12级机床主轴传动系统的设计含5张CAD图N=35~1600;公比1.41;P=7.5KW.zip
12级机床主轴传动系统的设计含5张CAD图N=351600;公比1.41;P=7.5KW.zip,12,机床,主轴,传动系统,设计,CAD,35,1600,公比,1.41,7.5,KW
车床主轴箱传动系统的设计摘要 现代工业离不开制造,在机械工业中使用最多的制造工具就是车床,CA6140车床是一种普遍又方便的车床,也是普通机械设备制造企业所需的设备之一。在机械加工车间中,车床约占据机床总数的一半左右,车床的加工范围很广,主要加工回转类零件,其中包括:外圆、端面、内圆、锥面、螺纹等等。本设计主要针对CA6140车床的主轴箱进行设计。车床主轴箱是一个比较复杂的传动部件。设计主轴变速箱的结构包括传动件(传动轴,轴承,带轮,离合器和制动器等),主轴组件,纵机构,润滑密封系统和箱体及其联接件的结构设计与布置。设计的内容主要包括确定车床的主要参数,从而拟定传动方案和传动系统图,计算和校核主要零部件,主轴变速箱装配设计,并且利用专业制图软件进行了零件的设计和处理。关键词 CA6140机床;主轴箱;传动;设计IDesign of lathe spindle box systemabstract Modern industry can not be separated from manufacturing, the most commonly used manufacturing tool in the machinery industry is lathe, CA6140 lathe is a universal and convenient lathe, but also one of the equipment needed by ordinary mechanical equipment manufacturing enterprises. In the machining workshop, the lathe accounts for about half of the total number of machine tools, the lathe processing range is very wide, mainly machining rotary parts, including: outer circle, end face, inner circle, cone, thread and so on. This design mainly aims at the spindle box of CA6140 lathe. Lathe spindle box is a more complex transmission component. The structure of the designed spindle gearbox includes transmission parts (transmission) Structural design and layout of moving shaft, bearing, pulley, clutch and brake, spindle assembly, longitudinal mechanism, lubrication sealing system and box and its couplings.The contents of the design mainly include determining the main parameters of the lathe, so as to draw up the transmission scheme and transmission system diagram, calculate and check the main parts, and the assembly design of the spindle gearbox. And the professional drawing software is used to design and deal with the parts.Keywords CA6140 machine tool ;spindle box ;transmission ;design目录中文摘要VI外文摘要VII1前言12 选题背景22.1课题研究的目的与意义22.2国内外现状与发展趋势22.3课题研究的主要内容22.4预期目标23参数的拟定44主传动系统的设计54.1 主传动系统方案的拟定54.2 结构分析式64.3 绘制转速图74.4 确定传动组中各轴的转速94.5 确定各变速组传动副齿数94.6 动力设计115 离合器的设计135.1 离合器的功用、分离和满足的要求135.2 摩擦式离合器135.3 机械压紧式摩擦离合器156 制动器的设计176.1 制动器的功用、要求、分类和构造176.2 制动器的计算176.3 操纵机构的功用和要求196.4 操纵机构的结构形式207 传动件的估算和验算217.1 各传动组齿轮模数的估算设计217.2 估算各传动轴的最小直径307.3 各传动轴的校核318 机床主轴组件的设计328.1 主轴结构328.2 主轴刚度的校核338.3主轴的润滑结构与密封368.4 密封装置设计368.5 车床主轴箱内的润滑方式368.6 主轴箱体的设计37总结38参考文献39致谢41V1前言本课题主要研究车床主轴箱传动系统的设计和优化,意义在于更高精度和效率的车床可以更好地推动机械工业的发展,对于加工中心的生产发挥着重要的作用,对与机床的研究和发展一直都在进行,世界各地都想研究出更加数控化、效率化、精准化的加工车床,本课题主要针对效率化和精准化展开研究,希望能用自己学到的知识,为自己所处的行业发展贡献出自己的一份力量!车床主轴箱传动系统包含有带传动,齿轮传动,摩擦离合器,键连接制动器,通过各个轴之间同中心距同模数,不同齿数的齿轮啮合和位置变化达到不同级数的速度变化从而达到不同的加工效果。此论文主要是对主轴箱传动系统的设计,也就是对主轴箱内各个传动部件的设计和验算,达到工作标准,符合设计要求。主轴箱是车床的重要系统,直接影响到加工效果,设计出精密的传动系统可以大大地提高生产效率。第 1 页 (共 41 页) 2 选题背景2.1课题研究的目的与意义CA6140车床非常广泛地用于机械工业生产加工,作为最普遍又实用的器械,内部各个零部件都在不断地发展和优化,其中直接影响到车床加工质量的就是主轴箱,拥有精密又实用的主轴箱是各个国家机械制造业不断追求的目标,本课题主要通过设计和计算出固定参数的车床主轴箱传动系统,使其达到加工需求和规定尺寸和效率。2.2国内外现状与发展趋势作为最具有代表性的金属切削加工设备之一,世界各地都没有停止过对CA6140的更新和优化,精准化、数控化一直都是人们的目标,国内外加工追求的效果都是为了更高效率的生产和更高精度的产品。工业代表着一个国家的生产力,近年来我国出口的机械产品数量显著增长,在这个有竞争力的状况下,我们国家的生产力始终保持领先,是非常值得骄傲的,它不仅代表着经济,也代表着一个国家的实力,从国防安全到生产力,我国加工中心技术已经相对成熟,但是只有不断地改进和优化,才能在科技国防方面更加强大。2.3课题研究的主要内容本次设计的主轴箱主要组成部分为传动部件、主轴箱、润滑。对这三个方面进行了包括选材、结构设计、计算校核等工作。(1)传动部件是整个主轴箱系统的核心部分,其中包括有传动轴、离合器、轴承等零部件,通过变速的方式达到级数的变化,达到不同的切削效果。(2)主轴箱是所有传动零部件的外壳,可以起到固定、保护、防尘的作用。(3)润滑是主轴箱传动系统工作过程中最重要的技术措施,可以达到减少摩擦、减缓 磨损、延长工作疲劳寿命的作用。2.4预期目标完成车床主轴箱传动系统的设计是重要目的,其过程不仅是对我大学四年学习的考核和总结,也能通过查找有关书籍学到更多的内容。过程是不断探索和耐心完善的第 2 页(共 41 页)过程,以达到设计精度和校核设计要求。第 3 页(共 41 页)3参数的拟定(1)尺寸参数床身上最大回转直径: 400mm刀架上的最大回转直径: 200mm主轴通孔直径: 40mm主轴前锥孔: 莫式6号最大加工工件长度: 1000mm(2)根据工况,确定主轴最高转速有采用YT15硬质合金刀车削碳钢工件获得,主轴最低转速有采用W16Cr4V高速钢刀车削铸铁件获得。查阅相关的标准数列数值表,其中转速最高为1600r/min,最低为35r/min的机床最为合适。 公比取为1.41,转速级数Z=12。(3)动力参数一般是指机床电动机的功率。选用功电动机为7.5KW的Y-132M-4型笼式三相异步电动机。第 4 页(共 41 页)4主传动系统的设计4.1 主传动系统方案的拟定(1)主轴传动系统采用V带输入、传递到执行机构、其中包括主轴箱内的齿轮;(2)传动形式采用集中式传动;(3)可以通过带式制动器换向和两个不同方向的片式摩擦离合器这两种方式,来实现主轴箱的正转、反转运动和速度的变化;(4)变速系统采用多联滑移齿轮变速。根据轴数,齿轮副,电动机等已知条件可有如下系统图:图1 传动系统图为了满足不同的制造需求,应该以经济和实用为设计重点。在设计时应该结合结合具体的机床进行分析。一般应该满足的要求有以下几点:(1)满足机床使用性能要求。(2)满足机床工作性能的要求。(3)满足机床传递动力的要求。(4)满足产品设计经济性的要求。(5)调整维修方便,结构简单、第 5 页(共 41 页)合理,便于加工和装配。防护性能好,使用寿命长。4.2 结构分析式(1)确定变速组的数目 (2)确定变速组的排列方案主轴对加工精度、表面粗糙度的影响很大,因此主轴上齿轮少些为好。最后一个传动组的传动副常选用2。整个传动系统为降速传动,也要符合书中描述的传动副前多后少的原则,按照传动顺序,应该将传动副多的传动副放在前面,可以大大的减少传动系统的尺寸、节省空间。综上所述,因此传动式取为的方案。其结构式为:。式中,12级转速分别分配给a、b、c三个传动组上分别是3、2、2,分别代表3个传动副、2个传动副、两个传动副。结构式的下标1、3、6,分别表示各变速组的级比指数,级比指数用表示。在降速传动系统中,选用的齿轮直径过大会对最小传动比产生一定的影响 ;在升速时会使传动系统变得不稳定,例如震动,会对最大传动比产生影响。在主传动链任一传动组的最大变速范围。在设计时必须保证中间传动轴的变速范围最小。 从而确定结构网如下图2所示:图2 传动系统的结构网第 6 页(共41 页)检查传动组的变速范围时,只检查最后一个扩大组: 其中, 所以 ,合适。4.3 绘制转速图4.3.1 转速图的拟定原则拟定转速图是设计传动系统的重要内容:(1)传动副前多后少的原则 (2)传动顺序与扩大顺序相一致的原则 (3)确定各变速组的变速范围及极限传动比的原则 (4)分配传动比的原则 (5)为降低机床噪声应该考虑的原则 (6)为减少空载功率损失应考虑的原则以上的原则在设计主传动变速传动系统时一般应该遵循的原则,但有时候还须根据具体的情况加以灵活运用。4.3.2 拟定转速图(1)分配总降速传动比 总降速传动比 又电动机转速不符合转速数列标准,因而增加一定比传动副。(2)确定传动轴轴数传动轴轴数等于变速组数和定比传动副数之和加上1: 。(3)确定基本组和扩大组确定一个变速组级比指数为1,称为基本组。基本组的级比指数用表示,即,则为基本组。后面的变速组因起变速扩大作用,所以统称为扩大组。第二变速组为第一扩大组,其级比指数为,第一变速组通过第二变速组扩大,通过第三变速组继续扩大,其级比指数为。(4)绘制转速图画5根距离相等的竖直线代表5根轴;画12根距离相等的水平线代表12级转速,这样便形成了转速图格线。确定各级转速 由,确定各级转速:1600、1120、800、560、400、280、200、140、100、71、50、35。第 7 页(共 41 页)电动机轴与轴之间增加的齿轮传动为定比传动,其传动比为 = 是降速传动,传动线向右下方倾斜两格。轴与之间的变速组a共有三个传动副,其传动比分别为: 在转速图上轴与之间有三条传动线,分别为水平、向右下方降一格、向右下方降两格。轴与之间的变速组b有两个传副,其传动比分别为: 在转速图上,轴的每一个转速都有两条传动线与轴相连,分别是水平和向右下方降三格。由于轴有三种转速,每种转速都通过两条线与轴相连,故轴共得到种转速。连线中的平行线代表同一传动比。与轴之间的变速组c也有两个传动副,其传动比分别为: 在转速图上,轴的每一个转速都有两条传动线与轴相连,分别是向右下方升二格和向右下方降四格。由于轴有三种转速,每种转速都通过两条线与轴相连,故轴共得到种转速。图3 转速图第 8 页(共 41 页)4.4 确定传动组中各轴的转速在五根轴中,除去电动机轴,其余四轴都按传动顺序依次设为、。与、与、与轴之间的传动组分别设为a、b、c。现由(主轴)开始确定、轴的转速:先来确定轴的转速传动组c 的变速范围为,结合结构式,轴的转速为:800、560、400、280、200、140。 确定轴的转速传动组b的级比指数为3,希望中间轴转速较小,因而为了避免升速,又不致传动比太小,可取:,轴的转速确定为:800、560、400。 确定轴的转速对于轴,其级比指数为1,可取:,确定轴的转速为800。4.5 确定各变速组传动副齿数当变速组的传动比确定之后,可以确定齿轮齿数等。确定齿轮齿数时应该注意的问题是:(1)齿轮的齿数过大,会使两轴之间的中心距加大,从而影响到整个传动系统的大小,也不利于节省空间和安装。一般推荐齿数和。(2)最小齿轮的齿数应该尽可能小,但是要考虑:最小齿轮不发生根切现象,对于标准直齿圆柱齿轮一般取最小齿数。两轴间最小中心距应该取得适当。齿轮的齿数太小,轴之间的中心距会变小,会对轴承等零件的选择造成影响。在确定齿轮的齿数时,应注意合理地选取齿数和。齿数的确定有时需要经过多次反复,即初选齿数和,确定主被动齿轮的齿数,计算齿轮模数,如模数过大应该增加齿数和,反之减少齿数和。为了减少反复的次数按传递转矩要求可初选中心距设定齿轮模数,再算出齿数和。如齿轮模数取得过小,齿轮经不起冲击易磨损;如取得过大,第 9 页(共 41 页)齿数和将较小,使变速组内的最小齿轮齿数小于17,产生根切现象,最小齿轮也有可能无法套装到轴上。传动组a: 有三对齿轮传动,其传动比分别为:,查参考文献13表3.9可得到:时:57、60、63、66、69、72、75、78时:58、60、63、65、67、68、70、72、73、77时:58、60、62、64、66、68、70、72、74、76可取60,于是可得轴齿轮齿数分别为:20、25、30。于是,可得轴上的三联齿轮齿数分别为:40、35、30。传动组b:有两对齿轮传动,其传动比分别为:,查参考文献13表3.9可以得到, 时:69、72、73、76、77、80、81、84、87时:70、72、74、76、78、80、82、84、86可取 72,于是可得轴上两联齿轮的齿数分别为:18、36。于是 ,得轴上两齿轮的齿数分别为:54、36。传动组c:有两对齿轮传动,其传动比分别为:,查参考文献13表3.9可以得到, 时:84、85、89、90、94、95时: 72、75、78、81、84、87、89、90可取 90,则:为降速传动,取轴齿轮齿数为18;为升速传动,取轴齿轮齿数为30。第 10 页(共 41 页)于是得,,得轴两联动齿轮的齿数分别为18,60;得轴两齿轮齿数分别为72,30。4.6 动力设计4.6.1 确定各轴的计算转速传动件的计算转速为传递主轴计算转速的传动件的最低转速为。当主轴的计算转速确定之后,就可以从转速图上确定各传动件的计算转速。 (1)确定主轴计算转速:主轴的计算转速为(2)各传动轴的计算转速: 各传动轴的计算转速共6级转速,最低转速为140。通过双联齿轮使主轴获得两级转速:35和280。280比主轴的计算转速高,能传递全部的功率,故轴的140转速也能传递全部功率是计算转速。轴共有3级转速,其最低转速为400。通过三联齿轮使轴获得6级转速(其范围是)都能传递全部功率,故轴400的转速也能传递全部功率,使计算转速。表1 轴的计算转速()电动机轴轴轴轴145080040014098.11(100)4.6.2 各齿轮的计算转速各变速组中尺寸最小的齿轮是变速组中最薄弱的,所以计算的时候选用最小的齿轮进行计算。-轴之间变速组的最小齿轮是,经过该齿轮的传动,使主轴获得的从共6级转速,主轴的计算转速是,故的齿轮在时能够传递全部功率,是计算转速。-轴之间变速组的最小齿轮是,经过该齿轮的传动,使主轴获得的从第 11 页(共 41 页)共3级转速,轴的计算转速是140,故的齿轮在转速400时能够传递全部功率,是计算转速。依此类推,各变速组的最小齿轮的计算转速如表2所示:表2 齿轮的计算转速()30(电动机)20(轴)18(轴)18(轴)14508004004004.6.3 验算主轴的转速误差主轴实际转速与标准转速相对误差的绝对值可以表示为主轴转速误差,如下: 所以主轴的转速合适。第 12 页(共 41 页)5 离合器的设计5.1 离合器的功用、分离和满足的要求离合器用于实现运动的启停、换向和变速。对于经常启停的中等功率的机床,一般用离合器启停和换向,例如普通车床、六角车床及摇臂钻床等。离合器按其结合部分的特点分为啮合式和摩擦式两大类。其优缺点比较如下:1.摩擦离合器可在运转中结合,并可其过载保护的作用,结合平稳,无冲击。啮合式离合器不能在高速运转中结合,结合的过程有冲击。2.再相同尺寸的条件下,啮合式离合器能传递的扭矩大于摩擦式,或者说传递相同的扭矩,摩擦离合器的尺寸大于啮合式的。3.啮合式离合器为刚性传动,无打滑现象,传动比准确,可用于内联传动链。摩擦离合器在摩擦过程中会有打滑现象,没有精确的传动比,不能用于内联传动链。4机床的主要发热来自于摩擦片的摩擦。离合器应满足下列基本要求:离、合要迅速、可靠,结合要平稳,断开要彻底。对摩擦离合器要求磨损后便于调整,维修要方便,冲击、磨损和发热要小。操纵轻便省力。5.2 摩擦式离合器摩擦式离合器有锥式和片式,片式又有单片式和多片式。锥式和单片式摩擦离合器比之多片式离合器,当直径和摩擦系数相同时,所能传递的扭矩较小,所以在机床上用的不多。多片摩擦离合器虽然结构比较复杂,但由于目前已逐步实现标准化和结构典型化,已有专门工厂生产,因此在机床上得到了广泛的应用。5.2.1 摩擦离合器的工作原理和计算离合器的内片以花键与轴联结。外片通过套与轴连接。当摩擦片未被压紧时,内片与外片脱开,主动轴的扭矩不能传给被动轴,即离合器断开。当摩擦片压紧时,则主动轴与被动轴靠摩擦片间的摩擦力矩传递扭矩,离合器结合。第 13 页(共 41 页)图4 片式摩擦离合器的结构组成简图1.外片联结件 2.内片联结套 3.间隙调整装置 4.外摩擦片5.内摩擦片 6. 复位弹簧 7.加压盘 8.加压装置(1)离合器的计算已知条件:摩擦离合器所传递的扭矩();轴的直径();轴的转速()。根据使用要求,在本设计中选定湿式、轴装式、多片摩擦离合器,确定摩擦片的材料为石棉(见参考文献中21表11-23),并查得相应的摩擦系数及许用比压。 一般情况均按静扭矩(即按传递功率求得的扭矩)设计离合器,用摩擦系数进行计算;当要求在负载下起动和变速,或起动惯量(飞轮较大),对起动时间又有要求时,应按起动扭矩设计离合器,用动摩擦系数。计算步骤:1) 决定外摩擦片的内径()由式计算得。2) 由参考文献21查取标准值为,则外径为。2)选定系数值,确定内摩擦片的外径值取,通常取在0.7左右。,取标准值为,则外径为。第 14 页(共 41 页)3)计算摩擦面中径及摩擦面平均线速度,从而确定。 根据以上计算所得的,查参考文献21中表11-20得。4)计算摩擦面对数 由公式计算得。式中:-安全系数,一般取。 -摩擦面对数修正系数,对于干式和湿式切每小时结合次数少于50次的离合器,取;对湿式切每小时结合次数多于50次的离合器,按算的值从参考文献21中表11-21中查得值;-结合次数修正系数,湿式按参考文献21中表11-22选取。故 5)计算主动片(一般为内摩擦片)片数和被动片片数 故摩擦片总数为11片。6)摩擦片脱开时所需间隙:湿式的取。摩擦片的厚度,一般取毫米;摩擦片的材料应具有较高的耐磨性、摩擦系数大,耐高温、抗胶合性好等特性。常用10或15号钢,表面渗碳,深度为毫米,淬火后硬度达HRC52-62。5.3 机械压紧式摩擦离合器它的特点是把压紧机构从来年各个离合器的中间移动到了轴承的外面。因此缩短了轴的跨距,有利于减少轴的变形。操纵时,通过操纵杆、套、元宝销、中心拉杆,销压紧螺母或控制左右离合器的接合或断开。CA6140型普通车床主轴的启停和换向就采用的这种离合器。5.4 离合器在传动系统内的位置第 15 页(共41 页)离合器在传动系统内的位置十分重要,应考虑下面的问题:离合器应尽量放在高速轴上,使得传递的扭矩可以小一些,尺寸也就可以小一些。此外,如果有调整间隙的要求,则要考虑把它安排在便于调整的位置上。例如车床主轴箱,用于主轴开停、换向的摩擦离合器,一般都放在转速较高的第轴上,并且安排在主轴箱的上部,以便进行调整。第 16 页(共41 页)6 制动器的设计6.1 制动器的功用、要求、分类和构造在制动器的选择上一般有以下三个要求:(1)由于考虑到空间尺寸的利用率,一般选用结构尺寸尽量简单占用空间小的。制动器应尽量装在高速轴上。(2)制动时间在可能条件下应尽量短些。但也不是越短越好。如果制动时间太短,则有可能因制动力矩太大而损坏齿轮和轴等零部件。(3)要保证使用安全。为此,制动机构与开停机构必须互锁。即将离合器脱开时,制动器应制动;接通离合器前,制动器必须先断开。最简单的互锁方法就是用同一个操纵机构,同时操纵离合器和制动器,如CA6140型普通车床主轴箱内的开停离合器和制动器就是这样。制动器的工作原理是利用摩擦力矩,使机件的动能转化为热能,使机件迅速停止运动。机床上常用的制动器有如下几种:(1)片式制动器 这种制动器的构造与片式摩擦离合器相同,只是在使用上,将离合器的内片或外片固定起来。(2)闸带式制动器 操纵杆同时控制离合器和制动器,当操纵杆在中间位置时,离合器松开,这时杆的凸起面顶杠杆,使它绕轴逆时针旋转,制动带包紧制动轮产生制动摩擦力矩。当操纵杆向上或向下移动时,接通主轴正转或反转的离合器。这时杆的凹部对准杠杆,而放松制动带。设计时,应注意制动轮的旋转方向要和制动力的方向相同,以避免摩擦力作用在操纵手柄上。带式制动器的优点是结构简单,但它存在着摩擦力矩较小,制动时间较长,装制动轮的轴在制动时受到较大的单侧径向力的确定。6.2 制动器的计算6.2.1 制动力矩的计算制动力矩应使被制动件在要求的制动时间内,从转速制动到零。由于被制动的传动链内的阻力矩时帮助制动的,所以 。式中:-被制动的传动链内的阻力矩(),可近似的根据机床第 17 页(共 41 页)的空载功率求出。在制动过程中是不变的。-被制动的传动链内各元件折合到制动器轴上的当量转动惯量(),见参考文献21中表4-44和4-45。-在时间时被制动轴的瞬时角速度()。将公式在积分后得 式中:-制动时间(); -被制动轴在制动开始时的角速度()。整合制动过程中的平均制动力矩为: ()将上式带入得:所以 。式中:-制动前的转速(); -系数,由制动器构造而定。可近似的取。6.2.2 闸带式制动器的尺寸计算已知:制动扭矩()及安装制动器的轴的转速()。a、确定制动轮的直径及包角。及根据具体结构确定,在结构允许的条件下,尽可能取大值,取。值一般取。b、计算制动轮上的圆周力。已知制动扭矩及制动轮直径()时,可方便地求出圆周力。即()c、选定制动带材料后,按参考文献21中表5.14-3查得其摩擦系数及许用压力。闸带式制动器多用石棉制动带,与钢带的联结方式可用铆接或粘接。d、计算操作力。操作力的大小和结构及制动轮的回转方向有关,根据参考文献21中表5.14-4提供的结构方式,定出a、b的尺寸,按该表相应的公式计算出值。e、计算制动带紧边张力 按式计算得。第 18 页(共 41 页)9根据摩擦系数及包角等在参考文献21中表5.14-5查得,故松边张力f、选择钢带。钢带厚度一般取,钢带宽度为()式中:-钢带许用拉伸应力,一般取。故 。g、选择制动带(闸皮)宽度 按式()计算得。式中:-制动扭矩(); -确定制动轮的直径(); -包角(rad); -制动带的许用压力(),见参考文献21中表5.14-3得。故 钢带宽度应与制动带宽度一致,因此取钢带宽度为。h、发热核算。即核算工作容量系数:式中的 、同上,-允许的工作容量系数,见参考文献中表5.14-9,为:10()(一般工作条件下)故因此该制动器的发热量合格。6.3 操纵机构的功用和要求在机床中,操纵机构的功能是控制机床各部件工作运动的启动、停止、变速、换第 19 页(共 41 页)向以及辅助运动等,如转位、定位等。操纵机构一般由以下几部分组成:操纵件(包括手柄,首轮和按钮等)、传动装置(包括机械的、电气的、液压的等)、执行件(如拨叉、滑块、销子等)。对操纵机构的要求是:(1)安全可靠 使被操作件准确可靠地处于要求的位置,在机床工作中不应松动或脱开。机构应该有足够的强度、刚度和寿命。(2)操纵方便直观,容易记忆。(3)操纵省力迅速,结构简单,成本低,便于制造和维修。6.4 操纵机构的结构形式操纵机构按其控制移动件的多少可以分为单独操纵和集中操纵。单独操纵就是一个手柄只操纵一个被操纵件,它的优点是结构简单,缺点是当被操纵件多时机床手柄多,有时操纵不方便,难于记忆,操作时间长。为了简化操纵过程和节省辅助时间,常采用集中操纵机构。单独式的操纵机构的结构形式很多,一般分为摆动式和移动式两种。在本设计中采用摆动式的操纵机构。由手柄经过转轴、摆杆、滑块使齿轮沿花键轴移动。这种操纵方式结构简单,在机床上应用很普遍。第 20 页(共 41 页)7 传动件的估算和验算7.1 各传动组齿轮模数的估算设计7.1.1 各传动轴上齿轮的模数估算1)选择齿轮的材料、热处理和精度等级大小齿轮均选用7级精度的40Cr钢表面淬火,平均齿面硬度为52HRC。2)按齿面弯曲疲劳强度初步计算齿轮参数因为是闭式硬齿面齿轮传动,故先按照齿面弯曲疲劳强度进行设计,即:式中各参数为:(1)试选载荷系数;(2)计算小齿轮的转矩:(3)按参考文献9表6-7选取齿宽系数,,;(4)取,,,;(5)查参考文献9表6-4得到齿形系数:,,;应力校正系数:,,,;(6)许用弯曲应力由式计算:查参考文献9图6-15(e)得到弯曲疲劳极限为:,;由可以取安全系数;由式得到各大小齿轮的应力循环次数为:;第 21 页(共 41 页);。查阅参考文献9图6-17可以得到弯曲疲劳系数:;3)功率的计算取齿轮的传动效率为(7级精度),滚动轴承的效率为,联轴器的效率为。当主轴以计算转速工作时,各轴的输入功率为:;各轴的输入转矩的计算:;。所以:;4)确定传动尺寸第 22 页(共 41 页)(1)计算圆周速度:;所以,7级精度合用。(2)计算载荷系数。各系数选择如下:查阅参考文献9表6-1得到使用系数;由7级精度查参考文献9图6-6的动载荷系数;由参考文献9表6-2得到齿间载荷分配系数;齿向载荷分布系数。由式可以得到:;。(3)对进行修正:;取其中的标准模数为:;。(4)计算中心距:;(5)计算分度圆直径: ; ; ; ; ; ; (6)计算齿宽:第 23 页(共 41 页),取,则;,取,则;,取,则;,取,则;5)校核齿面接触疲劳强度: 由式校核得到。式中各参数为:(1),,、和值同前。(2)区域系数;(3)由参考文献9表6-3查得弹性系数;(4)许用接触应力由计算。 由参考文献9图6-14(e)得接触疲劳极限:;由参考文献9图6-16(曲线2)得接触疲劳寿命系数:;取安全系数,则:;由于;,均满足齿面接触疲劳强度。第 24 页(共 41 页)6)进一步校核模数:轴在计算转速时,轴与的转速相同,按轴的计算转速来校核;第二扩大组有升速传动,可以按轴的最高转速来校核。(1)校核: , ,; 疲劳极限:; ; 。 查阅参考文献9图6-17得到弯曲疲劳寿命系数,;取;故此时,合适。(2)校核:升速传动时,按照小齿轮的接触疲劳强度校核,大齿轮按照弯曲疲劳强度来校核。由参考文献9图6-14得到接触疲劳极限,由参考文献9图6-16得到接触疲劳寿命系数,取安全系数,则: 第 25 页(共 41 页)此时,不合适,再取代入上式计算可得:故此时合适。; ;查参考文献9表6-4得齿形系数, , , ;许用弯曲应力由式计算。查参考文献9图6-12得弯曲疲劳极限,由取安全系数 ;由式得大齿轮的应力循环次数为: ;查参考文献9图6-17得弯曲疲劳寿命系数, 故 ;取 又 ;故 由参考文献9图6-14得接触疲劳强度;由参考文献9图6-16得接触疲劳寿命系数 ,取安全系数,则 , , ,第 26 页(共 41 页)故 合适,满足强度要求。7.1.2 各齿轮几何尺寸的确定(1)电-组相关参数 ,;分度圆:;齿顶高:齿根高:全齿高:齿顶圆直径:;齿根圆直径:;齿距: 基圆齿距:齿厚: 齿槽宽:顶隙: 标准中心距:基圆直径:;齿宽:;。(2)第-组相关参数 ,,;分度圆:;第 27 页(共 41 页);齿顶高:齿根高:齿顶圆直径:;齿根圆直径:;齿距: 基圆齿距:齿厚: 齿槽宽:顶隙: 标准中心距:;基圆直径:;齿宽:;。(3)第-组相关参数 ,,;分度圆:;齿顶高:齿根高:齿顶圆直径:; 齿根圆直径:; 齿距: 基圆齿距:第 28 页(共 41 页)齿厚: 齿槽宽:顶隙: 标准中心距:;基圆直径:; 齿宽:;(4)第-组相关参数 ,,;分度圆:; ;齿顶高:齿根高:齿顶圆直径:; 齿根圆直径:; ;齿距: 基圆齿距:齿厚: 齿槽宽:顶隙: 标准中心距:;基圆直径:;第 29 页(共 41 页);齿宽:;7.2 估算各传动轴的最小直径轴径的初步估算常用如下的方法:按扭转刚度初估轴径。其扭转强度条件为:式中:-轴的扭转切应力(); -轴所传递的扭矩(); -轴的抗扭截面系数(); -轴所传递的功率(); -轴的转速(); -轴的许用扭转切应力()。对于实心轴,其最小直径为:(1)轴的直径:,取。(2)轴的直径:,取。(3)轴的直径:,取。(4)主轴的直径:,取。(5)电动机轴的直径:,取。第 30 页(共 41 页)7.3 各传动轴的校核该传动系统传动轴主要受到各工作齿轮的轴、径向力作用,齿轮的圆周力使轴传递扭矩,齿轮的径向力(和轴向力)使轴受弯矩,所以传动轴应按照弯矩和扭矩合成的强度条件进行验算。轴的校核:该轴上有三对啮合的齿轮副,由前面的计算可以得出中间的两对齿轮的挠度在该轴中心处作用效果最大,所以该轴的校核应该用中间啮合齿轮来校核。轴、轴的校核同上。第 31 页(共 41 页)8 机床主轴组件的设计机床主轴组件主要包括主轴和主轴支承(加工中心的主轴组件还包括安装在主轴孔内的松拉刀机构,机械传动、机电结合传动的主轴组件还包括安装在主轴上的传动件)。机械传动、机电结合传动和零传动三种形式的主轴组件的共性问题是:主轴支承的类型及配置和主轴结构。主轴组件的设计包括主轴轴承的选择,轴承的布置与调整,确定主轴的结构、材料、技术要求及其润滑和密封等。8.1 主轴结构8.1.1 主轴结构参数的确定主轴的主要结构参数有主轴前、后轴颈直径和,主轴内孔直径,主轴前端悬伸量和主轴支承间的跨距(如图5所示),这些参数直接影响到主轴的旋转精度和主轴刚度。图5 主轴的结构参数(1)主轴前后轴颈直径的选取一般按照机床类型、主轴传递的功率或者是最大加工直径,参照参考文献13中表3.13选取。车床和铣床后轴颈的直径。(2)主轴内孔直径的确定很多机床的主轴是空心的,内孔直径与其用途有关。如车床的主轴内孔用来通过棒料或者是安装送夹料机构;铣床的主轴内孔可以通过拉杆来拉紧刀杆,等等。卧式第 32 页(共 41 页)车床的主轴孔径通常不小于主轴平均直径的55%60%;铣床的主轴孔径可以比刀具拉杆的直径大510mm。8.1.2 主轴轴承的选用为了给主轴提供更好的支承,同时也要考虑到润滑、安装精度。组件用的轴承类型有:滚动轴承、滑动轴承(液体动压轴承、液体静压轴承、空气静压轴承)、磁浮轴承。主轴采用了轴向后端定位的两支承主轴组件。前支承采用双列圆柱滚子轴承,后支承采用角接触球轴承和单向推力球轴承。为了保证主轴的回转精度,主轴前后轴承均采用压块式防松螺母调整轴承的间隙。8.1.3 主轴前端部的结构主轴的前端采用短圆锥法兰式结构,用来安装卡盘或拨盘。主轴前端的短圆锥面是安装卡盘或拨盘的定位面,法兰上凹形孔中的端面键用来传递转矩。安装拨盘或卡盘时,首先通过双头螺柱及螺母将拨盘或卡盘和卡口垫连接,再用螺钉固定卡口垫。主轴前端的这种结构有利于提高主轴组件的刚度,且装卸卡盘或拨盘方便,工作可靠,定心精度高,所以得到了广泛的应用。普通车床和升降台铣床主轴端部的结构型式和尺寸已经标准化。设计时应该按照法兰式车床主轴端部尺寸(JB2521-79)来选用。法兰式主轴端部按其与卡盘附件不同的连接方式,可以分为五种型式:、型:通过螺孔用螺钉连接型:通过通孔用螺栓或螺柱连接型:通过插销螺柱及转垫实现快换连接型:通过凸轮锁紧连接主轴的内孔采用7:24的锥度。8.2 主轴刚度的校核主轴刚度目前没有明确的统一要求,若从机床能达到的加工精度出发,应使机床在精加工或半精加工的切削条件下,主轴前端挠度的最大值必须小于端部径向跳动允许值的1/3,其允许值可以按照国家机床精度标准GC2-60的规定查取。8.2.1 主轴的结构简图第 33 页(共 41 页)图6 主轴的结构简图8.2.2 主轴最佳跨距的确定车床,。(1) 选择轴颈直径,轴承型号和最佳跨距,照参考文献13中表3.13,前轴颈的直径应该为,初选,后轴颈的直径应该为,取,前轴承为NN212E,后轴承为NN212E,根据结构,定悬伸长度(2)求轴承刚度考虑到机械效率,主轴最大输出转距;床身上最大加工直径约为最大回转直径的60%,取50%即200,故半径为0.1.切削力 背向力 故总的作用力 主轴轴端承受一半次力,故受力为 先假设 ,则前后支撑分别为第 34 页(共 41 页)根据可以得到:。8.2.3 计算跨距前支承为双列圆柱滚子轴承,后支承为双列圆柱滚子轴承当量外径主轴刚度:由于故对于机床的刚度要求,取阻尼比当,时,第 35 页(共 41 页)取计算 : 可以看出,该机床的主轴是合格的。8.3主轴的润滑结构与密封主轴箱内采用飞溅式润滑,油面高度为65mm左右,甩油环浸油深度为10mm左右。润滑油型号为:IIJ30。卸荷皮带轮轴承采用脂润滑方式。润滑脂型号为:钙质润滑脂。8.4 密封装置设计轴的轴颈尺寸不大,拥有较低的线速度,用皮碗式接触密封可以起到很好地密封作用。对于尺寸相对大、线速度高的主轴,采用的是非接触式密封。卸荷皮带轮采用毛毡式密封,毛毡可以有效隔绝外界杂质。 8.5 车床主轴箱内的润滑方式车床主轴箱是加工工件的重要部分,也有着较高成本为了保持其精度,延长寿命,车床各个地方需要做到全面的润滑。主要润滑方式有以下几种方法:1)飞溅润滑 浸泡在润滑油里的齿轮在高速转动时将油带到两齿轮的啮合处,起到润滑齿轮的作用。第 36 页(共 41 页)2) 压力润滑 通过主轴箱内柱塞泵,柱塞泵加压使油流到轴承的上面起到润滑轴承作用3) 重力润滑 主轴箱内在高速运转时会有很多飞溅到箱盖上的油,会顺着油槽流到轴承上,通过这种循环达到润滑齿轮的作用。 大部分润滑的重点都在于润滑轴承,轴其工作状态对于主轴箱的运转起到非常重要的作用。8.6 主轴箱体的设计箱中有主轴、变速机构,操纵机构和润滑系统等。主轴箱除应保证运动参数外,还应具有较高的传动效率,传动件具有足够的强度或刚度,噪声较低,振动要小,操作方便,具有良好的工艺性,便于检修,成本较低,防尘、防漏、外形美观等。为了减轻机床的重量,在保证箱体足够刚度的前提下,箱体应尽量选用较小的壁厚。最小壁厚可以根据外形轮廓尺寸按参考文献21中的表选择。至于支承面、凸台和连接面等有特殊的壁和隔板,可以按结构需要适当加厚。箱体在床身上的安装方式,机床类型不同,其主轴变速箱的定位安装方式亦不同。有固定式、移动式两种。车床主轴箱为固定式变速箱,用箱体底部平面与底部突起的两个小垂直面定位,用螺钉和压板固定。本主轴箱箱体为一体式铸造成型,留有安装结构,并对箱体的底部为安装进行了相应的调整。箱体的颜色根据机床的总体设计确定,并考虑机床实际使用地区人们心理上对颜色的喜好及风俗。箱体中预留了润滑油路的安装空间和安装螺纹孔及油沟。第 37 页(共 41 页)总结CA6140车床的设计是一个缜密又详细的过程,其机构复杂而巧妙。从传动系统的设计到轴系部件到验算,我发现了太多自己不会的地方,需要耐心地查找资料,机械设计是个一环套一环的过程,所有零部件之间互相配合又互相影响,最后才能组成一个完整精密的传动系统。最后的验算决定着这个传动系统是否符合要求,达到工作目的。经过毕业设计,我对机械系统设计这门课当中许多原理公式有了进一步的了解,并且对设计工作有了更深入的认识。在日后的工作中也会接触到更多的东西,也让我明白了有更多的知识需要去探索,去学习。第 38 页(共 41 页)参考文献1贾亚洲.金属切削机床概论M,北京:机械工业出版社,1993;2黄鹤汀.金属切削机床概论M,北京:机械工业出版社,1991;3许晓旸.专用机床设备设计M,重庆:重庆大学出版社,2003; 4顾维邦. 金属切削机床概论M,北京:机械工业出版社,1999;5黄开榜、张庆春、那海涛. 金属切削机床M, 哈尔滨:哈尔滨大学出版社,2006;6范云张、陈兆年.金属切削机床设计简明手册M ,北京:机械工业出版社,1994.7;7吴圣庄. 金属切削机床M, 北京:高等教育出版社,2008;8翁世修、王良申. 金属切削机床设计指导M,上海:上海交通大学出版社,1986;9汪建晓、王为. 机械设计M,武汉:华中科技大学出版社,2007;10唐增宝、常建娥. 机械设计课程设计(第3版)M, 武汉:华中科技大学出版社,2006;11魏兵、熊禾根. 机械原理M,武汉:华中科技大学出版社,2007;12张轩、管殿柱.AutoCAD2007机械制图设计应用范例M,北京:清华大学出版社.2006;13黄玉美. 机械制造装备设计M, 北京:高等教育出版社,2008;14机床设计手册编写组. 机床设计手册(上册)M, 北京:机械工业出版社,1986;15机床设计手册编写组. 机床设计手册(下册)M, 北京:机械工业出版社,1986;16廖念钊、李硕根.互换性与技术测量(第四版)M,北京:中国计量出版社,2006;17陈统坚.机械工程英语M,北京:机械工业出版社,1995;18实用机床设计手册编写组.实用机床设计手册(第二版下册)M,北京:机械工业出版社,2004;19.杜君文.机械制造技术装备及设计M,天津:天津大学出版社,1998;第 39 页(共 41 页)20.现代实用机床设计手册编委会.现代实用机床设计手册M,北京:机械工业出版社,2006.6;21.机床设计手册编写组.机床设计手册(第三册)M,北京:机械工业出版社,1986。第 40 页(共 41 页)致谢在设计成过程中,感谢很多人的帮助和指点,首先我要感谢我的母校的辛勤培育,感谢院系各位老师四年来的谆谆教诲,感谢他们默默的栽培我。本次设计是在我的导师XX的亲切关怀和悉心指导下完成的。她严肃的科学态度,严谨的治学精神,精益求精的工作作风,深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成,老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持,在此,谨向教师表示衷心的感谢和崇高的敬意!此外,在毕业设计过程中,也得到了其他老师和同学的帮助,设计任务一直在很好的氛围中进行,在这里,也向他们表示真诚的感谢!再次向设计中所有提供过帮助的人表示感谢!第 41 页(共 41 页)
收藏