机械毕业设计88齐齐哈尔大学对枪管内表面进行精确加工的机器设计.doc
机械毕业设计88齐齐哈尔大学对枪管内表面进行精确加工的机器设计
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机械毕业设计88齐齐哈尔大学对枪管内表面进行精确加工的机器设计,机械毕业设计论文
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齐齐哈尔大学毕业设计（论文）用纸摘 要本次设计的是对枪管内表面进行精确加工的机器，加工的枪管孔径为18.3mm，长度为500600mm，机器每天工作10小时，使用寿命20年。它是利用研磨的原理进行工作的，通过两部分动力分别控制磨具的两个方向运动。在设计完各个部分的基础上，进行了总体结构布置。新机器克服了原有机器的一些缺点，成功提高了传动效率和加工精度。机器对枪管内表面进行加工后，表面可以达到较高的精度和较低的表面粗糙度，符合设计的基本要求。关键词：曲柄滑块机构 研磨 加工精度AbstractThis machine is designed to make precision work for guns internal surface. The diameter is 18.3 millimeters, and the length is 500600 millimeters. The machine can be used 10 hours every day. And it may work 20 years. Its cardinal principle is grinding. Two parts of power machine was selected to drive the different motion of the abrasive sticks. Overall arrangement has been done based on every separated component. The new machine has been finally increased the transmission efficiency and developed the machining quality successfully. The guns internal surface processed has higher precision and lower roughness. It fulfils the designed requirements.Key words: the crank slipping-piece mechanism grind machining accuracy grinding machine 目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1 机械制造装备在国民经济中的地位11.2 机械制造装备的类型21.3 机械制造设备设计要求21.4 枪管精加工机研究的现状3第2章 总体设计方案42.1 直线运动的实现方式42.2 旋转运动的实现机构5第3章 磨削工艺分析73.1 磨削的加工特点73.2 磨削工艺73.2.1 磨料的选择73.2.2磨条硬度的选择93.2.3结合剂的选择93.2.4润滑剂的选择93.2.5磨条93.3 磨削参数103.3.1磨料粒度103.3.2磨削速度103.3.3磨削余量103.3.4磨削压强103.4 加工工艺的方案的确定10第4章 电动机的选择124.1 电动机的类型124.2 电动机的选择124.2.1选择电动机的要求124.2.2选择电动机的功率124.2.3确定电动机的转速14第5章 磨具的回转运动分析155.1 磨条运动分析155.2 伺服电动机选择165.3 联轴器的选择16第6章 主传动系统设计186.1 传动参数的确定186.1.1计算传动比186.1.2计算传动装置和运动参数186.2 V带传动设计206.2.1 设计原则206.2.2原始参数206.2.3设计步骤206.3 减速器设计246.3.1 确定齿轮参数246.3.2按齿面接触强度设计256.3.3轴的设计296.3.4求轴上的载荷326.3.5带轮和齿轮的确切尺寸的确定356.3.6减速器润滑与密封356.3.7减速器的附件设计366.4 曲柄滑块机构设计386.4.1连杆的结构设计386.4.2飞轮的结构设计40第7章 滑块导轨和机座设计447.1 滑块和导轨设计447.2 机座的作用和设计要求457.3 机座的材料和时效处理46第8章 电路控制系统478.1 电路功能要求478.2 控制线路设计48第9章 夹具设计49第10章 润滑方式的设计51结 论52参考文献53致 谢5453第1章绪 论1.1 机械制造装备在国民经济中的地位制造业是一个国家国民经济发展的重要支柱，是国民经济的主要来源。可以说，制造业的发展水平是衡量一个国家或地区经济实力、科技水平和综合国力的重要标准之一。机械制造业是制造业的核心，是向其他各部门提供工具、仪器及各种先进制造装备的部门。随着科学技术的迅速发展，机械制造生产模式发生了巨大的演变。19世纪末20世纪初制造业开始起家。二次世界大战期间，大规模的军工生产，使得枪械制造业取得了飞速发展。20世纪50年代，产品品种单一，为了提高生产率，满足生产条件下这种生产方式可实现刚性自动化，大幅度降低成本，极大的提高劳动生产率。随着世界经济的发展，市场环境发生了巨大的变化，制造商的竞争逐渐全球化，为了赢得竞争的胜利。制造业必须依赖制造技术的改进和管理方法不断开发出符合用户不同要求的新产品。为此先进制造技术发展迅速。如计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助工艺规程设计（CAPP）、成组技术（GT）、计算机辅助生产管理（CAMP）等作为工具和手段，在机械制造业中的应用已逐渐成熟，并取得了可喜的成效。随着计算机辅助技术向智能化、网络化和集成化方向发展，为了充分利用企业的软硬件资源，发挥企业的集体效益，国外在20世纪80年代出现了一种新的生产模式CIMS，CIMS的核心在于集成。它将企业的人、生产经营系统和工程技术系统有机地集成起来，构成适合于多品种、中小批量生产的高效益、高质量和高高柔性的智能生产系统。CIMS技术的出现使机械制造自动化水平开始由系统自动化向综合自动化方向发展。1.1 机械制造装备的类型机械制造装备包括加工设备、工艺设备、仓储输送设备和辅助设备4种类型。加工设备主要指机床，也称工作母机。根据加工特点可分为金属切削机床、锻压机床、特种加工机床和木工机床。本设计的枪管精加工机属于金属切削机车中的专用机床。是用于加工特定工件的特定工序的机床，是为特殊工艺要求专门设计，制造的加工设备，此类机床结构简单，生产效率高，适合大批量生产。工艺装备即产品制造过程中所用各种工具的总称。包括刀具、夹具、量具、辅具、模具、检具、钳具、工具和工位器等，它是保证产品制造质量，贯彻工艺规程，提高生产效率的重要手段。输送机及仓储装备主要包括物料输送装置，机床上下料装置各级仓储装置及立体仓库等，辅助设备包括清洗机、排屑和计量等设备。1.3 机械制造设备设计要求机械制造设备设计的好坏，直接影响其质量成本、研制周期及市场的竞争能力。随着科学技术的发展，人们对机械制造装备提出了更多更高的要求。除了设备的使用功能外，提出了精密化、自动化、机电一体化、柔性化、智能化、高效节能、绿色工程、工业工程成套设备等要求。机械制造转变的使用功能一般包括：加工精度要求、刚度和抗振性要求、加工稳定性要求、耐用度要求、成本低等要求。机械制造装备使用功能除满足上述要求外，还应满足体积小、重量轻、结构简单、使用安全可靠、操作维修方便等要求。机电一体化是机械工业技术和产品的发展方向，随着高新技术向产业的转移，传统的机械制造设备和生产管理将被大规模的改造和更新为机电一体化生产系统。由可知机电一体化系统或产品时，要充分考虑机械、液压传动、电力电子、监测、计算机软、硬件的特点，进行合理的功能搭配。由接口使各部分和子系统联成一个有机整体，是各功能环节有目的的协调，一致运动。机电一体化或产品时，应具有功能强、性能高、精度高、可靠性强、故障低、节能节材、机械结构简单并具有灵活性等特点。1.4 枪管精加工机研究的现状目前，我国枪支生产企业中所使用的加工设备大多数已陈旧过时，特别是枪管精加工机。现今使用的还是上世纪七、八十年代制造的。无论是从加工效率还是加工精度、质量上都远远落后于国外。这种情况如果不能得到有效的解决，将很不利于提高我国警、军的战斗力。国外使用的枪管精加工机较我国内使用的先进，对于生产枪支的企业来说。国外的工厂对中国的精加工技术是保密的，所以在某中程度上说，要改变现状，只有通过我们自身的不断努力的研究和改进来达到越来越高的生产要求。枪管精加工机是枪支生产企业中的一种非常重要的加工设备，主要用于磨削半精加工的枪管内孔。枪管内孔的加工精度将直接影响到枪支的使用性能和寿命。因此，枪管精加工机的设计和制造水平，代表着整个枪支生产领域的技术水平。对于提高我国在枪支生产行业的生产水平，都有着重要意义。通过对本课题的深入研究，可以对枪管精加工机的某些不足之处加以改进提高现有设备的生产效率。本课题的只要难点是计算电动机所提供的功率，根据功率和转速对机构的各个部件的尺寸、材料进行计算。其中包括确定各级参数，根据世界需要，合理布局部件的尺寸位置。第2章 总体设计方案经过毕业实习期间深入工厂，对工厂的现使用的枪管精加工机进行了实地考察。发现了许多在加工过程存在的问题。例如：磨条在伺服电动机的带动作用下，在自转的同时，能否保证上下运动和直线往复运动的一致性。在对机器的整体综合分析的基础上反复论证，对原有机器的结构和传动进行改进。首先，通过对磨削的各个粗略参数和设计加工工件的尺寸，确定磨削力的大小。根据力的大小计算出机构的传动所需的电动机的功率，确定电动机的型号。计算磨条的材料、力度等各方面的确切数值。根据电动机的类型，确定各个轴的转速传递功率等，进行轴和V带的具体设计。最后设计机构的其他部分。例如飞轮和其他零部件，根据实际需要，合理布局各个执行部件的位置，调试电路控制部分。2.1 直线运动的实现方式根据实际需要，通过比对，凸轮机构和曲柄滑块机构的性能，结合实际生产需要，在本设计中枪管的长度为500600mm，如果采用凸轮结构会使计算出的凸轮的尺寸太大，无法价格和制造。而且凸轮的精确度较曲柄滑块小，在工作易磨损。故选用曲柄滑块来实现设计需要实现的往复直线运动。同时也可以满足直线度的要求。曲柄滑块结构的工作可靠，结构简单，设计计算和加工制造方便，故选择曲柄滑块机构。曲柄滑块机构采取的也是立式布置，滑块作垂直运动。曲柄滑块运动时存在死点，当滑块运动到最高点或是最低点时，若没有储能元件的带动将会停止运动。设备应用飞轮作为储能元件，同时还可以克服滑块的惯性力，使曲柄运动平稳。由于曲柄滑块机构运动过程中存在不平衡惯性力，这样会使输入运动的轴降低机械效率和使用寿命，所以采用配重的方法来平衡惯性力；设备采用了三角导轨，用压条装置和镶条来调节配合间隙，以保证滑块的运动精度。在夹具设计上，为了补偿枪管夹具的定位误差，采用了浮动装置，枪管的长度为500600mm，取滑块的实际行程为800mm。连杆长度取1200mm。为减少工作中的速度波动，增加运动平稳性，曲柄设计成飞轮的形式。图2-1 曲柄滑块转化成飞轮结构2.2 旋转运动的实现机构磨条自身的旋转运动可由两种方式来实现。一是由一个额外的电动机通过带传动一个蜗轮来蜗杆来实现，带传动具有过载保护的功能，传动平稳，但是在蜗轮蜗杆传动时，蜗轮蜗杆啮合齿轮间的相对滑动速度较大，使得摩擦损耗较大，因而使用此方法传动效率低，易出现发热和温升过高的现象。磨损也较严重，而且使用此方案会增加制造和装配难度。另一种是将电动机直接安置在滑块上面，用联轴器将电动机和磨条联结起来，带动磨条做旋转运动，由即选用两个体积小、重量轻、输出低转速的交流伺服电动机并排安装在滑块上分别带动两根磨条做旋转运动。减速部分设计方案：由于电动机输出的转速太高，要通过减速部件减速后，才能带动飞轮（曲柄）转动。在本设计中主要采用二个机构将速度降低到所需的要求。第一级采用带传动。因为带传动具有结构简单、传动平稳、造价低廉以及缓冲吸振等特点。重要的是带传动具有过载保护功能。在机器的工作中出现意外过载或卡死时，发生打滑现象，从而起到很好的过载保护功能。很好地保护设备和操作人员的安全。第二次通过一个二级齿轮减速器，将转速降到工作速度。因为没有轴向载荷，可以直接选用结构简单、使用广泛的展开式二级直齿圆柱齿轮减速器。尽可能地降低设备成本。第3章 磨削工艺分析磨削是用高硬度人造磨料与结合剂烧结而成的磨条作为刀具，以很高的速度 （约为车削的1015倍）对工件进行细微的加工。由磨削深度约为0.050.04mm，能获得高精度（IT6IT4）和低表面粗糙度值（Ra0.8Ra0.02m）的一种加工方法。 3.1 磨削的加工特点磨削时参加切削的磨粒多。切削速度大，精度高，生产率高。切削的形态不一，磨削的径向力大，切削速度高，温度高。 研磨可以获得很高的尺寸精度和低表面粗糙度。不仅有磨粒的切削金属机械加工作用，同时还有化学作用。磨削的结合剂是工件的表明形成氧化层，可以提高机械的生产效率。3.2 磨削工艺3.2.1 磨料的选择组成本设计的磨条的材料称为磨料。磨料有天然和人工两种。目前制造的磨条的材料主要采用人工磨料，有氧化物系（刚玉类）、碳化物系和高硬磨料系三类。根据磨料的选择主要与被磨工件的材料及其热处理方法有关系，各种磨料的代号、特性及选用范围如下表：表3-1 磨料的代号特性代号显微硬度（HV）特 性适用范围棕刚玉白刚玉铬刚玉黑色碳化硅绿色碳化硅人造金刚石AWAPACGCD220022802200230020002200284033202800340010000棕褐色。硬度高，韧性大，价格便宜白色。硬度比棕刚玉高，韧性较棕刚玉低玫瑰红或紫色。韧性比白刚玉高，磨削表面粗糙度小黑色，有光泽。硬度比白刚玉高，性脆而锋利，导热性和导电性好绿色。硬度和脆性比黑色碳化硅高，具有良好的导热性和导电性无色透明或淡黄色、黄绿色，黑色。硬度高，比天然金刚石脆磨削碳钢、合金钢、可锻铸铁、硬青铜 磨削淬火钢、高速钢、高碳钢及薄壁零件 磨削淬火钢、高速钢、高碳钢及薄壁零件 磨削铸铁、黄铜、铝、耐火材料及非金属材料 磨削硬质合金、宝石、陶瓷、玉石、玻璃等材料 磨削硬材料、硬质合金、宝石光学玻璃、半导体等 3.2.2磨条硬度的选择磨条硬度是指磨条上磨粒在磨削力的作用下，从磨条表面脱落的难易程度，也反映磨粒结合的牢固程度。硬度的选择决定于许多因素。其中主要的有被磨削工件的材料、磨削方式和性质等。在这次设计中的被加工的枪管由于其本身的硬度高。故应选择较软的磨条。3.2.3结合剂的选择结合剂的作用是将磨粒结合在一起，是磨条具有一定的强度，硬度、气孔和抗腐蚀性、抗潮湿的性能。由常用的结合剂有：陶瓷结合剂、树脂结合剂和橡胶结合剂。结合剂的选择主要与磨削方式加工表面的质量要求有关，由选择的基本的原则如下：在绝大多数的磨削工序中，如内圆、外圆、平面、齿轮、螺纹磨削以及刃磨工具等，一般采用陶瓷结合剂。在下列工序中常用树脂结合剂。荒磨和粗磨与冲击较大的工序。需要减少发热量,避免工件发生烧伤和变形的工序。在下列工序中常用树脂结合剂和橡胶结合剂。切断与开槽。高级的精细磨削，超粗磨削以及滚动轴承内外槽的磨削等，以保证获得高的粗糙度，并避免工件烧伤。3.2.4润滑剂的选择一般用煤油、机油、苏打水等，特别精确的工件用汽油。在煤油中加入硬脂酸能加快工作速度。3.2.5磨条磨条的张开方式分为机械（一般用弹簧）和液压（用液压缸、活塞杆）两种，为增加磨条长度，由在磨头上并列地装上多个标准磨条。3.3 磨削参数3.3.1磨料粒度磨料的粒度一般要根据所要求的表面粗糙度选择，粒度越细，则加工后的表面粗糙度也就越低。粗研时，为了提高生产率，用较粗的磨粒，如W28W40。精研时，用较细的磨粒，如W5W28。镜面研磨时，则用更细的粒度W1W3.5。3.3.2磨削速度在一定的范围内，研磨作用随研磨速度的提高而增强。但过高的研磨速度会造成发热现象，这样有时会烧伤被加工表面，使研磨剂飞溅流失，运动平稳性降低，研具聚积磨损，直接影响加工精度。为了保证实际加工的需要，本设计的研磨时切削速度较低，这里取1.2m/s。3.3.3磨削余量为了提高生产率和保证研磨质量，研磨余量应该尽量小，机械研磨速度也要小于15m在这里我们取10m。3.3.4磨削压强研磨时所采用的压强，在手工研磨时，主要靠操作者的感觉来确定。而用机械研磨时的研磨压力，则要从手册中查出范围。查得：q=1.22.8X105Pa我们取2.5105Pa。3.4 加工工艺的方案的确定 综合选择，设计的研磨加工方案为：深孔内表面粗研和精研加工；研磨液：工件为淬火钢，采用透平油或乳化油；材料为钢时，粗研：煤油三份，10号机油一份，透平油，轻质矿物油；精研：10号机油；磨料：金刚砂；研磨轨迹为旋转螺旋网纹。第4章 电动机的选择4.1 电动机的类型电动机可分为交流和直流电动机两大类。交流电动机又可分为异步电动机和同步电动机，由于生产单位一般多采用三相电源，因此，无特殊要求时均采用三相交流电动机。其中以三相异步电动机的应用最为广泛。根据不同的防护要求，电动机有开启式、防护式、封闭自扇冷式和防爆式等不同的结构形式。选择电机的原则是：在保证工作机正常工作，并具有一定过载保护能力的前提下，尽量选择容量较小，通用性较强，电能消耗低的型号。综合考虑工作情况和经济性要求。4.2 电动机的选择4.2.1选择电动机的要求按已知工作要求和条件，选用Y系列一般用途的全封闭自扇冷鼠笼型三相异步电动机。该系列的电动机结构简单，铸铁外壳，小机座上面有散热筋，大机座上采用管道通风，铸铝鼠笼转子。它坚固耐用，工作可靠，价格低廉，维护方便。该类型的电动机具有国际互换性，起动性能好，堵转转矩较高，噪声低等特点。工作时其环境温度不超过40，相对湿度不超过95%，定子绕组温升不超过80，并有10以上的温升裕度，工作额定电压为380V，频率为50Hz。4.2.2选择电动机的功率研磨时，轴向力为： (4-1)其中 oc研磨轴向系数，查表得0.050.07，取0.05。S磨条工作面积，初步取磨具长度为300mm。则S=。Q磨条对零件表面的单位压力，取2.5105Pa。则：取轴向研磨平均速度为 0.9m/s，则加工功率为：滑块运动速度V与曲柄转角和转速之间有近似关系 (4-2)其中 r曲柄长度，取400m。 曲柄长度和连杆长度之比，。根据正弦曲线的特征可知，平均速度和角速度之间的关系为取平均速度为则求出曲柄的旋转角速度为：近似取=27r/min。由速度曲线定理知，最大速度为：所以，最大功率为电动机的输出功率计算： 带传动效率 齿轮联轴器传动效率 二级直齿减速器传动效率 滑动轴承传动效率故有 由于在精加工过程中对飞轮的速度调节有变化，而且在加工过程中整个工作机对运动轨迹的精度要求高，所以可以选用比计算功率稍大功率的电机。4.2.3确定电动机的转速由前面计算得，曲柄转速为V带传动比范围为，展开式二级圆柱齿轮传动比范围则总传动比范围为：。电动机转速可选范围为：。综合以上，从电动机产品列表中选择电动机型号为：Y122L-6，其主要参数如下：表4-1 电机参数列表功率满载时堵转电流额定转矩电流转速效率功率因数1.5kW4.0A940r/min77.5%0.746A2第5章 磨具的回转运动分析5.1 磨条运动分析根据第2章的方案论证，回转运动采用单独驱动的方案。在磨条的最上端安装一个伺服电动机带动磨条转动而不是原电动机通过带传动涡轮蜗杆带动磨条转动此方案对提高传动效率和工作精度都有很大幅度的提高研具轴向力计算：圆周力 (5-1)其中： 磨条工作面积。磨条对零件表面积的单位压力，范围为，这里取。圆周力计算系数，取0.3。 所以 预计研具转速为n=6070r/min.则圆周速度为研磨功率为: 5.2 伺服电动机选择根据运动分析中得到的运动参数，选用体积小、重量轻、力学性能指标高的交流伺服电动机。根据实际应用中的作用和经济条件的限制，通过认真的比对，决定从列表中选择电机为:SD系列交流伺服电动机,其具体参数如下:表-2 伺服电机参数型号额定频率额定励磁电压额定控制电压空载转速外形尺寸(mm)总长外壳外径轴径SD7550Hz110v110v75r/min97.55575.3 联轴器的选择联轴器所联结的两轴，由于制造及安装误差、承载后的变形以及温度变化的影响等，往往不能保证严格的对中，而是存在着某种程度的相对位移，这就要求设计联轴器时，要从结构上采取各种不同的措施，使之具有适应一定范围的相对位移的性能。根据伺服电动机的型号，选择型套筒联轴器。该联轴器的直径d=10mm，许用转矩为4.5。结构简图为：图5-1 套筒联轴器第6章 主传动系统设计6.1 传动参数的确定6.1.1计算传动比传动装置总传动比： 分配各级传动比由 i= i带i齿为使V带传动的外部尺寸不致过大，令V带传动比i带=3，则i齿=i/i带=34.8/3=11.6。考虑润滑条件，为使二级齿轮减速器的两个大齿轮直径相近，取两级传动比关系为：。故 6.1.2计算传动装置和运动参数1计算各轴的转速：轴 轴 轴 轴 曲柄轴 2各轴的输入功率轴 轴 轴 轴 曲柄轴 3各轴扭矩轴 轴 轴 轴 曲柄轴 将以上计算的运动和动力参数列表:表6-1 各个轴的运动和动力参数转速n(r/min)功率P(kW)扭矩T(Nm)轴轴轴轴曲柄轴940313.377.727271.51.441.41.371.3415.2443.89172.07484.57473.936.2 V带传动设计6.2.1 设计原则带传动的主要失效形式即为打滑和疲劳破坏。因此，带传动的设计准则应为：在保证带传动不打滑的条件下，具有一定的疲劳强度和寿命。6.2.2原始参数设计带传动时，给定的原始数据为：传递功率：P=1.5kW转 速：n1=940r/min n2=313.3r/min以及传动位置要求和工作条件等。设计内容包括：确定带的截型、长度、根数、传动中心距、带轮基准直径及结构尺寸等。6.2.3设计步骤1. 确定计算功率Pca计算功率Pca是根据传递的功率P，并考虑到载荷性质和每天的工作时间长短等因素而综合确定。 Pca=KAP （6-1）查表8-6，得工况系数KA=1.2所以 Pca=1.21.5=1.90kW2. 带型的选择根据计算功率Pca和小带轮转速n1,由图8-9选择带型为普通V带，A型。3. 确定带轮的基准直径d d1和 d d21) 初选带轮基准直径d d1根据V带截型，参考表8-3，8-7，取d d1=110mm。则大带轮基准直径取d d2 =313mm2) 验算V带的速度V13）确定中心距a和带的基准长度Ld由于中心距不清楚，可以根据传动的结构需要确定中心距，取 初选a0=750mm。所需皮带基准长度 由表8-2中，选取，则实际中心距为：考虑安装调整和补偿预紧力需要（如带伸长而松弛后的张紧）的需要，中心距变动范围为： 4）验算主动轮上的包角。5）确定带的根数 （6-2）其中： 包角系数，由表8-8得 长度系数，由表8-8得 单根V带基本额定功率， 计入传动比影响时单根V带额定功率增带入数据得：取Z=2。6）确定带的预紧力单根V带所需的预紧力为 （6-3）其中: q传动带单位长度的质量，由表8-4得q=0.10Kg/m。 7) 计算带传动作用在轴上的力Fp8) 带轮结构尺寸确定由电动机Y122L-6可知，输出轴直径d=28mm,长度E=60mm。可以确定小带轮的结构尺寸，如图6-1。图6-1 小带轮6.3 减速器设计6.3.1 确定齿轮参数1. 按传动方案可知，由选用直齿圆柱齿轮传动。这种齿轮是两级减速器中最简单的一种。齿轮相对于轴承位置不对称，当轴产生弯曲变形时，载荷在齿宽上分布不均匀。因此，轴设计得具有较大的宽度，并尽量使高速级齿轮远离高输入端。 图6-2 减速器简图2. 由于减速器的前面有一级带传动减速，所以齿轮减速系统速度不高，选用7级精度。3. 材料选择，由表10-1选择小齿轮材料40Gr（调质），硬度280HBS。大齿轮材料45钢（调质），硬度240HBS。二者材料硬度差40HBS。4.选小齿轮齿数Z1=24，大齿轮齿数，取97。6.3.2按齿面接触强度设计由公式 （6-4） 1. 确定公式内的计算数值1） 选载荷系数Kt=1.3。2） 算小齿轮传递的转矩，。3） 由表10-7选取齿宽。4） 由表10-6查得材料的弹性影响系数。5） 由表10-21d按齿面硬度查得小齿轮接触疲劳强度极限 ，大齿轮接触疲劳强度极限。6） 由表10-13，计算应力循环次数其中 NN7) 由表10-19查得接触疲劳寿命系数。8) 疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数s=1,则有2. 几何尺寸计算及运动参数计算1) 齿轮分度圆直径 （6-5）2) 算圆周速度V3) 计算齿宽b4) 计算齿宽与齿高b/h模数齿高 比值5) 载荷系数由V=0.725m/s,7级精度，由表10-8查得动载荷系数KV=1.5，直齿轮，假设KAFt/b100N/m，由表10-3查得，由表10-2查得使用系数，由表10-4查得7级精度小齿轮相对支承非对称布置时带入数据得：由b/n=10.67, 由表10-13查得故载荷系数6) 按实际载荷系数校正所算得的分度圆直径由公式 （6-6）得: 7) 计算模数m 取标准值m=2.5。由于通常情况下，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，再考虑安全系数的因素，不需要进行齿根弯曲强度校核。8) 计算齿数 3几何尺寸计算1) 计算分度圆直径2) 中心距 3) 齿轮宽度 我们取B2=64mm，B1=70mm。4. 计算齿数Z3，Z4取相同模数m=2.5，令Z3=50，则。由齿数和模数可以算出齿宽取 B3=110mm，B4=105mm。把各个齿轮的参数列表如下：表6-2 齿轮参数参数符号Z1Z2Z3Z4齿数压力角分度圆齿顶高齿根圆基圆齿顶高齿根高齿宽ZD(mm)da(mm)df(mm)db(mm)ha(mm)hf(mm)b(mm)22 20556047.7551.382.53.1257089 20222.5227.5216.25208.482.53.1256550 20125130118.75117.462.53.125110117 20292297285.75271.192.53.1251056.3.3轴的设计1.轴的材料选择及主要力学性能轴的材料只要是碳钢和合金钢。由于碳钢比合金钢价格便宜，对应力集中的敏感度较低，同时也可以用热处理或化学热处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度，故采用碳钢制造轴尤为广泛，这里采用的是最常用的45钢。由表15-1得：表6-3 45钢的性能材料牌号45钢热处理毛坯直径硬度（HBS）抗拉强度极限B屈服强度极限S弯曲疲劳极限-1剪切疲劳极限r许用弯曲应力-1调质200 mm217255640 MPa355 MPa275 MPa155 MPa60 MPa2.试算轴的最小直径轴传递的功率为1.44kW，材料为45钢。由表15-3查得A0取120，则 轴传递功率P=1.4kW,转速n=77.7r/min。由于传动的确功率很小，按扭转强度条件计算出的轴的最小直径都很小。考虑到稳定性要求和结构需要，可对轴的结构尺寸进行适当调整。根据实际情况取d1=30mm,d2=45mm,d3=65mm。3.轴的结构设计 为了满足大带轮的轴向定位的要求，在轴的右端设计一个出一个轴肩，左端用轴端档圈定位，带轮毂长为40mm。由于轴承不受轴向力的作用，设计中选用普通的滚珠轴承，根据实际需要选择深沟球轴承尺寸系列，其基本尺寸为357516mm，齿轮、带轮与轴的周向定位均采用平键联结。键的两侧面是工作面，工作时靠同键槽侧面的挤压来传递转矩。由手册查得平面截面取bh10mm8mm(GB/1095-1990).键槽用键槽铣刀加工，长度取25cm为了保证带轮与轴配合有良好的对中心性，选择带轮轮毂与轴配合为H7/h6.滚动轴承与轴的周向定位是借过渡配合来实现的，参考表15-2，轴端角为245，各轴的结构如图所示：图6-6 轴、的结构6.3.4求轴上的载荷1. 做出轴的计算简力图图6-7 轴的简力图其中， ，。列静力学方程 带入数据，计算得： ， 。列静力学方程 带入数据，计算得： 根据公式 （5-7）轴的力矩图：图6-8 轴的力矩图2.校核轴的强度已知轴的弯矩和扭矩后，可判断出危险截面为和，做弯扭合成强度校核，按理论计算应力：这里有弯矩产生的弯曲应力是对称循环应力，而由扭矩产生的扭转应力则不是对称循环应力。考虑到两者循环特征不同的影响，引入循环系数，则计算应力为： （6-8） 取0.3在截面处故满足要求。在截面处 带入公式有：可见截面处也同样满足强度要求。6.3.5带轮和齿轮的确切尺寸的确定表6-3 带轮和齿轮尺寸大带轮Z1Z2Z3Z4飞轮孔径结构形式30腹板式齿轮轴50腹板式50实心式80腹板式65飞轮6.3.6减速器润滑与密封齿轮传动的润滑因为齿轮转速适中，宜采用浸油润滑，即将齿轮浸入油中。当传动件回转时，粘在上面的油液被带至啮合面进行润滑，同时油池中的油也被甩上箱壁，借以散热。为保证齿轮与齿轮啮合的充分润滑，控制搅动油的功耗损失和发热量，传动件浸入油中深度不宜过浅或过深。齿轮的圆周速度为：取齿轮半径，即mm。为了避免大齿轮回转时，将油池底部的沉积物搅起，大齿轮顶圆到油池底面的距离不应小于3050mm，这里取35mm。2 滚动轴承的润滑齿轮的圆周速度为速度过小，不能采用飞溅润滑的方法。速度小而不足以使飞溅的油液形成油雾而直接溅入轴承室。为了可靠起见，在箱座结合面上制出输油沟，让溅到箱盖内壁上的油汇集在油沟内，而后流入轴承进行润滑。3 密封润滑的主要目的是减少摩擦与磨损，而密封的目的是防止外部灰尘、水分等进入轴承，也防止润滑剂流失。1）机盖与机座间的密封为了保证机盖与机座连接处的密封可靠，应使连接处凸缘有足够的宽度，联结表面应精刨，其表面粗糙度不大于Ra6.3，凸缘联结螺栓之间的距离一般为150200mm，且均布布置，以保证剖分面的密封性。2） 轴承与机座间的密封滚动轴承密封方法的选择与润滑的种类、工作环境、温度、密封表面的圆周速度等有关，这里采用接触式密封。6.3.7减速器的附件设计 为了保证减速器的正常工作,除了对齿轮、轴、轴承组合和箱体的结构设计给予足够的重视外，还应考虑到为减速器润滑右池注油、排油、检查油面高度、加工及拆装检修时箱体与箱座的精确定位、吊装等辅助零件和部件的合理选择。由可得:1检查孔为检查传动件的啮合情况，并向箱内注入润滑油，应在箱体的适当位置设置检查孔。本设计中的减速器检查孔设在箱盖顶部能直接观察到齿轮的啮合部位处。平时，检查孔的盖板用螺钉固定在箱盖上。 2通气孔减速器工作时，箱体温度升高，气体膨胀，压力增大，为使箱内热空气能自由排出，以保证箱内外的压力平衡，不致使润滑油沿分箱面或轴伸密封等其他缝隙渗漏，通常在箱体顶部装设有通气孔。其结构形式如图。 图6-9 通气孔3轴承盖为固定轴系部件的轴向位置并承受轴向载荷，轴承座孔两端用轴承盖密封。轴承盖有凸缘式和嵌入式两种。设计采用凸缘式轴承盖，利用六角螺栓固定在箱体上，外伸轴处的轴承盖是通孔，其中装有密封装置。凸缘式轴承盖的优点是拆装、调整轴承方便，但和嵌入式相比，零件数目较多、尺寸较大、外观不平整。4定位销为保证每次拆装箱盖时，仍保持轴承座孔制造加工时的精度，应在精加工轴承孔前，在箱盖与箱座的联结凸缘上配装定位销。设计采用的两个定位圆锥销，安置在箱体纵向两侧联结凸缘上，对称箱体应呈非对称布置，以免错装。5放油螺塞换油时，排放油污和清洗剂，应该在箱体底部、油池的最低位置开设放油孔，平时用螺塞将油孔堵住。放油螺塞和箱体结合面应加防漏用的垫圈。确定结构形式如下：图6-10 放油螺塞6油面指示器检查减速器内油池油面的高度，经常保持油池内有适量的油，一般在箱体便于观察，油面较稳定的部位，装设有油面指示器。设计采用的油面指示器是油标尺。7启箱螺钉为加强密封效果，通常在装配时对于箱体剖分面上涂以水玻璃或密封胶，因而在拆卸时往往因胶结紧密难于开盖，为此常在箱盖联结凸缘的适当位置，加工出12个螺孔，旋入启箱用的圆柱端或平端的启箱螺钉。旋动启箱螺钉便可将上箱盖顶起。小型减速器也可不设启箱螺钉，启盖时用螺钉旋具撬开箱盖。起箱螺钉的大小可同于凸缘联结螺栓。8起吊装置由于本设计中的减速器重量超过25Kg，为了便于搬运，在箱体设置起吊装置，如在箱体上铸出吊耳或吊钩等。6.4 曲柄滑块机构设计曲柄滑块机构结构简单，制造和安装方便，且工作稳定，性能可靠，广泛应用于各种机械传动装置中。6.4.1连杆的结构设计 由前面的力分析和可知，连杆所受轴向力最大为，曲柄所受最大阻力矩为。数值都比较小。由于没有考虑机构本身的摩擦和自重，特别是滑块及安装在上面的伺服电动机的重量。故在实际中连杆所受的轴力要大的多，预计取。连杆的简单力学模型为两端受轴向力的二力杆。因此，连杆的主要失效形式为稳定失效。为增加连杆的稳定性，连杆截面设计成工字型截面。参考原机的尺寸，初步确定工字型截面尺寸。连杆两头的转动副可以一头用单列向心轴承，另一头用能够自动调心的轴承，也可以两头都用能自动调心的轴承。图6-14 连杆结构示意图然后进行连杆受压力的稳定性校核：连杆选用45钢，。长度，最大压力。选定稳定性安全系数为。由有压杆柔度公式 （6-20） 因为连杆简化为两端铰支杆，。工字型截面的惯性矩为：截面积： 连杆的柔度为：故不能用欧拉公式计算临界压力。用直线公式，由表14-2查得优质碳钢的a和b分别是：a=461MPa， b=2.568MPa。由公式14-11：可见，连杆的柔度界于和之间（）,为中等柔度牙杆。由直线公式求出临界应力为：临界压力为连杆工作安全系数为符合稳定性要求。6.4.2飞轮的结构设计由飞轮作用原理-15 轮的能量图 由图可见，在b点线机械出现能量最小值，而在C点处出现的能量最大值，故在与之间出现最大盈亏功，即驱动功与阻抗功之差的最大值。其值可由下式计算，即忽略等效转动惯量中的变量部分，即设机械的等效转动惯量。则当时，。当时，。最大盈亏功为则 对于机械系统原来所具有的等效转动惯量来说，等效构件速度不均匀系数将为：当速度不均匀系数不满足条件时，则在正定的最大盈亏功之下，应在等效构件上添加一个转动惯量为的飞轮。且 （6-21）作用在机械上的驱动力矩和阻力矩，在稳定运转状态下，往往是原动件转角的周期性函数。其等效力矩和也必然是等效构件转角的周期性函数。但是经过等效力与等效转动惯量变化的一个公共周期，机械的动能又恢复到原来的值。因而等效构件的角速度也将恢复到原来的数值。由此等效构件的角速度在稳定运转过程中将呈现周期性波动。这种波动对机械的工作是不利的。不仅将影响机械的工作质量，而且会影响到机械的效率和寿命。必须使用飞轮对其角速度进行调节。飞轮具有很大的转动惯量，因而要使其转速发生变化，就需要较大的能量，当机械出现盈功时，飞轮轴的角速度只作微小上升，即可将多余的能量吸收储存起来。而当机械出现亏功时，机械的运转速度减慢，飞轮又可将其存储的能量释放，以弥补能量的不足，而其角速度只作小幅度的下降。1. 飞轮转动惯量的近似计算飞轮的等效转动惯量的计算式为 （6-22）如果则忽略不计。于是 （6-23）用平均转速代替，则有 （6-24）飞轮本质上就是一个能量储存器。它可以用动能的形式把能量储存或释放出来。2. 飞轮尺寸计算飞轮转速控制在，所以取。参考同类机型的飞轮设计以及原机的设计文件，取。设为轮缘重量，、和分别为轮缘的外径、内径与平均直径，则轮缘转动惯量近似为或 （6-25）由结构设计需要，取。则 于是 取第7章 滑块导轨和机座设计7.1 滑块和导轨设计1.运动分析对枪管进行精加工时，运动件滑块沿着导轨运动时，导轨起到保持滑块沿着给定的方向做直线运动的作用。这就对导轨有了一定的要求。导轨必须要有导向精度、运动件运动轨迹的准确度、它与导轨的结构、导轨的几何精度和接触精度、导轨和基础的刚度、导轨的油膜厚度和油膜刚度、导轨和基础件的热变形等。因此设计时导轨要达到有足够的刚度，低速运动稳定性好，温度变化影响小，结构简单以及工艺性好和易于维护。2.截面形状选择直线运动的导轨截面要保证运动部件只能沿直线方向运动，限制运动部件的转动和横向运动。设计要求对滑块的转动和横向移动限制有较高的要求。因此，在设计里我选择导向精度较高的三角形导轨。三角形导轨的导向性能随顶角的大小而不同，越小导向性越好。但是减小时导轨的当量摩擦系数加大。故选择30的顶角，这样当导轨有了摩擦时，三角形导轨的工作台会自动下沉，补偿磨损量，支承导轨为凸三角形时，不易积存较大的铁屑，但是也不易存留润滑油，在此处适用。为了保证导轨的导向精度，对中性和精度保持性，增大导轨的接触面积，使滑块运动更加稳定，设计对导轨进行竖直安置。3.导轨材料及热处理对于导轨材料的主要要求有耐磨性好，工艺性好和成本低等。导轨的材料有铸铁、钢、有色金属和塑料等。为了提高耐磨性，运动件和支承导轨应具有不同的硬度。因此，尽量分别采用不同的材料。若使用相同的材料，应用不同的热处理。这里选用材料搭配为：运动件铸铁，承载导轨铸铁。铸铁选用HT30，导轨淬火可以采用接触表面淬火。4.导轨长度的确定导轨的长度根据加工枪管的长度的最大值、滑块的尺寸及夹具构件的长度而定，综合考虑曲柄、连杆、滑块及夹具的尺寸，选择导轨长度为1000mm。7.2 机座的作用和设计要求机座是机器设备的基础部件，设备的零部件安装在基座上，或者在其导轨上面运动。故机座在整个机器中的作用是很重要的。既起到了支撑作用，还承受其它零件的重量。零件在上面还保持相对运动，又起到了基准定位的作用。确保各部件间的精确相对运动。根据以上各方面的需要，由就提出了对机座的基本要求：1.应具有足够的刚度由于机座的自重和其它零部件的重量以及运动部件惯性力的作用，使其本身或与其相连的接触表面发生变形。若变形过大，会影响设备的粗糙度或工作时产生振动。为了减少受力变形，基座应具有足够的刚度来满足精加工的需要。2.耐磨性为了使设备能保证加工的精度，机座上的导轨应该有良好的耐磨性。所以在导轨的材料、结构、形状、热处理及防护和润滑都的做充分的考虑。3.应具有较小的热变形在精加工时，由于部分零件的相对的运动的摩擦，会产生一部分热量。而其他的部件，如电动机等热源散发出的热量，都会或多或少的传到机座上，由于热量分布不均匀和机座各部位散发热量的能力不相同。会使机座的各处温度不一样。由此产生的热变形会影响设备的加工精度。4.足够的抗振性在加工过程中，各部件的摩擦和电动机的转动，难免会产生振动，这就使得机座要有足够的抗受迫振动和抗自激振动的能力。来保证在加工过程中，振动不会给枪管精加工的粗糙度造成影响。5.结构工艺性和其它要求设计时，应考虑毛坯制造、机械加工和装配的结构工艺性。正确地进行结构设计和必要的计算。保证用最少的材料达到最佳的性能要求，达到缩短生产周期，降低造价，操作方便，便于维护等要求。7.3 机座的材料和时效处理机座的材料应根据其结构、工艺、成本、生产批量和生产周期等要求来正确选择。本设计的导轨设计为后镶嵌上去的。原机座上面不设导轨，根据机座采用HT250铸铁。也可以采用由型钢和钢板焊接的机座通常采用3号或5号钢，这种焊接的机座的优点主要有：1) 重量轻，钢的弹性模数较铸铁大，焊接后的机座的壁厚比较薄，其重量比同样刚度的铸铁机座约轻2050%。2) 在单件生产情况下，生产周期较短，所需设备简单，或成本较低。3) 机座制成之后，可根据试验或使用情况，随时可临时补焊加强筋，可以提高在设计之初的不足之处。焊接机座的缺点是：1)在成批生产时，成本由于基本为手工焊接。生产的成本较大。而且工人的工作强度也较大。2)钢的抗振性较铸铁差，故在完成后，需要采用必要的防振的措施。时效处理就是在精加工之前，使机座充分变形，消除内应力，提高其尺寸稳定性。由于粗加工时会加大残余应力，故时效处理最好在粗加工后进行。由于在铸造方法制造机座和对其机械加工过程中，会产生高温。因各部分冷却速度不同而收缩不均匀，使金属内部产生内应力。所以需要进行必要的时效处理。第8章 电路控制系统生产设备的电气控制系统设计与生产设备结构设计是分不开的，尤其是现代生产设备的结构以及使用效能与电气自动控制的程度是密切相关的。因此，在生产过程中要对电动机进行自动控制，使生产机械各部件的动作按顺序进行，保证生产过程中加工工艺合乎预定要求。对电动机主要是控制它的启动、停止、正反转、调速及制动。电气控制方式应能保证生产设备的使用效能和动作程序、自动循环等基本动作要求。由于近代电子技术和计算机技术已深入到电气控制的各个领域，各种新型的控制系统不断出现，它不仅关系到生产设备的技术使用性能，而且也深刻地影响着生产设备的机械结构和总体方案。对电动机或其它电气设备的接通或断开 ，当前国内还较多地采用继电器、接触器以及按钮等控制电器来实现自动控制。这种控制系统一般称为继电接触器控制系统，它是一种有触点的断续控制，因为其中控制器是断续动作的。8.1 电路功能要求电气控制系统除了能满足生产机械的加工工艺要求外，要想长期、正常、无故障地运行，还必须有各种保护措施。保护环节是所有生产机械电气控制系统不可缺少的组成部分，利用它来保护电动机、电网、电气控器设备以及人身安全等。根据枪管精加工机的实际工作要求，由要求电气控制系统具有如下功能：a) 机器的启动、停止；b) 主电动机和伺服电动机同时启动；c) 短路保护、过载保护和零压保护；d) 交流伺服电机需要降压。8.2 控制线路设计控制线路分为主电路和控制电路两部分。控制电路功率小，因此可以通过小功率的控制电路来控制功率较大的电动机。控制电路设计如图8-1：图8-1 电路控制图其工作过程如下：按SB4，伺服电动机启动工作磨条开始；按SB2，接触器KM1得电，磨条前进；当磨条移动到预定位置，动合开关触点ST2压合，使接触器KM1失电，接触器KM2得电，磨条后退；当磨条移动到预定位置，动断开关触点ST1断开，使接触器KM1得电，接触器KM2失电，磨条前进；按SB3，使磨条在中间位置能立即后退到起始位置；按SB1，断电，机构停止工作。第9章 夹具设计在机械制造工业中，完成工件所需要的加工工序、装配工序及检验工序都使用着大量的夹具。由利用夹具可以提高劳动生产率，提高劳动精度，减少次品，也可以改善操作的劳动条件。因此，夹具是机械设计制造中一项重要的工艺装备。1.夹具的作用：1）可以正确迅速地将工件安装（定位和夹紧）到相对磨条的位置，因而既可以简化加工手续，又可以大大缩短机械加工单件工件时间，提高了劳动生产率。2）可以避免工人在定位是所产生的误差，可以稳定地保证加工精度是工件能够互换。3）可以充分发挥已有设备的潜力，用以完成复杂的工序。也可以完成进行两个工件的加工。4）可以降低对工人技术水平的要求。同时使工人操作方便，生产安全和减轻体力劳动的强度。2.由设计的步骤归纳如下：1）深入生产实际调查研究详细阅读枪管的图纸，了解在整个枪支中的位置和作用。被加工的表面的技术要求，以及装配中的特殊要求。了解工件的工艺过程，年生产量和批量大小。设计的枪管精加工机属于枪支生产企业的特殊设备，要长期大量生产。2）确定工件的定位和刀具的导向形式枪管在夹具中的定位应符合定位原理，在进行定位方案的分析比较时，应采用简单合理的方案。设计定位件和导向件时，应尽量使用通用标准和同厂标准。3）确定工件的夹紧方式和设计夹紧机构夹紧力的作用和方向应符合夹紧原则，对夹紧力的分析和计算的目的是确定夹紧元件传动装置的主要尺寸。根据实际的工作需要，加工的工件是孔径为18.3mm的枪管。本设计的夹紧的定位元件是外圆表面。为了确定工件的定位基准，即外圆表面中心县的位置，采用两个组成平面支承的V型块定位。内圆和外圆表面的同轴度由上一个工序保证，研磨不能减少同轴度误差。根据竖直放置时，可用双V型块或是两个半圆孔定位。枪管在磨削过程中要受到一定的预紧力，枪管的内壁很薄
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