哈工大综合课程设计二：卧式升降台铣床

1、综合课程设计 = 2 * ROMAN II工程总结报告题 目：卧式升降台铣床主传动系统设计院 系 机电工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化学 生 学 号 班 号 1008104 指导教师 填报日期 哈尔滨工业大学机电工程学院制2021年11月哈尔滨工业大学综合课程设计II任务书姓 名： 院 系：机电工程学院专 业：机械设计制造及其自动化 班 号：1008104 学 号： 任务起止日期：2021年11月18日 至2021年12月6日课程设计题目：32012500mm2卧式升降台铣床主传动系统设计主要内容：设计说明书，包括机床的运动设计，传动件校核，结构设计，零件验算。图纸，包括A0展开图1张

2、，A1截面图1张。辩论PPT与结题报告。技术要求：32012500mm2卧式升降台铣床，其级数Z=12，最小转速28r /min，公比为1.41，功率N kW 。进度安排：按照机械制造及自动化系?综合课程设计II?实施细那么 2021年根本流程和进度安排执行。指导教师签字： 年 月 日 教研室主任意见：教研室主任签字： 年 月 日 目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc374133492 第1章 工程背景分析 PAGEREF _Toc374133492 h 1 HYPERLINK l _Toc374133493 1.1. 综合课程设计II的目的 PAGEREF

3、 _Toc374133493 h 1 HYPERLINK l _Toc374133494 1.2.金属切削机床在国内外开展趋势 PAGEREF _Toc374133494 h 1 HYPERLINK l _Toc374133495 第2章 研究方案要点与执行情况 PAGEREF _Toc374133495 h 1 HYPERLINK l _Toc374133498 2.1.设计任务 PAGEREF _Toc374133498 h 1 HYPERLINK l _Toc374133499 2.2.进度安排 PAGEREF _Toc374133499 h 2 HYPERLINK l _Toc3741

4、33500 第3章 工程关键技术的解决 PAGEREF _Toc374133500 h 2 HYPERLINK l _Toc374133501 第4章 具体研究内容与技术实现 PAGEREF _Toc374133501 h 3 HYPERLINK l _Toc374133502 4.1. 机床的规格及用途 PAGEREF _Toc374133502 h 3 HYPERLINK l _Toc374133512 4.2. 运动设计 PAGEREF _Toc374133512 h 3 HYPERLINK l _Toc374133513 1.确定极限转速： PAGEREF _Toc374133513

5、h 3 HYPERLINK l _Toc374133514 2.确定结构网或结构式： PAGEREF _Toc374133514 h 3 HYPERLINK l _Toc374133515 3.绘制转速图： PAGEREF _Toc374133515 h 4 HYPERLINK l _Toc374133516 4.绘制传动系统图 PAGEREF _Toc374133516 h 5 HYPERLINK l _Toc374133517 1确定变速组齿轮传动副的齿数 PAGEREF _Toc374133517 h 5 HYPERLINK l _Toc374133519 2核算主轴转速误差 PAGER

6、EF _Toc374133519 h 6 HYPERLINK l _Toc374133573 4.3. 动力设计 PAGEREF _Toc374133573 h 7 HYPERLINK l _Toc374133574 1.传动件的计算转速 PAGEREF _Toc374133574 h 7 HYPERLINK l _Toc374133623 2.传动轴直径初定 PAGEREF _Toc374133623 h 7 HYPERLINK l _Toc374133624 3.主轴轴颈直径确实定 PAGEREF _Toc374133624 h 8 HYPERLINK l _Toc374133625 4.

7、齿轮模数的初步计算 PAGEREF _Toc374133625 h 8 HYPERLINK l _Toc374133626 4.4. 画传动系统图 PAGEREF _Toc374133626 h 9 HYPERLINK l _Toc374133628 4.5. V带的选择及计算 PAGEREF _Toc374133628 h 10 HYPERLINK l _Toc374133629 1.初定中心距ao PAGEREF _Toc374133629 h 10 HYPERLINK l _Toc374133630 2.确定V带计算长度L PAGEREF _Toc374133630 h 10 HYPER

8、LINK l _Toc374133631 3.确定中心距a PAGEREF _Toc374133631 h 11 HYPERLINK l _Toc374133632 4.验算小带轮包角 PAGEREF _Toc374133632 h 11 HYPERLINK l _Toc374133633 5.计算V带的根数 PAGEREF _Toc374133633 h 11 HYPERLINK l _Toc374133634 4.6. 结构设计 PAGEREF _Toc374133634 h 11 HYPERLINK l _Toc374133635 1.展开图设计 PAGEREF _Toc37413363

9、5 h 11 HYPERLINK l _Toc374133640 2.截面图及轴的空间布置 PAGEREF _Toc374133640 h 13 HYPERLINK l _Toc374133641 4.7. 零件的验算 PAGEREF _Toc374133641 h 13 HYPERLINK l _Toc374133642 1直齿圆柱齿轮的应力计算 PAGEREF _Toc374133642 h 13 HYPERLINK l _Toc374133643 2齿轮精度确实定 PAGEREF _Toc374133643 h 15 HYPERLINK l _Toc374133644 3传动轴的弯曲刚度

10、验算 PAGEREF _Toc374133644 h 15 HYPERLINK l _Toc374133645 4主轴主件静刚度验算 PAGEREF _Toc374133645 h 17 HYPERLINK l _Toc374133646 第5章 存在的问题与分析 PAGEREF _Toc374133646 h 21 HYPERLINK l _Toc374133647 第6章 技术指标分析 PAGEREF _Toc374133647 h 21 HYPERLINK l _Toc374133648 参考文献 PAGEREF _Toc374133648 h 22第1章 工程背景分析综合课程设计II的

11、目的机床课程设计，是在金属切削机床课程之后进行的实践性教学环节。其目的在于通过机床主运动机械变速传动系统的结构设计，使学生在拟定传送和变速的结构方案中，得到设计构思、方案分析、结构工艺性、机械制图、零件计算、编写技术文件和查阅技术资料等方面的综合训练，树立正确的设计思想，掌握根本的设计方法，并培养学生具有初步的结构分析、结构设计和计算能力。金属切削机床在国内外开展趋势机床作为加工的母机，总是要保证和提高加工质量和生产率，随着科技的不断进步，各种机床也相应地不断开展与更新，如性能参数的提高、功能的扩大、切削功率的加大，自动化程度的提高，机床动态性能的不断改善，加工精度的不断提高，根底元件的不断创

12、新，控制系统的更新等等。我国机床工业的开展趋势：根据机床工具工业局对振兴我国机床工业的设想，要在以后相当长时期内限制和压缩落后机床的生产，要化大力气开展高性能、高效率、高水平的适合国民经济需要的“高档产品，改善机床品种的构成比。重点开展机、电、仪结合的产品。注意在冲压、电加工、激光、等离子加工中应用数控技术。国外机床工业的开展，特别讲究机床的精度、效率，讲究机床制造工艺技术水平，试验分析与理论研究。从七十年代以来，国外已普遍推广使用数控机床。日本和美国已建成柔性自动化生产车间和柔性自动化工厂，整个机床制造的技术水平和自动检测控制技术已有大幅度提高。 第2章 研究方案要点与执行情况设计任务机械制

13、造及其自动化专业的“综合课程设计II，是以车床和铣床主传动系统设计为内容，每个学生设计参数不同，完成展开图和截面图各一张及相关计算和文件和工程结题报告。1设计内容要求图纸工作量：画两张图。其中：开展图A0：轴系展开图。其中摩擦离合器、制动和润滑不要求画，但要求掌握；操纵机构只画一个变速手柄。截面图A1：画剖面轴系布置示意图包括截面外型及尺寸、车床标中心高。2标注： 中心距、 配合尺寸、定位尺寸、中心高车床、外型尺寸。3标题栏和明细栏不设明细表，件号采用流水号1，2，3，标注，标准件的标准直接标在图纸上件号下面；标题栏采用标准装配图的标题栏18056，其中，图号：KS01表示：课设01 号图纸；

14、单位：哈尔滨工业大学；图名：主传动系统装配图。4主轴端部结构要按标准画。5按模板编写?工程总结报告?，相关设计计算内容，写到“具体研究内容与技术实现项中。要求验算：一对齿轮，小齿轮验算接触弯曲强度，大齿轮验算接触弯曲强度，一根传动轴，主轴按两支撑计算。进度安排一、运动设计根据给定设备的用途规格、调速范围、极限转速的、公比和功率要求，拟定传动方案，确定传动系统图和转速图。二、动力设计根据功率和速度，选择电机型号，确定各传动件计算转速，初算传动件尺寸、绘制装配图草图，验算传动件的应力、刚度、寿命等参数。 三、结构设计绘制主传动系统展开图和截面图，完成传动件、箱体、操纵机构零部件结构设计。完成相关技

15、术文档，形成工程总结报告。第3章 工程关键技术的解决减速箱内各级减速比分配、齿轮模数齿数齿宽的选取和机床功率的计算为本次设计的关键内容，解决以上问题可以完成机床根本功能的实现以及机床正常运行的保证。同时主轴箱内传动件的空间布置是极其重要的问题之一，变速箱内各传动轴的空间布置首先要满足机床总体布局对变速箱的形状和尺寸的限制，还要考虑各轴受力情况，装配调整的操纵维修的方便。其中齿轮的布置与排列是否合理将直接影响主轴箱的尺寸大小、结构实现的可能性以及变速操纵的方便性。主轴传动件的合理布置也很重要。合理布置传动件在主轴上的轴向位置，可以改善主轴的受力情况，减小主轴变形，提高主轴的抗振性。第4章 具体研

16、究内容与技术实现4.1. 机床的规格及用途通用机床，加工范围广泛，用于各种圆柱铣刀、盘铣刀、成型铣刀、端铣刀、角度铣刀等来铣削各种斜面、成型外表、沟槽及齿轮、螺旋槽等。参数如下：类型工作台mm2公比nmin级数Z功率KW卧式升降台铣床32012500281244.2. 运动设计1.确定极限转速：由设计要求，车床的主轴最小转速是,主轴转速级数,公比，故可得出,。根据的公比、最小转速和级数计算最大转速和各级转速，查标准数列得到各级转速分别为：28、40、56、80、112、160、224、315、450、630、900和1250。2.确定结构网或结构式：根据传动副“前多后少的原那么，选择主轴转速结

17、构式。根据级数要求，需要有一组重复的转速。故其转速结构式及级比指数为。，符合要求。那么系统的结构网如下列图：3.绘制转速图：选定电动机铣床为一般金属切削机床的驱动，没有特殊性能要求，所以采用Y系列封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机。Y系列电动机高效、节能、启动转矩大、噪声低、振动小、运行平安可靠。根据?机械设计手册?选择电动机的型号为Y112M-4，同步转速1500r/min，满载转速1440r/min，功率。 分配总降速传动比最后扩大组的级比指数为6，同时升速和降速都不能超过极限范围，所以III轴的最低转速只能为112r/min，根据 “前慢后快的原那么II轴的最低转速可以为224r/min或

18、315r/min，选择较低转速虽然可以减小发热和噪声，但这两根轴上的齿轮副模数会略大，所以选择为315r/min。电机转速为1450r/min，带轮传动的传动比不能过大，所以I轴的转速定为630r/min。确定传动轴的轴数变速机构共需要4个轴，加上电机轴，所以一共有5个轴。绘制转速图如下：4.绘制传动系统图因为零件的参数尚未确定，先根据转速图，按传动副的传动比较定一个主传动系统草图如下：1 确定变速组齿轮传动副的齿数可用计算法或查表法选定齿轮的齿数各个变速组双轴间的齿数和 QUOTE 确实定 式中： QUOTE 同一变速组中的最小传动比，第一、二变速组，第三变速； QUOTE 同一变速组中最小

19、齿轮齿数，。根据计算结果选定第一变速组的齿数和为60，小齿轮齿数分别为20、25、30。为了减少齿轮数，将齿轮7作为公用齿轮，齿轮7的齿数为40，作为第二变速组升速局部的大齿轮，那么齿轮9的齿数为40，所以第二变速组的齿数和为80，齿轮6齿数为21，齿轮8齿数为59。不必采用变位齿轮。第三变速组计算结果为，选择齿数和为95，查表得小齿轮的齿数分别为19和32。2 核算主轴转速误差实际传动比所造成的主轴转速误差，一般不超过 QUOTE ，即= QUOTE 。带传动的传动比为，所以I轴的实际转速为，那么通过齿轮齿数计算的实际主轴转速误差如下表：主轴转速误差与规定值之间的比较标准转速r/min实际转

20、速计算式实际转速r/min转速误差%在标准范围内28405680112160224315450630900125012744.3. 动力设计零件的计算，需要知道它们的计算转速nj,即参与传递全功率的最低转速、传递全扭矩的最高转速。各零件的计算转速可从转速图上按主轴的计算转速确定。1.传动件的计算转速计算转速为主轴或传动件传递全部功率时的最低转速，所以各轴的计算转速和齿轮的计算转速分别如下表各传动轴计算转速表轴序号IIIIIIIV计算转速r/min63031511280各齿轮计算转速表序号12345678910111213计算转速r/min6306306304506303153151123151

21、1231522480各带轮计算转速表带轮直径/mm125280计算转速r/min14506302.传动轴直径初定传动轴直径按扭转刚度用下式进行概算 式中传动轴直径mm；该轴传递的功率kW；该轴的计算转速r/min； 该轴每米长度允许扭转角deg/m，一般传动轴取 QUOTE 1。 这里取。那么各个轴的初算直径为I轴取为。II轴取为。III轴取为。3.主轴轴颈直径确实定由参考文献1表3-13查得主轴前轴颈的直径，取为80mm。后轴颈的直径。取为65mm。尽量使主轴截面变化要小，外径尺寸要缓减。铣床主轴内孔直径按铣床主轴端部尺寸标准选取。主轴材料选为45号钢，调质处理，在主轴端部、锥孔、定心轴颈和

22、定心锥面处进行高频局部淬火。4.齿轮模数的初步计算同一变速组中的齿轮取同一模数，选择负荷最重的小齿轮，第一变速组选择齿轮1计算，第二变速组选择齿轮6计算，第三变速组选择齿轮11计算。按简化的接触疲劳强度公式进行计算：式中 QUOTE 按接触疲劳强度计算的齿轮模数mm；驱动电动机功率；计算齿轮的计算转速大齿轮齿数与小齿轮齿数之比小齿轮齿数；齿宽系数，为齿宽，为模数，取8；许用接触应力，一般的机床寿命为610年，齿轮材料为调质45号钢外表淬火，查得许用接触应力。那么初步计算各个传动组的齿轮模数如下：第一变速组的齿轮1第二变速组的齿轮6 第三变速组的齿轮11取第一、第二变速组的模数相等，便于减少设备

23、本钱，所以模数m1 m2为。第三变速组的齿轮模数m3选择为。4.4. 画传动系统图 4.5. V带的选择及计算1.初定中心距ao由前面局部V带轮直径的选择结合公式有ao2d1d2 2100250 210700mm取ao400 mm2.确定V带计算长度L Lo1363.8 mm据?设计指导?P30表计算长度取L1400 mm。3.确定中心距a a = 取a418 mm4.验算小带轮包角 满足要求。5.计算V带的根数 , 取Z3根4.6. 结构设计1 展开图设计1齿轮布置齿轮布置图2主轴主件设计主轴结构图2.截面图及轴的空间布置截面图由于滑移齿轮轴心离箱体壁距离较大，且滑移行程较长，故采用拨叉沿导

24、向杆滑动来操纵滑移齿轮。摆动拨叉通过滑块与滑动拨叉尾端的槽接触，滑块做圆弧运动转化为拨叉的滑动，实现滑移。使用钢球弹簧作为定位的手柄座可以使操作杆拨动到指定位置即停下并锁紧方便工人操作。4.7. 零件的验算1直齿圆柱齿轮的应力计算选择传动组c中的Z19和Z76进行接触应力和弯曲应力进行验算。接触应力验算公式为弯曲应力验算公式为式中：N传递的额定功率kW, ; Nd电动机的功率kW; 从电动机到计算齿轮的传递效率； 计算转速r/min； 齿轮模数mm； 齿宽mm； Z小齿轮齿数； u大齿轮齿数和小齿轮齿数之比； 寿命系数： 工作期限系数： T齿轮在机床工作期限内的总工作时间h ，对于中型机床的齿

25、轮取。同一变速组内的齿轮总工作时间可近似地认为，p 为该变速组的传动副数。此处取Ts=15000h，p=2，那么T=7500h。 齿轮的最低转速r/min，此处小齿轮为315，大齿轮为 80；基准循环次数，钢和铸铁件：接触载荷取，弯曲载荷取；m 疲劳曲线指数，钢和铸铁件，接触载荷取m=3，弯曲载荷时，对正火、调质及整体淬硬件取m=6，对外表淬硬高频、渗碳、氮化等取m=9；此处解得小大。转速变化系数，此处取；功率利用系数，此处取；材料强化系数，此处取；解得。K3工作状况系数，考虑载荷冲击的影响，主运动中等冲击取；动载荷系数，此处取； 齿向载荷分布系数，此处取；Y 齿形系数，大齿轮取； -许用接触

26、应力MPa ，查表3-9， =1100MPa ；-许用弯曲应力MPa ，查表3-9， =320MPa 。代入式中得2齿轮精度确实定 齿轮精度等级的选择根据它的用途、圆周速度、载荷状况和对振动、噪声、使用寿命等方面的要求确定。 本设计中齿轮传递的速度和功率都不太大，应选用7级精度的圆柱齿轮。3传动轴的弯曲刚度验算(1)传动轴II 的弯曲载荷齿轮传动轴同时受输入扭矩的齿轮驱动力Qa 和输出扭矩的齿轮驱动阻力Qb的作用而产生弯曲变形，当齿轮为直齿圆柱齿轮时，其啮合角20，齿面摩擦角时，其弯曲载荷由下式计算：式中：N 该齿轮传递的全功率( kW )，此处取N =4kWm, z该齿轮的模数(mm)、齿数

27、n该传动轴的计算工况转速( r /min )， 该轴输入扭矩的齿轮计算转速( r /min ) 该轴输出扭矩的齿轮计算转速( r /min )选取II 轴进行弯曲刚度验算，输入齿轮选取58，其计算转速为425r/min，输出齿轮选取29，其计算转速为275r/min，那么II 轴的计算工况转速为425r/min。带入式4-8计算得：(2)验算两支承传动轴的弯曲变形齿轮传动轴的抗弯刚度验算，包括轴的最大挠度，滚动轴承处及齿轮安装处的倾角验算。 其值均应小于允许变形量y及， 允许变形量见参考文献 6表，得y = (0.01 0.03)m= 3 (0.01 0.03) =(0.03 0.09)mm为

28、了计算上的简便，可以近似地以该轴的中点挠度代替最大挠度，其最大误差不超过3%。假设两支承的齿轮传动轴为实心的圆形钢轴，忽略其支承变形，在单在弯曲载荷作用下,其中点挠度为：式中：l两支承间的跨距(mm)，对于轴，l=382mmD该轴的平均直径(mm)，本轴的平均直径D=40mm 齿轮的工作位置至较近支承点的距离(mm)140 mm；60 mm代入数据得： 计算在驱动力Qa 和驱动阻力Qb 同时作用下，传动轴中心的合成挠度，可按余弦定理计算式中：被验算轴的中心合成挠度mm 输入扭矩的齿轮在轴的中点引起的挠度(mm) 输出扭矩的齿轮在轴的中点引起的挠度(mm)驱动力a Q 和阻力b Q 在横剖面上,

29、两向量合成时夹角在横剖面上,被验算的轴与其前、后传动轴连心线的夹角，按被验算的轴的旋转方向计量,由剖面图上可得=180o 。啮合角20，齿面磨擦角=5.72 ，得代入式中计算，得未满足要求。传动轴在支承点A，B 处的倾角 时,可按下式进行近似计算：满足要求4主轴主件静刚度验算1主轴支承跨距 L 确实定选定前端悬伸量 C，主轴前端的悬伸长度，即从主轴外侧前支撑中点滚锥轴承及向心推轴承那么是接触角法线与轴线的交点处到主轴前端的距离，这里选定 C=50mm。一般最正确跨距L0= 23C=100150mm。考虑到结构以及支承刚度会因磨损不断降低，应取跨距L比最正确跨距L0大一些。再考虑到结构需要，这里

30、取L=267mm。2计算条件确实定变形量允许值：验算主轴轴端的挠度 y0，对普通机床前端挠度的允许值y0，目前广泛使用经验数据为：mm，其中 L为主轴两支撑间的距离mm。本设计中 L=267mm，故前端挠度的允许值y0应不大于。验算时以此作为是否合格的依据。3轴组件的静刚度验算 1.yc 是由多种条件共同产生的结果，实际轴承的刚度与其负荷，为防止这种误差，本次验算按如下方法进行主轴组件的刚度验算。计算简图如图 选定如图的直角坐标系，求各力同时作用下，前后轴承负荷的大小及其方向角，并判定象限建立方程组计算主轴前后支撑处的支反力。F 的 x 方向：P cos P FxB Q cosQ FxA 0F

31、 的 y 方向：P sin P FyB Q sinQ FyA 0M 在 B 点的水平投影：FxA (a b) Q cosQ b P cos P c 0M 在 B 点的垂直投影：FyA (a b) Q sinQ b P sin P c 0解得：FxAFyAFxBFxB即 FA ，方向与 x 轴正方向夹角 FA。FBN ，方向与 x 轴正方向夹角 FB 。前后轴承的负荷大小与支反力大小相同，方向相反。故前后轴承的负荷为：RAN ，方向与 x 轴正方向夹角 FA 。FBN ，方向与 x 轴正方向夹角 FB 。 2.按轴承的合成负荷 R，计算轴承的弹性位移R /C；滚动轴承的径向刚度是支承刚度的主要局

32、部，支承刚度还包括轴承环与轴颈及箱体孔的配合外表间的接触刚度。预紧的滚动轴承可以提高刚度，计算时可以忽略轴承环与轴颈及箱体孔之间的接触刚度。仅以滚动轴承的游隙为零时，承受径向载荷来计算轴承的径向刚度，圆锥滚子轴承的径向刚度计算公式如下：式中：i滚动体列数Z每列中滚动体数l0滚子有效长度mmR轴承的径向负荷N轴承的接触角deg代入得: 前后支撑轴承的弹性位移： 3.分别计算各作用力对弹性主轴前端c 点产生的挠度；由简单载荷下简支轴的变形，轴本身变形引起的轴c 点挠度公式， 式中各参数定义与之前保持一致。那么力偶矩代入，得： =mm式中：P、Q载荷力E材料的弹性模量，钢的E=2.1105MPaI、Is分别为轴的l 段、s 段的抗弯惯性矩，计算公式为解之得：P、Q共同作用c点挠度分解mm mm4.将轴承的弹性位移分解为直角坐标分量，并计算它对主轴前端c 点产生的相应挠度值A 点：Ax A cos( 130.6 ) mmAy