题 目： 学学所专届指
毕业设计（论文）
大模数扇形齿轮对X718铣床的改造
生姓名： ******* 号： ******* 在学院： ********* 业班级： ********** 别： ************ 导教师：
*************
目 录
大模数齿轮对X718铣床的改造 学生：****（指导老师：****）
（机械与电子工程学院）
摘 要: 本次毕业设计的内容主要研究的是对X718铣床的改造。明白了X718铣床的运作原理以及其所能实现的功能，对X718铣床有了初步了解。对于成形法加工齿轮的相关运动做了了解，研究了其可行性。决定对X718铣床进行机械结构与控制系统的改造。机械结构的改造主要有滚珠丝杠副、伺服电机；控制系统的改造主要有PLC 。 关键词：X718；改造； PLC
Study on Mechanisms of Interference of 2,4-Dichlorophenol (2,4-DCP) With Cell
Proliferation in Root Tips of Pea Seedlings
Student:***** (Faculty Adviser：****) (School of mechanical and electronic engineering)
Abstract: The content of this graduation project is mainly to study the transformation of X718 milling machine. After careful study of the basic structure of the X718 milling machine and its basic parameters, understand the operation principle of the X718 milling machine and its functions can be achieved, the X718 milling machine has a preliminary understanding. The relative motion of gear is studied, and the feasibility of the method is studied. After reading the relevant books and materials, the decision of the X718 milling machine for mechanical structure and control system. Mechanical structure of the main transformation of the ball screw, stepper motor control system of the main PLC. Key words: X718; transformation; PLC
基于成形法加工大模数齿轮对X718铣床的改造
前言
如今机械行业的发展势头非常迅猛，机床的种类以及功能都在不断增加，市场需求也是日益扩大，在这样的大背景下，竞争也是非常的激烈，所以对于购进的数控机床，需要对其进行改造，使其更加进步，具备更完善的结构。目前市场上的机床中普通机床占主要部分，但普通机床的精度以及安全问题十分重要，若要避免或者降低此类问题，机床的改造则是必然趋势。最近几年机床改造已经成为了企业提高竞争力的一种重要手段，而改造的方面主要是机械结构和控制系统，改造后使得机床的功能更加完善。机床的改造使得我国机械行业向前不断进步，从而有助于推动国民经济。
1 X718铣床的信息介绍和探究 1.1机床改造的目的及意义
数控机床与普通手动机床相比，具有很高的生产效率，并且所生产的产品质量和精度也具有很高的水平，这使得数控机床得到了广泛地应用，保证产品的质量和产量是机床所需达到的基本要求，数控机床很容易达到这样的要求，但是如今数控机床也是越来越普遍，种类和数量都十分惊人，所以要想在机械行业中增强自身的竞争力，提高产品的质量和数量，普通的数控机床的改造便是必然地发展。
数控机床改造后的优点： 1） 2） 3） 4） 5）
机床制造费用降低； 机床的安全系数提高； 机床的结构更加简化；
机床消耗能源降低，环保效果明显； 机床生产效率提高，产品质量好。
1.2 X718铣床的基本介绍
图1—1 X718铣床的传动系统图
基于成形法加工大模数齿轮对X718铣床的改造
图1-2 X718铣床的结构示意图
1.2.1 X718铣床的基本参数和主要规格 1）铣床工作台的基本参数
工作台面积（宽×长）：800×2000mm 工作台T 形槽：○1槽数5个 ○2槽宽 22mm ○3槽距 125mm
工作台三向行程：○1最大纵向行程1800mm ○2最大横向行程800mm ○3最大垂向行程750mm 2）主轴参数
主轴转速：30~2500rpm 主轴锥孔锥度：ISO50 3）三向快速移动速度
纵向移动速度：3000mm/min
横向移动速度：3000mm/min 垂向移动速度：3000mm/min 4）三向切屑进给速度：30mm/min 5）部件间主要尺寸
主轴端面至工作台的距离：最小 100mm 最大 850mm 6）
动力、体积和动量
主电机功率：15kw 进给电动机扭矩：30N.m 工作台最大承重：2500kg 机床净重：10000kg
机床外形尺寸（长×宽×高）：4560×3200×3270mm
1.3 X718铣床改造的内容及要求 1.3,1设计内容
基于成形法加工大模数扇形齿轮对X718铣床的改造的方案设计以及最优选择，对成形法加工大模数扇形齿轮对X718铣床的改造机械运动零件设计及其优化，基于成形法加工大模数扇形齿轮对X718铣床的改造的PLC 控制的设计及其优化，写出改造的总体方案的论文并用相关软件绘制出所改造后的X718铣床的三维图。 1.3.2设计的要求
1）改造为专用铣床的需求分析 2）改造为专用铣床的方案确定 3）改造为专用铣床的机械结构设计
4）改造为专用铣床的PLC 控制系统内的设计 1．4探究X718铣床改造的可行性
普通X718铣床加工齿轮的特点：
1） 所加工的刀具可更换，根据所加工零件选择所需要的刀具。
2） 铣床在加工过程中工作台需要不断重复循环运动，从而导致铣床加工效率降低。 3） 所加工的齿轮精度不，一般为7-9级。
对于基于成形法加工大模数扇形齿轮所要求的精度，普通X718铣床所能达到的
基于成形法加工大模数齿轮对X718铣床的改造
精度可以满足，所以改造为专用齿轮的铣床是可以实施的。综合考虑各种因素改造后的专用铣床的系统采用开环控制系统。 机械结构和PLC 控制系统改造的可行性：
通过改造普通X718铣床的机械结构，使其成为满足基于成形法加工大模数扇形齿轮的专用铣床，可以使其加工精度提高，同时加工的稳定性加强，使产品的质量更好，并且对于铣床机械结构的改造，只是改进了一小部分，铣床的主要参数以及工作性能不受影响，所以机械结构的改造是可行的；对于铣床的PLC 控制系统的改造，改造后的铣床仍然属于经济型数控铣床，在不影响铣床的工作性能的前提下，铣床的原有机构尽量保证不变，从而降低了机床改造成本。控制方面使用伺服电机的开环控制系统便可达到要求。
1.5 X718铣床的改造设计方案
所要改造的铣床选定为X718立式铣床，将其改造成为基于成形法加工大模数扇形齿轮的专用铣床，所要改造的方面分为机械机构和控制两个部分，机械结构方面：首先要选择确定所需刀具的规格；设计加工齿轮所需的夹具；滚珠丝杠的设计；选择伺服电机的型号以及参数计算。对于加工齿轮的刀具选择，本次加工刀具选择为盘形刀具，从盘形刀具中选择合适的规格；对于加工齿轮所需的夹具的选择设计是必不可少的步骤，夹具的规格对于所要加工的齿轮的质量十分重要，夹具的设计涉及到心轴、尾架和轴承；伺服电机主要对工作台的运动起到影响作用，对其参数型号进行选择以满足要求。控制方面：要想把齿轮加工到所要求的规格，提前设计好刀具行程，控制刀具按行程进行加工；对刀具的行程控制主要通过PLC 控制，因此需要对本次所选定的PLC 控制进行改造。本次的改造需先对机械结构部分进行改造，才能确定所要控制的加工路线和铣床的运动。
1.6铣削力的计算
所选定的改造方案必然是既经济又结构简单的改造，避免了改造成本的升高，改造的前提条件是满足所要加工的齿轮，所以改造的结构以及控制部分，尽可能保证最小幅度，以达到经济型铣床的条件。此次改造方案中，对于X718铣床的大部分参数不做改动，小部分参数规定如下：
脉冲当量：X 、Y 向0.01mm/步 铣削齿轮的宽度：αe =15mm
一般精铣的切削厚度为0.1~5mm，规定精铣齿轮的切削厚度：αf =0.15mm/z 一般铣削深度为1.2~5mm，根据题目此处规定铣削深度为： αp =5mm 铣刀的直径规定为：d 0=30mm
一般铣刀齿数比铣刀加工一次进程加工的齿数不多于两个，从而规定齿数：z=3 由《机械工艺手册》查得铣削力的计算公式为：
其中铣削力系数C f 的值查得：C f =68
计算铣削力所需求的竖直，由前述规定可得：αe =15mm，αf =0.15mm/z，αp =5mm， d 0=30mm，z=3
各项数据确定后，根据公式计算铣削力得：
=9.81×68×150.86×0.150.72×5×30-0.86×3
=2068N
根据X718铣床的承重为2500kg ，故所计算的铣削力足以满足此要求。
2. 刀具的选择 2.1齿轮铣刀的介绍
扇形齿轮铣刀是按仿形法或无瞬心包络法原理工作的一种切齿刀具。一般齿轮铣刀应用范围广，在加工各类齿轮时不需专用的铣刀，且其结构简单，易设计制造满足设定条件的铣刀，虽然铣刀的精度并不完美，但是仍然得到广泛运用。 2.2所要求的加工齿轮的基本参数
所加工的齿轮与铣床的夹具是配套的，而将X718铣床改造为专用基于成形法加工大模数扇形齿轮的铣床，需要专用的夹具，所以需要先确定齿轮的基本参数，一般齿轮大模数范围为4到8，齿数为17到100，此处选定模数为8，即m=4；齿数选为100，即z=100；所选定的数值则可满足所有范围内的尺寸。
则齿轮的分度圆直径d 为模数m 乘以齿数z ，即d=mz=8×100=800mm
基于成形法加工大模数齿轮对X718铣床的改造
加工精度为9级（尺寸单位为：mm ，国家标准GB/T1356—2001中规定：h a *=1，c *=0.25）
2.3齿轮铣刀类型的选择
铣刀是一种具有多个刀齿的进行旋转铣削加工的刀具，主要用于在铣床上加工平面、台阶、沟槽、成形表面和切断工件等。而加工齿轮的铣刀常用的种类有盘形齿轮铣刀和指状齿轮铣刀。盘形齿轮铣刀是按成形法加工齿轮的刀具，铣刀廓形应按被切齿槽的廓形确定，盘形齿轮铣刀主要用于加工中小模数齿轮且强度高；指状齿轮铣刀同样是按成形法加工齿轮的刀具，指状齿轮铣刀主要用于加工大模数或人字齿，但指状齿轮铣刀的强度低；由于本次设计方案要求高强度的铣刀，所以选择盘形齿轮铣刀。
2.4盘形铣刀的种类及规格
图2-1 盘形齿轮铣刀
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图2-2 盘形齿轮铣刀的种类
2.5刀具参数的选择
成形法是使用成形刀具加工工件的方法，基于成形法加工齿轮，则所需要的铣刀必须具有一定的形状，即铣刀齿形与齿轮槽相同，由于齿轮的齿槽曲线受齿轮齿数的影响，所以需要标准的成套铣刀，才能满足加工时的需要。当模数m 小于等于8mm 时，每种模数由八把（八个刀号）组成一套；当模数m 大于8mm 时，则十五把组成一套。本题对应的最大模数m=8mm，则选择第一种组成，每把刀号的铣刀用于加工某一齿数范围的齿轮。查《机械加工工艺师手册》得如下表
表2-1
查《机械加工工艺师手册》可得下表参数（表中D 为铣刀外径，d 为铣刀内孔径，尺寸单位：mm ）
表2-2
由上述数据可确定齿轮铣刀选择Ⅱ型齿轮铣刀，所选刀号为7号，齿数为12，铣削深度为12mm 。
3. 加工齿轮所用夹具的设计
3.1机床夹具的基本组成
机械加工过程中，为了保证加工精度，需要使用夹具固定工件的位置，只有保证工件、夹具、刀具和机床之间的相互位置是正确的，才能加工出合格的零件；通常机床的夹具的工作原理基本上是相同的，主要组成结构分为六大部分：定位元件、夹紧装置、对刀及导向装置、夹具与机床之间的连接元件、其他元件及装置和夹具体；其中定位元件、夹紧装置和夹具体是必不可少的组成部分。
3.2夹紧原理及齿轮加工要求分析
对于X718铣床的专用夹具的设计方案，所加工的齿轮应该由夹具固定在工作台上，
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根据题目要求以及2.2节所计算的数据可知齿轮的分度圆直径d=mz=8×100=800mm，考虑到X718铣床为立式铣床，应该垂直固定住齿轮，便于进行加工。
图3-1 齿轮零件图
对铣削齿轮时的固定只是涉及到如何固定在铣床的工作台，所以所设计的夹具只需要固定在铣床的工作台上，对于刀具的加工运动并不影响，此处综合考虑铣床的特点以及齿轮的加工要求，选择心轴定位。
3.3确定夹具的定位及类型
由前述分析所知，选择心轴定位为最佳方案，通常选择心轴与顶尖相配合，才能有效地紧固住所加工的齿轮，此定位配合方案简单易设计，对铣床的成体改造方案不影响，由于简单，所以也不会造成机床改造的成本上升，通过内比几种心轴的配合方式，此处应选择同轴间隙配合的定位方式，如下图：
图3-2 定位基准图
根据题目的要求，齿轮的加工方法是基于成形法的，而由前述夹具选择的分析，此处应选择工件的中心孔为定位基准，中心孔的定位一般选择心轴和定位销，由《机械加工工艺师手册》有如下图
表3-1
根据题目要求，本次的设计方案中，对于加工齿轮的加工精度要求不高，由之前的分析已经确定采用间隙配合的心轴，在立式铣床的坐标轴中，定位心轴限制了X 轴方向的运动和Z 轴方向的运动，即四个自由度，此处运动分为转动和直线移动。，在本次的夹具设计方案中，只需限定四个自由度，所以只需要一个心轴。
3.4确定齿轮的夹紧方案
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工件在加工过程中，只有通过相关装置夹紧了，才能保证所加工的工件精度以及质量，此处所述的工件的夹紧是指在确定工件的正确位置后，需要使用夹紧装置将工件固定在定位元件上，使用夹紧装置夹紧后，工件在加工过程中的正确位置便稳固下来，不会由于外力的作用而发生任何方向的位移，这样夹紧后便可保证加工质量和生产安全。
3.4．1夹紧装置的规格要求
在定位工件后使用夹紧装置的过程中，需要满足一些基本要求，要求如下：
（1） 夹紧装置的使用不会对工件的正确位置产生影响；
（2） 夹紧装置产生的夹紧力对工件不会产生损害；
（3） 夹紧后，需要夹紧装置自锁；
（4） 夹紧装置方便使用且工艺好。
3.4.2夹紧力的计算
在夹具的设计方案中，一般在使用心轴定位时，定位后通常采用螺旋夹紧固定工件，由《机械加工工艺师手册》查得螺旋夹紧机构的夹紧转矩的计算公式：
在此计算公式中各字母的含义为T ：螺旋夹紧机构上的夹紧转矩（单位：N.m ） Q：夹紧力（单位：N ）
ψ：螺旋升角，np/2πr
（其中n ：螺纹线数，p ：螺纹线数）
Φ：螺纹摩擦角，一般取f =0.178，则由公式
=f ，可得Φ=10。
f 1：支撑面的摩擦因数，一般取f 1=0.15~0.3
τ：支撑面的摩擦力矩的计算力臂（单位：m ），τ的值会随着支撑表面形式的变化而变化，由《机械加工工艺师手册》查得下表
注：采用有滚动轴承支撑的螺母夹紧时，τ=0.
表3-2 τ的数值表
根据《机械加工工艺师手册》查得，此处为了简化公式，令K =r tan(ψ+φ) +τf 1，得
T=KQ
由《机械加工工艺师手册》所述，可知在采用公制螺纹时，k 所取的值如下表
表3-3
由所算出的数据可确定选择A 型夹紧螺钉，则对应表中的k 值为：k=3.022，式T=KQ 中的夹紧转矩T 所取值应与1.6结所计算的铣削力值相等，即T=2068N.m，则可计算夹紧力：
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Q=T =2068/3.022=684.3N K
由前述设计方案分析已确定了工件的同轴间隙心轴定位方式，且专用的夹具采用专门设计的心轴夹紧，即左侧采用轴肩右侧采用螺母组合夹紧，具体组合结构如下图所示：
图3-3夹具组合方案图
3.5卡盘的选择
在确定选择心轴定位后，要使工件能固定在工作台上，需要选择夹持装置将心轴两端紧固住，此处考虑选择常用组合：顶尖和卡盘，常用卡盘有三爪卡盘和四爪卡盘，此处选择使用三爪卡盘，三爪卡盘为通用夹具，可根据具体工件参数进行选择。
3.5.1三爪卡盘的工作原理
三爪卡盘的组成结构为：一个大锥齿轮、三个小锥齿轮和三个卡爪，其中三个小锥齿轮和大锥齿轮啮合，大锥齿轮的背面有平面螺纹结构；其工作过程为：当用扳手扳动小锥齿轮时，大齿轮便转动，它背面的平面螺纹就使三个卡爪同时向中心靠近或退出。
3.5．2三爪卡盘参数的选择
图3-4 卡盘结构图
根据《机械加工工艺师手册》查得选用如下表尺寸的卡盘（各字母代表含义见上图）
表
3-4
图
3-5
表3-5
3.6顶尖的选择
顶尖是尾部带有锥柄，安装在机床主轴轴锥孔和尾座锥孔内，用其头部椎体定位夹
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持工件的机床附件，根据所紧固的加工零件可分为固定顶尖和活动顶尖两种，两者对于加工精度要求不同，根据本方案的加工精度，选择固定顶尖。顶尖作为通用部件可进行直接选择，由《机械加工工艺师手册》查得下表：
（单位：mm ，莫氏锥度为0度, 其中D 为顶尖的最大直径，L 为顶尖的总长度，h 代表肩高，e1代表锥头的长度）
表
3-6
图3-6 顶尖零件图
3.7夹具精度分析及计算
在此方案中使用定位心轴定位时，定位心轴与工件的配合存在定位误差，其中工件以内孔轴线作为定位基准，以内孔表面作为定位面，定位心轴与工件的配合有两种，见下图所示：
图3-7 定位误差图
此处定位心轴与内孔的配合为图示的第一种，根据《机械制造技术基础第二版》中的定位误差分析方法可知径向基准位移误差仅在z 轴方向，方向向下。
在此方案情况下，由《机械制造技术基础第二版》查得定位误差计算公式： ∆Y Z =ε+T D +Td 2
其中各字母代表含义为：ε 定位副间的最小间隙（单位：mm ）
T D 工件圆孔直径公差（单位：mm ）
T d 心轴外圆直径公差（单位：mm ）
其中所述公差T=上偏差ES-下偏差EI
由上述分析已经确定了轴孔的间隙配合，由《互换性与技术测量》所学知识以及本次方案中的加工精度8级要求，可确定间隙配合具体为基孔制配合方案，即H8，则再根据《互换性与技术测量》可查得配合方案为H8/f7。
要想计算定位误差，则需要确定公式中每项的数值，由于确定具体配合方案后，则可确定各项公差，由《互换性与技术测量》表3-2查得IT8的公差为33µm ，IT7公差为21µm，即T D =33µm，T d =21µm。
然后确定最下间隙ε的值，根据《互换性与技术测量》查得ε=D min -d max =EI -es ，其中EI 为孔的基础偏差数值，es 为轴的基础偏差数值；由前述可知具体配合方案为基孔制配合，方案中基础偏差数值可查《互换性与技术测量》表3-6以及表3-5得：
EI=0µm es=-20µm 则又上述公式可计算得ε=D min -d max =EI -es =20µm
然后将上述中的ε、T D 、T d 的数值代入公式得∆Y Z =
计算完成。
3.8各部分零件及其设计
3.8.1联轴器的选择
联轴器是用来联接不同机构中的两根轴使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在一些运动剧烈的机械中，安装某些联轴器可达到提高其安全性能的作用，如对机械起到缓冲、减震的作用，有时还可以加强轴系动态性能。而常用的联轴器有两大类：刚性联轴 ε+T D +Td 20+33+21==37µm。 22
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器和挠性联轴器。
刚性联轴器是一种由刚性传力件构成的扭转刚性的联轴器，在承受负载时无任何回转间隙，即不具备补偿两轴线相对偏移的能力；其重量轻，且具有低惯量和高灵敏度，一般只适宜用于载荷并无冲击振动的工况条件。
综合上述两大类联轴器的特点以及本次方案中所涉及到的要求，可以确定所选择的联轴器的功能作用：首先是对两轴相对位移的补偿，其次是联轴器是否能达到机床的工作转速，然后是所传递的转矩是否满足要求，最后则是需要联轴器结构简单、易维护。
根据《机械加工工艺师手册》以及此次加工方案要求的分析，LT 型弹性套柱销联轴器，查得其相关参数如下表：
3.8.2 心轴的设计
心轴的设计首先是选择轴的材料，常用材料为45钢，调制处理；然后则是确定心轴各部分的尺寸，根据齿轮的尺寸参数，可确定轴的直径为30mm ；心轴的第一段为三爪卡盘所夹持的端头，根据前述卡盘尺寸，可确定第一段长度为30mm ；在齿轮加工过程中为了防止齿轮在心轴上滑动以及与其他零部件发生碰撞，需要将心轴设计为轴肩，对齿轮进行定位，根据《机械加工工艺师手册》以及第一段心轴的尺寸，可确定轴肩长为12mm ，由于轴肩比心轴一般位置要高才能达到定位效果，则此处确定直径为40mm ；第三段为固定端，只有两端都定位固定，才能保证工件处于一个稳定的位置，考虑齿轮的厚度以及为了保证足够的长度，设定长度为100mm ，直径为30mm ，见如下心轴结构设计图：
图3-8 心轴结构图
3.8.3尾架的设计
心轴与顶尖共同配合才能固定住工件的加工准确位置，但由于心轴是由卡盘等相关零部件作为支撑点的，若要顶尖与心轴配合，则需要一个顶尖支撑点，此处设计一个尾架作为支撑点，顶尖与尾架的配合类似于轴孔配合，所以尾架上必有孔，由3.6节顶尖尺寸知顶尖直径为10.045mm ，则尾架孔径为10.045mm 。
顶尖与心轴的轴线应处于同一轴线上，则此处就需要设计尾架的高度，顶尖与心轴配合使得齿轮悬于工作台面的上方才能正常加工，所以可以确定尾架的轴孔至底端距离应大于齿轮的半径，齿轮的直径为900mm ，半径则为450mm ，此处可确定尾架高度为450mm ；在确定尾架的高度后，需要知道尾架的宽度和厚度，由3.6节查得顶尖的长度为80mm ，尾架的横向厚度要接近于长度才能便于安装顶尖，由于前述的尾架的孔径为9.045mm ，则宽度需要预留两边的余量，又为了便于加工设计，则可确定尾架的宽度等于厚度，而尾架的底座边长则需要大于尾架的宽度。尾架的零件图如下：
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图3-9 尾架零件图
3.8.4 支架的设计
支架属于支撑装置，在本次方案中，支架的尺寸需要根据所支撑的零部件的尺寸来确定，在这里设计的支架是用于支撑控制齿轮分度转动的电机以及轴的转动轴承，X718铣床的轴的转动轴承在这里不做改动，所以依然选用原有的轴承型号即滚轴6200，其轴承孔的直径为55mm ，由前述可知心轴的直径为70mm ，心轴需要和轴孔存在间隙，保证心轴可无摩擦地转动，此处可确定轴孔直径为42mm ；在加工齿轮的过程中，齿轮需要保证为悬于工作台面的上方，即保证安全距离，所以电机至底座的高度应满足此要求，则可确定其为43mm ；支架尺寸设计完后，需要将支架安装在工作台面上，螺栓为最常用的紧固装置，所以用四个螺栓固定住支架的底端面，此处选定螺栓的公称直径为18mm 。支架的零件图如下：
图3-10 支架零件图
4. 支架轴承的选择
上节中对支架的参数设计已经完成，则对支架的轴承选择便容易了许多，此次方案中选择滚动轴承，减小了功耗。
4.1滚动轴承的规格确定
滚动轴承起到支撑作用，所选定的滚动轴承的规格参数不可影响工件的正常加工，首先确定轴承的类型，由轴承所承受的力的分析，选择角接触轴承。然后确定轴承的型号，轴承为了与心轴的配合，则根据《机械加工工艺师手册》选择滚动轴承7210AC GB/T 296 代号7204C 的参数如下表：
（单位：mm ；内径d ；外径D ；滚子数目B ；径向额定动负荷Cr ；径向额定静负荷Cor ）
4.2轴承的强度校核
选定滚动轴承的型号后，需要确定所选轴承是否能承受加工时所受的载荷，对滚动轴承的受力分析，滚动轴承主要受到轴向力，而此轴向力主要来自铣削力F r =2068N。 根据《机械设计》第13章第5节知轴承的当量动载荷公式为：
P=fd （XF r +YFa ）
其中P 为当量动载荷，f d 为载荷系数，F r 、F a 分别为轴向载荷和径向载荷，X 、Y 分别为轴向动载荷系数和径向动载荷系数，由于此处径向载荷F a 可以忽略不计，则 P=fd XF r
确定公式后则需要确定公式中各数值，由《机械设计》的表13-6查得载荷系数f d =1.2；
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再查《机械设计》表13-5查得轴向载荷系数X =0.44；则可计算当量动载荷P 为
P=fd XF r =1.2×0.44×2068=1091N
由《机械设计》第13章第5节查得基本额定动载荷公式为：
c =其中ε为指数，对于滚子轴承一般选择10/3；n 为轴承的转速，单位为r/min；L ’
h 为预
期计算寿命，且查得其计算公式为： 106⎛f t C ⎫' L h = ⎪ 60n ⎝p ⎭ε
其中f t 为温度系数，由《机械设计》表13-4查得f t =1，而轴承转速等于原电机转速，即n=1250r/min，则计算得： 10⎛f t C ⎫ L '
h = ⎪= 5000 60n ⎝p ⎭6ε
代入基本额定动载荷公式中得：
c =
=1309N 1091由《机械加工工艺师手册》查得7204C 型号的滚动轴承的基本额定载荷为14500N ，故所计算的值未超过此值，故符合要求。
5．电机的选择
5.1电机的系统
5.1.1进给伺服系统
进给伺服系统是以运动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，本次改造方案中需要工作台左往复循环运动，所以需要进给伺服系统控制。所以开环系统为最佳选择，而进给伺服系统的驱动电机中只有步进电机符合要求。
5.1.2开环伺服系统
开环伺服系统与闭环伺服系统的区别在于，开环系统没有反馈装置，故其为伺服系统中最简单的一种系统。开环伺服系统加工精度低，但是其结构简单易于调整，故满足本次改造方案的要求。下图为开环伺服系统的结构示意图：
图5-1
5.1.3步进电机工作原理
步进电机虽然是常用电机，但如何使用好步进电机却非易事，步进电机涉及到很多专业知识。通常步进电机必须由双环脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用，其主要的工作原理是将电脉冲信号转变为角位移或线位移。而其中的具体控制是依靠多相时序控制电流为电机供电，这其中又需要驱动器为步进电机分时供电，所以才有了常见的三相电机以及其他相位的电机。下图为常见的三相电机结构图：
图5-2
其中1为定子，2为转子，3为定子绕组
5.2 步进电机的计算与选择
5.2.1选X 向步进电机
首先我们需要确定电机的负载转矩T m ，看其是否能满足铣床的工作台的正常运转，查得负载转矩的公式为：
T m =360δp F m
2πθb η
式中各项含义为：δp 为脉冲当量，δp =0.01mm/步；F m 为步进电机的牵引力，取原始计
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算值F m =2000N；θb 为步距角，即对应一个脉冲信号，转子所转过的固定角度，一般取值为θb =0.75°；η为步进电机与滚珠丝杠的传动效率，由《机械设计课程设计》的表
2.4查得此处齿轮的传动效率取0.96，滚动轴承的传动效率取0.98，滚珠丝杠的传动效率取0.94。X 向的齿轮减速器为二级传动，则传动效率为：
η=0.94×0.962×0.984=0.79
再将各值代入公式中得： T m =360δp F m
2πθb η=360⨯0.01⨯2000=1935N.mm 2π⨯0.75⨯0.79
要想选择步进电机便需要知道步进电机的最大静转矩T max ，而最大静转矩T max 与步进电机的启动转矩T q 存在关系，而启动转矩T q 与负载转矩T m 存在关系，查得T m 与T q 的关系式为： T q =而T q 与T max 的关系式为： T max =T q
0.951=3870=4069N.mm 0.951T m 1935==3870N.mm 0.3~0.50.5
得知最大静转矩T max 后，还要确定运行频率f e 和最高启动频率f k 的值才能完全确定电机的型号，而运行频率f e 和最高启动频率f k 分别与X 向最大切削速度V s 、X 向最大快移速度V max 和脉冲当量δp 有关，其关系式如下： f e =1000V s 1000V max f k = 60δp 60δp
由《步进电机选型手册》查得各项取值为：V s =1.30 m/min ，V max =2.4 m/min，δp =0.01mm/step。
故f e 与f k 的计算值如下：
f e =2166HZ f k =4000HZ
故在得知T max 、f e 和f k 值后，根据《步进电机选型手册》可确定X 向步进电机的型号为：
86BYG350BL-0601，其参数如下表：
表5-1
故可知该电机各项参数满足要求，即选择为X 向步进电机。
5.2.2选Y 向步进电机
选择Y 向步进电机的步骤与选择X 向步进电机的步骤一样，需要计算的数据也是一样在此设Y 向负载转矩为T m ，运行频率为f e ，最高启动频率为f k 。
由于Y 向齿轮减速器为一级传动，且各项传动效率的取值与X 向步进电机一样，故传动效率为：
=0.94×0.96×0.982=0.87
且Y 向进给牵引力F m =945N，负载转矩计算公式中的其他项取值不变，则可计算： T m =829N.mm
则由前述公式，可计算启动转矩T q ：
T q *=1658N.mm
再由5.2.1节关于最大静转矩T max *与启动转矩T q *的计算公式可计算：
T max *=1743N.mm
最后确定f e 与f k 的数值，由上节相关的公式可知首先为Y 向最大切削速度V s 与最大快移速度V *max 取值，则取值V s =1.20m/min, V *max =2.2m/min。故根据上节计算公式可计算：
f e =2000HZ f k =3666HZ
故由T max *、f e 和f k 的值，再根据《步进电机选型手册》选择Y 向步进电机的型号为：110BYG250B-0401 ，其参数如下表：
**************
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表5-2
故由表中参数可知该电机满足要求，故选为Y 向步进电机。
5.3齿轮分度加工的电机选择
将齿轮通过夹具以及紧固装置放置在工作台上时，工作台的运动中除了X 向和Y 向的运动外，在每切完一齿后都需要进行分度，这样的分度运动则需要单独的电机来实现，所以需要选择一个满足要求的电机，由于只要实现齿轮分度，故选择的条件简单，只需
满足步距角小即可，再考虑成本，故可根据《实用数控机床技术手册》选择三相混合式步进电机60BYG350CLS-0551，其参数如下表：
表5-3
6. 刀具行程的设计
刀具的行程的准确度对于最后的加工质量是十分重要的，所以要提前设计好行程路线，在能完成基本加工的前提下，路线最短则是需要满足的最基本要求，此次加工齿轮主要是铣槽，即对齿形的加工，由于是基于成形法，所以使用成形铣刀一次加工完成。
刀具在进行加工时首先需要对刀，即刀具从对刀点出发，在加工过程中的路线不管有多复杂，最后都需要回到对刀点，具体加工路线为：首先对刀，然后工作台通过夹具带动着加工齿轮快速进给到对刀点，保持齿轮的边沿与刀具距离一个齿高，铣刀进行加工，在加工一个齿形后，加工第二个齿需要进行分度，同时工作台反向进给，如此循环运动直到加工完成，最后退刀。
7.PLC 的控制改造
如今的机床基本都为数控机床，而数控机床便一定涉及到PLC 的控制，只有在数控的情况下才能顺应整个机械行业的发展。此次方案中对于控制方面的改造，主要是要机床进行自动进给运动。在机床的运动中，主要是机床工作台的循环运动以及齿轮的分度运动，实现自动运动，才能保证机床实现数控化，为了使这些自动运动的实现，则需要相应的机械结构，前面的机械结构的改造为改造提供了可能性。
首先需要了解PLC 控制的结构图，如下图：
图7-1
在控制电路中，首先需要一个主控制器，即CPU ：计算机的核心，其主要功能是解释计算机指令以及处理数据；外部输送的指令信息需要传送到CPU ，则就需要总线，总线分为数据总线、地址总线和控制总线，各总线所输送的数据信息各不相同；有时输入的数据信息需要暂时存储，则需要储存器；对于一个计算机的信息输送，有时需要从一个设备传送到另一个设备，则两者之间的需要通过接口进行信息交换。下图为机床控制线路：
基于成形法加工大模数齿轮对X718铣床的改造
参考文献：
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2001,12(3):469-473.
[2] 李君.EES 和癌症[J].中国慢性病预防与控制,2003,11(2): 96-97.
[3] Marmor D, Izard V, Schahmanech ED, et al. Is today's man really less fertile
[J]. Presse Med, 1998, 27 (29): 1484-1490.
基于成形法加工大模数齿轮对X718铣床的改造
题 目： 学学所专届指
毕业设计（论文）
大模数扇形齿轮对X718铣床的改造
生姓名： ******* 号： ******* 在学院： ********* 业班级： ********** 别： ************ 导教师：
*************
目 录
大模数齿轮对X718铣床的改造 学生：****（指导老师：****）
（机械与电子工程学院）
摘 要: 本次毕业设计的内容主要研究的是对X718铣床的改造。明白了X718铣床的运作原理以及其所能实现的功能，对X718铣床有了初步了解。对于成形法加工齿轮的相关运动做了了解，研究了其可行性。决定对X718铣床进行机械结构与控制系统的改造。机械结构的改造主要有滚珠丝杠副、伺服电机；控制系统的改造主要有PLC 。 关键词：X718；改造； PLC
Study on Mechanisms of Interference of 2,4-Dichlorophenol (2,4-DCP) With Cell
Proliferation in Root Tips of Pea Seedlings
Student:***** (Faculty Adviser：****) (School of mechanical and electronic engineering)
Abstract: The content of this graduation project is mainly to study the transformation of X718 milling machine. After careful study of the basic structure of the X718 milling machine and its basic parameters, understand the operation principle of the X718 milling machine and its functions can be achieved, the X718 milling machine has a preliminary understanding. The relative motion of gear is studied, and the feasibility of the method is studied. After reading the relevant books and materials, the decision of the X718 milling machine for mechanical structure and control system. Mechanical structure of the main transformation of the ball screw, stepper motor control system of the main PLC. Key words: X718; transformation; PLC
基于成形法加工大模数齿轮对X718铣床的改造
前言
如今机械行业的发展势头非常迅猛，机床的种类以及功能都在不断增加，市场需求也是日益扩大，在这样的大背景下，竞争也是非常的激烈，所以对于购进的数控机床，需要对其进行改造，使其更加进步，具备更完善的结构。目前市场上的机床中普通机床占主要部分，但普通机床的精度以及安全问题十分重要，若要避免或者降低此类问题，机床的改造则是必然趋势。最近几年机床改造已经成为了企业提高竞争力的一种重要手段，而改造的方面主要是机械结构和控制系统，改造后使得机床的功能更加完善。机床的改造使得我国机械行业向前不断进步，从而有助于推动国民经济。
1 X718铣床的信息介绍和探究 1.1机床改造的目的及意义
数控机床与普通手动机床相比，具有很高的生产效率，并且所生产的产品质量和精度也具有很高的水平，这使得数控机床得到了广泛地应用，保证产品的质量和产量是机床所需达到的基本要求，数控机床很容易达到这样的要求，但是如今数控机床也是越来越普遍，种类和数量都十分惊人，所以要想在机械行业中增强自身的竞争力，提高产品的质量和数量，普通的数控机床的改造便是必然地发展。
数控机床改造后的优点： 1） 2） 3） 4） 5）
机床制造费用降低； 机床的安全系数提高； 机床的结构更加简化；
机床消耗能源降低，环保效果明显； 机床生产效率提高，产品质量好。
1.2 X718铣床的基本介绍
图1—1 X718铣床的传动系统图
基于成形法加工大模数齿轮对X718铣床的改造
图1-2 X718铣床的结构示意图
1.2.1 X718铣床的基本参数和主要规格 1）铣床工作台的基本参数
工作台面积（宽×长）：800×2000mm 工作台T 形槽：○1槽数5个 ○2槽宽 22mm ○3槽距 125mm
工作台三向行程：○1最大纵向行程1800mm ○2最大横向行程800mm ○3最大垂向行程750mm 2）主轴参数
主轴转速：30~2500rpm 主轴锥孔锥度：ISO50 3）三向快速移动速度
纵向移动速度：3000mm/min
横向移动速度：3000mm/min 垂向移动速度：3000mm/min 4）三向切屑进给速度：30mm/min 5）部件间主要尺寸
主轴端面至工作台的距离：最小 100mm 最大 850mm 6）
动力、体积和动量
主电机功率：15kw 进给电动机扭矩：30N.m 工作台最大承重：2500kg 机床净重：10000kg
机床外形尺寸（长×宽×高）：4560×3200×3270mm
1.3 X718铣床改造的内容及要求 1.3,1设计内容
基于成形法加工大模数扇形齿轮对X718铣床的改造的方案设计以及最优选择，对成形法加工大模数扇形齿轮对X718铣床的改造机械运动零件设计及其优化，基于成形法加工大模数扇形齿轮对X718铣床的改造的PLC 控制的设计及其优化，写出改造的总体方案的论文并用相关软件绘制出所改造后的X718铣床的三维图。 1.3.2设计的要求
1）改造为专用铣床的需求分析 2）改造为专用铣床的方案确定 3）改造为专用铣床的机械结构设计
4）改造为专用铣床的PLC 控制系统内的设计 1．4探究X718铣床改造的可行性
普通X718铣床加工齿轮的特点：
1） 所加工的刀具可更换，根据所加工零件选择所需要的刀具。
2） 铣床在加工过程中工作台需要不断重复循环运动，从而导致铣床加工效率降低。 3） 所加工的齿轮精度不，一般为7-9级。
对于基于成形法加工大模数扇形齿轮所要求的精度，普通X718铣床所能达到的
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精度可以满足，所以改造为专用齿轮的铣床是可以实施的。综合考虑各种因素改造后的专用铣床的系统采用开环控制系统。 机械结构和PLC 控制系统改造的可行性：
通过改造普通X718铣床的机械结构，使其成为满足基于成形法加工大模数扇形齿轮的专用铣床，可以使其加工精度提高，同时加工的稳定性加强，使产品的质量更好，并且对于铣床机械结构的改造，只是改进了一小部分，铣床的主要参数以及工作性能不受影响，所以机械结构的改造是可行的；对于铣床的PLC 控制系统的改造，改造后的铣床仍然属于经济型数控铣床，在不影响铣床的工作性能的前提下，铣床的原有机构尽量保证不变，从而降低了机床改造成本。控制方面使用伺服电机的开环控制系统便可达到要求。
1.5 X718铣床的改造设计方案
所要改造的铣床选定为X718立式铣床，将其改造成为基于成形法加工大模数扇形齿轮的专用铣床，所要改造的方面分为机械机构和控制两个部分，机械结构方面：首先要选择确定所需刀具的规格；设计加工齿轮所需的夹具；滚珠丝杠的设计；选择伺服电机的型号以及参数计算。对于加工齿轮的刀具选择，本次加工刀具选择为盘形刀具，从盘形刀具中选择合适的规格；对于加工齿轮所需的夹具的选择设计是必不可少的步骤，夹具的规格对于所要加工的齿轮的质量十分重要，夹具的设计涉及到心轴、尾架和轴承；伺服电机主要对工作台的运动起到影响作用，对其参数型号进行选择以满足要求。控制方面：要想把齿轮加工到所要求的规格，提前设计好刀具行程，控制刀具按行程进行加工；对刀具的行程控制主要通过PLC 控制，因此需要对本次所选定的PLC 控制进行改造。本次的改造需先对机械结构部分进行改造，才能确定所要控制的加工路线和铣床的运动。
1.6铣削力的计算
所选定的改造方案必然是既经济又结构简单的改造，避免了改造成本的升高，改造的前提条件是满足所要加工的齿轮，所以改造的结构以及控制部分，尽可能保证最小幅度，以达到经济型铣床的条件。此次改造方案中，对于X718铣床的大部分参数不做改动，小部分参数规定如下：
脉冲当量：X 、Y 向0.01mm/步 铣削齿轮的宽度：αe =15mm
一般精铣的切削厚度为0.1~5mm，规定精铣齿轮的切削厚度：αf =0.15mm/z 一般铣削深度为1.2~5mm，根据题目此处规定铣削深度为： αp =5mm 铣刀的直径规定为：d 0=30mm
一般铣刀齿数比铣刀加工一次进程加工的齿数不多于两个，从而规定齿数：z=3 由《机械工艺手册》查得铣削力的计算公式为：
其中铣削力系数C f 的值查得：C f =68
计算铣削力所需求的竖直，由前述规定可得：αe =15mm，αf =0.15mm/z，αp =5mm， d 0=30mm，z=3
各项数据确定后，根据公式计算铣削力得：
=9.81×68×150.86×0.150.72×5×30-0.86×3
=2068N
根据X718铣床的承重为2500kg ，故所计算的铣削力足以满足此要求。
2. 刀具的选择 2.1齿轮铣刀的介绍
扇形齿轮铣刀是按仿形法或无瞬心包络法原理工作的一种切齿刀具。一般齿轮铣刀应用范围广，在加工各类齿轮时不需专用的铣刀，且其结构简单，易设计制造满足设定条件的铣刀，虽然铣刀的精度并不完美，但是仍然得到广泛运用。 2.2所要求的加工齿轮的基本参数
所加工的齿轮与铣床的夹具是配套的，而将X718铣床改造为专用基于成形法加工大模数扇形齿轮的铣床，需要专用的夹具，所以需要先确定齿轮的基本参数，一般齿轮大模数范围为4到8，齿数为17到100，此处选定模数为8，即m=4；齿数选为100，即z=100；所选定的数值则可满足所有范围内的尺寸。
则齿轮的分度圆直径d 为模数m 乘以齿数z ，即d=mz=8×100=800mm
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加工精度为9级（尺寸单位为：mm ，国家标准GB/T1356—2001中规定：h a *=1，c *=0.25）
2.3齿轮铣刀类型的选择
铣刀是一种具有多个刀齿的进行旋转铣削加工的刀具，主要用于在铣床上加工平面、台阶、沟槽、成形表面和切断工件等。而加工齿轮的铣刀常用的种类有盘形齿轮铣刀和指状齿轮铣刀。盘形齿轮铣刀是按成形法加工齿轮的刀具，铣刀廓形应按被切齿槽的廓形确定，盘形齿轮铣刀主要用于加工中小模数齿轮且强度高；指状齿轮铣刀同样是按成形法加工齿轮的刀具，指状齿轮铣刀主要用于加工大模数或人字齿，但指状齿轮铣刀的强度低；由于本次设计方案要求高强度的铣刀，所以选择盘形齿轮铣刀。
2.4盘形铣刀的种类及规格
图2-1 盘形齿轮铣刀
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图2-2 盘形齿轮铣刀的种类
2.5刀具参数的选择
成形法是使用成形刀具加工工件的方法，基于成形法加工齿轮，则所需要的铣刀必须具有一定的形状，即铣刀齿形与齿轮槽相同，由于齿轮的齿槽曲线受齿轮齿数的影响，所以需要标准的成套铣刀，才能满足加工时的需要。当模数m 小于等于8mm 时，每种模数由八把（八个刀号）组成一套；当模数m 大于8mm 时，则十五把组成一套。本题对应的最大模数m=8mm，则选择第一种组成，每把刀号的铣刀用于加工某一齿数范围的齿轮。查《机械加工工艺师手册》得如下表
表2-1
查《机械加工工艺师手册》可得下表参数（表中D 为铣刀外径，d 为铣刀内孔径，尺寸单位：mm ）
表2-2
由上述数据可确定齿轮铣刀选择Ⅱ型齿轮铣刀，所选刀号为7号，齿数为12，铣削深度为12mm 。
3. 加工齿轮所用夹具的设计
3.1机床夹具的基本组成
机械加工过程中，为了保证加工精度，需要使用夹具固定工件的位置，只有保证工件、夹具、刀具和机床之间的相互位置是正确的，才能加工出合格的零件；通常机床的夹具的工作原理基本上是相同的，主要组成结构分为六大部分：定位元件、夹紧装置、对刀及导向装置、夹具与机床之间的连接元件、其他元件及装置和夹具体；其中定位元件、夹紧装置和夹具体是必不可少的组成部分。
3.2夹紧原理及齿轮加工要求分析
对于X718铣床的专用夹具的设计方案，所加工的齿轮应该由夹具固定在工作台上，
基于成形法加工大模数齿轮对X718铣床的改造
根据题目要求以及2.2节所计算的数据可知齿轮的分度圆直径d=mz=8×100=800mm，考虑到X718铣床为立式铣床，应该垂直固定住齿轮，便于进行加工。
图3-1 齿轮零件图
对铣削齿轮时的固定只是涉及到如何固定在铣床的工作台，所以所设计的夹具只需要固定在铣床的工作台上，对于刀具的加工运动并不影响，此处综合考虑铣床的特点以及齿轮的加工要求，选择心轴定位。
3.3确定夹具的定位及类型
由前述分析所知，选择心轴定位为最佳方案，通常选择心轴与顶尖相配合，才能有效地紧固住所加工的齿轮，此定位配合方案简单易设计，对铣床的成体改造方案不影响，由于简单，所以也不会造成机床改造的成本上升，通过内比几种心轴的配合方式，此处应选择同轴间隙配合的定位方式，如下图：
图3-2 定位基准图
根据题目的要求，齿轮的加工方法是基于成形法的，而由前述夹具选择的分析，此处应选择工件的中心孔为定位基准，中心孔的定位一般选择心轴和定位销，由《机械加工工艺师手册》有如下图
表3-1
根据题目要求，本次的设计方案中，对于加工齿轮的加工精度要求不高，由之前的分析已经确定采用间隙配合的心轴，在立式铣床的坐标轴中，定位心轴限制了X 轴方向的运动和Z 轴方向的运动，即四个自由度，此处运动分为转动和直线移动。，在本次的夹具设计方案中，只需限定四个自由度，所以只需要一个心轴。
3.4确定齿轮的夹紧方案
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工件在加工过程中，只有通过相关装置夹紧了，才能保证所加工的工件精度以及质量，此处所述的工件的夹紧是指在确定工件的正确位置后，需要使用夹紧装置将工件固定在定位元件上，使用夹紧装置夹紧后，工件在加工过程中的正确位置便稳固下来，不会由于外力的作用而发生任何方向的位移，这样夹紧后便可保证加工质量和生产安全。
3.4．1夹紧装置的规格要求
在定位工件后使用夹紧装置的过程中，需要满足一些基本要求，要求如下：
（1） 夹紧装置的使用不会对工件的正确位置产生影响；
（2） 夹紧装置产生的夹紧力对工件不会产生损害；
（3） 夹紧后，需要夹紧装置自锁；
（4） 夹紧装置方便使用且工艺好。
3.4.2夹紧力的计算
在夹具的设计方案中，一般在使用心轴定位时，定位后通常采用螺旋夹紧固定工件，由《机械加工工艺师手册》查得螺旋夹紧机构的夹紧转矩的计算公式：
在此计算公式中各字母的含义为T ：螺旋夹紧机构上的夹紧转矩（单位：N.m ） Q：夹紧力（单位：N ）
ψ：螺旋升角，np/2πr
（其中n ：螺纹线数，p ：螺纹线数）
Φ：螺纹摩擦角，一般取f =0.178，则由公式
=f ，可得Φ=10。
f 1：支撑面的摩擦因数，一般取f 1=0.15~0.3
τ：支撑面的摩擦力矩的计算力臂（单位：m ），τ的值会随着支撑表面形式的变化而变化，由《机械加工工艺师手册》查得下表
注：采用有滚动轴承支撑的螺母夹紧时，τ=0.
表3-2 τ的数值表
根据《机械加工工艺师手册》查得，此处为了简化公式，令K =r tan(ψ+φ) +τf 1，得
T=KQ
由《机械加工工艺师手册》所述，可知在采用公制螺纹时，k 所取的值如下表
表3-3
由所算出的数据可确定选择A 型夹紧螺钉，则对应表中的k 值为：k=3.022，式T=KQ 中的夹紧转矩T 所取值应与1.6结所计算的铣削力值相等，即T=2068N.m，则可计算夹紧力：
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Q=T =2068/3.022=684.3N K
由前述设计方案分析已确定了工件的同轴间隙心轴定位方式，且专用的夹具采用专门设计的心轴夹紧，即左侧采用轴肩右侧采用螺母组合夹紧，具体组合结构如下图所示：
图3-3夹具组合方案图
3.5卡盘的选择
在确定选择心轴定位后，要使工件能固定在工作台上，需要选择夹持装置将心轴两端紧固住，此处考虑选择常用组合：顶尖和卡盘，常用卡盘有三爪卡盘和四爪卡盘，此处选择使用三爪卡盘，三爪卡盘为通用夹具，可根据具体工件参数进行选择。
3.5.1三爪卡盘的工作原理
三爪卡盘的组成结构为：一个大锥齿轮、三个小锥齿轮和三个卡爪，其中三个小锥齿轮和大锥齿轮啮合，大锥齿轮的背面有平面螺纹结构；其工作过程为：当用扳手扳动小锥齿轮时，大齿轮便转动，它背面的平面螺纹就使三个卡爪同时向中心靠近或退出。
3.5．2三爪卡盘参数的选择
图3-4 卡盘结构图
根据《机械加工工艺师手册》查得选用如下表尺寸的卡盘（各字母代表含义见上图）
表
3-4
图
3-5
表3-5
3.6顶尖的选择
顶尖是尾部带有锥柄，安装在机床主轴轴锥孔和尾座锥孔内，用其头部椎体定位夹
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持工件的机床附件，根据所紧固的加工零件可分为固定顶尖和活动顶尖两种，两者对于加工精度要求不同，根据本方案的加工精度，选择固定顶尖。顶尖作为通用部件可进行直接选择，由《机械加工工艺师手册》查得下表：
（单位：mm ，莫氏锥度为0度, 其中D 为顶尖的最大直径，L 为顶尖的总长度，h 代表肩高，e1代表锥头的长度）
表
3-6
图3-6 顶尖零件图
3.7夹具精度分析及计算
在此方案中使用定位心轴定位时，定位心轴与工件的配合存在定位误差，其中工件以内孔轴线作为定位基准，以内孔表面作为定位面，定位心轴与工件的配合有两种，见下图所示：
图3-7 定位误差图
此处定位心轴与内孔的配合为图示的第一种，根据《机械制造技术基础第二版》中的定位误差分析方法可知径向基准位移误差仅在z 轴方向，方向向下。
在此方案情况下，由《机械制造技术基础第二版》查得定位误差计算公式： ∆Y Z =ε+T D +Td 2
其中各字母代表含义为：ε 定位副间的最小间隙（单位：mm ）
T D 工件圆孔直径公差（单位：mm ）
T d 心轴外圆直径公差（单位：mm ）
其中所述公差T=上偏差ES-下偏差EI
由上述分析已经确定了轴孔的间隙配合，由《互换性与技术测量》所学知识以及本次方案中的加工精度8级要求，可确定间隙配合具体为基孔制配合方案，即H8，则再根据《互换性与技术测量》可查得配合方案为H8/f7。
要想计算定位误差，则需要确定公式中每项的数值，由于确定具体配合方案后，则可确定各项公差，由《互换性与技术测量》表3-2查得IT8的公差为33µm ，IT7公差为21µm，即T D =33µm，T d =21µm。
然后确定最下间隙ε的值，根据《互换性与技术测量》查得ε=D min -d max =EI -es ，其中EI 为孔的基础偏差数值，es 为轴的基础偏差数值；由前述可知具体配合方案为基孔制配合，方案中基础偏差数值可查《互换性与技术测量》表3-6以及表3-5得：
EI=0µm es=-20µm 则又上述公式可计算得ε=D min -d max =EI -es =20µm
然后将上述中的ε、T D 、T d 的数值代入公式得∆Y Z =
计算完成。
3.8各部分零件及其设计
3.8.1联轴器的选择
联轴器是用来联接不同机构中的两根轴使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在一些运动剧烈的机械中，安装某些联轴器可达到提高其安全性能的作用，如对机械起到缓冲、减震的作用，有时还可以加强轴系动态性能。而常用的联轴器有两大类：刚性联轴 ε+T D +Td 20+33+21==37µm。 22
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器和挠性联轴器。
刚性联轴器是一种由刚性传力件构成的扭转刚性的联轴器，在承受负载时无任何回转间隙，即不具备补偿两轴线相对偏移的能力；其重量轻，且具有低惯量和高灵敏度，一般只适宜用于载荷并无冲击振动的工况条件。
综合上述两大类联轴器的特点以及本次方案中所涉及到的要求，可以确定所选择的联轴器的功能作用：首先是对两轴相对位移的补偿，其次是联轴器是否能达到机床的工作转速，然后是所传递的转矩是否满足要求，最后则是需要联轴器结构简单、易维护。
根据《机械加工工艺师手册》以及此次加工方案要求的分析，LT 型弹性套柱销联轴器，查得其相关参数如下表：
3.8.2 心轴的设计
心轴的设计首先是选择轴的材料，常用材料为45钢，调制处理；然后则是确定心轴各部分的尺寸，根据齿轮的尺寸参数，可确定轴的直径为30mm ；心轴的第一段为三爪卡盘所夹持的端头，根据前述卡盘尺寸，可确定第一段长度为30mm ；在齿轮加工过程中为了防止齿轮在心轴上滑动以及与其他零部件发生碰撞，需要将心轴设计为轴肩，对齿轮进行定位，根据《机械加工工艺师手册》以及第一段心轴的尺寸，可确定轴肩长为12mm ，由于轴肩比心轴一般位置要高才能达到定位效果，则此处确定直径为40mm ；第三段为固定端，只有两端都定位固定，才能保证工件处于一个稳定的位置，考虑齿轮的厚度以及为了保证足够的长度，设定长度为100mm ，直径为30mm ，见如下心轴结构设计图：
图3-8 心轴结构图
3.8.3尾架的设计
心轴与顶尖共同配合才能固定住工件的加工准确位置，但由于心轴是由卡盘等相关零部件作为支撑点的，若要顶尖与心轴配合，则需要一个顶尖支撑点，此处设计一个尾架作为支撑点，顶尖与尾架的配合类似于轴孔配合，所以尾架上必有孔，由3.6节顶尖尺寸知顶尖直径为10.045mm ，则尾架孔径为10.045mm 。
顶尖与心轴的轴线应处于同一轴线上，则此处就需要设计尾架的高度，顶尖与心轴配合使得齿轮悬于工作台面的上方才能正常加工，所以可以确定尾架的轴孔至底端距离应大于齿轮的半径，齿轮的直径为900mm ，半径则为450mm ，此处可确定尾架高度为450mm ；在确定尾架的高度后，需要知道尾架的宽度和厚度，由3.6节查得顶尖的长度为80mm ，尾架的横向厚度要接近于长度才能便于安装顶尖，由于前述的尾架的孔径为9.045mm ，则宽度需要预留两边的余量，又为了便于加工设计，则可确定尾架的宽度等于厚度，而尾架的底座边长则需要大于尾架的宽度。尾架的零件图如下：
基于成形法加工大模数齿轮对X718铣床的改造
图3-9 尾架零件图
3.8.4 支架的设计
支架属于支撑装置，在本次方案中，支架的尺寸需要根据所支撑的零部件的尺寸来确定，在这里设计的支架是用于支撑控制齿轮分度转动的电机以及轴的转动轴承，X718铣床的轴的转动轴承在这里不做改动，所以依然选用原有的轴承型号即滚轴6200，其轴承孔的直径为55mm ，由前述可知心轴的直径为70mm ，心轴需要和轴孔存在间隙，保证心轴可无摩擦地转动，此处可确定轴孔直径为42mm ；在加工齿轮的过程中，齿轮需要保证为悬于工作台面的上方，即保证安全距离，所以电机至底座的高度应满足此要求，则可确定其为43mm ；支架尺寸设计完后，需要将支架安装在工作台面上，螺栓为最常用的紧固装置，所以用四个螺栓固定住支架的底端面，此处选定螺栓的公称直径为18mm 。支架的零件图如下：
图3-10 支架零件图
4. 支架轴承的选择
上节中对支架的参数设计已经完成，则对支架的轴承选择便容易了许多，此次方案中选择滚动轴承，减小了功耗。
4.1滚动轴承的规格确定
滚动轴承起到支撑作用，所选定的滚动轴承的规格参数不可影响工件的正常加工，首先确定轴承的类型，由轴承所承受的力的分析，选择角接触轴承。然后确定轴承的型号，轴承为了与心轴的配合，则根据《机械加工工艺师手册》选择滚动轴承7210AC GB/T 296 代号7204C 的参数如下表：
（单位：mm ；内径d ；外径D ；滚子数目B ；径向额定动负荷Cr ；径向额定静负荷Cor ）
4.2轴承的强度校核
选定滚动轴承的型号后，需要确定所选轴承是否能承受加工时所受的载荷，对滚动轴承的受力分析，滚动轴承主要受到轴向力，而此轴向力主要来自铣削力F r =2068N。 根据《机械设计》第13章第5节知轴承的当量动载荷公式为：
P=fd （XF r +YFa ）
其中P 为当量动载荷，f d 为载荷系数，F r 、F a 分别为轴向载荷和径向载荷，X 、Y 分别为轴向动载荷系数和径向动载荷系数，由于此处径向载荷F a 可以忽略不计，则 P=fd XF r
确定公式后则需要确定公式中各数值，由《机械设计》的表13-6查得载荷系数f d =1.2；
基于成形法加工大模数齿轮对X718铣床的改造
再查《机械设计》表13-5查得轴向载荷系数X =0.44；则可计算当量动载荷P 为
P=fd XF r =1.2×0.44×2068=1091N
由《机械设计》第13章第5节查得基本额定动载荷公式为：
c =其中ε为指数，对于滚子轴承一般选择10/3；n 为轴承的转速，单位为r/min；L ’
h 为预
期计算寿命，且查得其计算公式为： 106⎛f t C ⎫' L h = ⎪ 60n ⎝p ⎭ε
其中f t 为温度系数，由《机械设计》表13-4查得f t =1，而轴承转速等于原电机转速，即n=1250r/min，则计算得： 10⎛f t C ⎫ L '
h = ⎪= 5000 60n ⎝p ⎭6ε
代入基本额定动载荷公式中得：
c =
=1309N 1091由《机械加工工艺师手册》查得7204C 型号的滚动轴承的基本额定载荷为14500N ，故所计算的值未超过此值，故符合要求。
5．电机的选择
5.1电机的系统
5.1.1进给伺服系统
进给伺服系统是以运动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，本次改造方案中需要工作台左往复循环运动，所以需要进给伺服系统控制。所以开环系统为最佳选择，而进给伺服系统的驱动电机中只有步进电机符合要求。
5.1.2开环伺服系统
开环伺服系统与闭环伺服系统的区别在于，开环系统没有反馈装置，故其为伺服系统中最简单的一种系统。开环伺服系统加工精度低，但是其结构简单易于调整，故满足本次改造方案的要求。下图为开环伺服系统的结构示意图：
图5-1
5.1.3步进电机工作原理
步进电机虽然是常用电机，但如何使用好步进电机却非易事，步进电机涉及到很多专业知识。通常步进电机必须由双环脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用，其主要的工作原理是将电脉冲信号转变为角位移或线位移。而其中的具体控制是依靠多相时序控制电流为电机供电，这其中又需要驱动器为步进电机分时供电，所以才有了常见的三相电机以及其他相位的电机。下图为常见的三相电机结构图：
图5-2
其中1为定子，2为转子，3为定子绕组
5.2 步进电机的计算与选择
5.2.1选X 向步进电机
首先我们需要确定电机的负载转矩T m ，看其是否能满足铣床的工作台的正常运转，查得负载转矩的公式为：
T m =360δp F m
2πθb η
式中各项含义为：δp 为脉冲当量，δp =0.01mm/步；F m 为步进电机的牵引力，取原始计
基于成形法加工大模数齿轮对X718铣床的改造
算值F m =2000N；θb 为步距角，即对应一个脉冲信号，转子所转过的固定角度，一般取值为θb =0.75°；η为步进电机与滚珠丝杠的传动效率，由《机械设计课程设计》的表
2.4查得此处齿轮的传动效率取0.96，滚动轴承的传动效率取0.98，滚珠丝杠的传动效率取0.94。X 向的齿轮减速器为二级传动，则传动效率为：
η=0.94×0.962×0.984=0.79
再将各值代入公式中得： T m =360δp F m
2πθb η=360⨯0.01⨯2000=1935N.mm 2π⨯0.75⨯0.79
要想选择步进电机便需要知道步进电机的最大静转矩T max ，而最大静转矩T max 与步进电机的启动转矩T q 存在关系，而启动转矩T q 与负载转矩T m 存在关系，查得T m 与T q 的关系式为： T q =而T q 与T max 的关系式为： T max =T q
0.951=3870=4069N.mm 0.951T m 1935==3870N.mm 0.3~0.50.5
得知最大静转矩T max 后，还要确定运行频率f e 和最高启动频率f k 的值才能完全确定电机的型号，而运行频率f e 和最高启动频率f k 分别与X 向最大切削速度V s 、X 向最大快移速度V max 和脉冲当量δp 有关，其关系式如下： f e =1000V s 1000V max f k = 60δp 60δp
由《步进电机选型手册》查得各项取值为：V s =1.30 m/min ，V max =2.4 m/min，δp =0.01mm/step。
故f e 与f k 的计算值如下：
f e =2166HZ f k =4000HZ
故在得知T max 、f e 和f k 值后，根据《步进电机选型手册》可确定X 向步进电机的型号为：
86BYG350BL-0601，其参数如下表：
表5-1
故可知该电机各项参数满足要求，即选择为X 向步进电机。
5.2.2选Y 向步进电机
选择Y 向步进电机的步骤与选择X 向步进电机的步骤一样，需要计算的数据也是一样在此设Y 向负载转矩为T m ，运行频率为f e ，最高启动频率为f k 。
由于Y 向齿轮减速器为一级传动，且各项传动效率的取值与X 向步进电机一样，故传动效率为：
=0.94×0.96×0.982=0.87
且Y 向进给牵引力F m =945N，负载转矩计算公式中的其他项取值不变，则可计算： T m =829N.mm
则由前述公式，可计算启动转矩T q ：
T q *=1658N.mm
再由5.2.1节关于最大静转矩T max *与启动转矩T q *的计算公式可计算：
T max *=1743N.mm
最后确定f e 与f k 的数值，由上节相关的公式可知首先为Y 向最大切削速度V s 与最大快移速度V *max 取值，则取值V s =1.20m/min, V *max =2.2m/min。故根据上节计算公式可计算：
f e =2000HZ f k =3666HZ
故由T max *、f e 和f k 的值，再根据《步进电机选型手册》选择Y 向步进电机的型号为：110BYG250B-0401 ，其参数如下表：
**************
基于成形法加工大模数齿轮对X718铣床的改造
表5-2
故由表中参数可知该电机满足要求，故选为Y 向步进电机。
5.3齿轮分度加工的电机选择
将齿轮通过夹具以及紧固装置放置在工作台上时，工作台的运动中除了X 向和Y 向的运动外，在每切完一齿后都需要进行分度，这样的分度运动则需要单独的电机来实现，所以需要选择一个满足要求的电机，由于只要实现齿轮分度，故选择的条件简单，只需
满足步距角小即可，再考虑成本，故可根据《实用数控机床技术手册》选择三相混合式步进电机60BYG350CLS-0551，其参数如下表：
表5-3
6. 刀具行程的设计
刀具的行程的准确度对于最后的加工质量是十分重要的，所以要提前设计好行程路线，在能完成基本加工的前提下，路线最短则是需要满足的最基本要求，此次加工齿轮主要是铣槽，即对齿形的加工，由于是基于成形法，所以使用成形铣刀一次加工完成。
刀具在进行加工时首先需要对刀，即刀具从对刀点出发，在加工过程中的路线不管有多复杂，最后都需要回到对刀点，具体加工路线为：首先对刀，然后工作台通过夹具带动着加工齿轮快速进给到对刀点，保持齿轮的边沿与刀具距离一个齿高，铣刀进行加工，在加工一个齿形后，加工第二个齿需要进行分度，同时工作台反向进给，如此循环运动直到加工完成，最后退刀。
7.PLC 的控制改造
如今的机床基本都为数控机床，而数控机床便一定涉及到PLC 的控制，只有在数控的情况下才能顺应整个机械行业的发展。此次方案中对于控制方面的改造，主要是要机床进行自动进给运动。在机床的运动中，主要是机床工作台的循环运动以及齿轮的分度运动，实现自动运动，才能保证机床实现数控化，为了使这些自动运动的实现，则需要相应的机械结构，前面的机械结构的改造为改造提供了可能性。
首先需要了解PLC 控制的结构图，如下图：
图7-1
在控制电路中，首先需要一个主控制器，即CPU ：计算机的核心，其主要功能是解释计算机指令以及处理数据；外部输送的指令信息需要传送到CPU ，则就需要总线，总线分为数据总线、地址总线和控制总线，各总线所输送的数据信息各不相同；有时输入的数据信息需要暂时存储，则需要储存器；对于一个计算机的信息输送，有时需要从一个设备传送到另一个设备，则两者之间的需要通过接口进行信息交换。下图为机床控制线路：
基于成形法加工大模数齿轮对X718铣床的改造
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基于成形法加工大模数齿轮对X718铣床的改造