金属切削机床课程设计-201012
专业课程设计金属切削机床张 松[email protected]山东大学机械工程学院1内容提要一、机床课程设计的目的要求及内容 二、设计图纸和说明书的具体要求 三、拟定设计方案 四、机床主传动系统设计 五、技术设计 六、编制设计计算说明书 七、拟定设计题目 八、实例2一、机床课程设计的目的要求及内容1. 机床设计的目的机床课程设计是在学生学完基础技术课和专业课,特别是 《机械制造技术基础》课程之后进行的一个实践性教学环节。 其目的: (1)培养综合运用和巩固扩大已学过的知识,提高理论联系 实际的设计与计算能力。 (2)培养收集、阅读、分析和运用资料的能力,提高独立工 作能力。 (3)初步掌握机床设计的方法与步骤,提高结构设计与编制 技术文件的能力。 (4)进行主轴组件设计和刚度校核计算,提高设计能力。3一、机床课程设计的目的要求及内容2. 设计的类型机床设计一般分为: 创新设计, 变型设计, 组合设计等。3. 设计的步骤(1)主要技术指标 ① 用途、② 生产 率 、③ 性能指标 、④ 主要参数 、⑤ 驱 动方式、⑥ 成本及生产周期。4一、机床课程设计的目的要求及内容(2)总体设计方案:① 运动功能设计、② 机床参数设计 、③ 传动系统设计、④ 总体结构布局设计、⑤ 控制系统设计。 (3)总体方案综合评价与选择 (4)总体方案的设计修改或优化 (5)详细设计 ① 技术设计:结构原理方案、装配图设计、分析计算或优化。 ② 施工设计:零件图设计、商品化设计、编制技术文档等。 (6)机床整机综合评价5KF y一、机床课程设计的目的要求及内容4. 机床设计的基本理论 精度:机床精度是指机床主要部件的形状、相互位置及相 对运动的精确程度,包括几何精度、传动精度、定位精度 及精度保持性等几个方面。 刚度:机床系统抵抗变形的能力。 K Fy抗振性:机床在交变载荷作用下抵抗变形的能力。 热变形。 噪声。 低速运动平稳性。6KF y一、机床课程设计的目的要求及内容5. 结构工艺性评价 加工工艺性:产品结构的合理组合、零件的加工工艺性 (铸件类零件、模锻类零件、冷却压件类零件、车削加工 类零件、钻孔加工类零件、铣削加工类零件 、有磨削加工 类零件)。 装配工艺性:便于装配的产品结构、便于装配的零件结合 部位结构、便于装配的零件结构。 维修工艺性:维修时间短、维修空间、互换性好。7一、机床课程设计的目的要求及内容6. 设计内容(1)运动设计:根据机床规格、用途和典型工艺的切削用量以及 对同类机床的分析比较,确定机床的极限转速、转速公比;拟 定传动方案和传动系统图;确定传动副的传动比以及齿轮齿数。 (2)动力计算:确定电动机的功率;计算传动元件载荷及尺寸; 校核主轴和齿轮的强度寿命等。 (3)主轴箱展开图设计:传动轴系、变速机构、主轴组件、箱体、 操纵机构、润滑装置的布置和结构设计。 (4)主轴零件图设计: 以上三方面内容要体现在图纸和计算说明书上。 时间:6天(2011.01.08~2011.01.15)。8二、设计图纸和说明书的具体要求1.图纸部分装配图用以表明该部件的全部结构、机构原理、每个零件 的功用、形状、位置、尺寸,相互联接的方法、配合性质和运 动关系。所有零件都要标注件号(标准件标明标准代号,非标 准件编注序号)和数量。 机床主轴变速箱的装配图一般由外形图、展开图和若干横 向剖视图组成。由于进行设计的学时有限,学生只绘制展开 图。展开图上应标注轴号和零件号,在配合件上标注配合尺寸 和配合性质。同时,绘制主轴零件图。9二、设计图纸和说明书的具体要求2.设计计算说明书部分设计计算说明书是设计的依据确性。其主要内容应包括:(1) 设计任务书 (2) 目录 (3) 机床的规格及用途 (4) 机床主要技术参数的确定 (5) 传动方案及传动系统图的拟定 (6) 主要零件的计算和验算(齿轮、主轴、传动轴、轴承等) (7) 操纵、润滑、调整、制动等结构说明 (8) 设计优缺点、存在问题和设计体会等 (9) 参考资料编日10二、设计图纸和说明书的具体要求 说明书中的传动系统图要用标准规定的符号并按比例绘 制,标明电动机的功率、转速、皮带轮直径、齿轮的齿数 及模数等。说明书中所用公式应注明出处,并注明式中将 号所代表的意义和单位。 说明书后附有的参考文献目录,要包括作者、书刊名称、 出版社和出版年份。11三、拟定设计方案阅读同类型机床的有关资料(机床说明书、装配 图、样本、机床水平分析等)。对机床的用途、主要 参数、传动结构、零部件的结构设计等进行分析研 究,在分析比较现有机床的基础上考虑设计方案,力 求做到有所改进和创新。拟定方案的步骤是: 1.拟定运动参数对设计任务书中的运动参数,可结合参考资料与同类型机 床的运动参数作分析比较。对设计任务中未定的运动参数,应 根据任务书中规定的要求条件来确定。12三、拟定设计方案步骤如下:(1) 确定机床的工艺范围及工件的计算极限尺寸; (2) 选择经济合理的极限切削用量; (3) 确定机床主轴的极限转速; (4) 确定转速公比值、转速级数、转速数列及调速范围。按上述步骤确定转速后,应再与同类机床做分析 比较,并考虑用户需求及今后发展趋势,最后予以确 定。13三、拟定设计方案2.运动设计 根据已定的运动参数,进行下列几项工作:(1) 确定传动方案(如集中或分离传动、正反转方案、…)。 (2) 论证并确定合理的转速图。 (3) 拟定传动系统图。拟定传动系统的原则:在保证机床运动 和使用要求的前提下,运动链要短而简单;传动效率高、操纵方 便。14三、拟定设计方案(4)计算各传动副传动比、带轮直径、齿轮齿数等。 (5)验算主轴转速误差。实际传动比所造成的主轴转速误差一 般不应超过±10(φ-1)%(φ是主轴转速公比)。运动设计是结构设计的基础,要考虑一些与结构设 计有关的问题:小齿轮的根圆是否大于轴的直径,大 齿轮的顶圆是否与相邻的轴干涉;结构是否合理;布 置是否紧凑;操纵是否方便。15四、机床主传动系统设计4.1 主传动系统设计概述1. 主传动系统基本要求 (1)数控机床主传动的特点 转速高,功率大; 主轴转速变换迅速可靠; 为实现刀具的快速或自动装卸,主轴上还必须设计有刀具自动装 卸、主轴定向停止和主轴孔内的切屑清除装置。(2)对主传动系统的要求 具有更大的调速范围; 具有较高的精度与刚度,传动平稳、噪声低。良好的抗振性、热 稳定性。16四、机床主传动系统设计2. 主传动变速系统的主要参数(1) 主传动功率P: 可根据切削功率Pc与主运动传动链的总效率η来确定:P Pc切削功率Pc: 可根据有代表性的加工情况,由其主切削抗力 Fz确定:Fc v Mn Pc (kW ) 6000 955017四、机床主传动系统设计(2)主运动的调速范围主运动为旋转运动的机床,主轴转速n由切削速度v(m/min) 和工件或刀具的直径d(mm)来确定:n 1000v (r / min) dnmin1000vmin (r / min) d maxnmax1000vmax (r / min) d min主轴的变速范围为最高转速与最低转速之比:Rn nmax v max d max nmin v min d min18四、机床主传动系统设计4.2 分级变速系统 1. 主轴转速数列:多数机床主轴转速是按等比级数排列,其公比用符号φ表示。则转速数列为 n1 nmin n2 nmin n3 nmin 2 ……对于通用机床,为使转速损失不大,机床结构又不过于复 杂,一般取φ =1.26或1.41;对于大批量生产用的专用机床、专 门化机床及其自动机床,φ =1.12或1.26,因其生产率高,转速 损失影响较大,且又不经常变速,可用交换齿轮变速,不会使结 构复杂;而非自动化小型机床,加工中切削时间远小于辅助时 间,转速损失大些影响不大,故可取φ =1.58、1.78,甚至2。19四、机床主传动系统设计2. 拟定转速图的方法拟定转速图的一般步骤为: 确定变速组数及各变速组的传动副数; 安排变速组的传动顺序,拟定结构式(网); 分配传动副传动比,绘制转速图。20四、机床主传动系统设计3.齿轮齿数的确定由于同一变速组内各齿轮副的速度相差不大,受力、情况相 似,为便于制造、维修,一般采用相同模数。注意下列要求: 保证最小齿数齿轮不发生根切。 保证齿轮具有足够的强度。 保证三联滑移齿轮滑移时不发生碰撞。 确定齿数时,应保证实际传动比21与理论传动比之间的误差不能过大。四、机床主传动系统设计4. 主传动系统的计算设计机床主传动系统时,为了使传动件工作可靠、结构紧 凑,必须对传动件进行动力计算。主轴及其他传动件的结构尺寸 主要根据它传递的转矩大小来决定,即与传动的功率和转速两个 因素有关。 (1)机床的功率扭矩特性:主轴所传递的功率或扭矩与转速之间 的关系,称为机床主轴的功率或扭矩特性。22四、机床主传动系统设计(2)传动件计算转速的确定 变速传动系统中的传动件包括轴和齿轮,它们的计算转速可 根据主轴的计算转速和转速图确定。确定的顺序通常是先定出主 轴的计算转速,再顺次由后向前,定出各传动轴的计算转速,然 后再确定齿轮的计算转速。23四、机床主传动系统设计4.3 主传动系统主要传动件计算1. 传动件初步计算 初步计算是确定传动零件的大致尺寸,为绘制结构草图提供 基本数据,初步计算包括传动轴的轴颈,齿轮的模数,V带的根 数等。(1) 按扭转刚度估计轴的直径表P d KA4 nj估算轴径时A和K值24四、机床主传动系统设计(2) 齿轮模数的估算初步计算齿轮的模数时P (mm) m 123 nj当转速nj远大于100r/min时,所得的模数m可能对于接触疲劳 强度是不够的,因此可按下式计算P 9 nj m 123 (mm) nj 10025四、机床主传动系统设计(3)主轴轴颈的确定为保证机床的工作精度,主轴尺寸一般都是根据其刚度要求 决定的。对于通用机床的主轴参数通常由结构上的需要而定。故 主轴前轴颈的尺寸按表4-6所列的统计数据确定。表4-6 通用机床主轴前轴颈尺寸(mm)主轴的后轴颈D2,一般推荐为主轴前轴颈D1的0.7~0.85倍。 当主轴的空心直径d不大于主轴的定心直径D的0.5倍时,一 般对主轴的刚度影响不大;只有当d=0.7D时,主轴的刚度才下降26 25%,所以通常取主轴空心直径d,不大于主轴定心直径D的0.7倍。四、机床主传动系统设计4. 4 主要传动件的验算 1. 齿轮模数的验算(重点)结构草图完成后,齿轮的工作条件、空间安排、材料和精度 等级等都已确定,这时应验算齿轮的接触疲劳强度和弯曲疲劳强 度是否满足要求。验算时应选项同模数中承受载荷最大、齿数最 少的齿轮。一般高速传动的齿轮以验算接触疲劳强度为主,对低 速传动的齿轮以验证弯曲疲劳强度为主,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。27四、机床主传动系统设计2. 传动轴刚度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θ。验算支撑处倾角时,只需验算支反力最大的支 承点,若此处的倾角小于安装齿轮处规定的允许值,则齿轮的倾 角就不必验算,因支承处的倾角一般都大于轴上其他部位的倾角。 当轴上装有多个齿轮时,一般只需验算受力最大的齿轮处的挠度。 轴的允许倾角和挠度值如表3-16所示。28四、机床主传动系统设计表4-16 轴的弯曲变形量的允许值29四、机床主传动系统设计3. 主轴部件刚度计算(1) 主轴合理跨距的选择 主轴跨距对主轴组件的性能有很大影响,合理选择跨距是主 轴组件设计中一个相当重要的问题。图3-7是主轴端部受力后的变 形情况。图(a)表示刚性支承、弹性主轴的情况。主轴前端受 载荷Fc后产生的挠度为ys。Fc a 3 l ys 1 3EI a 30四、机床主传动系统设计图4-7 主轴端部受力后的变形图4-8 主轴最佳跨距计算简31四、机床主传动系统设计(2) 主轴部件刚度计算 主轴部件的刚度验算,实际上是指主轴弯曲刚度和扭转刚度 的验算。验算的目的除保证主轴部件必要的动态旋转精度外,还 要保证主轴轴承,以及主轴上的传动件都能正常工作。 车床和铣床的主轴,一般是进行弯曲刚度验算;钻床的主 轴,一般是进行扭转刚度的验算。 主轴弯曲刚度验算 验算主轴轴端的位移y 验算前轴承处的转角θ1值 验算传动件处的转角θ2值32四、机床主传动系统设计主轴扭转刚度验算 对于以扭矩为主的主轴(如钻床主轴)通常要求其扭转角θ在 (20~25)D的长度内不超过,即M 扭 l 180 1 G I扭 π33四、机床主传动系统设计4.5 主轴组件设计 1. 主轴轴承研究主轴组件,主要是研究主轴的支承部分。主轴支撑分镜 像和推力支承。角接触轴承(包括角接触球轴承和圆锥滚子轴承) 兼起径向和推力支承的作用。推力支承常位于前支承内,原因是 数控机床的坐标原点,常设定在主轴前端。为减少热膨胀造成的 坐标原点位移,应尽量缩短坐标原点至推力支承之间的距离。34四、机床主传动系统设计 双列圆柱滚子轴承:双列圆柱滚子轴承的特点是内孔为1:12的锥孔,与主轴的雏形轴颈相配合。轴向移动内 圈,可把内圈胀大,以消除间隙或预紧,这种轴承只能承 受径向载荷。35四、机床主传动系统设计 双向推力角接触球轴承:这种轴承与双列圆柱滚子轴承相配套,用于承受轴向载荷,轴承由左右内圈、外圈、左右两列滚珠、 保持架和隔套组成。修磨隔套的厚度就能消除间隙和预紧。36四、机床主传动系统设计 角接触球轴承:这种轴承既可以承受径向载荷,又可以承受 轴向载荷。常用的接触角有两种:α=25°和α=15°。角接触球 轴承多用于高速主轴。37四、机床主传动系统设计2. 机床主轴轴承常用的三种配置形式 前支承采用圆锥孔双列圆柱滚子轴承和60°角接触球轴承组合,后支承采用成对角接触球轴承。主轴综合刚度高,满足强 力切削要求,普遍采用。 前轴承采用高精度双列(或三列)向心推力球轴承,后支承采用单列(或双列)角接触球轴承。角接触球轴承具有较好的 高速性能,但承载能力小,适用于高速、轻载和精密机床主轴。38四、机床主传动系统设计2. 机床主轴轴承常用的三种配置形式 前后轴承分别采用双列和单列圆锥滚子轴承。这种轴承径向和轴向刚度高,能承受重载荷,尤其能承受较大的动载荷,安 装与调试性能好,但限制了主轴最 高转速和精度,故适用于中等精度、 低速、重载机床。39四、机床主传动系统设计几种国产常用轴承数据轴承间隙调整和预紧: 多数轴承应在过盈状态下工 作,使滚动体与滚道之间有 一定的变形量。40四、机床主传动系统设计3. 主轴组件润滑与密封(1)滚动轴承的润滑 对滚动轴承进行良好润滑,可以减小轴承内部摩擦与磨损, 防止烧黏,延长疲劳寿命,排出摩擦热并冷却。 滚动轴承的润滑有油脂、油雾、油-气、喷射等润滑方式。 (2)密封:主轴组件的密封有接触式密封盒非接触式密封。41四、机床主传动系统设计4. 主轴组件典型结构主轴组件之一主轴组件之二42四、机床主传动系统设计4. 主轴组件典型结构主轴组件之三主轴组件之四43四、机床主传动系统设计4. 主轴组件典型结构主轴组件之五44五、技术设计技术设计阶段的主要任务是绘制部件装配图和进行零件 的计算和核算。这一阶段的工作较为复杂,绘图和计算工作需 交叉进行,反复修改,力求使零部件结构合理, 配置适当, 并能满足强度、刚度、寿命、工艺性及经济性等要求。 1. 绘制展开图及主轴零件图根据传动轴的轴间距离按传动顺序依次画出备轴线位置;按计 算的轴颈尺寸和工作要求选择合适的轴承以及布置各轴上的齿轮的 轴向位置;确定各轴的固定方法;轴承的调节;齿轮移动和固定方 式;绘制皮带轮、离合器、制动器及各零件的详细结构;并考虑润 滑方式及密封的结构等,最后绘出箱体、主轴零件图。45五、技术设计2.主要零件的计算和验算(1) 齿轮的强度计算: 选相同模数中受载载最大的、齿数最小的齿轮进行接触和弯曲 疲劳强度验算。 (2) 轴及主轴的验算: 对于传动轴要进行强度和刚度的验算。轴的刚度验算包括安 装滚动轴承处的倾角验算或齿轮的齿向交角的验算。如果是花键 轴还要进行键侧压溃应力计算。 对于普通车床和铣床的主轴,进行强度、刚度验算。46五、技术设计2.主要零件的计算和验算(3) 滚动轴承的验算: 机床中一般传动轴用的滚动轴承,主要是疲劳破坏,应进行 疲劳寿命验算。主轴轴承还需要时还要验算精度和刚度。 (4) 离合器、制动器等零件的计算和校核计算。3. 修改和加深装配图根据验算结果对装配草图进修修正,并完善装配图;按照制 图标准和标准件规定的绘制法加深装配图。图面应清晰,线条应 匀称,尺寸应正确,要包括配合尺寸、定位尺寸和部件外形尺寸 。最后,编排零件件号和制定整个部件的技术条件。47六、编制设计计算说明书编制设计计算说明书是对整个设计工作的整理和 总结。就设计资料而言,说明书则是一项重要的技术 文件。做到: 在设计过程中计算草稿要及时整理,需要说明的 内容要有条理地加以阐述。说明书除了必要的计算及 说明外,还应附有必要的插图或表格;引用的公式及 数据要注明资料的来源;文字力求通顺简炼,字迹工 整。48七、拟定设计题目49八、实例课题名: CA6140机床主轴箱的设计 作为主要的车削加工机床,CA6140机床广泛的应用于机械加 工行业中,本设计主要针对CA6140机床的主轴箱进行设计,设计 的内容主要有机床主要参数的确定,传动方案和传动系统图的拟 定,对主要零件 进行了计算和验算,利用三维画图软件进行了主 轴箱展开图的设计和处理。 关键词:CA6140机床 主轴箱 零件 传动 目 录 第一章 机床的规格和用途 第二章 机床主要参数的确定 第三章 传动放案和传动系统图的拟定 第四章 主要设计零件的计算和验算 第五章 结论 第六章 参考资料编目 50八、实例CA6140传动系统图51八、实例CA6140传动路线52八、实例CA6140主传动系统转速图53八、实例CA6140主轴箱图54八、实例CA6140主轴箱图55八、实例CA6140主轴箱展开图56八、实例CA6140主轴箱展开图57八、实例CA6140主轴零件图58八、实例铣床主轴零件图(SK40)59八、实例铣床主轴零件图(HSK)60八、实例HSK刀柄规格尺寸61The end!62