1、CK6163床頭箱設計說明書設 計 者： 楊光照 班 級： 機械0906 學 號： 0401090617指導教師： 李楠江南大學2011-9-14目錄1.緒論2.機床主傳動系設計345671緒論機床工業是關系到國計民生的基礎工業。它肩負著為國民經濟各部門和國防軍工提供現代化裝備的重任。在世界經濟持續發展，國內經濟穩步增長的帶動下，國內機床工具行業近年來，取得長足的發展和進步。作為機床工業主流產品和高新技術的重要載體，數控機床的發展更為迅猛。CK6163是較為典型的一種數控機床，應用較為廣泛，該機床是開環式的數字程序控制車床，能進行內外圓柱面、圓錐面、圓弧面、圓柱螺紋和圓錐螺紋等加工。機床主軸的

2、啟動、停止和變速，縱向和橫向進給運動的行程和速度道具的變換和冷卻，都可以自動控制。并具有直線、錐度、直螺紋和錐螺紋等自動循環機能，在該機床中采用液壓卡盤、液壓尾座、快換刀夾和機床對刀裝置。該機床適用于加工形狀復雜的中小批量的零件。機床的床頭箱即主軸箱，是機床很重要的組成部分，機床主傳動系因機床的類型、性能、規格和尺寸等因素的不同，應滿足的要求也不一樣。設計機床主傳動系時最基本的原則就是以最經濟、合理的方式滿足既定的要求。在設計時應結合具體機床進行具體分析，一般應滿足的基本要求有：滿足機床使用性能要求。首先應滿足機床的運動特性，如機床主軸油足夠的轉速范圍和轉速級數；滿足機床傳遞動力的要求。主電動

3、機和傳動機構能提供足夠的功率和轉矩，具有較高的傳動效率；滿足機床工作性能要求。主傳動中所有零部件有足夠的剛度、精度和抗震性，熱變形特性穩定；滿足產品的經濟性要求。傳動鏈盡可能簡短，零件數目要少，以便節約材料，降低成本。2.機床主傳動系設計2.1 主要技術參數工件最大回轉直徑 630mm工件最大長度 1500mm主軸孔徑 80mm主軸前端孔錐度 公制100號主軸轉速范圍（16級） 321000轉/分2.2床頭箱設計滿足的基本要求機床床頭箱因機床的類型、性能、規格尺寸等因素的不同，應滿足的要求也不一樣。設計機床床頭箱是最基本的原則就是以最經濟、合理的方式滿足既定的要求。在設計時應結合具體機床進行具

4、體分析。一般應滿足下述基本要求：1).滿足機床使用性能的要求。首先應滿足機床的運動特性，如機床的主軸有足夠的轉速范圍和轉速級數（對與主傳動為直線運動的機床，則有足夠的每分鐘雙行程數范圍及變速級數）。傳動設計合理，操縱方便、靈活、迅速、安全可靠等。2).滿足機床傳遞動力要求。主電動機和傳動機構能提供和傳遞足夠的功率和轉矩，具有較高的傳動效率。3).滿足機床工作性能的要求。主傳動中所有零件要有足夠的剛度、精度、和抗震性、熱變形特性穩定。4).滿足產品設計經濟性的要求。傳動鏈盡可能簡短，零件數目要少，以便于接生材料，降低成本。5).調整維修方便，結構簡單、合理，便于加工和裝配。防護性能好，使用壽命長

5、。2.3操作性能要求床頭箱中的內齒離合器和（詳見裝配圖），由操縱油缸中的活塞桿帶動撥叉和來控制它的接通和放松，使主軸實現四級變速，停車時為克服旋轉件的慣性采用液壓摩擦制動器使主軸迅速停止。主軸運動通過齒輪傳至主軸脈沖發生器其傳動比為1:1，主軸轉一轉，主軸脈沖發生器發出1024個脈沖。改變主電機轉向可以實現主軸正反轉，主軸具有三個支承：前支承為C3182132型雙列短圓柱滾子軸承；中間輔助支承為128型單列滾珠軸承。這樣不但保證主軸的回轉精度，也提高了主軸剛度和主軸的抗振性。3.床頭箱主傳動系設計主傳動系一般由動力源、變速裝置及執行件，以及開停、換向和制動機構等部件組成。動力源給執行件提供動力

6、，并使用其得到一定的運動速度和方向；變速裝置傳動動力以及變換運動速度；執行件執行機床所需的運動，完成旋轉或直線運動。3.1 主傳動系選擇按驅動主傳動的電動機類型可分為交流電動機驅動和直流電動機驅動。本次設計采用交流電動機驅動.變速的連續性可以分為分級變速傳動和無級變速傳動,本次設計采用無級變速傳動.3.2 傳動方式的選擇本次設計采用分離傳動方式：主傳動系中的大部分的傳動和變速機構裝在遠離主軸的單獨變速箱中，然后通過帶傳動將運動傳到主軸箱。4.運動設計 4.1 已知條件 已知主軸最低轉速nmin為32r/min,最高轉速nmax為1000r/min，轉速調整范圍為 Rn=nmax/nmin=31

7、.25 取Rn=32確定公比:選定主軸轉速數列的公比為1.25；求出主軸轉速級數ZZ=lgRn/lg+1= lg32/lg1.25+1=16.53 取Z=16 24.2 結構分析式確定結構式：16=222216=22416=242根據擬定轉速圖的原則篩選結構式1.極限傳動比、極限變速范圍原則；2.確定傳動順序及傳動副數的原則“前多后少”的原則；3.確定傳動順序與擴大順序相一致的原則“前密后疏” 的原則 4.確定最小傳動比的原則“前慢后快”（降速），“前快后慢”（升速）的原則。經整理得：16=212224284.3 擬定轉速圖(1)選定電動機一般金屬切削機床的驅動，如無特殊性能要求，多采用Y系列

8、封閉自扇冷式鼠籠型三相異步電動機。Y系列電動機高效、節能、起動轉矩大、噪聲低、振動小、運行安全可靠。根據機床所需功率選擇Y160M-4，其同步轉速為1460r/min。（2）分配總降速傳動比總降速傳動比為uII=nmin/nd=32/14600.0213,nmin為主軸最低轉速，考慮是否需要增加定比傳動副，以使轉速數列符合標準或有利于減少齒輪和及徑向與軸向尺寸，并分擔總降速傳動比。然后，將總降速傳動比按“先緩后急”的遞減原則分配給串聯的各變速組中的最小傳動比。（3）確定各級轉速并繪制轉速圖由 z = 16 確定各級轉速：1000、800、630、500、400、315、250、200、160、

9、135、100、80、63、40、32r/min。本設計有四種傳動機構，四段無級變速： (1)IV V VI VII VIII (2)IV V VII VIII(3)IV VI VII VIII （下撥叉左）(4)IV VI VII VIII （下撥叉右） 先來確定IV軸的轉速nmax=1450130/18640/3236/36190/304=791；取nmax=800nmin=145032/4032/40190/304=405；取 nmin=400根據轉速圖跟結構式，可確定IV軸的轉速為400、500、630、800r/min 確定軸V的轉速因為IV軸跟V軸是1：1傳遞，所以V軸的轉速等同I

10、V軸轉速：400、500、630、800r/min。確定軸VI的轉速由軸IV傳遞到軸VI可以得到四級轉速：400、500、630、800r/min由軸V傳遞到軸VI可以得到四級轉速：40024/60=160；50024/60=200 ；63024/60=252 取n=250 ；80024/60=320 取n=315所以VI軸的轉速確定為160、200、250、315、400、500、630、800r/min確定軸VII的轉速由軸IV經軸V直接傳遞到軸VII可以得到四級轉速：400、500、630、800r/min由軸IV經軸VI傳遞到軸VII可以得到八級轉速：80024/60=160 ；630

11、24/60=125；50024/60=100；40024/60=80 (80060/24=2000 3060/24=1575 n=1600 50060/24=1250 40060/24=1000)由軸IV經軸V傳遞到軸VI再傳遞到軸VII可以得到四級轉速：31524/60=160 25024/60=100 20024/60=80 16024/60=63確定VII軸的轉速為：2000、1600、1250、1000、800、630、500、400、315、250、200、160、135、100、80、63r/min4.4確定轉速圖圖1. CK6163 轉速圖4.5 確定各變速組傳動副齒數軸IV-V

12、: 時：64、66、68、70、72、74、76、84時：64、66、68、70、72、74、76、84可取84,于是可得軸IV齒數為：42；于是 可得軸V上的齒輪齒數為：42軸V-VI: ，時：69、72、73、76、77、80、81、84、87可取 84，于是可得軸V上齒輪的齒數為：24；于是 ，得軸VI上齒輪的齒數為：60軸VI-軸VII:時： 72、75、78、81、84、87、89、90可取 84；得軸VI齒輪齒數為24；由； 得VII軸齒輪齒數為60軸VII-軸VIII：時：72、75、78、81、84、87、89、90可取 90.得軸VII齒輪齒數為30；由得VIII軸齒輪齒數為

13、60根據軸數，齒輪副，電動機等已知條件可有如下系統圖： 圖2. CK6163床頭箱傳動系統圖5.齒輪傳動設計5.1 漸開線直齒輪設計5.1.1 選擇齒輪材料及精度等級:因為是1:1傳遞,所以兩齒輪材料選擇一致:齒輪選用合金鋼調質，硬度為220250HBs；選8級精度，要求齒面粗糙度Ra3.26.35.1.2 模數的確定：在IV軸上42齒數的齒輪最容易受損，所以應以42齒數齒輪位代表進行模數計算，因為2.1 5查機械設計基礎表10.11“載荷系數 K”得：因為 2.2 5 式子中P為主動軸的傳輸功率n為從動軸的的轉數IV軸的計算轉速為：則有 2.3 5查機械設計基礎表11.19得查機械設計基礎表

14、10.13“標準外齒輪的齒形系數”得：當z=42時 所對應的外齒輪齒形系數查機械設計基礎表10.14“標準外齒輪的應力修正系數”得：當z=42時 所對應的外齒輪的應力修正系數查機械設計基礎圖11.24得：查圖11.25得： 查表11.9得： 因為所以經整理得： 取于是軸IV齒輪的直徑為 因為是漸開線標準直齒輪,所以V軸齒輪的模數也為m=4. 5.1.3 校核齒輪按齒根彎曲疲勞強度校核:如果，則校核合格。確定有關系數與參數：齒形系數 ； 查表11.12得 應力修正系數 ；查表11.13得 許用彎曲應力由圖11.24查得由表11.9查得 由圖11.25查得 由式 可得故齒根彎曲強度校核合格.驗算齒

15、輪的圓周速度查表11.21可知,選8級精度是合適的.5.2 斜齒輪設計5.2.1 選擇齒輪材料及精度等級:按表11.8選擇齒輪的材料為小齒輪選用45鋼調質，硬度為；大齒輪選用45鋼正火，硬度為； 選8級精度，要求齒面粗糙度5.2.2 確定設計準則由于為閉式齒輪傳動,且兩齒輪均為齒面硬度HBs小于等于350的軟齒面,齒面點蝕是最主要的失效形式.應選按齒面接觸疲勞強度進行設計計算,確定齒輪的主要參數和尺寸,然后再按彎曲疲勞強度校核齒根的彎曲強度5.2.3 按齒面接觸疲勞強度設計確定有關參數與系數:轉矩 2.3載荷系數 查機械設計基礎表10.11“載荷系數 ”得：齒數,螺旋角和齒寬系數小齒輪齒數取為

16、30，大齒輪齒數是60 初選螺旋角=15彈性系數由表11.11查得 許用接觸應力查機械設計基礎由圖11.23查得 由表11.9查得查圖11.26得由可得故 由表11. 3取標準模數為m=4.5確定中心距a螺旋角取中心距a=210mm主要尺寸計算取, =按齒根彎曲疲勞強度校核確定有關參數與系數：(1)當量齒數(2)齒形系數查表11.12得；(3)應力修正系數查表11.13 ；(4)許用彎曲應力由圖11.24查得由表11.9查得由圖11.25查得由式可得 故齒根彎曲強度校核合格.驗算齒輪的圓周速度由表11.21可知,選8級精度是合適的.6.主軸傳動設計6.1 確定主軸最小直徑6.1.1 選擇軸的材

17、料,確定許用應力由已知條件可知此主軸箱傳遞的功率屬中小功率,對材料無特殊的要求,故選45號鋼并經調質處理,由機械設計一書中表16.1查得強度極限=637MPa,再由表16.3得許用彎曲應力。6.1.2 按扭轉強度估算軸徑由式考慮到主軸的最小直徑處要安裝聯軸器,會有鍵槽存在.故需要將估算直徑加大.設計手冊取標準直徑6.2主軸最佳跨距的確定主要參數工件最大直徑車床，功率.求軸承剛度，考慮機械效率，主軸最大輸出轉距：床身上最大加工直徑約為最大回轉直徑的60%,取50%即,切削力 背向力 故總的作用力 次力作用于頂在頂尖間的工件上主軸尾架各承受一半,故主軸軸端受力為 先假設 前后支撐分別為根據。6.3

18、主軸剛度的校核前支承為雙列圓柱滾子軸承，后支承為雙列圓柱滾子軸承當量外徑主軸剛度：由于故根據式（10-8）對于機床的剛度要求，取阻尼比當v=50m/min,s=0.1mm/r時,取計算 可以看出，該機床主軸是合格的.7.帶傳動設計電動機轉速,傳遞功率,傳動比，1確定計算功率 取，則2選取V帶型根據小帶輪的轉速和計算功率，選B型帶。3確定帶輪直徑和驗算帶速查表小帶輪基準直徑,驗算帶速成其中 -小帶輪轉速，r/min； -小帶輪直徑，mm； ,合適4確定帶傳動的中心距和帶的基準長度設中心距為,則 于是 ,初取中心距為帶長 查表取相近的基準長度，。帶傳動實際中心距5驗算小帶輪的包角 一般小帶輪的包角

19、不應小于。合適。6確定帶的根數其中： 時傳遞功率的增量； -按小輪包角，查得的包角系數； -長度系數； 為避免V型帶工作時各根帶受力嚴重不均勻，限制根數不大于10。7計算帶的張緊力其中： -帶的傳動功率,KW； v-帶速,m/s； q-每米帶的質量，kg/m；取q=0.17kg/m。 v = 1440r/min = 9.42m/s。 8計算作用在軸上的壓軸力 8.滾珠螺母絲杠8.1、 滾珠絲杠副的種類與結構 滾珠絲杠螺母副：是回轉運動與直線運動相互轉換的傳動裝置，在數控機床進給系統中一般采用滾珠絲杠副來改善摩擦特性。工作原理是：當絲杠相對于螺母旋轉時，兩者發生軸向位移，而滾珠則可沿8.1.1內

20、循環式內循環方式的滾珠在循環過程中始終與絲杠表面保持接觸。如圖3。在螺母的側面孔內，裝有接通相鄰滾道的反向器，利用反向器引導滾珠越過絲杠的螺紋頂部進入相鄰滾道，形成一個循環回路。一般在同一螺母上裝有24個反向器，并沿螺母圓周均勻分布。優缺點：滾珠循環的回路短、流暢性好、效率高、螺母的徑向尺寸也較小，但制造精度要求高。圖3. 內循環示意圖 1凸鍵 2、3反向鍵8.1.2外循環式 外循環方式的滾珠在循環反向時，離開絲杠螺紋滾道，在螺母體內或體外做循環運動。如圖4，（a）為螺旋槽式外循環（b）為插管式外循環。優缺點：結構簡單、制造容易、但徑向尺寸大，且彎管兩端耐磨性和抗沖擊性差。圖4. 外循環示意圖

21、（a）螺旋槽式：1套筒；2螺母；3滾珠；4擋珠器；5絲杠（b）插管式：1彎管；2壓板；3絲杠；4滾珠；5滾道8.2、滾珠絲杠副的結構參數 滾珠絲杠副的主要參數有：公稱直徑D、導程L和接觸角。 1）公稱直徑D：是指滾珠與螺紋滾道在理論接觸角狀態時包絡滾珠球心的圓柱直徑。它與承載能力直接有關，常用范圍為3080 mm，一般大于絲杠長度的1/35/30。 2）導程L：導程的大小要根據機床加工精度的要求確定，精度高時，導程小一些；精度低時，導程大些。但導程取小后，滾珠直徑將取小，使滾珠絲杠副的承載能力下降；若滾珠直徑不變，導程取小后，螺旋升角也小，傳動效率將下降。因此，一般地，導程數值的確定原則是：在

22、滿足加工精度的條件下盡可能取得大一些。8.3、滾珠絲杠副的結構特點 1）摩擦因素小，傳動效率高。滾珠絲杠副的傳動效率可達0.920.96，比常規的絲杠螺母副提高34倍。因此，功率消耗只相當于常規絲杠的1/41/3。2）可預緊消隙。給予適當預緊，可消除絲杠和螺母的間隙，反向運動時無死區，定位精度高，剛度好。3）運動平穩，低速時不易出現爬行現象，傳動精度高。4）運動具有可逆性。可以從旋轉運動轉換為直線運動，也可以從直線運動轉換為旋轉運動，即絲杠和螺母均可以作為主動件。5）磨損小，使用壽命長。6）所需傳動轉矩小。7）制造工藝復雜。滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度要求也高，故制造成本高。8）不能自鎖。特別是對于垂直絲杠，由于處于重慣性力的作用，常需添加輔助制動裝置。8.4、滾珠絲杠副的安裝支撐方式 為提高傳動剛度，滾珠絲杠合理的支撐結構及正確的安裝很重要一般采用高剛度的止推軸承支撐結構，以提高滾珠絲杠的軸向承載能力。 圖5 支承方式 （a）一端裝止推軸承（固定-自由式）。其承載能力小，