立式車(chē)床改立式磨床的工作臺(tái)裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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The design of vertical grinding machines by retrofitting techniques can save large costs of purchasing new machines, thereby reducing production costs and making effective use of existing resources. At the same time, through the design of this topic, we train the quality of the lathe structure design and reconstruction. In particular, the design of gearbox, the ability to find information, independent innovation, and CAD mapping knowledge. Key words: vertical lathe; vertical grinding machine; machine tool modification II 第 1 章 緒 論 1.1 引言 目前，我國(guó)中、小型企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率都需要有一個(gè)新的提高。但是，加工手段卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足。有遠(yuǎn)見(jiàn)的企業(yè)家根據(jù)國(guó)情、廠情，都認(rèn)為只有走技術(shù)改造的道路，按照實(shí)際情況對(duì)設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)強(qiáng)化自身，以求自我發(fā)展，才是一條捷徑。而為適應(yīng)生產(chǎn)的需要，大家都在千方百計(jì)地從機(jī)床上革新挖潛。生產(chǎn)實(shí)踐表明，因地制宜的進(jìn)行機(jī)床改裝，不僅投資小、上馬快、效果好，是彌補(bǔ)設(shè)備不足或不配套的好辦法，也是解決設(shè)備“技術(shù)老化”的重要途徑，特別是對(duì)中小工廠和鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)更具有現(xiàn)實(shí)意義。 有遠(yuǎn)見(jiàn)的知識(shí)分子認(rèn)為“機(jī)床的真正價(jià)值在于使用”，而機(jī)床的使用與工件、夾具、刀具和其他輔具密切相關(guān)，也與操作者的操作技能、維護(hù)保養(yǎng)水平和加工方法有這重要的聯(lián)系，因此主張發(fā)揮人的聰明才智，以機(jī)床為基礎(chǔ)，對(duì)機(jī)床—夾具—工件—刀具這一工藝系統(tǒng)進(jìn)行全面的分析，為實(shí)現(xiàn)預(yù)定的目的，采取必要而合理的技術(shù)措施。在采取技術(shù)措施時(shí)，不能墨守陳規(guī)，要勇于“改”，即對(duì)機(jī)床的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改裝，對(duì)機(jī)床的使用工藝和裝備進(jìn)行改革，并且強(qiáng)調(diào)與“巧”，也就是提倡技術(shù)措施恰當(dāng)，不是一味地追求先進(jìn)，做到改裝方案合理、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方法巧妙、經(jīng)濟(jì)效果好。這就是我們進(jìn)行改裝的指導(dǎo)思想。 1.2 研發(fā)的背景及意義 在中國(guó)中小型工廠企業(yè)里，立式車(chē)床承擔(dān)著較多的工作任務(wù)，而磨削是車(chē)床不能完成的任務(wù)之一，為了改進(jìn)此缺點(diǎn)，并從經(jīng)濟(jì)方面考慮，改造立式車(chē)床工作臺(tái)為立式磨床，以便完成磨削任務(wù)，從而節(jié)約了買(mǎi)專(zhuān)用磨床的花費(fèi)，提高了車(chē)床的工作范圍及效率，并節(jié)約了車(chē)間空間。 通過(guò)設(shè)計(jì)后的立式磨床將是集環(huán)保型、高工作性、高耐久性于一體的改裝設(shè)備。 眾所周知，企業(yè)要在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲得生存、得到發(fā)展,就必須在最短的時(shí)間內(nèi)以?xún)?yōu)異的質(zhì)量、低廉的成本,制造出滿(mǎn)足市場(chǎng)需求、性能合適的產(chǎn)品。 此課題主要是解決立式車(chē)床不能完成的磨削任務(wù)，并在特定情況下可以合理利用資源，改裝立式車(chē)床工作臺(tái)完成立式磨床的工作臺(tái)。通過(guò)采用改裝技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)立式磨床，可以省去購(gòu)買(mǎi)新機(jī)器的大筆成本，因而降低生產(chǎn)成本，有效的利用現(xiàn)有資源。同時(shí)通過(guò)此課題的設(shè)計(jì)培養(yǎng)我們對(duì)車(chē)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及改造的素質(zhì)。特別是變速箱的設(shè)計(jì)、查找資料自主創(chuàng)新、及CAD制圖識(shí)圖的能力。 1.3 我國(guó)機(jī)床技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及展望 在改革開(kāi)放的20年，中國(guó)NC車(chē)床的技術(shù)水平提高較快，在設(shè)計(jì)、制造、使用上進(jìn)步很大。2001年中國(guó)NC車(chē)床產(chǎn)量3900臺(tái)，進(jìn)口約3500臺(tái)。1995年中國(guó)NC車(chē)床擁有量2.1萬(wàn)臺(tái)(占NC機(jī)床之33%)。2002年3月的上海中國(guó)數(shù)控機(jī)床展(CCMT 2002)，展出200臺(tái)整機(jī)，包括64臺(tái)NC車(chē)床，代表了當(dāng)前中國(guó)NC車(chē)床的最高技術(shù)水平，另有車(chē)削中心9臺(tái)，占14%。沈陽(yáng)機(jī)床公司與德國(guó)合作生產(chǎn)的SSCKZ 63-5型5軸車(chē)銑中心，可控制X、Y、Z、B、C軸，床身最大回轉(zhuǎn)直徑φ800mm，主軸2000r/min，主電機(jī)37kw，刀庫(kù)有12把刀，配西門(mén)子840D NC系統(tǒng)。成都寧江機(jī)床廠的CKE1112型NC縱切自動(dòng)車(chē)床，加工棒料直徑φ12mm，主軸轉(zhuǎn)速12000r/min，為5軸2聯(lián)動(dòng)，配用FANUCD-O NC系統(tǒng)。上海第二機(jī)床廠的HM-O15型倒置立式車(chē)削中心，主軸4000r/min，主電機(jī)40kw，采用INDRAMAT NC系統(tǒng)，機(jī)床帶自動(dòng)上下料裝置。在2000年3月的CCMT展上，上海重型機(jī)床廠展出自行設(shè)計(jì)的SHZ 1044型雙主軸立式車(chē)削中心，具有特色，可側(cè)面反映出目前中國(guó)NC車(chē)床的設(shè)計(jì)和制造水平。 1.我國(guó)機(jī)床技術(shù)任然存在差距 在精度、效率、自動(dòng)化上存在一定差距；主機(jī)設(shè)計(jì)基本功差，缺乏創(chuàng)新，模塊化設(shè)計(jì)少；重要基礎(chǔ)元部件、NC系統(tǒng)主要依靠進(jìn)口；缺乏深入系統(tǒng)的科研工作，設(shè)計(jì)、試驗(yàn)手段較落后；在NC車(chē)床的產(chǎn)品水平和總體技術(shù)水平上，差距明顯。努力方向包括狠抓根本，解決主機(jī)、元部件先進(jìn)性。 2.我國(guó)機(jī)床低端混戰(zhàn)，高端失守狀況仍存在 　　我國(guó)機(jī)床工具行業(yè)在進(jìn)進(jìn)21世紀(jì)后，連續(xù)8 年保持了快速發(fā)展的良好形勢(shì)，已經(jīng)連續(xù)4 年在規(guī)模和產(chǎn)值上成為世界第三大機(jī)床生產(chǎn)國(guó)。國(guó)產(chǎn)機(jī)床國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率從2000 年的不到40％，進(jìn)步到2008 年的61％。但目前我國(guó)大部分高檔數(shù)控機(jī)床依靠進(jìn)口的局面仍未打破，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床中附加值較低的簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床占比近 70%，而進(jìn)口的卻是具有高附加值的高中檔數(shù)控機(jī)床，國(guó)外公司大約占領(lǐng)我國(guó)高檔機(jī)床85%的市場(chǎng)份額。為此，機(jī)床工具行業(yè)制定了三年振興規(guī)劃：經(jīng)過(guò)三年發(fā)展，國(guó)產(chǎn)機(jī)床國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率進(jìn)步到70％以上，其中數(shù)控機(jī)床占有率進(jìn)步到40％以上。 　　下游需求決定行業(yè)未來(lái)以大、重、高精為發(fā)展方向機(jī)床行業(yè)的下游產(chǎn)業(yè)主要可以回納為四大產(chǎn)業(yè)：即汽車(chē)產(chǎn)業(yè)、傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)業(yè)、軍工產(chǎn)業(yè)（包括航空航天、兵器、船舶、核產(chǎn)業(yè)等）和以電子信息技術(shù)為代表的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。汽車(chē)產(chǎn)業(yè)和航天軍工產(chǎn)業(yè)是機(jī)床市場(chǎng)需求最大且需求產(chǎn)品技術(shù)水平最高的市場(chǎng)。汽車(chē)行業(yè)需求占據(jù)45-50%，機(jī)械占據(jù)20-25%，軍工行業(yè)占15-20%，其他行業(yè)占剩余份額。下游行業(yè)需求多集中在大型、重型、高精度的數(shù)控機(jī)床，決定了行業(yè)未來(lái)仍將以“高速、精密、智能、復(fù)合”為方向，多軸聯(lián)動(dòng)加工中心、復(fù)合加工機(jī)床、高速精密數(shù)控機(jī)床等產(chǎn)品也將繼續(xù)是行業(yè)未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展的品種。 　 3.政策措施促進(jìn)行業(yè)發(fā)展 機(jī)床行業(yè)在裝備制造業(yè)中具有基礎(chǔ)性和戰(zhàn)略性的地位，一個(gè)國(guó)家數(shù)控機(jī)床的水平高低和擁有量是衡量國(guó)家綜合經(jīng)濟(jì)實(shí)力和國(guó)防安全的重要指標(biāo)。近期我國(guó)不斷出臺(tái)一系列支持政策，包括《裝備制造業(yè)調(diào)整振興規(guī)劃（2009-2011）》、《高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備重大專(zhuān)項(xiàng)》等，以促進(jìn)機(jī)床行業(yè)平穩(wěn)快速發(fā)展，應(yīng)對(duì)金融危機(jī)的考驗(yàn)。 1.4 立式車(chē)床改立式磨床工作臺(tái)基本設(shè)計(jì)思路及關(guān)鍵技術(shù) 1.4.1 設(shè)計(jì)要求 本課題主要是改造立式車(chē)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)和工作臺(tái)，使其能完成磨床的任務(wù)，即改造成立式磨床工作臺(tái)。設(shè)計(jì)后的機(jī)床將達(dá)到以下要求： 1. 達(dá)到磨床的使用精度，能生產(chǎn)出符合要求的成品； 2. 改立式車(chē)床工作臺(tái)為立式磨床工作臺(tái)，使其達(dá)到密封要求，要求潤(rùn)滑液不下漏到工作臺(tái)下箱，為操作者帶來(lái)極大的方便； 3. 查找相關(guān)改裝資料，掌握機(jī)床主傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)過(guò)程和方法，包括總體方案設(shè)計(jì)、動(dòng)力計(jì)算、參數(shù)擬定、傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、立式磨床工作臺(tái)的裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作臺(tái)與減速箱的裝配設(shè)計(jì)、零件設(shè)計(jì)等，培養(yǎng)機(jī)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)能力； 4. 綜合運(yùn)用過(guò)去所學(xué)的理論知識(shí)，提高聯(lián)系實(shí)際和綜合分析的能力； 1.4.2 立式車(chē)床改立式磨床工作臺(tái)基本設(shè)計(jì)思路 1. 參數(shù)擬定 根據(jù)機(jī)床類(lèi)型、規(guī)格和其他特點(diǎn)，了解典型工藝的切削用量，結(jié)合實(shí)際條件和情況，并與同類(lèi)機(jī)床對(duì)比分析后確定：極限轉(zhuǎn)速Nmax和Nmin、公比φ、主傳動(dòng)電機(jī)功率N。 2. 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 根據(jù)擬定的參數(shù)，通過(guò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)和轉(zhuǎn)速圖分析，確定傳動(dòng)結(jié)構(gòu)方案和傳動(dòng)系統(tǒng)圖，計(jì)算各傳動(dòng)副的傳動(dòng)比及齒輪的齒數(shù)，并驗(yàn)算主軸的轉(zhuǎn)速誤差。 3. 動(dòng)力計(jì)算和結(jié)構(gòu)草圖設(shè)計(jì) 估算齒數(shù)模數(shù)m和軸徑d，選擇和計(jì)算正反向離合器、制動(dòng)器。 4. 主軸變速箱裝配設(shè)計(jì) 主軸變速箱裝配圖是以c5112A型結(jié)構(gòu)圖為“底稿”，進(jìn)行設(shè)計(jì)和繪制的。圖上各零部件要表達(dá)清楚，并標(biāo)注尺寸和配合。 5. 改造立式車(chē)床工作臺(tái) 工作臺(tái)注意密封，以及改動(dòng)壓導(dǎo)軌為靜壓導(dǎo)軌。由于靜壓導(dǎo)軌具有一系列的特點(diǎn)，加之又采用了恒流量供油方式，所以使得磨床的摩擦阻力小，工作可靠，動(dòng)態(tài)特性好，抗振性強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)剛度好，運(yùn)動(dòng)精度高，從而磨削工件精度高。結(jié)構(gòu)如下圖： 圖1.1 靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)尺寸圖 1.4.3 技術(shù)關(guān)鍵分析 1.加工范圍 工件最大回轉(zhuǎn)直徑Φ1700mm，最小磨削內(nèi)徑Φ50mm，最大磨削外徑Φ1200mm，園環(huán)寬度100～200mm ，磨削高度有效行程100mm，最大磨削平面Φ1000mm。 2.加工工件的精度要求 尺寸精度IT5，形位精度IT5～I(xiàn)T6內(nèi)圓表面粗糙度Ra0.4。工件及端面粗糙度Ra0.8。 3.加工的材料及硬度 (1)材料Cr12， 9CrWMn，45#，3Cr2W8V。 (2)硬度范圍:HRC25～62。 4.機(jī)床結(jié)構(gòu)尺寸及功能要求 (1)機(jī)床采用單柱立式結(jié)構(gòu)。 (2)機(jī)床采用手動(dòng)及電動(dòng)兩種結(jié)構(gòu)。 (3)手動(dòng)微量進(jìn)給每次不得大于0.005mm，最大切削進(jìn)給量f=0.2mm/r，最大切削深度0.1mm。 (4)機(jī)床導(dǎo)軌要求全防護(hù)。 (5)機(jī)床應(yīng)具備干磨和濕磨兩種功能。 (6)磨床臺(tái)面具有"T"型槽。 (7)磨頭電機(jī)要求密封、防潮、不得進(jìn)霧狀水汽。 (8)磨頭安裝砂輪:選用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的圓柱，砂瓦結(jié)構(gòu)。 (9)要求機(jī)床操作維修方便，簡(jiǎn)單。 (10)磨頭刀架回轉(zhuǎn)角度±40° (11)機(jī)床工作臺(tái)面為Φ1000mm。 (12)最大工件重量1.5噸。 1.5 論文的研究?jī)?nèi)容 1 設(shè)計(jì)立式車(chē)床的主軸變速箱； 2設(shè)計(jì)立式車(chē)床的工作臺(tái)； 3 改進(jìn)立式車(chē)床的工作臺(tái)為立式磨床工作臺(tái)。 第 2 章 參數(shù)擬定 機(jī)床（機(jī)器）設(shè)計(jì)的初始，首先需要確定有關(guān)參數(shù)，他們是傳動(dòng)設(shè)計(jì)和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)，影響到產(chǎn)品是否能滿(mǎn)足所需要的功能要求。因此，參數(shù)擬定是機(jī)床設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)機(jī)床類(lèi)型、規(guī)格和其他特點(diǎn)，了解典型工藝的切削用量，結(jié)合實(shí)際條件和情況，并與同類(lèi)機(jī)床對(duì)比分析后確定：極限轉(zhuǎn)速Nmax和Nmin、公比φ、主傳動(dòng)電機(jī)功率N。 2.1 主軸極限轉(zhuǎn)速 Nmax==95 (2.1) Nmin===2.5 (2.2) 轉(zhuǎn)速范圍：R==38 (2.3) 考慮到設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度要適中，故采用常規(guī)的擴(kuò)大傳動(dòng)，并選級(jí)數(shù)Z=16。今以=1.26和1.41代入R=z-1式，得R=32和173，因此取=1.26更合適。 各級(jí)轉(zhuǎn)速數(shù)列可以直接從標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列表中查出。 16級(jí)轉(zhuǎn)速如下Nmax=80；63；50；40；31.5；25；20；16；12.5；10；8；6.3；5；4；3.15；2.5= Nmin 2.2 動(dòng)力參數(shù)的確定 用類(lèi)比法選擇電動(dòng)機(jī)功率P=11kw 滿(mǎn)載轉(zhuǎn)速為730r/min，進(jìn)給電機(jī)P=1.3kw 滿(mǎn)載轉(zhuǎn)速為940r/min，總切削力為3500kgf，最大轉(zhuǎn)矩為1750公斤力.米 第 3 章 運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì) 根據(jù)擬定的參數(shù)，通過(guò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)和轉(zhuǎn)速圖分析，確定傳動(dòng)結(jié)構(gòu)方案和傳動(dòng)系統(tǒng)圖，計(jì)算各傳動(dòng)副的傳動(dòng)比及齒輪的齒數(shù)，并驗(yàn)算主軸的轉(zhuǎn)速誤差。 3.1 主傳動(dòng)方案擬定 擬定傳動(dòng)方案，包括傳動(dòng)型式的選擇以及開(kāi)停、換向、制動(dòng)、操縱等整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的確定。傳動(dòng)型式則指?jìng)鲃?dòng)和變速的元件、機(jī)構(gòu)以及組成、安排不同特點(diǎn)的傳動(dòng)型式、變速類(lèi)型。 傳動(dòng)方案和型式與結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度密切相關(guān)，和工作性能也有關(guān)系。因此，確定傳動(dòng)方案和型式，要從結(jié)構(gòu)、工藝、性能及經(jīng)濟(jì)等多方面統(tǒng)一考慮。 傳動(dòng)方案有多種，傳動(dòng)型式更是眾多，比如：傳動(dòng)型式上有集中傳動(dòng)，分離傳動(dòng)；擴(kuò)大變速范圍可用增加傳動(dòng)組數(shù)，也可用背輪結(jié)構(gòu)、分支傳動(dòng)等型式；變速箱上既可用多速電機(jī)，也可用交換齒輪、滑移齒輪、公用齒輪等。 顯然，可能的方案有很多，優(yōu)化的方案也因條件而異。此次設(shè)計(jì)中，我們采用集中傳動(dòng)型式的主軸變速箱。 3.2 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)式、機(jī)構(gòu)網(wǎng)的選擇 16級(jí)轉(zhuǎn)速傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)組，選擇傳動(dòng)組安排方式時(shí)，考慮到機(jī)床主軸變速箱的具體結(jié)構(gòu)、裝置和性能。 主軸對(duì)加工精度、表面粗糙度的影響很大，因此主軸上齒輪少些為好。最后一個(gè)傳動(dòng)組的傳動(dòng)副常選用2。 綜上所述，結(jié)構(gòu)式：16=2[1]2[2] 2[4] 2[8] 轉(zhuǎn)速圖： 圖3.1 轉(zhuǎn)速圖 3.3 傳動(dòng)比、帶輪及齒輪齒數(shù)確定 3.3.1 各齒輪齒數(shù)確定 由轉(zhuǎn)速圖得每對(duì)齒輪相應(yīng)的傳動(dòng)比如下表： 表3.1各軸轉(zhuǎn)速圖 各軸傳動(dòng)比 i1 i2 i3 i4 i5 i6 i7 i8 i9 i10 i11 數(shù)值 1.26 1.58 1.26 1.26 1.26 2 2.51 2 3.16 1 3.16 選取齒數(shù)應(yīng)注意： 1. 不產(chǎn)生根切。一般取Zmin18—20。 2. 保證強(qiáng)度和防止熱處理變形過(guò)大，齒輪齒根圓到鍵槽壁厚δ2m，一般取δ5mm則Zmin6.5+2T/m。 3. 同一傳動(dòng)組的各對(duì)齒輪副的中心距應(yīng)當(dāng)相等。若模數(shù)相同時(shí)，則齒數(shù)和也要相同。 查表可得個(gè)齒輪齒數(shù)如下表： 表3.2齒輪齒數(shù) 齒輪代號(hào) Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8 Z9 Z10 Z11 齒數(shù) 34 30 47 37 47 28 24 56 20 19 52 齒輪代號(hào) Z1° Z2° Z3° Z4° Z5° Z6° Z7° Z8° Z9° Z10° Z11° 齒數(shù) 43 47 37 47 37 56 60 28 64 19 165 皮帶輪零件圖： 圖3.2 皮帶輪零件圖 3.3.2 驗(yàn)算主軸轉(zhuǎn)速誤差 主軸轉(zhuǎn)速在使用上并不要求十分準(zhǔn)確，轉(zhuǎn)速稍高或稍低并無(wú)太大影響。但標(biāo)牌上標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列的數(shù)值一般也不允許與實(shí)際轉(zhuǎn)速相差太大。由確定的齒輪齒數(shù)所得的實(shí)際轉(zhuǎn)速與傳動(dòng)設(shè)計(jì)理論值難以完全相符，需要驗(yàn)算主軸各級(jí)轉(zhuǎn)速，最大誤差不得超過(guò) ，即 Δn= （3.1） Δn1= =1.16%=2.6% Δn2= =0.26%=5.8% Δn3= =1.62%=2.6% Δn4= =1.60%=2.6% Δn5= =1.62%=2.6% Δn6= =0.8%=10% Δn7= =0.8%=15.1% Δn8= =2.3%=10% Δn9= =0%=0% Δn10= =0.8%=21.6% 綜上驗(yàn)算，符合要求 軸零件圖： 圖3.3 皮帶輪零件圖 第 4 章 動(dòng)力計(jì)算和結(jié)構(gòu)草圖設(shè)計(jì) 估算齒數(shù)模數(shù)m和軸徑d，選擇和計(jì)算正反向離合器、制動(dòng)器。傳動(dòng)軸除了滿(mǎn)足強(qiáng)度要求外，還應(yīng)滿(mǎn)足剛度要求。強(qiáng)度要求保證軸在反復(fù)載荷和扭轉(zhuǎn)載荷作用下不發(fā)生疲勞破壞。機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)精度要求較高，不允許有較大的變形。因此疲勞強(qiáng)度一般不是主要矛盾。除了載荷很大的情況外，可以不必驗(yàn)算軸的強(qiáng)度。剛度要求保證軸在載荷（彎曲、軸向、扭轉(zhuǎn)）不致產(chǎn)生過(guò)大的變形（彎曲、失穩(wěn)、轉(zhuǎn)角）。如果剛度不足，軸上的零件如齒輪、軸承等將由于周的變形過(guò)大而不能正常工作，或者產(chǎn)生振動(dòng)和噪音、發(fā)熱、過(guò)早磨損而失效。因此，必須保證傳動(dòng)軸有足夠的剛度。通常，先按扭轉(zhuǎn)剛度估算軸的直徑，畫(huà)出草圖之后，再根據(jù)受力情況、結(jié)構(gòu)布置和有關(guān)尺寸，驗(yàn)算彎曲剛度。 4.1 動(dòng)力計(jì)算 軸的最小直徑計(jì)算公式： （4.1） 式中:nj--計(jì)算轉(zhuǎn)速; P--各軸輸入功率; [φ]--每米長(zhǎng)度上允許的扭轉(zhuǎn)角，Ⅰ軸[φ]取2；傳動(dòng)軸取1.5；主軸取1。 計(jì)算轉(zhuǎn)速是傳動(dòng)件能傳遞全部功率的最低轉(zhuǎn)速。各傳動(dòng)件的計(jì)算轉(zhuǎn)速可以從轉(zhuǎn)速圖上，按主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速和相應(yīng)的傳動(dòng)關(guān)系確定。 各軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)速圖可知如下表： 表4.1計(jì)算轉(zhuǎn)速 計(jì)算轉(zhuǎn)速nj Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ Ⅶ Ⅷ 數(shù)值 260 166 130 65 26 8 8 2.5 效率計(jì)算： Ⅰ軸：1==0.96 Ⅱ軸：2=1=0.960.990.995=0.946 Ⅲ軸：3=2=0.9460.990.995=0.932 Ⅳ軸：4=3=0.9320.990.995=0.918 Ⅴ軸：5=4=0.9180.9920.995=0.895 Ⅵ軸：6=5=0.8950.990.995=0.882 Ⅶ軸：7=62=0.8820.99520.97=0.842 Ⅷ軸：8=7=0.8420.990.995=0.83 表4.2各軸效率 各軸效率 1 2 3 4 5 6 7 8 數(shù)值 0.96 .946 0.932 0.918 0.895 0.882 0.842 0.82 已知各軸效率，用公式Pi=12iP可知各軸輸入功率計(jì)算。 表4.3各軸輸入功率 各軸輸入功率 1 2 3 4 5 6 7 8 數(shù)值 21.12 19.98 18.6 17.1 15.3 13.5 11.4 9.4 Ⅰ軸最小直徑： 擴(kuò)大10%~15%，得Dmin1=31.7取35. Ⅱ軸最小直徑： 擴(kuò)大10%~15%，得Dmin2=37.6，取40. Ⅲ軸最小直徑： 擴(kuò)大10%~15%,得Dmin3=39.19 取45. Ⅳ軸最小直徑： 擴(kuò)大10%~15% 得Dmin4=45.7 取50 Ⅴ軸最小直徑： 擴(kuò)大10%~15% 得Dmin5=53.5 取50 Ⅵ軸最小直徑： 擴(kuò)大10%~15% 得Dmin6=72.1 取75 Ⅶ軸最小直徑： 擴(kuò)大10%~15% 得Dmin7=69.1 取70. Ⅷ軸最小直徑： 擴(kuò)大10%~15% 得Dmin8=65.8 取110 主軸內(nèi)外徑之比為0.6時(shí)，其強(qiáng)度和剛度接近實(shí)軸，一般把主軸做成空心，減輕其重量并便于送料。所以Ⅷ軸內(nèi)徑為1100.6=66 取70 得各軸最小直徑如下表： 表4.4各軸最小直徑Dmin 各軸最小直徑Dmin Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ Ⅶ Ⅷ 數(shù)值 35 40 45 50 50 75 70 75 4.2齒輪模數(shù)的計(jì)算 一般同一變速組中的齒輪取同一模數(shù)，選擇負(fù)荷最重的小齒輪按簡(jiǎn)化的接觸疲勞強(qiáng)度公式計(jì)算 （4.2） 式中：——按疲勞接觸強(qiáng)度計(jì)算的齒輪模數(shù) ——驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率 ——計(jì)算齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)速 ——大齒輪齒數(shù)和小齒輪齒數(shù)之比 ——小齒輪齒數(shù) ——齒寬系數(shù)，（B為齒寬，m為模數(shù)）， ——許用接觸應(yīng)力Mpa 傳動(dòng)組a模數(shù)： 取大值ma=4。 傳動(dòng)組b模數(shù)： 傳動(dòng)組c模數(shù)： 傳動(dòng)組d模數(shù)： 為保證傳動(dòng)軸之間中心距一致，取大值mb=mc=md=5 4.3齒輪參數(shù)的確定 根據(jù)《機(jī)械原理》 表6-3查得以下公式8.參見(jiàn)《機(jī)械原理》P165頁(yè)表6-3。高等教育出版社.朱理主編. 齒頂圓 （4.3） 齒根圓 （4.4） 分度圓 （4.5） 齒頂高 （4.6） 齒根高 （4.7） 得： 表4.5齒輪參數(shù) 齒輪 齒數(shù) z 模數(shù) m 分度圓 d 齒頂圓 齒根圓 齒頂高 齒根高 Z1 34 4 136 140 131 4 5 Z1° 43 4 172 176 167 4 5 Z2 30 4 120 124 115 4 5 Z2° 47 4 188 192 183 4 5 Z3 47 5 235 240 228.75 5 6.25 Z3° 37 5 185 190 178.75 5 6.25 Z4 37 5 185 190 178.75 5 6.25 Z4° 47 5 235 240 228.75 5 6.25 Z5 47 5 235 240 228.75 5 6.25 Z5° 37 5 185 190 178.75 5 6.25 Z6 28 5 140 145 133.75 5 6.25 Z6° 56 5 280 285 273.75 5 6.25 Z7 24 5 120 125 113.75 5 6.25 Z7° 60 5 300 305 293.75 5 6.25 Z8 56 5 280 285 273.75 5 6.25 Z8° 28 5 140 145 133.75 5 6.25 Z9 20 5 100 105 93.75 5 6.25 Z9° 64 5 320 325 313.75 5 6.25 Z10 19 10 190 200 177.5 10 12.25 Z10° 19 10 190 200 177.5 10 12.25 Z11 52 8 416 424 406 8 10 Z11° 165 8 1320 1328 1310 8 10 4.4齒輪校核 在驗(yàn)算算速箱中的齒輪應(yīng)力時(shí)，選相同模數(shù)中承受載荷最大，齒數(shù)最小的齒輪進(jìn)接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的驗(yàn)算。這里要驗(yàn)算的是齒輪2，齒輪7，齒輪12這三個(gè)齒輪。 齒輪Z9的齒數(shù)為20，模數(shù)為5，齒輪的應(yīng)力： 4.4.1接觸應(yīng)力： （4.8） u----大齒輪齒數(shù)與小齒輪齒數(shù)之比； ---齒向載荷分布系數(shù)； ----動(dòng)載荷系數(shù)； ----工況系數(shù)； ----壽命系數(shù)。 查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表6-2及圖6.9及6.10得 假定齒輪工作壽命是48000h，故應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為 查《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖6.6和6.7得，所以： 4.4.2彎曲應(yīng)力： （4.9） 查《金屬切削手冊(cè)》有Y=0.378，代入公式求得：=158.5Mpa 大齒輪、小齒輪的硬度為60HRC，故有，從表6.9讀出。因?yàn)椋海蕽M(mǎn)足要求，另外齒輪計(jì)算方法如上，均符合要求。 4.5 主軸強(qiáng)度校核 傳動(dòng)軸除應(yīng)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求外，還應(yīng)滿(mǎn)足剛度要求。因此必須保證傳動(dòng)軸有足夠的剛度。傳動(dòng)方案確定后，要進(jìn)行方案的結(jié)構(gòu)化，確定各零件的實(shí)際尺寸和有關(guān)布置。為此，常對(duì)傳動(dòng)件的先進(jìn)行估算，如傳動(dòng)軸的直徑，齒輪模數(shù)，離合器，帶輪的根數(shù)和型號(hào)等。在這些尺寸的基礎(chǔ)上，畫(huà)出草圖，得出初步結(jié)構(gòu)化的有關(guān)布置與尺寸；然后按結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行主要零件的驗(yàn)算，最后才能畫(huà)正式裝配圖。 ?有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師可以省略畫(huà)草圖這一中間步驟直接進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和驗(yàn)算。但對(duì)缺少設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生，先畫(huà)草圖可以避免大的反復(fù)，有利于設(shè)計(jì)的進(jìn)行 主軸的受力分析： 圖 4.1 主軸受力圖 由直齒輪傳過(guò)來(lái)的扭矩可知：齒輪上所受切向力Ft和徑向力Fr分別為： N N 對(duì)B點(diǎn)求矩： 對(duì)A點(diǎn)求矩： 則Mr=90FBr=509FAr=3.9106Mpa Mt=81FBt=61Fat=22.4106Mpa 所以：Mpa 則Mpa 所以小于 其中，強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。 第 5 章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及說(shuō)明 5.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容、技術(shù)要求和方案 設(shè)計(jì)主軸變速箱的結(jié)構(gòu)包括傳動(dòng)件（傳動(dòng)軸、軸承、帶輪、齒輪、離合器和制動(dòng)器等）、主軸組件、操縱機(jī)構(gòu)、潤(rùn)滑密封系統(tǒng)和箱體及其聯(lián)結(jié)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與布置，用一張展開(kāi)圖和若干張橫截面圖表示。課程設(shè)計(jì)由于時(shí)間的限制，一般只畫(huà)展開(kāi)圖。 主軸變速箱是機(jī)床的重要部件。設(shè)計(jì)時(shí)除考慮一般機(jī)械傳動(dòng)的有關(guān)要求外，著重考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。 精度方面的要求，剛度和抗震性的要求，傳動(dòng)效率要求，主軸前軸承處溫度和溫升的控制，結(jié)構(gòu)工藝性，操作方便、安全、可靠原則，遵循標(biāo)準(zhǔn)化和通用化的原則。 主軸變速箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)整個(gè)機(jī)床設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)中不可避免要經(jīng)過(guò)反復(fù)思考和多次修改。在正式畫(huà)圖前應(yīng)該先畫(huà)草圖。 5.2 展開(kāi)圖及其布置 展開(kāi)圖就是按照傳動(dòng)軸傳遞運(yùn)動(dòng)的先后順序，假想將各軸沿其軸線剖開(kāi)并將這些剖切面平整展開(kāi)在同一個(gè)平面上。 齒輪在軸上布置很重要，關(guān)系到變速箱的軸向尺寸，減少軸向尺寸有利于提高剛度和減小體積。 5.3 齒輪塊設(shè)計(jì) 齒輪是變速箱中的重要元件。齒輪同時(shí)嚙合的齒數(shù)是周期性變化的。也就是說(shuō)，作用在一個(gè)齒輪上的載荷是變化的。同時(shí)由于齒輪制造及安裝誤差等，不可避免要產(chǎn)生動(dòng)載荷而引起振動(dòng)和噪音，常成為變速箱的主要噪聲源，并影響主軸回轉(zhuǎn)均勻性。在齒輪塊設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮這些問(wèn)題。 齒輪塊的結(jié)構(gòu)形式很多，取決于下列有關(guān)因素： 1. 是固定齒輪還是滑移齒輪； 2. 移動(dòng)滑移齒輪的方法； 3. 齒輪精度和加工方法； 變速箱中齒輪用于傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)。它的精度選擇主要取決于圓周速度。采用同一精度時(shí)，圓周速度越高，振動(dòng)和噪聲越大，根據(jù)實(shí)際結(jié)果得知，圓周速度會(huì)增加一倍，噪聲約增大6dB。 工作平穩(wěn)性和接觸誤差對(duì)振動(dòng)和噪聲的影響比運(yùn)動(dòng)誤差要大，所以這兩項(xiàng)精度應(yīng)選高一級(jí)。 不同精度等級(jí)的齒輪，要采用不同的加工方法，對(duì)結(jié)構(gòu)要求也有所不同 5.4 其他問(wèn)題 滑移齒輪進(jìn)出嚙合的一端要圓齒，有規(guī)定的形狀和尺寸。圓齒和倒角性質(zhì)不同，加工方法和畫(huà)法也不一樣，應(yīng)予注意。 選擇齒輪塊的結(jié)構(gòu)要考慮毛坯形式（棒料、自由鍛或模鍛）和機(jī)械加工時(shí)的安裝和定位基面。盡可能做到省工、省料又易于保證精度。 齒輪磨齒時(shí)，要求有較大的空刀（砂輪）距離，因此多聯(lián)齒輪不便于做成整體的，一般都做成組合的齒輪塊。有時(shí)為了縮短軸向尺寸，也有用組合齒輪的。 皮帶輪入油容易損壞，所以必須做好密封工作。因此在軸承兩邊加入擋油環(huán)進(jìn)行保護(hù)是非常必要的。 在設(shè)計(jì)主軸組件時(shí)，主軸的跨距希望是合理跨距，但由于結(jié)構(gòu)，限制，主軸的實(shí)際跨距往往不等于合理跨距，為此要對(duì)主軸組件進(jìn)行驗(yàn)算，對(duì)一般的機(jī)床全部軸主要進(jìn)行剛度驗(yàn)算，通常如果能滿(mǎn)足剛度要求也就能滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。 結(jié) 論 立式車(chē)床跟立式磨床雖然是不同的機(jī)床，但是它們并不是沒(méi)有共同點(diǎn)的這就奠定了將立式車(chē)床改成立式磨床的基礎(chǔ)，在了解了二者的特點(diǎn)后，結(jié)合它們的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)，將發(fā)現(xiàn)改造的過(guò)程并不復(fù)雜。目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)定型的立式磨床產(chǎn)品，而進(jìn)口大規(guī)模立式磨床費(fèi)用很高，所以將車(chē)床改造成磨床這將減少生產(chǎn)需要的成本，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，是很值得研究和發(fā)展的一項(xiàng)技術(shù)。 改裝過(guò)程中變動(dòng)壓導(dǎo)軌為靜壓導(dǎo)軌時(shí)，需要在下箱體和大齒輪上開(kāi)圓形槽，以使得潤(rùn)滑油不至于過(guò)多流入軸承，進(jìn)而發(fā)生發(fā)泄。改裝注意油路的密封。因?yàn)殪o壓潤(rùn)滑油要比動(dòng)壓的油多的多，并且磨床工作臺(tái)也需要密封，保證磨削時(shí)，冷卻液不至于流進(jìn)箱體。 在變速箱設(shè)計(jì)的過(guò)程中，由于經(jīng)驗(yàn)的不足，導(dǎo)致設(shè)計(jì)出來(lái)的轉(zhuǎn)速圖不符合實(shí)際要求，出現(xiàn)了帶齒輪軸的結(jié)構(gòu)，而次結(jié)構(gòu)最大的不足就是當(dāng)齒輪損壞時(shí)，要更換零件需要把整根軸一起換掉，這樣即不方便也不經(jīng)濟(jì)，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的轉(zhuǎn)速圖出現(xiàn)新的問(wèn)題，軸間距過(guò)小，這就造成了齒輪直徑超出軸與軸之間中心距的長(zhǎng)度，顯然這種設(shè)計(jì)也是錯(cuò)誤的，經(jīng)過(guò)反復(fù)摸索，終于找到解決方案：增大模數(shù)，以加大中心距，從而避免了軸與齒輪相碰的現(xiàn)象。 參考文獻(xiàn) [1] 盧秉恒主編.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ).北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2001 [2] 黃鶴汀主編. 金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì). 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