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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
題目：數(shù)控臥式鏜銑床主軸箱變速操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
系 別： 機(jī)電信息系
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化
班 級：
學(xué) 生：
學(xué) 號：
指導(dǎo)教師：
2013年05月
數(shù)控臥式鏜銑床主軸箱變速操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘 要
機(jī)械行業(yè)是運(yùn)用數(shù)控機(jī)床最多的，很多企業(yè)為了提高自己的生產(chǎn)效率，常常會對機(jī)床內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行多方面的改造。社會主義市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展為我國工業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造了條件，在現(xiàn)代一體化生產(chǎn)模式中運(yùn)用了很多先進(jìn)的設(shè)備。對于數(shù)控機(jī)床而言，主軸箱是其最為核心的組織結(jié)構(gòu)，整個(gè)主軸箱影響著數(shù)控機(jī)床的變速情況。大部分制造企業(yè)在實(shí)行技術(shù)改造時(shí)把重點(diǎn)放在了主軸箱變速器上，這是調(diào)整機(jī)床運(yùn)行速度的重點(diǎn)。在設(shè)計(jì)過程中必須要對主軸箱的每個(gè)部件加以控制，這樣才能確保數(shù)控機(jī)床主軸變速性能的良好。
本文對主軸箱變速操縱機(jī)構(gòu)的工作原理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算分析，利用兩個(gè)液壓油缸，經(jīng)撥叉帶動雙聯(lián)滑移齒輪移動到需要的多個(gè)位置。
關(guān)鍵字：數(shù)控機(jī)床； 主軸箱； 結(jié)構(gòu)； 設(shè)計(jì)
Mechanism design of CNC horizontal boring and milling machine spindle box transmission control
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
III
目 錄
1 緒論 1
1.1 數(shù)控鏜銑床的結(jié)構(gòu)組成 1
1.2 我國臥式鏜銑床的發(fā)展 2
1.2.1 我國臥式鏜銑床的發(fā)展歷史 2
1.2.2 我國臥式鏜銑床的發(fā)展趨勢 2
2 數(shù)控臥式鏜銑床變速操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 4
2.1 主軸箱變速操縱機(jī)構(gòu)工作原理 4
2.2 主軸箱變速操縱機(jī)構(gòu)中傳動軸的安裝 5
2.3 齒輪在軸上的布置和排列 5
2.4 相嚙合齒輪的寬度 6
3 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 7
3.1 電動的選取 7
3.1.1 選擇電動機(jī)的類型 7
3.1.2 轉(zhuǎn)速及功率的確定 7
3.1.3 聯(lián)軸器的選擇 7
3.1.4 選定各齒輪齒數(shù) 7
3.1.5 轉(zhuǎn)速的計(jì)算 7
3.1.6 各軸功率及轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 8
3.2 齒輪的設(shè)計(jì) 8
3.2.1 確定齒輪齒數(shù)的原則和要求 8
3.2.2 齒輪傳動設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇 8
3.2.3 齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 9
3.3 軸的設(shè)計(jì) 12
3.3.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12
3.3.2 軸上作用力的計(jì)算 14
3.3.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14
3.3.4 鍵的選取 16
3.3.5 軸的受力分析 16
3.3.6 校核軸的強(qiáng)度 17
3.3.7 校核鍵連接的強(qiáng)度 18
3.3.8 校核軸承壽命 18
4 箱體的設(shè)計(jì) 20
5 傳動系統(tǒng)的潤滑 21
總 結(jié) 22
參考文獻(xiàn) 22
致 謝 23
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明 25
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明 26
IV
1 緒論
1 緒論
在車床、鏜床、銑床、插、拉床、磨床、數(shù)控加工中心、齒輪加工中心、切斷機(jī)床、特種加工機(jī)床、組合機(jī)床、柔性制造系統(tǒng)等眾多機(jī)械加工設(shè)備中，鏜銑床加工特點(diǎn)：加工過程中工件不動，讓刀具移動，并使刀具轉(zhuǎn)動（主運(yùn)動），在實(shí)踐中具有“萬能機(jī)床”的稱號[1,2]。
鏜銑床主要是刀具在工件上加工已有預(yù)制孔的機(jī)床。通常，刀具旋轉(zhuǎn)為主運(yùn)動，刀具或工件的移動為進(jìn)給運(yùn)動。它主要是用來加工高精度孔或一次定位完成多個(gè)孔的精加工，此外還可以從事與孔精加工有關(guān)的其他加工面的加工[3]。
1.1 數(shù)控鏜銑床的結(jié)構(gòu)組成
如圖1.1所示，數(shù)控機(jī)床主要由機(jī)床本體、自動換刀裝置、數(shù)控轉(zhuǎn)臺、液壓油箱、數(shù)控電柜、主軸驅(qū)動調(diào)速控制柜、機(jī)床電氣柜、主軸箱潤滑冷卻用自動油溫調(diào)節(jié)器和空氣干燥器等組成。
1-電動機(jī) 2-換刀機(jī)械手 3-數(shù)控柜 4-刀庫 5-主軸箱 6-操作面板 7-電源柜 8-工作臺 9-滑座 10-床身
圖1.1數(shù)控機(jī)床示意圖
23
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
a. 機(jī)床本體。機(jī)床的本體是用來支撐機(jī)床的工作已達(dá)到加工生產(chǎn)目的。主要由床身和立柱組成。
b. 主軸結(jié)構(gòu)。主軸部件既要滿足精加工精度較高的要求，又要滿足粗加工時(shí)高效切削的能力。因此在旋轉(zhuǎn)精度、剛度、抗振性和熱變形等方面，都有很高的要求。在布局結(jié)構(gòu)方面，對于具有自動換刀功能的數(shù)控鏜銑床，其主軸部件除主軸、主軸軸承和傳動件等一般組成部分外，還有道具自動加緊、主軸自動準(zhǔn)停和主軸裝刀口吹凈等裝置。
c. 數(shù)控轉(zhuǎn)臺。數(shù)控轉(zhuǎn)臺可以進(jìn)行任意角度定位，它的功能有兩個(gè)：一是使工作臺進(jìn)行圓周進(jìn)給運(yùn)動，二是使工作臺進(jìn)行分度運(yùn)動。
d. 換刀裝置。數(shù)控鏜銑床為了能在工件一次裝夾中完成多種甚至所有加工工序，以縮減輔助時(shí)間和減少多次安裝工件所引起的誤差，必須具有自動換刀裝置。其主要有刀庫、橫梁升降機(jī)構(gòu)、滑座伸縮機(jī)構(gòu)、手架回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、裝刀手和卸刀手組成。
e. 機(jī)床導(dǎo)軌。導(dǎo)軌主要用來支撐和引導(dǎo)運(yùn)動部件沿一定的軌道運(yùn)動。在導(dǎo)軌副中，運(yùn)動的一方叫運(yùn)動導(dǎo)軌，不運(yùn)動的一方叫支撐導(dǎo)軌。運(yùn)動導(dǎo)軌相對于支撐導(dǎo)軌的運(yùn)動，通常是直線運(yùn)動或回轉(zhuǎn)運(yùn)動。
1.2 我國臥式鏜銑床的發(fā)展
1.2.1 我國臥式鏜銑床的發(fā)展歷史
我國臥式鏜床生產(chǎn)是在1954年由仿制開始的。目前已有13個(gè)省、一個(gè)自治區(qū)、三個(gè)直轄市的二十六個(gè)廠，臥式鏜床的年產(chǎn)量到1971年，已經(jīng)超過一千臺。臥式鏜床的品種，第一個(gè)五年計(jì)劃期間，只能生產(chǎn)主軸直徑85毫米的臥式鏜床，現(xiàn)在已經(jīng)能生產(chǎn)主軸直徑63、85、125、150等毫米的臥式鏜床及主軸直徑110mm的加大主軸直徑和移動式鏜床。從只能根據(jù)國外圖紙生產(chǎn)單一產(chǎn)品，發(fā)展到自行設(shè)計(jì)試制并采用一定先進(jìn)技術(shù)的多種產(chǎn)品。在無產(chǎn)階級大革命中，就有17個(gè)廠先后設(shè)計(jì)試制了三十一種臥式鏜床。其中直徑63mm的有五種；直徑125mm的有一種；無伸縮主軸簡易臥式鏜床有兩種；直徑160mm落地鏜床有兩種，直徑200mm的有一種，直徑250mm的有一種。
1.2.2 我國臥式鏜銑床的發(fā)展趨勢
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
圖1.2 臥式數(shù)控鏜銑床實(shí)物圖
當(dāng)代臥式鏜銑床與落地式鏜銑床技術(shù)發(fā)展非?？?，如圖1.2所示，主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)理念的更新和機(jī)床運(yùn)行速度及制造工藝水平有很大的提高，另一方面是機(jī)床結(jié)構(gòu)變化大，新技術(shù)的應(yīng)用層出不窮[4,5]。臥式鏜銑床的結(jié)構(gòu)向高速電主軸方向發(fā)展，落地式鏜銑床向滑枕式(無鏜軸)結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，功能附件呈高速、多軸聯(lián)動、結(jié)構(gòu)型式多樣化的發(fā)展態(tài)勢，這將是今后一個(gè)時(shí)期技術(shù)發(fā)展的新趨勢[6-8]。
2 數(shù)控臥式鏜銑床變速操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
2 數(shù)控臥式鏜銑床變速操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 主軸箱變速操縱機(jī)構(gòu)工作原理
主軸箱中有主軸、變速機(jī)構(gòu)，操縱系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)等。如果主軸箱與變速機(jī)構(gòu)分離，則除主軸箱外還有變速箱。主軸箱除應(yīng)保證運(yùn)動參數(shù)外，還應(yīng)具有較高的傳動效率，傳動件具有足夠的強(qiáng)度或剛度，噪聲要低，振動要小，操縱方便，具有良好的工藝性，便于檢修，成本低，防塵，防漏，外型美觀等。
如圖2.1和圖2.2所示,主軸箱中采用兩個(gè)液壓缸，經(jīng)撥叉帶動兩個(gè)雙聯(lián)滑移齒輪移動而實(shí)現(xiàn)主軸變速。上油缸使撥叉撥動軸右邊雙聯(lián)滑移齒輪變速：油缸和組成的差動油缸，可以使軸左邊的雙聯(lián)滑移齒輪獲得二個(gè)位置。即當(dāng)油缸2進(jìn)壓力油油缸4回壓力油時(shí)，活塞桿被推向右邊，活塞桿用撥叉撥動軸上的雙聯(lián)滑移齒輪到左邊位置；當(dāng)油缸4進(jìn)壓力油2油缸回壓力油時(shí)，撥叉撥動雙聯(lián)滑移齒輪移動到左邊位置。圖2.1和圖2.2[9,10]兩個(gè)圖合起來反映了變速操縱機(jī)構(gòu)中幾個(gè)液壓缸的位置及其雙聯(lián)滑移齒輪變速的關(guān)系。
圖2.1 主軸箱變速操縱機(jī)構(gòu)（a）
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
1-活塞桿 2-油缸 3-行程開關(guān) 4-油缸 5-管接頭
圖2.2 主軸箱變速操縱機(jī)構(gòu)（b）
2.2 主軸箱變速操縱機(jī)構(gòu)中傳動軸的安裝
傳動軸的軸承以深溝球軸承為主，也可用圓錐滾子軸承。前者噪聲小、發(fā)熱小，應(yīng)用較多，后者裝配方便承載能力較大，還可以承受軸向載荷，因而也有采用的，載荷較大的地方還可以采用圓柱滾子軸承[11,12]。
2.3 齒輪在軸上的布置和排列
在變速傳動組內(nèi)應(yīng)盡量使較小的齒輪成為滑移齒輪，使滑移省力。滑移齒輪必須使原出于嚙合狀態(tài)的齒輪完全脫開后，另一個(gè)齒輪才開始嚙合。因此，雙聯(lián)滑移齒輪傳動組占用的軸向長度為B>4b[13],如圖2.3所示
圖2.3 雙聯(lián)滑移齒輪軸向長度
2.4 相嚙合齒輪的寬度
在一般情況下，一對相嚙合的齒輪，寬度應(yīng)該是相同的，但是，考慮到操縱機(jī)構(gòu)的定位不可能很精準(zhǔn)，撥叉也存在著誤差和磨損，使用時(shí)往往會發(fā)生錯(cuò)位。這時(shí)只有部分齒寬參與工作，會使齒輪局部磨損，降低壽命。如果軸向尺寸并不要求很緊湊，可以使小齒輪比相嚙合的大齒輪寬2—5mm.帶來的缺點(diǎn)是軸向尺寸將有所增加[14]。
3 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
3 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1 電動的選取
3.1.1 選擇電動機(jī)的類型
根據(jù)用途選用Y系列一般用途的全封閉自冷式三相異步電動機(jī)，三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、維護(hù)方便，可直接接于三相交流電網(wǎng)中，在工業(yè)上用途最為廣泛，具有效率高、性能好、噪聲低、振動小等優(yōu)點(diǎn)，適用于不易燃、不易爆、無腐蝕性氣體和無特殊要求的機(jī)械上，如金屬切屑機(jī)床。
3.1.2 轉(zhuǎn)速及功率的確定
初步選定電動機(jī)功率為7.5kW。一般市場上最常用、供應(yīng)最多的是同步轉(zhuǎn)速為1500r/min和1000r/min的電動機(jī)，無特殊需求不選用3000r/min和750r/min的電動機(jī)，因此選擇同步轉(zhuǎn)速為1500r/min的電動機(jī)，其滿載轉(zhuǎn)速為1440r/min,且型號為Y132M-4。
3.1.3 聯(lián)軸器的選擇
聯(lián)軸器的選擇應(yīng)由工作要求決定。由于輸入軸與電動機(jī)軸直接相連，并且轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)矩小，所以選用彈性套柱銷聯(lián)軸器。其型號為LT6(GB/T 4323-2002)
3.1.4 選定各齒輪齒數(shù)
表3.1所示為確定的各齒輪的齒數(shù)
表3.1 各齒輪選定的齒數(shù)
編號
齒輪1
齒輪2
齒輪3
齒輪4
齒輪5
齒輪6
齒輪7
齒輪8
齒輪9
齒輪10
齒數(shù)Z
27
45
23
38
67
52
53
22
35
60
3.1.5 轉(zhuǎn)速的計(jì)算
在初步確定齒輪的齒數(shù)的情況下，計(jì)算主軸的轉(zhuǎn)速。齒輪5、6和齒輪7、8為兩個(gè)雙連齒輪并安裝在同一根軸上，齒輪2、3、4安裝在另一根軸上，齒輪9和齒輪10安裝在主軸上。從電動機(jī)輸出，經(jīng)過齒輪傳動到主軸有4種轉(zhuǎn)速，分別為：230r/min、950r/min、110r/min、450r/min。軸1的轉(zhuǎn)速是由電動直接輸出的，所以轉(zhuǎn)速為1440r/min,軸2和軸3的轉(zhuǎn)速是由齒輪傳遞的，所以軸2的轉(zhuǎn)速
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
為144027/45=864r/min，軸3的轉(zhuǎn)速有兩種分別為86438/52=631.38r/min和86423/67=296.6r/min。
3.1.6 各軸功率及轉(zhuǎn)矩的計(jì)算
a. 功率的計(jì)算
軸1功率為P1=75000.990.99=7350.75W；
軸2功率為P2=P10.970.99=7056W；
軸3功率為P3=P20.970.99=6779W；
主軸功率為P0=P30.970.99=6510W。
b. 轉(zhuǎn)矩的計(jì)算
軸1的轉(zhuǎn)矩為：；
軸2的轉(zhuǎn)矩為: ；
軸3有轉(zhuǎn)矩有兩種，分別為102.53和218.25；
主軸有四種轉(zhuǎn)矩，分別為270.28、65.44、565.13、138.14。
3.2 齒輪的設(shè)計(jì)
3.2.1 確定齒輪齒數(shù)的原則和要求
齒輪齒數(shù)確定的原則是使齒輪結(jié)構(gòu)緊湊，主軸轉(zhuǎn)速誤差小。具體要求如下：
a. 齒輪的齒數(shù)不應(yīng)過大；
b. 最小齒輪的齒數(shù)要求盡可能小，對于圓柱齒輪最小齒數(shù)；
c. 受結(jié)構(gòu)限制的最小齒輪的各齒輪（尤其是最小齒輪），應(yīng)可靠的裝到軸上或進(jìn)行套裝，齒輪的齒槽到孔壁或鍵槽的壁厚大于等于2mm，以保證有足夠的強(qiáng)度，避免出現(xiàn)變形、斷裂。
3.2.2 齒輪傳動設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇
a. 壓力角a的選擇
我國對一般用途的齒輪傳動規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)壓力角為a=20o，本次設(shè)計(jì)中，一對嚙合直齒圓柱齒輪的壓力角均取a=20o。
b. 齒數(shù)的選擇
保持中心距a不變的情況下，增加齒數(shù)，除能增加重合度，改善傳動平穩(wěn)外，還可以減小模數(shù)，降低齒高，因而減少金屬切削量，節(jié)省制造費(fèi)用。
閉式齒輪傳動一般轉(zhuǎn)速較高，為了提高傳動的平穩(wěn)性，較少沖擊振動，以齒數(shù)多一些為好，小齒輪的齒數(shù)可以是20—40，小齒輪確定后，按齒數(shù)比m=Z2/Z1,確定大齒輪的齒數(shù)。為了使各個(gè)相嚙合的齒輪相對磨損均勻，傳動平穩(wěn)，Z1和Z2一般互為質(zhì)數(shù)。
3.2.3 齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算
由于此次設(shè)計(jì)中涉及的齒輪過多，因此這里對齒輪1做詳細(xì)設(shè)計(jì)分析。
a. 選定齒輪類型、精度等級
選用直齒圓柱齒輪傳動。由于是金屬切屑機(jī)床，轉(zhuǎn)速較高，故選用8級精度（GB 10095-88）。
b. 選擇材料
由表查得選擇小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)處理），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)處理），硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。
c. 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行試算，即
（3.1）
確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
試選載荷系數(shù)Kt=1.3；
計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
選取齒寬系數(shù)Fd=0.2；
由表查得材料的彈性影響系數(shù)
按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞極限sHlim1=600MPa,大齒輪的接觸疲勞極限為sHlim2=550MPa。
計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
假定該機(jī)床可使用20年，每年按300天計(jì)算，則應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為
N1=60n1jLh=6014401 (2830020)=8.3109
N2=60n2jLh=608641 (2830020)= 5.0109
取接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1=0.90，KHN2=0.95。
計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)s=1。由下式得：
試算小齒輪分度圓直徑
計(jì)算圓周速度n
計(jì)算齒寬b
計(jì)算齒寬與齒高比
模數(shù)：
齒高：
則齒寬與齒高比為
計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù)n=6.6m/s，8級精度，查得動載系數(shù)Kv=1.2
直齒輪KHa=KFa=1，查得使用系數(shù)KA=1.25,用插值法查得8級精度小齒輪相對支撐非對稱布置時(shí)KHb=1.423。
由b/h=2.37，KHb=1.423查得KFb=1.35。故載荷系數(shù)
K=KAKVKHaKHb=1.251.211.423=2.1345。
按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑
。
計(jì)算模數(shù)m
。
d. 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)。彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式
（3.2）
確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
查得小齒輪的彎曲疲勞極限，大齒輪的彎曲疲勞極限。
取彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=0.85，KFN2=0.88。
計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)s=1.4，則：
；
。
計(jì)算載荷系數(shù)K。
K=KAKVKFaKFb=1.251.211.35=2.025。
查取齒形系數(shù)。
YFa1=2.57，YFa2=2.35。
查取應(yīng)力校正系數(shù)。
YSa1=1.60，YSa2=1.68。
計(jì)算大小齒輪的并加以比較
；
大齒輪的數(shù)值大。
設(shè)計(jì)計(jì)算
對比計(jì)算結(jié)果，有齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的的模數(shù)。由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力僅與齒輪直徑有關(guān)。所以取模數(shù)為m1=3。因?yàn)樗〉凝X數(shù)為Z1=27，Z2=45，所以分度圓直徑為d1=273=81mm，d2=345=135mm。這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。
d. 幾何尺寸計(jì)算
計(jì)算中心距
計(jì)算齒輪寬度
b=Fdd1=0.281=16.2mm
取B2=20mm，B1=25mm。
3.3 軸的設(shè)計(jì)
軸的設(shè)計(jì)是根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及主軸的制造工藝等方面的要求，合理的確定軸的結(jié)構(gòu)和尺寸。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，會影響機(jī)床的工作能力和軸上零件工作的可靠性還會增加軸的制造成本和軸上零件裝配的空難等。因此，軸的結(jié)構(gòu)是軸設(shè)計(jì)中的主要內(nèi)容。
軸的工作能力計(jì)算指的是軸的強(qiáng)度，剛度和振動穩(wěn)定性等方面的計(jì)算。多數(shù)情況下，制的工作能力指的是軸的強(qiáng)度。這時(shí)只要對軸進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，以防止斷裂或塑性變形。而對剛度要求高的軸和受力大細(xì)長軸，還應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，以防止發(fā)生共振而破壞。
軸的材料主要是碳鋼和合金鋼，鋼軸的毛胚多數(shù)用軋鋼制圓鋼和鍛件，有的則直接用圓鋼。由于碳鋼比合金鋼價(jià)廉，對應(yīng)力集中的敏感性較低，同時(shí)也可以用熱處理或化學(xué)熱處理的方法提高其耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度，故采用碳鋼制造周最為廣泛，其中最常用的是45號鋼。我的設(shè)計(jì)中主要采用45號鋼
合金鋼比碳鋼具有更高的力學(xué)性能和更好淬火性能。因此在傳遞大動力，并要求減小尺寸與質(zhì)量，提高軸勁的耐磨性，以及處于高溫或低溫條件下工作的軸，常用合金鋼。
必須指出：在一般工作溫度下（低于100攝氏度），各種碳鋼和合金鋼的彈性模量均相差不多，因此在選擇鋼的種類和決定鋼的熱處理方法時(shí)，所根據(jù)的是強(qiáng)度和耐磨性，而不是軸的彎曲強(qiáng)度和扭曲強(qiáng)度。但也應(yīng)注意，在既定條件下，有時(shí)也選用強(qiáng)度較低的剛才，而用適當(dāng)增加軸的截面面積的方法來提高軸的剛度。
3.3.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括定出軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要決定于以下因素：軸在機(jī)器中的安裝位置以及形式；軸上安裝的零部件的類型、尺寸、數(shù)量以及和軸的連接方法；載荷的性質(zhì)、大小、方向及分布情況；軸的加工工藝等。由于影響軸的結(jié)構(gòu)的因素較多，且其結(jié)構(gòu)形式又要隨著具體情況的不同而異，所以軸沒有標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)形式。設(shè)計(jì)時(shí)必須針對不同情況進(jìn)行具體的分析。但是，不論何種具體條件，軸的結(jié)構(gòu)都應(yīng)滿足：軸和裝在軸上的零件要有準(zhǔn)確的工作位置；軸上的零件應(yīng)便于拆裝和調(diào)整；軸應(yīng)具有良好的制造工藝性等。下面討論軸的設(shè)計(jì)中要解決的幾個(gè)主要問題。
a. 軸上零件的定位
為了防止軸上零件受力時(shí)發(fā)生沿軸向或徑向的相對運(yùn)動，軸上零件除了有游動或空轉(zhuǎn)的要求外，都必須進(jìn)行軸向和徑向的定位，以保證其準(zhǔn)確的工作位置。
b. 零件的軸向定位
軸上零件的軸向定位是以軸肩、套筒、軸段擋圈、軸承端蓋和圓螺母等來保證的。
軸肩分為定位軸肩和非定位軸肩兩類。利用軸肩定位是最方便可靠的方法，但采用軸肩就必然會使軸的直徑加大，而且軸肩處將應(yīng)截面突變而引起應(yīng)力集中。另外，軸肩過多時(shí)也不利于加工。因此，軸肩定位多用于軸向力較大的場合。定位軸肩的高度h一般取為h=(0.07-0.1)d，d為與零件相配合處的軸的直徑，單位為mm。滾動軸承的軸肩必須低于軸承內(nèi)圈斷面的高度，以便于拆卸軸承，軸肩的高度可查手冊中軸承的安裝尺寸。為了使零件能靠近軸肩而得到準(zhǔn)確可靠的定位，軸肩處的過度圓角半徑r必須小于與之相配的零件轂孔端部的圓角半徑R或倒角C。
套筒定位結(jié)構(gòu)簡單，定位可靠，軸上不需開曹、鉆孔或切制螺紋，因而不影響軸的疲勞強(qiáng)度，一般用于軸上兩個(gè)零件之間的定位。如兩零件間的間距較大時(shí)，不宜采用套筒定位，以免增大套筒的質(zhì)量及材料的用量。因套筒與軸的配合較松，如軸的轉(zhuǎn)速很高時(shí)，也不宜采用套筒定位。
c. 各軸段直徑和長度的確定
零件在軸上的定位和拆裝方案確定后，軸的形狀便大體確定。各軸段所需的直徑與軸上的載荷大小有關(guān)，初步確定軸的直徑時(shí)，還不知道支反力的作用點(diǎn)，不能確定彎矩的大小與分布情況，因而還不能按軸所受的具體載荷及其引起的應(yīng)力來確定軸的直徑。但在進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，通常已經(jīng)能求得軸所受的扭矩。因此，可按軸所受的扭矩初步估算軸所需的直徑，將初步求出的直徑作為承受扭矩的軸段的最小直徑dmin，然后再按軸上零件的裝配方案和定位要求，從dmin處起注意確定各段軸的直徑。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，軸的直徑亦可憑設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)去定，或參考同類機(jī)器用類比的方法確定。
為了使齒輪、軸承等有配合要求的零件拆裝方便，并減少配合表面的擦傷，在配合軸段前應(yīng)采用較小的直徑。為了使與軸做過盈配合的零件便于裝配，相配合軸段的壓入段應(yīng)制出錐度；或在同一軸段的兩個(gè)部位上采用不同的尺寸公差。確定各軸段的長度時(shí)，應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)還要保證零件所需的裝配或調(diào)整空間。軸的各段長度主要是根據(jù)各零件與軸配合部分的軸向尺寸和相鄰部件間必要的空隙來確定。為了保證軸向定位可靠，與齒輪和聯(lián)軸器等零部件相配合部分的軸段長度一般應(yīng)比輪轂長度短2—3mm。
3.3.2 軸上作用力的計(jì)算
a. 軸1上齒輪1的受力計(jì)算
已知條件，軸1傳遞的轉(zhuǎn)矩T1=48.7，轉(zhuǎn)速為1440r/min，齒輪1分度圓直徑d1=81mm。
齒輪1的作用力為,其方向?yàn)橛闪Φ淖饔命c(diǎn)指向齒輪1的轉(zhuǎn)動中心。
齒輪2的作用力與齒輪1的作用力大小相等方向相反。
b. 軸2的作用計(jì)算
已知條件，軸2傳遞的轉(zhuǎn)矩T2=77.98，轉(zhuǎn)速為864r/min，齒輪3的分度圓直徑為d3=69mm，齒輪4的分度圓直徑為d4=114mm。
齒輪3的作用力為
齒輪4的作用力為
其方向都由力的作用點(diǎn)指向轉(zhuǎn)動中心。
3.3.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算與軸上齒輪輪轂孔內(nèi)徑及寬度、滾動軸承的選擇和校核、鍵的選擇和驗(yàn)算與軸連接的半聯(lián)軸器的選擇同步進(jìn)行。并且箱體內(nèi)壁寬度主要由軸的總長度確定，所以軸的結(jié)構(gòu)尺寸最為關(guān)鍵。這里對軸2進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算。
已知條件，軸2的傳遞功率P2=7056w，轉(zhuǎn)速n2=864r/min,齒輪分度圓直d2=135mm，d3=69mm，d4=114mm，齒輪寬度b2=20mm，b3=30mm，b4=25mm。
a. 選擇軸的材料
因?yàn)樵撦S主要承受的是扭矩和彎曲變形，所以選用常用的材料45鋼，調(diào)質(zhì)處理，其硬度為217—225MPa，彎曲疲勞極限為s-1=275MPa,許用彎曲應(yīng)力[s-1]=60MPa,許用切應(yīng)力[t]=25-45MPa。
b. 初算軸徑
由表查得A0=126-103考慮到軸承受彎矩較小且受到扭矩的作用，載荷較平穩(wěn)，所以A0取較小值A(chǔ)0=110，則
c.軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（1）軸的結(jié)構(gòu)構(gòu)想如圖3.1所示
圖3.1 軸的結(jié)構(gòu)構(gòu)想圖
（2）軸承部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1）軸不長，故軸承采用兩端固定方式，然后按軸上零件的安裝順序從dmin處開始設(shè)計(jì)。
2）軸承的選擇與軸段1及軸段6的設(shè)計(jì)
該軸段上安裝軸承，其設(shè)計(jì)應(yīng)該與軸承的選擇同步進(jìn)行，因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)選用的是直齒圓柱齒輪，所以不考慮軸向力的存在，選用深溝球軸承，軸段1、6上安裝軸承，其直徑應(yīng)該既便于軸承的安裝又應(yīng)該符合軸承內(nèi)徑系列，所以選用軸承6207進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。其內(nèi)徑為d=35mm，外徑為D=72mm，寬度為B=17mm。所以d1和d6都為35mm，且取l6=l1=30mm。
3）軸段2和軸段3的設(shè)計(jì)
軸段2和軸段3上分別安裝的是齒輪2齒輪3和齒輪4，為了齒輪的安裝，d3>d2>d1?？沙醪酱_定d3=F42mm，d2=F40mm，齒輪2和齒輪3的輪轂寬度為b2=30mm，b3=35mm，左右兩端均采用套筒定位，由于兩個(gè)齒輪的直徑及寬度都不較小，所以采用實(shí)心式，并且兩個(gè)齒輪是緊密挨在一起的，軸段3上安裝的是齒輪4，齒輪4的輪轂寬度為b4=35mm，左端采用軸肩定位，右端采用套筒定位，由于齒輪4和齒輪6嚙合，齒輪3和齒輪5嚙合，齒輪5和齒輪6為雙聯(lián)滑移齒輪，滑移的距離為58mm。齒輪5是安裝在齒輪6的輪轂上的，齒輪6的輪轂寬度為70mm，所以齒輪4和齒輪3之間的總長度應(yīng)大于128mm，軸段3的長度應(yīng)該大于128-35=93mm，故取l2=65mm，l3=100mm。
軸段4為軸肩，所以取l4=4mm，d4=F46mm。軸段5上沒有安裝任何零部件，由于齒輪和齒輪8為雙聯(lián)滑移齒輪，齒輪7安裝在齒輪8的輪轂上，其總體寬度為90mm，滑移距離為42mm，所以l5>90+42-4=128mm，故取l5=140mm。
（3）軸上力的作用點(diǎn)間的距離
軸承反力的作用距離軸承外圈斷面的距離為a=8.5mm。所以有圖可得軸的支點(diǎn)及受力點(diǎn)間的距離為：
L1=l1+b2-a-3=30+10-8.5-3=28.5mm；
L2=b2+b3=35mm；
L3=b3+l3-b4=102.5mm；
L4=l5+l4+b4+l6-a-3=175mm。
3.3.4 鍵的選取
齒輪與軸之間采用A型普通平鍵連接，鍵的選取是根據(jù)該段軸的直徑和長度所決定的，所以選取鍵12856和鍵12832（GB/T1096-2003）。
3.3.5 軸的受力分析
a. 軸的受力簡圖如圖3.2所示
圖3.2 軸的受力簡圖
計(jì)算支撐反力
式中負(fù)號與圖中所畫力的方向相反。
b. 畫出軸的彎矩圖如圖3.3所示
圖3.3 軸的彎矩圖
計(jì)算彎矩
c. 畫出軸的扭矩圖如圖3.4所示
圖3.4 軸的扭矩圖
3.3.6 校核軸的強(qiáng)度
根據(jù)所的的彎矩圖和扭矩圖得出，軸段4為危險(xiǎn)截面，其抗彎截面系數(shù)為
（3.3）
抗扭截面系數(shù)為
（3.4）
所以
所以該軸的設(shè)計(jì)滿足要求。
3.3.7 校核鍵連接的強(qiáng)度
齒輪2、3處鍵連接的擠壓應(yīng)力為
（3.5）
齒輪4處鍵的強(qiáng)度為
取鍵的材料為鋼，而。
所以強(qiáng)度足夠，選用的鍵滿足要求。
3.3.8 校核軸承壽命
查得Cr=25500,C0r=15200。軸承1、2的內(nèi)部軸向力分別為
由于此設(shè)計(jì)中所用的齒輪為直齒圓柱齒輪，所以不考慮外部軸向力。由于S2>S1，故只需校核軸承1的壽命。
由,查得e=0.24,因?yàn)椴豢紤]外部軸向力，所以可以認(rèn)為外部軸向力為Fa=0，即
,故X=1，Y=0。
則當(dāng)量動載荷為
（3.6）
軸承在100攝氏度以下工作，查得，對于金屬切削機(jī)床，查表得載荷系數(shù)為,軸承1的壽命為
（3.7）
假定該機(jī)床可以使用20年，每年按300天計(jì)算，則
由于，故軸承壽命足夠。
4 箱體的設(shè)計(jì)
4 箱體的設(shè)計(jì)
變速操縱機(jī)構(gòu)箱體是用以支持和固定軸系零件，保證傳動件的嚙合精度、良好潤滑及密封的重要零件，箱體的結(jié)構(gòu)對機(jī)床的工作性能、加工工藝、材料消耗、質(zhì)量及成本等有很大的影響，設(shè)計(jì)時(shí)必須全面考慮。
箱體按毛胚的制造方式不同可分為鑄造箱體和焊接箱體，鑄造箱體的材料一般多用鑄鐵（HT150、HT200）。鑄造箱體較易獲得合理和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形狀，剛度好，易進(jìn)行切削加工，但制造周期長，質(zhì)量較大，多用于成批生產(chǎn)。此次設(shè)計(jì)中選用鑄造箱體，選用材料為HT200。且箱體的結(jié)構(gòu)尺寸如表4.1所示[15,16]；
表4.1 箱體結(jié)構(gòu)尺寸
名稱
尺寸（mm）
箱座壁厚
20
箱蓋厚度
10
箱蓋寬度
350
軸承旁連接螺栓直徑
M10
箱座底凸緣厚度
20
箱蓋與箱座連接螺釘直徑
M8
連接螺栓的間距
320
箱體與床身連接螺栓間距
170
外箱壁至軸承座端面距離
15
軸承座厚度
50
箱體總寬度
402
箱體總高度
470
箱體總長
578
箱體內(nèi)壁間距
338
箱體于床身連接板的厚度
20
5 傳動系統(tǒng)的潤滑
5 傳動系統(tǒng)的潤滑
機(jī)床傳動零件和軸承都需要良好的潤滑，其目的是為了減少摩擦、磨損，提高效率，防銹，冷卻和散熱。其潤滑的方式有兩種，一種是浸油潤滑，另一種是噴油潤滑，根據(jù)本次設(shè)計(jì)的主軸箱傳動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，采用噴油潤滑的方式。即利用液壓泵將潤滑油加壓，通過油嘴噴到嚙合區(qū)對傳動部件進(jìn)行潤滑。經(jīng)查得，選用全損耗系統(tǒng)用油[17,18],其型號為L-AN15（GB 443-1989）。
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總 結(jié)
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總 結(jié)
數(shù)控臥式鏜銑床主軸箱變速操縱機(jī)構(gòu)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)完成了，雖然設(shè)計(jì)的過程比較繁瑣，而且剛開始的時(shí)候還有些不知所措，但是在同學(xué)們的共同努力下，再加上老師的細(xì)心指導(dǎo)，我終于順利的完成了這次設(shè)計(jì)任務(wù)。本次設(shè)計(jì)鞏固和深化了課堂理論教學(xué)的內(nèi)容，鍛煉和培養(yǎng)了我綜合運(yùn)用所學(xué)過的知識和理論的能力。使我獨(dú)立分析、解決問題的能力得到強(qiáng)化。
數(shù)控臥式鏜銑床是今后機(jī)床發(fā)展的方向，數(shù)控臥式鏜銑床液壓缸變速能實(shí)現(xiàn)機(jī)床的數(shù)控變速，使機(jī)床在工作中能改變主軸轉(zhuǎn)速，免除機(jī)床停車換擋，提高了加工工件的效率和精度，且液壓缸控制簡單，工作可靠，大大提高了數(shù)控機(jī)床的工作性能，減少了工件的裝夾次數(shù)。
變速操縱機(jī)構(gòu)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，可以說變速操縱機(jī)構(gòu)的性能決定著機(jī)床的性能。通過本次設(shè)計(jì)，可以比較全面的了解數(shù)控臥式鏜銑床變速操縱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和和參數(shù)選擇方法，對數(shù)控機(jī)床的性能及在機(jī)械生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用又有了更新的認(rèn)識。
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參考文獻(xiàn)
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致謝
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識產(chǎn)權(quán)申明
致 謝
致 謝
本論文工作從始至終都是在曹老師的細(xì)心指導(dǎo)下完成的，其中傾注了老師大量的心血。老師嚴(yán)謹(jǐn)求學(xué)的作風(fēng)，淵博的知識，敏銳的洞察力和執(zhí)著的鉆研精神使我受益匪淺，并將激勵(lì)我在今后的人生中克服困難，繼續(xù)奮勇向前進(jìn)。正是導(dǎo)師循循善誘的教誨和指導(dǎo)，使我克服重重困難，最終圓滿的完成了論文工作。至此論文完成之際，謹(jǐn)向尊敬的導(dǎo)師至以最深切由衷的謝意！
在設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)期間，曹老師給了我足夠的指導(dǎo)。從題目的選取、市場調(diào)研、查閱資料到正式設(shè)計(jì)、編寫說明書等每一個(gè)階段都是一個(gè)知識復(fù)習(xí)回顧，經(jīng)驗(yàn)積累的過程。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中使我深刻體會到，理論知識與實(shí)際設(shè)計(jì)中的差距、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對將來工作的重要性，機(jī)械設(shè)計(jì)不僅要付出辛勤的勞動，而且需要慎密的思考，敢于想象，勇于創(chuàng)新等新的設(shè)計(jì)理念，既滿足設(shè)計(jì)的性能要求又要經(jīng)濟(jì)上的實(shí)用性，真的讓我受益匪淺，感想收獲頗多。
經(jīng)過幾個(gè)月的努力，我順利的完成了設(shè)計(jì)。畢竟這是我第一次做畢業(yè)設(shè)計(jì)，經(jīng)驗(yàn)不足在一定程度上肯定有不完善的地方需要改進(jìn)，許多地方還沒有成熟的理論論證，懇請各位老師批評指正。
最后，衷心的祝愿我們的學(xué)校興旺發(fā)達(dá)！
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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明
秉承學(xué)校嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)與優(yōu)良的科學(xué)道德，本人聲明所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的成果，不包含他人已申請學(xué)位或其他用途使用過的成果。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了致謝。
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）與資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）作者簽名：
指導(dǎo)教師簽名：
日期：
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