CA6140中心架设计 20191228

目 录前 言1第一章 绪论2第二章 中心架的简介92.1传统中心架的简介92.1.1传统中心架的构造92.1.2传统中心架的工作原理102.1.3传统中心架的使用方法102.1CA6140中心架的简介102.2.1CA6140中心架的构造及工作原理102.2.2CA6140中心架的使用方法102.2.3CA6140中心架的优缺点11第三章 中心架总体结构设计计算143.1压板的锁紧力计算143.2中心架整体拖动力的计算153.3确定中心架支撑直径范围16第四章 中心架部件计算174.1滚轮尺寸设计计算174.2支撑滚轮的圆柱铰链尺寸设计194.3轴套尺寸设计计算204.4支撑轴的设计计算214.5中心架架体以及中心架上顶盖总体尺寸设计224.6 V型块总体设计尺寸224.7压板的总体设计尺寸23参考文献23前 言目前普通车床是切削加工中最常用的一种机床，其历史很悠久，应用很广，在金属切削中，车削加工大概占全部机械加工的40%60%。电子技术的飞跃式的发展，各种新工艺方法的出现等现状，对普通车床的发展产生了很大的影响, 目前世界各个国家的普通车床生产数量都有下降的趋势。 因此普通车床在以后机械行业发展中需要作出一些调整。车床是加工回转类零件的主要设备，而中心架是车床在加工过程中的一个重要的辅助部件。在车床加工细长的轴类零件时，为了保证工件的加工质量，需要使用中心架进行辅助加工。传统中心架在设计过程中存在许多问题，比如：卡爪容易磨损，效率低，操作比较繁琐，寿命短，在零件加工的过程中中心架可能会受力不均而受到损坏，从而对机床的精度产生影响，对加工工人的人身安全产生威胁等等。第一章 绪论车床加工长轴类零件时会采用一些机床功能部件，以提高零件加工刚性，中心架就是数控车床加工长轴类零件的专用部件，中心架的种类很多，有自定心的、专用圈式的、手动的等。而手动中心架是长轴类经济型数控车床所必备的部件，性价比较高。主要零件包括:中心架支架、中心架体、球形螺栓、轴、套、锁紧块、压板等。1.1.1车床的发展趋势随着科学技术的发展，车床在机械行业中占比非常高，同时它的作用也是非常大的。在不同的工作环境中，车床的种类也不一样，加工的零件也是不一样的。车床的工作原理：主运动是工件的回转，进给运动是车刀的移动。近几年来，由于电子技术发展速度非常快，车床发展速度也非常快，已经进入了自动化时代。车床的发展历程:车床的第一发展阶段：普通车床。人类由手工作业时代进入机械时代，普通车床由此诞生，也就是人类在机械时代的第一种种类的车床。普通车床能够适应的工作环境的范围比较广，所以在机械加工中是采用最普遍的车床类型。普通车床在每个学校的应用也相当普遍，用来培养机械操作人才，普通车床由于车床自身加工出零件，原理比较简单，学生很容易理解并且掌握其中的要领，通过长期的锻炼可以熟练地加工出工件并能达到图纸上的精度要求。经常接触的话，操作人员就慢慢地积累到越来越多的工作经验，也就能够熟练地使用卧式车床在更短的时间内加工出类型更多、精度更高的零件。普通车床的操作具有一定的危险性，因此车床的操作人员需要要经过严格的培训，才能上车床动手进行操作。 数控车床是车床的一个飞跃式发展阶段。近些年来，随着数字技术的发展，人们对该技术加以应用，制造出了数控车床，可以说是机床行业的一次重大突破。数控车床的定义：运用数字技术使车床自动控制它的工作流程，从而生产出需要加工的零件。相对于普通车床来说，数控车床精度更高，自动化的程度也更高，操作起来也更加的方便，容易上手。操作人员只需要将工件的加工程序导入到车床的控制面板中，通过对车床加工过程的模拟，来检测程序是否正确，然后再开始进行工件的加工。普通车床与数控车床都是机械加工中重要的车床设备，两者都有各自的优势和缺点。当我们需要小批量并且加工精度不高的零件时，可以选择普通车床，普通车床相对于数控车床来说容易维修，购买的价格也便宜很多。但是对于操作人员来讲要求会更高，也会更危险。数控车床则比较适用于批量生产，所生产出来的零件精确度相对于普通车床来说比较高。但是数控车床的价格较高、维护更困难，生产成本也高。1目前来说，切削加工中最常用的机床就是普通车床，它的历史很悠久，应用很广，在金属切削中，车削加工大概占全部机械加工的40%60%。电子技术的飞跃式的发展，各种新工艺方法的出现等现状，对普通车床的发展产生了很大的影响, 目前世界各个国家的普通车床生产数量都有下降的趋势。2 因此普通车床在以后机械行业发展中需要作出一些调整。例如车床在进行加工的过程中，因为进行高速切削，所以单位时间内产生的切屑量会越来越多，消耗的切削油也越多。因此普通车床以后的发展方向：需要提高切削的速度，提高其自动化的程度，提高床身刚度，采取模块化设计，加强安全保护措施，降低车床噪声等。相对于普通车床而言，数控车床具有优势，也有它的不足之处。优势就是自动化程度相对较高，工人操作难易程度降低。3随着时间的转移，各项技术的进步，不同行业对数控机床的需求越来越大，数控机床需要不停地发展来更适应生产加工过程的需要。“十二五”是国产数控机床发展的一个新的机遇时期，全世界已经走出金融危机造成的经济最困难时期，由于国内的需求较大，拉动了数控机床飞速发展，效果非常明显。“高挡数控机床与基础制造设备”科技重大专项已全面启动和实施。高度，高精，智能，开放，网络，高柔性，绿色化是当前数车的发展趋势。4车床在加工长轴的时候，就需要使用卡盘顶尖，跟刀架进行装夹，或者两端都用顶尖，跟刀架进行装夹。在加工阶台轴时（如车床主轴），就要使用卡盘、中心架联合进行装夹。用装夹工具可以保证装夹刚度以及保证工件的加工质量，在加工中可以加大切削用量，即提高了生产效率。5因此中心架在车床加工细长轴类零件过程中不可或缺，中心架的现实需求是非常大的。第二章 中心架的简介2.1传统中心架的简介在机床附件当中，中心架是加工较长工件必不可少的选择。中心架在选择当中一般有两种形式，一种为可编程液压中心架，一种为手动中心架。可编程液压中心架的自动化程度高，可以在加工程序中按照加工内容、加工顺序编入加工的步骤，达到程序化自动加工。可编程液压中心架多使用在小批量复杂零件的生产，可实现在一次装夹中完成除夹持的部分外其余的全部加工，这种液压中心架多使用在车铣复合加工中心类机床；手动中心架一般使用在批量比较大，分步加工的场合，由于工件多次装夹，中心架起到长工件一头在装夹过程中支撑定心的作用，液压中心架由于结构的问题，起不到这个作用，所以手动中心架多用在数控车床上。7中心架为液压自定心和手动中心架两种，机床配置该中心架定心精度高、可靠性好、寿命长。中心架的结构形式，其结构形式大致可以分为闭式中心架，开式中心架如图5所示和专用中心架。 （a） （b）图2-1 （a）：闭式中心架 （b）：开式中心架2.1.1传统中心架的构造传统中心架一般由机架，顶盖，压板，轴，套，锁紧板，安装板等零件构成。机架，顶盖，压板，安装板，锁紧板一般采用的是铸造件，结构复杂，形状与零件相近，切削加工工作量大大减少，同时节省了大量材料。轴和套一般采用45钢（优质碳素结构钢），综合力学性能好，容易加工。2.1.2传统中心架的工作原理采用一夹一顶中心架辅助加工，即用卡盘夹紧工件的一端，工件另一端使用顶尖顶住，中间使用中心架支撑。2.1.3传统中心架的使用方法将中心架与床面固定在一起，将压板与中心架的主体座用螺栓进行连接并且固定在床面上。中心架上顶盖和中心架架体用销进行连接，中心架的上顶盖可以根据需要随时打开或者关闭，可以用螺钉来进行固定。为了使用不同大小的工件，可以调整支撑爪的位置，采用螺钉将支撑爪进行紧固。先用卡盘固定好工件的一端，将事先打好中心孔的一端用顶尖进行装夹。可以预先车削一段毛坯（留有总够的加工余量），将中心架的支撑爪装夹在车的那段工件直径上。使用中心架之前，首先得固定中心架，打开中心架上顶盖，将工件放入中心架，随后关闭上顶盖并且锁紧。然后调整三个支撑爪以使其均匀地接触在工件上，再使用螺钉对支撑爪进行手动锁紧。根据不同直径的工件可以通过轴套内的螺纹传动来调整。中心架通过压板与床身进行锁紧，从而对工件进行加工。2.1CA6140中心架的简介2.2.1CA6140中心架的构造及工作原理本课题设计的CA6140中心架由中心架支架、中心架体、安装板、球形螺栓、轴、套、锁紧块、压板、V形块等零件构成。 CA6140中心架工作原理：CA6140中心架也是采用一夹一顶中心架辅助加工，即工件的一端用车床卡盘夹紧，用顶尖顶住工件的另一端，中间使用中心架支承。2.2.2CA6140中心架的使用方法将中心架固定在床面一定位置处，采用锁紧压板与与床面锁紧。中心架上顶盖与架体采用销钉连接，在使用时可以根据实际需求打开或者关闭，使用球形螺栓进行固定。采用滚轮与工件直接接触，通过轴套与手柄的相对运动，实现对不同加工工件直径的调整，采用螺钉来紧固四个滚轮。在加工细长类工件之前，工件一端使用三爪卡盘进行夹紧。另一端需要提前打中心孔，以方便顶尖装夹，从而实现一夹一顶加工。将中心架滚轮装在工件时，其直径必须大于工件的毛坯直径，通过V形块的自定心原理对工件进行自动定心。然后将上顶盖与中心架体通过球形螺栓进行锁紧。在工件加工过程中需要观察中心架的四个滚轮是否跟着工件同时旋转。在确定中心架的具体位置时，要考虑是否具有足够的刚度来进行工件的加工。若采用后顶尖来装夹，中心架支承位置最好是采用工件的中部。若加工端面或者内孔的时候，就需要接近工件端部作为中心架支承位置。2.2.3CA6140中心架的优缺点中心架通常是固定在机床的导轨上，中心架的支撑爪应该卡在工件中部外圆柱面上。磨削内孔和阶梯轴一般采用闭式的中心架，磨削长轴，丝杆以及曲轴颈一般采用开式的中心架。在对零件外圆进行加工时，闭式中心架由于刀具不能越过中心架，不能对零件外圆进行连续加工，开式中心架存在一个无法准确定心的问题。定心不准确同样会引起精度的不足。8传统车床中心架的优点: 结构简单、使用方便等,但经实际使用表明尚存不足: 911(1)需要进行人工调整，使3 个支撑点进行对中，加工效率低; (2)工件与支撑块之间直接接触属于滑动摩擦，容易磨损，寿命短; (3)3个圆柱支撑爪，属于悬臂结构，刚度比较差，容易产生振动。 (4)安全性差。传统的中心架只靠一个紧定螺钉来锁紧，夹紧不可靠。容易发生安全事故。普通车床中心架的顶块组件部分如图1 所示, 其作用是支撑在车床上加工的悬臂较长的轴类零件. 加工时中心架上的3 块顶块与工件直接接触, 该形式不适用于精加工工序应用。如曲轴精磨以后的精车法兰盘工序就属于这种情况, 此时工件高速旋转, 加上由于切削力的作用, 3 块支撑爪与精磨后的主轴颈表面接触, 造成零件加工表面磨损与划伤. 此外, 由于接触面处的温度急剧升高造成工件表层组织的变化。 为解决以上问题, 曾将顶块的材料由45 钢用铜或尼龙棒代替, 但磨损较快, 浪费较大。如图2-2所示图2-2：传统支撑块经过分析认为: 造成以上弊病的原因是由于顶块与工件表面间的摩擦性质决定的, 此时的顶块与工件表面间的摩擦是滑动摩擦, 可能会是工件加工好的表面发生磨损或者温度升高。 因为这个原因，将之前的支撑爪改为滚轮支撑，改变了与工件的接触方式，为滚动摩擦接触，大大降低了接触面积，降低了工件被加工表面的磨损速度，经过测试，之前的一些缺点得到了有效的解决，目前的效果比较好。本课题设计的是滚动顶块：图2-3：滚轮顶块综上CA6140中心架的优点是：（1）首先保留了传统中心架结构简单，操作方便的优点。（2）利用V 形块的自动定心原理，提高了工件对中效率，降低了工人的劳动强度;（3）使用滚轮作为支撑元件，由原来的滑动摩擦转变为目前的滚动摩擦，由面接触变为线接触，接触面积变小，从而大大降低了支撑件的磨损，提高了滚轮的使用寿命。（4）利用轴套内部的螺纹传动，采用普通细牙螺纹，因其有自锁功能，可以提供可靠的夹紧力。第三章 中心架总体结构设计计算3.1压板的锁紧力计算 选用压板的目的：在压板与中心架中采用螺钉固定，主要是将中心架与床身进行手动锁紧，从而让中心架在进行辅助加工的过程中能够安全可靠。以防止工人在加工。压板材料选择原则有两个：(1)与主体同硬度与密度，增加抗压性 (2)增强局部与整体的连接 因为中心架的架体与顶盖材料均使用的是HT200，所以压板的材料为HT200。材料名称：灰口铸铁（灰铁200）牌号：HT200最低抗拉强度:200MPaHT200的特性及适用范围：抗拉强度和塑形较低，但是铸造性能和减震性能好。HT200参数：弹性模量：1.131.57105MPa 剪切模量：0.45105MPa泊松比：0.230.27 熔点：1200 线膨胀系数：8.511.610-6/K 热导率：39.2W/(mk）压板的总体尺寸：长宽高-26010853拧紧螺母的力矩由三部分组成：1.由升角产生用于产生预紧力从而使螺栓杆伸长 2.螺纹副摩擦 约占40% 3.支撑摩擦，约占50% 后两者占约90%.计算公式： （3 - 1） T:拧紧螺母的力矩K：扭矩系数F:预紧力 d：螺栓大经压板的锁紧力计算的关键在于使用压板锁紧时中心架与导轨面的摩擦力要大于没使用压板锁紧之前的摩擦力。 (3 - 2) =G中心架cos40 =2891cos400.1= 221 N当F摩擦F摩擦 才能使压板锁紧中心架使用压板锁紧时，中心架的正压力必须大于中心架自身对创生产生的正压力即FFn=2214.6N。3.2中心架整体拖动力的计算 对中心架整体拖动力计算的目的：让操作员知道需要用多大的力才能使中心架在加工过程中实现Z向移动。计算中心架整体拖动力就相当于要计算中心架整体克服自身重力在导轨面上实现Z向移动。首先得计算出中心架整体的质量从而计算出整个中心架的重力，计算出中心架对导轨面产生的正压力。由于本次设计采用的是斜导轨，因此还要对中心架整体的重力进行力的分解，最终算出中心架整体对于导轨面的正压力。通过摩擦力的计算公式算出中心架整体在拖动过程中所受摩擦力。中心架整体材料： HT200 密度7.35*103KG/M3 中心架架体质量 ： （3 - 3） =7.35103(0.320.260.38)=232kg上顶盖质量： （3 - 4） =7.35103(0.4150.090.26)/2=35.7kg支撑板质量： （3 - 5） =7.35103（0.1870.160.069）=15.1kg压板质量： （3 - 6） =7.35103（0.110.260.052）=11kg调整板质量： （3 - 7） =7.35103（0.050.0120.26）=1.1kg中心架整体质量=上顶盖质量+中心架架体质量+支撑板质量+压板质量+调整板质量=232+35.7+15.1+11+1.1=295kg中心架整体重力： （3 - 8） =2959.8=2891N （3 - 9） =0.12891cos40=221NFn:正压力 ：动摩擦系数所以中心架整体拖动力F：221N3.3确定中心架支撑直径范围 如果要对一个中心架进行结构设计，首先要确定中心架的支撑直径在一个具体的范围之内，然后才能进行该中心架的其他结构的设计计算。中心架支撑直径范围受几个因数影响。第一，机床型号，机床的型号决定了加工工件的最大直径。例如：CA6140 该车床的最大加工直径就是400mm。第二中心架的规格，中心架架体的尺寸也影响了加工工件的直径。本次课题设计中，任务书明确给出了中心架支撑直径范围：140mm200mm，所以本课题设计的中心架支撑直径范围直接按照任务书上的要求进行设计。图3-1所示位置为中心架支撑工件的最大极限位置，虚线圆为最小极限位置。图3-1中心架支撑直径范围以上公式：（3 - 1）（3 - 9）均出自机械设计手册。第四章 中心架部件计算4.1滚轮尺寸设计计算CA6140中心架将滚轮代替了卡爪与工件直接接触，随着工件同步旋转，由原先的滑动摩擦的方式转变为滚动摩擦的工作方式。本课题设计的滚轮直接由轴承来替代。一方面轴承在市场上十分地普遍，选材方便，另一方面价格比较实惠，是进行设计的一个良好选择。市场上轴承的种类非常多，轴承要是根据其工作的摩擦性质的不同，可以分为两类，一类是滑动摩擦轴承（滑动轴承），另一类是滚动摩擦轴承（滚动轴承）。滑动轴承：在工作方式为滑动摩擦的条件下工作的轴承称之为滑动轴承。滑动轴承在工作中非常地平稳、而且非常可靠、没有噪声。轴承经过液体润滑之后，滑动的表面由于润滑油的作用被分离，不会与轴直接接触，从而减小了工作表面的磨损，降低了摩擦损失，由润滑油产生的油膜拥有一定的吸附振动的能力。由于滑动轴承的起动的动摩擦力相对较大。由轴承支承的那一部分轴称为轴颈，轴瓦就是与轴颈相互匹配的那个零件。轴承衬就是在轴瓦的表面浇铸的那一层减磨材料，用来改善轴瓦表面的摩擦性能。滑动轴承材料分为轴瓦和轴承衬两种。低速度，载荷较轻或者间歇工作的场合用滑动轴承比较合适。滚动轴承：旋转的轴和轴承座之间的滚动摩擦代替了滑动摩擦的工作方式，是一种用来降低摩擦损失的机械元件。滚动轴承的基本结构是由内圈、外圈、滚动体（钢球或滚子）和保持架四个零件组成。滚动轴承按受力方向分为如下三种：径向轴承：以深沟球类,圆柱滚子类，调心球类等轴承为代表，主要承受径向力。平面轴承：以推力球、推力滚子轴承为代表，主要承受轴向力。复合轴承：以圆锥滚柱轴承，角接触球轴承为代表，一般成对配对使用，可以同时承受轴向力和径向力。经过对轴承种类以及用途的了解，滚轮与工件接触时滚动摩擦，需要选择滚动轴承。由于车床在加工细长类工件时，刀具沿轴向和径向切削。通过对滚轮的受力分析，发现滚轮在工件加工过程中只承受径向力，所以选择滚动轴承里的深沟球轴承。根据实际需求，将采用轴承型号：6204（d=20 D=47 B=14 Cr=12.8）轴承作为滚轮。材料为：轴承钢。轴承受力验算公式： （4 - 1） C：基本额定动载荷计算值P：当量动载荷 Fh:寿命系数Fn:速度因数Fd：冲击载荷因数Fm:力矩载荷因数Ft:温度因数 Cr:轴承尺寸及性能表中所例径向基本额定载荷 （4 - 2） Fr：径向载荷（400） Fa：轴向载荷（50） X,Y：径向系数，轴向系数Dw：球的直径 Z：球数 （4 - 3） （4 - 4） =400/（2052） =0.80.125所以 X=1， Y=0所以 Pr=1400=400 =（3.14221.2400）/（0.3471） =9656.5N 6500N所以圆柱铰链选取的直径符合设计要求。总体尺寸如图4-1所示：图4-1支撑滚轮圆柱铰链4.3轴套尺寸设计计算 设计轴套的目的：一方面是支撑滚轮，另一方面是可以通过调整轴套的位置来适应不同直径的工件。轴套将采用45号钢作为材料来设计。45钢：优质碳素结构钢，含碳量百分之零点四五，综合力学性能好，适合制作受力复杂的工件。热处理方式：调质处理。轴套尺寸如图4-2，4-3所示：图4-2上滚轮支撑轴套图4-3下滚轮支撑轴套通过螺纹传动来调整轴套的位置，满足被加工工件两个极限位置时的要求。图4-2为中心架顶盖支撑滚轮的轴套。轴套设计长度为：100 内螺纹长度为：60 外径：30 装配图中轴套处于的位置是被加工工件最大直径为200mm时的上极限位置。我们还需要检验被加工工件最小直径时，轴套长度是否符合设计要求。内螺纹长度60200/2(加工工件最大半径）-140/2（加工工件最小半径）=30mm轴套的设计符合要求 图4-3为中心架架体支撑滚轮的轴套。轴套设计长度为：110，内螺纹长度为：60外径：30 装配图中处于位置是被加工工件上极限位置。所以轴套长度100符合设计要求，同图一检验原理，内螺纹长度也符合设计要求。4.4支撑轴的设计计算 设计支撑轴的目的：通过轴和轴套之间的螺纹传动来实现对不同直径工件的加工。轴的材料品种很多，通常多用碳素钢，合金钢或者球墨铸铁。碳素钢价格低廉，对赢利集中敏感性比合金钢低，应用较为广泛。轴类零件一般采用45钢作为材料，价格便宜，综合力学性能较好，所以支撑轴选用45钢。热处理方式：调质处理。轴：是由轴承支承或者齿轮，车轮等中间一根圆柱形物体，也有很少一部分是方型的。轴一方面可以支承转动的零件，另一方面可以和零件一起作回转运动，从而传递运动、扭矩以及弯矩的机械零件。一般来说，机器中作为回转运动的零件就会安装在轴上。轴可分为：直轴（直轴分为：转轴，心轴，传动轴），曲轴和软轴。 轴的工作能力一般取决于强度和刚度，转速高时还取决于振动稳定性。轴的结构工艺性，是指轴应具有良好的加工和装配工艺性，有利于提高生产率和降低成本，一般来说，轴的结构形式应该尽量的简单。设计时应该注意以下几个方面的问题：（1） 轴上需要磨削的轴径阶梯处，应该留砂轮越程槽，需要切制螺纹的阶梯处，应该有退刀槽。（2） 轴端和各阶梯端面应该制出45倒角。（3） 当轴与轴上零件采用过盈配合时，若配合轴段的装入端过长，则可采用非定位的轴肩结构，同一轴段的不同部位选用不同的尺寸公差或者装入端加工导向圆锥面。（4） 为了减小盈利集中，常在轴的界面尺寸变化处采用过渡圆角，但要注意轴上零件定位可靠性的要求。支撑轴的设计尺寸如图4-4所示：图4-4 支撑轴4.5中心架架体以及中心架上顶盖总体尺寸设计 进行中心架架体尺寸的设计的目的：使中心架的结构紧凑，使其刚度能够达到支撑工件进行加工的要求。 中心架上顶盖尺寸设计的目的：为了中心架能够使工件夹紧的足够可靠，结构需要设计紧凑，同时刚度也需要达到实际使用要求。中心架架体和上顶盖的使用材料：一般采用铸铁，铸铁一般用于制造形状比较复杂的部件，而且价格比较低廉，成本低。热处理方式：去应力退火。铸铁的种类：灰口铸铁白口铸铁可锻铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁。铸铁具有以下性能：1.优良的铸造性能2.优良的耐磨性和消震性3.较低的缺口敏感性和良好的切削加工性能4.灰铸铁的机械性能由于中心架结构比较复杂，所以采用铸造成型，使用HT200作为中心架架体的材料。HT200:较高强度铸铁，基体为珠光体，强度、耐磨性、耐热性均较好，减振性也良好；铸造性能较好，需要进行人工时效处理.HT200工作条件：1.承受较大应力的零件（弯曲应力0.49MPa（大于10t在磨损下工作的大型铸件压力1.47MPa）3.要求一定的气密性或耐弱腐蚀性介质。中心架架体总体尺寸：320260380 如图4-5所示中心架上顶盖总体尺寸：41590260如图4-6所示图4-5：中心架架体图4-6：中心架上顶盖4.6 V型块总体设计尺寸V型块可以对完整的外圆柱面进行定位，也可以对非完整外圆柱面进行定位，V型块也是外圆定位最常用的一种定位元件。V型块的结构：如图2.14所示为几种典型的V形块结构。图4-7（a）是标准V型块，用于较短精基准外圆面定位；图4-7（b）的结构用于较长的粗基准外圆面定位；图4-7（c）用于精基准外圆面较长时，或两段精基准外圆面相距较远或是阶梯轴时的