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螺纹在线加工部件结构设计,螺纹,在线,加工,部件,结构设计
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太原理工大学机械工程学院 开题报告 机械工程学院毕业设计（论文）开题报告 题 目： 螺纹在线加工部件结构设计专业班级： 机电1103班 姓 名： 学 号： 2011100818 指导教师： 成建平 2015年 月 日1.课题名称： 螺纹在线加工部件结构设计。2. 课题研究背景： 小型零部件上的螺纹孔一般在加工螺纹的专用机床上进行，如镗床、铣床、钻床等。但对于加工大型零部件上的螺纹孔，上述专用机床就不能满足现场加工，有两个方面的原因：第一，这些机床大都体型巨大而笨重难于到现场加工；第二，这些专用机床都有加工范围，对于大型零部件的螺纹孔，这些机床都不适用。该数控设备通过主轴箱内传动部件的设计能够实现钻孔和内螺纹的加工，满足了对于大型零部件上孔和螺纹的加工。研究该数控加工设备可以在线对零部件的钻孔和螺纹加工，而且可以连续加工出不同螺距的螺纹，满足实际生产的要求，相对于机械式数控加工设备具有明显的优势：操作方便，加工精度较高，生产效率较高，自动化程度较高。所以该数控加工设备具有较广的应用前景。3. 课题研究意义：（ （1）主要解决大型零部件上钻孔和螺纹的加工 （2）解决专用机床对于实时在线加工的问题 （3）降低生产成本，节省用于加工的时间，提高劳动生产率 （4）提高对生产自动化的认识4. 文献查阅概况金属机械加工工艺人员手册赵如福机床夹具设计手册数控技术指导书5. 设计（论文）的主要内容 （1） 数控设备的总体设计本课题主要设计一套数控加工大型零部件上孔内螺纹加工的主轴箱，进给箱内部的机械结构设计框图如图所示，通过对主轴箱的具体结构设计，实现主运动和进给运动，从而实现对于螺纹的加工。这是一条内联系传动链，联系两个执行件，以形成复合成形运动的传动链，称为内联系传动链。它的作用是保证两个末端件之间的相对速度或相对位移保持严格的比例关系，以保证被加工表面的性质。如在卧式车床上车螺纹时，连接主轴和刀具之间的传动链，就属于内联系传动链。此时，必须保证主轴（工件）每转一转，车刀移动工件螺纹一个导程，才能得到要求的螺纹导程。对于主运动的设计是采用交流伺服电机通过减速机构把动力传到主轴上，主轴带动刀具回转在孔内加工出螺纹，而另一方面也采用交流伺服电机和减速机构将运动传到丝杠螺母副，丝杠的回转带动螺母移动，利用螺母座与主轴的套筒联结，由于主轴和套筒的刚性连接，从而使得主轴随着螺母的移动而移动，实现了进给运动。另外在主运动的减速机构上安装编码器用于实时监测主轴的转速，以便及时调整主轴转速，保证螺纹的加工质量。对于钻孔加工和螺纹加工类似，但却是一条外联系传动链，联系交流伺服电动机和主轴，使主轴得到给定的速度运动，并传递一定的动力，外联系传动链传动比的变化，只影响生产率或表面粗糙度，不影响加工表面的形状。因此，外联系传动链不要求两末端件之间有严格的传动关系。通过主轴的主运动和进给运动带动刀具同时回转运动和直线进给运动加工出所要求的孔。伺服电动机是指能够精确地控制转速与转角的一类电动机，它在机电一体化设备进给伺服系统中是执行元件。常用的伺服电动机分为四大类：直流伺服电动机；交流伺服电动机；步进电动机；直接驱动电动机。直接驱动电动机、交流伺服电动机和直流驱动电动机均采用位置闭环控制，一般用于要求精度高、速度快的伺服系统；步进电动机主要用于开环控制，一般用于精度、速度要求不高，成本较低的伺服系统中。相比于其他电动机，交流伺服电动机交流伺服电机特点：无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。定子绕组散热比较方便。惯量小，易于提高系统的快速性。适应于高速大力矩工作状态。同功率下有较小的体积和重量。 减速机构采用直齿圆柱齿轮传动，齿轮传动的优点：1、使用的圆周速度和功率范围广；2、效率较高；3、传动比稳定；4、寿命长；5、工作可靠性高；6、可实现平行轴的之间传动。 在机电一体化系统中，常常需要检测运动部件的位移和速度。检测角位移和速度常用的传感器是增量式旋转编码器，检测线位移和线速度常用的则是直线光栅。这两种位移检测装置本身就是旋转器，它们与控制系统的接口简单方便。 增量式旋转编码器结构和工作原理：增量式旋转编码器是一种光学式位置检测元件，主要用以测量转角与转速，输出信号为电脉冲，其外形如图4-35所示。增量式旋转编码器最初的结构是一种光电盘，如图4-36所示。在一个圆盘的圆周上分成相等的透明与不透明部分（构成主栅），圆盘与工作轴1一起旋转。此外还有一个固定不动的圆形薄片（分度栅8）与圆盘（主栅7）平行放置，分度栅开有、三组狭缝。其中、狭缝用于辨向，彼此错开1/4栅距（主栅上相邻两线的间距为一个栅距）；狭缝用作零位。工作轴转动时，感光元件接收到的光通量会时大时小地连续变化（近似于正弦信号），经放大，整形电路变换后输出方波信号，如图4-37所示，其中、两路方波的相位差为。若定义相超前于相时工作轴为正转，则相超前于相时工作轴就为反转。相是零位脉冲（每转一个），通常用作测量基准。在实际应用中，从编码器输出的、相信号经辨向和倍频后，变成代表位移的测量脉冲被引入位置控制回路进行位置调节；或经频率-电压变换器转变成正比于频率的电压，作为速度反馈信号送给速度控制单元进行速度调节。 （1） 钻孔的基本尺寸和切削用量根据加工螺纹的公称直径确定孔径的大小，查金属机械加工工艺人员手册(以下简称手册)可知，普通螺纹的基本尺寸如图所示（注：本课题主要研究螺距之间的螺纹）。本课题研究螺纹的公称直径在之间，中径公差等级为8级。查手册可知，直径大于的孔采用两个钻头分两次来钻出，先用直径为的钻头钻，然后再扩至所要求的孔径，选用的刀具是锥柄麻花钻（）,刀具材料是,选用第一系列的刀具直径，工件材料选用为结构钢=。查手册得，钻削加工的切削速度公式 （1） 式中：-进给量 -刀具耐用度 -孔径由手册查得=，当刀具直径，；当刀具直径，将相关参数代入公式得，钻削时轴向力，扭矩及功率的计算公式查手册可知， (2) (3) (4)根据（2）式，计算，根据（3）式，计算，对于转速，有： (5)得，将相关参数代入式（4）中得，根据所计算的相关参数查相关资料，选择180SM3020型号大惯量交流伺服电动机，额定功率5.6,额定力矩30，额定转速2000，额定线电流28.6,转动惯量90，其安装尺寸如图所示， 电机性能曲线如上图所示，当电动机轴转速在之间时，转矩在之间。减速机构设计根据选择的电动机的相关参数和切削加工时功率和转矩的要求，初选进给运动传动机构传动比，二级传动。 (2)加工螺纹的基本尺寸和切削用量 螺纹的公称直径查手册知，如下表所示选择加工三角形内螺纹的公称直径为之间，螺距在之间。加工刀具的材料为硬质合金YT15，加工形式是镗削螺纹，工件材料选用为结构钢。切削速度计算公式： （6） 其中，为刀具耐用度90，为行程次数，根据查到的数据可知为2；切削速度=18.51，=22.77.主轴转速公式： = （8） 同理主轴切削速度在之间，代入主轴转速公式得转速的范围在之间。电动机轴转速之间根据螺纹加工时主轴转速范围可知，主运动传动机构传动比符合要求。主轴做进给运动时，根据钻削扭矩值选择180SM3020型号大惯量交流伺服电动机，其传动机构传动比，二级传动。（3）主轴的设计以及有关参数的计算主轴是机床中最常见的一种旋转类零件。主要由内圆面、外圆面、内外圆锥面、螺纹、花键和横向孔等组成。主轴是机床的执行件，它的主要功能是支撑传动件和传递转矩、在运作时，由它带动刀具直接参与表面成形运动；同时还保证刀具对机床其他部件有正确的相对位置。所以，主轴的性能对加工质量和机床的生产效率有重要影响。另外，主轴的传动方式是由皮带传动和齿轮传动两种方式结合的。各种车床主轴部件有所不同，但他们的基本用途是相同的，在结构和要求方面也是类似的。在工作性能上都必须与机床使用性能有相匹配的旋转精度、刚度、抗振性和耐磨性等。主轴的基本要求：1.承受摩擦与磨损机床主轴的不同部位承受着不同程度的磨损，尤其是轴颈部分，由于某些轴承与轴颈配合时，摩损较大，所以此部位应具有很高的硬度来增强耐磨性。2. 工作中时承受载荷 在高速运转时，机床主轴要承受不同载荷的作用，如弯曲变形、冲压，扭转等。因此要求主轴必须有抵抗不同载荷的能力。主轴在载荷大转速高时还要承受着很高的交变应力。所以要求主轴具有较高的综合力学性能和疲劳强度。前锥孔用来装顶尖或其他工具锥柄，要求能自锁，目前采用莫氏锥孔，本主轴锥孔采用莫氏锥度6号。设计主轴内径的原则是为减轻主轴重量，在满足对空心主轴孔径要求和最小壁厚要求下，应取最大值。主轴孔径越大，主轴部件的相对重量就越轻。主轴的孔径大小主要受主轴刚度的制约。主轴的孔径与主轴直径之比，小于0.3时空心主轴的刚度几乎与实心主轴相等；等于0.5时空心主轴的刚度为实心主轴的90%；大于0.7时，空心主轴的刚度就急剧下降。一般可取其比值为0.5左右。主轴本身刚度K正比于抗弯断面惯性矩I （7）由式子可知取孔径的直径极限为：0.7。此时若孔径再大，刚度则急剧下降，根据推荐值，取0.6。根据前面钻削加工钻刀的直径设计主轴的锥孔孔径,钻刀直径最大为50，则主轴直径为105，主轴各部分尺寸如图表所示. 自动松拉刀系统1. 自动松拉刀系统的工作原理及结构形式 钻削电主轴的自动松拉刀机构可以分为两部分，即刀具夹紧部分和松刀部分。刀具夹紧部分主要由夹头、拉杆、碟形弹簧等组成，这一部分随转轴一起旋转；松刀部分主要是气缸部分。自动松拉刀系统的工作原理是：在夹头夹紧刀具的状态下，碟形弹簧压缩，弹簧向后施加力给拉杆，拉杆拉紧夹头，夹紧刀具；松刀时，主轴后部配置的松刀气缸充气，顶杆顶推拉杆后部，压缩碟形弹簧，拉杆推动夹头下移，弹簧夹头张开，松开刀具。2. 刀具夹紧结构夹紧结构 图2 所示的是碟形弹簧后置式夹紧结构形式。碟形弹簧安装在后螺母内，拉杆较长，拉杆对主轴的动平衡有一定的影响。这种结构的碟形弹簧损坏后可以方便地取出，进行更换。一般多使用在采用滚动轴承的钻削主轴上。 自动松拉刀系统的关键零件：（1）夹头 夹头是主轴夹紧刀具用的关键零件，通常采用的夹头有EX1010、EX820、1201 等型号。夹头本身的因素是引起掉刀的原因之一，夹头的有效长度和疲劳寿命是掉刀的直接因素。图8 是测量夹头有效长度的示意图，图中h 的值相差太大，当更换夹头不当时就会引起掉刀或松不开刀的现象发生。h值直接影响的是拉紧刀具的碟形弹簧的压缩量，钻、铣削电主轴的碟形弹簧压缩量都很小，碟形弹簧的工作压缩量根据主轴型号的不同在0.51.2mm 之间。经检测即使进口的弹簧夹头其图中的h 值相差也会到0.3mm 以上。假设使用的夹头与原配的夹头相差0.2mm，弹簧的拉紧力就要相差25% 左右，对于有些型号的主轴会相差更大。 （2）碟形弹簧 碟形弹簧是自动松拉刀系统的关键零件，向主轴生产厂家购买质量差的碟形弹簧会出现脆裂、弹性在较短时间内丧失等问题。新购来的碟形弹簧片需要进行以下处理：(1)为了能使碟弹簧在工作时伸缩自由，需要对其进行研边处理，两端研磨出约0.1mm 宽的平面。(2)需要进行强压处理，如图9所示，把碟形弹簧片依次反向装入预压心轴上，将台钻的钻夹头端部压在压套上端，向下加力，直到把碟形弹簧压平，这样压50100 次。强压处理后，单片弹簧的高度和原来相比要低0.05mm，或更大一些。经过处理的碟形弹簧片，装机后，拉刀力稳定性好，拉紧力下降不明显。 3.松刀气缸 浮动缸是指气缸体在工作过程中有上下移动，图6 所示是一种浮动缸的结构形式。浮动缸的工作原理是：压缩空气从图6 箭头所示方向进入气缸，当气缸充气时，浮动缸体上移，拉住转轴的后部，在消除顶杆与拉杆间的间隙后，顶杆继续下移，接触拉杆后端，顶杆顶住拉杆的后部，松刀力只作用在碟形弹簧上，转轴和轴承均不受力。这样转轴的支撑不承受松刀的拉力，达到给支撑卸载的目的。当转轴运转时，气缸和顶杆均与转轴脱开，不影响转轴的运转。这种浮动缸结构在钻削主轴上用的较为广泛。 6.设计（论文）提交形式1. 设计计算说明书1份。（按太原理工大学学生毕业设计撰写规范写）。2. 主轴箱装配图1张（A0）。3. 主轴零件图1张（A1）。4. 机床尺寸联系图1张（A1）。5. 箱体零件图1张（A0）。61万印刷符号的英文资料翻译文
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