机械毕业设计（论文）-可倾式回转工作台设计【全套图纸】

机械电子工程系 本科毕业设计（论文） 题 目 可倾式回转工作台设计 专业班级 08 级机械（2）班 学 号 学生姓名 指导教师 设计所在单位 2012 年 5 月 可倾式回转工作台设计可倾式回转工作台设计 摘要： 随着科学技术的快速发展, 普通的三轴加工机床已满足不了人们对加工零件的 更高要求。为了在原机床上实现五轴加工或高效准确的完成复杂曲面加工，就需要 更换机床工作台，在当前追求生产效率飞速提升的时代，可倾式回转工作台的研究 显得迫切与重要。 本论文对可倾式回转工作台进行了设计，通过研究回转工作台的原理，结合液 压驱动、齿轮传动等知识，设计出一种用于五工位组合机床的可倾式回转工作台。 为了提高工作台的回转精度，本设计采用端齿盘用作锁紧装置，液压作为驱动装置。 该可倾式回转工作台提供了一种动作结构紧凑、操作方便、在较小的空间尺寸 范围内可实现回转倾斜功能的工作台，解决了在中小型数控机床上进行四轴或五轴 加工的问题，实现了对零件的多面加工和连续曲面加工。在实际生产中，该工作台 的设计可缩短生产准备时间，增加切削加工时间的比率，从而提高生产效率。 关键词：可倾式；回转；工作台；液压。 全套全套图纸图纸，加，加 153893706 Design Of Tilt Slewing Workplace Abstract： With the rapid development of science and technology, the common three-axis machine tools have couldnt meet peoples higher need of processing components. To realize the original machine five-axis machining and accurate and efficient performance of complex curved surface processing, So the machine table need to design. In the time of pursuiting big progress of production efficiency, research of tilt slewing workbench becomes very urgent and important. This paper is about the turning points degrees workbench. Based on careful study of the theory of rotary worktable and some knowledge of hydraulic drive and gear transmission, A kind of tilt slewing workbench has devised which used for five stations combination machine tools. The design used the end tooth disk as locking device and hydraulic as drive to improve the indexing accuracy of the workbench. After all above, This workplace can produce a slewing workbench which have a compact action structure, simple operation and can be rotated tilt in smaller space. As a result to solve the problem of the four shafts or five-axis machining in small and medium-sized CNC. And at the same time, makes the many-face parts processing and continuous surface processing come true. In practical production, this table design can shorten the production preparation time and increase the ratio of cutting processing time, so as to improve the production efficiency. Keywords: Tilting; Slewing; Workplace; Hydraulie Pressure. 目录 第 1 页 目录目录 第一章第一章 绪论绪论.1 1.11.1 选题的目的与意义选题的目的与意义.1 1.21.2 可倾式回转工作台的研究状况可倾式回转工作台的研究状况.1 1.2.1 我们现有水平及国内外对比情况2 1.2.2 我国数控机床附件产品水平较国外低主要表现 2 1.2.3 相应的措施2 1.31.3 可倾式回转工作台的发展趋势可倾式回转工作台的发展趋势.3 1.3.1 市场前景3 1.3.2 发展趋势3 1.3.3 针对中国工作台发展对策3 1.41.4 本课题主要研究内容和设计任务本课题主要研究内容和设计任务.3 第二章第二章 可倾式回可倾式回转转工作台设计原理工作台设计原理.5 2.12.1 常用的可倾式回转工作台常用的可倾式回转工作台.5 2.1.1 回转工作台的主要种类及特点概述5 2.1.2 通用转台5 2.1.3 精密回转工作台（rotary table）6 2.22.2 可倾式回转工作台常用原理可倾式回转工作台常用原理6 2.32.3 液压式数控工作台设计液压式数控工作台设计7 第三章第三章 可倾式回转工作台传动设计可倾式回转工作台传动设计.10 3.13.1 可倾式回转工作台原理及设计可倾式回转工作台原理及设计10 3.1.1 工作台回转松开、夹紧原理和机构10 3.1.2 可倾式工作台摆动原理10 目录 第 2 页 3.2 液压式可倾式回转工作台的液压系统设计液压式可倾式回转工作台的液压系统设计 11 3.2.1 拟定工作台基本参数11 3.2.2 液压系统的方案设计12 3.2.3 液压泵的选择13 第四章第四章 可倾式回转工作台部件设计可倾式回转工作台部件设计.16 4.14.1 工作台的设计工作台的设计16 4.1.1 工作台整体尺寸的设计16 4.1.2 工作台 T 型槽设计.16 4.1.3 工作台中心孔设计17 4.1.4 工作台螺孔分布设计17 4.24.2 端齿盘端齿盘17 4.34.3 中心轴设计中心轴设计19 4.3.1 中心轴尺寸设计19 4.3.2 中心轴轴承选择20 3.43.4 活塞设计活塞设计20 4.54.5 传动系统设计传动系统设计22 4.5.1 传动系统总体方案设计22 4.5.2 齿轮齿条设计计算24 4.64.6 工作台摆动架设计工作台摆动架设计32 4.6.1 摆动架轴承选择32 4.6.2 摆动架设计33 4.74.7 工作台底座设计工作台底座设计34 4.7.1 材料选择34 4.7.2 铸造斜度35 目录 第 3 页 4.7.3 定位分布36 4.84.8 活塞封闭块活塞封闭块设设计计.37 4.94.9 推杆导向块设计推杆导向块设计.38 结束语结束语.39 致致 谢谢.40 参考文献参考文献.41 附录附录.42 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 1 页 第一章第一章 绪论绪论 自从改革开放以来，世界上就有了“中国制造”这个伟大的字眼，在这些庞大 的生活工艺所需品背后，是那些日夜不停息旋转的机器，而享有“机器之母”的即 是机床。正是这些机床成就了这个字眼，从上世纪八十年代到现在，有些还在刚开 始安装的岗位上作业。而随着现代社会机械产品的高智能化、高自动化、高效率化 的发展趋势，那么那些机床是否能适应当今社会的节奏? 其实改进这一状况的研究课题很多，从进给料、夹装装置、换刀装置、多工位 加工等都可以改进机床效率，本论文就阐述了一种以改变机床工作台而提高生产效 率的方法，即将原来固定的工作台改进为可以摆动回转加工的工作台，我们先了解 一下本课题研究的时代背景与其意义。 1.11.1 选题的目的与意义选题的目的与意义 可倾式回转工作台是指在机床除了有 X、Y、Z 三个直线进给轴之外，还有一个 可倾式进给轴和一个回转进给轴，即绕 X 轴倾斜的 A 轴和以 Z 轴旋转的 C 轴。这样 能在一次装夹中，可以加工出除了定位面之外五个加工面，尤其是可对复杂的空间 曲面进行高精度自动加工，所以普遍认为可倾式回转工作台的应用是解决叶轮、叶 片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等零件加工的唯 一手段。该结构的研究对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医 疗设备等行业的发展有着举足轻重的影响力。 可见可倾式回转工作台提供了一种动作结构紧凑、操作方便、在较小的空间尺 寸范围内实现轴旋转倾斜功能的工作台，解决了在中小型数控机床上进行四轴或五 轴加工的问题，实现了对零件的分度加工和连续曲面加工。同时该工作台的设计也 可缩短生产准备时间，增加切削加工时间的比率，从而提高生产效率。 1.21.2 可倾式回转工作台的研究状况可倾式回转工作台的研究状况 早在 20 世纪 60 年代，国外航空工业为了加工一些具有连续平滑而复杂的自由 曲面大件时，就已开始采用了旋转式加工台面，但一直没能在更多的行业中获得广 泛应用，只是近 10 年来才有了较快的发展。我国从近十几年才展开的研究，2005 年陈则仕，张秋菊通过建模完成可倾式回转工作台的仿真，到 2007 年 8 月沈阳机 床集团、沈阳高精数控技术有限公司及中科院沈阳技术研究所联合开展实施的“沈 阳数控”系统安装应用，使可倾式回转工作台式机床正式具有自主知识产权。1目 前国内在数控机床可倾式回转工作台领域中取得了较快的发展，数控转台的品种也 较多，规格从 1002500mm，基本可以满足一般用户的配套需要。但高端市场几乎 没有国产品牌，只是国内主机采用境外产品配套的占有不小的比例。与国际市场的 著名品牌相比，我们的技术参数与指标落后于其尖端产品（比如材料、转速、承载 能力、分度定位精度等）；现在意大利宝利诺.巴吉产品技术配置已经达到横向 X 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 2 页 轴 3000 mm，纵向 Y 轴 2600 mm、垂直方向 Z 轴 950 mm、A 轴+/-135, C 轴 +/- 200；轴最快移动速度：X 轴 100 m/min，Y 和 Z 轴 60 m/min。2国外已经达到可 倾式回转工作台普及化，生产实用化，我国普及型产品的可靠性、耐用度、精度保 持性方面都比欧美和日本差一些，外观造型也不尽如人意。所以我们应该努力打造 精品、提高配套水平。 随着科学技术的发展，国外相同品种、不同结构的数控机床附件产品也在不断 出现。例如转轴直接驱动的数控回转工作台已经出现，完全改变了传统的工作台的 结构，回转速度及精度要比传统的机械结构高得多，伺服电动机驱动数控刀架也已 出现两年多时间，当然，真正普及应用还要有一个过程。 1.2.1 我们现有水平及国内外对比情况 我国生产的数控机床附件产品应该说满足中低挡数控机床的配套需求没问题， 但在为高档数控机床配套的附件产品方面与国外比较差距较大，产品设计能力方面 有差距，但不是很大主要差距在于整个行业的装备制造能力和协作配套能力。因此 对整个数控机床附件产品水平影响较大，这是目前国内产品水平较国外产品水平低 的主要原因。 1.2.2 我国数控机床附件产品水平较国外低主要表现 （1）速度 基于材料、检测能力、装备制造能力等方面的条件限制，我过附件 产品在速度方面较国外同类产品要差。例如数控铣床、加工中心配套的各类数控回 转工作台，日本日研公司直径 200mm 数控回转工作台最高转速可达 88r/min,而国内 的只有 1216r/min.主要差别在于材料的选用。 （2）可靠性 国外数控机床附件产品开发应用比较早，经验丰富，再由于技术 进步，新材料、新结构的不断出现与应用，使得其产品可靠性非常好。如日本日研 公司部分规格的数控回转工作台的核心部件蜗杆副，齿轮采用氮化钢，齿部表面氮 化处理，硬度高；蜗杆为硬质合金蜗杆；整个蜗杆副为硬齿面接触，耐磨。既实现 了高速，又保证了可靠性。而国内基本上均采用传统材料和传统的结构，加上外购 配套件的可靠性差造成产品的整体可靠性较外国产品的差距。可以说数控机床附件 产品的整体可靠性与我国目前整个工业发展水平有相当密切的关系，随着配套件水 平的提高，整体状况将有所改善。 （3）精度 我国数控机床附件的精度及稳定性应该说还是比较好的，基本上能 满足主机的配套要求。较日本、德国等工业发达国家的产品有一定差距，但不大， 与台湾地区产品相当。这与行业企业近几年抓质量、提高质量意识有密切的关系。 1.2.3 相应的措施 我国数控机床附件产品可以说还处在一个发展阶段，品种、规格、可靠性等方 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 3 页 面还需要有一个完善的过程，还远远没有达到成熟的程度。因此作为国家应该给予 一定的扶持，作为企业应在适应市场需要、加大产品的开发力度、提高装备水平、 采用新材料、新工艺、新技术方面多下工夫。我国高档数控制造水平达到或接近国 际水平，在制造手段上已逐步完善并已有颇具实力的开发生产能力，建立起不同程 度的拥有一定规模的数控机床生产基地。数控机床正朝着高精度、高效率、高自动 化、全功能的机电一体化方向发展。 1.31.3 可倾式回转工作台的发展趋势可倾式回转工作台的发展趋势 1.3.1 市场前景 随着我们制造业的发展，数控转台将会越来越多的被应用，以扩大加工范围， 提高生产率。估计近几年要求转配数控转台的机床将会大幅度增长。预计未来几年， 虽然某些行业由于产能过剩，受到宏观调控的影响而继续保持着较低的行业景气度 外，部分装备制造业将有望保持较高的增长率，特别是那些国家行业政策鼓励振兴 和发展的装备行业。作为装备制造业的母机，普通加工机床将获得年均 15%-20% 左右的稳定增长。3 1.3.2 发展趋势 目前回转工作台已广泛应用于组合机床、数控机床和加工中心上，它的总发展 趋势主要体现为： （1）在规格上将向两头延伸，即开发小型和大型转台； （2）在性能上将研制以钢为材料的涡轮，大幅度提高工作台转速和转台的承 载能力； （3）在形式上继续研制两轴联动和多轴并联回转的数控转台。 1.3.3 针对中国工作台发展对策 上述现状及资料说明，在今后的我们待解决问题有：（1）我国可倾式回转工 作台要发展中高次品种，在提高产品质量、性能水平和可靠性的同时，跟踪学习发 达国家的先进技术，并在产品创新，提高工艺水平上多下功夫；总结经验，加强产、 学、研的结合，走专业化生产的路子，面向市场，参与竞争，满足主机发展的需要。 （2）可倾式回转工作台发展，依赖于行业技术水平和创新能力的提高，比如直线 电机驱动技术和双驱动技术正在采用研究。 （3）制造业从刚性自动化向柔性自动化 方向转变这一社会需求，所以国产配套产件在产品质量、性能、结构创新、品牌信 誉、外观造型、精度稳定性等方面有待提高。 1.41.4 本课题主要研究内容和设计任务本课题主要研究内容和设计任务 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 4 页 随着数控技术不断发展与提高，使机床主机对配件要求与依赖都越来越高。机 床配件技术发展间接决定了机床主机发展水平，专业化发展方向成为我国机床配件 业总体发展趋势。 可倾式回转工作台设计意义重大，怎么样才能设计出可以回转工作并且也能够 进行90度倾斜的回转工作台。方案众多。近些年来，随着数控技术的不断进步、自 动化程度的普遍提高，组合机床、数控车床、数控铣床的种类和生产日益丰富，对 高精度、高效率的工作台回转装置的需求也越来越大。目前端齿盘为定位机构的液 压式可倾式回转工作台广泛运用于数控机床和加工中心上。在各种数控机床和其他 机械的制造中，数控端齿盘分度工作台回转装置的应用十分广泛。本设计中也将尝 试这一技术进行回转工作台的设计。 本毕业设计是研究端齿盘作为定位机构的液压式数控工作台的工作原理和机械 结构的设计和计算部分，设计思路是先原理后结构，先整体后部分。设计从第二章 展开，由工作台的种类分析其结构原理，在一般工作原理中提出自己的设计原理方 法。第三章总体设计，包括系统和主要传动结构。第四章将工作台设计细化，分别 计算得出台面、活塞、中心轴等尺寸。 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 5 页 第二章第二章 可倾式回转工作台设计原理可倾式回转工作台设计原理 工作台的种类繁多，为了更多地了解可倾式回转工作台这个行业的一些情况， 简介一些类别工作台并对其设计原理总结，重点介绍液压式回转工作台，通过本章 的理论，推出设计方案。 2.12.1 常用的可倾式回转工作台常用的可倾式回转工作台 2.1.1 回转工作台的主要种类及特点概述 转台带有可转动的台面、用以装夹工件并实现回转和分度定位的机床附件，简 称转台或第四轴，如图 2.1，所以也属于回转工作台的一种。转台按功能的不同可 分为通用转台和精密转台两类。 图图 2.12.1 转台转台4 2.1.2 通用转台 是镗床、钻床、铣床和插床等重要附件，用于加工有分度要求的孔、槽和斜面， 加工时转动工作台，则可加工圆弧面和圆弧槽等。通用转台按结构不同又分为水平 转台、立卧转台和万能转台。 （1）水平转台： 在圆台面上有工件定位用的中心孔和夹紧用的 T 型槽。台面外圆周上刻 360 的等分刻线。台面与底座之间设有蜗杆-蜗轮副（见蜗杆传动）,速比为 90:1 或 120:1，用以传动和分度,蜗杆从底座伸出的一端装有细分刻度盘和手轮。转动手轮 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 6 页 即可驱动台面，并由台面外圆周上的刻度（以度为单位）与细分刻度盘读出旋转角 度。分度精度一般为60。水平转台的蜗杆伸出端也可用联轴器与机床传动装置 联接，以实现动力驱动。 （2）立卧转台： 底座有两个相互垂直的安装基面，使台面既可水平也可垂直放置。 （3）万能转台： 台面可以在 090范围内倾斜任意角度, 使工件在空间的任何角度都能准 确调整。回转工作台。 2.1.3 精密回转工作台（rotary table） 精密转台用于在精密机床上加工或角度计量。常见的有光学转台、数显转台和 超精密端面齿盘转台。 图图 2.22.2 精密转台精密转台5 （1）光学转台： 主轴上装有玻璃或金属精密刻度盘，经光学系统将刻度细分、放大，通过目镜 或光屏读出角度值。 （2）数显转台： 转台主轴上装有精密圆光栅或圆感应同步器，由数字显示装置读出角度值。上 述两种精密转台的分度精度最高可达1。 （3）超精密端面齿盘转台： 利用一对经过精密对研的 1440 齿、720 齿或 360 齿的端面齿盘分度定位,其分 度精度最高可达0.01，作精密角度计量用。 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 7 页 2.22.2可倾式回转工作台常用原理可倾式回转工作台常用原理 有一种可倾式数控回转工作台，其特征在于它由伺服电机、凸轮间歇分割器、 倾斜轴、座体、微调机构和锁紧机构等组成，其中凸轮间歇分割器固装在倾斜轴的 端面上，然后整体配合在座体孔中，可倾斜任意角度；伺服电机联接在倾斜轴的另 一端并位于倾斜轴的空心范围内，它驱动凸轮间歇分割器的输出端做连续或定角度 旋转。此外，在摆动工作台上还加摆动角度微调机构和定角度锁紧机构。6 还有常见的回转工作台的运动由交流伺服电机驱动圆柱齿轮动，带动涡轮蜗杆 系统, 使工作台旋转。当数控回转工作台接到数控系统的指令后，首先松开圆周运 动部分的涡轮夹紧装置，松开涡轮，然后启动交流伺服电机，按数控指令确定工作 台的回转方向、回转速度及回转角度大小等参数。整个数控回转工作台按照功用不 同可以分为 两个组成部分, 即圆周回转部分和摆动部分, 在圆周回转部分和摆动部 分中，又可以按照传动结构分为两个部分，即齿轮传动部分和蜗轮蜗杆传动部分。 7 图图2.32.3 回转部分和倾斜部分中齿轮传动、涡轮蜗杆传动示意图回转部分和倾斜部分中齿轮传动、涡轮蜗杆传动示意图 2.32.3液压式数控工作台设计液压式数控工作台设计 随着人类生活的物质要求不断提高和人类社会的不断发展，越来越复杂的零件 被设计运动到各个领域。所以对加工它们的机床提出了更高的要求。液压式数控分 度工作台实现工件的多工位加工，满足工件的加工要求。液压式数控分度工作台为 五工位组合机床的重要部件，其功能与加工中心的功能密切关系。 在液压式数控分度工作台总体设计关键是要确定工作台的参数，回转工作台最 主要的参数为工作台尺寸等，根据确定的零件的典型零件进行选择。工作台尺寸是 回转工作台的主参数，主要取决于典型零件的外廓尺寸、装夹方式等。应选比典型 零件稍大一些的工作台，以便留出安装夹具所需的空间，还应考虑工作台的承载能 力，承载能力不足时应考虑加大工作台尺寸，以提高承载能力。 端齿盘式分度工作台 图2.1、2.2所示是端齿盘式液压分度工作台的结构原理 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 8 页 图。它主要由工作台台面、底座、夹紧油缸、分度油缸及齿盘等部件组成，其工作 过程如下： 图图2.42.4 液压式高精度工作台解析图液压式高精度工作台解析图1 1 （1） 分度工作台抬起、松开 机床需要分度时，根据数控装置发出分度指 令，由电磁铁控制液压阀（图中未标出） ，使压力油进入管道进入分度工作台 7 中 央的夹紧油缸油腔 10，并推动活塞 6 移动（油缸上腔 9 的油经管道 22 排除回油） 。 活塞 6 通过推力球轴承 5（轴承 13 与之配套使用） ，使工作台 7 抬起，上端齿盘 4 和下端齿盘 3 脱离啮合。在工作台 7 向上移动时带动内齿圈 12 与齿轮 11 下部啮合， 完成分度前的准备工作。同时，工作台 7 向上抬起，推杆 2 在弹簧作用下向上移动， 使推杆 1 能在弹簧的作用下右移松开微动开关 D，发出松开到位信号。 （2）分度工作台回转 控制系统在接到松开到位信号后，控制电磁铁（液 压阀）动作，使压力油经管道21进入分度油缸左腔19，并推动齿条8右移（分度油 缸右腔的油经管道20排出回油） 。齿条8带动齿轮11做回转运动，实现工作台的回转。 改变油腔的行程，即可以改变齿轮11的回转角度。图中的分度工作台为：油缸的行 程163.28mm，齿轮回转的角度。当齿轮回转的过程中，挡块14放开推杆15；72到 位后，挡块17压上推杆16，微动开关E发出到位信号，回转动作结束。工作台的回 转速度可以通过液压系统进行调节。 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 9 页 图图 2.52.5 液压式高精度工作台解析图液压式高精度工作台解析图 2 2 （3）分度工作台落下、夹紧 控制系统在接收到信号后，由电磁铁液压阀 （图中未标出） ，使压力油经管道 22 进入分度工作台的夹紧油缸的油腔 9，并推动 活塞 6 下移（油缸下腔 10 的油紧管道 23 排除回油） 。活塞 6 通过推力球轴承 5（轴 承 13 与之配套使用） ，使工作台 7 落下，上端齿盘 4 和下端齿盘 3 啮合、夹紧、定 位。工作台夹紧后，压下推杆 2，使推杆 1 左移，压上微动开关 C 动作，发出夹紧 完成信号。 （4）分度油缸返回 控制系统在接收到加紧完成信号后，控制电磁铁（液 压阀）动作使压力油经管道 20 进入分度油缸右腔 18，并推动齿条 8 左移（分度油 缸左腔 19 的油经管道 21 排出回油） ，齿条 8 返回。这时，因为齿轮 11 的内齿圈已 经脱开，分度工作台不动，同时挡块 14 压上推杆 15，微动开关 C 动作，发出回转 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 10 页 信号。 第三章第三章 可倾式回转工作台传动设计可倾式回转工作台传动设计 通过对可倾式回转工作台的初步了解，本章对设计进行整体分析并进行原理解 析，对工作台的回转部分和摆动部分设计，最后设计出总体传动方案。 3.1 可倾式回转工作台原理及设计 3.1.1 工作台回转松开、夹紧原理和机构 如图 3.1 所示，工作台需要回转是通过油道 1 进油使活塞 2 向上运动，同时推 动推力球轴承 4 使中心轴 5 向上运动，从而工作台也向上移动，实现上端齿盘 6 和 下端齿盘 7 的松开，为实现回转动作做好准备。 当工作台回转完成后，需要下降使工作台夹紧时，油液会从油道 8 进入活塞缸上腔， 使活塞 2 向下移动，中心轴 5 带动工作台下降。使上端齿盘 6 和下端齿盘 7 啮合， 实现工作台的夹紧定位。 图图 3.13.1 工作台回转部分示意图工作台回转部分示意图 3.1.2 可倾式工作台摆动原理 可倾式工作台设计最重要的结构就是摆动部分，此设计中的倾斜结构如图 3.2 所示，工作台需要倾斜时，齿条 2 与齿轮 1 咬合，齿条 2 进行径向运动，带动齿轮 1 转动，齿轮 1 与摆动架 3 由螺栓连接，摆动架 3 与底座 6 通过深沟球轴承相连， 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 11 页 由于底座固定所以齿条 2 的直线运动转变为齿轮 1 的摆动。摆动架跟着摆动实现回 转工作台的倾斜运动，可实现了工作台 90 度倾斜。当摆动到加工位时，齿条 2 与 齿轮 1 分离，实现定位加工。 图图 3.23.2 工作台摆动部分示意图工作台摆动部分示意图 3.2 液压式可倾式回转工作台的液压系统设计液压式可倾式回转工作台的液压系统设计 3.2.1 拟定工作台基本参数 在经过查阅相关资料和进行初步的 CAD 辅助设计后，液压式数控分度工作台根 据使用的场合，所需要的大小和形状有很多种类，本人设计的是组合机床上的一个 分度工作台，根据组合机床所需加工的示范零件轮廓尺寸如图 3.3，特设定基本参 数如表 3.1。 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 12 页 图图 3.33.3 典型加工典型加工 表表 3.13.1 可倾式回转工作台相关参数可倾式回转工作台相关参数 中心高430mm中心套孔直径30mm 工作台台面直径800mm主轴连接尺寸494mm T 型槽宽度22mm倾斜角度 90 回转角度 360 使用压力2.5MP 最大载重量3000kg使用流体液压油 3.2.2 液压系统的方案设计 通过液压式回转工作台的基本原理和动作过程，可以了解到工作台需要有两个 液压系统：一个是提供压力使工作台实现抬起和下降的动作，而另外一个液压系统 是实现工作台 90倾斜的动作。这两个动作过程都需要液压系统具有使工作台平稳 动作的功能，不要在工作台抬起、下降的时候产生颤动，影响加工精度。 如图 3.4 所示，在液压缸的两侧油路上都串接液压单向阀（液压锁） ，活塞可以 在行程的任何位置上锁紧，不会因外界的原因而颤动，而其锁紧精度只受液压缸的 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 13 页 泄漏和油液压缩性的影响。为了保证锁紧迅速准确，换向阀采用了 H 型中位机能。 这种液压系统能很好的满足液压式可倾式回转工作台的要求。 图图 3.43.4 液压系统方案设计液压系统方案设计 3.2.3 液压泵的选择 根据液压式可倾式回转工作台的基本参数和 CAD 辅助设计对零件的设计，可 以知道：实现工作台的倾斜的液压系统的压力远比实现工作台上下运动的压力要小， 两个液压系统选择相同的液压泵，所以选择液压泵的时候只要满足上下运动的即可。 根据工作台的最大承重量为 3000kg。根据此设计的活塞尺寸如图 3.5： 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 14 页 图图 3.53.5 活塞活塞 活塞的作用面积为半径 110mm 和半径 80mm 围成的环面。计算过程如下： F=mg（式 3.1） F=3000kg9.8N/kg=29400N 22 22222 6 () ()3.14 (11080 )17898 29400 1.643 17898 10 SRr SRrmm F P S F PMPa S （式 3.2） 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 15 页 根据的液压马达工作压力，由液压传动手册选择 CB-B4 齿轮油泵，为工作 台液压系统的液压泵，其具体参数如表 2.2： 表表 2.22.2 液压泵参数液压泵参数 型号流量 l/min 压力 MPa 转速 rpm 容积效率 % 重量 kg 驱动功率 kW CBB4 42.51450 85 2.80.21 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 16 页 第四章第四章 可倾式回转工作台部件设计可倾式回转工作台部件设计 通过前三章的设计分析，对工作台的设计有了总体的框架和结构，本章将详细 的阐述可倾式回转工作台的各个部件设计，包括部分零件的设计尺寸和安全校核， 以及一些零部件的理论论述。 4.14.1 工作台的设计工作台的设计 4.1.1 工作台整体尺寸的设计 液压式可倾式回转工作台作为需要回转的部件，在其上还会有专业的夹具。为 了满足其回转的功能，所以工作台做成圆形件，且根据工作台的加工零件范围：最 大载重量为 3000kg,所以工作台台面选取 800mm，工作台的高度为 130mm。工作台 表面需要 T 型槽，用于工作台上夹具的定位夹紧。为了使工作台耐用，在工作台的 中心处设计一个中心孔，用于安装衬套的安装。工作台的下端面需要与中心转轴和 端齿盘安装定位，所以要设计一个槽，槽宽与槽深都是根据端齿盘的尺寸来设计确 定的。 4.1.2 工作台 T 型槽设计 工作台 T 型槽的作用是用 T 型槽固定工作台上的夹具。T 型槽的布置需要根据 工作台的尺寸确定，根据设计时的方案，T 型槽长度为 320mm，由于是五工位，所 以布置 5 个 T 型槽，均布在工作台的上表面。 根据工作台的结构要求和机械设计简明手册T 型槽及螺栓头部尺寸（摘自 GB/T158-1996） ，选择如下： 图图 4.14.1 T T 型槽型槽 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 17 页 T 型槽|A|基本尺寸/mm：22 T 型槽|B|基本尺寸/mm：38 T 型槽|C|基本尺寸/mm：18 螺栓选择 公称尺寸/mm：M20 4.1.3 工作台中心孔设计 工作台的中心孔设计，是根据在工作台中心孔上有一个衬套，衬套的作用是： 当衬套磨损了，可以方便更换。如果不用衬套，磨损后，则需要更换工作台。因其 是标准件，加工方便，更换成本低，而且还能起到一定的导向作用。衬套与工作台 的中心孔为小过盈配合。所以根据工作台结构要求和衬套的标准规定可得，工作台 中心孔的孔径为 39mm。选取的衬套为外径 30mm，长 45mm 的衬套。 4.1.4 工作台螺孔分布设计 液压式回转工作台需要中心轴和端齿盘与工作台具有精确的相对位置。而工作 台是由许多点、线、面组成的一个复杂空间几何体。当考虑中心轴和端齿盘在工作 中占据正确位置时，在实际安装，进行零部件需要螺栓的夹紧和定位销的定位相结 合才能满足工作台的动作要求。对于中心轴本设计采用螺栓和定位销在工作台上圆 周均布，一般都采用三个螺栓与两个定位销对工作台及其部件进行定位夹紧。而对 于端齿盘，由于选用的是标准件，工作台上的孔必须与端齿盘向对应。估设计出的 工作台如图 4.2： 图图 4.24.2 工作台工作台 4.24.2 端齿盘端齿盘 由于端齿盘是标准件，根据工作台的尺寸，依据 JB-T4316.11999 选用端齿 盘的参数如下： 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 18 页 图图 4.34.3 端齿盘端齿盘 外径 D：630mm 内径 d：500mm 齿数 z：180 齿长 F：25mm 齿盘副厚度 H：80mm 体厚 H1:30mm 齿盘厚度 H/2+m：42.16mm 齿距 t：11mm 齿厚 S：5.5mm 齿内径 d0:580mm 全齿高 h:7.2mm 齿顶高 m：2.17mm 空刀槽宽 P：3.0mm 槽底倾角 a：05158 分布圆直径 D1：540mm 螺栓孔数量：12 直径：d1:17.5mm 沉孔：d2:28mm 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 19 页 沉孔深度 b：16mm 锥孔 d3：16mm 倒角 C：2 最小抬起量：4.8mm d4：M16 4.34.3 中心轴设计中心轴设计 4.3.1 中心轴尺寸设计 液压式回转工作台的中心转轴其结构尺寸基本上是按照工作台的整体尺寸确定 的，其上端面的螺孔与定位销都是根据工作台的上端面的螺孔分布来设计的。其下 端面的螺孔是根据与之配合的齿圈设计的，中心轴会 20mm 嵌进齿圈的中心槽进行 定位，再使用三个均布的螺栓紧固。 中心轴最重要的部分是其右端面的直径大小，在工作台结构允许的条件下，尽 可能的使中心轴的支撑面大。因为液压式数控分度工作台在分度旋转的时候，需要 液压油顶起活塞，活塞两端都有推力球轴承，通过推力球轴承顶起中心轴支撑面， 在此过程中工作台的重心不一定在中心，所以会产生一定的倾覆力。中心轴的支撑 面越大则产生的倾覆力越小，分度后的中心重复定位精度也将会提高。所以根据工 作台和端齿盘的尺寸，允许中心轴支撑面的最大尺寸为 494mm。 图图 4.44.4 中心轴中心轴 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 20 页 4.3.2 中心轴轴承选择 根据中心轴的动作原理，可知需要选择推力球轴承。推力球轴承：推力球轴承 由底圈、轴圈和钢球保持架组件三部分构成。与轴配合的称轴圈，与外壳配合的称 底座圈。推力球轴承种类：按受力情况分单向推力球轴承和双向推力球轴承。单向 推力球轴承可承受的单向轴向负荷。双向推力球轴承可承受双向轴向负荷。双向推 力球轴承，其中圈与轴配合。底圈的安装面成球面的轴承，具有调心性能，可以减 少安装误差的影响。 推力球轴承的用途：只适用于承受一面轴向负荷、转速较低的机件上，例如起 重机吊钩、立时水泵、立时离心机、千斤顶、低速减速器等。轴承的轴圈、底圈和 滚动体是分离的，可以分别拆装。 根据中心轴的轴颈：上端的轴颈 100mm，查机械设计课程设计手册表 6 8 推力球轴承（GB/T3011995 摘录）可知，选用轴承代号为：51120。为了便于轴 上零件的安装，下端轴颈是 90mm，选用推力球轴承（GB/T3011995 摘录）轴承 代号为：5118。 图图 4.54.5 推力球轴承推力球轴承 3.43.4 活塞设计活塞设计 液压式数控回转工作台的活塞设计，根据轴心转轴的结构尺寸可以确定活塞中 心孔的大小为 94mm，在设计中，当两个接触面的距离较长时，适当减少接触面的 距离，降低加工难度，也提高了精度。如图活塞的上端面是一个专门的推力球轴承 的支撑槽，推力球轴承的外径为 135mm，根据要求选择了支撑槽的直径为 140mm。活塞尺寸如图 3.6 所示： 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 21 页 图图 4.64.6 活塞活塞 活塞的半径是根据液压系统的工作压力确定的，活塞作为液压油驱动的部件， 在其运动过程中难免会发生泄漏现象，所以也需要密封圈，根据密封圈可以设计出 活塞上的密封槽。根据结构要求，活塞需要液压油才能驱动，根据活塞工作原理， 所以齿条需要密封。密封可以分为静密封和动密封两大类。静密封主要有垫密封、 密封胶密封盒直接接触密封三大类。根据工作压力，静密封又可以分为中低压静密 封和高压静密封。中低压静密封常用材料较软宽度较宽的垫密封，高压静密封则用 材料较硬接触宽度窄的金属垫片。动密封可以分为螺旋密封盒往复密封两种基本类 型。按密封件与其相对运动的零部件是否接触，可分为接触式密封盒非接触式密封； 按密封件和接触位置又可以分为圆周密封和端面密封，端面密封又称机械密封。动 密封中的离心密封盒螺旋密封，是借助机械转动时给介质以动力得到密封。 经过以上的介绍，可知活塞需要往复的运动，所以需要动密封元件，本设计选 择 O 型橡胶密封圈，它适用于装在各种机械设备上，在工作压力 070MPA、温度 为-40+120的不同液体和气体介质中，在固定或运动的情况下起密封作用。根 据由机械设计课程设计手册得适用于活塞的密封圈如图 4.7 所示： 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 22 页 图图 4.74.7 密封圈密封圈 表表 4.14.1 密封圈尺寸选型表密封圈尺寸选型表 小密封圈尺寸大密封圈尺寸 D1 1551.19 D1 2121.57 D2 3.550.10 D2 5.300.13 4.54.5 传动系统设计传动系统设计 4.5.1 传动系统总体方案设计 根据液压式可倾式回转工作台的工作原理，在工作台需要回转的时候，液压油 进入活塞下部将工作台顶起，同时齿圈和下齿轮啮合，准备回转。上升到位后，液 压系统将使液压油进入齿条油腔，推动齿条，齿条与上齿轮啮合，并带动上齿轮运 动，上齿轮与下齿轮是做成一体的，所以上齿轮带动下齿轮旋转。下齿轮与齿圈啮 合在一起，并且齿圈与转轴是固定的，所以齿条的水平运动馆将会带动工作台的旋 转。 综上所诉，此传动系统的最主要的作用就是通过齿轮齿条和齿轮齿圈的啮合使 齿条的水平运动转变成工作台的倾斜运动。即为图 4.8 所示： 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 23 页 图图 4.84.8 齿轮齿条传动设计齿轮齿条传动设计 经过动作的分析，在此设计中，齿轮齿条的作用只是转动时进行啮合，而且顶 起时传递的力只是克服转轴与活塞内孔壁摩擦力，此摩擦力比较小，所以齿轮齿条 的设计计算只是根据传动系统的设计方案和工作他的具体尺寸确定的。所以齿条半 径为 35mm，齿轮分度圆半径为 130mm。 液压泵的工作压力是 2.5MPa。 1、齿轮齿条转矩 根据工作台零部件之间合理的分布，可以确定齿条半径为 35mm，齿条油腔的面 积为： S=*R=3.1435=3846.5mm （式 4.1） 所以齿条在运动时受力的推理为： F=P*S=2.53846.5=9616.5N （式 4.2） 齿轮齿条啮合时，所受的转矩就是克服中心转轴与活塞内壁的摩擦力，此摩擦 力比较小。 2、齿轮齿条的转速 由齿轮齿条的分度圆啮合条件可知，工作台实现 90倾斜时，齿轮需要转动四 分之一个圆周，所以 L=*d1/4 （式 4.3） =3.142601/4 =204.1mm 齿轮转动的圆周长度也即是齿条运动时时需要运动的长度，即为齿条油缸的长 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 24 页 度。所以齿条油缸的体积为： V=*r*L （式 4.5） =3.1435204.1 =0.7850m 选择的液压泵流量为:4L/min 所以回转工作台需要的时间为： t=V/q=9.5s （式 4.6） 综上所诉，齿条在啮合的时候速度为： V=L/t=17.4mm/s （式 4.7） 齿轮在转动时的转速： n=60/(t5)=1.25r/min （式 4.8） 4.5.2 齿轮齿条设计计算 参考机械设计第十章齿轮传动进行计算如表 4.2 表表 4.24.2 齿轮齿条计算齿轮齿条计算 项目计算（或选择） 依据 计算过程单 位 计算（或确定）结 果 1.选齿轮精度 等级 查1表 108选用 7 级精度级7 2.材料选择查1表 101齿条选用 45 号钢 （正火处理）硬 度为 200HBS 大齿轮选择 45 号 钢（正火处理） 200HBS 齿轮 200HBS 齿条 200HBS 3.选择齿数 Z Z117 Z2=iZ1 U=Z2/Z1 取 Z1=130 Z2=1130 =130 个选择：齿轮齿数为 40，齿条齿数为 42 传动比 1:1 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 25 页 U=Z2/Z1=1 4.按齿面接触强度设计 (1)试选 KtKt=1.2-1.4取 Kt=1.3Kt=1.3 (2)区域系数 ZH 由1图 10-30ZH=2.433ZH=2.433 (3)计算齿条 传递的转矩 根据上述可知 T=19110 Nmm T=19110Nmm (4)齿宽由结构可知B=22mmB=22mm (5)材料的弹 性影响系数 ZE 由1表 106ZE=189.8 MPa ZE=189.8 (6)齿轮接触 疲劳强度极 限 limH 由1图 10-21c 由1图 10-21d 380 380 2lim 1lim H H MPa 380 380 2lim 1lim H H (7)应力循环 次数 N 由1式 10-13 5 1 108 . 1 )530082( 125 . 1 60 60 h LjnN 5 1 1 2 108 . 1 齿 i N N mm dL 79.260 26014. 3 360 115 * 360 115 (8)接触疲劳 强度寿命 HN K 由1图 10-19 1.13K 3.11K HN2 HN1 1.13K 3.11K HN2 HN1 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 26 页 (9)计算解除 疲劳强度许 用应力 H 取是小概率为 1%，安全系 数 S=1，由1 式 10-12 得 4 . 429 1 38013. 1 K 1limHHN1 1H S 4 . 429 1 38013 . 1 K 2limHHN2 2H S 429.4 2 2H1H H 4 . 429 H (10)试算小齿 轮分度圆直 径 t d