铣床主轴箱设计说明书32.doc

江苏科技大学设计论文（铣削专用主轴箱设计） 目录 1.概述-------------------------------------------------------------1 2.参数的拟定-------------------------------------------------------1 3.传动设计---------------------------------------------------------1 4. 传动件的估算----------------------------------------------------4 5. 动力设计--------------------------------------------------------10 6.主轴空间位置图---------------------------------------------------13 7.主轴箱位置展开图-------------------------------------------------14 8.结构设计及说明---------------------------------------------------14 9.总结-------------------------------------------------------------19 10.参考文献-------------------------------------------------------20 1.概述 1.1铣削专用主轴箱设计的目的 课程设计是在金属切削机床课程之后进行的实践性教学环节。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。 1.2车床的规格系列和用处 普通机床的规格和类型有系列型谱作为设计时应该遵照的基础。因此，对这些基本知识和资料作些简要介绍。本次设计的是普通铣床主轴变速箱。 1.3 操作性能要求 1）具有皮带轮卸荷装置 2）主轴的变速由变速手柄，和滑移齿轮完成 2.参数的拟定 2.1 公比选择 已知最低转速nmin=12.5rpm，最高转速nmax=2120rpm，变速级数Z=12， 转速调整范围：， 2.2求出转速系列 根据最低转速nmin=20rpm，最高转速nmax=1800rpm，公比φ=1.26，按《机床课程设计指导书》（陈易新编）表5选出标准转速数列： 2000 1250 800 500 315 200 125 80 50 31.5 20 12.5 2.3 主电机选择 合理的确定电机功率N，使机床既能充分发挥其使用性能，满足生产需要，又不致使电机经常轻载而降低功率因素。 已知电动机的功率是5KW，根据《机床设计手册》选Y100L-2，额定功率5，满载转速2870 ，最大额定转距2.2。 3.传动设计 3.1 主传动方案拟定 拟定传动方案，包括传动型式的选择以及开停、换向、制动、操纵等整个传动系统的确定。传动型式则指传动和变速的元件、机构以及组成、安排不同特点的传动型式、变速类型。 传动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，确定传动方案和型式，要从结构、工艺、性能及经济等多方面统一考虑。 传动方案有多种，传动型式更是众多，比如：传动型式上有集中传动，分离传动；扩大变速范围可用增加传动组数，也可用背轮结构、分支传动等型式；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，我们采用集中传动型式的主轴变速箱。 3.2 传动结构式、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传动不失为有用的方法，但对于分析复杂的传动并想由此导出实际的方案，就并非十分有效。 3.2.1 确定传动组及各传动组中传动副的数目 级数为Z的传动系统由若干个顺序的传动组组成，各传动组分别有、、…… 传动副。即 本设计中传动级数为Z=12。传动副中由于结构的限制以2或3为合适，本课程设 选择方案： 12=3×2×2；12＝2×3×2；12＝2×2×3 3.2.2 传动式的拟定 12级转速传动系统的传动组，选择传动组安排方式时，考虑到机床主轴变速箱的具体结构、装置和性能以及一个“前多后少”的原则。故离电动机近的传动组的传动副个数最好高于后面的传动组的传动副数。 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。最后一个传动组的传动副常选用2。 综上所述，传动式为12=3×2×2。 3.2.3 结构式、结构网的拟定 对于12=3×2×2传动式，有6种结构式和对应的结构网。分别为： 根据(1)传动副的极限传动比和传动组的极限变速范围（2）基本组扩大组的排列顺序，初选的方案。 根据级比指数分配使传动顺序与扩大顺序相一致，方案的结构网如下图所示： 图1 结构网 3.2.4转速图的拟定 上述所选定的结构式共有三个传动组，变速机构共需4轴，加上电动机共5轴，故转速图需5条竖线，如下图所示。主轴共12速，电动机轴与主轴最高转速相近，故需12条横线。中间各轴的转速可以从电动机轴往后推，也可以从主轴开始往前推。通常以往前推比较方便，即先决定轴三的转速。 图2转速图 4. 传动件的估算 4.1 三角带传动 4.1.1 确定计算功率 [KW] N——主动带轮传动的功率=3KW K——工作情况系数 工作时间为二班制 K=1.2 故 4.1.2 选择三角胶带的型号 小带轮的转速： rpm 选用B型三角胶带 4.1.3 确定带轮直径 小轮直径D应满足条件: (mm) mm 故=150mm 大轮直径 为大轮的转速=1250rpm mm 4.1.4 计算胶带速度 m/s 4.1.5 初定中心距 两带轮中心距应在mm 故mm 4.1.6 计算胶带的长度 mm 查表12，选标准计算长度L及作为标记的三角胶带的内周长度 =1823.7 查得L=1800 4.1.7 计算胶带的弯曲次数 带轮的个数m=2 次/S 符合要求 4.1.8 计算实际中心距A (mm) 为了张紧和装拆胶带的需要，中心距的最小调整范围为： 4.1.9 定小带轮的包角 4.1.10 确定三角胶带的根数Z （包角系数）查《机械设计》表8-8 =0.93 （长度系数）查表8-2 =0.95 （单根V带基本额定功率）8-5a 小带轮节圆直径140 =3.85 (8-5b) 传动比 i=1.15 =0.89 （计算功率） （工作情况系数）=1.2 可得 故 Z=2根 4.1.11 作用在支撑轴上的径向力为 （胶带初拉力）=200 故Q= 4.2 传动轴的估算 传动轴除应满足强度要求外，还应满足刚度的要求，强度要求保证轴在反复载荷和扭载荷作用下不发生疲劳破坏。机床主传动系统精度要求较高，不允许有较大变形。因此疲劳强度一般不失是主要矛盾，除了载荷很大的情况外，可以不必验算轴的强度。刚度要求保证轴在载荷下不至发生过大的变形。因此，必须保证传动轴有足够的刚度。 4.2.1 传动轴直径的估算 （1）.确定各变速齿轮传动副的齿数 Ⅰ轴: 取,则从表中查出小齿轮齿数分别为28,24,18 Ⅱ轴: 取 小齿轮齿数为40,20 Ⅲ轴： 为(V带传动效率)=0.96 (滚子轴承)=0.98 (9级精度的齿轮)=0.96 为(十字滑块联轴器)=0.98 Ⅰ轴： KW Ⅱ轴： KW Ⅲ轴： KW Ⅳ轴： KW N·mm N·mm N·mm N·mm 传动轴为Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ轴, 一般传动轴取 mm 取d=25 轴承30205 mm 取d=30 轴承30206 mm 取d=40 轴承30208 mm 取d=60 轴承30212 轴承30205 30206 30208 30212 T=15.25 T=17.25 T=19.75 T=23.75 C=12 C=14 C=16 C=19 D=52 D=62 D=80 D=110 d=25 d=30 d=40 d=60 B=15 B=16 B=18 B=22 4.2.2齿轮模数的计算 (1)I-Ⅱ齿轮弯曲疲劳的计算 mm 齿面点蚀的计算: 取A=50,由中心距A及齿数计算出模数 ,所以取 (2)Ⅱ-Ⅲ齿轮弯曲疲劳的计算 KW 取A=60 ，取m=2.5 (3)Ⅲ-Ⅳ齿轮弯曲疲劳的计算 KW 取A=145 取m=3.5 (4)标准齿轮： ,, 表1 齿轮 齿数 模数 m 分度圆 d 齿顶圆 齿根圆 齿顶高 齿根高 1 28 2.5 70 75 63.75 2.5 3.125 2 44 2.5 110 115 103.75 2.5 3.125 3 24 2.5 60 55 66.25 2.5 3.125 4 48 2.5 120 115 126.25 2.5 3.125 5 18 2.5 45 40 51.25 2.5 3.125 6 54 2.5 135 130 141.25 2.5 3.125 7 40 2.5 100 84 85 2.5 3.125 8 40 2.5 100 84 85 2.5 3.125 9 20 2.5 50 44 45 2.5 3.125 10 60 2.5 150 124 125 2.5 3.125 11 60 3.5 150 124 125 3.5 4.375 12 30 3.5 105 64 65 3.5 4.375 13 18 3.5 63 40 41 3.5 4.375 14 72 3.5 252 148 149 3.5 4.375 4.2.3 齿宽的确定 公式m （，m为模数） 第一套啮合齿轮：mm 第二套啮合齿轮：mm 第三套啮合齿轮：mm 反转啮合齿轮：mm 4.2.4 带轮结构设计 当mm时，采用腹板式，D是轴承外径，采用轴承 由《机械设计》表8-10确定参数 ,,,=19, =12.5, , 带轮宽度：B= 分度圆直径： （d为轴直径） mm L=B=44 5. 动力设计 5.1主轴刚度验算 5.1.1 选定前端悬伸量C，参考《机械装备设计》P121，根据主轴端部的结构，前支承轴承配置和密封装置的型式和尺寸，这里选定C=120mm. 5.1.2 主轴支承跨距L的确定 根据《金属切削机床》表10-6前轴颈应为60～90mm。初步选取＝90mm.后轴颈 ＝（0.7～0.9），取＝80mm.根据设计方案，选前轴承为30218型，后轴承为30216型。根据结构，定悬伸长度a＝120mm。 5.1.3求轴承刚度 主轴最大输出转矩（未考虑机械效率） T= 切削力： 背向力： 故总此作用力：F= 此力主轴颈和后轴颈个承受一般，故主轴端受力为F/2=10677.23N。 在估算时，先假设初值l/a=3,l=3120=360mm。前后支承的支反力和: 根据式（10－6）可求出前、后轴承的刚度： ; 5.1.4 求最佳跨距 初步计算时，可假定主轴的当量外径为前、后轴承颈的平均值，。故惯性矩为： 查线图。计算出的与原假定不符。经过反复验算得仍接近1.8。可以看出，这是一个迭代过程，很快收敛于正确值。最佳跨距。 5.2 齿轮校验 齿轮校核：应选模数相同，齿数最小的齿轮 验算齿轮3，齿轮9，齿轮13 齿轮3的齿数z=24，模数m=2 5.2.1齿根弯曲强度的计算： （应力校正系数）=1.58 （齿形系数）=2.65 K（载荷系数）= （使用系数）=1.25 （动载系数）=1.4 （齿间载荷分配系数）=1.0 （齿向载荷分布系数）=1.1 K=1.93 b=25 m=2.5 合金调质(250HBS) 齿轮9的齿数z=20,模数m=2.5 齿根弯曲强度计算 =2.72 =1.57 .5 N 齿轮13的齿数z=18,模数m=3.5 =2.91 =1.53 3.5 小齿轮选用(渗碳后淬火) (强度极限)=1200 (屈服极限)=1100 5.2.2轴的校核 45#钢 调质 毛土坯直径 硬度 抗拉强度极限 屈服强度极限 弯曲疲劳极限 剪切疲劳极限 许用弯曲应力 按扭转强度校验 n=12.5 P=2.35KW d=60mm 故轴符合，轴选用45#钢调质处理。 6.主轴空间位置图 7.主轴箱位置展开图 8.结构设计及说明 8.1 结构设计的内容、技术要求和方案 设计主轴变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。课程设计由于时间的限制，一般只画展开图。 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。 8.2 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。 I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，负责齿轮无法加工。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，右边接通得到三级反向转动。这种齿轮尺寸小但轴向尺寸大。我们采用第一种方案，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，是制动尺寸增大。 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。 8.3 I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的拉力（采用卸荷装置）。I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好I轴在整体装入箱内。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。 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德两个自由度，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。 I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。 8.4 齿轮块设计 齿轮是变速箱中的重要元件。齿轮同时啮合的齿数是周期性变化的。也就是说，作用在一个齿轮上的载荷是变化的。同时由于齿轮制造及安装误差等，不可避免要产生动载荷而引起振动和噪音，常成为变速箱的主要噪声源，并影响主轴回转均匀性。在齿轮块设计时，应充分考虑这些问题。 齿轮块的结构形式很多，取决于下列有关因素： 1） 是固定齿轮还是滑移齿轮；2）移动滑移齿轮的方法；3）齿轮精度和加工方法； 变速箱中齿轮用于传递动力和运动。它的精度选择主要取决于圆周速度。采用同一精度时，圆周速度越高，振动和噪声越大，根据实际结果得知，圆周速度会增加一倍，噪声约增大6dB。 工作平稳性和接触误差对振动和噪声的影响比运动误差要大，所以这两项精度应选高一级。 为了控制噪声，机床上主传动齿轮都要选用较高的精度。大都是用7—6—6，圆周速度很低的，才选8—7—7。如果噪声要求很严，或一些关键齿轮，就应选6—5—5。当精度从7—6—6提高到6—5—5时，制造费用将显著提高。 不同精度等级的齿轮，要采用不同的加工方法，对结构要求也有所不同。 8级精度齿轮，一般滚齿或插齿就可以达到。 7级精度齿轮，用较高精度滚齿机或插齿机可以达到。但淬火后，由于变形，精度将下降。因此，需要淬火的7级齿轮一般滚（插）后要剃齿，使精度高于7，或者淬火后在衍齿。 6级精度的齿轮，用精密滚齿机可以达到。淬火齿轮，必须磨齿才能达到6级。 机床主轴变速箱中齿轮齿部一般都需要淬火。 8.5 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为65～85。 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，设计时应尽可能避免。 既要满足承载能力的要求，又要符合孔加工工艺，可以用轻、中或重系列轴承来达到支撑孔直径的安排要求。 两孔间的最小壁厚，不得小于5～10，以免加工时孔变形。 花键轴两端装轴承的轴颈尺寸至少有一个应小于花键的内径。 一般传动轴上轴承选用级精度。 传动轴必须在箱体内保持准确位置，才能保证装在轴上各传动件的位置正确性，不论轴是否转动，是否受轴向力，都必须有轴向定位。对受轴向力的轴，其轴向定位就更重要。 回转的轴向定位（包括轴承在轴上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。长轴要考虑热伸长的问题，宜由一端定位。 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。 8.6 主轴组件设计 主轴组件结构复杂，技术要求高。安装工件（车床）或者刀具（铣床、钻床等）的主轴参予切削成形运动，因此它的精度和性能直接影响加工质量（加工精度和表面粗糙度），设计时主要围绕着保证精度、刚度和抗振性，减少温升和热变形等几个方面考虑。 8.6.1 各部分尺寸的选择 主轴形状与各部分尺寸不仅和强度、刚度有关，而且涉及多方面的因素。 1） 内孔直径 铣床床主轴由于要夹紧刀柄，安装自动卡紧机构及通过卸顶尖的顶杆，必须是空心轴。为了扩大使用范围，加大可加工棒料直径，车床主轴内孔直径有增大的趋势。 2） 轴颈直径 前支撑的直径是主轴上一主要的尺寸，设计时，一般先估算或拟定一个尺寸，结构确定后再进行核算。 3） 前锥孔直径 前锥孔用来装顶尖或其他工具锥柄，要求能自锁，目前采用莫氏锥孔。 4） 支撑跨距及悬伸长度 为了提高刚度，应尽量缩短主轴的外伸长度。选择适当的支撑跨距，一般推荐取： =3～5，跨距小时，轴承变形对轴端变形的影响大。所以，轴承刚度小时，应选大值，轴刚度差时，则取小值。 跨距的大小，很大程度上受其他结构的限制，常常不能满足以上要求。安排结构时力求接近上述要求。 8.6.2 主轴轴承 1）轴承类型选择 主轴前轴承有两种常用的类型： 双列短圆柱滚子轴承。承载能力大，可同时承受径向力和轴向力，结构比较简单，但允许的极限转速低一些。 与双列短圆柱滚子轴承配套使用承受轴向力的轴承有三种： 600角双向推力向心球轴承。是一种新型轴承，在近年生产的机床上广泛采用。具有承载能力大，允许极限转速高的特点。外径比同规格的双列圆柱滚子轴承小一些。在使用中，这种轴承不承受径向力。 推力球轴承。承受轴向力的能力最高，但允许的极限转速低，容易发热。 向心推力球轴承。允许的极限转速高，但承载能力低，主要用于高速轻载的机床。 2）轴承的配置 大多数机床主轴采用两个支撑，结构简单，制造方便，但为了提高主轴刚度也有用三个支撑的了。三支撑结构要求箱体上三支撑孔具有良好的同心度，否则温升和空载功率增大，效果不一定好。三孔同心在工艺上难度较大，可以用两个支撑的主要支撑，第三个为辅助支撑。辅助支撑轴承（中间支撑或后支撑）保持比较大的游隙（约0.03～0.07），只有在载荷比较大、轴产生弯曲变形时，辅助支撑轴承才起作用。 8.6.3 主轴与齿轮的连接 齿轮与主轴的连接可以用花键或者平键；轴做成圆柱体，或者锥面（锥度一般取1：15左右）。锥面配合对中性好，但加工较难。平键一般用一个或者两个（相隔180度布置），两国特键不但平衡较好，而且平键高度较低，避免因齿轮键槽太深导致小齿轮轮毂厚度不够的问题。 8.6.4 润滑与密封 主轴转速高，必须保证充分润滑，一般常用单独的油管将油引到轴承处。 主轴是两端外伸的轴，防止漏油更为重要而困难。防漏的措施有两种： 1）堵——加密封装置防止油外流。 主轴转速高，多采用非接触式的密封装置，形式很多，一种轴与轴承盖之间留0.1～0.3的间隙（间隙越小，密封效果越好，但工艺困难）。还有一种是在轴承盖的孔内开一个或几个并列的沟槽（圆弧形或形），效果比上一种好些。在轴上增开了沟槽（矩形或锯齿形），效果又比前两种好。 在有大量切屑、灰尘和冷却液的环境中工作时，可采用曲路密封，曲路可做成轴向或径向。径向式的轴承盖要做成剖分式，较为复杂。 2）疏导——在适当的地方做出回油路，使油能顺利地流回到油箱。 9.总结 在课程设计当中，我也遇到了一些问题。设计过程也是培养我们认真细心的态度。 在此过程中不断发现问题和解决问题，使我加深了对大学所学课程理解，综合应用，并得到进一步的巩固，这对以后的学习和工作都有积极的意义。 总之，这次的课程设计让我学到了很多东西 10.参考文献 [1] 冯辛安主编.机械制造装备设计.机械工业出版社. 北京.1999.12 [2] 周开勤主编. 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