机械系统设计课程设计说明书

机械系统设计课程设计指导书机械教研室1机械系统设计课程设计指导书(1)车床主轴箱设计2车床主轴箱设计一、课程设计的目的1、课程设计属于机械系统设计课的延续，通过设计实践，进一步学习掌握机械系统设计的一般方法。2、培养综合运用机械制图、机械设计基础、精度设计、金属工艺学、材料热处理及结构工艺等相关知识，进行工程设计的能力。3、培养使用手册、图册、有关资料及设计标准规范的能力。4、提高技术总结及编制技术文件的能力。5、是毕业设计教学环节实施的技术准备。二、设计内容与基本要求设计内容：独立完成变速级数为6-12级的机床主传动系统主轴变速箱设计，包括车削左右螺纹的换向机构及与进给联系的输出轴。基本要求：1、课程设计必须独立的进行，每人必须完成展开图、截面图图样设计各一张，能够较清楚地表达各轴和传动件的空间位置及有关结构。2、根据设计任务书要求，合理的确定尺寸、运动及动力等有关参数。3、正确利用结构式、转速图等设计工具，认真进行方案分析。4、正确的运用手册、标准，设计图样必须符合国家标准规定。说明书力求用工程术语，文字通顺简练，字迹工整。5、完成典型零件工作图图样设计2张。三、设计步骤方案确定1、确定有关尺寸参数、运动参数及动力参数。2、据所求得的有关运动参数及给定的公比，写出结构式，校验转速范围，绘制转速图。3、确定各变速组传动副的传动比值，定齿轮齿数、带轮直径，校验三联滑移齿轮齿顶是否相碰，校验各级转速的转速误差。4、绘制传动系统图。结构设计1、草图设计——估计各轴及齿轮尺寸，确定视图比例，确定展开图及截面图的总体布局；据各轴的受力条件，初选轴承，在有关支撑部位画出轴承轮廓。并检验各传动件运动过程中是否干涉。2、结构图设计——确定齿轮、轴承及轴的固定方式；确定润滑、密封及轴承的调整方式；确定主轴头部形状及尺寸，完成展开图及截面图的绘制。3、加黑，注尺寸、公差配合，标注件号，填写明细表及装配图技术要求。零件图设计编写设计计算说明书3四、基本参数确定1、基本参数主参数D——床身上最大加工直径（mm）刀架上最大工件回转直径831.0326.1Dd(D≤800mm时)或Dd21通过主轴孔最大奉料直径Dd101床身宽度82.041.2DB通用机床主轴短部结构形状序号简图结构特点应用范围1前端短锥面定位，定心精度高；法兰上的螺孔用于紧固卡盘，并有一沉孔，以安装端而键传递转矩。内孔为莫氏内锥孔，用以安装顶尖、心轴等；头部悬伸较短，刚性好；装卸卡盘方便大多数车床、六角车床、多刀车床的主轴2a,b为定位面，与卡盘配合有间隙，定位面易磨损，定心精度低；螺纹用于锁紧卡盘，内锥孔用于安装顶尖、心轴和弹簧夹头等；轴端悬伸长，刚性差；装拆卡盘较方便车床、仪表机床（在新设计的机床上已逐渐淘汰）3长锥为定位面，定心精度高；与卡盘连接时用套在主轴上的螺母拉紧，长锥上的键用以传递扭矩；轴端悬伸较长，刚性较差；装拆卡盘较方便车床47：24锥孔作定位面，供安装铣刀或铣刀心轴的尾椎，再用拉杆从主轴后端拉紧，四个螺孔供安装端铣刀用，两个长槽供安装端面键以传递扭矩铣床5模氏锥孔作定位面并传递一定的转矩，锥孔内部的退锥槽，借助楔铁使刀具安装可靠，尾部的退锥槽便于拆卸刀具，并与刀具扁尾一起传递扭矩。钻床、镗床42、尺寸参数机床主轴端部结构形状：主轴中心孔前段锥度，摩氏3-6度。为装配方便，车床主轴直径通常是从前向后逐段递减。一般车、铣床主轴后轴颈的直径dd)9.07.0(2，1d为前轴颈尺寸。主轴前轴颈尺寸应按所传递的功率确定，初选时可参照下表初定。主轴前轴径的直径mm功率KWDi机床1.47-2.52.6-3.63.7-5.55.6-7.37.4-1111-14.714.8-18.418.5-2222-29.5卧式车床60-8070-9070-10595-130110-145140-165150-190220230铣床50-9060-9060-9575-10090-105100-115----------------外圆磨床----50-9055-7070-8075-9075-10090-100105105主轴前端面到前支撑径向支反力作用点之间的距离为主轴悬伸量，减小悬伸量对提高主轴组件的刚度与抗振性有明显效果。主轴悬伸量的选择，可参照下表确定。主轴悬申量与前轴颈直径之比机床和主轴的类型α/D通用和精密车床，自动车床和短主轴端铣床，用滚动轴承支承，适用于高精度和普通精度要求0.6-1.25中等长度和较长主轴端的车床和铣床，悬申不太长（不是细长）的精密镗床和内圆磨床，用滚动轴承和滑动轴承支撑，适用于绝大部普通生产的要求。1.25-2.5孔加工机床，专用加工细长深孔的机床，由加工技术决定，需要有长的悬伸刀杆或主轴可移动，因切削较重而不适用于有高精度要求的机床。〉2.5主轴最佳跨距可据下列经验公式初定aL)53(0式中L0——最佳跨距a——悬伸量（悬伸量大的机床))21(0aL若实际跨距L实与最佳跨距L0不能相等时，可取合理跨距0)5.175.0(LL合。若L实〉L0时，应适当加强主轴刚度；反之，L实L0时，应适当加强轴承刚度。其他传动轴的径向尺寸，可按该轴所传递的扭矩初定，轴向尺寸必须保证各轴间齿轮不相干涉。滑移齿轮在一对齿轮彻底脱开后，下一对才能进行啮合，并且留有1-2mm间隙的实际需要的基础上，据结构要求确定。3、运动参数可通过类比、试验和计算等方法综合确定，课程设计中可参照下列经验公式及数据初定。5maxminmin1000dvn，maxn=minmax1000dv式中，vmin、vmax、dmax、dmin为经济加工切削速度和经济合理的工件或刀具直径。nmin、nmax——机床的最低、最高转速其中常用经济加工切削速度。硬质合金刀具精车中碳钢min/220200mv;或min/150mv。高速钢刀具粗车铸铁端面，min/15mv。高速钢刀具精车丝杠min/5.1mv。经济合理的工件或刀具直径可按照以下几种经验公式估定。○1普通车床dmax=（0.5-0.7）Ddmin=(0.08-0.12)D式中D——主参数（床身上最大加工直径）或取Rd=dmin/dmax=4-6○2普通车床dmax=0.5DRd=dmax/dmin=0.2-0.5○3车螺纹可取Ф≈0.1D国内外现有Ф400mm卧式车床主轴最高、最低转速统计如下表现有φ400mm卧式车床主轴最高、最低转速运动参数机床型号CA6140YN01M200IK62MAZAK(φ460)DIZ400SL65中国中国美国原苏联日本德国瑞士主轴最高转速（r/min）1400150022602000150014001430主轴最低转速（r/min）108.51812.5252421对Ф400mm普通车床加工典型工件时常用转速统计如下○1加工轴类零件常用min,/900400rn个别高速达1600min;/r○2加工盘形零件常用min;/300150rn○3修理工作常用min,/15080rn个别低速达min/7r；○4车大导程螺纹为min/4010rn。标准转速可参照《机床与数控》P15表1-4标准转速系列选取。4、动力参数电机功率可按下式估算P=PC/η总（KW）PC——消耗于切削的功率η总——总效率对于主运动为回转运动的机床η总=0.7-0.856主运动为直线运动的机床η总=0.6-0.7车、镗、磨等工序的切削功率Pc=FZ·V/60000(kw)钻、扩等工序的切削功率Pc=T·n/9550(kw)FZ——切削力的切向分力（N）(查切削用量手册)V——切削速度（m/min）T——主轴最大扭矩（N·m）n——主轴计算转速（r/min）或据下列公式及数据估算电机功率P（数据较陈旧）FZ=f·t·s（公斤力）f——单位切削面积上的切削力硬质合金刀具加工中碳钢f=200（公斤力/mm2）硬质合金刀具加工铸铁f=180（公斤力/mm2）t——切削深度（mm）s——进给量（mm）车、镗、磨Pc=FZ·V/6120（kw）对于间断工作的机床，允许电机短时超载，则电机额定功率可按下式计算：Pr=P/K(kw)式中，Pr——额定功率P——算得的功率K——超载系数连续工作的电机K=1.0间断工作的电机K=1.1-1.25五、结构式及转速图的拟定据所给定的公比及算得的极限转速，计算转速级数，为简化结构，确保在三周内完成设计任务，对于公比Ф=2和Ф=1.78者，转速级数限制在8级以内（Z≤8）；Ф=1.58和Ф=1.41者，转速级数限制在12级以内（Z≤12）。结构式拟定后据式8)1(jjpxj，绘制转速图。确定各传动组内传动副的传动比值。按下式确定齿轮齿数。ZjjiSiiZ1jziiSZ1/Zi、Zi'——第i对齿轮副的主、从齿轮齿数;Ij——第j对齿轮副的传动比Sz——主从动轮齿数和确定齿轮齿数。或查教材第150页表4.1定齿轮齿数。三联齿轮滑块校验滑移时齿顶是否相碰Z3-Z24校验各级转速的转速误差)%1(10'nnn'n——主轴实际转速（r/min）n——主轴标准转速（r/min）7——公比绘制传动系统图。六、草图设计要求绘制展开图、截面图各一张，以表达所设计主轴变速箱的基本结构。两图应并行绘制。其中展开图以将各轴展开到同一平面的展开形势绘制，所表达的是各轴及轴上所有零件的实际形状，及轴向位置及尺寸。截面图则反映各轴的空间关系及经向尺寸。设计展开图时，应考虑主轴的悬伸量、合理跨距；各传动轴上齿轮宽度、滑移齿轮必须保证一对齿轮彻底脱开、另一对齿轮才能进入啮合、并留有1-2mm间隙，不相邻轴上的齿轮在滑动中不干涉等需要，轴承布置，皮带轮的位置等因素综合确定轴向尺寸。据各轴的轴间距及传动件径向尺寸，合理的布置展开图的位置。在截面图上须注意，主轴必须在两导轨中央，主轴距导轨面高度应等于主参数之半。带轮一般在主轴箱后上方，要便于防护。布置各传动轴位置时应注意检查不相邻轴之间齿轮或轴是否干涉。运动件与相壁之间距离不小于15mm。结构草图确定后，对有关轴及齿轮进行校验计算。七、结构图设计箱壁各安装轴承处可适当设凸缘，加筋条。主轴箱应留有在床身上安装定位的基准面。主传动系统应设有刹车制动装置，安放位置最好在接近执行件，转速较高且变速范围较小的传动轴上。在向进给系统输出的部位有加工左右螺纹的换向装置，一般采用介轮换向，而且介轮放在反向传动中。主轴轴承可采用滚动轴承，亦可采用滑动轴承，配置形式可以是两支撑，亦可以是三支撑。常见的主轴滚动轴承配置形式及工作性能见表。为提高角接触球轴承的刚度，角接触球轴承的组配形式以背对背使用为好。主轴轴承精度选择：主轴轴承精度机床精度等级前轴承后轴承普通精度级P5或P4（SP）P5或P4（SP）精密级P4（SP）或P2(UP)P4（SP）高精度级P2(UP)P2(UP)8常见的主轴滚动轴承配置形式及工作性能表序号轴承配置前支承后支承前支承承载能力刚度振摆温升极限转速热变形前端位移径向轴向径向轴向径向轴向径向轴向径向轴向总的前支承1318210022680003182100-1.01.01.01.01.01.01.01.01.01.02318210080003182100-1.01.00.93.01.01.01.151.2.6533182100-46000-1.00.60.80.71.01.00.60.51.03.047000(30000)-7000-0.81.00.71.01.01.00.8.750.60.852697000-7000-1.51.01.131.01.01.41.40.60.80.8646000-46000-0.70.7.451.01.01.00.70.51.20.8746000-46000-0.71.0.352.01.01.00.70.51.20.88460008000000080000.71.0.351.51.01.01.00.7.750.898400080008400080000.61.01.01.01.01.