金属切削机床课程设计-201012

1专业课程设计张松[e-mail]山东大学机械工程学院金属切削机床2内容提要一、机床课程设计的目的要求及内容二、设计图纸和说明书的具体要求三、拟定设计方案四、机床主传动系统设计五、技术设计六、编制设计计算说明书七、拟定设计题目八、实例3一、机床课程设计的目的要求及内容1.机床设计的目的机床课程设计是在学生学完基础技术课和专业课，特别是《机械制造技术基础》课程之后进行的一个实践性教学环节。其目的：（1）培养综合运用和巩固扩大已学过的知识，提高理论联系实际的设计与计算能力。（2）培养收集、阅读、分析和运用资料的能力，提高独立工作能力。（3）初步掌握机床设计的方法与步骤，提高结构设计与编制技术文件的能力。（4）进行主轴组件设计和刚度校核计算，提高设计能力。4一、机床课程设计的目的要求及内容2.设计的类型机床设计一般分为：创新设计，变型设计，组合设计等。3.设计的步骤（1）主要技术指标①用途、②生产率、③性能指标、④主要参数、⑤驱动方式、⑥成本及生产周期。5一、机床课程设计的目的要求及内容（2）总体设计方案：①运动功能设计、②机床参数设计、③传动系统设计、④总体结构布局设计、⑤控制系统设计。（3）总体方案综合评价与选择（4）总体方案的设计修改或优化（5）详细设计①技术设计：结构原理方案、装配图设计、分析计算或优化。②施工设计：零件图设计、商品化设计、编制技术文档等。（6）机床整机综合评价6一、机床课程设计的目的要求及内容4.机床设计的基本理论精度：机床精度是指机床主要部件的形状、相互位置及相对运动的精确程度，包括几何精度、传动精度、定位精度及精度保持性等几个方面。刚度：机床系统抵抗变形的能力。抗振性：机床在交变载荷作用下抵抗变形的能力。热变形。噪声。低速运动平稳性。yFKyFK7一、机床课程设计的目的要求及内容5.结构工艺性评价加工工艺性：产品结构的合理组合、零件的加工工艺性（铸件类零件、模锻类零件、冷却压件类零件、车削加工类零件、钻孔加工类零件、铣削加工类零件、有磨削加工类零件）。装配工艺性：便于装配的产品结构、便于装配的零件结合部位结构、便于装配的零件结构。维修工艺性：维修时间短、维修空间、互换性好。yFK8一、机床课程设计的目的要求及内容6.设计内容（1）运动设计：根据机床规格、用途和典型工艺的切削用量以及对同类机床的分析比较，确定机床的极限转速、转速公比；拟定传动方案和传动系统图；确定传动副的传动比以及齿轮齿数。（2）动力计算：确定电动机的功率；计算传动元件载荷及尺寸；校核主轴和齿轮的强度寿命等。（3）主轴箱展开图设计：传动轴系、变速机构、主轴组件、箱体、操纵机构、润滑装置的布置和结构设计。（4）主轴零件图设计：以上三方面内容要体现在图纸和计算说明书上。时间：6天（2011.01.08~2011.01.15）。9二、设计图纸和说明书的具体要求1．图纸部分装配图用以表明该部件的全部结构、机构原理、每个零件的功用、形状、位置、尺寸，相互联接的方法、配合性质和运动关系。所有零件都要标注件号（标准件标明标准代号，非标准件编注序号）和数量。机床主轴变速箱的装配图一般由外形图、展开图和若干横向剖视图组成。由于进行设计的学时有限，学生只绘制展开图。展开图上应标注轴号和零件号，在配合件上标注配合尺寸和配合性质。同时，绘制主轴零件图。10二、设计图纸和说明书的具体要求2．设计计算说明书部分设计计算说明书是设计的依据确性。其主要内容应包括：（1）设计任务书（2）目录（3）机床的规格及用途（4）机床主要技术参数的确定（5）传动方案及传动系统图的拟定（6）主要零件的计算和验算（齿轮、主轴、传动轴、轴承等）（7）操纵、润滑、调整、制动等结构说明（8）设计优缺点、存在问题和设计体会等（9）参考资料编日11二、设计图纸和说明书的具体要求说明书中的传动系统图要用标准规定的符号并按比例绘制，标明电动机的功率、转速、皮带轮直径、齿轮的齿数及模数等。说明书中所用公式应注明出处，并注明式中将号所代表的意义和单位。说明书后附有的参考文献目录，要包括作者、书刊名称、出版社和出版年份。12三、拟定设计方案阅读同类型机床的有关资料（机床说明书、装配图、样本、机床水平分析等）。对机床的用途、主要参数、传动结构、零部件的结构设计等进行分析研究，在分析比较现有机床的基础上考虑设计方案，力求做到有所改进和创新。拟定方案的步骤是：1．拟定运动参数对设计任务书中的运动参数，可结合参考资料与同类型机床的运动参数作分析比较。对设计任务中未定的运动参数，应根据任务书中规定的要求条件来确定。13三、拟定设计方案步骤如下：（1）确定机床的工艺范围及工件的计算极限尺寸；（2）选择经济合理的极限切削用量；（3）确定机床主轴的极限转速；（4）确定转速公比值、转速级数、转速数列及调速范围。按上述步骤确定转速后，应再与同类机床做分析比较，并考虑用户需求及今后发展趋势，最后予以确定。14三、拟定设计方案2．运动设计根据已定的运动参数，进行下列几项工作：（1）确定传动方案（如集中或分离传动、正反转方案、…）。（2）论证并确定合理的转速图。（3）拟定传动系统图。拟定传动系统的原则：在保证机床运动和使用要求的前提下，运动链要短而简单；传动效率高、操纵方便。15三、拟定设计方案（4）计算各传动副传动比、带轮直径、齿轮齿数等。（5）验算主轴转速误差。实际传动比所造成的主轴转速误差一般不应超过±10(φ-1)%（φ是主轴转速公比）。运动设计是结构设计的基础，要考虑一些与结构设计有关的问题：小齿轮的根圆是否大于轴的直径，大齿轮的顶圆是否与相邻的轴干涉；结构是否合理；布置是否紧凑；操纵是否方便。16四、机床主传动系统设计4.1主传动系统设计概述1.主传动系统基本要求（1）数控机床主传动的特点转速高，功率大；主轴转速变换迅速可靠；为实现刀具的快速或自动装卸，主轴上还必须设计有刀具自动装卸、主轴定向停止和主轴孔内的切屑清除装置。（2）对主传动系统的要求具有更大的调速范围；具有较高的精度与刚度，传动平稳、噪声低。良好的抗振性、热稳定性。17四、机床主传动系统设计2.主传动变速系统的主要参数(1)主传动功率P:可根据切削功率Pc与主运动传动链的总效率η来确定：切削功率Pc:可根据有代表性的加工情况，由其主切削抗力Fz确定：cPP)(95506000kWMvFPncc18四、机床主传动系统设计min)/(1000rdvnmin)/(1000maxminminrdvnmin)/(1000minmaxmaxrdvnminmaxminmaxminmaxddvvnnRn主轴的变速范围为最高转速与最低转速之比：（2）主运动的调速范围主运动为旋转运动的机床，主轴转速n由切削速度v（m/min)和工件或刀具的直径d（mm）来确定:19四、机床主传动系统设计4.2分级变速系统1.主轴转速数列：多数机床主轴转速是按等比级数排列，其公比用符号φ表示。则转速数列为min1nnmin2nn2min3nn……对于通用机床，为使转速损失不大，机床结构又不过于复杂，一般取φ=1.26或1.41；对于大批量生产用的专用机床、专门化机床及其自动机床，φ=1.12或1.26，因其生产率高，转速损失影响较大，且又不经常变速，可用交换齿轮变速，不会使结构复杂；而非自动化小型机床，加工中切削时间远小于辅助时间，转速损失大些影响不大，故可取φ=1.58、1.78，甚至2。20四、机床主传动系统设计2.拟定转速图的方法拟定转速图的一般步骤为：确定变速组数及各变速组的传动副数;安排变速组的传动顺序，拟定结构式（网）;分配传动副传动比，绘制转速图。21四、机床主传动系统设计3.齿轮齿数的确定由于同一变速组内各齿轮副的速度相差不大，受力、情况相似，为便于制造、维修，一般采用相同模数。注意下列要求：保证最小齿数齿轮不发生根切。保证齿轮具有足够的强度。保证三联滑移齿轮滑移时不发生碰撞。确定齿数时，应保证实际传动比与理论传动比之间的误差不能过大。22四、机床主传动系统设计4.主传动系统的计算设计机床主传动系统时，为了使传动件工作可靠、结构紧凑，必须对传动件进行动力计算。主轴及其他传动件的结构尺寸主要根据它传递的转矩大小来决定，即与传动的功率和转速两个因素有关。（1）机床的功率扭矩特性：主轴所传递的功率或扭矩与转速之间的关系，称为机床主轴的功率或扭矩特性。23四、机床主传动系统设计（2）传动件计算转速的确定变速传动系统中的传动件包括轴和齿轮，它们的计算转速可根据主轴的计算转速和转速图确定。确定的顺序通常是先定出主轴的计算转速，再顺次由后向前，定出各传动轴的计算转速，然后再确定齿轮的计算转速。24四、机床主传动系统设计4.3主传动系统主要传动件计算1.传动件初步计算初步计算是确定传动零件的大致尺寸，为绘制结构草图提供基本数据，初步计算包括传动轴的轴颈，齿轮的模数，V带的根数等。(1)按扭转刚度估计轴的直径4jnPKAd表估算轴径时A和K值25四、机床主传动系统设计(2)齿轮模数的估算初步计算齿轮的模数时当转速nj远大于100r/min时，所得的模数m可能对于接触疲劳强度是不够的，因此可按下式计算)mm(123jnPm)mm(1001293jjnnPm26四、机床主传动系统设计（3）主轴轴颈的确定为保证机床的工作精度，主轴尺寸一般都是根据其刚度要求决定的。对于通用机床的主轴参数通常由结构上的需要而定。故主轴前轴颈的尺寸按表4-6所列的统计数据确定。表4-6通用机床主轴前轴颈尺寸（mm）主轴的后轴颈D2，一般推荐为主轴前轴颈D1的0.7~0.85倍。当主轴的空心直径d不大于主轴的定心直径D的0.5倍时，一般对主轴的刚度影响不大；只有当d=0.7D时，主轴的刚度才下降25%，所以通常取主轴空心直径d，不大于主轴定心直径D的0.7倍。27四、机床主传动系统设计4.4主要传动件的验算1.齿轮模数的验算(重点)结构草图完成后，齿轮的工作条件、空间安排、材料和精度等级等都已确定，这时应验算齿轮的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度是否满足要求。验算时应选项同模数中承受载荷最大、齿数最少的齿轮。一般高速传动的齿轮以验算接触疲劳强度为主，对低速传动的齿轮以验证弯曲疲劳强度为主，对硬齿面软齿芯的渗碳淬火齿轮，一定要验算弯曲疲劳强度。28四、机床主传动系统设计2.传动轴刚度验算传动轴弯曲刚度验算，主要验算其最大挠度y、安装齿轮和轴承处的倾角θ。验算支撑处倾角时，只需验算支反力最大的支承点，若此处的倾角小于安装齿轮处规定的允许值，则齿轮的倾角就不必验算，因支承处的倾角一般都大于轴上其他部位的倾角。当轴上装有多个齿轮时，一般只需验算受力最大的齿轮处的挠度。轴的允许倾角和挠度值如表3-16所示。29四、机床主传动系统设计表4-16轴的弯曲变形量的允许值30四、机床主传动系统设计3.主轴部件刚度计算(1)主轴合理跨距的选择主轴跨距对主轴组件的性能有很大影响，合理选择跨距是主轴组件设计中一个相当重要的问题。图3-7是主轴端部受力后的变形情况。图（a）表示刚性支承、弹性主轴的情况。主轴前端受载荷Fc后产生的挠度为ys。133csalEIaFy31四、机床主传动系统设计图4-7主轴端部受力后的变形图4-8主轴最佳跨距计算简32四、机床主传动系统设计(2)主轴部件刚度计算主轴部件的刚度验算，实际上是指主轴弯曲刚度和扭转刚度的验算。验算的目的除保证主轴部件必要的动态旋转精度外，还要保证主轴轴承，以及主轴上的传动件都能正常工作。车床和铣床的主轴，一般是进行弯曲刚度验算；钻床的主轴，一般是进行扭转刚度的验算。主轴弯曲刚度验算验算主轴轴端的位移y验算前轴承处的转角θ1值验算传动件处的转角θ2值33四、机床主传动系统设计主轴扭转刚度验算对于以扭矩为主的主轴（如钻床主轴）通常要求其扭转角θ在（20~25）D的长度内不超过，即1π180扭扭IGlM34四、机床主传动系统设计4