【文章內(nèi)容簡介】 人的制造技術和應用；應用于制造大型電站設備、大型艦船和航空航天設備的重型、超重型數(shù)控機床的研制；IT產(chǎn)業(yè)等高新技術的發(fā)展需要超精細加工和微納米級加工技術，研制適應微小尺寸的微納米級加工新一代微型數(shù)控機床和特種加工機床；極端制造領域的復合機床的研制等。第二章 立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)方案的確定 對立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)簡介主傳動系統(tǒng)是用來實現(xiàn)機床主運動的傳動系統(tǒng)，他應具有一定的轉速和一定的變速范圍，以便采用不同材料的刀具，加工不同的材料、不同尺寸、不同要求的工作、并能方便的實現(xiàn)運動的開停、變速、換向和制動等。數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)主要包括電動機、傳動系統(tǒng)和主軸部件，它與普通機床的主傳動系統(tǒng)相比在結構上簡單，這是因為變速功能全部或大部分主軸電動機的無極調(diào)速來承擔，省去了復雜的齒輪變速機構，有些只有二級或三極齒輪變速系統(tǒng)用以擴大電動機無級調(diào)速的范圍。在主傳動系統(tǒng)方面，具有下列特點：(1)目前數(shù)控機床的主傳動電機已不再采用普通的交流異步電機或傳統(tǒng)的直流調(diào)速電機，它們已逐步被新型的交流調(diào)速電機和直流調(diào)速電機所代替。(2)轉速高，功率大。它能使數(shù)控機床進行大功率切削和高速切削，實現(xiàn)高效率加工。(3)變速范圍大。數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)要求有較大的調(diào)速范圍，一般Rn＞100，以保證加工時能選用合理的切削用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。(4)主軸速度的變換迅速可靠。數(shù)控機床的變速是按照控制指令自動進行的，因此變速機構必須適應自動操作的要求。由于直流和交流主軸電機的調(diào)速系統(tǒng)日趨完善，不僅能夠方便地實現(xiàn)寬范圍的無級變速，而且減少了中間傳遞環(huán)節(jié)，提高了變速控制的可靠性。 對立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)的要求 （1）主軸具有一定的轉速和足夠的轉速范圍、轉速級數(shù)，能夠實現(xiàn)運動的開停、變速、換向和制動，以滿足機床的運動要求。（2）主電動機具有足夠的功率，全部機構和元件具有是夠的強度和剛度，以滿足機床的動力要求。（3）主傳動的有關結構，特別是主軸組件要有足夠高的精度、抗振性，熱變形和噪聲要小，傳動效率要高，以滿足機床的工作性能要求。（4）操縱靈活可靠，調(diào)整維修方便，潤滑密封良好，以滿足機床的使用要求。（5）結構簡單緊湊，工藝性好，成本低，以滿足經(jīng)濟性要求。 主傳動的類型及方案選擇 數(shù)控機床的調(diào)速是按照控制指令自動執(zhí)行的，因此變速機構必須適應自動操作的要求。在主傳動系統(tǒng)中，目前多采用交流主軸電動機和直流主軸電動機無級凋速系統(tǒng)。為擴大調(diào)速。為了適應不同的加工要求，目前主傳動系統(tǒng)主要有三種變速方式1．具有變速齒輪的主傳動這是大、中型數(shù)控機床采用較多的一種變速方式。通過幾對齒輪降速，增大輸出扭矩，以滿足主軸輸出扭矩特性的要求，見圖11所示。一部分小型數(shù)控機床也采用此種傳動方式以獲得強力切削時所需要的扭矩。 2．通過帶傳動的主傳動通常選用同步齒形帶或多楔帶傳動，這種傳動方式多見于數(shù)控車床，它可避免齒輪傳動時引起的振動和噪聲，見圖12所示。3．由調(diào)速電機直接驅動的主傳動這種主傳動是由電動機直接驅動主軸，即電動機的轉子直接裝在主軸上，因而大大簡化了主軸箱體與主軸的結構，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出扭矩小，電機發(fā)熱對主軸的精度影響較大。如圖13所示。近年來，出現(xiàn)了一種新式的內(nèi)裝電動機主軸，即主軸與電動機轉子合為一體。其優(yōu)點是主軸組件結構緊湊，重量輕，慣量小，可提高起動、停止的響應特性，并利于控制振動和噪聲。缺點是電動機運轉產(chǎn)生的熱量亦使主軸產(chǎn)生熱變形。因此，溫度控制和冷卻是使用內(nèi)裝電動機主軸的關鍵問題。日本研制的立式加工中心主軸組件，其內(nèi)裝電動機最高轉速可達20000r/min。本次設計采用變速齒店主傳動系統(tǒng)。使主軸獲得較高的轉速和驕傲大的轉矩。二級以上齒輪變速系統(tǒng)雖然此種結構復雜，制造和維修費用高，但和以上兩種驅動方式比，變速裝置多采用齒輪變速結構，可以使用可調(diào)的交、直流無級變速電動機，經(jīng)齒輪變速后，實現(xiàn)分段無級變速，調(diào)速范圍增加，且能滿足各種切削運動的轉矩輸出，因此選用二級以上齒輪變速系統(tǒng)作為主傳動的變速方式。第三章 主傳動變速系統(tǒng)主要參數(shù)計算 計算切削功率 銑削時的切削力，公式如下 （31）式中——銑削時的主切削力（N）——加工材料影響的系數(shù)——每齒進給量（mm）——背吃刀量（mm）——銑削寬度——銑刀齒數(shù)——銑刀直徑(mm)用直徑=50mm的四齒錐柄立銑刀，銑刀寬=40mm的剛工件，=，=4mm，=68mm，計算得：=132N切削時所消耗的功率稱為切削功率。切削功率的公式計算： （32）式中：——切削功率（kw）——切削力（N）——切削速度（m/min）根據(jù)機床設計手冊典型加工條件以及鋼材料的銑削速度范圍，取=100m/min計算得：=178。 主軸轉速范圍：502000r/min； 計算主傳動功率 用下列粗略估算主電動機的功率 （33） 式中，為銑床主傳動系統(tǒng)總機械效率，主運動為回轉運動時，；主運動為直線運動時。取主傳動的總效率=則初選電動機功率取電動機額定轉速為；額定最高轉速為 分級變速箱的傳動系統(tǒng)的設計及主軸電動機的功率的確定，計算轉速依據(jù)如下公式計算: （34）則電動機的恒功率調(diào)速范圍: 主軸恒功率調(diào)速范圍:因此主軸要求的恒功率變速范圍遠大于電動機所能提供的恒功率圍，所以在電動機與主軸之間要串聯(lián)一個分級變速箱，來擴大電動功率變速范圍。 變速級數(shù)Z的確定如取變速箱的公比 則由于無級變速時 故變速箱的變速極數(shù) 可取Z=3 （35）雖然此中方法功率特性圖示連續(xù)的、無缺口(即沒有功率降低區(qū))和無重但是Z=3，變速箱機構較復雜。因此為簡化變速箱機構，取Z=2。 電動機的功率的確定由公式（3—5）可知，應增大 即 所以比大很多。此時變速箱每擋內(nèi)有部分低轉速只能恒轉矩變速，主傳動系統(tǒng)的功率特性圖中出現(xiàn)缺口區(qū)。缺口處的功率為 低谷處功率應保證傳遞全部功率，只有選擇額定功率較大的電機給予補償。所以選用的交流變頻電動機。則缺口處的功率為。有很大的改善。 電動機參數(shù)一、電動機性能指標電機采用CTB系列變頻電機,型號：CBT—43P5BXB50—4,主要技術指標如下。（1）電壓:三相380V/50Hz；（2）變頻調(diào)速范圍:5～100Hz無級調(diào)速,5～50Hz恒轉矩調(diào)速,50～100Hz恒功率調(diào)速,級數(shù)為4級,額定轉速1440r/min。（3）電機應能承受額定轉矩的60%過載,歷時1min,低速時轉矩平滑,無爬行現(xiàn)象。能通過變頻裝置的電壓提升,保證電動機頻率在5Hz時輸出額定轉矩而不致使電機因發(fā)熱而燒毀。（4）CTB系列變頻電機,型號：CBT—43P5BXB50—4 ： 分級變速箱的傳動系統(tǒng)變速機構的確定本系統(tǒng)設計的傳動系統(tǒng)具有兩檔速度，低檔轉速為，高檔轉。采用二級變速傳動，傳動比為的高速傳動的低速傳動兩種變速機構，采用撥叉變速。顯然如果要求巧內(nèi)作恒功率的不停車變速可用高檔。如果要求在內(nèi)作恒功率的不停車變速可用低檔。第四章 主軸組件設計主軸部件設計是機床重要部件之一，它是機床的執(zhí)行件。它的功用是支撐并帶動工件或刀具旋轉進行切削，承受切削力和驅動力等載荷，完成表面成型運動。軸是機械傳動的一個重要零件，一般作回轉運動的零件常要裝在軸上才能實現(xiàn)其回轉運動。其承載在載荷可分為：——工作時既承受彎矩又承受扭矩?！糜谥无D動零件，只承受彎矩?！獋鬟f扭矩。在高速傳動的軸不僅要考慮軸的材料、結構、強度和剛度，而且要防止軸的振動（動平衡）。此外，注意軸上零件的固定，結構工藝性，熱處理等要求。作為制造機器的機器上的軸，設計的主要原則是——剛度原則,本次設計選擇轉軸。軸的材料主要是碳鋼和合金鋼。數(shù)控主軸主要傳遞扭矩，且在高速旋轉中產(chǎn)生大量的熱，產(chǎn)生一定的軸伸長，其他零件的變形，從而影響加工精度和表面質(zhì)量。從多方面考慮選用40Cr為本次數(shù)控銑床主軸材料。主軸部件由主軸及其支承軸承、傳動件、密封件及定位元件等組成。 （1）旋轉精度 主軸的旋轉精度指裝配后，在無載荷、低轉速條件下，在安裝工件或刀具的主軸部位的徑向和端面圓跳動。其主要取決于主軸、軸承、箱體孔等的制造、裝配和調(diào)整精度。（2）剛度 主軸部件的剛度指其在外加載荷的作用下抵抗變形的能力，通常以主軸前端產(chǎn)生單位位移的彈性形變時，在位移方向上所施加的作用力來定義。如圖41所示。主軸部件的剛度是主軸、軸承等剛度的綜合反映。因此，主軸的尺寸和形狀、軸承的類型和數(shù)量、預緊和配置形式、傳動件布置形式、主軸部件的制造和裝配質(zhì)量都影響主軸部件的剛度。圖41（3）抗振性 主軸部件的抗振性指抵抗受迫振動和自激振動的能力。在切削過程中，主軸部件不僅受靜態(tài)力作用，同時也受沖擊力和交變力的干擾，使主軸產(chǎn)生振動。影響抗振性的主要因素是主軸部件的靜剛度、質(zhì)量分布及阻尼。其評價指標是主軸部件的低階固有頻率與振型。（4）溫升和熱變形 主軸部件運轉時，因相對運動產(chǎn)生的摩擦熱、切削的切削熱等使主軸部件的溫度升高，形狀尺寸和位置發(fā)生變化，造成主軸部件的熱變形。其引起軸承間隙變化，潤滑油溫度升高會使粘度降低，這些變化會影響主軸部件的工作性能，降低加工精度。（5）精度保持性 主軸部件的精度保持性指長期保持其原始制造精度的能力。磨損是主軸部件喪失原始精度的主要原因。因此，必須提高主軸部件的耐磨性。對耐磨性影響較大的有主軸的材料、軸承的材料、熱處理方式、軸承類型及潤滑防護方式等。由于機械結構的要求而需在軸中裝設其他零件或者減少軸的質(zhì)量具有特別重大的作用的場合,則將軸制成空心的,。軸的設計也和其