劉晟杰

Abstract： In order to improve the comprehensive performance of the lathe， this article is based on the characteristics of the design of the headstock combination of the lathe， by setting the maximum rotation value of the headstock workpiece， the maximum forward rotation speed and other known conditions， using centralized transmission， the main transmission scheme and transmission system Design. According to the "Practical Machine Tool Design Manual"， the relevant parameter values are obtained by looking up the table， and the main transmission system diagram of the spindle box is drawn to ensure the accuracy of the lathe spindle， thereby completing the transmission design of the spindle box.

關(guān)鍵詞：數(shù)控車床;主軸箱;傳動(dòng)設(shè)計(jì);主傳動(dòng)系統(tǒng)圖

Key words： CNC lathe;headstock;transmission design;main transmission system diagram

中圖分類號(hào)：TG519.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）04-0121-03

0 ?引言

車床是一切機(jī)械工業(yè)的基礎(chǔ)裝備，被稱之為“工作母機(jī)”[1]。隨著高新制造行業(yè)的飛速發(fā)展以及智能制造設(shè)備的更新?lián)Q代，制造業(yè)已逐漸走向高效率、高精度、高科技、智能化發(fā)展。車床作為傳統(tǒng)工業(yè)制造加工中最為基礎(chǔ)的裝備，在制造產(chǎn)業(yè)鏈中一直處于不可或缺的核心地位，針對(duì)車床的各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能優(yōu)化的工作也在不斷跟進(jìn)。對(duì)于已經(jīng)日益成熟機(jī)床設(shè)計(jì)制造，利用例如AutoCAD、SolidWorks、CATIA等二維及三維軟件建立機(jī)床的參數(shù)化模型，能夠大幅縮減制造過(guò)程的時(shí)間消耗，提高生產(chǎn)過(guò)程中的工作效率，最終實(shí)現(xiàn)車床主軸箱的仿真制造與優(yōu)化設(shè)計(jì)。我國(guó)對(duì)車床的研究設(shè)計(jì)始于1949年，經(jīng)過(guò)七十多年來(lái)的努力，已取得較大成果[2]。在國(guó)家對(duì)機(jī)床行業(yè)大力扶持下，我國(guó)機(jī)床行業(yè)蓬勃發(fā)展，逐漸成為世界機(jī)床第一消費(fèi)大國(guó)和第一進(jìn)口大國(guó)。目前由我國(guó)自主研發(fā)的六軸五聯(lián)動(dòng)式葉片加工車床的最大可加直徑為十二米的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，而且對(duì)于復(fù)雜曲面的制造也能保持較高的加工精度。與此同時(shí)，由我國(guó)中傳重機(jī)自主研制的七軸六聯(lián)動(dòng)式機(jī)床也是目前全球范圍內(nèi)加工零件最大型、最復(fù)雜的機(jī)床。目前我國(guó)具備了對(duì)精尖端機(jī)床技術(shù)的掌控與大批量生產(chǎn)高質(zhì)量加工機(jī)床的能力，這意味著我國(guó)的機(jī)床企業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)上也已具備了充足的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。制造業(yè)的發(fā)展對(duì)機(jī)床需求不斷增加，機(jī)床制造行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)也逐漸產(chǎn)生[3]。數(shù)控車床就是運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)將計(jì)算機(jī)語(yǔ)言與傳統(tǒng)的工用車床相結(jié)合，用以實(shí)現(xiàn)車床加工的智能化。其機(jī)械結(jié)構(gòu)主要分為：主傳動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)、基礎(chǔ)支撐件、輔助系統(tǒng)和其他系統(tǒng)[4]。但在車床產(chǎn)業(yè)總體上來(lái)看，我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)存在車床產(chǎn)業(yè)規(guī)模大而技術(shù)含量低的問(wèn)題。高端產(chǎn)品無(wú)法自主設(shè)計(jì)生產(chǎn)，必須依賴于進(jìn)口，即便本國(guó)能生產(chǎn)出來(lái)一臺(tái)車床，仍無(wú)法避開使用國(guó)外的核心技術(shù)。

如今國(guó)外車床企業(yè)發(fā)展的主旋律是高效率、高精度以及更具人性化的操作環(huán)境[5]。針對(duì)車床不斷研發(fā)的新技術(shù)使得車床的控制更加可靠與平穩(wěn)，性能更加完善，同時(shí)車床的速度與精度也得到不斷地提升。如FANUC公司最新的MODELB數(shù)控系統(tǒng)，是當(dāng)今結(jié)合人工智能達(dá)到的最為精密的數(shù)控系統(tǒng)，此數(shù)控系統(tǒng)能兼容在各種車削平臺(tái)如加工中心、車床、銑削車床等各種高精度機(jī)床，對(duì)于需要極大計(jì)算量的七軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床也能完美適配。高精密程度的數(shù)控加工系統(tǒng)將極大的促進(jìn)零件加工的表面精度、滿足零件加工要求并且減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。而數(shù)控車床中最關(guān)鍵的組成部分就是主軸箱，關(guān)于主軸箱的設(shè)計(jì)主要分為以下三步：確認(rèn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)、確定傳動(dòng)軸的尺寸以及估算齒輪模數(shù)。我國(guó)作為少數(shù)幾個(gè)擁有完整產(chǎn)業(yè)鏈的國(guó)家之一，必須在持續(xù)推進(jìn)的產(chǎn)業(yè)革命中獲得關(guān)鍵技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)更要增強(qiáng)同國(guó)外企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的信心和動(dòng)力。為此，本文針對(duì)主軸箱的傳動(dòng)方案，在與傳統(tǒng)機(jī)床的主體結(jié)構(gòu)大致一致的情況下針對(duì)主要的傳動(dòng)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿足設(shè)備性能的最低要求下選取強(qiáng)度高，質(zhì)量低的傳動(dòng)方案所需的零部件，以達(dá)到減輕機(jī)床質(zhì)量并提高性能的目標(biāo)。進(jìn)而設(shè)計(jì)出最優(yōu)的傳動(dòng)方案及主傳動(dòng)系統(tǒng)圖來(lái)提高數(shù)控車床的生產(chǎn)效率，并提高其研發(fā)規(guī)模。

1 ?主傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)

數(shù)控車床由主軸箱、主軸、聯(lián)軸器等裝置組成，它們彼此間相互結(jié)合聯(lián)系使車床高效運(yùn)作。主軸箱通過(guò)壓板與立柱導(dǎo)軌相連實(shí)現(xiàn)豎直方向上的上下移動(dòng)[6]，構(gòu)成主軸箱的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的主軸箱結(jié)構(gòu)往往會(huì)由于具有多組傳動(dòng)軸和齒輪組合結(jié)構(gòu)的問(wèn)題使主軸箱的轉(zhuǎn)速不高，因而要從理論上的動(dòng)力傳動(dòng)出發(fā)，設(shè)計(jì)出最具合理性的傳遞方案也要在設(shè)計(jì)過(guò)程中體現(xiàn)效率性和經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)于主軸箱的設(shè)計(jì)方案由很多，本文為使各級(jí)傳動(dòng)中的傳動(dòng)件最少化，采用結(jié)構(gòu)緊湊、方便調(diào)試的集中式傳動(dòng)，已知條件如表1所示。

2 ?結(jié)構(gòu)式分析

為了保證傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)的合理性以及經(jīng)濟(jì)性，需要依據(jù)轉(zhuǎn)速圖對(duì)不同方案進(jìn)行比較分析，從而繪制出傳動(dòng)系統(tǒng)圖。因主軸箱結(jié)構(gòu)限制的原因，選取傳動(dòng)副以2或3最為合適，得出以下三種方案。

①12=3*2*2;②12=2*2*3;③12=2*3*2。

在主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，往往會(huì)由于不清楚主軸箱連接帶輪的Ⅰ軸上所需要設(shè)計(jì)的摩擦離合器，遵循了主變速系傳動(dòng)統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則，而錯(cuò)誤的選用了典型的結(jié)構(gòu)式12=3×2×2。但對(duì)摩擦離合器的尺寸及作用進(jìn)行仔細(xì)研究可發(fā)現(xiàn)，典型結(jié)構(gòu)式12=3×2×2所設(shè)計(jì)的Ⅰ軸縱向尺寸過(guò)大，而且軸上齒輪1的分度圓直徑會(huì)小于離合器的橫向尺寸。電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞方案有升速傳動(dòng)與降速傳動(dòng)[7]，通常依據(jù)傳動(dòng)副前多后少的原則，即在主軸箱內(nèi)的高速級(jí)中布置盡可能多的傳動(dòng)副，以達(dá)到節(jié)省材料的目的。不過(guò)這會(huì)導(dǎo)致高速級(jí)軸上的零件過(guò)多，致使制造加工的難度加大。并且一軸裝有離合器，齒輪副過(guò)多會(huì)使其軸向長(zhǎng)度增加。同時(shí)主軸對(duì)零件加工精度有著較高的要求，對(duì)其表面粗糙度的影響也很大，所以要盡量避免主軸上有過(guò)多的齒輪副。綜合以上幾種因素，選取12=2×3×2的傳動(dòng)方案。在傳動(dòng)結(jié)構(gòu)式中，為了防止相互嚙合的齒輪之一徑向尺寸過(guò)大，要求最小傳動(dòng)比imin？叟1/4;而對(duì)于升速傳動(dòng)，為防止主軸箱內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)速過(guò)大引起的不穩(wěn)定震動(dòng)和噪聲，通常使最大傳動(dòng)比imax？燮2。在主傳動(dòng)鏈任一傳動(dòng)組的最大變速范圍為Rmax=imax/imin？燮8。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意避免中間傳動(dòng)軸變速范圍過(guò)大的問(wèn)題。

根據(jù)題設(shè)要求擬定出以下6種結(jié)構(gòu)式方案：

3 ?傳動(dòng)轉(zhuǎn)速圖的擬定

3.1 電動(dòng)機(jī)的選取

對(duì)于無(wú)特殊要求的普通數(shù)控車床，應(yīng)選取額定功率和同步轉(zhuǎn)速與設(shè)計(jì)要求相近的電動(dòng)機(jī)。既要保證車床能充分匹配電動(dòng)機(jī)的性能，又要防止在電動(dòng)機(jī)因長(zhǎng)時(shí)間在車床輕載而降低功率的問(wèn)題。參考普通中型車床CA6140電動(dòng)機(jī)的選擇，本設(shè)計(jì)采用Y系列封閉式三相異步電動(dòng)機(jī)，根據(jù)主軸箱設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速及電動(dòng)機(jī)功率選取Y132M2-6型Y系列籠式三相異步電動(dòng)機(jī)。其額定功率為5.5kW，此時(shí)的額定轉(zhuǎn)速為960r/min。

3.2 設(shè)計(jì)總降速傳動(dòng)比

傳動(dòng)副數(shù)為定比傳動(dòng)副數(shù)與變速組數(shù)之和加1，于是選取傳動(dòng)副數(shù)量為=3+1+1+5。

3.4 各級(jí)轉(zhuǎn)速的確定與轉(zhuǎn)速圖的繪制

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列繪制出轉(zhuǎn)速圖如圖2。

4 ?主傳動(dòng)系統(tǒng)圖的繪制

在確定變速組的傳動(dòng)比之后，通過(guò)查閱設(shè)計(jì)手冊(cè)來(lái)確定變速組傳動(dòng)副的齒數(shù)和。通常為了防止齒輪齒頂圓之間發(fā)生干涉，應(yīng)使主傳動(dòng)系統(tǒng)中最小齒數(shù)不小于18到20，同時(shí)保證最大齒輪之間的齒數(shù)差不小于4。設(shè)計(jì)的傳動(dòng)組如下：

4.1 傳動(dòng)組a

?、蜉S上齒數(shù)和SZ=92，則軸上齒輪數(shù)分別取54、38、24，與之配合的軸Ⅲ上齒輪的齒數(shù)分別取38、54、68。

4.3 傳動(dòng)組c

繪制主軸箱內(nèi)傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

5 ?總結(jié)

本文從對(duì)數(shù)控車床的主軸箱分析入手，主要依據(jù)《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》查表獲得相關(guān)參數(shù)值，對(duì)其傳動(dòng)設(shè)計(jì)指定方案，使產(chǎn)品在給定的設(shè)計(jì)要求下同時(shí)兼顧性能與經(jīng)濟(jì)。在掌握了基本的普通車床的相關(guān)技術(shù)后，結(jié)合使各級(jí)傳動(dòng)中的傳動(dòng)件最少化的已知條件，逐步探尋主軸箱的設(shè)計(jì)方案，包括主傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)式的分析、傳動(dòng)轉(zhuǎn)速圖的擬定以及傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。從而設(shè)計(jì)出三個(gè)最優(yōu)的傳動(dòng)組，綜合分析摩擦離合器的尺寸、作用以及軸上齒輪的分度圓直徑選擇出最為合適的12=2×3×2結(jié)構(gòu)式，并擬定出6種結(jié)構(gòu)式方案。借助CAD軟件與三維軟件SolidWorks的結(jié)合，依次繪制其結(jié)構(gòu)網(wǎng)、傳動(dòng)轉(zhuǎn)速圖以及主傳動(dòng)系統(tǒng)圖。通過(guò)該傳動(dòng)系統(tǒng)圖可以形象、簡(jiǎn)潔地展示出各零件的分布以分析出傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，從而顯著提高數(shù)控車床的工作效率與制造精度，同時(shí)為后期動(dòng)力設(shè)計(jì)進(jìn)一步的優(yōu)化做準(zhǔn)備。

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