数控机床主轴箱设计0000000000全解

12第一章概述1-1设计目的数控机床的课程设计，是在数控机床设计课程之后进行的实践性教学环节。其目的在于通过数控机床伺服进给系统的结构设计，使我们在拟定进给传动及变速等的结构方案过程中得到设计构思、方案分析、结构工艺性、CAD制图、设计计算、编写技术文件、查阅技术资料等方面的综合训练，建立正确的设计思想，掌握基本的设计方法，培养我们初步的结构设计和计算能力。1-2主轴箱的概述主轴箱为数控机床的主要传动系统它包括电动机、传动系统和主轴部件它与普通车床的主轴箱比较，相对来说比较简单只有两极或三级齿轮变速系统，它主要是用以扩大电动机无级调速的范围，以满足一定恒功率、和转速的问题。第二章主传动设计2-1驱动源的选择机床上常用的无级变速机构是直流或交流调速电动机，直流电动机从额定转速nd向上至最高转速nmax是调节磁场电流的方法来调速的，属于恒功率，从额定转速nd向下至最低转速nmin时调节电枢电压的方法来调速的属于恒转矩；交流调速电动机是靠调节供电频率的方法调速。由于交流调速电动机的体积小，转动惯量小，动态响应快，没有电刷，能达到的最高转速比同功率的直流调速电动机高，磨损和故障也少，所以在中小功率领域，交流调速电动机占有较大的优势，鉴于此，本设计选用交流调速电动机。根据主轴要求的最高转速3150r/min，交流主轴电动机，最高转速是5000r/min。2-2转速图的拟定根据交流主轴电动机的最高转速和基本转速可以求得交流主轴电动机的恒功率转速范围Rdp=nmax/nd=5000/1000=5而主轴要求的恒功率转速范围Rnp=nmax/nd=3150/125=25.2，远大于交流主3轴电动机所能提供的恒功率转速范围，所以必须串联变速机构的方法来扩大其恒功率转速范围。涉及变速箱时，考虑到机床结构的复杂程度，运转的平稳性等因素，取变速箱的公比Φf等于交流主轴电动机的恒功率调速范围Rdp,即Φ=Rdp=2,功率特性图是连续的，无缺口和无重合的。车床的主参数（规格尺寸）和基本参数如下：工件最大回转直径Dmax(mm)正转最低转速nmin(minr)正转最高转速nmin(minr)电机功率N（kw）主轴计算转速40070315027125变速箱的变速级数变速箱的变速级数：Z=lgRnp/lgΦ=lg25.2/lg5=2.0049取Z=2确定各齿轮齿副的齿数：取S=118由U=1.60得Z1=47Z1’=76由U=2.51得Z2=88Z2’=35由U=1.33得Z3=68Z3’=52由U=2.99得Z4=30Z4’=90由此拟定主传动系统图，转速图以及主轴功率特性图分别如图2-1，2-2图2-1图2-22.3传动轴的估算传动轴除应满足强度要求外，还应满足刚度要求。强度要求保证轴在反复载荷和扭转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4较大的变形。因此疲劳强度一般不是主要矛盾。除了载荷比较大的情况外，可以不必验算轴的强度。刚度要求轴在载荷下（弯曲，轴向，扭转）不致产生过大的变形（弯曲，失稳，转角）。如果刚度不够，轴上的零件如齿轮，轴承等由于轴的变形过大而不能正常工作，或者产生振动和噪音，发热，过早磨损而失效。因此，必须保证传动轴有足够的刚度。通常，先按扭转刚度轴的直径，画出草图后，再根据受力情况，结构布置和有关尺寸，验算弯曲刚度。计算转速nj是传动件传递全部功率时的最低转速，各个传动轴上的计算转速可以从转速图上直接得出如表2-1所示:表2-1各轴的计算转速轴IIIIII计算转速990594125各轴功率和扭矩计算：已知一级齿轮传动效率为0.97（包括轴承），则I轴：1p=dp×0.99=27×0.99=26.73KWII轴2p=1p×0.97=26.73×0.97=25.92KWIII轴3p=2p×0.97=25.92×0.97=25.15KWⅠ轴扭矩：mmNT44110785.2599073.2610955Ⅱ轴扭矩：mmNT44210673.4159492.2510955III轴扭矩：mmNT44310146.19212515.2510955[φ]是每米长度上允许的扭转角（deg/m），可根据传动轴的要求选取，其选取的原则如表2-2所示。表2-2许用扭转角选取原则轴主轴一般传动轴较低的轴[Φ]（deg/m）0.5-11-1.51.5-2最后所确定各轴所允许的扭转角如表2-3所示5轴Ⅰ轴（电机轴）II轴III轴[Φ]（deg/m）0.510.5把以上确定的各轴的扭矩，允许扭转角[Φ]代入估算公式4][64.1Td,可得传动轴的估算直径：mmTTd83.435.0105.2564.1][64.1][64.1444141轴承30209mmTTd76.441105.5564.1][64.1][64.1444242轴承30209因为主轴为空心轴，材料取45钢，所以A0=110mmnPAd86.65)5.01(12515.25110)1(034343轴承30215最后取值如下表所示：轴IIIIII估算直径455070主轴轴径尺寸的确定：已知车床最大加工直径为Dmax=400mm,则主轴前轴颈直径D1=0.25Dmax15=85-115mm取1D95后颈直径D2=(0.7-0.85)D1=67-81mm取2D75内孔直径d=0.1Dmax10=35-55mm取d402.4齿轮模数的估算按接触疲劳强度和弯曲疲劳强度计算齿轮模数比较复杂，而且有些系数只有在齿轮的各参数都已知方可确定，故只有在装配草图画完后校验用。在画草图时用经验公式估算，根据估算的结果然后选用标准齿轮的模数。齿轮模数的估算有两种方法，第一种是按齿轮的弯曲疲劳进行估算，第二种是按齿轮的齿面点蚀进行估算，而这两种方法的前提条件是各个齿轮的齿数必须已知，所以必须先给出各个齿轮的齿数。6(1)'11,ZZ齿轮弯曲疲劳的计算齿轮弯曲疲劳估算公式49.3594352732n3233jZNm齿面点蚀的计算得05.1325942737037033jnNA由中心距A及齿数计算出模数：12305.13222'11ZZAmj2.15，所以取m=3(2)'22,ZZ齿轮弯曲疲劳的计算齿轮弯曲疲劳估算公式33j5948873.2632n32ZNm2.56齿面点蚀的计算得3359473.26370370jnNA131.6,取A=13512313522'22ZZAmj2.19,所以取m=4.5(3)'33,ZZ齿轮弯曲疲劳的计算取m=4.5由于受传动轴轴径尺寸大小限制，选取齿轮模数为m=3mm,对比上面的结果，可知这样设计的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，故取同一变速组中的所以齿轮的模数都为m=3mm.则各齿轮齿数和模数列表如下：齿轮Z1Z1’Z2Z2’Z3Z3’Z4Z4’齿数4776883568524476模数33334.54.54.54.57第三章主轴箱展开图的设计主轴箱展开图是反映各个零件的相互关系，结构形状以及尺寸的图纸。因此设计从画展开图开始，确定所有零件的位置，结构和尺寸，并以此为依据绘制零件工作图。3.1各零件结构和尺寸设计3.1．1设计内容和步骤这一阶段的设计内容是通过绘图设计轴的结构尺寸及选出轴承的型号，确定轴的支点距离和轴上零件力的作用点，计算轴的强度和轴承的寿命。3.1.2有关零件结构和尺寸的确定传动零件，轴，轴承是主轴部件的主要零件，其他零件的结构尺寸是根据主要零件的位置和结构而定。1）传动轴的估算见前一节2）齿轮相关尺寸的计算1.齿宽的确定齿宽影响齿的强度。轮齿越宽承载能力越高。但如果太宽，由于齿轮的制造误差和轴的变形，可能接触不均，反而容易引起振动和噪声。齿宽b=φd*d其中φd是齿宽系数，d是齿轮分度圆直径。齿宽系数可查工具书得到；也就是说齿宽等于齿宽系数乘以齿轮分度圆直径。根据齿宽系数来定，一般齿宽系数0.3第一套啮合齿轮：B1=d1xZ1=43mm;B1’=d1’xZ1’=69mm第二套啮合齿轮:B2=d2xZ2=80mm;B2’=d2’xZ2=32mm第三套啮合齿轮：B3=d3xZ3=90mm;B3’=d3’xZ3’=70mm第四套啮合齿轮：B4=d4xZ4=59mm;B4’=d4’xZ4’=100mm各个齿轮的齿厚确定如表3-1.表3-1各齿轮的齿宽齿轮Z1Z1’Z2Z2’Z3Z3’Z4Z4’齿宽436980329070591008由计算公式；齿顶：1221(2)(1);(2)adzmhdzhd齿根：11(22)(0.25)fzhcmcd得到下列尺寸表齿轮的直径决定了各轴之间的尺寸。各主轴部件中各个齿轮的尺寸计算如下表3-2：表3-2各齿轮的直径齿轮Z1Z1’Z2Z2’Z3Z3’Z4Z4’分度圆直径(mm)143.5230.5266.5107.5304.75232.75196.75340.75齿顶圆直径(mm)147234270111315243207351齿根圆直径（mm）133.5220.5256.597.5294.75222.75186.75330.75由表3-2可以计算出各轴之间的距离，现将它们列出如表3-3所示：表3-3各轴的中心距轴I-IIII-III距离187268.753)确定齿轮的轴向布置为避免同一滑移齿轮变速组内的两对齿轮同时啮合，两个固定齿轮的间距应大于滑移齿轮的宽度。一般留有间隙1-2mm，所以首先设计滑移齿轮。II轴上的滑移齿轮的两个齿轮轮齿之间必须留有用于齿轮加工的间隙，插齿时，当模数在1-2mm范围内时，间隙必须不小于5mm,当模数在2.5-4mm范围内时，间隙必须不小于6mm，且应留有足够的空间滑移，据此选出三片齿轮间的间隙分别为d1=17.5mm,d2=15mm.由滑移齿轮的厚度以及滑移齿轮上的间隙可以得出主轴上的两个齿轮间的距离至少是60mm，现取齿轮间的间距为64mm和70mm.4）轴承的选择及其配置主轴组件的滚动轴承既要有承受径向载荷的径向轴承，又要有承受两个方向9轴向载荷的推力轴承。轴承类型及型号选用主要根据主轴的刚度，承载能力，转速，抗振性及结构要求合理的进行选定。同样尺寸的轴承，线接触的磙子轴承比点接触的球轴承的刚度要高，但极限转速要低，多个轴承的承载能力比单个轴承的承载能力要大，不同轴承承受载荷类型及大小不同。为了提高主轴组件的刚度，通常采用轻型或特轻型系列轴承。通常情况下，中速重载采用双列圆柱滚子轴承配双向推力角接触球轴承，或者成对圆锥滚子轴承，其结构简单，但是极限转速较低。高速轻载采用成组角接触球轴承，根据轴向载荷的大小分别选用25度或15度的接触角。轴向载荷为主且精度要求不高时，选用推力轴承配深沟球轴承，精度要求较高时，选用向心推力轴承。该设计的主轴不仅有刚度高的要求，而且有转速高的要求，所以在选择主轴轴承时，刚度和速度这两方面都要考虑。主轴前轴承采用NN3019K型轴承一个，后支承采用30215型和51215型轴承各一个。3.1-3各轴结构的设计I轴的一端与电动机相连，需要安装联轴器mmTTd83.435.0105.2564.1][64.1][64.1444141取1d=45,联轴器的计算转矩1TKTAca,查表得3.1AK411025.51.3TKTAca=331500mmN，查表12-4，选用HL3弹性柱销联轴器，其公称转矩为630000mmN。半轴联轴器的孔径1d45mm，半联轴器长度L=112mm.半联轴器与轴配合的毂孔长度1L=84mm，4521dmm。根据轴向定位要求确定轴的各段直径和长度：为了满足半联轴器的轴向定位要求，Ⅰ—Ⅱ轴段右端需制出一轴肩，故取Ⅱ—Ⅲ段的直径52ⅢⅡdmm;左端用轴端挡圈定位，按轴端直径取挡圈直径D=55mm.半联轴器与轴配合的毂孔长度1L=84mm，为保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴断面上，所以Ⅰ—Ⅱ长度应比1L略