C6140普通车床主轴变速箱设计(全套含CAD图纸)
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编号无锡太湖学院 毕业设计(论文)题目: 车床主轴传动系统设计 单主轴变速机构设计 信机 系 模具设计与制造 专业学 号: 学生姓名: 指导教师: 2013年5月25日 无锡太湖学院本科毕业设计(论文)诚 信 承 诺 书本人郑重声明:所呈交的毕业设计(论文) 车床主轴传动系统设计-单主轴变速机构设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果,除了在毕业设计(论文)中特别加以标注引用、表示致谢的内容外,本毕业设计(论文)不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级: 机械95 学 号: 0923211 作者姓名: 2013 年 5 月 22 日无锡太湖学院信 机 系 模具设计与制造 专业一、 题目及专题1、 题目 车床主轴传动系统设计 2、 专题 单主轴变速机构设计 二、 课题来源及选题依据 课题来源为无锡某机械有限公司。通过毕业设计是为了培养学生开发和创新机械产品的能力,要求学生能够针对实际使用过程中存在的机床选择问题,综合所学的机械理论设计与方法、专用机床设计方法,在机床基础型系的基础上,设计一个简单的主传动变速系统,从而达到解决实际工程问题的能力。在设计传动件时,在满足产品工作要求的情况下,应尽可能多的采用标准件,提高其互换性要求,以减少产品的设计生产成本。三、 本设计(论文或其他)应达到的要求1、 该部件工作时,能运转正常;2、 拟定工作机构和驱动系统的运动方案,并进行多方案对比分析; 3、 根据车床的加工要求,设计出机床主传动系统的原理及绘制主传动系 统的装配图;4、 对所设计的主传动系统进行必要的验算和推导;5、 绘制车床的主传动轴的零件图;6、 绘制车床主传动系转速图和变速传动系图;7、 编制设计说明书1份。四、 接受任务学生: 机械 95 班 姓名 郭磊 五、 开始及完成日期: 自 2012年11月12日 至2013 年 5 月25日六、 设计(论文)指导(或顾问): 指导教师 签名 签名 签名 教研室主任 科学组组长 签名 系主任 签名年 月 日编号无锡太湖学院毕业设计(论文)相关资料题目: 车床主轴传动系统设计 单主轴变速机构设计 信机 系 模具设计与制造 专业学 号: 0923211学生姓名: 郭 磊 指导教师: 韩邦华 (职称:副教授 ) (职称: )2013年5月25日目 录一、毕业设计(论文)开题报告二、毕业设计(论文)外文资料翻译及原文三、学生“毕业论文(论文)计划、进度、检查及落实表”四、实习鉴定表无锡太湖学院毕业设计(论文)开题报告题目: 车床主轴传动系统设计 单主轴变速机构设计 信机系 模具设计与制造 专业学 号: 0923211 学生姓名: 郭 磊 指导教师: 韩邦华 (职称:副教授 ) (职称: ) 2012年11月25日 课题来源由于前期我在无锡某机械厂实习,主要从事普通车床的加工与维修,经几个月的实习,已熟悉掌握车床的工作原理及加工流程。经老师指导,选择自己熟悉的产品做课题。科学依据(包括课题的科学意义;国内外研究概况、水平和发展趋势;应用前景等)(1)课题科学意义该课题主要是为了培养学生开发和创新机械产品的能力,要求学生能够结合企业实际生产现状,针对实际使用过程中存在的机床选择问题,综合所学的机械理论设计与方法、专用机床设计方法,在机床基础型系的基础上,设计一个简单的主传动变速系统,从而达到解决实际工程问题的能力。在设计车床主轴传动系统设计-主轴变速机构设计时,在满足产品工作要求的情况下,应尽可能多的采用标准件,提高其互换性要求,以减少产品的设计生产成本。(2)主轴变速箱的研究状况及其发展前景作为主要的车削加工机床,CA6140机床广泛应用于机械加工行业中,作为其主要部分的主轴箱就成为专家研究的对象。CA6140型普通车床的主要组成部分有:主轴箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、光杠、丝杠和床身。主轴箱:又称床头箱,它的主要任务是将主电机传来的旋转运动经过一系列的变速机构使主轴得到所需的正反两种转向的不同转速,同时主轴箱分出部分动力将运动传给进给箱。在现代制造业中,车床应用很普遍,从这个意义上讲,对主轴变速箱这个车床重要的部分的研究与设计具有重要的现实意义。根据工件的加工需要,优化的主轴箱能够使车床的工作效率提高,进而降低工人的工作强度。现代大型工业技术的飞速发展,降低人工成本具有重要的理论意义和现实意义。在我国,CA6140普通车床是当前机械制造业实现产品更新,进行技术改造,提高生产效率和高速发展必不可少的设备之一。因此,其主轴箱的优化设计是必须进行的,这样才能适应社会制造业的发展需求。研究内容 分析主轴箱结构、原理及各零件配合; 对车床主轴箱主要参数的确定; 主轴箱传动方案和传动系统图的拟定 对主要零件进行计算和验算; 利用AUTOCAD软件画出装配图,零件图; 对于主轴箱设计,能够全面深入了解箱体各部分的设计原则以及合理分析各结构配合对设计的影响。拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析(1)实验方案通过实践与大量搜集、阅读资料相结合,掌握好基本原理后,对车床的主传动系进行数学建模,并通过模拟实验分析建立车床主轴传动系统设计-主轴变速机构的实体模型,设计一个简单的主传动变速系统,并进行现场实验,来进行传动件的最优化设计。(2)研究方法 资料查寻比较,选择合理方案,与导师同学讨论。 主要运用文字叙述和AUTOCAD软件为主进行图纸设计。 研究计划及预期成果2012年11月12日-2012年12月2日:按照任务书要求查阅论文相关参考资料,填写毕业设计开题报告书。2012年12月3日-2013年1月20日:填写毕业实习报告。2013年1月21日-2013年1月30日:按照要求修改毕业设计开题报告。2013年2月1日-2010年2月15日:学习并翻译一篇与毕业设计相关的英文材料。2013年2月16日-2010年3月15日:主轴变速箱设计。2013年3月16日-2013年4月1日:主轴箱各零件设计。2013年4月2日-2013年5月25日:毕业论文撰写和修改工作。现场调研、模拟、建模、实验、机器调试,达到产品的最优化设计,大大降低劳动强度和提高生产效率。特色或创新之处适用于企业对现有机床进行改型换代的要求,且可以扩大机床的加工工艺范围,对车床主传动系统进行优化设计,可降低工人的劳动强度、减少机械加工工艺时间和降低机械零件的生产成本。已具备的条件和尚需解决的问题针对实际使用过程中机床主传动变速系统存在的问题,综合所学的机械理论设计与方法、专用机床设计方法,对车床主轴传动系统设计-主轴变速机构进行改进,进而提高自身开发和创新机械产品的能力。指导教师意见 指导教师签名:年 月 日教研室(学科组、研究所)意见 教研室主任签名: 年 月 日系意见 主管领导签名: 年 月 日I 摘要 车床主要是为了进行车外圆、车端面和镗孔等项工作而设计的机床。车削很少在其 他种类的机床上进行,而且任何一种其他机床都不能像车床那样方便地进行车削加工。 由于车床还可以用来钻孔和铰孔,车床的多功能性可以使工件在一次安装中完成几种加 工。因此,在生产中使用的各种车床比任何其他种类的机床都多。 车床的基本部件有:床身、主轴箱组件、尾座组件、溜板组件、丝杠和光杠。 主轴箱安装在内侧导轨的固定位置上,一般在床身的左端。它提供动力,并可使工 件在各种速度下回转。它基本上由一个安装在精密轴承中的空心主轴和一系列变速齿轮 (类似于卡车变速箱)所组成。通过变速齿轮,主轴可以在许多种转速下旋转。大多数车 床有 812 种转速,一般按等比级数排列。而且在现代机床上只需扳动 24 个手柄,就能 得到全部转速。一种正在不断增长的趋势是通过电气的或者机械的装置进行无级变速。 由于机床的精度在很大程度上取决于主轴,因此,主轴的结构尺寸较大,通常安装 在预紧后的重型圆锥滚子轴承或球轴承中。主轴中有一个贯穿全长的通孔,长棒料可以 通过该孔送料。主轴孔的大小是车床的一个重要尺寸,因此当工件必须通过主轴孔供料 时,它确定了能够加工的棒料毛坯的最大尺寸。 关键字:车床;主轴箱组件;主轴;无级变速 II Abstract Lathes are machine tools designed primarily to do turning, facing and boring, Very little turning is done on other types of machine tools, and none can do it with equal facility. Because lathes also can do drilling and reaming, their versatility permits several operations to be done with a single setup of the work piece. Consequently, more lathes of various types are used in manufacturing than any other machine tool. The essential components of a lathe are the bed, headstock assembly, tailstock assembly, and the leads crew and feed rod. The headstock is mounted in a foxed position on the inner ways, usually at the left end of the bed. It provides a powered means of rotating the word at various speeds . Essentially, it consists of a hollow spindle, mounted in accurate bearings, and a set of transmission gears- similar to a truck transmissionthrough which the spindle can be rotated at a number of speeds. Most lathes provide from 8 to 18 speeds, usually in a geometric ratio, and on modern lathes all the speeds can be obtained merely by moving from two to four levers. An increasing trend is to provide a continuously variable speed range through electrical or mechanical drives. Because the accuracy of a lathe is greatly dependent on the spindle, it is of heavy construction and mounted in heavy bearings, usually preloaded tapered roller or ball types. The spindle has a hole extending through its length, through which long bar stock can be fed. The size of maximum size of bar stock that can be machined when the material must be fed through spindle. Key words: Lathes; headstock assembly; variable speed; 无锡太湖学院毕业设计说明书 6 目录 摘要 .III ABSTRACT .IV 1 绪论 .1 1.1 毕业设计的目的 .1 1.2 机床主传动系统设计要求 .1 2 车床参数的拟定 .2 2.1 车床主参数和基本参数 .2 2.1.1 极限切削速度 Vmax、Vmin 的确定 .2 2.1.2 主轴的极限转速的确定 .2 2.1.3 主轴转速级数和公比的确定 .3 2.1.4 主电机的选择 .3 3 主传动系统设计 .6 3.1 传动结构式、结构网、转速图的确定 .6 3.1.1 传动形式的确定 .6 3.1.2 传动组及各传动组中传动副的数目 .6 3.1.3 传动系统扩大顺序的安排 .7 3.1.4 绘制转速图 .7 3.1.5 转速图的拟定 .7 3.1.6 分配降速比 .8 3.2 齿轮齿数的确定及传动系统图的绘制 .10 3.2.1 带轮确定 .10 3.2.2 齿轮齿数的确定的要求 .14 4 强度计算和结构草图设计 .17 4.1 确定计算转速 .17 4.1.1 各轴、齿轮的计算转速 .17 4.2 轴的估算和验算 .19 4.2.1 主轴的设计与计算 .19 4.2.2 传动轴直径的估算 .22 4.3 齿轮模数的估算和计算 .24 4.3.1 齿轮模数的估算 .24 4.3.2 齿轮模数的验算 .26 CA6140 车床主轴变速箱的设计 7 4.4 轴承的选择与校核 .31 4.4.1 一般传动轴上的轴承选择 .31 4.4.2 主轴轴承的类型 .31 4.4.3 轴承间隙调整和预紧 .33 4.4.4 轴承的较核 .34 4.4.5 轴承的密封和润滑 .36 4.5 片式摩擦离合器的选择与验算 .36 4.5.1 按扭矩选择 .36 4.5.2 片式离合器的计算 .36 4.5.3 计算摩擦面的对数 Z.37 5 主轴箱的箱体设计 .39 6 结论与展望 .40 6.1 结论 .40 6.2 展望 .40 致 谢 .41 参考文献 .42 编 号 无锡太湖学院 毕 业 设 计 ( 论 文 ) 题目: 车床主轴传动系统设计 单主轴变速机构设计 信 机 系 模 具 设 计 与 制 造 专 业 学 号: 0923211 学生姓名: 郭 磊 指导教师: 韩邦华 (职称:副教授) (职称: ) 2013 年 5 月 25 日 无锡太湖学院本科毕业设计(论文) 诚 信 承 诺 书 本人郑重声明:所呈交的毕业设计(论文) 车床主轴传动系统 设计- 单主轴变速机构设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的成果,除了在毕业设计(论文)中特别加以标注引用、表示致谢的 内容外,本毕业设计(论文)不包含任何其他个人、集体已发表或撰写 的成果作品。 班 级: 机械 95 学 号: 0923211 作者姓名: 2013 年 5 月 22 日 I 无锡太湖学院 信 机 系 模具设计与制造 专业 一、 题目及专题 1、 题目 车床主轴传动系统设计 2、 专题 单主轴变速机构设计 二、 课题来源及选题依据 课题来源为无锡某机械有限公司。通过毕业设计是为了培养学生开发 和创新机械产品的能力,要求学生能够针对实际使用过程中存在的机床选择 问题,综合所学的机械理论设计与方法、专用机床设计方法,在机床基础型 系的基础上,设计一个简单的主传动变速系统,从而达到解决实际工程问题 的能力。 在设计传动件时,在满足产品工作要求的情况下,应尽可能多的采用标 准件,提高其互换性要求,以减少产品的设计生产成本。 三、 本设计(论文或其他)应达到的要求 1、 该部件工作时,能运转正常; 2、 拟定工作机构和驱动系统的运动方案,并进行多方案对比分析; 3、 根据车床的加工要求,设计出机床主传动系统的原理及绘制主传 动系 统的装配图; 4、 对所设计的主传动系统进行必要的验算和推导; II 5、 绘制车床的主传动轴的零件图; 6、 绘制车床主传动系转速图和变速传动系图; 7、 编制设计说明书 1 份。 四、 接受任务学生: 机械 95 班 姓名 郭磊 五、 开始及完成日期: 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、 设计(论文)指导(或顾问): 指导教师 签名 签名 签名 教研室主任 科学组组长 签名 系主任 签名 年 月 日 III 摘要 车床主要是为了进行车外圆、车端面和镗孔等项工作而设计的机床。车削很少在其 他种类的机床上进行,而且任何一种其他机床都不能像车床那样方便地进行车削加工。 由于车床还可以用来钻孔和铰孔,车床的多功能性可以使工件在一次安装中完成几种加 工。因此,在生产中使用的各种车床比任何其他种类的机床都多。 车床的基本部件有:床身、主轴箱组件、尾座组件、溜板组件、丝杠和光杠。 主轴箱安装在内侧导轨的固定位置上,一般在床身的左端。它提供动力,并可使工 件在各种速度下回转。它基本上由一个安装在精密轴承中的空心主轴和一系列变速齿轮 (类似于卡车变速箱)所组成。通过变速齿轮,主轴可以在许多种转速下旋转。大多数车 床有 812 种转速,一般按等比级数排列。而且在现代机床上只需扳动 24 个手柄,就能 得到全部转速。一种正在不断增长的趋势是通过电气的或者机械的装置进行无级变速。 由于机床的精度在很大程度上取决于主轴,因此,主轴的结构尺寸较大,通常安装 在预紧后的重型圆锥滚子轴承或球轴承中。主轴中有一个贯穿全长的通孔,长棒料可以 通过该孔送料。主轴孔的大小是车床的一个重要尺寸,因此当工件必须通过主轴孔供料 时,它确定了能够加工的棒料毛坯的最大尺寸。 关键字:车床;主轴箱组件;主轴;无级变速 IV Abstract Lathes are machine tools designed primarily to do turning, facing and boring, Very little turning is done on other types of machine tools, and none can do it with equal facility. Because lathes also can do drilling and reaming, their versatility permits several operations to be done with a single setup of the work piece. Consequently, more lathes of various types are used in manufacturing than any other machine tool. The essential components of a lathe are the bed, headstock assembly, tailstock assembly, and the leads crew and feed rod. The headstock is mounted in a foxed position on the inner ways, usually at the left end of the bed. It provides a powered means of rotating the word at various speeds . Essentially, it consists of a hollow spindle, mounted in accurate bearings, and a set of transmission gears- similar to a truck transmissionthrough which the spindle can be rotated at a number of speeds. Most lathes provide from 8 to 18 speeds, usually in a geometric ratio, and on modern lathes all the speeds can be obtained merely by moving from two to four levers. An increasing trend is to provide a continuously variable speed range through electrical or mechanical drives. Because the accuracy of a lathe is greatly dependent on the spindle, it is of heavy construction and mounted in heavy bearings, usually preloaded tapered roller or ball types. The spindle has a hole extending through its length, through which long bar stock can be fed. The size of maximum size of bar stock that can be machined when the material must be fed through spindle. Key words: Lathes; headstock assembly; variable speed; V 目录 摘要 .III ABSTRACT .IV 1 绪论 .1 1.1 毕业设计的目的 .1 1.2 机床主传动系统设计要求 .1 2 车床参数的拟定 .2 2.1 车床主参数和基本参数 .2 2.1.1 极限切削速度 Vmax、Vmin 的确定 .2 2.1.2 主轴的极限转速的确定 .2 2.1.3 主轴转速级数和公比的确定 .3 2.1.4 主电机的选择 .3 3 主传动系统设计 .6 3.1 传动结构式、结构网、转速图的确定 .6 3.1.1 传动形式的确定 .6 3.1.2 传动组及各传动组中传动副的数目 .6 3.1.3 传动系统扩大顺序的安排 .7 3.1.4 绘制转速图 .7 3.1.5 转速图的拟定 .7 3.1.6 分配降速比 .8 3.2 齿轮齿数的确定及传动系统图的绘制 .10 3.2.1 带轮确定 .10 3.2.2 齿轮齿数的确定的要求 .14 4 强度计算和结构草图设计 .17 4.1 确定计算转速 .17 4.1.1 各轴、齿轮的计算转速 .17 4.2 轴的估算和验算 .19 4.2.1 主轴的设计与计算 .19 4.2.2 传动轴直径的估算 .22 4.3 齿轮模数的估算和计算 .24 4.3.1 齿轮模数的估算 .24 4.3.2 齿轮模数的验算 .26 VI 4.4 轴承的选择与校核 .31 4.4.1 一般传动轴上的轴承选择 .31 4.4.2 主轴轴承的类型 .31 4.4.3 轴承间隙调整和预紧 .33 4.4.4 轴承的较核 .34 4.4.5 轴承的密封和润滑 .36 4.5 片式摩擦离合器的选择与验算 .36 4.5.1 按扭矩选择 .36 4.5.2 片式离合器的计算 .36 4.5.3 计算摩擦面的对数 Z.37 5 主轴箱的箱体设计 .39 6 结论与展望 .40 6.1 结论 .40 6.2 展望 .40 致 谢 .41 参考文献 .42 CA6140 车床主轴变速箱的设计 1 1 绪论 1.1 毕业设计的目的 通过机床主运动机械变速传动系统的结构设计,在拟定传动和变速的结构方案过程 中,得到设计构思、分析方案、结构工艺性、机械制图、零件计算、编写技术要求文件 和查阅级数资料等方面的综合训练,树立正确的设计思想,掌握机床设计的过程和方法, 使原有的知识有了进一步的加深。 (1) 课程设计属于机械系统设计课程的延续,通过设计实践,进一步学习掌握机械系 统的一般方法。 (2) 培养综合运用机械制图、机械设计基础、精度设计、金属工艺学、材料热处理及 结构工艺等相关知识,进行工程设计的能力。 (3) 培养使用手册、图册、有关资料及设计标准规范的能力。 (4) 提高技术总结及编制技术文件的能力。 (5) 为进入工厂打下基础。 1.2 机床主传动系统设计要求 (1) 、主轴具有一定的转速和足够的转速范围、转速级别,能够实现运动的开停、 变速、换向和制动等,以满足机床的运动要求。 (2) 、主电动机具有足够的功率,全部机构和元件具有足够的强度和刚度,以满足 机床的传动要求。 (3) 、主运动的有关机构,特别是主轴组件有足够的精度、抗振性、温升小和噪音 小,传动效率高,以满足机床的工作性能要求。 (4) 、操作灵活可靠,调整维修方便,润滑密封良好,以满足机床的使用要求。 (5) 、结构紧凑简单、工艺性好、成本低、以满足经济要求。 三、车床主要参数(规格尺寸) 最大工件回转直径 D(mm) 400 刀架上最大回转直径 D1 200 主轴通孔直径 d 50 主轴头号(JB2521-79) 6 最大工件长度 L 750-2000 无锡太湖学院毕业设计说明书 2 2 车床参数的拟定 2.1 车床主参数和基本参数 2.1.1 极限切削速度 Vmax、Vmin 的确定 根据典型的和可能的工艺选取极限切削速度要考虑: 允许的切速极限参考值如下: 表 2-1 允许的切速极限参考值 加 工 条 件 Vmax(m/min) Vmin(m/min) 硬质合金刀具粗加工铸铁工件 3050 硬质合金刀具半精或精加工碳钢工件 150300 螺纹加工和铰孔 38 根据给出条件,取 Vmax=200 m/min 螺纹加工和铰孔时取 Vmin=5 m/min 2.1.2 主轴的极限转速的确定 计算车床主轴极限转速时的加工直径, 按经验分别取 K=0.5, Rd =0.25 dmax=KD=0.5400=200mm dmin=Rddmax=0.25x200=50mm 其中: dmax、d min 并不是指机床上可加工的最大和最小直径,而是指实际使用情况下,采用 Vmax、 (Vmin )时常用的经济加工直径。 则主轴极限转速应为: 取标准数列数值,即 =1400r/minmaxn 在 中考虑车螺纹和铰孔时,其加工的最大直径 应根据实际加工情况选取min maxd 。因此,此处选最大直径为 50mm504in/8.31504.1maxinin rdvin/1273504.310inmaxmax rdv CA6140 车床主轴变速箱的设计 3 取标准数列数值,即 =31.5r/minmin 转速范围 Rn= iax 转速范围 Rn= = =44.44r/minmin5.3140 考虑到设计的机构复杂程度要适中,故采用常规的扩大传动,并选级数 Z=12,今以 和 代入公式 得 R=12.7 和 43.8,因此取 更合适。各级转41.26. 1nR41. 速数列可直接从标准的数列表中查出,标准转速数列表给出了 的从 110000 的06. 数值,因为 。从表中找到 =1440r/min 就可以每个 5 个数值选取一个,60.1max 得列表如下 31.5,45,63,90,125,180,250,355,500,710,1000,1400 2.1.3 主轴转速级数 Z 和公比 的确定 已知 1minaxZR 取 Z=12 级 minax1Zn 124.8.43R =1440 =31.5maxnmin7.5.310in 综合上述可得:主传动部件的运动参数 Z=12 =1.41i/4maxrin/.minr 2.1.4 主电机的选择 合理地确定电机功率 N,使机床既能充分发挥其性能,满足生产需要,又不致使电机 经常轻载而降低功率因素。 中型普通车床典型重切削条件下的用量如表 2-2 所示。 刀具材料:YT15 工件材料 45 号钢,切削方式:车削外圆 查下表可知:切深 ap=3.5mm 进给量 f(s)=0.35mm/r 无锡太湖学院毕业设计说明书 4 切削速度 V=90m/min 表 2-2 中型普通车床典型重切削条件下的切削用量 320 40 切削用量 普通型 轻型 普通型 轻型 切深 pa 3.5 3 4 3.5 进给量 f 0.35 0.25 0.4 0.35 切削速度 v 90 75 100 80 功率估算法用的计算公式 a 主切削力: b 切削功率: Pc= KWFVC45.612093 c 估算主电机功率: min/140rnd KPC56.8.总 中型机床上,一般都采用三相交流异步电动机作为动力源。可以在系列中选用,在选择 电动机型号时,应注意 根据机床切削能力的要求确定电机功率,但电动机都已经标准化,因此选取相应的标 准值 KWP5. 电机转速 :dn 选用时,要使电机转速 与主轴最高转速 和 I 轴转速相近或相宜,以免采用过dnmaxn 大的升速或过小的降速传动。 查机械设计手册可知: P 值为 5.5KW,按我国生产的电机在 Y 系列的额定功率选择。 Nfapc 30265.3.01107.75. CA6140 车床主轴变速箱的设计 5 表 2-3 Y 系列的额定功率 电机型号 额定功率 满载转速 同步转速 A B C D E +0.018 Y132S-4 5.5KW 1440 1500 216 140 89 38 +0.002 80 F G H K AB AC AD HD BB L 10 33 132 12 280 270 210 315 200 475 图 2.1 为 Y 系列的电机的外形图。 图 2.1 为 Y 系列的电机的外形图 无锡太湖学院毕业设计说明书 6 3 主传动系统设计 3.1 传动结构式、结构网、转速图的确定 3.1.1 传动形式的确定 集中传动方式:传动系的全部传动和变速机构集中装在同一个主轴箱内。 集中传动适用于中、大型机床,尤其是 CA6140,其优点是结构紧凑,便于集中操纵, 安装调整方便。利于降低制造成本;缺点是运转的传动件在运转过程中所产生的振动、 热量,会使主轴产生变形,使主轴回转中心线偏离正确位置而直接影响加工精度。 3.1.2 传动组及各传动组中传动副的数目 拟定传动链的基本原则,就是以经济的满足对机床的要求,可以满足同样要求的方案 有很多种,在进行传动链的可能性分析时,应根据经济合理的原则,选出有最好的方案。 转速图有助于各种方案的比较,并为进一步确定传动系统提供方便。拟定主运动转速图 应该按照下列步骤进行: 拟定传动方案,包括传动形式的选择以及开停。换向,操纵等整个传动系统的确定。 传动形式则指传动和变速的元件,机构以及组成,安排不同特点的传动形式,变速类型。 传动方案和形式与结构的复杂程度密切相关,和工作性能也有关,因此,确定传动 方案和形式,要从结构、工艺、性能、以及经济性等多方面统一考虑。 级数为 的传动系统由若干个顺序的传递组组成,各传动组分别有Z 个传动副。.4321、 即 .21 传动副数由于结构的限制以 2 或 3 为适合,即变速级数 Z 应为 2 和 3 的因子: 即 baZ32 实现 12 级主轴转速变化的传动系统可以写成多种传动副的组合: 1) 2) 43412 3) 4) 23 5) 在上述方案中, (1) (2)方案有时可以省掉一根轴,缺点是一个传动组内有四个传动 CA6140 车床主轴变速箱的设计 7 副,如果用一个四联滑移齿轮。则会增加轴向尺寸;如果用两个双联滑移齿轮,则操纵 机构必须互销,以防止两个滑移齿轮同时啮合,所以一般少用。 (3) (4) (5)方案:按照传动副“前多后少”的原则选择 Z=322 这一方案,但 轴换向采用双向片式摩擦离合器结构,轴的轴向尺寸不至于过大,以免加长变速箱尺 寸,第一传动组的传动副不宜过多,以 2 为宜因此此方案不宜采用,而应选择 12=232。 方案 4)是比较合理的 12=232 3.1.3 传动系统扩大顺序的安排 12=232 的传动副组合,其传动组的扩大顺序又可以有形式: 1) 6213 2) 根据级比指数分配要“前密后疏”的原则,应选用 Z= 这一方案,然而1236 对于我们所设计的结构将会出现两个问题: 第一变速组采用降速传动时,由于摩擦离合器径向结构尺寸限制,使得轴上的齿 轮直径不能太小,轴上的齿轮则会成倍增大。这样,不仅使-轴间中心距加大,而 且-轴间的中心距也会辊大,从而使整个传动系统结构尺寸增大。这种传动不宜采用。 如果第一变速组采用升速传动,则轴至主轴间的降速传动只能同后两个变速组承 担。为了避免出现降速比小于允许的杉限值,常常需要增加一个定比降速传动组,使系 统结构复杂。这种传动也不是理想的。 如果采用 这一方案则可解决上述存在的问题。6132 3.1.4 绘制转速图 车床主传动系统转速结构图如图 3.1 所示。 3.1.5 转速图的拟定 运动参数确定以后,主轴各级转速就已知,切削耗能确定了电机功率。在此基础上, 选择电机型号,确定各中间传动轴的转速,这样就拟定主运动的转速图,使主运动逐步 具体化。 无锡太湖学院毕业设计说明书 8 3.1.6 分配降速比 设计机床主轴变速传动时,为了避免从动齿轮过大而增加箱体的径向尺寸,一般限制 降速最小传动比 Umin 1/4,为避免扩大传动误差,减少振动噪声,一般限制直齿圆柱齿 轮的最大升速比 Umax ,因此决定了一个传动组的最大变速范围2 8/minaxur 该车床主轴传动系统共设有四个传动组其中有一个是带传动。根据降速比分配应 “前慢后快”的原则以及摩擦离合器的工作速度要求,确定各传动组最小传动比。 总的传动比: a 决定轴-的最小降速传动比主轴上的齿轮希望大一些,能起到飞轮的作用,所以最 后一个变速组的最小降速传动比取极限 1/4,公比 =1.41,1.41 4=4,6132 最末一级间的间隔为 6 级 1.min47.5140.3电总uminiincbau皮总 44min.cu9.11 264cu42mincc 图 3.1 转速结构网 132:280 44:31 25:50 1800r/min 1400 1000 710 500 355 250 180 125 90 31,5 45 31.5 CA6140 车床主轴变速箱的设计 9 b 中间轴传动比 可按先快后慢的原则,确定最小传动比,根据基比指数确定其他传动比 轴最小传动比 miniamincbuu 因为 所以 轴最小传动 轴采用升速传动,加大齿轮 外径,使主动轮齿根直径大于离合器外毂。 因此,皮带轮的传动比为. 4in1c5.01232bu71.4.12b 214.1 2mina u 41.132au214.12min2au 49.01. .21.2皮u 33min.bbu 无锡太湖学院毕业设计说明书 10 3.2 传动原理图 3.2 齿轮齿数的确定及传动系统图的绘制 3.2.1 带轮确定 因为床头箱内部紧凑,而第一轴除皮带轮外的受力不大,没有必要为抵消皮带的拉 力而选用大的轴承和轴,所以用卸荷式带轮结构更划算。 1、选择三角带型号 根据计算功率 NKPac P-电机额定功率 Ka-工作情况系数 车床的启动载荷轻,工作载荷稳定,两班制工作时,取 Ka =1.1 CA6140 车床主轴变速箱的设计 11 故 =5.5x1.1=6.05KKWPKac 2、选择 V 带的带型 根据计算功率和电机额定转速查机械设计图 811 选用 B 型。 3、确定小带轮的基准直径 并验算带速 vd 皮带轮的直径越小,带的弯曲应力就越大,为了提高带的使用寿命,小带轮直径不 宜过小。 1) 初选小带轮的基准直径 。1d 由表 86 和表 88.取小带轮的基准直径 =1321d 2)验算带速 vsmnd/54.76014160电 因为 5m/sV30m/s,故带速合适。 4、计算大带轮的基准直径 因为 1.22d14皮u 得 轴的转速 n1 为 699.85r/min 所以 27306.1d2d 大带轮直径圆整为 280。4.2803u1*d皮 轴的实际转速 min/9.67.rn 转速误差 031.85 对于带传送装置,转速误差允许在 范围内。5. 5、确定 V 带的中心距 )(2)(7.021dada 初定中心距为 500mm。 无锡太湖学院毕业设计说明书 12 由下列公式计算所需的基准长度 Ld madaLd 1.6584)()(22012210 由 查表 82 选带的基准长度 Ld=1600mm. 按下列公式计算实际中心距 a 5306.90.5200 dLa 6、 验算小带轮的包角 1 1204.6350.71483.57)(18012 ad 因此,小带轮包角取值合理。 7、计算带的根数 Z 1) 计算单根 V 带的额定功率 Pr 由 、 和 B 型带查表 8-4a,由插补法得.321mdin/140电n70KWP 由 、 和 B 型带查表 84b 得.1di kwP4.0 查表 85 得 ,表 82 得95a 92.LKWKPaLr 5.50)4.17.()(0 2) 计算单根 V 带的根数 Z 69.25.0rcaPZ 因此,带的根数为 3。 8、计算单根 V 带的初拉力的最小值( min)(0F 带型 Y Z A B C D E 0.02 0.06 0.10 0.18 0.30 0.61 0.92 由上表知道 B 型带的单位长度质量 q=0.18kg/m NvqZKPFac 4.285.718054.739.06)2(5)5.2(0min)( 20 CA6140 车床主轴变速箱的设计 13 应使带的实际初拉力 0Fmin)( 9、计算压轴力 p 压轴力的最小值 NFZp 136024.sin.283sin)(2min)(0 带轮结构工作表如下表所示。 带轮直径 mm带型号 带长 Ld 中心距 大带轮 小带轮 带根数 作用于轴上的 压力 B 1600 530 280 132 3 1360N 主轴箱的动力是从主电机经过皮带轮和三角带传递给轴,并且输进主轴箱,为防 止轴在三角带的张力作用下产生变形,设计时将皮带轮先通过花键套、滚动轴承和法 兰安装在箱体上。从而使张力由床身承受,扭矩由花键套传递给轴。轴不在因皮带 轮的张力而产生弯曲变形,故轴上的零件的动作条件得到改善。如下图所示 无锡太湖学院毕业设计说明书 14 3.2.2 齿轮齿数的确定的要求 1)确定齿轮齿数 可用计算法或查表确定齿轮齿数,后者更为简便,根据要求的传动比 u 和初步定出 的传动副齿数和 ,查表即可求出小齿轮齿数ZS 选择时应考虑: 1.传动组小齿轮应保证不产生根切。对于标准齿轮,其最小齿数 =17miniZ 2.齿轮的齿数和 不能太大,以免齿轮尺寸过大而引起机床结构增大,一般推荐齿数和ZS 100-120。ZS 3.同一变速组中的各对齿轮,其中心距必须保证相等。 4 采用三联滑移齿轮时,最大齿轮齿数与次大齿轮齿数差应该大于或等于 4。. 5 保证强度和防止热处理变形过大,齿轮齿根圆到键槽的壁厚 6 保证主轴的转速误差在规定的范围之内。 卸荷式皮带轮 1-皮带轮 2-花键套筒 3-螺钉 4-支撑套 CA6140 车床主轴变速箱的设计 15 查机械制造装备设计表 3-9 第一变速组: ,时, 、70、72、75、84.41.au685zS ,时, 、72、75、84.2.2a 9z 符合条件的 72、75 和 84。 因此选 。于是得变速组 a 的两个传动副的主从齿轮数分别为:49、35;28、5684zS 第二变速组: 时, 、82、84、85、87、89、90.1.bu0z 时, 、84、86、87、89、90.224.b81zS 时, 、81、84、87、88、91.331.bu0z 符合条件的 和 8784zS 因此选 。于是得变速组 b 的三个传动副的主从齿轮数分别为:7z 36、51;29、58;23、64。 第三变速组: 时, 、84、86、87、89、90、92、93、95、104、105.21cu81zS 时, 、84、85、86、89、90、91、94、95、104、105.4.2c z 符合条件的 、104 和 10595zS 因此选 。于是得变速组 c 的两个传动副的主从齿轮数分别为:10z 70、35;21、84 表 3-3 变速组 第一变速组 第二变速组 第三变速组 齿数和 84 87 105 齿轮 Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8 Z9 Z10 Z1 1 Z12 Z13 Z14 无锡太湖学院毕业设计说明书 16 齿数 49 35 28 56 36 51 29 58 23 64 70 35 21 84 2)验算主轴转速误差 由于确定的齿轮齿数所得的实际转速与传动设计的理论转速难以完全相符,需要验算 主轴各级转速,最大误差不得超过10(-1)%。 主轴各级实际转速值用下式计算 cbuna皮电实 )1( 其中 滑移系数 =0.02 ua ub uc 分别为各级的传动比 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 n= 10(-1)%=4.1%实 际 标 准实 际 n 同样其他的实际转速及转速误差如下: 表 3-4 主轴 转速 n1 n2 n3 n4 n5 n6 n7 n8 n9 n10 n11 n12 标准 转速 31.5 45 63 90 125 180 250 355 500 710 1000 1440 实际 转速 31.35 44.2 62.33 87.8 123.8 175.1 247.6 350.2 495.3 700.5 990.65 1401 转速 误差 0.48 1.8 1.07 2.5 0.97 2.8 0.97 1.4 0.95 1.4 0.94 2.8 转速误差满足要求。 3)绘制主传动系统图 按照主传动转速图以及齿轮齿数绘制主传动系统图如下 3.5 所示 CA6140 车床主轴变速箱的设计 17 图 3.5 主传动系统图 无锡太湖学院毕业设计说明书 18 4 强度计算和结构草图设计 4.1 确定计算转速 4.1.1 各轴、齿轮的计算转速 主轴的计算转速: III 轴 计算转速 1. III 轴最低转速 125r/min, 2. 可使主轴获得 31.5r/min、250r/min 两级转速, 3. 其中 250r/min 大于 nj,需要传递全部功率, 4. 所以 III 轴计算转速为 125r/min II 轴 计算转速 1. III 轴计算转速为 125r/min,由 II 轴最低转速 355r/min 得来, 需要传递全部功率, 2. 所以 II 轴计算转速为 355r/min。 I 轴 计算转速 II 轴计算转速为 355r/min,由 I 轴最低转速 710r/min 得来, 需要传递全部功率, 所以, I 轴计算转速为 710r/min 变速组 c 最小齿轮 z=21,装在第 III 轴上, 使主轴获得 31.5180r/min 共 6 级, 其中主轴的计算转速为 90r/min, 故 z=21 齿轮计算转速为 355r/min 齿轮 z=84,装在第轴上, 获得 31.5180r/min 共 6 级, 其中主轴的计算转速为 90r/min, 故 z=84 齿轮计算转速为 90r/min 齿轮 z=70,装在第 III 轴上, 使主轴获得 2501400r/min 共 6 级, 其中主轴的计算转速为 355r/min, 故 z=70,齿轮计算转速为 125r/min 齿轮 z=35,装在第轴上, 获得 2501400r/min 共 6 级, 其中主轴的计算转速为 90r/min, min/9041.53321min rZj CA6140 车床主轴变速箱的设计 19 故 z=35 齿轮计算转速为 250r/min 变速组 b 最小齿轮 z=23,装在第 II 轴上。 III 轴获得 125、355r/min , 其中 III 轴的计算转速为 125r/min, 故 z=23 齿轮计算转速为 355r/min。 齿轮 z=64,装在第 III 轴上。 III 轴获得 125、355r/min , 其中 III 轴的计算转速为 125r/min, 故 z=64 齿轮计算转速为 355r/min。 z=29,装在第 II 轴上。 III 轴获得 180、500r/min , 其中 III 轴的计算转速为 125r/min, 故 z=29 齿轮计算转速为 355r/min。 齿轮 z=58,装在第 III 轴上。 III 轴获得 180、500r/min , 其中 III 轴的计算转速为 125r/min, 故 z=58 齿轮计算转速为 180r/min。 z=36,装在第 II 轴上。 III 轴获得 250、710r/min , 其中 III 轴的计算转速为 125r/min, 故 z=36 齿轮计算转速为 355r/min。 齿轮 z=52,装在第 III 轴上。 III 轴获得 250、710r/min , 其中 III 轴的计算转速为 125r/min, 故 z=52 齿轮计算转速为 250r/min 变速组 a 最小齿轮 z=28, II 轴获得 355r/min , 其中 II 轴的计算转速为 355r/min, 故 z=28 齿轮计算转速为 710r/min 齿轮 z=56 II 轴获得 355r/min , 其中 II 轴的计算转速为 355r/min, 故 z=56 齿轮计算转速为 355r/min 齿轮 z=49, II 轴获得 1000r/min , 其中 II 轴的计算转速为 355r/min, 无锡太湖学院毕业设计说明书 20 故 z=49 齿轮计算转速为 710r/min 齿轮 z=35 II 轴获得 1000r/min , 其中 II 轴的计算转速为 355r/min, 故 z=35 齿轮计算转速为 1000r/min 4.2 轴的估算和验算 4.2.1 主轴的设计与计算 主轴组件结构复杂,技术要求高。安装工件的主轴参与切削成形运动,因此它的精度 和性能性能直接影响加工质量(加工精度与表面粗糙度) 。 1)主轴直径的选择 查表可以选取前支承轴颈直径 D1=105 mm 后支承轴颈直径 D2=(0.70.85)D 1=73.589.25 mm 选取 D2=75 mm 2)主轴内径的选择 车床主轴由于要通过棒料,安装自动卡盘的操纵机构及通过卸顶尖的顶杆必须是空心 轴。 确定孔径的原则是在满足对空心主轴孔径要求和最小壁厚要求以及不削弱主轴刚度的 要求尽可能取大些。 推荐:普通车床 d/D(或 d1/D1)=0.550.6 其中 D主轴的平均直径,D= (D 1+D2)/2 d1前轴颈处内孔直径 d=(0.550.6)D=49.554mm 所以,内孔直径取 52mm 主轴锥孔对支撑轴径 A、B 的跳动,近轴端允差 0.005mm,离轴端 300mm 处允差 0.01mm,锥度的接触率大于 70%,表面粗糙度 Ra0.4um,硬度要求 HRC48. 3)前锥孔尺寸 前锥孔用来装顶尖或其它工具锥柄,要求能自锁,目前采用莫氏锥孔。选择如下: 莫氏锥度号取 6 号 标准莫氏锥度尺寸 大端直径 D=63.348 CA6140 车床主轴变速箱的设计 21 4)主轴前端悬伸量的选择 轴悬伸量指主轴前端面到前支撑径向反力作用点(一般即为前径支撑中点)的距离,它 主要取决于主轴前端部结构形式和尺寸,前支撑轴配置和密封等。因此,主要由结构设 计确定。 悬伸量与主轴部件的刚度和抗振性成反比,故应取小值主轴悬伸量与前轴颈直径之比 a/D1=0.61.25 a=(0.61.5)D 1=66131.25mm 所以,悬伸量取 120mm 5)主轴合理跨距和最佳跨距 主轴跨距是决定主轴系统精度刚度的重要影响因素,目的是找出在切削力的作用下,主 轴前端的柔度值最小的跨距称为最优跨距( )0L 根据表 3-14 见金属切削机床设计计算前支承刚度 。AK 前后轴承均用双列短圆柱滚子轴承,并采用前端定位的方式。 查表 4.170DKA =1700901.4=9.26105 N/mm 因为后轴承直径小于前轴承,取 4.1BAK KB =6.61105N/mm )1(6)03BAKaL 其中 为参变量BAK 综合变量 3aEIA 其中 E弹性模量,取 E=2.0105 N/mm2 I转动惯量,I=(D 4-d4)/64=3.14(804-454)=1.81106mm4 =3aKEIA35 6106.98. =0.3909 由图 4.1 主轴最佳跨距计算线图中,在横坐标上找出 =0.3909 的点向上作垂线与 无锡太湖学院毕业设计说明书 22 的斜线相交,由交点向左作水平线与纵坐标轴相交,得 L0/a=2.5。4.1BAK 所以最佳跨距 L0 L0=2.5120=300 又因为合理跨距的范围 L 合理 =(0.753)L 0=2251600 所以取 L=625mm 6)主轴刚度的验算 对于一般受弯矩作用的主轴,需要进行弯曲刚度验算。主要验算主轴轴端的位移 y 和 前轴承处的转角 A。 如主轴前端作用一外载荷 F 如下图 图 4.1 主轴最佳跨距计算线图 图 4.2 主轴布置简图 CA6140 车床主轴变速箱的设计 23 切削力 Fz=3026N 挠度 y A= EIaLFz3)( 2 = 65 2108.0.)(16 =0.029 y=0.0002L=0.0002625=0.125 yAy 倾角 A= EIaLF6)32( = 65108.0. )23(1 =0.000269 前端装有圆柱滚子轴承,查表 A=0.001rad A A 符合刚度要求。 7) 主轴的材料与热处理 材料为 45 钢,调质到 220250HBS,主轴端部锥孔、定心轴颈或定心圆锥面等部位 局部淬硬至 HRC5055,轴径应淬硬。 4.2.2 传动轴直径的估算 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矩 载荷作用下不发生疲劳破坏。车床主轴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失是主要矛盾,除了载荷很大的情况外,可不必验算轴的强度。刚 度要求保证轴在载荷下不发生过大的变形。因此,必须保证传动轴有足够的刚度。 传动轴直径按扭转刚度用下列公式 图 4.3 无锡太湖学院毕业设计说明书 24 估算传动轴直径: mm491jnNd 其中:N该传动轴的输入功率 KWd Nd电机额定功率; 从电机到该传动轴之间传动件的传动效率的乘积 取 V 带的传动效率 =0.96,齿轮的传动效率为 0.995,滚动轴承的传动效率为 0.99(一对) 该传动轴的计算转速 r/minjn 每米长度上允许的扭转角(deg/m),可根据传动轴的要求选取如表 4-1 所示。 表 4-1 轴允许的扭转角 刚度要求 允许的扭转角 主 轴 一般的传动轴 较低的传动轴 0.51 11.5 1.52 对于一般的传动轴,取 =1.5 轴 KW28.596.0dN =710 r/min jn mm1.245.710941d 为了传递转矩,选用花键轴,所以 d1=24.1x(1-7%)=22.4mm 圆整后去 d1=30mm。 轴 KW25.9.065.2 N =355 r/min jn CA6140 车床主轴变速箱的设计 25 mm67.285.13942d 为了传递转矩,选用花键轴,所以 d2=28.67x(1-7%)=26.67mm 圆整后去 d2=35mm。 轴 KW0.59.0965.3 N =125r/min mmjn 14.37.1243d 为了传递转矩,选用花键轴,所以 d2=37.14x(1-7%)=34.54mm 圆整后去 mm。403d 查表可以选取花键的型号其尺寸 分别为)741(GBbDZ 轴取 1 0356 轴取 2d4 轴取 312 4.3 齿轮模数的估算和计算 4.3.1 齿轮模数的估算 根据齿轮弯曲疲劳的估算: 其中 、Z 应为同一齿轮的计算转速和齿轮齿数,并且取乘积最小的代入上式,jn 1)第一变速组 由转速图得 Z1=49 齿轮的计算转速为 710r/min。 Z2=35 齿轮的计算转速为 1000r/min。 Z3=28 齿轮的计算转速为 710r/min。 Z4=56 齿轮的计算转速为 355/min。 根据 Pd=5.28KW 05.23568.2m mm 因此取 32jdwznPm32jdwzn w 无锡太湖学院毕业设计说明书 26 2)第二变速组 由转速图得 Z5=36 齿轮的计算转速为 355r/min。 Z6=52 齿轮的计算转速为 250r/min。 Z7=29 齿轮的计算转速为 355r/min。 Z8=58 齿轮的计算转速为 180/min。 Z9=23 齿轮的计算转速为 355r/min。 Z10=64 齿轮的计算转速为 125/min。 Pd=5.25KW 因此取 3)第三变速组 由转速图得 Z11=70 齿轮的计算转速为 125r/min。 Z12=35 齿轮的计算转速为 250r/min。 Z13=21 齿轮的计算转速为 355r/min。 Z14=84 齿轮的计算转速为 90/min。 Pd=5.20KW 因此取 mw=3 齿轮接触疲劳强度 mj 其中 为大齿轮的计算转速,A 为齿轮中心距。jn 由中心距 A 及齿数 、 求出模数1z2 1) 第一变速组 Z1+Z2=Z3+Z4=84 Pd=5.28KW 取模数为 2mm。 78.21564.323jd
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