资源描述
摘 要实际应用中，车床主要进行车外圆、车端面和镗孔等工作。车削很少在其他种类的机床上进行，而且任何一种其它机床都不像车床那样方便的进行车削加工。由于车床还可以用来钻孔和铰孔，车床的多功能性可以使工件一次安装中进行几种加工。因此，在生产中使用的各种车床比任何其它种类的机床都多。 现代机床正在向高速度化、高精度化、高柔性化、高自动化、高可靠性等方向发展。CM6150型车床是一种中型精密普通机床， 它具有操作方便，轻巧，结构简单，工艺性好，振动、噪声小，加工精度高，生产率高等优点。因此它被广泛的应用在各种车间。本设计以CM6150机床为基础，进行了车床中若干部件的设计。本设计的主要内容包括以下三部分： 主轴箱的设计，这部分主要包括：总体的设计与布局、各传动轴的设计及验算、主轴的设计及验算、各齿轮的设计及验算、主轴箱CAD图的绘制。变速箱的设计，这部分主要包括：主要参数的选择原则，确定个档变速齿轮的模数、齿数等齿轮参数。齿轮计算和轴的计算，对齿轮的接触强度和弯曲强度进行计算，进行轴的设计。介绍了轴的结构，轴径的选择方法，计算个档位的弯矩，扭矩，并找出轴的危险截面进行强度校核。关键字：主轴箱；变速箱；传动AbstractLathes are machine tools designed primarily to do turning, facing, and boring. Very little turning is done on other types of machine tools, and none can do it with equal facility. Because lathes also can do drilling and reaming, their versatility permits several operations to be done with a single setup of the workpiece. Consequently, more lathes of various type are used in manufacturing than any other machine tool.The development of the machine tool has the following tendencies: high velocity, high precision, high automation and high reliability etc. However, The CM6150 is a medium-sized lathe with high precision. It has following advantages such as convenient operating, simple structure, good crafting, low noise and vibration, high manufacturing accuracy, high productivity and so on. So it is widely used in kinds of workshops. The design is based on CM6150 machine, a lathe in the design of a number of components.This design includes three parts below:Design of the main shaft box，What is involved in this part are: the total layout and design, the design and calculating of each transferring shaft, the design of spindle, design of each gear and the CAD drawing of the spindle box. Design of the transmission box ，What is involved in this part are: I explained the choosing principle of the main parameters I determined some parameters about gears, for example, the helical angle, the tooth width, the tooth number etc. Gears s calculated and shaft s calculated ，I calculated the rigidity and strength about the main gears. I designed shaft and introduced their structure, the choosing method of their radius, I found their hazardous section ,then calculated the rigidity and strength.Keywords: the main shaft box; the transmission box; transmission目 录摘 要IAbstractII1 引 言1 车床简介及发展概况1 本课题的目的和意义.22 机床总体设计.3 参数拟定3 主要参数3 确定转数公比值、转数数列、调速范围3 总体布局3 影响本机床总体布局的基本因素3 布局简图5 2.2.3机床设计应满足的基本要求.53 主传动系统设计6 .6 .6 .6 .6 3.2传动方案确定10 3.2.1集中传动方式10 3.2.2分离传动方式10 3.3论证并确定合理的结构式和转速图11 3.3.1主变速系统传动系设计的一般原则11 3.3.2确定转速图11 3.3.3几点补充说明12 3.4齿数的确定14 3.4.1在确定齿数时应注意的几个问题14 3.4.2齿数的最终确定14 3.5拟定主传动系统图15 3.6确定带轮直径16 3.7计算主轴转速误差17 3.8原理简单叙述184 传动件估算19 主轴及各传动轴、各传动齿轮的计算转速19 主轴的计算转速19 各传动轴的计算转速19 各齿轮计算转速19 主轴支承轴颈尺寸和内孔径尺寸的确定20 主轴前轴直径的确定20 主轴后轴直径的确定20 主轴内孔径的确定20 传动轴直径初定20 传动齿轮模数的初步计算215 结构设计24 带轮设计24 制动机构设计24 主轴的支承形式设计24 轴的轴向固定25 齿轮块设计25 其它传动轴轴承的选择26 主轴端部的结构形式26 主轴的润滑与密封26 操纵机构设计276 主要零件核算29 主轴强度校核29 求切削力Fc和背向力错误！未找到引用源。29 求该轴齿轮受力30 作出受力图、弯矩图、扭矩图30 校核轴的强度31 花键联接强度校核32 齿轮的强度计算33 滚动轴承的校核357 结 论37致 谢.38参考文献39附录A英文原文40附录B汉语翻译.471 引言1.1 车床简介及发展概况车床本身有其技术和结构特点，能加工回转体的平面、内外圆、螺纹、螺孔、凸台、凹槽、曲面等，传动比较简单，制造比磨床容易，所用刀具也相对简单。车床的品种、规格繁多，为各类机床之冠。在现今各国生产和使用中，手动、机动、数显、程控和数控并存。目前国外数车床的技术水平有高性能、高精度、高效率、高自动化、模块化设计等特点。高性能指依靠改进工艺、布局、结构、驱动和控制等方面来提高精度、效率、自动化，如工艺上车、铣、磨结合；高精度指加工精度普遍提高，精密车床代替了普通精度数控车床，数控系统的分辨率也越来越高，如加工精度从过去的IT6-IT7提高到IT5-IT6；高效率指通过高速化、复合化不断提高加工效率，高速化方面，主轴转速、快速进给、传动功率都大大提高，复合化方面，出现多种切削方式合成的复合加工机和多轴加工；高自动化指采用现场交互式编程和自动对刀，并与CAD/CAM等软件相结合，监控和自诊断能力日益增强，能自动测量和进行误差补偿；模块化设计指利用基本模块和各种功能部件灵活配置来加速发展系列产品、缩短设计周期、降低成本。 在我国，车床制造业是金属切削制造业中最大的一个产业。按机床工具行业统计资料汇编，2005年全国车床产量为237464台，占全国金属切削机床产量的61.2。但是，在车床产量中，数控车床的产量很低，仅占车床产量的13.5左右。所以，我国目前仍是一个以普通车床生产为主的生产国家。在为数不多的数控车床生产中，仅有12为中、高档数控车床。在数控车床消费中，中、高档数控车床主要依靠进口。近几年数控车床的进口量和进口额明显增加，市场份额基本上被进口产品占领。在车床产品中，数控车床的消费量增长很快，消费量已愈4万台，普通车床的消费量超过10万台。近年来，我国数控车床的技术水平提高较快，在设计、制造、使用上有较大进步。但与国外发达国家的主要差距为：精度、效率、自动化等水平较低；主机设计缺乏创新，模块化设计少；重要基础元件、部件、数控系统等主要依赖进口；缺乏深入系统的科研工作，设计、试验手段比较落后。 在发达国家，由于大批量生产自动化的实现，高效自动化车床的数量多，数控车床的发展快中、高档车床比例大，总体技术水平高，生产率高。而在发展中国家，低档手动普通车床多，所以生产率相对也低。目前国外的数控车床占整个车床生产的比重较大。它是随着微电子、计算机技术的进步而迅速发展的，是传统机床技术与信息技术相结合的产物，也是今后的发展方向。选择CM6150精密普通车床进行传统设计目的就是熟悉机床设计过程，为今后的创新打下基础。 本课题的目的和意义本课题是通过对CM6150精密普通车床的设计，初步了解金属切削机床的总体设计思想和步骤，在设计过程中实现一定的创新，并对车床有一个更直观、更理性的认识。在设计过程中，不仅对计算机制图等一些基本的能力有一个比较系统的训练，还能锻炼和加强解决实际工程问题的能力。2 机床总体设计2.1 参数拟定2 主要参数 、主轴转速范围正转（21级）101600r/min反转（12级）20800r/min 、工件最大长度 L=1000mm 、进给量范围：纵向 0.028/r 横向 0.011/r2确定转数公比值、转数数列、调速范围 、正转 ，变速范围 ， ，得 、反转 ， 变速范围 ， ，得综上，正、反转公比值皆非标准公比，故采用与正转公比较接近的标准公比1.26作为本机床的公比值，经查表得公比为1.26的数列如下：10，12.5，16，20，25，31.5，40，50，63，80，100，125，160，200，250，315，400，500，630，800，1000，1250，1600共23级，比要求多2级，待运动设计时调整。2.2 总体布局2 影响本机床总体布局的基本因素 1、机床运动分配对机床总体布局的影响 （1）移动部件的重量应尽量轻（刀具、刀架、尾座等）； （2）应利于提高加工精度（根据需要选择主运动和进给运动方式），本机床主运动方式为主轴回转，进给运动可分为横向进给和纵向进给； （3）应利于提高机床刚度，缩小占地面积1。 2、机床性能要求对机床总体布局的影响机床的振动、噪声、热变形等性能要求对机床的布局影响较大。为提高这些性能指标，可采取如下措施： （1）减小机床振动的布局措施隔离强迫振动源1。本机床是精密车床，故采取分离传动的布局形式，将主变速装置装在单独的变速箱内，与主轴箱分开。这样主变速装置所产生的振动和热变形被带传动吸收或减弱，利于提高机床的工作精度。 （2）降低机床噪声的布局措施机床上的电动机、变速箱、进给箱等都是噪声源，合理布置这些部件是降低机床噪声的措施之一1。本机床采用变速箱、主轴箱分离传动，且将变速箱和电动机直接相连固于床腿内，不仅缩小了机床的占地面积，而且更有效地降低了噪声。 （3）减少机床热变形的布局措施a. 隔离热源1。热源外置可使其产生的热不传或少传给机床的执行件和支承件，提高加工精度。本机床的电机、变速箱等热源与主轴箱分离也出于这一原因。b. 机床切削部分沿热变形较小的方向布置。通过测量某些普通车床的热变形可知主轴在垂直方向的热位移高达，在水平方向上的热位移不过左右1。因此本精密车床的刀架以水平布置为好。 2、提高机床刚度和抗振性的布局措施将机床基础件做成整体式，减少接合面数目1。 3、机床操纵方便性要求对机床总体布局的影响机床布局必须充分考虑到操纵机床的人，处理好人机关系。充分发挥人和机床各自特点，使人机综合效能达到最佳。必须便于操作和观察加工的情形。本机床由于刀架、刀具较小，为便于操作，刀架一般布置在工件前面。操作、调整部位和手柄的安排，应考虑人在站立和坐下时的基本尺寸和四肢活动范围，常用操纵机构应集中便于操作的区域。床身底部结构可容纳脚伸入，使操作者能贴近机床而便于操作。2布局简图该机床属于精密机床，能完成普通车床的各种车削工作，加工零件尺寸精度可达5级，表面粗糙度达。考虑到机床系列化，除主轴箱和变速箱外，其它各部件和C6150型普通车床通用。经上面分析论述，进行总体布局如图21：图21 总体设计示意图结构形式：中小型。运动分配：主轴回转，刀架在溜板上横向移动，溜板在床身上纵向移动。布局特点：万能性较大，装夹工件及手动操作较方便，接近刀架容易，结构工艺性较好，较好地降低了噪声、热变形、振动对机床的影响，提高了机床的加工精度。2.2. 3 机床设计应满足的基本要求 、工艺范围机床工艺范围是指机床适应不同生产要求的能力，也可称之为机床的加工功能。一般包括可加工的工件类型、加工方法、加工表面形状、材料、工件和加工尺寸范围、毛坯类型等。机床的工艺范围主要取决于其使用于什么生产模式。如使用于大批量生产模式，工序分散，一台机床仅需对一种工件完成一道或几道工序的加工，工艺范围窄，但需求加工效率高，自动化程度高，应采用专用机床。如使用于单件小批量生产模式，工序集中，需求机床具有较宽的加工范围，对加工效率和自动化程度的要求相对低一些，应采用普通机床或通用机床。在多品种小批量生产模式，要求机床能适应多品种工件的加工，具有一定的工艺范围，较高的加工效率和自动化程度，应采用专门化机床。机床的工艺范围直接影响到机床结构的复杂程度、设计制造成本、加工效率和自动化程度。对于生产率，就机床本身而言，工艺范围增加，可能会使加工效率下降，但就工件的制造全过程而言，机床工艺范围的增加，将会减少工件的装卸次数，减少安装、搬运等辅助时间，有可能使总的生产率提高。数控机床的出现较好地解决了上述矛盾。万能数控机床是能进行自动化加工的通用机床，其工艺范围往往比普通通用机床还宽，专用数控机床的生产率和自动化程度却比普通专用机床还高，因此数控机床不仅可使用于多品种小批量生产模式，现已逐步推广应用与大批量生产模式。2、柔性机床的柔性是指其适应加工对象变化的能力。随着市场经济的反站，对机床及其组成的的生产线的柔性要求越来越高。传统的刚性自动生产线尽管生产效率高，但无法适应产品更新换代速度越来越快的要求。机床的柔性包括空间上的柔性和时间上的柔性。所谓空间柔性是指一台机床的工艺范围相当于多台机床的工艺范围，即机床的运动功能和刀具数目较多，工艺范围较广，机床能够在同意时期内完成多品种加工的能力。所谓时间上的柔性也就是结构柔性，指的是在不同时期，机床各部件经过重新组合，即通过机床重构，改变其功能，形成作业线上，可通过识别装置对待加工的工件进行识别，并根据其加工要求，在较短的时间内自动地对机床功能进行重构。要重构在较短的时间内完成，要求机床的功能部件具有快速分离与组合的功能。、与物流系统的可接近性可接近性是指机床与物流系统之间进行物料流动的方便程度。对于普通机床，是由人工进行物料流动的，要求机床的使用、操作、清理和维护方便和安全。对于自动化制造系统，是采用工件传送带、自动换刀系统和自动排屑系统等装置自动进行物料流动的，要求机床的结构便于物料的自动流动，可靠性好。、刚度机床的刚度是指加工过程中，在切削力的作用下，抵抗刀具相对于工件在影响加工精度方向变形的能力。刚度包括静态刚度、动态刚度、热态刚度。机床的刚度直接影响机床的加工精度和生产率，因此机床应有足够的刚度。、精度要保证能加工出一定精度的工件，作为工件母机的机床必须具有更高的精度要求。机床精度分为机床本身的精度，即空载条件下的精度和工作精度。、噪声噪声损坏人的听觉器官和生理功能，是一种环境污染。设计和制造过程中要设法降低噪声。、生产率机床的生产率通常是指单位时间内机床所能加工的工件数量。机床的切削效率越高，辅助时间越短，则它的生产率越高。它是衡量生产技术的先进性、生产组织的合理性和工人劳动积极性的重要指标之一。对用户而言，使用高效率的机床，可以降低工件的加工成品本。、自动化自动化机床可在无人工干预的情况下，按规定的动作要求，通过机械、电子或计算机的控制，自动完成全部或部分的加工。机床的自动化程度越高，加工精度的稳定性越好，还可以有效地降低工人的劳动强度，便于一个工人看管多台机床，大大地提供劳动生产率。、成本成本概念贯穿在产品的整个生命周期内，包括设计、制造、包装、运输、使用维护、再利用和报废处理等费用，是衡量产品市场竞争力的重要指标，应尽可能在保证机床性能要求的前提下，提高其性能价格比。、生产周期生产周期是衡量产品市场竞争力的重要指标，为了快速响应时常需求变化，应尽可能缩短机床的生产周期。这就要求尽可能采用现代设计方法，缩短新产品的开发周期；尽可能采用现代制造和管理技术，缩短制造周期。、可靠性应保证机床在规定的使用条件下、在规定的时间内，完成规定的加工功能时，无故障运行的概念要高。、造型与色彩机床的外观造型与色彩，要求简洁明快、美观大方、宜人性好。应根据机床功能、结构、工艺及操作控制等特点，按照人机工程学的要求进行设计。随着科学技术的进步和社会需求的变化，机床的设计理论和技术也在不断地发展。计算机技术和分析技术的飞速进步，为机床设计方法的发展提供了有力的技术支撑。计算机辅助设计（CAD）已在机床设计的各个阶段得到了应用改变了传统的经验设计方法，使机床设计由传统的人工设计向计算机辅助设计、由定性设计向定量设计、由静态和线性分析向动态和非线性分析、由可行性设计向最佳设计过渡。3 主传动系统设计3.1 主传动系统概述 主传动的功用 机床主传动是实现机床主运动的传动，属于外联系传动链，其功用是：1）将一定的动力由动力源传递给执行件（如主轴或工作台）；2）保证执行件具有一定的转速和足够的转速范围；3）能够实现运动的开停，变速，换向和制动。 主传动的组成主传动一般由动力源，变速装置及执行件以及开停，换向和制动机构等部分组成。动力源给执行件提供动力，并使其得到一定的运动速度和方向；变速装置传递动力以及变换运动速度；执行件执行机床所需的运动，完成旋转或直线运动。开停机构用来实现机床主轴的启动和停止；换向机构用来变换机床主轴旋转方向；制动机构用来控制机床主轴迅速停转以减少辅助时间。 主传动系统的设计要求 设计机床主传动系时最基本的原则就是以最经济，合理的方式满足既定的要求。一般满足下述基本要求： 1、满足机床使用性能要求。首先应满足机床的运动特性，如机床的主轴有足够的转速范围和转速级数，传动系设计合理，操纵方便灵活，迅速，安全可靠等。 （1）满足机床传递动力要求。住电动机和传动机构能一共和传递足够的功率和扭矩，具有较高的传递效率。 （2）满足机床工作性能的要求。主传动中所有零部件要有足够的刚度，精度，和抗振性，热变形特性稳定。 （3）满足产品设计经济性要求。传动链尽可能减短，零件数目要少，一边节省材料，降低成本。 （4）调整维修方便，结构简单合理，便于加工和装配。防护性能好，使用寿命长。 2、数控机床的主传动系统除了应满足普通机床的主传动要求外，还应满足以下要求： （1）具有更大的调速范围，并实现无级调速。数控机床为了保证加工时能选用合理的切削用量，充分发挥刀具的切削性能，从而获得最高的生产率、加工精度和表面质量，必须具有最高的转速和更大的调速范围 。 （2）具有较高的精度和刚度，传动平稳噪声低。数控机床加工精度的提高，与主传动系统的刚度密切相关。为此，应提高传动件的制造精度及刚度，齿轮齿面进行高频感应加热淬火增加耐磨性。 （3）良好的抗震性和热稳定性。数控机床上一般既要惊醒粗加工又要进行精加工。加工时可能由于断续切削，加工余量不均匀，运动部件不平衡以及切削过程中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至破坏刀具或零件，使加工无法进行。因此在主传动系统中各主要零部件不但要具有一定的静刚度，而且要求具有一定的抑制各种干扰引起振动的能力抗振性。 （4）机床在切削加工中主传动系统的发热使其中所有零部件产生热变形，破坏了零部件之间的相对位置精度和运动精度造成的加工误差，且热变形限制了切削用量的提高，降低传动效率，影响到生产率，为此要求主轴部件具有较高的热稳定性，通过保持合适的配合间隙，并进行循环润滑保持热平衡等措施来实现。3.2 传动方案确定主传动系的传动方式主要有两种：集中传动方式和分离传动方式。 集中传动方式此种方式将主传动系的全部传动和变速机构集中装在同一个主轴箱内。特点是结构紧凑，便于实现集中操纵，安装调整方便。缺点是这些高速运转的传动件在运转过程中产生的振动将直接影响主轴运转平稳性；传动件所产生的热量会使主轴产生热变形，使主轴回转轴线偏离正确位置而直接影响加工精度2。 分离传动方式此种方式将主传动系中大部分的传动和变速机构装在远离主轴的单独的变速箱中，然后通过带传动将运动传到主轴箱。其特点是变速箱各传动件产生的振动和热量不能直接传给或少传给主轴，从而减少主轴的振动和热变形，有利于提高机床的工作精度2。综上对比，本机床属于精密机床，对加工精度有较高要求，故采用分离传动方式。3.3 论证并确定合理的结构式和转速图 主变速系统传动系设计的一般原则 1、尽量缩短传动链； 2、传动组的变速级数（或传动副数）尽量“前多后少”； 3、传动组的变速范围尽量“前紧后松”； 4、降速比分配尽量“前慢后快” 1。 确定转速图 前面已选择公比,由（正转）和（反转），故单纯依靠常规变速系统满足不了设计要求，因此应在常规设计方案的基础上逐步加以改进、调整。 常规变速系统中最接近21级变速的是18级变速，查表1218级常规变速系统结构网推荐方案1，有两种可供选择：;由于变速范围不满足要求，故采用双公比来增加变速范围。在通用基础使用中，每级转速使用的机会不太相同。经常使用的是转速范围的中段，转速范围的高、低段使用较少。双公比传动系统就是针对这一情况设计的。主轴的转速序列有两个公比，转速范围经常使用的中段采用小公比，不经常使用的高、低段用大公比。但双公比不能遵循传动组变速范围尽量“前紧后松”的原则，故应采用。又由于级数不够21级，故采用双速电机作为增加级数的方法，而且可简化齿轮变速箱的结构，缩小尺寸，还可在传动中变速。缺点是在电动机低速级时输出功率较小，使机床性能在部分转速下不能充分发挥。同时电动机的尺寸和重量较大，价格较贵。由于本机床工艺范围较宽，故成本可提高些，采用特制精密双速电机。由于中间有一级带传动，故需5根传动轴。此方案第一降速组的最大被动齿轮较大，增大了变速箱的径向尺寸。且此机床有正、反转要求。若考虑反转，则轴上有多个齿轮传动副和一个双向摩擦片离合器，增大了轴向尺寸。调整：（1）原定、轴之间再加一根传动轴，使轴功能仅限于换向，减小轴向尺寸；（2）改变第一降速组，使其存在增速传动，使最大被动齿轮的径向尺寸减少。这样一来，处在最后位置的变速组不能有增速。而且直接降速必然会超过降速极限格数，所以还需增加背轮机构。调整后基本的结构式为：，最终转速图如图31、图32。 几点补充说明 1、齿轮传动升速时传动比受到振动和噪声的限制，降速时传动比受到径向尺寸不能过大的限制，因此机床中齿轮传动副传动比不能超过下列范围：主传动采用直齿轮时，（传动组变速范围）2。图31 正转转速图 2、本传动链具有双速异步电动机，其同步转速为750/1500r/min（8/4极），电动机变速范围为2，此时传动链公比应是2的整数次方根，电传动组可看成第一扩大组，基本组传动副数应为33。 3、为减少齿轮数目达到减小变速箱尺寸的目的，在轴采用了两个公用齿轮。公用齿轮既是前一个传动组的被动轮，又是后一传动组的主动轮，但两个传动组的模数必须相同。由于齿轮公用，使两个传动组间传动比互相牵制，不能独立地按照最紧凑原则确定传动件尺寸，因此径向尺寸一般较大。此外，公用齿轮的两齿侧面同时啮合，要注意其磨损和寿命问题2。图32 反转转速图4、增加背轮机构的作用：在主轴高速运转时，运动由传动带经齿轮离合器直接传动，主轴传动链短，使主轴在高速运转时比较平稳，空载损失小；当主轴作低速运转时，运动则由背轮经背轮机构的两对降速齿轮传动，显着降低转速，达到扩大变速范围的目的2。3.4 齿数的确定 在确定齿数时应注意的几个问题（1）减小变速箱的径向尺寸，齿数和应小于120，对中小型机床一般取左右。（2）确定齿数和时，应考虑到两轴的中心距不致过小，以避免两轴的轴承或传动件与其他零件在空间相碰。（3）为保证齿轮传动的平稳和不发生根切现象，一般。（4）为保证齿轮轮毂有足够的强度，在确定下齿轮齿数时，还要考虑从小齿轮根圆到键槽顶部的距离，至少大于该齿轮摸数的两倍，最小齿数应满足下式： (3.1)（5） 为保证三联齿轮能在轴上顺利地滑移，则相邻两齿轮的齿数差2。（6） 齿数选定后，由于实际传动比将会造成主轴转速误差，其数值一般不应超过，即 (3.2)上式中是机床主轴转速数列的公比。3.4.2齿数的最终确定经查表和多次调整，得出各齿轮齿数如表31。变速箱内轴存在三联滑移齿轮，其最大和次大齿轮齿数差应大于或等于4，以保证滑移时齿轮外圆不相碰。其最大齿轮齿数为39，次大齿轮齿数为28，故齿数差为11，满足条件8。表31 各个变速组中齿轮的齿数变速组主动轮齿数从动轮齿数3.5 拟定主传动系统图 1、经多次调整，绘出主传动路线图如图32、图33：图32 正转主传动路线图图33 反转主传动路线图 2、主传动系统图如图34：图34 主传动系统图3.6 确定带轮直径根据电机功率及及传动比需要，选小带轮直径为=140mm，大带轮直径为=210mm。3.7 计算主轴转速误差转速误差用主轴实际转速与标准转速相对误差的绝对值表示： 计算结果如表3-5、表36：表35正转转速误差标准转速1016202540506380100125实际转速转速误差3.34标准转速16020025031540050063080010001600实际转速转速误差1.83%表36反转转速误差标准转速20405063100160250315400500800实际转速转速误差1.15%1.68%1.83%2.66%2.35%3.33%1.14%0.90%0.26%2.67%1.58%3.33% 少数不是常用转速的转速误差稍微偏大，不影响机床正常工作。3.8 原理简单叙述该机床是精密机床，为减少振动采用特制的精密电动机，它直接安装在变速箱上，并安放于前床腿中。电动机与轴通过滚针相连。在轴上装有双向摩擦片式离合器，使主轴实现正转、反转及停车。轴上的三联滑移齿轮由一手柄操纵；轴上有一个带内齿轮的双联滑移齿轮，由另一手柄操纵，可实现3级变速。当双向摩擦片式离合器右侧结合时，运动经、和轴，使带轮获得9级速度输出，用于主轴正转；左侧结合时，运动由、和轴传至带轮获得3级速度输出，实现主轴反转9。运动由变速箱经带轮传入主轴箱。若使内齿轮左移和外齿轮啮合，这样带轮可直接传动主轴获得高速回转；若将内齿轮和外齿轮脱开，同时合上背轮机构传动齿轮，则运动通过齿轮而传动主轴获得低速转速回转。上述变换由手柄操纵。带轮内侧装有电磁制动器，衔铁固定在带轮上，磁轭和轴承座有键连接。变速箱中摩擦片式离合器松开时，主轴运动被切断，同时电磁制动器线圈通电，是磁轭迅速压向衔铁实现制动，主轴立即停转。随后电磁制动器线圈断电（由电气线路保证），磁轭复位。主轴前支承是由一个C3182120双列向心短圆柱滚子轴承和两个C8120推力球轴承组成，后支承为D3182116双列向心短圆柱滚子轴承。装配时，修磨调整垫片厚度，使C3182120精密轴承的径向间隙在合适的范围内，保证主轴具有较好的工作性能4。4 传动件估算 主轴及各传动轴、各传动齿轮的计算转速 主轴的计算转速 1、主轴或各传动件传递全部功率的最低转速为计算转速。 2、主轴计算转速：查表得计算公式并代入数值。正转，取反转，取 各传动轴的计算转速各传动轴计算转速如表41：表41 各轴计算转速（r/min）轴号正转73029211979反转73058423715879 各齿轮计算转速各变速组内一般只计算最小的，也是强度最薄弱的齿轮，因此只需确定最小齿轮的计算转速。结果如表42：表42 各齿轮计算转速（r/min）正转反转齿数17182633（外）172633（外）36转速16029211931479237158584 主轴支承轴颈尺寸和内孔径尺寸的确定 主轴前轴颈直径的确定 查表1按照车床主参数中的最大加工直径与主轴前轴颈直径的关系确定如下：综合考虑结构上的需要，选取主轴前轴颈直径100mm。 主轴后轴颈直径的确定（），考虑结构需要后确定主轴后轴颈直径80mm。 主轴内孔径的确定按照，确定52mm。 传动轴直径初定传动轴直径按照扭转刚度用公式进行概算5： （4.1）式中：d传动轴直径，单位为mm； N该轴传递的额定功率，单位为kw； 该轴的计算转速，单位为r/min； 该轴每米长度允许扭转角，单位为deg/m，一般传动轴取0.51。 轴： 轴： 轴： 轴： 轴： 轴： 综上计算结果如表43：表43 初算轴径（mm）计算公式轴号计算轴径综合考虑各种因素选择各轴受扭矩作用轴段的最小直径分别为：轴40mm，轴30mm，轴35mm，轴35mm，轴60mm，轴40mm。依轴径选择花键依次为轴6354010，轴626308，轴、轴6303510，轴左端642468、右端635407。 传动齿轮模数的初步计算初步计算齿轮模数时，按简化的接触疲劳强度公式进行。一般同一变速组中的齿轮取同一模数，选择负荷最重的小齿轮进行计算。从等强度的观点出发，可见效其它齿轮的宽度，使齿轮基本上处于在相近的接触应力或弯曲应力状态下工作。这样一来，还可以缩短该传动组的轴向尺寸。按简化的接触疲劳强度公式进行计算5： （4.2）式中：按接触疲劳强度计算的齿轮模数，单位为mm； 驱动电动机功率，单位为kw； 计算齿轮的计算转速，单位为r/min； u大齿轮齿数与小齿轮齿数之比u1，外啮合取“”号，内啮合取“”号； 小齿轮齿数； 齿宽系数，（B为齿宽，m为模数），610； 许用接触应力，单位为MPa，如下表44： 表44： 许用接触应力材料热处理强度限屈服限硬度接触应力弯曲应力20Cr渗碳淬硬8006001650297以齿轮17为例进行计算如下：由此选取标准模数m。以此类推确定其它齿轮模数如表45：表45 各齿轮模数齿数模数齿数模数3335 结构设计 带轮设计带传动是由带和带轮组成传递运动和动力的传动。根据工作原理可分为两类：摩擦带传动和啮合带传动。摩擦带传动是机床主要传动方式之一，常见的有平带传动和V带传动；捏合传动只有同步带一种。根据V带计算考虑其它方面因素选用4根C型V带。靠近变速箱的带轮安装在轴端法兰盘凸缘上，以短圆柱和法兰盘端部定位，用圆柱销和螺钉固定。适用于轴向尺寸受限、不允许带轮有较长轮毂的场合，属于非卸荷式带轮的结构形式；靠近主轴箱的带轮与电磁制动器相连通过轴承座将负载卸荷在箱体上，属于卸荷式带轮的结构形式10。保证带在工作中不打滑的前提下能传递最大功率，并具有一定的疲劳强度和使用寿命是V带传动设计的主要依据，也是靠摩擦传动的其它带传动设计的主要依据 制动机构设计主轴箱轴左端装有带卸荷装置的带轮，其内侧装有电磁制动器，衔铁固定在带轮上，磁轭与轴承座相连。当变速箱中离合器松开时主轴运动被切断，同时电磁制动器线圈通电，使磁轭迅速压向衔铁实现制动，主轴立即停转。 主轴的支承形式设计本机床主轴采用如图51所示的支承形式。图51表示两个推力支承装在前支承的后侧。图51 主轴的支承形式这种结构减少了主轴的悬伸，并使主轴的热膨胀向后3，优点较显着。主轴前支承是由一个C3182120双列向心短圆柱滚子轴承和两个C8120推力轴承组成，承受径向力和较大的轴向力；后支承为D3182116双列向心短圆柱滚子轴承，承受径向力和较小的轴向力。 轴的轴向固定在数控机床上的主轴轴承常用的有滚动轴承和滑动轴承。由于滚动轴承摩擦阻力小，可以预紧，润滑维护方便，能在一定的转速范围和载荷变动范围下稳定地工作。滚动轴承由专业化工厂生产，选购维修方便，而且它在旋精度、刚度、承载能力、转速、发热等主要性能上能满足大多数主轴部件的要求，特别是它具有能在转速和载荷变动幅度很大的条件下稳定工作的优点，因此在设计主轴部件时，应尽量选用滚动轴承。不论传动轴上是否承受轴向力，它都必须轴向固定。根据轴的结构及轴承型号可以采用一端固定或两端固定。1、一端固定传动轴一端固定，周的另一端为自由端，只需将轴承内环固定在轴上即可，轴受热变形时可向自由端延伸，适用于较长的轴。21、两端固定当轴的两端支撑用圆锥滚子轴承或向心推力球轴承时，则必须用两端固定法，一般适用于较短的轴。 齿轮块设计本机床变速系统采用了滑移齿轮变速机构， 有二联滑移齿轮和三联滑移齿轮和滑移齿轮。所有滑移齿轮均采用手动操做来实现位置确定。 1、结构特点（1）单键、花键传递转矩；（2） 弹性挡圈周向固定，销起轴向固定作用；（3）该结构简单，工艺性好；（4）装拆方便。所有滑移齿轮与传动轴间均采用花键联接。 2、齿轮结构设计应注意齿轮与轴的配合长度要满足L=（）d（固定齿轮）L=（）d（滑移齿轮）滑移齿轮的轴向位置由操纵机构中的定位槽、定位孔、挡圈或其他方式保证。从工艺角度考虑，其它固定齿轮（主轴上的齿轮除外）也采用花键联接，由于主轴直径较大，为了降低加工成本而采用了单键联接11。 3、防止干涉和碰撞采用三联滑移齿轮时，应检查齿轮之间的齿数关系：三联滑移齿轮的最大和次大齿轮之间的齿数差应大于或等于4以保证滑移时，齿轮外圆不相碰。 其它传动轴轴承的选择轴轴向尺寸较长，故采用3个支承，因为不受轴向力，所以都选择单列向心球轴承306、308型；轴与带轮连接，比较特殊，靠近带轮的一端由单列向心短圆柱滚子轴承2207和单列向心球轴承307共同承受径向载荷，另一端则用单列向心球轴承305；其它各传动轴轴向尺寸较小，采用两端支承承受径向载荷，具体型号见装配图。 主轴端部的结构形式主轴端部的形式取决于机床的类型和安装夹具或刀具的类型。主轴端部的结构应保证夹具、顶尖或刀具安装可靠，定位准确每高的联结刚度以传递足够的扭矩，并尽量缩短主轴悬伸长度，以及装卸方便等。主轴端部选择C型主轴头，主轴前端用6号莫氏锥度的孔，用以插入顶尖或心轴。连接在卡盘上的特种紧固螺栓，从轴端穿入法兰盘孔和转垫孔后，将转垫转动一定角度再拧紧螺栓，就可将卡盘夹牢。其优点是轴端悬伸较小，刚性较好；更换卡盘等附件迅速；无螺孔，工艺性好12。结构形式如图52。 主轴的润滑与密封主轴组件润滑采用油润滑。密封为的是防止油外漏和灰尘屑末切屑液等进入。润滑油的防漏，主要靠疏导。润滑油经前轴承后，向右经螺母外流。螺母的外圆有锯齿形环槽。主轴旋转时将油甩向端盖内的空腔，然后经回油孔流回主轴箱。锯齿的方向应逆着油流的方向。环槽应有23条。因油被甩到空腔后，可能有少量被溅回，前面的环槽还可以再甩。回油孔直径应尽量大些，以保证回油畅通3。具体结构见装配图。齿轮在工作时，齿面见产生摩擦和磨损，造成动力损耗。因此润滑是齿轮传动设计和制造中的一个重要方面。润滑的功能是：减摩，提高传动效率，减缓和防止齿面失效以及散热和防锈等。对于开式齿轮传动，一般圆周速度较低，常采用定期人工加油或定期压力加油的润滑方式。对于闭式齿轮传动，常采用浸油润滑或喷油润滑的润滑方式。 操纵机构设计机床的操纵机构是用来移动滑移齿轮以达到变换运动速度的要求，它也可以控制运动的启停、换向和其他辅助运动。 1、摆动式通过摆杆滑块拨动被操纵件。结构简单，应用广泛。但滑块轴心运动轨迹为轴心线，当偏离量过大则操纵费力，并失去正常的操纵能力，故适用于被操纵件移动距离较小的场合13。 图52 主轴端部的结构形式 2、移动式通过拨叉、拨动被操纵件，无相对滑动。结构较复杂，适用于被操纵件移动距离较大的场合。因此，CM6150机床采用以下的操纵机构：a. 轴采用的是摆动式机构；b.、轴采用的是移动式结构。6 主要零件核算 主轴强度校核通过主轴的结构设计，轴上零件的位置，以及外载荷和支反力的作用位置均已确定，轴上的载荷（弯矩和扭矩）已可以求得，因而可按弯扭合成强度条件对轴进行强度校核计算。对于传动轴除重载轴外,一般无需进行强度验算,只进行刚度验算.轴在载荷的作用下会产生弯曲和扭转变形,当这些变形超过某个允许值时,会使机器零部件工作状况恶化,甚至使机器无法正常工作,所以对精密机器的传动和对刚度要求高的轴,要惊醒刚度校核,以保证轴的正常工作.轴的刚度分为扭转刚度和弯曲刚度两种,前者是用扭转角来度量,后者以挠度和偏角来度量.在前面计算时转动轴轴径是用扭转刚度公式进行估算的,所以轴验算时只需用弯曲刚度校验.轴在受载的情况下会产生弯曲变形,过大的弯曲变形也会影响轴上零件的正常工作,对于机床上安装齿轮的轴会因轴的变形而影响齿轮的啮合状态及工作平稳性;轴的偏角会使滚动轴承的内外圈倾斜,如偏转角超过滚动轴承的允许转角就会显着降低滚动轴承的寿命;轴的变形还会使高速轴回转时产生振动和噪音影响机器的正常工作。因此对轴需要校核弯曲变形是所产生的挠度和偏转角，即验算轴的最大挠度及齿轮处和轴承处的倾角是否在允许的范围只内。 以主轴转速为1000转时所受的力进行强度校核。已知 求切削力和背向力 （6.1） （6.2） 式中：、取决于被加工材料和切削条件的切削力系数； 、分别为两个分力公式中，背吃刀量、进给量f和切削速度的指数； 、修正系数。 求该轴齿轮受力 （6.3） （6.4） （6.5） （6.6）式中：T小齿轮传递的转矩，单位为；d小齿轮的节圆直径，对标准齿轮即为分度圆直径，单位为mm； 啮合角，对标准齿轮，。以上分析的是主动轮轮齿上的力，从动轮轮齿上的各力分别与其大小相等、方向相反。 作出受力图、弯矩图、扭矩图如图61作出轴的载荷分析图。经计算，水平方向上：，；垂直方向上：，；合成弯矩：，；扭矩T47750。 校核轴的强度算出轴的弯矩和扭矩后，可知最危险截面为弯矩为处，针对此处作弯扭合成强度校核计算。按第三强度理论，计算应力14
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