摘要
此次毕业设计要求综合的运用机械制图、机械设计、机械原理、机械制造技术、金属切削机床设计等相关知识对CA6140型卧式车床进行了传动设计，主要对其主轴箱的结构和传动原理进行深入的了解。CA6140车床是我国设计制造的典型的卧式车床，在我国机械制造类行业中使用极为广泛。近些年，虽然随着电子计算机的发展，数控技术和数控机床得到的较大的发展，但通过对普通车床的研究和设计，可以开阔我们的视野，增强我们的实践经验，加强我们自己动手的工作能力，巩固所学知识，在我们马上要走上工作岗位之际，对提高我们的专业素质有很大的帮助。
本次毕业设计的研究内容、方法、成果：
1、通过绘制车床主轴箱操纵机构的装配图，进一步深入的了解了主轴箱的结构
和其传动原理；
2、通过运用机械原理和机械设计等知识对车床进给箱中的轴进行设计和校核；
3、最后运用机械制图知识绘出CA6140型卧式车床主轴箱操纵机构，并运用AutoCAD制图软件绘制进给箱中的014轴，进一步熟练了CAD的使用。
关键词：CA6140型车床；主轴箱；传动系统；轴的设计；轴的绘制；
ABSTRACT
The integrated design uses a mechanical drawing, mechanical design, mechanical principles, machinery manufacturing technology, Metal Cutting Machine design knowledge to CA6140 horizontal lathe design of the drive, Headstock mainly on the structure and box drive principle in-depth understanding. CA6140 lathe is the design and manufacture of a typical horizontal lathe. China's machinery manufacturing industries, is widely used. In recent years, although the development of electronic computers, technology and CNC machine tool CNC is the larger development, But through Lathe of research and design, broadening our horizons, enhance our practical experience, strengthen our own hands the ability to consolidate knowledge, we all got to go to work when to improve the professional qua lity of our great help.
The graduation of the study design, methods, results :
1. Drawing spindle lathes me through manipulation of the assembly, further in-depth understanding of the structure of the spindle box and its drive principle
2. Through the use of mechanical principles and mechanical design knowledge to design and check the shaft in lathe .
3. Finally the use of AutoCAD software rendering the machine spindle and operating mechanism , and the use of CAD to render the 014 shaft in lathe;Further skilled in the use of CAD .
Keywords : CA6140 lathe; Headstock; Transmission;Axis designs;Axis drawing.
目录
第一章绪论 (1)
1.1毕业设计的目的及意义 (1)
1.2毕业设计的内容 (1)
1.3设计步骤 (2)
1.4设计时应注意的事项 (3)
第二章 CA6140型卧式车床的简介 (4)
2.1CA6140车床的用途 (4)
2.2CA6140车床的分类 (5)
2.3CA6140工艺范围 (5)
2.4CA6140车床的布局 (5)
第三章 CA6140型车床传动系统 (8)
3.1车床传动路线及传动分析 (8)
3.2主轴箱的传动链 (10)
3.3主轴箱的主要构造 (12)
第四章 CA6140型车床齿轮传动设计 (18)
4.1分级变速传动链设计 (18)
4.2动力计算 (22)
4.3计算转速 (24)
4.4机床的功率转矩特性 (24)
第五章 CA6140型卧式车床主轴箱结构设计 (26)
5.1轴的设计及轴上零件的定位 (26)
5.2轴承、密封、润滑 (28)
5.3齿轮 (30)
5.4操纵机构 (31)
5.5箱体 (34)
第六章 014轴（ⅩⅢ轴）的设计计算及校核 (39)
6.1轴的结构设计原则 (39)
6.2轴的强度计算 (40)
6.3轴的材料及选择 (41)
6.4014轴（ⅩⅢ轴）的设计计算及校核 (45)
参考文献 (50)
致谢 .............................. 错误！未定义书签。
江西理工大学2009届本科生毕业设计（论文）
第一章绪论
1.1 毕业设计的目的及意义
毕业课题（论文）教学过程是实现本科培养目标要求的重要阶段，是基础理论学习深化与升华的重要环节，是全面检验学生综合素质与实践能力培养效果的主要手段，是学生毕业及学位资格认证的重要依据，是衡量高等学校教育质量和办学效益的重要评价内容。做好毕业课题（论文）工作，对提高本科生全面素质具有重要意义。
毕业课题的基本教学目的是培养学生综合运用所学知识和技能，提高分析与解决实际问题的能力，在实践中培养学生用于探索的创新精神，严肃认真的科学态度和严谨求实的工作作风。
通过毕业课题设计，培养学生具有从事科学研究工作和综合试验技能或专门技术工作的初步能力，初步掌握科学研究的基本方法。具体可归纳为：
1、对资料、信息的获取及独立分析的能力，本专业外文的阅读和翻译能力；综合运用所学知识的技能，解决实际问题的能力；较好地掌握机械学科的基础理论、专门知识和基本技能及方案论证的能力；培养学生的创新意识和创新精神，继承和发现探索与创造能力；使用计算机（包括索取信息、数据处理、多媒体软件应用等）的能力
2、通过毕业设计，把在本科阶段中所获得的知识在实际的设计工作中综合地加以运用。使这些知识得到巩固，加强和发展，并使理论知识和生产实践密切地结合起来。因此，毕业设计是大学学习阶段的总结性作业。
3、使学生能够熟练地应用有关参考资料，计算图表、手册，图集，规范，并熟悉有关国家标准和部颁标准(如GB，JB等)，以完成一个工程技术人员在机械工程设计方面所必须具备的基本训练。
4、通过撰写开题报告、论文以及论文答辩一系列过程，使得学生的口头表达能力和学术精神得到一定的提高。
1.2毕业设计的内容
1、在规定的时间内，要求完成CA6140车床主轴箱的总体设计，传统方法绘制总装配图一张。
2、根据设计计算步骤对该机器的014轴零件进行CAD设计；
3、在操纵机构零件CAD设计的基础上，对操纵机构的工作原理进行深入的理解；
4、编写完整设计说明书一份。
1.3设计步骤
(一)准备阶段
1、根据设计题目进行相关资料的查找与检索。了解本课题的前沿动态和发展方向。
2、进行设计前应先准备好有关的设计资料、手册、图册及工具等。
3、对设计任务书进行详细的研究和分析，明确设计要求和内容；分析原始数据和工作条件。
4、拟定总的设计步骤和进度计划。
5、毕业设计进度计划表1-1
表1-1 毕业设计进度
(二)设计与计算
CA6140普通车床的加工范围较广，可以用于加工轴类、套筒类和盘类的回转表面，如车削内外圆表面，它还常用于车削各种常用螺纹，且这次设计是根据加工螺纹的要求来进设计。主要工作是对主轴箱的机构及其传动比进行设计，主要包括其不同轴的计算与设计以及内部结构(如轴的设计、齿轮的设计、凸轮的设计、轴上零件的固定方式、润滑、密封等)。
1.4设计时应注意的事项
1、发挥独立工作能力
设计中发现的问题，应该首先自己考虑，提出自己的看法和意见，与指导教师一同研究，不应向指导教师要答案，对设计中的错误和解决途径，可由教师指出，但具体答案也应该由自己去找。对给出的回转式破碎机结构图，仅供设计时参考，对结构图必须作仔细的研究和比较，以明确优、劣，正、误，取长补短，改进设计，切忌盲目照抄。
2、贯彻三边的设计方法
设计时应贯彻边画、边算、边修改的设计方法。产品的设计总是经过多次的修改才能得到较高的设计质量，因此在设计时应该避免害怕返工或单纯追求图纸的表面美观，而不愿意修改已发现的不合理地方。
3．及时检查和整理计算结果
设计开始时，就应准备一本稿本，把设计过程中所考虑的主要问题及一切计算写在稿本上，这样便于随时检查、修改，并容易保存，不要采用零散稿纸，以免散失而需重新演算，造成时间浪费。要向指导教师提出的问题和解决问题的方法，以及从其它参考书籍中摘录的资料和数据，也应及时记在稿本上，使各力‘面的问题都做到有根有据，理由充分，这样在最后编写计算说明书时，可以节省很多时间。
第二章CA6140型卧式车床的简介
金属切削机床是用切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器，它是制造机器的机器，所以又称为“工作母机”或“工具机”，习惯上简称为机床。
在现代机械制造工业中，加工机器零件的方法有多种，如铸造、锻造、焊接、切削加工和各种特种加工等。切削加工是将金属毛坯加工成具有较高精度的形状、尺寸和较高表面质量零件的主要加工方法。因此，金属切削机床是加工机器零件的主要设备。它所担负的工作量，约占机器总制造工作量的40%～60%。机床的技术水平直接影响机械制造工业的产品质量和劳动生产率。
机床的“母机”属性决定了它在国民经济中的重要地位。机床工业为各种类型的机械制造厂提供先进的制造技术与优质高效的机床设备，促进机械制造工业的生产能力和工艺水平的提高。
机械制造工业是国民经济各部门赖以发展的基础。机床工业则是机械制造工业的基础。
金属切削机床是人类在改造自然的长期生产实践中，不断改进生产工具的基础上生产和发展起来的。
当加工对象由木材逐步过渡到金属时，车圆、钻孔等都要求增大动力。于是就逐渐出现了水力、风力和畜力等驱动的机床。随着生产发展的需要，15～16世纪出现了铣床和磨床。到18世纪，出现了刨床。
18世纪末。蒸汽机的出现，提供了新型巨大的能源，使生产技术发生了革命性的变化。在加工过程中逐渐产生了专业分工，出现了各种类型的机床。
19世纪末，机床已扩大到许多类型。
20世纪以来，齿轮变速箱的出现，使机床的结构和性能发生了根本性的变化。随着电气、液压等科学技术的出现并在机床上得到普遍应用，使机床技术有了迅速的发展。
近些年来，随着电子技术、计算机技术、信息技术以及激光技术等的发展并应用于机床领域，使机床的发展进入了一个新时代。人不仅不需要提供动力，连操纵都交给机器了。人只需规定电脑的工作程序，由电脑去操作机床。
2.1车床的用途
车床主要用于加工各种回转面（内、外圆柱面、圆锥面、成形回转面等）及回转体的端面。车削各种螺纹--米制、英制、模数和径节。使用的刀具常为各种车刀，也可用钻头、扩孔钻、铰刀进行孔的加工，用丝锥、板牙进行内外螺纹加工。通常，车床主运动由主轴带动工件旋转完成，进给运动由刀架的纵横向移动完成。机械产品中由回转表面构成的零件很多，车床的工艺范围又较广，因此，车床的使用十分广泛。
2.2车床的分类
车床的种类很多，按结构和用途，主要可分为以下几类：○1卧式车床和落地车床○2立式车床○3转塔车床○4单轴和多轴自动和半自动车床○5仿形车床和多刀车床○6数控车床和车削中心○7各种专门化车床如凸轮轴车床、曲轴车床、车轮车床及铲齿车床等。此外，在大批大量生产的工厂中还有各种各样的专用机床。在所有的车床类机床中，以卧式车床应用最广。
2.3工艺范围
卧式车床的工艺范围很广，它能加工各种回转表面，如图2-1所示。图中，进给运动方向与主轴轴线平行时，可加工内外圆柱面，也可进行孔加工和螺纹加工；进给运动方向与主轴轴线垂直时，可加工端面、槽、压花；进给运动方向与主轴轴线倾斜时，可加工内外锥面；进给运动方向连续变化时，可加工曲线和曲面。
图2-1 卧式车床的工艺范围
2.4车床的布局
卧式车床的加工对象，主要是轴类零件和直径不太大的盘类零件，故采用卧式布局。为了适应右手操作的习惯，主轴箱布置在左端。下图是卧式车床的外形图，其主要组成部件及功能如下。
图2-2 CA6140型卧式车床外形
1—主轴箱；2—刀架；2—尾座；4—床身；5—右床腿；6—光杠；
7—丝杠；8—溜板箱；9—左床腿；10—进给箱；11—挂轮变速机构
1．主轴箱
主轴箱1固定在床身4左上部，其功能是支承主轴部件，并使主轴部件及工件以所需速度旋转。
2. 刀架部件
刀架部件2装在床身4的导轨上，刀架部件可通过机动或手动使夹持在刀架上的刀具作纵向、横向或斜向进给运动。
3．进给箱
进给箱10固定在床身左端前壁。进给箱中装有变速装置，用以改变机动进给量或被加工螺纹的螺距。
4. 溜板箱
溜板箱8安装在刀架部件底部。溜板箱通过光杠或丝杠接受自进给箱传来的运动，并将运动传给刀架部件，从而使刀架实现纵、横向进给或车螺纹运动。
5. 尾座
尾座3安装于床身尾座导轨上，可根据工件长度调整其纵向位置。尾座上可安装后顶尖以支承工件，也可安装孔加工刀具进行孔加工。
6. 床身
床身4固定在左床腿9和右床腿5上，用以支承其他部件。
CA6140型卧式车床的部分主要技术参数如下：
床身上最大工件回转直径（主参数） 400mm
刀架上最大工件回转直径 210mm
最大棒料直径 47mm
最大工件长度（第二主参数）/mm 750,1000,1500,2000 最大加工长度/mm 650，900，1400，1900
主轴转速范围/（r/min）正转 10——1400（24级）
反转 14——1580（12级）
进给量范围/（mm/r）纵向 0.028——6.33（共64级）
横向 0.014——3.16（共64级）
第三章CA6140型车床传动系统
3.1车床传动路线及传动分析
CA6140型卧式车床主要有主传动链和进给传动链两部分，电动机经主换向机构，主变速机构拖动主轴。主换向机构主要用于切削螺纹时换刀。进给链从主轴开始，经进给换向机构、挂轮和进给箱内的进给变换机构、转换机构——光杠（普通车床）、溜板箱内的转换机构传至刀架；或经丝杠（车螺纹）和溜板箱内的螺母传至刀架。
进给换向机构主要用来决定车削右旋或左旋螺纹。挂轮和进给变换机构用以变换被切螺纹的导程或进给量。溜板箱中的转换机构改变进给的方向：纵向或横向，正向或反向。如果用快速电动机经溜板箱的转换机构驱动刀架，则可实现刀架的快速移动。
CA6140型卧式车床传动框图如下图3-1:
快速电动机
图3-1 CA6140车床传动框图
其传动系统图如图3-2所示：
图3-2 CA6140车床传动系统图
3.2 主轴箱的传动链
CA6140型卧式车床主轴箱(Headstock)又称车头箱，内部装有主轴和变速及传动机构。工件通过卡盘等夹具装夹在主轴前端。主轴箱的功用是支承主轴并把动力经变速传动机构传给主轴，主轴动工件按规定的转速旋转，以实现主运动。
1、传动路线
主运动传动链的两末端件是主电动机和主轴。运动由电动机（7.5KW ，
1450r/min ）经V 轮传动副Ф130mm/Ф230mm 传至主轴箱中的轴I 。在轴I 上装有双向多片摩擦离合器M1,左部的摩擦片时、反转或停止。它就是传动框图（图3-3）中的主换向机构。当压紧离合器M1左部的摩擦片时，轴I 的运动经齿轮副3856或4351
传给轴II 获得两种转速。压紧右部摩擦片时，经齿轮50（足标表示齿数）、
轴VII 上的空套齿轮34传给轴II 上的固定齿轮30。这时轴I 至轴II 间多一个中间齿轮34，故轴II 的转向与经M 1左部传动时相反，反转转速只有一种，当离合器处于中间位置时，左、右摩擦片都没有被压紧。轴I 的运动不能传至轴II ，主轴停转。
轴II 的运动可通过轴II 、III 间三对齿轮的任一对传至轴III ，故轴III 正轴共2X3=6种转速。
运动由轴III 传往主轴有两条路线：
（1）高速传动路线 主轴上的滑移齿轮50移至左端，端使之与轴III 上右端的齿轮63啮合。运动由轴III 经齿轮副
5063直接传给主轴，得到450-1400r/min 的6种高转速。
（2）低速传动路线 主轴上的滑移齿轮50移至右端，使主轴上的齿轮式离合器M2啮合。轴III 的运动经齿轮副
8020或5050传给轴IV ，又经齿轮副8020或5051传给轴V 、再经齿轮副5826
各齿式离合器M 2传至主轴，使主轴获得10-500r/min
的低转速。上述这些滑移变速齿轮副就是传动框图中的主变速机构。
传动系统可用传动路线表达式表示如下：
主电动机—mm mm
230130φφ—-????????
???????????????????????????--??
?
?
??
?????????????????---???????-???????-58225030413930343450)()(43513856)()(11II VII M M 反转右正转左Ⅲ-???????????
??
-??????
?????????????????????--???????--???????--)()(5826505180205050802050
632主轴右移VI M V IV
2．主轴转速级数各转速
由传动系统图各传动路线表达式可以看出，主轴正转时，可得2X3=6种高转速和2232???=24种低转速。轴III-IV-V 之间的4条传动路线的传动比为： I1=
16180208020=? I2=
4150518020≈? I3=
4180205050=? I4=15051
5050
≈?
式中，i2和i3基本相同，所以实际上只有3种不同的传动比。因此，运动经由低速这条传动路线时，主轴总共可获得2)122(3-???=18级转速。加上由高速路线传动获得的6级转速。
同理，主轴反转时，有[]121)22(13=-?+?级转速。
主轴反转时，可根据各滑移齿轮的啮合状态求得。如图3-4中所示的啮合置时，
主轴的转速为：
min /10min /5826
8020
8020
5822
4351
230130
1450r r n ≈??????=主
同理，可以计算出主轴正转时的24级转速为10-1400r/min ；反转时的12级转速为14-1580r/min 。主轴反转通常不是用于切削，而是用于车削螺纹时，切削完一刀后使车刀沿螺旋线退回，所以转速较高以节约辅助时间。
3.3 主轴箱的主要构造
机床主轴箱是一个比较复杂的传动部件。表达主轴箱中各传动件的结构和装配关系，常用展开图。展开图是基本按各传动轴传递运动的先后顺序，沿其轴心线剖开，并展开在一个平面上的装配图，见图3-5。该图是沿轴Ⅳ-Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ（Ⅴ）Ⅵ-Ⅺ-Ⅸ-Ⅹ的轴线部切，展开后绘制出来的。
展开图把立体展开在一个平面上，因而其中有些轴之间的距离拉开了。如轴IV 画得离开轴III 与轴V 较远，因而使原来相互啮合的齿轮副分开了。读展开图时，首先应弄清传动关系。展开图不表示各轴的实际位置。表示主轴和各传动实际空间位置的，是主轴箱和侧视图各横剖面图，如图3-3所示。
图3-3 主轴箱的向视图和剖切图
1．卸荷带轮（Unload belt pulley）
电动机经V带将运动传到轴I左端的带轮2（见图3-1的左上部分）。带轮2与花键套1用螺钉连接成一体，支承在法兰3内的两个深沟轴承上。法兰3固定在主轴箱体4上。这样，带轮2可通过花键套1带动轴I旋转，胶带的拉力则经轴承和法兰3传到箱体4。轴I的花键部分只传递转矩，从而可避免因胶带拉力而使轴I产生弯曲变形。这种带轮是卸荷的—把径向载荷卸给箱体。
2．双向多片摩擦离合器、制动器及其操纵机构
双向多片摩擦离合器（Double direction multi-disc friction clutch）装在轴I上。原理见图3-2。
摩擦离合器由内摩擦片3、外摩擦片2、止推片10及11、压块8及空套齿轮1等组成离合器左、右两部分结构是相同的。左离合器用来传动主轴正转，用于切削加工。需要传递的转矩大，所以片数较多。右离合器传动主轴反转，主要用于退回，片数较少。
图3-4 CA6140车床主轴箱的换向机构
图3-4表示的是左离合器。内摩擦片3的孔是花键孔，装在轴I的花键上，随轴旋转。外摩擦片2的孔是圆孔，直径略大于花键外径。外圆上有4个上凸起，嵌在空套齿轮1（图3-4的件6）的缺口中。内、外摩擦片相间安装。当杆7（图3-4件16）通过销5（图3-4件7）向左推动压块8（图3-4件8）时，将内片与外片互相压紧。轴I的转矩便通过摩擦片间的摩擦力矩传给齿轮1（图3-5件6），使主轴正转，同理，当压块8向右时，使主轴反转。压块8处于中间位置时，左、右离合器都脱离，轴II以后的各轴停转。
离合器的位置，由手柄18操纵（图3-5）。向上扳，杆20向外，使曲柄21和齿扇17（图3-5件18）作顺时针转动。齿条22（图3-5件15）向右移动。齿条左端有拨叉23（图3-5件17），它卡在滑套12（图3-5件11）的环槽内，使滑套12也向右移动。滑套12内孔的两端为锥孔，中间为圆柱孔。当滑套12向右移动时，就将元宝销（杠杆）6（图3-5件12）的右端向下压。元宝销6的回转中心轴安装在轴I上。元宝销6作顺时针方向转动时，下端的凸缘便于工作推动装在轴I内孔中的拉杆7向左移动（图3-4右端）并通过销5带动压块8向左压紧，主轴正转。同理，将手柄18扳至下端位置时，右离合器压紧，主轴反转。当手柄18处于中间位置时，离合器脱开，主轴停止转动。为了操纵方便，在操纵杆19上装有两个操纵手柄18，分别位于进给箱右侧及溜板箱右侧。
图3-5 离合器与制动器的联合装置
摩擦离合器还能起过载保护的作用。当机床过载时，摩擦片打滑，就可避免损坏机床。摩擦片间的压紧力是根据离合器应传递的额定转矩确定的。摩擦片磨损后，压紧力减小，可用一字头旋具将弹簧4按下，同时拧动压块8上的螺母9，直到螺母压紧离合器的摩擦片。调整好位置后，使弹簧销4重新卡入螺母9的缺口中，防止螺母松动。
制动器（Brake）按在轴IV上，在离合器脱开时制动主轴，以缩短辅助时间。制动器的结构见图3-5和3-6.制动盘16（图3-1件13）是一个钢制圆盘，与轴IV花键联接。周边围着制动带15。制动带是一条钢带，内侧有一层酚醛石棉以增加摩擦。制动带的是一端与杠杆14（图3-1件14）连接，另一端通过调节螺钉13等与箱体相连。为了操纵方便并避免出错，制动器和摩擦离合器共用一套操纵机构，也由手柄18操纵。当离合器脱开时，齿条22处于中间位置。这时齿条轴22上的凸起正处于与杠杆14下端相接触的位置，使杠杆14向逆时针方向摆动，将制动带拉紧。齿条轴22凸起的左、右边都是凹槽。左、右离合器中任一个接合时，杠杆14都按顺时针方向摆动，使制动带放松。制动带的拉紧程
度由调节螺钉13调整。调整后应检查在压紧离合器时制动带是否松开。
图3-6 制动器
3.主轴和卡盘的联接
CA6140型卧式车床主轴的前端为短锥和法兰，用于安装卡盘或拨盘，如图3-8所示。拨盘或卡盘座4由主主轴3的短圆锥面定位。安装时，使装在拨盘或卡盘座4上的四个双头螺栓5及其螺母6通过主轴法兰及环形锁紧盘2的圆柱孔。然后，将锁紧盘2转过一个角度，使螺栓5处于锁紧盘2的沟槽内，如图所示。拧紧螺钉1和螺母6。这种结构装卸方便，工作可靠，定心精度高，主轴前端的悬伸长度较短，有利于提高主轴组件的刚度，所以得到广泛的应用。主轴法兰上的圆形端键（图3-1中的件19）用于传递转矩。主轴尾部的圆柱面是安装各种辅具（气动，液压或电气装置）的安装基面。
4变速操纵结构
轴II上的双联滑移齿轮和轴III上的三联滑移齿轮用一个手柄操纵。图3-7是其操纵机构，变速手柄每转一转，变换全部6种转速，故手柄共均布的6个位置。