教學用小型數(shù)控鉆銑床設計說明書教材

1、第一章緒論1.1 設計背景隨著社會進步、科技發(fā)展的迅速發(fā)展，人們對產(chǎn)品更新?lián)Q代的需求越來越強烈， 產(chǎn)品的形狀也隨之變得更加復雜，要求產(chǎn)品精度也越來越高，對于多品種、小批量產(chǎn) 品的需求也明顯增加。傳統(tǒng)的機床難以繼續(xù)滿足以上要求， 為適應時代的發(fā)展，數(shù)控 機床如雨后春筍應運而生，并且發(fā)展良好，已經(jīng)形成了比較齊全的數(shù)控機床種類。數(shù)控機床的主要優(yōu)點：1、適應性強、靈活性大當加工的產(chǎn)品類型發(fā)生變化時，只需要改變數(shù)控程序就可以滿足轉(zhuǎn)型要求， 無需 對機床結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，如此一來能夠縮短生產(chǎn)周期，節(jié)約成本，提高生產(chǎn)效率。2、加工精度高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定進給傳動系統(tǒng)大都采用滾軸絲杠傳動機構(gòu)， 其誤差可有數(shù)控裝置進行

2、補償；數(shù)控 機床在加工時，人為的干擾因素較少，加工過程由程序控制，從而減少了人為誤差。3、自動化程度高、生產(chǎn)率高數(shù)控機床能夠根據(jù)具體情況合理的選擇機械加工余量，縮短了機械加工時間。數(shù)控機床配有各種檢測元件，可以進行精確的定位、測量，無需人工定位、測量，進一 步提高生產(chǎn)效率，同時工人的勞動強度也減小了。4、經(jīng)濟效益好用數(shù)控機床加工工件時，可以減少工藝裝備的使用、縮短生產(chǎn)周期同時具有管理 方便、廢品率低等優(yōu)點，這些都能夠提高緊急效益。21世紀數(shù)控技術將是各國機械制造業(yè)競爭的核心。隨著中國制造業(yè)的發(fā)展，數(shù) 控技術的廣泛應用也是支撐我國未來制造業(yè)發(fā)展的前提和必要。對于學習機械相關專業(yè)的在校大學生掌握一

3、定的數(shù)控技術也是十分必要的。我們有一個數(shù)控技術與數(shù)控機床的加工設計實驗，用三維軟件建模，然后設計加工工藝路線，在三維軟件中自動生成程序?qū)氲綌?shù)控機床加工仿真軟件中去，進行加仿真。此次試驗有效地提高了我們軟件運用、 加工理論的運用能力，但是沒能親身體 驗一下用真實的數(shù)控機床去加工一個真實的工件。 現(xiàn)在的數(shù)控機床大都是為企業(yè)生產(chǎn) 設計的，外形尺寸較大，價格較為昂貴，用于教學用的小型數(shù)控機床還是比較少的， 為此我們參照企業(yè)數(shù)控機床與教學用數(shù)控機床設計了主要用于教學的小型數(shù)控鉆銑 床。1.2 設計理念本產(chǎn)品的設計定位行業(yè)主要是：高等學校實驗室、數(shù)控編程課程設計、職業(yè)技術 院校、數(shù)控實訓基地、工藝品加工

4、、科研院所等。就涉及行業(yè)的實際情況給設計應該滿足一些設計理念：1、 外形尺寸本產(chǎn)品主要用于輕載加工尺寸無需過大。 另外為適應教職專用， 必須能夠在實驗室里成群安放，供學生集體使用，占用面積不宜過大。由于需要安放 在實驗室，所以噪音不宜過大，這就要求所選用的電機功率不要過大，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，同 時這也考慮到安全問題，由于學生在大學期間一般是首次接觸數(shù)控機床， 所以對數(shù)控 機床安全操作知識掌握有限。2、 加工精度本產(chǎn)品主要用于供學生做實驗用，掌握數(shù)控機床的使用方法、 編程方法，所加工出的零件沒有實際應用，所以本機床的加工精度不需要太精確， 以 降低制造成本。3、 控制系統(tǒng)大學期間學生對于數(shù)控編程的要求在

5、于基礎水平，當參加工作 時繼續(xù)深入，所以本設計的數(shù)控系統(tǒng)應力求操作簡便， 人機關系合理，人機對話簡單， 適合簡單程序的應用。4、 經(jīng)濟性當今大學教育正向大眾教育發(fā)展，所以對實驗設備要求數(shù)量較 多，這就需要院?；ㄙM大量資金購買，從而應盡量減少制造成本，經(jīng)濟性好，適應大 眾教育。1.3 設計內(nèi)容本設計的設計內(nèi)容主要包括一下內(nèi)容：1、 機床總體結(jié)構(gòu)設計包括機床的整體布局形式、底座的設計、立柱的設計、 導軌設計等。2、 主傳動的設計包括主軸的軸頸設計計算、同步齒形帶的傳動設計、 同步齒形帶輪結(jié)構(gòu)設計、軸承的壽命計算、聯(lián)軸器的選擇、主軸安裝形式等。3、 進給系統(tǒng)的設計包括絲杠的有關計算、步進電機的選擇、

6、絲杠的安裝、 聯(lián)軸器的選擇等。4、 零件三維建模及裝配包括運用UG進行各個零件的三維建模、裝配，二維 圖紙的生成，裝配動畫與運動仿真的生成。第二章 小型數(shù)控鉆銃床的總體結(jié)構(gòu)設計2.1小型數(shù)控鉆銑床的技術參數(shù)根據(jù)所選定的設計領域以及參考實際情況，對照相應領域的有關參數(shù)，確定本設計的產(chǎn)品技術參數(shù)如表2-1 :表2-1產(chǎn)品技術參數(shù)X軸行程220iiui王軸錐度MT3工作臺380X200MF輸亍程190mn主軸電機功率1.1KMT型槽尺寸2軸行程220mji主軸轉(zhuǎn)速200-3500r/niin控制方式開環(huán)最大鉆孔直徑13mjn最大錢削直徑丁型槽個數(shù)3X軸電機扭矩4NMY軸電機扭矩Z軸電機扭6NM主軸電

7、機扭拒G 5NM外形尺寸980X380X1 700imi快速移動速 度2500mjii/inin2.2機床的總體布局常用的數(shù)控鉆銑床的整體布局形式如圖2-1 :(a)(b)(c)圖2-1常見數(shù)控鉆銃床布局形式根據(jù)上圖結(jié)構(gòu)結(jié)合實際情況我們選擇圖（a）所示的結(jié)構(gòu)：X、丫軸分別在步進電 機的驅(qū)動下做水平的往復運動，Z軸在步進電機的驅(qū)動下做垂直于工作臺的上下往復 運動；主軸在電機的帶動下經(jīng)傳同步齒形帶傳動機構(gòu)做回轉(zhuǎn)運動，完成切削任務。此布局構(gòu)造比較簡單適合本產(chǎn)品使用的領域。最終確定本產(chǎn)品的總體布局結(jié)構(gòu)如圖 2-2所示：1、電配箱2、底座3、立柱4、Z軸進給步進電機5、主軸直流無刷電機6、數(shù)控裝置7、主

8、軸箱8、導軌9、工作臺10、Y軸進給步進電機圖2-2本產(chǎn)品總體布局2.3主要部件結(jié)構(gòu)設計底座的設計圖2-3底座、底座的結(jié)構(gòu)設計：如圖2-3所示為底座的結(jié)構(gòu)圖：1、 沉頭空用于連接底座與電配箱；2、 螺紋孔用于連接立柱與底座；3 、底座導軌 用于攜帶承載移動導軌與工作臺按加工路線運動；4、軸承座凸臺用于固定Y軸進給系統(tǒng)的末端軸承座，同時設有凸臺可以減小加 工面積，從而保證軸承座的定位精度；5、電機座凸臺 用于固定丫軸進給系統(tǒng)的電機座，同時具有與 相同的作用；此外，底座與箱體安裝接觸的表面中部向內(nèi)凹陷， 這樣可以減小加工面積，提高 加工時的效率，同時可以減小機體重量。、底座材料的選擇：選擇鑄鐵件1

9、、抗震性好和耐磨性。機床在運轉(zhuǎn)時不可避免的會發(fā)生震動，而鑄鐵材料內(nèi)部 的石墨含量較咼，可以起到減震的作用，減小噪音。同時，鑄鐵內(nèi)部存在許多微孔可 以存儲一些潤滑油，本身的脫落也能夠起到潤滑作用；2、加工工藝性好，造價低。鑄鐵含碳量比較高，熔點低，在生成鑄件時流動性好，收縮率小，比較適合生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復雜或薄壁零件。 此外，鑄鐵在切削工時容易斷屑， 有效避免積屑瘤的產(chǎn)生，提高了加工時的表面加工精度。3、強度和剛度較高，不易發(fā)生變形。、底座的熱處理：底座鑄件作為機床中比較基礎的部件， 需要承載較大的載荷，必須要經(jīng)過熱處理 才能改善內(nèi)部組織，提高其實用性能。本底座的熱處理主要有： 、去應力退火。在 底座鑄

10、造完畢時，由于內(nèi)外冷卻速度不同，壁的厚薄也存在差異，所以冷卻后內(nèi)部含 有很大應力。在加工前要進行去應力退火。、表面淬火。可以提高鑄件的表面硬度， 但不改變鑄件內(nèi)部韌性。從而獲得足夠的表面硬度和較好的內(nèi)部剛度，提高工件性能。立柱的設計、立柱基本要求?；疽螅骸⑹褂靡螅耗軌蝽樌瓿善涔δ?，吊運、安裝方便以及外形美觀 大方。、工藝要求：在結(jié)構(gòu)設計上應力求減小內(nèi)應力的產(chǎn)生，壁厚均勻；鑄造完成 以及粗加工完成后要進行時效處理。 、性能要求：要有較高的剛度、抗震性能好、 在溫度變化較大的情況下的變形小。、立柱的結(jié)構(gòu)設計：原則：立柱的合理設計要本著以最小的自身重量去承受最大的靜剛度。靜剛度與截面慣性矩成

11、正比。即使所用材料、截面面積相等，如果橫截面形狀不同，則其截面慣性矩也不同。因此，合理的選擇立柱的截面形狀，獲得較大的截面慣 性矩可以有效地提高立柱的剛度和強度。常用的機床立柱截面形狀表2-2所示： 表2-2立柱截面形狀空心拒形截面三面封閉式截面三壁結(jié)構(gòu)三面封閉式結(jié)枸圓形截直截面形狀特點兩面截面封SL切屑和冷卻港的対瞻方1更但是剛度較低*三面封閉，無法進行切屑的排除。適合機床中小型車床龍門刨床、升降臺鐵床、龍門銃床能夠承受重載荷。內(nèi)部可嘆用于存儲潤滑油以及冷卻港，同時便于安裝迸給傳動機構(gòu)。有較好的抗扭轉(zhuǎn)剛度， 但是抗彎剛度較小，用 于裁荷不大的機床Q大型重型機床揺臂、臺式鉆床、組合機床對稱方形

12、截面具有較好的抗蠻、抗扭剛度，用于承受比價復雜的空間載荷。律床、銭床、組合機床心對稱矩形截面具有較好的抗蠻剛度 但是抗扭剛度較低，夢 用于需要承受較大彎 曲載荷的機床立柱。中大型單軸或多軸立式鉆床、組合機床查使用機床設計手冊表10-7 （截面形狀與慣性矩和及慣性矩的關系），比較 截面面積相同，截面形狀不同的慣性矩計算值和相對值，可以得出：1、空心截面的剛度比實心截面的大，在相同的截面面積的情況下，如果擴大輪 廓尺寸，減小壁厚，可以有效的提高截面慣性矩。故立柱的截面應做成中空，外輪廓 適當做大，使壁厚減小。2、與矩形或方形截面相比，圓形或是環(huán)形截面的抗扭剛度相對來說是比較高的。 但是，抗彎剛度要

13、小。由于立柱主要承受的是彎曲力矩，所承受的扭轉(zhuǎn)力矩較小，所 以本設計選擇矩形或是方形，由于矩形截面與方形相比其高度方向的抗彎剛度較大， 所以選擇矩形截面。3、圭寸閉的截面要比有開口截面的剛度大，對于抗彎剛度的影響更為明顯。因此立柱的截面應該選擇封閉的。4、要合理選擇機床立柱的寬度和高度的比值。查使用機床設計手冊，常用機床床身、立柱等高寬比值如表2-3所示：表2-3床身、立柱寬高比機架名稱高寬比%使用機床床身0普通機床1.2 1.5八角機床2.03.0立式鉆床、組合機床34立式車床懸臂梁23搖臂鉆床、單柱立式車床橫梁1.5 2.2坐標鏜床工作臺0.1 0.18矩形工作臺0.08 0.12圓形工作

14、臺底座0.1搖臂鉆床233導軌的結(jié)構(gòu)設計、導軌的功能和分類導軌功能：導軌的主要作用是用來導向和承載，對靜導軌起到導向作用使之能夠 按照一定的方向運動，并且能夠承受一定載荷。導軌分類：按照摩擦性質(zhì)分有：滑動導軌、滾動導軌；按照受力情況分有：開式導軌、閉式導軌。開式導軌如圖2-4（a）所示，在其承載的部件的重力和載荷作用下，動導軌和支撐導軌的工作面始終保持相互接觸、貼合。 特點：結(jié)構(gòu)簡單、不能承受較大的傾覆力矩。閉式導軌如圖2-4 （b）所示，借助于壓板使動導軌與靜導軌相互連接，能夠承受一定的傾覆力矩。、導軌的基本要求1、導向精度高主要影響因素：、導軌的加工精度和安裝精度；、導軌構(gòu)造；、導軌的抗變

15、形能力即剛度和抗熱變形能力； 、導軌的油膜厚度和油膜剛度。圖2-4按受力情況導軌的分類2、 承載力大，剛性好 主要影響因素：、導軌的截面形狀、尺寸；、導軌、 支承件之間的連接方式；、載荷的性質(zhì)、大小、方向即受力情況。3、 耐磨性好 主要影響因素：、導軌所選用的材料；、導軌與底座的摩擦 性質(zhì)；、潤滑和防護條件。4、低速時運轉(zhuǎn)平穩(wěn) 在速度比較低或是進給量比較小時，不會出現(xiàn)“爬行”現(xiàn) 象（即低速運動時不會出現(xiàn)“爬行”現(xiàn)象）。主要影響因素：、靜導軌與動導軌之 間的摩擦系數(shù)的差別；、傳動系統(tǒng)的剛度； 、導軌的結(jié)構(gòu)形式、運動部件的質(zhì) 量以及運動副之間的潤滑狀況。5、結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好、導軌的截面形狀1、直

16、線滑動導軌的截面形狀主要有：燕尾形、三角形、矩形、圓柱形。具體的 形狀及其特點見表2-4所示：2、 導軌的組合形式主要有：雙三角形導軌、雙矩形導軌、三角形-矩形導軌、 矩形-燕尾形導軌等。具體特點及應用機床如表 2-5所示：、導軌的材料選擇根據(jù)導軌的作用可以知道，對導軌材料的主要要求是耐磨性，其次要求工藝性好， 便于加工，成本低。鑄鐵、塑料、鋼等是常用的材料。導軌的靜導軌與動導軌在工作時相互接觸摩擦， 為減小摩擦，兩者的材料應盡量 選擇不同的材料，或者采用不同的熱處理方法，防止摩擦力過大發(fā)生膠合現(xiàn)象。綜合上述導軌的各種優(yōu)缺點，參照實際類似機床的導軌形狀，采用雙矩形導軌， 動、靜導軌之間采用壓板

17、連接，確定具體導軌的結(jié)構(gòu)形狀如圖2-5所示（a）圖為導軌，下面直接扣壓在底座上，上面承載工作臺；（b）圖為壓板，開有儲油槽，減小摩擦；（c）圖為工作臺，采用標準尺寸的12mm勺T型槽：表2-4導軌類型導軌類型截面形狀特點應用矩形導軌13J：壓板支承面 N；導向面。剛度大 承載能力大：易于 制造，檢驗和維修 方便，導向性差， 導軌面N破損后不 能自動補償間隙。用于載荷較大、導 向性能要求不高的 機床，如粗加工機 床導軌。三角形導軌導向精度較高，當支承面磨損后能夠在重力的作用下自動補償間隙J頂角口増大.承載能力増大，導向精度下降,。誠小時，承載能力下降,導向精度提HoF小頂角導軌多用于 輕載精密機

18、床！大 頂角導軌多用于重 載口精度要求不高 的機床。燕尾形導軌可以承受較大的傾 覆力矩；高度小， 結(jié)構(gòu)緊凄，間隙調(diào) 整方便；膽識滑動 阻力大，剛度較低,不易加工7受力較小、導向精 度不咼、移動速度 較低、高度尺寸要 求小的部件。圓柱形導軌工藝性好、制造方便；接觸面磨損后能夠自動補償間隙。用于承受軸向載荷的場合，如揺臂鉆床立柱。表2-5導軌組合形式組合形式結(jié)構(gòu)簡圖特點應用孜三角形| I導向精度、保持性好、 有自動補償功能；工藝 性差，加工制造、維修不便。用于楮度要求好的機床中，如齒輪磨床、坐標磨床、絲杠車床*導軌車床等。歡拒形I普通椿度機床、重型機床0剛性好，承載能力犬;工藝性好，易于力口工制遂

19、維修英導向性差，磨損后不能夠自動補償間隙，需要人工調(diào)整。三角形-拒形b)導向性好、剛度高、工莒性好。龍門刨床、龍門銃床、磨床的床身導軌。(a)圖2-5本設計所用的導軌、壓板、工作臺(c)第三章主傳動系統(tǒng)設計3.1整體結(jié)構(gòu)設計主傳動系統(tǒng)設計要求1、主軸要有一定的轉(zhuǎn)速范圍，能夠?qū)崿F(xiàn)主軸的開啟、停止、正反轉(zhuǎn)等；2、主軸電機要有足夠的功率，能夠滿足機床切削所用功率，傳動件要有足夠的 強度和剛度，到達機床所需的動力要求；3、主軸組件要有較好的制造精度、平衡性、抗震性、抗變形能力，以減小變形、 震動、噪音，滿足機床工作性能的要求；4、結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，便于安裝、維修，滿足使用要求；5、良好的工藝性，便于

20、加工制造，滿足經(jīng)濟性要求。主傳動系統(tǒng)的配置方式1 、配有變速齒輪的主傳動通過具有一定傳動比的幾對齒輪嚙合來做到變速，降速時能夠滿足低速大轉(zhuǎn)矩的 要求，升速時能夠滿足高速小轉(zhuǎn)矩的要求。多用于大中型數(shù)控機床。2、通過帶傳動的主傳動通過電機本身的轉(zhuǎn)速范圍就能夠滿足要求， 不需要復雜的齒輪變速，結(jié)構(gòu)比較簡 單，傳動平穩(wěn)，噪音小，但是傳動功率有限。多用于功率要求不大的中小型機床，常 用V帶或是同步帶來完成。3、通過電主軸的主傳動主軸直接沒裝于電機內(nèi)部，結(jié)構(gòu)更為簡單，可獲得較高的主軸轉(zhuǎn)速，主軸剛度大, 但是輸出轉(zhuǎn)矩有限，散熱性能差。多用于中小型機床。4、兩個電機帶動的主傳動需要轉(zhuǎn)速較高時，采用高速電機帶動

21、，低速時用另一個低速電機帶動。由于本設計所傳遞的功率較小，主軸電機選用的功率是1.1KW加工所需要的轉(zhuǎn)速變化范圍不是很大，根據(jù)上述，主軸的傳動選擇帶傳動 -同步齒形帶傳動。同步齒帶傳動就是在帶的內(nèi)側(cè)分布著等間距的齒槽， 帶的齒槽與與帶輪齒廓彼此 嚙合，如圖3-1所示，從而保證傳動時帶與帶輪之間沒有相對的滑動， 與普通帶傳動 相比滑差率為零，傳動比比較準確。同步帶傳動的優(yōu)點如下：1、傳動時沒有相對的滑動，傳動比比較準確；2、同步齒形帶無需太大的軸向力，所以作用在軸上的力小，延長了軸承的壽命；3 、傳動效率較普通三角帶要高，同步帶一般為0.98，而普通帶一般為0.95 ;4 、適應轉(zhuǎn)速范圍大，一般

22、為10m/s,高速時允許50m/s；5 、與鏈傳動及齒輪傳動相比有較好的吸振性，噪音較小，傳動較平穩(wěn)。帶輪結(jié)構(gòu)設計及有關參數(shù)計算由于本設計所選用的電機額定轉(zhuǎn)速為 3500RPM最低轉(zhuǎn)速為400RPM勺92#直流無 刷電機(詳細選擇原則見下文)，所以考慮到轉(zhuǎn)矩的要求應該降低轉(zhuǎn)速來滿足低速時 大轉(zhuǎn)矩的要求，初步選定傳動比為i =2。由于主軸距離箱體內(nèi)壁的距離分別為l1 =50mm，12 = 56mm ;以及兩軸之間的距離I = 102mm ；根據(jù)機械設計課程設計 表11-1可知：大帶輪與內(nèi)箱壁距離也a1.26 (其中6 8mm )0初步選定大帶輪分度 圓直徑d2 =88mm，小帶輪分度圓直徑d44

23、mm。根據(jù)機械設計手冊表13-1-59，選擇特殊節(jié)距制帶輪。由公式 z=d (3.1 )/ Pb其中：Pb-節(jié)距；d-分度圓直徑; z-齒數(shù)。求得z =27.6，取整z =28。最后確定大帶輪的分度圓直徑為d2 =89.17mm，取整為d2 =89mm。查機械設計手冊可以求得大帶輪外徑 d0 87mm,帶寬Q = 25mm，擋圈最 小高度 K =2.2mm，擋圈彎曲處直徑 d d0 (0.38 一0.25) = 87.7mm，取整 d 88mm 擋圈外徑df -dw 2K =87.38 93.38mm，取整d93mm。最終的結(jié)構(gòu)圖如 3-2 所示：圖3-2本設計所用的同步齒形帶輪本設計的主軸箱

24、內(nèi)部結(jié)構(gòu)說明通過綜合各部分的傳動的優(yōu)缺點，參考同類機床的傳動形式，最終確定本設計1、主軸箱2、大帶輪3、同步齒形帶4、拉桿5、直流無刷電機7、小帶輪 8、絲杠螺母9、主軸I 10、主軸II圖3-3主軸箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)的具體傳動結(jié)構(gòu)如圖3-1所示：工作原理說明：主軸I在無刷直流電機的帶動下，通過同步齒形帶傳動給主軸II , 主軸II上安裝刀具，主軸端部的錐孔的錐度為 7:24，作為刀具的定位，并用通過旋 轉(zhuǎn)主軸末端的拉桿來夾緊刀具，用主軸端部的端面鍵來傳遞扭矩。整個主軸箱通過導 軌與壓板的組合掛在立柱上，并通過絲杠螺母來傳遞進給運動。主軸電機的有關說明：根據(jù)產(chǎn)品技術參數(shù)本設計選定的是BLMC-1100

25、-300H直流無刷電機驅(qū)動單元，此系統(tǒng)單元功能完善、節(jié)能環(huán)保、抗干擾力強、操作簡單、不易 出現(xiàn)故障、維修方便，低速時可以獲得較大的轉(zhuǎn)矩運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。直流無刷電機的選擇參考如表3-1所示：表3-1直流無刷電機系列表機床電機主軸等級額定電壓（V）額定功率（W額定轉(zhuǎn)速（RPM應用范圍92#直流無刷電機AC220/1105003500、 6000小型精密數(shù)控銃 床92#直流無刷電機AC220/1107506000、 12000小型精密數(shù)控車床92#直流無刷電機AC220/11011003500、 6000小型數(shù)控鉆銃床123#直流無刷電機AC220/11015003000、 6000小型精密車鉆床123#

26、直流無刷電機AC220/11020003500、 6000多功能機床根據(jù)上表選擇適應小型數(shù)控鉆銑床的額定轉(zhuǎn)速為3500RPM勺92#直流無刷電機,最低轉(zhuǎn)速為400RPM電機的外形安裝尺寸如圖3-4 :亂口出崔-i叩（“nH i FEVt C l圖醫(yī)迅蛍圖3-4電機安裝外形圖3.2主軸的設計及計算根據(jù)傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來確定主軸的結(jié)構(gòu)后應該對主軸的直徑進行計算，以確定軸的主要尺寸。其設計計算步驟及其內(nèi)容如下：1、很據(jù)主軸所傳度的功率初步估算主軸的最小直徑；2、各軸端長度的確定；3、主軸的剛度與強度的校核；4、根據(jù)校核結(jié)果對軸的直徑進行必要的修改，確定最后的結(jié)構(gòu)尺寸。主軸直徑的初步估算由于軸系零件尺寸

27、結(jié)構(gòu)的確定都需要根據(jù)所在軸段的直徑來確定，如軸承型號的選擇、帶輪內(nèi)徑的確定、鍵的強度計算等。根據(jù)機械設計可知，軸的直徑的確定 可以按照如下公式進行計算。對于實心軸，直徑估算公式為:(3.2)對于空心軸，則有：(3.3)d3 Pn（4）mm式中：d計算截面處軸的最小直徑，mmP 該軸傳遞的功率，Kvyn軸的轉(zhuǎn)速，r/mi n;d- 內(nèi)外徑之比，2 -，通常取0.5-0.6 ；dA與材料有關，具體查表3-2，摘自機械設計表3-2軸常見幾種材料的 T及 A值軸的材科Q235-Ak 20Q帕35 (ICrlSNiSTi)454OCr SSSiMn38SiMo, 3Crl3“門處15-2520-3525

28、-3435-554149-126135-112126-103112-97、計算兩軸所傳遞的功率 各軸所傳遞的計算公式為：(3.4)由表2-1可知，本設計所選用的電機的功率 P=1.1kw，由圖3-2可以看出第一根 軸通過一個聯(lián)軸器與電機相連，設傳遞效率為1;第二根軸通過同步帶與第一根軸連接，設傳遞效率為 2。查機械設計課程設計可得： 1=0.99-0.995,取0.99 ； 2=0.98.則有：p.= p 1 =1.10.99=1.089KWP-=P.2=1.089 0.98=1.067KW、估算兩軸的最小直徑對于轉(zhuǎn)速n已知電機的額定轉(zhuǎn)速為3500RPM傳動比為i=2，則有n1 =3500RP

29、Mn2=1750RPM兩軸的最小直徑為：4 一126 3 1.13500 ： 8.6mm11mm由查機械設計可知，當在軸上開鍵槽時，為了考慮鍵槽對軸強度的削弱，應 當適當增大軸的直徑。對于直徑d _100mm的軸段，開有一個鍵槽的軸段，其直徑就 應該增大3%開有兩個鍵槽的軸段應該增大 7%對于直徑dE 100mm的軸段，開有 一個鍵槽的軸段直徑增大5-7%,開有兩個鍵槽的軸段，直徑應該增大 10-15%。由于本設計第一根軸軸的端部需要與電機通過聯(lián)軸器相連， 所以其最小直徑應增 大5%故有直徑d1 =8.6 1.05 = 9.03mm，考慮到電機的軸徑d =14mm,便于用聯(lián)軸器 連接，而且留有

30、一定的余量，同時考慮軸承標準內(nèi)徑，最后取整為：d =14mm。對于第二根軸，由于是空心軸，內(nèi)部需要安裝拉桿，拉桿需要承受一定的拉力， 所以此軸的內(nèi)徑必須適當增大，最后確定內(nèi)徑為16mm考慮軸承內(nèi)徑標準系列取外徑為25mm各軸段長度和直徑的確定各軸段直徑與結(jié)構(gòu)的確定要根據(jù)軸上的零件、主軸箱的結(jié)構(gòu)確定，以最小直徑為 基礎逐一確定，但是要滿足一定的要求：1、各軸段如果需要安裝標準零件，應按照標準件的標準尺寸確定，如需要安裝 軸承的軸段，應按照軸承內(nèi)徑標準系列取值；2、為了使有配合的零件能夠便于安裝、拆卸，應該使有軸段配合的前一部分的 直徑小一些；3、為使配合零件便于裝配應該使軸段壓入端制出錐形，如斜

31、倒角、圓倒角。4、軸段的長度，應該使結(jié)構(gòu)盡可能緊湊，滿足齒輪、軸承的定位要求。323軸的剛度與強度的校核、第一根軸的強度校核 本次設計由于兩根軸的作用不同所以必須都需要校核亠一 /川的前端通過聯(lián)軸器與電機連接,直徑的確定后，軸的大體結(jié)構(gòu)如圖3-5所示（軸 筒進行定位，然后用一對型號為/I I I的深溝球軸承支撐，軸的中 肩與套筒進行定位），根據(jù)據(jù)本設 矩可以求出，因而可以按照產(chǎn)6003的深溝球軸 中間是小同步齒形帶輪, 設計的產(chǎn)品技術參數(shù)通過軸個軸段的長度及其，用套軸的末端用一個型號為6004 來傳遞扭矩，兩端分別用軸 及其相關計算，軸所受的彎矩和扭 強度校核。丫承支撐，通過鍵、根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖

32、TiACBUFaj7733Ri33一pLari 圖3-6受力簡圖計算轉(zhuǎn)矩公式為：PT = 9550 （ 3.5）n式中：T -該軸所承受的轉(zhuǎn)矩，N M ; P -該軸所傳遞的功率，KW ; n-該軸的轉(zhuǎn)速，rmin o由式2.4可得，當轉(zhuǎn)速最小時有：二 9550nmin=9550 1089 =26N400力Ft的計算公式為：P = F V (3.6)由式2.5可得，當速度V有最小值時有：Ft maxPminPdnmin1.0893.14 400 0.044=1194N但是Ft總二Ft1 - F壓，現(xiàn)在需要求出壓軸力F壓。由于次傳動是同步齒形帶，所 以壓軸力很小，現(xiàn)估算為50N則有：Ft 總=1

33、194+50=1244N求軸向力Fa的大?。河捎诖溯S為垂直放置，軸向力的大小主要與聯(lián)軸器、小帶 輪以及套筒的重量有關。估算軸向力為：Fa二G聯(lián)軸器 G小帶輪G套筒100 5020 = 170N、根據(jù)圖3-6以及以上計算，依次做出軸的剪力圖、彎矩圖、扭矩圖如圖3-7所示：剪力圖：Fs(N)AACBX -R2(a)由這些應力圖可以判定截面 強度條件為：C為危險截面按照第三強度理論，則有軸的彎扭組合彎矩圖:T(N)(c)圖3-7剪力圖、彎矩圖、扭矩圖-ca二 m2(t)2 J(3.7 )式中：匚ca-軸的計算應力，MPa ；W-軸的抗彎截面系數(shù)，mm3，計算公式見表3-3:；T -軸所售的彎矩，N

34、mm ；M -軸所受的彎矩，N mm ；軸的彎曲許用應力，其值可以查表 3-3得到；-折算系數(shù)，當扭轉(zhuǎn)應力為對稱循環(huán)應力時，-：1 O 由上面計算可得：M c = Ri I ac =622 33 = 20526N mm;Tc -9550 Pnmin= 9550 1.089 =26000N mm。400則有：M 2 ( T)2Cca205262260002-54MPa ；其中查機械設計表15-4得:廠2bt(d-t) ，b =5mm,t =3mm, d =19.4mm。32 2d查機械設計表15-1可得，直徑為20mm材料為調(diào)質(zhì)處理的45鋼的需用應 力卜J-60MPa，由于匚ca冬4 J，所以此

35、軸強度滿足要求。表3-3抗彎、抗扭截面系數(shù)計算公式（部分）截面WW田33& 0.1d32江d3廠腫fc 0.2d1633叱(104)71d3(1 B4)32列(1 P4 0.2(1 B4)16P =巴d大P =巴d大32叱3 bt(d -1)2322db:鍵寬，t:鍵深32nd3 bt(d t)2162db:鍵寬，t:鍵深、軸的剛度校核 彎曲剛度校核計算:軸在載荷作用下會發(fā)生彎曲變形或扭轉(zhuǎn)變形，如果這些變形超出了一定范圍就會 影響軸系部件的正常工作，致使機床產(chǎn)生震動、噪音。例如，如果軸的彎曲剛度不足 就會引起軸的撓度或轉(zhuǎn)角過大，造成主軸箱內(nèi)部齒輪不能正確嚙合，沿齒寬方向力的 分布不均性更為嚴重

36、。軸的剛度校核一般是用撓度和轉(zhuǎn)角的大小來衡量，其值不允許大于允許值。Ldv鳥i4由于本設計的軸不是光軸，不能直接應用材料力學的計算公式， 需要把階梯軸各 個直徑折算成當量直徑dv:3.8)式中：dv-當量直徑，mm ;L-階梯軸的計算長度,L=l(支撐跨距);li-階梯軸的各段長度， di-階梯軸的各段直徑, z-階梯軸的軸段數(shù)。mm，當載荷作用于兩支撐中間時,mm ；mm ；13mmJ66一 4 6720401012144 174 1944 2284 204由材料力學表6.1的在此軸形式下得最大撓度和端截面轉(zhuǎn)角的計算公式分別為：Fl3Wmax48EI(3.9)(3.10)-Fl2 16EI其

37、中：l-軸的支撐跨距。假設材料的彈性模量E =210GPa，則有：33Fl31244 漢 663wmax0.025mm48EI 48 210 1401Fl16EI1244 66216 210 1401-0.00115rad軸的剛度校核條件為：撓度：w乞W】(3.11 )轉(zhuǎn)角：八：I(3.12)式中：WL軸的需用撓度，mm,其值查表3-4 ;b-軸的需用轉(zhuǎn)角，rad，其值查表3-4.本設計對軸的要求為一般用途，所用的軸承為滾動軸承，所以通過上表可以求得:Wl = (0.0003 0.0005) l =0.0004 66 = 0.0264mm；匚 I - 0.0012rad 。由于：w A*結(jié)構(gòu)簡

38、單、工藝性好、易 于制造。但杲滾道與彎 菅吻合處不易于準確制造 而影響性能，應展支少。 、齒差調(diào)整預緊式如圖4-3 :圖中2為兩個內(nèi)齒輪，3為兩個外圓柱齒輪，2、 3相互嚙合用螺釘安裝于套筒1上，工作時將兩個內(nèi)齒輪取下，然后將兩個螺母向向 相反的方向旋轉(zhuǎn)一定的角度，從而達到調(diào)整預緊的作用。特點：預緊調(diào)整精度高。圖4-3齒差調(diào)整預緊式 、墊片調(diào)整預緊式如圖4-4 :調(diào)整墊片1的厚度使兩個螺母產(chǎn)生反向的拉力, 這樣就可以消除間隙。特點：結(jié)構(gòu)比較簡單、加工制造方便、剛度大。但是，在機器運轉(zhuǎn)過程中不方便調(diào)整。1b)a)圖4-4墊片調(diào)整預緊式、滾珠絲杠副的支承方式常用的支承方式如下： 、單推-單推式如圖

39、4-5所示，兩端都安裝止推軸承，承受軸向力圖4-5單推-單推式 、雙推-雙推式如圖4-6所示，兩端都安裝止推軸承和向心力軸承， 承受徑向力和軸向力。特點: 軸向剛度高、預拉緊安裝時須加載荷小，軸承壽命較高。適用于高速、高剛度、高精 度的場合。圖4-6雙推-雙推式 、雙推-簡支式如圖4-7所示，固定端安裝深溝球軸承和雙向推力軸承，承受徑向和軸向載荷。簡支端用深溝球軸承約束。特點：軸向剛度低，與螺母位置有關，雙推端可預緊拉伸 、雙推-自由式如圖4-8所示，固定端可以用深溝球軸承和雙向推力軸承組合或用圓錐滾子軸承。圖4-7雙推-簡支式圖4-8 雙推-自由式通過綜合考慮以上所介紹的，本次設計選擇外循環(huán)

40、墊片調(diào)整預緊的霜落滾珠絲杠 傳動，采用雙推-單推組合式支承方式。據(jù)圖結(jié)構(gòu)圖如 4-9所示。圖4-9本設計所用支承方式4.2進給系統(tǒng)的設計計算X軸滾珠絲杠的設計計算由于滾珠絲杠已經(jīng)標準化，我們只需要計算出本設計所需要的性能參數(shù)， 然后根 據(jù)計算選擇滿足本設計要求的標準絲杠即可。、最大動載荷的計算查機電一體化系統(tǒng)設計可得作用于絲杠軸向最大動載荷的計算公式為：式中：Fmax-最大工作載荷；fw-載荷系數(shù)（較小沖擊時為1.0-1.2 ；中等沖擊時為1.2-1.5 ； 較大沖擊時為1.5-2.5）；偉-硬度系數(shù)，其值可查機電一體化系統(tǒng)設計；L -壽命系數(shù)，單位106rad， L可按照下式進行計算：60n

41、T / 4 2 ）L io6（4.2）C 一 L fH fw Fmax(4.1)其中T為使用壽命時間(h),本設計為數(shù)控機床T=15000h ； n為滾珠絲桿的轉(zhuǎn) 速(r /min)。由于本設計使用的導軌為矩形導軌，由機床設計手冊可查的最大工作載荷的計算公式為：F = KFZ f (FX Fy G) (4.3)式中：G -工作臺的重量；Fx、Fy、Fz -切削力的三個分力，分別為垂直導軌分力、橫向力、切向力。 K-顛覆力矩影響系數(shù)，對于三角形和矩形導軌有K =1.11.15 ;f -當量摩擦因數(shù)，對于舉行導軌有f = 0.120.13。查機械加工手冊得：Fx =(0.10.6)Fz；Fy =(0.150.7)Fz (4.4 )對于Fz的大小在前面軸的校核時求得帶輪的切向力為1194N這里的Fz與其相差不大，現(xiàn)大約取整FZ =1200N由式4.3及4.4可得：Fmax =1.1 1200 0.12 0.7 1200 1421N滾