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课程设计说明书课程名称现代设计方向课程设计题目CA6140车床箱体设计﹑分析﹑优化﹑仿真机械工程学院(系)机械设计专业班级机自0806学号0401080625学生姓名刘体欢指导教师何雪明2011年9月《现代机械CAD》课程设计任务书
1.设计目的和要求《现代机械CAD》课程设计是机械设计专业方向课程中实践性较强、综合性突出的重要教学环节,使该专业方向的学生在校期间最后一次(除毕业设计外)进行的较长时间、较系统、较全面的工程设计能力训练,在实现学生总体培养目标中占有特别重要的地位对于树立学生的创新精神,培养学生设计的系统性、可靠性、完整性意识,激发学生用依据理论结合计算机技术解决工程实践问题的兴趣,加深同学对课程所学内容的综合理解和掌握具有举足轻重的作用和十分重要的意义本教学环节的实施目的是
1、通过课程设计实践,树立正确的现代的机械设计思想,培养综合运用《机械设计》、《现代设计方法学》、《自动机械设计》课程和《计算机辅助设计/辅助分析/辅助制造(CAD/CAE/CAM)》、《有限元分析》、《优化设计》、《可靠性设计》等其他先修课程的理论与生产实践知识来分析和解决用计算技术对现代机械的进行完整设计所涉问题的能力
2、学习用计算机技术进行现代机械设计的一般方法,掌握计算机辅助现代机械设计的一般规律和所需技术和软件
3、用计算机进行现代机械设计基本技能的训练例如计算(__tlab)、分析(UG/Scinario、有限元分析、机构运动分析、结构分析和参数化设计模块)、修正、绘图(UG/Drafting/Assembly/FreeForm)、查阅资料和手册、运用标准和规范
4、有条件的话,可熟悉现代设计中涉及的计算机技术(计算机辅助制造UG/__nufacturing)和其他流行CAD软件(ANSYS、ADAMS、Pro/E)的使用操作,全面掌握现代计算机辅助机械设计的全过程课程设计教学的基本要求是
1、能从机器功能要求出发,制定或分析设计方案,合理的选择电动机、传动机构和零件
2、能按机器的工作状况用__tlab分析和计算作用在零件的载荷,合理选择零件材料,正确计算零件主要参数及尺寸
3、能考虑制造工艺、__与调整、使用与维护、经济性和安全性等问题,对机器和零件进行结构设计
4、绘图表达设计结果,图样符合国家制图标准,尺寸及公差标注完整、正确,技术要求合理、全面
5、掌握使用计算机进行设计计算和使用计算机进行结构设计并绘制装配图(UG/Assembling)、零件图(UG/Drafting)的方法
6、进行有限元分析(UG/__sterFEM+或ANSYS)、机械运动动态分析(UG/Motion或ADAMS)或和机械结构分析(UG/Structures或ADAMS)并对整个装置进行针对性分析并取得合理的改进
二、设计学时和学分学时3周学分
1.5
三、设计的主要内容课程设计题目常以一般用途的机械装置为主,也可以做其他设计题目,其他工作量相当于C6140机床的主传动部分设计每个学生应相对__完成确定机器或传动装置的总体方案,选定电动机和传动机构,并完成其运动学计算;进行传动零件以及轴、轴承、键联接、联轴器的设计计算,选择有关零、部件的规格;结合设计计算,穿__行主要零件的结构设计;用绘图机器或传动装置的总体结构设计并综合考虑其润滑与密封等问题;进行轴的精确校核计算;用计算机绘图软件(Ug或Pro/E)绘制正式装配图和零件图;用有限元分析模块(UG/Motion或ADAMS)和机械结构分析模块(UG/Structures或ADAMS)对整个装置进行分析并取得合理的改进,整理、撰写设计说明书;总结设计,准备答辩内容设计题目可仅给机器所需实现的功能,由学生自行设计传动方案;亦可给定传动方案,由学生分析后进行设计学生应提交的设计成果包括
1.机器或部件正式计算机装配图1张(UG/Assembly),A0图纸
2.零件工作图3张(UG/Drafting),A
2、A3或A4图纸通常为关键轴、关键零件工作图
3.有限元分析效果图1张(UG/__sterFEM+)
4.设计计算说明书一份,说明书应包括确定装置总体方案,运动学、动力学计算(__tlab程序),关键零件的设计计算,轴、轴承、键联接的校核计算(__tlab程序)等内容
四、设计的进行方式由指导老师给出设计课题,学生在规定时间内在规定的地点由教师指导__完成设计五.设计时间安排按以下进程安排4周,共20天设计周期
(1)方案设计(含选电动机、传动装置的运动学、动力学计算)(2天);
(2)传动件设计(
0.5-1天);
(3)装配草图设计(4-5天);
(4)装配工作图设计(
3、5-
4、5天);
(5)零件工作图设计(
0、5天);
(6)有限元分析效果(3天);
(7)机械运动动态分析图(
1、5-2天);
(8)机械结构分析图(
1、5-2);
(9)某个零部件的修正图(
0、5-1天);
(10)编写设计计算说明书(1-2天);
(11)答辩(1天)设计过程中安排一次机床或成熟机械装置装拆试验和观摩模型实物展览室,进一步增强学生的感性认识;安排16-24学时集中讲课,讲解各软件及其模块的使用要点;其他时间采取____与个别指导相结合的指导方式其中讲课、__穿插在各阶段进行目录第一章机床的规格和用途...................................6第二章机床主要参数的确定.................................6-7第三章传动方案和传动系统图...............................7-10第四章主要设计零件的计算和验算...........................10-21第五章运动仿真及有限元分析...............................21-27第六章操纵机构、制动机构及润滑、调整的明.................27-30第七章设计优缺点和设计体会...............................30第八章参考资料编目.......................................30-31第一章机床的规格和用途CA6140机床可进行各种车削工作,并可__公制、英制、模数和径节螺纹主轴三支撑均采用滚动轴承;进给系统用双轴滑移共用齿轮机构;纵向与横向进给由十字手柄操纵,并附有快速电机该机床刚性好、功率大、操作方便 第二章主要技术参数工件最大回转直径在床面上………………………………………………………………………………400毫米在床鞍上………………………………………………………………………………210毫米工件最大长度(四种规格)………………………………………
750、
1000、
1500、2000毫米主轴孔径……………………………………………………………………………………48毫米主轴前端孔锥度…………………………………………………………………………400毫米主轴转速范围正传(24级)…………………………………………………………………10~1400转/分反传(12级)…………………………………………………………………14~1580转/分__螺纹范围公制(44种)………………………………………………………………………1~192毫米英制(20种)……………………………………………………………………2~24牙/英寸模数(39种)……………………………………………………………………
0.25~48毫米径节(37种)………………………………………………………………………1~96径节进给量范围细化
0.028~
0.054毫米/转纵向(64种)…………………………………………………正常
0.08~
1.59毫米/转加大
1.71~
6.33毫米/转细化
0.014~
0.027毫米/转横向(64种)…………………………………………………正常
0.04~
0.79毫米/转加大
0.86~
3.16毫米/转刀架快速__速度纵向……………………………………………………………………………………4米/分横向……………………………………………………………………………………4米/分主电机功率……………………………………………………………………………………
7.5千瓦转速…………………………………………………………………………………1450转/分快速电机功率………………………………………………………………………………………370瓦转速…………………………………………………………………………………2600转/分冷却泵功率………………………………………………………………………………………90瓦流量……………………………………………………………………………………25升/分工件最大长度为1000毫米的机床外形尺寸(长×宽×高)……………………………………………2668×1000×1190毫米重量约…………………………………………………………………………………2000公斤第三章传动方案和传动系统图
1.确定极限转速已知主轴最低转速__in为10mm/s最高转速n__x为1400mm/s,转速调整范围为Rn=n__x/__in=
142.确定公比选定主轴转速数列的公比为φ=
1.
123.求出主轴转速级数ZZ=lgRn/lgφ+1=lg14/lg
1.12+1=
244.确定结构网或结构式24=2×3×2×
25.绘制转速图
(1)选定电动机一般金属切削机床的驱动,如无特殊性能要求,多采用Y系列封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机Y系列电动机高效、节能、起动转矩大、噪声低、振动小、运行安全可靠根据机床所需功率选择Y160M-4,其同步转速为1500r/min
(2)分配总降速传动比总降速传动比为uII=__in/nd=10/1500≈
6.67×10-3__in为主轴最低转速,考虑是否需要增加定比传动副,以使转速数列符合标准或有利于减少齿轮和及径向与轴向尺寸,并分担总降速传动比然后,将总降速传动比按“先缓后急”的递减原则分配给串联的各变速组中的最小传动比
(3)确定传动轴的轴数传动轴数=变速组数+定比传动副数+1=6
(4)绘制转速图先按传动轴数及主轴转速级数格距lgφ画出网格,用以绘制转速图在转速图上,先分配从电动机转速到主轴最低转速的总降速比,在串联的双轴传动间画上uk→k+1min.再按结构式的级比分配规律画上各变速组的传动比射线,从而确定了各传动副的传动比第四章主要设计零件的计算和验算本人主要担任的设计任务为CA6140型普通车床Ⅲ轴及轴上零件设计,包括了轴以及齿轮轴承的设计与校核,先选择部分分析如下
4.1齿轮的验算验算齿轮强度,应选择相同模数承受载荷最大的齿数最小的齿轮,进行接触应力和弯曲应力验算一般对高速传动的齿轮验算齿面接触应力,对低速传动的齿轮验算齿根弯曲应力对硬齿面、软齿芯渗碳淬火的齿轮,一定要验算齿根弯曲应力接触应力的验算公式为(MPa)≤[](4-1)弯曲应力的验算公式为(4-2)式中N-齿轮传递功率(KW),N=;-电动机额定功率(KW);-从电动机到所计算的齿轮的机械效率;-齿轮计算转速(r/min);m-初算的齿轮模数(mm);B-齿宽(mm)Z-小齿轮齿数;u-大齿轮与小齿轮齿数之比,u≥1,“+”号用于外啮合,“-”号用于内啮合;-寿命系数-工作期限系数T-齿轮在机床工作期限()内的总工作时间(h),对于中型机床的齿轮取=15000~20000h,同一变速组内的齿轮总工作时间可近似地认为T=/P,P为变速组的传动副数;-齿轮的最低转速(r/min);-基准循环次数;查表3-1(以下均参见《机床设计指导》)m—疲劳曲线指数,查表3-1;—速度转化系数,查表3-2;—功率利用系数,查表3-3;—材料强化系数,查表3-4;—的极限值,见表3-5,当≥时,则取=;当<时,取=;—工作情况系数,中等冲击的主运动,取=
1.2~
1.6;—动载荷系数,查表3-6;—齿向载荷分布系数,查表3-9;Y—标准齿轮齿形系数,查表3-8;[]—许用接触应力(MPa)查表3-9;[]—许用弯曲应力(MPa),查表3-9如果验算结果或不合格时,可以改变初算时选定的材料或热处理方法,如仍不满足时,就得采取调整齿宽或重新选择齿数及模数等措施三轴上的三联滑移齿轮采用整淬的方式进行热处理传至三轴时的最大转速为N==
5.42kw在三联滑移齿轮中齿数最少的齿轮为41×
2.25,且齿宽为B=12mmu=
1.05=≤[]=1250MP故三联滑移齿轮符合标准验算50×
2.5的齿轮50×
2.5齿轮采用整淬N==
5.1kwB=15mmu=1=≤[]=1250MP故此齿轮合格验算63×3的齿轮63×3齿轮采用整淬N==
5.1kwB=10mmu=4=≤[]=1250MP故此齿轮合格验算44×2齿轮44×2齿轮采用整淬N==
5.1kwB=10mmu=1=≤[]=1250MP故此齿轮合格图4-
14.2传动轴的优化设计与验算传动轴的优化在满足设计结果的基础上,尽量降低轴的成本,其中最重要的方法之一就是降低轴的质量,因此就需要我们进行优化设计由传动轴上弯曲载荷的计算,一般由危险断面上的最大扭矩求得式中N—该轴传递的最大功率(kw);—该轴的计算转速(r/min)以传动轴的质量最小作为目标函数,在满足强度和刚度的条件下追求质量最小轴所选用的材料20CrM__o的密度为目标函数建立如下约束条件如下
(1)扭转强度约束条件要使轴正常工作,其工作应力必须须小于许用应力,即式中T-----传动轴的最大扭矩,给定因此轴的扭转强度所决定的约束条件为即
(2)扭转刚度度约束条件根据扭转刚度,要求扭转变形小于许用值,即式中因此扭转刚度所决定的约束条件为
(3)几何约束条件建立数学模型如下在LINGO中输入代码并得到结果图4-2因此选取a=5mm,d=30mm传动轴的验算对于传动轴,除重载轴外,一般无须进行强度校核,只进行刚度验算轴的抗弯断面惯性矩()花键轴=式中d—花键轴的小径(mm);i—花轴的大径(mm);b、N—花键轴键宽,键数;传动轴上弯曲载荷的计算,一般由危险断面上的最大扭矩求得=式中N—该轴传递的最大功率(kw);—该轴的计算转速(r/min)传动轴上的弯矩载荷有输入扭矩齿轮和输出扭矩齿轮的圆周力、径向力,齿轮的圆周力式中D—齿轮节圆直径(mm)D=mZ齿轮的径向力式中α—为齿轮的啮合角;ρ—齿面摩擦角;β—齿轮的螺旋角;=
27.86mm符合校验条件花键轴键侧挤压应力的验算花键键侧工作表面的挤压应力为式中—花键传递的最大转矩();D、d—花键轴的大径和小径(mm);L—花键工作长度;N—花键键数;K—载荷分布不均匀系数,K=
0.7~
0.8;故此三轴花键轴校核合格图4-
34.3轴组件的刚度验算两支撑主轴组件的合理跨距主轴组件的跨距对其刚度的影响很大,在绘制主轴组件的结构草图后,可以对合理跨距L进行计算,以便修改草图,当跨距远大于L时,应考虑采用三支撑结构《机床设计》的___中的主轴组件柔度方程系在主轴端部C点家在时主轴和轴承两相柔度的迭加,其极值方程为式中L—合理跨距;C—主轴悬伸梁;﹑—后﹑前支撑轴承刚度该一元三次方程求解可得为一实根机床传动轴用滚动轴承,主要是因疲劳破坏而失效,故应进行疲劳验算其额定寿命的计算公式为C—滚动轴承的额定负载(N)根据《轴承手册》或《机床设计手册》查取,单位用(kgf)应换算成(N);—速度系数,为滚动轴承的计算转速(r/mm)—寿命系数,—寿命系数,对球轴承=3,对滚子轴承=;工作情况系数,对轻度冲击和振动的机床(车床、铣床、钻床、磨床等多数机床),;—功率利用系数,查表3—3;—速度转化系数,查表3—2;—齿轮轮换工作系数,查《机床设计手册》;P—当量动载荷,按《机床设计手册》故轴承校核合格第五章运动仿真及有限元分析整体运动仿真如下图5-1对齿轮进行简化,应用UG软件进行静力学分析,结果如下齿轮受力变形图和节点云彩图(X和Y方向)图5-2图5-3第六章操纵机构、制动机构及润滑、调整的说明一.机床的操纵机构用于控制机床各执行件运动的启动、停止、制动、变速、换向等随着机床的自动化,操纵机构越来越简化操纵机构不直接参与机床的成形运动,对机床的精度和刚度无直接影响,但对机性能的发挥和操__的劳动强度有一定的影响因此对操纵机构的要求是轻便省力,操作方便,便于记忆,安全可靠操纵机构一般是由三个部分组成的
(1)操作件,包括手柄、手轮等,见《金属切削机床设计简明手册》
(2)传动装置,包括机械的、电力的、液压的、气动的数种在机械传动装置中常用的有杠杆、齿轮齿条和凸轮机构等
(3)执行件,如拨块、滑块和销子等在机床课程设计中,常用的有摆动式操纵机构、__式操纵机构和凸__纵机构等二.制动机构一般采用制动器制动器的作用,是在机床停车时使执行件及其传动链迅速停止运动它的工作原理是利用摩擦力矩使机件的动能转化为热能机床的制动机构应满足如下要求
(1)机构简单、尺寸小为此制动器应尽量装在高速轴上
(2)制动时间在可能条件下应该尽量短些但也不是越短越好如果制动时间太短,则有可能因制动力矩太大而损坏机件例如打掉齿轮,扭坏轴等
(3)要保证使用安全为此,制动机构与开停机构必须互锁即离合器脱开时,制动器应制动;接通离合器前,制动器必须先断开最简单的互锁方法是用同一个操纵机构,同时操纵离合器和制动器三.润滑包括变速箱的润滑方式和润滑液压泵的选用1.变速箱的润滑方式主要有飞溅润滑和循环润滑飞溅润滑,通过溅油轮和溅油齿轮,将润滑油甩至需润滑的部位,或经箱壁流到需润滑的部位溅油轮应该__在变速箱内接近油面部位的转速不变或变化范围较小的轴上溅油轮的圆周速度在3-
12.5m/s为宜,浸入油面的深度通常为12-25mm如采用齿轮溅油,则浸入油面的深度通常为2-3倍齿高飞溅润滑结构简单缺点是搅油起泡影响润滑效果,并增加变速箱内的发热量和增大噪音因此,只在要求不高和结构简单的情况下才有应用循环润滑又可分体内循环和体外循环润滑两种采用体内循环润滑时变速箱兼作润滑油箱,各润滑元件均在变速箱体内,因而结构比较简单但摩擦产生的热量仍留在变速箱体内常用于较简单的变速箱采用体内循环润滑方式时,应该尽量使传动件不浸入油内体外循环润滑时,油箱、滤油器、润滑泵等润滑元件均在变速箱外其优点是润滑油可以把热量带出变速箱,在油箱内冷却这种办法可以使变速箱的温升较低,但结构要复杂些2.润滑油泵的选用润滑液压泵可以从《金属切削机床设计简明手册》中选取,有齿轮液压泵、柱塞液压泵和叶片液压泵等3.防漏和密封机床漏油分三等渗油、滴油和流油固定联接的部位每半小时滴一滴为渗油活动联接的部位每五分钟滴一滴为渗油,每2-3min滴一滴为滴油,每分钟滴5滴为流油防止漏油的办法是堵和引,不堵就流出去了,只堵不引,等油积累多了也会渗出,要把堵住的油引回油池,就不会漏出体外了四.在课程设计中常会出现一些错误,通过调整消除影响以下举几个常见的错误1.滑移齿轮运动干涉在设计中有时为了缩短轴向尺寸,将固定齿轮之间所需要的间距取小了,使滑移齿轮不能实现正常的滑移设计时要注意画出运动极限的想象位置,以便检查是否会发生干涉,或是在齿轮两端倒圆角同时滑移齿轮和轴承的干涉问题也要注意,适当在两者间留下空隙2.操纵机构的干涉如拨叉和拨块间的干涉,可以通过其他组成零件的适当修改达到好的效果对于在操纵过程中,滑移齿轮有越程的操纵机构,还要考虑到滑移齿轮的极限位置,以免滑移齿轮与其他零件产生干涉3.展开图与剖视图的对应检查主要是检查各零件之间的相对位置是否可行4.__和拆卸在主轴箱中,Ⅰ轴通常是先在外面装好,然后整个组件装入箱体5.轴的定位不足与超定位装入箱体的轴要轴向固定,即限制向两端__的自由度如有一侧未限制,则轴将发生窜动,这是不允许的但是,一侧有两处或两处以上的限制称为超定位,也是不允许的结构比较简单的轴,一般易于判断结构比较复杂时就较易发生超定位现象第七章课程设计体会历经三周的课程设计—CA6140车床主轴箱体及其传动间运动仿真,以及有限元分析和结构优化设计,尽管分配到42个人后的工作量并不是很大,但彼此之间的交流让我们设计感到非常充实,并且从中学到许多知识但是,因为是分工合作,所以每个人画的零件的尺寸在配合处存在很大的误差,这个最后的装配带来了很大的困难,但最后经过一次次的商讨,确定统一的尺寸还是解决了这个难题还有应用优化设计软件对轴零件进行尺寸优化这次设计在开始的时候我们存在不少困难在缺少设计图纸的情况下靠组员之间的默契配合对唯一一张装配图进行测绘再应用三维建模软件UG画出三维实体模型进行装配,之后再进行运动仿真在这次设计之中,我们存在了许多不足,时间主要花在了实体建模和仿真的构建上还有分析软件-ANSYS应用的并不不是那么得心应手,还存在了很大的问题对于我们来说,分析起来充满了实际的困难第八章参考资料编目
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