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1第第一一章章绪绪论论第一节机床设计的目的机床课程设计是在学完机床课以后，进行一次学习设计的综合性练习。通过设计，运用所学过的基础课、技术基础课和专业课的理论知识，生产实习和实验等实践知识，达到巩固、加深和扩大所学知识的目的。通过设计，分析比较机床主传动中某些典型机构，进行选择和改进，学习构造设计，进行设计计算和编写技术文件。完成机床主传动设计，达到学习设计步骤和方法的目的。通过机床课程设计，获得设计工作的基本技能的训练，提高分析和解决工程技术问题的能力。并为进行一般机械的设计创造一定的条件。第二节机床课程设计的内容一．运动设计根据设计题目给定的机床用途、规格、主轴极限转速，拟定转速图、传动系统图、计算带轮直径和齿轮齿数。二．动力设计根据设计题目给定的机床类型、规格及工作条件，确定主电动机功率；确定主轴及各传动件的计算转速；初定传动轴直径、齿轮模数，确定传动带型号及V带根数。在结构机构设计之后，再对机床主要传动件、零件，进行应力、变形和寿命的验算，并修改结构设计。三．结构设计完成运动设计和动力设计之后，还要将主传动方案“结构化”。要设计主轴变速箱装配图及零件工作图，侧重进行传动轴组件、主轴组件、变速机构、操纵机构、润滑与密封，以及主轴、传动轴、滑移齿轮、操纵元件、箱体等零件的设计。第二节机床课程设计的步骤及要求一．明确目的要求、查阅有关资料在接到题目后，应弄清给定的条件、数据、所设计机床的类型、性能、应用范围和规定的内容与要求。查阅资料时，除本书外还应查阅《机床图册》和《机床设计手册》等。必要2时还应到实验室进行实地调查，了解同类型机床的使用性能与操作，主传动部件与相邻部件的安装关系等。二．传动方案设计传动方案设计，包括确定主传动的运动参数，拟定转速图、传动比，确定齿轮齿数和带轮直径，主传动的换向与制动方式，画出主传动的传动系统图。三．计算主要传动件计算内容如下：V带——选择型号和计算所需的根数；传动轴——按扭转刚度要求计算轴受扭部分的直径，从而确定轴的直径；齿轮按变动工作用量计算接触强度和弯曲强度，取二者中的大值确定齿轮的模数，再进行齿轮的几何结构计算。四．结构分析与选择对于设计中涉及到的结构，都要经过认真分析后进行选择。结构分析与选择的主要内容如下：1．主轴组件的结构主轴端部已经标准化。正确选择主轴轴承的类型及其组合、精度和调整轴承间隙的方法。计算主轴组件的合理跨距。合理选择润滑与密封的方式。注意主轴组件的拆装。2．传动轴组件的结构根据轴承的类型，正确选定轴的轴向定位的方法,轴上所安装的零件的拆装与固定。3．齿轮的结构正确选择齿轮的精度并考虑相应的加工齿形的方法。对于双联和三联齿轮，加工方法决定了相邻齿轮的间距，为缩短轴向尺寸可采用镶装结构。轮毂的长度按导向的要求确定，通常为轴直径的1.5倍左右。4．操纵机构操纵机构的类型应与变速要求相适应，注意选择定位机构和防止操纵机构中发生干涉现象。五．绘制部件的装配图设计图按1：1的比例绘制，必须遵守工程图学所规定的标准和习惯画法，要求尺寸准确、线条清晰、文字工整，标准件必须按规定绘图。注意布图的匀称美观，通过径向尺寸和轴向尺寸的初步计算，安排图形的位置。可先通过计算画出草图。展开图与剖视图的绘制，常需交叉进行，以便相互对照、全面检查。1.展开图展开图，基本上是按照传动顺序，将各轴展开画在一个平面上，他可以很清楚地表明主轴变速箱的传动与结构。根据课程设计的要求，在展开图上应标注下列内容：轴号、轴承型号、主轴轴承型号与精度等级、齿轮的齿数与模数、轴间中心距、各处的配合尺寸与配合性质、主轴组件的轴向联系尺寸（即轴向尺寸链）和对主轴组件中各零件（包括标准件）进行3编号、移动件行程的极限位置、轴向轮廓尺寸和与其它部件有关的联接尺寸等。２．剖视图剖视图，应能表达各传动轴和主轴的中间位置，一组操纵机构组件的结构，以及在展开图上难以表达或表达不清楚的机构。通过剖视图的设计，着重表示各机间的空间关系。剖视图中应标注轴号，展开图中没有的轴承型号、配合尺寸和配合性质，有啮合关系的齿轮轴的轴间距和公差，主轴中心到主轴主轴箱安装基面的距离（例如车床的中心高）等。设计中应注意检查可能产生的干涉现象。例如：轴上固定齿轮之间的间距不够长，在滑移齿轮移动时，原啮合的一对尚未完全脱开，另一对齿轮就要进入啮合；由于齿数或传动比确定的不当而引起齿轮与相邻轴干涉；因轴的轴向定位不足而使轴产生轴向窜动，或因超定位而引起干涉；操纵机构动作的干涉；调整环节不能或不便于调整；有的零件难以进行装、拆等。还应注意零件的结构工艺性好。六．传动件的验算在装配图底图画好后，传动件的尺寸和位置均已定，便可验算传动轴的弯曲刚度和滚动轴承的寿命。可选出受载严重的一根（或一对轴承）轴进行验算。由于滑移齿论在轴上有几个啮合位置，在各啮合位置上，轴和轴承的受载不同，因此应首先判断和选定受力后使轴的挠度最大或一对齿轮处倾角最大的工作状态，再验算轴的弯曲刚度。轴承寿命的验算，可在验算的传动轴上，选择轴承规格相对较小支反力相对较大处进行验算。当验算结果不能满足性能要求时，应修改设计。七．绘制主要零件工作图绘制一个零件工作图，可选择主轴或齿轮。零件图上应有足够的视图和剖面，标全尺寸和公差，注明表面粗糙度、形位公差和技术要求。八．编写设计说明书说明书的编写应与设计同时进行，在图样工作全部完成后，再继续编写未完部分，并整理，装订成册。说明书叙述要简明扼要，层次分明，文字通顺，书写工整，图表清晰，计算准确。4第第二二章章数数控控机机床床主主传传动动系系统统设设计计第一节主传动系统概述一．主传动的功用机床主传动是实现机床主运动的传动，属于外联系传动链，其功用是：①将一定的动力由动力源传递给执行件（如主轴或工作台）；②保证执行件具有一定的转速（或速度）和足够的转速范围；③能够实现运动的开停、变速、换向和制动等。二．主传动的组成主传动一般由动力源（如电动机）、变速装置及执行件（如主轴、刀架、工作台），以及开停、换向和制动机够等组成部分。动力源给执行件提供动力，并使其得到一定的运动速度和方向；变速装置传递动力以及变换运动速度；执行件执行机床所需的运动，完成旋转或直线运动。开停机构用来实现机床主轴的启动和停止的装置；换向机构用来变换机床主轴旋转方向的装置；制动机构用来控制机床主轴迅速停转的装置，以减少辅助时间。三．主传动系统的设计要求数控机床的主传动系统除应满足普通机床主传动要求外，还提出如下要求：1.具有更大的调速范围，并实现无级调速数控机床为了保证加工时能选用合理的切削用量，充分发挥刀具的切削性能，从而获得最高的生产率、加工精度和表面质量，必须具有最高的转速和更大的调速范围。2.具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低数控机床加工精度的提高，与主传动系统的刚度密切相关。为此，应提高传动件的制造精度与刚度，齿轮齿面进行高频感应加热淬火增加耐磨性；3.良好的抗振性和热稳定性数控机床上一般既要进行粗加工，又要进行精加工；加工时可能由于断续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至破坏刀具或零件，使加工无法进行。因此在主传动系统中各主要零部件不但要具有一定的静刚度，而且要求具有足够的抑制各种干扰力引起振动的能力——抗振性。机床在切削加工中主传动系统的发热使其中所有零部件产生热变形，破坏了零部件之间的相对位置精度和运动精度造成的加工误差，且热变形限制了切削用量的提高，降低传动效率，影响到生产率。为此，要求主轴部件具有较高的热稳定性，通过保持合适的配合间隙，并进行循环润滑保持热平衡等措施来实现。5第二节主运动系统的参数机床主传动系统的参数有动力参数和运动参数。动力参数是指主运动驱动电机的功率，运动参数是指主运动的变速范围。一．主传动功率机床主传动的功率P可根据切削功率Pc与主传动传动链的总效率η由下式确定：/PPc(2.1)数控机床的加工范围一般都比较大，切削功率()Pckw可根据有代表性的加工情况，由其主切削抗力zF按下式确定：60000655000zFvMnPc(2.2)式中zF——主切削力的切向分力(N)v——切削速度(/minm)；M——切削扭矩(Ncm)；n——主轴转速(/minr)。主传动的总效率一般取0.70~0.85，数控机床的主传动多用调速电机和有限的机械变速传动来实现，传动链较短，因此，效率可取较大值。二．运动参数运动参数是指机床执行件如主轴、工件安装部件（工作台、刀架）的运动速度。1．主轴转速的确定主运动为旋转运动的机床，主轴转速n由切削速度v和工件或刀具的直径d来确定：1000vnd(/min)r（2.3）2.主轴最高转速和最低转速的确定对于数控机床，为了适应切削速度和工件或刀具直径的变化，主轴的最高、最低转速可由下式确定：maxmaxmin1000vnd（2.4）minminmax1000vnd(2.5)式中maxminnn、——主轴的最高、最低转(/min)r；maxminvv、——最高、最低的切削速度（/minm）；6maxmindd、——相应最大、最小计算转径(mm)；3．主轴的变速范围nR主轴的最高转速与最低转速之比值，称为主轴的变速范围，用nR表示,即：maxminnnRn(2.6)4．主轴的计算转速cn对于主传动采用无级变速系统的机床，主轴的计算转速可由下式求出：0.3mincnnnR(2.7)5．主轴恒功率的变速范围对于主传动采用无级变速系统的机床，主轴恒功率的调速范围可由下式求出maxnpcnRn(2.8)6．电动机恒功率的调速范围对于主传动采用无级变速系统的机床，电动机恒功率的调速范围可由下式求出：maxdpcnRn(2.9)式中dn——电动机的额定转速(/min)r。第三节主传动系统的设计数控机床采用无级变速系统，以利于在一定的调速范围内选择到理想的切削速度，这样既有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。无级变速是指在一定的范围内，转速（或速度）能连续地变换，从而获得最有利的切削速度。机床主传动和进给传动中采用无级变速系统的主要优点是：1.可进行无级调速，以得到最有利的切削用量和最小的相对生产率损失；2.允许在负载下变速，可随时修改切削用量，以避免产生振动；3.缩短变速时间，便于实现遥控和自动控制；4.可实现车端面时保持恒定的切削速度，换向迅速而平稳，可大大简化齿轮变速箱，减少制造工作量；5.缩短传动链，提高传动平稳性等。7缺点是有些无级变速系统成本较高。机床主传动中采用的无级变速装置有三大类：变速电动机、机械无级变速装置和液压无级变速装置。机械无级变速装置是机床主传动中常用的无级变速装置。机械无级变速器有钢球式、宽带式等多种结构，它们都是利用摩擦力来传递转矩，通过连续地改变摩擦传动副工作半径来实现无级变速。由于它的变速范围较小，远远不能满足现代机床变速范围的要求。因此，机械无级变速器须串联有级变速箱，以扩大其变速范围。一．无级变速主传动设计原则1．尽量选择功率或扭矩特性符合传动系要求的无级变速装置。如执行件作直线主运动的主传动系，对变速装置的要求是恒扭矩传动；如主传动系要求恒功率传动，就应该选择恒功率无级变速装置。2．无级变速系统装置单独使用时，其调速范围较小，满足不了要求，尤其是恒功率调速范围往往远小于机床实际需要的恒功率变速范围。为此，常把无级变速装置与机械分级变速箱串联在一起使用，以扩大恒功率变速范围和整个变速范围。如机床主轴要求的变速范围为Rn，选取的无级变速装置的变速范围为dR，串联分级变速箱的变速范围fR应为：1/zfndfRRR（2.10）式中z——机械分级变速箱的变速级数；f——机械分级变速箱的公比。通常，无级变速装置作为传动系中的基本组，而分级变速作为扩大组，其公比理论上应等于无级变速装置的变速范围dR。实际上由于机械无级变速装置属于摩擦传动，有相对滑动现象，可能得不到理论上的转速。为了得到连续的无级变速，设计时应该使分级变速箱的公比略小于无级变速装置的变速