XK5036 數控立式銑床總體及縱向進給傳動機構設計【含CAD高清圖紙和說明書】

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And has compiled the related technical parameter.In which introduced emphatically the ball bearing guide screw principle and selects the principle，To ball bearing links and so on guide screw production, application has systematically carried on the introduction. Including the type choice, the parameter choice, the precision choice, the round-robin mode choice, the principle as well as the factory choice which matches with the main engine and so on.Key Words: milling machine, Numerical control, Step-by-step, serve motor, Ball bearing guide screw nut目 錄摘 要IIAbstractIII目 錄IV第1章 數控機床發(fā)展概述11.1 數控機床及其特點11.1.1 數控機床與普通機床的區(qū)別21.1.2 數控機床的適用范圍21.2 數控機床的工藝范圍及加工精度31.3 數控機床的發(fā)展趨勢41.3.1 高速化41.3.2 高精度化41.3.3 功能復合化51.3.4 控制智能化51.3.5 體系開放化61.3.6 驅動并聯化61.3.7 極端化(大型化和微型化)71.3.8 信息交互網絡化71.3.9 新型功能部件71.3.10 高可靠性81.3.11 加工過程綠色化81.3.12 多媒體技術的應用8第2章 數控機床總體方案的制訂及比較92.1總體方案設計的內容92.1.1系統運動方式的確定92.1.2伺服系統的選擇92.1.3執(zhí)行機構傳動方式的確定102.1.4計算機的選擇102.2總體設計方案的確定102.2.1系統的運動方式與伺服系統的選擇102.2.2計算機系統102.2.3機械傳動方式11第3章 確定切削用量及選擇刀具13.1刀具選擇13.2切削用量確定13.3切削三要素23.4加工精度和表面粗糙度23.5刀具材料5第4章 傳動系統圖設計64.1 傳動系統設計64.1.1 參數的擬定64.1.2 傳動結構或結構網的選擇64.1.3 轉速圖擬定84.1.4 齒輪齒數的確定及傳動系統圖的繪制114.2 傳動件的估算與驗算154.2.1 傳動軸的估算和驗算154.2.2 齒輪模數的估算與驗算174.3 展開圖設計224.3.1 結構實際的內容及技術要求224.3.2 齒輪塊的設計244.3.3 傳動軸設計264.3.4 主軸組件設計294.4 制動器設計334.5 截面圖設計354.5.1 軸的空間布置354.5.2 潤滑354.5.3 箱體設計的有關問題37第5章 縱向進給系統的設計與計算385.1設計方案的確定385.2 機械部分設計與計算385.2.1縱向進給系統的設計與計算38致 謝47參考文獻48 第1章 數控機床發(fā)展概述數控機床(Numerical Control Machine Tools)是用數字代碼形式的信息(程序指令)，控制刀具按給定的工作程序、運動速度和軌跡進行自動加工的機床，簡稱數控機床。 數控機床是在機械制造技術和控制技術的基礎上發(fā)展起來的，其過程大致如下： 1948年，美國帕森斯公司接受美國空軍委托，研制直升飛機螺旋槳葉片輪廓檢驗用樣板的加工設備。由于樣板形狀復雜多樣，精度要求高，一般加工設備難以適應，于是提出采用數字脈沖控制機床的設想。 1949年，該公司與美國麻省理工學院(MIT)開始共同研究，并于1952年試制成功第一臺三坐標數控銑床，當時的數控裝置采用電子管元件。 1959年，數控裝置采用了晶體管元件和印刷電路板，出現帶自動換刀裝置的數控機床，稱為加工中心( MC Machining Center)，使數控裝置進入了第二代。 1965年，出現了第三代的集成電路數控裝置，不僅體積小，功率消耗少，且可靠性提高，價格進一步下降，促進了數控機床品種和產量的發(fā)展。 60年代末，先后出現了由一臺計算機直接控制多臺機床的直接數控系統(簡稱 DNC)，又稱群控系統；采用小型計算機控制的計算機數控系統(簡稱 CNC)，使數控裝置進入了以小型計算機化為特征的第四代。 1974年，研制成功使用微處理器和半導體存貯器的微型計算機數控裝置(簡稱 MNC)，這是第五代數控系統。 20世紀80年代初，隨著計算機軟、硬件技術的發(fā)展，出現了能進行人機對話式自動編制程序的數控裝置；數控裝置愈趨小型化，可以直接安裝在機床上；數控機床的自動化程度進一步提高，具有自動監(jiān)控刀具破損和自動檢測工件等功能。 20世紀90年代后期，出現了PC+CNC智能數控系統，即以PC機為控制系統的硬件部分，在PC機上安裝NC軟件系統，此種方式系統維護方便，易于實現網絡化制造。 數控機床特點1.1 數控機床及其特點數控機床特點 1.1.1 數控機床與普通機床的區(qū)別數控機床對零件的加工過程，是嚴格按照加工程序所規(guī)定的參數及動作執(zhí)行的。它是一種高效能自動或半自動機床，與普通機床相比，具有以下明顯特點： 1. 適合于復雜異形零件的加工 數控機床可以完成普通機床難以完成或根本不能加工的復雜零件的加工，因此在宇航、造船、模具等加工業(yè)中得到廣泛應用。 2. 加工精度高 3. 加工穩(wěn)定可靠 實現計算機控制，排除人為誤差，零件的加工一致性好，質量穩(wěn)定可靠。 4. 高柔性 加工對象改變時，一般只需要更改數控程序，體現出很好的適應性，可大大節(jié)省生產準備時間。在數控機床的基礎上，可以組成具有更高柔性的自動化制造系統FMS。 5. 高生產率 數控機床本身的精度高、剛性大，可選擇有利的加工用量，生產率高，一般為普通機床的 35 倍，對某些復雜零件的加工，生產效率可以提高十幾倍甚至幾十倍。 6. 勞動條件好 機床自動化程度高，操作人員勞動強度大大降低，工作環(huán)境較好。 7. 有利于管理現代化 采用數控機床有利于向計算機控制與管理生產方面發(fā)展，為實現生產過程自動化創(chuàng)造了條件。 8. 投資大，使用費用高 9. 生產準備工作復雜 由于整個加工過程采用程序控制，數控加工的前期準備工作較為復雜，包含工藝確定、程序編制等。 10. 維修困難 數控機床是典型的機電一體化產品，技術含量高，對維修人員的技術要求很高。1.1.2 數控機床的適用范圍由于數控機床的上述特點，適用于數控加工的零件有： 批量小而又多次重復生產的零件； 幾何形狀復雜的零件； 貴重零件加工； 需要全部檢驗的零件； 試制件。 對以上零件采用數控加工，才能最大限度地發(fā)揮出數控加工的優(yōu)勢。1.2 數控機床的工藝范圍及加工精度數控車床是一種高精度、高效率的自動化機床，也是使用數量最多的數控機床，約占數控機床總數的25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、輪廓形狀復雜的軸類、盤類等回轉體零件的加工，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，并能進行切槽、鉆孔、擴孔、鉸孔等加工。1.3 數控機床的發(fā)展趨勢 1.3.1 高速化 隨著汽車、國防、航空、航天等工業(yè)的高速發(fā)展以及鋁合金等新材料的應用，對數控機床加工的高速化要求越來越高。 （1）主軸轉速：機床采用電主軸（內裝式主軸電機），主軸最高轉速達200000r/min； （2）進給率：在分辨率為0.01m時，最大進給率達到240m/min且可獲得復雜型面的精確加工； （3） 運算速度：微處理器的迅速發(fā)展為數控系統向高速、高精度方向發(fā)展提供了保障，開發(fā)出CPU已發(fā)展到32位以及64位的數控系統，頻率提高到幾百兆赫、上千 兆赫。由于運算速度的極大提高，使得當分辨率為0.1m、0.01m時仍能獲得高達24240m/min的進給速度； （4）換刀速度：目前國外先進加工中心的刀具交換時間普遍已在1s左右，高的已達0.5s。德國Chiron公司將刀庫設計成籃子樣式，以主軸為軸心，刀具在圓周布置，其刀到刀的換刀時間僅0.9s。 1.3.2 高精度化 數控機床精度的要求現在已經不局限于靜態(tài)的幾何精度，機床的運動精度、熱變形以及對振動的監(jiān)測和補償越來越獲得重視。 （1） 提高CNC系統控制精度：采用高速插補技術，以微小程序段實現連續(xù)進給，使CNC控制單位精細化，并采用高分辨率位置檢測裝置，提高位置檢測精度（日本已 開發(fā)裝有106脈沖/轉的內藏位置檢測器的交流伺服電機，其位置檢測精度可達到0.01m/脈沖），位置伺服系統采用前饋控制與非線性控制等方法； （2）采用誤差補償技術：采用反向間隙補償、絲桿螺距誤差補償和刀具誤差補償等技術，對設備的熱變形誤差和空間誤差進行綜合補償。研究結果表明，綜合誤差補償技術的應用可將加工誤差減少60%80%； （3）采用網格解碼器檢查和提高加工中心的運動軌跡精度，并通過仿真預測機床的加工精度，以保證機床的定位精度和重復定位精度，使其性能長期穩(wěn)定，能夠在不同運行條件下完成多種加工任務，并保證零件的加工質量。 1.3.3 功能復合化 復合機床的含義是指在一臺機床上實現或盡可能完成從毛坯至成品的多種要素加工。根據其結構特點可分為工藝復合型和工序復合型兩類。工藝復合型機床如鏜銑鉆 復合加工中心、車銑復合車削中心、銑鏜鉆車復合復合加工中心等；工序復合型機床如多面多軸聯動加工的復合機床和雙主軸車削中心等。采用復合機 床進行加工，減少了工件裝卸、更換和調整刀具的輔助時間以及中間過程中產生的誤差，提高了零件加工精度，縮短了產品制造周期，提高了生產效率和制造商的市 場反應能力，相對于傳統的工序分散的生產方法具有明顯的優(yōu)勢。 加工過程的復合化也導致了機床向模塊化、多軸化發(fā)展。德國Index公司最新推出的車削加工中心是模塊化結構，該加工中心能夠完成車削、銑削、鉆削、滾 齒、磨削、激光熱處理等多種工序，可完成復雜零件的全部加工。隨著現代機械加工要求的不斷提高，大量的多軸聯動數控機床越來越受到各大企業(yè)的歡迎。 在2005年中國國際機床展覽會（CIMT2005）上，國內外制造商展出了形式各異的多軸加工機床（包括雙主軸、雙刀架、9軸控制等）以及可實現45軸聯動的五軸高速門式加工中心、五軸聯動高速銑削中心等。 1.3.4 控制智能化 隨著人工智能技術的發(fā)展，為了滿足制造業(yè)生產柔性化、制造自動化的發(fā)展需求，數控機床的智能化程度在不斷提高。具體體現在以下幾個方面： （1） 加工過程自適應控制技術：通過監(jiān)測加工過程中的切削力、主軸和進給電機的功率、電流、電壓等信息，利用傳統的或現代的算法進行識別，以辯識出刀具的受力、 磨損、破損狀態(tài)及機床加工的穩(wěn)定性狀態(tài)，并根據這些狀態(tài)實時調整加工參數（主軸轉速、進給速度）和加工指令，使設備處于最佳運行狀態(tài)，以提高加工精度、降 低加工表面粗糙度并提高設備運行的安全性； （2）加工參數的智能優(yōu)化與選擇：將工藝專家或技師的經驗、零件加工的一般與特殊規(guī)律，用現代智能方法，構造基于專家系統或基于模型的“加工參數的智能優(yōu)化與選擇器”，利用它獲得優(yōu)化的加工參數，從而達到提高編程效率和加工工藝水平、縮短生產準備時間的目的； （3）智能故障自診斷與自修復技術：根據已有的故障信息，應用現代智能方法實現故障的快速準確定位； （4）智能故障回放和故障仿真技術：能夠完整記錄系統的各種信息，對數控機床發(fā)生的各種錯誤和事故進行回放和仿真，用以確定錯誤引起的原因，找出解決問題的辦法，積累生產經驗； （5）智能化交流伺服驅動裝置：能自動識別負載，并自動調整參數的智能化伺服系統，包括智能主軸交流驅動裝置和智能化進給伺服裝置。這種驅動裝置能自動識別電機及負載的轉動慣量，并自動對控制系統參數進行優(yōu)化和調整，使驅動系統獲得最佳運行； （6） 智能4M數控系統：在制造過程中，加工、檢測一體化是實現快速制造、快速檢測和快速響應的有效途徑，將測量（Measurement）、建模 （Modelling）、加工（Manufacturing）、機器操作（Manipulator）四者（即4M）融合在一個系統中，實現信息共享，促進 測量、建模、加工、裝夾、操作的一體化。 1.3.5 體系開放化 （1）向未來技術開放：由于軟硬件接口都遵循公認的標準協議，只需少量的重新設計和調整，新一代的通用軟硬件資源就可能被現有系統所采納、吸收和兼容，這就意味著系統的開發(fā)費用將大大降低而系統性能與可靠性將不斷改善并處于長生命周期； （2）向用戶特殊要求開放：更新產品、擴充功能、提供硬軟件產品的各種組合以滿足特殊應用要求； （3） 數控標準的建立：國際上正在研究和制定一種新的CNC系統標準ISO14649（STEP-NC），以提供一種不依賴于具體系統的中性機制，能夠描述產品 整個生命周期內的統一數據模型，從而實現整個制造過程乃至各個工業(yè)領域產品信息的標準化。標準化的編程語言，既方便用戶使用，又降低了和操作效率直接有關 的勞動消耗。 1.3.6 驅動并聯化 并聯運動機床克服了傳統機床串聯機構移動部件質量大、系統剛度低、刀具只能沿固定導軌進給、作業(yè)自由度偏低、設備加工靈活性和機動性不夠等固有缺陷，在機 床主軸（一般為動平臺）與機座（一般為靜平臺）之間采用多桿并聯聯接機構驅動，通過控制桿系中桿的長度使桿系支撐的平臺獲得相應自由度的運動，可實現多坐 標聯動數控加工、裝配和測量多種功能，更能滿足復雜特種零件的加工，具有現代機器人的模塊化程度高、重量輕和速度快等優(yōu)點。 并聯機床作為一種新型的加工設備，已成為當前機床技術的一個重要研究方向，受到了國際機床行業(yè)的高度重視，被認為是“自發(fā)明數控技術以來在機床行業(yè)中最有意義的進步”和“21世紀新一代數控加工設備”。 1.3.7 極端化(大型化和微型化) 國防、航空、航天事業(yè)的發(fā)展和能源等基礎產業(yè)裝備的大型化需要大型且性能良好的數控機床的支撐。而超精密加工技術和微納米技術是21世紀的戰(zhàn)略技術，需發(fā) 展能適應微小型尺寸和微納米加工精度的新型制造工藝和裝備，所以微型機床包括微切削加工(車、銑、磨)機床、微電加工機床、微激光加工機床和微型壓力機等 的需求量正在逐漸增大。 1.3.8 信息交互網絡化 對于面臨激烈競爭的企業(yè)來說，使數控機床具有雙向、高速的聯網通訊功能，以保證信息流在車間各個部門間暢通無阻是非常重要的。既可以實現網絡資源共享，又 能實現數控機床的遠程監(jiān)視、控制、培訓、教學、管理，還可實現數控裝備的數字化服務(數控機床故障的遠程診斷、維護等)。例如，日本Mazak公司推出新 一代的加工中心配備了一個稱為信息塔(e-Tower)的外部設備，包括計算機、手機、機外和機內攝像頭等，能夠實現語音、圖形、視像和文本的通信故障報 警顯示、在線幫助排除故障等功能，是獨立的、自主管理的制造單元。 1.3.9 新型功能部件 為了提高數控機床各方面的性能，具有高精度和高可靠性的新型功能部件的應用成為必然。具有代表性的新型功能部件包括： 高頻電主軸：高頻電主軸是高頻電動機與主軸部件的集成，具有體積小、轉速高、可無級調速等一系列優(yōu)點，在各種新型數控機床中已經獲得廣泛的應用； 直 線電動機：近年來，直線電動機的應用日益廣泛，雖然其價格高于傳統的伺服系統，但由于負載變化擾動、熱變形補償、隔磁和防護等關鍵技術的應用，機械傳動結 構得到簡化，機床的動態(tài)性能有了提高。如：西門子公司生產的1FN1系列三相交流永磁式同步直線電動機已開始廣泛應用于高速銑床、加工中心、磨床、并聯機 床以及動態(tài)性能和運動精度要求高的機床等； 德國EX-CELL-O公司的XHC臥式加工中心三向驅動均采用兩個直線電動機； 電滾珠絲桿：電滾珠絲桿是伺服電動機與滾珠絲桿的集成，可以大大簡化數控機床的結構，具有傳動環(huán)節(jié)少、結構緊湊等一系列優(yōu)點。 1.3.10 高可靠性 數控機床與傳統機床相比，增加了數控系統和相應的監(jiān)控裝置等，應用了大量的電氣、液壓和機電裝置，易于導致出現失效的概率增大；工業(yè)電網電壓的波動和干擾 對數控機床的可靠性極為不利，而數控機床加工的零件型面較為復雜，加工周期長，要求平均無故障時間在2萬小時以上。為了保證數控機床有高的可靠性，就要精 心設計系統、嚴格制造和明確可靠性目標以及通過維修分析故障模式并找出薄弱環(huán)節(jié)。國外數控系統平均無故障時間在710萬小時以上，國產數控系統平均無故 障時間僅為10000小時左右，國外整機平均無故障工作時間達800小時以上，而國內最高只有300小時。 1.3.11 加工過程綠色化 隨著日趨嚴格的環(huán)境與資源約束，制造加工的綠色化越來越重要，而中國的資源、環(huán)境問題尤為突出。因此，近年來不用或少用冷卻液、實現干切削、半干切削節(jié)能 環(huán)保的機床不斷出現，并在不斷發(fā)展當中。在21世紀，綠色制造的大趨勢將使各種節(jié)能環(huán)保機床加速發(fā)展，占領更多的世界市場。 1.3.12 多媒體技術的應用 多媒體技術集計算機、聲像和通信技術于一體，使計算機具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力，因此也對用戶界面提出了圖形化的要求。合理的人性化 的用戶界面極大地方便了非專業(yè)用戶的使用，人們可以通過窗口和菜單進行操作，便于藍圖編程和快速編程、三維彩色立體動態(tài)圖形顯示、圖形模擬、圖形動態(tài)跟蹤 和仿真、不同方向的視圖和局部顯示比例縮放功能的實現。除此以外，在數控技術領域應用多媒體技術可以做到信息處理綜合化、智能化，應用于實時監(jiān)控系統和生 產現場設備的故障診斷、生產過程參數監(jiān)測等，因此有著重大的應用價值。 第2章 數控機床總體方案的制訂及比較2.1總體方案設計的內容 XK5036數控立式銑床數控系統總體方案的擬定應包括以下內容:系統運動方式的確定、伺服系統的選擇、執(zhí)行機構的結構及傳動方式的確定、計算機系統的選擇等內容。2.1.1系統運動方式的確定數控系統按運動方式可分為點位控制系統、連續(xù)控制系統和點位/直線控制系統。如果工件相對于刀具移動過程中不進行切削，可選用點位控制方式。例如，數控鉆床，在工作臺移動過程中鉆頭并不進行鉆孔加工，因此數控系統可采用點位控制方式。對于點位控制系統的要求是快速定位，保證定位精度。連續(xù)控制系統要求工作臺和刀具沿各坐標軸的運動有確定的函數關系，能夠控制刀具沿任意直線或曲線運動，控制每一個軸的位置和速度，使得各個軸同步協調到達目標點。連續(xù)控制系統不僅控制目標點，而且控制刀具到達這些目標點的整個路徑，使刀具始終接觸工件并制造出希望的形狀，所以具有連續(xù)控制系統的數控機床可以加工各種外形輪廓復雜的零件，故而連續(xù)控制系統又稱為輪廓控制系統或仿型系統。在點位控制系統中不具有連續(xù)控制系統中所具有的軌跡計算裝置，而連續(xù)控制系統中卻具有點位系統的功能。例如，XK5036數控銑床、XK5036數控銑床等。點位-直線系統，不但要求工作臺運動的終點坐標，還要求工作臺沿坐標軸運動過程中切削工作，進行簡單的車削和銑削作業(yè)。其控制方法與點位系統十分相似，故有時也將這兩種系統統稱為點位控制系統。例如，數控鏜銑床等。2.1.2伺服系統的選擇XK5036數控立式銑床伺服系統可以分為開環(huán)控制系統、半閉環(huán)控制系統和閉環(huán)控制系統。 開環(huán)控制系統中，沒有反饋電路，不帶檢測裝置，指令信號是單方向傳送的。指令發(fā)出后，不再反饋回來，故稱為開環(huán)控制。開環(huán)控制系統主要由步進電機驅動。開環(huán)伺服系統結構簡單，成本低廉，容易掌握，調試和維修都比較簡單。目前國內大力發(fā)展的經濟型數控機床普遍采用開環(huán)伺服系統。閉環(huán)控制系統具有裝在機床移動部件上的檢測反饋元件，用來檢測實際位移量，能補償系統的誤差，因而伺服控制精度高。閉環(huán)系統多采用直流伺服電機或交流伺服電機驅動。但閉環(huán)系統造價高、結構和調試較復雜，多用于精度要求高的場合。半閉環(huán)控制系統與閉環(huán)控制系統不同，不直接檢測工作臺的位移半閉環(huán)控制系統與閉環(huán)控制系統不同，不直接檢測工作臺的位移量，而是檢測元件測出驅動軸的轉角，再間接推算出工作臺實際的位移量，也有反饋回路，其性能介于開環(huán)系統和閉環(huán)系統之間。2.1.3執(zhí)行機構傳動方式的確定XK5036數控立式銑床為確定數控系統傳動精度和工件平穩(wěn)性，在設計機械傳動裝置時，通常提出低摩擦、低慣量、高剛度、無間隙、高諧振以及適當的阻尼比要求。在設計中應考慮以下幾點：盡量采用低摩擦的傳動和導向元件。例如，采用滾珠絲杠螺母傳動副、滾動導軌、貼塑導軌等。盡量消除傳動間隙。例如，采用消隙齒輪等。提高系統剛度。縮短傳動鏈可以提高系統的傳動剛度、減小傳動鏈誤差。也可以用預緊的方法提高系統剛度。例如，采用預加負載的滾動導軌和滾動絲杠副等。2.1.4計算機的選擇微機數控系統由CPU、存儲擴展電路、I/O接口電路、伺服電機驅動電路、檢測電路等組成。2.2總體設計方案的確定2.2.1系統的運動方式與伺服系統的選擇XK5036數控立式銑床應具有定位、直線插補、順圓插補、逆圓插補、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，故應選擇連續(xù)控制系統?？紤]到屬于經濟型數控機床加工精度不高，為了簡化結構、降低成本容易調試和維護，經濟型XK5036數控銑床應選用步進電機開環(huán)控制系統。2.2.2計算機系統根據機床要求采用8位微機。由于MCS-51系列單片機具有集成度高、可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強性能價格比高等特點，決定采用MCS-51系列的80C31單片機擴展系統。控制系統由微機部分、鍵盤、顯示器，I/O接口及光隔離電路，步進電機功率放大電路等組成。系統的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現，顯示器采用數碼管顯示加工數據及機床狀態(tài)等信息。2.2.3機械傳動方式為實現機床所要求的分辨率，采用步進電機經齒輪減速再傳動給絲杠。為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，應盡量減少摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加負載的結構。齒輪傳動也要采用消除齒側間隙的結構。47第3章 確定切削用量及選擇刀具3.1刀具選擇XK5036數控立式銑床（一）刀具選擇：銑平面：硬質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XK5036數控立式銑床粗：效率；半精、精：質量、兼顧效率。1、主軸轉速n：根據線速度v確定：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。L0.60.9d粗加工：大切深、大進給、低切速。精加工：小切深、小進給、高切速。3.3切削三要素XK5036數控立式銑床主軸轉速、切削深度、進給速度。少切削，快進給。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：公差與配合國家標準（GB18001804-97）。IT01、IT0、IT1、IT2IT18。新公差等級與舊公差等級的對照及應用新公差等級舊精度等級加工方法應用軸孔IT01IT2無研磨用于量塊、量儀制造IT3IT4研磨用于精密儀表、精密機件的光整加工IT51無研磨、珩磨、精磨、精鉸、精拉用于一般精密配合。IT7IT6在機床和較精密的機器、儀器制造中用得最為普遍IT621IT732磨削、拉削、鉸孔、精車、精鏜、精銑、粉末冶金IT834IT94車、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IT105IT116粗車、粗鏜、粗銑、粗刨、插、鉆、沖壓、壓鑄用于不重要的配合。IT12IT13也用于非配合IT12IT137IT148沖壓、壓鑄用于非配合IT15IT18912鑄、鍛、焊、氣割（2）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確程度。 國家標準（GB11821184-80）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。（3）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確程度。 國家標準（GB11821184-80）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。國家標準（GB3503-83、GB103183、GB131-83） 輪廓算術平均偏差： Ra 或近似于Ra 微觀不平十點高度： Rz(+) 在常用數值范圍內（Ra0.256.3m，Rz0.125m），在圖樣上應優(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(m)Rz(m)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160012501000800630500100400粗加工明顯可見的刀紋80320粗車粗銑粗刨鉆粗銼16325050200可見刀紋4016023212525100微見刀紋2080316.06312.550半精加工可見加工痕跡1040半精車精車精銑精刨粗磨48326.325微見加工痕跡52054163.212.5不見加工痕跡2.5106281.6精加工可辨加工痕跡的方向1.256.3精鉸刮精拉精磨71.0050.84微辨加工痕跡的方向0.633.280.52.50.42.0不辨加工痕跡的方向0.321.690.251.250.21.00精密加工暗光澤面0.160.80精密磨削珩磨研磨超精加工拋光100.1250. 630.10.50亮光澤面0.0800.40110.0630.320.050.25鏡狀光澤面0.0400.20120.0320.160.0250.125霧狀光澤面0.0200.10130.0160.0800.0120.063鏡面0.0100.050鏡面磨削研磨140.0080.0400.0250.0323.5刀具材料碳素工具鋼T10A、T12A：HRC60-64,200-250，V8m/min。合金工具鋼CrWMn、9SiCr：350-400，V10m/min。高速鋼W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2：HRC62-67，550-600，V30m/min；110W1.5Mo9.5Cr4Vco8、W6Mo5Cr4V2Al：HRC68-70，6004、硬質合金：HRA89-93（HRC74-82），850-1000，V100-300m/min。另外，還有新型硬質合金、陶瓷材料、人造金剛石、立方氮化硼等。第4章 傳動系統圖設計4.1 傳動系統設計XK5036數控立式銑床設計參數1、主軸轉速：30-1500轉/分 2、工作臺尺寸(長寬)： 1250mm360mm 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、工作臺重復定位精度 x、y、z 0.02mm；6、縱向、橫向及垂直進給為微機控制，采用步進電機或伺服電機驅動，滾珠絲杠傳動，脈沖當量0.010mm/脈沖。7、實現功能：銑削平面、斜面、溝槽、齒輪等。8、操作要求：起動、點動、單步運行、自動循環(huán)、暫停、停止4.1.1 參數的擬定XK5036數控立式銑床選定公比，確定各級傳送機床常用的公比 為1.26或1.41，考慮適當減少相對速度損失，這里取公比為 =1.26，根據給出的條件：主運動部分Z=18級，根據標準數列表，確定各級轉速為：（30，37.5，47.5，60，75，95，118，150，190，235，300，375，475，600，750，950，1180，1500R/min）.4.1.2 傳動結構或結構網的選擇1，確定變數組數目和各變數組中傳動副的數目該機床的變數范圍較大，必須經過較長的傳動鏈減速才能把電機的轉速降到主軸所需的轉速。級數為Z的傳動系統由若干個傳動副組成，各傳動組分別有. .個傳動副，即Z=。傳動副數由于結構的限制，通常采用P=2或3，即變速Z應為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級轉速傳動系統的傳動組，可以排成：3x3x2，或3x2x3。選擇傳動組安排方式時，要考慮到機床主軸變速率的具體結構，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，根據前多后少的原則，選擇18=3x3x2方案。3，傳動系統的擴大順序安排 對于18=3x3x2的傳動，有3！=6種可能安排，亦即有6種機構副和對應的結構網，傳動方案中，擴大順序與傳動順序可以一致，結構式18=xx的傳動中，擴大順序與傳動順序一致，稱為順序擴大傳動，而，18=xx的傳動順序不一致，根據“前密后疏”的原則，選擇18=xx的結構式。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：根據傳動比及指數 x, 的值公比極限值傳動比指數1.26x值: =1/=1/46值: =23（x+）值：=89因此，可選擇18=xx的傳動方案。5、最后擴大傳動組的選擇：正常連續(xù)順序擴大傳動（串聯式）的傳動式為：Z=*最后擴大傳動組的變速范圍為：r=按原則，導出系統的最大收效Z和變速范圍為： 231.26Z=18R=50Z=12R=12.7因此，傳動方案18=3*3*2符合上述條件，其結構網如下圖4.1：圖4.1 結構網圖4.1.3 轉速圖擬定XK5036數控立式銑床運動參數確定后，主軸各級轉速就已知，切削耗能確定電機功率。在此基礎上，選擇電機的型號，分配個變速組的最小傳動比；擬定轉速圖，確定各中間軸的轉速。1，主電機的選擇中型機床上，一般都采用交流異步電動機為動力源，可在下列中選用，在選擇電機型號時，應注意：（1）電機的N：根據機床切削能力的要求確定電機功率，但電機產品的功率已標準化，因此，按要求應選取相近的標準值。（2）電機的轉速異步電動機的轉速有：3000，1500，1000，750，r/min,這取決于電動機的極對數P=60f/p=60x50/p ( r/min)機床中最常用的是1500 r/min和3000r/min 兩種，選用是要使電機轉速與主軸最高速度和工軸轉速相近為宜，以免采用過大或過小的降速傳動。根據以上要求，我們選擇功率為7.5KW，轉速為1500r/min的電機，查表，其型號為Y132M-4，其主要性能如下表電機型號額定功率KW 荷載轉速r/min同步轉速r/minY132M-47.5KW144015002、分配最小傳動比，擬定轉速圖 （1）軸的轉速：軸從電機得到運動，經傳動系統轉化為主軸各級轉速，電機轉速和主軸最小轉速應相近，顯然，從動件在高速運轉下功率工作時所受扭矩最小來考慮，軸轉速不宜將電機轉速降得太低。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，軸轉速也不宜也太高，軸轉速一般取7001000r/min左右較合適。因此，使中間變速組降速緩慢。以減少結構的徑向尺寸，在電機軸I到主傳動系統前端軸增加一對26/54的降速齒輪副，這樣，也有利于變型機床的設計，改變降速齒輪傳動副的傳動比，就可以將主軸18級轉速一起提高或降低。 （2）中間軸的轉速 對于中間傳動軸的轉速的考慮原則是：妥善解決結構尺寸大小和噪音，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小些： d, m從而可使結構緊湊。但這樣引起空載功率和噪音加大：=1/(3.5+cn)KW式中：C系數，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速之和n主軸轉速（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傳到主軸上所經過的齒輪對數主軸齒輪螺旋角,K系數，根據機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 從上述經驗公式可知，主軸n和中間傳動軸的轉速和 對機床噪音和發(fā)熱的關系，確定中間軸轉速時，應結合實際情況做相應的修正。a，對高速輕載或精密機床，中間軸轉速宜取低些b,控制齒輪圓周速度v8m/s(可用級齒輪精度)，在此條件下，可適當選用較高的中間軸轉速。（3），齒輪傳動比的限制機床主傳動系統中，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致結構龐大。（4）分配最小傳動比a,決定軸V-VI和VI-的傳動比，根據臺式銑床的結構特點，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軸的轉速及中間軸轉速的分析，及齒輪傳動比的現在，根據“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）擬定轉速圖：根據結構圖及結構網圖及傳動比的分配，擬定轉速圖，如下圖4.2所示： 圖4.2 傳動系統圖4.1.4 齒輪齒數的確定及傳動系統圖的繪制1，齒輪齒數的確定的要求：可用計算法或查表確定齒輪齒數，后者更為簡便，根據要求的傳動比u和初步定出的傳動副齒數和，查表即可求出小齒輪齒數：選擇是應考慮：a,傳動組小齒輪不應小于允許的最小齒數，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；當齒數少于不發(fā)生根切的最小齒數時（壓力角a=20的直齒標準，=17），一般需對齒輪進行正變位修正。b,保證強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相等。若摸數相等時，則齒數和亦相等，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，機床上可用修正齒輪，在一定范圍內調整中心矩使其相等但修正量不能太大，一般齒數差不能夠超過34個齒。2，變速傳動組中齒輪齒數的確定 為了減少齒輪數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。查機床設計手冊確定個齒輪齒數如下： 軸II-III間變速齒輪齒數的確定：由于公比=1.26，傳動比為=1/=，=1/=，=1/設：傳動組中最小齒輪齒數=16，查機床設計手冊表7.3-14可查得：=16/39 （0.1%），=19/36 （0.9%），=22/33 （-0.3%）齒數和為=55公用齒輪選為=39軸III-IV間變速組齒輪齒數的確定：傳動比為=1/ =1/ =根據=，主動輪齒數為39，從表7.3-14可查得：=18/47 （-0.1%），=28/37 （0.9%），=39/26 （-0.3%）齒數和為：=65軸IV-V間變速組齒輪齒數的確定：由于變數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，為了得到合理的結構尺寸，可采用不同模數的齒輪副。軸IV-V間的兩對齒輪，其傳動比為=1/4, =2分別取，則34取30，30x3=90, =30x4=120按傳動比將齒數分配如下：=1/4=18/7219/71 ，=2=80/4082/38軸V-VI及VI-VII間齒數確定，由于這兩個傳動組只是改變傳動方向，不起便速度作用，只需考慮其結構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為29，I-VII軸間齒輪齒數為67。3、主軸轉速系列的驗算：主軸轉速在使用上并要求十分準確，轉速稍高或稍低并無太大影響，但標牌上標準數列的數值一般也不允許與實際轉速相差太大。 由確定的齒輪齒數所得的實際轉速與傳動設計理論值難以完全相符，需要驗算主軸各級轉速，最大誤差不得超過即%主軸的各級實際轉速分別為：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：經驗算，其他各級轉速也滿足要求。4、傳動系統圖的繪制轉速圖和齒輪齒數確定后，變速箱的結構復雜程度也基本確定了（如齒輪個數，軸數，支承軸，為使變速箱的結構緊湊，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構實現的可行性問題，在考慮主軸適當的支承距和散熱條件下，一般應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。根據計算結果，繪制出傳動系統圖，如圖2.4所示 圖1.4 主傳動系統圖主運動傳動鏈的傳動路線表達式如下：電動機IIIIIIIV=VVIVIII（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滿足強度要求外，還應滿足剛度要求。強度要求保證軸在反復載荷和扭轉載荷作用下不發(fā)生疲勞破壞。機床主傳動系統精度要求高，不允許有較大的變形因此，疲勞強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度。剛度要求保證軸在載荷下不致產生過大的變形（彎曲，失穩(wěn)，轉角）。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。可以先扭轉剛度估算軸的直徑，畫出草圖后，再根據受力情況，結構布置和有關尺寸，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電機額定功率從電機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）。該傳動軸的計算轉速；計算轉速是傳動件能傳遞全部功率的最低轉速，各傳動件的計算轉速可以從轉速圖上，按主軸的計算轉速和相應的傳動關系而確定，而中型車，銑床主軸的計算轉速為：（主）=每米長度上允許的扭轉角（deg/m）;可根據傳動軸的要求選取。對傳動軸剛度要求允許扭轉角主軸一般傳動軸較低的軸（deg/m）0.5-11-1.51.5-2估算時應注意：（1）值為每米長度上允許的扭轉角，而估算的傳動軸的長度往往不足1m，因此，在計算時應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估算的軸徑 d選取相近的標準花鍵軸的規(guī)格，主軸總軸徑可參考統計數據確定；1.5-2.82.8-44.5-7.55.5-7.57.5-11車床60-8070-9070-10595-130110-145升降臺銑床50-9060-9060-9575-10090-105各軸的計算轉速：=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=48.242、傳動軸剛度的驗算（1）軸的彎曲變形的條件和允許值機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（0.00030.0005）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（0.010.03）裝滑動軸承處0.001安裝蝸輪的軸（0.020.05）裝單列徑向圓錐磙子軸承處0.001（2）軸的彎曲復形計算公式：計算花鍵軸的剛度時可采用平均直徑或當量直徑計算公式：矩形花鍵軸：平均直徑=（D+d）/2當量直徑 =慣性矩： I=4.2.2 齒輪模數的估算與驗算1、 估算：按接觸疲勞和彎曲強度計算次論模數比較復雜，而且有些系數只有在齒輪各參數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，再選用標準齒輪模數。齒輪彎曲疲勞強度的估算： mm齒面點蝕的估算：A mm其中 為大齒輪的計算轉速，A為齒輪中心矩，由中心矩A及齒數，求出模數=2A/ mm根據估算所得和中較大的值，選擇相近的標準模數，各齒輪的計算轉數為：=1450r/min =695r/min =300r/min 235r/min =95r/min =273r/min =235r/min =695r/min =475r/min