车床主轴箱设计说明书

机床主轴变速箱设计 中北大学 课 程 设 计 说 明 书 学生姓名： 弋梅梅 学 号：0402140708 学 院： 机械工程与自动化学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 题 目： 金属切削机床课程设计 ——车床主轴箱设计 指导教师： 职称: 2007年12月7日 中北大学 课程设计任务书 2007/2008 学年第 1 学期 学 院： 机械工程与自动化学院 专 业： 机械设计制造及 其自动化 学 生 姓 名： 弋梅梅 学 号：0402140708 课程设计题目：金属切削机床课程设计 ——车床主轴箱设计 起 迄 日 期： 12月3日～ 12月8日 课程设计地点： 机械工程与自动化学院 指 导 教 师： 马清艳 张吉堂 系 主 任： 王彪 下达任务书日期:2007年12月2日 课 程 设 计 任 务 书 1．设计目的： 通过本课程设计的训练，使学生初步掌握机床的运动设计（包括主轴箱、变速箱传动链），动力计算（包括确定电机型号，主轴、传动轴、齿轮的计算转速），以及关键零部件的强度校核，获得工程师必备设计能力的初步训练，从而提高分析问题、解决问题尽快适应工程实践的能力。 2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）： 1．运动设计：根据所给定的转速范围及变速级数，拟定机床主运动传动结构(包括传动结构式、转速分布图)和传动系统图，确定各传动副的传动比，计算齿轮的齿数，主轴实际转速及与标准转速的相对误差。 2．动力计算：选择电动机型号及转速，确定传动件的计算转速、对主要零件（如皮带、齿轮、主轴、轴承等）进行计算（初算和验算）。 3．结构设计 进行主传动系统的轴系、变速机构、主轴组件等的布置和设计并绘制展开图、剖面图、主要零件工作图。 4．编写设计说明书 1）机床的类型、用途及主要参数 主轴转速范围 ， 变速级数：z=12，电动机功率： 。 2）工件材料：45号钢 刀具材料：YT15 3）设计部件名称：车床主轴箱 3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等〕： 1．课程设计设计说明书一份（A4>15页） 2．主轴箱展开图一张 3．主轴箱剖面图一张 4．机床传动系统图一张 5．一个零件工作图（主轴）一张 课 程 设 计 任 务 书 4．主要参考文献： ​ 要求按国标GB 7714—87《文后参考文献著录规则》书写，例： 1 陈易新.金属切削机床课程设计指导书. 北京: 机械工业出版社, 1987.7 2 范云涨.金属切削机床设计简明手册. 北京: 机械工业出版社,1994.7 5．设计成果形式及要求： 图纸与说明书 6．工作及进度： ２００７年 １２月２日 ~１２月２日 发题目、阅读指导书、收集资料。 １２月３日 ~１２月３日 运动计算、绘制转速图、传动图 １２月４日 ~１２月６日 动力计算并进行结构设计 １２月７日 ~１２月７日 整理设计说明书 １２月８日 ~１２月８日 答辩或成绩考核 系主任审查意见： 签字： 年 月 日 目 录 TOC \o "1-3" \h \z \u 一、 概述 1 1.1金属切削机床在国民经济中的地位 1 1.2机床课程设计的目的 1 1.3车床的系列和用处 1 1.4 操作性能要求 2 二、参数的拟定 2 2.1 确定转速范围 2 2.2 主电机选择 2 三、传动设计 2 3.1 主传动方案拟定 2 3.2 传动结构式、结构网的选择 3 3.2.1 确定传动组及各传动组中传动副的数目 3 3.2.2 传动式的拟定 3 3.2.3 结构式的拟定 3 3.3转速图的拟定 4 四、 传动件的估算 5 4.1 三角带传动的计算 5 4.2 传动轴的估算 7 4.2.1 传动轴直径的估算 7 4.3 齿轮齿数的确定和模数的计算 8 4.3.1 齿轮齿数的确定 8 4.3.2 齿轮模数的计算 9 4.3.4齿宽确定 11 4.4 带轮结构设计 11 五、动力设计 12 5.1主轴刚度验算 12 5.1.1 选定前端悬伸量C 12 5.1.2 主轴支承跨距L的确定 12 5.1.3 计算C点挠度 12 5.2 齿轮校验 14 六、结构设计及说明 15 6.1 结构设计的内容、技术要求和方案 15 6.2 展开图及其布置 16 6.3 齿轮块设计 16 6.3.1其他问题 17 6.4 主轴组件设计 17 七、 18 八、参考文献 19 一、 概述 1.1金属切削机床在国民经济中的地位 金属切削机床是用切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器，它是制造机器的机器，又称为“工作母机”或“工具机”。 在现代机械制造工业中，金属切学机床是加工机器零件的主要设备，它所担负的工作量，约占机器总制造工作量的40%～60%。机床的技术水平直接影响机械制造工业的产品质量和劳动生产率。 1.2机床课程设计的目的 课程设计是在学生学完相应课程及先行课程之后进行的实习性教学环节，是大学生的必修环节，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的结构方案过程中，得到设计构思，方案分析，结构工艺性，机械制图，零件计算，编写技术文件和查阅技术资料等方面的综合训练，树立正确的设计思想，掌握基本的设计方法，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车床的规格系列和用处 普通机床的规格和类型有系列型谱作为设计时应该遵照的基础。因此，对这些基本知识和资料作些简要介绍。本次设计的是普通型车床主轴变速箱。主要用于加工回转体。 表1 车床的主参数（规格尺寸）和基本参数 工件最大回转直径 D (mm) 正转最高转速 Nmax ( ) 电机功率 N（kw） 公比 转速级数Z 11 400 2000 3 1.26 12 1.4 操作性能要求 1）具有皮带轮卸荷装置 2）手动操纵双向摩擦片离合器实现主轴的正反转及停止运动要求 3）主轴的变速由变速手柄完成 二、参数的拟定 2.1 确定转速范围 查金属切削机床表7-1得：160r/min，200r/min，250r/min，315r/min，400r/min，500r/min，630r/min，800r/min，1000r/min，1250r/min，1600r/min，2000r/min. 2.2 主电机选择 合理的确定电机功率，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。 已知电动机的功率是3KW，根据《车床设计手册》附录表2选JO2-32-4，额定功率3 ，满载转速1430 ，最大额定转距2.2 。 三、传动设计 3.1 主传动方案拟定 拟定传动方案，包括传动型式的选择以及开停、幻想、制动、操纵等整个传动系统的确定。传动型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型式、变速类型。 传动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，确定传动方案和型式，要从结构、工艺、性能及经济等多方面统一考虑。 传动方案有多种，传动型式更是众多，比如：传动型式上有集中传动，分离传动；扩大变速范围可用增加传动组数，也可用背轮结构、分支传动等型式；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，我们采用集中传动型式的主轴变速箱。 3.2 传动结构式、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传动不失为有用的方法，但对于分析复杂的传动并想由此导出实际的方案，就并非十分有效。 3.2.1 确定传动组及各传动组中传动副的数目 级数为Z的传动系统由若干个顺序的传动组组成，各传动组分别有 、 、……个传动副。即 传动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=3×2×2；12=2×3×2；12=2×2×3； 3.2.2 传动式的拟定 12级转速传动系统的传动组，选择传动组安排方式时，考虑到机床主轴变速箱的具体结构、装置和性能。 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。 综上所述，传动式为12=2×3×2。 3.2.3 结构式的拟定 对于12=2×3×2传动式，有6种结构式和对应的结构网。分别为： ， ， ， 初选 的方案。 3.3转速图的拟定 图1正转转速图 图2主传动系图 四、 传动件的估算 4.1 三角带传动的计算 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。 (1)选择三角带的型号 根据公式： 式中P---电动机额定功率， --工作情况系数 查《机械设计》图8-8因此选择A型带，尺寸参数为B=80mm， =11mm，h=10， 。 (2)确定带轮的计算直径 ， 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《机械设计》表8-3，8-7取主动轮基准直径 =100m 由公式 式中： -小带轮转速， -大带轮转速， -带的滑动系数，一般取0.02。 所以 ，由《机械设计A》表8-7取园整为224mm。 (3)确定三角带速度 按公式 (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： 根据经验公式 取 ，取 =600mm. (5)三角带的计算基准长度 由《机械设计》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 (8)验算小带轮包角 ，主动轮上包角合适。 (9)确定三角带根数 根据《机械设计》式8-22得 传动比 查表8-5c，8-5d 得 = 0.15KW, = 1.32KW 查表8-8， =0.98；查表8-2， =0.96 所以取 根 (10)计算预紧力 查《机械设计》表8-4，q=0.1kg/m 4.2 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。 4.2.1 传动轴直径的估算 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。 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。 查《机械制造装备设计》表3-8取I，IV轴的K=1.05，A=100；II，III轴是花键轴，取K=1.06，A=2.0。 所以 ， 取30mm , 取35mm , 取40mm 此轴径为平均轴径，设计时可相应调整。 4.3 齿轮齿数的确定和模数的计算 4.3.1 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表3-6（机械制造装备设计）中选取。一般在主传动中，最小齿数应大于18～20。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。 第一组齿轮： 传动比： , u2=1/1.26,u3=1/1.58 查《机械制造装备设计》表3-6，齿数和 取72 =36， =42， =32,Z4=36,Z5=32,Z6=42； 第二组齿轮： 传动比： ,u2=1/2， 齿数和 取72： Z7=36，Z8 =24，Z9=36,Z10=48； 第三组齿轮： 传动比：u1=1.58,u2=1/2.52 齿数和 取72： Z11=43，Z12 =20，Z13=27，Z14=50; 4.3.2 齿轮模数的计算 (1) 一般同一变速组中的齿轮取同一模数，选择负荷最重的小齿轮按简化的接触疲劳强度公式计算 式中： ——按疲劳接触强度计算的齿轮模数 ——驱动电机功率 ——计算齿轮的计算转速 ——大齿轮齿数和小齿轮齿数之比 ——小齿轮齿数 ——齿宽系数， （B为齿宽，m为模数）， ——许用接触应力 传动组a模数： 传动组b模数： 传动组c模数： 故选取标准模数 。 (4)标准齿轮： 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 齿顶圆 齿根圆 齿顶高 齿根高 1 36 2.5 90 95 83.75 2.5 3.125 2 40 2.5 100 105 93.75 2.5 3.125 3 32 2.5 80 85 73.75 2.5 3.125 4 36 2.5 90 95 83.75 2.5 3.125 5 32 2.5 80 85 73.75 2.5 3.125 6 40 2.5 100 105 93.75 2.5 3.125 7 36 2.5 90 95 83.75 2.5 3.125 8 24 2.5 60 65 53.75 2.5 3.125 9 36 2.5 90 95 83.75 2.5 3.125 10 48 2.5 120 125 113.75 2.5 3.125 11 43 3 129 132 125.25 3 3.75 12 20 3 60 63 56.25 3 3.75 13 27 3 81 84 87.25 3 3.75 14 50 3 150 153 146.25 3 3.75 4.3.4齿宽确定 由公式 得： 第一套啮合齿轮 第二套啮合齿轮 第三套啮合齿轮 一对啮合齿轮，为了防止大小齿轮因装配误差产生轴向错位时导致啮合齿宽减小而增大轮齿的载荷，设计上，应主动轮比小齿轮齿宽大 所以 ， ， ， ， 4.4 带轮结构设计 查《机械设计》P156页，当 。D是轴承外径，查《机械零件手册》确定选用深沟球轴承6211，d=55mm,D=100mm。带轮内孔尺寸是轴承外径尺寸100mm。齿《机械设计》表8-10确定参数得： 带轮宽度： 分度圆直径： ， ， 五、动力设计 5.1主轴刚度验算 5.1.1 选定前端悬伸量C 参考《机械装备设计》P121，根据主轴端部的结构，前支承轴承配置和密封装置的型式和尺寸，这里选定C=120mm. 5.1.2 主轴支承跨距L的确定 一般最佳跨距 ，考虑到结构以及支承刚度因磨损会不断降低，应取跨距L比最佳支承跨距 大一些，再考虑到结构需要，这里取L=600mm。 5.1.3 计算C点挠度 1）周向切削力 的计算 其中 , 故 ，故 。 1）​ 驱动力Q的计算 参考《车床主轴箱指导书》， 其中 所以 3）轴承刚度的计算 这里选用4382900系列双列圆柱子滚子轴承 根据 求得： 4）确定弹性模量，惯性距I； ；和长度 。 ①轴的材产选用40Cr，查《简明机械设计手册》P6，有 ②主轴的惯性距I为： 主轴C段的惯性距Ic可近似地算： ③切削力P的作用点到主轴前支承支承的距离S=C+W，对于普通车床，W=0.4H，（H是车床中心高，设H=200mm)。 则： ④根据齿轮、轴承宽度以及结构需要，取b=60mm ⑤计算切削力P作用在S点引起主轴前端C点的挠度 代入数据并计算得 =0.1299mm。 ⑥计算驱动力Q作用在两支承之间时，主轴前端C点子的挠度 计算得： =-0.0026mm ⑦求主轴前端C点的终合挠度 水平坐标Y轴上的分量代数和为 ，计算得： =0.0297mm. 。综合挠度 。综合挠度方向角 ，又 。因为 ，所以此轴满足要求。 5.2 齿轮校验 在验算算速箱中的齿轮应力时，选相同模数中承受载荷最大，齿数最小的齿轮进接触应力和弯曲应力的验算。这里要验算的是齿轮2，齿轮7，齿轮12这三个齿轮。 齿轮12的齿数为18，模数为4，齿轮的应力： 1）接触应力： u----大齿轮齿数与小齿轮齿数之比； ---齿向载荷分布系数； ----动载荷系数； ----工况系数； ----寿命系数 查《机械装备设计》表10-4及图10-8及表10-2分布得 假定齿轮工作寿命是48000h，故应力循环次数为 查《机械装备设计》图10-18得 ，所以： 2）​ 弯曲应力： 查《金属切削手册》有Y=0.378，代入公式求得： =158.5Mpa 查《机械设计》图10-21e,齿轮的材产选 ，大齿轮、小齿轮的硬度为60HRC，故有 ，从图10-21e读出 。因为： ，故满足要求，另外两齿轮计算方法如上，均符合要求。 六、结构设计及说明 6.1 结构设计的内容、技术要求和方案 设计主轴变速箱的结构包括传动件（传动轴、轴承、带轮、齿轮、离合器和制动器等）、主轴组件、操纵机构、润滑密封系统和箱体及其联结件的结构设计与布置，用一张展开图和若干张横截面图表示。课程设计由于时间的限制，一般只画展开图。 主轴变速箱是机床的重要部件。设计时除考虑一般机械传动的有关要求外，着重考虑以下几个方面的问题。 精度方面的要求，刚度和抗震性的要求，传动效率要求，主轴前轴承处温度和温升的控制，结构工艺性，操作方便、安全、可靠原则，遵循标准化和通用化的原则。 主轴变速箱结构设计时整个机床设计的重点，由于结构复杂，设计中不可避免要经过反复思考和多次修改。在正式画图前应该先画草图。 6.2 展开图及其布置 展开图就是按照传动轴传递运动的先后顺序，假想将各轴沿其轴线剖开并将这些剖切面平整展开在同一个平面上。 I轴上装的摩擦离合器和变速齿轮。有两种布置方案，一是将两级变速齿轮和离合器做成一体。齿轮的直径受到离合器内径的约束，齿根圆的直径必须大于离合器的外径，负责齿轮无法加工。这样轴的间距加大。另一种布置方案是离合器的左右部分分别装在同轴线的轴上，左边部分接通，得到一级反向转动，右边接通得到三级反向转动。这种齿轮尺寸小但轴向尺寸大。我们采用第一种方案，通过空心轴中的拉杆来操纵离合器的结构。 齿轮在轴上布置很重要，关系到变速箱的轴向尺寸，减少轴向尺寸有利于提高刚度和减小体积。 6.3 齿轮块设计 齿轮是变速箱中的重要元件。齿轮同时啮合的齿数是周期性变化的。也就是说，作用在一个齿轮上的载荷是变化的。同时由于齿轮制造及安装误差等，不可避免要产生动载荷而引起振动和噪音，常成为变速箱的主要噪声源，并影响主轴回转均匀性。在齿轮块设计时，应充分考虑这些问题。 齿轮块的结构形式很多，取决于下列有关因素： 1）​ 是固定齿轮还是滑移齿轮； 2）​ 移动滑移齿轮的方法； 3）​ 齿轮精度和加工方法； 变速箱中齿轮用于传递动力和运动。它的精度选择主要取决于圆周速度。采用同一精度时，圆周速度越高，振动和噪声越大，根据实际结果得知，圆周速度会增加一倍，噪声约增大6dB。 工作平稳性和接触误差对振动和噪声的影响比运动误差要大，所以这两项精度应选高一级。 不同精度等级的齿轮，要采用不同的加工方法，对结构要求也有所不同。 6.3.1其他问题 滑移齿轮进出啮合的一端要圆齿，有规定的形状和尺寸。圆齿和倒角性质不同，加工方法和画法也不一样，应予注意。 选择齿轮块的结构要考虑毛坯形式（棒料、自由锻或模锻）和机械加工时的安装和定位基面。尽可能做到省工、省料又易于保证精度。 齿轮磨齿时，要求有较大的空刀（砂轮）距离，因此多联齿轮不便于做成整体的，一般都做成组合的齿轮块。有时为了缩短轴向尺寸，也有用组合齿轮的。 6.4 主轴组件设计 主轴组件结构复杂，技术要求高。安装工件（车床）或者刀具（车床、钻床等）的主轴参予切削成形运动，因此它的精度和性能直接影响加工质量（加工精度和表面粗糙度），设计时主要围绕着保证精度、刚度和抗振性，减少温升和热变形等几个方面考虑。 主轴形状与各部分尺寸不仅和强度、刚度有关，而且涉及多方面的因素。 1）​ 内孔直径 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。为了扩大使用范围，加大可加工棒料直径，车床主轴内孔直径有增大的趋势。 2）​ 轴颈直径 设计时，一般先估算或拟定一个尺寸，结构确定后再进行核算。 3）​ 前锥孔直径 前锥孔用来装顶尖或其他工具锥柄，要求能自锁，目前采用莫氏锥孔。 4）​ 支撑跨距及悬伸长度 为了提高刚度，应尽量缩短主轴的外伸长度 。选择适当的支撑跨距 ，一般推荐取： =3～5，跨距 小时，轴承变形对轴端变形的影响大。所以，轴承刚度小时， 应选大值，轴刚度差时，则取小值。 七、总结 在课程设计当中，我也遇到了一些问题。设计过程也是培养我们认真细心的态度。 在此过程中不断发现问题和解决问题，使我加深了对大学所学课程理解，综合应用，并得到进一步的巩固，这对以后的学习和工作都有积极的意义。 总之，这次的课程设计让我学到了很多东西。 八、参考文献 [1] 冯辛安主编.机械制造装备设计.机械工业出版社. 北京.1999.12 [2] 周开勤主编. 机械零件手册.高等教育出版社. 2001 [3] 曹玉榜 易锡麟.机床主轴箱设计指导. 机械工业出版社. 北京.1987.5. 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