CK6140数控车床主传动系统设计

东海科学技术学院 机械制造装备设计课程设计 设计题目：CK6140车床设计说明书 专 业： 机电工程系 年 级： 大三 指导教师： 张连仲 学生姓名： 陈达昆 学 号：111309221 2014年5月-2014燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书目录第一章 概述11.0前言11.1 设计要求2第二章 主传动的设计32.1 计算转速的确定32.2变频调速电机的选择32.3 转速图的拟定32.4 传动轴的估算42.5 主轴轴颈的确定62.6 主轴最佳跨距的选择62.7 齿轮模数的估算72.8 同步带传动的设计92.9 滚动轴承的选择112.10 主要传动件的验算11总 结17参考文献182 共24 页 第 页燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第一章 概述1.0前言我国数控机床产量持续高速增长，根据市场需求和技术发展趋势，应重点推进高效、精密为核心的数控机床“”级工程，加强民展性能、高可靠性数控功能部件，积极开展复合加工机床、超精密数控机床和可重构制造系统的工程化研究等机械加工装备产业、构建数字化企业的重要基础，镄的民展一直备受人们关注。数控机床以其卓越的柔性的自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目。它开创了机械产品向机电一体化发展的先河，因此数控技术成为先进成为先进制造技术的一项核心技术。通过持续的开发研究以及对信息技术的深化应用，促进了数控机床性能和质量的进一步提升，使数控机床成为国民经济和国防建设发展的重要制造装备.数控机床是典型的机电一体化课题，通过毕业设计可使所学机械学、力学、电工学知识得到综合应用。结构设计及控制系统设计能力都能受到训练，可有力的提高学生的分析问题、解决问题能力及机电一体化水平 CK6140数控车床的导轨经超音频淬火并精磨，耐磨性好，精度高，主轴采用变频无级调速控制，可自动完成对零件的内外柱面、端面、任意锥面、圆弧面及公英制螺纹切削等工序连续加工在通过设计中运用所学的基础课、技术基础课和专业课的理论知识，生产实习和实验等实践知识，达到巩固、加深和扩大所学知识的目的。通过设计分析比较机床的某些典型机构，进行选择和改进，学习构造设计，进行设计计算和编写技术文件，达到学习设计步骤和方法的目的。通过设计学习查阅有关设计手册、设计标准和资料，达到积累设计知识和提高设计能力的目的。通过设计获得设计工作的基本技能的训练，提高分析和解决工程技术问题的能力，并为进行一般机械的设计创造一定的条件1.1 设计要求机床类型：数控车床主传动设计要求：满载功率7.5KW，最高转速4000rpm,最低转速41.5rpm 变速要求：无级变速进给传动系统设计要求：伺服控制，行程1200mm，最低速度0.001mm/r，最高速度0.5mm/r，最大载荷4500N，精度3m第二章 主传动的设计2.1 计算转速的确定机床主轴的变速范围：Rn=nmaxnmin ，且：nmax=4000rpm, nmin=41.5rpm所以：Rn=96.38根据机床的主轴计算转速计算公式：nj=nminRn0.3 得：nj=41.5=163.4rpm 2.2变频调速电机的选择为了简化变速箱及其自动操纵机构，希望用双速变速箱，现取Z=2。为了提高电机效率，应尽量使。假设所选电机最高转速为4500rpm，额定转速为1500rpm，则有，得，。取机床总效率=0.980.98=0.96，则kw。电动机在1500rpm时的输出功率为kw，现取过载系数k=1.28，则电机功率为 。可选用上海德驱驰电气有限公司的UABP160L-4-50-18.5型号交流主轴电动机，额定功率为18.5kw，最高转速为4500rpm，同步转速为1500rpm，调频范围为5-150HZ,基频为50HZ。选配变频器型号：DRS3000-V4T0150C，售价1380元人民币。2.3 转速图的拟定2.3.1 传动比的计算设电机轴与中间轴通过齿轮定比传动，取其传动比为=0.67，则，。2.3.2 参数确定第一级变速选用同步齿形带传动，两级变速组采用齿轮传动。选=1.33的齿轮副为70/51选=0.27的齿轮副为26/952.3.3 主轴箱传动机构简图2.3.4 转速图拟定 2.4 传动轴的估算传动轴除应满足强度要求外，还满足刚度要求，强度要求保证轴在反复载荷和扭转载荷作用下不发生疲劳破坏。机床主传动系统精度要求较高，不允许有较大变形。因此疲劳强度一般不是主要矛盾。除了载荷较大的情况外，可以不必验算轴的强度。刚度要求轴在载荷下不至于产生过大的变形。如果刚度不够，轴上的零件由于轴的变形过大而不能正常工作，或者产生振动和噪音，发热，过早磨损而失效，因此，必须保证传动轴有足够的刚度。计算转速是传动件传递全部功率的最低转速，各个传动轴上的计算转速可以从转速图直接得出。主轴： =163r/min中间轴：=595r/min电机轴：=893r/min各轴功率和扭矩计算：已知一级齿轮传动效率为0.98，则有：电机轴功率：=/=89318.5/1500=11kw中间轴功率：=0.98=110.98=10.8kw主轴功率： =0.98=10.80.98=10.6kw电机轴扭矩：=9550/=955011/893=1.18105 Nmm中间轴扭矩：=9550/=955010.8/595=1.73105 Nmm主轴扭矩； =9550/=955010.6/163=6.21105 Nmm表2-1 各轴计算转速、功率、扭矩轴电机轴中间轴主轴计算转速（r/min）893595163功率(kw)1110.810.6扭矩(Nm)118173621按扭转刚度估算轴的直径 （mm）式中 传动轴直径（mm）该轴传递的额定扭矩（Nmm）该轴每米长度允许的扭转角（deg/m），一般传动轴取=0.51。电机轴：取=0.8deg/mmm查阅电机轴轴颈为=48mm，满足要求。中间轴：取=0.8deg/mmm圆整取d 1=40mm2.5 主轴轴颈的确定 主轴组件的静刚度（简称刚度）反映组件抵抗静态外载荷变形的能力。影响主轴组件弯曲刚度的因素很多，如主轴的尺寸和形状，滚动轴承的型号，数量，配置形式和欲紧，前后支撑的距离和主轴前端的悬伸量，传动件的布置方式，主轴组件的制造和装配质量等。主轴轴承主要应根据精度、刚度和转速来选择，为了提高精度和刚度，主轴轴承间的间隙应该是可调的为了保证机床工作的精度，主轴尺寸一般都是根据其刚度要求决定的。故主轴前轴颈的尺寸按统计数据确定。查阅相关资料：主轴前轴颈D 1=150mm，主轴的后轴颈一般推荐为D 1的0.7-0.85倍，取D 2=0.8 D 1=0.8150=120mm。表2-2 各轴估算直径轴电机轴中间轴主轴前轴颈主轴后轴颈主轴内孔直径（mm）484010080322.6 主轴最佳跨距的选择、由前轴颈取D1=100mm，后轴颈取D2=80mm，选前轴承为NN3022K型和234422型，后轴承为NN3018K型。选主轴锥度号为45的轴头，根据结构，定悬伸长度a=120mm。、求轴承刚度：电机输出额定功率18.5kw时，主轴转速为260r/min，则主轴最大输出转矩床身上最大加工直径约为最大回转直径的60%，即240mm，故半径为0.12m。切削力 背向力 故总作用力为 该力作用于顶在顶尖间的工件上，主轴和尾架各承受一半，故主轴端受力为F/2=5049.3N。在估算时，先假定初值l/a=3,l=3120=360mm。前后支承的支反力RA和RB分别为：RA=F2l+al=2700420+140420=3600NRB=F2al=2700140420=900N轴向力RC=pa=2755N根据金属切削机床式（105）、（106）可求出前、后轴承刚度轴承NN3022K径向刚度：KA=2070N/m轴承NN3018K径向刚度：KB=1530.3N/m轴承234422轴向刚度：KC=833N/m、求最佳跨距：KAKB=20701530.3=1.35初步计算时，可假设主轴的当量外径de为前、后轴承颈的平均值，de=（100+80）mm/2=90mm。故惯性矩为I=0.05（0.14-0.0274）=497.310-8m4=EIKAa3=2.11011497.310-820700.143106=0.184查金属切削机床图（1024）主轴最佳跨距计算线图，l0/a=1.7。可根据l0/a=2再计算支反力和支撑刚度，求最佳跨距，经过进一步的迭代过程，最终取得最佳跨距为l=300mm。2.7 齿轮模数的估算机床主传动系统中，齿轮副的极限传动比：1.升速传动中，最大传动比umax2。过大，容易引起震动和噪音。2.降速传动中，最小传动比umin1/4。过小，则使主动齿轮与被动齿轮的直径相差太大，将导致结构庞大。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，按简化的接触疲劳强度公式进行计算： （mm）式中 按接触疲劳强度计算的齿轮模数（mm）；齿轮传递的功率（kw）；小齿轮的计算转速（r/min）；大齿轮齿数与小齿轮齿数之比；小齿轮齿数；齿宽系数，=B/m，=610；许用接触应力（Mpa）。齿轮材料及热处理的选择：电机轴、传动轴上齿轮：Z=44、66、70、26，20Cr渗碳、淬火、低温回火，HRC56-62主轴上齿轮：Z=51、95, 20Cr渗碳、高频淬火、低温回火，HRC56-62取齿宽系数=8，查得=1650Mpa，则对44/66的齿轮传动副的Z=44的齿轮，计算转速为893r/min取m=2mm对70/51的齿轮传动副的Z=51的齿轮，计算转速为821r/min对26/95的齿轮传动副的Z=26的齿轮，计算转速为595r/min为了保证中心距，主轴与中间轴之间传动组模数需要相等，取m=3mm。取齿宽系数，齿宽，当m=2时，B=28=16mm，大齿轮B=16mm，小齿轮b=22mm。当m=3时，B=38=24mm，大齿轮B=24mm，主轴传动组齿轮小齿轮比大齿轮齿宽大12mm，小齿轮b=25mm。表2-3 各齿轮齿数、模数齿轮Z 1Z2Z 3Z4Z5Z6齿数446670512695模数223333齿宽2216242525242.8 同步带传动的设计同步带具有传动比较准确，不打滑，效率高，初拉力以及适用功率的范围，不需要润滑等特点。同步带的设计功率为18.5kw，根据同步带选型图，选定带型为H型带，节距为12.7mm。小带轮的齿数，根据表格查得，在带速和安装尺寸允许的情况下，尽可能选取较大值，现初取=32。小带轮的节圆直径大带轮的齿数，大带轮节圆直径，带速，其中查得H型带的，所以符合要求。初定轴间距，即，初取。带长及其齿数查得带长代号为510，基本尺寸为=1295.4mm，节线长上的齿数为=102。实际轴间距为。小带轮啮合齿数基本额定功率基本额定功率是各带型基准宽度的额定功率，=76.2mm，为宽度为的带的许用工作拉力（N）,查表得=2100N，m为宽度为的带单位长度的质量（kg/m）, 查表得m=0.448 kg/m。所需带宽为啮合齿数系数，根据取=1 ，应选取标准值，一般应小于，查表得，应选带宽代号为300的H型带，其中 ，极限偏差为1.5mm。带轮的结构尺寸小带轮：；; 大带轮：；; 2.9 滚动轴承的选择为了增加主轴的刚度，主轴前端支承采用圆锥孔双列圆柱滚子轴承和双向推力角接触轴承，后支承采用圆锥孔双列圆柱滚子轴，中间采用深沟球轴承辅助支承。考虑到其他轴的高速且没有轴向力，其余轴均采用深沟球轴承。2.10 主要传动件的验算2.10.1 齿轮模数的验算一般对高速传动的齿轮以验算接触疲劳强度为主，对低速传动的齿轮以验算弯曲疲劳强度为主，对硬齿面软齿芯的渗碳淬火齿轮，一定要验算弯曲疲劳强度。对于44/66和70/51的齿轮副验算接触疲劳强度和弯曲疲劳强度,26/95的齿轮副验算弯曲疲劳强度。接触疲劳强度计算齿轮模数接触弯曲强度计算齿轮模数式中 传递的额定功率（kw），；电机额定功率（kw）；从电机到所计算齿轮的传递效率；齿轮的计算转速（r/min）；初算的齿轮模数（mm）齿宽（mm）大齿轮齿数与小齿轮齿数之比；小齿轮齿数；工况系数，考虑载荷冲击的影响，中等冲击取1.21.6；动载荷系数齿向载荷分布系数齿形系数寿命系数： 工作期限系数： 齿轮在机床工作期限内的总工作时间 齿轮的最低转速（r/min）；基准循环次数，钢和铸铁件：接触载荷取=107 ，弯曲载荷取=2108 ；疲劳曲线指数，钢和铸铁件：接触载荷取m=3；弯曲载荷时，对正火、调质及整体淬硬件取m=6，对表面淬硬（高频、渗碳、氮化等）取m=9；转速变化系数功率利用系数材料强化系数许用弯曲应力（Mpa）许用接触应力（Mpa）。 验算26/95齿轮传动组，验算Z=26齿轮：查阅相关资料得：=1.4、=1.3、=1.04、=0.27、=8、=0.43、=297Mpa、=1650Mpa接触疲劳强度： 弯曲疲劳强度：均满足要求。 验算44/66齿轮传动组，验算Z=44齿轮：查阅相关资料得：=1.4、=1.3、=1、=0.27、=8、=0.481、=1650Mpa、=297Mpa接触疲劳强度： 弯曲疲劳强度：均满足要求。Z=44的齿轮模数m=43.88，满足要求。 验算70/51齿轮传动组，验算Z=51齿轮：查阅相关资料得：=1.4、=1.3、=1、=0.27、=0.488=1650Mpa、=297Mpa接触疲劳强度： 弯曲疲劳强度：均满足要求。2.10.2 传动轴刚度的验算传动轴弯曲刚度验算，主要验算其最大挠度y，安装齿轮和轴承处的倾角。验算支承处倾角时，只需验算支反力最大的支承点，若该处的倾角小于安装齿轮处规定的允许值，则齿轮处的倾角就不必验算，因为支承处的倾角一般都大于轴上其他部位的倾角。当轴上有多个齿轮时一般只要验算受力最大齿轮处的挠度。刚度验算时应选择最危险的工作条件，一般是轴的计算转速低、传动齿轮的直径小且位于轴的中央，此时轴的总变形量最大。验算中间轴的刚度：受力简图如下：中间轴的Z=26的齿轮受力最大，变形挠度最大，右支承是支反力最大的支承点，则Z=26齿轮受力：圆周力 KN径向力 KNF=1.2KN齿轮处轴的挠度为右支承处轴的倾角为2.10.3 滚动轴承的验算机床的一般传动轴用的滚动轴承，主要是因疲劳破坏而失效，故应进行疲劳寿命验算。按计算动负荷C j的计算式进行计算总 结机床的课程设计任务完成了，虽然设计的过程比较繁琐，而且刚开始还有些不知所措，但是在同学们的共同努力下，再加上老师的悉心指导，我终于顺利地完成了这次设计任务。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知识和理论的能力，是我独立分析、解决问题的能力得到了强化. 使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在此要感谢我们的指导老师张老师对我们悉心的指导，感谢老师给我们的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益参考文献 1、机床设计手册 机械工业出版社2、机床设计图册 上海科学技术出版社3、机械设计 许立忠 周玉林 主编 中国标准出版社4、机械设计课程设计指导手册 韩晓娟 主编 中国标准出版社5、机械设计手册 成大仙 主编 机械工业出版社6、机械制造装备设计课程设计关慧贞等 机械工业出版社7、机床课程设计指导书 哈尔滨工业大学8、金属切削机床设计 各种版本 9、机械制造装备设计 各种版本 10、机械制造装备设计课程设计陈立德 高教出版社机床装备课程设计设计参考条件序号 电机功率P 电机转速n0 主轴最低转速nmin 公比 转速级数z1 3 1450 20 1.26 8 2 3 1450 30 1.41 8 3 3 1450 40 1.26 8 4 3 1450 80 1.41 12 5 3 1450 90 1.26 12 6 3 1450 100 1.41 12 7 4 1450 20 1.26 8 8 4 1450 30 1.41 8 9 4 1450 40 1.26 8 10 4 1450 80 1.41 12 11 4 1450 90 1.26 12 12 4 1450 100 1.41 12 13 5 1450 20 1.26 8 14 5 1450 30 1.41 8 15 5 1450 40 1.26 8 16 5 1450 80 1.41 12 17 5 1450 90 1.26 12 18 5 1450 100 1.41 12 19 5.5 1450 20 1.26 8 20 5.5 1450 30 1.41 8 21 5.5 1450 40 1.26 8 22 5.5 1450 80 1.41 12 23 5.5 1450 90 1.26 12 24 5.5 1450 100 1.41 12 25 7.5 1450 20 1.26 8 26 7.5 1450 30 1.41 8 27 7.5 1450 40 1.26 8 28 7.5 1450 50 1.41 8 29 7.5 1450 60 1.26 12 30 7.5 1450 80 1.41 12 31 7.5 1450 90 1.26 12 32 7.5 1450 100 1.41 12 33 7.5 1450 100 1.26 12 19 共 17 页 第 页