机床课程设计数控车床主传动系统设计

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1、燕山大学课 程 设 计 说 明 书题目： 数控车床主传动系统设计学院（系）：机械工程学院机制系年级专业： 08 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 教授 燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：机械工程学院 基层教学单位：机械制造研究所 学 号学生姓名专业（班级）08机制设计题目数控车床主传动系统设计设计技术参数数控车床 满载功率：7.5Kw 最高转速：3500r/min最低转速：22.5r/min 变速要求：无级调速设计要求1.确定结构方案；2.计算传动件基本尺寸，确定其结构。3.绘制主轴箱展开图。4.设计图纸及说明书符合规范。工作量展开图A0一张；课程设计说明书。 1份（不少于5

2、千字）工作计划第1周 计算传动件基本尺寸，绘制结构方案图。第2周 绘制展开图。第3周 绘制展开图。第4周 完成夹具的虚拟装配，撰写课程设计说明书，制作答辩用的ppt，答辩。参考资料机床设计图册、机床设计手册、机械设计手册指导教师签字基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。 2010 年 11 月 29 日燕山大学课程设计评审意见表指导教师评价：（1）方案的合理性 优秀， 良好， 中等， 一般， 较差（2）机床结构设计及计算 优秀， 良好， 中等， 一般， 较差（3）主轴箱展开图及说明书 优秀， 良好， 中等， 一般， 较差（4）出勤、平时表现及独立设计

3、能力 优秀， 良好， 中等， 一般， 较差 成绩： 指导教师： 年 月 日答辩小组评价：（1）表达能力： 优秀， 良好， 中等， 一般， 较差（2）回答问题： 优秀， 良好， 中等， 一般， 较差（3）设计质量： 优秀， 良好， 中等， 一般， 较差成绩： 评阅人： 年 月 日课程设计总成绩：答辩小组成员签字：年 月 日 目 录第1章 概述11.1机床课程设计的目的 11.2 主轴箱概述 1第2章 参数的拟定及电机的选择 . 22.1驱动源的选择 22.2转速图的拟定22.3确定齿轮齿数5 2.4 转速图及功率特性曲线 52.5 传动系统图 62.6 电机功率 .62.7 电机参数 .7第3章

4、 传动件的设计 93.1确定各州计算转速 93.2 传动轴的估算 93.3 齿轮摸数的计算 103.4 齿轮参数的去定 103.5 尺宽的确定 .113.6 中心距的计算 .11第4章 主轴组件设计 124.1主轴主要参数确定 124.2主轴的构造 .134.3轴上零件的定位 .134.4主轴轴承 . 13第5章 主轴零件的验算 155.1齿轮强度校验 155.2主轴的校核 16第6章 润滑与密封 18结束语 .19参考文献 20第1章概述1.1金属切削机床在国民经济中的地位装备制造业是保证国民经济发展建设的基础，装备制造业的技术水平和现代化水平决定着整个国民经济水平的发展,肩机床的属性决定了

5、它在国民经济中的重要地位，负着为国民经济各部门提供现代化装备的任务，它为工业、农业、运输业、科研和国防等部门提供各种机器、仪器和工具，是国民经济赖以发展的基础，机床的种类、质量和加工效率直接影响着其他机械产品的生产技术水平和经济效益。因此，机床工业的现代化水平和规模，以及所拥有机床的数量和质量是一个国家工业发达程度的重要标志之一。1.2机床课程设计的目的机床课程设计，是在学习过课程金属切削机床之后进行的实践性教学环节。其目的在于通过机床运动机械变速传动系统的结构设计，使学生在拟定传动和变速的结构方案过程中，得到设计构思，方案分析，结构工艺性，查阅技术资料等方面的综合训练，树立正确的设计思想，掌

6、握基本的设计方法，并培养学生具有初步的结构分析，结构设计和计算能力。1.3 主轴箱概述 主轴箱为数控机床的主要传动系统，它包括电动机，传动系统和株洲部件。它与普通机床主轴箱比较，相对来说简单，只有两级或三级齿轮变速系统和，它主要是用以扩大电动机无极调速范围，以满足一定恒功率和转速问题。第2章参数的拟定及电机的选择2.1 驱动源的选择机床上常用的无极变速机构是直流或交流调速电机，直流电动机从转速向上至最高转速是调节磁场电流的方法来调速的，属于恒功率，从额定转速向下至最低转速是调节驱动电压的方法来调速的，属于恒转矩；交流调速电动机是靠调节供电频率的方法调速。由于交流调速电动机体积小，转动惯量小，动

7、态响应快，没有电刷，能达到的最高转速比同功率的直流调速电机高，磨损与故障也小，所以在中小功率领域，交流调速电动机占较大优势，鉴于此，本设计选用交流调速电机。2.2转速图的拟定1）转速要求转速范围电机的基本参数中，给出了额定转速n0，频率范围fmax与fmin。其中，n0是对应工频50HZ是的转速，而电机的速度范围如下计算(转速与频率成正比 )：nmax= n0fmax/50nmin= n0fmin /50对电机进行选择，查数据可得北京中源动力电气技术有限公司的YVF 系列变频电机频率范围为5-150HZ其他参数如下 由上公司可得该系列电机的最高转速4500rpm。最低转速nmin= n0fmi

8、n /50=150 rpm而机床主轴要求输出的调速范围为：22.5-3500rpm，即；主轴的计算转速；取主轴要求的恒功率调速范围电动机恒功率调速范围主轴要求的恒功率调速范围远大于电动机所能提供的恒功率调速范围，所以必须配以分级变速箱。使主轴在低速段工作时要求电机工作在相应的高速段，这样电机的功率因数高，工作效率高。采用两级的齿轮定比传动，适当增加电机功率可满足要求。为使电动机尽可能工作在高速段，且所选电动机功率也比较小，应满足如取变速箱的公比=3，则与无级变速时故变速箱的变速级数：,取Z=4. 然而为了简化变速箱及其自动操纵机构，希望用双速变速箱，现取Z=2，则有 得5.76 则初步画出转速

9、图如下则由上图得：解得：n=784rpm，=610rpm，=0.134， =168rpm，现取=1 / 5，则=0.67，=1.16 ;2.3确定齿轮齿数采用滑移齿轮变速时，滑移齿轮控制的两组齿轮传动副，当所选用的的齿轮模数相等时，齿轮总数应该相等，且最小齿轮齿数的为23，根据金属切削机床表8-1,，则i=1.16的传动副齿数分别为74 ,64, i=0.94的传动副的齿数分别为23, 115。i=0.67时的带轮副带轮直径分别为126mm，188mm。2.4转速图、功率特性曲线如下2.5传动系统图2.6电机功率转速图和主轴功率特性如上图。主轴为3500rpm时，电动机为4500rpm。主轴转

10、速为1166rpm时，电动机转速1500rpm。之一段位恒功率，功率特性图中为AB段。由于档变速箱通过23/115传动主轴，电动机又为4500rpm时，主轴转速为4500126/18823/115=610rpm，即图中C点。主轴转速为1166至610rpm的BC段是电动机1500784rpm获得的。这一段是恒转矩。同样，主轴从201到计算转速105rpm的DE段，电动机也处于恒转矩范围内。为是BC段玉DE段之间仍能得到要求的切削功率，电动机功率的最大输出功率只能取得大些。为使电动机在784rpm时能得到最大输出功率P=7.5kw，电动机在1500rpm时的输出功率应为 7.51500/784=

11、14.35kw通常情况下，电动机的过载系数为k=1.251.30则选择北京中源动力成产的电动机最大功率18.5kw，则过载系数为 K=18.5/14.35=1.292.7电动机的参数如下第3章传动件的设计3.1 确定各轴计算转速 计算转速是传动件传递全功率的最低转速，各个传动轴上的计算转速可从转速涂上直接得出轴（r/min）784525105105表3.1各轴的计算转速3.2传动轴的估算传动轴除应满足强度要求外，还应满足刚度的要求，强度要求保证轴在反复载荷和扭载荷作用下不发生疲劳破坏。机床主传动系统精度要求较高，不允许有较大变形。因此疲劳强度一般不失是主要矛盾，除了载荷很大的情况外，可以不必验

12、算轴的强度。刚度要求保证轴在载荷下不至发生过大的变形。因此，必须保证传动轴有足够的刚度。(1) 按扭转刚度估计轴的直径其中：P-电动机额定功率 K-键槽系数 A-系数-从电机到该传动轴之间传动件的传动效率的乘积；-该传动轴的计算转速。-每米床度允许扭转角，可根据传动轴要求选取。表3-2 许用扭转角选取原则轴一般传动轴要求高的轴要求低的轴（deg/m）1-1.50.5-11.5-2轴1.51.50.5A838383K1.051.051.071轴的直径：，取35mm.2轴的直径：，取40mm.3.3 齿轮模数的计算变速箱中的齿轮，不必都做强度计算，可在相同模数和材料的齿轮中，选取一个承受载荷最大、

13、齿数最小的齿轮验算。齿轮采用40Cr高频淬火，=1370MP 齿轮接触疲劳强度计算： -齿宽系数 -小齿轮齿数 -许用接触应力 -小齿轮计算转速取m=4mm3.4 齿轮参数的确定从机械原理 表10-2查得以下公式 齿顶圆 齿根圆 分度圆 齿顶高 齿根高 齿轮的具体值见表齿轮尺寸表齿轮齿数Z模数M分度圆D齿根圆齿顶圆123492821002764296286304364425624626441154460450468536414613615463641461361543.5齿宽确定由公式得：齿宽系数=8mm。则齿宽B=84=32 mm3.6轴与轴中心距 A1=A2=192mm第4章 主轴组件设计

14、4.1 主轴主要参数的确定（1）主轴前端的直径：根据通用金属切削机床机床主轴径前端尺寸通用机床主轴前轴颈尺寸（mm）车床功率5.5-7.5KW时，轴径为75-110mm。取前轴径=100mm，则后轴颈=0.7=70mm（2）主轴内孔直径d的确定 很多机床的主轴是空心的，内孔直径与其用途有关。铣床主轴内孔可通过拉杆来拉紧刀杆。为不过多的削弱主轴的刚度，铣床主轴孔径d可比刀具拉杆直径大510mm。空心主轴的刚度几乎等于实心主轴的刚度，等于0.4时，空心主轴的刚度为实心主轴的90%，小于0.7时，空心主轴的刚度急剧下降此处取d=42mm,（3）主轴前端悬伸量a的确定 主轴前端悬伸量a是指主轴前端面到

15、前轴承径向反力作用中点（或前径向支承中点）的距离。它主要取决于主轴端部的结构，前支承轴承配置和密封装置的形式和尺寸，有结构设计确定。由于前端悬伸量对主轴部件的刚度、抗振性的影响很大，因此在满足结构要求的前提下，设计时应尽量缩短该悬伸量。此处选a为100mm.（4）主轴主要支承间跨距L的确定 合理确定主轴主要支承间的跨距L，是获得主轴部件最大静刚度的重要条件之一。支承跨距过小，主轴的弯曲变形固然较小，但因支承变形引起主轴前端的位移量增大；反之，支承跨距过大，支承变形引起主轴前端的位移量尽管减小了，但主轴的弯曲变形增大，也会引起主轴前轴端较大的位移。因此存在一个最佳跨距，在该跨距时，因主轴弯曲变形

16、和支承变形引起主轴前轴端的总位移量为最小。一般会不断降低，主轴主要支承间的实际跨距L往往大于上述最佳跨距，此处选L=3a=300mm.4.2主轴的构造主轴的构造和形状主要取决于主轴上所安装的刀具、夹具、传动件、轴承等零件的类型、数量、位置和安装定位方法等。设计时还应考虑主轴加工工艺性和装配工艺性。框架式数控铣床主轴一般为空心阶梯轴，前端径向尺寸大，中间径向尺寸逐渐减小，尾部径向尺寸最小。主轴的前端形式取决于机床类型和安装夹具或刀具的形式。主轴头部的形状和尺寸已经标准化，应遵照标准进行设计。主轴的直径和长度的确定主要是根据轴上零件的装配，框架式数控铣床主轴简图如图所示轴上主要尺寸已在前面介绍，在

17、确定各轴段长度时，应尽可能使结构紧凑，同时还要保证零件所需的装配或调整空间。轴的各段长度主要是根据各零件与轴配合部分的轴向尺寸和相临零件间必要的空隙来确定的。4.3 轴上零件的定位（1）零件的轴向定位 轴上零件的轴向定位是以轴肩、套筒、轴端挡圈、轴承端盖和圆螺母等来保证。轴肩分为定位轴肩和非定位轴肩，轴肩处易产生应力集中，而且轴肩过多也不利于装配，因此，轴肩定位多用于轴向力较大的场合。套筒定位因为不影响轴的疲劳强度，一般用于轴上两个零件之间的定位。若两零件的间距较大或转速较高时，都不宜采用套筒定位。轴端挡圈适用于固定轴端零件，可以承受较大的轴向力。为了防止轴端挡圈转动造成螺钉松脱，可加圆柱销锁

18、定轴端挡圈。圆螺母定位可承受大的轴向力，但轴上螺纹处有较大的应力集中，故一般用于固定轴端的零件，当轴上零件间距离较大不宜使用套筒定位时，也常采用圆螺母定位。（2）零件的周向定位周向定位的目的是限制轴上零件与轴发生相对转动。常用的周向定位零件有键、花键、销、紧定螺钉以及过盈配合等，其中紧定螺钉只用在传力不大之处。4.4 主轴轴承1）轴承类型选择双列圆柱滚子轴承承载能力大，结构比较简单，但允许的极限转速低一些。与双列圆柱滚子轴承配套使用承受轴向力的轴承有三种：600角双列推力向心球轴承。是一种新型轴承，在近年生产的机床上广泛采用。具有承载能力大，允许极限转速高的特点。外径比同规格的双列圆柱滚子轴承

19、小一些。在使用中，这种轴承不承受径向力。推力球轴承。承受轴向力的能力最高，但允许的极限转速低，容易发热。向心推力球轴承。允许的极限转速高，但承载能力低，主要用于高速轻载的机床。根据此设计特点，前支撑采用双列圆柱滚子轴承与双列向心推力球轴配合使用，后支撑用双列圆柱滚子轴承2）轴承的精度和配合主轴轴承精度要求比一般传动轴高。前轴承的误差对主轴前端的影响最大，所以前轴承的精度一般比后轴承选择高一级。普通精度级机床的主轴，前轴承的选或级，后轴承选或级。选择轴承的精度时，既要考虑机床精度要求，也要考虑经济性。轴承与轴和轴承与箱体孔之间，一般都采用过渡配合。另外轴承的内外环都是薄壁件，轴和孔德形状误差都会

20、反映到轴承滚道上去。如果配合精度选的太低，会降低轴承的回转精度，所以轴和孔的精度应与轴承精度相匹配。3）轴承间隙的调整为了提高主轴的回转精度和刚度，主轴轴承的间隙应能调整。把轴承调到合适的负间隙，形成一定的预负载，回转精度和刚度都能提高，寿命、噪声和抗震性也有改善。预负载使轴承内产生接触变形，过大的预负载对提高刚度没有明显的小果，而磨损发热量和噪声都会增大，轴承寿命将因此而降低。轴承间隙的调整量，应该能方便而且能准确地控制，但调整机构的结构不能太复杂。双列短圆柱滚子轴承内圈相对外圈可以移动，当内圈向大端轴向移动时，由于1：12的内錐孔，内圈将胀大消除间隙。其他轴承调整也有与主轴轴承相似的问题。

21、特别要注意：调整落幕的端面与螺纹中心线的垂直度，隔套两个端面的平行度都由较高要求，否则，调整时可能将轴承压偏而破坏精度。隔套越长，误差的影响越小。螺母端面对螺纹中心线垂直度、轴上和孔上套简两端平行度等均有严格的精度要求。第5章 主要零件的验算5.1 齿轮强度校验在验算变速箱中齿轮应力时，选相同模数中承受载荷最大的、齿数最少的齿轮进行接触应力和弯曲应力验算。一般对高速传动齿轮主要验算接触应力，对低速传动齿轮主要验算弯曲应力，对硬齿面软齿芯的渗碳淬火齿轮，一定要验算弯曲应力。这里要验算的是齿轮1，齿轮23。齿轮接触疲劳强度计算：按弯曲疲劳计算齿轮模数式中：P传递的额定功率（kw）,P=； 电动机功

22、率（kw）； 从电动机到所计算齿轮的传递效率； Z1小齿轮齿数； i大齿轮齿数与小齿轮齿数比 寿命系数； 齿向载荷分布系数； 动载荷系数； 工作状况系数 齿形系数； 许用接触应力； 许用弯曲应力；=1.2，=1.4，=1.15，=1.248齿轮1按接触应力计算：查机床课程设计指导书=1.2，=1.4，=1.15，=1.248 按弯曲应力计算：=1.2，=1.4，=1.15，=0.7 综上所述，无论从接触应力还是弯曲应力，均符合要求，故取=4符合要求。5.2 主轴的校核1主轴按扭转强度校核这种方法只是按轴所受的扭矩来计算轴的强度；如果轴还受到不大的弯矩时，则用降低需用扭转切应力的办法予以考虑。轴

23、的扭转强度条件为： (4.1) (4.2) (4.3) 需用扭转切应力，单位为。因为=7.5 ，mm，查表得40 的值为：3555，则0.35 成立，所以此主轴满足扭转强度要求。2主轴的扭转刚度校核。 轴的扭转变形用每米长的扭转角表示。阶梯轴的扭转角单位为（）/m的计算公式为： (4.4)对圆轴： = (4.5)轴的扭转刚度的条件为： 的取值为 0.51（）/m 计算得阶梯轴的扭转角为： 0.04,则轴满足扭转刚度要求。 第6章 润滑与密封 主轴转速高，必须保证充分润滑，一般常用单独的油管将油引到轴承处。主轴是两端外伸的轴，防止漏油更为重要而困难。防漏的措施有两种： 1）堵加密封装置防止油外流

24、。 主轴转速高，多采用非接触式的密封装置，形式很多，一种轴与轴承盖之间留0.10.3的间隙（间隙越小，密封效果越好，但工艺困难）。还有一种是在轴承盖的孔内开一个或几个并列的沟槽（圆弧形或形），效果比上一种好些。在轴上增开了沟槽（矩形或锯齿形），效果又比前两种好。 在有大量切屑、灰尘和冷却液的环境中工作时，可采用曲路密封，曲路可做成轴向或径向。径向式的轴承盖要做成剖分式，较为复杂。 2）疏导在适当的地方做出回油路，使油能顺利地流回到油箱。 总结 金属切削机床的课程设计任务完成了，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。本次设计巩固和深化了课堂理论教学的内容

25、，锻炼和培养了我综合运用所学过的知识和理论的能力，是我独立分析、解决问题的能力得到了强化. 机床课程设计金属切削机床课程的重要环节，使理论与实践更加接近，加深了理论知识的理解，强化了对课程的感性认识。通过此次设计，使我们在基本理论的综合运用及正确解决现实问题等方面得到了一次较好的训练。提高了我们的思考、解决问题的能力。虽然设计的过程比较繁琐，而且刚开始还有些不知所措，在老师的指点下，以及在查阅相关资料的基础上慢慢分析思考，最终完成了这次为期一个月的机床课程设计，最重要的是对整个设计过程有了全新的了解和体会，不会像当初不知所措，同时也提高了大家自己动手，结合自己所学的理论知识落实到具体的设计实践

26、，激发了自己独立思考，从全局整体出发考虑的能力。一个月看似漫长而枯燥的课程设计，这需要耐心和持之以恒的精神，对于培养我们脚踏实地，一步一个脚印做事，是个很好的培养机会。 总之，通过这次课程设计，在提高自我能力的基础上，我对自己所学的课程以及自己将来从事的职业有了更深刻的了解，再次感谢老师和同学们在这过程中对我的帮助，我的成绩是大家共同努力的结果，我相信我会受益终身，谢谢大家。参考文献 1 黄鹤汀主编. 机械制造装备.机械工业出版社. 2001.52 戴曙.金属切削机床. 大连理工大学出版社. 大连.2011.13 濮良贵 纪名刚主编.机械设计.高等教育出版社.北京.2001.34 李庆余主编. 机械制造装备设计. 北京. 机械工业出版社，2003.8 5 王玉.机械精度设计与检测技术.国防工业出版社 2008；6 唐金松主编.简明机械设计手册.上海科技技术出版社.上海.1992.067 机床设计手册通用卷1-2 1983年版 机械工业出版社8 金属切削机床设计图册 机械工业出版社24