车床主轴箱-金属切削机床课程设计

第 1 页 学 课 程 设 计 说 明 书 学生姓名： 学 号： 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 : X 年 X 月 X X X X 教授 第 2 页 程设计任务书 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： 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： 系 主 任： 下达任务书日期 :2007 年 12 月 2 日 课 程 设 计 任 务 书 第 3 页 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方案 (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m a x 2000n m 60n 速级数： z=12， 电动机功率 ： 3N 。 2）工件材料： 45 号钢 刀具材料： ）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（ 5 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 第 4 页 4主要参考文献： 要求按国标 714 87文后参考文献著录规则书写，例： 1 陈易新 北京 : 机械工业出版社 , 范云涨 北京 : 机械工业 出版社 ,设计成果形式及要求： 图纸与说明书 6工作计划及进度： 年 月 日 月 日 发题目、阅读指导书、 收集资料。 月 日 月 日 运动 计算、绘制转速图、传动图 月 日 月 日 动力计算并进行结构设计 月 日 月 日 整理设计说明书 月 日 月 日 答辩或成绩考核 系主任审查意见： 签字： 年 月 日 第 5 页 目 录 一、 概述 . 1 属切削机床在国民经济中的地位 . 1 床课程设计 的目的 . 1 . 1 作性能要求 . 2 二、参数的拟定 . 2 定转速范围 . 2 主电机选择 . 2 三、传动设计 . 2 主传动方案拟定 . 2 传动结构式、结构网的选择 . 3 确定传动组及各传动组中传动副的数目 . 3 传动式的拟定 . 3 结构式的拟定 . 3 速图的拟定 . 4 四、 传动件 的估算 . 5 三角带传动的计算 . 5 传动轴的估算 . 7 传动轴直径的估算 . 7 齿轮齿数的确定和模数的计算 . 8 齿轮齿数的确定 . 8 齿轮模数的计算 . 9 宽确定 . 10 带轮结构设计 . 11 五、动力设计 . 11 轴刚度验算 . 11 选定前端悬伸量 C . 11 主轴支承跨距 L 的确定 . 12 算 C 点挠度 . 12 轮校验 . 14 六、结构设计及说明 . 15 结构设计的内容、技 术要求和方案 . 15 展开图及其布置 . 16 齿轮块设计 . 16 他问题 . 17 主轴组件设计 . 17 七、总结 . 18 八、参考文献 . 19 第 1 页 一、 概述 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。 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 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 (正转最高转速 电机功率 N（ 公比 转速级数 Z 11 400 2000 3 2 第 2 页 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 定转速范围 查金属切削机床表 7160r/200r/250r/315r/400r/00r/630r/800r/1000r/1250r/1600r/2000r/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 3据车床设计手册附录表 2选 定功率 3满载转速 1430 最大额定转距 2.2 三、 传动设计 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 第 3 页 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。 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。 确定传动组及各传动组中传动副的数目 级数为 传动组分别有 Z 、 Z 、个传动副。即 321 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； 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。 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： ， ， ， 第 4 页 初选1 2 61 2 2 3 2 的方 案。 速图的拟定 图 1正转转速图 图 2主传动系图 第 5 页 四、 传动件的估算 三角带传动的计算 三角带传动中，轴间距 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： 1 . 1 5 . 5 6 . 0 5c a P K W 式中 查机械设计图 8此选择 寸参数为 B=80mm，1h=10， 40 。 (2)确定带轮的计算直径 D ， D 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 D 不宜过小，即 。查机械设计表 88动轮基准直径 D =100m 由公式 11212 式中： n n 般取 所以 2 1440 1 4 0 1 0 . 0 2 2 2 0 . 5800D m m ，由机械设计 A表 824 (3)确定三角带速度 按公式 11 3 . 1 4 1 2 5 1 4 4 0 9 . 4 26 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0Dn mV s (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 1 2 0 1 20 . 7 2D D A D D m m 取 2 1 2 5 2 2 4 6 9 8 ，取0A=600 第 6 页 (5)三角带的计算基准长度L A 20 2 2 4 1 2 53 . 1 42 6 0 0 1 2 5 2 2 4 1 7 5 1 . 9 32 4 7 0 0L m m 由机械设计表 8整到标准的计算长度 1800L (6)验算三角带的挠曲次数 1000 1 0 . 3 1 4 0 次，符合要求。 (7)确定实际中心距 A 00A 6 0 0 1 8 0 0 1 7 5 2 2 6 2 42m m （） (8)验算小带轮包角 0 0 0 0211 1 8 0 5 7 . 5 1 1 7 0 . 9 1 2 0 ，主动轮上包角合适。 (9)确定三角带根数 Z 根据机械设计式 800p p k k 传动比 121 4 4 0 / 8 0 0 1 . 8vi v 查表 880p= p= 表 8k=表 8-2， 6 . 0 5Z 4 . 31 . 3 2 0 . 1 5 0 . 9 8 1 . 0 1 所以取 根 第 7 页 (10)计算预紧力 查机械设计表 8q=m 2022 . 55 0 0 16 . 0 5 2 . 55 0 0 1 0 . 1 7 . 5 47 . 5 4 5 0 . 9 81 3 0 . 1q vv z 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。 传动轴直径的估算 4 A m 其中： 计算转速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 I， 的 K=A=100； 是花键轴，取 K=A= 所以41 5 . 5 0 . 9 6( 9 2 1 . 0 5 ) 2 5 . 38 0 0 1 . 5d m m m m ， 取 302 5 . 5 0 . 9 6 0 . 9 9 0 . 9 8( 9 2 1 . 0 5 ) 2 7 . 4250d m m m m , 取 35 第 8 页 43 5 . 5 0 . 9 6 0 . 9 9 0 . 9 8 0 . 9 9 0 . 9 8( 9 2 1 . 0 5 ) 3 8 . 5125d m m m m , 取 40轴径为平均轴径，设计时可相应调整。 齿轮齿数的确定和模数的计算 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 小齿轮的齿数可以从表 3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：1 01 1u , ,机械制造装备设计表 3数和 72 Z =36， 2Z =42， 3Z =32,6,2,2； 第二组齿轮： 传动比：1 01 1u ,， 齿数和 72： 6， 24， 6,8； 第三组齿轮： 传动比： ： 3， 20， 7， 0; 第 9 页 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 3 221116338 j m mZ i n 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 i 大齿轮齿数和小齿轮齿数之比 1i 1Z 小齿轮齿数 m 齿宽系数，m （ 6 10m j 许用接触 应力 传动组 3 221 . 6 2 . 01 6 3 3 8 1 . 9 36 2 7 1 . 6 6 0 0 1 2 5 0 传动组 3 223 2 . 01 6 3 3 8 2 . 3 96 2 4 2 6 0 0 8 0 0 传动组 225 2 . 01 6 3 3 8 4 . 1 26 1 8 4 6 0 0 4 0 0 故选取标准模数 2 . 5 , 2 . 5 , 3a b cm m m 。 (4)标准齿轮： *2 0 h 1 c 0 . 2 5 度 ， ，从机械原理 表 10得以下公式 齿顶圆 2+(= *1齿根圆 *1( 2 2 )z h c m 分度圆 齿顶高 =齿根高 +(= *齿轮的具体值见表 齿轮尺寸表 第 10 页 齿轮 齿数 z 模数 m 分度圆 d 齿顶圆 6 0 95 40 00 105 32 0 85 36 0 95 32 0 85 40 00 105 36 0 95 24 0 65 36 0 95 0 48 20 125 1 43 3 129 132 2 20 3 60 63 3 27 3 81 84 4 50 3 150 153 齿宽确定 由公式 6 1 0 ,m m 为 模 数得： 第一套啮合齿轮 6 1 0 3 1 8 3 0IB m m 第二套啮合齿轮 6 1 0 3 1 8 3 0m m 第 11 页 第三套啮合齿轮 6 1 0 3 1 8 3 0m m 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121 8 , 1 8B m m B m m，3 18B m，4 18B 5 6 7 8 9 1 02 5 , 2 0 , 2 5 , 1 8 , 2 5 , 2 0B m m B m m B m m B m m B m m B m m ， 1 1 1 2 1 3 1 41 8 , 2 0 , 2 0 , 1 8B m m B m m B m m B m m 带轮结构设计 查机械设计 ，当 300dd m m 时 , 采 用 腹 板 式。 机械零件手册确定选用深沟球轴承 6211， d=55=100轮内孔尺寸 是轴承外径尺寸 100机械设计表 8定参数得： m i 5 , 2 . 0 , 9 . 0 , 1 2 , 8 , 5 . 5 , 3 8d a fb h h e f 带轮宽度： 1 2 5 1 8 2 7 6 4B z e f m m 分度圆直径： 280dd 1 1 . 9 1 . 8 1 0 0 1 8 0 , 5 / 2 8 1 1 . 4 1 2d D m m m m C B m m ， 6 4 ,L B m m 五、 动力设计 轴刚度验算 选定前端悬伸量 C 参考机械装备设计 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=120 第 12 页 主轴支承跨距 L 的确定 一般最佳跨距 0 2 3 2 4 0 4 2 0L C m m，考虑到结构以及支承刚度因磨损会不断降低，应取跨距 考虑到结构需要，这里取 L=600 算 C 点挠度 1）周向切削力42 9 5 5 1 0 其中 75 . 5 , 0 . 9 6 0 . 9 8 W , m a 5 0 . 6 0 . 5 0 . 6 4 0 0 2 0 0 2 4 0 ,2 4 0 , 3 1 . 5 / m i m mD n r 取故 4 42 9 5 5 1 0 0 . 8 2 5 . 5 1 . 1 5 1 02 4 0 3 5 . 5 ，故 41 . 1 2 1 . 7 3 6 1 0 N 。 330 . 4 5 6 . 9 8 1 0 , 0 . 3 5 5 . 4 3 1 0 Nr t f N P P 1） 驱动力 参考车床主轴箱指导书， 72 . 1 2 1 0 其中 75 . 5 0 . 9 6 0 . 9 8 4 . 5 8 , 7 2 , 3 , 3 5 . 5 / m i K W z m n r 所以 744 . 5 82 . 1 2 1 0 1 . 1 3 1 04 7 2 3 5 . 5 3） 轴承刚度的计算 这里选用 4382900 系列双列圆柱子滚子轴承 第 13 页 根据 0 . 1 0 3 0 . 82 2 . 2 2 2 1 . 5 求得： 0 . 1 0 3 0 . 8 50 . 1 0 3 0 . 8 52 2 . 2 2 2 1 . 5 7 0 8 . 4 8 1 0 /2 2 . 2 2 2 1 . 5 1 0 0 9 . 2 2 4 1 0 / m m m 4）确定弹性模量，惯性距 I；长度 , 轴的材产选用 40简明机械设计手册 52 0E M P a 主轴的惯性距 44 644 . 2 7 1 064m m 外 内 主轴 4 4 4 640 . 6 6 . 2 5 1 064m m 11 切削力 =C+W，对于普通车床， W= H=200 则： 1 2 0 0 . 4 2 0 0 2 0 0S m m 根据齿轮、轴承宽度以及结构需要，取 b=60 计算切削力 点引起主轴前端 2322363c s p c A L Cs c c L s c s m E I C L C L 代入数据并计算得 计算驱动力 轴前端 2226c m q c L b L b L C L b m L C L C L 第 14 页 计算得： 求主轴前端 轴上的分量代数和为 c o s c o s c o s ,c y c s p p c m q q c m my y y y 6 6 , 2 7 0 , 1 8 0p q m 其 中 ，计算得： 0 2 8m m 。综合挠度22 0 . 1 1 8c c y c zy y y m m 。 综 合 挠 度 方 向 角 a r c 7 2 . 2 5，又 0 . 0 0 0 2 0 . 0 0 0 2 6 0 0 0 . 1 2y L m m 。因为 ，所以此轴满足要求。 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： 4 12 0 8 8 1 0 v a k k k k m u B n k查机械装备设计表 10 100 . 1 5 , 1 . 2 0 ; 1 . 0 5 , 1 . 2 5H B F B v Ak k k k 假定齿轮工作寿命是 48000h，故应力循环次数为 96 0 6 0 5 0 0 1 4 8 0 0 0 1 . 4 4 1 0hN n j L 次查机械装备设计图 10 . 9 , 0 . 9F N H ，所以： 第 15 页 23372 1 1 . 1 5 1 . 0 5 1 . 2 5 0 . 9 7 . 5 0 . 9 6 0 . 9 82 0 8 8 1 0 18 1 . 0 2 4 1 0721 8 4 2 1 5 0 018f M P a 2） 弯曲应力： 521 9 1 1 0 v a k k k m B Y n 查金属切削手册有 Y=入公式求得：查机械设计图 10轮的材产选 40 碳 ，大齿轮、小齿轮的硬度为 60有 1650f M P a，从图 10 920w M 。因为： ,f f w w ，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 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。 第 16 页 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