CK6140主传动系设计说明书

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1、目 录第一章 前言11.1 课题背景 11. 1. 1数控车床的发展及应用情况 11. 1. 2我国数控机床发展存在的问题21.1.3经济型数控机床在国民经济中的地位21. 1. 4经济型数控机床的特点及要求31.2 研究内容和方法 41.2.1 研究内容 41.2.2 研究方法 51.3 设计任务与论文构成 51.3.1 设计任务 51.3.2 论文构成 5第二章机床设计 72. 1机床设计应满足的基本要求72.2 机床设计步骤 92.3 机床总体布局 10第三章主传动系统的设计123.1 主传动系统的设计要求和特点 123.1.1数控机床主传动系统的设计要求 123.1.2数控机床主传动系

2、统的特点 123.2 总体设计 123.2.1拟定传动方案 123.2.2选择电机 143.2.3计算各轴计算转速、功率和转矩 173.2.4转速图与传动图 183.3 轴系部件的结构设计 193.3.1 I轴结构设计 193.3.2 II轴结构设计 233.3.3 III（主）轴结构设计 343.3.4 编码器的选择与安装设计 373. 3. 5 主轴箱展开图39第四章 进给传动系设计的简单介绍 404.1 进给传动系的组成 404.2 进给传动系设计应满足的基本要求 40第五章 结论 41参考文献 42致谢 43第一章前言1.1课题背景1.1.1数控机床的发展及应用情况计算机技术的飞速发展

3、，使得现代制造的技术不断推陈出新。在现代制造系统中， 数控技术把计算机、微电子、自动检测、信息处理、自动控制等高新技术集于一体，具 有高效率、高精度、柔性自动化等特点，对现代制造业实现集成化、智能化、自动化有 着非常重要的的作用。数控技术是一门把自动化控制技术、测量技术、微电子技术、计 算机技术、现代机械制造术、信息处理技术等集于一体的综合技术，是这些年来发展很 迅速的一门综合性的高新技术。数控技术是为了适应高速度、高精度、复杂零件的加工 而出现的，是实现数字化、柔性化、信息化、自动化、集成化、网络化的根基，是现代 制造技术的核心和灵魂，应用前景十分广阔。伴随着电子计算机技术、微电子技术、信

4、息自动处理技术、以及数据处理的发展，给自动化带来了新的定义，使得机械制造自动 化不断的向前发展。最早在20世纪40年代初，就已经有人提出采用数控技术进行机械 制造加工的想法。在1953年，美国空军技术研发部跟麻省理工大学进行合作，计划投身于计算机自 动编程的研究与开发，这就是创建自动编程系统的开始。自动编程系统开始于APT的成 功研制。在1954年，美国本迪克斯公司生产制造出世界上第一台工用数控机床，在这之后 的几年里，数控机床技术在美国进入了飞速发展的阶段，随之在市场上也出现了商品化 的数控机床。在1958年，美国一家公司率先研制出带有换刀装置的数控机床，称为“数 控加工中心”。在1959年

5、，随着晶体管元器件的出现，于是在数控装置中广泛采用晶体管和印制 电路板。与此同时，麻省理工大学和美国航空部门一起合作发展了 APT程序语言。在1960年以后，数控技术进入了迅猛发展的阶段。日本、德国、英国等工业国家 陆续地开发、研制、生产及使用数控机床，数控技术慢慢应用到其他机械上。比如，焊 接机、饶线机、切割机等。在程序编制方面，已经由手工编程慢慢发展到计算机自动编 程。与此同时，又出现和发展了许多的自动编程语言。在1965年，随着小规模集成电路的出现，使得数控系统的可靠性有了进一步提高， 数控系统发展到了第三代。装有上面三代数控系统的机床为普通数控机床。在1967年，英国率先把几台数控机床

6、连接成具有柔韧性的加工系统，开始研制和 开发最初的柔性制造系统尸MS，在此之后，美国、欧洲、日本也开始陆续开发和应用。在20世纪80年代初，出现了柔性制造单元FMC,这时FMS已日趋成熟。并慢慢地发 展成为第四代数控系统。在1971年前后，美国一家公司开发了微处理器。在1974年，美国、日本等国家率 先研制和开发出了以微处理器为中心的计算机数控系统。这是第五代数控系统。最近20年以来，伴随着微电子技术的发展，使得数控技术成为现代制造技术的基 础。我国数控机床行业有着巨大的市场空间，未来十年，汽车行业和高新技术等产业将 会在我国迅猛发展。有专家指出，以目前我国中高档数控机床和成套成线设备的开发、

7、 生产能力，在质量、品种和数量上还远远不能适应市场的巨大需求，因此必须加快数控 机床的研制和开发。1.1.2我国数控机床发展存在的问题目前我国的数控机床发展虽然取得了较大的成就，但还是存在一些问题：（1）数控化水平低这些年来，我国数控机床生产一直保持着高速增长。2000年的产量位居世界第五。 但是与很多发达国家相比，我国数控机床数控化率还有待提升，目前生产值的数控化率 还不到29%；消耗值的数控化率还未到45%，而大多数发达国家维持在75%左右。以金 属切削机床作为例子，我国去年年产量为25万台，其中数控机床只有2.5万台，仅为产 量的十分之一左右。中高档次的数控机床及配套部件只能依靠进口。（

8、2）功能部件有差距数控功能部件是指主轴单元、数控系统、数控刀架和转台、滚珠丝杠副和滚动直线 导轨副、高速防护装置、刀库和机械手等，他们是数控机床的重要组成部分。功能部分 技术水平的高低、性能的优劣以及整体的社会配套水平将直接影响着数控机床整机的性 能和技术水平。相对数控机床主机来说，我国功能部件生产企业的发展显得落后很多。 功能部件的水平不仅决定着机床的整机性能，还占到整机成本的65%左右，它的发展状 况将直接关系到机床整体的竞争水平。近年来，我国的功能部件生产企业的规模普遍偏小，而且分散在各地，有些甚至还 依附于主机厂或者研究所。从整体上来看，我国功能部件的生产发展比较缓慢，品种较 少，产业

9、化程度很低，精度指标和性能指标都还不达不到要求。滚珠丝杠，数控刀架、 数控系统、电主轴等数控机床功能部件虽然已经形成一定的规模，但是仅仅只能满足中 低档数控机床的配套需要。高级数控系统、高速精密电主轴、高速滚动功能部件和数控 动力刀架等还大量依赖进口。因此健全功能部件生产企业的体制规范，做大做强做好一 批功能部件的生产企业已经是箭在弦上不得不发。1.1.3经济型数控机床在国民经济中的地位数控机床的分类方式有很多种，按照数控系统的功能水平来分的话，数控机床可以 分为经济型、中档型和高档型。随着我国工业的迅猛发展，机械制造业也得到了快速的 发展，以此为基础数控机床的应用越发广泛，例如汽车行业、航天

10、行业等，因为与机械 制造有关的行业都有数控机床的存在，特别是经济型数控机床的应用，而且经济型数控 机床的伺服进给驱动一般是由步进电机实现的开环驱动，功能简单、价格低廉、精度中 等，能满足加工形状比较简单的直线、圆弧以及螺纹的加工。一般控制轴在三轴以下， 脉冲当量多为10，快速进给速度在10m/min以下。因此经济型数控机床的应用非常广泛。这些年来，伴随着我国制造业的迅猛发展，让数控机床的应用也越发广泛，其中经 济型数控机床的应用特别明显。但是伴随着机械制造业在国民经济中地位不断的提高， 数控机床的地位也随之不断提高。这就使得数控机床的产量不断的增加，2000年产量就 位居世界第五。以金属切削机

11、床为例，我国去年产量为25万台，其中数控机床只有2.5 万台，仅为产量的十分之一左右。其中数控机床产量的增加非常明显，根据资料的统计， 国产的数控机床到2000年可提供品种750多种，但是却只有数控车床种类的50%左右， 其中占了产量70%的是经济型数控机床，上面的叙述表明了经济型数控机床在国民经济 中占据着非常重要的地位。1.1.4经济型数控机床的结构特点及要求经济型数控机床和一般的数控机床一样，在效率、精度和自动化程度等方面要明显 高于普通的机床，同时还具有了柔性，这就对其结构有了以下几点要求：（1）高的刚度当数控机床要在中高速切削条件下工作时，机床的工作台、床身、主轴、立柱、刀 架等主要

12、部件都需要很高的刚度，使得在工作中变形或振动最小。（2）高的灵敏度数控机床在自动状态下工作时要求的精度高于普通的机床，因此相应地运动也具有 高的灵敏度。导轨通常采用塑料导轨、静压导轨、滚动导轨等，以达到减小摩擦力、低 速无爬行的目的，工作台、刀架等移动部件则需要由直流或交流伺服电动机驱动，经滚 珠丝杠或静压丝杠传动。主轴多数采用滚动轴承来提高灵敏度。（3）高的抗振性数控机床的部分运动部件需要保证在中高速切削的条件下没有振动，以保证加工件 的精度和表面粗糙度的要求。同时还要注意避免切削时的产生的谐振。（4）热变形要小运动的部件容易产生热量。为保证部件的运动精度，一般采取立柱框架式结构，使 提高刚

13、度的同时防止产生热变形而发生倾斜偏移，主轴可采用恒温冷却主轴，以保证主 轴高速运转时产生的热量最少，电动机可以采用安装散热装置以减少电动机运转时发热 的影响。（5）高精度的保持性数控机床需要保证长时间内具有稳定的工作精度，即高精度的保持性，一般选择合 适的零件材料，防止使用时发生变形和磨损，同时采取相应的工艺措施，比如淬火和粘 贴塑料导轨等，以提高运动部件的耐磨性。（6）高的可靠性数控机床大多数是在自动或者半自动条件下工作的，需要具有高的可靠性。（7）刀具系统数控机床刀具要具有高的耐用度，合理的结构，同时对于不同的数控机床，需要用 不同的刀具系统和相应的刀片。与普通机床相比，数控机床具有以下优

14、越性：1、可以加工出普通机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。2、可以实现加工的柔性自动化，从而效率比普通机床提高47倍。3、加工零件的精度较高，尺寸分散度很小，使得装配容易4、可实现多工序的集中加工，减少零件在机床间的搬运。5、拥有自动监控、自动补偿等多种功能，可实现长时间没有人看管的加工。因此，采用数控机床，可以大大降低工人的劳动强度，节约劳动力，减少了工装， 缩短了新产品试验周期和生产周期，可以对市场的需求作出快速的反应。而且数控机 床推行FMC、FMS以及CIMS等企业信息化改造的基础。数控技术已然成为机械制造 业自动化的核心技术。基于以上优越性，数控机床所占的比例迅速增大。从200

15、6年的市场消费的内容可 以看出，传统机床的市场份额在下降，数控机床份额则大幅度的增长，尤其是中高档数控 机床变得供不应求。因此可以预料，未来几年甚至十年内传统机床的市场份额将不断的 下滑，数控机床的消费会逐步的扩大。在这样一种背景下，我的课题选择为设计一台经济型数控车床CK6140，用于对转 体零件的圆柱面、圆锥面、端面以及各种公、英制螺纹等进行高效、批量、高精度的自 动加工，以提高生产的效率和产品的质量和降低工人的劳动强度。通过本次毕业设计培 养自己综合运用基础知识和专业知识，解决工程实际问题的能力1。1.2研究内容和方法1.2.1研究内容本课题设计的数控车床的主要参数如下：工件最大回转直径

16、：400mm ;中心高：205mm；刀架最大回转直径：210mm；刀架最大回转行程；280mm；主轴最大转速：4000 r/min；主轴最低转速：40r/min；课题研究的主要内容是主轴传动系统的设计。1.2.2研究方法第一步，明确设计的要求，找出研究的重点和难点：数控车床最基本的要求就是精 度达标，运行稳定可靠，操作、保养方便，寿命比较长，此外还要力求外型的美观。第二步，进入工厂观察，大量收集相关的资料，广泛吸取有关专家设计的经验。第三步，初步地确定总体的设计方案：1、软件的方面充分考虑功能、技术先进、价格、服务方便等因素，以及考虑数控系统所具有的功 能是否与CK6140的性能相匹配，尽量减

17、少数控功能的过剩。2、硬件的方面（1）根据机床的性能要求，确定机床支承件结构形式为斜床身结构，并进行总体的 布局；（2）选择主电动机。根据切削力的大小以及机床的变速要求，初步地选定主电动机 的型号；（3）设计主传动系统及主轴箱。根据主电机的变速范围，确定变速箱的减速级数以 及传动的方式。1.3设计任务与论文构成1.3.1设计主要任务1、分析确定CK6140车床主轴系统的整体传动方案；2、主轴系统结构的总体方案设计；3、零部件的校核与设计相关的计算；4、装配图的设计、零件工作图的设计；5、本设计的优缺点分析；6、典型零件加工工艺及图形交互式（CAD/CAM）或手工数控程序编制；7、编写设计说明书

18、。1.3.2论文构成第一章前言第二章机床的设计。第三章详细论述主轴系统包括各传动轴的结构设计。第四章简单介绍进给传动系的设计。第五章总结本次毕业设计。论文最后是本次毕业设计的心得、参考文献和致谢。第二章机床设计此毕业设计为毕业答辩通过的优秀毕业论文，完整说明书和全套设计图纸请加扣扣：3257841604日翻译开题报告.docMicrosoft Word 变档35 KB中英文摘要.doc Microsoft Word 文裆 20 KBpTOW：dOc :Microsoft Word 文档j泡瓯:.u任务书.docMicrosoft Word 文档15 KBAO主轴箱展开图.dwgAutoCAD

19、囹形I 309 KBM主轴箱剖视图.dwgAutoCAD 图形86 KBA2传动系统图.dwgAutoCAD 图形64 KBA3中间轴.dwg AutoCAD 巨 85 KBA2齿轮 1. dwg AutoCAB g 68 KBA2主轴.dwgAutoCAD 形101 KB区小带轮.dwg AutoCAD g68 KBAO主轴箱展开图.dwgAutoCAD 囹形309 KBA2齿轮 1. dwg AutoCAD g 68 KBA2主轴.dwgAutoCAD 形101 KBAl襁压卡盘装配图. dwgAutoCAD 图形A2齿轮.dwgAutoCAD J形61 KBA3齿轮3. dwg Auto

20、CAD 0 69 KB区小带轮.dwg AutoCAD g68 KB进度表.docMicrosoft Word 文档21 KB说明书.docMicrosoft Word 文档1,721 KBAl襁压卡盘撮配图.dwgAutoCAD 图形A2齿轮.dwgAutoCAD J形61 KBA3齿轮3. dwg AutoCAD 0 69 KB第三章 主传动系统的设计3.1主传动系统的设计要求和特点3.1.1数控机床主传动系统的设计要求：1、主轴要具有一定的转速和足够的转速范围、转速级数、能够实现运动的开停、 变速、换向和制动，以满足机床不同的运动要求；2、主电动机要具有足够的功率，全部的机构和元件要具有

21、足够的刚度和强度，来 满足机床动力方面的要求；3、主轴部件要有足够的精度，抗振性、热变形以及噪音都要小，传动效率必须要 高，以满足机床工作性能方面的要求；4、调整维修方便，操作灵活可靠，密封润滑良好，用以满足机床的使用要求；5、结构要简单紧凑，工艺性能要好，成本要低，以满足经济方面的要求2。3.1.2数控机床主传动系统的特点与普通机床比较，数控机床主传动系统具有下列特点：1、转速更高、功率更大；2、更大的变速范围，并实现了无级调速；3、主轴变速要快速并且可靠，要有比较高的刚度以及精度、传动平稳，噪声要低;4、主轴部件的耐磨性要高，要有比较好的热稳定性和抗振性。3.2总体设计3.2.1拟定传动方

22、案数控机床需要自动换刀、自动变速；且在切削不同直径的阶梯轴，曲线螺旋面和端 面时，需要切削直径的变化，主轴必须通过自动变速，以维持切削速度基本恒定。这些自 动变速又是无级变速，以利于在一定的调速范围内选择理想的切削速度，这样有利于提 高加工精度，又有利于提高切削效率。无级调速有机械、液压和电气等多种形式，数控 机床一般采用由直流或交流调速电动机作为驱动源的电气无级变速。由于数控机床的主 运动的调速范围较大，单靠调速电机无法满足这么大的调速范围，另一方面调速电机的 功率扭矩特性也难于直接与机床的功率和转矩要求相匹配。因此，数控机床主传动变速系统常常在无级变速电机之后串联机械有级变速传动，以满足机

23、床要求的调速范围和转 矩特性。由于主轴要求的恒功率变速范围A成远大于电动机的恒功率变速范围Rn，故必须配 以分级变速箱。为简化主轴箱结构，分级变速级数应该少些，分级变速箱的公比P f可取大于电动机的恒功率变速范围Rn，即PfRn。主轴的设计转速范围为 40r/min4000r/min;根据以下计算：（以下计算公式均来自于资料2）（3.1）估算主轴的计算转速：n = nx (-na)0.3 = 40x( 4000)0.3 牝 159r/minj min n40min主轴要求的恒功率变速范围为：Rn =4000/159=25.2一R _ 4500电动机恒功率变速范围为：RdN- 1500 3为了简

24、化变速箱结构，取变速箱的变速级数Z=2,（3.2）可算出变速箱的公比Pf =5.1，大于R值许多，在主轴的功率特性图中将出现较大 的“缺口”，在缺口处的功率仅为：P= RdNP电动机 /p f = 3x11/5.1 = 6.5kW主传动系图如下图所示：有级变速的自动变换方法一般有液压和电磁离合器两种。液压变速机构是通过液压缸、活塞杆带动拨叉推动滑移齿轮移动来实现变速，双联 滑移齿轮用一个液压缸，而三联滑移齿轮则必须使用两个液压缸(差动油缸)实现三位 移动。液压拨叉变速是一种有效的方法，工作平稳，易实现自动化。但变速时必须主轴 停车后才能进行，另外，它增加了数控机床的复杂性，而且必须将数控装置送

25、来的电信 号转换成电磁阀的机械动作，然后再将压力油分配到相应的液压缸，因而增加了变速的 中间环节，带来了更多的不可靠因素4。电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元件，由于它便于实现自动操作，并 有现成的系列产品可供选用，因而它已成为自动装置中常用的操作元件。电磁离合器用 于数控机床的主传动时，能简化变速机构，操作方便。通过若干个安装在各传动轴上的 离合器的吸合和分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现主轴的变速。电磁离合器 一般分为摩擦片式和牙嵌式3。3.2.2选择电机1、选择电机应综合考虑的问题(1) 根据机械的负载特性和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速等要求，选 择电动机类型。

26、(2) 根据负载转矩、转速变化范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制、 过载能力额启动转矩，选择电动机功率，并确定冷却通风方式。所选电动机功率应留有 余量，负荷率一般取0.80.9。(3) 根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃易 爆气体等考虑必要的保护措施，选择电动机的结构型式。(4) 根据企业的电网电压标准和对功率因素的要求，确定电动机的电压等级和类型。(5) 根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程的要求，以及机械减 速机构的复杂程度，选择电动机额定转速。此外，还要考虑节能、可靠性、供货情况、价格、维护等等因素囹。2、电动机类型和结构型式

27、的选择由于不同的机床要求不同的主轴输出性能(旋转速度，输出功率，动态刚度，振动 抑制等)，因此，主轴选用标准与实际使用需要是紧密相关的。总的来说，选择主轴驱 动系统将在价格与性能之间找出一种理想的折衷。表3.1简要给出了用户所期望的主轴 驱动系统的性能。下面将对各种交流主轴系统进行对比、分析。感应电机交流主轴驱动 系统是当前商用主轴驱动系统的主流，其功率范围从零点几个kW到上百kW，广泛地 应用于各种数控机床上。经过对比分析本设计中决定采用FANU a ci系列交流主轴电机。a ci系列是高速、高 精、高效的伺服系统，可实现机床的高速、高精控制，并使机床更紧凑囹。3、电动机容量的选择选择电动机

28、容量就是合理确定电动机的额定功率。决定电动机功率时要考虑电动机 的发热、过载能力和起动能力三方面因素，但一般情况下电动机容量主要由运行发热条 件而定。电动机发热与其工作情况有关。但对于载荷不变或变化不大，且在常温下连续 运转的电动机（如本课题中的电动机），只要其所需输出功率不超过其额定功率，工作 时就不会过热，可不进行发热计算，本设计中电机容量按以下步骤确定：表3.1理想主轴驱动系统性能项目内容低速区要有足够的转矩宽恒功率范围，并在高速范围内保持一定转矩高旋转精度高性能高动态响应高加减速，起制动能力具有强鲁棒性，能适应环境条件和参数变化高效率，低噪声低价格低购买价格，低维护价格，低服务价格通用

29、要求耐用性，可维护性，安全可靠性（1）确定主轴切削力（如无特殊说明，该小节计算方法均出自资料5）确定主轴材料为45号钢，淬硬处理（淬火及低温回火），硬度为44HRC，单位切 削力为250公斤/m2。切削速度：v = 80 95m / mim切削用量范围：背吃刀量：a = 24mm进给量：f = 0.1 0.8mm/r背吃刀量取a = 4mm，进给量取f = 0.5mm/r ； p根据主切削力的指数公式：F = Cf a-FcfyFc = 1640aif 0.84（N）（3.3）可得:F = 1640x 41 x 0.50.84 =3664.7 (N) c故切削功率：P = Fv x10-3(

30、KW) c c切削速度取v = 95m /min95(3.4)P = 3664.7 x x10-3 = 5.80( KW)c60(2) 确定电机输出动率P(3.5)d传动装置的总效率n=n 2门2门21 2 3其中，门一圆柱直齿轮传动效率，由资料6,附表1-1查得门=0.97；门2 II轴滚动轴承效率，由资料6，附表1-1查得门广0.99；气一III轴(主轴)轴承效率，由资料6，附表1-1查得门广0.99；由此，n = 0.97 x 0.97 x 0.99x 0.99x 0.99x 0.99 = 0.904。故：5.800.904=6.42( KW)(3) 选择电动机额定功率Ped如前所述，电

31、动机功率应留有余量，所以电动机额定功率选取为11而。(4) 电动机电压和转速的选择小功率电动机一般选为380V电压。所以本电机的电压可选为380V4。同一类型、功率相同的电动机具有多种转速。一般而言，转速高的电动机，其尺寸 和重量小，价格较低，但会使传动装置的总传动比、结构尺寸和重量增加。选用转速低 的电动机则情况相反。要综合考虑电机性能、价格、车床性能要求等因素来选择。本课题中数控机床的主轴的转速范围要求为40r/min4000r/mino由于只有一根中间 传动轴，传动链较短，因此变速级数较少，故对电动机恒功率变速范围以及整个变速范 围要求较高。/轴上齿轮传动比确定为 = 2/1，II轴上两

32、对直齿轮的传动比分别为1 =9/16，i = 11/5 。2 3(5) 确定电机的型号由前面信息，可选取FANUC交流电机，型号为ac12/6000i。这种电机转动非常平稳，采用160,000,000/rev的超高分辨率位置编码器，通过线圈切换可实现电机的高速、高加速控制，作为a系列的后续产品，具有更先进的节能效果。电机参数如下表所示：表3.2电机参数型号额定功率连续30min功率额定转速最高转速重量振动冷却a c12/6000i11Kw15 Kw1500r / min 4500r / min 95KgV 556W机座长为465mm，电机轴径为35mm，轴伸为110mm，中心高132mm，其余

33、安装尺 寸及其外形由资料4得回。3.2.3计算各轴计算转速、功率和转矩1、各轴计算转速(本小节公式除非特别说明，均出自资料2)首先估算主轴的计算转速，由于采用的是无级调速，所以采用以下的公式：n = n = nx (max )0.3=159 r/min；(3.6)3 j min nmin然后通过传动比计算传动轴和电机轴的计算转速，n2 = n3 xj = 159 x11/5 = 349.8,/mint 350,/minn = n x i = 3 4 98 x 2/1 = 6 9 96r/mint 700r/min上式中i、 、i3的意义如前所述。2、各轴输入功率P= Pd =11KwP = P

34、 nn 2 = 11 x 0.97 x 0.99 x 0.99 = 10.5KwII I 1 2p = p nn 2nn 2=11 x 0.97 x 0.99 x 0.99 x 0.97 x 0.99 x 0.99 = 10.0 KwIII I 12 13上式中，气、n2、n3的意义如前所述。3、 各轴输入转矩：T = 9550xP/n (N/m)(3.7)T = 9550 x 11/699.6 = 150.16( N .m)T2 = 9550 x 10.5/349.8 = 286.66( N .m)T3 = 9550 x 10.0/159 = 600.63（ N / m）将以上计算结果整理后

35、列于表3.3，供以后计算选择，供以后计算使用:表3.3各轴的传动参数轴I轴（电机轴）II轴（中间传动轴）III轴（主轴）参数计算转速（r /min）700350159输入功率（Kw）1110.510.0转矩（N - m）150.16286.66600.63传动比 = 2/1i = 9/162，i = 11/533.2.4转速图与传动图由电机的转速范围（包括恒功率变速范围和恒转矩变速范围）和各轴传动比，作数控 车床的主运动转速图和功率特性图，见图3.2。主运动转速图功率特性图（湖）图3.2转速图和功率特性图由转速图3.2可知，电动机经1:2定比传动降速后，如果经16： 9传动比传动主轴， 则当电

36、动机转速从4500r/min降至1500r/min （恒功率区），主轴转速从4000r/min降至 1333r/min。主轴转速再需下降时变速箱变速，经5:11传动比传动主轴，电动机又恢复 从 4500r/min 降至 1500r/min，主轴则从 1333r/min 降至 341 r/min。故主轴从 4000r/min 降至341 r/min为恒功率调速。主轴从341 r/min降至40r/min，电动机从1500r/min降至176r/min为电动机的恒转矩区。（额定转速向上至最高转速为恒功率；额定转速向下至 最低转速为恒转矩；本方案电动机的额定转速为1500r/min。）初定数控车床的

37、传动系统图，如图3.3。图3.3传动系统图3.3轴系部件的结构设计3.3.1 I轴结构设计（如无特殊说明，本小节公式均出自资料7）I轴上的零件主要是齿轮1。一端用套筒定位，另一端采用单螺钉固定的轴端挡圈 定位。1、选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数.根据选定的传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动。（1）本次设计属于金属切削机床类，一般齿轮传动，故选用8级精度。（2）材料选择。由表10-1选择小齿轮材料为40Cr（调质热处理），硬度为280HBS，大 齿轮材料为45钢（调质）硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。（3）选小齿轮齿数Z = 30，大齿轮齿数弓=2x30 = 60。2、轴的选材和

38、最小直径d血勺确定轴的材料选择为：45号钢（调质处理）。轴的最小尺寸，由式(15-2 A代(3.8)式中由表15一3,可取得12,故d 12 x 3,工!- mm = 3.6mmmin 3 7取dmin =35mm。由于d取值较计算值大一些，所以不用再按弯扭合成强度条件计 算和进行疲劳强度校合。3、按齿面接触强度设计由设计计算公式(1-9a )进行试算，即d 2. 32KT.主 2 )(3.9)it3 9 u b 1) 确定公式内的各计算数值(1) 试选载荷系数K = 1.3(2) 计算小齿轮传递的转矩，由上文可知孔=15.16 N .m(3) 由表1-7选取齿宽系数9d = .5 (小齿轮做

39、悬臂布置)(4) 由表1-6查得材料的弹性影响系数Z = 189.8MPa 1/2E(5) 由图1-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限b hiim1 = 6MPa;大齿轮的接触疲劳强度极限b= 55MPa ；H lim2(6) 由式1-13计算应力循环次数(假定工作寿命15年(每年工作3天)，两 班制)(j=1)则：N1 = 6孔=6 x 7 x1x(2 x 8 x 3 x15) = 3.2 x19顶)N 2 = N/1 = 3.2 x19/2 = 1.51x19.(7) 由图1-19查得接触疲劳寿命系数犬函=.92； %2 = .95 ；(8) 传动比u=2；(9) 计算接触疲劳许

40、用应力取失效概率为1%,安全系数S=1,由式(1-12)得=Khni”iimi = 0.92 x 600MPa = 552MPaH 1 S（3.11）la H = KhnS lin2 = 0.95 x 550M P(= 522.5M P a2）计算（1）小齿轮分度圆直径吃，代入。中较小的值d 2.32 KT -也(H)213 8 ua dH1.3 x1.50 x1052.32 x 30.5x 3(189.8x 2 x 522.5)2 = 98.78 mm（2）计算圆周速度v（3）计算齿宽bV=兀dj = 3.14x98.78x 700 = 3 62ni/sV = 60 xl 000 =60 x

41、 1000= . mSb =8d d1 = 0.5x98.78 = 49.39mm(4)计算齿宽与齿高之比b / h（3.12）（3.13）模数d=1 =z198.7830=3.293mm齿高 h = 2.25mt= 2.25x3.293mm = 7.409mm49.397.409=6.67（5）计算载荷系数根据v = 3.62m/s，8级精度，由图10-8查得动载系数K广1.16 ；直齿轮，由表10-3查得K = K = 1； HaFa由表10-2查得使用系数KA = 1.25 ；由表10-4用插值法查得8级精度，小齿轮悬臂支承时，K o = 1.305； 邮由 b/h = 6.67 ； K

42、 血=1.305，查图 10-13 得K n = 1.255；故载荷系数邱fPK = KAKyKH K邱=1.25x 1.16x 1 x 1.305 = 1.892（6）按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由式（10-10a）得气= A轴的最小尺寸，由式（152），(3.22)式中，由表15 3,可取得12，故.105d . 12 x 35 mm = 37.29mm取dmin =4mm。由于dmin取值较计算值大一些，所以不用再按弯扭合成强度条件计 算和进行疲劳强度校合。轴的零件图如图3.5。- .1图3.5中间轴零件图4、齿轮的设计齿轮1 （小齿轮）和2 （大齿轮）的直径相差较大，对齿轮1

43、 （小齿轮）在模数和选 材及热处理方面要求较高，所以首先进行该对齿轮的设计。1) 选定齿轮的精度等级和材料，初选齿数(1) 本数控机床的运行速度较高，精度等级选择8级精度；(2) 由表101,小齿轮材料选择为40Cr，调质后表面淬火，硬度为280HBS；大齿 轮材料选择为45钢，调制后表面淬火，硬度为240HBS,硬度差为40HBS。(3) 小齿轮齿数初选为 q =20，% = z1 i3 = 20X11/5 = 442) 按齿面接触强度进行设计按式(10 9 a )试算，KT u +1 Z 、/ccc、d 2. 3j-+咨 2 )(3.23) dH确定公式内的各计算值：(1) 初选载荷系数K

44、t= 1.6；(2) 计算小齿轮传递的转矩，由前文可知小齿轮传递的转矩为T2 = 286.66N.m；(3) 由表107及其说明，可选定齿宽系数4 =0.6；d(4) 由表106，查得材料的弹性影响系数Ze = 189.8mp 1/2 ；(5) 由图1021d，按齿面接触硬度查得小齿轮的接触疲劳强度。=600MPa；大齿H lim1轮的接触疲劳强度c=550MPa；H lim2(6) 两齿轮的设计寿命为72000h，由式1013，计算应力循环次数(3.24)N = 60n jL = 60x350x1x(2x8x300x15) = 1.51x109N 2 =气/ = 1.51x109/2.2 =

45、 0.69 x109(7) 由图10-19查得接触疲劳寿命系数K 1 = 0.91 ； 匕2 = 0.96 ；(8) 传动比u=2.2；(9) 计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数S=1，由式(10-12)得(3.25)c = hn 1*im1 = 0.91x 600MPa = 546MPa H 1 ScH = %lin2 = 0.96 x 550M P = 528MP a3) 计算(1)小齿轮分度圆直径d1t，代入。h 中较小的值d Z 2.3%：%*； = 2.32X 正m=M： . 121.6mm it3 % u b0.62.2528(2) 计算圆周速度v(3.26)i，_ 兀

46、七七 -3.14 x 121.6 x 350 _ 223m/sV 60 x1 000 60 x 1000 . m S(3)计算齿宽bb 5 d =0.6 X121.6 = 72.96mm(4)计算齿宽与齿高之比b / h模数 m = 4 =业 mm = 6.08mmt z 201齿高 h = 2.25m = 2.25 x 6.08mm = 13.68mmb 72.96 _, =5.33h 13.68(5)计算载荷系数K由图10-8，查得动载系数Kv = 1.10 ；直齿轮，由表10-3查得K = K = 1；HaFa由表10-2查得使用系数KA = 1.25 ；由表10-4用插值法查得8级精度

47、，小齿轮非对称布置时，K = 1.254； 邮由 b/h = 5.33 ； K a = 1.254，查图 10-13 得 K = 1.19；故载荷系数K = KKKa % = 1.25 X 1.10 X1X 1.254 = 1.724(3.27)(6) 按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由式(10-10a)得=d JK/K = 121.6x246 T24.66mm(3.28)(7) 计算模数 mm =/ 七=124.66/20 = 6.23 mm3) 按齿根弯曲强度设计由式(10-5)得弯曲疲劳的设计公式为m、拦1()(3.29)3 e z 2 % M d 1 F以下确定式中各参数的值:(

48、1)由图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限c的=520MPa；大齿轮的弯曲疲劳强度极限c=420MPa；FE 2(2) 由图10-18查得弯曲疲劳寿命系数膈=0.88, %尸0.92；(3) 计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4,由式(10-12)得C = Rn 1c FE1 = 0.88 * 520 MPa = 326.86MPaf 1 S1.4(3.30)(3.31)C = Kfn2Cfe2 = 0.92X42(MPa= 2 7 60MPaF 2 S1.4(4) 计算载荷系数KK = KAK.Kf K理=1.25X 1.10X1X 1.19 = 1.64(5) 查取齿形系

49、数由表10-5查得Yf1 = 2.8；Yf2 = 2.36。(6) 查取应力校正系数由表 10-5 查得 Ys1 = 1.55；Y = 1.678。Sa 2(7)计算大小齿轮的FaSaC F并加以比较Y Y2.8 X1.55 八Fa1Sa1 = = 0.0 1tr 326.86F 1大齿轮的数值大。Y Y 2.36 X1.678Fa 2 a 2 = = 0.01435lc f J2276.04) 设计计算m 笋(YX) r 2X1.64X2.87x105 x0.0mm = 3.83mm0.6 x 2023 /c对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的 模数，由于

50、齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而由齿面接触疲 劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径(即模数与齿数的乘积)有关，可取由弯曲强 度所算得的模数m = 4mm ,按接触强度算得的分度圆直径d1 = 124.66mm,算出小齿轮齿 数 气=124.66/4牝32，大齿轮齿数% = i3七=2.2x32 = 70。这样设计出的齿轮传动，即满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度， 并做到结构紧凑，避免浪费。5、几何尺寸计算1）计算分度圆直径d = zm = 32x4mm = 128mmd = z m = 70x4mm = 280mm11222）计算中心距a = （d1 +

51、d 2）/2 = （128 + 280） / 2mm = 204mm（3.32）3）计算齿轮宽度 b = 4 d = 0.6x 128mm = 76.8mm取 B = 77mm，B = 82mm。6、验算F = 2T/d1 = 2x286.66x 103/128N = 4479.1N（3.33）=72.7N 100N，合适。FK_ 4479.1 x 1.25B A 772第二对齿轮的模数可取和齿轮1相同，m3 = m4 =4。由于这两齿轮得中心距与齿轮1和2的中心距相等，即m（z3 + z4）/2 = 204，所以z3 = 102x 16/25 = 65,z4 = z3i2 = 65x9/16

52、 = 37。四个齿轮的尺寸参数如表3.4所示。表3.4齿轮尺寸参数齿轮234参数、一1模数m（mm）4444齿数z32706537中心距a （mm）204分度圆直径d（mm）128280260148齿顶圆直径d （mm）a136288268156齿根圆直径df （mm）118270250138压力角a2020。2020。基圆直径d （mm）b120263248139传动比，11/59/16齿轮宽B（mm）827789947、电磁离合器的计算和选择本课题中数控机床得转速较高，对工作可靠性要求高。选择离合器时，对离合器的基本要求是：接合平稳、分离迅速而彻底；调节和修理方便；外廓尺寸小、质量小； 耐

53、磨性好和有足够的散热能力；操作方便省力。电磁离合器可实现远距离操纵，动作迅 速，没有不平衡的轴向力，因而在数控机床等机械中广泛的应用。根据资料8中的结构 选择原则，选取牙嵌式电磁离合器8。形式选定后，应进一步确定其规格（本小节公式 及参数除非特别说明，均出自资料8）1）规格计算其规格选择计算的基本原则是使其计算转矩T小于或等于其薄弱环节的失效条件c（3.34）限制而允许其传递的许用转矩幻，即T T T T T T c nmax maxn n式中：T 理论转矩T 一算转矩 cT一公称转矩T 一许用转矩T a最大转矩Ta!一许用最大转矩n一许用转速在我国现行的离合器的标准中，一般可取T=J ,孔密

54、二（23）Tn。（1）计算转矩由于各类联轴器，离合器实际工况不同，在确定计算转矩T时应将理论转矩T乘 c以不同系数K；本机床承受长期平稳载荷且选用的是啮合式离合器，故：T = KT It（或T）（3.35）式中，T，七，T一分别为离合器的计算转矩，公称，许用转矩，N.m；T 一离合器理论转矩，N.m；K一离合器工况系数，见下表3.5所示。表3.5离合器工况系数机械类型K机械类型K金属切削机床1.3-1.5轻纺机械1.2-2曲柄式压力机械1.1-1.3农业机械2-3.5汽车，车辆1.2-3挖掘机械1.2-2.5拖拉机1.5-3钻探机械2-4船舶1.3-2.5活塞泵，通风机,压力机1.3起重运输机械1.35-1.5活塞泵（单缸），大型通风机，压缩1.7在最大载荷下结合机,木材加工机械在空载下结合1.25-1.5冶金矿山机械1.8-3.2本文中为金属切削机床，取K=1.35，从而