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1、中北大学课程设计任务书 06/07 学年第 一 学期全套图纸，加153893706学 院： 机械工程与自动化学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名： 学 号： 课程设计题目： 金属切削机床课程设计 （车床主轴箱设计） 起 迄 日 期： 1 月 4 日 1 月 17 日 课程设计地点： 机械工程与自动化学院 指 导 教 师： 系 主 任： 下达任务书日期: 2006年1月4日课 程 设 计 任 务 书1设计目的：通过本课程设计的训练，使学生初步掌握机床的运动设计（包括主轴箱、变速箱传动链），动力计算（包括确定电机型号，主轴、传动轴、齿轮的计算转速），以及关键零部件的强度校核，获得
2、工程师必备设计能力的初步训练。同时巩固金属切削机床课程的基本理论和基本知识。1运用所学的理论及实践知识，进行机床设计的初步训练，培养学生的综合设计能力； 2掌握机床设计（主轴箱或变速箱）的方法和步骤；3掌握设计的基本技能，具备查阅和运用标准、手册、图册等有关技术资料的能力；4基本掌握绘图和编写技术文件的能力2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：1机床的类型、用途及主要参数车床，工作时间：一班制，电动机功率：，主轴最高、最低转速如下：，变速级数：z=12。2工件材料：45号钢 刀具材料：YT153设计部件名称：主轴箱3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文
3、)、图纸、实物样品等：设计任务1运动设计：根据所给定的转速范围及变速级数，确定公比，绘制结构网、转速图、计算齿轮齿数。2动力计算：选择电动机型号及转速，确定传动件的计算转速、对主要零件（如皮带、齿轮、主轴、轴承等）进行计算（初算和验算）。设计工作量要求：1主轴箱展开图、剖面图各一张；2齿轮零件图一张；3机床传动系统图一张；4编写课程设计说明书一份。（A415页） 课 程 设 计 任 务 书4主要参考文献：1 陈易新.金属切削机床课程设计指导书.北京:机械工业出版社,1987.72 范云涨.金属切削机床设计简明手册. 北京:机械工业出版社,1994.75设计成果形式及要求：图纸和说明书 6工作计
4、划及进度：2007年1 月 4 日 1 月 5 日 调查阶段 1 月 6 日 1 月14日 设计阶段1月15 日 1 月16日 考核阶段1月17日 最终答辩 答辩或成绩考核系主任审查意见： 签字： 年 月 日目录1机床总体设计- 51.1机床布局-51.2绘制转速图-71.3确定带轮直径-71.4验算主轴转速误差-81.5绘制传动系统图-82估算传动件参数 确定其结构尺寸-82.1确定传动见件计算转速-82.2确定主轴支承轴颈尺寸-82.3估算传动轴直径-9.2.4估算传动齿轮模数-92.5普通V带的选择和计算-103机构设计-113.1带轮设计-113.2齿轮块设计-113.3轴承的选择-1
5、13.4主轴主件-113.5操纵机构-113.6滑系统设计-123.7封装置设计-123.8主轴箱体设计-123.9主轴换向与制动结构设计-124传动件验算-124 .1齿轮的验算-124.2传动轴的验算-144.3花键键侧压溃应力验算-174.4滚动轴承的验算-174.5主轴组件验算-185设计感想-196 参考文献-201 机床总体设计轻型车床是根据机械加工业发展需要而设计的一种适应性强，工艺范围广，结构简单，制造成本低的万能型车床。它被广泛地应用在各种机械加工车间，维修车间。它能完成多种加工工序；车削内圆柱面，圆锥面，成形回转面，环形槽，端面及内外螺纹，它可以用来钻孔，扩孔，铰孔等加工。
6、1.1机床布局（1）确定结构方案1）主轴传动系统采用V带，齿轮传动。2）传动型采用集中传动。3）主轴换向，制动采用双向片式摩擦离合器和带式制动器。4）变速系统采用多联划移齿轮变速。5）润滑系统采用飞溅油润滑。（2）布局采用卧式车床常规的布局形式。机床主要由主轴箱，皮鞍，刀架，尾架，进给箱，溜扳箱，车身等6个部件组成。（3） 主传动系统运动设计确定变速组传动副数目实现12级主轴转速变化的传动系统可以写成多种传动副组合：1）12=3 2）12=43 3）12=3 4）12=212=2在上述的方案中1和2有时可以省掉一根轴。缺点是有一个传动组内有四个传动副。如果用一个四联滑移齿轮的话则会增加轴向尺寸
7、；如果用两个滑移双联齿轮，则操纵机构必须互梭以防止两个滑移齿轮同时啮合。所以一般少用。3，4，5方案可根据下面原则比较：从电动机到主轴，一般为降速传动。接近电动机处的零件，转速较高从而转矩较小，尺寸也较小。如使传动副较多的传动组放在接近电动机处，则可使小尺寸的零件多些，大尺寸的零件就可少些，就省材料了。这就是“前多后少”的原则。从这个角度考虑，以取12=3的方案为好。设计的机床的最高转速 最低转速变速范围 Z=12 公比为=1.414主轴转速共12级分别为31.5 45 63 90 125 180 250 355 500 710 1000 1400则最大相对转速损失率: 选用2.2kw的电动机
8、 型号为YO-31-1 转速为1430r/min（4） 结构网或结构式各种方案的选择在12=2中，又因基本组和扩大组排列顺序的不同而有不同的方案。可能的六种方案，其结构网和结构式见下面的图。在这些方案中可根据下列原则选择最佳方案。1） 传动副的极限传动比和传动组的极限变速范围 在降速传动时，为防止被动齿轮的直径过大而使径向尺寸太大，常限制最小传动比1/4。在升速时，为防止产生过大的震动和噪声，常限制最大传动比。因此主传动链任一传动组的最大变速范围一般为。方案a b c d是可行的。方案d f是不可行的。2） 基本组和扩大组的排列顺序 a 12=3 b 12=3 c 12=3d 12=3 e 1
9、2=3 f 12=3在可行的四种方案 a b c d中，还要进行比较以选择最佳的方案。原则是中间传动轴变速范围最小的方案 。因为如果各方案同号传动轴的最高转速相同，则变速 范围小的，最低转速较高，转矩较小，传动件的尺寸也就可以小些。比较图中的方案 a b c e，方案 a的中间轴变速范围最小故方案 a最佳。如果没有别的要求则计量使扩大顺序和传动顺序一致 图1 1.2绘制转速图图2 转速图利用查表法求出各传动粗齿轮齿数表1 齿轮齿数变速组第一变速组第二变速组第三变速组齿数和728490齿轮齿数36 36 30 42 24 4842 42 22 6260 30 18 721.3确定带轮直径确定计算
10、功率 K-工作情况系数 工作时间为一班制 查表的k=1N-主动带轮传动的功率计算功率为根据计算功率和小带轮的转速选用的三角带型号为O 查表的小带轮直径推荐植为70大带轮直径 1.4验算主轴转速误差主轴各级实际转速值用下列公式计算:式中分别为第一,第二 第三变速组齿轮传动比. 转速误差用主轴实际转速与标准转速相对误差的绝对值表示:主轴转速标准转速r/min1400100071050035525018012590634531.5实际转速r/min14201014710503.8359.87251.9177.5126.788.762.9844.9831.49转速误差%1.431.400.761.37
11、0.761.391.361.440.00.040.0137 表2 转速误差表转速误差用实际转速和标准转速相对误差应小于等于4.1%转速误差满足要求。1.5绘制传动系统图详见图2估算传动件参数 确定其结构尺寸2.1确定传动见件计算转速表3 传动件计算转速传动件轴齿轮 IIIIIIIV计算转速71035512590710710710500710355710710355125125250355902.2确定主轴支承轴颈尺寸根据机床课程设计指导书主轴的驱动功率为2.2kw在1.5-2.8 kw范围内选取前支承轴颈直径为 D=60-80，选取。后支承轴颈直径：选取 23估算传动轴直径. 表4 估算传动轴
12、直径计算公式轴号计算转速电机至该轴传动效率输入功率允许扭转角传动轴长度mm估计轴的直径mm 花键轴尺寸I7100.962.1121.550019.2II3550.962.11.550022.8III1250.962.081.560019.52.4估算传动齿轮模数根据计算公式计算各传动组最小齿轮的模数表5 估算齿轮摸数估算公式传动组小齿轮齿数比齿宽系数传递功率P载荷系数K 系数系数许用接触应力许用齿根应力计算转速系数模数模数选取模数m按齿轮接触疲劳强度按齿轮弯曲疲劳强度第一变速组24272.112161111005187104.571.61.42第二变速组222.8292.11611110051
13、83554.651.91.72第三变速组18472.08161111005183554.92.2232.5普通V带的选择和计算设计功率 （kw） 皮带选择的型号为O型两带轮的中心距范围内选择。中心距过小时，胶带短因而增加胶带的单位时间弯曲次数降低胶带寿命；反之，中心距过大，在带速较高时易引起震动。计算带的基准长度：按上式计算所得的值查表选取计算长度L及作为标记的三角带的内圆长度标准的计算长度为实际中心距 A=A=为了张紧和装拆胶带的需要，中心距的最小调整范围为A002L是为了张紧调节量为22.78( h+0.01L) 是为装拆调节量为胶带厚度.定小带轮包角求得合格带速 对于O型带 选用合格.带
14、的挠曲次数: 合格带的根数 单根三角带能传递的功率小带轮的包角系数 取六根三角带。3结构设计3.1带轮设计根据V带计算，选用6根O型V带。由于I轴安装了摩擦离合器，为了改善它们的工作条件，保证加工精度，采用了卸荷带轮结构。3.2齿轮块设计机床的变速系统采用了滑移齿轮变速机构。根据各传动组的工作特点，基本组的齿轮采用了销钉联结装配式结构。第二扩大组，由于传递的转矩较大，则采用了整体式齿轮。所有滑移出论与传动轴间均采用了花键联结。从工艺的角度考虑，其他固定齿轮也采用花键联结。由于主轴直径较大，为了降低加工成本而采用了单键联结。3.3轴承的选择为了安装方便I轴上传动件的外径均小于箱体左侧支承孔直径并
15、采用0000型向心球轴承为了便于装配和轴承间隙II III IV轴均采用乐2700E型圆锥滚子轴承。V轴上的齿轮受力小线速度较低采用了衬套式滚动轴承。滚动轴承均采用E级精度。3.4主轴主件本车床为普通精度级的轻型机床，为了简化结构，主轴采用了轴向后端定位的两支承主轴主件。前轴承采用了318000型双列圆柱滚子轴承，后支承采用了46000型角接触球轴承和8000型单向推力球轴承。为了保证主轴的回转精度，主轴前后轴承均用压块式防松螺母调整轴承的间隙。主轴前端采用了圆锥定心结构型式。前轴承为C级精度，后轴承为D级精度。3.5操纵机构为了适应不同的加工状态，主轴的转速经常需要调整。根据各滑依齿轮变速传
16、动组的特点，分别采用了集中变速操纵机构和单独操纵机构。3.6滑系统设计主轴箱采用飞溅式润滑。油面高度为65mm左右，甩油轮浸油深度为10mm左右。润滑油型号为：HJ30。3.7封装置设计I轴轴颈较小，线速度较低，为了保证密封效果，采用了皮碗式接触密封。而主轴直径大，线速度较高，则采用了非接触式 密封。卸荷皮带轮的润滑采用毛毡式密封，以防止外界杂物进入。3.8主轴箱体设计箱体外形采取了各面间直角连接方式，使箱体线条简单，明快。并采用了箱体底面和两个导向块为定位安装面，并用螺钉和压板固定。安装简单，定位可靠。3.9主轴换向与制动结构设计本机床属于万能性的轻型车床，适用于机械加工车间和维修车间。主轴
17、换向比较频繁，采用双向片式摩擦离合器。这种离合器结构简单。工作原理是，移动滑套，钢球沿斜面向中心移动并使滑块，螺母左移，压紧摩擦片，实现离合器啮合。摩擦片间间隙可通过放松销，螺母来进行调整。制动器采用了带式制动器，并根据制动器设计原则，将其放置在靠近主轴的较高转速的III轴上。为了保证离合器与制动器的联锁运动，采用一个操纵手柄控制。4传动件验算以II轴为例，验算轴的弯曲刚度，花键的挤压应力，齿轮模数及轴承寿命。4 .1齿轮的验算验算变速箱中齿轮强度应选择相同模数承受载荷最大齿数最小的齿轮进行接触压力和弯曲压力计算，一般对高速传动的齿轮验算齿面接触压力，对低速传动的齿轮验算齿根弯曲压 力对硬齿面
18、软齿心渗碳淬火的齿轮要验算齿根弯曲压力。接触压力的验算公式： 弯曲应力的验算公式： 表6齿轮验算第一传动组第二传动组第三传动组齿轮传递功率N211221208齿轮计算转速710355355齿轮的模数m 223齿宽B151822小齿轮数Z242218大齿轮与小齿轮齿数比u22824寿命系数111速度转化系数(接触载荷)弯曲载荷0.740.850.980.90.920.92功率利用系数（接触载荷）弯曲载荷0.580.580.580.780.780.78材料利用系数（接触载荷）弯曲载荷0.760.760.760.770.770.77工作情况系数1.51.51.5动载荷系数111齿向载荷分布系数1.0
19、51.051.05齿形系数Y0.420.4080.378其中寿命系数 工作期限系数 T-齿轮在机床工作期限（的总工作时间h ，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。稳定工作用量载荷下的极限值=1。高速传动件可能存在情况，此时取，大载荷低速传动件可能存在时取计算值。第一传动组和第三传动组的齿轮是经过淬火的许用接触应力为1100mp许用弯曲应力为320mp第二传动组的齿轮是经过高频淬火其许用接触应力为1370mp许用弯曲应力为354mp.4.2传动轴的验算对于传动轴要进行强度和刚度的验算，轴的刚度验算包括滚动轴承处的倾角验算和齿轮的齿向交角的验算。如果是花键还要进行键侧
20、压溃应力计算。（1） 轴的强度验算由于机床变速箱中各轴的应力都比较小，验算时，通常采用复合应力公式进行计算：特性等因素；W-轴的危险断面的抗弯断面模数矩形花键轴：轴II的经过验算轴合格。对轴I倾角进行验算 图3剪力图和弯矩图左轴承 右轴承倾角允许值=0.0014.3花键键侧压溃应力验算花键键侧工作表面的挤压应力为： 式中：经过验算合格。4.4滚动轴承的验算机床的一般传动轴用的轴承，主要是因为疲劳破坏而失效，故应进行疲劳寿命验算。滚动轴承的疲劳寿命验算： 经过计算P=745.356 合格。4.5主轴组件验算前轴承轴径，后轴承轴径求轴承刚度 主轴最大输出转矩： 根据主电动机功利为2.2，在1.5-
21、2.2Kw范围内。则床身上最大回转直径D=320mm刀架上最大回转直径主轴通孔直径d,最大工件长度1000mm。床身上最大加工直径为最大回转直径的60%也就是192mm故半径为0.096mm。切削力（沿y轴）背向力（沿x轴） 故总的作用力此力作用于顶尖间的工件上，主轴和尾架各承受一半，故主轴端受力为F/2=1359.35主轴孔径初选为40 根据结构选悬伸长度a=100mm在计算时，先假定初值l/a=3 l=3前后支承的支反力轴承的刚度初步计算时，可假定主轴的当量外径为前后轴承的轴径的平均值。 故惯性矩为： I=前轴承为轴承代号为NN3014后轴承为轴承代号为7011AC和型号为51211最佳跨
22、距5.设计感想通过这次机床课程设计使我学到很多东西，使以前从书本上学到的知识具体化，实际化。同时我也尝试到失败的滋味，因为课程设计当中遇到很多困难，有的东西在书本上看的很不实际。通过这次设计我认识到很多东西，书上的知识过于理想化，要是完全按照书本上的来设计有时候根本没办法做下去，只有按照实际的模型来设计。在设计的过程当中我主要看的是书和图书馆的一些已经有的一些实际车床来设计机构，布局。很多实际的东西我都没有见过，但是想的话又想不通。在设计过程中由于没有把时间合理安排好，所以在设计中没有按时完成设计，可见我们在时间观念方面还是有待进步，这也是这次课程设计当中所学到的一方面。6.参考文献1 机械工业出版社 戴曙主编2 机械工业出版社 范云涨主编3 高等教育出版社 吴宗泽主编4 机床教研室 陈易新编
