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畢業(yè)設計說明書
設計題目：Φ320mm的數控車床總體設計及縱向進給設計
學 生
班 級
學 號
指導教師
摘 要
本次設計是對Φ320MM數控車床的設計。在這里主要包括:主傳動系統(tǒng)的設計、縱向進給系統(tǒng)的設計、橫向進給系統(tǒng)的設計。而我主要是針對縱向進給系統(tǒng)進行機械設計。這次畢業(yè)設計對設計工作的基本技能的訓練，提高了分析和解決工程技術問題的能力，并為進行一般機械的設計創(chuàng)造了一定條件。
數控設計主要傳動系統(tǒng)的機械設計。由于對經濟型數控機床的加工精度要求不高，為簡化結構、降低成本。通過控制橫進給系統(tǒng)，保證設計后的車床具有定位、直線插補、圓弧插補、暫停等功能。為實現機床所要求的傳動效率，采用步進電機經聯(lián)軸器再傳動絲杠；為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。
關鍵詞：車床，數控設計， 聯(lián)軸器，滾珠絲杠
Abstract
This design is about the common Lathe Φ320MM transformation of NC. Main tasks are: the transformation of the main transmission system, the transformation of the vertical feeding system, horizontal feed system reform. While I was mainly aim at the lateral feeding system mechanical transformation. The graduation project on the design of the basic skills training has improved the analysis and the ability to solve engineering problems, and create a certain condition for general mechanical design.
NC transformation is mainly a transformation of mechanical drive system. Because of the economy less precision CNC machining, it is order to simplify the structure and reduce costs. By controlling the cross-feed system, it ensures the modified lathe with positioning, linear interpolation, circular interpolation, and pause. Required for the realization of the transmission efficiency of machine tool, we should us a stepping motor drive and then screw through the coupling. To ensure a certain degree of driving accuracy and stability and minimize friction, a ball screw pair is needed.
Keywords: lathe, NC Transformation , Coupling ,Ball Screw
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 數控機床發(fā)展概述 1
1.1數控機床及其特點 1
1.2 數控機床的經濟分析 2
1.2 數控機床的工藝范圍及加工精度 2
1.4 數控機床的發(fā)展趨勢 3
第2章 數控機床總體方案的制訂及比較 4
2.1 總體方案比較與確定 4
2.1主軸系統(tǒng)的方案確定 5
2.2安裝電動卡盤 5
2.3換裝自動回轉刀架 5
2.4螺紋編碼器的安裝方案 5
2.5進給系統(tǒng)的與設計方案 6
2.6 尾座與設計方案 6
第3章 確定切削用量及選擇刀具 6
3.1科學選擇數控刀具 6
3.1.1選擇數控刀具的原則 6
3.1.2選擇數控車削用刀具 7
3.2 設置刀點和換刀點 7
3.3 確定切削用量 7
3.3.1確定主軸轉速 7
3.3.2確定進給速度 8
3.3.3 確定背吃刀量 8
第4章 Φ320mm的傳動系統(tǒng)圖設計計算 8
4.1.主動參數參數的擬定 8
4.2 變速結構的設計 10
4.2.1 主變速方案擬定 10
4.2.2 變速結構式、結構網的選擇 10
4.3帶輪的設計 13
4.4 傳動軸的直徑估算 16
4.4.1 確定各軸轉速 16
4.4.2傳動軸直徑的估算：確定各軸最小直徑 17
4.4.3 鍵的選擇 18
4.5傳動軸的校核 18
4.5.1 傳動軸的校核 18
4.5.2 鍵的校核 19
4.6 各變速組齒輪模數的確定和校核 19
4.6.1 齒輪模數的確定 19
4.6.2 齒寬的確定 23
4.6.3 齒輪結構的設計 24
4.7 帶輪結構設計 25
4.9 齒輪校驗 26
4.9.1 校核a變速組齒輪 26
4.9.2 校核b變速組齒輪 28
4.9.3 校核c變速組齒輪 29
4.10 軸承的選用與校核 30
4.10.1 各軸軸承的選用 30
4.10.2 各軸軸承的校核 30
第5章 縱向進給機構的設計 32
5.1縱向進給系統(tǒng)的設計要求 32
5.2 縱向進給系統(tǒng)的設計計算已知條件 32
5.3 滾珠絲桿設計計算 33
5.4 同步帶傳動計算 36
5.5 伺服電機的選擇 39
第6章 數控系統(tǒng)的選擇 41
6.1數控系統(tǒng)基本硬件組成 41
6.2 單片機控制系統(tǒng)的設計 43
結論 46
參考文獻 47
致謝 49
49
第1章 數控機床發(fā)展概述
1.1數控機床及其特點
數字控制機床（Numerical Control Machine Tools）簡稱數控機床，這是一種將數字計算機技術應用于機床的控制技術。它把機械加工過程中的各種控制信息用代碼化的數字表示，通過信息載體輸入數控裝置，經運算處理由數控裝置發(fā)出各種控制信號，控制機床的動作，按圖紙要求的形狀和尺寸，自動地將零件加工出來。數控機床較好地解決了復雜、精密、小批量、多品種的零件加工問題，是一種柔性、高效能的自動化機床，是典型的機電一體化產品。
數控機床一般由下列幾個部分組成：
1）主機，它是數控機床的主題，包括機床身、立柱、主軸、進給機構等機械部件，是用于完成各種切削加工的機械部件。
2）數控裝置，是數控機床的核心，相當于人的大腦，它包括硬件（印刷電路板、CRT顯示器、鍵盒、紙帶閱讀機等）以及相應的軟件，用于輸入數字化的零件程序，并完成輸入信息的存儲、數據的變換、插補運算以及實現各種控制功能。
3）驅動裝置，它是數控機床執(zhí)行機構的驅動部件，包括主軸驅動系統(tǒng)、伺服驅動系統(tǒng)、主軸電機及伺服電機等。它在數控裝置的控制下通過電氣或電液伺服系統(tǒng)實現主軸和進給驅動。當幾個進給聯(lián)動時，可以完成定位、直線、平面曲線和空間曲線以及曲面的加工。
4）輔助裝置，指數控機床的一些必要的配套部件，用以保證數控機床的運行，如冷卻、排屑、潤滑、照明、監(jiān)測等。它包括液壓和氣動裝置、排屑裝置、交換工作臺、數控轉臺和數控分度頭，還包括刀具及監(jiān)控檢測裝置等。
5） 編程及其他附屬設備，可用來在機外進行零件的程序編制、存儲等。
與數控機床相比，數控機床有如下特點：
1）加工精度高，具有穩(wěn)定的加工質量；
2）可進行多坐標的聯(lián)動，能加工形狀復雜的零件；
3）加工零件改變時，一般只需要更改數控程序，可節(jié)省生產準備時間；
4）機床本身的精度高、剛性大,可選擇有利的加工用量，生產率高（一般為數控機床的3-5倍）；
5）機床自動化程度高，可以減輕勞動強度；
6）對操作人員的素質要求較高，對維修人員的技術要求更高。
1.2 數控機床的經濟分析
數控機床能縮短生產準備時間，增加切屑加工時間的比率；
使用數控機床進行生產，加工的零件精度高，產品質量穩(wěn)定,從而有效的提高了產品在市場上的競爭力；
數控機床具有廣泛的適應性和較大的靈活性，因此能夠完成很多數控機床很難完成或者根本不能加工的、具有復雜型面、要求高精度的零件的加工；
許多數控機床如加工中心具有自動換刀功能，使零件一次裝夾之后就能夠完成多個加工部位的加工，實現了一機多用，大大節(jié)省了設備和廠房面積；
生產者可以對生產成本進行預算，并對生產進度進行合理的安排，以達到提高經濟效益的目的；
應用數控機床進行生產，減輕了工人的勞動強度，提高了工人工作的環(huán)境質量，增加了工人的生產積極性，促進了生產，提高了生產效率。
隨著社會生產和科學技術的迅速發(fā)展，機械產品日趨精密復雜，且需頻繁改型，數控機床已不能適應這些要求，數控機床應運而生。這種新型機床具有適應性強、加工精度高、加工質量穩(wěn)定和生產效率高等優(yōu)點。它綜合應用了電子計算機、自動控制、伺服驅動、精密測量和新型機械結構等多方面的技術成果，是今后機床控制的發(fā)展方向。
1.2 數控機床的工藝范圍及加工精度
數控車床是一種高精度、高效率的自動化機床，也是使用數量最多的數控機床，約占數控機床總數的25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、輪廓形狀復雜的軸類、盤類等回轉體零件的加工，能夠通過程序控制自動完成園柱面、圓錐面、圓弧面和各種螺紋的切削加工，并能進行切槽、鉆孔、擴孔、鉸孔等加工。
由于數控車床具有加工精度高、能作直線和圓弧插補功能，有些數控車床還具有非圓曲線插補功能以及加工過程中具有自動變速功能等特點，所以它的工藝范圍要比普通車床要寬得多。
1.精度要求高的回轉體零件
由于數控車床剛性好，制造和對刀精度高，以及能方便和精確地進行人工補償和自動補償，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以銑代磨。
2.表面粗糙度要求高的回轉體零件
數控車床具有恒線速切削功能，能加工出表面粗糙度小的均勻的零件。使用恒線速切削功能，就可選用最佳速度來切削錐面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小又一致。數控車床還適合加工各表面粗糙度要求不同的工件。粗糙度要求大的部位選用較大的進給量，要求小的部位選用小的進給量。
3.輪廓形狀特別復雜和難于控制尺寸的回轉體零件
由于數控車床具有直線和圓弧插補功能，部分車床數控裝置還有某些非圓曲線和平面曲線插補功能，所以可以加工形狀特別復雜或難于控制尺寸的的回轉體零件。
1.4 數控機床的發(fā)展趨勢
數控機床最早是從美國開始研制的。1948年，美國帕森斯公司在研制加工直升機槳葉輪廓用檢查樣板的加工機床任務時，提出了研制數控機床的初始設想。1949年，帕森斯公司與麻省理工學院伺服機構實驗室合作，開始從事數控機床的研制工作。并于1952年試制成功世界上第一臺數控機床實驗性樣機。這是一臺采用脈沖乘法器原理的直線插補三坐標連續(xù)控制銑床。經過三年改進和自動編程研究，于1955年進入實用階段。一直到20世紀50年代末，由于價格和技術原因，品種多為連續(xù)控制系統(tǒng)。到了60年代，由于晶體管的應用，數控系統(tǒng)提高了可靠性且價格開始下降，一些民用工業(yè)開始發(fā)展數控機床，其中多數是鉆床、沖床等點位控制的機床。數控技術不僅在機床上得到實際應用，而且逐步推廣到焊接機、火焰切割機等，使數控技術不斷的擴展應用范圍。
自1952年，美國研制成功第一臺數控機床以來，隨著電子技術、計算機技術、自動控制和精密測量等相關技術的發(fā)展，數控機床也在迅速地發(fā)展和不斷地更新?lián)Q代，先后經歷了五個發(fā)展階段。
第一代數控：1952-1959年采用電子管元件構成的專用數控裝置。
第二代數控：從1959年開始采用晶體管電路的NC系統(tǒng)。
第三代數控：從1965年開始采用小、中規(guī)模集成電路的NC系統(tǒng)。
第四代數控：從1970年開始采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計算機控制的系統(tǒng)。
第五代數控：從1974年開始采用微型電子計算機控制的系統(tǒng)。
目前，第五代微機數控系統(tǒng)基本上取代了以往的數控數控系統(tǒng)，形成了現代數控系統(tǒng)。它采用微型處理器及大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路，具有很強的程序存儲能力和控制功能。這些控制功能是由一系列控制程序來實現的。這些數控系統(tǒng)的通用性很強，幾乎只需改變軟件，就可以適應不同類型機床的控制要求，具有很大的柔性。隨著集成電路規(guī)模的日益擴大，光纜通信技術應用于數控裝置中，使其體積日益縮小，價格逐年下降，可靠性顯著提高，功能也更加完善。
近年來，微電子和計算機技術的日益成熟，它的成果正在不斷滲透到機械制造的各個領域中，先后出現了計算機直接數控系統(tǒng)，柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)。所有這些高級的自動化生產系統(tǒng)均是以數控機床為基礎，它們代表著數控機床今后的發(fā)展趨勢。
第2章 數控機床總體方案的制訂及比較
2.1 總體方案比較與確定
總體方案應考慮車床數控系統(tǒng)的運動方式、進給伺服系統(tǒng)的類型、數控系統(tǒng)CPU的選擇，以及進給傳動方式和執(zhí)行機構的選擇等。
數控車床后應具有單坐標定位，兩坐標直線插補、圓弧插補以及螺紋插補的功能。因此，數控系統(tǒng)應設計成連續(xù)控制型。
屬于經濟型數控機床，在保證一定加工精度的前提下，應結構簡化，降低成本。因此，進給伺服系統(tǒng)采用步進電動機的開環(huán)控制系統(tǒng)。
比較項目
方案一
方案二
確定后的方案
具體原因
主軸箱
分級變速采用
調速電機+
齒輪傳動
采用三相異步
電機+減速器
方案一
變速級數比較多
滿足多種加工
需要，也符合
任務書要求
進給機構
滾珠絲杠
+步進電機
滾珠絲杠
+伺服電機
方案一
脈沖當量
步進電機控制
的準確
刀架
四工位回轉
刀架
六工位回轉
刀架
都可以
各有各的好處
尾座
液壓尾座
手動普通尾座
液壓尾座
可通過數控系統(tǒng)
調整方便
數控系統(tǒng)
8位單片機
16位單片機
方案一
基本需求可以滿足
2.1主軸系統(tǒng)的方案確定
若要提高車床的自動化程度，需要在加工中自動變換轉速，可用2~4速的多速電動機代替原有的單速主電動機；當多速電動機仍不能滿足要求時，可用交流變頻器來控制主軸電動機，以實現無級變速（工廠使用情況表明，使用變頻器時，若工作頻率低于，原來的電動機可以不更換，但所選變頻器的功率應比電動機大）。
Φ400MM車床時，若采用有級變速，可選用浙江超力有限公司生產的YD系列變級多速三相異步電動機，實現檔變速；若采用無級變速，應加裝交流變頻器，推薦型號為：F100-G0075T3B,適配電動機，生產廠家為煙臺惠豐電子有限公司。
2.2安裝電動卡盤
為了提高加工效率，工件的夾緊與松開采用電動卡盤，選用呼和浩特附件總廠生產的KD11250型電動三爪自定心卡盤。卡盤的夾緊與松開由數控系。
2.3換裝自動回轉刀架
為了提高加工精度，實現一次裝夾完成多道工序，將車床原有的手動刀架換成自動回轉刀架，選用常州市宏達機床數控設備有限公司生產的LD4B-CK6140型四工位立式電動刀架。實現自動換刀需要配置相應的電路，由數控系統(tǒng)完成。
2.4螺紋編碼器的安裝方案
螺紋編碼器又稱主軸脈沖發(fā)生器或圓光柵。數控車床加工螺紋時，需要配置主軸脈沖發(fā)生器，作為車床主軸信號的反饋元件，它與車床主軸同步。
后的車床能夠加工的最大螺紋導程是，Z向的進給脈沖當量是，所以螺紋編碼器每轉一轉輸出的脈沖數應不少于。考慮到編碼器的輸出有相位差的A、B相信號，可用A、B異或后獲得個脈沖（一轉內），這樣編碼器的線數可降到線（A、B信號）。另外，為了重復車削同一螺旋槽時不亂扣，編碼器還需要輸出每轉一個的零位脈沖Z。
基于上述要求，選擇螺紋編碼器的型號為：ZLF-1200Z-05VO-15-CT。電源電壓+5V，每轉輸出個A/B脈沖與1個Z脈沖，信號為電壓輸出，軸頭直徑，生產廠家為長春光機數顯技術有限公司。
螺紋編碼器通常有兩種安裝形式：同軸安裝和異軸安裝。同軸安裝是指將編碼器直接安裝在主軸后端，與主軸同軸，這種方式結構簡單，但它堵住了主軸的通孔。異軸安裝是指將編碼器安裝在床頭箱的的后端，一般盡量裝在與主軸同步旋轉的輸出軸，如果找不到同步軸，可將編碼器通過一對傳動比為的同步齒形帶與主軸連接起來。需要注意的是，編碼器的軸頭與安裝軸之間必須采用無間隙柔性連接，且車床組、主軸的最高轉速不允許超過編碼器的最高許用轉速。
2.5進給系統(tǒng)的與設計方案
在此主軸的同步軸，安裝螺紋編碼器。
在此位置安裝縱向進給步進電動機與同步帶減速箱總成。
在縱溜板的下面安裝縱向滾珠絲杠的的螺母座與螺母座托架。
在橫溜板上方安裝四工位立式刀架。
將滑動絲桿靠刻度盤一段（長，見圖一）鋸斷保留，拆掉刻度盤上的手柄，保留刻度盤附近的兩個推力軸承，換上滾珠絲杠副。
將橫向進給步進電動機通過法蘭安裝到橫溜板后部的縱溜板上，并與滾珠絲杠的軸頭相聯(lián)。更換絲桿的右支承。
2.6 尾座與設計方案
設計成液壓尾座。
第3章 確定切削用量及選擇刀具
3.1科學選擇數控刀具
3.1.1選擇數控刀具的原則
刀具壽命與切削用量有密切關系。在制定切削用量時，應首先選擇合理的刀具壽命，而合理的刀具壽命則應根據優(yōu)化的目標而定。一般分最高生產率刀具壽命和最低成本刀具壽命兩種，前者根據單件工時最少的目標確定，后者根據工序成本最低的目標確定.選擇刀具壽命時可考慮如下幾點根據刀具復雜程度、制造和磨刀成本來選擇。復雜和精度高的刀具壽命應選得比單刃刀具高些。對于機夾可轉位刀具，由于換刀時 間短，為了充分發(fā)揮其切削性能，提高生產效率，刀具壽命可選得低些，一般取15-30min。對于裝刀、換刀和調刀比較復雜的多刀機床、組合機床與自動化 加工刀具，刀具壽命應選得高些，尤應保證刀具可靠性。車間內某一工序的生產率限制了整個車間的生產率的提高時，該工序的刀具壽命要選得低些當某工序單位時 間內所分擔到的全廠開支M較大時，刀具壽命也應選得低些。大件精加工時，為保證至少完成一次走刀，避免切削時中途換刀，刀具壽命應按零件精度和表面粗糙度 來確定。與普通機床加工方法相比，數控加工對刀具提出了更高的要求，不僅需要岡牲好、精度高，而且要求尺寸穩(wěn)定，耐用度高，斷和排性能壇同時要求安裝調整 方便，這樣來滿足數控機床高效率的要求。數控機床上所選用的刀具常采用適應高速切削的刀具材料(如高速鋼、超細粒度硬質合金)并使用可轉位刀片。
3.1.2選擇數控車削用刀具
目前，數控機床上大多使用系列化、標準化刀具，對可轉 位機夾外圓車刀、端面車刀等的刀柄和刀頭都有國家標準及系列化型號對于加工中心及有自動換刀裝置的機床，刀具的刀柄都已有系列化和標準化的規(guī)定，如錐柄刀 具系統(tǒng)的標準代號為TSG-JT，直柄刀具系統(tǒng)的標準代號為DSG-JZ,此外，對所選擇的刀具，在使用前都需對刀具尺寸進行嚴格的測量以獲得精確數據， 并由操作者將這些數據輸入數據系統(tǒng)，經程序調用而完成加工過程，從而加工出合格的工件。
3.2 設置刀點和換刀點
刀具究竟從什么位置開始移動到指定的位置呢?所以在程序執(zhí)行的一開始，必須確定刀具在工件坐標系下開始運動的位置，這一位置即為程序執(zhí)行時刀具相對于工 件運動的起點，所以稱程序起始點或起刀點。此起始點一般通過對刀來確定，所以，該點又稱對刀點。在編制程序時，要正確選擇對刀點的位置。對刀點設置原則 是:便于數值處理和簡化程序編制。易于找正并在加工過程中便于檢查;引起的加工誤差小。對刀點可以設置在加工零件上，也可以設置在夾具上或機床上，為了提 高零件的加工精度，對刀點應盡量設置在零件的設計基準或工藝基誰上。實際操作機床時，可通過手工對刀操作把刀具的刀位點放到對刀點上，即“刀位點”與“對 刀點”的重合。所謂“刀位點”是指刀具的定位基準點，車刀的刀位點為刀尖或刀尖圓弧中心。平底立銑刀是刀具軸線與刀具底面的交點;球頭銑刀是球頭的球心， 鉆頭是鉆尖等。用手動對刀操作，對刀精度較低，且效率低。而有些工廠采用光學對刀鏡、對刀儀、自動對刀裝置等，以減少對刀時間，提高對刀精度。加工過程中 需要換刀時，應規(guī)定換刀點。所謂“換刀點”是指刀架轉動換刀時的位置，換刀點應設在工件或夾具的外部，以換刀時不碰工件及其它部件為準。
3.3 確定切削用量
數控編程時，編程人員必須確定每道工序的切削用量，并以指令的形式寫人程序中。切削用量包括主軸轉速、背吃刀量及進給速度等。對于不同的加工方法，需要 選用不同的切削用量。切削用量的選擇原則是:保證零件加工精度和表面粗糙度，充分發(fā)揮刀具切削性能，保證合理的刀具耐用度，并充分發(fā)揮機床的性能，最大限 度提高生產率，降低成本。
3.3.1確定主軸轉速
主軸轉速應根據允許的切削速度和工件(或刀具)直徑來選擇。其計算公式為:n=1000v/71D式中:v—切削速度，單位為m/m動，由刀具的耐用度決定;n一一主軸轉速，單 位為r/min,D—工件直徑或刀具直徑，單位為mm。計算的主軸轉速n，最后要選取機床有的或較接近的轉速。
3.3.2確定進給速度
進給速度是數控機床切削用量中的重要參數，主要根據零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性質選取。最大進給速度受機床剛度和進給系統(tǒng)的 性能限制。確定進給速度的原則:當工件的質量要求能夠得到保證時，為提高生產效率，可選擇較高的進給速度。一般在100一200mm/min范圍內選取; 在切斷、加工深孔或用高速鋼刀具加工時，宜選擇較低的進給速度，一般在20一50mm/min范圍內選取;當加工精度，表面粗糙度要求高時，進給速度應選 小些，一般在20--50mm/min范圍內選取;刀具空行程時，特別是遠距離“回零”時，可以設定該機床數控系統(tǒng)設定的最高進給速度。
3.3.3 確定背吃刀量
背吃刀量根據機床、工件和刀具的剛度來決定，在剛度允許的條件下，應盡可能使背吃刀量等于工件的加工余量，這樣可以減少走刀次數，提高生產效率。為了保 證加工表面質量，可留少量精加工余量，一般0.2一0.5mm,總之，切削用量的具體數值應根據機床性能、相關的手冊并結合實際經驗用類比方法確定。同時，使主軸轉速、切削深度及進給速度三者能相互適應，以形成最佳切削用量。
切削用量不僅是在機床調整前必須確定的重要參數，而且其數值合理與否對加工質量、加工效率、生產成本等有著非常重要的影響。所謂“合理的”切削用量是指 充分利用刀具切削性能和機床動力性能(功率、扭矩)，在保證質量的前提下，獲得高的生產率和低的加工成本的切削用量。
第4章 Φ320mm的傳動系統(tǒng)圖設計計算
4.1.主動參數參數的擬定
因為已知 ，
∴ Z=+1
∴===1.4129
根據標準公比。這里我們取標準公比系列=1.41.
因為=1.41=1.06，根據標準數列。首先找到最小極限轉速20，再每跳過5個數（1.26～1.06）取一個轉速，即可得到公比為1.41的數列：20，35.5，50，71，100，140，200，280，400，560，800
合理的確定電機功率P，使機床既能充分發(fā)揮其使用性能，滿足生產需要，又不致使電機經常輕載而降低功率因素。
現在以常見的中碳鋼為工件材料，取45號鋼，正火處理，車削外圓，表面粗糙度=3.2mm。采用車刀具，可轉位外圓車刀，刀桿尺寸：16mm25mm。刀具幾何參數：=15，=6，=75，=15，=0，=-10，b=0.3mm，r=1mm。
現以確定粗車是的切削用量為設計：
① 確定背吃刀量和進給量f，根據【2】表8-50，取4mm，f取0.6。
② 確定切削速度，參【2】表8-57，取V=1.7。
③ 機床功率的計算，
主切削力的計算 根據【2】-表8-59和表8-60，主切削力的計算公式及有關參數：
F=9.81
=9.8127040.920.95
=3242（N）
切削功率的計算
==32421.7=5.5（kW）
依照一般情況，取機床變速效率=0.8.
==6.86(kW)
根據【3】表12-1 Y系列（IP44）電動機的技術數據,Y系列（IP44）電動機為一般用途全封閉自扇冷式籠型異步電動機，具有防塵埃、鐵屑或其他雜物侵入電動機內部的特點，B級絕緣，工業(yè)環(huán)境溫度不超過+40℃，相對濕度不超過95%，海拔高度不超過1000m，額定電壓380V，頻率50Hz。適用于無特殊要求的機械上，如機床，泵，風機，攪拌機，運輸機，農業(yè)機械等。
根據以上要求，我們選取Y132M-4型可調速電動機，額定功率7.5kW,滿載轉速1440，額定轉矩2.2，質量81kg。
4.2 變速結構的設計
4.2.1 主變速方案擬定
擬定變速方案，包括變速型式的選擇以及開停、換向、制動、操縱等整個變速系統(tǒng)的確定。變速型式則指變速和變速的元件、機構以及組成、安排不同特點的變速型式、變速類型。
變速方案和型式與結構的復雜程度密切相關，和工作性能也有關系。因此，確定變速方案和型式，要從結構、工藝、性能及經濟等多方面統(tǒng)一考慮。
變速方案有多種，變速型式更是眾多，比如：變速型式上有集中變速，分離變速；擴大變速范圍可用增加變速組數，也可采用背輪結構、分支變速等型式；變速箱上既可用多速電機，也可用交換齒輪、滑移齒輪、公用齒輪等。
顯然，可能的方案有很多，優(yōu)化的方案也因條件而異。此次設計中，我們采用集中變速型式的主軸變速箱。
4.2.2 變速結構式、結構網的選擇
結構式、結構網對于分析和選擇簡單的串聯(lián)式的變速不失為有用的方法，但對于分析復雜的變速并想由此導出實際的方案，就并非十分有效。
數為Z的變速系統(tǒng)由若干個順序的變速組組成，各變速組分別有、……個變速副。即
變速副中由于結構的限制以2或3為合適，即變速級數Z應為2和3的因子： ，可以有三種方案：
12級轉速變速系統(tǒng)的變速組，選擇變速組安排方式時，考慮到機床主軸變速箱的具體結構、裝置和性能。
在Ⅰ軸如果安置換向摩擦離合器時，為減少軸向尺寸，第一變速組的變速副數不能多，以2為宜。
主軸對加工精度、表面粗糙度的影響很大，因此主軸上齒輪少些為好。最后一個變速組的變速副數常選用2。
綜上所述，變速式為12=2×3×2。
對于12=2×3×2傳動式，有6種結構式和對應的結構網。分別為：
， ， ，
由于本次設計的機床I軸裝有摩擦離合器，在結構上要求有一齒輪的齒根圓大于離合器的直徑。初選的方案。
從電動機到主軸主要為降速變速，若使變速副較多的變速組放在較接近電動機處可使小尺寸零件多些，大尺寸零件少些，節(jié)省材料，也就是滿足變速副前多后少的原則，因此取12=2×3×2方案為好。
設計車床主變速傳動系時，為避免從動齒輪尺寸過大而增加箱體的徑向尺寸，在降速變速中，一般限制限制最小變速比 ；為避免擴大傳動誤差，減少震動噪聲，在升速時一般限制最大轉速比。斜齒圓柱齒輪傳動較平穩(wěn)，可取。因此在主變速鏈任一變速組的最大變速范圍。在設計時必須保證中間變速軸的變速范圍最小。
根據中間變速軸變速范圍小的原則選擇結構網。從而確定結構網如下：
主軸的變速范圍應等于住變速傳動系中各個變速組變速范圍的乘積，即：
檢查變速組的變速范圍是否超過極限值時，只需檢查最后一個擴大組。因為其他變速組的變速范圍都比最后擴大組的小，只要最后擴大組的變速范圍不超過極限值，其他變速組就不會超過極限值。
其中，，
∴，符合要求。
繪制轉速圖
⑴、選擇Y132M-4型Y系列籠式三相異步電動機。
⑵、分配總降速變速比
總降速變速比
電動機轉速不符合轉速數列標準，因而增加一定比變速副。
⑶、確定變速軸軸數
變速軸軸數 = 變速組數 + 定比變速副數 + 1 = 3 + 1 + 1 = 5。
⑷、確定各級轉速
由、、z = 12確定各級轉速： 800、560、400、280、200、140、100、71、50、35.5、20r/min。
⑸、繪制轉速圖
在五根軸中，除去電動機軸，其余四軸按變速順序依次設為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ（主軸）。Ⅰ與Ⅱ、Ⅱ與Ⅲ、Ⅲ與Ⅳ軸之間的變速組分別設為a、b、c?，F由Ⅳ（主軸）開始，確定Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ軸的轉速：
① 先來確定Ⅲ軸的轉速
變速組c 的變速范圍為，結合結構式，
Ⅲ軸的轉速只有一種可能：
100、140、200、280、400、560r/min。
② 確定軸Ⅱ的轉速
變速組b的級比指數為2，希望中間軸轉速較小，因而為了避免升速，又不致變速比太小，可取
，，
軸Ⅱ的轉速確定為：400、560r/min。
③確定軸Ⅰ的轉速
對于軸Ⅰ，其級比指數為1,可取
，
確定軸Ⅰ轉速為800r/min。
由此也可確定加在電動機與主軸之間的定變速比。下面畫出轉速圖（電動機轉速與主軸最高轉速相近）。
齒輪齒數的確定，當各變速組的傳動比確定以后，可確定齒輪齒數。對于定比傳動的齒輪齒數可依據機械設計手冊推薦的方法確定。對于變速組內齒輪的齒數，如傳動比是標準公比的整數次方時，變速組內每對齒輪的齒數和及小齒輪的齒數可以從【1】表3-9中選取。一般在主傳動中，最小齒數應大于18～20。采用三聯(lián)滑移齒輪時，應檢查滑移齒輪之間的齒數關系：三聯(lián)滑移齒輪的最大齒輪之間的齒數差應大于或等于4，以保證滑移是齒輪外圓不相碰。
根據【1】,查表3-9各種常用變速比的使用齒數。
⑴、變速組a:
∵，；
時：……57、60、63、66、69、72、75、78……
時：……58、60、63、65、67、68、70、72、73、77……
可取84,于是可得軸Ⅰ齒輪齒數分別為：28、35。
于是，，
可得軸Ⅱ上的三聯(lián)齒輪齒數分別為：56、49。
⑵、變速組b:
根據【1】,查表3-9各種常用變速比的使用齒數,
∵，,
時：……87、89、90、91、92……
時：……87、89、90、91……
時：……86、88、90、91……
可取 90，于是可得軸Ⅱ上兩聯(lián)齒輪的齒數分別為：18、30、45。
于是 ，，，得軸Ⅲ上兩齒輪的齒數分別為：72，60、45。
⑶、變速組c:
根據【1】,查表3-9各種常用變速比的使用齒數,
,
時：……、85、89、90、94、95、108……
時： ……84、87、89、90、108……
可取 108.
為降速變速，取軸Ⅲ齒輪齒數為22；
為升速變速，取軸Ⅳ齒輪齒數為36。
于是得,
得軸Ⅲ兩聯(lián)動齒輪的齒數分別為22，72；
得軸Ⅳ兩齒輪齒數分別為86，36。
4.3帶輪的設計
三角帶傳動中，軸間距A可以加大。由于是摩擦傳遞，帶與輪槽間會有打滑，宜可緩和沖擊及隔離振動，使傳動平穩(wěn)。帶輪結構簡單，但尺寸大，機床中常用作電機輸出軸的定比傳動。電動機轉速n=1440r/min,傳遞功率P=7.5kW,傳動比i=1.8，兩班制，一天運轉16小時，工作年數10年。
(1)、選擇三角帶的型號
由【4】表8-7工作情況系數查的共況系數=1.2。
故根據【4】公式（8-21）
式中P--電動機額定功率， --工作情況系數
因此根據、由【4】 圖8-11普通V帶輪型圖選用A型。
(2)、確定帶輪的基準直徑，
帶輪的直徑越小帶的彎曲應力就越大。為提高帶的壽命，小帶輪的直徑不宜過小，即。查【4】表8-8、圖8-11和表8-6取主動小帶輪基準直徑=125。
由【4】公式(8-15a)
式中：
-小帶輪轉速，-大帶輪轉速，-帶的滑動系數，一般取0.02。
∴ ，由【4】表8-8取圓整為224mm。
(3)、驗算帶速度V，
按【4】式（8-13）驗算帶的速度
∵，故帶速合適。
(4)、初定中心距
帶輪的中心距，通常根據機床的總體布局初步選定，一般可在下列范圍內選取： 根據【4】經驗公式（8-20）
取，取=600mm.
(5)、三角帶的計算基準長度
由【4】公式（8-22）計算帶輪的基準長度
由【4】表8-2，圓整到標準的計算長度
(6)、驗算三角帶的撓曲次數
，符合要求。
(7)、確定實際中心距
按【4】公式（8-23）計算實際中心距
(8)、驗算小帶輪包角
根據【4】公式（8-25）
，故主動輪上包角合適。
(9)、確定三角帶根數
根據【4】式（8-26）得
查表【4】表8-4d由 i=1.8和得= 0.15KW,
查表【4】表8-5，=0.98；查表【4】表8-2，長度系數=1.01
∴取 根
(10)、計算預緊力
查【4】表8-3，q=0.1kg/m
由【4】式（8-27）
其中： -帶的變速功率,KW；
v-帶速,m/s；
q-每米帶的質量，kg/m；取q=0.1kg/m。
v = 1440r/min = 9.42m/s。
⑾、計算作用在軸上的壓軸力
傳動比
查表【4】表8-4a由和得= 1.92KW
4.4 傳動軸的直徑估算
傳動軸除應滿足強度要求外，還應滿足剛度的要求，強度要求保證軸在反復載荷和扭載荷作用下不發(fā)生疲勞破壞。機床主傳動系統(tǒng)精度要求較高，不允許有較大變形。因此疲勞強度一般不失是主要矛盾，除了載荷很大的情況外，可以不必驗算軸的強度。剛度要求保證軸在載荷下不至發(fā)生過大的變形。因此，必須保證傳動軸有足夠的剛度。
4.4.1 確定各軸轉速
⑴、確定主軸計算轉速：計算轉速是傳動件能傳遞全部功率的最低轉速。各傳動件的計算轉速可以從轉速圖上，按主軸的計算轉速和相應的傳動關系確定。
根據【1】表3-10，主軸的計算轉速為
⑵、各變速軸的計算轉速：
①軸Ⅲ的計算轉速可從主軸71r/min按72/18的變速副找上去，軸Ⅲ的計算轉速為
100r/min；
②軸Ⅱ的計算轉速為400r/min；
③軸Ⅰ的計算轉速為800r/min。
⑶、各齒輪的計算轉速
各變速組內一般只計算組內最小齒輪，也是最薄弱的齒輪，故也只需確定最小齒輪的計算轉速。
① 變速組c中，22/86只需計算z = 22 的齒輪，計算轉速為280r/min；
② 變速組b計算z = 18的齒輪，計算轉速為400r/min；
③ 變速組a應計算z = 28的齒輪，計算轉速為800r/min。
⑷、核算主軸轉速誤差
∵
∴
所以合適。
4.4.2傳動軸直徑的估算：確定各軸最小直徑
根據【5】公式（7-1），，并查【5】表7-13得到取1.
①Ⅰ軸的直徑：取
②Ⅱ軸的直徑：取
③Ⅲ軸的直徑：取
其中：P-電動機額定功率（kW）；
-從電機到該傳動軸之間傳動件的傳動效率的乘積；
-該傳動軸的計算轉速（）；
-傳動軸允許的扭轉角（）。
當軸上有鍵槽時，d值應相應增大4～5%;當軸為花鍵軸時，可將估算的d值減小7%為花鍵軸的小徑;空心軸時，d需乘以計算系數b，b值見【5】表7-12。Ⅰ和Ⅳ為由鍵槽并且軸Ⅳ為空心軸，Ⅱ和Ⅲ為花鍵軸。根據以上原則各軸的直徑取值：，和在后文給定，軸采用光軸，軸和軸因為要安裝滑移齒輪所以都采用花鍵軸。因為矩形花鍵定心精度高，定心穩(wěn)定性好，能用磨削的方法消除熱處理變形，定心直徑尺寸公差和位置公差都能獲得較高的精度，故我采用矩形花鍵連接。按規(guī)定，矩形花鍵的定心方式為小徑定心。查【15】表5-3-30的矩形花鍵的基本尺寸系列，軸花鍵軸的規(guī)格；軸花鍵軸的規(guī)格。
④各軸間的中心距的確定：
；
；
；
4.4.3 鍵的選擇
查【4】表6-1選擇軸上的鍵，根據軸的直徑，鍵的尺寸選擇，鍵的長度L取22。主軸處鍵的選擇同上，鍵的尺寸為，鍵的長度L取100。
4.5傳動軸的校核
需要驗算傳動軸薄弱環(huán)節(jié)處的傾角荷撓度。驗算傾角時，若支撐類型相同則只需驗算支反力最大支撐處傾角；當此傾角小于安裝齒輪處規(guī)定的許用值時，則齒輪處傾角不必驗算。驗算撓度時，要求驗算受力最大的齒輪處，但通?？沈炈銈鲃虞S中點處撓度（誤差<%3）.
當軸的各段直徑相差不大，計算精度要求不高時，可看做等直徑，采用平均直徑進行計算，計算花鍵軸傳動軸一般只驗算彎曲剛度，花鍵軸還應進行鍵側擠壓驗算。彎曲剛度驗算；的剛度時可采用平均直徑或當量直徑。一般將軸化為集中載荷下的簡支梁，其撓度和傾角計算公式見【5】表7-15.分別求出各載荷作用下所產生的撓度和傾角，然后疊加，注意方向符號，在同一平面上進行代數疊加，不在同一平面上進行向量疊加。
4.5.1 傳動軸的校核
①Ⅰ軸的校核：通過受力分析，在一軸的三對嚙合齒輪副中，中間的兩對齒輪對Ⅰ軸中點處的撓度影響最大，所以，選擇中間齒輪嚙合來進行校核
最大撓度：
查【1】表3-12許用撓度；
。
②Ⅱ軸、Ⅲ軸的校核同上。
4.5.2 鍵的校核
鍵和軸的材料都是鋼，由【4】表6-2查的許用擠壓應力,取其中間值，。鍵的工作長度，鍵與輪榖鍵槽的接觸高度。由【4】式（6-1）可得
可見連接的擠壓強度足夠了，鍵的標記為：
4.6 各變速組齒輪模數的確定和校核
4.6.1 齒輪模數的確定
齒輪模數的估算。通常同一變速組內的齒輪取相同的模數，如齒輪材料相同時，選擇負荷最重的小齒輪，根據齒面接觸疲勞強度和齒輪彎曲疲勞強度條件按【5】表7-17進行估算模數和，并按其中較大者選取相近的標準模數，為簡化工藝變速傳動系統(tǒng)內各變速組的齒輪模數最好一樣，通常不超過2～3種模數。
先計算最小齒數齒輪的模數，齒輪選用直齒圓柱齒輪及斜齒輪傳動，查【4】表10-8齒輪精度選用7級精度，再由【4】表10-1選擇小齒輪材料為40C(調質)，硬度為280HBS：
根據【5】表7-17；有公式：
①齒面接觸疲勞強度：
②齒輪彎曲疲勞強度：
⑴、a變速組：分別計算各齒輪模數，先計算最小齒數28的齒輪。
①齒面接觸疲勞強度：
其中: -公比 ； = 2；
P-齒輪傳遞的名義功率；P = 0.967.5=7.2KW；
-齒寬系數=；
-齒輪許允接觸應力，由【5】圖7-6按MQ線查取;
-計算齒輪計算轉速;
K-載荷系數取1.2。
=650MPa，
∴
根據【6】表10-4將齒輪模數圓整為4mm 。
② 齒輪彎曲疲勞強度：
其中: P-齒輪傳遞的名義功率；P = 0.967.5=7.2KW；
-齒寬系數=；
-齒輪許允齒根應力，由【5】圖7-11按MQ線查??；
-計算齒輪計算轉速;
K-載荷系數取1.2。
，
∴
∴
根據【6】表10-4將齒輪模數圓整為2.5mm 。
∵所以
于是變速組a的齒輪模數取m = 4mm，b = 32mm。
軸Ⅰ上主動輪齒輪的直徑：
。
軸Ⅱ上三聯(lián)從動輪齒輪的直徑分別為：
⑵、b變速組：確定軸Ⅱ上另兩聯(lián)齒輪的模數，先計算最小齒數18的齒輪。
① 齒面接觸疲勞強度：
其中: -公比 ； =4；
P-齒輪傳遞的名義功率；P = 0.9227.5=6.915KW；
-齒寬系數=；
-齒輪許允接觸應力，由【5】圖7-6按MQ線查取;
-計算齒輪計算轉速;
K-載荷系數取1.2。
=650MPa，
∴
∴
根據【6】表10-4將齒輪模數圓整為5mm 。
② 齒輪彎曲疲勞強度：
其中: P-齒輪傳遞的名義功率；P =0.9227.5=6.915KW；
-齒寬系數=；
-齒輪許允齒根應力，由【5】圖7-11按MQ線查?。?
-計算齒輪計算轉速;
K-載荷系數取1.2。
，
∴
∴
根據【6】表10-4將齒輪模數圓整為3mm 。
∵所以
于是變速組b的齒輪模數取m = 5mm，b = 40mm。
軸Ⅱ上主動輪齒輪的直徑：
軸Ⅲ上三聯(lián)從動輪齒輪的直徑分別為：
⑶、c變速組：
為了使傳動平穩(wěn)，所以使用斜齒輪，取，螺旋角。
計算中心距a，
∴圓整為280mm。
修正螺旋角，
因值改變不多，所以參數，，等值不必修正。
所以軸Ⅲ上兩聯(lián)動主動輪齒輪的直徑分別為：
軸Ⅳ上兩從動輪齒輪的直徑分別為：
⑷、標準齒輪參數：
從【7】表5-1查得以下公式
齒頂圓直徑 ；
齒根圓直徑；
分度圓直徑 ；
齒頂高 ；
齒根高 ；
齒輪的具體值見表
表5.1齒輪尺寸表 （單位：mm）
齒輪
齒數
z
模數
分度圓直徑d
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
齒頂高
齒根高
⒈
28
4
112
120
102
4
5
⒉
35
4
140
148
130
4
5
⒊
56
4
224
232
214
4
5
⒋
49
4
196
204
186
4
5
⒌
18
5
90
100
77.5
5
6.25
⒍
30
5
150
160
137.5
5
6.25
⒎
45
5
225
235
212.5
5
6.25
⒏
72
5
360
370
347.5
5
6.25
⒐
60
5
200
210
187.5
5
6.25
⒑
45
5
225
235
212.5
5
6.25
⒒
22
5
114.12
124.5
101.16
5.19
4.68
⒓
72
5
373.44
383.82
360.48
5.19
4.68
⒔
36
5
184.92
197.1
173.76
5.19
4.68
⒕
86
5
446.06
454.64
433.1
5.19
4.68
4.6.2 齒寬的確定
由公式得：
①Ⅰ軸主動輪齒輪；
②Ⅱ軸主動輪齒輪；
③Ⅲ軸主動輪齒輪；
一般一對嚙合齒輪，為了防止大小齒輪因裝配誤差產生軸向錯位時導致嚙合齒寬減小而增大輪齒的載荷，設計上，應主動輪比從動輪齒寬大（5～10mm）。
所以：， ，
，，
，。
4.6.3 齒輪結構的設計
通過齒輪傳動強度的計算，只能確定出齒輪的主要尺寸，如齒數、模數、齒寬、螺旋角、分度圓直徑等，而齒圈、輪輻、輪轂等的結構形式及尺寸大小，通常都由結構設計而定。當齒頂圓直徑時，可以做成實心式結構的齒輪。當時，可做成腹板式結構，再考慮到加工問題，現決定把齒輪8、12和14做成腹板式結構。其余做成實心結構。根據【4】圖10-39（a）
齒輪10、12和13結構尺寸計算如下：
①齒輪8結構尺寸計算，
；
；
；；
；
，C取12cm。
②齒輪12結構尺寸計算;
；
；
；；
；
，C取12cm。
③齒輪14結構尺寸計算
，
；
；
；
，C取14cm。
4.7 帶輪結構設計
⑴、帶輪的材料
常用的V帶輪材料為HT150或HT200，轉速較高時可以采用鑄鋼或鋼板沖壓焊接而成，小功略時采用鑄鋁或塑料。
⑵、帶輪結構形式
V帶輪由輪緣、輪輻和輪轂組成，根據輪輻結構的不同可以分為實心式（【4】圖8-14a）、腹板式（【4】圖8-14b）、孔板式（【4】圖8-14c）、橢圓輪輻式（【4】圖8-14d）。V帶輪的結構形式與基準直徑有關，當帶輪基準直徑（d為安裝帶輪的軸的直徑，mm）時?？梢圆捎脤嵭氖剑斂梢圆捎酶拱迨?，時可以采用孔板式，當時，可以采用輪輻式。
帶輪寬度：。
分度圓直徑： 。
D=90mm是深溝球軸承6210軸承外徑，其他尺寸見帶輪零件圖。
⑶、V帶輪的論槽
V帶輪的輪槽與所選的V帶型號向對應，見【4】表8-10. mm
槽型
與相對應得
A
11.0
2.75
8.7
9
—
—
V帶繞在帶輪上以后發(fā)生彎曲變形，使V帶工作面夾角發(fā)生變化。為了使V帶的工作面與大論的輪槽工作面緊密貼合，將V帶輪輪槽的工作面得夾角做成小于。
V帶安裝到輪槽中以后，一般不應該超出帶輪外圓，也不應該與輪槽底部接觸。為此規(guī)定了輪槽基準直徑到帶輪外圓和底部的最小高度。
輪槽工作表面的粗糙度為。
⑷、V帶輪的技術要求
鑄造、焊接或燒結的帶輪在輪緣、腹板、輪輻及輪轂上不允許有傻眼、裂縫、縮孔及氣泡；鑄造帶輪在不提高內部應力的前提下，允許對輪緣、凸臺、腹板及輪轂的表面缺陷進行修補；轉速高于極限轉速的帶輪要做靜平衡，反之做動平衡。其他條件參見中的規(guī)定。
4.9 齒輪校驗
在驗算算速箱中的齒輪應力時，選相同模數中承受載荷最大，齒數最小的齒輪進接觸應力和彎曲應力的驗算。這里要驗算的是齒輪1，齒輪5，齒輪11這三個齒輪。
齒輪強度校核：計算公式：①彎曲疲勞強度;
②接觸疲勞強度
4.9.1 校核a變速組齒輪
①彎曲疲勞強度；校核齒數為28的齒輪，確定各項參數
⑴、 ,n=800r/min,
⑵、確定動載系數
∵
齒輪精度為7級，由【4】圖10-8查得動載系數。由【4】使用系數。
⑶、。
⑷、確定齒向載荷分配系數:取齒寬系數
查【4】表10-4，得非對稱齒向載荷分配系數；
,
查【4】圖10-13得
⑸、確定齒間載荷分配系數:
由【4】表10-2查的使用，
由【4】表10-3查得齒間載荷分配系數
⑹、確定載荷系數:
⑺、 查【4】表 10-5 齒形系數及應力校正系數
；
⑻、計算彎曲疲勞許用應力
由【4】圖10-20(c)查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限。
【4】圖10-18查得 壽命系數,取疲勞強度安全系數S = 1.3
，
②接觸疲勞強度
⑴、載荷系數K的確定：
⑵、彈性影響系數的確定；查【4】表10-6得
⑶、查【4】圖10-21（d）得，
故齒輪1合適。
4.9.2 校核b變速組齒輪
①彎曲疲勞強度；校核齒數為18的齒輪，確定各項參數
⑴、,n=400r/min,