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1、毕业设计（论文）-弧面蜗杆加工专用数控机床及控制系统设计 弧面蜗杆加工专用数控机床设计目 录设计说明书中英文摘要第一章 弧面蜗杆蜗轮的特点 11-1 蜗杆蜗轮的形成类型及其结构 11-2 蜗杆传动的特点及其应用 31-3 弧面蜗杆的加工 41-4 弧面蜗轮的加工 5第二章 弧面蜗杆数控专用机床总体结构方案设计 122-1 加工机床运动的基本要求 122-2 弧面蜗杆数控专用机床总体方案 132-3 专用球面蜗杆数控车床的基本结构 14第三章 弧面蜗杆数控专用机床的主传动系统设计 153-1 传动结构式和结构选择 151主传动的确定和公比的确定152确定变速组和传动副数目153确定传动顺序方案1
2、63-2 传动方案的拟订183-3 齿轮传动部分的设计193-4 轴的设计计算251轴的设计计算252轴的设计计算263主轴的设计计算32第四章 弧面蜗杆数控专用机床的进给系统设计 325-1 进给系统传动方案拟订325-2 纵向进给系统的设计计算331 纵向进给系统的设计332 纵向进给系统的设计计算335-3 横向进给系统的设计计算395-4 齿轮传动间隙的消除46第五章 弧面蜗杆数控专用机床回转工作台设计 52第六章 弧面蜗杆数控专用机床控制系统总体方案拟定 54第七章 润滑油的选用 54结 束 语第一章 弧面蜗杆蜗轮的特点1-1蜗杆蜗轮的形成类型及其结构1蜗轮蜗杆的形成 蜗杆蜗轮传动是
3、由交错轴斜齿圆柱齿轮传动演变而来的小齿轮的轮齿分度圆柱面上缠绕一周以上这样的小齿轮外形像一根螺杆称为蜗杆大齿轮称为蜗轮为了改善啮合状况将蜗轮分度圆柱面的母线改为圆弧形使之将蜗杆部分地包住并用与蜗杆形状和参数相同的滚刀范成加工蜗轮这样齿廓间为线接触可传递较大的动力 蜗杆蜗轮传动的特征 其一它是一种特殊的交错轴斜齿轮传动交错角为90z1很少一般z114 其二它具有螺旋传动的某些特点蜗杆相当于螺杆蜗轮相当于螺母蜗轮部分地包容蜗杆 2蜗杆传动的类型 杆形状的不同可分 圆柱蜗杆传动-普通圆柱蜗杆阿基米德蜗杆渐开线蜗杆法向直廓蜗杆锥面包络蜗杆和圆弧蜗杆 普通圆柱蜗杆圆弧蜗杆 环面蜗杆传动 环面蜗杆 锥蜗杆
4、传动 锥蜗杆动蜗轮蜗杆结构 蜗杆结构 蜗杆通常与轴为一体采用车制或铣制结构分别见下图 蜗轮结构 蜗轮常采用组合结构由齿冠和齿芯组成联结方式有铸造联结过盈配合联结和螺栓联接结构分别见下图蜗轮只有在低速轻载时采用整体式 蜗杆传动的特点 在蜗杆传动中由于蜗杆齿是连续不断的螺旋齿它和蜗轮齿是逐渐进入啮合及逐渐退出啮合的同时啮合的齿对又较多故冲击载荷小传动平稳噪声低 当蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角时蜗杆传动便具有自锁性这时只能以蜗杆为主动件带动蜗轮传动而不能由蜗轮带动蜗杆运动 蜗杆传动与螺旋齿轮传动相似在啮合处有相对滑动当滑动速度很大工作条件不够良好时会产生较严重的摩擦与磨损从而引起过分发热使
5、润滑情况恶化因此摩擦损失较大效率低当传动具有自锁性时效率仅为04左右为保证有一定使用寿命蜗轮常须采用价格较昂贵的减磨材料因而成本高 蜗杆轴向力较大致使轴承摩擦损失较大 2蜗杆传动的应用 e 40一般在蜗杆时将车刀刀刃放于水平位置并且与蜗杆轴线在同一水平面内这样加工出来的蜗杆在垂直于轴心线的截面内齿形是阿基米德螺线所以叫阿基米德蜗杆它的轴向截面齿形是直线的法向截面齿形不是直线的当螺旋线升角较大时如果仍把车刀刀刃放置在水平位置上车刃的两个刀刃的前后角就很不理想总会有一个刀刃是没前角为了使车刀获得合理的前角和后角常用的把车刀分别加工蜗杆的两个侧面或者将车刀刀刃放在蜗杆齿面的法向位置来加工蜗杆这样加工
6、出来的蜗杆轴向截面齿形不是直线的而法向截面齿形才是直线的所以叫法向直廓蜗杆也有叫延长渐升线蜗杆的正因为如此小螺旋线升角小于5常用阿基米德蜗杆大螺旋线升角常用法向直廓蜗杆也是由加工方法而决定的 当批量较大时可以在专用铣床或车床改装成专用铣床上采用长状铣刀和指状铣刀来精铣蜗杆然后再用车刀来进行精加工可提高生产率 如果蜗杆精度要求不太高通常用车削就可完成加工但对于高精度的分度蜗杆或较高精度的高转速传动蜗杆由于需经淬火处理故车削只能作为淬火前的加工而需采用启削作为终加工用来启削蜗杆的机床可以用车床改装也可以用铲启车床还有专门设计的蜗杆启床例如S7712蜗杆启床和精密螺母启床如S7520W万能螺丝启床1
7、-4弧面蜗轮的加工 普通蜗轮的技术要求与圆柱齿轮基本相同主要包括三个方面1齿形的加工精度和齿侧2蜗轮胚基准孔喉结部分的尺寸精度和几何形状精度基准孔与喉结轴心线的不同轴度基准端面对基准孔轴心线的不垂直度如果是嵌入轮圈式蜗轮还必须对组装的配合表面提出一定的精度要求3装面光洁度 与圆柱齿轮加工相似蜗轮加工也是经过蜗轮胚加工和齿形加工两个阶段齿胚加工与圆柱齿轮齿胚加工基本上相同但胚加喉结部分的加工如果是嵌入轮圈式的首先将轮壳和轮圈分别进行加工然后组装在一起时进行轮胚的精加工在进行精加工时应将喉结基准孔和基准端面在一次安装下加工出来或首先加工好基准孔用心轴定位安装来加工喉结和基准端面以保证喉结基准孔的不
8、同轴度以及基准端面和轴心线的不垂直度 螺轮齿形的加工是蜗轮整个加工过程中的关键工序也是加工中的主要矛盾齿形加工方法有滚齿飞刀切齿剃齿等冶金矿山机械和重型机械厂主要采用滚齿和飞刀切齿 1用蜗轮滚刀加工蜗轮 在滚齿机上用蜗轮滚刀加工蜗轮齿形是加工蜗轮的一种基本方法滚动蜗轮与滚切圆柱齿轮有许多共同点但椰油很多不同点这些特点是齿轮滚刀的基本蜗杆没有严格的规定可以采用阿基米德型法向直廓型或渐升线型按工作条件由自己选择基本蜗杆的直径也可由自己决定但蜗轮滚刀的基本蜗杆相当于一般加工蜗轮相啮合的蜗杆不但蜗杆的类型应相同而且主要尺寸如轴向模数分度圆直径头数螺旋方向螺旋升角等均须一致只是外径比工作蜗杆稍大一些以便
9、使加工后的螺轮与蜗杆啮合时有齿顶间隙坛大量通常为径向间隙的两倍即202m 04m m 为轴向模数蜗轮滚刀水平安装不需要象加工圆柱齿轮那样刀架要搬角度同时蜗轮滚刀轴心线应和蜗轮蜗杆传动啮合状态一样应在蜗轮中心平面内工件的分齿运动应符合蜗杆蜗轮传动速比的关系即蜗轮滚刀一转被加工蜗轮应转一个齿单头滚刀或几个齿多头滚刀滚齿机分齿蜗轮的计算与加工圆柱齿轮的计算或相同例如Y38滚齿机 当Z161时i分齿 abcd 24kz 当Z 161时 i分齿 abcd 48kz但滚切蜗轮时不能忽视蜗轮滚刀的头由文K进给方向加工圆柱齿轮时滚刀相对被切齿轮由上向下或由下向上作垂直进给运动但加工蜗轮时蜗轮滚刀要保持在蜗轮中
10、心平面内因此蜗轮滚刀相对工件只能作径向进给或切向进给a径向进给法这时蜗轮滚刀向被加工蜗轮作径向进刀逐渐切至全齿深为止这种方法在生产中应用较广因为生产率高而且不需要切向刀架许多滚齿机往往没有这种附件 径向进给运动是滚切过程中被加工蜗轮转一转滚刀在水平面没被切蜗轮半径方向移动S径毫米运动是通过径向丝杆来实现的Y38滚齿机径向供给传动关系工作台蜗轮付Z96K蜗杆蜗轮K1Z30进给挂轮i进给接通离合器M1齿轮Z45Z36锥齿轮Z17Z17锥齿轮Z17Z17蜗杆蜗轮K4Z20接通M2螺旋齿轮X10Z20脱落蜗杆K4Z20蜗杆蜗轮K4Z16锥齿轮Z20Z25径向进给丝杆t 10毫米刀架立柱水平移动 列成计
11、算式S径 工作台转一转961130i进给4536171717174201020420416202510 经简化和整理得到径向进给挂轮调整公式 i进给径 a1b1 c1d1 254S径b 切向进给法此时用一端为锥形的蜗轮滚刀也有叫玉米滚刀的沿被加工蜗轮位切向进给滚刀和被加工蜗轮的中心距予先调整到蜗轮蜗杆的中心距A加工时保持不变依滚刀齿高由小到大逐渐切至全齿架滚刀圆锥部分刀齿依切入和粗加工用圆锥部分刀齿位精加工和最后修整用用切向进给法加工蜗轮时由于需要滚刀在刀架上作轴向移动故必须用切向刀架这时刀具和工件之间的相互运动关系除了分齿运动外还需要切向进给运动和差动运动切向进给运动指滚刀沿蜗轮切向即滚刀本
12、身轴线方向移动以实现连续进给的目的Y38滚齿机是由专用切向刀架来完成的其传动关系是工作台或工作转一转滚刀沿切向移动S切毫米工作台蜗轮蜗杆Z96K1蜗杆蜗轮K1Z30进给挂轮i进给接通离合器M1齿轮Z45Z36锥齿轮Z17Z17锥齿轮Z17Z17进入切向刀架锥齿轮Z17Z17齿轮Z35Z35蜗杆蜗轮K1Z50切向进给丝杆t 5毫米切向进给列成计算式S切 工作台转一转961130a1b1c1d145361717171717173535 150 5 经简化和整理得到切向进给挂轮调整公式 i进给切 a1b1 c1d1 52S切 差动运动切向进给法加工蜗轮时由于滚刀多了一个切向进给运动这时被加工蜗轮工作
13、台必须随着刀具移动方向相应地转过一定角度称它为附加运动因此需要挂差动挂轮差动挂轮速比的计算根据滚刀切向轴向移动一个轴向齿距ms 时被加工蜗轮的附加转动应为1Z转的关系由刀具与工件的转动关系列出 切向进给丝杆t 5毫米蜗杆蜗轮Z50K1齿轮Z35Z35锥齿轮Z17Z17锥齿轮Z17Z17锥齿轮Z17Z17齿轮Z36Z45插动挂轮i差挂蜗杆蜗轮K1Z30差动机构i差动2分齿挂轮i分齿蜗杆蜗轮K1Z96工作台 列成计算式ms550135351717171717173645i差挂130 i差动2i分齿196 1Z 其中i差动2 2i分齿 24KZ当Z161时代入并化简得到切向进给时差动挂轮调整公式 i
14、差挂 a2b2 c2d2 15 2msK 038733msK式中ms被加工蜗轮轴向模由文 K蜗轮滚刀头数 必须指出用切向进给法加工蜗轮挂差动挂轮与加工斜齿轮时挂差动挂轮的目的不同斜齿轮主要为了保证螺旋角而切向进给法是刀具多了一个切向移动故工件工作台必须相应地附加转动以补偿刀具切向的移动 切向进给法的加工精度和光洁度要比径向进给法高因为切向进给的滚刀是由不同的刀齿进行粗加工和精加工的但切向进给时滚齿机必须富有单独的切向刀架而一般中小型滚齿机除专门订货外是不带切向刀架的因此径向进给法比切向进给法应用要广泛得多 由以上看出在滚齿机上用蜗轮滚刀加工蜗轮只要滚刀和滚齿机的精密度较高就可以加工出程度较高的
15、蜗轮来但这种无法需要有专门的蜗轮滚刀在冶金厂或矿山机修车间里也有用一般齿轮滚刀来加工蜗轮的因为滚刀也是一个蜗杆当加工时若齿轮滚刀的螺旋升角不等于被加工蜗轮的螺旋升角时可用转动刀架的办法来解决这种方法当滚刀与蜗杆的直径和螺旋升角相差较大时加工误差越大因此采用这种方法加工在设计蜗杆时应尽量按齿轮滚刀的形状来设计 2用飞刀加工蜗轮 用蜗轮滚刀加工蜗轮比较精确而且生产率也高但需要专门蜗轮滚刀当单件小批生产特别是一个或几个大型蜗轮时专做蜗轮滚刀就不合算而且时间要拖久因此许多冶金矿山机械厂和重型机械厂经常采用飞刀里加工蜗轮 在滚齿原理和蜗杆蜗轮啮合原理中知道滚刀或蜗杆在中心平面剖面内相当于一个齿条旋齿加工
16、就象齿条与齿轮相啮合的情况一样如果只用蜗轮滚刀沙锅内一个刀齿来切削使这个刀齿一方面旋转同时又作相应的轴向移动这样刀齿走的路线和滚刀刀齿的螺旋线一样因此象滚刀一样能铣出正确的齿形来这就是飞刀加工的原理 飞刀刀头的齿形和蜗轮滚刀上一个刀齿一样也和蜗杆轴向剖面内的齿形相同仅齿顶高大02ms飞刀刀头的尺寸根据被加蜗轮的模数 2压力角e 20的蜗轮飞刀刀头尺寸飞刀在刀杆上的安装其中 R d顶1202ms L Rd刀杆2d顶1蜗杆外径d刀杆 飞刀刀杆直径 飞刀刀杆材料选用W18Cr4V高速钢淬大后切削部分硬度达HRC6064齿形部分要进行研究并用梯板透光检查 飞刀刀杆的结果主要应满足刀头浆固不致在加工中松
17、动是一种加工中小模数的飞刀刀杆飞刀装在刀杆1的圆孔中由螺母面通过压紧套筒工来压紧这种结构简单调节方便另外在加工大模数蜗轮时可采用刀杆结构它用斜面或圆弧面来卡紧使飞刀不会转动或滑动所以能承受较大的切削力 用飞刀加工蜗轮时飞刀装在专用的飞刀刀杆上由刀杆带动飞刀一面旋转一面切向轴向进给这就要求在滚齿机上装上切向刀架挂上切向进给挂轮就能使飞刀在铣齿过程中连续的作轴向移动由于飞刀作轴向移动故被加工蜗轮除了有分齿运动外还应有和上述切向进给法相同的附加转动即应挂差挂轮升车加工之前应将刀杆中心的距离按图纸调整到蜗杆螺啮合时的中心距离分几次将蜗轮切成由于飞刀只有一个刀齿一转内在蜗轮上的切痕比液刀一转的切痕少得多
18、为了保证齿面有一定的光洁度切向进给很小因此因产率很低所以只是没有蜗轮滚刀并且单件小批生产才采用飞刀加工 3蜗轮的剃齿和珩齿 为了提高蜗轮付的接触精度有些工厂在蜗轮粗精滚之后采用剃齿作为最终齿形加工工序剃齿刀的形状和主要尺寸与工作蜗杆相同只是在这蜗杆螺旋工作台上开出很多小槽以形成切削刃剃齿刃的外径比工作蜗杆外径较大一点 约02ms 以保证蜗轮全部有效齿面都能加工 剃齿方法有自由剃和强通剃两种自由剃在剃削时蜗轮与机床传动能脱开只是依靠顶尖和转台由剃刀在切削过程中自由带动只辅加以一定的阻尾力来提高切削效率因此机床分变机构精度没有影响被加工蜗轮的相邻周节误差主要取决于剃齿刀的齿距精度和机床装刀轴的径向
19、和轴向窜动强迫剃在剃齿时蜗轮仍与机床传动链相联系故相邻周期误差仍与机床有关 有些工厂在蜗轮经粗滚精滚后采用珩面方法来作为精密蜗轮的最终工序珩面是用珩面蜗杆装在滚齿机的滚刀上以自由或强迫的运动来带动蜗轮进行切削珩面杆是由面料粘结剂如环氧树脂等浇注成形并经修面而制成其参数除外径略小齿厚称法外其余与工作蜗杆在同样条件刃面出 一般珩面蜗杆的线速度比剃齿高一些珩面时应采用足够的冷却珩齿对提高蜗轮齿面光洁度十分显著一般可达 8 剃齿和珩齿目前工厂里均有采用剃齿的优点能提高接触粘度生产率较高但剃齿制造困难且剃刀使用寿命有限因此有些工厂多采用珩齿法加工因珩齿蜗杆制造简单成本低周期小其主要缺点是生产率低第二章
20、弧面蜗杆数控专用机床总体结构方案设计2-1 加工机床运动的基本要求根据圆弧面蜗杆蜗轮的加工原理对机床的运动要求如图所示由于加工蜗轮的刀具与蜗杆相似所以加工蜗杆的机床也能加工蜗轮加工圆弧面蜗杆专用机床必须具有以下基本运动1切削运动主运动1即被加工蜗杆的旋转运动2分齿运动2随着蜗杆以1旋转刀盘也要以2的速度相应旋转并要求1和2之间有准确的传动关系即U分齿 12 Z2Z1被加工蜗杆和刀盘的旋转方向应符合蜗杆蜗轮副的啮合关系1和2也可统一称齿廓形成运动展成运动这两个运动是切削弧面蜗杆齿面或滚动蜗轮齿面的最基本运动由速度挂轮和分齿挂轮来调整3径向进给运动S1和圆周进给运动34调整运动S2和S3此两个运动
21、是用来调整蜗杆的轴向位置和刀盘的上下位置2-2 弧面蜗杆数控专用机床总体方案设计任务是将CK6163型数控卧式车床改造成经济型弧面蜗杆数控专用机床根据圆弧面蜗杆蜗轮的加工原理初步选择弧面蜗杆数控加工专用机床参数如下1车床纵向运动由X1向1步进电动机联接控制130BF001型步进电动机配套丝杆螺距8mm 脉冲当量001mm2车床横向运动由Z1向2步进电动机联接控制110BF001型步进电动机配套丝杆螺距6mm 脉冲当量0005mm3圆盘工作台由Y1向3步进电动机联接控制130BF001型步进电动机配套丝杆螺距6mm 脉冲当量0005mm4圆盘工作台上纵向运动由X2向4步进电动机联接控制110BF
22、001型步进电动机配套丝杆螺距6mm 脉冲当量001mm5圆盘工作台上横向运动由Z2向5步进电动机联接控制110BF001型步进电动机配套丝杆螺距6mm 脉冲当量0005mmCK6163数控车床改造为弧面蜗杆专用加工机床后要求能完成一般车削及加工任意锥面球面螺纹等并具有回转工作台及其它辅助功能根据设计任务选用JWK-52经济型机床微机控制系统该系统采用MCS-51系列单片机ISO国际标准数控代码编程功能较完备驱动性能好纵向和横向均采用步进电动机降速齿轮滚珠丝杠螺母副溜板的传动方式2-3 专用弧面蜗杆数控车床的基本结构1床身 床身是用HT300浇铸而成的它由牢固的横向十字筋组成振动低2个90V形
23、平导轨是经过高频淬火和精密磨削加工而成的拖板和尾架各使用一个90V形平导轨纵向走刀Z向采用滚珠丝杆传动丝杆安装在床身前面主电机安装在床身后面2主轴箱 主轴箱是用HT250浇铸而成的它由4颗螺钉固定在床身上在床头箱里主轴安装在2个圆锥滚子轴承72107212上主轴有一个38的通孔主轴端内孔锥度为莫氏5号3拖板 大拖板是用HT200浇铸而成的其滑动导轨面经过精密磨削它与床身上的90V形平导轨之间无间隙下面的滑动部分能够简单而又方便的调整中拖板是安装在大拖板上的通过滚珠丝杆传动可带动中拖板在大拖板上滑动可通过镶条来调整中拖板与大拖板燕尾导轨的间隙4尾架及其调整 尾架通过锁紧受柄拉紧锁紧块固定在床身上
24、尾架有一个带3号莫氏锥孔的套筒尾架套筒在任何位置都能用锁紧手柄将其锁紧5工作台 弧面蜗杆数控专用加工机床的回转工作转台由滑座十字滑台工作台等零件组成工作台X轴向移动由已预紧且通过座紧固在工作台上的滚珠螺母和两端分别用右托架电机座固定在十字滑台上的丝杆的转动来实现丝杆是由电机通过同步齿形带及两带轮来驱动的工作台Y向移动由已预紧且通过底座紧固在十字滑台上的滚珠螺母和用电机座固定在滑座上的丝杆转动来实现的丝杆是由电动机通过同步齿形带及带轮来驱动的工作台面有六条T形槽用来对工件进行安装定位中间的T形槽是定位T形槽第三章 弧面蜗杆数控专用机床的主传动系统设计3-1 传动结构式和结构选择1主传动的确定和公
25、比的确定根据ZJK-7532的使用说明书初步定主轴转速范围为321000rmin 则 136由设计手册取标准值得 126令则则取2确定变速组和传动副数目大多数机床广泛应用滑移齿轮的变速方式为了满足结构设计和操纵方便的要求通常采用双联或三联滑移齿轮因此主轴转速为12级的变速系统总共需要两个变速组3确定传动顺序方案 按着传动顺序各变速组排列方案有 12322 12232 12223从电机到主轴一般为降速传动接近电机处的零件转速较高从而转矩较小尺寸也就较小如使传动副较多的传动组放在接近电机处则可使小尺寸的零件多些而大尺寸的零件可以少些这样就节省省材料经济上就占优势且这也符合前多后少的原则从这个角度考
26、虑以取18 332的方案为好本次设计即采用此方案3-2 传动方案的拟订根据以上分析及计算拟定主轴箱变速箱传动结构图如下图3-2中第轴至第轴其结构式为 4 2221图3-1中第轴至第轴机床主轴箱传动系统采用分离传动其主要特点是在满足传动副极限传动比的条件下可以得到较大的变速范围高速由短支传动有助于减少高速时机床的空运转功率损失而且高速分支的尺寸可相对小些3 变速级数不像常规变速系统那样受23因子的限制如与部分转速重合的方法配合几乎可以得到任意的变速级数大大增加了可供选择方案的数目3-3 齿轮传动部分的设计选择以机床变速箱中第轴和第轴间两啮合直齿圆柱齿轮Z1和Z2对其进行齿轮传动部分的设计和验算根
27、据总体结构方案主电机功率13KW转速1450rmin要求输出轴转速1000 rmin齿轮齿数比U 125具体计算如下1 大小齿轮的材料均为45钢经调质与表面淬火处理硬度为4050HRC2 选小齿轮齿数Z1 28大齿轮齿数Z2 U Z1 125 28 35齿数比U 1253 按齿面接触强度设计由设计计算公式进行试算即d1t 1 选取载荷系数 Kt 12 2 计算大齿轮传递的转矩 T2 955 10P1n1 955 10 131450 Nmm 8562 10 Nmm 3 选取齿宽系数d 1 4 查得材料的弹性影响系数ZE 1898MPa 5 按齿面硬度查得大小齿轮的接触疲劳强度极限Hlim1 Hl
28、im2 550 MPa 6 计算应力循环次数N2 60n1jLh 60 1450 1 2 8 365 15 76212 10N1 76212 10 125 95265 10 7 查得接触疲劳寿命系数KHN1 086KHN2 088 8 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为1安全系数S 1得 9 试算小齿轮分度圆直径d1t带入中较小的值d1t 69429mm10 计算圆周速度 11 计算齿宽bb d d1t 1 69429 mm 69429 mm12 计算齿宽与齿高之比bh模数 mt d1tZ1 6942928 mm 2480 mm齿高 h 225 mt 225 2480 mm 558 mm bh
29、 69429558 124413 计算载荷系数根据 364ms7级精度查得动载荷系数Kv 114直齿轮假设KAFtb KF 12查表得使用系数KA 1查得7级精度小齿轮相对支承非对称布置时KH 114018106dd023 10b将数据带入后得KH 114018106 1 1023 10 69429 1444由bh 1066KH 1444查图机械设计10-13得KF 132故载荷系数 K KAKvKHKH 1 114 12 1444 197514 按实际的载荷系数效正所得的分度圆直径由式 69429 mm 15 计算模数m m d1Z1 798128 mm 285 mm4按齿根弯曲强度设计1
30、查得大小齿轮的弯曲疲劳强度极限均为FE1 710MPa2 查得弯曲疲劳寿命系数KFN1 0805KFN2 0823 计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 S 14由式 4 计算载荷系数KK KAKvKFKF 1 114 12 132 18065 查取齿形系数查得YFa1 261 YFa2 2526 查取应力校正系数查得YSa1 158YSa2 16257 计算大小齿轮的并加以比较小齿轮的数值大8 设计计算 mm 153 mm对比计算结果由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度决定的承载能力而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力仅与齿轮直
31、径即模数与齿数的乘积有关可取由弯曲强度算得的模数153并就近圆整为标准值m 3 mm按接触强度算得的分度圆直径d1 7981 mm算出小齿轮的齿数取Z1 32 mm大齿轮齿数 Z2 U Z1 125 32 40取Z2 405几何尺寸计算 1 计算分度圆直径d1 Z1 m 32 3 mm 96 mm d2 Z2 m 40 3 mm 120 mm 2 计算中心距 a d1d2 2 108 mm 3 计算齿轮宽度b d d1 1 96 mm 96 mm因为变速箱中小齿轮1固定安装在第轴上大齿轮2安装在第轴上且为双联滑移齿轮两齿轮副传动比取值为125变速箱做减速传动考虑整个变速系统的总体结构及其安装取
32、B2 108 mmB1 42 mm4 验算机床主轴箱中第轴和轴间为一对斜齿轮两齿轮的材料选用40Cr经过调质与表面淬火处理硬度为4855HRC许用接触强度疲劳应力精度等级取7级经校核齿轮齿面接触强度和齿根弯曲疲劳强度均满足要求此处计算和验算过程略两斜齿轮参数选择具体如下1 齿轮齿数Z1 30 Z2 u Z1 2 30 602 中心距将中心距圆整为210mm3 按圆整后的中心距修正螺旋角4 大小齿轮的分度圆直径5 齿轮宽度圆整后取B2 100 mmB1 110 mm6 齿轮结构如图所示 弧面蜗杆加工专用数控机床是对CK6163型数控车床的改造弧面蜗杆数控加工机床主轴箱齿轮传动系统的总体结构布置和
33、参数的选择均参考原CK6163型数控车床主轴箱中各轴间齿轮的齿数和模数与原CK6163型数控车床主轴箱内部齿轮的齿数和模数相同变速箱和主轴箱内部齿轮结构简图4-2如下所示3-4 轴的设计计算1 轴的设计计算 1轴的材料选用45钢并经调质处理2轴的结构设计 轴的结构是参考了CK6163的轴如图所示3 由于轴的实质结构没有变化而且各部分直径也大于等于原轴的最小直径故轴的强度是可以满足工作要求的具体的校核计算就略去了2 轴的设计计算 1轴的材料选用45号钢并经过调质处理2估算周的最小直径 查表得常数3 轴的结构设计见图如下所示4 轴的刚度验算 轴的变形条件和允许值轴上装齿轮和轴承处的挠度和倾角y和应
34、小于弯曲刚度的许用值Y和即 yY表4-1 轴的弯曲变形的允许值轴的类型Ymm变形部位rad一般传动轴0000300005L装向心轴承处00025刚度要求较高00002L装齿轮处0001安装齿轮轴001003m装单列圆锥滚子轴承00006安装蜗轮轴002005m装滑动轴承处0001装单列圆柱滚子轴承处0001L轴的跨度 m模数 轴的变形计算公式 计算轴本身弯曲的挠度y及倾角时一般常将一轴简化为集中载荷下的简支架按材料力学的有关公式计算当轴的直径相差不大且计算精度要求不高时可把轴看做等直径采用平均直径d1计算计算轴时选择用平均直径d1或当量直径d2圆轴 平均直径 惯性矩矩形花键轴平均直径 当量直径
35、 惯性矩 轴的力分解和变形合式 对于复杂受力的变形先将受力分解为三个垂直面上的分力应用弯曲变形的公式求出所求截面的两个垂直平面的y和然后进行叠加在同一平面内进行代数叠加在两个垂直面内则按几何合成求出该截面的总载度和总倾角 危险工作截面的判断 验算刚度时应选择最危险的工作条件进行一般是轴的计算转速最低传动齿轮直径最小且位于周的中央这时轴的受力将使总的变形剧烈如果对两三种工作工作条件难以判断哪一种最危险就分别进行计算找到最大弯曲变形值y和 提高轴的刚度的一些措施加大轴的直径适当减小周的跨度或者增加第三支撑重新安排齿轮在轴上的位置改变轴的布置方位等 轴的校核计算轴的受力简图轴的传动路线有两条一条是由
36、齿轮9传动至轴上再又齿轮12至齿轮13带动主轴运转另一条是由齿轮10和齿轮11传动至轴上再又齿轮12至齿轮13带动主轴运转a 先校核又齿轮10传入齿轮12传出时轴的强度1 作轴的水平面H弯矩图和垂直面V弯矩图1 计算轴上的功率 轴上的转矩齿轮11的圆周力齿轮11的径向力齿轮12的圆周力齿轮12的径向力齿轮12的轴向力2 求在水平面内的支反力由受力图MA 0 ME 0 3 求在垂直面内的支反力由受力图MA 0 ME 0 4 画轴水平面H和垂直面V内的受力图弯矩图如下2作弯矩和转矩图1 齿轮11的作用力在水平面的弯矩图如上齿轮11的作用力在垂直面的弯矩图如上齿轮11在B截面作出的最大合成弯矩为2
37、齿轮12的作用力在水平面的弯矩图如上齿轮12的作用力在垂直面的弯矩图如上齿轮12在D截面作出的最大合成弯矩为3作BD两截面最大合成弯矩图和扭矩图4轴的强度校核经过分析可知B所在的截面为危险截面按第三强度理论计算弯矩查设计手册第二版第四卷轴的抗弯截面系数故满足第三强度理论刚度校核 在水平面H内FtB单独作用时FtD单独作用时 在和FtBFtD共同作用下在垂直面V内单独作用时 单独作用时 在与 共同作用下时故在共同作用下处为危险截面其最大挠度为而一般y 0000300005l 01221750203625mm故符合要求轴的转角校核就不再验算b再校核由齿轮9传入齿轮12传出时轴的强度步骤方法同上经过
38、校核轴的强度和刚度均满足要求设计过程中依b 组传动方案此处轴的强度和刚度校核过程省略3 主轴的设计计算 轴的材料选用45号钢并经过调质处理结构设计如图由于主轴的结构基本上采用原CK6163型数控车床的主轴没有明显的改动故具体的校核计算过程就略去不作第四章 弧面蜗杆数控专用机床的进给系统设计4-1 进给系统传动方案拟订进给运动是数字控制的直接对象被加工工件的最终位置精度和轮廓精度都与进给运动的传动精度灵敏度和稳定性有关因此在进行数控加工机床进给系统传动设计方案过程中选用传动零件应充分注意减小摩擦阻力提高传动精度和刚度消除传动间隙和减小运动惯量等相关因素弧面蜗杆数控专用机床的进给运动可采用无级调速
39、的伺服驱动方式控制系统的选择可以采用闭环开环或半闭环控制传动部分的选择可以考虑采用伺服电机经过由最多一两级齿轮或带轮传动副和滚珠丝杆螺母副或齿轮齿条副或蜗杆蜗条副组成的传动系统传动给工作台等运动执行部件根据设计任务弧面蜗杆数控专用加工机床的伺服驱动装置采用开环伺服系统机床纵向进给运动横向进给运动回转工作台上的纵向进给横向进给以及回转工作台采用的均为步进电机驱动的开环伺服系统4-2 纵向进给系统的设计计算1 纵向进给系统的设计根据设计任务系统应采用连续控制系统控制系统由微机部分键盘及显示器IO接口及光电隔离电路步进电机功率放大电路组成纵向进给系统采用步进电机减速齿轮滚珠丝杆螺母溜板的传动方式数控
40、工作台为数控回转转台2 纵向进给系统的设计计算已知条件工作台质量 W 100kgf 1000N时间常数 T 25ms滚珠丝杆 Lo 8mm脉冲当量 p 001mm脉冲1 切削力计算由机床设计手册可知 最大切削功率 式中-主电机功率 75kW-主传动系统的总效率一般为07085取 08则 切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力 或转矩 和最大切削速度 转速 来计算即式中-主切削力 N -最大切削速度 mmin 按用硬质合金刀具半精车钢件时的速度取值 100mmin在一般外圆车削时取2滚珠丝杠副的计算和选型滚珠丝杠副的设计主要是型号的选择和性能验算纵向进给为综合型导轨按式计算丝杠轴向进给
41、切削力其中K 15取 016则最大切削力下的进给速度可取最高进给速度量的1215 取为12 纵向最大进给速度为06mmin丝杠导程 8mm则丝杠转速为丝杠使用寿命时间取为T 15000h则丝杠的计算寿命L为根据工作负载寿命L计算滚珠丝杠副承受的最大动载荷取由参照某厂滚珠丝杠副产品样本可采用W6008内循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副1列35圈其额定动负载为181000N精度等级选为3级其几何参数如下公称直径 63mm导程 8mm螺纹升角 滚珠直径 4763mm螺杆内径 60mm按式 5-9 校验丝杆螺母副的传动效率其中磨擦角纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如图所示支承间距丝杠螺母及轴承均进行预紧
42、预紧力为最大轴向负荷的13丝杠的变形量计算如下滚珠丝杠截面面积按丝杠螺纹的底径确定工作负载引起的导程的变化量可用下式计算则丝杠拉伸或压缩变形量由于两端均采用角接触且丝杠又进行了预紧故其拉压刚度可比一端固定的丝杠提高4倍其实际变形量为滚珠与螺纹滚道间接变形量按下式进行计算因丝杠加有预紧力且预紧力为轴向最大负载的13时可减少一半因此实际变形量为支承滚珠丝杆的轴承为51209型推力球轴承几何参数为 40mm滚动体直径 10mm滚动体数量 18轴承的轴向接触变形量可按式 5-16 计算注意此公式中单位应为kgf因施加预紧力故实际变形量根据以上计算总变形量为三级精度丝杆允许的螺距误差为故刚度足够因为滚珠
43、丝杆两端都采用推力球轴承并预紧因此不会产生失稳现象故不需做稳定性校核1 减速齿轮设计根据给定的纵向进给脉冲当量001mm滚珠丝杠导程及初选的步进电动机步距角可计算出传动比选取齿轮齿数为 30 50m 2mm2 步进电动机的选择1 负载转动惯量计算参考同类型机床初选反应式步进电动机130BF001其电动机转动惯量传动系统折算到步进电动机轴上的等效转动惯量按表5-15中介绍方法计算齿轮的转动惯量为丝杠的转动惯量可从表5-16查出等效惯量考虑步进电动机与传动系统惯量匹配问题不完全满足惯量匹配的要求1 负载转矩计算及最大静转矩选择机床在不同的工况下其所需转矩不同下面分别进行计算快速空载起动时所需转矩可
44、按下式进行计算考虑了电动机转子的转动惯量以后传动系统折算到电动机轴上的总转动惯量折算到电动机轴上的磨擦力矩附加磨擦力矩 998Ncm则 63384Ncm快速移动时所需力矩最大切削负载时所需力矩从上面计算看出三种工况下以快速空载起动的需力矩最大以此项作为初选步进电动机的依据对于工作方式为五相十拍的步进电动机最大静转矩从相关资料查出130BF001型步进电动机最大静com大于所需最大静转矩可作为初选型号但需考核步进电动机起动矩频特性和运行特性2 步进电动机的空载起动频率查相关资料知130BF001型步进电动机允许的最高空载起动频率为3000Hz运行频率为16000 Hz满足设计要求根据计算综合考虑机床纵向进给机构选用130BF001型步进电机4-3 横向进给系统的设计计算1 横向进给系统的设计计算1脉冲当量和传动比的确定传动比的选定2传动系统等效转动惯量计算 初选步进电机的型号为110BF001则查表查出电机转子转动惯量4006为了机床的布局紧凑且方便可取i 10则滚珠丝杆转动惯量折算工作台质量折算传动系统等效转动惯量计算 400636811273工作载
