（机械设计及理论专业论文）曲轴复合车削试验装置工作台的设计与研究.pdf

武汉理i ：人学硕十学位论文 摘要 曲轴复合切削试验装置是一款最新研发设计的曲轴加工车床，它利用平行四 边形刀具运动系统实现连杆颈跟随切削，这样就能够在根本上解决曲轴加工多次 装央问题，并能进行高速车削，曲轴加工质量得到显著提高。本文的主要内容就 是为曲轴复合切削试验装置设计一套高精度、低成本的工作台。工作台是机床的 一个重要基础部件，它的响应速度、精度和稳定性会直接影响曲轴加工的性能和 质量。 本文将根据曲轴车床特点和性能要求，讨论和分析工作台不同方案的优点和 缺点，选定工作台的整体方案。工作台有上、下托板、导轨、传动系统三大块组 成，确定各零件的类型、结构以及润滑方式，对重要位置的关键零部件结构提出 多套设计方案，再对方案的成本和性能进行比较，最终确定工作台各零部件的结 构设计方案，并根据零件本身需要对其进行了校核验算，确保工作台能够安全、 高效的工作。 本文利用三维建模软件p r o e 对工作台进行三维参数化建模，在建模过程 中，充分考虑模型与产品之间的各方面因素，建立一个完整、细化的模型。根据 实际情况和性能要求，确定工作台装配的工艺流程，并以此流程对工作台进行虚 拟装配。 在工作台中，上、下托板属于大型支承件，其变形量和抗振性都会直接影响 整台车床的加工性能，所以需要将上、下托板的三维模型导入到有限元分析软件 a n s y s 中，对其边界条件和约束进行定义，然后对工作台进行静、动态特性分 析运算，仔细研究托板特性云图，分析托板能否满足设计要求，以及查找托板结 构的薄弱环节。利用有限元分析软件a n s y s 结构优化模块，以静态和动态特性 分析数据为基础，对工作台上、下托板进行结构优化。确定质量为目标函数，选 择对质量( 或体积) 敏感的参数为设计变量，设定需要约束设计的数值为状态变 量，通过迭代计算找出满足设计的最优设计方案，最优方案不仅满足所有设计要 求，而且目标函数质量最小，即托板结构更加合理和质量更轻。 关键词：十字工作台，三维建模，动、静态特性，结构优化 武汉理下人学硕十学位论文 a b s t r a c t t h ec u t t i n gd e v i c eo fc r a n k s h a f ti sn e w l yd e v e l o p e da n dd e s i g n e dc r a n k s h a f t l a t h e ，i tu s e sap a r a l l e l o g r a ml i n k a g et o o ls y s t e mt of o l l o wc u t t i n g t h i sw i l lb ea b l et o s o l v et h ei s s u eo fm u l t i p l ec l a m p i n gi nt h ec r a n k s h a f tm a c h i n i n ga n dt oc a l t yo u t l l i 曲一s p e e dt u r n i n g t h e n ，c r a n k s h a f t sq u a l i t yw o u l db es i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e d t h e m a i nc o t e n t so ft h i sp a p e ri st od e s i g nah i g h - p r e c i s i o na n dl o w - - c o s tt a b l ef o rt h e c u t t i n gd e v i c eo fc r a n k s h a f t t h et a b l ei sa l li m p o r t a n tf o u n d a t i o nc o m p o n e n to fl a t h e ， i t s r e s p o n s es p e e d ，a c c u r a c ya n ds t a b i l i t yw i l ld i r e c t l y a f f e c tt h e p r o c e s s i n g p e r f o r m a c ea n dq u a l i t yo ft h ec r a n k s h a f t a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dr e q u i r e m e n t so fc r a n k s h a f tl a t h e ，t h i sa r t i c l e w i l lb et od i s c u s sa n da n n l y s et h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ed i f f e r e n t p r o g r a m s a n ds e l e c tt h eo v e r a l lp r o g r a mo ft a b l e t h ea b l ea r ec o m p o s e do ft h eu p p e r a n dl o w e rs k a t e b o a r d ，r a i l ，t r a n s m i s s i o ns y s t e m i ta s c e r t a i nt h et y p e ，s t r u c t u r ea n d l u b r i c a t i o no ft h et a b l e a sf o rt h ek e yc o m p o n e n t s ，s e v e r a ls e t so fd e s i g no p t i o n s h o u l db em a d e , a n dt h e nt h es t r u c t u r eo ft h ev a r i o u sp a r t su l t i m a t e l yb ed e t e r m i n e d b yc o m p a r i n gt h ec o s ta n dp e r f o r m a n c eo ft h ed i f f e r e n tp r o g r a m s a c c o r d i n gt ot h e i r o w nn e e d ，s o m ep a r t ss h o l u db ec h e c kt oe n s u r et h a tt h et a b l ec a nb es a f ea n d e 伍c i e n t i nt h i sp a p e r , t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lw o u l db em a d ei np r o e i nt h em o d e l i n g p r o c e s s ，av a r i e t yo ff a c t o r sw o u l db ec o n s i d e r e df o rt h ee s t a b l i s h m e n to fc o m p l e t e a n dd e t a i l e dm o d e l t h ea c u t a ls i t u a t i o na n dt h ep e r f o r m a n c er e q u i r m e n t sw o u l d d e t e r m i n et h ea s s e m b l yp r o c e s so ft a b l e ，a n dt h u sv i r t u a la s s e m b l yb em a d eb yi t s k a t e b o a r d sa r el a r g eb e a r i n gp i e c e s ，a n di t sd e f o r m a t i o na n dv i b r a t i o nw o u l d d i r e c t l ya f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo f t h ew h o l el a t h e s oi ti sn e c e s s a r yf o rs k a t e b o a r d st o a n a l y s et h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t a t i ca n dd y n a m i c t h ef e a t u r e so fs k a t e b o a r d sw o u l d b ec a r e f u l l ys t u d i e df o rf i n g d i n gt h ew e a k n e s s e si nt h es r u c t u r e s t r c t u r a lo p t i m i z a t i o n o fs k a t e b o a r d sb a s e do nd a t ao fs t a t i ca n dd y n a m i ca n a l y s i sw o u l db em a d eb yu s i n g a n s y s q u l i t yw o u l db es e l e c t e da s t h e o b j e c t i v ef u n c t i o n a n di t ss e n s i t i v e p a r a m e t e rb ec h o o s e da sd e s i g nv a r i a b l e sa n ds t a t ev a r i a b l e s t h eo p t i m a ld e s i g n w o u l db ef o u n dt h r o u g hi t e r a t i v ec a l c u l a t i o n s i tw o u l dn o to n l ym e e ta l ld e s i g n r e q u i r e m e n t s ，b u ta l s ot h eo b j e c t i v ef u n c t i o nm i n i m u m k e yw o r d s ：c r o s st a b l e ，t h r e ed i m e n s i o n a lm o d e l i n g , s t a t i ca n dd y n a m i c p e r f o r m a c e ，o p t i m i z a t i o n n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：呈故! l ! 盗e l 期：磁2 f 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本 学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理 工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：张f3 、雷导师( 签名) ：怕扬日期如? o s z j 武汉理1 ：大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题的目的与研究意义 1 1 1 本课题的目的 近年我国机械制造业的生产技术有了较快发展，曲轴的制造工艺、加工技术 等方面发生了很大变化，使曲轴的加工技术具有非常好的高效、高性能、经济性 特点【l l 。由于制约曲轴加工的多次装夹和切削速度两个关键问题没有解决，曲轴 加工技术并没有在根本上发生革命性的改变，基于平行四边形原理刀具运动系统 的曲轴加工机床能够彻底解决此问题。本课题就是基于此车床工作台的结构设 计，车床刀架在工作台要实现多个方向的移动，并且运动范围上要比普通车床大 很多，同时要保证加工高精度和运动中高稳定性，在工作台设计过程中，将综合 分析、研究各种方案优劣性，从而设计出符合此车床工艺性能要求的最优方案。 所以，本课题研究目的就是解决此车床工作台结构设计及性能优化。 1 1 2 本课题的研究意义 伴随着国内经济与科学技术的快速发展，汽车行业也取得了突飞猛进的进 步，汽车已经已经成为社会大众不可缺少的一部分，它是人们出行最重要和最便 捷的的交通工到2 1 ，而国内汽车行业及相关基础产业的竞争力与国外相比仍具有 一定差距，真正意义上拥有完全自主知识产权的中国汽车公司少之又少，其中， 核心零件曲轴制造工艺和技术比较落后是一个重要的因素【3 】。其中曲轴加工 车床是曲轴制造的工作母机，在很大程度上它决定了曲轴的制造水平。 工作台是曲轴加工车床的最重要组成部分之一，它主要由托板、导轨板和丝 杠传动系统组成，负责实现刀架纵、横向进给，工作台的传动精度、响应速度以 及工作台传动的稳定性会直接影响被加工工件的质量，所以工作台的性能是车床 制造水平的重要指标之一。目前，随着超精密加工技术的广泛应用，微位移、高 精密、高分辨率大刚度及高稳定已成为工作台系统最重要的研究方向。 由于受到理论分析复杂和测试实验困难等现实因素的限制，工作台结构的设 计计算主要沿用传统的结构强度为主的设计方法。传统设计方法主要是保证工作 台和导轨间具有一定的相对运动关系和满足几何精度要求，采用经验和类比的方 法进行，设计的主要依据是静刚度和静强度，对系统的动态性能考虑较少，所以 结构设计的结果常常是以较大的安全系数加强工作台系统结构。这样的设计方法 容易导致工作台机械结构尺寸和重量的加大：其结果一则不能很好发挥材料的潜 力，二来工作台结构的动态性能也不会有根本的改进提高。后来，由于计算机技 武汉理大学硕士学位论文 术、振动理沧和结构动力学理论等的发展，为工作台的动态性能研究提供了坚实 的理论基础和先进的测试手段，使研究进入一个全新的计算机辅助分析和优化设 计的定量研究阶段，能更加系统的建立工作台动态特性的研究理论。这样不但可 以提高机床的性能，还可以节约材料和降低生产成本，对机床制造水平的发展起 着深远的影响，也对整个制造业有着非常重要的意义。 本论文将以曲轴加= i 二车床工作台为研究对象，对工作台的方案和结构进行系 统的设计，并对工作台展开静态和动态特性分析研究，期望工作台能够满足整台 曲轴加工车床的性能需求。 1 2 国内外工作台关键技术的研究现状 曲轴加工技术，尤其精密加工技术的发展离不开工作台的精密定位、快速 响应等技术的发展。近年来，国内外随着工作台材料、结构、驱动、测量、控 制等技术的迅猛发展，工作台正朝高精度、高速度、高分辨率、快速响应、大 行程的方向发展。 1 2 1 外工作台关键技术的研究现状 日本某大学设计了气浮式超精密工作台( 立【| 图1 1 ) 。工作台所有零件都采 用特殊陶瓷材料，所以总重量仅有1 56 k g ；导轨的有效总行程为3 0 0 r a m ，采 用气浮导向方式；其水平方向刚度2 2 0 n 啪，垂直方向刚度为6 0 0 n ，w 。驱 动方式采用直线伺服电机驱动伺服电机驱动力为1 6 0 n 。利用最先进激光干 涉技术，进行精度测量反馈，这种技术的分辨力可以达到05 8 n r m 。控制系统采 用p i d 控制，这种控制器可以进行前馈补偿。控制系统带有电流变阻尼器，可以 非常方便人为的控制该系统的动静态特性。它具有纳米级分辨率，可以实现2 n m 定位精度州。 曹b 瓣 图1 - 1 日本东京工业大学气浮式超精密工作台 法国m e k i d 设计的纳米级分辨率摩擦驱动工作台。基座采用的微晶玻璃 2 武汉理l ：人学硕十学位论文 材料，工作台仅重1 0 0 培，它有电机通过滚轮带动驱动杆进行驱动，有效行程 为2 0 0 r a m 。该工作台具有纳米级分辨率，其定位精度为i o n m ，工作速度为 = 1 2 m m s n 如图1 - 2 ： 秽 i 3 fj ，女t t t a tm 瓣 9 r * 图l - 2 法国摩擦驱动工作台 美国a n o r a d 公司开发了直线电机驱动工总台。它采用气浮轴承为其提供 垂直支撑，再有电机进行水平驱动，实现了传动过程中无接触的高效、新型传 动方式。它采用激光干涉仪反馈测量，所以定位精度可以达到o s u m 之内。 控制系统采用p i d 反馈控制，在高精度机械部件的基础上进行控制技术上的精度 补偿州1 【8 i 。如图1 - 3 ： 爨i l 驻 图1 - 3 美国直线电机驱动精密定位工总台 1 2 2 国内工作台关键技术研究现状 国内精密定位领域研究相对比较少，并且水平与发达国家还有差距。大部 分国内研究单位局限在小行程精密定位工作台能够研制、生产大行程精密定 武汉理1 ：大学硕+ 学亿论立 位工作台的企业或单位少之又少。其中，清华大学、中科院光电所、国防犬学 等少数单位做丈行程精密定位工作台比较成功。 浙江省资助研制的精密数控) ( _ 一y 工作台。该工作台有直线滚动导轨在垂 直方向上支撑在水平方向上采用日本s a n y o d e n k i 伺服电机带动滚珠丝杠 进行驱动。控制系统将对指令信号与反馈检测的信号进行对比，通过分析比较 发出驱动指令。该工作台响应速度快、稳定性好，且分辨率可以达到5 u r n 。如 图1 _ 4 ： 图i 一4 精密数控x y 工精作台 清华大学开发研制了套纳米级分辨率的气浮运动试验台坨的精度目标 为l o n m ，清华大学在精密测量和控制系统的研发设计中取得了重大突破。该 工作台有基座、消振器件、传动系统、导轨等组成，其中传动系统分为租、精 两级传动，由激光干涉倪检测位置并反馈。租动传动系统有效总行程可以迟到 3 0 0 r a m 以上，而运动精度也可以在几微米之内。精动传动是指在工作台运动 系统上叠加安装精密微动台，这样就可以实现更高精度的定位。通过精密传动 系统的位置误差补偿，工作台的运动精度可以控制在l o n m 左右n i 。 湖北汽车学院研制设计新型精密工作台。该工作台分为垂直工作台和水平 工作台两部分，驱动系统分为粗、精两级驱动，租驱动有伺服电机带动丝杠旋 转；精驱动有压电陶瓷驱动器进行驱动，两级驱动的位移量都是有光栅测量系 统测量。工作台的分辨率可以达到5 n m ，还具有高精度和大行程等特点，在三 维表面形貌测量系统中具有特殊的应用价值。如图1 - 5 ： 武投理l 。 学硕士学位论文 13 存在的问题 图1 5 新型精密工作台 追求工作台的某一项性能指标，而忽略其它性能的先进性，导致整体 性能不足【l “。如国内自主研发设计的摩擦扭轮驱动工作台，虽具有较高的进 给分辨率和精度，但是工作台的的进给速度不高，传动的稳定性比较差。使得 工作台的整体加工性能并没有太大提高，其应用价值将大打折扣。 缺乏经济性考虑。很多专家在设计研发高性能工作台时容易犯一个通 病：为了应用最新新高科技，而忽略产品的成本。尽管工作台的性能能得到提 高，但同时它的成本也会大幅提高，造成工业应用价值降低，产品推广应用受 到很大限制。 对工作台的动力学特性缺乏系统性研究尤其是在国内，对动力学特 性应用分析研究偏少。在高速、高精密的运动系统中润滑、材料摩擦系数、 温度、湿度等很多因素都是相互矛盾和制约，在现实应用中是一项十分复杂的 工程，需要对这一领域做进一步研究。 对使用环境有很大的依赖。很多高新技术高度依赖环境，使得后期成本 投入会过大，如国内自行设计的两级进给工作台，需要为此特别建造了恒温、隔 振、净化特殊环境。这样的平台不仅缺乏在现实中的实用价值，还缺少社会提倡 的经济性。 嘲戳 武汉理l 人学硕十学位论文 1 4 本课题研究内容、拟解决的关键问题及研究方法 研究内容： 对曲轴加工车床工作台进行结构设计，利用大型有限元分析软件一一 a n s y s 对机床进行静态及动态的分析，在此基础上对工作台进行结构优化，以 便提高工作台的传动精度及稳定性，并减少零件的耗材，降低工作台的成本，为 曲轴复合加工车床提供一个高性能、低成本的工作台。具体工作内容如下： 工作台的结构设计。工作台主要包括传动系统、导轨、滑板三大部件， 对它们进行类型选择和结构设计，提出多套设计方案，再对方案的成本和性能进 行比较，最终确定工作台各部件的结构设计方案。 工作台的三维建模。利用三维建模软件p r o e 对工作台进行三维参数化 建模，在建模过程中，充分考虑模型与产品之间的各方面因素，建立一个完整、 细化的模型。 上、下托板的静态和动态特性分析。将三维模型导入到有限元分析软件 a n s y s 中，对其边界条件和约束进行定义，而后对工作台加载运算进行静态和 动态特性分析。 对上、下托板进行结构优化设计。利用有限元分析软件a n s y s 结构优 化模块，以静态和动态特性分析数据为基础，对工作台上、下托板进行结构进行 结构优化。 拟解决的关键问题： 如何解决工作台径向大跨距导轨布置问题。由于工作台下托板的长度有 2 m 左右，导致导轨跨距会比较大，而导轨跨距过大会影响托板刚度和运动平稳 性，需要综合考虑各种因素合理布置导轨跨距，使其保证工作台的整体性能。 在保证刚度和强度的前提下，如何设计大型滑板的筋板。下托板尺寸比 较大，为提高刚度、强度等性能，不可避免配置大量筋板。 研究方法： 查阅相关资料，为工作台的结构设计提供理论基础，提出多套结构设计方案， 通过对零件成本和产品结构性能初步的比较，确定结构设计方案。构建三维模型， 将模型导入到a n s y s 中对模型进行静态和动态特性分析，查找缺陷，并进一步对 工作台进行改进优化。 6 武汉理- l ：人学硕士学何论文 第2 章十字工作台的结构设计 2 1 工作台的设计方案 工作台布局是指确定工作台的组成部分，以及各部分在工作台中的位置和组 合、运动方式。工作台的布局主要是由车床总体架构决定的，它需要满足车床总 体性能要求和位置布局的安排，在此基础上设计工作台的一些细节和具体结构。 其中车床的总体布局会直接影响到车床的加工性能、精度以及效率，在考虑车床 布局时，一般在满足车床运动性能要求的基础上，使其同时满足高精度、高分辨 率、大刚度、高效率以及整体结构紧凑等要求。本文中的曲轴加工车床的总体布 局如图2 1 ： 工作台布局是否合理至关重要，它在设计中需要考虑多方面的因素，所以应 该满足以下基本要求【l l 】： 确保能满足车床总体设计方案的工艺和性能要求。 提高刚度和抗振性以保证车床加工精度。 工件便于制造、装卸以及运输等特点。 经济性好，控制成本不能太高，否则没有应用价值。 结构紧凑，外形美观。 图2 - 1 曲轴加工车床的总体布局 7 武汉理t 人学硕十学位论文 由于设计的曲轴加工车床采用头架和尾架双驱动，刀架需要实现轴向移动和 径向进给，所以在此处工作台选用十字滑座结构布局。本十字工作台由纵向( 上) 托板、横向( 下) 托板、导轨和丝杠螺母副及传动装置组成，托板由伺服电机带 动滚珠丝杠进行传动。 2 2 上、下托板的结构设计 上、下托板属于支承件，其主要功用有：承受切削力、重力、惯性力、摩擦 力等静态力和动态力；保证各部件之间的相对位置精度和运动部件的相对运动轨 迹的准确性等。托板是工作台的基础构件，其结构和筋板布置是否合理直接影响 曲轴的加工精度和效率。其基本要求有： 由于托板的变形会直接影响刀具和工件间的相对位移，所以为了保证加 工精度，托板在承受最大载荷时，它的最大变形需要限定在一定范围之内。同时， 在满足刚度要求的前提下，应尽量减轻托板的重量。 托板具有较好的的动态特性。在各种规定的工作条件下工作时，托板不 能发生共振，以保证刀具切削的稳定性和加工精度。 较小的热变形和内应力。导轨和丝杠在工作过程中产生大量的摩擦热会 引起托板的温度变化，产生热变形；而托板在铸造、焊接和粗加工过程中，材料 内部会形成内应力，会使托板变形。热变形和内应力都将使托板在工作中产生变 形，进而改变刀具和工件相对运动轨迹，影响车床的加工精度。 托板的材料不同，其具体结构也会由比较大的差异，在目前的普通车床的设 计中，托板主要分为铸件和焊接件两种，铸造、焊接件具有不同的优点和缺点， 主要根据使用环境来决定材料。铸件和焊接件具有以下特点： 铸件工序多，生产周期长，不适合快速开发车床新样品。焊接结构制造 简单、快速，只要按照设计正确裁剪钢板，就可以非常容易的将零件焊接成形， 且不易出废品，适合单件快速生产。 铸件抗振效果比较好，具有一定的减振性能。 钢的弹性模量约为铸铁的1 5 2 倍，所以在要求工件刚度一定的情况下， 钢件的质量更轻，可以比铸件节约4 0 左右的材料，大大降低了生产成本，经济 性比较好。 工作台属于运动部件，它的动作频繁，要求相应速度和加速都要快。焊 接件结构比铸铁的轻，所以惯性会比较小。 焊接件的弯曲振动、扭转振动和薄壁振动的阻尼比铸件小 低碳结构钢的机械加工性不如铸铁，且不能像铸铁那样可直接作为导轨 面。焊接件是以小拼大逐步形成的，因此零件形状越复杂，则拼接半成品越多， 8 武汉理一i ：人学硕十学位论文 焊缝越长，焊接唱本就越高，可能产生的焊接应力和焊接变形也越大。 综合以上铸件和焊接件的特点并结合曲轴加工复合车床的性能特点，工作台 的托板的材料选用灰铸铁：h t 2 5 0 - 3 0 0 。 在进行托板结构设计时，为方便制造和提高加工质量，应注意铸铁的工艺性 特点【1 2 】：铸件外形简单。造型应尽量简洁，切忌大量复杂结构，要易于拔模且安 装方便可靠；避免产生缩孔和裂纹。工件壁厚应尽量均匀，避免尺寸突变，否则 容易产生缩孔和裂纹，使工件的强度降低；清砂简单、可靠；大型铸件需要铸造 出吊孔。铸造吊孔不仅简单方便而且牢固可靠。 2 2 1 上托板的结构设计 上托板的形状和尺寸主要由与其联接零件和总体布局来决定的，上托板功用 是通过导轨实现刀架的轴向移动，为避免发生托板侧翻危险状况，导轨跨距不能 太小，且需要支撑在主要受力点处。上托板承受弯矩、扭矩以及复合载荷，所以 为了提高抗弯刚度和扭转刚度，还需要合理布置筋板。上托板的载荷相对不是很 大，并且为了便于刀架的安装，上托板仅在底面两导轨之间布置了筋板和裙边。 如图2 2 和图2 3 刀牲庄矩m 动导辕三麓动导辕 图2 - 2 上托板结构图( 正面) 图2 - 3 上托板结构图( 底面) 9 武汉理j ：人学硕十学位论文 上托板的受力分析 上托板的功用是为刀架提供装配平台并实现其轴向运动，所以上托板的位置 一直在运动变化中，但是施加在上托板上的载荷并没有因为上托板在车床轴向位 置上的变化而变化。上托板的受力有：自身托板重力g 卜刀架的重力g 2 、加工 时的切削力f ，主要是由这三部分组成，其它可以忽略不计，其中切削力f 会因 为材料和进给量的不同而发生变化，在这里切削力f 取最大值。上托板受力分析 如图2 4 ： 图2 4 上托板受力分析 其中： f = 3 k n ；刀具在垂直方向上的切削分力( 根据传统曲轴加工切削力确定) ； g l = 1 4 k n ；根据模型的尺寸，初步确定托板的重量； g 2 = 4 3 5 k n ；根据模型的尺寸，初步确定刀架的重量； 上托板除了要保证本身扭转刚度和弯曲刚度外，还要确保其能高速平稳的运 行，不能有发生的倾覆的危险。有受力分析可知，上托板和刀架的重心位于托板 结构的几何中心处，同时托板还受到右边远端处的切削力的作用。所以有必要进 行托板右倾覆危险的验算。进行右倾覆验算，需要以右导轨为支点检验导轨是否 有倾覆法可能性。 有力矩公式知： 磋= ( g l + g 2 ) 宰厶： ( 2 - 1 ) 磊= f 幸厶； 分别代入g 卜g 2 、f 、l l 、k 计算结果得： 乓= 2 2 3 4 7 5 ( n ，1 ) ； 瑶= 1 4 8 5 ( n m ) 当上托板在切削工作中，受到最大切削力时： 有右倾覆的危险，能够安全平稳的运行。 l o ( 2 2 ) 砭磊，所以上托板不会 武汉理i ：人学硕十学位论文 2 2 2 下托板的结构设计 下托板在工作台中的功用是实现刀架的径向进给，在工作台中它是既是最重 要又是最大的一个零件，它的设计长度约为2 0 0 0 m m ；跨度约为1 0 0 0 m r n ；主板 的厚度为2 0 m m 。需要安装在下托板的部件或零件有：上托板的传动系统、上托 板( 刀架) 、刀架花键轴的支架、行星差速器等。由于下托板长度比较长，且承 受的载荷比较大，除了要合理布置导轨的跨距外，还要设计大量的筋板。在下托 板的底面底面两导轨之间设计有高2 5 m m 、宽l o m m 的裙边，内部有两条纵向和 横向加强筋；由于下滑板的导轨跨距不能太大，否则会影响加工精度，所以下滑 板在两导轨支撑处外面有一段伸出部分，同时伸出部分要承受较大载荷，为了防 止伸出部分变形量过大，所以在两端伸出部分处设计多条轴向三角筋板和径向筋 板( 如图2 5 和图2 6 ) 。 图2 5 下托板结构图( 上面) 三镥动导鞔 矩形动导孰 口 三角加强筋加强筋 图2 - 6 下托板结构图( 底面) 武汉理i ：人学硕十学位论文 下托板的受力分析 下托板需要实现刀架的径向进给，其承受的载荷有：自身重力g l 、上托板 重力g 2 、刀架重力g 3 、上传动系统重力g 4 、支架重力g 5 、差速器的重力g 6 、 切削力f l 和主轴传到刀架上的扭转力f 2 。下托板在径向运动过程中，上托板和 刀架还要做轴向移动对曲轴进行加工切削，由于切削位置发生变化，切削力的位 置也会随去变化。由此可知：载荷力g 2 、g 3 、f 大小不变而位置会随着切削位 置的变化而变化，为了保证下托板的运行平稳以及没有倾覆的危险，在计算下托 板的倾覆危险时需要分别校核两个切削极限位置时的受力情况。下托板受力分析 如图2 7 ： 图2 7 上托板在右切削极限位置时的下托板受力 其中： g j = 6 9 6 8 ( 删a 下托板的自身重力 丁右知：当上托板在下托板的右极限位黄时，能够安全平稳的工作， 不会有右倾覆的危险。 当上托板在左极限位置时十字滑板的受力如图2 8 ： 图2 8 上托板在左切削极限位置时的下托板受力 由于上托板位置左移，整体的重心也随着往左移，所以，如果十字滑板有倾 覆危险，那只会是左倾覆。又由图可看出切削力和托板重力的重心在左导轨中心 处左右，所以，它不会加大滑板的左倾覆力矩，主要提供左倾覆力矩的力来自支 架，又由于：g 水g 躺l 歙乱枷。可知：当托板移到左极限位置时，十字 滑板不会发生倾覆的危险。 2 3 导轨部件的选择 导轨的主要功能是导向和承载，确保运动部件在工作受力时，能够准确、稳 定地沿着一定的方向运动【1 3 1 。导轨副中，与运动部件相连且一起运动的导轨称为 动导轨，而相对不动的导轨称为静导轨或支撑导轨。动导轨相对于静导轨一般只 有一个自由度。 导轨的质量能够直接影响车床的加工精度，并且导轨在工作中频繁发生相对 移动，是整部车床最容易出现问题的一个重要环节。因此，合格的导轨必须满足 一下基本要求： 导向精度导轨最主要的功用之一就是导向，它必须保证运动部件在运 动中有足够的方向精度，即具有足够的导向精度。导向精度是指动导轨运动轨迹 的准确度。影响导轨的主要因素有导轨的几何精度、导轨的接触精度、以及托板 变形量等。 武汉理j i ：人学硕十学位论文 精度保持性为了保证导向精度不会变低，导轨必须具有高耐磨性和刚 度大等特点。如果导轨刚度比较差就会产生较大变形，会直接导致运动部件位置 会有较大的改变，这样就使导轨面受力不均，进而导轨压强分布严重不均匀，从 而加剧导轨的磨损，一般刚度被看做是保证导轨质量的一个非常重要的指标。由 于导轨磨损会使导轨导向精度变差，而导轨问的摩擦不可避免，那么提高导轨的 耐磨性就成为关键，它是衡量导轨质量的另一个重要指标。 运动的平稳性保证运动部件在导轨上运动时一定要平稳，避免出现不 稳甚至轻振动等现象。由于导轨上的运动最终传递到进行切削的刀具上面，一旦 刀具运动不平稳将会严重影响工件的加工质量。运动的平稳性主要是导轨的结构 和润滑情况决定的，另外与材料的动、静摩擦系数的差值以及传动系统的灵敏度 等也有很大有关。 结构工艺性为了方便导轨的制造和维护，应在满足性能要求的情况下 尽量使其结构简单可靠。 根据本曲轴加工车床的工艺性能特点和要求，工作台的导轨选用滑动导轨。 滑动导轨结构简单、有良好的工艺性，刚度和精度易于保证，在车床中应用最为 广泛。 2 3 1 导轨材料及热处理 本工作台中总共有两对导轨，包括四条静导轨和四条动导轨。它们分别与工 作台的上、下托板以及床身底座相连，由于托板和底座采用的都是铸件，所以导 轨与相连铸件是一体的。由于托板的材料选为灰铸铁h t 2 5 0 , - , 3 0 0 ，所以导轨的材 料同样也为h t 2 5 0 3 0 0 。 灰铸铁作为导轨的材料，不仅成本低还有良好的减振性和耐磨性。为了提高 铸铁导轨的硬度，一般还要对导轨面进行淬火等。但在本工作台中为了更好的提 高导轨的耐磨性，采用导轨贴塑工艺，它不仅工艺简单，并且摩擦系数小，抗磨 损性能良好【1 4 1 。 2 3 2 导轨的结构 由于导轨需要承载和精确导向，直线运动导轨一般以两条或多条导轨组合形 式出现。应用比较广泛的导轨组合形式有： 双三角导轨组合 双矩形组合 三角形矩形组合 燕尾形组合 燕尾形矩形组合 1 4 武汉理j 大学硕士学位论文 双圆柱形组合 在本工作台设计中，上、下托扳采用的导轨组合形式都是三角- 矩形组台， 导轨的截面形状分为三角形和矩形两种截面形状，如图( 2 - 9 ) 。三角导轨：两导 轨面呈一定夹角，取a = 9 0 。由于导轨面与水平方向有一定的斜度，所以切削时 产生碎屑一般不会在导轨面上积存比较适合较低速度的应用场合。三角导轨依 靠三角形的西个斜面导向，磨损后能自动补偿，不会使导向精度降低。三角导轨 的缺点是保证导轨面在两个方向上的精度比较困难。矩形导轨结构简单、制造方 便，承载能力具有水平和垂直两个方向上的导轨面的误差不会相互影响、叠加。 矩形导轨的缺点是其导轨面磨损后不能自动补偿，导向精度降低，为此还要加装 调整装置。 由以上可见，三角导轨和矩形导轨都有各自的优点与缺点，通过采用三角一 矩形组合可以有效的利用优势互补，使工作台具有更高的综合性能。这种组合形 式不仅具有较大的承载能力，还具有导向性好、刚度高等优点。它综合了双三角 组舍和职矩形组合的共同特点，所以它应用比较广泛。 订介 图2 - 9 三角导轨和矩形导轨的截面形状 2 3 3 导轨的润滑和防护 导轨润滑在导轨运行中是必不可少的，它起着非常重要的作用：降低磨损以 提高导轨的寿命年限；润 骨良好可以减少摩擦生热降低温度，有效改善导轨的工 作条件，同时大大提高其机械效率：有效保护导轨面防止被氧化和腐蚀。导轨润 滑可以通过很多方法来实现，在本文设计中采用一种是简单、堆有效的方法，在 动导轨上开出油孔，用油杯定期定期的供油，为了润滑油能在导轨面上均匀分布， 在导轨的贴塑面上开出油沟。这种方法不仅成本低廉，还能保证充分的润滑效果。 为了保证导轨面的清洁以减少磨损，需要安装防护装置。防护装置有刮板式、 钢带式、固定式、层叠式、折叠式等。本文采用的是刮板式防护装置，刮板通过 武汉理一r ：人学硕十学位论文 螺钉固定在动导轨的端面，由于刮板与支撑导轨接触部装有毛毡，当动导轨移动 时，毛毡就可以非常方便、有效的清除导轨面上的碎屑。刮板式防护装置结构简 单、成本低廉，其在低速传动中应用最为广泛。 2 3 4 导轨的验算 在导轨设计中，导轨面尺寸会间接影响导轨面的应力。由于导轨承受的最大 载荷力可以认为是固定不变，如果导轨尺寸太小将会导致导轨面压强变大，磨损 严重以至导轨性能变差；如果导轨尺寸过大，导轨面压强会变小，虽然导轨性能 良好，但是浪费材料使成本增加。导轨面尺寸过大或过小，都被认为是设计不合 理。根据载荷力及经验初步选择导轨的尺寸，然后需要再对导轨进行验算，判断 导轨设计是否合理。 每条导轨面所受的载荷，都可以简化为由集中力尸和颠覆力矩m 的作用， 在力f 作用下，导轨上引起的压强公式： 乞= p ( m p a ) ( 2 5 ) 在力矩m 作用下，导轨面的压强匕 抒 m = 三兄木等幸2 3 三= 华( 2 - 6 ) 所以： 兄= 等( m p a ) ( 2 - 7 ) 式中。 p 为导轨所受的集中力( a m 为导轨所受的倾覆力矩r a m ) ； 为由倾覆力矩m 引起的最大压强( m p a ) ； 斥为由集中力p 引起的压强( m p a ) ； a 为导轨宽度( m 删) ； 三为导轨的长度( r a m ) 。 导轨所受的最大、最小和平均压强分别为： = 弓+ 匕= 主( 1 + 等) = 。一毛= 主( 一警 已= 三( + ) = 五p ( 2 8 ) 上托板导轨上所受的载荷力包括切削力、托板和刀架及动导轨的重量。这些 1 6 武汉理j i ：人学硕十学位论文 外力使各导轨面产生支反力和支反力矩。由上托板的受力分析( 如图2 4 ) 可以 计算出在两导轨上的集中力f 和颠覆力矩m 。由此发现：集中力主要分布在托 板靠右的三角导轨位鼍，由于两导轨长度l 和宽度a 大小相等，所以重点校核三 角导轨的压强及压强分布。 其中三角导轨处集中力f = 8 7 5 k n ；由于集中力主要分布在托板的径向中心 线上，所以倾覆力矩m 0 ；导轨长度l = 4 9 6 m m ；a = 1 0 0 m m 。 计算可得：，o 1 7 6 5 ( m p a ) 由p 眦 【p j o 3 5 ( m p a ) 则：导轨面上的压强值小于许用值，故上托板导轨能安全运行，不会发生因 压强过大而导致导轨面将油膜压破而加剧磨损的危险。 由下托板的受力分析( 如图) 知：下托板导轨所受的载荷会比较大，同时由 于上托板的位置会因为加工位置的变化而变化，但是不难发现：当上托板在右极 限位置时，下托板右导轨承受的集中力和颠覆力矩最大；当上托板在左极限位置 时，下托板左导轨承受的集中力和颠覆力矩最大，所以只要校核这两种情况下导 轨的压强及压强分布即可。 当上托板在右极限位置时，有滑板受力平衡方程计算解得：右导轨处的最大 集中力为艮1 9 7 8x1 0 4 n ；倾覆力矩m 2 6 5 3 5x1 0 8 n m m ； 其中：有效负载的导轨长度l = 1 0 1 6 m m ；宽度a = 1 0 0 m m 。 计算可得：r ，芦尸0 声r 砌踟1 19 4 7 ( a p a ) 由p 雠 【p 】= 0 3 5 ( m p a ) ( 由机械设计手册查的) 则：下托板右导轨压强值小于需用压强，能安全运行。 当上托板在左极限位置时，有托板受力平衡方程计算计算解得：左导轨处的 最大集中力为f 9 7 9 2 n ；倾覆力矩怜2 6 5 3 5x1 0 6 n m m ；导轨长度为1 0 1 6 m m ； 宽度a = 1 0 0 m m 。 计算可得：圪缸已圪i n o 0 9 6 4 ( m p a ) 由 i2 )(2-20) 1 9 自 故：所选伺服电机满足要求，能够安全正常驱动运行。 h u 妇 武汉理r 人肇颈七学位论文 25 2 联轴器 联轴器的作用是连接两轴并使一起回转，同时传递转矩。一般联轴器分为刚 想联轴器和挠性联轴器前翥能使两轴能严格同步和轴心对中：后者优点是有一 定缓冲、减振功能【”】。 经综合比较，本设计选用的是弹性管联轴器( 如图2 1 3 ) ，它是一体成型的 余届联轴器，具有以下特点：零回转问隙：弹性作用补偿径向、角向以及轴向偏 差；顺时针和逆时针回转特性完全相同；一体化，小型，低惯量。可采用顶丝固 定、夹紧螺丝固定及键槽联结等多种联结方式。 所选联轴器的型号：s t l 7 a 2 4 - 2 5 ( 钢件) 。基本参数及主要尺寸如表2l ： 表2 一ls t l 7 a 一2 4 - 2 5 基本参数及主要参数 图2 一1 3 弹性管联轴外观图和二维圈 联轴器的转矩z 主要包括两部分：为克服连续作用的额定载荷和摩擦阻力 所需要的工作转矩r 和附加动力转矩，。附加力矩计算比较复杂，一般为了计算 简单r 按式( 2 2 1 ) 计算： = t + r k t r( 2 2 1 ) 式中：z 许用名义转矩，有手册查出：载荷系数k z 2 5 ； 工作力矩取t = 59 7 m 将数据代入式( 2 - 2 1 ) 计算得： c = 解25 1 4 9 2 5 n m z 所选联轴器满足要求，能安全平稳的工作。 丁丁 一刊圜州 一研*川矾 一盱降 武汉理l ：人学硕士学位论文 2 5 3 滚动轴承 滚动轴承主要是为轴或其他回转体提供径向或轴向支撑，并且磨损小、机械 效率高。轴承是外购的标准间，所以在设计中只需根据工作条件选用合适的滚动 轴承类型和尺寸即可。 丝杠传动过程中会有有较大的轴向力，并且轴向进给的丝杠轴较长，轴的伸 缩量会较大，所以在设计中丝杠的固定方式采用为端固定，端游动。它由固 定端对丝杠轴双向固定，由游动端保证轴伸缩时能自由游动。由于在传递过程中 轴承需要承受径向和轴向两个方向上的力，所以本设计选用的是角接触轴承( 如 图2 1 4 和2 1 5 ) ，轴承型号为：g b t 2 9 2 9 4 角接触轴承7 2 0 7 尺寸：7 2 x 3 5 x 1 7 。 丝杠固定端采用的是一对角接触轴承反装；游离端采用