CA6140型车床螺纹进给传动系统数字化建模设计.docx
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CA6140型车床螺纹进给传动系统数字化建模设计
摘要
CA6140型普通车床广泛应用于现代机械制造加工领域各方面，是产量最大、使用最广的机床。
分析CA6140型普通车床的传动系统时，应根据被加工工件的形状确定机床需要那些运动，实现各个运动的执行件和运动源是什么，进而分析机床需要有那些传动链。
首先找到传动链所联系的两个端件（运动源和某一执行件，或者一个执行件和另一个执行件），然后按照运动传递顺序从一个端件向另一个端件依次分析各传动轴之间的传动结构和运动传递关系，查明该传动链的传动路线以及变速，换向，接通和断开的工作原理。
CA6140车床包括以下几个传动链：
主运动传动链、车螺纹传动链、机动进给运动传动链和刀架快速运动传动链。
近几年来，CA6140车床的各项技术发展较快，唯有进给机构变化较小，研究车床进给传动系统对于开发出性能价格比更好、适销对路的车床具有重要意义。
关键词：
车床、车螺纹、变速系统、传动系统。
第一章绪论
1.1CA6140车床简介
车床是一种应用极为广泛的金属切削机床，主要用于加工各种回转表面（内外圆柱面、圆锥表面、成型回转表面等），回转体的端面、螺纹等，能够车削外圆、内圆、端面、螺纹、螺杆，车削定型表面，并可用钻头、铰刀等进行加工。
车床的类型很多，主要有卧式车床、立式车床、转塔车床和仿形车床等。
卧式车床主要由床身、主轴变速箱、挂轮箱、进给箱、溜板箱、溜板与刀架、尾架、光杠和丝杠等部分组成，如图3-1所示。
车床的主运动为工件的旋转运动，它是由主轴通过卡盘或顶尖带动工件旋转，其承受车削加工时的主要切削功率。
车削加工时，应根据被加工工件材料、刀具种类、工件尺寸、工艺要求等来选择不同的切削速度。
这要要求主轴能在相当大的范围内调速，对于卧式车床，调速范围一般大于70。
车削加工时，一般不要求反转，但在加工螺纹时，为避免乞乱扣，要反转退刀，再纵向进刀继续加工，这就要求主轴具有正、反转。
车床的进给运动是溜板带动刀架的纵向或横向直线运动。
其运动方式有手动或机动两种。
加工螺纹时，工件的旋转速度与刀具的进给速度应有严格的比例关系。
为此，车床溜板箱与主轴箱之间通过齿轮传动来连接，而主运动与进给运动由一台电动机拖动。
车床的辅助运动有刀架的快速移动，尾架的移动以及工件的夹紧与放松等。
车床通常由一台主电动机拖动，经由机械传动链，实现切削主运动和刀具进给运动的输出，其运动速度由变速齿轮箱通过手柄操作进行切换。
刀具的快速移动、冷却泵和液压泵等，常采用单独电动机驱动。
不同型号的车床，其主电动机的工作要求不同，因而由不同的控制电路构成，但是由于卧式车床运动变速是由机械系统完成的，且机床运动形式比较简单，因此相应的控制电路也比较简单。
普通车床的运动形式主要有两种：
一种是主运动，是指安装在主轴箱中的主轴带动工件的旋转运动；另一种是进给运动，是指溜板箱带动溜板和刀架带动刀具的直线运动。
刀具安装在刀架上，与溜板一起随溜板箱沿主轴轴线方向实现进给移动，主轴的传动和溜板箱的移动均由主电动机驱动。
由于加工的工件比较大，加工时其转动惯量也比较大，使得需停车时不易立即停止转动，因而必须有停车制动的功能。
较好的停车制动是采用电气制动。
在加工的过程中，还需提供切削液，并且为减轻工人的劳动强度和节省辅助工作时间，要求带动刀架移动的溜板箱能够快速移动。
CA6140车床型号的意义如下：
CA6140为我国自行设计制造的新型号普通车床，其主要结构及运动形式具有性能优越、结构先进、操作方便和外形美观等优点。
下图是CA6140型普通车床的外形图。
CA6140型普通车床外形图
１－主轴箱；２－纵溜板；３－横溜板；４－转盘；５－方刀架；６－小溜板；７－尾座；８－床身；９－右床座；１０－光杠；１１－丝杠；１２－溜板箱；１３－左床座；１４－进给箱；１５－挂轮架；１６－操纵手柄
CA6140型普通车床主要由床身、主轴箱、进给箱、溜板箱、刀架、丝杠、光杠、尾架等部分组成。
车床的切削运动包括卡盘带动工件旋转的主运动和刀具的直线进给运动。
车削速度是指工件与刀具接触点的相对速度。
根据工件的材料性质、车刀材料及几何形状、工件直径、加工方式及冷却条件的不同，要求主轴有不同的切削速度。
主轴变速是由主轴电动机经皮带传递到主轴变速箱来实现的。
CA6140型车床的主轴正转速度有24种（10～1400r/min），反转速度有12种（14～1580r/min）。
车床的进给运动是刀架带动刀具的直线运动。
溜板箱把丝杠或光杠的转动传递给刀架部分，变换溜板箱外的手柄位置，经刀架部分使车刀做纵向或横向进给。
车床的辅助运动为机床上除切削运动以外的其他一切必需的运动，如尾架的纵向移动，工件的夹紧与放松等。
车床工作时，绝大部分功率消耗在主轴运动上，因此对电力拖动的控制提出以下要求：
⑴主拖动电动机从经济性、可靠性考虑，一般选用笼型三相异步电动机，不进行电气调速（为满足调速要求，采用机械变速）。
⑵采用齿轮箱进行机械有级调速。
为减小振动，主拖动电动机通过几条三角皮带将动力传递到主轴箱。
⑶为车削螺纹，主轴要求有正、反转。
其正、反转的实现，可由主拖动电动机正、反转或采用机械方法来达到目的。
对小型普通车床，一般采用电动机正、反转控制；对于中型普通车床（主拖动电动机容量较大），主轴正、反转则一般采用多片磨擦离合器来实现（电动机只作单向旋转）。
⑷主拖动电动机的启动、停止采用按钮操作。
一般中小型电动机均采用直接启动（当电动机容量较大时，常用
减压起动）。
停车时为实现快速停车，一般采用机械或电气制动。
⑸刀架移动和主轴转动有固定的比例关系，以便满足对螺纹加工的需要。
这由机械传动保证，对电气方面无任何要求。
⑹车削加工时，刀具及工件温度过高，有时需用冷却液进行冷却，因而应该配有冷却泵电动机拖动冷却泵输出冷却液，且冷却泵电动机与主轴电动机有着联锁关系，即要求在主拖动电动机启动后，冷却泵方可选择启动与否，而当主拖动电动机停止时，冷却泵应立即停止。
⑺为实现溜板箱的快速移动，由单独的快速移动电动机拖动，采用点动控制。
⑻必须有过载、短路、失压和欠压保护。
⑼具有安全可靠的局部照明和信息指示装置。
CA6140型卧式车床的主要技术参数如下表所示。
CA6140型卧式车床的主要技术参数
项目
单位
技术参数
项目
单位
技术参数
最大加工直径
在床身上
mm
400
主轴内孔锥度
―
6号
在刀架上
mm
210
主轴转速范围
r/mm
10～1400（24级）
棒料
mm
46
进给量范围
纵向
mm/r
0.28～6.33（64级）
最大加工长度
mm
650、900、1400、1900
横向
mm/r
0.014～3.16（64级）
中心高
mm
205
加工螺
纹范围
公制
mm
11～92（44种）
顶尖距
mm
750、1000、1500、2000
英制
牙/in
2～24（20种）
刀架最大行程
纵向
mm
650、900、1400、1900
模数
mm
0.25～48（39种）
横向
mm
320
径节
牙/in
1～97（37级）
刀具溜板
mm
140
主电机功率
kW
7.5
1.2CA6140车床车螺纹传动链概述
为了便于了解和分析机床的传动情况，通常要应用传动系统图。
传动系统图是指将传动原理图所表达的传动关系用一种简单的示意图表达出来的图形。
传动系统图一般画在一个能反映机床外形和各主要部件相互位置的投影面上，并尽可能绘制在机床外形的轮廓线内。
在图中，各传动元件是按照运动传递的先后顺序以展开图的形式画出来的。
对于展开后失去联系的传动副，要用大括号或虚线连接起来，以表示它们的传动联系。
在图中还须标出齿轮及涡轮的齿数、带轮直径、丝杠的导程和头数、电动机的转速和功率以及传动轴的编号等。
分析传动系统时应先找到传动链的两个末端件，然后按照运动传递或联系顺序，依次分析各传动轴之间的传动结构和运动传递关系。
CA6140型卧式车床的传动系统有主运动、进给运动和辅助运动等运动。
其中，主运动是工件的旋转运动；进给运动有一般进给运动和螺纹进给运动两种，一般进给运动包括刀具的横向进给运动和纵向进给运动，螺纹进给运动是由工件与刀具组成的复合进给运动；辅助运动有刀架的快速移动等。
由于CA6140型卧式车床的三种运动，相应的传动链有主运动传动链、进给运动传动链和快速移动传动链等，本文重点介绍进给运动传动链。
车削圆柱面和端面时，进给运动传动链是外联系传动链，进给量以主轴每旋转一周刀架的移动量计算；车螺纹时，进给运动传动链是内联系传动链，主轴每旋转一周刀架的移动量应等于加工螺纹的导程。
因此，分析进给运动传动链时，一般把主轴和刀架作为其两个末端件。
运动从主轴传至进给箱后，从进给箱传出的运动分为两条路线：
一条路线是经丝杠XIX和溜板箱带动刀架纵向运动，这是车削螺纹传动链；另一条路线是经光杠XX和溜板箱带动刀架作纵向或横向的机动进给，这是进给传动链。
车螺纹时，主轴和刀架之间有严格的运动关系，传动链属于内联系传动链；车圆柱面和端面时，主轴和刀架之间无严格运动关系，属于外联系传动链。
CA6140的螺纹进给传动链任务：
①保证机床可车削公制、英制、模数和径节制四种标准螺纹；②还可以车削大导程（螺距）；③非标准；④较精密的螺纹。
这些螺纹可以是右旋的，也可以是左旋的。
螺纹种类
螺距参数
螺距/mm
导程
公制
螺距P/mm
P
L=kP
模数制
模数m/mm
英制
每英寸牙数a/（牙*in-1）
径节制
径节DP/（牙*in-1）
卧式车床传统的进给传动主要有双轴滑移和三轴滑移两种形式。
所谓双轴滑移和三轴滑移都是针对进给箱的基本组而言。
无论是双轴滑移和三轴滑移都有各自的优点，双轴滑移进给传动的优点是:
结构可靠,操纵较方便,螺纹种类齐全。
缺点是:
基本组操纵机构复杂,制造、装配比较困难;传动件数量较多。
三轴滑移进给传动的优点是:
用少量的齿轮就可以得到较多的传动比,加工公制和英制螺纹时不必变换主、被动轴,构造简单,传动链刚性好。
缺点是:
螺纹种类相对较少;操纵机构复杂,如将两只双联滑移齿轮集中操纵,设计上难度大,如分开操纵,操作不方便,且需要两套操纵机构,成本也较高。
双轴滑移、三轴滑移进给传动系统中,一些特殊的英制螺纹利用搭配挂轮来实现。
第二章螺纹进给传动系统设计
2.1螺纹进给传动机构
CA6140型卧式车床进给箱又叫走刀箱，它固定在床身左前面，内装有进给变速机构，用来变换进给量和各种螺纹的导程，进给运动链使刀架实现纵向或横向的进给运动及变速换向。
进给链从主轴起经换向机构、挂轮、进给箱，再经光杠或丝杠，溜板箱最后至纵溜板或横溜板。
电动机
主换向机构
主轴
刀架
车纵
挂轮
进给换向机构
丝杠
螺母
进给箱变速机构
转换机构
光杠
转换机构
图1-1CA6140普通车床传动原理图
普通车床的特有功能是车削一定范围内的各种螺纹，要求进给传动链的变速机构能严格准确地按照标准螺距数列来变化。
所以普通车床进给传动链的变速机构（包括挂轮和进给箱的变速机构）主要是依据各种螺纹的标准螺距数列的有要求，同时兼顾到以便车削的进给量范围来设计的。
车螺纹时，必须保证主轴每转一转，刀具准确移动被加工螺纹一个导程的距离，螺纹进给传动链的运动平衡式是：
其中：
u为从主轴到丝杠之
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