机床课程设计指导PPT课件.ppt

设计题目 设计一台加工直径最大范围是 320的普通车床的主传动系统 主要技术参数1 转速范围 N 40 2000rpm2 转速级数 Z 123 电动机功率 P 4KW被加工零件的材料 钢 铸铁刀具材料 高速钢 硬质合金 1 机床课程设计指导 1 准备工作研究设计要求 检索资料 2 传动方案设计运动参数 确定机床的工艺范围及工件的计算极限尺寸 选择经济合理的极限切削用量 确定主轴的极限转速 运动设计 确定公比 拟定转速图 绘制传动系统图 计算皮带轮直径及齿轮齿数等 动力计算 确定各传动件的计算转速 对主要零件进行计算 初算和验算 传动轴直径估算 齿轮模数初步计算 主轴组件结构设计等 3 绘制图纸4 编制说明书 2 标准公比 1 06 1 12 1 26大 重型机床1 26 1 41中型机床1 58 1 78 2小型机床 运动设计之标准公比 公比的选用当确定了最高与最低转速以后 就应选取公比 从使用性能方面考虑 公比最好选得小一些 以便减少相对转速损失 但公比越小 级数就越多 将使机床的结构复杂 对于一般生产率要求较高的普通机床 减少相对转速损失是主要的 所以公比取得较小 如 1 26或 1 41等 有些小型机床希望简化构造 公比 可取得大些 如 1 58或 2等 对于自动机床 减少相对转速损失率的要求更高 常取 1 12或 1 26 3 运动设计之拟定转速图 传动系统图 在设计过程中是先有转速图 后有传动系统图 4 齿轮传动有a b c三个传动组 距离相等的一组水平线代表各级转速 与各竖线交点各轴的转速 由于分级变速机构的转速是按等比数列排列的 故转速采用了对数坐标 为方便起见 习惯上转速图不写lg符号 而直接写出转速值 还应指出 相邻两转速如果相差一格 表示它们之间相差倍 n2 n1lgn2 lgn1 lg 级比指数 主动轴上同一点传往被动轴相邻两连线代表传动组内相邻两个传动比 它们与被动轴交点之间相距的格数 代表相邻两传动比值的指数x称传动组的级比指数 5 a传动组b传动组i 1i 1i i i c传动组i i 注意 既无空缺又无重复的常规传动系统 必须遵守级比规律 结构式 12 31 23 26 6 转速图表示 主轴各级转速的传递路线 在主轴得到连续的等比数列条件下 所需的传动组数和每个传动组中的传动副数 传动组的级比指数 主动轴上同一点 传往被动轴相邻两连线代表传动组内相邻两个传动比 它们与被动轴交点之间相距的格数 代表相邻两传动比之比值的指数 基本组和扩大组 如果要使主轴转速为连续的等比数列 必须有一个传动组的级比指数为1 这个传动组称为基本组 轴 至轴 为第一扩大组 轴 至轴 为第二扩大组 7 主要技术参数1 转速范围 N 40 2000rpm2 转速级数 Z 123 电动机功率 P 4KW被加工零件的材料 钢 铸铁刀具材料 高速钢 硬质合金 解决下列问题 传动链的组成及传动顺序 各传动组的级比指数 扩大顺序 8 12 4 312 3 412 3 2 212 2 3 212 2 2 3 第一行方案优点 可以省掉一根轴 缺点 传动组中有一个四联传动副 如果用四联滑移齿轮会增加轴向尺寸 如果用两个双联滑移齿轮 则操纵机构必须互锁 所以一般比较少用 第二行三个方案比较 当传动件传递的功率一定时 转速较高时传递的扭矩较小 轴 齿轮等传动件的尺寸相应可以小一些 在较多情况下 变速传动系统从电机到主轴之间的总趋势是降速传动 靠近电动机的最低转速较高 靠近主轴的传动件转速较低 按 前多后少 原则排列各变速组 可以使小尺寸齿轮多 传动链的组成及传动顺序 9 在12 3X2X2中 又因基本组和扩大组排列的顺序不同而有不同的方案 各传动组的级比指数和扩大顺序 10 降速传动应避免被动齿轮过大而增加变速箱的径向尺寸 一般限制降速传动比的最小值imin 1 4 升速传动应避免扩大传动误差和减少振动 一般限制直齿升速传动的最大值imax 2 斜齿轮传动比较平稳可适当放宽imax 2 5 主传动组的最大变速范围 R组 2 2 5 1 4 8 10 因为最后一个扩大组变速范围大 所以只检验最后一个扩大组 R2扩 1 41 6 8 1 传动副的极限传动比和传动组的极限变速范围 两个原则 11 选择中间轴变速范围最小的方案如果各方案同号传动轴的最高转速相同 则变速范围小的 最低转速较高 转矩较小 传动件的尺寸也就可以小些 故a方案最佳 如果没有别的要求 则尽量使扩大顺序与传动顺序一致 2 基本组和扩大组的排列顺序 12 变速系统设计 一个规律 级比规律两个限制 齿轮极限传动比限制imax 2 2 5 imin 齿轮变速组的变速范围Ri 8 10 三项原则 传动副 前多后少 传动线 前密后疏 降速 前慢后快 四项注意 传动链短 转速和小 齿轮线速小 空转件少 13 拟定转速图 电机转速和主轴转速是已定的 当选定了结构网和结构式后 就可以分配各传动组的传动比并确定中间轴的转速 从而画出转速图 本例所选定的结构式共有三个传动即先决定组 变速组需4轴 加电机共5轴 故画5根竖线 画12条横线 中间各轴的转速可以从主轴开始往前推算 14 齿轮齿数的确定 当传动比采用标准公比的整数次方时 齿数可以查表 各种常用传动比的适用齿数 齿轮的精度的选择和齿轮强度计算 查 金属切削机床设计简明手册 有时 为了传动比的需要 可以使同一传动组内各传动副的齿数和不等 然后采用变位的方法使中心距相等 但各传动组的齿数和相差不能太多 以免变位系数太大 不能保证啮合位置 15 利用查表法确定齿轮齿数的步骤如下 1 找出在同一变速组中各齿轮副出现最小齿数的传动比 2 避免根切和结构需要 确定 3 根据 查出 4 查找满足变速组中各传动比要求的所有 5 确定合理的 并据此来决定各齿轮的齿数 16 利用计算法确定齿轮齿数的步骤如下在同一变速组内 各对齿轮的齿数之比必须满足转速图上已经确定的传动比 当各对齿轮的模数相同且不采用变位齿轮时 则各对齿轮的齿数和必须相等 17 依据上述条件 可列出式中 齿轮副的主动和被动齿轮齿数 i齿轮副的传动比 齿轮副的齿数和 18 由以上两式可得因此 选定了齿数和 便可按上式计算各齿轮的齿数 19 变速组内齿轮模数不同时齿轮齿数的确定在最后一个扩大组或背轮机构中 因各齿轮副的线速度差别很大 所应传递的转矩差别也较大 为合理利用材料 在同一变速组内可采用不同的模数 但在同一变速组内通常只限于两种模数 20 由于同一变速组内的各传动副的中心距必须相等 即所以或上式中 为无公因数的整数 K为整数 21 三联滑移齿轮齿数的确定 在采用三联滑移齿轮变速时 在确定其齿数之后 应检查其相邻齿轮的齿数关系 以确保其左右移动时能顺利通过 不致相碰 22 如图所示三联滑移齿轮能顺利滑移的条件是 故要求三联滑移齿轮的齿数为 注 三联滑移齿轮的齿数为Z3 Z2 Z1 23 三联滑移齿轮能顺利滑移变速的条件是 三联滑移齿轮的最大和次大齿轮之间齿数差应大于4 24 齿轮齿数的确定 往往需反复多次计算才能确定 合理与否还要在结构设计中进一步检验 必要时还须改变 若按传动比要求 按上述方法确定的齿数和过大以及传动比误差过大时 可采用变位齿轮的方法来凑中心距 以获得要求的传动比值 25 确定齿轮齿数时应注意以下问题 齿轮的齿数和S不应过大 以免加大两轴之间的中心距 使机床结构庞大 一般推荐齿数和S 100 120 同时 增加齿数和还会提高齿轮线速度 而增大噪音 最小齿轮要尽可能小 但应该考虑到 最小齿轮不产生根切现象 机床变速箱中 对标准直齿圆柱齿轮 一般取最小齿数Z 18 20 受结构限制的最小齿数的各齿轮 应尽可能可靠地装到轴上进行套装 齿轮的齿槽到孔壁或键槽的壁厚a 2m m为模数 以保证有足够的强度避免出现变形和断裂现象 Zmin 6 5 T 齿轮键槽顶面到轴心线的距离 26 两轴间最小中心距应取得适当 若齿数和Sz太小 则中心距过小 将导致两轴轴承及其它结构的距离过近或相碰 另外 确定齿数时 应符合转速图上传动比的要求 实际传动比与理论传动比之间允许误差 但不过大 n 10 1 27 动力计算之齿轮模数初步计算 齿轮模数按弯曲疲劳强度设计 计算公式就是计算模数 只是要把计算值与标准模数表对照 取一个离计算值最近但又比它大的标准模数值 模数表示齿轮牙的大小 模数标准系列 优先选用 1 1 25 1 5 2 2 5 3 4 5 6 8 10 12 14 16 20 25 32 40 50 注意 公用齿轮双面受力 弯曲许用应力乘以系数0 7 在一个传动组中 按工作负荷最重 通常是齿数最小 的齿轮确定模数 在齿轮模数确定后 计算齿轮的尺寸时要检查小齿轮必须能套在轴上 检查大齿轮是否与邻近轴发生干涉 28 29 a 按扭转刚度估算轴颈b 按弯曲刚度验算轴的直径 动力计算之传动轴直径估算 各传动轴的估算和验算 30 机床各传动轴在工作时必须保证具有足够的弯曲刚度和扭转刚度 轴在弯矩作用下 如产生过大的弯曲变形 则装在轴上的齿轮会因倾角过大而使齿面的压强分布不均 产生不均匀磨损和加大噪声 也会使滚动轴承内 外圈产生相对倾斜 影响轴承使用寿命 如果轴的扭转刚度不够 则会引起传动轴的扭振 所以在设计开始时 要先按扭转刚度估算传动轴的直径 待结构确定之后 定出轴的跨距 再按弯曲刚度进行验算 31 1 按扭转刚度估算轴的直径式中 K 键槽系数 查表3 8 A 扭转角系数 从电动机到所计算轴的传动效率 32 表3 8估算轴径时系数A K值 一般传动轴的每米长允许扭转角取 要求高的轴取 要求较低的轴取 33 2 按弯曲刚度验算轴的直径1 进行传动轴的受力分析 根据轴上滑移齿轮不同位置 选出受力变形最严重的位置进行验算 如较难准确判断滑移齿轮处于哪个位置受力变形最严重 则需要多计算几种位置 2 如情况严重时 对轴中部的齿轮处应验算其挠度 对轴两端的齿轮处应验算其倾角 还应验算轴承处的倾角 34 3 按材力中的公式计算轴的挠度或倾角 并检查是否超出允许值 允许值可从表3 9查出 表3 9轴的刚度允许值 35 第一节对主轴部件的基本要求第二节主轴轴承的选择第三节主轴第四节主轴组件第五节提高主轴组件性能的一些措施第六节主轴的滑动轴承第七节主轴组件的计算 机床主轴部件 动力计算之主轴组件结构设计 36 第一节对轴组件的基本要求 一 旋转精度机床在空载低速时 主轴前端安装刀具 夹具部位的径向跳动 端面跳动和轴向窜动 主轴的旋转轴线产生的跳动如图 37 二 刚度 刚度 是指其在外界载荷的作用下抵抗变形的能力 通常以主轴前端产生单位弹性变形时 在变形方向上所加的作用力的大小来表示 比值越大 说明刚度越好 如图所示K F 牛 微米 38 三 抗振性 抗振性 是指其抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳地运动的能力 用主轴端部测得的最大振幅来衡量的 振幅越小 抗振性越好 受迫振动 是由机床外部的振源或机床其他部件振动及主轴部件本身所引起的 自激振动 是由切削过程引起的 四 温升和热变形机床在工作时 各相对运动处的摩擦 搅油等耗损而发热造成的温差 使主轴部件在形状和位置上产生畸变 称为热变形 热变形是用主轴运转一定时间和因发热而造成的各部分的位置上的变化来度量 也可用温升近似的表达 一般滑动轴承的温升 工作温度 一般滚动轴承的温升 工作温度 39 五 耐磨性 耐磨性又叫精度保持性 是主轴组件长期的保持其原始制造精度的能力 所以相对运动部件间都必须有一定的硬度 对摩擦表面要进行热处理和化学处理 综合上述 机床的工作精度 旋转精度静态工作精度 刚度动态工作精度 抗振性精度保持性 耐磨性此外还有结构上的要求 1 主轴的定位可靠 轴向 径向 在切削力和传动力作用下 2 主轴端部的结构要保证工件或刀具的装夹定位可靠及足够的定位精度 3 保持长期可靠的运转 润滑与密封 4 结构工艺性好 好造 好装 好拆 好修 并降低成本 40 第二节主轴轴承的选择和主轴的滚动轴承一 主轴轴承的选择轴承是主轴组件的重要组成部分 它的类型 配置 精度 安装 调整和润滑等都直接影响主轴组件的工作性能 主轴的旋转精度在很大程度上由其轴承决定 轴承的变形量约占主轴组件总变形量的30 50 轴承的发热量占的比重也较大 故主轴轴承应具有 旋转精度高 刚度大 承载能力强 抗振性高 速度性能好 磨擦功耗小 噪音低和寿命长 41 主轴轴承可分滚动轴承与滑动轴承两大类 42 滚动轴承的主要类型 43 滚动轴承支承的结构形式 两端单向固定 44 滚动轴承支承的结构形式 一端双向固定一端游动 45 46 47 48 二 主轴滚动轴承的选择主轴滚动轴承的型号 应根据承载能力和转速选择 同样尺寸的轴承 线接触的滚动轴承比之点接触的球轴承 承载能力和刚度都较高 但极限转速低 掌握一点 凡是能调整间隙的 都可以使精度和刚度有所提高 49 主轴的滚动支承 主轴支承是指主轴轴承 支承座及其他相关零件的组合体 其中核心元件是轴承 因此把采用滚动轴承的主轴支承称为主轴滚动支承 把采用滑动轴承的称为主轴滑动支承 主轴滚动支承的主要设计内容是 滚动轴承类型的选择 轴承的配置 轴承的精度及其选配 轴承的间隙调整 支承座的结构 轴承的配合及其配合零件的精度 轴承的润滑与密封等 主轴滚动轴承类型选择主轴较粗 主轴轴承的直径较大 相对地说 轴承的负载较轻 因此 一般情况下 承载能力和疲劳寿命不是选择主轴轴承的主要指标 主轴轴承 应根据精度 刚度和转速选择 1 圆锥孔双列圆柱滚子轴承这种轴承具有径向尺寸较小 制造精度较高 承载能力较大 静刚度好以及允许的转速高等优点 并能够调整轴承的径向间隙 因此在机床主轴组件上得到广泛应用 50 2 60 接触角双向推力向心球轴承这种轴承的优点是制造精度高 允许转速高 温升较低 抗振性高于推力球轴承8000型 装配调整简单 精度稳定可靠 与双列圆柱滚子轴承相配套 用于承受轴向载荷 3 单列圆锥滚子轴承普通单列圆锥滚子轴承 7000型 能同时承受径向和轴向载荷 承载能力和刚度较高 价格便宜 支承简单 间隙调整方便 可用于中速 中载 一般精度的主轴组件 4 双列圆锥滚子轴承通双列圆锥滚子轴承 2697100型 能够同时承受径向载荷和双向轴向载荷 承载能力 刚度及抗振能力较高 适用于中速 径向载荷大 轴向载荷中等 一般精度的机床主轴组件 此外 角接触球轴承 单向推力球轴承 滚针轴承及滚锥轴承等 可根据结构选取 51 主轴滚动轴承可按下列原则选择 中等转速 较大载荷 要求刚度较高时 可用线接触的轴承 双列向心短圆柱滚子轴承允许的转速更高一些 使用时最好配以60度角接触双向推动向心球轴承 高速时可用向心推力球轴承 载荷加大时 可用两个以上的轴承以轴向力为主 要求精度不太高的主轴 可用单列向心球轴承 配推力轴承 52 径向尺寸受到限制时 可用滚针轴承 主轴轴承常用轻系列 特轻系列和超轻系列 以特轻系列为主 轴承越 轻 滚动体的直径越小 但滚动体的数量越多 虽然基本额定动静载荷递减 但刚度变化却不大 主轴轴承的实际载荷 相对于其基本额定载荷 是较低的 承载能力通常都有富余 53 三 主轴滚动轴承的精度主轴轴承精度应采用P2 P4 P5级 前后轴承的精度对主轴旋转精度的影响是不同的 由于轴承的工作精度主要决定于旋转精度 壳体孔和主轴径是根据一定的间隙和过盈要求配作的 因此 内外圈的尺寸精度即使较低 也不影响工作 但可以降低成本 54 前轴承的精度对主轴精度影响大一些 因此前轴承的精度应选高一些 轴承的精度不仅影响主轴组件的回转精度 而且精度越高 各滚动体受力越均匀 有利于提高刚度 提高抗振性 减少磨损和提高寿命 55 四 主轴滚动轴承的寿命 1 表层疲劳发生点蚀 重载和高速主轴 2 因磨损降低精度当轴承精度因磨损而降低时 我们认为它失效 决定主轴滚动轴承寿命的是精度 失效原因是磨损 什么是极限转速 广义上讲 普通精度级轴承 在轻负荷下运转 达到规定稳定温度时的转速 56 五 滚动轴承的刚度孔径增大会削弱主轴刚度 主轴端部的刚度与截面惯性矩成正比 当d D0 0 5时 Kd K 0 94 空心主轴的刚度降低较小 当d D0 0 7时 Kd K 0 76 空心主轴的刚度降低了24 一般应取d D0 0 7 57 由于夹具和刀具都已标准化 因此通用机床主轴端的形状和尺寸也已标准化 设计时具体尺寸可参考机床制造标准 中孔对主轴刚度是有影响的 58 J空 1 64 D4平 d4 J实 1 64 D4平J空 J实 1 d D平 4当d D 0 5时J空 J实 0 9对刚度影响不大 当d D 0 7时 则影响大 为了不致使主轴的刚度受太大的影响 孔径不应超过外径70 如超 惯性矩将下降24 这里的刚度包括抗弯和抗扭刚度 要说明的是加大孔径的车床主轴不受此限 因这时D也加大了 59 第三节主轴一 主轴结构主轴的结构主要决定于主轴上所安装的刀具 夹具 传动件 轴承和密封装置等的类型 数目 位置和安装定位方法 为了满足刚度要求和能得到足够的止推面以及便于装配 常把主轴设计成阶梯轴 即轴径从前轴径起向后递减 主轴是实心还是空心的 主要取决于机床类型 60 主轴端部系指主轴前端 它的形状决定于机床的类型 安装夹具或刀具的形式 保证 夹具或刀具安装可靠 定位准确 装卸方便和能传递一定的扭矩 61 二 材料和热处理主轴材料主要根据载荷特点 耐磨性和热处理 变形大小等因素决定 因为 主轴的载荷相对来说不大 引起的应力通常小于钢的强度极限 因此强度不是选材的依据 62 主轴的刚度与材料的弹性模量E值有关 钢的E值较大 所以主轴材料首选钢 值的注意的是 钢的弹性模量E的数值与钢的种类和热处理方式无关 即无论是普通钢还是合金钢 其弹性模量E基本相同 因此在选择钢材时首先选用价格便宜的中碳钢 45 只有在载荷特别重和有较大冲击时 或者精密机床主轴需要减少热处理变形时 或者轴向移动的主轴需要保证其耐磨性时 才考虑用合金钢 63 目前 由于球墨铸铁具有高强度 耐磨 吸振 工艺性好 成本低以及简化主轴深孔加工等优点 开始应用于主轴上 如有些国产铣床的主轴材料已改用球墨铸铁 当主轴轴承采用滚动轴承时 轴径可不淬硬 但为了提高接触刚度 防止敲碰损伤轴径的配合表面 不少45 C6150 X62W C6140 等轴径仍用高频淬火 HRC48 54 64 当采用滑动轴承时 为了减少磨损 轴径必须有很高的硬度 45 的主轴通常在滑动轴径处进行高频淬火 对大直径 350 400 可用火焰淬火来提高其表面硬度 对受较大冲击的主轴可用15 钢或30 钢 并在滑动轴颈表面渗碳 淬火及回火 65 三 主轴主要结构参数的确定 1 主轴前轴颈直径D1的选取主轴前轴颈D1一般可根据机床类型 主电动机功率以及主参数来选取 主轴前轴颈的直径 单位 mm 2 主轴内孔直径d的确定很多机床主轴具有内孔 主要用来通过棒料 拉杆 冷却管等 并能减轻主轴重量 3 主轴前端悬伸量a的确定主轴前端悬伸量是指主轴前支承径向反力作用点到前端受力作用点之间的距离 4 主轴合理跨距L合理的确定合理确定主轴两个主要支承间的跨距 可提高主轴部件的静刚度 66 第四节主轴组件的典型结构 双列圆柱滚子轴承主轴组件 1 CA6140型车床主轴组件改进后的结构 注意前后支承类型及结构 67 主轴组件的典型结构 一般采用滚动轴承 1 要求刚度较高速度不是很高时 常选用三支承结构或者是采用线接触滚动轴承 2 要求速度较高刚度不是很高时 常选用两支承结构或者是采用点接触滚动轴承 3 应用三支承结构时要尤其注意壳体孔的加工工艺和轴承的预紧问题 三个可行 68 第七节主轴组件的验算设计和计算可按下列步骤进行 1 根据统计资料 初选主轴直径 2 选择主轴的跨距 3 根据构造要求 对数据进行修正 4 验算 5 根据验算结果 对设计进行修改 69 一 主轴直径的初选车床和铣床 d2 后轴承直径 0 7 0 9 d1 前轴承直径 磨床主轴常为前 后轴径相等 中段较粗 前轴径根据功率选取 表10 6 P206 70 二 主轴悬伸量a的确定 缩短悬伸量 可以明显提高主轴组件的刚度和抗振性 因此 设计时应努力缩短悬伸量 三 主轴最佳跨距的选择1 假设轴承为刚性支承 主轴为弹性体2 假设主轴为刚体 支承为弹性体 71 四 主轴组件的验算对一般机床主轴 主要进行刚度验算 通常 如果能满足刚度要求 也就能够满足强度要求 只有对粗加工 重载荷的主轴 才需进行强度验算 72 主轴箱齿轮在轴上的布置和排列在变速传动组内 应尽量使较小的齿轮成为滑移齿轮 使滑移省力 73 3 齿轮在轴上的布置与排列1 滑移齿轮的轴向布置在变速组内 应尽量使较小的齿轮成为滑移齿轮 使滑移省力 有时为了使变速操作方便 将两个变速传动组的滑移齿轮都安放在同一根轴上 74 滑移齿轮必须使原处于啮合状态的齿轮完全脱离啮合后 另一个齿轮才开始啮合 即要求两个固定齿轮的间距应大于滑移齿轮的总宽度 即留有一定的间隙 1 2mm 75 2 一个变速组内齿轮轴向位置的排列如无特殊情况 应尽量缩小齿轮轴向排列尺寸 滑移齿轮的轴向位置排列通常有窄式和宽式两种 一般窄式排列轴向长度较小 附图滑移齿轮采用