第2章金屬切削機床設(shè)計2.1機床設(shè)計的基本要求和理論2.1機床設(shè)計的基本要求和理論2.1.1機床設(shè)計應滿足的基本要求和主要評定指標1.工藝范圍

機床的工藝范圍是指機床的工藝可能性，即機床適應用戶不同生產(chǎn)要求實現(xiàn)工藝過程的能力。1）機床可完成的工序種類；2）加工零件的類型和尺寸范圍

3）切削用量的可能范圍4）能加工的工件材料和毛坯種類

2.1機床設(shè)計的基本要求和理論2.生產(chǎn)率

機床的生產(chǎn)率是指單位時間內(nèi)機床所能加工的工件數(shù)量，稱為計件生產(chǎn)率或單件生產(chǎn)率。

機床的切削效率越高，輔助時間越短，則它的生產(chǎn)效率越高。

對用戶而言，使用高效率的機床，可以降低工件的加工成本。

2.1機床設(shè)計的基本要求和理論3.機床精度

機床本身必須具備的精度稱為機床精度。機床精度分為機床靜態(tài)精度，即空載條件下的精度（包括幾何精度、運動精度、傳動精度和定位精度等）和工作精度（加工精度）。

機床精度分為普通級、精密級和超精密級三個等級。2.1機床設(shè)計的基本要求和理論1）幾何精度

幾何精度是指機床在空載條件下，靜止或運動速度很低時各主要零部件的形狀、相互位置和相對運動的精確程度，如導軌的直線度，主軸徑向跳動及軸向竄動、主軸中心線對滑臺移動方向的平行度或垂直度等。

幾何精度直接影響加工件的精度，是評價機床質(zhì)量的基本指標，主要由機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造和裝配質(zhì)量決定。

（1）機床靜態(tài)精度2.1機床設(shè)計的基本要求和理論2）運動精度運動精度是指機床空載并以工作速度運動時，主要工作部件的幾何位置精度，包括主軸的回轉(zhuǎn)精度、直線移動部件的位移精度及低速運動時速度的不均勻性（低速運動穩(wěn)定性）等。3）傳動精度傳動精度是指機床內(nèi)聯(lián)系傳動鏈兩端件之間的相對運動的準確性。

傳動精度主要取決于傳動鏈各元件、特別是末端件（如齒輪或絲杠）的制造和裝配精度以及傳動鏈設(shè)計的合理性。2.1機床設(shè)計的基本要求和理論4）定位精度

定位精度是指機床的定位部件運動達到規(guī)定位置的精度。實際位置與要求目標位置的偏差稱為位置偏差。

定位精度的評定項目包括定位精度（位置不確定度）、重復定位精度和反向差值。

定位精度直接影響工作精度。機床構(gòu)件和進給控制系統(tǒng)的精度、剛度及其動態(tài)特性、機床測量系統(tǒng)的精度都將影響機床定位精度。2.1機床設(shè)計的基本要求和理論5）重復定位精度

重復定位精度是指機床運動部件在相同的條件下、用相同的方法重復定位時位置的一致程度。除了影響定位精度的因素之外，重復定位精度還受傳動機構(gòu)的反向間隙影響。6）精度保持性

機床精度保持性是指機床在規(guī)定的工作期間內(nèi)，保持其所要求的精度的能力。機床的精度保持性主要受其關(guān)鍵零部件（如主軸、導軌、絲杠等）的磨損影響。磨損的影響因素有結(jié)構(gòu)、材料、熱處理、潤滑、防護和使用條件等。2.1機床設(shè)計的基本要求和理論

機床的加工精度是指被加工零件達到的尺寸精度、形狀精度和位置精度。機床的動態(tài)精度是指機床在受載荷狀態(tài)下工作時，在重力、夾緊力、切削力、各種激振力和溫升作用下，主要零部件的形狀位置精度，它反映機床的動態(tài)質(zhì)量。

加工精度是由機床、刀具、夾具、切削條件和操作者等多方面因素決定的。機床本身的靜態(tài)精度、動態(tài)精度、剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性、磨損以及誤差補償策略都會影響加工精度。（2）加工精度2.1機床設(shè)計的基本要求和理論3.振動、噪聲和熱變形（1）剛度機床剛度指機床系統(tǒng)抵抗變形的能力，通常用下式表示：K

=F/y機床剛度分為靜剛度和動剛度。機床是由眾多構(gòu)件（零部件）和柔性接合部組成，在載荷作用下各構(gòu)件及接合部都要產(chǎn)生變形，這些變形直接或間接地引起刀具和工件之間的相對位移，位移的大小代表了機床的整機剛度。因此，機床整機剛度不能用某個零部件的剛度評價，而是指整臺機床在靜載荷作用下，各構(gòu)件及結(jié)合面抵抗變形的綜合能力。2.1機床設(shè)計的基本要求和理論（2）抗振性

機床抗振性指機床在變載荷作用下，抵抗變形的能力。包括兩個方面：抵抗受迫振動的能力和抵抗自激振動的能力，前者習慣上稱之為抗振性，后者常稱為切削穩(wěn)定性。

影響機床振動的主要原因有：①機床的剛度。如構(gòu)件的材料、截面形狀、尺寸、肋板分布，接觸表面的預緊力、表面粗糙度、加工方法、幾何尺寸等②機床的阻尼特性。提高阻尼是減少振動的有效方法。③機床系統(tǒng)固有頻率。若激振頻率遠離固有頻率，將不出現(xiàn)共振。2.1機床設(shè)計的基本要求和理論（3）噪聲

物體振動是產(chǎn)生聲音的來源。機床工作時各種振動頻率不同，振幅也不同，它們將產(chǎn)生不同頻率和不同強度的聲音，這些聲音無規(guī)律地組合在一起即成噪聲。

機床噪聲源來自四個方面:1.機械噪聲。如齒輪、滾動軸承及其它傳動元件的振動、摩擦等。2.液壓噪聲。如泵、閥、管道等的液壓沖擊、氣穴，紊流等產(chǎn)生的噪聲。3.電磁噪聲。如電動機定子內(nèi)磁致伸縮等產(chǎn)生的噪聲。4.空氣動力噪聲。如電動機風扇、轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)對空氣的攪動等產(chǎn)生的噪聲。2.1機床設(shè)計的基本要求和理論（4）熱變形

機床在工作時受到內(nèi)部熱源（如電動機、液壓系統(tǒng)、機械摩擦副、切削熱等）和外部熱源（如環(huán)境溫度、周圍熱源輻射等）的影響，使機床各部分溫度發(fā)生變化。因不同材料的熱膨脹系數(shù)不同，機床各部分的變形不同，導致機床產(chǎn)生熱變形。它不僅會破壞機床的原始幾何精度，加快運動件的磨損，甚至會影響正常運轉(zhuǎn)。

機床工作時，產(chǎn)生熱量和發(fā)散熱量同時發(fā)生。如果機床熱源單位時間產(chǎn)生的熱量一定，由于開始時機床的溫度較低，與周圍環(huán)境之間的溫差小，散出的熱量少，機床溫度升高較快。隨著機床溫度的升高，溫差加大，散熱增加，機床溫度的升高將逐漸減慢。當達到某一溫度時，單位時間內(nèi)發(fā)熱量等于散熱量，即達到了熱平衡，溫度穩(wěn)定。達到穩(wěn)定溫度的時間一般稱為熱平衡時間。2.1機床設(shè)計的基本要求和理論

減少和穩(wěn)定熱變形的主要措施有：改善機床結(jié)構(gòu)設(shè)計，如采用熱對稱結(jié)構(gòu)，采用熱膨脹系數(shù)小的材料，使機床結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性好。減少或均衡機床內(nèi)部熱源，如設(shè)置人工熱源、采用熱管技術(shù)、將某些熱源從機床內(nèi)部移出來等。強制冷卻，控制溫升。采取隔熱措施，改善散熱條件。采取熱位移補償和控制技術(shù)?？刂骗h(huán)境溫度。2.1機床設(shè)計的基本要求和理論5.可靠性

機床可靠性是指機床在規(guī)定時間內(nèi)和規(guī)定使用條件下完成其規(guī)定功能的能力。規(guī)定條件包括使用條件、維護條件、環(huán)境條件和操作技術(shù)等。規(guī)定時間可以是某個預定的時間，也可以是與時間有關(guān)的其他指標，如作業(yè)重復次數(shù)、距離等。

產(chǎn)品的可靠性主要取決于產(chǎn)品在研制和設(shè)計階段形成的產(chǎn)品固有可靠性。

衡量機床可靠性的量化指標是平均無故障時間（MTBF)，也稱平均故障間隔時間，是指機床發(fā)生相鄰兩次故障間工作時間的平均值。2.1機床設(shè)計的基本要求和理論2.1.2機床運動學原理

1.機床的工作原理

金屬切削機床的基本功能是提供切削加工所必須的運動和動力。機床的基本工作原理是:通過刀具與工件之間的相對運動，由刀具切除工件加工表面多余的金屬材料，形成工件加工表面的幾何形狀、尺寸，并達到其精度要求。機械零件按形狀分類：軸桿類零件、盤套類零件、機架箱體類零件。機械零件內(nèi)外表面輪廓由幾種基本表面元素構(gòu)成:

柱面、平面、錐面、螺旋面及各種成形表面。2.1機床設(shè)計的基本要求和理論零件形狀形成：

零件表面輪廓是通過刀具與工件之間的相對運動，由刀具切除工件上多余金屬，形成具有一定形狀、尺寸和表面質(zhì)量的工件表面。

零件加工過程就是形成零件上各個工作表面的過程。因此，要進行機床的運動設(shè)計，需要先了解工件表面的形狀及其形成方法。2.1機床設(shè)計的基本要求和理論1、機床運動學原理

工件的加工，就是通過刀具相對工件的運動來完成的。機床運動學是研究、分析和實現(xiàn)機床期望的加工功能所需要的運動功能配置，即配置什么樣的運動功能才能實現(xiàn)機床所需要的加工功能。金屬切削機床基本功能是提供切削加工所必需的運動和動力。其基本工作原理是：通過刀具與工件之間的相對運動，由刀具切除工件加工表面多余的金屬材料，形成工件加工表面的幾何形狀和尺寸，并達到其精度要求。2.1機床設(shè)計的基本要求和理論幾何表面的形成原理任何一個表面都可以看做是一條曲線（或直線）沿著另一條曲線（或直線）運動的軌跡。這兩條曲線稱為發(fā)生線，前者為母線，后者為導線。2.1機床設(shè)計的基本要求和理論工件加工表面的發(fā)生線是通過刀具切削刃與工件接觸并產(chǎn)生相對運動而形成的，刀具和工件相對運動形成工件表面，但是，由于刀刃形狀和加工方法不同，形成發(fā)生線的方法和所需要的運動也不同?？蓺w納為四種：軌跡法、成形法、相切法、展成法。1）軌跡法：發(fā)生線由刀具的點切削刃作直線運動而形成的。切削刃與被加工表面為點接觸。為了獲得發(fā)生線，切削刃必須沿著發(fā)生線做軌跡運動。2.1機床設(shè)計的基本要求和理論2）成形法：寬刃車刀車削短外圓柱面，刀具的切削刃是線切削刃，與工件發(fā)生線吻合。切削刃是一條與所需形成的發(fā)生線完全吻合的切削線。2.1機床設(shè)計的基本要求和理論3)相切法：利用刀具邊旋轉(zhuǎn)邊做軌跡運動對工件進行加工的方法，刀具切削點運動軌跡的包絡(luò)線形成一條發(fā)生線。發(fā)生線需要兩個獨立的成形運動.(刀具旋轉(zhuǎn)+刀具中心按一定規(guī)律運動)2.1機床設(shè)計的基本要求和理論4)展成法：利用刀具和工件做展成切削運動的加工方法。切削刃與被加工表面相切，切削刃各瞬時位置的包絡(luò)線就是所需要的發(fā)生線。需要兩個運動：旋轉(zhuǎn)+移動或者旋轉(zhuǎn)+旋轉(zhuǎn)，形成一個復合運動---展成運動。

2.1機床設(shè)計的基本要求和理論展成法又稱滾切法，是加工時切削工具與工件作相對展成運動，刀具和工件的瞬心線相互作純滾動，兩者之間保持確定的速比關(guān)系，所獲得加工表面就是刀刃在這種運動中的包絡(luò)線，齒輪加工中的滾齒、插齒、剃齒、珩齒和磨齒等均屬展成法加工。

瞬心是指兩構(gòu)件上瞬時速度相等重合的點。瞬心點運動所形成的軌跡成為瞬心線。即工件每轉(zhuǎn)一個齒，齒條刀應移動一個周節(jié)πm。2.1機床設(shè)計的基本要求和理論2、機床運動功能描述1）機床坐標系機床坐標系是指用于確定機床的運動方向和移動距離的坐標系?；咀鴺溯S為X、Y、Z直角坐標，相對于每個坐標軸的旋轉(zhuǎn)運動坐標為A、B、C。2.1機床設(shè)計的基本要求和理論1）機床坐標系

Z軸平行于機床的主要主軸

用于銑削、磨削、鏜削、鉆削和攻絲的機床，主軸帶動刀具旋轉(zhuǎn)。

對于車床、外圓磨床和其他回轉(zhuǎn)面加工的機床，主軸帶動工件旋轉(zhuǎn)。2.1機床設(shè)計的基本要求和理論2）機床運動功能式

運動功能式表示機床的運動個數(shù)、形式、功能及排列順序，是描述機床運動功能最簡潔的表達方式。左邊寫工件，用W表示，右邊寫刀具，用T表示，中間寫運動，按運動順序排列。主運動是區(qū)別不同類型機床的關(guān)鍵p——主運動f——進給運動a——非成形運動運動對象運動形式運動功能W——工件T——刀具X,Y,Z——直線運動A,B,C——回轉(zhuǎn)運動2.1機床設(shè)計的基本要求和理論3）機床運動原理圖

運動原理圖是將機床的運動功能式用簡潔的符號和圖形表示出來。除了描述機床的運動軸個數(shù)、形式及排列順序之外，還表示了機床的兩個末端執(zhí)行器和各個運動軸的空間相對方位，是認識、分析、設(shè)計機床傳動系統(tǒng)的依據(jù)。2.1機床設(shè)計的基本要求和理論(b)回轉(zhuǎn)運動(a)直線運動運動原理圖的主要符號：運動原理圖的主要符號：2.1機床設(shè)計的基本要求和理論4）機床傳動原理圖

傳動原理圖是將動力源與執(zhí)行器、不同執(zhí)行器之間的運動及傳動關(guān)系同時表示出來。傳動原理圖的主要符號：合成機構(gòu)定比傳動變速傳動2.1機床設(shè)計的基本要求和理論2.1機床設(shè)計的基本要求和理論機床傳動原理圖2.1機床設(shè)計的基本要求和理論第2章金屬切削機床設(shè)計2.2金屬切削機床總體設(shè)計2.2金屬切削機床總體設(shè)計

機床設(shè)計步驟包括：總體設(shè)計、詳細設(shè)計、機床整機綜合評價、定型設(shè)計

（一）總體設(shè)計

1.機床主要技術(shù)指標設(shè)計：工藝范圍、運行模式、生產(chǎn)率、性能指標、主要參數(shù)、驅(qū)動方式、成本及生產(chǎn)周期2.總體方案設(shè)計：運動功能設(shè)計、基本參數(shù)設(shè)計、傳動系統(tǒng)設(shè)計、總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計3.總體方案綜合評價與選擇4.總體方案的設(shè)計修改或優(yōu)化2.2金屬切削機床總體設(shè)計（二）詳細設(shè)計

1.技術(shù)設(shè)計：設(shè)計機床的傳動系統(tǒng)，確定各主要結(jié)構(gòu)的原理方案，設(shè)計部件裝配圖，設(shè)計液壓原理圖和液壓部件裝配圖、設(shè)計電氣控制原理圖和電氣安裝接線圖，設(shè)計和完善機床總裝配圖和總聯(lián)系尺寸圖。2.施工設(shè)計：設(shè)計機床的全部自制零件圖，編制標準件、通用件和自制件明細表，編寫設(shè)計說明書、使用說明書，制定機床的檢驗方法和標準等技術(shù)文檔2.2金屬切削機床總體設(shè)計（三）機床整機綜合評價對設(shè)計的機床進行整機性能分析和綜合評價。進行計算機建模，運動學仿真和性能仿真。多次迭代優(yōu)化，縮短研制周期，提高研制質(zhì)量。（四）定型設(shè)計

進行實物樣機制造、實驗和評價。根據(jù)評價結(jié)果進行修改完善，最終完成產(chǎn)品的定型。2.2金屬切削機床總體設(shè)計一、機床運動功能設(shè)置工藝分析

分析工藝范圍（加工對象、加工方法）

機床可實現(xiàn)功能多少、生產(chǎn)率、加工精度、機床制造成本、操作維護方便程度等

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臥式車床的典型加工工序

車床工藝銑床工藝

在銑床上，可以加工平面、斜面、溝槽、臺階、T形槽、燕尾槽等表面進行加工，另外配上分度頭或回轉(zhuǎn)臺還可以加工齒輪、螺旋面、花鍵軸、凸輪等各種成形表面。鉆床2.2金屬切削機床總體設(shè)計2.機床運動功能設(shè)置

運動功能設(shè)置的方法有兩類：

（1）分析式設(shè)計方法：參考現(xiàn)有同類型機床

（2）解析式設(shè)計方法：采用創(chuàng)成式原理在分配機床的運動時，一般應注意以下幾點：（1）移動部件的重量應盡量輕（2）應有利于提高加工精度（3）應有利于提高機床剛度，縮小占地面積

2.2金屬切削機床總體設(shè)計二、機床的總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計（一）機床的結(jié)構(gòu)布局形式

機床中的承載結(jié)構(gòu)主要是指床身、立柱、橫梁、底座等大件。

機床的結(jié)構(gòu)布局形式有立式、臥式及斜置式等；其中基礎(chǔ)支承件的形式又有底座式、立柱式、龍門式等；基礎(chǔ)支承件的結(jié)構(gòu)又有一體式和分離式等等。

車床進給箱

主軸箱卡盤刀架尾架溜板箱床身銑床銑床分類（1）升降臺銑床，可以沿著床身上的導軌上下移動，工作臺安裝在升降臺上面，并能前后左右移動。升降臺銑床加工工件時很靈活，用途很廣。分為臥式升降銑床和立式升降臺銑床。（2）工作臺不升降銑床，其工作臺及滑座支承在機床床身上只作縱向和橫向兩個方向的運動，主軸箱（或銑頭）在立柱上作升降運動。因此剛性比較好，適用于高速切削或加工比較重和大尺寸的工件。銑床（1）臥式升降臺銑床銑床（2）立式升降臺銑床銑床（4）龍門銑床

適宜于加工大型工件上的平面和溝槽。龍門銑床一般在龍門式的框架上有3-4個銑頭。每個銑頭都是一個獨立的主運動部件，其中包括單獨的電動機、變速機構(gòu)、傳動機構(gòu)、操縱機構(gòu)及主軸等部分。

銑頭可分別在橫梁和立柱上移動，用以作橫向或垂直進給運動，橫梁可沿立柱作垂直調(diào)整運動。

加工時，工作臺帶動工件作縱向進給運動，工件從銑刀下通過后，就被加工出來。龍門銑床剛度高，可以用多個銑頭同時加工多個工件或幾個表面。龍門銑床的生產(chǎn)率比較高，特別適應于批量生產(chǎn)。鉆床鉆床分類鉆床的主要類型有立式鉆床、搖臂鉆床、深孔鉆床等。（1）立式鉆床：將主軸箱和工作臺安置在立柱上，主軸垂直布置的鉆床。立式鉆床的自動化程度一般均較低，故常用于單件、小批生產(chǎn)中加工中小型工件。在大批大量生產(chǎn)中通常為組合鉆床所代替。鉆床（2）搖臂鉆床：搖臂可繞立柱回轉(zhuǎn)和升降，主軸箱又可在搖臂上作水平移動的鉆床。由于主軸很容易地被調(diào)整到所需的加工位置上，這就為在單件、小批生產(chǎn)中，加工大而重的工件上的孔帶來了很大的方便鉆床深孔鉆床(3)深孔鉆床：專門用來加工深孔（長徑比為5～10的孔）的專門化機床。主要用于槍筒炮筒等的深孔加工。深孔鉆床采用臥式布局，便于裝夾工件和排屑；加工時，將高壓的冷卻液從深孔鉆頭的中心孔送到切削部位進行冷卻，并沖出切屑。數(shù)控車床數(shù)控車床的布局形式2.2金屬切削機床總體設(shè)計

機床承載結(jié)構(gòu)形式“一”形（一字形）形式

承載結(jié)構(gòu)主要是床身，或床身與底座的組合。大部分臥式機床都是這種形式?！阿瘛毙危ㄖ危┬问?/p>

承載結(jié)構(gòu)是立柱，或立柱與底座的組合。具有這種形式的機床稱為立式機床?！癌摺毙危ǖ筎形）形式

承載結(jié)構(gòu)是床身與立柱的組合。具有這種形式的機床稱為復合式機床。2.2金屬切削機床總體設(shè)計“ㄈ”形（槽形）形式

承載結(jié)構(gòu)式床身（或底座）與立柱、橫臂等三者的結(jié)合。具有這種結(jié)構(gòu)形式的機床，稱為單臂式機床?！啊酢薄毙危蛐危┬问?/p>

機床的支承由床身、橫梁以及雙立柱組合而成，形成封閉的方框。具有這種結(jié)構(gòu)形式的機床稱為龍門式機床。

正確地設(shè)計承載結(jié)構(gòu)的布局和結(jié)構(gòu)，對提高機床工作的精度、剛度具有重要意義。

2.2金屬切削機床總體設(shè)計（二）機床總體結(jié)構(gòu)的概略形狀與尺寸設(shè)計1）首先確定末端執(zhí)行件的概略形狀與尺寸。2）設(shè)計末端執(zhí)行件與其相鄰的下一個功能部件的結(jié)合部的形式、概略尺寸。若為運動導軌結(jié)合部，則執(zhí)行件一側(cè)相當滑臺，相鄰部件一側(cè)相當滑座，考慮導軌結(jié)合部的剛度及導向精度，選擇并確定導軌的類型及尺寸。3）根據(jù)導軌結(jié)合部的設(shè)計結(jié)果和該運動的行程尺寸，同時考慮部件的剛度要求，確定下一個功能部件（即滑臺側(cè)）的概略形狀與尺寸。

2.2金屬切削機床總體設(shè)計4）重復上述過程，直到基礎(chǔ)支承件（底座、立柱，床身等）設(shè)計完畢。5）若要進行機床結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計，則可將功能部件細分成子部件，根據(jù)制造廠的產(chǎn)品規(guī)劃，進行模塊提取與設(shè)置。6）初步進行造型與色彩設(shè)計。7）機床總體結(jié)構(gòu)方案的綜合評價。

機床主要參數(shù)設(shè)計1）主運動參數(shù)

運動參數(shù)

指機床執(zhí)行件（主軸或工作臺、刀架）的運動速度。主運動為回轉(zhuǎn)運動的機床，其主運動參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速與切削速度的關(guān)系為：

n--轉(zhuǎn)速（r/min），v—切削速度（m/min），d—工件直徑（mm）2）主軸最高轉(zhuǎn)速、最低轉(zhuǎn)速、變速范圍

分析機床可能進行的工序，選擇要求最高、最低轉(zhuǎn)速的典型工序。按工序的切削速度v和工件（或刀具）直徑d，計算出nmin、nmax及變速范圍Rn。機床主要參數(shù)設(shè)計機床主要參數(shù)設(shè)計3）主軸轉(zhuǎn)速序列

加工某工件的最佳切削速度為v，相應的轉(zhuǎn)速為n時，公比為φ，則轉(zhuǎn)速數(shù)列為：變速范圍為機床主要參數(shù)設(shè)計4）按等比數(shù)列排列的主軸轉(zhuǎn)速優(yōu)點

（1）使轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速相對損失均勻

加工某工件的最佳切削速度為v，相應的轉(zhuǎn)速為n時（在機床上沒有n這級

），則：

考慮刀具壽命，需選擇較低的轉(zhuǎn)速nj，則轉(zhuǎn)速的損失為n-nj，相對轉(zhuǎn)速損失率為

當n

趨近于nj+1時，最大相對轉(zhuǎn)速損失率Amax為：機床主要參數(shù)設(shè)計

（2）傳動設(shè)計簡單

采用等比數(shù)列的主軸轉(zhuǎn)速，使機床變速傳動系統(tǒng)簡單。

某機床的主軸轉(zhuǎn)速是公比為φ的等比數(shù)列，轉(zhuǎn)速級數(shù)Z為非質(zhì)數(shù)，且Z=24，則數(shù)列可分解為四個等比數(shù)列的乘積。

由因子數(shù)列項數(shù)得：Z=Za×Zb×Zc×Zd；將各級比指數(shù)寫在各項數(shù)的右下角，形成機床主軸轉(zhuǎn)速的結(jié)構(gòu)式：機床主要參數(shù)設(shè)計5）標準公比和標準數(shù)列（1）機床為滿足不同工藝需求，需具有一系列等比數(shù)列轉(zhuǎn)速。規(guī)定：最大相對轉(zhuǎn)速損失率Amax≤50%。機床主軸轉(zhuǎn)速是由小到大遞增的，所以φ應大于1，并規(guī)定最大相對轉(zhuǎn)速損失不超過50%，則相應公比φ不得大于2。1<φ≤2機床主要參數(shù)設(shè)計

（2）便于機床設(shè)計與使用，要求轉(zhuǎn)速數(shù)列是10進制的。轉(zhuǎn)速nj經(jīng)E1級變速后，轉(zhuǎn)速值呈10倍的關(guān)系。轉(zhuǎn)速n每隔E1級就出現(xiàn)一個轉(zhuǎn)速10n。則在數(shù)列中每隔5級（4個數(shù)）就出現(xiàn)10倍關(guān)系,若n1=10r/min,則轉(zhuǎn)速依次為：10,16,25,40,63,100,160,250,400…機床主要參數(shù)設(shè)計（3）為便于采用雙速電機，要求轉(zhuǎn)速nj經(jīng)E2級變速后，轉(zhuǎn)速值呈2倍的關(guān)系。如，每隔2級（1個數(shù)）出現(xiàn)2倍關(guān)系： 10，14，20，28，40，56，80，112如，每隔3級（2個數(shù)）就出現(xiàn)2倍關(guān)系： 20，25，31.5，40，50，63，80…機床主要參數(shù)設(shè)計（4）標準公比

標準公比設(shè)有7個（即1.06,1.12,1.26,1.41,1.58,1.78,2)，用于旋轉(zhuǎn)主運動、直線主運動和等比進給運動。對于無級變速系統(tǒng)可參考標準公比。2機床主要參數(shù)設(shè)計

設(shè)計一臺臥式車床，nmin=50r/min，nmax=2500r/min，公比為1.26，查表，首先找到50，然后每隔3個數(shù)確定一個數(shù)，即：50、63、80、100、125、160、200、250、315、400、500、630、800、1000、1250、1600、2000、2500等18級。機床主要參數(shù)設(shè)計6）公比選擇原則公比最好選擇要小，可以減少相對轉(zhuǎn)速損失。但是，公比小，級數(shù)多，導致機床結(jié)構(gòu)復雜。

中型機床取Ф=

1.26、1.41,轉(zhuǎn)速損失不大，結(jié)構(gòu)又不過于復雜。

重型機床取Ф=1.26、1.12、1.06，因加工時間長，若公比取值小，轉(zhuǎn)速損失率Amax

就小，而且機床工作效率也高。機床主要參數(shù)設(shè)計6）公比選擇原則

專用機床和自動機床取Ф=1.12、1.26，要求高生產(chǎn)效率，受轉(zhuǎn)速損失影響大；不常變速，可用交換齒輪變速，不會使結(jié)構(gòu)復雜。

非自動化小型機床取Ф

=1.58、1.78、2，因切削時間小于輔助時間，Amax

對工作效率影響小，為使機床結(jié)構(gòu)簡單，Ф

取大值。機床主要參數(shù)設(shè)計

例：某車床主軸轉(zhuǎn)速為31.5r/min，45，63，90，125，180，250，?，710，1000，1400。求公比=？，補全轉(zhuǎn)速，并計算最大相對轉(zhuǎn)速損失率Amax。解：63/45=1.4，90/63=1.42，取公比j=1.41250×1.41=352.5，355Amax=29.1%機床主要參數(shù)設(shè)計7）動力參數(shù)計算

動力參數(shù)

包括驅(qū)動機床的各種電機功率或轉(zhuǎn)矩，液壓馬達和液壓缸的牽引力等。動力參數(shù)決定傳動件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，涉及制造成本，機床使用壽命。（1）主電動機功率的確定

機床主運動的功率為P主=P切+P空+P附

切削功率P切

與刀具、工件材料和選用的切削用量有關(guān)。專用機床可直接選擇計算，通用機床須根據(jù)機床檢驗標準規(guī)定的切削條件進行計算。機床主要參數(shù)設(shè)計

空轉(zhuǎn)功率P空由傳動件摩擦、攪油等因素引起。與傳動件的預緊程度及裝配質(zhì)量有關(guān)，大小隨傳動件轉(zhuǎn)速的增大而增大。中型機床主傳動的P空可用設(shè)計手冊上的經(jīng)驗公式計算。

附加機械摩擦耗損功率P附

指機床切削時，齒輪、軸承上的接觸壓力增大，所耗損的另一部分機械摩擦功率。并且P切越大，P附越大。

主電動機的功率為機床主要參數(shù)設(shè)計

當機床結(jié)構(gòu)未確定，無法估算主運動的空載功率和機械效率時，主電動機功率估算公式為

η總，主運動為旋轉(zhuǎn)運動，一般取0.7-0.85；機構(gòu)較簡單和主軸轉(zhuǎn)速較低時，取大值；主運動為直線運動的機床，一般取0.6-0.7。機床主要參數(shù)設(shè)計（2）進給運動電機功率的確定

機床的進給運動消耗功率且轉(zhuǎn)速低，機械效率約為0.15-0.2。臥式車床Pf/P切=0.03-0.04；升降臺銑床0.15-0.2；鉆床為0.04-0.05；齒輪加工機床為0.2。

進給運動與主運動合用一臺電動機不用單獨計算進給功率，而是在確定主電機功率時，引入一系數(shù)k，即：

臥式車床0.96；自動車床0.92；銑床和臥式鏜床0.85；齒輪機床0.8；在空行程中進刀的機床如刨床插床取1。機床主要參數(shù)設(shè)計（2）進給運動電機功率的確定

工作進給與快速移動合用一臺電機快速電機滿載起動，移動部件加速度大，所消耗功率遠大于工作進給功率，且作進給與快速移動不同時進行。因此，電機功率按快速移動功率選取。

快速移動中，電機一方面要克服移動部件和傳動系統(tǒng)的慣性力，使其啟動并迅速加速；另一方面電機要克服移動部件因移動而產(chǎn)生的摩擦力。故：機床主要參數(shù)設(shè)計（2）進給運動電機功率的確定

進給運動單獨使用一臺電機牽引力F等于進給方向上切削力與摩擦力之和，可查手冊計算。第2章金屬切削機床設(shè)計2.3主傳動系統(tǒng)設(shè)計一、主傳動系分類1）按驅(qū)動主傳動的電動機分為：

交流電動機驅(qū)動和直流電動機驅(qū)動2）按傳動裝置類型可分為：

機械傳動、液壓傳動、電氣傳動及其組合3）按變速的連續(xù)性可分為：分級變速傳動和無級變速傳動

分級變速傳動方式有滑移齒輪變速、交換齒輪變速和離合器（如摩擦式、牙嵌式、齒輪式離合器）變速。

無級變速傳動有機械摩擦無級變速器、液壓無級變速器和電氣無級變速器。主傳動系統(tǒng)設(shè)計主傳動系由動力源（如電動機）、變速裝置及執(zhí)行件（如主軸、刀架、工作臺），以及開停、換向和制動機構(gòu)等部分組成。二、傳動方式

集中傳動方式：全部傳動和變速機構(gòu)集中裝在同一個主軸箱內(nèi)

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊，便于實現(xiàn)集中操縱，安裝調(diào)整方便。

缺點：傳動件在運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的振動，影響主軸的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性；主軸產(chǎn)生熱變形，使主軸回轉(zhuǎn)中心線偏離正確位置而直接影響加工精度。

分離傳動方式：傳動和變速機構(gòu)裝在遠離主軸的單獨變速箱中，通過帶傳動將運動傳到主軸箱。

特點：變速箱各傳動件所產(chǎn)生的振動和熱量不能直接傳給或少傳給主軸，減少主軸的振動和熱變形，有利于提高機床的工作精度。主傳動系統(tǒng)設(shè)計三、分級變速的主傳動系設(shè)計

主要內(nèi)容

①擬定傳動系結(jié)構(gòu)式、轉(zhuǎn)速圖；

②合理分配各傳動副的傳動比；

③確定齒輪齒數(shù)和帶輪直徑；

④繪制主變速傳動系圖。主傳動系統(tǒng)設(shè)計分級變速的主傳動系設(shè)計

1、轉(zhuǎn)速圖

轉(zhuǎn)速圖是表示主軸各轉(zhuǎn)速的傳遞路線和轉(zhuǎn)速值、各傳動軸的轉(zhuǎn)速數(shù)列及轉(zhuǎn)速大小、各傳動副的傳動比的線圖。（三線一點）包括：

轉(zhuǎn)速點

用小圓點表示主軸和各傳動軸的轉(zhuǎn)速值(對數(shù)值)。

轉(zhuǎn)速線

是間距相等的水平線。

傳動軸線

距離相等的鉛垂線。從左到右按傳動順序排列。

傳動線

兩轉(zhuǎn)速點之間的連線。一個主轉(zhuǎn)速點引出的傳動線數(shù)目，代表該變速組的傳動副數(shù)。分級變速的主傳動系設(shè)計

例：一中型車床，主軸轉(zhuǎn)速級數(shù)Z=12，公比φ=1.41，主軸轉(zhuǎn)速n=31.5~1400r/min，如圖示。

12級轉(zhuǎn)速圖12級轉(zhuǎn)速的傳動系圖分級變速的主傳動系設(shè)計

12級轉(zhuǎn)速圖軸Ⅰ的轉(zhuǎn)速①傳動軸的轉(zhuǎn)速②傳動比電機與軸Ⅰ的傳動比

電機軸與軸Ⅰ間的傳動線向下傾斜2格，使軸Ⅰ的轉(zhuǎn)速位于轉(zhuǎn)速值為710的轉(zhuǎn)速線上。③傳動線位置與轉(zhuǎn)速的關(guān)系④傳動線與傳動副的關(guān)系

例如在軸Ⅰ-Ⅱ之間，軸Ⅰ轉(zhuǎn)速點上引出三條傳動線，表示軸Ⅰ-Ⅱ間的變速組有三個傳動副；各傳動線在軸Ⅱ上相距一格。分級變速的主傳動系設(shè)計

轉(zhuǎn)速圖原理

按照動力傳遞的順序（從電機到執(zhí)行元件的先后順序），變速組依次為第一變速組、第二變速組、第三變速組……，分別用a、b、c…表示。傳動副數(shù)用Z表示，變速范圍用R

表示。1）級比指主動軸上同一點傳往從動軸相鄰兩傳動線的比值,用φxi表示，級比為公比冪的形式。

2）級比指數(shù)是指級比的冪指數(shù)，用xi

表示,相當于由上述相鄰兩傳動線與被動軸交點之間相距的格數(shù)。分級變速的主傳動系設(shè)計

第一變速組a（軸Ⅰ-Ⅱ之間）

Za=3；傳動比分別是

在轉(zhuǎn)速圖變速組a中：三條傳動線分別是水平、下降1格、下降2格。即級比為φ

，級比指數(shù)為xa

=1。分級變速的主傳動系設(shè)計

3）基本組

是指級比等于公比或級比指數(shù)等于1的變速組。其傳動副數(shù)用Z0表示，級比指數(shù)用x0

表示。

4）變速范圍是指變速組中最大傳動比與最小傳動比的比值，用R表示。

圖中：第一變速組a為基本組，Z0=3，x0=1。變速范圍為：分級變速的主傳動系設(shè)計

第二變速組b（軸Ⅱ-Ⅲ之間）

Zb=2，傳動比分別是因此，級比為φ3，級比指數(shù)

xb=3。變速范圍為：分級變速的主傳動系設(shè)計

第二變速組b（軸Ⅱ-Ⅲ之間）將基本組的變速范圍進行第1次擴大，故，變速組b也稱為第一擴大組。

經(jīng)第一擴大組后，軸Ⅲ得到Z0×Z1級連續(xù)而不重復的等比數(shù)列轉(zhuǎn)速。（3x2=6）分級變速的主傳動系設(shè)計級比為φ6，級比指數(shù)

xc=6。變速范圍為：

第三變速組c（軸Ⅲ-Ⅳ之間）Zc=2，傳動比分別是：分級變速的主傳動系設(shè)計第二擴大組

是指級比指數(shù)等于Z0Z1的變速組，其傳動副數(shù)、級比指數(shù)、變速范圍分別用Z2、X2、R2表示。

變速組c為第二擴大組，Z2=2，x2=Z0Z1=6，變速范圍為

傳動系經(jīng)第二擴大組的擴大，軸Ⅳ得到3×2×2=12級連續(xù)等比數(shù)列的轉(zhuǎn)速，總變速范圍：分級變速的主傳動系設(shè)計

小結(jié)：用z0,z1、z2。。。zn表示基本組、第一擴大組、、、的傳動副數(shù)用X0、X1、X2、。。。表示基本組、第一擴大組。。的級比指數(shù)用ψ0、

ψ1、

ψ2。。表示基本組、第一擴大組。。的級比用R0、R1、R2、。。。表示基本組、第一擴大組、、的變速范圍

分級變速的主傳動系設(shè)計

2、結(jié)構(gòu)式

結(jié)構(gòu)式

將轉(zhuǎn)速級數(shù)按傳動順序?qū)懗筛髯兯俳M傳動副數(shù)的乘積，將級比指數(shù)寫在各傳動副數(shù)右下腳的數(shù)學式。

如上述的車床：結(jié)構(gòu)式12=31

×23×26

12=32

×21×26

12=23

×31×26Z=(Pa)xa×(Pb)xb×(Pc)xc×…×(Pi)xi

分級變速的主傳動系設(shè)計

3、主傳動鏈轉(zhuǎn)速圖擬定原則

擬定原則極限傳動比和變速范圍原則傳動順序及傳動副數(shù)原則(前多后少)擴大順序原則(前小后大/前密后疏)最小傳動比原則(前緩后急)分級變速的主傳動系設(shè)計

1）極限傳動比、極限變速范圍原則

為了防止齒輪傳動比過小造成從動輪結(jié)構(gòu)過大，增加變速箱的尺寸，需要限制最小傳動比，即umin≥1/4。

為了減小傳動系統(tǒng)的振動，提高傳動精度，需要限制最大傳動比，即直齒輪的umax≤2，螺旋圓柱齒輪的umax≤2.5。

結(jié)論直齒輪變速組的極限變速范圍是：

R=2×4=8

螺旋圓柱齒輪變速組的極限變速范圍是：

R=2.5×4=10分級變速的主傳動系設(shè)計

1）極限傳動比、極限變速范圍原則

由于變速組的變速范圍，即R隨著j

增大而增大，因此設(shè)計時只需檢查最后擴大組是否超過極限值。

如12=31×23×26，

φ

=1.41，最后擴大組的變速范圍:（未超極限值）

如12=21×22×34，

φ

=1.26，最后擴大組的變速范圍:（超過極限值）分級變速的主傳動系設(shè)計

2）傳動順序及傳動副數(shù)原則

例：一中型機床，主軸轉(zhuǎn)速級數(shù)為12，

φ

=1.41，nmin=31.5r/min，nmax=1400r/min，電動機功率為7.5kW,額定轉(zhuǎn)速nm=1440r/min。擬定主傳動順序及傳動副數(shù)。

①12=3×2×2②12=2×3×2③12=2×2×3

④12=4×3⑤12=3×4⑥12=6×2

⑦12=2×6

解：

變速組和傳動副數(shù)的組合方案有分級變速的主傳動系設(shè)計（1）比較優(yōu)劣

方案④

12=4×3、

⑤

12=3×4都有3根軸，7對齒輪；方案⑥

12=6×2、⑦12=2×6

都有3根軸，8對齒輪，而8對齒輪的軸向尺寸大于7對齒輪的軸向尺寸。

故方案④、⑤

優(yōu)于

⑥、⑦。

方案①12=3×2×2、②12=2×3×2

、③12=2×2×3都有7對齒輪，與方案④、⑤相同，但是軸的數(shù)量比方案④、⑤多一個，且軸向尺寸短。據(jù)此不能直接判斷各方案優(yōu)劣。分級變速的主傳動系設(shè)計（2）考慮極限變速范圍（超出極限值）在方案④

12=4×3、⑤

12=3×4中，若傳動副數(shù)為4的變速組是擴大組，則

若傳動副數(shù)為3的變速組是擴大組，則（超出極限值）

粗選方案

①12=3×2×2，②12=2×3×2，

③12=2×2×3分級變速的主傳動系設(shè)計（3）傳動副數(shù)確定原則

在方案①12=3×2×2、②12=2×3×2、③12=2×2×3中，因機床的nmax=1400r/min，低于電動機的nm=1440r/min，故主傳動系統(tǒng)為降速傳動。傳動件越靠近電動機其轉(zhuǎn)速越高，在相同功率條件下，所需傳遞的轉(zhuǎn)矩越小，幾何尺寸越小。

結(jié)論盡量使前面的傳動件多一些，即“前多后少”原則。采用三聯(lián)滑移齒輪在前，二聯(lián)滑移齒輪在后的變速組，即數(shù)學表達式為3≥Za≥Zb≥Zc≥……。

選擇方案為①

12=3×2×2分級變速的主傳動系設(shè)計3）擴大順序確定原則

在已確定方案12=3×2×2中，有如下擴大方案：

①12=31×23×26

②12=31×26×23

③12=32×21×26

④12=34×21×22

⑤12=32×26×21

⑥12=34×22×21

考慮最后變速組（第二擴大組）的變速范圍

在擴大方案①、②、③、⑤中

在擴大方案④、⑥中，分級變速的主傳動系設(shè)計3）擴大順序確定原則

根據(jù)得知φ一定時,x和Z

是影響R

關(guān)鍵因素。當傳動副數(shù)Z大時，級比指數(shù)x

應取小值。結(jié)論因傳動副數(shù)是前多后少，故擴大順序應是前小后大，即“前密后疏”。級比指數(shù)小，傳動線密；級比指數(shù)大，傳動線疏。數(shù)學表達式為

選擇擴大方案為

①

12=31×23×26

分級變速的主傳動系設(shè)計4）最小傳動比確定原則

在設(shè)計傳動系統(tǒng)時，電機和主軸的轉(zhuǎn)速已經(jīng)確定。當降速時，分配轉(zhuǎn)動比應該使各中間傳動軸的最低轉(zhuǎn)速適當?shù)馗咭恍Ｒ驗?，在功率一定的條件下，轉(zhuǎn)速高則傳遞的扭矩就小。相應地，傳動件的尺寸也小。

在傳動順序、擴大順序的原則上，最小傳動比采取“前緩后急”的原則，即遞降原則。

數(shù)學表達式為

uamin

≥ubmin

≥ucmin

≥……分級變速的主傳動系設(shè)計4）最小傳動比確定原則

對傳動比的要求

①傳動比不能超過極限值；②為設(shè)計方便，變速組的最小傳動比盡量為公比的整數(shù)次冪。分級變速的主傳動系設(shè)計5）為降低機床噪聲應考慮的原則

（1）簡化機床傳動系統(tǒng)，減少傳動齒輪的對數(shù)，尤其是在高速運轉(zhuǎn)時，傳動鏈盡可能的短，空轉(zhuǎn)齒輪盡可能脫開。（2）避免較大的升速傳動。特別是在傳動鏈始端的齒輪副，如果采用較大的升速，則嚙合沖擊和齒面摩擦將引起以后的各級傳動產(chǎn)生噪聲。（3）適當降低齒輪圓周運動速度。實驗表明，一對齒輪的圓周運動速度提高一倍，噪聲將增大6db。

（4）機床噪聲還與結(jié)構(gòu)、制造工藝、裝配質(zhì)量以及生產(chǎn)管理等諸多因素有關(guān)，應統(tǒng)籌考慮。分級變速的主傳動系設(shè)計6）為減少空載功率損失應考慮的原則

（1）機床的空載功率是評價機床設(shè)計和制造技術(shù)的重要指標之一。

（2）從節(jié)約材料，減少零件尺寸出發(fā)，最好適當提高中間傳動軸的轉(zhuǎn)速，但空載功率隨轉(zhuǎn)速的提高而增大。因此，擬定轉(zhuǎn)速圖時，選擇中間傳動軸的轉(zhuǎn)速要適當，應兼顧減小結(jié)構(gòu)尺寸和減少空載功率的要求。分級變速的主傳動系設(shè)計小結(jié)：

④

最小傳動比確定原則：“前緩后急”。

③擴大順序確定原則：“前密后疏”；

②

傳動副數(shù)確定原則：“前多后少”；

①

極限傳動比、極限變速范圍原則：

直齒輪1/4≤imax≤2，R=8；

螺旋齒輪1/4≤imax≤2.5，R=10分級變速的主傳動系設(shè)計

轉(zhuǎn)速圖設(shè)計

轉(zhuǎn)速圖擬定步驟：根據(jù)轉(zhuǎn)速圖的擬定原則，確定結(jié)構(gòu)式，然后分配各傳動組的最小傳動比，擬定出轉(zhuǎn)速圖。確定有幾個變速傳動組確定各變速傳動組的傳動副數(shù)擬定轉(zhuǎn)速圖分級變速的主傳動系設(shè)計

例1以臥式車床主傳動為例，已知：電機轉(zhuǎn)速為n0=1440r/min，主軸轉(zhuǎn)速nmin=31.5r/min，Z=12，φ=1.41。要求：設(shè)計其主軸轉(zhuǎn)速圖。1）擬定結(jié)構(gòu)式（1）確定變速組的個數(shù)和傳動副數(shù)變速傳動組和傳動副數(shù)的可能方案：12=4x312=3x412=3x2x212=2x3x212=2x2x3第1行方案，比第2行方案省掉1根軸，但是，其缺點是一個組內(nèi)有4個傳動副，四個滑移齒輪，將導致軸向尺寸大；如果采用2個雙聯(lián)滑移齒輪，則操縱機構(gòu)可能互鎖，比較少用。分級變速的主傳動系設(shè)計變速傳動組和傳動副數(shù)的可能方案剩下：12=3x2x212=2x3x212=2x2x3在傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，常采用雙聯(lián)或三聯(lián)齒輪。因此，主軸轉(zhuǎn)速級數(shù)分解成2或3的因子，采用第2行的方案。（2）確定傳動順序方案按照傳動副“前多后少”的原則，傳動順序方案選用12=3x2x2（3）確定擴大順序方案根據(jù)已經(jīng)選定的傳動順序方案，可以得出若干不同擴大順序的方案。分級變速的主傳動系設(shè)計在上述方案中，根據(jù)轉(zhuǎn)速圖擬定原則來選擇：①傳動副的變速傳動組的極限變速范圍根據(jù)前面原則，直齒輪最大變速范圍應該小于8。在傳動系統(tǒng)中，只需要檢查最后一個擴大組是否在允許的范圍內(nèi)。分級變速的主傳動系設(shè)計根據(jù)計算結(jié)果，方案a、b、c、d的最大變速范圍都滿足要求。而方案e和f是不合格的。②基本組和擴大組排列順序按照“前密后疏”的原則，選擇中間傳動軸變速范圍最小的方案，故選擇12=31x23x26分級變速的主傳動系設(shè)計2）轉(zhuǎn)速圖擬定

（1）定比傳動

電機通過皮帶/帶輪驅(qū)動軸Ⅰ。軸Ⅰ速度定為n1=710r/min，（轉(zhuǎn)速低則結(jié)構(gòu)尺寸過大，轉(zhuǎn)速高則帶傳動引起振動）分級變速的主傳動系設(shè)計（2）畫出轉(zhuǎn)速圖的格線分級變速的主傳動系設(shè)計（3）分配傳動比

為了便于設(shè)計與使用機床，傳動比最好選用“公比的整數(shù)次冪”。確定傳動比時，通?！坝珊笙蚯啊钡剡M行，先分配最后變速組的傳動比，再順序向前分配。①首先確定第三變速組（Ⅲ--Ⅳ軸間）由結(jié)構(gòu)式12=31x23x26可知：傳動副數(shù)z2=2、級比指數(shù)X2=6，因此，其兩條傳動線相距6格，從最低轉(zhuǎn)速31.5點E向上移動6格，得到點E1。

為了確定傳動比，需要確定變速組在Ⅲ軸上相應的主動點D的位置。分級變速的主傳動系設(shè)計①首先確定第三變速組（Ⅲ--Ⅳ軸間）根據(jù)最小傳動比的原則，則動點D只有唯一位置，如圖所示。根據(jù)極限變速范圍得到：分級變速的主傳動系設(shè)計②確定第二變速組（Ⅱ--Ⅲ軸間）

第二變速組，其傳動副數(shù)z1=2、級比指數(shù)X1=3，因此，其兩條傳動線路應該相距3格。由Ⅲ軸上的點D，可以得到點D1，因此，需要確定Ⅱ軸上的相應主動轉(zhuǎn)速點C。

根據(jù)傳動比限制條件：因此，滿足最小條件，點應在C1滿足最大，點應該在C1’所以，C點應該在C1和C1’之間，若選C1’，則II軸轉(zhuǎn)速過低，且升速傳動比達到極限；若選C1，則II軸轉(zhuǎn)速偏高，且降速比達極限。因此，在C1和C1’之間選C點。分級變速的主傳動系設(shè)計③確定第一變速組（Ⅰ--Ⅱ軸間）第一變速組傳動副數(shù)z0=3、級比指數(shù)X0=1，其三條線各拉開1格，在Ⅱ軸上可以確定點C1和C2。分級變速的主傳動系設(shè)計（4）畫全轉(zhuǎn)速圖按照傳動順序，“由前向后”把各變速組的傳動線路畫完整，得到完整的轉(zhuǎn)速圖。內(nèi)容包括：電機、主軸及各傳動軸轉(zhuǎn)速，各傳動副傳動比。分級變速的主傳動系設(shè)計

例2X62W銑床，主軸轉(zhuǎn)速范圍為30-1500r/min，轉(zhuǎn)速級數(shù)為18級，公比為1.26，電機轉(zhuǎn)速1450r/min。試設(shè)計該機床的主傳動系統(tǒng)，即擬定傳動結(jié)構(gòu)式，計算各級轉(zhuǎn)速，畫出轉(zhuǎn)速圖。電機與第一軸間的傳動比為26/54。解:

1）確定變速組數(shù)目及排列方案

大多數(shù)機床廣泛應用滑移齒輪的變速方式，為滿足結(jié)構(gòu)和操縱方便的需求，通常采用雙聯(lián)或三聯(lián)滑移齒輪，故：Z=18=3x3x2(傳動副前多后少原則)分級變速的主傳動系設(shè)計

2）確定基本變速組和擴大組

根據(jù)前密后疏原則，粗選擴大順序為18=31×33×29

且第二擴大組的

3）計算I軸傳速分級變速的主傳動系設(shè)計

4）確定最小傳動比

由結(jié)構(gòu)式可知，共需3個變速組，同時在電機和第一變速組軸間增加一定比降速傳動，故轉(zhuǎn)速圖共有5根軸。畫5根距離相等的豎直線標示軸號（0，I，II，III，IV），畫距離相等的水平線表示18級轉(zhuǎn)速。查表求出主軸IV各級轉(zhuǎn)速，并標示于轉(zhuǎn)速圖上。分級變速的主傳動系設(shè)計n=30~1500r/min分級變速的主傳動系設(shè)計ⅠⅣⅡⅢ01500118095075060047537530023519015011895756047.537.530n

/(r/min)分級變速的主傳動系統(tǒng)設(shè)計（1）確定III和IV軸最小傳動比（第二擴大組）最小傳動比取i=1/4，從最低轉(zhuǎn)速30向上數(shù)6格，在軸III上標出轉(zhuǎn)速點（118）。（2）確定其他變速組最小傳動比：根據(jù)前緩后急原則，II和III軸最小傳動線下降4格，I和II也取一樣傳動比，下降4格，標出相應轉(zhuǎn)速點。（3）畫出其他連線。分級變速的主傳動系統(tǒng)設(shè)計ⅠⅣⅡⅢ01500118095075060047537530023519015011895756047.537.530n

/(r/min)14501:φ61:φ426:541:φ4分級變速的主傳動系統(tǒng)設(shè)計

4、主變速傳動系的幾種特殊設(shè)計1）具有多速電機的主變速傳動系設(shè)計

采用多速異步電動機和其它方式聯(lián)合使用，可以簡化機床的機械結(jié)構(gòu)，使用方便，可在運轉(zhuǎn)中變速，適用半自動、自動機床及普通機床。機床上常用雙速或三速電動機。

缺點是當電動機在高速時，沒有完全發(fā)揮其能力。分級變速的主傳動系統(tǒng)設(shè)計

4、主變速傳動系的幾種特殊設(shè)計2）具有交換齒輪的變速傳動系

對于不常變速的成批生產(chǎn)用的機床，為簡化結(jié)構(gòu)，常采用交換齒輪變速方式，或?qū)⒔粨Q齒輪與其他變速方式組合應用。交換齒輪用于每批工件加工前的變速調(diào)整，其他變速方式則用于加工中變速。分級變速的主傳動系統(tǒng)設(shè)計3）采用公用齒輪的變速傳動系

在變速傳動系中，既是前一變速組的被動齒輪，又是后一變速組的主動齒輪，稱為公用齒輪。采用公用齒輪不僅可以減少齒輪個數(shù)，而且可以縮短軸向距離。單公用齒輪：將某一個從動齒輪和主動齒輪合二為一，形成既是第一變速組的從動齒輪，又是第二變速組的主動齒輪。但是，公用齒輪的壽命短，選用齒數(shù)多齒輪。分級變速的主傳動系統(tǒng)設(shè)計雙公用齒輪，采用雙公用齒輪的3軸4級變速機構(gòu)，總長度可以縮短為L>4b

圖2-25P67分級變速的主傳動系統(tǒng)設(shè)計

5、擴大傳動系變速范圍的方法1）增加變速組

在原有的變速傳動系內(nèi)再增加一個變速組，是擴大變速范圍最簡便的方法。分級變速的主傳動系統(tǒng)設(shè)計2）采用背輪機構(gòu)

背輪機構(gòu)又稱回曲機構(gòu)，其傳動原理如圖所示。分級變速的主傳動系統(tǒng)設(shè)計3）采用雙公比的傳動系

通用機床的每級轉(zhuǎn)速使用的機會不太相同。經(jīng)常使用的轉(zhuǎn)速一般是在轉(zhuǎn)速范圍的中段，轉(zhuǎn)速范圍的高、低段轉(zhuǎn)速使用較少。雙公比傳動系就是針對這一情況而設(shè)計的。主軸的轉(zhuǎn)速數(shù)列有兩個公比，轉(zhuǎn)速范圍中經(jīng)常使用的中段轉(zhuǎn)速數(shù)列采用小公比，不經(jīng)常使用的高、低段轉(zhuǎn)速數(shù)列采用大公比。分級變速的主傳動系統(tǒng)設(shè)計4）采用分支傳動

分支傳動是指在串聯(lián)型式變速傳動系的基礎(chǔ)上，增加并聯(lián)分支以擴大變速范圍。分級變速的主傳動系統(tǒng)設(shè)計

6、齒輪齒數(shù)確定1）齒輪齒數(shù)的確定原則

齒輪結(jié)構(gòu)尺寸緊湊，主軸轉(zhuǎn)速誤差小。具體要求：（1）齒數(shù)和不應過大，以免加大兩軸之間的中心距，使機床結(jié)構(gòu)龐大；此外，齒數(shù)和增加，還將提高齒輪線速度而加大噪音。故，一般推薦齒數(shù)和Sz≤100-120;（2）齒數(shù)和應盡量小，但是，需要從下列限制條件中選擇最大值：為了保證最小齒輪不產(chǎn)生根切以及主傳動具有較好的運動平穩(wěn)性，對于標準圓柱齒輪，一般取最小齒輪齒數(shù)Zmin≥18-20;分級變速的主傳動系統(tǒng)設(shè)計受結(jié)構(gòu)限制的最小齒數(shù)的齒輪應能可靠地裝到軸上或套裝。齒輪和軸為鍵連接時，則應保證齒根圓至鍵槽頂面的距離大于兩個模數(shù)，即應該滿足：分級變速的主傳動系統(tǒng)設(shè)計傳動比要求，分配各齒輪副齒數(shù)應符合轉(zhuǎn)速圖上的傳動比要求。實際傳動比（齒輪齒數(shù)之比）與理論傳動比（轉(zhuǎn)速圖給定）之間允許有誤差，但是不能過大。由于分配齒輪齒數(shù)所造成主軸轉(zhuǎn)速的相對誤差，一般不能超過：分級變速的主傳動系統(tǒng)設(shè)計2）變速組內(nèi)模數(shù)相同時齒輪齒數(shù)的確定

齒輪齒數(shù)確定采用計算法或者查表法。（1）計算法在同一變速組內(nèi)，各對齒輪的齒數(shù)之比，必須滿足已經(jīng)確定的傳動比；各對齒輪的齒數(shù)和必須相同（模數(shù)相同、不變位）。==》分級變速的主傳動系統(tǒng)設(shè)計（1）計算法

在確定變速組齒數(shù)和時，要注意以下原則：變速組的齒數(shù)和Sz應盡可能小，主要受最小齒輪的限制；最小齒輪是在變速組內(nèi)減速比或者升速比最大的一對齒輪，因此，可以先假定該小齒輪的齒數(shù)Zmin；根據(jù)傳動比求出齒數(shù)和，然后按各齒輪副的傳動比，再分配其他齒輪副的齒數(shù)；如果傳動比誤差較大，應重新調(diào)整齒數(shù)和Sz，再按傳動比分配齒數(shù)；分級變速的主傳動系統(tǒng)設(shè)計例子：Φ=1.41，該變速組內(nèi)有3對齒輪，其傳動比分別為：分級變速的主傳動系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)各齒輪副的傳遞比可得出三聯(lián)齒輪的齒數(shù)為：分級變速的主傳動系統(tǒng)設(shè)計（2）查表法如果轉(zhuǎn)速圖上的齒輪副傳動比是標準公比的整數(shù)次方、變速組內(nèi)模數(shù)相同時，可按照下面表直接查處齒數(shù)。分級變速的主傳動系統(tǒng)設(shè)計分級變速的主傳動系統(tǒng)設(shè)計分級變速的主傳動系統(tǒng)設(shè)計（2）查表法

以前面例子說明表使用：i1=1/2可查表中i=2的一行，i2=1/1.41可查i=1.41的一行，i3=1可查i=1的一行；確定最小齒輪的齒數(shù)Zmin及最小齒數(shù)和Szmin,最小齒數(shù)應在i1=1/2的齒輪副中。根據(jù)結(jié)構(gòu)條件假設(shè)，取Zmin=22，在i=2行中查得Szmin=66;找出可能采用的齒數(shù)和Sz的各個值。自Szmin=66開始向右查表，同時存在滿足3個傳動比要求的齒輪齒數(shù)和有：72、83、90.。分級變速的主傳動系統(tǒng)設(shè)計（2）查表法

以前面例子說明表使用：確定合理的齒數(shù)和，選用較小的齒數(shù)和，Szmin=72；確定各齒輪副的齒數(shù)，i=2這行對應的72的齒數(shù)是24，z1=24,z1’=72-24=48；i=1.41對應的72的齒數(shù)為30，z2=30,z2’=72-30=42；i=1對應的72的齒數(shù)為36，z3=36,z3’=36分級變速的主傳動系統(tǒng)設(shè)計5）縮小徑向尺寸

為了減少變速箱的尺寸，既要減少軸向尺寸，也要減少徑向尺寸，并且，它們之間是相互關(guān)聯(lián)的，需要綜合考慮全局。

如果變速箱沿導軌移動，為了減小變速箱對于導軌的顛覆力矩，提高機床的剛度和運動平穩(wěn)性，變速箱的重心和主軸應盡可能地靠近導軌面，因此，需要盡量縮短變速箱的徑向尺寸。主傳動計算轉(zhuǎn)速1、機床功率和轉(zhuǎn)矩特性

由切削原理可知，切削力主要取決于切削面積的大小。切削面積一定時，不論切削速度多大，其所承受的切削力都是相同的。（切削面積與切削深度、寬度、刀具半徑有關(guān)，切削力與速度無關(guān)），傳動件的轉(zhuǎn)速是變化的，傳動件所傳遞的功率或者扭矩過大或者過小，都是不合適的。分級變速的主傳動系統(tǒng)設(shè)計1、機床功率和轉(zhuǎn)矩特性

（1）主運動為直線運動的機床，最大切削力存在于一切可能的切削速度中。驅(qū)動直線運動的傳動件，不考慮摩擦力等因素時，在所有轉(zhuǎn)速下承受的最大轉(zhuǎn)矩是相等的。因此，直線運動機床的主運動是屬于恒轉(zhuǎn)矩傳動；

（2）主運動為旋轉(zhuǎn)運動的機床，傳遞的轉(zhuǎn)矩不僅與切削力有關(guān)，而且與工件或者刀具的半徑有關(guān)；低轉(zhuǎn)速應用于大直徑工件；因此，旋轉(zhuǎn)運動的變速機構(gòu)，輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，基本是恒功率的。分級變速的主傳動系統(tǒng)設(shè)計2、計算轉(zhuǎn)速

主軸或傳動件傳遞全部功率時的最低轉(zhuǎn)速稱為該傳動件的計算轉(zhuǎn)速（nj）。在強度計算時，按照計算轉(zhuǎn)速可以得到該件所需要傳遞的最大扭矩。（設(shè)計時需要滿足的強度要求）。

傳動件的額定扭矩Mn按照下面公式計算：

研究計算轉(zhuǎn)速的意義——根據(jù)傳動件需要傳遞全部功率的最低轉(zhuǎn)速，可確定所能傳遞的最大轉(zhuǎn)矩，作為強度計算和校核依據(jù)。分級變速的主傳動系統(tǒng)設(shè)計3、機床主軸的功率或轉(zhuǎn)矩特性

主軸計算轉(zhuǎn)速nj是主軸傳動全部功率時的最低轉(zhuǎn)速。主軸所傳遞的功率或轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，稱為機床主軸的功率或轉(zhuǎn)矩特性。如下圖所示：分級變速的主傳動系統(tǒng)設(shè)計主軸的功率轉(zhuǎn)矩特性圖

主軸從nmin到nj之間，每級轉(zhuǎn)速都能傳遞計算轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)矩，輸出功率隨轉(zhuǎn)速的下降而線性下降，稱為恒轉(zhuǎn)矩變速范圍。

主軸從nj到nmax之間的每級轉(zhuǎn)速都能傳動全部功率，而輸出的轉(zhuǎn)矩則隨轉(zhuǎn)速的增加而降低，稱為恒功率變速范圍；

無極變速傳動系統(tǒng)的設(shè)計1、無級變速主傳動系統(tǒng)的分類

無級變速是指在一定范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速（或速度）能連續(xù)地變速，從而獲取最有利的切削速度。

無級變速的特點：可以獲得最有利的切削速度，無相對轉(zhuǎn)速損失；能在加工過程中實現(xiàn)變速，保持恒速切削；無級變速器通常是電變速組，縮短傳動鏈簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計；無級變速容易實現(xiàn)自動化操作；主要應用場合：數(shù)控機床、高精度機床和大型機床等。無極變速傳動系統(tǒng)的設(shè)計1、無級變速主傳動系統(tǒng)的分類

機床主傳動中常采用的無級變速裝置有：變速電動機、機械無級變速裝置和液壓無級變速裝置。1）變速電動機

變速電動機有：直流復激電動機和交流變頻電動機，恒功率變速范圍僅2~3。為了擴大恒功率調(diào)速范圍，在變速電動機和主軸之間需串聯(lián)一個分級變速箱。直流調(diào)速電動機，額定轉(zhuǎn)速至最高轉(zhuǎn)速用調(diào)節(jié)磁場電流（調(diào)磁）的辦法來調(diào)速，屬于恒功率調(diào)整；從額定轉(zhuǎn)速向下至最低轉(zhuǎn)速是用調(diào)節(jié)電樞電壓（調(diào)壓）的辦法調(diào)速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。適用于大型機床(例如龍門銑床，龍門刨床等)或起動力矩較大功機床。無極變速傳動系統(tǒng)的設(shè)計交流調(diào)速電動機是靠調(diào)節(jié)供電頻率調(diào)速，因此，常稱為“調(diào)頻主軸電動機”。交流調(diào)速電動機的額定轉(zhuǎn)速為1500r/min或2000r/min，恒功率變速范圍為3～4，最高轉(zhuǎn)速為4500r/min、6000r/min、8000r/min，最低轉(zhuǎn)速可達6r/min，恒轉(zhuǎn)矩變速范圍超過200。伺服電動機和步進電動機都是恒轉(zhuǎn)矩變速范圍，且功率不大。只能用于直線進給運動和輔助運動。一般常用于數(shù)控機床直線進給運動和輔助運動。

直流或交流變速電動機恒功率調(diào)速范圍都比較窄，前者約為2-4，后者約為3-5。然而它們的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍則很寬，通常達幾十到一百或一百以上。無極變速傳動系統(tǒng)的設(shè)計2）

機械無級變速裝置

機械無級變速裝置有柯普型、行星錐輪型、分離錐輪鋼環(huán)型、寬帶型等多種結(jié)構(gòu)。利用摩擦力來傳遞轉(zhuǎn)矩，通過連續(xù)地改變摩擦傳動副工作半徑來實現(xiàn)無級變速。變速范圍小，通常與分級變速機構(gòu)串聯(lián)使用。

應用于功率和變速范圍較小的中小型車床、銑床等機床的主傳動中，更多用于進給變速傳動中。無極變速傳動系統(tǒng)的設(shè)計3）液壓無級變速裝置

通過改變單位時間內(nèi)輸入液壓缸或液動機中液體的油量來實現(xiàn)無極變速裝置。特點是變速范圍較大，變速方便，傳動平穩(wěn)，運動換向沖擊小，易于實現(xiàn)直線運動和自動化。

常用于主運動為直線運動的機床中（刨床、拉床）。無極變速傳動系統(tǒng)的設(shè)計2、無級變速主傳動系設(shè)計原則

（1）選擇功率和轉(zhuǎn)矩特性符合傳動系要求的無級變速裝置

①執(zhí)行件作直線主運動的主傳動系，對變速裝置要求是恒扭矩傳動，如龍門刨床的工作臺等，就應選擇恒轉(zhuǎn)矩為主的無級變速裝置，如直流電動機。

②如主運動要求恒功率傳動，如車床或銑床的主軸，就應選擇恒功率無級變速裝置，如柯普B型和K型的機械無級變速裝置、變速電動機串聯(lián)機械分級變速箱等。無極變速傳動系統(tǒng)的設(shè)計

（2）無級變速裝置單獨使用時，其調(diào)速范圍較小，滿足不了要求，尤其是調(diào)速電動機的恒功率調(diào)速范圍Rm往往小于機床主軸實際需要的恒功率變速范圍RPn。為此，無級變速裝置常與機械分級變速箱串聯(lián)，擴大變速范圍。

若機床主軸要求的變速范圍為RPn，選取的無級變速裝置范圍為Rm，串聯(lián)的機械分級變速箱的變速范圍Rf應為機械分級變速箱的變速級數(shù)機械分級變速箱的公比無極變速傳動系統(tǒng)的設(shè)計

調(diào)速電動機的恒功率變速范圍為φm，

串聯(lián)的分級變速傳動的公比φF=φm。即串聯(lián)的分級傳動系統(tǒng)的公比等于電動機恒功率變速范圍時，輸出的無級轉(zhuǎn)速的變速范圍最大。換言之，變速范圍一定，當分級傳動系統(tǒng)的公比φF=φm時，需串聯(lián)的變速組數(shù)最少。無極變速傳動系統(tǒng)的設(shè)計

一般把無級變速組作為基本組，分級變速作擴大組，理論上?？紤]到機械摩擦傳動會產(chǎn)生滑動，為了得到連續(xù)的無級變速范圍，應使齒輪變速組的公比略小于無級變速器的變速范圍，即，使轉(zhuǎn)速之間有一小段重疊，保證轉(zhuǎn)速連續(xù)。第2章金屬切削機床設(shè)計2.4進給傳動系統(tǒng)設(shè)計進給傳動系設(shè)計

一、進給傳動系統(tǒng)應滿足的要求

（一）組成

進給傳動系由動力源、變速機構(gòu)、換向機構(gòu)、運動分配機構(gòu)、過載保險機構(gòu)、運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)和執(zhí)行件等組成。動力源可以采用單獨電動機，也可與主傳動共用一個動力源，便于保證主傳動和進給傳動之間的嚴格傳動比關(guān)系，適用于有內(nèi)聯(lián)系傳動鏈的機床，如車床、齒輪加工機床等。進給傳動系設(shè)計

變速機構(gòu)用來改變進給量的大小，常用的有交換齒輪、滑移齒輪、齒輪離合器、機械無級和伺服電動機變速等換向機構(gòu)有進給電動機換向和齒輪換向運動分配機構(gòu)用來轉(zhuǎn)換傳動路線，常采用離合器過載保險機構(gòu)的作用是在過載時自動斷開進給運動，過載排除后自動接通。常用的有牙嵌離合器、片式安全離合器、脫落蝸桿等。運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)用來變換運動的類型（回轉(zhuǎn)運動變直線運動），有齒輪齒條、蝸輪蝸桿、絲杠螺母等。進給傳動系設(shè)計

（二）基本要求

1）足夠的靜剛度和動剛度2）動態(tài)性能好3)抗振性好4)調(diào)速范圍寬5)傳動精度和定位精度高6）結(jié)構(gòu)簡單進給傳動系設(shè)計

二、機械進給傳動系的設(shè)計特點

1.進給傳動是恒轉(zhuǎn)矩傳動

在各種不同進給量的情況下，產(chǎn)生的切削力大致相同，進給力也大致相同。因此驅(qū)動進給運動的傳動件是恒轉(zhuǎn)矩傳動。2.進給傳動系中各傳動件的計算轉(zhuǎn)速是其最高轉(zhuǎn)速

進給傳動系中各傳動件（包括軸和齒輪)所受的轉(zhuǎn)矩：Ti=T末

n末/ni=T末

ui(2-21)

ui越大，傳動件承受的轉(zhuǎn)矩越大。在進給傳動系的最大升速鏈中，各傳動件至末端輸出軸的傳動比最大，承受的轉(zhuǎn)矩也最大。故各傳動件的計算轉(zhuǎn)速是其最高轉(zhuǎn)速。進給傳動系設(shè)計