普通车床导轨、床鞍、刀架和部分区域的改造

毕业论文 题 目： 普通车床导轨、床鞍、刀架和部分区域的改造 副 标 题： 学 生 姓 名： 所在系、专业： 机电工程系、模具设计与制造 班 级： 指 导 教 师： 日 期： 摘要 I 摘 要 普通车床改造属于经济型车床的改造，主要针对车床的导轨，床鞍，刀架进行改造。在提高企业生产力，产品精度和质量的前提下设计方案力求简单，经济，不宜盲目追求自动化和高指标，力求操作简单，易上手，使用与维修方便。综合考虑 性价比。 关键词 ： 普通车床改造，导轨，床鞍，刀架，产品精度和质量 目 录 I 目 录 摘 要 . I 目 录 . I 1、对车床导轨和床鞍配合滑动面的改造 . 1 2、刀架设计和选择 . 1 2.1 刀架的设计方法 . 2 2.1.1 确定刀架传动方案 . 2 2.1.2 三相异步电动机选择 . 2 2.1.3 减速机转位机构的设计 . 2 2.1.4 螺旋机构的设计计算 . 3 2.1.5 刀架改造后的装配技术条件 . 3 2.2 电动刀架的选择 . 3 2.2.1 机床刀架选择的基本要求 . 3 2.2.2 车床自动转位刀架结构及工作原理 . 4 2.2.3 刀架的安装 . 5 3、主轴编码器的选用与安装 . 5 3.1 编码器选用 . 5 3.2 编码器的安装 . 6 4、丝杠及导轨的自动润滑 . 6 5、总结 . 7 6、参考文献 . 9 致谢 . 10 普通车床导轨、床鞍、刀架和部分区域的改造 1 1、对车床导轨和床鞍配合滑动面的改造 随着当今社会的进步发展，普通车床已经满足不了各大机械行业的产品精度要求，对于大型企业而言，购置那些高自动化高精度的新型机床提高产 品生产力，精度，质量本是一件无可厚非的事情。但对于一些小型企业来说，那些新型机床的价格几十万，几百万，有的乃至上千万，是根本承受不了的。然后，现在的中国行情是大部分企业还是在使用普通车床，为了提高企业的生产力，产品精度，质量，还要减少资金，那对普通车床的部分区域改造是当前局势的最好选择。 首先是导轨，导轨除了应该具有卧式车床导轨的精度和工艺性外，还要有良好的耐磨性，并减少因摩擦力而致死区，同时还要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响。 原车床导轨材料为 HT200，其静摩擦因数大，动、静摩擦因数相差较 大，低速时易出现爬行，力矩损失大，影响运动的平稳性和定位精度。考虑到改造后的车床对导轨精度和导轨摩擦因数的要求，对原床身的铸铁导轨和床鞍的相互配合面进行以下改造：第一，将床身放置导轨磨床上精磨导轨，使其达到平面直线度 0.01/1000mm，平行度0.02/1000mm，表面粗糙度 1.6 m的精度，并进行表面硬化处理；第二，将床鞍放置导轨磨床上粗加工配合面，修正原有磨损，使其表面粗糙度达到 6.3 m 即可；第三，对床鞍的配合面采用粘贴聚四氟乙烯软带进行工艺改造，达到减少摩擦力，特别是使动静摩擦因数接近，达到床鞍 移动时低速无爬行，抗啮合性和耐磨性好的要求。 在该项工作中，主要是对贴塑材料的选用和贴接工艺的控制。考虑到性能价格比，选用聚四氟乙烯软带作为粘贴材料。具体工艺为：选用厚度为 2.0mm，宽度为 100 的软带；用纳基溶液处理聚四氟乙烯软带表面，用丙酮清洗床鞍的配合面；将粘贴表面清洗干净，没有锈斑、油渍；选用含氟胶和胶液两组全 2SW-2胶作为粘贴剂，胶层控制在0.10 0.15mm左右；加压粘接固化，压强为 0.05 0.10Mpa,常温下 24h；固化后切去软带工艺余量并倒角；对软带进行开油槽和刮研。刮研要求达到与 导轨面接触面积为：全长不少于 75%两端不能无接触，全宽不少于 50%。软带与导轨配合应严密，用 0.04mm塞尺检查，插入深度不得大于 20mm。 经过刮研后，导轨与床鞍配合精度达到要求，并根据 GB/T4020 1997 卧式车床精度检验标准中 G2项检验，达到了在水平面内溜板移动的直线度 0.02mm 的标准。 按上述方法改造床鞍和大拖板配合滑动面导轨。精磨床鞍导轨，大拖板滑动面、调整塞铁滑动面粘贴聚四氟乙烯软带，并进行刮研，使床鞍与大拖板配合精度达到要求。 2、刀架设计和选择 此改造后的车床的方刀架可以根据机床的实 际尺寸选择，也可以选用厂家生产的成品刀架，下面分别介绍自行设计和选择成品刀架的方法。 鉴于本机床的具体情况，对设计刀架的技术要求有如下三方面： （ 1）夹紧力在 4000N 以上。 （ 2）需要进行四个方位的转换选择。 普通车床导轨、床鞍、刀架和部分区域的改造 2 （ 3）重复定位精度不大于 0.005mm。 2.1 刀架的设计方法 2.1.1 确定刀架传动方案 经过比较，仍采用四方刀架，安装在原机床小刀架的位置上较为合适。刀架的动作顺序为，电动机（三相异步微型电动机）减速机构（涡轮蜗杆）上升机构（螺旋机构）刀架旋转电器信号确定（霍尔元件）电动机反转粗定位 （反靠盘）刀架下降精定位刀架锁紧换刀结束信号执行加工程序。 2.1.2 三相异步电动机选择 根据机床上的空间位置和初步设计计算的夹紧力情况，选择电动机 A06134 型微型异步电动机。根据参考文献，查其相关参数为： Q 额定功率 WPN 180 ；额定转速min/1400 rn ；额定电压为 380V,频率为 50 ZH ；额定电流为 0.625A,效率 为 0.64；功率因数 66.0cos ；起动电流为 6A。 一般根据经验可知： .22额定转矩起动转矩 4.2额定转矩最大转矩 .41额定转矩最小转矩 额定转矩可计算为： mNnPT NN 228.1602 故取起动转矩 mNTq 7.2 ，最大转矩 mNT 95.2m ax ，最小转矩minT 1.72 mN 。 2.1.3 减速机转位机构的设计 刀架传动的减速转位机构采用涡轮蜗杆传动，取蜗杆头数为 21 Z ,传动比 20i ；蜗杆材料采用 40Cr,表面淬火，硬度为 45 55HRC；涡轮材料用铸锡青铜 ZQSn10 1，沙模铸。取模数 m=2.5，蜗杆直径系数 q=12，确定传动 尺寸及蜗杆涡轮各中心距： mmizqma 652 )( 1 蜗杆：分度圆直径 mmmqd 301 齿顶圆 直径 mmd a 351 齿根圆直径 mmd f 241 普通车床导轨、床鞍、刀架和部分区域的改造 3 螺旋角 46.9 螺旋螺纹部分长度： mmL 40 涡轮：分度圆直径 mmd 1002 喉圆直径 mmd a 1051 齿根圆直径 mmd f 942 齿宽角 46.92 尺宽 mmdb a 2675.0 1 蜗杆涡轮的精度、表面粗糙度选择：根据参考文献 ,查得表 )/(3665.02 smv ， 分度机构选用级为 6 DCJB162 60,.蜗杆涡轮的表面粗糙度 6.1aR m。 通过对蜗杆涡轮齿面接触疲劳强度进行的计算、对蜗轮齿根弯曲疲劳强度的校核以及蜗杆轴承的校验，满足设计要求。 2.1.4 螺旋机构的设计计算 参照螺旋转位刀架 CB3432 1和 CE7112，进行类比，确定螺旋机构。试选 T44 16 2 8螺杆，直接在方刀架体上加工 T44 16 2 8螺母，选取螺杆材料为淬火钢，刀架材料为碳素钢。 通过对螺旋机构夹紧力 Q的计算， QMAX为 7889.8N,Qmin为 4600N,满足设计要求。 2.1.5 刀架改造后的装配技术条件 （ 1）装配时所有零件必须清洗上油，传动部件应上润滑油。 （ 2）按零部件的装配顺序进行装配。 （ 3）配合时应进行试车，保证四方对正。 2.2 电动刀架的选择 在普通车床化改造中，将原机床的普通手动转位刀架替换成自动转位刀架。自动转位刀架由系统控制，效率高，工艺性能可靠。根据所加工零件的工艺要求及机床控制方式，在这次改造中，采用四方自动转位刀架。 2.2.1 机床刀架选择的基本要求 车床的刀架是机床的重要组成部分。刀架用于夹持切削用的刀具，在一定程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平，所以有如下要求： （ 1）转位准确可靠，工作平稳安全。 （ 2）按最短线路就近选择，转位时间短。 （ 3）应当满 足换刀时间短、刀具重复定位精度高、刀具储存量足够、结构紧凑及安全可靠等要求。 （ 4）防尘、防屑，密封性能优良。 （ 5）夹紧刚性高，适宜重负荷切削，回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受机床在切削加工时的切削抗力。 普通车床导轨、床鞍、刀架和部分区域的改造 4 2.2.2 车床自动转位刀架结构及工作原理 微电机经弹簧安全离合器至蜗杆副带动螺母旋转，螺母抬起刀架使定位用端齿盘的上盘与下盘分离，随即带动刀架旋转到位。然后发现号使电动机反转锁紧，完成刀架换位后，再进行切削加工。一般情况下，回转刀架的换刀动作包括刀架抬起、刀架转位、刀架定位及压紧等。 具 体过程是：当微机发出换刀信号后，刀架控制器中间继电器动作，电动机正转驱动涡轮蜗杆减速机构，螺杆升降机构使刀架上升，当刀架上升到一定的高度时，离合转盘起作用，带动上刀体旋转。刀架上端的发信盘中对应每个刀位都安装一个霍尔元件，当上刀体旋转到某一刀位时，该刀架上霍尔元件输出高电平。在上刀体旋转过程中，发信盘不断地向数控系统反馈刀位信号。数控系统将反馈刀位信号与指令刀位信号相比较，当两信号相同时，说明上刀体已旋转到所选刀位。螺杆带动上刀体下降，直至齿牙盘啮合，完成定位，并通过涡轮蜗杆锁紧螺母，使刀架紧固。向数控系统 发出转位完成信号，切断电源，完成选到过程。本设计采用的是常州宏达机床机床设备厂 LD4 CK6163立式转位刀架，其工作原理如图 1、 2，参数见表 1。 图 1 自动转位刀架工作原理图 1-电动机 2 固定安装丝杆 3-安全离合器 4-上刀位 表 1 型号尺寸表 单位： mm 型号 H h A B C C1 D E E1 L L1 L2 h1 h2 h3 F Z K LD4-6163 120 25 200 200 150 150 177 25 35 500 200 310 310 40 120 40 13 80 51 表 2 技术参数表 型号 换刀时间（ s） 最大许用力矩 （ Nm） 重复定位 精度（ mm） 电机功 率（ w） 电机转 速（ rpm） 净重（ Kg） 90 180 270 Mq Mx Ms LD4-6163 2.8 3.5 4.2 1000 2500 800 0.005 180 1400 55 普通车床导轨、床鞍、刀架和部分区域的改造 5 图 2 自动转位刀架工作原理图 2.2.3 刀架的安装 每一台改造后的车床都必须具备快速准确换刀的功能。该刀架安装时，需先拆除原机床上的小滑板和刀架，然后把电动刀架置于中滑板上。此时，刀架高度应使车刀前面基本通过车床主轴轴心线，否则要在刀架下面加垫板，调整其高度。然后，卸掉刀架电动机风扇罩壳，逆时针方向转 动电动机，使上刀体相当于转动 45左右。打装螺孔，再用内六角螺栓将刀架与中滑板固定。固定时应注意，将刀架的两侧面分别与车床纵向和横向的进给方向平行，用垫板来调整其中心高。使用前应试运行，运转时要达到轻松灵活、无噪声的要求。 3、主轴编码器的选用与安装 传统车床加螺纹时，是通过交换齿轮组来完成，加工不同的螺纹需不同的交换齿轮组，操作麻烦。改造后的车床已拆掉原交换齿轮系统和传动系统，车床主运动和进给运动相互独立，为了保留车床加工螺纹的功能，必须配置一个主轴同步编码器作为车床主轴位置信号的反馈元件，这样就能使主轴 转角位置变化信号输送到系统，系统按加工螺矩进行计算处理，从而控制机床伺服电动机实现准确加工螺纹的目的。 3.1 编码器选用 脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，它把机械转角变成电脉冲，它分为光电式、接触式、电磁式三种。光电式脉冲发生器根据编码方式不同分为绝对式和增量式，而增量式光电编码器结构简单，价格低，精度易于保证，体积小，质量轻，力矩小，可靠性高，寿命长等特点被广泛使用。 根据所选的车床系统 KND-1000T的技术参数，结合脉冲编码器每转进给脉冲数对螺纹加工范围，加工精度和车螺纹时伺服电动机运行频率及主轴转 速的影响，脉冲编码器每转进给脉冲数应尽可能取较大值，再结合环境特性，最后根据机床主轴转速不允许超过脉冲发生器的最高许用转速的原则，选择 长春禹衡光学有限公司 生产的常规型实心轴增量式光电编码器 ZXF-102.4BM-C05E编码器；其分辨率为 FB=1024p/r,该编码器经济适用，环境适应性好，寿命长，其最高许用转速为 6000r/min，远大于车床主轴最高转速800r/min。 ZXF-102.4BM-C05E编码器具体参数见表 3。 普通车床导轨、床鞍、刀架和部分区域的改造 6 表 3 ZXF-102.4BM-C05E 性能参数 型 号 实心轴 最高转速 （ r/min） 径向负载 （ N） 轴向负载 （ N） 启动力矩 （ N.m） 转动惯量 （） 重量 （ kg） ZXF-102.4BM -C05E 15mm 6000 50 50 5 6.5 约 0.35 3.2 编码器的安装 该车 床所加工零件中途无需自动改变主轴转速，从降低改造成本考虑，主轴箱仅改动 I轴，即去除原正、反转手动控制离合器机构，改用定轴定齿传动，保留其它各传动轴变速齿轮及各级手动变速机构。其中轴原为进给传动输出轴，该轴转速严格与主轴转速同步，为编码器安装的首选传动轴。 为了降低改造难度，决定采用异轴安装的方式来安装编码器，编码器的引入轴通过传动比为 1： 1的齿轮组与主轴箱轴输出端联系起来，使其间接与主轴同速运转。脉冲编码器用螺丝固定在主轴箱体上，（见图 3）。 图 3 编码器安装位置图 工作时，编码器与主轴同步旋转，系统 装置控制进给伺服电动机准确地配合主轴的旋转而产生进给运动，保证主轴每转一转，螺纹车刀移动一个螺纹导程，同时还保证每次进给都在工作的同一点切入，而不乱牙。 编码器安装应注意，摆放时应小心轻放，不能有较大的冲击和振动，以防光学元器件损坏而报废。 4、丝杠及导轨的自动润滑 本机床采用自动润滑系统对纵向、横向导轨面及纵向、横向滚珠丝杆副定点、定量、定时供应润滑油。润滑系统由电动润滑泵、定量注油器、润滑接头组成，自动润滑系统工作电压 （ V） 分辨率 （ P/r） 工作温度 （） 储存温度 （） 耐冲击 （ m/s） 耐振动 （ m/s） 防护等级 5 0.25 1024 -30+70 -40+80 980（ X、 Y、 Z各三次） 98（ 10200Hz, X、 Y、 Z各 2小时） IP65 普通车床导轨、床鞍、刀架和部分区域的改造 7 见图 4。 电动泵油箱的润滑油可采用 30号机械油。（ 机械油牌号是按其在 50 的运动粘度值来定的。 30号机械油 50 的运动粘度为 2733mm2/s。凝点 -10 ，闪点 180 。机械油是从 10到 70七个牌号。号越大粘度也越大。 ） 一般习惯上把矿物润滑油统称为机油。除了机械油外，还有一些专用润滑油，如高速机械油、主轴油、汽轮机油，这些都是按 50 的粘度来定牌号；内燃机油、压缩机油、齿轮油、过热汽缸油、轧钢机油是按 100 的运动粘度值来定其牌号的。 电动润滑开、停时间，由系统的诊断参数中的 160、 161及 162、 163 号设定。用户可根据实际情况自行设定开停时间。 自动润滑装置选用杭州谱威公司 VERSA型 电动润滑泵和 SJM型定量注油器组成。SJM是卸压指示定量注油器，系统加压时储油指示杆伸出，系统卸荷后注油，指示杆收回。此种定量器有 1-5 个出油口可选，每个出油口的注油量可在规格范围内任意选择，不用的出油口可用专用堵头堵起。 图 4 自动润滑系统图 5、总结 机床的改造的优缺点总结以下几点： （ 1） 减少投资额，制造周期短。 三通分油块 电动润滑泵 （ 2 升） SJM 型定量注油器 （至尾座润滑点） 1-SJM 型定量注油器 （至大拖板润滑点） SU 型滤油器 1-SJM 型定量注油器 （至中拖板润滑点） 普通车床导轨、床鞍、刀架和部分区域的改造 8 （ 2）机械性能稳定性可靠所利用的床身箱体、等基础件都是重而坚固的铸造构件性能高，质量好，可以作为新设备继续使用多年。 （ 3）熟悉了解设备便 于维修，改造的机床操作者对机床的性能早已了解经过短期培训就可上机操作。 （ 4）可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。 （ 5）提高设备质量和档次将旧机床改成当今水平的机床。 （ 6）缺点是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。 车床改造后，大大提