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畢業(yè)設(shè)計(論文)
XK5036 數(shù)控立式銑床總體
及垂直進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計
所在學(xué)院
專 業(yè)
班 級
姓 名
學(xué) 號
指導(dǎo)老師
年 月 日
摘 要
數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機(jī)床在當(dāng)今機(jī)械制造業(yè)中的重要地位和巨大效益，顯示了其在國家基礎(chǔ)工業(yè)現(xiàn)代化中的戰(zhàn)略性作用，并已成為傳統(tǒng)機(jī)械制造工業(yè)提升改造和實現(xiàn)自動化、柔性化、集成化生產(chǎn)的重要手段和標(biāo)志。數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機(jī)床的廣泛應(yīng)用，給機(jī)械制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品種類和檔次以及生產(chǎn)方式帶來了革命性的變化。數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代加工車間最重要的裝備。
本文的研究目標(biāo)是針對XK5036銑床的特點，在滿足生產(chǎn)的前提下，對原銑床做盡可能少的改動，利用數(shù)控系統(tǒng)控制銑床運(yùn)動，實現(xiàn)工作臺X、Y、Z的三坐標(biāo)控制及任意三軸的聯(lián)動控制，提高銑床的加工精度和自動化水平，完成銑床的數(shù)控化改造。
根據(jù)經(jīng)濟(jì)性原則和生產(chǎn)的需要，采用的總體方案為：拆除機(jī)床工作臺X、 Y、 Z軸原進(jìn)給系統(tǒng)。將滑動絲杠副更換為滾珠絲杠副，并改裝減速齒輪箱、減速齒輪、步進(jìn)電機(jī)。采用步進(jìn)電機(jī)減速齒輪帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，并通過絲杠螺母副帶動工作臺轉(zhuǎn)動。首先進(jìn)行切削力的計算，然后根據(jù)切削力的大小計算絲杠的強(qiáng)度、剛度，再結(jié)合效率計算校核所選絲杠。選擇合適的滾珠絲杠安裝方式。之后進(jìn)行齒輪傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)所選步進(jìn)電機(jī)的步距角、脈沖當(dāng)量，結(jié)合公式計算出減速比，選擇合適的齒輪，根據(jù)所選齒輪的參數(shù)計算出齒輪的轉(zhuǎn)動慣，再結(jié)合絲杠的轉(zhuǎn)動慣量，算出總的轉(zhuǎn)動慣量。最后進(jìn)行轉(zhuǎn)距的計算，計算負(fù)載和空載時的最大轉(zhuǎn)矩，根據(jù)最大轉(zhuǎn)矩選擇匹配的步進(jìn)電機(jī)。
關(guān)鍵詞：銑床，數(shù)控，伺服電機(jī)，滾珠絲杠
目 錄
摘 要 II
目 錄 III
第1章 數(shù)控機(jī)床發(fā)展概述 1
1.1國內(nèi)數(shù)控機(jī)床現(xiàn)狀 1
1.2 數(shù)控機(jī)床及其特點 2
1.2.1 數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床的區(qū)別 2
1.2.2 數(shù)控機(jī)床的適用范圍 3
1.3 數(shù)控機(jī)床的工藝范圍及加工精度 3
1.4 數(shù)控機(jī)床發(fā)展趨勢 4
第2章 數(shù)控機(jī)床總體方案的制訂及比較 6
2.1總體方案設(shè)計的內(nèi)容 6
2.2 數(shù)控銑床改造設(shè)計總體要求 7
2.3 數(shù)控銑床改造設(shè)計內(nèi)容 7
2.4 改造后的數(shù)控銑床功能分析 9
第3章 確定切削用量及選擇刀具 10
3.1刀具選擇 10
3.2切削用量確定 10
3.3切削三要素 11
3.4加工精度和表面粗糙度 11
3.5刀具材料 14
第4章 傳動系統(tǒng)圖設(shè)計 15
4.1 傳動系統(tǒng)設(shè)計 15
4.1.1 參數(shù)的擬定 15
4.1.2 傳動結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)網(wǎng)的選擇 15
4.1.3 轉(zhuǎn)速圖擬定 17
4.1.4 齒輪齒數(shù)的確定及傳動系統(tǒng)圖的繪制 20
4.2 傳動件的估算與驗算 24
4.2.1 傳動軸的估算和驗算 24
4.2.2 齒輪模數(shù)的估算與驗算 27
4.3 展開圖設(shè)計 32
4.3.1 結(jié)構(gòu)實際的內(nèi)容及技術(shù)要求 32
4.3.2 齒輪塊的設(shè)計 33
4.3.3 傳動軸設(shè)計 35
4.3.4 主軸組件設(shè)計 38
4.4 制動器設(shè)計 43
4.5 截面圖設(shè)計 44
4.5.1 軸的空間布置 44
4.5.2 潤滑 45
4.5.3 箱體設(shè)計的有關(guān)問題 46
第5章 主要部裝圖（垂直進(jìn)給系統(tǒng)）的設(shè)計與計算 47
5.1設(shè)計方案的確定 47
5.2 垂直(Z向)進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計 48
5.3 升降臺自動平衡裝置 50
第6章硬件電路圖的設(shè)計 52
6.1微機(jī)控制系統(tǒng)組成及特點 52
6.1.1微機(jī)控制系統(tǒng)的組成 52
6.1.2微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的特點 52
6.2微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)備介紹 53
6.2.1主控制器CPU的選擇 53
6.2.2存儲器電路的擴(kuò)展 54
6.2.3 I/O口電路的擴(kuò)展 55
6.2.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路 55
6.2.5其它輔助電路設(shè)計 56
6.3程序部分 57
致 謝 62
參考文獻(xiàn) 63
第1章 數(shù)控機(jī)床發(fā)展概述
從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面。1.高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢2.軸聯(lián)動加工和復(fù)合加工機(jī)床快速發(fā)展3.智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢4.重視新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的建立其中包括：a.關(guān)于數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)規(guī)范b. 關(guān)于數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)規(guī)范，加強(qiáng)數(shù)控銑床的整機(jī)設(shè)計中應(yīng)該把握的主要問題的訓(xùn)練。
1.1國內(nèi)數(shù)控機(jī)床現(xiàn)狀
近年來，隨著機(jī)床工業(yè)的發(fā)展，我國機(jī)床——“工作母機(jī)”一直保持兩位數(shù)的增長。2003年的產(chǎn)值達(dá)到260億元，產(chǎn)量居世界第四。我國的機(jī)床消費超過59億美元，首次躍居世界第一，產(chǎn)值水平260億元，消費超出220多億元。其差額自然只有靠進(jìn)口。據(jù)海關(guān)統(tǒng)計，2003年我國進(jìn)口機(jī)床產(chǎn)品金切機(jī)床及鍛壓設(shè)備各約31.5億美元，又是一個“世界第一”而全行業(yè)出口僅為3.1億美元。出口的數(shù)控機(jī)床品種以中低檔為主。機(jī)床業(yè)現(xiàn)狀可以用“三大一小”一一消費大國、生產(chǎn)大國、進(jìn)口大國和出口小國來概括。
“母機(jī)”水平看“數(shù)控”。1992年我國年產(chǎn)數(shù)控機(jī)床僅4200多臺。到2003年這一數(shù)字已為2.48萬多臺.比上年增長了41.6%。 10年來，我國數(shù)控金切機(jī)床產(chǎn)量翻了兩番多.數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品開發(fā)加快，一批反映當(dāng)前世界數(shù)控機(jī)床發(fā)展潮流的高檔次數(shù)控機(jī)床問世，如直線電機(jī)驅(qū)動加工中心、五軸車銑復(fù)合中心、五軸龍門加工中心等。建立了以中、低檔次數(shù)控機(jī)床為主的產(chǎn)業(yè)體系和高檔次數(shù)控機(jī)床的研發(fā)和生產(chǎn)體系，可以說，我國機(jī)床業(yè)整體素質(zhì)有了明顯提高。但與發(fā)達(dá)國家相比，我國機(jī)床數(shù)控化率還不高，目前生產(chǎn)產(chǎn)值數(shù)控化率還不到30%;消費值數(shù)控化率還不到50%,而發(fā)達(dá)國家大多在76%左右。高檔次的數(shù)控機(jī)床及配套部件只能靠進(jìn)口.
我國企業(yè)的數(shù)控機(jī)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。這些數(shù)控機(jī)床，除少量機(jī)床以FMS模式集成使用外，大都處于單機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并且相當(dāng)部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài).
1.2 數(shù)控機(jī)床及其特點
1.2.1 數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床的區(qū)別
數(shù)控機(jī)床對零件的加工過程，是嚴(yán)格按照加工程序所規(guī)定的參數(shù)及動作執(zhí)行的。它是一種高效能自動或半自動機(jī)床，與普通機(jī)床相比，具有以下明顯特點：
1. 適合于復(fù)雜異形零件的加工
數(shù)控機(jī)床可以完成普通機(jī)床難以完成或根本不能加工的復(fù)雜零件的加工，因此在宇航、造船、模具等加工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。
2. 加工精度高
3. 加工穩(wěn)定可靠
實現(xiàn)計算機(jī)控制，排除人為誤差，零件的加工一致性好，質(zhì)量穩(wěn)定可靠。
4. 高柔性
加工對象改變時，一般只需要更改數(shù)控程序，體現(xiàn)出很好的適應(yīng)性，可大大節(jié)省生產(chǎn)準(zhǔn)備時間。在數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)上，可以組成具有更高柔性的自動化制造系統(tǒng)—FMS。
5. 高生產(chǎn)率
數(shù)控機(jī)床本身的精度高、剛性大，可選擇有利的加工用量，生產(chǎn)率高，一般為普通機(jī)床的 3～5 倍，對某些復(fù)雜零件的加工，生產(chǎn)效率可以提高十幾倍甚至幾十倍。
6. 勞動條件好
機(jī)床自動化程度高，操作人員勞動強(qiáng)度大大降低，工作環(huán)境較好。
7. 有利于管理現(xiàn)代化
采用數(shù)控機(jī)床有利于向計算機(jī)控制與管理生產(chǎn)方面發(fā)展，為實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化創(chuàng)造了條件。
8. 投資大，使用費用高
9. 生產(chǎn)準(zhǔn)備工作復(fù)雜
由于整個加工過程采用程序控制，數(shù)控加工的前期準(zhǔn)備工作較為復(fù)雜，包含工藝確定、程序編制等。
10. 維修困難
數(shù)控機(jī)床是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，技術(shù)含量高，對維修人員的技術(shù)要求很高。
1.2.2 數(shù)控機(jī)床的適用范圍
由于數(shù)控機(jī)床的上述特點，適用于數(shù)控加工的零件有：
·批量小而又多次重復(fù)生產(chǎn)的零件；
·幾何形狀復(fù)雜的零件；
·貴重零件加工；
·需要全部檢驗的零件；
·試制件。
對以上零件采用數(shù)控加工，才能最大限度地發(fā)揮出數(shù)控加工的優(yōu)勢。
1.3 數(shù)控機(jī)床的工藝范圍及加工精度
數(shù)控銑床是一種高精度、高效率的自動化機(jī)床，也是使用數(shù)量最多的數(shù)控機(jī)床，約占數(shù)控機(jī)床總數(shù)的25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、輪廓形狀復(fù)雜的軸類、盤類等回轉(zhuǎn)體零件的加工，能夠通過程序控制自動完成園柱面、圓錐面、圓弧面和各種螺紋的切削加工，并能進(jìn)行切槽、鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔等加工。
由于數(shù)控銑床具有加工精度高、能作直線和圓弧插補(bǔ)功能，有些數(shù)控銑床還具有非圓曲線插補(bǔ)功能以及加工過程中具有自動變速功能等特點，所以它的工藝范圍要比普通銑床要寬得多。
1.精度要求高的回轉(zhuǎn)體零件
由于數(shù)控銑床剛性好，制造和對刀精度高，以及能方便和精確地進(jìn)行人工補(bǔ)償和自動補(bǔ)償，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以銑代磨。
2.表面粗糙度要求高的回轉(zhuǎn)體零件
數(shù)控銑床具有恒線速切削功能，能加工出表面粗糙度小的均勻的零件。使用恒線速切削功能，就可選用最佳速度來切削錐面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小又一致。數(shù)控銑床還適合加工各表面粗糙度要求不同的工件。粗糙度要求大的部位選用較大的進(jìn)給量，要求小的部位選用小的進(jìn)給量。
3.輪廓形狀特別復(fù)雜和難于控制尺寸的回轉(zhuǎn)體零件
由于數(shù)控銑床具有直線和圓弧插補(bǔ)功能，部分銑床數(shù)控裝置還有某些非圓曲線和平面曲線插補(bǔ)功能，所以可以加工形狀特別復(fù)雜或難于控制尺寸的的回轉(zhuǎn)體零件。
1.4 數(shù)控機(jī)床發(fā)展趨勢
1. 高速、高效、高精度、高可靠性
（1） 高速、高效加工
進(jìn)入21世紀(jì)，機(jī)床向高速化方向發(fā)展:大幅度提高加工效率、降低加工成本，提高零件的表面加工質(zhì)量和精度.上世紀(jì)90年代以來歐、美、日各國爭相開發(fā)應(yīng)用新一代高速數(shù)控機(jī)床，加快機(jī)床高速化發(fā)展步伐。
（2）高精度、超精密化加工
當(dāng)前，機(jī)械加工高精度的要求較普通的加工精度提高了一倍.達(dá)到5微米;精密加工精度提高了兩個數(shù)量級，超精密加工精度進(jìn)入納米級(0.001微米)，主軸回轉(zhuǎn)精度要求達(dá)到0.01-0.05微米，加工圓度為0.1微米加工表面粗糙度Ra0.003微米等從精密加工發(fā)展到超精密加工〔特高精度加工)，是世界各工業(yè)強(qiáng)國致力發(fā)展的方向。其精度從微米級到亞微米級，乃至納米級(<10nm).其應(yīng)用范圍日趨廣泛
（3）高可靠性
是指數(shù)控系統(tǒng)的可靠性要高于被控設(shè)備的可靠性在一個數(shù)量級以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是適度可靠對于每天工作兩班的無人工廠而言，如果要求在16小時內(nèi)連續(xù)正常工作，無故障率P(t)=99%以上的話，則數(shù)控機(jī)床的平均無故障運(yùn)行時間MTBF 就必須大于3000小時.當(dāng)前國外數(shù)控裝置的MIBF值已達(dá)60000小時以上，驅(qū)動裝置達(dá)30000小時以上.
2. 模塊化、智能化、柔性化和集成化
(1)模塊化、專門化與個性化
為了適應(yīng)數(shù)控機(jī)床多品種、小批量的特點.機(jī)床結(jié)構(gòu)模塊化，數(shù)控功能專門化，機(jī)床性能價格比顯著提高并加快優(yōu)化。個性化是近幾午來特別明顯的發(fā)展趨勢.
(2)智能化
在數(shù)控系統(tǒng)中智能化的內(nèi)容包括①為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化:如自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動生成:②為提高驅(qū)動性能及使用連接方便方面的智能化，如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算等:③簡化編程、簡化操作方面的智能化:④智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容等。
(3)柔性化和集成化
數(shù)控機(jī)床向柔性自動化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是從點(數(shù)控單機(jī)、加工中心和數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床) 、線(FMC 、FMS F、TL F、ML)向面(工段車間獨立制造島、工廠自動化FA)、體(CIMS,分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng))的方向發(fā)展，另一方面向注重應(yīng)用性和經(jīng)濟(jì)性方向發(fā)展.
3. 開放性
為適應(yīng)數(shù)控進(jìn)線、聯(lián)網(wǎng)、普及型個性化、多品種、柔性化及數(shù)控迅速發(fā)展的耍求，最重耍的發(fā)展趨勢是體系結(jié)構(gòu)的開放性，設(shè)計生產(chǎn)開放式的數(shù)控系統(tǒng)，例如美國的OMAC,歐共體的OSACA及日本的OSEC發(fā)展開觸式數(shù)控的計劃等。
第2章 數(shù)控機(jī)床總體方案的制訂及比較
2.1總體方案設(shè)計的內(nèi)容
針對XK5036銑床的特點，在滿足生產(chǎn)的前提下，對原銑床做盡可能少的改動，利用數(shù)控系統(tǒng)控制銑床運(yùn)動，實現(xiàn)工作臺X、Y、z軸的三坐標(biāo)控制及任意三軸的聯(lián)動控制，提高銑床的加工精度和自動化水平，完成銑床的數(shù)控化改造
數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定應(yīng)包括以下內(nèi)容:系統(tǒng)運(yùn)動方式的確定、伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動方式的確定、計算機(jī)系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。
將一臺XK5036普通升降臺立式銑床，改造成三坐標(biāo)控制，三軸聯(lián)動加工的數(shù)控銑床，用以實現(xiàn)平面、凸輪、溝槽、圓弧槽等復(fù)雜零件的自動銑削加工。
根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求，有三種方案可供選擇：
方案一：將工作臺升降(Z向)、縱向(X向)、橫向(Y向)的進(jìn)給改為微機(jī)控制，實現(xiàn)三坐標(biāo)控制,三坐標(biāo)聯(lián)動的開環(huán)控制。
方案二:將主軸升降(Z向)、縱向(X向)、橫向(Y向)的進(jìn)給改為微機(jī)控制，實現(xiàn)三坐標(biāo)控制，任意兩坐標(biāo)聯(lián)動的開環(huán)控制。
方案三:僅將工作臺X、Y軸進(jìn)給運(yùn)動改為微機(jī)控制，實現(xiàn)兩坐標(biāo)控制，兩坐標(biāo)軸聯(lián)動的開環(huán)控制
對上述三個改造方案綜合考慮，結(jié)合銑床升降臺需要修理等實際情況.在符合經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造一般原則的前提下選擇確定第一方案，其具體方案如下:
(1)拆除機(jī)床工作臺X、 Y、 Z軸原進(jìn)給系統(tǒng)。將滑動絲杠副更換為滾珠絲杠副，并改裝減速齒輪箱、減速齒輪、步進(jìn)電機(jī)。對機(jī)床傳動系統(tǒng)設(shè)計計算，選擇合適的滾珠絲杠安裝方式。完成齒輪傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計，步進(jìn)電機(jī)選擇等，垂向工作臺傳動升降機(jī)構(gòu)在更換滾珠絲杠后會因失去自鎖而自動下滑.必須增加平衡裝置和制動裝置。
(2)選擇經(jīng)濟(jì)型開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)、實現(xiàn)機(jī)床工作臺X、Y、Z軸3/3數(shù)控。主軸的部分?jǐn)?shù)控功能要求X、Y、Z向步進(jìn)精度為O.OO5/0.005/0.O1mm/setp;軸向定位精度0.015 mm;重復(fù)定位精度0.008 mm。
2.2 數(shù)控銑床改造設(shè)計總體要求
數(shù)控銑床改造設(shè)計主要考慮以下四方面因素：
(1) 經(jīng)濟(jì)性
既然是用于普通銑床的數(shù)控化改造，因此，必須充分考慮系統(tǒng)的成本，這是保證達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計目的關(guān)鍵。這里的成本包括數(shù)控系統(tǒng)，主傳動系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)及機(jī)械傳動系統(tǒng)等。
(2) 方便性
數(shù)控系統(tǒng)的方便性主要反映在系統(tǒng)的人機(jī)界面。人機(jī)界面應(yīng)當(dāng)對用戶友好，對此系統(tǒng)應(yīng)從以下幾個途徑來體現(xiàn)：
漢化按鍵，方便各種層次的操作者使用。
輸入、檢索、修改盡量一體化。即輸入時可以檢索、修改，檢索時可以修改、輸入，并且自動顯示程序段號。
快速檢索，即能對程序進(jìn)行上下翻頁顯示。
(3) 實用性
經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計不應(yīng)追求功能的大而全，應(yīng)以實用為原則。一般的機(jī)械加工只要能具有以下功能即可滿足需要：
直線、圓弧插補(bǔ)。
插補(bǔ)速度要充分考慮被改造機(jī)床本身的內(nèi)在素質(zhì)，如剛性、抗震性、耐磨性等，不宜過高。
速度銜接技術(shù)，即速度升/降速控制。速度銜接技術(shù)可以保證系統(tǒng)在加工過程中實現(xiàn)2段程序問的速度平滑連接，從而避免造成加工刀痕，保證精度。
變頻調(diào)速。
加工程序的掉電保護(hù)能力。
(4) 可靠性
由于數(shù)控系統(tǒng)工作環(huán)境十分惡劣，必須有足夠的可靠性才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。
2.3 數(shù)控銑床改造設(shè)計內(nèi)容
(1) 主傳動系統(tǒng)設(shè)計
拆除機(jī)床主軸，重新設(shè)計主軸。為了保證主軸在運(yùn)動時有準(zhǔn)確的定位，安裝主傳動的定位檢測裝置。采用電氣式主軸準(zhǔn)停裝置，利用磁力傳感器檢測定位。只要數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令信號，主軸就可以準(zhǔn)確的定位。這種磁力傳感器的工作原理是，在主軸上裝上永磁鐵和主軸一起旋轉(zhuǎn)，在距離磁鐵l-2mm的旋轉(zhuǎn)軌跡外，固定一個磁傳感器，當(dāng)傳感器發(fā)出信號后經(jīng)過放大，由定向電路使電動機(jī)準(zhǔn)確的停止在規(guī)定的周向位置上。將主傳動改為采用變頻交流電動機(jī)無級調(diào)速。低檔轉(zhuǎn)速為270-1500r/min，高檔轉(zhuǎn)速為1500-4500r/min，在各檔內(nèi)可以實現(xiàn)無級調(diào)速。與原立式銑床的機(jī)械結(jié)構(gòu)相比比較簡單，這是因為變速功能全部或大部分由主軸電動機(jī)的無級調(diào)速來承擔(dān)，省去了復(fù)雜的齒輪變速機(jī)構(gòu)，主傳動系統(tǒng)是一個開環(huán)控制的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，通過軟件來實現(xiàn)它的調(diào)速。
(2) 進(jìn)給傳動系統(tǒng)設(shè)計
縱向、橫向、垂向進(jìn)給箱齒輪全部拆除，拆除縱向、橫向、垂向進(jìn)給手柄，在該處將手輪軸通過一對減速齒輪和縱向、橫向及垂向步進(jìn)電機(jī)相連。絲杠拆去，換上滾珠絲杠，并由齒輪箱與滾珠絲杠連接，使改造后的機(jī)床的機(jī)械傳動部分具有高靜態(tài)、動態(tài)剛度；運(yùn)動副之間的摩擦因數(shù)小，傳動無間隙；功率大；便于操作和維修。改造后的XK5036銑床傳動示意圖如圖1.1所示，其定位精度為±0.01mm，重復(fù)定位精度為±0．005mm。X、Y電機(jī)能夠拖動工作臺以6-3200r／min的切削進(jìn)給速度進(jìn)行x向、Y向運(yùn)動，Z向電機(jī)能使主軸箱獲得3-1600r／min的進(jìn)給速度。
(3) 數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計
采用AT89C58單片機(jī)控制系統(tǒng)。采用模塊化設(shè)計方案，從總體上分為人機(jī)界面模塊、坐標(biāo)進(jìn)給模塊、變頻調(diào)速控制模塊、串行通信模塊、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)及基于89C58單片機(jī)的主控模塊。利用變頻調(diào)速的原理，設(shè)計主軸的無級變頻調(diào)速系統(tǒng)；通過插補(bǔ)算法，實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的準(zhǔn)確定位以便達(dá)到工件的精確度；通過鍵盤和顯示模塊，實現(xiàn)程序的編輯和顯示；通過其他輔助系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)機(jī)床功能的完善化。
1—雙聯(lián)齒輪 2—雙聯(lián)齒輪 3—齒輪軸 4—主軸電機(jī) 5—齒輪 6—主軸齒輪 7—主軸齒輪 8—縱向滾珠絲杠 9—薄片齒輪 10—縱向步進(jìn)電機(jī) 11—橫向步進(jìn)電機(jī)12—薄片齒輪 13—橫向滾珠絲杠 14—垂直步進(jìn)電機(jī) 15—薄片齒輪16—圓錐齒輪 17—垂直進(jìn)給絲杠
圖1.1 XK5036銑床傳動示意圖
2.4 改造后的數(shù)控銑床功能分析
根據(jù)設(shè)計要求，改造后的數(shù)控銑床應(yīng)具有以下功能：
以實現(xiàn)程序的存儲和編輯功能；
以實現(xiàn)主傳動系統(tǒng)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速分為兩檔，并在各檔內(nèi)可以實現(xiàn)無級調(diào)速；
可以在平面或空間范圍內(nèi)按設(shè)定曲線(直線、圓弧等)恒速或變速運(yùn)行；
以實現(xiàn)數(shù)值的任意設(shè)定并顯示；
以實現(xiàn)輔助控制系統(tǒng)的任意起停和故障報警；
以實現(xiàn)與上位機(jī)的通訊。
63
第3章 確定切削用量及選擇刀具
3.1刀具選擇
（一）刀具選擇：
銑平面：硬質(zhì)合金端銑刀或立銑刀，盡是采用二次走刀。
凸臺、凹槽、箱口面：立銑刀。
毛坯表面或粗加工孔：鑲硬質(zhì)合金刀片的玉米銑刀（粗皮刀）。
立體型面和變斜角輪廓外形：球刀、環(huán)形刀、錐形刀、盤形刀。
（二）原則：
安裝調(diào)整方便、剛性好、耐用和精度高。盡是用較短刀柄，保證剛性。
（三）排序原則
減少刀具數(shù)量；
裝夾一次，盡是加工完；
即使刀具規(guī)格相同，粗、精加工刀具分開；
先銑后鉆；
精加工，先曲面后二維輪廓；
盡可能自動換刀。
3.2切削用量確定
粗：效率；半精、精：質(zhì)量、兼顧效率。
1、主軸轉(zhuǎn)速n：根據(jù)線速度v確定：π
V= (端銑：150m/min；周銑：30m/min)
2、切深t：最好是t等于加工余量。
3、切寬L：與刀具直徑成正比，與切深成反比。
L＝0.6－0.9d
粗加工：大切深、大進(jìn)給、低切速。
精加工：小切深、小進(jìn)給、高切速。
3.3切削三要素
主軸轉(zhuǎn)速、切削深度、進(jìn)給速度。少切削，快進(jìn)給。
3.4加工精度和表面粗糙度
1、加工精度：尺寸精度、形狀精度、位置精度。
（1）尺寸精度：公差與配合國家標(biāo)準(zhǔn)（GB1800－1804-97）。IT01、IT0、IT1、IT2、IT18。
新公差等級與舊公差等級的對照及應(yīng)用
新公差等級
舊精度等級
加工方法
應(yīng)用
軸
孔
IT01－IT2
無
研磨
用于量塊、量儀制造
IT3－IT4
研磨
用于精密儀表、精密機(jī)件的光整加工
IT5
1
無
研磨、珩磨、精磨、精鉸、精拉
用于一般精密配合。IT7－IT6在機(jī)床和較精密的機(jī)器、儀器制造中用得最為普遍
IT6
2
1
IT7
3
2
磨削、拉削、鉸孔、精銑、精鏜、精銑、粉末冶金
IT8
3－4
IT9
4
銑、鏜、銑、刨、插
用于一般要求。主要用于長度尺寸的配合外，如鍵和鍵槽的配合
IT10
5
IT11
6
粗銑、粗鏜、粗銑、粗刨、插、鉆、沖壓、壓鑄
用于不重要的配合。IT12－IT13也用于非配合
IT12－IT13
7
IT14
8
沖壓、壓鑄
用于非配合
IT15－IT18
9－12
鑄、鍛、焊、氣割
?。?）形狀精度：零件上的線、面要素的實際形狀相對于理想形狀的準(zhǔn)確程度。
國家標(biāo)準(zhǔn)（GB1182－1184-80）規(guī)定了六項形狀公差：直線度、平面度、圓度、圓柱度、線輪廓度、面輪廓度。
?。?）位置公差：零件上點、線、面要素的實際位置相對于理想位置的準(zhǔn)確程度。
國家標(biāo)準(zhǔn)（GB1182－1184-80）規(guī)定了八項位置公差：
定向：平行度、垂直度、傾斜度。
定位：同軸度、對稱度、位置度。
跳動：圓跳動、全跳動。
2、表面粗糙度：表面上微小峰谷高低程度。國家標(biāo)準(zhǔn)（GB3503-83、GB1031－83、GB131-83）
輪廓算術(shù)平均偏差：
Ra＝ 或近似于Ra＝
微觀不平十點高度：
Rz＝(+)
在常用數(shù)值范圍內(nèi)（Ra＝0.25－6.3μm，Rz＝0.1－25μm），在圖樣上應(yīng)優(yōu)先選用Ra。
表面粗糙度Ra、Rz允許值及加工方法表
表面要求
表面特征
Ra(μm)
Rz(μm)
加工方法
舊國際光潔度級別代號
第1系列
第2系列
第1系列
第2系列
不
加
工
毛坯表面清除毛刺
1600
∽
1250
1000
800
630
500
100
400
粗
加
工
明顯可見的刀紋
80
320
粗銑
粗銑
粗刨
鉆
粗銼
▽1
63
250
50
200
可見刀紋
40
160
▽2
32
125
25
100
微見刀紋
20
80
▽3
16.0
63
12.5
50
半
精
加
工
可見加工痕跡
10
40
半精銑
精銑
精銑
精刨
粗磨
▽4
8
32
6.3
25
微見加工痕跡
5
20
▽5
4
16
3.2
12.5
不見加工痕跡
2.5
10
▽6
2
8
1.6
精
加
工
可辨加工痕跡的方向
1.25
6.3
精鉸
刮
精拉
精磨
▽7
1.00
5
0.8
4
微辨加工痕跡的方向
0.63
3.2
▽8
0.5
2.5
0.4
2.0
不辨加工痕跡的方向
0.32
1.6
▽9
0.25
1.25
0.2
1.00
精
密
加
工
暗光澤面
0.16
0.80
精密磨削
珩磨
研磨
超精加工
拋光
▽10
0.125
0. 63
0.1
0.50
亮光澤面
0.080
0.40
▽11
0.063
0.32
0.05
0.25
鏡狀光澤面
0.040
0.20
▽12
0.032
0.16
0.025
0.125
霧狀光澤面
0.020
0.10
▽13
0.016
0.080
0.012
0.063
鏡面
0.010
0.050
鏡面磨削
研磨
▽14
0.008
0.040
0.025
0.032
3.5刀具材料
碳素工具鋼T10A、T12A：HRC60-64,200 -250℃，V＜8m/min。
合金工具鋼CrWMn、9SiCr：350-400℃，V＜10m/min。
高速鋼W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2：HRC62-67，550-600℃，V＜30m/min；
110W1.5Mo9.5Cr4Vco8、W6Mo5Cr4V2Al：HRC68-70，＞600℃
4、硬質(zhì)合金：HRA89-93（HRC74-82），850-1000℃，V＝100-300m/min。
另外，還有新型硬質(zhì)合金、陶瓷材料、人造金剛石、立方氮化硼等。
第4章 傳動系統(tǒng)圖設(shè)計
4.1 傳動系統(tǒng)設(shè)計
XK5036數(shù)控立式銑床設(shè)計參數(shù)
1、主軸轉(zhuǎn)速：30-1500轉(zhuǎn)/分
2、工作臺尺寸(長×寬)： 1250mm×360mm
3、工作臺最大行程： 縱向 600mm 橫向 320mm 垂直 360mm
4、快速移動速度： 15m/min
工作臺定位精度 x、y、z ±0.03mm；
5、工作臺重復(fù)定位精度 x、y、z ±0.02mm；
6、縱向、橫向及垂直進(jìn)給為微機(jī)控制，采用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)驅(qū)動，滾珠絲
杠傳動，脈沖當(dāng)量0.010mm/脈沖。
7、實現(xiàn)功能：銑削平面、斜面、溝槽、齒輪等。
8、操作要求：起動、點動、單步運(yùn)行、自動循環(huán)、暫停、停止
4.1.1 參數(shù)的擬定
XK5036數(shù)控立式銑床選定公比，確定各級傳送機(jī)床常用的公比 為1.26或1.41，考慮適當(dāng)減少相對速度損失，這里取公比為 =1.26，根據(jù)給出的條件：主運(yùn)動部分Z=18級，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列表，確定各級轉(zhuǎn)速為：（30，37.5，47.5，60，75，95，118，150，190，235，300，375，475，600，750，950，1180，1500R/min）.
4.1.2 傳動結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)網(wǎng)的選擇
1，確定變數(shù)組數(shù)目和各變數(shù)組中傳動副的數(shù)目
該機(jī)床的變數(shù)范圍較大，必須經(jīng)過較長的傳動鏈減速才能把電機(jī)的轉(zhuǎn)速降到主軸所需的轉(zhuǎn)速。級數(shù)為Z的傳動系統(tǒng)由若干個傳動副組成，各傳動組分別有. .`````````個傳動副，即Z=```````。傳動副數(shù)由于結(jié)構(gòu)的限制，通常采用P=2或3，即變速Z應(yīng)為2或3的因子：Z=x
因此，這里18=3x3x2，共需三個變速組。
2，傳動組傳動順序的安排
18級轉(zhuǎn)速傳動系統(tǒng)的傳動組，可以排成：3x3x2，或3x2x3。
選擇傳動組安排方式時，要考慮到機(jī)床主軸變速率的具體結(jié)構(gòu)，裝置和性能。I軸如果安置制動的電磁離和器時，為減少軸向尺寸。第一傳動組的傳動副數(shù)不能多，以2為宜，有時甚至用一個定比傳動副；主軸對加工精度，表面粗糙度的影響很大，因此主軸上齒輪少些為好，最后一個傳動組的傳動副選用2 ，或一個定比傳動副。
這里，根據(jù)前多后少的原則，選擇18=3x3x2方案。
3，傳動系統(tǒng)的擴(kuò)大順序安排
對于18=3x3x2的傳動，有3！=6種可能安排，亦即有6種機(jī)構(gòu)副和對應(yīng)的結(jié)構(gòu)網(wǎng)，傳動方案中，擴(kuò)大順序與傳動順序可以一致，，結(jié)構(gòu)式18=xx的傳動中，擴(kuò)大順序與傳動順序一致，稱為順序擴(kuò)大傳動，而，18=xx的傳動順序不一致，根據(jù)“前密后疏”的原則，選擇18=xx的結(jié)構(gòu)式。
4驗算變速組的變速范圍
齒輪的最小傳動1/4，最大傳動比2，決定了一個傳動組的最大變速范圍=/
因此，可按下表，確定傳動方案：
根據(jù)傳動比及指數(shù) x, 的值
公比
極限值傳動比指數(shù)
1.26
x值: =1/=1/4
6
值: ==2
3
（x+）值：==8
9
因此，可選擇18=xx的傳動方案。
5、最后擴(kuò)大傳動組的選擇：
正常連續(xù)順序擴(kuò)大傳動（串聯(lián)式）的傳動式為：
Z=*
最后擴(kuò)大傳動組的變速范圍為：
r==
按原則，導(dǎo)出系統(tǒng)的最大收效Z和變速范圍為：
2
3
1.26
Z=18
R=50
Z=12
R=12.7
因此，傳動方案18=3*3*2符合上述條件，其結(jié)構(gòu)網(wǎng)如下圖4.1：
圖4.1 結(jié)構(gòu)網(wǎng)圖
4.1.3 轉(zhuǎn)速圖擬定
XK5036數(shù)控立式銑床運(yùn)動參數(shù)確定后，主軸各級轉(zhuǎn)速就已知，切削耗能確定電機(jī)功率。在此基礎(chǔ)上，選擇電機(jī)的型號，分配個變速組的最小傳動比；擬定轉(zhuǎn)速圖，確定各中間軸的轉(zhuǎn)速。
1，主電機(jī)的選擇
中型機(jī)床上，一般都采用交流異步電動機(jī)為動力源，可在下列中選用，在選擇電機(jī)型號時，應(yīng)注意：
（1）電機(jī)的N：
根據(jù)機(jī)床切削能力的要求確定電機(jī)功率，但電機(jī)產(chǎn)品的功率已標(biāo)準(zhǔn)化，因此，按要求應(yīng)選取相近的標(biāo)準(zhǔn)值。
（2）電機(jī)的轉(zhuǎn)速
異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速有：3000，1500，1000，750，r/min,這取決于電動機(jī)的極對數(shù)P
=60f/p=60x50/p ( r/min)
機(jī)床中最常用的是1500 r/min和3000r/min 兩種，選用是要使電機(jī)轉(zhuǎn)速與主軸最高速度和工軸轉(zhuǎn)速相近為宜，以免采用過大或過小的降速傳動。
根據(jù)以上要求，我們選擇功率為7.5KW，轉(zhuǎn)速為1500r/min的電機(jī)，查表，其型號為Y132M-4，其主要性能如下表
電機(jī)型號
額定功率KW
荷載轉(zhuǎn)速r/min
同步轉(zhuǎn)速r/min
Y132M-4
7.5KW
1440
1500
2、分配最小傳動比，擬定轉(zhuǎn)速圖
（1）軸的轉(zhuǎn)速：
軸從電機(jī)得到運(yùn)動，經(jīng)傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為主軸各級轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速和主軸最小轉(zhuǎn)速應(yīng)相近，顯然，從動件在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下功率工作時所受扭矩最小來考慮，軸轉(zhuǎn)速不宜將電機(jī)轉(zhuǎn)速降得太低。弱軸上裝有離合器等零件時，高速下摩檫損耗，發(fā)熱都將成為突出矛盾，因此，軸轉(zhuǎn)速也不宜也太高，軸轉(zhuǎn)速一般取700~1000r/min左右較合適。
因此，使中間變速組降速緩慢。以減少結(jié)構(gòu)的徑向尺寸，在電機(jī)軸I到主傳動系統(tǒng)前端軸增加一對26/54的降速齒輪副，這樣，也有利于變型機(jī)床的設(shè)計，改變降速齒輪傳動副的傳動比，就可以將主軸18級轉(zhuǎn)速一起提高或降低。
（2）中間軸的轉(zhuǎn)速
對于中間傳動軸的轉(zhuǎn)速的考慮原則是：妥善解決結(jié)構(gòu)尺寸大小和噪音，振動等性能要求之間的矛盾。
中間傳動軸轉(zhuǎn)速較高時，中間傳動軸和齒輪承受扭矩小，可以使軸徑和齒輪模數(shù)小些：
d, m從而可使結(jié)構(gòu)緊湊。但這樣引起空載功率和噪音加大：
=1/(3.5+cn)KW
式中：C——系數(shù)，兩支承滾動軸承和滑動軸承C=8.5，三支承滾動軸承C=10；
——所有中間軸軸徑的平均值；
——主軸前后軸徑的平均值
——中間傳動軸的轉(zhuǎn)速之和
n——主軸轉(zhuǎn)速（r/min）
=20lg-K
式中：（——所有中間傳動齒輪的分度圓直徑的平均值mm;
——主軸上齒輪分度圓直徑的平均值mm;
q——傳到主軸上所經(jīng)過的齒輪對數(shù)
——主軸齒輪螺旋角
,K——系數(shù)，根據(jù)機(jī)床類型及制造水平選取，我國中型車床，銑床=3.5，銑床K=50.5
從上述經(jīng)驗公式可知，主軸n和中間傳動軸的轉(zhuǎn)速和 對機(jī)床噪音和發(fā)熱的關(guān)系，確定中間軸轉(zhuǎn)速時，應(yīng)結(jié)合實際情況做相應(yīng)的修正。
a，對高速輕載或精密機(jī)床，中間軸轉(zhuǎn)速宜取低些
b,控制齒輪圓周速度v<8m/s(可用７級齒輪精度)，在此條件下，可適當(dāng)選用較高的中間軸轉(zhuǎn)速。
（3），齒輪傳動比的限制
機(jī)床主傳動系統(tǒng)中，齒輪副的極限傳動比：
a, 升速傳動中，最大傳動比 2 ，過大，容易引起振動的噪音。
b, 降速傳動中，最小傳動比 1/4。過小，則主動齒輪與被動齒輪的直徑相差太大將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)龐大。
（4）分配最小傳動比
a,決定軸V-VI和VI-的傳動比，根據(jù)臺式銑床的結(jié)構(gòu)特點，及對同類車床的比較，為使傳動平穩(wěn)取其傳動比為1，
b,決定各變速組的傳動比；
由前面2軸的轉(zhuǎn)速及中間軸轉(zhuǎn)速的分析，及齒輪傳動比的現(xiàn)在，根據(jù)“前緩后急”的原則，取軸IV-V的最小降速比為極限值的1/4，=1.26，=4，軸III-IV和軸II-III均取=1/
（5）擬定轉(zhuǎn)速圖：
根據(jù)結(jié)構(gòu)圖及結(jié)構(gòu)網(wǎng)圖及傳動比的分配，擬定轉(zhuǎn)速圖，如下圖4.2所示：
圖4.2 傳動系統(tǒng)圖
4.1.4 齒輪齒數(shù)的確定及傳動系統(tǒng)圖的繪制
1，齒輪齒數(shù)的確定的要求：
可用計算法或查表確定齒輪齒數(shù)，后者更為簡便，根據(jù)要求的傳動比u和初步定出的傳動副齒數(shù)和，查表即可求出小齒輪齒數(shù)：
選擇是應(yīng)考慮：
a,傳動組小齒輪不應(yīng)小于允許的最小齒數(shù)，即：
推薦：
對軸齒輪=12，特殊情況下=11，
對套裝在軸上的齒輪，=16，特殊情況下=14，
對套裝在滾動軸承上的空套齒輪，=20；
當(dāng)齒數(shù)少于不發(fā)生根切的最小齒數(shù)時（壓力角a=20的直齒標(biāo)準(zhǔn)，=17），一般需對齒輪進(jìn)行正變位修正。
b,保證強(qiáng)度和防止熱處理變形過大，齒輪齒根圓到鍵槽的壁厚，一般取則，如圖4.3所示。
c、同一傳動組的個齒輪副的中心矩應(yīng)相等。若摸數(shù)相等時，則齒數(shù)和亦相等，
但由于傳動比要求，尤其是在傳動中使用了公用齒輪后，常常滿足不了上述要求，
機(jī)床上可用修正齒輪，在一定范圍內(nèi)調(diào)整中心矩使其相等但修正量不能太大，一般齒數(shù)差不能夠超過3~4個齒。
2，變速傳動組中齒輪齒數(shù)的確定
為了減少齒輪數(shù)目和縮短變速箱的軸向尺寸，這里采用了公用齒輪。但由于公用齒輪的采用，使兩個傳動組間的傳動比互相牽制，不能獨立地按照最緊湊的原則決定傳動件的尺寸，因此，徑向尺寸一般較大，此外，公用齒輪的兩側(cè)齒面同時嚙合會影響其磨損和壽命。這里我們采用查表法來確定齒輪的齒數(shù)。查《機(jī)床設(shè)計手冊》確定個齒輪齒數(shù)如下：
軸II-III間變速齒輪齒數(shù)的確定：
由于公比=1.26，傳動比為=1/=，=1/=，=1/
設(shè)：傳動組中最小齒輪齒數(shù)=16，查《機(jī)床設(shè)計手冊》表7.3-14
可查得：=16/39 （0.1%），=19/36 （0.9%），=22/33 （-0.3%）
齒數(shù)和為=55
公用齒輪選為=39
軸III-IV間變速組齒輪齒數(shù)的確定：
傳動比為=1/ =1/ =
根據(jù)=，主動輪齒數(shù)為39，從表7.3-14可查得：=18/47 （-0.1%），=28/37 （0.9%），=39/26 （-0.3%）
齒數(shù)和為：=65
軸IV-V間變速組齒輪齒數(shù)的確定：
由于變數(shù)組齒輪傳動比和各傳動副上受力差別較大齒輪副的速度變化，受力差別較大，為了得到合理的結(jié)構(gòu)尺寸，可采用不同模數(shù)的齒輪副。
軸IV-V間的兩對齒輪，其傳動比為=1/4, =2分別取＝４，＝３則
／＝／＝3／4
?。耍?0，＝30x3=90, =30x4=120
按傳動比將齒數(shù)分配如下：
=1/4=18/7219/71 ，=2=80/4082/38軸V-VI及VI-VII間齒數(shù)確定，由于這兩個傳動組只是改變傳動方向，不起便速度作用，只需考慮其結(jié)構(gòu)尺寸及磨損振動和噪音等因素。，取V-VI軸間錐材料齒輪齒數(shù)為29，ＶI-VII軸間齒輪齒數(shù)為67。
3、主軸轉(zhuǎn)速系列的驗算：
主軸轉(zhuǎn)速在使用上并要求十分準(zhǔn)確，轉(zhuǎn)速稍高或稍低并無太大影響，但標(biāo)牌上標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列的數(shù)值一般也不允許與實際轉(zhuǎn)速相差太大。
由確定的齒輪齒數(shù)所得的實際轉(zhuǎn)速與傳動設(shè)計理論值難以完全相符，需要驗算主軸各級轉(zhuǎn)速，最大誤差不得超過即
%
主軸的各級實際轉(zhuǎn)速分別為：29.4，37.8，47.7，58，74.6，94.3，115，148，187，236.7，304.5，384.6，468，602，760，927，1192.6，1526.5 r/min
==2%
而%=2.6%故符合條件
同理：經(jīng)驗算，其他各級轉(zhuǎn)速也滿足要求。
4、傳動系統(tǒng)圖的繪制
轉(zhuǎn)速圖和齒輪齒數(shù)確定后，變速箱的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度也基本確定了（如齒輪個數(shù)，軸數(shù)，支承軸，為使變速箱的結(jié)構(gòu)緊湊，合理布置齒輪是一個重要的問題，因為它直接影響變速箱的尺寸，變速操作的方便性和結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的可行性問題，在考慮主軸適當(dāng)?shù)闹С芯嗪蜕釛l件下，一般應(yīng)盡可能減少變速箱尺寸。這里為使變速操作的方便，提高效率采用電磁離合器操縱方式。根據(jù)計算結(jié)果，繪制出傳動系統(tǒng)圖，如圖2.4所示
圖1.4 主傳動系統(tǒng)圖
主運(yùn)動傳動鏈的傳動路線表達(dá)式如下：
電動機(jī)I——II——III——IV—=V——VI——VIII（主軸）
4.2 傳動件的估算與驗算
4.2.1 傳動軸的估算和驗算
傳動軸除應(yīng)滿足強(qiáng)度要求外，還應(yīng)滿足剛度要求。強(qiáng)度要求保證軸在反復(fù)載荷和扭轉(zhuǎn)載荷作用下不發(fā)生疲勞破壞。機(jī)床主傳動系統(tǒng)精度要求高，不允許有較大的變形因此，疲勞強(qiáng)度一般不是主要矛盾，除載荷很大的情況下，可以不必驗算軸的強(qiáng)度。剛度要求保證軸在載荷下不致產(chǎn)生過大的變形（彎曲，失穩(wěn)，轉(zhuǎn)角）。若剛度不足，軸上的零件如齒輪，軸承等將由于軸的變形過大而不能正常工作，或產(chǎn)生振動和噪聲，發(fā)熱，過早磨損而失效。因此，必須保證傳動軸有足夠的剛度?？梢韵扰まD(zhuǎn)剛度估算軸的直徑，畫出草圖后，再根據(jù)受力情況，結(jié)構(gòu)布置和有關(guān)尺寸，驗算彎曲剛度。
1，傳動軸直徑的估算
傳動軸直徑按扭轉(zhuǎn)剛度用下列公式估算傳動軸直徑：
d=91mm
式中：N——該傳動軸的輸入功率
N= KW
——電機(jī)額定功率
——從電機(jī)到該傳動軸之間傳動件的傳動效率的乘積（不計該軸軸承上的效率）。
——該傳動軸的計算轉(zhuǎn)速；
計算轉(zhuǎn)速是傳動件能傳遞全部功率的最低轉(zhuǎn)速，各傳動件的計算轉(zhuǎn)速可以從轉(zhuǎn)速圖上，按主軸的計算轉(zhuǎn)速和相應(yīng)的傳動關(guān)系而確定，而中型車，銑床主軸的計算轉(zhuǎn)速為：
（主）=
——每米長度上允許的扭轉(zhuǎn)角（deg/m）;可根據(jù)傳動軸的要求選取。
對傳動軸剛度要求
允許扭轉(zhuǎn)角
主軸
一般傳動軸
較低的軸
（deg/m）
0.5-1
1-1.5
1.5-2
估算時應(yīng)注意：
（1）值為每米長度上允許的扭轉(zhuǎn)角，而估算的傳動軸的長度往往不足1m，因此，在計算時應(yīng)按軸的實際長度計算和修正，如軸為500mm，取=1deg/m則
d=91 mm
（2）效率y對估算軸徑d影響不大，可以忽略
（3）如使用花鍵是可根據(jù)估算的軸徑 d選取相近的標(biāo)準(zhǔn)花鍵軸的規(guī)格，主軸總軸徑可參考統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定；
1.5-2.8
2.8-4
4.5-7.5
5.5-7.5
7.5-11
車床
60-80
70-90
70-105
95-130
110-145
升降臺銑床
50-90
60-90
60-95
75-100
90-105
各軸的計算轉(zhuǎn)速：
=95 r/min
=118 m/min =300 r/min
=750 r./min =1450 r/min
軸徑的估算：
=91x=24.4
=91x=28.78 =91x=36.18
=91x =45.69 =91x=48.24
2、傳動軸剛度的驗算
（1）軸的彎曲變形的條件和允許值
機(jī)床的主傳動軸的彎曲剛度驗算，主要驗算軸上裝齒輪和軸承出的撓度y和傾角。各類軸的撓度y，裝齒輪和軸承處的傾角，應(yīng)小于彎曲剛度的許用值和，即
軸的彎曲變形的允許值：
軸的類型
允許撓度
變形部位
允許傾角
一般傳動軸
（0.0003~0.0005）
裝軸承處，裝齒輪處
0.0025 0.0001
剛度要求較高的軸
0.00021
裝單列圓錐磙子軸承
0.0006
安裝齒輪的軸
（0.01~0.03）
裝滑動軸承處
0.001
安裝蝸輪的軸
（0.02~0.05）
裝單列徑向圓錐磙子軸承處
0.001
（2）軸的彎曲復(fù)形計算公式：
計算花鍵軸的剛度時可采用平均直徑或當(dāng)量直徑
計算公式：矩形花鍵軸：平均直徑=（D+d）/2
當(dāng)量直徑 =
慣性矩： I=
4.2.2 齒輪模數(shù)的估算與驗算
1、 估算：
按接觸疲勞和彎曲強(qiáng)度計算次論模數(shù)比較復(fù)雜，而且有些系數(shù)只有在齒輪各參數(shù)都已知的情況先才能確定，所以只在草圖畫完之后校核用。在畫草圖之前，先估算，再選用標(biāo)準(zhǔn)齒輪模數(shù)。
齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度的估算：
mm
齒面點蝕的估算：
A mm
其中 為大齒輪的計算轉(zhuǎn)速，A為齒輪中心矩，由中心矩A及齒數(shù)，求出模數(shù)
=2A/ mm
根據(jù)估算所得和中較大的值，選擇相近的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)，
各齒輪的計算轉(zhuǎn)數(shù)為：
=1450r/min =695r/min =300r/min 235r/min =95r/min =273r/min =235r/min =695r/min =475r/min =118r/min =695r/min =695r/min =300r/min
=300r/min =118r/min
軸I—II間傳動組齒輪模數(shù)的估算
齒輪彎曲疲勞估算：
=32=1.87
齒輪點蝕的估算：
A=370x =81.76 mm
=2A/=2x81.76/(26+54)=2.04 mm
所以模數(shù)為m=3.
軸II—III傳動組齒輪模數(shù)的估算
齒輪彎曲疲勞估算：
=32=2.759
齒面點蝕估算：
A=370x =108.18
=2A/=2x108.18/(16+39)=3.93 mm
取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) m=4
軸III—IV間傳動組齒輪模數(shù)的估算
齒輪彎曲疲勞估算：
=32x=3.046
齒面點蝕估算：
A=370x =117.3
=2A/=2x147.3/(28+37)=3.61
所以取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m=4mm。
軸V—VI間傳動組齒輪模數(shù)的估算：
齒輪彎曲疲勞計算，
4.46
齒面點蝕估算：
Ax=153.4
=2A/=2x153.4/(29+29)=5.29
取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)值m=5,軸VI—VII間齒輪模數(shù)的確定：
齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度計算：
齒面點蝕估算：
Ax =158.7
=2A/=2x158.7/(67+67)=2.37
取模數(shù)值為m=4。
2、計算（驗算）
結(jié)構(gòu)確定后，齒輪的工作條件：空間安排，材料和精度等級都已經(jīng)確定，才可以核驗齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度值是否滿足要求。
根據(jù)接觸疲勞強(qiáng)度計算齒輪模數(shù)的公式：
= mm
根據(jù)彎曲疲勞強(qiáng)度計算齒輪模數(shù)，公式：
= mm
式中：N——計算齒輪傳遞的額定功率N= KW
——計算齒輪的計算轉(zhuǎn)速r/min
——齒寬系數(shù)=b/m, 常取6-10；
——大齒輪與小齒輪齒數(shù)，一般取傳動中最小齒輪的齒數(shù)
i——大齒輪與小齒輪的傳動比， i=/1; “+”用于外嚙合，“-”用于內(nèi)嚙合
——壽命系數(shù)，=，
——工作期限系數(shù)，=
齒輪等傳動件在接觸和彎曲交變載荷下的指數(shù)m和基準(zhǔn)循環(huán)次數(shù)
n——齒輪的最低轉(zhuǎn)速 r/min
T——預(yù)先的齒輪工作期限，中型機(jī)床推薦：T=15000~20000h;
——轉(zhuǎn)速變化系數(shù)
——功率利用系數(shù)
——材料強(qiáng)化系數(shù)，幅值低的交變載荷可使金屬材料的晶粒邊界強(qiáng)化，起阻止疲勞的刃縫擴(kuò)大的作用
——工作情況系數(shù)，中等沖擊的主運(yùn)動，=1.2~1.6；
——動載荷系數(shù)
——齒向載荷分布系數(shù)
——齒形系數(shù)
——許用彎曲，接觸應(yīng)力MPa;
1、軸I-II間齒輪模數(shù)的計算(驗算)
(1)按接觸疲勞計算齒輪模數(shù):
N=y=0.987.5=7.35W
=8
查表: 取
則
取
線速度
查表: 取
查表 取
查表取 .
因此:
(2) 根據(jù)彎曲疲勞計算
查表取 :
而
查表取 .
Y=0.43,
因此: 。
由以上計算結(jié)果知，齒輪模數(shù)合格。
2、其它齒輪模數(shù)的驗算
其它齒輪的驗算過程與上面相同，將有關(guān)數(shù)值代入上式，經(jīng)計算均滿足要求；
4.3 展開圖設(shè)計
4.3.1 結(jié)構(gòu)實際的內(nèi)容及技術(shù)要求
1．設(shè)計內(nèi)容：
設(shè)計主軸變速箱的結(jié)構(gòu)包括傳動件（傳動軸，軸承，齒輪，離合器和制動器等），主軸組件，操縱機(jī)構(gòu)，潤滑密封系統(tǒng)和箱體及其連接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計與布置，用一張展開圖和若干張橫截面圖表示。
2．技術(shù)要求
主軸變速箱是指機(jī)床的主要部分，設(shè)計時除考慮一般機(jī)械傳動的有關(guān)要求外，著重考慮以下幾個方面的問題：
（1）精度
立式銑床主軸部分要求比較高的精度主軸的徑向跳動，〈0.01mm；主軸軸向串動〈0.01mm。
（2）剛度和抗振性
綜合剛度（主軸刀架之間的力與相對變形之比）；
綜合〉3400N/m
主軸與刀架之間的相對振幅的要求
等級
I
II
III
振幅（0.001mm）
1
2
3
(3)，傳動效率要求
等級
I
II
III
效率
0.85
0.8
0.75
（4）主軸總軸承處溫升和溫升應(yīng)控制在以下范圍：
條件
溫度
溫升
用滾動軸承
70
40
用滑動軸承
60
30
噪聲要控制在以下范圍：
等級
I
II
III
dB
78
80
83
噪音
=20log
式中：——所有中間傳動齒輪分度圓直徑的平均值mm
——主軸上齒輪的分度圓直徑的平均值mm
——傳到主軸所經(jīng)過的齒輪對數(shù)
,k——系數(shù)，根據(jù)個類型及制造水平選取。我國中型車床，銑床=3.5，銑床K50.5
（5）結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，加工和裝配工藝性好，便于維修和調(diào)整
（6）操作方便，安全可靠
（7）遵循標(biāo)準(zhǔn)化和通用化的原則
4.3.2 齒輪塊的設(shè)計
1，特點
齒輪是變速箱中的重要元件，齒輪同時嚙合的齒數(shù)是周期性變化的，也就是說，作用在一個齒上的載荷是變化的。同時由于齒輪制造及安裝誤差，不可避免要產(chǎn)生動載荷而引起振動和噪音，常常成為變速箱的主要噪聲源，并影響主軸回轉(zhuǎn)均勻性，在設(shè)計齒輪時，應(yīng)充分考慮這些問題。
2，精度等級的選擇
變速箱中齒輪用于傳遞動力和運(yùn)動。它的精度選擇主要取決于周圍速度。采用同一精度時，周圍速度越高，振動和噪聲越大，根據(jù)實驗結(jié)果，周圍速度增加一倍，噪音約增加6dB。工作平穩(wěn)性和接觸誤差對振動和噪音的影響比運(yùn)動誤差更大。所以這兩項精度應(yīng)選高一級，為了控制噪音，機(jī)床上主傳動齒輪都選用較高的精度，大都用7-6-6,這里主運(yùn)動齒輪的精度選為7-6-6。
3、結(jié)構(gòu)與加工方法
不同精度等級的齒輪，要采用不同的加工方法，對結(jié)構(gòu)要求也有不同。
8級精度齒輪，一般滾齒或插齒就可以達(dá)到。
7級精度齒輪，用較高精度滾齒機(jī)或插齒機(jī)可以達(dá)到。但淬火后，由于變形，精度下降，因此，需淬火的7級齒輪一般滾（插）后要剃齒，使精度高于7級或淬火和衍齒才能達(dá)到6級。機(jī)床主軸變速箱中齒輪一般都需要淬火。多聯(lián)齒輪塊的結(jié)構(gòu)形式如下圖2.5所示，各部分的尺寸推薦如下：
（1）、空刀槽，
插齒時： 模數(shù) 12mm， 5mm;
模數(shù)2.54mm, 6mm。
剃齒時：
采用公式：
=4.5+k(1.1+0.038-0.03)mm及計算。
圖4.5
式中，k——為與剃齒刀傾斜角有關(guān)的系數(shù)。
若齒面要高頻淬火，為避免互相影響，應(yīng)大于8。由于這里采用的齒輪的精度為7-6-6，需要剃齒或珩齒，需齒