【正文】 務(wù) ， 并 且 提 供 充 足 的 經(jīng) 費(fèi) ， 且 網(wǎng) 羅 世 界 人 才 ， 特 別 講 究 “效 率 ”和 “創(chuàng) 新 ”， 注 重 基 礎(chǔ) 科 研 。 德 國(guó) 的 數(shù) 控 機(jī) 床 質(zhì) 量 及 性 能 良 好 、 先 進(jìn) 實(shí) 用 、 貨 真7 / 54價(jià) 實(shí) ， 出 口 遍 及 世 界 。 在 上世 紀(jì) 80年 代 開 始 進(jìn) 一 步 加 強(qiáng) 科 研 ， 向 高 性 能 數(shù) 控 機(jī) 床 發(fā) 展 。 2022年 ， 中 國(guó) 數(shù) 控 金 切 機(jī) 床 產(chǎn) 量 達(dá) 到 85756臺(tái) ， 同 比 增 長(zhǎng) %， 增 幅高 于 金 切 機(jī) 床 產(chǎn) 量 增 幅 百 分 點(diǎn) ， 進(jìn) 而 使 金 切 機(jī) 床 產(chǎn) 值 數(shù) 控 化 率 達(dá) 到 %， 同比 增 加 百 分 點(diǎn) 。 更 重 要 原 因 是 缺 乏 自8 / 54主 創(chuàng) 新 能 力 ， 完 全 擁 有 自 主 知3 / 54識(shí) 產(chǎn) 權(quán) 的 數(shù) 控 系 統(tǒng) 少 之 又 少 ， 制 約 了 數(shù) 控 機(jī) 床 產(chǎn) 業(yè) 的 發(fā) 展 。數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用由單機(jī)向單元（系統(tǒng)）方向發(fā)展。2） 、工程成套行業(yè)將面臨更嚴(yán)峻的競(jìng)爭(zhēng)。 “一 臺(tái) 機(jī) 床 就 是 一 個(gè) 加 工 廠 ”、 “一 次 裝 卡 ， 完 全 加 工 ”等 理 念 正在 被 更 多 人 接 受 ， 復(fù) 合 加 工 機(jī) 床 發(fā) 展 正 呈 現(xiàn) 多 樣 化 的 態(tài) 勢(shì) 。 通 過(guò) 機(jī) 床 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 優(yōu) 化 、 機(jī) 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(dòng) 等 動(dòng) 態(tài) 誤 差 補(bǔ) 償 技 術(shù) ， 提 高 機(jī) 床 加 工的 幾 何 精 度 ， 降 低 形 位 誤 差 、 表 面 粗 糙 度 等 ， 從 而 進(jìn) 入 亞 微 米 、 納 米 級(jí) 超 精 加 工 時(shí) 代 。 設(shè)計(jì)目的數(shù)控機(jī)床是高度自動(dòng)化機(jī)床,其生產(chǎn)效率和加工精度也越來(lái)越高，但是由于機(jī)械結(jié)構(gòu)5 / 54（如機(jī)床床身、導(dǎo)軌、工作臺(tái)、刀架和主軸箱等）的幾何誤差、加工過(guò)程機(jī)床的熱變形、運(yùn)動(dòng)間的摩擦、傳動(dòng)間隙等因素的影響，數(shù)控機(jī)床的加工精度和加工效率還有一定的提升空間，本次設(shè)計(jì)的目的就是最大程度的提高數(shù)控機(jī)床的加工精度。當(dāng)設(shè)備承受載荷過(guò)大時(shí)可以通過(guò)打滑，提高設(shè)備的防過(guò)載能力。改 變 頻率 和 電 壓 是 最 優(yōu) 的 電 機(jī) 控 制 方 法 但 如 果 僅 改 變 頻 率 而 不 改 變 電 壓 ， 頻 率 降 低 時(shí) 會(huì)使 電 機(jī) 出 于 過(guò) 電 壓 （ 過(guò) 勵(lì) 磁 ） ， 導(dǎo) 致 電 機(jī) 可 能 被 燒 壞 。已知主軸的轉(zhuǎn)速分為 12 級(jí)，參考文獻(xiàn) 1，可將機(jī)床的轉(zhuǎn)速分為高低兩檔，其中高檔最大轉(zhuǎn)速 為 1800r/min，最小轉(zhuǎn)速 為 235 ax inr/min；R1= / =1800/235=,R= [1]mnin ?z?當(dāng)機(jī)床處于低速檔時(shí),轉(zhuǎn)速范圍 = minax= 4530=。傳動(dòng)軸數(shù)目為 4 根。分別設(shè)齒輪 1 和齒輪 4 之間的傳動(dòng)比為 ,齒輪 2 和齒輪 5 之間的傳動(dòng)比為 ,齒輪 8 和14i 25i齒輪 9 之間的傳動(dòng)比為 ,齒輪 3 和齒輪 6 之間的傳動(dòng)比為 ,齒輪 7 和齒輪 10 之間的89i 36i傳動(dòng)比為 ,帶輪傳動(dòng)比為 。 各軸轉(zhuǎn)速的確定方法由傳動(dòng)比和電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以計(jì)算出各軸的轉(zhuǎn)速；1.Ⅰ軸的轉(zhuǎn)速Ⅰ軸從電機(jī)得到運(yùn)動(dòng)，經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成各級(jí)轉(zhuǎn)速。從經(jīng)驗(yàn)知：主軸轉(zhuǎn)速和中間傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況作相應(yīng)修正：對(duì)于功率較大的重切削機(jī)床，一般主軸轉(zhuǎn)速較低，中間軸的轉(zhuǎn)速適當(dāng)取高一些對(duì)減小結(jié)構(gòu)尺寸的效果較明顯。一般取 Zmin≥18～20；保證強(qiáng)度和防止熱變形過(guò)大，齒輪齒根圓到鍵槽的壁厚 δ≥2m,一般取 δ＞5mm 則 Zmin≥+2T/m。可得大齒輪齒數(shù)為 62。14 / 54（2） 、按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 311][)(2uKTZddHEt ?????=? mNnp ...9066 ??由圖 76 選取材料的接觸疲勞極限應(yīng)力為:,aHMP58lim2??aHPmin2??由圖 77 選取材料的彎曲疲勞極限應(yīng)力為:, aF30li1 aF10li2應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N 由式(73)計(jì)算=8367861 ???.?由圖 78 查得接觸疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù) , ?NZ2由圖 79 查得彎曲疲勞壽命系數(shù) , 1,1Y由表 72 查得接觸疲勞安全系數(shù) 1,彎曲疲勞安全系數(shù) ,又 =,minHS?minFSSTY試選 ?tK由前面的式子求得許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力 aNHmMPZS580][1li?? alin722?? aNFST ???? aSM2li2將有關(guān)值代入式子 得= = 311][)(2uKTZddHEt ?????????????則 ?1061nVt?sm/15 / 54查圖 710 得 。為避免根切，應(yīng)使所設(shè)計(jì)直齒輪的齒數(shù)大于17，在輪齒彎曲強(qiáng)度足夠的條件下，允許齒根部分有輕微根切時(shí)，最少齒數(shù)可取為14。為了彌補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)齒輪的缺點(diǎn)，滿足生產(chǎn)不斷發(fā)展的需要，人們提出了對(duì)齒輪進(jìn)行變位修正的加工方法。編號(hào) 模數(shù) 齒數(shù) 齒形角 變位系數(shù)1 3 35 ?20+2 3 20 ?+3 3 51 ?04 3 47 ?5 3 62 ?06 3 31 ?07 3 56 ?2008 3．5 17 ?+9 3．5 66 ?010 3 41 ?20+17 / 5411 3 80 20 012 3 25 20 013 3 44 20 014 3 106 20 0齒輪材料為 55鋼,熱處理為齒部 G58177。 1式中 前面已查得?F9??Fm?由文獻(xiàn) 1 表 1214 按 6 級(jí)精度查得pbf ?1?fpb2由文獻(xiàn) 1 表 1217 按 ，6 級(jí)精度查得 ，mfa?20?所以，代入數(shù)據(jù)得 ，Es?539。內(nèi)孔的形狀公差按 6 級(jí)決定或遵守包容原則。我設(shè)計(jì)的主軸箱采用了 3 個(gè)電磁離合器，大大簡(jiǎn)化了主軸箱內(nèi)結(jié)構(gòu)。 kgN? 式中 P輸入功率 S工作安全系數(shù) N輸入轉(zhuǎn)數(shù)從上式中看出，對(duì)扭矩影響最大的是安裝離合器軸的回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)。傳動(dòng)軸應(yīng)有足夠的強(qiáng)度、剛度。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要要求是：（1）裝在軸上的零件有確定的位置。 軸的強(qiáng)度校核(以Ⅰ軸為例) 選擇軸的材料由于這個(gè)車頭箱傳動(dòng)的功率不大，分別為 4 和 ，對(duì)其重量和尺寸也無(wú)特殊要求，故此輸入軸采用 45 鋼。??451上述確定尺寸和結(jié)構(gòu)的過(guò)程，與畫草圖同時(shí)進(jìn)行，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)草圖如下 fedFRVL=帶 輪cba軸 承 H9MVFR2VaL=71齒 輪 HTtr24 / 54fedFR1VL= 輪cba軸 承 H29MVR2aL3= 輪 FHTtr 軸的受力分析 ???tgFr(1)畫軸的受力簡(jiǎn)圖(見上圖b)，因?yàn)辇X輪為直齒圓柱齒輪，所以,齒輪上不存在軸向力。 軸的剛度校核(以Ⅰ軸為例)軸受載后要發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，如果變形過(guò)大，會(huì)影響軸上零件正常工作。Ⅰ軸的直徑按扭轉(zhuǎn)剛度估算，上文已完成，估算出的直徑為 40mm.機(jī)床傳動(dòng)軸的彎曲剛度驗(yàn)算，主要驗(yàn)算軸上裝齒輪和軸承處的撓度 y 和傾角 θ。340Dj?綜 合其中 D 為最大回轉(zhuǎn)直徑 mm。確定傳動(dòng)軸的支承跨距、齒輪在軸上的位置以及各軸的相對(duì)位置，以確定各軸的受力點(diǎn)和受力方向，為軸和軸承的驗(yàn)算提供必要的數(shù)據(jù)。如撓度和傾角過(guò)大，將使齒輪嚙合不良，軸承工作條件惡化，使振動(dòng)、噪聲、空載功率、磨損和發(fā)熱增大。從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析，中型機(jī)床主軸部件的變形及其組成比為：主軸本身變形約占 45至 65%，主軸軸軸承的變形約占 30 至 45%，軸承的支承件（箱體）變形很少。中間各傳動(dòng)軸的位置:主軸和Ⅰ軸位置既定，中間各傳動(dòng)軸位置即可按傳動(dòng)順序進(jìn)行31 / 54安排，應(yīng)考慮滿足以下要求：(1)裝有離合器的軸：要便于裝調(diào)、維修和潤(rùn)滑。 X軸向移動(dòng)導(dǎo)軌的預(yù)選根據(jù)以知條件和加工要求，預(yù)選導(dǎo)軌機(jī)床坐標(biāo)如下圖所示：圖 61數(shù)控鉆床坐標(biāo)系由《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》新版（2）表 ，X 軸向移動(dòng)導(dǎo)軌預(yù)選為H=20 B=50 B1=12 A=400 h=12 h1= 鑲條 b=6（平）驗(yàn)算滾動(dòng)導(dǎo)軌：對(duì)于數(shù)控多工位的機(jī)床的導(dǎo)軌受力分析如圖 7 所示：Ｆ ｃ 、Ｆ ｆ 、ＦＱ分別為切削力、進(jìn)給力和背向力。這種導(dǎo)軌的剛度高，當(dāng)量摩擦系數(shù)比三角形導(dǎo)軌低，承載能力高，加工、檢驗(yàn)和維修都方便，特別是數(shù)控機(jī)床雙矩形、動(dòng)導(dǎo)軌貼塑料軟帶，是滾動(dòng)導(dǎo)軌的主要形式。3．Ⅰ軸的端部常裝有皮帶輪，而主軸尾端外伸，有可能裝自動(dòng)卡盤的操縱氣缸或油缸，布置Ⅰ軸位置時(shí)，必須保證兩者不會(huì)相碰，Ⅰ軸上帶輪外緣不能高出箱體，以免影響外觀。一般中型機(jī)床取尾架導(dǎo)軌中央或稍偏后，這樣，既便于操作，又可使切削力均勻地作用于刀架地兩導(dǎo)軌面上。傳動(dòng)軸應(yīng)保證這些傳動(dòng)件或機(jī)構(gòu)能正常工作。在畫正式圖之前，最好能先畫草圖。主軸的軸向竄動(dòng)＜。因此，必須保證傳動(dòng)軸有足夠的剛度。aBMP650??aP31?? a15??????1.?在 aa 截面左側(cè) 3223 940)(240.)( mdtbWT ???????????由附表 101 查得 ， ；由附表 104 查得絕對(duì)尺寸系數(shù) ，1??K63? ???；軸經(jīng)磨削加工，由附表 105 查得表面質(zhì)量系數(shù) 。m5??（3）軸上倒角及圓角為了保證軸承內(nèi)圈端面緊靠定位軸肩的端面，根據(jù)軸承手冊(cè)推薦，取軸肩圓角半徑為 1mm。另一類是帶輪裝在軸承上，軸承裝在套筒（法蘭盤）上，傳給軸的只是扭矩，徑向力由固定在箱體上的套筒承受。影響軸的結(jié)構(gòu)的因素很多，因此軸的結(jié)構(gòu)沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)形式。軸上要安裝齒輪、離合器和制動(dòng)器等。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，計(jì)算扭矩是工作載荷的慣性和運(yùn)動(dòng)載荷的慣性之和，用 T 表示計(jì)算扭矩可用下式求出： mkgtVRSWtNKTLmr .)()(3082???式中21 / 54旋轉(zhuǎn)組件的重量rWK旋轉(zhuǎn)組件的回轉(zhuǎn)半徑N回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速S工作安全系數(shù)直線運(yùn)動(dòng)組件的重量LV線性速度R變旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)皮帶輪的半徑t機(jī)器啟動(dòng)所需時(shí)間電磁離合器吸合時(shí)間mt但在實(shí)際工作中,很多設(shè)備的精確載荷難以計(jì)算。pbⅢ FβⅡ trⅠ K齒 公 法 線平 均 長(zhǎng) 度 偏 差精 度 等 級(jí)齒 輪 副 中 心 距及 其 極 限 偏 差配 對(duì) 齒 輪 af檢 驗(yàn) 項(xiàng) 目 代 號(hào)齒 數(shù)圖 號(hào) 17公 差 值6GB9177。39。根據(jù) ???b271?查表 121表 121表 1215 可得公差值：第Ⅰ公差組 36rF?45p第Ⅱ公差組 177。由變位切齒原理可知，切制變位齒輪與切制標(biāo)準(zhǔn)齒輪相比較，只是刀具位置的變動(dòng)，并沒(méi)有改變切齒機(jī)床的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，所以無(wú)需重新設(shè)計(jì)齒輪加工機(jī)床與刀具，這為變位齒輪的制造提供了極大的方便，使變位齒輪傳動(dòng)得以廣泛應(yīng)用。當(dāng)實(shí)際中心距小于標(biāo)準(zhǔn)中心距時(shí)，則無(wú)法安裝。這種現(xiàn)象稱為根切。齒輪精度用 6 級(jí)，軟齒表面粗糙度為 。為了防止各種碰撞和干涉，三聯(lián)滑移齒輪的相鄰兩齒輪的齒數(shù)差應(yīng)大于 4。根據(jù)上面計(jì)算的傳動(dòng)比和初步定出的小齒輪齒數(shù)，查表即可求出齒輪副齒數(shù)之和，再減得大齒輪的齒數(shù)。中間傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速較高時(shí)，中間傳動(dòng)軸和齒輪承受扭矩小，可以使軸11 / 54徑和齒輪模數(shù)小些，從而可以使結(jié)構(gòu)緊湊。在實(shí)踐中，若傳動(dòng)比過(guò)大，特別是中間軸的傳動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致齒輪和箱體尺寸過(guò)大，齒輪線速度增大，容易產(chǎn)生振動(dòng)和噪音，不利于提高加工精度。綜合各方面因素選用方案一較為合適。 齒輪變速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 由于整個(gè)裝置為級(jí)變速，傳動(dòng)副數(shù)由于結(jié)構(gòu)的限制以 2 或 3 為合適，即變速級(jí)數(shù) Z應(yīng)為 2 和 3 的因子 Z= 3。 方案的選擇 參照數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)以及對(duì)一些典型機(jī)床的分析，可初定步將此數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速分為高低兩檔,共有 12 級(jí)轉(zhuǎn)速：其中高低兩檔各有 6 級(jí)轉(zhuǎn)速，低速檔時(shí)7 / 54=340r/ =45r/min。 另 外 ， 頻 率 能 夠 在 電機(jī) 的 外 面 調(diào) 節(jié) 后 再 供 給 電 機(jī) ， 這 樣 電 機(jī) 的 旋 轉(zhuǎn) 速 度 就 可 以 被 自 由 的 控 制 。而且齒輪傳動(dòng)的經(jīng)度較高，但是這種結(jié)構(gòu)幾何尺寸較大，而且對(duì)制造精度、安裝精度要求高。 二 采 用 新 技 術(shù) ， 降 低 成 本 ， 提 高 產(chǎn) 品 穩(wěn) 定 性是 企 業(yè) 生 存 的 關(guān) 鍵 。 超 精 密 數(shù) 控 機(jī) 床 的 微 細(xì) 切 削 和 磨 削 加 工 ， 精 度 可 穩(wěn) 定 達(dá) 到 m 左 右 ， 形 狀 精 度 可 達(dá) m 左 右 ?！?　 高 速 、 精 密 、 復(fù) 合 、 智 能 和 綠 色 是 數(shù) 控 機(jī) 床 技 術(shù) 發(fā) 展 的 總 趨 勢(shì) ， 近 幾 年 來(lái) ， 在實(shí) 用 化 和 產(chǎn) 業(yè) 化 等 方 面 取 得 可 喜 成 績(jī) 。 加入 WTO 后，外資對(duì)我國(guó)機(jī)械工業(yè)的結(jié)構(gòu)性沖擊也大大加強(qiáng)主要表現(xiàn)在：1） 、部分行業(yè)發(fā)展主導(dǎo)權(quán)有可能受到?jīng)_擊。 數(shù) 控 機(jī) 床 的 發(fā) 展 趨 勢(shì) 數(shù)控金切機(jī)床的構(gòu)成比逐漸趨于合理。 同 時(shí) 中 國(guó) 在 應(yīng) 用 技 術(shù) 及 技 術(shù) 集成 方 面 的 能 力 也 還 比 較 低 ， 相 關(guān) 的 技 術(shù) 規(guī) 范 和 標(biāo) 準(zhǔn) 的 研 究 制 定 相 對(duì) 滯 后 ， 國(guó) 產(chǎn) 的 數(shù) 控機(jī) 床