床身上最大回转直径320mm的数控车床总体设计及主轴箱设计[版本1]【含CAD图纸和说明书】
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320mm的数控车床总体设计及主轴箱设计毕业设计说明书设计题目:320mm的数控车床总体设计及主轴箱设计所在学院专 业班 级姓 名学 号指导老师 年 月 日摘 要全面阐述了数控车床的结构原理,设计特点,详细介绍了数控车床的结构设计及校核,并进行了分析。另外汇总了有关技术参数。数控车床主轴箱设计,主要包括三方面的设计,即:根据设计题目所给定的机床用途、规格、主轴极限转速、转速数列公比或级数,确定其他有关运动参数,选定主轴各级转速值;通过分析比较,选择传动方案;拟定结构式或结构网,拟定转速图;确定齿轮齿数及带轮直径;绘制传动系统图。其次,根据机床类型和电动机功率,确定主轴及各传动件的计算转速,初定传动轴直径、齿轮模数,确定传动带型号及根数,摩擦片尺寸及数目;装配草图完成后要验算传动件(传动轴、主轴、齿轮、滚动轴承)的刚度、强度或寿命。最后,完成运动设计和动力设计后,要将主传动方案“结构化”,设计主轴变速箱装配图及零件图,侧重进行传动轴组件、主轴组件、变速机构、箱体、润滑与密封、传动轴及滑移齿轮零件的设计。关键词:车床,主轴箱、变速系统、主轴组件AbstractComprehensively elaborated numerical control lathe structure principle, design feature, introduced in detail the structure of NC lathe design and verification, and analysis. In addition to collect the related technology parameters.CNC lathe headstock design, mainly includes three aspects of design, namely: according to the design theme of the given machine uses, specifications, spindle speed limit speed ratio, sequence or series, identify other related movement parameters selected levels, spindle speed value; through analysis and comparison, selection of transmission scheme; drawing structures or structural network, protocol speed diagram; determine the number of gear teeth and belt wheel diameter; drawing drive system diagram. Secondly, according to the type of machine and electric motor power, determining the spindle and the transmission of the calculation speed, initial drive shaft diameter, the gear modulus, confirm the transmission belt type and number, size and number of friction plate; Assembly Sketches after checking transmission ( transmission shaft, shaft, gear, rolling bearing stiffness, ) intensity or life. Finally, complete the kinematic design and dynamic design of the main drive system, structured , the design of the spindle gear box assembly drawing and parts drawing, focusing on transmission shaft assembly, spindle assembly, transmission mechanism, box, lubrication and seal, the transmission shaft and the slip gear parts design.Key words: lathe, spindle box, transmission system, spindle assembly目 录摘 要IIAbstractIII目 录IV第1章 绪论101.1数控机床及其特点101.2数控机床的工艺范围及加工精度101.3 数控机床的经济分析111.4 数控机床的发展趋向12第2章 数控机床总体方案的制订及比较152.1 总体方案比较152.2 数控车床方案确定15第3章 确定切削用量及选择刀具163.1刀具选择163.2切削用量确定173.3切削三要素173.4加工精度和表面粗糙度173.5刀具材料21第4章 320mm的数控车床主轴箱设计计算214.1.主动参数参数的拟定214.2 变速结构的设计224.2.1 主变速方案拟定224.2.2 变速结构式、结构网的选择234.3带轮的设计274.4 传动轴的直径估算294.4.1 确定各轴转速294.4.2传动轴直径的估算:确定各轴最小直径304.4.3 键的选择314.5传动轴的校核314.5.1 传动轴的校核324.5.2 键的校核324.6 各变速组齿轮模数的确定和校核334.6.1 齿轮模数的确定334.6.2 齿宽的确定374.6.3 齿轮结构的设计384.7 带轮结构设计394.8 片式摩擦离合器的选择和计算404.9 齿轮校验424.9.1 校核a变速组齿轮424.9.2 校核b变速组齿轮444.9.3 校核c变速组齿轮454.10 轴承的选用与校核464.10.1 各轴轴承的选用464.10.2 各轴轴承的校核464.11 主轴组件设计484.12 主轴的基本尺寸确定484.12.1 外径尺寸D484.12.2 主轴孔径d494.12.3 主轴悬伸量a504.12.4 支撑跨距L504.12.5 主轴最佳跨距的确定514.13 主轴刚度验算534.13.1 主轴前支撑转角的验算544.13.2 主轴前端位移的验算55致 谢59参考文献60第1章 绪论1.1数控机床及其特点数控机床是一种高效能自动加工机床,是一种典型的机电一体化产品。与普通机床相比,数控机床具有如下一些优点:数控机床的机械结构主要由传动系统、支承部件、分度台等部分组成。传动系统的作用是把运动和力由动力源传递给机床执行件,而且要保证传递过程中有良好的动态特性。传动系统在工作过程中,经常受到激振力和激振力矩的作用,使传动系统的轴组件产生弯曲和扭转振动,从而影响机床的工作性能。随着机床切削速度的提高和自动化方向的发展,传动系统的结构组成越来越简单,但对其机械结构性能的要求却越来越高,从而使传统的设计方法远远达不到要求,这样,各种设计理论的研究和使用就得到了迅猛的发展。数控机床是高精度和高生产率的自动化机床,其加工过程中的动作顺序、运动部件的坐标位置及辅助功能,都是通过数字信息自动控制的,操作者在加工过程中无法干预,不能像在普通机床上加工零件那样,对机床本身的结构和装配的薄弱环节进行人为补偿,所以数控机床几乎在任何方面均要求比普通机床设计得更为完善,制造得更为精密。为满足高精度、高效率、高自动化程度的要求,数控机床的结构设计已形成自己的独立体系,在这一结构的完善过程中,数控机床出现了不少完全新颖的结构及元件。与普通机床相比,数控机床机械结构有许多特点。1.2数控机床的工艺范围及加工精度随着机械制造生产模式的演变,对机械制造装备提出了不同的要求.在50年代“刚性”生产模式下,通过提高效率,自动化程度,进行单一或少品种的大批量生产,以“规模经济”实现降低成本和提高质量的目的。从90年代开始,为了对世界生产进行快速响应,逐步实现社会制造资源的快速集成,要求机械制造装备的柔性化程度更高,采用拟实制造和快速成形制造技术。工业发达国家都非常注重机械制造业的发展,为了用先进技术和工艺装备制造业,机械制造装备工业得到先发展。对比之下,我国目前机械制造业的装备水平还比较落后,表现在大部分工厂的机械制造装备基本上是通用机床加专用工艺装备,数控机床在机械制造装备中的比重还非常低,导致“刚性”强,更新产品速度慢,生产批量不宜太小,生产品种不宜过多;自动化程度基本上还是“一个工人,一把刀,一台机床”,导致劳动生产率低下,产品质量不稳定。 因此,要缩小我国同工业发达国家的差距,我们必须在机械制造装备方面大下功夫,其中最重要的一个方面就是增加数控机床在机械制造装备中的比重。数控设备的发展方向六个方面:智能化、网络化、高速、高精度、符合、环保。目前德国和瑞士的机床精度最高,综合起来,德国的水平最高,日本的产值最大。美国的机床业一般。中国大陆、韩国。台湾属于同一水平。但就门类、种类多少而言,我们应该能进世界前4名。数控系统 由显示器、控制器伺服、伺服电机、和各种开关、传感器构成。目前世界最大的三家厂商是:日本发那客、德国西门子、日本三菱;其余还有法国扭姆、西班牙凡高等。国内由华中数控、航天数控等。国内的数控系统刚刚开始产业化、水平质量一般。高档次的系统全都是进口。 华中数控这几年发展迅速,软件水平相当不错,但差就差在电器硬件上,故障率比较高。华中数控也有意向数控机床业进军,但机床的硬件方面不行,质量精度一般。目前国内一些大厂还没有采用华中数控的。广州机床厂的简易数控系统也不错。 我们国家机床业最薄弱的环节在数控系统。机床精度 1.机械加工机床精度分静精度、加工精度(包括尺寸精度和几何精度)、定位精度、重复定位精度等5种。 2.机床精度体系:目前我们国家内承认的大致是四种体系:德国VDI标准、日本JIS标准、国际标准ISO标准、国标GB,国标和国际标准差不多。3.看一台机床水平的高低,要看它的重复定位精度,一台机床的重复定位精度如果能达到0.005mm(ISO标准.、统计法),就是一台高精度机床,在0.005mm(ISO标准.、统计法)以下,就是超高精度机床,高精度的机床,要有最好的轴承、丝杠。4.加工出高精度零件,不只要求机床精度高,还要有好的工艺方法、好的夹具、好的刀具。1.3 数控机床的经济分析目前世界著名机床厂商在我国的投资情况 1. 2000年,世界最大的专业机床制造商马扎克(MAZAK)在宁夏银川投资建了名为“宁夏小巨人机床公司”的机床公司,生产数控车床、立式加工中心和车铣复合中心。机床质量不错,目前效益良好,年产600台,目前正在建2期工程,建成后可以年产1200台。 2. 2003年,德国著名的机床制造商德马吉在上海投资建厂,目前年组装生产数控车床和立式加工中心120台左右。 3. 2002年,日本著名的机床生产商大隈公司和北京第一机床厂合资建厂,年生产能力为1000台,生产数控车床、立式加工中心、卧式加工中心。 4.韩国大宇在山东青岛投资建厂,目前生产能力不知。 5.台湾省的著名机床制造商友嘉在浙江萧山投资建厂,年生产能力800台。民营企业进入机床行业情况 1.浙江日发公司,2000年投产,生产数控车床、加工中心。年生产能力300台。 22004年,浙江宁波著名的铸塑机厂商海天公司投资生产机床,主要是从日本引进技术,目前刚开始,起点比较高。 32002年,西安北村投产,名字象日本的,其实老板是中国人,采用日本技术。生产小型仪表数控车床,水平相当不错。军工企业技情况 军工企业得到国家拨款开始于当年“大使馆被炸”,后来台湾阿扁上台后,大规模技开始了,军工企业进入新一轮的技高峰,我们很多军工企业开始停止购买普通设备。尤其是近3年来,我们的军工企业从欧洲和日本买了大批量的先进数控机床。也从国内机床厂哪里采购了大批普通数控机床,国内机床厂商为了迎接这次大技,也引进了不少先进技术,争取军工企业的高端订单。 听在军工企业的朋友讲,阿扁如果再能“顶”三年,我们的整体水平会上一个台阶。 其实,胡锦涛总书记掌权以来,已经把国防事业提到了和经济发展一样的高度上,他说,我们要建立和经济发展相适应的国防能力,相信再过10年,随着我国国防工业和汽车行业的发展,我们国家会诞生世界水平的机床制造商,也将会超越日本,成为世界第一机床生产大国。1.4 数控机床的发展趋向数控技术是先进制造技术的核心,是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。数控装备的整体水平标志着一个国家工业现代化水平和综合国力的强弱。 随着柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟,对数控加工技术提出了更高要求。当今数控机床信息化正朝着以下几个方面发展。 高速度、高精度化。速度和精度是数控机床的两个重要指标,它直接关系到加工效率和产品质量。目前,我国生产的第六代数控机床系统均采用位数、频率更高的处理器,以提高系统的基本运算速度,使得高速运算、模块化及多轴成组控制系统成为可能。同时,新一代数控机床将采用超大规模的集成电路和多微处理器结构,以提高系统的数据处理能力。 智能化。现代数控机床的智能化发展将通过对影响加工精度和效率的物理量进行检测、建模、提取特征、自动感知加工系统的内部状态及外部环境,快速作出实现最佳目标的智能决策,对机床的工艺参数进行实时控制,使机床的加工过程处于最佳状态。 基于CAD和CAM的数控编程自动化。随着计算机应用技术的发展,目前CAD/CAM图形交互式自动编程已得到较多的应用,是数控技术发展的新趋势。它是利用CAD绘制的零件加工图样,经计算机内的刀具轨迹数据进行计算和后置处理,从而自动生成数控机床零部件加工程序,以实现CAD与CAM的集成。随着CIMS技术的发展,当前又出现了CAD/CAPP/CAM集成的全自动编程方式,其编程所需的加工工艺参数不必由人工参与,直接从系统内的CAPP数据库获得,推动数控机床系统自动化的进一步发展。 一、是高速加工技术发展迅速 高速加工技术发展迅速,在高档数控机床中得到广泛应用。应用新的机床运动学理论和先进的驱动技术,优化机床结构,采用当前数控机床技术发展趋势高性能功能部件,移动部件轻量化,减少运动惯性。在刀具材料和结构的支持下,从单一的刀具切削高速加工,发展到机床加工全面高速化,如数控机床主轴的转速从每分钟几千转发展到几万转、几十万转;快速移动速度从每分钟十几米发展到几十米和超过百米;换刀时间从十几秒下降到10秒、3秒、1秒以下,换刀速度加快了几倍到十几倍。应用高速加工技术达到缩短切削时间和辅助时间,从而实现加工制造的高质量和高效率。二、是精密加工技术有所突破 通过机床结构优化、制造和装配的精化,数控系统和伺服控制的精密化,高精度功能部件的采用和温度、振动误差补偿技术的应用等,从而提高机床加工的几何精度、运动精度,减少形位误差、表面粗糙度。加工精度平均每8年提高1倍,从1950年至2000年50年内提升100倍。目前,精密数控机床的重复定位精度可以达到1m,进入亚微米超精加工时代。三、是技术集成和技术复合趋势明显技术集成和技术复合是数控机床技术最活跃的发展趋势之一,如工序复合型车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工技术复合,跨加工类别技术复合金切与激光、冲压与激光、金属烧结与镜面切削复合等,目前已由机加工复合发展到非机加工复合,进而发展到零件制造和管理信息及应用软件的兼容,目的在于实现复杂形状零件的全部加工及生产过程集约化管理。技术集成和复合形成了新一类机床复合加工机床,并呈现出复合机床多样性的创新结构。四、是数字化控制技术进入了智能化的新阶段数字化控制技术发展经历了三个阶段:数字化控制技术对机床单机控制;集合生产管理信息形成生产过程自动控制;生产过程远程控制,实现网络化和无人化工厂的智能化新阶段。智能化指工作过程智能化,利用计算机、信息、网络等智能化技术有机结合,对数控机床加工过程实行智能监控和人工智能自动编程等。加工过程智能监控可以实现工件装卡定位自动找正,刀具直径和长度误差测量,加工过程刀具磨损和破损诊断、零件装卸物流监控,自动进行补偿、调整、自动更换刀具等,智能监控系统对机床的机械、电气、液压系统出现故障自动诊断、报警、故障显示等,直至停机处理。随着网络技术的发展,远程故障诊断专家智能系统开始应用。数控系统具有在线技术后援和在线服务后援。人工智能自动编程系统能按机床加工要求对零件进行自动加工。在线服务可以根据用户要求随时接通INTERNET接受远程服务。采用智能技术来实现与管理信息融合下的重构优化的智能决策、过程适应控制、误差补偿智能控制、故障自诊断和智能维护等功能,大大提高成形和加工精度、提高制造效率。信息化技术在制造系统上的应用,发展成柔性制造单元和智能网络工厂,并进一步向制造系统可重组的方向发展。五、是极端制造扩张新的技术领域极端制造技术是指极大型、极微型、极精密型等极端条件下的制造技术。极端制造技术是数控机床技术发展的重要方向。重点研究微纳机电系统的制造技术,超精密制造、巨型系统制造等相关的数控制造技术、检测技术及相关的数控机床研制,如微型、高精度、远程控制手术机器人的制造技术和应用;应用于制造大型电站设备、大型舰船和航空航天设备的重型、超重型数控机床的研制;IT产业等高新技术的发展需要超精细加工和微纳米级加工技术,研制适应微小尺寸的微纳米级加工新一代微型数控机床和特种加工机床;极端制造领域的复合机床的研制等。第2章 数控机床总体方案的制订及比较2.1 总体方案比较总体方案应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统CPU的选择,以及进给传动方式和执行机构的选择等。数控车床后应具有单坐标定位,两坐标直线插补、圆弧插补以及螺纹插补的功能。因此,数控系统应设计成连续控制型。属于经济型数控机床,在保证一定加工精度的前提下,应结构简化,降低成本。因此,进给伺服系统采用步进电动机的开环控制系统。比较项目方案一方案二确定后的方案具体原因主轴箱分级变速采用调速电机+齿轮传动采用三相异步电机+减速器方案一变速级数比较多满足多种加工需要,也符合任务书要求进给机构滚珠丝杠+步进电机滚珠丝杠+伺服电机方案一脉冲当量步进电机控制的准确刀架四工位回转刀架六工位回转刀架都可以各有各的好处尾座液压尾座手动普通尾座液压尾座可通过数控系统调整方便数控系统8位单片机16位单片机方案一基本需求可以满足2.2 数控车床方案确定(1) 主传动系统设计为了保证主轴在运动时有准确的定位,安装主传动的定位检测装置。采用电气式主轴准停装置,利用磁力传感器检测定位。只要数控系统发出指令信号,主轴就可以准确的定位。这种磁力传感器的工作原理是,在主轴上装上永磁铁和主轴一起旋转,在距离磁铁l-2mm的旋转轨迹外,固定一个磁传感器,当传感器发出信号后经过放大,由定向电路使电动机准确的停止在规定的周向位置上。将主传动采用变频交流电动机无级调速。低档转速为270-1500r/min,高档转速为1500-4500r/min,在各档内可以实现无级调速。与原立式车床的机械结构相比比较简单,这是因为变速功能全部或大部分由主轴电动机的无级调速来承担,省去了复杂的齿轮变速机构,主传动系统是一个开环控制的交流变频调速系统,通过软件来实现它的调速。(2) 进给传动系统设计进给采用滚珠丝杠,并由齿轮箱与滚珠丝杠连接,使机床的机械传动部分具有高静态、动态刚度;运动副之间的摩擦因数小,传动无间隙;功率大;便于操作和维修。,其定位精度为0.01mm,重复定位精度为0005mm。 (3) 数控系统的设计采用AT89C58单片机控制系统。采用模块化设计方案,从总体上分为人机界面模块、坐标进给模块、变频调速控制模块、串行通信模块、液压系统、冷却系统、润滑系统及基于89C58单片机的主控模块。利用变频调速的原理,设计主轴的无级变频调速系统;通过插补算法,实现步进电机的准确定位以便达到工件的精确度;通过键盘和显示模块,实现程序的编辑和显示;通过其他辅助系统的设计,实现机床功能的完善化。第3章 确定切削用量及选择刀具3.1刀具选择(一)刀具选择:铣平面:硬质合金端铣刀或立铣刀,尽是采用二次走刀。凸台、凹槽、箱口面:立铣刀。毛坯表面或粗加工孔:镶硬质合金刀片的玉米铣刀(粗皮刀)。立体型面和变斜角轮廓外形:球刀、环形刀、锥形刀、盘形刀。(二)原则:安装调整方便、刚性好、耐用和精度高。尽是用较短刀柄,保证刚性。(三)排序原则减少刀具数量;装夹一次,尽是加工完;即使刀具规格相同,粗、精加工刀具分开;先铣后钻;精加工,先曲面后二维轮廓;尽可能自动换刀。3.2切削用量确定粗:效率;半精、精:质量、兼顾效率。1、主轴转速n:根据线速度v确定:V= 2、切深t:最好是t等于加工余量。3、切宽L:与刀具直径成正比,与切深成反比。L0.60.9d粗加工:大切深、大进给、低切速。精加工:小切深、小进给、高切速。3.3切削三要素主轴转速、切削深度、进给速度。少切削,快进给。3.4加工精度和表面粗糙度1、加工精度:尺寸精度、形状精度、位置精度。(1)尺寸精度:公差与配合国家标准(GB18001804-97)。IT01、IT0、IT1、IT2、IT18。新公差等级与旧公差等级的对照及应用新公差等级旧精度等级加工方法应用轴孔IT01IT2无研磨用于量块、量仪制造IT3IT4研磨用于精密仪表、精密机件的光整加工IT51无研磨、珩磨、精磨、精铰、精拉用于一般精密配合。IT7IT6在机床和较精密的机器、仪器制造中用得最为普遍IT621IT732磨削、拉削、铰孔、精铣、精镗、精铣、粉末冶金IT834IT94铣、镗、铣、刨、插用于一般要求。主要用于长度尺寸的配合外,如键和键槽的配合IT105IT116粗铣、粗镗、粗铣、粗刨、插、钻、冲压、压铸用于不重要的配合。IT12IT13也用于非配合IT12IT137IT148冲压、压铸用于非配合IT15IT18912铸、锻、焊、气割(2)形状精度:零件上的线、面要素的实际形状相对于理想形状的准确程度。 国家标准(GB11821184-80)规定了六项形状公差:直线度、平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度、面轮廓度。(3)位置公差:零件上点、线、面要素的实际位置相对于理想位置的准确程度。 国家标准(GB11821184-80)规定了八项位置公差:定向:平行度、垂直度、倾斜度。定位:同轴度、对称度、位置度。跳动:圆跳动、全跳动。2、表面粗糙度:表面上微小峰谷高低程度。国家标准(GB3503-83、GB103183、GB131-83) 轮廓算术平均偏差: Ra 或近似于Ra 微观不平十点高度: Rz(+) 在常用数值范围内(Ra0.254.5m,Rz0.125m),在图样上应优先选用Ra。表面粗糙度Ra、Rz允许值及加工方法表表面要求表面特征Ra(m)Rz(m)加工方法旧国际光洁度级别代号第1系列第2系列第1系列第2系列不加工毛坯表面清除毛刺160012501000800630500100400粗加工明显可见的刀纹80320粗铣粗铣粗刨钻粗锉16325050200可见刀纹4016023212525100微见刀纹2080316.06312.550半精加工可见加工痕迹1040半精铣精铣精铣精刨粗磨48324.525微见加工痕迹52054163.212.5不见加工痕迹2.5106281.6精加工可辨加工痕迹的方向1.254.5精铰刮精拉精磨71.0050.84微辨加工痕迹的方向0.633.280.52.50.42.0不辨加工痕迹的方向0.321.690.251.250.21.00精密加工暗光泽面0.160.80精密磨削珩磨研磨超精加工抛光100.1250. 630.10.50亮光泽面0.0800.40110.0630.320.050.25镜状光泽面0.0400.20120.0320.160.0250.125雾状光泽面0.0200.10130.0160.0800.0120.063镜面0.0100.050镜面磨削研磨140.0080.0400.0250.0323.5刀具材料碳素工具钢T10A、T12A:HRC60-64,200-250,V8m/min。合金工具钢CrWMn、9SiCr:350-400,V10m/min。高速钢W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2:HRC62-67,550-600,V30m/min;110W1.5Mo9.5Cr4Vco8、W6Mo5Cr4V2Al:HRC68-70,6004、硬质合金:HRA89-93(HRC74-82),850-1000,V100-300m/min。另外,还有新型硬质合金、陶瓷材料、人造金刚石、立方氮化硼等。第4章 320mm的数控车床主轴箱设计计算4.1.主动参数参数的拟定因为已知 , Z=+1=1.4129根据标准公比。这里我们取标准公比系列=1.41.因为=1.41=1.06,根据标准数列。首先找到最小极限转速20,再每跳过5个数(1.261.06)取一个转速,即可得到公比为1.41的数列:20,35.5,50,71,100,140,200,280,400,560,800合理的确定电机功率P,使机床既能充分发挥其使用性能,满足生产需要,又不致使电机经常轻载而降低功率因素。现在以常见的中碳钢为工件材料,取45号钢,正火处理,车削外圆,表面粗糙度=3.2mm。采用车刀具,可转位外圆车刀,刀杆尺寸:16mm25mm。刀具几何参数:=15,=6,=75,=15,=0,=-10,b=0.3mm,r=1mm。现以确定粗车是的切削用量为设计: 确定背吃刀量和进给量f,根据【2】表8-50,取4mm,f取0.6。 确定切削速度,参【2】表8-57,取V=1.7。 机床功率的计算,主切削力的计算 根据【2】-表8-59和表8-60,主切削力的计算公式及有关参数:F=9.81 =9.8127040.920.95 =3242(N)切削功率的计算 =32421.7=5.5(kW)依照一般情况,取机床变速效率=0.8.=6.86(kW)根据【3】表12-1 Y系列(IP44)电动机的技术数据,Y系列(IP44)电动机为一般用途全封闭自扇冷式笼型异步电动机,具有防尘埃、铁屑或其他杂物侵入电动机内部的特点,B级绝缘,工业环境温度不超过+40,相对湿度不超过95%,海拔高度不超过1000m,额定电压380V,频率50Hz。适用于无特殊要求的机械上,如机床,泵,风机,搅拌机,运输机,农业机械等。根据以上要求,我们选取Y132M-4型可调速电动机,额定功率7.5kW,满载转速1440,额定转矩2.2,质量81kg。4.2 变速结构的设计4.2.1 主变速方案拟定拟定变速方案,包括变速型式的选择以及开停、换向、制动、操纵等整个变速系统的确定。变速型式则指变速和变速的元件、机构以及组成、安排不同特点的变速型式、变速类型。变速方案和型式与结构的复杂程度密切相关,和工作性能也有关系。因此,确定变速方案和型式,要从结构、工艺、性能及经济等多方面统一考虑。变速方案有多种,变速型式更是众多,比如:变速型式上有集中变速,分离变速;扩大变速范围可用增加变速组数,也可采用背轮结构、分支变速等型式;变速箱上既可用多速电机,也可用交换齿轮、滑移齿轮、公用齿轮等。显然,可能的方案有很多,优化的方案也因条件而异。此次设计中,我们采用集中变速型式的主轴变速箱。4.2.2 变速结构式、结构网的选择结构式、结构网对于分析和选择简单的串联式的变速不失为有用的方法,但对于分析复杂的变速并想由此导出实际的方案,就并非十分有效。数为Z的变速系统由若干个顺序的变速组组成,各变速组分别有、个变速副。即 变速副中由于结构的限制以2或3为合适,即变速级数Z应为2和3的因子: ,可以有三种方案: 12级转速变速系统的变速组,选择变速组安排方式时,考虑到机床主轴变速箱的具体结构、装置和性能。在轴如果安置换向摩擦离合器时,为减少轴向尺寸,第一变速组的变速副数不能多,以2为宜。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。最后一个变速组的变速副数常选用2。综上所述,变速式为12=232。对于12=232传动式,有6种结构式和对应的结构网。分别为:, , , 由于本次设计的机床I轴装有摩擦离合器,在结构上要求有一齿轮的齿根圆大于离合器的直径。初选的方案。从电动机到主轴主要为降速变速,若使变速副较多的变速组放在较接近电动机处可使小尺寸零件多些,大尺寸零件少些,节省材料,也就是满足变速副前多后少的原则,因此取12=232方案为好。设计车床主变速传动系时,为避免从动齿轮尺寸过大而增加箱体的径向尺寸,在降速变速中,一般限制限制最小变速比 ;为避免扩大传动误差,减少震动噪声,在升速时一般限制最大转速比。斜齿圆柱齿轮传动较平稳,可取。因此在主变速链任一变速组的最大变速范围。在设计时必须保证中间变速轴的变速范围最小。根据中间变速轴变速范围小的原则选择结构网。从而确定结构网如下:主轴的变速范围应等于住变速传动系中各个变速组变速范围的乘积,即:检查变速组的变速范围是否超过极限值时,只需检查最后一个扩大组。因为其他变速组的变速范围都比最后扩大组的小,只要最后扩大组的变速范围不超过极限值,其他变速组就不会超过极限值。 其中, ,符合要求。绘制转速图、选择Y132M-4型Y系列笼式三相异步电动机。、分配总降速变速比 总降速变速比 电动机转速不符合转速数列标准,因而增加一定比变速副。、确定变速轴轴数 变速轴轴数 = 变速组数 + 定比变速副数 + 1 = 3 + 1 + 1 = 5。、确定各级转速由、z = 12确定各级转速: 800、560、400、280、200、140、100、71、50、35.5、20r/min。、绘制转速图在五根轴中,除去电动机轴,其余四轴按变速顺序依次设为、(主轴)。与、与、与轴之间的变速组分别设为a、b、c。现由(主轴)开始,确定、轴的转速: 先来确定轴的转速变速组c 的变速范围为,结合结构式,轴的转速只有一种可能:100、140、200、280、400、560r/min。 确定轴的转速变速组b的级比指数为2,希望中间轴转速较小,因而为了避免升速,又不致变速比太小,可取 ,轴的转速确定为:400、560r/min。确定轴的转速对于轴,其级比指数为1,可取 , 确定轴转速为800r/min。由此也可确定加在电动机与主轴之间的定变速比。下面画出转速图(电动机转速与主轴最高转速相近)。齿轮齿数的确定,当各变速组的传动比确定以后,可确定齿轮齿数。对于定比传动的齿轮齿数可依据机械设计手册推荐的方法确定。对于变速组内齿轮的齿数,如传动比是标准公比的整数次方时,变速组内每对齿轮的齿数和及小齿轮的齿数可以从【1】表3-9中选取。一般在主传动中,最小齿数应大于1820。采用三联滑移齿轮时,应检查滑移齿轮之间的齿数关系:三联滑移齿轮的最大齿轮之间的齿数差应大于或等于4,以保证滑移是齿轮外圆不相碰。根据【1】,查表3-9各种常用变速比的使用齿数。、变速组a:,; 时:57、60、63、66、69、72、75、78时:58、60、63、65、67、68、70、72、73、77可取84,于是可得轴齿轮齿数分别为:28、35。于是, 可得轴上的三联齿轮齿数分别为:56、49。、变速组b:根据【1】,查表3-9各种常用变速比的使用齿数, ,,时:87、89、90、91、92时:87、89、90、91时:86、88、90、91可取 90,于是可得轴上两联齿轮的齿数分别为:18、30、45。于是 ,得轴上两齿轮的齿数分别为:72,60、45。、变速组c:根据【1】,查表3-9各种常用变速比的使用齿数,时:、85、89、90、94、95、108时: 84、87、89、90、108可取 108.为降速变速,取轴齿轮齿数为22;为升速变速,取轴齿轮齿数为36。于是得,得轴两联动齿轮的齿数分别为22,72;得轴两齿轮齿数分别为86,36。4.3带轮的设计三角带传动中,轴间距A可以加大。由于是摩擦传递,带与轮槽间会有打滑,宜可缓和冲击及隔离振动,使传动平稳。带轮结构简单,但尺寸大,机床中常用作电机输出轴的定比传动。电动机转速n=1440r/min,传递功率P=7.5kW,传动比i=1.8,两班制,一天运转16小时,工作年数10年。(1)、选择三角带的型号由【4】表8-7工作情况系数查的共况系数=1.2。故根据【4】公式(8-21) 式中P-电动机额定功率, -工作情况系数 因此根据、由【4】 图8-11普通V带轮型图选用A型。(2)、确定带轮的基准直径,带轮的直径越小带的弯曲应力就越大。为提高带的寿命,小带轮的直径不宜过小,即。查【4】表8-8、图8-11和表8-6取主动小带轮基准直径=125。由【4】公式(8-15a) 式中:-小带轮转速,-大带轮转速,-带的滑动系数,一般取0.02。 ,由【4】表8-8取圆整为224mm。(3)、验算带速度V,按【4】式(8-13)验算带的速度 ,故带速合适。(4)、初定中心距带轮的中心距,通常根据机床的总体布局初步选定,一般可在下列范围内选取: 根据【4】经验公式(8-20)取,取=600mm.(5)、三角带的计算基准长度由【4】公式(8-22)计算带轮的基准长度 由【4】表8-2,圆整到标准的计算长度 (6)、验算三角带的挠曲次数 ,符合要求。 (7)、确定实际中心距按【4】公式(8-23)计算实际中心距(8)、验算小带轮包角根据【4】公式(8-25),故主动轮上包角合适。(9)、确定三角带根数根据【4】式(8-26)得查表【4】表8-4d由 i=1.8和得= 0.15KW,查表【4】表8-5,=0.98;查表【4】表8-2,长度系数=1.01 取 根(10)、计算预紧力查【4】表8-3,q=0.1kg/m由【4】式(8-27)其中: -带的变速功率,KW; v-带速,m/s; q-每米带的质量,kg/m;取q=0.1kg/m。 v = 1440r/min = 9.42m/s。 、计算作用在轴上的压轴力 传动比查表【4】表8-4a由和得= 1.92KW 4.4 传动轴的直径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。4.4.1 确定各轴转速 、确定主轴计算转速:计算转速是传动件能传递全部功率的最低转速。各传动件的计算转速可以从转速图上,按主轴的计算转速和相应的传动关系确定。根据【1】表3-10,主轴的计算转速为、各变速轴的计算转速: 轴的计算转速可从主轴71r/min按72/18的变速副找上去,轴的计算转速为100r/min;轴的计算转速为400r/min;轴的计算转速为800r/min。、各齿轮的计算转速各变速组内一般只计算组内最小齿轮,也是最薄弱的齿轮,故也只需确定最小齿轮的计算转速。 变速组c中,22/86只需计算z = 22 的齿轮,计算转速为280r/min; 变速组b计算z = 18的齿轮,计算转速为400r/min; 变速组a应计算z = 28的齿轮,计算转速为800r/min。、核算主轴转速误差 所以合适。4.4.2传动轴直径的估算:确定各轴最小直径根据【5】公式(7-1),并查【5】表7-13得到取1.轴的直径:取轴的直径:取轴的直径:取 其中:P-电动机额定功率(kW);-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(); -传动轴允许的扭转角()。当轴上有键槽时,d值应相应增大45%;当轴为花键轴时,可将估算的d值减小7%为花键轴的小径;空心轴时,d需乘以计算系数b,b值见【5】表7-12。和为由键槽并且轴为空心轴,和为花键轴。根据以上原则各轴的直径取值:,和在后文给定,轴采用光轴,轴和轴因为要安装滑移齿轮所以都采用花键轴。因为矩形花键定心精度高,定心稳定性好,能用磨削的方法消除热处理变形,定心直径尺寸公差和位置公差都能获得较高的精度,故我采用矩形花键连接。按规定,矩形花键的定心方式为小径定心。查【15】表5-3-30的矩形花键的基本尺寸系列,轴花键轴的规格;轴花键轴的规格。各轴间的中心距的确定:;4.4.3 键的选择查【4】表6-1选择轴上的键,根据轴的直径,键的尺寸选择,键的长度L取22。主轴处键的选择同上,键的尺寸为,键的长度L取100。4.5传动轴的校核需要验算传动轴薄弱环节处的倾角荷挠度。验算倾角时,若支撑类型相同则只需验算支反力最大支撑处倾角;当此倾角小于安装齿轮处规定的许用值时,则齿轮处倾角不必验算。验算挠度时,要求验算受力最大的齿轮处,但通常可验算传动轴中点处挠度(误差%3).当轴的各段直径相差不大,计算精度要求不高时,可看做等直径,采用平均直径进行计算,计算花键轴传动轴一般只验算弯曲刚度,花键轴还应进行键侧挤压验算。弯曲刚度验算;的刚度时可采用平均直径或当量直径。一般将轴化为集中载荷下的简支梁,其挠度和倾角计算公式见【5】表7-15.分别求出各载荷作用下所产生的挠度和倾角,然后叠加,注意方向符号,在同一平面上进行代数叠加,不在同一平面上进行向量叠加。4.5.1 传动轴的校核轴的校核:通过受力分析,在一轴的三对啮合齿轮副中,中间的两对齿轮对轴中点处的挠度影响最大,所以,选择中间齿轮啮合来进行校核最大挠度:查【1】表3-12许用挠度; 。轴、轴的校核同上。4.5.2 键的校核键和轴的材料都是钢,由【4】表6-2查的许用挤压应力,取其中间值,。键的工作长度,键与轮榖键槽的接触高度。由【4】式(6-1)可得可见连接的挤压强度足够了,键的标记为:4.6 各变速组齿轮模数的确定和校核4.6.1 齿轮模数的确定齿轮模数的估算。通常同一变速组内的齿轮取相同的模数,如齿轮材料相同时,选择负荷最重的小齿轮,根据齿面接触疲劳强度和齿轮弯曲疲劳强度条件按【5】表7-17进行估算模数和,并按其中较大者选取相近的标准模数,为简化工艺变速传动系统内各变速组的齿轮模数最好一样,通常不超过23种模数。先计算最小齿数齿轮的模数,齿轮选用直齿圆柱齿轮及斜齿轮传动,查【4】表10-8齿轮精度选用7级精度,再由【4】表10-1选择小齿轮材料为40C(调质),硬度为280HBS:根据【5】表7-17;有公式:齿面接触疲劳强度:齿轮弯曲疲劳强度:、a变速组:分别计算各齿轮模数,先计算最小齿数28的齿轮。齿面接触疲劳强度:其中: -公比 ; = 2; P-齿轮传递的名义功率;P = 0.967.5=7.2KW; -齿宽系数=; -齿轮许允接触应力,由【5】图7-6按MQ线查取; -计算齿轮计算转速;K-载荷系数取1.2。=650MPa, 根据【6】表10-4将齿轮模数圆整为4mm 。 齿轮弯曲疲劳强度:其中: P-齿轮传递的名义功率;P = 0.967.5=7.2KW; -齿宽系数=; -齿轮许允齿根应力,由【5】图7-11按MQ线查取;-计算齿轮计算转速; K-载荷系数取1.2。,根据【6】表10-4将齿轮模数圆整为2.5mm 。所以于是变速组a的齿轮模数取m = 4mm,b = 32mm。轴上主动轮齿轮的直径: 。轴上三联从动轮齿轮的直径分别为: 、b变速组:确定轴上另两联齿轮的模数,先计算最小齿数18的齿轮。 齿面接触疲劳强度:其中: -公比 ; =4; P-齿轮传递的名义功率;P = 0.9227.5=6.915KW; -齿宽系数=; -齿轮许允接触应力,由【5】图7-6按MQ线查取; -计算齿轮计算转速;K-载荷系数取1.2。=650MPa, 根据【6】表10-4将齿轮模数圆整为5mm 。 齿轮弯曲疲劳强度:其中: P-齿轮传递的名义功率;P =0.9227.5=6.915KW; -齿宽系数=; -齿轮许允齿根应力,由【5】图7-11按MQ线查取;-计算齿轮计算转速; K-载荷系数取1.2。,根据【6】表10-4将齿轮模数圆整为3mm 。所以于是变速组b的齿轮模数取m = 5mm,b = 40mm。 轴上主动轮齿轮的直径: 轴上三联从动轮齿轮的直径分别为:、c变速组: 为了使传动平稳,所以使用斜齿轮,取,螺旋角。计算中心距a,圆整为280mm。修正螺旋角,因值改变不多,所以参数,等值不必修正。所以轴上两联动主动轮齿轮的直径分别为: 轴上两从动轮齿轮的直径分别为: 、标准齿轮参数:从【7】表5-1查得以下公式齿顶圆直径 ; 齿根圆直径;分度圆直径 ;齿顶高 ;齿根高 ; 齿轮的具体值见表表5.1齿轮尺寸表 (单位:mm)齿轮齿数z模数分度圆直径d齿顶圆直径齿根圆直径齿顶高齿根高284112120102453541401481304556422423221445494196204186451859010077.556.25305150160137.556.25455225235212.556.25725360370347.556.25605200210187.556.25455225235212.556.25225114.12124.5101.165.194.68725373.44383.82360.485.194.68365184.92197.1173.765.
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