CM6132机械系统设计课程设计_精密车床主轴箱及变速箱系统设计.doc

精密车床主轴箱及变速箱系统设计 1 目录目录 绪论绪论 1 1 1概述概述 5 5 1.1机床主轴箱课程设计的目的 5 1.2设计任务和主要技术要求 5 1.3 操作性能要求6 2.技术参数确定与方案设计技术参数确定与方案设计6 6 2.1原始数据 6 2.2开展cm6132功能原理设计6 3运动设计运动设计 7 7 3.1确定转速极速 7 3.1.1计算主轴最高转速9 3.1.2计算主轴最低转速.10 3.1.3确定主轴标准转速数列11 3.2 主电动机的选择12 3.3变速结构的设计 14 3.3.1 主变速方案拟定.14 3.3.2 拟定变速结构式.14 3.3.3拟定变速结构网15 3.3.4 验算变速结构式.16 精密车床主轴箱及变速箱系统设计 2 3.4绘制转速图 17 3.5 齿轮齿数的估算20 3.6 主轴转速误差23 4.动力设计动力设计2626 4.1电机功率的确定 26 4.2确定各轴计算转速 26 4.3 带轮的设计27 4.4传动轴直径的估算 30 4.5齿轮模数的确定 33 4.6主轴轴颈的直径 36 4.6.1主轴悬伸量a36 4.6.2主轴最佳跨距的确定和轴承的选择.36 0 l 4.6.3主轴组件刚度验算37 5. 结构设计结构设计 3838 5.1齿轮的轴向布置 39 5.2传动轴及其上传动元件的布置 40 5.2.1 i轴的设计 42 5.2.2 ii轴的设计42 5.2.3 iii轴的设计42 5.2.4 带轮轴的设计42 5.2.5 轴的设计43 5.2.6主轴的设计43 5.2.7 主轴组件设计43 精密车床主轴箱及变速箱系统设计 3 5.3齿轮布置的注意问题 44 5.4主轴与齿轮的连接 44 5.5 润滑与密封.45 5.6 其他问题.45 6.总结总结4646 7.致谢致谢4747 8.参考资料参考资料4747 1概述概述 1.1机床主轴箱课程设计的目的机床主轴箱课程设计的目的 机床课程设计，是在学习过课程机械系统设计之后进行的实践性教学 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。 精密车床主轴箱及变速箱系统设计 4 1.2设计任务和主要技术要求设计任务和主要技术要求 本次课程设计任务是cm6132车床主传动设计。由于cm6132车床是精密、 高精密加工车床，要求车床加工精度高，主轴运转可靠，并且受外界，振动， 温度干扰要小，因此，本次设计是将车床的主轴箱传动和变速箱传动分开设计 ，以尽量减小变速箱，原电机振动源对主轴箱传动的影响。 本次课程设计包括cm6132车床传动设计，动力计算，结构设计以及主轴校 核等内容，其中还有a0大图纸的cm6132车床主传动的装配图。 本次课程设计是毕业课程设计前一次对我们大学四年期间机械专业基础知 识的考核和检验。它囊括了理论力学，材料力学，机械原理，机械设计，机械 制造装备设计等许多机械学科的专业基础知识，因此称之为专业课程设计。它 不仅仅是对我们专业知识掌握情况的考核和检验，也是一次对我们所学的知识 去分析，去解决生产实践问题的运用。 1.3 操作性能要求操作性能要求 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 2.技术参数确定与方案设计技术参数确定与方案设计 2.1原始数据原始数据 (1)机床主参数：dmax=320mm。 (2)刀具材料：高速钢或硬质合金。 精密车床主轴箱及变速箱系统设计 5 (3)工件材料：钢或铸铁。 2.2开展开展cm6132功能原理设计功能原理设计 画出车削加工的运动功能图，写出车削加工的运动功能结构式。 图1 车床运动功能图和运动功能式 绘出传动原理图。 图2 车削加工的传动原理图 精密车床主轴箱及变速箱系统设计 6 3运动设计运动设计 根据机床的规格、用途和常用的切削用量，以及与同类型机床的类别分析 ，确定机床主运动的极限转速、主轴转速的合理分布，从而确定主运动传动系 统的公比和级数。拟定传动系统的结构方案（结构式、结构网设计），分配分 变速组的传动比，确定齿轮齿数，绘制其传动系统图，并计算校核其转速误差 。 3.1确定转速极速确定转速极速 调查和分析所设计机床上可能进行的工序，从中选择要求最高、最低转速 的典型工序。按照典型工序的切削速度和刀具直径（或工件直径）计算最高、 最低转速（即极限转速）和。计算公式如下： = 1000 = 1000 式中：分别为主轴最高、最低转速 、 （r/min）； 分别为最高、最低切削速度； 、 （m/min） 分别为最大、最小计算直径。 、 （m） 应当指出，通用机床的并不是机床上可能加工的最大和最小 和 直径，而是指常用的经济加工的最大和最小直径。对于通用机床，一般取： =kd 精密车床主轴箱及变速箱系统设计 7 = 式中：d可能加工的最大直径（mm）； k 系数，根据对现有同类型机床使用情况的调查确定（摇臂钻床，k=1.0;普通车 床，k=0.5）； 计算直径范围（=0.20.25）。 就本课程设计的dmax=320mm的精密卧式车床设计，取k=0.5、=0 .25。 =kd=0.5320mm=160mm; =0.25160mm=40mm。 min d d r max d 3.1.1计算主轴最高转速计算主轴最高转速 根据设计要求，及其刀具和工件的材料，查资料可知，用硬质合金刀具加 工易切碳钢时，主轴转速最高，一般=150250m/min。按经验，并考 虑切削用量资料，取=250m/min。 则=1990r/min 1000 1000 250 160 根据标准公比的标准数列表，取=2000r/min。 3.1.2计算主轴最低转速计算主轴最低转速 根据设计要求，及其刀具和工件的材料，查资料可知，用高速钢刀具加工 精密车床主轴箱及变速箱系统设计 8 灰铸铁时，主轴转速最低。按经验，并考虑切削用量资料，取=13.8m/ min。 则=27.5r/min 1000 1000 13.8 160 用高速钢刀具,精车合金钢材料的梯形螺纹（丝杠），加工丝杠的最大直径 为32mm,取=1.5m/min。 则=14.9r/min 1000 1000 1.5 32 综合同类型机床，取=19r/min。 3.1.3确定主轴标准转速数列确定主轴标准转速数列 主轴变速范围 =105 = 2000 19 z=18 =1.31 1 17 105 由于我国机床专业标准gc58- 60规定了的七个标准公比：1.06、1.12、1.26、1.41、1.58、1.78和2。取=1. 26。 查标准数列表，按常规计算各轴转速为：19、23.6、30、37.5、47.5、60、 75、95、118、150、190、236、300、375、475、600、750、950、1180、1500 、1900。可看出共有21级转速，且无法达到最高转速=2000r/min。 精密车床主轴箱及变速箱系统设计 9 故综合同类型机床对其转速进行调整，使其满足=2000r/min， =19r/min，z=18.求出各级转速为：19、38、50、62、76、100、125、20 0、250、305、390、500、610、785、1000、1580、2000。 3.2 主电动机的选择主电动机的选择 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：16mm 25mm。 a r 刀具几何参数：=15 ，=6 ，=75 ，=15 ，=0 ，=- 0 o 0 o r o r o o 01 10 ，b=0.3mm，r =1mm。 o 1r e 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， 取3mm，f取0.2。 p a p a rmm 确定切削速度，取v =1.7。 c sm 机床功率的计算， 主切削力的计算 ：主切削力的计算公式及有关参数： f =9.81 z fc n 60 fc c fc z a fc z f fc z v fc k =9.81270 30.92 0.95 15. 0 600.20.75 15 . 0 7 . 1 =1038（n） 切削功率的计算 =1038 1.7=1.8（kw） c p c f c v 3 10 3 10 精密车床主轴箱及变速箱系统设计 10 依照一般情况，取机床变速效率=0.8. =2.3(kw) z p 1.8 0.8 根据y系列三相异步电动机的技术数据,y系列三相异步电动机为一般用途 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。 根据以上计算，为满足转速和功率要求，选择y系列三相异步电动机型号 为：y100l2-4,其技术参数见下表3-1. 表3-1 y100l2-4型电动机技术数据 电动机型 号 额定功率 /kw 满载转速 /rmp 额定转矩 /n.m 最大转矩 /n.m y100l2-4314302.22.3 至此，可得到下表3-2中的车床参数。 表3-2 车床的主参数（规格尺寸）和基本参数表 工件最大回 转直径 (mm) max d 最高转速 ( max n )minr 最低转速 ( min n )minr 电 机功率 p （kw） 公 比 转速 级数z 32020001931 .26 18 精密车床主轴箱及变速箱系统设计 11 3.3变速结构的设计变速结构的设计 3.3.1 主变速方案拟定主变速方案拟定 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 采用分离变速型式的主轴变速箱。 3.3.2 拟定变速结构式拟定变速结构式 由于结构上的限制，变速组中的传动副数目通常选用2或3为宜，故其结构 式为：z=2n3m.对于18级传动，其结构式可为以下三种形式： 18=332；18=323；18=233； 在电动机功率一定的情况下，所需传递的转矩越小，传动件和传动轴的集 合尺寸就越小。因此，从传动顺序来讲，尽量使前面的传动件多以些，即前多 后少原则。故本设计采用结构式为：18=332。 从轴i到轴ii有三队齿轮分别啮合，可得到三种不同的传动速度；从轴ii到 轴iii有三对齿轮分别啮合，可得到三种不同的传动速度，故从轴i到轴iii可得到 33=9种不同的传动速度；同理，轴iii到轴iv有两对齿轮分别啮合，可得到两 精密车床主轴箱及变速箱系统设计 12 种不同的传动速度，故从轴i到轴iv共可得到332=18种不同的传动转速。 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 41 min u ；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 2 max u 。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 5 . 2 max u 大变速范围。在设计时必须保证中间 )108(25 . 0 )5 . 22( minmaxmax uur 变速轴的变速范围最小。 3.3.3拟定变速结构网拟定变速结构网 在制定机床传动方案时，常将传动链特性的相关关系画成图，以供比较选 择。该图即为结构网图。结构网只表示各传动副传动比的相关关系，而不表示 数值， 因而绘制成对称形式(图3)。由于主轴的转速应满足级比规律（从低到高间成等 比数列，公比为），故结构网上相邻两横线间代表一个公比。 为了使一根轴上变速范围不超过允许值，传动副输越多，级比指数应小一 些。考虑到传动顺序中有前多后少原则，扩大顺序应采用前小后大的原则，即 所谓的前密后疏原则。 故本设计采用的结构式为：18=312329 18:级数。 3，3，2：按传动顺序的各传动组的传动副数。 1，3，9：各传动组中级比间的空格数，也反映传动比及扩大顺序。 该传动形式反映了传动顺序和扩大顺序，且表示传动方向和扩大顺序一致 。图3为该传动的结构网。 精密车床主轴箱及变速箱系统设计 13 图3 18=312329结构网 3.3.4 验算变速结构式验算变速结构式 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： in rrrrr 210 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 精密车床主轴箱及变速箱系统设计 14 超过极限值，其他变速组就不会超过极限值。 2 = 2(2 1) 其中，, = 1.26 2= 9 2= 2 =8，符合要求。 2= 1.269 (2 1) 3.4绘制转速图绘制转速图 （1）绘制常规的转速图时，要注意，为了结构紧凑，减小振动和噪声，通 常限制： a：最小传动比imin=1/4; b：最小传动比imax 120 (7)确定三角带根数z 根据公式 00 ca l p z pp k k 查表由=90和及查表，由单根a型v dmm 1= 1200/1= 1460/ 带的额定功率分别是0.93kw和1.07kw，用线性插值法求得时的 1= 1430/ 额定功率kw。 = 1.05 查= 0.14kw, 0 p 查表=0.97；长度系数=0.89k l k = (+ ) = 3.6 (1.05 + 0.14) 0.97 0.89 = 3.5 取 根 = 4 (8)计算初拉力 查表得v带质量q=0.1kg/m，则初拉力为 2 0 ) 5 . 2 (500qv k k vz p f ca 式中： -带的变速功率,kw； ca p 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。 = 500 3.6 6.74 4( 2.5 0.97 0.97 ) + 0.1 6.742109.85 (9)计算作用在轴上的压轴力 精密车床主轴箱及变速箱系统设计 27 =24109.85=874n = 2sin 1 2 sin 168 2 (10)带轮结构 小带轮结构 =90采用实心式，查电动机轴颈，由表查得 dmm 0= 28 e=150.3mm , f=mm 10 + 2 1 轮毂宽：带轮 =（1.52）0=（1.52） 28 = 4256 其最终宽度结合安装带轮的轴段确定 轮缘宽：=(4-1)15+210=65mm 带轮=（ 1） + 2 大带轮结构 =150采用孔板式,轮缘宽可与小带轮相同，轮毂宽可与轴的结构设计同步 2 mm 。 同理及计算方法，求得iii轴到vi轴传动皮带的结构参数， b型v带 ，z=2。 1= 178 ,2= 200。 4.4传动轴直径的估算传动轴直径的估算 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。 根据公式，并查得到取1. mm n p d j 491 轴的直径：取 11 0.96,858 / min j nr 精密车床主轴箱及变速箱系统设计 28 4 4 33 0.96 919121.9 858 1 j dmm n 取d=30mm. 轴的直径：取 212 0.98 0.99 0.990.922,350 / min j nr 4 4 33 0.922 919127.1 350 1 j dmm n 取d=32mm 轴的直径：取 323 0.98 0.990.89,175 / min j nr 4 4 33 0.89 919131.98 175 1 j dmm n 取d=35mm 轴的直径：取 323 0.98 0.990.89,62 / min j nr 4 4 33 0.89 919141.45 62 1 j dmm n 取d=40mm 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（）； j nminr -传动轴允许的扭转角（），一般传动轴,取 deg/ m = 0.51 。 = 1 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。、和为花 键轴，主轴为空心轴。因为矩形花键定心精度高，定心稳定性好，能用磨削的 精密车床主轴箱及变速箱系统设计 29 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19871144tgb 心。查矩形花键的基本尺寸系列，定花键轴的规格 ；轴花键轴的规格；630 26 7nddb为632 28 7nddb为 轴花键轴的规格；轴花键轴的规格635 30 10nddb为 。 640 35 10nddb为 这里需要说明三点： （1）花键轴参数尺寸代表z- ddb。z表示花键轴齿数，d表示花键轴大径，d表示小径，b表示齿宽，具体 图样见下图： 图5 矩形花键轴 （2）齿轮齿数的选取，应保证齿轮齿根与花键轴大径配合的轮毂面不得小 于35mm。 （2）如a0图纸绘制的cm6132车床主传动系统图所示，带轮轴做成中空轴套 ，起卸荷左右，这样可将带轮的张紧力引起的径向力通过轴套，滚动轴承传至 机身上，保证主轴的运转不受带轮张紧力的影响。 （4）iii轴和iv轴间为皮带轮1：1.12传动。 精密车床主轴箱及变速箱系统设计 30 4.5齿轮模数的确定齿轮模数的确定 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 h m f m 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，查手 册齿轮精度选用7级精度，选择小齿轮材料为45钢 (调质)，硬度为220hbs和260hbs： a变速组：分别计算各齿轮模数，先计算最小齿数,的齿轮。 1= 17 2= 42 初步计算传动的主要尺寸 根据公式： 1 2.323 2( 1) ( )2 小齿轮传递转矩为 2= 9.55 106 3 858 = 3.34 104/ 因v值未知，值不能确定，可初步选载荷系数,初选 = 1.11.8= 1.5 。 非对称安装，取齿宽系数=0.3。 查得弹性系数。 = 189.8 齿数比u=42/17=2.4。 按齿面硬度查图，得, 1= 600 2= 560 假设该机床工作寿命10年，每年工作300天，两班制，工作平稳，齿轮转 向不变。 则，大齿轮和小齿轮的应力循环次数分别为： 1 = 601= 60 858 1 1.0 300 16 = 2.47 109 精密车床主轴箱及变速箱系统设计 31 2 = 602= 60 347.29 1 1.0 300 16 = 1.0 108 查资料的, 1= 0.95 2= 1.09 取安全系数 = 1 1= 11 = 0.95 600 1 = 570 2= 22 = 1.09 560 1 = 610.4 取 =1 1 2.323 1.5 3.34 104(2.4 1) 0.3 2.4 (189.8 570 )2 = 53.92 计算模数 计算载荷系数 查得使用系数 = 1.0 因，查得动载荷系数 = 11 60 1000 = 63.92 858 60 1000 = 2.87/ ，由表查得齿向载荷分布系数，则载荷系数为 = 1.11= 1.15 1.2765 = = 1.0 1.11 1.15 = 对进行修正 1 因k与有较大的差异，故需对由计算出的进行修正，即 1 1= 13 k = 53.923 1.2765 1.5 = 51.1 确定模数 2.85 = 1 1 = 51.1 17 = 取 = 2.5 传动尺寸 两分度圆直径 1 = 1= 2.5 17 = 42.5 2= 1= 2.5 42 = 105 精密车床主轴箱及变速箱系统设计 32 中心距 = 1 2(1 + 2)= 1 2 2.5 (17 + 42)= 73.75 齿宽, = 2= 0.3 42.5 = 12.75 尽可能圆整为5的倍数，取 1 、 2 1= 15、2= 15 尺高 = 2.25 = 2.25 2.5 = 5.625 为了便于设计和制造，同一传动组内的齿轮的模数常取相同，此时，各传 动齿轮副的齿轮齿数和相同。则在变速箱职中，每根传动轴上各齿轮的模数均 为。 = 2.5 而在主轴箱中，用上述方法也取得第一对传动副齿轮的模数， = 2.5 而在传动链中，最后一个背轮机构中，变速范围较大，各传动副对应传动的扭 矩的差别也较大，为合理利用材料，常采用不同的模数，且在同一传动组内正 常只限用于用两种模数。 由于传动副轴心线距离必须相等，即11 = 2 2 、分别为两种模数； 12 、分别为、两传动副的齿数和。 1 2 12 则得。 2.5 (27 + 63)= 2(17 + 58)2= 3 4.6主轴轴颈的直径主轴轴颈的直径 主轴的外径尺寸，关键是主轴前轴颈的（前支撑处）的直径。选定后 1 d 1 d ，其他部位的外径可随之而定。一般是通过筒规格的机床类比分析加以确定 1 d 。320mm车床，p=3kw查手册，前轴颈应,初选,后轴颈 1 70 90d 1 72dmm 取。 12 )85 . 0 7 . 0(dd 2 55dmm 因为主轴为空心轴，其内孔直径d/0.7,取主轴当量直径d 精密车床主轴箱及变速箱系统设计 33 ；则d44.45，取d=35mm。 5572 63.5 2 dmm 4.6.1主轴悬伸量主轴悬伸量a 主轴悬伸量的大小往往受结构限制，主要取决于主轴端部的结构形式及尺 寸、刀具或夹具的安装方式、前轴承的类型及配置、润滑与密封装置的结构尺 寸等。主轴设计时，在满足结构的前提下，应最大限度的缩短主轴悬伸量a。根 据结构,对于精密机床a/=0.61.5=43.2108mm，定悬伸长度。 1 d105amm 4.6.2主轴最佳跨距主轴最佳跨距的确定的确定和轴承的选择和轴承的选择 0 l 支撑跨距l，当前多数机床的主轴采用前后两个支撑，结构简单，制造、 装配方便，容易保证精度，但是，由于两支撑主轴的最佳支距一般较短，结 0 l 构设计难于实现，故可采用三支撑结构。但精密车床cm6132转速的变化范围大 ，主轴需正反转，对机床的稳定性要求高，故采用滑动轴承，选用内圆外锥式 多油楔轴承。其内表面加工出三个偏心圆弧槽（油囊），均匀分布在圆周上， 深为0.2mm。所以主轴无论正反转都能形成三个油楔。 主轴中间装两个推力球轴承（d8112），使主轴轴向定位。 后端作为辅助支承，选用一对深沟球轴承6011（gb/t 276-94）。 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， al 一般推荐取： a l =35，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， l 应选大值，轴刚度差时，则取小值。 a l 跨距的大小，很大程度上受其他结构的限制，常常不能满足以上要求。 l 精密车床主轴箱及变速箱系统设计 34 安排结构时力求接近上述要求。 根据资料及设计经验可知,主轴跨距=(35)a=315525mm,初选=329mm 0 l 0 l 。 4.6.3主轴组件刚度验算主轴组件刚度验算 （1）主轴弯曲刚度的验算 由于cm6132车床主轴为空心，则其弯曲刚度为 = = 30(4 4) 2( + ) 、主轴轴承之间的当量外径和主轴内孔直径。 = 4 = 1 4 = 4554 110.5 + 604 85.5 + 724 133 329 = 64.49 那么，对于精密机床，要求 = = 30 (64.494 354) 1052(329 + 105) = 99.09 ，那么主轴的弯曲刚度满足要求。 50 (2)主轴扭转刚度的验算 = .180 式中：扭矩ncm； g剪切弹性模量n/cm2 ，取； g = 8.1 106n/cm2 截面极惯性矩，实心轴； = 0.14 d、l 轴的直径和工作长度，d=63.5mm=6.35cm，l=329mm=32.9cm； n主轴传递功率，n=3kw； 主轴计算转速，=。 60.3r / min 精密车床主轴箱及变速箱系统设计 35 则 = 955 103 3 60.3 = 4.8 105ncm = 0.14(1 4)= 0.141 ( ) 4 = 0.1 6.3541 ( 3.5 6.35) 4 = 147.584 = 32.9 4.8 105 8.1 106 147.58 = 0.013 按要求，主轴扭转角不超过,而 =，则满足要求。 0.225 0.013 0.225 5. 结构设计结构设计 结构设计包括主轴箱、变速箱的结构、传动件（传动轴，轴承，齿轮，带 轮，离合器，卸荷装置等）、主轴组件、箱体以及连接件、操纵机构和润滑装 置的结构设计和布置等等。 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。目的是： 布置传动件及选择结构方案。 检验传动设计的结果中有无干涉、碰撞或其他不合理的情况，以便及时改 正。 确定传动轴的支承跨距、齿轮在轴上的位置以及各轴的相对位置，以确定 各轴的受力点和受力方向，为轴和轴承的验算提供必要的数据。 精密车床主轴箱及变速箱系统设计 36 5.1齿轮的轴向布置齿轮的轴向布置 本次设计中有多处使用了滑移齿轮，而滑移齿轮必须保证当一对齿轮完全 脱离后，令一对齿轮才能进入啮合，否则会产生干涉或变速困难。所以与之配 合的固定齿轮间的距离应保证留有足够的空间，至少不少于齿宽的两倍，并留 有=12mm的间隙。 齿轮齿宽一般取b1=（612）m，对变速箱内齿轮传动副模数m=2.5mm，我 设计的齿轮宽度b=6m=15mm 。而对于主轴箱内m=3mm，b2=20mm，故变速箱内相邻固定齿轮间距离b应不 小于32mm。 图7 齿轮的轴向布置 精密车床主轴箱及变速箱系统设计 37 5.2传动轴及其上传动元件的布置传动轴及其上传动元件的布置 机床传动轴，广泛采用滚动轴承作支撑。轴上要安装齿轮、离合器和制动 器等。传动轴应保证这些传动件或机构能正常工作。 首先传动轴应有足够的强度、刚度。如挠度和倾角过大，将使齿轮啮合不 良，轴承工作条件恶化，使振动、噪声、空载功率、磨损和发热增大；两轴中 心距误差和轴芯线间的平行度等装配及加工误差也会引起上述问题。 传动轴可以是光轴也可以是花键轴。成批生产中，有专门加工花键的铣床 和磨床，工艺上并无困难。所以装滑移齿轮的轴都采用花键轴，不装滑移齿轮 的轴也常采用花键轴。 花键轴承载能力高，加工和装配也比带单键的光轴方便。 轴的部分长度上的花键，在终端有一段不是全高，不能和花键空配合。这 是加工时的过滤部分。一般尺寸花键的滚刀直径为6585。 刀 d mm 机床传动轴常采用的滚动轴承有球轴承和滚锥轴承。在温升、空载功率和 噪声等方面，球轴承都比滚锥轴承优越。而且滚锥轴承对轴的刚度、支撑孔的 加工精度要求都比较高。因此球轴承用的更多。但是滚锥轴承内外圈可以分开 ，装配方便，间隙容易调整。所以有时在没有轴向力时，也常采用这种轴承。 选择轴承的型号和尺寸，首先取决于承载能力，但也要考虑其他结构条件。 同一轴心线的箱体支撑直径安排要充分考虑镗孔工艺。成批生产中，广泛 采用定径镗刀和可调镗刀头。在箱外调整好镗刀尺寸，可以提高生产率和加工 精度。还常采用同一镗刀杆安装多刀同时加工几个同心孔的工艺。下面分析几 种镗孔方式：对于支撑跨距长的箱体孔，要从两边同时进行加工；支撑跨距比 较短的，可以从一边（丛大孔方面进刀）伸进镗杆，同时加工各孔；对中间孔 径比两端大的箱体，镗中间孔必须在箱内调刀，设计时应尽可能避免。 既要满足承载能力的要求，又要符合孔加工工艺，可以用轻、中或重系列 精密车床主轴箱及变速箱系统设计 38 轴承来达到支撑孔直径的安排要求。 两孔间的最小壁厚，不得小于510，以免加工时孔变形。 mm 花键轴两端装轴承的轴颈尺寸至少有一个应小于花键的内径。 一般传动轴上轴承选用级精度。 g 传动轴必须在箱体内保持准确位置，才能保证装在轴上各传动件的位置正 确性，不论轴是否转动，是否受轴向力，都必须有轴向定位。对受轴向力的轴 ，其轴向定位就更重要。 回转的轴向定位（包括轴承在轴上定位和在箱体孔中定位）在选择定位方 式时应注意： 1）轴的长度。长轴要考虑热伸长的问题，宜由一端定位。 2）轴承的间隙是否需要调整。 3）整个轴的轴向位置是否需要调整。 4）在有轴向载荷的情况下不宜采用弹簧卡圈。 5）加工和装配的工艺性等。 5.2.1 i轴的设计轴的设计 i轴上为三联滑移齿轮，相应的花键轴段尺寸为6- 32287。左右端均选取深沟球轴承，其型号分别为6205，6206。右端为5齿皮 带轮，与i轴平键连接，电机工头右端v带轮将动力传至i轴，又通过滑移齿轮传 动力至ii轴。 5.2.2 ii轴的设计轴的设计 ii轴上为4个固连齿轮， 3个为与i轴配合的齿轮， 3各与iii轴配合。有两个公用齿轮，相应花键轴段尺寸为6- 精密车床主轴箱及变速箱系统设计 39 32287，左，右端均为型号为6205的深沟球轴承。动力从i轴传至ii轴，并通 过右边两齿轮传动力至iii轴。 5.2.3 iii轴的设计轴的设计 iii轴上有3联滑移齿轮，与ii轴的3个固定齿轮啮合。与之配合的相应花键 轴段尺寸为6- 353010。左，右均为型号为6206的深沟球轴承。左端为2齿皮带轮，动力从ii 轴传至iii轴，再通过左边的v带轮传动力至iv轴。 5.2.4 带轮轴的设计带轮轴的设计 带齿轮轴套在主轴左端的套筒内。两个型号为6214的深沟球轴承支撑套筒 增加其刚度。左端为2齿皮带轮，左边螺母可调整其轴向位置。动力从iii轴径皮 带轮传至带轮轴，再通过右边齿轮将动力传出。 5.2.5 轴的设计轴的设计 轴实际上是背轮机构，其上2个滑移齿轮，与控制主轴内齿离合器滑动的 拨叉盘用螺栓固连在一起，进而达到变速目的。与之配合的花键轴尺寸参数为6 - 403510。左右均为型号为6206的深沟球轴承。当拨动滑移齿轮，使左端齿轮 与iv轴齿轮啮合时，主轴将得到低9级转速。若拨动滑移齿轮，使与之固联的拨 叉主轴上齿轮直接与带轮轴齿轮啮合时，主轴将得到高9级转速。 5.2.6主轴的设计主轴的设计 主轴上装有受轴（背轮机构）上拨叉盘控制的内齿离合器，以及固连在 精密车床主轴箱及变速箱系统设计 40 主轴上的与v轴右端小齿轮的齿轮。当iv轴齿轮直接与内齿离合器啮合时，主 轴将得到高9级转速。当脱开时，固联齿轮与背轮机构恰好接通，通过两个降速 1：2.5和1：3.12，主轴将得到低9级转速。 5.2.7 主轴组件设计主轴组件设计 主轴组件结构复杂，技术要求高。安装工件（车床）或者刀具（铣床、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。 由于主轴比较长，为提高其刚度，本设计采用三支撑方式，其结构要求箱 上的3个支撑孔应有高的同轴度，否则温升和空载功率增大。但3孔同轴加工难 度大，一般选中或后支撑为辅助支撑，只有载荷较大，轴产生弯曲变形时，辅 助支撑才起作用。 本设计，前支撑作为主要支撑点，选择内圆外锥式滑动轴承，它承载能力 大，摩擦系数小，温升低，极限转速高，能很好的满足设计要求，但不能承受 轴向力。中支撑处选择两列51214型推力球轴承，在作辅助支撑的同时，配合前 支撑承受轴向力。后支撑采用内圆外锥式滑动轴承，一方面，它能满足高速， 高精度，重载，以及同时承受较大轴，径向力的要求；另一方面，它能将主轴 由前向后的轴向力，充分的传至机身上，保证主轴良好的运转精度和动力性能 。各滚动轴承均有螺母调整其轴向间隙，内圆外锥式滑动轴承可通过双向背帽 调整其径向间隙。 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。 精密车床主轴箱及变速箱系统设计 41 5.3齿轮布置的注意问题齿轮布置的注意问题 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。 要保证正确啮合，齿轮在轴上的位置应该可靠。滑移齿轮在轴向位置由操 纵机构中的定位槽、定位孔或其他方式保证，一般在装配时最后调整确定 5.4主轴与齿轮的连接主轴与齿轮的连接 齿轮与主轴的连接可以用花键或者平键；轴做成圆柱体，或者锥面（锥度 一般取1：15左右）。锥面配合对中性