《金属切削机床》课程设计铣床主轴箱设计【完整图纸】.doc

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1、中北大学课程设计任务书 2009/2010 学年第 一 学期全套图纸，加153893706学 院： 信息商务学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名： 学 号： 课程设计题目： 铣床主轴箱设计 起 迄 日 期： 12 月21 日 12月27日 课程设计地点： 机械工程与自动化学院 指 导 教 师： 系 主 任： 下达任务书日期: 2009年12月21日课 程 设 计 任 务 书1 设计目的：通过本课程设计的训练，使学生初步掌握机床的运动设计（包括主轴箱、变速箱传动链），动力计算（包括确定电机型号，主轴、传动轴、齿轮的计算转速），以及关键零部件的强度校核，获得工程师必备设计能力的初

2、步训练。同时巩固金属切削机床课程的基本理论和基本知识。（1） 运用所学的理论及实践知识，进行机床设计的初步训练，培养学生的综合设计能力； （2） 掌握机床设计（主轴箱或变速箱）的方法和步骤，包括参数拟定、传动设计、零件计算、结构设计等，培养结构分析和设计的能力；（3） 掌握设计的基本技能，具备查阅和运用标准、手册、图册等有关技术资料的能力；（4） 基本掌握设计计算、绘图和编写技术文件的能力。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：（1）机床的类型、用途及主要参数铣床，工作时间：二班制，电动机功率：，主轴最高、最低转速如下：，变速级数：z=12。（2）工件材料：45号钢 刀

3、具材料：YT15（3）设计部件名称：主轴箱3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书、图纸、实物样品等：（1）设计任务l 传动设计：根据所给定的转速范围及变速级数，绘制结构网、转速图、计算齿轮齿数；l 动力计算：选择电动机型号及转速，确定传动件的计算转速、对主要零件（如皮带、齿轮、主轴、轴承等）进行计算（估算和验算）。（2）设计工作量要求：l 主轴箱展开图、轴系剖视图A0号图纸1张；l 主要零件工作图A3号图纸1张；l 编写详实课程设计说明书一份。 课 程 设 计 任 务 书4主要参考文献：1 曹金榜，易锡麟. 机床主轴变速箱设计指导M,北京:机械工业出版社,1987.52 陈易新.金

4、属切削机床课程设计指导书M.北京:机械工业出版社,1987.73 范云涨.金属切削机床设计简明手册M. 北京: 机械工业出版社,1994.7 4 任殿阁.机床设计指导M.辽宁:辽宁科学技术出版社,1991.15 翁世修.金属切削机床设计指导M.上海:上海交通大学,1987.86 上海纺织工学院,哈尔滨工业大学,天津大学主编,机床设计图册M, 上海:上海科学技术出版社,1979.67 戴曙.金属切削机床M,北京:机械工业出版社,2001.35设计成果形式及要求：（1） 车床主轴箱展开图、轴系剖视图A0号图纸1张；（2） 主要零件工作图A3号图纸1张； （3） 课程设计说明书一份。6工作计划及进度

5、：2009年12月21-22日 明确课程设计的目的和要求,查阅相关资料,传动方案设计12月 23日 结构分析与选择,计算主要部件 12 月24-25日 绘制主轴箱展开图,传动件验算,绘制主要零件工作图,编制设计说明书 12月26日 课程设计答辩 系主任审查意见： 签字： 年 月 日目录1. 机床参数确定52. 运动设计52.1传动组、传动副地确定52.2结构式、结构网的选择62.3拟定转速图72.4齿轮齿数确定82.5传动系统图92.6轴、齿轮的计算转速93.传动零件的初步计算113.1传动轴直径初定113.2主轴轴颈直径的确定113.3齿轮模数的初步计算114.主要零件的验算124.1三角胶

6、带传动的计算和选定124.2圆柱齿轮的强度计算134.3传动轴的验算164.4 滚动轴承的验算19设计感想20参考文献201. 机床参数确定：运动参数： 回转主运动的机床，主运动的参数是主轴转速。其数列的公比应选取标准的公比值，取公比=1.26。主轴转速级数： 式中Rn为主轴变速范围：。机床传动系统的变速组大多采用双联齿轮或三联齿轮，因此转速级数宜为2、3因子的乘积，即为宜，其中m、n为正整数。动力参数：由任务书设定电动机功率：N=3KW。查表得应该选择Y系列三相异步电动机Y100L2-4（同步转速1500r/min，50HZ，380V），转速1420rpm，效率81%。功率因素cos=0.8

7、2，额定转矩2.2KNm。2. 运动设计2.1 传动组、传动副的确定：实现12级主轴转速变化的传动系统可以写成多种传动副组合：1） 2） 3）4） 5）方案1）、2）可以省一根传动轴，但是其中一个传动组内有四个传动副，果增大了该轴的轴向尺寸这种方案不宜采用。根据传动副数目分配应该“前多后少”的原则，取方案3）较合适。2.2 结构式、结构网的选择：在的传动副组合中，其传动副的扩大顺序又有以下六种形式：1） 2） 3）4） 5） 6）根据级比指数分配要“前密后疏”的原则，即传动顺序与扩大顺序相一致，应选用，其结构网如下图所示：图一 检验最大扩大组的变速范围：，符合设计原则要求。2.3 拟定转速图：

8、上述所选定的结构式共有三个传动组，变速机构共需4轴，加上电动机共5轴，故转速图需5条竖线，如下图所示。主轴共12速，电动机轴与主轴最高转速相近，故需12条横线。中间各轴的转速可以从电动机轴往后推，也可以从主轴开始往前推。通常以往前推比较方便，即先决定轴三的转速。 图二 传动组c的变速范围为，可知两个传动副的传动比为： 这样就确定了轴的六种转速只有一种可能，即为：315、400、500、630、800、1000r/min。随后决定轴的转速，传动组b的级比指数为3，在传动比极限范围内，轴的最高转速可为：630、800、1000r/min，最底转速可为：315、400、500 r/min。为了避免升

9、速，又不能使传动比太小，可取：，。轴的转速确定为500、630、800 r/min。同理，对于轴，可取：，。轴的转速：800 r/min。电动机轴与轴之间为带传动，传动比接近。补足各连线，得到如下所示转速图： 图三2.4 齿轮齿数确定 利用查表法求出各传动组齿轮齿数：表一：各传动组齿轮齿数变速组第一变速组第二变速组第三变速组齿数和869298齿轮齿数3353384843433161464628706038 验算主轴转速误差，主轴各级实际转速值用下式计算：式中，、分别为大、小带轮的直径；、分别为第一、二、三变速组的齿轮传动比。表二：转速误差表主轴转速标准转速r/min12516020025031

10、5400500630800100012501600实际转速r/min126.2159.4195.3248.3313.6391.7498629.1770.89801237.91584.5转速误差0.960.382.350.680.552.10.40.43.652.00.970.97 转速误差用主轴实际转速与标准转速相对误差的绝对值表示：，计算值如表二。2.5 传动系统图如图四所示：2.6 轴、齿轮的计算转速：主轴：根据教材表8-2，中型机床主轴的计算转速是第一个三分之一转速范围内的最高一级转速，即为；各传动轴：轴可从主轴为250r/min按28/70的传动副找上去，似应为630r/min，但由于

11、轴上的最底转速315r/min经传动组c可使主轴得到125和500r/min两种转速，500r/min 图4 要传递全部功率，所以轴的计算转速应为315r/min。轴的计算转速可按的传动副b推上去，得630 r/min；同理轴为1000r/min。各齿轮：传动组c中，28/70只需计算z=28的齿轮，计算转速为630 r/min；60/38只需计算z=38，；z=28和z=38两个齿轮哪一个的应力更大一些，较难判断，可同时计算，选择模数较大的作为传动组c齿轮的模数；传动组b应计算z=31，；传动组a应计算z=33，。3. 传动零件的初步计算：3.1 传动轴直径初定按扭转刚度计算：式中，d-传动

12、轴直径（mm）； -该轴传递的额定扭矩（Nmm）； N-该轴传递的功率（Kw）； -该轴的计算转速（rpm）； -该轴每米长度允许扭转角（deg/m），取=0.8。轴：轴：轴：3.2 主轴轴颈直径的确定 由表3查得机床课程设计指导书：主轴前轴颈=60mm，后轴颈=（0.7-0.85）=42-51mm，取=45mm。3.3 齿轮模数的初步计算 一般同一变速组中的齿轮取同一模数，选择负荷最重的小齿轮按简化的接触疲劳强度公式进行初算： 式中，-按接触疲劳强度估算的齿轮模数（mm）； -驱动电动机功率（Kw）； -被估算齿轮的计算转速 （r/min）； -大小齿轮齿数之比，-小齿轮齿数； -齿宽系数，

13、6-10，B为齿宽，m为模数，取8； -许用接触应力，查表26取。 传动组b：31/61 传动组a：33/53 传动组c：28/70 4. 主要零件的验算4.1 三角胶带传动的计算和选定 确定计算功率：，选择B型三角带； 确定带轮直径、，由表11机床设计制导书查得： =140mm， 计算胶带转速： 初定中心距： 根据机床的布局及结构方案选 计算胶带的长度： 选标准计算长度 ，作为标记的三角胶带的内周长度。 计算胶带的弯曲次数： 式中，m-带轮的个数计算实际中心距：，其中，代入上式中，得 定小带轮的包角： 确定三角胶带的根数：，式中：单根三角胶带能传递的功率（Kw），由表13查得=2.23；-带

14、轮包角系数，由表13查得=0.98； 则，取2。4.2 圆柱齿轮的强度计算： 验算变速箱中齿轮强度应选择相同模数承受载荷最大齿数最小的齿轮进行接触应力和弯曲应力计算，一般对高速传动的齿轮验算齿面接触应力，对低速传动的齿轮验算齿根弯曲应力，对硬齿面软齿心渗碳淬火的齿轮要验算齿根弯曲应力。接触应力的验算公式： 弯曲应力的验算公式： 表三传动组第一传动组第二传动组第三传动组齿轮传递功率N3.763.803.84齿轮计算转速6306301000齿轮的模数m 222齿宽B161616小齿轮数Z283133大齿轮与小齿轮齿数比u70/2861/3153/33寿命系数接触疲劳0.670.860.83弯曲疲劳

15、0.900.900.90速度转化系数接触疲劳0.950.850.72弯曲疲劳0.930.930.90功率利用系数接触疲劳0.580.580.58弯曲疲劳0.780.780.78材料利用系数接触疲劳0.700.730.76弯曲疲劳0.720.750.77工作情况系数1.21.21.2动载荷系数1.21.21.2齿向载荷分布系数111.05齿形系数Y0.4380.4440.454其中寿命系数 工作期限系数 T-齿轮在机床工作期限内的总工作时间h ，对于中型机床的齿轮取 ，同一变速组内的齿轮总工作时间可近似地认为，P为该变速组的传动副数。；的极限值、，当时，则取；当时，取；-许用接触应力（），查表3

16、-9，=1100；-许用弯曲应力（），查表3-9，=320。代入公式，得传动组c： 传动组b：传动组c：4.3 传动轴的验算强度验算、弯曲刚度验算受力分析：以轴为例进行分析，轴上的齿轮为滑移齿轮。通常，选择主轴处于计算转速（200r/min）时齿轮的啮合位置为计算时的位置。根据本机床齿轮排列特点，主轴为250r/min时，轴受力变形大于前者，故采用此时的齿轮位置为计算位置。受力分析如下图所示：图5 图5中F1为齿轮Z4（齿数为48）上所受的切向力Ft1，径向力Fr1的合力。F2为齿轮Z9（齿数46）上所受的切向力Ft2，径向力Fr2的合力。各传动力空间角度如图6所示，根据下表的公式计算齿轮的受

17、力。图6 表4 齿轮的受力计算传递功率Pkw转速nr/min传动转矩TNmm齿轮压力角齿面摩擦角齿轮Z4齿轮Z9切向力Ft1NF1在X轴投影Fz1NF1在Z轴投影Fz1N分度圆直径d1mm切向力Ft2NF1在X轴投影Fz2NF1在Z轴投影Fz2N分度圆直径d2Mm380630 57603.2206-1200.1-1200.1585.3961252.21252.2-610.792挠度、倾角的计算：分别计算出各平面挠度、倾角，然后进行合成。如下图所示：其中a=120, b=156, c=150, f=126, l=276, n=159.35, 图7xoy平面内挠度： 代入数据，求得 zoy平面内挠

18、度： 代入数据，求得 挠度的合成：，符合要求。 左支撑倾角计算和分析：xoy平面力作用下的倾角： 代入数据，解得zoy平面力作用下的倾角： 代入数据，解得倾角的合成：，符合要求；右支承倾角计算和分析： xoy平面力作用下的倾角： 代入数据，解得zoy平面力作用下的倾角：代入数据，解得倾角的合成：，符合要求。键侧挤压应力计算： 表五计算公式最大转矩花键轴小径花键轴大径花键数载荷系数工作长度许用应力许用应力结论72580283480.8176301.39合格4.4 滚动轴承的验算根据前面所示的轴受力状态，分别计算出左（A）、右（B）两支承端支反力。在xoy平面内： 在zoy平面内： 左、端支反力为

19、： 两支承轴承受力状态相同，但右端受力大，所以只验算右端轴承。滚动轴承的疲劳寿命验算： 其中：额定动载荷：C=11000N，机床设计简明手册； 速度系数：； 使用系数：； 功率利用系数：，表3-3床设计制导；转速变化系数：，表3-2； 齿轮轮换工作系数： 当量动载荷：F=176.7N，已计算求得； 许用寿命：T，一般机床取10000-15000h； 寿命指数：。 则额定寿命： 经验算符合要求。设计感想时光如梭，短短的两周课程设计很快就结束了，设计的过程让我学到了不少东西：首先学会了检索文献、资料的过程，而且清楚了一般机床的结构和布局；其次通过绘图，使自己更加熟练了AutoCAD软件及Word的

20、各种功能。这些都为自己以后的工作奠定了坚实的基础。虽然在设计过程中遇到了不少的困难，但是都在指导老师的耐心指点和同学的共同探讨下克服了。由于时间比较仓促，水平有限，设计中难免存在一些缺陷与不足，望老师在审阅过程中批评指正。参考文献1 曹金榜，易锡麟. 机床主轴变速箱设计指导M,北京:机械工业出版社,1987.52 陈易新.金属切削机床课程设计指导书M.北京:机械工业出版社,1987.73 范云涨.金属切削机床设计简明手册M. 北京: 机械工业出版社,1994.7 4 任殿阁 、张佩勤主编. 机床设计指导. 辽宁科学技术出版社，19915 翁世修.金属切削机床设计指导M.上海:上海交通大学,1987.86 戴曙主编. 金属切削机床. 机械工业出版社，19937 上海纺织工学院等主编. 机床设计图册.上海科学技术出版社，1979