《金属切削机床》课程设计车床主轴箱的设计【全套图纸】

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1、中北大学课程设计说明书 中北大学 课程设计任务书 06/07 学年第 一 学期 全套图纸，加153893706 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： 学 号：03021408S03 课程设计题目： 《金属切削机床》课程设计 （车床主轴箱设计）

2、 起 迄 日 期： 1 月 4 日～ 1 月 17 日 课程设计地点： 机械工程与自动化学院 指 导 教 师： 讲师 系 主 任： 下达任务书日期: 2006年1月4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

3、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。同时巩固《金属切削机床》课程的基本理论和基本知识。 1．运用所学的理论及实践知识，进行机床设计的初步训练，培养学生的综合设计能力； 2．掌握机床设计（主轴箱或变速箱）的方法和步骤； 3．掌握设计的基本技能，具备查阅和运用标准、手册、图册等有关技术资料的能力； 4．基本掌握绘图和编写技术文件的能力 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．机床的类型、用途及主要参数 车床，工作时间：三班制，电动机功率

4、：，主轴最高、最低转速如下： ， 变速级数：z=12。 2．工件材料：45号钢 刀具材料：YT15 3．设计部件名称：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〕： 设计任务 1．运动设计：根据所给定的转速范围及变速级数，，确定公比，绘制结构网、转速图、计算齿轮齿数。 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）。 设计工作量要求： 1．主轴箱展开图、剖面图各一张； 2．1号传动轴零件图一张；

5、 3．机床传动系统图一张； 4．编写课程设计说明书一份。（A4>15页） 课 程 设 计 任 务 书 4．主要参考文献： 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： 图纸和说明书 6．工作计划及进度： 2007年 1 月 4 日 ~ 1 月 5 日

6、 调查阶段 1 月 6 日 ~ 1 月14日 设计阶段 1月15 日 ~ 1 月16日 考核阶段 1月17日 最终答辩 答辩或成绩考核 系主任审查意见： 签字： 年 月 日 目 录 1. 总体设计框架……………………………………………………………………………5 2. 主传动系统的设计……………………………………

7、…………………………………5 2.1拟定结构式……………………………………………………………………………5 2.2结构网或结构式方案选择……………………………………………………………6 2.2.1 传动副的极限传动比和传动组的极限变速范围…………………………………6 2.2.2 基本组和扩大组排列………………………………………………………………6 2.3转速图…………………………………………………………………………………7 2.4确定齿轮齿数…………………………………………………………………………7 2.5确定带轮直径…………………………………………………………………………8

8、2.6验算主轴转速误差……………………………………………………………………8 2.7传动系统图……………………………………………………………………………9 3．计算传动件参数 确定其结构尺寸………………………………………………………9 3.1确定传动见件计算转速………………………………………………………………9 3.2确定主轴支承轴颈尺寸………………………………………………………………10 3.3计算传动轴直径………………………………………………………………………10 3.4计算传动齿轮模数……………………………………………………………………10 3.5 V带的选择和计算…………

9、……………………………………………………11 4．结构设计…………………………………………………………………………………12 4.1带轮设计………………………………………………………………………………12 4.2齿轮块设计……………………………………………………………………………12 4.3轴承的选择……………………………………………………………………………12 4.4主轴主件………………………………………………………………………………12 4.5操纵机构、滑系统设计、封装置设计………………………………………………13 4.6主轴箱体设计………………………………………………………

10、…………………13 4.7主轴换向与制动结构设计……………………………………………………………13 5.传动件验算…………………………………………………………………………………13 5.1齿轮的验算……………………………………………………………………………13 5.2传动轴的验算…………………………………………………………………………15 5.3计算挠度、倾角………………………………………………………………………17 5.4花键键侧压溃应力验算………………………………………………………………18 5.5滚动轴承的验算………………………………………………………………………19 5

11、.6主轴组件验算…………………………………………………………………………20 6.参考文献……………………………………………………………………………………21 1.总体设计框架 （1）采用的方案 1）主轴传动系统采用V带，齿轮传动。 2）传动型采用集中传动。 3）主轴换向，制动采用双向片式摩擦离合器和带式制动器。 4）变速系统采用多联划移齿轮变速。 5）润滑系统采用飞溅油润滑。 （2）布局 采用卧式车床常规的布局形式。 （2）主要部件 机床主要由主轴箱，皮鞍，刀架，尾架，进给箱，溜扳箱，车身等6个部件组成。 2．主传动系统的设计 2．1拟定结构式 确

12、定变速组传动副数目 实现12级主轴转速变化的传动系统可以写成多种传动副组合： 1）12=3 2）12=43 3）12=3 4）12=2 5）12=2 方案中1和2可以省掉一根轴，但传动复杂，所以一般少用。3、4、5方案可根据下面原则比较： 从电动机到主轴，一般为降速传动。接近电动机处的零件，转速较高从而转矩较小，尺寸也较小。如使传动副较多的传动组放在接近电动机处，则可使小尺寸的零件多些，大尺寸的零件就可少些。对以上原则考虑，以取12=3的方案为好。 设计的机床的最高转速 最低转速 变速范围 Z=12 公比为Φ=1.26 主轴转速共12级分别为16

13、0 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000则最大相对转速损失率: 选用1.5kw的电动机 型号为Y100L2-4 转速为1420r/min 2.2结构网或结构式方案的选择 在12=2中的六种方案，其结构网和结构式见下面的图。选择原则如下： 2.2.1 传动副的极限传动比和传动组的极限变速范围 在降速传动时，为防止被动齿轮的直径过大而使径向尺寸太大，常限制最小传动比1/4。在升速时，为防止产生过大的震动和噪声，常限制最大传动比。因此主传动链任一传动组的最大变速范围一般为。 方

14、案a、b、c、d是可行的。方案d、f是不可行的。 2.2.2 基本组和扩大组的排列顺序 a： 12=3 b: 12=3 c: 12=3 d： 12=3 e: 12=3 f: 12=3 在四种方案 a、b、c、d中选择最佳的方案。原则是中间传动轴变速范围最小的方案 。因为如果各方案同号传动轴的最高转速相同，则变速 范围小的，最低转速较高，转矩较小，传动件的尺寸也就可以小些。比较图中的方案 a b c e，方案 a的中间轴变速范围最小，故方案 a最佳。尽量使扩大顺序和传动顺序一致。 图1-12级结构网的6种方案 2.3转速图 2.4确定齿

15、轮齿数 图2-转速图 表1-各传动组齿轮齿数 变速组 第一变速组 第二变速组 第三变速组 齿数和 72 84 90 齿轮 齿数 36 36 32 40 28 44 28 56 42 42 26 66 57 35 2.5确定带轮直径 确定计算功率 K-工作情况系数 工作时间为三班制 查表的k=1.2 N-主动带轮传动的功率 计算功率为 根据计算功率和小带轮的转速选用三角带型号为A 型。查表的小带轮直径推荐植为100 取为120mm 大带轮直径 2.6验算主轴转速误差 主轴各级实际转速值的计算公式为:

16、 式中：、、分别为第一、第二、第三变速组齿轮传动比. 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: 表2-转速误差表 主轴转速 标准转速r/min 2000 1600 1250 1000 800 630 500 400 315 250 200 160 实际转速r/min 2038 1631．8 1278.5 1019. 797.3 639.2 493.2 394 314.1 246.3 197.4 157.0 转速误差% 1．9 2.0 2.3 1．9 0.3

17、 1.4 1.4 1.3 0.3 1.2 1.3 1.8 转速误差用实际转速和标准转速相对误差应2.6% 满足要求。 2.7传动系统图 3-传动系统图 3．计算传动件参数确定其结构尺寸 3．1确定传动件计算转速 表3-传动件计算转速 传 动 件 轴 齿轮 I II III IV 计算转速 710 355 125 90 710 710 710 500 710 355 710 710 355

18、125 125 250 355 90 3.2确定主轴支承轴颈尺寸 根据《机床课程设计指导书》主轴的驱动功率为1.5kw，选取 前支承轴颈直径：。 后支承轴颈直径： 取： 3．3估算传动轴直径 表4-估算传动轴直径 计算公式 轴号 计算转速 电机至该轴 传动效率 输入功率 允许扭转 角 传动轴长度 mm 估计轴的直径 Mm 花键轴尺寸 I 1250 0.98 2.94 1.5 400 20 II 800 0.98*0.995 2.87 1.5 400

19、 22.3 III 400 0.9*0.995*0.99 2.77 1.5 500 26.3 3.4计算传动齿轮模数 根据计算公式计算各传动组最小齿轮的模数 按齿轮接触疲劳强度： 按齿轮弯曲疲劳强度： 表5-估算齿轮摸数 传 动 组 小 齿 轮 齿 数 比 齿宽系数 传 递 功 率 P 载 荷 系 数 K 系 数 系 数 许 用 接 触 应 力 许 用 齿 根 应 力 计 算 转 速 系 数 模 数 模

20、 数 选 取 模 数 m 第一变速组 28 1.6 7 2.94 1 61 1 1100 518 1250 4.36 1.35 1.24 2 第二变速组 28 1.9 9 2.87 1 61 1 1100 518 800 4.47 1.37 1.31 2 第三变速组 26 2.5 7 2.77 1 61 1 1100 518 400 4.7

21、 1.94 1.87 2 3.5 V带的选择和计算 设计功率 （kw） 即： 皮带选择的型号为A型 两带轮的中心距。中心距过小时，胶带短因而增加胶带的单位时间弯曲次数降低胶带寿命；反之，中心距过大，在带速较高时易引起震动。 计算带的基准长度： 按上式计算所得的值查表选取计算长度L及作为标记的三角带的内圆长度 标准的计算长度为 实际中心距 A= A=mm 为了张紧和装拆胶带的需要，中心距的最小调整范围为：A，0．02L=20.5是为了张紧调节量为,( h+0.01L)是为装拆调节量,h为胶带厚度. 定小带轮包角 求

22、得合格 带速 对于A型带 ,所以合格. 带的挠曲次数: 合格 带的根数 其中：单根三角带能传递的功率 小带轮的包角系数 取3根三角带。 4．结构设计 4．1带轮设计 根据V带计算，选用3根A型V带。由于I轴安装了摩擦离合器，为了改善它们的工作条件，保证加工精度，采用了卸荷带轮结构。 4．2齿轮块设计 机床的变速系统采用了滑移齿轮变速机构。根据各传动组的工作特点，基本组的齿轮采用了销钉联结装配式结构。第二扩大组，由于传递的转矩较大，则采用了整体式齿轮。所有滑移出论与传动轴间均采用了花键联结。 从工艺的角度考虑，其他固定齿轮也采用花键联结。

23、由于主轴直径较大，为了降低加工成本而采用了单键联结。 4．3轴承的选择 为了安装方便，I轴上传动件的外径均小于箱体左侧支承孔直径并采用0000型向心球轴承为了便于装配和轴承间隙II III轴均采用了2700E型圆锥滚子轴承。V轴上的齿轮受力小线速度较低采用了衬套式滚动轴承。 滚动轴承均采用E级精度。 4．4主轴组件 普通精度级的轻型机床，为了简化结构，主轴采用了轴向后端定位的两支承主轴主件。前轴承采用了3182000型双列圆柱滚子轴承，后支承采用了46000型角接触球轴承和8000型单向推力球轴承。为了保证主轴的回转精度，主轴前后轴承均用压块式防松螺母调整轴承的间隙。主轴前端采用了圆

24、锥定心结构型式。 前轴承为C级精度，后轴承为D级精度。 4．5操纵机构 为了适应不同的加工状态，主轴的转速经常需要调整。根据各滑依齿轮变速传动组的特点，分别采用了集中变速操纵机构和单独操纵机构。 滑系统设计 主轴箱采用飞溅式润滑。油面高度为65mm左右，甩油轮浸油深度为10mm左右。润滑油型号为：HJ30。 封装置设计 I轴轴颈较小，线速度较低，为了保证密封效果，采用了皮碗式接触密封。而主轴直径大，线速度较高，则采用了非接触式密封。卸荷皮带轮的润滑采用毛毡式密封。 4．6主轴箱体设计 箱体外形采取了各面间直角连接方式，使箱体线条简单，明快。 主轴箱采用了箱体底面和两个导向块

25、为定位安装面，并用螺钉和压板固定。安装简单，定位可靠。 4．7主轴换向与制动结构设计 主轴换向比较频繁，采用了结构简单的双向片式摩擦离合器。其工作原理是，移动滑套，钢球沿斜面向中心移动并使滑块、螺母左移，压紧摩擦片，实现离合器啮合。摩擦片间间隙可通过放松销，螺母来进行调整。制动器采用了带式制动器，并根据制动器设计原则，将其放置在靠近主轴的较高转速的III轴上。为了保证离合器与制动器的联锁运动，采用一个操纵手柄控制。 5． 传动件验算 以II轴为例，验算轴的弯曲刚度，花键的挤压应力，齿轮模数及轴承寿命。 5 .1齿轮的验算 验算变速箱中齿轮强度时，应选择相同模数承受载荷最大齿数最小的

26、齿轮进行接触和弯曲疲劳强度计算。一般对高速传动的齿轮验算齿面接触疲劳强度，对低速传动的齿轮验算齿根弯曲疲劳强度。对硬齿面软齿心渗碳淬火的齿轮要验算齿根弯曲压力。 弯曲应力的验算公式： 第一传动组 第二传动组 第三传动组 齿轮传递功率N 2.94 2.87 2.77 齿轮计算转速 1250 800 400 齿轮的模数m 2 2 2 齿宽B 14 16 24 小齿轮数Z 28 28 26 大齿轮与小齿轮齿数比u 1.6 1.9 2.5 寿命系数 1 1 1 速度转化系数(接触载荷)

27、 弯曲载荷 0.74 0.78 0.98 0.9 0.92 0.88 功率利用系数（接触载荷） 弯曲载荷 0.58 0.58 0.58 0.78 0.78 0.78 材料利用系数（接触载荷） 弯曲载荷 0.76 0.73 0.73 0.77 0.75 0.75 工作情况系数 1.5 1.5 1.5 动载荷系数 1 1 1 齿向载荷分布系数 1.05 1.05 1.05 齿形系数Y 0.438 0.440 0.430 其中：寿命系数 工作期限系数 T-齿轮在机床工作期限（的总工作时间h

28、 ，同一变速组内的齿轮总工作时间可近似地认为，P为该变速组的传动副数。 稳定工作用量载荷下的极限值=1。高速传动件可能存在情况，此时取 ，大载低速传动件可能存在 时取计算值。 5．2传动轴的刚度验算 以Ⅱ轴为例，验算轴的弯曲刚度、花键的挤压应力： 图5轴Ⅱ受力分析图 图5中F1为齿轮Z4（齿数为35）上所受的切向力Ft1，径向力Fr1的合力。F2为齿轮Z9（齿数40）上所受的切向力Ft2，径向力Fr2的合力。 各传动力空间角度如图6所示，根据表11的公式计算齿轮的受力。 表8 齿轮的

29、受力计算 传递功率P kw 转 速 n r/min 传动 转矩 T Nmm 齿轮压力角 α 齿面摩擦角 γ 齿轮35 齿轮40 切向力 Ft1 N 合力 F1 N F1 在 X 轴投影Fz1 N F1 在 Z 轴投影Fz1 N 分度圆直径d1 mm 切向力 Ft2 N 合力 F2 N F1 在 X 轴投影Fz2 N F1 在 Z 轴投影Fz2 N 分度圆直径d2 mm 2.87 800 34261 20 6 778.6 866.34 117.6 858.32 88

30、 815.7 907.6 756 756 84 5.3计算挠度、倾角 从表8计算结果看出，Ⅱ轴在X、Z两个平面上均受到两个方向相反力的作用。根据图7所示的轴向位置，分别计算出各平面挠度、倾角，然后进行合成。根据计算结果如下: m=69 e=201 c=102.5 f=167.5 l=270 E=2.1105MPa n=l-x=151.25 轴Ⅱ挠度、倾角分析如右图 （1）xoy平面内挠度 （2）zoy平面内

31、挠度 （3）挠度合成 查表得其许用应力为0.0003270=0.081，即0.0048〈0.081，挠度合格。 （4）左支承倾角计算和分析 a. xoy平面力作用下的倾角 b. zoy平面力作用下的倾角 c. 倾角合成 查表得其许用倾角值为0.0006，则左支承倾角合格。 （5）右支承倾角计算和分析 a. xoy平面力作用下的倾角 b. zoy

32、平面力作用下的倾角 c. 倾角合成 查表得其许用倾角值为0.0006，则右支承倾角合格。 5．4花键键侧压溃应力验算 花键键侧工作表面的挤压应力为： 式中： 5．5滚动轴承的验算 进行疲劳寿命验算： 滚动轴承的疲劳寿命验算： 轴承寿命 经过计算F=418.5N 合格。 5.6主轴组件验算 前轴承轴径，后轴承轴径。求轴承刚度 主轴最大输出转矩： 根据主电动机功率为3。则床身上最大回转直径D=320mm刀架上最大回转直径

33、主轴通孔直径d,最大工件长度1000mm。床身上最大加工直径为最大回转直径的60%也就是192mm故半径为0.096m。 切削力（沿y轴） 背向力（沿x轴） 故总的作用力 此力作用于顶尖间的工件上，主轴和尾架各承受一半，故主轴端受力为F/2=529.6N 主轴孔径初选为40 根据结构选悬伸长度a=120mm 在计算时，先假定初值l/a=3 l=3 前后支承的支反力 轴承的刚度：iz=52, La=9, Fr=C/10=9.42KN 初步计算时，可假定主轴的当量外径为前后轴承的轴径的平均值。 故惯性矩为：I= 前轴承为轴承代号为3182116 后轴承为轴承代号为46211和型号为8212 最佳跨距 6.参考文献 1.戴曙主编.金属切削机床.北京：机械工业出版社，1993.5 2.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 3.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 第 22 页