Φ630mm的數控車床總體設計及橫向進給設計【含CAD高清圖紙】

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畢業(yè)設計(論文) Φ630mm的數控車床總體設計 及橫向進給設計 所在學院 專 業(yè) 班 級 姓 名 學 號 指導老師 年 月 日 摘要 現(xiàn)代數控機床是未來工廠自動化的基礎。數控化設計范圍大、潛力大、投資少、見效快，促進制造業(yè)技術進步的重要手段。因此，數控系統(tǒng)設計車床的研究具有重要意義。 本文在敘述了數控技術的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展的基礎上，通過機床設計的總體思想，提出了數控化設計的技術方案和新數控系統(tǒng)的選型配置方案;提高了傳動的精度，重新設計機床的控制邏輯，通過對伺服系統(tǒng)的分析，完成了機床各主要參數的優(yōu)化和匹配。 關鍵詞：Φ630mm，數控車床，機床，設計，數控系統(tǒng)。 Abstract Modern CNC machine tools is the basis for the future of factory automation. CNC design range, potential is great, less investment, quick effect, promote manufacturing industry technological progress is an important means of. Therefore, the design of NC system for lathe has important significance to the research of. This paper describes the CNC technology history, current situation and development on the basis of machine tool design, through the overall idea, put forward the technical scheme design of NC and CNC system selection scheme; the drive to improve the accuracy, to design machine tool control logic, through the servo system of a machine tool, completed the main parameters optimization and matching. Key words:Φ 630mm, CNC lathes, machine tools, design, numerical control system. 目錄 摘要 II Abstract III 第1章 數控機床發(fā)展概述 1 1.1我國數控機床發(fā)展現(xiàn)狀及思考 1 1.1.1 不斷加強技術創(chuàng)新是提高國產數控機床水平的關鍵 1 1.1.2 制造水平與管理手段依然落后 1 1.1.3 服務水平與能力欠缺也是影響國產數控機床占有率的一個重要因素 2 1.1.4 加大數控專業(yè)人才的培養(yǎng)力度 2 1.1.5結語 2 1.2數控機床及其特點 3 1.3數控機床的工藝范圍及加工精度 3 1.5 數控機床的發(fā)展趨向 4 第2章 數控機床總體方案的制訂及比較 7 第3章 確定切削用量及選擇刀具 10 3.1科學選擇數控刀具 10 3.1.1選擇數控刀具的原則 10 3.1.2選擇數控車削用刀具 10 3.2 設置刀點和換刀點 10 3.3 確定切削用量 11 3.3.1確定主軸轉速 11 3.3.2確定進給速度 11 3.3.3 確定背吃刀量 12 第4章 進給伺服系統(tǒng)傳動計算 12 4.1確定系統(tǒng)脈沖當量 13 4.2切削力的確定 13 4.3計算進給牽引力 13 4.4計算最大動負載C 14 4.5傳動效率計算 15 4.6剛度計算 15 4.7進給伺服系統(tǒng)傳動計算 16 4.7.1確定傳動比 16 4.7.2齒輪參數的計算 16 4.8步進電機的計算和選用 17 4.8.1轉動慣量的計算 17 4.8.2電機力矩的計算 18 4.9步進電機的選擇 20 結論 22 參考文獻: 23 致謝 24 - 42 - 第1章 數控機床發(fā)展概述 1.1我國數控機床發(fā)展現(xiàn)狀及思考 我國數控技術的發(fā)展起步于二十世紀五十年代，通過“六五”期間引進數控技術，“七五”期間組織消化吸收“科技攻關”，我國數控技術和數控產業(yè)取得了相當大 的成績。特別是最近幾年，我國數控產業(yè)發(fā)展迅速，1998～2004年國產數控機床產量和消費量的年平均增長率分別為39.3%34.9%。盡管如此，進 口機床的發(fā)展勢頭依然強勁，從2002年開始，中國連續(xù)三年成為世界機床消費第一大國、機床進口第一大國，2004年中國機床主機消費高達94.6億美 元，但進出口逆差嚴重，國產機床市場占有率連年下降，1999年是33.6%，2003年僅占27.7%。1999年機床進口額為8.78億美元 (7624臺)，2003年達27.1億美元(23320臺)，相當于同年國內數控機床產值的2.7倍。國內數控機床制造企業(yè)在中高檔與大型數控機床的研 究開發(fā)方面與國外的差距更加明顯，70%以上的此類設備和絕大多數的功能部件均依賴進口。由此可以看出國產數控機床特別是中高檔數控機床仍然缺乏市場競爭 力，究其原因主要在于國產數控機床的研究開發(fā)深度不夠、制造水平依然落后、服務意識與能力欠缺、數控系統(tǒng)生產應用推廣不力及數控人才缺乏等。 我們應看清形勢，充分認識國產數控機床的不足，努力發(fā)展先進技術，加大技術創(chuàng)新與培訓服務力度，以縮短與發(fā)達國家之間的差距。 1.1.1 不斷加強技術創(chuàng)新是提高國產數控機床水平的關鍵 國產數控機床缺乏核心技術，從高性能數控系統(tǒng)到關鍵功能部件基本都依賴進口，即使近幾年有些國內制造商艱難地創(chuàng)出了自己的品牌，但其產品的功能、性能的可 靠性仍然與國外產品有一定差距。近幾年國產數控機床制造商通過技術引進、海內外并購重組以及國外采購等獲得了一些先進數控技術，但缺乏對機床結構與精度、 可靠性、人性化設計等基礎性技術的研究，忽視了自主開發(fā)能力的培育，國產數控機床的技術水平、性能和質量與國外還有較大差距，同樣難以得到大多數用戶的認可。 1.1.2 制造水平與管理手段依然落后 一些國產數控機床制造商不夠重視整體工藝與制造水平的提高，加工手段基本以普通機床與低效刀具為主，裝配調試完全靠手工，加工質量在生產進度的緊逼下不能 得到穩(wěn)定與提高。另外很多國產數控機床制造商的生產管理依然沿用原始的手工臺賬管理方式，工藝水平和管理效率低下使得企業(yè)無法形成足夠生產規(guī)模。如國外機 床制造商能做到每周裝調出產品，而國內的生產周期過長且很難控制。因此我們在引進技術的同時應注意加強自身工藝技術設計和管理水平的提升。 1.1.3 服務水平與能力欠缺也是影響國產數控機床占有率的一個重要因素 由于數控機床產業(yè)發(fā)展迅速，一部分企業(yè)不顧長遠利益，對提高自身的綜合服務水平不夠重視，甚至對服務缺乏真正的理解，只注重推銷而不注重售前與售后服務。 有些企業(yè)派出的人員對生產的數控機床缺乏足夠了解，不會使用或使用不好數控機床，更不能指導用戶使用好機床；有的對先進高效刀具缺乏基本了解，不能提供較 好的工藝解決方案，用戶自然對制造商缺乏信心。制造商的服務應從研究用戶的加工產品、工藝、生產類型、質量要求入手，幫助用戶進行設備選型，推薦先進工藝 與工輔具，配備專業(yè)的培訓人員和良好的培訓環(huán)境，幫助用戶發(fā)揮機床的最大效益、加工出高質量的最終產品，這樣才能逐步得到用戶的認同，提高國產數控機床的 市場占有率。 1.1.4 加大數控專業(yè)人才的培養(yǎng)力度 從我國數控機床的發(fā)展形式來看需要三種層次的數控技術人才：第一種是熟悉數控機床的操作及加工工藝、懂得簡單的機床維護、能夠進行手工或自動編程的車間技 術操作人員；第二種是熟悉數控機床機械結構及數控系統(tǒng)軟硬件知識的中級人才，要掌握復雜模具的設計和制造知識，能夠熟練應用UG、PRO/E等CAD /CAM軟件，同時有扎實的專業(yè)理論知識、較高的英語水平并積累了大量的實踐經驗；第三種是精通數控機床結構設計以及數控系統(tǒng)電氣設計、能夠進行數控機床 產品開發(fā)及技術創(chuàng)新的數控技術高級人才。我國應根據需要有目標的加大人才培養(yǎng)力度，為我國的數控機床產業(yè)提供強大的技術人才支撐。 1.1.5結語 目前，數控機床的發(fā)展日新月異，高速化、高精度化、復合化、智能化、開放化、并聯(lián)驅動化、網絡化、極端化、綠色化已成為數控機床發(fā)展的趨勢和方向。 中國作為一個制造大國，主要還是依靠勞動力、價格、資源等方面的比較優(yōu)勢，而在產品的技術創(chuàng)新與自主開發(fā)方面與國外同行的差距還很大。中國的數控產業(yè)不能 安于現(xiàn)狀，應該抓住機會不斷發(fā)展，努力發(fā)展自己的先進技術，加大技術創(chuàng)新與人才培訓力度，提高企業(yè)綜合服務能力，努力縮短與發(fā)達國家之間的差距。力爭早日 實現(xiàn)數控機床產品從低端到高端、從初級產品加工到高精尖產品制造的轉變，實現(xiàn)從中國制造到中國創(chuàng)造、從制造大國到制造強國的轉變。 1.2數控機床及其特點 數控機床是數字控制機床（Computer numerical control machine tools）的簡稱，是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機床。該控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規(guī)定的程序，并將其譯碼，從而使機床動作數控折彎機并加工零件。 數控機床的操作和監(jiān)控全部在這個數控單元中完成，它是數控機床的大腦。與普通機床相比，數控機床有如下特點： ●對加工對象的適應性強，適應模具等產品單件生產的特點，為模具的制造提供了合適的加工方法； ●加工精度高，具有穩(wěn)定的加工質量； ●可進行多坐標的聯(lián)動，能加工形狀復雜的零件； ●加工零件改變時，一般只需要更改數控程序，可節(jié)省生產準備時間； ●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3~5倍）； ●機床自動化程度高，可以減輕勞動強度； ●有利于生產管理的現(xiàn)代化 數控機床使用數字信息與標準代碼處理、傳遞信息，使用了計算機控制方法，為計算機輔助設計、制造及管理一體化奠定了基礎； ●對操作人員的素質要求較高，對維修人員的技術要求更高； ● 可靠性高。 1.3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。 由于數控車床具有加工精度高、能作直線和圓弧插補功能，有些數控車床還具有非圓曲線插補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車床要寬得多。 1、精度要求高的零件 由于數控機床剛性好，制造和對刀精度高，以及能方便和精確地進行人工補償和自動補償，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零件 數控車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。數控車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給量，要求小的部位選用小的進給量。 3、輪廓形狀特別復雜和難于控制尺寸的零件 由于數控車床具有直線和圓弧插補功能，部分車床數控裝置還有某些非圓曲線和平面曲線插補功能，所以可以加工形狀特別復雜或難于控制尺寸的的零件。 4、帶特殊螺紋的零件 普通車床所能車削的螺紋類型相當有限，它只能車等導程的直、錐面公、英制螺紋，而且一臺車床只能限定加工若干導程的螺紋。而數控車床不但能車削任何等導程的直、錐面螺紋和端面螺紋，而且能車變螺距螺紋，還可以車高精度螺紋。 1.5 數控機床的發(fā)展趨向 數控機床是由美國發(fā)明家約翰·帕森斯上個世紀發(fā)明的。隨著電子信息技術的發(fā)展，世界機床業(yè)已進入了以數字化制造技術為核心的機電一體化時代，其中數控機床就是代表產品之一。數控機床是制造業(yè) 的加工母機和國民經濟的重要基礎。它為國民經濟各個部門提供裝備和手段，具有無限放大的經濟與社會效應。目前，歐、美、日等工業(yè)化國家已先后完成了數控機 床產業(yè)化進程，而中國從20世紀80年代開始起步，仍處于發(fā)展階段。 1、美國的數控發(fā)展史 美國政府重視機床工業(yè)，美國國防部等部門因其軍事方面的需求而不斷提出機床的發(fā)展方向、科研任務，并且提供充足的經費，且網羅世界人才，特別講究“效 率”和“創(chuàng)新”，注重基礎科研。因而在機床技術上不斷創(chuàng)新，如1952年研制出世界第一臺數控機床、1958年創(chuàng)制出加工中心、70年代初研制成FMS、 1987年首創(chuàng)開放式數控系統(tǒng)等。由于美國首先結合汽車、軸承生產需求，充分發(fā)展了大量大批生產自動化所需的自動線，而且電子、計算機技術在世界上領先， 因此其數控機床的主機設計、制造及數控系統(tǒng)基礎扎實，且一貫重視科研和創(chuàng)新，故其高性能數控機床技術在世界也一直領先。當今美國生產宇航等使用的高性能數 控機床，其存在的教訓是，偏重于基礎科研，忽視應用技術，且在上世紀80代政府一度放松了引導，致使數控機床產量增加緩慢，于1982年被后進的日本超 過，并大量進口。從90年代起，糾正過去偏向，數控機床技術上轉向實用，產量又逐漸上升。 2、德國的數控發(fā)展史 德國政府一貫重視機床工業(yè)的重要戰(zhàn)略地位，在多方面大力扶植。，于1956年研制出第一臺數控機床后，德國特別注重科學試驗，理論與實際相結合，基礎科 研與應用技術科研并重。企業(yè)與大學科研部門緊密合作，對數控機床的共性和特性問題進行深入的研究，在質量上精益求精。德國的數控機床質量及性能良好、先進 實用、貨真價實，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密數控機床。德國特別重視數控機床主機及配套件之先進實用，其機、電、液、氣、光、刀具、測量、數控 系統(tǒng)、各種功能部件，在質量、性能上居世界前列。如西門子公司之數控系統(tǒng)，均為世界聞名，競相采用。 3、日本的數控發(fā)展史 日本政府對機床工業(yè)之發(fā)展異常重視，通過規(guī)劃、法規(guī)(如“機振法”、“機電法”、“機信法”等)引導發(fā)展。在重視人才及機床元部件配套上學習德國，在質 量管理及數控機床技術上學習美國，甚至青出于藍而勝于藍。自1958年研制出第一臺數控機床后，1978年產量(7,342臺)超過美國(5,688 臺)，至今產量、出口量一直居世界首位(2001年產量46,604臺，出口27,409臺，占59%)。戰(zhàn)略上先仿后創(chuàng)，先生產量大而廣的中檔數控機 床，大量出口，占去世界廣大市場。在上世紀80年代開始進一步加強科研，向高性能數控機床發(fā)展。日本FANUC公司戰(zhàn)略正確，仿創(chuàng)結合，針對性地發(fā)展 市場所需各種低中高檔數控系統(tǒng)，在技術上領先，在產量上居世界第一。該公司現(xiàn)有職工3,674人，科研人員超過600人，月產能力7,000套，銷售額在 世界市場上占50%，在國內約占70%，對加速日本和世界數控機床的發(fā)展起了重大促進作用。 4、中國數控行業(yè)現(xiàn)狀及前景 “十五”期間，中國數控機床行業(yè)實現(xiàn)了超高速發(fā)展。其產量2001年為17521臺，2002年24803臺，2003年36813臺，2004年 51861臺，2004年產量是2000年的3.7倍，平均年增長39%；2005年國產數控機床產量59639臺，接近6萬臺大關，是“九五”末期的 4.24倍?！笆濉逼陂g，中國機床行業(yè)發(fā)展迅猛的主要原因是市場需求旺盛。固定資產投資增速快、汽車和機械制造行業(yè)發(fā)展迅猛、外商投資企業(yè)增長速度加快 所致。 2006年，中國數控金切機床產量達到85756臺，同比增長32.8%，增幅高于金切機床產 量增幅18.4個百分點，進而使金切機床產值數控化率達到37.8%，同比增加2.3個百分點。此外，數控機床在外貿出口方面亦業(yè)績驕人，全年實現(xiàn)出口額 3.34億美元，同比增長63.14%，高于全部金屬加工機床出口額增幅18.58個百分點。 2007年，中國數控金切機床產量達123,257臺，數控金屬成形機床產量達3,011臺；國產數控機床擁有量約50萬臺，進口約20萬臺。2008年10月，中國數控機床產量達105,780臺，比2007年同比增長2.96%。 長期以來，國產數控機床始終處于低檔迅速膨脹，中檔進展緩慢，高檔依靠進口的局面，特別是國家重點工程需要的關鍵設備主要依靠進口，技術受制于人。究其原因，國內本土數控機床企業(yè)大多處于“粗放型”階段，在產品設計水 平、質量、精度、性能等方面與國外先進水平相比落后了5-10年；在高、精、尖技術方面的差距則達到了10-15年。同時中國在應用技術及技術集成方面的 能力也還比較低，相關的技術規(guī)范和標準的研究制定相對滯后，國產的數控機床還沒有形成品牌效應。同時，中國的數控機床產業(yè)目前還缺少完善的技術培訓、服務 網絡等支撐體系，市場營銷能力和經營管理水平也不高。更重要原因是缺乏自主創(chuàng)新能力，完全擁有自主知識產權的數控系統(tǒng)少之又少，制約了數控機床產業(yè)的發(fā)展。 國外公司在中國數控系統(tǒng)銷量中的80%以上是普及型數控系統(tǒng)。如果我們能在普及型數控系統(tǒng)產品 快速產業(yè)化上取得突破，中國數控系統(tǒng)產業(yè)就有望從根本上實現(xiàn)戰(zhàn)略反擊。同時，還要建立起比較完備的高檔數控系統(tǒng)的自主創(chuàng)新體系，提高中國的自主設計、開發(fā) 和成套生產能力，創(chuàng)建國產自主品牌產品，提高中國高檔數控系統(tǒng)總體技術水平。 “十一五”期間，中國數控機床產業(yè)將步入快速發(fā)展期，中國數控機床行業(yè)面臨千載難逢的大好發(fā)展機遇，根據中國數控車床1996-2005年消費數量，通過模型擬合，預計2009年數控車床銷售數量將達8.9萬臺，年均增長率為16.5%。根據中國加工中心1996-2005年消費增長模型，預計2009年加工中心消費數量將達2.8萬臺，較2005年年均增長率為17.8%。 技術發(fā)展趨勢 高速、精密、復合、智能和綠色是數控機床技術發(fā)展的總趨勢，近幾年來，在實用化和產業(yè)化等方面取得可喜成績。主要表現(xiàn)在： 1.機床復合技術進一步擴展隨著數控機床技術進步，復合加工技術日趨成熟，包括銑-車復合、車銑復合、車-鏜-鉆-齒輪加工等復合，車磨復合，成形復合加工、特種復合加工等，復合加工的精度和效率大大提高?！耙慌_機床就是一個加工廠”、“一次裝卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，復合加工機床發(fā)展正呈現(xiàn)多樣化的態(tài)勢。 2．數控機床的智能化技術有新的突破，在數控系統(tǒng)的性能上得到了較多體現(xiàn)。如：自動調整干涉防 碰撞功能、斷電后工件自動退出安全區(qū)斷電保護功能、加工零件檢測和自動補償學習功能、高精度加工零件智能化參數選用功能、加工過程自動消除機床震動等功能 進入了實用化階段，智能化提升了機床的功能和品質。 3．機器人使柔性化組合效率更高機器人與主機的柔性化組合得到廣泛應用，使得柔性線更加靈活、 功能進一步擴展、柔性線進一步縮短、效率更高。機器人與加工中心、車銑復合機床、磨床、齒輪加工機床、工具磨床、電加工機床、鋸床、沖壓機床、激光加工機 床、水切割機床等組成多種形式的柔性單元和柔性生產線已經開始應用。 4．精密加工技術有了新進展數控金切機床的加工精度已從原來的絲級（0.01mm）提升到目前 的微米級（0.001mm），有些品種已達到0.05μm左右。超精密數控機床的微細切削和磨削加工，精度可穩(wěn)定達到0.05μm左右，形狀精度可達 0.01μm左右。采用光、電、化學等能源的特種加工精度可達到納米級（0.001μm）。通過機床結構設計優(yōu)化、機床零部件的超精加工和精密裝配、采用 高精度的全閉環(huán)控制及溫度、振動等動態(tài)誤差補償技術，提高機床加工的幾何精度，降低形位誤差、表面粗糙度等，從而進入亞微米、納米級超精加工時代。 5．功能部件性能不斷提高功能部件不斷向高速度、高精度、大功率和智能化方向發(fā)展，并取得成熟的應用。全數字交流伺服電機和驅動裝置，高技術含量的電主軸、力矩電機、直線電機，高性能的直線滾動組件，高精度主軸單元等功能部件推廣應用，極大的提高數控機床的技術水平。 第2章 數控機床總體方案的制訂及比較 數控機床可以較好的解決形狀復雜、精密多品種及中小批零件的加工問題，能夠穩(wěn)定加工質量和提高生產率，隨著制造技術向自動化、柔性化方向的發(fā)展，當前機床的數控化率已經成為衡量一個國家制造工業(yè)水平的重要標志。 機床的數控化設計一般是指對現(xiàn)有某臺普通車床的某些部位做一定的改裝，配上經濟型數控裝置或標準型數控數控系統(tǒng)，從而使原機床具有數控加工能力。這種技術工作有其獨特的特點。 機床的數控設計，主要是對原有機床的結構進行創(chuàng)造性的設計，最終使機床達到比較理想的狀態(tài)。數控車床是機電一體化的典型代表，其機械結構同普通的機床有相似之處。然而，現(xiàn)代的數控機床不是簡單將傳統(tǒng)機床配備上數控系統(tǒng)即可，也不是在傳統(tǒng)機床的基礎上，僅對局部加以改進而成。傳統(tǒng)機床存在著一些弱點，如剛性不足，抗震性差，熱變形大，滑動面的摩擦阻力大及傳動元件之間存在間隙等，難以勝任數控機床對加工精度，表面質量，生產率以及使用壽命等要求?，F(xiàn)代機床的部件結構，整體布局，外部造型都已經形成了數控機床獨特的機械部件。因此，我們在對數控機床進行數控設計的過程中，應在考慮各種情況下，使普通機床的各項性能指標盡可能的 與數控機床相接近。 機床的設計主要應具備兩個條件1.機床基礎件必須有足夠的剛度2.改裝的費用要合適，經濟性好。改裝前要對機床的性能指標做出決定，改裝后其各項指標能達到數控加工的要求。 機械部分數控化設計需涉及電機的選擇、工作臺進給結構、傳動比分配與計算等方面的內容。 1伺服驅動元件 進給電機選用混合式步進電機，其不僅步距角小運行頻率高且功耗低低頻噪音小等優(yōu)點。廣泛用于開環(huán)控制系統(tǒng)，不需要反饋裝置，結構簡單可靠，壽命長。橫垂直進給電機均選用同一型號以便于設計和日后維修。脈沖當量t=0.01mm/脈沖，選用步距角θ=0.6° 。對原機床的主傳動系統(tǒng)均維持不變，以節(jié)約資金及縮短改裝時間。 2機床導軌的選擇 由于原機床采用滑動導軌，在低速時容易發(fā)生“爬行”現(xiàn)象，直接影響運動部件的定位精度。較經濟的處理方法是采用貼塑滑動導軌。 3進給傳動系統(tǒng) 數控機床要求進給部分移動元件靈敏度高、精度高、反應快、低速時無爬行。因此本設計中采用滾珠絲杠可以滿足要求。滾珠絲杠螺母副由絲杠、螺母、滾珠、反向器組成。其工作原理為：當絲杠和螺母相對運動時，在螺母上設有滾珠循環(huán)返回裝置，使得滾珠沿滾道面運動后能通過這個裝置自動的返回其入口處，繼續(xù)參加工作。滾珠絲杠螺母副安裝時需要預緊，通過預緊可消除滾珠絲杠螺母副的軸向間隙，提高傳動剛度。本設計中的預緊方法是采用雙螺母墊片預緊式結構。即通過改變兩個螺母的軸向相對位置，使每個螺母中滾珠分別接觸絲杠滾道的左右兩側來實現(xiàn)預緊。其特點是預緊結構簡單，軸向剛度好，預緊可靠，軸向尺寸適中，工藝性好如圖2-1。為消除傳動系統(tǒng)中的反向間隙，提高重復定位精度，傳動元件連接采用無鍵錐環(huán)連接。 圖2-1 滾珠絲桿的結構  第3章 確定切削用量及選擇刀具 3.1科學選擇數控刀具 3.1.1選擇數控刀具的原則 刀具壽命與切削用量有密切關系。在制定切削用量時，應首先選擇合理的刀具壽命，而合理的刀具壽命則應根據優(yōu)化的目標而定。一般分最高生產率刀具壽命和最低成本刀具壽命兩種，前者根據單件工時最少的目標確定，后者根據工序成本最低的目標確定. 選擇刀具壽命時可考慮如下幾點根據刀具復雜程度、制造和磨刀成本來選擇。復雜和精度高的刀具壽命應選得比單刃刀具高些。對于機夾可轉位刀具，由于換刀時 間短，為了充分發(fā)揮其切削性能，提高生產效率，刀具壽命可選得低些，一般取15-30min。對于裝刀、換刀和調刀比較復雜的多刀機床、組合機床與自動化 加工刀具，刀具壽命應選得高些，尤應保證刀具可靠性。車間內某一工序的生產率限制了整個車間的生產率的提高時，該工序的刀具壽命要選得低些當某工序單位時 間內所分擔到的全廠開支M較大時，刀具壽命也應選得低些。大件精加工時，為保證至少完成一次走刀，避免切削時中途換刀，刀具壽命應按零件精度和表面粗糙度 來確定。與普通機床加工方法相比，數控加工對刀具提出了更高的要求，不僅需要岡牲好、精度高，而且要求尺寸穩(wěn)定，耐用度高，斷和排性能壇同時要求安裝調整 方便，這樣來滿足數控機床高效率的要求。數控機床上所選用的刀具常采用適應高速切削的刀具材料(如高速鋼、超細粒度硬質合金)并使用可轉位刀片。 3.1.2選擇數控車削用刀具 目前，數控機床上大多使用系列化、標準化刀具，對可轉 位機夾外圓車刀、端面車刀等的刀柄和刀頭都有國家標準及系列化型號對于加工中心及有自動換刀裝置的機床，刀具的刀柄都已有系列化和標準化的規(guī)定，如錐柄刀 具系統(tǒng)的標準代號為TSG-JT，直柄刀具系統(tǒng)的標準代號為DSG-JZ,此外，對所選擇的刀具，在使用前都需對刀具尺寸進行嚴格的測量以獲得精確數據， 并由操作者將這些數據輸入數據系統(tǒng)，經程序調用而完成加工過程，從而加工出合格的工件。 3.2 設置刀點和換刀點 刀具究竟從什么位置開始移動到指定的位置呢?所以在程序執(zhí)行的一開始，必須確定刀具在工件坐標系下開始運動的位置，這一位置即為程序執(zhí)行時刀具相對于工 件運動的起點，所以稱程序起始點或起刀點。此起始點一般通過對刀來確定，所以，該點又稱對刀點。在編制程序時，要正確選擇對刀點的位置。對刀點設置原則 是:便于數值處理和簡化程序編制。易于找正并在加工過程中便于檢查;引起的加工誤差小。對刀點可以設置在加工零件上，也可以設置在夾具上或機床上，為了提 高零件的加工精度，對刀點應盡量設置在零件的設計基準或工藝基誰上。實際操作機床時，可通過手工對刀操作把刀具的刀位點放到對刀點上，即“刀位點”與“對 刀點”的重合。所謂“刀位點”是指刀具的定位基準點，車刀的刀位點為刀尖或刀尖圓弧中心。平底立銑刀是刀具軸線與刀具底面的交點;球頭銑刀是球頭的球心， 鉆頭是鉆尖等。用手動對刀操作，對刀精度較低，且效率低。而有些工廠采用光學對刀鏡、對刀儀、自動對刀裝置等，以減少對刀時間，提高對刀精度。加工過程中 需要換刀時，應規(guī)定換刀點。所謂“換刀點”是指刀架轉動換刀時的位置，換刀點應設在工件或夾具的外部，以換刀時不碰工件及其它部件為準。 3.3 確定切削用量 數控編程時，編程人員必須確定每道工序的切削用量，并以指令的形式寫人程序中。切削用量包括主軸轉速、背吃刀量及進給速度等。對于不同的加工方法，需要 選用不同的切削用量。切削用量的選擇原則是:保證零件加工精度和表面粗糙度，充分發(fā)揮刀具切削性能，保證合理的刀具耐用度，并充分發(fā)揮機床的性能，最大限 度提高生產率，降低成本。 3.3.1確定主軸轉速 主軸轉速應根據允許的切 削速度和工件(或刀具)直徑來選擇。其計算公式為:n=1000v/71D式中:v—切削速度，單位為m/m動，由刀具的耐用度決定;n一一主軸轉速，單 位為r/min,D—工件直徑或刀具直徑，單位為mm。計算的主軸轉速n，最后要選取機床有的或較接近的轉速。 3.3.2確定進給速度 進給速度是數控機床切削用量中的重要參數，主要根據零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性質選取。最大進給速度受機床剛度和進給系統(tǒng)的 性能限制。確定進給速度的原則:當工件的質量要求能夠得到保證時，為提高生產效率，可選擇較高的進給速度。一般在100一200mm/min范圍內選取; 在切斷、加工深孔或用高速鋼刀具加工時，宜選擇較低的進給速度，一般在20一50mm/min范圍內選取;當加工精度，表面粗糙度要求高時，進給速度應選 小些，一般在20--50mm/min范圍內選取;刀具空行程時，特別是遠距離“回零”時，可以設定該機床數控系統(tǒng)設定的最高進給速度。 3.3.3 確定背吃刀量 背吃刀量根據機床、工件和刀具的剛度來決定，在剛度允許的條件下，應盡可能使背吃刀量等于工件的加工余量，這樣可以減少走刀次數，提高生產效率。為了保 證加工表面質量，可留少量精加工余量，一般0.2一0.5mm,總之，切削用量的具體數值應根據機床性能、相關的手冊并結合實際經驗用類比方法確定。同時，使主軸轉速、切削深度及進給速度三者能相互適應，以形成最佳切削用量。 切削用量不僅是在機床調整前必須確定的重要參數，而且其數值合理與否對加工質量、加工效率、生產成本等有著非常重要的影響。所謂“合理的”切削用量是指 充分利用刀具切削性能和機床動力性能(功率、扭矩)，在保證質量的前提下，獲得高的生產率和低的加工成本的切削用量。 第4章 Φ630mm的主軸箱設計計算 4.1 主運動部分計算 4.1.1 參數的確定 1) 了解車床的基本情況和特點---車床的規(guī)格系列和類型 1. 通用機床的規(guī)格和類型有系列型譜作為設計時應該遵照的基礎。因此，對這些基本知識和資料作些簡要介紹。本次設計中的車床是普通型車床，其品種，用途，性能和結構都是普通型車床所共有的，在此就不作出詳細的解釋和說明了。 2.車床的主參數（規(guī)格尺寸）和基本參數（GB1582-79，JB/Z143-79） 最大的工件回轉直徑D是630mm；刀架上最大工件回轉直徑D1大于或等于315mm；主軸通孔直徑d要大于或等于80mm；主軸頭號（JB2521-79）是4.5；最大工件長度L是1800mm；主軸轉速范圍是：30～1450r/min可無級調速. 2) 參數確定的步驟和方法 1. 極限切削速度umax﹑umin 根據典型的和可能的工藝選取極限切削速度要考慮：工序種類 ﹑工藝要求 刀具和工件材料等因素。允許的切速極限參考值如《機床主軸變速箱設計指導書》。然而，根據本次設計的需要選取的值如下： 取umax=300m/min； umin=8m/min。 加工條件 硬質合金刀具粗加工鑄鐵件 30～50 硬質合金刀具半精或精加工碳鋼工件 150～300 螺紋（絲杠等）加工鉸孔 3～8 2. 主軸的極限轉速 計算車床主軸的極限轉速時的加工直徑，按經驗分別?。?.1～0.2）D和（0.45～0.5）D。由于D=630mm，則主軸極限轉速應為： nmax=r/min （2.1） =758～1517r/min ，取=1000r/m； nmin=r/min （2.2） 在中考慮車螺紋和絞孔時，其加工最大直徑應根據實際加工情況選取0.1D和50左右。 所以 nmin==32r/min 由于轉速范圍 R= = =31.25 ； 因為級數Z已知： Z=16級 。 現(xiàn)以Φ=1.26和Φ=1.41代入R= 得R=32和173 ，因此取Φ=1.26更為合適。 各級轉速數列可直接從標準數列表中查出。標準數列表給出了以Φ=1.06的從1～10000的數值，因Φ=1.26=，從表中找到nmax=1000r/min，就可以每隔4個數值取一個數，得： 1000，800，630，500，400，315，250，200，160，125，100，80，63，50，40，30。 3. 主軸轉速級數z和公比￠ 已知 =Rn Rn=且： z= 因機床的電動機轉速往往比主軸的大多數轉速高，變速系統(tǒng)以降速傳動居多，因此，傳動系統(tǒng)中若按傳動順序在前面的各軸轉速較高，根據轉矩公式（單位N.m） T=，當傳遞功率一定時，轉速較高的軸所傳遞的扭矩就較小，在其他條件相同時，傳動件（如軸、齒輪）的尺寸就較小，因此，常把傳動副數較多的變速組安排在前面的高速軸上，這樣可以節(jié)省材料，減少傳動系統(tǒng)的轉動慣量。因此選擇結構式如下： 16=。 4. 主電機功率—動力參數的確定 合理地確定電機功率N，使用的功率實際情況既能充分的發(fā)揮其使用性能，滿足生產需要，又不致使電機經常輕載而降低功率因素。 目前，確定機床電機功率的常用方法很多，而本次設計中采用的是：估算法，它是一種按典型加工條件（工藝種類、加工材料、刀具、切削用量）進行估算。根據此方法，中型車床典型重切削條件下的用量： 根據設計書表中推薦的數值： 取 P=13kw 4.1.2 傳動設計 1) 傳動結構式、結構網的選擇 結構式、結構網對于分析和選擇簡單的串聯(lián)式的傳動不失為有用的方法，但對于分析復雜的傳動并想由此導出實際的方案，就并非十分有效，可考慮到本次設計的需要可以參考一下這個方案。 確定傳動組及各傳動組中傳動副的數目 級數為Z的傳動系統(tǒng)有若干個順序的傳動組組成，各傳動組分別有Z1、Z2、Z3…個傳動副。即 Z=Z1Z2Z3… 傳動副數由于結構的限制以2和3的因子積為合適，即變速級數Z應為2和3的因子: Z= 可以有幾種方案，由于篇幅的原因就不一一列出了，在此只把已經選定了的和本次設計所須的正確的方案列出，具體的內容如下： 傳動齒輪數目 2x（2+2+1）+2x(2+1)+1=17個 軸向尺寸 19b 傳動軸數目 8根 操縱機構 簡單，兩個雙聯(lián)滑移齒輪 根據以上分析及計算，擬定主軸箱、變速箱傳動結構圖如下： 圖二中，第Ⅰ軸至第Ⅲ軸，其結構式為： 4= 圖一中，第Ⅳ軸至第Ⅷ軸，機床主軸箱傳動系統(tǒng)采用分離傳動，其主要特點是： （1） 在滿足傳動副極限傳動比的條件下，可以得到較大的變速范圍。 （2） 高速由短支傳動，有助于減少高速時機床的空運轉功率損失。而且高速分支的尺寸可相對小些。 （3） 變速級數不像常規(guī)變速系統(tǒng)那樣受2，3因子的限制，如與部分轉速重合的方法配合，幾乎可以得到任意的變速級數，大大增加了可供選擇方案的數目。 2) 主傳動順序的安排 16級轉速傳動系統(tǒng)的傳動組，可以安排成：2x2x2x2，選擇傳動組安排方式時，要考慮到機床主軸變速箱的具體結構、裝置和性能。在Ⅰ軸上如果安裝摩擦離合器時，應減小軸向尺寸，第一傳動組的傳動副不能多，以2為宜，本次設計中就是采用的2，一對是傳向正傳運動的，另一個是傳向反向運動的。 主軸對加工精度、表面粗糙度的影響大，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，或者用一個定比傳動副。 3) 傳動系統(tǒng)的擴大順序的安排 對于16級的傳動只有一種方案，準確的說應該不只有這一個方案，可為了使結構和其他方面不復雜，同時為了滿足設計的需要，選擇的設計方案是： 16=2［2］x 2［1］+ 2［2］x 2[1]+ 2[2］x 2[1]x2[8] 傳動方案的擴大順序與傳動順序可以一致也可以不一致，在此設計中，擴大順序和傳動順序就是一致的。這種擴大順序和傳動順序一致，稱為順序擴大傳動。 4) 傳動組的變速范圍的極限植 在主傳動系統(tǒng)的降速傳動中，主動齒輪的最少齒數受到限制，為了避免被動齒輪的直徑過大，齒輪傳動副最小傳動比umin≥，最大傳動比umax≤2，決定了一個傳動組的最大變速范圍rmax=umax/nmin≤8 因此，要按照參考書中所給出的表，淘汰傳動組變速范圍超過極限值的所有傳動方案。 極限傳動比及指數x，值為： 極限傳動比指數 1.26 x：umin== 6 值；umax==2 3 （x+）值：umin==8 9 5) 最后擴大傳動組的選擇 正常連續(xù)的順序擴大的傳動（串聯(lián)式）的傳動結構式為： Z=Z1［1］Z2［Z1］Z3［Z1Z2］ 即是： Z=16=2［2］2［1］2［2］2[8] 4.1.3轉速圖的擬定 運動參數確定以后，主軸各級轉速就已知，切削耗能確定了電機功率。在此基礎上，選擇電機型號，確定各中間傳動軸的轉速，這樣就擬定主運動的轉圖，使主運動逐步具體化。 1) 主電機的選定 中型機床上，一般都采用三相交流異步電機為動力源，可以在系列中選用。在選擇電機型號時，應按以下步驟進行： 1) 電機功率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經標準化，因此，按要求應選取相近的標準值。 N=13kw 2.電機轉速nd 異步電機的轉速有：3000、1500、1000、750r/min 類比同類機床CM6163，在此處選擇的是： nd=1450r/min 這個選擇是根據電機的轉速與主軸最高轉速nmax和Ⅰ軸的轉速相近或相宜，以免采用過大的升速或過小的降速傳動。 3.雙速和多速電機的應用 根據本次設計機床的需要，所選用的是：雙速電機 4.電機的安裝和外形 根據電機不同的安裝和使用的需要，有四種不同的外形結構，用的最多的有底座式和發(fā)蘭式兩種。本次設計的機床所需選用的是外行安裝尺寸之一。具體的安裝圖可由手冊查到。 5.常用電機的資料 根據常用電機所提供的資料，選用： Y132M-4 2) Ⅰ軸的轉速 Ⅰ軸從電機得到運動，經傳動系統(tǒng)化成主軸各級轉速。電機轉速和主軸最高轉速應相接近。顯然，從傳動件在高速運轉下恒功率工作時所受扭矩最小來考慮，Ⅰ軸轉速不宜將電機轉速下降得太低。 但如果Ⅰ軸上裝有摩擦離合器一類部件時，高速下摩擦損耗、發(fā)熱都將成為突出矛盾，因此，Ⅰ軸轉速不宜太高。 Ⅰ軸裝有離合器的一些機床的電機、主軸、Ⅰ軸轉速數據： 參考這些數據，可見，車床Ⅰ軸轉速一般取700～1000r/min。另外，也要注意到電機與Ⅰ軸間的傳動方式，如用帶傳動時，降速比不宜太大，否則Ⅰ軸上帶輪太大，和主軸尾端可能干涉。因此，本次設計選用： n1=1000r/min 3) 中間傳動軸的轉速 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與噪音、震動等性能要求之間的矛盾。 中間傳動軸的轉速較高時（如采用先升后降的傳動），中間轉動軸和齒輪承受扭矩小，可以使用軸徑和齒輪模數小寫：d∝ 、 m∝，從而可以使用結構緊湊。但是，這將引起空載功率N空和噪音Lp（一般機床容許噪音應小于85dB）加大： N空=) KW （2.3） 式中： C---系數，兩支承滾動或滑動軸承C=8.5，三支承滾動軸承C=10； da---所有中間軸軸頸的平均直徑（mm）； d主—主軸前后軸頸的平均直徑（mm）； ∑n—主軸轉速（r/min）。 （2.4） （mz）a—所有中間傳動齒輪的分度圓直徑的平均值mm； （mz）主—主軸上齒輪的分度圓的平均值mm； q----傳到主軸所經過的齒輪對數； β----主軸齒輪螺旋角； C1、K---系數，根據機床類型及制造水平選取。我國中型車床、銑床C1=3.5。車床K=54，銑床K=50.5。 從上訴經驗公式可知：主軸轉速n主和中間傳動軸的轉速和∑n對機床噪音和發(fā)熱的關系。確定中間傳動軸的轉速時，應結合實際情況作相應修正： 1.功率較大的重切削機床，一般主軸轉速較低，中間軸的轉速適當取高一些，對減小結構尺寸的效果較明顯。 2.高速輕載或精密車床，中間軸轉速宜取低一些。 3.控制齒輪圓周速度u〈8m/s（可用7級精度齒輪）。在此條件下，可適當選用較高的中間軸轉速。 4) 齒輪傳動比的限制 機床主傳動系統(tǒng)中，齒輪副的極限傳動比： 1. 升速傳動中，最大傳動比umax≤2。過大，容易引起震動和噪音。 2. 降速傳動中，最小傳動比umin≥1/4。過小，則使主動齒輪與被動齒輪的直徑相差太大，將導致結構龐大。 4.1.4 帶輪傳動部分的設計 根據擬定的轉速圖上的各傳動比，就可以確定帶輪直徑。 (一) 帶輪直徑確定的方法、步驟 1. 選擇三角型號 一般機床上的都采用三角帶。根據電機轉速和功率查圖即可確定型號（詳情見〈〈機床主軸變速箱設計指導〉〉4-1節(jié)）。但圖中的解并非只有一種，應使傳動帶數為3～5根為宜。 本次設計中所選的帶輪型號和帶輪的根數如下： B型帶輪 選取3根 2. 確定帶輪的最小直徑Dmin（D?。? 各種型號膠帶推薦了最小帶輪直徑，直接查表即可確定。 根據皮帶的型號，從教科書〈〈機械設計基礎教程〉〉 查表可?。? Dmin=186mm 3.計算大帶輪直徑D大 根據要求的傳動比u和滑功率ε確定D大。當帶輪為降速時： （2.5） 三角膠帶的滑動率ε=2%。 三角傳動中，在保證最小包角大于120度的條件下，傳動比可取1/7 ≤u≤3。對中型通用機床，一般取1～2.5為宜。 因此， 137.2mm≤D大≤343mm 經查表取： D大=304mm (二) 三角帶傳動的計算 三角帶傳動中，軸間距A可以較大。由于是摩擦傳遞，帶與輪槽間會有打滑，亦可因而緩和沖擊及隔離震動，使傳動平穩(wěn)。帶傳動結構簡單，但尺寸，機床中多用于電機輸出軸的定比傳動。 1. 選擇三角帶的型號 根據計算功率Nj（kw）和小帶輪n1（r/min）查圖選擇帶的型號。 計算功率Nj=KWNd kW 式中 Nd—電機的額定功率， KW—工作情況系數。 車床的起動載荷輕，工作載荷穩(wěn)定，二班制工作時，取： KW=1.1 帶的型號是： B型號 2. 確定帶輪的計算直徑D1、D2 1）.小帶輪計算直徑D1 皮帶輪的直徑越小，帶的彎曲應力就越大。為提高帶的使用壽命，小帶輪直徑D1不宜過小，要求大于許用最小帶輪直徑Dmin，即D1≥Dmin。各型號帶對應的最小帶輪直徑Dmin可查表。 D1=186r/min 2）.大帶輪計算直徑D2 （2.6） =304r/min 式中: n1--小帶輪轉速r/min; n2--大帶輪轉速r/min; ε--帶的滑動系數,一般取0.02. 算后應將數字圓整為整數。 3）.確定三角帶速度u 具體的計算過程如下： （2.7） = =10.6m/s 對于O、A、B、C型膠帶，5m/s≤u≤25m/s。 而u=5～10m/s時最為經濟耐用。 此速度完全符合B型皮帶的轉速。 4）.初定中心距A0： 帶輪的中心距，通常根據機床總體布局初步選定，一般可以在下列范圍內選?。? A0=（0.6～2）（D1+D2） mm =490（0.6～2）mm =294mm～980mm 取 A0=760 mm 中心距過小，將降低帶的壽命；中心距過大時，會引起帶振動。中型車床電機軸至變速箱帶輪的中心距一般為750～850mm。 5）.確定三角帶的計算長度L0及內周長LN。 三角帶的計算長度是通過三角帶截面重心的長度。 （2.8） = =2131.7mm 圓整到標準的計算長度 L=2132 mm 經查表 LN=2000 mm 修正值 Y=33 6）.驗算三角帶的擾曲次數u ≤40 次/s （則合格） 式中：m--帶輪個數。如u超限。可加大L（加大A）或降低u（減少D2、D1）來解決。 代入數據得 =10.5 次/s ≤40 次/s 是合格的，不需作出任何修改。 7）.確定實際中心距A （2.9） = 710.65 mm 8）.驗算小帶輪包角а1 а1≈180°-（D2-D1）/A*60°≥120° （2.10） 如果а1過小，應加大中心距或加張緊裝置。 代入數值如下： （2.11） =176.98°≥120° 經校核合格。 9）.確定三角帶根數z （2.12） 式中：N0--單根三角帶在 а1=180°、特定長度、平穩(wěn)工作情況下傳遞的功率值。 C1---包角系數。 參數的選擇可以根據書中的表差?。? N0=2.71 C1=0.99 Kw=1.1 帶入數值得： 所以，傳動帶根數選3根。 次此公式中所有的參數沒有作特別說明的都是從〈〈機床主軸變速箱設計指導〉〉 4.1.5 齒輪傳動部分的設計 選擇以機床變速箱中第Ⅰ軸和第Ⅱ軸間，兩嚙合直齒圓柱齒輪Z1和Z2，對其進行齒輪傳動部分的設計和驗算。根據總體結構方案，主電機功率13KW,轉速1450r/min，要求輸出軸轉速1000 r/min，齒輪齒數比U=1.25。具體計算如下： （1)大、小齒輪的材料均為45鋼，經調質與表面淬火處理，硬度為40～50HRC （2)選小齒輪齒數=28,大齒輪齒數=U3=1.25328=35,齒數比U=1.25 （3)按齒面接觸強度設計 由設計計算公式進行試算，即 d1t≥ 1>選取載荷系數 Kt=1.2 2>計算大齒輪傳遞的轉矩 T2 =95.5310P1/n1=95.53103 13/1450 N.mm =8.562310 N.mm 3>選取齒寬系數Φd =1 4>查得材料的彈性影響系數ZE =189.8MPa 5>按齒面硬度查得大、小齒輪的接觸疲勞強度極限δHlim1 =δHlim2 =550 MPa 6>計算應力循環(huán)次數 N2 =60n1jLh=6031450313(2383365315)=7.6212310 N1 =7.621231031.25=9.5265310 7>查得接觸疲勞壽命系數KHN1=0.86；KHN2=0.88 8>計算接觸疲勞許用應力 取失效概率為1%，安全系數S=1，得 =