铜铝复合散热片螺旋涨管专机设计【含CAD图纸和文档所见所得】【JC系列】
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毕业设计说明书（论文）中英文摘要铜铝复合散热片螺旋涨管专机设计与研究摘 要：文章简略的介绍了散热器的发展，对热效应较高的铜铝复合散热片中铜管与铝型材散热片的过盈配合联接进行受力分析，并进行了必要的计算，同时提出了螺旋涨管的新工艺，使涨管的同时所需的进给力大大减小；对螺旋涨管机中关键部件涨管头的结构特点与工作原理进行了说明，对设计的螺旋涨管机工作原理与结构特点进行了详细叙述，同时也对整个螺旋涨管专机进行了简单介绍，和对每个零件的选择进行了分析。关键词：散热片；螺旋涨管；过盈；涨紧毕业设计说明书（论文）中英文摘要32目 录毕业设计说明书（论文）中英文摘要I目 录III第一章 绪论11.1 铜铝复合散热片螺旋涨管专机设计背景11.1.1 铜铝复合散热片螺旋涨管简介11.1.2 计算机软件的应用21.2 课题意义及本文主要工作21.2.1 选题意义21.2.2 本课题主要工作及结构21.2.3本课题设计中应注意的问题3第二章 螺旋涨管机工艺过程分析52.1 螺旋涨管机概况52.1.1 铜铝复合散热片的螺旋涨管受力分析52.1.2铜铝复合散热片螺旋涨管机工作原理72.1.3铜铝复合散热片螺旋涨管机设计8第三章 螺旋涨管机部件设计93.1机床的基本要求93.1.1机床应具有的性能指标93.2机床安装机架设计103.2.1机架的分类103.2.2机架设计的原则113.2.3机架的截面形状113.3弹性涨套头部件设计123.4齿轮传动的类型和应用特点123.4.1齿轮传动的应用特点123.4.2齿轮传动的基本要求143.5齿轮传动的常用类型143.6该专机的齿轮传动机构14第四章 螺旋涨管机主要部件设计与计算184.1工作滑台与滚动导轨副选择与设计184.1.1导轨副的选择184.1.2滚动导轨副的结构184.1.3直线滚动导轨副的计算184.1.4滚动导轨的润滑防护194.2滚珠丝杠选择与设计194.2.1专机工作滑台丝杠的选择194.2.2滚珠丝杠副选择的方法214.2.3专机工作滑台丝杠的计算过程224.3联轴器的设计244.4轴承的选择254.41载荷的大小、方向和性质264.4.2轴承的转速264.4.3调心性能要求264.4.4轴承的安装和拆卸274.4.5经济性274.4.6特殊的轴承单向轴承27第五章 螺旋涨管机的自动化发展32毕业小结33参考文献34致 谢35第一章 绪论1.1 铜铝复合散热片螺旋涨管专机设计背景1.1.1 铜铝复合散热片螺旋涨管简介由于我国幅员辽阔，960万的国土中有70%是采暖要求的采区或有采暖要求的过度区，而且长江以北地区每年有三到六个月的寒冷冬季，时间漫长，所以我国是一个采暖大国。散热器采暖是这些区域中最主要的采暖方式，年需散热器3.0亿片以上。在早期，人们普遍使用灰铸铁散热器，因为其使用寿命长，价格低廉，壁厚存热时间长，腐蚀速度比低碳钢制散热器、水箱式散热器慢。因为它的腐蚀状为针状腐蚀，不成块状腐蚀，所以铁锈不容易脱离本体，氧气不能大面积入侵内体造成深层面腐蚀，所以寿命在25年至30年左右。使用寿命长，便宜，且取暖效果不错，使得人们在装修新房时，首选灰铸铁散热器。但它的缺陷也显而易见。由于它糙头糙脸，又笨又重，严重影响了新房的美观，为了增加装饰效果，人们就想了个法子给它“美容”加个罩包起来。但时间一长，加罩的烦恼也随之而来：不光花钱，占地，影响散热效果，而且“罩”内藏污纳垢、病菌猖狂，形成卫生死角。另外，无论多么高档的暖气罩，三两年之后，“罩”也会被烤得面目全非，变形走样，只好再换。而且必须满水保养，时间长了铁锈又会使热量表、温控阀失灵或损坏。面对铸铁散热器几十年一成不变的老面孔和人们对室内装饰装修水准的提高，寻求一种集采暖装饰为一体的中、高档散热器自然也就成了一道难题，同时也成为人们的热望。因此，铜铝复合散热器便应运而生，它集聚了众多人愿望于一体，而深受人们的喜爱。它与以往的散热器相比，具有体积小，散热性能好，不易被腐蚀，且质量轻巧。重要的是外型可以做得非常美观时尚，竟可以在家庭装饰中，充当装饰品。由于铜铝复合散热器在社会中的受欢迎程度与日俱增，由于它是适合我国各类住宅和工业化生产等多种供暖系统及各类水质的高技术、节能环保型新产品，可以适应不同的采暖要求。据了解，我国新型采暖产品目前多采用铸铁散热器，结构庞大笨重，近年来出现的钢制散热器对金属的腐蚀性较高，影响使用效果，散热器在研究开发上要求解决工艺技术、装饰效果和供暖系统热计量等问题。其生产制造过程成了一项新的研究方向，有必要去设计产品生产的每一个工艺环节，其中铜管与铝合金散热片的过盈配合，就是接下来所需设计与研究的，因此，我们准备设计一台铜铝复合散热片螺旋涨管的专用机床。1.1.2 计算机软件的应用机械运动部件的设计现在普遍使用CAD2004。在这次计划中,CAD2004主要用于二维工程图的绘制，进行装配图的布局与设计，并将其零件一一绘制，以便零件的加工。1.2 课题意义及本文主要工作1.2.1 选题意义铜铝复合散热器是家庭或企事业单位常用的供暖设备，其用量大，涉及面广。一直以来，供暖用的散热器多采用铸铁或钢制材料，因其易生锈，体积庞大，热效率低，外观质量差等而逐步由质量较好的铜铝复合散热器所代替。其散热片的热传导是通过铜管内的热水或热蒸汽，由铜管传给与铜管紧密结合的散热铝片上的。因此，铜管与散热铝片的紧密结合程度是提高热传导效率的关键，也是衡量其质量好坏的一项重要指标。以往铜管与散热铝片的结合的通过加大过盈配合来保证紧密结合程度，但通过长期使用发现仍有部分结合发生松动，从而降低了热传导效率。采用螺旋过盈涨紧的配合方式，可以大大增加紧密连接程度，而且不易松动，从而提高了热传导效率和稳定性。为实现铜铝复合散热片螺旋过盈涨紧配合，设计了螺旋涨管机，一次加工两组长度小于1200mm的铜铝复合散热片，用时平均仅20s,效率高，质量稳定，很受用户的欢迎。1.2.2 本课题主要工作及结构本课题是铜铝复合散热片螺旋涨管专机设计与研究，此项设计任务主要是铜铝复合散热片螺旋涨管专机涨头部件的研制，并尽可能地备制。本课题主要是考察我们对机械设计基本知识、基本理论和基本方法的掌握程度，并着重于对我们创造性思维及设计技能的训练与培养。它所涉及到的知识面很广有基础知识和专业知识，如：高等数学、材料力学、机械原理、机械零件和互换性与技术测量等等。关于该课题归纳了以下几项内容： 铜铝复合散热片螺旋涨管专机设计的理论知识、设计理念、结构计算和加工步骤的设计。 铜铝复合散热片螺旋涨管专机的生产是单件的制造，因而要对其机座要进行经济设计。 铜铝复合散热片螺旋涨管专机各传动部件的结构设计及零部件的设计与计算。 树立正确的设计思想、运用创造性思维掌握机械设计的一般方法。 熟练掌握常用部件的设计原理和方法，具有设计通用机械传动装置和较简单机械的能力，以及降低其制造成本。 熟练运用机械设计手册、标准、规范等有关技术资料的能力，参照机械方面的设计的图册，并获得实验技能的基本训练。对设计任务进行了一些初步的分类：减速箱部件设计、滚珠丝杆座部件设计、压紧部件设计、预压紧部件设计、锁紧部件设计及减速器的设计。1.2.3本课题设计中应注意的问题 本课题的设计应该在老师指导下由我们自己独立完成。为了更好地培养我们设计能力，我们应独立思考，积极主动思考问题、分析问题和解决问题，而不应处处被动地依赖指导老师查资料、给数据、定方案。 利用已有资料进行参照学习前人经验、提高设计质量及设计水平，但不应盲目地、机械地抄袭，要根据有利条件进行大胆创新。 设计中应学习正确运用标准和规范，要注意一些尺寸使用的规范，参照工具书圆整为标准数列或优先数列。 整个设计过程中要注意随时整理设计结果，并在设计草稿本上记下重要的论据、结果、参考资料来源以及需要进一步探讨的问题，使设计的各方面都做到有理有据，这对设计的正常进行、阶段性的自我检查和编写说明书（论文）都是必要的。希望通过这次毕业设计能巩固、扩大和强化自己所学到的理论知识与技能,提高自己设计计算、制图、编写技术文件的能力, 学会正确使用技术资料、标准、手册等工具书, 并在设计中培养自己理论联系实际、严肃认真的工作作风和独立分析、解决问题的能力, 为以后的设计工作打下一个良好的基础。同时毕业设计也是大学生在校学习期间专业考核的重要环节，通过系统的运用基础知识、基本技能以及设计能力、逻辑分析能力、调查研究、查阅文献、收集资料、撰写论文等各方面能力进行的综合设计的过程，将所学习的理论知识和现实设计生产做了初步尝试性结合。毕业设计的重要性还在于锻炼了我们的设计思维能力；拓宽了我们的知识视野；形成了脚踏实地、敢于攻坚的顽强精神；养成了虚心好学、团队协作的优良作风。由于本人的设计水平有限, 知识面狭窄, 实践不够, 经验不足, 因此在此次毕业设计中存在这样或那样的不足, 希望各位老师给予批评、指正。第二章 螺旋涨管机工艺过程分析2.1 螺旋涨管机概况2.1.1 铜铝复合散热片的螺旋涨管受力分析如图2-1所示，铜管1的内径20 mm，铜管壁厚0.8 mm，铝合金散热片2的孔径21.7 mm，铜管与铝合金散热片在涨紧前为松配合。为了达到铜管与铝合金散热片孔的过盈配合，传统的方法是将铜管外径用涨紧头扩大到23.5 mm，这样与铝合金散热片内孔产生了1.9 mm的过盈量，达到涨紧目的。所需的轴向涨紧力F为12349.6 N式中 单边过盈量，取0.95 mm 铜管的弹性模量，取115 Gpa 铜管的壁厚，0.8 mm 铜管的内径，20 mm 涨紧时对铜管内壁产生的涨紧压强（MPa） 涨紧头与铜管接触的有效轴向长度（3 mm） 涨紧头与铜管内壁的摩擦系数（0.15） 涨紧所需的轴向力，N如果再增大过盈量，一方面使需要的涨紧力更大，另一方面很容易导致铜管或铝合金散热片开裂。而采用螺旋涨管方法，可以减少直拉涨管时的过盈量，增大螺旋涨管的过盈量，使涨紧力大大减小，铜管与铝合金散热片也不易开裂。涨管头的设计是整个涨管机的核心，图2-2所示是涨管头的结构图，工作时分两步；图2-1 铜铝复合散热片(1) 弹性涨套1通过拉杆头5的进将涨套涨大使铜管外径扩大到23.1 mm，与铝合金散热片孔产生了1.5 mm的过盈量，代入上述涨管进给力的计算公式得F=9749.7 N，进给力减少了21%，当涨套走完整个行程时，将铜管与铝合金初步涨紧。(2) 由于在弹性涨套同一外圆处的孔内均匀分布了6个6 mm的钢球，当涨套拉杆4向右退回，带动拉杆头5右移时松开涨套，同时拉杆头外径10.2 mm的圆柱将6个钢球沿径向外顶出，考虑铜管壁厚0.8 mm，则钢球涨开后的铜管最大外径为 这样产生了2.2 mm 的过盈量，尽管过盈量较大，但仅仅是钢球局部将铜管外径增大不会产生较大的涨紧力，也不会将铜管涨裂，大大提高了连接的紧密性。此时弹性涨套在退回时让其按一定的转速旋转，因此产生了6个头的螺旋槽，为了使铜管两头个留一段距离不是螺旋槽，如图2-2所示，在螺旋退回到某一位置时涨套拉杆左移，松开钢球，螺旋涨管结束。显然，螺旋涨管时，由于直拉涨管的过盈量只有1.5 mm ,小于螺旋涨管过盈量1.9 mm，防止了铜管或铝合金散热片因过盈量较大开裂，使得涨头的进给力大大减小。图2-2 铜铝复合散热片涨管头的结构图2.1.2铜铝复合散热片螺旋涨管机工作原理 图2-3所示是铜铝复合散热片螺旋涨管机工作原理图。(1) 电动机10按图示方向旋转由滚珠丝杠副1驱动滑台2带动铜铝复合散热片3右移，弹性涨套4与单向离合器5固连，齿轮11由齿轮8、9传给齿轮6沿同一方向旋转，此时单向离合器5与齿轮6脱开，因此，弹性涨套4不旋转挤入铜管内，使铜管内径扩大与铝合金内径紧密过盈配合，直到整个铜管都涨大为止。图2-3 铜铝复合散热片螺旋涨管工作原理(3) 电动机10与图示反方向旋转，驱动滑台2带动铜铝复合散热片3左移，同时拉杆头12在气缸7驱动下右移松开弹性涨套4，同时顶起6个6钢珠。而齿轮11带动8、9传给齿轮6，按图示的反方向转动，此时单向离合器5与齿轮6合上，带动弹性涨套4旋转退出铜管，6个钢珠也一同旋转，拉出螺旋槽。(4) 只要设计合理的齿轮传动比，就可以拉出给定螺距的螺旋槽。螺旋拉完，气缸7推动拉杆12再次伸出，6个钢珠退回原位，整个涨套头完全退出，完成一个循环。2.1.3铜铝复合散热片螺旋涨管机设计图2-4 铜铝复合散热片螺旋涨管专机结构图图2-4所示是铜铝复合散热片螺旋涨管专机结构图。图中按功能分为4大块，分别是：压紧气缸1，用于压紧工件，其压紧力必须大于涨管时的进给力；移动滑台2，其作用是驱动工件左、右移动，从而实现直线涨管和螺旋退出涨管；齿轮箱目的是驱动丝杠并带动滑台左右移动，同时配合单向离合器控制弹性涨套旋转与否；拉杆气缸4，通过气缸的伸缩来完成弹性涨套的张开与闭合，以及6个钢珠的顶出与缩回。第三章 螺旋涨管机部件设计3.1机床的基本要求机床的总体设计是机床设计的关键环节，对机床的技术性能和经济性指标其着决定性作用。机床的总体设计是根据设计要求，通过调查研究，检索资料，掌握机床设计的依据；然后进行工艺分析，拟订出性能先进，紧急 性好的工艺方案，必要时画出加工示意图；在此基础上确定机床总布局，画出机床联系尺寸图；确定所设计机床的主要技术参数。3.1.1机床应具有的性能指标 工艺范围 机床的工艺范围包括可加工的零件类型、形状和尺寸范围，能完成的工序种类。不同的生产模式对机床的工艺要求不同。大批量生产，工序分散，要求一台机床只完成一个零件的一道或几道工序的加工，加工效率高，工艺范围窄。适应这种生产模式的机床是专用机床和组合机床。而对于我要设计的机床就属于这类机床，只要求加工一道工序而且是大批量生产。 加工精度 机床的加工精度分为三级；普通精度机床；精密机床；高精度机床。机床设计不仅要保证机床的加工精度，而且要使机床的加工精度保持一定时间即精度保持性。精度保持性又叫使用寿命。提高机床关键零部件的耐磨性，可延长机床的使用寿命。 生产率和自动化 机床的自动化程度越高，它的生产率就越高。另外，机床的自动化可减少人对加工的干预，保证被加工工件的精度稳定性，还可减少操作者的劳动强度。 可靠性 机床的可靠性是一项重要的技术经济指标。可靠性包括两方面，一个是机床在规定时间内发生失效的难易程度；二是可修复机床失效后在规定时间内修复的难易程度。从可靠性考虑，机床不仅要求在使用过程中不易发生故障即无故障性；而且要求发生故障后容易维修，即维修性。 机床的效率和寿命 机床的效率是指消耗于切削的有效功率与电动机输出功率之比。两者的差值即为损失，该损失转化为热能，若损失过大，将使机床产生较大的热变形，影响加工精度。 机床的寿命是指机床保持其应有加工精度的使用期限，也称精度保持性。寿命期限内，在正常工作条件下，机床不应丧失设计时规定的精度指标。为确保和提高机床寿命，主要是提高一些关键性零件的耐磨性，并使主要传动件的疲劳寿命与之相适应。 系列化，通用化，标准化程度 产品系列化，零部件通用化和标准化的目的是便于机床的设计，使用与维修。机床产品系列化是指对每一类型不同组，系的通用机床合理确定其应有哪几种尺寸规格，以便以较少品种的机床来满足各类用户的需要。提高机床零部件通用比和零件标准化程度，可以缩短设计，制造周期，降低生产成本。 机床除具有一定的技术性能指标外，还应有良好的人机关系。即使机床符合人的生理和心理特征，实现人机环境高度协调统一，为操作者创造一个安全、舒适、可靠、高效的工作条件；能减轻操作者精神紧张和身体疲劳。机床的操作应灵活方便，符合人的动作习惯，使操作者从接收信号到产生动作不用经过思考，提高正确操作的速度，不易产生误操作或故障。机床造型应美观大方，色彩协调，提高作业舒适度。 环境保护 机床噪声影响正常的工作环境，危害人的身心健康。机床传动机构中各传动副的振动，某些结构的不合理及切削过程中的颤振等都将产生噪声。特别是现代机床切削速度的提高，功率的增大，自动化功能的增多，其噪声污染的问题也越来越严重。所以，设计机床时应尽量设法降低其噪声。此外，机床的油雾，粉尘和腐蚀介质等都是对人体有害的，设计时应考虑尽量避免这些有害物质向四周扩散而污染环境，避免操作者与这些有害物质直接接触而危害人体。3.2机床安装机架设计机架是各类零件的基本零件。它主要起支承作用，机器中的其他零部件一般固定在机架上。所以，机架支承着机器中其他零部件和工件的全部重量，通常是机器中尺寸最大、重量最重的零件，其重量约占机器总重量的70%-90%。机架又起基准的作用，以保证各零部件间正确的相对位置，并使整个机器组成一个整体。机架直接或间接地承受着机器工作过程中的各种载荷，包括各种冲击载荷。由此可知，机架也是各种机器中最重要的零件之一，直接或间接地影响着机器的各种性能如精度、振动、噪音及各项工作性能等，并决定着机器的造型。3.2.1机架的分类机架的种类很多，分类方法也有多种。按机器形式，可分卧式机架和立式机架两类，其中卧式机架又分横梁式和平板式立式机架又分单立柱、双立柱和多立柱。按材料及制造方法可分金属机架和非金属机架两类，其中金属机架又分铸造机架、焊接机架和组式机架；非金属机架又分花岗岩机架、混凝土机架和塑料机架。按结构，可分为整体式机架和装配式机架。在通用机械设计，更为常见的是按机架构造外形的不同，将机架分为机座类、基板类、支架类和箱壳类4类。3.2.2机架设计的原则 (1)确保足够的强度和刚度 (2)在便于其他零件装拆和操作的前提下，机架的结构应力求简单，并有良好的工艺性，便于制造、安装及运输。 (3)应合理选择截面形状和恰当布置肋板，使同样重量下其强度和刚度尽可能提高。(4)就设计方法而言，目前大多数是采用类比设计法，即按照经验公式、经验数据或比照现有同类机架进行设计。3.2.3机架的截面形状大多数机架在复杂受载下将产生拉伸、弯曲、扭转等多种变形。当受到弯曲或扭转时，截面形状的相对弯扭强度、刚度比较值有很大影响。由于该机架是机座类的，可以选用方管的型材来构造机架，其结构如图3-1和3-2所示图3-1机架截面图3-2机架3.3弹性涨套头部件设计弹性涨套的头部结构如图3-3所示图3-3弹性涨套头部件结构在弹性涨套进入铜管时，拉杆阶梯2的位置是处在弹性涨套中部凹槽部位，使弹性涨套处的外径处于初始状态，使得弹性涨头顺利进入铜管内，但到达所需扩涨的位置时，向前推进拉杆，让拉杆阶梯2的位置移动到涨套位置3处，使得弹性涨套头部直径尺寸增大，满足第一次扩涨铜管的直径要求；但弹性涨套退出时，同时开始了对铜管的第二次扩涨，需改变拉杆的位置，将拉杆阶梯2的位置拉回到有钢珠的位置，并将6个钢珠向外顶出，拉杆阶梯1的位置同时到达弹性涨套3的位置，弹性涨套退出的并带有回转运动使，铜管内形成6道螺旋线，涨套3的位置对成型的螺旋进行修复，避免铜管产生六边形的变形。3.4齿轮传动的类型和应用特点3.4.1齿轮传动的应用特点1齿轮、齿轮副与齿轮传动齿轮是任意一个有齿的机械元件，它能利用它的齿与另一个有齿元件连续啮合，从而将运动传递给后者，或者从后者接受运动。齿轮传动副是由两个互相啮合的齿轮组成的基本机构，两齿轮轴线相对位置不变，并个绕其自身的轴线转动。齿轮副是线接触的高副。齿轮传动是利用齿轮副来传递运动和（或）动力的一种机械动力。齿轮副的一对齿轮的齿依次交替地接触，从而实现一定规律的相对运动的过程和形态称为啮合。齿轮传动属于啮合传动。如图所示，当齿轮副工作时，主动轮的轮齿1，2，3，4，通过啮合点（两齿轮轮齿的接触点）处的法向作用力，逐个地推动从动轮的轮齿1，2，3，4，使从动轮转动并带动从动轴回转，从而实现将主动轴的运动和动力传递给从动轴。2传动比齿轮传动的传动比是主动齿轮与从动齿轮角速度（或速度）的比值，也等于两齿轮齿数的反比，即式中 主动齿轮角速度、转速； 从动齿轮角速度、转速； 主动齿轮齿数； 从动齿轮齿数；齿轮副的传动比不宜过大，否则会使结构尺寸过大，不利制造和安装。通常，圆柱齿轮副的传动比，圆锥齿轮副的传动比。3应用特点齿轮传动是现代机械中应用最广的一种机械传动形式。在工程机械、矿山机械、冶金机械、各种机床及仪器、仪表工业中被广泛地用来传递运动和动力。齿轮传动除传递回转运动外，也可以用来把回转运动转变为直线运动（如齿轮齿条传动）。与摩擦轮传动、带传动和链传动等比较，齿轮传动具有如下特点：1） 能保证瞬时传动比的恒定，传动平稳性好，传递运动准确可靠。2） 传递的功率和速度范围大。传递的功率小至（如仪表中的 齿轮传动），大至（如蜗轮发动机的减速器），甚至高达；其传动是圆周速度可达至。3） 传动效率高。一般传动效率。4） 结构紧凑，工作可靠，寿命长。设计正确、制造精良、润滑维护良好的齿轮传动，可使用数年乃至数十年。齿轮传动也存在以下不足：1） 制造和安装精度要求高，工作时有噪声。2） 齿轮的齿数为整数，能获得的传动比受到一定的限制，不能实现无级变速。3） 中心距过大时将导致齿轮传动机构庞大、笨重，因此，不适宜中心距较大的场合。3.4.2齿轮传动的基本要求从传递运动和动力两个方面来考虑，齿轮传动应满足下列两个基本要求：1 传动要平稳在齿轮传动过程中，应保证瞬时传动恒定不变，以保持传动的平稳性，避免或减小传动中的冲击、振动和噪声。2 承载能力要大 要求齿轮的结构尺寸小、体积小、质量轻，而承受载荷的能力强，即强度高，耐磨性好，寿命长。3.5齿轮传动的常用类型齿轮的种类很多，齿轮传动可以按不同方法进行分类。1 根据齿轮副两传动轴的相对位置不同，可分为平行轴齿轮传 动、相交轴齿轮传动和交错轴齿轮传动三种。平行轴齿轮属平面传动，相交轴齿轮传动和交错轴齿轮传动属空间传动。2 根据齿轮分度曲面不同，可分为圆柱齿轮传动和锥齿轮传动。3 根据齿线形状不同，可分为直齿齿轮传动、斜齿齿轮和曲线 齿齿轮传动。4 根据齿轮传动的工作条件不同，可分为闭式齿轮传动和开式齿轮传动。前者齿轮副封闭在刚性箱体内，并能保证良好的润滑。后者齿轮副外露，易受灰尘及有害物质侵袭，且不能保证良好的润滑。5 根据轮齿齿廓曲线不同，可分为渐开线齿轮传动、摆线齿轮传动和圆弧齿轮传动等，其中渐开线齿轮传动；应用最广。3.6该专机的齿轮传动机构对传动机构设计的要求是传动链短、传动效率高、合理安排不同类型机构在传动链中的位置顺序、合理分配传动比。此外，需要考虑传动机构的输出运动与执行机构输入运动的匹配、传动机构的成本及传动质量、机构外廓尺寸、工作寿命与自我保护等方面来考虑。根据传动机构的主要特性及现场的安装方面考虑，选配合理的传动机构 。图3-4减速器结构图图3-4是该专机的传动结构图，机构将电动机的输入动力分成了两个部分。第一路线是：由电机弹性联轴器Z1Z2Z3Z4丝杠主轴；第二路线是：由电机弹性联轴器Z1Z2Z3Z4Z5Z6Z7Z8。各齿轮的齿数为Z1=17,Z2=35,Z3=24,Z4=28,Z5=23,Z6=58,Z7=23,Z8=69。1.滚珠丝杠副 2.滑台 3.铝合金散热片 4.弹性涨套5单向离合器 6.8.9.11.齿轮 7.气缸10.电动机 12.拉杆头图3-5部件结构运动图解 图3-4的两路传动的传动比分别是: 且此传动结构如图3-5所示,螺旋涨管机的工作过程,首先由气缸7来夹紧工件铝合金散热片,将其可靠的固定在工作台上。再由电动机10来驱动各传动机构，先由涨管头进入铜管，丝杠驱动工作滑台，使铜管向右移动，来完成第一次扩涨；在涨管头退出铜管时，电机反向运转，使丝杠驱动工作滑台向左移动，同时涨管头需要旋转，以实现涨管头螺旋退出的要求，完成最终的扩涨的目的。但为了在螺旋时，使管内能形成螺纹，需在变速器的传动比进一步设计，传动比机构如图3-4所示，假设：螺旋涨管头有六个钢珠，使其旋转一周，即会产生六道螺旋线，为了避免螺旋线的相互干涉，所以要对滑台的移动距离有所要求。当螺旋涨管头旋转一周 由传动比 式中：丝杠的移动距离； 丝杠的导程；因弹性中有六个的钢珠，为了保证钢珠产生的螺旋线不相互干涉，因而螺距必须大于钢珠的直径。由 因此该齿轮传动比设计合理。工作滑台有往返的直线移动，这必需由滚珠丝杠来驱动，并由电动机来控制丝杠的正反旋转。而Z8齿轮内有单向离合器棘轮机构，以实现弹性连接杆的单向回程旋转运动。其中气缸直接控制拉杆的伸缩，以实现弹性涨头扩涨回缩。第四章 螺旋涨管机主要部件设计与计算4.1工作滑台与滚动导轨副选择与设计4.1.1导轨副的选择滚动导轨作为滚动摩擦副的一类，具有许多特点：a.摩擦系数小（0.0030.005），运动灵活；b.动、静摩擦系数基本相同，因而启动阻力小，不易产生爬行；c.可以预紧，刚度高；d.寿命长；e.精度高；f.润滑方便，可以采用脂润滑，一次装填，长期使用；g.由专业厂生产，可以外购选用。故在这里选用直线运动滚动导轨副。4.1.2滚动导轨副的结构导轨的功用是导向和承载，直线滚动导轨副包括导轨条和滑块两部分。导轨通常为两根，装在支承件上。每根导轨条上有两个滑块，固定在移动件上，如移动件较长，也可在一根导轨条上装3个或3个以上滑块。如移动件较宽，也可以用3根或3根以上的导轨条。4.1.3直线滚动导轨副的计算直线滚动导轨副的计算与滚动轴承相仿，以在一定的载荷下行走一定的距离，90%的支承不发生点蚀为依据。这个载荷称为滚动导轨的额定动载荷，可从产品样本中查到。初选型号为 GDA 20,额定动载荷Ca=12.4kN滚动体为滚子L=50导轨面硬度为58-64HRC,所以取 f=1.0;f为温度系数,工作温度一般不超过100C,所以取f=1;f为接触系数,每根导轨条上装两个滑块, 所以取f=0.81;f为载荷/速度系数,因无冲击振动, f=1.5-2,取f=1.6F=G/4=(3000+4000)/4=1 750NL=50x=2 307.89kmL= S为移动件行程长度, S=1100mmn为移动件每分钟往复次数,一般最多为n=2 次/minL=8.742x10h18000h故满足设计要求。4.1.4滚动导轨的润滑防护滚动导轨多采用脂润滑。防护装置已有专门厂家生产，可以外购，选用的防护方式为伸缩式。4.2滚珠丝杠选择与设计4.2.1专机工作滑台丝杠的选择1、 丝杠的选择：滚珠丝杠副是一种新型螺旋传动机构，其具有螺旋槽的丝杆与螺母之间装有中间传动元件滚珠。它由丝杆、螺母、滚珠和反向器等四部分组成。其特点是轴向刚度高、运动平稳、传动精度高、不易磨损、使用寿命长等优点。故选择传动形式为滚珠丝杠。2、 丝杠传动形式的选择：丝杆和螺母相对运动的组合情况，其传动形式有四种类型：a) 螺母固定、丝杆传动并移动，该传动形式因螺母本身起着支承作用，消除了丝杆轴承可能产生的附加轴向窜动，结构较简单，可获得较高的传动精度。但其轴向尺寸不易太长，刚性较差。因此只使用于行程较小的场合。b） 丝杆传动、螺母移动，该传动形式需要限制螺母的转动，故需要导向置。其特点是结构紧凑、丝杆刚性较好。适用于工作行程较大的场合。c） 螺母转动、丝杆移动，该传动形式需要限制螺母移动和丝杆的转动，由于结构复杂且占用轴向空间较大，故应用较小。d） 丝杆固定、螺母转动并移动，该传动方式结构简单、紧凑，但在多数情况下使用极不方便，故很少应用。所以选用第二种类型丝杆传动、螺母移动。3、 滚珠的循环方式：滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环两种。内循环方式的优点是滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小。其不足是反向器加工困难、装配调整也不方便。外循环方式又有螺旋槽式、插管式、端盖式，其插管式结构简单、工艺性好、容易制造，而且可适用于精密定位系统，所以选用此方式。4、 滚珠丝杠副的精度等级的选择：根据JB/T3162.2-1982标准，对滚珠丝杠副的精度分成C、D、E、F、G、H六个等级，最高精度为C级，最低精度为H级。由于是采用开环进给系统，根据定位精度和重复定位精度的要求可选用C、D、E级，这里选用D级。5、 滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧的选择：滚珠丝杠副在负载时，其滚珠与滚道面接触点处将产生弹性变形。换向时，其轴向间隙会引起空回，这种空回是非连续的，既影响传动精度，又影响系统的稳定性。在实际应用中，有双螺母螺纹预紧调整式、双螺母齿差预紧调整式、双螺母垫片调整预紧式、弹簧式自动调整预紧式、单螺母变位导程自预紧式和单螺母滚珠过盈预紧式五种调整预紧系统方法。双螺母螺纹预紧调整式的特点是结构简单、刚度好、预紧可靠，使用中调整方便。常选用此方法。6、 滚珠丝杠副支承方式的选择：为了提高轴向刚度，常用以止推轴承为主的轴承组合来支承丝杠，当轴向载荷较小时，也可用角接触球轴承来支承丝杠。双推简支式一端安装止推轴承与深沟球轴承的组合，另一端仅安装深沟球轴承，其轴向刚度较低。双推端可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿命较高，适用于中速、传动精度较高的长丝杠传动系统。所以在这里选择此方式。如图4-1所示。图4-1滚珠丝杠机构7、 滚珠丝杠制动装置的选择：因滚珠丝杠传动效率高，无自锁作用，故在垂直安装状态，必须设置防止因驱动力中断而发生逆传动的自锁、制动或重力平衡装置。常用的制动装置有体积小、重量轻、易于安装的超越离合器。这里选用此制动方式。8、 滚珠丝杠副的密封与润滑的选择：滚珠丝杠副可用防尘密封圈或防护套密封来防止灰尘及杂质进入滚珠丝杠副，使用润滑剂来提高其耐磨性及传动效率，从而维护其传动精度、延长其使用寿命。密封圈有接触式和非接触式两种，将其装在滚珠螺母的的两端即可。接触式密封圈用具有弹性的耐油橡胶或尼龙等材料制成，因此有接触压力并产生一定的摩擦力矩，但其防尘效果好。常用的润滑剂有润滑油和润滑脂两种。在这里选用润滑油。4.2.2滚珠丝杠副选择的方法1） 载能力的选择：计算作用于丝杠轴向最大动载荷FQ，然后根据FQ值选择丝杠副型号。FQ =fHfWFmax式中：L滚珠丝杠寿命系数，(单位为1转，如1.5则为150万转)。L=60nT/（其中T为使用寿命时间，h），普通机械为500010000h、数控机床及其他机电一体化设备及仪器装置为15000h、航空机械为1000h；fW载荷系数（平稳或轻度冲击时为1.01.2，中等冲击时为1.21.5，较大冲击或振动时为1.52.5）；fH硬度系数（HRC=58时为1.0，等于55时为1.11，等于52.5时为1.35，等于50时为1.56，等于45时为2.40）。2） 杆稳定性核算：=EI/(K)=式中：Fk实际承受载荷的能力；压杆稳定的支承系数（双推双推时为4，单推单推时为1）；E钢的弹性模量丝杆小径的抗弯截面惯性矩K压杆稳定安全系数，一般取2.54。3）刚度的验算：滚珠丝杠在工作载荷F（N）和转矩T(N.m)的共同作用下引起导程的变形量L(m)为L=式中：A=,为丝杠截面积；J=,为丝杠的极惯性矩；G为丝杠切变模量，对于钢G=83.3Gpa;T(N.m)为转矩 T=F为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；为平均工作载荷。4.2.3专机工作滑台丝杠的计算过程(1) 丝杠的选用滚动丝杠摩擦系数u=0.003，选总u=0.008F1=（3000+4000）0.008=56N让滑台在0.1秒内加速到0.06m/s=+0.06=0.1aa=0.6m/F2=ma=7000/9.80.6=428.57NF3=F1+F2=56+428.57=484.75N设效率为90%Fmax=484.75/0.9=436.28N基本导程取L0=10mm,V=60mm/sn=60/1060=360r/minL=60nT/=6036015000/106=324fH=1,fW=1.2FQ= fH fW Fmax=3 595.8N查表,选用滚珠丝杠的系列代号2505-2.5,额定动载5982N.滚珠丝杠尺寸如下:中径 d0=40mm 外径d=39.5mm 导程L0=10mm 螺旋角=339滚珠直径db=4mm 循环圈数1x2.5 螺母长为Llm=39mm罗纹滚道半径取R=0.55db=0.55x4=2.2mm偏心距 e=0.707(R-)=0.707x(2.2-4/2)=0.1414mm丝杠内径d1=d0+2e-2R=40+2x0.1414-2x2.2=35.88mm （2） 压杆稳定性核算I=/64=(35.88x10)/64=0.81x10 K为压杆稳定安全系数,取3.5 =L+Llm+L=1300+39+11=1350mm=1.35m f为压杆稳定的支承系数 ,用双推简支式 f=2E为钢的弹性模量，取E=2.1x10 Mpa 故压杆稳定。（3） 刚度验算=arctgu=arctg0.003=T=F=363.4x=0.303N.m 按最不利的情况，取F=F. 则 L=+= = =2.33x10m L=Lx=1.5x=6.99x10m=6.99um30um故丝杠的刚度满足要求. 4.3联轴器的设计 联轴器是用来连接两轴使其同回转并传递运动和转矩的一种常用部件。回转过程中被连接的两轴不能脱开，必须在机器停车时将连接拆卸才能使两轴分离。用联轴器连接的两轴，由于制造和安装误差、受载后的变形以及温度变化等因素的影响，往往不能保证严格的对中，两轴间会产生一定程度的相对位移，因此，除了要求联轴器能传递所需的转矩，还应在一定程度上具有补偿两轴相对位移的性能。 联轴器分刚性联轴器、挠性联轴器、安全联轴器3大类 刚性联轴器由刚性连接元件组成，元件之间不能相对的运动，因而不具有补偿两轴相对位移和缓冲减振的能力，只能用于被连接两轴在安装时能严格对中和工作中不会发生相对位移的场合。刚性联轴器主要有凸缘联轴器、套筒联轴器、夹壳联轴器等。 凸缘联轴器由两个带凸缘的半联轴器和连接螺栓组成，两半联轴器分别用键与两轴连接，同时它们再用螺栓相互连接凸缘联轴器结构简单，制造成本低，工作可靠，维护简便，常用于载荷平稳、两轴对中性良好的场合，使用时应注意设置防护罩等安全防护装置。 套筒联轴器通过一个公用套筒并采用键、销或花键等连接零件，使俩轴相连接。在采用键或花键连接时,应采用锥顶紧定螺钉作轴向固定。为了保证连接具有一定的对中精度和便于套筒的装拆。制造套筒的材料一般采用35或45钢，低速传动或不重要的场合也可采用铸铁。优点：结构简单，制造方便，径向尺寸小，成本较低。其缺点是传递转矩的能力较小，装拆时轴需作轴向移动，有时不太方便。套筒联轴器通常适用于两轴间对中性良好、工作平稳、传递转矩不大、径向尺寸受限制、转速低的场合。 联轴器的类型应根据应根据使用要求和工作条件来确定，具体选择时可考虑以下几个方面： (1)传递转矩的大小和性质以及对缓冲减振的要求。(2)工作转速的高低。一般不得超过相应联轴器的许用最高转速。(3)被连接两轴间的相对位移程度。难以保证两轴严格对中时应选挠性联轴器。(4)联轴器的制造、安装、维护及成本，工作环境，使用寿命。在设计时对轴的要求是对中性良好、工作要平稳、转速低的场合，因此选套筒联轴器比较适合。4.4轴承的选择由于传动的轴转动要灵活，起动容易，润滑简便，摩擦阻力小的特点。与滑动轴承相比，优先选择滚动轴承。滚动轴承依靠元件间的滚动接触来承受载荷。基本结构有内圈、外圈、滚动体、保持架等4部分组成。内圈是装在轴颈上，外圈装在轴承座孔内。通常外圈固定，内圈随轴回转，但也可用于内圈不动外圈回转，或者是内外圈同时回转的场合。滚动体均匀分布于内外圈辊道之间，其形状、数量、大小的不同对滚动轴承的承载能力和极限转速有很大的影响。常用的滚动体有球、圆柱滚子、滚针、圆锥滚子、球面滚子和非对称球面滚子等几种。内外圈上的辊道起限制滚动体轴向移动的作用。保持架的作用是将滚动体均匀地隔开，以其避免因直接接触而产生剧烈磨损。 为了减少轴承的径向尺寸，有的轴承无内外圈，这时的轴颈或轴承座要起到内外圈或外圈的作用。有的轴承为满足使用中的某些需要，另增设如防尘盖、密封圈等特殊元件。按照轴承能承受的主载荷方向不同，滚动轴承可分向心轴承和推力轴承俩大类。能承受的主载荷为径向载荷的轴承称为向心轴承；主载荷为轴向载荷的称为推力轴承。选择滚动轴承的类型，一般从以下几个方面进行考虑。4.41载荷的大小、方向和性质（1）按载荷的大小、方向和性质选择 在外轮廓尺寸相同的情况下，滚子轴承比球轴承承载能力大，适用于载荷较大或有冲击的场合。球轴承适用于载荷较小、振动和冲击的场合。（2）按载荷方向选择 当承受纯径向载荷时，通常选用径向接触轴承或深沟球轴承；当承受较大轴向载荷和一定径向载荷时，可选用角接触向心轴承；当承受较大轴向载荷和一定径向载荷和一定轴向载荷时，可选择用角接触推力轴承，或者将向心轴承和推力轴承进行组合，分别承受径向和轴向载荷4.4.2轴承的转速根据工作转速选择轴承类型时，可参照一下几点：（1）球轴承比滚子轴承具有较高的极限转速和旋转精度，高速时应选用球轴承；（2）为减少离心力惯性力，高速时宜选用同一直径系列中外径较小的轴承。当用一个外径较小的轴承承载能力不能满足要求时，可再安装一个相同的轴承，或者考虑采用宽系列的轴承。外径较大的轴承宜用于低速重载场合；（3）推力轴承的极限转速都很低，当工作转速轴向载荷不十分大时，可采用角接触球轴承或深沟球轴承替代推力轴承（4）保持架的材料和结构对轴承转速影响很大。实际保持架比冲压保持架允许更高的转速。4.4.3调心性能要求 当轴的中心线与轴承座中心线不重合而有角度误差时，或轴因受力而弯曲或倾斜时，轴承的内外圈轴线发生偏斜，这时应采用有调心性能的调心轴承或带座外球面球轴承 圆柱滚子轴承和滚针轴承对轴承的偏斜最为敏感，这类轴承在偏斜状态下的承载能力可能低于球轴承。因此在轴的刚度和轴承座孔的支承刚度较低时，应避免使用这类轴承。4.4.4轴承的安装和拆卸 便于装拆也是选择轴承类型时应考虑的一个因素。在轴承座为非剖分式而必须沿轴向安装和拆卸轴承部件时，应优先选用内外圈可分离的轴承。轴承在长轴上安装和拆卸轴承部件时，应优先选用内外圈可分离的轴承。轴承在长轴安装时，为便于装拆，可选用内圈孔呈1：12锥度的轴承。4.4.5经济性 一般而言，球轴承比滚子轴承便宜；派生型轴承（如带止动槽、密封圈或防尘盖的轴承等）比其基本型轴承贵；同型号轴承，精度高一级价格将急剧增加。故在满足使用功能的前提下，应尽量选用低精度、价格便宜的轴承。根据上面几个方面的参考，选择深沟球轴承作为支撑轴承，因为深沟球轴承当量摩擦系数最小，高转速时可用来承受不大的纯轴向负荷。主要是适用于刚性较大懂得轴，常用于小功率电机、减速器、运输机的托辊、滑轮等4.4.6特殊的轴承单向轴承 单向轴承简单说来就是只向一个方向旋转，在一个方向上可以自由转动，而在另一个方向上锁死的一种轴承。其原理一般都是卡紧原理，用于卡紧的滚动体所在的工作面是个斜坡，滚动体在轴承顺着转是下坡，逆着转是上坡。参考以下结构图4-2，滚动体都是有一个弹簧装置顶着的，只要轴承逆着转时弹簧就把滚动体往上坡方向顶，缩小内外圈工作面的空隙直到卡死不能再逆转。有不规则锲块形式的单向离合器也是同一工作原理。都包括一个弹簧装置。 图4-2单向轴承单向轴承应用及功能原理1 斜坡和滚子式设计斜坡和滚柱式单向轴承基本由筒式内径的外圈、带斜坡的内圈及分别承受弹簧力且始终与内外圈紧密接触的一组滚子组成。只要其中的一个滚道在其运动方向上的旋转对另一个产成了影响，这种排列就从本质上确保了超越速度的即刻性和保证了立即驱动能力。运用：这种型号的单向轴承可以适合在各种环境下的超越、分度及止逆的使用。当作为一个超越单向轴承使用时：斜坡式滚柱式单向轴承将会以这种方式安装，就是把外圈当做超越构件。这点对高速超越非常重要。在内圈超越的运用中，作用在滚子上的离心力将导致超越速度受限。当作为一个止逆单向轴承使用时：只有内圈转动的斜坡滚子式单向轴承适合于比较低的速度。如果需要的转速高于被推荐的转速时，建议使用楔块式单向轴承。当作为一个分度单向轴承使用时：外圈经常被看成摆动元件，内圈经常被看成从元件。否则，滚子和弹簧的惯量将导致误差，特别是在高频率分度时。稀释了的润滑油和强力弹簧的运用提供了高速分度的准确性和高质量性。2 楔块式设计这种楔块式单向超越轴承大体由内圈、外圈、楔块组、楔块保持架、强力弹簧及轴承组成。楔块以在内外圈之间的楔入来从一个滚道向另一个滚道传递力量。楔块有俩个的对角直径，（即从楔块的一角到另一对角的距离）其中的一个要大于另一个。楔作用发生在内外圈发生相对转动时在比较大的横截面上迫使楔块有更大的垂直位置。3 自锁角楔作用主要依靠内外圈之间楔块的楔入和自锁角。楔块单向轴承的基本概念要求楔块的摩擦系数与驱动方向上内圈突然产生扭矩有关系，这个摩擦值必须比自锁角的正切值大。如果条件不安全，楔入将不会发生。自锁角是由楔块的结构来决定的，内外圈上的点分别用用楔块和其连接。楔块的设计中有一个很低的初始自锁角来确保开始时绝对的结合。随着扭矩的增加，楔块上将产生一个可是使楔块滚道偏转的径向力，导致了楔块滚转到了一个新的位置。楔块经常被设计成有一个可以逐渐增大的自锁角，与它从超越位置一直到最大承受载荷的位置一样。比较大的自锁角可以减小由楔块产成的径向力，因此只要在伸长量和布氏硬度极限的要求内允许较大扭矩被传递。自由 动作在保持架中，所有的楔块被允许做自由和独立的动作。在超越运动中，这些每一个独立的楔块被允许去适应自身在环行空间里的各种变化，这些变化主要由脱离和在疏忽的情况下进入轴承的某些外来物质所引起的。因为各个楔块都是独立起作用的，所以它们不能把自身变化的影响传给其他的楔块。由于楔块一直是相同的结合，所以载荷的分布也很均匀。自由动作的规律也引起所有零件的均布磨损，但这种磨损是最小的。PCE式楔块PCE式楔块的设计是为了克服几种旋转和直线摇摆的影响，摇摆的形式就像突然承受短暂的高扭矩过载一样。楔块的加强楔块用作用在其端面上的弹簧来加强的。已经设计出了几种不同型号的加强弹簧，如：拉力弹簧、压缩弹簧及扭转弹簧。选择这种加强的的方法比较适合特殊单向轴承的设计。在各种设计中，不管是否是拉力弹簧、压缩弹簧还是扭转弹簧，弹簧的设计在分别加强每一个楔块都不需要楔块之间做动作和影响的传递。C/T楔块定理离心脱离或C/T保持架的安装都被设计以适应内外圈高速超越运动和低速驱动情况。C/T楔块被用在多种型号之中，FSO300FSO700都选用PCE或C/T楔块以适应外圈的超越运动。C/T型外圈在外圈离心抛离楔块的设计中，楔块的质量已经确定，以至于当外圈做超越运动时，楔块的离心力以能克服强力弹簧施加给楔块的力，所以导致了楔块完全脱离了内圈滚道。C/T型内圈型号RSBI和RIZ从尺寸20到240都用C/T型内圈的特征。在内圈离心抛离楔块的设计中，楔块的质量已经确定，以至于当内圈做超越运动时，楔块的离心力以能克服强力弹簧施加给楔块的力，所以导致了楔块完全脱离了外圈滚道。楔块脱离内圈滚道或外圈滚道的点就像脱离速度一样被列出。它最大的驱动速度往往要比脱离速度小，以此来绝对的确保楔块的加强。离心抛离楔块保持架的主要优点是当楔块从外圈滚道或内圈滚道脱离时，它们与轴承没有接触摩擦。因此，轴承的使用寿命是由轴承的使用寿命来决定的。注：在离心抛离设计中，当轴承超越运转时，楔块将脱离内圈滚道或外圈滚道。因此，在驱动情况下，C/T的设计要求是驱动速动要比脱离速度小。用铬合金来增加楔块的使用寿命超硬质铬合金楔块加长轴承的使用寿命，增加了楔块的最大抗磨损性和保持了较低的成本。单向轴承的设计选用CSK系列单向旋转球轴承由标准外形尺寸的深沟球轴承和内藏异型止动块及特殊结构保持架组合而成，具有功能强，结构紧凑的特点，适用于中小扭矩使用场合中，广泛用止逆、送进等机构，如液力机械、印刷机械和纺织机械等。所以在设计中我们选择了这个系列中的CSK30单向轴承。其结构图4-3如下： 图4-3 csk单向轴承结构图外貌图如下4-4： 图4-4 csk单向轴承外貌图在我们的设计中，由于螺旋涨管退出属于的涨管过程的第二步，在第一步的直通涨管时，不需要涨杆旋转，这就要求我们在设计中加入单向轴承。在设计中，我们把单向轴承放在
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