数控车床主轴箱设计
一、设计题目
Φ400 毫米数控车床主轴箱设计。

主轴最高转速4000r/min ，最低转速30r/min ，计算转速150r/min ，最大切削功率5.5kw 。

采用交流调频主轴电机，其额定转速1500r/min ，最高转速4500r/min 。

二、主轴箱的结构及作用
主轴箱是机床的重要的部件，是用于布置机床工作主轴及其传动零件和相应的附加机构的。

主轴箱采用多级齿轮传动，通过一定的传动系统，经主轴箱内各个位置上的传动齿轮和传动轴，最后把运动传到主轴上，使主轴获得规定的转速和方向。

主轴箱为数控机床的主要传动系统它包括电动机、传动系统和主轴部件它与普通车床的主轴箱比较，相对来说比较简单只有两极或三级齿轮变速系统，它主要是用以扩大电动机无级调速的范围，以满足一定恒功率、和转速的问题。

三、主传动系设计
机床主传动系因机床的类型，性能，规格尺寸等基本因素的不同，应满足的要求也不一样。

再设计时结合具体机床进行具体分析，一般应满足下属基本要求：
1）满足机床使用性能要求。

首先应满足机床的运动性能能，如机床的主轴有足够的转速范围和转速级数。

传动系设计合理，操纵方便灵活、迅速、安全可靠等。

2）满足机床传递动力要求。

主电动机和传动机构能提供和传递足够的功率和转矩，具有较高的传动效率。

3）满足机床工作性能要求。

主传动中所有零部件要有足够的刚度、精度、和抗振性，热变形特性稳定。

4）满足产品设计经济性的要求。

传动链尽可能简短，零件数目要少，以节省材料，降低成本。

5）调整维修方便，结构简单、合理、便于加工和装配。

防护性能好，使用寿命长。

四、主传动系传动方式
由题目知，我们设计的主轴箱传动方式为交流电动机驱动、机械传动装置的无级变速传动。

再者，本题目中对精度要求一般，因此选用集中传动方式。

另外主轴箱结构设计只需达到结构紧凑，便于集中操作，安装调整方便即可。

五、电动机的选择
按驱动主传动的电动机类型可分为交流电动机驱动和直流电动机驱动。

交流电动机驱动中又可分单速交流电动机或调速交流电动机驱动。

调速交流电动机又有多速交流电动机和无级调速交流电动机驱动。

无级调速交流电动机通常采用变频调速的原理。

根据设计要求采用交流调频主轴电机，其额定转速1500r/min ，最高转速4500r/min 。

选用FANUC-S 系列8s 型交流主轴电动机。

六、 计算过程
主轴最高转速4000r/min ，最低转速30r/min ，计算转速150r/min ，最大切削功率5.5kw ；
交流调频主轴电机，其额定转速1500r/min ，最高转速4500r/min ；
主轴要求的恒功率调速范围max 400026.7150
nN i n R n === 电动机的调速范围450031500dN R ==
在设计数控机床主传动时，必须要考虑电动机与机床主轴功率特性匹配问题。

由于主轴要求的恒功率变速范围远大于电动机恒功率变速范围，所以在电动机与主轴之间串联一个分级变速箱，以扩大其功率变速范围，满足低速大功率切削时对电动机的输出功率的要求。

根据以上分析，选择交流电动机的型号为：
若取3f dN R ϕ==，则可得到变速箱的变速级数
99
.2lg /lg ==f nN R Z ψ
所以，Z 可近似取为3，此处我们分别对Z=2、3、4三种情况进行研究，比较。

1） Z=3
根据f nN R Z ψlg /lg =可以得出99.2=f ψ，查表2-5取f ψ的标准值为3.0，dN f R =ψ,即主传动系功率
特性图上有小段重合。

由于一般限制降速最小传动比大于等于1/4,最大升速比小于等于2，所以上述情况不
符合
2）Z=2
根据dN z f nN R R 1-=ψ,得公比9.8=f ψ太大，易知不符合要求。

3）Z=4
根据f nN R Z ψlg /lg =可以得出273.2=f ψ，查表2-5取f ψ的标准值为2.24，dN f R <ψ,即主传动系功率特性图上有小段重合。

但是考虑到Z=3情况下，主轴箱级数较低，变速箱的公比和电机恒功率调速范围相等，可知其功率图连续无缺口无重合。

该情况下，机床结构复杂程度适中，运转相对于低级数平稳。

而Z=4尽管平稳，但级数较多，结构较复杂，在无太多精度要求的情况下。

我们取Z=3进行讨论。

转速图和功率特性图
主传动系图
七、传动轴的估算：
传动轴除应满足强度要求外，还应满足刚度要求。

强度要求保证轴在反复载荷和扭转载荷作用下不发生疲劳破坏。

机床主传动系统精度要求较高，不允许有较大的变形。

因此疲劳强度一般不是主要矛盾。

除了载荷较大的情况外，可以不必验算轴的强度。

刚度要求轴在载荷下不至于产生过大的变形。

如果刚度不够，轴上的零件由于轴的变形过大而不能正常工作，或者产生振动和噪音，发热，过早磨损而失效，因此，必须保证传动轴有足够的刚度。

计算转速错误!未找到引用源。

是传动件传递全部功率时的最低转速，各个传动轴上的计算转速从转速图是直接得出，如表
轴 I II III
计算转速 1500 530 150
根据P80：
错误!未找到引用源。

所以错误!未找到引用源。

=(5.5/0.7)/1.2=6.55kw
知一级齿轮传动效率为0.97（包括轴承），同步带传动效率为0.98，则:
I轴：P1=Pd x 0.98=6.55 x 0.98=6.42KW
II 轴 p2=p1 x 0.97=6.42x 0.97=6.22KW
III轴 P3=P2 x 0.97=6.22 x 0.97=6.04KW
II轴扭矩：T2=9550P2/n2=9550 x6.22/530=1.12x
5 10
III轴扭矩：T3=9550 P3/N3=9550 x 6.04/150=3.85 x
5 10
Φ
是每米长度上允许的扭转角（deg/m）,可根据传动轴的要求选取，查表得：
最后所确定各轴所允许的扭转角如下表所示：
轴 I轴 II轴 III轴
Φ
（deg/m） 0.5 1 0.5
根据上述所得各轴输入功率、计算转速、允许的扭转角带入扭转刚度估算公式：
以计算错误!未找到引用源。

为例，求解过程如下：
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=30
轴 I II III 估算直径（mm）28 30 49
主轴轴径尺寸的确定：
已知车床最大加工直径为Dmax=400mm,则
主轴前轴颈直径 D1=0.25Dmax +
15=85-115mm
后颈直径 D2=(0.7-0.85)D1=67-81mm
内孔直径 d=0.1Dmax +
10=35-55mm
八、齿轮模数的估算
按接触疲劳强度和弯曲疲劳强度计算齿轮模数比较复杂，而且有些系数只有在齿轮的各参数都已知方可确定，故只有在装配草图画完后校
验用。

在画草图时用经验公式估算，根据估算的结果然后选用标准齿轮的模数。

齿轮模数的估算方法有两种，一是按齿轮的弯曲疲劳进行估算，二是按齿轮的齿面点蚀进行估算。

这两种方法的前提条件是各个齿轮的齿数必须已知。

根据齿轮不产生跟切的基本条件：齿轮数不小于17。

由于Z2,Z2’这对齿轮有较大的传动比，各个齿轮中最小齿数的齿轮必然是Z2. 取Z3=22,S=105,则Z3’=83
从转速图上直接看出Z2的计算转速是530r/min.根据齿轮弯曲疲劳估算公式:
错误!未找到引用源。

=2.73
根据齿轮接触疲劳强度估算公式计算得m=2.7
同理可得电机轴模数为2
由于受传动轴轴径尺寸大小限制，选取齿轮模数为m=3 mm,对比上面的结果，可知这样设计的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，故取同一变速组中的所以齿轮的模数都为m=3mm.可得两轴中心距为a=157.5mm.圆整为a=158mm..
则各齿轮齿数和模数列表如下：
电机轴到轴1模数为2，其他模数为3
九、主轴箱展开图的设计
主轴箱展开图是反应各个零件的相互关系，结构形状以及尺寸的图纸，并以此为依据绘制零件工作图。

各零件结构和尺寸设计：通过绘图设计轴的结构尺寸以及选出轴承的型号，确定轴的支点距离和轴上零件力的作用点，计算轴的强度和轴承的寿命。

传动零件，轴，轴承是主轴部件的主要零件，其他零件的结构尺寸是根据主要零件的位置和结构而定。

十、总结。