机械制造装备设计之3——典型部件设计-哈工大(威海)黄博ppt课件

机械制造装备设计 哈尔滨工业大学 威海 机器人研究所山东省现代数字化医疗装备高校重点实验室黄博 本课程主要讲述内容 机械制造装备及制造业动态机械制造装备设计方法金属切削机床设计典型部件设计工业机器人设计机床夹具设计物流系统设计机械加工生产线总体设计 4 1典型部件设计 主轴部件设计 主轴组件包括主轴 支承轴承 传动件 定位元件 密封件 功用支承并带动工件或刀具旋转进行切削 承受切削力和驱动力 完成表面成形运动 基本要求 4 1典型部件设计 主轴部件设计 1 旋转精度旋转精度指主轴装配后 在空载 低速转动状态下 安装刀具或工件的主轴部位的径向跳动和轴向跳动 旋转精度取决于主轴 轴承 箱体孔的制造 装配和调整精度 2 刚度受主轴的尺寸和形状 滚动轴承的类型 数量 预紧和配置形式 传动件的布置方式 主轴组件的制造精度和装配质量等因素影响 4 1典型部件设计 主轴部件设计 主轴的结构取决于主轴上安装的刀具 夹具 工件 传动件 轴承的类型 数量 位置和安装定位方法 主轴前端形式取决于机床的类型和安装夹具或刀具的形式 通用机床已有标准化的形式 主轴整体结构空心阶梯轴 外径从前端到尾部逐渐减小 4 1典型部件设计 主轴部件设计 主轴的选材依据 载荷类型 耐磨性 热处理方法 1 普通机床主轴采用45 或60 优质结构钢 在主轴支承轴颈及装卡刀具的定位基面进行局部高频淬火 提高耐磨性 硬度为50 55HRC 2 精密 大载荷 有冲击的机床主轴采用中碳或低碳合金钢 如40Cr 20Cr 进行高频淬火或渗碳淬火 提高耐磨性 硬度52 65HRC 3 主轴材料的攻关点怎样减小高速 高效 高精密机床主轴的热变形 振动 已诞生的新型材料有玻璃陶瓷材料 主轴的技术要求 主轴前后轴承轴颈的同轴度 锥孔相对于前后轴颈中心连接线的径向跳动 定心轴颈及其定位轴肩相对于前后轴颈中心线径向和轴向跳动等 4 1典型部件设计 主轴部件设计 主轴的传动形式 1 齿轮传动轮齿的啮合传动 结构简单 紧凑 能传递较大的扭矩 适应变转速 变载荷工作 不足 线速度需 12 15m s 且不如带传动平稳 2 带传动靠摩擦力传递动力 结构简单 皮带有弹性可吸振 传动平稳 噪声小 过载时打滑 具有过载保护作用 适用于中心距较大的两轴间传动 不足 传动速比不够准确 4 1典型部件设计 主轴部件设计 主轴的传动形式 3 同步齿形带传动通过带上的齿与带轮上的轮齿传递传动此传动无相对滑动 传动比大且准确 传动精度高 可传递较大动力 传动平稳 不需特别张紧 对轴和轴承压力小 传动效率高 不需润滑 耐腐蚀 耐高温 可达50m s 传动比可达1 10不足 制造工艺复杂 安装条件高 4 电动机直接驱动对于转速小于3000r min的主轴 采用异步电动机和联轴器直接驱动主轴 如高速内圆磨床的磨头 对于转速小于8000r min的轴 采用变频调速电动机直接驱动 4 1典型部件设计 主轴部件设计 主轴部件结构设计之1 支承数目1 前 后两个支承结构简单 制造方便 应用广泛 为提高刚度 前后支承应消除间隙或预紧 2 三个支承 前 后支承为主要支承 中间支承为辅助支承 前 中支承为主要支承 后支承为辅助支承 三支承方式对三支承孔的同心度要求较高 制造装配较复杂 要求 主 支承应该消除间隙或预紧 辅助 支承应保留一定的径向间隙或选用较大游隙的轴承 以免发生干涉 恶化主轴的工作性能 使空载功率大幅度上升和轴承温升过高 4 1典型部件设计 主轴部件设计 主轴部件结构设计之2 主轴轴向定位为使主轴具有足够的轴向刚度和轴向位置精度 推力轴承在主轴前后支承的配置形式 它影响主轴的刚度 热变形方向和大小 前端配置 前端定位 指推力轴承布置在前支承处 该配置在前支承处轴承较多 发热大 温升高 但主轴受热后向后伸长 不影响轴向精度 精度高 用于轴向精度和刚度要求较高的高精度机床或数控机床 后端配置 后端定位 推力轴承布置在后支承处 主轴前支承处轴承较少 发热少 温升低 但主轴受热后向前伸长 影响轴向精度 常用于轴向精度要求不高的普通机床 如立铣 多刀车床 4 1典型部件设计 主轴部件设计 主轴部件结构设计之2 主轴轴向定位为使主轴具有足够的轴向刚度和轴向位置精度 推力轴承在主轴前后支承的配置形式 它影响主轴的刚度 热变形方向和大小 两端配置 两端定位 推力轴承布置在前后两个支承处 主轴受热伸长后 影响主轴轴承的轴向间隙 故需采用弹簧消除间隙和补偿热变形 常用于较短主轴或轴向间隙变化不影响正常工作的机床 如组合机床主轴 中间配置两个方向的推力轴承布置在前支承后侧 可减少主轴的悬升量 并使主轴受热膨胀后向后伸长 但前支承结构较复杂 温升也可能较高 4 1典型部件设计 主轴部件设计 主轴部件结构设计之3 主轴传动件轴向布置布置原则应使由传动力引起的主轴弯曲变形小 引起主轴前端在影响加工精度的敏感方向上的位移小 方法传动件轴向布置尽量靠近前支承 最大传动件应靠近前端 传动件在前支承内侧前支承直径大 刚度高 大齿轮靠前可减少主轴的弯曲变形 而且转矩传递长度短 扭转变形小 使用最普遍 传动件在前支承外侧用于具有大转盘的机床 如 立式车床 镗床 传动件在后支承外侧传动件放在主轴的后悬伸端 使前后支承获得较好的支承跨距 多用于主轴的带传动 更换传动带方便 防止油液侵蚀 4 1典型部件设计 主轴部件设计 主轴部件结构设计之4 主轴主要结构尺寸参数的确定1 前支承轴颈D1主轴直径越大其刚度越大 主轴组件尺寸越大 在保证主轴组件刚度的同时 尽量减小轴颈D1的尺寸 2 主轴内孔直径d内孔直径d与主轴的用途有关 在保证主轴刚度的同时 参考主轴直径和刀杆直径确定d 3 主轴前端悬伸量a取决于主轴端部的结构 前支承轴承的配置和密封装置的型式和尺寸 满足结构要求前提下 尽量缩短悬伸量a 4 主轴支承间跨距L跨距的大小影响主轴弯曲和前端位移量 跨距L减小时 主轴弯曲变形较小 但支承变形又引起主轴前端的位移量增大 跨距L增大时 主轴弯曲变形也增大 也会引起主轴前端较大的位移 设计时 要确定一个最佳支承垮距L 使主轴弯曲变形和支承变形引起的主轴前端总位移量最小 L 2 3 5 a 4 1典型部件设计 主轴部件设计 主轴滚动轴承滚动轴承能在转速和载荷变化幅度很大的条件下稳定工作 滚动轴承能在无间隙 甚至在预紧 有一定过盈量 的条件下工作 故滚动轴承的摩擦系数小 有利于减小发热 滚动轴承润滑容易 可以用油脂 一次填装可用到修理时再换脂 如用油润滑 单位时间用油量也比滑动轴承少 滚动轴承为标准件 质量稳定 成本低 经济性好 滚动轴承的缺点 滚动轴承的滚动体数量有限 其径向刚度是变化的 易引起振动 阻尼低 振幅较大 滚动轴承的径向尺寸比滑动轴承大 4 1典型部件设计 主轴部件设计 选择滚动轴承选择的基本原则1 转速较高 负载不大 而旋转精度要求较高 采用球轴承 2 转速较低 负载大或有冲击负载 采用滚子轴承 3 径向载荷和轴向载荷都较大时 如果转速高 采用角接触球轴承 如果转速不高 采用圆锥滚子轴承4 轴向载荷比径向载荷大得多 但转速较低时 采用两种不同类型的轴承组合 分别承受轴向和径向负载 5 径向载荷比轴向载荷大得多 且转速较高 采用深沟球轴承6 支承刚度要求较高时 可采用成对角接触型轴承 4 1典型部件设计 主轴部件设计 常用滚动轴承的布置角接触球轴承接触角是设计参数 接触角为0 深沟球轴承 接触角在0 45度之间 角接触球轴承 接触角在45到90度之间 推力角接触球轴承角接触球轴承的布置一般多选用15度 25度成组安装 以便承受双方向进给力及调整间隙预紧 机床主轴常选用 背靠背组合 为什么 轴承的接触线与轴线的交点间距大 抵抗弯曲变形的支反力矩大 支承刚度比 面对面组合 高 4 1典型部件设计 主轴部件设计 几种典型的主轴轴承配置形式根据刚度 转速 承载能力 抗振性和噪声要求等选择 速度型主轴前后轴承都采用角接触球轴承 切削力轴向分量大时 可选用25度球轴承 较小时 选用15度球轴承即可 该类型适合高速轻载或精密机床 如高速镗削单元 高速CNC机床 刚度型前轴承采用双列圆柱滚子轴承承受径向载荷 60度角接触双列推力轴承承受轴向载荷 后轴承采用双列圆柱滚子轴承 适合于中速和切削负载较大 要求刚度高的机床 如数控车床 镗削主轴单元等 刚度速度型前轴承采用三联角接触球轴承 外侧的两个角接触大口朝向主轴工作端 承受轴向力 第3个通过轴套背靠背 提高承受颠覆力矩刚度 后轴承采用双列圆柱滚子轴承 承受传动力 因动力从后端传入 参见图3 14 三种类型的主轴单元 4 1典型部件设计 主轴部件设计 高速结构 4 1典型部件设计 主轴部件设计 高刚度结构图1是上述提到的典型 高刚度结构 图2是采用圆锥滚子轴承的主轴部件 结构比采用双列短圆柱滚子轴承简化 承载能力和刚度比角接触球轴承高 但是因为圆锥滚子轴承发热大 温升高 允许的极限转速要低些 适用于载荷较大 转速不太高的普通精度的机床主轴 4 1典型部件设计 主轴部件设计 速度刚度结构 4 1典型部件设计 主轴部件设计 CA6140车床的主轴箱布置 刚度型 4 1典型部件设计 主轴部件设计 轴承精度等级的选择前轴承与后轴承的精度对主轴旋转精度影响不同前大后小 前轴承精度应高 如前后轴承便宜方向在同一侧 可有效降低主轴端部的偏移 轴承精度影响旋转精度 刚度与抗振性 应选择P4 SP 以上精度 主轴滚动轴承的预紧预紧就是采用预加载荷的方法消除轴承间隙 而且有一定的过盈量 使滚动体和内外圈接触部分产生预变形 增加接触面积 提高支承刚度和抗振性 预紧力通常分为三级 轻预紧 中预紧和重预紧 代号为A B C 参见 图3 22 图3 23 滚动轴承的润滑和密封滚动轴承所用的润滑剂主要有润滑脂和润滑油 密封的方式主要有非接触式和接触式 4 1典型部件设计 主轴 滑动摩擦 1 干摩擦 2 边界摩擦 3 液体摩擦 4 混合摩擦 两摩擦面间无任何润滑剂 固体表面直接接触 摩擦 磨损大 强烈温升 不允许 0 30 0 35 两摩擦面由吸附着的很簿的边界膜隔开的摩擦 0 1 0 3 两摩擦面完全由液体隔开的摩擦 理想 0 001 0 01 干 边界 液体摩擦并存 实际 非液体摩擦 4 1典型部件设计 主轴部件设计 主轴滑动轴承有良好的抗振性 旋转精度高 运动平稳等特点 应用于高速或低速的精密 高精密机床和数控机床中 按产生油膜的方式 可分为动压轴承和静压轴承两类 按照流体介质不同可分为液体滑动轴承和气体滑动轴承 1 动压轴承主轴旋转时 带动润滑油从间隙大处向间隙小处流动 形成压力油楔 产生油膜压力浮起主轴 承载能力与速度 润滑油粘度 油楔结构等有关 4 1典型部件设计 主轴部件设计 2 液体静压轴承一套专用供油系统 节流器和轴承 静压轴承与动压轴承相比具有的优点 承载能力高 旋转精度高 油膜有均化误差的作用 可提高加工精度 抗振性好 运转平稳 既能在低速下工作 也能在高速下工作 摩擦小 轴承寿命长 缺点是需要一套专用供油设备 轴承制造工艺复杂 成本高 4 2支承件设计 机床的支承件指相互固联成机床基础和框架的部件 一般指床身 立柱 横梁 底座等大件 床身 立柱 底座 工作台 摇臂 横梁 升降台 箱体 珩磨机 4 2支承件设计 支承件的基本要求1 具有足够静刚度和较高固有频率整体刚度 自身刚度 指机床床身承受载荷抵抗整体弯曲 扭转变形的能力 与支承件材料以及截面形状 尺寸等参数有关 局部刚度指支承件载荷集中的局部结构处抵抗变形的能力 如导轨承受载荷产生局部变形 接触刚度指支承件的结合面在外载作用下抵抗接触变形的能力 如导轨面产生接触变形 接触刚度取决于接合面的表面粗糙度和平面度 结合面的大小 材料硬度 接触面的压强等 4 2支承件设计 固有频率用刚度与质量之比表示 即当激振力频率 接近固有频率 0时 支承件将产生共振 设计时要求 o 1 3 设计要点 在满足刚度的前提下 尽量减小支承件的质量m 提高固有频率 o 2 良好的动态特性支承件有较高静刚度 固有频率 还应有较大阻尼 薄壁面积应小于400mm 400mm 避免薄壁振动 3 结构合理通过失效处理充分消除内应力 形状稳定 4 排屑畅通 工艺性好 成本低 吊运安装方便 4 2支承件设计 二 支承件的受力分析方式机床支承件要承受切削力 零部件重量 传动力等载荷 支承件所承受的载荷不同 设计时分析其受力方式不同 1 中小型机床支承件受力分析以切削力为主 2 精密和高精度机床支承部件载荷以移动部件的质量和热应力为主 如 双柱立式坐标镗床的横梁 受力分析考虑主轴箱位于横梁中部时 横梁的弯曲和扭转变形 3 大型机床支承件受力分析应考虑工件重力 移动部件重力和切削力等 4 2支承件设计 三 支承件的截面形状设计原则支承件变形主要是弯扭变形 且抗弯刚度和抗扭刚度随支承件的截面惯性矩增大而增大 其设计原则 截面积一定时 空心截面比实心截面的惯性矩大 满足工艺要求时 应尽量减小壁厚 提高抗弯刚度 承受高度方向的弯矩时 支承件截面形状应为矩形 承受弯扭作用的支承件 截面形状应为方形 承受纯转矩的支承件 截面形状应为圆环形 不封闭截面刚度远小于封闭截面 尽量将支承件制成封闭形状 截面不能封闭的支承件 应采取补偿刚度措施 如 a为车床 b为镗床与龙门刨 c为大型和重型机床的床身 4 2支承件设计 隔板和加强肋板 1 隔板是连接外壁间的内壁 作用是将局部载荷传递给其它壁板 使整个支承件较均匀地承受载荷 支承件内增加纵向隔板能提高抗弯刚度 纵向隔板应布置在弯曲平面内 即隔板高度方向与作用力方向一致 支承件内增加横向隔板能提高抗扭刚度 增加一个端面横向隔板时 抗扭刚度成倍增加 均匀布置三个横向隔板后 抗扭刚度又成倍增加 支承件内增加斜板可提高抗弯和抗扭刚度 4 2支承件设计 隔板和加强肋板 2 加强肋 肋条 配置在外壁内侧或内壁上 其作用是加强局部刚度和减少薄壁振动 可以纵向横向和斜向 常交叉排列米字或井字 肋条高应约为支承件壁厚的5倍 图a用加强肋提高导轨与床身过渡连接处的局部刚度 图b用加强肋提高箱体轴承孔处的局部刚度 图c d e为工作台等板形支承件的加强肋 提高抗弯刚度 避免薄壁振动 4 2支承件设计 支承件的壁厚在满足工艺要求和刚度的前提下 应尽量减少支承件的厚度和隔板 加强肋的厚度 铸铁支承件的外壁厚度可根据当量尺寸C来选择 式中L B H 支承件的长 宽 高 m 根据C值确定最小壁厚t见表3 5 隔板的厚度可取 0 8 1 t 加强肋的厚度可取 0 7 0 8 t 钢板焊接床身的抗弯刚度约为铸铁床身的1 45倍 壁厚可比铸铁薄2 3或4 5 具体选择见表3 6 4 2支承件设计 2 支承件开孔后的刚度补偿在立柱或横梁中 安装等工艺孔会造成抗扭 抗弯刚度的损失 刚度补偿方法 在孔上加盖板 用螺栓将盖板固定在壁上 可将孔的周边加厚 翻边 再加嵌入式盖板 一般立柱或梁外壁上开孔尺寸应小于该方向尺寸的20 如开孔尺寸不大于该方向的10 则影响较小 无需刚度补偿 提高接触刚度相对滑动的连接面和重要的固定结合面须精磨或配对刮研 以增加接触面积 紧固螺栓应使结合面有 2MPa的接触压强 以消除结合面的平面度误差 增大结合面积 结合面承受弯矩时 应使较多紧固螺栓布置在受拉面承受拉应力 结合面承受转矩时 螺栓远离扭转中心 均匀分布在四周 4 2支承件设计 支承件的材料灰口铸铁 加入少量的铬 硅 稀土等合金元素 切削性能好 易得到复杂形状 抗振性能好 耐磨性强 消除应力 自然时效 人工时效 振动时效 钢材焊接 用Q235 A 20钢的钢板和型钢焊接成支承件 不用铸模 制作周期短 钢件抗弯刚度大于铸铁件 重量轻 抗振差 适合于生产数量少 品种多的大型床身的制造 树脂混凝土 人造花岗岩 是制造床身的新型材料阻尼比是灰口铸铁的8 10倍 抗振性好 浇注的床身静刚度比铸铁高16 40 钢板焊成框架 充入树脂混凝土 适合构成大 中型机床支承件 4 2支承件设计 提高支承件的结构性能常见的机床振动 1 整机摇晃振动是机床整体在地基支承上的振动 2 结合面间的相对振动是指整个部件作为一个刚体在结合面处相对于另一部件的直线振动或扭转振动 3 零部件的本体振动指主轴组件的弯曲振动 传动系统的扭转振动 支承件的弯曲和扭转振动等 提高结构性能的措施提高支承件的静刚度和固有频率提高动态特性改善阻尼特性采用新材料制造支承件提高热稳定性控制温升采用热对称结构采用热补偿装置 4 3导轨设计 导轨的功用和分类功用 承受载荷和导向 承受安装在导轨上的运动部件及工件的质量和切削力 引导运动部件沿一定的轨迹运动 按摩擦性质分为滑动导轨 滚动导轨 静压滑动导轨液体摩擦 导轨间有压力油膜层 靠液压系统提供压力油膜 用于高精度机床进给导轨 动压滑动导轨液体摩擦 动压油膜的形成是利用滑移速度带动润滑油从大间隙处向狭窄处流动形成的 适用于主运动导轨 普通滑动导轨混合摩擦 导轨间有一定动压效应 速度较低 导轨面处于接触状态 用于大多数普通机床 滚动导轨导轨面之间装有滚动元件 钢球 靠钢球的滚动摩擦引导部件运动 广泛用于数控 精密和高精度机床 4 3导轨设计 导轨按运动性质分为 主运动导轨用于刨床 拉床 插齿机的主运动导轨 进给运动导轨用于机床的进给系统中 移置导轨调整部件之间的相对位置 如 卧式车床的尾座导轨 按结构形式分为开式导轨 闭式导轨开式导轨是利用部件质量和载荷 使导轨副在全长上始终保持接触的导轨 开式导轨不能承受较大颠覆力矩 用于大型机床的水平导轨 闭式导轨是在开式导轨上增加辅助导轨而构成 闭式导轨能保持导轨副始终接触 故能承受较大的颠覆力矩 4 3导轨设计 滑动导轨结构设计截面形状的选择要使动导轨严格按规定的轨迹运动 必须限制五个自由度 因导轨的摩擦面宽度较小 故导轨可视为窄定位板 双矩形导轨两个窄支承平面a b构成一个定位面 限制3个自由度窄支承平面c限制2个自由度刚度和承载能力大 制造安装调整方便 但侧导向需用镶条调整间隙广泛用于普通精度的中型车床 组合机床 升降台铣床 数控机床等 三角形和矩形导轨的组合导轨的导向性好 制造方便 刚度高 广泛用于车床 磨床 龙门铣床 龙门刨 滚齿机 坐标镗床减小其顶角 导轨的导向性能提高 但承载能力下降 一般 900 重型机床 900 精密机床滚齿机 900 4 3导轨设计 截面形状的选择双三角形导轨无需镶条调整间隙 接触刚度好 导向性和精度保持性好 但工艺性差 加工 检验和维修不方便 只能配加工 多用于精密机床 如丝杠车床 导轨磨床 齿轮磨床等 燕尾槽和矩形导轨组合调整方便 承载力矩大 广泛用在机床横梁 立柱 摇臂导轨双燕尾形导轨不用辅助导轨副的闭式导轨 导轨高度小 可承受颠覆力矩 燕尾导轨是过定位 必须用镶条调整摩擦面的间隙 由于结构原因 此导轨刚度差 加工 检验 维修不方便 用于受力小 结构层数多 间隙调整方便处 如牛头刨床滑枕导轨 卧式车床的刀架导轨等 4 3导轨设计 导轨间隙的调整 1 辅助导轨间隙调整采用压板调整辅助导轨面间隙 承受颠覆力矩 图a 精磨或刮削压板厚度调整间隙 图b 通过改变垫片层数和厚度调整间隙 图c 通过压板和导轨间平镶条调节间隙 4 3导轨设计 2 矩形导轨和燕尾导轨的间隙调整 图a 图b 平镶条较薄 全长只由几个螺钉调整间隙 镶条在几个点上受力 因此镶条易变形 刚度较低 图c 间隙调整后 再拧紧紧固螺栓 平镶条调整方便 采用镶条来调整矩形导轨和燕尾导轨的侧面间隙 镶条应装在导轨受力较小的一侧 以提高刚度 平镶条调整间隙 斜镶条调整间隙 调整方式 将动导轨的一面做成与镶条斜度相同 方向相反的斜面 通过斜面配合 纵向移动镶条来调整导轨横向间隙 缺点 螺钉的凸肩和镶条沟槽间的间隙会引起镶条在运动中窜动 图a 用螺钉推动镶条纵向移动 结构简单 调整方便 4 3导轨设计 图c 将螺钉凸肩变为带圆柱销的调整套 圆柱销与圆孔配作 通过配合精度控制镶条的窜动 调整方便 但纵向尺寸较长 图b 用双螺钉调节 能避免镶条窜动 性能较好 4 3导轨设计 孕育铸铁广泛应用在卧式车床 转塔车床 升降台铣床及磨床等机床上 三 滑动导轨的材料及选择 1 铸铁导轨常用的有灰铸铁 孕育铸铁 耐磨铸铁等 1 滑动导轨的材料 1 对耐磨性能要求高 精加工为磨削 且与床身做成一体的导轨 广泛采用孕育铸铁HT300 孕育铸铁是在铁水中加入少量孕育剂硅 锰 铝 稀土等 以获得均匀的珠光体和细片状石墨组织 而提高强度和硬度 并通过电接触淬火或高频淬火 进一步提高耐磨性 4 3导轨设计 铬钼铜耐磨铸铁可用于制造中 小型精密机床 仪表机床的床身导轨 2 耐磨铸铁是在灰铸铁中添加磷 铜 钛 钼 钒等细化晶粒的元素 其耐磨性比HT300提高1 2倍以上 高磷耐磨铸铁可用于普通机床的床身 溜板 工作台及其导轨 且应用日趋广泛 钒钛耐磨铸铁适用于制造各类中 小型机床的导轨 其机械性能好 优于高磷耐磨铸铁 溶铸工艺简单 耐磨性能比孕育铸铁HT300提高近2倍 磷铜钛耐磨铸铁铸件质量较高 适用于制造坐标镗床 螺纹磨床等精密机床的床身 立柱和工作台等导轨 4 3导轨设计 2 镶钢导轨是将淬硬的碳素钢或合金钢导轨 分段地镶装在铸铁和或钢制的床身上 以提高导轨的耐磨性 镶钢导轨工艺复杂 加工较困难 主要用于数控机床和加工中心的导轨中 在铸铁床身上 镶装钢导轨常用螺钉或楔块挤紧固定 在钢制床身上 镶装钢导轨一般用焊接方法连接 4 3导轨设计 适用于中小型精密机床和数控机床 特别是润滑不良 如立式导轨 或无法润滑的导轨 3 塑料导轨粘结法或喷涂法覆盖在导轨面上提高耐磨性 粘贴软带以聚四氟乙烯为基体 添加各种无机物和有机粉末等填料制成 1 粘贴塑料软带导轨 聚四氟乙烯软带导轨的特点是 摩擦系数小 耗能低 动静摩擦系数接近 低速运动平稳性好 阻尼特性好 抗振性好 耐磨性好 能自身润滑 使用寿命长 结构简单 维修方便 磨损易更换 经济性好 刚性较差 受力后产生变形 对高精度的机床有影响 4 3导轨设计 塑料涂层都是以环氧树脂为基体 加入固体润滑剂和胶体石墨及其它铁粉填充剂混合而成 2 塑料涂层导轨 根据涂层材料的组织和性能不同 可分别适用于大 中 小型精密机床导轨和数控机床导轨 涂塑导轨在西欧国家 普遍用于数控机床的制造中 环氧树脂塑料涂层的特点 有较高的耐磨性 硬度 强度和热导率 在无润滑情况下 能防止爬行 改善导轨的运动特性 特别是低速运动平稳性较好 塑料涂层应用较多的有环氧涂层 含氟涂层和HNT涂层 4 3导轨设计 5 精密和高精度机床 导轨面需刮削 可采用耐磨铸铁导轨副 但动导轨的硬度比支承导轨的硬度低15 45HB 1 导轨副应采用不同的材料制造 以提高导轨副的耐磨性 防止粘结磨损 导轨副材料的选用原则 2 采用相同的材料 应采用不同的热处理 使其双方具有不同的硬度 3 滑动长导轨各处的使用机率不等 磨损不匀 因此 长导轨应采用耐磨性好 硬度较高的材料制造 4 普通机床的动导轨多采用聚四氟乙烯导轨软带 支承导轨采用淬硬的孕育铸铁 4 3导轨设计 静压导轨是依靠液压系统产生的压力油 形成承载油膜的导轨 四 静压导轨 静压导轨的优点 摩擦系数小 机械效率高 导轨面被油膜隔开 不产生粘结磨损 导轨精度保持好 导轨的油膜较厚 有均化表面误差的作用 油膜的阻尼比大 导轨的抗振性能良好 导轨低速运动平稳 防爬行性能良好 静压导轨结构复杂 需要一套完整的液压系统 工作原理能够将具有一定压强的润滑油 经节流器通入动导轨的纵向油槽中 形成承载油膜 使导轨副的摩擦面隔开 实现液体摩擦 4 3导轨设计 应用 静压导轨适用于具有液压传动系统的精密机床和高精度机床的水平进给运动导轨 导轨面的油腔形成一个个独立的液压支承点 在液压的作用下 动导轨及其运动部件便浮动起来 形成液体摩擦 如图 常用的闭式静压导轨 液压泵产生的压力油 经可变节流器节流后 通入导轨面油腔A和辅助导轨面油腔B 4 3导轨设计 2 工作原理 一 滚珠丝杠副的工作原理及特点 1 结构 滚珠丝杠副是将丝杠和螺母都加工成凹半圆弧形螺纹 且圆弧半径略大于钢珠半径 在螺纹副间放入钢珠 使丝杠和螺母之间的运动成为滚动的传动机构 当丝杠 螺母相对转动时 钢珠沿螺旋滚道滚动 使螺纹摩擦为滚动摩擦 滚珠通过螺母两端的回程导引装置 自动返回入口而循环流动 从而实现高精度 高效率的传动 4 4滚珠丝杠螺母副 3 特点及应用 传动效率高达85 98 是普通滑动丝杠副的2 4倍 摩擦损失小 功率消耗小 适当预紧 能消除反向螺纹间隙 定位精度 刚度高 运动平稳 无爬行现象 传动精度高 摩擦角小于10 不能自锁 如果驱动升降运动 必须增加制动装置 滚珠丝杠螺母副常用于数控机床行程不太长的进给系统中 以提高进给系统的灵敏度 定位精度和防止爬行 4 4滚珠丝杠螺母副 1 滚珠循环方式 如图 丝杠螺母之外置有插管式回珠器5 螺母之内装有挡珠器 1 外循环滚珠丝杠副 二 滚珠循环方式及轴向间隙调整 钢珠每一个循环称为一列 每一列内每个导程称为一圈 外循环每列有1 5圈 2 5圈 3 5圈 剩下的半圈用作回珠 丝杠匀速转动时 挡珠器能迫使滚珠转几圈后 经回珠器返回入口 完成一个滚动循环 同时准备开始新的循环 4 4滚珠丝杠螺母副 内循环滚珠丝杠副的螺母内孔中 装有接通相邻滚道的返向回珠器 迫使滚珠翻越螺纹的牙顶进入相邻滚道 内循环滚珠丝杠的每一个循环 每列 只有一圈 一个螺母有3列 4列 5列等几种 2 内循环滚珠丝杠副 如图 丝杠匀速运动时 丝杠副中的钢珠从A点走向B点 C点和D点 然后经反向回珠器4从内螺纹的顶上回到A点 螺纹每一圈形成一个钢珠的循环闭路 4 4滚珠丝杠螺母副 2 轴向间隙的调整和施加预紧力的方法 为什么滚珠丝杠轴向间隙要能够调整 怎样调整 滚珠丝杠副的轴向间隙会造成 滚珠丝杠启动 停止以及受冲击载荷时运动不平稳 反向时存在空行程 影响传动精度和定位精度 调整方法 采用双螺母装置消除轴向间隙 4 4滚珠丝杠螺母副 1 垫片调隙式 用螺钉连接两个螺母的凸缘 在凸缘间加垫片 特点 结构简单 可靠性好 刚度高 装卸方便 不足点 调整复杂 调整方式 调整垫片厚度使螺母产生轴向位移 来消除间隙和产生预拉紧力 4 4滚珠丝杠螺母副 2 螺纹间隙式 特点 结构紧凑 调整方便 应用较广泛 不足点 双螺母调整间隙欠精确 调整方法 旋转螺母 消除间隙和产生预拉紧力 调整后 用另一个螺母锁紧 螺母1的端面有凸台 螺母2的右端有螺纹 用双圆螺母固定 4 4滚珠丝杠螺母副 3 齿差调隙式 两螺母凸缘皆为圆柱齿轮 两齿轮相差一齿 分别与两内齿轮啮合 两内齿轮用螺钉或定位销固定在套筒上 调整方式 调整时 先取下两内齿轮 使两螺母相对套筒同方向转动 每转过一个齿 调整轴向位移量为e Ph z1z2 特点 调整精确 适用于高精度的传动机构 不足点 结构较大 调整 装配比较复杂 4 4滚珠丝杠螺母副 4 滚珠丝杠副工作原理 结构及轴向间隙调整方法 本堂课主要知识点 功用 静刚度 固有频率及其要求 受力分析与机床类型的关系 结构设计截面形状选择原则 提高静刚度措施 2 支承件设计 1 主轴组件 材料 铸铁 钢材 树脂混凝土特点及应用 为什么铸铁应用最广泛 3 导轨分类 滑动导轨的截面形状及应用 间隙调整 材料及其选择 基本要求 滚动轴承的选用原则 轴向定位及特点 4 5 机床刀架与自动换刀装置设计 机床上的刀架是安放刀具的重要部件 许多刀架还直接参与切削工作 这些刀架既安放刀具 还直接参与切削 承受极大的切削力 往往成为工艺系统中的较薄弱环节 加工中心则进一步采用了刀库和换刀机械手 实现了大容量存储刀具和自动交换刀具的功能 刀库安放刀具的数量从几十把到上百把 自动交换刀具的时间从十几秒减少到几秒甚至零点几秒 刀库和换刀机械手自动换刀是加工中心的主要特征 分类 刀具数目 单刀架和多刀架 如自动车床前 后刀架和天平刀架 结构形式 方刀架 转塔刀架 回轮式刀架等 驱动刀架转位动力 手动转位刀架和自动 电动和液动 转位刀架 4 5 机床刀架与自动换刀装置设计 刀架的形式 4 5 机床刀架与自动换刀装置设计 刀架的要求满足工艺过程所提出的要求 刀架和刀库上能布置足够多的刀具 能方便正确地加工各工件表面 需一次装夹工件完成多工序加工 所以刀架和刀库应方便转位 能牢固地安装刀具 在刀架上安装刀具时还应能精确地调整刀具的位置 采用自动交换刀具时 应能保证刀具交换前后都能处于正确位置 以保证刀具和工件间准确的相对位置 刀架 刀库 换刀机械手都应具有足够的刚度 换刀时间应尽可能缩短 以利于提高生产率 可靠性高操作方便和安全 4 5 机床刀架与自动换刀装置设计 常见的刀架型式a是一个刀架上的回转盘 刀具与主轴中心平行安装 回转刀盘既有回转运动又有纵向进给运动 S纵 和横向进给运动 S横 b为刀盘中心线相对于主轴中心线倾斜的回转刀盘 刀盘上有6 8个刀位 每个刀位上可装两把刀具 分别加工外圆和内孔 4 5 机床刀架与自动换刀装置设计 常见的刀架型式c 装有两个刀盘的数控车床 刀盘1的回转中心与主轴中心线平线 用于加工外圆 刀盘2的回转中心线与主轴中心线垂直 用以加工内表面 d 安装有刀库的数控车床 刀库可以是回转式或链式 通过机械手交换刀具 4 5 机床刀架与自动换刀装置设计 常见的刀架型式带鼓轮式刀库的车削中心 3为回转刀盘 上面装有多把刀具 4是鼓轮式刀库 其上可装6 8把刀 5是机械手 可将刀库中的刀具换到刀具转轴6上去 6可由电动机驱动回转进行铣削加工 7为回转头 可交换采用回转刀盘3和刀具转轴6 轮翻进行加工 鼓轮式刀库数控车床3一回转刀盘4 鼓轮式刀库5一机械手6一刀具转轴7一回转头 4 5 机床刀架与自动换刀装置设计 4 5 机床刀架与自动换刀装置设计 卧式车床刀架 1 方刀架组成 刀架体4 手柄1 螺纹轴18 端面凸轮2 轴套15 弹簧17 套筒16组成 方刀架与小拖板6用螺纹18固联 四侧可装4把车刀 手柄1可使4转位换刀 2 装配关系 方架体4中心通孔与6上圆柱配合 钢球12和定位销3定位 手柄1和螺纹轴18相连 旋紧手柄1则刀架体4压紧小拖板 端面凸轮2与轴套15间有单向端面吃爪弹力啮合 轴套15和套筒16花键相连 套筒16和手柄1通过圆柱销19固联 3 轴向进给 小托板6装在转盘10的燕尾导轨上 镶条11调整间隙 转动手柄7 带动丝杠8旋转 螺母9固定在转盘10上 丝杠带动托板6左右移动 4 转位 手柄1逆时针转动松开刀架体4 通过套筒16 轴套15 端面齿爪带动端面凸轮2逆时针转动 凸轮上的斜面A带动定位销3上端压板拔出定位销3 继续转动 则缺口肩部带动刀架体销子5 带动刀架体4逆时针转位 钢球12滑出定位孔 5 定位 刀架体转过90度后 钢球12在弹簧作用下进入小拖板另一定位孔中 方刀架初定位 顺时针转动手柄1 凸轮2顺时针回转松开定位销压板 定位销3精定位 6 夹紧 凸轮2的另一侧缺口肩部与销子5相碰 因方架体4已被销子定位 所以凸轮2被限位无法转动 手柄1继续顺时针转动 使得手柄沿螺纹向下拧 凸轮2的端面齿为单向倾斜齿 所以弹簧17将被压紧 4 5 机床刀架与自动换刀装置设计 转塔车床的转塔刀架换刀装置的转塔头上装有多个主轴 每个主轴上装一把刀具 加工中 通过转塔头自动转位实现自动换刀 刀具的主轴转到工作位置 以此实现自动换刀 同时接通主传动 不处在工作位置的主轴便与主传动脱开 省去了自动松 夹 装刀 卸刀以及刀具搬运等一系列的复杂操作 从而缩 短了换刀时间 仅为2s左右 并提高了换刀的可靠性 空间位置的限制 使主轴部件结构不能设计得十分坚实 因而影响了主轴系统的刚度 为了保证主轴的刚度 必须限制主轴数目 否则将使结构尺寸大大增加 4 5 机床刀架与自动换刀装置设计 半自动转塔刀架转配图刀架鞍座1在进给活塞2驱动下沿导轨纵向进给转位前 活塞12带动刀架体5抬起 端面齿盘7 8脱离啮合 同时端面齿形离合器10结合 转位时 液压缸活塞14上齿条带动转位齿轮9 离合器10 轴I 刀架体5转位 转位角度由挡块限位60度或120度 转位后 弹簧销6粗定位 松夹液压缸上腔 刀架体压下 端面齿盘啮合精定位 定位精度高 见图3 78 4 5 机床刀架与自动换刀装置设计 排刀式刀架与快换台板排式刀架一般用于小规格数控车床 以加工棒料或盘类零件为主 夹持着各种不同用途刀具的刀夹沿着机床的X坐标轴方向排列在横向滑板上 刀具的典型布置方式如图所示 这种刀架在刀具布置和机床调整等方面都较为方便 可以根据具体工件的车削工艺要求 任意组合各种不同用途的刀具 一把刀具完成车削任务后 横向滑板只要按程序沿X轴移动预先设定的距离后 第二把刀就到达加工位置 这样就完成了机床的换刀动作 这种换刀方式迅速省时 有利于提高机床的生产效率 宝鸡机床厂生产的CK7620P全功能数控车床配置的就是排式刀架 4 5 机床刀架与自动换刀装置设计 刀架的转位机构与定位机构转位机构液压 气动 驱动的活塞齿条齿轮转位机构圆柱凸轮步进式转位机构 参图3 76 伺服电机驱动的刀架转位 位置控制与速度控制 图3 77定位机构圆锥销定位端面齿盘定位 图3 78 定位精度高 重复定位精度好 定位刚性好 4 5 机床刀架与自动换刀装置设计 刀库加工中心有立式 卧式 龙门式等 所以刀库和换刀形式也多样 鼓轮式刀库应用较广 它包括刀具轴线与鼓轮轴线平行 或垂直或成锐角 这种刀库结构简单紧凑 但因刀具单环排列 定向利用率低 大容量刀库的外径将较大 转动惯量大 选刀运动时间长 因此 这种形式的刀库容量较小 一般不超过32把刀具 4 5 机床刀架与自动换刀装置设计 刀库加工中心有立式 卧式 龙门式等 所以刀库和换刀形式也多样 链式刀库容量较大 当采用多环链式刀库时 刀库外形较紧凑 占用空间较小 适用于作大容量的刀库 在增加存储刀具数目时 可增加链条长度 而不增加链轮直径 因此 链轮的圆周速度不会增加 且刀库的运动惯量不像鼓轮式刀库增加得那样多 格子箱刀库容量较大 结构紧凑 空间利用率高 但布局不灵活 通常将刀库安放于工作台上 有时甚至在使用一侧的刀具时 必须更换另一侧之刀座板 直线式刀库结构简单 刀库容量较小 一般应用于数控车床 钻床 4 5 机床刀架与自动换刀装置设计 自动换刀装置刀库整体前后移动 不仅刀具数量少 30把 而且刀具尺寸也较小 这种刀库旋转是在工步与工步之间进行的 即旋转所需的辅助时间与加工时间不重合 加工中心无机械手换刀简图a 原始位置b 主轴上移将刀具送至换刀位置c 刀库右移将主轴刀具取出d 刀库将待换刀具转至主轴位置e 刀库左移将刀具送进主轴f 主轴回原位1一立柱2一主轴箱3一刀库 4 5 机床刀架与自动换刀装置设计 自动换刀系统演示 4 5 机床刀架与自动换刀装置设计 自动换刀系统演示 4 5 机床刀架与自动换刀装置设计 刀库转位机构刀库由伺服电动机经齿轮 蜗杆 蜗轮转动刀库 为了消除齿侧间隙而采用双片齿轮 蜗杆 蜗轮采用单头双导程蜗杆 消除蜗杆蜗轮啮合间隙 压盖5和轴承套6之间用螺纹联接 转动套6就可使蜗杆轴向移动以调整间隙 螺母7用于在调整后锁紧 刀库的最大转角180 在控制系统中有一个自动判别机能 决定刀库正反转 以使转角最小 刀库转位机构1一主动齿轮2一消隙齿轮3 蜗杆4 蜗轮5一压盖6一轴承套7 螺母 4 5 机床刀架与自动换刀装置设计 4 5 机床刀架与自动换刀装置设计 链式刀库是目前用得最多的一种形式 由一个主动链轮 带动装有刀套的链条 主动链轮由直流 交流 伺服电动机通过蜗杆 蜗轮减速装置驱动 根据结构需要有时还可加一对齿轮副 导向轮一般都作成光轮 圆周表面硬化处理 兼起张紧轮作用的左侧两个导向轮 其轮座必须带导向槽 或导向键 以免松开螺钉时 轮座位置歪扭 给张紧调节带来麻烦 方形链式刀库1一回零撞块2一回零开关 左右可移 3一导向轮 张紧轮 4一主动链轮5一刀套6 链条7一导向轮 4 5 机床刀架与自动换刀装置设计 SK型悬挂式链条的链式刀库的布局型式这种刀库只能是刀套 外转型 故当刀库为方形时 就不能充分利用中间空间 4 5 机床刀架与自动换刀装置设计 HP套筒式链条的链式刀库的布局型式这种刀库形式在刀套 内转 时 不发生刀套之间的干涉 故刀库空间利用率比悬挂式高 4 5 机床刀架与自动换刀装置设计 刀库的准停为了保证刀套的准停精度和刀套定位的刚性 链式刀库的换刀位置一般设在主动链轮上 图a 或者尽可能设置在靠近主动链轮的刀套处 图b 定位盘上的每个定位槽 或定位孔 都对应于一个相应的刀套 而且定位槽 或定位孔 的节距要一致 这种准停方式的优点是 a 能有效地消除传动链反向间隙的影响 b 保护传动链 使其免受换刀撞击力 c 驱动电动机可不用制动自锁装置 链式刀库的换刀位置a 设在主动链轮上b 靠近主动链轮的刀套处1 定位插销2 定位盘3 链轮4一手爪5一定位块6一手爪 刀具交换装置 机械手单臂单爪回转式机械手回转不同的角度进行自动换刀 靠一个夹爪装刀卸刀 换刀时间较长 单臂双爪回转式机械手一个夹爪只执行从主轴上取下 旧刀 送回刀库的任务 另一个执行从刀库取 新刀 的任务 换刀时间较单爪回转式机械手要少 双臂双爪回转式机械手手臂两端各有一个夹爪 两个夹爪可同时抓取刀库及主轴上的刀具 回转180 后 又同时将刀具放回刀库及装入主轴 双臂往复交叉式机械手这种机械手的两手臂可以往复运动 并交叉成一定角度 一个手臂从主轴上取下 旧刀 送回刀库 另一个手臂由刀库取出 新刀 装入主轴 整个机械手可沿某导轨直线移动或绕某个转轴回转运刀运动 4 5 机床刀架与自动换刀装置设计 4 5 机床刀架与自动换刀装置设计 识刀装置顺序选刀 按照工艺要求依次将所用的刀具插人刀库的刀套中 顺序不能错 加工时按顺序调刀 更换不同的工件时必须重新排列刀库中的刀具顺序 因而操作十分繁琐 而且在加工同一工件中各工序的刀具不能重复使用 任意选刀 目前绝大多数数控系统都具有刀具任选功能 任选刀具的换刀方式有刀套编码 刀具编码和记忆等方式 对每把刀具进行编码 由于每把刀具