普通车床主轴箱设计-学位论文.doc
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1、太 原 理 工 大 学 阳 泉 学 院 课 程 设 计 说 明 书 姓 名: 杨 绒 学 号: 120511058 班 级: 12机制本二班 专 业: 机械设计制造及其自动化 题 目: 车床主轴箱设计 装 配 图: 1张截 面 图; 1 张主轴零件图:1张指导教师: 赵彤涌一、绪论二、设计计算 2.1机床课程设计的目的 2.2机床主参数和基本参数 2.3操作性能要求三、 主动参数的拟定 3.1确定传动公比 3.2主电动机的选择四、变速结构的设计 4.1. 主变速方案拟定 4.2. 变速结构式、结构网的选择 4.2.1. 确定变速组及各变速组中变速副的数目 4.2.2. 变速式的拟定 4.2.3
2、.结构式的拟定 4.2.4. 结构网的拟定 4.2.5.结构式的拟定 4.2.6.结构式的拟定 4.2.7.确定各变速组变速副齿数 4.2.8. 绘制变速系统图五、结构设计5.1.结构设计的内容、技术要求和方案5.2.展开图及其布置 5.3.I轴(输入轴)的设计5.4.传动轴的设计5.5.主轴组件设计 5.5. 1. 内孔直径d 5.5. 2. 轴径直径 5.5.3. 前锥孔直径 5.5.4. 主轴悬伸量a和跨距 5.5.5. 主轴轴承 5.5.6. 主轴和齿轮的联接 5.5.7. 润滑和密封 5.5.8. 其它问题六、传动件的设计 6.1 带轮的设计6.2 传动轴直径的估算 6.2.1 确定
3、各轴计算转速 6.2.2传动轴直径的估算 6.2.3键的选择6.3传动轴的校核 6.3.1传动轴的校核 6.3.2键的校核6.4各变速组齿轮模数的确定6.5片式摩擦离合器的选择和计算七、 本文工作总结参考文件致谢一、绪论机床技术参数有主参数和基本参数,他们是运动传动和结构设计的依据,影响到机床是否满足所需要的基本功能要求,参数拟定就是机床性能设计。主参数是直接反映机床的加工能力、决定和影响其他基本参数的依据,如车床的最大加工直径,一般在设计题目中给定,基本参数是一些加工件尺寸、机床结构、运动和动力特性有关的参数,可归纳为尺寸参数、运动参数和动力参数。通用车床工艺范围广,所加工的工件形状、尺寸和
4、材料各不相同,有粗加工又有精加工;用硬质合金刀具又用高速钢刀具。因此,必须对所设计的机床工艺范围和使用情况做全面的调研和统计,依据某些典型工艺和加工对象,兼顾其他的可能工艺加工的要求,拟定机床技术参数,拟定参数时,要考虑机床发展趋势和同国内外同类机床的对比,使拟定的参数最大限度地适应各种不同的工艺要求和达到机床加工能力下经济合理。机床主传动系因机床的类型、性能、规格和尺寸等因素的不同,应满足的要求也不一样。设计机床主传动系时最基本的原则就是以最经济、合理的方式满足既定的要求。在设计时应结合具体机床进行具体分析,一般应满足的基本要求有:满足机床使用性能要求。首先应满足机床的运动特性,如机床主轴油
5、足够的转速范围和转速级数;满足机床传递动力的要求。主电动机和传动机构能提供足够的功率和转矩,具有较高的传动效率;满足机床工作性能要求。主传动中所有零部件有足够的刚度、精度和抗震性,热变形特性稳定;满足产品的经济性要求。传动链尽可能简短,零件数目要少,以便节约材料,降低成本。二、设计计算2.1机床课程设计的目的课程设计是在学生学完相应课程及先行课程之后进行的实习性教学环节,是大学生的必修环节,其目的在于通过机床运动机械变速传动系统的结构设计,使学生在拟定传动和变速的结构的结构方案过程中,得到设计构思,方案分析,结构工艺性,机械制图,零件计算,编写技术文件和查阅技术资料等方面的综合训练,树立正确的
6、设计思想,掌握基本的设计方法,并培养学生具有初步的结构分析,结构设计和计算能力。2.2机床主参数和基本参数根据机床主轴变速箱设计指导查得车床主参数和基本参数为2.3操作性能要求(1)具有皮带轮卸荷装置(2)手动操作纵双向摩擦片离合器实现主轴的正反转及停止运动要求工件最大回转直径Dmax(mm)主轴最高转速Nmax(r/min)电机功率N(kw)主轴最低转速Nmin(r/min)系列主轴转速级数最大工件长度40013205.530轻型12750-2000(3)主轴的变速由变速手柄完成三、主动参数参数的拟定3.1确定传动公比 Rn=nmax/nmin=1320/30=44 Z=+1 j=1.41这
7、里我们取标准公比系列j=1.41=,根据【1】P73表2-5标准数列。首先找到最小极限转速30,再每跳过5个数(1.261.066)取一个转速,即可得到公比为1.41的数列:30,42.5,60,85,118,170,236,335,475,670,950,1320。3.2 主电动机的选择给定主电机的功率是5.5kw,查机床主轴变速箱设计指导,选取电动机型号为Y132S-4,额定功率5.5KW,满载转速1440r/min,同步转速1500r/min。四、变速结构的设计4.1 主变速方案拟定拟定变速方案,包括变速型式的选择以及开停、换向、制动、操纵等整个变速系统的确定。变速型式则指变速和变速的元
8、件、机构以及组成、安排不同特点的变速型式、变速类型。变速方案和型式与结构的复杂程度密切相关,和工作性能也有关系。因此,确定变速方案和型式,要从结构、工艺、性能及经济等多方面统一考虑。变速方案有多种,变速型式更是众多,比如:变速型式上有集中变速,分离变速;扩大变速范围可用增加变速组数,也可采用背轮结构、分支变速等型式;变速箱上既可用多速电机,也可用交换齿轮、滑移齿轮、公用齿轮等。显然,可能的方案有很多,优化的方案也因条件而异。此次设计中,我们采用集中变速型式的主轴变速箱。4.2 变速结构式、结构网的选择结构式、结构网对于分析和选择简单的串联式的变速不失为有用的方法,但对于分析复杂的变速并想由此导
9、出实际的方案,就并非十分有效。 4.2.1确定变速组及各变速组中变速副的数目 数为Z的变速系统由若干个顺序的变速组组成,各变速组分别有Z1、Z2、Z3个变速副。即Z=Z1Z2Z3.变速副中由于结构的限制以2或3为合适,即变速级数Z应为2和3的因子:,可以有三种方案:12=322,12=232,12=2234.2.2. 变速式的拟定12级转速变速系统的变速组,选择变速组安排方式时,考虑到机床主轴变速箱的具体结构、装置和性能。在轴如果安置换向摩擦离合器时,为减少轴向尺寸,第一变速组的变速副数不能多,以2为宜。主轴对加工精度、表面粗糙度的影响很大,因此主轴上齿轮少些为好。最后一个变速组的变速副数常选
10、用2。综上所述,变速式为12=232。 4.2.3. 结构式的拟定对于12=232传动式,有6种结构式和对应的结构网。分别为:, , , 轴装有摩擦离合器,在结构上要求有一齿轮的齿根圆大于离合器的直径。初选的方案。从电动机到主轴主要为降速变速,若使变速副较多的变速组放在较接近电动机处可使小尺寸零件多些,大尺寸零件少些,节省材料,也就是满足变速副前多后少的原则,因此取12=232方案为好。设计车床主变速传动系时,为避免从动齿轮尺寸过大而增加箱体的径向尺寸,在降速变速中,一般限制限制最小变速比umin1/4;为避免扩大传动误差,减少震动噪声,在升速时一般限制最大转速比umax2。斜齿圆柱齿轮传动较
11、平稳,可取umax2.5。因此在主变速链任一变速组的最大变速范围在设计时必须保证中间变速轴的变速范围最小Rmax=umax(22.5)/umin(1/4)(810)。4.2.4结构网的拟定 根据中间变速轴变速范围小的原则选择结构网。从而确定结构如下:4.2.5.结构式的拟定主轴的变速范围应等于住变速传动系中各个变速组变速范围的乘积,即:检查变速组的变速范围是否超过极限值时,只需检查最后一个扩大组。因为其他变速组的变速范围都比最后扩大组的小,只要最后扩大组的变速范围不超过极限值,其他变速组就不会超过极限值。 其中, ,符合要求。4.2.6.结构式的拟定绘制转速图、选择Y132S-4型Y系列笼式三
12、相异步电动机。、分配总降速变速比总降速变速比 i=nmin/nd=30/1440=0.0208、确定变速轴轴数变速轴轴数 = 变速组数 + 定比变速副数 + 1 = 3 + 1 + 1 = 5。 、确定各级转速由nmin=30r/min、j=1.41、z = 12确定各级转速:1320、950、670、475、335、236、170、118、85、60、42.5、30r/min。、绘制转速图在五根轴中,除去电动机轴,其余四轴按变速顺序依次设为、(主轴)。与、与、与轴之间的变速组分别设为a、b、c。现由(主轴)开始,确定、轴的转速: 先来确定轴的转速 变速组c 的变速范围为,结合结构式轴的转速只
13、有一种可能:118、170、236、335、475、670r/min。 确定轴的转速变速组b的级比指数为2,希望中间轴转速较小,因而为了避免升速,又不致变速比太小,可取,轴的转速确定为:400、560r/min。确定轴的转速对于轴,其级比指数为1,可取 , 确定轴转速为750r/min。由此也可确定加在电动机与主轴之间的定变速i=1440/750=1.92。下面画出转速图(电动机转速与主轴最高转速相近)。电动机电动机 电动机 传动系统的转速图 4.2.7确定各变速组变速副齿数齿轮齿数的确定,当各变速组的传动比确定以后,可确定齿轮齿数。对于定比传动的齿轮齿数可依据机械设计手册推荐的方法确定。对于
14、变速组内齿轮的齿数,如传动比是标准公比的整数次方时,变速组内每对齿轮的齿数和Sz及小齿轮的齿数可以从机械加工设备表81各种常用传动比的适用齿数中选取。一般在主传动中,最小齿数应大于18。采用三联滑移齿轮时,应检查滑移齿轮之间的齿数关系:三联滑移齿轮的最大齿轮之间的齿数差应大于或等于4,以保证滑移是齿轮外圆不相碰。根据【1】P94,查表3-9各种常用变速比的使用齿数。、变速组a: ,; 可取Sz=84,于是可得轴齿轮齿数分别为:35、49于是ia1=35/49,ia2=28/56可得轴上的三联齿轮齿数分别为:28、56。、变速组b:根据【1】P94,查表3-9各种常用变速比的使用齿数, ,, 可
15、取 Sz=90,于是可得轴上两联齿轮的齿数分别为:18、30、45。于是 bi1=18/72,bi2=30/60,bi2=45/45,得轴上两齿轮的齿数分别为:72,60、45。、变速组c:,根据【1】P94,查表3-9各种常用变速比的使用齿数,取 Sz=99.ci1=1/4为降速变速,取轴齿轮齿数为19;ci2=2为升速变速,取轴齿轮齿数为63。于是得ci1=19/76,ci2=63/32得轴两联动齿轮的齿数分别为19、63;得轴两齿轮齿数分别为76,32。4.2.8. 绘制变速系统图根据轴数,齿轮副,电动机等已知条件可有如下系统图:五、结构设计5.1结构设计的内容、技术要求和方案设计主轴变
16、速箱的结构包括传动件(传动轴、轴承、带轮、齿轮、离合器和制动器等)、主轴组件、操纵机构、润滑密封系统和箱体及其联结件的结构设计与布置,用一张展开图和若干张横截面图表示。主轴变速箱是机床的重要部件。设计时除考虑一般机械传动的有关要求外,着重考虑以下几个方面的问题:精度方面的要求,刚度和抗震性的要求,传动效率要求,主轴前轴承处温度和温升的控制,结构工艺性,操作方便、安全、可靠原则,遵循标准化和通用化的原则。主轴变速箱结构设计时整个机床设计的重点,由于结构复杂,设计中不可避免要经过反复思考和多次修改。在正式画图前应该先画草图。目的是:1)布置传动件及选择结构方案。2)检验传动设计的结果中有无干涉、碰
17、撞或其他不合理的情况,以便及时改正。3)确定传动轴的支承跨距、齿轮在轴上的位置以及各轴的相对位置,以确定各轴的受力点和受力方向,为轴和轴承的验算提供必要的数据。5.2展开图及其布置展开图就是按照传动轴传递运动的先后顺序,假想将各轴沿其轴线剖开并将这些剖切面平整展开在同一个平面上。轴上装的摩擦离合器和变速齿轮。有两种布置方案,一是将两级变速齿轮和离合器做成一体。齿轮的直径受到离合器内径的约束,齿根圆的直径必须大于离合器的外径,否则齿轮无法加工。这样轴的间距加大。另一种布置方案是离合器的左右部分分别装在同轴线的轴上,左边部分接通,得到一级反向转动,右边接通得到三级正向转动。这种齿轮尺寸小但轴向尺寸
18、大。我们采用第二种方案,通过空心轴中的拉杆来操纵离合器的结构。总布置时需要考虑制动器的位置。制动器可以布置在背轮轴上也可以放在其他轴上。制动器不要放在转速太低轴上,以免制动扭矩太大,使制动器尺寸增大。齿轮在轴上布置很重要,关系到变速箱的轴向尺寸,减少轴向尺寸有利于提高刚度和减小体积。5.3 轴(输入轴)的设计将运动带入变速箱的带轮一般都安装在轴端,轴变形较大,结构上应注意加强轴的刚度或使轴部受带轮的拉力(采用卸荷装置)。轴上装有摩擦离合器,由于组成离合器的零件很多,装配很不方便,一般都是在箱外组装。我们采用的卸荷装置一般是把轴承装载法兰盘上,通过法兰盘将带轮的拉力传递到箱壁上。车床上的反转一般
19、用于加工螺纹时退刀。车螺纹时,换向频率较高。实现正反转的变换方案很多,我们采用正反向离合器。正反向的转换在不停车的状态下进行,常采用片式摩擦离合器。由于装在箱内,一般采用湿式。在确定轴向尺寸时,摩擦片不压紧时,应留有0.20.4mm的间隙,间隙应能调整。离合器及其压紧装置中有三点值得注意:1)摩擦片的轴向定位:由两个带花键孔的圆盘实现。其中一个圆盘装在花键上,另一个装在花键轴上的一个环形沟槽里,并转过一个花键齿,和轴上的花键对正,然后用螺钉把错开的两个圆盘连接在一起。这样就限制了轴向和周向的两个自由度,起了定位作用。2)摩擦片的压紧由加力环的轴向移动实现,在轴系上形成了弹性力的封闭系统,不增加
20、轴承轴向复合。3)结构设计时应使加力环推动摆杆和钢球的运动是不可逆的,即操纵力撤消后,有自锁作用。轴上装有摩擦离合器,两端的齿轮是空套在轴上,当离合器接通时才和轴一起转动。但脱开的另一端齿轮,与轴回转方向是相反的,二者的相对转速很高(约为两倍左右)。结构设计时应考虑这点。齿轮与轴之间的轴承可以用滚动轴承也可以用滑动轴承。滑动轴承在一些性能和维修上不如滚动轴承,但它的径向尺寸小。空套齿轮需要有轴向定位,轴承需要润滑。装配时最后调整确定。5.4传动轴的设计机床传动轴,广泛采用滚动轴承作支撑。轴上要安装齿轮、离合器和制动器等。传动轴应保证这些传动件或机构能正常工作。首先传动轴应有足够的强度、刚度。如
21、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、噪声、空载功率、磨损和发热增大;两轴中心距误差和轴芯线间的平行度等装配及加工误差也会引起上述问题。传动轴可以是光轴也可以是花键轴。成批生产中,有专门加工花键的铣床和磨床,工艺上并无困难。所以装滑移齿轮的轴都采用花键轴,不装滑移齿轮的轴也常采用花键轴。花键轴承载能力高,加工和装配也比带单键的光轴方便。轴的部分长度上的花键,在终端有一段不是全高,不能和花键空配合。这是加工时的过滤部分。一般尺寸花键的滚刀直径D刀为6585mm。机床传动轴常采用的滚动轴承有球轴承和滚锥轴承。在温升、空载功率和噪声等方面,球轴承都比滚锥轴承优越。而且滚锥轴承对
22、轴的刚度、支撑孔的加工精度要求都比较高。因此球轴承用的更多。但是滚锥轴承内外圈可以分开,装配方便,间隙容易调整。所以有时在没有轴向力时,也常采用这种轴承。选择轴承的型号和尺寸,首先取决于承载能力,但也要考虑其他结构条件。同一轴心线的箱体支撑直径安排要充分考虑镗孔工艺。成批生产中,广泛采用定径镗刀和可调镗刀头。在箱外调整好镗刀尺寸,可以提高生产率和加工精度。还常采用同一镗刀杆安装多刀同时加工几个同心孔的工艺。下面分析几种镗孔方式:对于支撑跨距长的箱体孔,要从两边同时进行加工;支撑跨距比较短的,可以从一边(丛大孔方面进刀)伸进镗杆,同时加工各孔;对中间孔径比两端大的箱体,镗中间孔必须在箱内调刀,设
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