毕业设计（论文）-卧式双工位枪铰机床主轴箱及主轴箱给机构设计.doc

济南大学泉城学院毕业设计1 前言1.1选题背景及意义工业是一个国家的支柱产业，而机械工业又是整个工业的基础，它服务于其它的各行各业，是一个国家现代化水平的重要标志之一，因此我们国家应该加快机械行业的发展，发现生产中存在的问题，并努力解决这些问题，在解决这些问题的同时，实现淘汰落后产品，衍生先进产品，达到运用先进技术努力提高加工效率、加工精度的目的。但是，我们还要认清实际情况，从我国的国情出发，不能盲目追求产品的高精度与产品的先进性，从而忽略了其经济性。我们现阶段的宗旨是要在满足加工精度的前提下，尽最大努力的降低生产成本。镗床在机加工过程中被广泛应用。在实际生产过程中的很多零件，例如发动机缸盖或箱体类零件，其上需要加工许多孔。如果用普通单轴镗床进行加工，因其只能在主轴上装一个刀具进行单孔加工，所以在大批量生产中不仅生产率低，而且操作者劳动强度大，精度也无法得到保证。目前多轴镗床在实际生产中已得到了广泛的应用，其不但能同时加工工件上的多个孔，大幅提高生产率，减轻工人的劳动强度，而且还能保证孔距、孔径等多种精度要求。本次设计的机床的加工对象是缸盖，缸盖是汽车发动机上的一种零件，其上分布有许多的孔，图1.1是某种型号的缸盖，此缸盖的加工要求精镗2-13.5的孔，孔距精度为3000.05。原来该工序是在普通镗床上完成的，通过导套来保证孔径和孔距的精度，但是如果大批量生产就会出现生产率低，工人劳动强度大，等问题，所以在这种情况下就比较适合选用多轴镗床进行加工。图1.1 缸盖因此根据以上分析，将设计课题定为双工位枪镗机床主轴箱设计。主轴箱的性能主要是由设计质量决定的，任何一台机床的设计都分为方案设计和结构设计。所以本次设计首先要确定设计方案，画出设计方案示意图，其次就是对主轴箱进行总体结构设计，包括电机的选择、轴和齿轮的设计、箱体的设计、轴承的选择及其它附件的设计等。然后根据以上设计内容绘制装配图，通过装配图表达出主轴箱的设计思路、工作原理及各零件间的相互位置、尺寸、结构形式等。1.2 机床整体布局为了提高加工效率及保证孔径、孔距的精度，本次设计中采用双动力头，两个工件装夹之后，同时加工。机床的整体布局为：床身为卧式，夹具及工件放置在床身中部，工件夹紧由夹紧汽缸自动完成，两个多轴动力头及主轴箱整体可沿导轨水平移动。1.3 机床主要结构(1)床身部分床身部分由支架、滑板、螺纹丝杠、同步带轮等组成。伺服电机转动经同步带传动、齿轮传动至螺纹丝杠，使滑板直线移动的同时，带动主轴箱直线移动。螺纹杠置于导轨面中间，以减少偏移力矩，改善丝杠的受力状况。床身内裆作为油池，使滚珠丝杠及部分导轨面沉浸在润滑油中，减轻床身及螺纹丝杠的磨损，提高他们的使用寿命和使用效率。床身为整体铸造，铸造进行后时效处理，消除内应力，要求不能有砂眼气孔等缺陷存在，以防止漏油。导轨滑动面为平面，淬火后再进行精密磨削，以达到减小摩擦力的目的。（2）主轴箱部分主轴箱安装在滑板上面，实现主轴箱的进给和回退运动。电机通过联轴器和齿轮传动带动两个钻削轴运动。箱体本身也是油箱，轴承、齿轮等均为甩油润滑。（3）夹具部分夹具部分由活动钻模板、固定钻模板、导向柱、钻套等组成。汽缸杆伸出时可装入或取出工件，汽缸杆抽回可夹紧工件进行加工，每个机床有两副夹具，每夹副具夹装两个工件，当其中一副夹具处于加工位置时，另一副夹具进行已加工工件的卸载和未加工工件的夹装，以提高加工效率。2 总体结构设计2.1 方案选择卧式双工位枪镗主轴箱的工作原理是：电动机经联轴器带动高速轴运动，通过齿轮传动达到转速要求，并将运动传到主轴，使主轴带动刀具完成加工过程。为了将运动和动力传递路线及各部件的组成和联接关系表达清楚，用机构简图来表示传动方案，根据要求主轴箱的设计方案有一下三种： (a)(b)(c)图2.1 主轴箱传动方案简图合理的传动方案首先要满足机器的功能要求，比如传递功率的大小、转速和运动形式等。此外还要适应工作条件（工作环境、工作制度等），满足工作可靠、结构简单、尺寸紧凑、传动效率高、工艺性和经济性合理、使用维护便利等多种要求。但是要同时满足这些要求是非常困难的，因此要通过分析比较多种设计方案，选择能保证重点要求的较好方案继续进行设计。图2.1所示为卧式双轴镗床主轴箱的三种传动方案简图，(a)方案使用联轴器将电动机轴与高速轴联接，然后由高速轴上齿轮直接带动主轴运动，此方法虽结构简单，但是无法满足主轴转速的要求；（b）方案加入了一个分散齿轮，主轴驱动分散齿轮，分散齿轮再驱动主轴运转，这种方法虽能满足转速要求，但两主轴间的尺寸不符合要求；（c）方案解决了以上两种方案的不足之处，在上一种方案的基础上再加入一组过度齿轮，这样就能满足主轴转速和主轴距离的要求。这种方案不仅结构紧凑，而且符合主轴箱的工艺要求，所以从结构和工艺性考虑，(c)方案是这几种方案中最好的，所以设计方案定为(c)方案。方案确定后，现在分析所选方案的工作原理：电动机轴通过联轴器带动高速轴运动，高速轴上的齿轮与中间轴即分散轴上的分散齿轮啮合，分散齿轮再与两个过度齿轮啮合，实现动力分散。然后分散齿轮与两个过度齿轮啮合，过度齿轮再与主轴上的齿轮啮合，将运动传至两根主轴完成切削加工。传动方案确定后，开始对主轴箱的结构进行具体设计，主要包括电机的选择、齿轮的设计、轴的设计、轴承的设计、箱体的设计、轴、轴承、齿轮、键的校核等等。2.2 主传动系统设计机床的主传动系统是用来实现机床主运动的，它应具有一定的转速和一定的变速范围，并能方便的进行开、停、制动等。2.2.1 传动系统主参数的确定（1）钻床的主运动参数是主轴转速。转速与切削速度的关系是： （2.1）式中： 转速； 切削速度； 工件（或刀具）直径本次设计的卧式双工位铣床主轴箱结构是在专机专用的背景下进行的。可按恒速进行加工作业，因此，本次设计的主轴箱不需要进行变速。本次设计中双工位枪膛机床主轴箱的输出转速为1800r/min，而电机通过联轴器带动的高速轴的转速为2790r/min，所以主轴箱内总的传动比为i=1.55。2.2.2 齿轮齿数的确定确定齿轮齿数的原则和要求：（1）所设计齿轮的齿数和不应过大齿轮的齿数和过大会加大两轴之间的中心距，使机床的结构庞大。一般推荐齿数和，设计中高速轴齿轮啮合取，主轴齿轮啮合（2）最小齿轮的齿数要尽可能小 为了便于设计和制造，高速轴齿轮的模数 都选为m=3.5mm，主轴齿轮模数也选为m=3.5mm通过对各轴转速的分配和总的传动比大小，将各齿轮的齿数确定如下： 主轴齿轮的齿数：通过计算传动比得符合齿轮齿数的确定原则。2.3 电机的选择电机选择的主要内容包括：电机的结构型式，类型，容量和转速，确定电机的具体型号。（1）电机的结构型式主轴箱通过独立电机来提供动力，无变速要求，恒速运转。无其它特殊要求，因此选用普通的交流电动机就可以满足实际要求。在Y系列中IP44电动机为一般用途全封闭自扇冷式笼型三相异步电动机，有防止铁屑、灰尘或其它杂物侵入电机内部的优点，额定电压380V，频率50Hz，相对湿度不超过95，工作环境温度不超过，适用于无特殊要求的机械上。主轴箱的工作条件与以上情况吻合，综上所述，可选用Y系列IP44电动机。（2）确定电动机的类型单位切削力KC是指单位切削面积上的切削力。KC= (2.2)式中 KC单位切削力（N/） Ac切削面积（） 背吃刀量（mm） f 进给量(mm/r) 切削厚度(mm) 切削宽度（mm）单位时间内切除单位体积的金属所消耗的功率称为单位切削功率kw/() (2.3) 式中 单位时间内的金属切除量（/s） (2.4) 切削功率（KW） （2.5） 将代入式（2.3）得 （2.6） 已知发动机缸盖材料的单位切削力约为/，所以 /=5KW 由于机床有两个主轴同时进行运转加工，所以主轴箱所需要的总功率约为10KW.由以上计算得本次设计选取电机功率为。所以由电机功率，最终选同步转速为2790 r/min，电机型号为YP507.56B3,电机的参数如表2.1所示：电机型号额定功率满载转速最大转矩质量kg基本安装类型额定转矩7.56B3YP501127902.227B5表2.1 电机的参数2.4 齿轮结构设计齿轮传动具有效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定等优点。本次设计中采用了多对齿轮传动。而相对于直齿圆柱齿轮，斜齿圆柱齿轮的轮齿在交替啮合时所受的载荷是逐渐加上，在逐渐卸掉的，所以传动比较平稳，冲击、振动和噪声比较小，因此，在本次设计过程中，我们选用了斜齿圆柱齿轮啮合。下面分别对齿轮进行结构设计与计算。2.4.1 高速轴齿轮的设计根据机械设计中所学的关于齿轮的计算进行设计：1、选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数1）按图2.1（c）所示的传动方案：选用斜齿圆柱齿轮传动；2）机床为金属切削机床，齿轮传动的精度等级范围为38，此主轴箱没有太高的要求，速度不算太高，故选用7级精度（GB10095-88）；3）材料选择，小齿轮选用40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮选用45钢（调质）；硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。4）齿轮齿数和为66，齿数分别为 ， 5）选取螺旋角，初选螺旋角=2、按齿面接触强度进行设计根据直齿圆柱齿轮的计算公式： （2.8） 式中： K载荷系数T1小齿轮传递的转矩弹性影响系数，单位为齿宽系数端面重合度区域系数许用接触应力 （2.9）1）确定公式内的各计算数值(1) 试选载荷系数(2) 计算小齿轮传递的转矩 （2.10） (3) 由机械设计表107选取齿宽系数 (4) 由机械设计图1030选取区域系数(5) 由机械设计图1026查得， +(6)由机械设计表106查得材料的弹性影响系数(7) 由机械设计图1021按齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限(8) 计算应力循环次数N （2.11）式中： 应力循环次数 齿轮转速 齿轮每转一圈时，同一齿面啮合次数齿轮工作寿命（单位为）将主轴箱的工作寿命定为15年，每年工作300天，两班制，则： (9) 查机械设计图1019取接触疲劳寿命系数： (10) 计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数，则由式 （2.12）式中： 寿命系数齿轮的疲劳极限疲劳强度安全系数(11)许用接触应力 =523MPa2)计算 (1) 试算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值= (2) 计算圆周速度 （2.13）(3) 计算齿轮的宽度 （2.14）(4) 计算齿宽与齿高之比 模数 =齿高 (5) 计算纵向重合度(6) 计算载荷系数 查表知：使用系数根据，7级精度，查得动载荷系 由机械设计表104查得的值与直齿轮相同，故 由机械设计图1013查得 由机械设计表1013查得 按齿面接触疲劳强度计算时用的齿间载荷分配系数 按齿根弯曲疲劳强度计算时用的齿间载荷分配系数 故载荷系数： 11.181.21.4232.01 （2.15）(7) 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径,得： （2.16）(8) 计算模数 （2.17）就近圆整为标准值3) 几何尺寸计算(1) 分度圆直径 (2)中心距(3) 计算齿轮宽度取 4) 验算 （2.18） （2.19）综上所述，符合设计要求。2.4.2 其他齿轮的设计本机床为多轴镗床，有两根主轴，齿轮的几何尺寸计算如下：(1) 过度齿轮分度圆直径 Z=48 主轴齿轮分度圆直径 Z=31 (2)中心距 分散齿轮与过度齿轮中心距 过度齿轮与主轴齿轮中心距 这些齿轮的校核与高速轴齿轮校核类似，通过实际校核，这些齿轮都符合实际生产的要求。2.5 轴的结构设计轴是组成现代机器的重要零件之一，它的最主要的功能是支承回转零件，其次是传递运动和动力。轴的设计包括轴的材料选择，轴的结构设计，结构设计又包括外形和结构尺寸的设计。另外还要对轴上的零件进行周向和轴向定位。轴上零件的轴向定位主要是通过轴肩、挡圈、套筒、端盖及圆螺母来完成。轴上零件的周向定位主要通过销、键、紧定螺钉来实现，这其中，紧定螺钉用在传动力不是很大的地方。本次设计中共设计四根轴，分别叫做高速轴，即电机直接驱动的轴。分散轴，过渡轴和主轴。这其中，主轴和高速轴是比较重要的轴。现在对这些轴的结构及附件进行设计计算。2.5.1 高速轴设计已知电机功率，满载转速，其上两齿轮的参数如下表所示：1、高速轴上的功率，转速，转矩分别为： （2.20） （2.21）式中： 电动机的功率 高速轴传递的功率 电机的满载转速 高速轴的转速 高速轴所受的扭矩 电动机与高速轴间的传动效率，取表2.2 齿轮参数齿数模数螺旋角齿顶高系数齿宽20433.515125252、求作用在齿轮上的力已知：小齿轮齿数，其分度圆直径为 （2.22） （2.23）3、初步确定轴的直径 按钮转强度条件计算 轴的扭转强度条件为 （2.24）式中： 扭转切应力，单位为 轴所承受的扭矩，单位 轴的抗扭截面系数，单位为 轴的速度，单位为 轴传递的功率，单位为 计算截面处轴的直径，单位为 许用扭转切应力，单位为由机械设计表153 由上式可得轴的直径 （2.25） 式中 查机械设计表153 对于空心轴则有 （2.26） 其中 式中：空心轴的内径， 空心轴的外径，常取，在这取。在这里，我们以高速轴为例，高速轴为实心轴，所以用公式（2.25）4、高速轴结构设计机床无需变速，将高速轴做成平键轴即可满足要求。因高速轴与电机通过联轴器连接，并且电动机轴的直径，所以高速轴与联轴器连接的部分轴径定位42mm。具体结构如图2.2：图2.2 高速轴结构确定轴的结构尺寸和定位方式由上图得，电动机轴长60mm,直径为42mm。因电机主轴与高速轴通过联轴器连接，所以将轴的左端直径定为长60mm,直径为42mm。右端轴承所在轴的长度定为65mm,轴承内圈用套筒定位，外端用轴承端盖定位。此处轴在运转时只受弯矩，所以轴承只受径向力，所以可选用深沟球轴承，所选型号为7209C。齿轮安装在右端轴承所在的轴段上，齿轮的齿宽为25mm，齿轮左端用轴肩定位，右端用套筒定位。高速轴的左端选用深沟球轴承7209C，轴承的右端采用轴肩定位，轴间高度为3.5mm，左端采用套筒定位。轴承所在轴段的直径为45mm，长度为57mm。在确定了轴向定位后，还要确保轴上零件的周向定位。滚动轴承与轴的周向定位是通过过渡配合来保证的，选取轴与轴承的配合为H7/k6。齿轮通过圆头平键连接进行周向定位。5、计算轴上载荷按弯曲强度条件计算轴上载荷。根据轴的结构图，确定出轴的支点位置，深沟球轴承的支点位置在轴承的中点上。分别按垂直面和水平面计算各力产生的弯矩，并按计算结果分别做出水平面上的弯矩图和垂直面内的弯矩图，然后计算总弯矩并做出图。如图2.3所示。做图过程如下：已知 1）根据图（b)得： （2.27） （2.28）代入数据得： 计算得： 图2.3 轴的载荷分析图2)同理根据图(c) 计算如下 （2.29） （2.30）代入数据： 计算得： 总弯矩 （2.31）3) 校核轴的强度由上图可知，B为危险截面。按第三强度理论，计算应力： （2.32）式中： 轴的计算应力，单位为 轴所受的弯矩，单位为 轴的抗弯截面系数，单位为 对称循环变应力时轴的许用弯曲应力下面计算心轴的抗弯截面系数：空心轴为 （2.33）实心轴为 （2.34）高速轴为实心轴，所以 所以 （2.35）轴的扭转强度条件为： （2.36）式中： 扭转切应力，单位为 轴所承受的扭矩，单位 轴的抗扭截面系数，单位为 轴的速度，单位为 轴传递的功率，单位为 计算截面处轴的直径，单位为 许用扭转切应力，单位为代入数据，得进行弯扭强度应力计算： （2-33）已选定的材料为45钢，调质处理，由设计手册查得：因此 ，故安全。2.5.2 中间轴设计与上面高速轴的设计思路一样，通过高速轴上齿轮的啮合位置确定中间轴与高速轴的尺寸关系。为了装配的方便，在满足条件的前提下，尽可能的减少轴承的型号。因此中间轴也使用高速轴上使用的7029C型轴承，因此确定中间轴右端的轴径=45。轴承的内圈利用套筒来定位，外圈用轴承端盖定位。齿轮通过平键与轴连接，能够满足齿轮周向定位，键的选用规格为bhL=14920。齿轮的左端利用轴肩定位，轴肩高度定位3.5.。右端利用套筒定位。齿轮所在轴段的长度定为65mm。左端轴承外圈利用轴承端盖进行定位，内圈使用轴肩进行定位，轴肩高度为3.5mm。具体尺寸如图2.6所示：图2.4 中间轴结构中间轴结构尺寸设计完之后，也需要对其强度进行校核。校核思路与高速轴类似，经实际校核得出分散轴的强度符合要求。2.5.3主轴设计主轴组件是机床主轴箱中最重要组成部分，其也包括主轴及安装在主轴上的其它传动附件的设计。本次设计中，主轴为空心轴，这主要是为了刀具的进给运动。主轴的设计过程大体上和高速轴及中间轴的设计过程类似，只是在选择轴承时因主轴在加工工件时，主轴受轴向力的作用，所以在轴的右端安装了滚针轴承，轴承代号为NN3020。其他部位所需轴承也因轴径的变化而变化，在这里我们选用7016C.轴承的定位通过轴肩和套筒来实现。其它附件的具体设计如图2.7所示：图2.5 主轴结构2.6 主轴箱进给机构的设计在上面，我们已经提过，主轴箱的进给机构采用丝杠滑台装置。丝杠采用普通螺纹丝杠即可满足要求。将丝杠置于滑台中间，这样可以改善进给装置的受力状况。提高进给机构的使用效率和使用寿命。滑台采用双侧轨道滑动。丝杠和轨道保持润滑油润滑。丝杠由伺服电机单独驱动。主轴箱底座长度是380mm，宽度是600mm，由组合机床设计手册查得，使用型号为1HY63的液压滑台。3 轴承及键的校核3.1 轴承的校核轴承是支承轴及轴上零件的重要部件，又分为滑动轴承和滚动轴承两大类。在本设计中根据需要都选用滚动轴承。轴承的选择在上面的设计中都已完成，现在对高速轴所选轴承进行校核，先求轴承承受的径向载荷：左轴承所受径向力： （3.1）右轴承的径向力： （3.2）已知：轴承转速，运转时有中等冲击，预期寿命1、求比值由于该轴承承受很小的轴向力，较小，则： 则， （深沟球轴承的最小值为0.19）2、初步计算当量动载荷 （3.3）式中： 载荷系数 径向载荷 轴向力 径向动载荷系数 轴向动载荷系数由查表得：=1.21.8 取所以对左轴承 对右轴承 3、求轴承应有的基本额定动载荷值： （3.4）对于球轴承，对于左端轴承对于右端轴承 4、查设计手册： 对左端轴承 选 ，验算如下：以小时为单位表示轴承的寿命（单位） （3.5） 故所选轴承满足寿命要求。对右端轴承 选 计算同上，通过计算知，所选轴承满足寿命要求。对于主轴，轴承的选择及校核过程同上，因为主轴要承受轴向力，所以要选用滚针轴承。3.2 键的校核现以中间轴大齿轮键连接为力校核所选键是否符合强度要求,其它键的校核方法与此类似。由公式 （3.6）式中：中间轴传递的转矩 高速轴传递的转矩 传动比 传动效率 得中间轴的转矩 =36900(42/20)0.9=69741（）由键的校核公式 （3.7）式中： 键与轮毂键槽的接触高度， 键的工作长度，圆头平键 轴的直径最终带入数值得因键、轴和轮毂的材料都是钢，查表的许用挤压应力=100120 Mpa,取其平均值110 Mpa，由得键的连接强度符合要求。4 结 论在经过整个设计过程和最终装配图的绘制后，所设计内容能够达到预期的设计目的，即：电机通过联轴器带动高速轴经过齿轮传动实现两轴同时镗削加工功能。此设计能显著提高加