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第 Ⅰ 頁 共 Ⅰ 頁 目 錄 1 引言 1 2 數(shù)控機(jī)床概況 2 2.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展 2 2.2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢 2 3 數(shù)控車床的簡介 3 3.1 數(shù)控車床的組成及工作原理 3 3.2 數(shù)控車床的特點(diǎn) 4 3.3 數(shù)控車床的適用范圍 4 4 數(shù)控車床的設(shè)計 6 4.1 數(shù)控車床的設(shè)計方法和特點(diǎn) 6 4.2 數(shù)控機(jī)床的設(shè)計步驟 6 5 CK6150數(shù)控車床主軸箱設(shè)計 8 5.1 數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的發(fā)展 8 5.2 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計要求 8 5.3 主傳動系統(tǒng)設(shè)計 10 5.4 動力設(shè)計 11 5.5 帶傳動設(shè)計 14 6 主軸組件的性能要求 18 7 主軸結(jié)構(gòu)及熱處理要求 19 結(jié)束語 20 致謝 21 參考文獻(xiàn) 22 第 23 頁 共 22 頁 1 引言 機(jī)床設(shè)計和制造的發(fā)展速度是很快的。由原先的只為滿足加工成形而要求刀具與工件間的某些相對運(yùn)動關(guān)系和零件的一定強(qiáng)度和剛度，發(fā)展至今日的高度科學(xué)技術(shù)成果綜合應(yīng)用的現(xiàn)代機(jī)床的設(shè)計，也包括計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）的應(yīng)用。但目前機(jī)床主軸變速箱的設(shè)計還是以經(jīng)驗(yàn)或類比為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)（經(jīng)驗(yàn)）設(shè)計方法。因此，探索科學(xué)理論的應(yīng)用，科學(xué)地分析的處理經(jīng)驗(yàn)，數(shù)據(jù)和資料，既能提高機(jī)床設(shè)計和制造水平，也將促進(jìn)設(shè)計方法的現(xiàn)代 機(jī)床設(shè)計是學(xué)生在學(xué)完基礎(chǔ)課，技術(shù)基礎(chǔ)課及有關(guān)專業(yè)課的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)床傳動部件（主軸變速箱）設(shè)計進(jìn)行的綜合訓(xùn)練。我們畢業(yè)設(shè)計題目是CK6150數(shù)控車床的主軸箱設(shè)計。 在本設(shè)計中首先進(jìn)行參數(shù)擬定，運(yùn)動設(shè)計，動力計算和結(jié)構(gòu)草圖設(shè)計，軸和軸承的驗(yàn)算，主軸箱裝配設(shè)計，設(shè)計計算說明書等內(nèi)容。 設(shè)計主軸變速箱的結(jié)構(gòu)包括傳動件（傳動軸，軸承，帶輪，離合器和制動器等），主軸組件，操縱機(jī)構(gòu)，潤滑密封系統(tǒng)和箱體及其聯(lián)接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計與布置，用一張展開圖和若干張橫截面圖表示。課程設(shè)計限于時間，一般只畫展開圖及一或兩個截面圖。 　　主傳動系統(tǒng)是用來實(shí)現(xiàn)機(jī)床主運(yùn)動的傳動系統(tǒng)，它應(yīng)具有一定的轉(zhuǎn)速（速度）和一定的變速范圍，以便采用不同材料的刀具，加工不同的材料，不同尺寸，不同要求的工件，并能方便的實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的開停，變速，換向和制動等。 　　數(shù)控機(jī)床主傳動系統(tǒng)主要包括電動機(jī)、傳動系統(tǒng)和主軸部件，它與普通機(jī)床的主傳動系統(tǒng)相比在結(jié)構(gòu)上比較簡單，這是因?yàn)樽兯俟δ苋炕虼蟛糠钟芍鬏S電動機(jī)的無級調(diào)速來承擔(dān)，剩去了復(fù)雜的齒輪變速機(jī)構(gòu)，有些只有二級或三級齒輪變速系統(tǒng)用以擴(kuò)大電動機(jī)無級調(diào)速的范圍。 2 數(shù)控機(jī)床概況 2.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展 隨著社會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品日趨精密復(fù)雜，且需頻繁改型。特別是在宇航、造船、軍事等領(lǐng)域所需的機(jī)械零件，精度要求高，形狀復(fù)雜，批量小。加工這類產(chǎn)品需要經(jīng)常改裝或調(diào)整設(shè)備，普通機(jī)床或?qū)Ｓ没潭雀叩淖詣踊瘷C(jī)床已不能適應(yīng)這些要求。為了解決上述問題，一種新型的機(jī)床——數(shù)控機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生。這種新型機(jī)床具有適應(yīng)性強(qiáng)、加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。它綜合應(yīng)用了電子計算機(jī)、自動控制、伺服驅(qū)動、精密測量和新型機(jī)械結(jié)構(gòu)等多方面的技術(shù)成果，是今后機(jī)床控制的發(fā)展方向。 2.2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢 從數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平看，高精度（定位精度：微米級、納米級）、高速度（主軸轉(zhuǎn)速10000r/min，快速進(jìn)給24m/min，換刀時間2～3s）、高柔性（多主軸、多工位、多刀庫）、多功能（立臥并用、復(fù)合加工）和高自動化（自動上下料、自動監(jiān)控、自動測量和通信功能）是數(shù)控機(jī)床的重要發(fā)展趨勢［1］。對單臺主機(jī)不僅要求提高其柔性和自動化程度，還要求具有進(jìn)入更高層次的柔性制造系統(tǒng)和計算機(jī)集成制造系統(tǒng)的適應(yīng)能力。 在數(shù)控系統(tǒng)方面，目前世界上幾個著名的數(shù)控裝置生產(chǎn)廠家，諸如日本的FANCU，德國的SIEMENS和美國的AB公司，產(chǎn)品都向系列化、模塊化、高性能和成套性方向發(fā)展。它們的數(shù)控系統(tǒng)都采用了16位和32位微處理機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)總線及軟件模塊和硬件模塊結(jié)構(gòu)，內(nèi)存容量擴(kuò)大到1MB以上，機(jī)床分辨率可達(dá)0.1um，高速進(jìn)給可達(dá)100m/min，控制軸數(shù)可達(dá)16個，并采用先進(jìn)的電裝工藝［2］。 在驅(qū)動系統(tǒng)方面，交流驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展迅速。交流傳動已由模擬式向數(shù)字式方向發(fā)展，以運(yùn)算放大器等模擬器件為主的控制器正在被以微處理器為主的數(shù)字集成元件所取代，從而克服了零點(diǎn)漂移、溫度漂移等弱點(diǎn)。 3 數(shù)控車床的簡介 3.1 數(shù)控車床的組成及工作原理 數(shù)控車床由:程序編制及程序載體、輸入裝置 、 數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動、位置檢測裝置、輔助控制裝置、車床本體等幾部分組成。如圖3.1所示： 圖3.1 伺服系統(tǒng)總體方案框圖 在傳統(tǒng)的金屬切削機(jī)床上，加工零件時操作者根據(jù)圖樣的要求，通過不斷改變刀具的運(yùn)動軌跡，運(yùn)動速度等參數(shù)，使刀具對工件進(jìn)行切削加工，最終加工出合格零件。 數(shù)控車床的加工其實(shí)質(zhì)是應(yīng)用了“微分”原理。 其工作原理與過程可簡述如下： (1) 數(shù)控裝置根據(jù)加工程序要求的刀具軌跡，將軌跡按車床對應(yīng)的坐標(biāo)軸，以最小移動量（脈沖當(dāng)量）進(jìn)行微分，并計算出各軸需要移動的脈沖數(shù)。 (2) 通過數(shù)控裝置的插補(bǔ)軟件或插補(bǔ)運(yùn)算器，把要求的軌跡用最小移動單位的等效折線進(jìn)行擬合，并找出最接近理論軌跡的擬合折線。 (3) 數(shù)控裝置根據(jù)擬合折線的軌跡，給相應(yīng)的坐標(biāo)軸連續(xù)不斷地分配進(jìn)給脈沖，并通過伺服驅(qū)動使車床坐標(biāo)軸按分配的脈沖運(yùn)動。 由上可見： (a) 只要數(shù)控車床的最小移動量（脈沖當(dāng)量）足夠小，所用的擬合折線就完全可以等效代替理論曲線； (b) 只要改變坐標(biāo)軸的脈沖分配方式，即可以改變擬合折線的形狀，從而達(dá)到改變加工軌跡的目的； (c) 只要改變分配脈沖的頻率，即可改變坐標(biāo)軸（刀具）的運(yùn)動速度。這樣就實(shí)現(xiàn)了數(shù)控車床控制刀具移動軌跡的根本目的。 3.2 數(shù)控車床的特點(diǎn) (1) 加工對象改型的適應(yīng)性強(qiáng) 由于在數(shù)控車床上改變加工零件時，只需要重新編制程序就能實(shí)現(xiàn)對零件的加工，它不同于傳統(tǒng)的車床，不需要制造、更換許多工具、夾具和檢具，更不需要重新調(diào)整車床。 (2）加工精度高 數(shù)控車床是以數(shù)字形式給出的指令進(jìn)行加工的，由于目前數(shù)控裝置的脈沖當(dāng)量（即每輸出一個脈沖后數(shù)控機(jī)床移動部件相應(yīng)的移動量）一般達(dá)到了0.001mm，而且進(jìn)給傳動鏈的反向間隙與絲杠螺距誤差等均可由數(shù)控裝置進(jìn)行補(bǔ)償，因此，數(shù)控車床能達(dá)到比較高的加工精度和質(zhì)量穩(wěn)定性。［3］ (3）生產(chǎn)效率高 零件加工所需要的時間包括機(jī)動時間與輔助時間兩部分。數(shù)控車床能夠有效地減少這兩部分時間，因而加工生產(chǎn)率比一般車床高得多。數(shù)控車床主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的范圍比普通車床的范圍大，每一道工序都能選用最有利的切削用量，良好的結(jié)構(gòu)剛性允許數(shù)控車床進(jìn)行大切削用量的強(qiáng)力切削，有效地節(jié)省了機(jī)動時間。 (4）自動化程度高 數(shù)控車床對零件的加工是按事先編好的程序自動完成的，操作者除了操作面板、裝卸零件、關(guān)鍵工序的中間測量以及觀察機(jī)床的運(yùn)行之外，其他的機(jī)床動作直至加工完畢，都是自動連續(xù)完成，不需要進(jìn)行繁重的重復(fù)性手工操作，勞動強(qiáng)度與緊張程度均大為減小，勞動條件也得到相應(yīng)的改善。 (5）良好的經(jīng)濟(jì)效益 使用數(shù)控車床加工零件時，分?jǐn)傇诿總€零件上的設(shè)備費(fèi)用是比較昂貴的。但在單件、小批量生產(chǎn)情況下，可以節(jié)省工藝裝備費(fèi)用、輔助生產(chǎn)工時、生產(chǎn)管理費(fèi)用及降低廢品率等，因此能夠獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。 (6）有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化 用數(shù)控車床加工零件，能準(zhǔn)確地計算零件的加工工時，并有效地簡化了檢驗(yàn)和工夾具、半成品的管理工作。這些都有利于使生產(chǎn)管理現(xiàn)代化。 3.3 數(shù)控車床的適用范圍 數(shù)控車床與臥式車床一樣，也是用來加工軸類或盤類的回轉(zhuǎn)體零件。但是由于數(shù)控車床是自動完成內(nèi)外圓柱面、圓錐面、圓弧面、端面、螺紋等工序的切削加工，所以數(shù)控車床特別適合加工形狀復(fù)雜的軸類或盤類零件。 數(shù)控車床確實(shí)存在一般車床所不具備的許多優(yōu)點(diǎn)，但是這些優(yōu)點(diǎn)都是以一定條件為前提的。數(shù)控車床的應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大，但它并不能完全代替其他類型的機(jī)床，也還不能以最經(jīng)濟(jì)的方式解決機(jī)械加工中的所有問題。數(shù)控車床通常最適合加工具有以下特點(diǎn)的零件。 多品種小批量生產(chǎn)的零件 通常采用數(shù)控車床加工的合理生產(chǎn)批量在10~200件 之間。目前有向中批量發(fā)展的趨勢。 結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的零件 通常數(shù)控車床適宜于加工結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在非數(shù)控車床上加工時需要有昂貴的工藝裝備的零件。 需要頻繁改型的零件 它節(jié)省了大量的工藝裝備費(fèi)用，使綜合費(fèi)用下降。 價格昂貴、不允許報廢的關(guān)鍵零件。 需要最短生產(chǎn)周期的急需零件。數(shù)控車床的初始投資相對較大，由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，又增加了維修費(fèi)用。如果缺少完善的售后服務(wù)，往往不能及時排除設(shè)備故障，將會在一定程度上影響機(jī)床的利用率，這些因素都會增加綜合生產(chǎn)費(fèi)用。 考慮到以上所述的種種原因，在決定選用數(shù)控車床加工時，需要進(jìn)行反復(fù)對比和 細(xì)的經(jīng)濟(jì)分析，使數(shù)控車床發(fā)揮它的最佳經(jīng)濟(jì)效益。 4 數(shù)控車床的設(shè)計 4.1 數(shù)控車床的設(shè)計方法和特點(diǎn) （1）數(shù)控車床的設(shè)計方法 在過去的機(jī)床設(shè)計中多采用類比法，以古典力學(xué)和數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的簡單公式或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行手工計算和手工設(shè)計，設(shè)計效率低、質(zhì)量差、周期長。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會需求的變化，數(shù)控車床的設(shè)計理論和技術(shù)也在不斷地發(fā)展。特別是近年來計算方法、控制理論、系統(tǒng)工程、創(chuàng)造工程、價值工程等學(xué)科的發(fā)展，尤其是計算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為機(jī)床設(shè)計方法的發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐。 車床的設(shè)計方法是根據(jù)其設(shè)計類型而定。普通車床采用系列化設(shè)計方法。系列中基型產(chǎn)品屬創(chuàng)新設(shè)計類型，其他屬變型設(shè)計類型。 在創(chuàng)新設(shè)計類型中，車床總體方案的產(chǎn)生方法可采用分析式設(shè)計或創(chuàng)成式設(shè)計。前者是用類比分析、推理方法產(chǎn)生方案，是目前創(chuàng)新設(shè)計一般采用的方法。后者則用創(chuàng)成解析的方法生成方案，創(chuàng)新能力強(qiáng)，這種方法尚在研究發(fā)展之中。 （2）設(shè)計方法的特點(diǎn) 數(shù)控車床設(shè)計方法與現(xiàn)代科技發(fā)展相適應(yīng)，具有明顯的特點(diǎn)。 (a) 設(shè)計手段計算機(jī)化 (b) 設(shè)計方法綜合化 (c) 設(shè)計對象系統(tǒng)化 (d) 設(shè)計目標(biāo)最優(yōu)化 (e) 設(shè)計問題模型化 (f) 設(shè)計過程程式化與并行化 4.2 數(shù)控機(jī)床的設(shè)計步驟 數(shù)控車床的設(shè)計內(nèi)容及步驟大致可概括為以下幾方面。 (1) 主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)計 主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)計是后續(xù)設(shè)計的前提和依據(jù)。設(shè)計任務(wù)的來源不同，如工廠的規(guī)劃產(chǎn)品，或根據(jù)車床系列型譜進(jìn)行設(shè)計的產(chǎn)品，或用戶定貨等，雖具體的要求不同，但所要進(jìn)行的內(nèi)容大致相同。主要有以下技術(shù)指標(biāo)。 (a) 用途 指數(shù)控車床的工藝范圍，包括加工對象的材料、質(zhì)量、形狀及尺寸等。 (b) 生產(chǎn)率 包括加工對象的種類、批量及所要求的生產(chǎn)率。 (c) 性能指標(biāo) 包括加工對象所要求的精度或數(shù)控車床的精度、剛度、熱變形、噪聲等性能指標(biāo)。 (d) 主要參數(shù) 即確定數(shù)控車床的加工空間和主要參數(shù)。 (e) 驅(qū)動方式 數(shù)控車床電動驅(qū)動方式分為步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動與伺服電動機(jī)驅(qū)動。驅(qū)動方式的確定不僅與機(jī)床的成本有關(guān)，還將直接影響傳動方式的確定。 (f) 成本及生產(chǎn)周期 無論是定貨還是工廠規(guī)劃的產(chǎn)品，都應(yīng)確定成本及生產(chǎn)周期方面的指標(biāo)。 (2) 總體方案設(shè)計 總體方案設(shè)計包括以下幾方面設(shè)計。 (a) 運(yùn)動功能設(shè)計 包括確定數(shù)控車床所需運(yùn)動的個數(shù)、形式（直線運(yùn)動、回轉(zhuǎn)運(yùn)動）功能（主運(yùn)動、進(jìn)給運(yùn)動、其他運(yùn)動）及排列順序，最后畫出數(shù)控車床的運(yùn)動功能圖。 (b) 基本參數(shù)設(shè)計 包括尺寸參數(shù)、運(yùn)動參數(shù)和動力參數(shù)設(shè)計。 (c) 傳動系統(tǒng)設(shè)計 包括傳動方式、傳動原理圖及傳動系統(tǒng)圖設(shè)計。 (d) 總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計 包括運(yùn)動功能分配、總體布局結(jié)構(gòu)形式及總體結(jié)構(gòu)方案圖設(shè)計。 (e) 控制系統(tǒng)設(shè)計 包括控制方式及控制原理、控制系統(tǒng)圖設(shè)計。 (3) 總體方案綜合評價與選擇 在總體方案設(shè)計階段，對其各種方案進(jìn)行綜合評價，從中選擇較好的方案。 (4) 總體方案的設(shè)計修改或優(yōu)化 對所選擇的方案進(jìn)行進(jìn)一步的修改或優(yōu)化，確定最終方案。上述設(shè)計內(nèi)容，在設(shè)計過程中要交叉進(jìn)行。 (5) 詳細(xì)設(shè)計 (6) 技術(shù)設(shè)計 包括確定結(jié)構(gòu)原理方案、裝配圖設(shè)計、分析計算或優(yōu)化。 施工設(shè)計 包括零件圖設(shè)計、商品化設(shè)計、編制技術(shù)文檔等。 上述步驟可反復(fù)進(jìn)行，達(dá)到設(shè)計結(jié)果滿意為止。在設(shè)計過程中，設(shè)計與評價反復(fù)進(jìn)行，可以提高一次設(shè)計成功率。 5 CK6150數(shù)控車床主軸箱設(shè)計 5.1 數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的發(fā)展 近年來，隨著數(shù)控加工技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)也呈現(xiàn)出一些新的發(fā)展趨勢，如主軸轉(zhuǎn)速的高速化、功能結(jié)構(gòu)的復(fù)合化、柔性化。 高速主軸單元為適應(yīng)數(shù)控加工高速化的發(fā)展，目前越來越多的高速數(shù)控車床采用了電主軸。電主軸又稱內(nèi)置式電動機(jī)主軸單元，就是將高速電動機(jī)置于機(jī)床主軸部件內(nèi)部，通過交流變頻控制系統(tǒng)，使主軸獲得所需的工作速度和轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)、主軸的一體化功能。與傳統(tǒng)主傳動系統(tǒng)相比，電主軸的主要特點(diǎn)有： (1) 結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)械效率高、噪聲低、振動小、精度高； (2) 電主軸可在額定轉(zhuǎn)速范圍實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速； (3) 可實(shí)現(xiàn)精確的主軸定位及軸傳動功能； (4) 電主軸更易實(shí)現(xiàn)高速化，其動態(tài)精度和動態(tài)穩(wěn)定性更好； (5) 主軸運(yùn)行更平穩(wěn)，使主軸軸承的壽命得到延長。 高速電主軸所融合的技術(shù)主要包括以下幾方面。 (1) 高速精密軸承 (2) 潤滑技術(shù) (3) 冷卻技術(shù) (4) 高速變頻驅(qū)動 復(fù)合化和柔性化 隨著數(shù)控車床對加工對象適應(yīng)性的不斷提高，數(shù)控車床的 設(shè)計發(fā)生了很大變化，并向著單元柔性化和系統(tǒng)柔性化方向發(fā)展。 數(shù)控車床的發(fā)展已經(jīng)模糊了粗、精加工的工序概念，車削中心又把車、銑、鏜、鉆等工序集中到同一臺機(jī)床上來完成，完全打破了傳統(tǒng)工藝規(guī)程規(guī)定，由機(jī)床單一化走向多元化、復(fù)合化。 由此可見，現(xiàn)代數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的設(shè)計不限于只滿足原有的基本要求，還要綜合考慮現(xiàn)代制造對機(jī)床的整體要求，如制造控制、過程控制以及物料傳輸，以縮短產(chǎn)品的加工時間、周轉(zhuǎn)時間、制造周期，最大限度地提高生產(chǎn)率［4］。 5.2 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計要求 現(xiàn)代切削加工正朝著高速、高效和高精度的方向發(fā)展，要求機(jī)床主傳動系統(tǒng)具有更高的轉(zhuǎn)速和更大的無級調(diào)速范圍；在切削加工中能自動變換速度，機(jī)床結(jié)構(gòu)要簡單，噪聲要小，動態(tài)性能要好，可靠性要高。數(shù)控車床作為高度自動化的機(jī)電一體化設(shè)備，其主傳動系統(tǒng)的設(shè)計一般應(yīng)滿足如下基本要求。如圖5.1所示： 圖5.1 特征設(shè)計樹 (1) 使用性能要求 首先應(yīng)滿足機(jī)床的運(yùn)動特性，如機(jī)床的主軸有足夠的轉(zhuǎn)速范圍和轉(zhuǎn)速級數(shù)。傳動系統(tǒng)設(shè)計合理，操作方便靈活、迅速、安全可靠。 (2) 傳遞動力要求 主電動機(jī)和傳動機(jī)構(gòu)能提供和傳遞足夠的功率和轉(zhuǎn)矩，具有較高的傳動效率。 (3) 工作性能要求 主傳動中所有零部件要有足夠的剛度、精度和抗振性，熱變形特性穩(wěn)定。 此外，還要求主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于調(diào)整和維修；工藝性好，便于加工和裝配；防護(hù)性能好；使用壽命長。 主傳動系統(tǒng)的傳動方式： 傳動方案確定后，要進(jìn)行方案的結(jié)構(gòu)化，確定個零件的實(shí)際尺寸和有關(guān)布置。為此，常對傳動件的尺寸先進(jìn)行估算，如傳動軸的直徑、齒輪模數(shù)、離合器、制動器、帶輪的根數(shù)和型號等。在這些尺寸的基礎(chǔ)上，畫出草圖，得出初步結(jié)構(gòu)化的有關(guān)布置與尺寸；然后按結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行主要零件的驗(yàn)算，如軸的剛度、齒輪的疲勞強(qiáng)度等，必要時作結(jié)構(gòu)和方案上的修改，重新驗(yàn)算，直到滿足要求，最后才能畫正式裝備圖。 機(jī)床主傳動系統(tǒng)可分為分級變速傳動和無級變速傳動。分級變速傳動是在一定的變速范圍內(nèi)均勻地、離散地分布著有限級數(shù)的轉(zhuǎn)速，變速級數(shù)一般不超過20~30級。這種傳動方式主要用于普通機(jī)床，一些普通機(jī)床經(jīng)數(shù)控化改造后也保留了原分級變速傳動方式。無級變速傳動可以在一定的變速范圍內(nèi)連續(xù)改變轉(zhuǎn)速，以便得到滿足加工要求的最佳速度，能在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速，便于自動變速。數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)通常采用無級變速傳動。 與普通機(jī)床相比，數(shù)控車床的主傳動采用交、直流主軸調(diào)速電動機(jī)，電動機(jī)調(diào)速范圍大，并可無級調(diào)速，使主軸箱結(jié)構(gòu)大為簡化。為了適應(yīng)不同的加工需要，數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)有以下三種傳動方式： (1) 由電動機(jī)直接驅(qū)動 主軸電動機(jī)與主軸通過聯(lián)軸器直接連接，或采用內(nèi)裝式主軸電動機(jī)直接驅(qū)動。 (2) 采用定比傳動 主軸電動機(jī)經(jīng)定比傳動傳遞給主軸。定比傳動可采用帶傳動或齒輪傳動。 (3) 采用分擋變速傳動 采用分擋變速傳動主要是為了解決主軸電動機(jī)的功率特性與機(jī)床主軸功率特性的匹配。變速機(jī)構(gòu)一般仍用齒輪副來實(shí)現(xiàn)。 5.3 主傳動系統(tǒng)設(shè)計 5.3.1 運(yùn)動設(shè)計 已知條件： (1) 確定轉(zhuǎn)速范圍：主軸最小轉(zhuǎn)速nmin =70r/min 主軸最高轉(zhuǎn)速nmax =1400r/min. (2) 齒輪換檔轉(zhuǎn)速級數(shù):z=6： 5.3.2 結(jié)構(gòu)分析式 6＝2×3 從電動機(jī)到主軸主要為降速傳動，若使傳動副較多的傳動組放在較接近電動機(jī)處可使小尺寸零件多些，大尺寸零件少些，節(jié)省材料，也就是滿足傳動副前多后少的原則［5］。在降速傳動中，防止齒輪直徑過大而使徑向尺寸常限制最小傳動比 ；在升速時為防止產(chǎn)生過大的噪音和震動常限制最大轉(zhuǎn)速比。在主傳動鏈任一傳動組的最大變速范圍。在設(shè)計時必須保證中間傳動軸的變速范圍最?。?］ 。 5.3.3 確定轉(zhuǎn)速 (1) 選擇電動機(jī) 一般車床若無特殊要求，多采用Y系列封閉式三相異步電動機(jī)，根據(jù)原則條件選擇功率為7.5KW的雙速電機(jī)，轉(zhuǎn)速為1440 r/min和960 r/min籠式三相異步電動機(jī)。 (2) 分配總降速傳動比 總降速傳動比 i=n /n =76/1400=0.054 又電動機(jī)轉(zhuǎn)速不符合轉(zhuǎn)速數(shù)列標(biāo)準(zhǔn)，因而增加一定比傳動副［7］。 (3) 確定傳動軸軸數(shù) 傳動軸軸數(shù) = 變速組數(shù) + 定比傳動副 =3 (4) 確定各級轉(zhuǎn)速并確定轉(zhuǎn)速 由n=76r/min &1=1.83 &2=1.80 &3=1.35 &4=1.35 &5=2.05 &6=2.03確定各級轉(zhuǎn)速： 主電機(jī)轉(zhuǎn)速為1440r/min時，主軸轉(zhuǎn)速依次為:1400、682、427、374、208、114r/min 主電機(jī)轉(zhuǎn)速為960r/min時，主軸轉(zhuǎn)速依次為:933、455、285、249、139、76r/min 在四根軸中，除去電動機(jī)軸，其余三軸按傳動順序依次設(shè)為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。Ⅰ與Ⅱ、Ⅱ與Ⅲ?，F(xiàn)由Ⅲ（主軸）開始，確定Ⅰ、Ⅱ軸的轉(zhuǎn)速： 先來確定Ⅱ軸的轉(zhuǎn)速 Ⅱ軸轉(zhuǎn)速可能有： n=1440r/min時 1375、670、367 n=960r/min時 917、447、245 確定軸Ⅰ的轉(zhuǎn)速 n=1440r/min時：1037、690r/min 由此也可確定加在電動機(jī)與主軸之間的定傳動比。（電動機(jī)轉(zhuǎn)速與主軸最高轉(zhuǎn)速相近）［8］。 (5) 確定各變速組傳動副齒數(shù) 軸Ⅰ齒輪齒數(shù)分別為：42、雙聯(lián)齒輪61、28。 軸Ⅱ上的齒輪齒數(shù)分別為：雙聯(lián)齒輪65、46、79、57、23。 軸Ⅲ上的齒輪齒數(shù)分別為：57、74。 5.4 動力設(shè)計 5.4.1 確定各軸轉(zhuǎn)速 (1) 確定主軸計算轉(zhuǎn)速：主軸的計算轉(zhuǎn)速為 N=70r/min (2) 各傳動軸的計算轉(zhuǎn)速： 軸Ⅱ可從主軸70r/min按74/23的傳動副找上去，軸Ⅲ的計算轉(zhuǎn)速 245r/min；軸Ⅱ的計算轉(zhuǎn)速為690r/min。 主軸箱共設(shè)置四套變速操縱機(jī)構(gòu)。共設(shè)有4個電磁離合器，不同的離合器的工作與斷開組合可實(shí)現(xiàn)6種轉(zhuǎn)速，主電機(jī)選雙速電機(jī)，我們設(shè)計的機(jī)床一共有12種轉(zhuǎn)速。 (a) 離合器Ⅰ合上，離合器Ⅲ合上，離合器Ⅱ斷開，離合器Ⅳ斷開，滑動齒輪56處于左位。（主電機(jī)轉(zhuǎn)速n＝1440，n=960大帶輪D=215,小帶輪d＝158，效率系數(shù)＝0.98，Z1=65,Z2=42,Z3=56,Z4=57）［9］ 主電機(jī)轉(zhuǎn)速為1440r/min時 n計算=1440×158/215×0.98×42/65×57/56=682r/min n標(biāo) =680r/min n誤差 =（682-680）/680= 3‰<5% 符合國家轉(zhuǎn)速誤差標(biāo)準(zhǔn) 主電機(jī)轉(zhuǎn)速為960r/min時 n計算=960×158/215×0.98×42/65×57/56=455r/min n標(biāo)=460r/min n誤差 =（460-455）/455= 1%<5% 符合國家轉(zhuǎn)速誤差標(biāo)準(zhǔn) (b) 離合器Ⅰ合上，離合器Ⅲ合上，離合器Ⅱ斷開，離合器Ⅳ斷開，滑動齒輪56處于右位。（主電機(jī)轉(zhuǎn)速n＝1440，n=960,大帶輪D=215,小帶輪d＝158，效率系數(shù)＝0.98，Z1=65,Z2=42,Z3=74,Z4=23）［10］ 主電機(jī)轉(zhuǎn)速為1440r/min時 n計算=1440×158/215×0.98×42/65×23/74=210r/min n標(biāo)=210r/min n誤差n =（210-208）/210= 1%<5% 主電機(jī)轉(zhuǎn)速為960r/min時 n計算=960×158/215×0.98×42/65×23/74=139r/min n標(biāo)=140r/min n誤差 =（140-139）/140= 7‰<5% 符合國家轉(zhuǎn)速誤差標(biāo)準(zhǔn) (c) 離合器Ⅰ斷開，離合器Ⅱ合上，離合器Ⅲ合上，離合器Ⅳ斷開，滑動齒輪56處于左位。（主電機(jī)轉(zhuǎn)速n＝1440，n=960,大帶輪D=215,小帶輪d＝158，效率系數(shù)＝0.98，Z1=46,Z2=61,Z3=56,Z4=57）［11］ 主電機(jī)轉(zhuǎn)速為1440r/min時 n計算=1440×158/215×0.98×61/46×57/56=1410r/min n標(biāo)=1400r/min n誤差=0<5% 主電機(jī)轉(zhuǎn)速為960r/min時 n計算=960×158/215×0.98×61/46×57/56=933r/min n標(biāo)=930r/min n誤差=（933-930）/930= 3‰<5% 符合國家轉(zhuǎn)速誤差標(biāo)準(zhǔn) (d) 離合器Ⅰ斷開，離合器Ⅱ合上，離合器Ⅲ合上，離合器Ⅳ斷開，滑動齒輪56處于右位。（機(jī)床轉(zhuǎn)速n＝1440，n=960,大帶輪D=215,小帶輪d＝158，效率系數(shù)＝0.98，Z1=46,Z2=61,Z3=74,Z4=27） 主電機(jī)轉(zhuǎn)速為1440r/min時 n計算=1440×158/215×0.98×61/46×27/74=427r/min n標(biāo)=430r/min n誤差=（430-427）/430= 7‰<5% 主電機(jī)轉(zhuǎn)速為960r/min時 n計算=960×158/215×0.98×61/46×27/74=335r/min n標(biāo)=290r/min n誤差=（290-285）/290= 1.7%<5% 符合國家轉(zhuǎn)速誤差標(biāo)準(zhǔn)［12］ (e) 離合器Ⅰ斷開，離合器Ⅱ合上，離合器Ⅲ斷開，離合器Ⅳ合上，滑動齒輪56處于左位。（主電機(jī)轉(zhuǎn)速n＝1440，n=960,大帶輪D=215,小帶輪d＝158，效率系數(shù)＝0.98，Z1=28,Z2=79,Z3=56,Z4=57） 主電機(jī)轉(zhuǎn)速為1440r/min時 n計算=1440×158/215×0.98×28/79×57/56=377r/min n標(biāo)=370r/min n誤差=（374-370）/374= 1%<5% 主電機(jī)轉(zhuǎn)速為960r/min時 n計算=960×158/215×0.98×28/79×57/56=249r/min n標(biāo)=250r/min n誤差=（250-2490）/250=4‰<5% 符合國家轉(zhuǎn)速誤差標(biāo)準(zhǔn) (f) 離合器Ⅰ斷開，離合器Ⅱ合上，離合器Ⅲ斷開，離合器Ⅳ合上，滑動齒輪56處于右位［13］。（主電機(jī) 轉(zhuǎn)速n＝1440，n=960,大帶輪D=215,小帶輪d＝158，效率系數(shù)＝0.98，Z1=79,Z2=28,Z3=74,Z=23） 主電機(jī)轉(zhuǎn)速為1440r/min時 n計算=1440×158/215×0.98×28/79×23/74=115r/min n標(biāo)=110r/min n誤差=(114-110)/114= 3.6%<5 主電機(jī)轉(zhuǎn)速為960r/min時 n計算=960×158/215×0.98×28/79×23/74=76r/min n標(biāo)=75r/min n誤差=(76-75)/76= 1.3%<5% 符合國家轉(zhuǎn)速誤差標(biāo)準(zhǔn) 由上得機(jī)床轉(zhuǎn)速最高1400r/min,最低70r/min. 5.5 帶傳動設(shè)計 電動機(jī)轉(zhuǎn)速n=1440r/min,傳遞功率P=7.5KW,傳動比i=1.36，兩班制， 一天運(yùn)轉(zhuǎn)16.1小時，工作年數(shù)10年。 (1) 確定計算功率 取1.1，則P=KP=1.17.5=8.25KW (2) 選取V帶型 根據(jù)小帶輪的轉(zhuǎn)速和計算功率，選B型帶。 (3) 確定帶輪直徑和驗(yàn)算帶速 查表小帶輪基準(zhǔn)直徑d =158mm,d =158×i=158×1.36=215 驗(yàn)算帶速成= 其中 -小帶輪轉(zhuǎn)速，r/min； -小帶輪直徑，mm； V=3.14m/s (4) 確定帶傳動的中心距和帶的基準(zhǔn)長度 設(shè)中心距為,則 0．55（）a2（） 于是 205.15a746,初取中心距為400mm。 帶長+ =2 查表取相近的基準(zhǔn)長度，L =1390mm. 帶傳動實(shí)際中心距=+=397.5mm (5) 驗(yàn)算小帶輪的包角 一般小帶輪的包角不應(yīng)小于。 =161.4≈120°合適。 (6) 確定帶的根數(shù) Z= 其中： -時傳遞功率的增量； -按小輪包角，查得的包角系數(shù)； -長度系數(shù)； 為避免V型帶工作時各根帶受力嚴(yán)重不均勻，限制根數(shù)不大于10［14］。 Z==4 (7) 計算帶的張緊力 F=500()+q 其中： -帶的傳動功率,KW； v-帶速,m/s； q-每米帶的質(zhì)量，kg/m；取q=0.17kg/m。 v = 1440r/min = 11.9/s。 F=500)+0.17=193.7N (8) 計算作用在軸上的壓軸力 F=1530N 我們設(shè)計的CK6150數(shù)控車床的主軸是一個空心的階梯軸，其內(nèi)孔可用來通過棒料或卸頂尖時穿入所用的鐵棒，也可用于通過氣功、電動或液壓夾緊裝置的機(jī)構(gòu)。主軸前端的錐孔為莫氏6號錐度，用來安裝頂尖套及前頂尖；有時，也可以安裝心軸，利用錐面配合的摩擦力直接帶動心軸和工作轉(zhuǎn)動。 主軸前端采用短錐法蘭式結(jié)構(gòu)。它的作用是安裝卡盤和撥盤，它以短錐和軸肩端面作定位面?？ūP、撥盤等夾具通過卡盤座，用四個螺栓固定在主軸上。安裝卡盤時只需將預(yù)先擰緊在卡盤上的螺栓連同螺母一起，從主軸軸肩和鎖緊盤上的孔中穿過，然后將鎖緊盤轉(zhuǎn)過一個角度，使螺栓進(jìn)入鎖緊盤上寬度較窄的圓弧槽內(nèi)，把螺母卡住，然后再把螺母擰緊，就可把卡盤等夾具緊固在主軸上。這種主軸軸端結(jié)構(gòu)的定心精度高，連接剛度好，卡盤懸伸長度短，裝卸卡盤也比較方便，因此，在新型車床上應(yīng)用很普通。 主軸安裝在兩支承上，前支承為P5級精度的雙列圓柱滾珠軸承，用于承受徑向力。軸承內(nèi)環(huán)和主軸之間有1：12錐度相配合。當(dāng)內(nèi)環(huán)與主軸在軸向相對移動時，內(nèi)環(huán)可產(chǎn)生彈性膨脹或收縮，以調(diào)整軸承的徑向間隙大小，調(diào)整后用圓形螺母鎖緊。前支承處裝有阻尼套筒，內(nèi)套裝在主軸上，外套裝在前支承座孔內(nèi)。內(nèi)外套徑向之間有0.2mm的間隙，其中充滿了潤滑油，能有效地抑制振動，提高主軸的動態(tài)性能。 后軸承由一個推力球軸承和角接觸球軸承組成，分別用以承受軸向力（左、右）和徑向力。同理，軸承的間隙和預(yù)緊可以用主軸尾端的螺母調(diào)整。 主軸前后支承的潤滑，都是由潤滑油泵供油。潤滑油通過進(jìn)油孔對軸承進(jìn)行充分的潤滑，并帶走軸承運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的熱量。為了避免漏油，前后支承采用了油溝式密封。主軸旋轉(zhuǎn)時，由于離心力的作用，油液就沿著斜面（朝箱內(nèi)方向）被甩到軸承端蓋的接油槽內(nèi)，由孔流向主軸箱。 主軸上裝有三個齒輪，右端的斜齒圓柱齒輪Z（74，m＝3.5mm，螺旋角8°47′51″，左旋）空套在主軸上。采用斜齒齒輪可以使主軸運(yùn)轉(zhuǎn)比較平衡，傳動時此齒輪作用在主軸上的軸向力與進(jìn)給力F1的方向相反，因此，可以減少主軸前支承所承受的軸向力。中間的齒輪Z56可以在主軸的花鍵上滑移。這時可用手轉(zhuǎn)動主軸，以便于測量主軸回轉(zhuǎn)精度及裝夾時正等工作。左端的齒輪Z58固定在主軸上，用于將主軸旋轉(zhuǎn)信號傳給編碼器，以實(shí)現(xiàn)螺紋加工。 6 主軸組件的性能要求 主軸組件是機(jī)床主要部件之一。由于主軸組件直接承受切削力，轉(zhuǎn)速范圍又很大，因而數(shù)控機(jī)床的加工質(zhì)量很大程度上要靠它保證。據(jù)統(tǒng)計，相對于機(jī)床的其他部件，主軸組件對加工綜合誤差的影響在通常情況下要占30%～40%，嚴(yán)重時可達(dá)60%～80%。因此，數(shù)控機(jī)床設(shè)計對主軸組件提出了很高的要求。主軸組件的性能包括以下幾方面。 (1) 精度 主軸組件的精度包括旋轉(zhuǎn)精度和運(yùn)動精度［15］。 旋轉(zhuǎn)精度是指裝配后的部件在無載或低速轉(zhuǎn)動條件下，軸錐孔中心線的徑向跳動：近主軸端0.01，在300mm 處0.02；溜板移動對主軸中心線不平行度：上母線0.03只許向上，側(cè)母線0.015只許向操作者；小刀架移動對主軸中心線的不平行度：0.04； 主軸的軸向竄動：0.01；主軸軸肩支撐面的跳動：0.01；主軸錐孔中心線和尾架套筒伸出方向的不平行度：上母線0.015/100只許向上，側(cè)母線0.01/100只許向操作者； 主軸錐孔中心線和尾架套筒錐孔中心線對溜板移動的不等高度0.06只許尾架高。 (2) 靜態(tài)剛度 主軸組件的靜態(tài)剛度是指受外力作用時，主軸組件抵抗變形的能力，又分為抗彎和扭轉(zhuǎn)兩種剛度。數(shù)控機(jī)床多采用抗彎剛度作為衡量主軸組件剛度的指標(biāo)。 (3) 抗振性 抗振性包括抵抗受迫振動的能力和抵抗自激振動的能力。有時也把抵抗受迫振動的能力稱為動剛度，此時，抗振性僅指抵抗自激振動的能力。 (4) 熱穩(wěn)定性 主軸組件在運(yùn)轉(zhuǎn)中，溫升過高會引起兩方面的不良后果：一是主軸組件和箱體因熱膨脹而變形，主軸的回轉(zhuǎn)中心線和機(jī)床其他件的相對位置會發(fā)生變化，直接影響加工精度；其次是軸承等元件會因溫度過高而改變已調(diào)好的間隙和破壞正常潤滑條件，影響軸承的正常工作。 (5) 耐磨性 主軸組件必須有足夠的耐磨性，以便能長期保持精度。 傳動軸除了應(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)床主傳動系統(tǒng)精度要求較高，不允許有較大的變形。因此，疲勞強(qiáng)度不是主要矛盾。除了載荷很大的情況外，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)生過大的變形。如果剛度不足，軸上的零件如齒輪、軸承等將由于軸的變形過大而不能正常工作，或者產(chǎn)生振動和噪聲、發(fā)熱、過早磨損而失效。因此，必須保證傳動軸有足夠的剛度。 7 主軸結(jié)構(gòu)及熱處理要求 主軸是主軸組件的重要組成部分。它的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸、制造精度、材料及其熱處理，對主軸組件的工作性能都有很大影響。 (1) 主軸的結(jié)構(gòu)形狀 主軸的結(jié)構(gòu)形狀主要取決于軸上所安裝的零件、軸承、傳動件及夾具等的類型、數(shù)目、位置、安裝定位方式等，也考慮其工藝性要求。主軸通常是一個前粗后細(xì)的階梯軸，即軸徑尺寸從前軸頸起，向后逐漸縮小。這樣的結(jié)構(gòu)，是為了適應(yīng)主軸各段承受的不同載荷，以滿足剛度要求，同時也為其上的多個零件提供足夠的安裝、定位及止推面，同時也有利于加工和裝配。 數(shù)控車床主軸的軸端通常用于安裝夾具，要求夾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。主軸端部結(jié)構(gòu)，一般采用短圓錐法蘭盤式。 (2) 主軸的材料和熱處理 選擇主軸材料與熱處理方法，主要依據(jù)主軸部件的工作條件及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即應(yīng)滿足主軸對剛度、強(qiáng)度、耐磨性、精度等方面的具體要求。 (3) 主軸主要精度指標(biāo) 主軸的精度直接影響到主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度。主軸的軸承、齒輪等零件相連接處的表面幾何形狀誤差和表面粗糙度，關(guān)系到接觸剛度。因此，設(shè)計主軸時，必須根據(jù)機(jī)床精度標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)的項(xiàng)目制定合理的技術(shù)要求。 主軸主要精度指標(biāo)有：前支承軸頸的同軸度約5um左右；軸承軸頸需按軸承內(nèi)孔“實(shí)際尺寸”配磨，且須保證配合過盈1~5um；錐孔與軸承軸頸的同軸度為3~5um，與錐面的接觸面積不小于80%，且大端接觸較好；裝NN3000K型調(diào)心圓柱滾子軸承的1：2錐面，與軸承內(nèi)圈接觸面積不小于85%。 結(jié)束語 數(shù)控機(jī)床主軸箱設(shè)計的課程設(shè)計任務(wù)完成了，雖然設(shè)計的過程比較繁瑣，而且剛開始還有些不知所措，但是在同學(xué)們的共同努力下，再加上劉老師的悉心指導(dǎo)，我終于順利地完成了這次設(shè)計任務(wù)。本次設(shè)計鞏固和深化了課堂理論教學(xué)的內(nèi)容，鍛煉和培養(yǎng)了我綜合運(yùn)用所學(xué)過的知識和理論的能力，是我獨(dú)立分析、解決問題的能力得到了強(qiáng)化。 致 謝 經(jīng)過三個月的畢業(yè)設(shè)計忙碌之后，設(shè)計最終完成，心理有一種說不出的輕松，設(shè)計過程中遇到許多的問題，在眾多師友的幫助下予以解決。首先要感謝劉躍峰老師對我的指導(dǎo)和督促，老師給我指出了正確的設(shè)計方向，使我加深了對知識的理解,同時也避免了在設(shè)計過程中少走彎路，老師的督促使我一直把畢業(yè)設(shè)計放在心理，保證按質(zhì)按量的完成；要感謝宿舍同學(xué)，是大家營造了良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，在做設(shè)計的過程中互幫互助，使我的CAD和UG操作水平比以前有了很大提高，同時較全面的掌握了Word的編輯功能；還要感謝那些把借閱證讓我借書的同學(xué)，使得我查閱資料非常方便；還要感謝同學(xué)在我最需要電腦的時候給我提供電腦，使我能夠按時完成畢業(yè)設(shè)計。 大學(xué)生活至此劃上了圓滿的句號，在南理工泰州科技學(xué)院這塊土地上有眾多莘莘學(xué)子辛勤的耕耘，在這塊土地上我健康快樂的成長，我永遠(yuǎn)不會忘記可親的同學(xué)，我永遠(yuǎn)記得這片土地。 參 考 文 獻(xiàn) [1] 工程學(xué)院機(jī)械制造教研室. 金屬切削機(jī)床指導(dǎo)書. 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