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編 號 無錫太湖學院 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 題目： CK6163 型數控機床設計 信 機 系 機 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 學 號： 0923148 學生姓名： 肖 宇 指導教師： 尤 麗 華 （職稱：副教授 ） （職稱： ） 2013 年 5 月 25 日 無錫太湖學院本科畢業(yè)設計（論文） 誠 信 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計（論文） CK6163 型 數控機床設計 是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的 成果，其內容除了在畢業(yè)設計（論文）中特別加以標注引用， 表示致謝的內容外，本畢業(yè)設計（論文）不包含任何其他個人、 集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級： 機械 93 學 號： 0923148 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 無 錫 太 湖 學 院 信 機 系 機 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 畢 業(yè) 設 計 論 文 任 務 書 一、題目及專題： 1、題目 CK6163 型數控機床設計 2、專題 二、課題來源及選題依據 受益于國家振興裝備制造業(yè)的大環(huán)境和強勁的市場需求拉動， 國內機床工具行業(yè)出現了技術長足發(fā)展、投資熱情高漲的局面。數 控機床的水平、品種和生產能力直接反映了國家的技術、經濟綜合 國力。數控機床作為國防軍工的戰(zhàn)略裝備，是各種武器裝備最重要 的制造手段，是國防軍工裝備現代化的重要保證。數控機床一般由 輸入介質、人機交互設備、計算機數控裝置、進給伺服驅動系統(tǒng)、 主軸伺服驅動系統(tǒng)、輔助控制裝置、反饋裝置和適應控制裝置等部 分組成。隨著振興裝備制造業(yè)關鍵領域的高水平新產品的發(fā)展，每 個領域都對數控機床提出了更高的要求。CK6163 型數控機床也被 廣泛運用。此次進行對 CK6163 型數控機床的床頭箱、變速箱以及 進給機構的設計。 三、本設計（論文或其他）應達到的要求： II 1、完成 CK6163 數控機床的床頭箱設計； 2、完成 CK6163 數控機床變速箱設計； 3、完成 CK6163 數控機床進給機構設計； 4、完成 CK6163 型數控機床滾珠絲杠的設計； 5、完成 CK6163 型數控機床的零件設計； 四、接受任務學生： 機械 93 班 姓名 肖 宇 五、開始及完成日期： 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、設計（論文）指導（或顧問）： 指導教師簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 學科組組長研究所 所長簽名 系主任 簽名 2012 年 11 月 12 日 III 摘 要 數控技術是當今先進制造技術和裝備最核心的技術，機械制造業(yè)的競爭，其實質是 數控技術的競爭。從目前世界上數控技術及其裝備發(fā)展的趨勢來看,其主要研究熱點有以 下幾個方面：1功能發(fā)展方向；2結構體系發(fā)展方向；3高速、高效、高精度、高可 靠性發(fā)展方向； CK6163 型數控機床是開環(huán)式的數字程序控制車床。 能進行內外圓柱面、圓錐面、圓 弧面、圓柱螺紋和圓錐螺紋等加工。機床主軸的啟動、停止和變速，縱向和橫向進給運 動的行程和速度，刀具的變換和冷卻，都可以自動控制。并具有直線、錐度、直螺紋和 錐螺紋等自動循環(huán)機能。 CK6163 型數控機床有床頭箱、變速箱、進給機構、刀架、控制箱等組成。床頭箱中 由操縱油缸中的活塞桿帶動拔叉來控制雙向內齒離合器的接通或放松，使主軸實現四級 變速。主運動采用分離傳動從而使變速箱實現四級變速。進給機構由床鞍縱向進給電液 脈沖馬達、滾珠絲杠副和中間傳動齒輪副組成。 關鍵詞：數控技術；床頭箱；變速箱；進給機構；滾珠絲杠； IV Abstract Numerical control technology is the core technology of the advanced manufacturing technology and equipment, machinery manufacturing competition, and its essence is the competition of numerical control technology.From the numerical control technology and equipment development trend, its main research focus has the following several aspects：1 .The direction of function development；2. The direction of structural system development；3. High speed, high efficiency, high precision and high reliability； CK6163 numerical controlled machine tool is the open loop type digital program controlled lathe. To inside and outside the cylinder, cone surface, such as processing arc face, straight thread and taper thread. Start, stop, and variable speed machine tool spindle, longitudinal and transverse feed motion of stroke and speed, transformation and the cooling of a tool, can be controlled automatically. And with a straight line, taper, straight thread and automatic cycle function of taper thread and so on. CK6163 numerical controlled machine tool headstock, transmission, feeding mechanism, tool carriage, control box, etc. Bedside box by manipulating the oil cylinder piston rod to control the bidirectional drive fork of the internal tooth clutch connected or relax, for level 4 speed of spindle. Separation is used in the main movement transmission so that realize four speed gearbox. Feed mechanism by the bed saddle longitudinal feed electric hydraulic pulse motor, ball screw pair and the intermediate transmission gears. Key words: Numerical control technology; Bedside cabinet; Gearbox; Feed mechanism; Ball screw; V 目 錄 摘 要 .III ABSTRACT .IV 目 錄 .V 1 緒論 .1 1.1 本課題的研究內容和意義 .1 1.2 國內外的發(fā)展概況 .1 1.3 本課題應達到的要求 .2 2 總體方案 .3 2.1 CK6163 的現狀和發(fā)展 .3 2.2 CK6163 臥式車床的總體方案 .3 3 主軸箱的設計 .4 3.1 主軸箱的運動設計.4 3.1.1 已知條件 .4 3.1.2 結構分析式 .4 3.1.3 擬定轉速圖 .4 3.1.4 確定轉速圖 .5 3.1.5 確定各變速組傳動副齒數 .6 3.2 齒輪傳動設計.7 3.2.1 漸開線直齒輪設計 .7 3.2.2 斜齒輪設計 .8 3.3 主軸傳動設計.11 3.3.1 確定主軸最小直徑 .11 3.3.2 主軸最佳跨距的確定 .11 3.3.3 主軸剛度的校核 .12 3.4 帶傳動設計.12 3.5 滾珠螺母絲杠.14 3.5.1 滾珠絲杠副的種類與結構 .14 3.5.2 內循環(huán)式 .14 3.5.3 外循環(huán)式 .14 3.5.4 滾珠絲杠副的結構參數 .15 3.5.5 滾珠絲杠副的結構特點 .15 3.5.6 滾珠絲杠副的安裝支撐方式 .15 4 變速箱的設計 .17 4.1 運動部分計算.17 4.1.1 參數確定的步驟和方法 .17 4.2 傳動設計.18 4.2.1 傳動結構式、結構網的選擇 .18 VI 4.2.2 主傳動順序的安排 .19 4.2.3 傳動系統(tǒng)的擴大順序的安排 .19 4.2.4 傳動組的變速范圍的極限植 .19 4.2.5 最后擴大傳動組的選擇 .20 4.3 轉速圖的擬定.20 4.3.1 主電機的選定 .20 4.3.2 雙速和多速電機的應用 .20 4.3.3 電機的安裝和外形 .20 4.3.4 常用電機的資料 .21 4.3.5 齒輪傳動比的限制 .21 4.4 帶輪傳動部分的設計.21 4.4.1 帶輪直徑確定的方法、步驟 .21 4.4.2 三角帶傳動的計算 .21 4.4.3 選擇三角帶的型號 .21 4.4.4 確定帶輪的計算直徑 D1、D 2 .22 4.5 齒輪傳動部分的設計.24 4.6 電磁離合器的選擇.28 4.6.1 按扭距選擇 .28 4.6.2 步驟 .28 4.7 軸的設計計算.29 4.7.1 軸的設計計算 .29 4.7.2 軸的設計計算 .29 4.8 縱向進給系統(tǒng)的設計計算.34 4.8.1 縱向進給系統(tǒng)的設計 .34 4.8.2 縱向進給系統(tǒng)的設計計算 .34 5 結論與展望 .40 5.1 結論.40 5.2 不足之處及未來展望.40 致謝 .41 參 考 文 獻.42 CK6163 型數控機床設計 1 1 緒論 1.1 本課題的研究內容和意義 數控機床通常由控制系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)，檢測系統(tǒng)，機械傳動及其他輔助系統(tǒng)組成。 數控機床相比較于普通機床有以下特點：（1）加工精度高，擁有穩(wěn)定加工質量； （2）擁有多坐標的聯動，能加工較為復雜的工件；（3）加工時間短；（4）生產效 率高；（5）自動化程度高，減輕勞動強度； 數控機床的控制方式有很多種，主要分為開環(huán)控制，閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制。開 環(huán)控制系統(tǒng)沒有反饋裝置，系統(tǒng)不會計算誤差，精度不高，但屬于經濟型；閉環(huán)控制 系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)都裝有反饋裝置，他們區(qū)別在于反饋檢測裝置安裝位置不同， 閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋裝置在工作臺上，而半閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋裝置在軸端或者絲桿 上。本次研究的 CK6263 型數控機床的控制就屬于開環(huán)控制系統(tǒng)。 CK6163 型數控車床，是車床中應用最廣泛、最典型的一種數控車床。該機床是 開環(huán)式的數字控制車床。能進行內外圓柱面、圓錐面、圓弧面、圓柱螺紋和圓錐螺紋 等加工。機床主軸的起動、停止和變速，縱向和橫向進給運動的行程和速度，刀具的 變換和冷卻，都可以自動控制。并具有直線、錐度、直螺紋和錐螺紋等自動循環(huán)功能。 在該機床中采用液壓卡盤、液壓尾座、快換刀架和機床外對刀裝置。該機床使用于加 工形狀復雜的中小批量的零件。 數控機床的主傳動方式分為集中傳動方式和分離傳動方式。集中傳動是指主傳動 和變速傳動在同一個主軸箱內的傳動方式，其優(yōu)點在于結構緊湊，便于實現集中操作， 安裝調整方便，主要用于普通精度的大中型機床；分離傳動是指主傳動的大部分傳動 和變速傳動安裝于遠離主軸的單獨變速箱內，通過帶傳動將運動傳到主軸箱的傳動方 式，其優(yōu)點在于變速箱內各傳動件所產生的的振動和熱能不直接傳給或少傳給主軸， 有利于提高主軸工作精度，主要運用于對精度要求高的機床。 CK6163 型數控機床就是采用了分離傳動，來提高工作精度。 1.2 國內外的發(fā)展概況 數控技術及裝備是發(fā)展新興高新技術產業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術和最基本的裝備。 世界各國信息產業(yè)、生物產業(yè)、航空、航天等國防工業(yè)廣泛采用數控技術，以提高制造 能力和水平，提高對市場的適應能力和競爭能力。工業(yè)發(fā)達國家還將數控技術及數控裝 備列為國家的戰(zhàn)略物資，不僅大力發(fā)展自己的數控技術及其產業(yè)，而且在高精尖數控 關鍵技術和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策。因此大力發(fā)展以數控技術為核心的先 進制造技術已成為世界各發(fā)達國家加速經濟發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。 目前，歐、美、日等工業(yè)化國家已經先后完成數控機床產業(yè)化進程，而我國是從 20 世紀 80 年代才開始起步，處于發(fā)展階段。國內本土數控機床企業(yè)大多處于“粗放型”階 段，在產品設計水平、質量、精度、性能等方面與國外先進水平相比落后了 5-10 年；在 高、精、尖技術方面的差距則達到了 10-15 年。同時中國在應用技術及技術集成方面的能 力也還比較低，相關的技術規(guī)范和標準的研究制定相對滯后，國產的數控機床還沒有形 無錫太湖學院學士學位論文 2 成品牌效應。同時，中國的數控機床產業(yè)目前還缺少完善的技術培訓、服務網絡等支撐 體系，市 場營銷能力和經營管理水平也不高。更重要原因是缺乏自主創(chuàng)新能力，完全擁有自主知 識產權的數控系統(tǒng)少之又少，制約了數控機床產業(yè)的發(fā)展。 十二五期間我國將持續(xù)投入，且力度加大，力爭通過 10-15 年的時間，實現由機床工 具生產大國向機床工具強國轉變，實現國產中高檔數控機床在國內市場占有主導地位等 一系列中長期目標。 在數控機床制造方面，德國和日本一直處于領先地位，德國是老牌工業(yè)強國，其鍛 壓機械種類齊全，基本上每一種鍛壓設備都有代表世界最先進水平的產品，比如通快的 鈑金成形機床、舒勒的大型覆蓋件壓力機、多工位壓力機和沖壓自動生產線、米勒萬家 頓的電動螺旋壓力機、奧姆科的熱模鍛壓力機、哈森克勒佛的離合器式螺旋壓力機、拉 斯科的鍛錘、辛北爾康普的大型液壓機、瓦格納-班寧的碾環(huán)機、雷菲爾德的旋壓機、 FELSS 的旋鍛機等等的鍛壓機械。日本的鍛壓機械和德國一樣，在世界上居于領先地位， 盡管在大型和重型鍛壓設備方面不如德國，但在數控鍛壓機械，尤其在伺服驅動壓力機 方面具有很高的技術水平。而在我國沈陽、大連兩市已基本成為全國數控車床、加工中 心的中央綜治委開發(fā)基地；在長江三角洲地區(qū)已成為數控磨床、電加工機床、板材加工 設備、等的主要生產基地。 1.3 本課題應達到的要求 本課題主要研究 CK6163 型數控機床的設計，主要設計主軸箱和變速箱，還有涉及到進 給機構的設計，以及一些零部件的設計。而主要問題是：相關文獻資料的缺乏，對一些 結構設計部分的具體設計指導，以及制圖軟件的高級運用技巧。 圖 1.1 CK6163 型數控機床 CK6163 型數控機床設計 3 2 總體方案 2.1 CK6163 的現狀和發(fā)展 數控機床是以數控系統(tǒng)為代表的新技術對傳統(tǒng)機械制造產業(yè)的滲透形成的機電一體 化產品；其技術范圍復蓋很多領域：(1)機械制造技術；(2)信息處理、加工、傳輸技術； (3)自動控制技術；(4) 伺服驅動技術； (5)傳感器技術；( 6)軟件技術等。計算機對傳統(tǒng)機械 制造產業(yè)的滲透，完全改變了制造業(yè)。制造業(yè)不但成為工業(yè)化的象征，而且由于信息技 術的滲透，使制造業(yè)猶如朝陽產業(yè)具有廣闊的發(fā)展天地。數控技術的發(fā)展趨勢：智能 化 ；網絡化 ；集成化 ；微機電控制系統(tǒng) ；數字化 。 我國數控產業(yè)發(fā)展的思考： 1、注重系統(tǒng)配套 ； 2、注重產品的可靠性 ；3、提倡 創(chuàng)新，加強服務。 2.2 CK6163 臥式車床的總體方案 由于該設計給出的已知條件是 16 級變速，對于主軸箱的設計采用雙聯齒輪、撥叉、 電磁離合器實現主軸的變速、正轉、反轉。進給部分用數控系統(tǒng)控制縱橫兩方向的步進 電機，實現 X、Y 兩方向的進給運動；刀架采用四方刀架；參考的普通機床拆除其中的絲 杠、光杠進給箱、溜板箱，換上滾珠絲杠螺母副；在主軸后端加一主軸編碼器，以便加 工螺紋。 車床的主參數（規(guī)格尺寸）和基本參數（GB1582-79 ，JB/Z143-79） 最大的工件回轉直徑 D 是 630mm；刀架上最大工件回轉直徑 D1 大于或等于 315mm；主 軸通孔直徑 d 要大于或等于 80mm；主軸頭號（JB2521-79 ）是 4.5；最大工件長度 L 是 1500mm；主軸轉速范圍是：321000r/min；級數范圍是： 16 級；主軸前端孔錐度是公制 100 號；縱向進給量 0.0120.47mm；刀架橫進給量范圍(在直徑上) 是 0.0120.47mm； 刀架縱向和橫向進給的脈沖當量 0.01mm；主電機功率是 13kw。 本設計主要著重于主軸箱、變速箱和進給機構的設計。CK6163 型數控機床主要結構 圖如圖 2.1 無錫太湖學院學士學位論文 4 圖 2.1 CK6163 型數控機床主 CK6163 型數控機床設計 5 3 主軸箱的設計 3.1 主軸箱的運動設計 3.1.1 已知條件 低轉速 nmin 為 32r/min，高轉速 nmax 為 1000r/min，轉速調整范圍為 Rn=nmax/nmin=31.25 取 Rn=32 確定公比:選定主軸轉速數列的公比為 1.25；求出主軸轉速級數 Z Z=lgRn/lg+1= lg32/lg1.25+1=16.53 取 Z=16 3.1.2 結構分析式 確定結構式：16=2222 16=224 16=242 根據擬定轉速圖的原則篩選結構式 1.極限傳動比、極限變速范圍原則； 2.確定傳動順序及傳動副數的原則“前多后少”的原則； 3.確定傳動順序與擴大順序相一致的原則“前密后疏” 的原則； 4.確定最小傳動比的原則“前慢后快” （降速） ， “前快后慢” （升速）的原則。 經整理得： 16=2 1222428 3.1.3 擬定轉速圖 (1)選定電動機 一般金屬切削機床的驅動，如無特殊性能要求，多采用 Y 系列封閉自扇冷式鼠籠型 三相異步電動機。Y 系列電動機高效、節(jié)能、起動轉矩大、噪聲低、振動小、運行安全可 靠。根據機床所需功率選擇 Y160M-4，其同步轉速為 1460r/min。 （2）分配總降速傳動比 總降速傳動比為 uII=nmin/nd=32/14600.0213,nmin 為主軸最低轉速，考慮是否需要 增加定比傳動副，以使轉速數列符合標準或有利于減少齒輪和及徑向與軸向尺寸，并分 擔總降速傳動比。然后，將總降速傳動比按“先緩后急”的遞減原則分配給串聯的各變 速組中的最小傳動比。 （3）確定各級轉速并繪制轉速圖 由 nmin= 32r/min;=1.25；z = 16 確定各級轉速： 1000、800、630、500、400、315、250、200、160、135、100、80、63、40、32r/min。 本設計有四種傳動機構，四段無級變速： (1)IV V VI VII VIII (2)IV V VII VIII (3)IV VI VII VIII （下撥叉左） (4)IV VI VII VIII （下撥叉右） 先來確定 IV 軸的轉速 nmax=1450130/18640/3236/36190/304=791；取 nmax=800 無錫太湖學院學士學位論文 6 nmin=145032/4032/40190/304=405；取 nmin=400 根據轉速圖跟結構式，可確定 IV 軸的轉速為 400、500、630、800r/min 確定軸 V 的轉速 因為 IV 軸跟 V 軸是 1：1 傳遞，所以 V 軸的轉速等同 IV 軸轉速： 400、500、630、800r/min。 確定軸 VI 的轉速 由軸 IV 傳遞到軸 VI 可以得到四級轉速：400、500、630、800r/min 由軸 V 傳遞到軸 VI 可以得到四級轉速：40024/60=160 ；50024/60=200 ；63024/60=252 取 n=250 ；80024/60=320 取 n=315 所以 VI 軸的轉速確定為 160、200、250、315、400、500、630、800r/min 確定軸 VII 的轉速 由軸 IV 經軸 V 直接傳遞到軸 VII 可以得到四級轉速：400、500、630、800r/min 由軸 IV 經軸 VI 傳遞到軸 VII 可以得到八級轉速：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) 由軸 IV 經軸 V 傳遞到軸 VI 再傳遞到軸 VII 可以得到四級轉速：31524/60=160 25024/60=100 20024/60=80 16024/60=63 確定 VII 軸的轉速為： 2000、1600、1250、1000、800、630、500、400、315、250、200、160、135、100、80 、63r/min 3.1.4 確定轉速圖 CK6163 型數控機床設計 7 圖 3.1 CK6163 轉速圖 3.1.5 確定各變速組傳動副齒數 軸 IV-V: 1/ia/2i 時： 64、66、68、70、72、74、76、84i zS 時： 64、66、68、70、72、74、76、84/1i 可取 84,于是可得軸 IV 齒數為：42；于是 zS 1/ia 可得軸 V 上的齒輪齒數為：42 軸 V-VI: ，5.2/1ib 時： 69、72、73、76、77、80、81、84、875.2/1ibz 可取 84，于是可得軸 V 上齒輪的齒數為：24；zS 于是 ，得軸 VI 上齒輪的齒數為：6060/41i 軸 VI-軸 VII: 5.21ci 時： 72、75、78、81、84、87、89、902zS 可取 84；得軸 VI 齒輪齒數為 24；zS 由 ； 得 VII 軸齒輪齒數為 605.1ci VII-軸 VIII： 21di 時： 72、75、78、81、84、87、89、9021dizS 可取 90.得軸 VII 齒輪齒數為 30；由 得 VIII 軸齒輪齒數為 6021di 根據軸數，齒輪副，電動機等已知條件可有如下系統(tǒng)圖： 無錫太湖學院學士學位論文 8 圖 3.2 CK6163 床頭箱傳動系統(tǒng)圖 3.2 齒輪傳動設計 3.2.1 漸開線直齒輪設計 （1）選擇齒輪材料及精度等級: 因為是 1:1 傳遞,所以兩齒輪材料選擇一致:齒輪選用合金鋼調質，硬度為 220250HBs ； 選 8 級精度，要求齒面粗糙度 Ra3.26.3 m （2）模數的確定： 在 IV 軸 上 42 齒 數 的 齒 輪 最 容 易 受 損 ， 所 以 應 以 42 齒 數 齒 輪 位 代 表 進 行 模 數 計 算 ， 因 為 ： (3.1) 132.6FSdKmTYz 查 機械設計基礎表 10.11“載荷系數 K”得： ，因為：1.2K (3.2) 619.50pn 式子中 P為主動軸的傳輸功率 n為從動軸的的轉數 IV 軸 的 計 算 轉 速 為 ： 140/minnr CK6163 型數控機床設計 9 則有 (3.3) 619.50pTn13.4kw6m 查 機械設計基礎表 11.19 得 1d 查 機械設計基礎表 10.13“標準外齒輪的齒形系數 ”得：YF 當 z=42 時 所對應的外齒輪齒形系數 2.4F 查 機械設計基礎表 10.14“標準外齒輪的應力修正系數 ”得：S 當 z=42 時 所對應的外齒輪的應力修正系數 1.67S 查 機械設計基礎圖 11.24 得： lim20FMPa 查圖 11.25 得： 1NY 查表 11.9 得： 因為.3FSli/FNFYS 所以 20/6F 經整理得： 6321.41760m 取4.27 于是軸 IV 齒輪的直徑為 ；mdb81 因為是漸開線標準直齒輪,所以 V 軸齒輪的模數也為 m=4. ；mdb168422 （3）校核齒輪 按齒根彎曲疲勞強度校核: 如果 ，則校核合格。21FFSKTYbmd 確定有關系數與參數： 齒形系數 ； 查表 11.12 得 F2.41FY 應力修正系數 ；查表 11.13 得 s 67s 許用彎曲應力 F 由圖 11.24 查得 lim210MPa 由表 11.9 查得 .3FS 由圖 11.25 查得 sY 由式 21FFSKTbmd 無錫太湖學院學士學位論文 10 可得2106.3FMPa 故 21.3062.41878FFS FKTYMPabmz 齒根彎曲強度校核合格. 驗算齒輪的圓周速度 16403.51/60dnvms 查表可知,選 8 級精度是合適的. 3.2.2 斜齒輪設計 （1）選擇齒輪材料及精度等級: 按表查得選擇齒輪的材料為 小齒輪選用 45 鋼調質，硬度為 220-150HBs； 大齒輪選用 45 鋼正火，硬度為 170-210HBs； 選 8 級精度，要求齒面粗糙度 Ra3.2-6.3um。 （2）確定設計準則 由于為閉式齒輪傳動,且兩齒輪均為齒面硬度 HBs 小于等于 350 的軟齒面,齒面點蝕 是最主要的失效形式.應選按齒面接觸疲勞強度進行設計計算,確定齒輪的主要參數和尺 寸,然后再按彎曲疲勞強度校核齒根的彎曲強度 （3）按齒面接觸疲勞強度設計 確定有關參數與系數: 轉矩 T1 (3.3) 69.50pn3.kw6190m 荷系數 查 機械設計基礎表 10.11“載荷系數 K”得：K=1.1 齒數 ,螺旋角 和齒寬系數1Zd 小齒輪齒數取為 30，大齒輪齒數是 60 初選螺旋角 =15 彈性系數 E 由表 11.11 查得 189.Z 許用接觸應力 H CK6163 型數控機床設計 11 查 機械設計基礎由圖 11.23 查得： lim1560HMPali23 由表 11.9 查得 HS (3.4)7160610524.8610hNnjL72/3.9i 查圖 11.26 得 12NZ 由 可得：lim/HHS1li560MPa2li/2N 故 631.931.dm1cos5cos4.920mnZ 由表 11. 3 取標準模數為 m=4.5 確定中心距 a 螺旋角 ：0(2)4.5(36)29.64coscos1nam 取中心距 a=210mm 主要尺寸計算： 104.5319.76cosmnZd2.628.5m139db 取 , 。240m1b 按齒根彎曲疲勞強度校核 確定有關參數與系數： a 當量齒數： 1330.28cosVZ26.7vv b 齒形系數 FY 查表得： ；1.54F2.30 c 應力修正系數 S 無錫太湖學院學士學位論文 12 查表得： ；1.63SY21.7S d 許用彎曲應力 F 由圖查得： lim10FMPali29 由表查得 .3S 由圖查得： 12NY 由式： lim/FFS 可得： li16MPali/4FNF 故： 11.cosKTbz6FSFYPa2S21 21FMaY 齒根彎曲強度校核合格. 驗算齒輪的圓周速度 (3.5)3960.45/1/601dnvms 由表得可知,選 8 級精度是合適的. 3.3 主軸傳動設計 3.3.1 確定主軸最小直徑 （1）選擇軸的材料,確定許用應力 由已知條件可知此主軸箱傳遞的功率屬中小功率,對材料無特殊的要求,故選 45 號鋼 并經調質處理,由機械設計一書中表 16.1 查得強度極限 =637MPa,再由表 16.3 得許B 用彎曲應力 。160bMPa （2）按扭轉強度估算軸徑 由式： (3.6)3311d87pCn 考慮到主軸的最小直徑處要安裝聯軸器,會有鍵槽存在.故需要將估算直徑加大.設計 手冊取標準直徑 10m 3.3.2 主軸最佳跨距的確定 主要參數工件最大直徑 車床，功率 .求軸承剛度，考慮機械效率，6313PKW 主軸最大輸出轉距： .8590761PTNm CK6163 型數控機床設計 13 床身上最大加工直徑約為最大回轉直徑的 60%,取 50%即 ,315m 切削力： NFC6701. 背向力： P3805. 故總的作用力： FCP2 次力作用于頂在頂尖間的工件上主軸尾架各承受一半, 故主軸軸端受力為： /379N 先假設： mlal25,3/ 前后支撐 分別為：BARNlaFlB12605739239 根據： 9.1.8.0cos)(.izldKarrv39,26AvB8.1.,7,2,30aaBAlmlziz0.90.81.53cos89A N.10. .3.9267BK/.7AB/85edm44640.5.0.62.3910I 1362.5889.75AEKa 。查 線 圖 0/l,與 原 假 設 相 符 732lm 3.3.3 主軸剛度的校核 前支承為雙列圓柱滾子軸承，后支承為雙列圓柱滾子軸承 ml 68.075.312743 當量外徑 mde 56.801435684 444 主軸剛度：由于 .086.5.0/ eid 故根據式（10-8） 無錫太湖學院學士學位論文 14 mNaldkAies /3.149075846.103103 9224244 對于機床的剛度要求，取阻尼比 3. 當 v=50m/min,s=0.1mm/r 時, ,8.6,/mNkcb ?。?Db87.6%502.0.maxli KB 34os3.15.28764 計算 ：A mNlaK mLABABA /5.7681.24.075286.3.8414.06. 1.,.3.022max 加 上 懸 伸 量 共 長 mNs /.1/0.75.1 可以看出，該機床主軸是合格的. 3.4 帶傳動設計 電動機轉速 ,傳遞功率 ,傳動比 ，4/minnr3PKW1.6i 1確定計算功率 取 ，則1.AK (3.7).3caAP 2選取 V 帶型 根據小帶輪的轉速和計算功率，選 B 型帶。 3確定帶輪直徑和驗算帶速 查表小帶輪基準直徑 ,md190mid3046.19102 驗算帶速成 (3.8)6nv 其中 -小帶輪轉速，r/min；1 -小帶輪直徑，mm；d ,合適25/14.06594.3smv 4確定帶傳動的中心距和帶的基準長度 設中心距為 ,則 ：0a1212.()()dad 于是： ,387.29 初取中心距為： 04 帶長： 0 21210 4)()(adaL CK6163 型數控機床設計 15 m158340)93()190(24.302 查表取相近的基準長度 ，dL 。mLd16 帶傳動實際中心距 ad5.40820 5驗算小帶輪的包角 一般小帶輪的包角不應小于 。12 。合適。2118057.364.0da 6確定帶的根數 (3.9)LckpZ)(0 其中：P 時傳遞功率的增量；1iA -按小輪包角 ，查得的包角系數； -長度系數；Lk 為避免 V 型帶工作時各根帶受力嚴重不均勻，限制根數不大于 10。490.5)46.019.2(8Z 7計算帶的張緊力 F (3.10)20).2(qvkvZpca 其中： -帶的傳動功率,KW；ca v-帶速,m/s； q-每米帶的質量，kg/m；取 q=0.17kg/m。 v = 1440r/min = 9.42m/s。 NF 7.19342.70)95.2(4.9850 8計算作用在軸上的壓軸力 (3.11)ZQ 52.16sin.32sin10 3.5 滾珠螺母絲杠 3.5.1 滾珠絲杠副的種類與結構 滾珠絲杠螺母副：是回轉運動與直線運動相互轉換的傳動裝置，在數控機床進給系 統(tǒng)中一般采用滾珠絲杠副來改善摩擦特性。 工作原理是：當絲杠相對于螺母旋轉時，兩者發(fā)生軸向位移，而滾珠則可沿 無錫太湖學院學士學位論文 16 3.5.2 內循環(huán)式 內循環(huán)方式的滾珠在循環(huán)過程中始終與絲杠表面保持接觸。如圖 3。在螺母的側面 孔內，裝有接通相鄰滾道的反向器，利用反向器引導滾珠越過絲杠的螺紋頂部進入相鄰 滾道，形成一個循環(huán)回路。一般在同一螺母上裝有 24 個反向器，并沿螺母圓周均勻分 布。 優(yōu)缺點：滾珠循環(huán)的回路短、流暢性好、效率高、螺母的徑向尺寸也較小，但制造 精度要求高。 圖 3.3 內循環(huán)示意圖 1凸鍵；2、3反向鍵； 3.5.3 外循環(huán)式 外循環(huán)方式的滾珠在循環(huán)反向時，離開絲杠螺紋滾道，在螺母體內或體外做循環(huán)運 動。如圖 3.4， （a ）為螺旋槽式外循環(huán)（ b）為插管式外循環(huán)。 優(yōu)缺點：結構簡單、制造容易、但徑向尺寸大，且彎管兩端耐磨性和抗沖擊性差。 圖 3.4 外循環(huán)示意圖 （a ）螺旋槽式：1套筒；2螺母；3滾珠；4擋珠器；5絲杠 （b）插管式：1彎管；2壓板；3絲杠；4滾珠；5滾道 3.5.4 滾珠絲杠副的結構參數 滾珠絲杠副的主要參數有：公稱直徑 D、導程 L 和接觸角 。 公稱直徑 D：是指滾珠與螺紋滾道在理論接觸角狀態(tài)時包絡滾珠球心的圓柱直徑。它與承載能 力直接有關，常用范圍為 3080 mm，一般大于絲杠長度的 1/351/30。 2）導程 L：導程的大小要根據機床加工精度的要求確定，精度高時，導程小一些； CK6163 型數控機床設計 17 精度低時，導程大些。但導程取小后，滾珠直徑將取小，使?jié)L珠絲杠副的承載能力下降； 若滾珠直徑不變，導程取小后，螺旋升角也小，傳動效率將下降。因此，一般地，導程 數值的確定原則是：在滿足加工精度的條件下盡可能取得大一些。 3.5.5 滾珠絲杠副的結構特點 1）摩擦因素小，傳動效率高。滾珠絲杠副的傳動效率可達 0.920.96，比常規(guī)的絲 杠螺母副提高 34 倍。因此，功率消耗只相當于常規(guī)絲杠的 1/41/3。 2）可預緊消隙。給予適當預緊，可消除絲杠和螺母的間隙，反向運動時無死區(qū)，定 位精度高，剛度好。 3）運動平穩(wěn)，低速時不易出現爬行現象，傳動精度高。 4）運動具有可逆性?？梢詮男D運動轉換為直線運動，也可以從直線運動轉換為旋 轉運動，即絲杠和螺母均可以作為主動件。 5）磨損小，使用壽命長。 6）所需傳動轉矩小。 7）制造工藝復雜。滾珠絲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）不能自鎖。特別是對于垂直絲杠，由于處于重慣性力的作用，常需添加輔助制動 裝置。 3.5.6 滾珠絲杠副的安裝支撐方式 為提高傳動剛度，滾珠絲杠合理的支撐結構及正確的安裝很重要一般采用高剛度的 止推軸承支撐結構，以提高滾珠絲杠的軸向承載能力。 (a)(b)(c)(d) 圖 3.5 支承方式 （a）一端裝止推軸承（固定-自由式）。其承載能力小，軸向剛度低，僅適用于短絲 杠，如用于數控機床的調整環(huán)節(jié)或升降臺式數控機床的垂直坐標中。 （b）一端裝止推軸承，另一端裝深溝球軸承（固定-支承式）。當滾珠絲杠較長時， 一端裝止推軸承固定，另一端由深溝球軸承支承。為了減小絲杠熱變的影響，止推軸承 的安裝位置應遠離熱源（如液壓馬達）。 無錫太湖學院學士學位論文 18 （c）兩端裝止推軸承 將止推軸承裝在滾珠絲杠的兩端，并施加預緊拉力，有助于提高傳動剛度。但這種 安裝方式對熱伸長較為敏感。 （d）兩端裝雙重止推軸承及深溝球軸承（固定-固定式） 為了提高剛度，絲杠兩端采用雙重支承，如止推軸承和深溝球軸承，并施加預緊拉 力。這種結構形式，可使絲杠的熱變形能轉化為止推軸承的預緊力。 4 變速箱的設計 4.1 運動部分計算 4.1.1 參數確定的步驟和方法 (1)極限切削速度 umaxumin 根據典型的和可能的工藝選取極限切削速度要考慮：工序種類 工藝要求 刀具和工 件材料等因素。允許的切速極限參考值如機床主軸變速箱設計指導書 。然而，根 據本次設計的需要選取的值如表 4.1。 表 4-1 計參數選取表 加工條件 umax=300m/min umin=8m/min 硬質合金刀具粗加工鑄鐵件 3050 硬質合金刀具半精或精加工碳鋼工件 150300 螺紋（絲杠等）加工鉸孔 38 (2)主軸的極限轉速 計算車床主軸的極限轉速時的加工直徑，按經驗分別?。?.10.2）D 和 （0.450.5）D。由于 D=630mm，則主軸極限轉速應為： nmax= r/min （4.1）max10(.2)u =7581517r/min ，取 =1000r/m； maxn nmin= r/min （4.2）min(0.45.)D CK6163 型數控機床設計 19 在 中考慮車螺紋和絞孔時，其加工最大直徑應根據實際加工情況選取 0.1D 和 50min 左右。 所以：nmin= =32r/minmaxin10du 由于轉速范圍： R= =in3210 =31.25 ； 因為級數 Z 已知：Z=16 級 。 現以 =1.26 和 =1.41 代入 R= 1z 得 R=32 和 173 ，因此取 =1.26 更為合適。 各級轉速數列可直接從標準數列表中查出。標準數列表給出了以 =1.06 的從 110000 的數值，因 =1.26= ，從表中找到 nmax=1000r/min，就可以每隔 4 個數406. 值取一個數，得： 1000，800，630，500，400，315，250，200，160，125，100，80，63，50，40，32 。 (3)主軸轉速級數 z 和公比 已知 =Rn (4.3)maxin Rn= 且： z=-1 ba32 因機床的電動機轉速往往比主軸的大多數轉速高，變速系統(tǒng)以降速傳動居多，因此， 傳動系統(tǒng)中若按傳動順序在前面的各軸轉速較高，根據轉矩公式（單位 N.m）T= ，當傳遞功率一定時，轉速較高的軸所傳遞的扭矩就較小，在其他條件相同nP950 時，傳動件（如軸、齒輪）的尺寸就較小，因此，常把傳動副數較多的變速組安排在 前面的高速軸上，這樣可以節(jié)省材料，減少傳動系統(tǒng)的轉動慣量。因此選擇結構式如 下： 16= 。8121212 (4)主電機功率動力參數的確定 合理地確定電機功率 N，使用的功率實際情況既能充分的發(fā)揮其使用性能，滿足生產 需要，又不致使電機經常輕載而降低功率因素。 目前，確定機床電機功率的常用方法很多，而本次設計中采用的是：估算法，它是 一種按典型加工條件（工藝種類、加工材料、刀具、切削用量）進行估算。根據此方法， 中型車床典型重切削條件下的用量： 根據設計書表中推薦的數值?。篜=13kw 4.2 傳動設計 4.2.1 傳動結構式、結構網的選擇 結構式、結構網對于分析和選擇簡單的串聯式的傳動不失為有用的方法，但對于分 無錫太湖學院學士學位論文 20 析復雜的傳動并想由此導出實際的方案，就并非十分有效，可考慮到本次設計的需要可 以參考一下這個方案。 確定傳動組及各傳動組中傳動副的數目 級數為 Z 的傳動系統(tǒng)有若干個順序的傳動組組成，各傳動組分別有 Z1、Z2、Z3個傳動 副。即 Z=Z1Z2Z3傳動副數由于結構的限制以 2 和 3 的因子積為合適，即變速級數 Z 應為 2 和 3 的因子:Z= ba 可以有幾種方案，由于篇幅的原因就不一一列出了，在此只把已經選定了的和本次設 計所須的正確的方案列出，具體的內容如下： 傳動齒輪數目 2x（2+2+1）+2x(2+1)+1=17 個 軸向尺寸 19b 傳動軸數目 8 根 操縱機構 簡單，兩個雙聯滑移齒輪 根據以上分析及計算，擬定變速箱傳動結構圖如下： 圖 4.1 變速箱傳動結構圖 圖 4.1 中，第軸至第軸，其結構式為： 4= 12 圖 4.1 中，第軸至第軸，機床主軸箱傳動系統(tǒng)采用分離傳動，其主要特點是： （1） 在滿足傳動副極限傳動比的條件下，可以得到較大的變速范圍。 （2） 高速由短支傳動，有助于減少高速時機床的空運轉功率損失。而且高速分支的尺 寸可相對小些。 （3） 變速級數不像常規(guī)變速系統(tǒng)那樣受 2，3 因子的限制，如與部分轉速重合的方法 配合，幾乎可以得到任意的變速級數，大大增加了可供選擇方案的數目。 4.2.2 主傳動順序的安排 16 級轉速傳動系統(tǒng)的傳動組，可以安排成：2x2x2x2，選擇傳動組安排方式時，要考 CK6163 型數控機床設計 21 慮到機床主軸變速箱的具體結構、裝置和性能。在軸上如果安裝摩擦離合器時，應減 小軸向尺寸，第一傳動組的傳動副不能多，以 2 為宜，本次設計中就是采用的 2，一對是 傳向正傳運動的，另一個是傳向反向運動的。 主軸對加工精度、表面粗糙度的影響大，因此主軸上齒輪少些為好，最后一個傳動組 的傳動副選用 2，或者用一個定比傳動副。 4.2.3 傳動系統(tǒng)的擴大順序的安排 對于 16 級的傳動只有一種方案，準確的說應該不只有這一個方案，可為了使結構和 其他方面不復雜，同時為了滿足設計的需要，選擇的設計方案是： 16=22x 21+ 22x 21+ 22x 21 x 28 傳動方案的擴大順序與傳動順序可以一致也可以不一致，在此設計中，擴大順序和傳動 順序就是一致的。這種擴大順序和傳動順序一致，稱為順序擴大傳動。 4.2.4 傳動組的變速范圍的極限植 在主傳動系統(tǒng)的降速傳動中，主動齒輪的最少齒數受到限制，為了避免被動齒輪的 直徑過大，齒輪傳動副最小傳動比 umin ，最大傳動比 umax2，決定了一個傳動組的14 最大變速范圍 rmax=umax/nmin8 因此，要按照參考書中所給出的表，淘汰傳動組變速范圍超過極限值的所有傳動方案。 極限傳動比及指數 x， 值為：, 表 4-2 極限傳動比數值 極限傳動比指數 1.26 x：umin= =1x 4 6 值；umax= =2 3 （x+ ）值：umin= =8 x 9 4.2.5 最后擴大傳動組的選擇 正常連續(xù)的順序擴大的傳動（串聯式）的傳動結構式為： Z=Z11Z2Z1Z3Z1Z2 即是：Z=16=22212228 4.3 轉速圖的擬定 運動參數確定以后，主軸各級轉速就已知，切削耗能確定了電機功率。在此基礎上， 選擇電機型號，確定各中間傳動軸的轉速，這樣就擬定主運動的轉圖，使主運動逐步具 體化。 4.3.1 主電機的選定 中型機床上，一般都采用三相交流異步電機為動力源，可以在系列中選用。在選擇電機 型號時，應按以下步驟進行： 無錫太湖學院學士學位論文 22 機功率 N： 根據機床切削能力的要求確定電機功率。但電機產品的功率已經標準化，因此，按要求 應選取相近的標準值：N=13kw 電機轉速 nd： 異步電機的轉速有：3000、1500、1000、750r/min 類比同類機床 CM6163，在此處選擇的是：nd=1450r/min 這個選擇是根據電機的轉速與主軸最高轉速 nmax和軸的轉速相近或相宜，以免采用過 大的升速或過小的降速傳動。 4.3.2 雙速和多速電機的應用 根據本次設計機床的需要，所選用的是：雙速電機 4.3.3 電機的安裝和外形 根據電機不同的安裝和使用的需要，有四種不同的外形結構，用的最多的有底座式和發(fā) 蘭式兩種。本次設計的機床所需選用的是外行安裝尺寸之一。具體的安裝圖可由手冊查 到。 4.3.4 常用電機的資料 根據常用電機所提供的資料，選用：Y132M-4 4.3.5 齒輪傳動比的限制 機床主傳動系統(tǒng)中，齒輪副的極限傳動比： 升速傳動中，最大傳動比 umax2。過大，容易引起震動和噪音。 降速傳動中，最小傳動比 umin1/4。過小，則使主動齒輪與被動齒輪的直徑相差太 大，將導致結構龐大。 4.4 帶輪傳動部分的設計 根據擬定的轉速圖上的各傳動比，就可以確定帶輪直徑。 4.4.1 帶輪直徑確定的方法、步驟 選擇三角型號 一般機床上的都采用三角帶。根據電機轉速和功率查圖即可確定型號（詳情見 機床主軸變速箱設計指導 4-1 節(jié)） 。但圖中的解并非只有一種，應使傳動 帶數為 35 根為宜。 本次設計中所選的帶輪型號和帶輪的根數如下：B 型帶輪：選取 3 根。 確定帶輪的最小直徑 Dmin（D 小） 各種型號膠帶推薦了最小帶輪直徑，直接查表即可確定。 根據皮帶的型號，從教科書機械設計基礎教程 查表可?。篋min=186mm 計算大帶輪直徑 D 大 根據要求的傳動比 u 和滑功率 確定 D 大。當帶輪為降速時： （4.4）1D小大 三角膠帶的滑動率 =2%。 CK6163 型數控機床設計 23 三角傳動中，在保證最小包角大于 120 度的條件下，傳動比可取 1/7 u3。對中型通用機床，一般取 12.5 為宜。 因此，137.2mmD 大343mm 經查表?。篋 大=304mm 4.4.2 三角帶傳動的計算 三角帶傳動中，軸間距 A 可以較大。由于是摩擦傳遞，帶與輪槽間會有打滑，亦可因 而緩和沖擊及隔離震動，使傳動平穩(wěn)。帶傳動結構簡單，但尺寸，機床中多用于電機輸 出軸的定比傳動。 4.4.3 選擇三角帶的型號 根據計算功率 Nj（kw）和小帶輪 n1（r/min）查圖選擇帶的型號。 計算功率 Nj=KWNd kW 式中 N d電機的額定功率，K W工作情況系數。 車床的起動載荷輕，工作載荷穩(wěn)定，二班制工作時，取：K W=1.1 帶的型號是：B 型號 4.4.4 確定帶輪的計算直徑 D1、D 2 1）.小帶輪計算直徑 D1 皮帶輪的直徑越小，帶的彎曲應力就越大。為提高帶的使用壽命，小帶輪直徑 D1不 宜過小，要求大于許用最小帶輪直徑 Dmin，即 D1D min。 各型號帶對應的最小帶輪直徑 Dmin可查表得：D 1=186r/min 2）.大帶輪計算直徑 D2 （4.5）min112 =304r/min 式中: n 1-小帶輪轉速 r/min; n2-大帶輪轉速 r/min; -帶的滑動系數,一般取 0.02. 算后應將數字圓整為整數。 3）.確定三角帶速度 u 具體的計算過程如下： （4.6）smnDu/106 = 48 =10.6m/s 對于 O、A、B、C 型膠帶，5m/su25m/s。 而 u=510m/s 時最為經濟耐用。 此速度完全符合 B 型皮帶的轉速。 4）.初定中心距 A0： 無錫太湖學院學士學位論文 24 帶輪的中心距，通常根據機床總體布局初步選定，一般可以在下列范圍內選?。?A0=（0.62） （D 1+D2） mm =490（0.62）mm =294mm980mm 取 A 0=760 mm 中心距過小，將降低帶的壽命；中心距過大時，會引起帶振動。中型車床電機軸至變速 箱帶輪的中心距一般為 750850mm。 5）.確定三角帶的計算長度 L0及內周長 LN。 三角帶的計算長度是通過三角帶截面重心的長度。 （4.7）mADAL02121042 = 7683867 =2131.7mm 圓整到標準的計算長度 L=2132 mm 經查表 L N=2000 mm 修正值 Y=33 6）.驗算三角帶的擾曲次數 u 40 次/s （則合格）Lmu10 式中：m-帶輪個數。如 u 超限。可加大 L（加大 A）或降低 u（減少 D2、 D1）來解決。 代入數據得 2031u =10.5 次/s 40 次/s 是合格的，不需作出任何修改。 7）.確定實際中心距 A （4.8）mLA2007.1365.497 = 710.65 mm 8）.驗算小帶輪包角 1 1180-（D 2-D1）/A*60120 （4.9） 如果 1過小，應加大中心距或加張緊裝置。 代入數值如下： CK6163 型數控機床設計 25 （4.10）6018012AD =176.98120 經校核合格。 9）.確定三角帶根數 z （4.11）10CNzi 式中：N 0-單根三角帶在 1=180、特定長度、平穩(wěn)工作情況下傳遞的功率值。 （ C1-包角系數。 ） 參數的選擇可以根據書中的表差?。?N0=2.71；C 1=0.99；Kw=1.1 帶入數值得： 10zi 10NKdw 9.7253 所以，傳動帶根數選 3 根。 次此公式中所有的參數沒有作特別說明的都是從機床主軸變速箱設計指導 4.5 齒輪傳動部分的設計 選擇以機床變速箱中第軸和第軸間，兩嚙合直齒圓柱齒輪 Z1 和 Z2，對其進行齒 輪傳動部分的設計和驗算