《金属切削机床》课程设计-车床主轴箱设计

1、目录111.111.211.321.42222.122.232.33333.143.243.353.473.583.69494.194.2124.3134.4174.5174.6204.7234.8244.9275285.1285.2295.3295.4306311金属切削机床车床课程设计第1章概述1.1金属切削机床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，它是制造机器的机器，又称为“工作母机”或“工具机” 。在现代机械制造工业中，金属切削机床是加工机器零件的主要设备，它所担负的工作量，约占机器总制造工作量的 40% 60%。机床的技术水平直接影响机械制造工业

2、的产品质量和劳动生产率。机床的“母机”属性决定了它在国民经济中的重要地位。机床工业为各种类型的机械制造厂提供先进的制造技术和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，为适应现代化建设的需要，必须大力发展机械制造工业。机械制造工业是国民经济各部门赖以发展的基础。机床工业则是机械制造工业的基础。一个国家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。显然，金属切削机床在国民经济现代化建设中起着重大的作用。1.2机床课程设计的目的课程设计是在学生学完相应课程及先行课程之后进行的实习性教学环节

3、，是大学生的必修环节，不仅是巩固学生大学所学知识的重要环节，而且也是在检验大学生综合应用知识的能力、自学能力、独立操作能力和培养创新能力，是大学生参加工作前的一次实践性锻炼。通过本课题设计可以达到以下目的：1综合运用学过的专业理论知识，能独立分析和拟订某机床主轴箱传动结构，装配结构和制造结构的各种方案，能在机械设计制图，零件计算和编写技术文件等方面得到综合训练，具备设计中等复杂零件的能力。2通过本课程设计的训练，能初步掌握机床的运动设计，动力计算以及关键零部件的强度校核，获得工程师必备设计能力的初步训练，从而提高分析问题，解决问题，尽快适应工程实践的能力。3. 熟悉和学会使用各种手册，能善于使

4、用网络搜寻一些设计的相关资料，掌握一定的工2金属切削机床车床课程设计艺制订的方法和技巧。4. 进一步提高计算机操作的基本技能 CAD 及 Pro/engineer软件应用能力 (造型设计与自动编程 )仿真模拟软件的应用。1.3车床的规格系列和用处普通机床的规格和类型有系列型谱作为设计时应该遵照的基础。因此，对这些基本知识和资料作些简要介绍。 本次设计的是普通型车床主轴变速箱。主要用于加工回转体。表 1 车床的主参数（规格尺寸）和基本参数正转最低工件最大回正转最高转速转直径转速电机功率NminD maxNmax公比转速级数 ZN（kw）(r(mm)(r)minmin160400200041.26

5、121.4操作性能要求1）具有皮带轮卸荷装置2）手动操纵双向摩擦片离合器实现主轴的正反转及停止运动要求3）主轴的变速由变速手柄完成第 2 章题目要求及参数确定2.1 设计要求1）机床的类型、用途及主要参数车床，工作时间：二班制，电动机功率：N4KW ，主轴最高、最低转速如下：nmax2000rpm ， nmin160rpm变速级数： z=12。3金属切削机床车床课程设计2）工件材料： 45 号钢刀具材料： YT153）设计部件名称：主轴箱2.2运动参数确定回转主运动的机床，主运动的参数是主轴转速。 最低转速 nmin 和最高转 nm ax ： nmin 160rpmnm a x 2000rpm

6、 分级变速时的主轴转速数列：机床的分级变速机构共有Z=12 级；由主轴转速调整范围nmax2000 rpmZ 111得公比： =1.26。根据已知公比并查金属切削机床表Rn160rpmnmin7 1 确定各级转速（单位：r min ）：160r/min ，200r/min ，250r/min ，315r/min ，400r/min ，500r/min ， 630r/min ，800r/min ，1000r/min ，1250r/min ，1600r/min ，2000r/min 。2.3动力参数的确定合理的确定电机功率，使机床既能充分发挥其使用性能，满足生产需要，又不致使电机经常轻载而降低功率

7、因素。已知电动机的功率是4KW，根据金属切削机床课程设计指导书（陈易新编）附录2 选择主电动机为Y112M-2，其主要技术数据见下表2：表 2-1 Y112M-2 技术参数额定满载时堵转电流堵转转矩最大转矩转速功率电流效率功率额定电流额定转矩额定转矩同步转速级数（r/min） （kw） (A)(%)因数（倍）（倍）（倍）（r/min）288048.285.50.877.02.22.230002第 3章传动设计拟定传动方案，包括传动型式的选择以及开停、换向、制动、操纵等整个传动系统的确定。传动型式则指传动和变速的元件、机构以及组成、安排不同特点的传动型式、变速类型。4金属切削机床车床课程设计3.

8、1传动组和传动副的确定传动组和传动副数可能的方案有：12=4×3 12=3× 4 12=3×2×212=2×3×2 12=2× 2×3在上面的方案中，两种方案有时可以省略一根轴。缺点是有一个传动组内有四个传动副。如果用一个四联滑移齿轮，则会增大轴向尺寸；如果用两个双联滑移齿轮，则操纵机构必须互锁以防止两个滑移齿轮同时啮合。所以一般少用。而三个方案由“前多后少”原则比较，从电动机到主轴，一般为降速传动。接近电动机处的零件，转速较高，从而转矩较小，尺寸也较小。如使传动副有较多的传动组在接近电动机处，则使小尺寸的零件多些

9、，大尺寸的零件少些，可以节省材料。故12=3× 2×2 的方案为好。3.2结构网和结构式各种方案的选择在 12=3× 2× 2 中，又因基本组和扩大组排列顺序的不同而有不同的方案。可能有六种方案，如下图所示：1231232612312623（a）（ b）5金属切削机床车床课程设计1232212612342122（b）（ d）1232262112342221（e）（f）图 3-1 12级结构网的各种方案6金属切削机床车床课程设计（1）传动副的极限传动比和传动组的极限变速范围由金属切削机床（戴曙主编）可知，常限制最小传动比imin1/ 4 ，最大传动比 im

10、ax2 。因此主传动链任一传动组的最大变速范围一般为umaxRmax8 。umin检查传动组变速范围时，只需检查最后一个扩大组，即必须保证Rnxn ( pn 1)Rmax图 3-1 中，方案 a、b、c、e 的第二扩大组 x26 ，p22，则 R26(21)6 。1.26 ，则 R21.2664Rmax， 是 可 行 的 。 方 案 d和 f， x2 4， p23 ，4(31)86.35Rmax ，也是可行的。R2（2）基本组和扩大组的排列顺序六种结构网方案经以上验证均可行，需进一步选择最佳方案的原则：中间传动轴（如轴、）变速范围最小因为各方案中，若传动轴的最高转速相同，则变速范围小的，最低转

11、速较高，转矩较小，传动件的尺寸也就可以小些。方案a) 的中间传动轴变速范围最小，故方案a)最佳。其结构网如下：图 3-212312326 结构网7金属切削机床车床课程设计3.3拟定转速图电动机和主轴的转速是已定的，当选定了结构网或结构式后，就可分配和传动级的传动比并确定中间轴的转速。再加上定比传动，就可画出转速图。中间轴的转速如果能高一些，传动件的尺寸也就可以小一些。但是，中间轴如果转速过高，将会引起过大的振动、发热和噪声。通常，希望齿轮的线速度不超过 1215m/s。对于中型车、钻、铣等机床，中间轴的最高转速不宜超过电动机的转速。对于小型机床和精密机床，由于功率较小，传动件不会过大。这时振动

12、、发热和噪声是应该考虑的问题。因些更应该注意中间轴的转速，不使过高。由于所选定的结构式共有三个传动组，变速机构共需4 轴，外加电动机轴共5 轴。故转速图需 5 条竖线。主轴共 12 速，故需 12 条横线。轴传动组 c 的变速范围为61.2664 ，两个传动副的传动比可取为：1121.58ic1， ic242.5211因此轴六种转速为： 400r/min ，500r/min ，630r/min ，800r/min ，1000r/min ，1250r/min 。轴转动组 b 的级比指数为 3，在传动比极限的范围内，轴的转速最高可为1250、1600、2000r/min ，最低可为 400、500

13、、630r/min 。为了避免升速，传动比可取：ib111132.0， ib21轴额转速确定为800、1000、1250r/min 。同理，对于轴，可取：ia1111112， i a21.26， ia31.581这样就确定了轴的转速为1250r/min 。电动机轴与轴的传动比接近于1/2.3=1/3.6 。最后，可得转速图 ：48金属切削机床车床课程设计图 3-3 12级传动系统的转速图3.4齿轮齿数的确定利用查表法由金属切削机床 （戴曙主编）表 8-1 ，可求出各传动组齿轮齿数：表 3-1齿轮齿数变速基本组第一扩大组第二扩大组组齿Z2Z3Z4Z5Z6Z7Z8Z9Z10Z11Z12Z13Z14

14、Z1轮齿3531392743424228566038287035数第一组齿轮：传动比： i1 =1,i2 =1/1.26,i 3 =1/1.58金属切削机床（戴曙主编）表8-1 ，齿数和 Sz 取 70Z =35， Z 2 =35， Z 3 =31, Z4 =39, Z5 =27, Z 6 =43；9金属切削机床车床课程设计第二组齿轮：传动比： i11, i2 =1/2 ，齿数和 Sz 取 84：Z7 =42， Z8 =42 ， Z9 =28,Z10 =56；第三组齿轮：传动比： i1 =1.58, i2 =1/2.52齿数和 Sz 取 98：Z11 =60， Z12 =38 ， Z13 =2

15、8， Z14 =70；3.5传动系统图通过以上齿轮的齿数，传动副，级比指数以及传动比确定如下所示传动系统图：10金属切削机床车床课程设计图 3-4 主传动系图3.6轴的计算转速（ 1）主轴 根据金属切削机床（戴曙主编）表 8-2 ，中型车床主轴的计算转速是第一个三分之一转速范围内的最高一级转速，即为 n4 315r / min 。（ 2）各传动轴 轴的最低转速 400r/min 经传动组 c 可使主轴得到 160r/min 和 630r/min 两种转速。 630r/min 要传递全部功率，所以轴的计算转速应为 400r/min 。轴的计算转速可按传动副 b 推上去，得 800r/min 。第

16、 4 章传动件的估算4.1三角带传动的计算三角带传动中，轴间距 A 可以加大。由于是摩擦传递，带与轮槽间会有打滑，宜可缓和冲击及隔离振动，使传动平稳。带轮结构简单，但尺寸大，机床中常用作电机输出轴的定比传动。(1) 选择三角带的型号根据公式：PcaK a P1.244.8KW式中 P- 电动机额定功率，Ka - 工作情况系数（工作时间为二班制查表得K a =1.2 ）查机械设计图8-11 因此选择 A型带，尺寸参数为 B=80mm，40。bd =11mm h=10(2) 确定带轮的计算直径 D ， D带轮的直径越小带的弯曲应力就越大。为提高带的寿命，小带轮的直径D 不宜过小，即 DDmin 。

17、查机械设计表8-6 ，8-8 取主动轮基准直径D =100m由公式11金属切削机床车床课程设计D2n1D1 1n2式中：n - 小带轮转速， n - 大带轮转速，- 带的滑动系数，一般取0.02 。所以 D22880 100 1 0.02225.8mm，由机械设计表8-8 圆整为 224mm。1250(3)确定三角带速度按公式D1n13.14 100 288015.07 mV60 100060 1000s(4)初定中心距带轮的中心距，通常根据机床的总体布局初步选定，一般可在下列范围内选取：根据经验公式 0.7 D1 D2 A0 2 D1 D2mm 取 2 100224 648mm，取 A0 =

18、600mm.(5) 三角带的计算基准长度 LLADDDDA3.142242L0260022410010041751.09mm2600由机械设计表8-2 ，圆整到标准的计算长度L1800mm(6) 验算三角带的挠曲次数1000 mv10.31 40次，符合要求。uLs(7) 确定实际中心距 ALL0600（18001752） 2 624mmA A0212金属切削机床车床课程设计(8) 验算小带轮包角11800D2D157.50168.5701200A主动轮上包角合适。(9) 确定三角带根数 Z根据机械设计式8-22 得zpca( p0p0 ) k kl传动比iv12880 /1250 2.3v2

19、查表 8-4a ，8-4b 得 00=2.05KWp= 0.34KW, p查表 8-5 ， k =0.98 ；查表 8-2 ， kl =0.96Z3.61.60.340.982.050.96所以取Z4 根(10) 计算预紧力查机械设计表8-3 ，q=0.1kg/mF 500 pca2.51qv20vzk5003.632.510.115.07 215.070.9884.5 N13金属切削机床车床课程设计4.2传动轴直径的估算传动轴除应满足强度要求外，还应满足刚度的要求，强度要求保证轴在反复载荷和扭载荷作用下不发生疲劳破坏。机床主传动系统精度要求较高，不允许有较大变形。因此疲劳强度一般不失是主要矛

20、盾，除了载荷很大的情况外，可以不必验算轴的强度。刚度要求保证轴在载荷下不至发生过大的变形。因此，必须保证传动轴有足够的刚度。按照机械制造装备设计 96 页内容计算传动轴直径 :PdKA 4mmN j其中： P-电动机额定功率K-键槽系数A-系数- 从电机到该传动轴之间传动件的传动效率的乘积；n j - 该传动轴的计算转速。计算转速 n j 是传动件能传递全部功率的最低转速。各传动件的计算转速可以从转速图上，按主轴的计算转速和相应的传动关系确定。各轴计算转速如下：n11250r / min, n2800r / min, n3 400r / minn主轴315r / min各轴功率如下：p1p电带

21、3 0.98 2.94p2p1齿2.94 0.992.92p3p2齿3.920.992.88p主轴p3 齿2.880.992.85查机械制造装备设计1 表 3-8取 I，IV轴的 K=1.05，A=110； II，III轴是花键轴，取 K=1.07，A=77。所以 d1 (110 1.05) 42.94 mm25.4mm，取 30mm125014金属切削机床车床课程设计d(771.07) 42.92mm20.3mm,取 25mm2800d3(771.07) 4 2.88mm24.0mm ,取 30mm400d4(1101.05) 42.85 mm35.5mm ，取 40mm315此轴径为平均轴

22、径，设计时可相应调整, 实际取值均大于计算值。4.3齿轮齿数的确定和模数的计算当各变速组的传动比确定以后，可确定齿轮齿数。对于定比传动的齿轮齿数可依据机械设计手册推荐的方法确定。对于变速组内齿轮的齿数，如传动比是标准公比的整数次方时，变速组内每对齿轮的齿数和Sz 及小齿轮的齿数可以从 1 表 3-6 （机械制造装备设计）中选取。一般在主传动中，最小齿数应大于1820。采用三联滑移齿轮时，应检查滑移齿轮之间的齿数关系：三联滑移齿轮的最大齿轮之间的齿数差应大于或等于4，以保证滑移是齿轮外圆不相碰。4.3.1齿轮齿数的计算第一组齿轮：传动比： i1 =1,i2 =1/1.26,i 3 =1/1.58

23、金属切削机床（戴曙主编）表8-1 ，齿数和 Sz 取 70Z =35， Z 2 =35， Z 3 =31, Z4 =39, Z5 =27, Z 6 =43；第二组齿轮：传动比： i11, i2 =1/2 ，齿数和 Sz 取 84：Z7 =42， Z8 =42 ， Z9 =28,Z10 =56；第三组齿轮：15金属切削机床车床课程设计传动比： i1 =1.58, i2 =1/2.52齿数和 Sz 取 98：Z11 =60， Z12 =38 ， Z13 =28， Z14 =70；4.3.2齿轮模数的计算（ 1） - 轴：按齿轮弯曲疲劳计算：mw323N2.94（机床主轴变速箱设计指导 3P36，

24、n j 为大齿轮=3231.25Zn j40 1250的计算转速，可根据转速图确定）按齿面点蚀计算：A 3703N370 3 2.9449.2n j1250取 A=50由中心距 A 及齿数计算模数：2A2 50圆整为 mj 2.0mjz21.39z172模数因取 mw 和 m j 中较大值。故第一变数组齿轮模数因取m=2.0（ 2） - 轴：按齿轮弯曲疲劳计算：mw 32 3N2.923231.36Znj48 800按齿面点蚀计算：A 3703N3703 2.9256.97n j800取 A=60由中心距 A 及齿数计算模数：mj2A260z21.67z17216金属切削机床车床课程设计同理

25、第二转动组齿轮模数取m=2.0（ 3） - 轴：按齿轮弯曲疲劳计算：mw323N2.88=3231.61Zn j57 400按齿面点蚀计算：A 3703N370 3 2.8871.45n j400取 A=722 A2 72m jz21.8z180故第三传动组取 m=2.(4) 标准齿轮：20度， h*1， c*0.25从机械原理 9 表 10-2查得以下公式齿顶圆 da( z2h* a )m齿根圆 df( z2h* a2c* ) m分度圆 d = mz齿顶高 ha= h* a m齿根高 hf= (h* a+ c* )m齿轮的具体值见表 5:表 4-1齿轮尺寸表齿轮齿数模数分度圆齿顶圆齿根圆zm

26、dd ad f13627276672362727667齿顶高齿根高hah f22.522.5332264685922.517金属切削机床车床课程设计440280847522.5528256605122.5644288928322.5736272766722.5836272766722.5924248524322.510482961009122.511492981029322.51231262665222.51323246504122.51457211411810922.54.3.4齿宽确定由公式 Bmmm610, m为模数得：第一套啮合齿轮BI61021220mm第二套啮合齿轮 BII6102

27、1220mm第三套啮合齿轮 BIII61021220mm一对啮合齿轮，为了防止大小齿轮因装配误差产生轴向错位时导致啮合齿宽减小而增大轮齿的载荷，设计上，应主动轮比小齿轮齿宽大所以 B1 16mm, B216mm ， B320mm ， B416mm ，18金属切削机床车床课程设计B520mm, B616mm, B716 mm, B816mm, B920mm, B1016mm ，B1116mm, B1220mm, B1320 mm, B1416mm4.4带轮结构设计查机械设计（濮良贵、纪名刚编）教材 P161知，当带轮基准直径 错误！未找到引用源。时，带轮可做成腹板式结构。并由机械设计 （濮良贵、

28、纪名刚编）表 8-10 知，带轮的轮槽截面尺寸如下：带轮槽宽 错误！未找到引用源。轮槽基准直径到带轮外圆的最小高度错误！未找到引用源。轮槽基准直径到带轮底部的最小高度错误！未找到引用源。带轮分度圆 ( 基准直径 ) 齿槽宽错误！未找到引用源。带轮齿跟角 错误！未找到引用源。基准圆直径 错误！未找到引用源。（大带轮）错误！未找到引用源。(d 为轴的直径，此处的d 为轴直径 )带轮宽度 错误！未找到引用源。,L 为轴与带轮接触长度fmin9 。4.5圆柱齿轮的强度计算2KT1YFaYSaF1 校核 a 传动组齿轮bm校核齿数为 28 的即可，确定各项参数1）由于 P2.94kw, n1250r /

29、 min ，则：T 9.55106P / n9.551062.94 /12502.25 104 N mm计算可知： Ft2T / d222500 / 56 803.6 N2）取齿宽系数 d1，模数 m2.0 ，则 b1 2.0 2856mm3）计算圆周速度： vdn56 1250601000603.66 m / s100019金属切削机床车床课程设计4）齿轮精度为 7 级，v3.66m / s 由机械设计图 10-8 查得动载系数 Kv1.15由机械设计表10-4 查得K HK F1.425)确定动载系数 : KK AK v K F K H1.01.151.42 1.47 2.46)查表 10

30、-5 得： YFa2.55 ， FSa1.617) 计算弯曲疲劳许用应力由图查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限FE540Mp a 。图 10-18 查得K FN0.9 ,S = 1.3F 0.9540374Mp a1.3F 374，YFa YSa91.12.55 1.61KFt2.4803.689.3bm5617.222故合适。校核 b 传动组齿轮2校核齿数为 24 的即可，确定各项参数）由于 P 2.92kw， n800r / min ，则：1T9.55106P / n 9.551062.92 / 800 3.49104 N mm计算可知 Ft 2T / d234900 / 481454.2N2)

31、 取齿宽系数d1，模数 m2.0 则 b1 2.0 24 48mm3) 计算圆周速度： vdn488006010006010002.00 m / s4）齿轮精度为7 级，由机械设计图10-8 查得动载系数 K v1.02 ，由机械设计表 10-4 查得：K HK F1.385）确定动载系数 :KK AK v K F K H1.01.02 1.38 1.401.976）查表 10-5 得：YFa2.65 ， FSa1.5820金属切削机床车床课程设计7）计算弯曲疲劳许用应力由图查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限FE540Mp a 。图 10-18 查得 K N0.9, S1.3F 0.9540374M

32、p a1.3F 37489.3 ，YFa YSa 2.65 1.58KF t1.971454.289.3bm48229.84故合适。3 校核 c 传动组齿轮校核齿数为 23 的即可，确定各项参数1) 由于P2.88kw ， n 400r / min ，则：T 9.55106P / n9.5510 62.88 / 4006.876 10 4 N mm计算可知： Ft2T / d268760 / 462989.56 N2) 取齿宽系数 d1，模数 m2，则 b12 23 46mm3) 计算圆周速度：vdn464006010006010000.963m / s4) 齿轮精度为 7 级，由机械设计图

33、10-8 查得动载系数 K v 0.88 ，由机械设计查得：K HK F1.25）确定动载系数 : KK AK v K F K H1.00.881.2 1.27 1.346）查表 10-5 可知： YFa2.65 ， FSa1.587）计算弯曲疲劳许用应力由图查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限FE540Mp a 。图 10-18查得 KN 0.9,S = 1.30.9540 F 374Mp a1.321金属切削机床车床课程设计 F 374，YFa YSa89.32.65 1.58KFt1.342989.56bm46 2故合适。43.5489.34.6传动轴的验算对于一般传动轴要进行刚度的验算，轴的刚

34、度验算包括滚动轴承处的倾角验算和齿轮的齿向交角的验算。如果是花键还要进行键侧压溃应力计算。以轴为例，验算轴的弯曲刚度、花键的挤压应力图 4-1 轴受力分析图图 4-1 中 F1 为齿轮 Z4 （齿数为 40）上所受的切向力 Ft1 ，径向力 Fr 1 的合力。 F2 为齿轮 Z7 （齿数 36）上所受的切向力 Ft 2 ，径向力 Fr 2 的合力。各传动力空间角度如图4-2 所示，根据表4-2 的公式计算齿轮的受力。22金属切削机床车床课程设计图 4-2 轴空间受力分析表 4-2 齿轮的受力计算齿轮 40齿轮 36传齿齿F1分F1分转轮面在在11FF递传动度切度T9.55 106P速压摩切向合 X在合 X在n功转矩圆向圆Ftn力2T力 擦 力轴 Z力 轴 Zd率T直力直Ftr/m角角t11投轴 投2投轴 投FcosPN·mmFFFt2F径径inNNNd zm影影 z1影影 z2kwFNFdd12°°Fz1NFz2NNmmNmm2.980348592696.921.96810107102420206871.67480.330.5727.576.6从图 7 及计算结果看出，轴在X、Z 两个平面上均受到两个方向相反力的作用。根据图 8 所示的轴向位置，分别计算出各平面挠度、倾角，然后进行合成。根据机械制造工艺、金属切削机床设计指导