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哈爾濱工業(yè)大學華德應(yīng)用技術(shù)學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）
摘 要
“數(shù)控銑溝機床”是一種銑制刀具溝槽的高效自動化專用機床，屬于現(xiàn)代經(jīng)濟型數(shù)控專機，目前國內(nèi)尚無該種專機。國內(nèi)現(xiàn)行銑制刀具溝槽仍采用通用銑床，加工質(zhì)量和加工效率較低，產(chǎn)品無競爭力，滿足不了現(xiàn)實生產(chǎn)需求。本文主要設(shè)計的是數(shù)控銑溝機床的機械結(jié)構(gòu)。
銑床的機械結(jié)構(gòu)主要由二部分組成：
1.銑頭部分 安裝在銑床上并與主軸連接，用于帶動銑刀旋轉(zhuǎn)的機床附件，功能為將驅(qū)動裝置的運動機動力傳給執(zhí)行件，以實現(xiàn)主切削運動。
2.自動送料系統(tǒng) 它包括動力源、傳動件及進給運動執(zhí)行件（工作臺，刀架）等，其功用是將步進驅(qū)動裝置的運動與動力傳給執(zhí)行件，以實現(xiàn)進給切削運動。
關(guān)鍵詞 數(shù)控銑溝機床;銑頭部分;自動送料系統(tǒng)
Abstract
Computer numerical control milling groove machine" is a kind of milling cutter groove efficient automatic special machine tool, which belongs to the modern economic type NC plane, there is no such a plane. Current domestic milling cutter grooves are still using the universal milling machine, machining quality and machining efficiency is low, the product is not competitive, can not meet the actual production needs. This paper is the design of the mechanical structure of the machine tool numerical control milling groove.
Milling machine mechanical structure is mainly composed of two parts:
The 1 milling machine mechanical structure is mainly composed of two parts: Milling head part milling machine and connected to the spindle, machine tool accessories used to drive the cutter rotation function for the power to the movement of the drive unit to perform pieces, in order to achieve the main cutting movement.
The2 automatic feeding system comprises a power source, transmission parts and the feed motion actuator (work bench, tool ), its function is the stepping driving device and power transmission to the actuator movement, in order to realize cutting feed motion.
Key words numerical control milling groove machine; milling head part; automatic feeding system
目錄
摘 要 I
Abstract II
II
哈爾濱工業(yè)大學華德應(yīng)用技術(shù)學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）
第1章 緒論 1
1.1 課題研究現(xiàn)狀 1
1.2 國內(nèi)外在該方向的研究現(xiàn)狀及分析 1
1.3 課題研究方案和預期達到的目標 2
1.4 設(shè)計論文的基本內(nèi)容 2
第2章 數(shù)控銑床總體設(shè)計 3
2.1 數(shù)控銑床的布局 3
2.2 數(shù)控銑床主要規(guī)格與參數(shù) 3
2.3 本章小結(jié) 4
第3章 數(shù)控銑溝機床的銑頭部分設(shè)計 5
3.1 銑頭部分的組成 5
3.2 銑頭部分的分類和初步計算 5
3.3 銑頭部分電機的選擇 7
3.4 帶傳動的設(shè)計計算 8
3.5 軸的設(shè)計計算 10
3.6 齒輪的設(shè)計計算 11
3.7 齒輪強度的校核 12
3.8 軸的強度的校核 15
3.9 本章小結(jié) 17
第4章 數(shù)控銑溝機床自動送料機構(gòu) 18
4.1 自動送料機構(gòu)的要求 18
4.2 自動送料機構(gòu)的設(shè)計 18
4.3 本章小結(jié) 19
第5章 數(shù)控銑溝機床的液壓部分設(shè)計 20
5.1 液壓系統(tǒng)的組成 20
5.2 液壓傳動的應(yīng)用 20
5.3 液壓部分的設(shè)計計算 21
5.4 本章小結(jié) 27
II
哈爾濱工業(yè)大學華德應(yīng)用技術(shù)學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）
結(jié) 論 28
致 謝 29
參考文獻 30
附 錄1 31
附 錄2 34
IV
第1章 緒論
1.1 課題研究現(xiàn)狀
該課題的目的是為解決現(xiàn)實生產(chǎn)中存在的產(chǎn)品質(zhì)量低，生產(chǎn)效率低和生產(chǎn)加工刀具溝槽的落后現(xiàn)狀，實現(xiàn)刀具生產(chǎn)工藝裝備現(xiàn)代化和加工刀具溝槽柔性化，提高刀具制造工藝水平。該課題的研制成功將會對大力發(fā)展小而專的數(shù)控自動化專機生產(chǎn)技術(shù)作出貢獻。
該機床的主要特色和創(chuàng)新之處在于：加工刀具溝槽(如直柄立銑刀、鍵槽銑刀及直柄鉆頭等)其螺旋角、旋向和齒數(shù)（螺旋槽數(shù)）等參數(shù)，可由數(shù)控系統(tǒng)控制，進行自動調(diào)整，實現(xiàn)了該類產(chǎn)品柔性加工自動化，改變了舊有機床人工調(diào)整以上參數(shù)的落后操作方法，可極大地提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，為專用數(shù)控機床的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。目前國內(nèi)尚無此類機床。對于這次設(shè)計對本人的鍛煉意義:
1、通過計算機輔助設(shè)計數(shù)控銑溝機床主傳動系統(tǒng)，掌握現(xiàn)代數(shù)控機床的總體結(jié)構(gòu)、功能部件和性能指標。通過CAD/CAM軟件對功能部件進行三維設(shè)計，了解數(shù)控機床功能部件的運動結(jié)構(gòu)和功能。
2、通過主軸箱差動主軸系統(tǒng)設(shè)計、自動上下料機構(gòu)設(shè)計，提高查閱資料、分析問題和解決問題的能力。
3、掌握現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，熟練運用和掌握計算機輔助設(shè)計和解決問題的能力。
4、掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計和零件計算方法。
1.2 國內(nèi)外在該方向的研究現(xiàn)狀及分析
“數(shù)控銑溝機床”是一種銑制刀具溝槽的高效自動化專用機床，屬于現(xiàn)代經(jīng)濟型數(shù)控專機，目前國內(nèi)尚無該種專機。國內(nèi)現(xiàn)行銑制刀具溝槽仍采用通用銑床，加工質(zhì)量和加工效率較低，產(chǎn)品無競爭力，滿足不了現(xiàn)實生產(chǎn)需求。
國外發(fā)達國家為加工中心所用的配套刀具基本都采用的磨制刀具，已部分采用磨制刀具溝槽的專機，如美國赫特林公司生產(chǎn)的F80非數(shù)控專用機床價格昂貴，一般生產(chǎn)廠家很難承受，而且磨制的刀具造價高于銑制的幾倍，國內(nèi)加工中心也少用，由于銑制的刀具價格低，在國內(nèi)外仍普遍應(yīng)用，如美國、羅馬尼亞、波蘭等國常年訂貨。國內(nèi)無專機銑制，質(zhì)量較低，出口受到限制。所以一些刀具生產(chǎn)廠家需要一種數(shù)控機床，以提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，滿足國內(nèi)外的市場需求。該機的研制成功將會有效地改變現(xiàn)在落后的生產(chǎn)狀況。
1.3 課題研究方案和預期達到的目標
研究方案：廣泛收集國內(nèi)外相關(guān)資料，對各種主要研究方法成果進行整理分析。研制開發(fā)直柄立銑刀、鍵槽銑刀規(guī)格在?3-?8，?8-?14，?14-?18三個系列的經(jīng)濟、實用、可靠、自動化程度高的數(shù)控銑溝機床。先確定主傳動功率和主運動的調(diào)速范圍，再進行差動主軸系統(tǒng)設(shè)計，接著進行主軸組件的設(shè)計其中包括主軸組件的組成、軸承的選型和設(shè)計及其潤滑、主軸組件的前懸伸和跨距及其剛度計算。然后進行自動上下料機構(gòu)設(shè)計，自動裝卡機構(gòu)、高精度自動分齒機構(gòu)設(shè)計。期間在設(shè)計當中得考慮加工中的精度、剛度、抗震性、熱穩(wěn)定性，使主傳動系統(tǒng)綜合性能達到最佳。
1.4 設(shè)計論文的基本內(nèi)容
根據(jù)市場和目前技術(shù)狀況的調(diào)研和分析，以及對現(xiàn)有技術(shù)成果的分析、消化和吸收，以經(jīng)濟性、實用性和可靠性等原則，制定總體設(shè)計方案，采用優(yōu)化設(shè)計的方法進行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)機床結(jié)構(gòu)和性能的要求，設(shè)計差動主軸系統(tǒng)、自動上下料機構(gòu)、自動裝卡機構(gòu)、高精度自動分齒機構(gòu)、銑頭動力箱及調(diào)整支架、機座部分和液壓系統(tǒng)等。我所設(shè)計的主要是差動主軸系統(tǒng)、自動上下料機構(gòu)、自動裝卡機構(gòu)、高精度自動分齒機構(gòu)四種。差動主軸系統(tǒng)是指由渦輪蝸桿和螺旋齒輪共同控制主軸的“又轉(zhuǎn)又移”；自動上下料機構(gòu)指放料箱（料斗）能通過活塞塞桿的推拉，實現(xiàn)銑床自動上下料；自動裝夾機構(gòu)是指主軸彈簧夾盤能同過活塞的控制，與料斗配合共同完成裝夾；高精度自動分齒機構(gòu)是指圓盤工作臺分度可以達到較高精度，以及渦輪蝸桿采用雙螺距漸厚螺桿，可以有效的通過移動蝸桿的軸向位置來調(diào)整間隙。這種螺桿的左右兩側(cè)面具有不同的螺距，因此螺桿齒厚從一端向另一端逐漸增厚。但由于同一側(cè)的螺距是相同的，所以仍然保持著正常的嚙合。而螺旋齒輪則是通過偏心軸套消除傳動間隙結(jié)構(gòu)。
第2章 數(shù)控銑床總體設(shè)計
2.1 數(shù)控銑床的布局
臥式數(shù)控銑床的布局形式種類很多，其主要區(qū)別在于立柱的結(jié)構(gòu)形式和X、Z坐標軸的移動方式上。常用的有數(shù)控立銑、數(shù)控臥銑和數(shù)控龍門銑三種。我所設(shè)計的數(shù)控銑溝機床為立式銑床，屬于專用機床，它跟傳統(tǒng)的數(shù)控銑床有較大的區(qū)別。這是主要用于銑制刀具的機床，現(xiàn)擬定主要由主軸箱部分、送料裝置、銑頭部分、基座部分、冷卻系統(tǒng)和微機數(shù)控部分共六部分組成。主軸由螺旋齒輪和蝸輪蝸桿共同實現(xiàn)“又轉(zhuǎn)又移”的運動，主軸端部由彈簧夾頭夾住高速鋼棒料，將棒料送入導套后緩慢的轉(zhuǎn)動及向前移動，同時銑頭部分銑刀高速旋轉(zhuǎn)并下壓，銑好一條刀槽之后抬刀，主軸退回并分度，然后將棒料送入導套，重復剛才的動作，直到刀具銑制完畢。最后彈簧夾頭松開，棒料被彈簧彈出，一個刀具就自動制作完成了。制作下一個刀具時，由液壓缸將送料箱送出，主軸伸出夾住棒料，送料機構(gòu)退回，便完成了一個循環(huán)。這個機床算是半自動加工，工人只需要定時的向放料箱內(nèi)投置棒料即可，大大提高了加工效率，節(jié)省了人力資源，十分可行。需要注意的是，銑床底座上應(yīng)設(shè)有4個調(diào)節(jié)螺栓，便于機床進行水平調(diào)整，切削液儲液襤設(shè)在機床座內(nèi)部。機床的冷卻系統(tǒng)是由冷卻泵、出水管、回水管、開關(guān)及噴嘴等組成，冷卻泵安裝在機床底座的內(nèi)腔里，冷卻泵將切削液從底座內(nèi)儲液池打至出水管，然后經(jīng)噴嘴噴出，對切削區(qū)進行冷卻。
2.2 數(shù)控銑床主要規(guī)格與參數(shù)
根據(jù)設(shè)計任務(wù)書的要求，本次設(shè)計中型數(shù)控銑床。查閱相關(guān)資料，參照國內(nèi)外各個廠家生產(chǎn)的中型數(shù)控銑床，現(xiàn)確定數(shù)控銑床的主要規(guī)格與參數(shù)如下：
功率：7.5KW
工作臺半徑：R340mm
工作臺最大負載：500kg
工作臺距地面高度：600-700mm
主軸頭端面至工作臺距離：200-400mm
主軸最高轉(zhuǎn)速：450r/min
主機外形尺寸（長×寬×高）：1835×1340×1380）
圖2-1 數(shù)控銑溝機床結(jié)構(gòu)圖
1.主軸箱部分 2.送料裝置 3.銑頭部分 4.基座部分 5.微機數(shù)控部分
2.3 本章小結(jié)
本章具體的說明了銑小刀具螺紋溝槽的數(shù)控專用銑床的結(jié)構(gòu)，各部分部件的功能及其使用特點。進而以此達到合理選用最佳各部分零件。明確了銑床的尺寸參數(shù)等數(shù)據(jù)，使銑小刀具螺紋溝槽的數(shù)控專用銑床能完成任務(wù)書所要的功能，精度，使小刀具更高柔性化，能夠進行各種旋向、導程、齒數(shù)的小刀具設(shè)計，達到了本次課題的目的。
第3章 數(shù)控銑溝機床的銑頭部分設(shè)計
3.1 銑頭部分的組成
銑頭部分由有級(或無級)變速箱和銑頭兩個部件組成。銑頭主軸支承在高精度軸承上．保證主軸具有高回轉(zhuǎn)精度和良好的剛性；主軸裝有快速換刀螺母，主軸采用機械無級變速，其調(diào)節(jié)范圍寬，傳動平穩(wěn)，操作方便。動啟動主電動機時，應(yīng)注意松開主軸制動手柄。銑頭部件還裝有伺服電機、滾珠絲杠副及主軸套簡，它們形成垂直方向(z方向)進給傳動鏈，使主軸作旋轉(zhuǎn)運動。
3.2 銑頭部分的分類和初步計算
3.2.1銑頭的基本分類
銑頭的分類由于銑頭的工業(yè)用途。其具體的分類也就是數(shù)控銑加工床的分類。根據(jù)目前的發(fā)展有以下幾種典型：控制系列(Control) 控制柔性系列（Control Flex) 模塊化系列（Modular) TA45和TR90系列P8和P10系列
3.2.2銑頭部分的初步計算
從銑削力及銑削功率的計算可知：
1. 銑削分力
2. 銑削時的切削分力有：圓周力Pz,即主切削力；走刀力Ph，即水平分力：徑向力Py，即銑刀所受的徑向切削力；軸向力Po；壓軸力（垂直分力）Pv。
3. 銑削圓周力的計算
銑削圓周力的計算公式： （3-1）
式中---銑刀直徑； ---銑削深度
---每齒走刀量; ---銑削寬度
---銑刀齒數(shù)； ---銑刀轉(zhuǎn)數(shù)
---材料改變時的修正系數(shù)
是系數(shù)是指數(shù)
4. 銑削扭矩
（3-2）
式中---銑削圓周力 ---銑削直徑
5. 銑削功率
（3-3）
式中---銑削速度
計算高速鋼銑刀加工工件時的圓周銑削力 轉(zhuǎn)矩功率
銑刀材料為高速鋼，工件
1. 對于端銑
由設(shè)計要求可知，取端銑刀直徑
。
則切削速度 （3-4）
則
2.對于立銑
由設(shè)計要求可知，取立銑刀直徑
則切削速度
3.3 銑頭部分電機的選擇
機床的工況是選擇主電機的依據(jù)，機床零件和結(jié)構(gòu)的強度設(shè)計也是依據(jù)它進行的。它包括切屑功率Nc、空載功率Nmo、附加功率Nmc三部分，即
N=Nc+Nmo+Nmc
其中，切屑功率Nc是按照各個加工情況下叫經(jīng)常遇到的最大切屑力和最大切屑速度來計算，即 Nc=FzV中Fz是主切屑力（N） V是切屑速度（m/s）
至于空載功率和附加功率在此不考慮。
以下是用銑刀來加工碳鋼、青銅、鋁合金、可鍛鑄鐵切屑力的公式
（3-5）
式中 Cfz——切屑力系數(shù) ——側(cè)吃刀量 ——進給量 ——銑刀直徑 ——背吃刀量 Z——銑刀面數(shù)
如果加工灰鑄鐵切屑力的公式為
在加工碳鋼、青銅、鋁合金、可鍛鑄鐵
選擇
Z=3
取
因為加工灰鑄鐵時遠小于加工碳鋼的，其算出的功率也一定小于加工碳鋼的Pe所以取電機功率為7.5kw。
所選取的是130BF05A磁阻式步進電機，它具有以下的優(yōu)點：功率/重量比高：體積小;冷卻的法蘭盤，用以隔離機械傳動系的熱應(yīng)力：保護等級高。
3.4 帶傳動的設(shè)計計算
已知：電機功率，額定功率，傳動比，一天工作8小時。
1.確定設(shè)計功率查的工作情況的系數(shù)
則。（0.92為帶傳動效率） （3-6）
2.確定帶輪直徑
主動輪基準直徑
則從動輪基準直徑
驗算帶的速度 （3-7）
帶的速度合適。
3．確定帶的基準長度和傳動中心距
根據(jù) 得
初步確定中心距
計算帶所需的基準長度
（3-8）
由標準表中取近似的基準長度
計算實際中心距
（3-9）
選取中心距
4．驗算主動輪上的包角
（3-10）
主動輪上的包角合適
5．計算所需V帶的根數(shù) （3-11）
由帶型號
查表
查表
則，可取
6．計算單根帶的預緊力
（3-12）
查表 得
7.計算作用在軸上的壓軸力
（3-13）
3.5軸的設(shè)計計算
（3-14）
式中 d——傳動軸直徑；
N——該軸傳動的功率（kw）；
——該軸的計算轉(zhuǎn)速（r/min）；
（）——該軸每米長度允許扭轉(zhuǎn)角（deg/m），一般傳動軸?。ǎ?0.5-1。
對于軸1，起計算轉(zhuǎn)速=1500r/min，N=7.5kw，彈性聯(lián)軸器效率1對軸承的效率；?。ǎ?0.8
取
對于齒輪的傳遞效率則；=750r/min
取
主軸前徑直徑 功率在5.6kw-7.3kw時 主軸大徑在75-100mm之間 取D1=90mm，則D2=（0.7-0.85） D1=63-76.5mm 取D2=70mm
3.6齒輪的設(shè)計計算
（3-15）
式中 ——該軸的計算轉(zhuǎn)速（r/min）
——按解除疲勞強度計算的齒輪模數(shù)（mm）；
——驅(qū)動電動機功率（kw）；
u——大齒輪齒數(shù)與小齒輪齒數(shù)之比，外齒輪嚙合取“+”號 內(nèi)齒輪嚙合取“—”號；
——小齒輪的齒數(shù)；
——齒寬系數(shù)，=（B為齒寬，m為模數(shù)），；
——許用接觸應(yīng)力（Mpa）
，取
；取
；取
套裝在軸上的小齒輪還考慮到齒根圓到它的鍵槽深處的最小尺寸應(yīng)大于基圓齒厚，以防斷裂，則其最小齒數(shù)應(yīng)為
（3-16）
式中 D——齒輪花鍵孔的外徑（mm），單鍵槽的取孔中心至鍵槽槽底的尺寸兩倍
M——齒輪模數(shù)。
Ⅰ軸，D取46，
Ⅱ軸，D取50，
因為=42，所以滿足要求，大齒輪不會與軸相碰。
3.7齒輪強度的校核
由于本設(shè)計中主軸上齒輪的轉(zhuǎn)速較低，扭矩較大，因而最為危險。選擇主軸上的齒輪副進行強度校驗?？紤]到此機構(gòu)為一般機械，傳遞的功率7.5kw，并不大，工作環(huán)境良好且為閉式傳動，由于希望齒輪工作壽命長，所以采用大小齒輪硬齒面。選用材料為40Cr，加工方法為高頻淬火。查得，大小齒輪的強度極限，屈服極限，硬度48~55HRC，由于所選齒輪的齒數(shù)相同，所以對該齒輪同時進行齒根彎曲疲勞強度校核和接觸疲勞強度校核。
3.7.1對齒輪進行齒根彎曲疲勞強度校驗
校驗小齒輪齒根彎曲疲勞強度的驗算公式為：
（3-17）
式中 N——傳遞的額定功率，由以上的計算知N=6.04kw
——計算轉(zhuǎn)速，由以上的計算知r/min
M——齒輪的模數(shù)，m=2.5；
B——齒輪的齒數(shù)，B=32；
Z——齒輪的齒數(shù)，Z=43；
Y——齒形系數(shù)，查表，查得Y=0.42；
——齒間載荷分布系數(shù)，查表，查得=1.12
——動載荷系數(shù)，考慮齒輪嚙合內(nèi)部因素引起的附加動載荷， 查得動載荷系數(shù)=1.09；
——工作狀況系數(shù)，查表，查得=1.1；
——壽命系數(shù)；
——工作期限系數(shù)；
T——齒輪在機床工作期限內(nèi)的總工作時間，取T=Ts/p，取Ts=18000h，p為該變速組的傳動副數(shù)，p=1，則T=18000h。r/min
N1——齒輪的最低轉(zhuǎn)速；
——基準循環(huán)次數(shù)，取彎曲載荷=2
M——疲勞曲線指數(shù)，取m=6.
則
——轉(zhuǎn)速變化系數(shù)，=0.9
——功率利用系數(shù)，=0.9
——材料強化系數(shù)，=1
則
——許用彎曲應(yīng)力，查表，
——計入了齒根應(yīng)力修正系數(shù)之后的實驗齒輪的齒根彎曲疲勞的極限應(yīng)力，查得：
——齒根彎曲強度計算的安全系數(shù)，一般取=1.25
——彎曲強度計算的壽命系數(shù)，可根據(jù)齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N查得，取=1.0
則
綜上所述：
=90.16Mpa< 滿足使用條件
3.7.2對齒輪進行齒面接觸疲勞強度校驗
由校驗齒輪接觸疲勞強度的驗算公式為
（3-18）
式中 u——齒數(shù)比u==1，外嚙合取+號
——壽命系數(shù)
m——齒輪的模數(shù)，m=2.5；
B——大齒輪的齒寬，B=32
Z——齒輪的齒數(shù)，Z=43；
——許用接觸應(yīng)力， = （3-19）
式中 ——試驗齒輪的齒面接觸疲勞強度極限，查得=1200Mpa
——接觸疲勞強度計算的壽命系數(shù)【1】
——為安全系數(shù)，一般取=1.0
所以：=Mpa
綜上所述
校驗合格。
3.8軸的強度的校核
3.8.1 選擇軸的材料
選取45鋼，調(diào)制處理，參數(shù)如下:
硬度為HBS＝220 抗拉強度極限σB＝650MPa
屈服強度極限σs＝360MPa 彎曲疲勞極限σ－1＝270MPa
剪切疲勞極限τ－1＝155MPa 許用彎應(yīng)力[σ－1]=60MPa
3.8.2 按彎矩復合強度計算
求分度圓直徑：已知d1=50mm
求轉(zhuǎn)矩：已知T2=50021.8N·mm
求圓周力：Ft
Ft=2T2/d2=50021.8/50=1000.436N
求徑向力Fr
=1000.436×tan200=364.1N
因為該軸兩軸承對稱，所以：LA=LB=50mm
1.繪制軸受力簡圖（如圖a）
2.繪制垂直面彎矩圖（如圖b）
軸承支反力：
FAY=FBY=Fr/2=182.05N
FAZ=FBZ=Ft/2=500.2N
由兩邊對稱，知截面C的彎矩也對稱。截面C在垂直面彎矩為
MC1=FAyL/2=182.05×50=9.1N·m
3.繪制水平面彎矩圖（如圖c）
截面C在水平面上彎矩為：
MC2=FAZL/2=500.2×50=25N·m
4.繪制合彎矩圖（如圖d）
MC=(MC12+MC22)1/2=(9.12+252)1/2=26.6N·m
5.繪制扭矩圖（如圖e）
轉(zhuǎn)矩：T=9.55×（P2/n2）×106=48N·m
6.校核危險截面C的強度
σe=Mec/0.1d33=99.6/0.1×413=14.5MPa< [σ-1]b=60MPa
∴該軸強度足夠。
繪制水平面彎矩圖
圖3-1 水平面彎矩圖
3.9 本章小結(jié)
通過對各部分部件的選用及計算與校核，得出的結(jié)論完全符合且滿足各項安全指標。從而進一步確保了本次設(shè)計的準確性與合理性。
第4章 數(shù)控銑溝機床自動送料機構(gòu)
4.1自動送料機構(gòu)的要求
由于要考慮到自動送料機構(gòu)與主軸之間的配合，必須保證料斗能準確的把棒料送到主軸的彈簧夾盤內(nèi)，因此要采取相應(yīng)的措施，使主軸中心線能與棒料中心線重合。導套中心線也應(yīng)該與主軸中心線重合或達到較高的配合精度。因為本機床要加工三種型號的刀具，所以主軸夾取棒料的長短也是考慮的因素之一。因此本數(shù)控專機必須做到以下幾點：
1.在機床底部安置四個螺栓，這樣便可以隨時調(diào)整料斗部分的高度，使之能很好的與主軸保持統(tǒng)一高度。
2.料斗尾端設(shè)計成燕尾槽形狀，這樣就可以隨意的橫向移動料斗，使其與主軸在同一位置。
3.導套設(shè)計成可調(diào)節(jié)位置的，這樣就可以隨時調(diào)整，使其與主軸中心線相對應(yīng)。
4.2自動送料機構(gòu)的設(shè)計
送料機構(gòu)指配合可連續(xù)循環(huán)加工物料的數(shù)控機床實現(xiàn)自動送料，從而提高設(shè)備的加工效率和自動化程度的送料機器。本銑床的自動送料機構(gòu)，包括放料箱，在送料箱下方設(shè)置有可前后移動的墊板，墊板上設(shè)置有擋板和彈簧，放料箱上裝有固定夾板，固定夾板的上方設(shè)置有活動夾板，固定夾板和活動夾板通過設(shè)置在兩者中間部位的軸銷連接在一起，使活動夾板以軸銷為支點形成一個杠桿結(jié)構(gòu)，平時活動夾板被彈簧固定立起。放料箱后端設(shè)置有液壓缸，需要棒料時，液壓缸將放料箱送出，彈簧夾盤夾住棒料后，液壓缸將放料箱送回。這時活動夾板會自動打開，待棒料取出后，彈簧將活動夾板拉回，完成自動上料。以下是自動送料機構(gòu)的外觀圖。
圖4-1 送料機構(gòu)尺寸聯(lián)系圖
安裝好機床后，可利用機床基座上的螺栓來調(diào)節(jié)料斗的高度，因為本機床能加工三種不同型號的刀具，就防止了因加工刀具不同而產(chǎn)生誤差。調(diào)整安裝好之后，用定位銷鎖好，便可以進行加工了。料斗后的燕尾槽也可以調(diào)節(jié)主軸裝夾棒料的長度，避免了主軸吞入棒料過長或過短，無法加工。料斗下方也有一個螺栓，它的作用也是調(diào)整主軸裝夾棒料的長短，不過起到的是微調(diào)的作用。
4.3 本章小結(jié)
通過對自動上下料系統(tǒng)各部分部件的選用及計算與校核，得出的結(jié)論完全符合且滿足各項安全指標。從而進一步確保了本次設(shè)計的準確性與合理性。
第5章 數(shù)控銑溝機床的液壓部分設(shè)計
5.1液壓系統(tǒng)的組成
在工程控制中，常以空氣、液體作為工作介質(zhì)，利用壓力進行能力和力的傳遞來進行控制，這種技術(shù)被稱之為壓力控制。在數(shù)控機床中，這種控制技術(shù)被廣泛應(yīng)用。
氣壓、液壓傳動屬于流體傳動的兩個分支，他們分別是以壓縮空氣和液壓油位工作介質(zhì)，來進行能量的傳遞和控制的傳動技術(shù)。相對于機械傳動、電力傳動等傳動技術(shù)。由于它們具有許多機械傳動所不具有的優(yōu)點，故其發(fā)展速度較快，應(yīng)用范圍也越來越廣，目前已廣泛應(yīng)用于工程技術(shù)中的各個領(lǐng)域。
5.2液壓傳動的應(yīng)用
液壓傳動是以液壓泵為動力源，以液壓油位工作介質(zhì)，進行能量傳遞和信號傳遞的一門工程技術(shù)。液壓傳動與其他傳動方式相比，具有以下優(yōu)點：
1.易于實現(xiàn)無極調(diào)速和大范圍調(diào)速，一般可達到100:1~2000：1的傳動比。
2．單位功率的傳動裝置重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，可產(chǎn)生和傳遞較大的力和力矩。
3.慣性小、反應(yīng)快、沖擊小、工作平穩(wěn)，易于實現(xiàn)高速啟動、制動和換向。液壓傳動裝置的換向頻率，回轉(zhuǎn)運動每分鐘可達500次，往復直線運動每分鐘可達1000次。
4.易控制、易調(diào)節(jié)、操作方便，易于與電氣控制相結(jié)合，用以實現(xiàn)遠程控制和復雜hi順序控制的自動化、易于實現(xiàn)過載保護。
5.液壓傳動具有自潤滑、自冷卻作用，可以減少因摩擦和高溫產(chǎn)生的液壓元件損壞，故工作壽命較長。
6.液壓元器件易于實現(xiàn)系列化、標準化、通用化、故可以降低制造、使用成本。
7.數(shù)控機床運動部件的制動、離合器的控制、齒輪撥叉掛檔的實現(xiàn)等。
8.數(shù)控機床中運動部件的平衡。
9.數(shù)控機床防護罩、板、門的自動打開與關(guān)閉。
10.工作臺的松開與加緊，交換臺的自動交換動作。
11.夾具的自動松開和夾緊。
12.自動換刀所需動作。
5.3 液壓部分的設(shè)計計算
5.3.1集成塊的設(shè)計
集成塊設(shè)計步驟為:
1.制作液壓元件樣板。
2.決定通道的孔徑。集成塊上的公用通道，即壓力油孔P、回油孔T、泄漏孔L、及四個安裝孔。壓力油孔由液壓泵流量決定，回油孔一般不得小于壓力油孔。直接與液壓元件連接的液壓油孔有選定的液壓元件規(guī)格確定?？着c孔之間的連接孔用螺塞在集成塊表面堵死。
3.集成塊上液壓元件的布置。把制作好的液壓元件樣板放在集成塊各式圖上進行布局，有的液壓元件需要連接板，則樣板應(yīng)以連接板為準。
4.液壓元件在水平面上的孔道若與公共油孔相通，則盡可能地布置在同一垂直位置或在直徑d范圍，否則要鉆中間孔道，集成塊前后與左右連續(xù)的孔道應(yīng)互相垂直，不然也要鉆中間孔道。
5.3.2液壓泵的選擇
齒輪泵是一種常見的液壓泵。它的主要優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、價格低廉、體積小、質(zhì)量小、自吸性能好、對油液污染不敏感、工作可靠。其主要缺點是:流量和壓力脈動大、噪聲大、排量不可調(diào)是一種定量泵。齒輪泵被廣泛地應(yīng)用在采礦、冶金、建筑、航空、航海、農(nóng)林等各類機械中。
一般在負載小、功率小的機械設(shè)備中，可用齒輪泵、雙作用葉片泵；精度較高的機械設(shè)備可用螺桿泵、雙作用葉片泵；在負載較大并有快速和慢速工作行程的機械設(shè)備中，可使用限壓式變量葉片泵；對負載大、功率大的機械設(shè)備，可使用柱塞泵；而在機械設(shè)備的輔助裝置可使用價廉的齒輪泵。
在設(shè)計液壓傳動系統(tǒng)時，應(yīng)根據(jù)所要求的工作情況正確合理的選擇液壓泵。為比較各類液壓泵的性能，有利用選用，將他們的主要性能及應(yīng)用場合列于表中。
圖5-1集成塊圖
類型 齒輪泵
工作壓力/MPa ＜20 轉(zhuǎn)速范圍/(r/min) 300~7000
容積效率 0.70~0.95 總效率 0.60~0.85
功率重量比 中等 流量脈動率 大
自吸特性 好 對油污的污染敏感性 不敏感
噪聲 大 壽命 較短
單位功率造價 最低
應(yīng)用范圍機床、工程機械、農(nóng)機、航空、船舶、一般機械
類型 雙作用葉片泵
工作壓力/MPa 6.3~21 轉(zhuǎn)速范圍/(r/min) 500~4000
容積效率 0.80~0.95 總效率 0.75~0.85
功率重量比 中等 流量脈動率 小
自吸特性 較差 對油污的污染敏感性 敏感
噪聲 小 壽命 較長
單位功率造價 中等
應(yīng)用范圍 機床、注塑機、液壓機、起重運輸機械、工程機械、飛機
類型 限壓式變量葉片泵
工作壓力/MPa ≤7 轉(zhuǎn)速范圍/(r/min) 500~2000
容積效率 0.80~0.90 總效率 0.70~0.85
功率重量比 小 流量脈動率 中等
自吸特性 較差 對油污的污染敏感性 敏感
噪聲 較大 壽命 較短
單位功率造價 較高
應(yīng)用范圍機床、工程機械、注塑機
5.3.2其它的選擇與計算
表5-1按負載選擇工作壓力
負載/ KN
<5
5~10
10~20
20~30
30~50
>50
工作壓力/MPa
<0.8~1
1.5~2
2.5~3
3~4
4~5
≥5
表5-2按工作壓力選取d/D
工作壓力/MPa
≤5.0
5.0~7.0
≥7.0
d/D
0.5~0.55
0.62~0.70
0.7
表5-3各種機械常用的系統(tǒng)工作壓力
機械類型
機 床
農(nóng)業(yè)機械
小型工程機械
建筑機械
液壓鑿巖機
液壓機
大中型挖掘機
重型機械
起重運輸機械
磨床
組合機床
龍門刨床
拉床
工作壓力/MPa
0.8~2
3~5
2~8
8~10
10~18
20~32
表5-4執(zhí)行元件背壓力
系統(tǒng)類型
背壓力/MPa
簡單系統(tǒng)或輕載節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)
0.2~0.5
回油路帶調(diào)速閥的系統(tǒng)
0.4~0.6
回油路設(shè)置有背壓閥的系統(tǒng)
0.5~1.5
用補油泵的閉式回路
0.8~1.5
回油路較復雜的工程機械
1.2~3
回油路較短且直接回油
可忽略不計
表5-5按速比要求確定d/D
2/1
1.15
1.25
1.33
1.46
1.61
2
d/D
0.3
0.4
0.5
0.55
0.62
0.71
注：1—無桿腔進油時活塞運動速度；
2—有桿腔進油時活塞運動速度。
由式
得
（5-1）
則活塞直徑 （5-2）
參考表，得d0.71D =77mm，圓整后取標準數(shù)值得 D=110mm， d=80mm。
由此求得液壓缸兩腔的實際有效面積為
5.3.2.1確定液壓泵的規(guī)格和電動機功率
(1) 計算液壓泵的最大工作壓力
小流量泵在快進和工進時都向液壓缸供油，由表可知，液壓缸在工進時工作壓力最大，最大工作壓力為p1=3.96MPa，如在調(diào)速閥進口節(jié)流調(diào)速回路中，選取進油路上的總壓力損失∑?p=0.6MPa，考慮到壓力繼電器的可靠動作要求壓差Dpe=0.5MPa，則小流量泵的最高工作壓力估算為
（5-3）
大流量泵只在快進和快退時向液壓缸供油，由表7可見，快退時液壓缸的工作壓力為p1=1.43MPa，比快進時大?？紤]到快退時進油不通過調(diào)速閥，故其進油路壓力損失比前者小，現(xiàn)取進油路上的總壓力損失∑?p=0.3MPa，則大流量泵的最高工作壓力估算為
(2) 計算液壓泵的流量
由表7可知，油源向液壓缸輸入的最大流量為0.5×10-3 m3/s ，若取回路泄漏系數(shù)K=1.1，則兩個泵的總流量為
（5-4）
考慮到溢流閥的最小穩(wěn)定流量為3L/min，工進時的流量為0.84×10-5 m3/s =0.5L/min，則小流量泵的流量最少應(yīng)為3.5L/min。
(3) 確定液壓泵的規(guī)格和電動機功率
根據(jù)以上壓力和流量數(shù)值查閱產(chǎn)品樣本，并考慮液壓泵存在容積損失，最后確定選取PV2R12-6/33型雙聯(lián)葉片泵。其小流量泵和大流量泵的排量分別為6mL/r和33mL/r，當液壓泵的轉(zhuǎn)速np=940r/min時，其理論流量分別為5.6 L/min和31L/min，若取液壓泵容積效率ηv=0.9，則液壓泵的實際輸出流量為
（5-5）
由于液壓缸在快退時輸入功率最大，若取液壓泵總效率ηp=0.8，這時液壓泵的驅(qū)動電動機功率為
（5-6）
根據(jù)此數(shù)值查閱產(chǎn)品樣本，選用規(guī)格相近的Y100L—6型電動機，其額定功率為1.5KW，額定轉(zhuǎn)速為940r/min。
5.3.2.2確定液壓泵的容量及電動機功率
液壓泵的工作壓力和流量計算。
進油路的壓力損失取，回路泄露系數(shù)取，則液壓泵的最高工作壓力和流量為：
（5-7）
根據(jù)上述計算數(shù)據(jù)查泵的產(chǎn)品目錄，選用ＹＢ－６型定量葉片泵。
（２）確定驅(qū)動電動機功率。
由工況圖表明，最大功率出現(xiàn)在快退階段，液壓泵總
效率η＝0.75,則電動機功率為：
（5-8）
進出液壓缸無桿腔的流量，在快退和差動工況時為，所以管道流量按計算。取壓油管流速
，取內(nèi)徑為的管道。
吸油管的流速，通過流量為，則
，取內(nèi)徑為管道。
確定管道尺寸應(yīng)與選定的液壓元件接口處的尺寸一致。
5.3.2.3液壓系統(tǒng)的效率
（經(jīng)計算，）
取泵的效率，液壓缸的機械效率，回路效率為：
（5-9）
當工進速度為時，
當工進速度為時，
5.3.2.4液壓系統(tǒng)的溫升
（只驗算系統(tǒng)在工進時的發(fā)熱和溫升）定量泵的輸入功率為：
工進時系統(tǒng)的效率，系統(tǒng)發(fā)熱量為：
取散熱系數(shù)，油箱散熱面積時，
計算出油液溫升的近似值：
5.4 本章小結(jié)
本章主要是液壓部分設(shè)計的計算，其中集成塊和液壓泵的選擇是本章的主要內(nèi)容，液壓泵的容量和電動機功率的選擇，液壓板件的裝配情況，液壓系統(tǒng)的效率問題都在本章做出了詳細的介紹。
結(jié) 論
大學四年的學習，使我掌握了機械工程及自動化專業(yè)的基礎(chǔ)知識和相關(guān)技能，這次畢業(yè)設(shè)計就是對于自己所學知識的一次較全面的實踐。本次設(shè)計的是數(shù)控銑溝機床，在設(shè)計過程中，所要接觸的專業(yè)知識范圍很廣，可以說包括了我所學過的決大部分專業(yè)課程的知識。通過一個學期的研究和設(shè)計，我不僅復習并鞏固了以前所學的專業(yè)知識，還學到了許多新的知識，并且看到了自身一些不足之處和今后應(yīng)該努力的方向。
本文的內(nèi)容是設(shè)計中型數(shù)控銑床的主機，本文的主要研究工作如下：
1.主傳動系統(tǒng) 它包括動力源、傳動件及主運動執(zhí)行件（主軸）等，功能時將驅(qū)動裝置的運動機動力傳給執(zhí)行件，以實現(xiàn)主切削運動。
2.進給傳動系統(tǒng) 它包括動力源、傳動件及進給運動執(zhí)行件（工作臺，刀架）等，其功用是將伺服驅(qū)動裝置的運動與動力傳給執(zhí)行件，以實現(xiàn)進給切削運動。
3.基礎(chǔ)支撐件 它是指床身、立柱、工作臺等，它支撐機床的各主要部件，并使他們在靜止或運動中保持相對正確的位置。
在主軸進給系統(tǒng)中選用滾珠絲杠螺母副及燕尾形導軌作為主要的傳動元件。采用滾珠絲杠螺母副可以充分利用傳動平穩(wěn)的特性。采用燕尾形導軌結(jié)構(gòu)緊湊，可自成封閉式結(jié)構(gòu)，可以承受任何方向的力和傾覆力矩且間隙調(diào)整方便。
在主傳動系統(tǒng)中選用蝸輪蝸桿傳動作為減速機構(gòu)主要有以下優(yōu)點：
（1）可以較好地轉(zhuǎn)變運動和動力地傳遞路徑；
（2）能實現(xiàn)較大的傳動比。
致 謝
在本文即將完成之際，謹向所有給予我關(guān)心、幫助和支持的老師、同學們致以我最真摯的謝意。
首先我要感謝我的指導老師楊革老師，沒有他的指點和教誨，就沒有我這次設(shè)計的完成，從開題到中期答辯再到最后的終期審核，楊老師都給力我很大幫助，給我提出了很多建設(shè)性的意見和建議，開拓了我的思路，同時也感謝其他各科老師。由于我以前曾參加過數(shù)控機床的操作實習，所以對于數(shù)控機床的加工過程比較熟悉，但是對于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)卻不甚了解。通過前期查閱了大量的技術(shù)資料以及導師的講解，使我對于加工中心主軸組件的結(jié)構(gòu)有了進一步的了解。然而，在隨后的設(shè)計過程中還是有一定的阻礙。但是在參考了其它機床的主軸結(jié)構(gòu)，在楊革老師的悉心指導、啟發(fā)和幫助下，并通過我的努力，使這次設(shè)計得以很好地完成，也使我進一步掌握了加工中心的加工原理。
此次設(shè)計要求把以前所學到的專業(yè)課知識貫通起來，我不時的向各位老師請教過，他們都很負責的幫助我解釋我提出的問題。在此我也感謝華德學院為我提供良好的生活和學習環(huán)境。
最后，對所有幫助過我的老師和同學表示感謝!
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附 錄1
數(shù)控技術(shù)
1 當前世界NC機床的研究現(xiàn)狀
世界各國對數(shù)控機床、加工中心以至FMS、CIMS等各種新技術(shù)的研究與發(fā)展進程，是與世界經(jīng)濟形勢緊密相連的。機床工業(yè)有世界經(jīng)濟相互促進和發(fā)展，進入21世界知識機警時代，人們的知識所起的作用更加突出，而機床工業(yè)作為機器制造業(yè)的基礎(chǔ)，其重點地位與戰(zhàn)略意義也更加明顯。在1991—1994年間，世界經(jīng)濟衰退，昂貴的FMS，CIMS降溫，1995—2000年間，世界經(jīng)濟在低速增長，根據(jù)當前世界市場各方面用戶為提高生產(chǎn)率對NC機床的要求以及世界四大國際機床展（歐洲的EMO、美國的IMTS、日本的JIMTOF、中國的CIMT）上展品的分析，當前世界NC機床的技術(shù)研究主要有以下幾點：
（1） 更加重視新技術(shù)和創(chuàng)新
在世界范圍內(nèi)，對新工藝、新材料、新結(jié)構(gòu)、新單元、新元件的研究開發(fā)工作正在大力開展，如新的刀具材料、新的主軸結(jié)構(gòu)、高速電主軸、高速直線電機等的開發(fā)研究。以加工工藝的改進創(chuàng)新為基礎(chǔ)，為加工超硬、難切削材料及特殊復合材料及復雜零件、不規(guī)則曲面等在不斷研究開發(fā)新機種。
（2）提高機床加工的精度和研究
為了提高加工中心的加工精度，不斷提高機床的剛度、減少振動，消除熱變形，降低噪聲，提高NC機床的定位精度、重復精度、工作可靠性、穩(wěn)定性、精度保持性，世界很多國家都在進行機床熱誤差、機床運動及負載變形誤差的軟件補償技術(shù)研究，并采取精度補償、軟件補償?shù)却胧┘右愿纳疲械囊呀?jīng)可以使此類誤差消除60%。并在不斷開發(fā)精細加工，納米加工。
（3）提高機床加工生產(chǎn)率的研究
世界NC機床、加工中心及相應(yīng)的高速點主軸、直線電機、測量系統(tǒng)、NC系統(tǒng)的開發(fā)，均以提高生產(chǎn)率為前提。
2 加工中心的分類
（1）按工藝用途分類有：
鏜銑加工中心，分為立式樘銑加工中心、臥式樘銑加工中心和龍門樘銑加工中心。其加工工藝以樘銑為主，用于箱體，殼體以及各種復雜零件特殊曲線和曲面輪廓的多工序加工，適合多品種小批量生產(chǎn)。
復合加工中心，主要指五面復合加工，主軸頭可自動回轉(zhuǎn)，進行立，臥加工，在主軸自動回轉(zhuǎn)后，在水平和垂直方向?qū)崿F(xiàn)知道變換。
（2）按特殊功能分類有：
單工作臺、雙工作臺加工中心；
單軸、雙軸、三軸及可換主軸箱的加工中心；
立式轉(zhuǎn)塔加工中心和臥式轉(zhuǎn)塔加工中心；
刀庫加主軸換刀加工中心；
刀庫接寫手加主軸換刀加工中心；
刀庫加機械手加雙主軸轉(zhuǎn)塔加工中心。
3 當今數(shù)控機床的發(fā)展趨勢：
目前，世界先進制造技術(shù)不斷興起，超高速切削、超精密加工等技術(shù)的應(yīng)用，柔性制造系統(tǒng)的迅速發(fā)展和計算機集成系統(tǒng)的不斷成熟，對數(shù)控加工技術(shù)提出了更高的要求。當今數(shù)控機床正在朝著以下幾個方向發(fā)展。
（1）高速度、高精度化速度和精度是數(shù)控機床的兩個重要指標，它直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。目前，數(shù)控系統(tǒng)采用位數(shù)、頻率更高的處理器，以提高系統(tǒng)的基本運算速度。同時，采用超大規(guī)模的集成電路和多微處理器結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，即提高插補運算的速度和精度。并采用直線電動機直接驅(qū)動機床工作臺的直線伺服進給方式，其高速度和動態(tài)響應(yīng)特性相當優(yōu)越。采用前饋控制技術(shù)，使追蹤滯后誤差大大減小，從而改善拐角切削的加工精度。
（2）可靠性最大化數(shù)控機床的可靠性一直是用戶最關(guān)心的主要指標。數(shù)控系統(tǒng)將采用更高集成度的電路芯片，利用大規(guī)?；虺笠?guī)模的專用及混合式集成電路，以減少元器件的數(shù)量，來提高可靠性。通過硬件功能軟件化，以適應(yīng)各種控制功能的要求，同時采用硬件結(jié)構(gòu)機床本體的模塊化、標準化和通用化及系列化，使得既提高硬件生產(chǎn)批量，又便于組織生產(chǎn)和質(zhì)量把關(guān)。還通過自動運行啟動診斷、在線診斷、離線診斷等多種診斷程序，實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)硬件、軟件和各種外部設(shè)備進行故障診斷和報警。利用報警提示，及時排除故障；利用容錯技術(shù)，對重要部件采用“冗余”設(shè)計，以實現(xiàn)故障自恢復；利用各種測試、監(jiān)控技術(shù)，當生產(chǎn)超程、刀損、干擾、斷電等各種意外時，自動進行相應(yīng)的保護。
附 錄2
NC Technology
1、Research current situation of NC lathe in our times
Research and development process to such various kinds of new technologies as numerical control lathe , machining center , FMS , CIMS ,etc. of countries all over the world, linked to with the international economic situation closely. The machine tool industry has international economy to mutually promote and develop, enter 21 alert eras of World Affairs, the function that people's knowledge plays is more outstanding , and the machine tool industry is regarded as the foundation of the manufacturing industry of the machine, its key position and strategic meaning are more obv