JCS-013型自动换刀数控卧室镗铣床主轴箱设计(机械CAD图纸)

本科毕业设计(论文)

题目：JCS-013型自动换刀数控卧室镗铣床

主轴箱设计

系别：机电信息系

专业：机械设计制造及其自动化

班级：

学生：

学号：

指导教师：

2013年05月

摘要

机械行业是运用数控机床最多的，很多企业为了提高自己的生产效率，常常会对机床内部结构进行多方面的改造。社会主义市场经济的发展为我国工业生产创造了条件，在现代一体化生产模式中运用了很多先进的设备。对于数控机床而言，主轴箱是其最为核心的组织结构，整个主轴箱影响着数控机床的变速情况。大部分制造企业在实行技术改造时把重点放在了主轴箱变速器上，这是调整机床运行速度的重点。在设计过程中必须要对主轴箱的每个部件加以控制，这样才能确保数控机床主轴变速性能的良好。

本文对主轴箱变速操纵机构的工作原理进行结构设计和计算分析，利用两个液压油缸，经拨叉带动双联滑移齿轮移动到需要的多个位置。

关键字：数控机床；主轴箱；结构；设计

Abstract

Machinery industry is the use of CNC machine tools the most, a lot of enterprises to improve their production efficiency, often transform many aspects of the internal structure of machine tool. The society pays attention to the development of the market economy to create the conditions for the industrial production of our country, a lot of advanced equipment for use in the integration of modern production mode. For NC machine tool, the spindle box is the most core structure, the spindle box of CNC machine tool gear case. Most of the manufacturing enterprises in the implementation of technical transformation to focus on the main spindle box transmission, which is the key to adjust the machine running speed. In the design process must each component of the headstock to control, so as to ensure the good performance of NC machine tool spindle speed.

In this pear, the working principle of the headstock gear control mechanism on the analysis of the structure design and calculation, using two hydraulic oil cylinders, the shifting fork drives a sliding duplex gear moving to a plurality of positions need.

Key Words:CNC machine; machine head; structure; design

目录

1绪论 (1)

1.1数控镗铣床的结构组成 (1)

1.2我国卧式镗铣床的发展 (2)

1.2.1我国卧式镗铣床的发展历史 (2)

1.2.2我国卧式镗铣床的发展趋势 (2)

2数控卧式镗铣床变速操纵机构设计 (4)

2.1主轴箱变速操纵机构工作原理 (4)

2.2主轴箱变速操纵机构中传动轴的安装 (5)

2.3齿轮在轴上的布置和排列 (5)

2.4 相啮合齿轮的宽度 (6)

3主传动系统的设计计算 (7)

3.1电动的选取 (7)

3.1.1选择电动机的类型 (7)

3.1.2转速及功率的确定 (7)

3.1.3联轴器的选择 (7)

3.1.4选定各齿轮齿数 (7)

3.1.5转速的计算 (7)

3.1.6各轴功率及转矩的计算 (8)

3.2齿轮的设计 (8)

3.2.1确定齿轮齿数的原则和要求 (8)

3.2.2齿轮传动设计参数的选择 (8)

3.2.3齿轮的结构设计计算 (9)

3.3轴的设计 (12)

3.3.1轴的结构设计 (12)

3.3.2轴上作用力的计算 (14)

3.3.3轴的结构设计 (14)

3.3.4键的选取 (16)

3.3.5 轴的受力分析 (16)

3.3.6校核轴的强度 (17)

3.3.7校核键连接的强度 (18)

3.3.8校核轴承寿命 (18)

4箱体的设计 (20)

5传动系统的润滑 (21)

总结 (22)

参考文献 (23)

致谢 (24)

毕业设计（论文）知识产权声明...................... 错误！未定义书签。毕业设计（论文）独创性声明.. (25)

1绪论

在车床、镗床、铣床、插、拉床、磨床、数控加工中心、齿轮加工中心、切断机床、特种加工机床、组合机床、柔性制造系统等众多机械加工设备中，镗铣床加工特点：加工过程中工件不动，让刀具移动，并使刀具转动（主运动），在实践中具有“万能机床”的称号[1,2]。

镗铣床主要是刀具在工件上加工已有预制孔的机床。通常，刀具旋转为主运动，刀具或工件的移动为进给运动。它主要是用来加工高精度孔或一次定位完成多个孔的精加工，此外还可以从事与孔精加工有关的其他加工面的加工[3]。1.1数控镗铣床的结构组成

如图1.1所示，数控机床主要由机床本体、自动换刀装置、数控转台、液压油箱、数控电柜、主轴驱动调速控制柜、机床电气柜、主轴箱润滑冷却用自动油温调节器和空气干燥器等组成。

1-电动机2-换刀机械手3-数控柜4-刀库5-主轴箱6-操作面板7-电源柜8-工作台

9-滑座10-床身

图1.1数控机床示意图

a. 机床本体。机床的本体是用来支撑机床的工作已达到加工生产目的。主要由床身和立柱组成。

b. 主轴结构。主轴部件既要满足精加工精度较高的要求，又要满足粗加工时高效切削的能力。因此在旋转精度、刚度、抗振性和热变形等方面，都有很高的要求。在布局结构方面，对于具有自动换刀功能的数控镗铣床，其主轴部件除主轴、主轴轴承和传动件等一般组成部分外，还有道具自动加紧、主轴自动准停和主轴装刀口吹净等装置。

c. 数控转台。数控转台可以进行任意角度定位，它的功能有两个：一是使工作台进行圆周进给运动，二是使工作台进行分度运动。

d. 换刀装置。数控镗铣床为了能在工件一次装夹中完成多种甚至所有加工工序，以缩减辅助时间和减少多次安装工件所引起的误差，必须具有自动换刀装置。其主要有刀库、横梁升降机构、滑座伸缩机构、手架回转机构、装刀手和卸刀手组成。

e. 机床导轨。导轨主要用来支撑和引导运动部件沿一定的轨道运动。在导轨副中，运动的一方叫运动导轨，不运动的一方叫支撑导轨。运动导轨相对于支撑导轨的运动，通常是直线运动或回转运动。

1.2我国卧式镗铣床的发展

1.2.1我国卧式镗铣床的发展历史

我国卧式镗床生产是在1954年由仿制开始的。目前已有13个省、一个自治区、三个直辖市的二十六个厂，卧式镗床的年产量到1971年，已经超过一千台。卧式镗床的品种，第一个五年计划期间，只能生产主轴直径85毫米的卧式镗床，现在已经能生产主轴直径63、85、125、150等毫米的卧式镗床及主轴直径110mm 的加大主轴直径和移动式镗床。从只能根据国外图纸生产单一产品，发展到自行设计试制并采用一定先进技术的多种产品。在无产阶级大革命中，就有17个厂先后设计试制了三十一种卧式镗床。其中直径63mm的有五种；直径125mm的有一种；无伸缩主轴简易卧式镗床有两种；直径160mm落地镗床有两种，直径200mm的有一种，直径250mm的有一种。

1.2.2我国卧式镗铣床的发展趋势

图1.2 卧式数控镗铣床实物图

当代卧式镗铣床与落地式镗铣床技术发展非常快，如图1.2所示，主要体现在设计理念的更新和机床运行速度及制造工艺水平有很大的提高，另一方面是机床结构变化大，新技术的应用层出不穷[4,5]。卧式镗铣床的结构向高速电主轴方向发展，落地式镗铣床向滑枕式(无镗轴)结构方向发展，功能附件呈高速、多轴联动、结构型式多样化的发展态势，这将是今后一个时期技术发展的新趋势[6-8]。

2数控卧式镗铣床变速操纵机构设计

2.1主轴箱变速操纵机构工作原理

主轴箱中有主轴、变速机构，操纵系统和润滑系统等。如果主轴箱与变速机构分离，则除主轴箱外还有变速箱。主轴箱除应保证运动参数外，还应具有较高的传动效率，传动件具有足够的强度或刚度，噪声要低，振动要小，操纵方便，具有良好的工艺性，便于检修，成本低，防尘，防漏，外型美观等。

如图2.1和图2.2所示,主轴箱中采用两个液压缸，经拨叉带动两个双联滑移齿轮移动而实现主轴变速。上油缸使拨叉拨动轴右边双联滑移齿轮变速：油缸和组成的差动油缸，可以使轴左边的双联滑移齿轮获得二个位置。即当油缸2进压力油油缸4回压力油时，活塞杆被推向右边，活塞杆用拨叉拨动轴上的双联滑移齿轮到左边位置；当油缸4进压力油2油缸回压力油时，拨叉拨动双联滑移齿轮移动到左边位置。图2.1和图2.2[9,10]两个图合起来反映了变速操纵机构中几个液压缸的位置及其双联滑移齿轮变速的关系。

图2.1 主轴箱变速操纵机构（a）

1-活塞杆2-油缸3-行程开关4-油缸5-管接头

图2.2 主轴箱变速操纵机构（b）

2.2主轴箱变速操纵机构中传动轴的安装

传动轴的轴承以深沟球轴承为主，也可用圆锥滚子轴承。前者噪声小、发热小，应用较多，后者装配方便承载能力较大，还可以承受轴向载荷，因而也有采用的，载荷较大的地方还可以采用圆柱滚子轴承[11,12]。

2.3齿轮在轴上的布置和排列

在变速传动组内应尽量使较小的齿轮成为滑移齿轮，使滑移省力。滑移齿轮必须使原出于啮合状态的齿轮完全脱开后，另一个齿轮才开始啮合。因此，双联

滑移齿轮传动组占用的轴向长度为B>4b[13],如图2.3所示

图2.3双联滑移齿轮轴向长度

2.4相啮合齿轮的宽度

在一般情况下，一对相啮合的齿轮，宽度应该是相同的，但是，考虑到操纵机构的定位不可能很精准，拨叉也存在着误差和磨损，使用时往往会发生错位。这时只有部分齿宽参与工作，会使齿轮局部磨损，降低寿命。如果轴向尺寸并不要求很紧凑，可以使小齿轮比相啮合的大齿轮宽2—5mm.带来的缺点是轴向尺寸将有所增加[14]。

3主传动系统的设计计算

3.1电动的选取

3.1.1选择电动机的类型

根据用途选用Y系列一般用途的全封闭自冷式三相异步电动机，三相异步电动机的结构简单、价格低廉、维护方便，可直接接于三相交流电网中，在工业上用途最为广泛，具有效率高、性能好、噪声低、振动小等优点，适用于不易燃、不易爆、无腐蚀性气体和无特殊要求的机械上，如金属切屑机床。

3.1.2转速及功率的确定

初步选定电动机功率为7.5kW。一般市场上最常用、供应最多的是同步转速为1500r/min和1000r/min的电动机，无特殊需求不选用3000r/min和750r/min 的电动机，因此选择同步转速为1500r/min的电动机，其满载转速为1440r/min,且型号为Y132M-4。

3.1.3联轴器的选择

联轴器的选择应由工作要求决定。由于输入轴与电动机轴直接相连，并且转速高，转矩小，所以选用弹性套柱销联轴器。其型号为LT6(GB/T 4323-2002) 3.1.4选定各齿轮齿数

表3.1所示为确定的各齿轮的齿数

表3.1各齿轮选定的齿数

编

齿轮1齿轮2齿轮3齿轮4齿轮5齿轮6齿轮7齿轮8齿轮9齿轮10号

齿

27 45 23 38 67 52 53 22 35 60

数Z

3.1.5转速的计算

在初步确定齿轮的齿数的情况下，计算主轴的转速。齿轮5、6和齿轮7、8为两个双连齿轮并安装在同一根轴上，齿轮2、3、4安装在另一根轴上，齿轮9和齿轮10安装在主轴上。从电动机输出，经过齿轮传动到主轴有4种转速，分别为：230r/min、950r/min、110r/min、450r/min。轴1的转速是由电动直接输出的，所以转速为1440r/min,轴2和轴3的转速是由齿轮传递的，所以轴2的转速

为1440?27/45=864r/min ，轴3的转速有两种分别为864?38/52=631.38r/mi n 和864?23/67=296.6r/min 。

3.1.6 各轴功率及转矩的计算

a . 功率的计算

轴1功率为P 1=7500?0.99?0.99=7350.75W ；

轴2功率为P 2=P 1?0.97?0.99=7056W ；

轴3功率为P 3=P 2?0.97?0.99=6779W ；

主轴功率为P 0=P 3?0.97?0.99=6510W 。

b . 转矩的计算

轴1的转矩为：1117350.759549954948.71440

P T N m n =?=?=?； 轴2的转矩为: 22270659549954977.98864P T N m n =?

=?=?； 轴3有转矩有两种，分别为102.53N m ?和218.25N m ?；

主轴有四种转矩，分别为270.28N m ?、65.44N m ?、565.13N m ?、138.14N m ?。

3.2 齿轮的设计

3.2.1 确定齿轮齿数的原则和要求

齿轮齿数确定的原则是使齿轮结构紧凑，主轴转速误差小。具体要求如下： a . 齿轮的齿数不应过大；

b . 最小齿轮的齿数要求尽可能小，对于圆柱齿轮最小齿数min 17Z ≥；

c . 受结构限制的最小齿轮的各齿轮（尤其是最小齿轮），应可靠的装到轴上或进行套装，齿轮的齿槽到孔壁或键槽的壁厚大于等于2mm ，以保证有足够的强度，避免出现变形、断裂。

3.2.2 齿轮传动设计参数的选择

a . 压力角α的选择

我国对一般用途的齿轮传动规定的标准压力角为α=20o ，本次设计中，一对啮合直齿圆柱齿轮的压力角均取α=20o 。

b . 齿数的选择

保持中心距a 不变的情况下，增加齿数，除能增加重合度，改善传动平稳外，还可以减小模数，降低齿高，因而减少金属切削量，节省制造费用。

闭式齿轮传动一般转速较高，为了提高传动的平稳性，较少冲击振动，以齿

数多一些为好，小齿轮的齿数可以是20—40，小齿轮确定后，按齿数比μ=Z 2/Z 1,确定大齿轮的齿数。为了使各个相啮合的齿轮相对磨损均匀，传动平稳，Z 1和Z 2一般互为质数。

3.2.3 齿轮的结构设计计算

由于此次设计中涉及的齿轮过多，因此这里对齿轮1做详细设计分析。 a . 选定齿轮类型、精度等级

选用直齿圆柱齿轮传动。由于是金属切屑机床，转速较高，故选用8级精度（GB 10095-88）。

b . 选择材料

由表查得选择小齿轮材料为40Cr （调质处理），硬度为280HBS ，大齿轮材料为45钢（调质处理），硬度为240HBS ，二者材料硬度差为40HBS 。

c . 按齿面接触强度设计

由设计计算公式进行试算，即

1t d ≥ （3.1） 确定公式内的各计算数值

试选载荷系数K t =1.3；

计算小齿轮传递的转矩

41117350.7595499549 4.9101440

P T N mm n ==?=?? 选取齿宽系数Φd =0.2； 由表查得材料的弹性影响系数12189.8E Z MPa =

按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳极限σHlim1=600MPa ,大齿轮的接触疲劳极限为σHlim2=550MPa 。

计算应力循环次数

假定该机床可使用20年，每年按300天计算，则应力循环次数为

N 1=60n 1jL h =60?1440?1? (2?8?300?20)=8.3?109

N 2=60n 2jL h =60?864?1? (2?8?300?20)= 5.0?109

取接触疲劳寿命系数K HN1=0.90，K HN2=0.95。

计算接触疲劳许用应力

取失效概率为1%，安全系数s=1。由下式得：

[]1lim110.96005401

HN H H K MPa s σσ?===