I 摘 要 車床主要是為了進(jìn)行車外圓、車端面和鏜孔等項工作而設(shè)計的機(jī)床。車削很少在其他種類的機(jī)床上進(jìn)行，而且任何一種其他機(jī)床都不能像車床那樣方便地進(jìn)行車削加工。由于車床還可以用來鉆孔和鉸孔，車床的多功能性可以使工件在一次安裝中完成幾種加工。因此，在生產(chǎn)中使用的各種車床比任何其他種類的機(jī)床都多。 車床的基本部件有：床身、主軸箱組件、尾座組件、溜板組件、絲杠和光杠。 主軸箱安裝在內(nèi)側(cè)導(dǎo)軌的固定位置上，一般在床身的左端。它提供動力，并可使工件在各種速度下回轉(zhuǎn)。它基本上由一個安裝在精密軸承中的空心主軸和一系列變速齒輪 (類似于卡車變速箱 )所組成。通過變速齒輪，主軸可以在許多種轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)。大多數(shù)車床有812 種轉(zhuǎn)速，一般按等比級數(shù)排列。而且在現(xiàn)代機(jī)床上只需扳動 24 個手柄，就能得到全部轉(zhuǎn)速。一種正在不斷增長的趨勢是通過電氣的或者機(jī)械的裝置進(jìn)行無級變速。 由于機(jī)床的精度在很大程度上取決于主軸，因此，主軸的結(jié)構(gòu)尺寸較大，通常安裝在預(yù)緊后的重型圓錐滾子軸承或球軸承中。主軸中有一個貫穿全長的通孔，長棒料可以通過該孔送料。主軸孔的大小是車床的一個重要尺寸，因此當(dāng)工件必須通過主軸孔供料時，它確定了能夠加工的棒料毛坯的最大尺寸。 關(guān)鍵字 ： 車床；主軸箱組件；主軸；無級變速 II Abstract Lathes are machine tools designed primarily to do turning, facing and boring, Very little turning is done on other types of machine tools, and none can do it with equal facility. Because lathes also can do drilling and reaming, their versatility permits several operations to be done with a single setup of the work piece. Consequently, more lathes of various types are used in manufacturing than any other machine tool. The essential components of a lathe are the bed, headstock assembly, tailstock assembly, and the leads crew and feed rod. The headstock is mounted in a foxed position on the inner ways, usually at the left end of the bed. It provides a powered means of rotating the word at various speeds . Essentially, it consists of a hollow spindle, mounted in accurate bearings, and a set of transmission gears-similar to a truck transmissionthrough which the spindle can be rotated at a number of speeds. Most lathes provide from 8 to 18 speeds, usually in a geometric ratio, and on modern lathes all the speeds can be obtained merely by moving from two to four levers. An increasing trend is to provide a continuously variable speed range through electrical or mechanical drives. Because the accuracy of a lathe is greatly dependent on the spindle, it is of heavy construction and mounted in heavy bearings, usually preloaded tapered roller or ball types. The spindle has a hole extending through its length, through which long bar stock can be fed. The size of maximum size of bar stock that can be machined when the material must be fed through spindle. Key words: Lathes； headstock assembly； variable speed； III 目錄 摘要 . I ABSTRACT . II 1 緒論 . 1 1.1畢業(yè)設(shè)計的目的 . 1 1.2機(jī)床主傳動系統(tǒng)設(shè)計要求 . 1 2 車床參數(shù)的擬定 . 2 2.1車床主參數(shù)和基本參數(shù) . 2 2.1.1極限切削速度 Vmax、 Vmin的確定 . 2 2.1.2主軸的極限轉(zhuǎn)速的確定 . 2 2.1.3主軸轉(zhuǎn)速級數(shù)和公比的確定 . 3 2.1.4主電機(jī)的選擇 . 3 3 主傳動系統(tǒng)設(shè)計 . 6 3.1傳動結(jié)構(gòu)式、結(jié)構(gòu)網(wǎng)、轉(zhuǎn)速圖的確定 . 6 3.1.1傳動形式的確定 . 6 3.1.2傳動組及各傳動組中傳動副的數(shù)目 . 6 3.1.3 傳動系統(tǒng)擴(kuò)大順序的安排 . 7 3.1.4 繪制轉(zhuǎn)速圖 . 7 3.1.5轉(zhuǎn)速圖的擬定 . 7 3.1.6分配降速比 . 8 3.2 齒輪齒數(shù)的確定及傳動系統(tǒng)圖的繪制 . 10 3.2.1帶輪確定 . 10 3.2.2齒輪齒數(shù)的確定的要求 . 14 4 強(qiáng)度計算和結(jié)構(gòu)草圖設(shè)計 . 17 4.1 確定計算轉(zhuǎn)速 . 17 4.1.1 各軸、齒輪的計算轉(zhuǎn)速 . 17 4.2軸的估算和驗算 . 19 4.2.1 主軸的設(shè)計與計算 . 19 4.2.2傳動軸直徑的估算 . 22 4.3 齒輪模數(shù)的估算和計算 . 24 4.3.1齒輪模數(shù)的估算 . 24 4.3.2 齒輪模數(shù)的驗算 . 26 IV 4.4 軸承的選擇與校核 . 31 4.4.1一般傳動軸上的軸承選擇 . 31 4.4.2主軸軸承的類型 . 32 4.4.3 軸承間隙調(diào)整和預(yù)緊 . 33 4.4.4軸承的較核 . 34 4.4.5 軸承的密封和潤滑 . 36 4.5 片式摩擦離合器的選擇與驗算 . 36 4.5.1按扭矩選擇 . 36 4.5.2片式離合器的計算 . 36 4.5.3計算摩擦面的對數(shù) Z . 37 5 主軸箱的箱體設(shè)計 . 39 6 結(jié)論與展望 . 40 6.1 結(jié)論 . 40 6.2 展望 . 40 致 謝 . 41 參考文獻(xiàn) . 42 CA6140 車床主軸變速箱的設(shè)計 1 1 緒論 1.1 畢業(yè)設(shè)計的目的 通過機(jī)床主運(yùn)動機(jī)械變速傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在擬定傳動和變速的結(jié)構(gòu)方案過程中，得到設(shè)計構(gòu)思 、分析方案、結(jié)構(gòu)工藝性、機(jī)械制圖、零件計算、編寫技術(shù)要求文件和查閱級數(shù)資料等方面的綜合訓(xùn)練，樹立正確的設(shè)計思想，掌握機(jī)床設(shè)計的過程和方法 ，使原有的知識 有了進(jìn)一步的加深。 （ 1） 課程設(shè)計屬于機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計課程的延續(xù)，通過設(shè)計實踐，進(jìn)一步學(xué)習(xí)掌握機(jī)械系統(tǒng)的一般方法。 （ 2） 培養(yǎng)綜合運(yùn)用機(jī)械制圖、機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)、精度設(shè)計、金屬工藝學(xué)、材料熱處理及結(jié)構(gòu)工藝等相關(guān)知識，進(jìn)行工程設(shè)計的能力。 （ 3） 培養(yǎng)使用手冊、圖冊、有關(guān)資料及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的能力。 （ 4） 提高技術(shù)總結(jié)及編制技術(shù)文件的能力。 （ 5） 為進(jìn)入工廠打下基礎(chǔ)。 1.2 機(jī)床主傳動系統(tǒng)設(shè)計要求 （ 1） 、主軸具有一定的轉(zhuǎn)速和足夠的轉(zhuǎn)速范圍、轉(zhuǎn)速級別，能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動的開停、變速、換向和制動等，以滿足機(jī)床的運(yùn)動要求。 （ 2）、主電動機(jī)具有足夠的功率，全部機(jī)構(gòu)和元件具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以滿足機(jī)床的傳動要求。 （ 3）、主運(yùn)動的有關(guān)機(jī)構(gòu)，特別是主軸組件有足夠的精度、抗振性、溫升小和噪音小，傳動效率高，以滿足機(jī)床的工作性能要求。 （ 4）、操作靈活可靠，調(diào)整維修方便，潤滑密封良好，以滿足機(jī)床的使用要求。 （ 5）、結(jié)構(gòu)緊湊簡單、工藝性好、成本低 、以滿足經(jīng)濟(jì)要求。 三、車床主要參數(shù)（規(guī)格尺寸） 最大工件回轉(zhuǎn)直徑 D（ mm） 400 刀架上最大回轉(zhuǎn)直徑 D1 200 主軸通孔直徑 d 50 主軸頭號 （ JB2521-79） 6 最大工件長度 L 750-2000 無錫太湖學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 2 2 車床參數(shù)的擬定 2.1 車床主參數(shù)和基本參數(shù) 2.1.1 極限切削速度 Vmax、 Vmin 的確定 根據(jù)典型的和可能的工藝選取 極限切削速度要考慮： 允許的切速極限參考值如下： 表 2-1 允許的切速極限參考值 加 工 條 件 Vmax(m/min) Vmin(m/min) 硬質(zhì)合金刀具粗加工鑄鐵工件 30 50 硬質(zhì)合金刀具半精或精加工碳鋼工件 150 300 螺紋加工和鉸孔 3 8 根據(jù) 給出條件，取 Vmax=200 m/min 螺紋加工和鉸孔 時取 Vmin=5 m/min 2.1.2 主軸的極限轉(zhuǎn)速 的確定 計算車床主軸極限轉(zhuǎn)速時的加工直徑， 按經(jīng)驗分別取 K=0.5, Rd =0.25 dmax=KD=0.5400=200mm dmin=Rddmax=0.25x200=50mm 其中 : dmax、 dmin 并不是指機(jī)床上 可 加工的最大和最小直徑，而是指實際使用情況下，采用Vmax、（ Vmin） 時常用的經(jīng)濟(jì)加工直徑。 則主軸極限轉(zhuǎn)速應(yīng)為： 取標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列數(shù)值，即maxn =1400r/min 在 minn 中考慮車螺紋和鉸孔時，其加工的最大直徑maxd應(yīng)根據(jù)實際加工情況選取mm5040 。 因此，此處選最大直徑為 50mm m in/8.315014.3 51 0 0 01 0 0 0m a xm i nm i n rd vn m in/1273501415.3 20010001000m i nm a xm a x rd vn CA6140 車床主軸變速箱的設(shè)計 3 取標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列數(shù)值，即 minn =31.5r/min 轉(zhuǎn)速范圍 Rn=minmaxnn 轉(zhuǎn)速范圍 Rn=minmaxnn = 5.311440 =44.44r/min 考慮到設(shè)計的機(jī)構(gòu)復(fù)雜程度要適中，故采用常規(guī)的擴(kuò)大傳動，并選級數(shù) Z=12，今以 41.1 和 26.1 代入公式 1nR 得 R=12.7 和 43.8，因此取 41.1 更合適。 各級轉(zhuǎn)速數(shù)列可直接從標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)列表中 查出 ， 標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速數(shù)列 表給出了 06.1 的從 110000 的數(shù)值，因為 606.141.1 。從表中找到maxn =1440r/min 就可以每個 5 個數(shù)值選取一個，得列表如下 31.5， 45， 63， 90， 125， 180， 250， 355， 500， 710， 1000， 1400 2.1.3 主軸轉(zhuǎn)速級數(shù) Z 和公比 的確定 已知 1m inm ax Zn nnR 取 Z=12 級 m inm ax1 nnR Zn 11241.1 8.43 Rn maxn=1440 minn =31.5 7.455.311 4 4 0m inm a x nnR n 綜合上述可得：主傳動部件的運(yùn)動參數(shù) min/1440m ax rn m in/5.31mi n rn Z=12 =1.41 2.1.4 主電機(jī) 的選擇 合理地確定電機(jī)功率 N，使機(jī)床既能充分發(fā)揮其性能，滿足生產(chǎn)需要，又不致使電機(jī)經(jīng)常輕載而降低功率因素。 中型普通車床典型重切削條件下的用量 如表 2-2所示。 刀具材料： YT15 工件材料 45 號鋼， 切削方式：車削外圓 無錫太湖學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 4 查 下 表可知：切深 ap=3.5mm 進(jìn)給量 f(s)=0.35mm/r 切削速度 V=90m/min 表 2-2 中型普通車床典型重切削條件下的切削用量 320 400 切削用量 普通型 輕型 普通型 輕型 切深pa 3.5 3 4 3.5 進(jìn)給量 f 0.35 0.25 0.4 0.35 切削速度 v 90 75 100 80 功率估算法用的計算公式 a 主切削力： b 切削功率： Pc= KWF c VPC 45.46 1 2 0 0 903 0 2 66 1 2 0 0 c 估算主電機(jī)功率： min/1440 rn d KWPP C 56.58.0 45.4 總 中型機(jī)床上，一般都采用三相交流異步電動機(jī)作為動力源?？梢栽谙盗兄羞x用，在選擇電動機(jī)型號時，應(yīng)注意 根據(jù)機(jī)床切削能力的要求確定電機(jī)功率 ，但電動機(jī)都已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，因此選取相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值 KWP 5.5 電機(jī)轉(zhuǎn)速dn： 選用時，要使電機(jī)轉(zhuǎn)速dn與主軸最高轉(zhuǎn)速maxn和 I軸轉(zhuǎn)速相近或相宜，以免采用過大的升速或過小的降速傳動。 查機(jī)械設(shè)計手冊 可知： P 值為 5.5KW，按我國生產(chǎn)的電機(jī)在 Y 系列的額定功率選擇 。 NfaF pc 30265.335.019001900 75.075.0 CA6140 車床主軸變速箱的設(shè)計 5 表 2-3 Y 系列的額定功率 電機(jī)型號 額定功率 滿載轉(zhuǎn)速 同步轉(zhuǎn)速 A B C D E Y132S-4 5.5KW 1440 1500 216 140 89 38 +0.018 80 +0.002 F G H K AB AC AD HD BB L 10 33 132 12 280 270 210 315 200 475 圖 2.1 為 Y 系列的電機(jī)的外形圖。 圖 2.1 為 Y 系列的電機(jī)的外形圖 無錫太湖學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 6 3 主 傳 動 系統(tǒng) 設(shè)計 3.1 傳動結(jié)構(gòu) 式、結(jié)構(gòu)網(wǎng)、轉(zhuǎn)速圖的確定 3.1.1 傳動形式的確定 集中傳動方式 ： 傳動系的全部傳動和變速機(jī)構(gòu)集中裝在同一個主軸箱內(nèi)。 集中 傳動 適用于中、大型機(jī)床，尤其是 CA6140,其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，便于集中操縱，安裝調(diào)整方便。 利于降低制造成本； 缺點是運(yùn)轉(zhuǎn)的傳動件在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中所產(chǎn)生的振動、熱量，會使主軸產(chǎn)生變形，使主軸回轉(zhuǎn)中心線偏離正確位置而直接影響加工精度。 3.1.2 傳動組及各傳動組中傳動副的數(shù)目 擬定傳動鏈的基本原則，就是以經(jīng)濟(jì)的滿足對機(jī)床的要求 ，可以滿足同樣要求的 方案有很多種 ，在進(jìn)行傳動鏈的可能性分析時，應(yīng) 根據(jù)經(jīng)濟(jì)合理的原則，選出有最好的方案。轉(zhuǎn)速圖有助于各種方案的比較，并為進(jìn)一步確定傳動系統(tǒng)提供方便。擬定主運(yùn)動轉(zhuǎn)速圖應(yīng)該按照下列步驟進(jìn)行： 擬定傳動方案，包括傳動形式的選擇以及開停。換向，操縱等整個傳動系統(tǒng)的確定。傳動形式則指傳動和變速的元件，機(jī)構(gòu)以及組成，安排不同特點的傳動形式，變速類型。 傳動方案和形式與結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度密切相關(guān)，和工作性能也有關(guān)，因此，確定傳動方案和形式，要從結(jié)構(gòu)、工藝、 性能、以及經(jīng)濟(jì)性等多方面統(tǒng)一考慮。 級數(shù)為 Z 的傳動系統(tǒng)由若干個順序的傳遞組組 成，各傳動組分別有 . . .4321 、Z、ZZZ 、個傳動副 。 即 .4321 ZZZZZ 傳動副數(shù)由于結(jié)構(gòu)的限制以 2 或 3 為適合，即變速級數(shù) Z 應(yīng)為 2 和 3 的因子： 即 baZ 32 實現(xiàn) 12級主軸轉(zhuǎn)速變化的傳動系統(tǒng)可以寫成多種傳動副的組合 : 1) 4312 2) 3412 3) 22312 4) 23212 5) 22212 在上述方案中， （ 1）（ 2） 方案有時可以省掉一根軸，缺點是一個傳動組內(nèi)有四個傳動副，如果用一個四聯(lián)滑移齒輪。則會增加軸向尺寸；如果用兩個雙聯(lián)滑移齒輪，則操縱機(jī)CA6140 車床主軸變速箱的設(shè)計 7 構(gòu)必須互銷，以防止兩個滑移齒輪同時嚙合，所以一般少用。 （ 3）（ 4）（ 5） 方案： 按照傳動副“前多后少”的原則選擇 Z=322 這一方案，但 軸換向采用雙向片式摩擦離合器結(jié)構(gòu)，軸的軸向尺寸 不至于過大 ， 以 免加長變速箱尺寸，第一傳動組的傳動副不宜過多，以 2 為宜 因此 此方案不宜采用，而應(yīng) 選 擇 12=232。 方案 4） 是比較合理的 12=232 3.1.3 傳動系統(tǒng)擴(kuò)大順序的安排 12=232 的傳動副組合，其傳動組的擴(kuò)大順序又可以 有 形式： 1) 621 23212 2） 613 23212 根據(jù)級比指數(shù)分配要“前密后疏”的原則，應(yīng)選用 Z=12 23 62這一方案，然而對于我們所設(shè)計的結(jié)構(gòu)將會出現(xiàn)兩個問題： 第一變速組采用降速傳動時，由于摩擦離合器徑向結(jié)構(gòu)尺寸限制，使得軸上的齒輪直徑不能太小，軸上的齒輪則會成倍增大。這樣，不僅使 -軸間中心距加大，而且 -軸間的中心距也會輥大，從而使整個傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸增大。這種傳動不宜采用。 如果第一變速組采用升速傳動，則軸至主軸間的降速傳動只能同后兩個變速組承擔(dān)。為了避免出現(xiàn)降速比小于允許的杉限值，常常需要增加一個定比降速傳動組，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。這種傳動也不是 理想的。 如果采用613 23212 這一方案則可解決上述存在的問題。 3.1.4 繪制 轉(zhuǎn)速圖 車床主傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)速結(jié)構(gòu)圖如圖 3.1所示。 3.1.5 轉(zhuǎn)速圖的擬定 運(yùn)動參數(shù)確定以后，主軸各級轉(zhuǎn)速就已知，切削耗能確定了電機(jī)功率。在此基礎(chǔ)上，選擇電機(jī)型號，確定各中間傳動軸的轉(zhuǎn)速，這樣就擬定主運(yùn)動的轉(zhuǎn)速圖，使主運(yùn)動逐步具體化。 無錫太湖學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 8 3.1.6 分配降速比 設(shè)計機(jī)床 主軸變速傳動時，為了避免從動齒輪過大而增加箱體 的徑向尺寸，一般限制降速 最小 傳動比 Umin 1/4,為避免擴(kuò)大傳動誤差，減少振動噪聲，一般限制直齒圓柱齒輪的最大升速比 Umax 2 ,因此 決定了一個傳動組的最大變速范圍 8/minmax uur 該 車床主軸傳動系統(tǒng)共設(shè)有四個傳動組其中有一個是帶傳動。根據(jù)降速比分配應(yīng)“前慢后快”的原則以及摩擦離合器的工作速度要求，確定各傳動組最小傳動比。 總的傳動比： a 決定軸 - 的最小降速傳動比主軸上的齒輪希望大一些，能起到飛輪的作用，所以最后一個變速組的最小降速傳動比取極限 1/4，公比 =1.41， 1.414=4， 613 23212 最末一級 間的間隔為 6 級 b 中間軸傳動比 1.11m i n 41.1 17.45 11 4 4 0 5.31nn 電總um inm inm in cba uuuuu 皮總 44m in 41.111 cu99.11 2641 cu41142m in cc uu圖 3.1 轉(zhuǎn)速 結(jié)構(gòu)網(wǎng) 132:280 44:31 25:50 1800r/min 1400 1000 710 500 355 250 180 125 90 31,5 45 31.5 CA6140 車床主軸變速箱的設(shè)計 9 可按先快后慢的原則，確定最小傳動比，根據(jù)基比指數(shù)確定其他 傳動比 軸最小傳動比 m inm inam in cb uuu 因為 所以 軸最小傳動 軸采用升速傳動，加大齒輪外徑，使主動輪齒根直徑大于離合器外轂。 因此，皮帶輪的傳動比為 . 4min1cu5.011 232 bu71.041.1 11121 bu2141.11122m ina u41.11 321 au 2141.1 11 22m i n2 aa uu49.041.1 11 1.21.2 皮u333m in 41.111 bb uu無錫太湖學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 10 3.2 傳動原理 圖 3.2 齒輪齒數(shù)的確定及傳動系統(tǒng)圖的繪制 3.2.1 帶輪 確定 因為床頭箱內(nèi)部緊湊，而第一軸除皮帶輪外的受力不大，沒有必要為抵消皮帶的拉力而選用大的軸承和軸，所以用卸荷式帶輪結(jié)構(gòu)更劃算。 1、選擇三角帶型號 根據(jù)計算功率 NKPaca P-電機(jī)額定功率 Ka-工作情況系數(shù) 車床的啟動載荷輕，工作載荷穩(wěn)定，兩班制工作時，取 Ka =1.1 故 PKPaca =5.5x1.1=6.05KKW 2、選擇 V 帶的帶型 CA6140 車床主軸變速箱的設(shè)計 11 根據(jù)計算功率和電機(jī)額定轉(zhuǎn)速查機(jī)械設(shè)計圖 811 選用 B 型。 3、確定小帶輪的基準(zhǔn)直徑dd并驗算帶速 v 皮帶輪的直徑越小，帶的彎曲應(yīng)力就越大，為了提高帶的使用壽命，小帶輪直徑不宜過小。 1） 初選小帶輪的基準(zhǔn)直徑1dd。 由表 86 和表 88.取小帶輪的基準(zhǔn)直徑1dd=132 2）驗算帶速 v smnd d/54.7600001440100100060 1 電 因為 5m/sV30m/s，故帶速合適。 4