机械制造装备设计之3――典型部件设计-哈工大(威海)黄博

1、机械制造装置设计，哈尔滨工业大学(威海)机器人研究所山东省现代数字医疗装置高中重点实验室黄博，本课程主要内容，机械制造装置和制造业动态机械制造装置设计方法金属切削机床设计的典型零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整体设计，4.1典型零件设计主轴零件设计，主轴组件具有旋转工件或工具进行切削功能的切削力和驱动力，完成表面成形运动。 基本要求，4.1典型的零件设计主轴零件设计，1，旋转精度旋转精度是指主轴组装后，在无负荷、低速旋转状态下安装工具和工件的主轴部位的径向振动和轴向振动。 旋转精度取决于主轴、轴承、外壳孔的制造、组装、调整精度。 2 .刚性受主轴的尺寸和形状、滚动轴

2、承的类型、数量、施力和配置形式、动力传动构件的配置方式、主轴组件的制造精度和组装质量等因素影响。 4.1典型零件设计主轴零件设计，主轴结构取决于安装在主轴上的工具、夹具、工件、驱动器、轴承的类型、数量、位置和安装定位方法。 主轴前端的形状根据机床的类型和安装夹具或工具的形状而不同。 通用机床已经有了标准化的形式。 主轴整体的结构是中空的台阶轴，外径从前端向尾部逐渐变小。 4.1典型零件设计主轴零件设计，主轴选择材料：载荷类型，耐磨性，热处理方法。 (1)一般机床主轴采用45#或60#的优质结构钢。 对主轴支承轴颈和卡盘工具的定位基座面进行局部高频淬火，提高耐磨性，硬度为5055HRC。 (2)

3、有精密、大负荷、冲击的机床主轴采用中碳或低碳合金钢，如40Cr、20Cr。 进行高频淬火和渗碳淬火，提高耐磨性、硬度5265HRC。 (3)主轴材料的难关如何减小高速、高效率、高精密机床主轴的热变形振动。 诞生的新材料是玻璃陶瓷材料。 主轴的技术要求：主轴前后的轴承轴颈的同轴度，锥孔相对于前后轴颈中心线的径向振动，定中心轴颈及其定位轴颈肩相对于前后轴颈中心线的径向振动，轴振动等。 4.1典型零件设计主轴零件设计，主轴的传动形式(1)齿轮传动齿轮的啮合传动，结构简单，传递紧凑大扭矩，能适应变速转速、变速负荷的工作。 不足：线速度需要1.3的设计要点：在满足刚性的前提下，尽可能减小支撑体的质量m，

4、提高固有频率o。 2 .良好的动态特性支撑件需要高静刚性、固有振动频率和更大的衰减，薄壁面积在400mm400mm以下，避免薄壁振动。 3 .结构合理，通过故障处理充分消除内部应力，形状稳定。 4 .切屑排出顺畅，工艺性好，成本低，吊荷的安装方便。 4.2支架设计、二、支架受力分析方式机床支架应承受切削力、零件重量、动力传递等负荷。 施加在支撑件上的负荷不同，分析设计时受到的力的方法不同。 1、中小机床支架的受力分析以切削力为主。 2 .精密高精度机床支撑部件的载荷以移动部件的质量和热应力为主。 例如，当主轴箱位于梁的中央部时，考虑梁的弯曲和扭转变形，对双柱立式坐标钻床的梁进行受力分析。 3、

5、大型机床支架的受力分析必须考虑工件的重力、移动零件的重力和切削力等。 4.2支架设计、三、支架的截面形状设计原则支架的变形主要是扭转变形。 另外，弯曲刚性和扭转刚性随着支承部件的截面二次矩的增大而变大。 其设计原则：截面积一定时，中空截面的惯性矩比实心截面大。 在满足工艺要求时，尽量减薄壁厚，提高弯曲刚性。 受到高度方向的力矩时，支架的截面形状请做成矩形。受到扭转作用的支撑件的截面形状必须是方形的。 承受纯扭矩的托架的截面形状必须是圆环状。 未闭合的截面的刚性远小于闭合的截面，尽量把支撑体做成闭合的形状。 截面无法闭合的支撑构件，必须采取措施补偿刚性。 例如，a是车床b是钻床和龙门刨床，c是大

6、型和重型机床床，4.2支撑件设计，隔板和加强肋(1)隔板是连接外壁间的内壁。 将局部负荷传递到其他壁板上，起到在支撑体整体上均匀地承受负荷的作用。 通过在支撑部件内追加纵隔板，可以提高弯曲刚性。 纵隔板必须配置在弯曲面内，隔板的高度方向和力的方向一致。 在支架内追加横隔板可以提高扭转刚性。 增加一个端面横隔板，扭转刚性倍增，均等配置三个横隔板，扭转刚性倍增。 在支架内添加斜板可以提高弯曲刚度和扭转刚度。 4.2支撑设计，隔板和加强肋(2)加强肋(肋)配置在外壁内侧或内壁，起到加强局部刚性、减少薄壁振动的作用。 纵向和横向都可以很好地交叉排列米和井架。 肋的高度约为支撑体壁厚的5倍。 图a用加强

7、筋提高导轨和床的过渡连接部的局部刚性。 的双曲馀弦值。 图b用加强肋提高壳体轴承孔的局部刚性。 图c、d、e是桌子等板状支撑件的加强肋。 提高弯曲刚性，避免薄壁振动。 4.2支撑件的设计、支撑件的壁厚要在满足工艺要求和刚性的前提下，尽量减薄支撑件的厚度和隔板、加强筋的厚度。 铸铁支架外壁的厚度可根据当量尺寸c选择。 式中，l、b、H 托架的长度、宽度、高度(m )。 根据c值将最小壁厚t示于表3-5，隔板的厚度优选为(0.81)t，加强肋的厚度优选为(0.70.8)t，钢板焊接床体的弯曲刚性为铸铁床体的约1.45倍，壁厚比铸铁薄2/3或4/5，具体而言，表3 刚性补偿方法：板盖在孔上，用螺栓将

8、板固定在墙上，使孔周围变厚(翻边)，可以嵌入盖。一般柱或梁的外壁的开孔尺寸必须小于此方向尺寸的20%，例如，开孔尺寸在此方向的10%以下。 影响小，不需要刚性修正。 对于提高接触刚性而相对弯曲的连接面和重要的固定接合面，为了增加接触面积而需要精密研磨，或者用对研磨的紧固螺栓使结合面具有2MPa的接触压力，在必须消除结合面的平面度误差、增大结合面积的接合面受到弯曲力矩时， 为了在拉面上受到拉伸应力，请配置更多的紧固螺栓。在结合面上施加扭矩时，螺栓会离开扭转中心，均匀地分布在周围。 4.2支架设计，支架材料灰口铸铁中加入少量铬、硅、稀土等合金元素。 切削性能好，容易得到复杂形状，防振性能好，耐磨损

9、性强。 消除压力：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在支撑件上。 不使用铸模，制作周期短。 钢的弯曲刚性比铸铁大，重量轻，抗振动。 适合生产数量少、品种多的大型床。 树脂混凝土人工花岗岩，制作床的新材料衰减比是灰口铸铁的810倍，耐振性好。 浇注的床的静刚性比铸铁高16%40%。 钢板焊接在框架上，填充树脂混凝土，适合构成大中型机床支撑件。 4.2支架的设计，提高支架的结构性能常见的机床振动(1)机组整体的摇摆振动是机床整体地基支撑上的振动。 (2)所谓结合面间的相对振动，是指部件整体作为刚体，在结合面上对其他部件进行直线振动或扭转振动。 (3)零部

10、件的主体振动是指主轴单元的弯曲振动、传动系统的扭转振动、支撑部件的弯曲和扭转振动等。提高结构性能措施采用提高支撑部件的静刚性和固有振动频率改善衰减特性的新材料，制造支撑部件，采用提高热稳定性抑制温度上升的热对称结构，采用热补偿装置。 4.3轨道设计，轨道功能和分类功能：承受载荷和引导。 在导轨上安装的运动部件和工件的质量和切削力的作用下，使运动部件沿着一定的轨迹运动。 根据摩擦特性，分为滑动轨道、滚动轨道。 静压折动导轨液体摩擦，导轨之间有压力油膜层，为液压系统提供压力油膜。 用于高精度机床的进给导向。 动压折动导轨的液体摩擦、动压油膜的形成是利用滑动速度使润滑油从大的间隙流向狭窄的地方而形成

11、的。 适用于主运动指南。 普通的滑动轨道摩擦混合，轨道之间有一定的动压效应，速度低，轨道面接触。 用于大部分一般的机床。 滚动导轨的导轨面之间装有滚动元件(钢球)，通过钢球的滚动摩擦导轨移动。 广泛应用于数控、精密、高精度机床。 4.3轨道设计、轨道根据运动的性质，主运动轨道被用于锄台、拉床、插木机的主运动轨道。 进给运动导轨用于机床的进给系统。 错开导轨调整部件间的相对位置。 例如卧式车床的后座导轨。 在结构形式上被分为开放轨道、封闭轨道的开放轨道是利用零件的质量和负荷，轨道副在全长上始终接触的轨道。 开放导游承受不了大的霸权力矩。 大型机床用水平导轨。 闭合导轨是在开放导轨上追加辅助导轨构

12、成的。 闭式导轨由于导轨副经常接触，可以承受大的霸权力矩。 4.3轨道设计、滑轨结构设计截面形状的选择，要使移动轨道严格沿规定轨迹运动，必须限制5个自由度。 由于导轨的摩擦面宽度小，导轨可以看作是狭窄的定位板。 双矩形导轨的两个狭窄的支撑平面a、b构成一个定位面，限制三个自由度的狭窄的支撑平面c两个自由度的刚性和装载能力大，制造安装调整容易。 但是，侧导需要用刀片调整间隙，广泛应用于普通精度的中型机床、复合机床、升降台铣床、数控机床等。 三角形和矩形导轨的组合导轨导向性好，制造容易，刚性高。 广泛应用于车床、磨床、龙门铣床、龙门刨床、订书机、坐标钻床中，虽然减小了其顶角，提高了导轨的导向性能，

13、但是装载能力降低了。 一般=900、重型机械900、精密机械的订书机 900。 4.3轨道设计、截面形状的选择双三角形轨道，无需调整间隙，接触刚性好，导向性和精度保持性好。 但是工艺性差，加工、检查和修理不便，只能结合加工。 多用于螺纹车床、导向磨床、齿轮磨床等精密机床。 蚂蚁槽和矩形导轨的组合容易调整，负载扭矩大。 双蚁形轨道广泛应用于机床横梁、立柱、摇臂轨道，是一种不使用辅助轨道副轨道的闭式轨道。 轨道的高度小，能承受霸权力矩。 因为导轨已经定位，所以必须把摩擦面的间隙调整到间隙。 在结构上，该导轨刚性差，加工、检查、维护不便。 用于受力小、结构层数多、容易调整间隙的场所，如牛头钵台滑动枕

14、轨、卧式车床的刀架轨等。 4.3轨道设计、轨道间隙的调整(1)辅助轨道间隙的调整用压板调整辅助轨道面间隙，受到霸权力矩。 图a :精磨或削板厚调整间隙。 图b :通过改变垫圈的层数和厚度来调整间隙。 图c :用压板和导轨之间的平梁调整间隙。 4.3轨道设计：(2)矩形轨道和排列轨道间隙调整，图a，图b :平梁薄，全长用几根螺钉调整间隙，梁在几点受力，因此梁容易变形，刚性低。 图c :调整间隙后，拧紧紧固螺栓。 平刀片的调整很方便。 使用商场调整矩形导轨和阿里导轨侧面的间隙。为了提高刚性，请将刀片安装在导轨力小的一侧。 平梁调整间隙、斜梁调整间隙、调整方式：使可动轨道的一面与梁倾斜相同，为相反方

15、向的斜面，使斜面对准并沿纵向移动梁，以此来调整轨道的横向间隙。 缺点：螺钉的凸缘和嵌条槽之间的间隙会使嵌条在运动中乱跳。 图a :用螺钉纵向移动商场，结构简单，调整简单。 4.3轨道设计，图c :将螺纹肩改为带圆柱销的调整套筒，圆柱销和圆孔组合，以配合精度控制配合的动作。 调整虽然方便，但纵向尺寸长。 图b :用双螺钉调节，能避免嵌条的动作，性能好。 4.3轨道设计、培养铸铁广泛应用于卧式车床、转塔车床、升降台铣床、磨床等机床。 三、滑轨的材料和选择，(1)铸铁轨常用的有灰铸铁、培养铸铁、耐磨铸铁等。 1 .滑轨的材料，1 )要求耐磨性，磨削精加工后与床成为一体的轨道，广泛采用铸铁HT300。

16、 培育铸铁在铁水中加入少量的培育剂硅、锰、铝、稀土类等，得到均匀的珠光体和细片状石墨组织，提高强度和硬度。 通过电接触淬火和高频淬火，进一步提高耐磨性。 4.3轨道设计，铬钼铜耐磨铸铁可用于制造中、小型精密机床、仪器机床的床轨。 2 )耐磨铸铁是在灰铸铁中添加了磷、铜、钛、钼、钒等微细晶粒的元素，其耐磨损性比HT300提高12倍以上。 高磷耐磨铸铁可用于普通机床床、滑板、工作台及其轨道，应用广泛。 钒钛耐磨铸铁适合制造各种中小型机床的导轨，机械性能好，优于高磷耐磨铸铁，熔铸技术简单，耐磨性能比培养铸铁HT300提高了约2倍。 磷铜钛耐磨铸铁铸件质量高，适用于坐标镗床、螺纹磨床等精密机床的床、柱

17、、工作台等导轨的制造。 4.3钢轨设计：(2)钢轨将淬火后的碳钢或合金钢轨分阶段嵌入铸铁和钢制的床。 提高导轨的耐磨损性。 镶钢轨的技术复杂，加工困难。 主要用于数控机床和加工中心的导轨. 在铸铁床上，嵌入钢轨，拧紧常用的螺钉和楔子并固定。 在钢制床上，一般是嵌入钢轨进行焊接。 4.3轨道设计适用于中小型精密机床和数控机床，尤其是润滑不良(立式轨道等)和无法润滑的轨道。 (3)塑料轨道粘接法或喷雾法能提高轨道面的耐磨损性。 胶带是以特氟隆为基础，添加各种无机物和有机粉末等填料制成的。 1 )粘贴塑料胶带导向件，特氟隆胶带导向件的特征是摩擦系数小，能量消耗低动态摩擦系数接近，低速运动的稳定性好衰

18、减特性好，耐振性好耐磨损性好，能自润滑，寿命长结构简单，维护简单刚性差，受力变形，影响高精度机床。 4.3轨道设计，塑料涂层均以环氧树脂为基础，配合固体润滑剂、胶体石墨和其他铁粉填充剂。 2 )塑料涂层指南根据涂层材料的组织和性能，分别适用于大、中、小型精密机床指南和数控机床指南。 涂装轨道在西欧各国广泛应用于数控机床的制造。 环氧树脂涂层的特点：耐磨性、硬度、强度和导热率无润滑防止蠕变，改善了导轨的运动特性，特别是低速运动的稳定性好。 塑料涂层多为环氧涂层、氟涂层、HNT涂层. 4.3轨道设计，5 )精密高精度的机床，可采用磨削轨道面、耐磨铸铁轨道副，但可动轨道的硬度比支撑轨道的硬度低1545HB。1 )钢轨副必须用不同的材料制造，提高钢轨