经济型立式数控车床主运动传动系统设计.doc
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1、经济型立式数控车床主运动传动系统设计目 录摘要1关键词1Abstract1Key Words 11. 设计要求22. 总体方案的拟定及说明22.1 拟定总体传动方案 22.2 方案的选择 33. 无级变速传动链的设计33.1 求计算转速nj 33.2 无级变速传动链的设计 34. 切削功率的估算及电动机的选择54.1 估算切削功率 54.2 选择电动机 54.2.1 初步估算电机所需功率 54.2.2 选择电动机 64.3 反算各轴传递的功率和恒功率下的最大转矩 65. 齿轮的设计及校核65.1 确定设计公用模数的齿轮副 65.2 设计齿轮副z3/z4 75.2.1 选择齿轮类型,材料75.2
2、.2 按齿根弯曲疲劳强度进行设计 75.2.3 按齿面接触强度设计 85.2.4 计算几何尺寸 95.3 校核齿轮副z1/z2(31/78)95.3.1 选定齿轮类型、材料95.3.2 校核齿根弯曲疲劳强度105.3.3 校核齿面接触疲劳强度105.3.4 确定几何尺寸115.4 校核其余两对齿轮副115.5 设计锥齿轮副z9/z10(79/79)125.5.1 确定齿轮材料125.5.2 按齿根弯曲强度进行设计125.5.3 按齿面接触强度设计135.5.4 计算几何尺寸135.5.5 齿轮的结构146. 轴的设计及校核 146.1 主轴的设计146.1.1 主轴上的功率P主、转速n主min
3、和转矩T主max及其他受力146.1.2 求恒功率、计算转速下,工件所受的切削力146.1.3 求作用在锥齿轮上的力146.1.4 初步确定轴的最小直径146.1.5 主轴的结构设计156.2 主轴的校核166.2.1 求轴上的载荷166.2.2 校核主轴的强度167. 轴承的计算 197.1 主轴轴承的受力197.1.1 单向推力球轴承的受力197.1.2 深沟球轴承的受力197.2 求轴承的当量动载荷197.2.1 单向推力球轴承的当量动载荷197.2.2 深沟球轴承的当量动载荷197.3 校核轴承的寿命197.3.1 校核单向推力球轴承的寿命197.3.2 校核深沟球轴承的寿命208.
4、键联接的选择及计算 208.1 各轴上键传递的转矩208.2 验算各轴上键的强度208.2.1 校核主轴上键的强度218.2.2 校核轴3上键的强度218.2.3 校核轴3上键的强度219. 润滑与密封及滑移齿轮的控制 229.1 齿轮的润滑229.2 轴承的润滑229.3 滑移齿轮的控制2210. 结论22参考文献 22摘 要本课题采用常规的设计方法,设计一种精度较高、加工范围较大的经济型数控立式车床的主运动传动系统。本设计通过查阅大量相关文献资料,分析了我国数控产业的发展现状与存在的问题,并提出相应的对策。根据设计要求制定总体传动方案,完成传动机构的设计,功率的估算,电机的选择,齿轮的设计
5、及校核,轴的设计及校核,箱体的机构设计等。该系统多采用普通材料和大多数的标准件,具有良好的经济性。我国资源短缺,设计经济型的数控机床能够满足使用要求,也符合我国国情,有很好的应用前景。关键词立式数控车床;主运动传动系统;变速传动链;齿轮的设计;主轴的设计Main Movement Drive System Design for Economical Vertical CNC LatheAbstractConventional design methods are taken advantage of to design a main movement drive system with hig
6、h precision, large range of processing for economical vertical CNC lathe. A large number of relevant documents are consulted and the current situation and problems in the development of numerical technology are analyzed in the design which has proposed appropriate countermeasures. According to the d
7、esign requirements, overall transmission programme are made, the design of drive mechanism, estimation of power, option of electric motors, design of gears and shaft, check of the strength security on gears and shafts, etc. are finished in the design. The system mainly adopts ordinary materials and
8、standard components, which have the characteristic of economical quality. For our country is lack of resources, economical type of CNC lathe designed can meet the needs in use and also can be in line with Chinas national conditions, which will have broad prospects for use.Key Wordsvertical CNC lathe
9、; main movement drive system; transmission chain for shift; design of gears; design of spindle1 设计要求主要研究内容:设计一台经济型立式数控车床的主运动传动系统,该机床的设计要求如下:X、Z轴行程:300500X、Z轴快进:10/10 m/min主轴转速:30-5000rpm刀库:4刀加工精度:IT6寿命:10年、单班工作制2 总体方案的拟定及说明2.1 拟定总体传动方案根据设计要求,拟定方案如图2-1、图2-2注:1变频调速电动机2、3中间轴,垂直布置4主轴,垂直布置图2-1:方案一注:1变频调速
10、电动机2、3、4中间轴,水平布置5主轴,垂直布置图2-2:方案二2.2 方案的选择 本设计参照卧式车床的传动方案,在其基础上设计无级变速传动链。方案一的传动链较方案二短且简单,但三联滑移齿轮垂直布置,需要另设定位锁紧装置,因此结构和控制上较方案二复杂。所以选择方案二进行设计。3 无级变速传动链的设计3.1 求计算转速nj由各类机床的主轴计算转速表(许晓旸,2003),根据设计要求查中型通用机床和用途较广的半自动机床计算转速公式nj=nmin(nmax/nmin)0.3所以 nj=30*(5000/30)0.3=140r/min3.2 无级变速传动链的设计(戴曙,1993)主轴要求的恒功率调速范
11、围Rnp=5000/140=35.7电机的恒功率调速范围Rp=4500/1500=3Rnp远大于Rp,故必须配以分级变速箱。取变速箱的公比= Rp,则无级变速时故变速箱的变速级数取Z=3。则,。传动系统和转速图见图3-1、3-2a,图3-2b为主轴的功率特性。从图3-2a可看出,电机经31/78定比传动降速后,如果经88/31传动到主轴,则电机转速从4500r/min降至1500r/min(恒功率区)时,主轴转速从5000r/min降至1667r/min。如果经54/64传动至主轴,电机在恒功率段运转时,主轴的转速范围为1520r/min504r/min。当经过23/96传动至主轴,电机在恒功
12、率段运转时,主轴的转速范围为420r/min140r/min。但当主轴运行在1667r/min1520r/min或504r/min420r/min时,电机则运转在1500r/min1368r/min或1500r/min1250r/min(恒转矩区)。这两段为功率波动“缺口”。为使系统在这两段转速运转时,仍能得到要求的切削功率,电动机的最大输出功率只能选大一些(具体计算见4.2.1)。图3-1 主运动传动系统简图 a)转速图(r/min) b)电机功率(kW)图3-2 无级变速主运动链4 切削功率的估算及电动机的选择4.1 估算切削功率查切削用量简明手册(艾兴和肖诗纲,1994)硬质合金及高速钢
13、车刀粗车外圆和端面的进给量表、车削时切削速度的计算公式表及车削过程切削力及切削功率的计算公式表中硬质合金刀具项,作表4-1表4-1 各种加工用量下硬质合金刀具的切削力及功率加工材料车刀规格工件直径背吃刀量apmax(mm)进给量fmax(mm)切削速度vc(m/min)外圆纵车时的主切削力Fc(N)切削功率Pc(kW)碳素结构钢b=650MPa25*25600mm51.274.98838510.4881.075.851168114.77120.974.841622220.24150.685.001467820.79数控机床常用于半精加工以上的场合,切削用量不会很大,因此选择表4-1中第二组数据
14、设计,切削功率Pc=14.77kW。4.2 选择电动机4.2.1 初步估算电机所需功率主轴上拟装一四联角接触球轴承1=0.98,一对双联深沟球轴承2=0.99,故三轴上传递的切削功率Pc主=Pc/(12*2)= 14.77/(0.982*0.99)=15.534kW;三轴上拟装一三联角接触球轴承,一对深沟球轴承,锥齿轮传动3=0.97,则Pc3=Pc主/(123)= /(0.98*0.99*0.97)=16.506kW;二轴上拟装两对深沟球轴承,直齿圆柱齿轮4=0.99,则Pc2=Pc3/ (224)=16.506/(0.992*0.99)=17.011kW;一轴上拟装一对深沟球轴承,直齿圆柱
15、齿轮传动,则Pc1=Pc2/(24)=17.011/(0.99*0.99)=17.356kW;电机通过联轴器与一轴联接5=0.995,Pc电机=Pc1/5=17.356/0.995=17.443kW;总效率= Pc /Pc电机=0.847。为使电动机在1250r/min时仍能获得获得所需的输出功率17.445kW,电动机在1500r/min时的输出功率应为17.445*1500/1250=20.932kW4.2.2 选择电动机选上海旭普机械制造有限公司生产的VFG系列180B变频调速电机,法兰底座安装额定功率为22Kw。其他参数:基频为50Hz,恒功率调速范围15004500r/min,恒转矩
16、调速范围601500r/min,额定转矩142N.mm,接380V三相交流电压,电机采用形接法。4.3 反算各轴传递的功率和恒功率下的最大转矩一轴传递的功率P1=P电机*5=22*0.995=21.89kW,由速度图可知恒功率下电机的最小转速nmin=1500r/min=n1min,故一轴传递的最大转矩T1max=9550P1/n1min=9550*21.89/1500=139.366N.m二轴传递的功率P2=P1*24=21.89*0.99*0.99=21.454kW,n2min=595r/min,故二轴传递的最大转矩T2max=9550P2/n2min=9550*21.454/595=34
17、4.346N.m三轴传递的功率P3=P2*224=21.454*0.992*0.99=20.817kW,n3min=140r/min,故三轴传递的最大转矩T3max=9550P3/n3min=9550*20.817/140=1420.017N.m主轴传递的功率P主=P2*123=20.817*0.98*0.99*0.97=19.591kW,n主min=140r/min,故主轴传递的最大转矩T主max=9550P主/n主min=9550*19.591/140=1336.386N.m切削功率Pc= P2*122=19.591*0.982*0.99=18.627kW。5 齿轮的设计及校核(濮良贵和纪
18、名刚,2001)为方便加工,且各齿轮齿数已定,故所有齿轮均采用同一模数。5.1 确定设计公用模数的齿轮副由设计公式 式中:m 齿轮模数,单位为mm; K 载荷系数; T1 小齿轮传递的转矩,单位为N.mm; YFa 齿形系数; YFa 应力校正系数; d 齿宽系数; z1 小齿轮齿数; F许用弯曲应力,单位为MPa可知,在其他参数一致情况下,越大,则该齿轮副所需最小模数越大。由速度图可知,只需比较恒功率条件下1500r/min595r/min140r/min线上的各小齿轮。=139366/312=263.452=344346/232=650.938故按齿轮副z3/z4设计公用模数。5.2 设计
19、齿轮副z3/z45.2.1 选择齿轮类型,材料5.2.1.1 选定类型根据方案,采用直齿圆柱齿轮传动。5.2.1.2 选定材料由常用齿轮材料及其力学特性表,选择大、小齿轮z3材料为40Cr(调质后表面淬火),齿面硬度为52HRC,齿芯硬度为280HBS。5.2.2 按齿根弯曲疲劳强度进行设计设计公式:5.2.2.1 确定式中各计算数值 (1)试取Kt=2 (2)恒功率条件下小齿轮传递的最大转矩T3=9550P2/n2min=9550*21.454/595=344346N.mm (3)由圆柱齿轮的齿宽系数表,两支承相对小齿轮非对称不置,取=0.8;(4)由齿轮弯曲疲劳强度极限FE图查得大、小齿轮
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