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论文方法大全-CA6150车床数控化改造设计

2021-06-30 10:45:06
作者:杭州千明

论文技巧大全-CA6150车床数控化改造设计

  随着当今数控机床广泛地走向市场,而大量普通机床由于自身的局限性,已经面临淘汰,所以面对当今社会机床的数控化,本文用简明的语言有侧重的介绍了普通机床CA6150的主传动系统的数控化设计改造过程。先通过研究背景及选题意义的介绍,来引出本设计的意义,然后分别从参数拟定、传动设计、传动件的估算和验算、各部件结构设计和主轴组件的验算5个部分来进行设计的。以齿轮、联轴器、皮带轮、轴承、离合器、箱体等的参数设计为重点进行CA6150的数控化设计,最后再根据计算结果进行三维建模及系统整体虚拟装配和二维工程图绘制。

  在国外,普通车床的数控化改造已成为近期发展的一个新兴产业,较为发达的国家已经有了较大的市场和规模。而我国才刚刚起步,与国际化水平还相差远,但随着我国的工业经济迅速发展,业内人士不断的发展与革新,这一产业在我国的未来将会占有着重要的市场地位。

  通过很多企业在普通车床数控化改造方面取得成功的实例可以明确证实:对普通车床进行改造不仅节约大量财力与时间,再投入使用后,也将使生产效率成倍提高,同时还降低了废品率,取得了较为显著的经济效益。

  目前我国普通车床的数控化改造水平偏低。从行业总体上看,虽然我国的产业规模较为庞大,但国内的市场供给远远不能满足市场需求,进口机床大量涌入国内市场,不仅不利于我国未来长期机械制造工业的自主发展,还降低了我国在国际上的市场竞争力。因此,我国大力发展普通车床的数控化改造产业不仅可以在国际机械工业技术领域取得一席之地,还可以给我国带来大量的经济效益,是任何行业都不可取代的。

  针对上述情况,本文将对CA6150车床进行数控化改造,主要设计的内容为机床的主运动系统设计。

  1.2计算机数控的发展

  从第一台数控机床问世至今的40多年中,随着微电子技术的不断发展,数控装置也在不断地更新换代,先后经历里电子管(1952年)、小规模集成电路(1965年)、大规模集成电路及小型计算机(1970年)和微处理计算机(1974年)等五代数控系统。

  前三代数控装置属于采用专用控制计算机的硬接线(硬件)数控装置,一般称为NC数控装置。20世纪70年代初,随着计算机技术的发展,小型计算机的价格急剧下降,出现了采用小型计算机代替专用硬件控制计算机的第四代数控系统。这种数控系统不仅在经济上更为合算,而且许多功能可用编制的专用程序实现,并可将专用程序存储在小型计算机的存储器中,构成控制软件。这种数控系统称为计算机数控系统(CNC)。自1974年开始,以微处理机为核心的数控装置(MNC)得到迅速的发展。CNC和MNC称为软接线(软件)数控系统。由于NC硬件数控系统早已淘汰,而目前软件数控系统均采用MNC,因此将现代数控系统称为CNC。

  1.3我国数控技术发展现状

  上个世纪五十年代未,在社会工业技术的不断发展中,我国的数控技术走向初步的封闭式开发,我国的数控技术慢慢由封闭式开发转向学习国外的先进技术,迈向国产化和产业化阶段,发展到现在,我国已经基本掌握了系统化的现代控制技术,自主开发了广数、华中、巨深等多种数控系统,如今,我国的数控机床产业已经拥有自主的知识产权,国有企业的数控技术发展很快,数控机床的新产品研发种类多,质量和精度也达到先进水平,特别是沈阳第一机床厂生产的机床,不仅是国内的第一品牌,满足国内的生产需求,还出口到世界各地。我国数控机床的拥有量在世界上名列前茅,不过我国的机床自动化控制率仅3%左右,而西方一些工业发达国家自动化控制率为20%多,在这方面我们有不小的差距。比如德国的机床数量虽然没有我国的多,但是制造能力却高出我国很多倍。因此,目前我国数控技术的数控化率低,机床开动率、利用率比较低已成为我国制造业中要面对的首要问题。

  1.4普通车床数控化改造的背景

  基于现代社会计算机与数控行业的迅猛发展,数控车床较于普通车床的优势逾为明显,其工业生产价值与发展的必要性得到社会各界的广泛认可。因此,普通车床向数控车床发展的趋势已为必然走势。

  机械制造工业对于现代社会经济发展与科技发展有着无可替代的地位。而数控机床基于它的高精度、高生产效率、高质量以及高安全系数,在现代机械制造业中所起的作用越来越大加之我国目前处于工业化中期过渡阶段,机械、电子、运输、工程等一批以轻、重工业为基础支撑的行业在市场上正在快速增长,数控机床的生产将会出现供不应求的现象。

  一方面,近年来我国随着机械工业的规模不断扩大膨胀,国内中高档数控车床水平明显进步,带动着整个数控化产业的提升,但我国数控化水平与国际化水平相比仍较为落后。

  另一方面,国内普通机床长期超负荷运作使用,同时又缺乏保养维修,使机床造成磨损损坏,精度与工作效率受到严重影响。更有一大批车床都已经超过其服役年限,甚至有不少企业从国外引进了一大批淘汰的老旧机床。虽然一部分还能满足企业的生产要求,但大部分因缺少备件配件、相关技术经验等因素,造成了廉价购进却只能闲置不能发挥其应有作用的尴尬局面。

  综合上述问题,将普通车床数控化改造是一个优化数控化产业的重要方法与决策。

  1.5普通车床数控化改造发展趋势

  目前普通车床的数控化改造已经进入市场并占有一定地位,根据当前计算机业与软件开发业快速高效的发展,数控机床也将步入高速发展的队列。我国的数控机床起步较晚,已经由成长期渐渐迈入成熟期,数控机床作为当今社会制造业加工业的重要部分,主要应用于汽车制造业、国防制造业、造船工业、航天工业以及机械设计制造行业等。其CPU及控制系统也会高速高效化。数控系统群控系统也会进行调整使系统更加柔性化,从而最大限度的发挥其效能。在制造工艺的过程中也会趋于多轴化与复杂化。自动化的发展也会趋向自适应控制技术、专家系统指导加工和系统的自诊断技术,使系统可识别负载并自动调整系统有关参数,使系统运行得到最佳状态。数控车床其电机也会趋向高速稳定化,可控性也将得到改善,而设备零件工艺也将更加完善,使车床使用寿命得以大大延长。

  1.6普通车床数控化改造的价值与必要性

  数控机床与普通车床相比,其优点主要有:

  (1)加工精度高,加工质量稳定。

  (2)主传动与进给传动采用了各自独立的电机,电机可单独运动,也可以实现多坐标的联动,不仅可以轻易加工复杂曲面,还可以可靠地加工形状复杂的零件。

  (3)采用了自动回转刀架,可以在工序加工的过程中自动进行换刀,高效地完成多道工序的加工。

  (4)无需人工长时间的高强度运作,不仅降低操作工人劳动强度,而且可以一人可管理多台车床,大大提高了生产效率。

  (5)有自动监控、自动报警以及自动补偿等自动化安全功能,安全系数高。

  数控化改造的必要性:

  价格方面,普通常见机床价格比较便宜,数控车床鉴于其科技含量高通常价格比较昂贵,国外进口重型车床更甚。在要承担风险的前提下,普通中小企业很难接受数控车床的昂贵价格。时间方面,数控车床的交付时间很长,一般要3-5个月甚至半年,大型车床更甚,很容易使企业延误生产时机。

  而将普通车床数控化改造则能有效解决上述问题。价格方面,同购买新型数控机床相比,普通车床的数控化改造一般可以节省费用,对于大型和特殊机床尤为明显。时间方面,普通车床的改造时间约为2个月左右,而大型车床的改造时间远少于购买新型数控机床的交付时间。

  普通车床的数控化改造不仅节省大量投资,还可以降低投资风险,并且可以满足客户的特殊要求。

  在使用维护上,可以更快的获取最新使用的备件配件,增强设备使用与维修的能力,提高使用年限

  1.7设计目的

  (1)掌握机床主传动部件设计过程和方法,包括参数拟定,传动设计,零件计算,结构设计等,培养结构分析和设计的能力。

  (2)综合应用过去所学的理论知识,提高联系实际和综合分析的能力。

  (3)训练和提高设计的基本技能。如计算,制图,应用设计资料,标准和规范,编写技术文件等。

  1.8设计内容

  1.8.1主传动系统的总设计

  主运动系统的设计包括传动方案的选择,传动装置的运动和运动参数的计算。

  1.8.2主运动系统的结构设计

  (1)设计传动轴系的设计;各传动轴的结构设计,各轴组件的设计;

  (2)变速传动系统设计;带传动设计,齿轮传动设计及皮带轮机构设计;

  (3)主轴电机的选择及主轴箱联轴器选择;

  (4)主轴箱体的设计。

  1.8.3安全性计算与校核

  齿轮强度的校核,轴强度和刚度的校核,轴承寿命的校核。

  1.8.4绘图

  包括整个主传动系统的3维图,2维工程图和主要零部件的2维图。

  第二章主传动系统的总体设计

  2.1数控机床主传动系统的特点

  (1)主轴具有一定的转速和足够的转速范围,转速级数,能够实现运动的开停、变速换向和制动,以满足机床的运动要求。

  (2)主电动机具有足够的功率,全部机构和元件具有足够的强度和刚度,以满足机床的动力要求。

  (3)主传动的有关结构,特别是主轴组件要有足够高的精度、抗震性,热变形和噪声要小,传动效率高,以满足机床的使用要求。

  (4)操纵灵活可靠,维修方便,润滑密封良好,以满足机床的使用要求。

  (5)结构简单紧凑,工艺性好,成本低,以满足经济性要求。

  2.2总体设计

  2.2.1拟定传动方案

  数控机床需要自动换刀、自动变速;且在切削不同直径的阶梯轴,曲线螺旋面和端面时,需要切削直径的变化,主轴必须通过自动变速,以维持切削速度基本恒定。这些自动变速又是无级变速,以利于在一定的调速范围内选择理想的切削速度,这样有利于提高加工精度,又有利于提高切削效率。无级调速有机械、液压和电气等多种形式,数控机床一般采用由直流或交流调速电动机作为驱动源的电气无级变速。由于数控机床的主轴变速范围较大,单靠调速电机无法满足这么大的调速范围,另一方面调速电机的功率扭矩特性也难于直接与机床的功率和转矩要求相匹配。因此,数控机床主传动变速系统常常在无级变速电机之后串联机械有级变速传动,以满足机床要求的调速范围和转矩特性。

  为简化主轴箱结构,本方案仅采用二级机械变速机构,运动方案如图2.1。

  有级变速的自动变换方法一般有液压和电磁离合器两种。

  液压变速机构是通过液压缸、活塞杆带动拨叉推动滑移齿轮移动来实现变速,双联滑移齿轮用一个液压缸,而三联滑移齿轮则必须使用两个液压缸(差动油缸)实现三位移动。液压拨叉变速是一种有效的方法,工作平稳,易实现自动化。但变速时必须主轴停车后才能进行,另外,它增加了数控机床的复杂性,而且必须将数控装置送来的电信号转换成电磁阀的机械动作,然后再将压力油分配到相应的液压缸,因而增加了变速的中间环节,带来了更多的不可靠因素。

  电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元件,由于它便于实现自动操作,并有现成的系列产品可供选用,因而它已成为自动装置中常用的操作元件。电磁离合器用于数控机床的主传动时,能简化变速机构,操作方便。通过若干个安装在各传动轴上的离合器的吸合和分离的不同组合来改变齿轮的传动路线,实现主轴的变速。电磁离合器一般分为摩擦片式和牙嵌式。

  2.3选择电机

  选择电机应综合考虑;

  (1)根据机械的负载特性和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速等要求,选择电动机类型。

  (2)根据负载转矩、转速变化范围和启动频繁程度等要求,考虑电动机的温升限制、过载能力额启动转矩,选择电动机功率,并确定冷却通风方式。所选电动机功率应留有余量,负荷率一般取0.8~0.9。

  (3)根据使用场所的环境条件,如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护措施,选择电动机的结构型式。

  (4)根据企业的电网电压标准和对功率因素的要求,确定电动机的电压等级和类型。

  (5)根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程的要求,以及机械减速机构的复杂程度,选择电动机额定转速。

  此外,还要考虑节能、可靠性、供货情况、价格、维护等等因素。

  2.3.1电动机类型和结构型式的选择

  由于不同的机床要求不同的主轴输出性能(旋转速度,输出功率,动态刚度,振动抑制等),因此,主轴选用标准与实际使用需要是紧密相关的。总的来说,选择主轴驱动系统将在价格与性能之间找出一种理想的折衷。表2.1简要给出了用户所期望的主轴驱动系统的性能。下面将对各种交流主轴系统进行对比、分析。

  表2-1理想主轴驱动系统性能

  Table2-1Idealspindledrivesystemperformance

  项目 内容

  高性能 低速区要有足够的转矩

  宽恒功率范围,并在高速范围内保持一定转矩

  高旋转精度

  高动态响应

  高加减速,起制动能力

  具有强鲁棒性,能适应环境条件和参数变化

  高效率,低噪声

  低价格 低购买价格,低维护价格,低服务价格

  通用要求 耐用性,可维护性,安全可靠性

  感应电机交流主轴驱动系统是当前商用主轴驱动系统的主流,其功率范围从零点几个kW到上百kW,广泛地应用于各种数控机床上。

  经过对比分析本设计中决定采用FANU系列交流主轴电机。系列是高速、高精、高效的伺服系统,可实现机床的高速、高精控制,并使机床更紧凑。

  2.4电动机容量的选择

  选择电动机容量就是合理确定电动机的额定功率。决定电动机功率时要考虑电动机的发热、过载能力和起动能力三方面因素,但一般情况下电动机容量主要由运行发热条件而定。电动机发热与其工作情况有关。但对于载荷不变或变化不大,且在常温下连续运转的电动机(如本课题中的电动机),只要其所需输出功率不超过其额定功率,工作时就不会过热,可不进行发热计算,本设计中电机容量按以下步骤确定:

  2.4.1主轴材料的选取

  经过对材料特性的分析,决定采用45号钢作为主轴材料,针对主轴进行淬硬处理(淬火及低温回火),其硬度将达到44HRC,单位切削力为270公斤/m2(s=mm/r)。

  切削性能:

  

  

  查找《机械设计手册》得主切削力计算公式为:

  根据主轴的性能要求,取=167、=1、=0.75、=1.05、=1.2、=1.06、=1.05、=0.95

  取切削深度=5mm,进给量,故:

  =559.53N

  根据《机械设计手册》查得切削功率的计算公式为:

  取切削速度

  则

  =9.14kw

  2.4.2电动机输出功率的计算

  输出功率的计算公式为:

  其中:——切削状态下的功率

   ——总传动效率

  总传动效率的计算公式为:

  其中:——圆柱直齿轮传动效率

   ——Ⅱ轴轴承效率

   ——Ⅲ轴(主轴)轴承效率

  根据《机械设计手册》,取=0.98,=0.98,=0.96

  则

  =0.90

  =10.16KW

  电动机为满足正常的工作性能,需要预留部分空余功率,根据设计经验,负荷率一般为80%~90%,故电动机额定功率取11.5kw。

  2.4.3确定电压与转速范围

  数控车床一般使用低功率的电动机,故选取电动机使用的电压为380V。电动机的转速会同时影响其尺寸大小、自身重量和销售价格。根据CA1650型数控车床的性能要求可知主轴的转速范围要求为32r/min---1600r/min,综合考虑加工性能和经济效益,采取变速级数较少、调速范围较高的电动机。

  取I轴上齿轮传动比,II轴上两对直齿轮的传动比分别为和。

  故可以通过计算得出高速传动链的传动比为:=9/8。低速传动链的传动比为:=36/7

  电动机的转速范围计算公式为:

  和

  则

  1800r/min,165r/min

  2.4.5确定电机的型号

  查阅《现代机械设计手册》确定电动机的型号为M2QA160M2B,其输出功率为15kw,额定转速为2920r/min,效率为90.0%,转动惯量为0.0551.

  2.5计算各轴计算转速、功率

  2.5.1各轴转速的相关计算

  本设计采用无级变速,需要先进行主轴转速的估算,计算公式为:

  =338r/min

  根据前面的计算可知相关的传动比,故计算传动轴和电机轴的转速:

  =869vr/min

  =1738r/min

  2.5.2计算各轴的输入功率

  由前面电动机的选型可知15kw

  故

  =14.4kw

  =13.5kw

  2.6本设计的改良

  (1)CA6150普通车床采用的变速装置是通过滑移齿轮变速机构来调整,这是一种应用普遍的变速机构,变速范围大,但是,变速箱结构较复杂;滑移齿轮多采用直齿圆柱齿轮,承载能力不如斜齿轮圆柱齿轮;传动不够平稳;不能在运转中变速。而本次我对CA6150普通车床进行优化时,变速机构采用的是牙嵌式电磁离合器来达到变速的,把牙嵌式离合器和电磁片式摩擦离合器结合在一起,采用此离合器变速机构,可以在传动件(如齿轮)不妥开啮合位置的条件下进行变速,因此操作方便省力;其特点是:结构简单,外形尺寸小;传动比准确,工作中不打滑;能传递较大的转矩;而且可实现运转中变速,接合平稳,冲击小;总的来说,解决了变速方便和变速箱空间结构复杂的问题。

  (2)主轴的上方采用了异轴联轴装置连接编码器,而这编码器又和进给系统联系,把主传动系统和进给系统紧密联系,更精确地控制传动的停和正反转,使得整个车床更数控化,方便,工作效率更高。其中,异轴上使用同步齿形带传动,这是近年来发展起来的一种新型传动带,具有很高的抗张强度及良好的弹性和韧性。它由齿型带和带轮组成,简称齿形带传动。齿形带和带轮都制有凸齿,工作时与齿轮传动相似,齿带在带轮上没有滑动,因此以“同步”命名。同步齿形带适用范围很大,线速度可达40米/秒,传递功率可达100千瓦,传动速比可达10,传动效率约0.98左右。较之皮带传动和链传动的特点:

  (1)由于在传动中齿带与带轮借助于齿轮的啮合,因此,齿轮带仅需要较小的初拉力,轴和轴承上所受的压力较一般皮带传动小。

  (2)齿带系挠性体,吸收冲击载荷能力和噪声胜于链传动。

  (3)齿带与带轮之间不需要润滑。

  (4)带轮几何尺寸小,因此其重量和空间小。

  第三章传动零部件的设计与校核

  3.1Ⅰ轴的设计

  3.1.1确定轴的材料并计算最小直径

  轴需要达到相应的强度,经过分析,采用45号钢作为轴的材料,并针对该材料进行调质处理。

  最小直径的计算公式为:

  其中:——轴的直径

   ——电动机输出功率

   ——轴的转速

  查阅《机械设计手册》取=110,根据之前计算可知=15kw,==1738r/min

  故

  =22.56mm

  取Ⅰ轴的直径为45mm,针对该轴进行校核:

  =4.5MPa<【】

  所以该直径满足Ⅰ轴的设计要求,Ⅰ轴上主要的零部件为齿轮1,该轴的固定方式为一端用凸台固定,一端用螺钉固定。

  3.1.2齿轮的相关计算

  在本设计中采用直齿圆柱齿轮进行传动,该齿轮因具备结构紧凑和负载能力强的优点,广泛的应用在各种传动系统中。

  (1)该齿轮传动应用在车床加工系统中,需采用6级精度;

  (2)查阅《机械设计手册》,选材为小齿轮材料为40Cr(调质),硬度为280HBS,大齿材料为45钢(调质)硬度为240HBS,二者材料硬度差为40HBS;

  (3)确定小齿轮齿数为35,大齿轮齿数为70。

  3.1.3齿面接触强度的相关计算

  分度圆直径的计算公式为:

  其中:——载荷系数

   ——齿轮传递的转矩

   ——齿宽系数

   ——弹性系数

   ——接触强度极限

  查《机械设计手册》得:=1.2,=0.5,=189.8MPa,小齿轮的接触疲劳强度极限=600MPa,大齿轮的接触疲劳强度极限=550MPa。

  取接触疲劳失效系数=0.90,=0.95,安全系数S=1

  则

  =540MPa

  =528MPa

  取中的最小值528,则小齿轮分度圆直径为:

  =94.44mm

  圆周速度的计算公式为:

  =8.59m/s

  齿轮齿宽的计算公式为:

  =47.22mm

  齿轮模数的计算公式为:

  =2.70

  齿轮齿高的计算公式为:

  6.075mm

  则b/h=47.22/6.075=7.77

  根据,6级精度,动载系数:,,

  则

  =1.98

  根据实际载荷计算出的分度圆直径为:

  111.60mm

  3.1.4齿根完全强度的相关计算

  模数的计算公式为:

  其中:——疲劳强度极限

  查阅《机械设计手册》知,小齿轮的弯曲疲劳强度极限=500MPa,大齿轮的弯曲疲劳强度极限=380MPa。弯曲疲劳寿命=0.82,=0.84,安全系数S=1.4

  故弯曲疲劳极限:

  =292.86MPa

  载荷系数的计算公式为:

  取齿形系数为:,,应力校正系数:,

  根据公式对大小齿轮进行比较,得大齿轮数值较大。

  则

  3.1.5几何尺寸的相关计算

  经过计算,在考虑齿轮齿面接触疲劳强度情况下计算出的齿轮模数大于在考虑齿根弯曲疲劳强度下算出的齿轮模数。为满足设计要求,取齿轮模数为2.48,将其进行取整,故齿轮模数为2.5。根据之前的计算可知在考虑接触强度的情况下,分度圆直径111.60mm

  小齿轮齿数:=44.64,故取45

  大齿轮齿数:=90

  1、分度圆

  =112.5mm

  =225mm

  2、中心距

  =168.75mm

  3、齿宽

  =56.25mm,故取=58mm,=60mm

  3.2Ⅱ轴的设计

  通过分析Ⅱ轴所在的位置,易知该轴几乎不受来自轴向的力,所以其固定方式采用深沟球轴承与一对角接触球轴承相互配合。

  3.2.1确定轴的材料并计算最小直径

  经过分析,采用45号钢作为轴的材料,并针对该材料进行调质处理。

  最小直径的计算公式为:

  取110,则

  =28mm

  取=35mm。由于取值较计算值大的多,所以不用再按弯扭合成强度条件计算和进行疲劳强度校合。

  3.2.2齿轮的相关设计

  在Ⅱ轴上的两个齿轮的直径相差较大,故针对小齿轮的相关性能和热处理方式要求较高。

  确定齿轮的精度和材料:

  (1)参考车床的性能参数,选取精度等级为6级精度

  (2)查阅《机械设计手册》,选材为小齿轮材料为40Cr(调质),硬度为280HBS,大齿材料为45钢(调质)硬度为240HBS;

  (3)确定小齿轮齿数为24,大齿轮齿数为=62。

  3.2.3齿面接触强度的相关计算

  查《机械设计手册》得:=1.6,=0.4,=189.8MPa,小齿轮的接触疲劳强度极限=650MPa,大齿轮的接触疲劳强度极限=600MPa,接触疲劳寿命系数=0.9,=0.95。

  计算接触疲劳许用应力:

  取失效概率为1%,安全系数s=1。

  =585MPa

  =570MPa

  则小齿轮的分度圆直径为:

  =127.90mm

  圆周速度的计算公式为:

  =5.82m/s

  齿轮齿宽的计算公式为:

  =51.16mm

  齿轮模数的计算公式为:

  =5.33

  齿轮齿高的计算公式为:

  12.0mm

  则b/h=51.16/12.0=4.26

  取动载系数:,,

  则

  =1.15

  由b/h=4.27,=1.15,=1.12,

  故,动载系数

  根据实际载荷计算出的分度圆直径为:

  133.73mm

  3.2.4齿根完全强度的相关计算

  查阅《机械设计手册》知,小齿轮的弯曲疲劳强度极限=520MPa,大齿轮的弯曲疲劳强度极限=440MPa。弯曲疲劳寿命=0.82,=0.87,安全系数S=1.3

  故弯曲疲劳极限:

  =328MPa

  =294.46MPa

  载荷系数的计算公式为:

  取齿形系数为:,,应力校正系数:,

  根据公式对大小齿轮进行比较,得大齿轮数值较大。

  则

  3.2.5几何尺寸的相关计算

  经过计算,在考虑齿轮齿面接触疲劳强度情况下计算出的齿轮模数大于在考虑齿根弯曲疲劳强度下算出的齿轮模数。为满足设计要求,取齿轮模数为3.5。根据之前的计算可知在考虑接触强度的情况下,分度圆直径133.73mm

  小齿轮齿数:=38.21故取40

  大齿轮齿数:=102

  1、分度圆

  =140mm

  =357mm

  2、中心距

  =248.5mm

  3、齿宽

  =56mm,故取=60mm,=65mm

  3.3主轴的相关计算与设计

  3.3.1主轴需满足的性能要求

  在车床的主运动系统中,主轴承担着重要的作用。主轴的性能是否满足车床正常运行的要求,直接影响着车床的整体加工性能。所以在对主轴进行设计前,应该了解其对性能的一些基本要求:

  1.良好的刚度

  主轴在整个主运动系统中需要承受来自工件重量、车床自重、切削力、工件位移等多重载荷的交替作用,当主轴自身的刚度越大时,其承受能力就越强,这样不仅防止了主轴受力变形导致的车床损坏,同时也保证了加工进程的顺利进行,保障了整体的加工速度和经济效益。同时,主轴的刚度还受结构尺寸、支承方式、轴承润滑等因素的影响。

  2.稳定的耐热性

  主轴在加工过程中,会进行高速的运转,随着其不停对的转动,主轴上会产生大量热量。高温的产生,会导致主轴和箱体的热膨胀,继而影响主轴和其他轴的装配精度,严重时会导致车床损坏的严重后果。因此主轴需要具备良好的耐热性,来抗拒运转过程中产生的大量热量。

  3.回转精度

  主轴的回转精度即主轴在进行回转运动时,线速度为零的点的连线称为主轴的回转中心线。在设计初,该中心线是固定不变的,但在实际加工过程中,主轴因受各种因素的制约,导致回转中心线不可以保持在理想的位置。为了解决回转中心线发生位移带来的影响,需要采用特殊的测量方式,对回转精度进行测量。目前我国在对主轴进行回转精度的测量过程中,主要采用静态测量法,测量出一个回转误差。

  4.优良抗振性

  车床进行切削加工时,伴随着工件的切削,车床主轴会承受着强烈的震动。这就需要主轴组件具备优良的抗振性,这样就可以办证加工质量的同时,使机床整体运行平稳。提高主轴抗振兴必须提高主轴组件的静刚度,采用较大阻尼比的前轴承,以及在必要时安装阻尼器。

  3.3.2主轴的轴承选型

  在本设计中,车床需要提供较高的转速和良好的刚度,因此在确定主轴的轴承时应考虑刚度和转速这两个主要性能参数。故采用双列角接触球轴承相互配合的形式。前轴选用的双列角接触球轴承,后轴采用双列角接触轴承。

  3.3.3主轴的主要参数

  主轴的主要参数包括:平均直径、内孔直径、轴承支承间距、悬伸量

  1)平均直径的选取

  平均直径直接影响着主轴的抗弯性、变形量等特性。适当的增大平均直径,可以提高主轴的刚度。但同时需要考虑箱体的大小和主轴的重量。

  根据之前车床主电动机的功率,选取平均直径为90mm。

  2)内孔直径的选取

  在确定内孔的直径时需要尽量帮助主轴减轻重量。

  对于数控机床,=0.6~0.5,本课题中车床主轴尾端需要安装皮带轮,轴径较小,故取=0.55,即D=45mm。

  3)轴承支承间距的选取

  合理确定是获得主轴部件最大静刚度的重要条件之一。当时,主轴部件具有最大刚度,即为主轴部件的最佳跨距。在具体设计时,往往由于结构上的限制而使,这就造成主轴部件的刚度损失。合理跨距通常取。因为D、a一定时,越大,轴承的径向跳动对主轴前端的径向跳动影响越小,且加大可较小振动。当需要远大于时,可采用三支承结构。

  3.3.4主轴轴承的选取

  表3.1轴承的主要参数

  轴承型号 基本尺寸/mm 基本额定载荷/kN

   d D B

  3218 90 160 52.4 115 172

  3214 70 125 39.7 68.8 98.0

  3.4本章小结

  本章主要针对数控车床的主运动系统中的相关部件进行设计和选型,包括Ⅰ轴、Ⅱ轴和主轴。在进行齿轮的设计时,从齿面接触强度和齿根弯曲强度两个角度进行计算,分别对两种情况下计算出的模数进行比较,选取符合设计要求的模数。在确定模数后,完成相应的几何尺寸的计算,其中几何尺寸主要包括分度圆直径、中心距、齿轮宽度。针对主轴的设计时,主要分析了主轴的性能要求,完成主轴主要参数的确定和轴承的选型。