电火花镗磨机床设计

电火花镗磨电火花镗磨机设计目 录第 1 章 绪 论 .31.1 项目的研究意义 .31.2 国内外的科技现状 .31.3 设计产品的用途和应用领域 .41.4 设计方案 .51.4.1 设计目标、研究内容和拟解决的关键问题 .51.4.2 设计方案 .51.4.3 题目的可行性分析 .51.4.4 本项目的创新之处 .5第 2 章 电火花镗磨机总体设计 .62.1 确定电机 .62.2 电火花镗磨机布局 .6第 3 章 主传动系统设计 .83.1 拟定结构 .83.2 分配降速比 .83.3 绘制转速图 .93.4 确定齿轮齿数 .103.5 确定带轮直径 .113.6 验算主轴转速误差 .113.7 绘制传动系统图 .13第 4 章 估算传动件参数并确定其结构尺寸 .154.1 确定传动件转速 .154.2 确定主轴支承轴颈尺寸 .164.3 估算传动轴直径 .164.4 估算传动齿轮模数 .174.5 制动器的选择与计算 .194.6 普通 V 带的选择与计算 .194.7 几何计算 .21第 5 章 结构设计 .245.1 带轮设计 .245.2 齿轮块设计 .245.3 轴承选择 .245.4 操纵机构 .245.5 润滑系统设计 .245.6 密封装置 .25第 6 章 传动件验算 .266.1 验算轴弯曲刚度 .266.2 花键键侧挤压应力计算 .276.3 验算齿轮模数 .286.4 滚动轴承验算 .336.5 尾柱设计 .36结 论 .38致 谢 .39第 1 章 绪 论1.1 项目的研究意义在当今时代，任何一个具备完整工业体系的国家，都会有相当数量的制造业，如汽车、机车、电力、船舶、航空航天、冶金矿山、石油化工、电火花镗磨机工具、通信、轻工、建材、家电、食品、仪器、仪表等。上述这些部门大多与机械工业有关，有的是实质上就是机械工业，它们都是用机械设备制造各种各样的产品。所以说机械工业是国民经济的装备部，是国民经济的先导，是国家重要的基础工业。如果一个国家的机械工业水平不高，它生产的产品在国际市场上是很难有竞争力的，也是很难立于世界民族之林的！美国是世界工业强国，70 年代美国曾认为制造业是“夕阳工业” ，经济重心应由制造业转向高科技产业及服务业等第三产业。科研重理论成果，不重视实际应用，政府不支持产业技术，使美国制造业产生衰退。而同期日本重视制造技术，重视高素质人才的培养，注重将高科技成果应用于制造业，加之严密的社会组织，很快把原来美国占绝对优势的产业如汽车、照相机、家电、电火花镗磨机、复印机、半导体等变成自己的主导产业，占领了世界市场。这很快引起了美国政界、科技界、企业界有识之士的关注。为此，80 年代后期，美国政府和企业迅速组织调查，MIT 在调查报告中指出：“一个国家要想生活的好，必须生产的好。振兴经济的出路在于振兴制造业” ，当前国际间“经济的竞争归根到底是制造技术和制造能力的竞争” 。镗床是一种主要用镗刀在工件上加工孔的电火花镗磨机。通常用于加工尺寸较大、精度要求较高的孔，特别是分布在不同表面上、孔距和位置精度要求较高的孔，如各种箱体、汽车发动机缸体等零件上的孔。所以对其进行合理设计，其意义十分重大。1.2 国内外的科技现状国外现状：德国政府一贯重视电火花镗磨机工业的重要战略地位，在多方面大力扶植。特别讲究“ 实际” 与“实效”，坚持“以人为本” ，师徒相传，不断提高人员素质。在发展大量大批生产自动化的基础上，于 1956 年研制出第一台数控电火花镗磨机后，一直坚持实事求是，讲求科学精神，不断稳步前进。德国特别注重科学试验，理论与实际相结合，基础科研与应用技术科研并重。企业与大学科研部门紧密合作，对用户产品、加工工艺、电火花镗磨机布局结构、数控电火花镗磨机的共性和特性问题进行深入的研究，在质量上精益求精。德国的数控电火花镗磨机质量及性能良好、先进实用、货真价实，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密数控电火花镗磨机。德国特别重视数控电火花镗磨机主机及配套件之先进实用，其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功能部件，在质量、性能上居世界前列。如西门子公司之数控系统和Heidenhain 公司之精密光栅，均为世界闻名，竞相采用。国内现状：在产品开发上，国内支柱企业重点放在数控电火花镗磨机上，年生产电火花镗磨机台数和数控电火花镗磨机所占比例逐年上升。据不完全统计，2004年钻镗床行业共开发新产品 81 种，其中数控电火花镗磨机新产品 61 种，占开发新产品的近 80%。数控产品中在国内具有领先水平的有 36 种，包括车铣镗等复合加工中心，高速（最高转速在 15000r/min 至 36000r/min）立、卧式加工中心、高速铣削中心、大型卧式加工中心（工作台尺寸 2000mm4000mm 及以上） 、龙门式加工中心（龙门五面、龙门五轴） 、五轴联动加工中心、高精度数控电火花镗磨机等。1.3 设计产品的用途和应用领域该产品主要用于加工尺寸较大、精度要求较高的孔，特别是分布在不同表面上、孔距和位置精度要求较高的孔，如各种箱体、汽车发动机缸体等零件上的孔。卧式镗床的主轴水平布置并可轴向进给，主轴箱沿前立柱导轨垂向运动，工作台可纵向或横向运动，可钻、扩、铰、和镗孔及车削内、外螺纹、攻螺纹、车外圆柱面、端面及用端铣刀、圆柱铣刀铣平面等。1.4 设计方案1.4.1 设计目标、研究内容和拟解决的关键问题设计目标：完成对电火花镗磨电火花镗磨机设计柱设计研究内容：（1）电火花镗磨机主轴箱设计（2）电火花镗磨机尾柱设计1.4.2 设计方案对电火花镗磨电火花镗磨机设计柱设计1.4.3 题目的可行性分析当今世界，工业发达国家对电火花镗磨机工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、高效、高自动化先进电火花镗磨机，以加速工业和国民经济的发展。中国加入 WTO 后，正式参与世界市场激烈竞争，今後如何加强电火花镗磨机工业实力、加速数控电火花镗磨机产业发展，实是紧迫而又艰巨的任务。1.4.4 本项目的创新之处对主轴箱传动进行优化设计，提高生产效率和降低生产成本。 第 2 章 电火花镗磨机总体设计该型号镗床是一种主要用镗刀在工件上加工孔的电火花镗磨机。通常用于加工尺寸较大、精度要求较高的孔，特别是分布在不同表面上、孔距和位置精度要求较高的孔，如各种箱体、汽车发动机缸体等零件上的孔。卧式镗床的主轴水平布置并可轴向进给，主轴箱沿前立柱导轨垂向运动，工作台可纵向或横向运动，可钻、扩、铰、和镗孔及车削内、外螺纹、攻螺纹、车外圆柱面、端面及用端铣刀、圆柱铣刀铣平面等。根据电火花镗磨机的精度等级和工作性能要求，构思主传动系统，初步拟定采用集中传动，采用三相异步电动机，经分级变速箱实现主轴所需的各级转速和转速范围。（1）确定变速组传动副数目实现 18 级主轴转速变化的传动2.1 确定电机根据功率要求查表选取电动机型号Y160M-4 11kw n=1460r/min2.2 电火花镗磨机布局确定结构方案主轴传动系统采用普通 V 带，齿轮传动传动型式采用集中传动主轴正反转方向，制动采用能耗制动器变速齿轮系统采用多联滑移齿轮润滑系统采用飞溅油润滑（2）布局采用卧式镗床常规的布局型式，电火花镗磨机主要组成部件有床身、前立柱、主轴箱、工作台和后立柱等。此次设计主传动系统包括、轴及相关部件。第 3 章 主传动系统设计3.1 拟定结构（1）确定变速组传动副数目：18=332（2）确定基本组和扩大组：18=3 3 2139（3）验算最后扩大组变速范围： 826.)1(9)1(22pxrmaxR所以符合设计原则3.2 分配降速比该镗床主轴系统共设有四个传动组，其中有一个是带传动，根据降速比分配应“前快后慢”的原则，确定各传动组最小传动比：=u总 6.1min234.6105.E6536.26.1 3.3 绘制转速图由 1.26=1.06 ，查表 4.2-1（文献 13）转速有431.5、40、50、63、80、100、125、160、200、250、315、400、500、630、800、1000、1250、1600。3.4 确定齿轮齿数利用查表法及各对齿数比求出个传动组齿轮齿数。26.1:1Z401Z50258.:.43 34216.:365 0560.87Z37Z288.1:2.:109 9510.36.523172:2.:3143Z6Z314416.:65 2015796变速组 一 二 三齿数和 90 95 99齿轮 1Z2345Z6789Z1012Z3145Z16齿数40 50 35 55 30 60 53 42 37 58 23 72 66 33 20 793.5 确定带轮直径带传动是机械传动学科的一个重要分支，主要用于传递运动和动力。它是机械传动中重要的传动形式，也是电机设备的核心，联接部件，种类异常繁多，用途极为广泛。其最大的特点是可以自由变速，远近传动，结构简单，更换方便。设计功率 由表 3.2-5（文献 2）查得载荷修正系数dP 3.1AKkw3.14.KA查表 2.4-3，图 2.4-1（文献 1） 。取小带轮基准直径：mm120d大带轮直径由公式 求得：)(12dmm498.06.1.2d3.6 验算主轴转速误差主轴各级实际转速值由公式： cbadEun)1(2实其中 ， ， 分别为第一、二、三变速齿轮传动比。aubc1n98.0246326.15.62.15.32 .8.9=50.13n98.0214626.5.162.=63.14 3.=79.65n98.021626.2.16.=100.24.1.26 =126.37n98.0216326.62.11.26 =159.184.1.26 =200.59n98021626.6.1=252.61043.5.32=318.3 n98.02626.1.=401.1124.5.36.1= 505.43n98.06326.12.=636.8142.36.1=802.35n98.0626.12.1.26 =1010.91243.36.11.26 =1273.87n98.0626.1.1.26 =1604.918.24.3.转速误差：=4.1%标 准 标 准实 际 n%10所以转速误差表为：主轴转速 1n23n45n67n89n标准转速r/min31.5 40 50 63 80 100 125 160 200实际转速r/min31.56 39.8 50.1 63.1 79.6 100.2 126.3 159.1 200.5转速误差% 0.2 0.5 0.2 0.2 0.5 0.2 1.0 0.6 0.3主轴转速 10n12n134n1516n1718n标准转速r/min250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600实际转速r/min252.6 318.3 401.1 505.4 636.8 802.3 1010.9 1273.8 1604.9转速误差% 1.0 1.0 0.3 1.1 1.1 0.3 1.1 1.9 0.3易知转速误差满足要求3.7 绘制传动系统图根据传动情况及齿轮分布情况，绘制传动系统图如下：第 4 章 估算传动件参数并确定其结构尺寸4.1 确定传动件转速由转速图可得各轴转速及各齿轮转速：传动件 计算转速 800 400 125轴 1001Z800263038004Z500580064007Z6308800齿 950010Z315400121253Z8001416005 125轮16Z 31.54.2 确定主轴支承轴颈尺寸参照图 2.3-2（文献 1） ，选取前支承轴颈直径：=100mm1D后支承轴颈直径：=（0.70.8） =7085mm21D取 =80mm4.3 估算传动轴直径(mm)491cnPd其中 为轴危险截面的直径 （mm）P 为该传动轴的载入功率（kw）P= (kw)E计算公式轴号计算转速 cnr/min传动效率 输入功率Pkw允许扭转角 deg/m传动轴长度mm估计轴直径mm花键轴尺寸NdDB 800 0.96 10.56 1.5 400 35.0 836427 400 0.960.995 10.51 1.5 400 41.6 842488491cnPd 125 0.960.9950.9910.4 1.5 500 52.5 85260104.4 估算传动齿轮模数许用接触应力 =0.96 ，查表 2.4-17，图 2.4-8（文献 1）HPLim得 =1100N/ 2由表 2.4-17（文献 1）有 = ，查图 2.4-13（文献 1）取FPLim=518 N/FP2查表 2.4-17 取齿宽系数=b/m=7。m由图 2.4-10 （文献 1）取 =30 时 =4.1；5ZFSY =23 时 =4.24；1ZFSY=20 时 =4.345按齿面疲劳强度： 321()267HmcHPKuAnZ按轮齿弯曲疲劳强度： 31267FSFmcPYn可得下表：传动组小齿轮齿数比 1齿宽系数 m传递功率P载荷系数K系数 HA系数 F许用接触应力 P许用齿根应力F计算转速 cn系数 FSY模数 Hm模数 F选取模数第一变速组5Z302 7 10.56 1 61 1 1100 518 800 4.1 2.23 2.12 2.5第二变速组1Z233.17 7 10.51 1 61 1 1100 518 400 4.24 3.22 2.94 3.5第三变速组15Z204 9 10.4 1 61 1 1100 518 125 4.34 3.96 4.19 4.54.5 制动器的选择与计算选择电机能耗制动方式，特点是制动比较平稳，制动时间可以调整，简化电火花镗磨机结构，但需要直流电源，功率大，设备复杂。由于电机制动采用电气方法直接制动电动机使电火花镗磨机结构简化。制动器安装位置应根据电火花镗磨机具体结构，使用条件、综合全面考虑来确定。一般情况下，力争将制动器安放在靠近主轴（或其他执行元件上） 、且转速较高，变速范围较小的轴上，可达到制动时间短、冲击小、制动灵敏、结构尺寸小（制动转矩小）的综合效果。因此将制动器放在轴上。4.6 普通 V 带的选择与计算计算内容符号单位计算公式 计算过程 结果设计功率dPkw ,表 2.4-2（文献dAKP1）=1.311dP14.3带型 mm 图 2.4-1（文献 1）=120mm,1dA 型选择r/mm1460En初选中心距0amm 根据电火花镗磨机的布局及结 构方案 120120.7()()dda600计算带的基准长度0dLmm 0122()dda210()4da06(1204)dL21728.3选择的带的基准长度dLmm 表 2.4-4（文献 1） 1800实际中心距amm 21()8dB124ddLA21()8dB1()dalPZK=318.82(40)4.58B231.1.a635.9V带轮包角0a 12118sinda0124080sin635.9171.5合格带速vdL16dnv525m/s12046v9.17合格带的挠曲次数u1s04dmvL1029.78u10.2合格带的根数Z 1()daLPK表 2.4-6 表 2.4-9 表 2.4-10（文献 1）14.3(.9205)98.01Z8.16取 8其中 表示接触弧的包角修正系数；a表示带长修正系数。LK4.7 几何计算计算 的尺寸：2Z端面齿形角：20ta分度圆直径：mm250.12dzm齿顶高：mm.ah齿根高：mm1.253.fm全齿高：mm.125.6afh齿顶圆直径：=125+22.5=130 mmaad齿根高直径：=125-23.125=118.75 mm2ffh中心矩：=112.5 mm12()(405)2.zma同理算出 的几何尺寸：4Z20tamm452.137.5dzmmm.ahmm1.253.fmm.125.6afh=137.5+22.5=142.5 mm2aadh=137.5-23.125=131.25 mmff的几何尺寸：6Z20tamm602.51dzmmm.ahmm1.253.fmm.125.6afh=150+22.5=155 mmd=150-23.125=143.75 mm2ffh第 5 章 结构设计5.1 带轮设计根据 V 带计算选用 8 根 A 型 V 带，由于轴安装制动器及传动齿轮，为了改善它们的工作条件，保证加工精度，采用卸荷带轮结构。5.2 齿轮块设计齿轮采用滑移齿轮变速机构，根据各传动组的工作特点，第一扩大组的滑移齿轮采用销钉联接装配式结构，基本组采用了整体滑移式齿轮。第二扩大组，由于传递转矩较大，采用链接装配式齿轮，所有滑移齿轮与传动轴间均采用花键联接。5.3 轴承选择为了简化结构，主轴采用了轴向后端定位的两支承轴组件、前支承采用双列圆柱滚子轴承，后支承采用角接触球轴承和推力轴承，为了保证主轴的回转精度，主轴前后轴承均用压块式防松螺母调整轴承的间隙。5.4 操纵机构为了适应不同的加工状态，主轴的转速经常需要调整。根据各滑移变速传动组的特点，分别采用了集中变速操纵机构和单独操纵机构。5.5 润滑系统设计主轴内采用飞溅式润滑，卸荷皮带轮轴承采用脂润滑方式。5.6 密封装置为了保证密封效果，采用接触密封，主轴直径大，线速度高，采用非接触式密封，卸荷皮带轮的润滑采用毛毡式密封以防止杂物进入。第 6 章 传动件验算6.1 验算轴弯曲刚度（1）受力分析轴上的齿轮为滑移齿轮。根据本镗床齿轮排列特点。主轴转速为100r/min 时，轴受力变形最大，故采用此时的齿轮位置为计算位置。（2）计算挠度、倾角齿轮受力计算齿轮 2z齿轮 9z；69.510PTn；2tFd；cost传递功 转 传动转 齿轮压力角齿面摩擦角切向合 1F在X轴上的在Z轴上的分度圆直切向合 1F在X轴上的在Z轴上的分度圆直率Pkw速nr/min矩TNmmar力 1tFN力N投影 1xN投影 zN径dmm力 2tFN力N投影 2xN投影 zN径dmm；ardmz10.51630 1593182062317.42578.3359.82554.3137.52460.52737.6-1515-2280.2129.56.2 花键键侧挤压应力计算 max28()jy jyTDdlNk其中 为计算挤压应力jy为许用挤压应力j为花键轴传递的最大转矩maxT为花键轴的大径D为花键轴的小径d为花键的赤数N为载荷分布不均系数 =0.70.8kk 计算公式最大转矩maxTNmm花键轴小径dmm花键轴大径Dmm花键数N载荷系数k工作长度lmm许用挤压应力 jyMPa计算挤压应力 jyMPa结论6max9.510cPTnax28()jy jyDdlNk250926.342 48 8 0.8 70 30 8.30 合格6.3 验算齿轮模数按齿面接触疲劳强度2231cos(1)267 )AHPntvHaHn HEmPKumZZ 验算公式按齿轮弯曲疲劳强度 31AFntvFaFSFncPKY计算内容序号名称符号 单位 计算用图表或公式 计算过程 结果1 齿数Z 232使用系数AK表 3.4-31（文献 2） 1.0HP表 3.4-32（文献 2） 0.843功率系数 F表 3.4-32（文献 2） 0.83HnK表 3.4-33（文献 2） 0.974转速变化系数Fn表 3.4-33（文献 2） 0.97HPntKHPntHntK=0.840.971.27HPnt1.035变动工作用量系数FPntFPntFnt=0.830.972.02FPnt 取 1HtK=HtK6. 7041051.276工作期限系数Ft min60()pHtFtKN=Ft6.2563102.027名义切向力tFN ；71.90tcPnE= t7.9.45.108分度圆圆周速度vm/s max60cosnzv6302.5v26.69动载系数 vK112()/0vtAKzvFb21u 512.(.0/4236.7.9)1.1210齿向载荷分布系数K1SMK=1+0.2+0.17K1.37Ha表 3.4-38（文献 2） 1.111齿间载荷分配系数FaK表 3.4-38（文献 2） 1.112节点区域 HZ图 3.4-7（文献 2） 2.5系数13弹性系数EZ/Nm表 3.4-39（文献 2） 189.814接触强度重合度及螺旋角系数Z图 3.4-8（文献 2） 0.915许用接触应力HPN/mm 2=HPLimVRZ=12000.89HP106816复合齿形系数FSY插齿、滚齿查图 3.4-10（文献 2）剃齿、磨齿查图 3.4-11（文献 2）4.0弯曲17强度重合度及螺旋角系数Y图 3.4-12（文献 2） 0.818许用齿根应力FPN/mm 2lim1.3FP=1.3446FP579.819接触强度模数Hnmmm 3.2420弯曲强度模数Fnmmm 3.316.4 滚动轴承验算根据轴的受力状态，分别计算出左（A 端） 、右（ B 端）两支承端支反力。在 xoy 平面内：N215639.81530.4xxAFfbRlN74.6.9xBca在 zoy 平面内：N2180.2165.315.9zZAFfbRlN.74.48.zBca左、右端支反力为：N222530.9.60.AAR N2264.85.360.BBR两端支承受力相同、左端受力大，所以只验算左端轴承。轴承验算：疲劳寿命验算 （h）50()nhAHPlCfLTKF计算公式 静负荷验算（N）0oj计算内容序号名称符号 单位 计算用表或公式 计算过程 结果1额定动负荷C N 查轴承手册 200002速度系数nf103cn3.104nf0.473使用系数AK表 2.4-19（文献 1） 1.04功率利用系数HP表 2.4-20（文献 1） 0.80转5速变化系数HnK表 2.4-21（文献 1） 0.976齿轮轮换工作系数lK表 2.4-27（文献 1） 0.757当量动负荷FN 640.88许用寿命Th 100009寿命指数3.3310额定寿命hLh 将上述参数代入 公式 计算得 hL6810T合格11额定静 N 查轴承手册 15200负荷 0C12安全系数0K表 2.4-32（文献 1） 1.213当量静负荷0FN 0Fr已计算求得 640.814静负荷ojCN 0ojCKFojC01.2640.879合格6.5 尾柱设计尾柱安装在床身的左端，它由后立柱和支架组成，支架用来支承悬伸较长的刀杆，以增加刀杆的刚度。后立柱还可沿床身导轨作纵向移动，以调整位置。尾柱的动力来源于主轴箱，通过安装在床身导轨上的光杠，再经由一对锥齿轮传递过来，支架的上下移动是通过立柱上的丝杠来实现的。尾柱对于提高加工精度有很大作用，加工大型缸体，特别是对于加工深孔。其高度为 1280mm，具体参数见图。 结 论时光如水，毕业设计的完成代表大学生活的即将结束，同时也是对我四年学业的综合检验。本次我设计的是电火花镗磨电火花镗磨机设计。镗床通常用于加工尺寸较大，要求精度较高的孔，如各种箱体、汽车发动机等。对于一台电火花镗磨机来讲，主轴箱是其最重要的部件，它关系到传递各种转速，扭矩。而再设计它的传动系统，目的主要有：提高其工作效率、减少各种损耗、降低成本、减小噪音。尽管目前数控电火花镗磨机大量的使用，效率也大大高于普通电火花镗磨机，但价格相对便宜的普通电火花镗磨机还是有其广阔的市场，如何提高竞争就只能在提高工作效率和降低成本上做文章。因此就有必要不断地对设计进行改进。在近三个月的设计过程中，设计的每个过程，我都严格按照国家的标准进行制图和设计。同时也发现自己很多方面的不足，只有通过长期的实践，通过设计，生产，再设计，才能最终设计出满意的产品。几个月的设计，最大的收获是对机械产品的研发有了很高的认识以及极大的锻炼了自己的自主设计能力，为以后步入工作岗位打下了很好的基础。由于缺