金属切削机床主传动设计

第七章主传动设计第一节机床主要参数的确定一、尺寸参数的确定尺寸参数主要是确定影响机床加工性能机的一些尺寸。其中包括机床的主参数、第二主参数和其他一些尺寸参数。机床的主参数是代表机床规格大小的一种参数，各类机床以什么尺寸作为主参数已有统一的规定。如卧式车床是床身上工件的最大回转直径，有的机床，一个主参数还不足以确定机床的规格，还需第二主参数加以补充。如车床的第二主参数是最大工件长度。当主参数、第二主参数和其他一些尺寸参数确定后，就基本上确定了该机床所能加工或安装的最大工件的尺寸。机床的尺寸参数，是根据零件的尺寸确定的。二、运动参数的确定运动参数是指机床执行件，如主轴、工作台、刀架等的运动速度。1.主运动参数的确定主运动为回转运动的机床，主运动参数是主轴转速，它与切削速度的关系是1000vndr/min式中n---转速(r/min)v---切削速度(m/min)d---工件（或刀具）直径(mm)主运动是直线运动的机床，主运动参数是刀具的每分钟双行程数（次/分）。通用机床是为适应多种零件加工而设计制造的，主轴需要变速。因此需确定它的变速范围，即最低与最高转速。1)主轴最高和最低转速的确定根据公式有：nmax和nmin的比值是变速范围Rn:maxminmin1000dvnminmaxmax1000dvnminmaxnnRn应当指出，通用机床的和并不是机床上可能加工的最大和最小直径，而是指常用的经济加工的最大和最小直径（即不是理论上的最大和最小直径）。对于通用机床，一般取：最大加工直径dmax=(0.5-0.6)D最小加工直径dmin=(0.2-0.25)dmax2)主轴转速数列目前，在机床中应用最广泛的还是有级变速，极限转速确定后，还需确定中间转速。如某机床的分级变速机构共有级，其中，，级转速分别为：，，，……，，……，。如果加工某一工件所需要的最有利的切削速度为,则相应的转速位。通常，分级变速机构不能恰好得到这个转速，而是处于某两极转速与之间：如果采用较高的转速，必将提高切削速度，刀具的耐用度将要降低。为了不降低刀具耐用度，以采用较低的转速为宜。这时转速的损失为Z1minnnmaxznn1n2n3njn1jnznZvnmaxdmindmaxdkDminmaxdddRnjn1jnnjn1jn1jnjnnjn-，相对转速损失率为：jnnAn最大的相对转速损失率是当所需的转速趋近于时，也就是：n1jn11max11lim1jjjjjnnjjnnnnnAnnn在其他条件（直径、进给、切深）不变的情况下，转速的损失就反映了生产率的损失。对于普通机床，如果认为每个转速的使用机会都相等，那么应使为一定值，即：=const或=const=从这里可以看出，任意两极转速之间的关系应为：即机床的转速应该按等比数列(几何级数)分级。其公比为，各级转速应为maxAmax11jjnAn1jjnn11jjnn1minnn21nn2321nnn···最大相对转速损失率为：变速范围为：等比数列同样适用于直线往复主运动(刨床、插床)的往复次数数列、进给数列以及尺寸和功率参数系列。111maxzzznnnnmax111100%100%A11max1min1zznnnRnn3)公比的标准值和标准转速数列机床转速是从小到大递增的，因此。为使最大相对转速损失率不超过50%，即，则。由此得出：为便于设计和使用机床，规定了七个标准公比,，分别为：1.06，1.12，1.26，1.41，1.58，1.78，2。当采用标准公比后，转速数列可从表7.1中直接查出。表中给出了以1.06为公比的从1～10000的数值。其中1.12=1.062，1.26=1.064，1.41=1.066，1.58=1.068，1.78=1.0610，2=1.0612。例如，设计一台24级转速的卧式车床，其中=12.5，=1.26。查表7—1，首先找到最低转速12.5，然后，因为1.26=1.064，每隔3个数取一个值，可得下列数列：12.5、16、20、25、31.5、40、50、63、80、100、125、160、200、250、315、400、500、630、800、1000、1250、1600、2000、2500等24级。11100%50%212minn表7.1标准数列表4)选用标准公比的一般原则和经验数据（1）对于通用机床，为使转速损失不大，机床结构又不过于复杂，一般取=1.26或1.41。（2）对于大批、大量生产的专用机床、自动化机床，公比应取小一些。因这些机床的生产率较高，转速损失的影响较显著。一般取=1.12或1.26。（3）对于大型机床，公比应取小一些。因在大型机床上的切削加工时间较长，转速损失的影响较显著。一般取=1.26或1.12及1.06。（4）对于非自动化小型机床，公比应取大一些。因在这些机床上，辅助时间较多，而切削加工时间所占的比例不大，转速损失的影响不很显著。一般取=1.58、1.78或2。2.进给运动参数的确定进给传动链为外联系传动链时，为使相对损失为一定值，则进给量的数列也应取等比数列。对于往复主运动机床，如刨床、插床，进给运动是间歇的，为使进给机构简单，采用了棘轮机构，进给量由每次往复转过的齿数而定，是等差数列。对于大批、大量生产用的自动和半自动车床，常用交换齿轮来调整进给量，这时可以不按一定的规则，用交换齿轮选择最有利的进给量。卧式车床因为要车螺纹，进给分级就应根据螺纹标准而定，它不是一个等比数列，而是一个分段的等差数列。三、动力参数确定动力参数包括电动机的功率，液压缸的牵引力，液压马达、伺服电动机或步进电动机的额定转矩等。各传动件的参数(轴或丝杠的直径、齿轮与蜗轮的模数等)都是根据动力参数设计计算的。如果动力参数定得过大，将使机床过于笨重，浪费材料和电力；如果定得过小，又将影响机床的性能。动力参数可以通过调查研究、试验和计算方法进行确定。1.主传动功率的确定在主传动的结构方案尚未确定之前，可用式进行估算。式中：—主传动电机功率（）；—消耗于切削的功率（）；—主传动链的总效率。对于通用机床一般可取=0.75～0.85。机构简单和主轴转速较低时取大值；相反，机构复杂和主轴较高时取小值。当主传动的结构方案确定后，可用式进行估算：式中：—消耗于空转的功率损失（）；—主传动链的总机械效率。式中：、……为主传动链中各传动副的机械效率。PP切主总P主P切总kwkw总PPP切主空机kwP空机123......机12机床的空转功率损失只随主轴和其它各轴转速的变化而变化。中型机床主传动链的空转功率损失可用下列的实验公式进行估算：63.510aikPdncdn空主主式中：—主传动链中除主轴外所有传动轴的轴颈的平均直径。如果主传动链的结构尺寸尚未确定，初步可按电动机功率P取：当1.5＜≤2.8（kw）=30(mm)2.5＜≤7.5（kw）=35(mm)7.5＜≤14（kw）=40(mm)—主轴前后轴颈的平均值(mm)；—当主轴转速为时，传动链内除主轴外各传动轴的转速之和。如传动链内有不传递载荷而也随之作空运转的轴时，这些轴的转速也应计入；--主轴转速（rpm），通常，计算的是最大空转功率，则为主轴最高转速；c—系数。两支承的滚动轴承或滑动轴承，c=8.5；三支承滚动轴承=10；k—润滑油粘度影响的修正系数。用N46号机油时，k=1；用N32号机油时，k=0.9；用N15号机油时，k=0.75；adPPPadadadd主inn主n主n主2.进给传动功率的确定在进给传动和主传动共用一个电机的通用机床上，如普通车床和钻床，由于进给传动所消耗的功率与主传动相比是很小的，因此可以忽略进给所需的功率。在进给传动与空行程传动共用一个电机的机床上，也不必单独考虑进给所需的功率。对于进给传动采用单独电动机驱动的机床，需要确定进给传动所需的功率。进给功率可根据进给牵引力(N),进给速度(m/min)和机械效率决定:3.空行程功率的确定空行程功率的确定应参考同类型机床，辅之以计算，最好再经实验验证。空行程电动机的功率（kw）为：式中：p1—克服惯性需要的功率p2--克服重量和摩擦力需要的功率QFsvsQ60000sssFvP12PPP空第二节主传动方案选择机床的主传动用来实现机床主运动的，它对机床的使用性能、结构和制造成本都有明显的影响。一、主传动布局选择主传动的布局形式取决于机床的用途、类型和尺寸等因素。1.集中传动式优点是：结构紧凑，便于实现集中操纵，箱体数少。缺点是：传动机构运转中的振动和发热会直接影响主轴的工作精度。适用于主运动为旋转运动的普通精度的中、大型机床。2.分离传动式优点是：变速箱所产生的振动和热量不传给或少传给主轴，从而减少了主轴的振动和热变形；高速时不用齿轮传动，而由皮带直接传动主轴，运转平稳，加工光洁度高，适应精密加工的要求；当采用背轮机构时，高速传动链短，传动效率较高，转动惯量小，便于启动和制动；低速时经背轮机构传动，扭矩大，适应粗加工的要求。缺点是：有两个箱体，箱体加工成本较高；低速时皮带负荷大，皮带根数多，容易打滑；当皮带安装在主轴中段时，调整、检修都不方便。适用于中、小型高速精密机床。二、变速方式选择1.交换齿轮变速机构这种变速机构的构造简单，结构紧凑，主要用于大批大量生产中的自动或半自动机床、专用机床及组合机床等上。2.滑移齿轮变速机构优点是：变速范围大，变速级数也较多；变速方便又节省时间；在较大的变速范围内可传递较大的功率和扭矩；不工作的齿轮不啮合，因而空载功率损失较小等。缺点是：变速箱的构造复杂，不能在运转中变速，为使滑移齿轮容易进入啮合，多用直齿圆柱齿轮传动，传动平稳性不如斜齿轮传动等。应用于通用机床广泛应用于通用机床和一部分专用机床中。3.离合器变速机构在离合器变速机构中，应用较多的牙嵌式离合器、齿轮式离合器以及摩擦片式离合器。当变速机构为斜齿或人字齿圆柱齿轮时，不便用滑移齿轮变速，则需用牙嵌式或齿轮式离合器变速。优点是：轴向尺寸小；可传递较大的扭矩；传动比准确；变速时齿轮不移动，故可采用斜齿或人字齿传动，使传动平稳；变速时；移动离合器比移动滑移齿轮轻便，操纵省力。缺点是：不能在运转中变速；各对齿轮经常处于啮合状态，磨损较大，传动效率低。摩擦离合器多用于自动或半自动机床中，这类机床往往须在运转过程中变换主轴转速，而机床主轴转速又较高，故宜采用摩擦离合器变速机构、多速电动机或无级变速器等。在设计时，对于安排离合器的位置应注意以下几个方面。1）尽量减小离合器的尺寸。2）避免出现超速现象。3）要考虑到结构上的因素。4）各种变速机构的组合。摩擦离合器变速机构三、开停方式选择开停装置用来控制主运动执行件的启动与停止。1.直接开停电动机优点是：操作方便，可简化机床的机械结构，得到广泛应用。缺点是：电动机功率大、开停频繁的情况下，将导致电动机发热、烧坏，甚至因启动电流大而影响车间电网正常供电。2.采用离合器开停在不停止电动机运转的情况下，可用离合器实现主运动执行件的启动或停止。1）锥式、片式摩擦离合器：可用于高速运转的离合，离合过程比较平稳，并能兼起过载保护作用；但结构较复杂，因尺寸关系，传递扭矩不宜过大。2）滑移齿轮、齿轮式离合器及牙嵌式离合器：可用于低速运转的离合，结构简单，尺寸较小，能够传递大扭矩；但在离合过程中，齿（牙）端有冲击和磨损，有些立式多轴半自动车床的主轴就采用这种开停方式。离合器在传动链中的位置是很重要的，若将离合器放置在转速较高的传动轴上，则传递扭矩较小，结构紧凑；将它放置在传动链中前端，即靠近动力源的传动轴上，停车后可使传动链的大部分运动件停止不动，能够减少空载功率损失。因此，除了结构上特殊需要外，这种开停装置一般宜放置在传动链前端转速较高的轴上。四、制动方式选择某些机床在装卸工件、测量被加工面尺寸、更换刀具及调整