【正文】 nd on the premise of widely referring to related and absorbing data of CNC machine tool design ,I plete designing for main drive of the machine tool, Spindle Feed System and the check of the strength of the main transmission parts.Key Words: horizontal boring and milling machine；main drive of the machine tool。但是，電主軸的結(jié)構(gòu)單一，僅能提高加工速度與效率，而不適合重切削，更不能替代臥式主軸鏜桿伸縮移動，進(jìn)行深孔加工，其加工能力受到了限制，可謂顧此失彼。武重的TR6513型臥式柔性加工單元，是目前國內(nèi)同類產(chǎn)品中規(guī)格最大的產(chǎn)品，處國內(nèi)領(lǐng)先水平。與國外同類產(chǎn)品相比，國內(nèi)廠家的產(chǎn)品主要還是設(shè)計上的差距，國外已經(jīng)全部采用模塊化設(shè)計，強(qiáng)化設(shè)計的“柔性化”，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式多樣；其次，國內(nèi)產(chǎn)品從機(jī)床性能和制造水平上講，產(chǎn)品運(yùn)行速度、進(jìn)給速度與國外產(chǎn)品相比也還有很大差距。2機(jī)床總體方案設(shè)計零件的加工表面是由機(jī)床刀具和工件之間的相對運(yùn)動形成的，因此不同的工件表面，往往需要采用不同類型的刀具與工件一起做不同的表面成形運(yùn)動，就產(chǎn)生了不同類型的機(jī)床?！　　　　　D1　平面和孔加工時的成形運(yùn)動分析因此，臥式鏜銑床加工工件時只需要三個方向的直線成形運(yùn)動即可滿足加工要求（回轉(zhuǎn)工作臺的轉(zhuǎn)動不包括在內(nèi)）。本次設(shè)計的是中型臥式鏜銑數(shù)控機(jī)床，加工時零件尺寸和質(zhì)量可能都較大，但任務(wù)書未對生產(chǎn)效率提出特別的要求。在前面的運(yùn)動分配中，已選擇采用由銑頭帶著刀具完成垂直進(jìn)給運(yùn)動，立柱帶著主軸箱完成橫向進(jìn)給，工件只作縱向進(jìn)給的運(yùn)動分配方案，此即為立柱移動式結(jié)構(gòu)。為簡化設(shè)計，最終選擇圖3（b）方案，單立柱式側(cè)掛主軸箱T形床身設(shè)計。這種配置方式主要用于大、中型數(shù)控機(jī)床。但與銑削相比，鏜削加工多用于半精和精加工，對加工質(zhì)量的要求比生產(chǎn)效率放在更重要的位置，并且鏜削的適用切削速度也比銑削低得多。正如上面的分析，該機(jī)床的主傳動系統(tǒng)采用分段無級變速系統(tǒng)。本次設(shè)計的主傳動系統(tǒng)示意圖如下：圖6　傳動系統(tǒng)示意圖4主傳動系統(tǒng)主要傳動件計算在進(jìn)行機(jī)床設(shè)計過程中，主軸電機(jī)功率的正確選擇是很重要的。機(jī)床主傳動的功率可根據(jù)切削功率與主運(yùn)動傳動鏈的總效率來確定其中，為機(jī)床傳動總效率，—。因?yàn)槭乔邢髁εc切削層公稱橫截面積之比，所以 式中：——切削層單位面積切削力，（即）； ——切削層公稱寬度，； ——切削層公稱厚度。其中，切削速度 上式中：——切削速度（）——主軸轉(zhuǎn)速（）——工件或刀具直徑（）估取主軸轉(zhuǎn)速，銑刀直徑，則對應(yīng)切削速度為參考《切削手冊》表84《銑削速度推薦范圍》，取代入計算，得 則機(jī)床主傳動所需功率為： 本次設(shè)計使用的主軸電機(jī)從指導(dǎo)老師提供的《1PH6風(fēng)冷式交流主軸電機(jī)產(chǎn)品系列》中選取。因此當(dāng)電動機(jī)輸出為額定功率時，具體傳遞到某一級軸上的功率就不再是額定功率了，而必須考慮聯(lián)軸器、軸承、齒輪等的傳動效率。查《機(jī)械設(shè)計手冊》（中冊）表8347《按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度及剛度計算軸徑的公式》或以得到按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計算的估算軸徑為：實(shí)心軸：空心軸：其中：—軸端直徑；—根據(jù)許用扭轉(zhuǎn)角確定的系數(shù)，按《機(jī)械設(shè)計手冊》（中冊）表8348選?。弧S的輸入功率；—軸的計算轉(zhuǎn)速；—空心軸的內(nèi)徑和外徑之比，計算系數(shù)的值見《機(jī)械設(shè)計手冊》（中冊）表8361?！　　　　　　　D8　受扭轉(zhuǎn)軸橫截面剪應(yīng)力分布圖　　　　　　圖9　銑刀盤安裝示意圖機(jī)床的傳動系統(tǒng)中，傳動軸的直徑一般不會太大，因此，多數(shù)情況下傳動軸都是實(shí)心的；但主軸因?yàn)槠涑叽鐓?shù)通常由結(jié)構(gòu)需要而定，而主軸前端要安裝刀具，因此，為了拉緊刀具并保證銑刀尖與主軸的同軸度，主軸一般都做成空心的，其內(nèi)部分布著芯軸和拉刀裝置，如圖9所示。首先對Ⅰ軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。LT7型彈性柱銷聯(lián)軸器安裝尺寸如下圖所示：圖10　LT7型彈性柱銷聯(lián)軸器安裝尺寸圖因此，Ⅰ軸聯(lián)軸器端（即最小軸徑處）直徑大小為。Ⅱ軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計步驟與Ⅰ軸類似，而且Ⅱ軸是通過齒輪與Ⅰ軸進(jìn)行動力傳動的，不需要聯(lián)軸器，因此它的結(jié)構(gòu)設(shè)計比Ⅰ軸更簡單，在這里就不再贅述其過程了。為了實(shí)現(xiàn)主軸邊旋轉(zhuǎn)邊伸縮的功能，設(shè)計中我聯(lián)想到了很多類似結(jié)構(gòu)以供參考。分析以上兩種移動旋轉(zhuǎn)件的方法，臺式鉆床的主軸結(jié)構(gòu)在此前金工實(shí)習(xí)中進(jìn)行過拆裝訓(xùn)練，但因?yàn)楫?dāng)時本身對其主軸結(jié)構(gòu)不是很明白，而且時間也比較久了，不能完整回憶出當(dāng)時的主軸結(jié)構(gòu)。但也正是因?yàn)榛ㄦI齒槽深度不會太大，并且齒數(shù)較多，導(dǎo)致多個面精密配合時對加工的要求和成本都會增加很多，因此花鍵不適合用于導(dǎo)向精度較高的場合。圖14　導(dǎo)鍵工作原理圖另外，內(nèi)層主軸的外徑和外層主軸的內(nèi)徑間也設(shè)計配合關(guān)系，這樣，當(dāng)內(nèi)層主軸作伸縮時，外層主軸和導(dǎo)鍵就能同時為其導(dǎo)向，導(dǎo)鍵還起到傳遞扭矩的作用。機(jī)床工作過程中，內(nèi)層主軸在外層主軸內(nèi)作伸縮運(yùn)動，內(nèi)外層主軸間通過導(dǎo)鍵傳遞扭矩，而通過內(nèi)外層主軸之間的配合形成支承。因此，主軸后端有與絲杠螺母相連接的螺母座，它與主軸的連接方式應(yīng)保證它能對主軸施加沿軸向的兩個方向的力。圖16　主軸末端螺母座結(jié)構(gòu)尺寸圖從圖16上可知：①內(nèi)層主軸最小外徑為，比按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估算得到的最小外徑大，滿足強(qiáng)度要求。其軸向尺寸則由軸承、圓螺母等的尺寸決定。而內(nèi)層主軸的長度，則與其工作行程有著密切關(guān)系，設(shè)計中發(fā)現(xiàn)，工作行程取得過大，會使主軸導(dǎo)向長度過短，從而影響導(dǎo)向和加工精度；而取得過小，主軸伸出長度有限，又不能滿足加工需要，充分發(fā)揮機(jī)床性能。圖18　主軸箱與立柱導(dǎo)軌裝配關(guān)系圖分析圖18可得主軸箱外側(cè)寬度為?，F(xiàn)在箱體寬度和主軸結(jié)構(gòu)都已確定，則Ⅰ、Ⅱ軸最終結(jié)構(gòu)及尺寸確定如圖20和圖21所示，具體尺寸結(jié)構(gòu)見主軸箱裝配圖。由前面的分析可知，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ軸上端蓋或法蘭蓋外徑處尺寸分別為、。初選高速組模數(shù)大小為，低速組模數(shù)為。b)計算許用彎曲應(yīng)力按《機(jī)械設(shè)計》式526計算許用彎曲應(yīng)力：式中：—試驗(yàn)齒輪齒根的彎曲疲勞極限，；—試驗(yàn)齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)，；—彎曲疲勞強(qiáng)度計算的壽命系數(shù)，取10年計算則；—彎曲強(qiáng)度的最小安全系數(shù)，一般傳動?。恢匾獋鲃尤?，本設(shè)計中取則c)計算載荷系數(shù)按《機(jī)械設(shè)計》式525計算載荷系數(shù)：式中：—使用系數(shù)，原動機(jī)為電動機(jī)，銑削加工時有輕微沖擊，故?。弧獎虞d系數(shù)，設(shè)計時直齒圓柱齒輪傳動可取，齒輪精度低、速度高時取大值，反之取小值，這里??；—齒向載荷分布系數(shù)，設(shè)計時當(dāng)兩輪均為硬齒面時，取，這里?。弧X間載荷分配系數(shù)，設(shè)計時對于直齒圓柱齒輪傳動，取，這里取。但因?yàn)檗D(zhuǎn)軸工作時，受彎矩和轉(zhuǎn)矩聯(lián)合作用，前面的估算只是簡化算法，因此在軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后還應(yīng)對其進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。a)計算齒輪上作用力的大?、?、Ⅱ軸的傳動齒輪有兩個嚙合位置，但考慮到Ⅱ軸傳遞的轉(zhuǎn)矩與其轉(zhuǎn)速成反比，即當(dāng)Ⅰ、Ⅱ軸的傳動齒輪為減速齒輪嚙合時，Ⅱ軸所受轉(zhuǎn)矩更大。故所求得合成彎矩即為當(dāng)量彎矩。這里?、蜉S上的固定齒輪（即齒輪3）進(jìn)行校核。在本次設(shè)計中選擇Ⅱ軸上的軸承進(jìn)行壽命校核。圖23?、蜉S的支承結(jié)構(gòu)圖而由前面軸的強(qiáng)度校核計算可知，即Ⅱ軸上沒有外力作用的軸向力作用，只有預(yù)緊軸承時產(chǎn)生的軸向力。則A、B兩軸承處當(dāng)量動載荷分別為：故Ⅱ軸軸承使用壽命按B處軸承計算，為：5主傳動進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計如圖25所示，銑削的進(jìn)給方向是平行于刀盤、垂直于主軸的方向，因此，銑削時刀頭所受軸向抗力很小，基本上可以忽略；而鏜刀的進(jìn)給方向是沿鏜桿軸向，因此鏜削時所受切削抗力主要為軸向力和徑向力。 式中：—切削層單位面積切削力，（即）； —切削層公稱寬度，； —切削層公稱厚度。從指導(dǎo)老師提供的滾珠絲杠產(chǎn)品目錄中初選絲杠基本直徑為，螺旋角為，則絲杠所承受轉(zhuǎn)矩大小為：則所選擇伺服電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩都必須滿足絲杠所能提供的轉(zhuǎn)矩要求，即要大于。接下來，對其強(qiáng)度進(jìn)行校核。則：查產(chǎn)品目錄得直徑絲杠螺母副的額定靜載荷：即該絲杠螺母副的靜強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。為了提高軸向剛度，本次設(shè)計軸承的組合采用單推—單推式，如圖27所示，推力球軸承分別裝在滾珠絲杠的兩端并施加預(yù)緊力。主軸箱設(shè)計得過小，箱體內(nèi)各軸和軸系組件相隔太近，不便于安裝，也容易產(chǎn)生干涉；齒輪嚙合時振動、發(fā)熱，如果與主軸隔得太近，也會影響主軸的旋轉(zhuǎn)精度從而影響加工質(zhì)量。綜上所述，選擇方案一中的主軸箱空間布局。潤滑油泵和分油器結(jié)構(gòu)如圖29和圖30所示。為實(shí)現(xiàn)變速的自動控制，變速系統(tǒng)采用如圖31所示液壓機(jī)構(gòu)。因此換刀時，必須通過機(jī)械裝置克服碟形彈簧的拉緊力，將拉刀桿頂出。圖32　換刀機(jī)械液壓油缸結(jié)構(gòu)10結(jié)論經(jīng)過近半年的設(shè)計計算和工程圖繪制，到此，臥式鏜銑數(shù)控機(jī)床的總體設(shè)計、主傳動及主軸進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計已全部完成。但值得提出的是，追求電主軸和鏜桿伸縮式結(jié)構(gòu)相結(jié)合、相交換的主軸設(shè)計方案，并廣泛采用模塊化設(shè)計和提高柔性化程度，以增加產(chǎn)品多樣性和降低制造成本，已成為當(dāng)前臥式鏜銑數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢。在整個設(shè)計過程中，不論在方案擬定、結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算還是工程圖繪制各方面，沈老師都給我提出了很多意見和建議，他扎實(shí)的專業(yè)知識背景和豐富的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)給我的設(shè)計提供了很大幫