CA6140型卧式车床的优化传动系统设计

CA6140型卧式车床的传动系统图如图2-7所示。整个传动系统由主运动传动链、车螺纹传动链、纵向进给传动链、横向进给传动链及快速移动传动链组成。

1.主运动传动链

主运动传动链的两端件是电动机与主轴，它的功能是把动力源的运动及动力传给主轴，使主轴带动工件旋转，并满足卧式车床主轴变速和换向的要求。

（1）两端件：电动机—主轴。

（2）计算位移：所谓计算位移，是指传动链首末件之间相对运动量的对应关系。CA6140型卧式车床的主运动传动链是一条外联系传动链，电动机与主轴各自转动时运动量的关系为各自的转速，即1 450 r/min（主电动机）—n r/min（主轴）。

（3）传动路线表达式为

主运动由电动机（7.5 kW，1 450 r/min）经V带传动轴I而输入主轴箱。轴I上安装有双向多片式摩擦离合器M1，以控制主轴的起动、停转及旋转方向。M1左边摩擦片结合时，空套的z51、z56双联齿轮与轴I一起转动，通过两对齿轮副带动轴Ⅱ实现主轴正转。右边摩擦片结合时，由z50与轴I一起转动，z50通过轴Ⅶ的z34带动轴Ⅱ上的z30实现主轴反转。当两边摩擦片都脱开时，则轴Ⅰ空转，此时主轴静止不动。轴Ⅱ的运动通过轴Ⅱ—Ⅲ之间的三对传动副带动轴III。轴III的运动可由两种传动路线传至主轴，当主轴（轴VI）的滑移齿轮z50处于左边位置时，轴III的运动直接由齿轮z63传至与主轴用花键连接的滑移齿轮z50，从而带动主轴以高速旋转；当主轴（轴VI）的滑移齿轮z50右移，脱开与轴III上齿轮z63的啮合，并通过其内齿轮与主轴上齿轮z58左端齿轮啮合（即M2结合）时，轴III的运动经轴III—IV间及轴IV—V间两组双联滑移齿轮变速机构传至轴V，再经齿轮副使主轴获得中、低转速。

（4）主轴转速级数。由传动系统图和传动路线表达式可以看出，主轴正转时，适用各滑动齿轮轴向位置的各种不同组合，主轴共可得2×3×（1+2×2）=30种转速，但由于轴Ⅲ—Ⅴ间的四种传动比为

其中u2≈u3，轴Ⅲ—Ⅴ间只有3种不同传动比，故主轴正转的实际级数为2×3×（2×2-1）=18，加上经齿轮副直接传动时的6级转速，主轴共可获得24级正转转速。

同理可以算出主轴的反转转速级数为3×（1+3）=12级。

（5）运动平衡式。主运动的运动平衡式为

式中：n主——主轴转速，r/mm；

　　　ε——V带传动的滑动系数，近似取ε=0.02；

　　　uⅠ—Ⅱ、uⅡ—Ⅲ、uⅢ—Ⅵ——分别为轴Ⅰ—Ⅱ、Ⅱ—Ⅲ、Ⅲ—Ⅵ间的传动比。

主轴各级转速的数值，可根据主运动传动路线表达式列出运动平衡式求出。例如，主轴的最低转速为

主轴的最高转速为

主轴反转通常不用于切削，而是用于车螺纹，在完成一次车削后使车刀沿螺纹线退回，防止下一次车削时发生乱扣现象。为了节省退回时间，主轴反转的转速比较高。

2.车螺纹进给传动链

CA6140型卧式车床可车削米制、英制、模数制和径节制四种标准螺纹；另外还可以加工扩大导程螺纹、非标准和较精密的螺纹；这些螺纹可以是左旋的，也可以是右旋的。

1）车削米制螺纹

米制螺纹是应用最广泛的一种螺纹，在加工螺纹时，应满足主轴带动工件旋转一圈，刀架带动刀具轴向进给所加工螺纹的一个导程。国家标准规定了米制螺纹的标准导程，表2-1列出了CA6140型卧式车床能车制的常用导程值。

表2-1　米制螺纹的标准导程　（单位：mm）

从表2-1中可以看出，每一行的导程组成等差数列，行与行之间，即列成等比数列，在车削米制螺纹的传动链中设置的换置器应能将标准螺纹加工出来，并且满足传动链尽量简便的要求。

（1）两端件：主轴—刀架（丝杠）。

（2）计算位移：主轴转一圈—刀架移动所加工螺纹的一个导程L。

（3）传动路线表达式如下。车削米制螺纹时，进给箱中离合器M3、M4脱开，M5结合（参见图2-7）。运动由主轴VI经齿轮副至轴IX，再经或者传至轴X，其中加工右旋螺纹，用来加工左旋螺纹，由轴IX、轴XI和轴X及轴上传动装置组成的传动机构称为三星轮换向机构，所谓换向是指变换所加工螺纹的旋向。轴X经传至轴XIII，M3脱开由齿轮副传到轴XIV，由轴XIV经齿轮副传至轴XV，由轴XIV、轴XV及轴上传动装置组成的传动机构称为双轴滑移变速机构，其传动比若从小到大写出为

若不考虑，其余的6个传动比组成一个等差数列，是获得螺纹导程的基本机构，称为基本组，其传动比用u基表示。运动由轴XV经传至轴XVI，由轴XVI经传至轴XVII，又经传至轴XVIII。由轴XVI、XVII和XVIII及轴上传动装置组成的机构称为三轴滑移变速机构，其传动比为

其值组成等比数列，公比为2，用来配合基本组，扩大车削螺纹的螺距值大小，故其称为增倍机构或增倍组，其传动比值用u倍表示。其传动路线表达式为

（4）运动平衡式表述如下。主轴转1圈，刀架移动L mm，则运动平衡式为

式中：L——螺纹导程，mm；

　　　P——螺纹螺距，mm；

　　　k——螺纹头数；

　　　u基——轴XIII—XIV间基本螺距机构的传动比；

　　　u倍——轴XV—XVII间增倍机构传动比。

将上式化简后可得

该式称为CA6140型卧式车床加工米制螺纹的置换公式。可见，适当地选择u基和u倍的值，就可得到被加工螺纹的各种导程L值。

例2.1 欲在CA6140型卧式车床上加工一左旋米制螺纹，其螺纹的螺距P=1.75 mm，螺纹线数n=2，问能否加工？若能加工，其u基、u倍各为多少，并写出加工此螺纹时主轴至刀架的具体传动路线。

解：将螺距P=1.75，线数n=2转换成被加工螺纹的导程，即

根据换置公式L=7u基u倍（mm），看是否可取到合适的u基、u倍使等式成立，若能，说明螺纹能加工，若不能，则说明不能加工。

若取代入公式L=7u基u倍，得到：3.5 mm，等式两边相等，说明此螺纹能在CA6140型卧式车床上加工。因此在CA6140型卧式车床上加工此螺纹时，主轴至刀架的具体传动路线表达式为

（5）扩大导程路线加工米制螺纹。由加工米制螺纹的换置公式可知，在CA6140型卧式车床上用正常路线加工米制螺纹的最大导程是12 mm。当需要车削导程大于12 mm的螺纹时，可将轴Ⅸ上的滑移齿轮z58向右滑移，使之与轴Ⅷ上的齿轮z26啮合。这是一条扩大导程的传动路线，轴Ⅵ（主轴）与刀架之间的传动路线表达式为

从传动路线表达式可知，扩大螺纹导程时，主轴Ⅵ到轴Ⅸ的传动比有如下几种情况。

当主轴转速为40～125 r/min时，有

当主轴转速为10～32 r/min时，有

正常螺纹导程时，主轴Ⅵ到轴Ⅸ的传动比为

所以，通过扩大导程传动路线可将正常螺纹导程扩大4倍或16倍。CA6140型卧式车床车削大导程米制螺纹时，最大螺纹导程为192 mm。

需要说明的是，用扩大导程路线加工螺纹时，其扩大路线主轴Ⅵ至轴Ⅸ间所经过的Ⅴ—Ⅳ—Ⅲ这段路线是主运动传动路线的一部分。也就是说，主轴经过Ⅲ—Ⅳ—Ⅴ传动，当加工扩大导程螺纹时，主轴只能低速转动。(www.xing528.com)

2）车削模数螺纹

模数螺纹主要用于车削米制蜗杆，有时某些特殊丝杠的导程也是模数制的。模数螺纹用模数m表示导程的大小。米制螺纹的齿距为km，所以模数螺纹的导程为Lm=kπm，这里k为螺纹的头数。

加工模数制螺纹时的计算位移为：主轴一圈—刀架移动一个导程即Lm（mm）。

由于模数制螺纹标准的导程值与米制螺纹的标准导程值规律相同，所以采用的传动路线相同。但是模数制螺纹的导程中含有特别因子π，所以在车削模数螺纹时，只要将挂轮改用即可。其运动平衡式为

式中：Lm——模数螺纹导程，mm；

　　　m——模数螺纹的模数值，mm；

　　　k——螺纹头数。

将代入化简后得

上式为加工模数制螺纹的换置公式，改变u基与u倍就可以加工出一系列标准的模数制螺纹。

3）车削英制螺纹

英制螺纹在采用英制的国家如英国、美国和加拿大等应用较广泛。我国的部分管螺纹目前也采用英制螺纹。

英制螺纹以每英寸长度上螺纹牙数α来表示，α的单位为：牙/in。标准的α值也是一个分段的等差数列，段与段之间成等比数列。由于CA6140型卧式车床的丝杠是米制螺纹，被加工的英制螺纹也应换算成以毫米为单位的相应导程值，即加工英制螺纹时，英制螺纹螺距为

英制螺纹传动链的计算位移为：主轴转一圈，刀架移动螺纹的一个导程。因为α为分段等差数列，则1/α英寸就是一个分段的调和数列。段与段之间成等比，而且公比为2。将英制螺纹的导程与米制螺纹比较，须对米制螺纹传动路线作如下调整才能满足加工英制螺纹的要求。

（1）改变传动链中部分传动副的传动比，使其中包含特殊因子25.4。

（2）将基本组两轴的主、被动关系对调，以便使分母为等差级数。其余部分的传动路线与车削米制螺纹时相同，即传动比变成为和之外，就成为一个调和数列，从而满足加工Lα的要求。由此可知，加工英制螺纹的传动路线为：由轴Ⅵ（主轴）到轴XII与米制螺纹传动路线相同。进入进给箱后，M3结合，轴XII的运动传至轴XIV上，轴XIV经将运动传至轴XIII，轴XV左边的滑移齿轮z25向左滑移至与轴XIII的固定齿轮z36啮合，用使轴XIII传至轴XV，由轴XV至刀架与米制螺纹传动路线相同。其运动平衡式为

将代替（相对误差为0.000 6），得

将上式与英制传动链的计算位移联立，得

此式即为加工英制螺纹的换置公式。

在CA6140型卧式车床上改变u基和u倍，就可以加工标准的英制螺纹，同公制螺纹相同，若采用扩大导程的英制传动路线可加工较大导程的英制螺纹，也可以根据换置公式分析某一给定英制螺纹能否在CA6140型卧式车床上加工和其能加工时的具体传动路线。

4）车削径节螺纹

径节螺纹主要用于同英制蜗轮相配合，即为英制蜗杆，其是以径节DP（牙/in）来表示的。径节表示齿轮或蜗杆折算到1英寸分度圆直径上的齿数，即径节（z为齿数；D为分度圆直径，单位为英寸），所以径节螺纹的导程为

径节DP也是按分段等差数列的规律排列的，所以径节螺纹与英制螺纹导程的排列规律相似，即分母是分段等差数列，且导程中含有25.4 mm的因子，所不同的只是多一特殊因子π。因此，车削径节螺纹是在车削英制螺纹传动路线的基础上，将挂轮组更换为，以引入特殊因子π。车径节螺纹时的运动平衡式为

化简得

上式被称之为加工径节螺纹的换置方式，在CA6140型卧式车床上改变u基、u倍的值，就可以加工常用的24种径节螺纹。

5）车削非标准螺纹

非标准螺纹指的是螺纹导程值按正常螺纹路线或者扩大导程路线均得不到。这时将螺纹进给传动路线中的挂轮用替换；将离合器M3、M4和M5全部接合，使轴Ⅻ、轴ⅩⅣ、轴ⅩⅦ和丝杠连成一体，则运动由挂轮直接传到丝杠。被加工螺纹的导程L依靠选配挂轮组的齿轮齿数来得到。由于主轴至丝杠的传动路线大为缩短，从而减少了传动累积误差，加工出具有较高精度的螺纹。运动平衡式为

式中：L——非标准螺纹的导程，mm。

　　　u挂——挂轮组传动比。

化简后得换置公式为

由此可知，CA6140型卧式车床通过不同传动比的挂轮、基本组、增倍组，以及轴Ⅻ和轴ⅩⅤ上两个滑移齿轮z25的移动（通常称这两滑移齿轮及有关的离合器为移换机构）加工出四种不同的标准螺纹及非标准螺纹。表2-2列出了CA6140型卧式车床加工各种螺纹时的工作调整。

表2-2　CA6140型卧式车床车制各种螺纹的工作调整

3.机动进给传动链

CA6140型卧式车床作机动进给，主要是用来加工圆柱面和端面，为了减少螺纹传动链丝杠及开合螺母磨损，保证螺纹传动链的精度，机动进给传动链不用丝杠及开合螺母传动。其运动从主轴Ⅵ至进给箱轴XVII的传动路线与车削螺纹时的传动路线相同。轴XVII上的滑移齿轮z28处于左位，使M5脱开，从而切断进给箱与丝杠的联系。运动由齿轮副传至轴XIX（光杠），又由经由超越离合器M6、安全离合器M7传至轴XX（蜗杆轴），再经溜板箱中的传动机构，分别传至齿轮齿条机构和横向进给丝杠（轴XXVII），使刀架作纵向或横向机动进给运动。其传动路线表达式为

溜板箱中的双向牙嵌式离合器M8、M9和齿轮传副组成的两个换向机构，分别用于变换纵向和横向进给运动的方向。利用进给箱中的基本螺距机构和增倍机构，以及进给传动链的不同传动路线，可获得纵向和横向进给量各64种。以下以纵向进给传动为例，介绍不同的传动路线时进给量的计算。

（1）当进给运动经车削米制螺纹正常螺距的传动路线时，其运动平衡式为

式中：f纵——纵向进给量，mm/r。

化简后得

通过该传动路线，可得到0.88～1.22 mm/r的32种正常进给量。

（2）当进给运动经车削英制螺纹正常螺距的传动路线时，其运动平衡式为

化简后得

在u倍=1时，可得0.86～1.58 mm/r的8种较大进给量，u倍为其他值时，所得进给量与上述米制螺纹路线所得进给量重复。纵向机动进给量f纵的大小及相应传动机构的传动比见表2-3。

表2-3　纵向机动进给量f纵　（单位：mm/r）

（3）当主轴以10～125 r/min低速旋转时，可通过扩大螺距机构及英制螺纹路线传动，从而得到进给量为1.71～6.33 mm/r的16种加大进给量，以满足低速、大进给量强力切削和精车的需要。

（4）当主轴以450～1 400 r/min高速旋转时（其中500 r/min除外）将轴Ⅸ上滑移齿轮z58右移。主轴运动经齿轮副传至轴Ⅸ，再经米制螺纹路线传动（使用u倍=），可得到0.028～0.054 mm/r的8种细进给量，以满足高速、小进给量精车的需要。

横向进给量同样可通过上述4种传动路线传动获得，只是以同样传动路线传动时，横向进给量为纵向进给量的一半。

4.刀架的快速移动

刀架的快速移动是使刀具机动地快速退离或接近加工部位，以减轻工人的劳动强度和缩短辅助时间。当需要快速移动时，可按下快速移动按钮，装在溜板箱中的快速电动机（0.25 kW，2 800 r/min）的运动便经齿轮副传至轴XX，然后再经溜板箱中与机动进给相同的传动路线传至刀架，使其实现纵向和横向的快速移动。

为了节省辅助时间及简化操作，在刀架快速移动过程中光杠仍可继续传动，不必脱开进给传动链。这时，为了避免光杠和快速电动机同时传动轴XX而导致其损坏，在齿轮z56及轴XX之间装有超越离合器，即可避免二者发生的矛盾。