CA6140数控改造横向进给系统和齿轮工艺规程设计.doc
CA6140数控改造横向进给系统和齿轮工艺规程设计
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CA6140数控车床改造横向进给系统和齿轮工艺规程设计摘要： 本课题设计的是CA6140数控改造横向进给系统和齿轮工艺规程设计。根据数控改造的方法和原理，制定了CA6140数控改造横向进给系统的运动方案，执行机构传动方式等，并最终完成设计。同时根据运用所学知识对CA6140数控改造横向进给系统中的零件-齿轮进行了工艺规程的设计关键词：数控改造 传动 工艺路线目录第一章 绪论4引言本次设计目的第二章 CA6140横向进给部分进行数控化改造62.1 总体方案简述2.2 设计参数2.3给伺服系统机械部分的计算与选型第三章 消隙齿轮工艺规程设计173.1零件工艺分析3.2制定零件工艺规程总结25参考文献 .26第一章绪论引言 企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。 2001年，我国机床工业产值已进入世界第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达47.39亿美元，仅次于美国的53.67亿美元，消费额比上一年增长25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达24.06亿美元，比上年增长27.3%。近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。出口的数控机床品种以中低档为主。数控机床是机械、电子、自动化及电机拖动于一体化的装备。它是有计算机作为控制核心，来控制异步电机，从而控制机床的换刀、走刀、停顿的。随着数控机床的发展，使机械制造进入一个崭新的阶段，是机械制造业中的一次技术革命。数控机床作为期间的产品价格也十分昂贵，对大对数企业来说，更换设备所需资金太大，老的设备得不到利用。结合我国的实际国情，所以把普通机床改造成为经济型数控机床就有十分重大的意义。也是我国发展数控产品的主要渠道之一。数控机床与普通机床相比,增加了功能,提高了性能,简化了结构.较好地解决形状复杂、精密、小批量及形状多变零件的加工问题。能获得稳定的加工质量和提高生产率，其应用越来越广泛，但是数控的应用也受到其他条件限制：（1）数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，中小企业常是心有力而力不足；（2）目前，各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床替换根本不可能，而且替代下的机床闲置起来又会造成浪费；（3）在国内，订购新数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产急需；（4）通用数控机床对某一类具体生产项目有多余功能。要较好的解决上述问题，应走通用机床数控改造之路。普通机床的改造就是在普通机床上增加微机数控装置，使其具有一定的自动化能力，以实现额定的加工工艺目标。机床数控化改造的优点：（1）改造闲置设备，能发挥机床原有的功能和改造后的新增功能，提高了机床的使用价值，可以提高固定资产的使用效率；（2）适应多品种、小批量零件生产；（3）自动化程度提高、专业性强、加工精度高、生产效率高；（4）降低对工人的操作水平的要求；（5）数控改造费用低、经济性好；（6）数控改造的周期短，可满足生产急需。目前机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，现在我国机床数控化率不到3。用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展，所以必须大力提高机床的数控化率。普通车床（如C616，C618，CA6140）等是金属切削加工最常用的一类机床。普通机床刀架的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、纵溜箱、横溜板移动。进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作。刀架的纵向进给运动和横向进给运动不能联动，切削次序也由人工控制。对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改为用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；刀架改造成为能自动换刀的回转刀架。这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。由于加工过程中的切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动调节和更换，再加上纵向和横向进给联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动车削，从而提高了生产效率和加工精度，也能适应小批量多品种复杂零件的加工。本次设计目的其目的是加深和巩固理论教学内 容，培养我们综合运用所学理论的能力，解决现代普通机床数控化改造等实际问题，以及通过对某一零件的工艺规程及工艺装备设计，进行全面的综合训练：1. 掌握CA6140机床结构，装置，运动过程及工作原理；2. 掌握机床数控化改造方法和原理；3. 掌握零件机械加工工艺规程设计的能力；4. 学会使用、查阅各种设计资料、手册和国家标准等，以及学会绘制总体方案图、设计参数和结构计算，CA6140横向进给系统改造后的总装图，标注比要的技术条件等。本次课程设计类容是针对普通车床CA6140横向进给部分进行数控化改造，以及对消隙齿轮零件的工艺规程的分析。第二章 CA6140横向进给部分进行数控化改造2.1总体方案设计简述由于本次CA6140横向进给部分数控化改造后的机床属于经济型数控机床，所以设计要求原则上必须在保证一定加工精度的前提下尽量简化结构、降低成本，减少改动量。原CA6140进给部分包含变速传动装置和操纵机构，改造时将其全部拆除，将它们改造成由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成的新的装置和机构，且其传动比应满足机床所要求的分辨率，具体实施方案如下：(1） 丝杠；原CA6140丝杠是由T丝杆螺母和光杆实现进给箱进给的，本次改造时，用滚珠丝杠螺母副替换原普通机床上的梯形丝杠螺母副和光杠；另外，进给的操作也由数控系统实现。滚珠丝杠螺母副把传动丝杠与螺母之间的滑动摩擦变为了滚动摩擦，使摩擦损失减小，精度保持性、传动平稳性、传动效率等都得以提高。其传动效率可达到92%98%，是普通丝杠螺母副的34倍。(2） 消隙机构增设；为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。(3） 机床导轨；为了使改造后的机床有较高的开动率和精度保持性，应充分考虑机床导轨的耐磨性。当前国内普通机床床身等大件多采用普通铸铁，其摩擦系数较大。改造中，在对达不到预定要求的原机床导轨进行修磨、刮研后，要在上面贴上耐磨、吸振的聚四氟飞烯软带。(4） 拖板；拖板是数控系统直接控制的对象。不论是点位控制、直线控制，还是轮廓控制，被加工零件的最终坐标精度都将受到拖板运动精度、灵敏度和稳定性的影响。(5） 用可控进给电机驱动纵、横向进给运动。2.2设计参数确定的设计相关参数主要是，包括车床的部分技术参数和设计数控横向进给伺服系统所需要的参数。现列出CA6140卧式车床横向进给的技术数据：加工最大直径：在床面上 400mm 在床鞍上 210mm最大加工长度：1000mm溜板及刀架重量： 横向W=80kgf=800N最大移动速度（快进）：1.2m/min最大进给速度（工进）：0.22m/min主电机功率： 7.5kw起动加速时间： 30ms横向定位精度： 0.015mm2.3横向进给伺服系统机械部分的计算与选型取定进给伺服系统机械部分的相关的计算与选型，相关的内容包括：先确定其脉冲当量的大小，整体的计算切削力，设计选型滚珠丝杠螺母副，齿轮结构的传动的计算，选取步进电机尺寸的计算和参数的选型等。最终得出的计算简图如下图所示：2.3.1确定系统的脉冲当量脉冲当量指的是一个零件的进给量所需的数值。床加工精度的基本参数。因此，应根据机床的精度的要求来确定脉冲的量。对于经济型数字控制机床来说，经常被采用的脉冲的量是0.01mm / step和0.005mm / step，在CA6140的技术参数中，向0.0mm / step要求纵向的脉冲当量fp。横脉冲的量是fp = 0.005mm / step。2.3.2 横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤A丝杠计算 1计算进给牵引力Fm（N），横向导轨为燕尾形导轨 Z 1,J1Fm= kFy+f（Fz+G+2FX）= 1.15670+0.04（2680+800+21072）= 995.46 N 式中K-代表为颠复力矩影响的实验系数大小，选定K=1.4f，-滑动导轨摩檫系数0.030.05 G-溜板及刀架重力：G=800N B计算最大负载C： C = L= n= 式中L0-滚珠丝杠导程。初始L0=5mmVs-最大切削力下的进给速度，可提高进给速度（1/2-1/3）此处VS =0.22m/min T-使用寿命，按15000h；fw定义为运转系数值，一般为取fw=3-1.5；L-寿命，以106转为1单位。 L= = n= C = =4158N C滚珠丝杠螺母 型号为W1L2005外循环螺母为滚珠丝杆用螺母，具体的调整预紧依靠的是双螺母，滚珠是1列2.5圈。参考数值为额定动负载为8800N，具体的精度等级依据表415定位为3级.D传动效率计算式子中r螺旋升角，W1L2005=4033 -摩擦角取10 滚动摩擦系数0.0030.004 =0.965F刚度验算：（1）丝杆处于拉伸或压缩时候的变形量1：L=FmL0EF=1.410-4 =（2）珠滚与罗纹滚道间接触变形2 。参考文档种4-7的数值，选择W系列的，1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量Q的计算 ；最后需要预紧，2=1/2q=3m （3）支撑滚珠丝杠轴承的轴向接触变形3， 3=2m 综合以上变形量之和：计算如下 2=1+2+3=0.00815mm（定位精度）从上面计算可以看出，设计过程要反复修改参数，反复计算，才能达到满足的要求。G稳定性较核：具体滚珠丝杠轴承的配合使用，则不会产生相关的失稳现象，所以不需要对其稳定性较核。2.3.3横向滚珠丝杠副几何参数CDM2005滚珠丝杠几何参数 名称符号计算CDM2005螺纹滚道公称直径do标准20导程Lo标准5接触角标准 4033钢球直径dq标准3.915滚道法面直径RR=0.52 dq1.651偏心矩ee=( R- dq/2)sin0.045螺纹升角=arc tg(Lo/do) 4033螺杆螺纹外径dd= do-(0.20.25) dq19.4螺杆内径d1d1 = do +2e-2R16.788螺杆接触直径dzdz = do - dq cos16.835螺纹螺母螺纹直径DD= do -2e+2R23.212螺母内径D1D1= do +(0.20.25) dq20.6352.3.4横向进给齿轮传动比计算： 纵向进给脉冲当量选定：p=0.005，其滚珠丝杠的导程为L0=5mm； 初选步进电机步距角为0.750。可计算出传动比i； i=(360 p)/(bL0) =(3600.01) (0.755) =0.48鉴于结构安装问题，不需要将大齿轮直径设计过大，避免横向溜板有效行程收影响，最后使用两级齿轮将速：可选齿轮齿数为i= =(22/35)*(20/24)=0.48 Z1 =22 Z2=35 Z3 =20 Z4=24 有关参数请参照表32，鉴于进给运动的齿轮受力情况，相关模数m取2。具体表32 传动齿轮几何参数齿 数22352024分度圆d=mz44704048齿顶圆da=d+2m46744452齿根圆df=d-21.25m41.532.517.521.5齿 宽( 68)m20162420中心矩A=( d1+d2)/256442.3.5步进电动机选用的基本原则步进马达的合理选择是比较相对复杂的问题，通过电动机可以根据整个系统中的实际工作情况，分析后才能正确选择。在此，我们选择一个步进马达的基本原则。1)步距角 步距角应满足 min i （4-1）式中， i-传动比 min-系统对步进电动机所驱动部件要求的最小转角2)精度步进马达的精度可以进行步骤误差或累积误差的测量。累积误差，从转子的任意位置，指转子的实际的旋转角和理论转角的差的最大值，比较累积误差测量精度，使用的步骤电机满足。 mi s （4-2）相关定义， m -定义为步进电动机的累积误差。 s-定义为角度误差是系统对步进电动机驱动部分允许的。 3)转矩步进电动机工作状态时候不失步，不越步，同时在正常启动过程种要满足对转速的要求，以下需要考虑的：a. 起动力矩。一般选取为 MqMLo/0.3-0.5 （4-3）式中，Mq-电动机起动力矩 MLo-电动机静负载力矩启动力矩的电动机参数，相数和拍数的电动机参数，如图所示，表中最大静载矩MJM，相关的技术数据中给出的。运行方式相数33445566拍数3648510612Mg/Mjm0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866表（4）步进电机参数在要求的运行频率范围内，马达的运行速度超过了马达的静载力控制和电动机的旋转惯量（包含负荷的旋转习惯量）的惯性扭矩的和。4)启动频率随着步进电机的起动频率随着负载转矩和转动惯量的增加而减小，应满足相应的负载力矩和惯性矩的极限起动频率。 Ftfopm (4-4)式中，ft-极限启动频率， fopm-代表步进电动机的最高启动频率大小。2.3.6 横向进给步进电机的计算和选型A等效传动惯量计算： 经分析，该传动系统的折算到电机轴上的总的传动惯量J(cm2)可由下式计算： J=JM+J1+( Z1/Z2)2（J2+Js）+(G/g) (L0/2)2 式中JM-定义为步进的电机转子传动惯量(cm2)； J1 ，J2-齿轮Z1，Z2的转动惯量(cm2)；Js-滚珠丝杠转动惯量(cm2)； 结合相关同类型机床的资料，选择了反应式的步进电机型号为150BF，具体其转子的转惯量JM =10cm2； J1=0.7810-3d14L1 =0.7810-36.442 =2062cm2 J2=0.7810-3d24L2 =0.7810-3842 =6.39cm2 Js=0.7810-344150 =29.952cm2 G=800N 代如上式： J=JM+J1+( Z1/Z2)2（J2+Js）+(G/g) (L0/2)2 =10+2.62+（32/40）2（6.39+29.952）+（1000/9.8）（0.5/2）2 =36.478cm2 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题 JM/ J=10/36.478 =0.274 基本满足匹配的要求。B电机力矩计算不同的工况下所需转矩电机参数也是不同的，依各阶段计算： （1）快速空载起动力矩M起 加速力矩占的比例较大的时候是在快速空载起动阶段，计算： M起=Mamax+Mf+M0 Mamax= J = Jnmax(60/2) ta10-2= J(2nmax10-2)/(60ta) nmax =(vmax/p)(b/3600) 将前面数据代入，式中各符号意义同前。 nmax =(vmax/p)(b/3600) =（2400/0.01）（0.75/360） =500r/min 起动加速时间ta=30ms； Mamax= J(2nmax10-2)/(60ta) =636.3Ncm 折算到电机轴上的摩擦力矩Mf： Mf=(F0L0)/( 2i) =f(Fz+G) L0/ 2( Z1/Z2) =0.16(5360+1000) 0.6/( 20.8 1.25) =97 Ncm 附加摩擦力矩M0 M0 =(Fp0L0)/ (2i) =(1/3FmL0)/ 2( Z1/Z2)(1-02)=(1/325600.6) (20.81.25) (1-0.92)=15.5Ncm 上述三项合计： M起=Mamax+Mf+M0 =634+97+15.5 =747 Ncm （2）快速移动时所需力矩M快 M快 = Mf+M0=97+15.5=112.5 Ncm (3)最大切削负载时所需力矩M切 M切= Mf+M0+Mt= Mf+M0+(FxL0)/( 2i)=97+15.5+(13400.6)/ (20.81.25)=240.5 Ncm从上面计算可以看出： 三种工况，分别为M起 ， M快和M切，其中只有快速空载的起动力矩是最大，所以根据此作为初选步进电机的考量。查出，当步进电机为 =Mq/Mjmax=0.951最大静力矩Mjmax =747/0.951 =785 Ncm参照最大静转矩，选出150BF002型的最大转矩为13.72Nm，其值是大于所需最大静转矩的，但还必须进一步考核步进电机的两个特性值，起动矩频特性和运行矩频特性。C.计算步进电机空载起动频率和切削时的工作效率 fk=(1000 vmax)/(60p) =(10002.4) (600.001) =4000Hz fe=(1000 vs)/(60p) =(10000.6) (600.01) =1000 Hz150 BF002型步进电动机允许的最大空载起动频率为2800 Hz，工作频率为8000 Hz。如图4-22所示，从图4-18中找出了150 BF002步进电机的起动力矩频率特性和运行力矩特性曲线。从Fig.（4-22A）看到，当步进电机启动时，当F2500 Hz，M100 N. Cm时，运行不能满足所需的负载启动转矩（747 N. Cm）直接使用将产生步长损失，因此有必要采取速度控制（通过软件），当起动频率降低到1000 Hz时，起动转矩可增加到588.4 N. Cm。然后，在低电压驱动的内陆电路中，步进电机的输出转矩也可以增加一倍。启动矩频特性 图3-1 运行矩频特性图32两种状态，其为快速运动与切削进给状态，依据曲线得出150BF002型步进电机运行矩频特性图32完全可以满足要求。 2.3.7CA6140横向系统数控改造装配图零件图见图纸 第三章 消隙齿轮工艺规程设计3.1零件工艺分析图中示出这部分是回转部分零件。主要加工表面为15H7孔和齿面，均具有较高的同轴度要求。这是加工工艺中需要考虑的关键问题。其次，由于装配要求，齿轮的侧面具有15H7孔的垂直度和跳动要求。最后，当滚齿时，两个齿圈的端面应用作定位基准，因此也有必要对15H7孔的端部跳动进行要求。在安排加工工艺时，也应注意这些问题。3.2制定零件工艺规程3.2.1选择表面加工方法 （1）因为生产量大，所以采用了高效的加工方法。零件的热处理会，为了保证15H7的精度和对牙齿的15H7的同轴度，在热处理后需要再加工这个孔。因此，在热前采用扩大孔的加工方法，在热后采用研孔的方法。（ 2） 齿面 鉴于其精度的要求，结合生产批量较大的因素，所以综合分析考虑采用滚齿加剃齿的加工方法。（3） 零件的大小端面 使用的是粗车半精车精车加工方法。 （4）通孔 环槽 采用铣削方法。（5）孔及沉头孔采用钻削方法。3.2.2选择定位基准（1） 精基准选择 齿轮的设计标准是15H7孔，根据基准重叠，考虑统一精基准原则，以15H7孔为主要的定位精基准。考虑位置稳定，把大的面作为第2定位精基准。在研孔工程中，为了保证齿面和孔的同轴度，将牙面作为选择基准。在加工环槽工程中，将外圆表面作为定位标准。3.2.3拟定零件加工工艺路线 1）使用车床，三爪卡盘，粗车加工一端大、小端面，粗车加工、半精车加工内孔，一端内孔倒角；2）粗车、半精车外圆，粗车另一端大、小端面，另一端外圆、内孔倒角（普通车床，三爪卡盘）；3）使用普通车床，三爪卡盘精车内孔，车加工槽，精车加工另一端的大、小端面以及外圆倒角；4）铣R2.5三个环槽至尺寸（数控铣） 5）钻各孔（钻床）6）精车零件外圆以及大、小端面；7）中间检验；8）滚齿（滚齿机，滚齿夹具）；9）一端齿圈倒角（倒角机，倒角夹具）；10）另一端齿圈倒角（倒角机，倒角夹具）；11）剃齿（剃齿机，剃齿心轴）；12）检验； 13）热处理；14）磨孔（内圆磨床，节圆卡盘）； 15）最终检验。3.2.4 填写工艺过程卡片3.2.5机械加工工序设计1）工序011）刀具安装 由于采用多刀半自动车床，可在纵向刀架上安装用于车削外圆一把左偏刀和一把用于车倒角45弯头刀；可在横刀架上安装两把45用于车削大、小端面弯头刀。 2）走刀长度与走刀次数 以外圆车削为例，若采用75偏刀，一次走刀可以完成切削（考虑到模角及飞边的影响，最大切深为34mm）。3） 切削用量选择 背吃刀量取定：考虑到毛坯为模锻件，尺寸一致性较好，且留出半精车和精车余量后（直径留3 mm），加工余量不是很大，一次切削可以完成。取：aP =（7774）/2 + 12.5tan（7） 3mm；考虑毛坯误差，取：aP = 4 mm； 进给量取定：参考，有：f 0.6 mm/ r； 切削速度取定：参考，有：v = 1.5m/s，n = 212r/min。2）工序061） 刀具安装 普通车床加工的工件，需避免刀具更换次数多，所以采用了用于车削大、小端面一把45弯头刀和用于倒角一把75左偏刀。2）走刀长度与走刀次数 考虑大端面，采用45弯头刀，由可确定走刀长度为27.51130mm；因为是精车，加工余量只有0.5 mm，一次走刀可以完成切削。端面与倒角此时完成。3）切削用量选择 背吃刀量的取定：精车工序的余量等于0.5mm，经单次切削。最后：aP = 0.5mm； 进给量的取定：参考，有：f 0.2 mm/ r； 最后确定切削速度：参考，有：v = 1.8m/s，n = 264r/min。3)工序08切削用量选择 确定进给量：参考表S-11，有：f 1.2 mm/工件每转； 确定切削速度：参考表S-12，有：v = 0.6m/s，计算求出n = 96r/min； 工件转速的敲定：其
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