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畢業(yè)設(shè)計(jì) 數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 生 姓 名 指 導(dǎo) 教 師 合 作 指 導(dǎo) 教 師 專(zhuān) 業(yè) 名 稱(chēng) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 所 在 學(xué) 院 2009 年 6 月 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 第一章 前言 1 1 1 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展概況 1 1 2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向 1 1 3 數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng) 1 第二章 主傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì) 2 2 1 主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 2 2 2 擬定轉(zhuǎn)速圖 5 2 3 擬定傳動(dòng)方案 6 第三章軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8 3 1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及齒輪尺寸參數(shù) 8 3 2 電磁摩擦離合器的計(jì)算和選擇 16 3 3 軸承的選擇 21 第四章 主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22 4 1 主軸組件的性能要求 22 4 2 編碼器的選擇與安裝 24 4 3 聯(lián)軸器的選擇及帶輪參數(shù) 25 結(jié)束語(yǔ) 28 I 致 謝 29 參 考 文 獻(xiàn) 30 大連水產(chǎn)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 摘要 摘 要 裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度 數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè) 如信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè) 生物 技術(shù)及其產(chǎn)業(yè) 航空 航天等國(guó)防工業(yè)產(chǎn)業(yè) 的使能技術(shù)和最基本的裝備 隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展 考慮到它的控制方式和使用特點(diǎn) 才對(duì)機(jī)床的生產(chǎn)率 加工精度和壽命提出了更高的要求 本課題主要研究的是數(shù)控機(jī)床的主體機(jī)構(gòu) 并 將研究重點(diǎn)放在以下兩個(gè)方面 1 由于采用了高性能的無(wú)級(jí)變速主軸及伺服傳動(dòng)系 統(tǒng) 數(shù)控機(jī)床的極限傳動(dòng)結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化 傳動(dòng)鏈也大大縮短 2 為適應(yīng)連續(xù)的自動(dòng) 化加工和提高加工生產(chǎn)率 數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)具有較高的靜 動(dòng)態(tài)剛度和阻尼精度 以及較高的耐磨性 而且熱變形小 關(guān)鍵詞 數(shù)控機(jī)床 主軸 無(wú)級(jí)變速 大連水產(chǎn)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) ABSTRACT Abstract The engineering level of equipment industry and modernized intensity are determining the level of the whole national economy and modernized intensity numerical control technology and equip develop new developing new high tech industry and most advanced industry To can make technology and basic equipment most national defense industry industries such as information technology and their industry biotechnology industry aviation space flight etc With the development of technology of numerical control consider its control method and use characteristic have just put forward higher requirement for the productivity machining accuracy and life span of the machine tool That originally designed main research is the subject organization of the numerical control machine tool And will study and place on two following respects especially 1 Because of adopting the high performance infinitely variable speeds spindle and servo transmission the terminal transmission structure of the numerical control machine tool is greatly simplified the drive chain is shortened greatly too 2 For meet continuous automation process and improve productivity of processing numerical control lathe mechanical structure have high quiet dynamic rigidity and damping precision and higher wear ability and hot and out of shape and small Keyword Numerical control machine tool spindle infinitely variable speeds 大連水產(chǎn)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 前言 0 第一章 前言 1 1 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展概況 數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代制造業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備 一個(gè)國(guó)家數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量和技術(shù)水平在某種程度上就 代表這個(gè)國(guó)家的制造業(yè)水平和競(jìng)爭(zhēng)力 近年來(lái) 黨中央 國(guó)務(wù)院高度重視包括數(shù)控機(jī)床在內(nèi)的 裝備制造業(yè)發(fā)展 相繼出臺(tái)的一系列政策措施 進(jìn)一步確立了數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略地位 為行 業(yè)發(fā)展創(chuàng)造了有利條件 我國(guó)機(jī)床行業(yè)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展 形成了具有一定生產(chǎn)規(guī)模和技術(shù)水 平的產(chǎn)業(yè)體系 具備了快速提升的基礎(chǔ) 尤其是 十五 以來(lái) 面對(duì)持續(xù)高漲的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求 和良好的政策環(huán)境 我國(guó)機(jī)床行業(yè)發(fā)展迅速 在質(zhì)和量上都取得了飛躍 我國(guó)現(xiàn)在已基本掌握 了從數(shù)控系統(tǒng) 伺服驅(qū)動(dòng) 數(shù)控主機(jī) 專(zhuān)機(jī)及其配套件的基礎(chǔ)技術(shù) 其中大部分技術(shù)已具備進(jìn) 行商品化開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ) 部分技術(shù)已商品化 產(chǎn)業(yè)化 初步形成了數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地 數(shù)控機(jī)床產(chǎn) 業(yè)的發(fā)展 需要自身裝備水平的提升 另外 十五 期間技術(shù)改造的不斷投入 極大地提高了 機(jī)床行業(yè)的自身裝備水平 齊一 齊二 沈陽(yáng)機(jī)床 大連機(jī)床等主機(jī)企業(yè) 在國(guó)家的支持下已 投入了一批技術(shù)改造項(xiàng)目 哈量 哈一工 華中數(shù)控 南京工藝等數(shù)控機(jī)床配套基礎(chǔ)制造企業(yè) 也提升了自身裝備水平 北京第一機(jī)床 武漢重型機(jī)床等通過(guò)搬遷改造也將很快奠定快速發(fā)展 的基礎(chǔ) 1 2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向 1 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 2 多功能化 配有自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu) 刀庫(kù)容量可達(dá) 把以上 的各類(lèi)加工中心 能在同 一臺(tái)機(jī)床上同時(shí)實(shí)現(xiàn)銑削 鏜削 鉆削 車(chē)削 鉸孔 擴(kuò)孔 攻螺紋等多種工序加工 現(xiàn)代數(shù) 控機(jī)床還采用了多主軸 多面體切削 即同時(shí)對(duì)一個(gè)零件的不同部位進(jìn)行不同方式的切削加工 數(shù)控系統(tǒng)由于采用了多 結(jié)構(gòu)和分級(jí)中斷控制方式 即可在一臺(tái)機(jī)床上同時(shí)進(jìn)行零件加工 和程序編制 實(shí)現(xiàn)所謂的 前臺(tái)加工 后臺(tái)編輯 3 機(jī)床的智能化 加工設(shè)備不僅提供 體力 也有 頭腦 能夠在線(xiàn)監(jiān)測(cè)工況 獨(dú)立 自主地管理自己 并與企業(yè)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)通信 4 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 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) 5 可靠性最大化 數(shù)控機(jī)床的可靠性一直是用戶(hù)最關(guān)心的主要指標(biāo) 6 控制系統(tǒng)小型化 數(shù)控系統(tǒng)小型化便于將機(jī) 電裝置結(jié)合為一體 1 3 數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng) 主傳動(dòng)系統(tǒng)是用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)系統(tǒng) 它應(yīng)具有一定的轉(zhuǎn)速 速度 和一定的變速 范圍 以便采用不同材料的刀具 加工不同材料 不同尺寸 不同要求的工件 并能方便地實(shí) 現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的開(kāi)停 變速 換向和制動(dòng)等 數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括電動(dòng)機(jī) 傳動(dòng)系統(tǒng)和主軸部件 它與普通機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng) 相比在結(jié)構(gòu)上比較簡(jiǎn)單 這是因?yàn)樽兯俟δ苋炕虼蟛糠钟芍鬏S電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速來(lái)承擔(dān) 省 去了復(fù)雜的齒輪變速機(jī)構(gòu) 有些只有二級(jí)或三級(jí)齒輪變速系統(tǒng)用以擴(kuò)大電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的范圍 大連水產(chǎn)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 前言 1 大連水產(chǎn)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第二章 主傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì) 2 第二章 主傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì) 2 1 主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 2 1 1 選擇電機(jī)應(yīng)綜合考慮的問(wèn)題 1 根據(jù)機(jī)械的負(fù)載特性和生產(chǎn)工藝對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng) 制動(dòng) 反轉(zhuǎn) 調(diào)速等要求 選擇電動(dòng) 機(jī)類(lèi)型 2 根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速變化范圍和啟動(dòng)頻繁程度等要求 考慮電動(dòng)機(jī)的溫升限制 過(guò)載能 力額啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 選擇電動(dòng)機(jī)功率 并確定冷卻通風(fēng)方式 所選電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)留有余量 負(fù)荷率 一般取 0 8 0 9 3 根據(jù)使用場(chǎng)所的環(huán)境條件 如溫度 濕度 灰塵 雨水 瓦斯以及腐蝕和易燃易爆氣體 等考慮必要的保護(hù)措施 選擇電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)型式 4 根據(jù)企業(yè)的電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)和對(duì)功率因素的要求 確定電動(dòng)機(jī)的電壓等級(jí)和類(lèi)型 5 根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的最高轉(zhuǎn)速和對(duì)電力傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程的要求 以及機(jī)械減速機(jī)構(gòu) 的復(fù)雜程度 選擇電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速 此外 還要考慮節(jié)能 可靠性 供貨情況 價(jià)格 維護(hù)等等因素 11 2 1 2 電動(dòng)機(jī)類(lèi)型和結(jié)構(gòu)型式的選擇 由于不同的機(jī)床要求不同的主軸輸出性能 旋轉(zhuǎn)速度 輸出功率 動(dòng)態(tài)剛度 振動(dòng)抑制等 因此 主軸選用標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際使用需要是緊密相關(guān)的 總的來(lái)說(shuō) 選擇主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將在價(jià)格與 性能之間找出一種理想的折衷 9 表 1 簡(jiǎn)要給出了用戶(hù)所期望的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能 下面將 對(duì)各種交流主軸系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比 分析 表 1 1 理想主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能 項(xiàng)目 內(nèi)容 高性能 低速區(qū)要有足夠的轉(zhuǎn)矩 寬恒功率范圍 并在高速范圍內(nèi)保持一定轉(zhuǎn)矩 高旋轉(zhuǎn)精度 高動(dòng)態(tài)響應(yīng) 高加減速 起制動(dòng)能力 具有強(qiáng)魯棒性 能適應(yīng)環(huán)境條件和參數(shù)變化 高效率 低噪聲 低價(jià)格 低購(gòu)買(mǎi)價(jià)格 低維護(hù)價(jià)格 低服務(wù)價(jià)格 通用要求 耐用性 可維護(hù)性 安全可靠性 大連水產(chǎn)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第二章 主傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì) 3 感應(yīng)電機(jī)交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是當(dāng)前商用主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主流 其功率范圍從零點(diǎn)幾個(gè) kW 到 上百 kW 廣泛地應(yīng)用于各種數(shù)控機(jī)床上 經(jīng)過(guò)對(duì)比分析本設(shè)計(jì)中決定采用 FANU 系列交流主軸電機(jī) 系列是高速 高精 高ci ci 效的伺服系統(tǒng) 可實(shí)現(xiàn)機(jī)床的高速 高精控制 并使機(jī)床更緊湊 2 1 3 電動(dòng)機(jī)容量的選擇 選擇電動(dòng)機(jī)容量就是合理確定電動(dòng)機(jī)的額定功率 決定電動(dòng)機(jī)功率時(shí)要考慮電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱 過(guò)載能力和起動(dòng)能力三方面因素 但一般情況下電動(dòng)機(jī)容量主要由運(yùn)行發(fā)熱條件而定 電動(dòng)機(jī) 發(fā)熱與其工作情況有關(guān) 但對(duì)于載荷不變或變化不大 且在常溫下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī) 如本課 題中的電動(dòng)機(jī) 只要其所需輸出功率不超過(guò)其額定功率 工作時(shí)就不會(huì)過(guò)熱 可不進(jìn)行發(fā)熱 計(jì)算 9 本設(shè)計(jì)中電機(jī)容量按以下步驟確定 1 確定主軸切削力 如無(wú)特殊說(shuō)明 該小節(jié)計(jì)算方法均出自資料 7 確定主軸材料為 45 號(hào)鋼 淬硬處理 淬火及低溫回火 硬度為 44HRC 單位切削力為 270 m公 斤 0 3 sr 切削用量范圍 915 min0 tss 主切削力 2 1 FzPzzXYFVPzrPznCtSKK 料 取 167 0 75 9183 9zFzVFznzVFz 料 切深 取 進(jìn)給量取 t5m0 mr 切削功率 1265 in 489 0 397vPKw 切 削切 削切 削 速 度 2 確定電機(jī)輸出動(dòng)率 Pd dP 切 削 傳動(dòng)裝置的總效率 2 2 123 其中 圓柱直齒輪傳動(dòng)效率 由資料 12 表 2 4 查得 0 98 1 3 大連水產(chǎn)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第二章 主傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì) 4 軸軸承效率 由資料 12 表 2 4 查得2 0 99 0 99 0 98 軸 主軸 軸承效率 由資料 7 表 2 4 查得3 0 99 0 99 0 98 4 由此 0 98 0 98 0 98 0 98 0 922 故 8 397 102dPKw 3 選擇電動(dòng)機(jī)額定功率 ed 如前所述 電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)留有余量 負(fù)荷率一般取 0 8 0 9 所以電動(dòng)機(jī)額定功率選取為 11 Kw 4 電動(dòng)機(jī)電壓和轉(zhuǎn)速的選擇 由資料 10 表 22 1 9 小功率電動(dòng)機(jī)一般選為 380V 電壓 所以本電機(jī)的電壓可選為 380V 同一類(lèi)型 功率相同的電動(dòng)機(jī)具有多種轉(zhuǎn)速 一般而言 轉(zhuǎn)速高的電動(dòng)機(jī) 其尺寸和重量 小 價(jià)格較低 但會(huì)使傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比 結(jié)構(gòu)尺寸和重量增加 選用轉(zhuǎn)速低的電動(dòng)機(jī)則情 況相反 要綜合考慮電機(jī)性能 價(jià)格 車(chē)床性能要求等因素來(lái)選擇 10 本課題中數(shù)控機(jī)床的主軸的轉(zhuǎn)速范圍要求為 由于只有一根中間35 min40 inrr 傳動(dòng)軸 傳動(dòng)鏈較短 因此變速級(jí)數(shù)較少 故對(duì)電動(dòng)機(jī)恒功率變速范圍以及整個(gè)變速范圍 要求較高 I 軸上齒輪傳動(dòng)比確定為 II 軸上兩對(duì)直齒輪的傳動(dòng)比分別為 12 i 29 16i 所以?xún)蓷l傳動(dòng)鏈中 高速傳動(dòng)鏈傳動(dòng)比 低速傳動(dòng)鏈傳動(dòng)318 7i 12i 96 8 比 由此可得電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍 3 i2 67 max min n409850r 356 780r in 5 確定電機(jī)的型號(hào) 由前面信息 可選取 FANUC 交流電機(jī) 型號(hào)為 這種電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)非常平穩(wěn) 采12 ci 用 160 000 000 rev 的超高分辨率位置編碼器 通過(guò)線(xiàn)圈切換可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高速 高加速控制 作為 系列的后續(xù)產(chǎn)品 具有更先進(jìn)的節(jié)能效果 電機(jī)參數(shù)如下表所示 表 2 2 電機(jī)參數(shù) 機(jī)座長(zhǎng)為 電機(jī)軸徑為 軸伸為 中心高 其余安裝尺寸465m8m10132m 及其外形由資料 8 得 8 型號(hào) 額定功率 連續(xù) 30min 功率 最低轉(zhuǎn)速 最高轉(zhuǎn)速 重量 振動(dòng) 冷卻12 60ci Kw15 inr45 inr95KgV56W 大連水產(chǎn)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第二章 主傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì) 5 2 1 4 計(jì)算各軸計(jì)算轉(zhuǎn)速 功率和轉(zhuǎn)矩 1 各軸計(jì)算轉(zhuǎn)速 本小節(jié)公式除非特別說(shuō)明 均出自資料 12 首先估算主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速 由于采用的是無(wú)級(jí)調(diào)速 所以采用以下的公式 2 3 0 30 3max3in4 5 15 minr 然后通過(guò)傳動(dòng)比計(jì)算傳動(dòng)軸和電機(jī)軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速 23148 732 9 i37 iirr 246nni 上式中 的意義如前所述 i1 i 2 各軸輸入功率 11KwIPed 2 4 IP12I 0 9810 6Kw 414 2I 上式中 的意義如前所述 123 3 各軸輸入轉(zhuǎn)矩 1950 760 8TNm 2 32193 45 7 將以上計(jì)算結(jié)果整理后列于表 2 2 供以后計(jì)算選擇 供以后計(jì)算使用 表 2 3 各軸的傳動(dòng)參數(shù) 參數(shù) 軸 I 軸 電機(jī)軸 II 軸 中間傳動(dòng)軸 III 軸 主軸 計(jì)算轉(zhuǎn)速 minr746 373 145 輸入功率 Kw 11 10 6 10 2 轉(zhuǎn)矩 N 140 82 271 39 671 79 傳動(dòng)比 12 i 29 16i 38 7i 2 2 擬定轉(zhuǎn)速圖 由電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍 包括恒功率變速范圍 和各軸傳動(dòng)比 作數(shù)控車(chē)床的轉(zhuǎn)速圖 見(jiàn)圖 2 2 大連水產(chǎn)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第二章 主傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì) 6 圖 2 2 轉(zhuǎn)速圖 2 3 擬定傳動(dòng)方案 數(shù)控機(jī)床需要自動(dòng)換刀 自動(dòng)變速 且在切削不同直徑的階梯軸 曲線(xiàn)螺旋面和端面時(shí) 需要切削直徑的變化 主軸必須通過(guò)自動(dòng)變速 以維持切削速度基本恒定 這些自動(dòng)變速又是無(wú) 級(jí)變速 以利于在一定的調(diào)速范圍內(nèi)選擇理想的切削速度 這樣有利于提高加工精度 又有利 于提高切削效率 無(wú)級(jí)調(diào)速有機(jī)械 液壓和電氣等多種形式 數(shù)控機(jī)床一般采用由直流或交流 調(diào)速電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源的電氣無(wú)級(jí)變速 由于數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)的調(diào)速范圍較大 單靠調(diào)速電機(jī)無(wú)法滿(mǎn)足這么大的調(diào)速范圍 另一方面調(diào)速電機(jī)的功率扭矩特102R 性也難于直接與機(jī)床的功率和轉(zhuǎn)矩要求相匹配 因此 數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)變速系統(tǒng)常常在無(wú)級(jí)變 速電機(jī)之后串聯(lián)機(jī)械有級(jí)變速傳動(dòng) 以滿(mǎn)足機(jī)床要求的調(diào)速范圍和轉(zhuǎn)矩特性 為簡(jiǎn)化主軸箱結(jié)構(gòu) 本方案僅采用二級(jí)機(jī)械變速機(jī)構(gòu) 運(yùn)動(dòng)方案如圖 2 1 有級(jí)變速的自動(dòng)變換方法一般有液壓和電磁離合器兩種 液壓變速機(jī)構(gòu)是通過(guò)液壓缸 活塞桿帶動(dòng)撥叉推動(dòng)滑移齒輪移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)變速 雙聯(lián)滑移齒 輪用一個(gè)液壓缸 而三聯(lián)滑移齒輪則必須使用兩個(gè)液壓缸 差動(dòng)油缸 實(shí)現(xiàn)三位移動(dòng) 液壓撥 叉變速是一種有效的方法 工作平穩(wěn) 易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化 但變速時(shí)必須主軸停車(chē)后才能進(jìn)行 另 外 它增加了數(shù)控機(jī)床的復(fù)雜性 而且必須將數(shù)控裝置送來(lái)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電磁閥的機(jī)械動(dòng)作 然后再將壓力油分配到相應(yīng)的液壓缸 因而增加了變速的中間環(huán)節(jié) 帶來(lái)了更多的不可靠因素 圖 2 1 主軸傳動(dòng)圖 大連水產(chǎn)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第二章 主傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì) 7 電磁離合器是應(yīng)用電磁效應(yīng)接通或切斷運(yùn)動(dòng)的元件 由于它便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作 并有現(xiàn)成 的系列產(chǎn)品可供選用 因而它已成為自動(dòng)裝置中常用的操作元件 電磁離合器用于數(shù)控機(jī)床的 主傳動(dòng)時(shí) 能簡(jiǎn)化變速機(jī)構(gòu) 操作方便 通過(guò)若干個(gè)安裝在各傳動(dòng)軸上的離合器的吸合和分離 的不同組合來(lái)改變齒輪的傳動(dòng)路線(xiàn) 實(shí)現(xiàn)主軸的變速 電磁離合器一般分為摩擦片式和牙嵌式 6 本方案決定采用牙嵌式離合器 2 3 1 傳動(dòng)圖 初定數(shù)控車(chē)床的傳動(dòng)圖 如圖 1 3 圖 1 3 傳動(dòng)圖 大連水產(chǎn)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第三章 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8 第三章軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及齒輪尺寸參數(shù) 3 1 1 I 軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及齒輪尺寸參數(shù) 如無(wú)特殊說(shuō)明 本小節(jié)公式均出自資料 14 I 軸上的零件主要是齒輪 1 一端用凸臺(tái)定位 另一端用緊定螺釘定位 1 選定齒輪類(lèi)型 精度等級(jí) 材料及齒數(shù) 根據(jù)選定的傳動(dòng)方案 選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng) 1 本次設(shè)計(jì)屬于金屬切削機(jī)床類(lèi) 一般齒輪傳動(dòng) 故選用 6 級(jí)精度 2 材料選擇 由表 10 1 選擇小齒輪材料為 40Cr 調(diào)質(zhì) 硬度為 280HBS 大齒輪材料為 45 鋼 調(diào)質(zhì) 硬度為 240HBS 二者材料硬度差為 40HBS 3 選小齒輪齒數(shù) 大齒輪齒數(shù) 135 z 23570z 2 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由設(shè)計(jì)計(jì)算公式 10 9a 進(jìn)行試算 即 2 5 2131 tEtdHKTZud 1 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 1 試選載荷系數(shù) t 2 計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 由上文可知為 40 82Nm 3 由表 10 7 選取齒寬系數(shù) 5 0d 4 由表 10 6 查得材料的彈性影響系數(shù) 2 18 9MPaZE 5 由圖 10 21d 按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 大齒輪的 601limPaH 接觸疲勞強(qiáng)度極限 MPaH2lim 6 由式 10 13 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 2 6 91992607461502 4 2 hNnjL 7 由圖 10 19 查得接觸疲勞壽命系數(shù) 12 HNHNK 8 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為 1 安全系數(shù) S 1 由式 10 12 得 大連水產(chǎn)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第三章 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 2 7 1lim2li2 0 96540 528HNKMPaS 2 計(jì)算 1 小齒輪分度圓直徑 代入 中較小的值1tdH 2 8 52 233 1 4082189 96047t EdKTZudt mm 2 計(jì)算圓周速度 v 2 9 13 496 073 5 601tnms 3 計(jì)算齒寬 b 2 10 1 548 2dt 4 計(jì)算齒寬與齒高之比 h 模數(shù) 2 11 196 07 3 ttmzm 齒高 2 12 2 52 46175t 2 13 48 8bh 5 計(jì)算載荷系數(shù) 根據(jù) 6 級(jí)精度 由圖 10 8 查得動(dòng)載系數(shù) 3 7 vms 1 07vK 直齒輪 假設(shè) 由表 10 3 查得 10 AtKFNm 2HF 由表 10 2 查得使用系數(shù) 25A 由表 10 4 查得 6 級(jí)精度 小齒輪懸臂支承時(shí) 2 14 23 8 6 7 0 15Hdb 將數(shù)據(jù)代入得 2 15 231 0 5 4 1 27K 由 查圖 10 13 得 故載荷系數(shù) 78 37Hbh 18FK 2 16 1 207 23 95AVK 6 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑 由式 10 10a 得 2 17 331 6 4 85 1 60ttd m 7 計(jì)算模數(shù) m 大連水產(chǎn)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第三章 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10 2 18 1 0 6 35 1mdzm 3 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由式 10 5 得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為 2 19 132 FaSdYKTz 1 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 1 由圖 10 20c 查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 大齒輪的彎曲疲勞150EMPa 強(qiáng)度極限 2380FEMPa 2 由圖 10 18 查得彎曲疲勞壽命系數(shù) 1 82FNK2 8FN 3 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù) S 1 4 由式 10 12 得 2 20 10 825 9 864FNEMPaS 4 計(jì)算載荷系數(shù) K 2 21 71 4AVF 5 查取齒形系數(shù) 由表 10 5 查得 12 45FaY 2 4Fa 6 查取應(yīng)力校正系數(shù) 由表 10 5 查得 1 6Sa21 7Sa 7 計(jì)算大小齒輪的 并加以比較 FY 2 22 12 4560 138 9FaS 2 7 9 FaSY 大齒輪的數(shù)值大 2 設(shè)計(jì)計(jì)算 大連水產(chǎn)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第三章 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 53221 894 01 692 4mm 對(duì)比計(jì)算結(jié)果 由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù) 大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù) 由于齒輪模數(shù) 的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力 而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的 承載能力 僅與齒輪直徑 即模數(shù)與齒數(shù)的乘積 有關(guān) 可取由彎曲疲勞強(qiáng)度算得的模數(shù) 2 46 并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值 按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑 算出小齒輪2 5 10 6d 齒數(shù) 10 6 254z 大齒輪齒數(shù) 18uz 這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng) 即滿(mǎn)足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度 又滿(mǎn)足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 并做 到結(jié)構(gòu)緊湊 避免浪費(fèi) 4 幾何尺寸計(jì)算 1 計(jì)算分度圓直徑 142 510dzmm 28 2 計(jì)算中心距 1 65a 3 計(jì)算齒輪寬度 10 5db 取 21 Bm 5 驗(yàn)算 51 47280tTFNd 合適 258 10 AtKNmmb 3 1 2 II 軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 如無(wú)特殊說(shuō)明 本小節(jié)公式均出自資料 14 1 軸的支承形式 該軸不受或只受極小的軸向力 而右端所受徑向力矩明顯高于左端 故左端選用深溝球軸 承 而右端選用一對(duì)角接觸球軸承背靠背安裝 如圖所示 圖 2 4 中間軸的支承形式 2 軸上零件的軸向定位 大連水產(chǎn)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第三章 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12 II 軸上的主要零件主要有三對(duì)直齒圓柱齒輪及其中兩直齒圓柱齒輪對(duì)應(yīng)的電磁離合器 滾 子軸承的左端靠在端蓋上 右端用軸肩定位 與電機(jī)軸上齒輪相嚙合的齒輪左端用圓螺母固定 右端用軸肩定位 另外兩齒輪所對(duì)應(yīng)的電磁離合器位于它們中間 相互緊靠 兩齒輪的另兩端用 螺釘鎖緊擋圈定位 軸右端的軸承左邊利用軸肩定位 右端用一摔油盤(pán) 有套筒的作用 和圓 螺母進(jìn)行定位 1 軸的選材和最小直徑 得確定mind 軸的材料選擇為 45 號(hào)鋼 調(diào)質(zhì)處理 軸的最小尺寸 由式 15 2 3min0PdA 式中 由表 15 3 可取得 110 故 min1 6 7dm 取 35mm 由于 取值較計(jì)算值大的多 所以不用再按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算和進(jìn)inind 行疲勞強(qiáng)度校合 軸的零件圖如圖 2 5 圖 2 5 中間軸零件圖 2 齒輪的設(shè)計(jì) 齒輪 1 和 2 的直徑相差較大 對(duì)齒輪 1 小齒輪 在模數(shù)和選材及熱處理方面要求較高 所 以首先進(jìn)行該對(duì)齒輪的設(shè)計(jì) 1 選定齒輪的精度等級(jí)和材料 初選齒數(shù) 本數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行速度較高 精度等級(jí)選擇 6 級(jí)精度 由表 10 1 小齒輪材料選擇為 40 調(diào)質(zhì)后表面淬火 硬度為 280HBS 大齒輪材料選rc 擇為 45 鋼 調(diào)制后表面淬火 硬度為 240HBS 小齒輪齒數(shù)初選為 24 1z21z3i48 72 2 按齒面接觸強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) 按式 10 9 試算 a 大連水產(chǎn)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第三章 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 21312 tEtdHKTZud 確定公式內(nèi)的各計(jì)算值 初選載荷系數(shù) Kt 1 6 計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 由前文可知小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩為 271 39 由表 10 7 及其說(shuō)明 可選定齒寬系數(shù) 0 4 d 由表 10 6 查得材料的彈性影響系數(shù) 189 8 EZ1 2aMP 由圖 10 21d 按齒面接觸硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度 650MPa 大齒輪的接lim1H 觸疲勞強(qiáng)度 600MPa lim2H 兩齒輪的設(shè)計(jì)壽命為 50000h 由式 10 13 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 916037150 0nNjL 982 842i 由圖 10 19 查得接觸疲勞壽命系數(shù) 0 9 0 95 1HNK2N 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為 1 安全系數(shù) s 1 由式 10 12 0 9 650 1 585MPa H 1 limNHS 0 95 600 1 570MPa 2 2liK 將以上參數(shù)代入公式進(jìn)行計(jì)算 試算小齒輪分度圓直徑 d1t 代入 H 中較小的值 3231 6271 908 719 17 85450td m 計(jì)算圓周速度 v 14 2 3 2 6061tdnss 計(jì)算齒寬 1 7 85 1dtbm 計(jì)算齒寬與齒高之比 齒輪模數(shù) 1 2 4 327ttmz 齒高 2 5371986th 大連水產(chǎn)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第三章 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14 51 4 986 27bh 計(jì)算載荷系數(shù) K 由圖 10 8 查得動(dòng)載系數(shù) 06V 由表 10 3 查得 2HF 由表 10 2 查得使用系數(shù) 1 25 A 小齒輪精度為 6 級(jí) 相對(duì)支撐作對(duì)稱(chēng)分布 由表 10 4 HK 23d1 08 150b 1 08 415 6 由 b h 4 27 1 15 查圖 10 13 得 1 12 H F 故 動(dòng)載系數(shù) 1 2506 829AVH 按實(shí)際得載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑 由式 10 10a 得 331 7 8 1 3 6tTdKm 計(jì)算模數(shù) 1 6 245 7mz 3 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由式 10 5 得彎曲疲勞的設(shè)計(jì)公式為 132 FaSdYKTz 以下確定式中各參數(shù)的值 由圖 10 20c 查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 520MPa 大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極1FE 限 440MPa 2FE 由圖 10 18 查得彎曲疲勞壽命系數(shù) 0 82 0 87 1FNK2N 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù) S 1 3 由式 10 12 得 0 82 520 1 3 328MPa1 F 1NFE 0 87 440 1 3 294 46Mpa 2 F2FEKS 計(jì)算載荷系數(shù) K 1 506 21 78AVF 查取齒形系數(shù) 由表 10 5 查得 12 65 8FaaY 查取應(yīng)力校正系數(shù) 大連水產(chǎn)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第三章 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15 由表 10 5 查得 1 58SaY 21 73Sa 計(jì)算大 小齒輪的 并加以比較 F 1 6580 127aSFY 2 3 4 94aSF 大齒輪數(shù)值大 將用于以下計(jì)算 將以上參數(shù)代入式 10 5 進(jìn)行計(jì)算 53221 78 410 34 8mm 對(duì)比計(jì)算結(jié)果 由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù) 大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù) 由于齒輪模數(shù) 的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力 而由齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定 的承載能力 僅與齒輪直徑 即模數(shù)與齒數(shù)的乘積 有關(guān) 可取由彎曲強(qiáng)度所算得的模數(shù) 按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑 算出小齒輪齒數(shù)3 5m 13 68d 53zm2179u 4 幾何尺寸計(jì)算 1 計(jì)算分度圓直徑 138 513dzm 297 2 計(jì)算中心距 1 26 5a 3 計(jì)算齒輪寬度 10 43 db 取 2160 5Bm 5 驗(yàn)算 312 7 1408 2tFTN 合適 408 56AKb 第二對(duì)齒輪的模數(shù)可取得比齒輪 1 小 3 由于這兩齒輪得中心距與齒輪 1 和 2 的4m 中心距相等 故 326 5 2z 109 65z 四個(gè)齒輪的尺寸參數(shù)如表 2 4 所示 大連水產(chǎn)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第三章 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 16 表 2 4 齒輪尺寸參 齒輪 參數(shù) 1 2 3 4 模數(shù) m 3 5 3 5 3 3 齒數(shù) z 38 97 100 56 中心距 a 236 25 分度圓直徑 d 133 339 5 300 168 齒頂圓直徑 a140 346 5 306 174 齒根圓直徑 f 124 25 330 75 292 5 160 5 全齒高 h 7 875 6 75 齒寬 b 60 54 55 60 壓力角 20 20 20 20 基圓直徑 bd125 319 282 158 傳動(dòng)比 i 18 7 9 16 齒輪寬 B 65 60 70 75 齒寬系數(shù) d 0 4 0 15 0 2 0 2 輪轂寬 70 65 85 90 3 2 電磁摩擦離合器的計(jì)算和選擇 本課題中數(shù)控機(jī)床得轉(zhuǎn)速較高 對(duì)工作可靠性要求高 根據(jù)資料 13 中的結(jié)構(gòu)選擇原則 選 取牙嵌式電磁離合器 形式選定后 應(yīng)進(jìn)一步確定其規(guī)格 本小節(jié)公式及參數(shù)除非特別說(shuō)明 均出自資料 15 1 規(guī)格計(jì)算 其規(guī)格選擇計(jì)算的基本原則是使其計(jì)算轉(zhuǎn)矩 小于或等于其薄弱環(huán)節(jié)的失效條件限制而允許cT 其傳遞的許用轉(zhuǎn)矩 T 即 2 23 maxa cnT 其中 理論轉(zhuǎn)矩T 計(jì)算轉(zhuǎn)矩c 大連水產(chǎn)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第三章 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17 公稱(chēng)轉(zhuǎn)矩nT 許用轉(zhuǎn)矩 最大轉(zhuǎn)矩max 許用最大轉(zhuǎn)矩 許用轉(zhuǎn)速 n 1 計(jì)算轉(zhuǎn)矩 由于各類(lèi)聯(lián)軸器 離合器實(shí)際工況不同 在確定計(jì)算轉(zhuǎn)矩 時(shí)應(yīng)將理論轉(zhuǎn)矩 乘以不同系cTT 數(shù) K 本機(jī)床承受長(zhǎng)期平穩(wěn)載荷 故 2 24 cTK 式中 分別為離合器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩 公稱(chēng) 許用轉(zhuǎn)矩 cTn Nm 離合器理論轉(zhuǎn)矩 Nm K 離合器工況系數(shù) 見(jiàn)下表所示 本文中為金屬切學(xué)機(jī)床 取 K 1 4 從而得到 2 25 1 427 39 46TcNm 根據(jù)計(jì)算轉(zhuǎn)矩 查表 5 3 42 選取規(guī)格為 DLY5 40A 的牙嵌式離合器 相關(guān)尺寸可從表中查 取 2 牙嵌式離合器的設(shè)計(jì)計(jì)算 1 離合器的外徑計(jì)算 經(jīng)驗(yàn)公式 2 26 33502 8502 879 4610 9 cDT 牙的外徑 2 27 16ZDm 表 2 5 離合器工況系數(shù) 機(jī)械類(lèi)型 K 機(jī)械類(lèi)型 K 金屬切削機(jī)床 1 3 1 5 輕紡機(jī)械 1 2 2 曲柄式壓力機(jī)械 1 1 1 3 農(nóng)業(yè)機(jī)械 2 3 5 汽車(chē) 車(chē)輛 1 2 3 挖掘機(jī)械 1 2 2 5 拖拉機(jī) 1 5 3 鉆探機(jī)械 2 4 船舶 1 3 2 5 活塞泵 通風(fēng)機(jī) 壓力機(jī) 1 3 起重運(yùn)輸機(jī)械 在最大載荷下結(jié)合 1 35 1 5 活塞泵 單缸 大型通風(fēng)機(jī) 壓縮機(jī) 木材加工機(jī)械 1 7 在空載下結(jié)合 1 25 1 5 冶金礦山機(jī)械 1 8 3 2 牙的內(nèi)徑 2 28 0 7 160 92 4ZZDm 牙的平均直徑 2 29 5 5 1 9 36 5m m 牙的寬度 2 30 24b 大連水產(chǎn)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第三章 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18 牙的高度 2 31 0 65 24 1567ZZhbm 牙的個(gè)數(shù) 2 32 nt 式中 主 從動(dòng)半離合器的轉(zhuǎn)速差n 2 33 601 imnvDr 牙齒接合圓周速度差 一般取v 0 78s 離合器允許結(jié)合時(shí)間 一般機(jī)床 取t 5t 本文中取 則可以得到0 7 ms 1t60 7 3416 9 8 minnr 80z 2 牙間壓緊力 2 34 112 tan c dmuQTFD 近似可取 2 35 tan cdm 式中 牙形角 一般取 30 摩擦角 鋼與鋼接觸 取 79 牙的平均直徑mD 彈簧推力 一般取dF305dFN 本課題中取 30 8 4 從而 2 36 279 6tan 8 402 5135QN 3 磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 磁軛鐵心截面積 2 37 2 5 ABm 式中 磁感應(yīng)強(qiáng)度 一般取B1 4T 大連水產(chǎn)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第三章 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19 牙間壓緊力 N Q 取 1 3BT 222 5 45 1 3 ABm 2 線(xiàn)圈槽內(nèi)徑 內(nèi)鐵心外徑 2 38 2 2 3 45 ndd 式中 離合器軸徑 3 線(xiàn)圈槽外徑 外鐵心內(nèi)徑 2 39 22 3 160 9 354 160 5wdDAm 4 線(xiàn)圈槽寬度 2 40 7 nwnbd 5 勵(lì)磁磁勢(shì) 2 41 41 60 IWBVA 式中 氣隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度 一般取B 57T 工作氣隙 近似取牙的高度 氣隙系數(shù) 一般取 V 2 3V 取 則0 6T 3 2 42 4 31 605 760 145 IWA 6 線(xiàn)圈槽高度 2 43 23 nsHIWhmft 式中 線(xiàn)圈槽高寬比 46 nb 傳熱系數(shù) 線(xiàn)圈散熱良好時(shí) s 80 5st 線(xiàn)圈散熱不良時(shí) 7 4203st 填充系數(shù) 按導(dǎo)線(xiàn)直徑 由圖 9 13 查得 Hf d 溫升 K 按技術(shù)要求確定 t 大連水產(chǎn)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第三章 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 20 電阻系數(shù) 可取 210 17m 取 查得 得4 8 56 s t 0 7Hf 2 44 2 32433 451 5 86 nsHIWh mft 7 導(dǎo)線(xiàn)直徑 2 45 30 68 0 1704 1 2 94 mddIU 式中 線(xiàn)圈的平均直徑 m5 5 65 0 wndm 電源電壓 一般取 24VU 8 線(xiàn)圈匝數(shù) 2 46 2 204 453 70 314 9 76 nHWbhfd 9 磁軛底部厚度 2 47 2 176 6 Am 磁軛高度 一般取5302513 nh 23 10 銜鐵厚度 2 6 xbh 銜鐵內(nèi)徑 由軸徑 根據(jù)結(jié)構(gòu)確定 外徑xdxDm 4 磁路驗(yàn)算 1 線(xiàn)圈總磁勢(shì) 2 48 61 8096 083 5167 10 nKRIWHLBA 式中 氣隙 磁軛 銜鐵等各部分的磁均強(qiáng)度與磁路長(zhǎng)度 2 氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度 2 49 3 8096 45 10 9 6 83 5 BI T 3 電磁吸力 2 50 225 4 QAN 大連水產(chǎn)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第三章 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21 3 3 軸承的選擇 由資料 12 可選得軸承的型號(hào)和其他參數(shù) 如表 2 7 所示 鍵和圓螺母的選擇 由資料 12 可選擇鍵的尺寸如下表 2 6 表 2 6 鍵的尺寸參數(shù) 參數(shù) 鍵 公稱(chēng)尺寸 bh 長(zhǎng)度 L軸深度 t孔深度 1t 與離合器配合的鍵 14950 5 5 3 8 圓螺母選用 M35 1 5 表 2 7 軸承尺寸參數(shù) 參數(shù) 軸承 型號(hào) 內(nèi)徑 d外徑 D軸承寬 B 安裝尺寸 1D安裝尺寸 3 107 35 62 14 41 57 軸兩端的支 撐軸承 7307C 7307AC 35 80 21 44 71 與齒輪配合 的軸承 7308C 7308AC 40 90 23 49 81 第四章主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22 第四章 主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 1 主軸組件的性能要求 主軸組件是機(jī)床主要部件之一 它的性能對(duì)整機(jī)性能由很大的影響 主軸直接承受切削力 轉(zhuǎn)速范圍又很大 所以對(duì)主軸組件的主要性能特提出如下要求 回轉(zhuǎn)精度 主軸組件的回轉(zhuǎn)精度 是指主軸的回轉(zhuǎn)精度 當(dāng)主軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí) 線(xiàn)速度 為零的點(diǎn)的連線(xiàn)稱(chēng)為主軸的回轉(zhuǎn)中心線(xiàn) 回轉(zhuǎn)中心線(xiàn)的空間位置 在理想的情況下應(yīng)是固定不 變 實(shí)際上 由于主軸組件中各種因素的影響 回轉(zhuǎn)中心線(xiàn)的空間位置每一瞬間都是變化的 這些瞬時(shí)回轉(zhuǎn)中心線(xiàn)的平均空間位置成為理想回轉(zhuǎn)中心線(xiàn) 瞬時(shí)回轉(zhuǎn)中心線(xiàn)相對(duì)于理想回轉(zhuǎn)中 心線(xiàn)在空間的位置距離 就是主軸的回轉(zhuǎn)誤差 而回轉(zhuǎn)誤差的范圍 就是主軸的回轉(zhuǎn)精度 純 徑向誤差 角度誤差和軸向誤差 它們很少單獨(dú)存在 當(dāng)徑向誤差和角度誤差同時(shí)存在時(shí) 構(gòu) 成徑向跳動(dòng) 而軸向誤差和角度誤差同時(shí)存在構(gòu)成端面跳動(dòng) 由于主軸的回轉(zhuǎn)誤差一般都是一 個(gè)空間旋轉(zhuǎn)矢量 它并不是所有的情況下都表示為被加工工件所得到的加工形狀 主軸回轉(zhuǎn)精度的測(cè)量 一般分為三種 靜態(tài)測(cè)量 動(dòng)態(tài)測(cè)量和間接測(cè)量 目前我國(guó)在生產(chǎn) 中沿用傳統(tǒng)的靜態(tài)測(cè)量法 用一個(gè)精密的測(cè)量棒插入主軸錐孔中 使千分表觸頭觸及檢測(cè)棒圓 柱表面 以低速轉(zhuǎn)動(dòng)主軸進(jìn)行測(cè)量 千分表最大和最小的讀數(shù)差即認(rèn)為是主軸的徑向回轉(zhuǎn)誤差 端面誤差一般以包括主軸所在平面內(nèi)的直角坐標(biāo)系的垂直坐標(biāo)系的垂直度數(shù)據(jù)綜合表示 動(dòng)態(tài) 測(cè)量是用以標(biāo)準(zhǔn)球裝在主軸中心線(xiàn)上 與主軸同時(shí)旋轉(zhuǎn) 在工作態(tài)上安裝兩個(gè)互成 90 角的非 接觸傳感器 通過(guò)儀器記錄回轉(zhuǎn)情況 間接測(cè)量是用小的切削量加工有色金屬試件 然后在圓 度儀上的測(cè)量試件的圓度來(lái)評(píng)價(jià) 出廠(chǎng)時(shí) 普通級(jí)加工中心的回轉(zhuǎn)精度用靜態(tài)測(cè)量法測(cè)量 當(dāng) L 300mm 時(shí)允許誤差應(yīng)小于 0 02mm 造成主軸回轉(zhuǎn)誤差的原因主要是由于主軸的結(jié)構(gòu)及其加工 精度 主軸軸承的選用及剛度等 而主軸及其回轉(zhuǎn)零件的不平衡 在回轉(zhuǎn)時(shí)引起的激振力 也 會(huì)造成主軸的回轉(zhuǎn)誤差 因此加工中心的主軸不平衡量一般要控制在 0 4mm s 以下 剛度 主軸部件的剛度是指受外力作用時(shí) 主軸組件抵抗變形的能力 通常以主軸前端 產(chǎn)生單位位移時(shí) 在位移方向上所施加的作用力大小來(lái)表示 主軸組件的剛度越大 主軸受力 變形就越小 主軸組件的剛度不足 在切削力及其它力的作用下 主軸將產(chǎn)生較大的彈性變形 不僅影響工件的加工質(zhì)量 還會(huì)破壞齒輪 軸承的正常工作條件 使其加快磨損 降低精度 主軸部件的剛度與主軸結(jié)構(gòu)尺寸 支承跨距 軸承類(lèi)型及配置型式 軸承間隙的調(diào)整 主軸上 傳動(dòng)元件的位置等有關(guān) 抗振性 主軸組件的抗振興是指切削加工時(shí) 主軸保持平穩(wěn)地運(yùn)行而不發(fā)生振動(dòng)的能力 主軸組件抗振興差 工作時(shí)容易產(chǎn)生 不僅降低加工質(zhì)量 而且限制了機(jī)床生產(chǎn)率的提高 使 刀具耐用度下降 提高主軸抗振興必須提高主軸組件的靜剛度 采用較大阻尼比的前軸承 以 及在必要時(shí)安裝阻尼器 另外 使主軸的固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激振力的頻率 溫升 主軸組件在運(yùn)轉(zhuǎn)中 溫升過(guò)高會(huì)引起兩方面的不良后果 一是主軸組件和箱體 因熱彭漲而變形 主軸的回轉(zhuǎn)中心線(xiàn)和機(jī)床其它組件的相對(duì)位置會(huì)發(fā)生變化 直接影響加工精 第四章主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 23 度 其次是軸承等元件會(huì)因溫度過(guò)高而改變已調(diào)好的間隙和破壞正常潤(rùn)滑條件 影響軸承的正 常工作 嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生 抱軸 數(shù)控機(jī)床一般采用恒溫主軸箱來(lái)解決恒溫問(wèn)題 耐磨性 主軸組件必須有足夠的耐磨性 以能長(zhǎng)期保持精度 主軸上易磨損的地方是刀 具或工件的安裝部位以及移動(dòng)式主軸的工作部位 為了提高耐磨性 主軸的上述部位應(yīng)該淬硬 或氮化處理 主軸軸承也需有良好的潤(rùn)滑 以提高耐磨性 以上這些要求 有的還是矛盾的 例如高剛度和高速 高速與低溫升 高速與高精度等 這就要具體問(wèn)題具體分析 例如設(shè)計(jì)高效數(shù)控機(jī)床的主軸組件時(shí) 主軸應(yīng)滿(mǎn)足高速和高剛度的 要求 設(shè)計(jì)高精度數(shù)控機(jī)床時(shí) 主軸應(yīng)滿(mǎn)足高剛度 低溫升的要求 6 軸承配置型式 本課題中數(shù)控機(jī)床的轉(zhuǎn)速較高 卻要求徑向剛度好 所以軸承的配置型式選擇為剛度速度 型 13 前軸承采用雙列角接觸球軸承 接觸角為 它們通過(guò)套筒背靠背配置 以減少主軸25 懸伸量 后軸承采用雙列短圓柱滾子軸承 以承受較大的傳動(dòng)力 如下圖所示 圖 2 6 主軸支承型式 3 主要參數(shù)的確定 主軸的主要參數(shù)是指 主軸平均直徑 D 或主軸前軸頸直徑 主軸內(nèi)孔直徑 主軸懸1Dd 伸量 a 和主軸支承跨距 這些參數(shù)直接影響主軸的工作性能 但為簡(jiǎn)化問(wèn)題 主要是由靜剛度l 條件來(lái)確定這些參數(shù) 即選擇 D d a l 使主軸獲得最大靜剛度 同時(shí)兼顧其它要求 如高速 性 抗振性等 1 主軸前軸頸直徑 的確定1 主軸平均直徑對(duì)主軸部件剛度影響較大 加大直徑 可減少主軸本身彎曲變形引起的主1 軸軸端位移和軸承彈性變形引起的軸端位移 從而 提高主軸部件剛度 但加大直徑受到軸承 dn 值的限制 同時(shí)造成相配零件尺寸加大 制造困難 結(jié)構(gòu)龐大和重量增加等 因此在滿(mǎn)足剛度 要求下應(yīng)取較小值 按車(chē)床主電動(dòng)機(jī)功率來(lái)確定 由資料 16 圖 6 1 83 可取 190Dm 2 主軸內(nèi)孔直徑 d 的確定 確定孔徑的原則是 為減輕主軸重量 在滿(mǎn)足對(duì)空心主軸孔頸要求和最小壁厚要求以及不 削弱主軸剛度的要求下 應(yīng)取較大值 對(duì)于數(shù)控機(jī)床 本課題中車(chē)床主軸尾端需要安裝皮帶輪 軸徑較小 故 0 65D 取 16 即 0 5d dm 3 主軸懸伸量 的確定a 主軸懸伸量 是指主軸前端面到支承徑向反力作用中點(diǎn)的距離 它對(duì)主軸部件的剛度和抗 振性影響很大 因此在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)要求的前提下盡可能取小值 減小 的常見(jiàn)措施有 a 盡量采用短錐法蘭式主軸端部結(jié)構(gòu) 第四章主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 24 推力軸承配置在前支承時(shí) 應(yīng)安裝在徑向軸承的內(nèi)側(cè)而不是外側(cè) 合理設(shè)計(jì)前支承的調(diào)整結(jié)構(gòu)和密封裝置形式 盡量采用主軸端部的法蘭盤(pán)和軸肩等構(gòu)成 密封裝置 采用向心推力軸承來(lái)代替向心軸承 成對(duì)安裝的圓錐滾子軸承 應(yīng)采取滾錐小端相對(duì)的 形式 成對(duì)安裝的向心推力軸承應(yīng)采取背對(duì)背或面朝外的同方向排列形式 本課題中主軸前端 的一對(duì)向心推力軸承正是采用這種安裝形式 改變軸端工夾具的結(jié)構(gòu)形式來(lái)減小 a 值 16 4 支承跨距 的確定l 支承跨距 是指相鄰兩支承的支承反力作用點(diǎn)之間的距離 合理確定 是獲得主軸部件最大l 靜剛度的重要條件之一 當(dāng) 時(shí) 主軸部件具有最大剛度 即為主軸部件的最佳跨距 在0l 0l 具體設(shè)計(jì)時(shí) 往往由于結(jié)構(gòu)上的限制而使 這就造成主軸部件的剛度損失 合理跨距0l 通常取 因?yàn)?D a 一定時(shí) 越大 軸承的徑向跳動(dòng)對(duì)主軸前端 0 751 ratll ratl l 的徑向跳動(dòng)影響越小 且加大 可較小振動(dòng) 當(dāng)需要 遠(yuǎn)大于 時(shí) 可采用三支承結(jié)構(gòu) 6 0 4 主軸頭的選用 如前文所述 采用短錐法蘭式主軸端部結(jié)構(gòu)有利于減小主軸懸伸量 本課題選用 B 型法a 蘭式主軸端部 代號(hào)為 6 其基本尺寸由資料 16 表 6 1 31 可獲得 5 軸承型號(hào)的選擇 考慮到主軸上部件的安裝需要利用軸肩來(lái)進(jìn)行軸向定位 初步確定好安裝軸承部位軸徑后 選擇軸承型號(hào)及其尺寸如表 2 8 所示 表 2 8 主軸軸承尺寸參數(shù) 參數(shù) 軸承 型號(hào) 內(nèi)徑 d 外徑 D軸承寬 B安裝尺寸 1安裝尺寸 2D安裝尺寸 4安裝尺寸 5D 前軸承 36218 90 160 30 103 147 后軸承 3182114 70 110 30 80 103 102 4 2 編碼器的選擇與安裝 在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床上加工螺紋或絲杠時(shí) 進(jìn)刀速度應(yīng)與車(chē)床主軸轉(zhuǎn)速之間保持一個(gè)恒定的 比例關(guān)系 為此要在車(chē)床主軸上安裝一個(gè)主軸位置信號(hào)的反饋元件 即主軸脈沖發(fā)生器 在選 用簡(jiǎn)易數(shù)控裝置時(shí) 應(yīng)選用含有螺紋加工功能的系統(tǒng)軟件和相應(yīng)的主軸脈沖發(fā)生器 光電編碼 器由于是數(shù)字信號(hào) 所以噪聲容限大 容易實(shí)現(xiàn)高分辨率 檢測(cè)精度高 且體積小 重量輕 易安裝 在現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)中得到了廣泛地應(yīng)用 本課題選用 LF1024 型光電編碼器 光電編碼器的安裝通常采用兩種方式 同軸安裝和異軸安裝 同軸安裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 缺點(diǎn)是安 裝后不能加工穿出車(chē)床主軸孔的零件 異軸安裝較同軸安裝麻煩 需配一對(duì)同步平帶輪及同步平 帶 在加工螺紋時(shí) 將其裝上 不使用時(shí)將其斷開(kāi) 避免磨損和信號(hào)干擾 延長(zhǎng)主軸脈沖發(fā)生 第四章主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 25 器的使用壽命 本課題采用異軸安裝方式 利用同步帶傳動(dòng)帶動(dòng)軸 轉(zhuǎn)動(dòng) 軸 通過(guò)聯(lián)軸器IVI 與光電編碼器相聯(lián) 帶動(dòng)光電編碼器轉(zhuǎn)動(dòng) 17 4 3 聯(lián)軸器的選擇及帶輪參數(shù) 1 聯(lián)軸器的選擇 本課題中聯(lián)軸器選用柱銷(xiāo)聯(lián)軸器 由資料 15 表 4 290 可知 它應(yīng)用于正反轉(zhuǎn)多 啟動(dòng) 頻繁的高 低速傳動(dòng) 其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 制造容易 維護(hù)方便 壽命長(zhǎng) 能緩沖減振 符合要求 由于軸 所傳動(dòng)的力矩不大 故聯(lián)軸器的尺寸由 LF1024 型光電編碼器的軸徑 28mm 決IV 定 由資料 15 表 4 319 可選取型號(hào)為 LX2 的彈性柱銷(xiāo)聯(lián)軸器 其尺寸和性能參數(shù)可由該表 查取 2 同步齒形帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) 以下公式均出自參考資料 14 齒形帶傳遞的計(jì)算功率 2 51 1 20 5 3cASpKPKw 120z 帶輪傳遞的功率很小 模數(shù)不需太大 取 m 確定兩輪傳動(dòng)比 12 in 取兩帶輪齒數(shù) 130z 26 計(jì)算兩輪節(jié)圓直徑 d m 54 2d z1 5609m 初定中心距 07a 初定膠帶長(zhǎng)度 2 20120 1 3 42 71554 420opLad 2 52 初定齒數(shù) z 計(jì)算中心距 2 53 056 4 170175 22opLa m 帶寬 b 取為 2m 選用同步齒形帶規(guī)格為 zb 帶輪幾何尺寸的計(jì)算如表 2 9 所示 第四章主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 26 表 2 9 帶輪幾何尺寸 帶輪 參數(shù) 小帶輪 大帶輪z 30 60 齒形角 40 40 節(jié)距 pm 4 71 4 71 節(jié)圓直徑 dz45 90 頂圓直徑 20 25a 44 25 89 25 頂圓齒距 apz 4 63 4 67 齒側(cè)間隙 0j 0 40 0 40 徑向間隙 c0 55 0 55 頂圓齒槽寬 2 16afeSjj 2 56 2 56 齒槽深 0 9hc1 45 1 45 根圓直徑 faadd 41 35 86 35 根圓齒槽寬 fes 1 5 1 5 齒根圓角直徑 0 1frm0 15 0 15 齒頂圓角直徑 5ar 3 5Bb 0 225 0 225 帶輪齒寬 25 25 結(jié)論 27 結(jié)束語(yǔ) 本課題主要設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的主軸傳動(dòng)系統(tǒng) 考慮到電機(jī)的恒功率轉(zhuǎn)速范圍與主軸要 求的恒功率轉(zhuǎn)速范圍不匹配問(wèn)題 在電機(jī)與主軸間增加了一根中間傳動(dòng)軸 機(jī)械有級(jí)變速系統(tǒng) 舍棄液壓變速 而采用電磁離合器變速 有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作 由于數(shù)控機(jī)床的故障更多發(fā)生在電氣系統(tǒng) 所以本課題采用了西門(mén)子公司專(zhuān)門(mén)為經(jīng)濟(jì)型數(shù) 控機(jī)床開(kāi)發(fā)的性?xún)r(jià)比較高的 SINUMERIK 802D 微機(jī)控制系統(tǒng) 以提高數(shù)控車(chē)床的可靠性 但是 由于齒輪傳動(dòng)噪聲很大 精確度不夠高 并且使主軸箱重量和體積偏大 而在本次 設(shè)計(jì)中有級(jí)變速基本采用齒輪傳動(dòng) 因此本課題的設(shè)計(jì)方案還有進(jìn)一步改進(jìn)的空間 隨著無(wú)級(jí) 變速電機(jī)的性能進(jìn)一步提高及其價(jià)格的下降 中檔以上的數(shù)控機(jī)床已經(jīng)逐漸舍棄機(jī)械有級(jí)變速 系統(tǒng) 而是直接由電機(jī)通過(guò)皮帶將動(dòng)力傳給主軸 這樣數(shù)控機(jī)床的主軸系統(tǒng)進(jìn)一步簡(jiǎn)化 速度 進(jìn)一步提高 特別是電主軸的應(yīng)用 真正將數(shù)控機(jī)床帶入了超高速時(shí)代 大連水產(chǎn)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 致謝 28 致 謝 本課題 數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及尾架設(shè)計(jì) 是在導(dǎo)師李剛老師的指導(dǎo)下完成的 李老 師在設(shè)計(jì)的選題 內(nèi)容 科研過(guò)程和論文撰寫(xiě)方面給予我耐心的指導(dǎo) 而且提出了許多建設(shè)性 的意見(jiàn)和建議 使我對(duì)課題的難點(diǎn)有了深刻的理解 導(dǎo)師在言傳身教中體現(xiàn)出來(lái)的淵博的學(xué)識(shí) 嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度 開(kāi)闊的知識(shí)眼界和平易近人的態(tài)度給我留下了深刻的印象 在此 學(xué)生謹(jǐn)向三個(gè)多月來(lái)付出了辛勞汗水和心血的導(dǎo)師致以崇高的敬意和衷心的感謝 其次 感謝學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)以及班主任老師林春江老師等 他們?cè)谡麄€(gè)論文工作期間都給予我很多 關(guān)心和幫助 也正因?yàn)樗麄兊膸椭?我才能順利的完成了整個(gè)畢業(yè)論文 再次要感謝圖書(shū)館的 所有工作人員 他們熱情的工作為我的論文資料查閱提供了極大的便利條件 最后感謝我的同學(xué)以及朋友在我的整個(gè)畢業(yè)論文中所給與的幫助和支持 他們?cè)谡麄€(gè)論文工 作期間都與我進(jìn)行過(guò)有益的交流 提出了很多的建議和想法 使我受益非淺 以及我的家人在 我緊張 繁忙的論文工作期間在精神和生活上所給予的最大的理解和支持 在論文完稿之際 我真誠(chéng)的對(duì)關(guān)心 幫助 支持過(guò)我的李剛老師 學(xué)院的所有領(lǐng)導(dǎo) 老師 同學(xué)表示最衷心的感謝 謝謝你們 大連水產(chǎn)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 參考文獻(xiàn) 29 參 考 文 獻(xiàn) 1 馮桂安等 機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì) M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1999 113 135 2 符 鋼 張芳麗 提高機(jī)床制造業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力 J 制造技術(shù)與機(jī)床 2005 1 3 6 3 張新義 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì) M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1994 1 17 4 師鴻飛 等 我國(guó)數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 一 EB OL http www MW 5 師鴻飛 等 我國(guó)數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 二 EB OL http www MW 6 王愛(ài)玲 白恩遠(yuǎn) 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床 M 北京 國(guó)防工業(yè)出版社 2003 17 24 146 189 7 許兆豐等 車(chē)工工藝學(xué) M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1980 102 105 8 FANUC 交流伺服電機(jī) 系列式樣一覽表及外型圖 i http www bj FANUC Alpha I SPE 9 Gallout T A The selection of an efficient electric