鉆床主軸進給機構(gòu)改造——變速機構(gòu)設計

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Numerical control auto-drilling machine is a kind of the new machine tools that can improve the machining accuracy and efficiency. The paner has designed for Numerical control auto-drilling machine, using design method of the ordinary lathe, and considering the characteristic of the numerical control machine tools synthetically. cutting force has been calculated, the structural and the control system has been designed. Finally, the software routine has been explored.This paner has finished completed a investigation of internal and external of current situation for numerical control multistage-drilling machine, and compared it, put forward a feasible scheme; completed the mechanical structural design an calculated and designed the electric control system, and finished the software and hardware of the control system tentatively.The design is about reconstructing the ordinary drill to carry out multiple position drill. The ordinary drill is a single drill. The machining accuracy of the work-piece will be affected by the mount. Because the exact position of work-piece will be affected by the adjustment. It will promote its productive efficiency, shorten its processing time through the design of the rapid spindle, moving and evolution worktable. Hereby, the keystone of this design paper is how to design the rapid spindle, moving and evolution worktable. Key words: multiple drill; productive efficiency; multiple spindle heads 目錄 摘 要 III Abstract IV 目錄 V 1 緒論 1 1.1 鉆床的工藝范圍 1 1.2 鉆床的類型 1 1.2.1 臺式鉆床 1 1.2.2 立式鉆床 1 1.2.3 搖臂鉆床 2 1.3 鉆削加工的特點 2 1.3.1 多軸加工的特點 3 1.3.1 多工位加工的特點 3 1.4 論文研究的內(nèi)容及意義 3 1.5 本文所做的工作 3 2 機械傳動方案確定 4 2.1 設計內(nèi)容分析 4 2.2機械傳動方案的選擇 4 2.2.1 總體傳動方案選擇 4 2.2.2 總體傳動方案確定 5 3 主軸傳動部件設計 7 3.1 切削力的計算 7 3.1.1 機床工況要求 7 3.1.2 切削力和切削扭矩的計算 7 3.2 主軸齒輪傳動方案確定 9 3.2.1 設定齒輪傳動方案 9 3.2.2 主軸傳動設計和計算 10 4 工作臺縱向進給機構(gòu)的設計 18 4.1 工作臺縱向進給負載分析及計算 18 4.1.1 摩擦阻力計算 18 4.1.2 等效轉(zhuǎn)動慣量計算 18 4.1.3 絲杠摩擦阻力矩的計算 19 4.1.4 等效負載轉(zhuǎn)矩的計算 19 4.1.5 起動慣性阻力矩的計算 19 4.1.6 步進電機輸出軸總的負載轉(zhuǎn)矩的計算 19 4.2 縱向進給步進電機選擇 19 4.3 縱向進給滾珠絲杠的選擇與校核 19 4.3.1 承載能力的校核 19 4.3.2 壓桿穩(wěn)定性驗算 20 4.3.3 剛度驗算 20 4.4 滑動導軌的結(jié)構(gòu)設計 21 4.4.1 移動導軌的分析 21 4.4.2 移動導軌的預選 21 4.4.3 移動導軌的驗算 22 4.5 縱向進給軸承的選擇 25 5 橫向進給運動機構(gòu)的設計 25 5.1 橫向進給負載分析及計算 25 5.1.1 摩擦阻力的計算 25 5.1.2 等效轉(zhuǎn)動慣量計算 25 5.1.3 絲杠摩擦阻力矩的計算 26 5.1.4 等效負載轉(zhuǎn)矩的計算 26 5.1.5 起動慣性阻力矩的計算 27 5.1.6 步進電機輸出軸總的負載轉(zhuǎn)矩的計算 27 5.2 橫向進給步進電機選擇 27 5.3 橫向進給滾珠絲杠的選擇與校核 27 5.3.1 承載能力的校核 27 5.3.2 壓桿穩(wěn)定性驗算 27 5.3.3 剛度驗算 28 5.4 滑動導軌的結(jié)構(gòu)設計 28 5.4.1 移動導軌的分析 28 5.4.2 移動導軌的預選 29 5.4.3 移動導軌的驗算 29 5.5 橫向進給機構(gòu)軸承的選擇 31 6 回轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)設計 31 6.1 蝸輪蝸桿的設計計算 31 6.1.1 初選[d1/a]值 31 6.1.2 中心距計算 31 6.2 傳動基本尺寸的確定 32 6.3 傳動機構(gòu)的校核計算 32 6.3.1 蝸輪按齒面接觸疲勞強度驗算 32 6.3.2 輪齒彎曲疲勞強度驗算 34 6.3.3 蝸桿軸繞度驗算 34 6.3.4 溫度計算 35 6.3.5 潤滑油粘度和潤滑方法 35 6.3.6 花鍵的選擇 35 結(jié)論與展望 36 畢業(yè)設計小結(jié) 37 致 謝 38 參考文獻 39 41 鉆床主軸進給機構(gòu)改造——變速機構(gòu)設計 1 緒論 隨著時代的發(fā)展，作為現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展的重要標志之一的金屬切削機床得到了更多的研究和發(fā)展，而隨著在機加工中廣泛投入使用這種機床，更是促進了傳統(tǒng)的機械加工行業(yè)的高速發(fā)展。由于多工位加工機床極大地提高了加工精度、生產(chǎn)率和自動化程度，受到了生產(chǎn)商的廣泛歡迎。而多工位機床則因其一次裝夾能進行多工位的加工。在某種程度上，更是大大的提高了機加工的加工效率，很適合工件的批量生產(chǎn)。 1.1 鉆床的工藝范圍 圖1.1　鉆床的加工方法 鉆床類機床屬孔加工機床，一般用于加工直徑不大、精度要求不高的孔。其主要加工方法是用鉆頭在實心材料上鉆孔，此外還可在原有孔的基礎上擴孔、鉸孔、锪平面、攻螺紋等加工。如圖1.1所示。 1-工作臺 2-進給手柄 3-主軸 4-皮帶罩 5-電動機 6-主軸箱 7-立柱 8-底座 圖1.2臺式鉆床 1.2 鉆床的類型 鉆床的主要類型有臺式鉆床、立式鉆床、搖臂鉆床、深孔鉆床等。在鉆床上加工時，工件固定不動，主運動是刀具（主軸）旋轉(zhuǎn)，刀具沿軸向的移動為進給運動。 1.2.1 臺式鉆床 臺式鉆床實質(zhì)上是加工小孔的立式鉆床，簡稱臺鉆，其鉆孔直徑一般在16mm以下。主要用于小型零件上各種小孔的加工。臺鉆的自動化程度較低，通常采用手動進給，但其結(jié)構(gòu)簡單，小巧靈活，使用方便。其結(jié)構(gòu)圖見圖1.2所示。 1.2.2 立式鉆床 圖1.3所示是立式鉆床的外形。其特點為主軸軸線垂直布置，且位置固定。主軸箱3 中裝有主運動和進給運動的變速傳動機構(gòu)、主軸部件以及操縱機構(gòu)等。主軸箱固定不動，用移動工件的方法使刀具旋轉(zhuǎn)中心線與被加工孔的中心線重合，進給運動由主軸隨主軸套筒在主軸箱中作直線移動來實現(xiàn)。利用裝在主軸箱上的進給操縱機構(gòu)5，可以使主軸實現(xiàn)手動快速升降、手動進給以及接通或斷開機動進給。被加工工件可直接或通過夾具安裝在工作臺2上。工作臺和主軸箱都裝在方形立柱4的垂直導軌上，可上下調(diào)整位置，以適應加工不同高度的工件。適用于中小型工件孔的加工，且加工孔數(shù)不宜過多。 1-底座 2-立柱 3-搖臂 4-主軸箱5-工作臺 圖1.4 搖臂鉆床 1-底座 2-工作臺 3-主軸箱 4-立柱 5-進給操縱機構(gòu) 圖1.3　立式鉆床 1.2.3 搖臂鉆床 對于一些大而重的工件，因移動費力，找正困難，不便于在立式鉆床上進行加工，這時希望工件固定不動而移動主軸，使主軸中心對準被加工孔的中心，這樣便產(chǎn)生了搖臂鉆床，如圖1.4所示為搖臂鉆床的外形。它的主軸箱裝在搖臂3上，可沿搖臂的導軌水平移動，而搖臂3又可繞立柱2 的軸線轉(zhuǎn)動，因而可以方便地調(diào)整主軸的坐標位置，使主軸旋轉(zhuǎn)軸線與被加工孔的中心線重合，此外，搖臂3還可沿立柱升降，以便于加工不同高度的工件。為保證機床在加工時有足夠的剛度，并使主軸在鉆孔時保持準確的位置，搖臂鉆床具有立柱、搖臂及主軸箱的夾緊機構(gòu)，當主軸位置調(diào)整完畢后，可以迅速地將它們夾緊。底座1上的工作臺5可用于安裝尺寸不大的工件，如果工件尺寸很大，可將其直接安裝在底座上，甚至就放在地面上進行加工。搖臂鉆床適用于單件和中、小批量生產(chǎn)中加工大、中型零件。 1.3 鉆削加工的特點 據(jù)統(tǒng)計，一般在車間中普通機床的平均切削時間很少超過全部工作時間的15%。其余時間是看圖、裝卸工件、調(diào)換刀具、操作機床、測量　以及清除鐵屑等等。使用數(shù)控機床雖然能提高85%，但購置費用大。某些情況下，即使生產(chǎn)率高，但加工相同的零件，其成本不一定比普通機床低。故必須更多地縮短加工時間。不同的加工方法有不同的特點，就鉆削加工而言，多工位加工是一種通過少量投資來提高生產(chǎn)率的有效措施。 1.3.1 多軸加工的特點 多軸加工是在一次進給中同時加工許多孔或同時在許多相同或不同工件上各加工一個孔。這不僅縮短切削時間，提高精度，減少裝夾或定位時間，并且在數(shù)控機床中不必計算坐標，減少字塊數(shù)而簡化編程。它可以采用以下一些設備進行加工：立鉆或搖臂鉆上裝多軸頭、多軸鉆床、多軸組合機床心及自動更換主軸箱機床。甚至可以通過二個能自動調(diào)節(jié)軸距的主軸或多軸箱，結(jié)合數(shù)控工作臺縱橫二個方向的運動，加工各種圓形或橢圓形孔組的一個或幾個工序。 1.3.1 多工位加工的特點 多工位加工示意圖如圖1.5所示。 工位1—裝卸工件 工位2—預鉆孔 工位3—鉆孔 工位4—擴孔 工位5—粗鉸 工位6—精鉸 圖1.5 多工位加工 它利用機床的回轉(zhuǎn)工作臺，使工 在六個工位上依次進行裝卸工件、預鉆孔、鉆孔、擴孔、粗鉸和精鉸工作。它實現(xiàn)了減少工件的安裝次數(shù)、提高零件各表面間相互位置精度及提高生產(chǎn)效率等目的，相對普通鉆床而言，它具有高速、高效、高精度等特點。這種加工方式常采用多工位夾具或多軸（或多工位）機床，使工件在一次安裝后先后經(jīng)過若干個不同位置順次進行加工。 1.4 論文研究的內(nèi)容及意義 本文根據(jù)設計老師的要求，主要設計出基于齒輪傳動的單軸、快速移動回轉(zhuǎn)式工作臺以實現(xiàn)不同位置的順次加工，達到高效、降低工人勞動強度等目的，并可通過后期的改進設計能使鉆削加工實現(xiàn)自動化的數(shù)控加工。同時采用多工位加工則更為縮短了裝夾時間等輔助時間，使生產(chǎn)率得到更大的提高等。后期還可以在此基礎上進行多主軸的結(jié)構(gòu)設計，再通過PLC控制，達到高效率、高精度、低成本等特點。對機械加工行業(yè)的長遠發(fā)展具有現(xiàn)實的意義。 1.5 本文所做的工作 1）完成數(shù)控多工位鉆床的資料收集與國、內(nèi)外現(xiàn)狀的調(diào)查比較，提出較為可行的方案； 2）完成鉆床的機械結(jié)構(gòu)設計計算及裝配與關(guān)鍵零部件的相應圖紙； 2 機械傳動方案確定 經(jīng)過畢業(yè)設計給出的題目要求和數(shù)據(jù):要設計加工工件的最大直徑為Φ10mm，工作行程為300×300×70的數(shù)孔多工位鉆床。根據(jù)這一特點表明要設計的機床是一臺中小型的鉆床，而且是用于一般的機加工中。所以設計這樣的機床考慮其經(jīng)濟性、合理性應該是最為重要的和成為設計的主導思想！ 2.1 設計內(nèi)容分析 閱讀相關(guān)機床資料和機床的市場調(diào)查，選擇合理的機床結(jié)構(gòu)很重要。傳統(tǒng)的機床結(jié)構(gòu)包括立式、臥式兩大類。立式機床的主軸定位多數(shù)是相同的，它的優(yōu)點在于：機床小巧、占地空間小、經(jīng)濟實惠。適合于工作單一加工工件較小及加工尺寸小的場合。而臥式機床的主軸結(jié)構(gòu)及主軸箱布局可為單面懸掛主軸箱和主軸箱位于立柱對面內(nèi)。后者的優(yōu)點在于：主軸箱的自重不會使立柱產(chǎn)生彎曲變形，相同的切削力所引起的立柱的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形均大為減小。這樣就相當于提高了機床的剛度。故要是采用對機床結(jié)構(gòu)設計成為臥式結(jié)構(gòu)的話就應該選用主軸箱位于立柱內(nèi)的布局形式。然而一般的臥式機床的加工尺寸都很大，對于我們要設計的機床加工零件的尺寸是很小的：僅為最大加工為Φ10mm的孔。從經(jīng)濟的角度上來說：我們設計的機床采用立式的結(jié)構(gòu)更為節(jié)省空間，節(jié)省材料。同時機床看上去更為小巧，然而完全可以達到要求加工范圍的要求。包括此類機床的其它特點都很滿足我們要設計機床的要求。 而另一個問題則為，機床是否采用多軸，多軸鉆床可分為可調(diào)式和固定式兩種規(guī)格，可調(diào)式多軸鉆床在其加工范圍內(nèi)，其主軸的數(shù)量、主軸間的距離，相對可以任意調(diào)整，一次進給同時加工數(shù)孔。在其配合液壓機床工作時，可自動進行快進、工進（工退）、快退、停止.同單軸鉆（攻絲）比較，工件加工精度高、工效快，可有效的節(jié)約投資方的人力、物力、財力。尤其機床的自動化大大減輕操作者的勞動強度。固定式多軸鉆床采用單件（加工件）專機的設計方案，根據(jù)其加工件加工頻率高、量大之原因，專門量身定制一件一機的設備，在其工作中勿須擔心尺寸跑偏而傷腦筋，更是可以針對客戶的要求進行專項設計。而對于大多數(shù)金屬加工機床來說，數(shù)控進給復合運動的加工，是以直線軸加上回轉(zhuǎn)軸的聯(lián)動來實現(xiàn)的，而數(shù)控回轉(zhuǎn)軸的設計與制造，更是衍生了數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺，這種既能作為數(shù)控回轉(zhuǎn)軸，同時也起著承載工件重量、夾持工件的功能，有著進給分度和實現(xiàn)工作臺圓周方向的進給運動的作用。相比于前者，這種機床無疑比較經(jīng)濟實惠。 2.2機械傳動方案的選擇 2.2.1 總體傳動方案選擇 通過對幾種鉆床結(jié)構(gòu)的了解和認識，結(jié)合論文題目的要求，確定設計一種基于機械傳動的立式多工位加工的鉆床。該機構(gòu)應能達到達到高效、提高工件加工精度、降低工人勞動強度等目的。 機械傳動方式種類很多，由于在加工中需要機床具有一定的移動精度和回轉(zhuǎn)精度，因此，本文進行多工位鉆床的設計主要是采用封閉的齒輪傳動方式。 　 在所有的機械傳動中，齒輪傳動應用最廣，可用來傳遞相對位置不遠的兩軸之間的運動和動力。齒輪傳動是利用兩齒輪的輪齒相互嚙合傳遞動力和運動的機械傳動。按齒輪軸線的相對位置分平行軸圓柱齒輪傳動、相交軸圓錐齒輪傳動和交錯軸螺旋齒輪傳動。其具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、壽命長等特點。 　1）根據(jù)兩軸的相對位置和輪齒的方向，可分為以下類型： 　直齒圓柱齒輪傳動、斜齒圓柱齒輪傳動、人字齒輪傳動、錐齒輪傳動、交錯軸斜齒輪傳動等。 　2）根據(jù)齒輪的工作條件，可分為： 　開式齒輪傳動式齒輪傳動、半開式齒輪傳動、閉式齒輪傳動等。 齒輪傳動部分方式如圖2.1所示。 圖2.1 齒輪傳動方式簡圖 2.2.2 總體傳動方案確定 由上面分析可知，本文傳動方式主要在如圖2-1中所列幾種方式中進行選擇?，F(xiàn)對以上幾種齒輪傳動方式進行分析比較，最終確定適合于多工位加工的齒輪傳動方式。 1）圓柱齒輪傳動 　 用于平行軸間的傳動，一般傳動比單級可到8，最大20，兩級可到45，最大60，三級可到200，最大300。傳遞功率可到10萬千瓦，轉(zhuǎn)速可到10萬轉(zhuǎn)／分，圓周速度可到300米/秒。單級效率為0.96～0.99。直齒輪傳動適用于中、低速傳動。斜齒輪傳動運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，適用于中、高速傳動。人字齒輪傳動適用于傳遞大功率和大轉(zhuǎn)矩的傳動。圓柱齒輪傳動的嚙合形式有3種：外嚙合齒輪傳動，由兩個外齒輪相嚙合，兩輪的轉(zhuǎn)向相反；內(nèi)嚙合齒輪傳動，由一個內(nèi)齒輪和一個小的外齒輪相嚙合，兩輪的轉(zhuǎn)向相同；齒輪齒條傳動，可將齒輪的轉(zhuǎn)動變?yōu)辇X條的直線移動，或者相反。 2）蝸輪蝸桿傳動 　　交錯軸傳動的主要形式，軸線交錯角一般為90°。蝸桿傳動可獲得很大的傳動比，通常單級為8～80，用于傳遞運動時可達1500；傳遞功率可達4500千瓦；蝸桿的轉(zhuǎn)速可到3萬轉(zhuǎn)／分；圓周速度可到70米／秒。蝸桿傳動工作平穩(wěn)，傳動比準確，可以自鎖，但自鎖時傳動效率低于0.5。蝸桿傳動齒面間滑動較大,發(fā)熱量較多，傳動效率低，通常為0.45～0.97。 3）行星齒輪傳動 　 具有動軸線的齒輪傳動。行星齒輪傳動類型很多，不同類型的性能相差很大，根據(jù)工作條件合理地選擇類型是非常重要的。常用的是由太陽輪、行星輪、內(nèi)齒輪和行星架組成的普通行星傳動、少齒差行星齒輪傳動、擺線針輪傳動和諧波傳動等。行星齒輪傳動一般是由平行軸齒輪組合而成，具有尺寸小、重量輕的特點，輸入軸和輸出軸可在同一直線上。其應用愈來愈廣泛。 通過以上分析，結(jié)合機床實際加工要求，現(xiàn)確定機床傳動方案為：工作臺的回轉(zhuǎn)運動采用蝸輪蝸桿傳動，而工作臺縱向和橫向運動采用滾球絲桿進行傳動。 3 主軸傳動部件設計 由于電機工作時，其負載阻力有切削力、摩察阻力、慣性力，所以只有在這些阻力被克服，才能正常啟動及運行。因此要對進給系統(tǒng)進行必要的設計及計算。 3.1 切削力的計算 3.1.1 機床工況要求 要求加工的最大孔為d0=10mm,刀具為高速鋼麻花鉆（以磨損）。工件材料為45井鋼（бb=0.638GPa）；灰鑄鐵190HBS。加工精度為：IT8∽IT10級以下孔粗加工。 3.1.2 切削力和切削扭矩的計算 1）當工件材料為 45井鋼 根據(jù)已知條件查《機械加工工藝手冊》表2.4-38高速鋼鉆頭鉆孔時的進給量知：10mm鉆頭粗加工的進給量為0.22∽0.28。由表2.4-41高速鋼鉆頭切削時切削速度、扭矩及軸向力可選取進給量的兩極限值f=0.08mm/r∽0.30mm/r，對應的它們的切削速度為V=0.99m/s∽0.43m/s,則由得 鉆頭或工件的轉(zhuǎn)速 由《機械制造工程原理》計算鉆頭軸向力F和扭矩T的經(jīng)驗公式及麻花鉆軸向力和扭矩表達式中的系數(shù)、指數(shù)及修正系數(shù)可知： （3.1） （3.2） （3.3） 式中：бb=0.638GPa CF=61.2 XF=1.0 YF=0.7 CM=0.0311 XM=2.0 YM=0.8 KF=KFmKFw KM=KMmKMw 對于已磨損鉆頭KMw=1 KFw=1 工件材料KMm=KFm= =0.98938 則最小進給量f=0.08mm/r F1=9.81×61.2×10×0.080.7×0.98938×1=1013.79N T1=9.81×0.0311×102×0.080.8×0.98938×1=4.0Nm PM1=2×3.14×4.0×31.53×10-3=0.79Kw 最大進給量f=0.30mm/r F2=9.81×61.2×10×0.300.7×0.98938×1=2557.22N T2=9.81×0.0311×102×0.300.8×0.98938×1 =11.52Nm PM2=2×3.14×11.52×13.69×10-3=0.99Kw 2）當工件材料為灰鑄鐵時 根據(jù)已知條件查《機械加工工藝手冊》表2.4-41高速鋼鉆頭鉆孔時的進給量知：10mm鉆頭初加工的進給量為0.22∽0.28。由表2.4-41高速鋼鉆頭切削時切削速度、扭矩及軸向力可迭取進給量的兩極限值f=0.12mm/r∽0.70mm/r，對應的它們的切削速度為V=0.79m/s∽0.33m/s, 則由可得： 鉆頭或工件的轉(zhuǎn)速 由《金屬切削刀具》計算鉆頭軸向力F和扭矩T的經(jīng)驗公式及表3-1麻花鉆軸向力和扭矩表達式中的系數(shù)、指數(shù)及修正系數(shù)可知： （3.4） （3.5） （3.6） 式中： CF=42.7 XF=1.0 YF=0.8 CM=0.021 XM=2.0 YM=0.8 KF=KFmKFw KM=KMmKMw 對于已磨損鉆頭KMw=1 KFw=1 工件材料KMm=KFm=（HB/190）0.6=1 則最小進給量f=0.12mm/r F3=9.81×42.7×10×0.120.8×1×1=768.14N T3=9.81×0.021×102×0.120.8×1×1=3.78Nm PM3=2×3.14×3.78×25.16×10-3=0.597Kw 最大進給量f=0.70mm/r F4=9.81×42.7×10×0.700.8×1×1=3149.02N T4=9.81×0.021×102×0.700.8×1×1=15.49Nm PM4=2×3.14×10.51×15.49×10-3=1.02Kw 由此可得鉆頭的最大轉(zhuǎn)矩Tmax=15.49Nm 最大轉(zhuǎn)矩Fmax=3149.02N 最大切削功率PMmax=1.02Kw 則鉆頭主軸所需要的功率為：P1= PMmax/η總 其中η總=η花鍵軸η軸承 深溝球軸承η=0.99 （取3個） 角接觸推力軸承η=0.98 （取2個） 花鍵軸η=0.97∽0.98 由《金屬切削機床》查得： η總=η花鍵軸η軸承=0.97×0.993×0.982=0.904 則P1=1.02/0.904=1.03Kw 對于主軸電機的選擇，查《機械設計手冊》，對于中小功率的電機，一般額定轉(zhuǎn)矩只有2.1-4，而主軸所需要的最大扭矩為15.49Nm，故必須采用齒輪組進行減速以提供大的轉(zhuǎn)矩達到符合相應電機的額定轉(zhuǎn)矩。 在多工位鉆床的設計過程中，要求機床能夠進行多級變速。在這種情況下，可以采用一個變速器來解決。無級變速器就是能使主軸達到相應轉(zhuǎn)矩和使主軸傳遞的轉(zhuǎn)矩符合要求。 同時，根據(jù)主軸特點設計鉆床主軸的特點是主軸在軸向方向上有移動，就是說上端的花鍵軸外面必須套有內(nèi)花鍵的齒輪或其它才能將電動機的運動傳遞給主軸，使主軸轉(zhuǎn)動。在本次設計中我們就選用花鍵的齒輪作為傳動件，把電機的轉(zhuǎn)動傳給主軸，則從主軸來的傳動方式為： 主軸（花鍵軸）——內(nèi)花鍵齒輪——嚙合齒輪（一組或多組）——聯(lián)軸器——無級變速器——主軸電動機 3.2 主軸齒輪傳動方案確定 3.2.1 設定齒輪傳動方案 主軸齒輪傳動方案如圖3.1所示： 軸Ⅰ為機床主軸，設計為齒輪花鍵軸。由前面知齒輪花鍵軸的功率為P1。 圖3.1 主軸傳動示意圖 即軸Ⅰ PⅠ= P1=1.13Kw 軸Ⅱ PⅡ= PⅠ/η齒輪=1.13/0.97=1.16Kw （取η齒輪=0.97，精度等級為8級） 則主軸電機輸出功率P2 P2= PⅠ/η聯(lián)軸器=1.16/0.99=1.18Kw 根據(jù)《機械設計手冊》選擇電機可用YCP802-2，1.1Kw額定功率和YCP90S-2，1.5Kw額定功率最為接近功率要求。而前者略小于最大輸出功率，而加一個無級變速器相對于電機來說其傳遞功率也不會消耗太多，粗略估算則選用后者YCP90S-2，額定功率為1.5Kw，額定電壓為380V，額定電流為3.4A，轉(zhuǎn)速為2840r/min，最大額定轉(zhuǎn)矩為2.3Nm。 選擇了電動機就可根據(jù)所選擇電動機確定相應的無級變速器。根據(jù)電動機功率和轉(zhuǎn)矩及主軸所必須達到的最小轉(zhuǎn)矩，可確定變速器，查《機械設計手冊》第四卷可選擇的無級變速器為：HZXD1500L。 根據(jù)無級變速器的相關(guān)數(shù)據(jù)和主軸所需要的相關(guān)數(shù)據(jù)，無級變速器提供的轉(zhuǎn)矩已經(jīng)可以達到主軸要求的轉(zhuǎn)矩，同時轉(zhuǎn)速也能達到要求。故在接下來設計的齒輪組中，主要達到的目的為將電動機的轉(zhuǎn)動傳遞給主軸使主軸完成轉(zhuǎn)動，并不影響軸向的進給運動。 對于齒輪組的設計就是要完成傳動。為了設計需要，可以僅設計一組齒輪即可。又因為轉(zhuǎn)矩完全達到要求，轉(zhuǎn)矩要求的差又不是太大，從對主軸箱結(jié)構(gòu)設計入手（對主軸箱的總體布局和結(jié)構(gòu)合理、比例合適），可將這對齒輪設計成一組惰輪，即不改變變速器傳遞出來的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，僅將轉(zhuǎn)動傳給主軸，達到了設計要求和目的。 3.2.2 主軸傳動設計和計算 1）齒輪的設計計算 在齒輪設計中，取轉(zhuǎn)矩最大時設計用到最大轉(zhuǎn)矩15.49,切削速度nI=631r/min。 首先小齒輪（主動齒輪）用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度241HB∽286HB，平均取為260HB，大齒輪（從動齒輪）用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度229HB∽286HB，平均取為240HB。 關(guān)于主軸傳動中的第一組齒輪按齒面接觸疲勞強度計算。 （1）初步計算： 轉(zhuǎn)矩:TII= 5.49Nm=5490Nmm 齒寬系數(shù):φd 由表12-13（該節(jié)中所指的表均指《機械設計》一書中的表） 取φd＝1.0 接觸疲勞極限：σHlim 由圖12.17c可取 σHlim1=710MPa σHlim2=580MPa 初步計算的許用接觸硬力: [σH1]=0.9σHlim1=0.9×710=639MPa Ad值由表12-16，取Ad＝85 初步計算的小齒輪直徑： d1≥=29.14 (其中u=I=1, T=5490Nmm) 取d1＝90mm 初取齒寬：b=φbd1=1×90=90mm （2）校核計算： 圓周速度: 精度等級：由表12-6選8級精度 齒數(shù)Z和模數(shù)m:取齒數(shù)Z1=60,Z2=iZ1=1×60=60 模數(shù)由表12-3取m=1.5 則 Z2= iZ1=60 使用系數(shù)KA:由表12-9取KA＝1.5 動載系數(shù)K V:由表12-9取KV＝1.1 齒間載荷分配系數(shù)KHα:由表12-10先求： 端面重合度： 重合度系數(shù):Zε==0.74 由此得： 齒間載荷分布系數(shù)KHβ: 載荷系數(shù)：K=KAKVKHαKHβ=1.5×1.1×1.81×1.28=3.82 彈性系數(shù)ZE由表12-12取ZE＝189.8 節(jié)點區(qū)域系數(shù)ZH:由圖12.16可取ZH＝2.5 接觸最小安全系數(shù)SHmin:由表12-14取SHmin＝1.05 總工作時間：th=10×300×8×20%=4800h 應力循環(huán)次數(shù)NL:由表12-15估計：107Tmax=15.49Nm 則花鍵軸能夠達到所需傳遞的轉(zhuǎn)矩。 對于花鍵軸傳遞轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動中產(chǎn)生的摩擦力為F花：取μ=0.1 F花=μf=5338×0.1=533.8N 而 則軸所受軸向力： F合= F花+ Fmax =154.5+3149.02=3304N 則軸向方向齒條受力F合K=1.1×F合=3635N（K=1.1） 3）軸向進給設計 （1）主軸結(jié)構(gòu)形式確定 在主軸外設計一套筒：由長為80mm的齒條經(jīng)齒輪帶動。先設計用一級減速接步進電機使主軸進給。其結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。 圖3.3主軸進給示意圖 （2）步進電機的選擇及轉(zhuǎn)矩的計算 由《機電一體化系統(tǒng)設計》： I=α×t0/3600×δ 其中：α—步距角（deg） δ—脈沖當量（鉆床取0.02mm） t0—齒距（t0=Лm） 根據(jù)《機電一體化系統(tǒng)設計》選步進電機 取α=0.1 m=1.25 取α=0.75時 取I=3.2（α=0.1時）可?。? Z1=20 Z2=64 m=1.25 b=20mm α=200 df1=mZ1=25mm df2=mZ2=80mm de1=28 de2=83 齒輪設計成直齒圓柱齒輪，齒輪材料為45鋼，則大小齒輪轉(zhuǎn)動慣量分別為： 根據(jù)《機電一體化系統(tǒng)設計》，預選步進電機為200BF001，查得電機轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)動慣量為： 折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量： 有效負載轉(zhuǎn)矩Tm的計算：取V=2m/min Tm=（F軸+F摩）V主軸進給/2Πnm 起動慣量矩的計算： 以最不利條件下的快速起動計算，設起動加速度或制動減速度的時間 △t=0.3s，由于步進電機的角速度 則： T慣= 則J∑=Tm+T慣=1.04+5.038=6.08Nm 如考慮機械傳動系統(tǒng)的效率為n，安全數(shù)值為K，則此時負載總轉(zhuǎn)矩為： 由預選的步進電機型號200BF001，五相十步，步距角0.10/Step，其最大靜轉(zhuǎn)矩Tymax=14.7Nm，為保證正常的起動和停止，步進電機的起動轉(zhuǎn)矩Tg必須大于或等于TΣˊ，由表可知Tg/Tymax的比值，取Tg/Tymax=0.951， 則Tg=14.7×0.951=13.98Nm>13.03Nm 故選擇合適。 4 工作臺縱向進給機構(gòu)的設計 4.1 工作臺縱向進給負載分析及計算 4.1.1 摩擦阻力計算 摩擦阻力應等于正壓力乘以摩擦系數(shù)。正壓力應包括軸向力F=1175N及工作臺加縱向軌道之重力，設工作臺重量為400Kg，縱向軌道重量為400Kg. =[（400+400）×10＋1175]×0.1=917.5N 4.1.2 等效轉(zhuǎn)動慣量計算 根據(jù)要求粗選：α=0.75 to=5 δ=0.005 ∴ ∴可取 =25 , =52 m=1.5 b=25mm =20o 則：df1=mZ1=1.5×25=37.5mm df2=mZ2=1.5×52=78mm de1＝40.5mm de2=81mm 將齒輪看作近似的圓柱體，材料為鋼，則大、小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量分別為: J=7.8×d4 ×b×10-4 (kgm2) JZ1=7.8×3.754×2.5×10-4=3.86×10-5Kgm2 JZ2=7.8×8.104×2.5×10-4=8.40×10-4Kgm2 滾珠絲桿直徑選擇為d0=25mm, L=700mm,材料鋼，則絲桿的轉(zhuǎn)動慣量可近似的算出為： JS=7.8×2.54×70×10-4=2.13×10-4Kgm2 由《機電一體化系統(tǒng)設計》，預選步進電機為110BF004，查得電機轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)動慣量為 Jm=3.43×10-4Kgm2 折算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為： 4.1.3 絲杠摩擦阻力矩的計算 由于用的是滾珠絲杠，摩擦阻力矩很小，可以忽略不計。 4.1.4 等效負載轉(zhuǎn)矩的計算 Tm=(F縱+F摩) V工作/2πnm 由 4.1.5 起動慣性阻力矩的計算 以最不利條件下的快速起動計算，設起動加速式制動減速的時間 Δt=0.5s(一般在0.1～1s之間)，由于步進電機的角速度 ∴角加速度 T慣＝J∑×εm=6.26×10-4×174.44=0.11Nm 4.1.6 步進電機輸出軸總的負載轉(zhuǎn)矩的計算 J∑=Tm +T慣=0.35+0.11=0.46Nm 4.2 縱向進給步進電機選擇 考慮機械傳動系統(tǒng)的效率η為,安全系數(shù)為K,則比時的負載總轉(zhuǎn)矩應考慮為 由預選的步進電機型號為110BF004，三相六拍，步距角0.75%step.其最大轉(zhuǎn)矩Tymax=4.9Nm為保證正常的起動與停止，步進電機的起動轉(zhuǎn)矩Tg必須大于或等于TΣ',由表查出Tg/TΣ'=0.866 ∴Tg=4.9×0.866=4.24Nm>0.99Nm 故選擇合適。 確定選用110BF004步進電機。 4.3 縱向進給滾珠絲杠的選擇與校核 初選絲杠型號為CMD2504-3，因此必須進行以下幾個項目的校核 4.3.1 承載能力的校核 Ｑ＝fHfWPmaxCO 式中L—滾珠絲杠壽命系數(shù)（） 　Pmax=F縱+F摩＝0+917.5＝917.5N fH=1 fW=1.2 T=15000 Ｑ＝　　 選絲桿CMD2504－3 查表得絲桿額定載荷為ＣO=8.2KN>Q　滿足要求。 4.3.2 壓桿穩(wěn)定性驗算 取雙推—簡支式支承，由FK=2 E-鋼的彈性模量2.1×105（Mpa） I-絲杠小徑的截面慣性矩（） 查手冊可知，所用絲杠的最小徑為：d1 =21.9mm 取壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K=4　 絲杠長度L=LS=700mm 故滿足要求。 4.3.3 剛度驗算 絲杠的剛度是保證第一導程的變動量要在允許范圍內(nèi) 絲杠最小截面積 設T0=0.5 I=2.26cm4 M= Tmaxi=4.9×2.08=10.20Nm=1020Ncm ∴“＋”號用于拉伸，“一”號用于壓縮，都取“＋”號，則: 由于選擇要求滾珠絲杠精度等級為C級，ΔL0=±4μm>0.681μm 所以滿足要求。 4.4 滑動導軌的結(jié)構(gòu)設計 4.4.1 移動導軌的分析 對導軌的要求主要有：要有一定的導向精度；要有良好的耐磨性，足夠的剛度；要減少熱變形影響；要使運動輕便平穩(wěn)和一定的工藝性。因此，在考慮到要求加工精度為7級，且鉆床為一般機床，所以可以選用貼塑的矩形滑動導軌。 由于機床上的運動部件都是沿導軌而作運動，則導軌的磨損就非常大，所以要采用一系列措施來提高導軌耐磨性。其中除了選用合適材料、熱處理、潤滑外，還應該采用保護裝置，即采用防護罩，使機床導軌不外露，這樣直接能防止切屑及灰塵等落到導軌上。 由《金屬切削機床設計》，導軌的截面形狀與組合選擇為雙矩形導軌（數(shù)控鉆床用滑動導軌貼塑就可以了，可不用滾動導軌）。 這種導軌的剛度高，當量摩擦系數(shù)比三角形導軌低，承載能力高，加工、檢驗和維修都方便，特別是數(shù)控機床雙矩形、動導軌貼塑料軟帶，是滑動導軌的主要形式。矩形導軌存在側(cè)向間隙，必須用鑲條進行調(diào)整（采用窄式組合）。 4.4.2 移動導軌的預選 根據(jù)以知條件和加工要求，預選導軌機床坐標如圖4.1所示。 圖4.1 數(shù)控鉆床坐標系 由《機床設計手冊》新版（2）表9.3-7，X軸向移動導軌結(jié)構(gòu)尺寸預選為： H=20 B=50 B1=12 A=400 h=12 h1=H-0.5 鑲條b=6（平） 其結(jié)構(gòu)簡圖如圖4.2所示。 圖4.2 T型導軌剖面結(jié)構(gòu) 4.4.3 移動導軌的驗算 對于數(shù)控多工位的鉆床的導軌受力分析如圖4.3所示。 Ｆｃ、Ｆｆ、ＦＱ分別為切削力、進給力和背向力。 圖4.3 導軌受力分析圖 1）各外力對坐標軸取矩： Ｘ軸　　　 　對于鉆床　　　　 　而（相對于Ｘ軸的） 則 Ｙ軸　　　　　　　　　 Ｗ：工件與工作臺重估計４００Ｋｇ； ＸＱ：有兩種極限情況（ａ：工作臺到最近處：ＸＱ＝０.０５長度;ｂ：工作臺到最近處：ＸＱ＝(0.05+0.35)） Z軸：由分析知 2）支反力計算： 各導軌面的支反力分別為RA、RB、RC 要增大， 則有： 或： （對于鉆床） 3）各導軌面的支反力矩： 4）牽引力： 對于鉆床來說，F(xiàn)f進給力很小或為0。 5）導軌壓強： 按線形分布的導軌壓強： a=B值=0.05 L=0.3m（接觸強度） （根據(jù)工作臺大小和導軌長度初步確定） 或 或 或 對于滑動導軌速度較低的進給運動導規(guī)，平均許用壓1.2~1.5Mpa，最大許用壓強2.5~3.0Mpa，動導軌上鑲有以聚四氟乙烯為基體的塑料板時，如滑動速度V≤1m/min時PV值不得超過0.2Mpam/min，如滑動速度V>1m/min 時，則許用壓強取0.2Mpa。對于所選導軌在不加塑料板時，平均壓強和最大許用壓強都能滿足要求，而當要鑲?cè)胨芰习鍟r許用壓強則Pav有0.25Mpa，而設計滑行速度為2m/min時Pav=0.2Mpa，則不能符合要求，則必須對導軌參數(shù)進行重新選擇。 但是對于數(shù)控鉆床來講，工件進給過程中并不受切削力，則加上鑲?cè)胨芰蠈к壈鍟r的平均壓力可以適當?shù)脑黾樱∵@種情況下的許用平均壓強在0.6~0.8Mpa，故導軌的平均許用壓強Pav=0.35Mpa<0.6~0.8Mpa，故選擇導軌符合要求。 由 即 在此可確定：令 不變，則a=B=0.05m,則重取接觸長度L，即：