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1、长江师范学院本科毕业设计CA6140主轴箱三维CAD设计摘 要CA6140车床作为主要的车削加工机床，在机械加工行业中得到了广泛的应用。CA6140车床主轴箱的主要功用是支撑并且传动主轴，使车床的主轴带动工件用规定的转速转动。本次设计在文献调研、网络调研和市场调研等的基础上，采用计算、类比和实验等方法，完成了运动方案的确定和结构化设计，通过功能设计与计算，运用Solidworks三维软件完成零部件的建模与装配、三维结构设计和造型设计、完成零件图与装配效果图，实现装配动态展示。直观的表现出调整后主轴箱的整体及零部件的结构、形状、尺寸及装配特点，三维动画爆炸和工作运动的仿真，将CA6140车床主轴
2、箱的内部结构以及工作原理，更生动形象的表达出来，让人一目了然。利用三维CAD技术创建参数化模型，实现车床主轴箱的优化设计，减少设计过程的时间，提高产品的开发设计效率。 关键词：CA6140主轴箱；建模与装配；三维结构设计；运动仿真AbstractThe CA6140 lathe as the main turning processing machine tool, has been widely applied in the manufacturing industry. The main function of CA6140 lathe headstock is the support a
3、nd transmission shaft, the lathe spindle drives the workpiece rotate with the prescribed speed. Thedesign is based on the literature research, Internet survey and market research and so on, the computation, analogy and experimental methods, completed to determine the motion scheme and structure desi
4、gn, the design and calculation, modeling and assembly, 3D structure design and other design, complete parts diagrams and assemblydrawings using Solidworks 3D software complete parts assembly,dynamic display. A visual representation of overall and adjustment partsafter the headstock structure, shape,
5、 size and feature of assemblysimulation, 3D animation and motion of the explosion, the internalstructure of CA6140 lathe headstock and working principle, more vividimage expression, let a person at a glance. Create a parametric model using 3D CAD technology, realizing the optimization design of lath
6、e headstock, reduce the design time, improve the development efficiency of product design.Keywords: CA6140 spindle box; modeling and assembly; 3D structure design; motion simulation目 录1 绪论1.1 研究意义.(1)1.2 产品说明.(1)1.3 研究现状.(1)1.4 课题研究内容与方法.(1)1.5 设计方案可行性分析.(2)1.6 小结.(2)2 总体设计方案2.1 主轴箱的组成和特点.(3)2.2 主轴箱
7、的主要参数.(3)2.3 传动系统及其方案的确定.(4)3 车床主轴箱的具体设计3.1 主轴箱的箱体.（6）3.2 轴主要零件设计计算.（7）3.3 轴主要零件设计计算.（16）3.4 轴主要零件设计计算.（22）3.5 轴主要零件设计计算.（28）3.6 轴主要零件设计计算.（31）3.7 轴主要零件设计计算.（34）3.8 主轴箱的装配效果图.（36）3.9 小结.（39）总结与展望.（40）参考文献.（41）致谢.（42）- IV -长江师范学院本科毕业设计CA6140主轴箱三维CAD设计1 绪论1. 1 研究意义1) 检验理论知识：此次CA6140主轴箱的三维CAD设计，是对过去所学的
8、专业理论知识的全面检验，在设计过程中查找自己的不足之处，并进行弥补和完善。2) 完善理论知识：通过完成毕业设计的过程中涉及到新的理论知识的了解和学习，增大了自我的知识面，完善了自我的理论知识。提高自己对于三维设计软件（Solidworks、UG）的使用能力，提高自己三维设计、三维建模的能力。3) 应用理论知识：在设计过程中，应用所学的专业理论知识，对传统主轴箱，做外观和部分零部件尺寸方面的调整，进行优化设计，并借助三维CAD软件，绘出主轴箱整体及其零部件的三维设计图，用Solidworks生成装配体效果图，制作主轴箱的装配动态展示视频，直观的表现出调整后主轴箱的整体及零部件的围观、形状、尺寸及
9、装配特点。1. 2 产品说明从世界上第一台数控车床诞生到现在已经有40多年了，伴随着微电子技术跟随时间的前进正不断地的更新，不断的进步和发展，数控车床同时也正在不断地改进技术，车床不停的更新换代，车床也同时经过了几十年来发展、停滞、引进新型高级技术等几个阶段，我国的数控车床的也发展到一定的高度，可供选择的车床品种已超过300种，比如五轴联动的数控系统、数字仿真的数控系统等高端技术要求的车床也相继出现。1. 3 研究现状传统的车床主轴箱设计方法比较复杂，采用各类仿机床，制造新零件时需制造模具和调整机床，准备时间周期长，误差大，加工零件的精度很难达到较高的要求，设计过程中更改比较费事，需要投入大的
10、时间和精力很大，如果可以突破二维平面设计的格局，使车床主轴箱的设计从三维实体造型开始整个产品的设计过程从草图，实体，装配，虚拟样机，到最后自动生成二维工程图。利用三维SolidWorks软件创建参数化模型，实现车床主轴箱的优化设计，减少设计过程的时间，提高产品的开发设计效率。1. 4 课题研究内容与方法介绍数控车床的演变和发展历程、CA6140车床主轴箱的主要功能和用途。并且在文献调研、网络调研和市场调研等的基础上，采用计算、类比和实验等方法，完成了运动方案的确定和机构化设计，通过功能设计与计算、完成零件建模与装配、三维结构设计和造型设计、完成零件图与装配效果图，实现装配动态展示 。1. 5
11、设计方案可行性分析车床主轴箱由于其产品内部复杂，性能受制造参数影响较大，目前为止，车床主轴箱的设计仍然是比较传统的方法，设计人员都是采用二维视图来进行的，设计过程中更改图纸比较费事，使产品的设计和制造周期较长。如果可以突破二维平面设计的格局，使车床主轴箱的设计从三维实体造型开始整个产品的设计过程从草图，实体，装配，虚拟样机，到最后自动生成二维工程图。利用三维CAD技术创建参数化模型，实现车床主轴箱的优化设计，减少设计过程的时间，提高产品的开发设计效率。1. 6 小结用Solidworks绘出主轴箱整体及其零部件的三维设计图，生成装配体效果图，制作主轴箱的装配动态展示视频，直观的表现出调整后主轴
12、箱的整体及零部件的围观、形状、尺寸及装配特点，减少设计过程的时间，提高产品的开发设计效率。2 总体设计方案2. 1 主轴箱的组成及特点CA6140车床主轴箱的主要功用是支撑并且传动主轴，使车床的主轴带动工件用规定的转速转动。CA6140主轴箱其中C代表车床类，A代表改进型号,6代表卧式车床,1代表普通车卧式床,40代表最大回转直径400mm 。 CA6140主轴箱主要构成包括卸荷带轮，双向多片摩擦离合器，制动及操纵机构，主轴部件，主轴变速操纵机构，传动件的润滑。设计过程中最大的难度是不同转速之间的同步转换，不同传动轴之间的转换，但是利用滑动齿轮和离合器能够克服这些问题，离合器主要能够实现动态分
13、离。2. 2 主轴箱的主要参数车床主轴箱加工件的最大的回转直径为在床面上-400mm在床鞍上-210mm工件最大长度-750、1000、1500、2000mm车床主轴箱主轴的转速级数主轴正转【24级】-10-1400r/s主轴反转【24级】-14-1580r/s车床主轴箱主轴的其他参数主轴孔径-48mm主轴前段孔锥度-400mm主电机功率-7.5kw转速-1450r/min快速电机功率-370w转速-2600 r/min工件的长度极限为1000mm的车床外形尺寸【长宽高】-266810001190mm重为2000kg2. 3 传动系统及其方案的确定确定主轴的极限转速：车床主轴的最小旋转速是10
14、mm/s,最大的旋转速是1400mm/s，车床主轴的转速调速范围是确定车床主轴旋转速度的公比： 确定主轴的转速级数Z：由图及系统传动路线得，主轴正转时，传动路线（-轴）使主轴有23=6级正转，第二条（-轴）使主轴有2322=24级正转，总共可获30级正转。反向旋转时，有级反转。但是由于车床轴-之间有四种传动方式，且传动比为: 车床主轴只有级正向旋转，这样车床主轴实际上获得级正向旋转。同样的道理，车床主轴只获得级反向旋转。确定车床转速结构网或者结构式： 式中：Z为车床的主轴旋转转速级数；为每个变速组的传动副数量；为每个变速组的。所以车床转速结构式是 选定电动机：CA6140车床电机选择Y132M
15、-4，电机的满载旋转速速是1440r/min，电机的功率是7.5kw。分配主轴箱的总降速传动比：总降速传动比式中：为车床主轴最小旋转速度。确定传动轴的轴数：车床传动轴的数量等于车床变速组的数量加上车床定比传动副的数量再加一，最后结果为6绘制转速图：图2-.1 转速图主轴运动的传动路线为：图2.2 传动路线表达式3 车床主轴箱的具体设计3. 1 主轴箱的箱体箱体尺寸选择表長寛高()箱体的壁厚(mm)5OO 5OO 3OO8-125OO 5OO 3OO-8OO 5OO 5OO1O-158OO 8OO 5OO12-2O表3.1车床主轴箱箱体上每个轴的安装和定位如下：图3.1 主轴箱箱体3. 2 轴主
16、要零件设计计算1) 普通V带传动设计选择V带：工况系数查机械设计表7-7得 计算功率 （3-1）确定V带：由功率和小带轮，查机械设计图7-12，选取A型V带。计算V带轮的基准直径：因为V带类型，查机械设计表7-4、7-5选用，带轮的带速一般是在。 （3-2）取V=10m/s，符合要求。大带轮的基准直径 （3-3）计算中心距b、带长c，并且验算包角：中心距： V带基准长度 ： （3-4）查机械设计表7-5有实际中心距有： （3-5）因为中心距的变动范围是（b-O.O15 b+O.O3） 验算：，符合要求.计算带轮带的根数Z： （3-6）查机械设计表7-6有，查表7-8有，查表7-9得，查表7-2
17、得 ，得计算初拉力、轴压力：式中：q带的单位质量，查表7-1，有图 3.2 带轮2) 离合器的设计设计过程选用离合器时，外摩擦片内径尺寸要比花键轴大计算摩擦片数目Z： （3-7）式中：；式中：；）； ；b内摩擦片接触宽度（mm）;；根据平均圆周转速，查机械设计指导取=1.00；=0.76；=1.00；计算空载功率损耗：最后计算离合器在轴向的压紧力Q： （3-8）离合器摩擦片的厚一般取，分离时取最大的间隙为 3) 轴和齿轮的设计齿轮的计算：一对在主轴箱内轴 I 和主轴箱内轴 II 相啮合的齿轮中，选着小齿轮齿数是,齿轮精度选七级，一对相啮合的齿轮中大齿轮的齿数为，取，选计算 ： （3-9） 由上
18、面的计算可以得到：； （3-10） （3-11） （3-12） （3-13）代入中小值计算V：由 机械设计 得 （3-14）计算齿轮的齿宽 ，由机械设计得： （3-15）计算，由机械设计得： （3-16） （3-17）计算载荷系数：差机械设计表8-4，有使用系数,差机械设计表 8-5，有 由,及查机械设计图8-14a有 （3-18）校正所分度圆直径， 由，代入数据得：确定模数m ：根据齿轮齿根的弯曲强度进行设计，查机械设计式8-26有， （3-19）由机械设计图8-27a查得。机械设计图8-29有计算载荷系数：查应力校正系数： 计算，并对大小齿轮加以比较： （3-20） （3-21）得大齿轮数
19、据大设计计算: （3-22）代入数据：，整圆成，选择m=2.25 按m=2.25,大齿轮和小齿轮的齿数是：几何尺寸的计算：同理得各齿轮参数如下：齿轮： 齿轮的小齿轮：齿轮的分度圆直径是齿轮的齿顶高是 齿轮的齿根高是 齿轮的齿全高是 齿轮的齿顶圆直径是 齿轮的齿根圆直径是 齿轮的大齿轮：齿轮的分度圆直径是 齿轮的齿顶高是 齿齿轮的根高是 齿轮的齿全高是 齿轮的齿顶圆直径是 齿轮的齿根圆直径是 齿轮： 齿轮的小齿轮：齿轮的分度圆直径是 齿轮的齿顶高是 齿轮的齿根高是 齿轮的齿全高是 齿轮的齿顶圆直径是 齿轮的齿根圆直径是 齿轮的大齿轮：齿轮的分度圆直径是 齿轮的齿顶高是 齿轮的齿根高是 齿轮的齿全
20、高是 齿轮的齿顶圆直径是 齿轮的齿根圆直径是 齿轮: 小齿轮：齿轮的分度圆直径是 齿轮的齿顶高是 齿轮的齿根高是 齿轮的齿全高是 齿轮的齿顶圆直径是 齿轮的齿根圆直径是 大齿轮：齿轮的分度圆直径是 齿轮的齿顶高是 齿轮的齿根高是 齿轮的齿全高是 齿轮的齿顶圆直径是 齿轮的齿根圆直径是 齿轮的齿宽是：取 轴的计算 （3-23）式中：；选择最小段是30mm 4) 主要零件的校核齿轮的校核:弯曲应力: （3-24）接触应力（MPa） （3-25）式中：N齿轮传递功率； （3-26） （3-27）式中：; ；传到I轴的时候最大的旋转速度是：齿轮的校核: =1250MP符合强度要求。齿轮562.25的校
21、核：=1250MP符合强度要求轴校核； （3-28）式中:。代入数据故此传动轴合格图3.3 轴轴承校核: h （3-29） 带入数据得:故此轴承合格图3.4 轴装配图3. 3 轴主要零件设计计算1) 轴和齿轮的设计同上原理：齿轮的计算，齿轮 小齿轮：齿轮的分度圆直径是 齿轮的齿顶高是 齿轮的齿根高是 齿轮的齿全高是 齿轮的齿顶圆直径是 齿轮的齿根圆直径是 大齿轮：齿轮的分度圆直径是 齿轮的齿顶高是 齿轮的齿根高是 齿轮的齿全高是 齿轮的齿顶圆直径是 齿轮的齿根圆直径是 齿轮: 小齿轮：齿轮的分度圆直径是 齿轮的齿顶高是 齿轮的齿根高是 齿轮的齿全高是 齿轮的齿顶圆直径是 齿轮的齿根圆直径是 大
22、齿轮：齿轮的分度圆直径是 齿轮的齿顶高是 齿轮的齿根高是 齿轮的齿全高是 齿轮的齿顶圆直径是 齿轮的齿根圆直径是 齿轮 小齿轮：齿轮的分度圆直径是 齿轮的齿顶高是 齿轮的齿根高是 齿轮的齿全高是 齿轮的齿顶圆直径是 齿轮的齿根圆直径是 大齿轮：齿轮的分度圆直径是 齿轮的齿顶高是 齿轮的齿根高是 齿轮的齿全高是 齿轮的齿顶圆直径是 齿轮的齿根圆直径是 轴的计算 （3-30）式中：P功率n轴转速r/min取最小段为25mm2) 主要零件的校核齿轮校核：弯曲应力 （3-31）接触应力 （3-32）式中符号代表参数同上。 齿轮：， =1250MP双联滑移齿轮符合标准齿轮：， ，N=5.71kw=125
23、0MP故此处理合格齿轮的：， N=5.1kw=1250MP故此齿轮合格齿轮， ， N=5.1kw=1250MP故此齿轮合格图3.5 齿轮建模轴校核 （3-33）式中：;。代入数据故此传动轴合格。图3.6 轴校核轴承： h （3-34）式中：；。 带入数据：故此轴承合格图3.7 轴装配图3. 4 轴主要零件设计计算1) 轴和齿轮的设计同上原理：齿轮的计算，齿轮 小齿轮：齿轮的分度圆直径是 齿轮的齿顶高是 齿轮的齿根高是 齿轮的齿全高是 齿轮的齿顶圆直径是 齿轮的齿根圆直径是 大齿轮：齿轮的分度圆直径是 齿轮的齿顶高是 齿轮的齿根高是 齿轮的齿全高是 齿轮的齿顶圆直径是 齿轮的齿根圆直径是 齿轮
24、齿轮的分度圆直径是 齿轮的齿顶高是 齿轮的齿根高是 齿轮的齿全高是 齿轮的齿顶圆直径是 齿轮的齿根圆直径是 齿轮 大齿轮：齿轮的分度圆直径是 齿轮的齿顶高是 齿轮的齿根高是 齿轮的齿全高是 齿轮的齿顶圆直径是 齿轮的齿根圆直径是 大齿轮：齿轮的分度圆直径是 齿轮的齿顶高是 齿轮的齿根高是 齿轮的齿全高是 齿轮的齿顶圆直径是 齿轮的齿根圆直径是 轴计算 （3-35）；所以得选取轴的最小段是 30mm2) 主要零件的校核齿轮校核:弯曲应力 （3-36）接触应力（MPa） （3-37）式中符号代表参数同上： （3-38）传递到三轴的时候最大的旋转速速是：N=5.42kw三联滑移齿轮412.25齿轮，
25、 ，=1250MP三联滑移齿轮合格图3.8 三联滑动齿轮 ， （3-39）P故此齿轮合格齿轮：， N=5.1kw （3-40）=MP故此齿轮合格齿轮：mm N=5.1kw=1250MP故此齿轮合格图3.9 齿轮建模轴校核: （3-41）式中符号代表参数同上： 代入得故此传动轴合格。图3.10 轴轴承校核额定寿命 h （3-42）式中符号代表参数同上： 带入数据得，故此轴承合格图3.11 轴装配图3. 5 轴主要零件设计计算1) 轴和齿轮的设计同上原理：齿轮的计算，齿轮 ， 小齿轮：齿轮的分度圆直径是 齿轮的齿顶高是 齿轮的齿根高是 齿轮的齿全高是 齿轮的齿顶圆直径是 齿轮的齿根圆直径是 大齿轮
26、：齿轮的分度圆直径是 齿轮的齿顶高是 齿轮的齿根高是 齿轮的齿全高是 齿轮的齿顶圆直径是 齿轮的齿根圆直径是 齿轮 小齿轮：齿轮的分度圆直径是 齿轮的齿顶高是 齿轮的齿根高是 齿轮的齿全高是 齿轮的齿顶圆直径是 齿轮的齿根圆直径是 大齿轮：齿轮的分度圆直径是 齿轮的齿顶高是 齿轮的齿根高是 齿轮的齿全高是 齿轮的齿顶圆直径是 齿轮的齿根圆直径是 轴计算：同上原理mm选用轴的最小段是 25mm2) 主要零件的校核同上原理齿轮： 齿宽 mm =1250MP故此齿轮合格582齿轮：=1250MP故此齿轮合格图3.12 齿轮建模轴校核，同上原理：故此传动轴合格。轴承校核，同上原理:故轴承校核合格。图3
27、.13 轴装配图3. 6轴主要零件设计计算1) 轴和齿轮的设计同上原理：齿轮的计算，齿轮 小齿轮：齿轮的分度圆直径是 齿轮的齿顶高是 齿轮的齿根高是 齿轮的齿全高是 齿轮的齿顶圆直径是 齿轮的齿根圆直径是 大齿轮：齿轮的分度圆直径是 齿轮的齿顶高是 齿轮的齿根高是 齿轮的齿全高是 齿轮的齿顶圆直径是 齿轮的齿根圆直径是 轴计算，同上原理：选用最小段是2) 主要零件的校核同上原理，齿轮校核：斜齿轮，齿宽mm，=1560MP故斜齿轮合格图3.14 斜齿轮齿轮：=1250MP故此齿轮合格图3.15 80齿轮齿轮：=1250MP 故此齿轮合格图3.16 50齿轮轴校核：故此传动轴合格。图3.16 轴轴
28、承校核：故轴承合格。图3.17 轴装配图3. 7轴主要零件设计计算1) 轴和齿轮的设计同上原理：齿轮的计算，齿轮 齿轮的分度圆直径是 齿轮的齿顶高是 齿轮的齿根高是 齿轮的齿全高是 齿轮的齿顶圆直径是 齿轮的齿根圆直径是 轴计算：选用最小段是 。2) 主要零件的校核同上原理，齿轮校核：的齿轮，故此齿轮合格。图3.18 50齿轮轴校核:故此传动轴校验合格。轴承校核故轴承校核合格图3.19 轴装配图3. 8主轴箱的装配效果图图3.20 主轴箱装配图图3.21 主轴箱装配图图3.22 主轴箱爆炸图图3.23 主轴箱爆炸图图3.24 主轴箱三维效果图图3.25 主轴箱三维效果图3. 9小结本章节主要介
29、绍了CA6140车床主轴箱的内部结构，齿轮的设计和验算，轴的设计和验算，离合器的设计等，整个主轴箱的性能以及功能。总结与展望CA6140车床主轴箱是把车床由动力源而来的动力以扭矩形式传送到车床主轴，它的结构复杂巧妙，而且要在把它的结构和功能在软件中制作出来，设计和建模的内容会使工作量会很大。本次设计的结果没有达到预想的结果，因为部分硬件方面的原因，造成了在运动仿真由于计算机的配置不能达到所需要的，导致经常死机，软件崩溃，致使时间上慢了，而且仿真动画的效果也不清晰。由于CA6140车床主轴箱的零件很多，加上硬件的承载限度，所以在三维造型装配的时候省去了部分细部结构。这次设计当中我们也遇到了很多很
30、多的其他问题，比如，三维实体设计软件使用不熟悉，不灵活，不能完全把软件的功效发挥出来等等。并且本次设计主要用的是三维软件SolidWorks，将CA614O车床的结构零件，总体装配图设计出来，零件建模，以及装配。就这一次设计，总的安排非常重要。时间要充分合理的安排，不然就会有盲目性，无法开头，会使在开始的前几天里一点实质性的进展都没有。但最还是很努力的按时完成了本次设计的任务。致 谢又是一年毕业时，不知不觉我已经在长江师范学院度过了四年的大学生活，在此，我要向帮助过我的家人，老师，同学表达深深的敬意，而今天，在离开学校踏上社会的难忘时刻，又让我想起了这些难忘情景，我能感觉到，当我交上这份最后的
31、答卷时，这里不仅有我的辛勤的努力，还包含了他们对我的帮助。在这里，我首先要感谢我的老师这几个月来对我的指导与帮助，在毕业设计的过程中，从始至终都得到了指导老师的谆谆教诲和悉心关怀，和老师的精心指导和热情帮助，其中无不凝聚着老师对学生的心血和汗水。当我遇到不懂的问题时，都能拿给指导老师帮忙一一化解。老师的指导和帮助使我终身受益。此时，我要衷心祝愿老师身体健康，工作顺利。感谢我的父母，亲人，朋友，无论是在学习还是在生活上，是你们让我有了坚持下去的动力，是你们让我明白了情感的可贵，让我有自信，让我有勇气！感谢长江师范学院，感谢机械工程学院，让我在这里度过了快乐的时光，拥有了美好的记忆，我将永远珍惜我的学生时代。参考文献 1魏峥主编.SolidWorks2008基础教程与上机指导M. 北京：清华大学出版社，20082贾瑞. 中国制造企业工业设计现状及CAD应用水平研究A.2007 3陈立德.机械制造装备设计M. 北京：高等教育出版社，20104杨俊峰.刘慧芬.程燕.张信群.机床及夹具M.北京