《毕业设计（论文）镗削动力头及主轴组件设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计（论文）镗削动力头及主轴组件设计.doc（34页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、四 川 理 工 学 院毕 业 设 计（论 文）说 明 书题 目 镗削动力头及 主 轴 组 件 设计 学 生 系 别 机电工程系 专 业 班 级 机制03.3班 学 号 指 导 教 师 摘 要主轴及其主轴组件，是组合机床的核心部件，是组合机床进行加工的执行者，在组合机床的发展过程中占有相当重要的地位。一台组合机床的加工精度主要取决于动力头及其主轴组件的精度。现在，很多动力头基本上已经标准化，这为机床的制造，改装带来了很大的方便，但为了提高精度，工作效率，就需要设计出更专用化的动力头部件。本次设计的镗削动力头主要是用于镗削加工VF-67型空压机上减荷阀体的孔。在设计动力头的过程中，主要是依据镗削加
2、工时所需要的切削用量，进行动力源、动力传动、主轴及其组件设计。最后通过校核计算，验算所设计动力头的合理性该镗削动力头结构简单，工作可靠，可适用于加工40200 mm孔，加工精度较高，与通用动力头相比，结构简单、紧凑，可以更好的发挥动力装置的能力，大大提高劳动生产率和加工精度。通过实际调查，目前，组合机床在工厂中占有很大的比重，需进行镗内孔加工的零件数量也很多，所以，镗削动力头有很大的发展空间和广阔的运用前景。它将会降低机床成本，极大的减轻工人的劳动强度，也更容易实现自动化生产。关键词：组合机床；动力头；镗削加工。ABSTACTThe main axle and its the main axl
3、e module, is the aggregatemachine-tool core part, is performer which the aggregate machine-toolcarries on the processing, holds the quite important status in theaggregate machine-tool developing process. A aggregate machine-toolprocessing precision mainly is decided by the power head and its themain
4、 axle module precision. Now, very many power heads basically already standardize, this for theengine bed manufacture, the reequipment has brought very bigconvenient, but in order to increase the precision, the workingefficiency, needed to design the special-purposer power head part.The design of Bor
5、ing is the main driving force for the first Boring VF-6/7 air compressor on a valve by the hole. In the first design, dynamic process, which is mainly Boring processing required when cutting consumption, power sources, power transmission, Spindle assembly design. Finally, checking, checking dynamic
6、design of the first reasonable The first Boring power structure simple and reliable and can be applied to the processing of 40-200 mm hole, high precision machining, and General Dynamics compared to the first, simple and compact structure, we can better play the power plant capacity greatly improve
7、labor productivity and accuracy. Through actual investigations, at present, the combination machine in a factory has a huge proportion require boring hole machining of parts is also a lot of volume, so Boring power head has plenty of room for development and broad application prospects. It will lowe
8、r the cost of machine, greatly reducing the labor intensity, it would be easier to achieve automated production. Keywords : portfolio machine; Dynamic head; Boring目 录中文摘要英文摘要第一章 绪论第二章 动力头参数计算2.1零件分析2.2确定加工刀具材料2.3 确定镗削时主轴最佳转速2.4运动参数2.4.1主运动速度范围2.4.2确定传动级数2.4.3确定主轴的标准转速2.5作转速图2.6动力头结构简图2.7电动机的选择2.7.1计
9、算电动机功率以及各轴上的传递功率2.7.2选择电动机的型号第三章 主轴设计3.1主轴材料的选择3.2主轴轴承的选用3.3主轴热处理3.4确定主轴的结构3.5主轴结构参数3.5.1确定主轴最小直径3.5.2确定主轴前轴颈3.5.3确定主轴后轴颈3.5.4确定主轴内孔3.5.5主轴前端尺寸的确定3.5.6主轴各具体尺寸的确定第四章 齿轮设计4.1计算传动比4.2确定齿轮参数4.2.1确定齿轮的齿数4.2.2计算齿轮的宽度4.2.3计算齿轮的模数4.2.4分度圆直径4.3齿轮和主轴的联接第五章 滚动轴承的选取5.1前支承选取5.2后支承选取5.3主轴轴承精度的选择第六章 主轴组件的检验校核6.1镗削
10、切削力6.2主轴的校核6.2.1主轴刚度的验算6.2.1.1主轴端部绕度6.2.1.2主轴的倾角6.2.2主轴强度验算6.3滚动轴承额定寿命6.4主轴齿轮的校核6.4.1按接触疲劳强度校核6.4.2按齿根弯曲疲劳强校核第七章 定位元件设计7.1定位环7.2压块锁紧螺母7.3套筒7.4轴用弹性挡圈第八章 主轴箱体设计第九章 润滑密封装置设计参考文献致谢第一章绪 论进入20世纪以来,机器是人类进行生产以减轻体力劳动和提高劳动生产率的主要工具，使用机器进行生产的水平是衡量一个国家的技术水平和现代化程度的重要标志。机械制造在国民经济中占有重要地位，是一个国家或地区发展的重要支柱。组合机床它独有的优势：
11、低成本和高效率的优点，在大批、大量生产中得到广泛应用，并可用以组成自动生产线。逐渐在金属切削机床中显现出它独有的特色，赢得很多机械制造工厂的青睐。而主轴及其组件则是组合机床的重要执行部件，它对加工的精度有很大的影响，尽管现在动力头很多都被标准化，但为了提高对镗削40200 mm的孔的组合机床其专用化的程度，提高加工精度和工作效率，降低机床成本，仍然要对其动力头部件重新设计。第二章 动力头参数计算主传动的运动设计的任务是运用转速图的基本原理，从而拟定满足给定的转速的传动方案。其主要内容包括选择变速组及其传动副数，确定各变速组中的齿轮传动比，以及计算齿轮齿数，以及计算胶带轮直径等。2.1零件分析要
12、求设计一种专用机床的动力头，用于镗削加工VF67型空压机上的减荷阀体的内孔。材料为HT200，重13.5kg，加工要求为：表面粗糙度值：Ra=5um；加工精度等级IT9。材料为HT200，查机械设计课程设计手册P23页表2-3：HT200的硬度范围为148222HBS,在此取180HBS。因为被加工表面粗糙度值：Ra=5um；加工精度等级IT9，查机械制造技术基础P241页表6-4，根据对零件图的分析比较最后得出加工方案：粗镗精镗。定位基准为：工件的下底面。 2.2确定加工刀具材料通过对零件的工艺分析，取切削深度=3mm， =0.5mm/r。（机械加工工艺手册P987页表4.1-6，选取刀具材
13、料为YG6A）。选择通孔镗刀，得到通孔镗刀的外形参数B=12mm,H=12mm,L=125、150mm， =40、60， d =12mm。查机械加工艺手册P1064页表4.363。2.3 确定镗削时主轴最佳转速 根据加工要求，选择通孔镗刀，查机械加工艺手册P1064页表4.363。确定镗削加工时主轴转速和功率查机械加工工艺手册P511页表2.466附表2.49；得硬质合金镗刀的切削速度为v=0.99m/s，所需要的切削功率为Pm=2.1kw。镗销动力头主轴最佳转速：n = m/min （21）公式出处 机械制造装备P150页；式中 v 切削速度，单位为m/min；d 工件（或刀具）直径，单位为
14、mm。把上面的各个参数代入式（21）可得：n = = 200 r/min2.4运动参数2.4.1主运动速度范围根据已知条件，要求镗销加工孔的范围为40200 mm。加工40200 mm的孔时取切削深度p=3mm，f =0.3mm/r。查机械加工工艺手册P987页表4.1-6：选取刀具材料为YG6A。查机械加工工艺手册P511页表2.466附表2.49：得硬质合金镗刀的切削速度为Vmax=1.45m/s、 Vmin=1.30m/s。把上面的各个参数代入式22可得： （22） = =692 r/min= =124.2 r/min = = （23）公式出处 机械制造装备P152页；式中 z 传动级数
15、。将 n,n代入公式23可得： = = = 5.57 62.4.2确定传动级数将式（23）两边取对数可得： z =( loglog) + 1 （24）查机械制造装备P152页表31，如下表21： 表21 标准公比1.061.121.261.411.581.7822A5.7%11%21%29%37%44%50%与1.06关系1.061.061.061.061.061.061.06由上表取公比1.41，再将，代到式24中，得：z =( log6log1.41) + 15.2 + 1 = 6.2通过综合的分析与考虑，由于z只能为整数，故在此z值取为6。z3262.4.3确定主轴的标准转速查机械制造装
16、备P153页表32，如下表22：表22 标准数列表11.061.121.181.251.321.41.51.61.71.81.922.122.242.362.52.652.83.03.153.353.553.7544.254.54.755.05.35.66.06.36.77.17.588.59.09.51010.611.211.812.513.21415161718192021.222.423.62526.5283031.533.535.537.54042.54547.550535660636771758085909510010611211812513214015016017018019020
17、021222423625026528030031533535537540042545047550053056060063067071075080085090095010001060112011801250132014001500160017001800190020002120224023602500265028003000315033503550375040004250450047505000530056006000630067007100750080008500900095001000010600112001180012500132001410015000在此的最底转速是124.2 r/mi
18、n，最高转速为692 r/min，查上表12标准转速表可以确定机床主轴转速由低到高分别为：=125 r/min =180min =250min =355min =500min =710min 2.5作转速图图21 转速图2.6动力头结构简图 轴1 轴2 轴3 轴4 主轴图22 动力头结构简图2.7电动机的选择电动机是动力头切削动力的来源，是动力头的核心部件，对机床的工作起着至关重要的作用，为了最大限度的发挥机床的切削性能，必须选择一个功率合理的电动机，同时为了考虑电动机在动力头上的布局，还应在功率匹配的情况下，选择电动机的外形尺寸。2.7.1计算电动机功率以及各轴上的传递功率根据前面已经查出，
19、镗削动力头最终所需要的输出功率为2.1kw。查机械设计课程设计手册8级精度的一般圆柱齿轮的传动效率为0.97。其需要经过四对齿轮传动，因此传动总效率为：0.88因为： （25）公式出处 金属切削机床设计P40页式2-7；式中 所以，电机需要提供的功率为 kw因此各个轴传递的功率分别为： kw kw kw kw 式中是指轴与轴之间的传动效率2.7.2选择电动机的型号根据机床的具体要求查机械设计课程设计手册P155页表121选择Y132S6型电动机。第三章 主轴设计3.1主轴材料的选择主轴材料主要根据刚度、载荷特点、耐磨性和热处理变形大小等因素来选择。主轴的刚度与材料的弹性模量E值有关，刚的E值较
20、大（2.110牛/厘米左右），所以主轴材料首先考虑用钢料。因为刚的弹性模量E的数值和钢的种类和热处理方式无关，所以不论是普通钢还是合金钢，其弹性模量E基本相同。因此在选择刚料的时候应首先考虑价格便宜的中碳钢，在此我选择45钢。3.2主轴轴承的选用轴承是主轴的重要组成部分，它的类型、配置、精度、安装、调整和润滑等都直接影响主轴组件的工作性能。主轴的旋转精度在很大程度上由轴承决定，轴承的变形量约占主轴组件总变形量的30%50%，轴承的发热量占的比重也比较大。故主轴轴承应具有：旋转精度高、刚度大、承载能力强、抗振性能高、摩擦功耗小、噪声低和寿命长等特点。这也是对主轴轴承的基本要求，查金属切削机床设计
21、P140页表56，如下表31：表31 滚动轴承和滑动轴承的比较基本要求滚动轴承滑 动 轴 承动压轴承静压轴承旋转精度精度一般或较差。可在无隙或预加载荷下工作。精度也可以很高，但制造困难单油楔轴承一般，多油楔轴承较高可以很高刚 度仅与轴承型号有关，与转速、载荷无关，预紧后可提高一些随转速和载荷升高而增大与节流形式有关，与载荷转速无关承载能力一般为恒定值，高速时受材料疲劳强度限制随转速增加而增加，高速时受温升限制与油腔相对压差有关，不计动压效应时与速度无关抗振性能不好，阻尼系数D=0.029较好，阻尼系数D=0.055很好，阻尼系数L=0.4速度性能高速受疲劳强度和离心力限制，低中速性能较好中高速
22、性能较好。低速时形不成油漠，无承载能力适应于各种转速摩擦功耗一般较小，润滑调整不当时则较大f=0.0020.008教小f=0.0010.008本身功耗小，但有相当大的泵功耗f=0.00050.001噪 声较大无噪声本身无噪声，泵有噪声寿 命受疲劳强度限制在不频繁启动时，寿命较长本身寿命无限，但供油系统的寿命有限根据表21对滚动轴承和滑动轴承做出相应比较，在这里滚动轴承能够满足主轴组件工作性能要求、经济合理。所以选择滚动轴承。3.3主轴热处理主轴采用45钢，查机械制造装备P118页表24，如下表32：表32 主轴材料及热处理钢 材热 处 理用 途45钢调质2228HRC，局部高频淬硬5055HR
23、C一般机床主轴、传动轴40Cr淬硬4050HRC载荷较大或表面要求较硬的主轴20Cr炭化、淬硬5662HRC中等载荷、转速很高、冲击较大的主轴38CrMoA1A氢化处理8501000HV精密和高精度机床主轴65Mn淬硬5258HRC高精度机床主轴根据表32，为满足工作要求，对该45钢主轴进行调质处理，硬度HRC2228。由于主轴采用的是滚动轴承，为了提高接触刚度，防止敲碰损伤轴颈的配合表面，所以对轴颈进行高频淬火，硬度HRC5055。3.4确定主轴的结构本组合机床的主轴结构应保证镗刀的安装可靠、定位准确、连接钢度高、装卸方便并能传递足够的转矩；并考虑到该主轴的轴上零件的类型、数量、位置和安装定
24、位方法的因素以及加工工艺性和装配工艺性。所以将该主轴设计成头大尾小、逐级递减的阶梯形状。具体样式如下图21：图31 主轴3.5主轴结构参数3.5.1确定主轴最小直径 （mm） （31）公式出处机械设计P314页式中 C与轴材料有关的系数； P轴传递的功率； n轴的转速。主轴采用45钢，根据机械设计P314页表16.2，如表33表33 轴强度计算公式中的系数C轴的材料Q235，20Q255，Q275，354540Cr,38SiMnMoC12160151482013525125301183511240106451025298由上表C取112;因为主轴转速最低的时候所承受的扭矩最大，所以n取125r
25、/min;轴的传递功率P为2.1kw。将C、n、P代入式31得：mm3.5.2确定主轴前轴颈查机械制造装备P118页表25，如下表34：表34 主轴前轴颈的直径功率机床 2.63.63.75.55.67.27.4111114.714.818.4车床60907010595130110145140165150190由于镗床主轴与车床主轴机构类似，电机的功率为2.5kw，根据上表选择d为:d=50mm3.5.3确定主轴后轴颈根据经验公式d（0.70.85）d （32）d35mm3.5.4确定主轴内孔为了减轻主轴重量、能够通过拉杆、冷却管等主轴内孔直径的大小在满足主轴刚度的前提下尽量取大值，但一般应保
26、证D=500.7=24.5mm为满足足够的强度D取：D=20mm3.5.5主轴前端尺寸的确定 该专用组合机床镗削的孔径不大，用主轴莫氏锥孔作为镗刀杆的定位面，并且便于装夹，通用性也很强。查金属切削机床设计简明手册P52页表148主轴端部尺寸，详如下表35：图32 主轴端部表35 镗床主轴端部尺寸（GB281489）32552011.91531093333.5.6主轴各具体尺寸的确定根据主轴组件具体安装尺寸要求，主轴各尺寸确定如下表：表36 主轴尺寸322055605550454035461531254832.5730.54066428第四章 齿轮设计此机床为使结构紧凑、便于力传递，变速箱和主轴
27、箱设计为一整体。为将变速箱的力准确的传递给机床主轴，在此选用齿轮传递。4.1计算传动比1.4122.8445.684.2确定齿轮参数4.2.1确定齿轮的齿数通过对上式进行分析可以看出，传动比与公比始终有整次方的关系，同时考虑到机床上各零件加工的方便，在这里我们取机床上各传动齿轮的模数相同。通过查金属切削机床设计P61页表3.1.1得到齿轮齿数分别为：表41 齿轮齿数表2139253530302040352520404444所以，主轴上齿轮齿数Z=44。4.2.2计算齿轮的宽度对整个传动系统示意图进行分析，可以看出轴IV上齿轮所承受的力最大。故在确定齿轮的宽度时，暂时以此齿轮进行设计计算。 （4
28、1） 174200N.mm查机械设计教材P222表12.3由于我们设计的齿轮采用硬齿面，故取齿宽系数。又已知齿轮材料为45钢调质处理，硬度为229HB286HB，在此我们取平均硬度240HB。查机械设计教材P223图12.17(c)45调质钢接触疲劳极限 mpa。初步计算齿轮的接触应力： （42）公式出处机械设计P226页式12.5。mpa初步计算齿轮的直径： （43）查机械设计教材P227 表12.16取85。把以上各个参数代入式43可得：120 mm齿宽 （44）mm通过分析，变速箱的所有齿宽都取35mm。综合所设计机床的特性，在此统一取齿宽主要是为了方便加工，使机床构简单化，所以主轴上齿
29、轮取齿宽：B=35mm4.2.3计算齿轮的模数在前面对齿轮宽度计算时，我们分析并计算出齿轮分度圆直径为120mm，齿数为40,其齿轮齿数z，模数m，分度圆直径d，有如下的关系： （45）所以： mm为了减少机床加工工艺的难度，在所设计的主轴齿轮采用相同的模数，这也是满足一对直齿圆柱齿轮正常啮合的的条件。因此主轴与轴IV之间的中心距同样可以确定出来： （46）公式出处机械设计P212页表12.8即： mm4.2.4分度圆直径 =132mm4.3齿轮和主轴的联接此处主要是齿轮向主轴传递转矩，在次应选择周向固定的平键联接。查机械设计课程设计手册表41根据要求选择图41 键 GB 109679第五章
30、滚动轴承的选取5.1前支承选取镗床进行镗削加工时主要承受径向载荷，但轴向载荷也不可忽略，所以前支撑选择双列圆锥滚子轴承，这样既能承受径向载荷又能承受轴向载荷。由于滚锥数量较多，故刚度和承载能力大。由于没有50双列圆锥滚子轴承，就选用两个50圆锥滚子轴承背对背安装，中间用隔套1隔开，修磨隔套的厚度便可调整轴承的间隙并预紧。轴承靠外圈定位，这样箱体孔可制成通孔，方便加工、精度也相应提高。图51 30210圆锥滚子轴承5.2后支承选取后支撑选择圆柱滚子轴承承受径向力。查机械设计课程设计手册P64页表62选择N207E圆锥滚子轴承。图52 N207E圆柱滚子轴承5.3主轴轴承精度的选择根据实际经验得出
31、，前轴承的精度对主轴的前端的轴心偏移量最大，因此，前轴承的精度应比后轴承高一级。查机械制造装备设计P65页表33选择，前轴承的精度等级为P4，后轴承的精度等级为P5。第六章 主轴组件的检验校核6.1镗削切削力在镗床上镗削加工与车床上镗孔基本相似，所以切削力的公式与车削加工切削力公式相同。查机械制造工艺设计手册表31，如下表61：表61 车削切削力的实验计算公式计算公式切削力主切削力吃刀抗力走刀抗力公式中的系数与指数值工件材 料加工方式刀具材料刀具主副偏 角主切削力吃刀抗力走刀抗力灰 铸铁HB200车外圆及镗孔硬质合金921.00.750540.90.750461.00.401231.00.85
32、0610.60.50241.050.20工件材料的机械性能改变后，切削力的修正系数工件材料主切削力吃刀抗力走刀抗力灰铸铁根据前面所选镗削三要素：p=3mm，f =0.3mm/r，Vmax=1.45m/s、 Vmin=1.30m/s。1）主切削力 （61）将各数值代入上式得： N2）吃刀抗力 （62）将各数值代如上式得： N3）走刀抗力 （63）将各数值代如上式得： N4）总切削力 （64）=2143.89N6.2主轴的校核为保证机床加工出来的零件有足够的精度，提高产品的合格率。因此必须对机床主轴进行校核。6.2.1主轴刚度的验算6.2.1.1主轴端部绕度主轴端部的绕度值直接影响加工精度和表面粗
33、糙度，因此必须加以限制，一般计算主轴端部最大绕度1）支承的简化由于该主轴前支承处有两个滚动轴承，可认定为主轴在前支承处无弯曲变形，可化简为固定端梁。如图所示：图61 支承简化图2）作受力简图图62 受力图3）主轴的当量直径： （65）公式出处机械制造装配设计P73页式311式中、主轴上第i段的外圆直径根据实际计算主轴前支承到受力端部的距离mm=54.79mm4）主轴的当量惯性矩： （66）公式出处机械制造装配设计P74式312=4337317.5mm该主轴的材料选用的45钢，查材料力学P33页表22取：E=210GMPa=2.110Pa5）主轴的最大绕度 （67）公式出处材料力学P188页表6
34、1序号2=5.810根据金属切削机床设计P165页经验公式可得主轴端部的许用绕度=0.0002L （68）=0.0002194.75=0.038956.2.1.2主轴的倾角主轴上安装轴承处的倾角太大，会破坏轴承的正常工作，缩短轴承的寿命。因此也必须加以限制。 （69）公式出处材料力学P188页表61序号2=4.4根据金属切削机床设计P165页相关资料建议，许用倾角=0.001弧度。通过对主轴端部绕度和主轴的倾角的验算，此主轴满足足够的刚度要求。6.2.2主轴强度验算通常主轴能满足刚度要求也就能满足主轴的强度要求，在此也就不对主轴强度进行验算。所以主轴符合要求。6.3滚动轴承额定寿命该机床主轴所
35、选用的都是滚动轴承，而根据比较主要受力轴承为靠近刀具前端的轴承，应对此轴承进行寿命校核；该轴承为30210圆锥滚子轴承。由手册查得，基本额定动载荷C是以1,可靠度为90%为依据。由此可以列出轴承当量动载荷为P时，以转速为单位的基本额定寿命为： 即 转若轴承工作转速为n r/min，可求出以小时为单位的基本额定寿命： （610）公式出处机械设计P375页式中 基本额定寿命；P当量动载荷；C基本额定动载荷；寿命指数，球轴承，滚子轴承。1）冲击载荷： 查机械设计P375页表18.8取：2）滚动轴承当量动载荷系数X，Y ：查机械设计P374页表18.7取：X=1,Y=03）当量动载荷P： （611）
36、= 4）基本额定动载荷：查机械设计课程设计手册P72页表67取：KN5）校核轴承寿命： = h查机械设计 P376 表18.9；该机床轴承的预期使用寿命推荐值为2000030000h。因为：=30000h 所以经过上面的校核计算，该轴承在使用期内，完全能够满足工作的需要，使用寿命足够。6.4主轴齿轮的校核根据本次设计所给的已知条件和前面忆计算出来的数据，所校核的齿轮齿宽为35mm，设计时所取的齿宽系数为0.3,齿轮材料采用45钢调质处理，硬度范围为229286HB，在设计中，我们取260HB，设计工作时间为10年，每年300个工作日，两班制。通过分析后，决定校核轴4与主轴上和。1）齿轮的齿数：2）齿轮的模数： 3）主轴所承受转矩： （612）4）齿轮分度圆直径：5）齿轮的转速：6）齿轮圆周速度： （613） 7）使用系数：所设计各部载荷均匀平稳，查机械设计P215页表12.9取8）动载荷系数：查机械设计P216页图12.9取：9）齿间载荷分布系数：查机械设计P217页表12.10： （614） （615） （616）公式出处机械设计P217页式12.6式中 端面重合度 = 1.735 （617） 公式出处机械设计P221页式12.10 式中 按接触强度计算的重合度系数
