毕业设计（论文）-支架零件专用镗床设计.doc

济南大学毕业设计1 前言1.1 国内外研究现状 我国的机床工业是在新中国成立后建立起来的。建国60多年来，已制定了一系列完整的机床型谱，机床品种日益齐全，可以生产很多品种,我国机床工业获得了前所未有的高速发展。镗床虽然不如车床常用，但是也是常用机床，我国投入了很大精力和财力进行研发这些常用机床。与很多发达国家的镗床相比，我国镗床虽然在技术水平、产品质量、结构性能等方面都有很大提高。但是，依然有很大的差距，首先表现为当前多以仿制为主，或引进技术合作生产，因此自主创新能力远远不够，高档产品缺乏自主知识品牌。关键的功能部件，关键的核心技术，都还是从国外购买。其次是用户最关注的问题之一：产品质量，特别是整机的可靠性，一时还不可以缩小与国外机床的差距，这直接影响了国产镗床在国内外的市场占有率。我国研发进度缓慢主要由于西方垄断势力的技术封锁。但在“十五”期间，是我国机床行业发展速度最快的五年，这五年通过合作生产引进技术等形式，在新产品研发设计方面取得较大进展。在高速度、高精度、自动化程度、使用寿命及高稳定性等方面有较大提高。很多国内知名机床制造企业相继突破外国技术封锁，成功生产出了具有自主知识产权的高性能的大型镗床，如大连昌达数控机床股份有限公司出品的大型五轴联动数控龙门镗铣床，还有国产大型五轴联动数控卧式镗床，主轴转速100-14000r/min，快速移动速度25m/min，定位精度8um，重复定位精度4um。这些都接近于发达国家的水平。 国外数控卧式镗床一直有突飞猛进的发展。其主要表现在于精度和寿命、机床的结构，以及生产效率、自动化水平等方面都有很大的提高。国外一些机床公司都是由生产普通卧式镗床转而生产高端的数控卧式镗床的。很多机床厂家已不在本国生产一般的普通机床，而是将其扩散到发展中国家去生产，进而集中主要精力进行更高级的数控卧式镗床的研发，进行大量的科学研究工作并取得了很大经济和技术利益。1.2 课题背景及目的 为国民经济各部门提供各种先进技术装备是机械工业肩负着的重要任务,机床工业则是机械工业的一个重要组成部分,是为机械工业提供先进制造技术和装备保障的重要工业。机床拥有量、质量、产量和品种是衡量一个国家工业水平的重要标志之一。因此，机床工业也在国民经济中占有非常重要的地位。镗床作为常用机床中的一种，广泛应用于机械制造工业。在加工箱体叉架类零件时，一般需同时加工数个尺寸不同的孔，这些孔的精度要求较高，尺寸较大，孔与孔的轴心线之间有严格的垂直度、平行度、同轴度及孔表面粗糙度等要求，镗床加工这样的零件是最合适的。此外镗床还可以从事与孔精加工有关的其他方面的加工。可以使用不同的附件和刀具还可进行钻削和铣削等，并且它的表面质量和加工精度要高于钻床。镗床是加工大型箱体、叉架类零件的主要设备，它还可以攻螺纹及加工外圆和端面等。卧式镗床是镗床中性能最广、应用最多的镗床。它主要用于孔加工，深孔加工，以及不同孔的加工。镗孔可达7级精度，表面粗糙度Ra值也可以达到1.6-0.8um.。主轴直径为卧式镗床的主参数。镗杆带有镗刀水平布置并做纵向进给，主轴箱随滑台移动，夹具夹紧工件不动，进行镗削加工。这种专用机床广泛应用且是很经济的，它主要用于箱体或支架类零件的孔加工及其与孔有关的其他加工面加工。镗床为较常用机床，通过本次设计使设计者对所学机械学、力学电工学等知识得到综合应用，结构设计能力得到训练，可有力的提高分析问题、解决问题的能力。1.3 研究内容及方法本文主要研究支架零件的专用镗床设计，针对具体的支架类零件，在已知的设计内容上选定设计方案和结构方案，进行方案图纸的设计，本设计主要是完成主轴箱、尺寸联系图，被加工零件示意图和一些零件类的图纸设计。本镗床主轴箱设计主要是多轴、多齿轮、简单的齿轮传动系统，在完成镗床总体设计之后，设计出有两根主轴的主轴箱，主轴的切削速度均为100m/min。 2 设计方案拟定2.1 镗床设计概述一台两个镗轴同时工作的卧式专用镗床，可以由镗床的精度来保证孔系的相对位置精度并大大提高生产率。使用专用镗床后, 支架承载结构件加工工艺得到优化, 加工手段更加先进, 加工效率得到大幅度提高, 提高了结构件合格品率。2.1.1 镗床通用部件概述镗床通用件包括：（1）动力部件：动力头，动力滑台，动力箱。（2）支撑部件：侧底座，中间底座。（3）运送部件：滑鞍。（4）控制系统及电力系统，由于本次设计不涉及此系统设计所以在此不做选择。通用部件的一般要求：（1） 在小的外形尺寸下获得较大的动力及功率。（2） 动力部件要有较高的刚度、硬度，合适的切削用量。（3） 动力部件要带动刀具进行切削，因此要保证进给传动的平稳性。（4） 动力部件要有较高的空行程速度，以便在空行程及进给时的速度变换。2.1.2 镗床设计方案 根据镗床工作原理以及工件的技术参数设计出主轴箱各部分零件的外形尺寸等技术参数，并校核，然后绘制图纸。合理地分配个零件的结构位置，组装成完整的主轴箱，并绘制装配图。 （1）根据毕业设计任务书要求的支架零件专用镗床进给量为0.4mm/min，其刀具随主轴做旋转运动，切削速度均为100m/min，工作台随丝杠上作直线进给运动。由于需要将电动机直接和传动轴连接，所以不需要利用V带传动，只要齿轮减速就可将电动机的转速降低，从而满足设计要求。 （2） 主运动：电动机经过两根传动轴进行传动，再通过主轴使刀具作旋转运动，以实现刀具的切削运动。进给运动：由于采用机械滑台，滑台采用通用件，根据设计手册选出合适的机械滑台，进行组装。 （3） 专用镗床最大的特色是设计的简易性、操作可行性，是叉架类和箱体类零件孔的专用镗床并且两轴都只有一种切削速度，需要变速，要两根减速轴就可实现。 （4） 本次设计的主轴转速先定为100m/min，进给量为0.4mm/min，单边切削深度为1.5mm从而设计、校验其相关数据。 （5） 此次所设计的支架零件专用镗床，仅设有纵向可移动工作台，适于加工叉架类和箱体类零件的孔。 2.1.3 镗床设计步骤（1）按照工作要求以及传动系统的减速计算一般选用Y系列三相异步电动机为卧式结构。结构形式：基本安装B3型，机座带底脚，端盖无凸缘，额定电压380V.选择电动机的容量，确定电动机转速。 （2）计算机械传动装置运动和动力参数，计算出各轴的转速，输入、输出功。 （3）设计传动轴，算出传动比、基本直径，再进行再进行轴的校核，轴的扭转强度，计算选择齿轮。 （4）设计主轴，选择材料，确定许用应力。 （5）轴承的选择以及校核。 （6）根据设计要求选择刀具。2.2 镗床总体设计2.2.1 镗床工艺方案制定这次镗床的设计，是根据具体加工对象的具体情况来进行专门设计的，这也是当前普遍的做法。镗床设计时要考虑到以下几点：（1） 要采用比较先进的工艺，制定最佳的工艺方案。（2） 尽量选择最合适的镗床的通用部件。（3） 镗床的配置形式有多种型号，必须合理的确定。（4） 切削用量要正确合适。（5） 设计高效率、高平稳主轴箱。机床的工艺方案设计很重要，它直接决定了机床的整体尺寸的大小，整体重量的轻重，并且决定着机床结构是否简便，传动是否精简，效率是否高，质量是否好。影响机床工艺方案的因素有：（1） 被加工零件需要的工序和精度是设计镗床工艺方案的重要依据。制定工艺方案时，要首先全面分析镗床的加工精度及技术要求，了解现场加工工艺及保证精度的必要措施。（2） 被加工零件的特点也是影响工艺制定的一个因素，如被加工零件的结构特点，被加工零件的材料硬度，被加工零件的刚度等，加工铸铁件的工序要比钢件少一些。在加工薄壁工件的时候要注意防止振动，因为振动也是影响加工精度的一个重要因素。镗床的整体设计就是针对具体的加工对象设计出的，在已确定的所有方案的基础上做出图纸设计。图纸包括被加工零件图，机床尺寸联系图，零件图等。2.2.2 被加工零件示意图 被加工零件示意图如图2-1所示，被加工零件图示意是设计机床的一个主要依据，也是在制造使用镗床时确定镗床的位置精度，调整机床的重要技术文件。被加工零件工序图应该包括以下内容： （1）在图上应包括被加工零件的形状，还要标出加工工件内部筋的位置，以免在装夹的时候相碰，和保证刀具可以通过。（2）在图上应该标出装夹基面和装夹的位置，便于工件的装夹的支撑定位，这个非常重要。（3）在图上要标出被加工零件的尺寸，要加工孔的尺寸，精度，粗糙度等技术要求。（4）图上还应该标出被加工零件的材料、编号、硬度及加工余量。图2-1 被加工零件示意图2.3镗床零部件及零件设计2.3.1 机械滑台机械滑台是运送主轴箱的的传动系统，由滑台的丝杠螺母和装在滑鞍后边的工进电动机一起组成的。机械滑台是由工进电动机驱动工作进给的。滑台可以实现快进、工进、快退运动，电动机（正转或反转）经合成机构和丝杠螺母来实现实现以上的运动。此时工进电动机在快进、工进、快退的时候进行工作，也可以不工作。工进电动机在工作时快进快退的差别不大，但是还是有一些差别。机械滑台可完成机床所需要的工作循环。在工作中要求滑台在工进结束后短暂的停留时，滑台在工进结束的地点碰上预先已经调整好的死挡铁，滑台就不能再继续前进。这时，合成机构中的丝杠和涡轮就不能再继续转动，但工件电动机仍在不停的运转，这样就迫使蜗杆客服弹簧力进行轴向移动，并由丝杠压下附近的行程开关，发出快退信号（或者用时间继电器在延时时停留后发出相同的信号），便使电动机进行反转，于是滑台就能快速退回快进以前的地方停止。在加工当中如果遇到障碍阻碍或切削力太大以至于电机不能提供足够的动力，滑台便不能前进，这样样也可以发出使滑台快退的信号，这时的机构其实兼起过载保护作用，附加在滑台上的分级进给机构可以实现滑台的分级工作循环，使滑台拥有的快进、工进、快退的速度不一样。此次设计选用HJ40型号机械滑台，滑台台面宽度为400mm，长度为1500mm。2.3.2 侧底座侧底座在镗床中是必不可少的支撑部件，其上面通过滑道安装滑台，侧面通过螺钉连接与中间底座相连。机械滑台的长度和宽度决定了侧底座的长度和宽度，它的高度都是有标准的，为了使装料高度合适，我们可以在侧底座和滑台之间增加调整高度的调整垫。侧底座的顶面除具有与滑座相结合的平面外，其周围还有一些小槽，是用来收集冷却液或润滑油的。它的内部可安贮存箱和壁龛，用以回收油液和安装电器元件。由于滑台选择HJ40型号，则与之相配的侧底座为CC40型号，宽度为400mm。2.3.3 中间底座中间底座的顶面用以安装工作台，在工作台上通过夹具安装工件，它的侧面通过螺钉连接与侧底座及支架等相连，作为镗床的支撑骨架。中间底座的结构尺寸也是按标准选取的，由工件的形状、大小、机床的配置形式和加工工艺要求等决定的，因而它的规格品种还是比较多的。因此中间底座一般也按专用部件来进行专门的设计。但其主要尺寸也要符合JB11529-75的规定。中间底座尺寸定为宽度400mm，高度为630mm。2.3.4 主轴箱主轴箱中安装主轴和传动轴的孔是和被加工零件孔位置相一致的，它也是主要的专用部件，有原始的主轴箱图，再根据被加工零件来镗孔。它的功用是把动力箱电动机的动力传给各主轴，再经镗杆杆传给刀具进行切削。主轴箱上主轴的位置和数量必须与被加工工件孔的数量和位置相一致的，否则加工不出所需要的零件。本次设计取主轴箱高度为500mm，长度为200mm，宽度为400mm。箱体壁厚为15mm。2.4 镗床联系尺寸图镗床如图2-2所示，联系尺寸图镗床总体尺寸设计中，联系尺寸图表示机床各部件的相互装配联系和运动的关系，以检验机床各部件相对位置及尺寸联系是否满足加工要求；通用部件的选择是否合适；并为进一步进行主轴箱、夹具等专用部件、零件的设计提供依据。联系尺寸图也可看成是个简化的机床总图，它表示机床的配置形式及总体布局。反应各部件的联系尺寸、专用部件的主要轮廓尺寸、运动部件的极限位置及形成尺寸必须完整齐全。联系尺寸图主要包括：（1） 以适当数量的视图按同一比例画出机床各主要组成部件的外形尺寸轮廓及相关位置标明机床配置形式和总体布局。（2） 图上应尽量减少不必要线条的尺寸，但应注明各部件的联系尺寸和部件轮廓尺寸。各部件的具体尺寸不在此注明，留在以后再具体标注。（3） 为了便于开展部件的设计，联系尺寸图应该标注通用部件的规格以及代号，电动机型号、功率及转速并注明机床部件的分组情况及工作形成。图2-2 联系尺寸图3电动机的选择及相关参数的确定3.1 电动机的选择3.1.1选择电动机类型及结构按工作要求，一般选择Y系列三相异步电动机为卧式结构，结构形式：选择安装机座不带底脚、端盖有凸缘，额定电压为380V。3.1.2选择电动机容量 电动机功率选择按以下公式 电动机功率 主轴功率 切削力计算 -电动机工作功率（）;-主轴所需功率（）;-镗刀的切削力（N）;-从电动机到主轴的总效率；-主轴的切削速度（m/min）;-进给量（mm/r）;-单边切削深度；-工件硬度。=51.41.5=694.96N；KW; 查表得=0.98，=0.98，=0.980.98=0.96由于本次设计是双主轴所以 KW;3.1.3 确定电动机转速 主轴转速由以下公式计算 n-转速（r/min）；V-切削速度（m/min）；d-工件（或道具）直径（mm）。 由于两个工作主轴的切削速度均为100m/min则r/min; r/min;考虑到传动比适中则可以，所以选择Y132S-6型号电动机，额定功率为3KW，转速为960r/min。3.2机械传动装置运动和动力参数的计算 初步确定轴电机轴和传动轴之间的传动比为3.2.1确定各轴转速 电机的转速为960r/min; 传动轴转速为r/min; 两主轴转速分别为r/min,r/min。2.3.2 确定各轴输出功率电机的输出功率为KW;传动轴的输出功率为KW；两主轴输出功率分别为KW。2.3.3 确定各轴输入转矩转矩公式为NmT-转矩（）;P-功率（）;n-转速（r/min）;电动机输出转矩 Nm； 传动轴输出转矩 Nm；主轴输出转矩分别为 Nm； Nm；4 轴的设计与校核机器没有轴是很难完成动力和运动的传递的，在组成机器的主要零件之中，轴是必不可少的。一切回转运动（例如涡轮、齿轮等）的传动都必须在轴上才能进行运动及动力的传递，没有轴这些运动和动力不会有效的传递。因此支承回转零件及传递运动和动力是轴的最主要功用。轴的设计也包括基本结构设计和工作能力两方面的内容，这些与其他零件的设计制造是一样的。轴的基本机构设计要求包括轴的制造工艺、轴上零件的安装、定位等方面的要求，正确的确定各段轴的结构和尺寸以及轴上的定位孔。轴的设计合理不合理，直接决定了轴上零件的工作和轴的工作能力可靠不可靠，否则会影响轴上零件安装并且增加轴的制造使用成本。因此，轴设计中的最重要内容是轴的基本结构设计。一般说轴的工作能力计算就指的是轴的刚度、强度及稳定性等方面的计算。很多情况下，确定轴直径是根据其刚度公式计算求的，但是轴的工作能力主要是取决于轴的弯扭强度，这时就需进行轴的强度校核，以防止轴发生断裂或者塑性变形。对轴要求很高的轴（如组合机床主轴）和受力也比较大的细长轴，应该同时进行轴的强度和刚度的校核，以免在工作时产生难以控制的弹性变形。对高速运转的轴必须进行震动稳定性计算，否则发生共振会使轴被破坏。先确定传动系统图，如图4-1所示： 图4-1 传动系统图 4.1传动轴的设计4.1.1 选择材料，确定需用应力 轴为传动轴。 材料选择为45钢、调质处理。从课本机械设计中查表15-1得：材料抗拉强度极限MPa，屈服强度极限MPa，弯曲疲劳极限MPa，剪切疲劳极限MPa，需用弯曲应力MPa，45钢是应用最广泛的材料。4.1.2 计算基本直径最小直径为mm；先确定轴的直径为35mm。并据此进行轴的结构设计，如图4-2：1-轴承 2-套筒 3-齿轮 4-齿轮 5-套筒 6-轴承图4-2 传动轴结构设计与装配4.1.3 轴的校核 轴的扭转强度条件： 式中: -扭转切应力，MPa； -轴所受的扭矩，Nmm； -轴的抗扭截面系数，mm3； -轴的转速，r/min； -轴的传递功率，KW; -计算截面处轴的直径，mm； -许用扭转切应力，MPa。 从课本机械设计表15-3中可以查出为25-35MPa。故，满足强度要求。又因为此直径是轴的最小直径，所以该轴的其他处得轴径扭转切应力都比此处的小 ，故此轴整体满足扭转切应力。轴的弯扭强度校核：轴上大齿轮齿数为48，齿轮上的圆周力为=147.02N，则径向力为：tan=147.02tan=53.51N轴上小齿轮齿数为29，齿轮上的圆周力为=239.75N，则径向力为：tan=239.75tan=87.26N传动轴的受力如图4-3所示：图4-3因为力矩平衡原理，则：=0;=0。由弯矩、扭矩计算公式分别计算得：由以上公式可得：=-126.06N; =12.03N.因为水平受力和垂直受力是一致的，在大小上=0；=0。所以：=33.33N; =-45.79N.由上可得两面的所受的弯矩图： 图4-4 由上面的弯矩图可知在右端小齿轮的啮合处所受的弯矩最大。弯矩计算得： 前面已经求的轴的扭矩为48670 弯扭校核强度条件为：其中轴的计算应力，MPa；M轴所受的弯矩，；W轴的抗弯截面系数，；对称循环变应力时轴的许用应力；T扭矩，。因为主轴扭转切应力为脉动循环应力，取=0.6。前面已经查到45号钢的许用弯曲应力为60MPa，45号钢的许用弯曲应力60MPa。从课本机械设计中表15-4中查得则=4.16MPa1.3小齿轮的齿根弯曲疲劳强度满足要求。 大齿轮：查表10-5得 =2.32， =1.70 ， =147.02N。 MPa齿根弯曲疲劳强度由图10-20可得=460MPa，弯曲疲劳寿命系数由图1018得=0.88弯曲疲劳安全系数S=1.3，则1.3大齿轮的齿根弯曲疲劳强度满足要求。 （2）齿面接触疲劳强度校核 公式 得 K=1.251.1311.208=1.71由课本机械设计中表106得弹性影响系数为189.8MPa，小齿轮：接触应力为MPa取小齿轮的失效概率为1%，则安全系数为1，由表10-21d查得接触疲劳极限=580MPa，由图10-19得=0.88，则1 所以小齿轮接触疲劳强度满足要求。大齿轮：接触应力为MPa取大齿轮的失效概率为1%，则安全系数为1，由表10-21d查得接触疲劳极限=530MPa，由图10-19得=0.93，则1 所以大齿轮接触疲劳强度也满足要求。综上可知，此对齿轮均满足齿根弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度的要求。5.4.2轴、轴上的一对齿轮齿数分别为29,42。查课本机械设计中表10-2可知使用系数=1.25；由于齿轮精度取7级，此齿轮的速度为2.29m/s,所以查图10-8得动载系数=0.8；因为是直齿轮，其齿间载荷分配系数=1；查表10-4可知齿向载荷分布系数=1.208，查图10-13得=1.14。 （1）齿根弯曲疲劳强度的校核 公式 得 K=1.250.811.14=1.14 小齿轮：查表10-5得=2.53，=1.62，=239.75N。MPa齿根弯曲疲劳强度由图1020可得=550MPa，弯曲疲劳寿命系数由图1018得=0.83，取疲劳安全系数S=1.3，则：1.3小齿轮的齿根弯曲疲劳强度满足要求。 大齿轮：查表10-5得 =2.40， =1.67 ， =116.33N。MPa齿根弯曲疲劳强度由图10-20可得=460MPa，弯曲疲劳寿命系数由图1018得=0.88弯曲疲劳安全系数S=1.3，则1.3大齿轮的齿根弯曲疲劳强度满足要求。（2）齿面接触疲劳强度校核 公式 得 K=1.250.811.208=1.54由课本机械设计中表106得弹性影响系数为189.8MPa，小齿轮：接触应力为MPa取小齿轮的失效概率为1%，则安全系数为1，由表10-21d查得接触疲劳极限=580MPa，由图10-19得=0.88，则1 所以小齿轮接触疲劳强度满足要求。大齿轮：接触应力为MPa取大齿轮的失效概率为1%，则安全系数为1，由表10-21d查得接触疲劳极限=530MPa，由图10-19得=0.93，则1 所以大齿轮接触疲劳强度也满足要求。综上可知，此对齿轮均满足齿根弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度的要求。5.4.3轴、轴上的一对齿轮齿数分别为29,42。由于轴上的小齿轮在上已经校核过了，所以在此只需校核轴上的大齿轮的强度。查课本机械设计中表10-2可知使用系数=1.25；由于齿轮精度取7级，此齿轮的速度为2.29m/s,所以查图10-8得动载系数=0.8；因为是直齿轮，其齿间载荷分配系数=1；查表10-4可知齿向载荷分布系数=1.208，查图10-13得=1.14。 （1）齿根弯曲疲劳强度的校核 公式 得 K=1.250.811.14=1.14 小齿轮：查表10-5得=2.45，=1.65，=118.66N。MPa齿根弯曲疲劳强度由图1020可得=530MPa，弯曲疲劳寿命系数由图1018得=0.93，取疲劳安全系数S=1.3，则：1.3齿根弯曲疲劳强度满足要求。 （2）齿面接触疲劳强度校核 公式 得 K=1.250.811.208=1.54由课本机械设计中表106得弹性影响系数为189.8MPa，小齿轮：接触应力为MPa取小齿轮的