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1、第38頁 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 臥式加工中心主傳動系統設計 摘 要 數控加工中心是一種備有刀庫并能自動更換刀具對工件進行多工序加工的數控機床。它綜合了機械技術、電子技術、計算機軟件技術、氣動技術、拖動技術、現代控制理論、測量及傳感技術以及通訊診斷和應用編程技術的高技術產品。加工中心適合于加工形狀復雜、加工工序多、精度要求較高、需要用多種類型的普通機床和眾多的工藝裝備，且需經多次裝夾和調整才能完成加工的零件。數控加工中心主傳動系統是由主軸電動機、主軸傳動系統以及主軸組件組成。本文對數控加工中心的功能與發(fā)展趨勢進行了簡單的論述，著重論述了臥式加工中心主傳動系統的設計，其內容包

2、括電動機的選擇、確定傳動方案、擬定轉速圖、齒輪的設計與校核、主軸的設計及各傳動軸的設計與各傳動軸的剛度校核。 關鍵詞：主軸箱；無極變速；傳動系統 Horizontal processing center main transmission system design Abstract Processing center is equipped with a sword and can change automatic library tool on the more process of numerical control machine. It

3、 combined the mechanical technology, electronic technology, computer software technology, pneumatic technology, dragging technology, modern control theory, measurement and sensing technology and communications diagnosis and application programming technology of high technology products. Suitable for

4、 processing processing center complex shape, and processing procedures, higher accuracy, need to use a variety of types of ordinary machine tools and many of the technology and equipment, and need to the many times the clamping and adjust to finish machining parts. Processing center main transmissio

5、n system is made of spindle motor, main shaft transmission system and the spindle component. This article on the nc machining center function and the development trend of simple, this paper focuses on the horizontal processing center main transmission system design, and its content including motor s

6、election, sure transmission scheme, for the design of gear speed diagram, and checking, the design and the design and checking of the drive shaft Key words: headstocks, a continuously variable speed , transmission Systerm 目 錄 1 緒 論 1 1.1 加工中心的定義 1 1.2 加工中心的特點 1 1.2.1 加工精度高 1 1.

7、2.2工序集中 1 1.2.3 適應性強 2 1.2.4 生產效率高 2 1.2.5 經濟效益好 2 1.2.6 勞動強度低，工作條件好 2 1.2.7 有利于生產管理的現代化 3 1.3 加工中心的主要加工對象 3 1.3.1 既有平面又有孔系的零件 3 1.3.2 結構形狀復雜、普通機床難加工的零件 3 1.3.3 外形不規(guī)則的異形零件 3 1.3.4 新產品試制中的零件 3 1.3.5 周期性投產的零件 4 1.4 加工中心的基本組成 4 1.4.1 基礎部件 4 1.4.2 主軸部件 4 1.4.3 數控系統 4 1.4.4 自動換刀系統 5 1.4.

8、5 輔助裝置 5 1.5 加工中心的工作原理 5 1.6 加工中心的分類 6 1.6.1 立式加工中心 6 1.6.2 臥式加工中心 6 1.6.3 萬能加工中心 6 1.6.4 虛軸加工中心 7 1.7 加工中心的發(fā)展方向 7 2 加工中心主傳動系統 8 2.1 加工中心主傳動系統的要求 8 2.1.1 調速功能 8 2.1.2動態(tài)響應性能 8 2.1.3 精度和剛度要求 8 2.1.4 抗振性和熱穩(wěn)定性要求 9 2.1.5 具有刀具的自動夾緊功能 9 2.1.6 功率要求 9 2.1.7 主軸定位功能要求 9 2.2主傳動系統主要技術指標的確定 9 2.

9、2.1 主運動變速系統主要參數 10 2.2.2 主傳動功率 10 2.2.3 選擇電動機型號 10 2.2.4 電動機的功率、扭矩特性 11 2.3主傳動變速系統設計 11 2.3.1 轉速圖的擬定 11 2.3.2 主運動的調速范圍 12 2.3.3 主軸箱傳動系統圖 13 2.3.4 各軸計算轉速 14 3 傳動系統零部件設計 15 3.1選定齒輪類型,精度等級,材料及齒數 15 3.2齒輪齒數的確定 15 3.3齒輪模數的估算 15 3.4按齒面接觸疲勞強度校核齒輪模數 16 3.5估算各傳動軸直徑與各軸的材料選取 18 3.6 傳動軸的彎曲剛度驗算 19

10、 3.7花鍵鍵側擠壓應力計算 27 4 主軸組件的設計 29 4.1主軸的要求 29 4.1.1回轉精度 29 4.1.2 靜剛度 29 4.1.3 抗振性 29 4.1.4 升溫和熱變形 29 4.1.5 耐磨性 29 4.1.6 材料和熱處理 30 4.1.7 主軸的結構 30 4.1.8主軸軸承的選擇 30 4.2 主軸尺寸參數的確定 31 4.2.1主軸直徑的確定 31 4.2.2主軸內孔直徑 31 4.2.3主軸前懸伸量 31 4.2.4主軸的支承跨距 32 4.2.5主軸軸端結構 32 5總裝配圖 33 結 論 34 致 謝 35

11、參考文獻 36 1 緒 論 1.1 加工中心的定義 加工中心是一種備有刀庫并能自動更換刀具對工件進行多工序加工的數控機床。它是適應省力、省時和節(jié)能的要求而迅速發(fā)展起來的，它綜合了機械技術、電子技術、計算機軟件技術、氣動技術、拖動技術、現代控制理論、測量及傳感技術以及通訊診斷、刀具和應用編程技術的高技術產品，將數控銑床、數控鏜床、數控鉆床的功能并聚集在一臺加工設備上，且增設有自動換刀裝置和刀庫，可在一次安裝工件后，數控系統控制機床按不同工序自動選擇和更換刀具，自動改變機床主軸轉速、進給量和刀具相對工件的運動軌跡及其他輔助功能；依次完成多面和多工序的端平面、孔系、內外倒角、環(huán)形槽及

12、攻螺紋等加工。由于加工中心能集中完成多種工序，因而可減少工件裝夾、測量和調整時間，減少工件周轉、搬運存放時間，使機床的切削利用率高于通用機床3~4倍，達80%以上。所以說，加工中心不僅提高了工件的加工精度，而且是數控機床中生產率和自動化程度最高的綜合性機床。 1.2 加工中心的特點 1.2.1 加工精度高 加工中心同其他數控機床一樣具有加工精度高的特點，由于加工中心采用工序集中的加工手段，一次安裝即可加工出零件上大部分待加工表面，避免了工件多次裝夾所產生的裝夾誤差，在保證高的工件尺寸精度的同時獲得各加工表面之間高的相對位置精度。另外，加工中心整個加工過程由程序控制自動執(zhí)行，避免了人為操作

13、所產生的偶然誤差。結合加工中心完善的位置補償功能及高的定位精度和重復定位精度，使工件加工精度更高，加工質量更加穩(wěn)定。 1.2.2工序集中 加工中心備有刀庫，能自動換刀，并能對工件進行多工序加工?，F代加工中心更大程度地使工件在一次裝夾后實現多表面、多特征、多工位的連續(xù)、高效、高精度加工，即工序集中。這是加工中心最突出的特點。 1.2.3 適應性強 加工中心對加工對象的適應性強。加工中心加工工件的信息都由一些外部設備提供，比如軟盤、光盤、USB接口介質等，或者有計算機直接在線控制（DNC）。當加工對象改變時，除了更換相應的刀具和解決毛坯裝夾方式外，只需要重新編制程序，輸入新的程序就能實現對

14、新的零件的加工，縮短了生產準備周期，節(jié)約了大量工藝裝備費用。這對結構復雜零件的單件、小批量生產及新產品試制帶來極大地方便，同時，它還能自動加工普通機床很難加工或無法加工的精密復雜零件。 1.2.4 生產效率高 零件加工所需要的時間包括機動時間和輔助時間兩部分，加工中心能夠有效地減少這兩部分時間。加工中心主軸轉速和進給量的調節(jié)范圍大，每一道工序都能選用最有利的切削用量，良好的結構剛性允許加工中心進行大切削量的強力切削，有效地節(jié)省了機動時間。加工中心移動部件的快速移動和定位均采用了加速和減速措施，選用了很高的空行程運動速度，消耗在快進、快退和定位的時間要比一般機床少得多。同時加工中心更換待加

15、工零件時幾乎不需要重新調整機床，零件安裝在簡單的定位夾緊裝置中，用于停機進行零件安裝調整的時間可以大大節(jié)省。加工中心加工工件時，工序高度集中，減少了大量半成品的周轉、搬運和存放時間，進一步提高了生產效率。 1.2.5 經濟效益好 加工中心加工零件時，雖分攤在每個零件上的設備費用較昂貴，但在單件、小批量生產情況下，可以節(jié)省許多其他方面的費用。由于是數控加工，加工中心不必準備專用鉆模等工藝設備，加工之前節(jié)省了劃線工時，零件安裝在機床上之后可以減少調整、加工和檢驗時間。另外，由于加工中心的加工穩(wěn)定性，減少了廢品率，是生產成本進一步下降。 1.2.6 勞動強度低，工作條件好 加工中心的加工零件

16、是按事先編好的程序自動完成的，操作者除了操作鍵盤、裝卸零件、進行關鍵工序的中間測量以及觀察機床的運行之外，不需要進行繁重的重復性手工操作，勞動強度可大為減輕；同時，加工中心的結構均采用全封閉設計，操作者在外部進行監(jiān)控，切削、冷卻液等對工作環(huán)境的影響微乎其微，工作條件較好。 1.2.7 有利于生產管理的現代化 利用加工中心進行生產，能準確地計算出零件的加工工時，并有效地簡化檢驗、工夾具和半成品的管理工作，這些特點有利于生產管理現代化。當前有許多大型CAD/CAM集成軟件已經開發(fā)了生產管理模塊，實現了計算機輔助生產管理。加工中心使用數字信息與標準代碼輸入，最適宜計算機聯網及管理。當前較為流行的

17、FMS、CIMS、ERP等都離不開加工中心的應用。 1.3 加工中心的主要加工對象 1.3.1 既有平面又有孔系的零件 加工中心具有自動換刀裝置，在一次安裝中，可以完成零件上平面的銑削、孔系的鉆削、鏜削、鉸削、及螺紋切削等多工步加工。加工部位可以在一個平面上，也可以在不同的平面上。因此，既有平面又有孔系的零件是加工中心的首選加工對象，常見的這類零件有箱體和盤、套、板類零件。 1.3.2 結構形狀復雜、普通機床難加工的零件 主要表面是由復雜曲線、曲面組成的零件加工時，需要多坐標聯動加工，這在普通機床上是較難甚至是無法加工的，加工中心是這類零件加工的最佳設備。常見的零件有凸輪類、整體

18、葉輪類、模具類。 1.3.3 外形不規(guī)則的異形零件 異形零件指外形不規(guī)則的零件，大多要點、線、面多工位混合加工。如支架、基座、撥叉等。異形零件由于外形不規(guī)則，在普通機床上只能采取工序分散的原則加工，需要工裝較多，周期較長。利用加工中心多工位點、線、面混合加工的特點，可以完成大部分甚至全部工序內容。 1.3.4 新產品試制中的零件 在新產品定型之前，需經反復試驗和改進、選擇加工中心試制，可省去許多通用機床加工所需要的試制工裝。當零件被修改時，只需修改相應的程序及適當地調整夾具、刀具即可，節(jié)省了費用，縮短試制周期。 1.3.5 周期性投產的零件 用加工中心加工零件時，所需工時主要

19、包括基本時間和準備時間，其中，準備時間占很大比例。例如工藝準備、程序編制、零件首件試切等，這些時間往往是單件基本時間的幾十倍。采用加工中心可以將這些準備時間的內容儲存起來，供以后反復使用。這樣，對周期性投產的零件，生產周期就可以大大縮減。 1.4 加工中心的基本組成 1.4.1 基礎部件 如圖1.1所示，它是加工中心的基礎結構，有床身、立柱、工作臺等組成，它們不僅要承受加工中心的靜載荷，還要承受切削加工時產生的動載荷，所以要求加工中心的基礎部件必須有足夠的剛度。這些大件可以是鑄鐵件也可以是焊接而成的鋼結構件，它們是加工中心中體積和重量最大的部件。 1.4.2 主軸部件 由主軸箱、主

20、軸、主軸軸承等零件組成。主軸的啟動、停止、變速等動作均由數控系統控制，并且通過裝在主軸上的刀具參與切削運動，是切削加工的功率輸出部件。主軸是加工中心的關鍵部件，其結構的好壞對加工中心的性能有很大的影響，它決定著加工中心的切削性能、動態(tài)剛度、加工精度等。 1.4.3 數控系統 單臺加工中心的數控部分由CNC裝置、可編程控制器、伺服驅動裝置以及電機等部件組成。CNC裝置是一種位置控制系統，其控制的過程是根據輸入的信息進行數據處理、插補運算，獲得理想的運動軌跡信息，然后輸出到執(zhí)行部件，加工出所需要的工件?？删幊炭刂破鞔嬉话銠C床中電氣柜，執(zhí)行數控系統指令，控制機床執(zhí)行動作。數控系統主要功能有：控

21、制功能、進給功能、主軸功能、輔助功能、刀具功能和第二輔助功能、補償功能、字符圖形顯示功能、自診斷功能、通信功能、人機對話程序編制功能等。數控系統是加工中心執(zhí)行順序控制動作和完成加工過程的控制中心。 1.4.4 自動換刀系統 該系統是加工中心區(qū)別于其他數控機床的典型裝置，它解決工件一次裝夾后多工序連續(xù)加工中，工序與工序間的刀具自動存儲、選擇、搬運和交換任務。它由刀庫、機械手、驅動機構等部件組成。刀庫是存放加工過程所使用的全部刀具的裝置，刀庫有盤式、鼓式、鏈式等多種形式，容量從幾把到幾百把，當需換刀時，根據數控系統指令，由機械手將刀具取出裝入主軸孔中。機械手的結構根據刀庫與主軸的相對位置及

22、結構的不同也有多種形式，如單臂式、雙臂式、回轉式、軌道式等。有的加工中心不用機械手而利用主軸箱或刀庫的移動來實現換刀。 1.4.5 輔助裝置 包括潤滑、冷卻、排屑、防護、液壓、氣動、檢測系統等部件。這些裝置雖然不直接參與切削運動，但對加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起著保障作用，因此也是加工中心不可缺少的部分。 圖1.1 加工中心的組成 1-X軸直流伺服電動機；2-換刀機械手；3-數控柜；4-刀庫；5-主軸箱； 6-操作面板；7-驅動電源柜；8-工作臺；9-滑座；10-床身 1.5 加

23、工中心的工作原理 根據零件圖紙，制定工藝方案，采用手工或計算機自動編制零件加工程序，把零件所需的機床各種動作及全部工藝參數變成機床的數控裝置能接受的信息代碼，并把這些代碼存儲在信息載體上，將信息載體送到輸入裝置，讀出信息并送入數控裝置。另一種方法是利用計算機和加工中心的接口直接進行通信輸入。進入數控裝置的信息，經過一系列處理和運算轉變?yōu)槊}沖信號。有的信號送到機床的伺服系統，通過伺服機構進行轉換和放大，在經過傳動機構，驅動機床有關部件，使刀具和工件嚴格執(zhí)行零件程序所規(guī)定的相應運動。還有的信號送到可編程控制器中，用以順序控制機床的其他輔助動作，實現刀具自動更換。 1.6 加工中心的分類 1.

24、6.1 立式加工中心 立式加工中心指主軸軸心線為垂直狀態(tài)設置的加工中心，其結構形式多為固定立柱式，工作臺為長方形，無分度回轉功能，適合加工盤、套板類零件。立式加工中心通常有三個直線運動坐標，由溜板和工作臺來實現平面上X、Y兩個坐標軸的移動。主軸箱沿立柱導軌上下實現Z坐標移動。立式加工中心裝夾方便，便于操作，易于觀察加工情況，調試程序容易，應用廣泛。但受立柱高度及換刀裝置的限制，不能加工太高的零件。 1.6.2 臥式加工中心 臥式加工中心指主軸軸線為水平狀態(tài)設置的加工中心，臥式加工中心通常采用移動式立柱，工作臺不升降，T形床身。臥式加工中心的立柱普遍采用雙立柱框架結構形式，主軸箱在兩立柱

25、之間，沿導軌上下移動。這種結構剛性大，熱對稱性好，穩(wěn)定性高。臥式加工中心各個坐標的運動可由工作臺移動或由主軸移動來完成，即某一方向的運動可以由刀具固定，工件移動來完成；或者由工件固定，刀具移動來完成。臥式加工中心一般具有三軸聯動，三四個運動坐標。常見的是三個直線坐標X、Y、Z聯動和一個回轉坐標B分度，它能夠在一次裝夾下完成四個面的加工，最適合加工箱體類零件。臥式加工中心的結構復雜，占地面積大，重量大，價格也較高。 1.6.3 萬能加工中心 萬能加工中心也稱五面加工中心如圖所示。這類加工中心具有立式和臥式加工中心的功能，工件一次裝夾后，能完成除安裝面外的所有側面和頂面的加工。常見的萬能加工中

26、心有兩種形式：一種是主軸可以旋轉90，另一種是主軸不改變方向，而工作臺帶著工件旋轉90。這種加工方式可以使工件的形位誤差降到最低，省去了二次裝夾的工裝，從而提高生產效率，降低加工成本。但萬能加工中心結構復雜、造價高、占地面積大等缺點。 圖1.2 萬能加工中心 1.6.4 虛軸加工中心 虛軸加工中心，它改變了以往傳統機床的結構，通過連桿的運動，實現主軸多自由度運動，完成工件復雜曲面的加工。其基本結構是由一個動平臺、一個定平臺和六根長度可變的連桿構成。動平臺上裝有機床主軸和刀具，定平臺上安裝工件，六根桿實際是六根滾珠絲杠螺母副，它們將兩個平臺連在一起，同時將伺服電動機的旋轉運動轉換為直

27、線運動，從而不斷改變六根桿的長度，帶動動平臺產生六自由度的空間運動，使刀具在工件上加工出復雜的三維曲面。由于這種機床沒有導軌、轉臺等表征坐標軸方向的實體構件，故稱為虛軸機床。 1.7 加工中心的發(fā)展方向 數控技術與加工中心的發(fā)展已走過了半個多世紀的歷程，隨著科學技術的發(fā)展，世界先進制造技術的興起和不斷成熟，對數控加工技術提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技術的應用，對加工中心的各種組成部分提出了更高的性能指標。當今的加工中心正在不斷采用最新技術成就，朝著高速化、高精度化、多功能化、智能化、系統化與高可靠性等發(fā)面發(fā)展。 2 加工中心主傳動系統 2.1 加工中心主傳動系統的要

28、求 加工中心主傳動系統是由主軸電動機、主軸傳動系統以及主軸組件組成。它是加工中心的主要組成部分。和常規(guī)機床主軸系統相比，加工中心主軸要具有更高的轉速、更高的回轉精度以及更高的結構剛性和抗振性。 由于加工中心具有更高的加工效率，更寬的使用范圍，更高的加工精度，因此，它的主軸系統必須滿足如下要求。 2.1.1 調速功能 為了適應不同工序、各種工件材料及刀具等各種切削要求，主軸必須具有一定的調速范圍并實現無極變速，以保證加工時選用合理的切削用量，從而獲得最佳切削效率、加工精度和表面質量。調速范圍的指標主要由各種加工

29、工藝對主軸最低速度和最高速度的要求來確定。目前加工中心主軸基本實現無級變速。 2.1.2動態(tài)響應性能 要求升降速時間短，調速時運轉平穩(wěn)。對有的機床需同時能實現正反轉切削，則要求換向時均可進行自動加減速控制。 2.1.3 精度和剛度要求 具有較高的精度與剛度，傳動平穩(wěn)，噪聲低。加工中心加工精度與主軸系統精度密切相關。主軸部件的精度包括旋轉精度和運動精度。旋轉精度指裝配后，在無載荷和低速轉動條件下，主軸前端工作部位的徑向和軸向跳動值。主軸部件的旋轉精度取決于部件中各個零件的幾何精度、裝配精度和調整精度。運動精度指主軸在工作狀態(tài)下的旋轉精度，這個精度通常和靜止或低速狀態(tài)的旋轉精度有較大差別，

30、它表現在工作時主軸中心位置的不斷變化，即主軸軸心漂移。運動狀態(tài)下的旋轉精度取決于主軸的工作速度、軸承性能和主軸部件的平衡。靜態(tài)剛度反映了主軸部件或零件抵抗靜態(tài)外載的能力。加工中心多采用抗彎剛度作為衡量主軸部件剛度的指標。影響主軸部件彎曲剛度的因素很多，如主軸的尺寸形狀，主軸軸承的類型、數量、配置形式、預緊情況、支撐跨距、主軸前端的懸伸量等。 2.1.4 抗振性和熱穩(wěn)定性要求 加工中心在加工時，由于斷續(xù)切削、加工余量大且不均勻、運動部件速度高且不平衡，以及切削過程中的自振等原因引起的沖擊和交變力的干擾，會使主軸產生振動，影響加工精度和表面粗糙度，嚴重時甚至破壞刀具和主軸系統中的零件。主軸系統

31、的發(fā)熱使其中所有零部件產生變形，破壞相對位置精度和運動精度，造成加工誤差。為此，主軸組件要有較高的固有頻率，保持合適的配合間隙并進行循環(huán)潤滑等。 2.1.5 具有刀具的自動夾緊功能 加工中心突出的特點是自動換刀功能。為保證加工過程的連續(xù)實施，加工中心主軸系統與其他主軸系統相比，必須具有刀具自動夾緊功能。 2.1.6 功率要求 要求主軸系統具有足夠的驅動功率或輸出轉矩，能在整個速度范圍內提供切削所需功率和轉矩，以滿足機床強力切削時的要求。 2.1.7 主軸定位功能要求 主軸準停功能又稱主軸定位功能。即當主軸停止時，控制主軸停在固定的位置，這是自動換刀所必需的功能。在自動換刀的數控

32、銑鏜加工中心上，切削轉矩通常是通過刀桿的端面鍵來傳遞的，這就要求主軸具有準確定位于圓周上特定角度功能。為此，在通過前壁小孔鏜內壁的同軸大孔，或進行反倒角加工時，要求主軸實現準停，使刀尖停在一個固定的方位上，以便主軸偏移一定尺寸后大刀刃能通過前壁小孔進入箱體內對大孔進行鏜削。 2.2主傳動系統主要技術指標的確定 HMC50是中等規(guī)格的臥式銑鏜加工中心，工作臺面積500500mm，允許最大荷重500kg，主軸錐孔ISO 7:24，工作臺最大行程X 700mm，主軸箱最大行程Y 650mm,立柱最大行程Z 600mm,工作臺回轉B 3601，主軸轉速范圍40~4000r/min，刀庫容量40/定

33、點(帶預選功能)，電動機功率11kw，數控系統FANUC 0i-MC，機床重量21000kg。 2.2.1 主運動變速系統主要參數 機床主傳動系統的參數有動力參數和運動參數。動力參數是指主運動驅動電機的功率，運動參數是指主運動的變速范圍。主傳動中各傳動件的尺寸要根據傳動功率來確定。傳動功率過大，使傳動件尺寸粗大，電動機常在低負載下工作，功率因數小而浪費能源；功率過小將限制機床加工能力而降低生產效率。因此需合理確定主傳動功率。主傳動功率用理論計算的方法來確定比較困難，一般通過類比、統計等方法來確定。 2.2.2 主傳動功率 機床主傳動的功率P可根據切削功率與主運動傳動鏈的總效率η來

34、確定 。 表2.1 動力參數的選取 刀具材料 工件材料 背吃刀量ap (mm) 進給量f(mm/r) 切削速度v (m/min) YT15 45# 4 0.4 100 加工中心的加工范圍一般都比較大，切削功率可根據有代表性的加工情況，由其主切削抗力按下式來確定 主傳動的總效率一般可取為 ，加工中心的主傳動多用調速電機和有限的機械變速傳動來實現，傳動鏈較短，因此，效率可取較大值。 2.2.3 選擇電動機型號 表2.2 電動機相關參數 電動機型號 額定功率 調頻范圍 轉速范圍 額定轉速 最高轉速 V

35、ABP160S-4P-50Hz 11kw 5~150 150~4500 1500 4500 電動機制造商：上海德驅馳電氣公司 2.2.4 電動機的功率、扭矩特性 由切削原理知主運動為直線運動的機床，主運動為恒轉矩運動；主運動為旋轉運動的機床，主運動為恒功率運動。低速時主軸轉速小，不需傳動電動機的全部功率。我們把機床能傳遞全部功率的最低轉速稱為主軸計算轉速，以它為臨界轉速，如圖2.1所示，從計算轉速至最高轉速的區(qū)域為恒功率區(qū)域，區(qū)間內任意轉速都能夠傳遞電動機的全部功率，但主軸轉矩隨主軸轉速的上升而下降；從最低轉速至計算轉速為恒轉矩區(qū)域，區(qū)間內任意轉速能夠輸出最大轉矩，但主軸輸出

36、的功率將隨主軸轉速的下降而下降。 圖2.1 功率扭矩特性圖 2.3主傳動變速系統設計 機床傳動形式分為有極和無極變速兩種，無級變速形式可以在一定范圍內連續(xù)改變轉速，以便得到滿足加工要求的最佳轉速，能在運轉中變速，便于自動變速，這對與提高機床生產效率和提高被加工零件的質量都有重要意義；同時采用無級變速可使主軸結構大為簡化，縮短傳動鏈；因此無級變速應用日益廣泛。 2.3.1 轉速圖的擬定 轉速圖能夠清楚的表達出：傳動軸的數目，主軸及各傳動軸的變速級數、轉速值及其傳動路線，變速組的個數、傳動順序及擴大順序，各變速組的傳動副數及其傳動比數值，變速規(guī)律等。首先根據最高轉速和最低轉速確定

37、變速范圍，確定轉速級數，計算出公比，繪制轉速圖如圖2.2。 圖2.2 轉速圖 2.3.2 主運動的調速范圍 已知：機床主軸的最高轉速為4000 r/min，機床主軸的最低轉速為40 r/min。機床主軸計算轉速 機床主軸的恒扭矩范圍 由于電動機的恒扭矩范圍要與機床主軸的恒扭矩范圍相等 計算得 機床主軸要求的恒功率調速范圍 電動機的恒功率范圍 主運動的調速范圍 經計算得公比為2.03 2.3.3 主軸箱傳動系統圖 擬定傳動系統的原則是：在保證機床的運動和使用要求的前提下，運動傳動鏈要盡可能的短而簡單；傳動效率高以及操作簡單

38、方便 。首先要考慮某些結構方面的問題，考慮結構能否實現：如小齒輪的齒根圓是否大于軸的直徑，大齒輪的頂圓是否會碰及相鄰軸等；其次因考慮結構是否合理，如布置是否緊湊，操縱是否方便等。該機床采用兩對雙聯滑移齒輪變速組和一級定比傳動，采用寬式排列結構，主軸變速擬采用通過滑移齒輪的移位來實現，綜合考慮各因素，擬訂傳動系統示意圖。 圖2.3 傳動系統圖 2.3.4 各軸計算轉速 各軸的計算轉速見表2.3 表2.3 各軸計算轉速 單位：r/min Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 計算轉速nj 1500 657 323 159 2.3.5 各齒計算轉速 各齒輪的

39、計算轉速見表2.4 表2.4 各齒輪的計算轉速 Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8 Z9 Z10 nj 1500 657 1500 1333 657 323 657 1333 323 159 3 傳動系統零部件設計 3.1選定齒輪類型,精度等級,材料及齒數 根據選定的傳動方案，選用直齒圓柱齒輪，齒輪的精度等級選用6級精度，小齒輪材料為40Cr(調質)，硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼(調質)硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。 3.2齒輪齒數的確定 確定變

40、速組齒輪齒數時，應注意下列問題：①機床主傳動齒輪一般取大于18～20，以避免發(fā)生根切。②保證強度和防止熱處理變形過大，套裝在軸上的齒輪，齒根圓到鍵槽的壁厚要大于2倍的模數。③為了縮短變速箱徑向尺寸及降低齒輪線速度，齒數和應取少些，中型機床一般取。 表3.1各齒輪齒數 35 80 54 61 28 57 57 28 32 65 3.3齒輪模數的估算 為了設計與制造的方便，同一變速組的齒輪模數應相同，所有齒輪中首先選擇載荷較重的小齒輪按輪齒彎曲疲勞強度進行估算,齒輪的相關參數選取見表3.2。

41、 (3.1) 表3.2齒輪的相關參數 (齒數35) 符號 名稱 齒數比 2.2857 2.03 2.03 齒寬系數 6 6 6 齒輪傳遞名義功率 11kw 11kw 11kw 載荷系數 1 1 1 系數 1 1 1 4.3 4.43 4.325 齒輪齒數 35 28 32 許用齒根應力 504 504 504 注：齒數比，齒寬系數，許用齒根應力， 按剃齒、磨齒查表 齒輪的模數估算由公式3.1得 估算得齒輪的模數為1.783m

42、m，初步選取模數為2mm。 其他齒輪模數的計算方法同上，計算結果見表3.3。 表3.3 齒輪模數的選取 齒輪模數計算值 1.783 2.55 3.07 齒輪模數選取值 2 3 3.5 3.4按齒面接觸疲勞強度校核齒輪模數 裝配草圖完成后，驗算齒輪的模數是否滿足要求。若不滿足要求時，可采取調整齒寬、改換齒輪材料，或重新選擇齒輪齒數和模數等措施，齒輪驗算時的相關參數見表3.4。 (3.2) 表3.4 齒輪的相關參數 序號 符號 名稱 齒輪 齒輪 齒輪 1 使用系數 1.1 1.1 1

43、.1 2 變動工作用量系數 1.0088 0.896 0.896 3 功率利用系數 0.8 0.8 0.8 4 轉速變化系數 0.97 0.97 0.97 5 工作期限系數 1.3 1.154 1.036 6 動載系數 1.105 1.084 1.087 7 名義切向力 139333 318112 647058 8 齒輪分度圓圓周速度 16.485 17.58 47.7 9 齒向載荷分布系數 1.19 1.19 1.19 10 齒向載荷分配系數 1 1 1 11

44、 節(jié)點區(qū)域系數 2.5 2.5 2.5 12 彈性系數 190 190 190 13 重合度 0.89 0.89 0.89 14 許用接觸應力 1150 1150 1150 15 齒輪齒數 35 28 32 注：變動工作用量系數，工作期限系數，動載系數，名義切向力，齒輪分度圓圓周速度，齒向載荷分布系數，許用接觸應力 齒輪的模數驗算由公式3.2得 經驗算得模數為1.728mm,所選取的模數滿足強度要求。 其余齒輪的模數驗算方法同上，驗算結果見表3.5。 表3.5 齒輪模數校核 齒輪

45、齒輪 齒輪 各齒輪初選模數 2 3 3.5 各齒數驗算模數 1.728 2.8 3 模數是否合格 合格 合格 合格 3.5估算各傳動軸直徑與各軸的材料選取 (3.3) 式中：d—— 為軸危險截面處的直徑 (mm)； ——該傳動軸的輸入功率 (kw)； ——電動機額定功率 (kw)； ——該軸的計算轉速 (r/min)； ——該軸允許的扭轉角 (deg/m)。主軸；一般傳動軸。 ——從電動機到該傳動軸之間傳動件傳動效率的乘積，傳動件的效率概略值見

46、表3.6； 用花鍵軸時，可將估算的d值減少7%為花鍵軸的小徑，再選標準的花鍵軸。 Ⅰ軸的材料選用45鋼(調質處理)，由公式3.3得軸的最小直徑為 Ⅱ軸的材料選用45鋼(調質處理)，由公式3.3得軸的最小直徑為 Ⅲ軸的材料選用45鋼(調質處理)，由公式3.3得軸的最小直徑為 表3.6 常用傳動件效率概略值 名稱 效率 名稱 效率 直齒圓柱齒輪(磨齒) 0.99 向心球軸承 0.995 斜齒圓柱齒輪 0.985 圓錐滾子軸承 0.99 普通V帶 0.96 高速主軸軸承 0.95~0.98 3.6 傳動軸的彎曲剛度驗算 彎曲剛度驗算時只需驗算

47、傳動軸的薄弱環(huán)節(jié)的撓度和傾角。撓度一般只驗算受力最大的齒輪處即可。傾角驗算支反力最大的支撐處，若支撐處傾角小于安裝齒輪處的許用值，則齒輪處的傾角可以不驗算，軸的彎曲剛度許用值見表3.7。 校核Ⅰ軸在小齒輪(Z=35)嚙合狀態(tài)下的撓度和傾角 計算Ⅰ軸上小齒輪(Z=35)的轉矩 計算Ⅰ軸上小齒輪(Z=35)所受的力，小齒輪受力分析如圖所示圖3.1。 圖3.1 Ⅰ軸上小齒輪嚙合的受力分析 (3.4) 式中：T ——小齒輪傳遞的轉矩 ——小齒輪的節(jié)圓直

48、徑，對標準齒輪即為分度圓直徑 ——嚙合角，對標準齒輪。 由公式3.4得 Ⅰ軸的計算簡圖可簡化為外伸梁，如圖3.2。 圖3.2 軸的撓度與傾角簡圖 計算A、B兩點的支承反力 花鍵軸的抗彎斷面慣性矩 (3.5) 式中：B、N ——花鍵軸鍵寬、鍵數 D ——花鍵軸的大徑 E ——材料彈性模量，鋼材 由公式3.5得 小齒輪進入嚙合狀態(tài)時，在，徑向力作用下Ⅰ軸上載荷點和懸臂端產生的撓度。 載荷點F的撓度 懸臂端C點的撓度 載荷點的傾角

49、 左支承點的傾角 右支承點的傾角 在切向力作用下撓度及轉角計算 載荷點F的撓度 懸臂端C點的撓度 在小齒輪(Z=35)進入嚙合狀態(tài)時，Ⅰ軸上載荷點和支承點的傾角 載荷點的傾角 左支承點的傾角 右支承點的傾角 撓度合成 轉角合成 經校核知在小齒輪嚙合狀態(tài)下，Ⅰ軸的撓度和傾角滿足要求。 校核Ⅰ軸在大齒輪(Z=54)嚙合狀態(tài)下的撓度和傾角，大齒輪受力分析如圖所示圖3.3 圖3.3 Ⅰ軸上大齒輪嚙合的受力分析 計算Ⅰ軸上大齒輪(Z=54)的轉矩 計算Ⅰ軸上大齒輪Z=54所受的力 Ⅰ軸的計

50、算簡圖可簡化承外伸梁，如圖3.4。 圖3.4 軸的撓度傾角簡圖 計算A、B兩點的支承反力 花鍵軸的抗彎斷面慣性矩 由公式3.5得 在大齒輪進入嚙合狀態(tài)時，在徑向力作用下Ⅰ軸上載荷點和懸臂端產生的撓度 載荷點F的撓度 懸臂端C點的撓度 在大齒輪進入嚙合狀態(tài)時，在徑向力作用下Ⅰ軸上載荷點和支承點的傾角 載荷點的傾角 左支承點的傾角 右支承點的傾角 在大齒輪進入嚙合狀態(tài)時，切向力作用下Ⅰ軸上載荷點和支承點的傾角 載荷點F的撓度 懸臂端C點的撓度 載荷點的傾角 左支承點的傾角 右支承點的傾角 撓度合成

51、 轉角合成 經校核知在大齒輪(Z=54)嚙合狀態(tài)下，Ⅰ軸的撓度和傾角滿足要求。 表3.7 軸彎曲剛度許用值 軸的類型 允許撓度[y] (mm) 變形部位 允許傾角[] (rad) 一般傳動軸 (0.0003~0.0005) L 裝向心軸承處 0.0025 剛度要求較高軸 0.0002L 裝齒輪處 0.001 安裝齒輪的軸 (0.01~0.03)m 裝單列圓錐滾子軸承處 0.0006 安裝渦輪的軸 (0.02~0.05)m 裝滑動軸承處 0.001 3.7花鍵鍵側擠壓應力計算 已知：花鍵的大徑，花鍵的小徑，花鍵的長，花鍵的鍵數，。

52、 (3.6) 式中 ——計算擠壓應力(MPa) []——許用擠壓應力(MPa)，見表3.10 ——花鍵軸傳遞的最大轉矩() D、d——花鍵軸的大徑、小徑(mm) N——花鍵的齒數， k——載荷分布不均系數，k=0.7~0.8。 由公式3.6得 經計算知花鍵鍵側的擠壓應力為10.2MPa，滿足許用值。 表3.10 花鍵鍵側的許用擠壓應力 花鍵聯結情況 工作情況 花鍵表面熱處理情況 不經熱處理 經熱處理 [] [MPa] 固定聯結 不良 35~50 40~70 中等 60~10

53、0 100~140 良好 80~120 120~200 4 主軸組件的設計 4.1主軸的要求 4.1.1回轉精度 機床主軸的旋轉精度是指裝配后，在無載荷，低轉速的條件下，主軸前端工件或刀具部位的徑向跳動和軸向跳動。主軸組件的旋轉精度主要取決于各主要件，如主軸，軸承，箱體孔的的制造，裝配和調整精度。還決定于主軸轉速，支撐的設計和性能，潤滑劑及主軸組件的平衡。 4.1.2 靜剛度 主軸組件的靜剛度（簡稱剛度）反映組件抵抗靜態(tài)外載荷變形的能力。影響主軸組件彎曲剛度的因素很多，如主軸的尺寸和形狀，滾動軸承

54、的型號，數量，配置形式和欲緊，前后支撐的距離和主軸前端的懸伸量，傳動件的布置方式，主軸組件的制造和裝配質量等。 4.1.3 抗振性 主軸組件工作時產生震動會降低工件的表面質量和刀具耐用度，縮短主軸軸承壽命，還會產生噪聲影響環(huán)境。振動表現為強迫振動和自激振動兩種形式。影響抗振性的因素主要有主軸組件的靜剛度，質量分布和阻尼（特別是主軸前支撐的阻尼）主軸的固有頻率應遠大于激動力的頻率，以使它不易發(fā)生共振。 4.1.4 升溫和熱變形 主軸組件工作時因各相對運動處的摩擦而發(fā)熱，產生溫升，從而使主軸組件的形狀和位置發(fā)生變化，直接影響加工精度。主軸組件受熱伸長，使軸承間隙發(fā)生變化。溫度是使?jié)櫥驼扯?/p>

55、降低，加速磨損甚至抱軸，降低了軸承的承載能力。主軸箱因溫升而變形，使主軸偏離正確位置。前后軸承的溫度不同，還會導致主軸軸線傾斜。 4.1.5 耐磨性 主軸組件的耐磨性是指長期保持原始精度的能力，即精度保持性。主要影響因素是材料熱處理、軸承類型和潤滑方式。主軸上易磨損的地方是刀具或工件的安裝部位以及移動式主軸的工作部位。為了提高耐磨性，主軸的上述部位應該淬硬，以提高其硬度增加耐磨性。主軸軸承也需有良好的潤滑，提高其耐磨性。 4.1.6 材料和熱處理 主軸承載后允許的彈性變形很小，引起的應力通常遠遠小于鋼的強度極限。因此，強度一般不做為選材的依據。主軸的形狀，尺寸確定之后，剛度主要取決于材

56、料的彈性模量。各種材料的彈性模量幾乎相同，因此剛度也不是選材的依據。主軸材料的選擇主要根據耐磨性和熱處理變形來考慮。數控機床的材料通常是45號或60號優(yōu)質中碳鋼，需調質處理。 4.1.7 主軸的結構 為了提高剛度，主軸的直徑應該大些。前軸承到主軸前端的距離（稱懸伸量）應盡可能小一些。為了便于裝配，主軸通常作成階梯形的，主軸的結構和形狀與主軸上所安裝的傳動件，軸承等零件的類型，數量，位置和安裝方法有直接關系。 4.1.8主軸軸承的選擇 主軸軸承的結構配置主要取決于主軸的轉速特性的速度因素和主軸的剛度要求。適應高速度要求的軸承配置形式，前支承采用三個角接觸球軸承組合方式的支承結構，能保證較

57、高的回轉精度。后支承采用兩個角接觸球軸承外圈寬端面相對(背靠背)安裝的支承結構，因為角接觸軸承既可以承受徑向載荷又可以承受軸向載荷，接觸角越大軸向剛度越大。各個軸承的組合形式，根據載荷大小和最高轉速以及結構設計要求，采用圖4.1的結構組合形式。 圖4.1 軸承的配置形式 4.2 主軸尺寸參數的確定 主軸的主要尺寸主要參數包括主軸直徑、內孔直徑、懸伸長度和支承跨距。主軸主要尺寸參數的主要依據是主軸的剛度、結構工藝性和主軸組件的工藝適用范圍。 4.2.1主軸直徑的確定 主軸直徑越大，其剛度越大，但使得軸承和軸上其他零件的尺寸相應增大。軸承的直徑越大，同等級精度軸承的公差值也越大，要

58、保證主軸的旋轉精度就越困難。同時極限轉速下降。主軸的前軸頸可根據主電動機功率參照表4.1進行初步選擇，后軸頸按來確定。 表4.1 主軸前軸頸 機床類型 電動機功率 kw 2.8~4 4~5.5 5.5~7.5 7.5~11 前軸頸 mm 臥式車床 70~90 70~105 95~130 110~145 升降臺銑床 60~90 60~95 75~100 90~105 根據所設計的機床選用11kw電動機，所以主軸前軸頸直徑選用110m，后端直徑，圓整后取。 4.2.2主軸內孔直徑 主軸內孔直徑用于通過刀具夾緊裝置固定刀具、傳動氣動或液壓卡盤等。主軸的孔徑

59、大小主要受主軸剛度的制約。主軸的孔徑與主軸直徑之比，小于0.3時空心主軸的剛度幾乎與實心主軸的剛度相當，等于0.5時空心主軸的剛度為實心主軸剛度的90%，大于0.7時空心主軸的剛度就急劇下降。一般可取其比之值為0.5左右。 4.2.3主軸前懸伸量 如圖4.2，主軸前支承點至主軸前端的距離a稱為主軸的前懸伸。主軸的前懸伸長度與主軸前端結構的形狀尺寸，前軸承的類型、組合方式和軸承的潤滑與密封有關。主軸的前懸伸長度對剛度影響很大。主軸前懸伸長度越短，其剛度越高。因此，在進行結構設計時，應盡量縮短懸伸量。 圖4.2 主軸組件的懸伸和跨距 4.2.4主軸的支承跨距 主軸前支承點至主軸后

60、支承點間的距離稱為跨距L，見圖4.2.主軸組件的支承跨距對主軸本身的剛度和對支承剛度有著很大的影響。如果跨距L較大，則主軸變形較大，如果跨距L較小，則軸承的變形對主軸前端的位移影響較大。 4.2.5主軸軸端結構 加工中心主軸的軸端用于安裝夾具和刀具。要求夾具和刀具在軸端定位精度高、定位剛度好、裝卸方便，同時使主軸的懸伸長度短。圖4.3所示為常用的加工中心主軸的前端部形狀。其主軸是空心的，前端有7:24的錐孔，用于插入銑刀錐柄或刀桿尾錐時定位，再由拉桿從主軸后端拉緊，防止切削時銑刀和主軸之間有相對松動。通常裝夾BT40（BT50）等刀柄或刀桿。主軸端面上有四個螺孔和兩個端面長鍵，螺孔用來固定

61、銑刀，端面鍵既可以傳遞刀具的扭矩，又可用于刀具的周向定位。 圖4.3 加工中心主軸的前端部形狀 5總裝配圖 在結構方案確定后，著手繪制結構草圖，繪圖時，應注意檢查傳動設計的結果有無相互干涉、碰撞或其它不合理情況。確定出傳動軸的支承跨距、齒輪在軸上的位置以及各軸的空間的方位，確定各軸的受力點和受力方向，為軸和軸承的驗算提供必要的數據。展開圖是按傳動軸傳遞運動的先后順序，按主軸的最高或最低轉速的傳動路線的齒輪位置，沿其軸心線剖開、并將這些剖切面展開在同一平面上形成的試圖（如圖5.1）。其中個別軸未包括在內，可畫在適當的位置上，但軸向尺寸不變。展開圖表示了各傳動件的傳動關系，

62、即傳動路線和變速情況，傳動軸及其支承結構尺寸，軸上各零件的結構形狀，尺寸和相互位置，各零件間的配合性質和精度以及緊固、定位方法等。 圖5.1 總裝展開圖 結 論 本文在系統地論述數控加工中心主傳動系統理論的基礎上，對HMC50中等規(guī)格的臥式銑鏜加工中心主傳動系統進行了初步設計。 數控加工中心的主傳動系統包括主軸電機、傳動系統與主軸組件，與普通機床相比，變速功能絕大部分由主軸電機的無級調速來實現的，省去了繁雜的齒輪變速機構，結構簡單，本設計中采用四級齒輪變速機構用以擴大電機無級調速的范圍。 設計過程中存在的主要問題： 1、起初對于數控加工中心主傳動系統的工作原理及

63、結構沒有十分明確的概念，未能在最短的時間內初步設計出主軸箱的零部件草圖，耽誤了很多不必要的時間。 2.運用CAD進行零件設計過程中的某些命令不能熟練的應用，造成了設計時間的大量浪費，加長了設計的時間。 3.對數控加工中心主軸電機的選用不太清楚，對變頻電動機的工作原理不是十分明白，查閱了大量資料后才弄明白。耽誤了一些時間。 設計中著重考慮問題與解決的問題： 1. 加工中心主傳動系統在電動機之后串聯四級齒輪變速機構來滿足機床的恒功率調速范圍。 2.本設計將原來采用的兩組雙聯滑移齒輪實現的四級調速變機構改進為采用兩組雙聯滑移齒輪加一級定比傳動的四級調速機構，使機床的結構更加緊湊。

64、 致 謝 在本論文的完成過程中，我要感謝很多人的幫助和指點，要是沒有他們的幫助我不可能這么順利地完成論文。 首先我要感謝我的母?！|寧科技大學的辛勤培育，其次感謝院系的各位老師四年來的諄諄教誨，沒有他們給我的機械制造方面的基礎知識，我的論文不可能完成。 本論文是在張文潔老師的親切關懷和悉心指導下完成的。張老師平時工作繁忙，但仍抽出時間指導我的設計，她待人誠懇熱情，在畢業(yè)設計過程中，幫助我設定了工作進程，熱心的答疑，給予我極大的幫助和鼓勵，在此表示衷心的感謝。 在畢業(yè)設計期間，我的同學給了我許多幫助，尤其在電動機的選用和無極調速部分。同學耐心細致的給我講解。在

65、此由衷的表示感謝。 最后，我還要感謝我的室友，在我忙于畢業(yè)設計期間他們在生活上給了我許多幫助和照顧。并主動幫助我查找資料。 參考文獻 [1]朱正偉.數控機床機械系統.北京：中國勞動社會保障出版社，2005. [2]婁銳.數控機床.大連：大連理工大學出版社，2005. [3]王愛玲.現代數控機床.北京：國防工業(yè)出版社，2003. [4]楊有君.數字控制技術與數控機床.北京：機械工業(yè)出版社，2002. [5]王貴明.數控實用技術.北京：機械工業(yè)出版社，2002. [6]王潤孝.機床數控原理與系統.西安：西北工業(yè)大學出版社，2004. [7]

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