精密超声铣床的设计——总体方案及超声主轴箱设计

机械/机电/模具/数控毕业、课程设计QQ_2947387549 现成资料CAD/Proe/Solidworks图，另可定制摘 要当今各种先进材料在航空航天、化工、军事、机械、电子电器以及精密制造领域得到了日益广泛的应用。但是,对于这些材料,如具有高强度、高硬度、高脆性的先进陶瓷材料,利用传统的机械加工方式进行加工,加工困难且无法满足对加工的要求。超声加工技术是一种将超声振动运用于精密或超精密加工的技术，特别是在超硬材料、复合材料的难加工方面显示出优越性，具有低切削力、低切削温度、低的表面粗糙度，被加工零件有良好的耐磨性、耐腐蚀性。因此精密超声铣床将会制造出质量更加优异的产品。本文设计分析了超声精密铣床的发展现状和研究超声精密铣床的意义及超声精密铣床机构尺寸对铣床性能的影响。设计内容主要包括了总体方案及超声主轴箱设计，进给箱设计，液压系统和超声部分设计。关键词：精密铣床 超声装置AbstractTodays various advanced materials in the aerospace industry, chemical industry, military, mechanical, electronic electric appliance and precision manufacturing areas to be more widely used. But, for these materials, such as high strength, high hardness and high brittle advanced ceramic materials, using the traditional mechanical processing way, processing difficult and can meet the requirements of processing. Ultrasonic machining technology is a kind of ultrasonic vibration used in precision or ultra-precision processing technology, especially in superhard materials, composite materials processing hard showed superiority, with low cutting force, low temperature and low cutting the surface roughness, be processing components have good wear resistance and corrosion resistance. So precision ultrasound milling machine will create quality more excellent products.This paper analyzes the design of ultrasonic precision milling machine development present situation and research the significance and the ultrasonic precision milling machine ultrasonic precision milling machine dimensions of the institutions influence on the performance of the milling machine. Design content mainly includes the overall scheme and the ultrasonic spindle box design, the box design, hydraulic system and ultrasonic part of the design.Key words: precision milling machine Ultrasound device目录1 绪论51.1 机床制造业的发展51.1.1 金属切削机床及其在国民经济中的地位51.1.2 世界机床业的发展态势51.2 超声波相关技术概述71.2.1 超声加工的提出及其分类71.2.2 超声加工的发展91.2.3 旋转超声加工的特点及优势121.2.4 旋转超声加工的应用141.3 超声波加工机床的发展171.4 设计的目的及任务192 总体方案设计202.1 总体方案概述202.2 总体布局212.3 传动系统方案设计232.4 主要参数确定242.5 主轴箱设计方案263 拟定主传动系统及运动设计计算283.1 标准公比及模数的选择283.2.拟定主传动选择283.3 转速图确定303.3.1 选定电动机303.3.2 分配总降速传动比303.3.3 确定传动轴的轴数303.3.4 结构网的选择313.3.5 画转速图313.4 计算转速的确定333.5 主传系统的结构设计343.5.1 变速机构选择343.5.2 齿轮的布置与排列353.6 V带传动的计算373.7 齿数的确定403.7.1确定齿轮齿数的原则和要求403.7.2 齿轮齿数的确定413.7.3 齿轮齿数检验423.7.4齿轮具体值确定433.8 各轴直径的估算443.9传动件校检473.9.1齿轮的校检473.9.2传动轴的校检493.9.3轴承疲劳强度校核523.10主轴箱的箱体533.11 润滑与密封55结束语56致 谢58参考文献591 绪论1.1 机床制造业的发展1.1.1 金属切削机床及其在国民经济中的地位金属切削机床(Metal cutting machine tools) 是用切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器。它是用来制造机器的机器,所以又称为“工业母机”或“工具机”(machinetools) ,习惯上简称为机床。金属切削机床是用来加工机器零件的主要设备,约占机器总制造量的40 %60 %。机械制造工业肩负着为国民经济各部门提供现代化技术设备的任务,是国民经济各部门赖以发展的基础,而机床工业则是机械制造工业的基础,一个国家机床工业的技术水平在很大程度上标志着这个国家的工业生产能力和科学技术水平。所以,金属切削机床在国民经济现代化建设中起着重要的作用。1.1.2 世界机床业的发展态势全球机床市场在1994 年跌至谷底后,便一路上扬。据美国Gardner Publication 公司最新统计资料显示,到目前为止,全球机床产值已达到50 亿美元左右,从世界机床值的统计来看,机床生产十分集中,仅日本与德国就占世界总产值的43. 1 %左右。目前世界机床业中,日本为第一生产国,占总额的22 % , 其它依次为德国21 % , 美国13 % , 意大利11 % ,瑞士6 % ,中国台湾7 % ,中国3 % ,西班牙2. 8 % ,英国2. 7 % ,各国机床制造业的特点如下:（1）日本日本大量制造的是通用型机种,比较受各国中小型公司的欢迎。其切削机床与成型机床比例为85 :15 ,日本机床业的特点是具有高生产力、高弹性且利润较高的精简式制造系统,在亚洲市场占有明显的优势。（2） 德国切削机床与成型机床比例为70 :30 。其机床产品特点是精度高、专用性强,通常能根据各行业客户的特殊要求而特别设计制造,整个机床产业约350 家机床制造商,以中小型企业为主,其用户主要集中在国内一些传统的工业结构上,如汽车制造业、机械业、电机等行业中。（3）美国美国为世界技术进步的领头羊,其机床业的发展方向也是世界机床业今后的发展趋势。目前,由电脑控制,高精度且具有优异切割性能的激光加工机床的需求不断上升,已成为美国机床市场的后起之秀,美国机床产品的需求主要来自对精度要求极高的航空及其高科技产业,其切削机床与成型机床的比71 :29 。（4） 中国中国目前批量生产的产品均为由传统的电器、液压控制的通用机床,大部分还是在20 世纪七、八十年代开发的,特点是性能良好,基本机械机构合理,但控制和驱动方式落后,仍然属于中、低档产品,机床加工精度能满足各类零件的精加工要求。今后通用机床的发展方向应是抓住“入世”机遇,降低生产成本,提高产品质量,积极主动地参与质量体系国际认证,努力提高产品竞争力。而目前国内机床行业的数控机床主要有仿制产品和技术引进产品两大类,仿制产品一般是结构原理与国外机床相同,只是在局部功能与外形尺寸上有一些较大的变动。而技术引进产品则多数采用了国外进口的数控系统,测量仪器及轴承、滚珠、丝杠等配套件,如上海机床行业曾投资近4 亿元人民币进行大规模技术改进,引进了加工中心制造技术(德国Norte) ,数控磨床制造技术(美国Landis) 等。该类机床目前正处于消化吸收阶段,生产规模尚未达到经济批量,所以中国的机床产业今后的努力方向应为加快技术创新,优化组织结构,调整产业结构,提高产品技术档次和质量,努力开发高技术含量和高附加值的机床产品。1.2 超声波相关技术概述1.2.1 超声加工的提出及其分类随着生产发展和科学实验的需要，很多工业部门，尤其是宇航、国防工业部门要求产品向高精度、高速度、高温、高压、大功率、小型化等方向发展，所用的材料愈来愈难加工，如硬质合金、钛合金、耐热钢、不锈钢、淬硬钢、金刚石、宝石、石英以及钨、硅等各种高硬度、高强度、高韧性、高脆性的金属及非金属材料的加工；工件形状愈来愈复杂，精度、表面租糙度和某些特殊要求也愈来愈高。传统的切削加工的本质和特点：一是刀具材料比工件更硬；二是靠机械能把工件材料切除。但当工件材料愈来愈硬，零件结构愈来愈复杂的情况下，原来行之有效的方法转变成限制生产率和影响加工质量的不利因素。于是人们开始探索、发掘用软的工具加工较硬的工件材料，不仅用机械能而且还采用电、化学、光、声等能量来进行加工的特种加工方式，超声加工技术就是在此背景下发展起来的。采用超声加工，可以对上述难加工进行经济加工，如图1-1 所示。实践证明超声加工在硬脆性材料加工方面是仅次于磨削加工的一种高效加工方法。超声技术在工业中的应用开始于上个世纪10到20年代，以经典声学理论为基础，同时结合电子技术、计量技术、机械振动、相关技术和材料学等学科领域的成就发展起来的一门综合技术。超声技术的应用领域可划分为功率超声和检测超声两大领域。其中，功率超声是利用超声超声加工超声磨料加工超声复合加工游离磨料超声加工固结磨料超声加工超声孔加工套料超声研磨抛光超声成型加工超声电化学超声去毛刺超声砂带抛光超声放电研磨超声磨削、铣削旋转超声加工（超声磨、铣、钻等）超声电化学超声振动切削超声塑性加工超声放电加工（磨、铣等）图1-1 超声加工分类振动形成的能量使物质的一些物理、化学和生物特性或状态发生改变，或者使这种状态改变加快的一门技术。超声技术在机械加工方面的应用按其加工工艺特征，大致分为两类，如图1-1所示。一类是带磨料的超声磨料加工（包括游离磨料和固结磨料），另一类是采用切削工具（如车刀、冲头、压头、钻头、砂轮、铣刀）与其它加工方法相结合形成的超声复合加工，其分类繁多。旋转超声加工包括超声磨削、超声铣削、超声钻孔、超声套料、超声螺纹加工等。本次设计的超声铣床属于后者（超声复合加工）中的旋转超声加工。1.2.2 超声加工的发展1927 年，美国物理学家伍德和卢米斯最早作了超声加工试验，利用超声振动对玻璃板进行雕刻和快速钻孔。但当时并未应用在工业上，直到在大约1940 年在工业文献上第一次出现了有用的超声加工（USM）工艺技术描述。从那时以来，超声机械加工一直吸引了大量的注意，并且逐渐步入相当广泛的工业领域。1951 年，美国的科恩制成第一台实用的超声加工机。在1953-1954 年，第一个超声机械工具已经建立起来，它多数是基于钻和铣的机器。在大约1960 年左右，已经看到了各种用途、各种类型和加工尺寸的超声机械加工工具，并且某些型号已经开始进入正常生产USM 提供了比常规机械加工技术更多的优点。导电和非导电材料都可以加工，并且复杂的三维轮廓也可以象简单形状那样快速加工。此外，加工过程不会产生有害的热区域，或不会在工件表面带来化学/电气变化，在工件表面上所产生的有压缩力的残余应力可以增加被加工零件的高周期性疲劳强度。然而，在USM中，必须供给泥浆并且要将泥浆从工具和工件之间的间隙中清除。因此，材料的去除速率相当慢，甚至于在切削深度增加时停止工作。在磨粒及切屑混合液返回表面时，也可能磨损已加工孔壁的边墙，这就限制了精度，尤其是小孔加工。此外，磨料泥浆还要磨蚀工具本身，它将引起工具端面及径向的大量磨损，进而，很难保证加工精度。继而，1964年，英国人P. Legge 提出使用烧结或电镀金刚石工具的超声旋转加工的方法，克服了一般超声加工深孔时，加工速度低和精度差的缺点。在第一台旋转超声机械加工装置中，没有采用磨粒液泥浆，而是用一个充满了金刚石的振动工具来加工旋转工件。然而，由于工件是被夹在一个旋转的4爪卡盘上，只能加工圆孔。后来出现了一种旋转超声换能器的机器。旋转换能器使它可能精确地加工工件达到公差允许范围。结合不同形状工具的使用，其工作范围可以扩大到端部研磨，T形开槽，楔形切割，螺纹和内、外圆研磨等。到目前为止，英、美、苏、法、日、中等国家己对超声旋转加工方法作了一些研究，包括设备研制和工艺研究。英国Kerry超声公司研制生产“Sonicmill”落地式超声旋转加工机。前苏联莫斯科航空工艺研究所在20世纪60年代就生产出带磨料的超声波钻孔机床。法国Extrude Hone 公司生产销售SoneX 型旋转超声加工机。瑞士Erosonic AG公司生产销售Erosonic US400/US800 型旋转超声加工机。日本超声波工业公司开发了体积小、重量轻、刚度大、可安装在金属切削机床的USSP系列超声波主轴系统。日本超音波工业株式会社于1994年研制新型UMT-7 三座标数控超声旋转加工机，机床功率450W，工作频率20KHz，可在玻璃上加工孔径1.6mm、深150mm 的深小孔，其圆度可达0.005mm，圆柱度为0.02mm。日本还研制成一种新型“纵-弯”型振动系统，并已在手持式超声复合振动研磨机上成功应用。该系统压电换能器采用半圆形压电陶瓷片产生来“纵-弯”型复合振动。日本金泽工业学院的研究人员研制了加工硬脆材料的超声低频振动组合钻孔系统。将金刚石中心钻的超声振动与工件的低频振动相结合，制造了一台组合振动钻孔设备，该设备能检测钻孔力的变化以及钻孔精度和孔的表面质量，并用该组合设备在不同的振动条件下进行了一系列实验。实验结果表明，将金刚石中心钻的超声振动与工件的低频振动相结合是加工硬脆材料的一种有效方法。在美国，利用工具旋转同时作轴向振动进行孔加工已取得了较好的效果。美国Branson 声能公司先后制成UMT-3 和UMT-5 两种超声旋转加工机。UMT 的主轴旋转精度0.0010002 英寸，转速为05000 转/分，工具的最大尺寸为38 毫米，在玻璃板上已加工出直径1.6 毫米深达305 毫米和直径1 毫米深300 毫米的孔。美国堪萨斯州立大学提出了一种超声旋转加工陶瓷材料去除率模型的计算方法，并将其应用到氧化锆陶瓷的加工中，确定了材料去除率和加工参数之间的关系，该研究大大推动了陶瓷材料旋转加工技术的发展。在第八届中国国际机床展览会（CIMT2003）上，德国DMG 公司展出了其新产品DMS35 Ultrasonic 超声振动加工机床，该机床主轴转速300040000r/min，特别适合陶瓷、玻璃、硅等硬脆材料的加工。与传统加工方式相比，生产效率提高5 倍，加工表面粗糙度Ra0.2m，可加工0.3mm 精密小孔，堪称硬脆材料加工设备性能的新飞跃。国内机电部第十一研究所范国良等人研制的用于加工YGA 激光晶体棒的T3030-3/ZV 超声旋转加工实验样机，已成功用于YAG 激光晶体棒的成行加工。该机工作频率7-22KHz，功率400W，加工晶体棒直径310mm，加工精度：圆度8不允许 18=3 3 2 符合 即方案有18=9 2 18=3 3 2 在2种方案中： 方案中，有三根轴，11对齿轮，轴向齿轮组过大方案中，有四根轴，8对齿轮 因此比较可选择方案。3.3 转速图确定3.3.1 选定电动机 一般金属切削机床的驱动，如无特殊性能要求，多采用Y系列封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机。Y系列电动机高效、节能、起动转矩大、噪声低、振动小、运行安全可靠。根据机床所需功率选择Y132S2-4，其同步转速为1440/min。3.3.2 分配总降速传动比总降速传动比为u=30/15000.02,nmin为主轴最低转速，考虑是否需要增加定比传动副，以使转速数列符合标准或有利于减少齿轮和及径向与轴向尺寸，并分担总降速传动比。然后，将总降速传动比按“先缓后急”的递减原则分配给串联的各变速组中的最小传动比。又知=1.26，则18级转速分别为30、37.5、47.5、60、75、95、118、150、190、235、300、375、475、600、750、950、1180、1500.3.3.3 确定传动轴的轴数 传动轴数变速组数+定比传动副数+1=43.3.4 结构网的选择在18332中。又因基本组和扩大组排列顺序的不同而有不同的方案。在这些方案中，可根据下列原则选择最佳方案。a 传动副的极限传动比和传动组的极限变速范围。在降速传动时，为防止被动齿轮的直径过大而使径向尺寸太大，常限制最小传动比。在升速传动时，为防止产生过大的振动和噪声，常限制最大传动比；斜齿齿轮传动比较平稳，可取。因此，变速传动组的最大变速范围一般为，当采用斜齿轮传动时可达到10。b 基本组和扩大组排列顺序。原则是选择中间传动轴变速范围最小的方案。因为如果各方案同号传动轴的最高转速相同，则变速范围小的，最低转速较高，转矩较小，传动件的尺寸也就可以小些，这就是“前密后疏”的原则。即如果没有别的要求，则应尽量使扩大顺序和传动顺序一致，即可实现前密后疏。3.3.5 画转速图电动机和主轴的转速是已定。当选定结构网或结构式后，应合理分配各传动组的传动比并确定中间轴的转速。再加上定比传动，就可画出转速图。如果中间轴的转速能高一些，传动件的尺寸也就可以小一些。通常，从电动机到主轴是降速传动，为使尺寸小的传动件多一些，所以在传动顺序上各变速组的最小传动比应采用所谓的“前缓后急”原则，即要求 但是，如果中间轴转速过高，将会引起很大的振动、发热和噪声。通常希望齿轮的线速度不超过1215。对于中型车、钻、铣等机床，中间轴的最高转速不宜超过电动机的转速。对于小型机床和精密机床，由于功率较小，传动件不会太大，这时振动、发热和噪声是应该考虑的主要问题。因此要注意限制中间轴的转速，不使其过高。 本设计所选定的结构式共有3个变速组，变速机构共需4轴。加上电动机轴共5轴。故转速图需5条竖线，主轴共18级转速，电动机轴转速与主轴最高转速相近，故需18条横线。注明主轴的各级转速。电动机轴转速也应在电动机轴上注明。中间各轴的转速可以从电动机开始往后推，也可从主轴开始往前推。通常，以往前推比较方便。变速传动组c的变速范围为，可知两个传动副的传动比必然是前文叙述的极限值：, 这样就确定了轴的9种转速只有一种可能，即为118、150、190、750r/min。同理可推定的3种转速只有一种可能，即为300、375、475r/min. 由此可作转速图，如图3-1所示。图3-1 转速图 3.4 计算转速的确定（1）主轴根据图3-1，升降台铣床主轴的计算转速是第一个的三分之一范围内的最高一级转速，即=95r/min.表3-1 各轴计算转速轴序号计算转速r/min75030011895（2）各传动轴轴上有9级转速，其最低转速是118r/min、通过双联齿轮使主轴获得两级转速:30r/min和235r/min，235r/min比主轴的计算转速高，需传递全部功率，故轴的118r/min转速也应能传递全部功率，是计算转速。以此类推，各轴的计算转速如表3-1所示。3.5 主传系统的结构设计3.5.1 变速机构选择本设计加工范围广泛，采用有级变速机构，有级变速机构有下列几种：(1) 交换齿轮变速机构 这种变速机构的变速简单，结构紧凑，主要用于大批量生产的自动或半自动机床、专用机床及组合机床等。(2)滑移齿轮变速机构 这种变速机构广泛应用于通用机床和一部分专用机床中。其优点是变速范围大，变速级数也较多，又节省时间，在较大的变速范围内可传递较大的功率和转矩，不工作的齿轮不啮合，因而空载功率损失较小等。其缺点是变速箱的构造较复杂，不能在运转中变速。为使滑移齿轮容易进入啮合，多用直齿圆柱齿轮传动，故传动平稳性不如斜齿轮传动。(3)离合器变速传动 在离合器变速机构中应用较多的有牙嵌式离合器、齿轮式离合器和摩擦片式离合器。当变速机构为斜齿或人字齿圆柱齿轮时，不便于采用滑移齿轮变速，则应用牙嵌式或齿轮式离合器变速。摩擦片式离合器可以是机械的、电磁的或液压的，特点是可在运转过程中变速，接合平稳，冲击小，便于实现自动化。采用摩擦离合器变速时，为减小离合器的尺寸，应尽可能将离合器安排在转速较高的传动轴上，而且要防止出现超速现象。 本次设计的超声铣床要求变速范围大，变速级数较多，变速也方便，因此选择滑移齿轮变速机构。3.5.2 齿轮的布置与排列 （1）滑移齿轮的轴向布置 变速组中的滑移齿轮一般布置在主动轴上，因转速一般比被动轴的转速高，可使滑移齿轮尺寸小、重量轻、操作省力。但有时由于具体结构上的考虑，需将滑移齿轮放在被动轴上；有时为了使变速操作力。便将两个变速组的滑移齿轮都放在同一根轴上。为了避免同一滑移齿轮变速组内两对齿轮同时啮合，两个固定齿轮的间距应大于滑移齿轮的总宽度，即留有一定的间隙（mm）。（2）一个变速组内齿轮轴向位置的排列 如无特殊情况，应尽量缩小齿轮轴向排列尺寸。滑移齿轮的轴向位置排列通常有窄式和宽式两种，一般窄式排列(即滑移齿轮轴向尺寸窄小)轴向长度较小。宽式排列(即滑移齿轮的轴向尺寸宽)，则占用的轴向尺寸较大，以致在相同的载荷条件下，轴径需增大，轴上的小齿轮的齿数增加，相应使齿数和径向尺寸加大。因此，我们采用窄式排列。 （3）缩小径向和轴向尺寸 为了减小变速箱的尺寸和增加齿轮传动的稳定性，既需缩短轴向尺寸，又要缩短径向尺寸，。它们之间往往