机床(磨床)主传动系统结构设计解析

1绪论1.1磨床简介磨床(grinder,grinding machine)是利用磨具对工件表面进行磨削加工的机床。

大多数的磨床是使用高速旋转的砂轮进行磨削加工，少数的是使用油石、砂带等其他磨具和游离磨料进行加工，如珩磨机、超精加工机床、砂带磨床、研磨机和抛光机等。

磨床能加工硬度较高的材料，如淬硬钢、硬质合金等；也能加工脆性材料，如玻璃、花岗石。

磨床能作高精度和表面粗糙度很小的磨削，也能进行高效率的磨削，如强力磨削等。

十八世纪30年代，为了适应钟表、自行车、缝纫机和枪械等零件淬硬后的加工，英国、德国和美国分别研制出使用天然磨料砂轮的磨床。

这些磨床是在当时现成的机床如车床、刨床等上面加装磨头改制而成的，它们结构简单，刚度低，磨削时易产生振动，要求操作工人要有很高的技艺才能磨出精密的工件。

1876年在巴黎博览会展出的美国布朗-夏普公司制造的万能外圆磨床，是首次具有现代磨床基本特征的机械。

它的工件头架和尾座安装在往复移动的工作台上，箱形床身提高了机床刚度，并带有内圆磨削附件。

1883年，这家公司制成磨头装在立柱上、工作台作往复移动的平面磨床。

1900年前后，人造磨料的发展和液压传动的应用，对磨床的发展有很大的推动作用。

随着近代工业特别是汽车工业的发展，各种不同类型的磨床相继问世。

例如20世纪初，先后研制出加工气缸体的行星内圆磨床、曲轴磨床、凸轮轴磨床和带电磁吸盘的活塞环磨床等。

自动测量装置于1908年开始应用到磨床上。

到了1920年前后，无心磨床、双端面磨床、轧辊磨床、导轨磨床，珩磨机和超精加工机床等相继制成使用；50年代又出现了可作镜面磨削的高精度外圆磨床；60年代末又出现了砂轮线速度达60～80米/秒的高速磨床和大切深、缓进给磨削平面磨床；70年代，采用微处理机的数字控制和适应控制等技术在磨床上得到了广泛的应用。

随着高精度、高硬度机械零件数量的增加，以及精密铸造和精密锻造工艺的发展，磨床的性能、品种和产量都在不断的提高和增长。

1.2磨床的分类磨床可分为十余种：1、外圆磨床：是普通型的基型系列，主要用于磨削圆柱形和圆锥形外表面的磨床。

2、内圆磨床：是普通型的基型系列，主要用于磨削圆柱形和圆锥形内表面的磨床。

3、座标磨床：具有精密座标定位装置的内圆磨床。

4、无心磨床：工件采用无心夹持，一般支承在导轮和托架之间，由导轮驱动工件旋转，主要用于磨削圆柱形表面的磨床。

5、平面磨床：主要用于磨削工件平面的磨床。

6、砂带磨床：用快速运动的砂带进行磨削的磨床。

7、珩磨机：用于珩磨工件各种表面的磨床。

8、研磨机：用于研磨工件平面或圆柱形内，外表面的磨床。

9、导轨磨床：主要用于磨削机床导轨面的磨床。

10、工具磨床：用于磨削工具的磨床。

11、多用磨床：用于磨削圆柱、圆锥形内、外表面或平面，并能用随动装置及附件磨削多种工件的磨床。

12、专用磨床：从事对某类零件进行磨削的专用机床。

按其加工对象又可分为：花键轴磨床、曲轴磨床、凸轮磨床、齿轮磨床、螺纹磨床、曲线磨床等。

1.3国内外磨床的现状1.3.1机床的模块化设计从最早的德国在1930年首先提出的“模块化构造”的设计方法到本世纪5 0 年代欧美一些国家正式提出所谓“模块化设计”的概念，机床的模块化设计愈来愈受到重视。

并己形成较成熟的模块化系统，取得了很好的经济效益，因而采用模块化设计在世界各地得到了迅速发展。

采用模块化设计产品有下列优点：1、产品更新换代快；2、可以缩短设计和制造周期；3、可以降低成本；4、维修方便；5、产品性能可靠。

这种方法可以提高机床设计的柔性和可变性。

1.3.2新型砂轮材料的应用带来磨削技术的变革刀具磨削加工是高速、高精度的成形磨削，这也是生产中的关键问题。

成形磨削有两个难题：一是砂轮质量，主要是砂轮必须同时具有良好的自砺性和形廓保持性，而这两者往往是有矛盾的；二是砂轮修整技术，即高效、经济的获得所要求的砂轮形廓和锐度，国外现己采用高精度金刚石滚轮来修整砂轮，并开发了连续修整成形磨削新工艺，效果较好。

磨削加工最基本的特点之一，是磨料粒度很小，由于磨料的内聚性，使用普通的方法，难以制造出均匀一致的细粒度砂轮。

应用电泳沉积10-20nm 超细粒度磨料形成磨料粒，是值得注意的新技术。

近年来低压化学气相沉积( CVD ) 金刚石膜，发展速度迅速。

为了生产出质量更高的砂轮，各国都在积极改进传统的粘结剂，以便生产出适合不同要求的CBN砂轮。

2磨床传动方案的分析确定机械传动装置位于原动机和工作机之间，用以用以传递运动和动力或改变运动方式。

传动方案设计是否合理，对整个机械的工作性能、尺寸、重量和成本等影响很大，因此，传动方案的设计是整个机械设计中的关键环节。

2.1磨床对传动方案的要求合理的传动方案，首先应满足工作机的功能要求，其次还应满足工作可靠、结构简单、尺寸紧凑、传动效率高、重量轻、成本低廉、工艺性好、使用和维护方便等要求。

任何一个方案，要同时满足以上所有要求是时分困难的，因此要统筹兼顾，满足最主要的和最基本的要求。

2.2磨床传动方案的拟定满足同一工作机功能要求，往往可采用不同的传动机构，不同的组合和布局，从而可得出不同的传动方案。

拟定传动方案时，应充分了解各种传动机构的性能及适用条件，结合工作机所传递的载荷性质和大小、运动方式和速度以及工作条件等，对各种传动方案进行分析比较，合理的选择。

本次设计的任务主要是磨床主传动系统的结构设计。

下面提出几个方案进行比较：1、齿轮传动齿轮传动具有承载能力大、效率高、允许速度高、尺寸紧凑、寿命长等特点，因此在传动装置中一般应首先采用齿轮传动。

由于斜齿圆柱齿轮传动的承载能力和平稳性比直齿圆柱齿轮传动好，故在高速级或要求传动平稳的场合，常采用斜齿圆柱齿轮传动。

2、带传动具有传动平稳、吸振等特点，且能起过载保护作用。

但由于它是靠摩擦力来工作的，在传递同样功率的条件下，传动结构尺寸较大。

3、链传动由于工作时链速和瞬时传动比呈周期性变化，运动不均匀、冲击振动大，一般布置在传动系统的低速级。

经过分析，决定采用斜齿圆柱齿轮传动，经过一级变速达到设计效果。

3总体设计3.1电动机的选择3.1.1电动机类型的选择电动机的类型和结构形式应根据电源种类、工作条件、工作时间的长短及载荷的性质、大小、启动性能和过载情况等条件来选择。

工业上一般采用三相交流电动机。

Y 系列三相交流异步电动机由于具有结构简单、价格低廉、维护方便等优点，故其应用广泛。

本次设计采用Y 系列三相异步电动机。

3.1.2电动机功率的选择电动机的功率选择是否合适，对电动机的正常工作和经济性能都有影响。

功率选得过小，不能保证工作机的正常工作或使电动机长期过载而过早损坏；功率选得过大，则电动机的价格高，且经常不在满载下运行，电动机效率和因数都较低，造成很大的浪费。

电动机功率的确定，主要与其载荷大小、工作时间长短、发热多少有关。

对于长期稳定工作的机械，可根据电动机所需功率P d 来选择，而不必校验电动机的发热和启动力矩。

选定磨床砂轮型号尺寸为250×25×75，同时确定砂轮转速为1450r/min 。

工作机有效功率：P W =Fv/1000ηW根据砂轮转速及尺寸可确定v=18.84m/s ,其中F=250N ，ηW =1，因此，P W =Fv/1000ηW =250×18.84/1000×1=4.71kW计算电动机所需功率：首先确定传动装置的总效率η。

设各效率分别为η1（8级闭式齿轮传动）、η2（滚动轴承）、η3（弹性联轴器）。

查机械设计课程设计表2-2得：η1=0.97、η2=0.98、η3=0.99，总效率η=η1η22η3=0.97×0.98×0.99=0.92电动机所需功率为：P d =Pw/η=4.71/0.92=5.12kW由机械设计课程设计表16-1选电动机额定功率5.5kW3.1.3电动机转速的选择同一功率的异步电动机有同步转速3000、1500、1000、750r/min等几种。

一般来说，电动机的同步转速愈高，磁极对数愈少，外轮廓尺寸愈小，价格愈低。

反之，外轮廓尺寸愈大，价格愈贵。

当工作机转速较高时，选用高速电动机较经济。

选电动机的同步转速3000r/min，工作机转速nw =1450r/min，总传动比i=nm/nw表3.1 电动机相关数据查机械设计课程设计表16-2知电动机机座中心高132mm，外伸轴径38mm，外伸轴长度80mm。

3.2传动装置运动和动力计算3.2.1各轴转速计算n Ⅰ=nm=2900r/minn Ⅱ=nw=1450r/min3.2.2各轴输入功率P Ⅰ=Pdη2η3=4.92×0.99×0.98=4.77KwP Ⅱ=PⅠη1η2=4.77×0.97×0.98=4.53Kw3.2.3各轴输入转矩T Ⅰ=9550PⅠ/nⅠ=9550×4.77/2900=15.71NmT Ⅱ=9550PⅡ/nⅡ=9550×4.53/1450=29.84Nm 表3.2 各轴动力与运动参数4传动零件的设计计算4.1齿轮的设计齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，形式很多，应用广泛，传递的功率可达数十万千万，圆周速度可达200m/s 。

齿轮传动的主要特点有：1、效率高 在常用的机械传动中，以齿轮传动的效率为最高。

2、结构紧凑 在同样的使用条件下，齿轮传动所需的空间尺寸一般较小。

3、工作可靠、寿命长 设计制造正确合理、使用维护良好的齿轮传动，工作十分可靠，寿命可长达一、二十年，这也是其他机械传动所不能比拟的。

4、传动比稳定 传动比稳定往往是对传动性能的基本要求。

齿轮传动广泛应用，也是由于具有这一特点。

4.1.1齿轮各参数的设计计算选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数由齿轮的失效形式可知，设计齿轮传动时，应使齿面具有较高的抗磨损、抗点蚀、抗胶合及抗塑性变形的能力，而齿根要有较高的抗折断能力。

因此，对齿轮材料性能的基本要求为齿面要硬、齿芯要韧。

1、初选直齿圆柱齿轮试算 2、选定齿轮精度为7级精度3、材料的选择 由机械设计表10-1选小齿轮材料为45钢，调质，硬度235HBS ；大齿轮材料45钢，正火，硬度190HBS 。

硬度差为45HBS 。

4、初选小齿轮齿数Z 1=24,则大齿轮齿数Z 2=iZ 1=24×2=48,u=25、按齿面接触强度计算d 1t ≥(1)确定公式内各数值 1) 试选载荷系数K t =1.3 2) 计算小齿轮传递的转矩T 1=TⅠ=15.71Nm=1.571×104Nmm3)由机械设计教材表10-7选齿宽系数Φd=14)由机械设计教材表10-6查得材料弹性影响系数ZE=189.8MPa5)由机械设计教材图10-21d按齿面硬度查得小齿轮接触疲劳强度极限σHlim1=550Mpa，由图10-21c查得大齿轮接触疲劳强度极限σHlim2=390Mpa6)计算应力循环次数N 1=60n1jLh=60×2900×1×(10×8×260)=3.62×109N2=N1/u=3.62×109/2=1.81×1097)由图10-19取接触疲劳寿命系数KHN1=0.9 KHN2=0.918)计算接触疲劳许用应力取失效概率1%，安全系数S=1[σH ]1=KHN1σHlim1/S=0.9×550MPa=495MPa[σH ]2=KHN2σHlim2/S=0.91×390MPa=354.9MPa(2)计算1) 试算小齿轮分度圆直径代入[σH]中较小的值d 1t ≥=47.83mm2) 计算圆周速度v=πd1t n1/60×1000=3.14×47.83×2900/60000=7.26m/s由v>2m/s 故改用斜齿圆柱齿轮6、选齿轮精度等级、材料及齿数(1)精度等级仍选7级(2)材料同上(3)选小齿轮齿数Z1=24,大齿轮齿数Z2=48(4)初选螺旋角β=14 7、按齿面接触强度计算d1t(1)确定公式内各计算数值1)试选Kt=1.62)由机械设计教材图10-30选区域系数ZH=2.4333)由教材图10-26查得εα1=0.765，εα2=0.89，则εα=εα1+εα2=1.6554)许用接触应力：[σH ]= [σH]1+[σH]2/2=495+354.9/2=424.95Mpa其余尺寸与上述直齿圆柱齿轮相同(2)计算1)d1t=37.75mm2)计算圆周速度v=πd1t n1/60×1000=3.14×37.75×2900/60000=5.73m/s3)计算齿宽b及模数mntb= Φd d1t=1×37.75=37.75mmm nt =d1tcosβ/Z1=37.75×cos14/24=1.526mmh=2.25 mnt=3.434)b/h=37.75/3.43=10.9935)计算纵向重合度εβ=0.318ΦdZ1tanβ=0.318×1×24×tan14=1.9036)计算载荷系数K查机械设计教材表10-2选KA=1.25,由v=5.73m/s,7级精度，查图10-8得动载荷系数KV =1.36,由表10-4查得KHβ=1.342,由表10-3查得KHα=KFα=1.4，由图10-13查得KFβ=1.4,故载荷系数K=KA KVKHαKHβ=1.25×1.36×1.4×1.342=3.1947)按实际载荷系数校正分度圆直径d 1=d8) 计算模数m nm n = d 1cos β/Z 1=47.53×cos 14/24=1.9228、按齿根弯曲强度计算m n(1)确定公式内各计算参数 1) 计算载荷系数K=K A K V K F αK F β=1.25×1.35×1.4×1.4=3.3322) 根据纵向重合度εβ=1.903，从机械设计教材图10-28查得Y β=0.88 3) 计算当量齿数Z V1=Z 1/cos 3β=24/cos 314=26.258 Z V2=Z 2/cos 3β=48/cos 314=52.5164) 查取齿形系数由机械设计教材表10-5查得Y Fa1=2.590,Y Fa2=2.42 5) 查应力校正系数：Y Sa1=1.598,Y Sa2=1.708 6) 弯曲疲劳许用应力计算由机械设计教材图10-2c 查得小齿轮弯曲疲劳强度极限σFE1=410Mpa ，大齿轮弯曲疲劳强度极限σFE2=245Mpa 。