机床主轴箱设计—金属切削机床机床二级项目说明书—燕山大学.

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1、金属切削机床课程二级项目报告班级：15级机制1班姓名：袁梦学号：课程名称：金属切削机床 指导教师：陈老师所在院系：机械工程学院2016年12月20日一、设计任务3二、主轴参数的确定3三、电机的选择3四、方案改进8五、电机参数说明115.1机床号115.2使用条件115.3主要技术性能125.4主要技术参数12六、传动轴的估算12七、主轴轴径尺寸的确定14八、齿轮模数的估算14九、齿轮宽度确定 16十、中心距的确定17十一、确定齿轮的轴向布置 18十二、主轴主要参数的计算及校核 1912.1主轴前端直径1912.2主轴内径1912.3主轴前端悬伸量a确定 20十三、零件的校核2313.1齿轮模数

2、的验算2313.2传动轴的验算25亠、设计任务25号题数控铣床7.5kw275025无级调速袁观阳机床类型是数控铣床，满载功率为7.5KW最高转速为2750rpm,最低转速为25rpm,采用无级变速。1、主轴参数的确定主轴要求的最高转速：nmax轴二2750r/min主轴要求的最低转速：“mg轴二25r/min计算转速:0.32750、0.3n nminR. - 25 ()- 102.41r/min25取：nj = 103r/min三、电机的选择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，门0是对应工频50HZ是的转速，而电机的速度范围如下计算

3、（转速与频率成正比）：nmax= n of ma)/50nmin = n of min /50电机的频率范围有几种供选择，需要查找不同的产品。当电机的 转速范围不能满足实际需要时，可采取串联有级变速组以扩大变速范 转速匹配：传动系统尽可能采取降速或等速传动，即使采取升速传动, 传动比不宜太大。应选取电机的最高转速 nmax与需要的最高转速相 近。依据设备要求，选择YVF2系列高效率变频调速专用三相异步电动 机。.基本参数额定电压：380V基频：50Hz额定转速：1500r/mi n调频范围：5-100Hz则：最咼转速：nmax= n f maJ50=3000r/min最低转速：nmin = n

4、 0fmin /50=150肝.电机特点特点：无级调速、调速范围宽系统调速性能好、节能效果更显著采用耐高频脉冲电压冲击的绝缘材料和工艺独立风机强制通风冷却.绝缘等级F2、功率要求虽然在转速范围内电机可以工作，但应注意在恒转矩区低速段工 作时，电机的功率因数很低，效率很低，接近最低转速时，效率只有 百分之几，电机发热较大，耗费功率较多，不宜应用于经常使用条件 下，只有在偶尔短期使用才可以。当不满足此要求时，应采取降速措 施，使电机在较高转速时实现低速输出到执行件上。当电机与有级变速串联时，速度分配为高速传动区与低速传动 区，速度分配选择传动比，应使电机额定功率最小，需要考虑功率曲 线的衔接要合理

5、。mui电机轴定比轴輸出/吨根据图示可列下式：N max 电* Uo* Uimax轴Nmax电 * Uo*U2= Nm Uo UiNmuu厂Nj由已知条件及计算得出的数据可得：n max 电* njN m580 .60 r / minn max 轴11Uo Ui12u0 u 2 二 0.1774PoN1500Nm7.5-则：R 二巳 -巳Nm580.60则：N。其中n为传动总效率，取n =0.80电机功率：P0 - 24.22KW令 u0 = = 0.6511 355U1/1.52812 536u2 二 0.30传动比为u。二0.6时:定比传动组小齿轮齿数：Z 30 ；大齿轮齿数：乙二50传动

6、比为u 1.528时：一级传动组小齿轮齿数：乙-31 ；大齿轮齿数：乙=47传动比为山二0.30时：二级传动组小齿轮齿数：乙=18 ；大齿轮齿数：乙=60对照电机样本可选电机功率为 18.5KW.校核：N 口和轴二心和电 Uo U2 二 15001774 二 26.6125即：设计不满足转速要求；而且所需电机功率太高，浪费太大。所以改二联滑移齿轮传动为二联滑移齿轮传动四、方案改进三联传动传动路线图根据图示可列下式:Nmax电 U U厂 Nmax轴Nmax电 7厂肌1UUiNmax亍 Uo -U Nm2UoU2Nm2 u 73 二nNm1 二 Nm2 二| n 3 max 电 nNm = 3二

7、1003.74r/minn max 轴11U0 U112联立上述解析式，解得：2U2 二 U1 U3u0 u3 二 0.10262空上则.ip。叫d巳 Nm 1003.74 则.No其中n为传动总效率，取n =0.80电机功率：P0 - 14.01KW令 ui =1.751.923进而 U3 二 0.197 二5.076进而u2 =0.587 二1.704综合考虑三联滑移齿轮应用特点：应检查滑移齿轮之间的齿数关系：三联滑移 齿轮的最大和次大齿轮之间的齿数差应大于或等于4;根据表8-1选取合适的齿轮齿数且满足u1、u2两个不同齿轮副的等齿数，从而使得当齿轮模数选取 致时，满足中心距一致，使得两组

8、齿轮安装在两根轴上，简化运算和结构。选 取齿轮齿数如下：I、传动比为u0 =0.52时：（由后续机构设计中确定电机轴和传动轴之 间用齿形带传动）确定计算功率：片二K P = 1.3 15 = 19.5KW选择齿形带模数：查机床设计手册 2图得：m =5mm确定小带轮齿数：乙=20;则大带轮齿数：Z2 =36带轮直径：小带轮直径：U = m乙=100mm; 大带轮直径：D2二m乙=180mm确定齿形带带速:一 5iJ WO 3 5.7160 1000 60 1000 齿形带速度：L。=2民 二 2(Di D2) (D2 -Di)/(4A0)= 1040mm查机床设计手册2表5.2-41 ,选取齿

9、形带长度：L = 1021mm 齿形带齿数：Z =65 确定实际中心距： A二t2z_Z1 -Z2287.6mm ；取为288mm式中t为节距，查机床设计手册 2表5.2-40，取t=15.70mmB为系数，查表机床设计手册 2表5.2-48，取B=0.24758 核验小带轮与齿形带的啮合齿数： 乙二乙6360式中a为小带轮包角，查表5.2 402 确定1mm宽齿形带由离心力而产生的张力：T = =0.152kgf/mmg式中q查表5.2 47,取为q=0.0060 ; g为重力加速度确定齿形带宽度:102Nj=43.6mm ;取为 50mmU、齿数之和可取： Sz T16传动比为u厂1.75

10、时：一级传动组小齿轮齿数：Z1 - 42 ；大齿轮齿数：乙二74传动比为匕= 0.587时：二级传动组小齿轮齿数：乙=43 ；大齿轮齿数：乙二73传动比为5二0.197时：三级传动组小齿轮齿数：乙=20 ；大齿轮齿数：乙二96对照电机样本可选电机功率为15KW由实际传动副确定的传动情况如下：第一段传动比J1覆盖范围：2750rpm 137rpm；第二段传动比2覆盖范围：916rpm 46rpm；第三段传动比J3覆盖范围：307rpm 15rpm；由此可知实际传动满足速度和功率的要求，即设计合理。有以上计算结果可得最终速度匹配图如下:五、电机参数说明五、电机参数说明1、机床号当p0 =15KW时

11、，对应的4级电机，电机型号为 YVF2-160L-4。其中：YVF电机型号；160机座中心高；L机座长度代号（S 短，M 中，L 长）；4电机级数。2、使用条件1）海拔不超过1000m o2） 环境空气温度随季节而变化，但不超过 4C，最低不超过-15C o3）最湿月平均相对湿度为90%，同时该月月平均最低温度不高 于25C3、主要技术性能1）电机为连续工作制。2）额定电压为380V，额定频率为50Hz。3）绝缘等级为F级。4）550Hz为恒转矩调速，50100Hz为恒功率调速。5）过载能力强。6）低速性能好。7）采用丫接法。8）外壳防护等级为IP44。9） 冷却方式为全封闭带轴流通风机冷却（

12、1C416 ）。4、主要技术参数表（1）主要技术参数表型号电压频 率同步 转速功率额定电 流额定 转 矩效率噪声VHZr/minKWAN- M%dbYVF2-160L-43805015001530.098.189.490六、传动轴的估算传动轴除应满足强度要求外，还应满足刚度要求。强度要求保证轴在反复载 荷和扭转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 较大的变形。因此疲劳强度一般不是主要矛盾。 除了载荷比较大的情况外，可以 不必验算轴的强度。刚度要求轴在载荷下（弯曲，轴向，扭转）不致产生过大的 变形（弯曲，失稳，转角）。如果刚度不够，轴上的零件如齿轮，轴承等由于轴 的变形

13、过大而不能正常工作，或者产生振动和噪音，发热，过早磨损而失效。因 此，必须保证传动轴有足够的刚度。通常，先按扭转刚度轴的直径，画出草图后， 再根据受力情况，结构布置和有关尺寸，验算弯曲刚度。计算转速nj是传动件传递全部功率时的最低转速，各个传动轴上的计算转 速可以从转速图上直接得出如表 2所示。表2各轴的计算转速轴电机轴传动轴主轴计算转速（r/mi n ）1004532103各轴功率和扭矩计算：电机功率为15KV，输出效率为89.4%,轴承效率为98%则Pi=15 0.894 0.98 = 1314P 13.14 0.98 = 12.88P 12.88 0.98 = 12.62各轴输入转矩：p

14、11314I轴：=95509550124.99N mn1004P212 88U轴：T2 =95509550N m=231.21N mn2532川轴：P312.02T3 =95509550 N m =1170.11 N mn102 是每米长度上允许的扭转角（deg/m）,可根据传动轴的要求选取，其选取的原则如表2-2所示。表3许用扭转角选取原则轴要求较咼的轴一般传动轴较低的轴 (deg/m)0.25-0.50.5-11-2根据表2-2确定各轴所允许的扭转角如表2-3所示表3-3许用扭转角的确定轴In (deg/m)110.25把以上确定的各轴的输入功率 N=11KW计算转速nj （如表2-1 ）

15、、允许扭转角 （如表2-3）代入扭转刚度的估算公式d6勺令（3-3）可得各个传动轴的估算直径：把以上确定的各轴传动轴的输入功率、允许扭转角 代入扭转刚度的估算4 N公式：d =91Jn矿，可得传动轴的估算直径：N _ .13.14轴：a 丁91i004 = 3O.78mm，取 32mm4 4N 12.88u轴：d2 =9191： 35.90mm,取 40mmnj 屮 532七、主轴轴径尺寸的确定in轴为数控铣床主轴，查阅机床课程设计指导书表 3功率(kw)1.5 2.82.8 44 5.55.5 7.57.5 1010 14铣床及加 工中心50 9060 9060 9575 10090 105

16、100115知： 主轴的驱动功率在12.62kw时，其前端轴颈为100115mm,此时取为轴前段 d 100mm o计算出的轴径要进行圆整，电机轴根据所选电机确定，YVF2-160L-4型号交流主轴电动机电机轴d电机=42mm取4 = 32mm满足要求；为便能够采用标准量具和刀具，u轴做成花键轴，故选择花键轴外径 d 46mm（gb/t 1144-2001花键尺寸 8-42 X 46 X 8 ）o则估算各轴直径如下表所示:各轴估算直径轴I轴u轴n轴估算直径3240100八、齿轮模数的估算由于机床主轴齿轮一般在高速、中载、无猛烈冲击的条件下工作，而且要求 热处理变形小，所以选择齿轮材料为 45,

17、高频淬火，HRC557,许用接触应力 J =1370Mpa，许用弯曲应力 J =283Mpa。按接触疲劳强度和弯曲疲劳强度计算齿轮模数比较复杂，而且有些系数只有 在齿轮的各参数都已知方可确定，故只有在装配草图画完后校验用。在画草图时 用经验公式估算，根据估算的结果然后选用标准齿轮的模数。齿轮模数的估算有两种方法，第一种是按齿轮的弯曲疲劳进行估算， 第二种 是按齿轮的齿面点蚀进行估算，而这两种方法的前提条件是各个齿轮的齿数必须 已知，所以必须先给出各个齿轮的齿数。根据齿轮不产生根切的基本条件：齿轮的齿数不小于17，在该设计中，即最小齿轮的齿数不小于17。按接触疲劳强度和弯曲疲劳强度计算齿轮模数比

18、较复杂，而且有些系数只有 在齿轮的各参数都已知方可确定，故只有在装配草图画完后校验用。在画草图时 用经验公式估算，根据估算的结果然后选用标准齿轮的模数。齿轮模数的估算有两种方法，第一种是按齿轮的弯曲疲劳进行估算， 第二种 是按齿轮的齿面点蚀进行估算，而这两种方法的前提条件是各个齿轮的齿数必须 已知，所以必须先给出各个齿轮的齿数。根据齿轮不产生根切的基本条件：齿轮的齿数不小于 17，在该设计中，即 最小齿轮的齿数不小于17。而由于Z7、Z8这对齿轮有最大的传动比，各个传动 齿轮中最小齿数的齿轮必然是 Z7。已取Z7=20，S=116，则Z6=96。从转速图上可以直接看出Z7的计算转速是532r/

19、min。3齿轮弯曲疲劳估算公式mj =32江Nd bm】Z4 -njZ7=20，Nd =12.88kW，nj 二 532rpm,可得3rnij=32、12.88 =3.41mm】j. 20 532Nd 驱动电动机功率（kW）；Z7 小齿轮齿数； nj 计算齿轮的计算转速;齿轮接触疲劳估算公式mj二16338 3 ”1, 需式中：mj按接触疲劳强度计算的齿轮模数（mm）;Nd 驱动电动机功率（kW）；i大齿轮齿数与小齿轮齿数比i -1，外啮合取“ +”号，内啮合取“-”号;K：m齿宽系数，：m6 10 ；mZ5小齿轮齿数；匕1许用接触应力（Mpa）;计算齿轮的计算转速；II-III齿轮副中 Z7

20、=20 , Nd=12.88kW , 296/20 = 4.8 , m=8 ,dnj = 532rpm，齿轮材料45,高频淬火处理， 匕Li370MPa可得mj6338 3 严 1）依82.77 mm8沃 202 沃4.8“3702m4EIKa3311 -82.1 10287.58 101685.30 0.0753 106= 0.849查金属切削机床图10 24主轴最佳跨距计算线图，查得Io / a = 3.25， 已经与假设极其接近。再次经过计算支反力和支撑刚度及最佳跨距，经过进一步 的迭代过程，最终取得最佳跨距为I。= 490mm十三、零件的校核1 、齿轮模数的验算一般对高速传动的齿轮以验

21、算接触疲劳强度为主， 对低速传动的齿轮以验算 弯曲疲劳强度为主，对硬齿面软齿芯的高频淬火齿轮，一定要验算弯曲疲劳强度。接触弯曲强度计算齿轮模数mw191 105仆2仆小zm2BYnj式中N 传递的额定功率（kw）, N =HNd ;Nd 电机额定功率（kw）；从电机到所计算齿轮的传递效率；nj齿轮的计算转速（r/min）；m初算的齿轮模数（mrj）B齿宽（mr）iu大齿轮齿数与小齿轮齿数之比；z小齿轮齿数；K1工况系数，考虑载荷冲击的影响，中等冲击取1.21.6 ；K2 动载荷系数K3 齿向载荷分布系数Y齿形系数Ks 寿命系数：Ks 二 GKnKNKqKt 工作期限系数:Ktm 60niTCo

22、T齿轮在机床工作期限内的总工作时间n1齿轮的最低转速（r/min ）；Co 基准循环次数，钢和铸铁件：接触载荷取Co=io7，弯曲载荷取8C0=2X 10 ；m 疲劳曲线指数，钢和铸铁件：接触载荷取 m=3弯曲载荷时，对 正火、调质及整体淬硬件取 m=6对表面淬硬（高频、渗碳、 氮化等）取m=9Kn转速变化系数Kn 功率利用系数Kq 材料强化系数iw 1许用弯曲应力（Mpa（1）验算96/20齿轮传动组，验算Z=20齿轮： 查阅相关资料得：K1 =1.4、K2 =1.3、K3 =1.04、Ks =0.27、Y =0.43、卜 w l=354Mpa191 105K1K2K3 K4NO = 5弯曲

23、疲劳强度：zm2BYnj带入数据，计算得出二=105.96 MPa c. I满足要求。（2）验算74/42齿轮传动组，验算Z=40齿轮： 查阅相关资料得：0=1.4、K2 =1.3、K3=1、Ks =0.27、Y =0.481、w l=354Mpa弯曲疲劳强度：带入数据，计算得出 1 -33.68 MPa满足要求。（2）验算43/73齿轮传动组，验算Z=20齿轮：查阅相关资料得：K1 =1.4、K2 =1.3、K3=1、Ks =0.27、Y =0.481、卜w l=354Mpa弯曲疲劳强度：带入数据，计算得出.-35.68 MPa t.J满足要求。2、传动轴的验算2.1轴的强度验算强度验算时，

24、通常用复合应力公式进行计算：% = M2 .5?2 订RJMPaW式中，Rb 复合应力,查得，尺=105W轴的危险断面的抗弯断面模数M 二 Mx2 My24 N4 11x0.95r 1T =955 104955 104200000N mm 1Nj515N最大功率Nj 计算转速4矩形花键轴：w) Zb(D -d)(D d) mm332D32Dd花键轴内径，36mmD花键轴外径，40mmb键宽7mmZ键数，8计算得出： W =4135.7 mm3丨齿轮圆周力：p2T =2 2 15 =4KND 100齿轮径向力：R =Rtg (很亠尸)/cos 一：,此处直齿圆柱齿轮=20，可取P = 0. 5P

25、 = 0. 5 4 K2NM = MX2 MY2 4000 502 2000 503873N mm=11.405MPaJlM 2 +0.5T2 J38732 +0.5（2勺05）2W12405故花键轴强度满足要求。2.2轴的强度验算通过受力分析，在一轴的两对啮合齿轮副中，靠近中间的一对齿轮对轴中点 处的挠度影响最大，所以，选择 20/96齿轮副来进行校核。T =9550 P/n =9550 11 0.95/500 = 200N mFt =2 T/d= 2 200/(52 10冷=7.7kNFr -0.5Ft -3.85KNP = F pF； Ft2 =8.6kNT=9550*P/n=9550*15*0.95/500=272N.mF严= 2x200 / (52xl0_1) = 7,7kV耳二03耳=3&也丁P = F = J可 + 耳:=8.6A1V受力图已知 d=52mm E =2.1 汉1011 Pa , b=120mm, x=210mm2 2 2F b x I -xbYb =8600X20x210汉(3302 2102 1202 $ (10 $11 n x 58_3 4_3646 2.1 101110330 10= 4.73 10”mmy =0.0002 -0.066mm , Yb Iy 1,所以合格 。