课程设计--CK6163床头箱设计说明书

School ot Mechanical EngineeringCK6163床头箱设计说明书设计者：杨光照班级： 机械0906学号：0401090617指导教师：李楠江南大学目录1 .绪论2 .机床主传动系设计34561.绪论机床工业是关系到国计民生的基础工业。它肩负着为国民经济各部门和国 防军工提供现代化装备的重任。在世界经济持续发展，国内经济稳步增长的带动 下，国内机床工具行业近年来，取得长足的发展和进步。作为机床工业主流产品 和高新技术的重要载体，数控机床的发展更为迅猛。CK6163是较为典型的一种数控机床，应用较为广泛，该机床是开环式的数 字程序控制车床，能进行内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、圆柱螺纹和圆锥螺纹等 加工。机床主轴的启动、停止和变速，纵向和横向进给运动的行程和速度道具的 变换和冷却，都可以自动控制。并具有直线、锥度、直螺纹和锥螺纹等自动循环 机能，在该机床中采用液压卡盘、液压尾座、快换刀夹和机床对刀装置。该机床 适用于加工形状复杂的中小批量的零件。机床的床头箱即主轴箱，是机床很重要的组成部分，机床主传动系因机床 的类型、性能、规格和尺寸等因素的不同，应满足的要求也不一样。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。在设计时应 结合具体机床进行具体分析，一般应满足的基本要求有：满足机床使用性能要求。 首先应满足机床的运动特性，如机床主轴油足够的转速范围和转速级数； 满足机 床传递动力的要求。主电动机和传动机构能提供足够的功率和转矩，具有较高的 传动效率；满足机床工作性能要求。主传动中所有零部件有足够的刚度、 精度和 抗震性，热变形特性稳定；满足产品的经济性要求。传动链尽可能简短，零件数 目要少，以便节约材料，降低成本。2.机床主传动系设计2.1 主要技术参数工件最大回转直径 工件最大长度 主轴孔径主轴前端孔锥度主轴转速范围(16级)630mm1500mm80mm公制100号321000转/分2.2床头箱设计满足的基本要求机床床头箱因机床的类型、性能、规格尺寸等因素的不同，应满足的要求也不一样。设计机床床头箱是最基本的原则就是以最经济、合理的方式满足既定 的要求。在设计时应结合具体机床进行具体分析。一般应满足下述基本要求：1) .满足机床使用性能的要求。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(对与主传动为直线运动的机床，则有足够的每分 钟双行程数范围及变速级数)。传动设计合理，操纵方便、灵活、迅速、安全可 靠等。2) .满足机床传递动力要求。主电动机和传动机构能提供和传递足够的功率 和转矩，具有较高的传动效率。3) .满足机床工作性能的要求。主传动中所有零件要有足够的刚度、精度、 和抗震性、热变形特性稳定。4) .满足产品设计经济性的要求。传动链尽可能简短，零件数目要少，以便 于接生材料，降低成本。5) .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。2.3操作性能要求床头箱中的内齿离合器和（详见装配图），由操纵油缸中的活塞杆带动 拨叉和来控制它的接通和放松， 使主轴实现四级变速，停车时为克服旋转件 的惯性采用液压摩擦制动器使主轴迅速停止。主轴运动通过齿轮传至主轴脉冲发 生器其传动比为1:1 ,主轴转一转，主轴脉冲发生器发出 1024个脉冲。改变主电机转向可以实现主轴正反转，主轴具有三个支承：前支承为 C3182132型双列短圆柱滚子轴承；中间辅助支承为128型单列滚珠轴承。这样不但保证主轴的回转精度，也提高了主轴刚度和主轴的抗振性。3 .床头箱主传动系设计主传动系一般由动力源、变速装置及执行件，以及开停、换向和制动机构 等部件组成。动力源给执行件提供动力，并使用其得到一定的运动速度和方向； 变速装置传动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。3.1 主传动系选择按驱动主传动的电动机类型可分为交流电动机驱动和直流电动机驱动。本 次设计采用交流电动机驱动.变速的连续性可以分为分级变速传动和无级变速传 动，本次设计采用无级变速传动.3.2 传动方式的选择本次设计采用分离传动方式：主传动系中的大部分的传动和变速机构装在 远离主轴的单独变速箱中，然后通过带传动将运动传到主轴箱。4 .运动设计4.1 已知条件已知主轴最低转速 nmin为32r/min,最高转速nmax为1000r/min，转速调 整范围为 Rn=nmax/nmin=31.25 取 Rn=32确定公比：选定主轴转速数列的公比为 6=1.25;求出主轴转速级数Z Z=lgRn/lg d+1= lg32/lg1.25+1=16.53 取 Z=16 24.2 结构分析式确定结构式：16=2X 2X2X216=2X 2X416=2X 4X2根据拟定转速图的原则筛选结构式1 .极限传动比、极限变速范围原则；2 .确定传动顺序及传动副数的原则一一“前多后少”的原则；3 .确定传动顺序与扩大顺序相一致的原则一一“前密后疏”的原则4 .确定最小传动比的原则一一“前慢后快”（降速），“前快后慢”（升速） 的原则。经整理得：16=2iX 2 2 X 2 4X 2 84.3 拟定转速图(1)选定电动机一般金属切削机床的驱动，如无特殊性能要求，多采用 Y系列封闭自扇冷 式鼠笼型三相异步电动机。Y系列电动机高效、节能、起动转矩大、噪声低、振 动小、运行安全可靠。根据机床所需功率选择Y160M-4其同步转速为1460r/min。 (2)分配总降速传动比总降速传动比为 uII= nmin/nd=32/1460 Q0.0213 ,nmin为主轴最低转速，考 虑是否需要增加定比传动副，以使转速数列符合标准或有利于减少齿轮和及径向 与轴向尺寸，并分担总降速传动比。然后，将总降速传动比按“先缓后急”的递 减原则分配给串联的各变速组中的最小传动比。(3)确定各级转速并绘制转速图由 nmim 32r/min 1.25 z = 16确定各级转速：1000、800、630、500、400、315、250、200、160、135、100、80、63、40、32r/min。本设计有四种传动机构，四段无级变速：(1)IV V VI VII VIII(2)IV V VII VIII(3)IV VI VII VIII(下拨叉左)(4)IV VI VII VIII(下拨叉右)先来确定IV轴的转速nmax=l450X 130/186 义 40/32 义 36/36 义 190/304=791;取 nmax=800nmin=1450X 32/40 X 32/40 乂 190/304=405;取 nmin=400 根据转速图跟结构 式，可确定IV轴的转速为400、500、630、800r/min确定轴V的转速因为IV轴跟V轴是1:1传递，所以V轴的转速等同IV轴转速：400、500、 630、800r/min 。确定轴VI的转速由轴IV传递到轴 VI可以得到四级转速：400、500、630、800r/min由轴V传递到轴VI可以得到四级转速：400X 24/60=160;500X 24/60=200 ; 630X 24/60=252取 n=250 ;800X 24/60=320 取 n=315所以 VI 轴的转速确定为 160、200、250、315、400、500、630、800r/min确定轴VII的转速由轴IV经轴V直接传递到轴VII可以得到四级转速：400、500、630、800r/min由轴IV经轴VI传递到轴 VII可以得到八级转速：800X 24/60=160 ; 630X 24/60=125 ; 500X 24/60=100 ;400X 24/60=80(800X 60/24=200030X60/24=1575 n=1600 500 X60/24=1250 400 X60/24=1000)由轴IV经轴V传递到轴 VI再传递到轴 VII可以得到四级转速：315X 24/60=160 250 X 24/60=100 200 X 24/60=80 160 X 24/60=63确定 VII 轴的转速为：2000、1600、1250、1000、800、630、500、400、315、250、200、160、135、100、80、63r/min图1. CK6163转速图4.5 确定各变速组传动副齿数轴IV-V:aM 1/1 ai2 1/1aM 1/1 时：Sz 64、66、68、70、72、74、76、84-ai1 1/1 时：Sz 64、66、68、70、72、74、76、84-可取Sz 84,于是可得轴IV齿数为：42;于是ai1 1/1可得轴V上的齿轮齿数为：42 轴V-VI:bM 1/2.5,bi1 1/2.5时：Sz 69、72、73、76、77、80、81、84、87可取Sz 84,于是可得轴V上齿轮的齿数为：24;于是Ri 24/60,得轴VI上齿轮的齿数为：60 轴VI-轴VII:ic1 2.5ic2 2.5时：Sz72、75、78、81、84、87、89、90可取Sz 84;得轴VI齿轮齿数为24;由%2.5；得VII轴齿轮齿数为60轴VII-轴VIII :idi 2d1 2时：Sz 72、75、78、81、84、87、89、90可取Sz90.得轴VII齿轮齿数为30;由idi 2得VIII轴齿轮齿数为60根据轴数，齿轮副，电动机等已知条件可有如下系统图:图2. CK6163床头箱传动系统图5 .齿轮传动设计5.1 渐开线直齿轮设计5.1.1 选择齿轮材料及精度等级：因为是1:1传递，所以两齿轮材料选择一致：齿轮选用合金钢调质，硬度为 220250HBs选8级精度，要求齿面粗糙度 Ra 3.26.3 m5.1.2 模数的确定：dZ1f因为m 1.26kYfYs在IV轴上42齿数的齿轮最容易受损，所以应以42齿数齿轮位代表进行模数 计算，2.1 5查机械设计基础表10.11 ”载荷系数K”得:K 1.2因为T1 9.55 106 - 2.25n式子中P为主动轴的传输功率n为从动轴的的转数 IV轴的计算转速为：仙 400r / min则有T1 9.55 106P2.3 5n9.550.3“6 13kw10400610 n mm查机械设计基础表11.19得 1 d查机械设计基础表10.13 ”标准外齿轮的齿形系数Yf”得: 当z=42时 所对应的外齿轮齿形系数Yf 2.41查机械设计基础表10.14 标准外齿轮的应力修正系数 Ys ”得:当z=42时 所对应的外齿轮白应力修正系数 Ys 1.67查机械设计基础图11.24得：Flim 210MPa查图11.25得：YN 1查表 11.9 得：Sf 1.3 因为 f Yn Flm/SF所以 F 1 210/1.3 161经整理得：m 1.263 1.2 0.3 106 241 1.67:42 210m 4.27 取 m 4于是轴IV齿轮的直径为 db1 4 42 168mm;m=4.因为是渐开线标准直齿轮，所以V轴齿轮的模数也为db2 4 42 168mm;5.1.3校核齿轮按齿根弯曲疲劳强度校核：如果FKTL YfYsF ,则校核合格b m d1确定有关系数与参数：齿形系数Yf ;查表11.12得YF 2.41应力修正系数Ys ；查表11.13得Ys 1.67许用弯曲应力由图 11.24 查得 Fiim 210MPa由表11.9查得SF1.3由图11.25查得由式可得Ys12KT1b m d1YfYs210F 1 i 161MPa1.32KT1b m m z1YFYS2 1.2 3 106168 4 4 422.41 1.87 28MPa齿根弯曲强度校核合格验算齿轮的圆周速度dn v60 1000168 40060 10003.51m/s 5m/s查表11.21可知，选8级精度是合适的.5.2 斜齿轮设计5.2.1 选择齿轮材料及精度等级：按表11.8选择齿轮的材料为小齿轮选用45钢调质，硬度为220W250HBS；大齿轮选用45钢正火，硬度为170M210HBs；选8级精度，要求齿面粗糙度 Ra 3.2 16.3 m5.2.2 确定设计准则由于为闭式齿轮传动，且两齿轮均为齿面硬度 HBs小于等于350的软齿面, 齿面点蚀是最主要的失效形式.应选按齿面接触疲劳强度进行设计计算，确定齿 轮的主要参数和尺寸，然后再按弯曲疲劳强度校核齿根的弯曲强度5.2.3 按齿面接触疲劳强度设计确定有关参数与系数：转矩T1工 9.55 106 - n2.39.5510613kw631.9106nmm载荷系数查机械设计基础表10.11 ”载荷系数 K”得:K 1.1齿数乙，螺旋角 和齿宽系数d小齿轮齿数取为30,大齿轮齿数是60初选螺旋角=15弹性系数Ze由表11.11查得Ze 189.8许用接触应力h查机械设计基础由图11.23查得Hiim1 560MPaHiim2 530MPa由表11.9查得SH1N1 60njLh 60 63 1 10 52 40 7.86 107N2 N1/i 3.93 107查图 11.26 得Zn1 ZN2 1由 H ZN H lim / SH 可得h 1 Zni h lim1 / SH560MPaH 2 Zn2 Hlim2/SH562MPad1q 1.1 1.9 106 3 1.152153mmd icos 153 cos15 -mn mm 4.92mmZi30由表11.3取标准模数为m=4.5确定中心距a螺旋角mn(Z1 Z2) a 2 cos4.5 (30 60)2 cos150mm209.64 mm取中心距a=210mm 主要尺寸计算,mnZ1dicos4.5 300 mm cos15139.76mm, mnZ2d2cosb取 b2 140mm,匕 135mm =按齿根弯曲疲劳强度校核 确定有关参数与系数： 当量齿数 Zv1-cZV2 2Zv1 66.76齿形系数Yf查表11.12得YF1 2.54 ; YF22.30(3)应力修正系数Ys查表11.13Ys1 1.63; Ys2 1.73(4)许用弯曲应力F由图11.24查得Fiim1 210MPaFiim2 190MPa由表11.9查得SF1.3由图11.25查得YN1 YN2 1由式可得4.5 60cos150dd11Z1-3mm 278.52mm139 139mm303 33.28 cos3YNF limYn Flim/SF 162MPafYn Fiim/SF146MPa1.6KT cosF1b m m ziYfYsF1116MPaF1Y F2Y S2YfiYsi111MPa齿根弯曲强度校核合格dnv 60 1000验算齿轮的圆周速度139 63 0.45m/s 10m/s 60 1000由表11.21可知，选8级精度是合适的.6.主轴传动设计6.1 确定主轴最小直径6.1.1 选择轴白材料，确定许用应力由已知条件可知此主轴箱传递的功率属中小功率，对材料无特殊的要求，故选45号钢并经调质处理，由机械设计一书中表16.1查得强度极限B=637MPa,再由表16.3得许用弯曲应力1b 60MPa 。6.1.2 按扭转强度估算轴径由式d1 崛 1183收 87考虑到主轴的最小直径处要安装联轴器，会有键槽存在.故需要将估算直径 加大.设计手册取标准直径d1 110mm6.2 主轴最佳跨距的确定主要参数工件最大直径630mm车床，功率P 13KW.求轴承刚度，考虑机械效率，主轴最大输出转距：P 0.85T 9550 676Nm100床身上最大加工直径约为最大回转直径的60%,取50端P 315mm,切削力FC 更6 6760N0.1背向力Fp 0.5Fc 0.5 6760 3380 N故总的作用力F . F； FC27558N次力作用于顶在顶尖间的工件上主轴尾架各承受一半，故主轴轴端受力为F /2 3779N 先假设l /a 3,l 3 75 225mm前后支撑RaRb分别为RA F -一a 3779 225 75 5039 N2 l225F a75Rb - 37791260N2l225根据,dFr0.1,0.8,.、0.91.9Kv 3.39Fr la (iz) cosd rFvA 5039 N, FvB 1260 Nl aA 8.8mm,laB 10.8, Zb 17-b 1Ja 2, Za 30Ka 3.39 50390.1 8.80.8 2 30 co/9。1809N_0 10 8-0.919Kb 3.39 126010.82 17 cos 0 1107NKa/Kb180911071.63de 100 70 /2 85mm4 _4_6 4I 0.05 0.0854 0.04642.39 10 6 m40.658EI 2.1 1011 2.39 10 6 3365 1809 0.075106查线图lo/a 3。，与原假设相符l 75 3 225mm6.3主轴刚度的校核前支承为双列圆柱滚子轴承，后支承为双列圆柱滚子轴承l 332 374 12.5 31.5 687mm 0.687m当量外径684 22 724 54 804 756 1004 35 1044 8 “ 小de 4887主轴刚度：由于di / de45/80.56 0.5586 0.580.56mm故根据式（10-8）ks_4443 104 de4 di4_4_44123 1 0480.564 454 1 0 12aA l aA2752887 75109149.3N/ m对于机床的刚度要求，取阻尼比0.035当 v=50m/min,s=0.1mm/r 时,kcb 2.46N / m m,68.8 ,im 0.02Dmax 0.02 68750%6.87mm2.46 6.87Kb cos68.82 0.035 1 0.03584.36N计算KaL 0.3Dmax206.1mm,加上悬伸量共长 281.1mm21aKaKb 0.6-f0.4 2aB-284.360.6aAl2281.1Ks 1.66Ka2281.17520.4687 276.5N/ m1工6871.66 76.5 127.0N / m152.3N / m可以看出，该机床主轴是合格的7.带传动设计电动机转速n 1450r/min ,传递功率P 13KW ,传动比i 1.6 ,1确定计算功率取KA 1.1,则Pca KaP 1.1 13 14.3KW2选取V带型根据小带轮的转速和计算功率，选 B型带。3确定带轮直径和验算带速查表小带轮基准直径d1190mm, d2 190i 190 1.6 304mm验算带速成vd1 n160 1000其中 n小带轮转速,r/min ；点-小带轮直径,mm3.14 190 1450v 14.14m/s60 10004确定带传动的中心距和带的基准长度设中心距为a0,则5,25,合适0.55(d1 d2) a 2(d1d2)于是387.2 a 988,初取中心距为a0 400 mm带长400L。 2a0-(d1 d2)(d2 44ad1)2平(190 304)号贯 1583mm查表取相近的基准长度Ld,Ld 1600mm 0带传动实际中心距a a0 LL0 408.5mm25验算小带轮的包角一般小带轮的包角不应小于120 。1 180： dL-dl 57.3 164.7 120；。合适。a6确定带的根数ZPca(P0Po)k kL其中：po i 1时传递功率的增量；k -按小轮包角,查得的包角系数； %-长度系数;为避免V型带工作时各根带受力严重不均匀，限制根数不大于10。Z 8.25 4(2.19 0.46) 0.95 0.907计算带的张紧力F。Pca 2.5 k 2Fo 500 匕a () qvvZ k其中：Pca-带的传动功率，KW?v-带速,m/s ；q-每米带的质量，kg/m；取q=0.17kg/m。v = 1440r/min = 9.42m/s。88 252 5 0 99F0 500() 0.17 9.422 193.7 N9.42 40.958计算作用在轴上的压轴力1161.4KlFq 2ZF0 sin 2 4 193.7 sin1530N228.滚珠螺母丝杠8.1、 滚珠丝杠副的种类与结构滚珠丝杠螺母副：是回转运动与直线运动相互转换的传动装置，在数控机 床进给系统中一般采用滚珠丝杠副来改善摩擦特性。工作原理是：当丝杠相对于螺母旋转时，两者发生轴向位移，而滚珠则可沿8.1.1 内循环式内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触。如图3。在螺母 的侧面孔内，装有接通相邻滚道的反向器，利用反向器引导滚珠越过丝杠的螺纹 顶部进入相邻滚道，形成一个循环回路。一般在同一螺母上装有24个反向器, 并沿螺母圆周均匀分布。优缺点：滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小， 但制造精度要求高。图3.内循环示意图1 凸键2、3一反向键8.1.2 外循环式外循环方式的滚珠在循环反向时，离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外做循环运动。如图4, (a)为螺旋槽式外循环(b)为插管式外循环。优缺点：结构简单、制造容易、但径向尺寸大，且弯管两端耐磨性和抗冲击性差。图4.外循环示意图(a)螺旋槽式：1一套筒；2螺母；3一滚珠；4一挡珠器;5一丝杠（b）插管式：1一弯管；2压板；3一丝杠；4一滚珠；5一滚道8.2、 滚珠丝杠副的结构参数滚珠丝杠副的主要参数有：公称直径 D导程L和接触角B。1 ）公称直径D:是指滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆柱直径。它与承载能力直接有关，常用范围为 30-80 mm 一般大于丝杠长度 的 1/35 /30。2 ）导程L:导程的大小要根据机床加工精度的要求确定，精度高时，导程 小一些；精度低时，导程大些。但导程取小后，滚珠直径将取小，使滚珠丝杠副 的承载能力下降；若滚珠直径不变，导程取小后，螺旋升角也小，传动效率将下 降。因此，一般地，导程数值的确定原则是：在满足加工精度的条件下尽可能取 得大一些。8.3、 滚珠丝杠副的结构特点1）摩擦因素小，传动效率高。滚珠丝杠副的传动效率可达0.92 0.96,比常规的丝杠螺母副提高3-4倍。因此，功率消耗只相当于常规丝杠的1/4 1/3。2）可预紧消隙。给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的间隙，反向运动时无 死区，定位精度高，刚度好。3）运动平稳，低速时不易出现爬行现象，传动精度高。4）运动具有可逆性。可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动 转换为旋转运动，即丝杠和螺母均可以作为主动件。5）磨损小，使用寿命长。6）所需传动转矩小。7）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度 要求也高，故制造成本高。8）不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于处于重惯性力的作用，常需添加 辅助制动装置。8.4、滚珠丝杠副的安装支撑方式为提高传动刚度，滚珠丝杠合理的支撑结构及正确的安装很重要一般采用 高刚度的止推轴承支撑结构，以提高滚珠丝杠的轴向承载能力。(a)(b)(c)(d)图5 支承方式(a) 一端装止推轴承(固定-自由式)。其承载能力小，轴向刚度低，仅适 用于短丝杠，如用于数控机床的调整环节或升降台式数控机床的垂直坐标中。(b) 一端装止推轴承，另一端装深沟球轴承(固定 -支承式)。当滚珠丝杠 较长时，一端装止推轴承固定，另一端由深沟球轴承支承。为了减小丝杠热变的 影响，止推轴承的安装位置应远离热源(如液压马达)。(c)两端装止推轴承将止推轴承装在滚珠丝杠的两端，并施加预紧拉力，有助于提高传动刚度。但这种安装方式对热伸长较为敏感。(d)两端装双重止推轴承及深沟球轴承(固定-固定式)为了提高刚度，丝杠两端采用双重支承，如止推轴承和深沟球轴承，并施加 预紧拉力。这种结构形式，可使丝杠的热变形能转化为止推轴承的预紧力。结论此次课程设计是我们走向未来真正做设计的重要一步。从最初的选题，设 计到计算、绘图直到完成设计。其间，查找资料，老师指导，与同学交流，反复修改图纸，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。通过这次实践，我了解了 CK6163数控车床主轴箱的结构及工作原理，熟悉了主轴箱的设计步骤，锻 炼了工程设计实践能力，培养了自己独立设计能力。此次毕业设计是对我专业知 识和专业基础知识一次实际检验和巩固，同时也是走向工作岗位前的一次热身。课程设计收获很多，比如学会了查找相关资料相关标准， 分析数据，提高了自己 的绘图能力，懂得了许多经验公式的获得是前人不懈努力的结果。同时，仍有很多课题需要后辈去努力去完善。但是课程设计也暴露出自己专业基础的很多不足 之处。比如缺乏综合应用专业知识的能力，对材料的不了解，等等。这次实践是 对自己大学前三年所学的一次大检阅， 使我明白自己知识还很浅薄，虽然马上要 已经大四了，但是自己的求学之路还很长，以后更应该在工作中学习，努力使自 己成为一个对社会有所贡献的人。另外，非常感谢李楠老师的指导，再次表达谢意。