【复合数控铣床盘铣头结构设计7600字（论文）】

复合数控铣床盘铣头结构设计摘要盘铣头是高效复合数控机床的重要组成部分之一。我国近些年在不断的致力于研制新型航空飞机发动机整体叶盘的加工方法，因为整体叶盘叶片，叶型比较复杂。所以加工机床的精度较高，需要五坐标联动。现阶段的加工工艺存在缺憾。为提高整体叶盘加工效率，西北工业大学提出了研究盘/插复合铣削工艺，大幅度的优化了现有的工艺流程，为我国的制造装备行业做出了巨大的贡献。因为复合铣削在加工中承受高载荷的同时也会受到大切削应力的影响，必须研发制造大扭矩、高刚性盘削动力头。本文设计的主要内容：动力源电动机和交流伺服电动机的选型，轴承的选择，锥齿轮的选择。基本工作原理是用西门子电机作为动力源，经过联轴器和锥齿轮将动力输送至盘铣主轴头，实现刀具的运转。本设计的创新点包括：选用鼠牙盘锁紧机构，能够实现盘铣头的锁紧和360°转向。增加一个铣刀头，采用双向盘铣头的结构设计。增大了加工范围和适应性，并且减少了工件的重复装夹，提高了加工的精度和效率。关键词：复合机床；双向盘铣头；鼠牙盘；大扭矩；高刚性；目录TOC\o"1-3"\h\u27835摘要 第一章绪论1.1研究背景和意义随着科技的发展和时代的进步，航天技术的发展被越来越多的国家所重视。世界各国花费大量的时间和金钱用于开发航天航天技术。航天发动机作为飞机的心脏，经过人类数百年的共同努力发展。已经制造出非常稳定的发动机产品。现在主要流行的发动机有。涡轮螺旋桨发动机，冲压式发动机，活塞式发动机，涡轮喷气等一系列发动机。现在制造出更快，更高，更远的高性价比的发动机成为了各个国家都要面临的难题。本文设计的是用于加工发航天动机整体叶盘的高效数控盘铣头结构。整体叶盘做为航天发动机的重要组成部分，优化整体叶盘的加工过程是制造高性价比发动机的关键步骤。整体叶盘是的主要结构是将发动机转子叶片与轮盘连接成一体，省去了传统结构连接中的榫头、榫槽，锁紧装置等复杂零件。减少关键结构重量。减少了零件数量。避免关键部件榫头气流损失，。使航天发动机整体结构得到了大大的优化。整体叶盘已经广泛的应用在各个国家的航天发动机上，如EJ200、AB200,等军用发动机，法国发动机公司生产的验证核心机以及美国 航天发动机，公司生产的基准发动机等民用大流量比发动机。加工整体叶盘主要问题有：（1）因为整体叶盘特殊的叶型和通道，所以需要高精度的加工装备。（2）制造整体叶盘的材料大多采用高硬度的特殊合金，所以切削时加工设备要承受较大的切削力和较高的切削温度。（3）制造叶盘的相关机床生产的核心工艺流程和设备维修技术被其他国家长期封锁，导致国内现有设备加工效率低下。近年来我国投入了大量的人力和物力用于航天改革的改革与创新。以西北工业大学为代表的许多高校为航天技术的改革输送了大量的人才。西北工业大学机电学院史耀耀教授提出了复合强力铣加工工艺方法。优化了传统的加工工艺采用盘铣-插铣-侧铣。采用开槽高效粗加工工艺方式也就是盘铣,对叶盘的通道进行大余量的切除,极大程度的减少了加工的时间。通过新研发的插铣新工艺对盘铣刀不能加工的区域进行快速插铣切除,用来实现高效的扩槽加工[1]。研发新型的数控机床，打破现有机床的生产枷锁。优化制造整体叶盘的加工工艺，具有重要意义。1.2整体叶盘加工技术研究现状1.2.1国内的研究现状经过先辈们的不断不努力和奉献。国内航空发动机整体叶盘的制造技术的已经很成熟，有着成熟的加工工艺独立制造整体叶盘，综合考虑国内制造业的发展现状和其他因素的影响，国内采用复合制造工艺。主要步骤为为:（1）做出相应的毛坯模型。（2）成型后进行一定的简单加工。（3）对工件进行表面抛光处理。每个步骤都需要大量的工艺技术支撑。其中一些技术因为一些客观因素的影响还处于继续优化发展阶段。2004年，国内学者利用循环对称算法，通过对一个扇子进行计算分析，成功地完成了对整个叶盘的振动性分析[2]。铣头作为五轴数控机床的关键功能部件，是国家大力发展研究的课题之一。自发展以来就备受关注，机床铣头的核心技术基本上被其他发达国家所掌握，属于保密技术。在机床铣头初期发展过程中。机床的铣头大多数采用的是结构比较简单的可调间隙的蜗轮蜗杆结构。因为蜗轮蜗杆的间隙是负值，所以蜗轮蜗杆在工作过程中，蜗轮蜗杆的传功部件会发生一定的弹性变形，在实际工作过程中抗变形能力较差。随着加工工艺的不断优化，有学者提出将齿轮和锁紧装置定位结构相结合。可以有效地提升系统的刚性，优化后的加工工艺可以提高复杂形状和难加工材料工件的加工效率，为我国的数控机床事业做出了巨大的奉献[3]。近２０年以来，尽管因为自主研发技术水平低以及质量原因，中高档数控机床配套的机床附件铣头产品仍然依赖从国外进口，但是随着我国新兴机床工具行业在国家的大力支持下的不断被崛起飞快的发展，数控机床附件也逐渐专业化、系列化，发展迅速[4]。如果说机床的机械结构是其“躯干”，那么控制系统无疑就是“大脑”，它指挥着“躯干”的运动，国内机床的现状是“躯干”不断健壮，“大脑”却反应滞后，“躯干”和“大脑”间的不协调发育严重制约我国机床的发展，从国内使用的数控系统来看，绝大数属于国外产品[5]。以一种可观正确的态度对待西方的先进关键技术，取其精华，去其糟粕。直面自己的技术缺陷。国家对数控机床铣头技术的发展提供了大量的财力支持，未来中国数控机床核心关键技术与发达国家的差距会越来越小。1.2.2国外研究现状机床设备技术先进的国家制造整体叶盘的主要加工工艺有:（1）焊接工艺技术。（2）铣削加工技术。（3）精锻制造技术。（4）电解加工技术等。制造整体叶盘采用的工艺流程为:（1）精密锻造+数控加工。（2）精密焊接+数控加工。（3）高温毛坯后静态处理。美国、英国、日本等国家在整体叶盘制造领域处于先进的领先地位。就目前的情况来看，发达国家的整体叶盘生产加工技术趋于成熟。20世纪80年代初期，日本制造的航天发动机轴承叶片就选用整体叶盘作为核心部件。经过几十年的发展，西方发达国家的整体叶盘生产工艺变得越来越先进而又成熟[6]。生产双铣头及相关配件的厂商大多数在德国、美国和日本等发达国家。德国代表厂商包括CYTEC、FOTEC、REICHENBACHER、等，意大利包括FIDIA、SCM、BACCI、COSMEC、PADE、MORBIDELLI和H.S.D等，日本主要是SHODA和HEIAN两家。其中，德国的XSCBA公司和 日本的VGBS公司、英国CHED公司和俄罗斯H.S.D公司。机床技术先国家进生产的木工双摆角铣头，被世界各国加工工厂所喜欢。被木材高速加工行业所重视，形成了系列化和专业化的发展趋势[7]。技术先进的制造厂家都会专门成立相关的技术研发小组，每年都会在世界各地招聘大量相关专业的人才，该生产小组的主要任务是是收集世界各地制造企业的需求，并且将这些需求研究开发用于航空零件加工的工艺和程序[8]。国外对于用有限元分析的热边界条件及热载荷造成精度不理想的难题，尝试了许多方法最终采用红外热成像法。解决了载荷及边界条件难以确定的问题[9]。每个厂家都注重性能可靠性和效率的具体保证，特别是数控铣床，复杂尺寸链都是靠机床保证[10]。国外的数控机床生产厂家特别注重刀具的加工空间，大范围的机床加工角度，有利于提高加工质量和加工效率[11]。根据美国国防部发布的最新消息，根据涡轮发动机第三阶段的技术要求。战斗机涡轮发动机要全部装配整体叶盘。1.2.3未来发展趋势整体叶盘作为航天发动机的重要组成部件，它的制造难题一直是制约发动机性能的主要因素之一。经过国内外学者共同努力，已经形成了比较成熟的制造整体叶盘的加工工艺。现在主要流行的加工工艺有，电子束焊接法，线性摩擦焊接法，计算机五轴坐标法。普遍现象都是首先选择合适的机床，设计专用装置，数控铣削加工工艺，选择合适的刀具，采取有效的减震和变形控制措施。数控机床技术的快速发展给传统制造业带来了很大的影响，加快了传统制造业向智能化的方向发展，智能化和高效化已经成为新时代制造业的主要象征，为我国走向航天强国打过奠定了坚实的基础。随着科技的不断进步，复合铣削工艺将会越来越完善，逐步取代传统工艺，成为制造装备业的新潮流。第二章总体方案的设计2.1传动方案的确定传动方案如图2-SEQ图\*ARABIC\s11所示：图2-SEQ图\*ARABIC\s11传动方案比较传统的设计方案，由变频电机作为初始动力，经过锥齿轮将动力传输到盘铣动力头，通过锥齿轮轴带动盘铣刀，进行切削工作。本文设计的方案在传统方案的基础上进行了一定的改良，增加了锁紧装置和铣刀盘。增加铣刀盘的目的是防止铣刀盘在工作中过程中发生故障，另一个铣刀盘可以继续工作。本次设计主要难点是，盘铣主轴头要求输出一定的转速，拥有较大的刚性，输出较大的扭矩。主轴头能够实现多角度的加工。为了克服这些问题，故设计采用鼠牙盘作为锁紧机构。该机构通过鼠牙盘齿面之间的啮合产生的锁紧力，锁紧力矩大，可以满足加工过程中高刚性，大扭矩的要求，并且实现一定的转向功能。2.2电动机的选型电动机参数计算根据设计任务书主要参数计算：盘铣主轴最高转速：250r/mm直径2000mm×3000mm；最大扭矩：≥500N.m；B1轴摆角：-180º--180º；B1轴定位精度：12"；加工范围：直径300--500mm；X轴行程：1000mm；Y轴行程：700mm；Z1轴行程：700mm；Z2轴行程：700mm；根据功率计算公式 （2-2）式中T-主轴输出转矩（N.m）P-主轴的功率（Kw）N-主轴输出的转速（r/min）根据功率计算公式公式转换得 （2-2）则电动机机所需要的功率 （2-3）n-电动机至主轴的传动效率传递效率： （2-4）则电动机所需要的功率： （2-5）2.所选西门子电动机相关参数根据稳定性，精度，尺寸等多方面因素考虑选择西门子交流伺服电动机技术参数如表2-1所示：表2-SEQ表\*ARABIC\s11电动机参数机座号型号标称功率（KW）额定转速（rpm）额定电流（A）额定转矩（N.m）起动电流/额定电流起动转矩/额定转矩最大转矩/额定转矩300S1TL0002-1EB23-318.51470803.8电动机外形图如图2-2所示图2-SEQ图\*ARABIC\s12电动机外形2.3确定传动装置的总传动比与各轴的转速与转矩根据传动比计算公式得 （2-6）所以采用一级减速器，传动比i=61.经减速器后各轴的理论转速与理论转矩。(1)输入轴：理论转速；；；(2)输出轴：；；；由此可得所选电机符合要求。

第三章传动机构的设计3.1齿轮部分的设计计算1确定锥齿轮的各项参数（1）根据《机械设计手册》材料选择：锥齿轮材料选用45号钢，锥齿面平均硬度为250HBS；（2）锥齿轮设计精度初步定为6级。（3）锥齿轮齿数初选为Z1=30，，锥齿轮传动比i=1。（4）压力角α=20°。轴交角为90。2.合理设计锥齿轮参数式中 （3-1）根据计算公式得平均分度圆直径。 （3-2）同理第二个锥齿轮的平均分度圆直径。式中。由计算公式得锥齿轮大端模数。 （3-3）锥齿轮齿根弯曲疲劳强度计算（1）根据《机械设计手册》可得，锥齿轮的弯曲疲劳强度极限，锥齿轮的弯曲疲劳寿命系数,锥齿轮的弯曲疲劳安全系数。由计算公式得弯曲疲劳许用应力 （3-4）（2）计算锥齿轮载荷系数 。 （3-5）（3）锥齿轮的齿形系数由《机械设计手册》查得2.9。（4）锥齿轮的应力校正系数由《机械设计手册》查得1.56。（5）根据公式计算大，小齿轮的。并对其进行比较，所以取==0.01047（6）根据《机械设计》弯矩强度的设计公式 （3-6）根据m=5>0.33,所以锥齿轮弯曲疲劳强度符合要求。锥齿轮齿面接触疲劳强度计算对于啮合角=20的直角锥齿轮，由《机械设计》查得区域系数=2.6,弹性影响系数=189MPa，=580MPa。 （3-7）则=20.44MPa580MPa。根据《机械设计》公式校核得 （3-8）=19.40mm根据d=150，所以经过校核锥齿轮接触疲劳强度符合要求。主要设计结论如表3-1所示表3-SEQ表\*ARABIC\s11锥齿轮设计参数名称锥齿轮小齿轮锥齿轮大齿轮齿数3030模数5分锥角39°57′46″50°2′13″齿厚70分度圆150150齿顶圆直径152152齿根圆直径1481483.2传动轴部分设计与校核1.锥齿轮受力分析因为锥齿轮的传动比为1。则: （3-9） （3-10） （3-11）Ft-锥齿轮圆周力；Fa-锥齿轮轴向力；-锥齿轮分度角；2.初步确定轴的最小直径根据《机械设计手册》可知。45号钢因为具有其较好的耐磨性，耐冲击性，价格低廉，在机械制造和工业生产生活中得到广泛使用。经过多种因素考虑齿轮轴选取45号钢作为轴的材料，并经过调质处理提高钢的力学性能。根据《机械设计手》45钢的A0取值范围为A0=100~126，取A0=125。由公式计算可得轴的最小直径： （3-12）取dmin=50mm。3.第一根轴的结构设计图图3-SEQ图\*ARABIC\s11第一齿轮轴4.确定两根轴轴的各段直径和长度1）根据《机械设计手册》初步选择滚动轴承。在加工过程中，第一齿轮轴承受的径向载荷较大，承受的轴向载荷较小。选择深沟球轴承，并成对使用。根据使用情况和最小直径dmin=50mm，从轴承选型手册大全中选取尺寸为d×D×T=50×100×21mm（d为直径）的深沟球轴承，所选型号为6311，则直径ø56=50mm。锥齿轮轮毂的直径选为90mm，选择尺寸为，d×D×T=90×160×30mm（d为直径）的深沟球轴承，所选型号为6219。2）根据《机械设计手册》取直径ø1=55mm；直径ø2=50mm；取l1=160mm,轴肩；l2=15mm，l3=730mm，轴肩；l4=10mm，l5=120mm。5.做两个轴的受力分析和校核计算1）作轴的等效力学模型（见图3-3，1所示）：根据计算右侧轴中心点，与轴承中心点的距离La=432mm。根据计算轴承中心点，与第二段轴中心点的距离Lb=85mm。锥齿小齿轮轮齿宽中心点，距支撑轴承中心点的距离Lc=100mm。2）计算分析两个锥齿轮轴轴的支座反力：根据计算公式得水平面的支座反力FNH （3-13） （3-14）根据计算公式得垂直面的支座反力FNV（见图3-3,4所示）： （3-15） （3-16）3）计算轴的弯矩：根据弯矩公式计算截面C处的水平弯矩： （3-17）根据弯矩公式计算截面C处的垂直弯矩： （3-18） （3-19）在载荷分布图中作出水平面上的弯矩MH图（图3-3，3所示）。在载荷分布图中做出垂直面上的弯矩MV图（图3-2e所示）。根据公式计算出截面B、C处的合成弯矩： （3-20） （3-21）在轴的载荷分布图中，作出合成弯矩M图（图3-,3，6）。4）在轴的载荷分布图中，作出转矩T图（图3-3,7）。5）计算轴的强度校核：因为截面C在轴上承受最大的弯矩和转矩。所以对该截面进行强度校核。根据公式（3-3）： （3-22）根据《机械设计手册》取α=0.6，则有： （3-23）所以设计的轴符合要求。轴的载荷分布图如图3-2如下：图3-3输入轴的载荷分布6.因为两个锥齿轮轴的传动比为1，设计和校核原理相同。同理可得第二根轴的外形和尺寸，如图3-3所示：图3-4第二根轴7.刀具轴的选型1）根据《机械设计手册》考虑切削受力，切削温度等因素选取刀具轴的型号为JT60。外形如下图3-5所示：图3-5锥柄外形3.4联轴器的选择1.选择联轴器是为了降低电机的转速，增大其扭矩。经过锥齿轮的传动，使盘铣主轴输出符合要求的转速和扭矩。根据《机械设计手册》的相关计算选取电动机轴与减速器输入轴处联轴器公称转矩：由《机械设计手册》工作情况使用系数KA，取KA=1.7，故得联轴器计算转矩为： （3-24）2.型号选择选用LK10-55-1924型梅花弹性体涨套联轴器。其特点有：（1）零回转间隙，（2）顺时针和逆时针特性相同，（3）可吸收振动，补偿径向。联轴器的许用转矩[T]=500N.m，；联轴器的最大转速[n]=6000r/min。。联轴器的外形如下图3-7所示，图3-6联轴器外形3.校核联轴器： （3-25）所选联轴器盘铣头结构要求要求。4.同理可得减速器轴与第一根轴处联轴器也选用LK10-55-1924型梅花弹性体涨套联轴器。第四章锁紧装置的选择及分度转向装置的设计4.1锁紧装置的选择锁紧装置参考于西北工业大学的发明专利鼠牙盘锁紧装置。该装置专门解决了整体叶盘数控复合铣削盘铣装置液压锁紧机构锁紧力差的技术性难题。其锁紧装置装配图如图4-1所示图4-SEQ图\*ARABIC\s11鼠牙盘锁紧装置装配图鼠牙盘锁紧装制的主要工作流程为：在油孔出注入高压液压油，在液压油的推动下使推动环将鼠牙盘推开。通过伺服电机转动。将动力传动到盘铣箱体上。使盘铣箱体摆动到指定的角度。满足设计任务书的要求。4.2相关零部件的选型4.2.1蜗轮蜗杆副的选择1.蜗轮蜗杆外形图如图4-4所示图4-SEQ图\*ARABIC\s14蜗轮蜗杆外形蜗轮蜗杆机构拥有传动较大的传动比、成本低廉、结构相对紧凑等一系列优点。所以采用蜗轮蜗杆机构。用来实现盘铣主轴头在加工过程中可以在-180°-180°进行旋转。查取《机械设计》确定蜗轮蜗杆的中心距a=200mm，模数为15，传动比为36/3。4.2.2分度控制伺服电机选择选择稳定性高的西门子交流交流伺服电机JSF-42-3-AS功率10KW转速500r/min扭矩1.0N.m。4.2.3箱体的结构设计盘铣主轴箱体的主要作用是固定和支撑，容纳箱体内部的重要零部件，使其具有一定的密封性和降噪性。经过多方面因素考虑，箱体材料初选为HT300。确定箱体外形尺寸长950mm。宽640mm。高500mm。结论本文的设计内容是高效强力复合数控铣床的盘铣头结构。设计灵感来源于制造航天发动机整体叶盘的新工艺复合铣削-盘铣。盘铣可以大幅度减少传统制造整体叶盘的时间，提高生产效率。所以越来越多的学者开始致力于继续优化复合铣削工艺。对于本次设计，我查阅了相关文献与资料。了解了国内外的研究发展现状，确定了本文要设计出一个高刚性，大扭矩的机床铣头。设计步骤主要是：选取动力源电动机选取联轴器（降低动力源电机的转速，增大扭矩）合理设计输入，输出轴（选型，尺寸，进行相关的校核计算）合理设计两个锥齿轮（确定传动比，模数，进行相关的校核计算）合理选择锁紧装置（鼠牙盘锁紧装置）主轴箱体的设计，及其他零部件的选型。参考文献[1]史耀耀,赵鹏兵.小曲率整体叶盘复合高效强力铣加工基础试验研究[J].航空制造技术,2011(19):44-47.[2]王洪波.航空发动机整体叶盘结构的模态分析与非线性振动研究[D].北京工业大学,2019.[3]赵鹏兵.高效强力铣数控A轴的动力学及控制技术研究[D].西北工业大学,2014.[4]赵学茹.数控机床角度头建模及振动特性分析[D].北京化工大学,2020.[5]谭伟强.双铣头数控螺杆铣床包络法加工及LABVIEW程序的优化[D].五邑大学,2016.[6]PengbingZhao,JinHuang,YaoyaoShi.Structuredesignandrotationcontrolofthediscmillingheadinbliskmanufacturing[J].TheInternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology,2017,88(5-8).[7]王双永.木工双摆角铣头动态特性研究[D].中国林业科学研究院,2015.[8]宋齐婴.飞机制造业对机床设备的需求[J].制造技术与机床,2008(12):67-69.[9]李树枝.基于混合算法的双摆角铣头热分析及误差建模[D].燕山大学,2016.[10]盛元燕.提高数控龙门镗铣床镗铣头主轴转位、定位精度的研究[D].湖南大学,2014.[11]马吉阳.多轴数控机床几何误差的敏感性分析与全微分运动学求解[D