精密超聲銑床的設計——總體方案及超聲主軸箱設計

機械/機電/模具/數(shù)控畢業(yè)、課程設計 QQ_2947387549 現(xiàn)成資料 CAD/Proe/Solidworks 圖，另可定制機械/機電/模具/數(shù)控畢業(yè)、課程設計 QQ_2947387549 現(xiàn)成資料 CAD/Proe/Solidworks 圖，另可定制摘 要當今各種先進材料在航空航天、化工、軍事、機械、電子電器以及精密制造領域得到了日益廣泛的應用。但是,對于這些材料,如具有高強度、高硬度、高脆性的先進陶瓷材料,利用傳統(tǒng)的機械加工方式進行加工,加工困難且無法滿足對加工的要求。超聲加工技術(shù)是一種將超聲振動運用于精密或超精密加工的技術(shù)，特別是在超硬材料、復合材料的難加工方面顯示出優(yōu)越性，具有低切削力、低切削溫度、低的表面粗糙度，被加工零件有良好的耐磨性、耐腐蝕性。因此精密超聲銑床將會制造出質(zhì)量更加優(yōu)異的產(chǎn)品。本文設計分析了超聲精密銑床的發(fā)展現(xiàn)狀和研究超聲精密銑床的意義及超聲精密銑床機構(gòu)尺寸對銑床性能的影響。設計內(nèi)容主要包括了總體方案及超聲主軸箱設計，進給箱設計，液壓系統(tǒng)和超聲部分設計。關(guān)鍵詞：精密銑床 超聲裝置機械/機電/模具/數(shù)控畢業(yè)、課程設計 QQ_2947387549 現(xiàn)成資料 CAD/Proe/Solidworks 圖，另可定制機械/機電/模具/數(shù)控畢業(yè)、課程設計 QQ_2947387549 現(xiàn)成資料 CAD/Proe/Solidworks 圖，另可定制AbstractToday's various advanced materials in the aerospace industry, chemical industry, military, mechanical, electronic electric appliance and precision manufacturing areas to be more widely used. But, for these materials, such as high strength, high hardness and high brittle advanced ceramic materials, using the traditional mechanical processing way, processing difficult and can meet the requirements of processing. Ultrasonic machining technology is a kind of ultrasonic vibration used in precision or ultra-precision processing technology, especially in superhard materials, composite materials processing hard showed superiority, with low cutting force, low temperature and low cutting the surface roughness, be processing components have good wear resistance and corrosion resistance. So precision ultrasound milling machine will create quality more excellent products.This paper analyzes the design of ultrasonic precision milling machine development present situation and research the significance and the ultrasonic precision milling machine ultrasonic precision milling machine dimensions of the institutions influence on the performance of the milling machine. Design content mainly includes the overall scheme and the ultrasonic spindle box design, the box design, hydraulic system and ultrasonic part of the design.Key words: precision milling machine Ultrasound device機械/機電/模具/數(shù)控畢業(yè)、課程設計 QQ_2947387549 現(xiàn)成資料 CAD/Proe/Solidworks 圖，另可定制機械/機電/模具/數(shù)控畢業(yè)、課程設計 QQ_2947387549 現(xiàn)成資料 CAD/Proe/Solidworks 圖，另可定制目錄1 緒論 .51.1 機床制造業(yè)的發(fā)展 .51.1.1 金屬切削機床及其在國民經(jīng)濟中的地位 51.1.2 世界機床業(yè)的發(fā)展態(tài)勢 51.2 超聲波相關(guān)技術(shù)概述 .71.2.1 超聲加工的提出及其分類 71.2.2 超聲加工的發(fā)展 91.2.3 旋轉(zhuǎn)超聲加工的特點及優(yōu)勢 121.2.4 旋轉(zhuǎn)超聲加工的應用 141.3 超聲波加工機床的發(fā)展 .171.4 設計的目的及任務 .192 總體方案設計 .202.1 總體方案概述 .202.2 總體布局 .212.3 傳動系統(tǒng)方案設計 .232.4 主要參數(shù)確定 .242.5 主軸箱設計方案 .263 擬定主傳動系統(tǒng)及運動設計計算 .283.1 標準公比及模數(shù)的選擇 .283.2.擬定主傳動選擇 283.3 轉(zhuǎn)速圖確定 .303.3.1 選定電動機 303.3.2 分配總降速傳動比 303.3.3 確定傳動軸的軸數(shù) 303.3.4 結(jié)構(gòu)網(wǎng)的選擇 313.3.5 畫轉(zhuǎn)速圖 313.4 計算轉(zhuǎn)速的確定 .333.5 主傳系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計 .343.5.1 變速機構(gòu)選擇 343.5.2 齒輪的布置與排列 353.6 V 帶傳動的計算 37機械/機電/模具/數(shù)控畢業(yè)、課程設計 QQ_2947387549 現(xiàn)成資料 CAD/Proe/Solidworks 圖，另可定制機械/機電/模具/數(shù)控畢業(yè)、課程設計 QQ_2947387549 現(xiàn)成資料 CAD/Proe/Solidworks 圖，另可定制3.7 齒數(shù)的確定 .403.7.1 確定齒輪齒數(shù)的原則和要求 .403.7.2 齒輪齒數(shù)的確定 413.7.3 齒輪齒數(shù)檢驗 423.7.4 齒輪具體值確定 .433.8 各軸直徑的估算 .443.9 傳動件校檢 473.9.1 齒輪的校檢 .473.9.2 傳動軸的校檢 .493.9.3 軸承疲勞強度校核 .523.10 主軸箱的箱體 533.11 潤滑與密封 .55結(jié)束語 .56致 謝 .58參考文獻 .59機械/機電/模具/數(shù)控畢業(yè)、課程設計 QQ_2947387549 現(xiàn)成資料 CAD/Proe/Solidworks 圖，另可定制機械/機電/模具/數(shù)控畢業(yè)、課程設計 QQ_2947387549 現(xiàn)成資料 CAD/Proe/Solidworks 圖，另可定制1 緒論1.1 機床制造業(yè)的發(fā)展1.1.1 金屬切削機床及其在國民經(jīng)濟中的地位金屬切削機床(Metal cutting machine tools) 是用切削的方法將金屬毛坯加工成機器零件的機器。它是用來制造機器的機器,所以又稱為“工業(yè)母機”或“工具機”(machinetools ) ,習慣上簡稱為機床。金屬切削機床是用來加工機器零件的主要設備,約占機器總制造量的40 %60 %。機械制造工業(yè)肩負著為國民經(jīng)濟各部門提供現(xiàn)代化技術(shù)設備的任務,是國民經(jīng)濟各部門賴以發(fā)展的基礎,而機床工業(yè)則是機械制造工業(yè)的基礎,一個國家機床工業(yè)的技術(shù)水平在很大程度上標志著這個國家的工業(yè)生產(chǎn)能力和科學技術(shù)水平。所以,金屬切削機床在國民經(jīng)濟現(xiàn)代化建設中起著重要的作用。1.1.2 世界機床業(yè)的發(fā)展態(tài)勢全球機床市場在1994 年跌至谷底后,便一路上揚。據(jù)美國Gardner Publication 公司最新統(tǒng)計資料顯示,到目前為止,全球機床產(chǎn)值已達到50 億美元左右,從世界機床值的統(tǒng)計來看,機床生產(chǎn)十分集中,僅日本與德國就占世界總產(chǎn)值的43. 1 %左右。目前世界機床業(yè)中,日本為第一生產(chǎn)國,占總額的22 % , 其它依次為德國21 % , 美國13 % , 意大利11 % ,瑞士6 % ,中國臺灣7 % ,中國3 % ,西班牙2. 8 % ,英國2. 7 % ,各國機床制造業(yè)的特點如下:機械/機電/模具/數(shù)控畢業(yè)、課程設計 QQ_2947387549 現(xiàn)成資料 CAD/Proe/Solidworks 圖，另可定制機械/機電/模具/數(shù)控畢業(yè)、課程設計 QQ_2947387549 現(xiàn)成資料 CAD/Proe/Solidworks 圖，另可定制（1）日本 日本大量制造的是通用型機種,比較受各國中小型公司的歡迎。其切削機床與成型機床比例為85 :15 ,日本機床業(yè)的特點是具有高生產(chǎn)力、高彈性且利潤較高的精簡式制造系統(tǒng),在亞洲市場占有明顯的優(yōu)勢。（2） 德國切削機床與成型機床比例為70 :30 。其機床產(chǎn)品特點是精度高、專用性強,通常能根據(jù)各行業(yè)客戶的特殊要求而特別設計制造,整個機床產(chǎn)業(yè)約350 家機床制造商,以中小型企業(yè)為主,其用戶主要集中在國內(nèi)一些傳統(tǒng)的工業(yè)結(jié)構(gòu)上,如汽車制造業(yè)、機械業(yè)、電機等行業(yè)中。（3）美國 美國為世界技術(shù)進步的領頭羊,其機床業(yè)的發(fā)展方向也是世界機床業(yè)今后的發(fā)展趨勢。目前,由電腦控制,高精度且具有優(yōu)異切割性能的激光加工機床的需求不斷上升,已成為美國機床市場的后起之秀,美國機床產(chǎn)品的需求主要來自對精度要求極高的航空及其高科技產(chǎn)業(yè),其切削機床與成型機床的比71 :29 。（4） 中國 中國目前批量生產(chǎn)的產(chǎn)品均為由傳統(tǒng)的電器、液壓控制的通用機床,大部分還是在20 世紀七、八十年代開發(fā)的,特點是性能良好,基本機械機構(gòu)合理,但控制和驅(qū)動方式落后,仍然屬于中、低檔產(chǎn)品,機床加工精度能滿足各類零件的精加工要求。今后通用機床的發(fā)展方向應是抓住“入世”機遇,降低生產(chǎn)成本,提高產(chǎn)品質(zhì)量,積極主動地參與質(zhì)量體系國際認證,努力提高產(chǎn)品競爭力。而目前國內(nèi)機床行業(yè)的數(shù)控機床主要有仿制產(chǎn)品和技術(shù)引進產(chǎn)品兩大類,仿制產(chǎn)品一般是結(jié)構(gòu)原理與國外機床相同,只是在局部功能與外形尺寸上有一些較大的變動。而技術(shù)引進產(chǎn)品則多數(shù)采用了國外進口的數(shù)控系統(tǒng),測量儀器及軸承、機械/機電/模具/數(shù)控畢業(yè)、課程設計 QQ_2947387549 現(xiàn)成資料 CAD/Proe/Solidworks 圖，另可定制機械/機電/模具/數(shù)控畢業(yè)、課程設計 QQ_2947387549 現(xiàn)成資料 CAD/Proe/Solidworks 圖，另可定制滾珠、絲杠等配套件,如上海機床行業(yè)曾投資近4 億元人民幣進行大規(guī)模技術(shù)改進,引進了加工中心制造技術(shù)(德國Norte) ,數(shù)控磨床制造技術(shù)(美國Landis) 等。該類機床目前正處于消化吸收階段,生產(chǎn)規(guī)模尚未達到經(jīng)濟批量,所以中國的機床產(chǎn)業(yè)今后的努力方向應為加快技術(shù)創(chuàng)新,優(yōu)化組織結(jié)構(gòu),調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),提高產(chǎn)品技術(shù)檔次和質(zhì)量,努力開發(fā)高技術(shù)含量和高附加值的機床產(chǎn)品。1.2 超聲波相關(guān)技術(shù)概述1.2.1 超聲加工的提出及其分類隨著生產(chǎn)發(fā)展和科學實驗的需要，很多工業(yè)部門，尤其是宇航、國防工業(yè)部門要求產(chǎn)品向高精度、高速度、高溫、高壓、大功率、小型化等方向發(fā)展，所用的材料愈來愈難加工，如硬質(zhì)合金、鈦合金、耐熱鋼、不銹鋼、淬硬鋼、金剛石、寶石、石英以及鎢、硅等各種高硬度、高強度、高韌性、高脆性的金屬及非金屬材料的加工；工件形狀愈來愈復雜，精度、表面租糙度和某些特殊要求也愈來愈高。傳統(tǒng)的切削加工的本質(zhì)和特點：一是刀具材料比工件更硬；二是靠機械能把工件材料切除。但當工件材料愈來愈硬，零件結(jié)構(gòu)愈來愈復雜的情況下，原來行之有效的方法轉(zhuǎn)變成限制生產(chǎn)率和影響加工質(zhì)量的不利因素。于是人們開始探索、發(fā)掘用軟的工具加工較硬的工件材料，不僅用機械能而且還采用電、化學、光、聲等能量來進行加工的特種加工方式，超聲加工技術(shù)就是在此背景下發(fā)展起來的。采用超聲加工，可以對上述難加工進行經(jīng)濟加工，如圖1-1 所示。實踐證明超聲加工在硬脆機械/機電/模具/數(shù)控畢業(yè)、課程設計 QQ_2947387549 現(xiàn)成資料 CAD/Proe/Solidworks 圖，另可定制機械/機電/模具/數(shù)控畢業(yè)、課程設計 QQ_2947387549 現(xiàn)成資料 CAD/Proe/Solidworks 圖，另可定制性材料加工方面是僅次于磨削加工的一種高效加工方法。超聲技術(shù)在工業(yè)中的應用開始于上個世紀10到20年代，以經(jīng)典聲學理論為基礎，同時結(jié)合電子技術(shù)、計量技術(shù)、機械振動、相關(guān)技術(shù)和材料學等學科領域的成就發(fā)展起來的一門綜合技術(shù)。超聲技術(shù)的應用領域可劃分為功率超聲和檢測超聲兩大領域。其中，功率超聲是利用超聲圖1-1 超聲加工分類超聲加工超聲磨料加工超聲復合加工游離磨料超聲加工固結(jié)磨料超聲加工超聲孔加工套料超聲研磨拋光超聲成型加工超聲電化學超聲去毛刺超聲砂帶拋光超聲放電研磨超聲磨削、銑削旋轉(zhuǎn)超聲加工（超聲磨、銑、鉆等）超聲電化學超聲振動切削超聲塑性加工超聲放電加工（磨、銑等）機械/機電/模具/數(shù)控畢業(yè)、課程設計 QQ_2947387549 現(xiàn)成資料 CAD/Proe/Solidworks 圖，另可定制機械/機電/模具/數(shù)控畢業(yè)、課程設計 QQ_2947387549 現(xiàn)成資料 CAD/Proe/Solidworks 圖，另可定制振動形成的能量使物質(zhì)的一些物理、化學和生物特性或狀態(tài)發(fā)生改變，或者使這種狀態(tài)改變加快的一門技術(shù)。超聲技術(shù)在機械加工方面的應用按其加工工藝特征，大致分為兩類，如圖1-1所示。一類是帶磨料的超聲磨料加工（包括游離磨料和固結(jié)磨料），另一類是采用切削工具（如車刀、沖頭、壓頭、鉆頭、砂輪、銑刀）與其它加工方法相結(jié)合形成的超聲復合加工，其分類繁多。旋轉(zhuǎn)超聲加工包括超聲磨削、超聲銑削、超聲鉆孔、超聲套料、超聲螺紋加工等。本次設計的超聲銑床屬于后者（超聲復合加工）中的旋轉(zhuǎn)超聲加工。1.2.2 超聲加工的發(fā)展1927 年，美國物理學家伍德和盧米斯最早作了超聲加工試驗，利用超聲振動對玻璃板進行雕刻和快速鉆孔。但當時并未應用在工業(yè)上，直到在大約1940 年在工業(yè)文獻上第一次出現(xiàn)了有用的超聲加工（USM ）工藝技術(shù)描述。從那時以來，超聲機械加工一直吸引了大量的注意，并且逐漸步入相當廣泛的工業(yè)領域。1951 年，美國的科恩制成第一臺實用的超聲加工機。在1953-1954 年，第一個超聲機械工具已經(jīng)建立起來，它多數(shù)是基于鉆和銑的機器。在大約1960 年左右，已經(jīng)看到了各種用途、各種類型和加工尺寸的超聲機械加工工具，并且某些型號已經(jīng)開始進入正常生產(chǎn)USM 提供了比常規(guī)機械加工技術(shù)更多的優(yōu)點。導電和非導電材料都可以加工，并且復雜的三維輪廓也可以象簡單形狀那樣快速加工。此外，加工過程不會產(chǎn)生有害的熱區(qū)域，或不會在工件表面帶來化學/電氣變化，在工件表面上所產(chǎn)生的有壓縮力的殘余應力可以增加被加工零件的機械/機電/模具/數(shù)控畢業(yè)、課程設計 QQ_2947387549 現(xiàn)成資料 CAD/Proe/Solidworks 圖，另可定制機械/機電/模具/數(shù)控畢業(yè)、課程設計 QQ_2947387549 現(xiàn)成資料 CAD/Proe/Solidworks 圖，另可定制高周期性疲勞強度。然而，在USM中，必須供給泥漿并且要將泥漿從工具和工件之間的間隙中清除。因此，材料的去除速率相當慢，甚至于在切削深度增加時停止工作。在磨粒及切屑混合液返回表面時，也可能磨損已加工孔壁的邊墻，這就限制了精度，尤其是小孔加工。此外，磨料泥漿還要磨蝕工具本身，它將引起工具端面及徑向的大量磨損，進而，很難保證加工精度。繼而，1964年，英國人P. Legge 提出使用燒結(jié)或電鍍金剛石工具的超聲旋轉(zhuǎn)加工的方法，克服了一般超聲加工深孔時，加工速度低和精度差的缺點。在第一臺旋轉(zhuǎn)超聲機械加工裝置中，沒有采用磨粒液泥漿，而是用一個充滿了金剛石的振動工具來加工旋轉(zhuǎn)工件。然而，由于工件是被夾在一個旋轉(zhuǎn)的4爪卡盤上，只能加工圓孔。后來出現(xiàn)了一種旋轉(zhuǎn)超聲換能器的機器。旋轉(zhuǎn)換能器使它可能精確地加工工件達到公差允許范圍。結(jié)合不同形狀工具的使用，其工作范圍可以擴大到端部研磨，T形開槽，楔形切割，螺紋和內(nèi)、外圓研磨等。到目前為止，英、美、蘇、法、日、中等國家己對超聲旋轉(zhuǎn)加工方法作了一些研究，包括設備研制和工藝研究。英國Kerry超聲公司研制生產(chǎn)“Sonicmill”落地式超聲旋轉(zhuǎn)加工機。前蘇聯(lián)莫斯科航空工藝研究所在20世紀60年代就生產(chǎn)出帶磨料的超聲波鉆孔機床。法國Extrude Hone 公司生產(chǎn)銷售 SoneX 型旋轉(zhuǎn)超聲加工機。瑞士Erosonic AG公司生產(chǎn)銷售Erosonic US400/US800 型旋轉(zhuǎn)超聲加工機。日本超聲波工業(yè)公司開發(fā)了體積小、重量輕、剛度大、可安裝在金機械/機電/模具/數(shù)控畢業(yè)、課程設計 QQ_2947387549 現(xiàn)成資料 CAD/Proe/Solidworks 圖，另可定制機械/機電/模具/數(shù)控畢業(yè)、課程設計 QQ_2947387549 現(xiàn)成資料 CAD/Proe/Solidworks 圖，另可定制屬切削機床的USSP系列超聲波主軸系統(tǒng)。日本超音波工業(yè)株式會社于1994年研制新型UMT-7 三座標數(shù)控超聲旋轉(zhuǎn)加工機，機床功率450W，工作頻率20KHz ，可在玻璃上加工孔徑 1.6mm、深150mm 的深小孔，其圓度可達0.005mm，圓柱度為0.02mm。日本還研制成一種新型“縱-彎”型振動系統(tǒng)，并已在手持式超聲復合振動研磨機上成功應用。該系統(tǒng)壓電換能器采用半圓形壓電陶瓷片產(chǎn)生來“縱-彎”型復合振動。日本金澤工業(yè)學院的研究人員研制了加工硬脆材料的超聲低頻振動組合鉆孔系統(tǒng)。將金剛石中心鉆的超聲振動與工件的低頻振動相結(jié)合，制造了一臺組合振動鉆孔設備，該設備能檢測鉆孔力的變化以及鉆孔精度和孔的表面質(zhì)量，并用該組合設備在不同的振動條件下進行了一系列實驗。實驗結(jié)果表明，將金剛石中心鉆的超聲振動與工件的低頻振動相結(jié)合是加工硬脆材料的一種有效方法。在美國，利用工具旋轉(zhuǎn)同時作軸向振動進行孔加工已取得了較好的效果。美國Branson 聲能公司先后制成UMT-3 和 UMT-5 兩種超聲旋轉(zhuǎn)加工機。UMT 的主軸旋轉(zhuǎn)精度0.0010002 英寸，轉(zhuǎn)速為05000 轉(zhuǎn)/分，工具的最大尺寸為38 毫米，在玻璃板上已加工出直徑1.6 毫米深達305 毫米和直徑1 毫米深300 毫米的孔。美國堪薩斯州立大學提出了一種超聲旋轉(zhuǎn)加工陶瓷材料去除率模型的計算方法，并將其應用到氧化鋯陶瓷的加工中，確定了材料去除率和加工參數(shù)之間的關(guān)系，該研究大大推動了陶瓷材料旋轉(zhuǎn)加工技術(shù)的發(fā)展。在第八屆中國國際機床展覽會（CIMT2003）上，德國DMG 公司展出了其新產(chǎn)品DMS35 Ultrasonic 超聲振動加工機床，該機床主軸轉(zhuǎn)速300040000r/min，特別適合陶瓷、玻璃、硅等硬脆材料的加工。與傳機械/機電/模具/數(shù)控畢業(yè)、課程設計 QQ_2947387549 現(xiàn)成資料 CAD/Proe/Solidworks 圖，另可定制機械/機電/模具/數(shù)控畢業(yè)、課程設計 QQ_2947387549 現(xiàn)成資料 CAD/Proe/Solidworks 圖，另可定制統(tǒng)加工方式相比，生產(chǎn)效率提高5 倍，加工表面粗糙度Ra0.2m，可加工0.3mm 精密小孔，堪稱硬脆材料加工設備性能的新飛躍。國內(nèi)機電部第十一研究所范國良等人研制的用于加工YGA 激光晶體棒的T3030-3/ZV 超聲旋轉(zhuǎn)加工實驗樣機，已成功用于YAG 激光晶體棒的成行加工。該機工作頻率7-22KHz ，功率400W，加工晶體棒直徑310mm，加工精度：圓度8 不允許18=3 ×3 ×2 符合即方案有18=9 ×2 18=3 ×3 ×2 在 2 種方案中：