)間的距離（mm）
—跨距，等于前后支承之間的距離（mm）
E—彈性模量，鋼取Ｅ＝2×10（Mpa）
I—截面慣性矩，I=0.05（-）（mm）
，—主軸的外徑和孔徑（mm）
將E和I的值待人，可得
y===79μm≤0.0002L=0.09325mm
4、偏轉(zhuǎn)角
主軸切削工件時(shí)承受很大的切削力，主軸前端產(chǎn)生彎曲變形，查機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)得
＝
式中 —主軸前端偏轉(zhuǎn)角(rad)
、、、E、I與前面相同
代入數(shù)據(jù)得
×(2×373+3×69)＝0.0011 rad
所以 ≤[θ]=0.0016 rad
綜上所述 主軸的剛度滿足條件，不必重新設(shè)計(jì)。
第四章 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)與計(jì)算
一般，設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)時(shí)，已知的條件是：傳遞的功率P=5.4kw，轉(zhuǎn)速n=20r／min—6000r／min，傳動(dòng)比暫取i=1.78；預(yù)定的壽命5年，每年工作300天，每天24小時(shí)。
設(shè)計(jì)開始時(shí)，往往不知道齒輪的尺寸和參數(shù)，無法準(zhǔn)確定出某些系數(shù)的數(shù)值，因而不能進(jìn)行精確的計(jì)算。所以通常需要先初步選擇某些參數(shù)，按簡(jiǎn)化計(jì)算方法初步確定出主要尺寸，然后再進(jìn)行精確的校核計(jì)算。當(dāng)主要參數(shù)和幾何尺寸都已經(jīng)合適之后，再進(jìn)行齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并繪制零件工作圖。
4.1主要參數(shù)的選擇
1、模數(shù)m 模數(shù)由強(qiáng)度計(jì)算或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定，要求圓整為標(biāo)準(zhǔn)值，傳遞動(dòng)力的齒輪傳動(dòng)m≥2。初步確定模數(shù)時(shí)，對(duì)于軟齒面齒輪(齒面硬度)350HBS）外嚙合傳動(dòng)m=（0.007～0.02）a；載荷平穩(wěn)，中心距過大時(shí)取小值，本文所設(shè)計(jì)的主軸傳動(dòng)暫定中心距a=150mm，因此取模數(shù)m=0.015a=2.25mm，將模數(shù)圓整到標(biāo)準(zhǔn)值，取m=2.5mm。
2、螺旋角β β角太小，將失去斜齒輪的優(yōu)點(diǎn)；但太大將會(huì)引起很大的軸向力。一般取β=8—15，此處取β=13。
3、齒數(shù)z 當(dāng)中心距一定時(shí)，齒數(shù)取多，則重合度增大，改善了傳動(dòng)的平穩(wěn)性。同時(shí)，齒數(shù)多則模數(shù)小、齒頂圓直徑小，并且又能減小金屬切削量，節(jié)省材料，降低加工成本。但是齒數(shù)增多則模數(shù)減小，齒輪的抗彎強(qiáng)度降低，因此，在滿足抗彎強(qiáng)度的條件下，宜取較多的齒數(shù)。
4.2 齒輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算
4.2.1、選擇材料
查機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)，小齒輪：20CrMnTi，滲碳淬火，硬度45～55HRC
大齒輪：20CrMnTi，滲碳淬火，硬度45～55HRC
按MQ級(jí)質(zhì)量要求取值，查得=780N/mm，=820N/mm；=620 N/mm，=640 N/mm。
4.2.2 有關(guān)參數(shù)和系數(shù)的確定
載荷系數(shù)K 查表取K =1.4
齒寬系數(shù) 查設(shè)計(jì)手冊(cè)取=0.25
4.2.3 中心距及主要參數(shù)的確定
確定齒輪嚙合時(shí)的中心距a=150mm
按經(jīng)驗(yàn)公式，=(0.007～0.02)a=(0.007～0.02)×150mm=1.05～3
取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)=2.5mm
初取β=13，cosβ=cos13=0.9744
初取齒數(shù)比μ=1.78
===42.06
取=42，則=μ=1.78×42=74.76，則取=75
精求螺旋角β
cosβ===0.975
即β=arccos0.975=124824，此值與初選β值相差不大，故不必重新計(jì)算。
傳動(dòng)比 ===1.786，此值與初選齒數(shù)比相差不大，故不必重新計(jì)算
4.2.4 許用彎曲應(yīng)力
1、當(dāng)量齒數(shù)為： ===45.3
===80.9
根據(jù)當(dāng)量齒數(shù)查得：齒形系數(shù)=2.37，=2.25
應(yīng)力修正系數(shù)=1.69，=1.77
2、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
=60=60×1200×1×（5×330×24）=2.85×10
==2.85×10×1.786=5×10
根據(jù)、查得：=0.86，=0.88
3、查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得：安全系數(shù)=1.4
根據(jù)公式[]=得：許用彎曲應(yīng)力
[]===393Mpa
[]===389Mpa
4.2.5、主要尺寸的計(jì)算
分度圓直徑d：
===107.7mm
===192.3mm
齒寬b ==0.25×150=37.5mm
取==38mm
4.2.6 校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度
=3.17≤[]
確定有關(guān)系數(shù)和參數(shù)
1、許用接觸應(yīng)力[]
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得==850Mpa，安全系數(shù)=1.2
根據(jù)、查得=0.86，=0.88
許用彎曲應(yīng)力
[]===609Mpa
[]===623Mpa
查設(shè)計(jì)手冊(cè)得：彈性系數(shù)=189.8，故
=3.17×189.8=246.7Mpa
＜[]，齒面接觸疲勞強(qiáng)度合格。
4.2.7 驗(yàn)算齒輪圓周速度
===22.5m/s
===40.25m/s
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)知選擇6級(jí)精度即可
第五章 軸承的設(shè)計(jì)與計(jì)算
本文所設(shè)計(jì)的數(shù)控銑床主要用于銑削平面和打孔，軸承承受徑向載荷的同時(shí)，還承受不大的軸向載荷，根據(jù)軸承承受載荷的特性，選擇單列圓錐滾子軸承的背對(duì)背的組合方式。
查軸承手冊(cè)得：32010型軸承基本額定動(dòng)載荷Cr=61KN，e=0.42，Y =1.4。
32109型軸承基本額定動(dòng)載荷Cr=175KN，e=0.44，Y =1.4。
5.1 軸承當(dāng)量動(dòng)載荷的計(jì)算
5.1.1 切削力的計(jì)算
根據(jù)公式P=得：=，根據(jù)典型切削工藝取n=1200r/min
===6.28m/s
===0.86KN
5.1.2 徑向力的確定
單列圓錐滾子軸承背對(duì)背組合，如圖5-1所示，可知：
==×0.86=0.22KN
=+=0.22+0.86=1.08KN
圖5-1 軸承受載示意圖
5.1.3 計(jì)算兩軸承的派生軸向力s
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得，單列圓錐滾子軸承的派生軸向力為S=/(2Y)，則
===0.08KN
===0.39KN
5.1.4 計(jì)算兩軸承的軸向載荷
軸承外加的軸向力
+=0.39+5=2.39KN＞
所以軸承I被“壓緊”，軸承II被“放松”，故
==2.39KN
=0.39KN
5.1.5 計(jì)算兩軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷P
查機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)得：載荷系數(shù)=1.5
軸承I的當(dāng)量動(dòng)載荷P1：
==10.8＞e=0.42
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得：=0.4，=1.4
==1.5×(0.4×0.22+1.4×2.39)=5.2KN
軸承II的當(dāng)量動(dòng)載荷P2：
==0.36＜e=0.44
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得：=1，=0
==1.5×1.08=1.62KN
5.2 驗(yàn)算兩軸承的壽命
由于軸承是在正常溫度下工作，t <120℃，查表機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得=1
圓錐滾子軸承ε=10/3，則軸承I的壽命
=（）=（）=46500 h
軸承II的壽命
=（）=（）=9.9×10h
第六章 圓弧齒同步帶的設(shè)計(jì)
6.1 確定圓弧齒同步帶的基本參數(shù)
6.1.1 確定設(shè)計(jì)功率
設(shè)計(jì)功率，其中為載荷修正系數(shù)
根據(jù)已知工作條件查表取則
6.1.2 選擇帶形和節(jié)距
根據(jù)和電機(jī)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速查表確定為8M型，節(jié)距＝８
6.1.3 傳動(dòng)比的選擇
帶傳動(dòng)是一種最常見的機(jī)械傳動(dòng)形式，它的主要用傳遞轉(zhuǎn)矩和改變轉(zhuǎn)速。大部分帶傳動(dòng)是依靠擾性傳動(dòng)與帶輪間的摩擦力來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的，銑床方面的傳動(dòng)還有電主軸和電機(jī)直連式，我們選擇了帶傳動(dòng)的方式，帶傳動(dòng)簡(jiǎn)單，而且效率高，選擇的傳動(dòng)比=2
6.1.4 小帶輪齒數(shù)
根據(jù)帶型M和小帶輪的轉(zhuǎn)速，由表查得小帶輪的最小齒數(shù)=18，此處取=23。
則大帶輪的齒數(shù)
6.1.5 小帶輪的節(jié)圓直徑
查表得其外徑其中2δ為節(jié)根距
6.1.6 大帶輪節(jié)圓直徑
查表得其外徑
6.1.7 帶的傳動(dòng)速度
===4.6m/s
6.2 確定帶的中心距
6.2.1 初定軸間距
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)知 0.7（）≤≤2()
同時(shí)根據(jù)對(duì)銑床產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)初定=160mm
6.2.2 帶長(zhǎng)及其齒數(shù)的確定
=2＋()＋
=2×160＋1.57×(58.57＋117.14) ＋（117.14—58.57）／4×160
=320＋275.8647＋0.092
=595.96mm
查表應(yīng)選用帶長(zhǎng)代號(hào)為600的8M型同步帶，其節(jié)線長(zhǎng)度=600mm，節(jié)線長(zhǎng)上的齒數(shù)=75
6.2.3 實(shí)際軸間距，所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的軸間距可調(diào)整
M=4—2π（+）
=4×600—6.28×（58.57＋117.14）
=2400—1103.4588
=1296.5412mm
（＋/16
=[1296.5＋]/16
=159.37mm
6.3 選擇帶的類型
1、嚙合齒數(shù)的確定
=ent(0.5—)=ent（0.5—）×23
=ent10.12=10
2、基本額定功率的確定
根據(jù)小帶輪的轉(zhuǎn)速和節(jié)圓直徑查表知=2.5kw
3、所需的帶寬
≥
其中：—帶的基本寬度表7-1查得
表7-1
帶型
3M
5M
8M
14M
20M
bs0/mm
6
9
20
40
115
—帶長(zhǎng)系數(shù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)知=0.8
當(dāng)＜6時(shí)=1，當(dāng)＜6時(shí)=1-2（6—），此處取=1
則 ≥20×=68.86mm
至此帶輪的設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，根據(jù)上面的計(jì)算數(shù)據(jù)，取標(biāo)準(zhǔn)帶寬代號(hào)為70的8M型的帶，其帶寬為70，則帶輪的寬度=72.7。
第七章 碟形彈簧的設(shè)計(jì)
7.1 碟形彈簧的結(jié)構(gòu)尺寸
7.1.1 碟形彈簧的基本概念
碟形彈簧是用鋼板沖壓成形的截錐壓縮彈簧.具有剛度大、變剛度性等特點(diǎn)，蝶形彈簧按其結(jié)構(gòu)型式分為無支承面和有支承面兩種，如圖7—1所示
(a) 無支承面 （b）有支承面
圖7—1 碟形彈簧
圖中：D—彈簧外徑(mm)；d—彈簧內(nèi)經(jīng)（mm）；—彈簧中性徑（mm）為彈簧中性點(diǎn)所在圓直徑，其大小按計(jì)算。
t—厚度（mm）；—減薄彈簧厚度（mm）；—自由高度（mm）；—無支承面碟簧壓平時(shí)變形量（mm），；—有支承面碟簧壓平時(shí)變形量（mm）；=—；b≈D/150；F—載荷（N）；f—變形量（mm）
7.1.2 碟形彈簧的分類
1、碟形彈簧按其厚度分為三類，如表7-1所示
表7-1 碟簧按厚度的分類
類別
碟簧厚度t/mm
支承面和減厚厚度
1
<1.25
無
2
1.25—6.0
無
3
>6.0—14.0
有
2、碟形彈簧按外徑D、壓平時(shí)變形量和厚度t的比值D/t、/t分為三個(gè)系列，如表7—2所示
表7—2 碟簧按外徑D的分類
系列
D/t
/t
E(Gpa)
u
f
A
≈18
≈0.4
206
0.3
≈0.75
B
≈18
≈0.75
206
0.3
≈0.75
C
≈28
≈1.3
206
0.3
≈0.75
7.2 彈簧的許用應(yīng)力和疲勞極限
7.2.1 碟形彈簧按其載荷性質(zhì)分為兩類：
1、 靜載荷—作用載荷在規(guī)定壽命內(nèi)變化次數(shù)小于1×10次。
2、 變載荷—作用在碟簧上的載荷，在預(yù)知載荷和工作載荷之間，在規(guī)定壽命內(nèi)變化次數(shù)大于1×10次。
（1）、靜載荷作用下碟簧許用應(yīng)力
靜載荷作用下的碟簧，應(yīng)通過校核OM點(diǎn)的應(yīng)力來保證自由高度的穩(wěn)定，在壓平時(shí)的應(yīng)接近彈簧材料的屈服點(diǎn)。
（2）變載荷作用下碟簧的疲勞極限
7.2.2 變載荷作用下碟簧使用壽命可分為兩類
1、有限壽命—可以在持久強(qiáng)度范圍內(nèi)承受1×10—2×10次有限的加載次數(shù)值至破壞
2、無限壽命—可以在持久強(qiáng)度范圍內(nèi)承受2×10次有限的加載次數(shù)值至破壞
7.3 碟形彈簧的設(shè)計(jì)與計(jì)算
碟形彈簧的組合方式有疊合組合、對(duì)合組合和復(fù)合組合，本文設(shè)計(jì)的銑床采用對(duì)合組合方式，這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)合片數(shù)少。
主軸采用的是BT50的刀柄，通常BT50的刀柄需要用3.5噸的力才能拉緊，既工作載荷=3500×9.8=34300N，在裝配時(shí)用鎖緊螺母固定彈簧，預(yù)緊力為=2000N，使用過程中要求彈簧的最大變形量為8.5mm，根據(jù)要求設(shè)計(jì)合適的彈簧組合。
1、根據(jù)要求查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，從Ａ、B、C系列中選取一個(gè)規(guī)格，其尺寸和參數(shù)如下表，
碟簧
D/mm
d/mm
t/mm
/mm
/mm
F=0.75
F/Ｎ
f/mm
或
A
100
51
6
2.2
8.2
4800
1.65
1420
B
100
51
3.5
2.8
6.3
13100
2.1
1050
C
100
51
2.7
3.5
6.2
8610
2.63
1240
2、由Ｃ＝＝=1.96查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得＝0.686，碟簧有支承面時(shí),取=1.6
當(dāng)?shù)蓧浩綍r(shí)碟簧載荷 =
其中：Ｅ—彈性模量（Ｍpa），彈簧鋼取E=2.06×Ｍpa
μ—泊松比，彈簧鋼取μ=0.3
帶入數(shù)據(jù)解得=××=1.47×N
3、根據(jù)==0.4和==0.23由查得=0.22
由此變形量=0.22=0.48mm
滿足總變形量=8.5，所需的碟簧片數(shù)為===17.7，取=18片
對(duì)合碟簧組的總自由高度為
==18×8.2=147.6mm
承受載荷3.5噸時(shí)的高度
=—=147.6—18×0.48=138.96mm
7.4 碟形彈簧的校核
1、由、求、
根據(jù)上面的計(jì)算知：=1.47×N
因此 /==0.03 /==0.23
按照 =0.4，查圖5-1得到/=/=0.22
由此 =0.03=0.03×2.2=0.066mm
=0.22=0.22×2.2=0.48mm
3、疲勞破壞的關(guān)鍵部位
由=0.64和C=1.96，查圖8-3得，疲勞強(qiáng)度破壞的關(guān)鍵部位在二點(diǎn)
或
``
圖7-3 碟簧疲勞破壞的關(guān)鍵部位
4、計(jì)算應(yīng)力并檢驗(yàn)碟簧壽命
當(dāng)=0.066mm時(shí)，由下式得：
=[（）]
=-×1.6××[1.6×1.2111×
(-)-1.362]Mpa=55.34Mpa
當(dāng)=0.22時(shí)，由下式得：
=[（-）]
=××1.6××[1.6×1.2111×
(-)-1.362]Mpa=200.7Mpa
碟簧的計(jì)算應(yīng)力幅為
==200.6—55.34=145.26 Mpa
由圖5—2b查得：當(dāng)=55.34 Mpa，壽命2×10時(shí)的=720 Mpa
即疲勞強(qiáng)度應(yīng)力幅為
=720—55.34=664.66Mpa
即＜，能夠滿足無限壽命的要求。
至此碟型彈簧的設(shè)計(jì)與校核已全部完成，選用A 型，、支承面、共18片對(duì)合組合的碟型彈簧。
第八章 拉桿的設(shè)計(jì)
在銑床主軸內(nèi)有松卡刀裝置，結(jié)構(gòu)從主軸前端到末端分別是拉抓，拉桿，一組碟形彈簧，鎖緊螺母，打刀缸。其中拉桿，一組碟形彈簧，鎖緊螺母組合在一起，然后與拉抓通過螺紋連接。抓刀時(shí)，打刀缸不工作，靠施加在疊簧上的力拉緊刀具；松刀時(shí)，打刀缸工作推動(dòng)拉桿向前運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)拉抓，拉抓從主軸孔前端向前運(yùn)動(dòng)松開，實(shí)現(xiàn)換刀動(dòng)作。
8.1 確定拉桿的直徑
拉桿前端與拉抓通過螺紋連接 ，BT50拉抓前端是M25×1.5的外螺紋，因此拉抓必須是M22×1.5的內(nèi)螺紋，如圖8-1所示，取1處的直徑=28mm，
圖8-1 拉桿結(jié)構(gòu)圖
2處的直徑根據(jù)碟形彈簧的型號(hào)確定，因?yàn)榈螐椈伤惺艿牧痛?，為了滿足剛性要求取2處的直徑=51mm，碟形彈簧選擇φ51的內(nèi)徑。
3處主要是裝鎖緊螺母和壓板，通過鎖緊螺母預(yù)緊彈簧，為了安裝方便，3處的直徑比2處小2～3mm，故取3處的外螺紋為M48×1.5，4處是當(dāng)打刀缸工作時(shí)，打桿的接觸面，沒有什么特殊的要求，只須外徑比打桿稍大一些，此處取=26mm
8.2 確定拉桿的長(zhǎng)度
2處裝碟形彈簧，有彈簧的設(shè)計(jì)與計(jì)算只，碟簧總自由高度為111.6mm，碟簧要用鎖緊螺母預(yù)緊，因此取2處長(zhǎng)度=110即可；3初的長(zhǎng)度因＞鎖緊螺母的寬度20mm+壓板的寬度10mm，故取3處長(zhǎng)度=38mm；4處的長(zhǎng)度沒有特別的要求，取=6mm；1處的長(zhǎng)度根據(jù)主軸箱的結(jié)構(gòu)要求而定，主軸箱上下兩個(gè)面的距離為550，同時(shí)拉桿前端還與BT50拉抓連接裝入主軸中，因此根據(jù)主軸部件的裝配關(guān)系取=370mm
至此拉桿的主要尺寸已經(jīng)確定完.
總 結(jié)
短短的三個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們對(duì)大學(xué)四年的機(jī)械知識(shí)的整體總結(jié)，也是理論與實(shí)踐的結(jié)合，通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)我們收益非淺，這次設(shè)計(jì)，主要是對(duì)立式數(shù)控銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我學(xué)到了許多新的知識(shí)。我深刻的認(rèn)識(shí)到，要想成為一名合格技術(shù)人員只掌握本專業(yè)的知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，我們應(yīng)該具有更加淵博的知識(shí)。
首先從主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及主軸零件的選用，再定軸承的選型及其組配形式。
在以上設(shè)計(jì)中，對(duì)零件的材料，對(duì)軸承，對(duì)裝配方法等等知識(shí)點(diǎn)溫習(xí)和學(xué)習(xí)。使以前學(xué)習(xí)的理論知識(shí)能夠應(yīng)用到實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中去，更加深了我們對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解。對(duì)實(shí)際加工中的一些問題有了進(jìn)一步的了解，并在設(shè)計(jì)中考慮和避免這些問題的發(fā)生。
沒有具體的了解，經(jīng)常會(huì)有無從下手的感覺，碰到問題只有去問老師和看相關(guān)書籍，確實(shí)雖然完成了大概模型，有許多地方還是不是完全吃透的，這需要在以后的工作學(xué)習(xí)中進(jìn)一步加深學(xué)習(xí)，期間我得到了許多教師的大力幫助。本次設(shè)計(jì)算基本符合設(shè)計(jì)要求。在此，我表示由衷地感謝！
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致 謝
畢業(yè)設(shè)計(jì)很快已經(jīng)結(jié)束了，在這段時(shí)間里，不僅僅感覺到的是忙碌，還有忙碌后作完一件令自己心動(dòng)的東西時(shí)的那種無聲的喜悅。
在寫致謝信的這個(gè)時(shí)候心里想有一些說出的東西，想想自己在做畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)的種種困難，在老師同學(xué)的用心幫助下也一一解決了，說句實(shí)話，憑自己的能力要作完畢業(yè)設(shè)計(jì)是有些太困難了，但是在你的身邊總有一些人會(huì)給你帶來驚喜，自己的能力畢竟有限，在面對(duì)別人無私幫助的時(shí)候我的內(nèi)心十分感激，帶自己畢業(yè)設(shè)計(jì)的老師會(huì)有問必答，有難必解，雖然接觸不是很多，但有些東西是用心感覺的。還有好多老師在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中給于我一些幫助，我非常的感激。當(dāng)