最大加工直径为500mm的普通车床主轴箱的设计

1、目 录第一部分 工程训练目的和要求一、设计目的 .4二、设计要求 .4 第二部分 工程训练内容一、设计任务 .4二、 说明书1、主参数的拟定 .5 1.1 确定传动结构 .51.2主电动机的选择 .52、皮带轮的选择 .53、齿轮齿数的确定 .74、传动轴的设计 .7 4.1 各轴功率的计算 .74.2各轴直径的估算 .75、齿轮模数的确定 .96、齿轮齿宽的估算 .97、齿轮强度的估算及传动系统图 .108、主轴组件的设计 . 11 8.1主轴内孔莫氏锥度的选 . 11 8.2 主轴直径的确定 . 128.3主轴轴向尺寸的确定 139、主轴箱各轴的空间布置 . 15 10、其它零部件的设计

2、. 1510.1 带轮的设计 . 16 10.2 轴承的选择 . 16 10.3 密封装置 . 17 11、标注公差 .17 11.1中心距的标注与公差 .17 11.2 轴承的配合 .17 11.3 键的配合 .17 12、主轴组件刚度的计算 .18 13致谢 20 14 参考文献 21第一部分 工程训练目的和要求一、设计目的:1、使理论能与实践更紧密的结合。2、更好地理解工程设计的步骤和方法,以及结构设计的要领。 二、设计要求:1、 主轴最低转速 40转 /分、 转速级数为 12级、 主电机功率为 5.5KW 、 其余自定。2、 主电机可以选择 Y 系列电机、 也可使用直流电机或交流变频电

3、机。3、最好采用特殊形式的变速系统。4、所有的图纸都必须符合国家制定的六项基础标准。图面应正确、 完整、美观。5、 说明书一律用规定的纸张按一定的格式单面书写、 要求简明扼要、 文字精炼、语句通顺、字迹工整、图文并茂、装订成册。第二部分 工程训练内容一、设计任务1、拟定出一个完整的和合理的转速图与传动系统图。2、初算与验算并最后确定有关传动件的结构尺寸。3、进行主运动轴系、变速机构、主轴组件、箱体、操纵机构、润滑和密封等的布置并进行结构设计。4、编写设计说明书。二、说明书1、主参数的拟定1.1 根据金属切削机床课程设计指导书查得公比 =1.41。 又根据已知的最低转速 minn =40r/mi

4、n,且转数级数 Z=12,可拟 定结构式为 12=322。查金属切削机床课程设计指导书 P6课查得主轴转速为 40r/min、 56r/min、 80r/min、 112r/min、 160r/min、 224r/min、 315r/min、 450r/min、 630r/min、 900r/min、 1250r/min、 1800r/min,并绘制转速图如下: 1.2 主电动机的选择根据 金属切削机床课程设计指导书 P16可查得选择 Y132S-4型电动机,额定功率为 5.5KW ,满载转速为 n=1440r/min。2、皮带轮的选择由 上 述 条 件 可 知 , 电 动 机 转 速 传 到

5、 I 轴 的 传 动 比 i=1440/900=1.6,根据金属切削机床课程设计指导书 P32查得三 角带的传递效率 =0.96,则传动比 i=1.6x0.96=1.536。根据金属切削机床课程设计指导书 P29查得三角带的型号 为 B 型。可初选小带轮直径 D 1=140mm(标准值, 机械设计 P157可查 ,则大带轮直径 D 2=ixD1=1.536x140=215.04mm。根据机械设计 P157查得大带轮值直径 D 2标准值为 224mm 。 三角带的速度按 机械设计 式 (8-13 验算带的速度 V=D 1n 1/(60x1000 = *140*1440/(60*1000 =10.

6、56m/s, 所 以 s m v s 305=- 故主动轮上包角合适。确定三角带根数 Z 。根据金属切削机床课程设计指导书 P30可知 Z=N/(N0C 1=5.5/(2.71*0.98=2.07。故圆整为 Z=2根。 3、齿轮齿数的确定i 1=1/1 i 2=1/1.41 i 3=1/2 i 1=1/1 i 2=1/2.82 i 1=2 i 2=1/4根据金属切削机床课程设计指导书 P20查得 i 1=1/1=36/36 i 2=1/1.41=30/42 i 3=1/2=24/48 总齿数为 72。 i 1=1/1=42/42 i 2=1/2.82=22/62 总齿数为 84。 i 1=2=

7、72/36 i 2=1/4=22/86 总齿数为 108。 4、传动轴的设计 4.1 各轴功率的计算根据金属切削机床课程设计指导书 P32查得三角带的传动效 率 1=0.96,齿轮的传动效率 2=0.98。轴:P =P电 1=5.5*0.96=5.28KW且 n =900r/min T =9550*5.28/900=56.03Nm轴 : P =P 2=5.28*0.98=5.17KW且 n =450r/min T =9550*5.17/450=109.72Nm轴:P =P 2=5.17*0.98=5.07KW且 n =160r/min T =9550*5.07/160=302.62Nm轴 :

8、P =P 2=5.07x0.98=4.97KW且 n =112r/min根据金属切削机床课程设计指导书 P32可知mmn P j d , 并查得到 取 1. 则轴的直径:取 min /900, 96. 011r n j =mm n P d j 41. 161*90096. 0*5. 5913= 轴的直径:取 min /450, 98. 0212r n j =mm n P d j 26. 201*45098. 0*96. 0*5. 53=轴的直径:取 min /160, 98. 0323r n j =mm n P d j 22. 281*16098. 0*96. 0*5. 5915=其中:P-电

9、动机额定功率(kW ;-从电机到该传动轴之间传动件的传动效率的乘积;j n -该传动轴的计算转速(min r ;-传动轴允许的扭转角(m o 。由于轴是三联滑移齿轮和轴是双联滑移齿轮, 故需选择花键 轴,根据金属切削机床课程设计指导书 P35可知,选择轴端部 为 4-20x17x6,中间装配齿轮部位为 6-25x21x5,两端装轴承部位选 20,轴向尺寸待定;对于轴,花键轴可选择 6-30x26x6,两端装 轴承部位选 25,轴向尺寸待定。轴需要装平键周向固定齿轮,可 选择 30, 两端装轴承部位选 25, 轴向尺寸待定。 具体尺寸如下图: 轴: 轴: 轴: 5、齿轮模数的确定根据金属切削机床

10、课程设计指导书 P36可知: 齿轮弯曲疲劳强度:32m Zn N -轴弯曲疲劳强度的估算:2900*24/96. 0*5. 3232m = (ZnN 圆整为 m 1=2.5; -轴弯曲疲劳强度的估算:58. 2450*22/(98. 0*96. 0*5. 53232m = ZnN 圆 整为 m 2=3; -轴弯曲疲劳强度的估算:56. 2450*22/(98. 0*96. 0*5. 5*3232m = ZnN圆整为 m 3=3;6、齿轮齿宽的估算:根据机械设计 P205可知 b=d*d(d 为齿宽系数 7、齿轮强度的估算及传动系统图:根据金属切削机床课程设计指导书 P19可知,齿根圆到齿轮键槽

11、 顶部的距离 2.5mm 。(1对于轴:最小齿轮为齿轮 5, Z=24,齿根圆直径fd =53.75mm , =53.75/2-25/2=26.875-12.5=14.3752*2.5=5,所以轴满足。(2对于轴:最小齿轮为齿轮 9, Z=22,齿根圆直径fd =58.5mm , =58.5/2-(30/2+3=29.25-18=11.252*3=6,所以轴满足。=58.5/2-30/2=29.25-15=14.252x3=6,所以轴满足。(4对于轴:最小齿轮为齿轮 12, Z=45,齿根圆直径fd =127.5mm , =127.5/2-(80/2+5=63.75-45=18.752*3=6

12、,所以轴满足。 (5传动系统图如下: 8、主轴组件的设计8.1 主轴内孔莫氏锥度的选择根据金属切削机床课程设计指导书 P33可查得主轴的前轴颈为 90mm ,又根据金属切削机床课程设计指导书 P61和车床最大加 工直径 500mm ,课查得内空心头部孔选择莫氏 6号锥度,并查得尺 寸如下:打断直径 D=63.348mm,锥度 =1:19.180,长度 L=181mm 。8.2 主轴直径的确定根据金属切削机床课程设计指导书 P64可查得如下图所示的主轴 头部,具体尺寸为 D=106.375mm, D 2=133.4mm, D 3=170mm, B=25mm, Q=28mm, l=14mm, h=

13、5mm, H=11mm, d 1=15mm, d 2=23mm, d 3=9mm。 根据金属切削机床课程设计指导书 P104的压块锁紧螺母的标准, 以及 P102、 P103圆柱滚子轴承和推力球轴承的标准,可确定个段的 直径如下图所示 (轴向长度待定 。 8.3 主轴轴向尺寸根据金属切削机床课程设计指导书 P64确定主轴前轴颈的宽度分 别是 B=22mm, Q=25mm, l=13mm,但在前轴颈的左部需要安装锁紧环和轴承端盖,故需要一定的长度,根据需要取此处 85的长度为 52mm 。根据金属切削机床课程设计指导书 P103确定圆柱滚子轴承 3182121的宽度为 41mm 。 根据 金属切

14、削机床课程设计指导书 P102确定推力球轴承 2268120+的宽度为 60mm , 两轴承的左部需要轴向定 位,故需要压块锁紧螺母 M100x2的定位,查得压块锁紧螺母宽度为 22mm , 螺纹总长度为 27mm , 另需两个套筒定位一个 11mm , 另一个 10mm, 所以 100处的长度为 108mm 。根据齿轮的布局,齿轮 12和齿轮 14装在 80处,两齿轮装在此处 的轴向长度为 140mm ,另需压块锁紧螺母轴向定位,查得压块锁紧螺 母宽度为 22mm , 螺纹总长度为 30mm , 故 80处轴向长度为 173mm 。 在主轴的尾部需要圆柱滚子轴承 3192114的支承, 查得

15、 3192114的宽 度为 30mm ,另 70与 75相交处的锥度为 1:12,故此处长度根据 计算为 60mm 。在圆柱滚子轴承 3192114左部需要套筒和压块锁紧螺母 M68x2轴向 定位,还需安装轴承端盖,查得压块锁紧螺母宽度为 22mm ,螺纹总 长度为 22mm ,所以 68处总轴向长度为 27mm 。根据主轴箱的布局,得出 75处的轴向长度为 366mm 。在主轴尾部连接进给运动, 需安装齿轮和定位装置, 整根主轴的长度 为 959mm ,圆整值为 960mm, 故 62的长度为 71mm 。总体长度分布如下图:9、主轴箱各轴的空间布局C=1/2De( +(815 +30(壁厚

16、 =1/2*192+10+30=136mmD=1/2De( +(3050 +25(壁厚 =1/2*192+40+25=161mmF=1/2D大带轮 +(510 =1/2*224+10=122mmG=1/2D大带轮 +(510 =1/2*224+10=122mmR 3=A - =90mmR 2=A - =126mm其中测量 H=253.47mm 1/2D(大带轮 +1/2D(主轴尾部直径 =112+31=143mm 具体布局如下图所示: 10、其它零部件的设计10.1 带轮的设计根据机械设计 P160可查得带轮的各尺寸如下图所示: 10.2 轴承的选择轴:根据机械设计课程设计 P169选择深沟球

17、轴承 6206与皮带 轮和法兰套配合,选择深沟球轴承 6204与轴配合。轴:根据机械设计课程设计 P169选择深沟球轴承 6205与轴配 合。轴:根据机械设计课程设计 P169选择深沟球轴承 6205与轴配 合。 主轴：根据金属切削机床课程设计指导书P103 确定圆柱滚子轴 承 3182120 和 P102 确定推力球轴承 2268120+前端支承， 主轴的尾部 需要圆柱滚子轴承 3192114 支承。 10.3 密封装置 根据机械设计课程设计P186 可选择毡圈如下： 轴：dxDxB=35x49x7 主轴: dxDxB=75x94x8（左） dxDxB=90x112x9（右） 11、标注公差

18、 11.1 中心距标注与公差 根据机械设计课程设计P224 查得第-齿轮中心距极限偏差为 90 0.027mm，第-齿轮中心距极限偏差为 126 0.0315mm，第齿轮中心距极限偏差为 157.5 0.0315mm。 11.2 轴承的配合 所有轴承与轴的配合均为过渡配合，查阅互换性与测量技术基础 P158 可知道以下配合，深沟球轴承可选用 圆柱滚子轴承可选用 11.3 键的配合 根 据 机 械 设 计 课 程 设 计 P164 查 得 平 键 的 配 合 公 差 为 16 K6 的公差配合；双列向心 h5 K6 J7 ；60角双向推力向心球轴承可选用 h5 j6 8 H 7 x7 h9 H

19、10 H 11 H 10 H 11 x25 和 18 H 7 x11 x100 。 h11 h14 h11 h14 h9 根 据 机 械 设 计 课 程 设 计 P165 查 得 花 键 的 配 合 公 差 为 H7 H 10 H 11 *20 *6 和 f7 a11 d10 H7 H 10 H 11 6*26 *30 *6 f7 a11 d10 4*17 6*21 H7 H 10 H 11 *25 *5 和 f7 a11 d10 12主轴刚度验算 机床在切削加工过程中，主轴的负荷较重，而允许的变形由很小，因此决定 主轴结构尺寸的主要因素是它的变形大小。对于普通机床的主轴，一般只进行刚 度验算

20、。通常能满足刚度要求的主轴，也能满足强度要求。只有重载荷的机床的 主轴才进行强度验算。 对于高速主轴， 还要进行临界转速的验算， 以免发生共振。 主轴弯曲刚度的验算；验算内容有两项：其一，验算主轴前支撑处的变形转 角 q ，是否满足轴承正常工作的要求；其二，验算主轴悬伸端处的变形位移 y， 是否满足加工精度的要求。对于粗加工机床需要验算 q 、y 值；对于精加工或半 精加工机床值需验算 y 值；对于可进行粗加工由能进行半精的机床（如卧式车 床） ，需要验算 q 值，同时还需要按不同加工条件验算 y 值。 支撑主轴组件的刚度验算， 可按两支撑结构近似计算。 如前后支撑为紧支撑、 中间支撑位松支撑

21、，可舍弃中间支撑不计（因轴承间隙较大，主要起阻尼作用， 对刚度影响较小） 若前中支撑位紧支撑、 ； 后支撑为松支撑时， 可将前中支距 L1 当 做两支撑的之距计算，中后支撑段主轴不计。 机床粗加工时，主轴的变形最大，主轴前支撑处的转角有可能超过允许值， 故应验算此处的转角。因主轴中(后支撑的变形一般较小，故可不必计算。 主轴在某一平面内的受力情况如图 在近似计算中可不计轴承变形的影响， 则该平面内主轴前支撑处的转角用下 17 式计算； q= = 1 c FaL - 0.5Qbc(1 + L - M A L + ML 3EI 1 c FaL(1 - e - 0.5Qbc(1 + + ML(1 - e 3EI L 切削力 F 的作用点到主轴前支承支承的距离 S=a+W，对于普通车床， W=0.4H， 是车床中心高，设 H=200mm。 （H 则：S=95+0.4*200=175mm。 由前面知道，主轴最大输出转距 T=423.78Nm。 车床最大加工直径 500mm,则半径为 0.25m 计算切削力 F=423.78Nm/0.25m=1695.12N 当量切削力的计算： F= a + W 95 + 80 F = 1695.12 = 3122.59 N a