开题报告-数控车床上专用中心架结构设计

圆梦设计专业定制设计，联系 七一九二零八零零 南京工程学院 工 业 中 心 本科毕业设计（论文）开题报告 题目： 数控车床上专用中心架结构设计 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： D 机加工 121 学 号： 231120315 学生姓名： 何自星 指导教师： 刘桂芝 2016 年 3 月 1 日 本科毕业设计 (论文 )开题报告 圆梦设计专业定制设计，联系 七一九二零八零零 学生姓名 何自星 学 号 231120315 专 业 机械设计制造及其自动化 指导教师姓名 刘桂芝 职 称 教授 所在院系 工程中心 课题来源 自拟课题 课题性质 工程设计 课题名称 数控车床上专用中心架结构设计 毕业设计的 内容和意义 采用类比法，进行数控车床上专用中心架结构设计的研究。 毕业设计的具体内容： 1、 中心架对零件的支撑、轴承的选择、承载问题 2、 在加工区域防护以及润滑问题 3、这类中心架咋夹持零件过程中的移动问题 4、移动到位夹紧后，中心架体在机床导轨上的锁紧问题 本课题研究的意义： 本课题对数控车床上专用中心架结构进行了设计，其意义如下： 1、解决了一些专有零件夹紧问题 2、提高了车床的 工作效率 3、使我更全面了解和巩固自己专业方面的知识 圆梦设计专业定制设计，联系 七一九二零八零零 文献综述 中心架是车床的功能部件，功能部件的典型产品有数控转台，动力卡盘，滚珠丝杠，中心架，尾架等。从技术发展上看数控机床技术向高速，智能，复合和环保方向发展。对其功能部件提出了同样的要求。从某种程度上讲，功能部件的发展水平代表了主机的发展水平，其可靠性，先进性尤为突出。 1就数控车床发展而言，从 20 世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械 制造业带来了革命性的变化。随着计算机技术和现代设计技术的飞速发展以及装备制造业对数控机床的大量需求，数控机床的应用范围在不断扩大并不断发展以更适应生产加工的需要。 2“十二五”是国产数控机床发展的一个新机遇期，全球已经走出金融危机造成的经济最困难时期，国内需求拉动的效果非常明显。“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。 3通过国家相关计划的支持，我国在中高档数控机床关键技术研究方面有了较大突破，创造了一批具有自主知识产权的研究成果和核心技术，打破国外的技术封锁，在五轴联动加工机床，车 铣复合加工机床，高速加工机床等重大数控装备上均有突破。 4尽管如此，我国的技术和国外发达国家相比仍然存在差距。当前世界上数控技术及其装备的发展呈现如下趋势： 密化 2 高可靠性 3 数控机床设计 4 智能化、网络化、柔性化、集成化 5 开放性 6 复合化 7 重视新技术标准、规范的建立。 5 就此课题的中心架而言，当轴的长度和直径之比越大，则刚度越小，故机床在加工细长类轴时，需采用中心架，因为中心架是保证这些工件加工精度的主要附件之一。磨削工件时，固定轴的方法一般是采用轴的一端用头架卡盘夹 紧，或用头架顶尖顶紧，另一端用尾架的顶尖将轴支撑起来。由于工件的长径比值较大，加上在工件的自重和切削力的作用下，易使工件弯曲变形，造成工件在加工时发生振动和被磨成腰鼓形，如图 1 所示。但假如在工件中间部分使用一只中心架，如图 2 所示，可以增加轴的刚度，以保证工件在加工过程中不至于出现腰鼓形不直度和“让刀”现象。另一方面，此做法也能避免系统振动现象的产生，从而防止了轴的加工误差变大。 6 圆梦设计专业定制设计，联系 七一九二零八零零 文献综述 产生上述原因是应为在加工过程中，尤其是当刀具靠近轴中部的时候，工件会受到自身重力和刀具径向切削力的作用，产生变形，使轴产生不同程度的弯曲，使加工产生误差，从而导致加工完成后的轴成为腰鼓形，即中间大，两端较小的形状。纵截面一致性和圆度无法得到保证。所以为避免此类情况的发生，加工时需采用液压中心架作为辅助支撑，以此来限制轴的变形，达到提高加工精度的目的。 中心架的结构形式，按机床的不同结构和零件的不同要求而变化，其结构形式大致可以分为闭式中心架 ，开式中心架如图 3 所示和专用中心架。 随着机械工业制造设备的发展，数控机床已经广泛应用，长轴类零件，外圆及轴端部分加工极为普遍。中心架一般是固定在机床导轨上，中心架触头卡在工件中部外圆。通常闭式中心架用于磨削内孔和阶梯轴，开式中心架用于磨长轴，丝杆和曲轴颈。加工零件外圆时，闭式中心架因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。 7 圆梦设计专业定制设计，联系 七一九二零八零零 文献综述 这样传统的中心架已经不能满足数控机床的加工要求。 在数控车床的加工中，常常面临着大型薄壁套类零件的端口内孔及内螺纹加工的零件夹紧问题。这类零件的特点是：是长径比较大，需要加工的部分在零件的一端，而且加工的内孔与外圆同心度要求高等。对于大型薄壁套类零件，通常采用的夹持方法是用三爪卡盘夹持零件的一端，另一端用自定心中心架作辅助支承。但在实际使用中，这种方式是夹持零件的刚性不足和夹持变形大，难以保持夹持精度。因此为解决常用的夹紧机构如自定心中心 架夹持零件带来的刚性不足和夹持变形大的问题，通过对此类零件的特点、加工工艺的分析，设计了一种专用夹紧机构 套圈式中心架。 8 设计这种套圈式中心架就要解决： 一：中心架对零件的支撑、轴承的选择、承载问题 二：在加工区域防护以及润滑问题。 三：这类中心架在夹持零件过程中的移动问题。 四：移动到位夹紧后，中心架体在机床导轨上的锁紧问题 这些问题也是本课题需要研究的内容。 首先是第一个问题中的中心架对零件的支撑。可以通过机架和结构的设计来支撑零件。 机架和结构设计概述：通过中心架的工作特性可以确定该结构设计是 轴心受力构件。设计轴心受拉构件，通常先根据载荷确定出构件的所需截面，然后对截面作强度和刚度验算。 9由于轴心拉力 N 和钢材的许用应力计算出构件所需的净截面积。从型钢表中选择合适的截面尺寸。当截面有削弱，比如由螺纹孔等，应将所需截面增大到15%在选定型钢型号。然后进行强度验算和刚度验算（验算公式见机械结构设计手册 )。除此之外还要考虑其整体稳定性。由于压杆屈曲的载荷范围较小，因此设计时按临界载荷 N。作为轴心受压构件稳定承载力的极限载荷，即认为当外力一旦大于临界载荷 N。，构件就丧失了稳定性。此类具有平衡 分支的稳定问题称为第一类问题。轴心受压构件不仅有丧失整体稳定的可能性，而且也有丧失局部稳定的可能性。所以还应满足局部稳定性控制条件。 10 机架的设计主要应保证刚度，强度和稳定性。机架的强度和刚度都需要从静态和动态两方面来考虑。动刚度是衡量机架抗振能力的指标，而提高机架的抗振性能途径是：合理设计机架构件的截面形状和尺寸，合理选择壁厚及布肋，注意机架的整体刚度与局部刚度的匹配以及结合面的刚度等。机架受压结构及受压弯结构都存在失稳的问题。稳定性是保证机架正常工作的基本条件，必须加以校核。机架设计的一般要求： 1）在满足刚度和强度的前提下，机架的重量应要求轻，成本低。 2）抗振性好，把受迫振动振福限制在允许范围内。 3）噪声小。 4）温度场分布合理，热变形对精度的影响小。 5）结构设计合理，工艺性良好，便于铸造，焊接和机械加工。 6）结构力求便于安装与调 圆梦设计专业定制设计，联系 七一九二零八零零 文献综述 整，方便修理和更换零部件。 7）有导轨的机架要求导轨面受力合理，耐磨性良好。 8)造型好，即适用经济，又美观大方。设计步骤： 1 初步确定机架的形状和尺寸。 2 常规计算。 3 有限元静动态分析，模型实验和优化设计。 4 制造工艺性和经济性分析。至于机架的材料可以根据生产批量上考虑：单件小批量钢板焊接，批量生产最好用铸件，铸铁是机架使用最多的一种材料，它的流动性好，体收缩和线收缩小，容易获得形状复杂的铸件。在铸造中加入少量合金元素可提高耐磨性能。铸铁的内摩擦大，阻尼作用强，故动态刚性好。铸铁还具有切削性能好，价格便宜和易于大量生产等优点。但铸件的壁厚超过临界值时，其力学性能会显著下降，故不宜设计成很厚大的铸件。总的来说铸件的整体刚性，精度保持性好。 至于轴承的选择和承载问题可以通过轴承 的设计与选择解决。轴承分为滑动轴承和滚动轴承。根据课题应该选择滚动轴承。 与滑动轴承相比，滚动轴承的优点有：摩擦阻力小，效率高，启动容易；润滑方便，互换性好，维护保养方便；径向游隙较小，可以用预紧的方法提高轴承刚度及旋转精度；滚动轴承的宽度较小，可使机器的轴向尺寸紧凑。 至于滚动轴承的类型选择：轴承承受载荷的大小，方向及性质是选择轴承类型的主要依据，在外廓尺寸相同的条件下，滚动轴承比球轴承的承载能力大，适用与载荷较大或有冲击的场合，而球轴承用于载荷小，冲击小的场合。当然还应该考虑载荷的方向：当承受纯 经向载荷时，通常选用深沟球轴承，圆柱滚子轴承等，当纯轴向载荷时，选用推力轴承，当承受径向力较大和一定的轴向载荷时，可选用圆锥滚子轴承等，当承受较大的轴向力和一定的径向力时，可选用角接触球轴承，或者采用向心轴承和推力轴承进行组合来分别承受径向和轴向的载荷。当然转速的高低也会影响轴承的选择，高转速一般选用球轴承和同一直径中外径较小的轴承。调心性能和安装条件同样影响选择，为了方便安装，拆卸和调整轴承游隙，在安装空间受限制的场合优先选择内外圈可分离的轴承如： N 类， ， 3 类等，若轴较长可选用内锥孔带紧定套的轴承。 经济性也是必不可少的考虑对象，一般球轴承比滚子的便宜。 类型选好后就是轴承尺寸的选择了。首先应当考虑轴承的寿命即轴承的基本额定寿命，可根据设计手册中的表选择。然后是滚动轴承的当量载荷计算，轴承的静强度计算。然后校核。公式见设计手册。 为了保证轴承正常工作，除了正确选择轴承类型和尺寸，还应正确地解决轴承的定位，装拆，配合，调整，润滑，与密封等问题，即正确地设计轴承装置：轴承的轴向定位与紧固，分为内圈和外圈上的定位与紧固，有 4 种方式。轴承的装置即轴承的轴向定位。轴承游隙和轴系位置的调整。轴承的刚度与预紧 。轴承的刚度与精度。轴承的装配和装拆。 因为中心架支撑零件并随零件一起运转，就必须由轴承支撑，这样轴承就置于加工区域，这样轴承的型号的选择，如何防护和润滑是进行该课题必须解决的问题。 圆梦设计专业定制设计，联系 七一九二零八零零 文献综述 首先是滚动轴承的润滑。滚动轴承常用的润滑方式有油润滑和脂润滑。此外，特殊条件下也可以采用固体润滑剂。润滑方式的选择与轴承的速度有关。 11可见机械设计手册表。 脂润滑的优点：由于润滑脂是一种粘稠的胶凝状材料，故润滑油 膜强度高，能承受较大载荷，不易流失，容易密封，能防止灰尘等杂物侵入轴承内部，对密封要求不高。缺点是：摩擦损失大，散热效果差。适用于不便经常添加润滑剂的部位，适用内径和转速较低的轴承。使用量一般为轴承内部空间的 1/3。 油润滑一般用于高温条件下 ,其优点是：摩擦系数小，润滑可靠，搅动损失小，并具有冷却和润滑作用。当然其缺点是：对密封和供油的要求较高。润滑油的主要性能指标是黏度，转速越高，应选用黏度越低的润滑油，载荷越大，应选用黏度越高的润滑油。常用的润滑方法有：滴油润滑，飞溅润滑，喷油润滑，油雾润滑，油 固体润滑剂用于极低温度，高温，强辐射，太空，真空等特殊工况或不允许污染，不易维护，无法供油等场合。 根据此课题，应该选用油润滑中的喷油润滑。 此外轴承工作时，润滑剂不允许流失，且外界灰尘，水分及其他杂物也不允许进入轴承，所以对轴承设置可靠的密封装置。密封装置可分为接触式和非接触式两大类。 接触式密封用于转速不高的场合。常用的结构形式有：毛毡油封唇形密封密封环。非接触式密封可以避免摩擦，用于高速的结构中。常用的有：隙缝密封甩油密封迷宫式密封。 12 为了获得可靠的密封效果，常将多种密 封形式合理地组合使用。本课题可采用迷宫式与隙缝式的组合密封。 下面是这类中心架在夹持零件过程中的移动问题。 这个问题可以设计一个拨叉机构来夹紧工件，然后用油缸作为传动机构。让套圈式中心架本体机构和安装在其上的拨叉机构可以沿零件轴向任意移动，并可由无触点开关控制其编程要求的位置。 最后设计个油膜锁紧装置，其内设计空腔及与空腔相通的油路进口，让皮腔油囊位于该空腔内，油囊的上方装有夹紧压板，皮腔油囊充油后可将锁紧压板顶起，从而将中心架本体锁紧在机床导轨上。 按以上的步骤设计该套圈式中心架。理论上会克服 自定心中心架的刚性不足和零件夹紧变形大的问题。且该机构结构简单，调整方便，夹持刚性好，变形小。从而保持了零件的夹持精度。 圆梦设计专业定制设计，联系 七一九二零八零零 文献综述 参考文献 1、高育杰 . 关于发展我国数 控产业的几点看法 J. 国内外机电一体化技术 . 1999(01) 2、王福印 . 我国数控车床技术发展的现状与思考 J中旬刊 ),2011(2):373、李强 ,李东茹 . 国产数控机床及其关键技术发展现状及展望 J2010(10):264、江崇民 , 荀洪伟 . 数控车床技术发展现状及趋势 J012(4):985、王爱玲 武文革 . 现代数控机床 国防工业出版社 6、邱琦 , 璩玮 . 中心架的设计与加工 J. 精密制造与自动化 , 2010(1):36 7、大型数控切点跟踪曲轴磨床智能加工工艺及策略研究 D. 上海大学 , 2011. 8、刘桂芝 . 数控机床专用夹紧机构 套圈式中心架的设计 J. 机床与液压 , 2011, 39(18):209、孙金海 , 杨晓磊 . 自定心、滚动支撑中心架的设计 J. 制造技术与机床 , 2013(8):1450、卢耀祖 郑慧强 主编机械结构设计 同济大学出版社 11、闻邦 椿 主编机械设计手册 机械工业出版社 12、王贤民 霍仕武 主编机械设计 北京大学出版社 圆梦设计专业定制设计，联系 七一九二零八零零 研究内容 1中心架对零件的支撑、轴承的选择、承载问题 通过机架和结构设计来支撑零件，根据该中心架的工作环境选择角接触球轴承或者向心轴承和推力轴承进行组合来承受载荷。 2在加工区域防护以及润滑问题 加工区域防护可通过合理设计轴承装置来实现，润滑可根据加工场合选择油润滑中的喷油润滑。 3这类中心架在夹持零件过程中的移动问题 可以设计一个拨叉机构来夹紧工件，然后用 油缸作为传动机构。让套圈式中 心架本体机构和安装在其上的拨叉机构可以沿零件轴向任意移动，并可由无触点开关控制其编程要求的位置。 心架体在机床导轨上的锁紧问题 设计一个油膜锁紧装置，其内设计空腔及与空腔相通的油路进口，让皮腔油囊位于该空腔内，油囊的上方装有夹紧压板，皮腔油囊充油后可将锁紧压板顶起，从而将中心架本体锁紧在机床导轨上。 圆梦设计专业定制设计，联系 七一九二零八零零 研究计划 研究周期与时间安排 毕业设计起止日期： 1 周 第 15 周） 第 1 周（ 集资料，学习有关书籍文献，参观工厂，搜集设计过程所需要 遵照的有关国家标准并进行学习。 第 2 周（ 出完成课