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畢業(yè)設計(論文)中期報告
題目：數(shù)控臥式鏜銑床主軸箱變速操縱機構(gòu)設計
系 別 機電信息系
專 業(yè) 機械設計制造及其自動化
班 級
姓 名
學 號
導 師
2013年3月20日
1 設計（論文）進展狀況
本階段的主要任務是完成了外文文獻NEW GEOMETRY AND TECHNOLOGY OF FACE-GEAR FORMING WITH CIRCLE LINE OF TEETH ON CNC MILLING MACHINE翻譯，對主軸箱進行了更深層次的分析和理解，通過分析，主軸箱主傳動系統(tǒng)采用變速齒輪進行調(diào)速，是利用液壓撥叉波動滑移齒輪到達所需要的位置來實現(xiàn)的。
如圖1所示。
圖1 主軸箱變速操縱機構(gòu)裝配圖
1.1電動機的選取
1.1.1選擇電動機的類型
根據(jù)用途選用Y系列一般用途的全封閉自冷式三相異步電動機，三相異步電動機的結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、維護方便，可直接接于三相交流電網(wǎng)中，在工業(yè)上用途最為廣泛，具有效率高、性能好、噪聲低、振動小等優(yōu)點，適用于不易燃、不易爆、無腐蝕性氣體和無特殊要求的機械上，如金屬切屑機床。
1.1.2 轉(zhuǎn)速及功率的確定
初步選定電動機功率為7.5kW。一般市場上最常用、供應最多的是同步轉(zhuǎn)速為1500r/min和1000r/min的電動機，無特殊需求不選用3000r/min和750r/min的電動機，因此選擇1500r/min的電動機，其滿載轉(zhuǎn)速為1440r/min.
1.2 聯(lián)軸器的選擇
聯(lián)軸器的選擇應由工作要求決定。由于輸入軸與電動機軸直接相連，并且轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)矩小，所以選用彈性套柱銷聯(lián)軸器。
1.3 各齒輪齒數(shù)及相關參數(shù)的確定
表1所示為初步確定各齒輪的齒數(shù)及相關參數(shù)：
表1 各齒輪的齒數(shù)及相關參數(shù)
編號
齒數(shù)
模數(shù)
材料
熱處理
齒輪1
27
3
40Cr
G48
齒輪2
45
3
40Cr
G48
齒輪3
23
3
40Cr
G48
齒輪4
38
3
40Cr
G48
齒輪5
67
3
40Cr
G48
齒輪6
52
3
40Cr
G48
齒輪7
53
4
40Cr
G48
齒輪8
22
4
40Cr
G48
齒輪9
35
4
40Cr
G48
齒輪10
60
4
40Cr
G48
1.4 轉(zhuǎn)速的計算
在初步確定齒輪的齒數(shù)的情況下，計算主軸的轉(zhuǎn)速。齒輪5、6和齒輪7、8為兩個雙連齒輪并安裝在同一根軸上，齒輪2、3、4安裝在另一根軸上，齒輪9和齒輪10安裝在主軸上。從電動機輸出，經(jīng)過齒輪傳動到主軸有4中轉(zhuǎn)速，分別為：230r/min、950r/min、110r/min、450r/min。軸1的轉(zhuǎn)速是由電動直接輸出的，所以轉(zhuǎn)速為1440r/min,軸2和軸3的轉(zhuǎn)速是由齒輪傳遞的，所以軸2的轉(zhuǎn)速為1440*27/45=864r/min，軸3的轉(zhuǎn)速有兩種分別為864*38/52=631.38r/min和864*23/67=296.6r/min。
1.5各軸功率計算
軸1功率為P1=7500*0.99*0.99=7350.75W；
軸2功率為P2=P1*0.97*0.99=7056W；
軸3功率為P3=P2*0.97*0.99=6779W；
主軸功率為P0=P3*0.97*0.99=6510W。
1.6 轉(zhuǎn)矩的計算
軸1的轉(zhuǎn)矩為T1=9549*7350.75/1440=48.7N*m；
軸2的轉(zhuǎn)矩為T2=9549*7056/864=77.98N*m；
軸3有轉(zhuǎn)矩有兩種，分別為102.53N*m和218.25N*m；
主軸有四種轉(zhuǎn)矩，分別為270.28N*m、65.44N*m、565.13N*m、138.14N*m。
1.7 齒輪的主要尺寸的設計計算
在齒輪的設計計算中，主要計算了齒輪的齒寬，齒頂圓半徑，齒根圓半徑，并且對齒輪進行強度校核。輪轂直徑是根據(jù)所安裝的軸的直徑確定的。
1.8 軸的主要尺寸的設計計算
在軸的設計計算中，主要計算了軸的總長度，以及各段軸的軸徑和長度。首先初步估算軸的直徑，按照扭轉(zhuǎn)強度初步計算的軸徑為最小直徑，有鍵槽處直徑增大3%。然后進行圓整，最后進行強度校核。
2 存在問題及解決措施
由于畢業(yè)設計涉及的范圍很廣，幾乎囊括了在大學里所學的全部知識，很多在大一、大二學習的知識由于很久沒有接觸造成了這些知識的模糊甚至淡忘，所以在某些細節(jié)方面總是會有多多少少的問題，給設計帶來了不小的麻煩。下面是我設計過程中遇到的問題以及解決方案。
2.1 存在問題及解決措施
問題1 所選的電動機和聯(lián)軸器是否符合要求？
在設計過程中，我查閱了很多資料，看了老師給的圖冊，和同學討論以及通過綜合計算之后最終確定了所選用的電動機和聯(lián)軸器。
問題2 確定的齒輪的齒數(shù)和各參數(shù)是不是合理？
通過查閱相關書籍，網(wǎng)上搜索以及和同學探討后，最終確定了最合理的各齒輪齒數(shù)和參數(shù)以及熱處理的方法。
問題3 總體的結(jié)構(gòu)設計計算。
在設計中，通過老師給的圖冊，查閱相關文獻，確定了主軸箱的總體結(jié)構(gòu)，其中包括箱體的壁厚以及肋的厚度。
3 后期工作安排
（1）完成詳細的設計計算；
（2）根據(jù)計算的數(shù)據(jù)畫出零件圖和裝配圖；
（3）編寫設計說明書以及校核圖紙，交給導師查閱；
（4）整理資料，準備答辯。
指導教師簽字：
年 月 日
數(shù)控銑床上形成面齒輪的新技術(shù)
摘要
不同類型的齒圈與齒面的幾何模型在文件上已經(jīng)被證明。新一代的幾何面齒輪是在數(shù)控機床上進行的。幾何面齒輪技術(shù)開發(fā)的基本方向是尋找新的趨勢和方法以提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期，機械化，高精度的自動化技術(shù)來實現(xiàn)。
關鍵字：齒面，齒圈，數(shù)控銑床。
1 引言
薩里在面蝸桿傳動錐和圓柱蝸桿的發(fā)明上做了一個重大貢獻。最初發(fā)明齒輪傳動的設計和應用是基于所提供的軸向蠕動分布的直線。生成面蝸桿傳動的所有類型的現(xiàn)有設計的產(chǎn)生是基于對面齒輪滾刀的應用程序。一種滾刀作為生成工具特別是在小尺寸的情況下生成，這種方法的缺點是滾刀精度低。
一個面蝸桿傳動的所有類型的現(xiàn)有的后代，是基于對錐形和圓柱蝸桿蝸輪滾刀的面生成的應用。薩里和未來的研究者在提出的方法和基礎上，應用渦輪滾刀制造圓錐或圓柱蝸桿渦輪。利特和同事提出了一個很形象的蝸輪傳動圓錐和圓柱蝸桿的形成。在工序4-10和11中開發(fā)了一個新的切割面蝸桿的數(shù)控加工技術(shù)。用于生成面齒輪采用四軸立式數(shù)控銑床將轉(zhuǎn)臺和數(shù)控機床主軸相結(jié)合。新的工藝采用通用機床垂直加工中心。時代都有一個傾斜的刀具與直線邊緣的刀具進行加工。這個過程是提供更好的結(jié)果，與使用新開發(fā)的技術(shù)來生成一個面齒輪。另外由于五軸加工中兩個旋轉(zhuǎn)軸使切割面齒輪表面得到較高的質(zhì)量。
數(shù)控萬能面齒輪銑床可以形成不同的齒線和齒形。形成面齒輪已知的方法都是基于傳統(tǒng)的機床運動學。在加工齒形時，工作組機器執(zhí)行的動作在一個恒定的速度，軌道直線或旋轉(zhuǎn)（數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺，主軸工具）。切割面齒輪的方法之一是使用一個普遍的硬質(zhì)合金的單頁刀片。這個方法可以用來塑造嚙合的直齒漸開線齒輪。這篇文章中提出的新的幾何和技術(shù)是基于單刃刀具和特殊的程序控制數(shù)控銑床的應用。
2 隨著齒圈線的面齒輪建模
圖1顯示了面齒輪的形成。
在下面的成型圓線的幾何模型中，假設：
–齒線形狀的單刃刀具，
–切口齒線牢固地連接到加工牙冠，
圖1 面齒輪的生成方案
–開始形成齒的坐標系位于對稱軸的交點，
–曲線的位置，其中一部分是一個齒紋，是關系到理論的滾動圓，
–刀具切削刃所描述的是工具痕跡的位置，位于與型面有一個共同的標準的齒形線。
這是齒型的是一種圓的幾何形模式，有不同的齒線曲率半徑。
在對稱的圓弧齒線的最簡單的模型中，這是齒線的一部分，位于半徑為Rb的軸坐標系統(tǒng)與齒型相關的理論滾圈的交匯點（Z）。圖二所示的是幾何模型。
環(huán)形齒的坐標點可以在圖二中確定：
又
圖3 與圓齒線對稱的圓線面齒輪的形成的幾何模型
這里：
ρ–齒線所在的圓的半徑，
Rb-理論的滾動圓半徑。
圖1中描述的模型可能還設置坐標點的極坐標：
由方程2和3得到下面方程：
把方程1代入方程4中我們得到下面方程5：
方程5描述的是一個半徑為ρ的齒線的形成過程。分區(qū)平面的旋轉(zhuǎn)嚙合是增加一個變量Dy角。
另一個解決方案將作為一個圓的一部分齒線，它不取決于面齒輪軸。齒形線在X軸方向上對稱移動的情況下，齒線嚙合時可以得到更少的曲率半徑。解決這種方案的幾何模型如圖3所示。
圖3 具有圓形線形成面齒輪的幾何模型，對稱的齒圈線與X軸的走向一致
環(huán)形齒的點的坐標可以在圖3中確定：
用圖3可以描述坐標點就像在圖2中所描述的一樣。然后將方程6和方程4聯(lián)系起來限定了齒型線，得到方程（7）。
替代移動裝置的嚙合線的齒是重分配距離的以至于它在X軸的負半軸。這種移動齒形會使齒形線圈得到較大的曲率半徑。這種解決方案的幾何模型如圖4所示。
結(jié)果如下關系式：
從方程2和3考慮，在可能獲取模型4的基礎上，對方程進行替代后4所描述的齒線變成方程（9）。
圖4 圓線面齒輪形成的幾何模型，齒圈線與對稱軸走的方向是X軸負方向
包括模型2、3、4和方程描述的齒形與方程5、7和9可以描述轉(zhuǎn)向樞軸的方程（10）的廣義機床。
Xc1確定的是齒圈齒線的曲率半徑大小的位置。當Xc1=0時齒線嚙合與Z軸，將Xc1的值代入方程10之前減小Xc1的值增加了圓的曲率半徑。
3 轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向軸的同步機床的試驗檢測算法
在進行嘗試同步機床面齒輪的圓線的控制算法時，開發(fā)了如圖5所示。該算法為機床開槽的齒嚙合開發(fā)參數(shù)化控制程序。
圖5 在具有轉(zhuǎn)向功能的機床上形成齒線的算法
圖示為FYN-50ND型銑床加工面齒輪，配備了數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺（圖6a）。銑床的控制系統(tǒng)是海德漢407型。
圖6 a)切割一個面齒輪，b)成型的面齒輪。
海德漢407型控制器實現(xiàn)三軸聯(lián)動插補（在三維空間中的線性或圓?。D(zhuǎn)向輪廓加工進行數(shù)字速度控制。調(diào)節(jié)每一個軸位置的伺服系統(tǒng)是由偏差信號控制。進給軸和一個由四個獨立的交流電機進行了脈沖控制。主軸的驅(qū)動配備了連續(xù)可變的變速系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速脈沖傳感器被固定在銑床的主軸上，它的信號傳送到機床的控制系統(tǒng)可以控制主軸的旋轉(zhuǎn)（C）。圖6b中顯示切削面齒輪齒線的一個例子。
4 結(jié)論
根據(jù)方程10所描述的關系對齒面進行生成，證實了數(shù)控銑床形成圓線齒的可行性。盡管對計算復雜控制系統(tǒng)的處理器負載重，也不會引起機床控制單元臨時停止。該調(diào)查是進一步研究面齒輪齒圈與離合器連接的基礎。
5 致謝
本文資金是2009-2012年波蘭政府授予科學基金和被稱為研究項目所贊助的第N502338936號文章。
畢業(yè)設計(論文)開題報告
題目：數(shù)控臥式鏜銑床主軸箱變速操縱機構(gòu)設計
系 別 機電信息系
專 業(yè) 機械設計制造及其自動化
班 級
姓 名
學 號
導 師
2012年 12 月 20日
1 畢業(yè)設計（論文）綜述
1.1 題目背景
機械行業(yè)是運用數(shù)控機床最多的，很多企業(yè)為了提高自己的生產(chǎn)效率，常常會對機床內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行多方面的改造。社會主義市場經(jīng)濟的發(fā)展為我國工業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造了條件，在現(xiàn)代一體化生產(chǎn)模式中運用了很多先進的設備。對于數(shù)控機床而言，主軸箱是其最為核心的組織結(jié)構(gòu)，整個主軸箱影響著數(shù)控機床的變速情況[1]。大部分制造企業(yè)在實行技術(shù)改造時把重點放在了主軸箱變速器上，這是調(diào)整機床運行速度的重點。在設計過程中必須要對主軸箱的每個部件加以控制，這樣才能確保數(shù)控機床主軸變速性能的良好[2]。
1.2 研究意義
1.2.1 畢業(yè)設計在四年中的意義
畢業(yè)設計是教學計劃中最后一個綜合性實踐教學環(huán)節(jié)，是學生在教師的指導下，獨立從事設計工作的初步嘗試，是對即將步入社會的畢業(yè)生的能力的一次全面考核，其基本目的是培養(yǎng)學生綜合運用所學的基礎理論、專業(yè)知識、基本技能研究和處理問題的能力。是學生對前三年所學知識和技能進行系統(tǒng)化、綜合化運用、總結(jié)和深化的過程。通過考察、立題、收集素材、設計方案等過程，檢查學生的思維能力、動手能力和掌握技藝的深度，并通過畢業(yè)設計、畢業(yè)答辯，來考核教學水平，對深化教學改革，提高教學質(zhì)量具有重要的意義。
1.2.2 本課題的意義
在車床、鏜床、銑床、插、拉床、磨床、數(shù)控加工中心、齒輪加工中心、切斷機床、特種加工機床、組合機床、柔性制造系統(tǒng)等眾多機械加工設備中，鏜銑床加工特點：加工過程中工件不動，讓刀具移動，并使刀具轉(zhuǎn)動（主運動），在實踐中具有“萬能機床”的稱號。
鏜銑床主要是刀具在工件上加工已有預制孔的機床。通常，刀具旋轉(zhuǎn)為主運動，刀具或工件的移動為進給運動。它主要是用來加工高精度孔或一次定位完成多個孔的精加工，此外還可以從事與孔精加工有關的其他加工面的加工。
我的題目是數(shù)控臥式鏜銑床主軸箱變速操縱機構(gòu)設計與分析，本課題的意義是通過對主軸箱變速機構(gòu)的分析，通過計算使我對主傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計、結(jié)構(gòu)組成、變速原理有了更深一層的了解和認識，曾強了我對知識的掌握能力和動手能力，我會盡全力做好。
1.3 國內(nèi)研究情況
我國臥式鏜床生產(chǎn)是在1954年由仿制開始的。目前已有13個省、一個自治區(qū)、三個直轄市的二十六個廠，臥式鏜床的年產(chǎn)量到1971年，已經(jīng)超過一千臺。臥式鏜床的品種，第一個五年計劃期間，只能生產(chǎn)主軸直徑85毫米的臥式鏜床，現(xiàn)在已經(jīng)能生產(chǎn)主軸直徑63、85、125、150等毫米的臥式鏜床及主軸直徑110毫米的加大主軸直徑和移動式鏜床。從只能根據(jù)國外圖紙生產(chǎn)單一產(chǎn)品，發(fā)展到自行設計試制并采用一定先進技術(shù)的多種產(chǎn)品。在無產(chǎn)階級大革命中，就有17個廠先后設計試制了三十一種臥式鏜床。其中直徑63毫米的有五種；直徑125毫米的有一種；無伸縮主軸簡易臥式鏜床有兩種；直徑160毫米落地鏜床有兩種，直徑200毫米的有一種，直徑250毫米的有一種。
當代臥式鏜銑床與落地式銑鏜床技術(shù)發(fā)展非?？?，主要體現(xiàn)在設計理念的更新和機床運行速度及制造工藝水平有很大的提高，另一方面是機床結(jié)構(gòu)變化大，新技術(shù)的應用層出不窮[3]。臥式鏜銑床的結(jié)構(gòu)向高速電主軸方向發(fā)展，落地式銑鏜床向滑枕式(無鏜軸)結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，功能附件呈高速、多軸聯(lián)動、結(jié)構(gòu)型式多樣化的發(fā)展態(tài)勢，這將是今后一個時期技術(shù)發(fā)展的新趨勢。
1.4 國外研究情況
國外數(shù)控臥式鏜床和臥式加工中心均有突飛猛進的發(fā)展。其表現(xiàn)在于機床的結(jié)構(gòu)、精度和壽命，以及自動化水平、生產(chǎn)效率等方面都有很大的提高。在產(chǎn)品開發(fā)工作上，采用模塊化設計和計算機輔助設計等現(xiàn)代化設計方法，在確保產(chǎn)品設計質(zhì)量和技術(shù)水平的前提下，產(chǎn)品品種大量涌現(xiàn)，變型產(chǎn)品也越來越多，除可滿足市場的需求外，并獲得了較大的經(jīng)濟效益。一些科學技術(shù)比較發(fā)達的國家，已由生產(chǎn)臥式鏜床轉(zhuǎn)向生產(chǎn)更高水平的自動化機床，并已生產(chǎn)和研制出更高一級的現(xiàn)代化水平的設備，從而為實現(xiàn)無人化工廠奠定了基礎[4]。國外數(shù)控臥式鏜床及臥式加工中心的形成、演變過程，一種是以普通臥式鏜床為基礎，配以控制系統(tǒng)，而成為數(shù)控臥式鏜床；進而在配以刀庫及機械手等獨立部件后，演變成為臥式加工中心；另一種是與普通臥式鏜床無關，獨立設計而成。很多機床公司都是由過去生產(chǎn)普通臥式鏜床轉(zhuǎn)而生產(chǎn)當代的數(shù)控臥式鏜床及臥式加工中心的。很多機床廠家已不生產(chǎn)一般的普通臥室機床，已將其擴散到發(fā)展中國家去生產(chǎn)，而把主要精力集中到更高級的數(shù)控臥式鏜床和臥式加工中心，并進行大量的科學研究工作因而取得了較大技術(shù)和經(jīng)濟利益。
2 本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案、研究方法或措施
2.1 本課題研究的主要內(nèi)容
（1）了解主軸箱變速操縱機構(gòu)的性能要求；
（2）了解主軸箱變速操縱機構(gòu)的工作原理，進行結(jié)構(gòu)設計和計算分析；
（3）設計指標：利用兩個液壓油缸，經(jīng)撥叉帶動雙聯(lián)滑移齒輪移動到需要的多個位置；
（4）應用CAD系統(tǒng)對系統(tǒng)零件和裝配建模和仿真。
2.2 研究方案及方法
2.2.1主傳動總體方案選擇
數(shù)控機床的調(diào)速是按照控制指令自動執(zhí)行的，因此變速機構(gòu)必須適應自動操作的要求。在主傳動系統(tǒng)中，目前多采用交流主軸電動機和直流主軸電動機無級調(diào)速系統(tǒng)，為擴大調(diào)速范圍，適應低速大轉(zhuǎn)矩的要求，也經(jīng)常應用齒輪有級和電動機無級調(diào)速相結(jié)合的調(diào)速方式[5]。
數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)主要有四種調(diào)速方式[6,7,8]，如圖1所示。
a.帶有變速齒輪的主傳動 大、中型數(shù)控機床采用這種變速方式，如圖1(a)所示，通過少數(shù)幾對齒輪降速，擴大輸出轉(zhuǎn)矩，以滿足主軸低速時對輸出轉(zhuǎn)矩特性要求。數(shù)控機床在交流或直流電動機無機調(diào)速的基礎上配以齒輪變速，使之成為分段無級變速?；讫X輪的以為大都采用液壓缸加撥叉，或者直接由液壓缸帶動齒輪來實現(xiàn)。
b.通過帶傳動的主傳動 如圖1(b)所示，這種傳動主要應用于轉(zhuǎn)速較高、變速范圍不大的機床。電動機本身的調(diào)速能夠滿足要求，不用齒輪變速，可以避免齒輪傳動引起的振動和噪音。它使用于高速、低轉(zhuǎn)矩特性要求的主軸。常用的是V帶和同步齒形帶。
c.用兩個電動機分別驅(qū)動主軸 如圖1(c)所示，這是上述兩種方式的混合傳動，具有上述兩種性能。高速時電動機通過帶輪直接驅(qū)動主軸扭轉(zhuǎn)，低速時，另一個電動機通過兩級齒輪傳動驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)，齒輪起到降速和擴大變速范圍，克服了低速時轉(zhuǎn)矩不夠且電動機功率不能充分利用的缺陷。
d.內(nèi)裝電動機主軸傳動機構(gòu) 如圖1(d)所示，這種傳動方式大大簡化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出轉(zhuǎn)矩小，電動機發(fā)熱對主軸影響較大。
圖1 數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)的四種配置方式
2.2.2 主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計
機床主傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計，是將傳動方案結(jié)構(gòu)化，向生產(chǎn)提供傳動部件裝配圖，零件工作圖及零件明細表等。
機床傳動部件即主軸變速箱的結(jié)構(gòu)設計主要內(nèi)容包括：主軸組件設計，操縱機構(gòu)設計，傳動軸組件設計，其他機構(gòu)（制動及換向機構(gòu)等）設計，潤滑與密封裝置設計，箱體及其他零件設計等[9]。
主軸變速箱部件裝配圖包括展開圖，橫向剖視圖、外觀圖及其他必要的局部視圖等。如圖2所示[10,11]。
圖2 主軸箱裝配圖
3 本課題研究的重點及難點，前期已開展工作
數(shù)控臥式鏜銑床主軸箱中采用兩個液壓缸，利用撥叉帶動齒輪移動，實現(xiàn)主軸變速。主軸箱變速操縱機構(gòu)性能優(yōu)劣將影響機床的操縱性能。本課題研究的重點及難點在于設計方案和整體結(jié)構(gòu)特點的確定。目前已經(jīng)查找和閱讀了大量期刊、書籍、報紙及優(yōu)秀碩士論文，并對相關數(shù)據(jù)進行了分析，初步擬定了設計方案和整體的結(jié)構(gòu)。
4 完成畢業(yè)論文的工作步驟與時間安排
（1）第1—3周：調(diào)研并收集資料；
（2）第3—6周：確定設計方案和整體結(jié)構(gòu)特點；
（3）第7—11周：完成結(jié)構(gòu)設計計算；
（4）第12—15周：完成裝配圖、三維建模和仿真；完成論文撰寫，準備答辯。
5.指導教師意見（對課題的深度、廣度及工作量的意見）
指導老師： 年 月 日
6.所在系意見：
系主管領導： 年 月 日
參考文獻
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本科畢業(yè)設計(論文)
題目：數(shù)控臥式鏜銑床主軸箱變速操縱機構(gòu)設計
系 別： 機電信息系
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
班 級：
學 生：
學 號：
指導教師：
2013年05月
數(shù)控臥式鏜銑床主軸箱變速操縱機構(gòu)設計
摘 要
機械行業(yè)是運用數(shù)控機床最多的，很多企業(yè)為了提高自己的生產(chǎn)效率，常常會對機床內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行多方面的改造。社會主義市場經(jīng)濟的發(fā)展為我國工業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造了條件，在現(xiàn)代一體化生產(chǎn)模式中運用了很多先進的設備。對于數(shù)控機床而言，主軸箱是其最為核心的組織結(jié)構(gòu)，整個主軸箱影響著數(shù)控機床的變速情況。大部分制造企業(yè)在實行技術(shù)改造時把重點放在了主軸箱變速器上，這是調(diào)整機床運行速度的重點。在設計過程中必須要對主軸箱的每個部件加以控制，這樣才能確保數(shù)控機床主軸變速性能的良好。
本文對主軸箱變速操縱機構(gòu)的工作原理進行結(jié)構(gòu)設計和計算分析，利用兩個液壓油缸，經(jīng)撥叉帶動雙聯(lián)滑移齒輪移動到需要的多個位置。
關鍵字：數(shù)控機床； 主軸箱； 結(jié)構(gòu)； 設計
Mechanism design of CNC horizontal boring and milling machine spindle box transmission control
Abstract
Machinery industry is the use of CNC machine tools the most, a lot of enterprises to improve their production efficiency, often transform many aspects of the internal structure of machine tool. The society pays attention to the development of the market economy to create the conditions for the industrial production of our country, a lot of advanced equipment for use in the integration of modern production mode. For NC machine tool, the spindle box is the most core structure, the spindle box of CNC machine tool gear case. Most of the manufacturing enterprises in the implementation of technical transformation to focus on the main spindle box transmission, which is the key to adjust the machine running speed. In the design process must each component of the headstock to control, so as to ensure the good performance of NC machine tool spindle speed.
In this pear, the working principle of the headstock gear control mechanism on the analysis of the structure design and calculation, using two hydraulic oil cylinders, the shifting fork drives a sliding duplex gear moving to a plurality of positions need.
Key Words: CNC machine; machine head; structure; design
III
目 錄
1 緒論 1
1.1 數(shù)控鏜銑床的結(jié)構(gòu)組成 1
1.2 我國臥式鏜銑床的發(fā)展 2
1.2.1 我國臥式鏜銑床的發(fā)展歷史 2
1.2.2 我國臥式鏜銑床的發(fā)展趨勢 2
2 數(shù)控臥式鏜銑床變速操縱機構(gòu)設計 4
2.1 主軸箱變速操縱機構(gòu)工作原理 4
2.2 主軸箱變速操縱機構(gòu)中傳動軸的安裝 5
2.3 齒輪在軸上的布置和排列 5
2.4 相嚙合齒輪的寬度 6
3 主傳動系統(tǒng)的設計計算 7
3.1 電動的選取 7
3.1.1 選擇電動機的類型 7
3.1.2 轉(zhuǎn)速及功率的確定 7
3.1.3 聯(lián)軸器的選擇 7
3.1.4 選定各齒輪齒數(shù) 7
3.1.5 轉(zhuǎn)速的計算 7
3.1.6 各軸功率及轉(zhuǎn)矩的計算 8
3.2 齒輪的設計 8
3.2.1 確定齒輪齒數(shù)的原則和要求 8
3.2.2 齒輪傳動設計參數(shù)的選擇 8
3.2.3 齒輪的結(jié)構(gòu)設計計算 9
3.3 軸的設計 12
3.3.1 軸的結(jié)構(gòu)設計 12
3.3.2 軸上作用力的計算 14
3.3.3 軸的結(jié)構(gòu)設計 14
3.3.4 鍵的選取 16
3.3.5 軸的受力分析 16
3.3.6 校核軸的強度 17
3.3.7 校核鍵連接的強度 18
3.3.8 校核軸承壽命 18
4 箱體的設計 20
5 傳動系統(tǒng)的潤滑 21
總 結(jié) 22
參考文獻 22
致 謝 23
畢業(yè)設計（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明 25
畢業(yè)設計（論文）獨創(chuàng)性聲明 26
IV
1 緒論
1 緒論
在車床、鏜床、銑床、插、拉床、磨床、數(shù)控加工中心、齒輪加工中心、切斷機床、特種加工機床、組合機床、柔性制造系統(tǒng)等眾多機械加工設備中，鏜銑床加工特點：加工過程中工件不動，讓刀具移動，并使刀具轉(zhuǎn)動（主運動），在實踐中具有“萬能機床”的稱號[1,2]。
鏜銑床主要是刀具在工件上加工已有預制孔的機床。通常，刀具旋轉(zhuǎn)為主運動，刀具或工件的移動為進給運動。它主要是用來加工高精度孔或一次定位完成多個孔的精加工，此外還可以從事與孔精加工有關的其他加工面的加工[3]。
1.1 數(shù)控鏜銑床的結(jié)構(gòu)組成
如圖1.1所示，數(shù)控機床主要由機床本體、自動換刀裝置、數(shù)控轉(zhuǎn)臺、液壓油箱、數(shù)控電柜、主軸驅(qū)動調(diào)速控制柜、機床電氣柜、主軸箱潤滑冷卻用自動油溫調(diào)節(jié)器和空氣干燥器等組成。
1-電動機 2-換刀機械手 3-數(shù)控柜 4-刀庫 5-主軸箱 6-操作面板 7-電源柜 8-工作臺 9-滑座 10-床身
圖1.1數(shù)控機床示意圖
23
畢業(yè)設計（論文）
a. 機床本體。機床的本體是用來支撐機床的工作已達到加工生產(chǎn)目的。主要由床身和立柱組成。
b. 主軸結(jié)構(gòu)。主軸部件既要滿足精加工精度較高的要求，又要滿足粗加工時高效切削的能力。因此在旋轉(zhuǎn)精度、剛度、抗振性和熱變形等方面，都有很高的要求。在布局結(jié)構(gòu)方面，對于具有自動換刀功能的數(shù)控鏜銑床，其主軸部件除主軸、主軸軸承和傳動件等一般組成部分外，還有道具自動加緊、主軸自動準停和主軸裝刀口吹凈等裝置。
c. 數(shù)控轉(zhuǎn)臺。數(shù)控轉(zhuǎn)臺可以進行任意角度定位，它的功能有兩個：一是使工作臺進行圓周進給運動，二是使工作臺進行分度運動。
d. 換刀裝置。數(shù)控鏜銑床為了能在工件一次裝夾中完成多種甚至所有加工工序，以縮減輔助時間和減少多次安裝工件所引起的誤差，必須具有自動換刀裝置。其主要有刀庫、橫梁升降機構(gòu)、滑座伸縮機構(gòu)、手架回轉(zhuǎn)機構(gòu)、裝刀手和卸刀手組成。
e. 機床導軌。導軌主要用來支撐和引導運動部件沿一定的軌道運動。在導軌副中，運動的一方叫運動導軌，不運動的一方叫支撐導軌。運動導軌相對于支撐導軌的運動，通常是直線運動或回轉(zhuǎn)運動。
1.2 我國臥式鏜銑床的發(fā)展
1.2.1 我國臥式鏜銑床的發(fā)展歷史
我國臥式鏜床生產(chǎn)是在1954年由仿制開始的。目前已有13個省、一個自治區(qū)、三個直轄市的二十六個廠，臥式鏜床的年產(chǎn)量到1971年，已經(jīng)超過一千臺。臥式鏜床的品種，第一個五年計劃期間，只能生產(chǎn)主軸直徑85毫米的臥式鏜床，現(xiàn)在已經(jīng)能生產(chǎn)主軸直徑63、85、125、150等毫米的臥式鏜床及主軸直徑110mm的加大主軸直徑和移動式鏜床。從只能根據(jù)國外圖紙生產(chǎn)單一產(chǎn)品，發(fā)展到自行設計試制并采用一定先進技術(shù)的多種產(chǎn)品。在無產(chǎn)階級大革命中，就有17個廠先后設計試制了三十一種臥式鏜床。其中直徑63mm的有五種；直徑125mm的有一種；無伸縮主軸簡易臥式鏜床有兩種；直徑160mm落地鏜床有兩種，直徑200mm的有一種，直徑250mm的有一種。
1.2.2 我國臥式鏜銑床的發(fā)展趨勢
畢業(yè)設計（論文）
圖1.2 臥式數(shù)控鏜銑床實物圖
當代臥式鏜銑床與落地式鏜銑床技術(shù)發(fā)展非常快，如圖1.2所示，主要體現(xiàn)在設計理念的更新和機床運行速度及制造工藝水平有很大的提高，另一方面是機床結(jié)構(gòu)變化大，新技術(shù)的應用層出不窮[4,5]。臥式鏜銑床的結(jié)構(gòu)向高速電主軸方向發(fā)展，落地式鏜銑床向滑枕式(無鏜軸)結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，功能附件呈高速、多軸聯(lián)動、結(jié)構(gòu)型式多樣化的發(fā)展態(tài)勢，這將是今后一個時期技術(shù)發(fā)展的新趨勢[6-8]。
2 數(shù)控臥式鏜銑床變速操縱機構(gòu)設計
2 數(shù)控臥式鏜銑床變速操縱機構(gòu)設計
2.1 主軸箱變速操縱機構(gòu)工作原理
主軸箱中有主軸、變速機構(gòu)，操縱系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)等。如果主軸箱與變速機構(gòu)分離，則除主軸箱外還有變速箱。主軸箱除應保證運動參數(shù)外，還應具有較高的傳動效率，傳動件具有足夠的強度或剛度，噪聲要低，振動要小，操縱方便，具有良好的工藝性，便于檢修，成本低，防塵，防漏，外型美觀等。
如圖2.1和圖2.2所示,主軸箱中采用兩個液壓缸，經(jīng)撥叉帶動兩個雙聯(lián)滑移齒輪移動而實現(xiàn)主軸變速。上油缸使撥叉撥動軸右邊雙聯(lián)滑移齒輪變速：油缸和組成的差動油缸，可以使軸左邊的雙聯(lián)滑移齒輪獲得二個位置。即當油缸2進壓力油油缸4回壓力油時，活塞桿被推向右邊，活塞桿用撥叉撥動軸上的雙聯(lián)滑移齒輪到左邊位置；當油缸4進壓力油2油缸回壓力油時，撥叉撥動雙聯(lián)滑移齒輪移動到左邊位置。圖2.1和圖2.2[9,10]兩個圖合起來反映了變速操縱機構(gòu)中幾個液壓缸的位置及其雙聯(lián)滑移齒輪變速的關系。
圖2.1 主軸箱變速操縱機構(gòu)（a）
畢業(yè)設計（論文）
1-活塞桿 2-油缸 3-行程開關 4-油缸 5-管接頭
圖2.2 主軸箱變速操縱機構(gòu)（b）
2.2 主軸箱變速操縱機構(gòu)中傳動軸的安裝
傳動軸的軸承以深溝球軸承為主，也可用圓錐滾子軸承。前者噪聲小、發(fā)熱小，應用較多，后者裝配方便承載能力較大，還可以承受軸向載荷，因而也有采用的，載荷較大的地方還可以采用圓柱滾子軸承[11,12]。
2.3 齒輪在軸上的布置和排列
在變速傳動組內(nèi)應盡量使較小的齒輪成為滑移齒輪，使滑移省力?；讫X輪必須使原出于嚙合狀態(tài)的齒輪完全脫開后，另一個齒輪才開始嚙合。因此，雙聯(lián)滑移齒輪傳動組占用的軸向長度為B>4b[13],如圖2.3所示
圖2.3 雙聯(lián)滑移齒輪軸向長度
2.4 相嚙合齒輪的寬度
在一般情況下，一對相嚙合的齒輪，寬度應該是相同的，但是，考慮到操縱機構(gòu)的定位不可能很精準，撥叉也存在著誤差和磨損，使用時往往會發(fā)生錯位。這時只有部分齒寬參與工作，會使齒輪局部磨損，降低壽命。如果軸向尺寸并不要求很緊湊，可以使小齒輪比相嚙合的大齒輪寬2—5mm.帶來的缺點是軸向尺寸將有所增加[14]。
3 主傳動系統(tǒng)的設計計算
3 主傳動系統(tǒng)的設計計算
3.1 電動的選取
3.1.1 選擇電動機的類型
根據(jù)用途選用Y系列一般用途的全封閉自冷式三相異步電動機，三相異步電動機的結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、維護方便，可直接接于三相交流電網(wǎng)中，在工業(yè)上用途最為廣泛，具有效率高、性能好、噪聲低、振動小等優(yōu)點，適用于不易燃、不易爆、無腐蝕性氣體和無特殊要求的機械上，如金屬切屑機床。
3.1.2 轉(zhuǎn)速及功率的確定
初步選定電動機功率為7.5kW。一般市場上最常用、供應最多的是同步轉(zhuǎn)速為1500r/min和1000r/min的電動機，無特殊需求不選用3000r/min和750r/min的電動機，因此選擇同步轉(zhuǎn)速為1500r/min的電動機，其滿載轉(zhuǎn)速為1440r/min,且型號為Y132M-4。
3.1.3 聯(lián)軸器的選擇
聯(lián)軸器的選擇應由工作要求決定。由于輸入軸與電動機軸直接相連，并且轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)矩小，所以選用彈性套柱銷聯(lián)軸器。其型號為LT6(GB/T 4323-2002)
3.1.4 選定各齒輪齒數(shù)
表3.1所示為確定的各齒輪的齒數(shù)
表3.1 各齒輪選定的齒數(shù)
編號
齒輪1
齒輪2
齒輪3
齒輪4
齒輪5
齒輪6
齒輪7
齒輪8
齒輪9
齒輪10
齒數(shù)Z
27
45
23
38
67
52
53
22
35
60
3.1.5 轉(zhuǎn)速的計算
在初步確定齒輪的齒數(shù)的情況下，計算主軸的轉(zhuǎn)速。齒輪5、6和齒輪7、8為兩個雙連齒輪并安裝在同一根軸上，齒輪2、3、4安裝在另一根軸上，齒輪9和齒輪10安裝在主軸上。從電動機輸出，經(jīng)過齒輪傳動到主軸有4種轉(zhuǎn)速，分別為：230r/min、950r/min、110r/min、450r/min。軸1的轉(zhuǎn)速是由電動直接輸出的，所以轉(zhuǎn)速為1440r/min,軸2和軸3的轉(zhuǎn)速是由齒輪傳遞的，所以軸2的轉(zhuǎn)速
畢業(yè)設計（論文）
為144027/45=864r/min，軸3的轉(zhuǎn)速有兩種分別為86438/52=631.38r/min和86423/67=296.6r/min。
3.1.6 各軸功率及轉(zhuǎn)矩的計算
a. 功率的計算
軸1功率為P1=75000.990.99=7350.75W；
軸2功率為P2=P10.970.99=7056W；
軸3功率為P3=P20.970.99=6779W；
主軸功率為P0=P30.970.99=6510W。
b. 轉(zhuǎn)矩的計算
軸1的轉(zhuǎn)矩為：；
軸2的轉(zhuǎn)矩為: ；
軸3有轉(zhuǎn)矩有兩種，分別為102.53和218.25；
主軸有四種轉(zhuǎn)矩，分別為270.28、65.44、565.13、138.14。
3.2 齒輪的設計
3.2.1 確定齒輪齒數(shù)的原則和要求
齒輪齒數(shù)確定的原則是使齒輪結(jié)構(gòu)緊湊，主軸轉(zhuǎn)速誤差小。具體要求如下：
a. 齒輪的齒數(shù)不應過大；
b. 最小齒輪的齒數(shù)要求盡可能小，對于圓柱齒輪最小齒數(shù)；
c. 受結(jié)構(gòu)限制的最小齒輪的各齒輪（尤其是最小齒輪），應可靠的裝到軸上或進行套裝，齒輪的齒槽到孔壁或鍵槽的壁厚大于等于2mm，以保證有足夠的強度，避免出現(xiàn)變形、斷裂。
3.2.2 齒輪傳動設計參數(shù)的選擇
a. 壓力角a的選擇
我國對一般用途的齒輪傳動規(guī)定的標準壓力角為a=20o，本次設計中，一對嚙合直齒圓柱齒輪的壓力角均取a=20o。
b. 齒數(shù)的選擇
保持中心距a不變的情況下，增加齒數(shù)，除能增加重合度，改善傳動平穩(wěn)外，還可以減小模數(shù)，降低齒高，因而減少金屬切削量，節(jié)省制造費用。
閉式齒輪傳動一般轉(zhuǎn)速較高，為了提高傳動的平穩(wěn)性，較少沖擊振動，以齒數(shù)多一些為好，小齒輪的齒數(shù)可以是20—40，小齒輪確定后，按齒數(shù)比m=Z2/Z1,確定大齒輪的齒數(shù)。為了使各個相嚙合的齒輪相對磨損均勻，傳動平穩(wěn)，Z1和Z2一般互為質(zhì)數(shù)。
3.2.3 齒輪的結(jié)構(gòu)設計計算
由于此次設計中涉及的齒輪過多，因此這里對齒輪1做詳細設計分析。
a. 選定齒輪類型、精度等級
選用直齒圓柱齒輪傳動。由于是金屬切屑機床，轉(zhuǎn)速較高，故選用8級精度（GB 10095-88）。
b. 選擇材料
由表查得選擇小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)處理），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)處理），硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。
c. 按齒面接觸強度設計
由設計計算公式進行試算，即
（3.1）
確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值
試選載荷系數(shù)Kt=1.3；
計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
選取齒寬系數(shù)Fd=0.2；
由表查得材料的彈性影響系數(shù)
按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞極限sHlim1=600MPa,大齒輪的接觸疲勞極限為sHlim2=550MPa。
計算應力循環(huán)次數(shù)
假定該機床可使用20年，每年按300天計算，則應力循環(huán)次數(shù)為
N1=60n1jLh=6014401 (2830020)=8.3109
N2=60n2jLh=608641 (2830020)= 5.0109
取接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1=0.90，KHN2=0.95。
計算接觸疲勞許用應力
取失效概率為1%，安全系數(shù)s=1。由下式得：
試算小齒輪分度圓直徑
計算圓周速度n
計算齒寬b
計算齒寬與齒高比
模數(shù)：
齒高：
則齒寬與齒高比為
計算載荷系數(shù)
根據(jù)n=6.6m/s，8級精度，查得動載系數(shù)Kv=1.2
直齒輪KHa=KFa=1，查得使用系數(shù)KA=1.25,用插值法查得8級精度小齒輪相對支撐非對稱布置時KHb=1.423。
由b/h=2.37，KHb=1.423查得KFb=1.35。故載荷系數(shù)
K=KAKVKHaKHb=1.251.211.423=2.1345。
按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑
。
計算模數(shù)m
。
d. 按齒根彎曲疲勞強度設計。彎曲強度的設計公式
（3.2）
確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值
查得小齒輪的彎曲疲勞極限，大齒輪的彎曲疲勞極限。
取彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=0.85，KFN2=0.88。
計算彎曲疲勞許用應力
取彎曲疲勞安全系數(shù)s=1.4，則：
；
。
計算載荷系數(shù)K。
K=KAKVKFaKFb=1.251.211.35=2.025。
查取齒形系數(shù)。
YFa1=2.57，YFa2=2.35。
查取應力校正系數(shù)。
YSa1=1.60，YSa2=1.68。
計算大小齒輪的并加以比較
；
大齒輪的數(shù)值大。
設計計算
對比計算結(jié)果，有齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算的的模數(shù)。由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲疲勞強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力僅與齒輪直徑有關。所以取模數(shù)為m1=3。因為所取的齒數(shù)為Z1=27，Z2=45，所以分度圓直徑為d1=273=81mm，d2=345=135mm。這樣設計出的齒輪傳動既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度。
d. 幾何尺寸計算
計算中心距
計算齒輪寬度
b=Fdd1=0.281=16.2mm
取B2=20mm，B1=25mm。
3.3 軸的設計
軸的設計是根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及主軸的制造工藝等方面的要求，合理的確定軸的結(jié)構(gòu)和尺寸。軸的結(jié)構(gòu)設計不合理，會影響機床的工作能力和軸上零件工作的可靠性還會增加軸的制造成本和軸上零件裝配的空難等。因此，軸的結(jié)構(gòu)是軸設計中的主要內(nèi)容。
軸的工作能力計算指的是軸的強度，剛度和振動穩(wěn)定性等方面的計算。多數(shù)情況下，制的工作能力指的是軸的強度。這時只要對軸進行強度計算，以防止斷裂或塑性變形。而對剛度要求高的軸和受力大細長軸，還應進行強度計算，以防止發(fā)生共振而破壞。
軸的材料主要是碳鋼和合金鋼，鋼軸的毛胚多數(shù)用軋鋼制圓鋼和鍛件，有的則直接用圓鋼。由于碳鋼比合金鋼價廉，對應力集中的敏感性較低，同時也可以用熱處理或化學熱處理的方法提高其耐磨性和抗疲勞強度，故采用碳鋼制造周最為廣泛，其中最常用的是45號鋼。我的設計中主要采用45號鋼
合金鋼比碳鋼具有更高的力學性能和更好淬火性能。因此在傳遞大動力，并要求減小尺寸與質(zhì)量，提高軸勁的耐磨性，以及處于高溫或低溫條件下工作的軸，常用合金鋼。
必須指出：在一般工作溫度下（低于100攝氏度），各種碳鋼和合金鋼的彈性模量均相差不多，因此在選擇鋼的種類和決定鋼的熱處理方法時，所根據(jù)的是強度和耐磨性，而不是軸的彎曲強度和扭曲強度。但也應注意，在既定條件下，有時也選用強度較低的剛才，而用適當增加軸的截面面積的方法來提高軸的剛度。
3.3.1 軸的結(jié)構(gòu)設計
軸的結(jié)構(gòu)設計包括定出軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)設計。
軸的結(jié)構(gòu)設計主要決定于以下因素：軸在機器中的安裝位置以及形式；軸上安裝的零部件的類型、尺寸、數(shù)量以及和軸的連接方法；載荷的性質(zhì)、大小、方向及分布情況；軸的加工工藝等。由于影響軸的結(jié)構(gòu)的因素較多，且其結(jié)構(gòu)形式又要隨著具體情況的不同而異，所以軸沒有標準的結(jié)構(gòu)形式。設計時必須針對不同情況進行具體的分析。但是，不論何種具體條件，軸的結(jié)構(gòu)都應滿足：軸和裝在軸上的零件要有準確的工作位置；軸上的零件應便于拆裝和調(diào)整；軸應具有良好的制造工藝性等。下面討論軸的設計中要解決的幾個主要問題。
a. 軸上零件的定位
為了防止軸上零件受力時發(fā)生沿軸向或徑向的相對運動，軸上零件除了有游動或空轉(zhuǎn)的要求外，都必須進行軸向和徑向的定位，以保證其準確的工作位置。
b. 零件的軸向定位
軸上零件的軸向定位是以軸肩、套筒、軸段擋圈、軸承端蓋和圓螺母等來保證的。
軸肩分為定位軸肩和非定位軸肩兩類。利用軸肩定位是最方便可靠的方法，但采用軸肩就必然會使軸的直徑加大，而且軸肩處將應截面突變而引起應力集中。另外，軸肩過多時也不利于加工。因此，軸肩定位多用于軸向力較大的場合。定位軸肩的高度h一般取為h=(0.07-0.1)d，d為與零件相配合處的軸的直徑，單位為mm。滾動軸承的軸肩必須低于軸承內(nèi)圈斷面的高度，以便于拆卸軸承，軸肩的高度可查手冊中軸承的安裝尺寸。為了使零件能靠近軸肩而得到準確可靠的定位，軸肩處的過度圓角半徑r必須小于與之相配的零件轂孔端部的圓角半徑R或倒角C。
套筒定位結(jié)構(gòu)簡單，定位可靠，軸上不需開曹、鉆孔或切制螺紋，因而不影響軸的疲勞強度，一般用于軸上兩個零件之間的定位。如兩零件間的間距較大時，不宜采用套筒定位，以免增大套筒的質(zhì)量及材料的用量。因套筒與軸的配合較松，如軸的轉(zhuǎn)速很高時，也不宜采用套筒定位。
c. 各軸段直徑和長度的確定
零件在軸上的定位和拆裝方案確定后，軸的形狀便大體確定。各軸段所需的直徑與軸上的載荷大小有關，初步確定軸的直徑時，還不知道支反力的作用點，不能確定彎矩的大小與分布情況，因而還不能按軸所受的具體載荷及其引起的應力來確定軸的直徑。但在進行軸的結(jié)構(gòu)設計方面，通常已經(jīng)能求得軸所受的扭矩。因此，可按軸所受的扭矩初步估算軸所需的直徑，將初步求出的直徑作為承受扭矩的軸段的最小直徑dmin，然后再按軸上零件的裝配方案和定位要求，從dmin處起注意確定各段軸的直徑。在實際設計中，軸的直徑亦可憑設計者的經(jīng)驗去定，或參考同類機器用類比的方法確定。
為了使齒輪、軸承等有配合要求的零件拆裝方便，并減少配合表面的擦傷，在配合軸段前應采用較小的直徑。為了使與軸做過盈配合的零件便于裝配，相配合軸段的壓入段應制出錐度；或在同一軸段的兩個部位上采用不同的尺寸公差。確定各軸段的長度時，應盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊，同時還要保證零件所需的裝配或調(diào)整空間。軸的各段長度主要是根據(jù)各零件與軸配合部分的軸向尺寸和相鄰部件間必要的空隙來確定。為了保證軸向定位可靠，與齒輪和聯(lián)軸器等零部件相配合部分的軸段長度一般應比輪轂長度短2—3mm。
3.3.2 軸上作用力的計算
a. 軸1上齒輪1的受力計算
已知條件，軸1傳遞的轉(zhuǎn)矩T1=48.7，轉(zhuǎn)速為1440r/min，齒輪1分度圓直徑d1=81mm。
齒輪1的作用力為,其方向為由力的作用點指向齒輪1的轉(zhuǎn)動中心。
齒輪2的作用力與齒輪1的作用力大小相等方向相反。
b. 軸2的作用計算
已知條件，軸2傳遞的轉(zhuǎn)矩T2=77.98，轉(zhuǎn)速為864r/min，齒輪3的分度圓直徑為d3=69mm，齒輪4的分度圓直徑為d4=114mm。
齒輪3的作用力為
齒輪4的作用力為
其方向都由力的作用點指向轉(zhuǎn)動中心。
3.3.3 軸的結(jié)構(gòu)設計
軸的結(jié)構(gòu)設計計算與軸上齒輪輪轂孔內(nèi)徑及寬度、滾動軸承的選擇和校核、鍵的選擇和驗算與軸連接的半聯(lián)軸器的選擇同步進行。并且箱體內(nèi)壁寬度主要由軸的總長度確定，所以軸的結(jié)構(gòu)尺寸最為關鍵。這里對軸2進行詳細設計計算。
已知條件，軸2的傳遞功率P2=7056w，轉(zhuǎn)速n2=864r/min,齒輪分度圓直d2=135mm，d3=69mm，d4=114mm，齒輪寬度b2=20mm，b3=30mm，b4=25mm。
a. 選擇軸的材料
因為該軸主要承受的是扭矩和彎曲變形，所以選用常用的材料45鋼，調(diào)質(zhì)處理，其硬度為217—225MPa，彎曲疲勞極限為s-1=275MPa,許用彎曲應力[s-1]=60MPa,許用切應力[t]=25-45MPa。
b. 初算軸徑
由表查得A0=126-103考慮到軸承受彎矩較小且受到扭矩的作用，載荷較平穩(wěn)，所以A0取較小值A0=110，則
c.軸的結(jié)構(gòu)設計
（1）軸的結(jié)構(gòu)構(gòu)想如圖3.1所示
圖3.1 軸的結(jié)構(gòu)構(gòu)想圖
（2）軸承部件的結(jié)構(gòu)設計
1）軸不長，故軸承采用兩端固定方式，然后按軸上零件的安裝順序從dmin處開始設計。
2）軸承的選擇與軸段1及軸段6的設計
該軸段上安裝軸承，其設計應該與軸承的選擇同步進行，因為本次設計選用的是直齒圓柱齒輪，所以不考慮軸向力的存在，選用深溝球軸承，軸段1、6上安裝軸承，其直徑應該既便于軸承的安裝又應該符合軸承內(nèi)徑系列，所以選用軸承6207進行設計計算。其內(nèi)徑為d=35mm，外徑為D=72mm，寬度為B=17mm。所以d1和d6都為35mm，且取l6=l1=30mm。
3）軸段2和軸段3的設計
軸段2和軸段3上分別安裝的是齒輪2齒輪3和齒輪4，為了齒輪的安裝，d3>d2>d1。可初步確定d3=F42mm，d2=F40mm，齒輪2和齒輪3的輪轂寬度為b2=30mm，b3=35mm，左右兩端均采用套筒定位，由于兩個齒輪的直徑及寬度都不較小，所以采用實心式，并且兩個齒輪是緊密挨在一起的，軸段3上安裝的是齒輪4，齒輪4的輪轂寬度為b4=35mm，左端采用軸肩定位，右端采用套筒定位，由于齒輪4和齒輪6嚙合，齒輪3和齒輪5嚙合，齒輪5和齒輪6為雙聯(lián)滑移齒輪，滑移的距離為58mm。齒輪5是安裝在齒輪6的輪轂上的，齒輪6的輪轂寬度為70mm，所以齒輪4和齒輪3之間的總長度應大于128mm，軸段3的長度應該大于128-35=93mm，故取l2=65mm，l3=100mm。
軸段4為軸肩，所以取l4=4mm，d4=F46mm。軸段5上沒有安裝任何零部件，由于齒輪和齒輪8為雙聯(lián)滑移齒輪，齒輪7安裝在齒輪8的輪轂上，其總體寬度為90mm，滑移距離為42mm，所以l5>90+42-4=128mm，故取l5=140mm。
（3）軸上力的作用點間的距離
軸承反力的作用距離軸承外圈斷面的距離為a=8.5mm。所以有圖可得軸的支點及受力點間的距離為：
L1=l1+b2-a-3=30+10-8.5-3=28.5mm；
L2=b2+b3=35mm；
L3=b3+l3-b4=102.5mm；
L4=l5+l4+b4+l6-a-3=175mm。
3.3.4 鍵的選取
齒輪與軸之間采用A型普通平鍵連接，鍵的選取是根據(jù)該段軸的直徑和長度所決定的，所以選取鍵12856和鍵12832（GB/T1096-2003）。
3.3.5 軸的受力分析
a. 軸的受力簡圖如圖3.2所示
圖3.2 軸的受力簡圖
計算支撐反力
式中負號與圖中所畫力的方向相反。
b. 畫出軸的彎矩圖如圖3.3所示
圖3.3 軸的彎矩圖
計算彎矩
c. 畫出軸的扭矩圖如圖3.4所示
圖3.4 軸的扭矩圖
3.3.6 校核軸的強度
根據(jù)所的的彎矩圖和扭矩圖得出，軸段4為危險截面，其抗彎截面系數(shù)為
（3.3）
抗扭截面系數(shù)為
（3.4）
所以
所以該軸的設計滿足要求。
3.3.7 校核鍵連接的強度
齒輪2、3處鍵連接的擠壓應力為
（3.5）
齒輪4處鍵的強度為
取鍵的材料為鋼，而。
所以強度足夠，選用的鍵滿足要求。
3.3.8 校核軸承壽命
查得Cr=25500,C0r=15200。軸承1、2的內(nèi)部軸向力分別為
由于此設計中所用的齒輪為直齒圓柱齒輪，所以不考慮外部軸向力。由于S2>S1，故只需校核軸承1的壽命。
由,查得e=0.24,因為不考慮外部軸向力，所以可以認為外部軸向力為Fa=0，即
,故X=1，Y=0。
則當量動載荷為
（3.6）
軸承在100攝氏度以下工作，查得，對于金屬切削機床，查表得載荷系數(shù)為,軸承1的壽命為
（3.7）
假定該機床可以使用20年，每年按300天計算，則
由于，故軸承壽命足夠。
4 箱體的設計
4 箱體的設計
變速操縱機構(gòu)箱體是用以支持和固定軸系零件，保證傳動件的嚙合精度、良好潤滑及密封的重要零件，箱體的結(jié)構(gòu)對機床的工作性能、加工工藝、材料消耗、質(zhì)量及成本等有很大的影響，設計時必須全面考慮。
箱體按毛胚的制造方式不同可分為鑄造箱體和焊接箱體，鑄造箱體的材料一般多用鑄鐵（HT150、HT200）。鑄造箱體較易獲得合理和復雜的結(jié)構(gòu)形狀，剛度好，易進行切削加工，但制造周期長，質(zhì)量較大，多用于成批生產(chǎn)。此次設計中選用鑄造箱體，選用材料為HT200。且箱體的結(jié)構(gòu)尺寸如表4.1所示[15,16]；
表4.1 箱體結(jié)構(gòu)尺寸
名稱
尺寸（mm）
箱座壁厚
20
箱蓋厚度
10
箱蓋寬度
350
軸承旁連接螺栓直徑
M10
箱座底凸緣厚度
20
箱蓋與箱座連接螺釘直徑
M8
連接螺栓的間距
320
箱體與床身連接螺栓間距
170
外箱壁至軸承座端面距離
15
軸承座厚度
50
箱體總寬度
402
箱體總高度
470
箱體總長
578
箱體內(nèi)壁間距
338
箱體于床身連接板的厚度
20
5 傳動系統(tǒng)的潤滑
5 傳動系統(tǒng)的潤滑
機床傳動零件和軸承都需要良好的潤滑，其目的是為了減少摩擦、磨損，提高效率，防銹，冷卻和散熱。其潤滑的方式有兩種，一種是浸油潤滑，另一種是噴油潤滑，根據(jù)本次設計的主軸箱傳動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，采用噴油潤滑的方式。即利用液壓泵將潤滑油加壓，通過油嘴噴到嚙合區(qū)對傳動部件進行潤滑。經(jīng)查得，選用全損耗系統(tǒng)用油[17,18],其型號為L-AN15（GB 443-1989）。
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總 結(jié)
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總 結(jié)
數(shù)控臥式鏜銑床主軸箱變速操縱機構(gòu)畢業(yè)設計任務完成了，雖然設計的過程比較繁瑣，而且剛開始的時候還有些不知所措，但是在同學們的共同努力下，再加上老師的細心指導，我終于順利的完成了這次設計任務。本次設計鞏固和深化了課堂理論教學的內(nèi)容，鍛煉和培養(yǎng)了我綜合運用所學過的知識和理論的能力。使我獨立分析、解決問題的能力得到強化。
數(shù)控臥式鏜銑床是今后機床發(fā)展的方向，數(shù)控臥式鏜銑床液壓缸變速能實現(xiàn)機床的數(shù)控變速，使機床在工作中能改變主軸轉(zhuǎn)速，免除機床停車換擋，提高了加工工件的效率和精度，且液壓缸控制簡單，工作可靠，大大提高了數(shù)控機床的工作性能，減少了工件的裝夾次數(shù)。
變速操縱機構(gòu)是數(shù)控機床的重要組成部分，可以說變速操縱機構(gòu)的性能決定著機床的性能。通過本次設計，可以比較全面的了解數(shù)控臥式鏜銑床變速操縱機構(gòu)的設計方法和和參數(shù)選擇方法，對數(shù)控機床的性能及在機械生產(chǎn)領域中的應用又有了更新的認識。
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參考文獻
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致謝
畢業(yè)設計（論文）知識產(chǎn)權(quán)申明
致 謝
致 謝
本論文工作從始至終都是在曹老師的細心指導下完成的，其中傾注了老師大量的心血。老師嚴謹求學的作風，淵博的知識，敏銳的洞察力和執(zhí)著的鉆研精神使我受益匪淺，并將激勵我在今后的人生中克服困難，繼續(xù)奮勇向前進。正是導師循循善誘的教誨和指導，使我克服重重困難，最終圓滿的完成了論文工作。至此論文完成之際，謹向尊敬的導師至以最深切由衷的謝意！
在設計學習期間，曹老師給了我足夠的指導。從題目的選取、市場調(diào)研、查閱資料到正式設計、編寫說明書等每一個階段都是一個知識復習回顧，經(jīng)驗積累的過程。在這次畢業(yè)設計中使我深刻體會到，理論知識與實際設計中的差距、實踐經(jīng)驗對將來工作的重要性，機械設計不僅要付出辛勤的勞動，而且需要慎密的思考，敢于想象，勇于創(chuàng)新等新的設計理念，既滿足設計的性能要求又要經(jīng)濟上的實用性，真的讓我受益匪淺，感想收獲頗多。
經(jīng)過幾個月的努力，我順利的完成了設計。畢竟這是我第一次做畢業(yè)設計，經(jīng)驗不足在一定程度上肯定有不完善的地方需要改進，許多地方還沒有成熟的理論論證，懇請各位老師批評指正。
最后，衷心的祝愿我們的學校興旺發(fā)達！
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畢業(yè)設計（論文）獨創(chuàng)性聲明
畢業(yè)設計（論文）獨創(chuàng)性聲明
秉承學校嚴謹?shù)膶W風與優(yōu)良的科學道德，本人聲明所呈交的畢業(yè)設計（論文）是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，畢業(yè)設計（論文）中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的成果，不包含他人已申請學位或其他用途使用過的成果。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了致謝。
畢業(yè)設計（論文）與資料若有不實之處，本人承擔一切相關責任。
畢業(yè)設計（論文）作者簽名：
指導教師簽名：
日期：
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