1、第 1 页 共 44 页目录一、引言 .21.1、铣床的历史： .21.2 铣床的基本知识 .41.3、铣床的发展概况 .5二、方案设计与比较 .72.1 铣床的技术参数要求 .72.2 动力头的选择 .72.3 动力参数的确定 .72.4 电动机的选择 .82.5 进给机构方案确定 .82.6 升降机构的方案确定 .92.7、调角机构的方案确定 .9三、主要零件的设计与计算 .1331 导轨的设计与强度计算 .133.1.1 导轨功用、分类和应满足的要求 .133.1.2 导轨的选择： .133.1.3 滑动导轨压强的计算 .163.1.4 导轨间隙的调整： .173.2 蜗轮蜗杆的设计与参
2、数确定 .173.2.1 蜗杆的参数计算 .183.2.2 涡轮参数设计 .203.2.3 齿根弯曲疲劳强度校核 .203.2.4 精度等级公差和表面粗糙度的确定 .213.3 丝杆传动设计及计算 .213.3.1 丝杆的特点及应用 .213.3.2 丝杆传动设计及计算 .223.4 蜗杆轴的设计与计算： .243.5 齿轮的设计计算 .253.6 蜗杆与减速箱的连接 .28参考文献 .29第 2 页 共 44 页设计总结 .30附 1 外文资料及翻译 .30附 1 外文资料及翻译 .31HIGH-SPEED MACHINING AND DEMAND FOR THE DEVELOPMENT.3
3、1高速切削加工的发展及需求 .39附 2：工程图： .44第 3 页 共 44 页一、引言1.1、铣床的历史：最早的铣床是由美国人惠特尼于 1818 年创制的卧式铣床，为了铣削麻花钻头的螺旋槽，美国人布朗于 1862 年创制了第一台万能铣床，这是升降台铣床的雏形；1884 年前后又出现了龙门铣床；二十世纪 20 年代出现了半自动铣床，工作台利用挡块可完成“进给-决速”或“决速-进给”的自动转换。 1950 年以后，铣床在控制系统方面发展很快，数字控制的应用大大提高了铣床的自动化程度。尤其是 70 年代以后，微处理机的数字控制系统和自动换刀系统在铣床上得到应用，扩大了铣床的加工范围，提高了加工精
4、度与效率。铣床是用铣刀对工件进行铣削加工的机床。铣床除能铣削平面、沟槽、轮齿、螺纹和花键轴外，还能加工比较复杂的型面，效率较刨床高，在机械制造和修理部门得到广泛应用。 升降台铣床：升降台铣床有万能式、卧式和立式几种，主要用于加工中小型零件，应用最广；龙门铣床包括龙门铣镗床、龙门铣刨床和双柱铣床，均用于加工大型零件；单柱铣床的水平铣头可沿立柱导轨移动，工作台作纵向进给；单臂铣床的立铣头可沿悬臂导轨水平移动，悬臂也可沿立柱导轨调整高度。单柱铣床和单臂铣床均用于加工大型零件。 仪表铣床:仪表铣床是一种小型的升降台铣床，用于加工仪器仪表和其他小型零件；工具铣床主要用于模具和工具制造，配有立铣头、万能角
5、度工作台和插头等多种附件，还可进行钻削、镗削和插削等加工。其他铣床还有键槽铣床、凸轮铣床、曲轴铣床、轧辊轴颈铣床和方钢锭铣床等，它们都是为加工相应的工件而制造的专用铣床。切削加工是用切削工具，把坯料或工件上多余的材料层切去，使工件获得规定的几何形状、尺寸和表面质量的加工方法。任何切削加工都必须具备三个基本条件：切削工具、工件和切削运动。切削工具应有刃口，其材质必须比工件坚硬；不同的刀具结构和切削运动形式，构成不同的切削方法。用刃形和刃数都固定的刀具进行切削的方法有车削、钻削、镗削、铣削、刨削、拉削和锯切等；用刃形和刃数都不固定的磨具或磨料进行切削的方法有磨削、研第 4 页 共 44 页磨、珩磨
6、和抛光等。切削加工是机械制造中最主要的加工方法。虽然毛坯制造精度不断提高，精铸、精锻、挤压、粉末冶金等加工工艺应用日广，但由于切削加工的适应范围广，且能达到很高的精度和很低的表面粗糙度，在机械制造工艺中仍占有重要地位。畜力驱动铣削大铜环切削加工的历史可追溯到原始人创造石劈、骨钻等劳动工具的旧石器时期。在中国，早在商代中期(公元前 13 世纪)，就已能用研磨的方法加工铜镜；商代晚期(公元前 12 世纪)，曾用青铜钻头在卜骨上钻孔；西汉时期(公元前 206公元 23)，就已使用杆钻和管钻，用加砂研磨的方法在“金缕玉衣”的 4000 多块坚硬的玉片上，钻了18000 多个直径 12 毫米的孔。17
7、世纪中叶，中国开始利用畜力代替人力驱动刀具进行切削加工。如公元 1668 年，曾在畜力驱动的装置上，用多齿刀具铣削天文仪上直径达 2 丈(古丈)的大铜环，然后再用磨石进行精加工。18 世纪后半期，英国工业革命开始后，由于蒸汽机和近代机床的发明，切削加工开始用蒸汽机作为动力；到 19 世纪 70 年代，切削加工中又开始使用电力。对金属切削原理的研究始于 19 世纪 50 年代，对磨削原理的研究始于 19 世纪 80年代，此后各种新的刀具材料相继出现。19 世纪末出现的高速钢刀具，使刀具许用的切削速度比碳素工具钢和合金工具钢刀具提高两倍以上，达到 25 米/分左右；1923 年出现的硬质合金刀具，
8、使切削速度比高速钢刀具又提高两倍左右；30 年代以后出现的金属陶瓷和超硬材料(人造金刚石和立方氮化硼)，进一步提高了切削速度和加工精度。随着机床和刀具的不断发展，切削加工的精度、效率和自动化程度不断提高，应用范围也日益扩大，从而大大促进了现代机械制造业的发展。金属材料的切削加工有许多分类方法，常见的有按工艺特征、按材料切除率和加工精度、按表面成型方法三种分类方法。切削加工的工艺特征决定于切削工具的结构，以及切削工具与工件的相对运动形式。因此按工艺特征，切削加工一般可分为：车削、铣削、钻削、镗削、铰削、刨削、插削、拉削、锯切、磨削、研磨、珩磨、超精加工、抛光、齿轮加工、蜗轮加工、螺纹加工、超精密
9、加工、钳工和刮削等。1.2 铣床的基本知识（一）铣床加工范围：可加工水平面，台阶面，垂直面，齿轮，齿条，各种沟槽（直槽，T 型槽，燕尾槽，第 5 页 共 44 页V 型槽）或成形面等。（二）铣床加工特点：加工范围广，适合批量加工，效率高。铣刀属多齿工具，根据刀具的不同，出现断续切削，刀齿不断切入或切出工件，切削力不断发生变化，产生冲击或振动，影响加工精度和工件表面粗糙度。铣床加工精度为 179177。表面粗糙度为 Ra6.3-1.6um。（三）铣削加工与铣削工艺：铣削加工 1铣削加工是在铣床上利用铣刀旋转对工件进行砌学加工方法。铣刀是旋转的多刃刃具。铣削是多刃加工，且铣刀可使用较大的切削速度，
10、无空回程，故生产效率高。铣削用量 2它包括铣削速度，进给量和铣削宽度和深度。a、切削速度 Vc： 切削速度即为铣刀最大直径的线速度：Vc=dn/1000 m/minb、进给量：指刀具在进给运动方向上相对工件的位移量。有三种方式：（1） 每齿进给量 fz mm/z（2） 每圈进给量 f mm/r（3） 每分钟进给量 mm/nim 铣床多用于每分钟进给量 f=fn=fzzn mm/nimc、背吃刀量; 也就是切削深度 ap,它是沿铣刀轴线方向测量的切削层尺寸。d、侧吃刀量: 就是切削宽度 ae,它是沿垂直与铣刀轴线上的测量的切削层尺寸。选择铣削用量的次序: 3首先选择较大的铣削宽度、深度，其次是加
11、大进个量。最后才是根据刀具耐用度的要求，选择适宜的铣削速度。（四）铣削方式1、逆铣: 铣刀的旋转方向与工件进给方向相反的铣削形式称为逆铣。2、顺铣: 铣刀旋转方向与工件进给方向相同的铣削方式称顺铣。3、端铣: 端铣的铣削方式有对称和不对称铣削两种。铣削时铣刀的轴线位于工件中心，这种铣削称为对称铣削。铣刀的轴线偏于工件的一侧时的铣削，称为不对称铣削。第 6 页 共 44 页1.3、铣床的发展概况高速铣削加工（High Speed Milling, HSM）以其巨大的优势，迅速成为现代加工制造领域最重要的加工手段之一，也是衡量一个国家装备制造水平的重要标志。因为高速切削加工技术已广泛应用于航空航天
12、、汽车、船舶等关系到国计民生的重要领域，也代表着现代切削制造技术的发展趋势。近几年来，我国对数控机床需求急剧增加，2000 年至 2005 年，我国数控金切机床产量从 14053 台跃至 59639 台，年增长率为 33.5。我国金切机床产值数控化率从1996 年的 11.6提高到 2005 年的 47.3。这表明我国的数控机床行业有了极大的发展。另一方面，我国数控机床进口额连年激增，从 2001 年的 24.1 亿美圆增至 2005 年的 64.95 亿美圆，国有数控机床的市场占有率却呈现出逐年下滑的趋势，尤其是高速、高精度多轴机床，几乎完全依赖进口。这些数据可以看出我国的机床制造业尤其是高
13、端加工中心落后于发达国家。因此，国家在“十五”、“十一五”规划中都把以数控机床为核心的装备制造作为重大专项，以期在这方面有所突破。数控技术是一门集计算机技术、自动控制技术、机械电子技术以及计算机图形处理技术于一体的综合性技术。其中 NC 编程是这一技术的灵魂。NC 编程成为各种 CAM 软件的核心。因为 NC 编程直接影响着数控机床的使用效率和加工质量。所以国内外投入了大量的人力和物力来提高 CAD/CAM 软件的编程效率，加工效果以及智能化水平。现代高速切削加工发展概况由于目前绝大部分的机械零件必须经过切削加工实现，切削加工在机械制造中占用十分重要的地位。经济全球化使制造国际化，因此竞争也越
14、来越激烈。如何提高效益、降低成本、加快产品开发周期成为每一个面对市场竞争的企业的迫切愿望。高速切削加工所具有的明显优势，近年来得到广泛应用并迅速发展。高速铣削加工（High Speed Milling，简称 HSM）的概念源于德国切削物理学家C.J.Salomon 博士于 1931 年所提出的著名切削实验及物理引申 ， 他认为对应一定的工具材料有一个临界切削速度，达到此温度切削温度最高。当超过这一临界切削速度，切削温度反而会降低，而大幅度提高机床的生成效率。高速铣削加工技术作为一门新兴的技术，以其与传统加工相比无可比拟的优点，在加工制造业中得到了越来越广泛的应用，也带来了巨大的经济效益。我国要
15、实现由制造业大国向制造业强国的跨越，必须有强大的制造装备业及相关产业体系作支撑。我国目前的高速数控技术也得到了迅速的发展。但是，我国还缺少高速铣削加工的核心技术，还有许多基础性的研究工作有待开展，这也是我国走向制造业强国的必由之路。第 7 页 共 44 页二、方案设计与比较2.1 铣床的技术参数要求工作台行程 3600mm，运动速度 200mm/min； 1动力头滑台行程 100mm 2刀架垂直行程 560mm； 3铣刀头调节手动，调节角度 90 度； 4铣刀头功率 5.5KW。 52.2 动力头的选择根据加工要求和机床的结构设计，并考虑到经济因素，选择型号为 ITX32 的动力头，该铣削动力
16、头功率大、刚性好、切削平稳、精度高、操作调整方便。同时此动力头具有普通级、精密级和高精密级三种，能够与四种传动装置即 ING 皮带传动、1NGb 顶置式齿轮传动、INGc 尾置式齿轮传动 INGd 手柄变速齿传动装置配套使用。 该动力头的参数如下：电机功率为 5.5KW，电机转速为 960r/min，刀盘直径为 125-315mm，配套传动装置及主轴转速为 ING32 500-1600 r/min，主轴滑套直径为 190mm，主轴滑套移动量为80mm，主轴中心高为 160mm，主轴前轴承轴径为 90mm，选用顶置式，整体重量为305kg。2.3 动力参数的确定动力参数一般是指机床的电动机的功率
17、，由于该机床属于专用机床，铣刀头的功率为 5.5KW，因此，主运动驱动电动机的功率为 5.5KW。确定进给驱动电机的功率，由于进给运动的速度较低，空载时的功率很小，在计算时可以忽略，所以进给驱动电机的功率取决于进给的有效功率和传动件的机械效率，即 SsSQvN60第 8 页 共 44 页式中： -进给驱动电动机功率（KW） ；SNQ-进给抗力（N） ；-进给速度（m/min） ；sv-进给传动系统的总机械效率（一般情况下取 0.150.2） 。初步选去进给驱动电动机的功率为 5.5KW。2.4 电动机的选择此坡口铣床需要两个功率在 4.0KW 以上，重量不能太大并且采用连续周期工作制的（S6）
18、异步电动机，其安装形式均为 B201101，通过查机械设计手册选得：一、1 号电动机 Y112M-4，技术数据如下：额定功率 4.0KW，转速 1440r/min，额定电流 8.77A，效率 84.5%，功率因数 0.82，最大转距/额定转距为 2.2，堵转转距/额定转距为 2.2，堵转电流/额定电流为 7.0，转子转动惯量 GD为 0.095N*，重量为 43。二、2 号电动机 Y132S-4，技术数据如下：额定功率 5.5KW，转速 1440r/min，额定电流 11.6A，效率 85.5%，功率因数 0.84，最大转距/额定转距为 2.2，堵转转距/额定转距为 2.2，堵转电流/额定电流
19、为 7.0，转子转动惯量 GD为 0. 214N*，重量为 68。2.5 进给机构方案确定方案 1;采用滚动丝杠螺母机构。由电动机联轴传动带动减速箱蜗轮蜗杆传动，通过滚动丝杠螺母机构带动动力滑台在导轨上进行横向进给运动。方案 2 由电动机通过联轴器带动减速箱蜗轮蜗杆传动，通过齿轮传动连接导轨上滑轮运动。方案确定：由机床精确度及传动过程考虑，滚动丝杠螺母机构更精确，但成本较高，强度不够易损坏，且维修护理费用较高，滑轮传动较粗糙且精度不高，但是价格低廉。考虑到加工的板件需要精度不高，选用方案 2.第 9 页 共 44 页2.6 升降机构的方案确定动力头根据加工要求的不同需要进行升降运动，方案如下：
20、方案 1：通过钢丝绳的牵引进行升降运动。方案 2：采用滑动丝杠螺母机构。由电动机通过蜗轮蜗杆传动带动丝杠螺母上下升降运动。方案 3：采用液压缸千斤顶式机构通过手动操作进行升降运动。方案确定：因为切削运动需要较为精确的升降行程和角度，由液压缸来进行升降运动显得太笨重，操作不便，精度也不高。而钢丝绳结构简单成本较低、维修方便但是它运动平稳度不够，容易引起较大的误差，而滑动丝杆螺母机构具有降速比大、运动平稳和运动精度高、轴向牵引力大、自锁性能好等优点，但也有传动效率不高、刚度较低等缺点。为实现较高精度的升降行程，故选取方案 2。2.7、调角机构的方案确定铣刀头手动调节，调节角度为 90 度。方案 1
21、：采用双槽盘式分度机构实现，如下图： 动力从齿轮 1 传入，当加工需要进行角度调整的时候，动力从齿轮 1 传入，通过机械挡块和杠杆的作用，使离合器左移接合，同时把分度定位爪从槽盘 1 和 2 的槽口中拔出。运动经离合器传给传动轴 I，再经齿轮 2、3 分别传给齿轮 4、5。由于两对齿轮的传动比不同，所以当齿轮 4 和 5 开始转动后，两个槽盘上的槽口就错开，因 992594 4703nnZn所以只有当齿轮 5 转过 4 转，齿轮 4 转过 5 转后，此时两个槽盘的槽口才能重新对准，分度定位爪在弹簧的作用下又进入两个槽口中将其定位，同时操纵机构将第 10 页 共 44 页离合器脱开，再经过挂轮等其它传动环节，使铣刀头转动一定的角度。图 2-1 双槽盘式分度机构工作原理图1、齿轮 1 2、离合器 3、齿轮 2 4、槽盘 15、槽盘 2 6、齿轮 3 7、齿轮 4 8、分度定位爪 9、齿轮 5 I、传动轴 II、转轴方案 2：采用涡轮蜗杆进行角度的调节。蜗杆转动就带动涡轮转动，而涡轮安装于调角机构的中心轴上面，从而带动轴的转动。方案 3：采用六爪棘轮机构实现转角，六爪棘轮机构结构图如下图。六个棘爪作为一个整体，每次控制棘轮转动的角度为六度，以每转六度作为一次循环，所以棘轮齿数 Z60而 0106 号棘爪控制棘轮转动的角度分别为 6 度、1 度、2 度、3 度、4 度、5 度。
