QKA1212数控管螺纹车床主轴箱传动轴设计

1引 言随着科学技术的不断发展，机械加工过程中自动化程度越来越高，其中数控机床的普遍使用对自动化起着主导的作用。数控机床是指采用计算机控制能够进行自动加工的机床设备.数控机床在计算机控制系统的控制下按照一定的加工指令控制主轴系统、进给系统和刀具库系统、冷却系统等辅助设备的工作。下面我们简单介绍数控技术在我们国家的情况，并对 QKA1212 数控管螺纹车床主轴箱传动部分进行设计。2第一章 概述1.1 金属切削机床及其在国民经济中的地位金属切削机床是用切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器，他是制造机器的机器，所以又被称为工作母机或工具机。机床的母机属性决定了它在国民经济中的地位。机床工业为各种类型的机械制造厂提供先进的制造技术与优质高效的机床设备，促进机械制造工业的生产能力和工艺水平的提高。机械制造工业肩负着为国民经济各部门提供现代化技术装备的任务，即为工业、农业、交通运输业、科研和国防等部门提供各种机器、仪器和工具。为适应现代化建设的需要，必须大力发展机械制造工业。可见，机械制造工业是国民经济各部门赖以发展的基础，而机床则是机械制造工业的基础。一个国际机床工业的技术水平在很大程度上标志着这个国家的工业生产能力和科学技术水平。1.2 数控机床的优越性数控机床是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物,是技术密集度及自动化程度很高的典型机电一体化加工设备。它与普通机床相比,其优越性是显而易见的,不仅零件加工精度高,产品质量稳定,且自动化程度极高,可减轻工人的体力劳动强度,大大提高了生产效率,特别值得一提的是数控机床可完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂曲面的零件加工,因而数控机床在机械制造业中的地位愈来愈显得重要。1.3 数控机床在我国的发展现状我国是世界上机床产量最多的国家，但在国际市场竞争中仍处于较低水平；即使国内市场也面临着严峻的形势,一方面国内市场对各类机床产品特别是数控机床有大量的需求,而另一方面却有不少国产机床滞销积压,国外机床产品充斥市场。90 年国外数控机床在我国市场的占有率仅达 15%左右,而 95 年已达 77%。严重影响我国数控机床自主发展的势头。这种现象的出现,除了有经营上、产品制造质量上和促销手段上等原因外,一个主要的原因是我国生产的数控机床品种、性能和结构不够先进,新产品(包括基型、变型和专用机床)的开发周期长,从而不能及时针对用户的需求提供满意的产品。具体地说,这个问题反映在下3列五个方面：1.我国机床厂目前开发基型产品的周期约为 1518 个月,其中设计时间约为 58 个月,占总周期的 40%左右。而国外一些先进机床厂同类基型产品的开发周期为 69 个月,其中设计约 1.52 个月,只占 25%。因此无论是产品开发的总周期还是设计所占的时间比例均与国外先进水平有很大的差距。2.我国工厂由于缺乏设计的科学分析工具(如分析和评价软件、整机结构有限元分析方法以及机床性能测试装置等),自行开发的新产品大多基于直观经验和类比设计,使设计一次成功的把握性降低,往往需要反复试制才能定型,从而可能错过新产品推向市场的良机。3.用户根据使用需要,在订货时往往提出一些特殊要求,甚至在产品即将投产时有的用户临时提出一些要求,这就需要迅速变型设计和修改相应的图纸及技术文件。在国外,这项修改工作在计算机的辅助下一般仅需数天至一周,而在我国机床厂用手工操作就至少需 12 个月,且由于这些图纸和文件涉及多个部门,常会出现漏改和失误的现象,影响了产品的质量和交货期。4. 现在我国工厂设计和工艺人员中青年占多数,他们的专业知识和实际经验不足, 又担负着开发的重任。5.由于长期以来形成的设计、工艺和制造部门分立,缺乏有效的协同开发的模式,不能从制订方案开始就融入各方面的正确意见,容易造成产品的反复修改,延长了开发的周期。为解决这些问题,必须对产品开发的整个过程综合应用计算机技术,发展优化和仿真技术,提高产品结构性能,并建立起基于并行工程(Concurrent Engineering)的使设计、工艺和制造人员协同工作和知识共享的产品虚拟开发环境,使用相应的产品虚拟开发软件，这样才能有效地解决产品开发的落后局面,使企业取得良好的经济效益。我国目前机床总量 380 余万台，而其中数控机床总数只有 11.34 万台，即我国机床数控化率不到 3%。近 10 年来，我国数控机床年产量约为 0.60.8 万台，年产值约为 18 亿元。机床的年产量数控化率为 6%。我国机床役龄 10 年以上的占 60%以上；10 年以下的机床中，自动/半自动机床不到 20%，FMC/FMS 等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占 60%以上） 。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争4力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以为尽快提高我国工业自动化生产在总生产中的比例，必须大力提高机床的数控化比率。第二章 数控车床简介2.1 数控车床的工艺范围与分类数控车床主要是用于车削加工，在车床上一般可以加工各种轴类、套筒类和盘类零件上的回转表面，如内外圆柱面、圆锥面、成型回转表面及螺纹面等。在数控车床上还可加工高精度的曲面与端面螺纹。数控车床上所用的刀具主要是车刀、各种孔加工刀具(如钻头、铰刀、镗刀等) 及螺纹刀具。其尺寸精度可达 IT5IT6 ，表面粗糙度 Ra 为1.6 m 以下。2.2 数控车床的分类随着数控车床制造技术的不断发展，形成了产品繁多、规格不一的局面。因而也出现了几种不同的分类方法。数控系统按其功能不同，可分为以下几种：1.经济型数控车床。它们一般是在普通车床的基础上进行改进设计，并采用步进电动机驱动的开环伺服系统。其控制部分采用单板机或单片机来实现。此类车床结构简单，价格低廉，但无刀尖圆弧半径自动补偿和恒线速度切削等功能。 2.全功能型数控车床。全功能型数控车床就是通常所说的“数控车床” ，又称标准型数控车床，即它的控制系统是标准型的，带有高分辨率的 CRT 显示器以及各种显示、图形仿真、刀具补偿等功能，而且带有通信或网络接口。全功能型数控车床采用闭环或半闭环控制的伺服系统，可以进行多个坐标轴的控制，具有高刚度、高精度和高效率等特点。3.车削中心。车削中心是以全功能型数控车床为主体，并配置有刀库、换刀装置、分度装置、铣削动力头和机械手等，以实现多工序复合加工的机床。在工件一次装夹后，它可完成回转类零件的车、铣、钻、铰、攻螺纹等多种加工工序。其功能全面，但价格较高。4.FMC 车床。它实际上是一个由数控车床、机器人等构成的柔性加工单元。它能实现工件搬运、装卸的自动化和加工调整准备的自动化。 2.3 数控车床的组成、特点与发展51数控车床的组成（1）主轴箱(床头箱) 。它固定在床身的最左边。主轴箱中的主轴通过卡盘等夹具装夹工件。主轴箱的功能是支撑并传动主轴，使主轴带动工件按照规定的转速旋转，以实现机床的主运动。（2）转塔刀架。它安装在机床的刀架滑板上，加工时可实现自动换刀。刀架的作用是装夹车刀、孔加工刀具及螺纹刀具，并在加工时能准确、迅速选择刀具。（3）刀架滑板。它由纵向(Z 向)滑板和横向(X 向)滑板组成。纵向滑板安装在床身导轨上，沿床身实现纵向(Z 向)运动；横向滑板安装在纵向滑板上，沿纵向滑板上的导轨实现横向(X 向)运动。刀架滑板的作用是使安装在其上的刀具在加工中实现纵向进给和横向进给运动。（4）尾座。它安装在床身导轨上，并沿导轨可进行纵向移动调整位置。尾座的作用是安装顶尖支撑工件，在加工中起辅助支撑作用。 （5）床身。它固定在机床底座上，是机床的基本支撑件。在床身上安装着车床的各主要部件。床身的作用是支撑各主要部件，并使它们在工作时保持准确的相对位置。（6）底座。它是车床的基础，用于支撑机床的各部件，连结电气柜，支撑防护罩和安装排屑装置。（7）防护罩。它安装在机床底座上，用于加工时保护操作者的安全和保护环境的清洁。 （8）机床的液压传动系统。它用来实现机床上的一些辅助运动，主要是实现机床主轴的变速、尾座套筒的移动及工件自动夹紧机构的动作。（9）机床润滑系统。它为机床运动部件间提供润滑和冷却。（10）机床切削液系统。它为机床在加工中提供充足的切削液，以满足切削加工的要求。 （11）机床的电气控制系统。它主要由数控系统(包括数控装置、伺服系统及可编程控制器)和机床的强电气控制系统组成。机床电气控制系统能完成对机床的自动控制。 2数控车床的特点与发展数控车床与卧式车床相比，有以下几个特点：（1）高精度。数控车床控制系统的性能不断提高，机械结构不断完善，机床精度日益提高。（2）高效率。随着新刀具材料的应用和机床结构的完善，数控车床的加工效率、主6轴转速和传动功率都在不断提高。这就使得新型数控车床的空转动时间大为缩短，其加工效率比卧式车床高 25 倍。加工零件形状越复杂，就越能体现出数控车床的高效率加工特点。 （3）高柔性。数控车床具有高柔性的特点，能适应 70以上的多品种、小批量零件的自动加工。（4）高可靠性。随着数控系统性能的提高，数控机床的无故障时间也在迅速提高。 （5）工艺能力强。数控车床既能用于粗加工又能用于精加工，可以在一次装夹中完成其全部或大部分工序。 （6）模块化设计。数控车床的制造多采用模块化原则设计。数控车床技术在不断向前发展着，其发展趋势如下：随着数控系统、机床结构和刀具材料技术的发展，数控车床将向高速化发展，进一步提高主轴转速、刀架移动速度以及转位、换刀速度；工艺和工序将更加复合化和集中化；数控车床向多主轴、多刀架加工方向发展；为实现长时间无人化全自动操作，数控车床向全自动化方向发展；机床的加工精度向更高方向发展；同时，数控车床也向简易型发展。 第三章 QKA1212 数控管螺纹车床变速箱总体方案设计QKA1212 数控管螺纹车床主要为油田管螺纹的车削而开发，且适合于各类管螺纹的车削，还可作普通数控车床使用。该机床属于半闭环控制系统的简式数控管螺纹车床，可以加工以各种曲线为母线的连续的回转体，加工分辨为 0.001mm。适合多品种、中小批量的轮番加工。QKA1212 数控管螺纹车床变速箱的设计，可以分为主轴组件设计、主传动设计、主轴箱中传动轴和齿轮设计等小题目，由 6 名同学共同完成。我们 6 位同学经过调查研究，分析讨论，反复论证，最终确定了 QKA1212 数控管螺纹车床变速箱的总体方案。3.1 主传动系统各级转速的计算及总体设计1.类比 CKA6163B 的主轴箱，绘制主轴箱传动系统示意图见附图 A。2.计算主传动系统的各级转速见表 17表 1 主传动系统各级转速名称编号实际计算转速（转/分） 标牌转速（转/分）转速误差（ 1/转）n1 24.78541062574 800 -0.029n2 .6630 -0.025n3 4.07852065714 500 -0.040n4 96.34400 -0.053n5 4.07856205716 315 -0.042n6 .394 250 -0.046n7 715211.6250078315 +0.050n8 .3446 250 +0.046n9 0.25785022571200 +0.025n10 1.63460 160 +0.013n11 0.297850262571125 +0.031n12 .13460 100 +0.019n13 9.7450241257180 -0.026N14 6.1460 63 -0.022n15 23.487250257150 -0.037n16 1.4460 40 -0.0498n17 34.072415062345176031.5 -0.038n18 98.25 -0.042注：转速误差是实际计算转速与标牌转速之误差3.绘制主轴箱孔系坐标图见附图 B。轴与轴同轴，轴为编码输出轴，轴与轴孔距为 120；轴与轴（轴）孔距为 138，轴（轴）与轴孔距为 227.5；轴（轴）与轴孔距为 126，轴（轴）与轴孔距为 132；轴与轴孔距为 78.75。首先以主轴（轴）孔中心为基准，计算并确定各轴孔距。通过 CAD（计算机辅助设计）对各轴线位置优化排布，其坐标尺寸如附图 B 所示。3.2 主传动系统各轴计算转速的确定3.2.1 主轴计算转速的确定按公式计算 )14(minZ计公式中：n 计 计算转速公比 =1.26z级数 z=16nmin最低转速 nmin=25 转/分314614zn 计 =251.263=50主轴计算转速的大小，决定了主轴最大扭矩的大小，因本机床的主轴箱是类比CKA6163B 的主轴箱设计的，故确定本机床计算转速时，类比 CKA6163B 的计算转速，并考虑到不致于使本机床的主轴最大扭矩太小。故取 40 转/分为本机床主轴的计算转速。3.2.2 各轴计算转速的确定根据主轴计算转速 n 计 =40 转/分，按转速分布图的传动路线和实际工作情况确定各9轴的计算转速，如表 2 所示。表 2 各轴转速轴 号 计算转速（转/分） 1019 741 359 144 122 403.3 主传动系统各轴效率和总效率的计算查设计手册确定各传动的效率如下：皮带传动 n 皮 =0.96齿轮传动 n 齿 =0.98滚动轴承 n 轴承 =0.995各轴效率U 电- =0.960.9956=0.932U- =0.980.9953=0.965U- =0.980.9953=0.965U- =0.980.9953=0.965U- =0.980.9952=0.970U- =0.980.9955=0.9563.4 各轴输出功率：轴：N 1N 电 U 电 - 110.93210.25（KW ）轴：N 2N 电 U 电 - 110.8999.89（KW ）轴：N 3N 电 U 电 - 110.8689.55（KW ）轴：N 4N 电 U 电 - 110.8389.22（KW ）10轴：N 5N 电 U 电 - 110.8128.93（KW ）轴：N 6N 电 U 电 - 110.7768.54（KW ）3.5 各轴扭矩轴： )965012.9501 NMnM（计 轴： )127748.2N（计轴： 39.5004)NnA计 （轴： )61142.4 MNM（计 轴： )9503.8950Nn（计轴： )24.6N（计 第四章 轴的设计4. 1 轴的材料的选取一般齿轮材料应使用合金钢，为保持尺寸稳定性和减少热处理变形可选用铬钢。本处选取用 45 钢（调质） 。轴，轴，轴均为花键轴，为达到较高的强度，应在花键轴段高温处理。4.2 根据轴向定位的要求确定轴上各段直径和长度轴：为满足联轴器和齿轮的定位，和轴的强度的需要，故选该轴的左端最大处直径：小径 D1=50mm，大径 D2=55mm。按轴直径选取挡圈直径 D=58mm。11轴：为满足联轴器和齿轮的定位，和轴的强度的需要，故选该轴的左端最大处直径：小径 D1=40mm，大径 D2=45mm。按轴直径选取挡圈直径 D=48mm。轴：为满足联轴器和齿轮的定位，和轴的强度的需要，故选该轴的左端最大处直径：小径 D1=45mm，大径 D2=50mm。按轴直径选取挡圈直径 D=53mm。12初步选取滚动轴承合理选型需要考虑以下机构方面：轴承的载荷；轴承的转速；轴承的调心性能；轴承的安装和拆卸；因轴，轴，轴均只受径向力，故选用深沟球轴承即可满足要求。4.3 轴上零件的周向定位一般情况下轴的轴向定位采用键连接。键的主要类型：平键连接、半圆键连接、楔键连接和花键连接。平键连接具有结构简单、装拆方便、对中性较好等优点，这种键不能承受轴向力，因而对轴上的零件不能起到轴向固定作用。半圆键连接工艺性较好，装配方便，尤其适用于锥形轴端与轮毂的连接。但是需要轴上的键槽较深，对轴的强度削弱较大。楔形连接在传递有冲击和振动的较大转矩时，仍能保持连接的可靠性。但键偰紧后，轴和轮毂的配合产生偏心和偏斜。花键连接周向均布的多个键齿互相配合构成联接，键两侧是工作面，靠键齿侧面间的挤压传递转矩.。对中、导向性好. 各键齿承载均匀，承载力大，键槽浅，对轴损伤较小，加工要用专用设备，成本高.。联轴器与轴的周向定位采用花键连接。查机械设计师手册，键槽用键槽铣刀加工。同时为了保证齿轮与轴有良好的对中性，轴承与轴的的轴向定位由过盈配合来保证。4.4 确定轴上圆角和倒角尺寸13根据零件倒角与零件圆角推荐值表可选轴端倒角为 345，轴肩的圆角半径可选3mm。鉴于轴和轴设计方法和轴类同，此处不一一介绍，只说明轴和轴所取用尺寸在图中详细标示。第五章 传动轴的强度计算5.1 无需验算的轴和轴承1.轴：结构支承和受力位置等与 CKA6163B 之轴相同，而传递的扭矩比 CKA6163B要小(611 NM1178NM）,故无需验算。2.轴：结构支承和受力位置等与 CKA6163B 之轴相同，而传递的扭矩比 CKA6163B要小(699 NM816NM） ，故无需验算。5.2 轴的弯曲强度计算轴：结构、支承和受力位置等与 CKA6163B 之轴相同，而传递的扭矩比 CKA6163B要小（254 NM488NM）本无需验算,但其做为本课题的研究目标,现加以验算.因为轴为花键轴,D=55mm,d=50mm,所以在 计算时取 d=52.5 作为计算标准又因轴作为传动轴,不受弯矩,因此先粗估算所设轴的直径是否能够达到要求.1.轴的扭转强度条件为： 3950.2TpttWdn由此得 t=8.78Mpa当轴的材料选用 45 号钢(调质)时候，许用扭转切应力为 2545Mpa,8.78Mpa25Mpa可知所选轴扭转强度符合条件.2.轴的刚度计算（1）最大弯曲挠度轴花键轴径最细部分，454012，d 平均 42.54 466 623.125210010dEJ kgcm 平 均 53 32221 6()().994eMlbEI143 322222 6()54(19)0.99eMlaEI许用挠度 =0.0002*240=0.048mm，因 故挠度验算通过12(2) 轴最大倾角 QA（弧度）2226(3)54(35)0.5661eMlbEI（弧度）2226()(9).37eBlaI（弧度）222226(3)54(315)0.16eClbEI向心球轴承许用倾角 =0.0025（弧度）因 ，故倾角验算通过。C3.轴的扭转变形计算该轴不属于精密分度及进给机构的细长轴，故不需进行扭转变形计算4.轴的疲劳强度计算该轴不属于重载轴，故无需验算其疲劳强度5.轴的临界转速计算该轴为三支承且刚度较好的轴，且最高转速 1019r/min5000 r/min，故不需进行临界转速验算。6.轴轴承寿命的计算根据轴承受力及工作情况，只计算 6208 轴承的寿命即可 )(1206)35(1096)(016 小 时pcnlh结 论本次设计于 2008 年 3 初月开始，经过 3 个多月的努力，于 2008 年 5 月完成，经过14 周的时间完成了 QKA1212 数控车床的设计。本课题小组的主要任务是完成对 QKA121215数控车床主轴箱的模拟设计，当然，模拟设计并不是简单的模仿就行了，还有改进工作，它是一项繁琐的工作。通过改进使其更具有数控机床的专业特性。 另外，在设计过程中，我们也学到了很多东西，我们通过查阅大量的资料，把所学的知识应用到设计中，这样既温故了我们在大