机械毕业设计（论文）-轴承内外圈加工专用机床车架与主轴箱设计【全套图纸UG三维】

编编 号号 无锡太湖学院 毕毕业业设设计计（论论文文） 题目：题目： 轴承内外圈加工专用机床轴承内外圈加工专用机床 车架与主轴箱设计车架与主轴箱设计 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业 学 号： 学生姓名： 指导教师： （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）无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 全套图纸，三维，加全套图纸，三维，加 153893706 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）轴承内外圈加 工专用机床车架与主轴箱设计是本人在导师的指导下独立进行 研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（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 93 学 号： 0923118 作者姓名： II 2013 年 5 月 25 日 I 无无锡锡太太湖湖学学院院 信信 机机 系系 机机械械工工程程及及自自动动化化 专专业业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一、题目及专题：一、题目及专题： 1、题目 轴承内外圈加工专用机床车架与主轴箱设计 2、专题 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 该课题来源于某机床制造企业为提高加工过程的机械化和自动 化水平，提高效率，降低工人的劳动强度，降低企业成本的需求。 轴承内外圈车加工机床是针对企业发展需要，针对轴承内外圈 车加工而设计的专用机床，此床应用功能简单，性价比高，适用于生 产线加工。 此课题主要是设计机床车架和机床主轴箱。机床车架是一台机 床“骨骼”，一台机床是否可以运作平稳，所有机构零件能否装配合理 都要取决于车架的设计。而做为整台机床的动力传输机构-主轴箱， 则为机床能否顺利生产提供了保障，为不同的生产要求提供支持。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 根据设计要求和对设计资料的理解，查阅相关中外资料。 根据设计要求运用二维、三维建模软件,对轴承内外圈加工专用机 床车架与主轴箱进行设计。 II 完成总体设计、设计计算，绘制装配图和零件图。 完成装配,并对机构进行运动仿真分析。 阅读和翻译英文文献。 撰写毕业设计论文。 四、接受任务学生：四、接受任务学生： 机械 93 班班 姓名姓名 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师指导教师 签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所学科组组长研究所 所长所长 签名签名 系主任系主任 签名签名 2012 年年 11 月月 12 日日 III 摘摘 要要 本文研究的题目是轴承内外圈加工专用机床车架和主轴箱设计。该课题来源于某机 床制造企业的轴承内外圈加工专用机床生产线改造项目，对于一台机床而言，机架犹如 “骨骼”一样支撑着整台机床，而主轴箱则犹如“心脏”一样为整台机床提供不竭动力。 本着主轴箱功能单一、输入功率利用高、车架结构简单、布局合理的原则，对主轴 箱和车架进行了相关尺寸设计并运用 UG 软件对零部件进行三维建模、虚拟装配和运动仿 真。 主轴箱设计部分完成对主轴部件的尺寸设计与强度校核、皮带轮的选用、轴承的选 用与寿命计算、键销的选型与强度较核以及主轴箱内的其他零件设计。车架设计部分由 于是非标部件，故采用类比同类机床的设计经验，结合结构简单，布局合理的原则对车 架进行尺寸设计，最后介绍车架的焊接技术。 在完成尺寸设计后，根据尺寸并运用 UG 软件完成相关零部件的建模，将所有零部件 进行虚拟装配，最后利用 UG 的仿真模块对主轴箱进行运动仿真，分析仿真结果，得出结 论，进而完成整篇论文书写。 关键词：关键词：主轴箱；车架；三维建模；虚拟装配；运动仿真 IV Abstract The title of this article is designing the frame and the headstock of the special machine tool for machining bearing inner and outer ring. The study is based on a project for transforming the production line of the special machine tool for machining bearing inner and outer ring of a manufactory. The frame is just as “skeleton” to support the whole lathe, and the headstock just as “heart” to offer an inexhaustible driving force for a lathe. To achieve the goal of the single function and to improve high utilization for input power, I designed the headstock . The frame has simple structure, and reasonable layout. I would design the related measurement of headstock and frame by using UG software. Then I would use UG to do 3D modeling, virtual assembly and motion simulation. The part of designing the headstock would complete the design of the measurement and strength check, selection of pulley, the selection and the life calculation of the bearing, key pin selection and strength check, and other parts in the headstock. The frame is non-standard part. According to the experience of the similar machine tool, and combined with simple structure and rational layout of the principle , I designed the frame. At last, I introduce the frame welding technology. According to the size, I used UG software to complete the related parts modeling, virtual assembly. Then I did the simulation motion, analyse the results for the conclusion, and complete the whole writing. Keywords: headstock; frame; 3D modeling; virtual assembly; motion simulation V V 目目 录录 摘 要.III ABSTRACTIV 目 录 V 1 绪论.1 1.1 车架与主轴箱设计的背景与目的.1 1.2 轴承内外圈车削加工国内发展历史及现状.1 1.3 车架和主轴箱设计的意义.1 1.4 研究内容、预期目标及研究方法.2 2 总体方案设计.3 2.1 车架的类型.3 2.2 主轴的类型.3 3 主轴箱设计.5 3.1 主轴箱的概述.5 3.2 主轴的概述.5 3.2.1 主轴的用途和分类5 3.2.2 主轴的材料5 3.3 主轴主要参数设计5 3.3.1 概述5 3.3.2 主轴平均直径 D 的确定 .6 3.3.3 主轴内孔直径 D 的确定 .7 3.3.4 主轴悬伸量 A 的确定 .8 3.3.5 主轴支承跨距 L 的确定8 3.4 电动机的选择.8 3.5 主轴的传动设计.8 3.5.1 转动方式概述.8 3.5.2 皮带轮设计.8 3.6 键的选择与校核.11 3.6.1 概述.11 3.6.2 键的强度计算11 3.6.3 键的尺寸设计13 3.7 轴向定位.13 3.8 主轴的轴承选择和配置.13 3.8.1 概述13 3.8.2 轴承的选择13 3.8.3 轴承安装方式14 3.8.4 轴承的预紧14 3.8.5 圆锥滚子轴承校核14 VI 3.9 轴的校核.16 3.10 轴上其他零件的设计与选择.20 3.10.1 滚动轴承的密封装置20 3.10.2 主轴箱前前端盖20 3.10.3 主轴箱前后端盖20 3.10.4 主轴箱后前端盖21 3.10.5 主轴后轴承套21 3.10.6 主轴并帽22 3.11 主轴箱箱体设计.22 3.11.1 材料的选择22 3.11.2 制造方法22 3.11.3 铸造金属箱体的要点22 3.12 本章小结.23 4 车架结构设计.24 4.1 概述.24 4.2 车架设计的要求.24 4.3 车架常用材料.24 4.4 车架的截面形状、肋的布置和壁板上的孔.24 4.4.1 车架的截面形状24 4.4.2 肋的布置24 4.4.3 车架壁板上的孔24 4.4.4 车架连接结构设计25 4.4.5 焊接技术25 4.4.6 车架的时效处理25 4.4.7 车架的尺寸结构设计26 4.5 本章小结.26 5 基于 UG 的车架和主轴箱三维建模与虚拟装配 .27 5.1 UG 软件介绍.27 5.2 主要零部件的三维建模.27 5.2.1 车架建模28 5.2.2 主轴箱建模29 5.3 车架和主轴箱的虚拟装配.30 5.3.1 基于 UG NX 6 的装配设计简介.30 5.3.2 主轴箱与车架的虚拟装配.31 5.4 本章小结.33 6 基于 UG 的运动仿真 .34 6.1 运动仿真的工作界面.34 6.1.1 UG 的接口问题 34 6.1.2 打开运动仿真主界面34 VII 6.1.3 运动仿真工作界面介绍35 6.2 主轴箱的运动仿真.36 6.2.1 连杆特性的建立36 6.2.2 运动副特性的建立37 6.2.3 分析验证38 6.3 本章小结.38 7 结论与展望.39 7.1 结论.39 7.2 不足之处与展望.39 致 谢.40 参考文献.41 轴承内外圈加工专用机床车架与主轴箱设计 1 1 绪论绪论 1.1 车架与主轴箱设计的背景与目的车架与主轴箱设计的背景与目的 课题来源于某机床制造企业为提高加工过程的机械化和自动化水平，提高效率，降 低工人的劳动强度，降低企业成本的需求。轴承内外圈车加工机床是针对企业发展需要， 针对轴承内外圈车加工而设计的专用机床，此床应用功能简单，性价比高，适用于生产 线加工。本次设计是为了满足应用功能简单，性价比高的要求进行设计的。 对于一个机床来说，车架就是机床的“骨骼” ，支撑起整台机床，而主轴箱则是机床 的“心脏”给机床不竭的动力。 车架与主轴箱是一台机床必不可少的两个主要部分。车架在满足整台机床的支撑作 用的前提下，还要满足人机工程的相关要求。主轴箱则在满足动力输送的前提下，还要 满足结构简单，功能简单，效率高的要求。 1.2 轴承内外圈车削加工国内发展历史及现状轴承内外圈车削加工国内发展历史及现状 在上古时代的古埃及，曾经使用圆柱形滚木运输巨大石块建筑金字塔及纪念碑。中 世纪时，著名数学家莱布尼茨写出了关于滚动和滑动摩擦的第一本著名理论著作。18 世 纪已经使用铸铁或青铜，到 19 世纪已经大童使用球、滚子和滚动轴承。1820 年开始应用 小型的推力球座圈，1880 年登记了自行车滚动轴承的专利。1883 年在欧洲建立了第一个 球轴承工厂，同时在美国也建立了第一个球轴承工厂。现在，国际上已经有成千上万家 大、中、小型和微型轴承公司。 我国轴承工业加工已经有 70 多年的历史，目前已具有相当的规模和发展基础，解放以 来，经过五十多年的发展，我国各类轴承的生产量已从 1949 年的 13.8 万套增加到 2005 年的 60 亿套，累计生产轴承的品种规格已从 100 多个增加到 66000 多个。从轴承生产总 量和生产体系来看，我国已成为仅次于日本、美国和法国的世界轴承生产大国。 轴承内外圈的车削加工一般指车削外圆、内孔、端面、滚道、挡边、斜坡、圆角、 止动槽、油沟、油槽等。过去采用的设备水平普遍较低，多采用普通机床 C615,C618,C630，六角机床 C3180,C3163,C365L，立式机床 C512A,C516A 和 C534)等。 随着机床、刀具、数字控制系统等现代加工技术的发展，传统车削加工的应用领域已经 得到了极大的发展，设备发展到专用单功能机床、多刀仿形机床、半自动机床、多轴自 动机床、数控机床、自动化车削短线等，提高了自动化程度和生产效率，使加工质量稳 定可靠1。 近几年轴承内外圈加工专用机床在国内外都有很多研究，应用的领域也越来越多， 轴承机械，产品主要用于汽车行业、军工行业和其他工业行业的轴承生产制造，实现了 单机自动化、多机线自动化的生产制造。其中轴承行业，占据顶端市场份额的 90以上， 速度、准确度和耐用性是轴承内外圈加工专用机床加工出来的产品的重要保障。 1.3 车架和主轴箱设计的意义车架和主轴箱设计的意义 为了顺应当今社会发展的需要，单机自动化、多机线自动化的生产制造已经成为社 会生产的主流。如何普及自动化，提高生产效率是现在面临的首要问题。车架和主轴箱 作为机床的两个重要部件，也要顺应这个主流。与此同时，整台机床的性价比要高也是 无锡太湖学院学士学位论文 2 当代机床发展的必然趋势。 1.4 研究内容、预期目标及研究方法研究内容、预期目标及研究方法 本课题来源于某机床制造企业生产线改造项目。 本论文的主要内容包括： （1） 根据企业实际生产设备和技术要求，提出轴承内外圈加工专用机床车架和主 轴箱的结构方案，并对各个零部件进行设计。 （2） 对轴承内外圈加工专用机床尺寸设计，并利用 UG 软件进行三维建模。 （3） 对轴承内外圈加工专用机床进行虚拟装配。 （4） 将虚拟样机导入 UG 软件运动仿真界面，并在 UG 中对机构进行运动仿真分析， 检验所选取方案及其模型的合理性，并对机构进行优化设计。 （5） 轴承内外圈加工专用机床车架和主轴箱设计要顺应自动化生产线更新的需要， 本文将采取类比的研究方法对相关部件进行设计。 轴承内外圈加工专用机床车架与主轴箱设计 3 2 总体方案设计总体方案设计 2.1 车架的类型车架的类型 车架是机器中典型的非标准的零件，是底座、机体、床身、车架、桥架（起重机） 、 壳体、箱体以及基础平台等零件的统称，起到支撑、容纳其他零部件和保证其相对位置 的作用。 车架按外形结构不同如图 2.1，可分为梁柱式、框架式、板块式和箱壳式等。按材料 不同可分为金属车架和非金属车架，金属车架的常用制造方法有铸造和焊接两种，分别 称为铸造车架和焊接车架；常用的非金属车架有塑料车架、花岗岩车架和混凝土车架等2。 1，3，5梁（柱）式车架；2箱壳式车架；4平板式车架；6框架式车架 图 2.1 车架的分类 考虑到实际设计要求，和经济性要求，综上所述，本文将采用箱壳式运用焊接方法制 造的金属车架。 2.2 主轴的类型主轴的类型 用于机床的轴型有很多，常见的应用于轴承内外圈车加工专用机床的最为常见的两 种轴型为直轴和心轴两种2。 直轴的特点：结构简单，制造方便，最为常用。按外形又分为光轴 a 和阶梯轴 b， 其中阶梯轴最为常用。如图 2.2。 无锡太湖学院学士学位论文 4 图 2.2 直轴 空心轴的特点：空心处可装设其他零件。在同样重量下，较之实心轴有较大强度、 刚度。加工比较困难。如图 2.3。 图 2.3 空心轴 考虑到本文主轴箱的经济要求和传动效率高的原则，综上所述，本文采用空心轴。 轴承内外圈加工专用机床车架与主轴箱设计 5 3 主轴箱设计主轴箱设计 3.1 主轴箱的概述主轴箱的概述 主轴箱是机床的重要部件，是用于布置机床工作主轴及其传动零件和相应的附加机构 的部件。 3.2 主轴的概述主轴的概述 3.2.1 主轴的用途和分类主轴的用途和分类 主轴部件是机床实现旋转运动的重要执行件，主轴部件由主轴、主轴支承和安装在 主轴上的传动件、密封件等组成3。 由于机床的功能不同，导致主轴部件的结构也不同，但各种主轴部件都有共同特点： 在使用上都要求性能相一致的回转精度、抗振性、刚度、耐磨性等，并且要求温升低、 热变形小。在结构上要求完善解决工件或刀具的定位装夹、轴承间隙的调整以及润滑、 主轴及轴承的定位、密封等问题。当然，由于机床的任务、类型和要求不同，导致主轴 工作条件的差异。因此，各类不同机床主轴部件需要解决的问题应各有所侧重。 3.2.2 主轴的材料主轴的材料 主轴的材料品种很多，设计时主要根据对轴的强度、刚度、耐磨性以及加工、热处理 和经济性等要求进行选择。 主轴的常用材料是经过轧制或锻造的优质中碳钢和合金钢，其中应用最广泛的是经调 质处理的 45 钢。合金钢对应力集中比较敏感，因而对合金钢轴表面加工质量要求也比较 高，否则不能充分发挥其高强度的优点。 根据同类机床的设计经验，本文采用 40Cr 作为主轴的材料。 3.3 主轴主要参数设计主轴主要参数设计 3.3.1 概述概述 主轴的主要参数是指4：主轴平均直径（或主轴前轴颈直径） ；主轴内孔直径；D 1 Dd 主轴悬伸量和主轴支承跨距 ，如图 3.1。这些参数直接影响到主轴的工作性能。但为al 简化问题，主要是从静刚度条件出发来确定这些参数。 无锡太湖学院学士学位论文 6 图 3.1 主轴主要参数示意图 3.3.2 主轴平均直径主轴平均直径 D 的确定的确定 主轴的平均直径对主轴部件有较大的刚度影响。加大直径，可减少由于主轴本身D 弯曲变形引起的主轴轴端位移和轴承弹性变形引起的轴端位移，提高主轴部件的刚度。 但加大直径受到轴承值的限制，同时造成相配零件尺寸加大、结构庞大、制造困难和 n d 重量增加等，因此在满足刚度的要求下应该去取小值。 设计时主要用类比的分析方法来确定主轴前轴颈直径（或平均直径） 。 1 DD 按机床主电动机功率来确定主轴前轴颈直径，如图 3.2 所示统计曲线。N 1 D 图 3.2 机床统计曲线 1 DN 高速机床主轴和径向截面要求小的主轴，可按区域来确定的值。根据电机功率 2 D 和相关要求与经验结合曲线图，得=70mm。 1 D 根据同类机床的经验此主轴可分为四段如图 3.3，因定位轴肩的高度 h 一般为 =（0.070.1），为与零件相配处的轴的直径5。hdd 故=70+0.1702=84mm。 5 D 轴承内外圈加工专用机床车架与主轴箱设计 7 图 3.3 四段轴图 对于其他轴肩高度属于非定位轴肩，是为了加工和装配方便而设置的，其高度没有 严格的规定，一般取为 12mm。 故=70-2=68mm； 2 D =68-2=66mm； 3 D =66-2=64mm。 4 D 3.3.3 主轴内孔直径主轴内孔直径 d 的确定的确定 主轴内孔直径与机床的类型有关，主要用来通过棒料，通过拉杆、镗杆或顶出顶尖 等。确定孔径的原则是，为减轻主轴重量，在满足对空心主轴孔径要求和最小壁厚要求d 以及不削弱主轴刚度的要求下，应尽量取大值。 主轴本身的刚度正比于抗弯断面惯性矩，即KI （3.1） 4 -1）（ 实 空 实 空 D d I I K K 根据（3.1）式，可绘出主轴孔径对刚度的影响曲线如图 3.4。d 图 3.4 孔径对刚度的影响曲线d 由图可知，当时内孔对主轴刚度几乎无影响，可忽略不计，所以常取孔径5 . 0 D d d 的极限值为：d max d 0.7 max dD 此时0.75，即刚度削弱小于 25%。若孔径再大，主轴刚度就会急剧下降。 空 K 实 K 普通机床=0.550.6 1 1 D d D d 或 式中 d1前轴颈内孔直径。 由已知条件=70mm，所以=（0.550.6）=70（0.550.6） 1 D 1 d 1 D 无锡太湖学院学士学位论文 8 mm=38.542mm。 根据同类机床经验得=40mm。 1 d 因为此机床正常加工无需内孔，但出于减轻轴的重量考虑，同时类比同类机床得 =30mm。 2 d 3.3.4 主轴悬伸量主轴悬伸量 a 的确定的确定 主轴悬伸量是指主轴前端面到前支承径向反力作用中点（一般即为前径向支承中点）a 的距离5。它主要取决于主轴端部结构型式和尺寸（大多有轴端标准） 、前支承的轴承配 置和密封装置等，有的还与机床其他参数有关，如工作台的行程等，因此主要有结构设 计决定。 悬伸量值对主轴部件的刚度、抗振性影响很大。因此，确定悬伸量的原则，是在aa 满足结构要求的前提下尽可能取小值，同时应在设计时采取措施缩减 a 值。 与同类机床相类比初步确定 050（mm） 。a 3.3.5 主轴支承跨距主轴支承跨距 l 的确定的确定 支承跨距 是指主轴相邻两支承的支承反力作用点之间的距离。合理确定支承跨距，l 是获得主轴部件最大静刚度的重要条件之一。 根据同类机床的主轴跨距，此机床的合理跨距 =300mm。l 3.4 电动机的选择电动机的选择 该机床只要是用于加工深沟球轴承系列的内外圈的专用机床7。 轴承内外圈的材料： GCr15 刀具材料： YT158 最大车削直径： 52mm 轴承内外圈的加工生产类型 大批量生产 根据实际需求和以往经验，我将选择变频调速电机。变频调速电机我选择了 4 级电机， 基频工作点设计在 50Hz 频率 0-50Hz（转速 0-1480r/min）范围内电机作恒转矩运动。 本文电动机的输出功率为 3kW，转速为 1000r/min。 3.5 主轴的传动设计主轴的传动设计 3.5.1 转动方式概述转动方式概述 主轴旋转运动转动方式的选择，决定于主轴转速的高低，所传递扭矩的大小，对运 转平稳性的要求及结构紧凑、装卸维修方便等。 机床主轴的常用传动方式有：齿轮传动、带传动、电动机直接传动、空气涡轮传动、 涡轮蜗杆传动和链传动等。 本文根据同类机床传动设计经验，初步选择使用带传动。 查机床设计手册表 6.1-4 得出将带轮装于前、后支承间，主轴受力情况较好，适 用于精度较高的高速小型机床。 3.5.2 皮带轮设计皮带轮设计 本节设计步骤和相关图表均参考文献2,袖珍机械设计师手册 。 3.5.2.1 概述概述 轴承内外圈加工专用机床车架与主轴箱设计 9 带传动是最常用的一种机械传动，其特点是结构简单、传动平稳、能缓冲吸振、能 实现两轴距离较远的传动。 带传动的类型很多，主要有以摩擦传动为传动方式的 V 带传动、平带传动和圆带传 动以及以啮合传动为传动方式的同步带传动和特种同步带传动。 本文根据同类机床设计经验选用普通 V 带传动。 普通 V 带是用多种材料制成的无接头环形带。带轮的材料则经常采用 HT150 或 HT200。 本文选用 HT200。 3.5.2.2 V 带传动设计计算带传动设计计算 V 带传动设计的主要依据是保证带在工作中不打滑，并具有一定的疲劳强度和使用寿 命。 本文电动机输出功率 P=3kW，电机转速，主轴转速。min/1000 2 rn min/1600 1 rn (1) 计算功率 （3.2）PKP Ac 根据参考文献2查表 15-6，得 KA=1.4。 由公式（3.2）得kW。2 . 534 . 1 c P (2) 选择带型 根据和，查参考文献2中图 15-1 得出本文应选用 A 型。 c P 1 n (3) 小带轮的基准直径 为了提高 V 带的寿命，宜选取较大直径，基于这个原则，查参考文献2中表 15-7 和 图 15.1，取mm。118 1 d d (4) 大带轮的基准直径 mm，查参考文献2中表 15-7，取mm。 8 . 188118 1000 1600 2 2 1 2 dd d n n d180 2 d d (5) 带速 m/s89 . 9 100060 1600118 100060 11 nd v d (6) 初定中心距 21021 2(7 . 0 dddd ddadd） mmmm1801187 . 01801182 0 a 208.6mm596mm 0 a 根据结构要求选定mm。250 0 a (7) 初算胶带基准长度 无锡太湖学院学士学位论文 10 mm972 2504 118180 180118 2 2502 42 2 2 0 2 12 2100 a dd ddaL dd ddd 由参考文献2中表 15-3 选取基准长度mm。1000 d L (8) 实际中心距 264mm mm 2 9721000 250 2 0 0 dd LL aa 安装时调整范围 249mm mm1000015 . 0 264 015 . 0 min d Laa 294mm mm100003 . 0 264 03 . 0 max d Laa (9) 小带轮包角 12054.166 54.166 3 . 57 264 118180 180 3 . 57180 1 12 1 a dd dd 故合适。 (10) 单根 V 带传递的额定功率 根据mm 和mm，由参考文献2中表 15-9c 查得 A 型带118 1 d d1600 1 n kW。57 . 1 1 P (11) 单根 V 带的额定功率增量 1i 由参考文献2中表 15-9c 查得kW17 . 0 1 P (12) V 带的根数 根。取 根根 3 47 . 3 89 . 0 966 . 0 17 . 0 57 . 1 2 . 5 11 Z KKPP P Z L c (13) 单根 V 带的预拉力 (3.3) 2 0 1 5 . 2 500qv KvZ P F c 由公式（3.3） ，并根据参考文献2中表 15-11 查得=0.1kg/m。q 轴承内外圈加工专用机床车架与主轴箱设计 11 原式149NN 2 89 . 9 1 . 01 966 . 0 5 . 2 389 . 9 2 . 5 500 (14) 作用在轴上的力 N888 2 54.166 sin31492 2 1 sin 0 2 ZFQ (15) 带轮的结构和尺寸 如图 3.5。 图 3.5 皮带轮的尺寸图 3.6 键的选择与校核键的选择与校核 3.6.1 概述概述 键是一种标准零件，通常用来实现轴与轮毂之间的周围固定以传递转矩，有的还能 实现轴上零件的轴向固定或轴向滑动的导向。键的连接主要类型有：平键连接、半圆键 连接、楔键连接和切向键连接。 本文采用平键（A 型）连接。其主要特点：键的两侧面是工作面，工作时，靠键同键 槽侧面的挤压来传递转矩。键的上表面和轮毂的槽底面间则留有间隙。平键连接具有结 构简单、装拆方便、对中性较好等优点，因而得到广泛应用。 键的材料采用抗拉强度不小于 600MPa 的钢，通常为 45 钢6。 故本文键的材料选择 45 钢。 3.6.2 键的强度计算键的强度计算 平键连接传递转矩时，连接中各零件的受力如图 3.6 所示。 无锡太湖学院学士学位论文 12 图 3.6 平键连接的受力情况 对于本文实际情况，键的主要失效形式是工作面被压溃。 假定载荷在键的工作面上均匀分布，则强度条件为6： （3.4） pp kld T 3 102 式中：传递的转矩，Nm；T 2 d FFyT 键与轮毂键槽的接触高度，此处为键的高度，单位 mm；khk5 . 0h 键的工作长度，单位 mm，圆头平键，这里为键的公称长度，lbLlL 单位 mm；为键的宽度，单位 mm；b 轴的直径，单位 mm；d 键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，单位 MPa，见表 3-1。 p 表 3-1 键连接的许用挤压应力 载荷性质 许用挤压应力连接工作方式 键或毂、轴的材 料静载荷轻微冲击冲击 钢1201501001206090 p 静连接 铸铁708050603045 由公式（3.4） 故满足要求。 Pp MPa dbLk T 72 . 2 68675 101 . 322 4 轴承内外圈加工专用机床车架与主轴箱设计 13 3.6.3 键的尺寸设计键的尺寸设计 如图 3.7。 图 3.7 键的尺寸图 3.7 轴向定位轴向定位 由于平键只能起到周向定位的作用，而周向又没有轴肩的定位，故本文采用 M1020 的紧定螺钉。 3.8 主轴的轴承选择和配置主轴的轴承选择和配置 3.8.1 概述概述 主轴轴承是主轴部件的重要组成部分，它的类型、结构、配置、精度、安装、调整、 润滑和冷却等状况，都直接影响主轴部件的工作性能。 轴承可分为滑动轴承和滚动轴承，按照本文要求和同类机床的设计经验，本文采用滚 动轴承。常用的滚动轴承有：深沟球轴承、调心轴轴承、角接触轴承、圆柱滚子轴承、 调心滚子轴承、圆锥滚子轴承、推力球轴承、滚针轴承、带座外球面球轴承、直线运动 滚动支承等。 3.8.2 轴承的选择轴承的选择 主轴部件上的轴承应具有旋转精度高、刚度高、承载能力强、抗振性好、极限转速高、 适应变速范围大、摩擦功耗小、噪声低、寿命长等性能，同时应该满足制造简单，使用 维修方便、成本低、结构尺寸小等要求。 本文所设计的主轴的载荷较大，转速较高并且要承受以径向载荷为主的轴向与径向联 合载荷，所用轴承在满足上述条件的情况下，还必须能够限制轴一个方向的位移，故初 步选择圆锥滚子轴承系列（GB/T 2971994）的轴承。但必须注意的是，圆锥滚子轴承 在径向载荷作用下会产生附加轴向力，所以本文将成对使用6。 根据同类机床的设计经验，又因为主轴装配轴承部位的直径、mm70 1 D ，所以由参考文献3中表 12-24 单列圆锥滚子轴承（外形尺寸摘自 GB/T mm66 2 D 无锡太湖学院学士学位论文 14 297-1994） 。针对、分别选用圆锥滚子轴承 32214、32213。 1 D 2 D 3.8.3 轴承安装方式轴承安装方式 由于圆锥滚子轴承既能承受径向力，又能承受轴向力，所以由这种轴承组合的支承结 构一般比较简单，调整也比较方便。 圆锥滚子轴承可以在支承中单一使用，也可以成对使用，也有和其他类型轴承组合使 用的。 本文将成对使用圆锥滚子轴承，以抵消派生轴向力，因需要承受一定的轴向力，故采 用反装式，如图 3.8。 图 3.8 轴承反装 3.8.4 轴承的预紧轴承的预紧 圆锥滚子轴承常用螺母预紧，后支承一般用弹簧预紧，而本文用的是并帽预紧方式。 3.8.5 圆锥滚子轴承校核圆锥滚子轴承校核 机床经济加工直径mm。34D 主切削力12： N1824 34 101 . 322 4 max D M Fz 主 一般情况下，最大，和小一些。 z F x F y F 切深抗力： zx FF7 . 015 . 0 进给抗力： zy FF6 . 01 . 0 轴承内外圈加工专用机床车架与主轴箱设计 15 、三力之间的空间关系如图 3.9。 z F x F y F 图 3.9 、三力之间的空间关系 z F x F y F 为了方便计算 730N729.6NN18244 . 04 . 0 zyx FFF (1) 求两轴承受到的径向载荷 21rr FF 和 将轴系受到的空间力系分解为铅垂面如图 3.10（a）和水平面如图 3.10（b）两个平面 力系。 图 3.10 轴承受力分析 由力分析可知： NN D FF F yre Vr 77.337 284 2 34 730122888 162122 2 122 1 NNFFF VrreVr 23.55077.337888 12 无锡太湖学院学士学位论文 16 NN F F x Hr 66.863 122162 52122162 1 NNFFF xHrHr 66.13373066.863 12 NFFF HrVrr 36.927 2 1 2 11 NFFF HrVrr 23.566 2 2 2 22 (2) 求轴承的计算轴向力 21aa FF 和 对于圆锥滚子轴承，按表 13-76，轴承派生轴向力，其中， Y F F r d 2 4 . 0 1 e ；， 10。 42 . 0 2 e5 . 1 1 Y4 . 1 2 Y NN Y F F r d 12.309 5 . 12 36.927 2 1 1 1 NN Y F F r d 96.117 4 . 12 23.566 2 2 2 2 NNFFF dxa 12.103912.309730 1 NFF da 96.117 22 (3) 求轴承当量动载荷 21 PP和 因为 1 1 1 121 . 1 36.927 12.1039 eN F F r a 2 2 2 208 . 0 23.566 96.117 eNN F F r a 当时，e F F r a rr FP 当时， 6 e F F r a arr YFFP4 . 0 所以NNYFFP ar 62.192912.10395 . 136.9274 . 04 . 0 111 NFP r 23.566 22 (4) 验算轴承寿命 因为，所以按轴承 1 的受力大小验算 21 PP h1071. 7h 62.1929 222000 160060 10 60 10 7 3 10 6 1 6 P C n Lh 查参考文献5中表 13-3 得=2000030000h h L h L 故所选的轴承满足寿命条件。 3.9 轴的校核轴的校核 通过轴的结构设计，轴上零件的位置，以及支反力和外载荷的作用位置均已确定， 轴上的载荷（弯矩和扭矩）已可以求得，因而可按弯矩、扭矩强度条件对轴的强度进行 轴承内外圈加工专用机床车架与主轴箱设计 17 校核计算。 (1) 做出轴的计算简图 轴所受的载荷是从零件传来的，计算时，常将轴上的分布载荷简化为集中力，其作用 点取载荷分布段的中点。作用在轴上的扭矩，一般从传动件轮毂宽度的中点算起。 在做计算简图时，应先求出轴上受力零件的载荷（若为空间力系，应该把空间力系分 解为圆周力、径向力、轴向力，然后把它们全部转化到轴上） ，并将其分解为水平分力和 垂直分力如图 3.11（a） 、 （b）所示。然后求出各支承处的水平反力和垂直反力。 图 3.11 轴的受力分析 (2) 做出弯矩图 根据上述简图，分别求出各面的力、弯矩大小画出弯矩图。 水平面：如图 3.12。 图 3.12 x 轴的弯矩图 由0 Az M 得 NF F cbaFbaF Cx Cx xCx 66.863 52122162730122162 由0 Cz M 得 NF F cFbaF Ax Ax xAx 66.133 052730122162 0 无锡太湖学院学士学位论文 18 NFF C 730 yy C 点 Z 轴的弯矩 mm108 . 3mm 122162 162122888 4 NN l baF M Cx Cz 垂直面：如图 3.13。 图 3.13 z 轴的弯矩图 由 zCzAz FFF 即 0 Ax MbaFaF Czz 得 、NFAz54.506NFCz46.381 B 点 X 轴的弯矩 mmN l baF M z Bx 4 1018 . 6 122162 162122888 B 点的合成弯矩 如图 3.14。 图 3.14 弯矩合成图 由 22 BzBxB MMM 因为mmNmmNMM CxBz 44 1063 . 1 108 . 3 284 122 284 122 所以 mmNmmNMB 4 2 4 2 4 1039 . 6 108 . 363 . 1 1018 . 6 mmNMM CzC 4 108 . 3 (3) 做出扭矩图 如图 3.15。 轴承内外圈加工专用机床车架与主轴箱设计 19 图 3.15 扭矩图 mmNmmN n P T 466 101 . 3 1600 2 . 5 1055 . 9 1055 . 9 (4) 轴的危险面分析 如图 3.16 是对轴危险面的划分。 图 3.16 轴危险面示意图 对于截面 1、2，由于扭矩一样，轴的外径一样大，所以扭转切应力取决于内 孔径，内孔径越大，扭转切应力越大，故截面 2 为危险截面。 而对于截面 2、3、4，由于扭矩一样，轴的内孔径一样大，所以扭转切应力 取决于外径，外径越小，扭转切应力越大，故截面 3 为危险截面。 综上所述，截面 3 为危险截面。 (5) 轴的强度校核 1) 扭矩： 计算危险截面 3 并与 10比较即： 1 1 2 4 4 4 44 1092 . 1 66 40 166 101 . 332 1 32 MPa aD T I T P 满足扭转强度条件。 2) 弯矩： 根据分析由图 3.14 得 B 点弯矩最大所以只需要计算 B 点弯矩即可，结果与比较。 1 1 3 3 4 33 39 . 2 68 35 168 1039. 632 1 32 MPa aD M 满足弯矩强度要求。 综上所述，本文设计的轴满足要求。 无锡太湖学院学士学位论文 20 3.10 轴上其他零件的设计与选择轴上其他零件的设计与选择 3.10.1 滚动轴承的密封装置滚动轴承的密封装置 轴承的密封装置是为了阻止灰尘、水、酸气和其他杂物进入轴承，并阻止润滑剂流 失而设置的。 密封装置可分为接触式的毡圈油封、唇形密封圈、密封环和非接触式的隙缝密封、 甩油密封、曲路密封两大类。 本文采用毡圈油封。这种密封结构简单，经济适用。 3.10.2 主轴箱前前端盖主轴箱前前端盖 尺寸如图 3.17。 图 3.17 主轴箱前前端盖尺寸图 3.10.3 主轴箱前后端盖主轴箱前后端盖 尺寸如图 3.18。 图 3.18 主轴箱前后端盖 3.10.4 主轴箱后前端盖主轴箱后前端盖 尺寸如图 3.19。 轴承内外圈加工专用机床车架与主轴箱设计 21 图 3.19 主轴箱后前端盖 3.10.5 主轴后轴承套主轴后轴承套 尺寸如图 3.20。 图 3.20 主轴键销尺寸图 3.10.6 主轴并帽主轴并帽 尺寸如图 3.21。 无锡太湖学院学士学位论文 22 图 3.21 主轴并帽尺寸图 3.11 主轴箱箱体设计主轴箱箱体设计 3.11.1 材料的选择材料的选择 本文采用 HT200 作为箱体的材料。 3.11.2 制造方法制造方法 根据材料的选择要依据箱体形状及大小、生产批量和使用要求。对于结构复杂的车 架体采用铸造加工方法，即通常采用铸铁材料。而对于结构简单的车架则一般采用普通 碳素钢进行焊接制造。 本文根据以往经验和实际要求，采用主轴箱箱体铸造制造，箱体盖板采用螺钉连接。 3.11.3 铸造金属箱体的要点铸造金属箱体的要点 3.11.3.1 最小壁厚最小壁厚 铸件的最小壁厚与强度、刚度、材料、尺寸大小及工艺水平等因素有关。 对砂型铸造，灰铸铁件的最小壁厚可按当量尺寸从表 3-2 中选取。当量尺寸为N (3.5)3/2HBLN 式中，分别为铸件的长、宽和高的最大尺寸，单位 m。HBL和、 表 3-2 铸铁车架最小壁厚 壁厚 当量尺寸 N/m 外壁厚/mm内壁厚/mm 0.366 0.7586 1108 根据表 3-2 和公式（3.5）得所以外壁厚和内壁厚m35 . 0 m 10003 3002803272 N 轴承内外圈加工专用机床车架与主轴箱设计 23 均为 6mm，根据经验箱体的壁厚取 20mm。 3.11.3.2 加强筋的安置加强筋的安置 由于主轴箱轴前端因切削而产生切削力，且前端需要安装三爪卡盘应力集中，故在 主轴前端支承表面安置加强筋，以增加抗变形系数。 3.11.3.3 箱体的其他设计箱体的其他设计 主轴箱箱体的其他设计尺寸如图 3.22。 图 3.22 主轴箱箱体尺寸图 3.12 本章小结本章小结 本章主要进行了主轴箱的主轴部件结构设计、受力分析、数据计算、校核；传动装 置-皮带轮的选择、数据计算；轴承的选型、受力分析、寿命计算；主轴箱箱体的结构设 计等内容。 无锡太湖学院学士学位论文 24 4 车架结构设计车架结构设计 4.1 概述概述 本文将采用箱壳式运用焊接方法制造的金