數(shù)控機(jī)床主軸箱設(shè)計(jì)0000000000-副本

1、第一章 概述1.1 設(shè)計(jì)目的21.2 主軸箱的概述2第2章 主傳動(dòng)的設(shè)計(jì)2 2.1驅(qū)動(dòng)源的選擇2 2.2轉(zhuǎn)速圖的擬定22.3傳動(dòng)軸的估算42.4齒輪模數(shù)的估算32.5V帶的選擇4第3章 主軸箱展開(kāi)圖的設(shè)計(jì)7 3.1各零件結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)7 3.1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容和步驟73.1.2有關(guān)零件結(jié)構(gòu)和尺寸的設(shè)計(jì)73.1.3各軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)93.1.4主軸組件的剛度和剛度損失的計(jì)算103.1.5軸承的校核133.2裝配圖的設(shè)計(jì)的概述13總結(jié)19參考文獻(xiàn)20第一章 概述1-1設(shè)計(jì)目的數(shù)控機(jī)床的課程設(shè)計(jì)，是在數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)課程之后進(jìn)行的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。其目的在于通過(guò)數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使我們?cè)跀M定進(jìn)給傳

2、動(dòng)及變速等的結(jié)構(gòu)方案過(guò)程中得到設(shè)計(jì)構(gòu)思、方案分析、結(jié)構(gòu)工藝性、CAD制圖、設(shè)計(jì)計(jì)算、編寫(xiě)技術(shù)文件、查閱技術(shù)資料等方面的綜合訓(xùn)練，建立正確的設(shè)計(jì)思想，掌握基本的設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)我們初步的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算能力。1-2 主軸箱的概述 主軸箱為數(shù)控機(jī)床的主要傳動(dòng)系統(tǒng)它包括電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和主軸部件它與普通車(chē)床的主軸箱比較，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單只有兩極或三級(jí)齒輪變速系統(tǒng)，它主要是用以擴(kuò)大電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的范圍，以滿(mǎn)足一定恒功率、和轉(zhuǎn)速的問(wèn)題。第二章2主傳動(dòng)設(shè)計(jì)2-1驅(qū)動(dòng)源的選擇機(jī)床上常用的無(wú)級(jí)變速機(jī)構(gòu)是直流或交流調(diào)速電動(dòng)機(jī) ，直流電動(dòng)機(jī)從額定轉(zhuǎn)速nd向上至最高轉(zhuǎn)速nmax是調(diào)節(jié)磁場(chǎng)電流的方法來(lái)調(diào)速的，屬于恒功率，

3、從額定轉(zhuǎn)速nd向下至最低轉(zhuǎn)速nmin時(shí)調(diào)節(jié)電樞電壓的方法來(lái)調(diào)速的屬于恒轉(zhuǎn)矩；交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)是靠調(diào)節(jié)供電頻率的方法調(diào)速。由于交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)的體積小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，沒(méi)有電刷，能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速比同功率的直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)高，磨損和故障也少，所以在中小功率領(lǐng)域，交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)占有較大的優(yōu)勢(shì)，鑒于此，本設(shè)計(jì)選用交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)。根據(jù)主軸要求的最高轉(zhuǎn)速3150r/min，交流主軸電動(dòng)機(jī)，最高轉(zhuǎn)速是5000r/min。 2-2 轉(zhuǎn)速圖的擬定 根據(jù)交流主軸電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速和基本轉(zhuǎn)速可以求得交流主軸電動(dòng)機(jī)的恒功率轉(zhuǎn)速范圍Rdp=nmax/nd=5000/5=5 而主軸要求的恒功率轉(zhuǎn)速范圍

4、Rnp=nmax/nd=3150/125=25.2，遠(yuǎn)大于交流主軸電動(dòng)機(jī)所能提供的恒功率轉(zhuǎn)速范圍，所以必須串聯(lián)變速機(jī)構(gòu)的方法來(lái)擴(kuò)大其恒功率轉(zhuǎn)速范圍。涉及變速箱時(shí)，考慮到機(jī)床結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性等因素，取變速箱的公比f(wàn)等于交流主軸電動(dòng)機(jī)的恒功率調(diào)速范圍 Rdp,即=Rdp=2,功率特性圖是連續(xù)的，無(wú)缺口和無(wú)重合的。變速箱的變速級(jí)數(shù)變速箱的變速級(jí)數(shù)  Z=lg Rnp/lg  Rdp=lg25/ lg 5=2.0049          &#

5、160;         (3-2) 取 Z=2確定各齒輪齒副的齒數(shù)：取S=114由U=2.24 得Z1=35 Z1=79由U=1.41 得Z2=47 Z2=67由U=3.55 得Z3=26 Z3=88由此擬定主傳動(dòng)系統(tǒng)圖，轉(zhuǎn)速圖以及主軸功率特性圖分別如圖2-1，2-2，2-3圖2-1圖2-2 圖2-32.3 傳動(dòng)軸的估算傳動(dòng)軸除應(yīng)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求外，還應(yīng)滿(mǎn)足剛度要求。強(qiáng)度要求保證軸在反復(fù)載荷和扭轉(zhuǎn)載荷作用下不發(fā)生疲勞破壞。機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)精度要求較高，不允許有較大的變形。因此疲勞強(qiáng)度一般不

6、是主要矛盾。除了載荷比較大的情況外，可以不必驗(yàn)算軸的強(qiáng)度。剛度要求軸在載荷下（彎曲，軸向，扭轉(zhuǎn)）不致產(chǎn)生過(guò)大的變形（彎曲，失穩(wěn)，轉(zhuǎn)角）。如果剛度不夠，軸上的零件如齒輪，軸承等由于軸的變形過(guò)大而不能正常工作，或者產(chǎn)生振動(dòng)和噪音，發(fā)熱，過(guò)早磨損而失效。因此，必須保證傳動(dòng)軸有足夠的剛度。通常，先按扭轉(zhuǎn)剛度軸的直徑，畫(huà)出草圖后，再根據(jù)受力情況，結(jié)構(gòu)布置和有關(guān)尺寸，驗(yàn)算彎曲剛度。 計(jì)算轉(zhuǎn)速nj是傳動(dòng)件傳遞全部功率時(shí)的最低轉(zhuǎn)速，各個(gè)傳動(dòng)軸上的計(jì)算轉(zhuǎn)速可以從轉(zhuǎn)速圖上直接得出如表2-1所示 表2-1 各軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速軸 I II III計(jì)算轉(zhuǎn)速 1000 446 125各軸功率和扭矩計(jì)算： 已知一級(jí)齒

7、輪傳動(dòng)效率為0.97（包括軸承），則 I軸： =×0.99=27×0.99=26.73 KW II 軸 = ×0.97=26.73×0.97=25.92 KW III軸 =×0.97=25.92×0.97=25.15 KW軸扭矩：軸扭矩：III軸扭矩：是每米長(zhǎng)度上允許的扭轉(zhuǎn)角（deg/m），可根據(jù)傳動(dòng)軸的要求選取，其選取的原則如表2-2所示。表2-2 許用扭轉(zhuǎn)角選取原則 軸 主軸一般傳動(dòng)軸較低的軸（deg/m）0.5-11-1.51.5-2最后所確定各軸所允許的扭轉(zhuǎn)角如表2-3所示 軸 軸（電機(jī)軸） II軸 III軸（deg

8、/m） 0.510.5把以上確定的各軸的扭矩，允許扭轉(zhuǎn)角代入估算公式 ,可得傳動(dòng)軸的估算直徑： 軸承30209 軸承30209因?yàn)橹鬏S為空心軸，材料取45鋼，所以A0=110 軸承30215最后取值如下表所示： 軸 I II III估算直徑 45 45 70主軸軸徑尺寸的確定： 已知車(chē)床最大加工直徑為Dmax=400mm,則 主軸前軸頸直徑 D1=0.25Dmax15=85-115mm 取95 后頸直徑 D2=(0.7-0.85)D1=67-81mm 取75 內(nèi)孔直徑 d=0.1Dmax10=35-55mm 取402.4 齒輪模數(shù)的估算按接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算齒輪模數(shù)比較復(fù)雜，而且有些

9、系數(shù)只有在齒輪的各參數(shù)都已知方可確定，故只有在裝配草圖畫(huà)完后校驗(yàn)用。在畫(huà)草圖時(shí)用經(jīng)驗(yàn)公式估算，根據(jù)估算的結(jié)果然后選用標(biāo)準(zhǔn)齒輪的模數(shù)。 齒輪模數(shù)的估算有兩種方法，第一種是按齒輪的彎曲疲勞進(jìn)行估算，第二種是按齒輪的齒面點(diǎn)蝕進(jìn)行估算，而這兩種方法的前提條件是各個(gè)齒輪的齒數(shù)必須已知，所以必須先給出各個(gè)齒輪的齒數(shù)。(1)齒輪彎曲疲勞的計(jì)算 齒輪彎曲疲勞估算公式 2.93 齒面點(diǎn)蝕的計(jì)算 得111 由中心距A及齒數(shù)計(jì)算出模數(shù)： 1.94，所以取m=3(2) 齒輪彎曲疲勞的計(jì)算 齒輪彎曲疲勞估算公式 3.083齒面點(diǎn)蝕的計(jì)算 得144.79 ,取A=1452.54,所以取m=4.5(3) 齒輪彎曲

10、疲勞的計(jì)算取m=4.5由于受傳動(dòng)軸軸徑尺寸大小限制，選取齒輪模數(shù)為m=3 mm,對(duì)比上面的結(jié)果，可知這樣設(shè)計(jì)的齒輪傳動(dòng)，既滿(mǎn)足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿(mǎn)足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，故取同一變速組中的所以齒輪的模數(shù)都為m=3mm. 則各齒輪齒數(shù)和模數(shù)列表如下：齒輪Z1Z1Z2Z2Z3Z3齒數(shù)357967478925模數(shù)334.54.54.54.5 第三章主軸箱展開(kāi)圖的設(shè)計(jì) 主軸箱展開(kāi)圖是反映各個(gè)零件的相互關(guān)系，結(jié)構(gòu)形狀以及尺寸的圖紙。因此設(shè)計(jì)從畫(huà)展開(kāi)圖開(kāi)始，確定所有零件的位置，結(jié)構(gòu)和尺寸，并以此為依據(jù)繪制零件工作圖。3.1 各零件結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)3.11 設(shè)計(jì)內(nèi)容和步驟 這一階段的設(shè)計(jì)內(nèi)容是通過(guò)繪圖設(shè)計(jì)軸

11、的結(jié)構(gòu)尺寸及選出軸承的型號(hào)，確定軸的支點(diǎn)距離和軸上零件力的作用點(diǎn)，計(jì)算軸的強(qiáng)度和軸承的壽命。3.1.2 有關(guān)零件結(jié)構(gòu)和尺寸的確定傳動(dòng)零件，軸，軸承是主軸部件的主要零件，其他零件的結(jié)構(gòu)尺寸是根據(jù)主要零件的位置和結(jié)構(gòu)而定。1） 傳動(dòng)軸的估算見(jiàn)前一節(jié)2） 齒輪相關(guān)尺寸的計(jì)算1.齒寬的確定齒寬影響齒的強(qiáng)度。輪齒越寬承載能力越高。但如果太寬，由于齒輪的制造誤差和軸的變形，可能接觸不均，反而容易引起振動(dòng)和噪聲，一般取齒寬系數(shù)=（6-10）m.第一套嚙合齒輪：第二套嚙合齒輪：第三套嚙合齒輪：這里取齒寬系數(shù)=10，則齒寬，各個(gè)齒輪的齒厚確定如表3-1.表3-1 各齒輪的齒寬齒輪Z1Z1Z2Z2Z3Z3齒寬32

12、3045 474547由計(jì)算公式；齒頂：齒根：得到下列尺寸表齒輪的直徑?jīng)Q定了各軸之間的尺寸。各主軸部件中各個(gè)齒輪的尺寸計(jì)算如下表3-2 表3-2 各齒輪的直徑齒輪Z1Z1Z2Z2Z3Z3分度圓直徑(mm)105.00237268188356100齒頂圓直徑(mm)111.00243276196364108.00齒根圓直徑（mm）97.50229.5025817834690 由表3-2可以計(jì)算出各軸之間的距離，現(xiàn)將它們列出如表3-3所示 表3-3 各軸的中心距 軸I-IIII-III 距離1752303)確定齒輪的軸向布置 為避免同一滑移齒輪變速組內(nèi)的兩對(duì)齒輪同時(shí)嚙合，兩個(gè)固定齒輪的間距應(yīng)大于滑

13、移齒輪的寬度。一般留有間隙1-2mm，所以首先設(shè)計(jì)滑移齒輪。 II軸上的滑移齒輪的兩個(gè)齒輪輪齒之間必須留有用于齒輪加工的間隙，插齒時(shí)，當(dāng)模數(shù)在1-2mm范圍內(nèi)時(shí)，間隙必須不小于5mm,當(dāng)模數(shù)在2.5-4mm范圍內(nèi)時(shí)，間隙必須不小于6 mm，且應(yīng)留有足夠的空間滑移，據(jù)此選出三片齒輪間的間隙分別為d1=17.5mm,d2=15mm. 由滑移齒輪的厚度以及滑移齒輪上的間隙可以得出主軸上的兩個(gè)齒輪間的距離至少是60mm，現(xiàn)取齒輪間的間距為64mm和70mm.4） 軸承的選擇及其配置 主軸組件的滾動(dòng)軸承既要有承受徑向載荷的徑向軸承，又要有承受兩個(gè)方向軸向載荷的推力軸承。軸承類(lèi)型及型號(hào)選用主要根據(jù)主軸的剛

14、度，承載能力，轉(zhuǎn)速，抗振性及結(jié)構(gòu)要求合理的進(jìn)行選定。 同樣尺寸的軸承，線接觸的磙子軸承比點(diǎn)接觸的球軸承的剛度要高，但極限轉(zhuǎn)速要低，多個(gè)軸承的承載能力比單個(gè)軸承的承載能力要大，不同軸承承受載荷類(lèi)型及大小不同。為了提高主軸組件的剛度，通常采用輕型或特輕型系列軸承。 通常情況下，中速重載采用雙列圓柱滾子軸承配雙向推力角接觸球軸承，或者成對(duì)圓錐滾子軸承，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是極限轉(zhuǎn)速較低。高速輕載采用成組角接觸球軸承，根據(jù)軸向載荷的大小分別選用25度或15度的接觸角。軸向載荷為主且精度要求不高時(shí)，選用推力軸承配深溝球軸承，精度要求較高時(shí)，選用向心推力軸承。 該設(shè)計(jì)的主軸不僅有剛度高的要求，而且有轉(zhuǎn)速高的要求

15、，所以在選擇主軸軸承時(shí)，剛度和速度這兩方面都要考慮。主軸前軸承采用NN3019K型軸承一個(gè)，后支承采用30215型和51215型軸承各一個(gè)。3.1-3 各軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)I軸的一端與電動(dòng)機(jī)相連，需要安裝聯(lián)軸器取=45,聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩,查表得=331500，查表17-2，選用HL3彈性柱銷(xiāo)聯(lián)軸器，其公稱(chēng)轉(zhuǎn)矩為630000。半軸聯(lián)軸器的孔徑35mm，半聯(lián)軸器長(zhǎng)度L=82mm.半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長(zhǎng)度=60mm根據(jù)軸向定位要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度：為了滿(mǎn)足半聯(lián)軸器的軸向定位要求，軸段右端需制出一軸肩，故取段的直徑mm;左端用軸端擋圈定位，按軸端直徑取擋圈直徑D=45mm.半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長(zhǎng)度

16、=60mm，為保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而不壓在軸斷面上，所以長(zhǎng)度應(yīng)比略短一些，取=58mm初步選擇滾動(dòng)軸承：因軸承同時(shí)有徑向力和軸向力度作用，選用單列圓錐滾子軸承。將其結(jié)構(gòu)草圖繪制如下圖32所示 圖3-2 軸其結(jié)構(gòu)完全按標(biāo)準(zhǔn)確定，根據(jù)其周詳?shù)某叽缈蓪⒔Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖繪制如圖3-3所示： 圖3-33.1.4主軸組件的剛度和剛度損失的計(jì)算：最佳跨距的確定： 取彈性模量E=N/， D=（90+65）/2=77.5mm； 主軸截面慣距： 截面面積；A=3459.9 主軸最大輸出轉(zhuǎn)矩： 故總切削力為：估算時(shí)，暫取即取270mm前后支承支反力 取=1033000N/mm 則 則=225mm 因在上式計(jì)算中，忽

17、略了ys的影響，故=225mm主軸端部撓度的計(jì)算： 已知齒輪最少齒數(shù)為30，模數(shù)為3，則分度圓直徑為90mm則齒輪的圓周力： 徑向力：則傳動(dòng)力在水平面和垂直面內(nèi)有分力為：水平面：垂直面：去計(jì)算齒輪與前支承的距離為66mm，其與后支承的距離為384mm。切削力的計(jì)算：已知車(chē)床拖板最大回轉(zhuǎn)直徑。則主切削力：徑向切削力：軸向切削力：當(dāng)量切削力的計(jì)算：P=（a=B）/a3639對(duì)于車(chē)床 B=0.4=160mm則水平面內(nèi)：垂直面內(nèi)：主軸端部的撓度計(jì)算：， 傳動(dòng)力的作用下，主軸端位移的計(jì)算公式見(jiàn)下式：式中：“”號(hào)表示位移方向上與力反向，b表示齒輪與前支承的距離，c表示齒輪與后支承的距離，將各值帶入，得 水

18、平面內(nèi)：垂直面內(nèi)：則主軸最大端位移為：已知主軸最大端位移許用值為0.0002L0.09mm則<，符合要求。 主軸傾角的驗(yàn)算：在切削力p的作用下主軸前軸承處的傾角為：水平面：垂直面內(nèi)：傳動(dòng)力Q作用下主軸傾角為：水平面內(nèi)：rad垂直面內(nèi)：rad則主軸前軸承處的角為垂直面內(nèi)：rad 故符合要求。3-1-5軸承的校核：齒輪受切向力徑向力：；切削力F=1310N，徑向切削力軸向切削力，轉(zhuǎn)速n=4000r/min d=90mm 垂直面內(nèi)的受力分析：水平面內(nèi)的受力分析：故合力：求兩軸承的軸向力:對(duì)70000AC型軸承兩次計(jì)算的差值不大，因此，確定，當(dāng)量動(dòng)載荷： 對(duì)兩軸承取X=1，Y=0； X=1，Y=

19、0；由載荷性質(zhì)，輕載有沖擊故取當(dāng)量載荷：。因?yàn)樗钥芍鋲勖S承也符合剛度要求。3-2裝配圖的設(shè)計(jì) 根據(jù)主軸展開(kāi)圖第一階段的設(shè)計(jì)，已將主軸部件的各個(gè)部分的零件確定下來(lái)，展開(kāi)圖在設(shè)計(jì)中附?？偨Y(jié)經(jīng)過(guò)為期兩周的不懈努力，我們順利完成了對(duì)數(shù)控車(chē)床縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在這兩周內(nèi)，我們本著“以我所學(xué)，為我所用，提高自我”的宗旨，按照設(shè)計(jì)要求、結(jié)合所學(xué)設(shè)計(jì)理論一步一步，認(rèn)認(rèn)真真地分析、計(jì)算，近乎絞盡腦汁終于取得了現(xiàn)在的圓滿(mǎn)成功?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)，我們甚至沒(méi)睡過(guò)一個(gè)好覺(jué)。但是，“不經(jīng)一番寒徹骨，那得梅花撲鼻香”。雖然在本次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們明顯感覺(jué)到本次相對(duì)以前所做過(guò)的課程設(shè)計(jì)難度較高，但我們還是把它完成了。我們又一次