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1、 理工大学毕业设计（论文）卧式镗铣数控机床设计侧重机床总体、主传动与主轴进给系统设计学院（系）：专业班级：学生：指导教师：39 / 47学位论文原创性声明本人重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 年 月 日学位论文使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分
2、容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、囗，在 年解密后适用本授权书2、不 。（请在以上相应方框打“”）作者签名： 年 月 日导师签名： 年 月 日本科生毕业设计（论文）任务书学生： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 设计(论文)题目:卧式镗铣数控机床设计侧重机床总体、主传动与主轴进给系统设计设计（论文）主要容：设计一台中型镗铣数控机床：机床必须具有镗和铣的功能；机床立柱应能根据工件的大小移动而实现其粗定位；工件加工时应能实现精密分度；机床应能实现四轴三联动。侧重设计机床结构总装配图，以与主轴箱部件应能实现垂直方向的进给伺服运动，同时
3、也能实现主轴的主运动与轴进给伺服运动。要求完成的主要任务:1、绘制镗铣数控机床总装配图1；2、绘制主轴箱与主轴传动系统总成、部件装配图1；3、绘制机械零件图若干（总绘图工作量：折合0#图纸不少于3）；4、编制开题报告1份（A4纸不少于2页）；5、翻译有关外文资料1份（5000汉字）；6、编写设计计算说明书1份（10000字以上）。指导教师签名： 系主任签名： 院长签名（章）理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告1、目的与意义（含国外的研究现状分析）数控卧式镗铣床是一种加工围极广、自由度很大的机床，主要用来加工形状复杂、要求精度较高的箱体类零件，在一次装夹后能完成较多的工序。我国数控卧式镗铣床和
4、卧式加工中心的发展开始于1973年。但由于电气元件和数控系统质量不过关， 1976年后，数控卧式镗床和卧式加工中心的发展处于低潮。但其中机械机构问题不是很大，因此， 1981年以来，由于引进国外数控系统，国数控卧式镗床和卧式加工中心有了新的发展，出现了第二次机床行业的发展高潮。近几年来，国外数控卧式镗铣床的技术发展非常快,其特点是产品结构不断更新，新技术应用层出不穷，工艺性能复合化，速度、效率不断提高，突出精细化制造。随着为高速运行作技术支撑的传动元件电主轴、直线电机、线性导轨等得到广泛应用，机床的运行速度被推向了新的高度，主轴系统设计也由传统的镗杆伸缩式结构逐步向现代高速电主轴结构转变。尽管
5、传统的镗杆伸缩式结构，具有镗深孔与大功率切削的特点，但现代高速电主轴结构以其高转速、高运行速度、高效和高精度的优点和简化的主轴箱部结构而倍受关注。而主轴可更换式卧式镗铣加工中心的创新设计解决了电主轴与镗杆移动伸缩式结构各存利弊的不足，具有复合加工与一机两用的功效，也是卧式镗铣床的一大技术创新。目前世界上约有20个国家制造卧式镗床，其中以美、德、日、意、法等国的卧式镗床在国际市场上占据重要地位。这些国家的卧式镗床结构先进、工艺水平高、重视新技术的应用；产品精度、刚度和寿命较高；造型美观，操作方便；具有较高的水平，广泛地应用模块化设计原则发展品种，做到普通卧式镗铣床、数控卧式镗铣床和卧式镗铣加工中
6、心一个机型、三种产品，即普通卧式镗床装上数控系统就是数控卧式镗床，再加上刀库和机械手就是加工中心。通过此次毕业设计，主要要加深对专业基本知识的理解,培养收集资料和调查研究的能力；要明白作为一名机械工程师，在机械结构设计中所承担的职能和责任，掌握机床传动系统设计的一般方法以与机床其它基础件设计的要求，并进一步提高应用计算机绘图的能力。2、基本容和技术方案基本容：我们小组设计的是一台中型数控卧式镗铣机床。考虑到镗轴可伸缩长度有限，要求机床立柱能根据工件大小移动，并实现粗定位；为使在一次装夹中加工尽可能多的工作表面，要求加工时工作台能实现精密分度；机床应能实现四轴三联动（包括工作台回转运动）。其中，
7、我的任务是侧重机床总体设计，主传动系统和主轴进给系统设计。技术方案：为了维护和保养方便，设计方案初步选择单立柱设计。主轴箱安装在立柱侧面，由立柱顶端伺服电机驱动滚珠丝杆带动其在垂直方向上运动，其重量采用气囊式储能器和液压油缸来实现重力平衡；主轴采用双层结构设计，在将主电机的动力传递给主轴的同时，还能将由位于主轴尾部的伺服电机驱动滚珠丝杠带动层主轴伸缩，实现主轴进给，即机床的横向进给运动；回转工作台采用独立设计，滚珠丝杠在伺服电机驱动下带动回转工作台实现纵向进给运动，并在另一伺服电机驱动下，通过蜗轮蜗杆机构实现工作台的回转和精密分度。为了实现工件尺寸变化较大时立柱的粗定位功能，采用移动式立柱结构
8、方案。工作时带电机的减速器驱动普通丝杠带动立柱横向移动，立柱的位置可根据工件尺寸的大小来确定。机床在垂直、横向和纵向的三轴联动，是通过位置检测并在数控系统中进行插补运算控制的。3、进度安排第1-2周：查阅相关文献资料，明确设计容，确定初步方案，完成开题报告。第3-5周：用CAXA软件绘制结构草图。（包括主要部件的设计与布局安排，绘制出比较详细的结构图）第6-9周：用CAXA软件绘制正式的装配图。第10-12周：绘制零件图，另手绘两图。第13-14周：图纸审核；编写设计说明书，准备答辩。第15周：毕业设计答辩。4、指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日目 录摘要1Abstract21绪论31.
9、1国外发展现状31.2本文研究的目的与意义31.3本文的主要容42机床总体方案设计52.1运动个数和形式的确定52.2运动的分配52.3机床总体布局63主传动系统方案设计83.1主传动系统变速方式的选择83.2主传动系统变速方案的确定94主传动系统主要传动件计算104.1主轴电机功率和型号的选择104.1.1主传动功率的确定104.1.2主电机的选择114.2传动件运动和动力参数计算124.2.1各轴计算转速的确定124.2.2各轴输入功率的确定134.3轴的设计134.3.1初估各轴直径134.3.2传动轴结构设计154.3.3主轴结构设计174.4齿轮设计214.4.1齿轮中心距的估取22
10、4.4.2齿轮模数的估取224.4.3初算齿轮齿数224.4.4齿轮模数的校核234.5主要传动件的验算244.5.1轴的强度验算244.5.2轮齿接触疲劳强度校核284.5.3轴承的寿命校核295主传动进给系统设计315.1伺服电机的选择315.2丝杠螺母的计算和选用335.2.1静载强度验算335.2.2压杆稳定性验算345.3滚珠丝杠副支承方式的选择346主轴箱空间布局357主轴箱润滑系统设计368变速机构设计379换刀机构设计3810结论39参考文献40致41摘 要卧式镗铣数控机床是一种加工围极广、自由度很大的机床，主要用来加工形状复杂、要求精度较高的箱体类零件，铣削平面、钻削、镗孔和
11、加工端面等。尽管传统的镗杆伸缩式结构，具有镗深孔与大功率切削的特点，但近几年来，随着为高速运行作技术支撑的传动元件电主轴、直线电机、线性导轨等得到广泛应用，主轴系统设计也由传统的镗杆伸缩式结构逐步向现代高速电主轴结构转变。与国外同类产品相比，国产品结构形式单一，产品运行速度、进给速度等性能与国外产品还有很大差距。本文以镗杆伸缩式结构为基础，在广泛参考数控机床设计相关资料和吸收消化的前提下，完成了对机床主传动系统和主轴进给系统的设计，以与主要传动件的强度校核。关键词：卧式镗铣床；主传动系统；进给系统AbstractNChorizontal boring and milling machine i
12、s a machine tool with a very wide range of processing and large degree of freedom. It is mainly used to machine Box Parts those which have complex shapes and high accuracy requirements, to mill plane, drill hole, bore hole and machine face etc.Though the traditional structure of telescopic boring ba
13、r has the characteristicsof being ableto bore deep hole and cut with high-power, recent years, as the elements such as ElectricSpindle, Linear Motion Actuator and LinearGuides, etc,those which can provide technical support for the high-speed operation, were widely used, Spindle Designing transform f
14、rom the traditional structure of telescopic boring bar to a modern high-speed electric spindle gradually.Compared with the similar products abroad, home products has a single form, and there are still a large gap of the products operation and feed speed and other properties between product home and
15、abroad.This paper was based on the structure of telescopic boring bar and on the premise of widely referring to related and absorbing data of CNC machine tool design ,I complete designing for main drive of the machine tool, SpindleFeed System and the check of the strengthofthe maintransmission parts
16、.Key Words: horizontal boring and milling machine；main drive of the machine tool; Feed System1绪论1.1国外发展现状卧式镗铣床是一种加工围极广、自由度很大的通用机床，主要用来加工中、小型箱体零件，并多用于孔加工，镗孔精度可达IT7；除扩大工件上已铸出或已加工的孔外，还能铣削平面、钻削、加工端面和凸缘的外圆，以与切螺纹等。卧式镗铣床在发展早期，主轴多采用经典的镗轴与铣轴组成的双层主轴结构，为保证刚性与高精度加工，主轴前端由双列圆柱滚子轴承与推力球轴承支承。近年来，随着电子技术、新材料和新工艺的广泛应用，
17、以与零件加工对机床提出的更高的要求，卧式镗铣床发展呈现出新的特点，在提高进给速度和快速移动的同时，又出现了提高加速度这一概念，使得卧式镗铣床采用电主轴设计成为新的追求。但是，电主轴的结构单一，仅能提高加工速度与效率，而不适合重切削，更不能替代卧式主轴镗杆伸缩移动，进行深孔加工，其加工能力受到了限制，可谓顾此失彼。针对这个问题，德国Dorries Scharmann公司生产的ALPHA系列卧式加工中心对此给出了完美的解决方案。ALPHA系列卧式加工中心立柱采用斜面概念的设计，刚性极高，具有卧式主轴和电主轴可交换使用的功能，具有“一机两用”之功效，大大提高了机床的工艺性能，也降低了制造成本，这一创
18、新引领着卧式镗铣床的发展方向。该机的最大特点是高效、高精，快速移动最高达，最大加速度达，位置精度。武重的TR6513型卧式柔性加工单元，是目前国同类产品中规格最大的产品，处国领先水平。主轴直径，最高转速，三轴移动速度。配有2个交换工作台和1个回转工作台，交换工作台的定位精度在以。刀库安装在立柱的侧面，随立柱移动，还可配备直角铣头、万能角铣头、两座标数控铣头、平旋盘等各种附件，一次装夹完成孔、面、曲面的加工。与国外同类产品相比，国厂家的产品主要还是设计上的差距，国外已经全部采用模块化设计，强化设计的“柔性化”，产品结构形式多样；其次，国产品从机床性能和制造水平上讲，产品运行速度、进给速度与国外产
19、品相比也还有很大差距。1.2本文研究的目的与意义通过此次毕业设计，主要了解当前卧式镗铣数控机床的国外发展概况和发展趋势，弄清楚卧式镗铣数控机床的总体布局、主传动系统方案和进给系统方案，学习镗轴和铣轴双层主轴结构设计的实现方法，明白作为一名机械工程师在机械系统结构和传动系统设计中所承担的主要任务，掌握机床传动系统设计的一般方法以与机床其它基础件设计的要求并进一步提高应用计算机绘图的能力；此外，还应通过此次毕业设计加深对专业基本知识的理解，培养收集资料和调查研究的能力，为以后的学习、生活打下良好的基础。1.3本文的主要容按照设计任务书要求，在本文中要完成一台中型卧式镗铣数控机床的总体设计、主传动系
20、统与主轴进给系统设计：机床必须具有镗和铣的功能，立柱应能根据工件的大小移动而实现其粗定位；为在一次装夹中完成尽可能多的表面的加工，工件应能在回转工作台上实现精密分度；机床要求能实现四轴三联动。要完成的主要任务：1）绘制镗铣数控机床总装配图1；2）绘制主轴箱与主轴传动系统总成部件装配图1；3）绘制典型零件的零件图若干（总绘图工作量：折合0#图纸不少于3）；4）编制开题报告1份；5）翻译有关外文资料1份（5000汉字）；6）编写设计计算说明书1份（10000字以上）。2机床总体方案设计2.1运动个数和形式的确定零件的加工表面是由机床刀具和工件之间的相对运动形成的，因此不同的工件表面，往往需要采用不
21、同类型的刀具与工件一起做不同的表面成形运动，就产生了不同类型的机床。因为卧式镗铣床主要用来加工中、小型箱体零件，用来扩大工件上已铸出或已加工的孔，以与铣削平面、钻削、加工端面和凸缘的外圆，以与切螺纹等，而不需要加工曲面或圆弧面。归纳起来，卧式镗铣床的加工可分为平面和孔加工两大类。如图1所示，平面的加工可由铣刀头与三个方向的成形运动合成得到；而孔加工由镗刀与镗杆在轴向的进给（即方向的成形运动）即可合成得到。图1平面和孔加工时的成形运动分析因此，卧式镗铣床加工工件时只需要三个方向的直线成形运动即可满足加工要求（回转工作台的转动不包括在）。2.2运动的分配加工工件所需的运动仅仅是相对运动，因此，对部
22、件的运动分配可以有多种方案。铣削加工时，进给运动可以由工件运动也可以由刀具运动来完成，或者部分由工件运动，部分由刀具运动完成，这样就影响到了部件的配置和总体关系。图2（a）是加工件较轻的升降台铣床，一般由工件完成三个方向的进给运动，分别由工作台、滑鞍和升降台来实现；当加工工件较重或者尺寸较大时，则不宜由升降台带着工件作垂直方向的进给运动，而是改由铣头带着刀具来完成垂直进给运动，如图2（b）所示；图2数控铣床总体布局示意图2（c）所示的龙门数控铣床，其工作台载着工件作一个方向的进给运动，其它两个方向的进给运动由多个刀架在立柱与横梁上移动来完成，这样的布局不仅适用于较重的工件加工，而且由于增多了铣
23、头，使铣床生产效率得到很大提高；当加工更大更重的工件时，由工件作进给运动在结构上就很难实现了，这种情况全部进给运动均由铣头运动来完成，如图2（d）所示，这种布局形式可以减小铣床的结构尺寸和质量。本次设计的是中型卧式镗铣数控机床，加工时零件尺寸和质量可能都较大，但任务书未对生产效率提出特别的要求。因此综合考虑，采用由铣头带着刀具完成垂直进给运动，立柱带着主轴箱完成横向进给，工件只作纵向进给的运动分配方案。2.3机床总体布局机床总体布局应能同时保证机床具有良好的精度、刚度、抗振性和热稳定性等结构性能。如图3所示，为几种常见的数控卧式铣床布局结构。在前面的运动分配中，已选择采用由铣头带着刀具完成垂直
24、进给运动，立柱带着主轴箱完成横向进给，工件只作纵向进给的运动分配方案，此即为立柱移动式结构。此时若机床布局选择图3（c）和图3（d）方案，当工作台带着数控转台在横向（即X向）做距离移动和下滑板做Z向进给时，Z向床身的一条导轨将会承受很大的偏载。而在图3（a）和图3（b）方案中，立柱通过床身直接与地面接触，就没有这一问题了。图3几种常见的数控卧式铣床布局因此机床总体布局选择图3（a）或图3（b）方案，T形床身设计。为简化设计，最终选择图3（b）方案，单立柱式侧挂主轴箱T形床身设计。机床布局示意图如下图所示。图4卧式镗铣数控机床布局方案图3主传动系统方案设计3.1主传动系统变速方式的选择数控机床的
25、变速是按照控制指令自动进行的，因此大多数数控机床采用无级变速系统，以使变速机构适应自动操作的要求。其常见的主传动系统有下面三种方式：（a）变速齿轮 （b）带传动 （c）装电动机主轴传动结构图5数控机床主传动的配置方式其中：（a）是带有变速齿轮的主传动，它通过两级或三级齿轮降速，使之成为分段无级变速，确保低速运行时满足主轴输出转矩特性的要求。这种配置方式主要用于大、中型数控机床。（b）是通过带传动的主传动，它主要应用在小型数控机床上，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，但它只能适用于低转矩特性要求的主轴。（c）是电主轴设计，这种变速方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效提高了主轴部件刚度，但由
26、于电动机转子轴即为机床主轴，受电机输出转矩特性限制，主轴输出转矩小，并且电动机发热对主轴精度影响较大。结合我的毕业设计分析：铣削过程是断续切削，同时工作的齿数较多，每个刀齿切削的厚度也是变化的，因此铣刀刀刃处于间歇切削状态，散热条件较好，有利于采用高速铣削，以提高生产率。但与铣削相比，镗削加工多用于半精和精加工，对加工质量的要求比生产效率放在更重要的位置，并且镗削的适用切削速度也比铣削低得多。这就要求该机床主传动应具有一定的调速围，以保证加工时铣削和镗削能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量；也对主轴低速时的输出转矩提出了一定要求。并且，在毕业设计过程中，指导老师建议我
27、按中型数控机床规格进行设计。因此，本次设计的卧式镗铣数控机床主传动系统采用带有变速齿轮的主传动，以满足加工对机床变速围的要求和镗削时对主轴输出转矩的要求。3.2主传动系统变速方案的确定正如上面的分析，该机床的主传动系统采用分段无级变速系统。齿轮变速级数初步定为两级，高速级和低速级。当机床用于铣削加工时，其主轴输出转速较大，一般都处在电动机的恒转矩变速围，此时可由高速级输出；而当机床用于镗削加工时，其主轴输出转速一般都较小，为了保证此时主轴输出转矩满足加工要求，转速由变速系统低速级输出。考虑到设计中镗杆的可伸缩结构，为使传动件结构和设计计算尽量简单，将滑移齿轮布置在轴上，并且齿轮传动的高速级和低
28、速级传动比分别为1：1和1：2；轴和轴间采用定比传动，传动比为1：1.5。本次设计的主传动系统示意图如下：图6传动系统示意图4主传动系统主要传动件计算4.1主轴电机功率和型号的选择4.1.1主传动功率的确定在进行机床设计过程中，主轴电机功率的正确选择是很重要的。功率选得过小，不能保证工作机的正常工作或使电动机将长期处于满载甚至过载状态而过早损坏。而功率选得过大，电动机价格高，且经常不在满载下运行，电动机效率和功率因数都很低，造成很大的浪费。因此，机床的主传动功率是选择主轴电机功率和型号的重要依据。机床主传动的功率可根据切削功率与主运动传动链的总效率来确定其中，为机床传动总效率，一般取0.750
29、.85，在本次设计中取0.8计算。而切削功率应是三个切削分力消耗功率的总和，但背向力消耗的功率为零，进给力消耗的功率很小，一般可忽略不计。因此，切削功率可用下式计算：式中：切削速度，；切削力，单位。生产中，常用切削层单位面积切削力来估算切削力的大小。因为是切削力与切削层公称横截面积之比，所以式中：切削层单位面积切削力，（即）；切削层公称宽度，；切削层公称厚度，。因为铣削时，同时工作的齿数较多，加工余量也比镗削大得多，因此切削功率应以硬质合金刀具铣削碳钢为标准来计算。查金属工艺学（下册）表1-2几种常用材料的值，考虑到在日后生产过程中，可能会遇到一些难加工材料，因此，取值稍偏大，为；切削层公称宽
30、度在铣削中表现为切削深度，而在加工过程中，为了使刀尖避开铸、锻工件毛坯表面硬化层，第一次的背吃刀量要尽可能大，取；切削层公称厚度在铣削中与每齿进给量有关，故取。则切削力大小为：切削功率用式 计算。其中，切削速度上式中：切削速度（）主轴转速（）工件或刀具直径（）估取主轴转速，铣刀直径，则对应切削速度为参考切削手册表8-4铣削速度推荐围，取代入计算，得则机床主传动所需功率为：4.1.2主电机的选择本次设计使用的主轴电机从指导老师提供的1PH6风冷式交流主轴电机产品系列中选取。从产品系列中可以看到，满足机床主传动功率要求的电机型号为1PH6 135-4NF0，其主要参数如下：额定功率：额定转速：最高
31、转速：最低转速：额定扭矩：约 重：外形尺寸详细参数如图7所示：图71PH6 135-4NF0主轴电机外形与安装尺寸图4.2传动件运动和动力参数计算4.2.1各轴计算转速的确定零件设计的主要依据是所承受的载荷大小，而载荷取决于所传递的功率和转速，外载一定时，转速越高，所传递的转矩就越小。因此，对于转速可调的传动系统，必须确定一个经济合理的计算转速，作为强度计算和校核的依据。查机械制造装备设计表2-2各类通用机床主轴的计算转速可以知道，中型卧式镗铣床无级传动时的主轴计算转速公式：其中：由此可得主轴（轴）计算转速：则、轴计算转速分别为：4.2.2各轴输入功率的确定传动系统中，有相对运动的物体间总是伴
32、随着摩擦和磨损，并且啮合齿轮间也会因为制造和安装误差使其在运转过程中产生振动和噪声，这些都不可避免地存在功率损失。因此当电动机输出为额定功率时，具体传递到某一级轴上的功率就不再是额定功率了，而必须考虑联轴器、轴承、齿轮等的传动效率。机械设计课程设计表2-2机械传动和轴承等效率的概略值收录了常用机械传动（包括齿轮传动、链传动、V带传动、联轴器等）和轴承等的效率的概略值，参照前面方案设计中的传动系统示意图，可初估各轴输入功率如下：4.3轴的设计在转轴设计中，其特点是不能首先通过精确计算确定轴的截面尺寸。因为转轴工作时，受弯矩和转矩联合作用，而弯矩又与轴上载荷的大小与轴上零件相互位置有关，所以当轴的
33、结构尺寸未确定前，无法求出轴所受的弯矩。因此，转轴设计时，开始只能按扭转强度或经验公式估算轴的直径，然后进行轴的结构设计，最后进行轴的强度验算。4.3.1初估各轴直径查机械设计手册（中册）表8-347按扭转强度与刚度计算轴径的公式或以得到按扭转强度计算的估算轴径为：实心轴：空心轴：其中：轴端直径；根据许用扭转角确定的系数，按机械设计手册（中册）表8-348选取；轴的输入功率；轴的计算转速；空心轴的径和外径之比，计算系数的值见机械设计手册（中册）表8-361。如图8所示，由材料力学的知识可知，剪应力在横截面上是线性分布的，圆心处为零，当圆周上有最大应力值时，中心部分的应力仍较小，材料并没有充分发
34、挥作用。如果将这部分材料旋转在离圆心比较远的地方，可明显地增大截面的极惯性矩，这样就自然提高了轴的承载能力。当然，并不是说所有的轴都要做成空心的，对一些直径较小的轴，如果加工成空心轴，反而会因加工工序增加或加工困难而增加成本、造成浪费。图8受扭转轴横截面剪应力分布图图9铣刀盘安装示意图机床的传动系统中，传动轴的直径一般不会太大，因此，多数情况下传动轴都是实心的；但主轴因为其尺寸参数通常由结构需要而定，而主轴前端要安装刀具，因此，为了拉紧刀具并保证铣刀尖与主轴的同轴度，主轴一般都做成空心的，其部分布着芯轴和拉刀装置，如图9所示。因此，该传动系统、轴按实心轴计算公式估算。查机械设计手册（中册）表8
35、-348几种常用材料的与值，得45钢值为，计算中取，则另由传动系统示意图可知，轴联轴器端应有一个键槽，因此轴的最小轴径应在的基础上增大5%，即：取主轴径和外径之比为，查机械设计手册（中册）表8-361空心轴系数表得计算系数，则满足强度要求的主轴最小直径为：4.3.2传动轴结构设计根据主轴箱传动系统简图上主要零件的布置图和轴的初步估算轴径，进行轴的结构设计。考虑到主轴的伸缩式结构，并且完成主轴箱设计后要与床身立柱相配合，此处结构设计主要确定的是轴上各段轴颈的大小，长度方向尺寸在主轴结构设计完成后再考虑。首先对轴进行结构设计。轴最小轴径为，并且它要与主轴电机输出端通过联轴器相连。由图7知，主轴电机
36、输出轴直径为。查机械设计课程设计表13-5弹性柱销联轴器，选择LT7型即可满足要求。LT7型弹性柱销联轴器安装尺寸如下图所示：图10LT7型弹性柱销联轴器安装尺寸图因此，轴联轴器端（即最小轴径处）直径大小为。根据确定的联轴器端直径和该轴上布置的主要零件，确定轴各段轴颈的大小如下：图11轴轴颈尺寸分布图轴联轴器端直径为，联轴器轴向由轴肩定位；31310圆锥滚子轴承径大小为，轴承圈用花键外径定位，外圈用轴承端盖压紧；轴上花键规格为，31310圆锥滚子轴承圈定位轴肩要求不小于，因此采用花键外径定位轴承圈满足要求。齿轮左端和右端分别采用光轴轴肩和轴用挡圈定位，均能满足定位精度要求。另外，如轴结构设计图
37、，考虑到主轴箱各处轴承和齿轮啮合处的润滑，在轴上设置一个凸轮，用来推动润滑油泵工作，将主轴箱底部润滑油泵送至各润滑点。轴的结构设计步骤与轴类似，而且轴是通过齿轮与轴进行动力传动的，不需要联轴器，因此它的结构设计比轴更简单，在这里就不再赘述其过程了。最终得到的轴各段轴颈大小如图12所示。图12轴轴颈尺寸分布图4.3.3主轴结构设计该卧式镗铣数控机床与普通机床相比，最大的特点是：立柱的水平移动在加工中只用作粗定位时的移动，而切削进给由主轴的伸缩实现。因此，主轴的结构设计是本次主传动系统设计的一个重要环节。为了实现主轴边旋转边伸缩的功能，设计中我联想到了很多类似结构以供参考。其中最先联想到的是台式钻
38、床的主轴设计方案：钻头在电动机带动下高速旋转，同时操作人员通过操纵杆使钻头向下伸出，完成钻削工作。从原理上看，其主轴功能与本次设计的卧式镗铣数控机床主轴也很像。另外联想到的类似结构还有变速箱中的滑移齿轮：滑移齿轮通过轮齿啮合传递转矩，当需要变速时则可在花键的导向作用下进行滑移，以实现齿轮在旋转的同时也可以滑动的功能。分析以上两种移动旋转件的方法，台式钻床的主轴结构在此前金工实习中进行过拆装训练，但因为当时本身对其主轴结构不是很明白，而且时间也比较久了，不能完整回忆出当时的主轴结构。而滑移齿轮的结构，在上学期专业课程设计CA6140主传动系统设计中已经有过接触，因此决定选择类似滑移齿轮的设计方案
39、。如图13示，虽然设计方案与滑移齿轮类似，但是值得注意的是，滑移齿轮在花键上滑移的时间与它的转动相比，滑移所占时间的比例很小，因此花键联结主要还是用来传递扭矩的。另外，花键的齿槽较浅而齿数却相对较多，这种设计对轴与轮毂的强度削弱较少，应力集中小，配合的对中性和导向性能好等优点。但也正是因为花键齿槽深度不会太大，并且齿数较多，导致多个面精密配合时对加工的要求和成本都会增加很多，因此花键不适合用于导向精度较高的场合。图13花键截面示意图为了同时满足传递扭矩和主轴伸缩时导向精度的要求，此处的键联结应该选择导键联结。导键又叫导向平键，是一种较长的平键，用螺钉固定在轴上的键槽中，轴上零件能沿键作轴向滑移
40、。其工作原理如图14所示。图14导键工作原理图另外，层主轴的外径和外层主轴的径间也设计配合关系，这样，当层主轴作伸缩时，外层主轴和导键就能同时为其导向，导键还起到传递扭矩的作用。下面再就主轴的支承形式展开讨论。主轴组件的滚动轴承一般既要有承受径向载荷的径向轴承，又要有承受两个方向轴向载荷的推力轴承。因此，本次设计中主轴的支承借鉴CA6140的设计，前端采用双列圆柱滚子轴承配双向推力轴承的支承形式，后端采用单列圆柱滚子轴承支承。机床工作过程中，层主轴在外层主轴作伸缩运动，外层主轴间通过导键传递扭矩，而通过外层主轴之间的配合形成支承。根据以上分析，最后确定如图15所示主轴的支承形式。图15主轴前端
41、支承结构分析到这里只是勾勒出了双层主轴前端的草图，要确定前端一系列支承的径向尺寸，必须先确定主轴后端的尺寸结构（主轴做成前大后小，方便安装和加工）。层主轴的伸缩运动是由伺服电机驱动滚珠丝杠，进而由丝杠螺母带动其向前伸出或退回的。因此，主轴后端有与丝杠螺母相连接的螺母座，它与主轴的连接方式应保证它能对主轴施加沿轴向的两个方向的力。而为了保证刀具安装牢固可靠，主轴部应设计拉刀机构，当需要换刀时由位于主轴后部的油缸将拉杆顶出，释放刀具，平时则依靠碟形弹簧自然拉紧。拉刀杆部要设计成空心结构，以便在换刀时由气缸吹入高压空气，将刀具刀柄和主轴安装孔上的铁屑等杂物吹净，以保护主轴安装孔和刀具刀柄不被划伤，并
42、保证刀具的安装精度。按照机械结构设计由至外的原则，先确定拉刀杆的尺寸，再选择合适的碟形弹簧，确定出层主轴最大孔径，然后根据强度需要给主轴选择合适的壁厚以确定层主轴的最小外径尺寸，并依此完成主轴末端螺母座的结构设计如图16所示。图16主轴末端螺母座结构尺寸图从图16上可知：层主轴最小外径为，比按照扭转强度估算得到的最小外径大，满足强度要求。与外层主轴配合的外径大小为，也就是说层主轴前轴颈应不小于。而本次设计中主轴输入功率为，查数控机床设计实践指南表3-6通用机床主轴前轴颈尺寸得，主轴驱动功率在时，铣床主轴前轴颈推荐尺寸围为。因此，螺母座的结构设计基本满足各方面尺寸要求。其轴向尺寸则由轴承、圆螺母
43、等的尺寸决定。图17主轴前端支承结构尺寸图根据确定出的层主轴轴颈尺寸并选择合理的壁厚以满足强度要求，再逐步向外扩展，依据轴承径尺寸和所需定位轴肩高度，逐步确定出外层主轴的各段轴颈尺寸，并得到如图17所示主轴前端各轴颈尺寸。为使设计简单，主轴箱不设置隔板，外层主轴前后两端轴承均安装在主轴箱外壁上。因此，外层主轴的轴向尺寸在保证轴上各零件正常安装的前提下，与主轴箱宽度有关。而层主轴的长度，则与其工作行程有着密切关系，设计中发现，工作行程取得过大，会使主轴导向长度过短，从而影响导向和加工精度；而取得过小，主轴伸出长度有限，又不能满足加工需要，充分发挥机床性能。最后折中选择主轴行程为。考虑到主轴箱要在
44、立导轨上作竖直方向成形运动，因此主轴箱宽度按立导轨的宽度选择。该卧式镗铣数控机床的立柱部分，是另外一位同学设计的，他设计的导轨安装宽度为，则箱体外侧宽度可按如图18所示装配关系确定。图18主轴箱与立柱导轨装配关系图分析图18可得主轴箱外侧宽度为。到此，主轴（包括层主轴和外层主轴）结构设计所需的重要尺寸都已经确定下来了。如图19所示，为本次设计中主轴的结构与尺寸关系。图19主轴主要轴向尺寸前面传动轴结构设计中，因为当时箱体宽度无法确定，因此只对、轴各段轴颈进行了设计。现在箱体宽度和主轴结构都已确定，则、轴最终结构与尺寸确定如图20和图21所示，具体尺寸结构见主轴箱装配图。图20轴主要轴向尺寸图2
45、1轴主要轴向尺寸4.4齿轮设计为简化设计计算，在这里先根据由轴的结构设计得到的数据估算出各轴中心距、齿轮模数和齿数，然后对估取的模数进行校核（该过程实际上是校核轮齿的弯曲疲劳强度），最后再在强度校核时校核各轮齿的齿面接触强度就行了。4.4.1齿轮中心距的估取从前面传动轴和主轴的结构设计的过程可以看到，各轴结构设计完成后，轴上端盖或法兰的外形尺寸也就基本确定了。因此，轴上齿轮正确啮合时应保证两传动轴和主轴的端盖、法兰盖之间不会产生干涉。由前面的分析可知，、轴上端盖或法兰盖外径处尺寸分别为、。则、轴和、轴的中心距应分别满足下面的关系：4.4.2齿轮模数的估取在机床的传动系统中，在传递功率一定的前提
46、下，齿轮的运转速度越高，传递的转矩就越小，所需齿轮模数也就越小；而低速级齿轮，因其运转速度较低，传递转矩较大，则需要选用稍大模数齿轮，以防止轮齿折断；或是像主轴上使用的齿轮，因为主轴轴颈一般都较大，因此为了解决分度圆尺寸较大而另一方面齿轮齿数又不能太多的矛盾，也需要选择较大模数。因此，在机床的传动系统中，一般会用到2到3种模数，并沿高速级向低速级模数逐渐增大，以适应输出转矩增大的需要的传动顺序，模数逐渐增大，以适应输出转矩增大或是满足结构要求的需要。本次设计选用的主轴电机功率为，主轴箱高速端是一级变速组、低速端是一级定比传动。初选高速组模数大小为，低速组模数为。则、轴和、轴上啮合齿轮的齿数和分别为：4.4.3初算齿轮齿数将上面求得的齿数和对照数控机床设计实践指南表2-3各种常用传动比的适用齿数，得且时的适用齿数为或；且时的适用齿数为。4.4.4齿轮模数的校核a)确定齿轮材料和极限应力传动系统设计时，在满足传动要求的前提下，应尽可能降低成本，故变速齿轮选用45钢表面淬火，硬度。由机械设计图5-32c查得45钢表面淬火后齿根弯曲疲劳极限应力；由机械设计图5-33