毕业设计金属切削机床主轴箱设计.doc

金属切削机床主轴箱设计Metal-cutting Machine Tool Spindle Box Design摘要作为主要的车削加工机床，CA6140机床广泛的应用于机械加工行业中，本设计主要针对CA6140机床的主轴箱入行设计，设计的内容主要有机床主要参数的确定，传动方案和传动系统图的拟定，对主要零件进行了计算和验算，利用三位画图软件入行了零件的设计和处理。关键词机床主轴；传动系统；传动组齿轮；轴承AbstractAs a major turning machine tool, CA6140 machine tool widely used in mechanical processing industry, the design of the main spindle of machine tools for the CA6140 entry box design, design the contents of the main tools to determine the main parameters, transmission programs and drive system diagram of the formulation, the main components were calculated and checking, using drawing software, entry of the three parts of the design and processing.KeywordsMachine tool spindle；Transmission；Drive Unit Gear；bearing目录绪论11.运动设计41.1已知条件41.2结构分析式41.3 绘制转速图51.4 绘制传动系统图82.动力设计92.1 确定各轴转速92.2 带传动设计92.3 各传动组齿轮模数的确定和校核113. 齿轮强度校核：143.1校核a传动组齿轮143.2 校核b传动组齿轮153.3校核c传动组齿轮164. 主轴挠度的校核184.1 确定各轴最小直径184.2轴的校核185. 主轴最佳跨距的确定205.1 选择轴颈直径,轴承型号和最佳跨距205.2 求轴承刚度206. 各传动轴支撑处轴承的选择227. 主轴刚度的校核237.1 主轴图:237.2 计算跨距23结束语25参考文献26绪论造的发展速度是很快的。由原先的只为满足加工成形而要求刀具与工件间的某些相对运动关系和零件的一定强度和刚度，发展至今日的高度科学技术成果综合应用的现代机床的设计，也包括计算机辅助设计（CAD）的应用。但目前机床主轴变速箱的设计还是以经验或类比为基础的传统（经验）设计方法。因此，探索科学理论的应用，科学地分析的处理经验，数据和资料，既能提高机床设计和制造水平，也将促进设计方法的现代化。随着科学技术的不断发展，机械产品日趋精密、复杂，改型也日益频繁，对机床的性能、精度、自动化程度等提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程自动化是实现上述要求的重要技术措施之一，不仅能提高产品质量和生产率，降低生产成本，还能改善工人的劳动条件。为此，许多企采用自动机床、组合机床和专用机床组成自动或半自动生产线。但是，采用这种自动、高效的设备，需要很大的初期投资以及较长的生产准备周期，只有在大批量的生产条件（如汽车、拖拉机、家用电器等工业主要零件的生产）下、才会有显著的经济效益。 在机械制造工业中，单件、小批量生产的零件约占机械、加工的70%80%。科学技术的进步和机械产品市场竞争的日益激烈，致使机械产品不改型、更新换代、批量相对减少，质量要求越来越高。采用专用的自动化机床加工这类零件就显得横不合理，而且调整或改装专用的“刚性”自动化生产线投资大、周期长，有时从技术上甚至是不可能实现的。采用各类仿型机床，虽然可以部分地解决小批量复杂的加工，但在更新零件时需制造靠模和调整机床，生产准备周期长，而且由于靠模误差的影响，加工零件的精度很难达到较高的要求。为了解决上述问题，满足多品种、小批量，特别是结构复杂、精度要求高的零件的自动化生产，迫切需要一种灵活的、通用的、能够适于产品频繁变化“柔性”自动化机床。随着计算机科学技术的发展，1952年，美国帕森斯公司（Parsons）和麻省理工学院（MIT）合作，研制成功里世界上第一台以数字计算机为基础的数字控制（numerical control，简称NC）3坐标直线插补铣床，从而机械制造业进入了一个新阶段。同时，在设计中处处实际出发，分析和处理问题是至关重要的。从大处讲，联系实际是指在进行机床工艺可能性的分析。参数拟定和方案确定中，既要了解当今的先进生产水平和可能趋势。更应了解我国实际生产水平，使设计的机床，机器在四化建设中发挥最佳的效盖。从小处讲，指对设计的机床零部件的制造，装配和维修要进行认真的，切实的考虑和分析，综合思考的设计方法。 1.计算机数控的概念(1)数字控制的概念1.GB 8129-1997中对NC的定义为：用数值数据的控制装置，在运行过程中不断地引入数值数据，从而对某一生产过程实现自控制，(2)数控机床（NC machine tools）若机床的操作命令以数值数据的形式描述，工作过程按照规定的程序自动地进行，则这种机床称为数控机床。(3)数控系统在数控机床行业中，数控系统是指计算机数字控制装置、可编程序控制器、进给驱动与主轴驱动装置等相关设备的总称。有时则指其中的计算机数字控制装置。为区别起见将其中的计算机数字控制装置称数控装置。2.计算机数控的发展从第一台数控机床问世至今的40多年中，随着微电子技术的不断发展，数控装置也在不断地更新换代，先后经历里电子管（1952年）、小规模集成电路（1965年）、大规模集成电路及小型计算机（1970年）和微处理计算机（1974年）等五代数控系统。前三代数控装置属于采用专用控制计算机的硬接线（硬件）数控装置，一般称为NC数控装置。20世纪70年代初，随着计算机技术的发展，小型计算机的价格急剧下降，出现了采用小型计算机代替专用硬件控制计算机的第四代数控系统。这种数控系统不仅在经济上更为合算，而且许多功能可用编制的专用程序实现，并可将专用程序存储在小型计算机的存储器中，构成控制软件。这种数控系统称为计算机数控系统（computerized numerical control，即CNC）。自1974年开始，以微处理机为核心的数控装置（microcomputerized numerical control，即MNC）得到迅速的发展。CNC和MNC称为软接线（软件）数控系统。由于NC硬件数控系统早已淘汰，而目前软件数控系统均采用MNC，因此将现代数控系统称为CNC。3. 我国数控机床现况我国研究数控技术源于1958年，几十年来经过了发展、停滞、引进技术等几个阶段。1985年以后，我国的数控机床在引进、消化国外技术的基础上，进行了大量的开发工作。到1989年底，我国数控机床的可供品种已超过300种，一些较高档次的数控系统，如五轴联动的数控系统、分辨率为0.O2um的高精度车床用数控系统、数字仿真的数控系统、为柔性制造单元配套的数控系统，也陆续开发出来，并制造出了样机。我国数控系统在技术上已趋于成熟，在重大关键技术上(包括核心技术)，已达到国外先进水平。目前，已新开发出数控系统80种。自“七五”以来，国家一直把数控系统的发展作为重中之重来支持，现已开发出具有中国版权的数控系统，掌握了国外一直对我国封锁的一些关键技术。例如，曾长期困扰我国、并受到西方国家封锁的多坐标联动技术对我们已不再是难题，0.1 m当量的超精密数控系统、数控仿形系统、非圆齿轮加工系统、高速进给数控系统、实时多任务操作系统都已研制成功。尤其是基于PC机的开放式智能化数控系统，可实施多轴控制，具备联网进线等功能，既可作为独立产品，又是一代开放式的开发平台，为机床厂及软件开发商二次开发创造了条件。我国数控机床市场广阔,自2003年开始，中国就成了全球最大的机床消费国，也是世界上最大的数控机床进口国,虽然我们已经取得不可否认的成就, 但我国数控机床核心技术90%仍需进口, 我们只有紧跟先进技术进步的大方向，并不断创新，才能赶超世界先进水平。1.运动设计1.1已知条件1确定转速范围：主轴最小转速。2确定公比：3转速级数：1.2结构分析式 3 从电动机到主轴主要为降速传动，若使传动副较多的传动组放在较接近电动机处可使小尺寸零件多些，大尺寸零件少些，节省材料，也就是满足传动副前多后少的原则，因此取方案。在降速传动中，防止齿轮直径过大而使径向尺寸常限制最小传动比 ；在升速时为防止产生过大的噪音和震动常限制最大转速比。在主传动链任一传动组的最大变速范围。在设计时必须保证中间传动轴的变速范围最小， 根据中间传动轴变速范围小的原则选择结构网。从而确定结构网如下：图1-1 传动系统的结构网检查传动组的变速范围时，只检查最后一个扩大组： 其中， 所以 ，合适。1.3 绘制转速图(1)选择电动机一般车床若无特殊要求，多采用Y系列封闭式三相异步电动机，根据原则条件选择Y-132M-4型Y系列笼式三相异步电动机。(2)分配总降速传动比 总降速传动比 又电动机转速不符合转速数列标准，因而增加一定比传动副。(3)确定传动轴轴数 传动轴轴数 = 变速组数 + 定比传动副数 + 1 = 3 + 1 + 1 = 5。(4)确定各级转速并绘制转速图 由 z = 12确定各级转速：1400、1000、710、500、355、250、180、125、90、63、45、31.5r/min。在五根轴中，除去电动机轴，其余四轴按传动顺序依次设为、。与、与、与轴之间的传动组分别设为a、b、c。现由（主轴）开始，确定、轴的转速：先来确定轴的转速传动组c 的变速范围为，结合结构式，轴的转速只有一和可能：125、180、250、355、500、710r/min。 确定轴的转速传动组b的级比指数为3，希望中间轴转速较小，因而为了避免升速，又不致传动比太小，可取 ，轴的转速确定为：355、500、710r/min。确定轴的转速对于轴，其级比指数为1,可取 ，确定轴转速为710r/min。由此也可确定加在电动机与主轴之间的定传动比。下面画出转速图（电动机转速与主轴最高转速相近）。(5)确定各变速组传动副齿数图1-2 传动系统的转速图传动组a查表8-1, ，时：57、60、63、66、69、72、75、78时：58、60、63、65、67、68、70、72、73、77时：58、60、62、64、66、68、70、72、74、76可取72,于是可得轴齿轮齿数分别为：24、30、36。于是，可得轴上的三联齿轮齿数分别为：48、42、36。传动组b查表8-1, ，时：69、72、73、76、77、80、81、84、87时：70、72、74、76、78、80、82、84、86可取 84，于是可得轴上两联齿轮的齿数分别为：22、42。于是 ，得轴上两齿轮的齿数分别为：62、42。传动组c查表8-1,时：84、85、89、90、94、95时： 72、75、78、81、84、87、89、90可取 90.为降速传动，取轴齿轮齿数为18；为升速传动，取轴齿轮齿数为30。于是得,得轴两联动齿轮的齿数分别为18，60；得轴两齿轮齿数分别为72，30。1.4 绘制传动系统图根据轴数，齿轮副，电动机等已知条件可有如下系统图： 图1-3传动统图2.动力设计2.1 确定各轴转速 (1)确定主轴计算转速主轴的计算转速为:(2)各传动轴的计算转速 轴可从主轴90r/min按72/18的传动副找上去，轴的计算转速125r/min；轴的计算转速为355r/min；轴的计算转速为710r/min。(3)各齿轮的计算转速传动组c中，18/72只需计算z = 18 的齿轮，计算转速为355r/min；60/30只需计算z = 30的齿轮，计算转速为250r/min；传动组b计算z = 22的齿轮，计算转速为355r/min；传动组a应计算z = 24的齿轮，计算转速为710r/min。(4)核算主轴转速误差所以合适。2.2 带传动设计电动机转速n=1440r/min,传递功率P=7.5KW,传动比i=2.03，两班制，一天运转16.1小时，工作年数10年。(1)确定计算功率 取1.1，则(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055（）a2（）于是 208.45a758,初取中心距为400mm。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 其中： -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 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 2.3 各传动组齿轮模数的确定和校核(1)模数的确定：a传动组：分别计算各齿轮模数先计算24齿齿轮的模数：其中: -公比 ； = 2； -电动机功率； = 7.5KW； -齿宽系数； -齿轮传动许允应力; -计算齿轮计算转速。 取= 600MPa,安全系数S = 1。 由应力循环次数选取 ，取S=1。 取m = 4mm。按齿数30的计算，可取m = 4mm；按齿数36的计算，, 可取m = 4mm。于是传动组a的齿轮模数取m = 4mm，b = 32mm。轴上齿轮的直径： 。轴上三联齿轮的直径分别为： b传动组： 确定轴上另两联齿轮的模数。 按22齿数的齿轮计算： 可得m = 4.8mm； 取m = 5mm。按42齿数的齿轮计算： 可得m = 3.55mm；于是轴两联齿轮的模数统一取为m = 5mm。于是轴两联齿轮的直径分别为： 轴上与轴两联齿轮啮合的两齿轮直径分别为： c传动组： 取m = 5mm。轴上两联动齿轮的直径分别为： 轴四上两齿轮的直径分别为： 3. 齿轮强度校核计算公式3.1校核a传动组齿轮校核齿数为24的即可，确定各项参数(1) P=8.25KW,n=710r/min,(2)确定动载系数齿轮精度为7级，由机械设计查得使用系数(3)(4)确定齿向载荷分配系数:取齿宽系数非对称 查机械设计得，(5)确定齿间载荷分配系数 由机械设计查得，(6)确定动载系数 (7)查表 10-5 (8)计算弯曲疲劳许用应力 由图查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限。 图10-18查得 ,S = 1.3 ， 故合适。3.2 校核b传动组齿轮校核齿数为22的即可，确定各项参数(1) P=8.25KW,n=355r/min,(2)确定动载系数：齿轮精度为7级，由机械设计查得使用系数(4)确定齿向载荷分配系数:取齿宽系数非对称 查机械设计得，(5)确定齿间载荷分配系数:由机械设计查得，(6)确定动载系数: (7)查表 10-5 (8)计算弯曲疲劳许用应力 由图查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限。 图10-18查得 ,S = 1.3 ， 故合适。3.3校核c传动组齿轮校核齿数为18的即可，确定各项参数(1) P=8.25KW,n=355r/min,(2)确定动载系数：齿轮精度为7级，由机械设计查得使用系数(3)(4)确定齿向载荷分配系数取齿宽系数非对称查机械设计得(5)确定齿间载荷分配系数 由机械设计查得(6)确定动载系数(7)查表 10-5 (8)计算弯曲疲劳许用应力 由图查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限。 图10-18查得 ,S = 1.3 ， 故合适。4. 主轴挠度的校核4.1 确定各轴最小直径(1)轴的直径：(2)轴的直径：(3)轴的直径：(4)主轴的直径：4.2轴的校核轴的校核：通过受力分析，在一轴的三对啮合齿轮副中，中间的两对齿轮对轴中点处的挠度影响最大，所以，选择中间齿轮啮合来进行校核 。轴、轴的校核同上。5. 主轴最佳跨距的确定400mm车床，P=7.5KW.5.1 选择轴颈直径,轴承型号和最佳跨距前轴颈应为75-100mm,初选=100mm,后轴颈取,前轴承为NN3020K,后轴承为NN3016K,根据结构,定悬伸长度5.2 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200,故半径为0.1.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。6. 各传动轴支撑处轴承的选择参考金属切削机床课程设计指导书表2，取通用机床钢质主轴前轴颈直径D1 = 80mm，后轴颈直径D2 = （0.70.85）D1，取D2 = 65 mm，主轴内孔直径d = 0.1 Dmax ±10 mm ，其中Dmax为最大加工直径。取d = 40mm。估算传动轴直径：（忽略各传动功率损失）按扭转刚度初步计算传动轴直径：d = 式中d 传动轴直径；N 该轴传递功率（KW）；该轴计算转速（r/min）； 该轴每米长度允许扭转角这些轴都是一般传动轴，取=10/m。代入以上计算转速的值，计算各传动轴的直径：轴：d1 = 26mm；轴：d2 = 31mm；轴：d3 = 40mm；7. 主轴刚度的校核7.1 主轴图:图7-1 主轴图7.2 计算跨距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.结束语金属切削机床的课程设计了，虽然设计的过程比较繁琐，而且刚开始还有些不知所措，但是在同学们的共同努力下，再加上老师的悉心指导，我终于顺利地完成了这次设计任务。这次严格的实战考验让我受益匪浅，不仅巩固和深化了课堂理论教学的内容，而且锻炼和培养了我综合运用所学过的知识和理论的能力，使我独立分析、解决问题的能力得到了强化。解决了平时学习中遗留下来的难点和疑点，丰富了自己的只是面，尤其使我对本专业的设计特点和思维方式有了进一步的体会。当然，本次设计中也出现了不少问题，如对理论只是理解不深，实际应用能力不强，动手能力差等，还需在以后的工作和学习中进一步的改善和提高。设计得以顺利的完成，离不开*老师以及其他各位老师的指导和斧正，还有各位同学的热情帮助，最后在本次设计即将画上圆满句号的时候，对各位老师和同学再次深表谢意！参考文献1 厦门工程学院机械制造教研室 主编.金属切削机床指导书.厦门：工程学院出版社，1999年2 濮良贵 纪名刚主编.机械设计(第七版).北京:高等教育出版社,2001年6月3 毛谦德 李振清主编.袖珍机械设计师手册北京：机械工业出版社,2002年5月4 编辑委员会编. 减速器实用技术手册.北京:机械工业出版社,1992年5戴曙 主编.金属切削机床.北京:机械工业出版社,2005年1月6 编写组 主编.机床设计手册.北京:机械工业出版社,1980年8月7华东纺织工学院 哈尔滨工业大学 天津大学主编.机床设计图册.上海:上海科学技术出版社,1979年6月