鉆床主軸箱設計.doc

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課程設計 1機床課程設計的目的 課程設計是在學生學完相應課程及先行課程之后進行的實習性教學環(huán)節(jié)，是大學生的必修環(huán)節(jié)，其目的在于通過機床運動機械變速傳動系統(tǒng)的結構設計，使學生在擬定傳動和變速的結構的結構方案過程中，得到設計構思，方案分析，結構工藝性，機械制圖，零件計算，編寫技術文件和查閱技術資料等方面的綜合訓練，樹立正確的設計思想，掌握基本的設計方法，并培養(yǎng)學生具有初步的結構分析，結構設計和計算能力 目錄 一． 主傳動的運動設計 1．主電機的選定 2．轉速圖的擬定 3．齒輪的確定 4．齒輪的布置 二． 傳動件的估算與驗算 1．傳動件的估算與驗算 2.齒輪模數(shù)的估算和計算 3?軸承選擇 三. 夾具設計 1.工藝加工過程 2 .設計夾具 四 致謝 五 參 考 資 料 1.1 主傳動的運動設計 1．主電機的選定 由總體設計方案可知：Z5140鉆床的總功率為4kW,轉速為1450 r/min，根據(jù)機械設計手選取電機為JO2-32,其外型見下圖，其安裝尺寸見下表： 機 座 號 D E M N P R JO2-32 28 60 215 180 250 5 4 120 14 415 其螺栓直徑為12mm。 2．轉速圖的擬定 擬定立式鉆床的主傳動系統(tǒng)的轉速圖，由總體設計方按可知：主軸的轉速范圍為31.5～1400 r/min，異步電動機的轉速為1450 r/min。 1． 選定公比 中型通用機床，常用的公比為1.26或1.41，考慮到適當減小本鉆床的相對速度損 失，選定=1.41。 ,取Z=12 按標準轉速數(shù)列為：31，45，63，90，125，180，1250，355，500，710，1000，1450r/min。 2． 選擇結構式 1）確定變速組的數(shù)目和各變速組中傳動副的數(shù)目 大多數(shù)的機床廣泛應用滑移齒輪的變速方式，為了滿足結構設計和操縱方便的要求，通常采用雙聯(lián)或三聯(lián)滑移齒輪。該機床的變速范圍較大，必須經(jīng)過較長的傳動鏈減速才能把電動機的轉速降到主軸所需的轉速，故主軸轉速為12級的變速系統(tǒng)需要2個或3個變速組，即Z=12=43，或Z=12=422-4,或Z=12=322。為了結構緊湊和主軸箱不過分的大，故選取Z=12=422-4. 2）確定不同傳動副數(shù)的各變速組的排列次序 按著傳動順序，各變速組排列方案有： 12=422-4 12=224-4 12=242-4 因本鉆床在結構上有特殊要求，根據(jù)設計要點，應遵守“前多后少”的原則，選擇12=422-4的方案。 3）確定變速組的擴大順序 根據(jù)“前密后疏”的原則，選擇12=的結構式。 4）驗算變速組的變速范圍 最后擴大組的變速范圍,在允許的變速范圍之內(nèi)。 3． 確定是否需要增加降速的定比傳動副 該銑床的主傳動系統(tǒng)的總降速比為30/1450=1/48，三個變速組的最小降速比都為 1/4，則總降速比為1/64，這樣是無需增加降速的定比傳動副，為使中間的二個變速組降速緩慢，有利于變型機床的設計，改變降速齒輪副的傳動比，就可以將主軸12級轉速一起提高或降低。 4． 分配各變速組的最小傳動比，擬定轉速圖 鉆床的電機和輸入軸之間齒輪傳動， 運動由電機經(jīng)彈性聯(lián)軸節(jié)和一對齒輪傳動軸I，再由傳動變速機構中的傳動齒輪傳至軸IV，使主軸獲得12級轉速。畫出轉速圖的格線如圖所示。 ① 在軸IⅤ上標出12級轉速：30～1500r/min,在第Ⅰ軸上用A點代表電動機轉速；最低轉速用E點標出，因此A、E兩點連線相距約17格，即代表總的降速傳動比。 ② 決定III軸和Ⅳ軸之間的最小降速傳動比：為了提高主軸運轉的平穩(wěn)性，主軸上齒輪應大一些，能起到飛輪的作用，所以最后一個變速組的降速傳動比取1/3。按公比=1.41，查表可知，，即從E點向上數(shù)3.5格（3lg），在III軸上找出D點，DE傳動線表示Ⅳ-Ⅴ軸間變速組（第二擴大組）的降速傳動比。 ③ 決定其余變速組的最小傳動比：根據(jù)降速前慢后快的原則，Ⅲ-Ⅳ軸間變速組（第一擴速前慢后快的原則，II-Ⅲ軸間變速組（第一擴大組），取u=,即從D點向上數(shù)四格（3lg）,在II軸上找出C點，用CD傳動線表示；同理，I-Ⅱ軸見取u=，用BC傳動線表示；0-Ⅰ軸間取u=,用AB線表示。 ④畫出各變速組其他傳動線（圖五），-I軸間有一對齒輪傳動，轉速圖上為一條AB傳動線。I-Ⅱ軸間為基本組，有四對齒輪傳動，級比指數(shù)，故四條傳動線在轉速圖上各相距一格，從C點向上每隔一格取、、點，連結、B和B得基本組四條傳動線，它們的傳動比分別為、，，。II-Ⅲ軸間為第一擴大組也有二對齒輪傳動，級比指數(shù)=2，二條傳動線轉速圖上各相距一格，即和CD,它們的傳比分別為，，。III-Ⅳ軸間為第二擴大組，有三對齒輪傳動，級比指數(shù)，兩條傳動線在轉速圖上應相距4格，即D,DE,它們的傳動比分別為和。 ⑤ 畫出全部傳動線，即鉆床的主傳動轉速圖。如前所述，轉速圖兩軸之間的平行線代表同一對齒輪傳動，所以畫II-Ⅲ軸間的傳動線時，應從、、兩點分別畫CD、、C、的平行線，使III軸得到8種轉速。由于特殊理由，畫III-Ⅳ軸間的傳動線時，應畫4條與DE平行的線，8條與D平行的線，使主軸得到12種轉速。 3．齒輪的確定 1．齒輪齒數(shù)的確定應注意以下問題： 1）.不產(chǎn)生根切。一般要求～20。 2）.保證強度和防止熱處理變形過大，齒輪齒根圓到鍵槽的厚度，一般取，則。 3）.同一傳動組的各對齒輪副的中心距應當相等。若模數(shù)相等時，則齒數(shù)和亦應當相等。但由于傳動比的要求，尤其是在傳動中使用了公用齒輪后，常常滿足不了上述要求。機床上可用修正齒輪，在一定范圍內(nèi)調(diào)整中心距使其相等。但修正量不能太大，一般齒數(shù)差不能超過3～4個齒。 4）.防止各種碰撞和干涉。 5）.應保證最小齒輪裝到軸上或套筒上具有足夠的強度。 6）.保證主軸的轉速誤差在規(guī)定范圍之內(nèi)。 2．齒數(shù)的計算 1）.同一變速組內(nèi)模數(shù)相同的齒數(shù)的確定 為了便于設計和制造，主傳動系統(tǒng)中所采用的齒輪模數(shù)的種類盡可能少一些。在同一個變速組內(nèi)一般都采用相同的模數(shù)，這是因為各齒輪副的速度變化不一樣，受力情況差別不大。 當各對齒輪模數(shù)相同，且不采用變位齒輪時，則各對齒輪的齒數(shù)和也必須相等，其間的關系是： （3-1） 式中 —主動齒輪的齒數(shù) —被動齒輪的齒數(shù) —一對齒輪的傳動比 —一對齒輪的齒數(shù)和 為了保證不產(chǎn)生根切，必須先找出具有最少齒數(shù)的傳動副（一般出現(xiàn)在最高升速或最低降速的傳動副上），確定最小齒數(shù)，然后確定最合適的齒數(shù)和，再根據(jù)傳動比確定其它齒輪的齒數(shù)。 由上面兩個公式得： （3-2） 一般=17~30,初選=18,參考有關資料選取m為標準模數(shù)m=3。 由a=()和選取的=1.41，查表2-1《金屬切削機床》，得=76 故=-=76-18=58　 所以=(18+58)=114=0.31 ===0.31 ==31.50.31=101.6r/min III軸的最高轉速 ==101.61.41=1125.r/min U=14001125.7=1.24 Z=S==42 Z=S-Z=76-42=34 3齒輪參數(shù)的確定 分度圓直徑∶ d=mZ=342=126mm d=mZ=334=102mm 齒頂高∶ h=m=3mm 齒根高∶ h=1.25m 全齒高∶ h= h+ h 頂隙∶ C= h- h=0.25m=0.75mm 齒頂圓直徑∶ d= d+2 h=126+23=132mm d= d+2 h=108mm 齒根圓直徑∶d= d-2 h=118.5mm d= d-2 h=94.5mm 齒寬∶ B=13mm B=18mm 4．齒輪的布置 為了使變速箱結構緊湊，必須合理布置齒輪。因為他直接影響到變速箱的尺寸，變速操縱的方便性和結構實現(xiàn)的可能性等問題。在考慮主軸適當?shù)闹С芯嗪蜕釛l件下，一般應盡可能減少變速箱尺寸，但是變速箱的軸向尺寸和徑向尺寸經(jīng)常不可能同時縮小。 為了防止一對齒輪尚未完全脫開，另一對齒輪就開始進入嚙合狀態(tài)，如圖七所示。尺寸L應比2B大2～4mm,其中B為齒寬，這是設計是排列齒輪首先要注意的問題。 二.傳動件的估算與驗算 傳動方案確定之后，要進行方案的機構化，確定各零件的實際尺寸和有關布置。為此，常對傳動件的尺寸先進行估算，如傳動軸的軸徑等。在這些尺寸的基礎上，畫出草圖，得到初步結構化的有關布置與尺寸；然后按結構尺寸進行主要零件的驗算，如軸的剛度、齒輪的疲勞強度等，必要時做結構和方案上的修改，從新驗算，知道滿足要求。 1． 傳動軸的估算和驗算 傳動軸除應滿足強度要求外，還應滿足剛度要求。強度要求保證軸在反復載荷和扭轉載荷作用下不發(fā)生疲勞破壞。機床主傳動系統(tǒng)精度要求較高，不允許有較大的變形。因此疲勞強度一般不是主要矛盾。除了載荷很大的情況外，可不必驗算軸的強度。剛度要求保證軸在載荷下（彎曲、軸向、扭轉）不致產(chǎn)生過大的變形（彎曲、失穩(wěn)、轉角）。如果剛度不足，軸上的零件如齒輪、軸承等將由于軸的變形過大而不能正常工作，或者產(chǎn)生震動和噪聲、發(fā)熱、過早磨損而失效。因此，必須保證傳動軸具有足夠的剛度。通常，先按扭轉剛度估算軸的直徑，畫出草圖之后，再根據(jù)受力情況，結構布置和有關尺寸，驗算彎曲剛度。 1） 傳動軸直徑的估算 傳動軸直徑按扭轉剛度用下列公式估算傳動軸直徑： d=91mm 其中： N—該傳動軸的輸入功率 N=kW —電機額定功率 —從電機到該傳動軸之間傳動件的傳動效率的乘積 —該傳動件的計算轉速r/min 計算轉速是傳動件能傳遞全部功率的最低轉速。各傳動件的計算轉速可以從轉速圖上，按主軸的計算轉速和相應的傳動關系而確定，而中型車、鉆床主軸的計算轉速為： （主）= []—每米長度上允許的扭轉角（deg/m）,可根據(jù)傳動軸的要求選取。 估算是應該注意： ①．[]值為每米長度上允許的扭轉角，而估算的傳動軸的長度往往不足一米，因此在計算時應按軸的實際長度進行折算和修正。 ②．效率對估算軸徑d影響不大，可以不計，也可以用有關傳動件效率的概略值的積求出。 ③．如使用花鍵時，可根據(jù)估算的軸徑d選取相近的標準花鍵軸的規(guī)格。主軸前徑可參考機械設計手冊的經(jīng)驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定。 2） 傳動軸剛度的驗算 ① 軸的彎曲變形的條件和允許值 機床主傳動軸的彎曲剛度驗算，主要驗算軸上裝齒輪和軸承處的撓度y和傾角。各類軸的撓度y和裝齒輪和軸承處的傾角，應小于彎曲剛度的許用值[Y]和[]值，即： y[Y]; [] ② 軸的彎曲變形計算公式 當軸的直徑相差不大且計算精度要求不高時，可把軸看作等徑軸，采用平均直徑（）來進行 計算，計算花鍵軸的剛度時可采用平均直徑（）或當量直徑（）。 計算公式為： 圓軸：平均直徑= 慣性矩I= 矩形花鍵軸：平均直徑= 當量直徑= 慣性矩I= ③ 軸的力分解和變形合成 對于復雜受力軸的變形，先將受力分解成三個垂直平面上的分力，應用彎曲變形的公式求出所 要求截面的兩個垂直平面內(nèi)的y和值，然后進行疊加：在同一平面內(nèi)的可進行代數(shù)疊加，在兩垂直平面內(nèi)的按幾何向量合成，求出該截面的總撓度和總傾角。 ④ 危險工作條件的判斷 主軸變速箱傳動軸的工作條件有多種，驗算剛度時應選擇最危險的工作條件進行。 一般是：軸的計算轉速低，傳動齒輪的直徑小且位于軸的中央，這時，軸受力將總變形劇增。如果對二、三種工作條件難以判斷是那一種最危險，就應分別進行計算，找到最大彎曲變形值y和。 ⑤ 提高軸剛度的一些措施 加大軸的直徑；減少軸的跨距或增加第三支承；從新安排齒輪在軸上的位置；改變軸間的布置方式等。加大軸徑有時受到軸上小齒輪體厚的限制，增加第三支承使軸的結構復雜化，都不是最有效和最理想的措施，應首先從齒輪在軸上的布置、軸的相互方位關系來改善受力狀態(tài)，看是否在不加大軸徑、不改變軸的基本形式的前提下，提高軸的剛度。 為了提高軸的剛度，有時寧愿多增加一對固定傳動齒輪，增加一根軸，從傳動方案上保證中間軸不會太長。 2． 齒輪模數(shù)的估算和計算 ① 估算 按接觸疲勞和彎曲強度計算齒輪模數(shù)比較復雜，而且有些系數(shù)只有在齒輪各參數(shù)都 已知道后就可確定，所以只在草圖畫完之后效核用。在畫草圖之前，先估算，再選用標準齒輪模數(shù)。 齒輪彎曲疲勞的估算： 齒面點蝕的估算： 其中為大齒輪的計算轉速，為齒輪中心距。 由中心距及齒數(shù)，求出齒數(shù)： 根據(jù)估算所得和中較大的值，選取相近的標準模數(shù)。 ② 計算 結構確定以后，齒輪的工作條件，空間安排，材料和精度等級都已確定，才肯能 核驗齒輪的接觸疲勞和彎曲疲勞強度值是否滿足要求。 根據(jù)接觸疲勞計算齒輪模數(shù)公式為： 根據(jù)彎曲疲勞計算齒輪模數(shù)公式為： 式中：N—計算齒輪傳遞的額定功率N=kW； —計算齒輪（小齒輪）的計算轉速r/min； —齒寬系數(shù)=b/m, 常取6～10； —計算齒輪的齒數(shù)，一般取傳動中最小齒輪的齒數(shù)； i---大齒輪與小齒輪的齒數(shù)比， i=; —壽命系數(shù)，； —工作期限系數(shù)，=； 齒輪等傳動件在接觸和彎曲交變載荷下的疲勞曲線指數(shù)m和基準循環(huán)次數(shù)； —轉速變化系數(shù)； —功率利用系數(shù)； n—齒輪的最低轉速r/min; —材料強化系數(shù)。幅值低的交邊載荷可使金屬材料的晶粒邊界強化，起到阻止疲勞細縫擴散的作用。 3軸承選擇 根據(jù)軸的數(shù)據(jù),從參考書《機械設計課程設計》（第二版）查的 推力球軸承，軸承型號51305。其尺寸參數(shù)為：d=30mm，D=52mm，B =16mm。技術參數(shù)為：C=21500N =43200N 計算軸承動負荷C： （3.10） 式中 ——壽命系數(shù) ——轉速系數(shù) [9] （3.11） 由公式（3.11）得 [9] （3.12） 由公式（3.12）得 把、代入，由公式（3.10）得 =24947N <28000N 滿足強度要求。 深溝軸承：軸承型號6005，其尺寸參數(shù)為：d=25mm，D=47mm，B =12mm。 軸承型號6206，其尺寸參數(shù)為：d=30mm，D=62mm，B =16mm。 軸承型號6210，其尺寸參數(shù)為：d=50mm，D=90mm，B =20mm。 軸承型號6212，其尺寸參數(shù)為：d=60mm，D=110mm，B =22mm。 軸承型號6305，其尺寸參數(shù)為：d=25mm，D=80mm，B =17mm。 軸承型號6208，其尺寸參數(shù)為：d=40mm，D=80mm，B =18mm。 三.夾具設計 3．1 工藝加工過程 1． 模鍛 2． 正火 3． 車小頭端面,鉆尖孔粗車各外圓,留加工余量3mm,倒角 4． 粗車大端200mm外圓,車內(nèi)肩孔,留加工余量3mm,深度車至尺寸要求. 5． 調(diào)質(zhì)HB217至255 6． 精車各外圓,留加工余量0.3mm 7． 精車200mm、50mm和104mm至圖紙要求，內(nèi)孔80mm，留加工余量1mm,車端面取總長，鉆大端內(nèi)頂尖孔 8． 車30斜面 9． 鉆20mm孔留加工余量1mm，孔口倒角 10． 磨小端各外圓至圖紙要求 11． 車80mm孔至圖紙要求 12． 鏜6-20mm孔至圖紙要求 13． 洗鍵槽至尺寸 14． 鉆斜孔兩處8mm至圖紙要求 15． 配鉆8mm孔 16． 檢驗 3．2 設計夾具 為了提高生產(chǎn)率，保證加工質(zhì)量，降低勞動強度，需要設計專用夾具。 在該零件的夾具設計中， 選擇第九道工序——鉆6-20孔的鉆床夾具。本鉆模用于Z5140立式鉆床中。工件以外圓70和端面在定位套中定位,6個被加工的孔程環(huán)行均勻分布在平面上。傳動圖以錐柄和機床主軸連接，并用鍥鐵夾緊。機床工作時，主軸通過內(nèi)齒輪帶動6根工作主軸傳動，并與主軸作送進運動。工作主軸多用推力軸承作為支承。鉆模板裝在兩根導桿上，導桿的下端和夾具體上的兩個導孔為間隙配合，以確定鉆模板對夾具的相對位置。隨著機床主軸下降，鉆模板借助彈簧的壓力通過擺塊將工件壓緊。機床主軸繼續(xù)送進，鉆頭即同時鉆削6個孔。鉆削完畢，鉆模板隨機床主軸上升，直至鉆頭退出工件；然后，自動恢復原始位置。由于鉆模板采用活動連接定位，被加工孔與定位基準之間的位置精度只能控制在0.05至0.45mm之間。 設計鉆模板時應注意的地方是: (1) 鉆模板上安裝鉆套的孔之間及孔與定位元件的位置應有足夠的精度。 (2) 鉆模板應有足夠的剛度,以保證鉆套位置的準確性,但又不能設計的太厚太重。鉆模板一般不應承受夾緊反力。 (3) 為保證加工的穩(wěn)定性，鉆模板導桿上的彈簧力必須足夠，以使鉆模板在夾具上維持足夠的定位壓力，如果鉆模板本身產(chǎn)生的重力超過800N，則導桿上可不裝彈簧。 該夾具以圓錐面、軸肩和頂尖孔定位，圓錐面和頂尖可消除， ， ， 四個自由度，軸肩消除 自由度。工件繞的自由度可以不限制。 結構示意圖如下： 1.定位基準的選擇 由零件圖可知，設計基準是該頂尖孔的中心線，為了使定位誤差為零，鉆六個孔時，以頂尖孔為第一定位面，軸肩為第二定位面,圓錐面為底三頂位面。 2.切削力 刀具：選直徑為Φ20的直柄麻花鉆，因在鉆孔過程中的鉆削力最大，故只計算這個切削力。 (1).軸向力：查《工藝手冊》表3--36 F=CFd0XFffFKF 式中CF=833.85，XF＝1， yF＝0.7，d0＝20mm f＝0.25mm/r F＝833.852010.250.71＝6319.4N 機床轉速：查《工藝手冊》表4-4-1， 選n＝400r/min＝6.67r/s 切削扭矩：查《工藝手冊》表3--36 M＝CMd0XMfyM KM10-3, 式中 CM=333.54，d0=5，XM=1.9，yM=0.8，KM=1，f=0.25 ∴M＝333.54200.250.8110-3 ＝34.64NM 切削功率：Pm＝2πMn10-3 ＝2π34.646.6710-3 ＝1.45Kw （3）定位誤差分析 ： 20與頂尖孔中心線的位置度公差為0.15mm。 3.夾具元件的設計 (1).鉆套的選擇 由<<機床夾具設計手冊>>查得： 孔徑Φ20的鉆套： d＝20mm H＝32mm D＝35mm，r=2mm，c=0.6mm 四 致謝 我本次設計的為Z5140立式鉆床的主軸箱及多軸鉆削頭，在設計的開始覺得有些困難，感覺無從下手。通過老師的耐心指導和自己的學習，終于完成了本次畢業(yè)設計。在設計過程中我明白設計是一個不斷發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的過程，使設計更加完善，但同時也覺得這個設計還存在很多不足之處有待改進，由于本人學識有限，不能使其在我手中設計的更好。在設計的過程中是深刻地體會到自己所學實在有限，以后更應該努力學習，為爭做一個合格的工程技術人員而不斷努力。 本次設計是在尊敬的老師的精心指導和悉心關懷下完成的。他以其淵博的知識、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、開拓進取精神和高度的責任心,給我的學習、工作、生活以很大的影響,使我受益終生。值此論文完成之際,謹向導師表示衷心的感謝,并致以崇高的敬意! 五 參 考 資 料 1.機床夾具設計 教材 2.機床夾具設計手冊 機械工業(yè)出版社 3. 機械設計手冊第二卷 機械工業(yè)出版社 4. 機械設計手冊第四卷 機械工業(yè)出版社 5. 機床主軸變速箱設計指導 機械工業(yè)出版社 6. 金屬切削機床 上海科學技術出版社 7 組合機床設計參考圖冊 機械工業(yè)出 8 金屬切削機床設計 機械工業(yè)出版 9 機械制圖 高等教育出版社 10 機械設計 高等教育出版社 11幾何量公差與檢測 上?？茖W技術出版社 12 機械設計課程設計 華中科技大學出版社 13 機床設計圖冊 上海科學技術出版社 14 金屬切削機床夾具圖冊 機械工業(yè)出版 15 金屬機械加工工藝人員手冊 上?？茖W技術出版社 按照鉆孔原理有兩種實現(xiàn)方案：一種是工件固定，鉆頭在回轉過程中向工件方向運動；另一種是工件回轉，鉆頭向工件方向移動。 由于使鉆頭回轉的結構比起工件回轉的結構要小得多，因此在專門用于鉆孔的裝置中均采用鉆頭回轉，工件固定的方案來達到鉆孔的目的。所以方案一來進行Z535立式鉆床的設計。 方案一中：鉆頭做回轉運動，以便通過切削刀來加工出所需的孔徑。另一方面，鉆頭要往鉆孔方向做直線運動才能加工出空的深度，因此鉆頭的的回轉運動是鉆孔的主體運動，鉆頭的直線運動是鉆頭的輔助運動。只有這兩種運動相結合才能鉆出一定長度的孔徑來。 24