台式车床车头箱孔系加工分配箱机构设计说明书.doc

0引言
车床、铣床、镗床等机床是各类机械制造厂用的最多的设备，学生比较熟悉，在结构上兼有一般机械的特点。而对于箱体类零件，其加工一般都需经平面加工,以及镗、扩、铰、钻及攻螺纹等工序。在中小企业，孔系加工是工厂新产品开发中的薄弱环节。鉴于以上原因，许多学校机械制造类专业都选择围绕机床方面进行布置设计课题，我的毕业设计课题就是涉及这个领域，具体的说是关于台式车床车头箱孔系加工分配箱机构设计。
我的这次毕业设计是在学完基础课及有关的专业课的基础上，结合机床主传动部件设计进行的综合训练，其目的包括：
1．掌握机床主传动部件（分配箱）设计过程和方法，包括参数拟定、传动设计、零件计算、结构设计等，培养自己结构分析和设计的能力。
2．综合运用过去所学的理论知识，提高自己联系实际和综合分析的能力。
3．训练和提高自己设计的基本技能。如计算、制图，学习运用标准、手册，图册和查阅有关技术资料，编写技术文件（说明书等）。
为了保质保量的按期完成设计，我在认真阅读设计任务书，到工厂参观以及查找有关资料的基础之上，比较和选择传动装置的方案，根据所要加工图纸的要求及切削用量手册，确定各传动齿轮的齿数，并计算各轴转速；设计计算各级传动件的参数和主要尺寸，例如主轴、输入轴以及分配箱内传动零件（齿轮）,并且对所设计的零件的结构进行了详细的分析,对主轴和齿轮进行了强度校核,经过反复的计算和修改,使得最终的设计满足要求.
在设计的过程中，我紧紧把握以下设计原则：分配箱的结构尽量从简，设计传动系统时，尽可能地减少了主轴、传动轴和传动齿轮的数量；由于床头箱主轴正反转能够通过操作手柄方便地进行转换，在考虑齿轮回转方向时，只要各分主轴转向一致即可，不必保证各分主轴与机床主轴通常工作转向取得一致；由于车床车头箱转速的可变的范围很大，设计各分主轴转速时，只考虑了能与工件被加工孔径匹配即可，这样可以通过车床车头箱变速来使得各分主轴得到比较合理的切削速度；在设计分配箱轴承支墙跨度时，由于设计采用浮动联接，加工精度主要是靠镗模来保证，支墙跨度只要满足变速齿轮安装的必要空间即可。对这些原则的掌握，使得设计的周期大大减少了，而且完全能满足要求。
对于设计而言，首先要保证的是产品的功能及其可靠性，并保证产品有良好的工艺性。机械设计是一项创造性的劳动，新颖的设计要有新的构思，对此，我们一方面应大胆地采用新理论和新结构，另一方面也要总结经验采用已有的成功的技术和结构。设计过程中通常要有几套设计方案，在查阅资料的基础上，在各方面对这些方案进行对比，从中选出最佳的方案。具体到各个零件的设计，也应满足一些准则，首先是结构设计的准则，简而言之，可以用“明确、简单、安全”
六个字来表达。在上述准则下，还应考虑技术设计中出现的强度、刚度、抗振性、耐磨性、耐热性、工艺性等问题。
制造业作为我国的支柱产业，在整个国民经济中占有举足轻重的地位。它是我国比较优势的产业，而制造业的主体和基础是机床行业，当今世界，全球经济逐渐走向一体化，这对我国制造业的要求不断提高，如何抓住机遇、面对挑战和赢得发展的契机，成为机床行业普遍面临的问题。近年来，世界各国积极发展各种新型的设计理论和方法，例如计算机辅助设计（CAD）。这种方法可以做到按既定要求进行优化设计，而且还可以缩短设计周期、提高产品设计质量，降低成本和节省人力。我们在这次设计中，就部分地使用了计算机辅助设计的一些功能，在今后的设计过程中，一定会逐步地甩掉图板，完全在计算机上进行设计。

1.主传动设计
1.1主传动方案
1．1．1传动布局
对于有变速要求的主传动，其布局方式可以分为集中式传动和分离式传动。把主轴组件和主传动的全部变速机构集中装于同一个箱体内，称为集中传动式布局，把主轴组件和主传动的大部分变速机构分离装于两个箱体内，称为分离传动式布局。
对于以上两种布局，集中传动式布局的优点是结构紧凑，便于实现集中操纵；箱体数少，在机床上安装、调试方便，缺点是传动件的振动和发热会直接主轴的工作精度。而分离传动式布局的优点是变速箱中产生的振动和热量不易传给主轴，从而减少了主轴振动和热变形，但其缺点是箱体数多，加工、装配的工作量大，成本较高，位于传动链后面的带传动低速时传递的转矩较大，容易打滑，相比较之下，本设计选用集中传动式布局。
1．1．2变速方式
机床主传动的变速方式可分为无级变速和有级变速两种。无级变速是指在一定速度范围内能连续任意地变速，有级变速是指在若干固定速度（或转速）级内不连续的变速，通常是由齿轮等变速元件构成的分配箱来实现变速。相比之下，有级变速传递功率大，变速范围大，传动比准确，工作可靠，结合本次设计的特点，采用有级变速方式。
1．1．3传动系统
采用交换齿轮，其布置形式采用同轴线式，这样箱体长度较小，重量轻，结构紧凑。
1．1．4设计原则
设计分配箱应注意到尽可能缩短设计周期。分配箱的结构尽量从简，由于分配箱不是采用组合机床的标准部件结构，所以设计传动系统时，宜尽可能减少主轴、传动轴和传动齿轮的数量；由于床头箱主轴正反转能够通过操作手柄方便地进行转换，所以在考虑齿轮回转方向时，只要个主轴分轴转向一致即可，不必保证是各分主轴与机床主轴通常工作转向取得一致；由于车床分配箱转速可变的范围很大，所以设计各分主轴转速时，只要考虑能与工件被加工孔径匹配，便可通过车床车头箱变速来使个分主轴得到比较合理的切削速度。另外，在设计分配箱轴承支墙跨度时要注意，由于本设计采用的浮动连接镗杆的分配箱，其精度是靠镗模保证，支墙跨度只要满足变速齿轮安装的必要空间即可。掌握以上几条原则，可以节省较多的设计时间而且能够满足设计要求。
1．2主传动运动设计
机床主传动的运动设计任务是：按照已确定的运动参数、动力参数和传动方案，设计出经济合理、性能先进的传动系统。其主要的设计内容包括：确定各传
动副的传动比；确定齿轮齿数和模数；布置和排列齿轮等。对于本设计，一般要
按照下列步骤进行分析和计算：
1．2．1制定工艺方案
这是设计的第一步，也是最重要的一步，工艺方案制定的正确与否，将决定本次设计能否达到“体积小、重量轻、结构简单、效率高，质量好”的要求。为
了使工艺方案制定得合理先进，必须从认真分析被加工零件（或同类零件）的图纸开始，深入现场全面了解被加工零件的结构特点，加工部位、尺寸精度、表面粗糙度和技术要求，定位、夹紧方，工艺方法和加工过程所采用的刀具、辅具，切削用量情况及生产率要求等，分析其优缺点，总结设计、制造、使用单位和操作者的经验等因素，以求理论紧密联系生产实际，从而确定零件在机床上完成的工艺（工序）内容和方法，决定刀具的种类、结构形式。
（1） 制定工艺方案应考虑的问题
机床常用的工艺方法能达到的精度及表面粗糙度：由于被加工零件的精度要求，加工部位尺寸、形状、结构特点，材料和生产率要求不同，设计过程中必须采用不同的工艺方法和工艺过程。对于铸铁件不同精度孔的工艺方法如下：
本设计主要为镗加工，镗孔一般适宜被加工孔径
（2）确定工艺方案的原则及注意问题
主要是安排好粗、精加工工序，必须根据零件的生产批量，加工精度和技术要求进行全面分析，按照经济地满足加工要求的原则，合理解决粗加工和精加工工序的安排
（3）定位基准及夹压点的选择
对于本设计是对台式车床车头箱孔系的加工，而箱体类零件是机械加工中工序多，精度要求高的零件。这类零件一般都有较高精度的孔需要进行加工，又常常要在几次安装下进行，因此，定位基准选择“一面两孔”是最常用的方法
1．2．2确定切削用量
为使加工过程顺利地进行并保证加工精度，必须合理的确定工序间余量。对于半精镗，对于精镗 在确定镗孔余量时，应注意其对镗杆直径大小的影响，尤其是在工件需要让刀以便使刀具通过时（多刀加工多层壁同心孔系），由于加工余量和工件让刀的影响，往往要减少镗杆直径。若导致镗杆刚性不足，必要时可以减少粗镗余量。
机床的分配箱上所有的刀具共用一个进给系统，通常为标准动力滑台工作时要求所有的刀具的每分钟进给量相同，且等于动力滑台的每分钟进给量，这个每分钟进给量应是适合于所有刀具的平均值。因此，同一分配箱上的刀具可以设计成不同转速和选择不同的每转进给量与其相适应，以满足不同直径工件的加工需要，即=
式中：

表1-1 镗孔的切削用量(见下页)
工序
刀具材料

粗镗
高速钢
硬质合金
12-25
25-50
0．25-0．80
0．40-1．50
半粗镗
高速钢
硬质合金
12-35
50-70
0．1-0．3
0．15-0．45
精镗
硬质合金
70-90
0．12-0．15
由孔系的尺寸结合上表，选取切削速度
1．2．3传动计算
初选输入轴的齿数为
对于输入轴0：
对于1轴：
对于2轴：
对于3轴：
对于4轴：
对于5轴：
经过反复验算和修改，确定各主轴转速分别为：
对于0-1传动：
对于0-2传动：
对于0-3传动：
对于0-4传动：
对于0-5传动：
在0-3传动中，齿轮副中心距为取因为0、3之间采用直接啮合传动，不存在过渡的齿轮，所以根据公式 可得到：
圆整为25 同理：
对于3-2传动中:齿轮副中心距为
对于过渡齿轮,在装配草图上画图,尽量采用和齿轮2相同或相差不大的齿数,经过画图,采用齿数为25的齿轮,并利用与3、2齿轮的分度圆相切，从而定出过渡轮7的位置。
同理:可以分别算出
下面验算各主轴的转速：

转速的相对损失：
由计算的结果可以看出，转速的相对损失在5%以内，符合设计要求，从而论证了孔系加工进给量选取的合理性。

2．主轴设计
2．1 结构设计
轴的结构设计主要是使轴的各部分具有合理的结构和尺寸,影响轴的结构的因素很多,因此轴的结构没有标准的形式。设计时，必须针对轴的具体情况作具体的分析，全面考虑解决。轴的结构设计的主要要求是：（1）装在轴上的零件有确定的位置，且布置合理 （2）轴受力合理，能可靠地传递力和转矩，有利于提高强度和刚度 （3）具有良好的工艺性 （4）便于装配和调整 （5）节省材料，减轻质量
2．1．1确定切削力、切削扭矩、切削功率及刀具耐用度
根据选用的切削用量（主要指切削速度v 及进给量f ）。确定切削力，作为选择动力部件及夹具设计的依据；确定切削扭矩，用以确定主轴及其他传动件（齿轮、传动轴等）的尺寸；确定切削功率，用以选择主电机（一般指动力箱电机）功率；确定刀具的耐用度，用以验证所选刀具是否合理。
人们根据生产实践及试验研究成果，已经整理出不同材料刀具对不同材料工件进行钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、锪端面、攻丝加工等的切削力p，切削扭矩M，切削功率N，刀具耐用度T的计算公式，可供设计时使用。
切削力p，切削扭矩M，切削功率N，刀具耐用度T的计算公式：

式中：P-切削轴向力（牛）
D-刀具头直径（毫米）
f-每转进给量（毫米/转）
M-切削扭矩（牛/毫米）
N-切削功率（千瓦）
T-刀具耐用度（分）
V-切削速度，通常根据所加工孔深度考虑修正系数Kv
HB-零件的布氏硬度值，通常给出一个范围
对主轴5进行计算，查表得到D=45mm，f=0.4mm/r,HB=260代入上述公式，得
2．1．2初步估算轴的直径
设计轴时，往往先从粗略估算轴的直径开始，并以此作为设计依据。根据扭转强度条件粗略计算轴的直径是常用的计算方法，设计时只考虑轴在转矩作用下所受到的切应力，而采用降低许用应力的方法适当地考虑弯曲应力的影响，这种方法可以作为主轴和不太重要的轴的最终强度计算方法。
由材料力学可知，轴受到转矩作用时，其强度条件为：

写成设计公式，轴的直径为：

式中： T-轴所传递的扭矩，单位为N .mm
WT-抗扭截面系数，单位为mm
C-由轴的材料和承载情况所确定的常数，查表10-2
P-轴所传递的功率，单位为Kw
n-轴的转速，单位为r/min
[τT]-许用切应力，单位为Mpa，查表10-2
由表选取C=106 P取与刀具切削功率相等的值，即P=2.04Kw
轴的转速n=90r/min 将数值代入公式，得到：

因为轴上开有键槽，轴径应按计算值加大3%计算，所以
d≥29.9(1+3%)︽30.4mm 圆整取值得d=30mm
2．1．3 轴的结构分析及轴上零件的固定
为了便于轴上零件的装拆，常将轴做成阶梯形状，因在本设计中主轴只需传递运动，且根据轴上所装的零件特点，可以将轴的主要部分做成等直径轴；但在装轴承处的轴颈需要按照轴承标准配合进行选取，并且要求有较高的加工精度和表面粗糙度；轴上装齿轮处留有键槽，键槽的尺寸查表画出。
轴的设计还必须考虑轴上零件的固定，齿轮用开槽锥端紧定螺钉和轴用钢丝挡圈作轴向固定，开槽锥端紧定螺钉和轴用钢丝挡圈的尺寸按国标查出；用平键做圆周方向上的固定，其尺寸按国标查表；轴承在轴向的固定通过箱体上的铸造结构代替轴肩来实现，在圆周上的固定是靠内圈与轴之间的配合来实现。
选择轴的材料,应该考虑下列因素(1)轴的强度、刚度以及耐磨性要求 （2）热处理的方法；（3）材料来源；（4）材料的加工工艺性；（5）材料价格等
轴的材料常用的有碳素结构钢、合金结构钢和球墨铸铁 其中碳素结构钢具有较好的综合力学性能，尤以45钢最为常用，本设计就是采用45钢，为了提高其力学性能，通常进行调质处理或者正火处理。
图2-1
2．2 轴的强度校核
轴的结构设计确定了轴的结构形状和尺寸，为了进行轴的强度计算，需要将轴的实际受力情况简化成计算简图，即建立力学模型。
（1） 齿轮传给轴的分散力，在一般计算中，简化为集中力，并作用在轮缘宽度的中点，这种简化，一般偏于安全。
（2） 作用在轴上的转矩，在一般的计算中，简化为从传动件轮毂的中点算起的转矩。
（3） 周的支承反力的作用点随轴承的类型和布置方式而异。简化后，将双支点轴当作受集中力载荷的简支梁进行计算。
具体的计算是根据轴的疲劳强度安全系数的较核计算，对于一些重要的轴，要进行疲劳强度的计算。该方法考虑了影响疲劳强度的各个因素，如应力变化特征、应力集中、表面质量、尺寸等。因此，该方法是一种精确的方法。轴的疲劳强度的校核计算，是对轴的危险剖面的疲劳强度安全系数进行的校核计算。危险剖面是指发生破坏可能性最大的剖面。但是，在具体校核计算之前，有时很难确定哪个剖面是危险剖面。因为影响轴的疲劳强度的因素很多，弯矩和转矩最大的剖面不一定就是危险剖面，而弯矩和转矩不是最大的剖面，因其直径小，应力集中严重，却有可能是危险剖面。在计算前无法准确确定危险剖面的情况下，就必须对可能的危险剖面都进行校核。
校核危险剖面疲劳强度安全系数的公式为

其中在弯矩作用下和在转矩的作用下的安全系数分别为

下面对具体的轴进行强度校核：

（1） 画出轴的受力简图，并进行轮齿受力计算

式中
所以,
对于车削中主切削力

取
在水平面上

在垂直面上
(3)画出弯矩图(见 图)
在水平面上,

在垂直面上
合成

(4)画出弯矩图(f)
转矩
(5)由表10-1查得

在截面左侧

在左侧

(6)轴的疲劳强度安全系数校核
由表10-1查得,

在截面左侧
由附表10-1查得
由附表10-4查得绝对尺寸系数轴经过磨削加工,有附表查得表面质量系数 则:
弯曲应力
应力幅
平均应力
切应力
安全系数

由表10-6查得许用安全系数,显然此截面是安全的
在b-b截面的右侧
抗弯截面系数
抗扭截面系数
又已经求得 所以弯曲应力

切应力
由附表10-1查得过盈配合引起的有效应力集中系数
又

在b-b截面左侧
截面左右侧的弯矩和扭距相同,弯曲应力

切应力

由附表10-2查得圆角引起的有效应力集中系数
由附表10-4查得绝对尺寸系数,
则

显然在此截面的左侧安全
以上的计算表明:轴的弯扭合成强度和疲劳强度均是足够的
轴的强度校核还应该考虑键槽处的强度：
由公式
式中
下面进行具体的校核：
-200MPa
经过计算，显然键槽处的强度足够

参考文献
1.徐锦康主编. 机械设计. 第二版. 北京: 机械工业出版社, 2001
2.仙波正庄著. 齿轮强度计算. 姜永等译 北京:化学工业出版社, 1995
3.吴宗泽主编. 机械零件习题集. 北京:高等教育出版社, 1983
4.陈秀宁主编. 机械设计课程设计. 第一版 杭州:浙江大学出版社,1995
5.王伯平主编.互换性与测量技术基础 第一版 北京:机械工业出版社,2001
6.徐灏主编. 新编机械设计师手册(上、下) 北京:机械工业出版社，1995
7．王振华编. 实用轴承手册. 上海:上海科学技术文献出版社, 1991
8.王启义等编. 金属切削机床设计. 沈阳:东北工学院出版社, 1989
9.曹金榜等编. 机床主轴变速箱设计指导 北京:机械工业出版社,1987
10.范云涨主编. 金属切削机床设计简明手册 北京:机械工业出版社,1994
11.孟少农主编. 机械加工工艺手册 北京:机械工业出版社,1992
12.卞炎主编 机械传动装置设计手册 北京:机械工业出版社,1995

附件清单
1.任务书 1份
2.实习报告 1份
3.说明书 1份
4.装配图 1张
5.零件图 23张
6.总装图 1张

目录
0引言 1
1.主传动设计 3
1.1主传动方案 3
1．1．1传动布局 3
1．1．2变速方式 3
1．1．3传动系统 3
1．1．4设计原则 3
1．2主传动运动设计 4
1．2．1制定工艺方案 4
1．2．2确定切削用量 5
1．2．3传动计算 6
2．主轴设计 9
2．1 结构设计 9
2．1．1确定切削力、切削扭矩、切削功率及刀具耐用度 9
2．1．2初步估算轴的直径 10
2．1．3 轴的结构分析及轴上零件的固定 11
2．2 轴的强度校核 12
2．3 轴的刚度校核 18
3．齿轮的设计 21
3．1齿轮的结构分析 21
3．2 齿轮传动主要参数的选择 21
3．2．1 压力角a的选择 21
3．2．2 齿数和模数的选择 22
3．2．3 传动比和齿数比 22
3．2．4齿宽系数¢d 22
3．3 齿轮的精度设计 23
3.4齿轮传动的强度计算 27
4． 分配箱及其附件 30
4．1 箱体的结构型式 30
4．1．1 铸造箱体 30
4．1．2 铸造箱体的结构分析 30
4．1．3 箱体的结构尺寸 30
4．2分配箱附件的选择及结构 31
4．2．1 油标 31
4．2．2排油孔螺塞 31
4．2．3 起吊装置 33
4．2．4 定位销 33
5．分配箱的润滑和密封 34
5．1分配箱的润滑 34
5．1．1齿轮的润滑 34
5．1．2轴承的润滑 34
5．2分配箱的密封 35
6.结论 36
致谢 37
参考文献 38
附件清单 39

21