数控铣床主轴箱设计说明书-数控机床课程设计（绝对原创）

陕西科技大学课程设计说明书

数控机床课程设计

一．设计题目及要求

1.设计题目：数控铣床主轴箱设计

2.已知参数：主轴最高转速4500r/min,计算转速约为150 r/min,最小转速为30r/min,最大切削功率5.5Kw。

3.设计要求：采用交流调频主轴电动机,实现主轴的无级变速。

二．选题背景

数控铣床的主运动广泛采用无级变速，这不仅能使其在一定调速范围内选择到合理的切削速度，而且还能在运转中自动变速。无级调速有液压、机械、电气多种形式，数控铣床多采用由直流和交流调速电动机作为驱动的电机无级调速。由于数控铣床调速范围较宽，一般情况下单靠调速电动机无法满足；另一方面调速电动机的功率和转矩特性也难于直接与铣床的功率和转矩完全匹配。因此，需要无级调速电动机后串联机械分级变速传动，一满足调速范围和功率、转矩特性的要求。

三．主传动设计

1. 驱动源的选择

因电动机与其它驱动源电动机相比，它具有较高的驱动效率且其种类和型号较多，具有良好的调速启动，制动及反相控制性能选择电动机作为驱动源。铣床上常用的无级变速机构是直流或交流调速电动机，直流电动机从额定转速nd向上至最高转速nmax是调节磁场电流的方法来调速的，属于恒功率，从额定转速nd向下至最低转速nmin是调节电枢电压的方法来调速的，属于恒转矩；

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交流调速电动机是靠调节供电频率的方法调速。由于交流调速电动机的体积小，转动惯量小，动态响应快，没有电刷，能达到的最高转速比同功率的直流调速电动机高，磨损和故障也少，所以在中小功率领域，交流调速电动机占有较大的优势，鉴于此，本设计选用交流调速电动机。

根据主轴要求的最高转速4500r/min，最大切削功率5.5KW,选择YP123M-4型交流主轴电动机，最高转速是5040 r/min,额定转速1500r/min，连续额定输出功率为7.5KW。

2. 转速图的拟定

根据交流主轴电动机的最高转速和额定转速可以求得交流主轴电动机的恒功率转速范围

Rdp=nmax/nd=8040/1500=3.36

而主轴要求的恒功率转速范围Rnp= nmax/nd=4500/150=30 ,远大于交流主轴电动机所能提供的恒功率转速范围，所以必须串联变速机构的方法来扩大其恒功率转速范围。

设计变速箱时，考虑到机床结构的复杂程度，运转的平稳性等因素，取变速箱的公比Фf与交流主轴电动机的恒功率调速范围Rdp三种情况，分别为Фf>Rdp，Фf=Rdp,Фf

①取变速箱的公比Фf等于交流主轴电动机的恒功率调速范围Rdp，即Фf=Rdp=3,则功率特性图是连续的，无缺口和无重合的。 变速箱的变速级数:

Z=lg Rnp/lg Rdp=lg30/ lg 3=3.09 取 Z=3

确定各齿轮副的齿数： 取S=114

由u=2 得Z1=38 Z1′=76 由u=0.67 得Z2=68 Z2′=47 由u=0.22 得Z3=91 Z3′=23

如取总效率η=0.75，则电动机功率P=5.5/0.75=7.3kw。可选用YP123M-4型交流主轴电动机，连续额定输出功率为7.5kw。

由此拟定主传动系统图、转速图以及主轴功率特性图分别如图1、图2、图3。

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图1

图2转速图 图3主轴功率特性

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②变速箱公比Фf小于电动机的恒功率调速范围Rdp,即Фf < Rdp 主轴要求的恒功率调速范围：Rnp =4500/150=30 电动机可达到的恒功率的范围：Rdp =6000/1500=4 取Z=4，Фfz?1=30/4

故Фf =1.96，取ψf =2 （该值满足Фf

由μ=1.33 得：Z1=36，Z1′=48 由μ=2 得：Z2=28，Z2′=56 由μ=4 得：Z3=18，Z3′=72 传动系统和转速图、功率特性图如下：

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③变速箱公比Фf大于电动机的恒功率调速范围Rdp,即Фf > Rdp 主轴恒功率变速范围：Rnp =30

电动机的恒功率调速范围：Rdp =6500/1500=4 变速箱的变速级数Z=2，变速箱公比为： Rnp/Rdp=ψz?1=30/4=7.5 得：Фf =7.5

ψf 比Rdp值大许多，在主轴的功率特性图中将出现较大的“缺口”，为保证缺口处的输出功率，电动机的功率应相应增大，取电动机额定功率Pd=18.5kw，在缺口处的功率仅为：

P=RdpPd/Фf =4×18.5/7.5=9.9kw。 确定齿轮副的齿数：

取齿数和S12=124,由μ=0.375 得：Z1=34，Z1′=90

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取齿数和S=135,由μ=2 得：Z3=45

取齿数和S=135,由μ=2 得：Z2=30，Z2′=90

传动系统和转速图、功率特性图如下：

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综上，对比三种情况的功率曲线图，可知，当Фf=Rdp时，功率特性图是连续的，无缺口无重合，对于电动机利用率来说是最理想的。当Фf>Rdp时，变速箱每档内有部分低速只能恒转矩变速主传动系统特性图中出现缺口，为限制转矩过大，得不到电动机输出的全部功率，而为保证缺口处的输出功率，电动机的功率应相应增大，对电动机要求提高。当Фf

所以从综合来看，Фf=Rdp是最优设计。

3. 传动轴的估算

选取变速箱公比ψf等于电动机的恒功率调速范围Rdp，即Фf = Rdp进行

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主轴箱的设计。

传动轴除应满足强度要求外，还应满足刚度要求。强度要求保证轴在反复载荷和扭转载荷作用下不发生疲劳破坏。机床主传动系统精度要求较高，不允许有较大的变形。因此疲劳强度一般不是主要矛盾。除了载荷比较大的情况外，可以不必验算轴的强度。刚度要求轴在载荷下（弯曲，轴向，扭转）不致产生过大的变形（弯曲，失稳，转角）。如果刚度不够，轴上的零件如齿轮，轴承等由于轴的变形过大而不能正常工作，或者产生振动和噪音，发热，过早磨损而失效。因此，必须保证传动轴有足够的刚度。通常，先按扭转刚度轴的直径，画出草图后，再根据受力情况，结构布置和有关尺寸，验算弯曲刚度。

计算转速nj是传动件传递全部功率时的最低转速，各个传动轴上的计算转速可以从转速图上直接得出如表1所示。

表1 各轴的计算转速 轴 Ⅰ Ⅱ III 计算转速1500 600 150 （r/min） 效率η对估算轴径d影响不大，在估算各个轴直径时可以忽略，据此可认为各个轴的输入功率均为7.5kw 各轴功率和扭矩计算：

已知一级齿轮传动效率为0.97（包括轴承），则：

Ⅰ轴：P1=Pd×0.99=7.5×0.99=7.42 KW Ⅱ轴：P2=P1×0.97=7.42×0.97=7.20 KW III轴：P3=P2×0.97=7.20×0.97=6.98 KW

Ⅰ轴扭矩：T1=9550P1/n1 =9550×7.42/1500=59.05 N.m

Ⅱ轴扭矩：T2=9550P2/n2 =9550×6.96/150=439.3 N.m III轴扭矩：T3=9550P3/n3 =9550×7.2/600=114.6 N.m [φ]是每米长度上允许的扭转角（deg/m），可根据传动轴的要求选取，其选取的原则如表2所示。

表2 许用扭转角选取原则 轴 主轴 一般传动轴 较低的轴 [φ]（deg/m） 0.5-1 1-1.5 1.5-2 根据表2确定各轴所允许的扭转角如表3所示。 表3 许用扭转角的确定

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陕西科技大学课程设计说明书 轴 [φ]（deg/m） Ⅰ 1 Ⅱ 1 III 1 把以上确定的各轴的输入功率N=7.5KW、计算转速nj（如表2-1）、允许扭转角[φ]（如表2-3）代入扭转刚度的估算公式

d?914Nnj?φ?

可得各个传动轴的估算直径：

Ⅰ轴： d1=25.58mm 取d1=30mm

Ⅱ轴： d2=30.45mm 取d1=32mm 主轴轴径尺寸的确定：

已知铣床最大加工直径为Dmax=400mm, 则：

主轴前轴颈直径 D1=0.25Dmax±15=85～115mm 取D1=95mm 主轴后轴颈直径 D2=(0.7～0.85)D1=67～81mm 取D2=75mm 主轴内孔直径 d=0.1Dmax±10=35～55mm 取d=40mm

4. 齿轮模数的估算

按接触疲劳强度和弯曲疲劳强度计算齿轮模数比较复杂，而且有些系数只有在齿轮的各参数都已知方可确定，故只有在装配草图画完后校验用。在画草图时用经验公式估算，根据估算的结果然后选用标准齿轮的模数。

齿轮模数的估算有两种方法，第一种是按齿轮的弯曲疲劳进行估算，第二种是按齿轮的齿面点蚀进行估算，而这两种方法的前提条件是各个齿轮的齿数必须已知，所以必须先给出各个齿轮的齿数。

根据齿轮不产生根切的基本条件：齿轮的齿数不小于17，在该设计中，即最小齿轮的齿数不小于17。而由于Z3,Z3’这对齿轮有最大的传动比，各个传动齿轮中最小齿数的齿轮必然是Z3’。取Z3’=23，则Z3=91。

从转速图上直接看出直接可以看出Z3的计算转速是600r/min。 根据齿轮弯曲疲劳估算公式mω?323N=2.4 z?nj根据齿轮接触疲劳强度估算公式计算得: m=2.84 由于受传动轴轴径尺寸大小限制，选取齿轮模数为m =3mm，对比上述结果，

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可知这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，而且考虑到两传动轴的间距，故取同一变速组中的所有齿轮的模数都为m=3mm。现将各齿轮齿数和模数列表如下：

表4 齿轮的估算齿数和模数列表 齿轮 齿数 Z1 Z1’ Z2 Z2’ Z3 Z3’ 38 76 3 67 3

47 3 91 3 23 3 模数（mm） 3 四．主轴箱展开图的设计

主轴箱展开图是反映各个零件的相互关系，结构形状以及尺寸的图纸。因

此设计从画展开图开始，确定所有零件的位置，结构和尺寸，并以此为依据绘制零件工作图。

1. 设计的内容和步骤

这一阶段的设计内容是通过绘图设计轴的结构尺寸及选出轴承的型号，确定轴的支点距离和轴上零件力的作用点，计算轴的强度和轴承的寿命。

2. 有关零部件结构和尺寸的确定 ①传动轴的估算

参照YR5A型立式加工中心主轴箱展开图，将交流主轴电机直接连接到带轮上，轮上有键槽，交流主轴电机的轴就插在带轮中，靠皮带带动。

由于Ⅱ轴上有滑移齿轮，所以将二轴设计成花键轴，参照表3-4的估算直径，选择直径d=46mm的标准花键轴。

主轴的设计则比较复杂，一是因为主轴内部有自动换刀的拉杆，弹簧的结

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