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西安工業(yè)大學北方信息工程學院 畢業(yè)設計（論文） 題目：臥式車床主傳動系統(tǒng)的結構設計 系 別 機電信息系 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 班 級 B100205 姓 名 黃仁奕 學 號 B10020509 導 師 姚慧 2014 年 4 月 10 日 臥式車床主傳動系統(tǒng)的結構設計 第 2 頁 共 65 頁 摘要 數(shù)控車床不僅能夠車外圓還能用于鏜孔、車端面、鉆孔與鉸孔。與其他種 類的機床相比，車床在生產(chǎn)中使用最廣。 本論文首先介紹了我國數(shù)控機床發(fā)展的過程與現(xiàn)狀 ,并分析了其存在的問 題 ;對數(shù)控機床的發(fā)展趨勢進行了探討；并對 CW61100E 數(shù)控車床主軸箱傳動 系統(tǒng)進行了設計與計算。 主軸箱有安裝在精密軸承中的空心主軸和一系列變速齒輪組成。數(shù)控車床 主軸可以獲得在調速范圍內(nèi)的任意速度，以滿足加工切削要求。 目前，數(shù)控車床的發(fā)展趨勢是通過電氣與機械裝置進行無級變速。變頻電 機通過帶傳動和變速齒輪為主軸提供動力。通常變頻電機調速范圍 3—5，難以 滿足主軸變速要求；串聯(lián)變速齒輪則擴大了齒輪的變速范圍 。 本設計將原來的帶輪不卸荷結構變?yōu)榱藥л喰逗山Y構，使輸入軸在帶處只 受轉矩，將軸上的徑向力傳動到車床機體上,改善了輸入軸的受力情況。 關鍵詞：主軸箱，無級調速，傳動系統(tǒng) Abstract CNC lathe can not only outside the circle can be used for boring, facing, drilling and reaming. Compared with other kinds of machine tools, lathe is the most widely used in production. This paper introduces the process and current situation of the development of CNC machine tools in China, and analyzes its existing problems; the development trend of NC machine tool was discussed; and the CW61100E CNC lathe spindle box transmission system design and calculation. The spindle box is composed of hollow spindle mounted in precision bearings and a set of transmission gears. Spindle CNC lathe can get any speed in speed range, to meet the machining requirements. At present, the development trend of NC lathe is stepless speed change through the electrical and mechanical equipment. Variable frequency motor through the belt drive and gear to provide power for the spindle. Usually the frequency control of motor speed range of 3 - 5, to meet the requirements of spindle speed; series gear extends the range of gear transmission. The design of the original belt wheel not unloading structure to belt wheel unloading structure, the input shaft with only by the shaft torque, radial force on the drive to the lathe body, improve the stress conditions of the input shaft. Key Words: spindle box, stepless speed regulation, transmission system 臥式車床主傳動系統(tǒng)的結構設計 第 4 頁 共 65 頁 目錄 摘要 ............................................................................................................................................................2 ABSTRACT...............................................................................................................................................3 1 緒論 ........................................................................................................................................................6 2 設計計算 ................................................................................................................................................7 2.1 機床的主參數(shù) .................................................................................................................................7 2.2 主運動參數(shù) .....................................................................................................................................7 1.3 切削力的計算 .................................................................................................................................8 3 主動參數(shù)參數(shù)的擬定 ..........................................................................................................................10 3.1 主運動調速范圍的確定、計算各軸計算轉速、功率和轉矩 ...................................................10 3.2 主電動機的選擇 ...........................................................................................................................11 4 變速結構的設計 ..................................................................................................................................13 4.1 主變速方案擬定 ...........................................................................................................................13 4.2 變速結構式、結構網(wǎng)的選擇 .......................................................................................................13 4.2.1 確定變速組及各變速組中變速副的數(shù)目 ...........................................................................13 4.2.2 結構網(wǎng)的擬定 .......................................................................................................................14 4.2.3 結構式的擬定 .......................................................................................................................14 4.2.4 結構式的擬定 .......................................................................................................................14 4.2.5 確定各變速組變速副齒數(shù) ...................................................................................................15 5 傳動件的設計 ......................................................................................................................................16 5.1 帶傳動設計 ...................................................................................................................................16 5.2 選擇帶型 .......................................................................................................................................17 5.3 確定帶輪的基準直徑并驗證帶速 ...............................................................................................17 5.4 確定中心距離、帶的基準長度并驗算小輪包角 .......................................................................18 5.5 確定帶的根數(shù) Z ............................................................................................................................19 5.6 確定帶輪的結構和尺寸 ...............................................................................................................19 5.7 確定帶的張緊裝置 .......................................................................................................................20 5.8 計算壓軸力 ...................................................................................................................................20 5.9 各變速組齒輪模數(shù)的確定和校核 ...............................................................................................22 5.9.1 齒輪模數(shù)的確定 ...................................................................................................................22 5.9.2 齒寬的確定 ...........................................................................................................................26 5.9.3 齒輪結構的設計 ...................................................................................................................26 5.10 傳動軸的直徑估算 .....................................................................................................................27 5.10.1 確定各軸轉速 .....................................................................................................................27 5.10.2 傳動軸直徑的估算：確定各軸最小直徑 ..........................................................................28 5.10.3 鍵的選擇 .............................................................................................................................29 5.11 傳動軸的校核 .............................................................................................................................29 5.11.1 傳動軸的校核 .....................................................................................................................29 5.11.2 鍵的校核 .............................................................................................................................30 臥式車床主傳動系統(tǒng)的結構設計 第 5 頁 共 65 頁 5.12 摩擦離合器的選擇和計算 .........................................................................................................30 5.13 齒輪校驗 .....................................................................................................................................33 5.13.1 校核 a 變速組齒輪 .............................................................................................................34 5.13.2 校核 b 變速組齒輪 .............................................................................................................35 5.13.3 校核 c 變速組齒輪 .............................................................................................................36 5.14 軸承的選用與校核 .....................................................................................................................38 5.14.1 各軸軸承的選用 .................................................................................................................38 5.14.2 各軸軸承的校核 .................................................................................................................38 5.15 主軸組件設計 .............................................................................................................................39 6 結構設計 ..............................................................................................................................................50 6.1 結構設計的內(nèi)容、技術要求和方案 ...........................................................................................50 6.2 展開圖及其布置 ...........................................................................................................................50 6.3 I 軸（輸入軸）的設計 .................................................................................................................51 6.4 齒輪塊設計 ...................................................................................................................................52 6.5 傳動軸的設計 ...............................................................................................................................53 6.6 主軸組件設計 ...............................................................................................................................54 6.6.1 各部分尺寸的選擇 ...............................................................................................................54 6.6.2 主軸材料和熱處理 ...............................................................................................................55 6.6.3 主軸軸承 ...............................................................................................................................55 6.6.4 主軸與齒輪的連接 ...............................................................................................................57 6.6.5 潤滑與密封 .........................................................................................................................57 6.6.6 其他問題 ...............................................................................................................................58 7 總結和展望 ..........................................................................................................................................59 7.1 本文工作總結 ...............................................................................................................................59 7.2 課題展望 .......................................................................................................................................60 參考文獻 ..................................................................................................................................................64 致 謝 ......................................................................................................................................................65 臥式車床主傳動系統(tǒng)的結構設計 第 6 頁 共 65 頁 1 緒論 機床技術參數(shù)有主參數(shù)和基本參數(shù)，他們是運動傳動和結構設計的依據(jù)， 影響到機床是否滿足所需要的基本功能要求，參數(shù)擬定就是機床性能設計。主 參數(shù)是直接反映機床的加工能力、決定和影響其他基本參數(shù)的依據(jù)，如車床的 最大加工直徑，一般在設計題目中給定，基本參數(shù)是一些加工件尺寸、機床結 構、運動和動力特性有關的參數(shù)，可歸納為尺寸參數(shù)、運動參數(shù)和動力參數(shù)。 通用車床工藝范圍廣，所加工的工件形狀、尺寸和材料各不相同，有粗加 工又有精加工；用硬質合金刀具又用高速鋼刀具。因此，必須對所設計的機床 工藝范圍和使用情況做全面的調研和統(tǒng)計，依據(jù)某些典型工藝和加工對象，兼 顧其他的可能工藝加工的要求，擬定機床技術參數(shù)，擬定參數(shù)時，要考慮機床 發(fā)展趨勢和同國內(nèi)外同類機床的對比，使擬定的參數(shù)最大限度地適應各種不同 的工藝要求和達到機床加工能力下經(jīng)濟合理。 機床主傳動系因機床的類型、性能、規(guī)格和尺寸等因素的不同，應滿足的 要求也不一樣。設計機床主傳動系時最基本的原則就是以最經(jīng)濟、合理的方式 滿足既定的要求。在設計時應結合具體機床進行具體分析，一般應滿足的基本 要求有：滿足機床使用性能要求。首先應滿足機床的運動特性，如機床主軸油 足夠的轉速范圍和轉速級數(shù)；滿足機床傳遞動力的要求。主電動機和傳動機構 能提供足夠的功率和轉矩，具有較高的傳動效率；滿足機床工作性能要求。主 傳動中所有零部件有足夠的剛度、精度和抗震性，熱變形特性穩(wěn)定；滿足產(chǎn)品 的經(jīng)濟性要求。傳動鏈盡可能簡短，零件數(shù)目要少，以便節(jié)約材料，降低成本。 臥式車床主傳動系統(tǒng)的結構設計 第 7 頁 共 65 頁 2 設計計算 2.1 機床的主參數(shù) 如表 1 所示： 床身最大回轉直徑 1000mm 最小加工工件直徑 100mm 頂尖間最大工件長度 1500-16000mm 刀架上最大回轉直徑 630mm 頂尖間最大工件重量 6000kg 表 1 2.2 主運動參數(shù) 據(jù)機床設計手冊典型加工條件，當工件直徑為 800～1000mm 時，極限切削 速度 取 200m/s。 最小切削速度 按典型加工的兩種情況取不同的數(shù)值: ① 高速鋼車刀精車絲杠=1.5m/s; ② 高速鋼車刀低速車削盤類零件，=8m/s 。 主軸轉速確定: 由以上典型加工條件, 確定本機床主要加工直徑范圍為 100～600mm。主軸 轉速與切削速度的關系: , v 為切削速度max10ax=dinVn??min10in=daxV?? 式中的 或，不是該機床可能加工的最小或最大直徑，而是機床全部工藝范 圍內(nèi)可以用最大切削速度來加工時的最小工件直徑和用最小切削速度來加工時 的最大工件直徑, 這樣才能得出合理的極限轉速值。 取max10ax102=637/mindinVnr????ax640/minr? 主軸最低轉速： 臥式車床主傳動系統(tǒng)的結構設計 第 8 頁 共 65 頁 情況①時， min10in10.5=48/mindaxVr???? ② i 8.2/i63 取 mini4./inar 主軸的轉速范圍為 4-640r/min 變速范圍，符合普通車床 Rn 為 40～200 的變速范圍, 且 Rn 值較大, 表 明本機床有良好的加工工藝性能。 1.3 切削力的計算 由于切削過程的復雜性，并且影響它的因素又多，因此目前尚未導出簡便 計算進給力、徑向力、切削力 的理論公式，一般都是通過大量實驗，由測力儀 得到切削力后進行數(shù)據(jù)處理，建立經(jīng)驗公式。在建立經(jīng)驗公式時，大多數(shù)都是 將背吃刀量、進給量及切削速度這三個主要因素作為可變因素，而其它影響因 素則用修正系數(shù)間接計算，從而得出、、 三個分力的計算公式: FX=Pαafkfvr·kvFz·krFz·kaFz·kvbFz·khFz·kuFz·kbr1Fz Fy =PαfkfFy·kvFy·krFy·kaFy·kvbFy·khFy·kuFy·kbr1Fy Fz =PαfkfFx·kvFx·krFx·kaFx·kvbFx·khFx·kuFx·kbr1Fx 式中及下列各參數(shù)均是以實驗條件得出, 切削深度、進給量、切削速度以實驗 條件中最大值計算, 而不是本機床實際所加工最大允許量, 詳見《機床設計手 冊》: P——單位切削力 ( kgf /mm2) , 取 P=210kgf /mm2; ——切削深度, 1～5mm, 取 αp=5mm; F——進給量, 0.1～0.5mm/r, 取 f=0.5mm/r; v——切削速度, 90～105m/min, 取 v=105m/min。 以上取值及各修正系數(shù)源于《機床設計手冊》。 經(jīng)計算：=586.3kgf 據(jù)手冊，=0.35～0.5，取=0.43 =0.35～0.5，取=0.43 則=252kgf; =252kgf 臥式車床主傳動系統(tǒng)的結構設計 第 9 頁 共 65 頁 總切削 F=++=1090.5kgf=10697.8N 機床切削總功率: V/1000=10697.8×105 /(60×1000)=18.7kW 按上面所列式求得切削功率后, 還需考慮機床的傳動效率, 機床的電機功率為 ≥Pc/ηm, 式中 ηm 為機床的傳動效率, 一般取為 0.75～0.85, 取 0.85 計算, 計算得≥=22kW。 查《機械設計課程設計指導書》P178 可得，選擇電動機型號為 Y180L-4，滿載 時，其轉速為 1470r/min。 3 主動參數(shù)參數(shù)的擬定 3.1 主運動調速范圍的確定、計算各軸計算轉速、功率和轉矩 主運動調速范圍的確定 （本小節(jié)公式除非特別說明，均出自資料[12]） ∵數(shù)控車床主軸轉速范圍 4～640r/min 則數(shù)控車床總變速范圍 maxin160nR?? 估算主軸的計算轉速，由于采用的是無級調速，所以采用以下的公式： (2.3)0.30.3maxini64())2r/i??計 （ 因為數(shù)控機床主軸的變速范圍大于計算轉速的實際值同時為了便于計算 故?。?20r/i計 主軸的恒功率變速范圍 max64032npR??計 電機的恒功率變速范圍 d281p 由于 Rnp>>Rdp，電動機直接驅動主軸不能滿足恒功率變速要求，因此需要串 聯(lián)一個有級變速箱，以滿足主軸的恒功率調速范圍。 取 ，則 對于數(shù)控車床，為了加工端面時滿足恒6f?dp?7.1lgZnp?f? 線速度切削的要求，應使轉速有一些重復，故取 Z=4 故前面?zhèn)鲃颖确峙淇扇 ?取 Z=4, ，計算出變速齒輪箱公比 ，則??4d1a,zfpzfpR??? 25.?ff?， 取 變速箱有四種傳動比： ????；1/8.2/1.??；44 臥式車床主傳動系統(tǒng)的結構設計 第 11 頁 共 65 頁 ????；81.2//41./??；4 由圖 2 主軸功率特性圖中可以看出，當主軸在 640～40r/min 的轉速范圍內(nèi)，功 率段 abcde 恒功率輸出，可以實現(xiàn)恒功率不停車無級調速，故此車床用于加工 盤類零件時，可以恒線速度切削，嚴格保證加工質量，但以上設計沒有考慮系 統(tǒng)內(nèi)傳動元件造成的功率損失。 3.2 主電動機的選擇 根據(jù)前面的切削計算，選擇 22KW 的 Y180L-4 型三相異步電動機，參數(shù)如下圖表 Y180L-4 型三相異步電動機 產(chǎn)品型號：Y180L-4 型 Y180L-4 型三相異步電動機使用條件： 環(huán)境溫度：-15℃＜θ＜40℃ 海拔：不超過 1000m 額定電壓：380V，可選 220-760V 之間任何電壓值 額定頻率：50Hz、60Hz 防護等級：IP44、IP54、IP55 絕緣等級：B 級、F 級、H 級 冷卻方式：ICO141 臥式車床主傳動系統(tǒng)的結構設計 第 12 頁 共 65 頁 工作方式：S1 連接方式：3KW 及以下 Y 接法、4KW 及以上為△接法 Y180L-4 型三相異步電動機特點 Y180L-4 型三相異步電動機功率：11KW 電壓：380V 電流：21.8A 絕緣：B 噪 音：87 dB(A) 轉速 2900 r/min 是全封閉自扇冷式鼠籠型三相異步電動機，是 全國統(tǒng)一設計的基本系列，它同時是符合 JB/T9616-1999 和 IEC34-1 標準的有 關規(guī)定， 具有國際互換的特點。 Y180L-4 型三相異步電動機廣泛適用于不含易燃、易爆或腐蝕性氣體的一般場 合和無特殊要求的機械設備上，如金屬切削機床、泵、風機、運輸機械、攪拌 機、農(nóng)業(yè)機械和食品機械等。 4 變速結構的設計 4.1 主變速方案擬定 擬定變速方案，包括變速型式的選擇以及開停、換向、制動、操縱等整個 變速系統(tǒng)的確定。變速型式則指變速和變速的元件、機構以及組成、安排不同 特點的變速型式、變速類型。 變速方案和型式與結構的復雜程度密切相關，和工作性能也有關系。因此， 確定變速方案和型式，要從結構、工藝、性能及經(jīng)濟等多方面統(tǒng)一考慮。 變速方案有多種，變速型式更是眾多，比如：變速型式上有集中變速，分 離變速；擴大變速范圍可用增加變速組數(shù)，也可采用背輪結構、分支變速等型 式；變速箱上既可用多速電機，也可用交換齒輪、滑移齒輪、公用齒輪等。 顯然，可能的方案有很多，優(yōu)化的方案也因條件而異。此次設計中，我們 采用集中變速型式的主軸變速箱。 4.2 變速結構式、結構網(wǎng)的選擇 結構式、結構網(wǎng)對于分析和選擇簡單的串聯(lián)式的變速不失為有用的方法， 但對于分析復雜的變速并想由此導出實際的方案，就并非十分有效。 4.2.1 確定變速組及各變速組中變速副的數(shù)目 數(shù)為 Z 的變速系統(tǒng)由若干個順序的變速組組成，各變速組分別有 、?Z ……個變速副。即 ? ??321Z? 取 Z=4, ，計算出變速齒輪箱公比 ，則??4d1a,zfpzfpR?? 25.?ff?， 取 變速箱有四種傳動比： ????；1/8.2/1.??；44????；.//./ ；121?? 臥式車床主傳動系統(tǒng)的結構設計 第 14 頁 共 65 頁 由圖 2 主軸功率特性圖中可以看出，當主軸在 640～40r/min 的轉速范圍內(nèi)，功 率段 abcde 恒功率輸出，可以實現(xiàn)恒功率不停車無級調速，故此車床用于加工 盤類零件時，可以恒線速度切削，嚴格保證加工質量，但以上設計沒有考慮系 統(tǒng)內(nèi)傳動元件造成的功率損失。 4.2.2 結構網(wǎng)的擬定 根據(jù)中間變速軸變速范圍小的原則選擇結構網(wǎng)。從而確定結構網(wǎng)如下： 4.2.3 結構式的擬定 主軸的變速范圍應等于住變速傳動系中各個變速組變速范圍的乘積，即： inR?210? 檢查變速組的變速范圍是否超過極限值時，只需檢查最后一個擴大組。因為其 他變速組的變速范圍都比最后擴大組的小，只要最后擴大組的變速范圍不超過 極限值，其他變速組就不會超過極限值。 ??122???PXR? 臥式車床主傳動系統(tǒng)的結構設計 第 15 頁 共 65 頁 4.2.4 結構式的擬定 繪制轉速圖 ⑴、選擇 Y132S-4 型 Y 系列籠式三相異步電動機。 ⑵、分配總降速變速比 4.2.5 確定各變速組變速副齒數(shù) 齒輪齒數(shù)的確定，當各變速組的傳動比確定以后，可確定齒輪齒數(shù)。對于 定比傳動的齒輪齒數(shù)可依據(jù)機械設計手冊推薦的方法確定。對于變速組內(nèi)齒輪 的齒數(shù)，如傳動比是標準公比的整數(shù)次方時，變速組內(nèi)每對齒輪的齒數(shù)和 及zS 小齒輪的齒數(shù)可以從【1】表 3-9 中選取。一般在主傳動中，最小齒數(shù)應大于 18～20。采用三聯(lián)滑移齒輪時，應檢查滑移齒輪之間的齒數(shù)關系：三聯(lián)滑移齒 輪的最大齒輪之間的齒數(shù)差應大于或等于 4，以保證滑移是齒輪外圓不相碰。 根據(jù)【1】 ,查表 3-9 各種常用變速比的使用齒數(shù)。94P 臥式車床主傳動系統(tǒng)的結構設計 第 16 頁 共 65 頁 5 傳動件的設計 5.1 帶傳動設計 輸出功率 P=22kW,轉速 n1=1470r/min,n2=900r/min 計算設計功率 Pd edAdPK? 表 4 工作情況系數(shù) AK 原動機 ⅰ類 ⅱ類 一天工作時間/h 工作機 10? 10~16 16?0?10~16 16? 載荷 平穩(wěn) 液體攪拌機；離心式水泵； 通風機和鼓風機（ ） ；離心式壓縮機；7.5kW? 輕型運輸機 1.0 1.1 1.2 1.1 1.2 1.3 載荷 變動小 帶式運輸機（運送砂石、 谷物） ，通風機 （ ） ；發(fā)電機；旋7.5k? 轉式水泵；金屬切削機床； 剪床；壓力機；印刷機； 振動篩 1.1 1.2 1.3 1.2 1.3 1.4 載荷 變動較 大 螺旋式運輸機；斗式上料 機；往復式水泵和壓縮機； 鍛錘；磨粉機；鋸木機和 木工機械；紡織機械 1.2 1.3 1.4 1.4 1.5 1.6 載荷 變動很 大 破碎機（旋轉式、顎式等） ； 球磨機；棒磨機；起重機； 挖掘機；橡膠輥壓機 1.3 1.4 1.5 1.5 1.6 1.8 臥式車床主傳動系統(tǒng)的結構設計 第 17 頁 共 65 頁 根據(jù) V 帶的載荷平穩(wěn)，兩班工作制（16 小時） ，查《機械設計》P 296表 4， 取 KA＝1.1。即 1.24.kWdAedPK??? 5.2 選擇帶型 普通 V 帶的帶型根據(jù)傳動的設計功率 Pd 和小帶輪的轉速 n1 按《機械設計》 P297 圖 13－11 選取。 根據(jù)算出的 Pd＝24.2kW 及小帶輪轉速 n1＝1470r/min ，查圖得： dd=80～100 可知應選取 A 型 V 帶。 5.3 確定帶輪的基準直徑并驗證帶速 由《機械設計》P 298表 13－7 查得，小帶輪基準直徑為 80～100mm 則取 dd1=100mm> ddmin.=75 mm（d d1根據(jù) P295表 13-4 查得） 表 3 V 帶帶輪最小基準直徑 mind 槽型 Y Z A B C D Emind 20 50 75 125 200 355 50021 2470=1.63,=10.631.9dd??所 以 臥式車床主傳動系統(tǒng)的結構設計 第 18 頁 共 65 頁 由《機械設計》P 295表 13-4 查“V 帶輪的基準直徑” ，得 =160mm2d ① 誤差驗算傳動比： （ 為彈性滑21160=.365()(2%)di?????誤 ? 動率） 誤差 符合要求1.6325.0%10.581i?????誤 ＜ ② 帶速 147v=.3/6dnms? 滿足 5m/s
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