【正文】 軸直徑，最高轉(zhuǎn)速，三軸移動(dòng)速度。 Feed System1緒論臥式鏜銑床是一種加工范圍極廣、自由度很大的通用機(jī)床，主要用來(lái)加工中、小型箱體零件，并多用于孔加工，鏜孔精度可達(dá)IT7；除擴(kuò)大工件上已鑄出或已加工的孔外，還能銑削平面、鉆削、加工端面和凸緣的外圓，以及切螺紋等。與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式單一，產(chǎn)品運(yùn)行速度、進(jìn)給速度等性能與國(guó)外產(chǎn)品還有很大差距。ALPHA系列臥式加工中心立柱采用斜面概念的設(shè)計(jì)，剛性極高，具有臥式主軸和電主軸可交換使用的功能，具有“一機(jī)兩用”之功效，大大提高了機(jī)床的工藝性能，也降低了制造成本，這一創(chuàng)新引領(lǐng)著臥式鏜銑床的發(fā)展方向。按照設(shè)計(jì)任務(wù)書要求，在本文中要完成一臺(tái)中型臥式鏜銑數(shù)控機(jī)床的總體設(shè)計(jì)、主傳動(dòng)系統(tǒng)及主軸進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)：機(jī)床必須具有鏜和銑的功能，立柱應(yīng)能根據(jù)工件的大小移動(dòng)而實(shí)現(xiàn)其粗定位；為在一次裝夾中完成盡可能多的表面的加工，工件應(yīng)能在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上實(shí)現(xiàn)精密分度；機(jī)床要求能實(shí)現(xiàn)四軸三聯(lián)動(dòng)。銑削加工時(shí)，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可以由工件運(yùn)動(dòng)也可以由刀具運(yùn)動(dòng)來(lái)完成，或者部分由工件運(yùn)動(dòng)，部分由刀具運(yùn)動(dòng)完成，這樣就影響到了部件的配置和總體關(guān)系。而在圖3（a）和圖3（b）方案中，立柱通過(guò)床身直接與地面接觸，就沒(méi)有這一問(wèn)題了。（c）是電主軸設(shè)計(jì)，這種變速方式大大簡(jiǎn)化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu)，有效提高了主軸部件剛度，但由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸即為機(jī)床主軸，受電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩特性限制，主軸輸出轉(zhuǎn)矩小，并且電動(dòng)機(jī)發(fā)熱對(duì)主軸精度影響較大。當(dāng)機(jī)床用于銑削加工時(shí)，其主軸輸出轉(zhuǎn)速較大，一般都處在電動(dòng)機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩變速范圍內(nèi)，此時(shí)可由高速級(jí)輸出；而當(dāng)機(jī)床用于鏜削加工時(shí)，其主軸輸出轉(zhuǎn)速一般都較小，為了保證此時(shí)主軸輸出轉(zhuǎn)矩滿足加工要求，轉(zhuǎn)速由變速系統(tǒng)低速級(jí)輸出。因此，切削功率可用下式計(jì)算： 式中：——切削速度，；——切削力，單位。因此，對(duì)于轉(zhuǎn)速可調(diào)的傳動(dòng)系統(tǒng)，必須確定一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理的計(jì)算轉(zhuǎn)速，作為強(qiáng)度計(jì)算和校核的依據(jù)。如果將這部分材料旋轉(zhuǎn)在離圓心比較遠(yuǎn)的地方，可明顯地增大截面的極慣性矩，這樣就自然提高了軸的承載能力。由圖7知，主軸電機(jī)輸出軸直徑為。圖12?、蜉S軸頸尺寸分布圖該臥式鏜銑數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床相比，最大的特點(diǎn)是：立柱的水平移動(dòng)在加工中只用作粗定位時(shí)的移動(dòng)，而切削進(jìn)給由主軸的伸縮實(shí)現(xiàn)。如圖13示，雖然設(shè)計(jì)方案與滑移齒輪類似，但是值得注意的是，滑移齒輪在花鍵上滑移的時(shí)間與它的轉(zhuǎn)動(dòng)相比，滑移所占時(shí)間的比例很小，因此花鍵聯(lián)結(jié)主要還是用來(lái)傳遞扭矩的。主軸組件的滾動(dòng)軸承一般既要有承受徑向載荷的徑向軸承，又要有承受兩個(gè)方向軸向載荷的推力軸承。拉刀桿內(nèi)部要設(shè)計(jì)成空心結(jié)構(gòu)，以便在換刀時(shí)由氣缸吹入高壓空氣，將刀具刀柄和主軸安裝孔上的鐵屑等雜物吹凈，以保護(hù)主軸安裝孔和刀具刀柄不被劃傷，并保證刀具的安裝精度。為使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，主軸箱內(nèi)不設(shè)置隔板，外層主軸前后兩端軸承均安裝在主軸箱外壁上。如圖19所示，為本次設(shè)計(jì)中主軸的結(jié)構(gòu)及尺寸關(guān)系。因此，在機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)中，一般會(huì)用到2到3種模數(shù)，并沿高速級(jí)向低速級(jí)模數(shù)逐漸增大，以適應(yīng)輸出轉(zhuǎn)矩增大的需要的傳動(dòng)順序，模數(shù)逐漸增大，以適應(yīng)輸出轉(zhuǎn)矩增大或是滿足結(jié)構(gòu)要求的需要。同理校核Ⅱ、Ⅲ軸上嚙合齒輪的模數(shù)：因?yàn)?，故Ⅱ、Ⅲ軸上齒輪所選模數(shù)也符合要求。轉(zhuǎn)矩　　　　　　　　　　　　　　圓周力　　　　　徑向力　　　　　軸向力　　　　　、的方向如圖22所示。則因?yàn)?，故齒面的接觸疲勞強(qiáng)度足夠。圖24?、蜉S支承力學(xué)模型由軸承受力平衡可以得到下列方程：則在這里，并等于軸承預(yù)緊力的大小。則切削力大小為：由加工經(jīng)驗(yàn)知道，切削力是總切削力其中一個(gè)分力，大約占總切削力的；而進(jìn)給力（即軸向力）只占總切削力的，因此可據(jù)此估算出主軸鏜削時(shí)所受軸向力的大?。褐鬏S的進(jìn)給伸縮是由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠螺母副，再通過(guò)螺母座帶動(dòng)主軸運(yùn)動(dòng)的。為此，對(duì)主軸進(jìn)給絲杠應(yīng)進(jìn)行靜強(qiáng)度校核。圖27　主傳動(dòng)進(jìn)給絲杠支承結(jié)構(gòu)6主軸箱空間布局主軸箱內(nèi)各軸的空間布局，在主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中也是一個(gè)很重要的部分。該主傳動(dòng)系統(tǒng)各軸的轉(zhuǎn)速相對(duì)較高，箱體內(nèi)需要潤(rùn)滑的軸承和齒輪也較多，對(duì)滑潤(rùn)油需求量較大，因此本次設(shè)計(jì)中主軸箱內(nèi)采用噴油潤(rùn)滑。圖31　主傳動(dòng)機(jī)械變速系統(tǒng)當(dāng)接收到下一機(jī)械變速信號(hào)時(shí)，變速系統(tǒng)工作過(guò)程同上，不同的是活塞和撥叉此時(shí)是向右運(yùn)動(dòng)?；就瓿闪嗽O(shè)計(jì)任務(wù)書要求的內(nèi)容。感謝學(xué)校在過(guò)去的四年里為我提供的良好的學(xué)習(xí)環(huán)境和氛圍，感謝學(xué)校在我學(xué)習(xí)期間曾給予的各種資助和獎(jiǎng)勵(lì)，這些都為我能正常完成學(xué)業(yè)提供了莫大幫助；感謝曾給我授課的所有老師們，沒(méi)有他們的細(xì)心教導(dǎo)，我就不可能具備現(xiàn)在的專業(yè)素養(yǎng)和能力。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(jì)方案，并廣泛采用模塊化設(shè)計(jì)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(shì)。因此換刀時(shí)，必須通過(guò)機(jī)械裝置克服碟形彈簧的拉緊力，將拉刀桿頂出。潤(rùn)滑油泵和分油器結(jié)構(gòu)如圖29和圖30所示。主軸箱設(shè)計(jì)得過(guò)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(shí)振動(dòng)、發(fā)熱，如果與主軸隔得太近，也會(huì)影響主軸的旋轉(zhuǎn)精度從而影響加工質(zhì)量。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(jì)要求。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(dòng)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。則A、B兩軸承處當(dāng)量動(dòng)載荷分別為：故Ⅱ軸軸承使用壽命按B處軸承計(jì)算，為：5主傳動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)所受切削抗力主要為軸向力和徑向力。在本次設(shè)計(jì)中選擇Ⅱ軸上的軸承進(jìn)行壽命校核。故所求得合成彎矩即為當(dāng)量彎矩。但因?yàn)檗D(zhuǎn)軸工作時(shí)，受彎矩和轉(zhuǎn)矩聯(lián)合作用，前面的估算只是簡(jiǎn)化算法，因此在軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后還應(yīng)對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。初選高速組模數(shù)大小為，低速組模數(shù)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(jiàn)主軸箱裝配圖。而內(nèi)層主軸的長(zhǎng)度，則與其工作行程有著密切關(guān)系，設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，工作行程取得過(guò)大，會(huì)使主軸導(dǎo)向長(zhǎng)度過(guò)短，從而影響導(dǎo)向和加工精度；而取得過(guò)小，主軸伸出長(zhǎng)度有限，又不能滿足加工需要，充分發(fā)揮機(jī)床性能。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。機(jī)床工作過(guò)程中，內(nèi)層主軸在外層主軸內(nèi)作伸縮運(yùn)動(dòng)，內(nèi)外層主軸間通過(guò)導(dǎo)鍵傳遞扭矩，而通過(guò)內(nèi)外層主軸之間的配合形成支承。但也正是因?yàn)榛ㄦI齒槽深度不會(huì)太大，并且齒數(shù)較多，導(dǎo)致多個(gè)面精密配合時(shí)對(duì)加工的要求和成本都會(huì)增加很多，因此花鍵不適合用于導(dǎo)向精度較高的場(chǎng)合。為了實(shí)現(xiàn)主軸邊旋轉(zhuǎn)邊伸縮的功能，設(shè)計(jì)中我聯(lián)想到了很多類似結(jié)構(gòu)以供參考。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?！　　　　　　　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(dòng)系統(tǒng)中，傳動(dòng)軸的直徑一般不會(huì)太大，因此，多數(shù)情況下傳動(dòng)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。因此當(dāng)電動(dòng)機(jī)輸出為額定功率時(shí)，具體傳遞到某一級(jí)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(dòng)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。本次設(shè)計(jì)的主傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖如下：圖6　傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖4主傳動(dòng)系統(tǒng)主要傳動(dòng)件計(jì)算在進(jìn)行機(jī)床設(shè)計(jì)過(guò)程中，主軸電機(jī)功率的正確選擇是很重要的。但與銑削相比，鏜削加工多用于半精和精加工，對(duì)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。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，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(jì)。本次設(shè)計(jì)的是中型臥式鏜銑數(shù)控機(jī)床，加工時(shí)零件尺寸和質(zhì)量可能都較大，但任務(wù)書未對(duì)生產(chǎn)效率提出特別的要求。2機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)零件的加工表面是由機(jī)床刀具和工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(dòng)，就產(chǎn)生了不同類型的機(jī)床。武重的TR6513型臥式柔性加工單元，是目前國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品中