数控专用磨床砂轮架部件设计论文(总).doc

上海理工大学毕业设计 论文 1 目 录 中文摘要 ABSTRACT 第一章 绪 论 2 1 1 概述 2 1 2 外圆磨床的发展概况和前景 3 1 3 外圆磨床典型部件的功能介绍 4 1 3 1 机床总体布局 4 1 3 2 主要部件结构 5 1 磨床的主要部件 5 2 外圆磨床外观图 5 1 4 课题任务和意义 6 第二章 数控专用磨床砂轮架设计 7 2 1 砂轮架设计要点 7 2 1 1 主轴旋转精度及提高措施 7 1 主轴旋转精度 7 2 提高主轴旋转精度的措施 8 2 1 2 主轴系统的振动 发热及其降低措施 9 1 主轴系统的振动与发热 9 2 减小振动措施 9 3 降低发热的措施 10 2 2 主轴设计及计算 10 2 2 1 主轴强度计算校核 10 1 选择轴的材料 确定许用应力 10 2 按扭矩强度估算轴的最小直径 10 3 主轴砂轮上的作用力的计算 10 4 主轴的结构设计 10 5 校核轴的强度 11 2 3 轴承的选择与计算 13 第三章 横向进给部件设计 15 3 1 横向进给部件的设计要求 15 3 2 横向进给部件的机械传动设计 15 3 3 滚珠丝杠的设计和计算 16 3 3 1 滚珠丝杠副传动特点与应用 16 数控专业磨床砂轮架及横向进给部件设计 2 3 3 2 滚珠丝杠副的结构形式 17 3 3 3 滚珠丝杠的支承与轴承 18 3 3 4 滚珠丝杠副的选用与计算 19 3 4 直线滚珠导轨的设计与寿命计算 21 3 4 1 直线滚珠导轨的设计 21 3 4 2 直线滚动导轨的寿命计算 21 3 5 横向进给部件装配图 22 第四章 数控专用磨床砂轮架及横向进给部件建模 23 4 1 SolidWorks 的介绍及相关的模块 23 4 1 1 SolidWorks 的介绍 23 4 1 2 SolidWorks 的特点 24 4 2 砂轮架及横向进给部件的建模 26 4 3 砂轮架及横向进给部件的装配 28 第五章 SOLIDWORKS运动仿真的简单介绍 30 5 1 Animator 具有如下特点 30 5 2 运动仿真的过程 31 5 2 1 爆炸视图动画 31 5 2 2 动画向导 32 第六章 SOLIDWORKS有限元分析 34 6 1 有限元分析方法概况 34 6 2 有限元分析法的运用 35 第七章 结束语 36 谢 辞 37 参考文献 38 上海理工大学毕业设计 论文 1 第一章 绪 论 1 1 概述 磨床是利用磨具对工件表面进行磨削加工的机床 大多数的磨床是使用高速旋转的 砂轮进行磨削加工 少数的是使用油石 砂带等其他磨具和游离磨料进行加工 如珩磨 机 超精加工机床 砂带磨床 研磨机和抛光机等 外圆磨床是使用的最广泛的 能加工各种圆柱形和圆锥形外表面及轴肩端面的磨床 万能外圆磨床还带有内圆磨削附件 可磨削内孔和锥度较大的内 外锥面 不过外圆磨 床的自动化程度较低 只适用于中小批单件生产和修配工作 内圆磨床的砂轮主轴转速很高 可磨削圆柱 圆锥形内孔表面 普通内圆磨床仅适 于单件 小批生产 自动和半自动内圆磨床除工作循环自动进行外 还可在加工中自动 测量 大多用于大批量的生产中 平面磨床的工件一般是夹紧在工作台上 或靠电磁吸力固定在电磁工作台上 然后 用砂轮的周边或端面磨削工件平面的磨床 无心磨床通常指无心外圆磨床 即工件不用 顶尖或卡盘定心和支承 而以工件被磨削外圆面作定位面 工件位于砂轮和导轮之间 由托板支承 这种磨床的生产效率较高 易于实现自动化 多用在大批量生产中 大型曲轴磨床工具磨床是专门用于工具制造和刀具刃磨的磨床 有万能工具磨床 钻头刃磨床 拉刀刃磨床 工具曲线磨床等 多用于工具制造厂和机械制造厂的工具车 间 砂带磨床是以快速运动的砂带作为磨具 工件由输送带支承 效率比其他磨床高数 倍 功率消耗仅为其他磨床的几分之一 主要用于加工大尺寸板材 耐热难加工材料和 大量生产的平面零件等 专门化磨床是专门磨削某一类零件 如曲轴 凸轮轴 花键轴 导轨 叶片 轴承 滚道及齿轮和螺纹等的磨床 除以上几类外 还有珩磨机 研磨机 坐标磨床和钢坯磨 床等多种类型 我国生产的磨床走进了数字化的时代 而我们的社会也早已经走入了一个信息化的 社会 每天人们都要接受大量的信息和处理大量的数据 仅靠纸和笔已经不能适应这个 时代的要求 人们必须采取新的手段 于是信息技术进入我们的生活 计算机不再只是 简单的计算工具 它已成为我们生活中处理大量信息和解决工作难题不可缺少的手段 一个国家要强大 要繁荣就要靠工业的发展来推动经济的发展 而机械行业又是我国工 业的中流砥柱 随着我国机械行业的发展 机械设计必不可少而且越来越重要 设计师 在对一个产品进行设计时 头脑中的图像 翻译 出来 描绘到图纸上 用它来进行指 导生产和技术交流 这就是通常所说的二维工程图纸 二位工程图在手工和人控的机加 工环境中起着重要的作用 人们一直期待着能够有一种手段 在产品正式生产前 能够 直接把头脑重的三维图像模拟出来 以确认设计的可靠性 传统的方法是用模型的方法 把实体实际地制造出来 既费时又费事还浪费资金 计算机的三维软件产生 实现了设 数控专业磨床砂轮架及横向进给部件设计 2 计师的这一梦想 通过它把设计师头脑中的图像直接仿真到屏幕上 既形象又直观 可 以说 应用三维软件进行设计是设计师思想不经 翻译 的直接反映 是自然的思维过 程 因此 三维软件可以进行直观的交流 思想表达更准确 清晰 于是 CAD 的三维建 模软件 SolidWorks 就诞生了 的确 国内机床厂的图纸大部分还是二维图纸 无论设计者看起来 工人加工起来 还是学生学起来都要有很高水平的读图能力 这样便给设计和教学带来不便 然而这种 时代一去再不复返了 大家也再也不用为复杂的图纸感到困惑 是因为有了计算机 有 了 CAD Computer Aided Design 即计算机辅助设计和动态仿真 Dynamic Simulation 鉴于 这种情况 出现问题 解决问题 也是我这次毕业论文设计的基本目的 本次毕业设计 用著名 CAD 软件 SolidWorks 来进行三维建模 使磨床的三维模型一幕了然 不仅便于理 解数控磨床的功能和作用 而且便于尺寸修改和再次造型 然而设计者再设计磨床过程 中使不知道生产出来的磨床是否能使用 是否完美 是否能达到精度要求 是否还有零 件之间的干涉 1 2 外圆磨床的发展概况和前景 外圆磨床是以砂轮磨削各种轴类零件外圆的磨床 是现代精密机械加工必不可少的 重要设备 国外外圆磨床一般包括普通外圆磨床 万能外圆磨床 卡盘外圆磨床 无心 外圆没出 专门外圆磨床 曲轴 凸轮 轧騉磨床 其他外圆磨床等 国外的外圆磨床 生产历史较长 使用较广 第一台外圆磨床由美国布朗 夏普 Brown轴向窜动与轴向止推 润滑与密封 振动与平衡 发热与冷却 砂轮破碎与保护等 从表面上看 问题似乎很 多 又各不相同 实际上它们之间是有内在联系的 整体设计过程 就是如何使这些问 题在一只砂轮架上得到比较合理的解决 主轴与轴承是砂轮架的关键部分 因此对砂轮架设计提出的基本要求主要也是针对 主轴轴承部分的 砂轮架设计应满足下列四点基本要求 1 主轴旋转精度高且稳定 2 主轴轴承系统刚性好 3 振动小 发热低 不漏油 4 制造装配简单 调整维修方便 2 1 1 主轴旋转精度及提高措施主轴旋转精度及提高措施 1 1 主轴旋转精度 主轴旋转精度 砂轮架旋转精度是指主轴前端的径向跳动和轴向窜动大小 它直接影响工件的表面 光洁度和表面缺陷 如直波形和拉毛等 外圆磨床砂轮架 磨头的径向 轴向跳动允差 0 005 0 010 毫米 2 提高主轴旋转精度的措施 提高主轴旋转精度的措施 1 选择合适的主轴轴承 由于砂轮架主轴转速很高 且不需要经常变速 故目前绝大 部分使用滚动轴承 一般根据主轴前端要求的径向和轴向跳动允差 选取 级或更 高的 级精度 这里我采用了两对角接触球轴承 因为角接触球轴承即能承受径向力 又能承受轴向力及通过轴向移动内外圈来调整间隙实现预紧外 还能达到较高的转速 此外 在安装时采用了背对背的排列方式 这样轴承的接触角线向外扩散 加大了支撑 宽度 较稳定 刚性好 当转速较高时 内圈的轴向伸长量比外圈大 背对背排列不会 因此增加轴承的负载 从而保证了轴承的正常运转 2 提高主轴的加工精度 主轴本身的加工精度 对旋转精度有直接的影响 因此必须 规定合理的技术要求 砂轮主轴除其主要尺寸有配合公差要求外 应规定主轴轴颈的几何形状允差 圆度 及圆锥度误差 前 后轴颈与前端定心锥面的同轴度误差 轴肩轴向支承面与轴颈中心 上海理工大学毕业设计 论文 7 线的垂直度误差等 一般精度外圆磨床砂轮架的主轴轴颈圆度 圆锥度误差 0 002 0 003 毫米 前 后 轴颈与前端锥面的跳动误差和轴肩与轴颈中心线的垂直度误差 0 003 0 005 毫米 图 2 1 砂轮架主轴 3 正确选择主轴轴向止推形式 主轴轴向止推可分为单向 双向两种 双向止推支承 一般安装在主轴前轴承的外侧 由套及压紧环靠主轴轴肩两端 磨制中间调整垫圈 保 证留 0 01 毫米间隙 这种结构能承受两个方向的轴向力 且在很大轴向力的情况下能获 得较好的轴向定位精度 但制造 装配与调整比较复杂 一般用于需要双面磨削的大型 机床 单向止推支承装在前 后轴承外侧 改善了上述缺点 还减小了砂轮中心至前轴承 中心的距离 提高刚性 所以我选用了单向止推形式 4 采用提高旋转精度的其他措施 皮带轮不直接装在主轴上 而装在单独的支架上 并采用花键 平键或其他方式带动主轴旋转 因此我采用了卸荷皮带轮 虽然结构上比 较复杂 但这样减少了主轴变形和轴承受力 如图 2 2 图 2 2 卸荷机构 数控专业磨床砂轮架及横向进给部件设计 8 2 1 2 主轴系统的振动 发热及其降低措施主轴系统的振动 发热及其降低措施 1 主轴系统的振动与发热 主轴系统的振动与发热 由于砂轮主轴作高速旋转 所以振动和发热对砂轮架正常工作影响较大 振动会影响磨削工件表面光洁度 产生直波形缺陷 而且会使磨床精度很快丧失 图 2 2 卸荷机构 砂轮架的发热 会使砂轮主轴膨胀 伸长 位移 使工件产生几何形状误差 严重的 将直接影响砂轮主轴的正常工作以至发生 抱轴 现象 砂轮架一般要求正常运转 2 4 小 时后 温升 不大于 20 2 减小振动措施 减小振动措施 主轴轴承系统的振动 一般分强迫振动和自激振动两种 强迫振动是外界干扰力引 起的 因此他的振动频率和外界干扰里的频率相等 或是其倍数 自激振动是运转或磨 削过程中本身所引起并维持的振动 由于砂轮和高速旋转零件的不平衡 传动砂轮的电动机不平衡 传动皮带长短不 一致等 都会引起砂轮对工件的强迫振动 可采取下列相应措施来减小振动 a 静平衡砂轮 使砂轮在平衡架上任意转动一个角度都能静止下来 或采用砂轮 自动平衡装置 b 对传动砂轮的电动机进行平衡 最好将电动机连同皮带轮一起进行整机动平衡 c 电动机底座与砂轮架之间用硬橡皮 木板或其他吸振材料隔振 d 避免在主轴上装不对称零件 如销子 键等 主轴上高速旋转的零件的材质要 均匀 尺寸要对称 e 三角皮带要选长短 厚薄均匀 在功率允许的情况下减少皮带根数 高精度 高速度 宜采用皮带 丝织带或棉纶带 为了减小磨削时的自激振动 应选用合适的砂轮和磨削用量 3 3 降低发热的措施降低发热的措施 砂轮架在满足主轴刚性的条件下 选用粘度比较低的润滑油 一般滚动轴承的砂轮 架采用油浸式润滑 油池应考虑有适当容积 使油温不至于太高 2 2 主轴设计及计算 2 2 1 主轴强度计算校核主轴强度计算校核 1 选择轴的材料 确定许用应力 选择轴的材料 确定许用应力 主轴的材料为 45 钢 调质处理 查书表 13 1 可知 650MP 360 MP b a s a 查表 13 6 可知 102 MP 60 MP 215 MP aaa bb 1 bb 1 bb 0 上海理工大学毕业设计 论文 9 2 按扭矩强度估算轴的最小直径按扭矩强度估算轴的最小直径 砂轮架的主轴与电动机直接相接 由于是高速轴从机构要求考虑 输入端轴颈应最 小 最小直径为 d 2 1 式中 C 为轴的材料和轴承情况有关的系数 P 为轴的传递的功率 kW n 为轴的转 速 r m 查表 13 5 可得 45 钢取 C 118 则 d 118 mm 16 3 mm 3 280 75 0 取最小直径 d 17mm 3 主轴砂轮上的作用力的计算 主轴砂轮上的作用力的计算 砂轮所受的转矩为 T 9 55 10 P n 9 55 10 0 75 280 25580 N mm 2 2 66 砂轮的作用力 圆周力 F 2T d 2 25580 90 568N t 径向力 F 433Nr 轴向力 F 352Na 4 主轴的结构设计 主轴的结构设计 主轴结构设计时 需同时考虑轴系中相配零件的尺寸以及轴上零件的固定方式 按 比例绘制结构草图 1 确定轴上零件的位置及固定方式 将左 右弹簧座布置在箱体的中间部分 轴 承对称布置在弹簧做的两边 轴外伸的端安装砂轮和带轮 主轴带轮靠锥度和螺母实现轴向定位和固定 靠莫氏锥度配合实现周向固定 两 端轴承靠套筒 轴肩来实现轴向定位 靠过盈配合实现周向固定 主轴通过两端轴承端 盖实现轴向定位 砂轮安装在砂轮罩中 砂轮罩靠轴肩 平键和过盈配合分别实现轴向 定位和周向固定 2 确定各段轴的直径 将估算轴径 d 8mm 作为外伸出端最小直径 由于要与带轮 相配 故选取 d1 20mm 考虑到主轴带轮用锥度实现轴向定位 取第二段直径为 d2 25mm 右弹簧座和右端轴承从左侧装入 考虑装拆方便及零件固定的要求 装轴承 处轴径 d3 应大于 d2 考虑滚动轴承直径系列 取 d3 35mm 为便于弹簧座的拆装 与弹 簧座配合处轴径 d4 应大于 d3 取 d4 42mm d5 是安装左侧轴承 根据选定轴承型号确 3 npc 数控专业磨床砂轮架及横向进给部件设计 10 定 左端轴承型号与左端轴承型号相同 取 d5 35mm 考虑到砂轮罩是用莫氏锥度和螺 母实现轴向定位的 取 d6 25mm d7 16mm 所以各段轴径 d1 20mm d2 25mm d3 35mm d4 42mm d5 35mm d6 25mm d1 16mm 3 选取轴承型号 初选轴承型号为角接触球轴承 代号 C46207 查机械手册可得 轴承宽度 B 27mm 安装尺寸 D1 35mm 故 d3 d5 选取正确 4 确定各段轴的长度 综合考虑轴上零件的尺寸及