CA6140普通车床主轴变速箱设计及主轴箱设计说明书

目 录

1 绪论 (1)

1.1 课题 研究背景及选题意义 (1)

1.1.1 课题的背景 (1)

1.1.2 课题的目的 (1)

1.2 完成的内容 (1)

2 参数拟定 (3)

2.1 主电机动力参数的确定 (3)

2.2 运动设计 (3)

2.2.1 确定主轴极限转速 (3)

2.2.2 确定转速范围n R 定公比 确定主轴转速数例: (4)

3 传动设计 (5)

3.1 传动方案拟定 (5)

3.1.1传动组和传动副数的确定 (5)

3.2 传动结构式的选择 (5)

3.2.1 基本组和扩大组的确定 (5)

3.2.2 分配总降速比 (6)

3.3 带轮直径和齿轮齿数的确定及转速图拟定 (7)

3.3.1确定皮带轮动直径 (7)

3.3.2 确定齿轮齿数 (8)

3.3.3 画出转速图如下： (10)

3.3.4 验算转速误差 (10)

3.4 齿轮的计算转速的确定及传动系统的拟定的计算转速 (12)

3.4.1 确定各轴和齿轮 (12)

3.4.2 由转速图拟定传动系统图 (13)

4 传动件的估算和验算 (14)

4.1齿轮模数的估算和设计 (14)

4.1.1 计算各轴传动的功率 (14)

4.1.2 计算传动轴齿轮模数 (14)

4.1.3 计算各轴之间的中心距 (16)

4.2 三角带传动的计算 (17)

4.2.1计算皮带尺寸 (17)

4.3 传动轴的估算和齿轮尺寸的计算 (18)

4.3.1确定各轴的直径 (18)

4.3.2 计算各齿轮的尺寸 (18)

5 各部件结构设计 (21)

5.1 皮带轮及齿轮块设计 (21)

5.1.1 皮带及皮带轮的设计 (21)

5.1.2 齿轮及齿轮块设计 (21)

5.2 轴承的选择及箱体设计 (21)

5.2.1各轴承的选择 (21)

5.2.2 主轴及箱体设计 (21)

5.3 密封结构及润滑 (22)

6 主轴组件的验算 (23)

6.1验算主轴轴端的位移a y (23)

6.2 前轴承的转角及寿命的验算 (25)

6.2.1 验算前轴承处的转角Q (25)

6.2.2 验算前支系寿命 (25)

6.3 箱体设计 (26)

总结 (27)

致谢 (28)

摘要

本文用简明的语言有侧重的介绍了普通数控机床中CA6140主轴的设计改造过程，先通过研究背景及选题意义的介绍，来引出本设计的意义。然后分别从参数拟定、传动设计、传动件的估算和验算、各部件结构设计和主轴组件的验算5个部分来进行设计的。以齿轮、带轮、皮带轮、轴承、箱体等的参数设计为重点。关键词：数控；齿轮；结构设计；箱体

1 绪论

1.1 课题研究背景及选题意义

1.1.1 课题的背景

机床设计和制造的发展速度是很快的。由原先的只为满足加工成形而要求刀具与工件间的某些相对运动关系和零件的一定强度和刚度，发展至今日的高度科学技术成果综合应用的现代机床的设计，也包括计算机辅助设计（CAD）的应用。但目前机床主轴变速箱的设计还是以经验或类比为基础的传统（经验）设计方法。因此，探索科学理论的应用，科学地分析的处理经验，数据和资料，既能提高机床设计和制造水平，也将促进设计方法的现代化。

随着科学技术的不断发展，机械产品日趋精密、复杂，改型也日益频繁，对机床的性能、精度、自动化程度等提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程自动化是实现上述要求的重要技术措施之一，不仅能提高产品质量和生产率，降低生产成本，还能改善工人的劳动条件。为此，许多企采用自动机床、组合机床和专用机床组成自动或半自动生产线。但是，采用这种自动、高效的设备，需要很大的初期投资以及较长的生产准备周期，只有在大批量的生产条件（如汽车、拖拉机、家用电器等工业主要零件的生产）下、才会有显著的经济效益。

在机械制造工业中，单件、小批量生产的零件约占机械、加工的70%～80%。科学技术的进步和机械产品市场竞争的日益激烈，致使机械产品不改型、更新换代、批量相对减少，质量要求越来越高。采用专用的自动化机床加工这类零件就显得横不合理，而且调整或改装专用的“刚性”自动化生产线投资大、周期长，有时从技术上甚至是不可能实现的。采用各类仿型机床，虽然可以部分地解决小批量复杂的加工，但在更新零件时需制造靠模和调整机床，生产准备周期长，而且由于靠模误差的影响，加工零件的精度很难达到较高的要求。

为了解决上述问题，满足多品种、小批量，特别是结构复杂、精度要求高的零件的自动化生产，迫切需要一种灵活的、通用的、能够适于产品频繁变化“柔性”自动化机床。随着计算机科学技术的发展，1952年，美国帕森斯公司（Parsons）和麻省理工学院（MIT）合作，研制成功里世界上第一台以数字计算机为基础的数字控制（numerical control，简称NC）3坐标直线插补铣床，从而机械制造业进入了一个新阶段

同时，在设计中处处实际出发，分析和处理问题是至关重要的。从大处讲，联系实际是指在进行机床工艺可能性的分析。参数拟定和方案确定中，既要了解当今的先进生产水平和可能趋势。更应了解我国实际生产水平，使设计的机床，机器在四化建设中发挥最佳的效盖。从小处讲，指对设计的机床零部件的制造，装配和维修要进行认真的，切实的考虑和分析，综合思考的设计方法[1]。

1）计算机数控的概念

①数字控制的概念

GB 8129-1997中对NC的定义为：用数值数据的控制装置，在运行过程中不断地引入数值数据，从而对某一生产过程实现自控制，

②数控机床（NC machine tools）

若机床的操作命令以数值数据的形式描述，工作过程按照规定的程序自动地进行，则这种机床称为数控机床。

③数控系统

在数控机床行业中，数控系统是指计算机数字控制装置、可编程序控制器、进给驱动与主轴驱动装置等相关设备的总称。有时则指其中的计算机数字控制装置。为区别起见将其中的计算机数字控制装置称数控装置。

2）计算机数控的发展

从第一台数控机床问世至今的40多年中，随着微电子技术的不断发展，数控装置也在不断地更新换代，先后经历里电子管（1952年）、小规模集成电路（1965年）、大规模集成电路及小型计算机（1970年）和微处理计算机（1974年）等五代数控系统。

前三代数控装置属于采用专用控制计算机的硬接线（硬件）数控装置，一般称为NC数控装置。20世纪70年代初，随着计算机技术的发展，小型计算机的价格急剧下降，出现了采用小型计算机代替专用硬件控制计算机的第四代数控系统。这种数控系统不仅在经济上更为合算，而且许多功能可用编制的专用程序实现，并可将专用程序存储在小型计算机的存储器中，构成控制软件。这种数控系统称为计算机数控系统（computerized numerical control，即CNC）。自1974年开始，以微处理机为核心的数控装置（microcomputerized numerical control，即MNC）得到迅速的发展。CNC和MNC称为软接线（软件）数控系统。由于NC 硬件数控系统早已淘汰，而目前软件数控系统均采用MNC，因此将现代数控系统称为CNC。

3）我国数控机床现况

我国研究数控技术源于1958年，几十年来经过了发展、停滞、引进技术等几个阶段。1985年以后，我国的数控机床在引进、消化国外技术的基础上，进行了大量的开发工作。到1989年底，我国数控机床的可供品种已超过300种，一些较高档次的数控系统，如五轴联动的数控系统、分辨率为0.O2um的高精度车床用数控系统、数字仿真的数控系统、为柔性制造单元配套的数控系统，也陆续开发出来，并制造出了样机。我国数控系统在技术上已趋于成熟，在重大关键技术上(包括核心技术)，已达到国外先进水平。目前，已新开发出数控系统80种。自“七五”以来，国家一直把数控系统的发展作为重中之重来支持，现已开发出具有中国版权的数控系统，掌握了国外一直对我国封锁的一些关键技术。例如，曾长期困扰我国、并受到西方国家封锁的多坐标联动技术对我们已不再是难题，0.1 μm当量的超精密数控系统、数控仿形系统、非圆齿轮加工系统、高速进给数控系统、实时多任务操作系统都已研制成功。尤其是基于PC机的开放式

智能化数控系统，可实施多轴控制，具备联网进线等功能，既可作为独立产品，又是一代开放式的开发平台，为机床厂及软件开发商二次开发创造了条件。

我国数控机床市场广阔,自2003年开始，中国就成了全球最大的机床消费

国，也是世界上最大的数控机床进口国,虽然我们已经取得不可否认的成就, 但我国数控机床核心技术90%仍需进口, 我们只有紧跟先进技术进步的大方向，并不断创新，才能赶超世界先进水平。

1.1.2 课题的目的

机床设计是学生在学完基础课，技术基础课及专业课的基础上，结合机床主传动部件（主轴变速箱）设计计算进行集合训练。

1.掌握机床主传动部件设计过程和方法，包括参数拟定，传动设计，零件计

算，结构设计等，培养结构分析和设计的能力。

2.综合应用过去所学的理论知识，提高联系实际和综合分析的能力。

3.训练和提高设计的基本技能。如计算，制图，应用设计资料，标准和规范，编写技术文件等[1]。

1.2 完成的内容

机床设计是学生在学完基础课，技术基础课及有关专业课的基础上，结合机

床传动部件（主轴变速箱）设计进行的综合训练

1.参数拟定

根据机床类型，规格和其他特点，了解典型工艺的切削用量，结合世界条件

和情况，并与同类机床对比分析后确定：极限转速m ax n 和m in n ，公比 （或级数 Z ），主传动电机功率N 。

2.动设计

根据拟定的参数，通过结构网和转速图的分析，确定转动结构方案和转动系

统图，计算各转动副的传动比及齿轮的齿数，并验算主轴的转速误差。

3.动力计算和结构草图设计

估算齿输模数m 和直径d ，选择和计算反向离合器，制动器。

将各传动件及其它零件在展开图和剖面图上做初步的安排，布置和设计。

4.轴和轴承的验算

在结构草图的基础上，对一根传动轴的刚度（学时充裕时，也可以对该轴的

强度进行验算）和该轴系的轴承的寿命进行验算。

5.主轴变速箱装配设计

主轴变速箱装配图是以结构草图为“底稿”，进行设计和会制的。图上各零

件要表达清楚，并标注尺寸和配合。

6.设计计算说明书

应包括参数，运动设计的分析和拟定，轴和轴承的验算等，此外，还应对重

要结构的选择和分析做必要的说明。

2 参数拟定

机床（机器）设计的初始，首先需要确定有关参数，他们是传动设计和机构

设计的依据，影响到产品是否能满足所需要的功能要求。因此，参数拟定是机床设计中的重要环节[2]。

2.1 主电机动力参数的确定

根据估算法来确定主电机功率

已知给出C Ａ6140普通车床由推存数据可知 ：切深)(t p a mm 为3.5

进给量f(s)mm/s 为0.35

切削速度为90r/min

功率估算法的计算公式.

1.主切削力 z F =1900a P f 0.75N=1900?3.5?0.350.75=3026.06N

2.切削功率 N 切=

61200Z F ?kw =612009006.3026?=4.45Kw 3.估算重电机功率 N=0.8

N ηN =切

切总kw =w K =56.58.045.4 N 值为5.56kW 按我国生产的电机在Y 系列的额定功率选取如下；

同步转速1500n/min

轴径mm 电机型号 额定功率kw 满载转速n/min

38mm Y132S-4 5.5 1440

2.2 运动设计

2.2.1 确定主轴极限转速：

计算车床主轴极限转速是加工直径，按经验分别取（0.1～0.2）D 和（0.45～

0.5）D 。主轴极限转速应为： max n D

π?)2.0~1.0(1000max =1400n/min

min n =()D

π?5.0~45.01000min =31.5n/min 在min n 中考虑车螺纹和较孔时，其加工最大直径应根据实际加工情况选取0.1D 和50mm 左右。

最后确定min max n n ，时，还应与同类型车床进行对比。

2.2.2 确定转速范围n R 定公比?确定主轴转速数例:

转速范围: 5.311400min max ==

n n R n =44.44 41.144.44111121====--n Z n R R ?

由n R =44.44， ? =1.41标准数列表给出了以 ? =1.066的从1～10000的数值，因? =1.41=1.066，从表中找到max n =1400，每隔5个数值取出一个数，得：

1400，1000，710，500，355，250，180，125，90，63，45，31.5共12级.

3 传动设计

3.1 传动方案拟定

拟定传动链的基本原则，就是以最经济的办法满足对机床既定的要求。可

以满足同样要求的方案可能有很多，在进行传动链的可能分析时，应根据经济合理的原则，选出最好的方案。转速图有助于各种方案比较，并为进一步确定传动系统图提供方便。拟定主运动转速图应按下列步聚进行。

拟定传动方案，包括传动型式的选择以及开停，换向，制动，操纵等整个传

动系统的确定。传动型式则指传动和变速的元件，机构以及其组成，安排不同特点的传动形式，变速类型。

传动方案和形式与结构的复杂程度密切相关，和工作性能也有关。因此，确

定传动方案和形式，要从结构，工艺，性能及经济性等多方面统一考虑。

传动方案有多种，传动型式更是式样众多，比如：传动型式上有集中传动的

主轴变速箱，分离传动的主轴箱与变速箱；扩大变速范围可以用增加传动组数，也可用齿轮结构，分支传动等型式；变速型式上既可用多速电机，也可用交换齿轮，滑移齿轮，公用齿轮等。