立式铣床主传动系统设计说明书概诉

陕西理工学院

课程设计(论文)

立式铣床主传动系统设计

所在学院机械工程学院

专业机械设计制造及其自动化班级机自专升本1401

姓名严奕飞

学号1415092025

指导老师王燕燕

2016年 1 月 5 日

摘要

主传动系统设计是机床设计中非常重要的组成部分，本次设计主要由机床的级数入手，于结构式、结构网拟定，再到齿轮和轴的设计，再选择各种主传动配合件，对轴和齿轮及配合件进行校核，将主传动方案“结构化”，设计主轴变速箱装配图及零件图，侧重进行传动轴组件、主轴组件、变速机构、箱体、润滑与密封、传动轴及滑移齿轮零件的设计，完成设计任务。

本次突出了结构设计的要求，在保证机床的基本要求下，根据机床设计的原则，拟定机构式和结构网，对机床的机构进行精简，力求降低生产成本；主轴和齿轮设计在满足强度需要的同时，材料的选择也是采用折中的原则，没有选择过高强度的材料从而造成浪费。

【关键词】铣床、主传动系统、结构式、电动机。

Abstract

Main drive system design is Very important part of the Machine Design,The design of the series to start primarily by machine,In the structure, the structure network developed, to the design of gears and shafts,Choose a variety of main drive with the pieces of the shaft and gear, and checked with the parts ，design and motive of completion sport spread the lord to move the project"the structure turn" , Design a principal axis to become soon a box assemble diagram and spare parts diagram and lay particular emphasis on to carry on spread to move stalk module, principal axis module and become soon organization, box a body, lubricate and seal completely, spread to move stalk and slippery move wheel gear spare parts of design to complete design tasks.

This highlights the structural design requirements,under the basic requirements for ensuring the machine ,According to the principles of machine tool design,Development of institutional and structural net,Streamlining of the machine tool sector,Strive to reduce production costs,No choice of materials resulting in high strength waste.

【Keywords】lather, Main drive system,Structure , Electric motor.

目录

摘要 (2)

绪论 (5)

1.主轴极限转速的确定 (6)

2. 主动参数的拟定 (7)

2.1确定传动公比 (7)

2.2主电动机的选择 (7)

3.普通铣床的规格 (8)

4.转速图的拟定 (9)

4.1确定变速组及各变速组中变速副的数目 (9)

4.2结构式基本组和扩大组的拟定 (10)

4.3结构网的拟定和结构式 (11)

4.4各变速组的变速范围及极限传动比 (12)

4.5确定各轴的转速 (12)

4.6绘制转速图 (14)

4.7确定各变速组变速副齿数 (14)

5.传动件的设计 (17)

5.1带轮的设计 (17)

5.2传动轴的直径估算 (20)

5.3确定各轴转速 (20)

5.4传动轴直径的估算：确定各轴最小直径 (21)

5.5键的选择、传动轴、键的校核 (22)

6.各变速组齿轮模数的确定和校核 (24)

7.齿轮校验 (28)

7.1校核a 组齿轮 (28)

7.2 校核b 组齿轮 (29)

8.主轴组件设计 (31)

8.1主轴的基本尺寸确定 (32)

8.1.1外径尺寸D (32)

8.1.2主轴孔径d (32)

8.1.3主轴悬伸量a (33)

8.1.4支撑跨距L (33)

8.1.5主轴最佳跨距0L 的确定 (34)

8.2主轴刚度验算 (36)

8.3各轴轴承的选用的型号 (38)

小 结 (38)

参考文献 (1)

绪论

机床主传动系统因机床的类型、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。

本文设计的为普通铣床的传动系统，根据不同的加工条件，对传动系统的要求也不尽相同，依据某些典型工艺和加工对象，兼顾其他的可能工艺加工的要求，拟定机床技术参数，拟定参数时，要考虑机床发展趋势和同国内外同类机床的对比，从而获得最优的参数，使机床设计的最为合理。

本文从开始到结束的流程如下：

1）查阅资料，拟定计划；

2）拟定传动结构，绘制草图；

4）设计传动件和零件；

5）校核零件、组件；

6）绘图，编写论文说明书。

1.主轴极限转速的确定

确定主轴的最高转速和最低转速，应该在分析所设计机床几种典型加工方式的切削用量和参考现有同类型机床的技术性能的基础上，并按照“技术上先进，经济上合理”的原则进行。

由于通用性机床加工对象很广，不同工序所采用的切削用量相差悬殊，而且加工零件的尺寸变换也很大，所以要合理地确定其极限转速是一个复杂的任务，必须对有关加工工序和切削用量进行分析，在分析切削用量的过程中，应特别注意下列几点：

1.考虑先进加工方法，但所选的切削用量不应该是个别记录，而应该具有普遍性。

2.应考虑刀具材料的发展趋势。例如普通车到在大多数情况下已经采用硬质合金，目前陶瓷刀具也已开始应用等情况。

3.最高和最低转速不能仅用计算方法来确定。还应该和先进的同类机床比较，因为过大的转速范围不仅不能充分发挥其性能，而且还可能使结构无法实现。在传动系统拟定好以后，验算各主要传动件的最大圆周速度应不超过允许值。 主轴最高和最低转速可按下列计算：

max n =

min max 1000d v π min n =

max

min 1000d v π 其中：

max n 、min n ——主轴最高、最低转速（m/min ）；

max v 、min v ——典型工序的最大、最小切削速度（m/min ）；

max d 、m in d ——最大、最小计算直径。 根据切《削用量那个手册》 普通铣床采用最大速度max v 的典型工序一般为用硬质合金车刀精车或半精车钢质轴类工件的外圆，取max v =200r/min 。 采用最小速度min v 的典型工序又以下几种情况：

1.在低速光车，要求获得粗糙度小于R3.2μm ；

2.精铰孔；

3.加工各种螺纹及多头螺纹；

一般取计算直径： max d =0.5D=0.5ｘ320=160mm

m in d =(0.2~0.25)max d =0.2ｘ160=32mm

故 max n =min max 1000d v π=32

2001000??π=1990 r/min ，取max n =2000 r/min ； min n =max min 1000d v π=160

251000??π=49.65 r/min ，取min n =40 r/min ； 与本次设计给定的参数相差不大，取计算值。

2. 主动参数的拟定

2.1确定传动公比?

根据《机械制造装备设计》公式（3-2）因为已知

1-=z n R ?

∴ Z=?

lg lg n R +1 ∴?=)1(-Z n R =174.44=1.26

根据《机械制造装备设计》和《金属切削机床手册》标准公比?，对于通用机床，为了转速损失不大，机床结构不过于复杂，一般取?=1.26或1.41，这里我们取标准公比系列?=1.41。

因为?=1.26=1.06 ，根据《机械制造装备设计》77

P 表3-6标准数列。首先找到最小极限转速40，再每跳过3个数（1.26～1.06

）取一个转速，即可得到公比为1.26的数列：40、50、63、80、100、125、160、200、250、315、400、500、630、800、1000、1250、1600、2000。

2.2主电动机的选择

合理的确定电机功率P ，使机床既能充分发挥其使用性能，满足生产需要，又不致使电机经常轻载而降低功率因素。

机床功率的计算，

主切削力的计算：主切削力的计算公式及有关参数：

44

K W n q d z

X Fz F f u F F a f a C e yp Z p FZ )60(81.90????=

式中C —系数，其值取决于切削条件和工件材料，当工件为碳钢时，查手册可知取

65=FZ C ，mm a e 4= ；Z f ：每齿进给量，取 mm f Z 1.0= ；p a ：背吃刀量，取30=p

a ；z ：铣刀齿数，取z=4; 0d 铣刀直径，取mm d 400=：n ：铣刀转速，取80r/min

其中：F X F Y F a 及F w 为0均为各个参数的指数。在确定系数时按实际加工过程中平均铣削条件选择，由已知可取71.079.063.09.00=====F F F F F q u y X w 加工碳钢时，

Mpa b 637=σ，其修正系数FC K 由手册查得：kw p P kw V F P N F K c Z C Z b FC 03.7921.460000

5.2729,1]673

[3.0=======η

σ

根据Y 系列三相异步电动机的技术数据,Y 系列三相异步电动机为一般用途全封闭自扇冷式笼型异步电动机，具有防尘埃、铁屑或其他杂物侵入电动机内部的特点，B 级绝缘，工业环境温度不超过+40℃，相对湿度不超过95%，海拔高度不超过1000m ，额定电压380V ，频率50Hz 。适用于无特殊要求的机械上，如机床，泵，风机，搅拌机，运输机，农业机械等。

根据以上计算，为满足转速和功率要求，选择Y 系列三相异步电动机型号为：Y132M-4,其技术参数见下表3-1.

表3-1 Y132M-4型电动机技术数据 电动机型

号

额定功率/KW 满载转速/rmp 额定转矩/N.m 最大转矩

/N.m Y132M-4 7.5 1440 2.2 2.3 3.普通铣床的规格

根据以上的计算和设计任务书可得到本次设计铣床的基本参数：

铣床的主参数（规格尺寸）和基本参数表

工件最大回转直径 max D (mm)

最高转速 max n (min r ) 最低转速 min n (min r ) 电机功率 P （kW ） 公比? 转速级数

Z 320 2000 40

7.5 1.26 18

4.转速图的拟定

拟定变速方案，包括变速型式的选择以及开停、换向、制动、操纵等整个变速系统的确定。变速型式则指变速和变速的元件、机构以及组成、安排不同特点的变速型式、变速类型。

变速方案和型式与结构的复杂程度密切相关，和工作性能也有关系。因此，确定变速方案和型式，要从结构、工艺、性能及经济等多方面统一考虑。

变速方案有多种，变速型式更是众多，比如：变速型式上有集中变速，分离变速；扩大变速范围可用增加变速组数，也可采用背轮结构、分支变速等型式；变速箱上既可用多速电机，也可用交换齿轮、滑移齿轮、公用齿轮等。 显然，可能的方案有很多，优化的方案也因条件而异。

4.1确定变速组及各变速组中变速副的数目

机床主参数：机床的主轴转速范围为40～2000转/分，转速级数Z=18，公比?=1.26，电动机的转速n 0

=1440转/分。 级数为Z 的变速系统由若干个顺序的变速组组成，各变速组分别有1Z 、2Z ……个变速副。即 321Z Z Z Z =

由于结构上的限制，变速组中的传动副数目通常选用2或3为宜，故其结构式为：Z=2n ×3m .对于18级传动，其结构式可为以下三种形式：

18=3×3×2；18=3×2×3；18=2×3×3；

在电动机功率一定的情况下，所需传递的转矩越小，传动件和传动轴的集合尺寸就越小。因此，从传动顺序来讲，尽量使前面的传动件多以些，即前多后少原则。故本设计采用结构式为：18=3×3×2。

从轴I 到轴II 有三队齿轮分别啮合，可得到三种不同的传动速度；从轴II 到轴III 有三对齿轮分别啮合，可得到三种不同的传动速度，故从轴I 到轴III 可得到3×3=9种不同的传动速度；同理，轴III 到轴IV 有两对齿轮分别啮合，可得到两种不同的传动速度，故从轴I 到轴IV 共可得到3×3×2=18种不同的传动转速。

设计铣床主变速传动系时，为避免从动齿轮尺寸过大而增加箱体的径向尺寸，在降速变速中，一般限制限制最小变速比

41min ≥u ；为避免扩大传动误差，减少震动噪声，在升速时一般限制最大转速比2max ≤u 。斜齿圆柱齿轮传动较平稳，可取5.2max ≤u 。因此在主变速链任一变速组的最大变速范围())10~8(25.0)5.2~2(min max max ≤≤=u u R 。在设计时必须保证中间变速轴的变速范围最小。

4.2结构式基本组和扩大组的拟定

（1）绘制常规的转速图时，要注意，为了结构紧凑，减小振动和噪声，通常限制：a：最小传动比Imin>=1/4;

b：最小传动比Imax<=2(斜齿轮<=2.5);所以，在一个变速组中，变速范围要小于等于8，对应本次设计，转速图中，一个轴上的传动副间最大不能相差6格。

c：前缓后急原则；即传动在前的传动组，其降速比小，而在后的传动组，其降速比大。

（2）但在绘制铣床转速图时，要注意，由错误！未找到引用源。=2000r/min，错误！未找到引用源。=40r/min，Z=18.确定的各级转速为：40、50、63、80、

100、125、160、200、250、315、400、500、630、800、1000、1250、1600、2000，是非常规的转速数列，故在绘制它的转速图线时，先要确定其主传动系统结构。

X5132型精密铣床采用分离式传动，即变速箱和主轴箱分离。III，IV轴为皮带传动。在主轴箱的传动中采用了背轮机构，解决了传动比不能过大（受极限传动比限制）的问题。

(3)绘制转速图

a.选择Y100L1-4型Y系列笼式三相异步电动机。

b.分配总降速变速比

总降速变速比错误！未找到引用源。

又电动机转速错误！未找到引用源。,不符合转速数列标准，因而增加一定比变速副。

c.确定变速轴轴数

变速轴轴数 = 变速组数 + 3（背轮机构） = 3 +3= 6

d.绘制转速图

在五根轴中，按变速顺序依次设为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ（背轮机构）、Ⅴ（主轴）。Ⅰ与Ⅱ、Ⅱ与Ⅲ、Ⅲ与Ⅳ、Ⅳ和Ⅴ轴之间的变速组分别设为a、b、c、d. Ⅴ（主轴）开始，确定Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的转速：

①先来确定背轮机构的公比

变速组d 的变速范围为错误！未找到引用源。=8，构式，

采用背轮机构，则其公比为：错误！未找到引用源。=1

错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。

错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。

②确定轴Ⅲ的公比

变速组c采用皮带传动降速，可取

错误！未找到引用源。

③确定轴Ⅱ的公比

为了扩大变速范围，变速组b是基本组，并采用混合公比，使用三联滑移齿轮，可取

错误！未找到引用源。

错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。

错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。

④确定轴Ⅰ的转速

对于变速组a,是第一扩大组错误！未找到引用源。，其级比指数为3,可取

错误！未找到引用源。

错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。

错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。

由此也可确定加在电动机与主轴之间的定变速比错误！未找到引用源。。下面画出转速图（电动机转速与主轴最高转速相近）。精密铣床（18级转速，混合公比）采用了背轮机构后的转速图

4.3结构网的拟定和结构式

结构网和结构式可以用来分析和比较机床传动系统的方案。结构网与速图的主要差别是：结构网只表示传动比的相对关系，而不表示传动比和转速的绝对值，而且结构网上代表传动比的射线对成分布。根据中间变速轴变速范围小的原则选择结构网。结构网可表示成结构式：

式中18表示转速级数；3，3，2分别表示个转速组的传动副数，角标中1，3，9，则分别表示个变速组中相邻传动比的比值关系，即变速组级比指数。

由系统的组成可以得出，主轴得到Z=3×3×2=18种公比为?的等比数列的转速；各变速组的传动副数即：0P =3，1P =3，2P =2；各变速组之间相邻传动比

之间的关系，即：?、3?、9?，各变速组的范围即0r =2?、1r =6?、2r =

4.4各变速组的变速范围及极限传动比

传动副的极限传动比和传动组的极限变速范围：在降速传动时，为防止被动齿轮的直径过大而使进径向尺寸过大，常限制最小传动比，min i ≥1/4，升速传动时，为防止产生过大的振动和噪音，常限制最大传动比2max ≤i ，斜齿轮比较平稳，可取5.2max ≤i ，故变速组的最大变速范围为=max R max i /min i ≤8～10。 主轴的变速范围应等于住变速传动系中各个变速组变速范围的乘积，即：

i n R R R R R 210=

检查变速组的变速范围是否超过极限值时，只需检查最后一个扩大组。因为其他变速组的变速范围都比最后扩大组的小，只要最后扩大组的变速范围不超过极限值，其他变速组就不会超过极限值。

9

1323318??=Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ

所以对 93123318??= 进行验算：

Z=18，?=1.26.

2r =826.199)12(33====-??x ≤8～10，符合要求.

4.5确定各轴的转速

机床的主轴转速范围为40～2000转/分，转速级数Z=18，公比?=1.26，电动机的转速

n 0

=1440转/分。

确定变速组的数目

大多数机床采用滑移齿轮的变速方式为满足结构设计和方便的要求，通常都采用双联和三联齿轮，因此18级级转速需要三个变速组，即Z=18=3×3×2 ②确定变速轴轴数

变速轴轴数 = 变速组数 + 定比变速副数 + 1 = 3 + 1 + 1 = 5。

① 在五个变速轴中，按变速顺序依次设为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ（主轴）。Ⅱ与Ⅲ、Ⅲ与Ⅳ、Ⅳ与Ⅴ轴之间的变速组分别设为a 、b 、c 。现由Ⅴ（主轴）开始，确定Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ轴的转速。

⑴先来确定Ⅳ轴的转速

变速组c 的变速范围为降速比为426.166==?，升速比226.133==?为故两个传动副的传动比必然是两个极限值：61141?==C i 、11232?==C i 结合结构式， Ⅳ轴的转速只有一种可能：160、200、250、315、400、500、630、800、1000。 ⑵确定轴Ⅲ的转速

变速组b 的级比指数为3，希望中间轴转速较小，又不致变速比太小，由此

可见变速组ｂ中的三个传动比之间相差均为三格，即相差为3?倍关系，通过这

三个传动比使Ⅳ轴得到9种连续等比数列的转速（180～1000）即从Ⅲ轴上的三种转速扩大到Ⅳ轴上9种转速，故可取

44126.111

==?b i 、 26.1112==?b i 、22326.1==?b i 轴Ⅱ的转速确定为：630、500、1000。

⑶定轴Ⅱ的转速

对于轴Ⅱ，其级比指数为1,可取：

1a i =31

?=21 2a i =21?=58.11 3a i =26.111=? 确定轴Ⅱ转速为800，

4.6绘制转速图

4.7确定各变速组变速副齿数

确定齿轮齿数的原则和要求：

①齿轮的齿数和z s 不应过大；齿轮的齿数和z s 过大会加大两轴之间的中心距，使机床结构庞大，一般推荐z s ≤100～200.

②最小齿轮的齿数要尽可能少；但同时要考虑：

※最小齿轮不产生根切，机床变速箱中标准直圆柱齿轮，一般最小齿数min z ≥18； ※受结构限制的最小齿轮最小齿数应大于18～20；

※齿轮齿数应符合转速图上传动比的要求：实际传动比（齿数之比）与理论传动比（转速图上要求的传动比）之间又误差，但不能过大，确定齿轮数所造成的转速误差，一般不应超过±10%（?-1）%，即

）

（理实理110n n -?±-?n % 理n -要求的主轴转速； 实n -齿轮传动实现的主轴转速；

齿轮齿数的确定，当各变速组的传动比确定以后，可确定齿轮齿数。对于定比传动的齿轮齿数可依据机械设计手册推荐的方法确定。对于变速组内齿轮的齿数，如传动比是标准公比的整数次方时，变速组内每对齿轮的齿数和z S 及小齿轮的齿数可以从《机械制造装备设计》表3-9中选取。一般在主传动中，最小齿数应大于18～20。采用三联滑移齿轮时，应检查滑移齿轮之间的齿数关系：三联滑移齿轮的最大齿轮之间的齿数差应大于或等于4，以保证滑移是齿轮外圆不相碰。

根据《机械制造装备设计》94P ,查表3-9各种常用变速比的使用齿数。 ⑴变速组a:

1i a = 26.111

=? 2i a =58

.1126.11122==? 3i a =2126.11133==? ※确定最小齿轮的齿数min z 及最小齿数和min z s

该变速组内的最小齿轮必在i=1/2的齿轮副中，根据结构条件，假设最小齿数为min z =22时，查表得到 min z s =66。

※找出可能采用的齿数和诸数值

1a u =1 z s =……60、62……

2a u =1.41 z s =……60、63……

3a u =2 z s =……60、63……

在具体结构允许下，选用较小的 z s 为宜，现确定z s =72，

确定各齿数副的齿数

i=1/2，找出1z =24，'1z =z s -1z =72-24=48；

i=1/1.26，找出2z =32，'2z =z s -2z =40； i=1/1.58 ，找出3z =30，'

3z =42； ⑵变速组b 的齿数确定：

1i b =1.58 2i b =26

.111=? 3i b =51.2126.11144==? 故变速组中最小齿轮必在1/4?的齿轮副中，假设最小齿数为min z =22，min z s =77，

同上i=1.58，找出1z =48， '

1z =29，

i=1.26, 找出2z =34，'2z =43，

i=2.51, 找出3z =22；'3z =55。

⑶变速组c 齿数确定

1i c =13?=2 ； 2i c = 故变速组中最小齿轮必在1/6?的齿轮副中，假设最小齿数为min z =18，min z s =89

98

.3126.11166==

?