CA6140车床主轴箱设计.docx
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CA6140车床主轴箱设计.docx
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摘要
在我们的平时生活生产中,人们使用着种类很多的设备和机器。
这些设备和机器都是有不同种类的机械零件组成,且金属零件有很大一部分。
金属零件主要利用机床加工,而车床是车削加工的设备,在切削加工中广泛使用,约占切削加工机床总数的20%~30%。
车削加工主要用于加工各种回转表面,如内、外圆柱面、圆锥面及其成型回转表面等。
CA6140机床是典型的车削加工机床,其中主轴箱是机床组成的核心部件,主轴箱的作用是将电动机的运动传递到主轴上,实现车削回转运动。
本次论文设计主要包括传动方案及传动系统图的拟定,包含转速的设计、结构式的确定及工艺范围;各轴传递功率及力矩的计算;主要部件的设计及校核;主轴箱的主要部件主要包括箱体、传动轴、齿轮及带轮。
最终确定主轴箱的整体结构设计。
关键词:
车床;CA6140;主轴箱;传动轴
Abstract
II
Intheproductionandlifeofmodernsociety,peopleuseallkindsofmachines,instrumentsandtools.Thesefacilitiesandequipmentareofvariouskindsofmachineryparts,andwehavealargepartofthemetalparts.Metalpartsmainlyusemachine,andlatheisturningprocessingequipment,widelyusedinmachining,about20%~30%ofthetotalnumberofcuttingmachinetools.Turningprocessingismainlyusedintheprocessingofrotarysurface,suchasinternalandexternalcylinder,conesurfaceanditsformingrotarysurface,etc.
CA6140latheisatypicalturningprocessingmachinetools,includingspindleboxiscorecomponentofmachinetool,istheroleofthespindleboxispassedontothemainspindlemotormovement,turningrotarymovement.Thispapermainlyincludesthetransmissionschemeandsystemdesignofproposed,includingthedesignofthespeed,thedeterminationofstructuralformulaandprocess;Thecalculationofeachshafttransmissionpowerandtorque.Thedesignofmainpartsandcheck;Amajorpartofthespindleboxmainlyincludesbox,transmissionshaft,gearandpulleys.Eventuallydeterminetheoverallstructureofthespindleboxdesign.
Keywords:
Lathe;CA6140;Spindlebox.;theShaft
目录
摘要 I
Abstract II
1绪论 1
1.1研究的目的和意义 1
1.2国内外同类设计或研究现状 1
1.3研究内容 3
2传动方案和传动系统图的拟定 3
2.1CA6140主要技术参数 4
2.2拟定结构式 5
2.3计算转速和齿轮齿数的确定 6
2.4传动装置运动参数计算 8
3主要零件的设计及其验算 10
3.1主轴箱的箱体的设计 10
3.2.传动系统的I轴及轴上零件设计 12
3.3传动系统的Ⅱ轴及轴上零件设计 19
3.4传动系统的Ⅲ轴及轴上零件设计 24
3.5传动系统的Ⅳ轴及轴上零件设计 27
3.6传动系统的Ⅴ轴及轴上零件设计 30
3.7传动系统的VI轴及轴上零件设计 33
4主轴箱最终结构图 37
总结 38
参考文献 40
1绪论
1.1研究的目的和意义
在现代社会的生产及生活中,人们使用着各式各样的机器、仪器和工具。
这些设备和装备都是有各种机械零件所组成,且金属零件有很大一部分。
因此机械工业在国民经济中占有重要的地位。
是国家经济发展的重要推动力,也是衡量一个国家综合国力的一个重要指标。
一个国家要想实现工业、农业、国防、航天及科学技术的现代化必须要具备强大的机械制造业。
因为机床工业是机械工业的重要有机组成,且为机械工业提供制造技术和装备的工业,所以机床的数量,品质和质量,是衡量一个国家或地区工业水平的极其重要的标志。
因此机床工业在国家经济当中占据着很重要的地位。
车床是车削加工的设备,在切削加工中广泛使用,约占切削加工机床总数的20%~30%。
车削加工主要用于加工各种回转表面,如内、外圆柱面、圆锥面及其成型回转表面等。
所以对普通车床主轴箱的设计显得极其重要,即适合我国目前的社会现状,又是国内许多工厂提高生产设备自动化水平和精度的主要方法,在我国有着巨大的市场。
从另一方面来讲,机床主轴箱的设计既有机床构造方面的内容,又有机械加工方面内容,有利于将大学四年本科所学的专业基础知识进行综合深入理解。
虽然设计者没有系统的学习过机床设计的课程,但通过该设计可以拓宽知识面,增强实践能力,使设计者获得机械制造过程中所必须具备的基本理论和基本知识。
设计者在设计本课程的过程中,应充分注意生产实践。
对CA6140车床的典型部件和典型工件的加工方法有充分的认识与理解。
以致对普通机床和数控机床都有进一步的认识。
作为主要的车削加工机床,CA6140型车床的工艺范围很广,用来车削内、外圆柱面,圆锥面,回转体成型表面和各种螺纹,还可以进行钻孔、扩孔、攻螺纹和滚花等。
而主轴箱又是CA6140车床的主要部件,所以选择其为设计课题。
1.2国内外同类设计或研究现状
机械制造业也成机械制造工业或机械工业,它是制造机械设备的工业部门,是为国民经济部门提供技术装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。
机械制造技术包括工程机械、动力机械、农业机械、化工机械、纺织机械、建筑机械、运输机械、机床工具、仪表仪器及其他机械的设计制造的总称。
制造是人们按照所需目的,运用主观掌握的知识和技能,借助于手工或可以利用的客观物质工具,采用有效的方法,将原材料转化为最终物质产品,并投放市场的全过程。
在国民经济各个部门中广泛使用着大量的机器、机床、仪器及工具等,这些技术装备都是有机械制造业提供的。
机械制造业的发展直接影响和制约着一个国家的工业、农业、交通、科研和国防各部门的生产技术和整体水平,进而影响着一个国家的综合国力。
因此机械制造业的生产力和制造水平是衡量一个国家经济实力和科学水平的重要标志之一。
机械制造业是国民经济发展的基础、支柱和先导部门,所以,机械制造业在国民经济当中占有着重要地位。
而机械制造业的生产能力及水平主要取决于机械制造设备的先进程度。
制造有着悠久的历史,也可以说人类的发展过程就是制造技术不断进步的过程。
在人类发展的初期,为了生存,制造了石器,进入了新石器时代。
此后出现了陶器、铜器、铁器和简单的机械,如刀、枪、剑、戟等兵器,锉、凿、锯、锤等工具,锅、盆、罐、犁、车等用具,这些工具和用具的制造,主要围绕生活必须和存亡征战,制造过程及其简单,制造规模和技术水平有限。
这个阶段属于早期制造阶段。
随着社会发展和技术进步,制造生产模式和范围发生了巨大改变。
技术水平不断提高,出现了文化用品、艺术品、金银饰品等的制造技术。
制造方法和制造过程主要靠工匠的手艺,制造设计有简单的图样或脑的构想,加工靠手工、畜力和简单机械工具,小作坊生产方式,技术水平取决于制造经验。
这个阶段属于手工业制造阶段。
18、19世纪,以蒸汽机和电动机为动力的机器用于越来越广。
此时,机械制造业开始起家,形成了大规模的工业生产方式。
随着社会的发展、科技的进步和物质的丰富,人们对精神和物质的需求质量不断提到,产品多样性的需求越来越突出,市场竞争也越来越激烈,20世纪50年代,产品品种匮乏,为了提高生产效率,满足市场的需求,制造商广泛采取自动机床,组合机床以及专门的生产线。
1948年提出了数控机床的初始设想,1952发明了第一台数控机床样机,之后出现了技术安吉计算机数控机床(CNC)、加工中心(MC)、柔性制造系统(FMS)、适应了快速响应市场需求的单间小批量生产。
在大批量生产的现实情况下,此生产方式可以基本实现刚性自动化,大幅度的降低生产成本,极大提高生产效率。
20世纪80年代,以全新的社会的制造理念,借助于信息技术、计算机技术、网络技术,围绕着制造系统自动化和目标管理提出了一系列新的制造制造系统,如集成系统、计算机仿真等,使设计、制造、管理、市场需求与现代技术进行融合。
这个阶段成为现代制造技术阶段。
我们国家机械制造业是在建国后建立和发展起来的,现已成为一个规模巨大,门类齐全的新型工业部门。
但是,我国机械制造业技术还很落后,产品种类也相对单一,甚至许多制造装备技术还处于六七十年代的水平。
机械制造技术水平的落后,严重制约着我国机械制造业的发展,以及整个国民制造业的振兴。
因此,作为当代大学生的我们必须深入开展科学研究和技术革命,努力提高我国机械制造业装备产品的技术水平及综合国力。
1.3研究内容
车床上的车削成形运动是有工件的旋转运动和车刀移动。
工件的旋转运动即主运动,车刀移动即进给运动。
车床上还包括一些其他的辅助运动,如刀具的切入运动、刀架纵横向机动快速移动等,CA6140作为主要的车削机床,被广泛的应用于机械生产制造的各个行业中。
如图1-1,主轴箱1固定在床伸4的左上部,箱内有主轴、传动和变速机构等。
主轴前端可安装三抓卡盘等夹具,用于夹紧固定被加工的毛坯。
主轴箱是车床的核心部件,其主要功能是支撑主轴并将运动经变速机构和传动机构传给主轴,使主轴带动工件按所设定的转速旋转,实现工件的旋转运动。
因此,主轴箱是一个比较复杂的部件。
设计的内容主要有:
1.机床主要参数的确定(主要参考《CA6140普通机床使用说明书》、CA6140CA6150CA6240CA6250车床系列图册及新老结构对照);
2.传动方案和传动系统图的拟定(拟定转速图、计算转速和齿轮齿数的确定);
3.对主要零件进行了计算和验算(带轮、双片式摩擦联合器、各轴齿轮、轴承、轴以及其他非标准零件的设计校核)。
图1-1CA6140车床
2传动方案和传动系统图的拟定
2.1CA6140主要技术参数
工件最大回转直径:
床身上的最大回转直径…………………………………………………400mm
刀架上的最大回转直径……………………………………………………………210mm
最大工件长度………………………………………………750、1000、1500、2000mm
主轴孔径……………………………………………………………………………48mm
主轴前端孔锥度…………………………………………………………………400mm
主轴转速范围:
正传(24级)……………………………………………………………10~1400r/min
反传(12级)……………………………………………………………14~1580r/min
加工螺纹范围:
米制(44种)…………………………………………………………………1~192mm
英制(20种)………………………………………………………………2~24牙/英寸
模数(39种)………………………………………………………………0.25~48mm
径节(37种)…………………………………………………………………1~96径节
刀架快速移动速度:
纵向………………………………………………………………………………4m/min
横向………………………………………………………………………………4m/min
主电机功率…………………………………………………………………………7.5KW
转速……………………………………………………………………………1450r/min
快速电机功率………………………………………………………………………370W
转速……………………………………………………………………………2600r/min
冷却泵功率……………………………………………………………………………90W
流量…………………………………………………………………………………25L/min
外形尺寸(长×宽×高)…………………………………………2668×1000×1190mm
重量约………………………………………………………………………………2000Kg
本次毕业设计采用集中传动方式,全部传动和变速机构全部安装在主轴箱内。
采用集中设计的办法,可以减小车床体积,降低成本,便于工人操作,降低工人劳动强度,有利于安装以及后序车床的维修。
主传动系统设计的一般原则有“传动件前多后少”、“扩大顺应采用前小后”及“传动比不能超过极限传动比”等。
2.2拟定结构式
在分析机床运动的传动系统时,首先应根据机床所加工工件表面的类型、切削运动,确定各运动传动联系的端件;然后以传动链的形式将每个成形运动逐一分析;最后根据表面成形运动主传动系统应该采用滑移齿轮来进行变速,采用三联齿轮或者是双联齿轮,由于机床需要采用正反转,所以需要将双向摩擦片式离合器装配到Ⅰ轴上,因此会产生轴向尺寸较长的现象。
如果按“传动顺序与扩大顺序一致的原则”,会使箱体的体积过大。
因此为了使机床整体结构布局看上去更加紧、合理,第一变速组需要采用双联齿轮。
故采用传动方案为:
图2-1转速图
结构式:
式中,“-”表示转速重复,此传动方式有6级转速重复。
此传动系统是分级变速主传动系统。
在设计时需满足下面几点基本要求:
(1)有充分的变速范围和转速级数;
(2)本系统要能传递足够的功率的转矩;
(3)传统系统要有足够的刚度、精度、抗震性和较小的热变形,并且在串联传的前提下,增加并联分支来增加变速范围。
设计时取级比指数为6,实现了6级转速。
在主轴正转时从轴Ⅰ到轴Ⅱ通过双联滑移齿轮两条传动路线得到两种转速,从轴Ⅱ到轴Ⅲ通过三联滑移齿轮的三条传递路线得到三种转速,再从轴Ⅲ到主轴Ⅵ有五条传递路线,故从轴Ⅰ到主轴Ⅵ30级,但因为有重复转速,故实际从轴Ⅰ到主轴Ⅵ有Z(转速级数)=2×3×[1+(2×2-1)]=24级,同理主轴反转的级数Z=1×3×[1+(2×2-1)]=12级
表2.1扩大组
基本组
第一扩大组
第二扩大组
第三扩大组
2.3计算转速和齿轮齿数的确定
2.3.1计算转速的确定
主轴转速:
nj=nminφ7=50r/min(公比φ=1.26)(2-1)
Ⅴ轴有18级转速,其中转速,通过齿轮副传动使主轴获得50r/min的转速,其中转速为112r/min的Ⅴ轴即可获得全部功率,
以此类推各轴的转速如表2-2:
表2.2各轴计算转速
转速序号
电动机
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
计算转速(r/min)
1450
819
1120
450
450
112
50
各齿轮转速的计算方法:
根据“强度最薄弱理论”的原则,故只需要根据最小齿轮的转速确定即可。
齿轮齿数为23的计算转速:
齿轮23装配在Ⅴ轴上,由图2-1可以算出Ⅴ轴上齿轮齿数为23的齿轮一共有18级转速,经齿轮传动比23-24的两个齿轮传到主轴上得到18级转速,但是只有11级转速能够传递全部功率,而其中的最低转速是112r/min,也就是齿轮齿数为23的齿轮的计算转速。
齿轮齿数为24的计算转速:
齿轮齿数为24的齿轮装配在主轴上,共有18级转速,但是只有50-500的转速范围,可以传递全部功率,因此齿轮齿数为24齿轮的计算转速为。
同理可以算出,各齿轮的计算转速如表2.3:
表2.3各轴转速
齿轮序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
计算转速
805
1120
805
900
900
900
900
560
1120
450
450
齿轮序号
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
计算转速
450
450
112
112
112
450
112
356
450
112
50
2.3.2齿轮齿数的确定
在设计齿轮齿数时需要考虑以下几点因素:
两啮合的齿轮齿数齿数之和不能过大,因为齿轮尺寸过大而引起机床体型过大,结构布局不够紧凑,不利于工人操作(Sz≤100-200一般要求100以内);
最小齿轮的齿数应大于等于17,这样有利于避免根切现象,但不包括变位齿轮;
为了保证两齿轮能正确啮合,同一变速组的齿轮啮合的中心距应必须相同;
主轴转动过程中的误差一定要在允许的范围内。
为了避免滑移齿轮与固定的齿轮的齿顶相互碰撞安全脱离啮合后,另一对齿轮才能进入啮合;三联滑移齿轮所要满足的要求是其最大、次大齿轮齿数之差不应小于四。
基本组传动比,,根据传动比为1.50和1.19数据,查表可以得出以下结果:
……86,87,88,90,92,94,96,97,98,99,100,……
=90,92,94,98,99,100
从以上两组中找出适合的数据:
=90,92,94,98,99,100。
取=94,根据《机械设计手册》可得出小齿轮的齿数结果为43,38;从而可以得出大齿轮的齿数结果为:
56,51;即,,。
有上述方法可以得出各扩大组中齿轮的齿数如表2-4:
表2-4各轴齿轮副扩大组
齿轮组
基本组
第一扩大组
齿轮
齿数
56
38
51
43
39
41
30
50
22
58
齿数和
94
80
齿轮组
第二扩大组
第三扩大组
齿轮
齿数
50
50
20
80
50
50
20
80
齿数和
100
100
2.4传动装置运动参数计算
2.4.1各轴功率计算
电机轴功率:
一轴的功率:
(2-2)
:
联轴器或带传动的功率;
V带传动效率:
轴承的效率;
一轴的功率:
二轴的功率:
,,,
三轴的功率:
四轴的功率:
五轴的功率:
六轴的功率:
2.4.2各轴计算转矩
电机轴扭矩:
(2-3)
一轴扭矩:
二轴扭矩:
三轴扭矩:
四轴扭矩:
五轴扭矩:
六轴扭矩:
图2-2CA6140主轴箱传动系统图
传动路线如下:
3主要零件的设计及其验算
3.1主轴箱的箱体的设计
主轴箱主要有主轴部件、传动机构、开停与制动装置、操纵机构及润换装置等组成。
主轴箱固定在床身的左上部,其功用除了支撑主轴部件,使主轴及工件达到所要求的转速外,还需要具有很好的机械传递效率。
其次主轴箱内的传动件,如齿轮、轴等,还必须具备一定的强度及刚度等要求。
另外机床工作时,其噪音不能太大,加工过程
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