機(jī)床主軸箱設(shè)計—金屬切削機(jī)床機(jī)床二級項目說明書—燕山大學(xué)

1、 金屬切削機(jī)床課程二級項目報告 班 級：15級機(jī)制1班 姓 名：袁夢 學(xué) 號：150101010101 課程名稱：金屬切削機(jī)床 指導(dǎo)教師：陳老師 所在院系：機(jī)械工程學(xué)院 2016年 12月20日一、設(shè)計任務(wù)3二、主軸參數(shù)的確定3三、電機(jī)的選擇3四、方案改進(jìn)8五、電機(jī)參數(shù)說明115.1 機(jī)床號115.2 使用條件115.3 主要技術(shù)性能125.4 主要技術(shù)參數(shù)12六、傳動軸的估算12七、主軸軸徑尺寸的確定14八、齒輪模數(shù)的估算14九、齒輪寬度確定16十、中心距的確定17十一、確定齒輪的軸向布置18十二、主軸主要參數(shù)的計算及校核1912.1 主軸前端直徑1912.2 主軸內(nèi)徑1912.3 主軸前端

2、懸伸量a確定20十三、零件的校核2313.1 齒輪模數(shù)的驗算2313.2 傳動軸的驗算25一、設(shè)計任務(wù)25號題數(shù)控銑床7.5kw275025無級調(diào)速袁觀陽機(jī)床類型是數(shù)控銑床，滿載功率為7.5KW，最高轉(zhuǎn)速為2750rpm，最低轉(zhuǎn)速為25rpm，采用無級變速。二、主軸參數(shù)的確定主軸要求的最高轉(zhuǎn)速： 主軸要求的最低轉(zhuǎn)速：計算轉(zhuǎn)速： 取:三、電機(jī)的選擇1、 轉(zhuǎn)速要求轉(zhuǎn)速范圍 電機(jī)的基本參數(shù)中，給出了額定轉(zhuǎn)速n0，頻率范圍fmax與fmin。其中，n0是對應(yīng)工頻50HZ是的轉(zhuǎn)速，而電機(jī)的速度范圍如下計算(轉(zhuǎn)速與頻率成正比 )： nmax= n0fmax/50nmin = n0fmin /50電機(jī)的頻率

3、范圍有幾種供選擇，需要查找不同的產(chǎn)品。當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍不能滿足實際需要時，可采取串聯(lián)有級變速組以擴(kuò)大變速范圍。轉(zhuǎn)速匹配：傳動系統(tǒng)盡可能采取降速或等速傳動，即使采取升速傳動，傳動比不宜太大。應(yīng)選取電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速nmax與需要的最高轉(zhuǎn)速相近。 依據(jù)設(shè)備要求，選擇YVF2系列高效率變頻調(diào)速專用三相異步電動機(jī)。.基本參數(shù)額定電壓：380V基頻： 50Hz額定轉(zhuǎn)速：1500r/min調(diào)頻范圍：5-100Hz則：最高轉(zhuǎn)速：nmax= n0fmax/50=3000r/min最低轉(zhuǎn)速：nmin = n0fmin /50=150r/min.電機(jī)特點特點：無級調(diào)速、調(diào)速范圍寬系統(tǒng)調(diào)速性能好、節(jié)能效果更顯著采用耐高

4、頻脈沖電壓沖擊的絕緣材料和工藝獨立風(fēng)機(jī)強(qiáng)制通風(fēng)冷卻.絕緣等級 F 圖1. 采用 V/f 控制的轉(zhuǎn)矩特性2、功率要求 雖然在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)電機(jī)可以工作，但應(yīng)注意在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)低速段工作時，電機(jī)的功率因數(shù)很低，效率很低，接近最低轉(zhuǎn)速時，效率只有百分之幾，電機(jī)發(fā)熱較大，耗費功率較多，不宜應(yīng)用于經(jīng)常使用條件下，只有在偶爾短期使用才可以。當(dāng)不滿足此要求時，應(yīng)采取降速措施，使電機(jī)在較高轉(zhuǎn)速時實現(xiàn)低速輸出到執(zhí)行件上。 當(dāng)電機(jī)與有級變速串聯(lián)時，速度分配為高速傳動區(qū)與低速傳動區(qū)，速度分配選擇傳動比，應(yīng)使電機(jī)額定功率最小，需要考慮功率曲線的銜接要合理。 根據(jù)圖示可列下式：由已知條件及計算得出的數(shù)據(jù)可得： 則：其中為傳動總

5、效率,取=0.80電機(jī)功率： 傳動比為時： 定比傳動組小齒輪齒數(shù)：；大齒輪齒數(shù)：傳動比為時： 一級傳動組小齒輪齒數(shù)：；大齒輪齒數(shù)：傳動比為時： 二級傳動組小齒輪齒數(shù)：；大齒輪齒數(shù)：對照電機(jī)樣本可選電機(jī)功率為18.5KW.校核：即：設(shè)計不滿足轉(zhuǎn)速要求；而且所需電機(jī)功率太高，浪費太大。所以改二聯(lián)滑移齒輪傳動為三聯(lián)滑移齒輪傳動。四、方案改進(jìn)三聯(lián)傳動傳動路線圖 根據(jù)圖示可列下式：聯(lián)立上述解析式，解得： 則：其中為傳動總效率,取=0.80電機(jī)功率： 綜合考慮三聯(lián)滑移齒輪應(yīng)用特點：應(yīng)檢查滑移齒輪之間的齒數(shù)關(guān)系：三聯(lián)滑移齒輪的最大和次大齒輪之間的齒數(shù)差應(yīng)大于或等于4； 根據(jù)表8-1選取合適的齒輪齒數(shù)且滿足u

6、1、u2兩個不同齒輪副的等齒數(shù)，從而使得當(dāng)齒輪模數(shù)選取一致時，滿足中心距一致，使得兩組齒輪安裝在兩根軸上，簡化運算和結(jié)構(gòu)。選取齒輪齒數(shù)如下：、傳動比為時：（由后續(xù)機(jī)構(gòu)設(shè)計中確定電機(jī)軸和傳動軸之 間用齒形帶傳動)確定計算功率：選擇齒形帶模數(shù)：查機(jī)床設(shè)計手冊2圖得：確定小帶輪齒數(shù)：;則大帶輪齒數(shù)：帶輪直徑：確定齒形帶帶速：齒形帶速度：查機(jī)床設(shè)計手冊2表5.2-41，選取齒形帶長度：齒形帶齒數(shù)：確定實際中心距：；取為288mm 式中t為節(jié)距，查機(jī)床設(shè)計手冊2表5.2-40，取t=15.70mm B 為系數(shù)，查表機(jī)床設(shè)計手冊2表5.2-48，取B=0.24758核驗小帶輪與齒形帶的嚙合齒數(shù)： 式中為小

7、帶輪包角，查表5.240確定1mm寬齒形帶由離心力而產(chǎn)生的張力： 式中q查表5.247，取為q=0.0060；g為重力加速度確定齒形帶寬度：；取為50mm、齒數(shù)之和可取： 傳動比為時： 一級傳動組小齒輪齒數(shù)：；大齒輪齒數(shù)：傳動比為時： 二級傳動組小齒輪齒數(shù)：；大齒輪齒數(shù)：傳動比為時： 三級傳動組小齒輪齒數(shù)：；大齒輪齒數(shù)：對照電機(jī)樣本可選電機(jī)功率為15KW。由實際傳動副確定的傳動情況如下：第一段傳動比覆蓋范圍：2750rpm137rpm；第二段傳動比覆蓋范圍：916rpm46rpm；第三段傳動比覆蓋范圍：307rpm15rpm；由此可知實際傳動滿足速度和功率的要求，即設(shè)計合理。有以上計算結(jié)果可得

8、最終速度匹配圖如下：5、 電機(jī)參數(shù)說明五、電機(jī)參數(shù)說明1、機(jī)床號當(dāng)時，對應(yīng)的級電機(jī)，電機(jī)型號為YVF2-160L-4。其中：YVF2電機(jī)型號；160機(jī)座中心高；L機(jī)座長度代號（短，中，長）；4電機(jī)級數(shù)。2、使用條件1）海拔不超過。2）環(huán)境空氣溫度隨季節(jié)而變化，但不超過，最低不超過。3）最濕月平均相對濕度為，同時該月月平均最低溫度不高于。3、主要技術(shù)性能1）電機(jī)為連續(xù)工作制。2）額定電壓為，額定頻率為。3）絕緣等級為級。4）為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，為恒功率調(diào)速。5）過載能力強(qiáng)。6）低速性能好。7）采用接法。8）外殼防護(hù)等級為。9）冷卻方式為全封閉帶軸流通風(fēng)機(jī)冷卻（）。4、主要技術(shù)參數(shù)表（1）主要技術(shù)參數(shù)表

9、型號電壓頻率同 步轉(zhuǎn) 速功 率額定 電 流額 定轉(zhuǎn) 矩效率噪聲VHZr/minKWAN·M%dbYVF2-160L-43805015001530.098.189.490六、傳動軸的估算傳動軸除應(yīng)滿足強(qiáng)度要求外，還應(yīng)滿足剛度要求。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)度一般不是主要矛盾。除了載荷比較大的情況外，可以不必驗算軸的強(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大而不能正常工作，或者產(chǎn)生振動和噪音，發(fā)熱，過早磨損

10、而失效。因此，必須保證傳動軸有足夠的剛度。通常，先按扭轉(zhuǎn)剛度軸的直徑，畫出草圖后，再根據(jù)受力情況，結(jié)構(gòu)布置和有關(guān)尺寸，驗算彎曲剛度。計算轉(zhuǎn)速nj是傳動件傳遞全部功率時的最低轉(zhuǎn)速，各個傳動軸上的計算轉(zhuǎn)速可以從轉(zhuǎn)速圖上直接得出如表2所示。 表2 各軸的計算轉(zhuǎn)速軸電機(jī)軸傳動軸主軸計算轉(zhuǎn)速（r/min）1004532103各軸功率和扭矩計算：電機(jī)功率為15KW，輸出效率為89.4%，軸承效率為98%。則各軸輸入轉(zhuǎn)矩：軸：軸：軸：是每米長度上允許的扭轉(zhuǎn)角（deg/m），可根據(jù)傳動軸的要求選取，其選取的原則如表2-2所示。表3 許用扭轉(zhuǎn)角選取原則軸要求較高的軸一般傳動軸較低的軸（deg/m）0.25-0.

11、50.5-1 1-2根據(jù)表2-2確定各軸所允許的扭轉(zhuǎn)角如表2-3所示。表3-3 許用扭轉(zhuǎn)角的確定軸（deg/m）110.25 把以上確定的各軸的輸入功率N=11KW、計算轉(zhuǎn)速nj（如表2-1）、允許扭轉(zhuǎn)角（如表2-3）代入扭轉(zhuǎn)剛度的估算公式 (3-3)可得各個傳動軸的估算直徑：把以上確定的各軸傳動軸的輸入功率、允許扭轉(zhuǎn)角代入扭轉(zhuǎn)剛度的估算公式：，可得傳動軸的估算直徑：軸：，取32mm軸：，取40mm七、主軸軸徑尺寸的確定軸為數(shù)控銑床主軸，查閱機(jī)床課程設(shè)計指導(dǎo)書表3 功率（kw）1.52.82.8445.55.57.57.5101014銑床及加工中心50906090609575100901051

12、00115知： 主軸的驅(qū)動功率在12.62kw時，其前端軸頸為100115mm，此時取為軸前段。計算出的軸徑要進(jìn)行圓整，電機(jī)軸根據(jù)所選電機(jī)確定，YVF2-160L-4型號交流主軸電動機(jī)電機(jī)軸d電機(jī)=42mm，取滿足要求；為便能夠采用標(biāo)準(zhǔn)量具和刀具，軸做成花鍵軸，故選擇花鍵軸外徑（GB/T 1144-2001花鍵尺寸8-42×46×8）。則估算各軸直徑如下表所示：各軸估算直徑軸軸軸軸估算直徑3240100八、齒輪模數(shù)的估算由于機(jī)床主軸齒輪一般在高速、中載、無猛烈沖擊的條件下工作，而且要求熱處理變形小，所以選擇齒輪材料為45，高頻淬火，HRC5257，許用接觸應(yīng)力，許用彎曲應(yīng)力

13、。按接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度計算齒輪模數(shù)比較復(fù)雜，而且有些系數(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完后校驗用。在畫草圖時用經(jīng)驗公式估算，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蝕進(jìn)行估算，而這兩種方法的前提條件是各個齒輪的齒數(shù)必須已知，所以必須先給出各個齒輪的齒數(shù)。根據(jù)齒輪不產(chǎn)生根切的基本條件：齒輪的齒數(shù)不小于17，在該設(shè)計中，即最小齒輪的齒數(shù)不小于17。按接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度計算齒輪模數(shù)比較復(fù)雜，而且有些系數(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完后校驗用。在畫草圖時用經(jīng)驗公

14、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蝕進(jìn)行估算，而這兩種方法的前提條件是各個齒輪的齒數(shù)必須已知，所以必須先給出各個齒輪的齒數(shù)。根據(jù)齒輪不產(chǎn)生根切的基本條件：齒輪的齒數(shù)不小于17，在該設(shè)計中，即最小齒輪的齒數(shù)不小于17。而由于Z7、Z8這對齒輪有最大的傳動比，各個傳動齒輪中最小齒數(shù)的齒輪必然是Z7。已取Z7=20，S=116，則Z6=96。從轉(zhuǎn)速圖上可以直接看出Z7的計算轉(zhuǎn)速是532r/min。齒輪彎曲疲勞估算公式Z7=20，,可得 驅(qū)動電動機(jī)功率（kW）； 小齒輪齒數(shù)； 計算齒輪的計算轉(zhuǎn)速；齒輪接觸疲勞

15、估算公式式中：按接觸疲勞強(qiáng)度計算的齒輪模數(shù)（mm）; 驅(qū)動電動機(jī)功率（kW）； i大齒輪齒數(shù)與小齒輪齒數(shù)比，外嚙合取“+”號，內(nèi)嚙合取“-”號； 齒寬系數(shù)，； 小齒輪齒數(shù)； 許用接觸應(yīng)力（Mpa）； 計算齒輪的計算轉(zhuǎn)速；II-III齒輪副中Z7=20，齒輪材料45，高頻淬火處理，可得對比上述結(jié)果，可知這樣設(shè)計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，而且考慮到兩傳動軸的間距，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)表選取m=3.5mm。同理可計算其他齒輪模數(shù)現(xiàn)將各齒輪齒數(shù)和模數(shù)列表如下： 表3-4 齒輪的估算齒數(shù)和模數(shù)列表齒輪Z1Z2Z3Z4Z5Z6Z7Z8齒數(shù)2751744243732096模數(shù)

16、（mm）3.53.53.53.53.53.53.53.5九、齒輪寬度確定機(jī)床主傳動系統(tǒng)中推薦的齒寬系數(shù),取，同一齒輪副中，小齒輪比大齒輪寬12mm，則各齒輪的齒寬如表4-24-2 各齒輪副的齒寬齒輪ZZ1Z2Z3Z4Z5Z6Z7Z8齒寬b3028283030283028中心距的確定齒輪Z1和齒輪Z2的中心距：分度圓直徑：齒輪Z3和齒輪Z4的中心距：分度圓直徑：齒輪Z5和齒輪Z6的中心距：分度圓直徑： 齒輪Z7和齒輪Z8的中心距：分度圓直徑： 由計算公式；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。各主軸部件中各個齒輪的尺寸計算如下表各齒輪的直徑齒輪Z1Z2Z3Z4Z5Z6Z7Z8

17、分度圓直徑(mm)94.5178.5259147150.5255.570336齒頂圓直徑(mm)101.5185.5266154157.5262.577343齒根圓直徑(mm)85.75169.75250.25138.25141.75246.7561.25327.25 由此可以計算出各軸之間的距離，現(xiàn)將它們列出如下表各軸的中心距軸I-IIII-III距離136.5203十一、確定齒輪的軸向布置為避免同一滑移齒輪變速組內(nèi)的兩對齒輪同時嚙合，兩個固定齒輪的間距，應(yīng)大于滑移齒輪的寬度，一般留有間隙1-2mm，所以首先設(shè)計滑移齒輪。軸上的滑移齒輪的兩個齒輪輪之間必須留有用于齒輪加工的間隙，插齒時，當(dāng)模

18、數(shù)在1-2mm范圍內(nèi)時，間隙必須不小于5mm,當(dāng)模數(shù)在2.5-4mm范圍內(nèi)時，間隙必須不小于6mm，且應(yīng)留有足夠空間滑移，據(jù)此選取該滑移齒輪三片齒輪之間的間隙分別為d1= 12mm,d2=8mm。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齒輪的間隙?，F(xiàn)取齒輪之間的間距為84mm和70mm。十二、主軸主要參數(shù)的計算及校核 主軸的主要參數(shù)是：主軸前端直徑D1（即），主軸內(nèi)徑d。主軸懸伸量a和主軸支撐跨距l(xiāng)。 1、主軸前端直徑D1車床、銑床、鏜床、加工中心等機(jī)床因裝配的需要，主軸直徑常是自前往后逐漸減小的。前軸頸直徑D1大于后軸直徑D2。對于車、銑床一般，由上表可取D1=100mm，取 2

19、、主軸內(nèi)徑 d根據(jù)機(jī)床設(shè)計手冊表4-1-27 內(nèi)孔選擇：銑床主軸結(jié)構(gòu)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選取，選7：24圓錐連接的主軸端部錐度號為45的軸頭，內(nèi)孔為32.4mm。3、主軸前端懸伸量a確定 由前軸頸取，后軸頸取，選前軸承為NN3020K型和234420B/P5型，后軸承為NN3015K型。選主軸錐度號為45的軸頭，根據(jù)結(jié)構(gòu)，定懸伸長度a=120mm。軸承類型子分類型號規(guī)格(dxDxB)圓柱滾子軸承雙列圓柱滾子軸承NN3020K100×150×37圓柱滾子軸承雙列圓柱滾子軸承NN3015K75×115×30球軸承雙向推力角接觸球軸承234420B/P5100×

20、150×60求軸承剛度：主軸最大輸出轉(zhuǎn)矩：查閱機(jī)床課程設(shè)計指導(dǎo)書表34，設(shè)定工作臺面積為3201250（mm²），銑削最大圓周力為200kN，端銑刀的計算直徑為200mm，端銑刀寬度60mm，故半徑為0.1m。最大圓周切削力 該銑床進(jìn)給系統(tǒng)末端傳動副有消隙機(jī)構(gòu)，應(yīng)采用不對稱順銑，則作用端銑刀上的切削分力與銑削圓周力的比例關(guān)系大致為： 垂直于進(jìn)給方向的鉛直分力:平行于進(jìn)給方向的水平分力: 軸向分力:則端銑刀徑向作用力: 此力作用在工件和端銑刀上，主軸和工作臺各承受一半，故主軸端受力約為在估算時，先假定初值,則前后支承的支反力和分別為： 軸向力 根據(jù)金屬切削機(jī)床公式10-5、1

21、0-6（如下）球軸承軸向剛度 滾子軸承徑向剛度式中 、軸向和徑向剛度（）； 、徑向和軸向變形（）； 接觸角（°）； 球徑（mm）； 滾子的有效長，等于滾子長度扣除兩端的倒角（mm）； I、z圓柱滾子軸承滾動體的列數(shù)和沒列的滾動體數(shù)（z雙向推力角接觸球軸承的球數(shù)）。查金屬切削機(jī)床表10-4知，雙向推力角接觸球軸承z=28，可得；雙列圓柱滾子軸承NN3020K中iz=60，可得雙列圓柱滾子軸承NN3015K中iz=52，可得可求出前、后軸承剛度軸承NN3020K徑向剛度：軸承NN3015K徑向剛度：軸承234420B/P5軸向剛度：求最佳跨距： 初步計算時，可假設(shè)主軸的當(dāng)量外徑為前、后軸

22、承頸的平均值，可得 。故慣性矩為查金屬切削機(jī)床圖1024主軸最佳跨距計算線圖，查得，已經(jīng)與假設(shè)極其接近。再次經(jīng)過計算支反力和支撐剛度及最佳跨距，經(jīng)過進(jìn)一步的迭代過程，最終取得最佳跨距為十三、零件的校核1 、齒輪模數(shù)的驗算一般對高速傳動的齒輪以驗算接觸疲勞強(qiáng)度為主，對低速傳動的齒輪以驗算彎曲疲勞強(qiáng)度為主，對硬齒面軟齒芯的高頻淬火齒輪，一定要驗算彎曲疲勞強(qiáng)度。接觸彎曲強(qiáng)度計算齒輪模數(shù)式中 傳遞的額定功率（kw），；電機(jī)額定功率（kw）；從電機(jī)到所計算齒輪的傳遞效率；齒輪的計算轉(zhuǎn)速（r/min）；初算的齒輪模數(shù)（mm）齒寬（mm）大齒輪齒數(shù)與小齒輪齒數(shù)之比；小齒輪齒數(shù)；工況系數(shù)，考慮載荷沖擊的影響，中等沖擊取1.21.6；動載荷系數(shù)齒向載荷分布系數(shù)齒形系數(shù)壽命系數(shù)