毕业设计（论文）CK6140数控车床主传动系统设计

提供全套毕业论文图纸，欢迎咨询河南科技大学毕业论文题目：CK6140数控车床主传动系统设计专业：机械设计制造及其自动化班级：指导老师： 姓名： 学号： 摘要摘要数控车床不仅能够车外圆还能用于镗孔、车端面、钻孔与铰孔。与其他种类的机床相比，车床在生产中使用最广。本论文首先介绍了我国数控机床发展的过程与现状 ,并分析了其存在的问题 ;对数控机床的发展趋势进行了探讨；并对ck6140数控车床主轴箱传动系统进行了设计与计算。主轴箱有安装在精密轴承中的空心主轴和一系列变速齿轮组成。数控车床主轴可以获得在调速范围内的任意速度，以满足加工切削要求。目前，数控车床的发展趋势是通过电气与机械装置进行无级变速。变频电机通过带传动和变速齿轮为主轴提供动力。通常变频电机调速范围35，难以满足主轴变速要求；串联变速齿轮则扩大了齿轮的变速范围 。本设计的不足之处由于受到传递转矩的限制而无法采用电磁离合器进行变速换挡，而采用了液压拨叉进行变速换挡，增加了机床的复杂性，必须将数控装置的电信号转换为电磁阀的机械动作，从而增加了变速机构的中间环节，相应地带来更多不可靠的因素。关键词：数控车床，无级调速，传动系统 ，变速机构IIAbstractError! No text of specified style in document.AbstractNC lathe can do boring, facing, drilling and Reaming in addition to turning.The use of lathes in the production than the other types of machine tools and more. And compared to other types of machine tools, lathes in the production is the most widely used.In this design ,the development and current situation of NC machine in China was introduced and a series of problems were presented .The development trend to NC lathe was discussed.Some countermeasures was presented for the development of NC machine in China and then the headstock of ck6140NC lathe has been calculatly designed . Headstocks is composed of the hollow spindle which is installed in precision bearings and a series of transmission gears. The spindle can obtain any speed in the speed range to meet the processing requirements of cutting.At present, the development trend is to provide a continuously variable speed through the electrical or mechanical devices . Variable Frequency Motor conveys the power through belt drive and a set of transmission gears. The speed range of Variable Frequency Motor is usually 3-5 , which is difficult to meet the speed range requirements of the spindle speed; The transmission gears is to expand the scope of a variable-speed to meet the speed range of the spindle .Disadvantages of this design because of the transmission torque limit and cannot use electromagnetic clutch to shift gears, and adopts the hydraulic fork are shifting, machine tools increased complexity, we must convert electrical signals into mechanical actions of numerical control device of electromagnetic valve, thereby increasing the intermediate link transmission mechanism, accordingly bring more unreliable factors.Key words: CNC lathes, a continuously variable speed , transmission Systerm, Transmission mechanism目录 目录摘要IAbstractII第一章 绪论- 1 -1.1 课题背景及目的- 1 -1.2 国内外研究现状及发展趋势- 2 -1.2.1 数控系统的发展趋势- 2 -1.2.2 我国数控车床的研究现状及发展趋势- 2 -1.3 课题研究内容及方法- 6 -1.3.1 课题研究内容- 6 -1.3.2 研究方法- 6 -1.4 论文构成- 6 -第二章 主传动系统的设计- 7 -2.1 主传动系统的设计要求- 7 -2.2 总体设计- 7 -2.2.1 拟定传动方案- 7 -2.2.2 选择电机- 8 -2.2.3 主运动调速范围的确定、计算各轴计算转速、功率和转矩- 11 -2.2.4 转速图- 13 -第三章 传动系统零部件设计- 14 -3.1 传动皮带的设计和选定- 14 -3.1.1 V带传动设计- 14 -3.2 皮带轮结构设计- 16 -3.2.1 对三角皮带带轮设计的要求：- 16 -3.2.2 皮带轮的材料- 16 -3.2.3 结构尺寸的设计- 17 -3.3 轴系部件的结构设计- 18 -3.3.1 轴结构设计与校核- 18 -3.3.2 轴齿轮组的设计- 21 -3.3.3 轴结构设计- 25 -3.3.4 轴齿轮组的设计- 26 -第四章 主轴结构设计- 31 -4.1 主轴的要求- 31 -4.2 主轴轴承选择- 32 -4.3 主轴的设计与校核- 33 -4.4 主轴驱动与控制- 37 -第五章 结论- 41 -参考文献- 42 -致谢- 43 -结论第一章 绪论1.1 课题背景及目的 我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3。近10年来，我国数控机床年产量约为0.60.8万台，年产值约为18亿元。机床的数控化率仅为6。这些机床中,役龄10年以上的占60以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品国内、外市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。 而相对于传统机床，数控机床有以下明显的优越性：1、可以加工出传统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，从而效率比传统机床提高37倍。 3、加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。 4、可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。 5、拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，可实现长时间无人看管加工。 因此，采用数控机床，可以降低工人的劳动强度，节省劳动力（一个人可以看管多台机床），减少工装，缩短新产品试制周期和生产周期，可对市场需求做出快速反应。 此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。 由于以上优越性，数控机床所占的比例逐渐增大。从2005年的市场消费内容也可可看出,普通机床的市场份额在下降,数控机床则大幅度增长，尤其是中高档数控机床供不应求。可以预见，未来几年普通机床的市场份额将不断下滑, 数控机床的消费会逐渐扩大。在这样一种背景下，我的课题选择为设计一台数控车床CK20，用于对转体零件的圆柱面、圆弧面、圆锥面、端面、切槽、及各种公、英制螺纹等进行批量、高效、高精度的自动加工，以提高生产效率和产品质量和降低工人劳动强度。通过本次设计培养综合运用基础知识和专业知识，解决工程实际问题的能力，使工程绘图、数据处理、外文文献阅读、程序编制、使用手册等基本技能及能力得到训练和提高。此外，力求完成课题之余，熟悉国内外数控技术及数控机床的现状及发展趋势,增强对如何发展民族数控机床产业的感性认识。1.2 国内外研究现状及发展趋势1.2.1 数控系统的发展趋势自从1951年计算机技术应用于机床上，数控系统经历了数控（NC）和计算机数控（CNC）两个阶段的发展。目前，数控系统正处于第六代基于PC（PCBASED）。未来数控系统将呈以下发展趋势：1、 继续向开放式、基于PC的第六代方向发展 基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。2、向高速化和高精度化发展 3、向智能化方向发展 （1）应用自适应控制技术向高速化和高精度化发展 数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。 （2）引入专家系统指导加工 将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。 （3）引入故障诊断专家系统 （4）引入动装置智能化数字伺服驱动系统可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。1.2.2 我国数控车床的研究现状及发展趋势1、研究现状我国数控车床从20世纪70年代初进入市场，至今通过各大机床厂家的不懈努力，通过采取与国外著名机床厂家的合作、合资、技术引进、样机消化吸收等措施，使得我国的机床制造水平有了很大的提高，其产量在金属切削机床中占有较大的比例。目前，国产数控车床的品种、规格较为齐全，质量基本稳定可靠，已进入实用和全面发展阶段。但数控机床的产品竞争力在国际市场中仍处于较低水平，即使在国内市场也面临着严峻的形势：一方面国内市场对各类机床产品特别是数控机床有大量需求，而另一方面却有不少国产机床滞销积压，国内机床产品充斥市场，严重影响我国数控机床自主发展的势头。这种现象的出现，除了有经营上、产品质量上和促销手段上等的原因外，一个最主要的原因就是新产品（包括基型、变型和专用机床）的开发周期长，不能及时针对用户的需求提供满意的产品。 1）床身按照床身导轨面与水平面的相对位置，床身有图1所示的5种布局形式。一般来说，中、小规格的数控车床采用斜床身和平床身斜滑板的居多，只有大型数控车床或小型精密数控车床才采用平床身，立床身采用的较少。平床身工艺性好，易于加工制造。由于刀架水平放置，对提高刀架的运动精度有好处，但排屑困难；刀架横滑板较长，加大了机床的宽度尺寸，影响外观。平床身斜滑板结构，再配置上倾斜的导轨防护罩，这样既保持了平床身工艺性好的优点，床身宽度也不会太大。斜床身和平床身斜滑板结构在现代数控车床中被广泛应用，是因为这种布局形式具有以下特点： 容易实现机电一体化； 机床外形整齐、美观，占地面积小； 容易设置封闭式防护装置； 容易排屑和安装自动排屑器； 从工件上切下的炽热切屑不至于堆积在导轨上影响导轨精度； 宜人性好，便于操作； 便于安装机械手，实现单机自动化。 2)导轨 车床的导轨可分为滑动导轨和滚动导轨两种。 滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点。但传统滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。目前，数控车床已不采用传统滑动导轨，而是采用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。它们具有摩擦性能良好和使用寿命长等特点。 滚动导轨的优点是摩擦系数小，动、静摩擦系数很接近，不会产生爬行现象，可以使用油脂润滑。根据滚动体的不同，滚动导轨可分为滚珠直线导轨和滚柱直线导轨。后者的承载能力和刚度都比前者高，但摩擦系数略大。结构如下图所示： a)后斜床身-斜滑板 b)直立床身-直立滑板 图 1.21导轨布置图c)平床身-平滑板 d)前斜床身-平滑板 e)平床身-斜滑板 3）主轴传动系统机床主传动系统可分为分级变速传动和无级变速传动。分级变速传动是在一定范围能均匀的、离散地分布着有限级数的转速，主要用于普通机床。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。数控车床得主传动系统通常采用无级变速。 与普通车床相比，数控车床的主传动采用交、直主轴调速电动机，电动机调速范围大，并可无级调速，使主轴结构大为简化。为了适应不同的加工需求数控车床主传动系统有以下三种方式。 电动机直接驱动 主轴电动机与主轴通过联轴器直接连接，或采用内装式主轴电动机驱动。采用直接驱动可大大简化主轴箱结构，能有效地提高主轴刚度。这种传动的特点是主轴转速的变化、输出转矩与主轴的特性完全一致。但因主轴的功率和转矩特性直接决定主轴电机的性能，因而这种变速传动的应用受到一定限制。采用定比传动 主轴电动机经定比传动给主轴。 定比传动可采用带传动或齿轮传动，这种传动方式在一定程度上能满足主轴功率和转矩的要求，但其变速范围仍和电动机的调速范围相同。 目前，交流、直流主轴电动机的恒功率转速范围一般只有2-4，而恒转矩范围则达100以上；许多大、中型机床的主轴要求有更宽的恒功率转速范围。很明显，这种情况下主轴电动机的功率特性和机床主轴的要求不匹配:调速电动机的恒功率范围远小于主轴要求的恒功率变速范围。所以这种变速方式多用于小型或高速数控机床。 采用分档变速方式 采用这种变速方式主要是为了解决主轴电动机的功率特性和机床主轴功率特性不匹配。变速多采用齿轮副来实现，电动机的无级变速配合变速机构可确保主轴的功率、转矩要求，满足各种切削运动的转矩输出，特别是保证低速时的转矩和扩大恒功率的调速范围。用两个电机分别驱动主轴 上述两种方式的混合传动，高速时带轮直接驱动主轴，低速时另一个电机通过齿轮减速后驱动主轴4）刀架系统 按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式。排式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒料或盘类零件为主。回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架，通过刀架的旋转分度定位来实现机床的自动换刀动作，根据加工要求可设计成四方、六方刀架或圆盘式刀架。根据刀架回转轴与安装底面的相对位置，回转刀架分为立式刀架和卧式刀架两种。排刀式刀架和回转刀架对刀具的数目有一定的限制，当需要数量较多的刀具时，应采用带刀库的自动换刀装置。5）进给传动系统 数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统，按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。前者定位精度低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉；后者控制精度高、快速性能好，但它对机床的要求比较高，且造价较昂贵。闭环系统中采用的位置检测装置有：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和激光干涉仪等。 数控车床的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机。伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机之分。前者由于具有可靠性高、造价低等特点而被广泛采用。2、发展趋势1）高速、高精密化 当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高。另一方面，电主轴和直线电机的成功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的直线导轨副等机床功能部件的面市，也为机床向高速、精密发展创造了条件。 2）高可靠性 3）数控车床设计CAD化、结构设计模块化 采用CAD技术以替代人工完成繁琐的绘图工作，进行设计方案选择和大件整机的静、动态特性分析、计算、预测及优化设计，以及对整机各工作部件进行动态模拟仿真。这样大大提高了工作效率，提高设计的一次成功率，从而缩短试制周期，降低设计成本，提高市场竞争能力。 4）功能复合化扩大机床的使用范围、提高效率，实现一机多用、一机多能，即一台数控车床既可以实现车削功能，也可以实现铣削加工。5）智能化、网络化、柔性化和集成化5。1.3 课题研究内容及方法1.3.1 课题研究内容本课题设计的数控车床的主要参数如下：床身上最大回转直径： ；溜板箱上直径： 最大车削长度：；主轴锥度：莫氏6#主轴转速：252500rpm（有级或无极变频调速）；主轴功率：5.5Kw课题研究的主要内容包括主轴传动系统的设计、换挡变速机构的选用。1.3.2 研究方法第一步，明确设计要求，找出研究的重难点：普通数控车床最基本的要求是精度达标，稳定可靠，操作、维修、保养方便，寿命较长，此外力求外型美观。第二步，进工厂观摩，大量收集国内外相关资料，吸取专家的设计经验。第三步，初步确定总体设计方案：1、软件方面 综合考虑功能、价格、技术先进、服务方便等因素，以及数控系统所具有的功能是否与CK6140的性能相匹配，尽量减少过剩的数控功能。选择了SINUMERIK 802D机床微机控制系统。2、硬件方面 （1）根据机床性能要求，确定机床支承件结构形式为斜床身结构，并进行总体布局。（2）选择主电机。根据切削力大小及机床的变速要求，初步确定主电机型。（3）设计主传动系统及箱体。由主电机的变速范围，确定变速箱的减速级数以及传动方式。 1.4 论文构成本论文构成如下：第一章阐述课题的研究背景及内容。第二章详细论述主轴系统方案的制定。第三章传动系统零部件的设计。第四章主轴结构的设计。第五章总结本课题设计的特点及其有待改进之处。论文最后是本次毕业设计的心得和参考文献。- 43 -第二章 主传动系统的设计2.1 主传动系统的设计要求现代切削加工正朝着高速、高效和高精度的方向发展，要求机床主传动系统具有更高的转速和更大的无极调速范围；在切削过程中能自动变换速度，机床结构要简单，噪声要小，动态性能要好，可靠性要高。数控车床作为高度自动化的机电一体化设备，其主传动系统的设计应满足如下基本要求。使用性能要求 首先应满足机床的运动性能，如机床的主轴有足够的转速范围和转速级数。传动系统设计合理，操纵方便灵活、迅速、安全可靠。传递动力要求 主电动机和传递结构能够提供和传递足够的功率和转矩，具有较高的传动效率。工作性能要求 主传动中所有零部件要有足够的刚度、精度和抗振性，热变形性稳定。此外，还要求主传动系统结构简单，便于调整和维修；工艺性好，便于加工和装配；防护性能好；使用寿命长。2.2 总体设计2.2.1 拟定传动方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，以满足机床要求的调速范围和转矩特性。 为简化主轴箱结构，本方案仅采用二级机械变速机构，运动方案如图2.1：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。图 2.21机械变速方案示意图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。2.2.2 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。(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。2、电动机类型和结构型式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2.2-1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。表 2.21主轴驱动系统的理想性能项目内容高性能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,低服务价格通用要求耐用性,可维护性,安全可靠性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VFNC系列变频主轴电机。VFNC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。3、电动机容量的选择选择电动机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：（1）确定电机输出动率Pd（） (2.1) 传动装置的总效率 其中， V带轮传动效率，由资料10，表24查得0.96； (2.2)滚动轴承效率，由资料10，表24查得0.99； 圆柱齿轮传动效率，由资料10，表24查得0.98； 由此， =0.87 故， （3）选择电动机额定功率如前所述，电动机功率应留有余量，负荷率一般取0.80.9，所以电动机额定功率选取为7.5Kw。（4）电动机电压和转速的选择由资料7,表2219，小功率电动机一般选为380V电压。所以本电机的电压可选为380V。 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25r/min2500r/min。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。V带轮传动比确定为,轴上齿轮传动比确定为轴上两对直齿轮的传动比分别为，所以两条传动链中，底速传动链传动比，高速传动链传动比，由此可得电机的转速范围：r/min,（5）确定电机的型号 由前面信息，可选取VFNC系列变频主轴电机型号VFNC 160M-33.3-7.5-4。VFNC系列变频主轴电机的特点：1. 双功率设计，应对短时重载切削。2. 恒功率范围宽，可实现1:6倍恒功率设计3. 导入基频33.3Hz设计（是我司“基频制设计原理”在机床主轴电机上的成功应用），达成低速力矩大，确保低速强力切削，超宽恒功率调速范围，保障高速切削光洁度。 降低变频器功率，节省成本和电源容量。VFNC系列变频主轴电机特别适合数控车床类机床的主轴驱动，配合高性能矢量变频器或主轴驱动器，更能发挥其优良的主轴特性，成为性能与经济性具佳的数控车床类机床的变频主轴驱动方案。电机参数如下表所示：表 2.22电机参数型号S1-100%连续额定S6-50% ED 转动惯量（错误!未找到引用源。）恒转矩范围恒功率范围额定功率Kw额定电流A额定转矩Nm额定功率Kw额定电流A额定转矩Nm0.10871-33.3Hz，301000r/minS1-100%,10006000 r/minS6-50%,10004500 r/minVFNC 160M-33.3-7.5-47.518.873.51125105机座长为470mm，电机轴径为，轴伸为60mm，中心高115mm，其余安装尺寸及其外形由资料2得。2.2.3 主运动调速范围的确定、计算各轴计算转速、功率和转矩 主运动调速范围的确定（本小节公式除非特别说明，均出自资料10）数控车床主轴转速范围252500r/min则数控车床总变速范围 (2.3)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： (2.4)因为数控机床主轴的变速范围大于计算转速的实际值同时为了便于计算故取：主轴的恒功率变速范围 (2.5)电机的恒功率变速范围由于RnpRdp，电动机直接驱动主轴不能满足恒功率变速要求，因此需要串联一个有级变速箱，以满足主轴的恒功率调速范围。取，则对于数控车床，为了加工端面时满足恒线速度切削的要求，应使转速有一些重复，故取Z=2故前面传动比分配可取。各轴计算转速 (2.7)各轴输入功率 (2.8)各轴输入转矩 (2.9)将以上计算结果整理后列于表2.2-3，供以后计算选择，供Fz以后计算使用：表 2.23各轴传动参数参数 轴0轴（电机轴）I轴(传动轴）II轴（中间传动轴）III轴（主轴)计算转（）1000769.24273178/427.3输入功率（Kw）7.57.26.856.51转矩（）71.689.4153349/145.5传动比2.2.4 转速图由电机的转速范围(包括恒功率变速范围)和各轴传动比,作数控车床的转速图, 见图2.2-2. 图 2.22 转速图第三章 传动系统零部件设计3.1 传动皮带的设计和选定 （如无特殊说明，本小节公式均出自资料5）带传动是由带和带轮组成传递运动和动力的传动。根据工作原理可分为两类：摩擦带传动和啮合带传动。摩擦带传动是机床主要传动方式之一，常见的有平带传动和V带传动；啮合传动只有同步带一种。 普通V带传动是常见的带传动形式，其结构为：承载层为绳芯或胶帘布，楔角为40、相对高度进似为0.7、梯形截面环行带。其特点为：当量摩擦系数大，工作面与轮槽粘附着好，允许包角小、传动比大、预紧力小。绳芯结构带体较柔软，曲挠疲劳性好。其应用于：带速V2530m/s;传动功率P700kW;传动比i10轴间距小的传动。一主要失效形式 1带在带轮上打滑，不能传递动力； 2带由于疲劳产生脱层、撕裂和拉断； 3带的工作面磨损。 保证带在工作中不打滑的前提下能传递最大功率，并具有一定的疲劳强度和使用寿命是V带传动设计的主要依据，也是靠摩擦传动的其它带传动设计的主要依据。3.1.1 V带传动设计(1)设计功率的确定：由表8-7查得工况系数 (3-1)(2) 选定带型：根据和由图8-11确定选用A型。确定带轮的基准直径并验算带速传V：1初选带轮的基准直径由表8-6和表8-8确定：取小带轮直径=160mm2验算带速V： (3-2)因为5m/sV计算大带轮的基准直径。=i=1.3160=208mm根据表8-8圆整为=224mm确定V带的中心距a和基准长度Ld 1初定带轮距得： (3-3)即 初取 2计算带所需的基准长度： (3-4)由表8-2选带的基准长度Ld=1800mm3计算实际中心距： (3-5)安装时所需最小轴间距： (3-6)张紧或补偿伸长所需最大轴间距： (3-7)(5)验算小带轮包角： (3-8)所以小带轮包角合适。(6)计算带的根数Z。1单根V带的基本额定功率：根据和=1000r/min查表8-4a得基本额定功率=2.8Kw。再根据=1000r/min、i=1.3和A型带查表8-4b得=0.22Kw查表8-5得： (3-9)2计算带的根数z。 (3-10)取Z=4根计算单根V带的初拉力的最小值： (3-11)应使带的实际初拉力计算压轴力压轴力的最小值为： (3-12)(9)带轮的结构和尺寸：由表8-10可查得为了减轻传动轴上载荷，采用卸荷式带轮结构，使带轮上的载荷由轴承支撑进而传给箱体，轴只承受转矩，装配装置参见装配图。3.2 皮带轮结构设计 3.2.1 对三角皮带带轮设计的要求：、重量轻；、结构工艺性好，无过大铸造内应力，便于制造；、质量分布均匀；、轮槽工作面要精细加工56，以减少皮带的磨损；、应保证一定的几何尺寸精度，以使载荷分布均匀；、要有足够的强度和刚度；、尽可能的从经济角度加以考虑。3.2.2 皮带轮的材料 根据V=10.55ms30ms ,考虑到加工方便及经济性的原则，采用HT15-30的铸铁带轮。3.2.3 结构尺寸的设计 、轮槽的设计对与A型皮带由【3】*表12-12查得有关参数表格 三1 A型带各参数MfTsbB=312.53.5161011668b=17 B=（Z-1）t+2s=（4-1）16+210=68mm (3-13)图 3.21带轮各参数的定义带轮的设计 mm300mm， 故采用腹板式。又：D1d1=19445=149100 ，故在腹板上开4孔，a）、有关结构尺寸如下：d=25mm; 第I轴直径d1=1.825=45mmD0=0.5（D1d1）=0.5（45194）=119.5mmD1=224262（12.53.5）=194mmd0=0.25（2803058）=48mmL=2d=322=64mm=2247=231mm3.3 轴系部件的结构设计3.3.1 轴结构设计与校核（如无特殊说明，本小节公式均出自资料5）I轴上的零件主要是齿轮1。一端用轴肩定位,另一端用套筒定位。（1）轴的选材和最小直径得确定轴的材料选择为：45号钢（调质处理）。轴的最小尺寸，由式（152）， 式中，由表153，可取得110，故： (3-14)（2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度初步选择滚动轴承因该轴承仅承受径向力的作用，故选用深沟球轴承。参照工作要求选择型号为6006的深沟球轴承，参数如下，安装尺寸所以取安装齿轮处的轴段2-3的直径29mm;齿轮的左端与左轴承之间采用套筒定位。已知齿轮轮毂的宽度为37mm, 为了使套筒端面可靠地压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，故取，齿轮右端采用轴肩定位，轴肩高度h0.07d,故取h=3mm,则轴环处的直径，轴环宽度,取。 取齿轮距箱体内壁之距离a=18mm,考虑到箱体的铸造误差，在确定滚动轴承位置时，应距箱体内壁一段距离s，取s=8mm,已知滚动轴承宽度b=12mm,则轴结构如图所示：图 3.31轴结构图轴的受力分析和弯矩的计算1.输入轴的功率=7.2KW，转速=769.2r/min，转矩2.求作用在齿轮上的力 (3-15)3.计算支撑反力 在水平面上 (3-16) 在垂直平面上 (3-17)4.计算弯矩和转矩并做弯矩扭矩图（如下图所示） (3-18) 5.按弯扭组合强度校核轴的强度对于直径为d的圆轴，弯曲应力为,扭转切应力为,将，则轴的弯扭合成强度条件为 (3-19)式中：轴的计算应力，MPa M轴所受的弯矩，Nmm T轴所受的扭矩，Nmm W轴的抗弯截面系数，进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面D）的强度。根据校核公式及以上数据，以及轴双向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取，轴的计算应力： 前已选定轴的材料为45钢，调制处理，查表可得:。因此，故安全。图 3.32 轴的载荷分析图3.3.2 轴齿轮组的设计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6级精度.（2）材料选择.由表10-1选择小齿轮材料为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）选小齿轮齿数大齿轮齿数 2.按齿面接触强度设计 由设计计算公式(10-9a)进行试算,即： (3-19)确定公式内的各计算数值（1）试选载荷系数（2）计算小齿轮传递的转矩由上文可知为89.4Nm（3）由表10-7选取齿宽系数（4）由表10-6查得材料的弹性影响系数（5）由图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限大齿轮的接触疲劳强度极限;（6）由式10-13计算应力循环次： (3-20)（7）由图10-19查得接触疲劳寿命系数（8）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： (3-21)2）计算（1）小齿轮分度圆直径，代入中较小的值： (3-22)（2）计算圆周速度： (3-23)（3）计算齿宽： (3-24)（4）计算齿宽与齿高之比： 模数 (3-25) 齿高 (3-26) (3-27)（5）计算载荷系数根据，6级精度，由图10-8查得动载系数；直齿轮，由表10-2查得使用系数由表10-4查得6级精度，小齿轮非对称支承时： (3-28)将数据代入得：； (3-29)由b/h=4.66,，查图10-13得；故载荷系数： (3-30) （6）按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由式（10-10a）得： (3-31)（7）计算模数： (3-32)3.按齿根弯曲强度设计：由式（10-5）得弯曲强度的设计公式为： (3-33)1）确定公式内的各计算数值（1）由图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限；大齿轮的弯曲疲劳强度极限；（2）由图10-18查得弯曲疲劳寿命系数，；（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： (3-34) （4）计算载荷系数K： (3-35) （5）查取齿形系数由表10-5查得。（6）查取应力校正系数由表10-5查得。（7）计算大小齿轮的并加以比较： (3-36)大齿轮的数值大。2）设计计算：对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而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，可取由弯曲疲劳强度算得的模数2.47并就近圆整为标准值m=2.5，按接触强度算得的分度圆直径，算出小齿轮齿数：大齿轮齿数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。4.几何尺寸计算1）计算分度圆直径：2）计算中心距：3）计算齿轮宽度：取。5.验算：，合适。3.3.3 轴结构设计（如无特殊说明，本小节公式均出自资料5）1.轴的支承形式 该轴不受或只受极小的轴向力，而右端所受径向力矩明显高于左端，故左端选用深沟球轴承，而右端选用一对角接触球轴承背靠背安装，如图所示：图 3.33中间轴支撑形式2.轴上零件的轴向定位II轴上的主要零件主要有三对直齿圆柱齿轮及其中两直齿圆柱齿轮是双联滑移齿轮。滚动轴承的左端靠在端盖上，右端用轴肩定位，两齿轮的另两端用螺钉锁紧挡圈定位。轴右端的轴承左边利用轴肩定位，右端用一摔油盘（有套筒的作用）和圆螺母进行定位。（1）轴的选材和最小直径得确定轴的材料选择为：45号钢（调质处理）。轴的最小尺寸，由式（152）， 式中，由表153，可取得110，故： （2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度初选型号6008的深沟球轴承 参数如下故轴 ，即安装滑移齿轮处轴段的直径取安装固定齿轮处轴段2-3的直径齿轮左端与左端轴承之间采用套筒定位。已知齿轮轮毂的宽度为32mm,为了使套筒端面可靠地压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，故取，齿轮右端采用轴肩定位，轴肩高度h0.07d,故取h=5mm,则轴环处的直径，轴环宽度,取。 取齿轮距箱体内壁之距离a=18mm,考虑到箱体的铸造误差，在确定滚动轴承位置时，应距箱体内壁一段距离s，取s=8mm,已知滚动轴承宽度b=15mm,则取35mm。由于取值较计算值大的多，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3.3-4.图 3.34中间轴零件图3.3.4 轴齿轮组的设计齿轮1和2的直径相差较大，对齿轮1（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，初选齿数本数控机床的运行速度较高，精度等级选择6级精度；由表101，小齿轮材料选择为20，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。小齿轮的齿数初选为24， 242.4=57.62.按齿面接触强度进行设计按式（109）试算： 确定公式内的各计算值：初选载荷系数Kt1.6；计算小齿轮传递的转矩由前文可知小齿轮传递的转矩为153Nm;由表107及其说明，可选定齿宽系数； 由表106，查得材料的弹性影响系数189.8；由图1021d，按齿面接触硬度查得小齿轮的接触疲劳强度650MPa；大齿轮的接触疲劳强度600MPa；两齿轮的设计寿命为72000h，由式1013，计算应力循环次数： 由图1019查得接触疲劳寿命系数=0.92,=0.95;计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%,安全系数s1。由式（1012），将以上参数代入公式进行计算 算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值：计算圆周速度v： 计算齿宽： 计算齿宽与齿高之比： 齿轮模数 齿高 计算载荷系数K由图108，查得动载系数；由表103，查得;由表102，查得使用系