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基于ProE的数控车床床身及主轴设计【14张CAD图纸+文档全套资料】
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学院毕业设计说明书(论文)作作 者者:夏钰翔学学 号：号：0801010135学院学院(系系):机械工程学院专专 业业:机械工程及自动化题题 目目:基于 Pro/E 的数控车床床身及主轴设计指导者：指导者： 评阅者：评阅者： 2012 年 6 月殷劲松高级工程师毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）中中文文摘摘要要本毕业设计是基于Pro/E的车床床身及主轴设计，首先介绍了数控技术的重要性及发展趋势，然后提出了本次毕业设计的整体的方案，同时也提出了传动系统设计的总体方案，在该方案里进行了调速结构的设计，齿轮的计算，还有电动机选择，轴承的选择，润滑方式的选用，最后就是校核部分,看零件是否合格要求。本次设计要运用Pro/E软件进行三维建模、装配让人能直观的看到自己的作品。还要有主要零件的CAD图、装配图，可以让人看到里面的细节部分。关键词 数控技术 主轴 Pro/E 毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）外外文文摘摘要要TitleTitle Design of CNC lathe tool and spindle based on the Pro/EAbstractAbstractThis paper is based on the Pro/E to design lathe tool and spindle , first introduced the importance and development trend of the CNC.And then put forward the graduation design of the overall program, simultaneously also proposed transmission system design, it conducts Speed regulating structure design in the programme,it also conducts calculation of gear and the selection of electric motor.Finally, we need to check whether the eligibility requirements of parts.In this paper, using Pro / E software for three-dimensional modeling and assembling that can visually see their works. Even major parts of the CAD graph, assembly drawings, can let a person see details.Keywords CNC Spindle Pro/E 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 页 共 页目目 录录1 引言11.1 数控技术的发展11.2 数控机床对现在制造业的影响21.4 本章小结32 总体方案42.1 主传动系统的整体方案42.2 主轴部件的设计方案52.3 本章小结63 具体设计部分73.1 切削力和切削功率的计算73.2 主轴电动机选择83.3 传动系统93.4 齿轮的计算133.5 皮带轮的设计与计算173.6 主轴193.7 本章小结244 PRO/E 的三维建模及有限元分析254.1 PRO/E 的发展254.2 零件及装配建模254.3 有限元分析274.4 本章小结29结束语30致谢31参 考 文 献32 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 1 页 共 32 页1 1 引言引言数控技术是集合制造技术、现代控制技术、组成技术和计算机技术、传感检测技术、信息处理化技术、光电技术、互联网技术、液压技术于一体1。数控技术是当前制造技术的基础，由于它的发展和运用，开创了制造业的新的辉煌，使的制造业的格局也因此有了很大的变化，数控技术也得到了进一步的提升和发展2。数控技术的出现给人们的生活工作都带来了异想不到的好处，它可以使产品的质量达到要加工的要求，改善加工质量，同时也可以降低生产者的劳动强度，利用机器代替人工劳动，从而节省人力资源。它还有更深远的意义，由于它的发展导致企业的管理方式、产业结构、机械制造的加工方式都发生了翻天覆地的变化。目前全球制造业能做到自动化、集成化、柔性化全都是依靠的数控技术的发展。现在人们熟悉的 CAD、FMS 和 CIMS，这些技术也全部都是建立在数控技术基础之上，利用它发展起来的3。当前数控技术在很多国家已近相当的重视了，例如在德国、日本等一些发达国家，数控机床已经被看作具有高利润回报的出口商品，占国家贸易出口的比重很大。其中高精度机床已经被看作国家机密并受到特别保护。因此，从它的重要性来看，数控技术的发展直接关系到国家未来发展的战略方针，随着数控机床的普及，数控机床的水平高低也可以直接体现一个国家制造业的水平。正如由普通机床加工的一些形状复杂的精密的零件，它的精度是很难达到要求的，必须要特殊的机床加工才能达到要求。从目前制造业发展方向来看，实现机床和生产过程数控化是现代制造业发展的必然趋势。1.11.1 数控技术的发展数控技术的发展1.1.1 性能的发展(1)高精度、高速、高效化。这三个要求已经成为了判断现在数控机床好坏的重要指标。由于现在数控机床采用了高处理CPU芯片、RISC芯片，甚至还有的机床会采用多个CPU同时控制系统，还有改善机床的静态性能以及动态性能也被人们运用了。所以上面提高的三个指标都可以现实，虽然机床的高精度、高速、高效化已经得到很大的提高，但是为了使数控机床得到更高的性能，更能为人类服务，人们仍然需要不断努力4。(2)柔性化。当前数控技术正朝着柔性化方向快速发展，数控系统采用的模块化设计，其中包含了很多功能，所以它的可裁剪性就非常的强大了，可以满足不同 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 2 页 共 32 页用户的需要。 (3)工艺复合性及多轴化。复合加工的目的是通过利用减少加工的步骤方法来减少加工的时间。为了能达到这一目的数控机床正朝着多轴化方向发展。多轴化的目的是将要加工的工件一次性装好不需要第二次装夹，即一次装夹就可以完成整套工序，这样就可以减少加工时间，提高工作效率4。1.1.2 功能的发展 （1）用户界面图形化。用户是通过界面的操作来控制数控系统的，所以界面的方便与否直接关系到用户的操作感受。由于用户的需要和习惯不同，对界面的要求也就会不同，所以这也给开发者开发界面带来了较大的麻烦。 (2)科学计算可视化。我们平时的信息交流一般停留在文字和语言上，而科学计算的可视化信息交流直接使用图像，动画从而不必停留在文字上。如果能将可视化技术和虚拟技术结合到一起则有很大的意义，比如它可以降低设计成本，减少设计周期。所以在数控领域科学计算的可视化意义重大2。 (3)内部装有高性能的PLC模块。如果高性能PLC控制模块装在数控系统的内部，在编程的时候，可以用PLC的梯形图进行编写也可以用其他高级语言来进行编写，具有很方便的在线调试功能和帮助功能，极大方便了用户的使用。如果有用户要是想建立属于自己的应用程序，可以直接就在标准PLC用户程序基础上进行修改，从而变成自己的程序，非常的方便实用，所以发展它的意义重大。1.21.2 数控机床数控机床对现在制造业的影响对现在制造业的影响 （1）1952年世界上第一台具有数控技术的机床在美国的麻省理工大学诞生了。经过几十年人们不断的努力,伴随着科学技术的高速发展,以及人们对高科技的需要， 直接导致数控机床与数控技术朝着高速化发展。由于数控技术的方便性，其它领域也慢慢的将数控技术应用到大范围的生产中去。 （2）一些高精度的零件用普通的机床我们很难加工出合格的产品，只有在数控机床可以快速准确的加工出来。 （3）在现代化的工业中,看一个国家的现代化水平的高低通过看它的机床水平就可以判断了，同时衡量一个国家经济水平通过看数控机床的水平大概也可以体现了。 （4）推动机床行业产业机构的升级。数控技术的发展使得原来的的机床行业发生了变革，主要朝着数控化方向迈进。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 3 页 共 32 页1.31.3 研究内容及任务研究内容及任务本文研究的是基于 Pro/e 的数控车床床身及主轴设计。要求完成车床主轴箱、床身以及位置的机械装配图和主要零件图设计，及 Pro/e 三维数字化建模。本课题的目的是：完成毕业设计的整个过程，其中包含查阅文献资料、总体方案设计、主要数据计算和详细的设计、三维模型创建、工程装配图和零部件图的绘制、撰写设计说明书等。培养学生独立做好工作能力、对于问题分析和解决问题能力，提高机械工程素养。本课题的内容及任务： （1）查阅有关资料，掌握数控机床和传动系统的原理及应用。 （2）讨论和设计主轴箱的整体方案。 （3）设计和论证床身的总体方案。 （4）运用 PRO/E 软件完成车床的三维主轴箱装配图和零件图设计。1.41.4 本章小结本章小结本章先介绍数控技术，进一步谈到了数控技术的发展趋势，进而引出数控车床，讲到了数控机床的在机械加工中的地位，逐步涉及到本次课题，接着提出本次课题研究的内容，以及需要完成的任务。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 4 页 共 32 页2 2 总体方案总体方案2.12.1 主传动系统的整体方案主传动系统的整体方案现在在主传动系统中，一般是用交流变频电动机和直流主轴电动机这两种无级调速系统。实际中为了让调速的范围变大，为了能够在低的速度的时候同时有较大转矩，我们经常会通过用齿轮调速和电动机无级调速相结合的调速方式1。这样做就可以达到上面的要求，通常数控机床主传动系统有四种不同的配置方式，各有各的特点，下面一一介绍，如图2.1所示。（1）变速齿轮。如图2.1（a）所示，常见的一般的机床会用到这种传动方式，它的降速是通过齿轮来实现的，主轴的速度降下来的同时也可以满足了主轴在低速转动的时候对输出转矩的要求，所以这种简单的传动系统是很实用的，它的工作原理是数控机床在调频电机的无级调速的基础上再加上齿轮的调速，让它成为了具有分级的无级调速。滑移齿轮的运动是通过拨到拔叉的来实现的。（2）通过带轮传动的。如图2.1（b）所示，一般情况下，它会被用到机床的转速比较高、变速范围不是比较大，因为由于电机本身的转速就可以满足主轴的要求，只要通过带轮传动就可以达到要求了。而且用带轮传动还不会受震动和噪声的影响。（3）用两个电动机驱动主轴。如图2.1（c）所示，这是上面刚刚谈到的两种方式的结合体，同时拥有上述两种传动系统的性能5。高速转动的时候电动机可以通过带轮直接驱动主轴运转；在低速的时候另外一个电动机通过齿轮的间接传动来驱动主轴转动，齿轮在里面起到降低了主轴转速和增加了调速的范围的用处。通过这样的传动可以让主轴的恒定功率变大，加大了调速的范围，解决了在低速的时候转矩不够，电动机的功率不能够充分发挥的缺点，可以做到一举两得的作用。（4）内装电动机主轴传动。如图 2.1（d）所示，从图上我们是可以很明显看到这种传动方式的优点，使得主轴箱和主轴的结构得到了简化，从实践中我们可以了解到简化了主轴就可以提高主轴部件的刚度，符合刚度要求，当然了有优点肯定同时对应着缺点，明显的缺点就是使的主轴的输出转矩变小了，而起电动机的发热对主轴影响很大，所以在考虑用哪种传动方式的时候要考虑各个方面的因素。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 5 页 共 32 页图 2.1 数控机床主传动系统的四种配置通过比较我选择第一种传动系统，因为我选择的是交流变频电动机，它的速度是可以改变的，但是它的调速范围不在本次设计要求内，所以从设计简化来考虑串联一个调速机构就够了，选择一般常见的齿轮副来实现，所以选择第一种。2.22.2 主轴部件的设计方案主轴部件的设计方案主轴部件由主轴、轴承、固定件（如螺母） 、传动件（如齿轮、带轮）等零件组成，它们都是机床的不可缺少的组成部分，直接影响着主轴的好坏。机床工作的时候由主轴夹持工件（车床）或刀具（钻床、镗床、铣床、磨床等）直接参与到成形运动中，所以我们要注重它的刚度的要求，这样生产处理的产品的性能才能合格4。主轴部件中最重要就是轴承，因为机床的主轴转速很大，回转精度要求也很高，一般我们在机床上会选择滚动轴承，采用油脂润滑的润滑方式5；根据主轴工作情况，根据给定的数据计算得到的最佳跨度大于主轴本身设计的跨度，所以选择的下面这种支承方案就可以达到要求了，而且主轴支承采用前后两个支承，这种方式结构简单，制造装配方便，容易保证精度，如图 2.2 所示。（a）变速齿轮（c）两个电机分别驱动（b）带传动（d）内装电动机主轴传动机构 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 6 页 共 32 页图 2.2 总体结构图2.32.3 本章小结本章小结现代切削加工技术正朝着高速度、高效率和高精度的趋势发展，所以就要求车床的主传动系统具有更高的转速和较大的无极调速范围；并且在切削加工中能自动调速，而且要求机床机构简单、动态性能稳定、噪声要小，可靠性要高。La 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 7 页 共 32 页3 3 具体设计具体设计部分部分本毕业设计题目是基于 Pro/e 的数控车床床身及主轴的设计。要求完成数控车床的主轴箱、床身的机械装配图和主要零件图设计。3.13.1 切削力和切削功率的计算切削力和切削功率的计算合理的确定电机功率 P，既能使机床充分发挥它的性能，满足了生产的实际需要，又不会导致电机因为经常轻载而降低功率12。选取常用到中碳钢为要加工工件的材料，取 45#，车削外圆。采用车刀具，可转位外圆车刀，刀杆尺寸：。刀具几何参数： ,， mm25mm160015006， ， ，。075r015r0000110mm3 . 01rbmm1r主切削力的计算以及有关参数的选取：参照手册选取, ,mm3pam/s7 . 1vmm/r4 . 0f(3.1)FcZFcZFcZFcFcNFczKvfaCF6081. 9 )N(85.236595. 092. 07 . 16 . 032706081. 915. 075. 015. 0上公式中出现的其它参数如下表 3.1 所示。公式中的系数和指数切削力加工材料刀具材料加工类型CFcZFcNFc外圆2700.75-0.15切槽3670.80结构钢及铸钢硬质合金钢切螺纹1331.70.71表 3.1 系数和指数切削功率的计算：(3.2)kw(19. 4107 . 185.23651033cccvFP依照一般情况，选取机床变速效率=0.8 则计算电机的功率为)kw(12. 58 . 01 . 4czpP 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 8 页 共 32 页 3.23.2 主轴电动机选择主轴电动机选择纵观过去我们会发现主轴传动和进给传动是相同的，都是从过去的普通三相异步电动机传动到直流主轴传动接着到现在主流的交流主轴伺服系统，当然了这些都是经过了很多年的发展，靠科学技术的不断创新，比如微处理技术对演变过程起到很大的作用。现在如果我们用心留意会发现现在市面上的数控机床上很少再使用直流主轴伺服系统了。一般都会选择交流主轴电动机，但是国内生产的交流主轴伺服系统的产品却很少，一般会用进口的，所以有待国人努力将它国产化不在受制于人。按照上面的描述可以看出数控机床使用的主轴驱动系统，一般分为直流主轴驱动系统和交流主轴驱动系统。下面根据这两大类主轴驱动系统各自不同特点对主轴驱动系统进行选择。3.2.1 直流主轴驱动系统得特点从原理上说，直流主轴驱动系统与平常的直流调速系统没有本质上的区别，但因为数控机床有高速、高效、高精度的特点，导致了直流主轴驱动系统要具备以下一些特点：（1）调速范围要宽，我们通常会发现采用直流主轴驱动系统的数控机床，它的速度会分为高、低两级，一般会通过主轴驱动器来控制电动机的转速，达到无级变速的目的，因此，它必须要具备较宽的调速范围。（2）直流主轴电动机一般采用全部封闭的形式，这样它就可以在比较复杂一点的环境下使用，减小对电机的影响。（3）为了将电动机产生的热量快速的向外面发散掉，主轴电机会采用特殊的措施，比如一般的电机会用到热管冷却系统。而且为了使电动机的发热量最小，电机的定子通常会采用特殊的附加磁极，这样做同时也可以降低消耗，提高效率。3.2.2 交流主轴驱动系统 在最近几年，我们可以看到的机床大多都会采用交流主轴驱动系统，下面表述的是交流主轴驱动系统与交流主轴驱动系统的一些特点： （1）伴随着科学技术的快速发展，现在的驱动系统通常会运用到微处理器技术和现代控制理论，它的优点使是使得系统运行平稳，振动和噪音小，并且可以获得较大的调速范围和较高的低速转矩，这样就可以较方便地做到与数控机床相配套使用。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 9 页 共 32 页 （2）电机采用无外壳结构，定子硅钢片可以直接的进入到空气中去冷却，可以在有浮尘、切削液飞溅的场合稳定地工作。 （3）和直流电机相比较，由于交流主轴电机没有换向器，所以主轴电动机一般不会出现什么故障，一般不会需要维修，所以很稳定。 （4）由于换向器不会限制主轴转速的快速提高，所以一般交流主轴最高转速要比直流主轴的最高转速更高。 （5）主轴电机的冷却空气从前端面向后面流动，可以有效减少由于电机发热对机床精度的影响。3.2.3 选择电机 由于本次设计的是主轴的进给系统所以要选择主轴电动机，对于上面两种主要的进给系统对比，我们可以很明显的看出，交流电机在很多方面都优胜于直流电机，比如在调速范围和冷却方面。所以本次设计过程中选取交流主轴驱动系统作为主轴驱动系统13。根据上面的计算数据对照电动机的表格选取电动机如下表3.2所示：电机型号连续输出功率30 分钟额定输出功率基本速度变速范围FANUC 6s 5.5kw7.5kw1500r/min45r/min6000r/min表 3.2 电机参数3.33.3 传动系统传动系统3.3.1 主传动系统的设计要求 (1)使用性能方面的要求 首先应该要满足机床的运动特性，比如要满足一般的数控机床的转速范围和转速级数，并且传动系统设计要合理，操作要方便灵活、要安全可靠，这样才是好的传动系统； (2) 传递动力要求 对于传动力的要求，必须要求主电动机和传动机构能够提供和传递足够的功率和转矩，具有较高的传动效率，这样才能满足要求。 (3)工作性能要求 由于数控车床的主轴是高速转动的，所以主传动中所有零件要有足够的刚度、精度和抗振性，稳定的热变形特性1，保证在运转过程中不会出现问题。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 10 页 共 32 页其余的出于方便调整和维修考虑，还要求主传动系统结构要尽量的简单；工艺性好，便于加工和装配；防护性好；使用寿命长。3.3.2 传动级数和公比的确定本设计中要用到的主轴计算转速可以根据不同机床类型来确定的，有些大型机床由于它的调速范围比较大，所以计算转速可以取高点。但是对于那些调速范围不大，比如精密的一些机床，它们的计算转速可以适当取低些，满足要求就可以了1。查找机械设计手册我们可以看到各类主轴计算转速公式，按照本次毕业设计的类型，我们要设计的是数控车床，参照手册选取适合数控机床的计算转速公式，对本次设计机床定位中小型数控车床，故选用相对应的转速计算公式如下。3 . 0minncRnn 其中 为主轴的最低转速 minnr/min20minn 为主轴的变速范围 nR10020/2000nR代入公式中 3 . 010020cn r/min)(80对于上面计算出的数据，由于我们做的是数控车床，它是要切削金属的，所以我们会把它的值选取的大些，取。r/min150jn 主传动系统的主要参数有两种，分别是动力参数和运动参数。动力参数是指驱动电动机的功率变速范围，运动参数指主运动的调速范围。运动参数： r/min2000maxnr/min20minn主轴的调速范围： nR(3.3)100202000minmaxnnRn主轴恒功率变速范围：nPR(3.4)14150/2000/maxjnPnnR 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 11 页 共 32 页 由于实际加工中一般是要求数控车床主轴恒功率变速范围要远远大于调速电动机的恒功率变速范围，但是如果不作处理的话一般是做不到上面所要求的，为了解决掉电动机和主轴的功率特性相匹配问题，从多方面考虑选择比较简单的，一般我们会在电动机与主轴之间串联一个分挡调速器，来解决这个问题。这样既可以扩大恒功率调速的范围。同时这样也可以解决了主轴在低速大功率工作的时候对电动机的输出功率的要求。而现在越来越多的主传动系统的传动方式一般会采用分档无极调速和定比传动相配合的传动方式。这种传动方式一般是这样工作的，先通过电动机的转动，然后经过带传递给传动轴，然后传动轴在通过变速机构将转速传递给主轴。一般这里面的变速机构是通过齿轮副来实现的。所以这里面主轴对功率和转矩的要求，通过电机的无极调速再结合变速箱就可以满足要求了。在设计分档变速箱的时候，一般情况下我们要考虑机床的结构、运动是否平稳等一些需要注意的地方。下面列出了一般主传动系统变速箱选取的三种方法： （1）选取变速箱的公比 等于电动机的恒功率调速范围 ，即，功dPRdPR率特性图表示连续的、无缺口和无重合,电动机全部调速范围内的功率都得到了应用，是较理想的状态，一般在实际设计的时候很难做到相等。如果变速箱的设计的变速级数为Z。则主轴的恒功率速范围为npRZdPZnPRR1变速箱的级数 Z 可由上面的公式求得lg/lgnPRz （2）如果要想使变速箱的结构简单化，变速级数则就应该取的少些，公比可以取大于电动机的恒功率调速范围，得到。但存在着恒功率变速段不连dpRdpR续，中间一般出现恒转矩过渡，恒转矩过渡区变速范围也就是我们通常说的缺口，为了确保缺口处的输出功率，主轴电机的功率应该变大，结果就是会出现“大马拉小车”的现像，不能充分利用电机1。（3）如果车机床为了得到恒定的线速度切削，而且还需要是在转速中变速时候达到，所以这个时候要选取公比小于主轴电机的恒功率变速范围，也就是，这个时候只能通过选取比较大些的的数值来达到上面的效果，设dpRz，则对应的主轴的转速图、功率图分别如图 3.1 所示 ，从图上可以看422z 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 12 页 共 32 页到有一小段区域是重合的。在主传动系统功率图上，则对应的变速级数将要变多，使得变速结构变的复杂化。适合于恒定线速度切削时要在运转过程中变速，机床在切削台阶和端面时侯，为了保证切削质量，需要进行恒线速度切削，要求主轴在运转过程中不停车时候就能通过变换齿轮来连续变速。通过上面的描述时候，dpR主轴转速既夸于两级之间又可以实现不用停车连续变速，因此这是数控机床主传动系统常用的设计方案。图 3.1 转速图和功率图根据机床的给定的要求以及对上面的三种不同情况的介绍，故选用第三种方式，取变速箱的公比小于电机的恒功率调速范围，即，由上面得车床主轴的恒功dpR率变速范围100npR变速机构的调速范围是5 . 3414RdpRnpRn变速箱的级数和的关系公式z1ZnR取级数则4z5 . 13.3.3 分档变速箱的设计计算 通过主传动级数的确定，以及分级变速箱的公比的确定可得转速图5 . 1（图 3.2）电动机经定比传动 1：1.5，使变速箱的轴得到4000r/min1000r/min（恒功率）然后在进过公比 1.：2 和 1:1 传递到轴 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 13 页 共 32 页4000r/min2000r/min 和 1000r/min500r/min 接着按照公比 1:2 和 1:3 得到主轴的要求的调速范围 20r/min2000r/min。当电动机从最高转速 6000r/min 降至额定转速 1500r/min 时候参照转速图可以发现主轴可以在 2000r/min1000r/min 或者 1333r/min500r/min 连续变速1333r/min10000r/min，666r/min500r/min 等有恒功率重合段。可以实现连续恒功率变速，电动机的功率利用率较高13。图 3.2 转速图 3.43.4 齿轮的计算齿轮的计算3.4.1 确定与齿轮相关的参数根据我设计的要求,选用直齿圆柱齿轮传动。（1）根据本次设计的要求,选齿轮精度为 8 级。（2）参考设计手册，选择小齿轮的材料为 40Cr(调质)，硬度为 280HBS，大齿轮的材料为 45 钢(调质)硬度为 240HBS12。（3）选取小齿轮齿数，大齿轮齿数401Z80402Z12 uZ 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 14 页 共 32 页3.4.2 按齿根弯曲强度设计由机械设计手册查得弯曲强度的设计公式为 (3.5)31212()FaSadFY YKTmz（1）确定公式内的各计算数值（a）由机械手册查得大齿轮的弯曲疲劳强度极限；小齿轮的2380MPaFE弯曲疲劳强度极限；1500MPaFE（b）由机械设计课本查得弯曲疲劳寿命系数，；10.82FNK20.85FNK（c）由表查的圆柱齿轮的齿宽系数取=0.2；d（d）计算弯曲疲劳许用应力； 取弯曲疲劳安全系数 S=1.4，由公式计算得 (3.6) 1110.82 500292.86MPa1.4FNFEFKS（e）计算载荷系数 K 1.25 1.07 1.2 1.181.894AVFFKK K KK（f）在机械设计手册里查取齿形系数查得 ；。12.40FaY22.22FaY（g）在机械手册里面查取应力的校正系数查得 ；。11.67SaY21.77SaY（h）计算大小齿轮的并加以对比FaSaFY Y (3.7) 1112.45 1.650.01380292.86FaSaFYY(3.8)2222.24 1.750.0171230.71FaSaFYY相比之下大齿轮的数值大些。（2）设计计算 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 15 页 共 32 页(3.9)3422 1.894 5.1 100.01712.16(mm)0.2 40m 参照模数的标准值选取5 . 2m（3）计算分度圆直径(3.10)mm(1005 . 24011mzd(3.12)mm(2005 . 28022mzd（4）计算中心距 (3.13) )mm(1502)(21dda（5）计算齿轮宽度(3.14)10.2 10020()dbdmm取。2120,25Bmm Bmm（6）齿轮的校核： (3.15)41122 5.1 101020(N)100tTFd，合适。1.25 102063.75N/mm100N/mm20AtK Fb 根据上边计算方法及下面的公式表，依次求得其他齿轮参数如下表 3.3 所示：a 组Za1Za1，Za2Za2,m408060602.5B 组Zb1Zb1，Zb2Zb2，m309040803.5表 3.3 齿轮参数 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 16 页 共 32 页名称符号公式分度圆直径dmzd 齿顶圆直径da)2(2zmhadda齿根圆直径df)5 . 2(2zmhfddf齿顶高hamha 齿根高hfmhf25. 1全齿高hmhfhah25. 2中心距a2)(21mzza齿距pmp表 3.3 齿轮公式由上表 3.3 求 a、b 两组齿轮其他参数a 组：模数 m=2.5压力角=20 齿距85. 7mp齿厚 92. 32/ms齿槽宽 92. 32/me齿顶高 ha=2.5齿根高12. 325. 1mhf全齿高62. 525. 2mhfhahb 组：模数 m=3.5压力角=20 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 17 页 共 32 页齿距99.10mp齿厚 49. 52/ms齿槽宽 49. 52/me齿顶高 ha=2.5齿根高37. 425. 1mhf全齿高87. 725. 2mhfhah中心距)mm(2102/)(21mzza(7)齿轮精度等级因为本次设计的齿轮作为调速箱里的传动齿轮由设计手册大概可以得到，齿轮的精度在 69 级之间再根据齿轮的转速来确定它的精度等级。13.14 2.5 40 15007.85(m/s)1000 601000 60dnv根据上面的计算结果对照手册选取齿轮的精度为 8 级(8)中心距极限偏差f 由上面的计算得到中心距,mm150a查找机械设计手册得到0.04f(9)计算公法线平均长度测量直齿轮公法线长度时的跨齿数计算式为：跨齿数，取5 . 45 . 09zk5k齿形角为 200的非变位直齿轮公法线长度为：014. 0)5 . 0(9521. 2zkmWk则=34.612014. 0)5 . 05(9521. 2 5 . 2zWk3.53.5 皮带轮的设计与计算皮带轮的设计与计算假设按照法律规定的一天运转时间 8 小时10 小时计算（按小带轮计算） 。(1)确定计算功率caP由机械手册查得工作情况系数故2 . 1AK计算功率)kw(6 . 65 . 52 . 1PKAPca 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 18 页 共 32 页(2)根据和选胶带型别为：A 型caPn(3)确定带轮的基准直径并验算带速v 参照手册选取小带轮直径mm1251d 则大带轮直径)mm(5 .1871255 . 12d 带速为 )m/s(81. 910006011ndv（4）确定 V 型带的中心距和它的基准长度a（a）根据公公式初定定中心距 取 )(2)(7 . 021021ddaddmm3500a（b）由公式计算带所需的基准长度 (3.16) )mm(41.11934)()(222012210addddalap 参照手册选带的基准长度mm1250dL（c）计算实际中心距0a(3.17) )mm(29.378)241.11931250(350)2(0apdLLaa（5）验算小带轮包角(3.18)001209008.170601801add（6）计算带的根数 z（a）单根 V 带传递的功率 pr mm5 .187mm12521ddr/min15001n查手册得到 kw03. 2rP单根胶带传递功率的增量：00.18Pkw（b）计算 V 带的根数z 查找机械手册取 95. 0aK96. 0LK(3.19)kw(01. 21)(Pr00KKaPP 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 19 页 共 32 页V 带根数： 28. 301. 26 . 6rcaPPz 取 根 4z3.63.6 主轴主轴主轴是主轴部件的重要组成部分。主轴各个方面的因素对主轴部件在工作时候性能有至关重要的作用。在本次设计的时候主要围绕着保证精度、刚度和抗振性，减少温升和热变形等因素考虑4。3.6.1 主轴的主要参数确定(1)主轴前、后轴颈直径、。1D2D一般按照机床类型、主轴传递的功率或最大加工直径来选取前颈直径。车床1D和铣床后颈直径。这里按照机械设计手册主轴参照相关数据选取12)85. 07 . 0(DD,初取 根据设计的实际需要最后确定。1100mmD 12)85. 07 . 0(DDmm802D(2)主轴的内孔直径 d车床主轴内孔用来通过棒料或安装送夹料机构；为了不过多的削弱主轴刚度，卧式车床主轴孔径通常不小于主轴平均直径的 55%60%。由于设计要求机床的主d参数，按照给定的数据选主轴内孔直径。mm58d(3)主轴的跨距L支承跨距是指主轴相邻的两个支承的支反力作用点之间的距离如图 2.2 所示，对于主轴而言，如果它的的直径、悬伸量和主轴支承的配置方式已经确定的话，主轴前后支承刚度基本上也可以初步估算出来了3。经过经验表明对于轴支承结构，中间支承和后支承之间轴段的刚度对整个部件的刚度影响不大。所以在设计的时候，中间支承与后支承间的跨度以及轴径可以多顾及结构、工艺和抗扭转动的要求。支承跨度应该尽量设计的靠近最佳跨度。在实际设计中。mm272L由此在结合实际设计需要确定主轴的主要参数为, ，m1001Dmm802D，其余参数按照实际设计要求来确定。mm58dmm36amm272L主轴部件中最重要的组件之一是轴承。由于各类机床的工作条件相差很大，对主轴部件的性能要求又是各不相同的，所以要选择对轴承。轴承的类型、精度、结构、配置方式、润滑和冷却等状况，都直接影响着机床的转速、回转精度、刚性、 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 20 页 共 32 页抗颤振动切削性能、噪声、温升及热变形等，进一步也就自然而然会影响到加工零件的质量。现在的数控机床主轴轴承一般会选用有滚动轴承或者滑动轴承。但是从调查数据来看，滚动轴承被用在数控机床主轴部件的比例大些，虽然从旋转精度来看，两类轴承都能满足数控机床的要求。但是通过其他指标相比，滚动轴承还是会有许多优点优于滑动轴承，滚动轴承能够在转速和载荷变化幅度很大的条件下工作6；滚动轴承还可以在无间隙甚至在有一定的过盈量下工作；而且它的摩擦系数非常的小，有利于减小发热；还有它的润滑也比滑动轴承容易，可以用润滑脂、润滑油润滑，所以参照上面的描述主轴两端选取了的滚动轴承，它的型号分别是 7520E 圆锥滚子轴承和 6316 深沟球轴承。3.6.3 主轴最佳跨度的确定0L（1）根据上面求得的切削力： N85.2365F 图 3.3 主轴受力分析图如图 3.3 所示前后支撑力分别设为,AFBF(3.20)N(97.26782722723685.2365llaFFA(3.21)N(12.3132723685.2365laFFB（2）轴承刚度的计算查机械手册有： 9 . 19 . 08.01 . 0cos)(39. 3izlFddFKarrrr查机械手册得轴承根子有效长度、球数和列数： 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 21 页 共 32 页(3.22)60302,52262BBAAzizimm10,mm8 .12aBaAll（3）刚度计算公式：(3.23) 0.10.80.91.903.39 2678.9710(2 30)cos01876.43(N/um)AK (3.24)N/um(59.16210cos2628 .1212.31339. 39 . 19 . 08 . 01 . 0BK15. 159.162143.1876BAKK(3)主轴的当量直径2dDdemm)(90280100ed(4)主轴惯性矩)(05. 044ddIe；)mm(107 . 2589005. 04644I(5)计算最佳跨距设： (3.25)cm(9 .3897) 115. 1 (1043.1876270101 . 26) 1(6347BAAKKKEIB查机械手册得： ；)34. 146. 563. 1(0tmL式中 )1 (,3BAKKamtBm ; 2)15. 11 (6 . 36 .15)1 ();(6 .159 .389733BAKKamtcmBm )mm(283)34. 146. 5263. 1(6 .15)34. 146. 563. 1(0tmL式中：弹性模量，钢的弹性模量；EMPa,101 . 27E主轴的截面惯性距，；I)(05. 0;mm444dDI主轴的外径和孔径，；idd,mm 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 22 页 共 32 页前轴承的刚度，；AKNum后轴承的刚度，；BKNum前悬伸量，。amm3.6.4 主轴组件的刚度校核对于一般机床，主要考虑刚度问题就可以了。因为通常，如果机床能够满足刚度要求，一般情况下也就能满足强度要求8。所以我们只需要对主轴进行刚度校核，校核刚度如下。(1)主轴组件计算时的支承简化如图 3.4 所示： 图 3.4 主轴计算图（a）跨距 ：l 272ml (b)当量外径：ed 12902eDDd(2)主轴刚度：(3.26)4444223 103 100.094931(N/m)0.0360.2720.036esAAdKala(3)对于本设计的刚度要求：由于设计的是数控机床主轴，所以主轴的刚度可根据自激振动稳定性决定9。取阻尼比；当，时，机床要0.02550m/minv 0.1mm/rs 2.46cbK068.8求切削稳定性良好，取limmax0.020.02 250.5(mm)bD(3.27)lim2.46 0.5coscos68.8 (N/m)212 0.025 1 0.025cbBK bK 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 23 页 共 32 页=8.68(N/m) 根据稳定性指标，工件长度，加上卡盘，共长max0.30.3 410123(mm)LD165.5mm 。(3.28)222210.60.4117.2(N/um)1BBABAAalaKKaal(3.29)1.661.66 117194(N/m)SAKK由上面的计算结果可以看出，主轴的刚度符合机床设计要求。3.6.5 主轴支撑转角验算机床粗加工时，主轴的变形最大，主轴前支撑处的转角有可能超过允许值，故应 验算此处的转角。因主轴中(后)支撑的变形一般较小，故可不必计算10。主轴在某一平面内的受力情况如图 3.5 所示。图 3.5 主轴受力分析图在近似计算中可不计轴承变形的影响，则该平面内主轴前支撑处的转角用下式计算； (3.30)1 ()1 (5 . 0)1 (31)1 (5 . 031MLLcQbcFaLEIMLLMLcQbcFaLEIA切削力的作用点到主轴前支承支承的距离，对于普通车床，FWaS， （是车床中心高，设)。H4 . 0WHmm200H 则： 1200.4 200200mmS 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 24 页 共 32 页当量切削力的计算：(3.31)N( 1 .86665 .2689368036FaWaF主轴惯性矩)(05. 044ddIe；)(mm107 . 2589005. 04644I式中：主轴传递全部功率时，作用于主轴端部的当量切削力；F)N(主轴传递全部功率时，作用于主轴上的传动力；Q)N(轴向切削力引起的力偶矩，若轴向切削力较小（如车床、磨床） ，Mcm)(N可以忽略不计；M主轴前支撑反力矩；AM支撑反力系数；主轴悬伸量；a）（cm主轴有关的尺寸；cbL、)cm(主轴当量外径；D)cm(主轴支撑段的惯性矩；L)(64);cm(444dDI主轴孔径；d(3.32)1 ()1 (5 . 0)1 (31MLLcQbcFaLEIrad105 . 1)5 .278 .271 (8 .274 . 538445 . 02 .276 . 31 .86661071. 2101 . 231527由于 rad001. 0所以主轴支撑转角满足要求。3.73.7 本章小结本章小结通过本章对主轴的设计，包括对主轴电动机的选择然后对主轴部件的选择和确定，有轴承的选择，传动系统的设计等，最后对有关零件进行校核。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 25 页 共 32 页4 4 PRO/EPRO/E的三维建模及有限元分析的三维建模及有限元分析4.14.1 PRO/EPRO/E的发展的发展Pro/E自从1988年被开发出来到现在已经发展了20多年了，经过很多人的不断开发，它已经成为了最常见的三维建模软件，被广泛的应用在工作和生活中15。一般在机械设计、汽车造型、模具造型、玩具等行业里面会用的它来建模，节省材料，节约时间。而且可以直接画出自己设计的模型，对一些复杂的实体可以通过它画出来，让学习的人能够清楚认识它的结构。所以用Pro/E画出车床的三维模型对人们清楚认识机床有很好的作用。4.24.2 零件及装配建模零件及装配建模原来一般都用CAD二维建模，现在由于科学技术的发展，二维已经不能满足人们的需要，所以发展了三维建模，我们本次课题就是三维建模。三维建模能让更直观的看出产品的好坏。4.2.1 零件的建模由于我的课题是车床床身及主轴的设计，所以把主轴的三维模型体现出来，如图4.1所示为主轴的三维建模。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 26 页 共 32 页图 4.1 主轴由于我在课题时候用到了三根轴，除了上一根的主轴还有两根轴，它们都很重要的，我的三维建模如图4.2，图4.3所示：图 4.2 传动轴下面的三维图为轴承端盖，是本次设计的用到比较多的零件图，把它也体现出来，如图 4.4 所示。图 4.4 轴承端盖4.2.2 装配建模装配图是 Pro/E 里面一个重要的模块，利用它可以让人们很清晰的看到各个部件之间的联系11。在用装配图的时候我们应先把每个零件图画好，必须画对尺度， 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 27 页 共 32 页不然最后装配会出现问题的，而本次的毕业设计用到的装配模块有主轴箱，有尾座，还有总的装配画，如图 4.5 所示为总体的装配图。我们通过看三维模型可以很直观的看到我做的作品。图 4.5 总体装配图本次毕业设计最重要也是最难得部分就是传动系统的设计了，这是我截得主轴箱内部的关系，方便人们清楚直观的看到内部结构，如图4.7所示： 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 28 页 共 32 页图4.7 主轴箱内部图4.34.3 有限元分析有限元分析Pro/E 的有限元分析可以直接通过软件对自己设计的作品进行虚礼的校核，检验它的质量，对设计产品有重大的意义。对床身部件进行 Pro/E 的有限元分析如下面步骤所示，在软件里面对床身进行材料的定义，接着对床身进行约束如图 4.8 所示，然后利用软件对床身进行有限元分析结果如图 4.9 所示。床身的相关设置和约束如下：图 4.8 床身约束床身有限元分析的结果： 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 29 页 共 32 页图 4.9 床身有限元分析从图上我们可以最危险的范围在最上面红色部分 9.987e，从图上看，这段范围很小，中间的
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