关 键 词：

CM6132 卧式车床数控化改造的尾座设计 车床数控化改造总体设计及 卧式车床数控化改造总体设计及液压尾座设计 卧式车床数控化改造总体设计及 卧式车床数控化改造 车床CM6132的数控化改造

资源描述：

cm6132卧式车床数控化改造的总体设计及液压尾座设计,CM6132,卧式车床数控化改造的尾座设计,车床数控化改造总体设计及,卧式车床数控化改造总体设计及液压尾座设计,卧式车床数控化改造总体设计及,卧式车床数控化改造,车床CM6132的数控化改造

内容简介：

I 毕业设计说明书毕业设计说明书 题目：题目：CM6132CM6132 型卧式车床数控机床总体设计及液压尾座设计型卧式车床数控机床总体设计及液压尾座设计 学学 生生 班班 级级 学学 号号 指导教师指导教师 继 续 教 育 学 院 二零一二年九月 II 摘摘 要要 数控机床作为机电液气一体化的典型产品，能解决机械制造中结构复杂、精密、 批量、零件多变的问题，加工质量稳定，生产效率较高。 本文的主要内容有： 1介绍车床数控化设计的目的意义及设计的必要性； 2.对 CM6132 车床进行经济性评价详细论证，确定车床改造设计方案； 3.设计液压尾座； 4.绘出相应的装备图； 5给出车床的安装、调试方法。 关键词：CM6132,车床，数控，设计 III 目目 录录 第 1 章 数控机床的产生和发展趋势.1 1.1 数控机床的产生1 1.2 数控机床的发展趋势2 第 2 章 数控机床的类别和特点.3 2.1 数控机床的类别3 2.2 数控机床的特点6 第 3 章 数控化改造的必要性.7 3.1 机床与生产线数控化改造的市场7 3.2 机床数控化改造的必要性.8 第 4 章 CM6132 数控化改造的总体设计.10 4.1 总体方案设计的内容.10 4.1.1 系统运动方式的确定10 4.1.2 伺服系统的选择10 4.1.3 执行机构传动方式的确定11 4.1.4 计算机的选择11 4.2 总体设计方案的确定.11 4.2.1 系统的运动方式与伺服系统的选择11 4.2.2 计算机系统11 4.2.3 机械传动方式12 第 5 章 CM6132 的液压尾座设计.13 5.1 尾座体的设计.13 5.2 尾座主轴的设计.14 5.3 尾座顶尖的设计.14 5.4 螺塞缸的设计.15 5.5 尾座导轨的设计.15 5.6 尾座孔系设计.16 5.6.1 主轴孔的设计16 IV 5.6.2 孔和键的设计17 5.6.3 配合17 5.6.4 密封及偏心轴的设计18 5.7 挠度、转角、锁紧力的计算及校核.18 5.7.1 挠度的计算19 5.7.2 转角的计算19 5.7.3 压板处螺栓的选择及校核19 5.8 尾座精度的确定20 5.8.1 表面粗糙度的确定20 5.8.2 尾座与机床形位公差的确定21 5.8.3 底面及立导向面形位公差的确定21 总 结.23 参考文献.24 致 谢.25 1 第 1 章 数控机床的产生和发展趋势 1.1 数控机床的产生 1948 年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制飞机螺旋桨叶片轮廓样板的加 工设备。由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出计 算机控制机床的设想。1949 年，该公司在美国麻省理工学院（MIT）伺服机构研究室 的协助下，开始数控机床研究，并于 1952 年试制成功第一台由大型仿形车床改装而成 的三坐标数控车床，不久即开始正式生产，于 1957 年正式投入使用。这是制造技术发 展过程中的一个重大突破，标志着制造领域中数控加工时代的开始。数控加工是现代 制造技术的基础，这一发明对于制造行业而言，具有划时代的意义和深远的影响。世 界上主要工业发达国家都十分重视数控加工技术的研究和发展。 当时的数控装置采用电子管元件，体积庞大，价格昂贵，只在航空工业等少数有 特殊需要的部门用来加工复杂型面零件；1959 年，制成了晶体管元件和印刷电路板， 使数控装置进入了第二代，体积缩小，成本有所下降；1960 年以后，较为简单和经济 的点位控制数控钻床，和直线控制数控车床得到较快发展，使数控机床在机械制造业 各部门逐步获得推广。我国于 1958 年开始研制数控机床，成功试制出配有电子管数控 系统的数控机床，1965 年开始批量生产配有晶体管数控系统的三坐标数控车床。 1965 年，出现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗少，且可靠 性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展。60 年代末，先后出现 了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统（简称 DNC） ，又称群控系统；采 用小型计算机控制的计算机数控系统（简称 CNC）,使数控装置进入了以小型计算机化 为特征的第四代。 1974 年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置（简称 MNC） ，这是第五代数控系统。第五代与第三代相比，数控装置的功能扩大了一倍，而 体积则缩小为原来的 1/20，价格降低了 3/4，可靠性也得到极大的提高。 80 年代初，随着计算机软、硬件技术的发展，出现了能进行人机对话式自动编制 程序的数控装置；数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上；数控机床的自动化 程度进一步提高，具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。 2 1.2 数控机床的发展趋势 4 月 19 日从第七届中国国际机床展获悉，随着科学技术不断发展，数控机床的发 展也越来越快，数控机床也正朝着高性能、高精度、高速度、高柔性化和模块化方向 发展。 高性能：随着数控系统集成度的增强，数控机床也实现多台集中控制，甚至远 距离遥控。高精度：数控机床本身的精度和加工件的精度越来越高，而精度的保持性 要好。高速度：数控机床各轴运行的速度将大大加快。高柔性：数控机床的柔性化将 向自动化程度更高的方向发展，将管理、物流及各相应辅机集成柔性制造系统。模块 化：数控机床要缩短周期和降低成本，就必然向模块化方向发展，这既有利于制造商 又有利于客户。 我国近几年数控机床虽然发展较快，但与国际先进水平还存在一定的 差距，主要表现在：可靠性差，外观质量差，产品开发周期长，应变能力差。为了缩 小与世界先进水平的差距，有关专家建议机床企业应在以下 6 个方面着力研究： 1加大力度实施质量工程，提高数控机床的无故障率。 2跟踪国际水平，使数控机床向高效高精方面发展。 3加大成套设计开发能力上求突破。 4发挥服务优势，扩大市场占有率。 5多品种制造，满足不同层次的用户。 6模块化设计，缩短 开发周期，快速响应市场。 数控机床使用范围越来越大， 国内国际市场容量也越来越大，但竞争也会加剧，我们只有紧跟先进技术进步的大方 向，并不断创新，才能赶超世界先进水平。 3 第 2 章 数控机床的类别和特点 2.1 数控机床的类别 数控机床的品种很多，根据其加工、控制原理、功能和组成，可以从以下几个不 同的角度进行分类。 一、按加工工艺方法分类 1金属切削类数控机床 与传统的车、铣、钻、磨、齿轮加工相对应的数控机床有数控车床、数控车床、 数控钻床、数控磨床、数控齿轮加工机床等。尽管这些数控机床在加工工艺方法上存 在很大差别，具体的控制方式也各不相同，但机床的动作和运动都是数字化控制的， 具有较高的生产率和自动化程度。 在数控数控机床加装一个刀库和换刀装置就成为数控加工中心机床。加工中心机 床进一步提高了数控数控机床的自动化程度和生产效率。例如铣、镗、钻加工中心， 它是在数控车床基础上增加了一个容量较大的刀库和自动换刀装置形成的，工件一次 装夹后，可以对箱体零件的四面甚至五面大部分加工工序进行铣、镗、钻、扩、 铰以 及攻螺纹等多工序加工，特别适合箱体类零件的加工。加工中心机床可以有效地避免 由于工件多次安装造成的定位误差，减少了机床的台数和占地面积，缩短了 辅助时间， 大大提高了生产效率和加工质量。 2特种加工类数控机床 除了切削加工数控机床以外，数控技术也大量用于数控电火花线切割机床、数控 电火花成型机床、数控等离子弧切割机床、数控火焰切割机床以及数控激光加工机床 等。 3板材加工类数控机床 常见的应用于金属板材加工的数控机床有数控压力机、数控剪板机和数控折弯机 等。 近年来，其它机械设备中也大量采用了数控技术，如数控多坐标测量机、自动绘 图机及工业机器人等。 二、按控制运动轨迹分类 1点位控制数控机床 4 点位控制数控机床的特点是机床移动部件只能实现由一个位置到另一个位置的精 确定位，在移动和定位过程中不进行任何加工。机床数控系统只控制行程终点的坐标 值，不控制点与点之间的运动轨迹，因此几个坐标轴之间的运动无任何联系。可以几 个坐标同时向目标点运动，也可以各个坐标单独依次运动。 这类数控机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床、数控点焊机等。点位 控制数控机床的数控装置称为点位数控装置。 2直线控制数控机床 直线控制数控机床可控制刀具或工作台以适当的进给速度，沿着平行于坐标轴的 方向进行直线移动和切削加工，进给速度根据切削条件可在一定范围内变化。 直线控制的简易数控车床，只有两个坐标轴，可加工阶梯轴。直线控制的数控车 床，有三个坐标轴，可用于平面的铣削加工。现代组合机床采用数控进给伺服系统， 驱动动力头带有多轴箱的轴向进给进行钻镗加工，它也可算是一种直线控制数控机床。 数控镗车床、加工中心等机床，它的各个坐标方向的进给运动的速度能在一定范 围内进行调整，兼有点位和直线控制加工的功能，这类机床应该称为点位/直线控制的 数控机床。 3轮廓控制数控机床 轮廓控制数控机床能够对两个或两个以上运动的位移及速度进行连续相关的控制， 使合成的平面或空间的运动轨迹能满足零件轮廓的要求。它不仅能控制机床移动部件 的起点与终点坐标，而且能控制整个加工轮廓每一点的速度和位移，将工件加工成要 求的轮廓形状。 常用的数控车床、数控车床、数控磨床就是典型的轮廓控制数控机床。数控火焰 切割机、电火花加工机床以及数控绘图机等也采用了轮廓控制系统。轮廓控制系统的 结构要比点位/直线控系统更为复杂，在加工过程中需要不断进行插补运算，然后进行 相应的速度与位移控制。 现在计算机数控装置的控制功能均由软件实现，增加轮廓控制功能不会带来成本 的增加。因此，除少数专用控制系统外，现代计算机数控装置都具有轮廓控制功能。 三、按驱动装置的特点分类 1开环控制数控机床 5 这类控制的数控机床是其控制系统没有位置检测元件，伺服驱动部件通常为反应 式步进电动机或混合式伺服步进电动机。数控系统每发出一个进给指令，经驱动电路 功率放大后，驱动步进电机旋转一个角度，再经过齿轮减速装置带动丝杠旋转，通过 丝杠螺母机构转换为移动部件的直线位移。移动部件的移动速度与位移量是由输 入脉 冲的频率与脉冲数所决定的。此类数控机床的信息流是单向的，即进给脉冲发出去后， 实际移动值不再反馈回来，所以称为开环控制数控机床。 开环控制系统的数控机床结构简单，成本较低。但是，系统对移动部件的实际位 移量不进行监测，也不能进行误差校正。因此，步进电动机的失步、步距角误差、齿 轮与丝杠等传动误差都将影响被加工零件的精度。开环控制系统仅适用于加工精度要 求不很高的中小型数控机床，特别是简易经济型数控机床。 2闭环控制数控机床 闭环控制数控机床是在机床移动部件上直接安装直线位移检测装置，直接对工作 台的实际位移进行检测，将测量的实际位移值反馈到数控装置中，与输入的指令位移 值进行比较，用差值对机床进行控制，使移动部件按照实际需要的位移量运动，最终 实现移动部件的精确运动和定位。从理论上讲，闭环系统的运动精度主要取决于 检测 装置的检测精度，也与传动链的误差无关，因此其控制精度高。图 1-3 所示的为闭环 控制数控机床的系统框图。图中 A 为速度传感器、C 为直线位移传感器。当位移指令 值发送到位置比较电路时，若工作台没有移动，则没有反馈量，指令值使得伺服电动 机转动，通过 A 将速度反馈信号送到速度控制电路，通过 C 将工作台实际位移量反馈 回去，在位置比较电路中与位移指令值相比较，用比较后得到的差值进行位置控制， 直至差值为零时为止。这类控制的数控机床，因把机床工作台纳入了控制环节，故称 为闭环控制数控机床。 闭环控制数控机床的定位精度高，但调试和维修都较困难，系统复杂，成本高。 3半闭环控制数控机床 半闭环控制数控机床是在伺服电动机的轴或数控机床的传动丝杠上装有角位移电 流检测装置（如光电编码器等） ，通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的实际位移， 然后反馈到数控装置中去，并对误差进行修正。图 1-4 所示的为半闭环控制数控机床 的系统框图。图中速度传感器、角度传感器。通过测速元件 A 和光电编码盘 B 可 间接检测出伺服电动机的转速，从而推算出工作台的实际位移量，将此值与指令值进 6 行比较，用差值来实现控制。由于工作台没有包括在控制回路中，因而称为半闭环控 制数控机床。 半闭环控制数控系统的调试比较方便，并且具有很好的稳定性。目前大多将角度 检测装置和伺服电动机设计成一体，这样，使结构更加紧凑。 4混合控制数控机床 将以上三类数控机床的特点结合起来，就形成了混合控制数控机床。混合控制数 控机床特别适用于大型或重型数控机床，因为大型或重型数控机床需要较高的进给速 度与相当高的精度，其传动链惯量与力矩大，如果只采用全闭环控制，机床传动链和 工作台全部置于控制闭环中，闭环调试比较复杂。混合控制系统又分为两种形 式： （1）开环补偿型。图 1-5 为开环补偿型控制方式。它的基本控制选用步进电动机 的开环伺服机构，另外附加一个校正电路。用装在工作台的直线位移测量元件的反馈 信号校正机械系统的误差。 （2）半闭环补偿型。图 1-6 为半闭环补偿型控制方式。它是用半闭环控制方式取 得高精度控制，再用装在工作台上的直线位移测量元件实现全闭环修正，以获得高速 度与高精度的统一。其中是速度测量元件（如测速发电机） ，B 是角度测量元件，C 是直线位移测量元件。 2.2 数控机床的特点 数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令；加工 性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批量、改型频 繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。 随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、车床、镗床、 钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。此外还有能自动换刀、一次装卡进 行多工序加工的加工中心、车削中心等。 7 第 3 章 数控化改造的必要性 3.1 机床与生产线数控化改造的市场 （1）机床数控化改造的市场 我国目前机床总量 380 余万台，而其中数控机床总数只有 11.34 万台，即我国机床 数控化率不到 3。近 10 年来，我国数控机床年产量约为 0.60.8 万台，年产值约为 18 亿元。机床的年产量数控化率为 6。我国机床役龄 10 年以上的占 60以上；10 年以下的机床中，自动/半自动机床不到 20，FMC/FMS 等自动化生产线更屈指可数 （美国和日本自动和半自动机床占 60以上） 。可见我们的大多数制造行业和企业的生 产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床。用这 种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而 在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业 的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。 （2）进口设备和生产线的数控化改造市场 我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。 据不完全统计，从 19791988 年 10 年间，全国引进技术改造项目就有 18446 项，大 约 165.8 亿美元。 这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项 目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响， 严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备 件不全，维护不当，结果运转不良；有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽 视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运 行，没有发挥应有的作用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产 达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行 技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。 这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是财 富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存 量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。 8 3.2 机床数控化改造的必要性 （1）微观看改造的必要性 从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自 数控系统所包含的计算机的威力。 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动 的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高 37 倍。 由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序 规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另 一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了“柔性自动 化“。 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配“。 可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看 管加工。 由以上五条派生的好处。 如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床） ，减少了 工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。 以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化 还是推行 FMC（柔性制造单元） 、FMS（柔性制造系统）以及 CIMS（计算机集成制造 系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础 技术。 （2）宏观看改造的必要性 从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在 70 年代末、80 年代初已开始 大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业） 进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS 外，还包括在产品开发中 推行 CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行 MIS（管理信息系统） 、 9 CIMS 等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用 信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化） ，最终使得他们的产品 在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比 发达国家约落后 20 年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到 1995 年只有 1.9，而日本在 1994 年已达 20.8，因此每年都有大量机电产品进口。这也 就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。 10 第 4 章 CM6132 数控化改造的总体设计 4.1 总体方案设计的内容 数控系统总体方案的拟定应包括以下内容:系统运动方式的确定、伺服系统的选择、 执行机构的结构及传动方式的确定、计算机系统的选择等内容。 4.1.1 系统运动方式的确定 数控系统按运动方式可分为点位控制系统、连续控制系统和点位/直线控制系统。 如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制方式。例如，数控钻床， 在工作台移动过程中钻头并不进行钻孔加工，因此数控系统可采用点位控制方式。对 于点位控制系统的要求是快速定位，保证定位精度。 连续控制系统要求工作台和刀具沿各坐标轴的运动有确定的函数关系，能够控制 刀具沿任意直线或曲线运动，控制每一个轴的位置和速度，使得各个轴同步协调到达 目标点。连续控制系统不仅控制目标点，而且控制刀具到达这些目标点的整个路径， 使刀具始终接触工件并制造出希望的形状，所以具有连续控制系统的数控机床可以加 工各种外形轮廓复杂的零件，故而连续控制系统又称为轮廓控制系统或仿型系统。在 点位控制系统中不具有连续控制系统中所具有的轨迹计算装置，而连续控制系统中却 具有点位系统的功能。例如，数控车床、数控车床等。 点位-直线系统，不但要求工作台运动的终点坐标，还要求工作台沿坐标轴运动过 程中切削工作，进行简单的车削和铣削作业。其控制方法与点位系统十分相似，故有 时也将这两种系统统称为点位控制系统。例如，数控镗车床等。 4.1.2 伺服系统的选择 伺服系统可以分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。 开环控制系统中，没有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向传送的。指 令发出后，不再反馈回来，故称为开环控制。开环控制系统主要由步进电机驱动。开 环伺服系统结构简单，成本低廉，容易掌握，调试和维修都比较简单。目前国内大力 发展的经济型数控机床普遍采用开环伺服系统。 闭环控制系统具有装在机床移动部件上的检测反馈元件，用来检测实际位移量， 能补偿系统的误差，因而伺服控制精度高。闭环系统多采用直流伺服电机或交流伺服 11 电机驱动。但闭环系统造价高、结构和调试较复杂，多用于精度要求高的场合。 半闭环控制系统与闭环控制系统不同，不直接检测工作台的位移半闭环控制系统 与闭环控制系统不同，不直接检测工作台的位移量，而是检测元件测出驱动轴的转角， 再间接推算出工作台实际的位移量，也有反馈回路，其性能介于开环系统和闭环系统 之间。 4.1.3 执行机构传动方式的确定 为确定数控系统传动精度和工件平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩 擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及适当的阻尼比要求。在设计中应考虑以下 几点： 尽量采用低摩擦的传动和导向元件。例如，采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、 贴塑导轨等。 尽量消除传动间隙。例如，采用消隙齿轮等。 提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的传动刚度、减小传动链误差。也可以 用预紧的方法提高系统刚度。例如，采用预加负载的滚动导轨和滚动丝杠副等。 4.1.4 计算机的选择 微机数控系统由 CPU、存储扩展电路、I/O 接口电路、伺服电机驱动电路、检测电 路等组成。 4.2 总体设计方案的确定 4.2.1 系统的运动方式与伺服系统的选择 由于设计后的经济型数控车床应具有定位、直线插补、顺圆插补、逆圆插补、暂 停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑到属于经济型 数控机床加工精度不高，为了简化结构、降低成本容易调试和维护，经济型数控车床 应选用步进电机开环控制系统。 4.2.2 计算机系统 根据机床要求采用 8 位微机。由于 MCS-51 系列单片机具有集成度高、可靠性好、 功能强、速度快、抗干扰能力强性能价格比高等特点，决定采用 MCS-51 系列的 80C31 单片机扩展系统。 12 控制系统由微机部分、键盘、显示器，I/O 接口及光隔离电路，步进电机功率放大 电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示 加工数据及机床状态等信息。 4.2.3 机械传动方式 为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动给丝杠。为保证一 定的传动精度和平稳性，应尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时为提高传动 刚度和消除间隙，采用有预加负载的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。 13 第 5 章 CM6132 的液压尾座设计 尾座是卧式车床的重要附件，其主要作用是为轴类零件定心，同时具有辅助支撑 和夹紧的功能。CM6132 数控卧式车床的尾座采用的是整体式结构，整体式结构尾座由 尾座体、套筒、芯轴结构、套筒液压测力装置、尾座和套筒移动机构、尾座和套筒夹 紧与放松结构及液压装置等组成，芯轴结构选用高精度的进口轴承支承，动、静刚度 好，精度高。套筒和尾座的移动均为机动，套筒和尾座的夹紧、放松均采用碟形弹簧 夹紧，液压放松的机动夹紧、放松结构，夹紧力足够大，安全可靠，工人操作简单、 方便、效率高。 其优点在于： 1、刚度高、抗震性能好，精度高，精度保持性好，整体式尾座，将分体式尾座上、 下体合为一个尾座整体，采用整体式箱形结构设计，经有限元分析、计算，通过对尾 座内部筋板的合理布置，提高了尾座的刚度和固有频率，尾座采用高强度低应力铸铁 铸造，经良好的时效处理，热变形小，在承受最大工件重量和最大额定切削力的情况 下。尾座整体变形小，抗振性能好，满足数控卧式车床精度检验标准的要求。 2、结构更加简单、优化、合理，整体式尾座将分体式尾座上、下体合为一个尾座 整体，取消了分体式尾座联结的定位键和把合螺钉，总零件数和标准件数更少，取消 了分体式尾座上、下体的配合加工面，取消了分体式尾座上、下体的装配环节，加工、 装配工艺性更好，节约了加工、装配总费用，降低了尾座的总重量和总成本。 我设计的尾座的工作原理是尾座套筒、尾座油压后座上都有油孔,尾座套筒和尾座 活塞固定座通过螺钉连接在一起，可以移动。尾座油压后座、尾座体和尾座活塞轴连 接在一起，固定不动。尾座活塞轴、尾座套筒和尾座活塞固定座形成一个液压缸，并 且分成两个腔。当给尾座油压后座通液压油时，液压油通过油路进入尾座活塞轴上的 一个腔，在进入套筒孔的锥形腔内，此时压力增大，套筒带动顶尖向前移动。反之， 当液压油通过油路进入尾座活塞轴上的另一个腔，此时向后退的压力增大，套筒带动 顶尖向后移动。 5.1 尾座体的设计 数控卧式车床 CM6132 的尾座体是尾座的主要的机械部分，设计时主要参看其他机 14 床的尾座体和根据制造业在生产中所积累的经验，稍加设计而成的。尾座体的壁厚要 尽量均匀，拐角处要设计成圆角以减少集中应力。尾座体的材料采用 HT200，铸造加工 而成。在尾座体的设计过程中考虑到加工工艺，需要设计出工艺凸台和工艺孔。 在数控卧式车床 CM6132 的尾座设计中，首先设计出尾座壳体并设计出尾座台，使 其两者结合固定在导轨上，这样才能使尾座工作。在尾座体得设计中，我设计了以下 几个方面，首先明细栏标注的 13（以下直接写的序号以明细栏标注为主）油杯选择为 直径为 10，此油杯为压配式压注油杯，此油杯使用比较方面，当润滑主轴时只需将油 口对准油杯口即可往里注油，不用拆装尾座即可起到润滑的作用。14 为键，此键的形 状为上面圆柱，下面为四面体，此键的作用是固定主轴，使其不能左右旋转只能伸缩， 在其旁边有一定位螺钉，此作用是将键牢牢固定于壳体，防止键定位不准。 此尾座壳体的前面有防尘罩，此防尘罩的作用是防止主轴伸出时有杂质粘在上面， 也防止杂质渗入影响主轴伸出的速度及稳定性。 5.2 尾座主轴的设计 数控卧式车床 CM6132 的尾座套筒的主要尺寸是根据尾座体的尺寸选择的。套筒的 作用就是安装尾座活塞轴和顶尖，利用液压缸提供的压力和莫氏锥度本身的结构特性 顶紧顶尖，使顶尖在顶着工件加工时不会随工件一起转动。为了使套筒不随工件一起 转动在套筒上部设计了滑键槽，在尾座体上设计有滑键。尾座工作时滑键在滑键槽中 滑动，这样套筒就不会跟着转了，同时，顶尖在顶着工件加工时也不会随工件一起转 动了。从而提高了套筒的使用寿命。由于顶尖是利用氏锥度本身的结构特性卡紧的， 但是在工作中需要拆卸顶尖，因此需要在尾座体的后面设计了螺塞，当向内拧动螺塞 时，螺塞推动顶杆向前运动将顶尖顶出，此方法简单使用。 尾座主轴的尾部与固定环相连。可以通过液压油的流入与流出在孔内来回移动， 当液压有流入时主轴向后缩回，当液压油流出时主轴向前运动，主轴内有活塞，因为 活塞与主轴内壁接触，密封性较好，保证主轴运动灵敏性较好。 5.3 尾座顶尖的设计 车床的尾座顶尖，在车床的使用中经常用到的定位元件，它可以帮助主轴一起限 制的工件的自由度，并起到定心的作用，因此要求具有较高的精度，在使用中要使尾 座的轴心线与机床主轴的轴心线保证较高的同轴度在进行工件的加工过程中多采用前 15 后顶尖来支承工件，来确定工件的旋转中心并承受刀具作用在工件上的切削力。顶尖 是机械加工中的机床的重要部件，它可对端面复杂的零件和不允许打中心孔的零件进 行支承。顶尖的一端可顶中心孔或管料的内孔，另一端则放入到尾座套筒内。顶尖的 锁紧主要是靠顶紧力和液压缸提供的压力，加工时一般紧缩在尾座套筒内。顶尖一般 由专门的工厂生产，我们只要根据自己的需要买产品。由于数控卧式车床 CM6132 是中 小型机械加工设备，尾座总体尺寸并不是很大所以选择莫氏 4 号的顶尖。莫氏锥度是 一个锥度的国际标准，用于静配合以精确定位。由于锥度很小，可以传递一定的扭距， 又因为有锥度，又便于拆卸。利用的就是摩擦力的原理，在一定的锥度范围内，工件 可以自由的拆装，同时在工作时又不会影响到使用效果，比如钻孔的锥柄钻。在锥柄 上好后，钻头可以将工件钻出需要的孔，而锥柄处不会出现转动现象。又比如钻孔的 锥柄钻，如果使用中需要拆卸钻头磨削，拆卸后重新装上不会影响钻头的中心位置。 5.4 螺塞缸的设计 液压缸的工作原理 ：它的最基本 5 个部件,1-缸筒和缸盖 2-活塞和活塞杆 3-密封 装置 4-缓冲装置 5-排气装置 。每种缸的工作原理几乎都是相似的,拿一个手动千斤顶 来说它的工作原理吧,千斤顶其实也就是个最简单的油缸了.通过手动增压秆(液压手动 泵)使液压油经过一个单向阀进入油缸,这时进入油缸的液压油因为单向阀的原因不能 再倒退回来,逼迫缸杆向上,然后在做工继续使液压油不断进入液压缸,就这样不断上上 升,要降的时候就打开液压阀,使液压油回到油箱.这个是最简单的工作原来了,其他的 都在这个基础上改进的.此尾座的螺塞缸是安装螺塞的，当拧动螺塞时，螺塞再推动顶 杆向前运动，进而退出顶尖，螺塞缸还有一个作用就是固定活塞，使活塞不动主轴来 回运动，起支撑主轴的作用。 5.5 尾座导轨的设计 1、导轨的作用是引导机床运动部件作直线或圆周运动，并承受运动部件包括工件 的重力和切削力等载荷。导轨应满足导向精度高、精度保持性好、低速运动平稳性好； 摩擦阻力小、灵敏度高；刚度高、承载能力大；结构简单，便于加工、安装、调配、 调整和维修，成本低等要求。 2、导轨的材料：对导轨材料的主要要求是耐磨性好、工艺性好、成本低。常用的 导轨材料有铸铁、钢、有色金属和塑料。其中以铸铁应用最为普遍，因为铸铁是一种 16 成本低，有良好的减振性和耐磨性，易于铸造和切削加工的金属材料。 为了提高耐磨性和防止咬焊，动导轨和支承导轨应尽量采用不同的材料。如果选 用相同的材料，也一定要采取不同的热处理方式以使其具有不同的硬度。 灰铸铁常用的牌号是 HT200。在较好的润滑与防护条件下，具有一定的耐磨性。适 用于不经常工作且对精度保持性要求不高的导轨。 孕育铸铁常用的牌号是 HT300。耐磨性高于灰铸铁，但较脆硬，不易刮研，且成本 较高。常用于较精密的机床导轨。 耐磨铸铁中应用较多的是高磷铸铁、磷铜钛铸铁及钒钛铸铁。与孕育铸铁相比， 其耐磨性提高 12 倍，但成本较高，常用于精密机床导轨。 通过对材料的类比，由于我设计的是 CM6132 液压尾座,考虑价格等原因，选用灰 铸铁作为导轨材料。 3、导轨的形状：直线运动滑动导轨截面形状主要有三角形、矩形、燕尾形和圆形， 并且可以相互组合。在本课题中，我选择三角形导轨。选择三角形导轨的原因是它的 导向性和精度保持性都比较高，当导轨有了磨损时会自动下沉补偿磨损量，矩形导轨 存在侧向间隙，必须用镶条进行调整。燕尾形导轨刚度较差，加工、检验、和维修都 不大方面。综以上一些因素我选择三角形导轨。 5.6 尾座孔系设计 设计中所需提及的主要技术要求中，就其性质而言，大致可分为两类：一是各加 工表面自身的尺寸精度、几何形状精度和表面粗糙度；二是为了保证定位基准面的定 位精度，以及为了减轻在加工中的定位误差。为了保证尾座体在装配精度，还要求有 较高的相互位置精度。根据技术参数的要求，确定套筒直径为 85mm。 5.6.1 主轴孔的设计 通常情况下顶尖和中心孔的锥度必须相同，并且多数为锥度为 60，这是为了减 少接触面的单位面积压力和不损坏死顶尖。但在本课题中，所使用的顶尖是莫氏锥度 4 号的顶尖，因此，套筒前端的套筒孔的锥度也为莫氏锥度 4 号锥度。顶尖（死顶尖或 活顶尖）的锥面（莫氏锥度或公制锥度）插入主轴锥孔和尾座顶尖套筒的锥孔内要同 心，既要保证设计时同轴度的要求，避免由于尾座的偏移使车削工件产生锥度，因此 在设计中要保证莫氏锥孔轴心线与套筒轴心的同轴度公差为 0.01mm,端面径向跳动公差 17 为 0.006mm。 5.6.2 孔和键的设计 由于尾座体孔和套筒的配合精度较高，为了减轻滑键在套筒滑键槽内的磨损,需要 对两者的表面进行润滑，减少摩擦，防止产生磨粒磨损。摩擦不仅损坏配合表面的品 质，而且会导致疲劳裂纹的萌生，从而急剧地减低零件的疲劳强度。而在摩擦面加入 润滑剂不仅可以减低摩擦，减轻磨损，保护零件不遭腐蚀，而且能起到散热降温的作 用。采用润滑油来润滑时,润滑油膜可起到缓冲，吸热的功能；而采用膏状的润滑脂， 即可防止内部的润滑剂的外泄，又可阻止杂质侵入，避免加剧零件的磨损,起到密封作 用。因而润滑油或润滑脂的供应方法在设计中很重要。本课题的设计中尾座套筒孔的 两端采取了一定的密封性设计,因此可采用比较简单的压配式注油杯系统来进行间歇性 的润滑即满足尾座体孔和套筒、滑键与滑键槽的润滑要求。由于对注油孔的加工精度 要求不是很高，因此在对注油孔的设计及加工中不需要考虑过多的形位精度要求,仅保 持与滑键孔的位置关系即可。 在尾座上设计滑键的主要目的是防止顶尖在工作时转动。在套筒上开设键槽，将 滑键通过在尾座上方钻通孔来将滑键固定在尾座上,这样套筒只能在滑键尾座的套筒孔 内轴向移动,只需要在套筒上铣出较长的键槽，而滑键可做得短一些.同时为了防止滑 键的转动在将滑键固定好以后要采用一定的防转动措施,既是在两者的结合缝隙处钻孔 攻丝安装上一个螺钉。滑键槽的长度主要和滑键在套筒上的位置有关。滑键槽的长度 在设计时应该满足以下两个条件：(1)使顶尖伸出套筒长度达到设计要求的长度，即 L=70 mm。(2)使滑键在滑动中顺利。因此，滑键槽的长度取 L=155。 在对套筒上的滑键槽以及尾座上的安装孔的设计中不仅需要保证滑键槽的对称度 要求,还要保证装键孔对套筒孔中心轴线的对称度和垂直度,因此在设计中结合有关原 则和实际经验,初步确定安装滑键的孔对套筒孔的对称度要求为 0.006。 5.6.3 配合 套筒在工作中主要有两种配合要求。其一，套筒与尾座体的配合，其二，套筒与 顶尖、尾座活塞轴的配合。考虑到顶尖套筒与尾座孔在不同的接触部位其接触部位的 不同，因此可以采用不同的配合等级。因此，我们分别确定其配合等级。 1、套筒与尾座体的配合 18 根据有关资料和实际的生产实践经验，套筒与尾座体的配合采用基孔制，间隙配 合，但间隙很小，防止在工作中产生较大的跳动，影响加工工件的直线度和圆柱度。 由于套筒的尺寸较大，又和尾座体有配合要求，所以要保证套筒的直线度和圆柱度， 可选直线度为 0.006mm、圆柱度为 0.003mm。 2、套筒与顶尖、尾座活塞轴的配合 套筒与顶尖、尾座活塞轴的配合要求较高，配合间隙很小。安装莫氏锥柄的套筒 部与尾座孔的配合精度要求最高，配合间隙很小，制造成本也高，最适合于不回转的 精密滑动配合，精度等级多用于 IT5IT7 级。尾座活塞轴的作用是推动顶尖，使其在 套筒中伸缩，因此，与套筒的配合也用间隙配合，并且表面粗糙度值要求也要小，以 减小摩擦力，保证动作的准确性、迅速性。推荐表面粗糙度值选择 Ra3.2。 5.6.4 密封及偏心轴的设计 1、尾座主轴与活塞的密封 尾座主轴与活塞的密封采用的是橡胶密封圈，螺塞缸与活塞也是采用的橡胶密封 圈，此密封圈的特点是耐油、耐热、耐磨、耐老化，质优价廉。 2 偏心轴的设计 在尾座的后半部分，有个手柄是短暂的控制尾座在导轨上的运动，即使尾座停在 导轨上，此原理离不开偏心轴，首先偏心轴固定在尾座体上，手柄固定在安装偏心轴 的套筒上，当摇动手柄时，手柄带动偏心轴，偏心轴通过拉杆 29 使压板 2 压紧压板 3，压板 3 紧紧压在导轨上使尾座停止。手柄旋转的角度很小，使偏心轴旋转的角度也 很小，在偏心轴的最高处达到极限。如果使用数控的圆轴不能拉动拉杆，起不到固定 尾座的作用。 5.7 挠度、转角、锁紧力的计算及校核 根据工件最大长度和最大旋转外径假设工件最大重量 Q=2760 N 顶尖和三爪卡盘支撑工件可简化为简支梁，因此尾座负重 Q/2=1380 N 尾座主轴伸出尾座体最大长度 120mm 尾座套筒直径 85mm 钢的弹性模量 E 26 101 . 2cmkgf 19 断面惯性矩 I=256104mm4 64 4 D 顶尖伸出套筒长 70mm 根据公式 NfaKF pcc )( 查表可知单位切削力 =3.6mm c K 2 2305mmNfrmm3 . 0 p a 故切削力 =2489N c F 机床加工如此重的工件时，尾座主轴一般紧缩在尾座体内，现在假设尾座主轴伸 出为尾座主轴伸出尾座体最大长度的 1/2，即伸出 60，悬臂 60+109=169mmmmmm 。mm 5.7.1 挠度的计算 (4-2) EI Pl 3 3 =0.0000405 =0.000002 l 许用挠度, 在范围之内。 ly 0001 . 0 0005 . 0 lyly l y 5.7.2 转角的计算 (3-3) EI Pl 2 2 =0.0018 许用转角，在范围内。 001 . 0 rad005 . 0 20 5.7.3 压板处螺栓的选择及校核 在机床尾座上通过一组两个相同的螺栓连接尾座和导轨的，并用压板固定。压板 的作用是连接尾座和导轨，并通过连接螺栓的紧固或松开来确定尾座在导轨上的位置。 由于螺栓需支撑的强度比较大并且其长度大于 160，而 M16 的螺栓的长度最高为 160， 因此我们选 M20 的螺栓，下面我们来确定连接螺栓的直径。 选用螺栓的材料为 35 号钢，则许用抗拉强度=540Mpa，由作用力与反作用 力定理可知尾座的上部和下部之间的摩擦力等于通过顶尖作用在尾座上的轴向力，fF 即，根据金属切削原理与刀具切削时产生的轴向分力(0.10.6)，fF F c F F=0.62489=1493。为了满足加工后的工件的精度要求，在工件重量较大和切削力较 大的情况下机床不发生共振，取轴向力。,取摩擦系数为FN1800FKN8 . 1 。12 . 0 由可知作用在下箱体上的压力Nf fN KN 7 . 1512 . 0 8 . 1 从而可得转动凸轮轴端的方形部分所需要的力至少为 15.7，那么作用在每个KN 螺栓上的力为 85 . 7 2 7 . 152 NFKN 因为压板与导轨之间的连接形式为松连接，由公式 (3-4) 4 F d 于是可得 4 F d =13.6mm 现螺栓直径为 20mm，故螺栓选择合理。其长度可以根据尾座体和螺栓所在尾座体 来确定，图上有三个螺栓分别取 170mm，180mm，190mm。 21 5.8 尾座精度的确定 5.8.1 表面粗糙度的确定 零件经过加工后，其表面因刀痕及切削时金属的塑性变形等影响，会存在间距较 小的轮廓峰谷。这种零件表面上具有的较小间距和峰谷所组成的微观几何特征称为表 面粗糙度。表面粗糙度的大小对部件的使用性能和使用寿命有很大的影响，两相对运 动的表面越粗糙，摩擦系数就越大，磨损也就越快。同时粗糙度还影响到配合性质的 稳定性。对于间隙配合，相对运动的表面因粗糙不平而迅速磨损，导致间隙增大；对 于过渡配合来说，因多用压力及锤敲装配，表面粗糙度也会使配合变松。此外粗糙度 对接触刚度、密封性、产品外观及表面腐蚀能力等都有明显的影响。因此为保证机械 零件的使用性能，在对其进行精度设计时，必须提出合理的表面粗糙度要求。在选择 表面粗糙度的数值大小时还应当根据零件的功能要求和经济性结合有关的选用原则。 一般来说工作表面的表面粗糙度数值应比非工作表面小；承受交变应力的零件，易产 生应力集中处，如圆角、沟槽等，其表面粗糙度参数值应小；配合性质要求稳定、小 间隙配合和受重载的过盈配合，其配合表面粗糙度参数值应小。同时在实际工作经验 不足的情况下还要注意表面粗糙度数值与形状公差值的协调关系，结合有关表面粗糙 度数值选用的实例作参考来初步确定尾座体各部位的表面粗糙度数值的大小。 由于尾座体孔与尾座主轴的配合性质要求较高，对尾座体孔表面粗糙度要求也是 较高的，要求在加工的过程中基本上看不出加工的痕迹。因而其表明粗糙度值大致取 Ra3.2；尾座体两端都有配合要求，因此我们选择粗糙度值取 Ra12.5； 尾座底面和立 导向面同样具有较高的形位精度，表面粗糙度多采用 Ra12.5 并刮研。 5.8.2 尾座与机床形位公差的确定 设计的过