数控加工中心主传动的毕业设计论文

卧式加工中心主传动系统设计摘要数控加工中心是一种备有刀库并能自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控 机床。它综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、气动技术、拖动技术、现代控 制理论、测量及传感技术以及通讯诊断和应用编程技术的高技术产品。加工中心适合于 加工形状复杂、加工工序多、精度要求较高、需要用多种类型的普通机床和众多的工艺 装备，且需经多次装夹和调整才能完成加工的零件。数控加工中心主传动系统是由主轴 电动机、主轴传动系统以及主轴组件组成。本文对数控加工中心的功能与发展趋势进行 了简单的论述，着重论述了卧式加工中心主传动系统的设计，其内容包括电动机的选择、 确定传动方案、拟定转速图、齿轮的设计与校核、主轴的设计及各传动轴的设计与各传 动轴的刚度校核。关键词：主轴箱；无极变速；传动系统Horizontal processing center main transmissionsystem designAbstractProcessing center is equipped with a sword and can change automatic library tool on the more process of numerical control machine. It 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 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 transmission 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 selection, sure transmission scheme, for the design of gear speed diagram, and checking, the design and the design and checking of the drive shaftKey words: headstocks, a continuously variable speed , transmission Systerm1 绪论11.1加工中心的定义11.2加工中心的特点11.2.1加工精度高11.2.2工序集中11.2.3适应性强21.2.4生产效率高21.2.5经济效益好21.2.6劳动强度低，工作条件好21.2.7有利于生产管理的现代化31.3加工中心的主要加工对象31.3.1既有平面又有孔系的零件31.3.2结构形状复杂、普通机床难加工的零件31.3.3夕卜形不规则的异形零件31.3.4新产品试制中的零件31.3.5周期性投产的零件41.4加工中心的基本组成41.4.1基础部件41.4.2主轴部件41.4.3数控系统41.4.5辅助装置51.5加工中心的工作原理51.6加工中心的分类61.6.1立式加工中心61.6.2卧式加工中心61.6.3万能加工中心61.6.4虚轴加工中心71.7加工中心的发展方向72加工中心主传动系统82.1加工中心主传动系统的要求82.1.1调速功能82.1.2动态响应性能82.1.3精度和刚度要求82.1.4抗振性和热稳定性要求92.1.5具有刀具的自动夹紧功能92.1.6功率要求92.1.7主轴定位功能要求92.2主传动系统主要技术指标的确定92.2.1主运动变速系统主要参数102.2.2主传动功率102.2.3选择电动机型号102.2.4电动机的功率、扭矩特性112.3主传动变速系统设计112.3.1转速图的拟定112.3.3主轴箱传动系统图132.3.4各轴计算转速143传动系统零部件设计153.1选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数153.2齿轮齿数的确定153.3齿轮模数的估算153.4按齿面接触疲劳强度校核齿轮模数163.5估算各传动轴直径与各轴的材料选取183.6传动轴的弯曲刚度验算193.7花键键侧挤压应力计算274主轴组件的设计294.1主轴的要求294.1.1回转精度294.1.2静刚度294.1.3抗振性294.1.4升温和热变形294.1.5耐磨性294.1.6材料和热处理304.1.7主轴的结构304.1.8主轴轴承的选择304.2主轴尺寸参数的确定314.2.1主轴直径的确定314.2.2主轴内孔直径314.2.3主轴前悬伸量314.2.4主轴的支承跨距325总装配图33结 论34致 谢35参考文献361.1加工中心的定义加工中心是一种备有刀库并能自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控机床。它 是适应省力、省时和节能的要求而迅速发展起来的，它综合了机械技术、电子技术、计 算机软件技术、气动技术、拖动技术、现代控制理论、测量及传感技术以及通讯诊断、 刀具和应用编程技术的高技术产品，将数控铣床、数控镗床、数控钻床的功能并聚集在 一台加工设备上，且增设有自动换刀装置和刀库，可在一次安装工件后，数控系统控制 机床按不同工序自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件 的运动轨迹及其他辅助功能；依次完成多面和多工序的端平面、孔系、内外倒角、环形 槽及攻螺纹等加工。由于加工中心能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和 调整时间，减少工件周转、搬运存放时间，使机床的切削利用率高于通用机床34倍， 达80%以上。所以说，加工中心不仅提高了工件的加工精度，而且是数控机床中生产率 和自动化程度最高的综合性机床。1.2加工中心的特点1.2.1加工精度高加工中心同其他数控机床一样具有加工精度高的特点，由于加工中心采用工序集中 的加工手段，一次安装即可加工出零件上大部分待加工表面，避免了工件多次装夹所产 生的装夹误差，在保证高的工件尺寸精度的同时获得各加工表面之间高的相对位置精 度。另外，加工中心整个加工过程由程序控制自动执行，避免了人为操作所产生的偶然 误差。结合加工中心完善的位置补偿功能及高的定位精度和重复定位精度，使工件加工 精度更高，加工质量更加稳定。1.2.2工序集中加工中心备有刀库，能自动换刀，并能对工件进行多工序加工。现代加工中心更大 程度地使工件在一次装夹后实现多表面、多特征、多工位的连续、高效、高精度加工， 即工序集中。这是加工中心最突出的特点。加工中心对加工对象的适应性强。加工中心加工工件的信息都由一些外部设备提 供，比如软盘、光盘、USB接口介质等，或者有计算机直接在线控制（DNC）。当加工 对象改变时，除了更换相应的刀具和解决毛坯装夹方式外，只需要重新编制程序，输入 新的程序就能实现对新的零件的加工，缩短了生产准备周期，节约了大量工艺装备费用。 这对结构复杂零件的单件、小批量生产及新产品试制带来极大地方便，同时，它还能自 动加工普通机床很难加工或无法加工的精密复杂零件。1.2.4生产效率高零件加工所需要的时间包括机动时间和辅助时间两部分，加工中心能够有效地减少 这两部分时间。加工中心主轴转速和进给量的调节范围大，每一道工序都能选用最有利 的切削用量，良好的结构刚性允许加工中心进行大切削量的强力切削，有效地节省了机 动时间。加工中心移动部件的快速移动和定位均采用了加速和减速措施，选用了很高的 空行程运动速度，消耗在快进、快退和定位的时间要比一般机床少得多。同时加工中心 更换待加工零件时几乎不需要重新调整机床，零件安装在简单的定位夹紧装置中，用于 停机进行零件安装调整的时间可以大大节省。加工中心加工工件时，工序高度集中，减 少了大量半成品的周转、搬运和存放时间，进一步提高了生产效率。1.2.5经济效益好加工中心加工零件时，虽分摊在每个零件上的设备费用较昂贵，但在单件、小批量 生产情况下，可以节省许多其他方面的费用。由于是数控加工，加工中心不必准备专用 钻模等工艺设备，加工之前节省了划线工时，零件安装在机床上之后可以减少调整、加 工和检验时间。另外，由于加工中心的加工稳定性，减少了废品率，是生产成本进一步 下降。1.2.6劳动强度低，工作条件好加工中心的加工零件是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了操作键盘、装卸 零件、进行关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外，不需要进行繁重的重复性手 工操作，劳动强度可大为减轻；同时，加工中心的结构均采用全封闭设计，操作者在外 部进行监控，切削、冷却液等对工作环境的影响微乎其微，工作条件较好。1.2.7有利于生产管理的现代化利用加工中心进行生产，能准确地计算出零件的加工工时，并有效地简化检验、工 夹具和半成品的管理工作，这些特点有利于生产管理现代化。当前有许多大型 CAD/CAM集成软件已经开发了生产管理模块，实现了计算机辅助生产管理。加工中心 使用数字信息与标准代码输入，最适宜计算机联网及管理。当前较为流行的FMS、CIMS、 ERP等都离不开加工中心的应用。1.3加工中心的主要加工对象1.3.1既有平面又有孔系的零件加工中心具有自动换刀装置，在一次安装中，可以完成零件上平面的铣削、孔系的 钻削、镗削、铰削、及螺纹切削等多工步加工。加工部位可以在一个平面上，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选加工对象，常见的这 类零件有箱体和盘、套、板类零件。1.3.2结构形状复杂、普通机床难加工的零件主要表面是由复杂曲线、曲面组成的零件加工时，需要多坐标联动加工，这在普通 机床上是较难甚至是无法加工的，加工中心是这类零件加工的最佳设备。常见的零件有 凸轮类、整体叶轮类、模具类。1.3.3外形不规则的异形零件异形零件指外形不规则的零件，大多要点、线、面多工位混合加工。如支架、基座、 拨叉等。异形零件由于外形不规则，在普通机床上只能采取工序分散的原则加工，需要 工装较多，周期较长。利用加工中心多工位点、线、面混合加工的特点，可以完成大部 分甚至全部工序内容。1.3.4新产品试制中的零件在新产品定型之前，需经反复试验和改进、选择加工中心试制，可省去许多通用机床加 工所需要的试制工装。当零件被修改时，只需修改相应的程序及适当地调整夹具、刀具 即可，节省了费用，缩短试制周期。1.3.5周期性投产的零件用加工中心加工零件时，所需工时主要包括基本时间和准备时间，其中，准备时间 占很大比例。例如工艺准备、程序编制、零件首件试切等，这些时间往往是单件基本时 间的几十倍。采用加工中心可以将这些准备时间的内容储存起来，供以后反复使用。这 样，对周期性投产的零件，生产周期就可以大大缩减。1.4加工中心的基本组成1.4.1基础部件如图1.1所示，它是加工中心的基础结构，有床身、立柱、工作台等组成，它们不 仅要承受加工中心的静载荷，还要承受切削加工时产生的动载荷，所以要求加工中心的 基础部件必须有足够的刚度。这些大件可以是铸铁件也可以是焊接而成的钢结构件，它 们是加工中心中体积和重量最大的部件。1.4.2主轴部件由主轴箱、主轴、主轴轴承等零件组成。主轴的启动、停止、变速等动作均由数控 系统控制，并且通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。主 轴是加工中心的关键部件，其结构的好坏对加工中心的性能有很大的影响，它决定着加 工中心的切削性能、动态刚度、加工精度等。1.4.3数控系统单台加工中心的数控部分由CNC装置、可编程控制器、伺服驱动装置以及电机等 部件组成。CNC装置是一种位置控制系统，其控制的过程是根据输入的信息进行数据 处理、插补运算，获得理想的运动轨迹信息，然后输出到执行部件，加工出所需要的工 件。可编程控制器代替一般机床中电气柜，执行数控系统指令，控制机床执行动作。数 控系统主要功能有：控制功能、进给功能、主轴功能、辅助功能、刀具功能和第二辅助 功能、补偿功能、字符图形显示功能、自诊断功能、通信功能、人机对话程序编制功能 等。数控系统是加工中心执行顺序控制动作和完成加工过程的控制中心。1.4.4自动换刀系统该系统是加工中心区别于其他数控机床的典型装置，它解决工件一次装夹后多工序 连续加工中，工序与工序间的刀具自动存储、选择、搬运和交换任务。它由刀库、机械 手、驱动机构等部件组成。刀库是存放加工过程所使用的全部刀具的装置，刀库有盘式、 鼓式、链式等多种形式，容量从几把到几百把，当需换刀时，根据数控系统指令，由机 械手将刀具取出装入主轴孔中。机械手的结构根据刀库与主轴的相对位置及结构的不同 也有多种形式，如单臂式、双臂式、回转式、轨道式等。有的加工中心不用机械手而利 用主轴箱或刀库的移动来实现换刀。1.4.5辅助装置包括润滑、冷却、排屑、防护、液压、气动、检测系统等部件。这些装置虽然不直 接参与切削运动，但对加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起着保障作用，因此也 是加工中心不可缺少的部分。图1.1加工中心的组成1-X轴直流伺服电动机；2-换刀机械手；3-数控柜；4-刀库；5-主轴箱;6-操作面板；7-驱动电源柜；8-工作台；9-滑座；10-床身1.5加工中心的工作原理根据零件图纸，制定工艺方案，采用手工或计算机自动编制零件加工程序，把零件 所需的机床各种动作及全部工艺参数变成机床的数控装置能接受的信息代码，并把这些 代码存储在信息载体上，将信息载体送到输入装置，读出信息并送入数控装置。另一种 方法是利用计算机和加工中心的接口直接进行通信输入。进入数控装置的信息，经过一 系列处理和运算转变为脉冲信号。有的信号送到机床的伺服系统，通过伺服机构进行转 换和放大，在经过传动机构，驱动机床有关部件，使刀具和工件严格执行零件程序所规 定的相应运动。还有的信号送到可编程控制器中，用以顺序控制机床的其他辅助动作， 实现刀具自动更换。1.6加工中心的分类1.6.1立式加工中心立式加工中心指主轴轴心线为垂直状态设置的加工中心，其结构形式多为固定立柱 式，工作台为长方形，无分度回转功能，适合加工盘、套板类零件。立式加工中心通常 有三个直线运动坐标，由溜板和工作台来实现平面上X、Y两个坐标轴的移动。主轴箱 沿立柱导轨上下实现Z坐标移动。立式加工中心装夹方便，便于操作，易于观察加工情 况，调试程序容易，应用广泛。但受立柱高度及换刀装置的限制，不能加工太高的零件。1.6.2卧式加工中心卧式加工中心指主轴轴线为水平状态设置的加工中心，卧式加工中心通常采用移动 式立柱，工作台不升降，T形床身。卧式加工中心的立柱普遍采用双立柱框架结构形式， 主轴箱在两立柱之间，沿导轨上下移动。这种结构刚性大，热对称性好，稳定性高。卧 式加工中心各个坐标的运动可由工作台移动或由主轴移动来完成，即某一方向的运动可 以由刀具固定，工件移动来完成；或者由工件固定，刀具移动来完成。卧式加工中心一 般具有三轴联动，三四个运动坐标。常见的是三个直线坐标X、Y、Z联动和一个回转 坐标B分度，它能够在一次装夹下完成四个面的加工，最适合加工箱体类零件。卧式加 工中心的结构复杂，占地面积大，重量大，价格也较高。1.6.3万能加工中心万能加工中心也称五面加工中心如图所示。这类加工中心具有立式和卧式加工中心 的功能，工件一次装夹后，能完成除安装面外的所有侧面和顶面的加工。常见的万能加 工中心有两种形式：一种是主轴可以旋转90,另一种是主轴不改变方向，而工作台带 着工件旋转90。这种加工方式可以使工件的形位误差降到最低，省去了二次装夹的工 装，从而提高生产效率，降低加工成本。但万能加工中心结构复杂、造价高、占地面积 大等缺点。图1.2万能加工中心1.6.4虚轴加工中心虚轴加工中心，它改变了以往传统机床的结构，通过连杆的运动，实现主轴多自由 度运动，完成工件复杂曲面的加工。其基本结构是由一个动平台、一个定平台和六根长 度可变的连杆构成。动平台上装有机床主轴和刀具，定平台上安装工件，六根杆实际是 六根滚珠丝杠螺母副，它们将两个平台连在一起，同时将伺服电动机的旋转运动转换为 直线运动，从而不断改变六根杆的长度，带动动平台产生六自由度的空间运动，使刀具 在工件上加工出复杂的三维曲面。由于这种机床没有导轨、转台等表征坐标轴方向的实 体构件，故称为虚轴机床。1.7加工中心的发展方向数控技术与加工中心的发展已走过了半个多世纪的历程，随着科学技术的发展，世 界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求，超高速切削、 超精密加工等技术的应用，对加工中心的各种组成部分提出了更高的性能指标。当今的 加工中心正在不断采用最新技术成就，朝着高速化、高精度化、多功能化、智能化、系 统化与高可靠性等发面发展。2加工中心主传动系统2.1加工中心主传动系统的要求加工中心主传动系统是由主轴电动机、主轴传动系统以及主轴组件组成。它是加工 中心的主要组成部分。和常规机床主轴系统相比，加工中心主轴要具有更高的转速、更 高的回转精度以及更高的结构刚性和抗振性。由于加工中心具有更高的加工效率，更宽的使用范围，更高的加工精度，因此，它的主 轴系统必须满足如下要求。2.1.1调速功能为了适应不同工序、各种工件材料及刀具等各种切削要求，主轴必须具有一定的调 速范围并实现无极变速，以保证加工时选用合理的切削用量，从而获得最佳切削效率、 加工精度和表面质量。调速范围的指标主要由各种加工工艺对主轴最低速度和最高速度 的要求来确定。目前加工中心主轴基本实现无级变速。2.1.2动态响应性能要求升降速时间短，调速时运转平稳。对有的机床需同时能实现正反转切削，则要 求换向时均可进行自动加减速控制。2.1.3精度和刚度要求具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪声低。加工中心加工精度与主轴系统精度密 切相关。主轴部件的精度包括旋转精度和运动精度。旋转精度指装配后，在无载荷和低 速转动条件下，主轴前端工作部位的径向和轴向跳动值。主轴部件的旋转精度取决于部 件中各个零件的几何精度、装配精度和调整精度。运动精度指主轴在工作状态下的旋转 精度，这个精度通常和静止或低速状态的旋转精度有较大差别，它表现在工作时主轴中 心位置的不断变化，即主轴轴心漂移。运动状态下的旋转精度取决于主轴的工作速度、 轴承性能和主轴部件的平衡。静态刚度反映了主轴部件或零件抵抗静态外载的能力。加 工中心多采用抗弯刚度作为衡量主轴部件刚度的指标。影响主轴部件弯曲刚度的因素很 多，如主轴的尺寸形状，主轴轴承的类型、数量、配置形式、预紧情况、支撑跨距、主 轴前端的悬伸量等。2.1.4抗振性和热稳定性要求加工中心在加工时，由于断续切削、加工余量大且不均匀、运动部件速度高且不平 衡，以及切削过程中的自振等原因引起的冲击和交变力的干扰，会使主轴产生振动，影 响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至破坏刀具和主轴系统中的零件。主轴系统的发热 使其中所有零部件产生变形，破坏相对位置精度和运动精度，造成加工误差。为此，主 轴组件要有较高的固有频率，保持合适的配合间隙并进行循环润滑等。2.1.5具有刀具的自动夹紧功能加工中心突出的特点是自动换刀功能。为保证加工过程的连续实施，加工中心主轴 系统与其他主轴系统相比，必须具有刀具自动夹紧功能。2.1.6功率要求要求主轴系统具有足够的驱动功率或输出转矩，能在整个速度范围内提供切削所需 功率和转矩，以满足机床强力切削时的要求。2.1.7主轴定位功能要求主轴准停功能又称主轴定位功能。即当主轴停止时，控制主轴停在固定的位置，这 是自动换刀所必需的功能。在自动换刀的数控铣镗加工中心上，切削转矩通常是通过刀 杆的端面键来传递的，这就要求主轴具有准确定位于圆周上特定角度功能。为此，在通 过前壁小孔镗内壁的同轴大孔，或进行反倒角加工时，要求主轴实现准停，使刀尖停在 一个固定的方位上，以便主轴偏移一定尺寸后大刀刃能通过前壁小孔进入箱体内对大孔 进行镗削。2.2主传动系统主要技术指标的确定HMC50是中等规格的卧式铣镗加工中心，工作台面积50OX5OOmm，允许最大荷重 500kg，主轴锥孔ISO 7:24，工作台最大行程X 700mm，主轴箱最大行程Y 650mm，立柱 最大行程Z 600mm,工作台回转B 360X 1。，主轴转速范围404000r/min，刀库容量40/ 定点（带预选功能），电动机功率11kw，数控系统FANUC 0i-MC，机床重量21000kg。2.2.1主运动变速系统主要参数机床主传动系统的参数有动力参数和运动参数。动力参数是指主运动驱动电机的功 率，运动参数是指主运动的变速范围。主传动中各传动件的尺寸要根据传动功率来确定。 传动功率过大，使传动件尺寸粗大，电动机常在低负载下工作，功率因数小而浪费能源； 功率过小将限制机床加工能力而降低生产效率。因此需合理确定主传动功率。主传动功 率用理论计算的方法来确定比较困难，一般通过类比、统计等方法来确定。2.2.2主传动功率机床主传动的功率P可根据切削功率与主运动传动链的总效率n来确定p = PCin。表2.1动力参数的选取刀具材料工件材料背吃刀量ap (mm)进给量f(mm/r)切削速度v (m/min)YT1545#40.4100加工中心的加工范围一般都比较大，切削功率P可根据有代表性的加工情况，由其主切削抗力七按下式来确定F = 1900 x a x f 0.75 = 1900 x 4 x 0.40.75 = 3822.6Np = FzXV =心x 100 = 6.37 削c 6000060000主传动的总效率一般可取为n = 0.70.85，加工中心的主传动多用调速电机和有限 的机械变速传动来实现，传动链较短，因此，效率可取较大值。=9.ikwP 6.37=& =n 0.72.2.3选择电动机型号电动机型号额定功率调频范围转速范围额定转速VABP160S-4P-50Hz11kw515015045001500表2.2电动机相关参数最高转速4500电动机制造商：上海德驱驰电气公司2.2.4电动机的功率、扭矩特性由切削原理知主运动为直线运动的机床，主运动为恒转矩运动；主运动为旋转运动 的机床，主运动为恒功率运动。低速时主轴转速小，不需传动电动机的全部功率。我们 把机床能传递全部功率的最低转速称为主轴计算转速，以它为临界转速，如图2.1所示， 从计算转速至最高转速的区域为恒功率区域，区间内任意转速都能够传递电动机的全部 功率，但主轴转矩随主轴转速的上升而下降；从最低转速至计算转速为恒转矩区域，区 间内任意转速能够输出最大转矩，但主轴输出的功率将随主轴转速的下降而下降。r.r.L：j.n，.：Jlrn v 口U .*.5口图2.1 功率扭矩特性图2.3主传动变速系统设计机床传动形式分为有极和无极变速两种，无级变速形式可以在一定范围内连续改变 转速，以便得到满足加工要求的最佳转速，能在运转中变速，便于自动变速，这对与提 高机床生产效率和提高被加工零件的质量都有重要意义；同时采用无级变速可使主轴结 构大为简化，缩短传动链；因此无级变速应用日益广泛。2.3.1转速图的拟定转速图能够清楚的表达出：传动轴的数目，主轴及各传动轴的变速级数、转速值及 其传动路线，变速组的个数、传动顺序及扩大顺序，各变速组的传动副数及其传动比数 值，变速规律等。首先根据最高转速和最低转速确定变速范围A，确定转速级数计 n算出公比，绘制转速图如图2.2。2.3.2主运动的调速范围已知：机床主轴的最高转速为4000 r/min，机床主轴的最低转速为40 r/min。机床主轴计算转速七n = n x (nax min nmin)0.3 = 40X (4000)0.3 = 159.24尸/min40机床主轴的恒扭矩范围R159.24 =3.9840MnJ-nmin由于电动机的恒扭矩范围要与机床主轴的恒扭矩范围相等膈=平=398min min计算得 n = 377r/minmin机床主轴要求的恒功率调速范围RnpR = = 4000 = 25.12 npn 159.24电动机的恒功率范围R dpR =500 = 3 dpn 1500主运动的调速范围RnR = L = 2512 = 8.37经计算得公比e为2.03n R3dp2.3.3主轴箱传动系统图拟定传动系统的原则是：在保证机床的运动和使用要求的前提下，运动传动链要尽可能的短而简单；传动效率高以及操作简单方便。首先要考虑某些结构方面的问题， 考虑结构能否实现：如小齿轮的齿根圆是否大于轴的直径，大齿轮的顶圆是否会碰及相 邻轴等；其次因考虑结构是否合理，如布置是否紧凑，操纵是否方便等。该机床采用两 对双联滑移齿轮变速组和一级定比传动，采用宽式排列结构，主轴变速拟采用通过滑移 齿轮的移位来实现，综合考虑各因素，拟订传动系统示意图。03图2.3传动系统图表2.3各轴计算转速单位：r/minInmIV计算转速n.15006573231592.3.4各轴计算转速各轴的计算转速见表2.32.3.5各齿计算转速各齿轮的计算转速见表2.4Z1Z2Z3Z4Z5Z6Z7Z8Z9n. j1500657150013336573236571333323表2.4各齿轮的计算转速159Z103传动系统零部件设计3.1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，齿轮的精度等级选用6级精度，小齿轮 材料为40Cr（调质），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。3.2齿轮齿数的确定确定变速组齿轮齿数时，应注意下列问题：机床主传动齿轮一般取Z大于18 20,以避免发生根切。保证强度和防止热处理变形过大，套装在轴上的齿轮，齿根圆 到键槽的壁厚要大于2倍的模数。为了缩短变速箱径向尺寸及降低齿轮线速度，齿数 和应取少些，中型机床一般取Sz二70 100。表3.1各齿轮齿数zZZZZZZZZZt2345678910358054612857572832653.3齿轮模数的估算为了设计与制造的方便，同一变速组的齿轮模数应相同，所有齿轮中首先选择载荷 较重的小齿轮按轮齿弯曲疲劳强度进行估算，齿轮的相关参数选取见表3.2。m = 267xA x：（3.1）FF 9 x n x zxbFSZ 1齿轮的模数估算由公式3.1得)267 x 1 x 3：1x 11x 牝3 6 x 1500 x 35 x 504=1.783mm估算得Z1齿轮的模数为1.783mm，初步选取模数为2mm。其他齿轮模数的计算方法同上，计算结果见表3.3。表3.3齿轮模数的选取3.4按齿面接触疲劳强度校核齿轮模数装配草图完成后，验算齿轮的模数是否满足要求。若不满足要求时，可采取调整齿 宽、改换齿轮材料，或重新选择齿轮齿数和模数等措施，齿轮验算时的相关参数见表3.4。m 267 x 犬a奇-犬位KgPcos2 （四土（z Z Z ）2（3.2）H n z 2b 2 日HE 邛、m c 1 HP表3.4齿轮的相关参数序号符号名称齿轮Z 1齿轮Z5齿轮Z9HpntKHPHnHt使用系数1.11.11.1变动工作用量系数功率利用系数转速变化系数工作期限系数动载系数1.00880.8960.8960.80.80.80.970.970.971.31.1051.1541.0841.0361.087名义切向力13933331811264705810Ha11121314oHP15齿轮分度圆圆周速度齿向载荷分布系数齿向载荷分配系数节点区域系数弹性系数重合度许用接触应力齿轮齿数16.4851.192.51900.8911503517.581.192.51900.8911502847.71.192.51900.89115032HPnt HP Hn Ht注：变动工作用量系数K_ = K K K ，工作期限系数*= p；60n血，动载系数Z U 2_ pKvf + K*E，名义切向力F T9妇07 ，齿轮分度圆圆周速度V 二 % 七 mn 60000cos P齿向载荷分布系数。=1 +K&s +%，许用接触应力。LH1/顷z齿轮的模数验算由公式3.2得m 267 x 广卢晌Kv、*峥 g(ZZZ )2H n z 2b 2 日he 邛m c 1 HPc”，1.1x 1.0088 X 1.06 X 1.19 X11X 3.2857 Z1 c 八八。八、=267 x 3，x (1.5 x 190 x 0.89)236x 1500 x 352 x 11502 x 2.2857=1.728mm经验算得模数为1.728mm，所选取的模数满足强度要求。其余齿轮的模数验算方法同上，验算结果见表3.5。表3.5齿轮模数校核齿轮z 1齿轮z5齿轮z9各齿轮初选模数233.5各齿数验算模数1.7282.83模数是否合格合格合格合格:一4 di = 91 x 4 x n(3.3)3.5估算各传动轴直径与各轴的材料选取式中：d为轴危险截面处的直径(mm)；P 该传动轴的输入功率(kw)；PE电动机额定功率(kw)；n c该轴的计算转速(r/min)；W该轴允许的扭转角(deg/m)。主轴0 = 1.51 ； 一般传动轴伊=11.5。n从电动机到该传动轴之间传动件传动效率的乘积，传动件的效率概略值见表3.6；用花键轴时，可将估算的d值减少7%为花键轴的小径，再选标准的花键轴。I轴的材料选用45钢（调质处理），由公式3.3得轴的最小直径为d = 91 x = 91 x 厂=26.6mm14 x n 41.2 x 1500II轴的材料选用45钢（调质处理），由公式3.3得轴的最小直径为p11 x 0.99d = 91 x = 91 x 4, 2_6_ = 32.65mm中 cIII轴的材料选用45钢（调质处理），由公式3.3得轴的最小直径为p11 x 0.992d = 91 x .= 91 x t 2_- = 37.16mmc表3.6常用传动件效率概略值名称效率名称效率直齿圆柱齿轮（磨齿）0.99向心球轴承0.995斜齿圆柱齿轮0.985圆锥滚子轴承0.99普通V带0.96高速主轴轴承0.950.983.6传动轴的弯曲刚度验算弯曲刚度验算时只需验算传动轴的薄弱环节的挠度和倾角。挠度一般只验算受力最 大的齿轮处即可。倾角验算支反力最大的支撑处，若支撑处倾角小于安装齿轮处的许用 值，则齿轮处的倾角可以不验算，轴的弯曲刚度许用值见表3.7。校核I轴在小齿轮（Z=35）啮合状态下的挠度和倾角计算I轴上小齿轮（Z=35）的转矩丁 95.5 x105 x PT =95.5 X105 x1 = 278647.2N/mm377计算I轴上小齿轮（Z=35）所受的力，小齿轮受力分析如图所示图3.1。图3.1 I轴上小齿轮啮合的受力分析(3.4)2 x TF =d1式中：T 小齿轮传递的转矩d 1 小齿轮的节圆直径，对标准齿轮即为分度圆直径 a 啮合角，对标准齿轮a =20。由公式3.4得70F =空=2 X 278647.2 = 7961.35NtXx tan a = 7961.35 x tan 20 = 2897.69NI轴的计算简图可简化为外伸梁，如图3.2。图3.2轴的挠度与倾角简图计算A、B两点的支承反力=438.8NF xb _ 2897.69 x24L1583=2458.9NF xa _ 2897.69 x134.5七 158.5花键轴的抗弯断面惯性矩(3.5)64, nd4 + BN(D -d)(D + d)2 I = 式中：B、N花键轴键宽、键数D花键轴的大径E 材料弹性模量，钢材E = 2.1 x105 MPa由公式3.5得,nd4 + BN(D - d)(D + d)2I =64_ n x 364 + 7 x 8 x 6 x (36 + 42)264=114347.16mm4小齿轮进入啮合状态时，在，径向力作用下I轴上载荷点和悬臂端产生的挠度。载荷点F的挠度F x a 2 x b 2)fx -仪 3EIL一_2897.69 x 134.52 x 242=3 x 2.1 x 105 x 114347.16 x 158.5=0.00264mm悬臂端C点的挠度F x a x b x c x (L + a)cx -6EIl_ 2897.69 x 24 x 134.5 x 101.5 x (158.5 +134.5)6 x 2.1 x 105 x 114347.16 x 158.5=0.0122mm载荷点的倾角0FX=Fx x a x b x (b - a) 3EIL2897.69 x 134.5 x 24=x 110.53 x 2.1 x 105 x 114347.16 x 158.5=0.00009rad左支承点的倾角9AXF x a x b x (a + 2b)_ i 6 EIL_ 2897.69 x 134.5 x 24 x (134.5 + 2 x 24)6 x 2.1 x 105 x 114347.16 x 158.5 =0.000075rad右支承点的倾角9 F x a x b x (2a + b)bx 6 EIL_ 2897.69 x 134.5 x 24 x (2 x 134.5 + 24)6 x 2.1 x 105 x 114347.16 x 158.5=0.00012rad在切向力作用下挠度及转角计算 载荷点F的挠度, F x a 2 x b 2Jfx - X 3EIL_7961.35 x 134.52 x 242=3 x 2.1 x 105 x 114347.16 x 158.5=0.00726mm悬臂端C点的挠度, F x a x b x c x (L + a)，cx _ 76EIl_ 7961.35 x 24 x 134.5 x 101.5 x (158.5 +134.5)6 x 2.1 x 105 x 114347.16 x 158.5=0.0335mm在小齿轮(Z=35)进入啮合状态时，1轴上载荷点和支承点的倾角载荷点的倾角eFX=X x a x b x (b - a) 3EIL7961.35 x 134.5 x 24=x 110.53 x 2.1 x 105 x 114347.16 x 158.5=0.00025rad左支承点的倾角F x a x b x (a + 2b)时AX6 EIL7961.35 x 134.5 x 24 x (134.5 + 2 x 24)右支承点的倾角6 x 2.1 x 105 x 114347.16 x 158.5 =0.00021E时BXF x a x b x (2a + b)6 EIL7961.35 x 134.5 x 24 x (2 x 134.5 + 24)6 x 2.1 x 105 x 114347.16 x 158.5 =0.00033rad挠度合成y F=& FX 2+y / =0.002642+0.007262 = 0.0077mmy =q 2 + y，2 =0.01222 + 0.03352 = 0.00127mmC , CX CX转角合成9 A = Jo X +0 ；X2 =70.0000752 + 0.000212 = 0.00022rad9 =9 2 +9，2 = .、0.000122 + 0.000332 = 0.00035radBBXBX9 =.：9 2 +9, 2 = *0.000092 + 0.000252 = 0.0002657rad F Y FXFX经校核知在小齿轮啮合状态下，I轴的挠度和倾角满足要求。校核I轴在大齿轮(Z=54)啮合状态下的挠度和倾角，大齿轮受力分析如图所示图3.3图3.3 I轴上大齿轮啮合的受力分析计算I轴上大齿轮(Z=54)的转矩竺4 =竺= 278647.2N mm377计算I轴上大齿轮Z=54所受的力FtD二=2x E.2 = 5160.13 nd2108F=FtDx tan a = 5160.13 x tan 20。= 1878.13NI轴的计算简图可简化承外伸梁，如图3.4。4一HLic:LaISA.5BA轴的挠度倾角简图图3.4计算A、B两点的支承反力J = 18783 x 84 = 995.35 nL 158.5=1878.13 x $ = 882.78N L158.5花键轴的抗弯断面惯性矩由公式3.5得nd4 + BN(D -d)(D + d)264n x 364 + 7 x 8 x 6 x (36 + 42)264=114347.16mm4在大齿轮进入啮合状态时，在径向力作用下I轴上载荷点和悬臂端产生的挠度载荷点F的挠度yFDF x a 2 x b 2rD 3EIL1878.13 x 74.52 x 842=0.0064mm3 x 2.1 x 105 x 114347.16 x 158.5悬臂端C点的挠度F x a x b x (/ + a)七口 -_6 EIL_ 1878.13 x 74.5 x 84 x (158.5 + 74.5)6 x 2.1 x 105 x 114347.16 x 158.5=0.00012mm在大齿轮进入啮合状态时，在径向力作用下I轴上载荷点和支承点的倾角载荷点的倾角eFDF x a x bD3EIL(b -a)1878.13 x 74.5 x 84=x (84 - 74.5)3 x 2.1 x 105 x 114347.16 x 158.5=0.00978rad左支承点的倾角9AD9BDF x a x b x (a + 2b)=f 6 EIL _ 1878.13 x 74.5 x 84 x (74.5 + 2 x 84) 6 x 2.1 x 105 x 114347.16 x 158.5=0.0034*右支承点的倾角F x a x b x (2a + b)=6 EIL_ 1878.13 x 74.5 x 84 x (2 x 74.5 + 84) 6 x 2.1 x 105 x 114347.16 x 158.5=0.00012rad在大齿轮进入啮合状态时，切向力作用下I轴上载荷点和支承点的倾角 载荷点F的挠度, F x a 2 x b 2FD _ 发 3EIL_5160.13 x 74.52 x 842=3 x 2.1 x 105 x 114347.16 x 158.5=0.0176mm悬臂端C点的挠度, F xaxbx(l + a)y = tocd6EIL_ 5160.13x74.5x84x(158.5 + 74.5)6x2.1x105 x114347.16x158.5=0.00033mm载荷点的倾角eF xaxb、0 =由(b - a)fd3EIL5160.13x74.5x84,睥=x (84 - 74.5)3x2.1x105 x 114347.16x158.5=0.0000269rad左支承点的倾角, F x 以 x b x (a + 2b)0=归曲6EIL_ 5160.13x74.5x84x(74.5 + 2x84) 6x2.1x105 xll4347.16xl58.5=0.00034rad?右支承点的倾角, F xaxbx (2a + b)0= tDBD6EIL_ 5160.13 x 74.5 x 84 x (2 x 74.5 + 84)6x2.1x105 xll4347.16xl58.5=0.00033 ratZ挠度合成一v 0.00642 + 0.01762 0.0187mmy =Jy 2 + y 2 = Jo.000122 +0.000332 = 0.00035mmC V CD CD转角合成9 = JO 2+0, 2 = Jo.009782 +0.00002692 = 0.0000956radF V FD FD9 = v0 2+0 2 = 0.00342 +0.000342 = 0.0034g/A AD AD0 = Jo 2+0 2 = 0.000122 +0.000332 = 0.00035raBBD BD经校核知在大齿轮(Z=54)啮合状态下，I轴的挠度和倾角满足要求。表3.7轴弯曲刚度许用值轴的类型允许挠度y (mm)变形部位允许倾角。(rad)一般传动轴(0.00030.0005) L装向心轴承处0.0025刚度要求较高轴0.0002L装齿轮处0.001安装齿轮的轴(0.010.03)m装单列圆锥滚子轴承处0.0006安装涡轮的轴(0.020.05)m装滑动轴承处0.0013.7花键键侧挤压应力计算已知：花键的大径D = 42mm，花键的小径d = 36mm，花键的长L = 78mm，花键 的键数 N = 8，q jy = 150MPa。(3.6),95.5 x 105 x P=maxn式中q计算挤压应力(MPa)jyq jy 许用挤压应力(MPa)，见表3.10T max 花键轴传递的最大转矩(N mm)D、d花键轴的大径、小径(mm)N花键的齿数，k载荷分布不均系数，k=0.70.8。由公式3.6得qjyTmax95.5 X105 X P = 95.5 X105 X11 = 278647.2N mm3778T max (D 2 - d 2) LNK8 x 278647.2(422 -362)x78x8x0.75=10.2 q .经计算知花键键侧的挤压应力为10.2MPa，满足许用值。表3.10花键键侧的许用挤压应力花键联结情况工作情况花键表面热处理情况不经热处理经热处理jy MPa固定联结不良35504070中等6010