【正文】 床的主傳動(dòng)系統(tǒng)相比在結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)單,這是因?yàn)樽兯俟δ苋炕虼蟛糠种鬏S電動(dòng)機(jī)的無(wú)極調(diào)速來(lái)承擔(dān),省去了復(fù)雜的齒輪變速機(jī)構(gòu),有些只有二級(jí)或三極齒輪變速系統(tǒng)用以擴(kuò)大電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的范圍?在主傳動(dòng)系統(tǒng)方面,具有下列特點(diǎn):(1)目前數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)電機(jī)已不再采用普通的交流異步電機(jī)或傳統(tǒng)的直流調(diào)速電機(jī),它們已逐步被新型的交流調(diào)速電機(jī)和直流調(diào)速電機(jī)所代替?(2)轉(zhuǎn)速高,功率大?它能使數(shù)控機(jī)床進(jìn)行大功率切削和高速切削,實(shí)現(xiàn)高效率加工?(3)變速范圍大?數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)要求有較大的調(diào)速范圍,一般Rn100,以保證加工時(shí)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(jī)床的變速是按照控制指令自動(dòng)進(jìn)行的,因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動(dòng)操作的要求?由于直流和交流主軸電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)日趨完善,不僅能夠方便地實(shí)現(xiàn)寬范圍的無(wú)級(jí)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(duì)立式數(shù)控銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)的要求 (1)主軸具有一定的轉(zhuǎn)速和足夠的轉(zhuǎn)速范圍?轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)的開(kāi)停?變速?換向和制動(dòng),以滿足機(jī)床的運(yùn)動(dòng)要求?(2)主電動(dòng)機(jī)具有足夠的功率,全部機(jī)構(gòu)和元件具有是夠的強(qiáng)度和剛度,以滿足機(jī)床的動(dòng)力要求?(3)主傳動(dòng)的有關(guān)結(jié)構(gòu),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(dòng)效率要高,以滿足機(jī)床的工作性能要求?(4)操縱靈活可靠,調(diào)整維修方便,潤(rùn)滑密封良好,以滿足機(jī)床的使用要求?(5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,工藝性好,成本低,以滿足經(jīng)濟(jì)性要求? 主傳動(dòng)的類型及方案選擇 數(shù)控機(jī)床的調(diào)速是按照控制指令自動(dòng)執(zhí)行的,因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動(dòng)操作的要求?在主傳動(dòng)系統(tǒng)中,目前多采用交流主軸電動(dòng)機(jī)和直流主軸電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)凋速系統(tǒng)?為擴(kuò)大調(diào)速?為了適應(yīng)不同的加工要求,目前主傳動(dòng)系統(tǒng)主要有三種變速方式這是大?中型數(shù)控機(jī)床采用較多的一種變速方式?通過(guò)幾對(duì)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(jiàn)圖11所示?一部分小型數(shù)控機(jī)床也采用此種傳動(dòng)方式以獲得強(qiáng)力切削時(shí)所需要的扭矩? 通常選用同步齒形帶或多楔帶傳動(dòng),這種傳動(dòng)方式多見(jiàn)于數(shù)控車床,它可避免齒輪傳動(dòng)時(shí)引起的振動(dòng)和噪聲,見(jiàn)圖12所示?這種主傳動(dòng)是由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸,即電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子直接裝在主軸上,因而大大簡(jiǎn)化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu),有效地提高了主軸部件的剛度,但主軸輸出扭矩小,電機(jī)發(fā)熱對(duì)主軸的精度影響較大?如圖13所示?近年來(lái),出現(xiàn)了一種新式的內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)主軸,即主軸與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子合為一體?其優(yōu)點(diǎn)是主軸組件結(jié)構(gòu)緊湊,重量輕,慣量小,可提高起動(dòng)?停止的響應(yīng)特性,并利于控制振動(dòng)和噪聲?缺點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)主軸的關(guān)鍵問(wèn)題?日本研制的立式加工中心主軸組件,其內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速可達(dá)20000r/min?本次設(shè)計(jì)采用變速齒店主傳動(dòng)系統(tǒng)?使主軸獲得較高的轉(zhuǎn)速和驕傲大的轉(zhuǎn)矩?二級(jí)以上齒輪變速系統(tǒng)雖然此種結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造和維修費(fèi)用高,但和以上兩種驅(qū)動(dòng)方式比,變速裝置多采用齒輪變速結(jié)構(gòu),可以使用可調(diào)的交?直流無(wú)級(jí)變速電動(dòng)機(jī),經(jīng)齒輪變速后,實(shí)現(xiàn)分段無(wú)級(jí)變速,調(diào)速范圍增加,且能滿足各種切削運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩輸出,因此選用二級(jí)以上齒輪變速系統(tǒng)作為主傳動(dòng)的變速方式?第三章 主傳動(dòng)變速系統(tǒng)主要參數(shù)計(jì)算 計(jì)算切削功率 銑削時(shí)的切削力,公式如下 (31)式中——銑削時(shí)的主切削力(N)——加工材料影響的系數(shù)——每齒進(jìn)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(jì)算得:=132N切削時(shí)所消耗的功率稱為切削功率?切削功率的公式計(jì)算: (32)式中:——切削功率(kw)——切削力(N)——切削速度(m/min)根據(jù)機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)典型加工條件以及鋼材料的銑削速度范圍,取=100m/min計(jì)算得:=主軸最高轉(zhuǎn)速為,最低轉(zhuǎn)速為 計(jì)算主傳動(dòng)功率 用下列粗略估算主電動(dòng)機(jī)的功率 (33) 式中,為銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)總機(jī)械效率,主運(yùn)動(dòng)為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí),。額定最高轉(zhuǎn)速為 分級(jí)變速箱的傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及主軸電動(dòng)機(jī)的功率的確定,計(jì)算轉(zhuǎn)速依據(jù)如下公式計(jì)算: (34)則電動(dòng)機(jī)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(yuǎn)大于電動(dòng)機(jī)所能提供的恒功率圍,所以在電動(dòng)機(jī)與主軸之間要串聯(lián)一個(gè)分級(jí)變速箱,來(lái)擴(kuò)大電動(dòng)功率變速范圍? 變速級(jí)數(shù)Z的確定如取變速箱的公比 則由于無(wú)級(jí)變速時(shí) 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(wú)缺口(即沒(méi)有功率降低區(qū))和無(wú)重但是Z=3,變速箱機(jī)構(gòu)較復(fù)雜?因此為簡(jiǎn)化變速箱機(jī)構(gòu),取Z=2? 電動(dòng)機(jī)的功率的確定由公式(3—5)可知,應(yīng)增大 即 所以比大很多?此時(shí)變速箱每擋內(nèi)有部分低轉(zhuǎn)速只能恒轉(zhuǎn)矩變速,主傳動(dòng)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(yīng)保證傳遞全部功率,只有選擇額定功率較大的電機(jī)給予補(bǔ)償?所以選用的交流變頻電動(dòng)機(jī)?則缺口處的功率為?有很大的改善? 電動(dòng)機(jī)參數(shù)一?電動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)電機(jī)采用CTB系列變頻電機(jī),型號(hào):CBT—43P5BXB50—4,主要技術(shù)指標(biāo)如下?(1)電壓:三相380V/50Hz。(3)電機(jī)應(yīng)能承受額定轉(zhuǎn)矩的60%過(guò)載,歷時(shí)1min,低速時(shí)轉(zhuǎn)矩平滑,無(wú)爬行現(xiàn)象。(2)軸上安裝零件的類型?尺寸?數(shù)量和軸連接的方法。(4)軸的加工工藝?不論什么條件,軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下條件:(1) 軸和裝在軸上的零件要有準(zhǔn)確的工作位置,周向和軸向要有準(zhǔn)確的定位。(3) 軸應(yīng)具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性和制造工藝性? 主軸裝配圖預(yù)定出軸上主要零件的裝配方向?順序和關(guān)系,如下圖立式數(shù)控銑床主軸的裝配?前軸承(前支撐)?套筒?軸承?套筒(曲路密封)與端蓋(曲路密封)齒輪(動(dòng)力輸入部分)?圓螺母?軸承(后支撐)?端蓋?依次從軸的后端向前端安裝? 為防止軸上零件受力時(shí)發(fā)生沿軸向和周向的相對(duì)運(yùn)動(dòng),軸上零件除了有游動(dòng)或空轉(zhuǎn)要求外,都必須進(jìn)行軸向和周向定位,以保證其準(zhǔn)確的工作位置? :通常由軸肩?套筒?軸端擋圈?軸承端蓋和圓螺母來(lái)保證。選擇合適的配合關(guān)系。切制螺紋處的應(yīng)力集中較大,應(yīng)避免在軸上受載較大的區(qū)段切制螺紋?(2)改進(jìn)軸的表面質(zhì)量提高軸的疲勞強(qiáng)度?軸的表面愈粗糙,疲勞強(qiáng)度愈低?因此,應(yīng)合理減小軸的表面及圓角處的,提高軸的疲勞強(qiáng)度?表面強(qiáng)化處理的方法有:表面高頻淬火。碾壓?噴丸等強(qiáng)化處理? 軸的結(jié)構(gòu)工藝性軸的結(jié)構(gòu)工藝性指軸的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)便于加工和裝配軸上的零件,生產(chǎn)率高,成本低?一般說(shuō),軸的結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單,工藝性越好?因此,在滿足使用要求的前提下,軸的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)盡量簡(jiǎn)單?為了便于裝配零件并去掉毛刺,軸端應(yīng)制出45176。需要磨削加工的軸段,應(yīng)留有砂輪越程槽。如果還承受有不大的彎矩時(shí),則用降低許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的方法予以考慮?在作軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)通常用這種方法初步估算軸徑?對(duì)于不大重要的軸,也可作為計(jì)算結(jié)果?軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為 (21)——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力,單位MPaT——軸所受的扭矩,單位為Nmm——軸的抗扭截面系數(shù),單位為n——軸的轉(zhuǎn)速,單位為r/minP——軸傳遞的功率,單位為kwd——計(jì)算截面處軸的直徑,單位為mm——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力,單位為MPa由上式可的直徑 (22)式中: 對(duì)于空心軸 (23)應(yīng)當(dāng)指出,當(dāng)軸截面上開(kāi)有鍵槽時(shí),應(yīng)增大軸徑以考慮鍵槽對(duì)軸的強(qiáng)度的削弱?對(duì)于直徑d100mm的軸,有一個(gè)鍵槽時(shí),軸徑應(yīng)增大7%?對(duì)于直徑d100mm的軸,有一個(gè)鍵槽時(shí),軸徑應(yīng)增大5%7%有兩個(gè)鍵槽時(shí),應(yīng)增大10%15%?然后將軸徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑?應(yīng)當(dāng)注意,這樣求出的直徑,只能作為承受扭矩作用的軸段的最小直徑? 強(qiáng)度校核計(jì)算軸的精確計(jì)算主要是軸的強(qiáng)度和剛度校核計(jì)算,且在滿足軸的強(qiáng)度和剛度要求,必要時(shí)還應(yīng)進(jìn)行軸的振動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算?進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí),應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況,采取相應(yīng)的計(jì)算方法,并恰當(dāng)?shù)剡x用許用應(yīng)力?BT30銑床機(jī)械主軸既承受彎矩又承受扭矩,應(yīng)按彎扭合成強(qiáng)度條件進(jìn)行計(jì)算,需要時(shí)還應(yīng)按疲勞強(qiáng)度進(jìn)行精確校核計(jì)算?1. 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件進(jìn)行校核計(jì)算? (24)式中:——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力,單位MPa?T——軸所受的扭矩,單位為Nmm?d——計(jì)算截面處軸的直徑,單位為mm?——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力,單位為MPa?——軸的抗扭截面系數(shù),單位為?由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表8348查得為45MPa。?將以上各值代入式(2—4)得:= 2. 按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算:過(guò)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),軸上零件的位置,外載荷和支反力的作用位置都已確定,算出軸上載荷?由金屬切削手冊(cè)表得: 參數(shù)表 項(xiàng)目參數(shù) 數(shù)值出處金屬切削手冊(cè)D50mm表97B 30mm表94 S表911t8mmt=*DZ4表97由金屬切削機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)表356得查手冊(cè)表12逆銑時(shí)得。 聯(lián)立解得: 剛度校核計(jì)算:軸在載荷作用下,將產(chǎn)生彎曲或扭轉(zhuǎn)變形?若變形量超過(guò)了允許的限度,就會(huì)影響軸上零件的正常工作,甚至?xí)适C(jī)器應(yīng)有的工作性能?對(duì)于制造產(chǎn)品的銑床主軸來(lái)說(shuō)剛度是關(guān)鍵?由誤差復(fù)映原理可知,剛度較差的機(jī)床造出的產(chǎn)品,根本就談不上精度?因此,本次設(shè)計(jì)的BT40主軸必須校核剛度?軸的彎曲剛度以撓度和偏轉(zhuǎn)角來(lái)度量的。/m,顯然,?故滿足剛度條件?第五章 軸承的設(shè)計(jì)由于在高速機(jī)械上使用的軸承對(duì)于轉(zhuǎn)速的要求很高,國(guó)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)軸承無(wú)法滿足本次設(shè)計(jì)要求,根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求選取國(guó)外生產(chǎn)的FAG型號(hào)軸承為本次設(shè)計(jì)所用軸承?通過(guò)本次設(shè)計(jì)的BT40銑床機(jī)械主軸的受力分析可知:軸承在工作過(guò)程中,既受徑向載荷又受軸向載荷?因此,本次設(shè)計(jì)必須選用角接觸球軸承?由于本次設(shè)計(jì)的主軸為高速機(jī)械主軸,所以對(duì)主軸軸承要求較高,國(guó)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)軸承以無(wú)法滿足本次設(shè)計(jì),所以選擇國(guó)外的FAG型號(hào)軸承作為本次設(shè)計(jì)所選軸承?（1） ? FAG軸承型號(hào)1 FAG軸承型號(hào)1(2)? FAG軸承XCB7010 (3)? 軸承游隙等級(jí)的選擇為了提高主軸的剛度和抗振性,BT40銑床主軸采用三支承方式,且前后為主要支承,中間支撐為輔助支承?但是三支承方式對(duì)三支承孔的同軸度要求較高,制造裝配較復(fù)雜?主軸承也應(yīng)消除間隙或預(yù)緊,且輔助支承必須選用較大游隙的軸承?因此,前?后軸承選4組游隙并預(yù)緊,輔助支承選用4組游隙? 軸承的壽命計(jì)算軸承在承受負(fù)荷旋轉(zhuǎn)時(shí),由于套圈滾道面及滾動(dòng)體滾動(dòng)面不斷地受到交變負(fù)荷的作用,即使在正常的使用條件下,也會(huì)因材料疲勞使?jié)L道面及滾動(dòng)面出現(xiàn)疲勞損傷?出現(xiàn)這種滾動(dòng)疲勞損傷之前的總旋轉(zhuǎn)數(shù)稱做軸承的“(疲勞)壽命”?即使是結(jié)構(gòu)?尺寸?材料?加工方法等完全相同的軸承,在同樣條件下旋轉(zhuǎn)時(shí),軸承的(疲勞)壽命仍會(huì)出現(xiàn)較大的差異?這是因?yàn)椴牧掀诒旧砑淳哂须x散性,應(yīng)從統(tǒng)計(jì)的角度來(lái)考慮?于是就將