立式铣床立铣头设计

立式铣床立铣头设计 摘 要 随着制造业的发展，高速度、高效率、高精度和高刚度已经成为当今机床发展的主要方向。为了满足当前机床市场的需要，铣床已经成为了当今机械行业一个重要的发展趋势，特别是在工业制造，加工过程中有着举足轻重的地位。在各式各样的机床中，立式铣床有着独特的加工对象。主要是对大型的平面、沟槽等进行铣削。在对铣床的研究中达到了一定的水平，从而铣床的主要配件立铣头的研究在一定程度上也达到了空前的规模。通过以往的加工经验可以对立铣头的研究在一定程度上有所改进，铣床主轴是靠齿轮进行传动的。铣床铣头的转动方式有多种多样，每种机床铣头的形式都不尽相同。立铣头的传动方式也是多种多样，立铣头主轴传动系统采用齿轮传动，传动形式采用集中式传动，主轴变速系统采用多联滑移齿轮变速。齿轮传动具有传动效率高，结构紧凑，工作可靠、寿命长，传动比准确等优点，齿轮机构是现代机械中应用最广泛的传动机构，用于传递空间任意两轴或多轴之间的运动和动力。现在的工业发展对铣削有了更加苛刻的要求，高精度、高速度、高效率、复合型、智能型等是今后发展的主要趋势。 关键词:铣床;齿轮传动;传动系统图;立铣头 I Vertical Milling Machine Legislation Xitou Abstract With the development of the manufacturing sector, high-speed, high efficiency, high precision and high rigidity of the current machine has become the main direction. In order to meet the needs of the market at present machine, milling machine has become today's machinery industry an important development trend, especially in the industrial manufacturing, processing is a pivotal position. In all kinds of machine tools, vertical milling machine has the unique objects. The main is milling , such as the plane and groove act. Milling spindles is on the gear transmission. Milling head turns way each are not identical , The main axis milling machine is relying on the power transmission gear. Spindle drive system using gear transmission, transmission using centralized form of transmission, multi-spindle transmission system of sliding gear transmission. Gear transmission with high efficiency, compact, reliable, long life and accurate transmission than the advantages of modern machinery is gearing the application of the most extensive transmission mechanism for the transfer of space or any multi-axis between the two axes of movement and Momentum. Key Words : Milling machine ; gear transmission ; vertical milling head ; Transmission systems II 目 录 摘 要..............................................................................................................I Abstract ....................................................................................................... II 1 绪论 ......................................................................................................... 0 1.1课题研究的目的及意义 ............................................................................................... 0 1.2国内外机床的发展现状 ............................................................................................... 0 1.3机床的发展趋势 ........................................................................................................... 3 1.4 目前铣床方面存在的一些问题 .................................................................................. 4 1.5立式升降台铣床其主要组成部分 ............................................................................... 5 1.5.1 铣头 .................................................................................................................... 5 1.5.2 主轴 .................................................................................................................... 5 1.5.3 工作台 ................................................................................................................ 5 1.5.4 床鞍 .................................................................................................................... 5 1.5.5 升降台 ................................................................................................................ 6 1.6 立铣头结构 .................................................................................................................. 6 2 总体设计 ................................................................................................. 7 2.1 立铣头的功能分析 ...................................................................................................... 7 2.2 的提出 .................................................................................................................. 7 2.3详细的设计 ................................................................................................................. 10 2.3.1分析拟定传动方案 ........................................................................................... 10 2.3.2选择电动机 ....................................................................................................... 11 2.4进给转速图和传动系统图的设计 ............................................................................. 12 2.4.1设计步骤 ........................................................................................................... 12 2.4.2确定极限转速 ................................................................................................... 13 2.4.3确定公比 ........................................................................................................... 13 0 2.4.4求出主轴转速级数 ........................................................................................... 13 2.4.5绘制转速图 ....................................................................................................... 13 2.4.6应该注意的问题 ............................................................................................... 14 2.5铣削三要素与计算 ..................................................................................................... 14 2.5.1铣削三要素 ....................................................................................................... 14 2.5.2进给量 ............................................................................................................... 14 2.5.3 背吃刀量和侧吃刀量 ............................................................................. 14 aape 2.5.4切削深度 ........................................................................................................... 14 2.5.5 切削层宽度 ...................................................................................................... 15 2.5.6切削层面积 ....................................................................................................... 15 2.6铣削用量的选择 ......................................................................................................... 15 2.6.1铣削用量的选择原则 ....................................................................................... 15 2.6.2 铣削吃刀量的选择 .......................................................................................... 16 2(7 切削液 ..................................................................................................................... 16 2.7.1 切削液的作用 .................................................................................................. 16 2.7.2切削液的加注 ........................................................................................... 17 2.8铣床加工误差、故障分析及排除方法 ..................................................................... 17 2.9铣床及其刀具的介绍 ................................................................................................. 18 2.9.1 铣床的介绍 ...................................................................................................... 18 2.9.2 铣刀的名称与用途 .......................................................................................... 21 3 主轴的设计.............................................................................................. 32 3.1 主轴的基本要求 ........................................................................................................ 32 3.1.1 旋转精度 ..........................................................................错误～未定义书签。 3.1.2 刚度 ..................................................................................错误～未定义书签。 3.1.3 抗振性 ..............................................................................错误～未定义书签。 3.2 主轴组件的布局 ........................................................................错误～未定义书签。 3.2.1适应刚度和承载能力的要求 ...........................................错误～未定义书签。 3.2.2 适应精度的要求 ..............................................................错误～未定义书签。 3.2.3 适应结构要求 ..................................................................错误～未定义书签。 3.2.4 适应经济性要求 ..............................................................错误～未定义书签。 3.3 主轴结构的初步拟定 ................................................................错误～未定义书签。 3.4 主轴的材料与热处理 ................................................................错误～未定义书签。 3.5 主轴的技术要求 ........................................................................错误～未定义书签。 3.5.1轴颈 ...................................................................................错误～未定义书签。 3.5.2 内锥孔 ..............................................................................错误～未定义书签。 3.6 主轴结构图 ................................................................................错误～未定义书签。 3.7 主轴组件的润滑和密封 ............................................................错误～未定义书签。 3.7.1主轴组件的润滑 ...............................................................错误～未定义书签。 3.7.2 主轴组件的密封 ..............................................................错误～未定义书签。 4 铣床附件及夹具 ...................................................... 错误～未定义书签。 4.1铣床常用附件 .............................................................................错误～未定义书签。 4.1.1平口钳 ...............................................................................错误～未定义书签。 4.1.2回转工作台 .......................................................................错误～未定义书签。 4.1.3立铣头 ...............................................................................错误～未定义书签。 4.1.4万能分度头 .......................................................................错误～未定义书签。 4.2分度头的结构 .............................................................................错误～未定义书签。 4.2.1.主轴 ................................................................................................................... 33 4.2.2.本体 ................................................................................................................... 33 4.2.3支座 ................................................................................................................... 33 4.2.4端盖 ................................................................................................................... 33 4.2.5分度盘 ............................................................................................................... 33 4.2.6蜗轮副间隙调整及蜗杆脱落机构 ................................................................... 33 4.2.7主轴锁紧机构 ................................................................................................... 34 4.3分度头的传动系统 ..................................................................................................... 34 4.3.1.分度头的分度方法 ........................................................................................... 34 5.传动件的选型及校核 ............................................................................... 38 5.1轴 ................................................................................................................................. 38 5.1.1轴的拟定 ........................................................................................................... 38 5.1.2计算轴的功率、转速及轴颈 ........................................................................... 38 5.1.3轴的强度校核计算 ........................................................................................... 40 5.2齿轮 ............................................................................................................................. 42 5.2.1选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 ....................................................... 42 5.2.2计算齿轮参数 ................................................................................................... 42 5.2.3验算齿轮的弯曲强度 ....................................................................................... 43 5.2.4计算主要几何参数 ........................................................................................... 43 5.2.5润滑 ................................................................................................................... 43 5.3滚动轴承 ..................................................................................................................... 44 5.4键的验算 ..................................................................................................................... 44 5.5轴的强度校核计算 ..................................................................................................... 45 5.5.1传动轴校核计算 ............................................................................................... 45 5.5.2主轴校核 ........................................................................................................... 46 6 结论 ....................................................................................................... 47 参考文献 ..................................................................................................... 47 致 谢 ......................................................................................................... 48 毕业设计(论文)知识产权声明................................................................ 48 毕业设计(论文)独创性声明 ................................................................... 49 主 要 符 号 表 d铣刀直径 w n 铣刀每分钟转数 p 电机功率 p切削功率 c p空载功率 i p载荷附加功率 a F切削力的切向分力 t , 效率 i 传动比 M 弯矩 T 转矩 1 绪论 1 绪论 1.1课题研究的目的及意义 在我国的各个工农业生产部门，科研单位和国防部门中，使用着大量各式各样的机器，仪器和工具。这些机器，仪器和工具大部分是由一定形状和尺寸的金属零件所组成，生产这些零件并将它们装配成机器，仪器和工具的工业，称为机械制造工业。机械制造工业的任务，就是为国民经济各部门，科研单位和国防部门提供现代化的技术装备。如果我们没有强大而完整的现代化机械制造工业，就无法用现代化的装备来武装各个国民经济部门，科研单位和国防部门，就不能独立而迅速地发展我们国家的制造水平，这样会被国外的先进技术所替代，我们的国家就会落后，进而陷入没有自主产权的地步。铣床主要是利用刀具的旋转将工件表面多余的部分一层一层的切削而除去，从而形成具有一定尺寸，形状和精度的工件。在一般的生产体系中，铣床的加工范围占整个机器生产的重要部分，一个高效而精确的铣头是铣床切削毛坯必不可少的配置。铣床立铣头可绕水平轴在垂直平面内作回转调整，因而可铣削斜面;机床采用分度头和圆形工作台时，可铣削齿轮)铰刀和钻头的螺旋面，以及凸轮和圆弧槽等;由于是多到断续切削，因而铣床的切削效率高。它的这种高效率和特殊的加工方法使得我们不断的研究和探索有关它的各种相关的配置及各式各样的机床。 1.2国内外机床的发展现状 20世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用，计算机及控制技术在机械制造设备中的应用是世纪内制造业发展的最重大的技术进步。自从1952年美国第1台数控铣床问世至今已经历了50个年头。 数控设备包括:车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工以及各类专用机床，形成庞大的数控制造设备家族，每年全世界的产量有10,20万台，产值上百亿美元。 世界制造业在20世纪末的十几年中经历了几次反复，曾一度几乎快成为夕阳工业，所以美国人首先提出了要振兴现代制造业。90年代的全世界数控机床制造业都经过重大改组。如美国、德国等几大制造商都经过较大变动，从90年代初开始已出现明显的回升，在全世界制造业形成新的技术更新浪潮。如德国机床行业从2000年至今已接受3个月以后的订货合同，生产任务饱满。 我国数控机床制造业在80年代曾有过高速发展的阶段，许多机床厂从传统产品实现向数控化产品的转型。但总的来说，技术水平不高，质量不佳，所以在90年代初期面临国家经济由性经济向市场经济转移调整，经历了几年最困难的萧条时期，那时生产 0 1 绪论 能力降到50,，库存超过4个月。从1995年“九五”以后国家从扩大内需启动机床市场，加强限制进口数控设备的审批，投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关，对数控设备生产起到了很大的促进作用，尤其是在1999年以后，国家向国防工业及关键民 用工业部门投入大量技改资金，使数控设备制造市场一派繁荣。从2000年8月份的上海数控机床展览会和2001年4月北京国际机床展览会上，也可以看到多品种产品的繁荣景象。但也反映了下列问题: (1)低技术水平的产品竞争激烈，相互靠压价促销; (2) 高技术水平、全功能产品主要靠进口; (3) 配套的高质量功能部件、数控系统附件主要靠进口; (4) 应用技术水平较低，联网技术没有完全推广使用; (5) 自行开发能力较差，相对有较高技术水平产品主要靠引进图纸、合资生产或进口件组装。 当今世界工业国家数控机床的拥有量反映了这个国家的经济能力和国防实力。目前我国是全世界机床拥有量最多的国家(近300万台)，但我们的机床数控化率仅达到1.9,左右，这与西方工业国家一般能达到20,的差距太大。日本不到80万台的机床却有近10倍于我国的制造能力。数控化率低，已有数控机床利用率、开动率低，这是发展我国21世纪制造业必须首先解决的最主要问题。每年我们国产全功能数控机床3000,4000台，日本1年产5万多台数控机床，每年我们花十几亿美元进口7000,9000台数控机床，即使这样我国制造业也很难把行业中数控化率大幅度提上去。因此，国家计委、经贸委从“八五”、“九五”就提出数控化改造的方针，在“九五”期间，我协会也曾做过调研。当时提出数控化改造的设备可达8,10万台，需投入80,100亿资金，但得到的经济效益将是投入的5,10倍以上。因此，这两年来承担数控化改造的企业公司大量涌现，甚至还有美国公司加入。“十五”刚刚开始，国防科工委就明确提出了在军工企业中投入6.8亿元，用于对1.2,1.8万台机床的数控化改造。 数控技术经过50年的2个阶段和6代的发展: 第1阶段:硬件数控(NC) 第1代:1952年的电子管 第2代:1959年晶体管分离元件 第3代:1965年的小规模集成电路。第2阶段:软件数控(CNC) 第4代:1970年的小型计算机 第5代:1974年的微处理器 第6代:1990年基于个人PC机(PC,BASEO) 第6代的系统优点主要有: (1) 元器件集成度高，可靠性好，性能高，可靠性已可达到,万小时以上; (2) 基于PC平台，技术进步快，升级换代容易; (3) 提供了开放式基础，可供利用的软、硬件资源丰富，使数控功能扩展到很宽的领域(如CAD、CAM、CAPP，连接网卡、声卡、打印机、摄影机等); (4) 对数控系统生产厂来说，提供了优良的开发环境，简化了硬件。 目前，国际上最大的数控系统生产厂是日本FANUC公司，1年生产5万套以上系统，占世界市场约40,左右，其次是德国的西门子公司约占15,以上，再次是德海德汉尔，西班牙发格，意大利菲亚，法国的NUM，日本的三菱、安川。 国产数控系统厂家主要有华中数控、北京航天机床数控集团、北京凯恩帝、北京凯奇、沈阳艺天、广州数控、南京新方达、成都广泰等，国产数控生产厂家规模都较小， 1 西安工业大学毕业设计(论文) 年产都还没有超过300,400套。 近10年数控机床为适应加工技术发展，在以下几个技术领域都有巨大进步。 (1) 高速化 由于高速加工技术普及，机床普遍提高各方面速度，车床主轴转速由3000,4000r/min提高到8000,10000r/min，铣床和加工中心主轴转速由4000,8000r/min提高到12000r/min、24000r/min、40000r/min以上快速移动速度由过去的10,20m/min提高到48m/min、60m/min、80m/min、120m/min在提高速度的同时要求提高运动部件起动的加速度，其已由过去一般机床的0.5G(重力加速度)提高到1.5,2G，最高可达15G，直线电机在机床上开始使用，主轴上大量采用内装式主轴电机。 (2) 高精度化 数控机床的定位精度已由一般的0.01,0.02mm提高到0.008mm左右，亚微米级机床达到0.0005mm左右，纳米级机床达到0.005,0.01μ,，最小分辨率为1nm(0.000001mm)的数控系统和机床已有产品。 数控中两轴以上插补技术大大提高，纳米级插补使两轴联动出的圆弧都可以达到1um的圆度，插补前多程序段预读，大大提高插补质量，并可进行自动拐角处理等。 (3) 复合加工、新结构机床大量出现 如5轴5面体复合加工机床，5轴5联动加工各类异形零件。也派生出各新颖的机床结构，包括6轴虚拟轴机床，串并联铰链机床等。采用特殊机械结构，数控的特殊运算方式，特殊编程要求。 (4) 使用各种高效特殊功能的刀具使数控机床“如虎添翼”。如内冷钻头由于使高压冷却液直接冷却钻头切削刃和排除切屑，在钻深孔时大大提高效率。加工钢件切削速度能达1000m/min，加工铝件能达5000m/min。 (5) 数控机床的开放性和联网管理，已是使用数控机床的基本要求，它不仅是提高数控机床开动率、生产率的必要手段，而且是企业合理化、最佳化利用这些制造手段的方法。因此，计算机集成制造、网络制造、异地诊断、虚拟制造、异行工程等等各种新技术都在数控机床基础上发展起来，这必然成为21世纪制造业发展的一个主要潮流。 1.3机床的发展趋势 制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，机械制造是制造业的核心。现代的制造技术的应用使得传统的制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，它对国民生计起着越来与重要的作用。对于现代机床的发展趋势，有一下几点总结。 (1) 追求具有更高加工效率的机床。因为提高机床的效率就等于缩短零件的加工周期，缩短加工周期有两条途径，一条途径是提高切削速度，即提高主轴转速。目前车床和车削中心的主轴转速都在8000r/min以上，加工中心的主轴转速一般都在15000,20000r/min，还有40000r/min和60000r/min的。同样，送给速度也有大幅度提高，可达20m/min，甚至60m/min。随着切削速度的增加，机床的结构刚性和动态特性都有明显提高，高速主轴和刀具系统的动平衡设计也获得相应提高;另一条途径是减少非加工时间。因为在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升、降速上，因此，复合机床的研发近期发展很快，其核心是在一台机床上要完成车、铣、钻、镗、攻丝、铰孔和扩孔等多种操作工序。车床技术发展的主要趋势是多功能机床，目前的多功能复合机床实际上就是一台具有车削功能的加工中心。在 3 西安工业大学毕业设计(论文) 磨削方面，目前的技术重点是开发基于PC的磨削控制系统，一台磨床能进行内圆、外圆和台阶轴磨削，或给机床以不同的循环来加快生产进程，既磨得快又能保证尺寸精度和表面粗糙度。 (2) 追求更加安全可靠和符合环保要求的机床。由于机床的运行速度的提高，操作者的安全和健康也被提到优先考虑的位置。目前美国研制的高档机床在可能伤害人的地方几乎都加有安全警示装置。干切削和微量润滑剂切削方法因其可大大减少润滑剂的挥发而得到越来越广泛的应用，并且，几乎整个机床都是被封闭起来的，有些机床甚至看不到切屑，这样，即使有过量的油雾和烟雾也容易收集。同时，机床操作者在工作时的环境、位置会被考虑得非常舒适。此外，无污染的清洁加工技术也受到极大重视。 (3) 机床配套部件产业迅速发展。机床配套件发展很快，品种齐全。主要产品有滚珠丝杠副、精密轴承、各种转台、换刀装置、各种气动、液压装置、直线导轨及主轴部件等等。这些配套件产业的发展有力地推动了机床主机的发展，不但有助于提高机床的速度和性能，而且可以大大缩短主机的生产周期，降低生产成本。 (4) 追求更加完善的控制系统。更高速的处理器和更精确的控制设备使机床的功能和性能完善而强大。技术密集已进入超速发展阶段，而集成的关键是开放式结构。PCC技术的应用，开始改变了机床的工作方式，把CNC推向了控制中心而不局限于机床控制器的范围。控制软件发展更快，一年甚至改进几次。CNC制造商已提供一些开放式结构的CNC系统。目前机械制造厂里开放式结构的CNC控制器占到10%,20%。 零件程序可以离线开发，然后传送到生产车间的编程系统，在CNC控制器上运行，操作者可以观察、检测刀具运行情况和加工过程，还可以对加工过程进行必要的修正。美国GEFANUC公司销售的控制器中，有30%是开放式的，实现了真正的CAM/CNC集成，并趋于智能化控制，还可上网。虚拟制造和无纸化生产的技术基础已经具备，借助信息技术，此类软件的应用将以更快速度发展。 (5) 追求更高的机床外观质量。目前，机床制造商更加注重机床造型的美观和色调的协调柔和，机床精品更向工艺品方向发展。 1.4 目前铣床方面存在的一些问题 立式铣床立铣头是立式铣床上一个不可或缺的附件，对铣床的工作有着举足轻重的影响。例如对一些工件的表面的加工，使得我们要在一定范围内转动工件，这样对工件的夹紧及其定位产生了一定的影响。因此，从相对运动的观点，我们可转动机床的铣头来加工工件。这样可以避免因工件定位而产生的误差。因此，研究铣头是个重要的环节，对我国工业的发展有一定的促进作用。如何在工件不动的情况下能对工件上的斜面进行加工，这个问题的解决是要对传统的铣床的铣头进行改造，使得它在一定的范围之内能进行加工零件，从而达到工件加工范围的要求。使得工业生产效率的大幅度提高。解决了国内机床界的一些问题。 4 西安工业大学毕业设计(论文) 图1.1 图1所示为立式升降台铣床。立式升降台铣床，它是铣床中应用最多的一种。这类铣床与卧式升降台铣床的主要区别，在于他的主轴是垂直安置的，可用各种端铣刀或立铣刀加工平面、斜面、沟槽、台阶、齿轮、凸轮以及封闭轮廓表面等。图1为立式升降台铣床中常见的一种。其工作台3、床鞍4、及升降台5的结构与卧式升降台铣床相同。立铣头1可以根据加工要求在垂直平面内调整角度，主轴2并可沿轴线方向进行调整或作进给运动。 综上所述，升降台式铣床的优点是工艺范围较广泛，工作时切削加工的高低位置不变，有利于操作者的观察加工情况，且机床的操纵手柄较集中，便于调整及操纵。其缺点是工作台支承在成悬臂状态的升降台上，且层次多，因而刚性较差，不适合进行重型切削及加工大型工件。 1.5立式升降台铣床其主要组成部分 1.5.1 铣头 立铣头安装于卧式铣床主轴端，由铣床主轴以传动比i=1驱动立铣头主轴回转，使卧式铣床起立式铣床的功用，从而扩大了卧式铣床的工艺范围。立铣头主轴在垂直平面内最大转动角度为?45?，其转速与铣床主轴转速相同。 1.5.2 主轴 它是一根空心的阶梯轴，前端内部有锥度为7:24的锥孔，用来安装铣刀刀杆。 1.5.3 工作台 它可沿转台上面的燕尾导轨移动，带动安装在工作台上的工件纵向进给运动。 1.5.4 床鞍 它用来固定和支撑铣床上所有部件。其内部安装主轴、主轴变速箱、电器设备及润滑油泵等部件。 5 西安工业大学毕业设计(论文) 1.5.5 升降台 它可沿床身的垂直导轨移动，以调解工作台台面到主轴之间的距离，或者作垂直进给运动。在升降台的内部装有进给运动电动机和进给变速机构。 1.6 立铣头结构 立式铣床在工业发展中有着非常重要的地位，特别是在铣削大型平面时，就显现出这种机床的重要性。立铣头主要由本体、主轴组件、主轴套筒移动机构、主轴套筒锁紧机构、立铣头回转机构等组成，其中最主要的是主轴组件。 (1)主轴安装在主轴套筒中，前支持采用双列圆柱滚子轴承，承受径向力后支承采用一对角接触球轴承，面对面安装，承受径向力和两个方向饿轴向力，并使主轴轴向定位。 (2)主轴的轴向移动 主轴套筒装在立铣头本体的大孔中，套筒能带着主轴一起作轴向移动，它由立铣头旁边的手轮操作，转动手轮，经过一对圆锥齿轮，使丝杠转动，通过固定在套筒上的螺母及托架带动套筒轴向移动。当加工精度要求较高时，还可以在螺母托架上安装千分表，以便观察和检查。 (3)主轴的转动 带动主轴转动的齿轮不是直接装在主轴上，而是装在套筒上，轴套通过一对角接触球轴承支承在本体上。这样，齿轮传动的径向力就不作用在主轴上，而是通过轴套和轴承作用到本体上。同时，这种结构也便于主轴上下移动。 (4)主轴套筒的夹紧 主轴工作时，应把套筒夹紧，以免轴向窜动和减少振动。主轴套筒使利用差动螺纹机构夹紧 (5)润滑与密封 由于是立式主轴，且随套筒轴向移动，如用油润滑，很难解决漏油问题，故前后轴承均采用锂基润滑脂，每六个月压注一次。 主轴下端采用迷宫式非接触密封。密封盘固定在主轴上，而密封盖固定在主轴套筒上，两件之间形成一条窄长而曲折的间隙，其间隙很小，且充填有润滑脂。这样，既能阻挡油脂漏出，又能防止外界的灰尘和冷却液等进入。 主轴两个后轴承用密封套密封，主要防止上端的润滑油进入，使油脂稀释。 6 2 总体设计 2 总体设计 2.1 立铣头的功能分析 立式铣床通常用于切削平面和沟槽;铣床立铣头可绕水平轴在垂直平面内作90?回转调整，因而可切削斜面;若机床上采用分度头或圆形工作台，可又切削齿轮、铰刀和钻头的螺旋面，以及凸轮和圆弧槽等，在特殊的情况下还可换上钻头当作钻床使用。因而大大的提高了机床的通用性，对资源的节约有着至关重要的作用。 2.2 方案的提出 立式铣床与卧式铣床的主要区别是主轴是竖直安装的，也就是用立铣头代替卧式铣床的水平主轴、悬梁、刀杆及其支撑部分。立铣头的作用是关系到机床本身性能的重要环节。由于整个切削环节在于立铣头，所以产生切削力也是靠整个立铣头，电机带动主轴运转，铣刀同时也跟着运动，从而达到切削工件的目的。 研究方案: 方案一:如图下图2.1所示，是铣床传动系统的总体布局。传动系统通过齿轮来进行传递，中间环节有两个伞齿轮进行传递，它不仅可以传递力而且还可以对机床立铣头进行定位控制。 图2.1 又如下图2.2所示:是对立铣头进行的简单剖析。轴的转动时通过齿轮的转动来带动它的转动，而且中间有轴承来配合轴的转动。主轴的前端是向心短圆柱滚子轴承，承受径向载荷，后支撑采用一对向心推力球轴承，承受径向和轴向载荷，使主轴轴向定位。 7 西安工业大学毕业设计(论文) 图2.2 齿轮传递的运动由齿轮经双键，套筒等带动主轴运转，整个主轴部件装在长套筒中，可以跳动手轮使丝杠带动套筒作轴向调整，调整主轴。整个主轴的润滑是一个密封装置的润滑系统。 方案二:在这个系统中是将主轴的传动系统的两个伞齿轮放在传动轴轴的顶端， 如下图2.3所示: 图2.3 在这个传动系统中，传动件的放置方式导致了传动链尺寸的增大，加大了传动误差，使工件的制造尺寸的不能准确的保证。同时也使立铣头的总体尺寸加大，违反了机床设计原则。 方案三:此方案的传动采用带传动，带传动的传动效率高，速度高，结构简单，并且带零件易制造，互换性强等优点。但是，这种传动存在很大方面的缺陷，一 9 西安工业大学毕业设计(论文) 图2.4 个很重要的方面就是在一定的范围内，它不能实现90?的旋转不能加工斜面等一些特殊要求的表面。另外，带传动的缺点是很明显的在传动件的功过过程中，如果遇到很大的冲击，因它传动的速度很高，因此不能立即降下来满足不了对工件起到保护作用。又因它满足不了传递高扭矩，在切削工件时会产生打滑现象。综上所述，方案三不是最优方案。 对上面提出的三个方案综合分析比较，既要实现机床的高扭矩，又要机床美观实用，并且尺寸小，易维修等。参考机床设计综合比对，方案一较合理。原因是由于切削工件时产生的切削力非常的大。因此采用齿轮传递切削力是一种有效的措施。其次，方案一各个零件之间的位置配置合理，各个零件的位置是传递切削力重要的环节，如果能够按照相应的依据取合理配置各个零件之间的位置，从而可使机床能够高速、高精度切削工件。另外，机床的动力源是靠电机带动，之间要经过齿轮减速环节，并且还要配离合器，以便在紧急关头是齿轮空转，从而达到对减速装置或者是传动装置的保护作用。 2.3详细的设计 传动装置的设计，机械传动装置的总体设计包括分析拟定传动方案，选择电动机型号，合理分配传动比及计算传动装置的运动和动力参数等内容。它为各级传动件设计和装配图绘制提供依据。 2.3.1分析拟定传动方案 机器常由原动机、传动装置及工作部分组成。合理的传动方案不仅满足工作部分的要求，而且还要工作可靠、结构简单紧凑、加工简单、成本低、传动效率高以及使用和维护方便。 因此， 设计时应先保证重点，并统筹兼顾其他条件。 分析和选择传动机构的类型及组合，合理布置传动顺序，是拟定传动方案的重要一环，通常考虑以下几点: (1) 带传动 由于其承载能力较低，在传递相同转矩时， 结构尺寸较其它传动形 式较大，但传动平稳，能吸振缓冲，因此用于传动系统的高速级。 (2) 链传动 运转不平稳，且有冲击，以布置在传动的低速级。 (3) 蜗杆传动 传动比较大，承载能力较齿轮传动低，故一般放在高速级，获得 10 西安工业大学毕业设计(论文) 较小的结构尺寸和较高的齿面相对滑动速度，以便于形成液体动压润滑膜， 提高承载能力和传动效率。 (4) 斜齿圆柱齿轮传动 因斜齿圆柱齿轮加工较困难，相对可用于高速级，并限 制传动比。 (5) 开式齿轮传动 其工作环境一般较差，润滑条件不好， 故寿命较短，宜布 置在传动装置的低速级。 故立式铣床立铣头采用齿轮传动，传动形式采用集中式传动，传动系统采用多联滑移齿轮变速。 传动系统一般由动力源、变速机构、换向机构、运动分配机构、过载保险机构运动转换元件和执行元件等组成。 换向机构 一种是进给电动机换向，换向方便，但换向次数不能太频繁。另一种是用齿轮换向(圆柱齿轮或锥齿轮)，这种换向机构可靠，广泛用于各种机床中。本课题采用圆锥齿轮换向比较适宜。 过载保险机构 其作用是在过载是自动断开进给运动，过载排除后自动接通。常用的是牙嵌式离合器、片式离合器。 牙嵌式离合器利用两半离合器端面上的牙互相嵌合或脱开以达到主、从动轴的离合、牙有矩形、梯形、三角形、锯齿形和螺旋形等几种形式。由于同时参与嵌合的牙数 外形尺寸小，传递转矩大，接合后主从动轴无相对滑多，故承载较高，适用范围广泛. 动，传动比不变。但接合时有冲击，适合于静止接合，或转速差较小时接合(对矩形牙转速差?10r/min，对其余牙形?300r/min)，主要用于低速机械的传动轴系。 电磁片式离合器由内摩擦片、外摩擦片、止推片、压块和空套齿轮组成。离合器左右两部门结构是相同的。左离合器传动轴正转，用于切削加工。需要传递的转矩较大，片数较多。右离合器用来传动轴反转，主要用于退回，片数较少。这种离合器的工作原理是，内摩擦片的花键孔装在轴的花键上，随轴旋转。外摩擦片的孔为圆孔，直径略大于花键外径。外圆上有4个凸起，嵌在空套齿轮的缺口之中。内外摩擦片相间安装。用杆通过销向左推动压块时，将内片与外片相互压紧。轴的转矩便通过摩擦片间的摩擦力矩传递给齿轮，使主轴正传。同理，当压块向右时，使主轴反转。压块处于中间位置时，左、右离合器都脱开，该轴以后的各轴停转，过载排除后通过电气开关实现互锁。故本课题选择使用片式离合器。 2.3.2选择电动机 电动机类型根据电源种类(直流、交流)、工作要求(转速特性、和过载情况等)工作环境(尘土、油、水、爆炸气体等)、载荷大小和性质安装要求等条件来选择。工业上广泛应用我国新设计的、国际市场通用的统一系列,Y系列三相异步电动机。Y系列电动机具有高效、节能、启动转矩大、噪声低。振动小、可靠性高、使用维护方便等优点。 已知机床的进给功率7.5KW 转速为1450r/min,根据选定的电动机类型、结构、容量和转速，可由简明机械零件设计手册第一篇有关技术数据中查出电动机型号，并记录其型号、性能参数和主要参数。 11 西安工业大学毕业设计(论文) 表2.1 额定功率 满载时 转速 功率因数 7.5KW Y90L-4 1450 0.79 同步转速=1500r/min 2.4进给转速图和传动系统图的设计 2.4.1设计步骤 设计的已知条件为机床的类型和主轴的最高转速及最低转速。设计的目标为拟定传动系统图。 一般步骤如下: 1、根据机床的特点，选定公比=1.26，计算转速级数Z=18，并选择各级转速。 , 实际进给量级数为 = 18 (3，3)，2 2、根据“前多后少”，“前密后疏”的原则，拟定结构式。 3、根据“升早降晚”的原则，拟定转速图。 4、根据转速图拟定传动系统图 拟定转速图 机器常由原动机、传动装置及工作部分组成。合理的传动方案不仅满足工作部分的要求，而且还要工作可靠、结构简单紧凑、加工简单、成本低、传动效率高以及使用和维护方便。 因此， 设计时应先保证重点，并统筹兼顾其他条件。 分析和选择传动机构的类型及组合，合理布置传动顺序，是拟定传动方案的重要一环，通常考虑以下几点: (6) 带传动 由于其承载能力较低，在传递相同转矩时， 结构尺寸较其它传动形 式较大，但传动平稳，能吸振缓冲，因此用于传动系统的高速级。 (7) 链传动 运转不平稳，且有冲击，以布置在传动的低速级。 (8) 蜗杆传动 传动比较大，承载能力较齿轮传动低，故一般放在高速级，获得 较小的结构尺寸和较高的齿面相对滑动速度，以便于形成液体动压润滑膜， 提高承载能力和传动效率。 (9) 斜齿圆柱齿轮传动 因斜齿圆柱齿轮加工较困难，相对可用于高速级，并限 制传动比。 (10)开式齿轮传动 其工作环境一般较差，润滑条件不好， 故寿命较短，宜布 置在传动装置的低速级。 故主轴箱传动系统采用齿轮传动，传动形式采用集中式传动，主轴变速系统采用多联滑移齿轮变速。 主轴变速系统一般由动力源、变速机构。 过载保险机构 其作用是在过载是自动断开进给运动，过载排除后自动接通。常用的是牙嵌式离合器、片式离合器。 12 西安工业大学毕业设计(论文) 牙嵌式离合器利用两半离合器端面上的牙互相嵌合或脱开以达到主、从动轴的离合、牙有矩形、梯形、三角形、锯齿形和螺旋形等几种形式。由于同时参与嵌合的牙数多，故承载较高，适用范围广泛. 外形尺寸小，传递转矩大，接合后主从动轴无相对滑动，传动比不变。但接合时有冲击，适合于静止接合，或转速差较小时接合(对矩形牙转速差?10r/min，对其余牙形?300r/min)，主要用于低速机械的传动轴系。 电磁片式离合器由内摩擦片、外摩擦片、止推片、压块和空套齿轮组成。离合器左右两部门结构是相同的。左离合器传动轴正转，用于切削加工。需要传递的转矩较大，片数较多。右离合器用来传动轴反转，主要用于退回，片数较少。这种离合器的工作原理是，内摩擦片的花键孔装在轴的花键上，随轴旋转。外摩擦片的孔为圆孔，直径略大于花键外径。外圆上有4个凸起，嵌在空套齿轮的缺口之中。内外摩擦片相间安装。用杆通过销向左推动压块时，将内片与外片相互压紧。轴的转矩便通过摩擦片间的摩擦力矩传递给齿轮，使主轴正传。同理，当压块向右时，使主轴反转。压块处于中间位置时，左、右离合器都脱开，该轴以后的各轴停转，过载排除后通过电气开关实现互锁。故本课题选择使用片式离合器。 2.4.2确定极限转速 查机床设计手册:，。 n,1500rminn,30rminmaxmin 2.4.3确定公比 查表得，转速数列为:30、37.5、47.5、60、75、95、118、150、190、235、,,1.26 300、375、475、600、750、950、1180、1500。 2.4.4求出主轴转速级数 lgRnz,18， (2.1) ,，1z,lg 2.4.5绘制转速图 图2.5 13 西安工业大学毕业设计(论文) 2.4.6应该注意的问题 (1)主轴高速转速范围的转动比排列，可采用先降速后升速的传动。 (2)主轴高速传动时，应缩短传动链，以减少传动副数。 (3)不采用噪声大的锥齿轮传动副。 1 (4)前边的变速组中的降速传动比不宜采用极限值，以避免增加经向尺寸。 u,min42.5铣削三要素与计算 2.5.1铣削三要素 铣削速度V:铣削速度即为铣刀最大直径处的线速度，可用下式表示: ,,d,nw,(m/s) (2.2) ,1000，60 式中，为铣刀直径(mm);为铣刀每分钟的转数(r/min)。 dnw 2.5.2进给量 铣削进给量有三种表示方式: (1)每齿进给量(mm/齿数) 指铣刀每转过一个齿，工件沿进给方向所移动的距fz 离。 (2)每转进给量f(mm/r) 指铣刀每转一转，工件沿进给方向所移动的距离。 (3)进给速度V(mm/min) 铣刀每转一分钟，工件沿进给方向所移动的距离。 f 这三种进给量相互关联，但用途有所不同;每齿进给量是进给量选择的依据;每转进给量反映了进给量与铣刀转速之间的对应关系;而进给速度则是调整机床的使用数据。在实际生产中，按每分钟进给量来调整机床进给量的大小。上述三种进给量的关系如下: V= (2.3) n,f,n,z,ffz 式中，n—铣刀每分钟转数(r/min); z—铣刀齿数。 aa2.5.3 背吃刀量和侧吃刀量 pe a铣刀背吃刀量是指沿刀轴方向工件被切削的尺寸(mm) p a侧吃刀量是垂直于刀轴方向和进给运动方向所在平面的方向上，工件被切削层的e 尺寸(mm)。 afv()v背吃刀量、进给量以及切削速度称为切削用量三要素。 pf 2.5.4切削深度 pp,p，p，p机床主运动驱动电机功率为: (2.4) cia Kwp式中 -消耗于切削的功率() c 14 西安工业大学毕业设计(论文) Kw -空载功率()) pi Kw -载荷附加功率() pa Ft式中 -切削力的切向分力 V –切削速度 Ft与当量切削厚度的关系有如下的经验公式: 0.78Ft=28agc(N/mm) (2.5) 取 agc=0.05mm Ft则 =2.7N/mm PiPa为了简化,省去计算和,可用下列经验公式计算: P Pc= 对于主运动回转的机床,=0.70,0.85 p,, ,7.5kw为机床总机械效率 取=0.75经计算得: ,,p 2.5.5 切削层宽度 切削层宽度是指铣刀每一刀齿的主切削刃参加切削的长度(mm)。 bD 2.5.6切削层面积 切削层面积是指铣刀各刀齿切削层面积之和。,由于在切削过程AAAhh,hiDtotDDiD中是变化的，所以，铣刀的切削力是变化的。 i AA,,DtotD1 (2.6) 由于铣削的过程中同时参加工作的刀齿数是变化的。因此，也是变化的。同时参加ADtot 工作的齿数越少，A变化就越大。为计算方便常计算A的平均值A。DtotavDtotDtot aavaafZQpefpez2,,,() (2.7) AmmDtotav,,vdnd000 3式中——在单位时间内，所切除金属的体积 Q()mmmm2.6铣削用量的选择 2.6.1铣削用量的选择原则 铣削时选用切削用量，应在保证工件的加工精度和铣刀耐用度的前提下，以获得最 高的生产率。一般情况下应尽量在铣削中将加工表面的宽度一次铣出，避免接刀留下刀 aa痕。在工艺系统刚度允许的条件下，首先选用较大的背吃刀量(或)，再选用较大pe的进给量，最后根据合理的耐用度来确定适宜的切削速度。 15 西安工业大学毕业设计(论文) 2.6.2 铣削吃刀量的选择 表2.2 加工要求 切 削 吃 刀 量(mm) 的粗糙度 一般可通过一次铣削达到所加工的要求。但当工艺系统较差 或加工余量太大时可分两次或多次铣削。第一次铣削的吃刀量尽 可能大些，以便使刀尖避开工件表面的硬皮。粗铣铸钢、铸铁时 R,2.5uma取5,7mm;粗铣不带硬皮的钢料取3,5mm;龙门铣，铣钢aapp 料为12mm，铣铸铁取14,16mm aapp 可分粗铣、半精铣两次加工，粗铣中留0.5,1mm余量给半R,6.3uma 精铣 =0.5;半精铣 应分粗铣、半精铣、精铣三次。精铣a R,3.2umpa =1.5~2mm ap 2(7 切削液 2.7.1 切削液的作用 表2.3 作用类型 作用效果与说明 铣削过程中，切削液的作用是抑制切屑在铣刀表面黏结， 减轻切屑与前刀面以及后刀面与工件加工表面之间的机械摩润滑作用 擦，延缓刀具的磨损，并获得良好的表面加工质量 在铣削中使用切削液，通过热量传导，对流、扩散以及蒸 发等方式，将切削区的热量迅速带走，使切削温度下降，以减冷却作用 缓刀具的热磨损。其冷却性能主要决定于切削热的导热系数、 热比、气化热、温度、流量、流速以及冷却方式等 在铣削过程中，使用切削液能将黏附在工件、刀具或沉积 在机床导轨表面上的切屑冲洗掉，以免切屑堵塞或划伤已加工清洗作用 表面及机床导轨。切削液的清洗作用与切削液的渗透性能、流 动性和使用的压力与流量有关 在切削液中加入了防锈添加剂，它是极性很强的化合物， 它能在金属材料表面形成保护膜或钝化膜，借以防止金属与腐 防锈作用 蚀介质接触而起到防锈作用，从而起到保护机床、刀具、工件 不生锈 16 西安工业大学毕业设计(论文) 2.7.2切削液的加注方法 为了使切削液的性能得到充分发挥，必须根据工件材料，使用的刀具和加工方法，采用相应的加工方法。常用的加注方法为循环泵供液法，通过喷嘴将切削液直接加注到切削区。其次是喷雾供液法，是将切削液的微粒通过空气鼓入切削区，以汽化热的形式将热量带走，冷却效果好。适用于加工铸铁、铝合金与难加工材料等。在数控铣床、加工中心、组合机床上使用较多。 2.8铣床加工误差、故障分析及排除方法 表2.4 故障原因分析 故障排除方法 1 加工表面接刀处不平 ?主轴中心线与床身导轨?检查和调整升降及纵、横向的镶条间隙，对准立铣面不平行，各部相对位置精头刻度盘0位，如果还不能达到几何精度，就进行中，度差 小修，使之达到要求 ?导轨研伤造成工作台爬?修复导轨，并适当加大保险弹簧压力 行及进给保险失灵 ?调整主轴间隙 ?主轴径向间隔大 ?修理或更换离合器 ?离合器爪严重磨损咬不?调整镶条间隙 住 ?工作台镶条过松 2 加工工件尺寸精度超差 ?主轴中心与工作台面不?调整镶条间隙或修复工作台面 垂直 ?正确夹紧工件，保持结合面清洁 ?工件装夹不合理，没有及?调整导轨间隙 时清理切屑等 ?修理工作台面至符合技术要求 ?导轨间隙过大 ?工作台面不平 3 加工工件不垂直或平行面不平行 ?立铣头转盘刻度不对0?校正刻度对准0位，使之铣头轴中心线与工作台面位 垂直 ?机床几何精度差 ?检查机床各部件，调整或修复，使之恢复原来的几?主轴轴向窜动大 何精度 ?工作台面不平 ?调整主轴上的螺母，使之窜动在0.02mm之内 ?修复工作台面的平面度 4 工件加工时振动很大 ?主轴的径向跳动和轴向? 调整主轴轴承的间隙，调整前，先测出主轴的径向窜动量太大 跳动量和轴向窜动量，以确定修整环的修磨量 ?主轴太镶条太松 主轴径向间隙的调整使先修磨两个半圆调整环，并?主轴套筒未夹紧 拧紧后轴承上面的螺母从而调整前后轴承的间隙 17 西安工业大学毕业设计(论文) 主轴轴向间隙的调整，是靠修磨两个后轴承的外隔 套来实现的 ? 调整镶条的送进程度 ? 夹紧主轴套筒 5 加工工件角度精度超差 ? 立铣头转盘刻度不准 ? 旋转刻度时要对准基线，如有误差，进行检修 ? 转盘紧固螺母未上紧，? 紧固螺母 产生振动 6 主轴温升较高或在运转中有噪音 ? 润滑不良 ? 注意油路畅通，保证充分润滑 ? 主轴箱内轴承磨损或齿? 检修或更换轴承、齿轮 轮啮合不良 2.9铣床及其刀具的介绍 2.9.1 铣床的介绍 铣床的类型很多，主要以布局形式和适用范围加以区分。铣床的主要类型有:卧式升降 台铣床、立式升降台铣床、龙门铣床、工具铣床、圆台铣床、仿形铣床和各种专门化铣床。 1.卧式铣床 卧式铣床的主轴是水平安装的。卧式升降台铣床、万能升降台铣床和万能回转头铣床 都属于卧式铣床。卧式升降台铣床主要用于铣平面、沟槽和多齿零件等。万能升降台铣床由于比卧式升降台铣床多一个在水平面内可调整?45?范围内角度的转盘，因此，它除完成与 卧式升降台铣床同样的工作外，还可以让工作台斜向进给加工螺旋槽。万能回旋头铣床除具 备一个水平主轴外，还有一个可在一定空间内进行任意调整的主轴，其工作台和升降台分别 可在三个方向运动，而且还可以在两个互相垂直的平面内回转，故有更广泛的工艺范围，但机床结构复杂，刚性较差。 2.立式铣床 立式铣床的主轴是垂直安装的。立铣头取代了卧铣的主轴悬梁、刀杆及其支承部分， 且可在垂直面内调整角度。立式铣床适用于单件及成批生产中的平面、沟槽、台阶等表面的 加工;还可加工斜面;若与分度头、圆形工作台等配合，还可加工齿轮、凸轮及铰刀、钻头 等的螺旋面，在模具加工中，立式铣床最适合加工模具型腔和凸模成形表面。立式升降台铣 床的外形如图所示。 18 西安工业大学毕业设计(论文) 图2.6立式升降台铣床 1—铣头;2—主轴;3—工作台;4—床鞍;5—升降台 3.龙门铣床 龙门铣床是一种大型高效能的铣床。如图所示。它是龙门式结构布局，具有较高的刚度及抗震性。在龙门铣床的横梁及立柱上均安装有铣削头，每个铣削头都是一个独立部件，其中包括单独的驱动电机、变速机构、传动机构、操纵机构及主轴部件等。在龙门铣床上可利用多把铣刀同时加工几个表面，生产率很高。所以，龙门铣床广泛应用于成批、大量生产中大中型工件的平面、沟槽加工。 图2.7 龙门铣床 1— 工作台;2、9—水平铣头;3—横梁; 4、8—垂直铣头;5、7—立柱;6—顶梁;10—床身 4.万能工具铣床 万能工具铣床常配备有可倾斜工作台、回转工作台、平口钳、分度头、 立铣头、插削头等附件，所以，万能工具铣床除能完成卧式与立式铣床的加工内容外，还有 更多的万能性，故适用于工具、刀具及各种模具加工，也可用于仪器、仪表等行业加工形状复杂的零件。 图2.8 19 西安工业大学毕业设计(论文) 5.圆台铣床 圆台铣床的圆工作台可装夹多个工件作连续的旋转，使工件的切削时间与装卸等辅助 时间重合，获得较高的生产率。圆台铣床又可分为单轴和双轴两种型式，图 3-18 所示为双 轴圆台铣床。它的两个主轴可分别安装粗铣和半精铣的端铣刀，同时进行粗铣和半精铣，使 生产率更高。圆台铣床适用于加工成批大量生产中小零件的平面。 图2.9 圆台铣床 1—床身;2—滑座;3—主轴箱 6.顺铣机构 在铣床上加工工件，常会采用逆铣和顺铣两种方式。逆铣时，主运动v的方向与进给运动方向相反，如图2.6a所示。当工作台向右进给时，因铣刀作用于工件上的水平切削分力与进给方向相反，左侧始终与螺母螺纹右侧接触，故切削过程稳定。顺Ff 铣时，主运动v进 给运动方向f方向相同，如图2.6b所示。当工作台向右进给时，铣刀作用于工件上的水平切 削分力F 与进给方向相同，使丝杆螺纹右侧与螺母螺纹左侧仍有间隙，F 通过工作台带动丝杆向右窜动，加工中Ff是变化的，切削过程很不稳定，f 甚至出现打刀现象。加入中若采用顺铣方式，机床中就应设顺铣机构。 图2.10 顺铣与逆铣 XA6132 型万能升降台铣床所采用的顺铣机构结构如图2.6 所示。顺铣机构实为一个双 螺母机构，其工作原理为:丝杆 3 右旋螺纹，齿条 5 在弹簧作用下向右移(A-A截面)，推动冠状齿轮4 沿图中箭头方向回转，带动左、右螺母 1、2 沿相反方向回转，使螺母 1 螺纹左侧紧靠丝杆螺纹右侧，螺母2 螺纹右侧紧靠丝杆螺纹左侧，机床工作时，工作台向右的作用力通过丝杆由螺母 1 承受;向左的作用力由螺母 2 承受。逆铣时(工作台向右为侧)，螺母2 承受轴向力，由于螺母2 与丝杆螺纹间摩擦力较大，螺 20 西安工业大学毕业设计(论文) 母2 有随丝杆一起转动的趋势，通过齿轮4 传动螺母 1，使螺母 1 有与丝杆反向转动的趋势，因而使螺母 1 螺纹左侧与丝杆螺纹右侧间产生间隙，以减少丝杆磨损。顺铣时，由螺母 1 承受轴向力。因螺母 1 与丝杆间摩擦力较大，螺母 1 有随丝杆一起转动的趋势，通过齿轮4 传动螺母2，使螺母有与丝杆反向转动的趋势，使螺母2 螺纹右侧紧靠丝杆螺纹左侧，自动消除丝杆螺母间隙。随水平力及传动件阻力的增减，顺Ff 铣机构能自动调节螺母与丝杆间隙，并使两者压紧力为一定值。 图2.11 顺铣机构 1、2—螺母;3—丝杠;4—冠状齿轮;5—齿条;6—弹簧7—螺母;8—调节螺栓;9、10—锁紧螺母 2.9.2 铣刀的名称与用途 表2.5 铣刀名称 用途 1.粗铣平面a,3,8 mm粗齿 p 2.半精铣已粗加工后的平面a,1,2 mmp a,3半精铣未加工平面3,4 mmp a,1. 半精铣平面1,2 mmp细齿 圆柱形铣刀 a,2. 半精铣未经粗加工的平面3,4 mmp a,3. 粗铣不稳定零件的平面3,5 mmp a,组合齿 在刚性好的专用机床上，一次行程粗铣组合表面5,p a,15012，,200的平面 mmmmc 1(铣削沟槽与工件上各种形状的孔 2(铣削台阶面、凸台平面、侧面与工件上局部下凹小平面 3(按照靠模形状铣削内外曲线表面 立铣刀 4(铣削各种平板凸轮与圆柱凸轮 5(粗铣及半精铣平面 镶齿端铣刀 高速钢 粗铣与半精铣各种平面 硬质合金 粗铣与精铣钢、铸铁、有色金属工件上的各种平面 21 西安工业大学毕业设计(论文) T形槽铣刀 铣削T形槽 键槽铣刀 铣削键槽 半圆键槽铣刀 铣削半圆键槽 燕尾槽铣刀 铣削燕尾槽 槽铣刀 铣削螺钉与其他工件上的槽 锯片铣粗齿 1(切断板料、棒料与各种型材 刀 2(铣削各种槽 细齿 1.切断板料、棒料与各种型材 2(铣削各种槽 角度铣单角铣刀 1. 刀具开齿:铣削各种刀具的外圆齿槽与端面齿槽 刀 2. 铣削各种锯齿形离合器和棘轮的齿形 对称双角铣刀 1. 铣削各种V形槽 2. 铣削尖齿、梯形齿离合器的齿形 不对称双角铣刀具开齿:铣削各种刀具上的外圆直齿、斜齿与螺旋齿槽 刀 三面刃铣直齿 1. 铣削各种槽(优先选用错齿和镶齿) 刀 2. 铣削台阶面 错齿与镶 齿 3. 铣削工件的侧面及其凸台平面 铲背成形凹半圆铣铣削R 1—20mm 的凸半圆成形面 铣刀 刀 凸半圆铣铣削 R 1—20mm 的半圆槽与凹半圆成形面 刀 圆角铣刀 铣削 R 1—20mm 的圆角与圆弧 模具铣刀 铣削各种模具的凹、凸成形面 22 西安工业大学毕业设计(论文) 3 主轴的设计 主轴组件是机床的执行件，它的功用是支承并带动工件或刀具旋转，完成表面成形运动，同时还能起传递运动和扭矩、承受切削力和驱动力等载荷的作用。由于主轴组件的工作性能直接影响到机床的加工质量和生产效率，因此它是机床中的一个关键组件。主轴和一般传动轴的相同特点是，两者都是传递运动、扭矩并承受传动力，都要保证传动件和支承的正常工作条件，但主轴直接承受切削力，还要带动工件和刀具，实现表面成形运动，因此对主轴有较高的要求。 3.1 主轴的基本要求 32 西安工业大学毕业设计(论文) 图4.1万能分度头的主要结构 4.2.1.主轴 主轴前端可安装三爪自定心卡盘(或顶尖)及其它装卡附件，用以夹持工件。 主轴后端可安装锥柄挂轮轴用作差动分度。 4.2.2.本体 本体内安装主轴及蜗轮、蜗杆。本体在支座内可使主轴在垂直平面内由水平位置向上转动 ?95?，向下转动?5?。 4.2.3支座 支承本体部件，通过底面的定位键与铣床工作台中间T型槽连接。用T型螺栓紧固在铣床工作台上。 4.2.4端盖 端盖内装有两对啮合齿轮及挂轮输入轴，可以使动力输入本体内。 4.2.5分度盘 分度盘两面都有多行沿圆周均布的小孔，用于满足不同的分度要求。 分度盘随分度头带有两块: 第一块正面孔数依次为:24;25;28;30;34;37。 反面孔数依次为:38;39;41;42;43。 第二块正面孔数依次为:46;47;49;51;53;54。 反面孔数依次为:57;58;59;62;66。 4.2.6蜗轮副间隙调整及蜗杆脱落机构 拧松蜗杆偏心套压紧螺母，操纵脱落蜗杆手柄使蜗轮与蜗杆脱开，可直接转动主轴， 利用调整间隙螺母，可对蜗轮副间隙进行微调。 33 西安工业大学毕业设计(论文) 4.2.7主轴锁紧机构 用分度头对工件进行切削时，为防止振动，在每次分度后可通过主轴锁紧机构对主轴进行锁紧。 本产品还随机配备了尾架、千斤顶、顶尖、拨叉、挂轮架、配换齿轮等常用附件。 4.3分度头的传动系统 分度头的传动比i=蜗杆的头数 / 蜗轮的齿数=1/40。当手柄通过速比为1:1的一对直齿轮带动蜗杆转动一周时，蜗轮只能带动主轴转过1/40周。如果工件整个圆周上的等分数Z为已知，则每一等分要求分度头主轴转1/Z圈。这时，分度手柄所需转的圈数N可由下式算出: 1:40=1/Z:N，即N=40/Z 式中，N-----手柄每次分度时的转数， Z------工件的等分数; 图4.2 万能分度头传动系统 螺杆头数1分度头蜗杆与蜗轮的传动比i== (4.1) 40螺轮齿数 主动直齿轮齿数螺杆头数主轴转数=??分度手柄转数 从动直齿轮齿数螺轮齿数 主动直齿轮齿数Z=28。 从动直齿轮齿数Z=28。 40--分度头的定数，即蜗轮的齿数。 4.3.1.分度头的分度方法 使用分度头进行分度的方法有:直接分度、角度分度、简单分度和差动分度等。 (1)直接分度 用于分度数目很少时，用脱落手柄使蜗杆与蜗轮脱开，转动卡盘到所需要角度;紧 34 西安工业大学毕业设计(论文) 定手柄，固定主轴;第一次分度前应校零。 ,360,,Z (4.2) 式中:Z为工件等分数 , 为分度头主轴的转动角度 当分度精度要求较低时，摆动分度手柄，根据本体上的刻度和主轴刻度环直接读数进行分度。分度前须将分度盘轴套锁紧螺钉锁紧。 切削时必须锁紧主轴锁紧手柄后方可进行切削。 (2)角度分度 当分度精度要求较低时，也可利用分度手轮上的可转动的分度刻度环和分度游标环 ,来实现分度。分度刻度环每旋转一周分度值为9?，刻度环每一小格读数为1，分度游 ,,10标环刻度一小格读数为 。 分度前须将分度盘轴套锁紧螺钉锁紧。 (3)简单分度 简单分度是最常用的分度方法。它利用分度盘上不同的孔数和定位销通过计算来实现工件所需的等分数。 计算方法如下: n——定位销(即分度手柄)转数 Z——工件所需等分数 40n= (4.3) Z 若计算值含分数，则在分度盘中选择具有该分母整数倍的孔圈数。 例:用分度头铣齿数Z=36的齿轮。 401N==1 369 在分数度盘中找到孔数为9?6=54的孔圈，代入上式: 401，661n==1=1=1 369，6549 操作方法:4 先将分度盘轴套锁紧螺钉锁紧，再将定位销调整到54孔数的孔圈上，调整扇形拨叉含有6个孔距。此时转动手柄使定位销旋转一圈再转过6个孔距。 若分母不能在所配分度盘中找到整数倍的孔数，则可采用差动分度进行分度。 (4)差动分度 35 西安工业大学毕业设计(论文) 图4.3 使用差动分度时必须将分度盘锁紧螺钉松开，在主轴后锥孔插入锥柄挂轮轴。按计算值配置交换齿轮或介轮，传至挂轮输入轴，带动分度盘产生正(或反)方向abcd,,, 微动，来补偿计算中设定等分角度与工件等分角度的差值。 计算方法如下: 40(x,z)aci,=, (4.4) xbd i——交换齿轮的传动比 z——工件所需等分数 ——交换齿轮齿数 x—假设工件所需等分数 abcd,,, 式中x值选择 ?、尽可能接近z(小于，大于)均可 40?、具有分数时，其分母值，必须是能整除分度盘已有孔圈数，整除。 x ix小于z时，为负值，挂轮时必须配有变向介轮， ix大于z时，为正值，挂轮时不必配有变向介轮。 挂轮配好后，实际分度的操作和简单分度法一致，只是用x替代z，手柄转数为 40n= (4.5) x (5)螺旋铣削 螺旋加工必须按要求将铣床工作台转动一个角度——螺旋角β。 并根据工作要求计算出导程L: L=π?Dctgβ (4.6) L —螺旋线的导程 D —工件直径 β—螺旋角 螺旋加工必须保证工件纵向进给一个导程时，分度头带动工件旋转一周。 这是通过安装在铣床纵向工作台丝杠末端的交换齿轮 a与分度头挂架中的交换齿轮b、c、d的配置来实现的。 计算公式如下: 36 西安工业大学毕业设计(论文) ac40t (4.7) i,,,bdL i —交换齿轮总的传动比 a、b、c、d—各交换齿轮齿数 t—纵向工作台丝杠螺距 铣削左旋螺旋槽时，则应增加变向介轮，交换齿轮a在铣床丝杠上的安装详见局部 示配图。 图4.4 图4.4 螺旋直齿轮的铣削，和螺旋槽加工相同，在计算方法中按齿轮参数值， 变化如下: ,act40sini,,, (4.8) bd,,mzn m齿轮法向模数 n—— β—齿轮螺旋角 t—纵向工作台丝杠螺距 铣螺旋(或螺旋齿轮)时，须将分度定位销插入分度盘孔中，将分度盘轴套须锁紧 螺钉松开，主轴锁紧手柄松开。 37 5 传动件的选型及校核 5.传动件的选型及校核 5.1轴 5.1.1轴的拟定 机床轴类零件的设计计算，应根据轴的受载情况、传动精度要求等特点，有重点地进行。 机床轴的设计步骤大致如下: 第一步:估算轴的直径 根据轴所传递的功率(扭矩)及转速，按扭转刚度或扭转强度估算直径，作为危险断面的最小直径。 第二步:轴的结构设计 第三步:轴的受力分析-根据轴的受力及支承的跨距情况，计算支承反力、弯矩，画出轴的弯矩图及扭矩图。 第四步:刚度或疲劳强度的核算，根据不同情况进行弯曲刚度或扭矩刚度的核算。 轴径的估算 当轴的长度及跨距未定，支承反力及弯矩无法求出时，可先按扭转刚度或扭转强度对轴的直径进行估算。 pd,11， (5.1) (cm)ni 式中d-危险断面处的轴径，当轴上有一个键槽时，d值应增大4-5%;当同一个断面上有两个键槽时，d值应增大7-10%;当为花键轴的内径可比的d减小7%; kwN-轴的传递的额定功率(); n-轴的计算转速(); rmini 5.1.2计算轴的功率、转速及轴颈 p,n,7.5 KW 1450r/min II 26p,n,7.50.97=7.275 KW 1450=698r/min ，，IIII54 7.2754dmm,，,1136d, 根据轴的标准系列 故取36mm 22698 16p,，7.2750.99=7.202KWn, 698=286r/min ，IIIIII39 7.2754dmm,，,1163 根据轴的标准系列 故取65mmd,33286 38 西安工业大学毕业设计(论文) 18 286=109r/min p,，7.2020.99=7.129KWn,，IVIV47 7.2024 轴为花键轴并且该轴上有键槽， dmm,，,11634286 根据轴的标准系列 故取65mm d,4 19 109=98r/min p,，7.1290.99=7.057KWn,，VV21 7.0574 dmm,，,11995109 根据轴的标准系列 故取100mm d,5 5.1.3轴的强度校核计算 轴的强度计算应根据轴上所受的在和类型，采用相应的方法。对于仅(或主要)用于传递扭矩的传动轴，应按扭转强度计算;对于既受弯矩又受扭矩的转轴，应按弯扭合成强度计算。 机器传动机构中的轴，多数是转轴，其计算准则为弯扭组合疲劳强度问题。轴的疲劳计算时要采用到综合系数K和等效系数Ψ，这两个系数均为与轴的结构和尺寸有关，但这些因素在设计开始时尚不能确定。因此，对于精度要求计算的转轴，在前面对轴的初步估算的基础上，然后进行结构设计，画出轴的结构尺寸，画出轴的结构草图，确定轴的全部结构和尺寸，才能进行精确的强度校核。 按弯扭合成进行强度计算 对于转轴，当轴的支点和轴上载荷大小、方向和作用点后，即可求出轴的支承反力，画出弯矩图和扭矩图，从而按弯扭合成强度计算设计轴的直径。 在画轴的计算简图时，首先确定轴承支承反力的作用点。把轴视作一简支梁，作用在轴上的载荷，一般按集中载荷考虑，其作用点取零件轮缘的中点。轴上的支反力的作用点(滚动轴承或滑动轴承)按有关手册选取。 首先计算齿轮啮合节点的作用力: 圆周力: 轴向力: Fa=0 径向力: 危险界面的复合强度校核按下列步骤进行: 1作III轴的受力简图:(图5.1a) ? 40 西安工业大学毕业设计(论文) 2作轴垂直面的受力简图，求支座反力， ? 并作弯矩图:(图5.1b) C点稍偏左处弯矩为: C点稍偏右处弯矩为: 3作轴水平面的受力简图，求支座反力， ? 并作弯矩图:(图5.1c) C点处弯矩为: 4作出轴的合成弯矩图:(图5.1d) 图5.1 ? C点稍偏左处的合成弯矩为: C点稍偏右处的合成弯矩为: 5作轴的扭矩图:(图5.1e) ? 6作出轴的当量弯矩图:(图5.1f) ? 最大当量弯矩在C点处，其值为: 根据单向传动，式中校正系数α=0.58. 7计算危险截面尺寸: ? 根据轴的材料Q235号钢，调质处理其[σ-1]=170MPa,则危险截面直径为: 41 西安工业大学毕业设计(论文) 考虑到键槽影响，轴径加大5%，则d=31.08?。 结构设计时，实际采用轴径为:32?，故满足要求。 轴III轴的强度校核方法与步骤与从动轴相同，故省略。 5.2齿轮 齿轮传动机构的特点:齿轮机构是现代机械中应用最广泛的传动机构，用于传递空间任意两轴或多轴之间的运动和动力。 齿轮传动主要优点:传动效率高，结构紧凑，工作可靠、寿命长，传动比准确。 齿轮机构主要缺点:制造及安装精度要求高，价格较贵，不宜用于两轴间距离较大的场合。 5.2.1选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 (1)按进给系统的传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动和圆锥齿轮。 (2)根据机床的特点，故选择8级精度。(GB10095-88) (3)材料选择:由《机械设计》表10,1选择齿轮材料为38CrMoAlA，硬度为 850HBS，齿轮材料为45钢(调质)硬度为240HBS。 (4)初选齿轮齿数z=18。 (5)选取螺旋角:初选螺旋角。 ,,:20 5.2.2计算齿轮参数 按齿面接触强度设计 kTu，1t1d,,766,3E (5.2) ,u,,,,dHP (1)确定公式中的各计算数值 试选Kt=1.6 ,(2)选取齿宽系数=1 d ,,1(3)齿轮副材料对传动尺寸的影响系数 取 E (4)计算小齿轮传递转矩 p1.45555 (5.3) TNmm,，,，，,95.51095.51018572(/)n750 pn上式中为小齿轮轴所传递的功率，单位W;为小齿轮轴的转速，单位11r/min 。 42 西安工业大学毕业设计(论文) (5)由《机械设计》表10,7选取齿宽系数 ,,2.4d 1 2(6)由《机械设计》表10,6查得材料的弹性影响系数 ZMP,189.8Ea (7)由《机械设计》图10,21d按齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限计算，齿轮的接触疲劳强度极限 ,lim550,MPH2a d计算齿轮分度圆直径，代入的值由计算公式得: ,,,H 21.61875219.9112.372189.8，，，，23dmm,，,()24.59 (5.4) 2.41.319.91578.75， 计算齿宽b及模数 m (5.5) bdmm,,，,,2.424.5959.01 dcos,59.01cos20，: (5.6) mmm,,,2.39z18 m,2.5取 5.2.3验算齿轮的弯曲强度 齿宽b=59.01，考虑齿轮安装时轴向位置的误差，为保证两齿轮沿全齿宽接触，取b=59 根据 ;1.6cosKTY,1.61.31146002.35cos20，，，，F (5.7) ,,,83.72<,,,,FF22bmZ59218，，n 5.2.4计算主要几何参数 dmz,分度圆直径 (5.8) ddhm,，2齿顶圆直径 (5.9) aa **全齿高 (5.10) hhcm,，(2)an 5.2.5润滑 对于湿式离合器必须保证充分的润滑。而对于干式离合器则应该严格防止浸入摩擦片，否则会影响其工作性能，是传递扭矩下降，结合时间延长;安装位置的选择也应适当，以保证正常的通风和散热，必要时可用风扇强制冷却。 对于润滑油，除很好的抗老化性能外，粘度应选择适当。粘度过高，在低速情况下油膜不易破裂，延长了结合时间;在高速情况下增大了空扭矩和发热。粘度过低，则不易产生油膜，产生干摩擦，降低了离合器的寿命。 如果离合器中有滚动轴承，最好使用油脂润滑滚动轴承，并加以密封。 43 西安工业大学毕业设计(论文) 润滑方式有如下几种: 飞溅润滑、浸油润滑、滴油润滑、轴心润滑 本次设计的方案采用的是轴心润滑方式油自离合器轴中心或无滑环式电磁离合器的不回转磁轭部分导入，借助于油压力和离心力自内向外通油。这种方式润滑和冷却效果好，因而离合器的寿命长，但结构较复杂。 5.3滚动轴承 滚动轴承主要承受径向载荷，也能承受一定的轴向载荷;极限转速较高，当量摩擦因数最小;高转速时可用来承受不大的纯轴向载荷;允许角偏差较小，承受冲击能力差。适用于刚性较大的轴上。 滚动轴承验算: 机床的一般传动轴用的滚动轴承，主要是由于疲劳破坏而失效，故应对轴承进行疲劳寿命验算。下面对按轴颈尺寸及工作状况选定的滚动轴承型号进行寿命验算: Cf,n ()=500?[T] (5.11) LhfKKPfsl 式中，— 额定寿命; L h C — 滚动轴承尺寸表所示的额定动负荷[N]; 100— 速度系数， = (5.12) ff,nn3nj f — 工作情况系数;由表36可取为1.1; f ε— 寿命系数，对于球轴承:ε= 3 ;对于滚子轴承:ε=10/3 n— 轴承的计算转速，为各轴的计算转速; j K— 寿命系数，不考虑交变载荷对材料的强化影响时: s KKK= KNsnT K— 功率利用系数，查表为0.58; N K— 转速变化系数;查表37得0.82; n — 工作期限系数，按前面的工作期限系数计算; KT K— 齿轮轮换工作系数，可由表38查得; l 5.4键的验算 b，h:22，16,b,100~120因为d=100查机械设计手册51页表选键为查得 ,,1 3441637.510T，，,,b因为L=80初选键长为60,校核所以所选键,,,,115Mpa,,dlh631001811,，， 44 西安工业大学毕业设计(论文) b，h，l:22，16，100为: d6,80bh，，:2214装齿轮查查机械设计手册51页表选键为查得 ,b,100120 ,, 3441665.210T，，因为L=122初选键长为100,校核 ,,b,,,,76.2Mpa,,dlh801002214,，， bhl，，，，:2214100所以所选键为:. dmm,32根据轴径 ，考虑键在轴端安装，故选键 C10X40 GB10796-96 根据材料为钢、轻微冲击，从教材有关章节查得,,100MPa，则挤压强度为 ,,p 34T4229.210，，2 (5.13) ,,,,,93.55