鉆床主軸進給機構改造——變速機構設計【含CAD圖紙和畢業(yè)論文全套】

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指導教師 簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 學科組組長 簽名 系主任 簽名 年 月 日 III 摘 要 隨著先進制造技術的發(fā)展和進步 數(shù)控加工已成為機加工過程中的一種主 流技術 這一技術的運用提高了機加工過程中工作效率和加工精度 數(shù)控多工 位鉆床就是提高鉆削加工精度和效率的一種很好的機加工工具 本文對數(shù)控多 工位鉆床進行了設計 采用了普通車床設計的步驟和方法 綜合考慮數(shù)控機床 的特點 從切削力入手確定主軸及電機 到整個機床的結構設計和機床的控制 最后到對機床初始化程序設計 本文完成數(shù)控多工位鉆床的資料收集與國 內 外現(xiàn)狀的調查比較 提出較為可行的方案 完成機床的機械結構設計計算與電氣 控制系統(tǒng)設計 初步完成控制系統(tǒng)的軟硬件設計 本設計是關于將普通鉆床改 造為多工位加工鉆床的結構設計 普通鉆床為單軸機床 且工件安裝后需要進 行反復調整 工件上有相互位置要求的各表面間的位置精度就會受到很多因素 的影響 通過設計改造成快速主軸 移動工作臺和具有一定回轉精度的能實現(xiàn) 多工位加工的鉆床后 能大大地縮短加工時間 提高生產效率 因此本設計主 要從鉆床的主軸箱設計 移動工作臺設計及工作臺的回轉設計幾個方面 對普 通鉆床進行一定的結構改進 實現(xiàn)多工位加工 以符合現(xiàn)代機械加工的要求 關鍵詞 多工位鉆床 生產效率 主軸箱 IV Abstract With the manufacturing development numerical control manufacturing has become one of the major advanced technologies efficiency and accuracy has been improved in application of the technology Numerical control auto drilling machine is a kind of the new machine tools that can improve the machining accuracy and efficiency The paner has designed for Numerical control auto drilling machine using design method of the ordinary lathe and considering the characteristic of the numerical control machine tools synthetically cutting force has been calculated the structural and the control system has been designed Finally the software routine has been explored This paner has finished completed a investigation of internal and external of current situation for numerical control multistage drilling machine and compared it put forward a feasible scheme completed the mechanical structural design an calculated and designed the electric control system and finished the software and hardware of the control system tentatively The design is about reconstructing the ordinary drill to carry out multiple position drill The ordinary drill is a single drill The machining accuracy of the work piece will be affected by the mount Because the exact position of work piece will be affected by the adjustment It will promote its productive efficiency shorten its processing time through the design of the rapid spindle moving and evolution worktable Hereby the keystone of this design paper is how to design the rapid spindle moving and evolution worktable Key words multiple drill productive efficiency multiple spindle heads V 目錄 摘 要 III Abstract IV 目錄 V 1 緒論 1 1 1 鉆床的工藝范圍 1 1 2 鉆床的類型 1 1 2 1 臺式鉆床 1 1 2 2 立式鉆床 1 1 2 3 搖臂鉆床 2 1 3 鉆削加工的特點 2 1 3 1 多軸加工的特點 3 1 3 1 多工位加工的特點 3 1 4 論文研究的內容及意義 3 1 5 本文所做的工作 3 2 機械傳動方案確定 4 2 1 設計內容分析 4 2 2 機械傳動方案的選擇 4 2 2 1 總體傳動方案選擇 4 2 2 2 總體傳動方案確定 5 3 主軸傳動部件設計 7 3 1 切削力的計算 7 3 1 1 機床工況要求 7 3 1 2 切削力和切削扭矩的計算 7 3 2 主軸齒輪傳動方案確定 9 3 2 1 設定齒輪傳動方案 9 3 2 2 主軸傳動設計和計算 10 4 工作臺縱向進給機構的設計 18 4 1 工作臺縱向進給負載分析及計算 18 4 1 1 摩擦阻力計算 18 4 1 2 等效轉動慣量計算 18 4 1 3 絲杠摩擦阻力矩的計算 19 4 1 4 等效負載轉矩的計算 19 4 1 5 起動慣性阻力矩的計算 19 4 1 6 步進電機輸出軸總的負載轉矩的計算 19 4 2 縱向進給步進電機選擇 19 4 3 縱向進給滾珠絲杠的選擇與校核 19 4 3 1 承載能力的校核 19 VI 4 3 2 壓桿穩(wěn)定性驗算 20 4 3 3 剛度驗算 20 4 4 滑動導軌的結構設計 21 4 4 1 移動導軌的分析 21 4 4 2 移動導軌的預選 21 4 4 3 移動導軌的驗算 22 4 5 縱向進給軸承的選擇 25 5 橫向進給運動機構的設計 25 5 1 橫向進給負載分析及計算 25 5 1 1 摩擦阻力的計算 25 5 1 2 等效轉動慣量計算 25 5 1 3 絲杠摩擦阻力矩的計算 26 5 1 4 等效負載轉矩的計算 26 5 1 5 起動慣性阻力矩的計算 27 5 1 6 步進電機輸出軸總的負載轉矩的計算 27 5 2 橫向進給步進電機選擇 27 5 3 橫向進給滾珠絲杠的選擇與校核 27 5 3 1 承載能力的校核 27 5 3 2 壓桿穩(wěn)定性驗算 27 5 3 3 剛度驗算 28 5 4 滑動導軌的結構設計 28 5 4 1 移動導軌的分析 28 5 4 2 移動導軌的預選 29 5 4 3 移動導軌的驗算 29 5 5 橫向進給機構軸承的選擇 31 6 回轉工作臺的結構設計 31 6 1 蝸輪蝸桿的設計計算 31 6 1 1 初選 d1 a 值 31 6 1 2 中心距計算 31 6 2 傳動基本尺寸的確定 32 6 3 傳動機構的校核計算 32 6 3 1 蝸輪按齒面接觸疲勞強度驗算 32 6 3 2 輪齒彎曲疲勞強度驗算 34 6 3 3 蝸桿軸繞度驗算 34 6 3 4 溫度計算 35 6 3 5 潤滑油粘度和潤滑方法 35 6 3 6 花鍵的選擇 35 結論與展望 36 畢業(yè)設計小結 37 VII 致 謝 38 參考文獻 39 VIII 鉆床主軸進給機構改造 變速機構設計 1 1 緒論 隨著時代的發(fā)展 作為現(xiàn)代科學技術發(fā)展的重要標志之一的金屬切削機床 得到了更多的研究和發(fā)展 而隨著在機加工中廣泛投入使用這種機床 更是促 進了傳統(tǒng)的機械加工行業(yè)的高速發(fā)展 由于多工位加工機床極大地提高了加工 精度 生產率和自動化程度 受到了生產商的廣泛歡迎 而多工位機床則因其 一次裝夾能進行多工位的加工 在某種程度上 更是大大的提高了機加工的加 工效率 很適合工件的批量生產 1 1 鉆床的工藝范圍 鉆床類機床屬孔加工機床 一般用于加工直徑不大 精度要求不高的孔 其主要加工方法是用鉆頭在實心材料上鉆孔 此外還可在原有孔的基礎上擴孔 鉸孔 锪平面 攻螺紋等加工 如圖 1 1 所示 1 2 鉆床的類型 鉆床的主要類型有臺式鉆床 立式鉆床 搖 臂鉆床 深孔鉆床等 在鉆床上加工時 工件固 定不動 主運動是刀具 主軸 旋轉 刀具沿軸 向的移動為進給運動 1 2 1 臺式鉆床 臺式鉆床實質上是加工小孔的立式鉆床 簡 稱臺鉆 其鉆孔直徑一般在 16mm 以下 主要用 于小型零件上各種小孔的加工 臺鉆的自動化程 度較低 通常采用手動進給 但其結構簡單 小 巧靈活 使用方便 其結構圖見圖 1 2 所示 1 2 2 立式鉆床 圖 1 3 所示是立式鉆床的外形 其特點為主軸軸線垂直布置 且位置固定 主軸箱 3 中裝有主運動和進給運動的變速傳動機構 主軸部件以及操縱機構等 主軸箱固定不動 用移動工件的方法使刀具旋轉中心線與被加工孔的中心線重 圖 1 1 鉆床的加工 方法 1 工作臺 2 進給手柄 3 主軸 4 皮帶罩 5 電 動機 6 主軸箱 7 立柱 8 底座 圖 1 2 臺式鉆床 無錫太湖學院學士學位論文 2 合 進給運動由主軸隨主軸套筒在主軸箱中作直線移動來實現(xiàn) 利用裝在主軸 箱上的進給操縱機構 5 可以使主軸實現(xiàn)手動快速升降 手動進給以及接通或 斷開機動進給 被加工工件可直接或通過夾具安裝在工作臺 2 上 工作臺和主 軸箱都裝在方形立柱 4 的垂直導軌上 可上下調整位置 以適應加工不同高度 的工件 適用于中小型工件孔的加工 且加工孔數(shù)不宜過多 1 2 3 搖臂鉆床 對于一些大而重的工件 因移動費力 找正困難 不便于在立式鉆床上進 行加工 這時希望工件固定不動而移動主軸 使主軸中心對準被加工孔的中心 這樣便產生了搖臂鉆床 如圖 1 4 所示為搖臂鉆床的外形 它的主軸箱裝在搖 臂 3 上 可沿搖臂的導軌水平移動 而搖臂 3 又可繞立柱 2 的軸線轉動 因而 可以方便地調整主軸的坐標位置 使主軸旋轉軸線與被加工孔的中心線重合 此外 搖臂 3 還可沿立柱升降 以便于加工不同高度的工件 為保證機床在加 工時有足夠的剛度 并使主軸在鉆孔時保持準確的位置 搖臂鉆床具有立柱 搖臂及主軸箱的夾緊機構 當主軸位置調整完畢后 可以迅速地將它們夾緊 底座 1 上的工作臺 5 可用于安裝尺寸不大的工件 如果工件尺寸很大 可將其 直接安裝在底座上 甚至就放在地面上進行加工 搖臂鉆床適用于單件和中 小批量生產中加工大 中型零件 1 3 鉆削加工的特點 據(jù)統(tǒng)計 一般在車間中普通機床的平均切削時間很少超過全部工作時間的 15 其余時間是看圖 裝卸工件 調換刀具 操作機床 測量 以及清除鐵 屑等等 使用數(shù)控機床雖然能提高 85 但購置費用大 某些情況下 即使生 產率高 但加工相同的零件 其成本不一定比普通機床低 故必須更多地縮短 1 底座 2 立柱 3 搖臂 4 主軸箱 5 工作臺 圖 1 4 搖臂鉆床 1 底座 2 工作臺 3 主軸箱 4 立柱 5 進給操縱機構 圖 1 3 立式鉆床 鉆床主軸進給機構改造 變速機構設計 3 加工時間 不同的加工方法有不同的特點 就鉆削加工而言 多工位加工是一 種通過少量投資來提高生產率的有效措施 1 3 1 多軸加工的特點 多軸加工是在一次進給中同時加工許多孔或同時在許多相同或不同工件上 各加工一個孔 這不僅縮短切削時間 提高精度 減少裝夾或定位時間 并且 在數(shù)控機床中不必計算坐標 減少字塊數(shù)而簡化編程 它可以采用以下一些設 備進行加工 立鉆或搖臂鉆上裝多軸頭 多軸鉆床 多軸組合機床心及自動更 換主軸箱機床 甚至可以通過二個能自動調節(jié)軸距的主軸或多軸箱 結合數(shù)控 工作臺縱橫二個方向的運動 加工各種圓形或橢圓形孔組的一個或幾個工序 1 3 1 多工位加工的特點 多工位加工示意圖如圖 1 5 所示 它利用機床的回轉工作臺 使工 在六個工位上依次進行裝卸工件 預鉆孔 鉆孔 擴孔 粗鉸和精鉸工作 它實現(xiàn)了減少工件的安裝次數(shù) 提高零件各表面間相互位置精度及提高生產效 率等目的 相對普通鉆床而言 它具有高速 高效 高精度等特點 這種加工 方式常采用多工位夾具或多軸 或多工位 機床 使工件在一次安裝后先后經 過若干個不同位置順次進行加工 1 4 論文研究的內容及意義 本文根據(jù)設計老師的要求 主要設計出基于齒輪傳動的單軸 快速移動回 轉式工作臺以實現(xiàn)不同位置的順次加工 達到高效 降低工人勞動強度等目的 并可通過后期的改進設計能使鉆削加工實現(xiàn)自動化的數(shù)控加工 同時采用多工 位加工則更為縮短了裝夾時間等輔助時間 使生產率得到更大的提高等 后期 還可以在此基礎上進行多主軸的結構設計 再通過 PLC 控制 達到高效率 高 精度 低成本等特點 對機械加工行業(yè)的長遠發(fā)展具有現(xiàn)實的意義 1 5 本文所做的工作 1 完成數(shù)控多工位鉆床的資料收集與國 內外現(xiàn)狀的調查比較 提出較為 可行的方案 2 完成鉆床的機械結構設計計算及裝配與關鍵零部件的相應圖紙 工位 1 裝卸工件 工位 2 預鉆孔 工位 3 鉆 孔 工位 4 擴孔 工位 5 粗鉸 工位 6 精 鉸 圖 1 5 多工位加工 無錫太湖學院學士學位論文 4 2 機械傳動方案確定 經過畢業(yè)設計給出的題目要求和數(shù)據(jù) 要設計加工工件的最大直徑為 10mm 工作行程為 300 300 70 的數(shù)孔多工位鉆床 根據(jù)這一特點表明要設 計的機床是一臺中小型的鉆床 而且是用于一般的機加工中 所以設計這樣的 機床考慮其經濟性 合理性應該是最為重要的和成為設計的主導思想 2 1 設計內容分析 閱讀相關機床資料和機床的市場調查 選擇合理的機床結構很重要 傳統(tǒng) 的機床結構包括立式 臥式兩大類 立式機床的主軸定位多數(shù)是相同的 它的 優(yōu)點在于 機床小巧 占地空間小 經濟實惠 適合于工作單一加工工件較小 及加工尺寸小的場合 而臥式機床的主軸結構及主軸箱布局可為單面懸掛主軸 箱和主軸箱位于立柱對面內 后者的優(yōu)點在于 主軸箱的自重不會使立柱產生 彎曲變形 相同的切削力所引起的立柱的彎曲和扭轉變形均大為減小 這樣就 相當于提高了機床的剛度 故要是采用對機床結構設計成為臥式結構的話就應 該選用主軸箱位于立柱內的布局形式 然而一般的臥式機床的加工尺寸都很大 對于我們要設計的機床加工零件的尺寸是很小的 僅為最大加工為 10mm 的 孔 從經濟的角度上來說 我們設計的機床采用立式的結構更為節(jié)省空間 節(jié) 省材料 同時機床看上去更為小巧 然而完全可以達到要求加工范圍的要求 包括此類機床的其它特點都很滿足我們要設計機床的要求 而另一個問題則為 機床是否采用多軸 多 軸 鉆 床 可 分 為 可 調 式 和 固 定 式 兩 種 規(guī) 格 可 調 式 多 軸 鉆 床 在 其 加 工 范 圍 內 其 主 軸 的 數(shù) 量 主 軸 間 的 距 離 相 對 可 以 任 意 調 整 一 次 進 給 同 時 加 工 數(shù) 孔 在 其 配 合 液 壓 機 床 工 作 時 可 自 動 進 行 快 進 工 進 工 退 快 退 停 止 同 單 軸 鉆 攻 絲 比 較 工 件 加 工 精 度 高 工 效 快 可 有 效 的 節(jié) 約 投 資 方 的 人 力 物 力 財 力 尤 其 機 床 的 自 動 化 大 大 減 輕 操 作 者 的 勞 動 強 度 固 定 式 多 軸 鉆 床 采 用 單 件 加 工 件 專 機 的 設 計 方 案 根 據(jù) 其 加 工 件 加 工 頻 率 高 量 大 之 原 因 專 門 量 身 定 制 一 件 一 機 的 設 備 在 其 工 作 中 勿 須 擔 心 尺 寸 跑 偏 而 傷 腦 筋 更 是 可 以 針 對 客 戶 的 要 求 進 行 專 項 設 計 而 對 于 大 多 數(shù) 金 屬 加 工 機 床 來 說 數(shù) 控 進 給 復 合 運 動 的 加 工 是 以 直 線 軸 加 上 回 轉 軸 的 聯(lián) 動 來 實 現(xiàn) 的 而 數(shù) 控 回 轉 軸 的 設 計 與 制 造 更 是 衍 生 了 數(shù) 控 回 轉 工 作 臺 這 種 既 能 作 為 數(shù) 控 回 轉 軸 同 時 也 起 著 承 載 工 件 重 量 夾 持 工 件 的 功 能 有 著 進 給 分 度 和 實 現(xiàn) 工 作 臺 圓 周 方 向 的 進 給 運 動 的 作 用 相 比 于 前 者 這 種 機 床 無 疑 比 較 經 濟 實 惠 2 2 機械傳動方案的選擇 2 2 1 總體傳動方案選擇 通過對幾種鉆床結構的了解和認識 結合論文題目的要求 確定設計一種 基于機械傳動的立式多工位加工的鉆床 該機構應能達到達到高效 提高工件 鉆床主軸進給機構改造 變速機構設計 5 加工精度 降低工人勞動強度等目的 機械傳動方式種類很多 由于在加工中需要機床具有一定的移動精度和回 轉精度 因此 本文進行多工位鉆床的設計主要是采用封閉的齒輪傳動方式 在所有的機械傳動中 齒輪傳動應用最廣 可用來傳遞相對位置不遠的兩 軸之間的運動和動力 齒輪傳動是利用兩齒輪的輪齒相互嚙合傳遞動力和運動 的機械傳動 按齒輪軸線的相對位置分平行軸圓柱齒輪傳動 相交軸圓錐齒輪 傳動和交錯軸螺旋齒輪傳動 其具有結構緊湊 效率高 壽命長等特點 1 根據(jù)兩軸的相對位置和輪齒的方向 可分為以下類型 直齒圓柱齒輪傳動 斜齒圓柱齒輪傳動 人字齒輪傳動 錐齒輪傳動 交錯 軸斜齒輪傳動等 2 根據(jù)齒輪的工作條件 可分為 開式齒輪傳動式齒輪傳動 半開式齒輪傳動 閉式齒輪傳動等 齒輪傳動部分方式如圖 2 1 所示 2 2 2 總體傳動方案確定 由上面分析可知 本文傳動方式主要在如圖 2 1 中所列幾種方式中進行選 擇 現(xiàn)對以上幾種齒輪傳動方式進行分析比較 最終確定適合于多工位加工的 齒輪傳動方式 1 圓柱齒輪傳動 用于平行軸間的傳動 一般傳動比單級可到 8 最大 20 兩級可到 45 最 大 60 三級可到 200 最大 300 傳遞功率可到 10 萬千瓦 轉速可到 10 萬轉 分 圓周速度可到 300 米 秒 單級效率為 0 96 0 99 直齒輪傳動適用于中 低速傳動 斜齒輪傳動運轉平穩(wěn) 適用于中 高速傳動 人字齒輪傳動適用于 傳遞大功率和大轉矩的傳動 圓柱齒輪傳動的嚙合形式有 3 種 外嚙合齒輪傳 動 由兩個外齒輪相嚙合 兩輪的轉向相反 內嚙合齒輪傳動 由一個內齒輪 和一個小的外齒輪相嚙合 兩輪的轉向相同 齒輪齒條傳動 可將齒輪的轉動 變?yōu)辇X條的直線移動 或者相反 2 蝸輪蝸桿傳動 交錯軸傳動的主要形式 軸線交錯角一般為 90 蝸桿傳動可獲得很大的 傳動比 通常單級為 8 80 用于傳遞運動時可達 1500 傳遞功率可達 4500 千 瓦 蝸桿的轉速可到 3 萬轉 分 圓周速度可到 70 米 秒 蝸桿傳動工作平穩(wěn) 傳動比準確 可以自鎖 但自鎖時傳動效率低于 0 5 蝸桿傳動齒面間滑動較大 發(fā) 熱量較多 傳動效率低 通常為 0 45 0 97 圖 2 1 齒輪傳動方式簡圖 無錫太湖學院學士學位論文 6 3 行星齒輪傳動 具有動軸線的齒輪傳動 行星齒輪傳動類型很多 不同類型的性能相差很 大 根據(jù)工作條件合理地選擇類型是非常重要的 常用的是由太陽輪 行星輪 內齒輪和行星架組成的普通行星傳動 少齒差行星齒輪傳動 擺線針輪傳動和 諧波傳動等 行星齒輪傳動一般是由平行軸齒輪組合而成 具有尺寸小 重量 輕的特點 輸入軸和輸出軸可在同一直線上 其應用愈來愈廣泛 通過以上分析 結合機床實際加工要求 現(xiàn)確定機床傳動方案為 工作臺 的回轉運動采用蝸輪蝸桿傳動 而工作臺縱向和橫向運動采用滾球絲桿進行傳 動 鉆床主軸進給機構改造 變速機構設計 7 3 主軸傳動部件設計 由于電機工作時 其負載阻力有切削力 摩察阻力 慣性力 所以只有在 這些阻力被克服 才能正常啟動及運行 因此要對進給系統(tǒng)進行必要的設計及 計算 3 1 切削力的計算 3 1 1 機床工況要求 要求加工的最大孔為 d0 10mm 刀具為高速鋼麻花鉆 以磨損 工件材料 為 45 井 鋼 b 0 638GPa 灰鑄鐵 190HBS 加工精度為 IT8 IT10 級以下孔 粗加工 3 1 2 切削力和切削扭矩的計算 1 當工件材料為 45 井 鋼 根據(jù)已知條件查 機械加工工藝手冊 表 2 4 38 高速鋼鉆頭鉆孔時的進給 量知 10mm 鉆頭粗加工的進給量為 0 22 0 28 由表 2 4 41 高速鋼鉆頭切削時 切削速度 扭矩及軸向力可選取進給量的兩極限值 f 0 08mm r 0 30mm r 對 應的它們的切削速度為 V 0 99m s 0 43m s 則由 得 10ndv 0dv 鉆頭或工件的轉速 srdn 53 1 9 01 6 4 02 由 機械制造工程原理 計算鉆頭軸向力 F 和扭矩 T 的經驗公式及麻花鉆 軸向力和扭矩表達式中的系數(shù) 指數(shù)及修正系數(shù)可知 FyXFKfdC081 9 3 1 MyXfdT081 9 3 2 32 nmP 3 3 式中 b 0 638GPa CF 61 2 XF 1 0 YF 0 7 CM 0 0311 XM 2 0 YM 0 8 KF KFmKFw KM KMmKMw 對于已磨損鉆頭 KMw 1 KFw 1 無錫太湖學院學士學位論文 8 工件材料 KMm KFm 0 98938 75 063 b 則最小進給量 f 0 08mm r F1 9 81 61 2 10 0 080 7 0 98938 1 1013 79N T1 9 81 0 0311 102 0 080 8 0 98938 1 4 0Nm PM1 2 3 14 4 0 31 53 10 3 0 79Kw 最大進給量 f 0 30mm r F2 9 81 61 2 10 0 300 7 0 98938 1 2557 22N T2 9 81 0 0311 102 0 300 8 0 98938 1 11 52Nm PM2 2 3 14 11 52 13 69 10 3 0 99Kw 2 當工件材料為灰鑄鐵時 根據(jù)已知條件查 機械加工工藝手冊 表 2 4 41 高速鋼鉆頭鉆孔時的進給 量知 10mm 鉆頭初加工的進給量為 0 22 0 28 由表 2 4 41 高速鋼鉆頭切削時 切削速度 扭矩及軸向力可迭取進給量的兩極限值 f 0 12mm r 0 70mm r 對 應的它們的切削速度為 V 0 79m s 0 33m s 則由 可得 10ndv 鉆頭或工件的轉速 0 srdVn 16 25079 1033 3 044 由 金屬切削刀具 計算鉆頭軸向力 F 和扭矩 T 的經驗公式及表 3 1 麻花 鉆軸向力和扭矩表達式中的系數(shù) 指數(shù)及修正系數(shù)可知 FyXFKfdC081 9 3 4 MyXfdT081 9 3 5 32 nmP 3 6 式中 CF 42 7 XF 1 0 YF 0 8 CM 0 021 XM 2 0 YM 0 8 KF KFmKFw KM KMmKMw 鉆床主軸進給機構改造 變速機構設計 9 對于已磨損鉆頭 KMw 1 KFw 1 工件材料 KMm KFm H B 190 0 6 1 則最小進給量 f 0 12mm r F3 9 81 42 7 10 0 120 8 1 1 768 14N T3 9 81 0 021 102 0 120 8 1 1 3 78Nm PM3 2 3 14 3 78 25 16 10 3 0 597Kw 最大進給量 f 0 70mm r F4 9 81 42 7 10 0 700 8 1 1 3149 02N T4 9 81 0 021 102 0 700 8 1 1 15 49Nm PM4 2 3 14 10 51 15 49 10 3 1 02Kw 由此可得鉆頭的最大轉矩 Tmax 15 49Nm 最大轉矩 Fmax 3149 02N 最大切削功率 PMmax 1 02Kw 則鉆頭主軸所需要的功率為 P 1 PMmax 總 其中 總 花鍵軸 軸承 深溝球軸承 0 99 取 3 個 角接觸推力軸承 0 98 取 2 個 花鍵軸 0 97 0 98 由 金屬切削機床 查得 總 花鍵軸 軸承 0 97 0 993 0 982 0 904 則 P1 1 02 0 904 1 03Kw 對于主軸電機的選擇 查 機械設計手冊 對于中小功率的電機 一般額 定轉矩只有 2 1 4 而主軸所需要的最大扭矩為 15 49Nm 故必須采用齒輪組進 行減速以提供大的轉矩達到符合相應電機的額定轉矩 在多工位鉆床的設計過程中 要求機床能夠進行多級變速 在這種情況下 可以采用一個變速器來解決 無級變速器就是能使主軸達到相應轉矩和使主軸 傳遞的轉矩符合要求 同時 根據(jù)主軸特點設計鉆床主軸的特點是主軸在軸向方向上有移動 就 是說上端的花鍵軸外面必須套有內花鍵的齒輪或其它才能將電動機的運動傳遞 給主軸 使主軸轉動 在本次設計中我們就選用花鍵的齒輪作為傳動件 把電 機的轉動傳給主軸 則從主軸來的傳動方式為 主軸 花鍵軸 內花鍵齒輪 嚙合齒輪 一組或多組 聯(lián)軸器 無級變速器 主軸電動機 3 2 主軸齒輪傳動方案確定 3 2 1 設定齒輪傳動方案 主軸齒輪傳動方案如圖 3 1 所示 軸 為機床主軸 設計為齒輪花鍵軸 由前面知齒輪花鍵軸的功率為 P1 無錫太湖學院學士學位論文 10 I主 軸 電 機機 床 主 軸 圖 3 1 主軸傳動示意圖 即軸 P P1 1 13Kw 軸 P P 齒輪 1 13 0 97 1 16KwKwII 16 97 03 取 齒輪 0 97 精度等級為 8 級 則主軸電機輸出功率 P2 P2 P 聯(lián)軸器 1 16 0 99 1 18Kw 根據(jù) 機械設計手冊 選擇電機可用 YCP802 2 1 1Kw 額定功率和 YCP90S 2 1 5Kw 額定功率最為接近功率要求 而前者略小于最大輸出功率 而加一個無級變速器相對于電機來說其傳遞功率也不會消耗太多 粗略估算則 選用后者 YCP90S 2 額定功率為 1 5Kw 額定電壓為 380V 額定電流為 3 4A 轉速為 2840r min 最大額定轉矩為 2 3Nm 選擇了電動機就可根據(jù)所選擇電動機確定相應的無級變速器 根據(jù)電動機 功率和轉矩及主軸所必須達到的最小轉矩 可確定變速器 查 機械設計手冊 第四卷可選擇的無級變速器為 HZXD1500L 根據(jù)無級變速器的相關數(shù)據(jù)和主軸所需要的相關數(shù)據(jù) 無級變速器提供的 轉矩已經可以達到主軸要求的轉矩 同時轉速也能達到要求 故在接下來設計 的齒輪組中 主要達到的目的為將電動機的轉動傳遞給主軸使主軸完成轉動 并不影響軸向的進給運動 對于齒輪組的設計就是要完成傳動 為了設計需要 可以僅設計一組齒輪 即可 又因為轉矩完全達到要求 轉矩要求的差又不是太大 從對主軸箱結構 設計入手 對主軸箱的總體布局和結構合理 比例合適 可將這對齒輪設計成 一組惰輪 即不改變變速器傳遞出來的轉矩和轉速 僅將轉動傳給主軸 達到 了設計要求和目的 3 2 2 主軸傳動設計和計算 1 齒輪的設計計算 在齒輪設計中 取轉矩最大時設計用到最大轉矩 15 49 切削速度 nI 631r min 首先小齒輪 主動齒輪 用 40Cr 調質處理 硬度 241HB 286HB 平均 取為 260HB 大齒輪 從動齒輪 用 45 鋼 調質處理 硬度 229HB 286HB 平均取為 240HB 鉆床主軸進給機構改造 變速機構設計 11 關于主軸傳動中的第一組齒輪按齒面接觸疲勞強度計算 1 初步計算 轉矩 T II 5 49Nm 5490Nmm 齒寬系數(shù) d 由表 12 13 該節(jié)中所指的表均指 機械設計 一書中的表 取 d 1 0 接觸疲勞極限 Hlim 由圖 12 17c 可取 Hlim1 710MPa Hlim2 580MPa 初步計算的許用接觸硬力 H1 0 9 Hlim1 0 9 710 639MPa Ad 值由表 12 16 取 Ad 85 初步計算的小齒輪直徑 d1 29 14 31UTAHd 32154908 其中 u I 1 T 5490Nmm 取 d1 90mm 初取齒寬 b bd1 1 90 90mm 2 校核計算 圓周速度 smnV 8 2106354 061 精度等級 由表 12 6 選 8 級精度 齒數(shù) Z 和模數(shù) m 取齒數(shù) Z1 60 Z2 iZ1 1 60 60 模數(shù) 由表 12 3 取 m 1 5 5 6091 dm 則 Z2 iZ1 601Z 使用系數(shù) KA 由表 12 9 取 KA 1 5 動載系數(shù) KV 由表 12 9 取 KV 1 1 齒間載荷分配系數(shù) KH 由表 12 10 先求 mNbFd TAIt 10 03 2915 42 端面重合度 cos 821 Z 無錫太湖學院學士學位論文 12 7 1602 381 重合度系數(shù) Z 0 74 7 4 由此得 81 0122 ZKH 齒間載荷分布系數(shù) KH 28 1093 16 09 132321 CbdBAH 載荷系數(shù) K K AKVKH KH 1 5 1 1 1 81 1 28 3 82 彈性系數(shù) ZE 由表 12 12 取 ZE 189 8 MPa 節(jié)點區(qū)域系數(shù) ZH 由圖 12 16 可取 ZH 2 5 接觸最小安全系數(shù) SHmin 由表 12 14 取 SHmin 1 05 總工作時間 t h 10 300 8 20 4800h 應力循環(huán)次數(shù) NL 由表 12 15 估計 10 7 NL 109 則指數(shù) m 8 78 NL1 NV1 60 ithi Ti Tmax n1 60 1 631 4800 18 78 0 2 0 58 78 0 5 0 28 78 0 3 3 65 107 原估計應力循環(huán)次數(shù)正確 7 712 1065 3 iNL 接觸壽命系數(shù) ZN 由圖 12 18 可取 ZN1 1 13 ZN2 1 18 許用接觸應力 H MPaSNH76405 13minl1 ZH2 8in2l2 驗算 H ZEZHZ ubdKT1 13054968 274 0529 18 鉆床主軸進給機構改造 變速機構設計 13 503 4MPa 計算結果表明 接觸疲勞強度較為適合 齒輪齒寸無需調整 3 確定傳動主要尺寸 實際分度圓直徑 d 因模數(shù)取標準值時 齒數(shù)并未調整 故分度圓直徑不會 改變 即 d1 mZ1 90mm d2 mZ2 90mm 中心距 mZma60121 齒寬 b bd1 90mm 4 齒根彎曲疲勞強度驗算 重合度系數(shù) Y 67 0 152 075 2 0 Y 齒間載荷分配系數(shù) KF 由表 12 10 49 167 0 YF 齒向載荷分布系數(shù) KF 3 25 9 hb 由表 12 14 KF 1 25 載荷系數(shù) K K KA KVKF KF 1 5 1 1 1 49 1 25 3 07 齒形系數(shù) YF 由圖 12 21 YF1 2 8 YF2 2 29 應力修正系數(shù) YSa 由圖 12 22Ysa1 1 54 Ysa2 1 74 彎曲疲勞極限 Flim 由圖 12 23C Flim1 60MPa Flim2 450Mpa 彎曲最小安全系數(shù) SFmin 由表 12 14 SFmin 1 25 應力循環(huán)次數(shù) NL 由表 12 15 估計 3 106 NLTmax 15 49Nm 則花鍵軸能夠達到所需傳遞的轉矩 對于花鍵軸傳遞轉矩轉動中產生的摩擦力為 F 花 取 0 1 F 花 f 5338 0 1 533 8N 而 NTT15407 13 02913 則軸所受軸向力 F 合 F 花 Fmax 154 5 3149 02 3304N 則軸向方向齒條受力 F 合 K 1 1 F 合 3635N K 1 1 3 軸向進給設計 1 主軸結構形式確定 在主軸外設計一套筒 由長為 80mm 的齒條經齒輪帶動 先設計用一級減 速接步進電機使主軸進給 其結構如圖 3 3 所示 無錫太湖學院學士學位論文 16 圖 3 3 主軸進給示意圖 2 步進電機的選擇及轉矩的計算 由 機電一體化系統(tǒng)設計 I t0 3600 其中 步距角 deg 脈沖當量 鉆床取 0 02mm t0 齒距 t 0 m 根據(jù) 機電一體化系統(tǒng)設計 選步進電機 取 0 1 m 1 25 2 30 3651 I 取 0 75 時 4 30 6517 I 取 I 3 2 0 1 時 可取 Z1 20 Z2 64 m 1 25 b 20mm 200 df1 mZ1 25mm df2 mZ2 80mm de1 28 de2 83 齒輪設計成直齒圓柱齒輪 齒輪材料為 45 鋼 則大小齒輪轉動慣量分別為 24408 7KgmbJ 251 109 1 2gZ 44263J 根據(jù) 機電一體化系統(tǒng)設計 預選步進電機為 200BF001 查得電機轉子 軸的轉動慣量為 231094 2KgmJm 折算到電動機軸上的轉動慣量 20212121 tZJJSZm25 22553108 5 16405 1649 639 4Kg 鉆床主軸進給機構改造 變速機構設計 17 有效負載轉矩 Tm 的計算 取 V 2m min Tm F 軸 F 摩 V 主軸進給 2 nm in 102 36020 rhm NT4 15 起動慣量矩的計算 以最不利條件下的快速起動計算 設起動加速度或制動減速度的時間 t 0 3s 由于步進電機的角速度 18 60126 snWm 則 273 tn T 慣 NmJm 513 則 J Tm T 慣 1 04 5 038 6 08Nm 如考慮機械傳動系統(tǒng)的效率為 n 安全數(shù)值為 K 則此時負載總轉矩為 TnK03 18 6705 由預選的步進電機型號 200BF001 五相十步 步距角 0 10 Step 其最大靜 轉矩 Tymax 14 7Nm 為保證正常的起動和停止 步進電機的起動轉矩 Tg 必須 大于或等于 T 由表可知 Tg Tymax 的比值 取 Tg Tymax 0 951 則 Tg 14 7 0 951 13 98Nm 13 03Nm 故選擇合適 無錫太湖學院學士學位論文 18 4 工作臺縱向進給機構的設計 4 1 工作臺縱向進給負載分析及計算 4 1 1 摩擦阻力計算 摩擦阻力應等于正壓力乘以摩擦系數(shù) 正壓力應包括軸向力 F 1175N 及工 作臺加縱向軌道之重力 設工作臺重量為 400Kg 縱向軌道重量為 400Kg 400 400 10 1175 0 1 917 5N 摩F 1 0 4 1 2 等效轉動慣量計算 根據(jù)要求粗選 0 75 to 5 0 005 036ti 08 25 7 可取 25 52 m 1 5 b 25mm 20o1Z 則 d f1 mZ1 1 5 25 37 5mm df2 mZ2 1 5 52 78mm de1 40 5mm de2 81mm 將齒輪看作近似的圓柱體 材料為 鋼 則大 小齒輪的轉動慣量分別 45 為 J 7 8 d4 b 10 4 kgm2 JZ1 7 8 3 754 2 5 10 4 3 86 10 5Kgm2 JZ2 7 8 8 104 2 5 10 4 8 40 10 4Kgm2 滾珠絲桿直徑選擇為 d0 25mm L 700mm 材料 鋼 則絲桿的轉動慣量 45 可近似的算出為 鉆床主軸進給機構改造 變速機構設計 19 JS 7 8 2 54 70 10 4 2 13 10 4Kgm2 由 機電一體化系統(tǒng)設計 預選步進電機為 110BF004 查得電機轉子軸 的轉動慣量為 Jm 3 43 10 4Kgm2 折算到電機軸上的總轉動慣量為 221221 4 mnSZm ViJJ 242 24541026 3 8 08 10 8 06 3 Kgm 4 1 3 絲杠摩擦阻力矩的計算 由于用的是滾珠絲杠 摩擦阻力矩很小 可以忽略不計 4 1 4 等效負載轉矩的計算 Tm F 縱 F 摩 V 工作 2 nm N35 0 82917 由 in 3 8 630 rnnm 4 1 5 起動慣性阻力矩的計算 以最不利條件下的快速起動計算 設起動加速式制動減速的時間 t 0 5s 一般在 0 1 1s 之間 由于步進電機的角速度 2 87603 2 SnWm 角加速度 4 15 t T 慣 J m 6 26 10 4 174 44 0 11Nm 4 1 6 步進電機輸出軸總的負載轉矩的計算 J Tm T 慣 0 35 0 11 0 46Nm 4 2 縱向進給步進電機選擇 考慮機械傳動系統(tǒng)的效率 為 安全系數(shù)為 K 則比時的負載總轉矩應考慮為 NmTK9 046 751 由預選的步進電機型號為 110BF004 三相六拍 步距角 0 75 step 其最大 無錫太湖學院學士學位論文 20 轉矩 Tymax 4 9Nm 為保證正常的起動與停止 步進電機的起動轉矩 Tg 必須大于 或等于 T 由表查出 Tg T 0 866 Tg 4 9 0 866 4 24Nm 0 99Nm 故選擇合適 確定選用 110BF004 步進電機 4 3 縱向進給滾珠絲杠的選擇與校核 初選絲杠型號為 CMD2504 3 因此必須進行以下幾個項目的校核 4 3 1 承載能力的校核 fHfWPmaxCO 式中 L 滾珠絲杠壽命系數(shù) 3L 轉610 P max F 縱 F 摩 0 917 5 917 5N fH 1 fW 1 2 T 15000610min 64 08 23NtLrns KN8 745 36 9172 01 54 3 6 選絲桿 CMD2504 3 查表得絲桿額定載荷為 O 8 2KN Q 滿足要求 4 3 2 壓桿穩(wěn)定性驗算 max2PKDEIF 取雙推 簡支式支承 由 FK 2 E 鋼的彈性模量 2 1 105 Mpa I 絲杠小徑的截面慣性矩 4 44180 3269 cmdI 查手冊可知 所用絲杠的最小徑為 d 1 21 9mm 取壓桿穩(wěn)定安全系數(shù) K 4 絲杠長度 L LS 700mm NPNPK 5 91749 37625 10max 故滿足要求 4 3 3 剛度驗算 絲杠的剛度是保證第一導程的變動量要在允許范圍內 鉆床主軸進給機構改造 變速機構設計 21 IEMTSPL 200 絲杠最小截面積 22176 349 cmd 設 T0 0 5 I 2 26cm4 M Tmaxi 4 9 2 08 10 20Nm 1020Ncm 號用于拉伸 一 號用于壓縮 都取 號 則 mcL 618 081 60 265167 310 259 4 由于選擇要求滾珠絲杠精度等級為 C 級 L 0 4 m 0 681 m 所以滿足要求 4 4 滑動導軌的結構設計 4 4 1 移動導軌的分析 對導軌的要求主要有 要有一定的導向精度 要有良好的耐磨性 足夠的 剛度 要減少熱變形影響 要使運動輕便平穩(wěn)和一定的工藝性 因此 在考慮 到要求加工精度為 7 級 且鉆床為一般機床 所以可以選用貼塑的矩形滑動導 軌 由于機床上的運動部件都是沿導軌而作運動 則導軌的磨損就非常大 所 以要采用一系列措施來提高導軌耐磨性 其中除了選用合適材料 熱處理 潤 滑外 還應該采用保護裝置 即采用防護罩 使機床導軌不外露 這樣直接能 防止切屑及灰塵等落到導軌上 由 金屬切削機床設計 導軌的截面形狀與組合選擇為雙矩形導軌 數(shù)控 鉆床用滑動導軌貼塑就可以了 可不用滾動導軌 這種導軌的剛度高 當量摩擦系數(shù)比三角形導軌低 承載能力高 加工 檢驗和維修都方便 特別是數(shù)控機床雙矩形 動導軌貼塑料軟帶 是滑動導軌 的主要形式 矩形導軌存在側向間隙 必須用鑲條進行調整 采用窄式組合 4 4 2 移動導軌的預選 根據(jù)以知條件和加工要求 預選導軌機床坐標如圖 4 1 所示 圖 4 1 數(shù)控鉆床坐標系 由 機床設計手冊 新版 2 表 9 3 7 X 軸向移動導軌結構尺寸預選為 無錫太湖學院學士學位論文 22 H 20 B 50 B1 12 A 400 h 12 h1 H 0 5 鑲條 b 6 平 其結構簡圖如圖 4 2 所示 圖 4 2 T 型導軌剖面結構 4 4 3 移動導軌的驗算 對于數(shù)控多工位的鉆床的導軌受力分析如圖 4 3 所示 分別為切削力 進給力和背向力 圖 4 3 導軌受力分析圖 1 各外力對坐標軸取矩 軸 QFyfCZXM 對于鉆床 00 而 相對于 軸的 Fy 則 fX 軸 XQfyWFM 2 BAeyF 工件與工作臺重估計 鉆床主軸進給機構改造 變速機構設計 23 有兩種極限情況 工作臺到最近處 長度 工 作臺到最近處 0 05 0 35 NmMNFyf 2154 0235 01497 21 Z 軸 由分析知 Z 2 支反力計算 各導軌面的支反力分別為 RA R B R CBfAWFRZ 0XNReMZZBy61435 027 要增大 2Z 則 有 ZA NZ 50321460149 或 RZA3 對于鉆床 PCFPF 3 各導軌面的支反力矩 yCXBAM 02 4 牽引力 對于鉆床來說 F f 進給力很小或為 0 5 導軌壓強 按線形分布的導軌壓強 aLPZF a B 值 0 05 L 0 3m 接觸強度 根據(jù)工作臺大小和導軌長度初步確定 ZAR 無錫太湖學院學士學位論文 24 MPaPF34 05 或 7 1aaLyMy 0 135 0622 或 MPPyy 87 22 PaPav 34 06 3412 0minax 或 Maav07 8294 17 minax 對于滑動導軌速度較低的進給運動導規(guī) 平均許用壓 1 2 1 5Mpa 最大許 用壓強 2 5 3 0Mpa 動導軌上鑲有以聚四氟乙烯為基體的塑料板時 如滑動速 度 V 1m min 時 PV 值不得超過 0 2Mpam min 如滑動速度 V 1m min 時 則 許用壓強取 0 2Mpa 對于所選導軌在不加塑料板時 平均壓強和最大許用壓強 都能滿足要求 而當要鑲入塑料板時許用壓強則 Pav 有 0 25Mpa 而設計滑行 速度為 2m min 時 Pav 0 2Mpa 則不能符合要求 則必須對導軌參數(shù)進行重新 選擇 但是對于數(shù)控鉆床來講 工件進給過程中并不受切削力 則加上鑲入塑料 導軌板時的平均壓力可以適當?shù)脑黾?取這種情況下的許用平均壓強在 0 6 0 8Mpa 故導軌的平均許用壓強 Pav 0 35Mpa0 49Nm 所以選擇合適 確定選用 90BF006 步進電機 5 3 橫向進給滾珠絲杠的選擇與校核 初選絲杠型號為 CMD2005 3 因此必須進行以下幾個項目的校核 5 3 1 承載能力的校核 fHfWPmaxCO 式中 L 滾珠絲杠壽命系數(shù) 3L 轉610 P max F 橫 F 摩 0 517 5 517 5N fH 1 fW 2 T 15000 610 min 45 2NtLrns Q KN37 0 7365 120 1 436 選絲桿 CMD2005 3 查表得絲桿額定載荷為 O 9KN Q 滿足要求 5 3 2 壓桿穩(wěn)定性驗算 max2PKDEFI 取雙推 簡支式支承 由 FK 2 E 鋼的彈性模量 2 1 105 Mpa I 絲杠小徑的截面慣性矩 4 44180 3269 cmdI 查手冊可知 所用絲杠的最小徑為 d 1 1 69mm 取壓桿穩(wěn)定安全系數(shù) K 2 5 絲杠長度 L LS 700mm 5 17 83 12205 1maxNPNPK 鉆床主軸進給機構改造 變速機構設計 29 故滿足要求 5 3 3 剛度驗算 絲杠的剛度是保證第一導程的變動量要在允許范圍內 IEMTSPL 200 絲杠最小截面積 2214 69 4cmd 設 T0 0 5 I 0 80cm4 M Tmaxi 0 882 2 5 2 21Nm 221Ncm 號用于拉伸 一 號用于壓縮 都取 號 則 mcL 602 102 61 280524 10 57 4 由于選擇要求滾珠絲杠精度等級為 C 級 L 0 4 m 0 602 m 所以滿足要求 5 4 滑動導軌的結構設計 5 4 1 移動導軌的分析 對導軌的要求主要有 要有一定的導向精度 要有良好的耐磨性 足夠的 剛度 要減少熱變形影響 要使運動輕便平穩(wěn)和一定的工藝性 因此 在考慮 到要求加工精度為 7 級 且鉆床為一般機床 所以可以選用貼塑的矩形滑動導 軌 由于機床上的運動部件都是沿導軌而作運動 則導軌的磨損就非常大 所 以要采用一系列措施來提高導軌耐磨性 其中除了選用合適材料 熱處理 潤 滑外 還應該采用保護裝置 即采用防護罩 使機床導軌不外露 這樣直接能 防止切屑及灰塵等落到導軌上 由 金屬切削機床設計 導軌的截面形狀與組合選擇為雙矩形導軌 數(shù)控 鉆床用滑動導軌貼塑就可以了 可不用滾動導軌 這種導軌的剛度高 當量摩擦系數(shù)比三角形導軌低 承載能力高 加工 檢驗和維修都方便 特別是數(shù)控機床雙矩形 動導軌貼塑料軟帶 是滑動導軌 的主要形式 矩形導軌存在側向間隙 必須用鑲條進行調整 采用窄式組合 5 4 2 移動導軌的預選 由 機床設計手冊 新版 2 表 9 3 7 移動導軌結構尺寸預選為下 其結 構簡圖如圖 5 1 所示 圖 5 1 T 型導軌剖面結構 無錫太湖學院學士學位論文 30 H 20 B 70 B1 12 A 400 h 12 h1 H 0 5 b 6 平 5 4 3 移動導軌的驗算 對于數(shù)控多工位的鉆床的導軌受力分析如圖 5 2 所示 1 各外力對坐標軸取矩 軸 35 02 WFeM