轴承专用车床主传动系统设计本科毕业论文

摘要洛阳理工学院毕业设计（论文）PAGEIVPAGE4轴承专用车床主传动系统设计摘要作为主要的车削加工车床，轴承套圈专用车床是适合大批量生产，大功率，高效率的半自动化车床，它主要用于轴承套圈的车削加工，也可用于加工盘类、短轴类、套类等零件，在该机床上采用多把刀具同时加工零件，也可采用仿形刀架加工各成型表面。本设计主要针对液压卡盘多刀仿形车床主传动系统进行设计。主传动系统的功用是支撑主轴和传动其旋转，并使其实现起动、停止、变速、变向等。主传动系统的传动机构包括定比机构和变速机构两部分，前者仅用于传递运动和动力，或进行升速、降速，采用齿轮传动副；后者用来使主轴变速，采用滑移齿轮变速机构，其结构简单紧凑，传动效率高。开停装置用于控制主轴的起动和停止。换向装置用于改变主轴的旋转方向。设计的内容主要有机床主要参数的确定，传动方案和传动系统图的拟定，对双向片式摩擦离合器进行设计，它是主轴的起动和停止以及换向装置，对离合器的主要零件摩擦片进行计算和验算，利用CAD绘图软件进行零件的设计和处理。关键词：车床，床头箱，换向，离合器

SPECIALLATHEBEARINGMAINTRANSMISSIONSYSTEMDESIGNABSTRACTAsthemainlatheworklathe,speciallathesbearingringsaresuitableformassproduction,highpower,highefficiencyofsemi-automaticlathe,whichismainlyusedforturningbearingrings,andcanalsobeusedforprocessingdisktype,brachyaxistype,asetofkindandsoon.Inaddition,itusesmanycutterssimultaneouslytoprocessesthecomponents,andmayalsouseduplicatingtoolresttoprocesseachkindofformedsurface.Thisdesignmainlyaimsatthehydraulicchukmulti-knifeshapinglatheheadstock.Maindrivesystemistopropupthefunctionofitsrotationofaxisandthedriveandmakeitstart,stop,speedchange,direction-convertingetc.Thedrivingmechanismofmaindrivensystemmainlyincludetwoparts,constantproportionmechanismandgearshiftmechanism.Theheformerisonlyusedforthetransmissionofmotionandpowerthroughgearpair,orhoistingspeed,settlingvelocity;Thelatterisusedtochangethevelocityofspindlethroughshiftmechanismofslippinggear,thestructureofwhichissimpleandcompact,withhightransmissionefficiency.Theshartingandbrakingdevicesareusedtocontrolthespindleofitsstartandstop.Thereversingdeviceisusedtoalterthedirectionofspindlerotation.Themaincontentsofthemachinetoolcontainsettlesoftheparameter,toascerttheprojectoftransmissionanddrawingofdrivesystem,thedesignoffrictionclutchofdouble-disk,whichisthedeviceofstart,stopandcommutationforthespindle,calculationandcheckingforthemajorpartsandfrictionplate,utilizationofCADpaintingsoftwaretocarryonthedesignandprocessingofparts.KEYWORDS:lathe,headstock,direction-converting,clutch前言目录30595前言 110513第1章概述 354581.1轴承环卡盘多刀车床的用途 3197091.2机床的总体布置 373961.3机床的主要技术参数 317383第2章国内外同类机床分析比较 5226322.1国内外同类机床参数的分析比较 5218172.2内外同类机床结构特点及精度分析比较 52.2.1结构特点19709 52.2.2国内外同类机床精度分析比较19709 718952第3章机床的运动设计 8295963.1极限转速的确定 8192123.2转速系数公比的确定 9111843.3主电机功率的确定 10243713.4主传动系统的拟定 11631第4章主要零件的设计计算 1747434.1三角胶带传动的计算 17182114.2传动轴的计算 194.2.1传动轴的直径估算18211 194.2.2传动主轴的结构设计1766 2017664.3齿轮的计算 2027904.3.1齿轮模数估算 20165634.3.2齿轮模数验算 21289784.4片式摩擦离合器的计算 22244104.5主轴的弯曲刚度校核 2488414.5.1主轴的受力分析 24124684.5.2切削力的计算 24156154.5.3主轴前端挠度及前支撑的转角 26312104.6Ⅳ轴上花键侧挤压力验算 30192534.7Ⅱ轴承寿命的验算 31288824.8Ⅳ轴上轴承寿命验算 32201524.9轴承专用车床主传动系统设计的改进 3629217结论 3828551谢辞 399128参考文献 40外文资料翻译 41前言现代化工业生产的特征主要表现在高生产率和先进的技术经济指标两方面，而这些首先取决于机械制造工业提供的装备的技术水平。机床工业是机器制造业的重要部门，担负着为农业、工业、科学技术和国防现代化提供技术装备的任务，在整个国民经济中占有重要地位。而在一般的机械制造中，机床所负担的加工工作量，约占机械制造总工作量的40％～60％。从质的方面来说，既然机床是制造各种装备和机器的，那么机床的性能就必然直接影响机械产品的性能、质量和经济性。因此，机床是国民经济中具有战略意义的基础工业。机床工业的发展和机床技术水平的提高，必然对国民经济的发展起重大的推动作用。一个国家机床工业的技术水平、机床的拥有量和现代化程度，是衡量这个国家工业生产能力和技术水平的重要标志之一。此毕业设计就是着眼与轴承生产工业机床的设计。轴承的生产过程比较简单，工艺并不十分复杂，需要机床加工最多的的就是轴承环的机加工过程，并且轴承环的加工是大批量生产。因此，进行轴承环专用机床的设计是很有意义的。轴承套圈车床是适合大批量生产的大功率、高效率的半自动车床。它主要用于轴承环的车削加工，也可用于加工盘类、短轴类、套类等零件。在该机床上可以采用多把刀具同时加工零件，也可采用仿形刀架加工各种成型表面。该机床由电器、电磁联合控制，实现自动工作循环。因此，可以较容易地联入自动线中。1.1车床的用途和运动车床类机床主要用于加工各种回转表面，如内外圆柱表面、圆锥表面、成形回转表面和回转体的端面等，有些车床还能加工螺纹面。由于多数机械零件具有回转表面，车床的通用性能较强，因此在机械制造中，车床的应用极为广泛。在车床上使用的刀具，主要是各种车刀，有些车床还可以采用各种孔加工刀具如钻头、扩空钻和绞刀等和螺纹刀具如丝锥、板牙等。1.表面的成形运动（1）工件的旋转运动这是车床的主运动，其转速较高，消耗机床功率的主要部分。（2）刀具的移动这是车床的进给运动。刀具可作平行于工件旋转轴线的纵向进给运动或作垂直于工件旋转轴线的横向进给运动。进给量常以主轴每转刀具的移动量计。车削螺纹时，只有一个复合运动：螺旋运动。它可以被分解为两部分：主轴的旋转和刀具的移动。2.辅助运动为了将毛坯加工到所需的尺寸，车床还应有切入运动。有的还有刀架纵、横向的机动快移。重型车床还有尾架的机动快移。1.2车床的分类车床的种类很多，按其机构和用途，主要可分为几类：卧式车床和落地车床、立式车床、转塔车床、单轴和多轴自动和半自动车床、仿形车床和多刀车床、数控车床和车削中心、各种专门化车床等。此外，在大批大量生产的工厂中还有各种各样的专用车床。在所有的车床类机床中，以卧式车床应用最广。车床上的工艺方法是多种多样的。其中按工种可分为车、铣、刨、钻、镗、磨、研磨、电加工、振加工、激光加工等。每一工种还可再分，如车加工有车外圆、车端面、车槽、车球面等之分；按加工精度和表面粗糙度可分为粗加工、半精加工、精加工、光整加工等。按工序集中程度可分为单刀、多刀、单工件、多工件、单工位、多工位等；按作业形式可分为平行作业、顺序作业、平行—顺序作业等。由于时间仓促，且个人水平有限，设计中必然存在不妥之处，难免出现疏漏和错误，敬请各位老师、同学和读者批评指正。第1章标题第1章概述1.1轴承环卡盘多刀车床的用途液压卡盘多刀半自动化仿型车床是适合大批量生产，大功率，高效率的半自动化车床，它主要用于轴承环的车削加工，也可用于加工盘类、短轴类、套类等零件，在该机床上采用多把刀具同时加工零件，也可采用仿型刀架加工各种成形表面，该机床由液压，电磁联合控制，也可以实现自动化工作循环，因此可较容易地联入自动线。1.2机床的总体布置机床为卧式布局，共有两个刀架，上刀架水平布置，下刀架垂直布置，这样布置刀架装卸工件方便，便于排屑和观察加工的过程，便于更换刀具等，液压系统结构简单，调整维修方便，可靠性高；上下刀架可搬转一定的角度以便车削锥度。刀架的行程长度由死挡铁控制定位，定位精度高。刀架的前进、停止、返回动作均由行程开关控制。夹紧油缸装在主轴尾部，夹紧刀在主轴上封闭而不作用在主轴的轴承上。1.3机床的主要技术参数刀架上最大加工直径（上刀架）：320mm车身上最大工件回转直径：500mm刀架最大行程长度：上刀架纵向：350mm下刀架横向：100mm刀架垂直于主轴中心线的回转角度：上刀架：顺时针30逆时针45下刀架：顺时针45逆时针30刀架快速行程速度：刀架最小进给速度主轴转速范围80～500主轴转速级数9级主轴孔孔径50mm主轴前端锥孔莫氏6号主电动机功率15Kw液压系统工件压力2.5～3.0夹紧油缸工作压力1.0～1.5油箱容积及油号：容积280公升用20REF_Ref168484390\r\h错误！未找到引用源。REF_Ref168484424\h错误！未找到引用源。PAGEIVPAGE7第2章国内外同类机床分析比较2.1国内外同类机床参数的分析比较见表2-1国内外同类机床参数的分析比较见表2-1：2.2内外同类机床结构特点及精度分析比较2.2.1结构特点1.C7620的结构特点车身为箱形整体式，刚度高，排屑口宽敞，车身导轨为镶钢结构，淬火后磨削，具有良好的耐磨性。主电机为双速电机，可在自动工作循环中由插销板预选高低两档速度。主轴前端装有精密的双列滚柱轴承，精度稳定。刀架滑体为耐磨铸铁，并采用矩形导轨。纵、横、进、退均由死挡铁限位，定位精度高。借助插销板可使机床的动作按预选的程序进行。刀架、卡盘动作均由液压控制。操纵板为组合式，操纵维修方便。油箱与机床分开摆放，避免了油温对加工精度的影响。液压卡盘的松、夹工作方便可靠。2.C7632的结构特点车身为后立柱形呈立式布局，排屑方便，刚度高。主运动由液压离合器刹车，动作灵敏可靠。主轴通过一对交换齿轮和一对滑移齿轮变速，变速机构简单，速度变换范围较宽。主轴前端装有两排圆锥滚子轴承，刚度高,精度稳定。上、下刀架均采用矩形导轨，纵、横、进、退向均由死挡铁限位，定位精度高。借助插销板，可使机床按预选程序进行。下刀架纵向具有两种进给速度。液压系统采用单独的油箱，变量叶片泵和组合控制板。3.日本管铁工所生产的单能机机构特点床身、刀架均由特殊铸铁制造，刀架滑动表面均经淬火和磨削，精度高，且耐磨性好。主轴为三点支承，用了两个圆锥滚子轴承和一个圆柱滚子轴承，精度高，承载能力大。由插销板预选刀架动作。各方向滑板可在终点停留，易于保证加工精度和表面质量。不易出现故障，主要控制元件是插件式，易于维修检查。机床可加机械手，变成全自动型。2.2.2国内外同类机床精度分析比较1.C7620的精度刀架运动终点定位死挡铁中心线与驱动油缸中心线重合，导轨为矩形，纵向为镶钢结构淬火导轨，故精度及精度保持性都较好，定位精度为0.01mm，经济加工精度为IT7。2.C7632的精度主轴及刀架系统刚度高，但布局不甚合理，主轴受热变形后，直接影响被加工工件的直径尺寸。工作过程中，精度不够稳定。3.日本管铁工所生产的单能机的精度其重复加工精度为0.01mm。刀架刚度较差，且主电机功率小，适于加工余量小的情况。刀架导轨淬火处理，自动润滑，保护较好，故精度保持性好。第3章REF_Ref168484495\h错误！未找到引用源。洛阳理工学院毕业设计（论文）PAGE9第3章机床的运动设计该机床主要是针对轴承环车削加工而设计轴承材料：GCr15刀具材料：YT15最大车削直径：320mm轴承环生产类型：大批量生产该机床生产类型：成批生产3.1极限转速的确定根据现场调查情况,考虑到刀具材料的发展，切削速度的提高，确定切削速度范围：=130=70计算最小直径由D=320mm=KD=0.9×250=288mm=Rd=dR=288×0.3=86.7mm取90mm上式中K与R的系数是根据现有同类机床使用情况调查而定的：K＝0.9(多刀半自动车床)R=0.3(多刀半自动车床)极限转速：n===460r/min取500n===77r/min取803.2转速系数公比的确定考虑机床为大批量生产的通用机床，应使机床的转速损失尽量小，以提高生产率。所以值应小一些。通过上述同类机床参数比较选定：＝1.26转速级数Z＝＋1=+1=+1=9级主轴各级转速如下表3-1：表3-1主轴各级转速（r/min）801001251602002503154005003.3主电机功率的确定以最大切削速度V＝130m/min加工外圆时;切削速度V＝130切削深度a=2.5mm走刀量f=0.47mm/min工件材料GCr=15退火HB197刀具材料YT15前角=－10主偏角K＝75刃倾角＝－5刀尖圆弧半径＝0.25mm后刀面磨损量VB=0.8mm查得系数：K＝0.93K＝0.96K=1.28K=1.36K=1K=1K＝1K=1.12单位切削力：P＝2109N/mm主切削力：F=PafKKKKKKKK=21092.50.470.930.961.281.361111.12=4314(N)切削功率：P＝F10＝＝9.35(Kw)考虑切削时机床的总效率＝0.8，主电机功率N：N＝＝11.68（Kw）根据计算和现场调查取N＝15Kw查三相异步电动机，确定电机为：型号：Y160L-4功率：15Kw额定转速：14603.4主传动系统的拟定由于该机床用于大批量生产，在加工过程中，机床不经常变速，故采用交换齿轮变速。这样可使主轴箱结构简单，不需要操纵机构。轴向尺寸小，变速箱结构尺寸小，齿轮数量少，传动链短，传动精度较高。电动机一般与主轴的最高转速接近为好。在不使大带轮过大的情况下，应尽量选用较高的转速，这样可使电动机体积小，重量轻，价格便宜。故额定转速选1460。九级转速的结构式可为：9＝339＝33从机床设计理论的角度来选，就要根据“前多后少”和“前密后疏”原则，故选9＝33，但从机床的实际使用情况来看，由于机床是专门的大批量生产的，有时加工同一零件需要两种很相近的速度，而9＝33结构式中如要使用相邻两种转速就必须更换齿轮，这样就给实际工作中带来了很多的麻烦和困难，甚至使生产无法进行，而结构式9＝33就能很好的解决了这个问题，进一步说，理论上的两个原则本来就不是绝对的，可以根据特殊的要求做出与以上两原则相反的原则。最后根据多方面的考虑，决定选用：9＝33最后扩大组的变速范围：r==1.26=1.26=4<8结构网：图3-1结构网皮带轮直径的计算：N＝KN＝1.215=18(Kw)胶带型号：C小带轮直径：mm大带轮直径：D===286.16mm取D=286mm拟定转速图：考虑降速要“前慢后快”以减小结构尺寸；传动轴转速不能过高，以减小噪音和空载功率损失，转速图如3-2：图3-2转速图采用查表法确定齿轮齿数。轴的计算转速如表3-2：表3-2轴的计算转速（r/min）轴号Ⅰ（Ⅱ）ⅢⅣⅤ计算转速1000400500160齿轮的计算转速如表3-3：表3-3齿轮的计算转速（r/min）齿数56354051266535计算转速1000160010008001600400800齿数35313927432476计算转速800800630800500500160各级转速实际值：n=14600.98=79.31n=14600.98=100.42n=14600.98=126.38n=14600.98=157.51n=14600.98=196.82n=14600.98=250.82n=14600.98=317.22n=14600.98=401.62n=14600.98=505.28转速误差：n=100%=-0.86%n=100%=0.42%n=100%=1.1%n=100%=-1.5%n=100%=-1.58%n=100%=0.33%n=100%=0.71%n=100%=0.4%n=100%=1.1%许用转速误差范围：[n]=10(-1)%（3-12）=10(1.26-1)%=2.6%上述误差都在2.6%范围内，即可用。床头箱传动系统如图3-3图3-3床头箱传动系统图第3章REF_Ref168484495\h错误！未找到引用源。洛阳理工学院毕业设计（论文）PAGE17第4章主要零件的设计计算4.1三角胶带传动的计算(1)计算功率：N=18(Kw)(2)胶带型号：C型三角胶带(3)小带轮计算直径：D＝200mm(4)大带轮计算直径：D=286mm(5)带速：===15.2m/s在10～20m/s范围内,胶带经济耐用.(6)初定中心距：中心距过大胶带容易引起振动，传动能力下降。中心距过小挠曲次数增加，降低了胶带的寿命。A0.7(D+D)=0.7(200+286)=0.7486=291.6mmA2(D+D)=2(200+286)=2486=972mm定A=800mm(7)胶带的计算长度：L=2A+(D+D)+=2800+(200+286)+=2365mm选L=2500mm胶带的计算长度L＝2544mm(8)胶带的挠曲次数：u===8.3(s)<40s(9)实际中心距：A=A＋=800+=822mm安装时所需的最小中心距：A＝A－（h+0.01L）=822－(13.5+0.012544)=783.56mm张紧或补偿时所需要的最大中心距：A＝A＋0.02L=822+0.022544=872.88mm(10)小带轮包角：=180-57=180－57=174.4>120(11)三角胶带的根数：Z===3.74N0——C型胶带单根所能传递的功率C——小包角系数取Z＝4(12)作用在轴上的力：q=3.010kg/mF=(－1)+qv=(－1)+3.01015.2=184.2NQ=2zFsin=24184.2sin=1840NQ为作用在轴上的力。4.2传动轴的计算4.2.1传动轴的直径估算根据传动轴的功率，按扭转刚度公式进行估算：1.I轴的传递的功率：N=N=180.960.995=16.8(Kw)I轴的直径：d110=110=39.6mm根据用户调查并考虑I轴的结构取d＝55mm。2.Ⅱ轴传递的功率：N=N＝180.960.995=16.68(Kw)Ⅱ轴的轴径：d110=110＝39.5mm考虑到轴上有键槽、花键，取d=55mm。3．Ⅲ轴传递的功率：N=N=16.680.9950.98=16.2(Kw)Ⅲ轴的轴径：d110=110=49.3mm考虑到轴上有键槽等结构，取d=55mm。4.Ⅳ轴传递的功率：N=N=16.20.9950.98=15.2(Kw)Ⅳ轴的轴径：d110=110=48.5mm考虑到轴上有键槽等结构。取d=55mm以上各轴径均为轴承外的轴径。4.2.2传动主轴的结构设计图4-1主轴结构与装配图主轴的结构设计与装配图如图4-1所示，左端支撑选用NN3019K锥孔圆柱滚子轴承。轴承右端用孔用弹性挡圈定位，左端用端盖定位。右端支撑选用两个30224圆锥滚子轴承配合使用。齿轮右端用轴肩定位，左端用紧固螺母定位，定位可靠。齿轮周向定位使用平键。4.3齿轮的计算：4.3.1齿轮模数估算1.基本组功率：N＝180.960.9950.98=16.3(Kw)M32=32=2.89mm取m＝3.5mmZ为负荷最大的小齿轮齿数；n为其计算速度。2.第二变速组N＝N0.9950.98＝16.350.9950.98=16KWM32=32=3.6mm取m＝4mm3.斜齿轮传动N＝N0.9950.98＝160.9950.98＝15.6(Kw)M32=32=3.5mm取m＝4mm4.3.2齿轮模数验算斜齿轮模数的验算Z＝24当量齿数Z＝＝＝27===8.7(m/s)采用8级精度齿轮；不磨齿。===3.2===6N=16.2Kw;n=400r/minT=1500h;n=250r/minC=10;C=210m=3;m=6K=0.7;K=1K=0.83;K=0.93K=0.8;K=0.81===0.22K=1.04;K=1.4K=1.4;Y=0.444[]=1370MPa;[]=283MPaK===2.82K===2.1K=KKKK=2.820.830.70.8=1.31K=1.9K=0.27K=1.31K=KKKK=2.10.931.00.81=1.58K=0.85；K=0.6K=0.85m=16338=16338=3.76（mm）<m=4(mm)合格m=267=267=3.66(mm)<m=4(mm)合格4.4片式摩擦离合器的计算（1）摩擦片的外径和内径根据结构要求定：接触部分外径接触部分内径（2）摩擦片平均直径和内外摩擦片接触宽度摩擦片离合器传递的扭矩许用压强安全系数：（6）摩擦系数：（7）摩擦面系数：确定内外摩擦片数：正转：内片7片，外片6片。制动：内片6片，外片5片。在本设计中的离合器采用摩擦片式电磁离合器，制动装置采用湿式多片电磁式制动器，并在在原来的基础上加以改进使结构更加合理简单，动作更加灵活，能更好的联入自动加工系统。4.5主轴的弯曲刚度校核4.5.1主轴的受力分析主轴的受力分析，如图4-2所示：图4-2主轴的受力图上图中只反映各传动力和切削力的轴向位置，而不反映其空间位置。为主轴上的齿轮上所受的切向力和径向力的合力。方向与相反。为Ⅳ轴上的斜齿轮上所受的轴向力。方向与相反。主切削力为轴向切削力与径向切削力的合力。为简化计算，只考虑前刀架。4.5.2切削力的计算主轴传递的最大扭矩：机床经济加工直径：。主切削力：径向切削力：轴各切削力：所以，由引起的弯矩：各力角度关系，如图4-3所示：图4-3主轴上各力角度关系4.5.3主轴前端挠度及前支撑的转角主轴截面惯性矩：为平均外径；为平均内径。如图4-4所示：图4-4主轴前端挠度及转角如图4-5所示：图4-5主轴前端挠度及转角如图4-6所示：图4-6主轴前端挠度及转角如图4-7所示：图4-7主轴前端挠度及转角将、、、按向量合成，如图4-8所示：图4-8主轴前端变量向量合成图所以，主轴前端的挠度为：主轴前端允许挠度：可见，所以合格。将、、、按向量合成，如图4-9所示：图4-9前支承处变形角度向量合成图所以，前支承处的转角为：前支承处的允许倾角：可见，所以合格。4.6Ⅳ轴上花键侧挤压力验算花键轴传递的最大扭矩：花键轴外径：花键轴的内径：花键齿数：载荷分布不均系数：许用挤压应力：花键侧表面挤压应力：可见，，所以合格。4.7Ⅱ轴承寿命的验算Ⅱ轴的功率： N=16.68（Kw）M=9.5510=9.5510=1.610（Nmm） F===1.610(N)R===900(N)R===2500(N)P=fR取f=1.2式中f为载荷系数。R>R只要R处的轴承合格，R处的一定合格。P=fR＝1.22500＝3000(N)L＝==22835(h)>10000(h)所以合格。4.8Ⅳ轴上轴承寿命验算轴承的径向反力，如图4-10所示：图4-10Ⅳ轴前端挠度及转角轴承的径向反力，如图4-11所示：图4-11Ⅳ轴前端挠度及转角轴承的径向反力，如图4-12所示：图4-12Ⅳ轴前端挠度及转角将力、、按向量合成，如图4-13所示：图4-13向量合成图所以，左支承处的径向反力为：将力、、按向量合成，如图4-14所示：图4-14向量合成图右支承处的径向反力为：2.轴承的寿命计算由《英科宇机械工程电子手册》查得30211轴承的性能参数：轴承的内部轴向力：轴承的轴向力计算，如图4-15所示：图4-15轴承的轴向力因为，。所以，右端为放松状态。所以，轴向力：轴承的轴向力与径向力之比：当量动载荷计算：；；式中：为动载荷系数。轴承寿命：所以合格。因为，所以右轴承不必验算。可见左右轴承寿命均大于10000小时。4.9轴承专用车床主传动系统设计的改进本机床的设计是在C7632和C7620的基础上进行的，采用了其合理的结构，对其不合理的结构进行了改进。下面就几个部位分析如下：1.I轴上皮带轮采用径向力卸荷，使皮带轮的径向力直接作用在箱体上不作用在I轴上，从而改善了I轴的工作条件。2.采用电磁离合器和刹车装置以实现机床的自动化循环，提高机