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数控铣床主轴箱设计,数控,铣床,主轴,设计
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年月日诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名：机械工程系112011119韩龙龙起 止分析题目，确定设计思路，进行开题检查学习相关知识，收集资料、确定方案初步设计结构总图，整理资料，准备中期检查设计总结构图及所有非标零件图编写设计说明书及图纸整理，准备答辩年专业：指导教师（含职称）： 佘银柱（副教授 ）日 期2014.112014.12.302015.012015.02.282015.03.12015.04.302015.05.12015.05.302015.06.12015.06.10月机械设计制造及其自动化日毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 数控铣床主轴箱设计系部：学号：学生：1设计（论文）的主要任务及目标.进一步了解常用机械加工设备应用等.能够综合运用所学专业知识设计机械及相关产品及其零部件.能够独立熟练地检索各方面文献资料2设计（论文）的基本要求和内容.按照学院有关要求完成毕业设计内容.设计数控铣床主轴箱及传动机构总图及非标零部件结构图.编写设计说明书3主要参考文献.王伯平.互换性与测量技术基础.机械工业出版社,2013.张世昌.机械制造技术基础.高等教育出版社,2006.王运炎.机械工程材料.机械工业出版社,2014.濮良贵.机械设计.高等教育出版社,2006.李郝林.机床数控技术.机械工业出版社，20024进度安排设计各阶段名称12345审核人：machine tool is the digital process control machine tool, is an automated数控铣床主轴箱设计摘 要：数控机床即数字程序控制机床，是一种自动化机床，数控技术是数控机床研究的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。随着制造技术的发展，现代数控机床借助现代设计技术、工序集约化和新的功能部件使机床的加工范围、动态性能、加工精度和可靠性有了极大的提高。立式数控铣床主轴箱的设计：首先分析立式数控铣床的加工特点和加工要求，确定其主要参数（包括传动系统的运动参数和动力参数）。根据此立式数控铣床的主要参数和设计要求进行主运动系统各部分机械结构设计，包括主传动系统的设计，展开图设计和截面设计。进行传动轴和齿轮的校核 ，以及齿轮模数的计算，轴的空间布置以及箱体的设计。关键词：数控铣床，主轴箱 ,主传动系统DesignOfMainAxleBoxForNumericalControlMillerAbstract：ANCmachinetool,CNCtechnologyisthecoreofnumericalcontrolmachinetoolresearchandmanufacturing base to realize the automation, networking, flexible, integrated. With thedevelopmentofmanufacturingtechnology,modernCNCmachinetoolswiththeaidofthemoderndesigntechnology,theworkingproceduresetreductionandnewfeaturestomakethescopeoftheprocessingmachine,dynamicperformance,machiningprecisionandreliabilityhas beengreatlyimproved.The designofthemainaxleboxofvertical numerical controlmiller:first,analyzethemachiningcharacteristicsandmachiningrequirementoftheverticalnumerical control milling machine, and determine its main parameters (including themovementparametersandthedynamicparameters)oftheverticalnumericalcontrolmillingmachine.According to the main parameters and design requirements of the vertical CNCmillingmachine,themechanicalstructuredesignofthemainmotionsystemiscarriedout,includingthedesignofthemaindrivesystem,theexpansionplanandthesectiondesign.Thecalculationofthedriveshaftandgear,thecalculationofthegearmodulus,thespacelayoutoftheshaftandthedesignoftheboxbody.Keywords:CNCmillingmachine,spindlebox,maindrivesystemI录绪论.1设计的选题意义.1总体设计的主要内容.1数控铣床及主传动系统简介.2数控铣床简介.2立式数控铣床主传动系统的简介.3对立式数控铣床的主传动系统的要求.3主传动系统机械设计.4传动系统参数的拟定.4传动结构和结构网的选择.4变数组数目和各变数组中传动副的数目的确定.4对传动组的传动顺序的安排.4传动系统的扩大顺序安排.5验算变速组的变速范围.5转速图拟定.6主电机的选择.6分配最小传动比、拟定转速图.7齿轮齿数的确定及传动系统图的绘制.9齿轮齿数的确定的要求.9变速传动组中齿轮齿数的确定.10主轴转速系列的验算.11传动系统图的绘制.12传动件的估算与验算.13传动轴的估算和验算.13传动轴直径的估算.13目2.22.3....33.4.4II传动轴刚度的验算.14齿轮模数的估算.16齿轮个参数估算.16展开图设计.22结构设计的内容及技术要求.22设计内容.22技术要求.22齿轮块的设计.23特点.23精度等级的选择.24结构与加工方法.24组合齿轮.25齿轮的轴向定位.26传动轴设计.26特点.26轴的结构.26轴的材料及热处理.27轴承的选择.27轴的轴向定位.28传递轴I的联轴器选择.29主轴组件设计.29对主轴部件的基本要求.29主轴部件的传动方式和布置形式.29主轴部件轴承的选择.30主轴支承结构设计.31主轴主要参数的确定.31主轴的材料，热处理.33主轴部件的密封.33制动器设计.3.2 计算（验算）.18........76III截面设计.36轴的空间布置.36主轴和传动主轴的轴.36轴的装置.36中间各传动轴.36操纵机构.37润滑.37压力循环润滑系统的计算.37柱塞泵的油量计算、结构和规格尺寸.38箱体设计的有关问题.38箱体材料.39砂型铸造时，箱体铸件的最小壁厚.39箱体壁孔对刚度的影响和补偿16.39结谢.43论.40...27.4.38参考文献.41致IV绪论设计的选题意义总体设计的主要内容数控铣床及主传动系统简介太原工业学院毕业设计11.1数控机床是现代工业生产必不可少的设备，虽然中国是世界上机床数量比较多，但数控机床的产品竞争力在世界市场中仍处于较低的水平，即使在国内市场也面临着严峻的形势。一方面，中国正处于产业升级的紧要关头，对高端数控机床有着迫切的需求，但是由于国产数控机床的水平满足不了当前国内发展的需求，结果导致大量高端数控机床需要进口。另一方面，对于低端机床的需求有所减少，导致不少国产机床滞销积压，销售方面存在困难，这严重影响了我国数控机床自主发展的势头。其原因除了有经营、产品质量和促销手段等因素外，不得不提的一个重要原因就是我国生产的数控机床品种比较少、性能与一些发达国家存在明显差距，新产品开发周期相对比较长，不能及时针对用户的需求提供满意的产品。本次设计旨在改善现有数控机床的性能，使其性能更优良，效率、性价比更好。同时希望借助此次设计来提高自身的专业技能和素质，为大学四年的学习画一个完美的句号。1.2此次设计主要分成三部分内容8：（1）分析立式数控铣床的加工特点和加工要求，确定其主要参数（包括传动系统的运动参数和动力参数）。（2）根据此立式数控铣床的主要参数和设计要求进行主运动系统各部分机械结构设计，包括主传动系统的设计，展开图设计和截面设计。（3）进行传动轴和齿轮的校核 ，以及齿轮模数的计算。22数控铣床简介8-保护开关14-横向进给伺服电动机9-挡铁15-升降台10-操纵台16-纵向工作台11-保护开关12-横向溜板太原工业学院毕业设计2.1我们一半多讲的数控铣床是指规格比较小的升降台式数控铣床，尺寸方面，它的工作台宽度一般情况下是在400毫米以下，有规格比较大的数控铣床（如工作台宽度在500毫米以上的），它在功能方面有点接近加工中心，进而演变成荣幸加工单元。数控铣床多为三坐标、两轴联动的机床，也称两轴半控制，即在X、Y、Z三个坐标轴中，任意两轴都可以联动。图2.1数控铣床的布局图1-底座 2-强电柜 3-变压器箱 4-垂直升降进给伺服电动机 5-主轴变速手柄和按钮板6-床身 7-数控柜13-纵向进给伺服电动机一般情况，立式数控铣床只能加工平面的曲线轮廓。对于有特殊要求的数控铣床，还可以加进一个回转的A坐标或C坐标，即增加一个数控分度头或数控回转工作台，在机床工作台的不同位置安装，这时机床的数控系统为四坐标的数3立式数控铣床主传动系统的简介对立式数控铣床的主传动系统的要求太原工业学院毕业设计控系统，可用来加工螺旋槽、叶片等立体曲面零件2。与普通铣床相比，数控铣床的加工精度相对比较高，同时能减少工人劳动量，提高生茶效率，适应板类、盘类、壳具类、模具类等复杂形状的零件或对精度保持性要求较高的中、小批量零件的加工。数控铣床按其主轴位置的不同分三类：数控立式铣床 ，卧式数控铣床 ，立、卧两用数控铣床。2.2主传动系统即是用来实现机床主运动的传动系统，它要有一定的转速以及一定的变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工各种材料、尺寸、加工要求等不同的任务，并能方便快速地实现运动的开停、变速、换向和制动等。主传动系统主要由电动机、传动系统和主轴部件组成。2.3（1）为满足机床的运动要求，主轴要具有一定的转速、足够的转速范围和足够的转速级数，以能够实现运动的开停、变速、换向和制动。（2）为满足机床的动力要求，主电动机要具有足够大的功率，所有机构和各个元件必须具有适合的强度和刚度，（3）为满足机床的工作性能要求，跟主传动有关的结构（特别是主轴组件）必须要有足够高的精度、抗振性；此外，热变形和噪声要小，传动效率要高3。（4）操纵灵活可靠，调整维修方便，润滑密封良好，以满足机床的使用要求。（5）结构简单紧凑，工艺性好，成本低，以满足经济性要求。4主传动系统机械设计传动系统参数的拟定传动结构和结构网的选择变数组数目和各变数组中传动副的数目的确定对传动组的传动顺序的安排3x3x2,或者太原工业学院毕业设计33.1首先确定公比。通常选取各级传送机床常用的公比为1.26或1.41，对于此数控铣床，由于考虑到尽量减少速度损失，选用1.26最为合适。由给出的条件：主运动部分Z=18级，再根据标准数列表，确定各级转速为：30、37.5、47.5、60、75、95、118、150、190、235、300、375、475、600、750、950、1180、1500，单位：R/min。要设计的数控铣床的变速范围要求比较大，主轴所需的转速必须要经过较长的传动链减速才能从电机的转速降到所需数值。级数为Z的传动系统由若干个传动副组成，各传动组分别有z1 .z2.z3个传动副，即Z=z z z1 2 3。由于结构的限制，传动副数通常采用P=2或3，即变速Z应为2或3的因子：Z=2ax2b因此，这里18=3x3x2，共需三个变速组。3.2.2此数控铣床为十八级转速，有两种可以待选择的传动方案，为3x2x3。对于传动组的安排，不仅要依据变速组安排规律，还要针对变速组的结构进行分析。I轴如果在安置制动的电磁离合器时，尽量减少轴向尺寸，第一传动组的传动副数不能过多，选择为2比较合适；另外主轴对加工精度、表面粗糙度的影响很大，因此主轴上齿轮最好少些；对于最后一个传动组，可以选择2或者定比传动副。这里，根据“前多后少”的原则，选择18=3x3x2方案。5传动系统的扩大顺序安排18=3x3x2， 总 共 有3!=6种 可 以 选 择 的 方 案 。在结构式验算变速组的变速范围minmax1.26xminmaxx）值：rmin1/4，最大传动比Umin6=f =2x xmax=8x+2，由此决定了一个传动组39太原工业学院毕业设计3.2.3确定了传动方案为18=31x33x29的传动中，扩大顺序与传动顺序一致，称为顺序扩大传动，而18=33x31x29的扩大顺序与传动顺序不一致，因此根据“前密后疏”的原则，选择18=31x33x29的结构式。3.2.4齿轮的最小传动比U的最大变速范围：Ymax=U /U根据传动比及指数 x，x 的值（如表3.1）表3.1 传动比及指数极限值传动比指数公比x值：U =1/f =1/4x值：U（x+ =f =8因此，选择传动方案18=31x33x29即可。其结构网如下图3.1：6转速图拟定主电机的选择太原工业学院毕业设计图3.1 结构网3.3在运动参数确定后，主轴各级转速就已知，接下来就能确定电动机的功率。在此基础上，选择合适的电动机型号，；接下来就是拟定转速图，把各个中间轴的转速确定下来。3.3.1一般中型机床上都采用交流异步电动机作为动力源，可在下列中选用。电机功率根据机床切削能力的要求来确定。由于电机产品的功率已标准化，因此，按要求应选取相近的标准值。异步电动机的转速有：3000，1500，1000，750r/min，这取决于电动机的极对数Pnd=60f/p=60x50/p(r/min)1500r/min和3000r/min 是机床中最常用的两种，要选用的是使电机转速与主轴最高速度nmax、工轴转速相近为宜，避免采用过大或过小的降速传动。根据以上要求，我们选择功率为7.5KW，转速为1500r/min的电机，查表，其型号为Y132M-4，其主要性能如下表3.2：7额定功率KW7.5分配最小传动比、拟定转速图46载荷转速r/min1440（式3.1）同步转速r/min1500太原工业学院毕业设计表3.2 所选电机型号电机型号Y132M-43.3.2(1)II轴的转速：电动机主轴转动传动到II轴，通过传动系统转化为各级转速近；从动件运行时所受扭矩最小来考虑，II轴的速不宜将电机转速降得太低。I轴上装有离合器等零件时，高速下摩檫损耗，发热都将成为突出矛盾，II轴应该选取比较低的转速，II轴的转速应该选在7001000r/min之间。因此，使中间变速组减速慢一些，以减小整个机构的尺寸；在电机轴I到主传动系统前端轴II增加一对26/54的降速齿轮副，改变降速齿轮传动副的传动比，可以将主轴18级转速一起提高或降低。(2)中间轴的转速中间轴转速的确定要考虑到几个问题，机械结构尺寸以及工作时产生噪音之间进行矛盾的平衡。选取的中间轴转速较高，中间轴和齿轮所售的扭矩较小，应该将轴径设计小些，齿轮模数也应该相应比较小一些。d M， m3M从而可使结构紧凑。但这样易引起空载功率N空和噪音Lp加大：N空=1/10 (3.5enda+Cd主 （式3.2）式中：C系数，两支承滚动轴承和滑动轴承C=8.5，三支承滚动轴承C=10；da所有中间轴轴径的平均值；d主主轴前后轴径的平均值；N主轴转速（r/min）；861 主 主a主min6。（3.3）太原工业学院毕业设计Lp=20lg10 lg ( ) 4.5 (1 tan )( ) c mz q mz na ne b+ - -K式中：( )mz 所有中间传动齿轮的分度圆直径的平均值mm；( )mz 主轴上齿轮分度圆直径的平均值mm；Q传到主轴上所经过的齿轮对数；主轴齿轮螺旋角；c1，K系数，根据机床类型及制造水平选取，按照我国的当前的技术水平，铣床c1=3.5，车床K=54，铣床K=50.5。由上述经验公式可知，主轴n和中间传动轴的转速对机床噪音和发热的关系，在确定中间轴转速时，应结合实际情况做相应的修正：a、高速轻载或精密机床，中间轴转速宜取低些；b、控制齿轮圆周速度v5mm， 如图3.3所示；c、同一传动组各齿轮副的中心矩应相等。若模数相等时，则齿数和也相等；但由于传动比要求，尤其是在传动中使用了公用齿轮后，常常满足不了上述要求，机床上可用修正齿轮，在一定范围内调整中心矩使其相等但修正量不能太大，一般齿数差不能超过34个齿。3.4.2为了使齿轮数目比较少进而缩小变速箱的尺寸，选用共用齿轮。因为使用共用齿轮，两个传动组间的传动比彼此牵制，没办法按照最小的结构确定传动件的尺寸，导致径向尺寸一般较大。我们通过查机床设计手册来确定个齿轮的齿数。(1)轴II-III间变速齿轮齿数的确定：由于公比f=1.26，传动比为U1=1/f4=1.26- ，U =1/f3=1.26- ，U =1/1.26-设：传动组中最小齿轮齿数Z1=16，查机床设计手册可查得：U1=16/39，U =19/36，U =22/33齿数和为Sz=55，公用齿轮选为Z1=39。(2)轴III-IV间变速组齿轮齿数的确定：传动比为U1=1/f4 U2=1/f3 U3=f2根据U =1.26 ，主动轮齿数为39，从表7.3-14可查得：U1=18/47 ，U =28/37 ，U =39/26齿数和为：Sz=65。(2)轴IV-V间变速组齿轮齿数的确定：由于变速组齿轮传动比和各传动副所受力的大小有一定差别，采用不同的模数齿轮副能够得到合理的结构尺寸。11221 21 22主轴转速系列的验算n ）%nZn n实际-n理论n n实际- 29.4 30-n理论 30理论理论太原工业学院毕业设计轴IV-V间的两对齿轮，其传动比为U1=1/4，U =2分别取m14，m 3则SZS e2e134取K30，SZ30x3=90，SZ =30x4=120。按传动比将齿数分配如下：U1=1/4=18/7219/71 ，U =2=80/4082/38轴V-VI及VI-VII间齿数确定：轴V-VI及VI-VII这两个传动组的作用是改变传动方向，起不到变速的作用，所以只需要考虑它的结构尺寸以及磨损和噪音这些影响的因素。取V-VI轴间锥齿轮齿数为29，I-VII轴间齿轮齿数为67。3.4.3主轴转速在使用上并不要求十分准确，转速稍高或稍低并无太大影响，但标牌上标准数列的数值一般也不允许与实际转速相差太大。由确定的齿轮齿数所得的实际转速与传动设计理论值难以完全相符，需要验算主轴各级转速，最大误差不得超过 -10 1 %（f ） 即D = -）%主轴的各级实际转速分别为：29.4，37.8，47.7，58，74.6，94.3，115，148，187，236.7，304.5，384.6，468，602，760，927，1192.6，1526.5r/minD = = =2%而10 1（f-）%=2.6%所以其符合要求。同样，根据这个公式，其他各级的转速也符合要求。12传动系统图的绘制传动系统图 4726 29 6754 29 67 36 373971 19 22 39 38 33 26太原工业学院毕业设计3.4.4以上确定了转速图和齿轮齿数，变速箱的结构复杂程度也初步确定了。为了使变速箱的结构尽量紧凑，不要浪费过多的空间，保证尺寸在一定范围内，要合理地布置箱内齿轮的位置。为了使变速操作时候能更方便而使用电磁离合器操纵方式。通过计算结果，绘制出传动系统图，如图3.4所示图3.4主运动传动链的传动路线表达式如下： 16 18电动机I II 19 III 28 IV 82 V VI VII（主轴）13传动件的估算与验算传动轴的估算和验算传动轴直径的估算NnjF-(主)（式4.1）太原工业学院毕业设计44.1传动轴应该满足强度和刚度要求，强度要求要是传动轴在受到反复载荷和扭转载荷时不发生疲劳破坏并保证正常运转。机床主传动系统的精度对整个机床的性能影响至关重要，一般只在载荷较大时需要验算轴的强度。刚度要求保证轴在受到载荷时不会产生较大的变形。如果刚度不够大，齿轮和轴承将由于轴的变形无法正常运转，或者伴随振动、噪声、发热、过早磨损而失效。按照扭转强度初步估算轴的直径，绘出草图厚，再根据轴的受力情况，布置结构和有关的的尺寸，验算轴的弯曲强度。4.1.1传动轴直径按扭转刚度用下列公式估算：d=914式中： N该传动轴的输入功率N=N y kW （式4.2）N电机额定功率；y从电机到该传动轴之间传动件的传动效率乘积（不计该轴轴承上的效率）。效率y对估算轴径d影响不大，可以忽略；nj该传动轴的计算转速；计算转速nj是传动件能传递全部功率的最低转速，各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来确定，而中型车、铣床主轴的计算转速为：znj =nminf （式4.3）f每米长度上允许的扭转角（deg/m）；可根据传动轴的要求选取（如表3-3）。14主轴0.5-1-主j 从j vjnIIj=750r/min444传动轴刚度的验算 一般传动轴1-1.5nIVj=118r/minnIj=1450r/min7.51450 17.5300 17.595 1较低的轴1.5-2dII=91x =28.78dIV=91x =45.69447.5750 17.5118 1太原工业学院毕业设计表4.1 传动轴刚度要求允许扭转角对传动轴刚度要求允许扭转角f（deg/m）各轴的计算转速：zn n n n n= = = =13min 6f =95r/minnIIIj=300r/min轴径的估算：dI=91x =24.4dIII=91x =36.18dV=91x =48.24这里dI取45mm，dV=dVI=48.24mm，dVI取45mm。4.1.2（1）轴弯曲变形的条件和允许值机床的主传动轴的弯曲刚度验算，主要验算轴上装齿轮和轴承处的挠度y和倾角。各类轴的挠度y，装齿轮和轴承处的倾角q，应小于弯曲刚度的许用值y和q，即y y （式4.4）轴的弯曲变形的允许值：表4.2轴的弯曲变形的允许值15允许挠度y (mm)（0.00030.0005）i0.0002（0.010.03）m（0.020.05）m（式4.5）64平均直径d1mm394552.552.5变形部位装轴承处，装齿轮处装单列圆锥磙子轴承装滑动轴承处装单列径向圆锥磙子轴承处（式4.6）惯性矩Inmm4116671207420379148379148允许倾角(rad)0.00250.00010.00060.0010.001太原工业学院毕业设计轴的类型一般传动轴刚度要求较高轴安装齿轮的轴安装蜗轮的轴（2）轴的弯曲变形计算公式：计算花键轴的刚度时可采用平均直径d1或当量直径d2计算公式：矩形花键轴：平均直径d1=（D+d）/2惯性矩：4 26 ( )( )I=pd z D d D d+ - +确定矩形花键轴的平均直径d1，当量直径d2和惯性In，可定如下表4.3：表4.3确定的平均直径和惯性矩花键轴尺寸Z D d b （GB1144-74）轴：6 42 36 10 轴：6 48 42 12 轴IV：6 55 50 14 轴V：6 55 50 14 16=26 2254 334= =2.580x10-齿轮模数的估算齿轮各参数估算N3N3j1 2w jnz j36 =273r/minPa b2 23EIlPa b2 23EIlZn（式4.11）nz j37 =235r/min（式4.7）16mmnj（式4.10）jmy（式4.9）（式4.8）太原工业学院毕业设计（3）校核二轴弯曲刚度：根据公式fc计算二轴危险处弯曲刚度，当 时是受载最严重状态。式中：a=531mm，b=348mm，E=200GPa，I=116671mm ，p=2365N；所以fc轴合格。同理，校核其他轴，经计算均满足要求。在画草图之前先估算，再选用标准齿轮模数。齿轮弯曲疲劳强度的估算：mw32齿面点蚀的估算：A370 mm其中 n 为大齿轮的计算转速，A为齿轮中心矩，由中心矩A及齿数z1，z2求出模数mj=2A/( )z z+ mm根据估算所得m 和m 中较大的值，选择相近的标准模数，各齿轮的计算转速为nz j71 =95r/minnz j54 =695r/min17nz j19 =695r/minN 7.53N31 2N 7.53N31 2N 7.53N31 2Z 54 695n 695Z 39 300n 300Z 37 235n 2353njj3njj3njj太原工业学院毕业设计nz j33 =475r/min nz j47 =118r/minnz j16 =695r/minnz j39 =300r/min nz j28 =300r/min nz j82 =118r/min轴III间传动组齿轮模数的估算齿轮弯曲疲劳估算：mw32 =32 =1.87mm齿轮点蚀的估算：A370 =370x =81.76mmmj=2A/( )z z+ =2x81.76/(26+54)=2.04mm所以模数为m=3.轴IIIII传动组齿轮模数的估算齿轮弯曲疲劳估算：mw32 =32 =2.759mm齿面点蚀估算：A370 =370x =108.18mmmj=2A/( )z z+ =2x108.18/(16+39)=3.93mm取标准模数 m=4。轴IIIIV间传动组齿轮模数的估算齿轮弯曲疲劳估算：mw32 =32x =3.046mm齿面点蚀估算：A370 =370x =117.3mmmj=2A/( )z z+ =2x147.3/(28+37)=3.61mm18 =32 32 = 4.46mm31 2 =32 32 3.3767 95 = mm31 21 2 3 s2k k k k N1 2 33Z 29 9595Z95 sZ Y nf d3nj3nj=158.7mm21 m j w7.57.5（式4.12）（式4.13）太原工业学院毕业设计所以取标准模数m=4。轴VVI间传动组齿轮模数的估算：齿轮弯曲疲劳计算，Mw齿面点蚀估算：A =370 370Nn x =153.4mmjmj=2A/( )z z+ =2x153.4/(29+29)=5.29mm取标准模数值m=5。轴VIVII间齿轮模数的确定：齿轮弯曲疲劳强度计算，Mw齿面电蚀估算A =370 370Nn xjmj=2A/( )z z+ =2x158.7/(67+67)=2.37mm取模数值为m=4。4.2.2 计算（验算）在结构确定后，齿轮工作的条件也相应地确定，通过校核齿轮的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度值是否符合要求。根据接触疲劳强度计算齿轮模数的公式：mj=m j1根据弯曲疲劳强度计算齿轮模数的公式：mw= mm19dn qC0r/min；w j按接触疲劳计算齿轮模数：=1450r/min1（式4.15）0 d 许用弯曲，接触应力MPa.太原工业学院毕业设计式中：N计算齿轮传递的额定功率：N=hN kW （式4.14）nj计算齿轮的计算转速r/min；6-10；Z1大齿轮与小齿轮齿数，一般取传动中最小齿轮的齿数；I大齿轮与小齿轮的传动比， i=Z2/Z11，“+”用于外啮合，“-”用于内啮合；ks寿命系数，ks=krk k ；kt工作期限系数：kt=齿轮等传动件在接触和弯曲交变载荷下的指数m和基准循环次数C ；N齿轮的最低转速T预先的齿轮工作期限，中型机床推荐：T=1500020000h；kn转速变化系数；kn功率利用系数；kq材料强化系数，幅值低的交变载荷可使金属材料的晶粒边界强化，起阻止疲劳的刃缝扩大的作用；k1工作情况系数，中等冲击的主运动，k1=1.21.6；k2动载荷系数；k3齿向载荷分布系数；Y齿形系数；d（1）轴I-II间齿轮模数的计算(验算)aN=yNd=0.987.5=7.35WnJ=8Z =2620ZZ 26=K K K KqKn=0.99,nT 6014501600CS T n N1145026021z3= =16300 2.76(2.0769 1) 1.4 1.4 1 1.9 7.35+ 3 mm=275K =1.4,60mKN =0.78,Kq=0.85.ws21T n NKN =0.58,=0K K K Kq=5.180.990.580.64=1.901450260= =0.30761=1=650MPa.8 26 2.0769 650 1450 +KZY4mnj1nT 60145016000C0=275MPa=1.3820.990.780.85=Kq=0.64326310 =11.83m/s12682 21 2 s1K =1.4,=0.9154107-3K K3K N26=2.0769=5.18K =1,21083=1.382Ks=K K K Kq.T n N太原工业学院毕业设计i=Ks查表：取KT=则 K =取 K =1.4,线速度：V= mz10-3=查表： 取 K =1.4=查表： 取 K查表：取 ss因此：mjb 根据弯曲疲劳计算mw查表取：而KT =查表取Kn=0.99,Y=0.43， sK211.41.410.917.35260.4381450275=0.167 mm太原工业学院毕业设计因此：mw=275由以上计算结果知，齿轮模数合格。（2）其它齿轮模数的验算剩余齿轮也是按章上面的验算过程进行验算，把其他齿轮数值代入上式，通过计算符合要求。22展开图设计结构设计的内容及技术要求设计内容技术要求3I1II2III3太原工业学院毕业设计主轴变速箱的设计的结构包括传动件（传动轴、轴承、齿轮、离合器和制动器等）、主轴组件、操纵机构和箱体及其连接件的结构设计与布置。5.1.2设计主轴变速箱，不仅要要考虑一般的机械传动要求，还要特别注意下面一些问题:（1）精度立式铣床主轴部分要求精度比较高，主轴径向跳动0.01mm；主轴轴向串动3400 DN/m主轴与刀架之间的相对振幅的要求如表5.1：表5.1 主轴与刀架之间的相对振幅等级振幅（0.001mm）（3）传动效率要求如表5.2：23I0.85温度70C60CI78齿轮块的设计特点II0.8温升40C30CII80III0.75III83太原工业学院毕业设计表5.2 传动效率等级效率（4）主轴总轴承处温升和温升应控制在以下范围如表5.3：表5.3 对主轴总轴承处温升和温升的要求条件用滚动轴承用滑动轴承（5）噪声要控制在以下范围如表5.4：表5.4 对噪声的影响等级dB（6）结构简单、紧凑、加工和装配工艺性好，便于维修和调整。（7）操作方便，安全可靠。（8）遵循标准化和通用化的原则。变速箱中有大量齿轮参与运转，齿轮同时啮合的齿数是随着周期变化的，作用于单一的齿上的载荷随着齿轮运转变化的。因为齿轮制造以及安装存在误差难免产生载荷变化从而引起振动以及噪音，通常成为变速箱噪声的主要来源，并且影响到主轴转动的均匀性，造成设计结构存在问题。因此在设计齿轮的时候，应24精度等级的选择结构与加工方法bk5mm；bk6mm。太原工业学院毕业设计该首相考虑到上述的这些问题。5.2.2齿轮精度确定主要根据其运转时的圆周速度。齿轮使用同一精度圆周速度越高，振动以及噪声越大；根据实验结果，圆周速度每增加一倍，噪音增加约为6dB。5.2.3根据齿轮所需要的加工精度，选择合适的加工方法。对于8级精度的齿轮，选择滚齿或者插齿来加工。齿轮材料选用40Cr，调质后表面淬火，表面硬度48-55HRC。对于7级精度的齿轮，选用高精度的滚齿机或者插齿机加工可以完成要求。因为淬火后齿轮精度有所降低，通常需要再经过剃齿经过淬火以及衍齿能够达到6级精度。多联齿轮块的结构形式如下图5.1所示，各部分的尺寸推荐如下：（1） 空刀槽bk插齿时：模数 1-2mm，模数 2.5-4mm，剃齿时：采用公式：bk=4.5+k(1.1+0.038d1-0.03d2)mm及计算。式中k为与剃齿刀倾斜角 有关的系数。若齿面要高频淬火，为避免互相影响，bk应大于8。由于这里采用的齿轮的精度为7-6-6，需要剃齿或珩齿，需齿面淬火，所以bk8，取bk=8。图5.1齿轮块（2） 齿宽b25组合齿轮太原工业学院毕业设计齿宽对齿的强度有一定的影响。如果齿宽过大，由于齿轮误差和形变，啮合不严密，会产生较大的噪声。因此，选取610mm齿宽较为合适。模数较小的齿轮，装在轴的中部，取较大的值；模数m大的齿轮，装在靠近支撑处或多联齿轮，取较小的值。为了减少噪声，基体应该稍厚。这里齿轮=8，对于所有齿轮，m=3时齿宽取24mm，m=4时齿宽取32mm，m=5时齿宽取40mm。（3）其他问题滑移齿轮进出啮合的一端要圆齿，有规定的形状和尺寸（见图5.2），圆齿和倒角性质不同，加工方法和画法也不一样。图5.2 滑移齿轮示意图选择齿轮块的结构时要考虑毛坯形式（棒料、自由锻或模锻）和机械加工时的安装、定位基面，尽可能做到省工、省料又容易保证精度。5.2.4齿轮磨齿时，要求有较大的空刀（砂轮）距离，因此，多联齿轮不便作成一整体，一般都作成组合的齿轮块；有时为了缩短轴向尺寸，也采用组合齿轮。这里轴II的三联滑移齿轮可做成浮动连接的组合齿轮，其结构如下图5.326齿轮的轴向定位传动轴设计特点轴的结构太原工业学院毕业设计图5.3 齿轮块说明：齿轮3的左边挖一圆沟槽，端面上有若干个径向缺口，齿轮1的右侧有2个销子2，安装时将销子2对正齿轮端面的缺口，把齿轮1和齿轮3拼装后，相对转过一个角度，一起装在花键轴上。5.2.5要保证正确啮合，齿轮在轴上的位置应该可靠，空套齿轮和固定在轴上的齿轮的轴向定位可采用轴套定位。首先，传动轴应有足够的强度和刚度，如挠度和倾角过大，将使齿轮啮合不良，轴承工作条件恶化，使振动、噪音、空载功率、磨损和发热增大。两轴中心距误差和轴心线间的平行度等装配及加工误差也会引起上述问题。5.3.2传动轴可以是光轴或花键轴，在成批生产中，有专门加工花键轴的铣床和磨床，工艺上并无困难。花键轴承载能力高，所以一般都采用花键轴。这里I轴与电机轴相连，I轴上只装有一个齿轮，可选光轴。II、III、IV、V轴采用花键轴，VI轴采用光轴。27轴的材料及热处理轴承的选择右轴承：7000306右轴承：7000308右轴承：7000409（式5.1）6太原工业学院毕业设计5.3.3传动轴采用45钢，装轴承的轴颈部位和装有滑移的齿轮用花键轴；为适当改善装配工艺和保证装配精度，进行调质处理，硬度为HB220-250。5.3.4（1）轴承的选择由于事先不知道此机床所要满足的寿命，那么就先选择好轴承的型号，根据型号给出轴承寿命的计算公式。I轴两端轴承的选择，根据前面估算的直径及该轴的结构和受力情况，选择单列向心球轴承（GB27664），轴承型号为左轴承：7000308 右轴承：7000307II轴两端轴承的选择：左轴承：7000307III轴：左轴承：7000309IV轴：左轴承：7000310V轴轴承的选择，由于轴V右端悬伸部分与锥齿轮不相连，承受一定的轴向负荷及径向负荷。因此，可选用圆锥滚子轴承左端型号：27310（GB29864），右端：27610VI轴垂直布置，下端轴承承受到大的轴向力，可选用向心推力球轴承，型号为46109（GB29264），上端轴承可选用向心球轴承7000308。（2）寿命计算公式：滚动轴承的寿命计算公式如下： c p式中：L额定寿命（x10 ）转；C额定动载荷（Kgf）；P当量负载荷（Kgf）；寿命指数，对球轴承 =3，对滚子轴承e=10/3.28= （式5.2）Lh额定寿命（h）；（式5.3）Fr径向负荷（N）；轴的轴向定位10 f Ct60n f P 6p太原工业学院毕业设计在实际计算中，一般采用工作小时数表示轴承的额定寿命，这时上试可变为：h试中：n轴承的计算转速（r/min）；ft温度系数，温度小于120o时取1，随着温度的增加ft也将有减小，见表13-4（濮良贵和纪名刚主编的机械设计第七版）；fp载荷系数，与载荷性质有关，见表13-6（濮良贵和纪名刚主编的机械设计第七版）。当量动载荷：P=XFr+YFa式中：Fa轴向负荷（N）；X径向系数；Y轴向系数。寿命计算中基本额定动载荷C由手册可查到，那么在计算寿命过程中最重要的就是求当量动载荷P，如果能正确地求出P，则能算出Lh，把算出的Lh与已知给出的使用寿命相比较就能判断轴承是否合格。5.3.5回转轴的轴向定位包括轴承在轴上的定位和在箱体孔中定位。在选择定位方式时应注意：1、轴的长度，长度要考虑热伸长的问题，宜有一端定位；2、轴承的间隙是否需要调整；3、整个轴的轴向位置是否需要调整；4、在有轴向载荷的情况下不宜采用弹簧卡圈；5、加工和装配的工艺性等；根据轴的结构特点和受力情况，I、II、III、IV、V轴均采用弹簧卡圈定位或压盖和轴肩定位。29传递轴I的联轴器选择=9550A主轴组件设计对主轴部件的基本要求主轴部件的传动方式和布置形式pNnj=95507.50.991450=48.9026Nm.太原工业学院毕业设计5.3.6轴I与电机轴用联轴器相连，需同时选取连轴器.轴I上的转矩T为：T联轴器的计算转矩 Tca=KAT, 查表取K =1.5，根据工作需要，选用弹性柱销连轴器，型号为HL3，联轴器的许用转矩为： T=630Nm，联轴器的轴孔直径d=38mm，半联轴器的长度为L=82mm，联轴器标记为：HL3联轴器 3882GB501485。主轴直接承受切削力，转速范围又很大，因此对于它的回转精度表，刚度，抗振性，温度以及耐磨性。5.4.2（1）传动方式主轴旋转运动传动方式的选择，决定于主轴转速的高低、所传递扭矩的大小、对运转平稳性的要求及结构紧凑及装卸维修是否方便。这里我们选择齿轮传动，这样结构简单，紧凑和能传递较大的扭矩。（2）传动件位置的合理布置对于传动件直接装在主轴上的主轴部件，工作时主要承受传动力Q，切削力P和支承反力。合理布置传动件的轴向位置，可以改善主轴的受力情况，减少主轴的变形，改善传动件的轴承工作条件，减少轴承的受力，提高主轴部件的抗振性等。30主轴部件轴承的选择太原工业学院毕业设计合理布置的原则：传动力Q引起的主轴弯曲变形小，且能部分抵消切削力P引起的主轴弯曲变形。传动力Q引起的支承反力能部分抵消切削力引起的支承反力。传动力Q引起的主轴端位移小，并且尽可能部分地抵消切削力引起的端位移，尤其在影响加工精度的敏感方向上。结构紧凑，主轴箱尺寸小，装配维修方便。综合上述原则，选择传动件的轴向布置形式如下图5.4。图5.4 传动件轴向布置形式5.4.3（1）主轴轴承的选择这里前支承选用D3182118型，双列向心短圆柱滚子轴承，可承受径向力，后支承选用E46117，一对向心推力球轴承，承受径向和轴向载荷，使主轴轴向定位准确。(2)轴承的配置大多数机床主轴采用两个支承，结构简单，制造方便，在配置轴承时，应注意以下几点： 每个支承点都要能承受径向力； 每个方向的轴向力应分别有相应的轴承承受； 径向力和两个方向的轴向力都应传递到箱体上，即负载都由机床支承件31轴承配置简图主轴支承结构设计主轴主要参数的确定11 112D D1 22太原工业学院毕业设计承受。轴承配置简图5.5如下：图支承中的轴承应定位可靠，精度保证性好，安装调整方便。支承中各零部件的加工和装配工艺性要好，维修更换方便。轴承(3182118型)内圈轴向定位：当内圈向大端移动时，由于1：12的内锥孔，内圈将胀大消除间隙。5.4.5(1)主轴轴颈直径D的确定主轴轴颈直径D对主轴部件刚度影响最大。加大直径D，可减少主轴本身弯曲变形引起的主轴轴端位移和轴承弹性变形所引起的轴端位移，从而提高主轴部件刚度。但加大直径造成相配零件尺寸加大，制造困难，结构庞大和重量增加等。因此在满足刚度要求下应取小值。查取D=85mm，后轴颈D =80mm。平均轴颈D mm= =+ 82.5 取d=27mm(2)主轴内孔直径d的确定主轴内孔主要用于通过棒料夹紧刀具或工件的控杆、冷却管等，大型、重型机床的空心主轴还可以减轻重量。确定孔径d的原则是在满足对空心主轴孔径的要求和最小壁厚要求以及不削弱主轴刚度的要求下尽量取大些。由材料力学知，轴刚度K与抗弯截面惯性矩I成正比，与直径之间有下列关系：32空 空 4实 实A 13A9.255 10 635 31 ( )d（式5.5） （式5.4）2.7595太原工业学院毕业设计K IK I D= = -由上式可知，当d D/ 0.5 0.6 - 时，空心主轴的刚度K空与实心主轴的刚度K实相差甚小，即内孔对主轴刚度降低的影响很小，当d D/ 0.7= 时，刚度降低约25%。因此，为了不至于过分地削弱主轴刚度，一般应使d D/ 0.7 。另外，还应考虑主轴的颈外壁厚是否足够。推荐：铣床d=拉杆直径+(5-10)mm。根据铣床XK5040的主参数，取d=27mm。则 d D/ 27 /85 0.322。满足要求。= =(3)主轴悬伸量a的确定主轴悬伸量a是指主轴前端的前支承径向反力作用中点(一般为前径向支承中点)到主轴前端受力作用点的距离，它主要与主轴端部结构型式、尺寸(大多都有轴端标准)，前支承的轴承配置、密封装置等有关。有的还取决于机床其它结构参数（如工作台的行程等）8。因此主轴悬伸量a主要由结构设计来确定。取a D/ 0.71= ，则悬伸量a=63mm。(4)主轴跨距l的确定计算前支承刚度K D N mm= = = 1700 1700 90 9.255 10 /1.4 1.4 5计算综合变量EIK a此处取弹性横量E MPa= 2 105 (钢的E MPa= 2 105 )主轴的截面惯性距I D d mm= - = - = p p64 64( ) (90 27 ) 3.193 164 4 4 4 6 4则5 6= =2 10 3.193 10 由主轴跨距计算线图得l a0/ 4.8=33主轴的材料，热处理主轴部件的密封太原工业学院毕业设计所以l0=302.4合理跨距范围为：l l合理= - - = - -0(0.75 1.5) 226.8 453.6之间，为提高刚度，应尽量缩短主轴外延伸长度a，选择适当的跨距l，一般推荐取l/a=3-5。这里取l=4a=463=252(mm)。5.4.6(1)主要为提高强度和韧性，选用40Cr，进行调质处理。或调质后局部淬硬处理。(2)主要为得到很高的表面硬度，增加耐磨性，可选用20Cr渗碳后淬硬。这里选用40Cr。5.4.7主轴部件密封装置的作用是防止润滑剂从部件流出，和防止冷却液、湿气、灰尘、切削液及杂质侵入部件内，导致主轴、轴承和传动件等腐蚀及磨损过快，影响主轴部件的工作性能3。34制动器设计jjjjjK(Ma2GD f = (dd9550=Kx9550 =2x9550x7.5/1450x0.99=97.8Mf所有被离合器带动的零件折算到离合器轴上的当量飞轮矩2(GD2)i(Nnn0GD )z+ (GDninNmjNmj)=K22)2+360（式6.1）( M0)NmGVA.GD37.522ta)( )2+ (GD Dn1f1nn（式6.2）2) ( )2+Ln22n太原工业学院毕业设计6按照要求，根据电磁离合器所能传递的静扭矩M 和动扭矩M 选择各类电磁离合器的规格、型号，从而确定其尺寸。下面按扭矩选择离合器：一般应使选用和设计的离合器的额定静扭矩M 和额定动扭矩M 满足工作要求。额定静扭矩：M = KM K ymax式中： M 离合器的额定静力矩（Kgm）；K 安全系数；Mmax运转时的最大负载力矩；对于需要在负载下启动和变速，或启动时间有特殊要求时，应按动扭矩设计，查机械设计手册表4-430，取K=2 ，取y=0.99则M KM额定动扭矩：Md式中，Ma加速扭矩；GDkgm2；+（式6.3）352(GD )1, (GD2)2L分别为离合器带动的其他各轴(转速为n1，j2太原工业学院毕业设计GD f安装轴(转速为n)及轴上零件的非轮矩之和 ； n1,n2Lni)上零件的飞轮矩之和；ta加速时间，中型车床取1-3s，位行用0.010.02s；M0空转扭矩。湿式多片式离合器一般为M 的12%，油量小，精度高，水平安装是取小值；离合器的主、被动侧的香脆转速，r/min.通过计算，这里选用铣床专用离合器，型号为：DLMOZ-5B。36截面设计轴的空间布置主轴和传动主轴的轴轴的装置中间各传动轴太原工业学院毕业设计7截面设计主要考虑以下四个方面的问题12：1、个轴的位置安排：包括主轴，I轴和中间各传动轴的合理安排和确定；2、箱体结构和外形：变速箱体结构，与床身的连接方式，外观造型等；3、操纵机构的设计和选择；4、润滑系统的设计和润滑元件的选择。7.1轴系布置一般程序是先确定主轴在变速箱体中的位置，再确定传动主轴的轴及与主轴齿轮有啮合关系的轴。第三步确定电动机轴或运动输入轴(I轴)的位置。最后确定其他各传动轴的位置15。7.1.1立式铣床的主轴是垂直布置的，XK5040的主轴可上下移动，装在套筒内，传动主轴的轴与主轴之间用一对1：1的齿轮出动，该轴也是垂直分布的。7.1.21、I轴上装有电磁离合器制动，该部件的位置安排应便于调整；2、电磁离合器，需要考虑便于冷却和润滑，离主轴部件要远一些，以减少摩擦发热对主轴热变形的影响。3、综上所述，铣床I轴一般安排在变速箱后壁处；7.1.3主轴和各传动轴位置确定后，中间各传动轴位置即可按转动顺序进行安排，应考虑满足以下要求：37操纵机构润滑压力循环润滑系统的计算1 2 1 25.7 4.5 (1 )h1.65 (1 )hN- - - -额定功率l/ min太原工业学院毕业设计(1)装有离合器的轴：要便于装调、维修和润滑。(2)装有制动器装置的轴：要便于装调、维修，该轴应布置在靠近箱盖或箱壁处，同时考虑与起、停装置的互锁。(3)装着润滑油泵的轴：需要六组空间一边安装润滑油泵，并方便安装和调整油泵，装有溅油轮或溅油齿轮的轴应注意圆周速度和浸入油面的深度。(4)其他：使箱体截面尺寸紧凑，比例协调，各操纵机构安排得当等等。7.2操纵机构是用来移动滑齿轮以达到变换运动速度的要求，它可以控制运动的启停、我们采用孔盘变速操纵机构。7.3主轴变速箱常用的润滑方式有飞润滑和压力循环润滑，飞润滑适用于润滑点比较集中，要求不很高的变速箱，这里我们采用压力循环润滑，压力循环润滑分箱内循环润滑和箱外循环润滑，前者结构简单，布置紧凑，后者冷却润滑效果好。7.3.1(1)润滑油量油量Q Q Q N N + = D + D - 油量粗算：Q N= -式中：- - - -机床效率也可用如下公式计算各润滑部位的需油量；38D - - - -t 允许循环油温升，通常为45-500C(3 7) （升）= - - = - -(3 7) 1.86 5.58 13.02 （升）QV柱塞泵的油量计算、结构和规格尺寸l/min箱体设计的有关问题太原工业学院毕业设计Q N t= - D35 (1 ) /h式中：Q N l= - = - =1.65 (1 ) 1.65 7.5 (1 0.85) 1.86 / minh(2)油池容量：V Q= - - V油池容积应超过V的30%，即为：7.254-16.93 （升）(3)油管的选择与计算油管的内径计算： d mm=4.63式中： Q-流量 （l/min）V-管内油的流速取主轴管内油的流速为V l主=4 / min,支油管：V支=1l/min,外径x壁厚为：4x0.5；回油管： V l回=0.8 / min，外径x壁厚为：12x1。7.3.2供油量 Q d snu= p h( ) / 4 102 6式中： d-柱塞直径n-柱塞每分钟往复次数， 次/分nmax以300-700次/分为宜，400-520次/分为佳。s-柱塞行程。-效率，h=0.750.9。7.439箱体材料砂型铸造时，箱体铸件的最小壁厚壁厚约25箱体壁孔对刚度的影响和补偿16太原工业学院毕业设计7.4.1以中等强度的灰铸铁HT20-40用得最广泛。需时效处理。7.4.2表7.1箱体铸件的最小壁厚尺寸（长x宽x高）mm大于800x800x5007.4.3箱体轴承孔面积点总侧壁面积30%左右时候，与未开孔的箱体比较，扭转刚度下降20-30%，弯曲刚度下降更大，为弥补因开孔而削弱的刚度，常用凸缘和加工筋。加强筋：厚度为：0.7b，筋高：（45）b。40结论太原工业学院毕业设计8我的毕业设计题目是数控铣床主轴箱设计，确定数控铣床的主要技术参数，及设计总传动系统图；完成了主
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