CK516数控车床变速箱中传动轴的设计.doc

1、新乡学院2011届毕业论文 CK516数控车床变速箱中传动轴的设计院 系：机电工程学院专 业：机械制造与自动化班 级：学 生： 指导教师： 学 院2011年5月21目 录内容摘要1关键词1Abstract.1Keywords11.数控车床简介21.1 数控车床的简介21.2 数控车床技术的发展趋势32.设计题目及参数41.1 题目41.2 参数43.传动轴的概念44.轴类零件技术要求55.轴上零件的轴向定位和固定66.传动轴的强度计算及受力分析76.1 轴的强度计算及受力分析86.2 轴强度计算及受力分析106.3 轴强度计算及受力分析127.传动轴主要参数的计算及校核147.1传动轴主要参数

2、的计算147.2 传动轴的刚度计算17结论19致谢20参考文献21题目：CK516立式数控车床变速箱中传动轴的设计内容摘要：本次设计主要是数控车床的传动轴的设计，这类设计可用于对普通车床的改造，以适应当前我国机床发展的现状，具有-定的经济效益和社会效益。这次设计主要是进行CK516立式数控车床变速箱中传动轴的设计，其中包括根据一些原始数据（其中包括机床的类型、规格等) 结合实际条件和情况对车床参数进行拟定，再根据拟定的参数，对传动轴结构进行设计，包括传动轴上各零件的定位，包括长度和直径的计算，机构支撑和扭矩，弯曲强度的计算，扭转强度的计算，扭转变形，疲劳轻度的计算等。校核包括对传动轴硬度和强度

3、等的校核。从而完成对传动轴的设计。关键词：数控车床 传动轴 设计Abstract: this design is the design of NC lathe drive shaft, this type of design can be used for ordinary lathe reconstruction, to adapt to the current situation of development of machine tools in China, with-in economic and social benefits. This design main is for CK

4、516 vertical NC lathe gearbox in the drive shaft of design, which including under some original data (which including machine tool of type, and specifications,) light conditions and situation on lathe parameter for developed, then under developed of parameter, on drive shaft structure for design, in

5、cluding drive shaft Shang the parts of positioning, including length and diameter of calculation, institutions support and torque, bent strength of calculation, reverse strength of calculation, reverse deformation, fatigue mild of calculation,. Check include on hardness and strength check of shaft.

6、To complete the design of drive shaft. Keywords: design of NC lathe drive shaft第一章 数控车床简介1.1 数控车床的简介数控车床又称为 CNC车床，即计算机数字控制车床，是目前国内使用量最大，覆盖面最广的一种数控机床，约占数控机床总数的25%。数控机床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品。是机械制造设备中具有高精度、高效率、高自动化和高柔性化等优点的工作母机。数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之

7、一。数控车床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视并得到了迅速的发展。数控车床、车削中心，是一种高精度、高效率的自动化机床。它具有广泛的加工艺性能，可加工直线圆柱、斜线圆柱、圆弧和各种螺纹。具有直线插补、圆弧插补各种补偿功能，并在复杂零件的批量生产中发挥 了良好的经济效果。数控车床按车削中心是在普通数控车床基础上发展起来的一种复合加工机床。除具有一般二轴联动数控车床的各种车削功能外，车削中心的转塔刀架上有能使刀具旋转的动力刀座，主轴具有按轮廓成形要求连续（不等速回转）运动和进行连续精确分度的C轴功能，并能与X轴或Z轴联动，控制轴除X、Z、

8、C轴之外，还可具有Y轴。可进行端面和圆周上任意部位的钻削、铣削和攻螺纹等加工，在具有插补功能的条件下，还可以实现各种曲面铣削加工。数控车床种类较多，但主体结构都是由：车床主体、数控装置、伺服系统三大部分组成。数控的实质是通过特定处理方式下的数字信息（不边疆变化的数字量）去自动控制机械装置进行动作，它与通过连续变化的模拟量进行的程序控制（即顺序控制），有着截然不同的性质。由于数控中的控制信息，而处理这些短信息离不开计算机，因此将通过计算机进行自动控制的技术，简称为数控。这里讲的数控，特指用于机床加工中的数控（即机床数控）。除此之外，数控还广泛应用于测量、理化试验与分析、物质与信息的传输、建筑以及

9、科学管理等领域。早期的数控机床的NC装置由各种逻辑元件、记忆元件组成随机逻辑电路，是固定接线的硬件结构，由硬件来实现数控功能，称作硬件数控，用这种技术实现的数控机床一般称作为NC机床。计算机数控，简称CNC。现代数控系统是采用微处理器或专用微机的数控系统，由事先存放在存储器里的系统程序（软件）来实现控制逻辑，实现部分或分部数控功能，并通过接口与外围设备进行连接，称为CNC系统，这样的机床一般称为CNC机床。1.2 数控车床技术的发展趋势高速、精密、复合、智能和绿色是数控机床技术发展的总趋势，近几年来，在实用化和产业化等方面取得可喜成绩。主要表现在： 1.机床复合技术进一步扩展随着数控机床技术进

10、步，复合加工技术日趋成熟，包括铣-车复合、车铣复 合、车-镗-钻-齿轮加工等复合，车磨复合，成形复合加工、特种复合加工等，复合加工的精度和效率大大提高。“一台机床就是一个加工厂”、“一次装卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，复合加工机床发展正呈现多样化的态势。 2.智能化技术有新突破数控机床的智能化技术有新的突破，在数控系统的性能上得到了较多体现。如：自动调整干涉防碰撞功能、断电后工件自动退出安全区断电保护功能、加工零件检测和自动补偿学习功能、高精度加工零件智能化参数选用功能、加工过程自动消除机床震动等功能进入了实用化阶段，智能化提升了机床的功能和品质。 3.机器人使柔性化组合效率更高机器人

11、与主机的柔性化组合得到广泛应用，使得柔性线更加灵活、功能进一步扩展、柔性线进一步缩短、效率更高。机器人与加工中心、车铣复合机床、磨床、齿轮加工机床、工具磨床、电加工机床、锯床、冲压机床、激加工机床、水切割机床等组成多种形式的柔性单元和柔性生产线已经开始应用。 4.精密加工技术有了新进展数控金切机床的加工精度已从原来的丝级（0.01mm）提升到目前的微米级（0.001mm），有些品种已达到0.05m左右。超精密数控机床的微细切削和磨削加工，精度可稳定达到0.05m左右，形状精度可达0.01m左右。采用光、电、化学等能源的特种加工精度可达到纳米级（0.001m）。通过机床结构设计优化、机床零部件的

12、超精加工和精密装配、采用高精度的全闭环控制及温度、振动等动态误差补偿技术，提高机床加工的几何精度，降低形位误差、表面粗糙度等，从而进入亚微米、纳米级超精加工时代。 5.功能部件性能不断提高功能部件不断向高速度、高精度、大功率和智能化方向发展，并取得成熟的应用。全数字交流伺服电机和驱动装置，高技术含量的电主轴、力矩电机、直线电机，高性能的直线滚动组件，高精度主轴单元等功能部件推广应用，极大的提高数控机床的技术水平。第二章 设计题目及参数1.1 题目本设计的题目是CK516立式数控车床变速箱中传动轴的设计，主要设计内容包括传动轴的结构设计和校核计算。传动轴是数控车床的关键部位，其结构优劣对加工中心

13、的性能有很大的影响，因此，在设计的过程中要多加注意。传动轴前后的受力不同，故要选用不同的轴承。1.2 参数规格参数床身上最大回转直径 mm 800最大车削直径 mm 600最大车削高度 mm 600主轴转速范围（四段无级） r/min 45-1000主轴孔前端锥度 mm 120主电机功率 kw 15X/Z轴伺服电机 N.m 22第三章 传动轴的概念传动轴总成主要由传动轴及其两端焊接的花键轴和万向节叉组成。传动轴中一般设有由滑动叉和花键轴组成的滑动花键，以实现传动长度的变化。为了减小滑动花键的轴向滑动阻力和磨损，有时对花键齿进行磷化处理或喷涂尼龙层；有的则在花键槽中放入滚针、滚柱或滚珠等滚动元件

14、，以滚动摩擦代替滑动摩擦，提高传动效率。但这种结构较复杂，成本较高。有时对于有严重冲击载荷的传动，还采用具有弹性的传动轴。传动轴上的花键应有润滑及防尘措施，花键齿与键槽间隙不宜过大，且应按对应标记装配，以免装错破坏传动轴总成的动平衡。 传动轴的长度和夹角及它们的变化范围由汽车总布置设计决定。设计时应保证在传动轴长度处在最大值时，花键套与轴有足够的配合长度；而在长度处在最小时不顶死。传动轴夹角的大小直接影响到万向节十字轴和滚针轴承的寿命、万向传动的效率和十字轴旋转的不均匀性。第四章 轴类零件技术要求一、尺寸精度起支承作用的轴颈为了确定轴的位置，通常对其尺寸精度要求较高（IT5IT7）。装配传动件

15、的轴颈尺寸精度一般要求较低（IT6IT9）。二、几何形状精度轴类零件的几何形状精度主要是指轴颈、外锥面、莫氏锥孔等的圆度、圆柱度等，一般应将其公差限制在尺寸公差范围内。对精度要求较高的内外圆表面，应在图纸上标注其允许偏差。三、 相互位置精度 轴类零件的位置精度要求主要是由轴在机械中的位置和功用决定的。通常应保证装配传动件的轴颈对支承轴颈的同轴度要求，否则会影响传动件（齿轮等）的传动精度，并产生噪声。普通精度的轴，其配合轴段对支承轴颈的径向跳动一般为0.010.03mm，高精度轴（如主轴）通常为0.0010.005mm。四、表面粗糙度一般与传动件相配合的轴径表面粗糙度为Ra2.50.63m，与轴

16、承相配合的支承轴径的表面粗糙度为Ra0.630.16m。第五章 轴上零件的轴向定位和固定为保证轴上零件能正常工作，轴上零件应有确定的工作位置。为了防止轴上零件在载荷作用下沿轴向或周向相对运动，轴上零件与轴必须有可靠的轴向定位和固定及周向定位和固定。 1轴上零件的轴向定位和固定 零件在轴上的轴向定位和固定方法，主要取决于它所受轴向力的大小。固定的方式很多，常用的有轴肩、套筒、圆螺母、轴端挡圈和轴承端盖等。 （1）轴肩和轴环 阶梯轴上截面变化处叫轴肩，由定位面和过渡圆角组成；轴环功能与轴肩相同。轴肩和轴环结构简单，定位可靠，可承受较大的轴向力，常用于齿轮、链轮、带轮、联轴器和轴承等定位。轴肩分为定

17、位轴肩和非定位轴肩两类。 为了使零件能紧靠轴肩而得到可靠的定位，轴肩处的过渡圆角半径 r 必须小于与之相配的零件毂孔端部的圆角半径 R 或倒角尺寸 C 1 ， 一般情况下定位轴肩高度 h = (2 3) C 1 ，轴环宽度 b 1.4 h 。滚动轴承配合处的轴肩)高度必须低于轴承内圈 端面的安装高度，以便拆卸轴承，轴肩高度 h 及圆角半径 r 应根据滚动轴承的类型与尺寸确定（见轴承标准）。非定位轴肩是为了加工和装配方便而设置的，不承受轴向力，轴肩高度一般为 h 1 2mm 。但应注意，采用轴肩定位不但使轴的直径加大，从而所需轴的毛坯直径较大，而且在轴的直径变化处也会产生应力集中 ,另外，轴肩过

18、多不利于加工，因此在满足轴上零件定位要求时，轴肩数量应尽量少。 弹性挡圈或紧定螺钉定位方法简单，但只能传递不大的轴向力。紧定螺钉常用于光轴上零件的定位，并兼有周向定位作用。 （2）轴端挡圈和圆锥面 轴端挡圈和圆锥面定位，可传递较大的轴向力，一般用于轴端上零件的定位。对于承受冲击载荷或轴上零件与轴的同轴度要求较高的轴端零件，常用圆锥面定位。 轴承端盖常用螺钉与箱体联接而使滚动轴承的外圈得到轴向定位。通常情况下，整个轴相对机器箱体的位置也常利用轴承端盖来确定。 （3）套筒 结构简单、可靠。适于轴上两零件间的定位和固定，轴上不需开槽，钻孔。零件的轴向力不经轴而直接传到轴承上2轴上零件的周向定位和固定

19、 为了满足机器传递运动和转矩的要求，并防止轴上零件与轴发生相对转动，轴上零件还必须有可靠的周向定位和固定。常用键、花键、紧定螺钉、销及过盈配合等方法实现。 第六章 传动轴的强度计算及受力分析电机为轴，电机功率15Kw，转速1500 r/min；轴计算转速907r/min，传动效率为0.97；轴计算转速395 r/min，传动效率为0.97；轴计算转速140 r/min，传动效率为0.951；传动系统简图见图1。图1 传动系统简图6.1 轴的强度计算及受力分析（一）轴强度计算图2 轴轴的安全系数d45mm d0/d 因为轴为实心，故0-10.45b0.4565002925Kgf/cm2Kc (1

20、+C)，取Kc1.7、C0，则1.7；n-1/s+K.Cn ，取K1.7、Cn0，则n2925/36000.8125轴在危险断面处弯矩 A点的支反力由得 由得 危险面弯矩 危险面扭矩 取n=3 故轴的疲劳强度合格。（二）轴受力分析图3 轴受力分析扭转变形计算公式材料剪切弹性模量 I=13.3cm极惯性矩 In=33.2609机床上通常当轴的转速高于3000 r/min (轴的钢度较差时)，或者5000 r/min (轴的钢较好时)，才 需进行临界转速的核算，该轴转速为907 r/min，故可认为合格，不用再进行临界转速的核算。6.2 轴强度计算及受力分析（一）轴强度计算 图4 轴轴的疲劳强度的

21、计算轴的安全系数d50mm d0/d 因为轴为实心，故0-10.50b0.5065003250Kgf/cm2Kc (1+C)，取Kc1.7、C0，则1.7；n-1/s+K.Cn ，取K1.7、Cn0，则n3250/36000.9532轴在危险断面处弯矩 A点的支反力由得 由得 危险面弯矩 危险面扭矩 取n=3 故轴的疲劳强度合格。（二）轴受力分析图4 轴受力分析扭转变形计算公式材料剪切弹性模量 I=13.0cm极惯性矩 In=33.0123 6.3 轴强度计算及受力分析（一）轴受力分析图5 轴轴的安全系数d40mm d0/d 因为轴为实心，故0 -10.40b0.4065002600Kgf/c

22、m2Kc (1+C)，取Kc1.7、C0，则1.7；n-1/s+K.Cn ，取K1.7、Cn0，则n2600/36000.7653轴在危险断面处弯矩A点的支反力由得 由得危险面弯矩 危险面扭矩 取n=4 故轴的疲劳强度合格。（二）轴受力分析图6 IV受力分析扭转变形计算公式材料剪切弹性模量 I=13.1cm极惯性矩 In=33.1123 扭转变形计算公式第七章 传动轴主要参数的计算及校核7.1传动轴主要参数的计算传动轴的主要参数是：传动轴前端直径D1，传动轴内径d。传动轴悬伸量a和传动轴支撑跨距L。（1）传动轴前端直径D1 传动轴D1（按电机功率）如下表7-1（mm）：功率（kw）D1机床1.

23、42.523.635.557.37.411车床608070907010595130110145铣床及加工中心5090609060957510090105外圆磨床5060557070807590车床、铣床、镗床、加工中心等机床因装配的需要，传动轴直径常是自前往后逐渐减小的。前轴颈直径D1大于后轴直径D2。对于车、铣床一般，由上表可取D1=110mm。因此可知由式子后端直径 圆整后 （2）传动轴内径d传动轴内孔径与机床类型有关，主要用来通过棒料、镗杆、拉杆或顶尖。确定内孔径原则是为减轻传动轴重量，在满足对空心主轴孔径要求和最小壁厚要求下，应取最大值。传动轴的内径是通过刀具夹具装置固定刀具、传动气动

24、或液压卡盘等。传动轴孔径越大，传动轴部件的相对重量就越轻。传动轴的孔径大小主要受传动轴刚度的制约。传动轴的孔径与传动轴直径之比，小于0.3时空心传动轴的刚度几乎与实心传动轴相等；等于0.5时空心传动轴的刚度为实心传动轴的90%；大于0.7时，空心传动轴的刚度就急剧下降。一般可取其比值为0.5左右。传动轴本身刚度K正比于抗弯断面惯性矩I由式子可知取孔径的直径极限d1max为此时若孔径再大，刚度急剧下降根据推荐值 取 d1=55 mm（3）传动轴前端悬伸量a确定 图（7-1）传动轴悬伸量指传动轴前端面到前支承径向反力作用中点（一般即为前径支撑中点）的距离，它主要取决于传动轴前端部结构形式和尺寸，前

25、支撑轴承配置和密封等。因此主要由结构设计确定。悬伸量与主轴部件的刚度及抗振性成反比，故应尽量取小值。式中：E-材料的弹性模量I-轴惯性距K1-前刚度值 K2-后刚度值初选a值可参考机械设计手册确定车床和传动轴类型精密车床、自动车床用滚动轴承支承，适用高精度和普通精度要求0.61.5中等长度和较长传动轴端的车床和铣床，悬伸不太长（不是细长）的精密镗床和内圆磨床，用滚动轴承和滑动轴承支承适用于绝大部分普通生产要求1.252.5 计算得悬伸量为80mm（4）传动轴跨距的确定传动轴跨距是决定传动轴系统动静刚度的重要影响因素，目的是找出在切削力作用下，传动轴前端的柔度值最小的跨距称为最优跨距（）。实验证

26、明，动态作用下最优跨距很接近于推得最优值，因此设计时尽量达到最优值。前端角接触球轴承的刚度（主要为轴向刚度）其中： 内径为110mm z = 20 查轴承样本额定动载荷 计算得传动轴跨距为300mm7.2 传动轴的刚度计算如果传动轴前后轴承由数段组成，则当量直径d （mm） （参考文献2）式中 、分别为各段的直径和长度（）； 总长如果前后轴承的直径相差不大，也可把前后轴承直径的平均值近似地作为当量直径d。传动轴的前悬伸部分较粗，刚度较高，其变形可以忽略不记，后悬伸部分不影响刚度，也可不计算。如传动轴前端作用一外载荷F如下图（参考文献3）图（7-2）图7-2 传动轴组件计算模型则挠度： （参考文

27、献2） 式中 F外载荷（N）； a前悬伸，等于载荷作用点至前支承点间的距离（mm）； l跨距，等于前后支承的距离（mm）； E弹性模量，钢的 E=2105（MPa）； I截面惯性距,I =0.05(d4-di4)(mm4)；传动轴的外径和孔径（mm）。又因为，孔的影响可以忽略由此可得传动轴刚度满足要求。结论这次设计主要是CK516数控车床变速箱中传动轴的设计，设计的主要内容是对传动轴的结构进行设计，以及对其进行受力分析和强度校核，通过精细的设计，使数控车床在加工过程中更能满足加工要求，加工出精密的零件。经过这次的设计，让我了解到，要想设计出更好的，这需要我们以后更加深入专业的学习。在此次设计过

28、程中，我充分认识到知识的欠缺，设计中遇到了许多困难，因此在整个设计期间不仅查阅大量的文献资料，并有机的把所学的基础理论知识应用到设计中，对自己的能力进行了巨大的考验。这次设计由于知识的欠缺，设计中还存在一些不足，如轴上其他零件的选取及其设计，没有从各个方面进行考虑，像设计在实际生产的经济性，材料利用的合理性及计算数据的准确性等。因此以后我会更加努力的学习这方面知识，并在工厂中多加实践积累知识，做出更精密的设计。致谢本论文设计在王瑞老师的悉心指导和严格要求下业已完成，从课题选择到具体的写作过程，论文初稿与定稿无不凝聚着王瑞老师的心血和汗水，在我的毕业设计期间，王瑞老师为我提供了种种专业知识上的指

29、导和一些富于创造性的建议，王老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度使我深受感动，没有这样的帮助和关怀和熏陶，我不会这么顺利的完成毕业设计。在此向王瑞老师表示深深的感谢和崇高的敬意！在临近毕业之际，我还要借此机会向在这三年中给予我诸多教诲和帮助的各位老师表示由衷的谢意，感谢他们三年来的辛勤栽培。不积跬步何以至千里，各位任课老师认真负责，在他们的悉心帮助和支持下，我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现，顺利完成毕业论文。 同时，在论文写作过程中，我还参考了有关的书籍和论文，在这里一并向有关的作者表示谢意。我还要感谢同组的各位同学以及我的各位室友，在毕业设计的这段时间里，你们给了我很多的启发

30、，提出了很多宝贵的意见，对于你们帮助和支持，在此我表示深深地感谢。参考文献1.李洪主编.实用机床设计手册M.沈阳:辽宁科学技术出版社,1997.2.杜君为主编.机械制造技术装备设计M.天津:天津大学出版社,2002.3.杨可桢、程光蕴主编.机械设计基础.北京：高等教育出版社，2006.5.4.成大先主编.机械设计手册M.北京:化学工业出版社,2001 .5.王爱玲主编.现代数控机床设备M.北京:国防出版社,2004.6.林宋主编.现代数控机床M.北京:化学工业出版社,2005.7.蔡春源主编.新编机械设计实用手册(上下册) M.北京:学苑出版社,1992.7.8.赵妙霞主编.机械设计与质量控制M.兰州：兰州大学出版社,2004.9.9.左健民主编.液压与气压传动(第二版)M.北京:机械工业出版社,1999.5.10.胡家秀主编.机械设计基础M.北京：机械工业出版社,2001.5.11.胡家秀主编.简明机械零件设计实用手册M.北京:机械工业出版社,1999.10.12.王茂元主编.机械制造技术M.北京：机械工业出版社,2001.8.13.杨黎明、黄凯、李思至、陈仕贤.机械零件设计手册M.北京:国防工业出版社,1986.12.14.吴宗泽，罗圣国主编.机械设计课程设计手册(第二版) M.北京高等教育出版社,1999.3.- 15 -