基于六爪棘轮调角机构的坡口铣床设计.doc

湘潭大学毕业论文 第 1 页 共 44 页 目录目录 一 引言一 引言 2 1 1 铣床的历史 2 1 2 铣床的基本知识 4 1 3 铣床的发展概况 5 二 方案设计与比较二 方案设计与比较 7 2 1 铣床的技术参数要求 7 2 2 动力头的选择 7 2 3 动力参数的确定 7 2 4 电动机的选择 8 2 5 进给机构方案确定 8 2 6 升降机构的方案确定 9 2 7 调角机构的方案确定 9 三 主要零件的设计与计算三 主要零件的设计与计算 13 3 1 导轨的设计与强度计算 13 3 1 1 导轨功用 分类和应满足的要求 13 3 1 2 导轨的选择 13 3 1 3 滑动导轨压强的计算 16 3 1 4 导轨间隙的调整 17 3 2 蜗轮蜗杆的设计与参数确定 17 3 2 1 蜗杆的参数计算 18 3 2 2 涡轮参数设计 20 3 2 3 齿根弯曲疲劳强度校核 20 3 2 4 精度等级公差和表面粗糙度的确定 21 3 3 丝杆传动设计及计算 21 3 3 1 丝杆的特点及应用 21 3 3 2 丝杆传动设计及计算 22 3 4 蜗杆轴的设计与计算 24 3 5 齿轮的设计计算 25 3 6 蜗杆与减速箱的连接 28 参考文献参考文献 29 湘潭大学毕业论文 第 2 页 共 44 页 设计总结设计总结 30 附附 1 外文资料及翻译外文资料及翻译 30 附附 1 外文资料及翻译外文资料及翻译 31 HIGH SPEED MACHINING AND DEMAND FOR THE DEVELOPMENT 31 高速切削加工的发展及需求 39 附附 2 工程图 工程图 44 湘潭大学毕业论文 第 3 页 共 44 页 一 引言一 引言 1 1 铣床的历史 铣床的历史 最早的铣床是由美国人惠特尼于 1818 年创制的卧式铣床 为了铣削麻花钻头的螺旋槽 美国人布朗于 1862 年创制了第一台万能铣床 这是升降台铣床的雏形 1884 年前后又 出现了龙门铣床 二十世纪 20 年代出现了半自动铣床 工作台利用挡块可完成 进给 决速 或 决速 进给 的自动转换 1950 年以后 铣床在控制系统方面发展很快 数字控制的应用大大提高了铣床的 自动化程度 尤其是 70 年代以后 微处理机的数字控制系统和自动换刀系统在铣床上 得到应用 扩大了铣床的加工范围 提高了加工精度与效率 铣床是用铣刀对工件进行铣削加工的机床 铣床除能铣削平面 沟槽 轮齿 螺 纹和花键轴外 还能加工比较复杂的型面 效率较刨床高 在机械制造和修理部门得 到广泛应用 升降台铣床 升降台铣床有万能式 卧式和立式几种 主要用于加工中小型零件 应用最广 龙 门铣床包括龙门铣镗床 龙门铣刨床和双柱铣床 均用于加工大型零件 单柱铣床的 水平铣头可沿立柱导轨移动 工作台作纵向进给 单臂铣床的立铣头可沿悬臂导轨水 平移动 悬臂也可沿立柱导轨调整高度 单柱铣床和单臂铣床均用于加工大型零件 仪表铣床 仪表铣床是一种小型的升降台铣床 用于加工仪器仪表和其他小型零件 工具铣 床主要用于模具和工具制造 配有立铣头 万能角度工作台和插头等多种附件 还可 进行钻削 镗削和插削等加工 其他铣床还有键槽铣床 凸轮铣床 曲轴铣床 轧辊 轴颈铣床和方钢锭铣床等 它们都是为加工相应的工件而制造的专用铣床 切削加工是用切削工具 把坯料或工件上多余的材料层切去 使工件获得规定的 几何形状 尺寸和表面质量的加工方法 任何切削加工都必须具备三个基本条件 切削工具 工件和切削运动 切削工具 应有刃口 其材质必须比工件坚硬 不同的刀具结构和切削运动形式 构成不同的切 削方法 用刃形和刃数都固定的刀具进行切削的方法有车削 钻削 镗削 铣削 刨 削 拉削和锯切等 用刃形和刃数都不固定的磨具或磨料进行切削的方法有磨削 研 湘潭大学毕业论文 第 4 页 共 44 页 磨 珩磨和抛光等 切削加工是机械制造中最主要的加工方法 虽然毛坯制造精度不断提高 精铸 精锻 挤压 粉末冶金等加工工艺应用日广 但由于切削加工的适应范围广 且能达 到很高的精度和很低的表面粗糙度 在机械制造工艺中仍占有重要地位 畜力驱动铣 削大铜环 切削加工的历史可追溯到原始人创造石劈 骨钻等劳动工具的旧石器时期 在中 国 早在商代中期 公元前 13 世纪 就已能用研磨的方法加工铜镜 商代晚期 公元 前 12 世纪 曾用青铜钻头在卜骨上钻孔 西汉时期 公元前 206 公元 23 就已使 用杆钻和管钻 用加砂研磨的方法在 金缕玉衣 的 4000 多块坚硬的玉片上 钻了 18000 多个直径 1 2 毫米的孔 17 世纪中叶 中国开始利用畜力代替人力驱动刀具进行切削加工 如公元 1668 年 曾在畜力驱动的装置上 用多齿刀具铣削天文仪上直径达 2 丈 古丈 的大铜环 然后 再用磨石进行精加工 18 世纪后半期 英国工业革命开始后 由于蒸汽机和近代机床的发明 切削加工 开始用蒸汽机作为动力 到 19 世纪 70 年代 切削加工中又开始使用电力 对金属切削原理的研究始于 19 世纪 50 年代 对磨削原理的研究始于 19 世纪 80 年代 此后各种新的刀具材料相继出现 19 世纪末出现的高速钢刀具 使刀具许用的 切削速度比碳素工具钢和合金工具钢刀具提高两倍以上 达到 25 米 分左右 1923 年 出现的硬质合金刀具 使切削速度比高速钢刀具又提高两倍左右 30 年代以后出现的 金属陶瓷和超硬材料 人造金刚石和立方氮化硼 进一步提高了切削速度和加工精度 随着机床和刀具的不断发展 切削加工的精度 效率和自动化程度不断提高 应 用范围也日益扩大 从而大大促进了现代机械制造业的发展 金属材料的切削加工有许多分类方法 常见的有按工艺特征 按材料切除率和加工 精度 按表面成型方法三种分类方法 切削加工的工艺特征决定于切削工具的结构 以及切削工具与工件的相对运动形 式 因此按工艺特征 切削加工一般可分为 车削 铣削 钻削 镗削 铰削 刨削 插削 拉削 锯切 磨削 研磨 珩磨 超精加工 抛光 齿轮加工 蜗轮加工 螺 纹加工 超精密加工 钳工和刮削等 1 2 铣床的基本知识铣床的基本知识 一 铣床加工范围 可加工水平面 台阶面 垂直面 齿轮 齿条 各种沟槽 直槽 T 型槽 燕尾槽 湘潭大学毕业论文 第 5 页 共 44 页 V 型槽 或成形面等 二 铣床加工特点 加工范围广 适合批量加工 效率高 铣刀属多齿工具 根据刀具的不同 出现 断续切削 刀齿不断切入或切出工件 切削力不断发生变化 产生冲击或振动 影响 加工精度和工件表面粗糙度 铣床加工精度为 179 177 表面粗糙度为 Ra6 3 1 6um 三 铣削加工与铣削工艺 铣削加工 1 铣削加工是在铣床上利用铣刀旋转对工件进行砌学加工方法 铣刀是旋转 的多刃刃具 铣削是多刃加工 且铣刀可使用较大的切削速度 无空回程 故生产效 率高 铣削用量 2 它包括铣削速度 进给量和铣削宽度和深度 a 切削速度 Vc 切削速度即为铣刀最大直径的线速度 Vc dn 1000 m min b 进给量 指刀具在进给运动方向上相对工件的位移量 有三种方式 1 每齿进给量 fz mm z 2 每圈进给量 f mm r 3 每分钟进给量 mm nim 铣床多用于每分钟进给量 f f n fz zn mm nim c 背吃刀量 也就是切削深度 ap 它是沿铣刀轴线方向测量的切削层尺寸 d 侧吃刀量 就是切削宽度 ae 它是沿垂直与铣刀轴线上的测量的切削层尺寸 选择铣削用量的次序 3 首先选择较大的铣削宽度 深度 其次是加大进个量 最后才是根据刀具耐用度 的要求 选择适宜的铣削速度 四 铣削方式 1 逆铣 铣刀的旋转方向与工件进给方向相反的铣削形式称为逆铣 2 顺铣 铣刀旋转方向与工件进给方向相同的铣削方式称顺铣 3 端铣 端铣的铣削方式有对称和不对称铣削两种 铣削时铣刀的轴线位于工件中 心 这种铣削称为对称铣削 铣刀的轴线偏于工件的一侧时的铣削 称为不对称铣 削 湘潭大学毕业论文 第 6 页 共 44 页 1 3 铣床的发展概况 铣床的发展概况 高速铣削加工 High Speed Milling HSM 以其巨大的优势 迅速成为现代加工 制造领域最重要的加工手段之一 也是衡量一个国家装备制造水平的重要标志 因为 高速切削加工技术已广泛应用于航空航天 汽车 船舶等关系到国计民生的重要领域 也代表着现代切削制造技术的发展趋势 近几年来 我国对数控机床需求急剧增加 2000 年至 2005 年 我国数控金切机床 产量从 14053 台跃至 59639 台 年增长率为 33 5 我国金切机床产值数控化率从 1996 年的 11 6 提高到 2005 年的 47 3 这表明我国的数控机床行业有了极大的发 展 另一方面 我国数控机床进口额连年激增 从 2001 年的 24 1 亿美圆增至 2005 年 的 64 95 亿美圆 国有数控机床的市场占有率却呈现出逐年下滑的趋势 尤其是高速 高精度多轴机床 几乎完全依赖进口 这些数据可以看出我国的机床制造业尤其是高 端加工中心落后于发达国家 因此 国家在 十五 十一五 规划中都把以数控 机床为核心的装备制造作为重大专项 以期在这方面有所突破 数控技术是一门集计算机技术 自动控制技术 机械电子技术以及计算机图形处 理技术于一体的综合性技术 其中 NC 编程是这一技术的灵魂 NC 编程成为各种 CAM 软 件的核心 因为 NC 编程直接影响着数控机床的使用效率和加工质量 所以国内外投入 了大量的人力和物力来提高 CAD CAM 软件的编程效率 加工效果以及智能化水平 现代高速切削加工发展概况 由于目前绝大部分的机械零件必须经过切削加工实现 切削加工在机械制造中占 用十分重要的地位 经济全球化使制造国际化 因此竞争也越来越激烈 如何提高效 益 降低成本 加快产品开发周期成为每一个面对市场竞争的企业的迫切愿望 高速 切削加工所具有的明显优势 近年来得到广泛应用并迅速发展 高速铣削加工 High Speed Milling 简称 HSM 的概念源于德国切削物理学家 C J Salomon 博士于 1931 年所提出的著名切削实验及物理引申 他认为对应一定的工 具材料有一个临界切削速度 达到此温度切削温度最高 当超过这一临界切削速度 切削温度反而会降低 而大幅度提高机床的生成效率 高速铣削加工技术作为一门新兴的技术 以其与传统加工相比无可比拟的优点 在加 工制造业中得到了越来越广泛的应用 也带来了巨大的经济效益 我国要实现由制造 业大国向制造业强国的跨越 必须有强大的制造装备业及相关产业体系作支撑 我国 目前的高速数控技术也得到了迅速的发展 但是 我国还缺少高速铣削加工的核心技 术 还有许多基础性的研究工作有待开展 这也是我国走向制造业强国的必由之路 湘潭大学毕业论文 第 7 页 共 44 页 二 方案设计与比较二 方案设计与比较 2 1 铣床的技术参数要求铣床的技术参数要求 工作台行程 3600mm 运动速度 200mm min 1 动力头滑台行程 100mm 2 刀架垂直行程 560mm 3 铣刀头调节手动 调节角度 90 度 4 铣刀头功率 5 5KW 5 2 2 动力头的选择动力头的选择 根据加工要求和机床的结构设计 并考虑到经济因素 选择型号为 ITX32 的动力头 该铣削动力头功率大 刚性好 切削平稳 精度高 操作调整方便 同时此动力头具 有普通级 精密级和高精密级三种 能够与四种传动装置即 ING 皮带传动 1NGb 顶 置式齿轮传动 INGc 尾置式齿轮传动 INGd 手柄变速齿传动装置配套使用 该动力头 的参数如下 电机功率为 5 5KW 电机转速为 960r min 刀盘直径为 125 315mm 配套传动装置 及主轴转速为 ING32 500 1600 r min 主轴滑套直径为 190mm 主轴滑套移动量为 80mm 主轴中心高为 160mm 主轴前轴承轴径为 90mm 选用顶置式 整体重量为 305kg 2 3 动力参数的确定动力参数的确定 动力参数一般是指机床的电动机的功率 由于该机床属于专用机床 铣刀头的功 率为 5 5KW 因此 主运动驱动电动机的功率为 5 5KW 确定进给驱动电机的功率 由于进给运动的速度较低 空载时的功率很小 在计 算时可以忽略 所以进给驱动电机的功率取决于进给的有效功率和传动件的机械效率 即 S s S Qv N 60000 湘潭大学毕业论文 第 8 页 共 44 页 式中 进给驱动电动机功率 KW S N Q 进给抗力 N 进给速度 m min s v 进给传动系统的总机械效率 一般情况下取 0 15 0 2 s 初步选去进给驱动电动机的功率为 5 5KW 2 4 电动机的选择电动机的选择 此坡口铣床需要两个功率在 4 0KW 以上 重量不能太大并且采用连续周期工作制 的 S6 异步电动机 其安装形式均为 B201101 通过查机械设计手册选得 一 1 号电动机 Y112M 4 技术数据如下 额定功率 4 0KW 转速 1440r min 额定电流 8 77A 效率 84 5 功率因数 0 82 最 大转距 额定转距为 2 2 堵转转距 额定转距为 2 2 堵转电流 额定电流为 7 0 转子 转动惯量 GD 为 0 095N 重量为 43 二 2 号电动机 Y132S 4 技术数据如下 额定功率 5 5KW 转速 1440r min 额定电流 11 6A 效率 85 5 功率因数 0 84 最 大转距 额定转距为 2 2 堵转转距 额定转距为 2 2 堵转电流 额定电流为 7 0 转子 转动惯量 GD 为 0 214N 重量为 68 2 5 进给机构方案确定进给机构方案确定 方案 1 采用滚动丝杠螺母机构 由电动机联轴传动带动减速箱蜗轮蜗杆传动 通 过滚动丝杠螺母机构带动动力滑台在导轨上进行横向进给运动 方案 2 由电动机通过联轴器带动减速箱蜗轮蜗杆传动 通过齿轮传动连接导轨上 滑轮运动 方案确定 由机床精确度及传动过程考虑 滚动丝杠螺母机构更精确 但成本较 高 强度不够易损坏 且维修护理费用较高 滑轮传动较粗糙且精度不高 但是价格 低廉 考虑到加工的板件需要精度不高 选用方案 2 湘潭大学毕业论文 第 9 页 共 44 页 2 6 升降机构的方案确定升降机构的方案确定 动力头根据加工要求的不同需要进行升降运动 方案如下 方案 1 通过钢丝绳的牵引进行升降运动 方案 2 采用滑动丝杠螺母机构 由电动机通过蜗轮蜗杆传动带动丝杠螺母上下升降运 动 方案 3 采用液压缸千斤顶式机构通过手动操作进行升降运动 方案确定 因为切削运动需要较为精确的升降行程和角度 由液压缸来进行升降运动 显得太笨重 操作不便 精度也不高 而钢丝绳结构简单成本较低 维修方便但是它 运动平稳度不够 容易引起较大的误差 而滑动丝杆螺母机构具有降速比大 运动平 稳和运动精度高 轴向牵引力大 自锁性能好等优点 但也有传动效率不高 刚度较 低等缺点 为实现较高精度的升降行程 故选取方案 2 2 7 调角机构的方案确定 调角机构的方案确定 铣刀头手动调节 调节角度为 90 度 方案 1 采用双槽盘式分度机构实现 如下图 动力从齿轮 1 传入 当加工需要进行角度调整的时候 动力从齿轮 1 传入 通过 机械挡块和杠杆的作用 使离合器左移接合 同时把分度定位爪从槽盘 1 和 2 的槽口 中拔出 运动经离合器传给传动轴 I 再经齿轮 2 3 分别传给齿轮 4 5 由于两对齿 轮的传动比不同 所以当齿轮 4 和 5 开始转动后 两个槽盘上的槽口就错开 因 99 42 5 94 4 5 70 35 30 753 nn Z Z Z Z nn 所以只有当齿轮 5 转过 4 转 齿轮 4 转过 5 转后 此时两个槽盘的槽口才能 重新对准 分度定位爪在弹簧的作用下又进入两个槽口中将其定位 同时操纵机构将 湘潭大学毕业论文 第 10 页 共 44 页 离合器脱开 再经过挂轮等其它传动环节 使铣刀头转动一定的角度 图 2 1 双槽盘式分度机构工作原理图 1 齿轮 1 2 离合器 3 齿轮 2 4 槽盘 1 5 槽盘 2 6 齿轮 3 7 齿轮 4 8 分度定位爪 9 齿轮 5 I 传动轴 II 转轴 方案 2 采用涡轮蜗杆进行角度的调节 蜗杆转动就带动涡轮转动 而涡轮安装于调 角机构的中心轴上面 从而带动轴的转动 方案 3 采用六爪棘轮机构实现转角 六爪棘轮机构结构图如下图 六个棘爪作为一个整体 每次控制棘轮转动的角度为六度 以每转六度作为一次循环 所以棘轮齿数 Z 60 6 360 Z 而 01 06 号棘爪控制棘轮转动的角度分别为 6 度 1 度 2 度 3 度 4 度 5 度 湘潭大学毕业论文 第 11 页 共 44 页 六爪棘轮机构结构图 图 2 2 六爪棘轮 工作过程 从图示位置开始 01 号棘爪限制棘轮的反转时 其它棘爪处于非工作 状态 棘轮顺时针转动 1 度后 02 号棘爪进入工作状态 限制棘轮的反转 01 号棘爪 和其余棘爪处于非工作状态 棘轮顺时针转动 2 度后 03 号棘爪进入工作状态 限制 棘轮的反转 其余棘爪处于非工作状态 棘轮顺时针转动 3 度后 04 号棘爪进入工作 状态 限制棘轮的反转 其余棘爪处于非工作状态 棘轮顺时针转动 4 度后 05 号棘 爪进入工作状态 限制棘轮的反转 其余棘爪处于非工作状态 棘轮顺时针转动 5 度 后 06 号棘爪进入工作状态 限制棘轮的反转 其余棘爪处于非工作状态 棘轮顺时 针转动 6 度后 01 号棘爪再次进入工作状态 限制棘轮的反转 其余棘爪处于非工作 状态 完成一循环 另外还配有一个止动磨盘 用来辅助六爪棘轮机构 方案确定 双槽盘式分度机构结构传动比较精确 但是较为复杂且维修困难 制造不 便 成本高 操作较繁琐 蜗轮蜗杆传动简单易操作 但精度不高 故选择方案 3 六 爪棘轮机构 依据以上各个部件的方案确定初步选定坡口铣床如下图所示 湘潭大学毕业论文 第 12 页 共 44 页 图 2 3 整体方案设计图 湘潭大学毕业论文 第 13 页 共 44 页 三 主要零件的设计与计算三 主要零件的设计与计算 3 1 导轨的设计与强度计算导轨的设计与强度计算 3 1 1 导轨功用 分类和应满足的要求导轨功用 分类和应满足的要求 一 导轨的功用和分类 导轨的作用是导向和承载 在导轨副中 运动的一方叫做动导轨 不动的一方叫 做支承导轨 动导轨相对于支承导轨只能有一个自由度的运动 以保证单一方向的导 向性 通常动导轨相对于支承导轨作直线运动或者旋转运动 导轨按运动性质分有主运动导轨 进给运动导轨和移置导轨三类 若按摩擦性质分 则又可以分成滑动导轨和滚动导轨两类 还有一种分类把导轨分为开式导轨和闭式导 轨 二 导轨应满足的要求 导轨应满足的要求包括对导轨的一般要求 对导轨的精度和光洁度的要求 对导轨的一般要求有以下这些 导向精度 精度保持性 低速运动的平稳性 机构简单 工艺性好 对导轨的精度和光洁度的要求 几何精度 接触精度 表面光洁度 三 导轨的精加工 导轨精加工的方法有精刨 精铣 磨削和刮研等几种 精刨可以满足普通精度机床导轨的精度和光洁度要求 而且成本低 生产率高 磨削精加工导轨面能够达到较高的精度和表面光洁度 生产率也高 而且是加工 淬硬导轨的唯一方法 磨削最初只用来精加工支承导轨 与其配合的动导轨则采用配 刮 现在动导轨可以配磨 甚至互换 导轨的磨削方式有周边磨削和端面磨削两种 周边磨削与端面磨削相比 质量好 生产率高 已经逐渐取代了端磨 刮研可以达到最高的精度 同时还具有变形小 接触好 表面可以存油的优点 它的缺点是劳动强度大 生产率低 这种加工方式至今还被应用于高精度机床导轨的 精加工上 例如座标镗床和导轨磨床导轨的精加工 3 1 2 导轨的选择 导轨的选择 参考表如下 湘潭大学毕业论文 第 14 页 共 44 页 导轨的类型主要特点 普通滑动导轨 滑动导轨 1 结构简单 使用维修方便 2 在未形成完全液体摩擦时低速易爬行 3 磨损大 寿命低 运动精度不稳定 塑料导轨1 动导轨表面贴塑料软带等与铸铁或钢导轨搭配 摩擦 系数小 且动 静摩擦系数相近 不易爬行 2 贴塑工艺简单 3 刚度低 耐热性差 容易蠕变 镶钢 镶金属导轨1 在支承导轨上镶装有一定硬度的钢板或钢带 提高导 轨的耐磨性 改善摩擦或满足焊接床身结构的需要 2 在动导轨上镶有青铜之类的金属防止咬合磨损 提高 耐磨性 运动平稳 精度高 滚动导轨1 运动灵敏度高 低速运动平稳性好 定位精度高 2 精度保持性好 磨损少 寿命长 3 刚度和抗振性差 结构复杂 成本高 要求有良好的 防护 动压导轨1 速度高 形成液体摩擦 2 阻尼大 抗振性好 3 结构简单 不需复杂供油系统 使用维护方便 4 油膜厚度随载荷与速度而变化 影响加工精度 低速 重载易出现导轨面接触 静压导轨1 摩擦系数小 驱动力小 2 低速运动平稳性好 3 承载能力大 刚性 吸振性好 4 需要一套液压装置 结构复杂 调整困难 表 3 1 导轨的类型 特点 由表可以知道 选择镶钢 镶金属导轨是最经济 最合理的 导轨截面形状的选择 截面形状有以下几种 1 V 形导轨 山形导轨 三角形导轨 导向精度高 磨损后能够自动补偿 1 湘潭大学毕业论文 第 15 页 共 44 页 凸形有利于排屑 不易保存润滑油 用于低速 2 凹形的特点与凸形特点刚好相反 高 低速时都可以采用 3 对称形截面制造方便 应用较广 两侧压力不均匀时采用非对称形 4 顶角 a 一般为 90 度 重型一般采用 a 为 110 度 120 度 精密机床采用 a 小于 5 90 度以提高导向精度 2 矩形导轨 平导轨 制造简单 承载能力大 不能自动补偿磨损 必须用镶条调整间隙 导向精度低 1 需要良好的防护 主要用于载荷大的机床或者组合导轨 2 3 燕尾形导轨 制造较复杂 磨损不能自动补偿 用一根镶条可以调整间隙 尺寸紧凑 调整方 1 便 主要用于要求高度小的部件中 如车床刀架 2 5 圆柱形导轨 制造简单 内孔可珩磨 外圆采用磨削可达配合精度 磨损不能自动调整间隙 1 主要用于受轴向载荷场合 2 综合分析各个导轨截面的优缺点 结合实际的情况和要求 选取 V 形导轨 材料为 HT200 其结构设计如下图所示 图 3 1 导轨结构示意图 湘潭大学毕业论文 第 16 页 共 44 页 3 1 3 滑动导轨压强的计算滑动导轨压强的计算 导轨的许用压强根据表 9 3 20 选取铸铁导轨的许用压强为 2 5 3 0MPa 假设导轨本身刚度大于接触刚度 此时只考虑接触变形对压强的影响 沿导轨的接 触变形和压强 按线性分布 在宽度上视为均布 每个导轨面上所受的载荷 都可以 简化为一个集中力 F 和一个颠覆力矩 M 的作用 如下图所示 图 3 2 载荷图 导轨所受的最大 最小和平均压强分别为 FL M aL F Ppp MF 6 1 max FL M aL F Ppp MF 6 1 min aL F Ppp minmax 2 1 平均 式中 导轨所受集中力 N F 导轨受的颠覆力矩 N mm M 由集中力引起的压强 MPa F p 湘潭大学毕业论文 第 17 页 共 44 页 由颠覆力矩的压强 MPa M p 导轨宽度 mm a 动导轨长度 mm L 由前面的设计可知 mmlmma1000 180 而 NFMgF7360 1 NPM3964 mN aLPLaL PM M M 92 118 6 10001803964 63 2 22 1 2 2 因为 666 0 10180 92 118 3 aL M 6 1 故 导轨面将出现一段长度不接触 要采用压板 在此设计中 采用了下部加置一块 导轨 与上面的导轨形成对称 从而达到减小单位面积的受力和力矩的影响 3 1 4 导轨间隙的调整 导轨间隙的调整 导轨结合面配合的松动对机床的工作性能有相当大的影响 配合过紧的话 将使 操作费力 同时加剧磨损 倘若过松则将影响运动精度 有可能还会产生振动 所以 除了在装配的过程中要仔细的调整导轨的间隙外 在使用一段时间后 还要对其进行 重调 此设计中选用镶条来调整 这是由于镶条制造简单 成本低 易于操作 修复 容易 3 2 蜗轮蜗杆的设计与参数确定蜗轮蜗杆的设计与参数确定 为实现减速 选取蜗轮蜗杆 因为它具有以下特点 蜗轮蜗杆能实现比较大的传动比一般为 i 5 80 与其它减速方案比较它具有传动比大 零件数目少 结构紧凑等特点 为保证焊接质量要求磨辊的运动平稳而蜗轮蜗杆在传动中由于蜗杆齿是连续不断的 它和蜗轮齿是逐渐进入啮合及逐渐退出啮合的 同时啮合的赤对较多 故冲击载荷小 湘潭大学毕业论文 第 18 页 共 44 页 传动平稳 噪声低满足要求 为了方便磨辊的装夹要求传动能够自锁 而当蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量 摩擦角时 蜗杆传动就能实现自锁而齿轮传动就不能实现 因此在此处选用蜗轮蜗杆 减速是比较理想的减速方案 由于传动要求较低这里选用普通圆柱蜗杆传动 通过计算减速比为 62 9 查 机 械设计手册 采用公称减速比 63 本设计传动比 i 63 采用立式结构 向下输出的传动方案 要求能使用 5 年 每 天 24 小时工作 一年按 300 天计算 3 2 1 蜗杆的参数计算蜗杆的参数计算 一 选定蜗杆传动类型 根据 GB T10085 1988 的推荐 采用渐开线蜗杆 ZI 二 选择材料 根据各材料的性能 并考虑到蜗杆传递的功率不大 速度不高 因此蜗杆采用 40Cr 要求蜗杆螺旋齿面表面淬火处理 硬度为 45 55HRC 蜗轮用铸锡磷青铜 ZcuSn10P1 金属模铸造 三 按齿面接触疲劳强度进行设计 根据闭式蜗杆传动的设计准则 先按齿面接触疲劳强度进行设计 再校核齿根弯 曲疲劳强由齿面接触强度 按计算公式进行试算传动中心距 a 即 确定作用在蜗轮上的转矩 T2 按 Z1 1 估取效率 0 8 则 1 mmN n P T 1337000 1440 8 00 41055 9 1055 9 6 2 1 6 1 确定载荷系数 K 2 因工作载荷较稳定 故去载荷分布不均匀系数 K 1 查表选取使用系数 KA 1 15 由于转速不高 冲击不大 可取动载荷系数 Kv 1 05 则 湘潭大学毕业论文 第 19 页 共 44 页 21 1 05 1 0 115 1 VA KKKK 确定弹性影响系数 3 因选用的是铸锡磷青铜蜗轮和 40Cr 蜗杆相配 故 Ze 189 8MPa 确定接触系数 Z 假设蜗杆分度圆直径 d1 和传动中心距 a 的比值为 4 d1 a 0 35 从图 11 18 中查得 Z 2 9 确定许用接触应力 H 5 根据蜗轮材料为铸锡磷青铜蜗轮 ZcuSn10P1 金属模铸造 蜗杆蜗杆螺旋齿面硬 度 45HRC 可从表 11 7 中查得蜗轮的基本许用应力 MPa H 268 应力循环次数 9 11 10111 3 530024114406060 h jLnN 8 9 1 2 1 22 10397 4 1 63 10111 3 60 Z Z N jLnN h 寿命系数 4880 0 10111 3 10 9 7 1 HN K 则 MPaK HHNH 8 1302684880 0 1 计算中心距 6 mma23 98 8 130 9 2 8 189 133700021 1 3 2 取中心距 a 100mm 因 i 63 故从表 11 2 中取模数 m 2 5mm 蜗杆分度圆直径 d1 45mm 这时 d1 a 0 45 从图 11 18 中查得接触系数为 2 65 2 9 所以计算结 果可用 湘潭大学毕业论文 第 20 页 共 44 页 可知 轴向齿距 Pa 7 85mm 直径系数 q 18 齿顶圆直径 da1 50mm 齿根圆直径 df1 39mm 分度圆导程角 14 度 12 分 36 秒 轴向齿厚 Sa 3 925mm 3 2 2 涡轮参数设计涡轮参数设计 蜗轮齿数 Z2 63 变位系数 0 2 x 验算传动比 i 63 1 63 蜗轮分度圆直径 d2 155mm 蜗轮喉圆直径 da2 d2 2ha2 160 5 165mm 蜗轮齿根圆直径 df2 149mm 3 2 3 齿根弯曲疲劳强度校核齿根弯曲疲劳强度校核 FFaF Y mdd KT Y 2 21 2 53 1 当量齿数 58 64 632114cos 63 cos3 2 2 r Z ZV 根据从图 11 19 中查得齿形系数58 64 0 22 v zx28 2 2 Fa Y 螺旋角系数 8986 0 140 632114 1 140 1 Y 许用弯曲应力 FNFF K 从表 11 8 中查得由 ZcuSn10P1 制造的蜗轮的基本许用弯曲应力 MPa F 56 寿命系数 湘潭大学毕业论文 第 21 页 共 44 页 648 0 10937 4 10 9 8 6 FN K 于是有 MPa F 310 36648 0 56 MPa F 56 318986 0 28 2 5 215545 133700021 1 53 1 由于 故弯曲强度满足要求 FF 3 2 4 精度等级公差和表面粗糙度的确定精度等级公差和表面粗糙度的确定 考虑到所设计的蜗杆是动力传动 属于通用机械减速器 GB T10089 1988 圆柱蜗杆 蜗轮精度中选择 8 级精度 侧隙种类为 f 标注为 8f GB T10089 1988 然后由相关 的手册查得要求的公差项目及表面粗糙度 3 33 3 丝杆传动设计及计算丝杆传动设计及计算 3 3 13 3 1 丝杆的特点及应用丝杆的特点及应用 丝杆螺母机构又叫螺旋机构 主要用来把旋转运动变为直线运动 或把直线运动变为 旋转运动 如滚动丝杆螺母和静压丝杆螺母 其中 有以传递能量为主的传力螺旋 如螺旋压力机 千斤顶螺旋 有以传递运动为主 并要求有较高传动精度的传动螺 旋 如工作台的进给螺旋 还有调整零件相互位置的调整螺旋 电子精密机械设备的 载荷一般较轻 旋转运动主要用来实现精密进给运动 滑动丝杆螺母机构的结构比较简单 加工方便 运动平稳 传动精度较高 螺纹的 导程小 降速比大 故牵引力较大 具有自锁能力等较多优点 因此 该种机构在工 业中已广泛应用 但其摩擦阻力大 传动效率低 0 2 0 4 螺纹中有侧向间隙 故反向时有空行程 由于动静摩擦系数差别大 低速时可能出现爬行现象 丝杆螺母机构的传动精度 是指主动件的实际转角 和从动件的实际位移 L 保持理 关系 L t 的准确程度 即移动件的轴向位移量的准确程度和轴向位移方向对理论轴线 的偏移程度 造成不准确的因素 主要是丝杆和螺母的螺纹制造误差 螺旋机构的支 承及导向部分的误差等 对这些因素进行分析 可以从结构上找到减小轴向位移误差 的途径 湘潭大学毕业论文 第 22 页 共 44 页 要提高丝杆螺母机构的传动精度 可提高螺旋副零件制造精度 但制造精度受到工 艺条件 经济等因素的限制 所以必须改进机构 主要有如下几种 1 采用误差补偿机构 2 消除丝杆轴向跳动误差 3 改进移动零件与滑块的连接方法 4 消除螺旋传动的空程 丝杆支承是丝杆螺母机构中的重要组成部分 它的结构形式和安排布置 对传 动精度影响也很大 因此 支承结构必须保证丝杆在其中旋转时 不会产生过大的轴 向和径向跳动 否则即使精度很高 工作台仍然不能得到准确的位移 在丝杆的支承 中 常采用滑动和滚动轴承 或两种轴承组合使用 3 3 23 3 2 丝杆传动设计及计算丝杆传动设计及计算 一 耐磨性计算 影响磨损的主要因素是螺纹工作面上的平均压强 P MPaP dhLK QT T LK dh Q P 式中 Q 丝杆最大牵引力 N d 螺纹的中径 mm h 螺纹工作面高度 等于螺纹高度减去螺纹顶隙 mm T 丝杆螺纹的导程 mm K 螺纹头数 L 螺母的长度 mm 螺纹工作表面上的许用压强 MPa 根据下表 1 1 选取 p 表 3 2 许用压强 MPa p 应 用 范 围丝 杆 螺 母 材 料 湘潭大学毕业论文 第 23 页 共 44 页 钢 不淬硬 铸 铁 钢 不淬硬 青 铜 钢 淬硬抛光 青铜 精密丝杆传动 2 3 6 一般丝杆传动 5 11 15 选取许用压强 11 MPa p 根据以上的选取和公式计算螺纹中径 d 对于梯形螺纹 K T h 5 0 代入上式 41 35 110 3 35000 8 08 0mm P Q d 其中 3 0 考虑到其它因素的影响选取 d 38mm 则 MPaPMPa dhLK QT T LK dh Q P 381 8 1705 138 335000 上述说明满足耐磨性要求 二 刚度计算 由于该丝杆属于低速传动类 所以应从不发生爬行现象的要求进行验算其拉压刚 度 根据实验 丝杆的拉压变形约占整个传动系统变形的 30 50 丝杆的拉压刚度 为 mN L dE mmN L dE KS 4 1000 4 22 式中 E 弹性模量 对于钢 mmNE 102 5 d 丝杆的根径 mm 湘潭大学毕业论文 第 24 页 共 44 页 L 丝杆的工作长度 mm 所以有 mNmmN L dE KS 10 8 21 10 8 21 9604 5 36102 4 74 252 假设丝杆的拉压变形占整个传动系统变形的 50 则整个传动系统的刚度 mNK 10 7 16 7 查表得 代入下式 05 0 f05 0 min 42 min 00042 0 102 10 7 1605 0 4 05 0 8 9 4 5 7 mm m E K fg vc 也就是说升降速度低于 42mm min 时 就有可能出现爬行现象 而升降速度 因此满足刚度要求 min 6 683 63 1440 1 1 mmp i n v 三 受压丝杆的稳定性计算 受压丝杆的稳定性计算与其构造及支承的特性有关 根据 材料力学 大柔度压 杆稳定性计算公式 受压丝杆失稳的最大轴向载荷为 N lk EI Q 4 2 2 52 22 2 10263 6 1407 03 64 5 3614 3 10214 3 查表得知丝杆的稳定性符合要求 湘潭大学毕业论文 第 25 页 共 44 页 3 4 蜗杆轴的设计与计算 蜗杆轴的设计与计算 由于该主轴所传递的扭矩极小计算时可按心轴公式计算且为实心故其轴径计算公 式为 P M d 68 21 d 轴的直径 mm M 轴在计算截面所受的弯矩 Nmm 轴的许用弯曲应力 MPa 按表 5 1 1 查取为 280MPa pp 弯矩可由弯矩图最大弯矩在轴承支点处 由材料力学计算有 RA 1789 11N RB 5689 10N P G 3900 N 最大为6630 MN mm 故轴径为 d 20mm 取安全系数 1 5 故轴径为 30mm 3 5 齿轮的设计计算齿轮的设计计算 1 计算小齿轮的分度圆直径 d 代入许用应力较小的值 t 1 d2 32 t 1 2 1 3 1 H E d Z U UKT 2 32mm 2 5 3 5 522 8 189 8 2 8 3 0 1 10094 1 3 1 42 54mm 湘潭大学毕业论文 第 26 页 共 44 页 2 计算圆周速度 V V sm nd t 100060 11 sm 100060 48054 42 1 57m s 3 计算齿宽 b mmmmdb td 54 4254 420 1 1 4 计算齿宽于齿高之比 h b 模数 mm z d m t t 842 2 16 54 42 1 1 齿高 mmmmmh t 39 6 842 2 25 2 25 2 1 787 9 39 6 54 62 h b 5 计算载荷系数 根据 v 1 57m s 7 级精度 可查的动载系数 KV 1 12 直齿轮 1 FH KK 可查的使用系数 KA 1 用插值法查得 7 及精度 小齿轮相对支撑非对称布置时 432 1 H K 由 查手册得 故载荷系数 787 9 39 6 54 62 h b 432 1 H K 35 1 F K 60 1 HHvA KKKKK 6 按实际的载荷系数校正所算得的分度园直径 mm k k dd t t 56 45071 1 54 42 3 11 7 计算模数 m 湘潭大学毕业论文 第 27 页 共 44 页 0 316 56 45 1 1 z d m 8 弯曲强度计算公式为 F YY z KT m SaFa d 2 1 1 3 2 有机械设计手册查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 大齿轮的 1 MPa FE 500 1 弯曲强度极限 MPa FE 380 2 查机械设计手册取弯曲疲劳寿命系数 2 88 0 85 0 21 FNFN KK 计算弯曲疲劳许用应力 3 取弯曲疲劳安全系数 S 1 4 得 MPaMPa S K FEFN F 303 4 1 50085 0 11 1 MPaMPa S K FEFN F 239 4 1 38088 0 22 2 计算载荷系数 K 4 512 1 FFvA KKKKK 查取齿形系数 5 得 226 2 65 2 21 FaFa YY 查取齿形应力校正系数 6 得 764 1 58 1 21 SaSa YY 计算大 小齿轮的 7 01377 0 303 58 1 65 2 1 11 F SaFa YY 01643 0 66 238 764 1226 2 2 22 F SaFa YY mmmmm239 2 01644 0 22221 10094 1 512 1 2 5 3 对此计算结果比较 由齿面接触疲劳强度计算的模数 M 大于有齿根弯曲疲劳强度 计算的模数 由于模数主要取决于弯曲强度所决定的承载能力 而齿面接触疲劳强度 所决定的存在能力 而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力 仅于齿轮直径有关 湘潭大学毕业论文 第 28 页 共 44 页 3 6 蜗杆与减速箱的连接蜗杆与减速箱的连接 蜗杆与减速箱之间的连接从结构和要求综合考虑采用联轴器连接 由于焊接转台 振动很小转矩也很小因此采用结构简单的刚性突缘联轴器即能胜任 传动的转矩很小 max Gf0 2 140 T 其中 G 为转台综合重量 f 为滚动轴承摩擦因数查 机械设计手册表 8 9 1 f 0 01 查表 8 9 1 0 4 即 Tmax 351N m 转矩很小远远小于标准减速箱输出轴径所需配合的联轴器因此选 用 YLD14 联轴器 J1110 140GB T5843 1986 湘潭大学毕业论文 第 29 页 共 44 页 参考文献参考文献 1 濮良贵 纪名刚主编 机械设计 第 7 版 M 北京 高等教育出版社 2001 6 2 孙桓 陈作模 机械原理 M 北京 高等教育出版社 2001 5 3 哈尔滨工业大学理论力学教研室编 理论力学 第 6 版 M 北京 高等教育出版社 2002 8 4 罗迎社主编 材料力学 M 武汉 武汉理工大学出版社 2001 7 5 邓星钟主编 机电传动控制 第三版 M 武汉 华中科技大学出版社 2001 3 6 成大先 机械设计手册第三版 M 北京 化学工业出版社 2002 8 7 吴宗泽主编 机械零件设计手册 M 北京 机械工业出版社 2004 10 8 金属切削机床设计编写组 金属切削机床设计 M 上海 上海科学技术出版社 2002 12 9 李建兴主编 可编程序控制器应用技术 M 北京 机械工业出版社 2006 9 10 杜智敏主编 Solid Edge v17 模具设计实例 M 北京 人民邮电出版社 2006 3 湘潭大学毕业论文 第 30 页 共 44 页 设计总结设计总结 毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验 而且也是对自己能力的一种提高 毕 业论文不仅仅是一个理论课题的研究 它也包括了对于一个学生综合素质培养的最后 一个整体式的强化 让我们能够养成科学的实验习惯 养成逻辑的思维方式 最关键 最重要的是让我们能够独立思考 我想这是毕业论文的根本目的所在 通过本次毕业设计 使我感受到过程是艰辛同时又充满乐趣的 拿到题目的时候完全 不知道该如何下手 直到老师指导并找来相关资料才有了一点头绪 在整个过程中我 不仅熟悉了专业知识 在软件操作如 OFFICE 上也有一定程度的了解 大大的提高了我 的动手能力 也是这次设计过程使我认识到自己在专业知识上的匮乏和不够扎实 使 我深深的感觉到学无止境的道理 我们在人生的道路上的学习是无尽头的 感谢我的指导老师陈老师 为我们的设计提出了许多宝贵的意见和建议 湘潭大学毕业论文 第 31 页 共 44 页 附附 1 外文资料及翻译外文资料及翻译 High speed machining and demand for the development High speed machining is contemporary advanced manufacturing technology an important component of the high efficiency High precision and high surface quality and other features This article presents the technical definition of the current state of development of China s application fields and the demand situation High speed machining is oriented to the 21st century a new high tech high efficiency High precision and high surface quality as a basic feature in the automobile industry aerospace Die Manufacturing and instrumentation industries gained increasingly widespread application and has made significant technical and economic benefits contemporary advanced manufacturing technology an important component part HSC is to achieve high efficiency of the core technology manufacturers intensive processes and equipment packaged so that it has a high production efficiency It can be said that the high speed machining is an increase in the quantity of equipment significantly improve processing efficiency essential to the technology High speed machining is the major advant