钻铣床主轴箱数控化设计

图 1 主轴传动简图 为了达到主轴的恒功率变速范围，计算电机功率调 整为： P0 = P× = 7.3 KW RP 所以选用电机的功率应为 7.5KW。 2 主要传动件计算 2.1 带传动与齿轮传动的计算 由于转速较高， V 带传动中， 带轮选用铸钢， 根据 《机 械设计手册》 中 V 带设计计算方法， 计算选用 SPZ （窄 V 带） 两根， 传动中心距为 400mm， 带轮直径分别为 90mm、 180mm。经验算包角和带速均满足生产加工要求。 齿轮的材料， 主要有铸铁 、 锻钢 、 铸钢 、 塑料等几种 。 根据机床设计手册和机械设计手册以及机械零件手册的 查阅， 结合本设计的要求， 选用锻钢， 优质碳钢 45 钢调质 处理改善其性能， 高频淬火提高其表面硬度。 齿轮选 7 级 精度。 齿数根据金属切削机床常用传动比的适用齿数确 定， 根据齿轮接触疲劳强度计算齿轮的模数为： m=1.88 取标准值：
2009 年第 4 期 第 8 卷(总第 43 期)
安徽电子信息职业技术学院学报 JOURNALOF ANHUI VOCATIONAL COLLEGE OF ELECTRONICS ＆ INFORMATION TECHNOLOGY
No.4 2009 General No.43 Vol.8
[文章编号] 1671－802X(2009)04－0040－02
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经济与法律
童庆平—— —试论陈云的经济绩效思想及其现实意义
的倾向。
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体系，这就要求重工业、轻工业和交通运输业的各个部 门， 特别是重工业的各个部门能够互相配合， 要求燃料动 力工业、原材料工业和机器制造业能够保证扩大再生产 [3] 的需要， 要求农业能够提供比较充分的剩余产品。 ” 这也 是实现科学发展的基本要求。 4．必须集约经营。尽管中央反复强调要发展集约经 济， 但粗放式经营仍然很有市场。 前科技部部长徐冠华坦 承， “中国科技资源浪费惊人：大型科研设备利用率只有 25% ， 而发达国家的平均利用率是 170% …… 某种卫星接 收站， 美国只建设 16 座就足够全国使用， 而中国 2002 年 前就已有了 30 座， 仅北京就有 8 座， 且中国今后还计划 [9] 原中国联通董事长杨贤足说， 即使在一些 再建 50 座。” 偏远小镇也经常能看到分属于移动和联通两个部门的铁 塔并立， 但事实上只要一个就够了。干线光缆也是如此， 建一个干线网要投资 200 亿元以上，而目前五六个网并 行， 仅这一项的浪费就约有 1000 亿元[10]。 这种粗放式经营 在其他领域也不鲜见。因此， 在当前扩大投资规模时， 必 须坚持 “先挖潜 、 革新 、 改造， 后新建 ”[2]， 防止盲目铺摊子 的现象。 5． 必须兼顾长远。党的十五届五中全会就提出， 要 “实现国民经济持续快速健康发展， 必须以提高经济效益 为中心，对经济结构进行战略性调整……加强基础设施 建设， 重视生态建设和环境保护， 加强人口和资源管理， [11] 但掠夺性使用生产要素的情况依比 实现可持续发展。” “目前中国每年产出的 GDP 当中， 有 18％是通过 较严重。 透支生态环境和自然资源取得的。 与发达国家相比， 我国 的能源利用效率较低， 每单位能源消耗生产的 GDP， 仅相 [12] 当于发达国家的 1/4 左右。 ” 产品质量也存在很多缺陷， “要 三鹿奶粉事件就浪费了大量的资源。陈云提醒我们， 看到， 现在无论是农业生产， 还是工业生产， 都相当普遍 地存在着一种掠夺式的使用资源的倾向，应当引起重 [2] 视。” 贯彻落实科学发展观必须切实纠正只顾眼前发展
m=2 根据弯曲疲劳强度计算齿轮模数为 2.5。所以取 m= 2.5。 寿命计算满足设计要求。 2.2 传动轴计算 传动轴应满足强度和刚度方面的要求。强度方面的 要求是，保证轴在反复弯曲载荷和扭转载荷下不发生疲 劳破坏。 刚度方面的要求是， 轴在弯曲和扭转载荷下不致 产生过大的变形。 传动轴通常选用 45 钢， 调质处理。 传动 轴所用的轴承，通常都用滚动轴承。结合本次设计要求: 普通数控钻铣床， 故选用普通级深沟球轴承。 按扭转刚度估算轴的直径： d ≥ KA
＊ ［收稿日期］2009－06－10 ［作者简介］徐敬广 （1974-） ， 男， 华瑞汽车专用机器制造有限公司机械助理工程师。
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技术园地
徐敬广＊李 刚＊薛彩侠—— —钻铣床主轴箱数控化设计
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根据主轴调速范围得： Rn = nmax = 10 nmin×RP 其中， RP 为电机调速比。又因为： Rn = z-1 其中， 为公比； Z 为变速级数。 查表得 Z=3， φ=3.16。 为了调整变速箱的结构， 节省材料和减轻主轴箱重量， 取 Z=2， 此时公比较大， 实现有困难， 需要增大电机的调速范 围， 假设变速箱的传动公比等于电机的传动比， 由此可得 传动公比 =5.48。 减速箱的传动级数 Z = 2， 对于主传动系统，传动副的极限传动比和传动组的 极限变速范围， 在降速传动时， 为防止被动齿轮的直径过 大而使径向尺寸太大， 通常限制最小传动比 imin≥1/4。在 升速时， 为防止产生过大的振动和噪声， 常限制最大传动 根据需要增加前置 比 imax≤2。遵循以上原则分配传动比， 固定传动比的带传动， 传动比为 1： 2。减速箱内各级传动 的传动比分别为 2： 1 和 1： 2.74。主轴传动的结构简图如 图 1 所示。
计算得各轴直径分别为 30mm、 35mm、 35mm。 3 组件结构与材料的选择 3.1 材料与结构确定 调质处理， 主轴前端卸刀孔淬 主轴材料选择 45 钢， 硬到 HR45-55。 根据转速和切削力大小本设计选用齿轮传动作为主 轴的传动方式。 考虑到结构的实现难易程度，采用主轴两支撑间承 扭转变形， 提高 受传动力。并且为了减少主轴弯曲变形、 固有频率， 齿轮应布置在靠近主轴前端轴承处， 如图 1 所 示。 3.2 跨距计算 跨距 l0 与前端悬伸量之比 l0/a 可根据机床设计手 册得： η = EI 3 （N/mm2 ） KAa 其中， E 为弹性模量，大小为 2 ×105Mpa； I 为主轴截 面的惯性矩，大小为 8.0cm4； KA 为前端轴承的刚度， 为 70×105； a 为前端悬伸量， 9.5cm。 经计算， η≈0.028， 查图表得： l0 = 0.9 a 则 l0 = 85.5， 取整得主轴跨距为 90mm。 其它计算略。 3.3 操纵机构设计 操纵机构为在转塔换刀过程中的齿轮拨叉。机床在 换刀时， 必须由丝杠传动升起主轴箱， 离开工件， 这中间 有一个主轴行程问题。 根据此关系， 可设计齿轮拨叉为以 下形式： 拨叉的上端固定在丝杠上面， 下端在齿轮的拨叉 槽中， 当主轴在钻铣时， 由于主轴箱下降的原因， 拨叉固 定于丝杠上， 拨叉相对于主轴箱上移， 从而固定齿轮与主 轴齿轮啮合。当换刀时， 主轴箱升起， 拨叉相对于主轴箱 下移， 从而拨动齿轮与主轴齿轮脱开啮合。 拨叉必须具有 一定的弹性。拨叉顶端到主轴箱 （下转第 46 页 ）
钻铣床主轴箱数控化设计
徐敬广 1， 李 刚 1， 薛彩侠 2,3 （1.华瑞汽车专用机器制造有限公司， 安徽 蚌埠 2.中国矿业大学计算机科学与技术学院， 江苏 3.安徽电子信息职业技术学院， 安徽 蚌埠 233000； 徐州 221008； 233000 ）
［摘 要］文章在原有设计的基础上， 对钻铣床的主轴系统进行改造， 增强抗振性、 减小噪声， 并使其满足生产加工 需要的速度要求。主要包括传动方案的选择与设计、 主传动的设计、 转塔的设计、 结构的分析等， 通过改造设计， 使该钻 铣床满足了生产加工要求， 并且提高了自动化程度。 ［关键词］转塔式钻铣床；主轴；数控机床 ［中图分类号］TP21 ［文献标识码］B 在制造业中， 尤其是机械行业非常广泛地应用机床， 而金属钻削机床应用尤其广泛[1,2]。据统计， 孔加工是金属 切削加工中最重要的工序之一，约占所有金属切削加工 工序的 33%，我国每年生产钻头用的高速钢消耗量约占 在机械加工 刀具生产中高速钢消耗总量的 70%[3]。可见， 中孔加工占有很重要的地位。 数控钻床是数字控制的以钻削为主的孔加工机床， 具有数控转塔换刀钻铣床工作原理,最主要特点是由转塔 式刀库及自动换刀机构而组成的，在换刀方式上采用分 转位方式。采用无级调速的主轴电动机， 可实现动变 度、 换主轴转速， 可以进行钻、 扩、 铰、 锪、 攻丝等孔加工工序， 而且可以完成具有直线和圆弧插补的轮廓控制铣削 。本 公司由于生产加工需要，在原有钻床的钻床结构基础上 进行改造，原有的钻铣床的主轴转速范围:320-2700rpm， 主轴转速级数 5 级，为了进一步提高数控钻铣床的自动 化程度，采用了无级变速电机加上变速齿轮组扩大变速 范围。 采用电气控制和步进电机实现转塔自动转位， 以电 磁弹簧定位销定位转塔头， 成为数字控制的钻铣床。 1 传动方案设计 1.1 传动方案确定 为了达到较大的变速范围， 并且实现无级变速， 结合 本次设计的加工能力，通过对比决定采用交流变频调速 电机。 由于电机的功率扭矩特性也难于直接与机床功率和 转矩要求相匹配，因此主传动变速系统在无级变速电机 之后需串联机械有级变速传动，以满足机床要求的调速 范围和转矩特性。 1.2 传动主参数计算 因为钻削铸铁件所用转矩较高， 所以， 以铸铁件的加 工参数， 计算主参数。 高速钢钻头加工铸铁件钻削用量为[4]： 高速钢加工铸铁钻削用量表
［参考文献］ [1] 陈云文选 （第 2 卷）[M]. 北京：人民出版 社 ， 1995.152， 288， 300， 296. [2] 陈云文选 （第 3 卷）[M]. 北京：人民出版 社 ， 1995.218， 61， 137， 168， 252， 246， 34， 235， 188， 371， 250， 36 6， 251， 267， 376， 110， 254， 189， 268. 知识出版 [3] 关梦觉 . 陈云同志的经济思想 [M]. 上海： 社， 1984. [4]朱佳木主编.陈云年谱： 下卷[M].北京： 中央文献出 2000. 版社， [5] 以人为本是科学发展观的核心 [N]． 人民日报 ． 2006-7-21(8)． [6]孙爱东 . 领导干部该如何践行科学发展观 [J]. 半月 谈， 2008， （19 ） ： 44－45. [7] 王文志， 肖波 . 山东庆云： 打着 “ 解放思想 ” 旗号大 上违规项目[N].经济参考报， 2008-9-25(1). [8] 黄铁苗， 曹 琤 . 决策失误造成的浪费最大 [EB/OL]. http://finance.sina.com.cn/review/20041104/13461132145. shtml [9] 任可 . 重复建设造成巨大浪费 4 万亿行政事业资 产 谁 来 管 [EB/OL].http://data.stock.hexun.com/detail.aspx? id=1722222 [10] 重复建设造成巨额浪费[EB/OL].http://news.sohu. com/20050315/n224695047.shtml [11] 中国共产党第十五届中央委员会第五次全体会 议公报 (2000 年 10 月 11 日 ) [EB/OL]. http://www.gov.cn/ test/2008-07/11/content_1042437.htm [12]王中营.构建和谐社会环境中的企业社会责任[J]. 理论视野， 2008， (9):49－51.
硬 度 软 硬 切削速度 m/min 43-46 24-34 进给量 0.21 0.26
根据机床的最大加工能力，计算钻铣床的主轴切削 功率为： Pe ≈ 3.0 kw 取传动效率为 0.75[5]， 计算电机功率为： 3.0 P= = 4.0 kw 0.75 钻铣床主轴计算转速计算公式为： z nj = nmin φ 3 其中 nj 为计算转速，即主轴第二个 1/3 转速范围内 的最低一级转速； nmin 为最小转速； φ 为标准公比。把转速 分为三个范围， 取 φ 为 1.41 [6]， 则第二个 1/3 转速范围内 综合考虑其他影响因素， 计算 最低一级转速为 147r/min， 转速定为 150r/min。 1.3 变速传动部分计算 变速箱由于位于调速电机与主轴之间， 因此， 设计时 除遵循一般有级变速箱设计原则外，必须处理好公比的 选择。