專用立式車床設計

濟南大學畢業(yè)設計PAGE-畢業(yè)設計題目專用立式車床設計學院機械工程學院專業(yè)機械工程及自動化班級機自0708學生宗文博學號20070403296指導教師宋強二〇一一年五月三十一日1前言隨著汽車的普及，越來越多的人擁有了便捷的交通工具。汽車是靠車輪來行駛的，通常輪子被視做人類最古老、最重要的發(fā)明，以至我們經常把它和火的使用相提并論，雖然輪子的使用只有六千個年頭。足見車輪是多么重要。正是因為汽車的普及，車輪的使用更為頻繁，更新?lián)Q代的時間也更加短暫了。車輪的堅固耐磨的同時，還要迅速的大批量生產，才能滿足用戶們對車輪的需求量。鋁合金輪轂以其美觀大方、安全舒適等特點博得了越來多私家車主的青睞?，F(xiàn)在，幾乎所有的新車型都采用了鋁合金輪轂，并且很多車主朋友也將原來車上用的鋼圈輪轂換成鋁合金輪轂。對于高速行駛的汽車來說，因輪轂變形、制動等產生的高溫爆胎、制動效能降低等現(xiàn)象已屢見不鮮。而鋁臺金的熱傳導系數(shù)比鋼、鐵等大三倍，散熱效果自然要好得多，從而增強了制動效能、提高了輪胎和制動盤的使用壽命、有效的保障了汽車的安全行駛。裝有鋁合金輪轂的汽車一般都采用子午線輪胎。子午線輪胎的緩沖和吸震性能優(yōu)于普通輪胎。這樣，汽車在不平的道路上或高速行駛時，舒適性將大大提高。由于鋁合金輪轂重量輕(與同樣規(guī)格的鋁或鋼輪轂相差約2kg)、制造精度高，所以在高速轉動時變形小、慣性阻力也小。這有利于提高汽車的直線行駛性能、減輕輪胎滾動阻力，從而減少油耗。跟著市場全球化的成長，跨國公司紛紛在我國投資，或加年夜在我國的采購份額。今朝，具有較多優(yōu)勢的輕合金材料已慢慢普遍的應用于各個規(guī)模，特殊是伴跟著汽車、摩托車制造業(yè)的成長，鋁鎂合金材料成形及其車輪制造業(yè)獲得了前所未有的成長機緣。21世紀的經濟全球化浪潮，敦促了汽車工業(yè)的市場一體化、分工專業(yè)化、財富規(guī)?；目焖俪砷L，鋁鎂合金車輪企業(yè)也已形成向多家汽車廠供貨、跨國供給的場所排場。汽車車輪需求首要來悔改增汽車產量，售后市場車輪需求則與汽車保有量有關。2005年全球汽車車輪需求約4.13億只，其中鋁車輪需求約1.78億只。中國市場2005年車輪需求約3500萬只，其中鋁車輪約2000萬只。按照中國汽車工業(yè)協(xié)會有關車輪行業(yè)“十一五”成長規(guī)劃的資料，2004年我國車輪總產銷量約5500萬件，其中國內OEM量約2900萬只，其中乘用車車輪1640萬只（鋼制車輪540萬件，鋁車輪約1100萬件），商用車車輪1260萬件。據(jù)測算，2004年全球汽車車輪總需求量約36150萬件，其中鋁車輪約16296萬件。國外鋁合金車輪制造業(yè)在20世紀70年月獲得快速成長。如北美輕型車鋁車輪，1987年只占19％，到2001年已占到58.5％；日本轎車裝車率跨越45％；歐洲跨越50％。

一般輪轂制造企業(yè)最小出產規(guī)模不低于年產120萬只，產量年夜的企業(yè)已跨越萬萬只。其首要市場為面向年夜中型車輛整車廠配套供貨，有的首要面向維修市場，有的兩者兼而有之。

北美鋁合金車輪市場成長具有代表性。表1給出北美鋁、鋼車輪2001年、1999年的發(fā)賣量和市場據(jù)有率。可以看出兩年間鋁合金車輪市場據(jù)有率增添7.2個百分點，發(fā)賣量增添近700萬只；鋼車輪市場據(jù)有率亦下降7.2個百分點，發(fā)賣量削減近300萬只。北美鋁合金車輪外徑以16英寸使用最多，2001年轎車使用率占55％以上，供給量超萬萬只；輕型車使用率在59％以上，供給量為1275萬只；其次使用最多的是外徑15英寸的鋁輪，分袂占轎車、輕型卡車用量的30％和26％，供給量均在500萬只以上。跟著我國汽車市場的快速成長，不竭引進手藝，鋁合金車輪的制造和應用也迅猛成長起來。1988年我國第一家鋁合金車輪企業(yè)戴卡鋁輪轂制造有限公司成立，進入20世紀90年月，廣東南海中南鋁等一批鋁合金車輪制造企業(yè)迅速成立起來，鋁合金車輪迅速在我國獲得推廣。到2003年，我國摩托車鋁車輪裝車率已跨越55％，汽車裝車率已跨越50％。今朝全球鋁車輪年需求量約1.78億件，中國約2000萬件。國際市場對中國汽車零部件的需求在快速增添，車輪是零部件出口的首要產物，曩昔5年車輪出口的復合增添率達48.1％，05年出口額為15.69億美元，06年上半年出口達10.49億美元，占零部件出口總額的11％。在2004年，ZCW（萬豐奧特）、ZNA（中南鋁）、戴卡（戴卡），均獲“中國名牌”產物稱號。萬豐奧特公司建樹于1994年，從出產摩托車鋁合金車輪起步，經由十年飛速成長，現(xiàn)已成為國內鋁合金車輪行業(yè)成長最快、勢頭最猛的企業(yè)。其旗下萬豐奧威是一家專業(yè)出產汽車鋁輪的公司，2006年鋁合金車輪產能約為540萬件，估量2010年將達800～1000萬件。鎂合金在常溫下等閑脆裂，鍛造溫度須在200℃以上至400℃之間。但鎂合金在高溫下，尤其在跨越

以北美鋁合金車輪市場為例，在前些年，輪轂直徑仍是以13～14英寸為主，此刻的主流市場則是以15-16英寸，甚至17英寸。如表4所示。從表4可以看出，16英寸車輪所占市場份額最年夜、增添也最快，從1997年占車輪市場38.3％，到1999年上升到45％，2001年已占到57.7％。其次是15、17英寸車輪，占總市場份額分袂為27.62％和11.77％。18、19、20英寸年夜直徑車輪市場上也有默示。據(jù)猜測，未來的幾年，18英寸直徑車輪將會成為轎車車輪的尺度設置裝備擺設。車輪出產商已最先著手放置22、24英寸及以上車輪的出產線，以應付市場的新需求。大直徑車輪與輪胎組合，比小直徑車輪與輪胎組合，更顯現(xiàn)代、霸氣和時髦。因為大直徑、寬輪轂，使輪胎與地面的接觸面積更加寬廣，從而增添汽車與地面的附出力和摩擦力，使汽車的性能更好，提高汽車的安全性。一般要求與扁平輪胎相匹配。但大直徑、寬輪轂，也會發(fā)生使輪胎磨損加速的不利影響。為了減輕車輪重量、提高強度，一般采用鍛造工藝、組裝式工藝出產車輪，可減輕重量20％。還可采用高強度鎂合金、鈦合金制造車輪。但會使成秘聞應增添。為了降低車輪噪聲，有的在輪輻和輪輞之間，加一不凡橡膠連系件?？梢阅暌鼓暌菇档蛙囕喸肼?，并提高汽車獨霸不變性。為了使車輪更美不美觀，一般采用鍍鉻、拋光、噴漆、噴粉、加裝不銹鋼或塑料轂蓋、壓鑄花紋、改良車輪設計圖案等法子。以上充分說明了鋁合金輪轂的應用之廣。而加工零件不算太大的鋁合金輪轂用一般的機床也能實現(xiàn)，但是操作繁瑣復雜，對技術人員的要求特別高，而且無法保證其精度。鑒于此，特設計一臺專用于加工直徑為480mm的鋁合金輪轂內圓的機床，夾裝方便，定位準確，保證精度，更為重要的是，可以使受過一般培訓的人員很快的熟悉機床的使用，操作簡便，并可一人多機同時工作，且效率大為提高。

2整體方案設計2.1內部構造設計的要求為工件轉速80r/min,刀具軸向進給速度為0.5mm/r，切削深度1mm。該立式專用車床由床身、主軸箱、溜板箱、刀架、潤滑系統(tǒng)等組成。主軸箱內，主要零部件有蝸輪，蝸桿，兩對直齒圓柱齒輪，三根軸，絲杠等部分組成。電動機通過聯(lián)軸器，帶動蝸桿做旋轉運動，蝸桿和蝸輪嚙合傳動，蝸輪安裝在主軸上，因此帶動主軸轉動。主軸上裝配有蝸輪，直齒圓柱齒輪及輪轂夾具，輪轂夾具旋放置主軸箱上方，蝸輪位于主軸中間部位，直齒圓柱齒輪裝配與主軸下端。一對直齒圓柱齒輪嚙合傳動，主動輪帶動從動輪，從動輪和二軸上的齒輪嚙合，齒輪帶動二軸轉動，二軸和三軸上的齒輪嚙合帶動三軸轉動，三軸上部裝配有牙嵌式離合器。因為此車床不同于其他車床，其立式的結構特點，決定了許多結構上不同于其他臥式車床的布局和功能。潤滑系統(tǒng)，并沒有采用常見的油液飛濺潤滑，而是安裝了一臺油泵，將油池中的潤滑油，以油泵為動力，通過管道，輸送到箱體上部，利用油的重力自上而下潤滑，安全可靠，供油充分及時，沒有供油的盲點存在。同時，為了使箱體底部的油能聚集在一起容易被油泵重新吸收，所以在機床的底部，加工有凸臺，這樣，不僅使落下來的油聚集到一處，還減小了軸的長度，節(jié)省材料。設計進給系統(tǒng)時，要考慮到立式車床的布局特點，導軌垂直安放，所以要防止導軌因重力而下滑，所以應采用有自鎖效應的絲杠。2.2系統(tǒng)設計因為主軸的速度要求是80r/min,而電機的速度是750r/min，所以主軸要減速，主要是依靠蝸輪蝸桿，蝸輪蝸桿能傳遞較大的傳動比。主軸和絲杠間多設計一根軸，除了防止降速比過大以外，還有防止立柱與工件的干涉的原因。因為存在內鏈，要求刀具的軸向進給量是1mm/r，所以根據(jù)導程估算，可以確定主軸和絲杠的傳動比為i=9，以便滿足進給要求。退刀時要求電機停止轉動，離合器需要處于離開的狀態(tài)，手動旋轉絲杠進給手柄，通過錐齒輪的嚙合傳動來完成退刀。結構原理圖和尺寸聯(lián)圖如圖2.1和圖2.2.

圖2.SEQ圖2\*ARABIC1結構原理圖圖2.SEQ圖2\*ARABIC2尺寸聯(lián)系圖2.3傳動的特點

蝸輪蝸桿傳動平衡，沖擊小，傳動比大，并且結構緊湊，在做減速動力傳動時，傳動比的范圍為5--70；由于蝸桿蝸輪嚙合輪齒間的相對滑動速度較大，摩擦磨損大，傳動效率較低，通常容易出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，常需要較貴的減磨耐磨材料來制造蝸輪，故成本很高；當蝸桿的導程角小于嚙合輪齒間的當量摩擦角是機構反行程具有的自鎖性。

齒輪機構是在各種機構中被應用最廣泛的一種傳動機構。它依靠輪齒齒廓直接接觸來傳遞空間任意兩軸間的運動和動力，并且具有傳遞功率的范圍大，傳動的效率高，傳動比準確，使用壽命長，工作可靠等優(yōu)點；但也存在對制造和安裝精度要求高以及成本較高等缺點。

螺旋結構有螺桿，螺母和機架構成。一般情況下，它是將旋轉運動轉換為直線運動。螺旋機構的主要特點是能夠獲得較大的減速比和力的增益，還可有自鎖性。他的主要缺點是機械效率一般較低，特別是具有自鎖性時，效率將低于40%。

3傳動系統(tǒng)的設計3.1選取電機3.1.1計算切削力：(3.1) (3.2)(3.3)根據(jù)《機械制造技術基礎（第3版）》表2-2，可知高速鋼刀具參數(shù)為， 刀 尖 圓 弧 半 徑 ，取1.0(3.4)2.1.2計算切削功率(3.5)3.1.3電動機的功率(3.6)8級精度的一般齒輪傳動效率為0.97彈性聯(lián)軸器和離合器的效率為0.99四頭蝸桿的效率為0.85球軸承的效率為0.99滾子軸承的效率為0.98螺旋傳動的效率為0.4(2.7)(3.8)3.1.4選擇電動機選擇同步轉速為750r/min,8級的Y132M電機，該電機滿載轉速為710r/min,重達79kg，功率為3kW.該類電機具有防止灰塵、鐵屑或其他雜物侵入電動機內部之我點，B級絕緣，工作環(huán)境溫度不超過C，相對溫度不超過95%，海拔高度不超過1000m，額定電壓380V,頻率50Hz。適用于無特殊要求的機械上。選用機座不帶底腳，端蓋有凸緣的電動機。3.2設計普通圓柱蝸桿傳動已知,,蝸桿頭數(shù)，蝸輪齒數(shù)，實際傳動比3.2.1選擇蝸桿類型采用，阿基米德蝸桿(ZA型)，設計使用壽命為100000h。3.2.2選取蝸輪蝸桿材料考慮到蝸桿傳動功率不大，速度低，故蝸桿用45鋼，又希望傳動效率高，耐磨性好，所以蝸桿螺旋齒面要求淬火處理，硬度為45-55HRC，蝸輪材料用鑄錫磷青銅ZCuSn10P1，金屬模鑄造。齒圈用青銅制造，輪芯用灰鑄鐵HT100制造。3.2.3按齒面接觸疲勞強度進行設計根據(jù)閉式蝸桿傳動的設計準則，先按齒面接觸疲勞強度進行設計，而校核齒根彎曲疲勞強度，根據(jù)《機械設計（第八版）》(以下簡稱《機設》)公式（11-12），傳動中心距(3.9)（1）確定作用在蝸輪上的轉矩=4，初步估算效率，則(3.10)（2）確定載荷系數(shù)K蝸桿的工作載荷可視為工作穩(wěn)定，受小沖擊，所以取載荷分布不均系數(shù)，根據(jù)《機設》表11-5可選使用系數(shù);并且轉速不是很高，受沖擊不大，可取動載系數(shù);則(3.11)(3)確定彈性影響系數(shù)上面選用了鑄錫青銅蝸輪和鋼蝸桿相配對，所以。(4)確定接觸系數(shù)先假設蝸桿分度圓直徑和傳動中心距的比值，由《機設》圖11-18中可查得。（5）確定許用接觸應力蝸輪的材料是鑄錫磷青銅，金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度>45HRC，可從《機設》表11-7中查得蝸輪的基本許用應力。應力循環(huán)次數(shù) (3.12) 壽命系數(shù)（3.13）則 （3.14）（6）計算中心距 （3.15） 取中心距，因，故由《機設》表11-2中取模數(shù)，蝸桿分度圓直徑。這時 ，從《機設》圖11-18中可查得接觸系數(shù)，所以，因此，以上計算結果可用。3.2.4蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸(1)蝸桿軸向齒距;直徑系數(shù);齒頂圓直徑;齒根圓直徑;分度圓導程角;桿軸向齒厚;(2)蝸輪蝸輪齒數(shù),變位系數(shù);驗算傳動比，這時傳動比誤差為，這是允許的。蝸輪分度圓直徑蝸輪喉圓直徑蝸輪齒根圓直徑蝸輪咽喉母圓半徑3.2.5校核齒根彎曲疲勞強度（3.16）當量齒數(shù)（3.17）根據(jù)以及，查《機設》圖11-19中可查得齒形系數(shù)。螺旋角系數(shù)（3.18）許用彎曲應力在《機設》表11-8中查得由ZCuSn10P1制造的蝸輪的基本許用彎曲應力。壽命系數(shù)（3.19）（3.20）（3.21）彎曲強度是滿足要求的3.2.6驗算效率（3.22）已知;;與相對滑動速度有關。（3.23）根據(jù)《機設》表11-18中用插值法查得、，代入公式，得，大于原估計值，所以按估算值即可。3.3直齒圓柱齒輪的設計由于該機床負載相對比較平穩(wěn)，沖擊小，故選用直齒齒輪進行傳動。由初步對導程的估算，可得主軸與絲杠的傳動比為1：9，故主軸與絲杠間用兩對齒輪副進行傳動，傳動比為.選用8級精度直齒圓柱齒輪，設計工作壽命為100000h，選小齒輪的材料為40Cr，調質，硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼，調質，硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。由于齒根的彎曲疲勞計算相對復雜，所以通常用于高精度的齒輪傳動，在此，只按齒面接觸疲勞強度進行計算。選小齒輪齒數(shù)為，大齒輪齒數(shù)，小齒輪的轉速2.3.1按齒面接觸強度設計（3.24）(1)確定公式內的各計算數(shù)值初步選定載荷系數(shù)。(2)計算小齒輪傳遞的轉矩。（3.25）1）根據(jù)《機設》表10-7選取齒寬系數(shù)。2）根據(jù)《機設》表10-6查得材料的彈性影響系數(shù)。3）根據(jù)《機設》圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限;大齒輪的接觸疲勞強度極限。4）計算應力循環(huán)次數(shù)。（3.26）（3.27）5）根據(jù)《機設》圖10-19取接觸疲勞壽命系數(shù);.6)計算接觸疲勞許用應力。取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，則（3.28）（3.29）(3)計算1)計算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值。（3.30）2）計算圓周速度。（3.31）3）計算齒寬。（3.32）4）計算齒寬與齒高之比。模數(shù)（3.33）齒高（3.34）5）計算載荷系數(shù)。根據(jù)，8級精度，查《機設》圖10-18查得動載系數(shù);真齒輪;查《機設》表10-2查得使用系數(shù);查《機設》表10-4用插值法查得8級精度、小齒輪相對支承非對稱布置時，。由，查《機設》圖10-13得;故載荷系數(shù)（3.35）6)按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，則（3.36）7）計算模數(shù)。（3.37）齒面的接觸疲勞強度所決定的承載能力，與齒輪直徑有關，因為主軸直徑較大，所以取齒輪的模數(shù)，以增大齒輪直徑，提高其承載能力。3.3.2幾何尺寸計算（1）計算分度圓直徑（3.38）（3.39）(2)計算中心距（3.40）(3)計算齒輪寬度（3.41）即兩對齒輪副可取齒寬3.4螺紋傳動的設計3.4.1選取螺桿和螺母的材料螺桿材料要有充分的耐磨性，螺母材料除要有足夠的強度之外，還應要還要求在與螺桿材料配合時摩擦系數(shù)小和耐磨。所以螺桿選用40Cr為材料，螺母選用ZCuZn25Al6Fe3Mn3。螺母的結構選用整體式。整體式結構簡單，雖磨損產生的軸向間隙不能補償，但比較適合在精度要求較低的螺旋中使用。由于螺旋傳動要求自鎖，所以采用單線螺紋。選取梯形螺旋。受到的軸向載荷為30000N。3.4.2計算具體參數(shù)對于梯形螺紋，中徑為（3.42）故選取螺紋中徑公稱直徑為：50mm由計算可知外螺紋小徑;內螺紋大徑;螺距;導程;螺母高度（3.43）旋合圈數(shù)（3.44）螺紋的工作高度;工作壓強;3.4.3驗算自鎖螺旋副的當量摩擦系數(shù);螺紋升角為：0.414°;（3.45）所以滿足自作條件。計算驅動轉矩（3.46）3.4.4校核強度(1)耐磨性計算選取ξ為0.8;φ為1.8;許用壓強[p]為22MPa;則（3.47）因，所以，將其代入到上式之中，經過整理可得（3.48）對于梯形螺紋，，則（3.49）(2）計算螺桿強度螺桿當量應力(3）螺紋牙強度計算螺紋牙底寬度為0.65mm螺桿抗剪強度（3.50）螺桿抗彎強度（3.51）螺母抗剪強度（3.52）螺母抗彎強度（3.53）,,,,所以滿足螺紋牙強度的要求。(4）螺桿的穩(wěn)定性計算一端固定且一端不完全固定長度系數(shù);螺桿的最大的工作長度;螺桿材料的彈性模量;臨界載荷螺桿所受軸向力遠小于臨界載荷，所以滿足螺桿穩(wěn)定性的要求。(5）螺桿的剛度計算螺桿材料的切變模量;軸向載荷沿導程所產生的變形量;轉矩作用于導程產生的變形量;導程的總變形量。3.5主軸的設計按扭轉強度條件計算 （3.54）由上式可得軸徑（3.55）其中（3.56）查得軸的材料45鋼時，;可得。按車床主參數(shù)最大加工直徑來確定主軸前軸頸直徑取為480mm，,,所以主軸軸頸處直徑為95mm.4結論經過多次精細的驗算，使機床的設計思路、方法及結果正確，可以初步判定設計的專用立式車床滿足設計題目的要求，使工件轉速達到80r/min，刀具軸向進給速度為0.5mm/r，切削深度1mm。該專用立式車床由床身、主軸箱、溜板箱、刀架等部分組成。電機通過聯(lián)軸器帶動主軸旋轉，主軸前端裝有卡盤，可以裝工件裝夾在上面，主軸旋轉的同時可以帶動工件旋轉，使工件轉速達到80r/min。主軸與第二軸用直齒圓柱齒輪嚙合傳遞動力和扭矩。第二軸與第三軸間也用直齒圓柱齒輪進行傳遞動力和扭矩。第三軸通過離合器帶動絲杠傳動，離合器的作用是在需要絲杠工作的時候與第三軸連接，不需要絲杠工作的時候斷開嚙合，降低能耗，減少磨損。主軸和第三軸間設第二軸的目的是為了不使降速的傳動比過大，同時也為了不使該機床的立柱與工件發(fā)生碰撞，故主軸與第三軸的距離必須大于工作的半徑，一舉兩得。絲杠的運動帶動刀架的進給運動，為了防止溜板箱沿導軌下滑，將絲杠設為具有自鎖性的絲杠，但這也犧牲了不少傳動效率，目前為止，還會發(fā)現(xiàn)解決這類問題的最簡單的方法，希望以后能找出既具有自鎖又不降低傳動效率的絲杠傳動。潤滑系統(tǒng)通過油泵供油潤滑，電機通過聯(lián)軸器帶動蝸桿轉動，蝸桿可以通過帶傳動連接齒輪泵，使油通過導管自上而下供油，而床身底部的油再通過油泵回收，可以反復利用，不會污染環(huán)境，不會加大消耗，節(jié)約資源。人們?yōu)榱颂岣邉趧由a率而制造了機器，為了提高機床的生產器而制造了專用機床，所以該專用立式車床的目的是要提高生產制造產品的生產率。而實驗證明，這是可靠的，專用立式機床極大的提高了生產專用零件的生產率，同時可以降低對技術人員的技術要求，使其變得簡單易學，操作簡便。參考文獻[1]盛延明,盧愛文,張濤.C534J立式車床主電機傳動機構的改進[J]

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