石墨电极镗孔专机机械系统设计样本

摘要石墨电极是电弧炉炼钢或其她电冶金行业重要导电材料，随着电弧炉炼钢和其她电冶金行业发展，石墨电极生产已经成为国民经济中不可缺少部门之一，在国家历次发布技术发展政策中均被列为重点发展内容。本文重要讨论石墨电极镗孔专机机械系统设计，重要涉及机床床身构造设计，托料架设计，夹具及夹紧机构设计。通过GSK96数控系统和PLC实现专机自动控制。石墨电极接头生产采用数控加工，其长处是加工质量稳定、可靠加工精度高、具备高度柔性、生产率高、改进劳动条件、利于生产管理，减轻工作人员压力，减少生产成本，提高经济效益。核心词：石墨电极；夹紧机构；夹具；GSK96AbstractGraphiteelectrodeisanimportantconductivematerialfortheelectricarcfurnacesteel-makingorotherelectricmetallurgicalindustry.Withthedevelopmentoftheelectricarcfurnacesteelmakingandotherelectricmetallurgicalindustry，theproductionofgraphiteelectrodeshasbecomeanindispensableoneofthesectorsinthenationaleconomy，andwasclassifiedaskeydevelopmentofcontenteachtimeinourcountry'stechnologydevelopmentpoliciesinthepast.Withgraphiteelectrodeboringplanemechanicalsystemdesignwerediscussedinthispaper，mainlyincludingthedesignofthemachinetoollathebedstructure，rackdesign，designoffixtureandclampingmechanism.ThroughGSK96andPLCdigitalcontrolsystemtorealizeautomaticcontrol.Graphiteelectrodejointproductionadoptsnumericalcontrolprocessing，itsadvantageisthatmachiningqualityisstable，reliable，highprecision，highlyflexible，highproductivity，improveworkingconditions，conducivetoproductionmanagement，reducethestaffpressure，reducetheproductioncost，improvetheeconomicbenefit.Keywords：Graphiteelectrode；Clampingmechanism；Fixture；GSK96目录第一章绪论 11.1研究目及意义 11.2国内外发展及状况 11.3课题研究内容分析 21.4课题研究重要内容 21.5本章小结 3第二章系统总体方案设计 42.1技术规定 42.1.1石墨电极接头参数 42.1.2机床技术规定 42.2机床控制方式 52.3镗孔专机机床构造设计 52.4镗孔专机运动方案拟定 52.5镗孔专机夹紧系统运动方案设计 62.6本章小结 6第三章主传动设计 73.1主轴电机选取 73.1.1主轴电机功率计算 73.2滚子链设计 83.2.1链传动优缺陷 83.2.2滚子链传动设计计算 93.3减速器选取 103.3.1减速器作用 103.3.2减速器分类 103.3.3镗孔专机减速器选取 103.4主传动轴设计计算与校核 113.4.1主轴基本尺寸拟定 113.4.2主轴强度校核 123.4.3主轴刚度校核 133.5键选取与校核计算 133.5.1键连接功能及分类 143.5.2键选取 143.5.3键校核 143.6轴承选取 153.6.1轴承特点及分类 153.6.2轴承类型选取办法 153.6.3镗孔专机轴承选取 153.7本章小结 18第四章系统重要构造设计 194.1夹具设计 194.1.1机床夹具基本规定 194.1.2夹具构造设计 194.2夹紧装置传动机构设计 204.2.1夹紧装置规定 204.2.2夹紧装置传动机构设计方案 214.2.3传动装置构造 214.3托举机构设计 214.3.1支撑件功用 224.3.2对支撑件基本规定 224.3.3支撑件设计环节 224.3.4支撑件构造设计 224.3.5镗孔专机对托举机构规定 234.3.6托举机构构造设计 234.3.7托举机构材料选取 244.4本章小结 24第五章丝杠选取 255.1滚珠丝杠传动特点 255.2滚珠丝杠工作原理和构造 255.3滚珠丝杠选取计算 265.3.1进给率引力Fm计算 265.3.2最大动载荷C计算 265.3.3滚珠丝杠选取 275.4滚珠丝杠效率计算 285.5刚度验算 285.6压杆稳定性校核 295.7本章小结 29第六章导轨选取 306.1导轨重要功能 306.2导轨基本形式 306.3间隙调节 316.4导轨润滑 326.5润滑油选取 326.6本章小结 33第七章结论 34致谢 35参照文献 36第一章绪论1.1研究目及意义炭素行业是国家重点支持基本原材料产业，其主导产品石墨电极是钢铁工业炼钢过程中使用不可代替耐高温、耐氧化导电材料1。石墨电极，重要以石油焦、针状焦为原料，煤沥青作结合剂，经煅烧、配料、混捏、压型、焙烧、石墨化、机加工而制成，是在电弧炉中以电弧形式释放电能对炉料进行加热熔化导体，依照其质量指标高低，可分为普通功率、高功率和超高功率。石墨具备如下铜无法比拟优质特性，加工速度：高速铣粗加工较铜快3倍，高速铣精加工较铜快5倍；可加工性好，能实现复杂几何造型；重量轻，密度局限性铜1/4，电极容易夹持，可减少单个电极数量，由于可捆绑做成组合电极；热稳定性好，不变形无加工毛刺2。图1.1石墨电极及接头随着石墨电极市场竞争日趋激烈，电极市场由国内逐渐向国外市场开拓，对石墨电极质量规定己不但仅局限在电极内部。由于石墨电极是冶金行业，有色金属等行业必须产品，因此电极质量与产量将直接影响上述行业发展。1.2国内外发展及状况国际炭素行业起步已久，加工工艺已经成熟，已经达到了大型规模全自动化生产阶段，并且可以大规模生产大规格超高功率石墨电极及接头产品。其技术领先国家及公司有：美国：步高（POCO）石墨公司、尤卡炭素公司、斯塔克浦尔炭素公司。日本：东洋炭素有限公司、东海碳素有限公司、新日本科技炭素有限公司。德国：西格里碳素集团、逊克炭素公司。法国：罗兰炭素公司。国内有超过150家炭素公司，重要石墨电极生产公司涉及方大炭素（22%）、中钢吉炭（20%）、南通扬子（10%）等，三者共计占据52%市场份额；高功率与超高功率石墨电极行业集中度更高，方大炭素与中钢吉炭两家共计占60%以上市场份额。吉林薛氏炭素有限公司位于吉林省吉林市，是国内仅有做石墨电极加工机床厂家之一。近年来该公司发展迅速，已经形成了石墨电极加工生产线，其制造机床深受国内外人士好评。1.3课题研究内容分析石墨电极本体加工工艺如图1.2所示3。图1.2石墨电机本体加工工艺图石墨电极本体加工工艺重要涉及：原料上料对中、镗内锥及铣端面、车外圆、加工螺纹、称重，人工检查等。本课题研究该生产线中第二道工序：镗内锥及铣端面专机机械系统设计。通过数控系统控制专机伺服系统、进给系统和夹紧装置来完毕镗孔加工工艺。1.4课题研究重要内容（1）理解石墨电极本体加工工艺过程。（2）理解镗孔专机电气控制系统、液压系统。（3）掌握石墨电极镗孔机械加工工作过程。（4）详细设计石墨电极镗孔专机机械系统。1.5本章小结本章节对课题背景进行了大体概括，简介了炭素行业石墨电极工业应用及其在国民经济中重要地位，理解了石墨电极加工工艺以及本镗孔专机重要性，为日后设计进行铺垫。第二章系统总体方案设计2.1技术规定2.1.1石墨电极接头参数图2.1石墨电极接头参数表2.1接头尺寸表（一寸四扣）电极直径(/mm)接头(/mm)接头孔(/mm)螺距(/mm)DLd2ld1H200122.24-0.5177.8-180-36115.92+0.591.9+6~+8.06.35250152.4190.5108146.08101.3300177.8215.9129.2171.48114350203.2254148.2196.88133400222.25304.8158.2215.93158.4450241.3304.8177.9234.98158.4500269.88355.6198263.56183.82.1.2机床技术规定鑫源碳素镗孔专机加工石墨电极直径250600mm，长度L=18002400mm，主轴转速n=200，精度为0.030.04mm,采用专用铣刀强力铣削，加工时间t=2.5分钟。2.2机床控制方式鑫源碳素镗孔专机采用半闭环控制，采用广州数控GSK96系统，该系统具备操作简朴，维护以便，性能优越，加工质量稳定、加工精度高、具备高度柔性、生产率高、改进劳动条件、利于生产管理当代化并且能全自动加工石墨电极，减轻工作人员压力，减少生产成本，提高经济效益等长处。2.3镗孔专机机床构造设计镗孔专机机床重要构造如图2.2所示4。1.主轴电机2.除尘罩（刀具）3.夹具4.床身5.液压缸6.滑台7.托料架8.伺服电机9.滚珠丝杠图2.2机床构造示意图2.4镗孔专机运动方案拟定动力头为机床主轴提供动力，是机床重要动力部件，为机床主轴提供主运动。主运动由电机驱动，通过减速器和链轮传递给主轴，机床主轴带动刀具旋转完毕镗孔动作。进给运动采用伺服电机通过滚珠丝杠机构传动，刀具进给运动为机床在水平面内迈进与退回运动。进给系统总体方案框图如图2.3所示。图2.3进给系统总体方案框图2.5镗孔专机夹紧系统运动方案设计夹紧装置规定具备较高同步性，采用液压控制方式，其长处是构造简朴，运营可靠，安装调试以便。液压同步缸控制动力滑台运动，滑台上装有夹紧机构来完毕工件夹紧。2.6本章小结鑫源碳素镗孔专机是数字控制专用机床，本章重要对系统控制方式、机床参数以及运动方式进行了阐述，理解了机床特点，明确了本专机机械构造设计内容。第三章主传动设计3.1主轴电机选取3.1.1主轴电机功率计算按在加工过程中遇到最大切削力和最大切削速度来计算，鑫源炭素镗孔加工由于使用专用刀具，切削力较大，因此依照铣削进行计算。即：(3.1)式中FC——切削力(N)；——切削深度(mm)；——每齿进给量（mm/z）；——切削宽度（mm）；——刀具直径（mm）；K——刀具前角对切削力影响系数；K1——切削速度对切削力影响系数；n——铣刀转速(r/min)。由于石墨硬度未知，可按灰铸铁进行参数选取，依照《切削用量简要手册》5查得如表3.1所示。表3.1铣削参数铣刀类型刀具材料公式中系数及指数cFxFyFFwFqF加工灰铸铁硬度190HBS端铣刀硬质合金54.50.90.741.001.0圆柱铣刀581.00.80.900.9圆柱铣刀立铣刀高速钢300.10.650.8300.83依照加工电极最大直径为600mm，由2.1.1石墨电极接头参数选取刀具直径d0=125mm，齿数Z=12，主轴转速n=196r/min，铣刀每齿进给量fz=0.18mm/z，切削深度=7.5mm。因刀具材料为硬质合金，因此按硬质合金刀具进行铣削参数选取。如表3.2所示。表3.2刀具前角对切削力影响系数K 前角01515505101520K0.911.11.21.31.41.51.6刀具前角0=5，因此K=1.1。铣削速度：(3.2)依照表3.3所示切削速度对切削力影响系数。表3.3切削速度对切削力影响系数切削速度c(m/min)5075100125150175200250K11.000.980.960.940.920.900.880.86选用K1=0.98算得最大铣削力(3.3)铣削最大功率(3.4)由于所选减速器传动比为1:11，链轮传动比为1:1，因此主轴电机功率(3.5)由于实际加工环境较恶劣，影响铣削力因素又有诸多，例如：刀具齿数；刀具直径；切削速度；切削宽度；每齿进给量；因此本设计只是给出其中一种设计计算方案，结合实际加工时状况选取电机型号为11KW三项异步电机，型号为Y2—160M—4，额定电压为380V，满载转速为1460r/min,防护级别IP55.3.2滚子链设计3.2.1链传动优缺陷链传动是一种挠性传动，它由链条和链轮构成。通过链轮轮齿与链条链节啮合来传递运动和动力。链传动在机械制造中应用广泛。与摩擦型带传动相比，链传动无弹性滑动和整体打滑现象，因而能保持精确平均传动比，传动效率高；又由于链条不需要像带那样张很紧，因此作用于轴上径压力较小；链条采用金属材料制造，在同样制造条件下，链传动整体尺寸较小，构造较为紧凑；同步，链传动能在高温和潮湿环境中工作。与齿轮传动相比，链条安装精度规定较低，成本低。在远距离传动时，其构造比齿轮传动轻便多。链传动缺陷是：只能实现平行轴之间传动；运转时不能保持恒定瞬时传动比；磨损后易发生跳齿；工作时有噪声。3.2.2滚子链传动设计计算1.选取链齿数取小链轮齿数Z1=25，大链轮齿数(3.6)2.拟定计算计算功率依照《机械设计手册》第四版6查得，，单排链，则计算功率为(3.7)式中：工况系数积极链轮齿数系数电动机额定功率3.选取链条型号及节距依照及及，查《机械设计》，纪名刚主编，可选16A1。查得链条节距为。4.计算链节数初选中心距(3.8)取。相应链长节数为(3.9)取链长节数节。5.计算链速，拟定润滑方式(3.10)由m/s和链号16A1可查得采用滴油润滑。6.计算压轴力FP有效圆周力为：(3.11)链轮水平布置时压轴力系数KFp=1.15，则压轴力为(3.12)依照以上计算选取链条型号为：16A188。3.3减速器选取 3.3.1减速器作用减速机是一种动力传达机构，运用齿轮速度转换器，将电机（马达）回转数减速到所要回转数，并得到较大转矩机构。在当前用于传递动力与运动机构中，减速机应用范畴相称广泛。几乎在各式机械传动系统中都可以见到它踪迹，从交通工具船舶、汽车、机车，建筑用重型机具，机械工业所用加工机具及自动化生产设备，到寻常生活中常用家电，钟表等等.其应用从大动力传播工作到小负荷、精准角度传播都可以见到减速机应用，且在工业应用上，减速机具备减速及增长转矩功能。3.3.2减速器分类减速机是一种相对精密机械，使用它目是减少转速，增长转矩。它种类繁多，型号各异，不同种类有不同用途。按照传动类型可分为齿轮减速器、蜗杆减速器和行星齿轮减速器；按照传动级数不同可分为单级和多级减速器；按照齿轮形状可分为圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器和圆锥－圆柱齿轮减速器；按照传动布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式减速器。如下是惯用减速机分类：摆线针轮减速机硬齿面圆柱齿轮减速器行星齿轮减速机软齿面减速机三环减速机起重机减速机蜗杆减速机轴装式硬齿面减速机无级变速器3.3.3镗孔专机减速器选取依照工艺规定、机床构造特点及转速选取减速器，已知主轴电机额定转速n=1460r/min，选取摆线针轮减速器，其型号为BWD41111，中心高为200mm，传动比为1:11。摆线针轮减速器具备如下长处：1.传动比大：摆线针轮减速机一级减速时传动比为1:7到1：87；两级减速时转动比为121～7569，顾客也可以依照自己实际需要选用减速比更大三级减速。2.传动效率高；

3.保养以便（润滑方式）：

#6125如下使用不要保养专用高档油脂；4.体积小，重量轻：

摆线针轮减速机采用行星传动原理，输入轴和输出轴在同一轴线上并且有与电动机直联呈一体独特之处，因而摆线针轮减速机自身具备构造紧凑，体积小、重量轻特点。用它代替两级普通圆柱齿轮减速器，体积可减少1/2～2/3；重量约减轻1/3～1/2。5.拆装以便，容易维修：由于摆线针轮减速机构造设计合理、拆装简朴便于维修，使用零件个数少以及润滑简朴。6.使用可靠、故障少、寿命长：重要传动啮合件使用耐磨耗及耐疲劳性能良好高炭铬轴承钢制造，经淬火解决（HRC58-62）获得高强度，因而摆线针轮减速机机械性能好，耐磨性能好；运转接触采用滚动磨擦，基本上无磨损，故故障少、寿命长，其寿命较普通齿轮减速器可提高2-3倍。7.运营平稳，噪音小：摆线针齿啮合齿数较多，重叠系数大以及具备机件平稳机理，使振动和噪声限制在最小限度。3.4主传动轴设计计算与校核3.4.1主轴基本尺寸拟定镗孔机床主轴传递功率为56.22kW，最大转速nmax=136r/min，选用轴材料为45号钢，机床主轴为传动轴，重要承受扭矩，因此按照扭转强度条件计算。扭转强度条件为6(3.13)式中T——扭转切应力，MPa；T——轴所受扭矩，Nmm；WT——轴抗扭截面系数，mm3；n——轴转速，r/min；P——轴传递功率，KW；d——计算截面处轴直径，mm[T]——许用扭转切应力，MPa，见表3.4。表3.4轴惯用几种材料[T]及A0值轴材料Q235-A、20Q27535(1Cr18Ni9Ti)4540Cr、35SiMn38SiMnMo[T]/MPa1525203525453555A014912613511212610311297由上式可得轴直径(3.14)式中A0=(3.15)对于空心轴(3.16)式中，=，即空心轴内径与外径之比，普通取=0.50.6依照表3.4，选用[T]=35，=0.55，因此A0==(3.17)(3.18)考虑到实际机床构造规定以及轴向定位规定设计轴基本尺寸如下： 图3.1轴构造3.4.2主轴强度校核1.计算外力偶矩依照轴在实际工作过程中受力状况，其受力简图如图3.2所示，图3.2主轴受力简图计算出主轴外力偶矩如下：已知主轴电机为11kW，摆线针轮减速器效率为93%，链轮效率为95%，MA=MB=N.m(3.19)2.画轴扭矩图，拟定危险截面图3.3扭矩图依照图3.1，可以拟定危险截面处在AB段，d=110mm，=，许用扭转切应力[T]=35MPa。3.强度校核(3.20)因此轴强度足够。3.4.3主轴刚度校核按照刚度条件式(3.21)式中：T——横截面上最大扭矩；G——材料剪切弹性模量；IP——横截面对圆心极惯性矩；——单位长度许用扭转角；(3.22)式中=，即空心轴内径与外径之比。已知轴材料为45号钢，G=80103MPa，由于机床规定精度较高，因此取=0.4/m。(3.23)因此轴刚度足够。3.5键选取与校核计算镗孔专机主轴链轮处采用键连接，主轴所传递扭矩为682.43Nm。3.5.1键连接功能及分类键是一种原则零件，通惯用来实现轴与轮毂之间周向固定以传递转矩，有还能实现轴上零件轴向固定或轴向滑动导向。键连接重要类型有：平键连接、半圆键连接、楔键连接和切向键连接。3.5.2键选取键截面尺寸bh按轴直径d由原则中选定。键长度L普通可按轮毂长度而定，即键长等于或略短于轮毂长度；而导向平键则按照轮毂长度及其滑动距离额定。普通轮毂长度可取，这里d为轴直径。普通楔键重要尺寸见表3.56。表3.5普通楔键重要尺寸轴直径d>6575>7585>8595>95110>110130键宽b键高h20122214251428163218键长度系列L10，12，14，16，18，20，22，25，28，32，36，40，45，50，56，63，70，80，90，100，110，125，140，180，200，220，250，由于键所在轴轴径为110mm，轮毂长度为48mm，因此依照键长度系列选取键长度L=45mm，依照表3.5选取A2845普通楔键。3.5.3键校核查《机械设计手册》第二卷得键工作面挤压强度条件为(3.24)T——主轴转矩，Nmm；D——轴直径，mmQUOTEmm；b——键宽度，mmQUOTEmm；——键工作长度，由于楔键工作面为上下面，因此=L=45mm。QUOTEμ——摩擦因数，对钢和铸铁，=0.120.17；这里取=0.15。QUOTEσpp、Ppp——键联接许用挤压应力及许用挤压压强，MPa，查《机械设计手册》第二卷（如下表3.6）。表3.6键联接许用挤压应力、许用挤压压强和许用剪应力/MPaQUOTE/MPa许用应力及许用压强联接工作方式被联接零件材料不同载荷性质许用值静载轻微冲击冲击σ静联接钢125~150100~12060~90铸铁70~8050~6030~45P动联接钢504030τ1209060由于实际加工中存在冲击，因此取QUOTEσpp=130MPa，因此QUOTEp<σpp，故联结能满足挤压强度规定。3.6轴承选取3.6.1轴承特点及分类轴承重要功能是支撑机械旋转体，用以减少设备在传动过程中机械载荷摩擦系数。按运动元件摩擦性质不同，轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两类。滚动轴承特点：摩擦系数小，起动阻力小，并且它已经原则化，选用、润滑、维护都很以便，因此在普通机器中应用较广。滑动轴承合用于高转速、特大冲击和振动、径向空间尺寸受限制或必要剖分安装（如曲轴轴承）、以及需要水或腐蚀性介质中工作等场合。滑动轴承按构造轴承可以分为（1）整体式径向滑动轴承（2）对开式径向滑动轴承（3）止推滑动轴承滚动轴承是比较惯用轴承，按载荷方向分为：向心轴承、推力轴承；按滚动体分为：球轴承、滚子轴承；按与否能调心分为：调心轴承、非调心轴承；按滚动体列数可分为：单列、双列和多列；按照能否分离分为：可分离轴承、不可分离轴承。3.6.2轴承类型选取办法选取轴承类型与诸多因素关于，普通依照如下几种要素：（1）容许空间。（2）载荷大小和方向。（3）轴承工作转速。（4）旋转精度。普通机械均可用G级公差轴承。（5）轴承刚性。（6）轴向游动。（7）摩擦力矩。（8）安装与拆卸。3.6.3镗孔专机轴承选取在本次设计中主轴采用轴承为深沟球轴承6024，圆锥滚子轴承32024，推力轴承51226及双列滚柱轴承NN3028。安装时轴承组可预紧，具备较好支撑刚度和旋转精度。由于轴径、载荷和转速已拟定，因此依照轴径、载荷和转速选取轴承。主轴左端轴承选用型号深沟球轴承6024，圆锥滚子轴承32024，参数如下表3.7和3.8所示。表3.7深沟球轴承（GB/T276-1994）基本尺寸/mm基本额定载荷/kN极限转速/r∙min重量/kg轴承代号其她尺寸/mm安装尺寸/mm球径/mm球数dDBCC脂油W≈60000型dDrmindminDmaxrmaxDZ1201501628.932.9340043000.5461824129.3140.7112514518.731271652255.056.9320040001.1361924133.7151.31.1127158113.494191801958.860.4300038001.37416024140.7159.31126174114.288181802887.549.2300038001.996024137.7162.421301702191421540155131260034005.306224149.4185.62.11322032.130.16210260552282082200280012.26324163.3216.731342462.544.458表3.8单列圆锥滚子轴承（GB/T277-1994）基本尺寸/mm基本额定载荷/kN极限转速/r∙min重量/kg计算系数轴承代号其她尺寸/mm安装尺寸/mmdDTBCCC脂油W≈eYY30000型a≈rminrmindmindmaxDminDmaxDminaminaminrmaxrmax120165292923172318180024001.780.351.713292429.31.51.5127128150157160661.51.5180383631198338170022003.10.371.60.932024X238.02.52692.12180383829242405170022003.180.461.30.73202439.32.52130131161170173792.12180484838298535170022004.070.3121.13302435.52.521301321601701716102.1220062624844877816007.680.401.50.83312447.62.5213013017219019210142.1221543.54034338482150019006.200.441.40.83022444.132.513213918720320369.52.52.121561.55850478758150019009.260.441.40.83222452.332.5132134181203206711.52.52.126059.555465627451300170014.20.351.713032449.043134153221246238813.532.52606862425357251300170015.30.830.70.43132481.84313414020324624692632.526090.5866982512301300170022.10.351.713232461.643134147213246240921.532.5右端轴承选用单列推力轴承51226，双列滚柱轴承NN3028，参数如表3.9和3.10所示。表3.9单列圆锥滚子轴承（GB/T301-1995）基本尺寸/mm基本额定载荷/kN最小载荷常数极限转速/r∙min重量/kg轴承代号其她尺寸/mm安装尺寸/mmdDTCCA脂油W≈51000型dminDmaxrmindminDmaxrmin130170301083750.74130019001.705112613217011541461190451885751.7590014003.93512261331871.51661541.52257535810705.9160085011.7513261342202.11861692.127011063021.143060032.05142613426542121883表3.10圆柱滚子轴承（GB/T283-1994）基本尺寸/mm基本额定载荷/kN极限转速/r∙min重量/kg轴承代号其她尺寸/mm安装尺寸/mmdDBCrCor脂油W≈N型EdDBrminrmindminDmaxrmaxrmax1402103315822028004N1028192———21.1149—2125042302415180024009.1N2282211792081133154—2.52.5250684387001800240015N22282211792081133154—2.52.530062545690160022N3282601962411544158—333001028251180160037N23282601922521544158—3336082845102014001800—N428304——1855162—443.7本章小结主传动是镗孔专机重要动力某些，控制主轴旋转完毕镗孔平端动作。本章重要简介了主轴电机、链轮选取计算以及轴尺寸设计与强度、刚度校核。进行了键选取与校核和轴承选取，拟定了减速器型号，锻炼了自己独立思考以及查阅文献和《机械设计手册》能力。完毕了本设计核心内容。第四章系统重要构造设计4.1夹具设计4.1.1机床夹具基本规定机床夹具必要满足下列基本规定：1、保证工件加工精度。保证加工精度核心，一方面在于对的地选定定位基准、定位办法和定位元件，必要时还需进行定位误差分析，还要注意夹具中其她零部件构造对加工精度影响，注意夹具应有足够刚度，多次重复使用夹具还应注意有关元件强度和耐磨性，保证夹具能满足工件加工精度规定。2、提高生产效率。专用夹具复杂限度应与生产大纲相适应，应尽量采用各种迅速高效装夹机构，保证操作以便，缩短辅助时间，提高生产效率。3、工艺性能好。专用夹具构造应力求简朴、合理，便于制造、装配、调节、检查、维修等。专用夹具制造属于单件生产，当最后精度由调节或修配保证时，夹具上应设立调节和修配构造。4、使用性能好。专用夹具操作应简便、省力、安全可靠。在客观条件容许且又经济合用前提下，应尽量采用气动、液压等机械化夹紧装置，以减轻操作者劳动强度。专用夹具还应排屑以便，必要时可设立排屑构造，防止切削破坏工件定位和损坏刀具，防止切屑积聚带来大量热量而引起工艺系统变形。5、经济性好。专用夹具应尽量采用原则元件和原则构造，力求构造简朴、制造容易，以减少夹具制导致本。因而，设计时应依照生产大纲对夹具方案进行必要技术经济分析，以提高夹具在生产中经济效益。4.1.2夹具构造设计镗孔专机采用专用夹具，规定加工时工件被严格夹紧且由于加工石墨电极尺寸不同，夹具应当能作出调节，因此本专机对夹具规定较高7。方案一，四点定位方式；其构造如图4.1所示。1.托料架2.加工工件3.夹板4.夹具增高块5斜夹具6.液压缸图4.1夹具构造工作过程为：液压缸推动有关机构使夹具夹紧工件，如果工件尺寸变化，则可拆卸或者更换夹具增高块5，来完毕250600mm不同直径加工。方案二，三点定位方式；采用直夹具与斜夹具组合形式，其构造如图4.2所示。图4.2夹具构造方案比较：由于实际加工时铣削力较大，方案一采用双斜夹具构造定位精度差，工件位置容易发生变动，当小件加工时，不能夹紧工件，因此无法满足加工质量规定。方案二，采用斜夹具与直夹具组合形式，克服了方案一缺陷，可以满足小件加工时夹紧，因此采用方案二。4.2夹紧装置传动机构设计4.2.1夹紧装置规定（1）夹紧过程不得破坏工件在夹具中占有定位位置。（2）夹紧力要恰当，既要保证工件在加工过程中定位稳定性，又要防止因夹紧力过大损伤工件表面或使工件产生过大夹紧变形。（3）操作安全、省力。（4）构造应尽量简朴，便于制造，便于维修。4.2.2夹紧装置传动机构设计方案镗孔专机夹紧装置采用两个同步液压缸带动齿轮齿条机构运动，齿条上装有固定板，固定板与滑台采用螺栓连接，齿轮齿条机构运动带动固定板在滑台上移动，固定板上装有夹具，从而完毕工件夹紧。采用此构造长处：传动可靠平稳，有较高同步性。4.2.3传动装置构造依照4.2.2设计方案设计传动装置构造1415，如图4.3所示。1.导轨2.齿轮齿条3.固定板4.夹具5.圆螺母6.止动垫圈图4.3夹紧装置传动机构构造图4.3托举机构设计托料架属于支撑件，支承件是设备基本构件，涉及床身、横梁、摇臂、底座、刀架、工作台、箱体和升降台等。这些件普通都比较大，因此也称大件16。支承件种类繁多。按构造方式可分为机座类、箱壳类、机架类、平板类；按构造可分为整体式和装配式；按制造办法可分为锻造式、焊接式、螺栓式和组合式；按力学模型可分为杆系构造、板壳构造和实体构造；按材质可分为金属支承件和非金属支承件，非金属支承件又可分为混凝土支承件、花岗岩支承件及塑料支承件等。4.3.1支撑件功用支承件功用重要有：（1）支承和安装机器各某些零部件，并承受各种静态力（重力）及动态力（切削力）。（2）保证各零部件之间相对位置精度和运动部件运动精度。（3）用作电气箱或液压油、润滑油、切削液储存器。（4）独立完毕某些功能，如货架、托架、工作台等。4.3.2对支撑件基本规定（1）应具备足够静态刚度和较高动态刚度。后者在很大限度上反映了设计合理性。（2）应具备较好动态特性。这涉及较大位移阻抗（动刚度）和阻尼；与其她部件相配合，使整机各阶固有频率不致与激振频率相重叠而产生共振；不会发生薄壁振动而产生噪声等。（3）支承件应设计得使整个设备热变形较小。（4）应当排屑畅通，吊运安全，并具备良好工艺性以便于制造和装配。4.3.3支撑件设计环节支承件构造形状十分复杂，受力条件也很复杂，难以进行符合实际状况简化理论计算。因而，设计时一方面依照其使用规定进行受力分析，另一方面依照所受力和其她规定，并参照既有设备同类型件，初步决定其形状和尺寸。对重要支承件，在初步选定其形状与尺寸后，可用有限元法，借助计算机进行验算或进行模型实验，求得其静态和动态特性，并据此对设计进行修改或对几种方案进行对比，选取最佳方案。4.3.4支撑件构造设计支承件性能对整个设备性能影响较大，支承件重量占设备总重80%以上。因而，应当对的进行支承件构造设计，并对重要支承件进行必要验算和实验，使支承件能满足它基本规定，并在这个前提下尽量节约材料。支承件变形普通涉及三个某些：自身变形、局部变形和接触变形。因而，支承件构造设计重要依照满足刚度条件进行。支承件刚度涉及三个方面：（1）支承件自身刚度重要指支承件自身变形。抵抗自身变形能力称为支承件自身刚度。支承件所受载荷，重要是拉伸、压缩、弯曲和扭转四种。其中弯曲和扭转是重要，对精度影响也较大。因而，支承件自身刚度重要应考虑弯曲刚度和扭转刚度。自身刚度重要取决于支承件材料、构造、形状、尺寸和隔板布置等。自身刚度当前已可用有限元法借助计算机进行计算。（2）支承件局部刚度支承件上与其她零件或地基相连某些刚度称为局部刚度。局部变形发生在载荷集中地方。局部刚度重要取决于受载部位构造和尺寸。（3）支承件接触刚度抵抗连接处变形能力称为接触刚度。两个平面接触，由于两个面都不是抱负平面，而有一定宏观不平度，因而接触面积只是名义接触面积一某些。接触刚度与构件自身刚度有两方面不同：接触刚度是平均压强与变形之比；接触刚度不是一种固定值，它与接触面之间压强关于。因而，在进行构造设计时，必要综合地考虑上述三种引起变形因素，一方面采用办法提高支承件自身刚度，另一方面设法提高连接处接触刚度和局部刚度。4.3.5镗孔专机对托举机构规定镗孔专机规定托举机构稳定，可以承受工件重量，满足强度、刚度规定，工件在托料架上时平稳，无转动，对中性良好。托举机构可以进行位置调节以满足不同工件与主轴同轴度规定。4.3.6托举机构构造设计依照上述支撑件设计环节、规定及本专机对托举机构规定，设计出托举机构构造如图4.4所示。1.螺纹支撑住2.导向柱3.导向套4.旋转螺母5.V型支撑架6.支撑住顶板图4.4托举机构当加工工件尺寸发生变化时，手动调节旋转螺母4，可以使V型支撑架上下移动以满足工艺规定。4.3.7托举机构材料选取托举机构重要材料为铸铁和钢。1．铸铁铸铁锻造性能好，可以锻造构造形状复杂支承件，价格便宜，应用广泛。如果导轨与支承件铸为一体，则铸铁牌号依照导轨规定选取。如果导轨为镶装上去，或者支承件上没有导轨，则普通可用HT100,HT150，HT200，HT250，HT300等，还可用球墨铸铁QT450-10，QT800-02等。2．钢铸钢弹性模量较大，强度不不大于铸铁，抗拉和抗压强度接近。但铸钢工艺性能不如铸铁。普通状况下要用铸铁，只有在支承件强度高、刚度大且形状不复杂时才考虑用铸钢。惯用材料有ZG200-400、ZG270-500等。如果支承件由型钢和钢板焊接，则惯用Q235钢或Q275钢。3．铝合金铝合金密度只有铁1/3，有些铝合金还可以通过热解决进行强化，提高铝合金力学性能。对于有些对总体重量规定较小设备，为了减小其重量，它支承件可考虑使用铝合金。惯用牌号有ZAISi7Mg,ZAISi2Cu2Mg1等。4．非金属非金属材料重要有混凝土、天然岩石及陶瓷等。混凝土密度是钢1/3，弹性模量是钢1/10-1/15，其阻尼很大，刚度也较高，成本低，合用于受载面积大、抗振规定较高支承件。天然岩石及陶瓷支承件膨胀系数小，热稳定性能好，残存应力小，性能稳定，精度保持性好。综上所述，V型块采用Q235，导向套采用HT300材料，螺母和导向柱采用45钢。4.4本章小结本章重要对鑫源碳素镗孔专机重要构造进行了设计，涉及夹具、夹紧装置传动机构、托举机构设计。通过本章设计，完善了设计内容，明确了设计过程中应当注意问题，设计是一种重复过程，锻炼了自己理论联系实际能力。第五章丝杠选取5.1滚珠丝杠传动特点（1）传动效率高普通滚珠丝杠副传动效率达90%-95%，耗费能量仅为滑动丝杠1/3。（2）运动平稳滚动摩擦系数接近常数，启动与工作摩擦力矩差别很小。启动时无冲击，预紧后可消除间隙产生过盈，提高接触刚度和传动精度。（3）工作寿命长滚珠丝杠螺母副摩擦表面为高硬度、高精度，具备较长工作寿命和精度保持性。寿命约为滑动丝杠副4—10倍以上。（4）定位精度和重复定位精度高由于滚珠丝杠副摩擦小、温升小、无爬行、无间隙，通过预紧进行预拉伸以补偿热膨胀。因而可达到较高定位精度和重复定位精度。（5）同步型好用几套相似滚珠丝杠副同步传动几种相似运动部件，可得到较好同步运动。（6）可靠性高润滑密封装置构造简朴，维修以便。（7）不能自锁用于垂直运动时，必要在系统中附加自锁或制动装置。（8）制造工艺复杂滚珠丝杠和螺母等零件加工精度、表面粗糙度规定高，故制导致本较高。5.2滚珠丝杠工作原理和构造丝杠和螺母螺纹滚道间装有承载滚珠，当丝杠或螺母转动时，滚珠沿螺纹滚到滚动，则丝杠与螺母之间相对运动时下产生滚动摩擦，为防止滚珠从滚道中滚出，在螺母螺旋槽两端设有回程引导装置，它们与螺纹滚道形成循环回路，是滚珠在螺母滚到内循环。滚珠丝杠副中滚珠循环方式有内循环和外循环两种：（1）内循环内循环方式滚珠再循环过程中始终与丝杠表面保持接触，在螺母侧面空内装有接通相邻滚道反向器，运用反向器引导滚珠越过丝杆螺纹顶部进入相邻滚道，形成一种回路。普通在同一螺母上装有24个滚珠用反向器，并沿螺母圆周均匀分布。内循环方式长处是滚珠循环回路短、效率高、螺母径向尺寸也较小。其局限性之处是反向器加工困难、转配调节也不以便。（2）外循环外循环方式中滚珠在循环返向时，离开丝杠螺纹滚到，在螺母体内或体外做循环运动。从构造上看，外循环有如下三种形式，即螺旋槽式、插管式和端盖式。因此，滚珠丝杠螺母副设计一方面要选取机构类型：拟定滚珠循环方式，滚珠丝杠副预紧方式。构造类型拟定后，再计算和拟定其她参数，涉及：公称直径d、导程L0、滚珠工作圈数j、列数k、精度级别等。因而，此机床采用内循环式滚珠丝杠副，并且采用有法兰双螺帽方式。滚珠丝杠副预紧方式选用双螺母垫片式预紧方式。滚珠丝杠副已经原则化，因而，滚珠丝杠副设计归结为滚珠丝杠副型号选取。5.3滚珠丝杠选取计算5.3.1进给率引力Fm计算作用在滚珠丝杠上进给率引力重要涉及切削时走刀抗力以及移动件重量和切削分力作用在导轨上摩擦力。因而其数值大小和导轨型式关于。对于本专机进给率引力Fm可按下式计算(5.1)式中FZ——切削分力；M——主轴上扭矩；dz——主轴直径；f——轴套和轴架以及主轴键上摩擦系数；f=0.15。已知主轴直径dz=140mm，FZ=FC=5456N，M=682Nm，因此(5.2)5.3.2最大动载荷C计算选用滚珠丝杠副直径时，必要保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，在一定滚道上不产生点蚀现象，这个轴向负载最大值即称为滚珠丝杠能承受最大动负载C，可用下式计算：(5.3)式中L——使用寿命，以106转为一单位；fw——运转系数，见下表5.1表5.1运转系数运转状态运转系数无冲击运转1.0~1.2普通运转1.2~1.5有冲击运转1.5~2.5(5.4)式中n——丝杠转速（rminT——0h；(5.5)式中VS——最大车削力条件下进给速度（mminL0——丝杠导程（mm）。(5.6)式中Vmax——最进给速度，这里Vmax=9mminNmax——伺服电机最高转速，所选伺服电机型号为175SJT-M220B，额定功率：3.5kW；额定转矩：22N·m；额定转速：1500r/min；最高转速为r/min。因此这里Nmax=r/min。(5.7)取L0=5mm。(5.8)(5.9)(5.10)(5.11)5.3.3滚珠丝杠选取依照以上计算及性能、价格方面综合考虑，选用型号为FDIC滚珠丝杠，其重要参数如下表所示：表5.2滚珠丝杠参数丝杆尺寸钢珠直径循环圈数基本额定负荷kgf螺帽法兰配合螺丝孔外径导程Ca(动负荷)Co(静负荷)Dg6LATWGHSXYZ4084.762321205720601219316763672209148.542720762013463850114301725083.9694301096107013611318904284201117.511.05365011576426014420174查表5.2，依照最大动载荷C，选取丝杠型号为：R50—8T4—FDIC—1000—1200—0.018R，其参数为：丝杆公称直径50mm，导程8mm，每个螺帽回流盖数4，1个螺帽组，型号为FDIC内循环滚珠丝杠，螺纹长度1000mm，丝杠全长1200mm，精度级别0.018，转造级。5.4滚珠丝杠效率计算依照《机械设计手册》第三卷，对于单线丝杠，导程L0=P=8mm，故螺旋升角为：(5.12)式中：d2为螺纹中径；因此(5.13)丝杠效率：=(5.14)——摩擦角约等于10′。=(5.15)5.5刚度验算滚珠丝杠工作时受轴向力和扭矩作用，它将引起导程L0变化，因滚珠丝杠受扭时引起导程变化量很小，可忽视不计，故工作负载引起导程变化量21(5.16)式中——弹性模数，对钢，；——滚珠丝杠截面积（）（按丝杠螺纹底径拟定）(5.17)“＋”用于拉伸时，“－”用于压缩时。(5.18)丝杠1m长度上导程变形总误差。(5.19)该丝杠容许螺距误差为15m/m，故精度足够。5.6压杆稳定性校核滚珠丝杆普通属于受轴向力细长杆，若轴向力工作负荷过大，将使丝杆失去稳定而产生纵向屈曲，即失稳。因此有必要对压根进行稳定性校核，由于丝杆属于两端均固定杆，依照表5.3所示22。表5.3压杆长度因数表杆端约束状况两端铰支一端固定另端自由一端固定一端铰支两端固定长度因数1.02.00.70.5丝杆惯性半径为(5.20)已知丝杠长度l=1000mm，材料为45钢，规定稳定安全系数为2.54，这里取nst=3。丝杆柔度为(5.21)45钢s=60，p=10022，此丝杠柔度不大于s，属于小柔度杆，因此无需校核，稳定性足够。5.7本章小结滚珠丝杠副是由滚珠、丝杠、螺母等构成机械元件，是将回转运动直接转化为直线运动或将直线运动转化为回转运动抱负产品，是对老式丝杠进一步发展。本章重要对滚珠丝杠进行了选型计算及校核，通过本章，完毕了进给系统中重要一某些设计。第六章导轨选取导轨是两个相对运动部件结合面构成滑动副，普通由机床支撑部件（床身，立柱，横梁）和执行部件（主轴箱，溜板箱，刀架）匹配而成。导轨是机床重要部件之一，它在很大限度上决定机床刚度，精度与精度保持性。6.1导轨重要功能导轨重要功能对支撑部件起承载作用；对执行部件起引导作用。对于机床导轨功能规定如下：支撑作用；车床导轨本体变形，其弯曲变形占床身总变形25%以上；导轨面接触变形，对于卧式镗床，主轴箱体与立柱导轨面接触变形，将占镗床各大件总变形5%-15%.因此，通过减小导轨本体刚性变形，是提高导轨工作精度一种重要方面。因而要把导轨与机床整体设计联系起来。导向作用;从运动学角度来讲，导向作用要导轨副设立5个自由度约束，只容许上导轨有一种拟定自由度，即直线度或圆度。从机床整体功能出发，导轨导向精度，涉及导轨几何精度，接触精度及精度保持性；运动和定位精确性，平稳性，灵活性等规定。6.2导轨基本形式导轨基本形式见下图6.1所示。图6.1导轨基本形式三角形导轨：该导轨磨损后能自动补偿，故导向精度高。它截面角度由载荷大小及导向规定而定，普通为90°。为增长承载面积，减小比压，在导轨高度不变条件下，采用较大顶角（110°～120°）；为提高导向性，采用较小顶角（60°）。如果导轨上所受力，在两个方向上分力相差很大，应采用不对称三角形，以使力作用方向尽量垂直于导轨面。矩形导轨：长处是构造简朴，制造、检查和修理以便；导轨面较宽，承载力较大，刚度高，故应用广泛。但它导向精度没有三角形导轨高；导轨间隙需用压板或镶条调节，且磨损后需重新调节。燕尾形导轨：燕尾形导轨调节及夹紧较简便，用一根镶条可调节各面间隙，且高度小，构造紧凑；但制造检查不以便，摩擦力较大，刚度较差。用于运动速度不高，受力不大，高度尺寸受限制场合。（此数控车床刀架在溜板滑动选用这种导轨形式）。圆形导轨：制造以便，外圆采用磨削，内孔珩磨可达精密配合，但磨损后不能调节间隙。为防止转动，可在圆柱表面开键槽或加工出平面，但不能承受大扭矩。宜用于承受轴向载荷场合。惯用导轨组合形式三角形和矩形组合：这种组合形式以三角导轨为导向面，导向精度较高，而平导轨工艺性好，因而应用最广。这种组合有V-平组合、棱-平组合两种形式。V-平组合导轨易储存润滑油，低、高速都能采用；棱-平组合导轨不能储存润滑油，只用于低速移动。为使导轨移动轻便省力和两导轨磨损均匀，驱动元件应设在三角形导轨之下，或偏向三角形导轨。本数控车床选取此类构造。矩形和矩形组合：承载面和导向面分开，因而制造和调节简朴。导向面间隙用镶条调节，接触刚度低。见图6.2所示。图6.2用镶条调节导向面间隙双三角形导轨：由于采用对称构造，两条导轨磨损均匀，磨损后对称位置位置不变，故加工精度影响小。接触刚度好，导向精度高，但工艺性差，四个表面刮削或磨削也难以完全接触，如果运动部件热变形不同，也不能保证四个面同步接触，故不适当用在温度变化大场合。6.3间隙调节为保证导轨正常工作，导轨滑动表面之间应保持恰当间隙。间隙过小，会增长摩擦阻力；间隙过大，会减少导向精度。导轨间隙如依托刮研来保证，要废很大劳动量，并且导轨通过长期使用后，会因磨损而增大间隙，需要及时调节，故导轨应有间隙调节装置。矩形导轨需要在垂直和水平两个方向上调节间隙。在垂直方向上，普通采用下压板调节它低面间隙，其办法有：1）刮研或配磨下压板结合面；2）用螺钉调节镶条位置；3）变化垫片片数或厚度。在水平方向上，燕尾形导轨惯用平镶条或斜镶条调节它侧面间隙。见图6.3所示。图6.3用斜镶条调节燕尾形导轨侧面间隙圆形导轨间隙不能调节。因而，鑫源炭素镗孔专机两端动力头处存在导轨，用于支撑动力头进行加工运动以完毕工艺规定，动力头处选取燕尾型导轨，其型号为：JSA-LG55ZL2F221000-2J，该导轨足以满足强度、刚度规定。6.4导轨润滑润滑目、规定与方式：润滑目是为了减少摩擦力、减少磨损、减少温度和防止生锈。润滑规定供应导轨清洁润滑油。油量可以调节。尽量采用自动和强制润滑。润滑元件要可靠。要有安全装。例如静压导轨在未形成油膜之前不能开车和润滑不正常有报警信号等。导轨润滑方式有诸多。可以人工定期向导轨面浇油。此法简朴易行，但不能经常保证足够润滑。也可在运动部件上装油杯，使油沿油孔流或滴向导轨面，也可在运动导轨面上装润滑电磁泵。或手动润滑油泵，定期拉动几下供油。为使润滑油在导轨面上较均匀分布，保证润滑效果，需在导轨面上开出油沟。6.5润滑油选取导轨惯用润滑剂有润滑油和润滑脂，滑动导轨用