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AD 机床 设计

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盐城工学院机械工程系毕业设计说明书 1 0 0 引言引言 车床、铣床、镗床等机床是各类机械制造厂用的最多的设备，学生比较熟悉， 在结构上兼有一般机械的特点。而对于箱体类零件，其加工一般都需经平面加 工,以及镗、扩、铰、钻及攻螺纹等工序。在中小企业，孔系加工是工厂新产品 开发中的薄弱环节。鉴于以上原因，许多学校机械制造类专业都选择围绕机床 方面进行布置设计课题，我的毕业设计课题就是涉及这个领域，具体的说是关 于台式车床车头箱孔系加工分配箱机构设计。 我的这次毕业设计是在学完基础课及有关的专业课的基础上，结合机床主传 动部件设计进行的综合训练，其目的包括： 1掌握机床主传动部件（分配箱）设计过程和方法，包括参数拟定、传动 设计、零件计算、结构设计等，培养自己结构分析和设计的能力。 2综合运用过去所学的理论知识，提高自己联系实际和综合分析的能力。 3训练和提高自己设计的基本技能。如计算、制图，学习运用标准、手册， 图册和查阅有关技术资料，编写技术文件（说明书等） 。 为了保质保量的按期完成设计，我在认真阅读设计任务书，到工厂参观以及 查找有关资料的基础之上，比较和选择传动装置的方案，根据所要加工图纸的 要求及切削用量手册，确定各传动齿轮的齿数，并计算各轴转速；设计计算各 级传动件的参数和主要尺寸，例如主轴、输入轴以及分配箱内传动零件（齿轮） ,并且对所设计的零件的结构进行了详细的分析,对主轴和齿轮进行了强度校核, 经过反复的计算和修改,使得最终的设计满足要求. 在设计的过程中，我紧紧把握以下设计原则：分配箱的结构尽量从简，设计 传动系统时，尽可能地减少了主轴、传动轴和传动齿轮的数量；由于床头箱主 轴正反转能够通过操作手柄方便地进行转换，在考虑齿轮回转方向时，只要各 分主轴转向一致即可，不必保证各分主轴与机床主轴通常工作转向取得一致； 由于车床车头箱转速的可变的范围很大，设计各分主轴转速时，只考虑了能与 工件被加工孔径匹配即可，这样可以通过车床车头箱变速来使得各分主轴得到 比较合理的切削速度；在设计分配箱轴承支墙跨度时，由于设计采用浮动联接， 加工精度主要是靠镗模来保证，支墙跨度只要满足变速齿轮安装的必要空间即 可。对这些原则的掌握，使得设计的周期大大减少了，而且完全能满足要求。 对于设计而言，首先要保证的是产品的功能及其可靠性，并保证产品有良 台式车床车头箱孔系加工分配箱机构设计 2 好的工艺性。机械设计是一项创造性的劳动，新颖的设计要有新的构思，对此， 我们一方面应大胆地采用新理论和新结构，另一方面也要总结经验采用已有的 成功的技术和结构。设计过程中通常要有几套设计方案，在查阅资料的基础上， 在各方面对这些方案进行对比，从中选出最佳的方案。具体到各个零件的设计， 也应满足一些准则，首先是结构设计的准则，简而言之，可以用“明确、简单、 安全” 六个字来表达。在上述准则下，还应考虑技术设计中出现的强度、刚度、抗振 性、耐磨性、耐热性、工艺性等问题。 制造业作为我国的支柱产业，在整个国民经济中占有举足轻重的地位。它 是我国比较优势的产业，而制造业的主体和基础是机床行业，当今世界，全球 经济逐渐走向一体化，这对我国制造业的要求不断提高，如何抓住机遇、面对 挑战和赢得发展的契机，成为机床行业普遍面临的问题。近年来，世界各国积 极发展各种新型的设计理论和方法，例如计算机辅助设计（CAD） 。这种方法可 以做到按既定要求进行优化设计，而且还可以缩短设计周期、提高产品设计质 量，降低成本和节省人力。我们在这次设计中，就部分地使用了计算机辅助设 计的一些功能，在今后的设计过程中，一定会逐步地甩掉图板，完全在计算机 上进行设计。 盐城工学院机械工程系毕业设计说明书 3 1.主传动设计主传动设计 1.1 主传动方案主传动方案 111 传动布局传动布局 对于有变速要求的主传动，其布局方式可以分为集中式传动和分离式传动。 把主轴组件和主传动的全部变速机构集中装于同一个箱体内，称为集中传动式 布局，把主轴组件和主传动的大部分变速机构分离装于两个箱体内，称为分离 传动式布局。 对于以上两种布局，集中传动式布局的优点是结构紧凑，便于实现集中操 纵；箱体数少，在机床上安装、调试方便，缺点是传动件的振动和发热会直接 主轴的工作精度。而分离传动式布局的优点是变速箱中产生的振动和热量不易 传给主轴，从而减少了主轴振动和热变形，但其缺点是箱体数多，加工、装配 的工作量大，成本较高，位于传动链后面的带传动低速时传递的转矩较大，容 易打滑，相比较之下，本设计选用集中传动式布局。 112 变速方式变速方式 机床主传动的变速方式可分为无级变速和有级变速两种。无级变速是指在 一定速度范围内能连续任意地变速，有级变速是指在若干固定速度（或转速） 级内不连续的变速，通常是由齿轮等变速元件构成的分配箱来实现变速。相比 之下，有级变速传递功率大，变速范围大，传动比准确，工作可靠，结合本次 设计的特点，采用有级变速方式。 113 传动系统传动系统 采用交换齿轮，其布置形式采用同轴线式，这样箱体长度较小，重量轻， 结构紧凑。 114 设计原则设计原则 设计分配箱应注意到尽可能缩短设计周期。分配箱的结构尽量从简，由于 分配箱不是采用组合机床的标准部件结构，所以设计传动系统时，宜尽可能减 台式车床车头箱孔系加工分配箱机构设计 4 少主轴、传动轴和传动齿轮的数量；由于床头箱主轴正反转能够通过操作手柄 方便地进行转换，所以在考虑齿轮回转方向时，只要个主轴分轴转向一致即可， 不必保证是各分主轴与机床主轴通常工作转向取得一致；由于车床分配箱转速 可变的范围很大，所以设计各分主轴转速时，只要考虑能与工件被加工孔径匹 配，便可通过车床车头箱变速来使个分主轴得到比较合理的切削速度。另外， 在设计分配箱轴承支墙跨度时要注意，由于本设计采用的浮动连接镗杆的分配 箱，其精度是靠镗模保证，支墙跨度只要满足变速齿轮安装的必要空间即可。 掌握以上几条原则，可以节省较多的设计时间而且能够满足设计要求。 12 主传动运动设计主传动运动设计 机床主传动的运动设计任务是：按照已确定的运动参数、动力参数和传动 方案，设计出经济合理、性能先进的传动系统。其主要的设计内容包括：确定 各传 动副的传动比；确定齿轮齿数和模数；布置和排列齿轮等。对于本设计，一般 要 按照下列步骤进行分析和计算： 121 制定工艺方案制定工艺方案 这是设计的第一步，也是最重要的一步，工艺方案制定的正确与否，将决 定本次设计能否达到“体积小、重量轻、结构简单、效率高，质量好”的要求。 为 了使工艺方案制定得合理先进，必须从认真分析被加工零件（或同类零件）的 图纸开始，深入现场全面了解被加工零件的结构特点，加工部位、尺寸精度、 表面粗糙度和技术要求，定位、夹紧方，工艺方法和加工过程所采用的刀具、 辅具，切削用量情况及生产率要求等，分析其优缺点，总结设计、制造、使用 单位和操作者的经验等因素，以求理论紧密联系生产实际，从而确定零件在机 床上完成的工艺（工序）内容和方法，决定刀具的种类、结构形式。 （1） 制定工艺方案应考虑的问题 机床常用的工艺方法能达到的精度及表面粗糙度：由于被加工零件的精度 要求，加工部位尺寸、形状、结构特点，材料和生产率要求不同，设计过程中 必须采用不同的工艺方法和工艺过程。对于铸铁件不同精度孔的工艺方法如下： 盐城工学院机械工程系毕业设计说明书 5 为粗镗、半精镗、精镗以上的孔，其工艺方法对于 合，钻、扩、铰或钻镗结加工直径大于 钻、铰或钻、扩、铰为：加工直径到以下的孔，其工艺方法对于 mm mm mmmmH 40 16 ,1640:7 本设计主要为镗加工，镗孔一般适宜被加工孔径 umRITmm a 6 . 1740可达，以上，精镗可达精度 （2）确定工艺方案的原则及注意问题 主要是安排好粗、精加工工序，必须根据零件的生产批量，加工精度和技 术要求进行全面分析，按照经济地满足加工要求的原则，合理解决粗加工和精 加工工序的安排 （3）定位基准及夹压点的选择 对于本设计是对台式车床车头箱孔系的加工，而箱体类零件是机械加工中 工序多，精度要求高的零件。这类零件一般都有较高精度的孔需要进行加工， 又常常要在几次安装下进行，因此，定位基准选择“一面两孔”是最常用的方 法 122 确定切削用量确定切削用量 为使加工过程顺利地进行并保证加工精度，必须合理的确定工序间余量。 对于半精镗，对于精镗mmmm2 . 17 . 08020直径上工序间余量为 在确定镗孔余量时，应注mmmm40 . 0 25 . 0 13030直径上工序间余量为 意其对镗杆直径大小的影响，尤其是在工件需要让刀以便使刀具通过时（多刀 加工多层壁同心孔系） ，由于加工余量和工件让刀的影响，往往要减少镗杆直径。 若导致镗杆刚性不足，必要时可以减少粗镗余量。 机床的分配箱上所有的刀具共用一个进给系统，通常为标准动力滑台工作 时要求所有的刀具的每分钟进给量相同，且等于动力滑台的每分钟进给量，这 个每分钟进给量应是适合于所有刀具的平均值。因此，同一分配箱上min)/(mm 的刀具可以设计成不同转速和选择不同的每转进给量与其相适应，以满)/(rmm 足不同直径工件的加工需要，即= iif nfnfn 2211f v 式中： 分）各主轴转速（转/, 21i nnn各主轴进给量 i fff 21 台式车床车头箱孔系加工分配箱机构设计 6 转）（毫米动力滑台每分钟进给量/ f v 表 1-1 镗孔的切削用量(见下页) 工序刀具材料 分）（米/v转）（毫米/f 粗镗高速钢 硬质合金 12-25 25-50 025-080 040-150 半粗镗高速钢 硬质合金 12-35 50-70 01-03 015-045 精镗硬质合金 70-90 012-015 由孔系的尺寸结合上表，选取切削速度分米/15 123 传动计算传动计算 初选输入轴的齿数为19 0 z 对于输入轴 0：min/100rn 入 对于 1 轴： min/101 47 151000 min/113 42 151000 12 11 rn rn 对于 2 轴： min/ 2 . 68 70 151000 min/ 8 . 91 52 151000 22 21 rn rn 盐城工学院机械工程系毕业设计说明书 7 对于 3 轴： min/59 80 151000 min/ 5 . 53 90 151000 min/ 7 . 47 100 151000 min/ 4 . 43 110 151000 34 33 32 31 rn rn rn rn 对于 4 轴： min/159 70 151000 min/190 25 151000 42 41 rn rn 对于 5 轴： min/ 8 . 91 52 151000 min/101 47 151000 52 51 rn rn 经过反复验算和修改，确定各主轴转速分别为： min/90 min/90 min/75 min/75 min/90 min/100 5 4 3 2 1 0 rn rn rn rn rn rn 对于 0-1 传动：11 . 1 1 0 01 n n i 对于 0-2 传动：33 . 1 2 0 02 n n i 对于 0-3 传动：11 . 1 3 0 03 n n i 对于 0-4 传动：11 . 1 4 0 04 n n i 对于 0-5 传动：11 . 1 4 0 05 n n i 台式车床车头箱孔系加工分配箱机构设计 8 在 0-3 传动中，齿轮副中心距为取因为 0、3 之间采,55 03 mmA5 . 2m 用直接啮合传动，不存在过渡的齿轮，所以根据公式 可得到： 0 3 03 z z i 圆整为 25 同理： 27.251933 . 1 0303 izz21 5 z 对于 3-2 传动中:齿轮副中心距为 21 ,09.211911 . 1 ,123 0202 0 2 0232 圆整到 可得需要采取过渡齿轮，由izz z z immA 对于过渡齿轮,在装配草图上画图,尽量采用和齿轮 2 相同或相差不大的齿 数,经过画图,采用齿数为 25 的齿轮,并利用与 3、2 齿轮的分度圆相切，从而定 出过渡轮 7 的位置。 同理:可以分别算出21 4861 zzzz 下面验算各主轴的转速： min/48.90 21 19100 min/48.90 21 19100 min/76 25 19100 min/76 25 19100 min/48.90 21 19100 5 00 5 4 00 4 3 00 3 2 00 2 1 00 1 r z zn n r z zn n r z zn n r z zn n r z zn n 转速的相对损失： %53 . 0 %100 90 9048.90 %33 . 1 %100 75 7576 21 23 nn nn 由计算的结果可以看出，转速的相对损失在 5%以内，符合设计要求，从而 论证了孔系加工进给量选取的合理性。 盐城工学院机械工程系毕业设计说明书 9 2主轴设计主轴设计 21 结构设计结构设计 轴的结构设计主要是使轴的各部分具有合理的结构和尺寸,影响轴的结构 的因素很多,因此轴的结构没有标准的形式。设计时，必须针对轴的具体情况作 具体的分析，全面考虑解决。轴的结构设计的主要要求是：（1）装在轴上的零 件有确定的位置，且布置合理 （2）轴受力合理，能可靠地传递力和转矩，有 利于提高强度和刚度 （3）具有良好的工艺性 （4）便于装配和调整 （5）节 省材料，减轻质量 211 确定切削力、切削扭矩、切削功率及刀具耐用度确定切削力、切削扭矩、切削功率及刀具耐用度 根据选用的切削用量（主要指切削速度 v 及进给量 f ） 。确定切削力，作 为选择动力部件及夹具设计的依据；确定切削扭矩，用以确定主轴及其他传动 件（齿轮、传动轴等）的尺寸；确定切削功率，用以选择主电机（一般指动力 箱电机）功率；确定刀具的耐用度，用以验证所选刀具是否合理。 人们根据生产实践及试验研究成果，已经整理出不同材料刀具对不同材料 工件进行钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、锪端面、攻丝加工等的切削力 p，切削扭 矩 M，切削功率 N，刀具耐用度 T 的计算公式，可供设计时使用。 切削力 p，切削扭矩 M，切削功率 N，刀具耐用度 T 的计算公式： 台式车床车头箱孔系加工分配箱机构设计 10 )42.() 9600 ( )32( 9740 )22(10 ) 12(26 8 8 3 . 155 . 0 25 . 0 8 8 8 . 08 . 09 . 1 8 6 . 08 . 0 HBVf D T D MV N HBfDM HBDfP 式中：P-切削轴向力（牛） D-刀具头直径（毫米） f-每转进给量（毫米/转） M-切削扭矩（牛/毫米） N-切削功率（千瓦） T-刀具耐用度（分） V-切削速度，通常根据所加工孔深度考虑修正系数 Kv HB-零件的布氏硬度值，通常给出一个范围 对主轴 5 进行计算，查表得到 D=45mm，f=0.4mm/r,HB=260 代入上述公式， 得 KWN T mmNM NP 04 . 2 459470 15189654 min246) 2604 . 015 459600 ( /1869542604 . 04510 8 . 158052604 . 04526 8 3 . 155 . 0 25 . 0 6 . 08 . 09 . 1 6 . 08 . 0 212 初步估算轴的直径初步估算轴的直径 设计轴时，往往先从粗略估算轴的直径开始，并以此作为设计依据。根据 扭转强度条件粗略计算轴的直径是常用的计算方法，设计时只考虑轴在转矩作 用下所受到的切应力，而采用降低许用应力的方法适当地考虑弯曲应力的影响， 这种方法可以作为主轴和不太重要的轴的最终强度计算方法。 由材料力学可知，轴受到转矩作用时，其强度条件为： 盐城工学院机械工程系毕业设计说明书 11 )52( 2 . 0 1055 . 9 1 3 6 T d n P WT T T 写成设计公式，轴的直径为： )62( 2 . 0 1055. 9 1 33 6 n P C nT P d 式中： T-轴所传递的扭矩，单位为 N .mm WT-抗扭截面系数，单位为 mm C-由轴的材料和承载情况所确定的常数，查表 10-2 P-轴所传递的功率，单位为 Kw n-轴的转速，单位为 r/min T-许用切应力，单位为 Mpa，查表 10-2 由表选取 C=106 P 取与刀具切削功率相等的值，即 P=2.04Kw 轴的转速 n=90r/min 将数值代入公式，得到： mmd94.29 90 04 . 2 106 因为轴上开有键槽，轴径应按计算值加大 3%计算，所以 d29.9(1+3%)30.4mm 圆整取值得 d=30mm 213 轴的结构分析及轴上零件的固定轴的结构分析及轴上零件的固定 为了便于轴上零件的装拆，常将轴做成阶梯形状，因在本设计中主轴只需 传递运动，且根据轴上所装的零件特点，可以将轴的主要部分做成等直径轴； 但在装轴承处的轴颈需要按照轴承标准配合进行选取，并且要求有较高的加工 精度和表面粗糙度；轴上装齿轮处留有键槽，键槽的尺寸查表画出。 轴的设计还必须考虑轴上零件的固定，齿轮用开槽锥端紧定螺钉和轴用钢 台式车床车头箱孔系加工分配箱机构设计 12 丝挡圈作轴向固定，开槽锥端紧定螺钉和轴用钢丝挡圈的尺寸按国标查出；用 平键做圆周方向上的固定，其尺寸按国标查表；轴承在轴向的固定通过箱体上 的铸造结构代替轴肩来实现，在圆周上的固定是靠内圈与轴之间的配合来实现。 选择轴的材料,应该考虑下列因素(1)轴的强度、刚度以及耐磨性要求 （2） 热处理的方法；（3）材料来源；（4）材料的加工工艺性；（5）材料价格等 轴的材料常用的有碳素结构钢、合金结构钢和球墨铸铁 其中碳素结构 钢具有较好的综合力学性能，尤以 45 钢最为常用，本设计就是采用 45 钢，为 了提高其力学性能，通常进行调质处理或者正火处理。 M30X1.5 1X45 3X0.5 15 5625 30js6( 0.0065) A 1.6 37 8( ) +0.027 0 1.6 226 +0.20 +0.10 A A 2X45 11 2X45 42 1.6 1.6 244 26 5 25.5 0 -0.20 8 0 -0.036 36.5 30k6(+0.002) +0.015 26+0.005 +0.10 1.6 R1.5 3.2 60 A A 11 3 0.5 2 0.5 1.6 41 A-A 12 6 1.6 1.6 30 30 上上 6.3 120 图 2-1 22 轴的强度校核轴的强度校核 轴的结构设计确定了轴的结构形状和尺寸，为了进行轴的强度计算，需要 将轴的实际受力情况简化成计算简图，即建立力学模型。 （1）齿轮传给轴的分散力，在一般计算中，简化为集中力，并作用在 轮缘宽度的中点，这种简化，一般偏于安全。 （2）作用在轴上的转矩，在一般的计算中，简化为从传动件轮毂的中 点算起的转矩。 盐城工学院机械工程系毕业设计说明书 13 （3）周的支承反力的作用点随轴承的类型和布置方式而异。简化后， 将双支点轴当作受集中力载荷的简支梁进行计算。 具体的计算是根据轴的疲劳强度安全系数的较核计算，对于一些重要的轴， 要进行疲劳强度的计算。该方法考虑了影响疲劳强度的各个因素，如应力变化 特征、应力集中、表面质量、尺寸等。因此，该方法是一种精确的方法。轴的 疲劳强度的校核计算，是对轴的危险剖面的疲劳强度安全系数进行的校核计算。 危险剖面是指发生破坏可能性最大的剖面。但是，在具体校核计算之前，有时 很难确定哪个剖面是危险剖面。因为影响轴的疲劳强度的因素很多，弯矩和转 矩最大的剖面不一定就是危险剖面，而弯矩和转矩不是最大的剖面，因其直径 小，应力集中严重，却有可能是危险剖面。在计算前无法准确确定危险剖面的 情况下，就必须对可能的危险剖面都进行校核。 校核危险剖面疲劳强度安全系数的公式为 )72( 1 22 S SS SS s 其中在弯矩作用下和在转矩的作用下的安全系数分别为 )92( )82( 1 1 1 1 m ma K S K S ）（见表许用疲劳强度安全系数 ）；至表表面质量系数（见附表 弯曲、扭剪的应力幅； ；弯曲、扭剪的平均应力 ）；数（见表折算为应力幅的等效系弯曲、扭剪时平均应力 ）；寸系数（见附表弯曲、扭剪时的绝对尺 ）；至表中系数（见附表弯曲、扭剪时的有效集 ）；限（见表料的弯曲、扭剪疲劳极对称循环应力时试件材 数；只考虑转矩时的安全系 数；只考虑弯矩时的安全系 计算安全系数： 610 710510 , , 110, 410, 310110, 110. 11 S KK S S S aa mm 台式车床车头箱孔系加工分配箱机构设计 14 下面对具体的轴进行强度校核： （1） 画出轴的受力简图，并进行轮齿受力计算 t F 1 1 2 d T aFF tr tan 式中 ）位为（为分度圆的压力角，单啮合角，标准齿轮传动 直径，单位为标准齿轮传动为分度圆 为齿轮传递的扭矩，单位 a mmd mmNT 1 1 所以, NFt7122 5 . 221 1869542 NFr259220tan7122 对于车削中主切削力三者之间的比例大约为和切深抗力轴向力 pfc FFF , 1: )7 . 015. 0( : )6 . 01 . 0(: cpf FFF 取NFFF cfa 7902 8 . 158055 . 05 . 0 在水平面上N ll dF lF F a r HR 2191 )40102(2 5 . 221 9 . 7902402592 2 32 3 1 NF HR 40121922592 2 在垂直面上N F FF t VRVr 3561 2 7122 2 21 (3)画出弯矩图(见 图) 在水平面上,mmNlFMaa HRaH 2234821022191 21 剖面左侧 盐城工学院机械工程系毕业设计说明书 15 mmNlFMaa HRaH 1604040401 32 剖面右侧 在垂直面上mmNlFMM VRaVaV 3632221023561 21 合成mmNMaa a 426467363222223482 22 剖面右侧 mmNMaa a 36357636322216040 22 剖面左侧 (4)画出弯矩图(f) 转矩mmNT 5 . 186952 2 5 . 2217122 (5)由表 10-1 查得 MPaMPa bb 100,60 01 6 . 0 100 60 0 1 b b a 在aa 截面左侧 3 2 3 2 3 3 . 2636 302 )3 . 330(258 301 . 0 2 )( 1 . 0mm d tdbl dW MPa W aTM e 7 . 16 )( 22 在左侧bb 333 2700301 . 01 . 0mmdW 32 309398 102 28 mmN l MM ab MPa W aTM e 3 . 16 )( 22 (6)轴的疲劳强度安全系数校核 由表 10-1 查得,MPaMPaMPa B 155,300,650 11 1 . 0, 2 . 0 在截面左侧aa 3 2 3 5086 2 )( 2 . 0mm d tdbt dWT 台式车床车头箱孔系加工分配箱机构设计 16 由附表 10-1 查得63 . 1 , 1 KK 由附表 10-4 查得绝对尺寸系数轴经过磨削加工,有附表查得76 . 0 ,81 . 0 表面质量系数 则:1 弯曲应力MPa W M b 1 . 16 26363 426467 应力幅MPa ba 1 . 16 平均应力0 m 切应力 MPa W T T T 24.19 2700 5 . 186952 MPa T ma 62 . 9 2 安全系数09.15 1 . 16 81 . 0 1 1 300 1 ma K S 18 . 7 62 . 9 1 . 062 . 9 76 . 0 1 63 . 1 155 1 m K S 48 . 6 18 . 7 09.15 18 . 7 09.15 2222 SS SS S 由表 10-6 查得许用安全系数,显然此截面是安全的 5 . 13 . 1S 在 b-b 截面的右侧 抗弯截面系数 333 2700301 . 01 . 0mmdW 抗扭截面系数 333 5400302 . 02 . 0mmdWt 又已经求得 所以弯曲应力mmNMb 309398 MPa W Mb b 46.11 2700 8 . 30939 盐城工学院机械工程系毕业设计说明书 17 0,46.11 mba MPa 切应力 MPa W T T T 6 . 34 5400 186952 MPa T m 3 . 17 2 由附表 10-1 查得过盈配合引起的有效应力集中系数63 . 2 K 又89 . 1 K1 . 0, 2 . 0, 176 . 0 ,81 . 0 以及 06 . 8 46.11 181 . 0 63 . 2 300 1 m K S 57 . 2 3 . 171 . 0 3 . 17 76 . 0 1 89 . 1 155 1 m K S 显然截面右侧安全45 . 2 57 . 2 06 . 8 57 . 2 06 . 8 2222 SS SS S 在 b-b 截面左侧 333 5400302 . 02 . 0mmdWT 截面左右侧的弯矩和扭距相同,弯曲应力MPa W Mb b 4 . 11 5400 8 . 30939 0, 4 . 11 mba MPa 切应力MPa W T T T 62.34 5400 5 . 186952 MPa T ma 3 . 17 2 由附表 10-2 查得圆角引起的有效应力集中系数36. 1,48. 1 KK 由附表 10-4 查得绝对尺寸系数,2 . 0, 178 . 0 ,83 . 0 ，又1 . 0 台式车床车头箱孔系加工分配箱机构设计 18 则76.14 4 . 11 83 . 0 1 48 . 1 300 1 m K S 45 . 5 3 . 171 . 0 3 . 17 78 . 0 1 36 . 1 55 . 1 1 m K S 11 . 5 45 . 5 76.14 45 . 5 76.14 22 2 2 SS SS S 显然在此截面的左侧安全 以上的计算表明:轴的弯扭合成强度和疲劳强度均是足够的 轴的强度校核还应该考虑键槽处的强度： 由公式 )102.( 2 2 1 pp dlk T lk d T 式中 下面进行具体的校核：MPa p 64.91 8)825(30 2186952 -200MPa 100810范围为查得由表 pp 经过计算，显然键槽处的强度足够 23 轴的刚度校核轴的刚度校核 机床在切削加工过程中，主轴的负荷较重，而允许的变形又很小，因此决 定主轴结构尺寸的主要尺寸是它的变形大小。对于普通机床的主轴，一般只进 行刚度的验算。通常能满足刚度要求的主轴，也能满足强度要求。 以弯曲变形为主的机床主轴（如车床、铣床） ，需要进行弯曲刚度校核；以 扭转变形为主的机床主轴（如钻床） ，需要进行扭转刚度计算。 当前主轴组件刚度计算的方法很多，而且属于近似的计算，刚度的允许值 也做规定。考虑动态因素的计算方法，如根据不产生切削振颤条件来确定主轴 盐城工学院机械工程系毕业设计说明书 19 组件刚度，计算较为复杂，对于本设计，仍然采用静态计算法，计算的过程大 大简化，而且与实际相比较，误差不是很大，在允许的范围之内。主轴组件的 弯曲刚度的计算内容主要有两项： 其一，计算主轴前支承处的变形转角 ，是否满足轴承正常工作的要求； 其二，计算主轴悬伸处的变形位移 y，是否满足加工精度的要求。 （1） 主轴前支承处转角的校核 机床粗加工时，主轴的变形最大，主轴前支承处的转角有可能超过允许值， 所以应该校核此处的转角。因为主轴后支承处的变形转角一般较小，可以不计 算。 )1 ()1 (5 . 0)1 ( 3 1 )112()1 (5 . 0 3 1 8 ML L c QbcLF EI MLLM L c QbcLF EI a Aa 式中 F-主轴传递全功率时，作用与主轴端部的当量切削力（N ） ； Q-主轴传递全功率时，作用与主轴上的传动力（ N ） ； M-轴向切削力引起的力偶矩（N.cm ） ，若轴向切削力较小（如车 床、磨床） ； -主轴前支承的反力矩（ N.cm ） ； A M 支承的反力矩系数； a-主轴悬伸量（cm ） L.b.c-主轴有关尺寸（cm） ； E- 主轴材料的弹性模量（MPa） ，钢材;MPaE 7 102 I-主轴支承段的惯性矩（） ， 4 cm)( 64 44 dDI D-主轴当量外径（cm ） ，初步计算时，取为前后轴颈的平均 值 d-主轴孔径（ cm ） ； 对于本设计，作用力不在同一平面内，因此要将力投影在两个相互垂直的平面 台式车床车头箱孔系加工分配箱机构设计 20 内，如（x-x，y-y 平面）然后按照上述公式进行计算，求出各平面内的主轴前 支承处转角。最后用下式进行计算，从而求出前支承处的总转角 yx , 22 yx 对于 x 方向： =73624MPaE 7 102)( 64 44 dDI 4 35 64 4 mm NFa7902NQ3561mmL170mmcb85 4 /186954mmNM 将以知数值代如公式，经计算得到mma60rad x 00078 . 0 对于 y 方向： =73624MPaE 7 102)( 64 44 dDI 4 35 64 4 mm NFa7902NQ2191 4 /186954mmNM mmL170 将以知数值代如公式，经计算得到mmcb85mma60 rad y 00042 . 0 所以总的转角rad yx 0004 . 0 00042 . 0 00078 . 0 22 22 得到的转角不应大于允许值由上述的计算结果可知，轴的刚度满 ,001 . 0 rad 足要求。 盐城工学院机械工程系毕业设计说明书 21 3 3齿轮的设计齿轮的设计 齿轮类零件包括齿轮、蜗杆和蜗轮等。这类零件的工作图中除了零件图形 和技术要求外，还应有啮合特征表。 31 齿轮的结构分析齿轮的结构分析 齿轮传动是机械传动中最重要、应用最广泛的一种传动。其主要的优点是： 传动效率高，工作可靠，寿命长，传动比准确，结构紧凑。其主要缺点是：制 造精度要求高，制造费用大，精度低时振动和噪声比较大，不适宜用于传动距 离较大的传动。 齿轮传动分为开式和闭式齿轮传动。开式齿轮传动，齿轮完全外露，容易 落入灰砂和杂物，不能保证良好的润滑，所以轮齿容易磨损，多用于低速、不 重要的场合。闭式齿轮传动，其齿轮和轴承完全封闭在箱体内，能保证良好的 润滑和较好的啮合精度，应用广泛。本设计采用闭式齿轮传动。 齿轮传动既要传动平稳，又要承载能力强、寿命长，因此设计时应该从满 足承载能力出发 ，选定合适的材料，确定齿轮的几何尺寸、合理的结构和良好 的工艺性。 齿轮传动的失效主要是轮齿折断和齿面损伤，选择齿轮材料时，应使齿面 有足够的硬度和耐磨性，用以抵抗齿面磨损、点蚀、胶合及塑性变形，而且应 有足够的弯曲强度，以抵抗齿根折断。因此，对齿轮材料的基本要求是：齿面 要硬、齿心要韧。另外，齿轮材料还应有良好的加工和热处理工艺性。本设计 根据齿轮的传动要求特点和传动环境，材料选用 45 钢，其锻造毛坯经过常化 （正火）或调质处理后切齿即为成品，精度一般为 8 级，精切时可达 7 级。本 设计选用这种齿轮的原因是这种齿轮加工方便，成本低，生产率高，常用于一 台式车床车头箱孔系加工分配箱机构设计 22 般要求的中载、中速齿轮传动。 32 齿轮传动主要参数的选择齿轮传动主要参数的选择 321 压力角压力角 a 的选择的选择 由机械原理的知识可知，增大压力角，能使得轮齿的齿厚和接点处的齿廓 曲率半径增大，可以提高齿轮的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。一般传动的齿 轮，压力角；航空用的齿轮传动，压力角 a 选用。由于本设计的齿 20a 25 轮传动属于一般的传动，所以压力角采用 20a 322 齿数和模数的选择齿数和模数的选择 对于软齿面的闭式齿轮传动，其承载能力主要取决与齿面接触疲劳强度。 而齿面接触应力的大小与小齿轮的分度圆直径有关，即与齿数和模数的乘积有 关。因此在满足弯曲疲劳强度的前提下，宜采用较小的模数和较多的齿数。这 样除能增大重合度，改善传动的平稳性外，还因模数的减小而降低齿高，从而 减少金属的切削量，节省制造费用，同时还可以减少滑动速度，减小磨损，提 高抗胶合力。另外，考虑轮齿不发生根切现象，一般齿数 Z=1840。对于高速 传动齿轮齿数可以选用多一些，对动力传动齿轮，模数应不小于 1.52mm. 对于硬齿面闭式齿轮传动，应保证足够的齿根弯曲强度，这时齿数不宜选 用太多，一般可取z1=1720。为使以磨损失效为主的开式齿轮传动具有一定 的寿命，模数一般要加大 10%15%。 对于本设计，鉴于以上分析，可以初选模数为 2.5mm。各齿轮的齿数见主 传动设计，本例选用其中的一个齿轮进行分析，其齿数为 21。 323 传动比和齿数比传动比和齿数比 齿轮的传动比 i 为主动轮角速度与从动轮的角速度之比，而齿数比 u 为大 齿轮的齿数和小齿轮的齿数之比。对于闭式减速齿轮传动，为使结构紧凑，齿 轮传动比不宜过大，一般取 i=57；对于载荷平稳的齿轮传动，为有利于齿轮 啮合，u 可以取整；对于载荷不稳定的齿轮传动，两齿轮齿数应互为质数。对 于本设计，相互啮合的齿轮齿数就是采用互为质数，如 19 和 21。 盐城工学院机械工程系毕业设计说明书 23 324 齿宽系数齿宽系数d 由强度公式可知，当载荷一定时，增大齿宽可以减小齿轮直径，降低齿轮 圆周速度。但增大齿宽，齿面上的载荷分布不均匀性也增大。因此要合理地选 择齿宽系数。对于本设计，由相关的资料选取d=0.45,根据 d 和 d 可以计 算出齿宽 b,计算结果应圆整,所以 b=dd=0.4552.5=23.7 取整为 24,在 本设计中齿轮的齿数相差不大,可以将所有齿轮的齿宽进行等值取数. 33 齿轮的精度设计齿轮的精度设计 齿轮的标注比较简单，由于本设计采用的齿轮齿数较小，因此在标注设计 尺寸，只有齿宽 b 和轮毂长度 L 两个尺寸。前者为自由尺寸，后者为轴系组件 装配尺寸链中的一环。 为了保证齿轮加工的精度和有关参数的测量，标注尺寸时要考虑到基准面， 并规定基准面的尺寸和形位公差。齿轮的轴孔和端面既是工艺基准又是安装的 基准。为了保证安装的质量和切齿精度，对端面与孔中心线的垂直读饿和端面 跳动均要有要求。齿轮的齿顶圆作为测量基准试油两种情况：一是加工时用齿 顶圆定位或找正，此时要控制齿顶圆的径向跳动；另一种情况是用齿顶圆定位 检验齿厚或基节尺寸公差，此时要控制齿顶圆公差和径向跳动。 齿轮基准面的尺寸公差和形位公差的项目以及相应数值的确定都与传动的 工作条件有关。通常按照齿轮的精度等级确定其公差数值。以下以具体的计算 来说明齿轮工作图上需要标注的尺寸公差和形位公差项目。 对于齿数 Z=25，模数 m=2.5 的齿轮而言： 1确定齿轮的精度等级 由于该齿轮是镗床分配箱中速度相对较高的齿轮，主要要求是传动平稳性 精度，所以首先考虑第公差组精度等级。根据圆周速度 =3.143100021/(601000)m/s=3.15m/s）（100060/ dnV 由表 12-6、12-7 可见，在 315m/s 速度分段第公差组精度等级中，速 度不算高，而且普通机床对噪声限制不是很严格，因此可以选用第公差组为 7 级。由于该齿轮对传递运动准确性较高，但是可以比第公差组精度等级低 一级，所以第公差组精度等级选定为 8 级。动力齿轮对齿面载荷分布均匀性 台式车床车头箱孔系加工分配箱机构设计 24 有一定要求，第公差组精度等级一般不低于第公差组，所以定为 7 级。所 以最后选定小齿轮的精度为：8-7-7 2齿轮误差检验组的选择及其公差值的确定 该齿轮属于中等精度，且为批量生产，所以可以采用便于批量测量的检验 查表 12-3 选定Fi“，Fw，F组成检验方案。根据 mmmzd 5 . 525 . 2211 以及 b=24mm，查表 12-13、表 12-14、表 12-15，可得公差值： 第公差组 Fi“ =63um， Fw=40um 第公差组 fi“=20um 第公差组 F=11um 3计算齿轮副侧隙和确定齿厚极限偏差代号 （1）计算齿轮副的最小极限侧隙 jimin 有表 12-10 按油池润滑和 V=3.15m/s 查 得 jn1=(0.0050.01)mn=(0.0050.01)25mm=0.01250.025mm 取 jn1=0.0125 mm 由式（12-9）得 jn2=sina)2211(2tta 根据齿轮和箱体的材料，从材料手册上查得，钢和铸铁的线膨胀系数分别为 a1=11.5 C /10 6 C /10 5 . 102 6 传动中心距为 2 )21(zzm amm 5 . 52 2 )2121(5 . 2 所以, jn2=ummm 5 . 130135 . 0 20sin10)30 5 . 1060 5 . 11( 5 . 522 6 jimin= jn1+ jn2=0.0135+0.0125=0.026mm=26um (2)确定齿厚极限偏差代号 1)齿厚上偏差 由下列公式进行计算: 盐城工学院机械工程系毕业设计说明书 25 cos2 014 . 2 2121 tan 2 2 2 ffbfbjnjn anfasEs 式子中 F前面已经查得 F=11um; fpb由表 12-14 按照 7 级精度查得 fpb=13um 由表 12-17 按 a=52.5mm,7 级精度查得 fa=23um 代入上述公式,得到:umsEs35 有表 12-12 查得,则umfbt14 5 . 2 14 35 fpt sEs 由表 12-9 查得齿厚上偏差代号为 E,因此 mmumfptsEs028 . 0 281422 2)齿厚的下偏差 由公式 查表 12-13,8 2 2 20tan2brFrsT 级精度;由表 12-11,br=1.26IT9=1.2674um=93um 所以umrF45 umTS73934520tan2 2 2 由公式得:umsTEssiEs103)7528( 36 . 7 14 103 fpt iEs 由表 12-9 查得齿厚下偏差代号为 H,因此 umfptiEs1121488 umumEiEssTs8411228 所以齿轮的精度为:8-7-7EH GB10095-88 4.确定齿坯公差、表面粗糙度 台式车床车头箱孔系加工分配箱机构设计 26 齿轮内孔是加工、检验以及安装的定位基准，对于 7 级精度的齿轮，由表 12-18 查得：内孔的尺寸公差为 IT7，内孔直径位 30mm，偏差按照基准孔 H 选择，即孔 30。内孔的形状公差按照 7 级决定或遵循包容原则。mm 023. 0 0 定位端面的端面圆跳动公差由表 12-19 查得为 0.018mm。 齿顶圆只作为切齿加工的找正基准，不作为检验基准，所以其公差可以选 为 IT11（见表 12-19 的注释） ，齿顶圆直径 mmmmmhadda 5 . 57)5 .