BL系列台车设计(进给箱部分)

10引言在当前的制造业中，生产效率低、成本高是一种普遍现象。在机械设备的设计及制造中，因为不同的用户对设备有不同的要求，使得设备有多种型号，即使同种型号也会有不同的规格。利用传统的设计方法进行设计不仅费时、费力、修改不便，而且成本较高。为了改变这种现状，我们在比如机床这样的设备的设计过程中，可以利用计算机辅助设计来进行参数化建模，这样使得用于模型定义的参数值随模型存储，便于我们根据不同的需要而对模型进行编辑，从而获得不同型号规格的机床。BL系列台车是一种小型车床，在制造业中主要用于中小型零件的加工，不同的用户对其有不同的要求，从而使得BL系列台车有多种形式，因此该台式车床有着个性化的设计特点。针对这种情况，我们对台式车床的不同规格、不同用户的设计要求进行总结，以获得其产品配置知识，并利用UGCAD计算机辅助设计软件，对台车的各个组成部件进行参数化设计。本设计主要是对进给箱进行相关设计，说明书分为三大部分。第一部分，BL台式车床总体方案设计；第二部分，BL台车进给箱的设计；第三部分，进给箱零部件的计算机辅助设计。在第一部分BL台式车床总体的设计方案中，首先说明了机床设计的基本要求，即保证有较高的加工精度和被加工表面较小的表面粗糙度、尽可能提高其生产力和自动化程度以及较高的可靠性和较长的寿命。在满足上述要求的前提下，根据BL台车的主要参数，提出了台车组件的设计要求。同时规定了该台车的总体布局，即将主轴箱固定在床身的左端，进给箱固定在床身的左侧前端，溜板箱与刀架的最下层纵向溜板相连，尾座安装在床身右端的尾座导轨上，床身固定在左右床腿上。进给箱是台式车床中的主要部件之一，其作用是实现一定级数进给量的变换和各种螺纹螺距的变换。一般机床的进给箱主要分为三跨：左边一跨内为螺纹种类的移换机构；中间一跨内为基本组；右边一跨内为扩大组。由于本设计的台车尺寸较小，其进给箱虽然也分为三跨，但我们将左跨内螺纹种类的移换机构放在了主轴箱中，在其内布置了变速机构。在BL台车进给箱的设计过程中，首先介绍了进给箱的组成和应满足的要求。接着进行了BL台车进给箱设计方案的选择。由于该台式车床是一种小型化的车床，因此选择了两轴滑移式结构。在变速机构中，选择三联滑移齿轮来进行啮合传动。对进给箱内的传动轴提出了强度和刚度方面的具体要求。在丝杠和光杠的运动转换机构中，选择了啮合式离合器来实现这种运动转换。另外对操纵机构的设计也提出了相关的要求。其次，我们对涉及到的齿轮、轴以及轴承等零件进行了设计和校核。BL系列台车设计（进给箱部分）2接着，我们对箱体内各元件进行了布置。箱体内轴线的布置，既与箱体的形状有关，也与操纵机构的设计有关。齿轮在轴上的布置和排列方面，我们将固定齿轮安装在一根轴上，滑移齿轮安装在另一根轴上。并且满足在一个变速传动组内，当变换转速时，使一个处于啮合的齿轮完全脱开后，另一个齿轮才进入啮合。传动轴安装时，选用单列向心球轴承安装在传动轴的两端，且每根传动轴的轴承成对使用（类型相同）。我们将传动轴通过轴承在箱体内的轴向固定选为两端固定的方式。在确定齿轮的宽度时，将大小齿轮的宽度设计为相同。最后是箱体的设计。箱体应该满足如下几个要求，即有一定的制造精度，有足够的强度和刚度，内应力要小，节省材料、结构紧凑、工艺性好等。根据总体设计要求，在能够安装全部零件的前提下，考虑制造、维修及调整等条件，选定箱体的轮廓尺寸为235X190X118。为简化箱体的制造工艺，箱体的内壁不进行机械加工，箱体的外加工表面也尽可能布置在一个平面上，以便于加工。在箱体的技术要求方面，一般传动轴的孔径公差等级多为7级，各孔的圆度和圆柱度等形状公差，不超过孔径公差的1/41/2。另外还需标注基准面的直线度、平面度，基准面之间的平行度或垂直度，各孔轴心线对端面的垂直度公差等。在进给箱零部件的计算机辅助设计这一部分，首先介绍了UG的功能、特点及其使用领域。接着阐述了UG实体建模的基础，其建模的方法有四种，即显式建模、参数化建模、基于约束的建模和复合建模。根据本设计的要求，我们选用了参数化建模，这样使得用于模型定义的参数值随模型存储，便于根据不同的需要而对模型进行编辑。在建模基础中，熟悉了四种特征，即体素特征（包括块、圆柱、锥和球）、草图、扫描特征和成形特征。然后利用了UGCAD软件对其各个零件进行了参数化设计，得到了零件的三维实体模型，并以轴承套为例具体展示了其实体建模过程。其次，介绍了零件二维工程图的绘制。在熟悉了UG制图应用和UG图组成、建立以及编辑的基础上，完成了零件二维工程图的绘制。最后是进给箱的虚拟装配建模过程。根据相关的装配知识，按照装配步骤，利用配对技巧，对进给箱进行了虚拟装配。同时抽象出了用于进行车床快速数字化设计的数字模型，为进行车床的快速数字化设计作好了准备。这种参数化的快速设计方法，使机床的设计既符合我国的国情，也能与国际先进设计、制造及管理技术相接轨；不但技术上先进，而且经济效果较好。是一种符合当今设计思想、比较优秀的设计方法。31BL台式车床总体方案设计1.1BL台车的主要参数表11.2机床设计的基本要求（1）保证有较高的加工精度和被加工表面较小的表面粗糙度；（2）尽可能提高其生产力和自动化程度；（3）机床应有较高的可靠性和较长的寿命。1.3机床组件的设计要求（1）主轴部件是机床的重要部件之一，其通常由主轴、主轴轴承和安装在主轴上的传动件等组成。在机床工作时，由主轴带动工件或刀具直接参加表面成形运动，因此对主轴有如下一些较高的要求：应有较高的旋转精度和刚度，如果刚度不足，将使主轴在切削力和传动力的作用下，产生较大的弹性变形，并且还容易引起振动。这样不仅会降低加工精度和表面光洁度，也还会使齿轮等传动件和轴承等因不能均匀受力而恶化工作条件。主轴还必须有较高的抗振性和足够的耐磨性，以便能长期地保持精度。BL系列台式车床的主轴箱有主传动系统和进给换向机构两部分组成，主传动系统采用了分支传动链，高速时传动链很短；同时由主轴部件进行了精密的动平衡，机床噪声低，热变形小。（2）进给箱要满足体积小，重量轻、结构简单、使用方便、效率高及质量好的要求。在使用要求方面，首先应满足机床的运动特性的要求和具有较高的传动效率，还应便于操纵，确保安全，便于观察、调整和维修。进给箱内的传动件应能传递一定的功率和扭矩，具有较高的刚度、强度、耐磨和抗振性等方面的性能，并应运转BL系列台车设计（进给箱部分）4平稳和噪声小。（3）床身应具有足够的刚度，在许用的最大载荷作用下，其变形量不得超过许用值，以保证机床的加工精度。另外，床身还应有良好的抗振性和较小的热变形，以保证工件的加工表面质量和加工精度。在BL台式车床中，我们选用了卧式床身。由于床身允许的最大回转直径只有330mm，故我们将其固定在床腿上。（4）导轨是联接主轴箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、床脚和防护板等部件的载体，它的功用是导向和承载，即引导运动部件沿一定轨迹准确地运动，并承受运动部件及其上安装的重量和切削力。导轨是机床的关键部件之一，其性能的好坏，将直接影响机床的加工精度、承载能力和使用寿命。因此，它应满足以下的基本要求：要有足够高的导向精度，这是保证机床加工精度的前提，因而它是对导轨的最基本要求。同时它还应有较高的耐磨性、足够的刚度和低速运动的平稳性。此外，导轨还要结构简单，工艺性好，便于间隙调整，具有良好的润滑和防护等。在本设计中，我们用的是导轨的组合形式，为双三角形导轨组合。该种组合形式导向精度高，磨损后能自动补偿间隙，精度保持性较好；但加工、检修困难，要求四个表面都接触良好，且其工艺性差。（5）对于刀架的选择，要根据车床的具体用途、加工的零件种类以及用户的要求等方面进行考虑。BL系列台式车床是一种小型的车床，它只要达到普通车床的用途即可，即：能车削内外圆柱面，内外圆锥面、环槽及成形回转表面；车削端面及加工各种常用的公制、英制、模数制和径节制螺纹；能够进行钻孔、扩孔、铰孔、滚花等操作。鉴于此，在设计BL系列台式车床的刀架和拖板时选择普通的方刀架，大、中、小拖板均有。这种刀架可以同时装夹四把车刀或四组刀具，方刀架体可以转动四个位置（间隔90），从而使四把车刀轮流地参加切削。1.4BL台车的总体布局（1）主轴箱固定在床身的左端，工件通过卡盘等夹具装夹在主轴前端。主轴箱的功用是支承主轴并把动力经变速传动机构传给主轴，使主轴带动工件按规定的转速旋转，以实现主运动。（2）进给箱固定在床身的左侧前端。进给箱内装有进给运动的变换机构，用于改变机动进给的进给量或所加工螺纹的导程。（3）溜板箱与刀架的最下层纵向溜板相连，与刀架一起作纵向运动，功用是把进给箱传来的运动传递给刀架，使刀架实现纵向和横向进给或快速移动或车螺纹。溜板箱上装有各种操纵手柄和按钮。（4）刀架可沿床身上的刀架导轨作纵向移动，刀架部件由几层组成，它的功用是装夹车刀，实现纵向、横向或斜向运动。（5）尾座安装在床身右端的尾座导轨上，可沿导轨纵向调整其位置。它的功用5是用后顶尖支承长工件，也可以安装钻头、铰刀等孔加工刀具进行孔加工。（6）床身固定在左右床腿上。在床身上安装着车床的各个主要部件，使它们在工作时保持准确的相对位置或运动轨迹。其整体结构如图一所示。刀架溜板箱尾架床脚防护罩导轨图1主轴箱进给箱BL系列台车设计（进给箱部分）62BL台车进给箱的设计2.1进给箱的组成和要求一般来说，机床的进给箱由以下几个部分组成：变换螺纹导程和进给量的变换机构、变换螺纹种类的移换机构、丝杠和光杠转换机构、以及操纵机构等。进给箱的功用是变换被加工螺纹的种类和导程，以及获得所需的各种机动进给量。加工不同种类的螺纹由调整进给箱中的移换机构和挂轮架上的挂轮来实现。BL系列台式车床进给箱的组成部分与普通机床相似，也有以上几个部分组成。进给箱首先应满足运动方面的要求，如变速范围、变速级数、转速或进给量数列等。此外，还要具有较高的传动效率，保证传动件具有足够的强度或刚度，降低噪声，提高抗振性和耐磨性，操纵方便，并具有良好的工艺性，便于检修，成本较低，防尘、防漏等。2.2BL台车进给箱设计方案选择进给箱按其轴的布置形式分，一般有塔轮结构式、两轴滑移式和三轴滑移式。塔轮结构由于操纵比较复杂，消耗功率较大，在当前机床进给箱中几乎都不再使用。普通车床如CA6140型卧式车床的进给箱一般采用三轴滑移结构。BL系列台式车床是一种小型车床，它的进给箱的内部空间较小，所用的齿轮数也比普通车床要少，操纵比较简单，传递的功率也不大，因此选用两轴滑移比较合适。由于BL台车进给箱的尺寸较小，两传动轴的轴线在空间的距离不大，且要求传动比较准确，所以我们在进给箱内选用齿轮传动。又根据要求设计两轴线平行，所以我们使用的齿轮为圆柱齿轮。根据经验和传动要求，我们选取齿轮的材料为45钢。根据设计条件可知进给箱的丝杠和光杠各有9级转速。进给箱中传动轴转速的改变主要是通过不同齿数的齿轮啮合来实现的。有9级转速，也就意味着有9种不同的传动路线。如果我们选用二联齿轮，当使用3只时，只有8（222）级转速，使用4只时，有16（2222）级转速。都不能满足设计要求。故不宜采用二联齿轮。但是如果我们采用两个三联齿轮（33），则刚好能满足9级转速这一要求。故在进给量变换机构中我们选用两只三联齿轮。另外，我们采用固定螺钉来进行齿轮的轴向固定。进给箱内的传动轴应满足强度和刚度方面的要求。强度方面的要求是，保证轴在反复弯曲载荷和扭转载荷下不发生疲劳破坏。刚度方面的要求是，轴在弯曲和扭转载荷下不致产生过大的变形。如果刚度不足，则装在轴中部的齿轮会因轴的挠度过大而破坏它们的正常啮合关系，并产生振动；装在轴两端的齿轮和轴承，会因倾角过大而压强分布不均，产生不均匀的磨损和过大的噪声。如果扭转刚度不足，则7会产生扭振。在进给箱的丝杠和光杠转换机构中，我们需要使用离合器来实现丝杠和光杠运动的转换，也即是走刀和螺纹的转换。离合器按其结合部分的特点，分为啮合式和摩擦式两大类，根据设计要求，我们选择啮合式离合器，因为该式离合器与摩擦式相比，有如下几个优点：（1）在相同尺寸条件下，啮合式离合器能传递的扭矩大于摩擦式；（2）啮合式离合器为刚性传动，无打滑现象，传动比准确；（3）啮合式离合器在结合过程中的磨损和发热均较小。离合器应满足下列要求：离、合要迅速、可靠，结合要平稳，断开要彻底；操纵轻便省力。另外，离合器应尽量放在高速轴上，以使传递的扭矩小些，则离合器的尺寸也就可以减小些。该台车进给箱中的操纵机构用来控制变速、丝杠和光杠的转换。它虽不直接参与机床的工作运动，与机床的精度和刚度等也无直接影响，但它影响机床工作性能的发挥和工人的劳动强度。因此在进给箱的设计过程中，我们应该重视操纵机构的设计。操纵机构应达到轻便省力、操纵方便和便于记忆、安全可靠等几个方面的要求。在该进给箱中，根据设计情况，我们选用了单独操纵机构，共使用三个手柄操纵三只滑移齿轮。操纵机构主要由操纵件（手柄）、传动装置（摇杆、两啮合的扇形齿轮）、执行件（拔叉、销子）这三个部分组成。参考相关设计资料，根据工程技术人员的经验，我觉得下列这种转速图与该台车的实际情况比较符合，故不妨暂时认定其为该台车的转速图，以便于我们能更好地进行设计。（该图在打印出的说明书中，手工绘制。）图2BL系列台车设计（进给箱部分）8则根据图2，我们可以基本确定BL系列台车的运动简图如图3所示。图32.3齿轮的设计计算选取BL30213和BL30202这两个相啮合的齿轮进行设计计算，BL30213齿轮布置在进给箱输入轴上。根据主轴箱的设计计算，选取进给箱输入轴转速n=345r/min，传动比=2,齿轮对称布置，使用寿命8年，每年以300工作日计，两i班制，中等冲击齿轮单向回转。由于主电机的功率为1.5KW，根据经验我们取进给箱输入轴的功率=0.5KW。则齿轮传递功率为：0p=0.495kw19.05（其中：代表输入轴的功率，代表轴承的传动效率）01解：（1）齿轮的材料、精度和齿数选择因传递功率不大、转速不高、材料按表7-1选取，都采用45钢，锻造毛坯，大齿轮正火处理，小齿轮调质，均用软齿面。小齿轮硬度为240HBS，大齿轮硬度为200HBS。齿轮精度用7级，齿轮表面粗糙度为3.2。软齿面闭式传动，失效形式aR为点蚀，考虑传动平稳性，齿数宜取多些，=20，侧1z40212iz（2）设计计算设计准则按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。齿面接触疲劳强度设计由式(7-9)10得93121iKTZddHEt=9.55T60mNnP.13702459.05.96由机械设计P100，查图7-6选取材料的接触疲劳极限应力为：MaaHH,58lim2lim1由机械设计P101，查图7-7选取材料的弯曲疲劳极限应力为：PPFF10,30li2li1应力循环次数N由式(7-3)10计算得：则811095.7)836(456tan由机械设计P102，查图7-8，得接触疲寿命劳系数为2.,NZ由机械设计P103，查图7-9，得弯曲疲劳寿命系数为21Y由机械设计P102，查表7-2，得触疲劳安全系数为，弯曲疲劳安全系数minHS由式(7-1)10和(7-2)10求许用接触应力和许用弯曲应3.1,0.2,4.1minTSTFKY力：，MpazNSmH58011inl72.622inlmYNSFFT34.11inl1paT022minl2由式7-910得3121iKZddHEtmm19.342370.579.08.3smndVt/61.611svz/234.0/7.0/1BL系列台车设计（进给箱部分）10由机械设计P104，查图7-10，得，查表得由表7-4得09.1vK25.1AK05.1K取，则1K43.0.25.VAHmdt.30.1934.31则取模数zm76.2/5/12记算几何尺寸，zd401m822za602/)(/)(1db7405.2m1（3）校核齿根弯曲疲劳强度由机械设计P111，查图7-18得：，2.41FSY7.0,.YFS由式7-1210得MPamZKTFSdF36.2037.21311F21229.4.6FFSFPaY综上可知齿轮合格。2.4轴的设计计算选取BL30214轴来进行设计计算。该轴为进给箱的输入轴，根据设计情况可知轴的转速n=345r/min,输入功率P=0.5KW，圆柱齿轮分度圆直径为40mm，轮毂宽度为7mm，载荷平稳，单向传动。解：（1）选择轴的材料及热处理由于进给箱传递的功率不大，对其尺寸和重量也无特殊要求，故选择常用材料1145钢，调质处理。（2）初估轴的直径，由机械设计P184，查表10-2，得C=106107，考虑到轴端受扭矩作用，取C=106，则=C=106=12mmmind3P345.0（3）结构设计轴的结构形式如图4所示。图4（a）各轴段直径的确定初估轴径后，就可按轴上零件的安装顺序，从处开始逐段确定直径。本例中就是轴段的直径。考虑到轴段上装有轴mindmind轴套，根据轴套的选取轴段的直径为15mm。轴段上安装轴承，其直径应既便于轴承安装，又应符合轴承内径系列，即轴段的直径应与轴承型号的选择同时进行。现暂取轴承型号为6103，即173510，其内径d=17mm，故轴段的直径=17mm。轴段上安装齿轮，根据齿轮尺寸和具体情况，取=20mm。齿轮用小3d4d螺钉固定在轴上。通常同一根轴上的两个轴承取相同型号，为便于安装，取该轴承的尺寸为15287，故取轴段的直径=15mm。5d(b)各轴段长度的确定轴段的长度取得比轴套的长度稍短些，取为=202lmm。轴段上的轴承端面与轴肩紧靠，轴段的长度应取的与轴承和轴承套的宽度之和相等，轴承宽为10mm，轴承套宽为29mm，故取=39mm。轴段的长度应与3l轴承的宽度相等，故取=7mm。5l以上各轴段长度主要是根据轴上零件的毂长或轴上零件配合部分的长度确定。而另一些轴段长度，如、，除与轴上零件有关外，还与箱体及其它零件有关。1l4BL系列台车设计（进给箱部分）12根据以往的经验和具体的设计情况，我们取=16mm，=64mm。1l4l于是，可得轴的支点和轴上受力点间的跨距为：=39.5mm，=33mm。1L2L（c）轴上零件的周向固定为保证良好的对中性，齿轮与轴选用过盈配合K7/g6，与轴承内圈配合的轴颈选用js6。齿轮及轴套均采用A型普通平键联接，分别为键414GB1096-79、键525GB1096-79、键520GB1096-79。（d）轴上倒角及圆角为保证6103轴承内圈端面紧靠定位轴肩的端面，根据轴承手册推荐，取轴肩圆角半径为1mm。为方便加工，其他轴肩圆角半径均取为1mm。根据标准GB6403.4-1986，轴的左右端倒角均为145。上述确定尺寸和结构的过程，与画草图同时进行，结构设计草图如图5所示。(4)轴的受力分析及其校核画轴的受力简图如下：图5由题意得，齿轮传递的扭矩为=9549=13.84Nm1T34.0则有=2/10，其中=40mm，得到=213.84/40=0.692KN=692NtF1Td1dtF则齿轮对轴的径向力为=tg10=692tg20=251.87NrFt根据受力简图，利用所有的力对A点取矩，由平衡知识得，13=（39.5+33）39.5=0则=137.2NAM2NrF2N该轴的危险截面在安装齿轮处，即B点处，根据题意有：=137.233=4527.6NmmB2L则该处轴的弯曲应力为32.56MP212231TMdtbBB查机械设计手册，可知该轴的许用弯曲应力为215MP，则5000hhnLrtPCfh5