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1、立式加工中心 Z 向進(jìn)給裝置與刀庫設(shè)計(jì) 摘 要 : 加工中心是由機(jī)械設(shè)備與數(shù)控系統(tǒng)組成的適用于加工復(fù)雜形狀工件的高效 率自動(dòng)化機(jī)床 ,它的特點(diǎn)是 具有自動(dòng)化程度高，加工范圍廣，適應(yīng)性強(qiáng)，高柔性 化，智能化，勞 動(dòng)強(qiáng)度低，適用于單件、小批量、形狀復(fù)雜的零件的加工 ,有立 式和臥式之分 。 現(xiàn)在，加工中心受到各個(gè)國(guó)家越來越多的重視， 其發(fā)展 程度 代表了 一個(gè)國(guó)家 的 設(shè)計(jì)、制造水平 。 加工中心的研制和開發(fā)是數(shù)控技術(shù)未來發(fā)展的方向之一。本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi) 容為加工中心總體即布局和機(jī)床聯(lián)系尺寸圖（由同組同學(xué)共同參與完成）、刀庫 及 Z 軸傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 在總體設(shè)計(jì)中，通過對(duì)其總體布局方式進(jìn)行比

2、較和分析， 確定了加工中心的總體布局方案。刀庫設(shè)計(jì)采用圓盤形布置和無機(jī)械手的抓刀方 式。本文對(duì)刀庫及其自動(dòng)換刀裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、滾珠絲杠的選擇、電機(jī)的選擇、 軸的選擇、等進(jìn)行了闡述及詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算。加工中心性能在很大程度上取決于進(jìn) 給伺服系統(tǒng)的性能，為此說明書對(duì) Z軸滾珠絲杠、導(dǎo)軌等關(guān)鍵機(jī)械部件進(jìn)行了設(shè) 計(jì)和計(jì)算校核。 本次刀庫及 Z軸進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的滾珠絲杠、滾動(dòng)導(dǎo)軌和與其相配的各種 機(jī)械結(jié)構(gòu)保證了加工中心運(yùn)行高速高效、穩(wěn)定、精度高，滿足其性能要求。 關(guān)鍵詞 ： 加工中心 ,刀庫 ,自動(dòng)換刀裝置 ,進(jìn)給系統(tǒng) DESIGN OF THE OVERALL, TOOL MA

3、GAZINE AND Z-AXIS FEED SYSTEM OF MACHINE CENTER ABSTRACT Machining center is a CNC machine with tool magzine and can automatically replace the right tools for the multi-process to workpiece. It has the characteristics of operations concentration, high precision machining, strong adaptability and

4、high production efficiency. Its development represent the manufacture lever of a nation, the companies at home and abroad highly valued. The research and development of machining center(MC) is one of the NC technology development directions of the future.The design of overall、 tool magazine and the

5、Z-axis feed system of MC. In the overall design, comparison and analysis are made for its way of layout, determined the layout of the overall for vertical. The tool magazine used disk-shaped layout and the no mechanical hand grasping the tool way. The tool magazine and automatic tool change(ATC) str

6、ucture design, the choice of ball screw and motor, axes, key are introduced and designed in detail in this paper. Performance of MC depends to a large extent on the servo feed system performance, the design and calculation of check to Z-axis ball screws, guide and other key mechanical components are

7、 made in the paper. The ball screw, rolling rails and the the mechanical structure match with them are used in the design of tool magzine and the Z-axis feed system to make the system running fast and efficient, stability, high accuracy to meet the performance requirements of the MC. KEY WORDS : m

8、achining center, tool magazine, automatic tool changer, feed system 前 言 ........................................................................................................... 5 第 1 章 概述 ................................................................................................. 6 1

9、.1 加工中心的特點(diǎn) ...................................... 6 1.2 加工中心的結(jié)構(gòu) ...................................... 6 1.2.1 加工中心的構(gòu)成 ................................... 7 1.2.2 加工中心對(duì)結(jié)構(gòu)的要求 ............................. 7 1.3 加工中心的發(fā)展 方向 .................................. 8 第 2 章 數(shù)控加工中心總體設(shè)計(jì) .........................

10、........ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 2.1 總體布局方案設(shè)計(jì) ..................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 2.2.1 總體布局方案的確定 ................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 2.2.2 總體布局方案的說明 ................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 第 3 章 刀庫及自動(dòng)換刀裝置 .................................................................. 10 3.1 加工中心刀庫 ......................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 3.2 刀庫設(shè)

11、計(jì)計(jì)算 ......................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 3.2.1 刀庫設(shè)計(jì)參數(shù) ...................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 3.2.2 滾珠絲杠的選擇 .................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 3.2.3 電機(jī)的選擇 ........................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 3.2.4 軸的選擇 ........................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 3.2.5 鍵的設(shè)計(jì) .......................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 3.2.6 齒輪的設(shè)計(jì) ....

12、.................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 第 4 章 加工中心 Z 軸進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng) ......................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 4.1 滾珠絲杠的設(shè)計(jì)及計(jì)算 ................. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 4.1.1 電機(jī)及檢測(cè)元件 .................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 4.1.2 電機(jī)與進(jìn)給絲桿 的連接 .............. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 4.1.3 傳動(dòng)裝置 .......................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 4.1.4 滾珠絲桿螺母副 .......

13、............. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 4.2 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì) ........................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 4.2.1 選擇導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)類型 ................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 4.2.2 選擇滾動(dòng)導(dǎo)軌類型 .................. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 4.2.3 滾動(dòng)導(dǎo)軌的預(yù)緊 .................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 4.2.4 導(dǎo)軌的保護(hù)裝置 .................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 4.2.5 導(dǎo)軌的材料與熱 處理 ................ 錯(cuò)誤 !未

14、定義書簽。 4.2.6 導(dǎo)軌的潤(rùn)滑 ........................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 結(jié) 論 ............................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 參考文獻(xiàn) ..................................................................................................... 43 致 謝 ....................................

15、........................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 前 言 加工中心（ Machining center 簡(jiǎn)稱 MC） 是一種 多工序自動(dòng)換刀 的 數(shù)控機(jī)床。 它 具有自動(dòng)化程度高，加工范圍廣，適應(yīng)性強(qiáng)，高柔性化，智能化，勞動(dòng)強(qiáng)度低 的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，適用于單件、小批量、形狀復(fù)雜的零件的加工 ， 它 綜合了機(jī)械 制 造 技術(shù)、電子 電工技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、 傳感技術(shù) 以及通信診斷、刀具和編程技術(shù)的高技術(shù)產(chǎn)品，它 集銑削、車削、鉆削等功能于 一身 ， 并 且增設(shè)有自動(dòng)換刀裝置和刀庫，可以在一次

16、安裝工件后， 通過 數(shù)控系統(tǒng) 控制機(jī)床 進(jìn)行零件的自動(dòng)加工， 按不同工序自動(dòng)選擇和更換刀具，自動(dòng)改變機(jī)床 主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和刀具相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)軌跡及其他輔助功能；依次完成 各個(gè)面、 孔、槽、倒角等的加工。 加工中心 可以減少工件裝夾、測(cè)量和調(diào)整時(shí)間， 使機(jī)床 的切削利用率高于普通機(jī)床的 3?4 倍，達(dá) 80%以上。所以說 ,加工中心不僅提高 了工件的加工精度，而且是數(shù)控機(jī)床中生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度最高的綜合性機(jī)床。 本說明書分 5章 ,第 1章介紹加工中心的結(jié)構(gòu) ,第 2章講述了加工中心總體設(shè)計(jì) , 第 3章介紹了 刀庫及自動(dòng)換刀裝置 ,第 4章講述加工中心 Z向進(jìn)給系統(tǒng)的滾珠絲杠 和滾動(dòng) 軸承

17、 設(shè)計(jì)選用，支承件及導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)講述導(dǎo)軌的選用。 限于設(shè)計(jì)水平 ,設(shè)計(jì)定有錯(cuò)誤和不妥之處 ,敬請(qǐng)答辯組老師的批評(píng)指正。 第 1 章 概述 1.1 加工中心的特點(diǎn) 加工中心（ Machining Center）是典型的集多種新興 技術(shù)于一體的機(jī)械加工 設(shè)備，它的 程度 代 表了一個(gè)國(guó)家設(shè)計(jì)、制造的水平， 如今 ，加工中心已經(jīng)成為現(xiàn) 代機(jī)床發(fā)展的主流方向，廣泛應(yīng)用于 各行各業(yè)的 機(jī)械制造中 。 它 有立式和臥式之 分，而立式加工中心是指主軸軸線與工作臺(tái)垂直設(shè)置的加工中心，主要適用于加 工 各種 板類、盤類、模具及小型殼體類復(fù)雜零件，對(duì)工件一次裝夾后進(jìn)行多工序 加工，可連續(xù)完成鉆 、鏜、銑

18、 、鉸、攻絲等多種工序，因而大大 減少了工件 的 裝 夾時(shí)間、測(cè)量和機(jī)床調(diào)整等輔助工序時(shí)間，并且立式加工中心工件裝夾、定位方 便，刃具運(yùn)動(dòng)軌跡 容易 觀察，與相應(yīng)的臥式加工中心相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占地面積 較小，價(jià)格較低 。 與普通 的 數(shù)控機(jī)床相比，它具有以下幾個(gè)突出特點(diǎn)。 （ 1） 工序集中 加工中心備有刀庫并 且 能自動(dòng)換刀， 能連續(xù) 對(duì)工件進(jìn)行多 道 工序加工，使得 工件在一次裝夾后 通過 數(shù)控系統(tǒng)能控制機(jī)床 進(jìn)行零件的自動(dòng)加工， 按不同的工序， 自動(dòng)選擇和 更換刀具，自動(dòng)控制調(diào)整 機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和刀具相對(duì)工件的運(yùn) 動(dòng)軌跡， 和 其他輔助功能，現(xiàn)代加工中心 則 更大程度

19、地 能使工件在一次裝夾后實(shí) 現(xiàn)多表面、多特征、多工位的連續(xù)、高效 加工，即工序集中。 （ 2） 對(duì)加工對(duì)象的適應(yīng)性強(qiáng) 加工中心可以根據(jù)需要編制相應(yīng)的程序以適應(yīng)不同的復(fù)雜零件的加工過程 加工能力和加工范圍大 ，因此加工適應(yīng)能力強(qiáng) 。 （ 3） 加工精度高 加工中心因?yàn)?加工工序集中，并且由數(shù)控系統(tǒng)控制零件的自動(dòng)加工減少了人 工操作的誤差 ，故加工精度更高，加工質(zhì)量更加穩(wěn)定。 （ 4） 加工生產(chǎn)率高 加工中心帶有刀庫和自動(dòng)換刀裝置， 能集中完成多種工序，因而可以減少工 件裝夾、機(jī)床的調(diào)整等輔助時(shí)間， 使機(jī)床的切削利用率（切削時(shí)間和開動(dòng)時(shí)間之 比） 得到很大提高 ， 高于普通機(jī)床的 3?

20、4倍 。 （ 5） 降低 操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度 加工中心是按事先編好的程序自動(dòng)完成 對(duì)零件的加工 的，操作 人員 除了操 作鍵盤、裝卸零件、進(jìn)行 一些必要的 關(guān)鍵工序的中間測(cè)量 和進(jìn)行 觀察機(jī)床的運(yùn)動(dòng) 之外，不需要 重復(fù)進(jìn)行繁重的手工操作， 可大為減輕 勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件 。 1.2 加工中心的結(jié)構(gòu) 1.2.1加工中心的構(gòu)成 數(shù)控 加工中心又可以分為立式加工中心、臥式加工中心、龍門式加工中心、 五軸加工中心和虛軸加工中心等類型。雖然 看起來 外形結(jié)構(gòu)各異，但 是 總體上都 是又以下幾大部分組成。 （ 1） 基礎(chǔ)部件 這些 由床身、立柱和工作臺(tái)等大件組成，他們是加工中心結(jié)構(gòu)中

21、的基礎(chǔ)部件。 這些大件有鑄鐵件，也有焊接的鋼結(jié)構(gòu)件，它們 需要承受加工中心的靜載荷以及 在加工時(shí)的切削負(fù)載，因此對(duì) 靜動(dòng)剛度 有較高的要求。 （ 2） 主軸部件 主軸部件 由主軸箱、主軸電機(jī)、主軸、主軸軸承等零件組成。主軸的啟動(dòng)、 停止等動(dòng)作和轉(zhuǎn)速均由數(shù)控系統(tǒng)控 制，加工工件時(shí)通過裝在主軸上的刀具進(jìn)行切 削。主軸部件是切削加工的 輸出部件，是加工中心的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu) 性能 的好 壞，對(duì)加工中心的 加工 性能有很大的影響。 （ 3） 進(jìn)給系統(tǒng) 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是機(jī)床成形運(yùn)動(dòng)的一個(gè)重要部分 ，它 由絲杠、電動(dòng)機(jī)、導(dǎo)軌、等零 件組成 ，其傳動(dòng)質(zhì)量直接關(guān)系到機(jī)床的加工性能，所以加工中心機(jī)床對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)

22、 要求也較高。 （ 4） 數(shù)控系統(tǒng) 包括 CNC裝置、可編程序控制器、伺服驅(qū)動(dòng)裝置以及電動(dòng)機(jī)等部分 ，是 數(shù)控 加工中心執(zhí)行控制動(dòng)作和控制過程的中心。 （ 5） 自動(dòng)換刀裝置（ ATC） 加工中心與一般 的 數(shù)控機(jī)床的顯著區(qū)別是 配有刀庫， 可以 對(duì)零件進(jìn)行多工 序 加工 ，有一套自動(dòng)換刀裝置 [13-15]。 1.2.2 加工中心對(duì)結(jié)構(gòu)的要求 （ 1） 具有更高的 動(dòng) 剛度 在機(jī)床的切削過程中的振動(dòng)不僅直接影 響零件的加工精度和表面質(zhì)量， 刀具 壽命 也會(huì)因此降低 ， 進(jìn)而影響生產(chǎn)率。又因加工中心 是連續(xù) 切削的，不能再加工 中及時(shí)做出調(diào)整 消除或減少振動(dòng)，因此，還必須提高加

23、工中心的動(dòng)剛度。 （ 2） 具有更小的熱變形 加工中心 的各部件在加工中受切削熱、摩擦熱等內(nèi)外熱源的影響， 將發(fā)生不 同程度的熱變形，這將 會(huì) 影響工件的加工精度。這就要求必須采取措施減少熱變 形對(duì)加工精度的影響。主要措施有：對(duì)發(fā)熱源采取有效的液冷、風(fēng)冷等方法來控 制溫升；改善機(jī)床結(jié)構(gòu)，使構(gòu)件的熱變形發(fā)生在非誤差敏感方向上 （ 3） 運(yùn)動(dòng)件間的摩擦小并消除傳動(dòng)系統(tǒng)間隙 加工中心工作臺(tái)的位移量以脈沖當(dāng)量作為它的最小單位，在對(duì)刀、工件找正 等情況下，工作臺(tái)常以極低的速度運(yùn)動(dòng)。這就要求工作臺(tái)能對(duì)數(shù)控裝置發(fā)出的指 令作出準(zhǔn)確的響應(yīng)，它與運(yùn)動(dòng)件的摩擦特性有關(guān)。加工中心采用滾動(dòng)導(dǎo)軌或靜壓 導(dǎo)軌，

24、滾動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌的摩擦力較小，并且在潤(rùn)滑油的作用下，它們的摩擦 力隨運(yùn)動(dòng)速度的提高而加大，這就有效地避免了低速爬行現(xiàn)象，從而使加工中心 的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和定位精度都有所提高。進(jìn)給系統(tǒng)中采用滾珠絲杠代替滑動(dòng)絲杠， 也是基于同樣的道理。另外，采用脈沖補(bǔ)償裝置進(jìn)行螺距補(bǔ)償，消除了進(jìn)給傳動(dòng) 系統(tǒng)的間隙，也有的機(jī)床采用 無間隙齒輪作為傳動(dòng)副。 （ 4） 壽命高、精度保持性好 良好的潤(rùn)滑系統(tǒng)保證了加工中心的壽命，導(dǎo)軌、進(jìn)給絲杠及主軸部件都采用 新型的耐磨材料，使加工中心在長(zhǎng)期使用過程中能夠保持良好的精度。 1.3 加工中心的發(fā)展方向 數(shù)控技術(shù)與加工中心的發(fā)展已走過了半個(gè)多世紀(jì)歷程，隨著科學(xué)技

25、術(shù)的 發(fā)展，世界先進(jìn)制造技術(shù)的興起和不斷成熟，對(duì)數(shù)控加工技術(shù)提出了更高的要求， 超高速切削、超精密加工等技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)加工中心的各個(gè)組成部件提出了更高 的性能指標(biāo)。當(dāng)今的加工中心正在不斷采用最新技術(shù)成就，超著高速化、高精度 化、多功能化、智能化、系統(tǒng)化與高可靠性等方向發(fā)展。 加工中心總體設(shè)計(jì) 2.1 加工中心的結(jié)構(gòu)組成 加工中心本體包括床身立柱橫梁等一些支承件、和導(dǎo)軌等。其中支承件是加 工中心機(jī)床的基本構(gòu)件，主要是指床身、立柱、橫梁、工作臺(tái)、箱體、升降臺(tái)等 大件。這些大件的作用第一是支承作用，即支承其他零部件，在機(jī)床切削時(shí)，承 受著一定的重力、切削力、摩擦力、夾緊力；第二是基準(zhǔn)作用

26、，即保證機(jī)床在使 用中或長(zhǎng)期使用后，能夠保證各部件之間正確的相互位置關(guān)系和相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡 。 加工中心的總體布局有著多種形式，每種布局形式都有著各自的運(yùn)動(dòng)分配形式， 當(dāng)然，布局不同的話，其加工能力和加工范圍，以及各自的加工精度也會(huì)隨著布 局的不同而有所差異。 機(jī)床 的結(jié)構(gòu)性能也會(huì)因此而各有差異， 有的布局形式，機(jī) 床的剛性比較好 ，比如工作臺(tái)直接放置在床身上，那么工作臺(tái)的承載能力會(huì)較強(qiáng) 一點(diǎn)。有的布局形式，立柱會(huì)受到偏載的影響導(dǎo)致立柱會(huì)有前傾的傾向，比如主 軸箱懸掛于立柱的一側(cè)，其結(jié)果就會(huì)導(dǎo)致立柱受到偏心載荷。但是主軸箱如果卡 裝載框式立柱的中間的話，那樣就會(huì)形成一種對(duì)稱布局的形式，受力以后，

27、它的 變形較小，從而使其加工精度得以提高 。 總體布局方案的確定 參照目前國(guó)內(nèi)外加工中心的多種常用布局形式并適當(dāng)結(jié)合本次設(shè)計(jì)的任務(wù)， 即： 小型立式加工中心總體布局的確定（由小組三人共同商討合 作完成） 也就是 機(jī)床的總體尺寸聯(lián)系圖，根據(jù)目前現(xiàn)有的 幾種加工中心比如： MCV2520 小型立式 加工中心、 VMC800、 VMC1250立式加工中心和 XH714等銑削加工中心的總體布局 的形式，再以實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的加工中心的機(jī)型作為設(shè)計(jì)的參考，綜合考慮機(jī)床的各個(gè) 部件之間尺寸大小和運(yùn)動(dòng)形式 初步確定了機(jī)床的總體布局方案，并且根據(jù)刀庫配 置形式的不同擬定了以下兩種總體布局方案 ： 第一種方

28、案： 第二種方案 ： 以上 兩種布局 形式 的主要區(qū)別在于刀庫的放置方式不同 。 第一種方案的布局形式中，刀庫懸掛于立柱左邊的橫梁之上，刀庫可以通過驅(qū)動(dòng)裝置在 橫梁上左右移動(dòng)，另一方面 刀庫 也可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)以進(jìn)行刀具的選擇與切換。這是一種不需要 換刀機(jī)械手的換刀裝置，當(dāng)主軸需要換刀的時(shí)候 , 刀庫放在主軸箱可以運(yùn)動(dòng)的地方，或整個(gè) 刀庫或某一刀位能移動(dòng)到主軸箱可以到達(dá)的位置，同時(shí)，刀庫中刀具的存放方向一般與主軸 上的裝刀方向一致 ，但是刀具的長(zhǎng)度會(huì)有所限制 。換刀時(shí)，由驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)床主軸運(yùn)動(dòng)到 刀庫上 的換刀位置，利用主軸直接取走或放回刀具。這樣的主軸需要有刀具自動(dòng)夾緊裝置 ， 這

29、樣，主軸才能完成刀具的自動(dòng)拆卸和安裝。同時(shí)，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，所以制造成本也相對(duì)來 說比較低。同時(shí)換刀時(shí)，刀庫需要整體在橫梁上移動(dòng)到主軸可以到達(dá)的地方，這樣來看，刀 庫的支撐剛度就比較低，所以這樣的布局形式需要機(jī)床的立柱和橫梁要有較高的剛度 ，但是 換刀過程中，必須遵循主軸拔刀、刀庫選刀、主軸換刀的過程，上述過程不能同時(shí)進(jìn)行，因 此換刀時(shí)間會(huì)有點(diǎn)長(zhǎng)。 第二種方案的布局形式中， 刀庫側(cè)掛于主軸箱旁邊，刀庫軸線 與機(jī)床主軸軸 線相互垂直。由于機(jī)床主軸和刀具軸線不平行，這樣在主軸換刀的時(shí)候就需要一 個(gè)輔助裝置來幫助主軸換刀，這個(gè)裝置就是換刀機(jī)械手。第二種方案其實(shí)就是有 換刀機(jī)械手的刀庫結(jié)構(gòu)形式 ， 這

30、種自動(dòng)換刀裝置有一個(gè)專做儲(chǔ)存刀具用的刀庫，機(jī)床只 需一個(gè)夾持刀具進(jìn)行切削的刀具主軸（鉆、鏜、銑類加工中心）。當(dāng)需用某一刀具進(jìn)行切削 加工時(shí)，將該刀具自動(dòng)地從刀庫移送至刀具主軸或刀架中；切削完畢后，又將用過的刀具自 動(dòng)地從刀具主軸或刀架移回刀庫中 ， 這樣的刀庫中的刀具長(zhǎng)度可以稍微長(zhǎng)一些 ， 并且，換刀 時(shí)，拔刀和還刀可以 同時(shí)進(jìn)行，這樣換刀時(shí)間就可以縮短一些 。 結(jié)合本次設(shè)計(jì)的任務(wù)（小型立式加工中心），考慮制造成本及其它因素，選擇采用第 一種方案的 布局形式。其優(yōu)點(diǎn) 主要是這種刀庫機(jī)構(gòu)不需要機(jī)械手，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊 節(jié)省占地 空間 ， 降低加工制造成本 。由于交換刀具時(shí)機(jī)床不工作，所以不會(huì)影響

31、加工精度，但會(huì)影響 機(jī)床的生產(chǎn)率。其次受刀庫尺寸限制，裝刀數(shù)量不能太多。 而且 這種換刀方式常用于小型加 工中心。 因此采用此種結(jié)構(gòu)方式。 第 3 章 刀庫及自動(dòng)換刀裝置 3.1 加工中心刀庫 刀庫是所有加工中心都必須配有的裝置 ， 刀庫是 加工中心重要的組成部分。 加工中心備有刀庫，才能具有自動(dòng)換刀功能，才可以依次選用不同的刀具對(duì)工件 一次裝夾后進(jìn)行多工序加工，完成不同的加工工藝。刀庫的作用是用來存放刀具 的，它是自動(dòng)換刀裝置中最重要的部件之一。其中，刀庫的布局、容量還有刀具 的具體結(jié)構(gòu)也因機(jī)床結(jié)構(gòu)的不同而有所差異。目前加工中心最常用的刀庫形式主 要有鼓輪式刀庫和鏈?zhǔn)降稁斓龋洳季中问?/p>

32、主要根據(jù)機(jī)床整體的布局形式而確定。 其中，鼓輪式刀庫又稱盤式刀庫，常見的形式有刀具軸線與鼓輪軸線平行式和刀 具軸線與鼓輪軸線傾斜式布局兩種。而鏈?zhǔn)降稁炀哂薪Y(jié)構(gòu)緊湊、布局靈活、 刀庫 容量大的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)刀具的預(yù)選，因此換刀時(shí)間比較短。但鏈?zhǔn)降稁煲话阈?要安裝在機(jī)床的側(cè)面或頂部，占地面積大，并且，一般情況下刀具軸線和主軸軸 刀庫 主軸 刀庫 主軸 主軸 刀庫 刀庫 主軸 刀庫 主軸 刀庫 主軸 (a) (b) (c) (f)(e)(d) 線相互垂直，需要通過機(jī)械手進(jìn)行換刀，因此，機(jī)械結(jié)構(gòu)比鼓輪式刀庫結(jié)構(gòu)復(fù)雜 。 加工中心利用其所配置的刀庫實(shí)現(xiàn)主軸的換刀過程，這是目前加工中心大量使用

33、 的換刀方式，由于有了刀庫，機(jī)床只要一個(gè)固定主軸夾持刀具，有利于提高主軸 剛度。 另外 獨(dú)立的刀庫，大大增加了刀具的儲(chǔ)存數(shù)量，有利于擴(kuò)大機(jī)床的功能， 并能較好地隔離各種影響加工精度的干擾因素 。圖為立式加工中心無機(jī)械 手換刀 系統(tǒng)的換刀過程 。 抓刀 主軸至換刀位（到位行程開關(guān)），所選刀已被刀庫送至當(dāng)前位置，首先 主軸卡爪松開，主軸頭下移到抓刀位（行程開關(guān)）主軸松刀缸活塞下部通氣，卡 爪抓緊刀柄，氣壓系統(tǒng)對(duì)主軸孔吹氣停止，主軸提升到換刀位。 還刀 主軸回裝刀位（到位行程開關(guān)），卡爪松開刀柄，主軸提升到位，還刀 結(jié)束。 刀庫還刀 刀庫換刀結(jié)束后，刀庫按照下步工序要求，

34、采用就近方式旋轉(zhuǎn)， 將下步刀具送至當(dāng)前位置，完成選刀過程，等待下次主軸的抓刀過程。 這種換 刀機(jī)構(gòu)不需要機(jī)械手，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊。由于交換刀具時(shí)機(jī)床不工作， 所以不會(huì)影響加工精度，但會(huì)影響機(jī)床的生產(chǎn)率。其次受刀庫尺寸限制，裝刀數(shù) 量不能太多 ，一般為 8～ 24把。 刀庫分為盤式刀庫、鏈?zhǔn)降稁?、格子式刀庫，其中盤式刀庫按取刀方式又分 為徑向取刀和軸向取刀以及刀具軸線和刀盤軸線成一定的夾角幾種形式 本次加工中心的刀庫選用盤式刀庫，刀具軸線和刀盤軸軸線相互平行，采用 軸向取刀的方式 。 大致結(jié)構(gòu)參考下圖 ： 3.2 刀庫設(shè)計(jì)計(jì)算 3.2.1 刀庫設(shè)計(jì)參數(shù) 刀庫容量： 20把刀

35、 換刀方法：直接換刀 刀庫旋轉(zhuǎn)：電機(jī)和齒輪箱 換刀時(shí)間： 8 s 最大刀具質(zhì)量： 10kg 刀柄類型： No.45系列 ISO7388/1-A 拉釘： ISO7388/2-A 刀庫最大承重： 100kg 刀庫最大位移量： 300mm 查閱相關(guān)資料并經(jīng)過具體設(shè)計(jì)計(jì)算和驗(yàn)算校核 根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐和各參 考資料，設(shè)計(jì)刀庫如圖 3-3： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1718192021222627282930 39232425 3233 34 35 36 37 38 31 圖 3-3 刀庫結(jié)構(gòu) 圖 1-導(dǎo)軌副； 2-軸承端

36、蓋； 3-軸承； 4-圓螺母； 5-墊片； 6-支撐板； 7-滾珠絲杠； 8-螺釘； 9-墊片； 10-箱體； 11-圓螺母； 12-墊片； 13-護(hù)罩； 14 齒輪箱體； 15-大齒輪； 16-鍵； 17- 擋圈； 18-圓錐滾子軸承； 19-墊片； 20-軸承端蓋； 21-軸； 22-盤形刀架； 23-聯(lián)軸器； 24- 錐環(huán)； 25-螺釘； 26-彈簧墊圈； 27-圓螺母； 28-齒輪； 29-伺服電機(jī)； 30-手爪； 31-聯(lián)軸器； 32-錐環(huán)； 33-螺釘； 34-伺服電動(dòng)機(jī)； 35-螺栓； 36-螺釘； 37-螺栓； 38-擋板； 39-主軸頭 刀庫除了儲(chǔ)存刀具之外，還要求根據(jù)要

37、求將個(gè)工序所用的刀具運(yùn)送到 換刀位置。本設(shè)計(jì)才采用電機(jī) 34 和 29 驅(qū)動(dòng)。刀庫由電機(jī) 34 驅(qū)動(dòng)聯(lián)軸器 31，然后經(jīng)滾珠絲杠 7把電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成刀庫整體的移動(dòng)，刀庫靠近主 軸 39，并在此過程中利用銷釘把護(hù)罩打開，使刀柄外露，當(dāng)?shù)稁焱Ｖ乖趽Q 刀位置后，主軸 39 向下移動(dòng)，把上道工序所用刀具放回刀庫中的指定安 放位置（盤形刀架 22 上均布 24 個(gè)手爪 27，其外側(cè)邊緣上有相應(yīng)的 24 個(gè) 刀座編碼板。在刀庫的下方裝有固定不動(dòng)的刀座號(hào)讀取裝置，當(dāng)盤形刀架 22 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，刀座編碼板依次經(jīng)過刀座號(hào)讀取裝置，并讀出各刀座 的編號(hào)， 與輸入指令相比較，當(dāng)找到所要求的刀座號(hào)時(shí)，即發(fā)出換刀信號(hào)）；

38、松開 刀柄和拉釘，并向上移動(dòng)一定位移量，使主軸處在刀庫上方；之后，刀庫 在氣馬達(dá) 26 的帶動(dòng)下，經(jīng)過聯(lián)軸器傳動(dòng)，帶動(dòng)刀庫的整體轉(zhuǎn)動(dòng)，把所要 求的下道工序刀具轉(zhuǎn)動(dòng)到主軸頭 36 的正下方，主軸頭 36 從新向下移動(dòng)， 加緊刀柄和拉釘，向上移動(dòng)遠(yuǎn)離刀庫，完成換刀動(dòng)作。電機(jī) 34 反轉(zhuǎn)，帶 動(dòng)刀庫返回起始位置，等待下一次換刀指令 。 當(dāng)然，在設(shè)計(jì)的過程中，必須首先了解刀庫的工作原理和弄清刀庫的 具體結(jié)構(gòu)，才能清 楚 明白進(jìn)行刀庫的設(shè)計(jì)工作?？偟膩碚f，此次選的的刀 庫結(jié)構(gòu) 形式主要有兩大部分組成，第一個(gè)是 讓刀庫橫向水平移動(dòng)的部分， 也叫做刀庫的橫移裝置，第二部分是帶動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)的以便進(jìn)行選刀和換刀

39、 的部分，也叫做刀庫的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置。 其中刀庫的橫向移動(dòng)可以有多種方案的 選擇，比如說 可以有氣缸推動(dòng)刀庫進(jìn)行橫向移動(dòng)，或者是液壓缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)， 也可以用電機(jī)加絲杠或者滾珠絲杠進(jìn)行橫向移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置，導(dǎo)軌可以用 滑動(dòng)導(dǎo)軌，也可以選用滾動(dòng)導(dǎo)軌，或者是圓柱導(dǎo)軌，當(dāng)然它們之間也可以 進(jìn)行不同的組合得到更多的組合方案。另外，刀庫的轉(zhuǎn)動(dòng)部分也有多種設(shè) 計(jì)方案，第一，可以用電機(jī)加渦輪蝸桿進(jìn)行傳動(dòng)帶動(dòng)刀盤進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)；第二， 電 機(jī)加槽輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)刀盤軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)；再者，可以選擇 電機(jī)加齒輪傳動(dòng)的 方式進(jìn)行傳遞扭矩。當(dāng)然橫向裝置和轉(zhuǎn)動(dòng)裝置之間也可以進(jìn)行交叉組合得 出多種方案以供選擇。經(jīng)過綜合考慮和多種方案的比較，最終的選

40、擇方案 如下：橫向移動(dòng)裝置選則使用電機(jī)加滾珠絲杠的形式，導(dǎo)軌選用滾動(dòng)導(dǎo)軌； 轉(zhuǎn)動(dòng)部分選擇使用電機(jī)加齒輪減速機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動(dòng)。其特點(diǎn)如下伺服電機(jī)加 滾珠絲杠可以使刀庫的橫向移動(dòng)沖擊更小，更加平穩(wěn) ，定位精度較高，誤 差較小；而步進(jìn)電機(jī)則可以精確控制轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和方向，通過發(fā)送脈沖進(jìn) 行動(dòng)作，通過控制發(fā)送脈沖的數(shù)量控制其轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，通過控制脈沖的頻 率來控制起轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，并且，對(duì)于齒輪傳動(dòng)來說，齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比比 較準(zhǔn)確，傳動(dòng)效率高，承載能力較強(qiáng)等 故綜上所述選擇以上方案為最 終方案。此外，借助三維建模軟件 SolidWorks 進(jìn)行三維建模的零部件的 設(shè)計(jì)以及裝配 體模型 ，以便更加清楚直觀的表示出

41、其總體的空間布局和結(jié) 構(gòu)以及各個(gè)部件之間的布局關(guān)系以及相互位置關(guān)系。其 大致 三維視圖如下 圖所示 ： 軸測(cè)圖： 如上圖所示：刀庫的橫向移動(dòng)裝置在橫梁上左右移動(dòng)，刀庫的 橫向移動(dòng)是由 伺服電機(jī)直接帶動(dòng)滾珠絲杠來完成的，電機(jī)通過螺栓固定在橫梁上，滾珠絲杠通 過軸承座固定在橫梁上，電機(jī)和滾珠絲杠通過聯(lián)軸器直接相連接 。 主視圖： 如圖所示 ， 在機(jī)床的橫梁之上，安裝有導(dǎo)軌，導(dǎo)軌選用滾動(dòng)導(dǎo)軌副， 并且水平 放置 左視圖： 導(dǎo)軌上有與之相配的滑塊，一般是四個(gè)滑塊組合在一起使用， 圖上只畫出兩個(gè)僅 作為示意而用。 滑塊和右側(cè)的滑座通過螺栓連接固定在一起，然后，滑座和滾珠 絲杠螺母副通過

42、螺母座連接在一起，螺母座和滑座都不是標(biāo)準(zhǔn)件，是根據(jù)刀庫的 放置形式和具體結(jié)構(gòu)而專門制作的。整個(gè)刀庫的轉(zhuǎn)動(dòng)部分就 和 滑座 固連在一塊， 這樣當(dāng)橫向上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾珠絲杠就將電機(jī)的 轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成直線運(yùn)動(dòng)，接著通過螺母座將直線運(yùn)動(dòng)傳遞下去，從而使整個(gè)刀盤部 分做水平移動(dòng) 。 刀庫的轉(zhuǎn)動(dòng)部分是通過步進(jìn)電動(dòng)機(jī)經(jīng)過一級(jí)減速齒輪來完成的。由于刀盤的 轉(zhuǎn)動(dòng)速度不是特別高，則與電機(jī)直接相連接的軸的速度也不是很高 ，電機(jī)和第一 根軸之間也是采用聯(lián)軸器直接相連在一起 ，從而需要選擇使用減速電機(jī)。 這樣， 電機(jī)通過聯(lián)軸器經(jīng)過一級(jí)齒輪減速裝置將運(yùn)動(dòng)傳遞到刀盤軸，帶動(dòng)刀盤軸進(jìn)行轉(zhuǎn) 動(dòng)從而進(jìn)行

43、選刀和換刀。 后視圖： 刀庫容量的確定 立式加工中心的刀庫中，其刀庫容量的多少基本上就決定了這臺(tái)立式加 工中心的加工能力的大小或者說是加工工藝范圍的大小。 一般來說，加工中心要 有適應(yīng)和滿足加工不同零部件的加工能力，以及加工零件的多樣性、加工工序的 復(fù)雜性的能力，所以說，該加工中心的刀庫中必須要有一定的刀具數(shù)量，否則很 難滿足零件加工的復(fù)雜性和工序多樣性的要求。而本次設(shè)計(jì)的加工中心大部分是 用來加工一些需要鉆孔和銑削不大的平面的中小型零件，刀具主要是一些加工孔 的刀具，比如：鉆頭、擴(kuò)孔鉆、锪孔鉆 等，還有就是一些銑 削平面的銑刀，主要 有立銑刀和直徑不是太大的面銑刀。并且，一般而

44、言，刀庫中的刀具數(shù)量越多， 那么刀庫的外形輪廓尺寸也就越大，在空間中所占的地方位置也越大，成本也會(huì) 越高，而刀庫中的刀具數(shù)量如果過少的話，其加工能力會(huì)受到極大的限制，不能 滿足其對(duì)零件的加工要求。綜合考慮結(jié)構(gòu)尺寸和成本因素，刀庫中最終決定采用 20把刀。 一般情況下，刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)速度不是特別快，大概為每分鐘 30～ 40 轉(zhuǎn)，也有 少部分轉(zhuǎn)速比較低的約為每分鐘 15 轉(zhuǎn)左右，還有一些轉(zhuǎn)懂速度比較快的，其轉(zhuǎn) 動(dòng)速度能達(dá)到每分鐘 100轉(zhuǎn)左右。當(dāng)然轉(zhuǎn)動(dòng)速度越快的話，其刀庫和主 軸之間的 換刀時(shí)間也會(huì)有所縮短，設(shè)計(jì)人員也可能是出于這樣的考慮，通過減少換刀的時(shí) 間來提高機(jī)床的生產(chǎn)率和加工效率。 本次初

45、選刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為 30r/min，初選 刀庫的直徑為 D=650mm 3.2.3 刀庫轉(zhuǎn)動(dòng)部分的計(jì)算 1、 刀庫參數(shù)的選擇 刀具數(shù)量： 20 把 刀具最大直徑 ?60 mm 刀具最大重量： 10Kg 刀具最大長(zhǎng)度： 150mm 刀庫最大移動(dòng)速度： 8m/min 1）初選刀庫直徑 650mm 采用輪輻式結(jié)構(gòu)，選用 45 鋼材料 ,根據(jù)刀具的形式和 刀具的最大直徑，現(xiàn)擬采用的排列方式為單環(huán)排列 由于一般情況下刀具的最大運(yùn)動(dòng)線速度為 20～ 30m/min ,為了節(jié)省換刀時(shí)間， 選刀盤轉(zhuǎn)速為 n=30 r/min 2)采用電機(jī)電機(jī)通過一級(jí)圓柱齒輪減速裝置帶動(dòng)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng) ，傳動(dòng)比初

46、定為 i=2， 則與電機(jī)軸相連的小齒輪軸的轉(zhuǎn)速為 60r/min，轉(zhuǎn)速比較低，故在此選用減速 電機(jī) 按刀盤所需扭矩 T=200N m來算 則 轉(zhuǎn)盤軸所需的功率為 Pw= Kw= =0.63 Kw 則 所需電機(jī)的輸出功率為： Pd=Pwη =0.630.932= 0.674 Kw 總效率 ： η=η1η2η3… ηn 其中查表知 各種零件的傳動(dòng)效率如下 ： 彈性聯(lián)軸器： η1=0.99～ 0.995 取為 0.99 一對(duì)軸承： η2=0.98～ 0.995 取為 0.99 圓柱齒輪： η3=0.96～ 0.98 取為 0.97 則 η=η1η2η3=0.

47、99 0.993 0.97=0.932 由以上算的功率和轉(zhuǎn)速查資料初選減速電機(jī)型號(hào)為 R57 功率為 1.1KW 輸出轉(zhuǎn)速 64r/min 輸出轉(zhuǎn)矩 155 N m 使用系數(shù) 2.7 3)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的校核 設(shè)與電機(jī)直接相連的軸為Ⅰ軸，刀盤軸為Ⅱ軸 則各軸上的轉(zhuǎn)速和 功率以及扭矩為： Ⅰ軸 ：因?yàn)橥ㄟ^聯(lián)軸器與電機(jī)直接相連接 則Ⅰ軸上的轉(zhuǎn)速 n1=n0= 64 r/min Ⅰ軸所傳遞的 功率 PⅠ = Pd 0.99=1.089 KW Ⅰ軸上承受的扭矩 T1=9550 1.08964 = 166 N m Ⅱ軸： Ⅱ軸上的轉(zhuǎn)速 n2=n1/i

48、=27.8≈ 28 r/min Ⅱ軸所傳遞的 功率 PⅡ = PⅠ 0.99 0.97=1.046 ＫＷ Ⅱ軸上承受的扭矩 Ｔ 2=9550 PⅡn 2 =9550 1.04628 =356.8 N m 因?yàn)? Ｔ 2=356.8 N m > T=200 N m 故電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩滿足設(shè)計(jì)要求。 2、 圓柱齒輪的設(shè)計(jì) 參考書上例題， 由以上可知 輸入功率為 P=1.089 KW ，小齒輪轉(zhuǎn)速 為 n1=64 r/min 預(yù)期工作時(shí)間為 10 年 （一年按 300天算）傳動(dòng)比定為 i=2.3 首先 （ 1） 選用直齒圓

49、柱齒輪傳動(dòng) ，壓力角取 20 （ 2）參考《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 10-6 選用 7級(jí)精度 （ 3） 選擇小齒輪的材料為 40Cr （調(diào)質(zhì)），齒面硬度為 280 HBS 大齒輪選用 45鋼（調(diào)質(zhì)） （ 4） 初選小齒輪齒數(shù) Z1=31 ，則大齒輪的齒數(shù) Z2= i Z1=71.3 取 Z2= 72 1）、按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) （ 1） 根據(jù)式（ 10-11） 試算小齒輪的分度圓直徑 d1t≥ √2KHtT1(u+1)（ ZHZEZε） 2 ?d?u[σH]2 3 ①小齒輪傳遞的扭矩 T1=9.55 106P/n1=9.55 106 1.08964 =162499.2 N

50、 m ②初選 KHt=1.3 ③齒寬系數(shù) ?d=0.6 ④由圖 10-20 查得區(qū)域系數(shù) ZH=2.5 ⑤ 由表 10-5 可得 ZE=189.8 MPa1/2 ⑥ 重合度系數(shù) αa1=cos?1 [Z1 cosα/(Z1 +ha?)]=cos?1[31 cos20/(31+2 1)]=28.025 αa2=cos?1 [Z2 cosα/(Z2 +ha?)]=cos?1[72 cos20/(72+2 1)]=23.908 εα=[Z1(tanαa1 ?tanα)+Z2(tanαa2 ?tanα)]/2π =[31 (tan28.025 ?tan20 )+72 (t

51、an23.908 ?tan20 )]/2π =(5.217+5.712)/2π =1.740 Zε=√4?εα3 =√4?1.7403 =0.868 ⑦ 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 [σH] 由圖 10-25d 可知小齒輪的接觸疲勞極限 σHLim1=600 MPa，大齒輪的接觸疲 勞極限 σHLim2=550 MPa 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) ： N1=60n1jLh=60 64 1 (8 300 10)=9.216 107 N2=N1 /=4.007 107 由圖 10-23 查得壽命系數(shù) KHN1=0.94 KHN2=0.95 取失效概率為 1%

52、，安全系數(shù) S=1 ,則由式 (10-14) [σH]1=KHN1σHN1S =0.94 6001 =564 MPa [σH]2=KHN2σHN2S =0.95 5501 =525.3 MPa 取 [σH] = [σH]2=525.3 MPa (2）、試算小齒輪的分度圓直徑 按上面的公式代入數(shù)據(jù)可得： d1t≥ √2 1.3 162499 (72/31+1)（ 2.5 189.8 0.868） 2 1 72/31 525.32 3 ≥ 71.88 mm 2)、調(diào)整小齒輪的分度圓直徑 （ 1）要計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 圓周速度 v v=

53、πd1tn160 1000 =π 71.88 6460000 =0.241 m/s 齒寬 b b= ?dd1t =71.88 0.6=43.128 mm （ 2）計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù) KH ① 由書中表 10-2查取使用系數(shù) KA=1 ②根據(jù)圓周速度 v=0.241 m/s 7 級(jí)精度，由圖 10-8 可查取動(dòng)載系數(shù) KV=1.05 ③齒輪圓周力 Ft1= 2T1/d1t=2 162499/71.88=4521 N KAFt1/b=1 4521/43.128=104.83 N/mm＞ 100 N/mm 查表 1

54、0-3可取齒間載荷分配系數(shù) KHα =1.2 ，由表 10-4采用插值法可得 齒向載荷分布系數(shù) KHβ=1.317 則可計(jì)算得到實(shí)際載荷系數(shù) KH=KAKvKHαKHβ=1 1.05 1.2 1.317=1.659 （ 3）由公式 10-12，可以得到按實(shí)際載荷系數(shù) KH計(jì)算的分度圓直徑 d1=d1t√KHK Ht 3 =71.88 √1.659 1.3 3 =77.96 mm 以及相對(duì)應(yīng)的齒輪模數(shù) m=d1/Z1=77.96/31=2.515 mm 3、按齒根彎曲強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) 1）、按公式 10-7試算齒輪模數(shù) mt≥ √2KFtT1Y

55、εYFaYsa? dz12[σF] 3 (1)選擇公式中的各個(gè)參數(shù) 初選 KFt=1.3 根據(jù) 10-5計(jì)算按彎曲疲勞強(qiáng)度所用的重合度系數(shù) Yε=0.25+0.75ε α =0.25+0.751.740=0.681 計(jì)算 YFaYsa[σ F] 根據(jù)圖 10-17查取齒形系數(shù) YFa1=2.55 YFa2=2.25 根據(jù)圖 10-18查取應(yīng)力修正系數(shù) Ysa1=1.63 Ysa2=1.75 根據(jù)圖 10-24查取小齒輪的齒根彎曲疲勞極限為 σFLim1=500MPa 大齒輪的齒根彎曲疲勞極限為 σFLim2=380MPa 根據(jù)圖 10-22查取彎

56、曲疲勞壽命系數(shù) KFN1=0.90 KFN2=0.92 若取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4，那么 根據(jù)式 10-14可得 [σF]1=KFN1σFLim1S =0.90 5001.4 =321.43 MPa [σF]2=KFN2σFLim2S =0.92 3801.4 =249.71 MPa YFa1Ysa1[σ F]1 =2.55 1.63321.43 =0.0129 YFa2Ysa2[σ F]2 =2.25 1.75249.71 =0.0158 因?yàn)? YFa2Ysa2[σ F]2 =2.25 1.75249.71 =0.0158 ＞ YFa1Ysa1[σ F

57、]1 =2.55 1.63321.43 =0.0129 所以取 YFaYsa[σ F] =YFa2Ysa2[σ F]2 =2.25 1.75249.71 =0.0158 2） 試算齒輪的模數(shù) 按公式： mt≥ √2KFtT1YεYFaYsa? dz12[σF] 3 =√2 1.3 162499 0.681 1 312 3 =1.654 mm (2)調(diào)整齒輪的模數(shù) 要計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 1）圓周速度 v d1=mtz1=1.654 31=51.274 mm v=πd1n160000=π 51.274 6460000 =0.172 m/s 2)齒寬 b

58、 b= b= ?dd1=0.6 51.274=30.76 mm 3)寬高比 b/h h=(2ha? +c?)mt=2.25 1.654 =3.722 b/h=30.76/3.722=8.26 計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù) KF 1）由所算數(shù)據(jù) v=0.172 m/s 7級(jí)精度 根據(jù)圖 10-8查取動(dòng)載系數(shù) Kv=1.02 2） Ft1=2T1/d1=2 162499/51.274=6338.64 N KAFt1/b=6338.46 1/30.76=206.06 N/mm >100 N/mm 根據(jù)表 10-3 查取齒間載荷分配系數(shù) KFα=1.0 3）根據(jù)

59、表 10-4 采用插值法算得 KHβ=1.312 再結(jié)合 b/h=8.26由圖 10-13可 得 KFβ=1.34 那么，載荷系數(shù)可得 ; KF=KAKvKFαKFβ=1 1.02 1.0 1.26=1.285 那么，根據(jù)式 10-13可以計(jì)算出按實(shí)際載荷系數(shù)所算得的模數(shù) m=mt√KFK Ft 3 =1.654 √1.285 1.3 3 =1.648 mm 綜合對(duì)比以上計(jì)算結(jié)果，按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度所算的模數(shù)小于根據(jù)齒面接觸 疲勞強(qiáng)度所算的模數(shù)，因?yàn)辇X輪的模數(shù)的大小取決于彎曲疲勞強(qiáng)度決定的承載能 力，而齒輪直徑的大小則與齒面 接觸疲勞強(qiáng)度決定的承載能力有關(guān)。所以可以取

60、由彎強(qiáng)計(jì)算得到的模數(shù) 1.684 mm，并將其圓整為標(biāo)準(zhǔn)值 m=2 mm，根據(jù)接觸疲勞 強(qiáng) 度 計(jì) 算 的 小 齒 輪 分 度 圓 直 徑 d1=77.96 mm, 由 此 算 得 齒 輪 齒 數(shù) z=d1/m=77.96/2=38.98 取小齒輪齒數(shù) z1=39,那么，大齒輪的齒數(shù) z2=iz1=2.3 39=89.7 取 z2=90 4、尺寸計(jì)算 （ 1）分度圓直徑 d1=z1m=39 2=78 mm d2=z2m=90 2=180 mm (2)中心距 a=( d1+ d2 )/2=129 mm≈ 130 mm (3)齒輪寬度 取小齒輪齒

61、寬 b1=45 mm ,則大齒輪齒寬略短 5mm,即 b2=40 mm 二、軸的設(shè)計(jì)與校核 1、Ⅰ軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 Ⅰ軸所傳遞的 功率 PⅠ = Pd 0.99=1.089 KW Ⅰ軸上的轉(zhuǎn)速 n1=n0= 64 r/min 估算軸的直徑 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的條件進(jìn)行計(jì)算，軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為 τT= TW T ≈ 9550000 P n 0.2d3 ≤ [τT] 公式中 : τT— 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 ,單位 MPa; T— 軸所承受的扭矩， 單位 N m WT— 軸的抗扭截面系數(shù) ，單位 mm3 n— 軸的轉(zhuǎn)速 ，單位 r/min P— 軸所傳遞的

62、功率 ，單位 KW d— 計(jì)算截面處軸的直徑 ,單位 mm [τT]— 軸的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 ，單位 MPa 根據(jù)以上公式可以得到軸的直徑 d≥ √9550000P0.2[τ t]n 3 =√9550000 0.2[τt] 3 √P n 3 =A 0√ P n 3 公式中， A0=√95500000.2[τ t] 3 ，查閱 下 表 表 3-1 軸常用材料的 ? ?T? 及 A0 軸的材料 Q235-A、 20 Q275、 35 45 40Cr、 35SiMn ? ?T? /MPa 15?25 20?35 25?45 35?55 A0 149?126 135?112

63、 126?103 112?97 選取軸的材料為 40Cr,可以取 A0=110， [τT]=40 MPa, 則軸的直徑為 d≥ A0√Pn3 =110 √1.089643 =28.2 mm 一般來說，如果當(dāng)軸的截面上開有鍵槽的時(shí)候，應(yīng)該適當(dāng)考慮軸上的 鍵槽對(duì)軸的強(qiáng)度的削弱作用，所以應(yīng)該適當(dāng)?shù)脑龃筝S的直徑。如果軸的 直徑 d>100 mm,當(dāng)軸上只有一個(gè)鍵槽的時(shí)候，軸的直徑應(yīng)增大 3%，當(dāng)軸 上有兩個(gè)鍵槽的時(shí)候，軸的直徑應(yīng)該增大 7%。如果軸的直徑 d < 100 mm, 那么，當(dāng)軸上只有一個(gè)鍵槽的時(shí)候，軸的直徑應(yīng)增大 5%～ 7%；當(dāng)軸上 有兩個(gè)鍵槽的時(shí)候，軸的直徑應(yīng)該增大 1

64、0%～ 15%并且將軸的直徑圓整為 標(biāo)準(zhǔn)直徑 因?yàn)檩S上開有兩個(gè)鍵槽，故軸的直徑應(yīng)增大為 d=28.2 (1+0.15)=32.4 mm 圓整為 d=35 mm 2 Ⅰ軸的校核 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算 τT= TW T ≈ 9550000 P n 0.2d3 =18.95 MPA 因?yàn)?τT＜ [τT]=40 MPa, 故軸的設(shè)計(jì)滿足要求。 3 Ⅱ軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 Ⅱ軸所傳遞的 功率 PⅡ = PⅠ 0.99 0.97=1.046 ＫＷ Ⅱ軸上的轉(zhuǎn)速 n2=n1/i=27.8≈ 28 r/min 估算軸的直徑 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的條

65、件進(jìn)行計(jì)算，軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為 d≥ A0√Pn3 查閱表 15-3 ，選取軸的材料為 45鋼 ，那么可以取 A0=110 ， [τT]=40 MPa, 那么，代入數(shù)據(jù)可以算的軸的直徑為 d≥ A0√Pn3 =110 √1.046283 =36.2 mm 當(dāng)軸上開有兩個(gè)鍵槽的時(shí)候，應(yīng)該適當(dāng)增大軸的直徑以考慮軸上的鍵 槽對(duì)軸的削弱作用，因?yàn)檩S的直徑 d < 100 mm,那么由以上說明，軸的直 徑應(yīng)該增大為 d=36.2 1.10=39.82 mm 并將其圓整為 d=40 mm Ⅱ軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)圖如下： 由結(jié)構(gòu)圖知，可

66、以選擇軸承內(nèi)徑為 45mm 的角接觸球軸承 70000AC， 軸承型號(hào)為 7209ＡＣ 下面為軸的工作示意圖： Ⅱ軸的校核 （ 1）軸上所承受的轉(zhuǎn)矩 T2=9550 PⅡn 2 =9550 1.04628 =356.8 N m （ 2）求作用在齒輪上的載荷 已知： 低速級(jí)大齒輪的分度圓直徑為 d2=mz2=2 90=180 mm 作用在齒輪上的圓周力 Ft=2T2d 2 =2 356760.7180 =3964 N 作用在齒輪上的徑向力 Fr=Fttanα=3964 tan20=1442.8 N 軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖如下： 豎直面內(nèi) ： 求支反力 由圖易知： FA+ FB =Fr=1442.8 N 由力矩平衡條件得 Fr