龍門式數(shù)控鉆床機械結構設計要點

1、畢業(yè)設計（論文）龍門式數(shù)控鉆床機械結構設計The Mechanical Structural Design For Gantry CNC Drilling Machine學生姓名所在院系所學專業(yè)所在班級指導教師教師職稱完成時間： 周 海 東 ： 機 電 學 院 ： 機械設計制造及其自動化 ： 機制0545 ： 杜 華 ： 教 授 ： 2009年6月18日 長 春 工 程 學 院摘 要近些年來，國內(nèi)外機床工業(yè)的發(fā)展十分迅速，以數(shù)控為特征的現(xiàn)代化機床在生產(chǎn)中廣泛應用。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常會碰到一些大型回轉體類零件，其上需加工很多孔。用普通機床對其加工往往會遺漏，而小型數(shù)控加工中心則難以對其進行加工

2、。本課題就是針對這一問題，設計一臺龍門式數(shù)控鉆床，專門適合對這一類零件進行鉆削加工。它不僅大大減輕了操作者的勞動強度，而且大大提高了勞動生產(chǎn)率。本次設計包括了數(shù)控鉆床的主要機械結構，其中包括：主軸箱中的主傳動系裝配；進給系統(tǒng)中的工作臺裝配和傳動系統(tǒng)中的絲杠螺母等設計。同時，將各項相關技術合理運用，以達到最優(yōu)化設計的目的。機械制造工業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎。機床工業(yè)則是機械制造工業(yè)的基礎，它在國民經(jīng)濟中起著至關重要的作用，但我國機床工業(yè)與發(fā)達國家相比還有較大差距，我們必須奮發(fā)圖強，努力工作，以便早日趕上世界先進水平。關鍵詞數(shù)控鉆床 主軸箱 工作臺 絲杠螺母AbstractIn recent years

3、, domestic machine tool industry developed rapidly, to a modern CNC machine tool is characterized by widely used in the production. In the industrial and agricultural production, often encounter a number of large-scale rotating body parts, its a lot of holes to be processed. Ordinary machine tools a

4、re often left out of its processing, and small-scale CNC machining center is difficult to carry out its processing. The subject is a response to this problem, the design of a gantry CNC Drilling Machine, specifically suited for this type of drilling parts. It not only greatly reduces the operators l

5、abor intensity and labor productivity increased significantly. The design includes a CNC drilling machine of the main mechanical structure, including: the main spindle box powertrain assembly; feeding system table in the assembly and the lead screw nut drive system design. At the same time, the rela

6、ted technology will be used in a reasonable manner, so as to achieve the purpose of optimum design. Machinery manufacturing industry is the foundation of the national economy. Machine tool industry is the basis of mechanical manufacturing industry, which in the national economy plays a vital role, b

7、ut Chinas machine tool industry and still a wide gap between developed countries, we must work hard, work hard in order to catch up with the world at an early date advanced level.Keywords:CNC drilling machine headstock worktable leadscrew and nut. 目 錄一 緒論11.1 金屬切削機床及其重要地位11.2 問題的提出11.3國內(nèi)外發(fā)展狀況1二 方案論證

8、22.1 總體布局方案論證22.1.1數(shù)控立式鉆床22.1.2鉆削中心22.1.3 印刷線路板數(shù)控鉆床32.1.4其它大型數(shù)控鉆床32.2 數(shù)控鉆床功能組成及各部件方案論證32.2.1 數(shù)控系統(tǒng)總體方案確定32.2.2 主機部分總體方案確定4三 橫梁滾珠絲杠設計計算53.1 動載強度計算53.2 滾珠絲杠軸向負荷F的計算63.3 確定滾珠絲杠型號73.4 珠絲杠副的幾何參數(shù)73.5 傳動效率計算73.6 剛度檢驗8四 機械部分設計計算84.1主傳動系設計計算84.1.1 動設計計算84.2 主軸的設計與計算144.2.1 選擇軸的材料144.2.2 估算軸的直徑144.2.3 按彎扭軸上合成強

9、度條件計算154.2.4 按疲勞強度的安全系數(shù)校核計算164.3 軸承的選擇與校核184.4 主軸上鍵的選擇與校核204.4.1擠壓強度校核204.4.2 耐磨條件校核20五 工作臺設計與計算205.1 工作臺電機的選擇215.1.1 確定脈沖當量215.1.3 等效力矩計算225.1.4 確定蝸輪蝸桿的傳動比225.1.5確定電機型號225.2 工作臺蝸輪蝸桿的設計計算235.2.1 確定蝸輪蝸桿模數(shù)235.2.2蝸桿軸的剛度驗算245.2.3蝸桿蝸輪幾何尺寸計算245.2.4 蝸桿傳動的效率和散熱計算275.3 工作臺彈簧的設計計算285.4 工作臺滾動導軌設計計算285.4.1滾動體的尺

10、寸要求及確定295.4.2滾動體數(shù)目確定295.4.3 保持架樣式29總結30致謝31參考文獻32一 緒論1.1 金屬切削機床及其重要地位 金屬切削機床（Metal cutting machine tools）是用切削的方法將金屬毛坯加工成機械零件的機器。它是制造機器的機器，所以稱它為“工作母機”。習慣上簡稱為機床。機床的母機屬性決定了它在國民經(jīng)濟中的重要地位。機械制造業(yè)肩負著為國民經(jīng)濟各部分提供現(xiàn)代化技術裝備的任務。機械制造業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎，而機床工業(yè)則是機械制造工業(yè)的基礎，一個國家的機床工業(yè)技術水平在很大程度標志著這個國家的工業(yè)生產(chǎn)能力和科學技術水平。1.2 問題的提出在生產(chǎn)活動中，經(jīng)常

11、會遇到需要在大型回轉體零件上加工出許多孔。如用普通機床，往往會遺漏加工，故需設計一臺大型數(shù)控鉆床來對其進行加工。這不僅減輕了勞動者的勞動強度，而且大大提高了勞動生產(chǎn)率。1.3 國內(nèi)外發(fā)展狀況（一）國內(nèi)數(shù)控機床現(xiàn)狀 近年來我國企業(yè)的數(shù)控機床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，在中小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。在這些數(shù)控機床中，除少量機床以FMS模式集成使用外，大都處于單機運行狀態(tài)，并且相當部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。 2001年，我國機床工業(yè)產(chǎn)值已進入世界第5名，機床消費額在世界排名上升到第3位，達47.39億美元，僅次于美國的53.67億美元，消費額比上一年增長25%

12、。但由于國產(chǎn)數(shù)控機床不能滿足市場的需求，使我國機床的進口額呈逐年上升態(tài)勢，2001年進口機床躍升至世界第2位，達24.06億美元，比上年增長27.3%。 （二）國外數(shù)控機床現(xiàn)狀況 1、國際機床市場的消費主流是數(shù)控機床。 1998年世界機床進口額中大部分是數(shù)控機床，美國進口機床的數(shù)控化率達70%，我國為60%。目前世界數(shù)控機床消費趨勢已從初期以數(shù)控電加工機床、數(shù)控車床、數(shù)控銑床為主轉向以加工中心、專用數(shù)控機床、成套設備為主。 2、國外數(shù)控機床的網(wǎng)絡化。 隨著計算機技術、網(wǎng)絡技術日益普遍運用，數(shù)控機床走向網(wǎng)絡化、集成化已成為必然的趨勢和方向，互聯(lián)網(wǎng)進入制造工廠的車間只是時間的問題。從另一角度來看，

13、目前流行的ERP即工廠信息化對于制造業(yè)來說，僅僅局限于通常的管理部門（人、財、物、產(chǎn)、供、銷）或設計、開發(fā)等等上層部分的信息化是遠遠不夠的，工廠、車間的最底層加工設備數(shù)控機床不能夠連成網(wǎng)絡或信息化就必然成為制造業(yè)工廠信息化的制約瓶頸，所謂的ERP就比較“虛”沒有能夠真正地解決制造工廠的最關鍵的問題。所以，對于面臨日益全球化競爭的現(xiàn)代制造工廠來說，第一是要大大提高機床的數(shù)控化率，即數(shù)控機床必須達到起碼的數(shù)量或比例；第二就是所擁有的數(shù)控機床必須具有雙向、高速的聯(lián)網(wǎng)通訊功能，以保證信息流在工廠、車間的底層之間及底層與上層之間通訊的暢通無阻。 以西門子為代表的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠商已在幾年前推出了具有網(wǎng)絡功

14、能的數(shù)控系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，除了傳統(tǒng)的RS232接口外，還備有以太網(wǎng)接口，為數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)提供了基本條件。由于國外企業(yè)的發(fā)展水平，數(shù)控機床的網(wǎng)絡接口功能被定義為用于遠程監(jiān)控、遠程診斷。二 方案論證2.1 總體布局方案論證數(shù)控鉆床是數(shù)字控制為主的孔加工機床。在數(shù)控機床的發(fā)展過程中，數(shù)控鉆床的出現(xiàn)是比較早的。50年代末，我國已有幾種數(shù)控鉆床的雛形。美國普拉特惠特尼公司在1961年就成批生產(chǎn)Tape-O-Matic數(shù)控鉆床。它也是數(shù)控鉆床的最早產(chǎn)品。此后，美國、日本等國家的公司也陸續(xù)生產(chǎn)數(shù)控鉆床，數(shù)控轉塔鉆床等產(chǎn)品。數(shù)控鉆床按其布局形式及功能特點可分為數(shù)控立式鉆床、鉆削中心、印刷線路板數(shù)控鉆床，數(shù)控深

15、孔鉆床及其它大型數(shù)控鉆床等。2.1.1 數(shù)控立式鉆床數(shù)控立式鉆床是在普通立式鉆床的基礎上發(fā)展起來的，可以完成鉆，擴，鉸，攻絲等多道工序。適用于孔間距離有一定精度要求的零件的中小批量生產(chǎn)。它一般帶有兩坐標數(shù)控十字型工作臺，被加工零件裝夾在工作臺上可進行兩坐標移動，其控制系統(tǒng)一般是點位控制系統(tǒng)。屬于經(jīng)濟型數(shù)控，價格便宜。2.1.2 鉆削中心鉆削中心是在3坐標數(shù)控立式鉆床的基礎上增加轉塔刀庫及自動換刀機構而成的采用無級調速的主軸電動機，可實現(xiàn)自動變換主軸轉速，可以進行鉆、擴、鉸、锪、攻絲等加工工序，而且，可以完成具有直線和圓弧插補的輪廓控制銑削。由于一般中小型零件大多需要幾把刀具來加工，故增加自動換

16、刀裝置并同時自動變換主軸轉速。可減輕勞動強度，減少換刀時間，既提高了機床的自動化程度，又提高了生產(chǎn)率。由于用輪廓控制數(shù)控系統(tǒng)代替了點位控制數(shù)控系統(tǒng)?？蛇M行具有直線和圓弧插補功能的銑削加工，更適合于鉆銑聯(lián)合加工的零件。根據(jù)換刀原理及機床結構的不同，目前鉆削中心分為單立柱式玉雙立柱式兩種。多立柱式的換刀方式是在磚塔中徑布置6或8根主軸，由轉塔回轉實現(xiàn)主軸轉換及自動換刀。由于轉塔中需要布置多根主機，并由主軸主傳動，分度，定位等機構。由于轉塔頭結構復雜，加工困難，還有尺寸限制，主軸剛性受到一定影響，各主軸間的位置精度也不理想，因此多主軸式鉆削中心存在上述一些問題，很多廠家開發(fā)了單軸式鉆削中心，它是在同

17、一根主軸上自動換裝有各種刀具的刀柄實現(xiàn)自動換刀，并采用轉塔式刀庫，克服了多軸式的缺點。2.1.3 印刷線路板數(shù)控鉆床印刷線路板數(shù)控鉆床是一種專門用來加工印刷線路板的專用鉆孔機床。2.1.4 其它大型數(shù)控鉆床對于某些大型零件，在一般數(shù)控鉆床，鉆削中心上無法加工。故使用大型數(shù)控鉆床。由于該設計的鉆床是要求鉆妃的最大直徑為，且工件為的盤形零件，工件高度為，屬大型多孔零件，加工所需刀雎較少，且不頻繁換刀，孔距精度要求不太高，故設計成龍門式數(shù)控 鉆床，其也可完成鉆、擴、鉸、攻絲等多道工序。2.2 數(shù)控鉆床功能組成及各部件方案論證數(shù)控鉆床一般包括以下幾個部分：（1）、主機 包括床身，立柱，工作臺，和主軸箱

18、等機械部件（2）、數(shù)控系統(tǒng)（3）、驅動裝置（4）、其它輔助裝置，如冷卻系統(tǒng)，防護罩，排屑器。2.2.1 數(shù)控系統(tǒng)總體方案確定2.2.1.1 系統(tǒng)運動方式的確定 數(shù)控統(tǒng)的運動方式可分為點位控制系統(tǒng)，點們直線系統(tǒng)，連續(xù)控制系統(tǒng)。點位控罅系統(tǒng)只能夠實現(xiàn)由一個位置到另一個位置的精確移動，在移動過程中不進行任何加工。連續(xù)控制系統(tǒng)要求工作臺或刀具沿各個坐標軸的運動有精確的運動關系。數(shù)控鉆床在工作臺移動過程中鉆頭并不進行鉆孔加工，回此數(shù)控裝置可采用點位控制方式。點位系統(tǒng)的要求是快速定位，保證定位精度。2.2.1.2 伺服系統(tǒng)的選擇開環(huán)控制系統(tǒng)沒有檢測反饋部件，不能糾正系統(tǒng)的傳動誤差。但其結構簡單，調整維修方

19、便，在速度和精度要求不太高的場合廣泛應用。閉環(huán)控制系統(tǒng)在機床移動部件上裝有檢測反饋元件來檢測實際位移，能補償系統(tǒng)的傳動誤差，伺服控制精度高，調試復雜，系統(tǒng)造價高。由于該機床是加工敢距精度有要求但不太高的零件，采用開環(huán)控制系統(tǒng)。精度要求滿足，結構簡單，調整維修容易，可降低機床造價。并采用步進電機作為伺服電機。2.2.1.3 執(zhí)行機構傳動方式確定 為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度和工作臺平穩(wěn)性，通常提出低摩擦，低質量，高剛度，無間隙，高諧振，以及由適宜阻尼比的要求。為滿足低摩擦，盡量消除傳動間隙的要求。本設計橫梁采用滾珠絲杠螺母傳動副。為提高系統(tǒng)的傳動剛度，保證加工精度，絲杠支撐設計成兩端軸向固定，并加預

20、拉伸的結構。2.2.2 主機部分總體方案確定2.2.2.1 工作臺工作臺是數(shù)控機床的重要部件，其形式尺寸往往表現(xiàn)機床的規(guī)格和性能。工作臺有矩形，回轉形式，以及傾斜成各種角度的萬能工作臺等三種。由于該機床是加工大型盤形零件。故采用回轉工作臺。并采用開環(huán)控制。其定們精度由控制系統(tǒng)決定。開環(huán)系統(tǒng)中的數(shù)控轉臺由傳動系統(tǒng)，間隙消除裝置，及蝸輪夾緊裝置等組成。2.2.2.2 床身采用龍門式結構。由兩立柱，頂梁，橫梁，工作臺，主軸箱等組成。其鉆孔的位置定們分別由主軸箱沿橫梁的橫向移動和工作臺的轉動來實現(xiàn)。橫梁可沿兩個立柱的導軌上下調整位置，以適應不同高度的加式需要。這種布局形式由兩個立柱，頂梁和床身構成龍門

21、框架式結構，主軸中心線的懸身距離也很小，所以剛度較高，可提高加工精度。2.2.2.3 主軸箱 帶有刀具的主軸箱的垂直移動為Z坐標。采用步進電機驅動。其旋轉主運動采用交流電機驅動，可變換主軸轉速，以適應鉆孔直徑改變的需要。各主要參數(shù)工件為的盤形零件鉆孔大小為工件高度為查表：最大鉆孔直徑確定主軸圓錐孔莫氏號數(shù)為4主軸端面到工作臺的最大距離主軸端面到底座工作臺面的最大距離三 橫梁滾珠絲杠設計計算3.1 動載強度計算 額定動負荷是指當一批規(guī)格相同的滾珠絲杠螺母副，在一負荷力的測試運轉下，能通過運動，而有不產(chǎn)生疲勞損傷時所能承受的最大軸向載荷。當時，滾珠絲杠螺母的主要破壞形式是工作表面的疲勞點蝕，因此要

22、進行動載荷強度計算，其計算動載荷應小于或等于滾珠絲杠螺母副的額定動負荷，有公式：式中，動載荷系數(shù)，從數(shù)控機床系統(tǒng)設計15表5-1可查得：硬度影響系數(shù)，同上，表5-2可查得：當量動負荷，單位N滾珠絲杠螺母副的額定動負荷，單位N壽命，以為1個單位。式中，使用壽命，h;循環(huán)次數(shù)；滾珠絲杠的當量轉速，。式中，、滾珠絲杠螺母副所承受的軸向載荷，N；、與、相對應的轉速，；、相對應的工作時間，3.2 滾珠絲杠軸向負荷F的計算（1）摩擦力的計算初估算主軸箱重量為1000N， 知；（2）慣性力計算有公式： 顯然慣性力很小，可忽略，所以。軸向負荷（3）絲杠螺母長度估算由公式： 查表得，使用推薦壽命，初選絲杠螺距由

23、此可以算出絲杠轉速：所以： （4）確定最大動負荷：式中，滾珠絲杠軸向負荷；負荷性質系數(shù)；查數(shù)控機床機器人機械系統(tǒng)設計指導6中表4-2得=1.2溫度系數(shù)；同上書中在表4-3中可得：=1;硬度系數(shù)；同上書中表4-4中得到：=1;精度系數(shù)；同上書中表4-5中得到：=1;可靠性系數(shù)；同上在表4-6中可得：=1；將查得數(shù)值：=1.2; =1; =1; =1; =1;代入公式得：3.3 確定滾珠絲杠型號額定動負荷應滿足的條件為：額定動負荷最大動負荷查書數(shù)控機床設計實踐指南7表F-8可得：取公稱直徑 滾珠絲杠螺母副的型號為：FF3204-3；其基本額定動負荷為96000N，足夠用。3.4 珠絲杠副的幾何參數(shù)

24、公稱直徑 螺距 螺旋升角 滾珠直徑 滾道半徑 偏心距 絲杠外徑 絲杠內(nèi)徑 螺母配合外徑 螺母裝配總長度 3.5 傳動效率計算式中，為摩擦角；為絲杠螺旋升角。3.6 剛度檢驗滾珠絲杠受工作負載引起的導程L的變化量P=100N； L=0.45cm;E= (材料為鋼)所以絲杠因受扭矩而引起的導程變化量很小，可以忽略。所以導程總誤差為：查標志B級精度的絲杠允許誤差為50故剛度足夠。四 機械部分設計計算4.1 主傳動系設計計算在主傳動時，應結合具體機床進行具體分析，一般應滿足以下幾個基本要求：a) 滿足機床使用性能的要求b) 滿足機床傳遞動力的要求c) 滿足機床工作性能的要求d) 滿足產(chǎn)品設計經(jīng)濟性的要

25、求e) 調整維修方便，結構簡單、合理、便于加工和裝配。防護性能好，使用壽命長。而且在設計過程中，還應按照主變速傳動系設計的一般原則來設計：即傳動副前多后少原則；傳動順序與擴大順序相致的原則；變速組的降速要前慢后快，中間軸的轉速不宜超過電動機的轉速。4.1.1動設計計算4.1.1.1 主運動參數(shù)確定鉆頭采用高速鋼鉆頭，同切削加工手冊查得：（P516）頁取切削速度，進給量取。4.1.1.2 計算轉速的確定采用ZK9350型龍門式數(shù)控鉆床主軸轉速范圍。取由機械制造裝備設計11表3-10（P97）頁得：由切削用量手冊10查得：（P61）切削功率 由此可以選取主軸電動機。4.1.1.3 主軸電動機型號由

26、切削功率選取Y系列（IP44）電動機機械設計課程設計手冊（P167-表12-1）。其參數(shù)如下：Y132M1-6電機：極數(shù)為6極，額定功率4KW,滿載轉速960r/min,額定轉矩2，質量73kg，同步轉速為602530.由上面可以確定:主軸: ,電動機: ,， ，,通常，無級變速裝置作為傳動系中的基本組，而分級變速作為擴大組，其公比理論上應等于無級變速裝置的變速范圍。實際上，由于機械無級變速裝置屬于摩擦傳動，有相對滑動現(xiàn)象，可能得不到理論上的轉速。為了得到連續(xù)的無級變速，設計時應使分級變速箱的公比略小于無級變速的變速范圍，即取。使轉速之間有一小段重疊，保證轉速連續(xù)。 由上面的已知條件可以知道：

27、 主軸要求的恒功率調速范圍為： 電動機可達到的恒功率調速范圍為：取，由機械制造裝備設計11中式（3-19）(P105)頁可算出變速箱的變速級數(shù)，取。由于主軸要求恒功率變速范圍遠大于電機恒功率變速范圍。因此在電動機與主軸間串聯(lián)一個分級變速箱.其總體布局如下圖1：圖1 主軸箱總體布局 在設計時，為了避免從動輪尺寸過大而增加箱體的徑向尺寸，限制降速最小傳動比；為避免擴大傳動誤差，減少振動噪聲，直齒圓柱齒輪最大升速比；在滿足主軸恒功率輸出時的最大傳動比為?？梢詫⑵浞纸鉃?。而另一組的最大傳動比為?？梢詫⑵浞纸鉃?。所以。在軸I-II間的變速組中的兩個傳動副中的傳動比為：； ；在軸II-III間的變速組中的

28、兩個傳動副中的傳動比為； 設計中，變速組中所有齒輪的模數(shù)相同，并是標準齒輪，所以這4對嚙合齒輪的齒數(shù)和相同。查機械制造裝備設計11可得：表3-9（P94頁） 取則： 同上面的方法可得到II-III軸傳動齒輪的齒數(shù)和： 各傳動齒輪的參數(shù)如表1：表1 主軸箱內(nèi)各傳動齒輪參數(shù)序號齒數(shù)分度圓直徑齒頂圓直徑齒根圓直徑模數(shù)1Z=3614415213442Z=3614415213443Z=24961048644Z=4819220018245Z=251001089046Z=6726827625847Z=1664725448Z=763043122944由上面的傳動比和齒輪齒數(shù)可以得到轉速圖如圖2：圖2 轉速圖4

29、.1.1.4齒輪模數(shù)的估算初步計算齒輪的模數(shù)，由于是初步估算，傳動鏈中傳動副的機械效率可以可以忽略，可用主電動機的額功率直接代入。而且齒輪材料為45鋼，齒部高頻淬火，當計算轉速遠大于時，所得模數(shù)值可能對于接觸疲勞強度是不夠的，可以按下公式計算：在機床主傳動系統(tǒng)中推薦齒寬系數(shù) 從中可以得到： 確定中心距：同理可得： 由于在設計中采用的是滑移齒輪。從現(xiàn)代實用機床設計手冊8中可以查得：齒寬： 4.1.1.5 齒輪齒根彎曲疲勞強度校核校核主軸上的嚙合齒輪其 ；查機械設計12圖6-19、6-20(P129頁)可得：，從上面可得： ， 從圖6-22c,按小齒輪齒面硬度均值235HBS，在ML線上查得；同理

30、，在圖6-22b上，查得： ；取 ，得：將確定出的各項數(shù)值代入彎曲強度校核公式，得：所以齒輪齒根彎曲疲勞足夠。 4.1.1.6 齒面接觸疲勞強度校核從機械設計12查表6-5（P-122頁）得： 由圖6-14查得： 由圖6-13查得： 由圖6-15，按不允許出現(xiàn)點蝕,查得： ,由圖6-16e,按齒面硬度均值51HRC,在MQ和ML線中間查出:則：將確定出的各項數(shù)值代入接觸強度校核公式，得：所以，接觸強度滿足。主軸箱中的其它齒輪也是通過上述方法進行校核。在此不再展開。4.2 主軸的設計與計算4.2.1 選擇軸的材料軸的材料選為45鋼，調質處理。其力學性能可查得：， ，由于主軸為空心軸，根據(jù)公式求得

31、其最小直徑：，式中；，即空心軸的內(nèi)徑與外徑之比，通常取。對于直徑mm的軸，有鍵槽時，軸徑增大；有兩個鍵槽時，應增大。4.2.2 估算軸的直徑在主軸箱結構中，聯(lián)軸器的效率、齒輪傳動效率和滾動軸承的效率都比較高，因此在計算主軸的轉矩時可以忽略。由公式可以得出：由公式可求：考慮到鍵槽對主軸強度的影響取主軸的直徑為：在主軸上的兩傳動齒輪依靠套筒定位。齒輪的周向定位采用A型普通平鍵連接。根據(jù)，由機械設計課程設計手冊14可以查得平面鍵截面，同時為了保證齒輪與軸配合具有良好的對中性，故選擇齒輪輪轂與軸的配合為。4.2.3 按彎扭軸上合成強度條件計算由所確定的結構圖可確定出簡支梁的支承距離，據(jù)此求出齒輪寬度中

32、心所在截面的、及的值。計算軸上的外力：齒輪的圓周力齒輪的徑向力：軸上的支反力：水平面內(nèi)支反力：垂直面內(nèi)的支反力：計算軸的彎矩：水平面彎矩： 垂直面彎矩：合成彎矩： 計算并畫當量彎矩：轉矩按脈動循環(huán)變化計算，取： 進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩的截面的強度。由機械設計12中式8-4得4.2.4 按疲勞強度的安全系數(shù)校核計算4.2.4.1 判斷危險截面危險截面的位置應是彎矩和轉矩較大及截面面積較小且應力集中較嚴重處。當在同一截面處有幾個應力集中源時，取各源所引起的應力集中的最大值。根據(jù)軸的結構尺寸可知，在齒輪配合和鍵槽引起的應力集中。所以按此處截面進行疲勞強度的安全系數(shù)計算。4.2.4.2

33、 危險截面處疲勞強度安全系數(shù)校核抗彎截面系數(shù)：抗扭截面系數(shù)：合成彎矩： 轉矩 彎曲應力幅（按對稱循環(huán)變應力計算）：彎曲平均應力： 扭轉切應力幅（按脈動循環(huán)變應力計算）：扭轉平均切應力： 由機械設計12中的。附圖1a、附圖2a可以查得，有效應力集中系數(shù)： 由，按附表5查得尺寸系數(shù) 同軸精車加工，按附圖8查得表面質量系數(shù)按機械設計12書中公式（2-7a）和式（2-7b）計算可得綜合影響系數(shù)值為：截面附近由于鍵槽引起的有效應力集中系數(shù)是和，按附表3、附表4查得： 故得綜合影響系數(shù)值為：截面上由于齒輪輪轂與軸的過盈配合產(chǎn)生的有效應力集中系數(shù)與尺寸系數(shù)之比值由附圖6b、附圖7b查得： 故得綜合影響系數(shù)值

34、為：取上面綜合影響系數(shù)、中的較大值，故取，。軸的材料是45鋼，查表8-1取彎曲等效系數(shù)，扭轉等效系數(shù)。只考慮彎矩作用的安全系數(shù)，由式（8-7）得：只考慮轉矩作用的安全系數(shù)，由式（8-8）得：同式（8-6）計算安全系數(shù)：取，所以截面安全。主軸箱中其它軸也可由上面的校核方法進行校核。在此不在展開。4.3 軸承的選擇與校核由上面軸的設計中可知，軸承處的軸頸，轉速，兩支承的徑向載荷，。軸向外載荷（切削用量簡明手冊10表2-19查得）試選角接觸球軸承7211AC，查機械設計課程設計手冊可知：，。對于70000AC型軸承，按機械設計12表9-9，軸承內(nèi)部軸向力，并由表9-7可知判斷系數(shù)。因為所以，軸承的軸

35、向載荷為： 計算軸承的當量載荷和，由于在該結構中，用的是3個軸承支承則受力按均分計算，各力除以3得：由表9-7可查得徑向動載荷系數(shù)和軸向載荷系數(shù)對于軸承1 對于軸承2 由于載荷平穩(wěn)，查機械設計12表9-8，取則由于按計算軸承應具有的額定動載荷根據(jù)公式（9-5） 由于機床在一般工作條件下工作，取，則它比所選軸承的額定動載荷小。因此所選軸承強度滿足。其余也可以按上述方法進行校核。4.4 主軸上鍵的選擇與校核鍵的選擇包括類型選擇和尺寸選擇兩個方面。鍵的截面尺寸（鍵寬和鍵高）按軸的直徑由標準中選定；鍵的長度可根據(jù)輪轂的長度確定，可使鍵長等于或略短于輪轂的寬度；導向平鍵應按輪轂的長度及滑動距離而定。鍵的

36、長度還須符合標準規(guī)定的長度系列。由于安裝鍵處的軸徑為。根據(jù)機械設計課程設計手冊14中表4-1可以確定。取鍵為A型普通平鍵。其基本尺寸為：。由于平鍵連接的可能失效形式有：較弱零件工作面被壓潰（靜連接）、磨損（動連接）、鍵的剪斷（一般極少出現(xiàn)）。因此，對于普通平鍵連接只需要進行擠壓強度計算；而對于導向平鍵或滑鍵連接需要進行耐磨性條件的計算。4.4.1 擠壓強度校核式中：表示鍵與輪轂的接觸高度。為鍵的工作長度，A型平鍵，B型鍵，C型鍵將值代入上式進行校核：所以擠壓強度滿足。4.4.2 耐磨條件校核代入數(shù)值可得：（說明：與鍵有相對滑動的被連接件表面經(jīng)過淬火處理）五 工作臺設計與計算數(shù)控回轉工作臺主要有

37、兩個功能：一是實現(xiàn)工作臺的進給分度運動，即在非切削時裝有工件的工作臺在整個圓周進行分度旋轉；二是實現(xiàn)工作臺圓周方向上的進給運動，即在運動切削時，與X，Y，Z三個坐標軸進行聯(lián)動，加式復雜空間曲面。 回轉工作臺實現(xiàn)回轉功能的結構形式多樣，但需要數(shù)控機床具有復雜的曲線和曲面的加工能力時必須配備回轉軸，而數(shù)控回轉工作臺是在數(shù)控機床上完成回轉進給功能的直接部件。采用蝸輪蝸桿傳動副的數(shù)控回轉工作臺，減速比大，可以提高電機扭矩，并且具有“自鎖”功能，可以在電機失電后保持工件的位置，因此，在實際中得到廣泛的應用。工作原理：在工作臺接受到數(shù)控系統(tǒng)指令后，首先把蝸輪松開，然后啟動電液脈沖馬達，按指令脈沖來確定工作

38、臺的回轉方向、回轉速度及回轉角度等參數(shù)。工作臺的運動由電液脈沖馬達驅動，經(jīng)齒輪和帶動蝸桿，通過蝸輪使工作臺回轉。當工作臺靜止時必須處于鎖緊狀態(tài)。工作臺面圓周方向分布八個夾緊液壓缸進行夾緊。當工作臺不回轉時，夾緊液壓缸的上腔進壓力油，使活塞向下運動，通過鋼球、夾緊瓦及將蝸輪夾緊；當工作臺需要回轉時，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令，使夾緊液壓缸上腔的油流回油箱。在彈簧的作用下，鋼球抬起，夾緊瓦松開蝸輪，然后由電液脈沖馬達通過傳動裝置，使蝸輪和回轉工作臺按照控制系統(tǒng)的指令作回轉運動。為了盡量消除傳動間隙和反向間隙，圖示中齒輪和齒輪的嚙合的側隙是靠偏心環(huán)來消除的。與蝸桿相連接的齒輪是靠楔形拉緊圓柱銷來聯(lián)接的，這種聯(lián)

39、接方式可以消除軸與套的配合間隙。5.1 工作臺電機的選擇5.1.1 確定脈沖當量 脈沖當量是數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出一個指令脈沖，工作臺移動的距離或轉過的角度。它決定了數(shù)控機床的加工精度和驅動系統(tǒng)的最高工作頻率。對于回轉工作臺而言，脈沖當量可由下式計算：，式中，蝸桿頭數(shù)，為蝸輪齒數(shù)。在步進電機數(shù)控開環(huán)系統(tǒng)中的脈沖當量一般取為或，也有選用或者。這時脈沖位移的分辨率和精度較高。初取滿足加工要發(fā)求。5.1.2 步進電機的選擇步進電動機每走一步的步距角，按理論設計是圓周的等分值。但是實際的步距角與理論值有誤差。在數(shù)控機床中常見的反應式步進電動機的步距角一般為。步距角越小，數(shù)控機床的控制精度越高。但是，必須保證步進

40、電動機的輸出轉矩大于負載所需要的轉矩。通常。其中為步進電動機最大靜態(tài)轉矩，為負載轉矩。初取5.1.3 等效力矩計算 由公式：式中：為轉動件所受力矩（Nm） , 轉動件的速度 為移動件所受力（N） 移動件的速度 轉動件所受力矩為蝸桿磨擦力距，潤滑良好可忽略。 移動件所受力，無切削力，可忽略。 故工作臺旋轉所克服的轉矩很小，但考慮到工件較大，故取電機轉矩。5.1.4 確定蝸輪蝸桿的傳動比蝸桿為 工作臺為 則蝸輪蝸桿的傳動比為 確定傳動比為 5.1.5 確定電機型號由數(shù)控機床設計實踐指南7表F-9（P154）可以查得：110BF003型步進電動機。相數(shù)為三相，最大靜轉矩7.84N.m，最大啟動頻率1

41、500Hz,最大運行頻率7000Hz。步距角。外形尺寸：外徑，長度 軸徑，質量。5.2 工作臺蝸輪蝸桿的設計計算根據(jù)一般的龍門鉆床中回轉工作臺的轉速為。蝸輪蝸桿傳動比，由于傳動比過大，蝸桿頭數(shù)取，則蝸輪齒數(shù)。蝸桿材料選為40Cr,表面淬火，硬度；蝸輪齒圈材料為，金屬模鑄造。5.2.1 確定蝸輪蝸桿模數(shù)按齒面接觸疲勞強度設計：從機械設計12表7-8查得 ；由于較低，估計，取；因載荷平穩(wěn)，通過跑合可以改善偏載程度，??；載荷系數(shù)； 由表7-7查得 將以上數(shù)值代入接觸強度設計公式，有： 按接觸強度要求，查表7-1，選出， 中心距： 由于工作臺結構要求，取中心距：5.2.1.1 檢驗初設參數(shù) 蝸輪圓周速

42、度 原估計，選值，相符。 滑動速度：。較大，選用錫青銅為蝸輪材料合適。 蝸桿傳動效率 根據(jù)，查表7-9，得， ，初選與之相符。5.2.1.2 驗算齒根彎曲疲勞強度 蝸輪當量齒數(shù)，由圖6-19查得時，齒形系數(shù)； ，滿足彎曲強度。5.2.2 蝸桿軸的剛度驗算 因為工作臺在回轉時不克服任何切削力，只克服極小的滾動摩擦與慣性力。因此可以忽略。5.2.3 蝸桿蝸輪幾何尺寸計算 蝸桿軸向齒距 蝸桿軸向齒厚 蝸桿法向齒厚 蝸桿齒頂圓直徑 蝸桿齒根圓直徑 蝸桿齒寬 取 蝸輪喉圓直徑： 蝸輪齒根圓直徑： 蝸輪咽喉母圓半徑： 蝸輪齒寬 取 選蝸輪輪齒端面為錐面結構。 蝸輪輪緣寬度 取 為切去頂圓齒尖，蝸輪頂圓直徑

43、： 為不損傷齒，蝸輪頂圓直徑： 取注：為了消除蝸輪副的傳動隙，采用雙螺距漸厚蝸桿，通過移動蝸桿的軸向位置來調整間隙。蝸桿齒厚從頭到尾逐漸增厚。由上面的數(shù)據(jù)可以得到蝸桿蝸輪參數(shù)見表2：表2 蝸輪蝸桿各參數(shù)名稱符號結論中心距650蝸桿頭數(shù)1蝸輪齒數(shù)83壓力角模數(shù)10傳動比83蝸桿直徑系數(shù)10蝸桿軸向齒距31.4蝸桿導程31.4蝸桿分度圓直徑160蝸桿齒頂圓直徑180蝸桿齒根圓直徑136頂隙0.2蝸桿齒頂高10蝸桿齒根高12蝸桿齒高22蝸桿導程角蝸桿齒寬230蝸輪分度圓直徑830蝸輪喉圓直徑850蝸輪齒根圓直徑806蝸輪齒頂高20蝸輪齒根高24蝸輪咽喉母圓半徑75蝸輪齒寬210蝸桿軸向齒距31.4蝸

44、桿法向齒厚15.67蝸輪軸向齒厚15.75.2.4 蝸桿傳動的效率和散熱計算4.3 傳動效率： 嚙合效率 攪油效率 軸承效率 所以 散熱計算：由現(xiàn)代機床實用設計手冊8公式（3-6-14）可得： 自然冷卻 滿足要求。5.3 工作臺彈簧的設計計算設計彈簧時的方法很多，通常有三個方法。一是公式計算法；二是已知彈簧直徑時的設計方法；三是查表法。因彈簧直徑已知，故采用第二種設計方法。查表可知，確定彈簧中徑為由公式：式中：為許用應力；為最大工作負荷；為彈簧直徑。最大工作負荷計算：因彈簧工作時只需克服活塞，少量油液，圓柱體，與托柱體的自重：則由公式所以： 查表可知：所以，查表對應A值的C值為7.2。所以。查

45、表，工作極限負荷324116N。滿足要求。有效圈數(shù)的選取范圍為，取圈。則最大心軸直徑，最小套筒直徑。驗算彈簧剛度：由公式：。故為保證彈簧彈開116N重量，應使彈簧至少預先壓縮。自由高度的選取范圍為取彈簧壓縮狀態(tài)高度為。足夠用。5.4 工作臺滾動導軌設計計算在機床設計中，導軌設計應該滿足導軌的基本要求，即導向性，耐磨性，剛度，低速運動平穩(wěn)等要求。其按摩擦性質分類可分為滑動導軌和滾動導軌。由于滾動導軌摩擦小，允許轉速高，壽命長，潤滑簡單，維護容易，故選用滾動導軌。而在導軌之間的滾動體又分為滾珠、滾針、滾柱三種。其材料一般為滾動軸承鋼，淬火后硬度可達到60HRC以上。由于本設計的工作臺為大型回轉工作臺，加工大型零件，為提高其承載能力，故選用滾動體為滾柱的導軌。5.4.1 滾動體的尺寸要求及確定滾動體的直徑越大，摩擦系數(shù)越小，故在結構允許的情況下，盡量選用較大直徑的滾動體，取，由于滾子長度增加，可提高剛度，但過長會使?jié)L子在長度上的壓力分布不均。查現(xiàn)代機床實用設計手冊8可知：選圓柱滾子的尺寸為：，。5.4.2 滾動體數(shù)目確定對于滾動導軌有公式：式中為導軌上的載荷；為滾子長度；為導軌上的滾動體數(shù)目。導軌上載荷估算：所以，載荷估算值為：則取5.4.3 保持架樣式采用整體注射式保持架，它具有以下特點