【正文】 在畢業(yè)論文即將完成之際，我謹(jǐn)向沈老師致以最誠(chéng)摯的謝意，并向在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中為我提供幫助和解決困難的所有同學(xué)表示感謝。因此，研究雙層主軸設(shè)計(jì)的臥式鏜銑床結(jié)構(gòu)，作為畢業(yè)設(shè)計(jì)，是一個(gè)很好的鍛煉學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的課題，但倘若作為新的機(jī)床產(chǎn)品來研究，其價(jià)值可能就不是很大了。在本次設(shè)計(jì)中，在參考國(guó)內(nèi)外同類機(jī)床產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的下，完成了主軸鏜桿伸縮式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，完成了主傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力參數(shù)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，合理布置了各軸空間位置；并繪制了完整的臥式鏜銑數(shù)控機(jī)床的總裝圖，明確了主軸箱、立柱、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)等主要部件的裝配和相對(duì)位置關(guān)系。在此，也采用液壓機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。以圖示嚙合位置為例，變速系統(tǒng)工作過程為：當(dāng)接收到機(jī)械變速信號(hào)時(shí)，機(jī)床電控部分控制液壓系統(tǒng)給變速油缸供油，推動(dòng)活塞和撥叉向左運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)左嚙合位置時(shí)，撥叉上的頂塊壓下行程開關(guān)1，停止液壓系統(tǒng)繼續(xù)給油缸供油并保持油壓，保證嚙合過程中滑移齒輪不會(huì)軸向誤動(dòng)作。圖29　潤(rùn)滑油泵結(jié)構(gòu)圖圖30　分油器結(jié)構(gòu)圖在各潤(rùn)滑點(diǎn)，油嘴直接將潤(rùn)滑油噴到需要潤(rùn)滑的部件上。7主軸箱潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)零件之間不可避免地存在摩擦和磨損，因此，為機(jī)械系統(tǒng)選擇合理的潤(rùn)滑方式不但可以減小零件間的摩擦、磨損，延長(zhǎng)零部件的使用壽命，也能減小系統(tǒng)運(yùn)行的不平穩(wěn)性，提高主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)精度，保證加工質(zhì)量。針對(duì)于本次臥式鏜銑數(shù)控機(jī)床，主軸箱通過導(dǎo)軌與立柱相連，并沿導(dǎo)軌在豎直面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，因此箱體高度方向尺寸不能太小，而應(yīng)保證主軸箱沿導(dǎo)軌滑動(dòng)時(shí)有足夠長(zhǎng)的導(dǎo)向長(zhǎng)度，如圖28所示，擬定下面兩種布局方案。其特點(diǎn)是軸向剛度較高，預(yù)拉伸安裝時(shí)，預(yù)緊力較大。細(xì)長(zhǎng)絲杠在受壓縮載荷時(shí)，不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)的最大壓縮載荷為臨界載荷：式中：，；—絲杠公稱直徑，；—滾珠絲杠直徑，；—絲杠最大受壓長(zhǎng)度，；—絲杠支承方式系數(shù)，本次設(shè)計(jì)中主軸進(jìn)給絲杠采用兩端固定設(shè)計(jì)。前面的計(jì)算中鏜削進(jìn)給速度為，而所選絲杠基本導(dǎo)程為，因此鏜削加工時(shí)的絲杠轉(zhuǎn)速為：當(dāng)轉(zhuǎn)速時(shí)，滾珠絲杠螺母的主要破壞形式為滾珠球面上產(chǎn)生的塑性變形。查指導(dǎo)老師所供的伺服電機(jī)產(chǎn)品目錄，確定所選電機(jī)型號(hào)為1FT6 1058AC7，其主要參數(shù)和安裝尺寸如下：額定扭矩：靜態(tài)扭矩：額定轉(zhuǎn)速：圖26　1FT6 1058AC7伺服電機(jī)安裝尺寸圖滾珠絲杠的選擇包括其精度選擇、尺寸規(guī)格（包括導(dǎo)程與公稱直徑）、支承方式等幾個(gè)方面的內(nèi)容。查《金屬工藝學(xué)》（下冊(cè)）表12《幾種常用材料的值》，取；切削層公稱寬度在鏜削中表現(xiàn)為每轉(zhuǎn)進(jìn)給量，查《切削手冊(cè)》表1127《臥式鏜床的鏜削用量》，取各種切削條件下的平均值；切削層公稱厚度則是鏜削時(shí)的背吃刀量，考慮到鏜削多用于半精和精加工，切削深度一般不會(huì)較大，故取。則本次設(shè)計(jì)中主軸進(jìn)給伺服電機(jī)的功率，應(yīng)根據(jù)鏜削時(shí)所受軸向抗力的大小來確定。故可得Ⅱ軸支承力學(xué)模型如圖24所示。軸承的基本額定壽命與所受載荷的大小有關(guān)，作用載荷越大，引起的接觸應(yīng)力也就越大，因而發(fā)生點(diǎn)蝕破壞前所經(jīng)歷的總轉(zhuǎn)數(shù)也就越少，即軸承的壽命越短。由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式547知齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算式為上式中，當(dāng)一對(duì)齒輪均為鋼制時(shí)，彈性系數(shù)，則齒面許用接觸應(yīng)力按下式計(jì)算，因?yàn)樵擙X輪直接將轉(zhuǎn)矩傳遞給主軸，故為較重要傳動(dòng)，取最小安全系數(shù)。d)按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度截面C處當(dāng)量彎矩最大，故截面C為可能危險(xiǎn)截面。故應(yīng)校核此位置的強(qiáng)度。本次設(shè)計(jì)中，選擇Ⅱ軸進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。則d)確定復(fù)合齒形系數(shù)根據(jù)初算的齒輪齒數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖538《外齒輪的復(fù)合齒形系數(shù)》得各對(duì)嚙合齒輪中小齒輪的復(fù)合齒形系數(shù)為：，e)校核模數(shù)由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式545b知，齒輪模數(shù)的校核公式如下：則Ⅰ、Ⅱ軸上嚙合齒輪的模數(shù)大小為：因?yàn)?，故Ⅰ、Ⅱ軸上齒輪所選模數(shù)符合要求。則Ⅰ、Ⅱ軸和Ⅱ、Ⅲ軸上嚙合齒輪的齒數(shù)和分別為：將上面求得的齒數(shù)和對(duì)照《數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)實(shí)踐指南》表23《各種常用傳動(dòng)比的適用齒數(shù)》，得且時(shí)的適用齒數(shù)為或；且時(shí)的適用齒數(shù)為。則Ⅰ、Ⅱ軸和Ⅱ、Ⅲ軸的中心距應(yīng)分別滿足下面的關(guān)系：在機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)中，在傳遞功率一定的前提下，齒輪的運(yùn)轉(zhuǎn)速度越高，傳遞的轉(zhuǎn)矩就越小，所需齒輪模數(shù)也就越??；而低速級(jí)齒輪，因其運(yùn)轉(zhuǎn)速度較低，傳遞轉(zhuǎn)矩較大，則需要選用稍大模數(shù)齒輪，以防止輪齒折斷；或是像主軸上使用的齒輪，因?yàn)橹鬏S軸頸一般都較大，因此為了解決分度圓尺寸較大而另一方面齒輪齒數(shù)又不能太多的矛盾，也需要選擇較大模數(shù)。圖20?、褫S主要軸向尺寸圖21?、蜉S主要軸向尺寸為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)計(jì)算，在這里先根據(jù)由軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到的數(shù)據(jù)估算出各軸中心距、齒輪模數(shù)和齒數(shù)，然后對(duì)估取的模數(shù)進(jìn)行校核（該過程實(shí)際上是校核輪齒的彎曲疲勞強(qiáng)度），最后再在強(qiáng)度校核時(shí)校核各輪齒的齒面接觸強(qiáng)度就行了。到此，主軸（包括內(nèi)層主軸和外層主軸）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需的重要尺寸都已經(jīng)確定下來了。最后折中選擇主軸行程為。圖17　主軸前端支承結(jié)構(gòu)尺寸圖根據(jù)確定出的內(nèi)層主軸軸頸尺寸并選擇合理的壁厚以滿足強(qiáng)度要求，再逐步向外擴(kuò)展，依據(jù)軸承內(nèi)徑尺寸和所需定位軸肩高度，逐步確定出外層主軸的各段軸頸尺寸，并得到如圖17所示主軸前端各軸頸尺寸。②與外層主軸配合的外徑大小為，也就是說內(nèi)層主軸前軸頸應(yīng)不小于。而為了保證刀具安裝牢固可靠，主軸內(nèi)部應(yīng)設(shè)計(jì)拉刀機(jī)構(gòu)，當(dāng)需要換刀時(shí)由位于主軸后部的油缸將拉桿頂出，釋放刀具，平時(shí)則依靠碟形彈簧自然拉緊。根據(jù)以上分析，最后確定如圖15所示主軸的支承形式。下面再就主軸的支承形式展開討論。圖13　花鍵截面示意圖為了同時(shí)滿足傳遞扭矩和主軸伸縮時(shí)導(dǎo)向精度的要求，此處的鍵聯(lián)結(jié)應(yīng)該選擇導(dǎo)鍵聯(lián)結(jié)。而滑移齒輪的結(jié)構(gòu)，在上學(xué)期專業(yè)課程設(shè)計(jì)《CA6140主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)》中已經(jīng)有過接觸，因此決定選擇類似滑移齒輪的設(shè)計(jì)方案。其中最先聯(lián)想到的是臺(tái)式鉆床的主軸設(shè)計(jì)方案：鉆頭在電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)操作人員通過操縱桿使鉆頭向下伸出，完成鉆削工作。最終得到的Ⅱ軸各段軸頸大小如圖12所示。根據(jù)確定的聯(lián)軸器端直徑和該軸上布置的主要零件，確定Ⅰ軸各段軸頸的大小如下：圖11?、褫S軸頸尺寸分布圖Ⅰ軸聯(lián)軸器端直徑為，聯(lián)軸器軸向由軸肩定位；31310圓錐滾子軸承內(nèi)徑大小為，軸承內(nèi)圈用花鍵外徑定位，外圈用軸承端蓋壓緊；Ⅰ軸上花鍵規(guī)格為，31310圓錐滾子軸承內(nèi)圈定位軸肩要求不小于，因此采用花鍵外徑定位軸承內(nèi)圈滿足要求。Ⅰ軸最小軸徑為，并且它要與主軸電機(jī)輸出端通過聯(lián)軸器相連。因此，該傳動(dòng)系統(tǒng)Ⅰ、Ⅱ軸按實(shí)心軸計(jì)算公式估算。如圖8所示，由《材料力學(xué)》的知識(shí)可知，剪應(yīng)力在橫截面上是線性分布的，圓心處為零，當(dāng)圓周上有最大應(yīng)力值時(shí)，中心部分的應(yīng)力仍較小，材料并沒有充分發(fā)揮作用?！稒C(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》表22《機(jī)械傳動(dòng)和軸承等效率的概略值》收錄了常用機(jī)械傳動(dòng)（包括齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、V帶傳動(dòng)、聯(lián)軸器等）和軸承等的效率的概略值，參照前面方案設(shè)計(jì)中的傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖，可初估各軸輸入功率如下：在轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)中，其特點(diǎn)是不能首先通過精確計(jì)算確定軸的截面尺寸。從產(chǎn)品系列中可以看到，滿足機(jī)床主傳動(dòng)功率要求的電機(jī)型號(hào)為1PH6 1354NF0，其主要參數(shù)如下：額定功率：額定轉(zhuǎn)速：最高轉(zhuǎn)速：最低轉(zhuǎn)速：額定扭矩：約 重：外形尺寸詳細(xì)參數(shù)如圖7所示：圖7　1PH6 1354NF0主軸電機(jī)外形及安裝尺寸圖零件設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是所承受的載荷大小，而載荷取決于所傳遞的功率和轉(zhuǎn)速，外載一定時(shí)，轉(zhuǎn)速越高，所傳遞的轉(zhuǎn)矩就越小。因?yàn)殂娤鲿r(shí)，同時(shí)工作的齒數(shù)較多，加工余量也比鏜削大得多，因此切削功率應(yīng)以硬質(zhì)合金刀具銑削碳鋼為標(biāo)準(zhǔn)來計(jì)算。而切削功率應(yīng)是三個(gè)切削分力消耗功率的總和，但背向力消耗的功率為零，進(jìn)給力消耗的功率很小，一般可忽略不計(jì)。功率選得過小，不能保證工作機(jī)的正常工作或使電動(dòng)機(jī)將長(zhǎng)期處于滿載甚至過載狀態(tài)而過早損壞。齒輪變速級(jí)數(shù)初步定為兩級(jí)，高速級(jí)和低速級(jí)。這就要求該機(jī)床主傳動(dòng)應(yīng)具有一定的調(diào)速范圍，以保證加工時(shí)銑削和鏜削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；也對(duì)主軸低速時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩提出了一定要求。（b）是通過帶傳動(dòng)的主傳動(dòng)，它主要應(yīng)用在小型數(shù)控機(jī)床上，可以避免齒輪傳動(dòng)時(shí)引起的振動(dòng)和噪聲，但它只能適用于低轉(zhuǎn)矩特性要求的主軸。機(jī)床布局示意圖如下圖所示。此時(shí)若機(jī)床布局選擇圖3（c）和圖3（d）方案，當(dāng)工作臺(tái)帶著數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)在橫向（即X向）做距離移動(dòng)和下滑板做Z向進(jìn)給時(shí)，Z向床身的一條導(dǎo)軌將會(huì)承受很大的偏載。因此綜合考慮，采用由銑頭帶著刀具完成垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，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(dòng)分配方案。加工工件所需的運(yùn)動(dòng)僅僅是相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此，對(duì)部件的運(yùn)動(dòng)分配可以有多種方案。因?yàn)榕P式鏜