1、 河北工程大学毕业设计 I摘要本设计是根据任务书的要求，对 CA6140 机床进行装配设计并运用 Solidworks 软件对其进行三维建模及实现动画模拟过程。首先通过机床主运动机械变速传动系统得结构设计，其中主要包括主轴箱和进给箱零部件的设计。其次使用 Solidworks 软件完成机械零部件的设计，零件和装配符合实际要求。最后在完成装配设计的同时进行动静干涉检查，动画模拟工作。关键字：CA6140 主轴箱 Solidworks 三维建模河北工程大学毕业设计 AbstracttThis design is based on the requirements of the project, t
2、o CA6140 machine assembly design and use Solidworks software on the 3 d model and realization process animated simulation. First through the machine mechanical variable speed drive system main movement to structure design, which mainly includes spindle box and feed box parts design. Second use Solid
3、works software completed the design of mechanical parts, parts and assembly accord with the actual requirement. Finally complete assembly design in the same time action interference, animated simulation work. Keywords: CA6140 spindle-box Solidworks 3 d model河北工程大学毕业设计 目录摘要 IABSTRACT II第 1 章 三维建模技 术概
4、述1第 2 章 机床总体设计22.1 设计目的 22.2 主轴箱设计步骤 22.2.1 运动设计 22.2.2 动力设计 72.2.3 齿轮强度校核 112.2.4 主轴挠度的校核 152.2.5 主轴最佳跨距的确定 162.2.6 各传动轴支承处轴承的选择 172.3 进给箱设计步骤 172.3.1 进给箱的传动机构 172.3.2 进给箱切螺纹机构设计 182.3.3 切螺纹系统及齿数比 19第 3 章 机床三维设计 213.1 轴类零件建模设计 .213.2 齿轮类零件建模设计 233.2.1 构造齿轮 233.2.2 对轴心孔倒角 243.3 端盖类零建模设计 253.3.1 构建圆柱
5、组合体 253.3.2 生成台阶孔 273.3.3 生成均布圆孔 303.4 轴承类零件建模设计 343.4.1 打开标准库并生成轴承零件 343.4.2 选择轴承的参数生成轴承 343.5 装配的过程及干涉分析 353.5.1 装配过程 353.5.2 干涉分析 403.6 运动模拟设计 413.6.1 运动模拟设计是虚拟样机技术的组成 413.6.2 运动模拟设计 41结论 42参考文献 43致谢 44河北工程大学毕业设计 1第 1 章 三维建模技术概述solidworks 是生信国际有限公司推出的基于 windows 的机械设计软件。生信公司是一家专业化的信息高速技术服务公司，在信息和技
6、术方面一直保持与国际cad/cae/cam/pdm 市场同步。该公司提倡的“基于 windows 的 cad/cae/cam/pdm 桌面集成系统”是以 windows 为平台，以 solidworks 为核心的各种应用的集成，包括结构分析、运动分析、工程数据管理和数控加工等，为中国企业提供了梦寐以求的解决方案。solidworks 是微机版参数化特征造型软件的新秀，该软件旨在以工作站版的相应软件价格的 1/41/5 向广大机械设计人员提供用户界面更友好，运行环境更大众化的实体造型实用功能。solidworks 是基于 windows 平台的全参数化特征造型软件，它可以十分方便地实现复杂的三维
7、零件实体造型、复杂装配和生成工程图。图形界面友好，用户上手快。该软件可以应用于以规则几何形体为主的机械产品设计及生产准备工作中，其价位适中。河北工程大学毕业设计 2第 2 章 机床总体设计2.1 设计目的通过机床主运动机械变速传动系统得结构设计，在拟定传动和变速的结构方案过程中，得到设计构思、方案分析、结构工艺性、机械制图、零件计算、编写技术文件和查阅技术资料等方面的综合训练，树立正确的设计思想，掌握基本的设计方法，并具有初步的结构分析、结构设计和计算能力。2.2 主轴箱设计步骤2.2.1 运动设计2.2.1.1 已知条件(1)确定转速范围：主轴最小转速 ,主轴最大转速 n max = 170
8、0r/minmi/5.37minr(2)确定公比： 41.(3)转速级数： 2z2.2.1.2 结构分析式(1)确定结构方案：主轴传动系统采用 V 带、齿轮传动；传动形式采用集中式传动；主轴换向制动采用双片式摩擦离合器和带式制动器； 变速系统采用多联滑移齿轮变速；(2)主传动系统运动设计：拟定结构式：确定变速组传动副数目实现 12 级主轴转速变化的传动系统可以写成多种传动副组合：A12=3*4 B12=4*3 C12=3*2*2D12=2*3*2 E12=2*2*3方案 A 、B 可节省一根传动轴。但是，其中一个传动组内有四个变速传动副，增大了该轴的轴向尺寸。这种方案不宜使用。根据传动副数目分
9、配应“前多后少”的原则，方案 C 是可取的。但是，由于主轴采用双向离合器结构，致使 1 轴尺寸过大，此方案不宜使用。河北工程大学毕业设计 3从电动机到主轴主要为降速运动，若使用传动副较多的传动组放在较接近电动机处可使小尺寸零件多一些，大尺寸零件少一些，节省材料，也就是满足传动副前多后少的原则，因此取 12=2*3*2，即 D 方案。再降速过程中，防止齿轮论直径过大而使径向尺寸限制最小传动比 min1/4;再升速时为防止产生过大的噪音和震动常限制i最大的转速比 max2. 在主传动链任一传动组的最大变速范围 Rmax=imax/ min810.再设计时必须保证中间传动轴的变速范围最小。故选用 D
10、 方i案。B 确定变速组扩大顺序：12=2*3*2 的传动组合，其传动组的扩大顺序又可以分为以下 6 种形式：A12=2 13226 B12=2 1 34 22C12=2 33126 D12=2 63123E12=2 23421 F.12=263221根据级比指数非陪要“前疏后密”的原则，应选用第一种方案。然而，对于设的机构，将会出现两个问题： a b c图 1.1 方案比较第一组变速组采用降速传动图 2.1a时，由于摩擦离合器径向结构尺寸限制，使得河北工程大学毕业设计 4轴的齿轮直径不能太小，轴上的齿轮会成倍增大。这样，不仅使轴间中心距加大，而且轴间的中心距也会加大，从而使整个传动结构尺寸增
11、大。这种传动不宜采用。如果第一变速组采用升速传动图 2.1b,则轴至主轴间的降速传动只能由后两个变速组承担。为了避免出现降速比小于允许的极限值，常常需要增加一个定比降速传动组，使系统结构复杂。这种传动也是不理想的。所以采用方案 C，即 12=233126，即可解决上述存在的问题图 2.1c.其结构如图 2.2 所示：图 1.2 结构网2.2.1.3 绘制转速图(1)验算传动组变速范围：第二扩大组的变速范围是 R2= =8,符合设计原则要求。6(2)分配降速比：该车床主轴传动系统共设有四个传动组，其中一个是带传动。根据降速比应“前慢后快”的原则及摩擦离合器的工作速度要求，确定各传动组最小传动比。
12、U= =1405.37.8=.35.2314河北工程大学毕业设计 5（3）绘制转速图：见图 2.311808506004253002121501067553170037.5Z3/Z5Z1/Z2Z13/Z14Z9/Z10Z7/Z8Z5/Z6Z11/Z12电 图 1.3 转速图4绘制传动系统图确定齿轮齿数：利用查表法求出各传动组齿轮齿数如下表表 1.1 各传动组齿轮齿数变速组 第一变速组 第二变速组 第三变速组 齿数和 96 102 114齿轮 z1 z2 z3 z4 z5 z6 z7 z8 z9 z10 z11 z12 z13 z14齿数 32 64 56 40 27 75 34 68 42 6
13、0 23 91 76 38传动过程中，会采用三联滑移齿轮，为避免齿轮滑移中的干涉，三联滑移齿轮中最大和次大齿轮之间的齿数差大于 4。所选齿轮数符合设计要求。验算主轴转速误差：主轴各级实际转速值用下式计算：河北工程大学毕业设计 6n=nE*(1 - )u1 u2 u3式中 u1 u2 u3 分别为第一，第二，第三变速组齿轮传动比， 取 0.05，转速误差用主轴实际转速与标准转速相对误差的绝对值表示：n= n - 10 （ -1）%n-nn其中 n主轴标准转速表 1.2 转速误差表主轴转速 n1 n2 n3 n4 n5 n6标 准 转 速 37.5 53 75 106 150 212实 际 转 速
14、 38.7 53.4 74.8 170.6 149.5 209.3转 速 误 差 % 3.2 0.7 0.2 1.5 0.3 1.2主 轴 转 速 n7 n8 n9 n10 n11 n12标 准 转 速 300 425 600 850 1180 1700实 际 转 速 304.2 422.5 591.5 851.5 1183 1656.3转 速 误 差 % 1.4 0.5 1.4 0.2 0.3 2.5转 速 误 差 满 足 要 求 。河北工程大学毕业设计 72.2.1.4 绘制传动系统图根据轴数，齿轮副，电动机等已知条件可有如下系统图：图 1.4 传动系统图2.2.2 动力设计2.2.2.1
15、 确定各轴转速(1)确定主轴计算转速：主轴的计算转速为 min/106r4.375n321zmi IV(2)各传动轴的计算转速： 轴可从主轴 90r/min 按 72/18 的传动副找上去，轴的计算转速125r/min；轴的计算转速为 355r/min；轴的计算转速为 710r/min。(3)各齿轮的计算转速轴可从主轴为 106r/min 按各传动轴上的传动副找上去，轴的计算转速为河北工程大学毕业设计 8150r/min；轴的计算转速为 425r/min；轴的计算转速为 850r/min；综上所述，各轴的计算转速如下：表 1.3 各轴的计算转速如下轴序号 电 主计算转速 1440 850 42
16、5 150 106（r/min）2.2.2.2 带传动设计电动机转速 n=1440r/min,传递功率 P=7.5KW,传动比 i=2.03，两班制，一天运转 16.1 小时，工作年数 10 年。(1)确定计算功率 取 1.1，则AK25KW.871.PKAca(2)选取 V 带型根据小带轮的转速和计算功率，选 B 型带。(3)确定带轮直径和验算带速查表小带轮基准直径 ,md125mid25403.125验算带速成 06nv其中 -小带轮转速，r/min；1n-小带轮直径，mm；d，合适。25,/4.9106254.3smv(4)确定带传动的中心距和带的基准长度设中心距为 ,则0a055（ ）
17、 a 2（ ）21d21d于是 208.45 a 758,初取中心距为 400mm。0a带长 0212104)()(2dLm1405)5()(.342查表取相近的基准长度 ， 。dL140河北工程大学毕业设计 9带传动实际中心距 mLad5.397200(5)验算小带轮的包角一般小带轮的包角不应小于 。1。合适。 204.63.5718012ad(6)确定带的根数LcakpZ)(0其中： - 时传递功率的增量；01i-按小轮包角 ，查得的包角系数；k-长度系数；L为避免 V 型带工作时各根带受力严重不均匀，限制根数不大于 10。490.5)46.019.2(8Z(7)计算带的张紧力 F20).
18、(5qvkvZpca其中： -带的传动功率,KW；cav-带速,m/s；q-每米带的质量，kg/m；取 q=0.17kg/m。v = 1440r/min = 9.42m/s。NF 7.19342.70)95.2(4.9850 (8)计算作用在轴上的压轴力ZQ 2.16sin7.32sin210河北工程大学毕业设计 102.2.2.3 各传动组齿轮模数的确定和校核(1)模数的确定：a 传动组： 1-2 轴取 Z1=32, 由于 321)1(68jmdnzN其中: -公比 ； = 2；-电动机功率； = 7.5KW；dNd-齿宽系数；m-齿轮传动许允应力;-计算齿轮计算转速。jn， 取 = 600
19、MPa,安全系数 S = 1。SKNlimlim由应力循环次数选取 9.0MPa5416.，取 S=1， 。90.NK MPaSKHN540160.1limmm72.305428.7)(163取 m = 4mm。按齿数 30 的计算， ，可取 m = 4mm；1.2按齿数 36 的计算， , 可取 m = 4mm。39于是传动组 a 的齿轮模数取 m = 4mm，b = 32mm。轴上齿轮的直径：。mddd aaa 9624120341436321 ；轴上三联齿轮的直径分别为：mmaaa 1868321 ；b 传动组：河北工程大学毕业设计 112-3 轴 取 Z 5=27确定轴上另两联齿轮的模
20、数。32)1(168jmdnzN按 22 齿数的齿轮计算：i/5.2rnj，可得 m = 4.8mm；取 m = 5mm。按 42 齿数的齿轮计算：可得 m = 3.55mm；于是轴两联齿轮的模数统一取为 m = 5mm。于是轴两联齿轮的直径分别为：ddbb 21045102521 ；轴上与轴两联齿轮啮合的两齿轮直径分别为：mmbb3621；c 传动组：3 轴 取 Z11=23，取 m = 5mm。轴上两联动齿轮的直径分别为：ddcc 3065901852；2.2.3 齿轮强度校核2.2.3.1 校核 a 传动组齿轮计算公式 bmYKTSaFF12校核齿数为 24 的即可，确定各项参数 P=8
21、.25KW,n=710r/min, mNnPT 566 10.7/25.810.9/105.9确定动载系数： sdv /739齿轮精度为 7 级，由机械设计查得使用系数 5.vK mbm3248河北工程大学毕业设计 12确定齿向载荷分配系数:取齿宽系数 1d非对称 231.208.60.HdKb42.3.)(,查机械设计得4)/(3/hb 71FK确定齿间载荷分配系数: NdTt 2906.25由机械设计查得mNbFKtA /1056.73290.1.HF确定动载系数: 6.127.05.1HFvAK查表 10-5 65.2FaY58.1Sa计算弯曲疲劳许用应力由图查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限
22、 。 aFEMp540图 10-18 查得 ,S = 1.39.0NKaFMp374.1590， .89.62SaFY故合适。3430.1bmKt2.2.3.2 校核 b 传动组齿轮校核齿数为 22 的即可，确定各项参数 P=8.25KW,n=355r/min, mNnPT 566 102.35/.8105.9/105.9确定动载系数： sdv /4齿轮精度为 7 级，由机械设计查得使用系数 .vK河北工程大学毕业设计 13 mbm4058确定齿向载荷分配系数:取齿宽系数 1d非对称 231.2.60.HKb42)(8.0.,查机械设计得9)5/(4/hb 71FK确定齿间载荷分配系数: Nd
23、TFt 40.25由机械设计查得mNbFKtA /1040.1.HF确定动载系数: 397.12.0.1HFvAK查表 10-5 72.FaY57.1Sa计算弯曲疲劳许用应力由图查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 。 aFEMp540图 10-18 查得 ,S = 1.39.0NKaFMp374.1590， 5.8.2SaFY故合适。.72.40397.1bmKt2.2.3.3 校核 c 传动组齿轮校核齿数为 18 的即可，确定各项参数 P=8.25KW,n=355r/min, mNnPT 566 102.35/.8105.9/105.9确定动载系数： sdv /67河北工程大学毕业设计 14齿轮精
24、度为 7 级，由机械设计查得使用系数 9.0vK mbm4058确定齿向载荷分配系数:取齿宽系数 1d非对称 231.2.60.HKb42)(8.0. ,查机械设计得)45/(/hb 71FK确定齿间载荷分配系数: NdTFt 4930.25由机械设计查得mNbFKtA /1023409.1.HF确定动载系数: 2573.1.9.01HFvAK查表 10-5 91.2FaY53.Sa计算弯曲疲劳许用应力由图查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 。 aFEMp540图 10-18 查得 ,S = 1.39.0NKaFMp374.1590， 8.2SaFY故合适。49.305407.1bmKt2.2.4
25、主轴挠度的校核2.2.4.1 确定各轴最小直径(1)轴的直径： min/710,96.1rn河北工程大学毕业设计 15mnd297106.59.7144 (2)轴的直径： min/35,2.0.8.2 rnnd34592.15.7944 (3)轴的直径： in/125,8.0.0323 rnmnd4159.795.144 (4)主轴的直径： min/5.31,8.0.0. 434 rnnd615.87915.4 2.2.4.2 轴的校核轴的校核：通过受力分析，在一轴的三对啮合齿轮副中，中间的两对齿轮对轴中点处的挠度影响最大，所以，选择中间齿轮啮合来进行校核 NdTF mnPt 2017)96/
26、(8.2/ 8.96/.5105.936 ,28,30106:59mbxaEPtt已 知 y2.4.mlIbxFYB3 34349 4221098. 106851062655 。所 以 合 格,yYB轴、轴的校核同上。2.2.5 主轴最佳跨距的确定400mm 车床，P=7.5KW.2.2.5.1 选择轴颈直径,轴承型号和最佳跨距河北工程大学毕业设计 16前轴颈应为 75-100mm,初选 =100mm,后轴颈 取 ,前轴承为 NN3020K,1d12)9.07(ddm702后轴承为 NN3016K,根据结构,定悬伸长度 ma512.2.5.2 求轴承刚度考虑机械效率主轴最大输出转距 NPT67
27、9085.床身上最大加工直径约为最大回转直径的 60%,取 50%即 200 ,故半径为 0.1 .mm切削力 FC671.0背向力 P3805.故总的作用力 NFCP2次力作用于顶在顶尖间的工件上主轴尾架各承受一半,故主轴轴端受力为 379/先假设 mlal25,3/前后支撑 分别为BARNlaFlB12605739239根据 9.1.08.10cos)(.izldKarrv 30,2,7,.,8.26539ABaBaAvv zizlmlFNNKB 17cos18.012639. 89390.1. 658.01075.18932. 94.05./7/3 4aKEI mdAeA河北工程大学毕业
28、设计 17。mlal 2537,3/0 与 原 假 设 相 符查 线 图2.2.6 各传动轴支承处轴承的选择主轴 前支承：NN3020K;中支承：N219E;后支承：NN3016K轴 前支承：30207;后支承：30207轴 前支承：30207;中支承：NN3009;后支承：30207轴 前支承：30208;后支承：302082.3 进给箱设计步骤2.3.1 进给箱的传动机构CA6140 型卧式车床进给箱又叫走刀箱，它固定在床身左前面，内装有进给变速机构，用来变换进给量和各种螺纹的导程，进给运动链使刀架实现纵向或横向的进给运动及变速换向。如图 3-1 所示：进给链从主轴起经换向机构、挂轮、进给
29、箱，再经光杠或丝杠，溜板箱最后至纵溜板或横溜板。电动机 主换向机构 主 轴 刀 架车 纵图 3-1 CA6140 普通车床传动 原理图普通车床的特有功能是车准螺距数列来变化。所以普通车床进给传动链的变速机构（包括挂轮和进给箱的变速机构）主要削一定范围内的各种螺纹，要求进给传动链的变速机构能严格准确地按照标是依据各种螺纹的标准螺距数列的有要求，同时兼顾到以便车削的进给量范围来设计的。传动链中的螺纹进给传动链是主轴一转，刀架移动 T 毫米（导程 T=kt,其中 k 为实数，挂轮 进给换向机构丝杠 螺母进给箱变速机构 转换机构光杠 转换机构河北工程大学毕业设计 18t 为螺距） 。1iciaiut1
30、=T-(1.2-1)其中 ic,ia,iu 分别为传动链中固定传动比，挂轮传动比。进给箱传动 m 机构传动比，t 1 为纵向丝杠的螺距。2.3.2 进给箱切螺纹机构设计CA6140 型车床具有切削公制螺纹、英制螺纹、模数螺纹和径节螺纹的功能，机床的纵向丝杠螺纹用公制，螺距 t1=12mm 代入式(1.2-1)得主轴每转一下，刀架移动量为 T 毫米，这即为车削螺纹的导程值。对于单头螺纹是螺距值，因此当螺纹的基本参数不是用螺距表示时必须将其加以换算，然后代入式（1.2-1） 。具体方法如下：公制螺纹：其基本参数为螺距 t(mm),因而 T=tmm；英制螺纹：基本参数 l 为每一英寸长度内包含的牙数
31、 a 即 a（牙/英寸）因而，英制螺纹的螺距为 Ta=24.5/a 毫米；模数螺纹：公制螺杆上的螺纹称模数螺纹，它的基本参数是以螺杆相啮合的蜗轮模数 m（mm）来表示，因而，模数螺纹的螺距 Tm应等于蜗杆的周节长度，即Tm=m；径节螺纹：英制蜗杆上的螺纹称为径节螺纹，它的基本参数是以与螺杆相啮合的蜗轮参数径节 DP 来表示，径节的 DP=Z/D（牙/英寸）其中 Z 和 D 分别为蜗轮的齿数和分度圆直径（英寸） ，即蜗轮或齿轮折算到每英寸分度圆直径上的齿数。因而径节螺纹的导程为：T DP=/DP（in）25.4/DP。于是根据式（1.2-1）可得车削 4 种螺纹的运动平衡式分别为：1iciaiu
32、t1=T=t(mm)-（1.3-1）1iciaiut1=Ta=25.4/a(mm)-（1.3-2）1iciaiut1=m(mm)-（1.3-3）1iciaiut1=25.4/DP(mm)-（1.3-4）从上各式中可知，为了车削一定范围的螺纹就必须根据各种螺纹的标准数列变换传动链中的可变换传动比。2.3.3 切螺纹系统及齿数比2.3.3.1 较精密螺纹系统传动链计算经过计算，CA6140 型卧式车床的较精密螺纹系统传动链如下所示：河北工程大学毕业设计 19U 挂 M3M4M5（丝杠）刀架图 3-2 CA6140 型卧式车床的 较精密螺纹系统传动链离合器：M3，M4 和 M5 全部结合使轴、和丝杠
33、连成一体。运动平衡式：L=1 U 挂 125858 3333简化得挂轮换置公式为：U 挂 = =ab dcL12进给链从主轴起经换向机构、挂轮、进给箱，再经过光杠或丝杠，溜板箱最后至纵溜板或横溜板。2.3.3.2 刀架快速移动链计算CA6140 型卧式车床的刀架快速移动链如下所示：电动机 2600r/min X 1329 429所以工作进给和快速运动都传到了蜗杆轴，为了防止干涉而损坏机床零件，并在进给时也能快速运动，节省时间，简化操作，在齿轮 Z56 与轴之间装有超越离合器。2.3.3.3 节螺纹进给传动链计算CA6140 型卧式车床的大导程螺纹运动链如下所示：河北工程大学毕业设计 20图 3
34、-3 CA6140 节螺纹进给传动链第 3 章 机床三维设计河北工程大学毕业设计 213.1 轴类零件建模设计(1)启动 SolidWorks2009,选择菜单命令“文件” ， “新建” ，弹出对话框如图所示：（2）绘制草图，如图所示：河北工程大学毕业设计 22（3）点击工具栏“旋转凸台/基体”按钮，如图所示：（4）对轴进行倒角，如图所示：河北工程大学毕业设计 233.2 齿轮类零件建模设计3.2.1 构造齿轮打开 solidworks2009d 的设计库，安装 Toolbox 插件，选择 ISO 中的“动力传动” ， “齿轮”下拉菜单中的正齿轮，右击生成零件，如图所示：输入齿轮参数，如图所示：河北工程大学毕业设计 243.2.2 对轴心孔倒角河北工程大学毕业设计 25单击确定。3.3 端盖类零建模设计3.3.1 构建圆柱组合体（1）选择菜单命令“文件” ， “新建” ，选择“右视”基准面作为绘制草图，并绘制圆，如图所示：河北工程大学毕业设计 26（2）以上一步所画的圆柱左端面为草图绘制平面河北工程大学毕业设计 273.3.2 生成台阶孔单击工具栏中的“拉伸切除” 按钮，如图所示：
