毕业设计（论文）-龙门式可换头五轴加工中心的3D设计.doc

毕 设 论 文提供全套毕业论文图纸，欢迎咨询第一章 概 述第一节 概 述五轴联动数控加工中心是数控机床产品中技术难度极高的产品，这种机床可用于复杂曲面的加工，可进行任意角度的加工，易于实现高速加工，广泛应用于航空航天、船舶工业、汽车、模具等制造领域，被发达国家列为禁止出口产品。在五轴联动数控加工中心的开发过程中，自动万能铣头是关键技术，目前国内只有很少数几个厂家正在开发和生产自动万能铣头，主要还处于搜集技术资料和研究阶段，而国外一些发达国家中，自动万能铣头已经普遍应用于立式和龙门式数控铣床以及数控加工中心，研究开发五轴加工中心要求具有较高的性能技术指标，不仅要具有多坐标复杂曲面的加工功能，而且还要满足高速度、高刚度和高精度的要求，因此，五轴联动数控加工中心的研究开发是一个难度比较高的项目。目前，我国机床行业正在致力于对这一项目的研究开发，为了尽快研制出五轴联动数控加工中心，本课题采用虚拟制造技术进行开发，在设计阶段实时并行地模拟出加工中心在实际制造过程遇到的问题，预测加工中心的各种性能以及可制造性、可装配性等，根据虚拟设计和仿真分析的结果，不断修改原始设计，将设计结果用于实际产品制造，尽量消除样机的试生产过程，使生产的第一个产品就是最优产品。本课题所研制的国产高性能五轴联动数控加工中心将填补国内空白，在我国制造业领域有着重大的应用价值。我组的毕设论文的题目是龙门式可换头五轴加工中心的3d设计，我承担其中的自动分度镗铣头的三维建模设计及装配运动仿真。在五轴联动数控加工中心中自动万能铣头是核心部件，数控加工中心性能的优劣主要看自动万能铣头的开发是否成功。自动万能铣头结构复杂，功能强，性能要求高，是数控机床产品中的高技术难度产品，同时也是难于加工出来的机械产品，并且能体现一个国家的机械加工业水平，自动万能铣头结构紧凑，加工范围大，但是可利用的设计空间很有限。因此如何在有限的空间里实现机床的动作功能和工作特性，是机床设计研究的关键技术。本课题的数据主要来源于桂林机床股份有限公司xk2316/4-5x五轴联动数控机床，1999年底，北京机械工业学院、北京航天航空大学和桂林机床股份有限公司开始共同开发研制五轴联动数控加工中心，为了使该加工中心有高精度、高速度和高刚度，该项目引进了计算机辅助设计与制造技术（cad/cam）、虚拟制造技术（vm）、网络化制造技术（nm）、计算机辅助工程技术（cae）及产品数据管理技术（pdm）等现代设计和制造技术，本课题是该项目的一部分，即虚拟制造技术在五轴联动数控加工中心开发中的使用，帮助企业以最快的速度、最好的质量和最低的成本完成该项目，赢得市场竞争。五轴联动数控加工中心基本数据：（长度单位：）：工作台面积（宽长）：16004000工作台纵向行程：4000滑枕行程： 横向：1000；纵向：2500主轴断面到工作台面的距离：最小：95；最大：1095主电机功率：28 机床主轴转速范围（rpm）：010000a（b）轴摆角100、c轴转角180、刀库容量40机床体积（长宽高）：940043003900工作台最大承受重量：10000第二节 课题的当前技术现状一、虚拟制造的技术现状： 随着计算机技术与信息技术的迅猛发展，经济全球化成为全球经济发展的必然趋势，导致了产品市场竞争国际化，在制造业中，为了能够以更短的产品开发周期（time）、最优质的产品质量（quality）、最低廉的制造成本（cost）和最好的技术支持与售后服务（service）来赢得市场与客户，加强竞争力，企业就必须提出新的制造体系和模式，使企业的生产活动具有高度的柔性。虚拟制造是90年代在计算机集成制造系统（cims）和并行工程（ce）基础上提出来的新技术。虚拟制造技术这一先进的制造技术，它是以信息技术、仿真技术和虚拟现实技术为支持，在高性能计算机及高速网络中，采用群组协同工作，通过虚拟模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题，在虚拟环境下实现产品制造的全过程，包括产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，并进行过程管理与控制。综合国内外学者们已有的观点，都认同把虚拟制造分为三类：以设计为中心的虚拟制造（design-centered vm）、以生产为中心的虚拟制造(production-centered vm)和以控制为中心的虚拟制造(control-centered vm)。其中，由于cad技术的应用和发展，以cad为基础的以设计为中心的虚拟制造得到了更快、更广泛的应用，同时，也更容易获得实际效果。尽管对虚拟制造技术的研究只有短短的几年，但它对制造业起着革命性的影响，成为制造业领域研究的热点之一。在国外，典型的例子有波音777，其整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均是在计算机上完成的，使其开发周期从过去8年时间缩短到5年。近几年，工业发达国家均着力于虚拟制造的研究与应用。在美国，美国国家标准局nist（national institute of standards andtechnology）正在建立虚拟制造环境（称之为国家先进制造实验基地national advanced manufacturing testbed）, 波音公司与麦道公司联手建立了机械设计自动化所，在德国， darmstatt技术大学 fraunhofer计算机图形研究所，加拿大的waterloo大学，比利时的虚拟现实协会等均先后成立了研究机构，开展虚拟制造技术的研究。在我国，清华大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等科研教学单位也已经开展了这一领域的研究工作目前我国虚拟制造应用的重点研究方向还是在我国传统工业的基础之上，进行产品的三维虚拟设计、加工过程仿真和产品装配仿真，主要是研究如何生成可信度高的产品虚拟样机，在产品设计阶段能够以较高的置信度预测所设计产品的最终性能和可制造性。随着研究的不断深入和相关技术的发展，在对产品性能具有高科技含量要求的行业中，如航空航天、军事、精密机床、微电子等领域，虚拟制造必将得到日益广泛的应用。在虚拟制造的应用方面，南京南分成套分析仪器有限责任公司就是典型的“虚拟制造”企业，广东东莞市推出力量虚拟制造协作网(cmc网)用于鞋业的设计与制造。二、五轴加工中心的技术现状：随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。高技术、高性能数控机床是发展国民经济和加强国防建设的重要条件，数控机床发展趋势是高精度、高速度、高效率化（精度、速度和效率是机械制造技术的关键性能指标）、柔性化、工艺复合性和多轴化、实时智能化。五轴数控机床和三轴数控加工相比，能够实现更复杂型面工件的加工，得到更好的表面加工质量。随着机床制造技术的发展，五轴机床越来越多的应用于国家重要工业的各个领域。近年来，在国外一些发达国家中，五轴联动已经普遍应用于数控滑枕铣床、数控龙门铣床和数控加工中心，实现四面和五面加工，大大提高了铣床的自动化水平和工艺范围以及工作效率，目前主要有西班牙、意大利、瑞士、德国、法国等国家，在这些国家中自动万能铣头以广泛应用于数控滑枕铣床、数控龙门铣床中，使机床达到五轴以上联动，实现四面及五面加工，由于主轴转速较高，大大提高了机床的自动化水平、加工领域和工作效率，也扩大了机床的加工范围，提高了机床的使用价值。在国内五轴联动数控加工中心的开发中，目前已有厂家开发和生产，但是对于自动万能铣头目前国内还没有厂家开发和生产，主要还处于搜集技术资料和研究阶段。在国内，通过合作生产、引进技术、合资、自主开发，数控机床取得了可喜的进步.普及型数控机床基本满足国内需要。但是，对于汽车工业、航天航空工业、船舶工业、兵器工业急需的高速、高精、复合、多轴联动的数控机床,如五轴联动的立卧转换加工中心，高速加工中心，精密加工中心，五轴龙门加工中心，高精度数控机床，高性能车削中心，高精度电加工机床等等，有的处于攻关阶段，有的正处于试制和试生产阶段，与国外同类产品相比尚有不小差距。高性能数控机床是发展我国国民经济和加强国防建设的重要条件，国际上发达国家常把它作为战略物资实行出口许可证制度，对社会主义国家实行禁运，限制其国防军事工业发展、高技术发展和综合国力的提高。近年来，高速铣及高速加工中心；五面体龙门加工中心及龙门仿型加工中心成为两大进口热点，反映了面临入世的中国机床市场需求结构升级。五轴加工中心可实现多轴结构，可用于更复杂曲面的加工，工业用途范围大，使用灵活，易于实现高速，是一些产品加工必须使用的机床设备，也是数控机床产品中的高技术难度产品。国内机床行业一直在寻求开发这种结构的加工中心。研究开发五轴加工中心要求具有较高的性能技术指标，接近国际先进水平。机床不仅要具有多坐标复杂曲面的加工功能，而且还有高速度、高刚度和高精度的要求。因此，机床的研究开发是一个难度很大的任务。第二章 技术基础第一节 虚拟制造技术为了适应变化迅速的市场需求，为了提高竞争力，现代的制造企业必须解决tqcs难题，即以最快的上市速度(t-time to market)，最好的质量(q-quality)，最低的成本(c-cost)，最优的服务(s-service)来满足不同顾客的需求。80年代初，先进制造技术以信息集成为核心的计算机集成制造系统（cims，computer integrated manufacturing system）开始得到实施；80年代末，以过程集成为核心的并行工程（ce，cocurrent engineering）技术进一步提高了制造水平；进入90年代，先进制造技术进一步向更高水平发展，出现了虚拟制造（vm，virtual manufacturing）、精益生产（lp，lean production）、敏捷制造（am，agile manufacturing）、虚拟企业（ve，virtual enterprise）等新概念。在这些诸多新概念中，“虚拟制造”引起了人们的广泛关注，不仅在科技界，而且在企业界，成为研究的热点 之一。原因在于，尽管虚拟制造的出现只有短短的几年时间，但它对制造业的革命性的影响却很快地显示了出 来，已经出现了许多成功的应用范例。二十多年来的实践证明，将信息技术应用于制造业，进行传统制造业的改造，是现代制造业发展的必由之路。由于虚拟制造系统基本上不消耗资源和能量，也不生产实际产品，而是产品的设计、开发与实现过程在计算机上的本质实现，与实际制造相比较，它具有如下主要特征： 1、高度集成 ：产品与制造环境是虚拟模型，在计算机上对虚拟模型进行产品设计、制造、测试，甚至设计人员 或用户可“进入”虚拟的制造环境检验其设计、加工、装配和操作，而不依赖于传统的原型样机 的反复修改。因此，应综合运用系统工程、知识工程、并行工程系统仿真和人-机工程等多学科先进技术， 实现信息集成、知识集成、串并行交错工作机制集成和人-机集成。2、支持敏捷制造开发的产品（部件）可存放在计算机里，不但大大节省仓储费用，更能根据用户需求或市场变化 快速改型设计，快速投入批量生产，从而能大幅度压缩新产品的开发时间，提高质量，降低成本；3、分布合作可使分布在不同地点、不同部门的不同专业人员在同一个产品模型上同时工作，相互交流，信息共 享，减少大量的文档生成及其传递的时间和误差，从而使产品开发以快捷、优质、低耗响应市场变化。因此，虚拟制造从根本上讲就是要利用计算机生产出虚拟产品， 把制造信息引入到整个的设计过程，利用仿真来优化产品设计。以生产为核心的虚拟制造是在生产过程模型中加入仿真技术，以此来评估和优选生产过程，例如组织与重组织技术；以控制为中心的虚拟制造是将仿真加到控制模型和实际处理中，可“无缝”地仿真使得实际生产优化。虚拟制造虽然不是实际的制造，但却实现了实际制造的本质过程，为实际制造提供了一种参照，使实际制造的一次成功率大大增加，同时降低了成本，提高了企业的竞争力。 总之，虚拟制造是一种通过计算机虚拟模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题的技术。它为工程师们提供了从产品概念的形成、设计到制造全过程的三维可视及交互的环境，使得制造技术走出主要依赖于经验的狭小天地，发展到了全方位预报的新阶段。虚拟制造技术的主要手段是在高性能计算机及高速网络的支持下，采用计算机仿真与虚拟现实技术，采用群组协同工作，在计算机上实现产品制造的本质过程，包括产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，并进行过程管理与控制。第二节 自动分度镗铣头对于五轴加工中心的核心部件，即自动万能铣头，目前国内正在研制，在国内对万能铣头的研究最早的是上海交通大学，清华大学，其次是天津大学和北京机械工业学院。对万能铣头的开发较成功的有北京机械工业学院与中捷友谊厂的合作开发及北京机械工业学院与桂林机床股份有限公司的合作开发。尤其是北京机械工业学院应用虚拟仿真技术，与桂林机床股份有限公司合作，成功的完成设计开发，并形成了产品，填补了国内空白。如下图1所示是是北京机械工业学院应用虚拟仿真技术对万能铣头模型进行的三维仿真：图1万能铣头模型的三维仿真研制的铣头按功能可分为实现五面加工的铣头和实现五轴联动的铣头两类，按结构可分为机械式的铣头和电主轴式的铣头两类。采用机械传动铣头时，转速范围在1206000rpm，使用电主轴铣头主轴转速可达10000rpm以上。目前，三个直线运动和两个回转运动均在工作台上实现的五轴加工中心（如图2所示）在国内已经能够自己设计制造，但是，另一种在铣头上具有c轴和a（b）轴回转功能的五轴加工中心（如图3所示）在国内还不能生产。本课题采用在铣头上实现c轴和a（b）轴回转功能来实现五轴联动的机械式铣头，转速范围为12010000rpm，可以满足相当大范围的零件加工，可以进行大切削量的粗加工和精加工。 图2 在工作台上实现回转的五轴加工中心图3 在铣头上实现回转的五轴加工中心如下图4所示是自动万能铣头的原理图，其结构分为两部分,即部分和部分。部分固定在滑枕上，部分通过轴e左端的锥柄和部分的主轴的右端锥孔相联结，可以快速更换。主电机驱动主轴通过齿轮传动，实现主切削旋转运动；控制电机控制整个部分围绕轴线e的旋转运动，另有一驱动铣刀主轴和主轴座部分围绕轴线f旋转，这两个运动的合成实现了五面体加工。主电机转速范围为120-10000rpm，可以满足相当大范围的零件加工，可以进行大切削量的粗加工和精加工。该主轴系统的部分是通用的，可以连接高速电主轴万能铣头或机械传动万能铣头，也可以实现五轴联动曲面加工。图4 数控自动万能铣头的简化结构图第三节 pro/engineer软件简介pro/engineer软件是美国ptc(parametric technology corporatin参数科技公司)的旗舰产品，它是一套概念性的设计工具，其主要的功能是在于进行参数化的实体设计，它所提供的功能包括实体设计、曲面设计、建立工程图、零件装配、简单的有限元分析、模具设计、电路设计、装配管件设计、加工制造及逆向工程等等。pro/e功能强大，它目前广泛应用于工业设计、机械设计、辅助制造、数据管理等领域。在迈向机械设计自动化方面，pro/engineer通过一种独特的、参数化的以及面向零件的3d实体模型设计制作技术，彻底改变了传统的设计理念，为工程师们提供了一条革命性的途径。该产品家族由最典型的cad产品pro/enineer和一系列涵盖机械设计、制造过程各个方面的特殊应用软件组成。pro/engineer的核心技术是“尺寸驱动参数化的基于特征的实体建模技术”，这是建立在一个统一的能在系统内部引起变化的数据结构的基础上的，因此开发过程中某一处所发生的变化能够很快传遍整个设计制造过程，以确保所有的零件和各个设计环节保持一致性和协调性。一、 pro/e软件的特性：1、 单一数据库：pro/engineer中所有的模块都是完全相互连接的，在产品的开发过程中，设计者在任何时候所作的变更都会扩展到整个设计中，自动更新零件，组装，工程图等模块中所有的二维与三维的尺寸及工程文件，这样可确保数据的正确性避免反复修改。这符合现代产业中所谓的同步工程的观念。2、 3-d实体模型pro/engineer的图形设计是基于三维的，它与传统的二维绘图有着本质的区别。在pro/engineer中我们生成的零件是实实在在的三维实体，不是传统的二维线框架模型，生成的模型直观，立体感强，并可以在任何角度进行观察，另外，系统还可以容易的计算出实体的表面积、体积、重量、惯性矩、重心等是设计者很容易的知道零件的特性，同时，由立体图生成工程图，大大的提高了工作的效率和准确性。3、 参数式设计pro/engineer系统配合其独特的数据库设计，将每一个尺寸视为一可变的参数。在草绘图性时，先只管图形的形状而不管它的尺寸，然后通过修改它的尺寸来重新生成图形，从而使绘制的图形达到设计者的要求，这种设计方式能减少人工修改图或计算的时间，从而大大的提高工作效率。4、 全相关pro/engineer一个很重要的特点是有一个全相关的环境，在一阶段所作的修改对所有的其他阶段都有效。例如：当一个零件设计好以后，并装配在装配图中，而且生成了工程图，这时，你只要在任何一个阶段对该零件作任何地方的修改，此修改在其他的地方都有效，相应的尺寸都会改变，这也是pro/engineer单一数据库的体现。5、 参数式关系在pro/engineer中，设计者可以利用不同尺寸之间的相互关系来限定相关尺寸，特别是在机械设计中有需要配合的地方，利用参数式关系有很大的方便，它能保证设计的准确性。二、 pro/e的设计思想下面就pro/engineer的各个模块来说明其设计思想。（1） 零件设计对于一件设计任务来讲，很重要的一点就是把各个零件设计出来。那么pro/engineer是怎样设计零件的呢？pro/engineer设计零件的思路如下：第一步：选一个基面，做一个截形cross-section。第二步：把截形长成一个基本的三维实体模型part。第三步：在实体模型上增加各种特征来完成零件的设计,例如：抽壳（shell）、圆角（round）、倒角（chamfer）、打孔（hole）等。（2） 装配当设计完后，接下来便是把几个设计好的零件装配起来。我们知道一个物体在空间有六个自由度，六个自由度被确定后，物体在空间的位置也就确定下来了。pro/engineer的装配便是据此而来的。（3） 绘制工程图在pro/engineer中，出工程图之前已经完成了零件的设计，你无须知道视图是什么样子。只要实际的零件尺寸符合要求，对任意一个视图的形状都不必担心，更不会出现漏画线之类的情况，因为pro/engineer出工程图和用二维cad系统画图是一个互逆的过程。在二维cad系统是通过有投影关系的各个视图来表达三维的实体零件，而pro/engineer是用已有的三维实体零件按投影关系来创建所需要的各个视图。在工程图中，可以创建六个视图，所需要的各种剖视图，局部放大图，爆炸图等ansi，iso，din和jis的标准图。三、 pro/e软件的常用模块简介：1、 pro/feature利用各种方式建立产品的外形，如扫描（sweep）、混合（blend）、孔（hole）、圆角（round）等，利用pro/feature,设计人员仅需花极短的时间即可完成产品的外形设计。2、 pro/surface可让设计者快速的绘制严格的几何曲面及自由曲面。3、 pro/assembly将数个零件组合成一个完整的模型，由于模型内所含的零组件的数目不受限制，因此可以使用pro/assembly将使大型、复杂模型的创建与管理工作更容易。4、 pro/detailpro/detail提供强大的尺寸标、公差标注及各种试图建立的能力，通过使用这个模块，设计者可以轻松的用3d模型产生符合ansi、iso、din的标准图形。5、 pro/manufacture协助制造工程师自动产生零件加工时刀具路径的nc程序，除了一般的3轴车床及铣床外，它还支持4轴及5轴的车床及铣床，2轴及4轴放电加工。6、 pro/report提供各种格式设置工具，能以图形方式展示pro/e的应用数据，用户可综合文字、图形、表格和数据，并且自定义各种动态的报表。7、 pro/interface输入或输出其cadcam软件所能接受的文件格式。8、 pro/web publicsh可将pro/e装配流程及功能仿真结果输出为完美的web网页面及java程序，采用的标准除了一般的html外还支持虚拟实境vrml及cgm、jpeg格式，用户只需通过一般的浏览程序即可浏览这些数据。第三章 零件的设计计算第一节 21377号锥齿轮（右旋）与21372号锥齿轮（左旋）设计由于此万能铣头要实现立卧转换及其它位置的铣削，故传动中采用弧齿锥齿轮（两齿轮轴交角，等顶隙收缩齿，齿型为格里森）。1.初步设计由于是等顶隙收缩齿，故取标准螺旋角，由锥齿轮齿面接触强度公式 de1取载荷系数，齿数比,齿轮材料为，渗碳后淬火，齿面硬度。试验齿轮的接触疲劳极限，估算时的安全系数,则齿轮的许用接触应力 已知 = =2.几何尺寸计算取,大端模数,圆整为,则大端分度圆直径 分锥角= =, 外锥距 取齿宽系数,则,圆整为。中点模数中点法向模数平均分度圆直径切向变位系数径向变位系数齿顶高 齿根高 齿顶角 齿根角 顶锥角 根锥角 大端齿顶圆直径 锥顶到轮冠距离 中点法向齿厚 = = 中点齿厚角系数 中点分度圆弦齿厚中点分度圆弦齿高 当量齿数 端面重合度轴向重合度3.接触强度校核分度圆的切向力ft1=径向力 轴向力 使用系数 载荷分布系数载荷分配系数 节点区域系数 弹性系数 锥齿轮系数 重合度螺旋角系数计算结果 许用接触应力 试验齿轮接触疲劳极限, 寿命系数 最小安全系数， 尺寸系数 润滑油膜影响系数， 工作硬化系数则许用接触应力值 结论, 齿轮强度符合要求。4抗弯强度校核 复合齿形系数 重合度螺旋角系数计算结果 许用抗弯应力齿根基本强度 寿命系数相对齿根表面状况系数 最小安全系数 相对齿根圆角敏感系数 尺寸系数许用抗弯应力值 结论 齿轮强度符合要求。5锥齿轮结构设计第二节 21379号锥齿轮与21383号锥齿轮设计 1初步设计 两锥齿轮轴交角，等顶隙收缩齿，齿型为格里森，齿轮材料选取，渗碳后淬火，齿面硬度，取标准螺旋角压力角。齿面接触强度公式 取载荷系数 齿数比。试验齿轮的接触疲劳极限估算时齿轮的安全系数 ， 则齿轮的许用接触应力 2.几何尺寸计算取,大端模数标准化为。则大端分度圆直径 分锥角齿宽系数,齿宽外锥距，取。中点模数中点法向模数平均分度圆直径 切向变位系数径向变位系数齿顶高 齿根高 齿顶角 齿根角 顶锥角 根锥角 大端齿顶圆直径 锥顶到轮冠距离 中点法向齿厚 中点法向齿厚半角 中点齿厚角系数 中点分度圆弦齿厚中点分度圆弦齿高 当量齿数 端面重合度轴向重合度3.接触强度校核 分度圆的切向力=使用系数, 载荷分布系数 载荷分配系数 节点区域系数弹性系数 锥齿轮系数 重合度螺旋角系数计算结果 许用接触应力 试验齿轮接触疲劳极限, 寿命系数 最小安全系数， 尺寸系数 润滑油膜影响系数， 工作硬化系数则许用接触应力值 结论, 齿轮强度符合要求。4抗弯强度校核 复合齿形系数 使用系数。重合度螺旋角系数计算结果 许用抗弯应力 齿根基本强度 寿命系数 相对齿根表面状况系数 最小安全系数 相对齿根圆角敏感系数 尺寸系数许用抗弯应力值可见 很显然强度不够，可适当增加齿宽。取, 重新进行抗弯强度校核。 基本满足强度要求。5结构设计第三节21371号主轴设计 轴是组成机械零件的一个重要的零件，它支撑着其它转动件的回转并传递转距，同时它又通过轴承和机架连接。所有轴上零件都围绕轴心线作回转运动，形成了一个以轴为基础的组合体轴系部件。所以在轴的设计中，不能只考虑轴本身，还必须和轴系零部件的整个结构密切联系起来。 设计轴时应考虑多方面因素和要求，其中主要问题是轴的选材、结构和刚度。 本设计中的主轴为空心轴，且一端还具有锥孔，其结构相当复杂，设计时须仔细考虑，统一规划，边画图，边计算，边修改，以逐步确定出轴的基本方案。1 轴的结构设计轴的结构决定于受载情况，轴上零件的布置和固定方式，轴承的类型和尺寸、轴的毛坯、制造和装配工艺及安装运输等条件。轴的结构应是尽量减小应力集中，受力合理，有良好的工艺性，并使轴上零件定位可靠，装拆方便。1） 初步确定轴的最小直径选取轴的材料为,调质处理。根据机械设计手册（第四卷），取 2)初步拟定轴上零件的装配方案 3）根据轴向定位要求确定轴的各段直径和长度 由于铣刀主轴结构复杂，其具体尺寸不能精确定出，故根据工程图纸作类比设计。各段直径和长度根据图纸和工程经验定出。4）轴上零件的周向定位 齿轮与轴的周向定位采用平键（型）连接，由手册查得平键截面,键槽用键槽铣刀加工，长为。由于一个键强度不够，故采用双键连接，布置。轴上键槽深度,轮毂上键槽深度。5）平键校核挤压强度校核 由手册查得键的许用挤压应力，显然， ，键强度满足要求。 6)轴承选择本设计中主轴全部采用公司的滚动轴承。其中，段轴采用两个深沟球轴承并排布置，开放型，其尺寸为;段轴采用三个角接触球轴承并排布置，型号,其尺寸为，接触角。2. 按弯扭合成应力校核轴的强度 首先根据轴的结构图作出轴的计算简图，然后再根据轴的计算简图作出轴的弯矩图、扭矩图和计算弯矩图。 对a)由力矩平衡方程有： 解方程组得 对a)由力矩平衡方程有： 解方程组得 弯矩 计算弯矩由弯矩图可知截面处的计算弯矩最大，是轴的危险截面。 前已选定轴的材料为 ，调质处理，由手册查得，显然，故该轴安全。3精确校核轴的疲劳强度1） 判断危险截面截面及只受扭矩作用，虽然轴肩及过渡配合处所应起的应力集中均将削弱轴的疲劳强度，但由于轴的最小直径是按扭转强度较为宽裕的确定的，所以截面及均无须校核。从应力集中对轴的疲劳强度的影响来看，截面处过盈配合引起的应力集中最严重；从受载的情况来看，截面上最大。截面的应力集中的影响和截面相近，但截面不受扭矩作用，同时轴径也较大，故不必作强度校核。截面上虽然最大，但应力集中不大，且此处轴的直径也较大，故截面也不必作强度校核。截面及既不受弯矩作用也不受扭矩作用，显然更不必校核。因而该轴只需校核截面左右两侧即可。2） 截面左侧抗弯截面系数 抗扭截面系数 截面左侧的弯矩为 截面上的扭矩为 截面上的弯曲应力为 截面上的扭转切应力为 前已选定轴的材料为 ，调质处理，由手册查得。截面上由于轴肩而形成的有效应力集中系数可根据查取。 查得。轴的材料的敏性系数为；尺寸系数为扭转尺寸系数为；按磨削，表面质量系数为。表面强化系数为，则综合系数值为： 材料特性系数为于是，计算安全系数值可由下列各式求得：（许用安全系数） 可知截面左侧安全。 3）截面右侧 抗弯截面系数 抗扭截面系数 截面右侧的弯矩为 截面上的弯曲应力为 截面上的扭矩为 截面上的扭转切应力为 过盈配合处的值由手册查得=3.19，取 =，于是=。轴按磨削加工，表面质量系数为，故得综合系数为： 则计算安全系数值可由下列各式求得：（许用安全系数） 故该轴在截面右侧的强度亦是足够的。 4滚动轴承寿命校核1）深沟球轴承寿命校核 设该轴承能工作年（每年按日计算），单班制（一天工作小时）。则轴承预期寿命，轴承计算寿命为 两轴承并排布置则 对深沟球轴承有 可见，此两深沟球轴承并排布置时寿命满足要求。2）角接触球轴承寿命校核 工作要求同上，轴承计算寿命为 查手册取 可见，此三角接触球轴承并排布置时其寿命亦满足要求。第四节 21377号锥齿轮轴设计1 轴的结构设计选取轴的材料为，调质处理。1）初步确定轴的最小直径 取2)初步拟定轴上零件的装配方案 3）根据轴向定位要求确定轴的各段直径和长度 同号主轴设计，各段直径和长度根据资料类比定出。4）轴上零件的周向定位 左端齿轮与轴的周向定位采用矩形花键联接。由机械设计手册查得，花键工作长度。5）花键强度校核 挤压强度校核公式 取 则 而花键静联接的许用挤压应力，显然，说明该花键强度满足要求。6）轴承选择 该轴全部采用公司的角接触球轴承，型号为，基本尺寸为,接触角。2按弯扭合成应力校核轴的强度 首先根据轴的结构图作出轴的计算简图，然后再根据轴的计算简图作出轴的弯矩图、扭矩图和计算弯矩图。 对a)由力矩平衡方程有： 号齿轮径向力： 号齿轮轴向力： 号齿轮径向力： 号齿轮轴向力： 弯矩 则上述方程组变为 解得： 对b)由力矩平衡方程有： 解得： 弯矩 由弯矩图可知截面处的计算弯矩最大，是轴的危险截面。 前已选定轴的材料为 ，调质处理，由手册查得，显然，故该轴安全。3精确校核轴的疲劳强度1）判断危险截面截面及处均受扭矩作用， 从应力集中对轴的疲劳强度的影响来看，截面处的应力集中最严重；从受载的情况来看，截面上最大。截面上虽然最大，但应力集中不大，且此处轴的直径也较大，故截面也不必作强度校核。很显然，最危险的截面应该是处。2） 截面左侧抗弯截面系数 抗扭截面系数 截面左侧的弯矩为 截面上的扭矩为 截面上的弯曲应力为 截面上的扭转切应力为 前已选定轴的材料为 ，调质处理，由手册查得。截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数可根据查取。 查得。轴的材料的敏性系数为；尺寸系数为 扭转尺寸系数为；按磨削，表面质量系数为。表面强化系数为，则综合系数值为： 材料特性系数为于是，计算安全系数值可由下列各式求得：（许用安全系数） 可知截面左侧安全。 3）截面右侧 抗弯截面系数 抗扭截面系数 截面右侧的弯矩为 截面上的扭矩为 截面上的扭转切应力为 截面上的弯曲应力为 前已选定轴的材料为 ，调质处理，由手册查得。截面上由于轴肩而形成的有效应力集中系数可根据前面计算得。轴的材料的敏性系数为；尺寸系数为 扭转尺寸系数为；按磨削，表面质量系数为。表面强化系数为，则综合系数值为： 材料特性系数为。于是，计算安全系数值可由下列各式求得：（许用安全系数）可知截面右侧亦安全。第五节 号锥齿轮轴设计 1轴的结构设计1）初步确定轴的最小直径 取2)初步拟定轴上零件的装配方案 3）根据轴向定位要求确定轴的各段直径和长度 同号主轴设计，各段直径和长度根据资料类比定出。4）轴上零件的周向定位 左端齿轮与轴的周向定位采用矩形花键联接。由机械设计手册查得，花键工作长度。5）花键强度校核 挤压强度校核公式 取 则 而花键静联接的许用挤压应力，显然，说明该花键强度满足要求。6）轴承选择 该轴全部采用公司的角接触球轴承，型号为，基本尺寸为,接触角。 2按弯扭合成应力校核轴的强度 首先根据轴的结构图作出轴的计算简图，然后再根据轴的计算简图作出轴的弯矩图、扭矩图和计算弯矩图。对a)由力矩平衡方程有： 号齿轮径向力： 号齿轮轴向力： 弯矩=解上述方程组得： 对b）列方程组： 解得 弯矩 由弯矩图可知截面处的计算弯矩最大，是轴的危险截面。 前已选定轴的材料为 ，调质处理，由手册查得，显然，故该轴安全。 3精确校核轴的疲劳强度1）判断危险截面截面处均受扭矩作用， 从应力集中对轴的疲劳强度的影响来看，截面处的应力集中最严重；从受载的情况来看，截面上最大。截面上虽然最大，但应力集中不大，且此处轴的直径是按最小直径确定的，故截面也不必作强度校核。很显然，最危险的截面应该是处。2) 截面左侧抗弯截面系数 抗扭截面系数 截面左侧的弯矩为截面上的扭矩为 截面上的弯曲应力为 截面上的扭转切应力为 前已选定轴的材料为 ，调质处理，由手册查得。截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数可根据查取。 查得。轴的材料的敏性系数为；尺寸系数为 扭转尺寸系数为；按磨削，表面质量系数为。表面强化系数为，则综合系数值为： 材料特性系数为于是，计算安全系数值可由下列各式求得：（许用安全系数） 可知截面左侧安全。 3）截面右侧 抗弯截面系数 抗扭截面系数 截面右侧的弯矩为 截面上的扭矩为 截面上的扭转切应力为 截面上的弯曲应力为 截面上由于轴肩而形成的有效应力集中系数可根据前面计算得。轴的材料的敏性系数为；尺寸系数为 扭转尺寸系数为；按磨削，表面质量系数为。表面强化系数为，则综合系数值为： 材料特性系数为。于是，计算安全系数值可由下列各式求得：（许用安全系数） 可知截面右侧亦安全。至此，轴的设计全部结束。第六节 碟形弹簧设计本设计采用复合组合碟形弹簧组，初选系列，其基本尺寸为外径 ，内径 ，厚度，压平时变形量，自由高度，单片变形量时承受载荷。由，按手册查得，弹簧载荷 当时， 取叠合片数，如不计摩擦力，单片碟形弹簧承受载荷 根据和，由手册查得，即。由变形量，粗略估算所需叠合组数为。单片碟簧刚度为 碟簧总刚度在作用下总变形量。弹簧预压缩量，则弹簧总变形量 所需叠合组数为，取组。考虑摩擦力时，碟簧载荷应予修正。由手册取修正后的单片碟簧载荷为 根据和由手册查得，即，则叠合组数为，仍取。叠合组合碟簧组的总自由高度 ，载荷为10000时的高度为。第四章 装配仿真在机械设计过程中，对零件的设计不可能一步就能完全设计成功，考虑到在装配过程中与其他零件的相对位置，可能与其他的零件产生干涉，还有在零件体上打孔的相对位置，都必须事先有一个大概的整体设计的构思。在装配过程中，各个零件的装配顺序，哪个零件先装，哪一个零件后装，都必须由一个确定的顺序，否则就会因为对整体装配过程缺乏一个全面的构思，会产生有的零件装不上去的可能性。因此，我们引进了虚拟装配的概念，虚拟装配的目的就是在计算机上对整个组件的装配过程进行一次全面的仿真，以检验各个零件的相对位置的正确性，看一看零件之间是否干涉现象，如果有干涉现象出现，在计算机上对出现干涉现象的零件进行修改，进一步优化设计参数，以达到完全装配的目的，同时，对各个零件的装配顺序做一次大致的排列，以确定出最佳的装配顺序，解决有的零件装不上出的可能性，增加零件的可制造性及可装配性，增加产品的一次设计成功率。下面就对所设计的自动万能镗铣头的装配过程做一个全面的描述，使大家对其装配过程有一个大概的了解。一、 主轴体的装配过程:步骤1：建立主轴装配体启动pro/engineer2001file/new (选择assmembly ok)在assembly面板中选择component assembly 在project目录下打开主轴体零件21371 ok 使用装配对话框进行装配，选择type coodr sys 选择系统coodr sys,然后选择21371的coodr sys ok步骤2：装配法兰盘21375在assembly面板中选择component assembly 在project目录下打开法兰盘21375 ok选择type align选择主轴体21371中心轴1，然后选择法兰盘21375中心轴1 ok选择type mate 选择主轴体21371应贴合端面，然后选择法兰盘21375应贴合端面 ok步骤3：装配轴承b7017c在assembly面板中选择component assembly 在project目录下打开轴承b7017c ok使用装配对话框进行装配，选择type insert选择21371插入面，然后选择b7017c的内环面 ok选择type mate 选择21371要贴合的面，然后选择b7017c要贴合的面 ok同理，装配其余的两个轴承b7017c。步骤4: 装配374主轴套在assembly面板中选择component assembly 在project目录下打开374主轴套零件 ok使用装配对话框进行装配，选择type insert选择21371插入面，然后选择374主轴套的内环面 ok选择type mate 选择轴承b7017c要贴合的面，然后选择374主轴套要贴合的面 ok步骤4: 装配平键gb1096在assembly面板中选择component assembly 在project目录下打开平键gb1096零件 ok使用装配对话框进行装配，选择type mate选择21371上的键槽的底面，软后选择平键gb1096的底面 ok选择type mate选择21371上的键槽的侧面，软后选择平键gb1096的侧面 ok选择type mate选择21371上的键槽的弧面，软后选择平键gb1096的弧面 ok同理，装配另一个平键gb1096步骤5: 装配锥齿轮21372在assembly面板中选择component a