数控加工中心—主传动系统设计学位论文.doc

济南大学毕业设计
1 前言
1.1 数控加工中心概述
数控加工中心是带有刀库和换到系统的数控机床。其特点是数控系统能控制机床自动地更换刀具，连续的对工件各个加工表面自动进行钻削、扩孔、铰孔、镗孔、攻丝、铣削的多种工序的加工。概括有以下几点：
1．全封闭防护；
2．工序集中，加工连续进行；
3．使用多把道具，自动进行道具交换；
4．使用多个多个工作台，自动进行工作台交换；
5．功能强大，趋向复合加工；
6．高自动化、高精度、高效率、高投入；
7．在适当的条件下才能发挥最佳效益。
数控加工中心主要适用于加工形状复杂、工序多、精度要求高的工件。例如，箱体类工件，复杂曲面类工件，异形件，盘、套、板类工件等。
数控加工中心分为立式加工中心，卧式加工中心和龙门式加工中心三大类。图1.1为大型立式数控加工中心
尽管现在出现了各种类型加工中心，外形结构各异，但总体来看大体有以下几部分组成：

1—数控柜；2—刀库工作台；3—主轴箱；4—操作面板；
5—驱动电源；6—工作台装置；7—滑枕；8—床身；
9—进给伺服电机；10—换刀机械手
图1.1大型立式加工中心
1．基础部件 由床身、立柱和工作台等组成，基础部件要承受加工中心的静载荷和加工时的动载荷。所以必须选择刚度很高的材料做基础组件，同时它也是整个加工中心质量和体积最大的组件。
2．控制系统 加工中心的控制系统由CNC装置、伺服驱动装置、可编程控制器以及电机等组成。它是加工中心的控制中心。
3．主轴组件 它由主轴电机、主轴箱、主轴和轴承等零件组成。数控系统控制它的运动、停止和转动等动作。是切削加工的功率输出部件。
4．自动换刀装置 由刀库、机械手和驱动机构等部件组成，数控装置控制换刀过程，由电机和液压驱动刀库和机械手实现刀具的选择与交换。
5．伺服系统 伺服系统的功能是把数控装置的信号转为数控加工中心移动部件的移动，其性能的好坏影响加工中心的加工精度、表面质量和生产效率。
6．辅助系统 由润滑、冷却、排屑、防护、液压和随机监测系统等部分组成。它不直接参与切削运动，但它保障了加工中心的效率、加工精度和可靠性。
1.2 选题背景与意义
1.2.1 国内外研究现状
数控加工中心作为一种高自动化、高柔性、高精度、高效率的机械加工设备已广泛应用在机械工业各个领域。特别是在装备制造业中它已经成为主要角色,发挥着越来越重要的作用[1]。
自1952年美国研制出第一台试验性数控系统以来，数控技术的发展十分迅速，数控系统也由原先的硬连接数控发展成为今天的计算机数控(CNC) [2]。当今世上在数控机床科研、设计、制作和应用上,技巧最先进、经验最多的国家是美、德、日。
美国生产的数控机床的主机设计、制作及数控系统基础扎实，且一贯器重科研和创新,故其高性能数控机床技巧在世界也一直领先。德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实,出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密数控机床。日本也和美、德两国类似,充分发展大批大批生产主动化，继而全力发展中小批柔性生产主动化的数控机床。
近年来，我国数控加工技术发展迅速，国产数控车床已完全能满足国内市场需要。高性能的卧式车削中心和车铣复合中心，通过合资、引进技术和自主开发，某些产品已能满足部分国内高端用户要求。但是，卧式车铣复合加工中心、带Y轴或C轴的卧式车削中心、双主轴卧式车削中心和高精度卧式车削中心仍然主要依靠进口[3]。
数控加工中心具有广泛的加工艺性能。能够在一次装夹中完成多道工序的加工，其主传动系统具有传递切削功率的重要功能，因而加工中心对主传动系统的要求是很高的。不仅要有强力的转矩输出，又要有较宽的调速范围[4]。随着机床产品设计越来越理性化，在进行主传动系统设计时各主要技术参数和特性参数的要求更加的高。
1.2.2 选题的目的及意义
数控加工中心已广泛应用在机械工业各个领域，特别是在装备制造业中它已经成为主要角色，发挥着越来越重要的作用。数控加工中心的主传动亦即主轴传动系统具有传递切削功率的重要功能，因而数控机床对主传动系统的要求是很高的[4]。数控加工中心的主传动系统应该具有一定的转速和变速范围，以便采用不同材料的刀具加工不同材料，不同尺寸，不同要求的工件，并且能够方便的实现运动的开停，变速，换向和制动。所以此次设计的目的是根据给定的技术参数对加工中心的主传动系统的结构进行设计，得出最优的主传动系统设计方案，使之达到高自动化、高柔性、高精度、高效率的性能。通过本次设计培养综合运用基础知识和专业知识，解决工程实际问题的能力，使工程绘图、数据处理、外文文献阅读、程序编制、使用手册等基本技能及能力得到训练和提高。
1.3 课题研究内容
1.3.1 设计内容研究
数控加工中心的主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，是数控加工中心的关键部件之一，对加工精度起着决定性的作用。它应该具有一定的转速和变速范围，以便采用不同材料的刀具加工不同材料，不同尺寸，不同要求的工件，并且能够方便的实现运动的开停，变速，换向和制动等。加工中心主传动系统应具有较大的调速范围，较高的精度与刚度并尽可能降低噪声与热变形等特点，从而获得最佳的生产率、加工精度和零件的表面质量。
其驱动电机往往采用交流变频调速电机，以实现无极变速，为满足自动化加工及换刀的需要，其主轴组件结构又有其特殊性。毕业设计的内容为数控加工中心主传动系统设计，按国家标准绘制主传动系统装配图及其零件图。
（1）技术参数：主电机功率：7.5~11kw；
主轴锥孔：7:24；
（2）主轴转速范围：20—6000；
（3）驱动方式：交流变频调速电动机。
1.3.2 研究方法
第一步，明确设计要求，找出研究的重难点：数控最基本的要求是精度达标，稳定可靠，操作、维修、保养方便，寿命较长，此外力求外型美观。
第二步，进工厂观摩，大量收集国内外相关资料，吸取专家的设计经验。
第三步，初步确定总体设计方案：
（1）根据数控加工中心性能要求，确定机床支承件结构形式，并进行总体布局；
（2）选择主电机。根据转速要求及机床的变速要求，初步确定主电机型号；
（3）设计主传动系统及箱体。由主电机的变速范围，确定变速箱的减速级数以及传动方式。

2 主传动系统总体方案设计
2.1 主传动系统的设计要求
主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统,为了方便采用不同材料的刀具,加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工件, 它应具有一定的转速和变速范围，并且能够方便地实现运动的开停、变速、换向和制动等。在数控加工中心的主传动系统中,目前多采用交流主轴电动机和直流主轴电动机无级调速系统,这样大大简化了机械机构,便于实现自动变速、连续变速以及负载下变速。也经常应用齿轮有级调速和电动机无级调速相结合的调速方式来扩大调速范围,适应低速大扭矩的要求。
主传动系统是加工中心核心部件，它包括主轴箱及相应的驱动系统，对加工精度起着决定性的作用。加工中心首先要通过对安全、经济、可靠性等方面的综合性考虑进行主传动系统的方案设计。在设计过程中应该使数控加工中心的主传动系统满足以下要求[5]：
（1）有较大的调速范围并实现无级调速；
（2）功率满足各转速段；
（3）传动平稳,操作灵活,结构简单紧凑,工艺性好,满足经济性要求。
2.2 主传动方式的确定
数控机床主传动系统配置方式较多，常见的是分级变速系统和无级变速系统。数控机床为了得到较大范围的加工转速，一般主传动采用无级变速，在一定的调速范围内可以选择经济合理的主轴切削速度。但是，数控加工中心调速范围很宽，一般情况下单靠调速电机是无法满足的，另外调速电机的功率和转矩特性也很难与机床的功率和转矩要求完全匹配，尤其是在低速时，达不到机床强力切削所需要的转矩要求[5]。因此，需要在无级调速电机之后串联机械分级变速传动，以满足调速范围和功率、转矩特性的要求。根据数控机床的类型与大小，其主传动主要有以下三种形式。
（1）采用变速齿轮传动
如图1所示，它通过少数几对齿轮传动，使主传动成为分段无级变速，以便在低速时获得较大的扭矩，满足主轴对输出扭矩特性的要求。这种方式在大中型数控机床采用较多，但也有部分小型数控机床为获得强力切削所需扭矩而采用这种传动方式。
（2）采用同步齿形带传动
如图2所示，电机轴的转动经带传动传递给主轴，因不用齿轮变速，故可避免因齿轮传动而引起的振动和噪声。这种方式主要用在转速较高、变速范围不大、转矩较小的机床上。

图2.1 变速齿轮传动

图2.2 同步齿轮带传动

（3）采用主轴电机直接驱动
如图3所示，主轴与电机转子合二为一，从而使主轴部件结构更加紧凑，重量轻，惯量小，提高了主轴启动、停止的响应特性，该驱动方式处理好散热、润滑非常关键。目前高速加工机床主轴多采用这种方式，这种类型的主轴也称为电主轴。

图2.3 内装电动机主轴传动结构

上述三种方案中，采用带传动的主传动适合功率不大且调速范围不大的场合。带有变速齿轮的主传动适合大、中型数控机床，扩大了输出范围。内装电动机主轴传动机构大大简化了主轴箱与主轴的结构，但输出转矩小且价格昂贵，电动机发热对主轴影响较大。经过考虑，数控加工中心的转速范围较大，传递的扭矩也很大，所以选用变速齿轮传动。
2.3 预期研究结果
经过查阅相关资料对几个设计方案进行论证选出最佳设计方案，按照任务书的相关参数要求，进行数控加工中心主传动系统的设计以完成主传动系统整体装配图及其零件图。毕业设计需要完成的主要内容如下：
（1）相关外文翻译资料一份（译文字数不少于2000汉字）；
（2）毕业设计方案1份，且符合毕业设计规范；
（3）总设计图量不少于3.0张A0，装配图有充分的零件图支撑；
（4）设计说明书1份（不少于1.2万字），查阅文献15篇以上，外文文献2篇以上。

3 主传动系统典型结构设计
3.1 电机的选择
电机的选择有如下原则：
（1）根据使用场所的环境条件，如温度湿度灰尘和腐蚀等考虑必要的保护方式，选择电机的结构形式。
（2）根据机械的负载性质和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速等要求选择其类型。所选电动机容量应留有余量，负载率一般在0.8—0.9之间，过大的备用余量会使电动机效率降低。
（3）根据企业电网的电压标准和对功率因素的要求确定电动机的电压等级和类型。
（4）根据负载转矩、速度变化范围和启动频繁情况等要求，考虑电动机的温升控制、过载能力、启动转矩和转子电动机的容量，并确定电动机的冷却通风方式。
（5）生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程性能的要求以及机械减速机构的的复杂程度，选择电动机的额定转速。除此以外，电动机还必须符合节能要求，考虑运行可靠性。
数控加工中心上常用的主轴电机为交流调速电机和交流伺服电机。
交流伺服电动机是近几年发展起来的一种高效能的主轴驱动电动机。其工作原理与交流伺服进给电动机相同，但其工作转速比一般的交流伺服电动机要高。
交流调速电机通过改变电动机的供电频率可以调整电动机的转速。加工中心使用该类电动机时，大多数为专用电动机与调速装置配套使用，电动机的电参数与调速装置一一对应。主轴驱动电动机的工作原理与普通交流电动机相同。
考虑到此次设计的加工中心的转速不是太高，本次设计采用交流变频调速电机。
电动机的选择：基于加工要求以及性价比的综合考虑，选择的电机具体参数如下：
型号：YVP160M—4
额定功率（km）：11
额定转矩（nm）：72
额定转速/恒功率最高转速（r/min）：1500/6000
冷却方式：配套冷却风机
使用环境：海拔1000m以下
温度-15℃~40℃
电机的安装方式为B5法兰方式。
3.2 传动链的设计
数控加工中心主传动广泛采用无级变速，这样既可以在一定的调速范围内选择到合理的切削速度，也可以在运转过程中自动变速。无极调速有机械、液压和电气等多种形式，数控机床一般采用由直流或交流调速电机作为驱动源的电气无级调速。由于数控加工中心主传动的调速范围较宽，一般情况下单靠调速电机无法满足，而且调速电机的功率和转矩特性也难于直接与机床的功率和转矩要求完全匹配。因此，需要在无级调速电机之后串联机械分级变速传动，以满足调速范围和功率、转矩特性的要求。
机床上常用的无级变速机构为调速电机和伺服电机，作旋转运动的主轴，从计算转速至最高转速为恒功率区，从计算转速至最低转速为恒扭矩区，恒功率范围比恒扭矩变速范围大2~4倍。
本次设计中，主轴的恒功率调速范围远大于电动机所能提供的恒功率调速范围，故必须配以分级变速箱。
1．确定主轴的变速范围

(3.1)

2．确定主轴的计算转速

(3.2)

由于主轴上午最大转速和最小转速相差很大，所以取125r/min。
3．确定主轴的恒功率转速范围

（3.3）

4．确定电动机所能够提供的恒功率变速范围

（3.4）

由于，电动机直接驱动主轴不能满足变速要求，因此要串联一个有级变速箱，以达到主轴的调速范围。
5．确定转速级数Z
取变速箱的公比（实为级比），则由于无级变速时

（3.5）

故变速箱的变速级数

（3.6）

取Z=3。
6．拟定转速图如图3.1所示

图3.1 转速图
3.3 主轴的定位机构设计
目前加工中心普遍采用的是电控准停装置。一种是由磁性传感器接受装在主袖上的发磁体所发出的信号．经过放大器放大后实现电控准停。另一种是采用位置编码器经齿轮或带轮传动，接收主轴旋转信号进行电控准停。
此次设计采用由磁性传感器接受装在主轴上的发磁体所发出的信号．经过放大器放大后实现电控准停。主轴周向定位机构的原理如图3-2所示。带轮上安装一个体积很小的永磁块3。在主轴箱体的准停位置上，装一个磁传感器2。数控系统发出主轴准停信号后，主轴降速，以很低的转速运转，至永磁块对准传感器，传感器2发出准停信号，经放大器、定向电路使电动机制动。主轴停止的角度位置精度为土1°。这种装置的机械结构简单，定位迅速面准确。

图3.2 主轴定位机构原理图

4 主轴组件的设计
4.1 主轴的性能要求和结构设计
4.1.1 主轴的性能要求
主轴组件（图4.1）是机床主要部件之一。它的性能，对整机性能有很大的影响。主轴直接承受切削力，转速范围又很大，所以主轴组件的主要性能需满足如下要求：
（1）旋转精度 主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转动的条件下，主轴安装工件或刀具部位的定心表面的径向和轴向跳动。旋转精度取决于各主要件如主轴、轴承、壳体孔等的制造、装配和调整精度。工件转速的旋转精度还取决于主轴的转速、轴承的性能，润滑剂和主轴组件的平衡。
（2）刚度 刚度主要反映机床或部件抵抗外载荷的能力。数控机床既要完成粗加工，又要完成精加工，因此对其主轴组件的刚度应提出更高的要求。
（3）温升 温升将引起热变形使主轴伸长，轴承间隙的变化，降低了加工的精度，因此，对高精度机床应该研究如何减少主轴组件的发热，如何控温等
（4）可靠性 控机床是高度自动化机床，所以必须保证工作可靠性。
（5）精度保持性 对数控机床的主轴组件必须有足够的耐磨性，以便长期保持精度。
以上这些要求，有的是矛盾的。此时就需要计提问题具体分析。设计高精度数控机床时，主轴应满足高刚度、低温升的要求。

图4.1 主轴组件

4.1.2 主轴的结构设计
主轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构设计两大方面，主轴的结构是由很多因素决定的，例如，轴上安装的零件的类型、尺寸、数量以及和轴的连接方法；在机器中主轴的安装位置；轴的加工工艺等。因此，主轴没有标准的结构形式。设计时必须具体问题具体分析。但是，无论什么样的主轴都应该满足以下几点：
1．主轴和装在主轴上的零件要有准确的工作位置；
2．主轴上的零件应变预装拆和调整；
3．主轴应具有良好的制造工艺性。
下面讨论主轴的结构设计中要解决的几个主要问题：
1． 拟定轴上零件的装配方案
所谓装配方案，就是预定出主轴上主要零件的装配方案、顺序和相互关系。
2．主轴零件的定位
为了防止主轴上零件受力时发生沿主轴轴向或周向的相对运动，主轴上零件除了有游动或空转的要求外，都必须进行轴向和周向的定位，以保证其准确的工作位置。
（1）零件的轴向定位
主轴上零件的轴向定位是以轴肩、套筒、轴端挡圈、轴承端盖和圆螺母等来保证的。
（2）零件的周向固定
周向定位的目的是限制轴上零件与轴发生相对转动。常用的周向定位零件有键、花键、销、紧定螺钉以及过盈配合等。
整个主轴要做成中空的用以安放拉杆和蝶形弹簧。如图4.2所示。

图4.2 加工中心主轴

4.1.3 主轴材料的选择
在本次设计中选用的主轴材料为适用于高速切削场合的40CrMoA。
4.2 主轴轴径的选择
主轴轴径通常是指主轴前轴径的直径，根据统计资料初步选择主轴的直径见表4.1所示。
表4.1主轴前端直径 （mm）
主电动机功率(kw)
5.5
7.5
11
15
卧式车床
60～90
75～110
90～120
100～160
升降台铣床
60～90
75～100
90～110
100～120
外圆磨床
55～70
70～80
75～90
75～100

由于主电机电机功率为11kw，选=100（mm）。
加工中心由于装配的需要，主轴轴径通常是从前往后逐渐减少的。后轴径的直径d2往往小于前轴径的直径d1。通常d2=(0.7～0.9)d1。
所以
=70（mm）

5 其他零件的设计
5.1 传动轴的设计与计算
图5.1为该传动系统的示意图。

图5.1 传动系统示意图

传动轴只承受扭矩，直接按扭转进行强度计算。而对于转轴，在开始设计轴时，通常还不知道轴上零件的位置及支点位置，弯矩值不能确定，因此，一般在进行轴的结构设计前先按纯扭转对轴的直径进行估算。
轴I用两个深沟球轴承支承在箱体内。上轴承内圈的下端面顶在轴I的台阶上，上端面靠弹簧挡圈与轴I定位，这样，轴承的外圈与箱体孔之间就不用任何轴向定位装置了。下轴承的内圈上端定在轴I的台阶上，下端靠螺母压紧在轴上，外圈的上端面顶在箱体的台阶上，下端面由压盖压紧，这样轴I的轴向位置就完全确定了。
传动轴Ⅱ上端有轴向定位，下端轴向是自由的。上端用了2个轻型的深沟球轴承，主要是考虑到2个轴承受力不均，承受能力通常等于1个轴承的1.5倍
齿轮轴最小直径

（5.1）
花键轴的最小直径

（5.2）

最终花键轴最小径取45mm，齿轮轴由于是空心轴所以选择为55mm。
5.2 齿轮的计算
5.2.1 选定齿轮材料和精度
（1）根据使用要求选用直齿圆柱齿轮。
（2）齿轮选用7级精度。
（3）材料的选择。
查表选大、小齿轮的材料均为40cr(调质)，硬度为280HBS。
5.2.2 齿轮齿数及中心距的计算
经查表可得啮合齿轮的齿数和为=84。

齿轮模数的确定

17/67 （5.3）

42/42 (5.4)

56/28 (5.5)

式中 ——相互啮合的齿轮的传动比（大齿轮/小齿轮）
——主轴电机的额定功率（kw）
Z——该对齿轮中小齿轮的齿数
——抗疲劳强度
——该齿轮所在轴的计算转速（r/min）
——齿宽系数一般取6~10范围之内的数，=B/m.

由以上三式可以得出最终模数选为4.
中心距

轴Ⅰ与轴Ⅱ之间的中心距

（mm） （5.6）

轴Ⅱ与轴Ⅲ之间的中心距

（mm） （5.7）
5.2.3 齿轮齿宽的计算
由公式可以得出：
齿宽 B==84=32（mm）
Z=17 分度圆直径 ==417=68（mm）
齿顶高 （mm）
齿根高 （mm）
Z=67 分度圆直径 =mZ=467=268（mm）
齿顶高 （mm）
齿根高 （mm）
Z=42 分度圆直径 =mZ=442=168（mm）
齿顶高 （mm）
齿根高 （mm）
Z=28 分度圆直径 =mZ=428=112（mm）
齿顶高 （mm）
齿根高 （mm）
Z=56 分度圆直径 =mZ=417=68（mm）
齿顶高 （mm）
齿根高 （mm）
Z=20 分度圆直径 =mZ=420=80（mm）
齿顶高 （mm）
齿根高 （mm）
Z=59 分度圆直径 =mZ=459=236（mm）
齿顶高 （mm）
齿根高 （mm）
5.3 轴承的设计
5.3.1 轴承的选用
由于滚动轴承有很多优点，加之制造精度的提高，所以，一般情况下数控机床应尽量采用滚动轴承。特别是大多数立式主轴，用滚动轴承可以采用脂润滑以避免漏油。
此次设计的主轴转速相对较高，且需要有较高的定位精度，所以主轴前支撑选用一个双列角接触球轴承和一个单列角接触球轴承，用来承受轴向和径向载荷。双列角接触球轴承的两个大口朝向外侧，单列角接触球轴承大口也朝向外侧。主轴后支撑为一个大口朝外的角接触球轴承。他只承受径向载荷，所以不需要定位。
齿轮轴只承受径向载荷，所以两端都选用深沟球轴承就可以满足需要，齿轮轴的前端轴承用圆螺母固定，后端轴承用弹簧垫圈固定。
由于花键轴即有轴向载荷又有径向载荷，所以两端都选用双列角接触球轴承，两端轴承都用圆螺母固定，这样就可以满足需要。
5.3.2 轴承的润滑
加工中心的主轴轴承润滑方式有：油脂润滑、油液循环润滑、油雾润滑、油气润滑等方式。下面将分别论述上述各种润滑方式。
1．油脂润滑方式
这是目前在加工中心的主轴轴承上最常用的润滑方式，特别在前支承轴承上更是常用。当然，如果主轴箱中没有冷却润滑油系，那么后支承袖承和其它轴承，亦采用油脂润滑方式。
所用油脂种类：高级锂基油脂或德国产NBU--15型油脂。
主轴轴承油脂封入量，通常为轴承空间容积10％，切忌随意境满。油脂过多，会加剧主轴发热。
采用油脂润滑方式，要采取有效的密封措施，以防止切削液或润滑油液进到轴承中去。
主轴前端密封方式，除采用迷宫式密封方式外，对卧式主轴还在前会兰盖下端加一个泄漏孔，而后端密封．则既可以是与前端类似方式，也可以是特殊的密封圈密封。
2．油液循环润滑方式
在中等转速的加工中心主轴上，有采用油液循环润滑方式的。装有法国GAMET轴承主轴，即可使用这种方式。对一般轴承来说，在主轴后支承上采用这冲润滑方式比较常见。
3．油雾润滑方式
对于油雾润滑方式，冷却效果好，但油雾容易被吹出污染环境。
4．油气润滑方式
油气润滑方式是针对高速主轴而开发的新型润滑方式它是用极微量油润滑轴承，以抑制轴承发热。
此次设计中主轴轴承润滑采用油脂润滑，使用高级锂基油脂。

6 加工中心零件的校核
6.1 传动轴的校核
当量直径法
把不等直径的阶梯轴，连同安装和零件，当成直径为d的等直径轴计算
1．当载荷作用于支点间时，其计算公式为：

　　　　　　　　 （6.1）

式中 ——支点间的距离(mm)；
——轴上第i段的长度和直径(mm)
2．当载荷作用于外伸端时，其计算公式为:

(6.2)

式中 ——支点间的距离（mm）；
——轴上第段的长度和直径（mm）；
——外伸端长度(mm)。
校核主轴 因为主轴在传递最低转速时受力最大，所以校核此轴。
1．受力分析
将主轴组件简化为一个简支梁，如图6.1所示。

图6.1 主轴简化图

2．计算轴的当量直径
由公式（6.1）可知

（mm） （6.3）
（mm） （6.4）

3．计算挠度

（6.5）

由公式 得，

（6.6）

由图可知， （mm） 308 （mm） （mm）

=
（6.7）

由图可知 =95 （mm） （mm）

=0.095（mm） （6.8）
（mm） （6.9）

轴的许用挠度 （mm） （6.10）
而，所以轴的挠度合格。
6.2 齿轮的校核
校核齿轮强度时选择相同模数承受载荷最大的齿数最小的齿轮进行接触应力和弯曲应力验算。一般情况下，对高速传动的齿轮校核齿面接触应力，对低速传动的齿轮校核齿根弯曲应力。对硬齿面、软齿芯渗碳淬火的齿轮，一定要校核其齿根弯曲应力。
接触应力的验算公式为：

（6.11）

弯曲应力的验算公式为：

（6.12）

式中 ——齿轮传递的功率，；
——电动机的额定功率；
——从电动机到所计算齿轮的机械效率；
——齿轮的计算转速；
——出算得齿轮模数；
——齿宽（mm）；
——小齿轮齿数；
——大齿轮与小齿轮齿数比，，“+”号用于外啮合，“-”号用于内啮
——寿命系数，；
——工作期限系数，；
——齿轮在机床工作期限内的总工作时间，对于中型机床的齿轮取，同一变速组内的齿轮总工作时间可近似地认为，为变速组的传动副数；
——齿轮的最低转速（r/min）；
——基准循环次数，查表6.1；
表6.1 各类传动件疲劳曲线的指数和基准循环次

传动件及其材料
热处理
接触载荷
弯曲载荷
m

m

钢的齿轮、轴承环、滚动体等
正火、调质和整体淬硬
3

6

钢和铸铁的齿轮、蜗轮等
表面淬硬如高频、渗碳、氮化等
3

9

青铜蜗轮

4

9

——疲劳强度指数，查表；
——速度转化系数；
——功率系数；
——材料强化系数；
的极限值，见表，当时，则取；当时，取；
——工作情况系数，中等冲击的主运动，取；
——动载荷系数；
、——齿向载荷分布系数；
——标准齿轮齿形系数；
——许用接触应力 ；
——许用弯曲应力 。
验算花键轴上=17，m=4的齿轮
（1）齿轮接触应力的校核
由公式校核齿轮的接触应力
其中：，，，，，
由 来确定
有查表得，而

（6.13）

由转速图可知

（6.14）

查表可得

（6.15）

由表确定=1.20 由表得=1.1 由表得 由表得2.5 最后取=1.1 则

所以齿轮的接触应力满足要求。
（2）齿轮弯曲应力的校核
由公式进和校核
其中： ，
由表可求得

（6.16）

由表可知
则 （6.17）
取=4.5 则

（6.18）

所以，齿轮的弯曲应力满足要求。

7 结 论
本次课题是数控加工中心的主传动系统设计，通过计算得出电机的恒功率转速范围达不到主轴要求的恒功率转速范围，所以在电机与主轴之间增加了一个传动轴。
在数控加工中心主传动系统设计过程中，对其核心部件—主轴查阅大量资料，进行了重点设计。本次设计中，有级变速采用的是齿轮传动，由于齿轮传动噪声大，精确度不高，而且使主轴箱重量和体积偏大，所以该方案还有改进的空间。
在设计过程中，综合运用了材料力学、机械设计、理论力学和机械制图中所学过的知识，进行设计、计算和校核，巩固了大学期间所学的大部分课程。设计前期资料的检索是一项很重要的任务，如果查阅的资料充分的话，为接下来的主传动系统的设计提供多种选择，使设计出的方案达到最优化。所以在以后的工作中，会更加重视资料的检索，借鉴他人的经验，设计出更好的产品。
该设计题目具有较强的综合性，通过对该课题的设计和研究，但是使本人的综合运用知识的能力得到了大大的提升。

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