萬能升降臺銑床工作臺結(jié)構(gòu)設計含4張CAD圖.zip
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摘
要
本次設計的銑床為萬能升降臺銑床，萬能升降臺銑床是一種通用金屬切削機床。本機床的主軸錐孔可直接或通過附件安裝各種圓柱銑刀、成型銑刀、端面銑刀、角度銑刀等刀具，適用于加工各種零部件的平面、斜面、溝槽、孔等，是機械制造、模具、儀器、儀表、汽車、摩托車等行業(yè)的理想加工設備。具有機構(gòu)合理，操作簡單，節(jié)能高效，穩(wěn)定性好等特點。
本次設計是對萬能升降臺銑床升降臺、工作臺、工作臺操縱機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)設計、運動分析和主要參數(shù)計算。
在本次設計中，對銑床升降臺進行了結(jié)構(gòu)設計、運動分析，并對主要零件進行了校核。銑床升降臺是工作臺的支座，在升降臺上安裝著銑床的縱向工作臺、橫向工作臺和轉(zhuǎn)臺。由手柄控制變換進給速度，允許在開車的情況下進行變速。升降臺可以沿床身的垂直導軌移動。升降臺的下面的垂直絲杠，帶動升降臺升降， 并且支撐著升降臺。
在本次設計中，對工作臺進行了結(jié)構(gòu)設計和運動分析，并對主要零件進行了校核。工作臺是用來安裝工件或夾具，并帶著工件作縱向、橫向進給運動。該工作臺分為三層結(jié)構(gòu)，最上層是縱向工作臺，由絲杠使其進行 X 方向的移動，中間為轉(zhuǎn)臺，控制工作臺在水平面內(nèi)進行± 45°的轉(zhuǎn)動，下層為橫向工作臺，通過導軌使其進行 Y 方向的移動。
在本次設計中，對工作臺操縱機構(gòu)進行了結(jié)構(gòu)設計、運動分析。工作臺操縱機構(gòu)用來控制工作臺橫向、縱向移動用以滿足不同的加工要求。
關鍵詞：工作臺；升降臺；工作臺操縱機構(gòu)；結(jié)構(gòu)設計；運動分析
II
ABSTRACT
he milling machine designed for this purpose is universal lifting platform milling machine. Universal lifting platform milling machine is a universal metal cutting machine tool. The main axis cone hole of this machine tool can directly or install various cylindrical milling cutters, forming milling cutter, end end milling cutter, angle milling cutter and so on. It is suitable for processing the plane, slope, groove and hole of various parts and parts. It is an ideal processing equipment for machinery manufacturing, mould, instrument, instrument, automobile and motorcycle. It has the characteristics of reasonable mechanism, simple operation, energy saving, high efficiency and good stability. This design is the structure design of the lifting platform, worktable and worktable control mechanism of the universal elevator. Through the structure design and overall plan design of the lifting platform, worktable and worktable, the lifting platform, worktable and worktable manipulating mechanism suitable for the universal lifter and the milling machine are designed.In this design, the structural design and motion analysis of the lifting platform of the milling machine were carried out, and the main parts were checked. The lifting platform of the milling machine is the support of the worktable, and the vertical table, transverse worktable and turntable of the milling machine are installed on the lifting platform. The feed rate is controlled by a mushroom handle, allowing for speed change when driving. The lifting platform can move along the vertical guide of the bed. There is a vertical screw under the lifting platform. It not only lifts up and down the platform, but also supports the lifting platform.In this design, the structural design and motion analysis of the worktable were carried out, and the main parts were checked. The worktable is used to install workpieces or fixtures, and take longitudinal and lateral feed movements with the workpiece. In this design, the worktable is divided into three layers, the top is the longitudinal worktable, the X direction is moved by the screw, the middle is the turntable, the rotation of the worktable in the horizontal plane is controlled, the lower layer is the horizontal working table, and the Y direction is moved by the guide rail.In this design, the structural design and motion analysis of the worktable manipulating mechanism are carried out. The worktable control mechanism is used to control the horizontal and vertical movement of the worktable to meet different processing requirements.
Key words: worktable;lifting platform; worktable control mechanism;
structural design; motion analysis
萬能升降臺銑床工作臺結(jié)構(gòu)設計
目錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1.緒論 1
1.1 萬能升降臺銑床工作臺結(jié)構(gòu)設計的目的和意義 1
1.2 目前研究的概況和發(fā)展趨勢 1
1.3 主要設計和工作內(nèi)容 3
2.萬能升降臺銑床工作臺結(jié)構(gòu)設計 5
2.1 萬能升降臺銑床工作臺運動分析和主要參數(shù)計算 5
2.2 銑削力的計算 6
2.3 直線滑動導軌副的計算與選型 7
2.4 滾珠絲杠螺母副的計算與選型 9
2.5 電動機的計算與選型 10
3.萬能升降臺銑床升降臺結(jié)構(gòu)設計 11
3.1 萬能升降臺銑床升降臺運動分析 11
3.2 圓柱齒輪計算 12
3.3 圓錐齒輪的計算 13
3.4 軸的計算與設計 17
3.5 滾動軸承的選擇 21
4.萬能升降臺銑床工作臺操縱機構(gòu)結(jié)構(gòu)設計 22
4.1 萬能升降臺銑床工作臺操縱機構(gòu)結(jié)構(gòu) 22
4.2 萬能升降臺銑床工作臺操縱機構(gòu)運動分析 22
5.結(jié)論 24
參考文獻 25
附錄 1 外文譯文 26
附錄 2 外文原文 29
致 謝 36
1.緒論
1.1 萬能升降臺銑床工作臺結(jié)構(gòu)設計的目的和意義
金屬切削機床是機械加工的主要裝備，刀具和工件安裝在機床上完成加工任務，機床的結(jié)構(gòu)、功能和精度對工件的加工精度起到很大的作用。銑床是一種用途廣泛的機床， 在銑床上可以加工平面（水平面、垂直面）、溝槽（鍵槽、T 形槽、燕尾槽等）、分齒零件（齒輪、花鍵軸、鏈輪、螺旋形表面（螺紋、螺旋槽）及各種曲面。此外，還可用于對回轉(zhuǎn)體表面、內(nèi)孔加工及進行切斷工作等。銑床在工作時，工件裝在工作臺上或分度頭等附件上，銑刀旋轉(zhuǎn)為主運動，輔以工作臺或銑頭的進給運動，工件即可獲得所需的加工表面。由于是多刀斷續(xù)切削，因而銑床的生產(chǎn)率較高。簡單來說，銑床就是用銑刀對工件進行銑削加工的機床。萬能升降臺銑床分別由床身、橫梁、主軸、升降臺、橫向工作臺、轉(zhuǎn)臺、縱向工作臺、底座構(gòu)成。其中升降臺可以帶動整個工作臺沿床身的垂直導軌上下移動，以調(diào)整工件與銑刀的距離和垂直進給。工作臺可以帶動臺面上的工件橫向或縱向移動。為了便于機床的工件加工，機床安裝工件的工作臺必須做成移動式的，
可以在橫向、縱向、垂直方向移動[1]。
意義：工作臺 X/Y/Z 向有手動進給、機動進給和機動快進三種，萬能升降臺銑床進給速度能滿足不同的加工要求；快速進給可使工件迅速達到加工位置，加工方便快捷縮短非加工時間[2]。
1.2 目前研究的概況和發(fā)展趨勢
1.2.1 國內(nèi)外萬能升降臺銑床現(xiàn)狀
（1）進口大幅度增加，出口日趨減少
隨國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，國內(nèi)生產(chǎn)的各種銑床，尤其是數(shù)控銑床已經(jīng)滿足不了各界用戶的需求，需要大量進口。根據(jù)中國機床工具工業(yè)協(xié)會市場部提供的資料表明，1998 年到 2001 年，各種銑床進口量由 4622 臺增加到 6471 臺，增幅達 40%，其中數(shù)控銑床
進口量由 563 臺增加到 2290 臺，增幅高達 258%。
與進口的快速增長形成鮮明對照的式銑床的出口增長緩慢，特別是其中數(shù)控銑床出口，2001 年比 1998 年在數(shù)量上下降了 56%，在金額上下降了 14%。
（2）技術低于世界水平
中國銑床發(fā)展起步晚，1949 年中華人名共和國成立以后，中國的機械工業(yè)才逐步從修配性質(zhì)發(fā)展成為一個門類比較齊全、具有一定規(guī)模、技術水平和成套水平不斷提高的工業(yè)部門。與西方上百年的發(fā)展有不小的差距[3]。
9
盡管我國銑床發(fā)展迅速，一些產(chǎn)品產(chǎn)量居世界第一位，然而，我國的制造業(yè)在全球
產(chǎn)業(yè)鏈中總體上處于下游和低端位置。什么原因呢？關鍵問題在于我們的核心零部件受到外國限制，具有自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品比重小，缺乏國際競爭力[4]。只有在核心零部件
的技術創(chuàng)新研發(fā)方面加大馬力，才能突破外國的封鎖，提高技術。
業(yè)內(nèi)人士認為，我國機械行業(yè)存在一個巨大的技術“黑洞”，最突出的表現(xiàn)是對外技術依存度高。曾幾何時，企業(yè)的進口機械成了宣傳的噱頭。以至于不重視自己的創(chuàng)新， 國人在潛移默化中接受：只有外國進口的生產(chǎn)線和生產(chǎn)設備是可靠的，是產(chǎn)品的保證[5]。
（3）數(shù)控化率低但增長快
由于數(shù)控機床的增長速度明顯快于普通機床的，數(shù)控機床在金屬加工機床總量中的比重逐年上升，我國機床的數(shù)控化逐年提高。機床的產(chǎn)量數(shù)控化率從 2001 年的 9.12%
上升為 2009 年的 30%左右。雖然增長很快，但是基數(shù)大，數(shù)控化的普及率還是不高， 與發(fā)達國家 60%～70%的水平仍存在很大差距[6] 。
專業(yè)人士指出，在中國機床行業(yè)整體高速增長的背后，仍然隱憂。從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來看，
國產(chǎn)銑床行業(yè)的增長主要依靠低端普通機床的帶動，高中檔銑床所占比例不斷減少，重型銑床市場走勢趨緩，因而目前行業(yè)的發(fā)展道路并不健康[7]。
（4）國家扶持的支點偏離
業(yè)內(nèi)人士普遍認為，技術黑洞的形成與國家的重視程度、投入密切相關。國家在過去的二十多年來忽視了發(fā)展機械行業(yè)，在政策、資金等方面都出現(xiàn)了偏差。
產(chǎn)權激勵制度式創(chuàng)新和研發(fā)產(chǎn)品的重要保障。國有企業(yè)對創(chuàng)新人才的產(chǎn)權激勵基本上沒有實行。一方面創(chuàng)新成果的知識產(chǎn)權沒有得到有效的保護，另一方面，創(chuàng)新著的貢獻沒有得到產(chǎn)權確認。企業(yè)研發(fā)的技術和產(chǎn)品，要么被國家無償拿走，要么被其他的企
業(yè)無償抄襲[8]。
1.2.2 國內(nèi)外萬能升降臺銑床發(fā)展趨勢
（1）高速化發(fā)展
主要包括主軸轉(zhuǎn)速高速化、進給系統(tǒng)高速化和輔助動作高速化。通過這些高速化發(fā)展，可以有效提高產(chǎn)量。
主軸高速化主要是為了進給高速化打下結(jié)實基礎，為了實現(xiàn)高速化，除了考慮主軸結(jié)構(gòu)形式和冷卻方式以外，更主要的是選用軸承和其潤滑方式[10]。
進給系統(tǒng)的高速化是指高切削進給和快速進給速度。切削進給速度一般提高不多， 因為它主要決定于可能的切削規(guī)范要求，而切削規(guī)范又由道具、被切材料、加工精度及表面粗糙度的要求等因素決定?？焖龠M給大幅度提高的原因主要是為了縮短非加工時間。
輔助動作主要是指換刀動作和托盤交換動作[11]。換到動作的高速化主要是改變傳統(tǒng)
的一個動作由一個執(zhí)行元件帶動，各個動作按順序進行，而采用一種凸輪控制的機械手，
凸輪上的槽控制機械手運動，只要凸輪槽形狀相互配合好，就可以是一些動作重疊在一起同時進行[12]。
高速化的最終目的式高效化，應用高速加工技術達到縮短切削時間和輔助時間，從而實現(xiàn)加工制造的高質(zhì)量和高效率。
（2）高精度化發(fā)展
通過機床結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化、機床零部件的超精加工和精密裝配、采用高精度的全閉環(huán)
控制及溫度、震動等動態(tài)誤差補償技術，從而提高機床加工的幾何精度、運動精度，減少形位誤差、表面粗糙度[17] 。
從精密加工發(fā)展的超精密加工，其精度從微米級到亞微米級，乃至納米級，更是世界各國各工業(yè)強國致力發(fā)展的方向。精密化是為了適應高新技術發(fā)展的需要，也是為了提高普通機電產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和可靠性，減少其裝配時的工作量從而提高裝配效率的需要。隨著高新技術的發(fā)展和對機電產(chǎn)品性能與質(zhì)量要求的提高，機床用戶對機床加工
精度的要求也越來越高[13]。
（3）智能化發(fā)展
智能化就是由各種測量元件對切削前后和切削中各種參數(shù)進行監(jiān)測，并通過 CNC 判斷自動對異?，F(xiàn)象加以補償和調(diào)整，保證加工順利進行和確保零件質(zhì)量，減少停機時間， 提高生產(chǎn)率。
（4）數(shù)控機床智能化技術要求：
自動抑制震動的功能[14]。在高速加工過程中，機床容易出現(xiàn)震動，刀具也易于磨損。 該機能自動抑制震動，大大提高了加工精度。
自動測量和自動補償功能。減少高速主軸、立柱、床身熱變形的影響，使機床加工精度大大提高。
自動防止刀具和工件碰撞的功能。大大減少突發(fā)事故，提高機床工作的可靠性。自動補充潤滑油和抑制噪音的功能。大大改善工作條件[16]。
數(shù)控系統(tǒng)具有特殊的人機對話功能。在編程時能在監(jiān)測畫面上顯示出刀具軌跡等， 進一步提高了切削效率[15]。
機床故障能進行遠距離診斷。
智能化技術提升了數(shù)控機床的功能和品質(zhì)，數(shù)控機床智能化的發(fā)展前景非常廣闊。它是世界制造技術進一步提高效率、自動化、智能化、網(wǎng)絡化、集成化的努力目標。也是在今天數(shù)字控制機床技術基礎上向更高階段發(fā)展的努力方向。
1.3 主要設計和工作內(nèi)容
本次設計主要圍繞萬能升降臺銑床，針對設計升降臺和工作臺的結(jié)構(gòu)。
重點解決的問題：(1)萬能升降臺銑床升降臺機構(gòu)設計，相關參數(shù)計算。(2)萬能升降臺銑床工作臺機構(gòu)設計，相關參數(shù)計算。(3)萬能升降臺銑床工作臺操縱機構(gòu)設計，相關參數(shù)計算。
重點研究的幾個方面：(1)能升降臺銑床工作臺機構(gòu)設計，工作臺的工作面積，工作臺的最大行程，工作臺的最大回轉(zhuǎn)角度，主軸軸心線到工作臺臺面的距離，主軸轉(zhuǎn)速。
(2)萬能升降臺銑床升降臺機構(gòu)設計，電機選擇，齒輪計算，軸的計算與設計，滾動軸承的選擇。(3)萬能升降臺銑床工作臺操縱機構(gòu)設計，工作臺外形尺寸及重量初步估算，計算切削力，直線滾動導軌副的計算與選型，滾珠絲杠螺母副的計算與選型，步進電動機的計算與選型。(4)萬能升降臺銑床工作臺操縱機構(gòu)設計，操縱機構(gòu)的運動分析。
2.萬能升降臺銑床工作臺結(jié)構(gòu)設計
2.1 萬能升降臺銑床工作臺運動分析和主要參數(shù)計算
圖 2-1 為萬能升降臺銑床工作臺的結(jié)構(gòu)圖，主要分為四個部分：①縱向工作臺，工件放在縱向工作臺上，由縱向工作臺帶動工件進行運動。②轉(zhuǎn)臺，位于縱向工作臺與橫向工作臺中間，使工作臺可以在水平面內(nèi)進行一定程度的回轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)角度為± 45o。③橫向工作臺，位于轉(zhuǎn)臺的下方，與底座相連，通過底座下的矩形導軌使工作臺可以沿 Y 方向運動。④底座，底座下方由矩形導軌，通過矩形導軌使工作臺獲得 X 方向運動的能力。
1-手輪；2-工作臺；3-手柄；4-回轉(zhuǎn)臺；5-手柄；6-底座；7-螺母；
8-弧形壓板；9-螺釘；10-雙螺母；11-齒條；12-齒輪；13-雙螺母；
14-齒輪；15-錐齒輪副；16-牙嵌式離合器；17-手柄；18-手輪；
圖 2-1 萬能升降臺銑床工作臺裝配圖
在用電動機進給時，不可以進行手動操縱。橫向工作臺通過底座上的矩形導軌與升降臺配合，使橫向工作臺可以沿 Y 方向進行移動。手動進給時，通過工作臺操縱機構(gòu)使得牙嵌式離合器處于斷開狀態(tài)，通過對電器開關的控制，使電機進行正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，工作臺便獲得 X 正方向和負方向運動的能力。
萬能升降臺銑床工作臺 X 方向的具體運動過程：工作臺部件由工作臺 2、回轉(zhuǎn)臺 4 和底座 6 組成。底座下部矩形導軌和升降臺相配，螺母 7 和升降臺上的橫向運動絲杠相結(jié)合，可傳動工作臺的橫向移動?；剞D(zhuǎn)臺 4 可繞垂直軸在水平面作± 45o范圍內(nèi)的調(diào)整。
另外，運動由升降臺軸上的錐齒輪傳入，經(jīng)底座下部的錐齒輪 14、錐齒輪副 15、
牙嵌式離合器 16（合上），使縱向運動絲杠轉(zhuǎn)動，通過固定在回轉(zhuǎn)臺上的雙螺母 10、
13 實現(xiàn)工作臺總橫向移動。轉(zhuǎn)動小絲杠，可以改變給予彈簧的壓力，使齒條 11 進行移動，經(jīng) 12 齒輪撥動 10、13 雙螺母作相對反向運動，可調(diào)整或消除工作臺縱向運動絲杠的傳動間隙。
為操縱方便，縱向進給運動是采用復式手柄操縱。機動進給，手柄 3 有三種位置對
應兩種不同的結(jié)果，在手柄 3 不處于中間位置時，由工作臺操縱機構(gòu)上的軸將運動傳給豎軸上的撥叉，撥叉帶動突起的小球擺動，突起的小球使得橫軸進行一定程度內(nèi)的轉(zhuǎn)動， 橫軸上的撥叉隨橫軸擺動的時候使牙嵌式離合器處于合上狀態(tài)，同時控制電器開關 E1 和E2 ，使進給電機正反轉(zhuǎn)，工作臺便獲得 X 方向上的運動。手柄 20 在中間位置時，工作臺操縱機構(gòu)不做任何運動，牙嵌式離合器便處于工作狀態(tài)，此時可用手輪 1 或 9 進行手動操縱。
底座 6 用手柄 5 和 17 固緊在升降臺上?；剞D(zhuǎn)臺 4 用四個螺釘 9 和兩塊弧形壓板 8
夾緊在工作臺底座上。
工作臺尺寸（長×寬）……………………………1250×320mm 工作臺最大行程
縱向……………………………………………800mm 橫向……………………………………………300mm 垂直……………………………………………400mm
工作臺最大回轉(zhuǎn)角度……………………………… ± 45o
主軸軸心線到工作臺臺面的距離…………………30～430mm
主軸轉(zhuǎn)速范圍（18 級）……………………………30～1500r/min
工作臺外形尺寸……………………………………1625×320×300mm
工作臺重量估算：使用灰口鑄鐵 HT 200 進行制造，取工作臺平局密度為7 g cm3 ；
由G = mg ， m = rv可得 m=1092kg，G=10701.6N ，本次設計中 g 取 9.8N/kg；
2.2 銑削力的計算
在實際加工的時候，由于銑床在加工時加工條件及加工過程中受力情況較復雜，切削力的精確值最好能根據(jù)實際加工條件測定，也可以利用已有的切削數(shù)據(jù)計算確定。計算主銑削力 FC （指平均銑削力）的經(jīng)驗公式如表 2-1：
表 2-1 主銑削力 Fc 的經(jīng)驗公式
工件材料
銑刀名稱
銑削力計算式
碳鋼、青銅、鋁合
金、可鍛鑄鐵等
端銑刀
F = C a1.1a0.8d -1.1a0.95 z
C F e f t p
立銑刀、圓柱銑刀
F = C a0.86 a0.72 d -0.86 a z
C F e f t p
盤銑刀、鋸片銑刀
角度銑刀
半圓（凸或凹）成形銑刀
灰鑄鐵
立銑刀、圓柱銑刀
F = C a0.83a0.65d -0.83a z
C F e f t p
端銑刀
F = C a1.1a0.72 d -1.1a0.9 z
C F e f t p
盤銑刀、鋸片銑刀
F = C a0.83a0.85d -0.83a z
C F e f t p
表 2.2-1 中CF ——系數(shù)， ae ——銑削接觸弧深（mm）， a f ——每齒進給量（mm/齒），
dt ——銑刀直徑（mm）， ap ——銑削深度（mm），z——銑刀齒數(shù)。
假設實際加工條件：假設刀具前角g= 10 °，主偏角kt = 75 °（端銑刀）；工件材
料為sb
= 75kgf mm2 碳鋼和 HB=190 鑄鐵；切速 v<50m/min。
CF =82, ae =60, a f =0.2, dt =90, ap =5,z=28; FC =1871.186N
2.3 直線滑動導軌副的計算與選型
導軌可以控制運動部件沿某一指定的運動方案進行運動，并且可以支撐著運動部件，承受運動部件的重量和運動部件在加工時所受的切削力。
導軌在設計的時候需要限制運動部件的其他方向的運動，使其只能沿某一指定的運動方案進行運動。
在本次設計中，工作臺底部的底座與導軌相配，需承受工作臺的重量以及工件的重量，工作臺可以加工最大為 500Kg 的工件，所以選擇矩形導軌。矩形導軌可以承受較大的重量，且它的制造較為簡單。
導軌可以使萬能銑床的工作臺進行 Y 方向的運動，改變工作臺在 Y 方向的位置。升降臺銑床的導軌尺寸，多數(shù)升降臺銑床受力后沿工作臺縱向（x 軸）的變形最大，
上下方向（z 軸）變形較小，前后方向（y 軸）最小。在 x 方向的變形中，刀具系統(tǒng)（心軸、懸梁等）與工作臺系統(tǒng)（工作臺、滑座、升降臺等）所占比例相近。在 y 向變形中， 工作臺系統(tǒng)所占比例較大。在 z 向變形中，刀具系統(tǒng)所占比例較大。在工作臺系統(tǒng)中， 導軌的層次多，會使運動部件的重心發(fā)生改變，重心會移動，同時在力矩作用下，導軌面會產(chǎn)生一定程度的彈性變形，導致運動部件可能在運動中發(fā)生一定程度的偏轉(zhuǎn)。選擇導軌尺寸時，應保證獲得足夠的剛度，盡量減小偏轉(zhuǎn)變形。在計算中可由表 2-2 確定導軌主要參數(shù)。
表 2-2 升降臺銑床工作臺部分導軌尺寸關系
結(jié)構(gòu)項目
尺寸關系
比值
說明
工作臺導軌寬度
B1 B
0.7
增大 B1 可以減小偏轉(zhuǎn)角，但是
B1
B1 也不能太大，否則會減少導軌的
接觸面寬度b1
滑 座 上 導 軌長度 L1
L1 L
0.7 ~ 0.9
L1 對偏轉(zhuǎn)角影響大，為提高剛
性，新型機床都采用大的 L1
滑座下（橫） 導軌寬度 B2
B2 L
0.3~0.5
隨著 L1 的增大， B2 相應增大。
增大 B2 可減小偏轉(zhuǎn)角，同時增加了
升降臺寬度，提高了抗彎強度，也有利于機構(gòu)的安排
滑 座 下 導 軌
長度 L2
L2
L1
0.7
增大 L2 可減小偏轉(zhuǎn)角。但 L2 不宜太大，以免使升降臺太長
床 身 導 軌 寬度 B3
B3 B
1~1.3
床身導軌結(jié)構(gòu)對 x 方向的變形影響極大，采用矩形導軌代替燕尾形 導 軌 可 提 高 抗 扭 剛 度 （ 約
50%~70%），同時增加h3 可減小偏轉(zhuǎn)角
B3 B4
0.6~0.7
床 身 導 軌 面高度h3 、寬度b3
h3
B3
b3
B3
0.1~0.14
0.24~0.32
升 降 臺 與 床身導軌接合長度
L3
L3
B3
2
L3 對偏轉(zhuǎn)角均有較大影響，為
了增大 L3 ，一般都在升降臺上部伸出兩條腿，將導軌延伸
升 降 臺 傳 動絲杠位置 L4
L4
L5
0.3~0.4
L4 對偏轉(zhuǎn)角、升降臺彎曲變形
及牽引力大小均有極大影響。從減小牽引力考慮，使絲杠位于重心與導軌之間較好；從減小升降臺變形考慮，絲杠靠前端較好。多數(shù)銑床絲杠均靠近床身（大尺寸銑床前端另設輔助支撐）
B1 =58.94mm, L1 =256mm, B2 =128mm, L2 =179.2mm, B3 =70.728mm, h3 =7.0728mm,
b3 =17.628mm, L3 =141.456mm;
2.4 滾珠絲杠螺母副的計算與選型
萬能升降臺銑床工作臺 X 方向的運動需要絲杠來將運動進行轉(zhuǎn)化，回轉(zhuǎn)——直線?？捎呻姍C帶動，也可通過搖動手輪進行手動控制工作臺 X 方向的運動。
絲杠許用軸向負載計算： P = a
np2 EI L2
(2-1)
P：絲杠許用軸向負載；a：安全系數(shù) 0.5； E 楊氏模量2.08 ′105 N/ mm2 （MPa）d：絲杠軸底徑： 32mm ；L：絲杠安裝距離90mm ；I：絲杠軸界面最小慣性矩。n 取 1，
pd4
I = I=34457.6 P=408272.8N
64
絲杠許用轉(zhuǎn)速：N = b (2-2)
N：絲杠許用轉(zhuǎn)速 r/min； b：安全系數(shù) 0.8；g 重力加速度9.8′103 mm/ s2
g：絲杠材料比重，g= rg = 7800 ′10-9 kg / mm3 ′ 9.8N / kg = 7.644 ′10-5 ；
A：絲杠最小截面直徑， A = pd2 =803.84 mm2 ；l取 3.14。
4
N ? 10
7 l2
L2
d =2440r/min； (2-3)
絲杠導程確定：l = Vmax
Nmax
=9.8； (2-4)
絲杠長度確定：L= 最大行程 + 螺帽長帽+ 軸端預留量 = 1010 ；
軸向最大負載計算：F= mmg +ma； (2-5)
工作臺最大承載為 500kg， m取 0.002，a 取 0.5 m s2 ，F(xiàn)=259.8N；
? 64PL2
?1 4
絲杠軸徑確定： d1 3 ? nap3 E ÷÷
； (2-6)
è ?
根據(jù)長徑比計算軸頸d2 。長徑比應該小于 60；
L N ′ L2 -7
2
￡ 60 d3 3 max ′10 d l2
；取 d 3 max（d1，d2，d3），d 3 32 mm； (2-7)
絲杠導程角： tan（b）= l
pd
=4.07 ′10-3 ； (2-8)
F 3 N t + F 3 N t + F 3 N t 1
基本額定載荷： Fam =（ a1 1 1 a 2 2 2 a3 3 3 ）3 =198.7N； (2-9)
N1t1 + N2t2 + N3t3
選用型號為4008 - 6 的滾珠絲杠副，公稱直徑為40mm，基本導程為10mm 。
2.5 電動機的計算與選型
電動機所需的功率 P = Pw ，h = 0.97 ，h = 0.9 ，h = 0.95 ；工作臺最大承重 500Kg；
d h 1 2 3
電動機所需工作功率為： P = Pw ； (2-1)
19
工作機所需功率為： Pw
d
= Fv
1000
h
； (2-2)
傳動的總效率為：h=h7hh ,h=0.69； (2-3)
所需電機功率為： P
1 2 3
= Fv
=1.432kw (2-4)
d 1000h
Ped 略大于 Pd 即可。選用轉(zhuǎn)速為 1410r/min，功率3 1.432kw 的電機，在本次設計中選用型號為 Y112M-4 的三相異步電動機。
3.萬能升降臺銑床升降臺結(jié)構(gòu)設計
3.1 萬能升降臺銑床升降臺運動分析
圖 3-1 為萬能升降臺銑床升降臺裝配圖，升降臺是使工作臺獲得垂直運動的能力的部件，通過升降臺上的滾柱絲杠，使回轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，使工作臺可以進行垂直方向的移動。升降臺中有一個垂直放置的絲杠，它使升降臺可以將電動機的回轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，使工作臺獲得垂直方向的進給。從進給電機到絲杠的傳遞中經(jīng)過了 9 次運動傳遞，2 次錐齒輪傳動，7 次圓柱齒輪傳動，最終將電機的轉(zhuǎn)動傳至垂直絲杠。工作臺進行橫向與縱向機動進給運動的運動傳遞也由升降臺來完成，在工作臺的進給運動中， 升降臺起著一個關鍵的傳遞作用。
圖 3-1 萬能升降臺銑床升降臺裝配圖
升降臺的具體運動過程：運動由進給箱中的齒輪傳入，經(jīng)升降臺中的齒輪傳至軸， 使工作臺得到垂直、縱向、橫向進給運動。手柄和電磁離合器分別操縱垂直和橫向進給運動。操縱手柄有五個位置（上、下、前、后、及中間位置）它帶動鼓輪分別控制電器開關的開合，手柄處于上、下或前、后位置時，工作臺得到垂直升降或橫向前、后運動； 在中間位置時，工作臺停止進給。升降臺的工作由一個垂直放置的絲杠來完成。
在該銑床中，升降臺與工作臺通用一個電機，選用型號為 Y112M-4 的三相異步電動機。
3.2 圓柱齒輪計算
初步選擇小齒輪的齒數(shù)為Z1 = 22 ，齒輪精度等級為7 級，由u 得到相嚙合的大齒輪齒數(shù)應為Z1 = 27，選取載荷系數(shù) Kt = 1.3
計算齒輪傳遞的扭矩T1
T1 =
95.5′105 ′ P
n
= 5.87 ′104
(N × mm)
(3-1)
d
取齒寬系數(shù)f = 1
1
選取材料的彈性影響系數(shù)ZE = 189.8MPa 2 ,slim 1 = 600 M Pa
計算力循環(huán)次數(shù)：
, slim 2 = 500 M Pa
N = 60n jL = 60 ′ 960 ′1′ (2 ′ 8 ′ 300 ′15) = 4.147 ′109
1 1 h
N 4.147 ′109 9
N2 = 1
= = 1.296′10
(3-2)
3.2 3.2
取 K H N 1 = 0 .9 ， K H N 2
安全系數(shù)S = 1，得：
= 0.95 ,計算接觸疲勞許用應力sH ,取失效概率值為1% ，
[s ] = KHN 1sil m1 = 0.9 ′ 600 = 540 MPa，
H 1 S 1
(3-3)
[s ]
= KHN 2slim 2 = 0.95′ 500 = 475MPa
H 2 S 1
計算小齒輪的分度圓直徑d1t : d1t = 2.32′
d1r = 58.82 d 1 =
d 1 t
· (3-4)
計算載荷系數(shù)：
K = K A · K v · K H a · K H b = 1.25 ′ 1.05 ′ 1′ 1.424 = 1.869
(3-5)
模數(shù) m 的確定 mz=d，d=65.87，m=3
校核齒根彎曲強度： m 3
取彎曲強度極限sFE1 = 500MPa ，sF E 2
= 4 2 0 M P a
(3-6)
K FN 為彎曲疲勞壽命系數(shù)，取 KFN 1 = 0.85， K FN 2 = 0.88
彎曲疲勞許用應力計算， S 為彎曲疲勞安全系數(shù)
S = 1.4
[sF
K F N 1sF E 1
]
=
1 S
= 0.85 ′ 500
1.4
= 303.57 (MPa) (3-7)
]
2
[sF =
K F N 2sF E 2
S
= 0 .8 8 ′ 4 2 0
1 .4
= 2 6 4 (MPa)
計算出載荷系數(shù)：
K = K A · K v · K F a · K F b = 1 .2 5 ′ 1 .0 5 ′ 1 ′ 1 .3 1 = 1 .7 1 9
查得齒輪齒形系數(shù)：查得齒形系數(shù)為： Y F a 1
= 2 .6 5 ， YF a 2
= 2 .5 3
取應力校正系數(shù)，取應力校正系數(shù)： YS a 1
= 1 .5 8 ，
YSa 2 = 1.62
大、小齒輪的 YFaYSa
： YFa1YSa1 = 2.65′1.58 = 0.01379
sF [sF ]1
303.57
(3-8)
Y F a 2 YS a 2
2
[sF ]
= 2 .5 3 ′ 1 .6 2
2 6 4
= 0 .0 1 4 5 2 5
經(jīng)計算分析得出大齒輪的值比小齒輪大，根據(jù)公式計算齒輪模數(shù): 根據(jù)上述公式和相關選取的參數(shù)數(shù)據(jù)進行計算得出：m 3 3；
根據(jù)模數(shù) m 3 3得出： z1
齒輪幾何尺寸的計算：
= d1 =21.95，取 22， Z
m 2
= 27
(3-9)
齒輪的分度圓直徑： d = mz ， d1 = 66 mm， d2 = 81mm；
齒輪間中心距：a = d1 + d2 ，a=73.5mm； (3-10)
2
計算齒輪寬度： b1 = fd ′ d1 =66mm， b2 = fd ′ d2 =81mm；齒輪的相關校核：
K Ft <
[sF ]
F = 2 T
KFt = 27.635
(3-11)
t
b m Y F a Y S a d ， bm
[s F ]
= 75.432
Y F a Y S a
二者比較得出該齒輪規(guī)格符合要求。
3.3 圓錐齒輪的計算
電動機輸入圓錐齒輪的功率為 P；其中 P1 =1.5Kw，P=1.5Kw，轉(zhuǎn)速為 1410r/min，齒數(shù)比為1.8，工作時會產(chǎn)生輕微的震動。
選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù):
(1)按傳動方案選用直齒錐齒輪傳動。
(2)選用 7 級精度。
(3)材料選擇，選擇小齒輪材料為40Cr （調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS ，大齒輪材料為 45 鋼
（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS ，硬度差為40HBS 。
(4)選小齒輪齒數(shù)z1 =17，大齒輪齒數(shù)z2 =17 ′1.8=32。
(5)初選壓力角a=20° 按齒面疲勞強度設計小齒輪分度圓直徑
d1t 3
(3-12)
試選 K =1.3；齒輪 1 所傳遞的轉(zhuǎn)矩T = 9.55′106 P / n
， T == 10159.5 N × m ；區(qū)域
Ht 1 1
系數(shù)ZH = 2.5 ；齒寬系數(shù)fR = 0.3 ；材料的彈性影響系數(shù)：Z E = 189.8MPa ；計算解除疲
2
勞許用應力[sH ]；選取小齒輪的接觸疲勞極限為600MPa ,大齒輪的接觸疲勞極限為
550MPa 。
計算應力循環(huán)次數(shù)：
N1 = 60n1
jLh
= 60×1410×1′ 2 ′ 8′ 300 ′15 =6.091 ′109 ； (3-13)
2 1
N = N /u =3.383×109 ；
1 2
查取接觸疲勞壽命系數(shù) K HN = 0.88 ， KHN = 0.85 。取失效概率為1% ，安全系數(shù)S = 1。
1
[s ] = KHN sHlim1 = 0.88 ′ 600 MPa=557MPa (3-14)
H 1 S 1
2
[s ] = KHN sHlim2 = 0.85 ′ 600 MPa=467.5MPa
H 2 S 1
可得[sH ]=467.5MPa；計算小齒輪分度圓直徑
d1t 3
=53.489mm； (3-15)
調(diào)整小齒輪分度圓直徑數(shù)據(jù)準備
圓周速度 v
dm1 = d（1t 1- 0.5fR）= 53.489× (1- 0.5′ 0.3)mm=45.465mm； (3-16)
vm =
pdm1n1
60 ′1000
= p′ 45.465 ′1410 m/s=3.354m/s； (3-17)
60 ′1000
當量齒輪的齒寬系數(shù)fd
b=fR d1t
= 0.3 ×53.489×
mm=31.032mm； (3-18)
fd = b/dm1 = 31.032/45.465=0.68； (3-19)
計算實際載荷系數(shù) KH 。查表得使用系數(shù) K A = 1；
根據(jù)vm = 3.354m/s 、八級精度,可以得到動載系數(shù) Kv = 1.14 ； 由于齒輪的精度較低，可以取齒間載荷分配系數(shù) KHa = 1； 在七級精度、小齒輪懸臂時，齒向載荷分布系數(shù) K Hb = 1.402 .
可以得出實際載荷系數(shù) KH = K A KV KHaKHb=1×1.14×1×1.402=1.598； (3-20)
按實際載荷系數(shù)算得的分度圓直徑為
d1 = d1t
=53.489×
=57.298mm， (3-21)
相應的模數(shù)為 m= d1/z1 =3.370mm； 按齒根彎曲疲勞強度設計
1
m 3 3
KFtT1 （×
YFaYSa ）
(3-22)
f（1- 0.5f）2z2
u 2 +1
[s ]
R R 1 F
1
2
確定公式中的各參數(shù)值。試選 K Ft =1.3;
計算 YFaYSa
,由d = arctan(17 / 32) = 27.979o 和d =90-27.979°=62.021°，得當量齒數(shù):
[sF ]
zv1 = z1/cosd1 = 17/cos（27.979°）=19.24 (3-23)
zv2 = z2 /cos（d2）=32/cos（62.021°）=68.20； (3-24)
查得齒形系數(shù)YFa1 = 2.81、YFa2 = 2.32; 應力修正系數(shù)YSa1 = 1.58 、YSa2 = 1.78 ；
小齒輪和大齒輪的齒根彎曲疲勞極限分別為sFlim1 = 500MPa 、sFlim2 = 380MPa ； 彎曲疲勞壽命系數(shù) K FN1 = 0.85、 KFN 2 = 0.88 ；
取彎曲疲勞安全系數(shù)S = 1.7 。
1
[s ] = KFN sFlim1 = 0.85 ′ 500 = 250MPa
(3-25)
F 1 S
1.7
2
[s ] = KFN sFlim2 = 0.88 ′ 380 = 197MPa
F 2 S
1.7
YFa1YSa1 = 2.81′1.58 =0.0177， YFa 2 YSa 2
= 2.32 ′1.78 =0.0209 (3-26)
[sF ]1
250
[sF ]2
197
取其中較大者可得 YFaYSa
[sF ]
=0.0209
試算模數(shù)：
1
m 3 3
KFtT1 （×
YFaYSa ）
(3-27)
f（1- 0.5f）2z2
u 2 +1
[s ]
R R 1 F
= 3 1.3′10159.5
0.3′（1- 0.5′ 0.3）2 ′172 ′ （32/17）2 +1
′ 0.0209 mm=2.140mm
調(diào)整齒輪模數(shù)： 圓周速度 v：
d1 = mt z1 =2.140×17=36.380mm (3-28)
dm1 = d（1 1- 0.5fR）=36.38×（1-0.15）mm=30.923mm； (3-29)
vm =
pdm1n1
60 ′1000
= p′ 30.923′1410 =2.281m/s; (3-30)
60 ′1000
齒寬 b：
b=f d
=0.3×36.380×
mm=21.106mm (3-31)
R 1
計算實際載荷系數(shù)：
根據(jù)v = 2.281m/s ，八級精度，查得動載系數(shù) Kv = 1.08 ； 由于直齒錐齒輪精度較低，取齒間載荷分配系數(shù) KFa = 1； 查得 K Hb = 1.334 ，于是 KFb = 1.262 ;
則載荷系數(shù)為： KF = K A KV KFaKFb =1×1.08×1×1.262=1.362； (3-32)
齒輪的模數(shù)為：
m = mt
1.362
=
2.140× 3 mm=2.173mm； (3-33)
1.3
就近選擇標準模數(shù) m=3mm，按照接觸疲勞強度算得的分度圓直徑d1 = 57.289mm ， 算出小齒輪齒數(shù)z1 = d1 /m = 19.09 .取z1 為 20，則大齒輪齒數(shù)z2 = uz1 = 1.8× 20 = 34.37 ， 在齒輪的設計中，齒輪的齒數(shù)應為互質(zhì)的兩數(shù)，取z2 = 33 。
幾何尺寸計算： 計算分度圓直徑：
d1 = z1m = 20×3=60mm， d2 = z2 m =33×3=99mm
計算分錐角：
(3-34)
d1 = arctan(1 u)=arctan（20/33）=31°21′54″；
(3-35)
d2 =90°-31°21′54″=58°38′06″；
計算齒輪寬度：
b = f d u 2 +1/2 =0.3×57× 1.82 +1/2 mm=33.06mm，取b
R 1 1
= b =33mm；
(3-36)
2
主要設計結(jié)論：
齒數(shù)z1 = 20、z2 = 33 ，模數(shù)m =3mm，壓力角a= 20°，變位系數(shù) 0，分錐角d1 =
31o28￠542 ，d = 58°38￠062 ，齒寬b = b = 33mm 。小齒輪選用40C （調(diào)質(zhì)），大齒輪選
2 1 2 r
用 45 鋼（調(diào)質(zhì)）。齒輪按七級精度計算。
3.4 軸的計算與設計
VIII 軸為萬能升降臺銑床升降臺中十分重要的一根軸，通過 VIII 軸上的齒輪可以將運動傳遞至絲杠上。下面對 VIII 軸進行計算與設計。
按扭轉(zhuǎn)強度條件計算軸的直徑：
T
9550000 P
W
tT = ?
T
0.2d3
n ￡ [tT ]
(3-37)
tT — —扭轉(zhuǎn)切應力，MPa ；T——軸所受的扭矩 N × mm ；
T
W ——軸的抗扭截面系數(shù)， mm3 ；n——軸的轉(zhuǎn)速，r/min；
P——軸傳遞的功率，kW；d——計算截面處軸的直徑，mm；
P
[tT ]——許用扭轉(zhuǎn)切應力，MPa；
可導出： d 3
= 3 9550000 3
0.2[tT ]
n = A0 3
P 式中，
n
A0 = (3-38)
在本次設計中，選取tT 為 40MPa， A0 為 120；P1 為軸傳遞的功率；從電機中傳遞出的額定功率為 1.5kw，電機進過 7 次齒輪傳遞，一次錐齒輪傳動，六次圓柱齒輪傳動，
錐齒輪傳動效率h取 0.95，圓柱齒輪傳遞效率h 取 0.99。P =hh6 P ，可得 P =1.341Kw；
1 2 1 1 2 1
軸的轉(zhuǎn)速會在傳遞過程中變化，在此次傳動過程中，錐齒輪 1 的齒數(shù)為 17，錐齒輪 2
的齒數(shù)為 32，第 1 對圓柱齒輪的齒數(shù)從 20 變?yōu)?44，第 2 對圓柱齒輪的齒數(shù)從 26 變?yōu)?
32，第 3 對圓柱齒輪的齒數(shù)從 40 變?yōu)?18，第 4 對圓柱齒輪的齒數(shù)從 40 變?yōu)?49，第五
對圓柱齒輪的齒數(shù)從 38 變?yōu)?52，第 6 對圓柱齒輪的齒數(shù)從 20 變?yōu)?47。額定轉(zhuǎn)速
n=1410r/min。
軸的轉(zhuǎn)速為n
= n ′ 20 ′ 26 ′ 40 ′ 40 ′ 38 ′ 20 = 293.7r/min； （3-39）
1 44 32 18 49 52 47
可算得d 3 19.9mm ，此直徑為軸段的最小直徑。按彎扭合成強度條件計算：
首先畫出軸的簡圖，通過分析軸上的零件，大概確定此軸的最小直徑，如圖 3-2。
圖 3-2 VIII 軸簡圖
如圖 3-2，因為軸上有兩個鍵，則 d 應≥21.293mm，1- 2 段軸長l1 = 34mm ， 2 - 3段軸長l2 = 320mm ， 3 - 4 段軸長為l3 = 21mm ， 4 - 5 段軸長為l4 = 48mm ， 5 - 6 段軸長為l5 = 10.5mm ， 6 - 7 段軸長為l6 = 59 mm 。1- 2 段鍵寬度b = 8mm ，高度h = 7mm ，長度
L = 28mm 的普通平鍵，鍵的型號為：GB/ T 1096 鍵8× 7 × 28。第二個鍵寬度b = 10mm ，
高度h = 8mm ，長度L = 32mm 的普通平鍵，鍵的型號為：GB/ T 1096 鍵10×8× 32 。為
保證齒輪與軸由良好的對中性，故選擇齒輪輪轂與軸的配合為 H 7 /m6 ；滾動軸承與軸的周向定位是由過渡配合來保證的，此處選軸的尺寸公差m6 。確定軸上圓角和倒角尺寸： 取軸端倒角為2× 45° 。
大圓柱齒輪受力情況：
Fr2 = Ft2 tana=3751N，F(xiàn)a2 = Ft2 tana= 4550N，F(xiàn)t2 = 5855N ； (3-40)
小圓柱齒輪受力情況：
Ft2
￠ =3278N， F
￠ =1223N， F
￠ =817.9N；
r2
a2
計算出位于圓柱齒輪重點截面位置處的數(shù)據(jù)，列于下表。
表 3-1 截面處的 M H、MV 及 M 的數(shù)據(jù)表
載荷
水平面
垂直面
支反力
FNH 1 = 2315.75N , FNH 2 = 2882.07 N
FV 1 = -1126.68N
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