Φ500mm的數(shù)控車床總體設計及液壓尾座設計【含CAD圖紙+PDF圖】

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畢業(yè)設計(論文) Φ500mm的數(shù)控車床總體設計 及液壓尾座設計 所在學院 專 業(yè) 班 級 姓 名 學 號 指導老師 年 月 日 摘 要 數(shù)控機床即數(shù)字程序控制機床，是一種自動化機床，數(shù)控技術是數(shù)控機床研究的核心，是制造業(yè)實現(xiàn)自動化、網絡化、柔性化、集成化的基礎。隨著制造技術的發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)控機床借助現(xiàn)代設計技術、工序集約化和新的功能部件使機床的加工范圍、動態(tài)性能、加工精度和可靠性有了極大的提高。 本設計是對Φ500MM數(shù)控車床主要進行尾座設計。液壓尾座設計的主要內容是尾座體、套筒、頂尖、尾座孔系、尾座導軌，撓度、轉角、液壓缸內徑及壓板處螺栓直徑、鎖緊力的計算及校核。其中選擇莫氏4號錐度的尾座頂尖，是利用莫氏錐度自身的結構特性來卡緊尾座頂尖的，它解決了頂尖在工作時會出現(xiàn)松動或轉動現(xiàn)象。在套筒中設計了滑鍵槽和頂尖頂出孔，解決了頂尖在工作時會隨套筒轉動從而影響工件的加工精度；還在套筒中設計了頂卸的裝置，便于頂尖的拆卸。 關鍵詞：數(shù)控車床，數(shù)控，液壓尾座 77 Abstract NC machine tool is the digital process control machine tool, is an automated machine tools, CNC technology is the core of numerical control machine tool research, is the manufacturing industry that realizes the automation, network, flexible, integrated foundation. With the development of manufacturing technology, modern CNC machine tools with the aid of the modern design technology, process intensification and the new function part make machine processing range, dynamic performance, the processing precision and reliability are greatly improved. The design of Φ500MM lathe numerical control transformation. Hydraulic tailstock design are the main contents of the tailstock body, sleeve, top, tailstock hole of tailstock guideways, deflection angle,,, inner diameter of the cylinder and the pressure plate, the diameter of the bolt locking force calculation and verification. The choice of Morse No. 4 taper of tailstock center, is the use of Morse taper their structural properties to clamp the tailstock top, which solves the problem of the top in the job will appear when loosening or rotation phenomenon. In the sleeve design of slide key groove and the top spire hole, resolved the top when working with the sleeve to rotate so as to influence the machining precision of the workpiece; still sleeve design top unloading device for removing, top. Key words: CNC lathe, CNC, hydraulic tailstock 目錄 摘 要 I Abstract II 目錄 III 第1章 數(shù)控機床發(fā)展概述 15 1.1數(shù)控機床及其特點 15 1.2 數(shù)控機床的工藝范圍及加工精度 15 1.3 數(shù)控機床的經濟分析 15 1.4 數(shù)控技術的發(fā)展趨向 16 1.5 國內外現(xiàn)狀 17 1. 6本章小結 18 第2章 總體方案的制定與比較 18 2.1總體方案設計要求 18 2.2 總體方案擬定 20 2.3主要設計內容 20 2.3.1伺服控制系統(tǒng)的選擇 20 2.3.2機械部分設計 21 第3章 確定切削用量及選擇刀具 22 3.1科學選擇數(shù)控刀具 22 3.1.1選擇數(shù)控刀具的原則 22 3.1.2選擇數(shù)控車削用刀具 23 3.2 設置刀點和換刀點 23 3.3 確定切削用量 24 3.3.1確定主軸轉速 24 3.3.2確定進給速度 24 3.3.3 確定背吃刀量 25 第4章 傳動系統(tǒng)圖的設計 25 4.1主傳動系統(tǒng)主要技術指標的確定 25 4.1.1動力參數(shù)的確定 25 4.1.2主運動調速范圍的確定 26 4.1.3主軸計算轉速的確定 27 4.2變速主傳動系統(tǒng)的設計 28 4.2.1確定傳動方案 28 4.2.2轉速圖的擬定 29 4.2.3擬定傳動變速系統(tǒng)圖 30 第5章 傳動系統(tǒng)零部件設計 30 5.1傳動皮帶的設計和選定 30 5.1.1．V帶傳動設計 31 5.2齒輪的的設計與校核 33 5.2.1各傳動軸傳遞動力計算 33 5.2.2齒輪副(32/76)齒輪的設計與校核 35 5.2.3齒輪副()齒輪設計與校核 41 5.2.4齒輪副()各齒輪設計與校核 46 5.3傳動軸的設計與校核 52 5.3.1傳動軸I的設計與校核 52 5.3.2.軸II的設計與校核 55 第4章 液壓尾座部分設計 58 4.1 液壓尾座研究背景和意義 58 4.2液壓系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 59 4.3 尾座的整體設計 61 第5章 尾座結構計算設計 62 5.1尾座體的設計 62 5.2尾座主軸的設計 63 5.3尾座頂尖的設計 63 5.4螺塞缸的設計 64 5.5尾座導軌的設計 64 5.6尾座孔系設計 65 5.6.1主軸孔的設計 65 5.6.2孔和鍵的設計 65 5.6.3配合 66 5.6.4密封及偏心軸的設計 67 5.7撓度、轉角、鎖緊力的計算及校核 67 5.7.1撓度的計算 68 5.7.2轉角的計算 68 5.7.3壓板處螺栓的選擇及校核 68 第6章 數(shù)控硬件電路設計 69 6.1硬件電路設計 70 6.1.1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結構 70 6.1.2 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的功能 70 6.2關于各線路元件之間線路連接 71 6.3關于電路原理圖的一些說明 72 總結與展望 75 參考文獻 76 致 謝 77 第1章 數(shù)控機床發(fā)展概述 1.1數(shù)控機床及其特點 數(shù)控機床可以較好的解決形狀復雜、精密多品種及中小批零件的加工問題，能夠穩(wěn)定加工質量和提高生產率，隨著制造技術向自動化、柔性化方向的發(fā)展，當前機床的數(shù)控化率已經成為衡量一個國家制造工業(yè)水平的重要標志。 機床的數(shù)控化設計一般是指對現(xiàn)有某臺車床的某些部位做一定的裝，配上經濟型數(shù)控裝置或標準型數(shù)控數(shù)控系統(tǒng)，從而使原機床具有數(shù)控加工能力。這種技術工作有其獨特的特點。 1.2 數(shù)控機床的工藝范圍及加工精度 數(shù)控車床用途廣泛，不僅可以加工各種平面、溝槽、螺旋槽、成型表面和孔。而且還能加工各種平面曲線和空間曲線等復雜型面。適用于各種模具、凸輪、板類及箱體類零件的加工。 隨著計算機技術應用到機床上，機械產品的質量在很大程度上不再依賴于機床操作者的操作水平，能實現(xiàn)復雜零件的加工。 1.3 數(shù)控機床的經濟分析 近半個世紀以來，數(shù)控系統(tǒng)經歷了兩個階段、六代的發(fā)展。 （1）硬件數(shù)控階段 50年代至70年代初期，計算機的運算速度低，不能適應對機床進行實時控制的要求，人們不得不采用數(shù)字邏輯電路搭成機床專用的計算機，作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件數(shù)控系統(tǒng)。隨著元器件的發(fā)展，這個階段經歷了三代： 1) 1952年開始的第一代—電子管元件。 2）1959年開始的第二代—晶體管元件。 3) 1965年開始的第三代—小規(guī)模集成電路。 （2） 軟件數(shù)控階段 軟件數(shù)控階段也叫計算機數(shù)控(CNC)階段，是數(shù)控系統(tǒng)的第二階段(1970年～現(xiàn)在)，這個階段同樣經歷了三代： 1)1970年開始的第一代—小型計算機。 2)1974年開始的第二代—微處理器。 3)1990年以后的第三代—PC機。 從1970年開始，通用小型計算機業(yè)己出現(xiàn)，并成批生產，它比專用計算機成本低，可靠性高，數(shù)控系統(tǒng)進入CNC階段。1971，產生了微處理器，1974年，微處理器被應用于數(shù)控系統(tǒng)，1990年，PC機的性能已發(fā)展到很高的階段，可滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求，而且PC機生產批量大，價格便宜，可靠性高，數(shù)控系統(tǒng)從此進入基于PC的階段。 數(shù)控系統(tǒng)經歷了幾十年來的發(fā)展，到了20世紀70年代后期，才從根本上解決了可靠性低、價格昂貴、應用不便等關鍵問題。因此，即使在工業(yè)發(fā)達國家，數(shù)控機床也是在70年代末80年代初才開始得到大規(guī)模應用和普及的。 1.4 數(shù)控技術的發(fā)展趨向 隨著計算機技術及信息處理的發(fā)展,數(shù)控技術未來發(fā)展的趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面： （1）開放式、低成本、高可靠性 PC機所具有的人機界面將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)，遠程通訊診斷和維修將更加普遍。 （2）高速化、高精度 數(shù)控系統(tǒng)高速處理并計算出伺服電機的移動量，并要求伺服電機能高速度地做出反應，為使在極短的時間內達到高速度和高速度下實現(xiàn)高定位精度，必須具備高加減速和高精度的位置檢測系統(tǒng)和伺服品質。 （3）智能化 (1)應用自適應控制技術、數(shù)字伺服驅動裝置 數(shù)控系統(tǒng)能檢測加工過程中的一些重要信息并自動調整系統(tǒng)的有關參數(shù)，使機床處于最佳工作狀態(tài)。 2)引入專家系統(tǒng)指導加工、故障診斷 將熟練工人和專家的經驗、加工的一般規(guī)律與特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數(shù)數(shù)據庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。 （4）網絡化 通過網絡連接，構成一個整體的系統(tǒng)解決方案，通過網絡高速傳輸數(shù)據，進行整體化、一元化管理。 （5）直線交流伺服系統(tǒng) 直線交流伺服系統(tǒng)是21世紀數(shù)控機床不可缺少的功能部件。目前我國還沒有成熟產品，因此應加強研究，開發(fā)和推廣應用。 1.5 國內外現(xiàn)狀 當今世界，工業(yè)發(fā)達國家對機床工業(yè)高度重視，競相發(fā)展機電一體化、高精、高效、高自動化先進機床，以加速工業(yè)和國民經濟的發(fā)展。趕上計算機體系結構前進的步伐、加快數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)速度，已成為數(shù)控發(fā)展的最主要趨勢。以第四代計算機的工程結構和微電子工藝技術為基礎，充分利用現(xiàn)有微機的硬件、軟件資源，發(fā)展總線式、模塊式、開放型、嵌入式的柔性數(shù)控系統(tǒng)，使之既適合加工復雜零件、分機床用的數(shù)控系統(tǒng)的組成，又適合未來自動化升級時功能可擴展的要求。 我國數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展具有以下3個特征: (1)高檔數(shù)控系統(tǒng)技術已經突破。如華中I型等數(shù)控系統(tǒng)，都具有多軸聯(lián)動功能，快速進給速度在1.67m/s以上，具有較強的通信、管理功能。 (2)普及型數(shù)控系統(tǒng)技術已經成熟。如北京機床研究所的BS91系統(tǒng)，這些系統(tǒng)一般配有CRT顯示器，可配置直流和交流司服驅動，2～4軸聯(lián)動。 (3)經濟型數(shù)控系統(tǒng)仍有廣闊的市場前景。由于這類系統(tǒng)結構簡單，價格便宜，非常適合中小型企業(yè)，目前仍是我國應用面最廣的數(shù)控系統(tǒng)。比較典型的有南京大方的JWK系列。 我國是機床生產大國，又是使用大國。數(shù)控機床是機械工業(yè)發(fā)展的關鍵產品，我國的數(shù)控機床在機床產品中的比例總體水平低。但是我國是發(fā)展中國家，許多企業(yè)財力薄弱，不可能花費大量的資金添置許多全新的數(shù)控機床，但是大量的通用機床不可能全部淘汰。 因此，把機床設計為數(shù)控機床則不失為是一條提高數(shù)控化率的有效途徑，機床設計花費少，設計針對性強，時間短，設計后的機床大多能克服原機床的缺點和存在的問題，生產效率高。 1. 6本章小結 本章節(jié)首先介紹了數(shù)控技術的背景發(fā)展歷程，進而分析了數(shù)控技術的國內外現(xiàn)狀及未來趨勢，最后介紹了研究的主要內容和意義。 第2章 總體方案的制定與比較 2.1總體方案設計要求 總體方案設計應考慮機床數(shù)控系統(tǒng)的類型，計算機的選擇，以及傳動方式和執(zhí)行機構的選擇等。 數(shù)控車床是機電一體化的典型代表，其機械結構同的機床有相似之處。然而，現(xiàn)代的數(shù)控機床不是簡單將傳統(tǒng)機床配備上數(shù)控系統(tǒng)即可，也不是在傳統(tǒng)機床的基礎上，僅對局部加以進而成。傳統(tǒng)機床存在著一些弱點，如剛性不足，抗震性差，熱變形大，滑動面的摩擦阻力大及傳動元件之間存在間隙等，難以勝任數(shù)控機床對加工精度，表面質量，生產率以及使用壽命等要求。現(xiàn)代機床的部件結構，整體布局，外部造型都已經形成了數(shù)控機床獨特的機械部件。因此，我們在對數(shù)控機床進行數(shù)控設計的過程中，應在考慮各種情況下，使機床的各項性能指標盡可能的 與數(shù)控機床相接近。 將一臺Φ500MM車床設計數(shù)控車床要求結構簡單、經濟實用、易于推廣普及。因此采用步進電機為飼服元件，用來驅動縱橫向工作臺的進給運動。機床上縱橫向絲杠螺母元件，步進電機和減速齒輪驅動的滾珠絲杠螺母副。并選擇合適的數(shù)控系統(tǒng)，使其擴大加工范圍，適用于現(xiàn)階段我國的中小型機械加工企業(yè)。 機械部分數(shù)控化設計需涉及電機的選擇、工作臺進給結構、傳動比分配與計算等方面的內容。 1伺服驅動元件 進給電機選用混合式步進電機，其不僅步距角小運行頻率高且功耗低低頻噪音小等優(yōu)點。廣泛用于開環(huán)控制系統(tǒng)，不需要反饋裝置，結構簡單可靠，壽命長。橫縱向進給電機均選用同一型號以便于設計和日后維修。脈沖當量t=0.01mm/脈沖，選用步距角θ=0.6° 。對原機床的主傳動系統(tǒng)均維持不變，以節(jié)約資金及縮短裝時間。 2機床導軌的選擇 由于原機床采用滑動導軌，在低速時容易發(fā)生“爬行”現(xiàn)象，直接影響運動部件的定位精度。較經濟的處理方法是采用貼塑滑動導軌。 3進給傳動系統(tǒng) 數(shù)控機床要求進給部分移動元件靈敏度高、精度高、反應快、低速時無爬行。因此本設計中采用滾珠絲杠可以滿足要求。滾珠絲杠螺母副由絲杠、螺母、滾珠、反向器組成。其工作原理為：當絲杠和螺母相對運動時，在螺母上設有滾珠循環(huán)返回裝置，使得滾珠沿滾道面運動后能通過這個裝置自動的返回其入口處，繼續(xù)參加工作。滾珠絲杠螺母副安裝時需要預緊，通過預緊可消除滾珠絲杠螺母副的軸向間隙，提高傳動剛度。本設計中的預緊方法是采用雙螺母墊片預緊式結構。即通過變兩個螺母的軸向相對位置，使每個螺母中滾珠分別接觸絲杠滾道的左右兩側來實現(xiàn)預緊。其特點是預緊結構簡單，軸向剛度好，預緊可靠，軸向尺寸適中，工藝性好如圖2-1。為消除傳動系統(tǒng)中的反向間隙，提高重復定位精度，傳動元件連接采用無鍵錐環(huán)連接。 圖2-1 滾珠絲桿的結構 2.2 總體方案擬定 數(shù)控車床的結構設計要求：主傳動系統(tǒng)中保留主軸箱內滑移齒輪變速機構，取消原操作手柄，實現(xiàn)主軸的正反轉及停止，由數(shù)控系統(tǒng)直接控制主電機，當數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出M03指令后，主電機正轉，通過傳動系統(tǒng)實現(xiàn)主軸正轉?？v、橫進給系統(tǒng)均采用交流伺服電動機。用滾珠絲杠螺母機構代替的滑動絲杠螺母機構,具有摩擦力小,運動靈敏, 無爬行現(xiàn)象, 也可以進行預緊, 以實現(xiàn)無間隙傳動,傳動剛度好,反向時無空程死區(qū)等特點?？商岣邆鲃泳?。導軌需沿用原機床的導軌，但因起精度較低，不適合數(shù)控機床。因而在原導軌上粘接四氟乙烯軟帶，使其有良好的耐摩性和較小的摩擦阻力，能預防爬行并具有自潤滑性。將原刀架和小托板拆除，將車床刀架換為四工位電動刀架，將刀架調整好高度安裝在中拖板上，由數(shù)控系統(tǒng)直接控制，減少輔助時間，提高效率。為保證加工螺紋時縱向進給運動與主軸的回轉運動有嚴格的運動關系，需要在主軸尾部安裝主軸脈沖發(fā)生器。主軸脈沖發(fā)生器與主軸同步旋轉，同時發(fā)出與主軸轉角相對應的脈沖信號，使數(shù)控系統(tǒng)控制刀架的縱向移動量。 2.3主要設計內容 2.3.1伺服控制系統(tǒng)的選擇 因要求設計后的車床為經濟型數(shù)控車床。所以在保證具有一定加工精度的前提下，從設計成本考慮。應簡化結構，降低成本?？刹梢圆竭M電動機為驅動裝置的開環(huán)系統(tǒng)，但是考慮到加工精度的要求，應采用以伺服電動機為驅動的半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。半閉環(huán)系統(tǒng)的環(huán)路短，剛性好，較容易獲得較高的精度和速度，目前大多數(shù)數(shù)控機床都采用半閉環(huán)系統(tǒng)，而隨著機電一體化技術的發(fā)展，伺服電動機生產廠家在生產中就把電機和檢測元件直接安裝在一起，形成成套的產品，極大的方便了用戶，省去了安裝調整誤差。（半閉環(huán)控制系統(tǒng)如下圖1所示） 檢測器 執(zhí)行件 伺服放大器 伺服電機 減速箱 脈沖指令 比較線路 圖1 半閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖 2.3.2機械部分設計 1.床頭箱部分 保留主軸箱內的滑移齒輪，取消操作手柄。將原床身的掛輪、進給箱及內部傳動齒輪系統(tǒng)去除，其余部分保持不變。在該處安裝縱向伺服電動機與齒輪減速箱總成。絲杠、光杠和操作桿（“三桿”）拆去，齒輪箱連接滾珠絲杠。滾珠絲杠的另一端支承座安裝在車床尾座原來裝軸承座的部分。 并在主軸箱后端安裝光電編碼器。編碼器的安裝方式有兩種，一種是安裝，另一種是異軸安裝。因為原機床主動掛輪與主軸傳動比為1:1，所以可將編碼器安裝于原機床主動掛輪處。這種安裝方式較簡單，易安裝。 2.進給系統(tǒng)（橫向）的設計 將車床溜板箱拆除，在原處安裝滾珠絲杠螺母座，絲杠螺母固定在其上。將橫溜板中的絲杠、螺母拆除，在該處安裝橫向進給滾珠絲杠螺母副， 伺服電機與絲杠間采用一級減速器聯(lián)接, 以縮小傳動鏈, 提高系統(tǒng)剛度, 并減少傳動鏈誤差。橫向伺服電動機與齒輪減速器總成安裝在橫溜板后部并與滾珠絲杠通過膜片聯(lián)軸器相連。膜片聯(lián)軸器的特點是易平衡，不需潤滑。結構簡單，有一定的補償性能和緩沖性能。因其尺寸較大，故可將其放在減速箱內。 橫向滾珠絲杠選擇南京工藝裝備公司生產的FFZL型內循環(huán)墊片預緊螺母式滾珠絲杠螺母副。型號為FFZL2505-3【1】,其公稱直徑d0 =25mm、基本導程L0=5mm 。滾珠絲杠的支撐方式選用兩端固定式，其傳動精度高，并有較好的剛度。適合于距離不長的場合。滾珠絲杠需要預緊，其大小約為軸向力的三分之一。 減速箱齒輪傳動初定傳動比為2，可取Z1=24 則Z2=48,齒寬B=16.在設計齒輪傳動時，為了提高傳動精度，必須消除齒輪副的間隙。數(shù)控機床進給系統(tǒng)由于經常處于變向狀態(tài),反向時如果驅動鏈中的齒輪等傳動副存在間隔,就會使進給運動的反向滯后于指令信號,從而影響其傳動精度,因此24/48這一對齒輪還必須采取措施消除齒輪傳動中的間隙,以提高數(shù)控機床進給系統(tǒng)的傳動精度。齒輪間隙的調整采用圓柱薄片齒輪可調拉簧錯齒法來實現(xiàn),其結構如圖2所示。 圖2 齒輪間隙的調整結構圖 圖中,在2 個薄片齒輪1 和2 上裝有螺紋的凸耳4 和8 ,彈簧的一段鉤在凸耳4上,另一端鉤在螺釘5 上。彈簧3 所受的張力大小可用螺母6 來調節(jié)螺釘5 的伸出長度,調整好后再用螺母7 鎖緊。 在選擇伺服電機時應考慮以下幾點：a、慣量匹配，即0.25≤Jd/Jm≥1， 其中Jd為折算到到電動機的負載慣量，Jm為電動機轉動慣量。b、轉矩伺服電機的額定轉矩必須滿足實際需要，但是不需要留有過多的余量，因為一般情況下，其最大轉矩為額定轉矩的3 倍。c、短時間特性(加減速轉矩)，工作負載轉矩大于電動機加減速轉矩。根據以上原則，取電動機型號為1FT5066-0A01△【2】 3.導軌設計 因原機床的導軌精度不能滿足數(shù)控機床的要求。但設計的原則是盡量保持原機床的部件。故只能將導軌加以利用。導軌表面貼塑的方法可使得導軌精度提高。因此可在導軌上加四氟乙烯軟帶。其特點是，摩擦系數(shù)低，運動平穩(wěn)，可吸收震動，維修方便，損壞后更換容易。在本次設計中采用美國霞板公司研制的德爾賽塑料導軌軟帶。 第3章 確定切削用量及選擇刀具 3.1科學選擇數(shù)控刀具 3.1.1選擇數(shù)控刀具的原則 刀具壽命與切削用量有密切關系。在制定切削用量時，應首先選擇合理的刀具壽命，而合理的刀具壽命則應根據優(yōu)化的目標而定。一般分最高生產率刀具壽命和最低成本刀具壽命兩種，前者根據單件工時最少的目標確定，后者根據工序成本最低的目標確定. 選擇刀具壽命時可考慮如下幾點根據刀具復雜程度、制造和磨刀成本來選擇。復雜和精度高的刀具壽命應選得比單刃刀具高些。對于機夾可轉位刀具，由于換刀時 間短，為了充分發(fā)揮其切削性能，提高生產效率，刀具壽命可選得低些，一般取15-30min。對于裝刀、換刀和調刀比較復雜的多刀機床、組合機床與自動化 加工刀具，刀具壽命應選得高些，尤應保證刀具可靠性。車間內某一工序的生產率限制了整個車間的生產率的提高時，該工序的刀具壽命要選得低些當某工序單位時 間內所分擔到的全廠開支M較大時，刀具壽命也應選得低些。大件精加工時，為保證至少完成一次走刀，避免切削時中途換刀，刀具壽命應按零件精度和表面粗糙度 來確定。與普通機床加工方法相比，數(shù)控加工對刀具提出了更高的要求，不僅需要岡牲好、精度高，而且要求尺寸穩(wěn)定，耐用度高，斷和排性能壇同時要求安裝調整 方便，這樣來滿足數(shù)控機床高效率的要求。數(shù)控機床上所選用的刀具常采用適應高速切削的刀具材料(如高速鋼、超細粒度硬質合金)并使用可轉位刀片。 3.1.2選擇數(shù)控車削用刀具 目前，數(shù)控機床上大多使用系列化、標準化刀具，對可轉 位機夾外圓車刀、端面車刀等的刀柄和刀頭都有國家標準及系列化型號對于加工中心及有自動換刀裝置的機床，刀具的刀柄都已有系列化和標準化的規(guī)定，如錐柄刀 具系統(tǒng)的標準代號為TSG-JT，直柄刀具系統(tǒng)的標準代號為DSG-JZ,此外，對所選擇的刀具，在使用前都需對刀具尺寸進行嚴格的測量以獲得精確數(shù)據， 并由操作者將這些數(shù)據輸入數(shù)據系統(tǒng)，經程序調用而完成加工過程，從而加工出合格的工件。 3.2 設置刀點和換刀點 刀具究竟從什么位置開始移動到指定的位置呢?所以在程序執(zhí)行的一開始，必須確定刀具在工件坐標系下開始運動的位置，這一位置即為程序執(zhí)行時刀具相對于工 件運動的起點，所以稱程序起始點或起刀點。此起始點一般通過對刀來確定，所以，該點又稱對刀點。在編制程序時，要正確選擇對刀點的位置。對刀點設置原則 是:便于數(shù)值處理和簡化程序編制。易于找正并在加工過程中便于檢查;引起的加工誤差小。對刀點可以設置在加工零件上，也可以設置在夾具上或機床上，為了提 高零件的加工精度，對刀點應盡量設置在零件的設計基準或工藝基誰上。實際操作機床時，可通過手工對刀操作把刀具的刀位點放到對刀點上，即“刀位點”與“對 刀點”的重合。所謂“刀位點”是指刀具的定位基準點，車刀的刀位點為刀尖或刀尖圓弧中心。平底立銑刀是刀具軸線與刀具底面的交點;球頭銑刀是球頭的球心， 鉆頭是鉆尖等。用手動對刀操作，對刀精度較低，且效率低。而有些工廠采用光學對刀鏡、對刀儀、自動對刀裝置等，以減少對刀時間，提高對刀精度。加工過程中 需要換刀時，應規(guī)定換刀點。所謂“換刀點”是指刀架轉動換刀時的位置，換刀點應設在工件或夾具的外部，以換刀時不碰工件及其它部件為準。 3.3 確定切削用量 數(shù)控編程時，編程人員必須確定每道工序的切削用量，并以指令的形式寫人程序中。切削用量包括主軸轉速、背吃刀量及進給速度等。對于不同的加工方法，需要 選用不同的切削用量。切削用量的選擇原則是:保證零件加工精度和表面粗糙度，充分發(fā)揮刀具切削性能，保證合理的刀具耐用度，并充分發(fā)揮機床的性能，最大限 度提高生產率，降低成本。 3.3.1確定主軸轉速 主軸轉速應根據允許的切 削速度和工件(或刀具)直徑來選擇。其計算公式為:n=1000v/71D式中:v—切削速度，單位為m/m動，由刀具的耐用度決定;n一一主軸轉速，單 位為r/min,D—工件直徑或刀具直徑，單位為mm。計算的主軸轉速n，最后要選取機床有的或較接近的轉速。 3.3.2確定進給速度 進給速度是數(shù)控機床切削用量中的重要參數(shù)，主要根據零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性質選取。最大進給速度受機床剛度和進給系統(tǒng)的 性能限制。確定進給速度的原則:當工件的質量要求能夠得到保證時，為提高生產效率，可選擇較高的進給速度。一般在100一200mm/min范圍內選取; 在切斷、加工深孔或用高速鋼刀具加工時，宜選擇較低的進給速度，一般在20一50mm/min范圍內選取;當加工精度，表面粗糙度要求高時，進給速度應選 小些，一般在20--50mm/min范圍內選取;刀具空行程時，特別是遠距離“回零”時，可以設定該機床數(shù)控系統(tǒng)設定的最高進給速度。 3.3.3 確定背吃刀量 背吃刀量根據機床、工件和刀具的剛度來決定，在剛度允許的條件下，應盡可能使背吃刀量等于工件的加工余量，這樣可以減少走刀次數(shù)，提高生產效率。為了保 證加工表面質量，可留少量精加工余量，一般0.2一0.5mm,總之，切削用量的具體數(shù)值應根據機床性能、相關的手冊并結合實際經驗用類比方法確定。同時，使主軸轉速、切削深度及進給速度三者能相互適應，以形成最佳切削用量。 切削用量不僅是在機床調整前必須確定的重要參數(shù)，而且其數(shù)值合理與否對加工質量、加工效率、生產成本等有著非常重要的影響。所謂“合理的”切削用量是指 充分利用刀具切削性能和機床動力性能(功率、扭矩)，在保證質量的前提下，獲得高的生產率和低的加工成本的切削用量。 第4章 傳動系統(tǒng)圖的設計 4.1主傳動系統(tǒng)主要技術指標的確定 Φ500mm的數(shù)控車床，床身最大回轉直徑￠500mm，最大工件長度1500mm；，主軸錐度莫氏六號，可以加工直線、錐度、球面、螺紋罩等，功能齊全、精度可靠、操作方便。主傳動系統(tǒng)的主要參數(shù)有動力參數(shù)和運動參數(shù)。動力參數(shù)是指主運動驅動電動機的功率；運動參數(shù)是指主運動變速范圍。根據數(shù)控車床的加工工藝、加工對象、所要求的精度、成本及生產周期并結合國內外機床發(fā)展現(xiàn)狀確定數(shù)控車床主要技術指標。 4.1.1動力參數(shù)的確定 主傳動中個傳動件的尺寸要根據傳動功率來確定。傳動功率過大，使傳動件尺寸粗大，電動機常在低負載下工作，功率因數(shù)小而浪費能源；功率過小將限制車床切削加工能力而降低生產效率。因此需合理確定主傳動功率。但由于實際加工過程切削用量變化范圍大、傳動件之間的摩擦等不確定因素，用理論計算方法來確定主傳動功率尚有困難，可通過類比、統(tǒng)計方法相互比較來確定。 查機電一體化手冊車削功率在8-16kw之間根據切削功率PC與主傳動鏈的總效率η估算,即P=。主傳動鏈的功率效率η=0.7—0.85， 數(shù)控車床多采用調速電動機和較短的機械傳動鏈，效率較大，因此取=0.78,則估計P在10.26kw~20.51kw.之間。 數(shù)控車床的加工范圍一般都比較大，切削功率PC可根據有代表性的加工情況，由其主切削抗力 PC=KW ---主切削力的切向分力，N； ---切削速度N??； 查金屬切削手冊知，以硬質合金刀具車削合金結構鋼為例，數(shù)控車床有代表型的主切削力的切向分力大約在2500左右，切削速度取90—250r\min，則知道 PC=2500200\60000=8.333kw P==10.68kw 考慮到空轉運轉的功率損失，如各傳動件在空轉運行時的摩損功耗，傳動件的攪油和克服空氣阻力功率以及其其它動載荷的摩擦損耗等。 Φ500MM機床是中等規(guī)格數(shù)控車床，參照國內外同類機床的電動機功率，此機床可以選取11kw的電動機，考慮到數(shù)控機床變速范圍比較大，選用交流變頻電動機YVP160-4，標稱功率11kw，額定轉矩70N?m調頻電動機功率轉矩 4.1.2主運動調速范圍的確定 主軸轉速由切削速度（r/min）與工件的直徑（mm）來確定 =（r/min） 計算該數(shù)控車床 =、=， 則數(shù)控車床變速范圍= 代入公式，選擇，，，要據車床上幾種典型加工情況考慮，不可能將一切情況考慮進去，也不是加工情況的最大值和最小值。 經統(tǒng)計分析車床的最高轉速出現(xiàn)在硬質合金刀具精車鋼料的外圓工藝中，最低轉速出現(xiàn)在高速工具鋼刀具精車合金鋼工件的梯形絲杠中。由工藝手冊可知硬質合金刀具刀具精車鋼料的絲杠=250 r\min；高速車刀粗車圓柱體=30-50 r\min（隨被吃刀量與進給量的增加而減少）；高速工具鋼低速精車絲杠=1.5 r\min，則 =0.5D=0.5500mm=250mm =（0.2-0.25）=（50-62.5）mm，取=50mm。 max ===1591 r/min ==41.52 r/min 由于現(xiàn)代數(shù)控車床向高速高精度方向發(fā)展，考慮到今后的技術儲備，類比行業(yè)中同類數(shù)控車床的轉速范圍初步選取=20 r/min，=1250 r/min。 則數(shù)控車床總變速范圍==62.5 4.1.3主軸計算轉速的確定 由切削原理知主運動為直線運動的機床，主運動為恒轉矩運動；主運動為旋轉運動的機床，主運動為恒功率運動。數(shù)控車床加工工藝范圍廣，變速范圍大。有些典型工藝如：精車絲杠、加工螺紋、等，工件尺寸大，需采用小的被吃刀量、小的進給量；低速主軸轉速小，不需傳動電動機的全部功率。我們把機床能傳遞全部功率的最低轉速稱為主軸計算轉速，以它為臨界轉速，如圖。從至最高轉速的區(qū)域為恒功率區(qū)域，任意轉速能夠傳遞電動機的全部功率，但主軸轉矩隨主軸轉速的上升而下降；從最低轉速至的區(qū)域b為恒轉矩區(qū)域，任意轉速能夠輸出最大轉矩，但主軸輸出的功率將隨主軸轉速的下降而下降。 數(shù)控車床變速范圍比較廣，計算轉速比普通車床高。目前數(shù)控機床計算轉速的確定尚無統(tǒng)一標準，確定是參考同類機床，并結合該機床加工工藝要求，使=154 r\min. 圖4.2 主軸轉速曲線 4.2變速主傳動系統(tǒng)的設計 4.2.1確定傳動方案 機床傳動形式分為有極和無極變速兩種，無級變速形式可以在一定范圍內連續(xù)改變轉速，以便得到滿足加工要求的最佳轉速，能在運轉中變速，便于自動變速，這對與提高機床生產效率和提高被加工零件的質量都有重要意義；同時采用無級變速可使主軸結構大為簡化，縮短傳動鏈；因此無級變速應用日益廣泛。 該數(shù)控機床總變速范圍是=2000\20=100，變速范圍較大，單靠無級變速裝置有難以實現(xiàn)。而且，無級變速裝置的功率扭轉特性應同傳動鏈的工作要求相適應，這就要求串聯(lián)機械有級變速來擴大變速范圍并選擇合適的無級變速器以滿足機床的功率扭矩特性要求。 該數(shù)控機床是以經濟型數(shù)控車床，設計主軸由交流變頻電動機經皮帶論、齒輪傳動至主軸。 從圖1與圖2可以看出：調頻電機的恒功率轉速范圍為4500\1500=3，而主軸要求的恒功率調速范圍為1250\250=5，顯然電動機不能滿足主軸所要求的恒功率變速范圍。所以在設計師不能依據總變速范圍來設計主創(chuàng)動系統(tǒng)，而應考慮電動機與主軸的功率匹配。 主軸恒功率調速范圍Rnp=max\=1250\250=5, 電動機恒功率調速范圍Rdp=max\=4500\1500=3 為了使主軸和電動機的恒功率匹配，現(xiàn)通過增加變速齒輪來滿足要求，該變速齒輪組擴大了電動機的恒功率調速。 4.2.2轉速圖的擬定 1．轉速圖的擬定 　 分析和設計主傳動系統(tǒng)須應用一種特殊線圖，稱為轉速圖。 　　轉速圖能夠清楚的表達出：傳動軸的數(shù)目，主軸及各傳動軸的轉速級數(shù)、轉速值及其傳動路線，變速組的個數(shù)、傳動順序及擴大順序，各變速組的傳動副數(shù)及其傳動比數(shù)值，變速規(guī)律等。 　　首先根據最高轉速和最低轉速確定變速范圍，選擇合適的公比后再確定轉速級數(shù)，繪制轉速圖。 已知機床的轉速范圍在20r/min~1250r/min，電動機的最高轉速為4000 r/min，額定轉速為1500 r/min，電動機的額定功率P=11kW，確定主軸箱結構． （1）確定主軸的變速范圍 （2）確定主軸的計算轉速 由于數(shù)控機床主軸的變速范圍大，計算轉速應比計算值高些，所以圓整取計算轉速nc=。 （3）確定主軸的恒功率變速范圍 （4）確定電動機所能夠提供的恒功率變速范圍 由于Rnp>>Rdp，電動機直接驅動主軸不能滿足恒功率變速要求，因此需要串聯(lián)一個有級變速箱，以滿足主軸的恒功率調速范圍。 （5）確定轉速級數(shù) 取，則 對于數(shù)控車床，為了加工端面時滿足恒線速度切削的要求，應使轉速有一些重復，故取Z=2 （6）擬定轉速圖和功率特性圖如圖 4.2.3擬定傳動變速系統(tǒng)圖 擬定傳動系統(tǒng)的原則是：在保證機床的運動和使用要求的前提下，運動傳動鏈要盡可能的短而簡單；傳動效率高以及操作簡單方便 。首先要考慮某些結構方面的問題，考慮結構能否實現(xiàn)：如小齒輪的齒根圓是否大于軸的直徑，大齒輪的頂圓是否會碰及相鄰軸等；其次因考慮結構是否合理，如布置是否緊湊，操縱是否方便等。 該機床采用雙聯(lián)滑移齒輪變速組，采用窄式排列結構，使機床結構緊湊。主軸變速擬采用通過滑移齒輪的移位來實現(xiàn)，需保證當齒輪2與齒輪4完全脫開嚙合之后，齒輪3和齒輪6才能開始進入嚙合，所以齒輪5與齒輪6相鄰間的距離b要大于于滑移齒輪的寬度（齒輪2與齒輪寬度之和），一般b++△, △=14 mm。 綜合考慮個因素，擬訂傳動系統(tǒng)圖。 第5章 傳動系統(tǒng)零部件設計 5.1傳動皮帶的設計和選定 帶傳動是由帶和帶輪組成傳遞運動和動力的傳動。根據工作原理可分為兩類：摩擦帶傳動和嚙合帶傳動。摩擦帶傳動是機床主要傳動方式之一，常見的有平帶傳動和V帶傳動；嚙合傳動只有同步帶一種。 普通V帶傳動是常見的帶傳動形式，其結構為：承載層為繩芯或膠簾布，楔角為40°、相對高度進似為0.7、梯形截面環(huán)行帶。其特點為：當量摩擦系數(shù)大，工作面與輪槽粘附著好，允許包角小、傳動比大、預緊力小。繩芯結構帶體較柔軟，曲撓疲勞性好。其應用于：帶速V＜25～30m/s;傳動功率P＜700kW;傳動比i≤10軸間距小的傳動。 一．主要失效形式 1．帶在帶輪上打滑，不能傳遞動力； 2．帶由于疲勞產生脫層、撕裂和拉斷； 3．帶的工作面磨損。 保證帶在工作中不打滑的前提下能傳遞最大功率，并具有一定的疲勞強度和使用壽命是V帶傳動設計的主要依據，也是靠摩擦傳動的其它帶傳動設計的主要依據。 5.1.1．V帶傳動設計 　 (1)設計功率的確定： 查得工況系數(shù) (2) 選定帶型： 根據和 確定為B型。 (3)傳動比： 根據轉速圖知,傳動比為 (4)確定小帶輪基準直徑： 參考表取 (5)確定大帶輪直徑： 取標準值 (6) 驗算帶速： 因為在之間，所以經濟耐用。 (7)初定帶輪軸中心距： 得： 即： 初取 (8)確定帶基準長度： 選取基準長度 (9)計算實際軸間距： 取標準值。 安裝時所需最小軸間距： 張緊或補償伸長所需最大軸間距： (10)驗算小帶輪包角： 所以小帶輪包角合適。 (11)單根V帶的基本額定功率： 根據和查得B型V帶的基本額定功率。 (12)單根V帶的額定功率增量： 考慮到傳動比的影響，額定功率的增量由表查得： (13)計算帶的根數(shù)： 取 根。 (14)單根V帶的預緊力： (15)作用在軸上的力： (16)帶輪的結構和尺寸： 由表可查得 帶輪的具體結構參見零件圖 為了減輕傳動軸上載荷，采用卸荷式帶輪結構，使帶輪上的載荷由軸承支撐進而傳給箱體，軸只承受轉矩，裝配裝置參見裝配圖。 5.2齒輪的的設計與校核 一般同一變速組的齒輪模數(shù)相同,所有齒輪中首先選擇負荷較重的小齒輪按接觸疲勞強度公式進行初算。所以從最小齒輪Z=26開始設計校核。（注意：為便于閱讀在本節(jié)內容中，在相嚙合的每對齒輪的設計與校核時，主動齒以數(shù)字1為下角標，被動齒輪以數(shù)字2為下角標） 5.2.1各傳動軸傳遞動力計算 電動機 輸出功率==11kw，額定轉速=1500r/min， 輸出轉矩=9550= 軸I ==110.96=10.56kw 為帶傳動效率 ===750r/min =9550= 中間軸II ==10.560.990.97=10.14kw， 分別為軸承、齒輪傳動效率。 ==937.51.8=521 r/min =9550=9550= 高速檔軸III ==10.140.990.97=9.7kw，分別為、軸III上軸承、齒輪傳動效率 ==5211=521 r\min =9550=9550= 低速檔軸III ==9.7kw ==5212.4=217 r\min =9550=9550= 動力傳動情況表： 軸號 功率kw 轉矩 轉速r\min 傳動比 傳動效率 輸入 輸出 輸入 輸出 電機 -- 11 -- 70 1500 --- 0.96 軸I 10.56 10.14 70 107 937.5 1：1.6 0.9603 軸II 10.14 9.7 134.46 183 521 1：1.8 0.9603 軸III 高速 9.7 9.3 155 183 521 1:1 0.9603 低速 9.7 9.3 155 484 217 1:2.4 0.9603 5.2.2齒輪副(32/76)齒輪的設計與校核 因生產批量較小，故小齒輪用40Cr，調質處理，硬度241HB~286HB,平均取為260HB,與之嚙合的大齒輪用42SiMn合金鋼，調質處理，硬度217HB~255HB,平均取為235HB.載荷變化規(guī)律如圖3.2: 圖3.2載荷變化圖 計算步驟如下： 1. 齒面接觸疲勞強度計算 1）.初步計算 轉矩 =9550 =9550 =. 齒寬系數(shù) =0.4 接觸疲勞強度極限 =710MPa, =580MPa, 許用接觸疲勞強度極 =0.9=639 MPa, =0.9=522MPa 取 值β= 查表=82 初步計算小齒輪直徑= = =85.2mm 取=90mm 初步計算齒寬 b=36mm,取b=35mm 2).校核計算 圓周速度v v= =2.69m/s. 精度等級 8級 齒數(shù)Z和模數(shù)m =32,m==2.9,所以取m=3 , =96mm =76,m=3, =763=232mm 使用系數(shù)=1.1 動載荷系數(shù)=1.16 齒間載荷分配系數(shù) ==3751N ==117.2N\mm>100N\mm =[1.88-3.2 (+)]cosβ =[1.88-3.2×]=1.86 由此得 齒間載荷分布系數(shù) 查表= = 載荷系數(shù)K K==1.21.11.711.16=3.05 彈性系數(shù) =189.8 節(jié)點區(qū)域系數(shù) =2.45 重合度系數(shù) 由式得因得故 螺旋角系數(shù) 接觸最小安全系數(shù) =1.05 總工作時間 =1030080.2=4800h 應力循環(huán)次數(shù) 估計<<,則查表指數(shù)m=8.78 = =6016254800(0.2+0.5+0.2)=3.62 =1.45 接觸壽命系數(shù) 查圖=1.2, =1.25 許用接觸應力 = = =798MPa ===690MPa 驗算 = = 189.82.450.73 =640MPa <698MPa 滿足要求. 3).確定傳動主要尺寸 分度圓直徑 由以上運算知道=32, =76,模數(shù)=3; 分度圓直徑 ==3.0532=96.1mm =3.0576=231.8mm 中心距a ==165mm 齒寬b 大齒輪,小齒輪 2. 齒面彎曲疲勞強度驗算 齒形系數(shù) 查表得 應力重合修正系數(shù) 查表得 重合系數(shù) = =1.72 =0.25+=0.25+=0.69 螺旋角系數(shù) > 齒間載荷分配系數(shù) 由上面知=1.71 齒間載荷分布系數(shù) b/h=35/ (2.253.5)=4.44查相關圖知=1.175 載荷系數(shù)K K==1..251.11.751.175=2.77 彎曲疲勞極限 查試驗齒輪的彎曲極限表=600MPa, =450 MPa, 彎曲最小安全系數(shù) 有相關表=1.25 應力循環(huán)次數(shù) 估計<<,則查表指數(shù)m=49.91 ==6026254800(0.2+0.5+0.2)=7.24 =6016984800(0.2+0.5+0.2)=4.02 彎曲壽命系數(shù) 查彎曲壽命系數(shù)圖=1.01, =1.03 尺寸系數(shù) 査尺寸系數(shù)圖 =1.0 許用彎曲應力 = = 驗算 = =277MPa< < 傳動無嚴重過載情況,固不作靜強度校核. 3.齒輪結構設計 估計傳動軸II的直徑在35mm左右,小齒輪分度圓直徑=96mm,所以沒必要做成齒輪軸.考慮到該齒輪與Z=54齒輪作滑移齒輪,所以應與Z=54齒輪一起進行結構設計,見零件圖. 5.2.3齒輪副()齒輪設計與校核 因生產批量較小，故小齒輪用40Cr，調質處理，硬度241HB~286HB,平均取為260HB,與之嚙合的大齒輪用40Cr合金鋼，調質處理，硬度241HB~286HB,平均取為260HB.載荷變化規(guī)律如上圖。 計算步驟如下： 3. 齒面接觸疲勞強度計算 1）.初步計算 轉矩 =9550 =9550 =. 齒寬系數(shù) =0.8 接觸疲勞強度極限 =710MPa, =580MPa, 許用接觸疲勞強度極 =0.9=639 MPa, =0.9=522MPa 取 值β= 查表=82 初步計算小齒輪直徑= = =83mm 取=90mm 初步計算齒寬 b=70mm,取b=70mm 2).校核計算 圓周速度v v= =4.417m/s. 精度等級 8級 齒數(shù)Z和模數(shù)m =30,m==3,所以取m=3 , =90mm =54,m=3, =543=165mm 使用系數(shù)=1.25 動載荷系數(shù)=1.2 齒間載荷分配系數(shù) ==2360N ==117.2N\mm>100N\mm =[1.88-3.2 (+)]cosβ =[1.88-3.2×]=1.57 由此得 齒間載荷分布系數(shù) 查表= = 載荷系數(shù)K K==1.251.21.61.2=2.95 彈性系數(shù) =189.8 節(jié)點區(qū)域系數(shù) =2.45 重合度系數(shù) 由式得因得故