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緒論
設計的過程是通過分析、創(chuàng)造和綜合而達到滿足特定功能目標的一種活動。在此過程中需不斷的對設計方案進行評論，根據評價的結果進行修改，在設計的過程中不斷地發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。金屬切削機床是機械制造業(yè)的基礎設備，隨著社會不斷發(fā)展和科學不斷進步對機床設計要求越來越高，計算機輔助設計和計算機輔助工程應用。使得機床的設計理論和方法由人工繪圖向計算機繪圖，由定性設計向定量設計。由表態(tài)和線性分析向動態(tài)和非線性分析，由可行性設計向最佳設計過度。
金屬切削機床的基本功能是提供切削加工所必需運動和動力。機床基本工作原理是通過刀具與工件之間相對運動，由刀具切除工件加工表面多余的金屬材料，形成工件加工表面的幾何形狀、尺寸，并達到其精度要求。X6132萬能升降臺銑床是一個十分典型的普通車床，廣泛的應用在生產中。
主軸箱的設計不僅要滿足機床總體布局變速箱的形狀和尺寸的限制、達到18級轉速，還要便于裝配、調整、潤滑和維修。
根據指導教師的推薦、重點選用《金屬切削機床》以及輔助類書刊包括《材料力學》、《機械制造裝備設計》、《機械制圖》、《機械設計》等圖書。
其中，《金屬切削機床設計》無疑是系統(tǒng)化介紹和設計車床的資料。它從機床設計的步驟，機床的標準化，機床的總體布局到主要參數的確定。在主要的傳動設計中，參考齒輪齒數和齒輪直徑的確定，是主軸箱的尺寸，軸的軸徑，以及傳動精度等一系列布局。在結構式，結構網確定之后，要對傳動件的結構、材料、構造等進行計算和設計及齒輪模數確定等。
傳動件包括齒輪、傳動軸、離合器、制動裝置等。其中齒輪的構造中三聯(lián)滑移齒輪，對齒輪的拼裝，齒輪太窄或太寬時的處理，齒輪在軸上的定位問題都有比較全面的論述。
傳動軸在反復彎曲載荷和扭曲載荷下不發(fā)生疲勞破壞。在剛度方面，軸的彎曲和扭曲載荷下不致產生過大的變形。高速旋轉的軸還應計算器臨界轉速，以免發(fā)生共振，傳動軸首先要估算直徑，然后再進行剛度驗算。提高剛度時可以采用加大軸的直徑縮短軸的長度，使軸上的主動和被動傳動件盡可能的靠近，使傳動件靠近軸。
文獻資料室一個設計者必備的工具，選擇全面的實用的工具是設計者必備的素質。其實，整個設計的過程就是將大學四年學習的知識融會貫通的過程，很多當時不會用的感覺泛泛的東西通過設計將變得更具體，可行，學會應用資料，為我所用，能將那些規(guī)格化的鼓勵的零件經過計算，設計成一臺可以實現(xiàn)運轉的機械，就是我們設計的根本意圖所在了。
我們設計還是比較初級模型，在實踐中，只有不斷的改進，才能達到高的生產效率，然而，基礎的知識和原理是設計的源頭，就我個人而言，我希望能通過這次專業(yè)畢業(yè)設計對自己未來從事的工作進行一次適應性訓練，從中鍛煉自己分析問題、解決問題的能力，為今后的工作、學習打下良好的基礎。
由于能力所限、設計中難免有許多不妥之處，懇請老師多多指教。
目錄
一、 概述 4
1.1金屬切削機床在國民經濟中的地位 4
1.2機床畢業(yè)設計的目的 4
1.3車床的規(guī)格系列和用處 4
1.4 操作性能要求 5
二、傳動設計 5
2.1 主傳動方案擬定 5
2.2 傳動結構式、結構網的選擇 5
2.2.1 確定傳動組及各傳動組中傳動副的數目 5
2.2.2 確定傳動順序 6
2.2.3 確定擴大順序 6
2.2.4 確定變速組中的極限傳動比及變速范圍...............................................................................6 2.2.5 確定最小傳動比............................................................................................................................7
三、 傳動件的估算 9
3.1 帶輪設計 9
3.2 齒輪齒數的確定和計算轉速的計算 11
3.2.1 齒輪齒數的確定 11
3.2.2 齒輪計算轉速的計算 14
3.3 軸及傳動軸的計算轉速 16
3.4 齒數模數的確定 16
3.5 傳動軸直徑的確定.................................................................................................................................17
3.6 主軸軸徑的確定.....................................................................................................................................18
四、驗算主要零件 18
4.1齒輪模數驗算 18
4.2 傳動軸剛度驗算 20
4.3 軸承壽命驗算 22
五、結構設計及說明 24
5.1 結構設計的內容、技術要求和方案 24
六、總結 24
七、參考文獻 24
一、概述
1.1 金屬切削機床在國民經濟中的地位
金屬切削機床是用切削的方法將金屬毛坯加工成機器零件的機器，它是制造機器的機器，又稱為“工作母機”或“工具機”。
在現(xiàn)代機械制造工業(yè)中，金屬切學機床是加工機器零件的主要設備，它所擔負的工作量，約占機器總制造工作量的40%～60%。機床的技術水平直接影響機械制造工業(yè)的產品質量和勞動生產率。
1.2機床畢業(yè)設計的目的
專業(yè)畢業(yè)設計是在學生學完相應課程及先行課程之后進行的實習性教學環(huán)節(jié)，是大學生的必修環(huán)節(jié)，其目的在于通過機床運動機械變速傳動系統(tǒng)的結構設計，使學生在擬定傳動和變速的結構的結構方案過程中，得到設計構思，方案分析，結構工藝性，機械制圖，零件計算，編寫技術文件和查閱技術資料等方面的綜合訓練，樹立正確的設計思想，掌握基本的設計方法，并培養(yǎng)學生具有初步的結構分析，結構設計和計算能力。
1.3車床的規(guī)格系列和用處
規(guī)格系列：
表1 X6132萬能升降臺銑床的主參數（規(guī)格尺寸）和基本參數
最低轉速
Nmin
( )
最低轉速
Nmax
( )
主電機轉速
( )
主電機功率
N（kw）
公比
轉速級數Z
30
1500
1450
7.5
1.26
18
1.4 操作性能要求
用處：該機床用于銑削平面、斜面、溝槽、齒輪等。工作臺可繞垂直軸在
水平面范圍整，如采用分度頭附件，還可加工螺旋表面。
二、傳動設計
2.1 主傳動方案擬定
擬定傳動方案，包括傳動型式的選擇以及開停、幻想、制動、操縱等整個傳動系統(tǒng)的確定。傳動型式則指傳動和變速的元件、機構以及組成、安排不同特點的傳動型式、變速類型。
傳動方案和型式與結構的復雜程度密切相關，和工作性能也有關系。因此，確定傳動方案和型式，要從結構、工藝、性能及經濟等多方面統(tǒng)一考慮。
傳動方案有多種，傳動型式更是眾多，比如：傳動型式上有集中傳動，分離傳動；擴大變速范圍可用增加傳動組數，也可用背輪結構、分支傳動等型式；變速箱上既可用多速電機，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。此次設計中，我們采用集中傳動型式的主軸變速箱。
2.2 傳動結構式、結構網的選擇
結構式、結構網對于分析和選擇簡單的串聯(lián)式的傳動不失為有用的方法，但對于分析復雜的傳動并想由此導出實際的方案，就并非十分有效。
2.2.1 確定傳動組及各傳動組中傳動副的數目
一定變速組組數的變速系統(tǒng)可由不同數目的變速組組成。變速傳動裝置總變速級數應等于各變速組變速級數的連乘積，即，式中Z—主軸總變速級數；p、q、r—各組變速機構的變速級數（即為每組傳動副數）。
減少變速組的數目可以縮短傳動鏈，但在總變速級數不一定的情況下，勢必會增加各變速組內傳動副數目P，并且降速過快，會導致齒輪的徑向尺寸增大。18級轉速的變速系統(tǒng)，其變速級和傳動副數的組合方案為：
首先應該確定，預使主軸得到18級轉速需要幾個變速組，以及他們各需要幾個傳動副。
方案①②③：變速組數目為3個，傳動軸數最少為4根，但齒輪對數目為，結構簡單、緊湊，同時由于機床結構原因，通常采用雙聯(lián)或三聯(lián)齒輪進行變速。
方案④~⑦：雖然變速組數目為2個，傳軸軸數最少為3根，但齒輪對數目為3+6=9、9+2=11，比方案①~③中多。同時使變速箱的軸向尺寸增加，使操縱機構變得復雜，難以實現(xiàn)。
綜上所述，主軸為18級轉速的變速系統(tǒng)，應采用由3個變速組所組成的方案，即應選擇方案①②③。
2.2.2確定傳動順序
在一般情況下，變速系統(tǒng)為降速的，電動機轉速往往比主軸變速范圍內大多數轉速高，現(xiàn)對上述方案進行分析。
方案①：變速組a有3對傳動副，在靠近主軸處為低速的變速組b為2對，變速組c也為2對。根據扭矩公式可知，當傳動件傳遞的功率一定，轉速高時所傳遞的扭矩小，則軸、齒輪等傳動件尺寸相應的可小一些。因此，從傳動順序來說，應盡量使前面的傳動件多些，可節(jié)省材料，減輕重量，故第一方案為最佳方案。
2.2.3確定擴大順序
當傳動順序確定后，由于基本組、擴大組的排列順序不同，可得出不同的排列方案，其結構式為：
射線開口大勢必造成低轉速較低，其結果是使傳動件的尺寸較大。因此，在網上表現(xiàn)為前后傳動組的射線間開口笑，后面?zhèn)鲃咏M的射線間開口大，這時各變速組的變速范圍是逐漸增大的，故方案①為最佳方案。
2.2.4確定變速組中的極限傳動比及變速范圍
在主傳動系統(tǒng)中，對于降速，為了防止被動齒輪的直徑過大而使徑向尺寸太大，常應限制最小傳動比。對于升速，為了防止產生過大的振動和噪聲，常應限制最大傳動比。
由于齒輪副的極限傳動比有了限制，則變速組的最大變速范圍相應地也應有一定的限制。在主運動中：
因此，一般只要最后擴大組的變速范圍不超過限制范圍，則其余的變速組也不會超過。通常，最后擴大組的傳動副數為2，可以減少最后擴大組的變速范圍，以利于不超過限制范圍。因此，設計傳動系統(tǒng)時，Rn值的擴大，由于受到值的限制，就不能通過無限增加變速組的數目來實現(xiàn)。
驗算：方案，其最后擴大組的變速范圍，合格。
2.2.5確定最小傳動比
在設計傳動系統(tǒng)時，電動機與主軸的轉速已經確定。當降速時，分配傳動比應使各個中間傳動軸的最低轉速適當地高些。因為n高后，在傳遞一定功率下，傳遞的扭矩就小，相應的使傳動件的尺寸也小。未來使更多的傳動件在相對高速下工作，減少變速箱的結構尺寸，除了在傳動順序上前多后少，擴大順序上前密后疏，對于降速運動最小傳動比應采取前緩后急的原則，即在傳動順序上，越靠前最小傳動比越小，最后變速組的最小傳動比常取1/4。
據上所述，主運動轉速圖為：
傳動系統(tǒng)圖為：
三、 傳動件的估算
3.1 帶輪設計
1、確定計算功率
查表8-6 知
=
2、選擇帶型
根據計算功率 和小帶輪轉速由圖8-9知選擇V帶B型。
3、確定帶輪的基準直徑和
初選小帶輪的基準直徑
根據機械設計8-11圖，取主動輪基準直徑=150mm
根據式（8-15）從動輪基準直徑
==1.933112=290mm
根據表8-8取=290mm
按式（8-13）驗算帶的速度
帶的速度合適
4確定A型V帶的基準長度和傳動中心距
根據初步確定中心距：初定中心距
根據式（8-22）計算帶所需的基準長度
由表8-2選帶的基本長度Ld=1600mm
按式（8-21）計算實際中心距
5、驗算主動輪上的包角
由（8-6）得：
主動輪的包角合適
6、計算V型帶的根數Z
由式（8-22）
由 查表8-4a和表8-4b
得
查表8-5得： 查表8-2得
7、計算預緊力
由式8-27知
查表8-3得q=0.18kg/m 故：
8、計算作用在軸上的壓軸力式（8-28）
=2Z
3.2 齒輪齒數以及計算轉速的確定
當各變速組的傳動比確定以后，可確定齒輪齒數。對于定比傳動的齒輪齒數可依據機械設計手冊推薦的方法確定。對于變速組內齒輪的齒數，如傳動比是標準公比的整數次方時，變速組內每對齒輪的齒數和及小齒輪的齒數可以從表3-6（機械制造裝備設計）中選取。一般在主傳動中，最小齒數應大于18～20。采用三聯(lián)滑移齒輪時，應檢查滑移齒輪之間的齒數關系：三聯(lián)滑移齒輪的最大齒輪之間的齒數差應大于或等于4，以保證滑移是齒輪外圓不相碰。
3.2.1齒輪齒數的確定
第一組齒輪：傳動比，查《機械制造裝備設計》表1.7可得相應的齒數和的值可取60，78..........,我們可取的值為60，則各齒輪相對應的齒數為
檢查主軸各級轉速誤差：檢驗式為
式中
★第一對齒輪
① 符合要求
★第二對齒輪
② 符合要求
★第三對齒輪
③ 符合要求
第二組齒輪：傳動比，查《機械制造裝備設計》表1.7可得相應的齒數和的值可取70,77..........,我們可取的值為70，則各齒輪相對應的齒數為
檢查主軸各級轉速誤差：檢驗式為
式中
★第一對齒輪
① 符合要求
★第二對齒輪
② 符合要求
★第三對齒輪
③ 符合要求
第三組齒輪：傳動比，查《機械制造裝備設計》表1.7可得相應的齒數和的值可取85,89,90,95..........,我們可取的值為89，則各齒輪相對應的齒數為
檢查主軸各級轉速誤差：檢驗式為
式中
★第一對齒輪
① 符合要求
★第二對齒輪
② 符合要求
3.2.2齒輪計算轉速的確定
①齒輪的計算轉速。齒輪裝在Ⅳ軸上，從轉速圖可以看出，共有118r/min~750r/min共9級轉速，經齒輪/傳動主軸得到235r/min~1500r/min這9級轉速能傳遞全部功率，故齒輪的這9級轉速也能傳遞全部功率，其中最低轉速118r/min正好為齒輪的計算轉速。
②齒輪的計算轉速。齒輪裝在Ⅴ軸（主軸）上，有235r/min~1500r/min共9級轉速，都能傳遞全部功率，其最低轉速235r/min即為齒輪的計算轉速。
③齒輪的計算轉速。齒輪裝在Ⅳ軸上，有118r/min~750r/min共9級轉速。其中375r/min~750r/min的4級轉速能傳遞全部功率，而118r/min~300r/min的5級轉速不能傳遞全部功率。因此，齒輪的計算轉速即為375r/min。
其余依次類推，各齒輪的計算轉速如下。
齒輪序號
計算轉速
1450
695
695
475
695
375
695
300
300
齒輪序號
計算轉速
475
300
235
300
118
118
235
375
95
齒輪的具體值見表
齒輪尺寸表
齒輪
齒數
z
模數
m
分度圓
d
齒頂圓
齒根圓
齒頂高
齒根高
3
23
4
92
100
82
4
5
4
37
4
148
156
138
4
5
5
20
4
80
88
70
4
5
6
40
4
160
168
150
4
5
7
17
4
68
76
58
4
5
8
43
4
172
172
162
4
5
9
43
4
172
172
162
4
5
10
27
4
108
116
98
4
5
11
31
4
124
124
114
4
5
12
39
4
156
156
146
4
5
13
20
4
80
88
70
4
5
14
50
4
200
208
190
4
5
15
59
3
177
183
169.5
3
3.75
16
30
3
90
96
82.5
3
3.75
17
18
4
72
80
62
4
5
18
71
4
284
292
274
4
5
3.3軸及傳動軸的計算轉速
①主軸的計算轉速。由《械制造裝備設計》中表1.8可查出
②傳動軸的計算轉速。從轉速圖上可以看出，Ⅳ軸共有9級轉速：118r/min~1500r/min之間的所有轉速都傳遞全部功率。此時，Ⅳ軸若經齒輪副/傳動主軸，它只有在375r/min~750r/min的那4級轉速時才能傳遞全部功率；若經過齒輪副/傳動主軸。則118r/min~750r/min的9級轉速能傳遞全部功率，因此，其中的最低轉速118r/min即為Ⅳ軸的計算轉速。
其余，依次類推。各軸的計算轉速如下：
軸序號
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
計算轉速
1450
750
300
118
95
3.4齒數模數的確定
一般同一變速組中的齒輪取同一模數，選擇負荷最重的小齒輪按簡化的接觸疲勞強度公式計算
式中：——按疲勞接觸強度計算的齒輪模數
——驅動電機功率 ——計算齒輪的計算轉速
——大齒輪齒數和小齒輪齒數之比 ——小齒輪齒數
——齒寬系數，（B為齒寬，m為模數），
——許用接觸應力
傳動組1模數：
傳動組2模數：
傳動組3模數：
故選取標準模數
3.5傳動軸直徑的計算
傳動軸的直徑可按下列扭轉剛度公式進行計算
取
取
由機械設計手冊3.19-3~17表知
取花鍵軸尺寸為
取
由機械設計手冊表取花鍵軸尺寸為
取
由機械設計手冊表3.19-3~17 取花鍵軸尺寸為
將計算結果列成表格形式，
如：
軸號
花鍵軸尺寸
備注
Ⅰ
7.2
1410
26
35
平鍵
Ⅱ
6.77
750
30.1
45
6-423610
花鍵
Ⅲ
6.374
30
37.3
45
6-484212
花鍵
Ⅳ
6
75
52
50
6-555014
花鍵
3.6主軸軸頸的確定
根據功率N=7.5kw 在5.5~7.5之間 知
主軸軸頸選75~100 取d=75mm
四、驗算主要零件
4.1齒輪模數驗算
一般按接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度驗算，選取某軸上承受載荷最大的齒輪和同材料同模數齒輪中齒輪最少齒寬最小的齒輪進行驗算。驗算對象主軸前軸的小齒輪 即第IV軸
（1）、按接觸疲勞強度驗算
由258頁5.4-84材料彈性系數
由表5.4-85齒輪材料性能系數
由表5.4-80查得
--嚙合角影響系數 非變位齒輪
=14.84（2）按彎曲疲勞強度驗算（防止齒根折斷）
--齒形系數 非變位外嚙合直齒輪圓柱齒輪 =1
=1.29 =0.85 259頁表5.4-85查得
=1.04 =1 =0.85
=30.65
所以 所以 合格
4.2傳動軸剛度驗算（軸）
（1）計算軸的平均直徑，畫出計算簡圖。
花鍵軸：
（2）計算該周傳遞的扭矩
6.374kw 375r/min
=162324.533mm
(3)、求作用在齒輪處B點的力
切向力：
徑向力：
(4)、求作用在齒輪處C點的力
切向力：
徑向力：
(5)、計算撓度應用552頁表5.8公式
E=2.1N/mm I=81844mm
校： =
=0.5=0.0164mm
=
=0.5=0.0207mm
=
=0.5=0.0316mm
(6)、計算傾角，應用【1】552頁表5.8-16公式
A: =rad
=0.5=0.00028 rad
=rad
=0.5=0.00034 rad
D: =rad
=0.5=-0.00021 rad
=rad
=0.5=-0.00034 rad
=+=0.0741
=+=0.0043
=+=0.1015
=+=0.012
=+=0.00126 rad
=+=0.00006 rad
=+=-0.00101 rad
=+=-0.00009 rad
=rad
=rad
由551頁表5.8-14查得【Y】=（0.0003~0.0005）l=0.1032mm
故【Q】=0.0025 rad 所以 合格
4.3、軸承壽命的驗算
軸承的壽命應滿足
--額定壽命
T—工作期限 h ；通常取T=10000h
額定壽命的計算公式：=
式中：n--軸承（即軸）的計算轉速；
--壽命指數，球軸承=3， 滾子軸承=10/3
C--額定動負荷 （N）
P--當量動負荷
--47.8(6212型) --71.5
P=x
--徑向負荷（由支反力解出）
--軸向負荷（該系統(tǒng)的軸向負荷為0）
由機械設計手冊584頁表5.9-18查得：
X=1 y=0
所以 ：== ==
A端：6212型軸承：
D端：6216型軸承：
校核合格
五、結構設計及說明
5.1 結構設計的內容、技術要求和方案
設計主軸變速箱的結構包括傳動件（傳動軸、軸承、帶輪、齒輪、離合器和制動器等）、主軸組件、操縱機構、潤滑密封系統(tǒng)和箱體及其聯(lián)結件的結構設計與布置，用一張展開圖和若干張橫截面圖表示。
主軸變速箱是機床的重要部件。設計時除考慮一般機械傳動的有關要求外，著重考慮以下幾個方面的問題。
精度方面的要求，剛度和抗震性的要求，傳動效率要求，主軸前軸承處溫度和溫升的控制，結構工藝性，操作方便、安全、可靠原則，遵循標準化和通用化的原則。
主軸變速箱結構設計時整個機床設計的重點，由于結構復雜，設計中不可避免要經過反復思考和多次修改。
六、總結
在畢業(yè)設計當中，我也遇到了一些問題。設計過程也是培養(yǎng)我們認真細心的態(tài)度。
在此過程中不斷發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，使我加深了對大學所學課程理解，綜合應用，并得到進一步的鞏固，這對以后的學習和工作都有積極的意義。
總之，這次的畢業(yè)設計讓我學到了很多東西。
七、參考文獻
[1] 顧熙棠，遲建山，胡寶珍.《金屬切削機床》（下冊）.上海：上?？茖W技術出版社
[2] 《機床設計手冊》編寫組編.《機床設計手冊》第二冊（上）.北京：機械工出版社，1979.4
[3] 哈爾濱工業(yè)大學、哈爾濱市教育局《專用機床設計與制造》編寫組.《專用機床設計與制造》. 哈爾濱：黑龍江人民出版社，1979.
[4] 沈陽市機電工業(yè)學校吳國華.《金屬切削機床》.北京：機械工業(yè)出版社
[5] 揚州工學院黃鶴汀.《金屬切削機床設計》.北京：機械工業(yè)出版社
[6] 大連理工大學戴曙.金屬切削機床》.北京：機械工業(yè)出版社
[7] 福建機電學校吳林禪.《金屬切削原理與刀具》. 北京：機械工業(yè)出版社
[8] 邱宣懷.《機械設計》（第四版）.高等教育出版社
[9] 劉鴻文.《材料力學》（第4版）. 北京：高等教育出版社
[11] 孫恒 陳作模主編.機械原理.高等教育出版社.北京.2001
[10] 馮辛安主編.機械制造裝備設計.機械工業(yè)出版社. 北京.1999.12
[12] 曹玉榜 易錫麟.機床主軸箱設計指導. 機械工業(yè)出版社. 北京.1987.5.
[13] 濮良貴 紀名剛主編.機械設計.高等教育出版社.北京.2001
[14] 黃鶴汀主編. 金屬切削機床設計. 北京. 機械工業(yè)出版社，2005
[15] 劉興國，姜莉莉，燕啟貴，劉昌祺?X52K銑床數控改造及設計?西北業(yè)學院學報?1996年4卷第01期?9-14
[16] 李培江?普通機床的數控改造研究?機械管理開發(fā)?2002.2第1期?61-62
[17] 佟玲?用微機數控系統(tǒng)對X52K立銑床的改裝設計?機械與電子?1995第04
[18] 張俊生主編?金屬切削機床與數控機床?北京：機械工業(yè)出版社，2001.1
[19] 陳艷紅?X52K銑床數控化改造?機電一體化?2002第06期?83-84期?39-40
[20] 盧秉恒主編.機械制造技術基礎.機械工業(yè)出版社.北京.2001
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