C630机床改装成半自动卷簧机

济南大学毕业设计PAGE36-1前言弹簧及弹性元件被广泛应用于机械、仪表、电器、交通运输工具和日常生活器具等行业，是一个涉及面比较广的基础零件。近年来，随着科学技术的发展，国内外在弹簧的研究及生产技术方面都有不同程度的提高，而且新型弹簧也不断出现。虽然弹簧的类型繁多，但弹簧的卷制仍可分为有心卷制和无心卷制。本次毕业设计是将普通车床改装成半自动卷簧机，改装后属于有心卷簧设备，主要生产机车用弹簧。同时需要满足以下几点技术要求：（a）改装后的卷簧机可卷制的最大弹簧料径为40mm，可调节距范围是10～60mm（b）改装后的卷簧机应运行平稳，工作可靠，结构简单；（c）改装后的卷簧机应满足加工要求，保证加工精度；（d）改装后的卷簧机应便于维修和调整。2弹簧2.1弹簧类型弹簧的类型有很多，其分类方法也有很多。按其结构类型来分，弹簧可分为圆柱螺旋弹簧、非圆柱螺旋弹簧和其他类型的弹簧。特别是圆柱螺旋弹簧应用最为广泛，按其承受载荷的不同又可分为螺旋压缩弹簧、螺旋拉伸弹簧和螺旋扭转弹簧等。而非圆柱螺旋弹簧包括截锥涡卷弹簧、组合螺旋弹簧、截锥螺旋弹簧、中凹和中凸螺旋弹簧以及非圆形螺旋弹簧。除上述弹簧外，常用的还有板弹簧、碟形弹簧、片弹簧、膜片弹簧、扭杆弹簧和橡胶弹簧等。它们都具有特殊的性能和用途。弹簧按材料不同可分为金属弹簧和非金属弹簧。按受载后弹簧材料所受应力类型分为受弯曲应力作用的弹簧，如板弹簧、螺旋扭转弹簧、碟形弹簧等；受压缩和拉伸应力作用的弹簧。如环形弹簧；受扭切应力作用的弹簧，如扭杆弹簧、螺旋压缩和拉伸弹簧等；受组合应力作用的弹簧，如受横向载荷或受弯曲载荷作用的螺旋弹簧等。2.2弹簧材料弹簧在受载荷作用时，弹簧材料的综合力学性能和材料表面的质量，直接影响到弹簧的质量，因此保证弹簧材料的物理性能和力学性能，是保证弹簧正常工作的关键。目前所用弹簧材料主要是弹簧钢，其次是镍合金、铜合金、高弹性合金以及橡胶之类的非金属材料。有时为了满足特殊弹簧的要求，也常选用一些高速工具钢、高强度钢、不锈耐酸钢和热强钢中的某些牌号做弹簧钢。关于弹簧钢材的生产，根据弹簧生产的特点可分为热成型和冷成型两大类。热成型的弹簧钢材有：梯形弹簧钢；热轧弹簧圆钢、方钢和扁钢；冷拉合金弹簧圆钢等。冷成型弹簧钢材料有碳素弹簧钢丝、琴钢丝、弹簧钢带和弹簧钢板。镍合金主要是蒙乃尔合金（NCa28-2.5-1.5），铜合金主要是硅青铜、白铜、锡青铜和铍青铜，其次是黄铜。非金属材料主要是增强塑料和橡胶。增强塑料有两种，一种是热塑性增强塑料，一种是热固性增强塑料。目前最适合做弹簧的热固性树脂是酚醛树脂、环氧树脂和乙烯基树脂。而橡胶又分为通用橡胶和特种橡胶，通用橡胶有天然橡胶、丁苯橡胶、异戊二烯橡胶和丁二烯橡胶；特种橡胶有异丁橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶和乙烯丙烯共聚橡胶[1]。至于生产弹簧时弹簧材料的选择，应根据弹簧承受载荷的性质、应力大小、应力状态、环境介质、使用寿命、工作温度、工艺性能、材料来源、对导电导磁的要求和价格等因素来确定。2.3弹簧制造工艺弹簧种类较多，形状各异，精度要求不同，生产的批量不等，因而制造的方法也就有所不同。弹簧的制造方法根据成形工艺的不同可分为冷成形和热成形两种。当弹簧材料尺寸较小，在常温下成形的，称为冷成形；当弹簧材料尺寸较大，需要将材料加工之后成形的，称为热成形。2.3冷成形弹簧所用材料规格大致为直径0.08～16mm的盘状钢丝和圆钢条，或边长小于10mm的方钢或异形钢丝，或相近尺寸的带钢和扁钢。材料的供应状态通常为两大类：一类为硬状态，其本身已具有弹簧所需要的力学性能，成形后只需去应力退火；另一类为软状态，成形后还需按要求进行淬火和回火处理才能获得所需的性能。一般工艺过程为：螺旋拉伸弹簧：卷制、去应力退火、钩环制作、去应力退火、立定处理、检验、表面防腐处理、包装。螺旋压缩弹簧：卷制、去应力退火、两端面磨削、（抛丸）、（校整）、（去应力退火）、立定或强压处理、检验、表面防腐处理、包装。螺旋扭转弹簧：卷制、去应力退火、扭臂制作、切尾、去应力退火、立定处理、检验、表面防腐处理、包装。本次毕业设计改装后的卷簧机，主要是生产铁路机车和汽车所用重型弹簧，属于热成形的范畴，下面着重介绍热成形螺旋压缩弹簧的制造工艺。2.3.2热成形弹簧的制造工艺当弹簧所用钢材的圆形截面的直径大于14mm、矩形截面的边长大于10mm、或相近尺寸的扁钢时，一般都采用热成形弹簧制造工艺。其工艺过程为：下料、端部加热制扁、加热、卷制成形、热处理、抛丸、立定处理、磨削端面、检验、表面防腐处理。以上工艺过程可根据情况适当调整。下料在下料之前，必须按有关标准对材料的力学性能、化学成分、表面质量、截面尺寸、硬度等进行检验，然后再分类送入车间进行断料。断料的长度应根据加工的方法确定，一般热成形弹簧为了减少磨削量都预先将材料两端加工制扁。在碾压机上制扁时需断料长度的近似计算为（2.1）式中D——弹簧中径；α——弹簧工作圈的螺旋角；——弹簧总圈数。2）加热制扁加热一般采用电阻炉加热，加热温度大约1100℃。制扁时，终了温度不能低于850℃。根据热卷压力螺旋弹簧两端支持面得需要，弹簧料坯两端要求制成由圆形截面逐渐过渡到矩形截面的形状[2]图2.1端部制扁尺寸l——制扁长度d——材料直径a——制扁宽度d——端部厚度每端制扁长度l、宽度a和厚度b值约为（2.2）式中D——弹簧中径；d——弹簧材料直径。3）卷制成形弹簧的卷制设备一般分为有心轴卷制弹簧机和无心轴卷制弹簧机。对于有心轴卷簧机，卷制前首先要确定心轴直径的大小，然后确定弹簧的预制高度。心轴直径与弹簧内径尺寸和弹簧的旋绕比等因素有关。当旋绕比C在4与6之间时，心轴的尺寸基本上与弹簧的内径相同；当旋绕比小于4时，心轴的尺寸比弹簧内径的尺寸略大一些；当弹簧的旋绕比比较大时，心轴的尺寸应比弹簧的内径小0.5～1.0mm，甚至更小一些。另外，心轴的尺寸还与料径和卷制温度有关，对于一些载荷特性要求比较高的弹簧，只能通过试卷来调整心轴的尺寸，以满足弹簧特性和弹簧直径的偏差要求。弹簧的预制高度一方面应根据弹簧的旋绕比、材料类型和热处理后的硬度来确定，另一方面还要考虑到弹簧的热胀冷缩和端面磨削。总之弹簧的卷制高度必须大于图样规定的高度，这种卷制高度通常称为预制高度。弹簧的预制高度至今没有一个十分可靠的计算方法，一般采用下面的经验公式来确定，然后再加以修正。(2.3)式中——弹簧的预制高度；——弹簧的自由高度；m——系数，取决于弹簧的旋绕比C和扭转抗切强度，可按《弹簧手册》表3-9查取；——弹簧的磨削量。在卷制弹簧时，弹簧的节距应按预制高度确定，计算公式为(2.4)式中d——弹簧材料直径；n——弹簧有效圈数。图2.2有心轴卷簧1——机床卡盘2——咬嘴3——弹簧4——送料器5——心轴如图2.2为有心轴卷簧示意图，心轴装在主轴卡盘上随主轴旋转，并且主轴通过齿轮及丝杠带动弹簧材料的送进装置，使送进装置轴向左右移动，这样就可以将弹簧材料卷绕在心轴上，制成弹簧毛坯，然后再将弹簧送入下一个工艺。4）热处理热处理的目的就在于充分挖掘材料的潜力，使之达到或接近材料的最佳力学性能，从而保证弹簧在使用状态下长期稳定可靠地工作。一般需要进行退火、淬火和回火。5）抛丸抛丸处理就是以高速弹丸流喷射弹簧表面，使弹簧表层发生塑性变形，形成一定厚度的表面强化层，从而提高机械零件的疲劳寿命。6）立定强压处理为了使弹簧在使用过程中具有稳定的尺寸，热卷弹簧需要进行立定处理，强压处理是为了提高弹簧的承载能力。7）磨削端面为了保证螺旋压缩弹簧的垂直度，并使两端面与零件接触良好，减少挠曲，螺旋压缩弹簧两端面必须进行磨削加工。磨削加工一般有三种操作方法：手工磨削、半自动磨削和自动磨削。对于材料端部未进行锻扁加工而卷制的弹簧，卷绕之后应在车床或铣床上把端圈周长的3/4削平，然后再进行热处理。如果立定处理和强压处理的垂直度不合格，可根据具体情况磨平或矫正。8）检验检验是对弹簧的质量进行评定，以便对弹簧的质量进行管理。检验程序大致分为：表面氧化层的质量检验；表面涂层和镀层的检验；弹簧自由高度的检验；弹簧立定和永久变形的检验；弹簧几何尺寸和特性试验；弹簧疲劳性能和松弛性能检验；弹簧硬度、金相和低倍检验。其它采用热成形方法制造的弹簧，如板簧等，其工艺流程与上述热卷螺旋压缩弹簧的工艺流程基本相同。3卷簧机3.1卷簧机的工作原理由于本次毕业设计是将普通车床改装成半自动卷簧机，所以我们很容易想到普通车床的结构特点和工作过程，因此也就不难理解卷簧机的工作原理。其实卷簧机的工作原理与普通车床车削螺纹的原理基本相同。将心轴装在主轴卡盘上使其随主轴旋转，并且主轴通过齿轮和丝杠带动弹簧材料的送进装置，使送进装置沿导轨轴向左右移动，这样就可以将弹簧材料卷绕在心轴上，制成弹簧毛坯。当卷制不同旋向的弹簧时，可以通过控制主轴的正反转来实现。如果要卷制不同节距的弹簧，则需要调节主轴与丝杠之间的传动比来实现。使主轴每转一转，丝杠带动导料箱纵向移动一个弹簧的节距，也就是主轴与丝杠之间的传动比乘以丝杠的导程。3.2卷簧机的种类及发展趋势卷簧机的分类方法有很多，按照卷簧机的自动化程度可以分为：手工绕制弹簧、手摇弹簧机、普通卷簧机、半自动卷簧机和自动卷簧机。按照它的功能特点可以分为：压簧机、拉簧机、万能机以及专用弹簧机等。专用弹簧机如：蛇簧机和扭簧机。另外按照驱动方式可以分为：半自动卷簧机、自动卷簧机和数控卷簧机[3]。3.2.1对于手工绕制弹簧，这是最原始的弹簧制造方法。使用这种方法制造的弹簧质量比较差，而且生产效率极低，仅适用于单件或零星的维修弹簧生产。现在已经基本上被淘汰。3.2.2手摇卷簧机手摇卷簧机也是一种比较简单的弹簧生产方式，但这种卷簧机比手工绕制弹簧有了一定的进步。它是通过手摇把手来转动齿轮，从而驱动心轴旋转，这样就可以卷制弹簧。但这种方法只能用来卷制一些弹簧材料直径比较细的弹簧，不能卷制弹簧材料直径较粗的弹簧。这种弹簧生产方式也是用来生产单件或小批量的维修弹簧。生产的弹簧质量比较差，效率低，可以说是费时费力，也已逐步被淘汰。3.2.3对于普通卷簧机，它的样式和结构特点与普通车床相似，有些弹簧厂的卷簧机就是用普通车床改造的。这种卷簧机较前两种有了本质上的区别，它的驱动方式从人力转动转变成电机带动，而且生产的弹簧无论从质量，还是生产效率都有了很大的提高。但这种卷簧机也有一个缺点，那就是卷制的弹簧还需要进行人工校正和端面锤修等。3.2.4半自动卷簧机半自动卷簧机是我国铁路弹簧厂使用的一种生产重型弹簧的设备。它全部由气电控制，所以取名QD-1型半自动卷簧机。这种卷簧机较旧式的卷簧机省工、省力，生产的弹簧产品质量比较好，生产效率也比较高。它可生产的弹簧的最大料径是40mm,可卷制的弹簧的节距范围是10～60mm。3.2.5自动卷簧机又叫无心卷簧机，它不仅生产的弹簧质量好，生产劳动强度小，而且效率高，适合大批量生产。比普通卷簧机具有很大的优越性，受到多数专业弹簧生产厂家的青睐，具有很好的发展前景。它除了能够生产螺旋压缩弹簧外，还能够卷制圆锥形等非圆柱螺旋弹簧。当卷制弹簧时，首先将弹簧材料的一端通过咬嘴卡紧，然后气缸内的活塞杆退出凸轮。此时主轴离合器啮合，主轴通过卡盘带动心轴旋转，将弹簧棒料卷绕在心轴上。卷绕完毕后，主轴气缸内的活塞杆进入凸轮的不同部位，主轴停转，卡盘自动定位。这样就完成了一个卷绕动作周期。每卷绕一个弹簧，上述动作过程就重复循环一次[4]。下面介绍一下主轴是如何实现自动定位功能的。之所以要使主轴自动定位，是因为在卷制弹簧时首先需要将弹簧通过咬嘴卡紧在主轴上，然后才能启动卷簧机。卷簧机的自动定位的实现是通过汽缸和凸轮机构来控制主轴离合器。同时，为了克服主轴旋转时的惯性，使主轴实现准确定位。在主轴上还设有联动抱闸轮。当主轴离合器啮合时，联动抱闸轮松开；当主轴离合器松开时，联动抱闸轮抱紧。另外，控制主轴自动定位的凸轮是按预先制定的动作循环控制离合器。如图3.1为主轴上凸轮的轮廓展开图。图3.1凸轮轮廓展开图当固定汽缸的作用杆在压缩气体的作用下退出凸轮后，离合器啮合，主轴开始旋转。当固定汽缸的断气杆在弹簧的作用下沿凸轮的cd部分进入，此时凸轮随主轴继续旋转。而凸轮的从动件沿着cb或de面运动，同时离合器慢慢后退。当杆到达b点或者e点后，凸轮向后移动一段距离。这段距离就是对号螺母与丝杠螺母之间的距离。此时，离合器松开联动抱闸轮抱紧，主轴停止转动，卡盘自动定位。一般热卷螺旋压缩弹簧的两端面都有3/4的支撑圈，又叫死圈。这3/4圈的螺旋升角为零度，这就要求在卷簧开始的时候，导料箱是不能够纵向进给的。等心轴卷完3/4圈后，导料箱才开始进给。工作圈卷完后再卷另一端的3/4圈。3.3卷簧机卷簧工作过程介绍卷簧机在卷制前首先要确定心轴直径的尺寸和弹簧的预制高度，然后计算卷制弹簧的螺距，最后再选择弹簧的旋向。3.3.1卷簧心轴直径的确定对于热卷弹簧，卷簧心轴的尺寸应根据弹簧内径和旋绕比来确定。旋绕比C=4～6时，心轴尺寸基本上与弹簧内径相同；旋绕比小于4时，心轴尺寸比弹簧内径大一些；旋绕比大的弹簧，心轴尺寸应比弹簧内径小0.5～1.0mm，甚至更小些[1]。制造卷簧心轴的材质，一般有两种。当心轴直径比较细时，选用45号钢制作；当心轴直径比较粗时，选用铸钢（ZG25）制成空心的。3.3.2计算弹簧预制高度由于塑性变形和磨削量等其它因素的缘故，弹簧的预制高度要比图纸所给的高度大一些。我们可以按照公式(2.3)计算弹簧的预制高度。3.3.3计算弹簧卷制节距弹簧节距在图纸上一般不标注出来，即使标注出来也不符合工艺要求。所以弹簧的卷制节距和弹簧高度一样，也比图纸规定的要大一些。我们可以按公式(2.4)计算求得。卷簧机卷制弹簧的节距是靠一组变速齿轮和丝杆来完成的，因此在卷制弹簧时要根据弹簧的要求来计算和选择适当的变速齿轮。下面介绍变速齿轮的计算方法。在卷簧机工作时，主轴每转一转，经齿轮传动带动丝杆旋转若干转，导料箱纵向移动一定的距离，这段距离就是卷制弹簧的螺距，计算公式如下：(3.1)式中——卷制弹簧的螺距；i——从主轴到丝杠之间的总传动比；——丝杠的导程。由于卷簧机采用单齿轮系传动，所以它的传动比可用下式求得：(3.2)式中i——总的传动比；——主轴齿轮齿数；——丝杠齿轮齿数。将公式(3.2)的传动比的值带入公式(3.1)中，即得：(3.3)实际上对于某一卷簧机来说，丝杠的导程是一个定值。而要卷制的弹簧的螺距也是一个常数。那么由公式(3.3)我们很容易知道，只有齿轮的齿数是变量。只要改变齿轮的齿数就可以卷制不同螺距的弹簧。在工厂的实际生产中，一般把丝杠的齿轮齿数固定为几种，然后通过变换主轴的齿轮齿数来调节螺距。根据公式(3.3)可以计算出主轴齿轮的齿数为：(3.4)挂轮传动系统图如下所示：图3.2挂轮传动系统图图中轴3和丝杠4之间的中心距是固定的，齿轮e、f之间的传动比也是固定的。轴2是可动的，可调节轴1与轴2之间的中心距，也可调节轴2与轴3之间的中心距。由公式(2.4)和公式(3.2)可确定选择悬挂齿轮的计算公式为：(3.5)式中——主动齿轮a的齿数；——从动齿轮b的齿数；——主动齿轮c的齿数；——从动齿轮d的齿数；——弹簧的预制高度；d——弹簧的料径；n——弹簧的有效圈数。3.3.4弹簧旋向的选择弹簧的旋向通常在图纸上都有固定，弹簧的旋向对弹簧的性能没有影响，但却对弹簧的制造工艺有影响。下面以图3.3来说明选择弹簧旋向的意义。图3.3弹簧左、右旋向工作示意图如图3.3所示为卷簧机在卷制左、右旋向弹簧时的工作情形。从图中可以看出，当卷制右旋弹簧时，送料轮在心轴的上方；而当卷制左旋弹簧时，送料轮却在心轴的下方。所以，一般卷制右旋弹簧比较难，而且效率低。因此根据工艺要求，在设计弹簧时希望将弹簧设计成左旋，特别是弹簧材料直径比较粗时更是如此。如果需要设计组合弹簧，一般将弹簧外圈设计成左旋，内圈设计成右旋[5]。卷制左、右旋弹簧，除了送料轮位置不同外，主轴的旋转方向也不同。主轴的旋向是通过介轮来调整的。因为主轴的传动是单齿轮系传动，所以加上介轮并不会影响主轴和丝杠之间的传动比，仅仅改变旋向而已。另一方面，由于丝杠要带动导料箱移动，而丝杠的旋转方向是固定的，要想使主轴有两种旋转方向，只有增加介轮。如上图中，右旋弹簧有一个介轮，而左旋弹簧有两个介轮。3.3.5咬嘴及其安装方式咬嘴是将弹簧棒料的一端卡紧在心轴上，使弹簧棒料随心轴一起旋转。咬嘴的卡紧与松开是通过控制一对气缸来实现的。咬嘴的结构及安装方式如下图所示：图3.4咬嘴及其安装方式3.3.6卷簧机能力计算对于热卷弹簧所需要的电机功率可以按照以下公式求得：当已知卷簧的速度V时(3.6)当已知卷簧机心轴转速时(3.7)当已知卷簧所需的功率时(3.8)式中——卷簧所需的功率(KW)；——卷簧机功率(KW)；V——卷簧速度(m/s)；D——弹簧中径(cm)；——在卷制温度下弹簧材料的强度极限，=1000；n——心轴转速；——卷簧机的效率，一般=0.7~0.8；M——扭转力矩，；W——弹簧材料截面的抗弯截面模数。对于圆形截面，弹簧材料的抗弯截面模数W为(3.9)对于方形截面，弹簧材料的抗弯截面模数W为(3.10)式中d——弹簧材料的直径；b——与弹簧中心轴线相垂直的矩形截面的宽；h——与弹簧中心轴线相平行的矩形截面的高。本次毕业设计中弹簧最大料径为40mm，中径为144mm，卷簧速度为0.25m/s，则可根据上述公式计算卷簧机的功率为：设计参数中所给卷簧机的电机功率为4KW，大于2.85KW，所以能够满足卷簧能力要求。4离合器启动控制阀的设计4.1启动控制阀作用分析在卷制弹簧的过程中，主轴必须能够实现及时的停车和启动。如果采用液压部件来控制比较容易污染床身。如果采用机械结构又容易损坏其它部件，所以我们可以采用气动控制。利用气体本身所具有的缓冲作用。这样就能够在弹簧加工过程中实现对主轴的启动和停止。工作过程大致如下:主轴的启停采用的是多片摩擦离合器，通过摩擦片来传递扭矩和动力。多片摩擦离合器与一气缸相连，利用气缸中的压力来推动活塞杆的移动，从而使摩擦片压紧，主轴转动。当气缸里的压缩气体排出时，活塞杆在复位弹簧的作用下复位，摩擦片彼此分离，主轴停止转动。工作原理图如下：图4.1启动控制阀工作原理图从图中我们可以知道，启动控制阀主要是利用0.5MPa的压缩气体来控制0.8MPa的气体，从而控制气缸的左右移动。由于是气动控制，且能够往复运动，所以启动控制阀内部我们可以设计成一活塞式差动气缸。4.2气缸设计4.2.1气缸结构及安装方式气缸种类繁多，分类方法也很多，按端面受压状态可分为单作用气缸和双作用气缸，按运动形式分为往复直线式和摆动式气缸等。安装方式有固定式、轴销式、回转式和嵌入式[6]。参照《液压气动系统设计手册》表16-1选择活塞式气缸，然后根据所给压缩气体的压力数值，对所选择的气缸加以部分改进，使其满足工作要求。最终确定气缸的结构形式如下图所示：图4.2气缸结构形式对于气缸的安装方式，考虑到该气缸所占空间不大，可以将该气缸依附于其它部件，这样也可以使卷簧机结构更为紧凑。为此我们可以将启动控制阀的进气口和出气口设计成管螺纹，即可安装于其上[7]。4.2.2气缸主要参数的确定1)缸筒直径的确定要想用0.5MPa的气体来控制0.8Mpa的气体，则气缸内径D与d需满足以下式子：(4.1)考虑到离合器周围空间，我们可以取d=38mm,则有上式可求得D=50mm。由于缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比,我们已求得D=50mm，那么δ≤5mm。取缸筒壁厚为5mm，则气缸外径为60mm。也可以按薄壁筒公式计算壁厚：（4.2）式中δ——气缸筒的壁厚(m)；D——气缸内径(m)；——试验压力，一般取=1.5p(Pa)(p为气缸工作压力)；——缸筒材料的许用应力(Pa)。按上述公式计算的壁厚往往很薄，从加工工艺考虑，可以适当加厚。缸筒壁厚可参考《液压气动系统设计手册》表16-4。气缸材料用锡青铜，内壁表面粗糙度为0.8，以满足气体压力要求。气缸具体结构如下图所示：图4.3气缸结构活塞杆的确定活塞杆的长径比不同，所要考虑的问题也不同。当长径比较小时（L/d≤10）,需要考虑活塞杆的强度是否满足要求。由于该气缸中的活塞杆并不承受多大的力，只是起到通气和断气的作用，所以不需要考虑强度。我们可以初步选取活塞杆直径d=28mm，然后只校核冲击是否过大。有上述两式的结果知两者冲击力相差不大，只要再选择适当的缓冲弹簧即可满足要求。活塞杆材料采用45号钢，具体结构如下图所示：图4.4活塞杆结构气缸外套的结构设计气缸不仅要有良好的工作性能，而且还要有良好的性价比。气缸内套我们采用青铜材料，如果气缸外套也用青铜材料，那么生产成本会很高，我们可以选用球墨铸铁材料。既能满足工作需要，又能够降低成本。结构形式如下图所示：图4.5气缸外套结构气缸端盖结构设计根据气缸内外套和活塞杆的结构，以及所要满足的机械性能和空间要求，将端盖结构设计成下图所示：图4.6气缸端盖结构端盖材料采用球墨铸铁，同时还要考虑到密封性能要求。4.3缓冲弹簧及端盖螺栓设计4.3.1缓冲弹簧设计缓冲弹簧主要起缓冲作用，防止气缸内活塞杆对其它部件冲击过大，损坏其它部件。有活塞杆的直径可估计弹簧中径范围在30～40mm。从上节中的计算中我们可以知道弹簧所受最大工作载荷为1077.6N，变形在10mm左右。1)选择弹簧材料并确定许用应力根据弹簧所受载荷的特性及要求，由《弹簧手册》表2-37选用碳素弹簧钢丝。许用应力根据《弹簧手册》表8-10按受Ⅱ类载荷弹簧考虑，。弹簧材料的抗拉强度与弹簧钢丝直径d有关,先假设d=3~6mm，其对应的抗拉强度=1422~1569MPa。根据《弹簧手册》表2-103查得切变模量。取试验切应力：。2)选择弹簧旋绕比根据《弹簧手册》表8-4初步选取旋绕比C=6。3)计算钢丝直径d根据《弹簧手册》公式(8-18)可转化得计算钢丝直径公式为(4.3)由于所受载荷为静载荷，所以取曲度系数K=1。将数据带入上述公式得钢丝直径在假设范围之内，根据《弹簧手册》表8-2选取d=5mm。4)计算弹簧中径D=Cd=6×5=30(mm)按《弹簧手册》表8-3选取系列值D=32mm。计算弹簧圈数根据《弹簧手册》表8-13得根据《弹簧手册》表8-5中的系列值，取n=2圈。两端各取1圈支撑圈，则弹簧总圈数为4。6)计算试验载荷7)计算自由高度为了使受力均匀，采用YI型端部结构（两端并紧并磨平），根据《弹簧手册》表8-6可知自由高度为：(4.4)取，按《弹簧手册》式(8-11)初步估计节距为代入公式(4.4)得自由高度为按《弹簧手册》表8-7中系列值，取=40mm。8)计算弹簧节距根据《弹簧手册》表8-8，可得节距为9)计算弹簧螺旋角按《弹簧手册》式(8-9)，可得螺旋角为10)弹簧的稳定性验算采用两端固定支撑，其高径比按《弹簧手册》表7-3可知b<5.3，满足稳定性要求。11)弹簧材料展开长度根据《弹簧手册》式(8-13)可得材料展开长度12)弹簧实际性能参数根据《弹簧手册》表8-13可知弹簧的刚度为对应于变形f=10mm的弹簧载荷弹簧的实验变形为4.3.2端盖螺栓设计由前面的计算可知，螺栓承受的预紧力，工作载荷为F=981.2N。初步选用4个螺栓对称布置。在工作载荷F作用下，螺栓只承受轴向力。螺栓的相对刚度可根据垫片材料不同使用下列推荐数据：金属垫片0.2～0.3；皮革垫片0.7；铜皮石棉垫片0.8；橡胶垫片0.9。我们选择橡胶垫片，弹簧相对刚度取0.9[8]。螺栓的总拉力(4.5)则每个螺栓所受的总拉力为338.2N。选择螺栓材料为Q235、性能等级为4.6的螺栓，由《机械设计》表5-8查得材料屈服极限，由表5-10查得安全系数S=1.5，故螺栓材料的许用应力为根据《机械设计》式(5-34)求得螺栓危险截面的直径（螺纹小径）为按粗牙普通螺纹标准（GB/T196-2003），选用螺纹公称直径d=8mm(螺纹小径=6.8mm>3.5mm)。通常规定，拧紧后螺纹连接件在预紧力作用下产生的预紧力不得超过其材料屈服极限的80%[8]。对于一般连接件用的钢制螺栓连接的预紧力要求(4.6)已查得，，取预紧力下限得所要求的预紧力，小于上述值，所以满足要求。确定螺栓的公称直径后，螺栓的长度、精度以及相应的螺母、垫圈等结构，可根据所连接件的厚度和固定方法确定。5车床进给系统改造5.1改造前提分析改装后的卷簧机主要用于生产铁路机车用弹簧，而铁路机车弹簧要求直径粗大（最大40mm）。因此需要有很大的加工力量和很高的加工温度。对于碳钢始卷温度在1050°～1100°，终卷温度在750°～800°；合金钢始卷温度在1000°～1050°，终卷温度在750°～800°。总之，需要有较大的进给量。因此，为了满足加工机车用弹簧的要求，必须对原机床的进给箱进行改造。在济南铁路机车厂加工的弹簧，主要有以下几种：D=(150,160,180,200,220)；d=(10,12,16,18,20,25)对于D=100mm，节距P=28～50mm；D=110mm,节距P=30.8～55mm；D=120mm,节距P=33.6～60mm；D=130mm，节距P=36.4～65mm；D=140mm，节距P=39.2～70mm；D=150mm，节距P=42～75mm；D=160mm，节距P=44.8～80mm。要加工的弹簧的节距从28mm到80mm不等。由于原车床的丝杠的导程T为6mm已经确定，所以主轴与丝杠之间的传动比i可以根据公式3.1求得而原车床进给箱的传动比为0.645～3.1不能满足加工要求，需要对进给箱进行改造。由于主轴和进给箱之间的传动比为1.3，则整个进给箱要达到的传动比为3.6～10.25。5.2设计改造原车床上的进给箱一般都采用一种摆移齿轮机构，又名诺顿机构。传动系统如下图所示图5.1进给箱传动系统如图示，在轴II上并列排列了八个齿轮，称为塔齿轮。轴III上的齿轮可与塔齿轮中的每一个齿轮相啮合。但由于轴II与轴III之间的中心距不变，所以需在两轴之间加一个介轮。当离合器啮合，同时轴IV上的齿轮左移时，轴II上的固定齿轮与轴IV上的齿轮啮合。此时，塔齿轮为被动轮，轴III与轴II之间可获得按调和数列排列的八种传动比：28/26,28/28,28/32,28/36,28/38,28/40,28/44,28/48。当离合器松开，轴I上的齿轮与轴II上的齿轮啮合时，塔齿轮为主动轮。轴II与轴III之间可获得近似等差数列的八种传动比：26/28,28/28,32/28,36/28,38/28,40/28,44/28,48/28。对进给箱的改造有两种方案，一是对进给箱整体进行改造，但这种改造的费用大，设计周期长，一般不被工厂所采纳。工厂中通常是在主轴与进给箱之间增加一个转速提升装置，以满足加工要求。这种改造简单可行，改造费用低，设计周期短，受到多数厂家的青睐。既然要在主轴与进给箱之间增加一个转速提升装置，那么首先要确定这个转速提升装置的传动比,，我们初步确定传动比为5。原车床的传动比为0.645～3.1,加上转速提升装置的传动比后为3.225～15.5，比原来要求的传动比范围还要大，能够满足加工要求。由于传动比5采用一级传动速比比较大，可以分两级传动来实现。根据《机械制造技术及装备设计》表3.2-3选用1.58×3.16。然后对传动比为1.58和3.16的两对齿轮进行设计，确定各齿轮的各项参数。至于传动比的实现，可将传动比为1.58的一对齿轮在主轴箱内实现，传动比为3.16的齿轮则放在主轴箱与进给箱之间来实现。如下图所示图5.2改进的传动系统示意图5.3齿轮设计1.选定齿轮的类型、精度等级、材料和齿数选用标准直齿圆柱齿轮，7级精度；根据《机械设计》表10-1选择小齿轮材料为40Cr，调质处理，硬度为300HBS；大齿轮材料为45钢，也是调质处理，硬度为250HBS，材料硬度差为50HBS。初步选取小齿轮齿数，大齿轮齿数，取。2.按齿面接触强度设计1)由标准直齿圆柱齿轮的设计计算公式计算，即(5.1)(1)确定公式内的各计算数值1)初步选取载荷系数。2)假设小齿轮传递的转矩为3)根据《机械设计》表10-7选取齿宽系数。4)根据《机械设计》表10-6差得材料的弹性影响系数。5)根据《机械设计》图10-21d按齿面硬度差得小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度极限。6)应力循环次数，。7)根据《机械设计》图10-19选取接触疲劳强度寿命系数为,。8)取失效概率为1%，安全系数为S=1，由《机械设计》式(10-12)计算得(2)计算各项参数1)计算小齿轮分度圆直径，由《机械设计》式5.1得2)计算齿宽b3)计算齿宽与齿高之比模数齿高4)计算载荷系数根据齿轮圆周速度v=4.75m/s，7级精度，由《机械设计》表10-3查得齿间载荷分配系数，由表10-4查得齿向载荷分布系数，由表10-2查得使用系数；由《机械设计》图10-8查得动载系数，根据齿宽和齿高之比及由图10-13得，所以载荷系数5)按实际载荷校正所得分度圆直径，由《机械设计》公式10-10a得6)计算模数3.按齿根弯曲强度设计齿根弯曲强度的设计公式为(5.2)(1)确定公式中的数值根据《机械设计》图10-18取弯曲疲劳寿命系数，；根据《机械设计》图10-20c查得小齿轮弯曲疲劳强度为，大齿轮的弯曲疲劳极限为；取弯曲疲劳安全系数为S=1.5，由式10-12得载荷系数；由《机械设计》表10-5查得齿形系数和应力校正系数分别为：；；；；则(2)设计计算按齿根接触疲劳强度计算的模数小于按齿面接触疲劳强度计算的模数。因齿轮模数的大小取决于弯曲强度所决定的承载能力，所以取由齿根弯曲强度所得的模数，并圆整为标准值m=4mm大齿轮齿数为，取。4.几何尺寸计算分度圆直径为中心距为齿宽为取小齿轮齿宽为64mm，大齿轮齿宽为74mm。安装时只要调整好中心距即6卷簧机上导轨的设计6.1导轨应满足的基本要求1)导向精度导向精度主要是指动导轨运动轨迹的精确度。影响导向精度的主要因素有：导轨的结构形式、几何精度和接触精度、导轨及其支撑件的刚度和热变形、动（静）压导轨副之间的油膜厚度及其刚度等[9]。2)精度保持性精度保持性主要是由导轨的耐磨性决定的。耐磨性与导轨的材料、导轨上的压强、导轨副的摩擦性质及载荷分布规律等因素有关。3)刚度刚度包括导轨的接触刚度和自身的刚度。导轨的刚度不足会影响部件之间的导向精度和相对位置。导轨的刚度主要取决于导轨的型式、刚度、受力状况及与支撑件的连接方式等因素。4)低速运动平稳性动导轨作微量位移或低速运动时容易产生摩擦自激振动。也就是通常所说的爬行现象。爬行会降低定位精度或者增大被加工工件表面的粗糙度数值。6.2导轨材料及类型1)导轨材料构成导轨副的材料一般有：铸铁——铸铁；铸铁——淬硬铸铁；铸铁——淬硬钢板；有色金属——铸铁。2)导轨类型导轨类型主要有：滑动导轨、滚动导轨和液体静压导轨。直线运动滑动导轨的截面形状有：三角形、矩形、燕尾形和圆柱形。三角形导轨，导向精度高，不会产生间隙，因而能自动补偿损失；矩形导轨承载能力大，制造简便，但必须留有侧面间隙，磨损后不能自动补偿，应注意导轨的防护；燕尾形导轨尺寸紧凑，适合于高度小、层次多的部件，刚度比矩形导轨差，不适合承受大的颠覆力矩和向上的力，而且加工测量比较麻烦；圆柱形导轨制造简单，主要用于受轴向载荷和同时作直线运动及转动的场合。滚动导轨摩擦系数小，动、静摩擦系数接近，不易产生爬行，但滚动导轨的抗震性差，对污染敏感，必须有防护。机构形式主要有：直线滚动导轨副和滚动导轨块。液体静压导轨的工作原理与静压轴承相似，在相对运动的导轨面间通入压力油，使运动部件浮起。在工作过程中，导轨面上的油压能随外载荷的变化自动调节，来平衡外载荷，保证导轨面间始终处于纯液体摩擦状态。6.3导轨结构设计所设计的导轨位于心轴的上方，该导轨主要是使尾座在其上滑动，从而使心轴左右移动。尾座的移动是由气缸控制的。导轨结构如下图所示：图6.1导轨机构图导轨中的具体尺寸可根据机床设计手册和卷簧机的尺寸确定。由于心轴位于尾座上，在卷簧的过程中，尾座要给心轴的一端一个拉力，即对导轨有一个向下的拉力，所以需要对导轨进行受力分析并画出弯矩图和扭矩图。将尾座所受的力F平移到导轨作用面的中心，则由理论力学可知，导轨所受的力可以看成是一个主矢F和一个主矩M[10]。将导轨看成一个简支梁，并假设某一时刻力的作用点距导轨左端为Y。则可利用截面法求得导轨的扭矩图和弯矩图[11]。受力分析如下图所示：图6.1导轨的受力分析根据梁的平衡方程，(6.1)，(6.2)求得两端的支反力为,在AC段内取距原点为X的任意截面，则剪力方程、弯矩方程和扭矩方程分别为：当时当时对应的剪力图、弯矩图和扭矩图分别为：图6.2剪力和扭、弯矩图在初步确定导轨的结构及尺寸后，应核算导轨面的比压，使其限制在导轨的许用比压范围内。因为导轨的损坏形式主要是磨损，而磨损又与导轨表面的比压（单位面积上所受的力）有关。随着导轨表面比压的增大，导轨的磨损量也增加。另外，导轨表面的接触变形也与比压近似成正比。所以，要对导轨的比压进行核算。根据弹簧装置、心轴及尾座，估计F值为5000Kg。已经知道导轨的长为2000mm，导轨的作用面宽为50mm，那么导轨的比压为(6.3)由《机床设计手册》表6.2-31知，该比压小于铸铁导轨的许用最大比压，所以该导轨的设计是合理的。至于导轨的润滑，可采用人工浇油润滑。总之要时刻注意各部分的润滑与防护，以便能够延长机器的使用寿命。7结论经过两个月的设计改造，改装后的卷簧机能够满足以下要求：(1)可卷制弹簧的最大料径为40mm；(2)能够卷制64种不同节距的弹簧；(3)能够保证加工的精度。由于本次毕业设计是结合气动技术将普通车床改装成半自动卷簧机。虽然改装后的卷簧机能够满足生产要求，但由于其传动系统均采用齿轮传动，对于所要求卷制的弹簧节距，有时并不能达到理想的要求。为此，我认为有以下两点有待于改进：(1)是否可以采用数控系统来控制纵向进给，以提高其卷制精度；(2)加热后的弹簧棒料一般是由工人师傅用长钳送至咬嘴处加紧的，这项工作的劳动强度无疑是比较大的。那么我们可以设计一种自动送料装置，来降低工人的劳动强度。由于自己所学知识和实际工作经验有限，本次毕业设计只是一个开头，还有很多地方有待于完善，希望以后的同学能够有所突破，设计出一个更加先进的卷簧机来。参考文献[1]张英会,刘辉航,王德成.弹簧手册[M].北京:机械工业出版社,1997.6:205-220[2]刘海.铁路机车车辆弹簧制造工艺[M].北京:人民交通出版社,1973.6:152-204[3]项杜年.自动卷簧机及其发展概况[J].CMET.锻压装备与制造技术,1982,(1):5-10[4]苗乃元,房苗雷.BJH50-800半自动卷簧机设计[J].CMET.锻压机械,2002,(1):25-27[5]机床设计手册编写组.机床设计手册[M].北京:机械工业出版社,1986.12:122-157[6]张利平,邓钟明等.液压气动系统设计手册[M].北京:机械工业出版社,1997.6:70-100[7]黎明,黄凯,李恩至等.机械零件设计手册[M].北京:国防工业出版社,1986.12:160-240[8]濮良贵,纪名刚等.机械设计[M].北京:高等教育出版社,2006.5:186-213[9]杜君文.机械制造技术及装备设计[M].天津:天津大学出版社,1988.8:7-20[10]哈尔滨工业大学理论力学教研室编.理论力学[M].北京:高等教育出版社,2002.8:41-47[11]刘鸿文.材料力学[M].北京:高等教育出版社,2004.1:73-123[12]韩进宏.互换性与技术测量[M].北京:机械工业出版社,2004.7:29-85[13]吴宗泽,罗圣国.机械设计课程设计手册[M].北京:高等教育出版社,2006.5:35-52[14]RussellFrankS[US],SimonelliRobertJ[US].Wirecoilingmachine:US4528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