ck6163型数控机床设计本科生毕设论文毕业设计正文.doc

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编号

无锡太湖学院
毕业设计（论文）

题目： CK6163型数控机床设计

信机 系 机械工程及自动化专业

学 号： 　　　 　　　　
学生姓名：
指导教师： （职称：副教授 ）
（职称： ）

2013年5月25日
III
无锡太湖学院本科毕业设计（论文）
诚 信 承 诺 书

本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） CK6163型数控机床设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。

班 级： 机械93
学 号：
作者姓名：
2013 年 5 月 25 日

无锡太湖学院
　信 机　系 　机械工程及自动化 　专业
毕 业 设 计论 文 任 务 书
一、题目及专题：
1、题目　　 CK6163型数控机床设计
2、专题　 　
二、课题来源及选题依据
受益于国家振兴装备制造业的大环境和强劲的市场需求拉动，国内机床工具行业出现了技术长足发展、投资热情高涨的局面。数控机床的水平、品种和生产能力直接反映了国家的技术、经济综合国力。数控机床作为国防军工的战略装备，是各种武器装备最重要的制造手段，是国防军工装备现代化的重要保证。数控机床一般由输入介质、人机交互设备、计算机数控装置、进给伺服驱动系统、主轴伺服驱动系统、辅助控制装置、反馈装置和适应控制装置等部分组成。随着振兴装备制造业关键领域的高水平新产品的发展，每个领域都对数控机床提出了更高的要求。CK6163型数控机床也被广泛运用。此次进行对CK6163型数控机床的床头箱、变速箱以及进给机构的设计。
三、本设计（论文或其他）应达到的要求：
1、完成CK6163数控机床的床头箱设计；
2、完成CK6163数控机床变速箱设计；
3、完成CK6163数控机床进给机构设计；
4、完成CK6163型数控机床滚珠丝杠的设计；
5、完成CK6163型数控机床的零件设计；
四、接受任务学生：
机械93 班 　　姓名
五、开始及完成日期：
自2012年11月12日 至2013年5月25日
六、设计（论文）指导（或顾问）：
指导教师　　　　　　　签名
签名
　　　　　　　签名
教研室主任
　　　　　　〔学科组组长研究所所长〕　　　　　　　签名
　　 　　系主任 　　　　　　签名
2012年11月12日

摘 要
数控技术是当今先进制造技术和装备最核心的技术，机械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看,其主要研究热点有以下几个方面：1．功能发展方向；2．结构体系发展方向；3．高速、高效、高精度、高可靠性发展方向；
CK6163型数控机床是开环式的数字程序控制车床。能进行内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、圆柱螺纹和圆锥螺纹等加工。机床主轴的启动、停止和变速，纵向和横向进给运动的行程和速度，刀具的变换和冷却，都可以自动控制。并具有直线、锥度、直螺纹和锥螺纹等自动循环机能。
CK6163型数控机床有床头箱、变速箱、进给机构、刀架、控制箱等组成。床头箱中由操纵油缸中的活塞杆带动拔叉来控制双向内齿离合器的接通或放松，使主轴实现四级变速。主运动采用分离传动从而使变速箱实现四级变速。进给机构由床鞍纵向进给电液脉冲马达、滚珠丝杠副和中间传动齿轮副组成。

关键词：数控技术；床头箱；变速箱；进给机构；滚珠丝杠；

Abstract
Numerical control technology is the core technology of the advanced manufacturing technology and equipment, machinery manufacturing competition, and its essence is the competition of numerical control technology.From the numerical control technology and equipment development trend, its main research focus has the following several aspects：1 .The direction of function development；2. The direction of structural system development；3. High speed, high efficiency, high precision and high reliability；
CK6163 numerical controlled machine tool is the open loop type digital program controlled lathe. To inside and outside the cylinder, cone surface, such as processing arc face, straight thread and taper thread. Start, stop, and variable speed machine tool spindle, longitudinal and transverse feed motion of stroke and speed, transformation and the cooling of a tool, can be controlled automatically. And with a straight line, taper, straight thread and automatic cycle function of taper thread and so on.
CK6163 numerical controlled machine tool headstock, transmission, feeding mechanism, tool carriage, control box, etc. Bedside box by manipulating the oil cylinder piston rod to control the bidirectional drive fork of the internal tooth clutch connected or relax, for level 4 speed of spindle. Separation is used in the main movement transmission so that realize four speed gearbox. Feed mechanism by the bed saddle longitudinal feed electric hydraulic pulse motor, ball screw pair and the intermediate transmission gears.

Key words: Numerical control technology; Bedside cabinet; Gearbox; Feed mechanism;
Ball screw;

目 录
摘 要 III
ABSTRACT IV
目 录 V
1 绪论 1
1.1本课题的研究内容和意义 1
1.2国内外的发展概况 1
1.3本课题应达到的要求 2
2 总体方案 3
2.1 CK6163的现状和发展 3
2.2 CK6163卧式车床的总体方案 3
3 主轴箱的设计 4
3.1 主轴箱的运动设计 4
3.1.1 已知条件 4
3.1.2 结构分析式 4
3.1.3 拟定转速图 4
3.1.4 确定转速图 5
3.1.5 确定各变速组传动副齿数 6
3.2 齿轮传动设计 7
3.2.1 渐开线直齿轮设计 7
3.2.2 斜齿轮设计 8
3.3 主轴传动设计 11
3.3.1 确定主轴最小直径 11
3.3.2 主轴最佳跨距的确定 11
3.3.3 主轴刚度的校核 12
3.4 带传动设计 12
3.5 滚珠螺母丝杠 14
3.5.1 滚珠丝杠副的种类与结构 14
3.5.2 内循环式 14
3.5.3 外循环式 14
3.5.4 滚珠丝杠副的结构参数 15
3.5.5 滚珠丝杠副的结构特点 15
3.5.6 滚珠丝杠副的安装支撑方式 15
4 变速箱的设计 17
4.1 运动部分计算 17
4.1.1 参数确定的步骤和方法 17
4.2 传动设计 18
4.2.1 传动结构式、结构网的选择 18
4.2.2 主传动顺序的安排 19
4.2.3 传动系统的扩大顺序的安排 19
4.2.4传动组的变速范围的极限植 19
4.2.5 最后扩大传动组的选择 20
4.3 转速图的拟定 20
4.3.1 主电机的选定 20
4.3.2 双速和多速电机的应用 20
4.3.3 电机的安装和外形 20
4.3.4 常用电机的资料 21
4.3.5 齿轮传动比的限制 21
4.4 带轮传动部分的设计 21
4.4.1 带轮直径确定的方法、步骤 21
4.4.2 三角带传动的计算 21
4.4.3 选择三角带的型号 21
4.4.4 确定带轮的计算直径D1、D2 22
4.5 齿轮传动部分的设计 24
4.6 电磁离合器的选择 28
4.6.1 按扭距选择 28
4.6.2 步骤 28
4.7 轴的设计计算 29
4.7.1 轴Ⅱ的设计计算 29
4.7.2 轴Ⅶ的设计计算 29
4.8 纵向进给系统的设计计算 34
4.8.1 纵向进给系统的设计 34
4.8.2 纵向进给系统的设计计算 34
5 结论与展望 40
5.1 结论 40
5.2 不足之处及未来展望 40
致谢 41
参 考 文 献 42

3

CK6163型数控机床设计
1 绪论
1.1本课题的研究内容和意义
数控机床通常由控制系统，伺服系统，检测系统，机械传动及其他辅助系统组成。数控机床相比较于普通机床有以下特点：（1）加工精度高，拥有稳定加工质量；（2）拥有多坐标的联动，能加工较为复杂的工件；（3）加工时间短；（4）生产效率高；（5）自动化程度高，减轻劳动强度；
数控机床的控制方式有很多种，主要分为开环控制，闭环控制和半闭环控制。开环控制系统没有反馈装置，系统不会计算误差，精度不高，但属于经济型；闭环控制系统和半闭环控制系统都装有反馈装置，他们区别在于反馈检测装置安装位置不同，闭环控制系统的反馈装置在工作台上，而半闭环控制系统的反馈装置在轴端或者丝杆上。本次研究的CK6263型数控机床的控制就属于开环控制系统。
CK6163型数控车床，是车床中应用最广泛、最典型的一种数控车床。该机床是开环式的数字控制车床。能进行内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、圆柱螺纹和圆锥螺纹等加工。机床主轴的起动、停止和变速，纵向和横向进给运动的行程和速度，刀具的变换和冷却，都可以自动控制。并具有直线、锥度、直螺纹和锥螺纹等自动循环功能。在该机床中采用液压卡盘、液压尾座、快换刀架和机床外对刀装置。该机床使用于加工形状复杂的中小批量的零件。
数控机床的主传动方式分为集中传动方式和分离传动方式。集中传动是指主传动和变速传动在同一个主轴箱内的传动方式，其优点在于结构紧凑，便于实现集中操作，安装调整方便，主要用于普通精度的大中型机床；分离传动是指主传动的大部分传动和变速传动安装于远离主轴的单独变速箱内，通过带传动将运动传到主轴箱的传动方式，其优点在于变速箱内各传动件所产生的的振动和热能不直接传给或少传给主轴，有利于提高主轴工作精度，主要运用于对精度要求高的机床。
CK6163型数控机床就是采用了分离传动，来提高工作精度。
1.2国内外的发展概况
数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备。世界各国信息产业、生物产业、航空、航天等国防工业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对市场的适应能力和竞争能力。工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅大力发展自己的数控技术及其产业，而且在"高精尖"数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。因此大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。
目前，欧、美、日等工业化国家已经先后完成数控机床产业化进程，而我国是从20世纪80年代才开始起步，处于发展阶段。国内本土数控机床企业大多处于“粗放型”阶段，在产品设计水平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平相比落后了5-10年；在高、精、尖技术方面的差距则达到了10-15年。同时中国在应用技术及技术集成方面的能力也还比较低，相关的技术规范和标准的研究制定相对滞后，国产的数控机床还没有形成品牌效应。同时，中国的数控机床产业目前还缺少完善的技术培训、服务网络等支撑体系，市

场营销能力和经营管理水平也不高。更重要原因是缺乏自主创新能力，完全拥有自主知识产权的数控系统少之又少，制约了数控机床产业的发展。
十二五期间我国将持续投入，且力度加大，力争通过10-15年的时间，实现由机床工具生产大国向机床工具强国转变，实现国产中高档数控机床在国内市场占有主导地位等一系列中长期目标。
在数控机床制造方面，德国和日本一直处于领先地位，德国是老牌工业强国，其锻压机械种类齐全，基本上每一种锻压设备都有代表世界最先进水平的产品，比如通快的钣金成形机床、舒勒的大型覆盖件压力机、多工位压力机和冲压自动生产线、米勒万家顿的电动螺旋压力机、奥姆科的热模锻压力机、哈森克勒佛的离合器式螺旋压力机、拉斯科的锻锤、辛北尔康普的大型液压机、瓦格纳-班宁的碾环机、雷菲尔德的旋压机、FELSS的旋锻机等等的锻压机械。日本的锻压机械和德国一样，在世界上居于领先地位，尽管在大型和重型锻压设备方面不如德国，但在数控锻压机械，尤其在伺服驱动压力机方面具有很高的技术水平。而在我国沈阳、大连两市已基本成为全国数控车床、加工中心的中央综治委开发基地；在长江三角洲地区已成为数控磨床、电加工机床、板材加工设备、等的主要生产基地。
1.3本课题应达到的要求
本课题主要研究CK6163型数控机床的设计，主要设计主轴箱和变速箱，还有涉及到进给机构的设计，以及一些零部件的设计。而主要问题是：相关文献资料的缺乏，对一些结构设计部分的具体设计指导，以及制图软件的高级运用技巧。

图1.1 CK6163型数控机床

2 总体方案
2.1 CK6163的现状和发展
   数控机床是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造产业的渗透形成的机电一体化产品；其技术范围复盖很多领域：(1)机械制造技术；(2)信息处理、加工、传输技术；(3)自动控制技术；(4)伺服驱动技术；(5)传感器技术；(6)软件技术等。计算机对传统机械制造产业的渗透，完全改变了制造业。制造业不但成为工业化的象征，而且由于信息技术的渗透，使制造业犹如朝阳产业具有广阔的发展天地。数控技术的发展趋势：①智能化 ；②网络化 ；③集成化 ；④微机电控制系统 ；⑤数字化 。
我国数控产业发展的思考： 1、注重系统配套 ； 2、注重产品的可靠性 ；3、提倡创新，加强服务。
2.2 CK6163卧式车床的总体方案
由于该设计给出的已知条件是16级变速，对于主轴箱的设计采用双联齿轮、拨叉、电磁离合器实现主轴的变速、正转、反转。进给部分用数控系统控制纵横两方向的步进电机，实现X、Y两方向的进给运动；刀架采用四方刀架；参考的普通机床拆除其中的丝杠、光杠进给箱、溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副；在主轴后端加一主轴编码器，以便加工螺纹。
车床的主参数（规格尺寸）和基本参数（GB1582-79，JB/Z143-79）
最大的工件回转直径D是630mm；刀架上最大工件回转直径D1大于或等于315mm；主轴通孔直径d要大于或等于80mm；主轴头号（JB2521-79）是4.5；最大工件长度L是1500mm；主轴转速范围是：32～1000r/min；级数范围是：16级；主轴前端孔锥度是公制100号；纵向进给量0.01～20.47mm；刀架横进给量范围(在直径上) 是0.01~20.47mm；刀架纵向和横向进给的脉冲当量0.01mm；主电机功率是13kw。
本设计主要着重于主轴箱、变速箱和进给机构的设计。CK6163型数控机床主要结构图如图2.1

图2.1 CK6163型数控机床主
CK6163型数控机床设计
3 主轴箱的设计
3.1 主轴箱的运动设计
3.1.1 已知条件
低转速nmin为32r/min，高转速nmax为1000r/min，转速调整范围为Rn=nmax/nmin=31.25 取Rn=32
确定公比:选定主轴转速数列的公比为φ＝1.25；求出主轴转速级数Z
Z=lgRn/lgφ+1= lg32/lg1.25+1=16.53 取Z=16
3.1.2 结构分析式
确定结构式：16=2×2×2×2
16=2×2×4
16=2×4×2
根据拟定转速图的原则筛选结构式
1.极限传动比、极限变速范围原则；
2.确定传动顺序及传动副数的原则——“前多后少”的原则；
3.确定传动顺序与扩大顺序相一致的原则——“前密后疏” 的原则；
4.确定最小传动比的原则——“前慢后快”（降速），“前快后慢”（升速）的原则。
经整理得： 16=21×22×24×28
3.1.3 拟定转速图
(1)选定电动机
一般金属切削机床的驱动，如无特殊性能要求，多采用Y系列封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机。Y系列电动机高效、节能、起动转矩大、噪声低、振动小、运行安全可靠。根据机床所需功率选择Y160M-4，其同步转速为1460r/min。
（2）分配总降速传动比
总降速传动比为uII=nmin/nd=32/1460≈0.0213,nmin为主轴最低转速，考虑是否需要增加定比传动副，以使转速数列符合标准或有利于减少齿轮和及径向与轴向尺寸，并分担总降速传动比。然后，将总降速传动比按“先缓后急”的递减原则分配给串联的各变速组中的最小传动比。
（3）确定各级转速并绘制转速图
由nmin= 32r/min;φ=1.25；z = 16 确定各级转速：1000、800、630、500、400、315、250、200、160、135、100、80、63、40、32r/min。
本设计有四种传动机构，四段无级变速：
(1)IV V VI VII VIII
(2)IV V VII VIII
(3)IV VI VII VIII （下拨叉左）
(4)IV VI VII VIII （下拨叉右）
① 先来确定IV轴的转速
nmax=1450×130/186×40/32×36/36×190/304=791；取nmax=800
nmin=1450×32/40×32/40×190/304=405；取 nmin=400根据转速图跟结构式，可确定IV轴的转速为400、500、630、800r/min
② 确定轴V的转速
因为IV轴跟V轴是1：1传递，所以V轴的转速等同IV轴转速：400、500、630、800r/min。
③确定轴VI的转速
由轴IV传递到轴VI可以得到四级转速：400、500、630、800r/min
由轴V传递到轴VI可以得到四级转速：400×24/60=160；500×24/60=200 ；630×24/60=252 取n=250 ；800×24/60=320 取n=315
所以VI轴的转速确定为160、200、250、315、400、500、630、800r/min
④确定轴VII的转速
由轴IV经轴V直接传递到轴VII可以得到四级转速：400、500、630、800r/min
由轴IV经轴VI传递到轴VII可以得到八级转速：800×24/60=160 ；630×24/60=125；500×24/60=100；400×24/60=80 (800×60/24=2000 30×60/24=1575 n=1600 500×60/24=1250 400×60/24=1000)
由轴IV经轴V传递到轴VI再传递到轴VII可以得到四级转速：315×24/60=160 250×24/60=100 200×24/60=80 160×24/60=63
确定VII轴的转速为：2000、1600、1250、1000、800、630、500、400、315、250、200、160、135、100、80、63r/min
3.1.4 确定转速图

图3.1 CK6163 转速图
3.1.5 确定各变速组传动副齿数
①轴IV-V:
时：……64、66、68、70、72、74、76、84……
时：……64、66、68、70、72、74、76、84……
可取84,于是可得轴IV齿数为：42；于是
可得轴V上的齿轮齿数为：42
②轴V-VI: ，
时：……69、72、73、76、77、80、81、84、87……
可取 84，于是可得轴V上齿轮的齿数为：24；
于是 ，得轴VI上齿轮的齿数为：60
③轴VI-轴VII:
时： ……72、75、78、81、84、87、89、90……
可取 84；得轴VI齿轮齿数为24；
由； 得VII轴齿轮齿数为60
④VII-轴VIII：
时：……72、75、78、81、84、87、89、90……
可取 90.得轴VII齿轮齿数为30；由得VIII轴齿轮齿数为60
根据轴数，齿轮副，电动机等已知条件可有如下系统图：

图3.2 CK6163床头箱传动系统图
3.2 齿轮传动设计
3.2.1 渐开线直齿轮设计
（1）选择齿轮材料及精度等级:
因为是1:1传递,所以两齿轮材料选择一致:齿轮选用合金钢调质，硬度为220～250HBs；
选8级精度，要求齿面粗糙度Ra≤3.2～6.3
（2）模数的确定：
在IV轴上42齿数的齿轮最容易受损，所以应以42齿数齿轮位代表进行模数计算，因为：
(3.1)
查《机械设计基础》表10.11“载荷系数 K”得： ，因为：
(3.2)
式子中
P——为主动轴的传输功率
n——为从动轴的的转数
IV轴的计算转速为：
则有 (3.3)

查《机械设计基础》表11.19得
查《机械设计基础》表10.13“标准外齿轮的齿形系数”得：
当z=42时 所对应的外齿轮齿形系数
查《机械设计基础》表10.14“标准外齿轮的应力修正系数”得：
当z=42时 所对应的外齿轮的应力修正系数
查《机械设计基础》图11.24得：
查图11.25得：
查表11.9得： 因为
所以
经整理得：

取
于是轴IV齿轮的直径为
因为是渐开线标准直齿轮,所以V轴齿轮的模数也为m=4.
（3）校核齿轮
按齿根弯曲疲劳强度校核:
如果，则校核合格。
确定有关系数与参数：
①齿形系数 ； 查表11.12得
②应力修正系数 ；查表11.13得
③许用弯曲应力
由图11.24查得
由表11.9查得
由图11.25查得
由式

可得

故

齿根弯曲强度校核合格.
④验算齿轮的圆周速度

查表可知,选8级精度是合适的.
3.2.2 斜齿轮设计
（1）选择齿轮材料及精度等级:
按表查得选择齿轮的材料为
小齿轮选用45钢调质，硬度为220-150HBs；
大齿轮选用45钢正火，硬度为170-210HBs； 选8级精度，要求齿面粗糙度Ra≦3.2-6.3um。
（2）确定设计准则
由于为闭式齿轮传动,且两齿轮均为齿面硬度HBs小于等于350的软齿面,齿面点蚀是最主要的失效形式.应选按齿面接触疲劳强度进行设计计算,确定齿轮的主要参数和尺寸,然后再按弯曲疲劳强度校核齿根的弯曲强度
（3）按齿面接触疲劳强度设计
确定有关参数与系数:
①转矩
(3.3)

②荷系数
查《机械设计基础》表10.11“载荷系数K”得：K=1.1
③齿数,螺旋角和齿宽系数
小齿轮齿数取为30，大齿轮齿数是60
初选螺旋角=15°
④弹性系数
由表11.11查得
⑤许用接触应力[]
查《机械设计基础》由图11.23查得：

由表11.9查得
(3.4)

查图11.26得
由可得：

故

由表11. 3取标准模数为m=4.5
⑥确定中心距a螺旋角：

取中心距a=210mm
⑦主要尺寸计算：

取, 。
⑧按齿根弯曲疲劳强度校核
确定有关参数与系数：
a当量齿数：

b齿形系数
查表得：；
c应力修正系数
查表得：；
d许用弯曲应力
由图查得：

由表查得
由图查得：
由式：
可得：

故：

齿根弯曲强度校核合格.
⑨验算齿轮的圆周速度
(3.5)
由表得可知,选8级精度是合适的.
3.3 主轴传动设计
3.3.1 确定主轴最小直径
（1）选择轴的材料,确定许用应力
由已知条件可知此主轴箱传递的功率属中小功率,对材料无特殊的要求,故选45号钢并经调质处理,由《机械设计》一书中表16.1查得强度极限=637MPa,再由表16.3得许用弯曲应力。
（2）按扭转强度估算轴径
由式： (3.6)
考虑到主轴的最小直径处要安装联轴器,会有键槽存在.故需要将估算直径加大.设计手册取标准直径
3.3.2 主轴最佳跨距的确定
主要参数工件最大直径车床，功率.求轴承刚度，考虑机械效率，主轴最大输出转距：
床身上最大加工直径约为最大回转直径的60%,取50%即,
切削力：
背向力：
故总的作用力：
次力作用于顶在顶尖间的工件上主轴尾架各承受一半,
故主轴轴端受力为：
先假设：
前后支撑分别为：

根据：

。
3.3.3 主轴刚度的校核
前支承为双列圆柱滚子轴承，后支承为双列圆柱滚子轴承

当量外径

主轴刚度：由于
故根据式（10-8）

对于机床的刚度要求，取阻尼比
当v=50m/min,s=0.1mm/r时,,
取：

计算 ：

可以看出，该机床主轴是合格的.
3.4 带传动设计
电动机转速,传递功率,传动比，
[1]确定计算功率 取，则
(3.7)
[2]选取V带型
根据小带轮的转速和计算功率，选B型带。
[3]确定带轮直径和验算带速
查表小带轮基准直径,
验算带速成 (3.8)
其中 -小带轮转速，r/min；
-小带轮直径，mm；
,合适
[4]确定带传动的中心距和带的基准长度
设中心距为,则 ：
于是：,
初取中心距为：
带长：

查表取相近的基准长度，
。
带传动实际中心距

[5]验算小带轮的包角
一般小带轮的包角不应小于。
。合适。
[6]确定带的根数
(3.9)
其中：P 时传递功率的增量；
-按小轮包角，查得的包角系数；
-长度系数；
为避免V型带工作时各根带受力严重不均匀，限制根数不大于10。

[7]计算带的张紧力
(3.10)
其中： -带的传动功率,KW；
v-带速,m/s；
q-每米带的质量，kg/m；取q=0.17kg/m。
v = 1440r/min = 9.42m/s。

[8]计算作用在轴上的压轴力
(3.11)
3.5 滚珠螺母丝杠
3.5.1 滚珠丝杠副的种类与结构
滚珠丝杠螺母副：是回转运动与直线运动相互转换的传动装置，在数控机床进给系统中一般采用滚珠丝杠副来改善摩擦特性。
工作原理是：当丝杠相对于螺母旋转时，两者发生轴向位移，而滚珠则可沿
3.5.2 内循环式
内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触。如图3。在螺母的侧面孔内，装有接通相邻滚道的反向器，利用反向器引导滚珠越过丝杠的螺纹顶部进入相邻滚道，形成一个循环回路。一般在同一螺母上装有2—4个反向器，并沿螺母圆周均匀分布。
优缺点：滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小，但制造精度要求高。

图3.3 内循环示意图 1—凸键；2、3—反向键；
3.5.3 外循环式
外循环方式的滚珠在循环反向时，离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外做循环运动。如图3.4，（a）为螺旋槽式外循环（b）为插管式外循环。
优缺点：结构简单、制造容易、但径向尺寸大，且弯管两端耐磨性和抗冲击性差。

图3.4 外循环示意图
（a）螺旋槽式：1—套筒；2—螺母；3—滚珠；4—挡珠器；5—丝杠
（b）插管式：1—弯管；2—压板；3—丝杠；4—滚珠；5—滚道
3.5.4 滚珠丝杠副的结构参数
滚珠丝杠副的主要参数有：公称直径D、导程L和接触角β。
公称直径D：是指滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆柱直径。它与承载能力直接有关，常用范围为30—80 mm，一般大于丝杠长度的1/35—1/30。
2）导程L：导程的大小要根据机床加工精度的要求确定，精度高时，导程小一些；精度低时，导程大些。但导程取小后，滚珠直径将取小，使滚珠丝杠副的承载能力下降；若滚珠直径不变，导程取小后，螺旋升角也小，传动效率将下降。因此，一般地，导程数值的确定原则是：在满足加工精度的条件下尽可能取得大一些。
3.5.5 滚珠丝杠副的结构特点
1）摩擦因素小，传动效率高。滚珠丝杠副的传动效率可达0.92—0.96，比常规的丝杠螺母副提高3—4倍。因此，功率消耗只相当于常规丝杠的1/4—1/3。
2）可预紧消隙。给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的间隙，反向运动时无死区，定位精度高，刚度好。
3）运动平稳，低速时不易出现爬行现象，传动精度高。
4）运动具有可逆性。可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母均可以作为主动件。
5）磨损小，使用寿命长。
6）所需传动转矩小。
7）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度要求也高，故制造成本高。
8）不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于处于重惯性力的作用，常需添加辅助制动装置。
3.5.6 滚珠丝杠副的安装支撑方式
为提高传动刚度，滚珠丝杠合理的支撑结构及正确的安装很重要一般采用高刚度的止推轴承支撑结构，以提高滚珠丝杠的轴向承载能力。

图3.5 支承方式
（a）一端装止推轴承（固定-自由式）。其承载能力小，轴向刚度低，仅适用于短丝杠，如用于数控机床的调整环节或升降台式数控机床的垂直坐标中。
（b）一端装止推轴承，另一端装深沟球轴承（固定-支承式）。当滚珠丝杠较长时，一端装止推轴承固定，另一端由深沟球轴承支承。为了减小丝杠热变的影响，止推轴承的安装位置应远离热源（如液压马达）。
（c）两端装止推轴承
将止推轴承装在滚珠丝杠的两端，并施加预紧拉力，有助于提高传动刚度。但这种安装方式对热伸长较为敏感。
（d）两端装双重止推轴承及深沟球轴承（固定-固定式）
为了提高刚度，丝杠两端采用双重支承，如止推轴承和深沟球轴承，并施加预紧拉力。这种结构形式，可使丝杠的热变形能转化为止推轴承的预紧力。

4 变速箱的设计
4.1 运动部分计算
4.1.1 参数确定的步骤和方法
(1)极限切削速度umax﹑umin
根据典型的和可能的工艺选取极限切削速度要考虑：工序种类 ﹑工艺要求 刀具和工件材料等因素。允许的切速极限参考值如《机床主轴变速箱设计指导书》。然而，根据本次设计的需要选取的值如表4.1。
表4-1 计参数选取表
加工条件
umax=300m/min
umin=8m/min
硬质合金刀具粗加工铸铁件

30～50
硬质合金刀具半精或精加工碳钢工件
150～300

螺纹（丝杠等）加工铰孔

3～8

(2)主轴的极限转速
计算车床主轴的极限转速时的加工直径，按经验分别取（0.1～0.2）D和（0.45～0.5）D。由于D=630mm，则主轴