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南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)
引 言
數(shù)控機(jī)床是一種高技術(shù)設(shè)備,它可以通過(guò)改變數(shù)控程序,適應(yīng)不同零件的自動(dòng)加工,而且可以采用較大的切削用量,利用軟件進(jìn)行精度校正和補(bǔ)償,從而提高生產(chǎn)效率、加工精度和加工質(zhì)量,可以實(shí)現(xiàn)工序集中、一機(jī)多用,能完成復(fù)雜型面的加工。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)家的數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量和技術(shù)水平在某種程度上反映了這個(gè)國(guó)家的制造業(yè)水平和競(jìng)爭(zhēng)力。因此數(shù)控機(jī)床是將來(lái)機(jī)床研制的重點(diǎn)。本文針對(duì)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控立式銑床及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)作簡(jiǎn)要的討論。
數(shù)控銑床是機(jī)械和電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，，它的機(jī)械結(jié)構(gòu)隨著電子控制技術(shù)的在銑床上的餓應(yīng)用，以及銑床性能提出的新要求，而逐步變化。與不同銑床相比數(shù)控銑床用三個(gè)數(shù)控伺服系統(tǒng)替代了傳統(tǒng)的機(jī)械進(jìn)給系統(tǒng)，其外形和結(jié)構(gòu)與普通銑床類似。數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)主要是進(jìn)行主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)與進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
第一章 總體設(shè)計(jì)
1.1、銑床簡(jiǎn)介
銑床是一種用途廣泛的機(jī)床。它可以加工平面(水平面、垂直面等)、溝槽（鍵槽、T型槽、燕尾槽等）、多齒零件上齒槽（齒輪、鏈輪、棘輪、花鍵軸等）、螺旋形表面（螺紋和螺旋槽）及各種曲面。此外，它還可以用于加工回轉(zhuǎn)體表面及內(nèi)孔，以及進(jìn)行切斷工作等。
由于銑床使用旋轉(zhuǎn)的多齒刀具加工工件，同時(shí)有數(shù)個(gè)刀齒參加切削，所以生產(chǎn)效率高，但是，由于銑刀每個(gè)刀齒的切削過(guò)程是斷續(xù)的，且每一個(gè)的切削厚度又是變化的，這就使切削力相應(yīng)地發(fā)生變化，容易引起機(jī)床振動(dòng)，因此，銑床在結(jié)構(gòu)上要求有較高的剛度和抗振性。
銑床的類型很多，主要類型有：臥式升降臺(tái)銑床、立式升降臺(tái)銑床、龍門(mén)銑床、工具銑床和各種專門(mén)化銑床等。
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)控銑床得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，它一般分為立式和臥式兩種，一般數(shù)控銑床是指規(guī)格較小的升降臺(tái)數(shù)控銑床，其工作臺(tái)寬度多在400mm以下，規(guī)格較大的數(shù)控銑床，例如工作臺(tái)寬度在500mm以上的，其功能已向加工中心靠近，進(jìn)而演變成柔性制造單元。數(shù)控銑床多為三坐標(biāo)、兩軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)床，也稱兩軸半控制，即X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸中，任意兩個(gè)都可以聯(lián)動(dòng)。一般情況下，在數(shù)控銑床上只能用來(lái)加工平面曲線的輪廓。對(duì)于有特殊要求的數(shù)控銑床，還可以加進(jìn)一個(gè)回轉(zhuǎn)的A坐標(biāo)或C坐標(biāo)，即增加一個(gè)數(shù)控分度頭或數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，這是機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)為四坐``標(biāo)的數(shù)控系統(tǒng)，它可用來(lái)加工旋轉(zhuǎn)槽、葉片等立體曲面零件。
我們本次設(shè)計(jì)過(guò)程中要接觸到的為XK5040數(shù)控立式銑床。它的工作臺(tái)寬度為400mm。
1.2、 XK5040型數(shù)控銑床的主要技術(shù)參數(shù)及總傳動(dòng)圖
1.2.1 XK5040型數(shù)控銑床的主要技術(shù)參數(shù)
機(jī)床設(shè)計(jì)的初使，首先需確定有關(guān)參數(shù)，它們是傳動(dòng)設(shè)計(jì)和就億個(gè)度微 設(shè)計(jì)的依據(jù)，影響到產(chǎn)品是否能滿足所需要的功能要求，因此，參數(shù)擬定是機(jī)床設(shè)計(jì)中的重要問(wèn)題。
機(jī)床參數(shù)有主參數(shù)和基本參數(shù)。主參數(shù)是最重要的，它直接反映機(jī)床的加工能力、特性、決定和影響其他基本參數(shù)的數(shù)值。如銑床的工作臺(tái)寬度等?；緟?shù)是一些與加工工件尺寸、機(jī)床結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性有關(guān)的參數(shù)?？蓺w納為：尺寸參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)。
XK5040型數(shù)控銑床的主要技術(shù)參數(shù)如下：
工作臺(tái)：
工作臺(tái)尺寸（長(zhǎng)×寬） 1600×400mm
工作臺(tái)最大縱向行程 900mm
工作臺(tái)最大橫向行程 375mm
工作臺(tái)最大垂直行程 400mm
工作臺(tái)T型槽數(shù) 3
工作臺(tái)T型槽寬 18mm
工作臺(tái)T型間距 100mm
主軸：
主軸錐度 50#（7：24）
主軸孔徑 27mm
刀桿直徑 32mm或50mm
主軸前軸承直徑 90mm
主軸軸向移動(dòng)距離 70mm
部件間主要尺寸：
立銑頭最大回轉(zhuǎn)角度 45°
主軸端面到工作臺(tái)面的距離 50～400mm
主軸中心線至床身垂直導(dǎo)軌距離 430mm
工作臺(tái)側(cè)面至床身垂直導(dǎo)軌距離 30～405mm
機(jī)動(dòng)性能：
主軸轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù) 18
主軸轉(zhuǎn)速范圍 30～1500r/min
動(dòng)力外形：
主電機(jī)功率 7.5KW
主電機(jī)轉(zhuǎn)速 1450r/min
工作臺(tái)進(jìn)給量：
縱向 10～1500mm/min
橫向 10～1500mm/min
垂直 10～600mm/min
定位精度ISO標(biāo)準(zhǔn)
X 0.07mm
Y 0.05mm
Z 0.06mm
重復(fù)定位精度ISO標(biāo)準(zhǔn) 0.03mm
工作臺(tái)最大承載 200kg
機(jī)床外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高） 2495mm×2100mm×2170mm
機(jī)床重量 約2700kg
1.2.2 總傳動(dòng)系統(tǒng)圖
XK5040立式銑床的總的傳動(dòng)系統(tǒng)圖如圖1.2所示。
圖1.2 XK5040總傳動(dòng)系統(tǒng)圖
第二章 主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1.1參數(shù)的擬定
選定公比，確定各級(jí)傳送機(jī)床常用的公比 為1.26或1.41，考慮適當(dāng)減少相對(duì)速度損失，這里取公比為 =1.26，根據(jù)給出的條件：主運(yùn)動(dòng)部分Z=18級(jí)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列表，確定各級(jí)轉(zhuǎn)速為：（30，37.5，47.5，60，75，95，118，150，190，235，300，375，475，600，750，950，1180，1500R/min）.
2.1.2 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)網(wǎng)的選擇
1 確定變數(shù)組數(shù)目和各變數(shù)組中傳動(dòng)副的數(shù)目
該機(jī)床的變數(shù)范圍較大，必須經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的傳動(dòng)鏈減速才能把電機(jī)的轉(zhuǎn)速降到主軸所需的轉(zhuǎn)速。級(jí)數(shù)為Z的傳動(dòng)系統(tǒng)由若干個(gè)傳動(dòng)副組成，各傳動(dòng)組分別有. .`````````個(gè)傳動(dòng)副，即Z=```````。傳動(dòng)副數(shù)由于結(jié)構(gòu)的限制，通常采用P=2或3，即變速Z應(yīng)為2或3的因子：Z=x
因此，這里18=3x3x2，共需三個(gè)變速組。
2 傳動(dòng)組傳動(dòng)順序的安排
18級(jí)轉(zhuǎn)速傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)組，可以排成：3x3x2，或3x2x3。
選擇傳動(dòng)組安排方式時(shí)，要考慮到機(jī)床主軸變速率的具體結(jié)構(gòu)，裝置和性能。I軸如果安置制動(dòng)的電磁離和器時(shí)，為減少軸向尺寸。第一傳動(dòng)組的傳動(dòng)副數(shù)不能多，以2為宜，有時(shí)甚至用一個(gè)定比傳動(dòng)副；主軸對(duì)加工精度，表面粗糙度的影響很大，因此主軸上齒輪少些為好，最后一個(gè)傳動(dòng)組的傳動(dòng)副選用2 ，或一個(gè)定比傳動(dòng)副。
這里，根據(jù)前多后少的原則，選擇18=3x3x2方案。
3 傳動(dòng)系統(tǒng)的擴(kuò)大順序安排
對(duì)于18=3x3x2的傳動(dòng)，有3！=6種可能安排，亦即有6種機(jī)構(gòu)副和對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)網(wǎng)，傳動(dòng)方案中，擴(kuò)大順序與傳動(dòng)順序可以一致，，結(jié)構(gòu)式18=xx的傳動(dòng)中，擴(kuò)大順序與傳動(dòng)順序一致，稱為順序擴(kuò)大傳動(dòng)，而，18=xx的傳動(dòng)順序不一致，根據(jù)“前密后疏”的原則，選擇18=xx的結(jié)構(gòu)式。
4 驗(yàn)算變速組的變速范圍
齒輪的最小傳動(dòng)1/4，最大傳動(dòng)比2，決定了一個(gè)傳動(dòng)組的最大變速范圍=/
因此，可按下表，確定傳動(dòng)方案：
根據(jù)傳動(dòng)比及指數(shù) x, 的值
公比
極限值傳動(dòng)比指數(shù)
1.26
x值: =1/=1/4
6
值: ==2
3
（x+）值：==8
9
因此，可選擇18=xx的傳動(dòng)方案。
5 最后擴(kuò)大傳動(dòng)組的選擇
正常連續(xù)順序擴(kuò)大傳動(dòng)（串聯(lián)式）的傳動(dòng)式為：
Z=*
最后擴(kuò)大傳動(dòng)組的變速范圍為：
r==
按原則，導(dǎo)出系統(tǒng)的最大收效Z和變速范圍為：
2
3
1.26
Z=18
R=50
Z=12
R=12.7
因此，傳動(dòng)方案18=3*3*2符合上述條件，其結(jié)構(gòu)網(wǎng)如下圖2.1：
圖2.1 結(jié)構(gòu)網(wǎng)圖
2.1.3 轉(zhuǎn)速圖擬定
運(yùn)動(dòng)參數(shù)確定后，主軸各級(jí)轉(zhuǎn)速就已知，切削耗能確定電機(jī)功率。在此基礎(chǔ)上，選擇電機(jī)的型號(hào)，分配個(gè)變速組的最小傳動(dòng)比；擬定轉(zhuǎn)速圖，確定各中間軸的轉(zhuǎn)速。
1 主電機(jī)的選擇
中型機(jī)床上，一般都采用交流異步電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源，可在下列中選用，在選擇電機(jī)型號(hào)時(shí)，應(yīng)注意：
（1）電機(jī)的N：
根據(jù)機(jī)床切削能力的要求確定電機(jī)功率，但電機(jī)產(chǎn)品的功率已標(biāo)準(zhǔn)化，因此，按要求應(yīng)選取相近的標(biāo)準(zhǔn)值。
（2）電機(jī)的轉(zhuǎn)速
異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有：3000，1500，1000，750，r/min,這取決于電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)P
=60f/p=60x50/p ( r/min)
機(jī)床中最常用的是1500 r/min和3000r/min 兩種，選用是要使電機(jī)轉(zhuǎn)速與主軸最高速度和工軸轉(zhuǎn)速相近為宜，以免采用過(guò)大或過(guò)小的降速傳動(dòng)。
根據(jù)以上要求，我們選擇功率為7.5KW，轉(zhuǎn)速為1500r/min的電機(jī)，查表，其型號(hào)為Y132M-4，其主要性能如下表
電機(jī)型號(hào)
額定功率KW
荷載轉(zhuǎn)速r/min
同步轉(zhuǎn)速r/min
Y132M-4
7.5KW
1440
1500
2 分配最小傳動(dòng)比，擬定轉(zhuǎn)速圖
（1）軸的轉(zhuǎn)速：
軸從電機(jī)得到運(yùn)動(dòng)，經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為主軸各級(jí)轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速和主軸最小轉(zhuǎn)速應(yīng)相近，顯然，從動(dòng)件在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下功率工作時(shí)所受扭矩最小來(lái)考慮，軸轉(zhuǎn)速不宜將電機(jī)轉(zhuǎn)速降得太低。弱軸上裝有離合器等零件時(shí)，高速下摩檫損耗，發(fā)熱都將成為突出矛盾，因此，軸轉(zhuǎn)速也不宜也太高，軸轉(zhuǎn)速一般取700~1000r/min左右較合適。
因此，使中間變速組降速緩慢。以減少結(jié)構(gòu)的徑向尺寸，在電機(jī)軸I到主傳動(dòng)系統(tǒng)前端軸增加一對(duì)26/54的降速齒輪副，這樣，也有利于變型機(jī)床的設(shè)計(jì)，改變降速齒輪傳動(dòng)副的傳動(dòng)比，就可以將主軸18級(jí)轉(zhuǎn)速一起提高或降低。
（2）中間軸的轉(zhuǎn)速
對(duì)于中間傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速的考慮原則是：妥善解決結(jié)構(gòu)尺寸大小和噪音，振動(dòng)等性能要求之間的矛盾。
中間傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速較高時(shí)，中間傳動(dòng)軸和齒輪承受扭矩小，可以使軸徑和齒輪模數(shù)小些：
d, m從而可使結(jié)構(gòu)緊湊。但這樣引起空載功率和噪音加大：
=1/(3.5+cn)KW
式中：C——系數(shù)，兩支承滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承C=8.5，三支承滾動(dòng)軸承C=10；
——所有中間軸軸徑的平均值；
——主軸前后軸徑的平均值
——中間傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速之和
n——主軸轉(zhuǎn)速（r/min）
=20lg-K
式中：（——所有中間傳動(dòng)齒輪的分度圓直徑的平均值mm;
——主軸上齒輪分度圓直徑的平均值mm;
q——傳到主軸上所經(jīng)過(guò)的齒輪對(duì)數(shù)
——主軸齒輪螺旋角
,K——系數(shù)，根據(jù)機(jī)床類型及制造水平選取，我國(guó)中型車床，銑床=3.5，車床K=54，銑床K=50.5
從上述經(jīng)驗(yàn)公式可知，主軸n和中間傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速和 對(duì)機(jī)床噪音和發(fā)熱的關(guān)系，確定中間軸轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況做相應(yīng)的修正。
a，對(duì)高速輕載或精密機(jī)床，中間軸轉(zhuǎn)速宜取低些
b,控制齒輪圓周速度v<8m/s(可用７級(jí)齒輪精度)，在此條件下，可適當(dāng)選用較高的中間軸轉(zhuǎn)速。
（3），齒輪傳動(dòng)比的限制
機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)中，齒輪副的極限傳動(dòng)比：
a, 升速傳動(dòng)中，最大傳動(dòng)比 2 ，過(guò)大，容易引起振動(dòng)的噪音。
b, 降速傳動(dòng)中，最小傳動(dòng)比 1/4。過(guò)小，則主動(dòng)齒輪與被動(dòng)齒輪的直徑相差太大將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)龐大。
（4）分配最小傳動(dòng)比
a,決定軸V-VI和VI-的傳動(dòng)比，根據(jù)臺(tái)式銑床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，及對(duì)同類車床的比較，為使傳動(dòng)平穩(wěn)取其傳動(dòng)比為1，
b,決定各變速組的傳動(dòng)比；
由前面2軸的轉(zhuǎn)速及中間軸轉(zhuǎn)速的分析，及齒輪傳動(dòng)比的現(xiàn)在，根據(jù)“前緩后急”的原則，取軸IV-V的最小降速比為極限值的1/4，=1.26，=4，軸III-IV和軸II-III均取=1/
（5）擬定轉(zhuǎn)速圖：
根據(jù)結(jié)構(gòu)圖及結(jié)構(gòu)網(wǎng)圖及傳動(dòng)比的分配，擬定轉(zhuǎn)速圖，如下圖2.2所示：
圖2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)圖
2.1.4齒輪齒數(shù)的確定及傳動(dòng)系統(tǒng)圖的繪制
1 齒輪齒數(shù)的確定的要求
可用計(jì)算法或查表確定齒輪齒數(shù)，后者更為簡(jiǎn)便，根據(jù)要求的傳動(dòng)比u和初步定出的傳動(dòng)副齒數(shù)和，查表即可求出小齒輪齒數(shù)：
選擇是應(yīng)考慮：
a,傳動(dòng)組小齒輪不應(yīng)小于允許的最小齒數(shù)，即：
推薦：
對(duì)軸齒輪=12，特殊情況下=11，
對(duì)套裝在軸上的齒輪，=16，特殊情況下=14，
對(duì)套裝在滾動(dòng)軸承上的空套齒輪，=20；
當(dāng)齒數(shù)少于不發(fā)生根切的最小齒數(shù)時(shí)（壓力角a=20的直齒標(biāo)準(zhǔn)，=17），一般需對(duì)齒輪進(jìn)行正變位修正。
b,保證強(qiáng)度和防止熱處理變形過(guò)大，齒輪齒根圓到鍵槽的壁厚，一般取則，如圖2.3所示。
c、同一傳動(dòng)組的個(gè)齒輪副的中心矩應(yīng)相等。若摸數(shù)相等時(shí)，則齒數(shù)和亦相等，但由于傳動(dòng)比要求，尤其是在傳動(dòng)中使用了公用齒輪后，常常滿足不了上述要求，機(jī)床上可用修正齒輪，在一定范圍內(nèi)調(diào)整中心矩使其相等但修正量不能太大，一般齒數(shù)差不能夠超過(guò)3~4個(gè)齒。
2 變速傳動(dòng)組中齒輪齒數(shù)的確定
為了減少齒輪數(shù)目和縮短變速箱的軸向尺寸，這里采用了公用齒輪。但由于公用齒輪的采用，使兩個(gè)傳動(dòng)組間的傳動(dòng)比互相牽制，不能獨(dú)立地按照最緊湊的原則決定傳動(dòng)件的尺寸，因此，徑向尺寸一般較大，此外，公用齒輪的兩側(cè)齒面同時(shí)嚙合會(huì)影響其磨損和壽命。這里我們采用查表法來(lái)確定齒輪的齒數(shù)。查《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》確定個(gè)齒輪齒數(shù)如下：
軸II-III間變速齒輪齒數(shù)的確定：
由于公比=1.26，傳動(dòng)比為=1/=，=1/=，=1/
設(shè)：傳動(dòng)組中最小齒輪齒數(shù)=16，查《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表7.3-14
可查得：=16/39 （0.1%），=19/36 （0.9%），=22/33 （-0.3%）
齒數(shù)和為=55
公用齒輪選為=39
軸III-IV間變速組齒輪齒數(shù)的確定：傳動(dòng)比為=1/ =1/ =
根據(jù)=，主動(dòng)輪齒數(shù)為39，從表7.3-14可查得：=18/47 （-0.1%），=28/37 （0.9%），=39/26 （-0.3%）
齒數(shù)和為：=65
軸IV-V間變速組齒輪齒數(shù)的確定：
由于變數(shù)組齒輪傳動(dòng)比和各傳動(dòng)副上受力差別較大齒輪副的速度變化，受力差別較大，為了得到合理的結(jié)構(gòu)尺寸，可采用不同模數(shù)的齒輪副。
軸IV-V間的兩對(duì)齒輪，其傳動(dòng)比為=1/4, =2分別取＝４，＝３則
／＝／＝３／４
?。耍剑常?，＝３０x3=90, =30x4=120
按傳動(dòng)比將齒數(shù)分配如下：
=1/4=18/7219/71 ，=2=80/4082/38軸V-VI及VI-VII間齒數(shù)確定，由于這兩個(gè)傳動(dòng)組只是改變傳動(dòng)方向，不起便速度作用，只需考慮其結(jié)構(gòu)尺寸及磨損振動(dòng)和噪音等因素。，取V-VI軸間錐材料齒輪齒數(shù)為２９，ＶI-VII軸間齒輪齒數(shù)為67。
3 主軸轉(zhuǎn)速系列的驗(yàn)算
主軸轉(zhuǎn)速在使用上并要求十分準(zhǔn)確，轉(zhuǎn)速稍高或稍低并無(wú)太大影響，但標(biāo)牌上標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列的數(shù)值一般也不允許與實(shí)際轉(zhuǎn)速相差太大。
由確定的齒輪齒數(shù)所得的實(shí)際轉(zhuǎn)速與傳動(dòng)設(shè)計(jì)理論值難以完全相符，需要驗(yàn)算主軸各級(jí)轉(zhuǎn)速，最大誤差不得超過(guò)即
%
主軸的各級(jí)實(shí)際轉(zhuǎn)速分別為：29.4，37.8，47.7，58，74.6，94.3，115，148，187，236.7，304.5，384.6，468，602，760，927，1192.6，1526.5 r/min
==2%
而%=2.6%故符合條件
同理：經(jīng)驗(yàn)算，其他各級(jí)轉(zhuǎn)速也滿足要求。
4 傳動(dòng)系統(tǒng)圖的繪制
轉(zhuǎn)速圖和齒輪齒數(shù)確定后，變速箱的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度也基本確定了（如齒輪個(gè)數(shù)，軸數(shù)，支承軸，為使變速箱的結(jié)構(gòu)緊湊，合理布置齒輪是一個(gè)重要的問(wèn)題，因?yàn)樗苯佑绊懽兯傧涞某叽?，變速操作的方便性和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的可行性問(wèn)題，在考慮主軸適當(dāng)?shù)闹С芯嗪蜕釛l件下，一般應(yīng)盡可能減少變速箱尺寸。這里為使變速操作的方便，提高效率采用電磁離合器操縱方式。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制出傳動(dòng)系統(tǒng)圖，如圖2.4所示
圖2.4 主傳動(dòng)系統(tǒng)圖
主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)路線表達(dá)式如下：
電動(dòng)機(jī)I——II——III——IV—=V——VI——VIII（主軸）
２.２ 傳動(dòng)件的估算與驗(yàn)算
2.2.1傳動(dòng)軸的估算和驗(yàn)算
傳動(dòng)軸除應(yīng)滿足強(qiáng)度要求外，還應(yīng)滿足剛度要求。強(qiáng)度要求保證軸在反復(fù)載荷和扭轉(zhuǎn)載荷作用下不發(fā)生疲勞破壞。機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)精度要求高，不允許有較大的變形因此，疲勞強(qiáng)度一般不是主要矛盾，除載荷很大的情況下，可以不必驗(yàn)算軸的強(qiáng)度。剛度要求保證軸在載荷下不致產(chǎn)生過(guò)大的變形（彎曲，失穩(wěn)，轉(zhuǎn)角）。若剛度不足，軸上的零件如齒輪，軸承等將由于軸的變形過(guò)大而不能正常工作，或產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，發(fā)熱，過(guò)早磨損而失效。因此，必須保證傳動(dòng)軸有足夠的剛度?？梢韵扰まD(zhuǎn)剛度估算軸的直徑，畫(huà)出草圖后，再根據(jù)受力情況，結(jié)構(gòu)布置和有關(guān)尺寸，驗(yàn)算彎曲剛度。
1 傳動(dòng)軸直徑的估算
傳動(dòng)軸直徑按扭轉(zhuǎn)剛度用下列公式估算傳動(dòng)軸直徑：
d=91mm
式中：N——該傳動(dòng)軸的輸入功率
N—— KW
——電機(jī)額定功率
——從電機(jī)到該傳動(dòng)軸之間傳動(dòng)件的傳動(dòng)效率的乘積（不計(jì)該軸軸承上的效率）。
——該傳動(dòng)軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速；
計(jì)算轉(zhuǎn)速是傳動(dòng)件能傳遞全部功率的最低轉(zhuǎn)速，各傳動(dòng)件的計(jì)算轉(zhuǎn)速可以從轉(zhuǎn)速圖上，按主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速和相應(yīng)的傳動(dòng)關(guān)系而確定，而中型車，銑床主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速為：
（主）=
——每米長(zhǎng)度上允許的扭轉(zhuǎn)角（deg/m）;可根據(jù)傳動(dòng)軸的要求選取。
對(duì)傳動(dòng)軸剛度要求
允許扭轉(zhuǎn)角
主軸
一般傳動(dòng)軸
較低的軸
（deg/m）
0.5-1
1-1.5
1.5-2
估算時(shí)應(yīng)注意：
（1） 值為每米長(zhǎng)度上允許的扭轉(zhuǎn)角，而估算的傳動(dòng)軸的長(zhǎng)度往往不足1m，因此，在計(jì)算時(shí)應(yīng)按軸的實(shí)際長(zhǎng)度計(jì)算和修正，如軸為500mm，取=1deg/m則
d=91 mm
（2） 效率y對(duì)估算軸徑d影響不大，可以忽略
（3） 如使用花鍵是可根據(jù)估算的軸徑 d選取相近的標(biāo)準(zhǔn)花鍵軸的規(guī)格，主軸總軸徑可參考統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)確定；
1.5-2.8
2.8-4
4.5-7.5
5.5-7.5
7.5-11
車床
60-80
70-90
70-105
95-130
110-145
升降臺(tái)銑床
50-90
60-90
60-95
75-100
90-105
各軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速：
=95 r/min
=118 m/min =300 r/min
=750 r./min =1450 r/min
軸徑的估算：
=91x=24.4
=91x=28.78 =91x=36.18
=91x =45.69 =91x=48.24
2 傳動(dòng)軸剛度的驗(yàn)算
（1）軸的彎曲變形的條件和允許值
機(jī)床的主傳動(dòng)軸的彎曲剛度驗(yàn)算，主要驗(yàn)算軸上裝齒輪和軸承出的撓度y和傾角。各類軸的撓度y，裝齒輪和軸承處的傾角，應(yīng)小于彎曲剛度的許用值和，即
。
軸的彎曲變形的允許值：
軸的類型
允許撓度
變形部位
允許傾角
一般傳動(dòng)軸
（0.0003~0.0005）
裝軸承處，裝齒輪處
0.0025 0.0001
剛度要求較高的軸
0.00021
裝單列圓錐磙子軸承
0.0006
安裝齒輪的軸
（0.01~0.03）
裝滑動(dòng)軸承處
0.001
安裝蝸輪的軸
（0.02~0.05）
裝單列徑向圓錐磙子軸承處
0.001
（2）軸的彎曲復(fù)形計(jì)算公式：
計(jì)算花鍵軸的剛度時(shí)可采用平均直徑或當(dāng)量直徑
計(jì)算公式：矩形花鍵軸：平均直徑=（D+d）/2
當(dāng)量直徑=
慣性矩：I=
確定矩形花鍵軸的平均直徑d1, 當(dāng)量直徑d 2和慣性In,慣性In查《機(jī)床設(shè)計(jì)指導(dǎo)》35頁(yè)表可定：
花鍵軸尺寸
（GB1144-74）
平均直徑
mm
當(dāng)量直徑
mm
極慣性矩
慣性矩
軸Ⅱ:
39
39.26
233341
116671
軸Ⅲ:
45
45.3
414840
207420
軸IV:
52.5
52.7
758297
379148
軸V:
52.5
52.7
758297
379148
２.２.２齒輪模數(shù)的估算
1 估算
按接觸疲勞和彎曲強(qiáng)度計(jì)算次論模數(shù)比較復(fù)雜，而且有些系數(shù)只有在齒輪各參數(shù)都已知的情況先才能確定，所以只在草圖畫(huà)完之后校核用。在畫(huà)草圖之前，先估算，再選用標(biāo)準(zhǔn)齒輪模數(shù)。
齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度的估算：
mm
齒面點(diǎn)蝕的估算：
A mm
其中 為大齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)速，A為齒輪中心矩，由中心矩A及齒數(shù)，求出模數(shù)
=2A/ mm
根據(jù)估算所得和中較大的值，選擇相近的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)，
各齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)數(shù)為：
=1450r/min =695r/min =300r/min 235r/min =95r/min =273r/min =235r/min =695r/min =475r/min =118r/min =695r/min =695r/min =300r/min
=300r/min =118r/min
軸I—II間傳動(dòng)組齒輪模數(shù)的估算
齒輪彎曲疲勞估算：=32=1.87
齒輪點(diǎn)蝕的估算：A=370x =81.76 mm
=2A/=2x81.76/(26+54)=2.04 mm
所以模數(shù)為m=3.
軸II—III傳動(dòng)組齒輪模數(shù)的估算
齒輪彎曲疲勞估算：=32=2.759
齒面點(diǎn)蝕估算：A=370x =108.18
=2A/=2x108.18/(16+39)=3.93 mm
取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) m=4
軸III—IV間傳動(dòng)組齒輪模數(shù)的估算
齒輪彎曲疲勞估算：=32x=3.046
齒面點(diǎn)蝕估算：A=370x =117.3
=2A/=2x147.3/(28+37)=3.61
所以取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m=4mm。
軸V—VI間傳動(dòng)組齒輪模數(shù)的估算：
齒輪彎曲疲勞計(jì)算，
4.46
齒面點(diǎn)蝕估算：Ax=153.4
=2A/=2x153.4/(29+29)=5.29
取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)值m=5,軸VI—VII間齒輪模數(shù)的確定：
齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算，
齒面電蝕估算
Ax =158.7
=2A/=2x158.7/(67+67)=2.37
取模數(shù)值為m=4。
2 計(jì)算（驗(yàn)算）
結(jié)構(gòu)確定后，齒輪的工作條件：空間安排，材料和精度等級(jí)都已經(jīng)確定，才可以核驗(yàn)齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度值是否滿足要求。
根據(jù)接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算齒輪模數(shù)的公式：= mm
根據(jù)彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算齒輪模數(shù)，公式= mm
式中：N—計(jì)算齒輪傳遞的額定功率N= KW
——計(jì)算齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)速r/min
——齒寬系數(shù)=b/m, 常取6-10；
——大齒輪與小齒輪齒數(shù)，一般取傳動(dòng)中最小齒輪的齒數(shù)
i——大齒輪與小齒輪的傳動(dòng)比， i=/1; “+”用于外嚙合，“-”用于內(nèi)嚙合
——壽命系數(shù)，=，
——工作期限系數(shù)，=
齒輪等傳動(dòng)件在接觸和彎曲交變載荷下的指數(shù)m和基準(zhǔn)循環(huán)次數(shù)
n——齒輪的最低轉(zhuǎn)速 r/min
T——預(yù)先的齒輪工作期限，中型機(jī)床推薦：T=15000~20000h;
——轉(zhuǎn)速變化系數(shù)
——功率利用系數(shù)
——材料強(qiáng)化系數(shù)，幅值低的交變載荷可使金屬材料的晶粒邊界強(qiáng)化，起阻止疲勞的刃縫擴(kuò)大的作用
——工作情況系數(shù)，中等沖擊的主運(yùn)動(dòng)，=1.2~1.6；
——?jiǎng)虞d荷系數(shù)
——齒向載荷分布系數(shù)
——齒形系數(shù)
——許用彎曲，接觸應(yīng)力MPa;
（1） 軸I-II間齒輪模數(shù)的計(jì)算(驗(yàn)算)
a 按接觸疲勞計(jì)算齒輪模數(shù):
N=y=0.987.5=7.35W
=8
查表: 取
則
取
線速度
查表: 取
查表 取
查表取 .
因此:
b 根據(jù)彎曲疲勞計(jì)算
查表取 :
而
查表取 .
Y=0.43,
因此: 。
由以上計(jì)算結(jié)果知，齒輪模數(shù)合格。
（２）其它齒輪模數(shù)的驗(yàn)算
其它齒輪的驗(yàn)算過(guò)程與上面相同，將有關(guān)數(shù)值代入上式，經(jīng)計(jì)算均滿足要求；
２.３ 展開(kāi)圖設(shè)計(jì)
２.３.１結(jié)構(gòu)實(shí)際的內(nèi)容及技術(shù)要求
1 設(shè)計(jì)內(nèi)容
設(shè)計(jì)主軸變速箱的結(jié)構(gòu)包括傳動(dòng)件（傳動(dòng)軸，軸承，齒輪，離合器和制動(dòng)器等），主軸組件，操縱機(jī)構(gòu)，潤(rùn)滑密封系統(tǒng)和箱體及其連接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與布置，用一張展開(kāi)圖和若干張橫截面圖表示。
2 技術(shù)要求
主軸變速箱是指機(jī)床的主要部分，設(shè)計(jì)時(shí)除考慮一般機(jī)械傳動(dòng)的有關(guān)要求外，著重考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：
（1）精度
立式銑床主軸部分要求比較高的精度主軸的徑向跳動(dòng)，〈0.01mm；主軸軸向串動(dòng)〈0.01mm。
（2）剛度和抗振性
綜合剛度（主軸刀架之間的力與相對(duì)變形之比）；
綜合剛度〉3400N/m
主軸與刀架之間的相對(duì)振幅的要求
等級(jí)
I
II
III
振幅（0.001mm）
1
2
3
(3)，傳動(dòng)效率要求
等級(jí)
I
II
III
效率
0.85
0.8
0.75
（4）主軸總軸承處溫升和溫升應(yīng)控制在以下范圍：
條件
溫度
溫升
用滾動(dòng)軸承
70
40
用滑動(dòng)軸承
60
30
（５）噪聲要控制在以下范圍：
等級(jí)
I
II
III
dB
78
80
83
噪音
=20log
式中：——所有中間傳動(dòng)齒輪分度圓直徑的平均值mm
——主軸上齒輪的分度圓直徑的平均值mm
——傳到主軸所經(jīng)過(guò)的齒輪對(duì)數(shù)
,k——系數(shù)，根據(jù)個(gè)類型及制造水平選取。我國(guó)中型車床，銑床=3.5，車床K254，銑床K50.5
（６）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊，加工和裝配工藝性好，便于維修和調(diào)整
（７）操作方便，安全可靠
（８）遵循標(biāo)準(zhǔn)化和通用化的原則
２.３.２ 齒輪塊的設(shè)計(jì)
1 特點(diǎn)
齒輪是變速箱中的重要元件，齒輪同時(shí)嚙合的齒數(shù)是周期性變化的，也就是說(shuō)，作用在一個(gè)齒上的載荷是變化的。同時(shí)由于齒輪制造及安裝誤差，不可避免要產(chǎn)生動(dòng)載荷而引起振動(dòng)和噪音，常常成為變速箱的主要噪聲源，并影響主軸回轉(zhuǎn)均勻性，在設(shè)計(jì)齒輪時(shí)，應(yīng)充分考慮這些問(wèn)題。
2 精度等級(jí)的選擇
變速箱中齒輪用于傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)。它的精度選擇主要取決于周圍速度。采用同一精度時(shí)，周圍速度越高，振動(dòng)和噪聲越大，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，周圍速度增加一倍，噪音約增加6dB。工作平穩(wěn)性和接觸誤差對(duì)振動(dòng)和噪音的影響比運(yùn)動(dòng)誤差更大。所以這兩項(xiàng)精度應(yīng)選高一級(jí)，為了控制噪音，機(jī)床上主傳動(dòng)齒輪都選用較高的精度，大都用7-6-6,這里主運(yùn)動(dòng)齒輪的精度選為7-6-6。
3 結(jié)構(gòu)與加工方法
不同精度等級(jí)的齒輪，要采用不同的加工方法，對(duì)結(jié)構(gòu)要求也有不同。
8級(jí)精度齒輪，一般滾齒或插齒就可以達(dá)到。
7級(jí)精度齒輪，用較高精度滾齒機(jī)或插齒機(jī)可以達(dá)到。但淬火后，由于變形，精度下降，因此，需淬火的7級(jí)齒輪一般滾（插）后要剃齒，使精度高于7級(jí)或淬火和衍齒才能達(dá)到6級(jí)。機(jī)床主軸變速箱中齒輪一般都需要淬火。多聯(lián)齒輪塊的結(jié)構(gòu)形式如下圖2.5所示，各部分的尺寸推薦如下：
（1）、空刀槽，
插齒時(shí)： 模數(shù) 12mm， 5mm;
模數(shù)2.54mm, 6mm。
剃齒時(shí)：
采用公式：=4.5+k(1.1+0.038-0.03)mm及計(jì)算。
試中，k為與剃齒刀傾斜角有關(guān)的系數(shù)。
若齒面要高頻淬火，為避免互相影響，應(yīng)大于8。
由于這里采用的齒輪的精度為7-6-6，需要剃齒或珩 圖2.5
齒，需齒面淬火，所以8，取=8?！ ?
（２）、齒寬b
齒寬影響齒的強(qiáng)度。但如果太寬，由于齒輪誤差和軸的變形，可能接觸不均勻，反而容易引起振動(dòng)和噪音。一般取=(6~10)m
齒輪模數(shù)m小，裝在軸的中部或單片齒輪，取大值齒輪模數(shù)m大，裝在靠近支承處或多聯(lián)齒輪，取小值。薄的大齒輪容易產(chǎn)生板振動(dòng)，成為噪音發(fā)射體，因此，齒輪基體不宜太薄，設(shè)計(jì)單片齒輪時(shí)要注意
這里均是單片齒輪，取齒寬（m為模數(shù)）。
（3）、其他問(wèn)題
滑移齒輪進(jìn)出嚙合的一端要圓齒，有規(guī)定的形狀和尺寸（見(jiàn)圖2.6），圓齒和倒角性質(zhì)不同，加工方法和畫(huà)法也不一樣，
圖2.6滑移齒輪嚙合斷面
部分（圖（一））用于安裝撥動(dòng)齒輪的滑塊，一般取=或，這里我們選。
選折齒輪塊的結(jié)構(gòu)時(shí)要考慮毛坯形式（棒料、自由鍛或模鍛）和機(jī)械加工時(shí)的安裝和定位基面，盡可能做到省工，省料又容易保證精度。
4 組合齒輪
齒輪磨齒時(shí)，要求有叫大的空刀（砂輪）距離，因此，多聯(lián)齒輪不便作成一整體一般都作成組合的齒輪塊。有時(shí)為了縮短軸向尺寸，也采用組合齒輪。
這里軸的三聯(lián)滑移齒輪可做成浮動(dòng)連接的組合齒輪，其結(jié)構(gòu)如下圖2.7
圖2.7滑移齒輪
說(shuō)明：齒輪3的左邊挖一圓溝槽，端面上有若干個(gè)徑向缺口，齒輪1的右側(cè)有2個(gè)銷子2，安裝時(shí)將銷子2對(duì)證齒輪端面的缺口，把齒輪1和齒輪3拼裝后，相對(duì)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，一起裝在花鍵軸上。
這種結(jié)構(gòu)，連接后的兩個(gè)齒輪成為一體，但連接是浮動(dòng)的，不影響兩個(gè)齒輪在花鍵軸上的定心。
5 齒輪的軸向定位
要保證正確嚙合，齒輪在軸上的位置應(yīng)該可靠，空套齒輪和固定在軸上的齒輪的軸向定位可采用隔套定位。
２.３.３ 傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)
1 特點(diǎn)
機(jī)床傳動(dòng)軸，廣泛采用滾動(dòng)軸承作支承。軸上要安裝齒輪，離合器和制動(dòng)器等。傳動(dòng)軸應(yīng)保證這些傳動(dòng)件或機(jī)構(gòu)能正常工作
首先，傳動(dòng)軸應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度，如撓度和傾角過(guò)大，將使齒輪嚙合不良，軸承工作條件惡化，使振動(dòng)，噪音、空載功率、磨損和發(fā)熱增大。
兩軸中心距誤差和軸心線間的平行度等裝配及加工誤差也會(huì)引起上述問(wèn)題。
2 軸的結(jié)構(gòu)
傳動(dòng)軸可以是光軸也可以是化鍵軸，成批生產(chǎn)中，有專門(mén)加工花鍵軸的洗床和磨床，工藝上并無(wú)困難。所以一般都采用化鍵軸，花鍵軸承載能力高，加工如轉(zhuǎn)盤(pán)也比但單鍵的光軸方便。
這里I軸與電機(jī)軸相連，I軸上只裝有一個(gè)齒輪，可選光軸II、III、IV、V軸采用花鍵軸，VI軸采用光軸。
3 軸承的選擇
機(jī)床傳動(dòng)軸常用的滾動(dòng)軸承有球軸承和滾錐軸承。在溫升?？蛰d功率和噪音等方面，球軸承都比滾錐軸承優(yōu)越。而且滾錐軸承對(duì)軸的剛度、支承孔的加工精度要求都比較高，異常球軸承用得更多。但滾錐軸承的內(nèi)外圈可以公開(kāi)。裝配方便，間隙容易調(diào)整。所以有時(shí)在沒(méi)有軸向力時(shí)，也常采用這種軸承。選擇軸承的型式和尺寸，首先取決于承載能力，但也要考慮其它結(jié)構(gòu)條件。
即要滿足承載能力要求，又要符合孔的加工工藝，可以用輕、中、或重系列的軸承來(lái)達(dá)到支承孔直徑的安排要求
花鍵軸兩端裝軸承的軸頸尺寸至少有一個(gè)應(yīng)小于花鍵的內(nèi)徑，一般傳動(dòng)軸上軸承選用G級(jí)精度。
（1）滾動(dòng)軸承的選擇計(jì)算
a，壽命計(jì)算公式：
滾動(dòng)軸承的壽命計(jì)算公式如下：
L=
試中：L—額定壽命（ x）轉(zhuǎn)
C—額定動(dòng)載荷（Kgf）
P—當(dāng)量負(fù)載荷（Kgf）
——壽命指數(shù)，對(duì)球軸承 =3 對(duì)滾子軸承=10/3
在實(shí)際計(jì)算中，一般采用工作小時(shí)數(shù)表示軸承的額定壽命，這時(shí)上試可變?yōu)椋?
=
試中：—額定壽命（h）
n—軸承的計(jì)算轉(zhuǎn)速（r/min）
當(dāng)量動(dòng)載荷P=X+Y
試中：—徑向負(fù)荷（Kgf）
—軸向負(fù)荷（Kgf）
X—徑向系數(shù)
Y—軸向系數(shù)
（2）按照負(fù)載荷選擇軸承
按額定靜負(fù)載選擇軸承的基本公式如下：
=
試中：—當(dāng)量靜負(fù)荷（kgf） 按下列兩式計(jì)算，取大值
—額定靜負(fù)荷（kgf）
—安全系數(shù)
（3）軸承的選擇
I軸兩端軸承的選擇，根據(jù)前面估算的直徑及該軸的結(jié)構(gòu)和受力情況，選擇單列向心球軸承（GB276—64）軸承型號(hào)為7000308（左軸承）右軸承7000307
II軸兩端軸承的選擇
左軸承：7000307 右軸承：7000306
III軸：左，7000309 右，7000308
IV軸：左，7000310，右7000409
V軸軸承的選擇，由于軸V右端懸伸部分與錐齒輪不相連，承受一定的軸向負(fù)荷及徑向負(fù)荷，因此，可選用圓錐磙子軸承左端型號(hào)：27310（GB298—64）
右端：27610
VI軸垂直布置，下端軸承承受到大的軸向力，可選用向心推力球軸承，型號(hào)為36107，上端軸承可選用向心球軸承7000309
4 軸的軸向定位
傳動(dòng)軸必須在箱體內(nèi)保持準(zhǔn)確的位置，相對(duì)保證安裝在軸上各傳動(dòng)件的位置正確性，不論軸是否轉(zhuǎn)動(dòng)，是否受軸向力，都必須有軸的定位。對(duì)受軸向力的軸，其軸向定位更重要。
回轉(zhuǎn)軸的軸向包括軸承在軸上的定位和在箱體孔中定位）在選擇定位方式時(shí)應(yīng)注意：1，軸的長(zhǎng)度，長(zhǎng)度要考慮熱伸長(zhǎng)的問(wèn)題，宜有一端定位。
2，軸承的間隙是否需要調(diào)整。
3，整個(gè)軸的軸向位置是否需要調(diào)整
4，在有軸向載荷的情況下不宜采用彈簧卡圈
5，加工和裝配的工藝性等
根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和收里情況，I，II，III，IV，V軸均采用彈簧卡圈定位或壓蓋和軸肩定位。
５ 傳遞軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（１）、 軸I的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):
1）,選聯(lián)軸器
軸I與電機(jī)軸用聯(lián)軸器相連,需同時(shí)選取連軸器.軸I上的轉(zhuǎn)矩T為:
聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩 查表取 則,根據(jù)工作需要,選用彈性柱銷連軸器,型號(hào)為HL3,聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩為: , 聯(lián)軸器的軸孔直徑d=38mm, 半聯(lián)軸器的長(zhǎng)度為L(zhǎng)=82mm,聯(lián)軸器標(biāo)記為: HL3聯(lián)軸器 3882 GB5014—85.
2）,按軸向定位要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度.
２.３.４ 主軸組件設(shè)計(jì)
主軸組件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,技術(shù)要求高,安裝工件(車床)或者刀具(銑床,鉆床)的主軸參予切削成形運(yùn)動(dòng),因此它的精度和性能直接影響加工質(zhì)量(加工精度和表面粗糙度),設(shè)計(jì)時(shí)主要圍繞著保證精度,剛度和抗振性,減小溫度和熱變形等幾個(gè)方面考
慮
１ 對(duì)主軸部件的基本要求
主軸組件是機(jī)床主要部件之一. 它的性能對(duì)整機(jī)性能影響很大. 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基本要求如下:
（1） 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.造成主軸回轉(zhuǎn)誤差的原因是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.
（2） 剛度. 主軸組件的剛度指受外力作用時(shí),主軸組件抵抗變形的能力. 主軸部件的剛度與主軸結(jié)構(gòu)尺寸,支承跨距,所選用的軸承類型及配置形式,軸承間隙的調(diào)整,主軸上傳動(dòng)元件的位置等有關(guān).
（3） 抗振性: 主軸組件的抗振性是指切削加工時(shí),主軸保持平衡運(yùn)轉(zhuǎn)而不發(fā)生振動(dòng)的能力,提高主軸抗振性,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(消振)器,另外,使主軸的固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激振力的頻率.
（4） 溫度. 主軸組件在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),溫度過(guò)高會(huì)引起很多不良結(jié)果,數(shù)控機(jī)床在解決溫度問(wèn)題時(shí),一般采用注溫主軸箱.
（5） 耐磨性, 主軸組件必須有足夠的耐磨性,以便能長(zhǎng)期保持精度.
２ 主軸部件的傳動(dòng)方式和布置形式.
（1）傳動(dòng)方式
主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)方式的選擇,決定于主軸轉(zhuǎn)速的高低,所傳遞扭矩的大小,對(duì)遠(yuǎn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性的要求及結(jié)構(gòu)緊湊,裝卸維修方便.這里我們選擇齒輪傳動(dòng),這樣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,緊湊和能傳遞較大的扭矩.
（2）傳動(dòng)件位置的合理布置.
對(duì)于傳動(dòng)件直接裝在主軸上的主軸部件,工作時(shí)主要承受傳動(dòng)力Q.切削力P和支承反力. 合理布置傳動(dòng)件的軸向位置,可以改善主軸的受力情況,減少主軸的變形,改善傳動(dòng)件的軸承工作條件,減少軸承的受力,提高主軸部件的抗振性等.
合理布置的原則
①傳動(dòng)力Q引起的主軸彎曲變形小,且能部分抵消切削力P引起的主軸彎曲變形.
②傳動(dòng)力Q引起的支承反力能部分抵消切削力引起的支承反力.
③傳動(dòng)力Q引起的主軸端位移小,并且盡可能部分地抵消切削力引起的端位移,尤其在影響加工精度的敏感方向上.
④結(jié)構(gòu)緊湊,主軸箱尺寸小,裝配維修方便.
綜合所上述原則,選擇傳動(dòng)件的軸向布置形式如下圖2.8:
圖2.8傳動(dòng)件的軸向布置
３ 主軸部件軸承的選擇
（1） 主軸軸承的選擇
主軸部件上的軸承應(yīng)具有旋轉(zhuǎn)精度高,剛度高,承載能力強(qiáng),抗振性好,極限轉(zhuǎn)速高,適應(yīng)變速范圍大,摩擦功耗小,噪音低,壽命長(zhǎng)的性能,同時(shí)應(yīng)滿足制造簡(jiǎn)單,使用維修方便,成本低,結(jié)構(gòu)尺寸小等要求。滾動(dòng)軸承已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化,并有專門(mén)工程批量生產(chǎn),而且它在旋轉(zhuǎn)精度高,剛度,承載能力,轉(zhuǎn)速,發(fā)熱等主要性能上能滿足大多數(shù)主軸部件的要求,特別是它具有能在轉(zhuǎn)速和載荷變動(dòng)范圍很大的的條件下穩(wěn)定工作的的優(yōu)點(diǎn)。這里前支承選用-------3182100型,可承受徑向力,反支承選用一對(duì)推力球軸承,承受徑向和軸軸向載荷,使主軸軸向定位.
（2） 軸承的配置
大多數(shù)機(jī)床主軸采用兩個(gè)支承,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造方便,在配置軸承時(shí),應(yīng)注意以下幾點(diǎn):
① 沒(méi)個(gè)支承點(diǎn)都要能承受徑向回力
② 每個(gè)方向的軸向力應(yīng)分別有相應(yīng)的軸承承受
③徑向力和兩個(gè)方向的軸向力都應(yīng)傳遞到箱體上,即負(fù)載都由機(jī)床支承件承受
軸承配置簡(jiǎn)圖2.9如下:
圖2.9 軸承配置簡(jiǎn)圖
（3）軸承的精度配合
主軸軸承的精度要求比一般傳動(dòng)高,前軸承的誤差對(duì)主軸前端的影響最大,所以前軸承的精度一般比后軸承的選擇要高一級(jí)。普通精度級(jí)機(jī)床的主軸,前軸承選C或D級(jí),后軸承選D或E級(jí).精密或高精級(jí)機(jī)床, 前軸承選B或C級(jí), 后軸承選C或D級(jí)。這里前軸承選C精度, 后軸承選D級(jí)精度軸承與軸和軸承與箱體孔之間,一般都采用過(guò)渡配合,采用比一般軸要松一些.如:j5, js5, j6, js6. 另外,軸承內(nèi)外環(huán)都是薄壁件,軸的孔和形狀誤差都會(huì)反映到軸承滾道上去,如果配合精度選得過(guò)低,會(huì)降低軸承的回轉(zhuǎn)精度,所以, 軸承孔的精度應(yīng)與軸承精度相匹配. 內(nèi)圓選 外圓選
４ 主軸支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
支承中的軸承應(yīng)定位可靠,精度保證性好.安裝調(diào)整方便. 支承中各零部件的加工和裝配工藝性好,維修更換方便.
1, 軸承(3182118型)內(nèi)圈的軸向定位
雙列短圓柱滾子軸承內(nèi)圈相對(duì)外圈可以移動(dòng),當(dāng)內(nèi)圈向大端移動(dòng)時(shí),由于1:12的內(nèi)錐孔.內(nèi)圈將脹大消除間隙。
５ 主軸端部的結(jié)構(gòu)型式
主軸端部的型式取決于機(jī)床的類型和安裝夾具或刀具的型式. 主軸端部的結(jié)構(gòu),應(yīng)保證夾具頂尖或刀具可靠,定位準(zhǔn)確,高的聯(lián)結(jié)剛度以傳遞足夠的扭矩,并盡量縮短主軸懸伸長(zhǎng)度,以及裝卸方便等. 通用銑床主軸端部結(jié)構(gòu)型式如下圖2.10:
圖2.10主軸端部結(jié)構(gòu)
7:24錐孔作定位面,供安裝銑刀或銑刀心軸的尾錐,再用拉桿從主軸后端拉緊四個(gè)螺孔供安裝銑刀用,兩個(gè)長(zhǎng)槽供安裝端面鍵以傳遞扭矩.
６ 主軸主要參數(shù)的確定
主軸的主要參數(shù)是指:主軸平均直徑D(主軸前軸頸直徑D1);主軸內(nèi)孔直徑d,;主軸懸伸量a和主軸支承跨距L。這些參數(shù)直接影響主軸的工作性能.但為簡(jiǎn)化問(wèn)題,主要從靜剛度條件出發(fā)來(lái)確定這些參數(shù). 即選擇D,d,a,L使主軸獲得最大的靜剛度,也就是使主軸軸端位移最小,同時(shí)兼顧其他的要求,如高速性,抗振性能等。
（1） 主軸軸頸直徑的確定
主軸軸頸直徑對(duì)主軸部件剛度影響最大. 加大直徑,可減少主軸本身彎曲變形引起的主軸軸端位移和軸承彈性變形所引起的軸端位移,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. 因此在滿足剛度要求下應(yīng)取小值。查<<機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)>>取=90mm,后軸頸
平均軸頸 取d=27mm.
（2） 主軸內(nèi)孔直徑d的確定
主軸內(nèi)孔主要用于通過(guò)棒料夾緊刀具或工件的控桿,冷卻管等,大型,重型機(jī)床的空心主軸還可以減輕重量. 確定孔徑d的原則是在滿足對(duì)空心主軸孔徑的要求和最小壁厚要求以及不削弱主軸剛度的要求下盡量去大些。由材料力學(xué)知,軸剛度K與抗彎截面慣性矩I成正比,與直徑之間有下列關(guān)系:
由上式可知,當(dāng)時(shí),空心主軸的剛度與實(shí)心主軸的剛度相差甚小,即內(nèi)孔對(duì)主軸剛度降低的影響很小, 當(dāng)時(shí),剛度降低約25%.因此,為了不至于過(guò)分地削弱主軸剛度,一般應(yīng)使 另外,還應(yīng)考慮主軸的頸外壁厚是否足夠. 推薦: 銑床,d=拉桿直徑+(5-10)mm.根據(jù)銑床XK5040的主參數(shù), 取d=29mm.則 22。滿足要求.
（3） 主軸懸伸量a的確定
主軸懸伸量a是指主軸前端大炮前支承徑向反力作用中點(diǎn)(一般為前徑向支承中點(diǎn))的距離,它主要取決于主軸端部結(jié)構(gòu)型式和尺寸(大多都有軸端標(biāo)準(zhǔn)),前支承的軸承配置和密封裝置等. 有的還與機(jī)床其它結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān),如工作臺(tái)的行程等. 因此主要由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定。參考同類機(jī)床和<<金屬切削設(shè)計(jì)機(jī)床>>,取則懸伸量a=63mm。
4, 主軸跨距的確定
根據(jù)<<金屬切削設(shè)計(jì)機(jī)床>>,計(jì)算前支承剛度.
計(jì)算綜合變量=
此處取彈性橫量. (鋼的)
主軸的截面慣性距
則 ：
由主軸跨距計(jì)算線圖,得:， 所以.
合理跨距范圍為:，
為提高剛度,應(yīng)盡量縮短主軸外延伸長(zhǎng)度a,選擇適當(dāng)?shù)目缇?一般推薦
取/a=3-5?？缇嘈r(shí),軸承變形對(duì)軸端變形影響大,所以軸承剛度小時(shí), /a取大值,軸承剛性差時(shí),則取小值。這里取=4a=463=252(mm).
７ 主軸的材料,熱處理及技術(shù)要求.
（1） 主軸的材料及熱處理.
① 主要為提高強(qiáng)度和韌性,可選用45和40,進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理.或調(diào)質(zhì)后局部淬硬處理.
②主要為得到很高的表面硬度,增加耐磨性,可選用20滲碳后淬硬;若他
要求也較高時(shí).可選用G15調(diào)質(zhì)后表淬硬處理.
③ 精密機(jī)床主軸,要求精度保持性好,應(yīng)選用熱處理后殘余應(yīng)力小的材料,如40,65,進(jìn)行調(diào)質(zhì)后局部淬硬處理.
由于數(shù)控立式銑床主軸支承為滾動(dòng)軸承,輕,中載荷,低轉(zhuǎn)速,精度要求較高,
可選用40調(diào)質(zhì)(T235),軸頸部分表面淬硬(G48).
（2） 主軸的技術(shù)要求:
８ 主軸部件的密封
主軸部件密封裝置的作用是防止?jié)櫥瑒牟考鞒?和防止冷卻液,濕氣,灰塵,切削液及雜質(zhì)侵入部件內(nèi),導(dǎo)致主軸,軸承和傳動(dòng)件等腐蝕及磨損過(guò)快,影響主軸部件的工作性能.
（1） 對(duì)主軸部件密封裝置的要求
①適應(yīng)轉(zhuǎn)速要求,在一定的壓力和溫度范圍內(nèi)具有良好的密封性能. 在密封部位引起的摩擦力盡量小,摩擦系數(shù)盡量穩(wěn)定.
②適應(yīng)工作環(huán)境的要求,密封性好,耐腐蝕性,磨損小,工作壽命長(zhǎng).磨損后,在一定程度上能自動(dòng)補(bǔ)償.
③結(jié)構(gòu)盡可能緊湊,特別是主軸前支承處的密封裝置,軸向尺寸應(yīng)盡量小,以減小主軸前端部分懸伸量,提高主軸部件剛度.同時(shí)力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,裝卸方便.
（2） 主軸部件密封裝置類型的確定
根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速,主軸軸承的潤(rùn)滑方式,工作溫度,工作狀況和軸端結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)選擇密封裝置的型式立式銑床的主軸是垂直安裝的. 屬立式主軸,可選用曲路密封(迷宮式密封),這裝置密封,墊圈和曲路相結(jié)合的密封. 墊圈甩開(kāi)油液使其集中于端蓋中引回,曲路密封還可以防止外界雜質(zhì)侵入.
２.４ 制動(dòng)器設(shè)計(jì)
對(duì)制動(dòng)器的要求是:制動(dòng)迅速,平穩(wěn),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,緊湊,維修調(diào)整方便等.制動(dòng)方式有兩類:電機(jī)制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)。
在數(shù)控銑床上，通常根據(jù)刀具與工藝要求需進(jìn)行主軸轉(zhuǎn)速的變換及制動(dòng)，這制動(dòng)裝置常用離合器來(lái)實(shí)現(xiàn)，而電磁離合器是應(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)品可供選擇，因而它已成為自動(dòng)裝置中常用的元件。這里我們采用機(jī)械制動(dòng),采用電磁離合器制動(dòng)。
按照要求，根據(jù)電磁離合器所能傳遞的靜扭矩和動(dòng)扭矩選擇各類電磁離合器的規(guī)格，型號(hào)，從而確定其尺寸。
２.４.１ 按扭矩選擇
一般應(yīng)使選用和設(shè)計(jì)的離合器的額定靜扭矩和額定動(dòng)扭矩滿足工作要求。
額定靜扭矩：
式中：—離合器的額定靜力矩（Kgm）
K——安全系數(shù)
——運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的最大負(fù)載力矩
對(duì)于需要在負(fù)載下啟動(dòng)和變速，或啟動(dòng)時(shí)間有特殊要求時(shí)，應(yīng)按動(dòng)扭矩設(shè)計(jì)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表4-430，取K=2 取y=0.99
則 K= Kx9550=2x9550x7.5/1450x0.99=97.8 Nm
額定動(dòng)扭矩：
式中，
———加速扭矩；
———所有被離合器帶動(dòng)的零件折算到離合器軸上的當(dāng)量飛輪矩；
;