毕业设计（论文）-镗铣床主传动系统设计.doc

IV 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 页镗铣床主传动系统设计摘 要毕业设计是大学生学习专业知识之后进行的必要实践教学环节。其内容包括：根据机床型号、用途，确定出极限转速、公比、转速级数、各级转速及其他有关机床运动的参数；再根据公比、转速级数拟定结构式、结构网，然后画出转速图，确定齿轮齿数、传动结构并绘制出对应的传动系统图。此外，估算传动轴直径、估算齿轮模数，校核齿轮、轴与轴承的强度及寿命。毕业设计目的，是为了让我们对大学以来学到的所有理论知识得到巩固、充实。通过机床变速主传动系统的设计，使我对机床的工作原理、结构都有了深入了解，在选定电机、转速图和传动齿轮参数的过程中，加深了对机械设计、互换性、工艺学等课程的理解与运用。此外，通过这次毕业设计，拓宽了我的设计思路，提高了结构设计、方案选择分析、机械制图、运算、查阅技术资料等多方面的能力。关键词：镗铣床；主轴箱；传动系统；变速系统Boring and Milling Machine Main Transmission System DesignAbstractThe graduation design is an important process for a college student after learning some professional knowledge. It includes: determining the limit speed, common ratio, speed series, speed and other related machine tool movement parameter at all levels according to the machine type, purpose; drawing the speed diagram and determining the gear teeth, the transmission structure and mapping out the corresponding transmission system according to common ratio, speed series for structured, network structure, and then . In addition, estimate the shaft diameter and module of gear, check the gear, shaft and bearing strength and service life. Graduation design is aim to enrich all of the theoretical knowledge we learn at our university . We have a deep understanding of the working principle, structure of nc machine tools through the machine tool main variable speed drive system design.we also have a deep comprehensive understanding of the knowledge of interchangeability and mechanical design. In addition, through this graduation design, my design ideas are widened and my structure designs are improved. It also improve my selection analysis, mechanical drawing, operation, and the ability to refer the technical information.Key Words: Boring and milling machine;The spindle box;The transmission system;Variable speed system目 录1 绪 论1 1.1 选题背景及目的.11.2 国内外研究状况和相关领域已有成果1 1.2.1 国外机床行业发展现状.1 1.2.2 国内机床行业发展现状.21.3 研究内容及主参数32 镗铣床变速操纵机构简介42.1 镗铣床结构组成42.2 机床变速操纵机构4 2.3 变速机构传动轴固定5 2.4 齿轮在传动轴上的布置与排列5 2.5 主轴部件机构53 机床主传动系统设计6 3.1 电机的选择.6 3.1.1 选择电动机的类型6 3.1.2 确定机床切削功率6 3.1.3 确定电机功率及型号.7 3.2 联轴器的选择.7 3.3 确定传动公比7 3.3.1 确定极限转速.7 3.3.2 选定公比.8 3.4 拟定结构式.8 3.5 绘制转速图.8 3.6 传动件计算转速.10 3.7 各轴动力参数.11 3.8 估算传动轴径.124 齿轮参数设计计算14 4.1 选取传动齿轮齿数的原则和要求.14 4.2 齿轮材料热处理及精度等级.14 4.3 齿轮齿数的确定.14 4.4 估算齿轮模数.15 4.5 验算齿轮模数.19 4.6 计算齿轮几何尺寸.295 传动件校核31 5.1 轴的材料.31 5.2 轴结构设计.31 5.3 轴刚度校核.32 5.3.1 传动轴受力分析.32 5.3.2 齿轮受力计算.33 5.3.3 齿轮刚度校核.33 5.3.4 花键键侧挤压应力校核37 5.4 轴承受力分析及校核.38 5.4.1 选定轴承38 5.4.2 轴承受力分析.38 5.4.3 轴承支反力计算.38 5.4.4 轴承校核.39 5.5 平键选择及强度校核40 5.5.1 键的选择40 5.5.2 键的校核41结论.42致谢.43参考文献.44 第 44 页辽宁科技大学本科生毕业设计1 绪 论1.1 选题背景及目的现在的社会，轻重工业发展迅速，特别是食品、汽车、航空航天、石油、电力、冶金等等行业，几乎都与机械专业有关系，每天他们都用机械设备加工、制造产品，所以机械工业的发展，有利于社会各个行业的发展。而这些机械设备的生产，离不开各种机床，所以如果国家能做出高精密的机床来，那么机械设备精度也会更高，前途便更加美好。刚好学校的毕业设计中，就有机床设计类的课题，由于所学的就是机械制造专业，加上之前也做个几次课程设计，有的有所接触，所以这次我选择了镗铣床主传动系统设计做我的毕业设计题目。镗铣床已经是很普遍的机床工具，镗铣床的主要作用就是用镗刀、铣刀进行镗、铣加工，它综合了镗床和铣床的功能，使加工效率更高、精度更好。由于镗铣床除镗孔外，还可钻孔、扩孔、铰孔、铣沟槽、铣螺纹、铣花键轴及复杂的型面，所以镗铣床特别适合大型、复杂的箱体类零件的孔、平面的加工。而且一般加工零件时，镗铣床可以在一次安装中完成大部分的工序，甚至有可能是全部的工序，所以它的应用越来越多，并逐渐成为我国重点设计开发的主要机床产品之一。我要做的TPX6111B镗铣床传动系统就是其中的产品。通过所学知识、查阅资料及老师的指导，对镗铣床的电机、传动轴、转速图和传动齿轮参数等进行设计，不仅使大学所学知识得到运用，加深了理解，而且提高了各方面的能力，这对我们未来有很大帮助。1.2 国内外研究状况和相关领域已有成果1.2.1 国外机床行业发展现状现今人类社会最伟大的就是计算机的发明与应用，计算机已在机械制造行业中发挥了无尽的作用。国外的镗铣床发展大致分为诞生阶段、完善阶段、性能发展阶段。由于计算机、电子、自动化等技术的发展，国外镗铣床的加工工艺、控制技术、生产精度及结构设计均有了新的发展，使这一行业的发展又更进了一步，达到了数控技术阶段。其实，从1952年美国发明出第一台数控铣床后，国外机床一直朝着高精度、高自动化、高效率方向发展，机床的加工精度、加工效率主要靠数控操纵技术的支撑，所以国外机床普遍应用数控技术。通过数控技术控制机床的进给、转速、刀具轨迹等等，从而使我们远离了手工控制机床加工生产的阶段。机床设备包括车、铣、镗、磨、钻等等许多机床种类，都改用数控来控制。 但在20世纪末时，世界制造行业发展一直停滞不前，所以美国提出了振兴现代制造行业。经过不断发展，制造行业都经过了重大改革。如今美国、德国等大机床制造国都名列前茅。而且国外为了减少生产时所需的机床数量、节省占地面积,开始对研发能够多用的机床产品，通过一台机床加工工件的多道工序，进一步提高工序集中。例如通过十字滑台、移动主轴箱、多坐标通用部件及更换刀具实现,从而提高加工效率。此外国外的机床已开始用CAD等软件对机床的床身、立柱、导轨、上下滑座等组件进行优化。通过这些软件不仅节约试造材料，而且设计耗时短，易于发现问题并修正。1.2.2 国内机床行业发展现状从1797年，英国机械发明家莫兹利创造了第一台车床至今，中国机床行业经过不断发展，现在机床的种类、功能已经有了很大的提高，种类已经多达一千多种，但是一直长期无法制造出新产品，所以需要开发新产品，提升机械生产水平。目前，TK6925型镗铣床是由齐齐哈尔第二机床厂生产制造的国内最大的镗铣床，是目前同类机床中最大、技术含量最高的新型的重型机床，是比较新型的产品。中国机床行业正在努力学习国外的先进科技，不断自主创新，正在逐渐向高效率、高精密、数控的方向发展。中国机床行业前景一直相当可观，但确是大而不强，与世界机床先进水平依然有很大差距。它的大表现在生产、消费和进口上一直位居前列，而不强表现在以下几方面：（1）低档产品过剩。中国需要的高档机床依旧主要依赖从国外进口，导致中国制造的低档机床无过多用武之地，而高档机床严重不足。（2）科技水平低、产品质量差。我国机床行业科学技术水平比较低，生产的机械设备不能达到企业生产的需求，与发达国家相比，差距依旧很大，而且有进一步扩大的可能，而且不少企业机床陈旧，生产落后，产品质量很不稳定，导致机床的精度差、效率低。所以为可满足生产需要，许多企业开始从国外进口先进机床，导致我国机床进口数量猛增，进出口差距越来越大。（3）缺乏市场竞争力。中国虽然有许多机床制造厂，但缺少跨国机床厂商和具有高精尖生产设备的公司。目前我国机床行业发展较好的有沈阳机床集团、大连机床集团、济南机床集团等等，但与发达国家的机床集团相比还差的很远。虽然通过我国技术人员的不懈努力，我国机床行业已经取得了不小的成就，但与世界机床行业相比，所以新一代的我们一定要努力学习先进知识、不断探索、奋发图强，以便早日赶上世界的先进水平，为机床事业发展做出点努力。1.3 研究内容及主参数根据做的机床型号、主参数，确定机床的转速级数、公比、各项运动参数；再慢慢根据公比、转速级数确定出结构式、结构网、转速图，从而确定各传动轴及齿轮的参数、校核齿轮、轴与轴承的强度及寿命。本次设计主要采用一个三联滑移齿轮和三个双联滑移齿轮，通过改变齿轮啮合的组合方式，实现每级传动轴的升速降速，从而达到主轴需要的转速范围，机床变速方式通过液压缸控制拨叉的运动，来实现不同齿轮组的啮合，最终由齿轮副传动到主轴实现变速。机床主参数系列通常是等比数列，该系列符合国际ISO标准中的优先系列。主轴直径D的系列是：63、90、110、125、130、150、160mm。本镗铣床取主轴直径D=110mm。2 镗铣床变速操纵机构简介2.1 镗铣床结构组成如图2-1，镗铣床主要由主轴箱、前立柱、后立柱、床身、上下滑座等部件组成。主轴箱包括主轴箱体、主轴传动系统、主轴变速操纵机构，用于装夹刀具并带动刀具旋转，而且根据加工情况，刀具可以装在主轴、镗杆或平旋盘上，通过主轴箱得到不同的转速、进给量，而且可以与主轴箱沿前立柱的导轨上下移动。装在后立柱上的尾架可用于支撑比较长的镗杆。尾架与主轴箱一样，可沿着后立柱的导轨上下移动，来保证与主轴箱相对位置的稳定。工件安装在工作台上，工作台可随下滑座和上滑座作纵、横向移动，此外还可绕上滑座的圆导轨转至所需要的角度，以适应各种加工情况。 图2-1 镗铣床组成图2.2 机床变速操纵机构变速操纵机构采用两位液压油缸控制滑移齿轮的移动。对于双联滑移齿轮：液压油通过油管流进右（左）侧液压油缸，推动油缸中柱塞向左（右）移动，柱塞带动拨叉拨动齿轮，当柱塞运动到运动到极限位置时，停止运动，此时达到滑移齿轮需要的位置，实现变速运动；当液压油从另一油管流进左（右）侧液压油缸时，推动柱塞向右（左）移动，使拨叉带动滑移齿轮回到初始位置，从而使齿轮复位。对于三联滑移齿轮：控制方式与双联相同，唯一不同的是，多一个变速位置，通过控制两端的液压油压力相等，便可以控制其停在指定位置。2.3 变速机构传动轴固定机床传动轴的轴承一般以深沟球轴承和圆锥滚子轴承为主。因为深沟球轴承价格较低、噪声和发热少，圆锥滚子轴承装配方便、承载能力较大，还可以承受轴向力。此外传动轴在箱体内可分为一端固定和两端固定两类：一端固定优点是轴受热后可以向另一端自由延伸，不会产生热应力，适合长轴；两端固定时，需要考虑预调间隙，否则容易卡死，但是承载能力较强。2.4 齿轮在传动轴上的布置与排列在变速传动组内，应尽可能使用较小的齿轮做滑移齿轮，使滑移省力，滑移齿轮必须使原啮合齿轮完全脱开，另一个齿轮才能进入啮合，所以双联滑移齿轮传动占用的轴向长度为（其中为齿宽），三联滑移齿轮传动占用的轴向长度为。2.5 主轴部件机构镗铣床的主轴是莫氏锥度孔的空心轴，主要用于安装刀具和刀杆。主轴上开有两个长键槽，并装在轴套内，用导向键将轴套与轴连在一起，保证主轴既能同轴套旋转，又可由进给丝杠带动作轴向移动。主轴通过推力球轴承和圆锥滚子轴承与箱体相连，主轴不做进给运动时，既利用推力球轴承和圆锥滚子轴承实现轴向定位，还可以避免主轴径向弯曲。平旋盘位于主轴的前端，用螺钉和定位销固定，平旋盘的端面上有四条径向T型槽，用来紧固刀架或刀盘。平旋盘上固定着传动它的齿轮，以及可移动的径向刀架及传动它的齿轮、蜗杆、蜗轮，通过控制齿轮、蜗杆、蜗轮来控制刀架的径向运动。这些齿轮、蜗杆、蜗轮，在工作过程中一面随平旋盘绕它的轴线旋转，一面绕自身的轴线旋转。3 机床主传动系统设计3.1 电机的选择3.1.1 选择电动机的类型根据电机用途，选用一般用途封闭式Y系列单速三相交流异步电动机，它具有效率高、耗电少、结构简单、振动小、噪声低、体积小、维护方便、B级绝缘等优点，因为结构为全封闭、自扇冷式，所以适用有灰尘、扬土、溅水的场合，金属切屑机床上同样可以实用。3.1.2 确定机床切削功率由于所选机床为镗铣床，所以选取硬质合金端铣刀YT15加工结构钢为条件，根据切削用量简明手册表3.1、表3.8、表3.15、3.27查得：，则切削速度 根据切削用量简明手册表3.28查得：，,，则切削力 所以电动机的切削功率3.1.3 确定电机功率及型号机床的效率，则，根据机械设计实用手册表9.2-6，电机额定功率为15kw，同步转速1000r/min，满载转速970r/min，型号为Y180L-6型三相交流异步电动机。3.2 联轴器的选择根据一轴与电动机轴直接相连，转速高、转矩大，所以选用弹性柱销齿式联轴器。根据电动机与一轴直径，与传动轴轴线为一条轴线，选择其型号为ZL4型弹性柱销齿式联轴器（GB/T4727-2006）。它的优点是利用尼龙棒的纵断面剪切强度，可传递很大的转矩，工作温度范围大，可代替齿式联轴器，而且具有一定补偿轴向偏移的能力。3.3 确定传动公比3.3.1 确定极限转速 主轴极限转速的确定，可由公式得出，即 式中 经济加工时最小切削速度，m/min； 经济加工时最大切削速度，m/min； 经济加工工件最小直径，mm； 经济加工工件最大直径，mm； 机床最低转速，r/min； 机床最高转速，r/min。根据实用机械加工工艺手册第3版 表11-88选取，根据机械加工工艺手册表2.4-100选取，类比机床设计图册T6112镗床参数，取机床最大加工直径为300mm，则 取800r/min 取16r/min3.3.2 选定公比已知 ， ， 则：当公比时， 故转速级数为18当公比时， 故转速级数为14根据转速范围大小，选取变速范围较多的18级，所以公比为1.26。3.4 拟定结构式机床的变速范围较大，需要经过传动链减速后才能达到主轴所需的转速，根据传动副的设计原则，传动副要满足“前多后少”“前密后疏”。所以结构式排列最终定为。根据结构式，绘出结构网为图3-1。3.5 绘制转速图由18级转速、公比及结构式，查机械制造装备设计第3版表2-4、表2-5，得到公比为1.26的数列为：16, 20, 25, 31.5, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800。根据金属切削机床设计转速图的绘制原则，画出转速图，转速图为图3-2，根据转速图传动系统图设计为图3-3。图3-1 结构网 图3-2 转速图 图3-3 传动系统图3.6 传动件计算转速根据机械制造装备设计第3版表2-9及镗铣床主轴直径，则，所以主轴计算转速取63，各传动轴、齿轮的计算转速分别为表3-1，表3-2。表3-1 传动轴计算转速轴97040016020063表3-2 齿轮计算转速齿轮Z5Z6Z9Z10Z13Z14Z17Z1897040040016050050200633.7 各轴动力参数根据机械设计课程设计2.5节及表17-9计算得： 0轴：0轴即电机轴 轴：轴即变速机构高速轴 轴：轴即变速机构中间轴 轴：轴即变速机构中间轴 轴：轴即变速机构中间轴 轴：轴即主轴 3.8 估算传动轴径根据机械制造装备设计课程设计指导书表1-25，危险轴径公式见(3-1)。 (3-1)式中 K键槽系数； A系数； P电动机额定功率，KW； 从电动机到所计算轴的传动效率； 传动轴的计算转速，r/min。 则：由表1-25选取K=1.09，A=77轴： 轴： 轴： 轴： 由于是花键轴，所以实际选择轴径，则根据实用机械加工工艺手册第3版表5-183，选择出花键轴轴径列于表3-3中。 表3-3 花键轴轴径轴齿数小径d（mm）大径D（mm）键宽（mm）8323868364278424888424884 齿轮参数设计计算4.1 选取传动齿轮齿数的原则和要求 根据金属切削机床设计，齿轮的选择原则及要求分为如下几点：1齿轮的齿数和应按传动顺序逐渐加大；2齿轮的齿数和应满足：；3齿轮的最小齿数；4. 同一变速组中的齿轮，中心距必须相等；5. 两轮间中心距不应过小，否则将导致两轴轴承之间孔壁过薄，导致强度不够；6. 要保证齿轮可以套装在轴上，齿轮的齿槽到孔壁或键槽底部的壁厚应大于或等于2m（m为齿轮模数），从而保证齿轮有足够的强度；如果用的是花键轴，则可以查机械制造装备设计课程设计指导书图1-14，确定齿轮的允许装配的花键轴直径；7. 三联滑移齿轮的最大齿轮和次大齿轮之间的齿数差，应该大于或等于4，以防止变速时发生干涉。4.2 齿轮材料、热处理及精度等级由于主传动中绝大多数齿轮都采用45钢或者40Cr，所以本机床齿轮均采用45钢，高频淬火，已达到传动时的刚度、强度要求；按精度GB/T 100952008，传递动力的齿轮，选第公差组，然后根据机械设计表10-6，机床齿轮精度为38级，本机床取7级精度。4.3 齿轮齿数的确定由转速图、传动比、及类比同类机床，再根据齿轮的选择原则，查机械制造装备设计第3版表2-8，则各传动副齿轮为表4-1。表4-1 各齿轮齿数齿轮Z1Z2Z3Z4Z5Z6Z7Z8Z9齿数Z375832632768425327齿轮Z10Z11Z12Z13Z14Z15Z16Z17Z18齿数Z6853422372584625794.4 估算齿轮模数齿轮材料相同时，要选择负荷最重的小齿轮，按齿面接触疲劳与轮齿弯曲疲劳进行估算模数，并由两值中较大的选取相近的标准模数，计算时所需系数由金属切削机床设计指导书中表选取。1.按齿面接触疲劳强度见公式（4-1） (4-1)2.按轮齿弯曲疲劳强度见公式（4-2） (4-2)式中 系数，时，=61，时，=59； 系数，时，=1，时，=0.99； 载荷系数，K=0.81.6，通常取1.01.2； 齿轮传递的名义功率，KW； 齿数比，； 齿宽系数，； 齿轮计算转速，r/min； 齿轮齿数； 复合形系数，查图2.4-10； 许用接触应力，MPa，； 式中:查图2.4-8； 许用齿根应力，MPa； 轮齿单向受力时，查图2.4-13； 注：“+”用于外啮合“-”用于内啮合（1）齿轮5 1）按齿面接触疲劳强度估算： ，, ， 将数值代入公式，则： 2）按轮齿弯曲疲劳强度估算： ，,， 将数值代入公式，则： 综上结果，由于，所以 （2）齿轮9 1）按齿面接触疲劳强度估算： ，, ， 将数值代入公式，则： 2）按轮齿弯曲疲劳强度估算： ，,， 将数值代入公式，则： 综上结果，由于，所以（3）齿轮13 1）按齿面接触疲劳强度估算： ，, ， 将数值代入公式，则： 2）按轮齿弯曲疲劳强度估算： ，, ， 将数值代入公式，则： 综上结果，由于，所以（4）齿轮17 1）按齿面接触疲劳强度估算： ，, ， 将数值代入公式，则： 2）按轮齿弯曲疲劳强度估算： ，, ， 将数值代入公式，则： 综上结果，由于，所以4.5 验算齿轮模数估算完齿轮的模数之后，需要验算所选模数是否复合要求，若不满足要求时，可调整齿宽、改变齿轮材料或重新选择齿数和模数，所有系数由金属切削机床设计指导书中表选取。 1.按齿面接触疲劳强度见公式（4-3） （4-3） 2.按轮齿弯曲疲劳强度见公式（4-4） （4-4）式中 使用系数； 变动工作用量系数，； 变动工作用量系数，； 功率利用系数，查表2.4-20； 功率利用系数，查表2.4-20； 转速变化系数，查表2.4-21； 转速变化系数，查表2.4-21； 工作期限系数， 式中：、查表2.4-22；t查2.4-23； 工作期限系数， 式中：、查表2.4-22；t查2.4-23； 动载系数， 式中：、查表2.4-25； 名义切向力，(N)； 式中：，从电动机到该齿轮的传动效率 齿轮分度圆圆周速度，m/s； 齿向载荷分布系数，； 式中：据和齿轮结构布局查图2.4-2； 据齿宽和精度等级查图2.4-3； 齿向载荷分配系数，查表2.4-26； 齿向载荷分配系数，查表2.4-26； 节点区域系数，查表2.4-4； 弹性系数，齿轮材料为钢时； 重合度及螺旋角系数，根据、查图2.4-5 注：、由图2.4-6和图2.4-7； 许用接触应力，； 复合形系数，查图2.4-10； 复合度及螺旋角系数，查图2.4-12； 许用齿根应力，轮齿单向受力：，N；注 的取值：当时，则取； 当时，则取； 当时，则取；（1）齿轮5 1）按齿面接触疲劳强度估算： ，, ， 1,所以 , 将数值代入公式，则： 2）按轮齿弯曲疲劳强度估算： ，,， ,所以 =4.15， = 将数值代入公式，则： 综上结果，由于，所以符合要求。 （2）齿轮9 1）按齿面接触疲劳强度估算： ，, ， ,所以 , 将数值代入公式，则： 2）按轮齿弯曲疲劳强度估算： ，, ， ,所以 =4.21， 将数值代入公式，则： 综上结果，由于，所以符合要求。（3）齿轮13 1）按齿面接触疲劳强度估算： ，, ， ,所以 , 将数值代入公式，则： 2）按轮齿弯曲疲劳强度估算： ，, ， ,所以 =4.25， 将数值代入公式，则： 综上结果，由于，所以符合要求。（4）齿轮17 1）按齿面接触疲劳强度估算： ，, ， ,所以 , 将数值代入公式，则： 2）按轮齿弯曲疲劳强度估算： ，, ， ,所以 =4.2， 将数值代入公式，则： 综上结果，由于，所以符合要求。4.6 计算齿轮几何尺寸根据机械原理第七版表10-2渐开线标准直齿圆柱齿轮几何参数计算公式为： 分度圆直径： ， 齿顶圆直径： ， 齿根圆直径： 中心距： 齿宽： ，其中由估算模数查得 式中：为齿顶高系数（=1）；为顶隙系数（=0.25） 根据公式计算出个齿轮的几何尺寸填入表4-2。表4.2 齿轮几何尺寸齿轮第变速组齿数Z模数m(mm)齿宽B(mm)分度圆(mm)齿顶圆(mm)齿根圆(mm)中心距(mm)Z1372.51592.597.586.25118.75Z2582.515145150138.75Z3322.515808573.75Z4632.515157.5162.5151.25Z5272.51567.572.561.25Z6682.515170175163.75Z7第变速组42330126132118.5142.5Z853330159165151.5Z927330818773.5Z1068330204210196.5Z11 第变速组53330159165151.5142.5Z1242330126132118.5Z1323330697561.5Z1472330216222208.5Z15第变速组583.535203210194.25 182Z16463.535161168152.25Z17253.53587.594.578.75Z18793.535276.5283.5267.55 传动件校核5.1 轴的材料选择轴材料为45钢，调质处理，硬