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1、第38頁 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 臥式加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 數(shù)控加工中心是一種備有刀庫并能自動(dòng)更換刀具對(duì)工件進(jìn)行多工序加工的數(shù)控機(jī)床。它綜合了機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)、拖動(dòng)技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、測量及傳感技術(shù)以及通訊診斷和應(yīng)用編程技術(shù)的高技術(shù)產(chǎn)品。加工中心適合于加工形狀復(fù)雜、加工工序多、精度要求較高、需要用多種類型的普通機(jī)床和眾多的工藝裝備，且需經(jīng)多次裝夾和調(diào)整才能完成加工的零件。數(shù)控加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)是由主軸電動(dòng)機(jī)、主軸傳動(dòng)系統(tǒng)以及主軸組件組成。本文對(duì)數(shù)控加工中心的功能與發(fā)展趨勢進(jìn)行了簡單的論述，著重論述了臥式加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其內(nèi)容包

2、括電動(dòng)機(jī)的選擇、確定傳動(dòng)方案、擬定轉(zhuǎn)速圖、齒輪的設(shè)計(jì)與校核、主軸的設(shè)計(jì)及各傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)與各傳動(dòng)軸的剛度校核。 關(guān)鍵詞：主軸箱；無極變速；傳動(dòng)系統(tǒng) Horizontal processing center main transmission system design Abstract Processing center is equipped with a sword and can change automatic library tool on the more process of numerical control machine. It

3、 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

4、 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 transmissio

5、n 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 s

6、election, sure transmission scheme, for the design of gear speed diagram, and checking, the design and the design and checking of the drive shaft Key words: headstocks, a continuously variable speed , transmission Systerm 目 錄 1 緒 論 1 1.1 加工中心的定義 1 1.2 加工中心的特點(diǎn) 1 1.2.1 加工精度高 1 1.

7、2.2工序集中 1 1.2.3 適應(yīng)性強(qiáng) 2 1.2.4 生產(chǎn)效率高 2 1.2.5 經(jīng)濟(jì)效益好 2 1.2.6 勞動(dòng)強(qiáng)度低，工作條件好 2 1.2.7 有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化 3 1.3 加工中心的主要加工對(duì)象 3 1.3.1 既有平面又有孔系的零件 3 1.3.2 結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、普通機(jī)床難加工的零件 3 1.3.3 外形不規(guī)則的異形零件 3 1.3.4 新產(chǎn)品試制中的零件 3 1.3.5 周期性投產(chǎn)的零件 4 1.4 加工中心的基本組成 4 1.4.1 基礎(chǔ)部件 4 1.4.2 主軸部件 4 1.4.3 數(shù)控系統(tǒng) 4 1.4.4 自動(dòng)換刀系統(tǒng) 5 1.4.

8、5 輔助裝置 5 1.5 加工中心的工作原理 5 1.6 加工中心的分類 6 1.6.1 立式加工中心 6 1.6.2 臥式加工中心 6 1.6.3 萬能加工中心 6 1.6.4 虛軸加工中心 7 1.7 加工中心的發(fā)展方向 7 2 加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng) 8 2.1 加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)的要求 8 2.1.1 調(diào)速功能 8 2.1.2動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能 8 2.1.3 精度和剛度要求 8 2.1.4 抗振性和熱穩(wěn)定性要求 9 2.1.5 具有刀具的自動(dòng)夾緊功能 9 2.1.6 功率要求 9 2.1.7 主軸定位功能要求 9 2.2主傳動(dòng)系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)的確定 9 2.

9、2.1 主運(yùn)動(dòng)變速系統(tǒng)主要參數(shù) 10 2.2.2 主傳動(dòng)功率 10 2.2.3 選擇電動(dòng)機(jī)型號(hào) 10 2.2.4 電動(dòng)機(jī)的功率、扭矩特性 11 2.3主傳動(dòng)變速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 2.3.1 轉(zhuǎn)速圖的擬定 11 2.3.2 主運(yùn)動(dòng)的調(diào)速范圍 12 2.3.3 主軸箱傳動(dòng)系統(tǒng)圖 13 2.3.4 各軸計(jì)算轉(zhuǎn)速 14 3 傳動(dòng)系統(tǒng)零部件設(shè)計(jì) 15 3.1選定齒輪類型,精度等級(jí),材料及齒數(shù) 15 3.2齒輪齒數(shù)的確定 15 3.3齒輪模數(shù)的估算 15 3.4按齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核齒輪模數(shù) 16 3.5估算各傳動(dòng)軸直徑與各軸的材料選取 18 3.6 傳動(dòng)軸的彎曲剛度驗(yàn)算 19

10、 3.7花鍵鍵側(cè)擠壓應(yīng)力計(jì)算 27 4 主軸組件的設(shè)計(jì) 29 4.1主軸的要求 29 4.1.1回轉(zhuǎn)精度 29 4.1.2 靜剛度 29 4.1.3 抗振性 29 4.1.4 升溫和熱變形 29 4.1.5 耐磨性 29 4.1.6 材料和熱處理 30 4.1.7 主軸的結(jié)構(gòu) 30 4.1.8主軸軸承的選擇 30 4.2 主軸尺寸參數(shù)的確定 31 4.2.1主軸直徑的確定 31 4.2.2主軸內(nèi)孔直徑 31 4.2.3主軸前懸伸量 31 4.2.4主軸的支承跨距 32 4.2.5主軸軸端結(jié)構(gòu) 32 5總裝配圖 33 結(jié) 論 34 致 謝 35

11、參考文獻(xiàn) 36 1 緒 論 1.1 加工中心的定義 加工中心是一種備有刀庫并能自動(dòng)更換刀具對(duì)工件進(jìn)行多工序加工的數(shù)控機(jī)床。它是適應(yīng)省力、省時(shí)和節(jié)能的要求而迅速發(fā)展起來的，它綜合了機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)、拖動(dòng)技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、測量及傳感技術(shù)以及通訊診斷、刀具和應(yīng)用編程技術(shù)的高技術(shù)產(chǎn)品，將數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、數(shù)控鉆床的功能并聚集在一臺(tái)加工設(shè)備上，且增設(shè)有自動(dòng)換刀裝置和刀庫，可在一次安裝工件后，數(shù)控系統(tǒng)控制機(jī)床按不同工序自動(dòng)選擇和更換刀具，自動(dòng)改變機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和刀具相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)軌跡及其他輔助功能；依次完成多面和多工序的端平面、孔系、內(nèi)外倒角、環(huán)形槽及

12、攻螺紋等加工。由于加工中心能集中完成多種工序，因而可減少工件裝夾、測量和調(diào)整時(shí)間，減少工件周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)存放時(shí)間，使機(jī)床的切削利用率高于通用機(jī)床3~4倍，達(dá)80%以上。所以說，加工中心不僅提高了工件的加工精度，而且是數(shù)控機(jī)床中生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度最高的綜合性機(jī)床。 1.2 加工中心的特點(diǎn) 1.2.1 加工精度高 加工中心同其他數(shù)控機(jī)床一樣具有加工精度高的特點(diǎn)，由于加工中心采用工序集中的加工手段，一次安裝即可加工出零件上大部分待加工表面，避免了工件多次裝夾所產(chǎn)生的裝夾誤差，在保證高的工件尺寸精度的同時(shí)獲得各加工表面之間高的相對(duì)位置精度。另外，加工中心整個(gè)加工過程由程序控制自動(dòng)執(zhí)行，避免了人為操作

13、所產(chǎn)生的偶然誤差。結(jié)合加工中心完善的位置補(bǔ)償功能及高的定位精度和重復(fù)定位精度，使工件加工精度更高，加工質(zhì)量更加穩(wěn)定。 1.2.2工序集中 加工中心備有刀庫，能自動(dòng)換刀，并能對(duì)工件進(jìn)行多工序加工?，F(xiàn)代加工中心更大程度地使工件在一次裝夾后實(shí)現(xiàn)多表面、多特征、多工位的連續(xù)、高效、高精度加工，即工序集中。這是加工中心最突出的特點(diǎn)。 1.2.3 適應(yīng)性強(qiáng) 加工中心對(duì)加工對(duì)象的適應(yīng)性強(qiáng)。加工中心加工工件的信息都由一些外部設(shè)備提供，比如軟盤、光盤、USB接口介質(zhì)等，或者有計(jì)算機(jī)直接在線控制（DNC）。當(dāng)加工對(duì)象改變時(shí)，除了更換相應(yīng)的刀具和解決毛坯裝夾方式外，只需要重新編制程序，輸入新的程序就能實(shí)現(xiàn)對(duì)

14、新的零件的加工，縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，節(jié)約了大量工藝裝備費(fèi)用。這對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件的單件、小批量生產(chǎn)及新產(chǎn)品試制帶來極大地方便，同時(shí)，它還能自動(dòng)加工普通機(jī)床很難加工或無法加工的精密復(fù)雜零件。 1.2.4 生產(chǎn)效率高 零件加工所需要的時(shí)間包括機(jī)動(dòng)時(shí)間和輔助時(shí)間兩部分，加工中心能夠有效地減少這兩部分時(shí)間。加工中心主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的調(diào)節(jié)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)剛性允許加工中心進(jìn)行大切削量的強(qiáng)力切削，有效地節(jié)省了機(jī)動(dòng)時(shí)間。加工中心移動(dòng)部件的快速移動(dòng)和定位均采用了加速和減速措施，選用了很高的空行程運(yùn)動(dòng)速度，消耗在快進(jìn)、快退和定位的時(shí)間要比一般機(jī)床少得多。同時(shí)加工中心更換待加

15、工零件時(shí)幾乎不需要重新調(diào)整機(jī)床，零件安裝在簡單的定位夾緊裝置中，用于停機(jī)進(jìn)行零件安裝調(diào)整的時(shí)間可以大大節(jié)省。加工中心加工工件時(shí)，工序高度集中，減少了大量半成品的周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)和存放時(shí)間，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率。 1.2.5 經(jīng)濟(jì)效益好 加工中心加工零件時(shí)，雖分?jǐn)傇诿總€(gè)零件上的設(shè)備費(fèi)用較昂貴，但在單件、小批量生產(chǎn)情況下，可以節(jié)省許多其他方面的費(fèi)用。由于是數(shù)控加工，加工中心不必準(zhǔn)備專用鉆模等工藝設(shè)備，加工之前節(jié)省了劃線工時(shí)，零件安裝在機(jī)床上之后可以減少調(diào)整、加工和檢驗(yàn)時(shí)間。另外，由于加工中心的加工穩(wěn)定性，減少了廢品率，是生產(chǎn)成本進(jìn)一步下降。 1.2.6 勞動(dòng)強(qiáng)度低，工作條件好 加工中心的加工零件

16、是按事先編好的程序自動(dòng)完成的，操作者除了操作鍵盤、裝卸零件、進(jìn)行關(guān)鍵工序的中間測量以及觀察機(jī)床的運(yùn)行之外，不需要進(jìn)行繁重的重復(fù)性手工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度可大為減輕；同時(shí)，加工中心的結(jié)構(gòu)均采用全封閉設(shè)計(jì)，操作者在外部進(jìn)行監(jiān)控，切削、冷卻液等對(duì)工作環(huán)境的影響微乎其微，工作條件較好。 1.2.7 有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化 利用加工中心進(jìn)行生產(chǎn)，能準(zhǔn)確地計(jì)算出零件的加工工時(shí)，并有效地簡化檢驗(yàn)、工夾具和半成品的管理工作，這些特點(diǎn)有利于生產(chǎn)管理現(xiàn)代化。當(dāng)前有許多大型CAD/CAM集成軟件已經(jīng)開發(fā)了生產(chǎn)管理模塊，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助生產(chǎn)管理。加工中心使用數(shù)字信息與標(biāo)準(zhǔn)代碼輸入，最適宜計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)及管理。當(dāng)前較為流行的

17、FMS、CIMS、ERP等都離不開加工中心的應(yīng)用。 1.3 加工中心的主要加工對(duì)象 1.3.1 既有平面又有孔系的零件 加工中心具有自動(dòng)換刀裝置，在一次安裝中，可以完成零件上平面的銑削、孔系的鉆削、鏜削、鉸削、及螺紋切削等多工步加工。加工部位可以在一個(gè)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選加工對(duì)象，常見的這類零件有箱體和盤、套、板類零件。 1.3.2 結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、普通機(jī)床難加工的零件 主要表面是由復(fù)雜曲線、曲面組成的零件加工時(shí)，需要多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工，這在普通機(jī)床上是較難甚至是無法加工的，加工中心是這類零件加工的最佳設(shè)備。常見的零件有凸輪類、整體

18、葉輪類、模具類。 1.3.3 外形不規(guī)則的異形零件 異形零件指外形不規(guī)則的零件，大多要點(diǎn)、線、面多工位混合加工。如支架、基座、撥叉等。異形零件由于外形不規(guī)則，在普通機(jī)床上只能采取工序分散的原則加工，需要工裝較多，周期較長。利用加工中心多工位點(diǎn)、線、面混合加工的特點(diǎn)，可以完成大部分甚至全部工序內(nèi)容。 1.3.4 新產(chǎn)品試制中的零件 在新產(chǎn)品定型之前，需經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)和改進(jìn)、選擇加工中心試制，可省去許多通用機(jī)床加工所需要的試制工裝。當(dāng)零件被修改時(shí)，只需修改相應(yīng)的程序及適當(dāng)?shù)卣{(diào)整夾具、刀具即可，節(jié)省了費(fèi)用，縮短試制周期。 1.3.5 周期性投產(chǎn)的零件 用加工中心加工零件時(shí)，所需工時(shí)主要

19、包括基本時(shí)間和準(zhǔn)備時(shí)間，其中，準(zhǔn)備時(shí)間占很大比例。例如工藝準(zhǔn)備、程序編制、零件首件試切等，這些時(shí)間往往是單件基本時(shí)間的幾十倍。采用加工中心可以將這些準(zhǔn)備時(shí)間的內(nèi)容儲(chǔ)存起來，供以后反復(fù)使用。這樣，對(duì)周期性投產(chǎn)的零件，生產(chǎn)周期就可以大大縮減。 1.4 加工中心的基本組成 1.4.1 基礎(chǔ)部件 如圖1.1所示，它是加工中心的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，有床身、立柱、工作臺(tái)等組成，它們不僅要承受加工中心的靜載荷，還要承受切削加工時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)載荷，所以要求加工中心的基礎(chǔ)部件必須有足夠的剛度。這些大件可以是鑄鐵件也可以是焊接而成的鋼結(jié)構(gòu)件，它們是加工中心中體積和重量最大的部件。 1.4.2 主軸部件 由主軸箱、主

20、軸、主軸軸承等零件組成。主軸的啟動(dòng)、停止、變速等動(dòng)作均由數(shù)控系統(tǒng)控制，并且通過裝在主軸上的刀具參與切削運(yùn)動(dòng)，是切削加工的功率輸出部件。主軸是加工中心的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)的好壞對(duì)加工中心的性能有很大的影響，它決定著加工中心的切削性能、動(dòng)態(tài)剛度、加工精度等。 1.4.3 數(shù)控系統(tǒng) 單臺(tái)加工中心的數(shù)控部分由CNC裝置、可編程控制器、伺服驅(qū)動(dòng)裝置以及電機(jī)等部件組成。CNC裝置是一種位置控制系統(tǒng)，其控制的過程是根據(jù)輸入的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、插補(bǔ)運(yùn)算，獲得理想的運(yùn)動(dòng)軌跡信息，然后輸出到執(zhí)行部件，加工出所需要的工件。可編程控制器代替一般機(jī)床中電氣柜，執(zhí)行數(shù)控系統(tǒng)指令，控制機(jī)床執(zhí)行動(dòng)作。數(shù)控系統(tǒng)主要功能有：控

21、制功能、進(jìn)給功能、主軸功能、輔助功能、刀具功能和第二輔助功能、補(bǔ)償功能、字符圖形顯示功能、自診斷功能、通信功能、人機(jī)對(duì)話程序編制功能等。數(shù)控系統(tǒng)是加工中心執(zhí)行順序控制動(dòng)作和完成加工過程的控制中心。 1.4.4 自動(dòng)換刀系統(tǒng) 該系統(tǒng)是加工中心區(qū)別于其他數(shù)控機(jī)床的典型裝置，它解決工件一次裝夾后多工序連續(xù)加工中，工序與工序間的刀具自動(dòng)存儲(chǔ)、選擇、搬運(yùn)和交換任務(wù)。它由刀庫、機(jī)械手、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等部件組成。刀庫是存放加工過程所使用的全部刀具的裝置，刀庫有盤式、鼓式、鏈?zhǔn)降榷喾N形式，容量從幾把到幾百把，當(dāng)需換刀時(shí)，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)指令，由機(jī)械手將刀具取出裝入主軸孔中。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)根據(jù)刀庫與主軸的相對(duì)位置及

22、結(jié)構(gòu)的不同也有多種形式，如單臂式、雙臂式、回轉(zhuǎn)式、軌道式等。有的加工中心不用機(jī)械手而利用主軸箱或刀庫的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)換刀。 1.4.5 輔助裝置 包括潤滑、冷卻、排屑、防護(hù)、液壓、氣動(dòng)、檢測系統(tǒng)等部件。這些裝置雖然不直接參與切削運(yùn)動(dòng)，但對(duì)加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起著保障作用，因此也是加工中心不可缺少的部分。 圖1.1 加工中心的組成 1-X軸直流伺服電動(dòng)機(jī)；2-換刀機(jī)械手；3-數(shù)控柜；4-刀庫；5-主軸箱； 6-操作面板；7-驅(qū)動(dòng)電源柜；8-工作臺(tái)；9-滑座；10-床身 1.5 加

23、工中心的工作原理 根據(jù)零件圖紙，制定工藝方案，采用手工或計(jì)算機(jī)自動(dòng)編制零件加工程序，把零件所需的機(jī)床各種動(dòng)作及全部工藝參數(shù)變成機(jī)床的數(shù)控裝置能接受的信息代碼，并把這些代碼存儲(chǔ)在信息載體上，將信息載體送到輸入裝置，讀出信息并送入數(shù)控裝置。另一種方法是利用計(jì)算機(jī)和加工中心的接口直接進(jìn)行通信輸入。進(jìn)入數(shù)控裝置的信息，經(jīng)過一系列處理和運(yùn)算轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號(hào)。有的信號(hào)送到機(jī)床的伺服系統(tǒng)，通過伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大，在經(jīng)過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床有關(guān)部件，使刀具和工件嚴(yán)格執(zhí)行零件程序所規(guī)定的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。還有的信號(hào)送到可編程控制器中，用以順序控制機(jī)床的其他輔助動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)刀具自動(dòng)更換。 1.6 加工中心的分類 1.

24、6.1 立式加工中心 立式加工中心指主軸軸心線為垂直狀態(tài)設(shè)置的加工中心，其結(jié)構(gòu)形式多為固定立柱式，工作臺(tái)為長方形，無分度回轉(zhuǎn)功能，適合加工盤、套板類零件。立式加工中心通常有三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，由溜板和工作臺(tái)來實(shí)現(xiàn)平面上X、Y兩個(gè)坐標(biāo)軸的移動(dòng)。主軸箱沿立柱導(dǎo)軌上下實(shí)現(xiàn)Z坐標(biāo)移動(dòng)。立式加工中心裝夾方便，便于操作，易于觀察加工情況，調(diào)試程序容易，應(yīng)用廣泛。但受立柱高度及換刀裝置的限制，不能加工太高的零件。 1.6.2 臥式加工中心 臥式加工中心指主軸軸線為水平狀態(tài)設(shè)置的加工中心，臥式加工中心通常采用移動(dòng)式立柱，工作臺(tái)不升降，T形床身。臥式加工中心的立柱普遍采用雙立柱框架結(jié)構(gòu)形式，主軸箱在兩立柱

25、之間，沿導(dǎo)軌上下移動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)剛性大，熱對(duì)稱性好，穩(wěn)定性高。臥式加工中心各個(gè)坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)可由工作臺(tái)移動(dòng)或由主軸移動(dòng)來完成，即某一方向的運(yùn)動(dòng)可以由刀具固定，工件移動(dòng)來完成；或者由工件固定，刀具移動(dòng)來完成。臥式加工中心一般具有三軸聯(lián)動(dòng)，三四個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)。常見的是三個(gè)直線坐標(biāo)X、Y、Z聯(lián)動(dòng)和一個(gè)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)B分度，它能夠在一次裝夾下完成四個(gè)面的加工，最適合加工箱體類零件。臥式加工中心的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占地面積大，重量大，價(jià)格也較高。 1.6.3 萬能加工中心 萬能加工中心也稱五面加工中心如圖所示。這類加工中心具有立式和臥式加工中心的功能，工件一次裝夾后，能完成除安裝面外的所有側(cè)面和頂面的加工。常見的萬能加工中

26、心有兩種形式：一種是主軸可以旋轉(zhuǎn)90，另一種是主軸不改變方向，而工作臺(tái)帶著工件旋轉(zhuǎn)90。這種加工方式可以使工件的形位誤差降到最低，省去了二次裝夾的工裝，從而提高生產(chǎn)效率，降低加工成本。但萬能加工中心結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高、占地面積大等缺點(diǎn)。 圖1.2 萬能加工中心 1.6.4 虛軸加工中心 虛軸加工中心，它改變了以往傳統(tǒng)機(jī)床的結(jié)構(gòu)，通過連桿的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)主軸多自由度運(yùn)動(dòng)，完成工件復(fù)雜曲面的加工。其基本結(jié)構(gòu)是由一個(gè)動(dòng)平臺(tái)、一個(gè)定平臺(tái)和六根長度可變的連桿構(gòu)成。動(dòng)平臺(tái)上裝有機(jī)床主軸和刀具，定平臺(tái)上安裝工件，六根桿實(shí)際是六根滾珠絲杠螺母副，它們將兩個(gè)平臺(tái)連在一起，同時(shí)將伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直

27、線運(yùn)動(dòng)，從而不斷改變六根桿的長度，帶動(dòng)動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)生六自由度的空間運(yùn)動(dòng)，使刀具在工件上加工出復(fù)雜的三維曲面。由于這種機(jī)床沒有導(dǎo)軌、轉(zhuǎn)臺(tái)等表征坐標(biāo)軸方向的實(shí)體構(gòu)件，故稱為虛軸機(jī)床。 1.7 加工中心的發(fā)展方向 數(shù)控技術(shù)與加工中心的發(fā)展已走過了半個(gè)多世紀(jì)的歷程，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，世界先進(jìn)制造技術(shù)的興起和不斷成熟，對(duì)數(shù)控加工技術(shù)提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)加工中心的各種組成部分提出了更高的性能指標(biāo)。當(dāng)今的加工中心正在不斷采用最新技術(shù)成就，朝著高速化、高精度化、多功能化、智能化、系統(tǒng)化與高可靠性等發(fā)面發(fā)展。 2 加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng) 2.1 加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)的要

28、求 加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)是由主軸電動(dòng)機(jī)、主軸傳動(dòng)系統(tǒng)以及主軸組件組成。它是加工中心的主要組成部分。和常規(guī)機(jī)床主軸系統(tǒng)相比，加工中心主軸要具有更高的轉(zhuǎn)速、更高的回轉(zhuǎn)精度以及更高的結(jié)構(gòu)剛性和抗振性。 由于加工中心具有更高的加工效率，更寬的使用范圍，更高的加工精度，因此，它的主軸系統(tǒng)必須滿足如下要求。 2.1.1 調(diào)速功能 為了適應(yīng)不同工序、各種工件材料及刀具等各種切削要求，主軸必須具有一定的調(diào)速范圍并實(shí)現(xiàn)無極變速，以保證加工時(shí)選用合理的切削用量，從而獲得最佳切削效率、加工精度和表面質(zhì)量。調(diào)速范圍的指標(biāo)主要由各種加工

29、工藝對(duì)主軸最低速度和最高速度的要求來確定。目前加工中心主軸基本實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速。 2.1.2動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能 要求升降速時(shí)間短，調(diào)速時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。對(duì)有的機(jī)床需同時(shí)能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)切削，則要求換向時(shí)均可進(jìn)行自動(dòng)加減速控制。 2.1.3 精度和剛度要求 具有較高的精度與剛度，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低。加工中心加工精度與主軸系統(tǒng)精度密切相關(guān)。主軸部件的精度包括旋轉(zhuǎn)精度和運(yùn)動(dòng)精度。旋轉(zhuǎn)精度指裝配后，在無載荷和低速轉(zhuǎn)動(dòng)條件下，主軸前端工作部位的徑向和軸向跳動(dòng)值。主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度取決于部件中各個(gè)零件的幾何精度、裝配精度和調(diào)整精度。運(yùn)動(dòng)精度指主軸在工作狀態(tài)下的旋轉(zhuǎn)精度，這個(gè)精度通常和靜止或低速狀態(tài)的旋轉(zhuǎn)精度有較大差別，

30、它表現(xiàn)在工作時(shí)主軸中心位置的不斷變化，即主軸軸心漂移。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的旋轉(zhuǎn)精度取決于主軸的工作速度、軸承性能和主軸部件的平衡。靜態(tài)剛度反映了主軸部件或零件抵抗靜態(tài)外載的能力。加工中心多采用抗彎剛度作為衡量主軸部件剛度的指標(biāo)。影響主軸部件彎曲剛度的因素很多，如主軸的尺寸形狀，主軸軸承的類型、數(shù)量、配置形式、預(yù)緊情況、支撐跨距、主軸前端的懸伸量等。 2.1.4 抗振性和熱穩(wěn)定性要求 加工中心在加工時(shí)，由于斷續(xù)切削、加工余量大且不均勻、運(yùn)動(dòng)部件速度高且不平衡，以及切削過程中的自振等原因引起的沖擊和交變力的干擾，會(huì)使主軸產(chǎn)生振動(dòng)，影響加工精度和表面粗糙度，嚴(yán)重時(shí)甚至破壞刀具和主軸系統(tǒng)中的零件。主軸系統(tǒng)

31、的發(fā)熱使其中所有零部件產(chǎn)生變形，破壞相對(duì)位置精度和運(yùn)動(dòng)精度，造成加工誤差。為此，主軸組件要有較高的固有頻率，保持合適的配合間隙并進(jìn)行循環(huán)潤滑等。 2.1.5 具有刀具的自動(dòng)夾緊功能 加工中心突出的特點(diǎn)是自動(dòng)換刀功能。為保證加工過程的連續(xù)實(shí)施，加工中心主軸系統(tǒng)與其他主軸系統(tǒng)相比，必須具有刀具自動(dòng)夾緊功能。 2.1.6 功率要求 要求主軸系統(tǒng)具有足夠的驅(qū)動(dòng)功率或輸出轉(zhuǎn)矩，能在整個(gè)速度范圍內(nèi)提供切削所需功率和轉(zhuǎn)矩，以滿足機(jī)床強(qiáng)力切削時(shí)的要求。 2.1.7 主軸定位功能要求 主軸準(zhǔn)停功能又稱主軸定位功能。即當(dāng)主軸停止時(shí)，控制主軸停在固定的位置，這是自動(dòng)換刀所必需的功能。在自動(dòng)換刀的數(shù)控

32、銑鏜加工中心上，切削轉(zhuǎn)矩通常是通過刀桿的端面鍵來傳遞的，這就要求主軸具有準(zhǔn)確定位于圓周上特定角度功能。為此，在通過前壁小孔鏜內(nèi)壁的同軸大孔，或進(jìn)行反倒角加工時(shí)，要求主軸實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)停，使刀尖停在一個(gè)固定的方位上，以便主軸偏移一定尺寸后大刀刃能通過前壁小孔進(jìn)入箱體內(nèi)對(duì)大孔進(jìn)行鏜削。 2.2主傳動(dòng)系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)的確定 HMC50是中等規(guī)格的臥式銑鏜加工中心，工作臺(tái)面積500500mm，允許最大荷重500kg，主軸錐孔ISO 7:24，工作臺(tái)最大行程X 700mm，主軸箱最大行程Y 650mm,立柱最大行程Z 600mm,工作臺(tái)回轉(zhuǎn)B 3601，主軸轉(zhuǎn)速范圍40~4000r/min，刀庫容量40/定

33、點(diǎn)(帶預(yù)選功能)，電動(dòng)機(jī)功率11kw，數(shù)控系統(tǒng)FANUC 0i-MC，機(jī)床重量21000kg。 2.2.1 主運(yùn)動(dòng)變速系統(tǒng)主要參數(shù) 機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)有動(dòng)力參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)。動(dòng)力參數(shù)是指主運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率，運(yùn)動(dòng)參數(shù)是指主運(yùn)動(dòng)的變速范圍。主傳動(dòng)中各傳動(dòng)件的尺寸要根據(jù)傳動(dòng)功率來確定。傳動(dòng)功率過大，使傳動(dòng)件尺寸粗大，電動(dòng)機(jī)常在低負(fù)載下工作，功率因數(shù)小而浪費(fèi)能源；功率過小將限制機(jī)床加工能力而降低生產(chǎn)效率。因此需合理確定主傳動(dòng)功率。主傳動(dòng)功率用理論計(jì)算的方法來確定比較困難，一般通過類比、統(tǒng)計(jì)等方法來確定。 2.2.2 主傳動(dòng)功率 機(jī)床主傳動(dòng)的功率P可根據(jù)切削功率與主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈的總效率η來

34、確定 。 表2.1 動(dòng)力參數(shù)的選取 刀具材料 工件材料 背吃刀量ap (mm) 進(jìn)給量f(mm/r) 切削速度v (m/min) YT15 45# 4 0.4 100 加工中心的加工范圍一般都比較大，切削功率可根據(jù)有代表性的加工情況，由其主切削抗力按下式來確定 主傳動(dòng)的總效率一般可取為 ，加工中心的主傳動(dòng)多用調(diào)速電機(jī)和有限的機(jī)械變速傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，傳動(dòng)鏈較短，因此，效率可取較大值。 2.2.3 選擇電動(dòng)機(jī)型號(hào) 表2.2 電動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù) 電動(dòng)機(jī)型號(hào) 額定功率 調(diào)頻范圍 轉(zhuǎn)速范圍 額定轉(zhuǎn)速 最高轉(zhuǎn)速 V

35、ABP160S-4P-50Hz 11kw 5~150 150~4500 1500 4500 電動(dòng)機(jī)制造商：上海德驅(qū)馳電氣公司 2.2.4 電動(dòng)機(jī)的功率、扭矩特性 由切削原理知主運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)床，主運(yùn)動(dòng)為恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)動(dòng)；主運(yùn)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)床，主運(yùn)動(dòng)為恒功率運(yùn)動(dòng)。低速時(shí)主軸轉(zhuǎn)速小，不需傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)的全部功率。我們把機(jī)床能傳遞全部功率的最低轉(zhuǎn)速稱為主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速，以它為臨界轉(zhuǎn)速，如圖2.1所示，從計(jì)算轉(zhuǎn)速至最高轉(zhuǎn)速的區(qū)域?yàn)楹愎β蕝^(qū)域，區(qū)間內(nèi)任意轉(zhuǎn)速都能夠傳遞電動(dòng)機(jī)的全部功率，但主軸轉(zhuǎn)矩隨主軸轉(zhuǎn)速的上升而下降；從最低轉(zhuǎn)速至計(jì)算轉(zhuǎn)速為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，區(qū)間內(nèi)任意轉(zhuǎn)速能夠輸出最大轉(zhuǎn)矩，但主軸輸出

36、的功率將隨主軸轉(zhuǎn)速的下降而下降。 圖2.1 功率扭矩特性圖 2.3主傳動(dòng)變速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)床傳動(dòng)形式分為有極和無極變速兩種，無級(jí)變速形式可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)改變轉(zhuǎn)速，以便得到滿足加工要求的最佳轉(zhuǎn)速，能在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速，便于自動(dòng)變速，這對(duì)與提高機(jī)床生產(chǎn)效率和提高被加工零件的質(zhì)量都有重要意義；同時(shí)采用無級(jí)變速可使主軸結(jié)構(gòu)大為簡化，縮短傳動(dòng)鏈；因此無級(jí)變速應(yīng)用日益廣泛。 2.3.1 轉(zhuǎn)速圖的擬定 轉(zhuǎn)速圖能夠清楚的表達(dá)出：傳動(dòng)軸的數(shù)目，主軸及各傳動(dòng)軸的變速級(jí)數(shù)、轉(zhuǎn)速值及其傳動(dòng)路線，變速組的個(gè)數(shù)、傳動(dòng)順序及擴(kuò)大順序，各變速組的傳動(dòng)副數(shù)及其傳動(dòng)比數(shù)值，變速規(guī)律等。首先根據(jù)最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速確定

37、變速范圍，確定轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)，計(jì)算出公比，繪制轉(zhuǎn)速圖如圖2.2。 圖2.2 轉(zhuǎn)速圖 2.3.2 主運(yùn)動(dòng)的調(diào)速范圍 已知：機(jī)床主軸的最高轉(zhuǎn)速為4000 r/min，機(jī)床主軸的最低轉(zhuǎn)速為40 r/min。機(jī)床主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速 機(jī)床主軸的恒扭矩范圍 由于電動(dòng)機(jī)的恒扭矩范圍要與機(jī)床主軸的恒扭矩范圍相等 計(jì)算得 機(jī)床主軸要求的恒功率調(diào)速范圍 電動(dòng)機(jī)的恒功率范圍 主運(yùn)動(dòng)的調(diào)速范圍 經(jīng)計(jì)算得公比為2.03 2.3.3 主軸箱傳動(dòng)系統(tǒng)圖 擬定傳動(dòng)系統(tǒng)的原則是：在保證機(jī)床的運(yùn)動(dòng)和使用要求的前提下，運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈要盡可能的短而簡單；傳動(dòng)效率高以及操作簡單

38、方便 。首先要考慮某些結(jié)構(gòu)方面的問題，考慮結(jié)構(gòu)能否實(shí)現(xiàn)：如小齒輪的齒根圓是否大于軸的直徑，大齒輪的頂圓是否會(huì)碰及相鄰軸等；其次因考慮結(jié)構(gòu)是否合理，如布置是否緊湊，操縱是否方便等。該機(jī)床采用兩對(duì)雙聯(lián)滑移齒輪變速組和一級(jí)定比傳動(dòng)，采用寬式排列結(jié)構(gòu)，主軸變速擬采用通過滑移齒輪的移位來實(shí)現(xiàn)，綜合考慮各因素，擬訂傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖。 圖2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)圖 2.3.4 各軸計(jì)算轉(zhuǎn)速 各軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速見表2.3 表2.3 各軸計(jì)算轉(zhuǎn)速 單位：r/min Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 計(jì)算轉(zhuǎn)速nj 1500 657 323 159 2.3.5 各齒計(jì)算轉(zhuǎn)速 各齒輪的

39、計(jì)算轉(zhuǎn)速見表2.4 表2.4 各齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)速 Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8 Z9 Z10 nj 1500 657 1500 1333 657 323 657 1333 323 159 3 傳動(dòng)系統(tǒng)零部件設(shè)計(jì) 3.1選定齒輪類型,精度等級(jí),材料及齒數(shù) 根據(jù)選定的傳動(dòng)方案，選用直齒圓柱齒輪，齒輪的精度等級(jí)選用6級(jí)精度，小齒輪材料為40Cr(調(diào)質(zhì))，硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼(調(diào)質(zhì))硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。 3.2齒輪齒數(shù)的確定 確定變

40、速組齒輪齒數(shù)時(shí)，應(yīng)注意下列問題：①機(jī)床主傳動(dòng)齒輪一般取大于18～20，以避免發(fā)生根切。②保證強(qiáng)度和防止熱處理變形過大，套裝在軸上的齒輪，齒根圓到鍵槽的壁厚要大于2倍的模數(shù)。③為了縮短變速箱徑向尺寸及降低齒輪線速度，齒數(shù)和應(yīng)取少些，中型機(jī)床一般取。 表3.1各齒輪齒數(shù) 35 80 54 61 28 57 57 28 32 65 3.3齒輪模數(shù)的估算 為了設(shè)計(jì)與制造的方便，同一變速組的齒輪模數(shù)應(yīng)相同，所有齒輪中首先選擇載荷較重的小齒輪按輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行估算,齒輪的相關(guān)參數(shù)選取見表3.2。

41、 (3.1) 表3.2齒輪的相關(guān)參數(shù) (齒數(shù)35) 符號(hào) 名稱 齒數(shù)比 2.2857 2.03 2.03 齒寬系數(shù) 6 6 6 齒輪傳遞名義功率 11kw 11kw 11kw 載荷系數(shù) 1 1 1 系數(shù) 1 1 1 4.3 4.43 4.325 齒輪齒數(shù) 35 28 32 許用齒根應(yīng)力 504 504 504 注：齒數(shù)比，齒寬系數(shù)，許用齒根應(yīng)力， 按剃齒、磨齒查表 齒輪的模數(shù)估算由公式3.1得 估算得齒輪的模數(shù)為1.783m

42、m，初步選取模數(shù)為2mm。 其他齒輪模數(shù)的計(jì)算方法同上，計(jì)算結(jié)果見表3.3。 表3.3 齒輪模數(shù)的選取 齒輪模數(shù)計(jì)算值 1.783 2.55 3.07 齒輪模數(shù)選取值 2 3 3.5 3.4按齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核齒輪模數(shù) 裝配草圖完成后，驗(yàn)算齒輪的模數(shù)是否滿足要求。若不滿足要求時(shí)，可采取調(diào)整齒寬、改換齒輪材料，或重新選擇齒輪齒數(shù)和模數(shù)等措施，齒輪驗(yàn)算時(shí)的相關(guān)參數(shù)見表3.4。 (3.2) 表3.4 齒輪的相關(guān)參數(shù) 序號(hào) 符號(hào) 名稱 齒輪 齒輪 齒輪 1 使用系數(shù) 1.1 1.1 1

43、.1 2 變動(dòng)工作用量系數(shù) 1.0088 0.896 0.896 3 功率利用系數(shù) 0.8 0.8 0.8 4 轉(zhuǎn)速變化系數(shù) 0.97 0.97 0.97 5 工作期限系數(shù) 1.3 1.154 1.036 6 動(dòng)載系數(shù) 1.105 1.084 1.087 7 名義切向力 139333 318112 647058 8 齒輪分度圓圓周速度 16.485 17.58 47.7 9 齒向載荷分布系數(shù) 1.19 1.19 1.19 10 齒向載荷分配系數(shù) 1 1 1 11

44、 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) 2.5 2.5 2.5 12 彈性系數(shù) 190 190 190 13 重合度 0.89 0.89 0.89 14 許用接觸應(yīng)力 1150 1150 1150 15 齒輪齒數(shù) 35 28 32 注：變動(dòng)工作用量系數(shù)，工作期限系數(shù)，動(dòng)載系數(shù)，名義切向力，齒輪分度圓圓周速度，齒向載荷分布系數(shù)，許用接觸應(yīng)力 齒輪的模數(shù)驗(yàn)算由公式3.2得 經(jīng)驗(yàn)算得模數(shù)為1.728mm,所選取的模數(shù)滿足強(qiáng)度要求。 其余齒輪的模數(shù)驗(yàn)算方法同上，驗(yàn)算結(jié)果見表3.5。 表3.5 齒輪模數(shù)校核 齒輪

45、齒輪 齒輪 各齒輪初選模數(shù) 2 3 3.5 各齒數(shù)驗(yàn)算模數(shù) 1.728 2.8 3 模數(shù)是否合格 合格 合格 合格 3.5估算各傳動(dòng)軸直徑與各軸的材料選取 (3.3) 式中：d—— 為軸危險(xiǎn)截面處的直徑 (mm)； ——該傳動(dòng)軸的輸入功率 (kw)； ——電動(dòng)機(jī)額定功率 (kw)； ——該軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速 (r/min)； ——該軸允許的扭轉(zhuǎn)角 (deg/m)。主軸；一般傳動(dòng)軸。 ——從電動(dòng)機(jī)到該傳動(dòng)軸之間傳動(dòng)件傳動(dòng)效率的乘積，傳動(dòng)件的效率概略值見

46、表3.6； 用花鍵軸時(shí)，可將估算的d值減少7%為花鍵軸的小徑，再選標(biāo)準(zhǔn)的花鍵軸。 Ⅰ軸的材料選用45鋼(調(diào)質(zhì)處理)，由公式3.3得軸的最小直徑為 Ⅱ軸的材料選用45鋼(調(diào)質(zhì)處理)，由公式3.3得軸的最小直徑為 Ⅲ軸的材料選用45鋼(調(diào)質(zhì)處理)，由公式3.3得軸的最小直徑為 表3.6 常用傳動(dòng)件效率概略值 名稱 效率 名稱 效率 直齒圓柱齒輪(磨齒) 0.99 向心球軸承 0.995 斜齒圓柱齒輪 0.985 圓錐滾子軸承 0.99 普通V帶 0.96 高速主軸軸承 0.95~0.98 3.6 傳動(dòng)軸的彎曲剛度驗(yàn)算 彎曲剛度驗(yàn)算時(shí)只需驗(yàn)算

47、傳動(dòng)軸的薄弱環(huán)節(jié)的撓度和傾角。撓度一般只驗(yàn)算受力最大的齒輪處即可。傾角驗(yàn)算支反力最大的支撐處，若支撐處傾角小于安裝齒輪處的許用值，則齒輪處的傾角可以不驗(yàn)算，軸的彎曲剛度許用值見表3.7。 校核Ⅰ軸在小齒輪(Z=35)嚙合狀態(tài)下的撓度和傾角 計(jì)算Ⅰ軸上小齒輪(Z=35)的轉(zhuǎn)矩 計(jì)算Ⅰ軸上小齒輪(Z=35)所受的力，小齒輪受力分析如圖所示圖3.1。 圖3.1 Ⅰ軸上小齒輪嚙合的受力分析 (3.4) 式中：T ——小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 ——小齒輪的節(jié)圓直

48、徑，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)齒輪即為分度圓直徑 ——嚙合角，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)齒輪。 由公式3.4得 Ⅰ軸的計(jì)算簡圖可簡化為外伸梁，如圖3.2。 圖3.2 軸的撓度與傾角簡圖 計(jì)算A、B兩點(diǎn)的支承反力 花鍵軸的抗彎斷面慣性矩 (3.5) 式中：B、N ——花鍵軸鍵寬、鍵數(shù) D ——花鍵軸的大徑 E ——材料彈性模量，鋼材 由公式3.5得 小齒輪進(jìn)入嚙合狀態(tài)時(shí)，在，徑向力作用下Ⅰ軸上載荷點(diǎn)和懸臂端產(chǎn)生的撓度。 載荷點(diǎn)F的撓度 懸臂端C點(diǎn)的撓度 載荷點(diǎn)的傾角

49、 左支承點(diǎn)的傾角 右支承點(diǎn)的傾角 在切向力作用下?lián)隙燃稗D(zhuǎn)角計(jì)算 載荷點(diǎn)F的撓度 懸臂端C點(diǎn)的撓度 在小齒輪(Z=35)進(jìn)入嚙合狀態(tài)時(shí)，Ⅰ軸上載荷點(diǎn)和支承點(diǎn)的傾角 載荷點(diǎn)的傾角 左支承點(diǎn)的傾角 右支承點(diǎn)的傾角 撓度合成 轉(zhuǎn)角合成 經(jīng)校核知在小齒輪嚙合狀態(tài)下，Ⅰ軸的撓度和傾角滿足要求。 校核Ⅰ軸在大齒輪(Z=54)嚙合狀態(tài)下的撓度和傾角，大齒輪受力分析如圖所示圖3.3 圖3.3 Ⅰ軸上大齒輪嚙合的受力分析 計(jì)算Ⅰ軸上大齒輪(Z=54)的轉(zhuǎn)矩 計(jì)算Ⅰ軸上大齒輪Z=54所受的力 Ⅰ軸的計(jì)

50、算簡圖可簡化承外伸梁，如圖3.4。 圖3.4 軸的撓度傾角簡圖 計(jì)算A、B兩點(diǎn)的支承反力 花鍵軸的抗彎斷面慣性矩 由公式3.5得 在大齒輪進(jìn)入嚙合狀態(tài)時(shí)，在徑向力作用下Ⅰ軸上載荷點(diǎn)和懸臂端產(chǎn)生的撓度 載荷點(diǎn)F的撓度 懸臂端C點(diǎn)的撓度 在大齒輪進(jìn)入嚙合狀態(tài)時(shí)，在徑向力作用下Ⅰ軸上載荷點(diǎn)和支承點(diǎn)的傾角 載荷點(diǎn)的傾角 左支承點(diǎn)的傾角 右支承點(diǎn)的傾角 在大齒輪進(jìn)入嚙合狀態(tài)時(shí)，切向力作用下Ⅰ軸上載荷點(diǎn)和支承點(diǎn)的傾角 載荷點(diǎn)F的撓度 懸臂端C點(diǎn)的撓度 載荷點(diǎn)的傾角 左支承點(diǎn)的傾角 右支承點(diǎn)的傾角 撓度合成

51、 轉(zhuǎn)角合成 經(jīng)校核知在大齒輪(Z=54)嚙合狀態(tài)下，Ⅰ軸的撓度和傾角滿足要求。 表3.7 軸彎曲剛度許用值 軸的類型 允許撓度[y] (mm) 變形部位 允許傾角[] (rad) 一般傳動(dòng)軸 (0.0003~0.0005) L 裝向心軸承處 0.0025 剛度要求較高軸 0.0002L 裝齒輪處 0.001 安裝齒輪的軸 (0.01~0.03)m 裝單列圓錐滾子軸承處 0.0006 安裝渦輪的軸 (0.02~0.05)m 裝滑動(dòng)軸承處 0.001 3.7花鍵鍵側(cè)擠壓應(yīng)力計(jì)算 已知：花鍵的大徑，花鍵的小徑，花鍵的長，花鍵的鍵數(shù)，。

52、 (3.6) 式中 ——計(jì)算擠壓應(yīng)力(MPa) []——許用擠壓應(yīng)力(MPa)，見表3.10 ——花鍵軸傳遞的最大轉(zhuǎn)矩() D、d——花鍵軸的大徑、小徑(mm) N——花鍵的齒數(shù)， k——載荷分布不均系數(shù)，k=0.7~0.8。 由公式3.6得 經(jīng)計(jì)算知花鍵鍵側(cè)的擠壓應(yīng)力為10.2MPa，滿足許用值。 表3.10 花鍵鍵側(cè)的許用擠壓應(yīng)力 花鍵聯(lián)結(jié)情況 工作情況 花鍵表面熱處理情況 不經(jīng)熱處理 經(jīng)熱處理 [] [MPa] 固定聯(lián)結(jié) 不良 35~50 40~70 中等 60~10

53、0 100~140 良好 80~120 120~200 4 主軸組件的設(shè)計(jì) 4.1主軸的要求 4.1.1回轉(zhuǎn)精度 機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)精度是指裝配后，在無載荷，低轉(zhuǎn)速的條件下，主軸前端工件或刀具部位的徑向跳動(dòng)和軸向跳動(dòng)。主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度主要取決于各主要件，如主軸，軸承，箱體孔的的制造，裝配和調(diào)整精度。還決定于主軸轉(zhuǎn)速，支撐的設(shè)計(jì)和性能，潤滑劑及主軸組件的平衡。 4.1.2 靜剛度 主軸組件的靜剛度（簡稱剛度）反映組件抵抗靜態(tài)外載荷變形的能力。影響主軸組件彎曲剛度的因素很多，如主軸的尺寸和形狀，滾動(dòng)軸承

54、的型號(hào)，數(shù)量，配置形式和欲緊，前后支撐的距離和主軸前端的懸伸量，傳動(dòng)件的布置方式，主軸組件的制造和裝配質(zhì)量等。 4.1.3 抗振性 主軸組件工作時(shí)產(chǎn)生震動(dòng)會(huì)降低工件的表面質(zhì)量和刀具耐用度，縮短主軸軸承壽命，還會(huì)產(chǎn)生噪聲影響環(huán)境。振動(dòng)表現(xiàn)為強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)兩種形式。影響抗振性的因素主要有主軸組件的靜剛度，質(zhì)量分布和阻尼（特別是主軸前支撐的阻尼）主軸的固有頻率應(yīng)遠(yuǎn)大于激動(dòng)力的頻率，以使它不易發(fā)生共振。 4.1.4 升溫和熱變形 主軸組件工作時(shí)因各相對(duì)運(yùn)動(dòng)處的摩擦而發(fā)熱，產(chǎn)生溫升，從而使主軸組件的形狀和位置發(fā)生變化，直接影響加工精度。主軸組件受熱伸長，使軸承間隙發(fā)生變化。溫度是使?jié)櫥驼扯?/p>

55、降低，加速磨損甚至抱軸，降低了軸承的承載能力。主軸箱因溫升而變形，使主軸偏離正確位置。前后軸承的溫度不同，還會(huì)導(dǎo)致主軸軸線傾斜。 4.1.5 耐磨性 主軸組件的耐磨性是指長期保持原始精度的能力，即精度保持性。主要影響因素是材料熱處理、軸承類型和潤滑方式。主軸上易磨損的地方是刀具或工件的安裝部位以及移動(dòng)式主軸的工作部位。為了提高耐磨性，主軸的上述部位應(yīng)該淬硬，以提高其硬度增加耐磨性。主軸軸承也需有良好的潤滑，提高其耐磨性。 4.1.6 材料和熱處理 主軸承載后允許的彈性變形很小，引起的應(yīng)力通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼的強(qiáng)度極限。因此，強(qiáng)度一般不做為選材的依據(jù)。主軸的形狀，尺寸確定之后，剛度主要取決于材

56、料的彈性模量。各種材料的彈性模量幾乎相同，因此剛度也不是選材的依據(jù)。主軸材料的選擇主要根據(jù)耐磨性和熱處理變形來考慮。數(shù)控機(jī)床的材料通常是45號(hào)或60號(hào)優(yōu)質(zhì)中碳鋼，需調(diào)質(zhì)處理。 4.1.7 主軸的結(jié)構(gòu) 為了提高剛度，主軸的直徑應(yīng)該大些。前軸承到主軸前端的距離（稱懸伸量）應(yīng)盡可能小一些。為了便于裝配，主軸通常作成階梯形的，主軸的結(jié)構(gòu)和形狀與主軸上所安裝的傳動(dòng)件，軸承等零件的類型，數(shù)量，位置和安裝方法有直接關(guān)系。 4.1.8主軸軸承的選擇 主軸軸承的結(jié)構(gòu)配置主要取決于主軸的轉(zhuǎn)速特性的速度因素和主軸的剛度要求。適應(yīng)高速度要求的軸承配置形式，前支承采用三個(gè)角接觸球軸承組合方式的支承結(jié)構(gòu)，能保證較

57、高的回轉(zhuǎn)精度。后支承采用兩個(gè)角接觸球軸承外圈寬端面相對(duì)(背靠背)安裝的支承結(jié)構(gòu)，因?yàn)榻墙佑|軸承既可以承受徑向載荷又可以承受軸向載荷，接觸角越大軸向剛度越大。各個(gè)軸承的組合形式，根據(jù)載荷大小和最高轉(zhuǎn)速以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，采用圖4.1的結(jié)構(gòu)組合形式。 圖4.1 軸承的配置形式 4.2 主軸尺寸參數(shù)的確定 主軸的主要尺寸主要參數(shù)包括主軸直徑、內(nèi)孔直徑、懸伸長度和支承跨距。主軸主要尺寸參數(shù)的主要依據(jù)是主軸的剛度、結(jié)構(gòu)工藝性和主軸組件的工藝適用范圍。 4.2.1主軸直徑的確定 主軸直徑越大，其剛度越大，但使得軸承和軸上其他零件的尺寸相應(yīng)增大。軸承的直徑越大，同等級(jí)精度軸承的公差值也越大，要

58、保證主軸的旋轉(zhuǎn)精度就越困難。同時(shí)極限轉(zhuǎn)速下降。主軸的前軸頸可根據(jù)主電動(dòng)機(jī)功率參照表4.1進(jìn)行初步選擇，后軸頸按來確定。 表4.1 主軸前軸頸 機(jī)床類型 電動(dòng)機(jī)功率 kw 2.8~4 4~5.5 5.5~7.5 7.5~11 前軸頸 mm 臥式車床 70~90 70~105 95~130 110~145 升降臺(tái)銑床 60~90 60~95 75~100 90~105 根據(jù)所設(shè)計(jì)的機(jī)床選用11kw電動(dòng)機(jī)，所以主軸前軸頸直徑選用110m，后端直徑，圓整后取。 4.2.2主軸內(nèi)孔直徑 主軸內(nèi)孔直徑用于通過刀具夾緊裝置固定刀具、傳動(dòng)氣動(dòng)或液壓卡盤等。主軸的孔徑

59、大小主要受主軸剛度的制約。主軸的孔徑與主軸直徑之比，小于0.3時(shí)空心主軸的剛度幾乎與實(shí)心主軸的剛度相當(dāng)，等于0.5時(shí)空心主軸的剛度為實(shí)心主軸剛度的90%，大于0.7時(shí)空心主軸的剛度就急劇下降。一般可取其比之值為0.5左右。 4.2.3主軸前懸伸量 如圖4.2，主軸前支承點(diǎn)至主軸前端的距離a稱為主軸的前懸伸。主軸的前懸伸長度與主軸前端結(jié)構(gòu)的形狀尺寸，前軸承的類型、組合方式和軸承的潤滑與密封有關(guān)。主軸的前懸伸長度對(duì)剛度影響很大。主軸前懸伸長度越短，其剛度越高。因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量縮短懸伸量。 圖4.2 主軸組件的懸伸和跨距 4.2.4主軸的支承跨距 主軸前支承點(diǎn)至主軸后

60、支承點(diǎn)間的距離稱為跨距L，見圖4.2.主軸組件的支承跨距對(duì)主軸本身的剛度和對(duì)支承剛度有著很大的影響。如果跨距L較大，則主軸變形較大，如果跨距L較小，則軸承的變形對(duì)主軸前端的位移影響較大。 4.2.5主軸軸端結(jié)構(gòu) 加工中心主軸的軸端用于安裝夾具和刀具。要求夾具和刀具在軸端定位精度高、定位剛度好、裝卸方便，同時(shí)使主軸的懸伸長度短。圖4.3所示為常用的加工中心主軸的前端部形狀。其主軸是空心的，前端有7:24的錐孔，用于插入銑刀錐柄或刀桿尾錐時(shí)定位，再由拉桿從主軸后端拉緊，防止切削時(shí)銑刀和主軸之間有相對(duì)松動(dòng)。通常裝夾BT40（BT50）等刀柄或刀桿。主軸端面上有四個(gè)螺孔和兩個(gè)端面長鍵，螺孔用來固定

61、銑刀，端面鍵既可以傳遞刀具的扭矩，又可用于刀具的周向定位。 圖4.3 加工中心主軸的前端部形狀 5總裝配圖 在結(jié)構(gòu)方案確定后，著手繪制結(jié)構(gòu)草圖，繪圖時(shí)，應(yīng)注意檢查傳動(dòng)設(shè)計(jì)的結(jié)果有無相互干涉、碰撞或其它不合理情況。確定出傳動(dòng)軸的支承跨距、齒輪在軸上的位置以及各軸的空間的方位，確定各軸的受力點(diǎn)和受力方向，為軸和軸承的驗(yàn)算提供必要的數(shù)據(jù)。展開圖是按傳動(dòng)軸傳遞運(yùn)動(dòng)的先后順序，按主軸的最高或最低轉(zhuǎn)速的傳動(dòng)路線的齒輪位置，沿其軸心線剖開、并將這些剖切面展開在同一平面上形成的試圖（如圖5.1）。其中個(gè)別軸未包括在內(nèi)，可畫在適當(dāng)?shù)奈恢蒙?，但軸向尺寸不變。展開圖表示了各傳動(dòng)件的傳動(dòng)關(guān)系，

62、即傳動(dòng)路線和變速情況，傳動(dòng)軸及其支承結(jié)構(gòu)尺寸，軸上各零件的結(jié)構(gòu)形狀，尺寸和相互位置，各零件間的配合性質(zhì)和精度以及緊固、定位方法等。 圖5.1 總裝展開圖 結(jié) 論 本文在系統(tǒng)地論述數(shù)控加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)理論的基礎(chǔ)上，對(duì)HMC50中等規(guī)格的臥式銑鏜加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。 數(shù)控加工中心的主傳動(dòng)系統(tǒng)包括主軸電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)與主軸組件，與普通機(jī)床相比，變速功能絕大部分由主軸電機(jī)的無級(jí)調(diào)速來實(shí)現(xiàn)的，省去了繁雜的齒輪變速機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，本設(shè)計(jì)中采用四級(jí)齒輪變速機(jī)構(gòu)用以擴(kuò)大電機(jī)無級(jí)調(diào)速的范圍。 設(shè)計(jì)過程中存在的主要問題： 1、起初對(duì)于數(shù)控加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)的工作原理及

63、結(jié)構(gòu)沒有十分明確的概念，未能在最短的時(shí)間內(nèi)初步設(shè)計(jì)出主軸箱的零部件草圖，耽誤了很多不必要的時(shí)間。 2.運(yùn)用CAD進(jìn)行零件設(shè)計(jì)過程中的某些命令不能熟練的應(yīng)用，造成了設(shè)計(jì)時(shí)間的大量浪費(fèi)，加長了設(shè)計(jì)的時(shí)間。 3.對(duì)數(shù)控加工中心主軸電機(jī)的選用不太清楚，對(duì)變頻電動(dòng)機(jī)的工作原理不是十分明白，查閱了大量資料后才弄明白。耽誤了一些時(shí)間。 設(shè)計(jì)中著重考慮問題與解決的問題： 1. 加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)在電動(dòng)機(jī)之后串聯(lián)四級(jí)齒輪變速機(jī)構(gòu)來滿足機(jī)床的恒功率調(diào)速范圍。 2.本設(shè)計(jì)將原來采用的兩組雙聯(lián)滑移齒輪實(shí)現(xiàn)的四級(jí)調(diào)速變機(jī)構(gòu)改進(jìn)為采用兩組雙聯(lián)滑移齒輪加一級(jí)定比傳動(dòng)的四級(jí)調(diào)速機(jī)構(gòu)，使機(jī)床的結(jié)構(gòu)更加緊湊。

64、 致 謝 在本論文的完成過程中，我要感謝很多人的幫助和指點(diǎn)，要是沒有他們的幫助我不可能這么順利地完成論文。 首先我要感謝我的母?！|寧科技大學(xué)的辛勤培育，其次感謝院系的各位老師四年來的諄諄教誨，沒有他們給我的機(jī)械制造方面的基礎(chǔ)知識(shí)，我的論文不可能完成。 本論文是在張文潔老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。張老師平時(shí)工作繁忙，但仍抽出時(shí)間指導(dǎo)我的設(shè)計(jì)，她待人誠懇熱情，在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，幫助我設(shè)定了工作進(jìn)程，熱心的答疑，給予我極大的幫助和鼓勵(lì)，在此表示衷心的感謝。 在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，我的同學(xué)給了我許多幫助，尤其在電動(dòng)機(jī)的選用和無極調(diào)速部分。同學(xué)耐心細(xì)致的給我講解。在

65、此由衷的表示感謝。 最后，我還要感謝我的室友，在我忙于畢業(yè)設(shè)計(jì)期間他們?cè)谏钌辖o了我許多幫助和照顧。并主動(dòng)幫助我查找資料。 參考文獻(xiàn) [1]朱正偉.數(shù)控機(jī)床機(jī)械系統(tǒng).北京：中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2005. [2]婁銳.數(shù)控機(jī)床.大連：大連理工大學(xué)出版社，2005. [3]王愛玲.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床.北京：國防工業(yè)出版社，2003. [4]楊有君.數(shù)字控制技術(shù)與數(shù)控機(jī)床.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002. [5]王貴明.數(shù)控實(shí)用技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002. [6]王潤孝.機(jī)床數(shù)控原理與系統(tǒng).西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2004. [7]

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