钻削压紧盖6-φ14孔专用机床设计

前言 金属切削机床 Metal cutting machine tools 是用切削的方法将金属毛坯加工成机器零 件的机器 它是制造机器的机器 所以又称为 工作母机 或 工具机 习惯上简称为 机床 在现代机械制造工业中 加工机器零件的方法有多种 如铸造 锻造 焊接 切 削加工和各种特种加工等 切削加工是将金属毛坯加工成具有较高精度的形状 尺寸和 较高表面质量零件的主要加工方法 在加工精密零件时 目前主要还是依靠切削加工来 达到所需的加工精度和表面质量 因此 金属切削机床是加工机器零件的主要设备 它 所担负的工作量 约占机器总制造工作量的 40 60 机床的技术水平直接影响机械 制造工业的产品质量和劳动生产率 机床的 母机 属性决定了它在国民经济中的重要 地位 机床工业为各种类型的机械制造厂提供先进的制造技术与优质高效的机床设备 促进机械制造工业的生产能力和工艺水平的提高 机械制造工业肩负着为国民经济各部 门提供现代化技术装备的任务 即为工业 农业 交通运输业 科研和国防等部门提供 各种机器 仪器和工具 为适应现代化建设的需要 必须大力发展机械制造工业 机械 制造工业是国民经济各部门赖以发展的基础 机床工业则是机械制造工业的基础 一个 国家机床工业的技术水平 在很大程度上标志着这个国家的工业生产能力和科学技术水 平 显然 金属切削机床在国民经济现代化建设中起着重大的作用 本次进行的是钻削 压紧盖 6 14 孔专用机床的设计 通过设计总结大学四年中所学的知识 运用这些知识 设计出能过正确加工压紧盖 6 14 孔的专用钻床 1 金属切削机床 1 1 金属切削机床发展概况 金属切削机床是人类在长期改造自然的斗争中 不断改善生产工具的参悟 金属切 削机床的出现 推动了社会力的发展 而工业的发展及不断涌现的科学技术成果又使机 床工业本身得以不断发展 18 世纪中叶 为适应产业革命后出现的资本主义机器大工业生产方式的需要 出现 了现代机床的雏形 早期的机床采用蒸汽机当动力 加工精度不高 如最早的汽缸镗床 的加工精度约为 1mm 左右 19 世纪至 20 世纪初 机床的驱动源由蒸汽机改为电动机 并一直延续至今 在以后将近百年的过程中 随着机械制造业及其他相关行业的发展 在机床工业中 不断改进设计基础理论 使用新技术及新的试验方法 使金属切削机床 在品种上及技术性能上得到了迅速的发展 机床工业作为工业的基础生产要素 其下游行业涉及到机械制造的各个方面 行业 发展对下游行业生产设备的需求相关度较高 下游行业的投资强度将影响到机床行业的 发展 机床行业与国内生产总值和固定资产投资呈较强的正相关关系 所以在我国 GDP 稳定持续快速增长的经济环境下 机床行业必将得到快速发展的机会 机床未来的发展趋势是 进一步应用电子计算机技术 新型伺服驱动元件 光栅和 光导纤维等新技术 简化机械结构 提高和扩大自动化工作的功能 使机床适应于纳入 柔性制造系统工作 提高功率主运动和进给运动的速度 相应提高结构的动 静刚度以 适应采用新型刀具的需要 提高切削效率 提高加工精度并发展超精密加工机床 以适 应电子机械 航天等新兴工业的需要 发展特种加工机床 以适应难加工金属材料和其 他新型工业材料的加工 1 2 金属切削机床的分类 金属切削机床可按不同的分类方法划分为多种类型 按加工方式或加工对象可分为 车床 钻床 镗床 磨床 齿轮加工机床 螺纹加工机床 花键加工机床 铣床 刨床 插床 拉床 特种加工机床 锯床和刻线机等 每类中又按其结构或加工对象分为若干 组 每组中又分为若干型 按工件大小和机床重量可分为仪表机床 中小型机床 大型 机床 重型机床和超重型机床 按加工精度可分为普通精度机床 精密机床和高精度机 床 按自动化程度可分为手动操作机床 半自动机床和自动机床 按机床的自动控制方 式 可分为仿形机床 程序控制机床 数字控制机床 适应控制机床 加工中心和柔性 制造系统 按机床的适用范围 又可分为通用 专门化和专用机床 专用机床中有一种 以标准的通用部件为基础 配以少量按工件特定形状或加工工艺设计的专用部件组成的 自动或半自动机床 称为组合机床 对一种或几种零件的加工 按工序先后安排一系列 机床 并配以自动上下料装置和机床与机床间的工件自动传递装置 这样组成的一列机 床群称为切削加工自动生产线 柔性制造系统是由一组数字控制机床和其他自动化工艺 装备组成的 用电子计算机控制 可自动地加工有不同工序的工件 能适应多品种生产 1 3 机床基本部分组成和性能的判定 各类机床通常由下列基本部分组成 支承部件 用于安装和支承其他部件和工件 承受其重量和切削力 如床身和立柱等 变速机构 用于改变主运动的速度 进给机构 用于改变进给量 主轴箱用以安装机床主轴 刀架 刀库 控制和操纵系统 润滑系统 冷却系统 机床附属装置包括机床上下料装置 机械手 工业机器人等机床附加装置 以及卡盘 吸盘弹簧夹头 虎钳 回转工作台和分度头等机床附件 评价机床技术性能 的指标最终可归结为加工精度和生产效率 加工精度包括被加工工件的尺寸精度 形状 精度 位置精度 表面质量和机床的精度保持性 生产效率涉及切削加工时间和辅助时 间 以及机床的自动化程度和工作可行性 这些指标一方面取决于机床的静态特性 如 静态几何精度和刚度 而另一方面与机床的动态特性 如运动精度 动刚度 热变形和 噪声等关系更大 1 4 钻床 钻床 Drilling machine 是孔加工用机床 主要用来加工外形较复杂 没有对称回 转轴线的工件上的孔 如箱体 机架等零件上的各种孔 在钻床上加工时 工件不动 刀具作旋转主运动 同时沿轴向移动 作进给运动 钻床可完成钻孔 扩孔 铰孔 刮 平面以及攻螺纹等工作 钻床的加工方法及所需的运动如图 1 1 钻床主参数是最大钻孔 直径 钻床可分为立式钻床 摇臂钻床 台式钻床以及深孔钻床等 图 1 1 钻床的加工方法 Figure 1 1 The Processing Method Of The Drill Press 2 夹具设计 机械制造过程中用来固定加工对象 使之占有正确的位置 以接受施工或检测的装 置 又称卡具 从广义上说 在工艺过程中的任何工序 用来迅速 方便 安全地安装 工件的装置 都可称为夹具 例如焊接夹具 检验夹具 装配夹具 机床夹具等 其中 机床夹具最为常见 常简称为夹具 在机床上加工工件时 为使工件的表面能达到图纸 规定的尺寸 几何形状以及与其他表面的相互位置精度等技术要求 加工前必须将工件 装好 定位 夹牢 夹紧 夹具通常由定位元件 确定工件在夹具中的正确位置 夹 紧装置 对刀引导元件 确定刀具与工件的相对位置或导引刀具方向 分度装置 使工 件在一次安装中能完成数个工位的加工 有回转分度装置和直线移动分度装置两类 连 接元件以及夹具体 夹具底座 等组成 本次所设计的是钻床夹具 钻床夹具是用来在 钻床上钻孔 扩孔 铰孔的机床夹具 通过钻套引导刀具进行加工是钻模的主要特点 钻削时 被加工孔的尺寸和精度主要由刀具本身的尺寸和精度来保证 而孔的位置精度 则由钻套在夹具上相对于定位元件的位置精度来确定 2 1 机床夹具的分析 在机床上对工件进行切削加工 首先要将工件夹紧 为了能加工出合乎精度要求的 工件 仅将工件夹紧 以进行切削加工是不够的 还必须使工件在机床上占有正确的位 置 这种使工件占有正确的加工位置 并使工件夹紧的过程 称为工件的安装 若单纯 从解决工件的安装出发 最好是针对每一种工件 设计和制造一种夹具 即所谓专用夹 具 这样既实现工件的准确定位 保证加工质量 又便于采用各种快速夹紧机构 提高 生产效率 但是 夹具本身的设计和制造多为单件和小批量生产 生产费用较高 因此 若被加工工件的批量较小 专用夹具的生产费用分摊到每个工件就很高 在经济上不合 算 专用夹具是针对某一种工件的一定工序而专门设计的 因为不需要考虑通用性 所 以夹具可以设计的结构紧凑 操作方便 还可以采用各种省力机构或动力装置 因此用 专用夹具可以保证较高的加工精度和生产效率 专用夹具通常是根据工件的加工要求自 行设计和制造的 他的设计与制造的周期较长 制造费用也较高 当产品变更时 往往 因无法再使用而 报废 因此这类夹具适用于产品固定的批量较大的生产中 夹具设计的基本要求 1 能稳定保证工件的加工精度 2 能提高机械加工的劳动生产率 降低工件的制造成本 3 结构简单 制造方便 安全和省力 4 便于排屑 5 有良好的结构工艺性 便于夹具的制造 装配 检验 调整和维修 设计时应在保证加工精度的前提下 综合考虑生产率 经济性和劳动条件等项因素 当生产批量较大时 可采用较先进的结构和动力传动装置 以提高生产率 当生产批量 较小时 则不能使夹具的成本太高 2 2 夹具设计方案的确定 图 2 1 零件图 Figure 2 1 Detail drawing 2 2 1 定位基准的选择 以压紧盖下底面和 90 孔为定位精基准加工孔 6 14 这样可以做到 基准重合 原则 即定位基准和工序基准重合 这样可以减小定位误差 进而提高了定位精度 2 2 2 工件的定位 1 六点定位原理 工件在空间具有六个自由度 即沿 x y z 三个直角坐标轴方向的移动自由度和绕这三 个坐标轴的转动自由度 因此 要完全确定工件的位置 就必须消除这六个自由度 通 常用六个支承点 即定位元件 来限制工件的六个自由度 其中每一个支承点限制相应 的一个自由度 图 2 2 自由度示意图 Figure 2 2 Freedom sketch map 2 六点定位原理的应用 六点定位原理对于任何形状工件的定位都是适用的 如果违背这个原理 工件在夹具中 的位置就不能完全确定 然而 用工件六点定位原理进行定位时 必须根据具体加工要 求灵活运用 工件形状不同 定位表面不同 定位点的布置情况会各不相同 宗旨是使 用最简单的定位方法 使工件在夹具中迅速获得正确的位置 加工压紧盖 6 14 孔 在工件的下端面放置一底板限制 OX OY 绕轴的旋转自由度 OZ 轴的移动自由度 以工件 90 孔内的短销限制 OX OY 轴的移动自由度 最后以活动 V 形块限制 OZ 绕轴的旋转自由度 2 3 定位误差的分析与计算 2 3 1 定位误差产生的原因 所谓定位误差 是指由于工件定位造成的加工面相对工序基准的位置误差 因为对 一批工件来说 道具经调整后位置是不动的 即被加工表面的位置相对于定位基准是不 变的 所以定位误差就是工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量 造成定位误差的原 因有 1 由于定位基准与工序基准不一致所引起的定位误差 称基准不重合误差 即工序基 准相对定位基准在加工尺寸方向上的最大变动量 以 b 表示 2 由于定位副制造误差及其配合间隙所引起的定位误差 称基准位移误差 即定位基 准的相对位置在加工尺寸方向上的最大变动量 以 j 表示 2 3 2 夹具的误差分析 基准的功用不同 种类也很多 而与夹具设计直接有关的就是两个基准 工序基准 和定位基准 工序基准是在工件工序图中 用来确定本工序加工表面位置的基准 定位 基准是工件定位时 用以确定工件在夹具中位置的表面 或点 线 为了使误差尽量 小 在定位基准的选择时 一般应本着基准重合的原则 尽可能选用工序基准作为定位 基准 这样就可以减小加工误差 一般情况下 定位误差应控制在工件公差要求的三分 之一左右 再控制夹具制造安装误差及加工方法误差等所造成的影响不超过工件公差要 求的三分之二 及可满足加工要求 压紧盖 6 14 孔 的工序基准和定位基准都是圆 柱孔在心轴 所以没有基准不重合误差 工件的定位误差是以圆柱孔在心轴 或定位销 上定位时所产生的基准位移误差 若心轴 或定位销 垂直设置 则工件定位圆孔与心 轴 或定位销 的母线间接触可以是任意边 由于圆柱孔与定位销的轴孔配合的公差选 用的是 90 因此产生的基准位移误差为 6 7 n H min 0 0350 02200 057 dbjDd mm 由计算结果可知 定位误差未超过 14 孔加工精度要求的三分之一 1 8 3 0 060mm 所以选择其中心轴线为定位基准是合理的 2 4工件的夹紧 夹紧机构的三要素是夹紧力方向的确定 夹紧力作用点的确定 夹紧力大小的确定 1 夹紧装置的组成 工件在夹具中正确定位后 由夹紧装置将工件夹紧 夹紧装置的 组成有 1 动力装置 产生夹紧动力的装置 2 夹紧元件 直接用于夹紧工件的元件 3 中间传力机构 将原动力以一定的大小和方向传递给夹紧元件的机构 2 对夹紧机构的基本要求如下 1 夹紧作用准确 处于夹紧状态时应能保持自锁 保证夹紧定位的安全可靠 2 夹紧动作迅速 操作方便省力 夹紧时不应损害零件表面质量 3 夹紧件应具备一定的刚性和强度 夹紧作用力应是可调节的 4 结构力求简单 便于制造和维修 5 定位器的作用是要使工件在夹具中具有准确和确定不便的位置 在保证加工要 求的情况下 限制足够的自由度 3 夹紧力的方向及作用点 1 夹紧力方向的确定原则 1 夹紧力方向应垂直于主要定位基准面 2 夹紧力方向应有助于定位 3 夹紧力方向应有利于减小夹紧力 2 夹紧力作用点的确定原则 1 夹紧力的作用点应落在支承区域内 2 夹紧力的作用点应落在工件刚性高的部位 3 夹紧力的作用点应尽可能靠近工件的切削部位 4 夹紧力的大小 夹紧力大小可根据切削力 工件重力的大小 方向和相互位置关系具体计算 既要 保证工件定位准确可靠 又不能使工件产生 过大的变形和表面损伤 5 常用夹紧机构 常用夹紧机构包括斜楔夹紧机构 螺旋夹紧机构和偏心夹紧机构 本设计采用螺旋压板夹紧机构 其优点在于结构简单 夹紧行程大 扩力比大 自 锁性能好 通过转动螺母带动压紧板对工件进行夹紧 由于工件采用手动夹紧 所以可 免去夹紧力的计算 图 2 3 螺旋压板夹紧机构结构简图 Figure 2 3 Clamp plate spiral structure diagram 图 2 4 压紧力受力图 Figure 2 4 Pressed by trying to force 2 5 钻套元件的选择 钻套是确定刀具位置的方向和的元件 用以保证孔的位置精度 并防止加工过程中 的偏斜 提高刀具的刚性 防止振动 按结构特点可分为四种 1 固定钻套 固定钻套分两种形式 为无肩 为带肩 该类钻套外圆以 H7 N6 或 H7 R6 配合 直接压入钻模板上的钻套底孔内 在使用过程中若不需要更换钻套 据经验 统计 钻套一般可使用 1000 12000 次 则用固定钻套较为经济 钻孔的位置精度也较 高 2 可换钻套 当生产批量较大 需要更换磨损的钻套时 则用可换钻套较为方便 可换钻套装在衬套中 衬套是以 H7 N6 或 H7 R6 的配合直接压入钻模板的底孔内 钻套外 圆与衬套内孔之间常采用 F7 M6 或 F7 K6 配合 当钻套磨损后 可卸下螺钉 更换新的钻 套 螺钉还能防止加工时钻套转动或退刀时钻套随刀具拔出 3 快换钻套 当被加工孔需依次进行钻 扩 铰时 由于刀具直径逐渐增大 应使 用外径相同而内径不同的钻套来引导刀具 这时使用快换钻套可减少更换钻套的时间 快换钻套的有关配合与可换钻套的相同 更换钻套时 将钻套的削边处转至螺钉处 即 可取出钻套 钻套的削边方向应考虑刀具的旋向 以免钻套随刀具自行拔出 4 特殊钻套 由于工件形状或被加工孔位置的特殊性 有时需要设计特殊结构的钻 加工 压紧盖 6 14 孔 的钻套 由于是大批量加工的工件 选择 JB T8045 2 1999 可换钻套可以满足生产的需要 3 机床初步设计的主要内容 3 1 机床工艺方案的拟定 不同的工件表面形状可用不同的加工方法来实现 即使同样的工件表面形状也可以 用不同的加工方法来实现 由于选用的工艺方案不同 则所设计的机床亦不同 即使机 床是实现工艺方案的一种工具 工艺方案的确定 应考虑加工质量 生产率与经济性等 多方面因素互相之间的关系 其内容包括 确定工件的工艺基础 工艺方法 包括加工 方法 刀具的选择 切削用量等 及夹压部位 对于专用机床还需要画出加工示意图 或刀具布置图 3 2 机床运动方案的拟定 机床运动按功用可以分为成型运动 包括主运动 进给及展成运动等 和辅助运动 包括刀具或工件的移进 退回 快速移动 转位及分度运动等 其中 成形运动是加 工工件表面所必须的运动 它是由工艺方法确定的 工艺加工方法确定的成形运动只是 相对运动 而运动的分配即每个运动由何部件完成 可有不同的选择 运动的分配应考 虑坯料形式 加工的尺寸比例 工件重量等 机床的运动方案包括 确定成形运动和辅 助运动 个运动的特点 功用 复杂程度 特殊要求及变速变向等 运动的分配 传动 联系 内联系和外联系 传动方式 机械 液压 电气 等 3 3 机床技术参数的确定 3 3 1 主参数 主参数是机床各参数中最主要的一项或两项参数 它反映机床的加工能力 是确定 机床主要零 部件尺寸的依据 专用机床主参数根据被加工件来确定 3 3 2 基本参数 1 尺寸参数 一般指机场的主要结构尺寸大小 一般尺寸可根据使用要求 参考同 类型同规格的机床 加以确定 2 运动参数 一般指成形运动参数包括 主运动参数 进给运动参数等 辅助运动 参数包括 快速形程速度 工件夹紧速度 转位速度等 3 4 机床总体布局的确定 合理确定机床的总体布局 是机床设计的重要部署 其主要内容有 确定机床的主 要零件 部件及其相对位置关系等 通用机床和某些专门化机床的布局形式已基本定型 称为传统布局 专用则根据工件特定工艺方案和运动方案确定其布局 工件的形状 尺 寸和重量等对机床总体布局的有重要影响 对加工精度 表面粗糙度要求较高的机床 在总体布局上亦应采用相应的措施 以保证提高机床的精度 刚度 减小振动 热变形 等 机床的生产批量对其布局也有较大的影响 用于单件小批量生产的机床布局 应保 证工艺范围广 调整方便 而生产率可低些 用于大批大量生产的机床布局应 则应适 应于高生产率要求 而工艺范围及调整方便程度可低些 3 5 机床原理图的拟定 机床原理图主要包括 传动原理图 自动或半自动循环框图以及润滑原理图等 它 是机械 液压 电气装置结构设计的依据 也是机床协调运动或实现自动工作循环的重 要保证 3 6 机床总体尺寸联系图的绘制 机床总体尺寸联系图 又称总联系尺寸图或总体尺寸联系图 能够表明机床的总体 布局 主要组成部分的外形尺寸及其相互位置的联系尺寸 以保证工件与刀具之间 各 部件之间所必需的相对位置及相对运动 它不仅是机床各部件设计的重要依据 也是机 床调整 安装的依据 在尺寸联系图上应反映出机床的尺寸参数 有关零部件的最大外形尺寸以及相互位 置的联系尺寸 包括运动部件的最大行程 还应表达出其纵向尺寸 横向尺寸及高度尺 寸 对于中心对称式机床 要用辐向尺寸表达两个相关方向的尺寸 如立式多轴半自动 车床的纵向 横向尺寸 可参考同类型机床的联系尺寸加以确定 一般情况应画两个视 图 尺寸联系图很难一次画成 要由粗到细 由简到繁需经多次修改补充而逐步完善而 成 当机床的各部件设计完毕 可用机床总图代替尺寸联系图 4 加工压紧盖 6 14 孔专用机床的设计 4 1 选择切削用量 选择切削用量切削用量选择是否合理 对组合机床的加工精度 生产率 刀具耐用 度 机床的布局型式和正常工作均又很大的影响 4 1 1 确定切削用量应注意的问题 1 尽量做到合理利用刀具 充分发挥其性能由于连接于动力部件主轴箱上同时工作 的刀具种类不同且直径大小不同 因此其切削用量也各有特点同一主轴箱上的刀具每分 钟进给量是相同的 要使每把刀具均能又合适的切削用量是困难的一般情况下 可先按 各类刀具选择较合理的主轴转速和每转进给量 然后进行适当调整 min n r f mm r 使各个刀具的每分钟进给量相同 皆等于动力滑台的每分钟进给量这样各类刀具都不 f v 是按最合理的切削用量而是按一个中间切削用量工作假如确实需要 也可按多类刀具选 用一个统一的每分钟进给量 对少数刀具采用附加机构 使之各自按照合理的进给量工 作 以达到合理利用刀具的目的 2 选择切削用量时 应注意零件生产批量的影响生产率要求不高时 就没必要将切 削用量选得过高 以免降低刀具耐用度对于要求生产率高的大批量生产用组合机床 要 首先保证那些耐用度低 刃磨困难 造价高的所谓 限制性 工序刀具的合理切削用量 但必须注意不能影响加工精度 也不能使刀具耐用度降低对于 非限制性 刀具 应采 取不使刀具耐用度降低的某一极限值 这样可以减少切削功率组合机床通常要求切削用 量的选择使刀具耐用度不低于一个工作班 最低不低于 4h 3 切削用量的选择应有利于主轴箱的设计若能做到相邻主轴转速相等 则可使主轴 箱传动链简单某些刀具带导向装置 若不便润滑冷却 则可降低切削速度 4 选择切削用量时 还必须考虑所选动力滑台的性能尤其是当采用液压动力滑台时 所选择的每分钟进给量一般应比动力滑台可实现的最小进给量大 50 否则 会由于温度 等原因导致进给量不稳定 影响加工精度 甚至造成机床不能正常工作 4 1 2 专用机床切削用量选择 必须从实际出发 根据加工精度 工具材料 工作条件 技术要求等进行分析 按 照经济地满足加工要求的原则 合理的选择切削用量一般常用查表法 按照生产现场同 类工艺 通过工艺试验确定切削用量 通过表 4 1 选择 v 18m min f 0 2mm r 表 4 1 高速钢钻头加工钢件的切削用量 Table 4 1 processing high speed steel drill steel cutting parts 2 520 700 3545 b N mm 钢 钢 2 700 900 15 b N mm Cr 钢 20C r钢 2 1000 1100 b N mm 合金钢 切 削 用 量 加工 直径 mm minv m f mm r minv m f mm r minv m f mm r 1 60 05 0 100 05 0 100 03 0 08 6 120 10 0 200 10 0 200 08 0 15 12 220 20 0 300 20 0 300 15 0 25 22 50 18 25 0 30 0 60 12 20 0 30 0 45 8 15 0 25 0 35 4 2 机床参数的确定 4 2 1 主运动参数 钻床的主运动是回转运动 主运动参数是主轴转速 转速与切削速度的关系是 min r 4 1 1000v n d 1000 18 409min 14 r 式中 切削速度 v mmin 工件 或刀具 的直径 d mm 转速 r min n 4 2 2 进给速度 根据所加工的零件材料的硬度 HBS 229 加工孔径为 6 14 知道 进给速度 f0 2 fmm r 由于进给速度不大 并且加工孔的深度为 20mm 的通孔 所以采用手动进给 4 2 3 选择刀具 根据加工的需要选择直柄麻花钻 GB T6135 3 1996 钻头直径 工 0 14dmm 作部分长度 总长度 1 108lmm 160lmm 4 3 动力参数 4 3 1 切削功率 Pm 4 2 1 90 80 61 90 80 6 1010 140 222910825 8MDfHBN mm 4 3 kW D Mv Pm46 0 1414 3 9740 18 8 10825 9740 式中 M切削扭矩 mmN D钻头直径 mm HB零件的布氏硬度值 4 3 2 电动机的输出功率 P0 4 4 0 0 46 0 575 0 8 Pm PkW 式中 机床效率 一般 0 70 0 85 这里取 0 8 因为电机带动三根主轴运转 所以实际的电机功率应为 3P0 3 0 575 1 725kW 4 3 3 选择电动机 根据切削功率初选电动机为 Y132S 6 选择电动机的性能参数如下 表 4 2 电动机技术参数 Table 4 2 Technical parameters of the motor 型号 额定功 率 kW 额定电 流 A 转速 r min 效率 功率 因数 cos 堵转转 矩 额 定转矩 堵转电 流 额 定电流 最大转 矩 额 定转矩 同步转速 1000r min 6 级 Y132S 637 2960830 762 06 52 0 从表中可以看出 所选电动机的功率大于 1 725kw 满足工作需求 4 3 4 确定总传动比 4 5 35 2 409 960 n n i 电 总 4 3 5 传动方案的确定 图 4 1 总体布局图 Figure 4 1 Freedom sketch map 4 3 6 传动装置的运动和动力参数 O 轴 电机轴 kWPPO3 主 960r min O n mN n P T O O O 84 29 960 103 55 9 55 9 3 1 轴 kWPP O 97 2 99 0 3 1 联 min 960 1 rn mN n P T 54 29 970 1097 2 55 9 55 9 3 1 1 1 2 轴 kWPP94 0 98 0 97 0 97 2 3 1 3 1 12 承齿轮 min 409 35 2 970 1 1 2 r i n n mN n P T 95 21 409 1094 0 55 9 55 9 3 2 2 2 4 4 机床总体布局的确定 由于机床的传动公比为 i 2 35 根据传动链和传动系统图 确定主轴箱内采用一级 直齿轮减速 电动机通过联轴器连接到电机轴上直接带动主轴进给 采用 3 根主轴同时 加工三个孔 4 5 机床各传动元件的设计 4 5 1 齿轮的设计及校核 图 4 2 直齿圆柱齿轮传动受力分析 Figure 4 2 gear transmission stress analyses 齿轮工作载荷平稳 单向运转 每天一班工作 每年工作 250 天 使用 10 年 大批 量生产 1 选择齿轮材料和精度等级 小齿轮用 45 钢 调质处理 硬度 217 255HBS 大齿轮用 45 钢 硬度 162 217HBS 计算应力循环次数 N 4 6 11 9 6060 960 1 10 250 8 1 13 10 h Nn jL 4 7 9 8 1 2 1 13 10 4 9 10 2 35 N N u 主从动轮齿面硬度为 230HBS 和 170HBS 并文献资料 1 得齿面接触疲劳极限 接触强度计算寿命系数 接触强 lim1 570 H MPa lim2 520 H MPa 1 1 0 N z 2 1 14 N z 度计算尺寸系数 工作硬化系数 润滑油膜影响系数 12 1 0 XX zz 1 0 W z 0 92 LVR z 接触疲劳强度计算安全系数 计算许用应力1 0 H S 4 8 1 111 570 1 0 1 0 1 0 0 92524 4 1 0 HLim HNXWLVR H zzz z S MPa 4 9 2 222 520 1 14 1 0 1 0 0 92545 376 1 0 HLim HNXWLVR H zzz z S MPa 计算中取 2 H 1 H 2 H 1 H 525 4MPa 根据使用情况和估计速度 则选用 8 及精度的齿轮 6vm s 2 按齿面接触疲劳强度确定中心距 小齿轮的转矩 4 10 66 1 1 1 2 97 9 55 109 55 1029545 31 960 p TN mm n 初取 取 查文献 1 得材料弹性系数 2 1 1 tt K Z 1 0 35 0 56 2 ada u 节点区域系数188 9 E ZMPa 2 2 5 cossin H Z 确定中心距 4 11 2 1 3 2 3 1 2 1 1 29545 31 188 9 2 5 2 35 1 2 0 35 2 35524 4 84 73 EH t aH Z Z ZKT au u mm 取 a 87 5mm 估计模数 取mm 0 007 0 02 0 007 0 02 87 50 6125 1 75mamm 1 5m 各轮齿数 1 22 87 5 34 8259 1 1 5 2 35 1 a z m i 21 34 8259 2 3581 8408zz u 取 12 35 81zz 实际传动比 2 1 81 2 3143 35 z i z 实 传动比误差 4 12 2 352 3143 100 100 1 5 5 2 35 ii i i 理实 理 分度圆直径 11 22 1 5 3552 5 1 5 81121 5 dmzmm dmzmm 验算圆周速度 选择 8 级精度的齿轮合适 1 1 3 14 52 5 960 2 646 60 100060 1000 d n vm sm s 3 验算齿面接触疲劳强度 因电机驱动 载荷平稳 查文献 1 得 使用系数 1 25 A K 由于 8 级齿轮 查文献 1 则动载荷系数 2 64vm s 1 12 v K 单级软齿面齿轮传动 且 查文献 1 得齿向载荷分布系数 0 56 d 1 04K 齿宽 取 1 0 56 52 529 4 d bdmm 30bmm 0o 查文献 1 得齿间在和分配系数 1 1 a K 载荷系数 1 25 1 12 1 04 1 11 6016 Ava KK K K K 计算端面和纵向重合度 4 13 12 1111 1 883 2cos1 883 211 749 3581zz 1 0 318tan0dz 由 和得 取 0 87Z 2 3143i 验算接触疲劳强度 4 14 2 1 2 21 2 1 6016 29545 312 3143 1 188 9 2 5 0 87 30 52 52 3143 508 HEH H KT i z z z bdi 安全 4 验算齿根弯曲疲劳强度 根据材料热处理 查文献 1 得 齿轮的弯曲疲劳极限 lim1 435 F MPa 弯曲疲劳强度计算安全系数 弯曲疲劳强度寿命系数 lim2 415 F MPa 1 25 F S 弯曲疲劳强度计算尺寸系数 实验齿轮的应力修正系数 12 1 0 NN YY 12 1 0 XX YY 则计算出许用应力2 0 ST Y 4 15 lim1 1 435 1 0 1 0 2 0696 1 25 F FNXST F Y Y YMPa S 4 16 lim2 2 415 1 0 1 0 2 0664 1 25 F FNXST F Y Y YMPa S 齿形系数 应力修正系数 计算弯曲强度重合 1 2 51 F Y 2 2 25 F Y 1 1 63 S Y 2 1 77 S Y 系数 验算弯曲疲劳强度0 75Y 4 17 1 111 1 1 22 1 37 29545 31 2 51 1 63 0 75 30 52 5 1 5 106 21 FFS F KT YYY bd m MPa 4 18 1 222 1 2 22 1 37 29545 31 2 25 1 77 0 75 30 52 5 1 5 103 38 FFS F KT YYY bd m MPa 安全 5 齿轮主要参数和几何尺寸 1 35z 2 81z 2 3143i 1 1 5mmm 0 20 1 0 a h 0 25c 11 1 222 1 2 81 252 52 1 5 1 055 5 2121 52 1 5 1 0124 5 a a dm z dm z dmhmm dmhmm a1 a2 1 5 35 52 5 m m 1 5 121 5 m m d d 11 22 2 52 51 5 2 1 5117 75 fa fa ddhc m ddhc m 2 1 0 0 25 48 75m m 273 2 1 0 0 25 m m 12 212 11 52 5 87 5 22 30 5 1035 ddmm bbmm bbmmmm a 121 5 4 5 2 主轴的设计及校核 1 轴承选则 机床主轴在加工过程中要受到径向力 轴向力和圆周力的作用 采 用推力轴承抵消主轴受到的轴向力 采用深沟球轴承抵消径向力 采用圆锥滚子轴承来 方便主轴的转动 选择滚动轴承的类型与多种因素有关 通常根据下列几个主要因素 1 负荷情况 负荷是选择轴承最主要的依据 通常应根据负荷的大小 方向和 性质来选择轴承 负荷大小 一般情况下 滚子轴承由于是线接触 承载能力大 适用于承受较 大负荷 球轴承由于是点接触 承载能力小 适用于轻 中等负荷 负荷方向 纯径向力作用 宜选用深沟球轴承 圆柱滚子轴承或滚针轴承 纯 轴向负荷作用 选用推力球轴承或推力滚子轴承 径向负荷和轴向负荷联合作用时 一 般选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承 若径向负荷较大而轴向负荷较小时 也可选用深 沟球轴承和内外圈都有挡边的圆柱滚子轴承 若轴向负荷较大而径向负荷小时 可选用 推力角接触轴承 推力圆锥滚子轴承 负荷性质 有冲击负荷时 宜选用滚子轴承 2 高速性能 球轴承不滚子轴承有较高的极限转速 故高速时应优先考虑选用球 轴承 在相同内径时 外径越小 滚动体越轻小 运转时滚动体作用在外圈上的离心力 也越小 因此更适合于较高转速下工作 在一定条件下 工作转速较高时宜选用超轻 特轻系列的轴承 3 调心性能 当轴两端轴承孔同心性差或轴的刚度小 变形较大 以及多支点轴 均要求轴承调心性好 这时应选用调心球轴承或调心滚子轴承 4 允许的空间 径向尺寸受限制的机械装置 可选用滚针轴承或特轻 超轻型轴 承 轴向尺寸受限制时 宜选用窄或宽系列的轴承 5 安装与拆卸方便 整体式轴承座或频繁装拆时 应优先选用内外圈可分离的轴 承 轴承装在长轴上时 为装拆方便可选用带锥孔和紧定套的轴承 根据以上所述及本设计的具体要求 选用圆锥滚子轴承 图 4 3 推力轴承 Figure 4 3 Thrust bearing 图 4 4 深沟球轴承 Figure 4 4 Deep groove ball bearing 图 4 5 圆锥滚子轴承 Figure 4 5 Tapered roller bearing 2 主轴的设计 主轴上组件有直齿圆柱齿轮一个 两个圆锥滚子轴承 布置情况如图 图 4 6 主轴布置 Figure 4 6 Principal axes disposal 主轴所传递的功率为 转速为 409r min 单向旋转直齿轮 分度圆直径0 94PkW 主 121 5mm 各轴段直径及轴向尺寸如图 进行该轴的强度校核 1 求出齿轮受力 绘出空间受力简图 求齿轮的作用力 主轴转矩 4 19 66 0 94 9 55 109 55 1021948 7 409 P TN mm n 齿轮圆周力 4 20 22 21948 7 361 3 121 5 t T FN d 齿轮径向力 4 21 0 1 tan361 3 tan20131 5 rt FFN 绘出空间受力简图 2 绘轴受力简图 XOY 平面 铅垂面 支承反力为 122 0 AYt RllF l 4 22 2 12 361 3 62 25 150 44 87 2562 25 t AY F l RN ll AYBYt RRF 4 23 361 3 150 44210 86 BYtAY RFFN XOZ 平面 水平面 支承反力为 122 0 AZr RllF l 4 24 2 12 131 5 62 25 54 76 87 2562 25 r AZ F l RN ll AZBZr RRF 4 25 131 554 7676 74 BZrAZ RFFN 3 绘弯矩图 作 XOY 面弯矩图 Y M 4 27 1 150 44 87 2513125 89 AYCYCY MMRlN mm 左右 作 XOZ 面弯矩图 Z M 4 28 1 54 76 87 254777 81 AZCZCZ MMRlN mm 左右 作合成弯矩图 M 4 29 2222 13125 894777 81 13968 4 CCCYCZ MMMM N mm 左右左右 作转矩图 T 如图所示 4 30 21948 7TN mm 作当量弯矩图 V M 22 V MMaT 转矩为一般性质 故 45 钢取 查表知 1 0 55 0 58 95 b b 600 B 1 55 b 0 95 b MPa 2222 13968 40 58 21948 7 18899 1 CVCVC MMMT N mm 左右 4 31 0 58 21948 712730 2 VB MTN mm 取危险截面按当量弯矩验算直径 危险截面选齿轮处 4 32 1 3 3 1 18899 1 15 0 1 0 1 55 VC b M dmm 图 4 7 轴的受力分析 Figure 4 7 Axial stress analyses 4 5 3 轴承的润滑 轴承润滑主要目的是减少摩擦和磨损 同时起到冷却 吸振 防锈及降噪的作用 常用的润滑剂有润滑油 润滑脂及固体润滑剂 二硫化钼 选择润滑剂应当考虑工 作温度 轴承负荷 转速及其工作环境影响 一般来说 温度高 负荷大 转速低时选 用粘度高的润滑剂 润滑油选择 常用的润滑油有 机械油 高速机械油 汽轮机油 压缩机油 变压 器油 汽缸油等等 一般而言 轴承转速越高 则选用较低粘度的润滑油 负荷越重 则选用粘度较高的润滑油 润滑方法有 油浴润滑 循环油润滑 喷油润滑及油雾润滑 表 4 3 润滑情况表 Table 4 3 Lubrication Table 影响选择的因素用润滑脂用润滑油 温度当温度超过 120时 要用特殊润滑 脂 当温度升高到 200 220时 再 润滑的时间间隔要缩短 油池温度超过 90 或轴承温度超过 200时 可采用特 殊的润滑油 温度系数 400000 400000 500000 载荷低到中等各种载荷直到最大 轴承形式不用于不对称的球面滚子推力轴承用于各种轴承 壳体设计较简单需要较复杂的密封 和供油装置 长时间不需维护 的地方 可用 根据操作条件 特别要考虑工 作温度 不可以用 集中供油选用泵送性能好的润滑脂 不能有效 地传热 也不能作为液压介质 可用 最低转矩损失如填装适当 比采用油的损失还要低为了获得最低功率 损失 应采用有清 洗泵或油雾装置的 循环系统 污染条件可用 正确的设计可防止污染物的侵 入 可用 但要采用有 防护 过滤装置的 循环系统 4 5 4 键的校核 由于主轴受力最大 所以要校核主轴上的键 主轴上的转矩为 66 0 94 9 55 109 55 1021948 7 409 P TN mm n 键的材料 类型和尺寸的确定 键材料选着 45 钢 键的类型选着普通平键 A 型 键的尺寸为 宽 b 8mm 高 h 7mm 键长 L 21mm 此处的轴径验算键联接挤压强度 因为静联接 25dmm 图 4 8 平键强度计算 Figure 4 8 Flat key strength calculation 由于联接中轮毂材料 45 钢 与键材料相同 所以应该按 45 钢校核 查得 键的工作长度 由下式得 110 p MPa 21 813lLbmm 4 33 44 21948 7 38 6 25 7 13 pp T MPa dhl 满足强度要求 5 技术经济性分析 对本次的技术经济性分析 应从以下几方面进行考虑 1 从影响成本的各个因素综合考虑 如果选择普通的立式钻床 台式钻床或摇臂钻 床来加工压紧盖 6 14 孔 其加工过程比较麻烦 普通的钻床由于考虑到一机多用 为 满足多种加工要求 采用了多级变速的传动结构 用来加工压紧盖的孔就是进行了不必 要的投资 同时也闲置了普通机床一机多用的功能 消耗大量的人力和物力 而采用专 用机床可以减少工作量 提高生产效率 经济好 由此来看 设计压紧盖 6 14 孔的专 机 不仅降低了成本 还能够满足加工的需要 2 从设计 生产周期的长短考虑 由于现今机床的生产已成规模 并且机械传动和 夹具设计方法也已成熟 设计新型的机床 需要考虑可加工同类或相似的工件来设计 这样就需要根据长时间经验的积累和创新能力来完成 需要的设计周期也长 而本次设 计的专用机床只需满足加工压紧盖 6 14 孔的需要即可 因此设计周期就大大的缩短了 对于加工压紧盖 6 14 孔 采用专用机床和夹具更能节省时间 提高生产效率 由此可见 设计钻削专机和夹具的可行性极大 对于降低资金的投入 提高生产效 率有很大的帮助 6 结论 我所设计的是钻削压紧盖 6 14 孔的专用机床 机床设计的开始 主运动参数和进 给运动参数 正确选择电机 确定传动方案 并根据其设计的方案 绘出传动链和传动 系统图 选择传动原件 综合考虑机床加工的精度和稳定性 设计方案并根据优缺点 可行性等等 不断的改进与完善设计过程 这样才能够设计出工艺性和经济性都符合要 求的机床 此外一点就是 选择一个零部件时 不仅要根据相应的参数 选择符合要求 标准的零部件 更应该考虑到具体的工作环境 工况条件等 设计中也存在很多不足之处 一是由于设计作者对专用机床的认知程度有限 资料 不全 设计有考虑不周全的地方 二是设计作者对机械设计方面的知识掌握的不够熟练 在很多方面还有待完善 致谢致谢 在本次论文设计过程中 老师对该论文从选题 构思到最后定稿的各个环节给予细 心指引与教导 使我得以最终完成毕业论文设计 在学习中 老师严谨的治学态度 丰富 渊博的知识 敏锐的学术思维 精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我终生 学习的楷模 导师的高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神 将永远激励着我 这四年 中还得到众多老师的关心支持和帮助 在此 谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意 在论文即将完成之际 我的心情无法平静 从开始进入课题到论文的顺利完成 有 多少可敬的师长 同学 朋友给了我无言的帮助 在这里请接受我诚挚的谢意 最后我还 要感谢培养我长大含辛茹苦的父母 谢谢你们 最后 我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅 评议和参与本人论文答辩的各位老 师表示感谢 参考文献参考文献 1 冷兴聚 机械设计基础 M 沈阳 东北大学出版社 2003 3 1 2 王伯平 互换性与测量技术基础 M 北京 机械工业出版社 2004 4 2007 5重印 3 王先奎 艾兴 机械加工工艺手册 M 北京 机械工业出版社 2006 12 4 黄健求 机械制造技术基础 M 北京 机械工业出版社 2005 11 2007 5重印 5 王光斗 王春福 机床夹具设计手册 M 上海 上海科学技术出版社 2000 11 6 吴国华 金属切削机床 M 北京 机械工业出版社 1999 9 2007 8重印 7 赵越超 马修泉 工程材料与成型工艺 M 沈阳 东北大学出版社 2007 3 8 叶伟昌 机械工程及自动化简明设计手册 上册 M 北京 机械工业出版社 2001 11 9 张树森 机械制造工程学 M 第1版 沈阳 东北大学出版社 2001 10 孙志礼 冷兴聚 魏延刚 曾海泉 机械设计 M 沈阳 东北大学出版社 2000 9 11 徐灏 机械设计手册 5 M 北京 机械工业出版社 2006 12 李贵轩 设计方法学 M 第1版 北京 世界图书出版公司 1989 13 Jonathan Wickert An Introduction 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