《金属切削机床》-课程设计-车床主轴箱设计【全套图纸】 .pdf

中北大学课程设计说明书 1 目录目录 1机床总体设计- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 1.1 机床布局- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 1.2 绘制转速图- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 1.3 确定带轮直径- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 1.4 验算主轴转速误差- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 5 1.5 绘制传动系统图- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 5 2估算传动件参数 确定其结构尺寸- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 5 2.1 确定传动见件计算转速- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 5 2.2 确定主轴支承轴颈尺寸- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 6 2.3 估算传动轴直径- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 6. 2.4 估算传动齿轮模数- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 6 2.5 普通 v 带的选择和计算- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 7 3机构设计- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 8 3.1 带轮设计- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 8 3.2 齿轮块设计- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 8 3.3 轴承的选择- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 8 3.4 主轴主件- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 8 3.5 操纵机构- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 8 3.6 滑系统设计- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 9 3.7 封装置设计- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 9 3.8 主轴箱体设计- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 10 3.9 主轴换向与制动结构设计- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 10 4传动件验算- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 10 4 .1 齿轮的验算- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 10 4.2 传动轴的验算- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 12 4.3 花键键侧压溃应力验算- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 16 4.4 滚动轴承的验算- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 16 4.5 主轴组件验算- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 15 5设计感想- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 17 6 参考文献- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 19 中北大学课程设计说明书 2 1 机床总体设计机床总体设计 轻型车床是根据机械加工业发展需要而设计的一种适应性强，工艺范围广，结构简 单，制造成本低的万能型车床。它被广泛地应用在各种机械加工车间，维修车间。它 能完成多种加工工序；车削内圆柱面，圆锥面，成形回转面，环形槽，端面及内外螺 纹，它可以用来钻孔，扩孔，铰孔等加工。 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 1.1 机床布局机床布局 （1）确定结构方案）确定结构方案 a）主轴传动系统采用 v 带，齿轮传动。b）传动型采用集中传动。c）主轴换向， 制动采用双向片式摩擦离合器和带式制动器。d）变速系统采用多联划移齿轮变速。e） 润滑系统采用飞溅油润滑。 （2）布局）布局 采用卧式车床常规的布局形式。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。 （3） 主传动系统运动设计主传动系统运动设计 确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： a）12=34 b）12=43 c）12=322 d）12=223 12=232 在上述的方案中 1 和 2 有时可以省掉一根轴。 缺点是有一个传动组内有四个传动副。 如果用一个四联滑移齿轮的话则会增加轴向尺寸；如果用两个滑移双联齿轮，则操纵 机构必须互梭以防止两个滑移齿轮同时啮合。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 中北大学课程设计说明书 3 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，就省材料了。这就是“前 多后少”的原则。从这个角度考虑，以取 12=322的方案为好。 设计的机床的最高转速rpmn1400 max = 最低转速rpmn 5 . 31 min = 变速范围44.44 min max = n n rn z=12 412 . 1 5 . 31 1400 11 = n r 公比为=1.414 主轴转速共 12 级分别为 31.5 45 63 90 125 180 250 355 500 710 1000 1400 则最大相对转速损失率: %29%100 41 . 1 1414 . 1 max = =a 选用 3.0kw 的电动机 型号为 y100l2- 4 转速为 1420r/min （4） 结构网或结构式各种方案的选择结构网或结构式各种方案的选择 在 12=232中，又因基本组和扩大组排列顺序的不同而有不同的方案。可能的 六种方案，其结构网和结构式见下面的图。在这些方案中可根据下列原则选择最佳方 案。 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 min i1/4。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2i。因此主传动链任一传动组的最大变速 范围一般为108 min max max = u u r。 方案 a b c d 是可行的。 方案 d f 是不可行的。 2）基本组和扩大组的排列顺序 a 12=3 631 22 b 12=3 612 22 c 12=3 162 22 d 12=3 361 22 e 12=3 214 22 f 12=3 124 22 在可行的四种方案 a b c d 中，还要进行比较以选择最佳的方案。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。如果没有别的要求则计量使扩大 中北大学课程设计说明书 4 顺序和传动顺序一致 a ) c )e ) b )d )f ) 1.2 绘制转速图绘制转速图 电动机 iiiiii iv 1400 1000 710 500 355 250 180 125 90 63 45 31.5 1420 (r/min) (r/min) 70:140 36:36 42:42 24:48 30:42 22:62 60:30 18:72 图图 2 转速图转速图 利用查表法求出各传动粗齿轮齿数 表表 1 齿轮齿数齿轮齿数 中北大学课程设计说明书 5 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 654321 zzzzzz 10987 zzzz 131211 zzz 14 z 齿数 36 36 30 42 24 48 42 42 22 62 60 30 18 72 1.3 确定带轮直径确定带轮直径 确定计算功率 knn j = k- 工作情况系数 工作时间为二班制 查表的 k=1.2 n- 主动带轮传动的功率 计算功率为kwkwn j . 6 . 30 . 32 . 1= 根据计算功率和小带轮的转速选用的三角带型号为 o 查表的小带轮直径推荐植为 70 大带轮直径 mmdd n n d140 710 1420 11 2 1 2 = 1.4 验算主轴转速误差验算主轴转速误差 主轴各级实际转速值用下列公式计算: cba d d e uuu d d nn=)1 ( 2 1 式中 cba uuu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: 主轴转 速 1 n 2 n 3 n 4 n 5 n 6 n 7 n 8 n 9 n 10 n 11 n 12 n 标准转 速 r/min 1400 1000 710 500 355 250 180 125 90 63 45 31.5 中北大学课程设计说明书 6 )%1(10 = 实际 标准实际 n nn n 表表 2 转速误差表转速误差表 转速误差用实际转速和标准转速相对误差应小于等于 4.1% 转速误差满足要求。 1.5 绘制传动系统图绘制传动系统图 详见图 2估算传动件参数估算传动件参数 确定其结构尺寸确定其结构尺寸 2.1 确定传动见件计算转速确定传动见件计算转速 表表 3 传动件计算转速传动件计算转速 传动 件 轴 齿轮 i ii iii iv 1 z 2 z 3 z 4 z 5 z 6 z 7 z 8 z 9 z 10 z 11 z 12 z 13 z 14 z 计算 转速 710 355 125 90 710 710 710 500 710 355 710 710 355 125 125 250 355 90 2.2 确定主轴支承轴颈尺寸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 3.0 选取前支承轴颈直径为 d=60- 80，选取mmd70 1 =。 后支承轴颈直径 5 . 4949)85 . 0 7 . 0( 12 =dd 选取 mmd55 2 = 23 估算传动轴直径估算传动轴直径. 表表 4 估算传动轴直径估算传动轴直径 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 传动 轴长 估计 轴的 花键轴尺寸 bddn 实际转 速 r/min 1420 1014 710 503.8 359.87 251.9 177.5 126.7 88.7 62.98 44.98 31.49 转速误 差% 1.43 1.4 0 0.76 1.37 0.76 1.39 1.36 1.44 00 0.04 0.0137 中北大学课程设计说明书 7 min/rnj kw p 角 mdeg/ 度 mm 直径 mm 4 91 = j n p d i 710 0.96 2.112 1.5 500 19.2 522186 ii 355 0.96995. 0 2.1 1.5 500 22.8 525216 iii 125 0.96 995. 099. 0 2.08 1.5 600 19.5 734286 2.4 估算传动齿轮模数估算传动齿轮模数 根据计算公式计算各传动组最小齿轮的模数 表表 5 估算齿轮摸数估算齿轮摸数 估算公式 传 动 组 小 齿 轮 齿数 比 1u 齿 宽 系 数 m 传递 功率 p 载 荷 系 数 k 系 数 h a 系 数 f a 许 用 接 触 应 力 hp 许 用 齿 根 应 力 fp 计 算 转 速 c n 系 数 fs y 模 数 h m 模 数 f m 选 取 模 数 m 按齿轮接触疲劳强度 3 22 1 ) 1( 267 uzn ukp am hpcm hh = 按齿轮弯曲疲劳强度 3 1 267 fpcm fs f zn kpy m = 第 一 变 速 组 5 z 2 4 2 7 2.112 1 61 1 1100 518 710 4.5 7 1.6 1.4 2 第 二 变 速 组 9 z 2 2 2.82 9 2.1 1 61 1 1100 518 355 4.6 5 1.9 1.7 2 中北大学课程设计说明书 8 第 三 变 速 组 13 z 1 8 4 7 2.08 1 61 1 1100 518 355 4.9 2.2 2 3 2.5 普通普通 v 带的选择和计算带的选择和计算 设计功率 pkp ad =（kw） kwpd6 . 30 . 32 . 1= 皮带选择的型号为 o 型 两带轮的中心距mmddao)(26 . 0( 21+ =范围内选择。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。 422 6 . 126= o a 计算带的基准长度： mm a dd ddal o dd ddo do 6 . 1134 4 )( )( 2 2 2 22 21 = += 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1120= n l 标准的计算长度为mmyll n 1139=+= 实际中心距 a= 8 )(8 2 12 2 ddaa+ 12.1615)14170(11392)(2 21 =+=+=ddla a= 2 . 402 8 71812.161512.1615 22 = + 为了张紧和装拆胶带的需要，中心距的最小调整范围为 a l lh 02 . 0 )01 . 0 ( + + 0.02l 是为了张紧调节量为 22.78 ( h+0.01l) 是为装拆调节量为胶带厚度. 定小带轮包角 0 1 o o o a dd 120 180 180 120 1 = 求得 o 4 . 176 0 1 =合格 中北大学课程设计说明书 9 带速 sm nd v/24 . 5 60000 143070 60000 11 = = 对于 o 型带smv/255= = = = = = = = w j w j w 第一传动组和第三传动组的齿轮是经过淬火的许用接触应力为 1100mpa，许用弯曲应 力为 320 mpa。第二传动组的齿轮是经过高频淬火其许用接触应力为 1370 mpa ，许用 弯曲应力为 354 mpa。 4.2 传动轴的验算传动轴的验算 对于传动轴要进行强度和刚度的验算，轴的刚度验算包括滚动轴承处的倾角验算和 齿轮的齿向交角的验算。如果是花键还要进行键侧压溃应力计算。 （1） 轴的强度验算轴的强度验算 由于机床变速箱中各轴的应力都比较小，验算时，通常采用复合应力公式进行计 算： 循环当考虑应力集中和载荷，由查表选取。选时适为许用应力复合应力式中：, 5 . 0 22 mprmpr mpr w tm r bb bb + = 特性等因素； w- 轴的危险断面的抗弯断面模数 2 mm 矩形花键轴： 32 )( 32 2 24 mm d ddddzb d d w + += 中北大学课程设计说明书 14 2 2 mmnt mmnmmm mmnm z b mmd mmd yx += 在危险面上的最大扭矩 距在危险断面上的最大弯 花键轴的键数 花键轴键宽 花键轴外经 径实心轴直径，花键轴内 109559 4 rpmn kwn mmn n n t j j 该轴的计算转速 该轴传递的最大功率 = 轴 ii 的 56493 1 . 1081 2532 46456 2532 21 24 = = + = t w 428.35 239.086 934.62 745.356 2567.86 2697.53 1176.9 1047.23 图图 3 剪力图和弯矩图剪力图和弯矩图 中北大学课程设计说明书 15 mpar m b 115 6 . 113 18.741 564935 . 074118 74118934.1649687.72258 2 22 = + = =+= 经过验算轴合格。 对轴对轴 i 倾角进行验算倾角进行验算 a b 309.25 428.35 119.1 左轴承 8153 64 4043018 64 )( )(101 . 2 )( 6 2424 5 22 = + = + = = = ddddbnd i mpae bl eil pb a 001 . 0 0009 . 0 2508153101 . 26 ) 5 . 180250( 5 . 18035.428 5 22 p= = a 右轴承 001 . 0 00067 . 0 25081531 . 26 ) 5 . 180 5 . 692( 5 . 69 5 . 18035.428 6 )2( p= + = + = eil bapab b 倾角允许值 =0.001 4.3 花键键侧压花键键侧压溃应溃应力验算力验算 花键键侧工作表面的挤压应力为： )( 8 22 max mpa lzdd t jvjv = 中北大学课程设计说明书 16 式中： 75 . 0 , max mpa z mml mmdd mmnt jv 许用压溃应力 通常载荷分布不均匀系数， 花键齿数 花键的工作长度 花键的外径和内径 花键传递的最大扭矩 = = mpa jv jvjv 140100 18 . 2 75 . 0 6250)2125( 564938 22 = = = 花键热处理 经过验算合格。 4.4 滚滚动轴承的验算动轴承的验算 机床的一般传动轴用的轴承， 主要是因为疲劳破坏而失效， 故应进行疲劳寿命验算。 滚动轴承的疲劳寿命验算： )(500hth klpkf cf l sf n h = 工作期限系数 转速变化系数 功率利用系数（ 时载荷对材料的强化影响寿命系数，不考虑交变 齿轮轮换工作系数， 寿命指数，滚子轴承 = = t n n tnnss l k k k kkkkk k )99 . 0 ( )58 . 0 8 . 0 3 10 中北大学课程设计说明书 17 ）额定动负荷（滚动轴承尺寸所表示的 轴向系数 径向系数 轴向载荷 径向载荷 当量动载荷 速度系数， 轴承的计算转速（ 当量动载荷 ）疲劳曲线指数（ ）基准循环次数（ ）最低转速（ 内的总工作时间（齿轮在机床工作期限 nc y x f f p yfxfp n ff rpmn p m c n htt c tn k a r ar j nn j o s m o t 20800 492 . 0 3 100 )355 3 10 355 )9000)( 60 7 1 1 += = = 经过计算 p=745.356 tlhf841806) 356.7458 . 054 . 1 2 . 1 492 . 0 20800 (500 3 10 = = 合格。 4.5 主轴主轴组组件验算件验算 前轴承轴径mmd70 1 =，后轴承轴径mmd55 2 = 求轴承刚度 主轴最大输出转矩： mmn n p t=44.233 90 2 . 2 95509550 根据主电动机功利为 2.2，在 1.5- 2.2kw 范围内。则床身上最大回转直径 d=320mm 刀 架上最大回转直径160 1 =d主轴通孔直径 dmm36,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 0.096mm。 切削力（沿 y 轴）nfc67.2431 096. 0 44.233 = 背向力（沿 x 轴） 835.12155 . 0= cp ff 故总的作用力 7 . 2718 22 =+= pc fff 中北大学课程设计说明书 18 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=1359.35 主轴孔径初选为 40 根据结构选悬伸长度 a=100mm 在计算时，先假定初值 l/a=3 l=3mm300100 = 前后支承的支反力 b rra和 n l