机械制造装备优秀课程设计.docx

机械制造装备课程设计项目总结汇报 题 目：工作台面积2501000mm2卧式升降台铣床主传动系统设计院 （系） 机电工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 学 生 学 号 11208104 班 号 1208104 指导老师 填报日期 12月16日 哈尔滨工业大学机电工程学院制 年 12 月哈尔滨工业大学机械制造装备课程设计任务书姓 名： 院 系：机电工程学院专 业：机械设计制造及其自动化 班 号：1208104 学 号：11208104任务起止日期： 11月30日 至12月18日课程设计题目：工作台面积卧式升降台铣床主传动系统设计关键内容：（1）运动设计：依据给定设计要求，分析定传动方案和传动系统图，确定传动副传动比及轮齿数，并计算主轴实际转速和标准转速相对误差。（2）动力设计：依据给定电动机功率和传动件计算转速，初算传动轴朱静、齿轮模数，确定皮带类型及根数等。完成装配草图，验算传动件应力、变形等是否在许可范围内，验算主轴组件静刚度。（3）结构设计：进行主传动轴系、变速机构、主轴组件、箱体、操纵机构、润滑和密封等结构设计，回执装配图（包含展开图、剖视图）及零件工作图。（4）撰写项目总结汇报，包含具体设计说明。技术要求：主轴转速级数，最低转速，公比，电动机功率。进度安排：三周（1）准备工作及初算2天； （2）展开草图4天；（3）截面草图2天； （4）验算、加粗、标注4天；（5）技术文档整理3天； （6）答辩1天指导老师签字：年 月 日 教研室主任意见：教研室主任签字：年 月 日 目 录1项目背景分析41.1 综合课程设计的目的41.2 金属切削机床在国内外发展趋势42研究计划要点与执行情况52.1 设计任务书52.2 进度安排53项目关键技术的解决64具体研究内容与技术实现64.1 运动设计64.1.1 确定转速范围结构方案确定64.1.2 转速图94.1.3 传动系统图104.2动力设计154.2.1 主轴及传动轴轴颈154.2.2 齿轮模数174.3 结构设计214.3.1 展开图设计214.3.2 截面图及轴的空间布置214.4 零件验算224.4.1 主轴刚度224.4.2 传动轴刚度294.4.3 齿轮疲劳强度345技术指标分析365.1 传动系统图的设计365.2 齿轮齿数、模数的选择375.3 轴径、孔径的选择375.4 其他零部件、细节376存在的问题与建议377参考文献381项目背景分析1.1 综合课程设计目标综合课程设计II是机械设计制造及自动化专业极其关键实践性教学步骤。其目标是在相关先修课程学习后，进行机械结构设计综合训练，使学生掌握机械系统分析和设计基础步骤和方法，培养和锻炼学生综合利用所学知识处理实际工程问题能力。也为学习后续专业课奠定基础。1.2 金属切削机床在中国外发展趋势机床作为加工母机，总是要确保和提升加工质量和生产率，伴随科技不停进步，多种机床也对应地不停发展和更新，如性能参数提升、功效扩大、切削功率加大，自动化程度提升，机床动态性能不停改善，加工精度不停提升，基础元件不停创新，控制系统更新等等。中国机床工业发展趋势：依据机床工具工业局对振兴中国机床工业设想，要在以后相当长时期内限制和压缩落后机床生产，要化大力气发展高性能、高效率、高水平适合国民经济需要“高级”产品，改善机床品种组成比。关键发展机、电、仪结合产品。注意在冲压、电加工、激光、等离子加工中应用数控技术。国外机床工业发展，尤其讲究机床精度、效率，讲究机床制造工艺技术水平，试验分析和理论研究。从七十年代以来，国外已普遍推广使用数控机床。日本和美国已建成柔性自动化生产车间和柔性自动化工厂，整个机床制造技术水平和自动检测控制技术已经有大幅度提升。2研究计划关键点和实施情况2.1 设计任务书设计内容见表2-1。表 2-1设计任务题目公比级数功率工作台面积卧式升降台铣床主传动系统设计182.2 进度安排进度安排见表2-2。表 2-2进度安排第一周第二周第三周星期123、4、5123、4、512、3、45准备初算开题展开草图截面草图验算加粗论文汇报答辩图版手册指导书图册等齿轮和轴部署完成项目总结汇报老师下达任务书3项目关键技术处理课程设计设计要求：1、图纸工作量：画两张图：开展图（A0）。操纵机构、摩擦离合器、换向、制动和润滑不要求画，但要求掌握。截面图（A1）：画剖面轴系部署示意图（包含截面外形及尺寸、车床标中心高）。（2、标注：中心距，配合尺寸，中心高（车床），外形尺寸。3、明细：不设明细表，件号采取流水号（1,2,3）标注，标准件标准直接标在图纸上（件号下面），标题栏采取标准装配图标题栏（18056），其中，图号：KS01（表示：课设01号图纸）；单位：哈尔滨工业大学；图名：主传动系统装配图。4、验算：一对齿轮，小齿轮验算弯曲强度，大齿轮验算接触强度，一根传动轴，主轴按两支撑计算。5、主轴端部结构要按标准画。4具体研究内容和技术实现4.1 运动设计4.1.1 确定转速范围结构方案确定4.1.1.1 确定极限转速由设计任务书，电机额定功率，铣床最低转速，级数，公比。则转速调整范围（4-1）其中：转速调整范围；转速公比；传动级数。能够得到，主轴极限转速（4-2）其中：转速调整范围；最低转速 。能够得到，4.1.1.2 确定公比由参考文件1表3-6可知主轴实际最大转速。 主轴转速数列为25，31.5，40，50，63，80，100，125，160，200，250，315，400，500，630，800，1000。4.1.1.3 确定主轴转速级数由参考文件1式（3-2）得，转速级数（4-3）其中：转速调整范围；转速公比。能够得到，4.1.1.4 确定结构网或结构式因两轴间变速组传动副数多采取2或3，在设计简单变速系统时，变速级数应选择形式，均为正整数，即选择三联齿轮和两联齿轮进行变速。由参考文件1，主变速传动系设计通常标准是：传动副前多后少标准，传动次序和扩大次序相一致标准和变速组降速前慢后快标准，确定变速结构式以下：其最末扩大组调速范围，设计机床主变速传动系时，为避免从动齿轮尺寸过大而增加箱体径向尺寸，通常限制降速最小传动比为避免扩大传动误差，降低振动噪声，通常限制直齿圆柱齿轮最大升速比4.1.2 转速图4.1.2.1 选择电动机由参考文件2表15.1，选择Y系列封闭自扇冷式鼠笼式三相异步电动机，机型号。其级数6，同时转速，满载转速。4.1.2.2 分配总降速传动比总降速传动比比较大，增加定比传动副，然后将总降速传动比依据“先缓后急”标准，确定各变速组最小传动比。4.1.2.3 确定传动轴轴数传动轴数变速组数定比传动副数。4.1.2.4 绘制转速图因为确定中间各轴转速时，通常往前推比较方便，所以先确定轴转速 确定轴转速因为第二扩大组变速范围为8，故这两对传动副最小和最大传动比选择为，于是能够确定轴六级转速只能是100,125,160,200,250,315,400,500,630 确定轴转速第一扩大组级比指数。为避免从动齿轮尺寸过大而增加箱体径向尺寸，通常限制降速最低传动比，又为了避免扩大传动误差，降低震动噪声，限制最大升速比。为使轴转速不至过低，造成轴转矩较大，又避免升速，取， 确定轴转速轴级比指数，由升2降4标准，确定轴转速为630。 最终确定电动机主轴和轴之间传动比。采取齿轮传动，传动比为转速图见图4-1。图 4-1转速图4.1.3 传动系统图4.1.3.1 应该注意问题1. 因为零件参数还未确定，通常依据转速图，先按传动副传动比确定一个主传动系统草图。待装配图完成后再修改草图为证实系统传动图，传动轴上出路轴向位置大致展开图相对应，画出轴承符号，标上轴号，齿轮齿数及模数，皮带轮直径，电动机型号，功率和转速。2. 要有利降低齿轮变速箱噪声（1）主轴高转速范围传动比排列，可采取先降速后升速传动，使总转速和减小，以期降低噪声。这种高速传动采取先降后升，可使同一变速组传动比有升速有降速，有利于减小齿数和，齿轮线速度及中心距。（2）主轴高速传动时，应缩短传动链，以减小传动副数。（3）不采取噪声大锥齿轮传动副。（4）前边变速组中降速传动比不宜采取极限值，以避免增加径向尺寸。最末变速组中可采取最小传动比，尤其是铣床以增加主轴飞轮效应。4.1.3.2 确定变速组齿轮传动副齿数由传动结构式可知，变速组有3个传动副，其传动比分别是。传动比小于1时取其倒数，由参考文件1表3-9，在变速组中，能够得到， 取。在变速组中，能够得到， 取。在变速组中，能够得到， 取。通常变速组内全部齿轮模数相同，并是标准齿轮，所以三对传动副齿数和应该是相同。中型机床通常取，由此能够确定各传动之间齿数。定比组（电动机主轴和轴之间齿轮齿数）变速组a变速组 b 第二扩大组 初选齿轮齿数和应在后面进行限制讨论和验证。由此，初步确定了各变速组及定比传动齿轮齿数，能够得到具体转速图见图4-2。图 4-2具体转速图4.1.3.3 核实主轴转速误差齿轮齿数确定后，主轴各级实际转速即确定，实际传动比所造成主轴转速误差，应满足：（4-4）其中：转速公比.能够得到，误差分析结果见表4-1表 4-1主轴转速误差标号误差结论11227.041250-1.84%合格2984.541000-1.55%合格3780.84800-2.39%合格4614.91630-2.40%合格5493.39500-1.32%合格6391.31400-2.17%合格7308.11315-2.19%合格8245.61250-1.76%合格9194.79200-2.60%合格10156.48160-2.20%合格11124.75125-0.20%合格1298.941001.06%合格1377.9280-2.60%合格1462.5263-0.76%合格1549.5850-0.83%合格1639.7940-0.53%合格1731.1231.5-1.20%合格1824.6825-1.27%合格4.1.3.4 各轴计算转速各轴计算转速见表4-2表 4-2各轴计算转速轴序号计算转速4.1.3.5 绘制传动系统图传动系统图见图4-3。图 4-3传动系统图4.2动力设计4.2.1 主轴及传动轴轴颈4.2.1.1 传动轴直径初定由参考文件3，按扭转刚度估算轴直径（4-5）其中：传动轴直径；该轴传输功率；该轴计算转矩；该轴每米长度许可扭转角，取0.8。由表2-2可知各轴计算转速，此次计算中，各轴传输功率为点击功率和传输过程中效率乘积，效率值可由参考文件2表9.1确定，能够得到，O轴取I轴取；II轴取；III轴取。4.2.1.2 主轴轴颈直径确实定没有特殊要求时候，主轴材料优先选择价格低廉优质结构钢，如45号钢，调质到220250HB。在端部锥孔，定心轴颈或定心锥面等部位，采取高频淬火至5055HRC。由参考文件1表5.7，功率为卧式升降台铣床选择前轴颈直径，取。后轴颈为前轴颈，即为。为了选择轴承方便，由参考文件2轴承型号，主轴中部和圆锥滚子轴承配合处轴颈直径取，为使主轴缓慢过分，主轴后部和深沟球轴承配合处轴颈直径取。4.2.2 齿轮模数4.2.2.1 初算齿轮模数通常同一变速组中齿轮取同一模数，选择各组负荷最重小齿轮，由参考文件3，其计算得到齿轮模数（4-6）其中：按接触疲惫强度计算齿轮模数；驱动电机功率；齿轮计算转速；大齿轮齿数和小齿轮齿数之比，外啮合取“”号，内啮合取“”号；小齿轮齿数；齿宽系数，（为齿宽，为模数），通常为，此处均选择；许用接触应力，由参考文件5表13-16，齿轮材料选择，高频淬火，可得。能够得到，基础组按标准模数表取；第一扩大组按标准模数表取；第二扩大组按标准模数表取。因为取齿轮厚度系数6，则由公式可得各齿轮厚度。4.2.2.2 对多种限制讨论对于变速组c，因为主轴轴径是由标准查得，其值较大，前轴径为，后轴径为，即安装齿轮处轴外径约为，由参考文件2，轴上小齿轮还要考虑到齿根到它键槽深处最小尺寸应大于基圆齿厚，以防断裂，即其最小齿数应满足：（4-7）其中：齿轮花键孔外径，单键槽取孔中心至键槽底尺寸两倍；齿轮模数。对于变速组c，在主轴上，选择单键槽，查得，若，则，小于已确定最小齿数，在主轴上该模数满足要求。考虑到花键滑动和定位较轻易，除主轴和电机轴外，其它轴均选择花键连接。第二扩大组在轴上最小齿轮齿数，选择花键，将代入，若，则，在轴上该模数满足要求。故第二扩大组模数取。对于第一扩大组，在轴上最小齿轮齿数，选择花键，将代入，若，则，在轴上该模数满足要求。第一扩大组在轴上最小齿轮齿数，若，则，在轴上该模数满足要求。故第一扩大组模数取。对于基础组，基础组在轴上最小齿轮齿数，若，则 ，在轴上该模数满足要求。基础组在轴上最小齿轮齿数，选择花键，将代入，若，则，在轴上该模数满足要求。故基础组模数取。对于电机轴上齿轮配合，选单键槽，查得。若，则，在电机轴上该模数满足要求。故电机轴模数取。4.2.2.3 其它验证机床主传动系统齿数，全部齿轮均满足此条件。机床主传动最小极限传动比为，中型机床最大齿数和，以上设计均满足条件。4.3 结构设计4.3.1 展开图设计4.3.1.1 齿轮部署主传动系统采取集中传动方法，将全部传动和变速机构集中在同一个主轴箱内，结构紧凑，便于实现集中操纵，安装调整方便。电机轴和电动机采取弹性柱销联轴器连接，可一定程度降低定心精度要求，隔离点击震动。4.3.1.2 主轴组件设计圆锥滚子轴承能同时承受径向和轴向载荷，成对使用含有轴承数量少、支撑结构简单、轴承间隙调整方便特点。主轴采取单列圆锥滚子轴承前中支承为主端深沟球轴承尾端支承为辅三支撑结构。用中支撑左侧螺母同时调整前中两个轴承间隙。4.3.2 截面图及轴空间部署因为滑移齿轮轴心离箱体壁距离较大，且滑移行程较长，故采取拨叉沿导向杆滑动来操纵滑移齿轮。摆动拨叉经过滑块和滑动拨叉尾端槽接触，滑块做圆弧运动转化为拨叉滑动，实现滑移。使用钢球弹簧作为定位手柄座能够使操作杆拨动到指定位置即停下并锁紧，方便工人操作。4.4 零件验算4.4.1 主轴刚度4.4.1.1 主轴支撑跨距确实定前端悬伸量：主轴前端悬伸长度，即从主轴外侧前支撑中点（滚锥轴承及向心推力轴承则是接触角法线和轴线交点处）到主轴前端距离。这里选定。通常最好跨距，考虑到结构和支承刚度会因磨损而不停降低，应取跨距比最好支承跨距 大部分，通常是倍，再综合考虑结构需要，本设计取。4.4.1.2 最大切削协力P确实定最大圆周切削力须按主轴输出全功率和最大扭矩确定（4-8）其中：电动机额定功率()，；主传动系统总效率，为各传动副、轴承效率，总效率。由前文计算结果， 。取；主轴计算转速，由前文计算结果，主轴计算转速为；计算直径，对于卧式铣床，为最大端铣刀计算直径，对于工作台面积为卧式铣床,其端铣刀计算直径及宽度分别为，。能够得到，验算主轴组件刚度时，须求出作用在垂直于主轴轴线平面内最大切削协力。对于卧式升降台铣床铣削力，通常按端铣计算。不妨假设本铣床进给系统末端传动副有消隙机构，应采取不对称顺铣，则各切削分力、同比值可大致认为； ； 。则，即和水平面成角，在水平面投影和成角。4.4.1.3 切削力作用点确实定设切削力作用点到主轴前支撑距离为 （4-9）其中：主轴前端悬伸长度，；对于一般升降台铣床。能够得到，4.4.1.4 齿轮驱动力Q确实定齿轮传动轴受输入扭矩齿轮驱动力作用而产生弯曲变形，当齿轮为直齿圆柱齿轮时，其啮合角，齿面摩擦角时，其弯曲载荷（4-10）其中：齿轮传输全功率()，取；该齿轮模数、齿数；该传动轴计算工况转速。能够得到，4.4.1.5 变形量许可值确实定变形量许可值：对一般机床前端挠度许可值，现在广泛 使用经验数据（4-11）其中：主轴两支撑间距离，。能够得到，4.4.1.6 主轴组件静刚度验算图 4-4主轴组件纵向视图力分布图 4-5主轴组件横向视图力分布选定图直角坐标系，求各力同时作用下，前后轴承负荷大小及其方向角，并判定象限。建立方程组计算主轴前后支撑处支反力。方向：方向：在点水平投影：在点垂直投影：能够得到，即，方向和轴正方向夹角。，方向和轴正方向夹角。前后轴承负荷大小和支反力大小相同，方向相反。故前后轴承负荷为：，方向和轴正方向夹角。，方向和轴正方向夹角。按轴承合成负荷，计算轴承弹性位移。滚动轴承径向刚度是支承刚度关键部分，支承刚度还包含轴承环和轴颈及箱体孔配合表面间接触刚度。预紧滚动轴承能够提升刚度。计算时能够忽略轴承环和轴颈和箱体孔之间接触刚度。仅以滚动轴承游隙为零时，承受径向载荷来计算轴承径向刚度，圆锥滚子轴承径向刚度（4-12）其中：滚动体列数；每列中滚动体数；滚子有效长度；轴承径向负荷；轴承接触角。能够得到，前后支承轴承弹性位移，分别计算各作用力对弹性主轴前端点产生挠度。由简单载荷下简支轴变形公式，轴本身变形引发轴点挠度公式（4-13） （4-14） 其中：载荷力；材料弹性模量，钢；分别为轴抗弯惯性矩 （4-15）能够得到，能够得到，共同作用下，点挠度分解将轴承弹性位移分解为直角坐标分量，并计算它对主轴前端点产生对应挠度值。点：点：在水平面（方向）点产生挠度：在垂直面（方向）点产生挠度：能够得到，将主轴组件前端c 点在直角坐标上各分量进行代数叠加后，再合成综合挠度值并计算其方向角。分量：合成：方向角：由综合挠度，可见，故主轴经过校核。4.4.2 传动轴刚度4.4.2.1 齿轮驱动力Q确实定齿轮传动轴同时受输入扭矩齿轮驱动力和输出扭矩齿轮驱动阻力作用而产生弯曲变形，当齿轮为直齿圆柱齿轮，其啮合角，齿面摩擦角时，其弯曲载荷（4-16）其中：该齿轮传输全功率，取； 该齿轮模数和齿数； 该传动轴计算工况转速； 该轴输入扭矩齿轮计算转速； 该轴输出扭矩齿轮计算转速。因为轴上有三种不一样驱动力和三种不一样驱动阻力，故驱动力具体计算结果在下文讨论。4.4.2.2 变形量许可值确实定齿轮传动轴抗弯刚度验算，包含轴最大挠度，滚动轴承处及齿轮安装处倾角验算。其值均应小于许可变形量及，许可变形量可由参考文件4查得。由参考文件3知，对于传动轴，仅需要进行刚度计算，无须进行强度验算。4.4.2.3 主轴组件挠度验算图5-4 传动轴II载荷分布其中是变速组1驱动力，且3个驱动力不能同时作用；是变速组2驱动阻力，且3个驱动阻力不能同时作用。能够得到对于输出驱动阻力，因为多种情况转速不定，故应在选定校核用轴速度以后计算。为了计算上简便，能够近似地以该轴中点挠度替换最大挠度，其最大误差不超出3%。由参考文件4，若两支承齿轮传动轴为实心圆形钢轴，忽略其支承变形，在单位弯曲载荷作用下，其中点挠度（4-17）其中：两支承间跨距，；该轴平均直径，；（4-18） 齿轮工作位置至较近支撑点距离； 输入扭矩齿轮在轴中点引发挠度； 输出扭矩齿轮在轴中点引发挠度；其它各符号定义和前文一致。能够得到，；。能够得到故引发中点挠度最大，在计算合成挠度时使用，进行计算。此时轴转速为。能够得到，能够得到，故引发中点挠度最大，在计算合成挠度时使用，进行计算。由参考文件4，中点合成挠度（4-19）其中：被验算轴中点合成挠度；在横截面上，被验算轴和其前、后传动轴连心线夹角；驱动力和阻力在横截面上，两向量合成时夹角。（4-20）能够得到能够得到由综合挠度，可见，满足要求。由参考文件4，传动轴在支承点A、B处倾角、（4-21）能够得到，可见，满足要求，故不用计算传动轴在齿轮处倾角。综上，传动轴经过校核。4.4.3 齿轮疲惫强度验算变速箱中齿轮强度时，选择相同模数中承受载荷最大及齿数最小齿轮进行接触应力和弯曲应力计算。通常对高速转动齿轮验算齿面接触应力，对低速转动齿轮验算齿根弯曲应力。对硬齿面软芯渗淬火齿轮，一定要验算弯曲应力。所以此处仅验算和 这对齿轮。由参考文件4，齿面接触应力（4-22）齿根弯曲应力（4-23）其中：初算得到齿轮模数，；传输额定功率，；齿轮计算转速，；大齿轮齿数和小齿轮齿数之比，外啮合取“”号，内啮合取“”号；小齿轮齿数；齿宽；许用接触应力，由参考文件5表13-16，齿轮材料选择45钢，高频淬火，可得；许用弯曲应力，；寿命系数；（4-24）工作期限系数；（4-25）齿轮在机床工作期限内总工作时间，对于中型机床齿轮，取，统一变速组内齿轮总工作时间可近似地认为，为该变速组传动副数，取，则；齿轮最低转速，取；基准循环次数，对于钢和铸铁件，接触载荷取，弯曲载荷取；疲惫曲线指数，接触载荷取，弯曲载荷对正火、调质及整体淬硬件取，对表面淬硬（高频、渗碳、氮化等）件取；能够得到，；功率利用系数，取；转速改变系数，取；材料强化系数，取；能够得到，；齿向载荷分布系数，取；动载荷系数，取；工作情况系数，考虑载荷冲击影响，主运动（中等冲击）取；齿形系数，取。能够得到，可见，。综上，齿轮和经过校核。5技术指标分析5.1 传动系统图设计主轴高转速范围传动比排列，可采取先降速后升速传动，使总转速和减小，以期降低噪声。这种高速传动采取先降后升，可使同一变速组传动比有升速有降速，有利于减小齿数和，齿轮线速度及中心距；主轴高速传动时，应缩短传动链，以减小传动副数；不采取噪声大锥齿轮传动副；前边变速组中降速传动比不宜采取极限值，以避免增加径向尺寸。最末变速组中可采取最小传动比，尤其是铣床以增加主轴飞轮效应。5.2 齿轮齿数、模数选择中型机床通常取，机床主传动系统齿数；变速组内全部齿轮模数相同，并是标准齿轮，初算齿轮模数时应选择各组负荷最重小齿轮进行设计；同时应该考虑齿根到它键槽深处最小尺寸应大于基圆齿厚。5.3 轴径、孔径选择轴径设计需要在考虑扭矩基础上，综合考虑轴用挡圈、轴承选择，花键加工和过分，齿轮、轴承、套筒等其它轴系部件安装等。同时应该依据实际情况合适地添加过分轴段，增大轴肩高度等；孔大小需要在能够安装轴承基础上，综合考虑镗刀加工路线，钻孔时钻头能否顺利进行加工等问题。5.4 其它零部件、细节其它零部件设计则需要在图册、手册参考之下综合考虑实际应用情况。比如垫圈、挡圈使用，螺母选择，甩油环、油沟设计，转动体及非转动体之间间隙；另外，需要考虑实际配合关系，确定配合方法和配合对象；同时，需要考虑实际加工所产生空刀槽、越程槽、月牙槽等。6存在问题和提议实践是最好老师，期望在日常教学当中能够理论和实践综合学习方法对学生进行讲课，加深学生对于知识了解和应用。7参考文件1机械制造装备设计：哈尔滨工业大学出版社，.22王连明，宋宝玉. 机械设计课程设计：哈尔滨工业大学出版社，.13机械制造装备设计指导书：哈尔滨工业大学出版社4宋宝玉，王黎钦. 机械设计：高等教育出版社，.55范云涨，陈兆年. 金属切削机床设计简明手册：机械工业出版社，19936 隋秀凛，高安邦. 实用机床设计手册：机械工业出版社，.7 范云涨，陈兆年. 金属切削机床设计简明手册：机械工业出版社，1996.10