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车床主轴箱设计说明书


现代制造技术课程设计

摘要
CA6140 车床主轴箱设计,主要包括二方面,即:根据设计题目所给定的机 床主轴极限转速、转速数列公比或级数,确定其他有关运动参数,选定主轴各级 转速值;选择传动方案;拟定结构网,拟定转速图;确定齿轮齿数及带轮直径; 绘制传动系统图。其次,根据机床类型和电动机功率,确定主轴及各传动件的计 算转速,初定传动轴直径、齿轮模数

,确定传动带型号及根数,摩擦片尺寸及数 目;验算传动件(传动轴、主轴、齿轮、滚动轴承)的刚度、强度或寿命。通过 计算与验算,能够满足车床主轴箱装配整图。

【关键词】CA6140 车床、主轴箱、传动系统、主轴组件、零件编 码。

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第1章

主轴箱的总体设计

1.1 已知条件
1.已知转速范围:主轴最小转速 nmin ? 30r / min , nmax ? 1850 / min 。主电 r 机功率 p ? 5kw 。 2.转速级数: z ? 12 。 3.计算公比: Rn ? nmax ? nmin ? 62 。 log11 ? ? 62 ,得 ? ? 1.45 。

1.2 传动方案分析
根据已知条件,可得传动方案有以下 3 种: 1. 12 ? 3 ? 2 ? 2 2. 12 ? 2 ? 2 ? 3 3. 12 ? 2 ? 3 ? 2 从电动机到主轴主要为降速传动, 若使传动副较多的传动组放在较接近电动 机处可使小尺寸零件多些,大尺寸零件少些,节省材料,也就是满足传动副前多 后少的原则,因此取 12 ? 3x 2 x 2 方案。在降速传动中,防止齿轮直径过大而使径 1 向尺寸常限制最小传动比 imin ? ;在升速时为防止产生过大的噪音和震动常限 4 制 最 大 转 速 比 imax ? 2 。 在 主 传 动 链 任 一 传 动 组 的 最 大 变 速 范 围

Rmax ? ?imax imin ? ? 8 ~ 10 。在设计时必须保证中间传动轴的变速范围最小。
根据中间传动轴变速范围小的原则选择结构网。从而确定结构网如下:

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(-)为反转
转速 n(r/min)

图 1.1CA6140 车床主传动系统

1.3 绘制主轴箱转速图
1.3.1 选择电动机
一般车床若无特殊要求, 多采用 Y 系列封闭式三相异步电动机, 根据 p ? 5kw 条件选择 Y132S ?4 型 Y 系列笼式三相异步电动机。 p额 ? 5.5kw , ? ? 0.855 ,

n 额 ? 1500 / min 。 r

1.3.2 分配总降速传动比
总降速传动比 i ? nmin / nd ? 30 / 1440? 0.021, 又电动机转速 nd ? 1440 / min 符合转速数列标准,因而不增加一定比传动 r 副。

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1.3.3 确定传动轴轴数
根据文献【1】 传动轴轴数 = 变速组数 + 定比传动副数 + 1 = 3 + 0 + 1 = 4。

1.3.4 确定各级转速并绘制转速图
由 nmin ? 30r / min

? ? 1.45

z = 12 确定各级转速:

n1 ? nmin ? ? 1 ? 30?1.45 ? 43.5 ; n2 ? nmin ? ? 2 ? 30?1.452 ? 63.1 , 同 理 得
n n3 ? 91.5 , 4 ? 132.6 , 5 ? 192.3 , 6 ? 298.8 , 7 ? 404.3 , 8 ? 586.2 , 9 ? 850.0 , n n n n n

n10 ? 1232 5 , n11 ? 1850。 .
在五根轴中,除去电动机轴,其余四轴按传动顺序依次设为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。 Ⅰ与Ⅱ、Ⅱ与Ⅲ、Ⅲ与Ⅳ轴之间的传动组分别设为 a、b、c。 1. 先来确定Ⅲ轴的转速: 传动组 c 的变速范围为 ? 6 ? 1.456 ? 9.3 ? ?8,10? , 结合结构式Ⅲ轴的转速为 850.0、586.2、404.3、298.8、192.3 和 132.6r/min。 2. 确定轴Ⅱ的转速: 传动组 b 的级比指数为 2,希望中间轴转速较小,因而为了避免升速,又不 致传动比太小,可取
bi1 ? 1

?

2

?

1 , 2.1025

bi 2 ?

1

?

?

1 1.45

(1.1)

轴Ⅱ的转速确定为 586.2、404.3 和 298.8r/min。 3. 确定轴Ⅰ的转速: 对于轴Ⅰ,其级比指数为 1,可取
ai1 ? 1

?

2

?

1 1 1 1 a a , i2 ? ? , i3 ? ? 1 1 ? 1.45 2.1025

(1.2)

确定轴Ⅰ转速为 586.2r/min。 由此也可确定加在电动机与主轴之间的定传动比 i ?
1440 ? 2.45 。 586 .2

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1.3.5 确定各变速组传动副齿数
传动组 a:取轴Ⅰ上最小的一个齿轮齿数为 30,根据图 1 结构网的齿数比

z1 1 30 1 ,得 z 2 ? 64 。 ? 2 ? ? z2 ? z 2 2.1025
根据公式 z1 ? z 2 ? 94,

z1 ? ? 1 ? 1.45 , z2

(1.3)

可得轴Ⅰ上另一对齿轮的齿数为 38,,56。 同理可得轴Ⅰ上最后一对齿轮的齿数为 47,47;轴Ⅱ上的两对齿轮为 23,49 和 42,30;轴Ⅲ上的两对齿轮为 70,33 和 19,84。于是:

ia1 ? 30 / 64 , ia 2 ? 38/ 56 , ia3 ? 47 / 47 ib1 ? 23/ 49 , ib 2 ? 42 / 30 ic1 ? 70 / 33 , ic 2 ? 19 / 84

1.4 绘制传动系统图
根据轴数,齿轮副,电动机等已知条件可有如下系统图:

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图 1.2 传动系统图

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第2章

主轴箱传动设计

2.1 动力设计
2.1.1 确定各轴转速
确定主轴计算转速:主轴的计算转速根据文献【1】

n主 ? nmin ? ? 3 30?1.453 ? 91.46r / min

z

?1

(2.1)

? 皮 ?? 8 ?

1440 ? 48 ,故皮带轮的传动比为 ? 皮 ? 2.4 。 30

轴Ⅰ的转速为 1440 ? 587.7 ,同理得 2.4 轴Ⅱ的正转转速为 586.2、404.3; 轴Ⅱ的反转转速为 298.8; 轴Ⅲ的正转转速为 850.0、586.2、298.8、192.3; 轴Ⅲ的反转转速为 404.3、132.6; 轴Ⅳ的正转转速为 1850、1232.5、586.2、404.3、192.3、132.6、63.1、 43.5; 轴Ⅳ的反转转速为 850.0、91.5、298.8、30。

2.1.2 核算主轴转速误差
n实 ? 1440 ? 586.2 47 42 70 ? ? ? ? 1741r / min 1440 47 30 33

n标1850r/min
n实 - n 标 n标 ? 6% ? 10% ,故主轴转速误差合适。

2.1.3 带传动设计
电动机转速 n=1500r/min,传递功率 P=5KW,传动比 i=2.4,两班制,
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一天运转 16.1 小时,工作年数 10 年。 1. 确定计算功率,取 k A ? 1.1 ,则 pca ? k A ? p ? 1.1? 5 ? 5.5kw 。 2. 选取 V 带型:根据小带轮的转速和计算功率,选 A 型带。 3. 确定带轮直径和验算带速: 查表【1】小带轮基准直径 d=90mm,验算带速:
v?

?d1 n1
60 ? 1000

(2.2)

n1 :小带轮转速,r/min

d1 :小带轮直径,mm
则 v ? 6.78? ?5,25? ,故带速合适。 4. 计算大带轮直径:

d 2 ? i ? d1 ? 2.4 ? 90 ? 216,取 224。
5. 确定中心距 a,带长 L 和验算包角α :设中心距为 a0 ,则

0.75?d1 ? d 2 ? ? a0 ? 2?d1 ? d 2 ?
初定中心距为 450。 由几何关系按下式初定带长 L 0 :

(2.3)

L0 ? 2a0 ?

?
2

?d 2 ? d1 ?2 ?d1 ? d 2 ? ?
4a0

? 1403

(2.4)

取 L p ? 1600 。 mm 计算中心距 a 及其变动范围:
a ? a0 ? LP ? L0 ? 548.5m m ,而中心距的变动范围为 2

故 取中心距为 548.5。 amin ? a ? 0.015L p , max ? a ? 0.03L p , a ? ?524.5,596.5? , a 验算包角:
57.30 ? 1 ? 180 ? ?d 2 ? d1 ? ? ? 1660 ? 900 ,故包角合适。 a
0

6. 确定带的根数:

z?

pca

pr

?

kA ? p ? p0 ? ?p0 ? ? k? k L

(2.5)
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式中 ?p0 : i ? 1 时传递功率增量

k? :按小带轮包角查的包角系数
k L :长度系数
故z ?
5.5 ? 4.6 ,故取带数为 5 根。 ?0.17 ? 1.07? ? 0.96 ? 0.99

2.2 各传动组齿轮模数的确定和校核
2.2.1 模数的确定
1.a 传动组:分别计算各齿轮模数 先计算 24 齿齿轮的模数:根据文献【1】
m1 ? 16338 3 ( ? ? 1) N d ? m z 2 ?[? ] 2 n j

(2.6)

式中 ? :公比, ? ?
N d :电动机功率

z大 z小

? m :齿宽系数,取 10
[? ] :齿轮传动许允应力

nj
[? ] ?

:计算齿轮计算转速
(2.7)

K N ? lim S

取 ? lim ? 600Mpa ,安全系数 s ? 1 ,由应力循环次数选取 K N ? 0.9 。
[? ] ? 0.9 ? 600 ? 540 MPa 1 。



带入数据得 m30 ? 1.897,取 m30 ? 2mm 。 按齿数 38 计算, m38 ? 2mm
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按齿数 47 计算, m47 ? 2mm 轴Ⅰ上齿轮的直径:

d a1 ? 30? 2 ? 60mm, d a 2 ? 38? 2 ? 76mm, d a3 ? 47 ? 2 ? 94
轴Ⅱ上三联齿轮的直径为:
? ? ? d a1 ? 64 ? 2 ? 128 mm , d a 2 ? 56 ? 2 ? 112 mm , d a 3 ? 47 ? 2 ? 94 mm

2.b 传动组: 按 23 齿数的齿轮计算
m ? 16338 3 ( ? ? 1) N d ? m z 2 ?[? ] 2 n j

带入数据得 m23 ? 2.83,取 m23 ? 3mm 按 42 齿数计算得 m42 ? 3mm 轴Ⅱ上的齿轮直径为:

d b1 ? 3 ? 23 ? 69mm , d b2 ? 3 ? 42 ? 126mm
轴Ⅲ上的二联齿轮直径为:
? ? d b1 ? 3 ? 49 ? 147 mm , d b 2 ? 3 ? 30 ? 90 mm

4. c 传动组: 按 19 齿数的齿轮计算
m ? 16338 3 ( ? ? 1) N d ? m z 2 ?[? ] 2 n j

带入数据得 m19 ? 3.97 ,取 m19 ? 4mm 按 70 齿数计算得 m70 ? 4mm 轴Ⅲ上的齿轮直径为:

d c1 ? 4 ?19 ? 76mm, d c 2 ? 4 ? 70 ? 280mm
轴Ⅳ上的二联齿轮的直径为:
? ? d c1 ? 4 ? 84 ? 336 mm , d c 2 ? 4 ? 33 ? 132 mm

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2.2.2 轴的中心距
m1 ?z1 ? z 2 ? ? 94m m 2 m2 ?z1 ? z 2 ? ? 108m m 2 m3 ?z1 ? z 2 ? ? 206m m 2

Ⅰ--Ⅱ: d1 ?

Ⅱ--Ⅲ: d 2 ?

Ⅲ--Ⅳ: d 3 ?

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第3章
3.1 离合器的选择和计算

主轴箱主要零部件设计

3.1.1 确定摩擦片的径向尺寸
片式摩擦离合器目前在机床中应用广泛,因为它可以在运转中接通或脱开, 具有结合平稳、没有冲击、结构紧凑的特点,部分零件已经标准化,多用于机床 主传动。摩擦片的外径尺寸受到外形轮廓的限制,查文献【5】可知,内径又由 安装它的轴颈 d 来决定,而外径尺寸决定着内外摩擦片的环形接触面积大 D 小, ? ? 1 D , ? 一般在 0.57~0.79 之间,一般外摩擦片的内径取: 2

D1 ? d ? (2 ~ 6)mm ? 26 ? 6 ? 32mm,机床上采用摩擦片外径
D2 ? D1 ? 28 ? 53.3m m 0.6

?

3.1.2 确定摩擦离合面数目 z
确定摩擦片离合器片数 Z:根据文献【5】
Z? TK ? p? fSrf kv kwk z

(3.1)

式中 T: 离合器传动扭 T ? 955? 104 K:为安全系数,K=1.3

P 5 ? ? 955? 104 ? ? 0.8 ? 5.1? 104 N ? mm nj 586.2

? p ?:摩擦片的许用比压,取 ? p? ? 1.2MPa
f :摩擦系数,查得 f ? 0.08
S :内外摩擦片接触面积
2 S ? ? / 4( D2 ? D12 ) ? 142698mm2 .
3 D2 ? D13 rf ? ? 21.77mm 2 3( D2 ? D12 )

r f :诱导摩擦半径压力均匀分布系数

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k v :速度修正系数,查得 k v =1.35 kw :结合次数修正系数,查得 kw =1.35
k z :摩擦结合面修正系数,查得 k z =1

将以上数据代入公式计算得 z ? 12.67 ,圆整后为 13,离合器内外摩擦片总 数 i ? z ? 1 ? 14 。

3.1.3 计算离合器的轴向压力 Q
Q ? Ts ? p?kw Q ? Ts ? p?k w ? 142698?1.2 ?1.3 ? 22261N . .
摩擦片厚度 b 的取值有 1、1.5、1.75、2 mm 摩擦片间间隙取值范围为 0.2 ~ 0.4mm 。 (3.2)

3.1.4 反转时摩擦片数的确定
反转时离合器传递的扭矩可按空载功率损耗确定, 空载功率 Pk ?Pd (20% ~ 40%) , 取 Pk ?P d ?40% ,则 Pk ? 2kw ,带入得 Z ? 6.3 圆整为 7,离合器内摩擦片数为
Z ? 7 ,外摩擦片数 Z ? 7 ,总数 i ? 14 。

3.2 确定传动轴直径
按扭矩刚度初步计算传动轴直径:根据文献【1】
d ? 914 n j ?? ? N

(3.3)

式中 d:传动轴直径 N:该轴传递功率

n j :该轴的计算转速

?? ? :该轴每米长度允许扭矩角
代入数据得Ⅰ轴 d1 ? 26mm,Ⅱ轴 d 2 ? 32mm,Ⅲ轴 d 3 ? 40mm

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3.3 轴承的选择
为了方便安装,Ⅰ轴上传动件的外径均小于箱体左侧支撑孔直径,均采用深 沟球轴承。为了便于装配和轴承间隙调整,Ⅱ、Ⅲ轴均采用圆锥滚子轴承,滚动 轴承均采用 E 级精度。

3.4 主轴主件
为了简化结构, 主轴采用了轴向向端定位的两支承主轴组件,前支撑采用双 列圆锥滚子轴承, 后支撑采用角接触球轴承和单向推力球轴承。为了保证主轴的 回转精度, 主轴前后轴承均采用压块式放松螺母调整轴承的间隙,主轴前段采用 短圆锥定心结构型式。 前轴承为 C 级精度,后轴承为 D 级精度。

3.5 润滑系统设计
主轴箱内采用飞溅式润滑,油面高度为 65mm 左右,甩油环浸油深度为 10mm 左右,润滑油型为 IIJ 30 。 卸荷皮带轮轴承采用脂肪润滑方式,润滑脂型号为:钙质润滑脂。

3.6 密封装置设计
I 轴轴径较小,线速度较低,为了保证密封效果,采用碗式接触密封。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。

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第4章

主轴箱主要零件验算

4.1 齿轮的验算
根据文献【2】在验算变速箱中齿轮应力时,应选相同模数中承受载荷最大 的齿数最小的齿轮进行校核

4.1.1 30 齿数的齿轮的接触疲劳强度
?j ?
2088 ?103 zm ( ? ? 1)kb kr kd ks N (mpa) ? ?? j ? ? ? ? Bn j

(4.1)

式中 n j :计算转速
N :传递的额定功率 m :初算模数 B :齿宽 z :小齿轮齿数

? :大齿轮比小齿轮

kb kr kd :分别为工况系数、动载系数、齿间载荷分布系数
?? j ? :许用接触应力 ? ?

ks :寿命系数 ks ? kT kn kN kq
式中 kT ? m
60n1Ta C0

Ta ? 18000 h C0 = 107

n1 :齿轮的最低转数 r/min kn :转速变化系数
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kN :功率利用系数

kq :材料强度系数
kT ? 2 60 ? 1787? 9000 ? 5.4 107

查文献【2】得: kn =0.85;

kN =0.58;

kq =0.76;

kb =1.4;

kr =1.14

轴的刚度较高且齿轮是非对称布置,所以 kd =1; ?? j ? ? 1370mpa ; ? ? 所以 ks ? kT kn kN kq =5.4 ? 0.85 ? 0.58 ? 0.76=2.02 因此 ? j ?

2088? 103 30 ? 2

?2.1 ? 1? ?1?1.4 ?1.14? 2.02? 4.5 ? 1099Mpa ? ??
2.1? 12 ? 1787

j

?

因此齿轮的接触疲劳强度足够。

4.1.2 19 齿数的齿轮的弯曲疲劳强度
191? 105 k1 k 2 k 3k s N ?m ? zm 2 BYn j
式中: ? m :许用弯曲应力 Y:齿形系数

(4.2)

C0 ? 2?108
60 ? 404? 18000 2 ? 1.02 2 ? 108

kT ?

4

查文献【2】得 k N ? 0.9 , k q ? 0.77 ,故 k s ? 1.02? 0.85? 0.90? 0.77 ? 0.6 查文献【2】得 YF? ? 2.85 , ?? m ? ? 280Mpa 因此 ? m ?
191? 105 ? 1 ? 1.4 ? 1.04 ? 0.6 ? 4.5 ? 8.9Mpa ? ?? m ? 19 ? 16 ? 24 ? 2.85? 404

因此齿轮的弯曲疲劳强度足够。

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4.2 传动轴刚度的验算
T ? 9.55 ?106 ?
4.5 P 6 ? 73.3N ? m = 9.55 ? 10 ? 586 .2 nj

I 轴的校核,通过受力分析,在轴的三对啮合齿轮中,中间的两对齿轮对 I 轴中点处的绕度影响最大,所以选择中间齿轮啮合来进行校核。 2T Fr ? (4.3) d
Wmax ? ? F ? b 3l 2 ? 4b 2 48EI

?

?

(4.4)

式中 E:材料弹性模量, E ? 2.1?109 Mpa I: I ?

?d 4
64

?

3.14 ? 384 64

带入数据得 Wmax ?

1929? 70 ? 3 ? 1952 ? 4 ? 702 ? 10?12 ? 12.3 ? 10?3 m m ? ? 384 48 ? 210? 109 ? 64

?

?

查文献【2】得许用绕度为 ?y? ? 0.03? 4 ? 0.12mm 而 Wmax ? ?y? ,因此传动轴刚度合格。 Ⅱ轴、Ⅲ轴的校核同上。

4.3 验算花键键侧压应力
花键键侧工作表面的挤压应力为:

?n ?

?

8Tmax ? ? j ?m pa? D ? d 2 lz?
2

?

? ?

(4.5)

式中 Tmax :花键传递的最大扭矩 D、d:花键的外径和内径 Z:花键的齿数

? :载节分布不均匀系数,通常取为 1.75。
花键热处理 ? j ? 100?140Mpa

? ?

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?n ?

?

8 ?1.4 ?105 ? 6.8 ? ? j 262 ? 222 ?190? 6 ? 0.75

?

? ?

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是滚动轴承,主要是由于疲劳破坏而失效,故应对轴 承进行疲劳寿命验算。 下面是按轴承颈尺寸及工作状况选定的滚动轴承型号进行 寿命验算。

? Cf n ? ? ?h? ? ?T ?h?? Lh ? 500? ? f k kIP ? ? f s ?
式中 ? :寿命指数,滚子轴承 ? ?
10 3

?

(4.6)

k :齿轮轮换工作系数,取 0.8

k s :寿命系数, k s ? k n k N kT k N :功率利用系数,取 0.58 k n :转速变化系数,取 0.99
kT :工作期限系数, kT ? m
n1 :最低转速,取 355

60n1T Cn

m :疲劳曲线指数,取 3
p :当量动载荷

f n :速度系数, f n ? 100 3n ? 0.492 j p ? xFr ? yFn
Fr :径向载荷

Fn :轴向载荷

C n :滚动轴承尺寸所表示的额定动负载荷,取 20800N
经验算, p ? 745.3
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20800? 0.492 ? ?3 5 因此 Lh ? 500? ? ? ? 8.4 ? 10 ? ?T ? 1.2 ? 1.54 ? 0.8 ? 745.3 ? ?

10

因此滚动轴承合格。

4.5 主轴组件设计
4.5.1 选择轴颈直径,轴承型号和最佳跨距
前 轴 颈 应 为 75-100mm , 初 选 d1 ? 100mm , 后 轴 颈 d 2 ? ?0.7 ? 0.9?d1 , 取

d 2 ? 70mm,前轴颈承为 NN 3016 k ,根据结构,定悬伸长度 a1 ? 75mm。

4.5.2 求轴承刚度
p 4.5 ? 9.55 ?10 3 ? ? 1.4 ?10 3 N n 3.0 床身上最大加工直径约为最大回转直径的 60%, 50%即 200mm, 取 故半径为 0.1mm。 1400 ? 1.4 ? 10 4 N 切削力 Fc ? 0.1

主轴最大输出转矩 T ? 9.55 ?10 3

背向力 Fp ? 0.5Fc ? 0.5 ?1.4 ?104 ? 7 ?103 N 故总的作用力 F ? Fp2 ? Fc2 ? 1.56 ? 104 N
? 7.8 ? 103 N

(4.7) (4.8)

力作用于顶在顶尖的工件上主轴尾架各承受一半,故主轴轴端受力为
F 2

图 4.1 主轴受力分析图

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先假设 l

a

? 3 , l ? 3 ? 75 ? 225 mm

前后支撑 R A , R B 分别为:
RA ? F l?a 225 ? 75 ? ? 7.8 ? 10 3 ? ? 1.04 ? 10 4 N 2 l 225 F a 75 RB ? ? ? 7.8 ? 10 3 ? ? 2.6 ? 10 3 N 2 l 225

(4.9) (4.10) (4.11)

根据 K v ?

dFr 0.9 0 ? 3.39Fr0.1l a .8 ?iz ? cos1.9 ? d? r

Fva ? 1.04?104 N , Fvb ? 2.6 ?103 N
l aA ? 8.8mm, laB ? 10.8 , Z B ? 17 , iB ? 1 , i A ? 2 , Z A ? 30

K A ? 3.39 ? 1.04 ? 104

?

?

0.1

? 8.80.8 ? ?2 ? 33? cos1.9 0? ? 1809N
0.9
0.9

K B ? 3.39? 26000.1 ?10.80.8 ? ?2 ?19? cos0.9 0 ? 1107N
KA KB ? 1809 ? 1.63 1107

d ? ? ?100 ? 70? ? 85mm 2

I ? 0.05? 0.0854 ? 0.0464 ? 2.39?106 m4

?

?

EI 2.1? 1011 ? 2.39 ? 10?6 ?? ? ? 0.658 K A a 3 1809? ?0.075?3 ? 106
查线图

l0

a

? 3 ,与原假设相符 l ? 75 ? 3 ? 225 mm 。

4.6 主轴刚度的校核
计算跨距:前支承为双列圆柱滚子轴承,后支承为双列圆柱滚子轴承。
l ? 225 mm 。

当量外径:

684 ? 22 ? 724 ? 54 ? 804 ? 756? 1004 ? 35 ? 1044 ? 8 d? ? ? 80.56mm。 887
4

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主轴刚度,由于 d1 / d2 ? 45/ 80.56 ? 0.5586? 0.5 ,根据文献【1】

ks ?

3 ? 104 ? d ?4 ? d i4 2 a A ?l ? a A ?

?

? ?
(4.12)

3 ? 104 ? 80.564 ? 454 ? 10?12 ? ? 149.3N / um 752 ? ?887 ? 75? ? 10?9
对于机床的刚度要求:取阻尼比 ? ? 0.035 当 V ? 50n / min , ? ? 0.1mm / r 时, kcb ? 2.46N / um? m , ? ? 68.8? 取 blim ? 0.02Dmax ? 0.02? 687? 50% ? 6.87mm
k? ? 2.46? 6.87 ? cos68.8? ? 84.36N ? um 2 ? 0.035? ?1 ? 0.035?

?

计算 k A :

l ? 0.3Dmax ? 206.1mm 加上悬伸量共长 281 .1mm
2 2 ? ? ? aB ? ? ? 281.1 ? ? ?1 ? ? ? ?1 ? ? ? ? ? 2 2 l ? ? 687 ? ? ?ab aB ? 0.4 ? ?0.6 281.1 ? 0.4 ? k A ? kB ? 84.36? ? 76.5 N / um 2 2 2 ? aA ? 752 75 ? ? ? aA ? ? ? ?1 ? ? ? ?1 ? ? ? ? ? l ? ? ? ? 687 ? ? ? ?

ks ? 1.66k A ? 1.66? 76.5 ? 127.0N / um ? 152.3N / um
可以看出,该机床的主轴是合格的。

21

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第5章

CA6140 车床典型零件成组技术分析

5.1CA6140 车床主轴箱齿轮的编码
据《现代制造技术》OPITZ 编码系统编码表如下:
第1位 零件类型 0 1 2 回 转 3 体 4 5 L/D≤0.5 0.5<L/D<3 L/D≥3 0 第2位 外形、外形要素 光滑无形状要素 0 第3位 内形、内形要素 无通孔、无盲孔 0 1 第4位 平面加工 无平面加工 0 1 2 第5位 辅助孔齿成形 无辅助孔 轴向孔 无节距关系 轴向孔 有节距关系

1 单 无形状要素 向 或 2 带螺纹 台 光 3 阶 滑 带功能槽 4 多 向 5 台 6 阶 7 8 9 无形状要素 带螺纹 带功能槽 功能锥度 传动螺纹 其他

1 单 无形状要素 向 或 2 带螺纹 台 光 3 阶 滑 带功能槽 4 多 向 5 台 6 阶 7 8 9 无形状要素 带螺纹 带功能槽 功能锥度 传动螺纹 其他

平面和/或单向弯 曲的面 平面,沿圆周相 2 外 互成分度关系 3 部 槽和/或缝 的 4 花键和/或多边形 5 平面和/或缝和/ 或槽、花键

径向孔 3 无 齿 无节距关系 轴向和/或径向和 4 /或其他方向的孔 无节距关系 5 6 轴向和/或径向和 /或其他方向的孔 有节距关系 圆柱齿轮的齿

6 内 平面和/或槽 7 部 花键和/或多边形 8 花键和/或缝和/或槽 9 其他

7 有 锥齿轮的齿 8 齿 其他齿 9 其他

表 5.1 OPITZ 编码表 1

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第1位 零件类型 0 1 2 回 转 3 体 L/D≤2带偏异 4 L/D>2带偏异 5

第2位 总体或主要形状 0 绕 一 1 个 轴 2 线 无 扇 3 形 六角棒料 正方形或正多 边形截面 不引起不平衡 的对称截面 项0~2以外的 其他截面 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

第3位 回转面加工 无回转加工 外 形 内 形 内 外 形 加工 带螺纹 光滑 单向或双向 台阶 带螺纹 加工 带螺纹 外形要素 其他形状要素 0 1

第4位 平面加工 无平面加工

第5位 辅助孔齿成形 0 无辅助孔,齿及成形 1 2 3 4 5 6 轴向孔 无节距关系 轴向和/或径向和 无 /或其他方向的孔 成 无节距关系 形 轴向孔 无 有节距关系 齿 轴向和/或径向和 /或其他方向的孔 有节距关系 成 成形、无辅助孔 形 无 成形、有辅助孔 齿

平面和/或单向弯 曲的面 平面,沿圆周相 2 外 互成分度高校 3 部 槽和/或缝 的 4 花键和/或多边形 5 平面和/或缝和/ 或槽、花键

回转加工后成为 4 扇形体 5 6 回转加工前已是 扇形体

具有弯曲轴线 绕 的回转件 多 具有两个或以 7 个 上平行轴线的 轴 回转件 线 具有相交轴线 8 的回转件 9 其他

6 内 平面和/或槽 7 部 花键和/或多边形 8 花键和/或缝和/或槽 9 其他

7 齿,无辅助孔 8 齿,有辅助孔 9 其他

表 5.2 OPITZ 编码表 2
第6位 直径D或边长A 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 毫米 ≤20 >20 ≤50 >50 ≤100 >100 ≤160 >160 ≤250 >250 ≤400 >400 ≤600 >600 ≤1000 >1000 ≤2000 >2000 英寸 ≤0.8 >0.8 ≤2.0 >2.0 ≤4.0 >4.0 ≤6.5 >6.5 ≤10.0 >10.0 ≤16.0 >16.0 ≤25.0 >25.0 ≤40.0 >40.0 ≤80.0 >80.0 第7位 材料 0 灰铸铁 1 球墨铸铁及可锻铸铁 钢≤26.5吨/平方英寸 2 (42公斤/平方毫米) 不热处理 钢>26.5吨/平方英寸 (42公斤/平方毫米) 3 可热处理的低碳钢及表 面硬化钢,不热处理 4 项2及3的钢,热处理 5 合金钢(不热处理) 6 合金钢(热处理) 7 有色金属 8 轻合金 9 其他材料 第8位 原始形式 0 圆棒,黑色 1 圆棒,拉光 2 三角形、方形、六角形 及其他棒料 第9位 精度所在形状码位 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 没有指定精度 2 3 4 5 2及3 2及4 2及5 3及4 2+3+4+5

3 管子 4 L、U、T型之类的型材 5 薄板料 6 中板及厚板 7 铸锻件 8 焊接件 9 粗加工过的零件

表 5.3 OPITZ 编码表 3

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在已设计完成的 CA6140 主轴箱中含有相似工艺特征的所有齿轮形状简图如 下,依据上面 OPITZ 编码表进行编码:

图 5.1 齿轮简图一

图 5.2 齿轮简图二

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图 5.3 齿轮简图三

图 5.4 齿轮简图四

图 5.1 依据 OPITZ 表编码为:0 图 5.2 依据 OPITZ 表编码为:1 图 5.3 依据 OPITZ 表编码为:0 图 5.4 依据 OPITZ 表编码为:0

4 1 1 4

3 3 3 3

7 7 7 7

6 6 6 6

3 3 3 5

2 2 2 2

7 7 7 7

9 9 9 9

由 OPITZ 编码信息可以知道, CA6140 主轴箱中齿轮的基本形状工艺特征 在 一般是: L / D ? 0.5 的回转体、含有多项台阶、带功能槽(花键槽) 、无辅助孔、圆柱齿、 材料为 45 钢、锻件、内外回转面和平面都指定了表面粗糙度的齿轮。

5.2 典型零件的设计及工艺
由上节所述的 OPITZ 编码统计的信息可知, 典型零件需包含所有上述齿轮的 工艺特征; 综合上述零件特征,典型齿轮如下图所示:

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图 5.5 典型齿轮零件图 典型零件按 OPITZ 编码为:0 4 3 7 6 3 2 7 9 即典型零件是: L / D ? 0.5 的回转体、含有多项台阶、带功能槽(花键槽) 、 无辅助孔、圆柱齿、材料为 45 钢、锻件、内外回转面和平面都指定了表面粗糙 度的齿轮。

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参考文献

[1] 吴宗泽,罗圣国. 机械设计课程设计手册.北京:高等教育出版社, 2006.5:39-56. [2] 艾兴,肖诗纲. 切削用量手册. 机械工业出版社,1995 [3] 李洪.机械加工工艺手册. 北京:北京出版社,1990:6-11-6-89. [4] 杨黎明.机床夹具设计手册.北京:国防工业出版社,1996:323-456. [5] 任青剑, 贺敬宏.机械零件课程设计.西安:陕西科学技术出版社,2003: 66-93 [6] 郑修本,冯冠大.机械制造工艺学. 北京:机械工业出版社,1991:51-59 [7] 张耀宸.机械加工工艺设计实用手册. 北京:航空工业出版社,1993: 853-927. [8] 艾兴,肖诗纲.切削用量手册.北京:机械工业出版社,1995:74-86. [9] 侯珍秀. 机械系统设计. 哈尔滨工业大学出版社,2003. [10] 张世昌,李旦,高航.机械制造技术基础.北京:高等教育出版社,2001: 204-260 [11]朱冬梅,胥北澜.画法几何及机械制图.北京:高等教育出版社, 2000.12:198-222 [12] 孟少农主编. 机械加工工艺手册. 第一卷. 北京:机械工业出版社, 1996

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设计心得

经过三星期的努力,我终于将机床课程设计做完了,在这次作业过程中,我 遇到了许多困难, 一遍又一遍的计算,一次又一次的设计方案修改都暴露出来前 期我们在这方面的知识缺陷和经验不足,至于画装配图和零件图,由于前期计算 比较充分,整个过程同时不到一周。在此期间,我还得到了陈蕾老师和同学的帮 助。在此我要向老师表示最诚挚的谢意。 本次设计巩固和深化了课堂理论教学的内容, 锻炼和培养了我综合运用所学 过的直射理论的能力,是我独立分析,解决问题的能力得到了强化。而从中暴露 出自身的不足,以待改进,有时候一个人的力量是有限的,合众人智慧,我相信 我们的作品会更加完美!

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附录 1:机械加工工序卡片 附录 2:机械加工工艺过程卡片

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