數(shù)控旋壓機床機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

QUOTEMg0.866伺服最高工作頻率計算式：QUOTEVmax60δP第5章垂直進給結(jié)構(gòu)設(shè)計5.1滾珠絲杠螺母副的計算和選型5.1.1最大動載荷的計算式子里：：壽命系數(shù)，單位為r；：絲杠壽命；本次數(shù)控用，確定T為15000h；：載荷系數(shù)；本設(shè)計選用1.2；：硬度系數(shù)；本設(shè)計選用1；：橫向滾珠絲杠導(dǎo)程；本次確定。：橫向最大進給速度；本次確定；：橫向最大工進速度對應(yīng)絲杠的轉(zhuǎn)度，。計算得出得：。5.1.2滾珠絲杠螺母副的選型最大動載荷，確定本次用滾珠絲杠副的型號是FL4008-3型，屬于內(nèi)循環(huán)式，精度3級FL4008-3型滾珠絲杠相關(guān)參數(shù)5.1.3滾珠絲杠副的支承方式考慮到橫向滾珠絲杠副水平球的大小、準確性和負載，以及基于雙厚度的、高精度、高精度、高精度的調(diào)整成本。5.1.4機械設(shè)計傳動結(jié)構(gòu)效率的計算=式子里：：螺距升角，根據(jù)，算出；：摩擦角，按常理選。算得：=。5.1.5剛度的驗算絲杠的拉伸計算式：=+：意思是拉伸，-：意思是壓縮。根據(jù)前面的設(shè)計，確定的參數(shù)有：，，，，得出：==±0.0047=±4.7查表3-3可知，，所以剛度足夠。5.1.6穩(wěn)定性校核不失穩(wěn)時的臨界載荷Fk的條件滿足式：=式子里：：絲杠支承系數(shù)，本參數(shù)只有在單推-單推時，選數(shù)值1；：滾珠絲杠穩(wěn)定安全系數(shù)；按常理選2.5～4，本次取4；：滾珠絲杠兩端支承間的距離，，本次確定500；：按絲杠底徑確定的截面慣性矩，，。把代入式里，算出。最終算出：：==臨界載荷比要求的大，所以絲杠安全。5.1.7臨界轉(zhuǎn)速的驗證式子里：：絲杠支承系數(shù)，采用單推-單推，取值為12.1；：臨界轉(zhuǎn)速計算長度，，本次取720；：絲杠內(nèi)徑，；：安全系數(shù)，本次確定=0.8。經(jīng)計算，得出：=5321，由已知，，得出，，小于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，符合要求。5.2伺服電機的計算和選用5.2.1轉(zhuǎn)動慣量的計算1.齒輪、軸、絲杠等圓柱體慣量計算（）對于鋼材，計算式為：式子里：M：圓柱體質(zhì)量（）D：圓柱體直徑（）L：圓柱體長度（）：鋼材的密度2.總傳動慣量轉(zhuǎn)動慣量式子：式子里：計算為：縱向：橫向：5.2.2電機力矩的計算快速空載起動時所需力矩式子里：（2）快速進給時所需力矩因此對運動部件已起動，固不包含，顯然。（3）最大切削負載時所需力矩式子里：在采用絲杠螺母副傳動時，上述各種力矩可用下式計算式子里：；摩擦力矩式子里：附加摩擦力矩計算式：式子里：折算到電機軸上的切削負載力矩式子里：具體計算：橫向：5.3伺服電機的選擇先按最大靜轉(zhuǎn)距查書，得到當伺服電機為三相六拍時，縱向：110BYG3500型作為初選型號。伺服電機起動頻率Hz最高工作頻率Hz橫向：同樣的方法可查到，并確定選安川SGMAH-0.75A型電機。參數(shù)：最大靜轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩：2.39N.m。起動矩頻特性和運行矩頻特性需要進一步校核。第6章刀架設(shè)計計算6.1簡易經(jīng)濟型數(shù)控刀架概述目前主要為立式四工位,通常采用雙插銷機構(gòu)實現(xiàn)轉(zhuǎn)位和預(yù)定位,電機采用右置式或轉(zhuǎn)塔式。一般只能單向轉(zhuǎn)位,采用齒輪,蝸桿傳動,螺旋副加緊,多齒盤精定位。此種刀架價格便宜,適用于要求不高的數(shù)控機床,在我國應(yīng)用最為廣泛。但是,該刀架工位少,回轉(zhuǎn)空間大,易發(fā)生干涉,所以正向工序長,回轉(zhuǎn)空間小的臥式刀架過渡。高精度型數(shù)控刀架目前一般多為臥式八工位到十二工位。分為抬起式和不抬起式。抬起式仿意大利巴羅法蒂公司的TA刀架,其缺點是轉(zhuǎn)阻塞度不能過高,只能單向回轉(zhuǎn)；不抬起式仿意大利IOE型刀架,采用行星齒輪機構(gòu)?；蚍旅绹娜?lián)分齒盤精定位,轉(zhuǎn)位采用平行分度凸輪(又叫共輒凸輪)或槽輪機構(gòu)此種刀架目前正逐漸推廣。帶動力刀具的數(shù)控刀架 此種刀架只有煙臺機床附件廠生產(chǎn),全套引進意大利的生產(chǎn)線和專利,一般用于車削加工中心。6.2減速傳動機構(gòu)的設(shè)計普通的三相異步電動機因轉(zhuǎn)速太快，不能直接驅(qū)動刀架進行換刀，必須經(jīng)過適當?shù)臏p速。根據(jù)立式轉(zhuǎn)位刀架的結(jié)構(gòu)特點，采用蝸桿副減速是最佳選擇。蝸桿副傳動可以改變運動的方向，獲得較大的傳動比，保證傳動精度和平穩(wěn)性，并且具有自鎖功能，還可以實現(xiàn)整個裝置的小型化。（1）傳動方案的擬定采用蝸輪蝸桿傳動和螺旋副加緊、雙插銷預(yù)定位、端面多齒盤精定位、霍爾元件發(fā)訊。（2）傳動方案簡圖圖6.1傳動方案簡圖（3）傳動方案分析a.傳動機構(gòu)①采用蝸輪蝸桿傳動的主要優(yōu)點：降速比大,結(jié)構(gòu)緊湊,工作平穩(wěn)無噪聲。能阻滯扭轉(zhuǎn)振動。當蝸桿螺旋升角小于摩擦角時,有反向自鎖作用。其主要缺點是:發(fā)熱大,加工復(fù)雜,需要有與蝸桿參數(shù)相同的渦輪滾刀,對裝配誤差較為敏感。②螺旋副加緊采用絲杠螺母機構(gòu)傳動,其特點是：用較小的扭矩轉(zhuǎn)動絲杠(或螺母),可使螺母(或絲杠)獲得較大的軸向牽引力?？蛇_到很大的降速傳動比,使降速機構(gòu)大為簡化,傳動鏈得以縮短。能達到較高的傳動精度。傳動平穩(wěn),無噪聲。在一定條件下能自鎖,即絲杠螺母不能進釘逆向傳動。此特點特別適用于作部件升降傳動。由于蝸桿傳動和絲杠螺母傳動均能自鎖,即夾緊機構(gòu)雙重自鎖，不必再配置制動器。6.3刀架抬起機構(gòu)設(shè)計要想使上，下刀體的兩個端面齒脫離，就必須設(shè)計合適的機構(gòu)使上刀體抬起。本設(shè)計選用螺桿-螺母副，在上刀體內(nèi)部加工出內(nèi)螺紋，當電動機通過蝸桿-蝸輪帶動蝸桿繞中心軸轉(zhuǎn)動時，作為螺母的上刀體要么轉(zhuǎn)動，要么上下移動。當?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時，上刀體與下刀體的端面齒相互咬合，因為這時上刀體不能與螺桿一起轉(zhuǎn)動，所以螺桿的轉(zhuǎn)動會使上刀體向上移動。當端面齒脫離咬合時，上刀體就與螺桿一同轉(zhuǎn)動。6.4上刀體鎖緊與精定位機構(gòu)的設(shè)計由于刀具直接安裝在上刀體上，所以上刀體要承受全部的切削力，其鎖緊與定位的精度將直接影響工件的加工精度。本設(shè)計上刀體的鎖緊與定位機構(gòu)選用端面齒盤，將上刀體和下刀體的配合面加工成梯形端面齒。當?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時，上下端面齒相互咬合，這時上刀體不能繞刀架的中心軸轉(zhuǎn)動；換刀時電動機正傳，抬起機構(gòu)使上刀體抬起，等上下端面齒脫開后，上刀體才可以繞刀架中心軸轉(zhuǎn)動，完成轉(zhuǎn)位動作。①雙差銷預(yù)定位雙差銷定位,一般稱為反靠定位。具有較高的定位精度和可靠性,并能在有沖擊和振動的情況下穩(wěn)定工作。磨損少,定位附加沖擊小。定位精度保持性強。②端面齒盤精定位優(yōu)點:由于采用了多齒結(jié)構(gòu),所以定位精度高,一般可達，最高可達；能自動定心,定位精度不受軸承間隙和正反轉(zhuǎn)的影響(也稱自由定心)；齒面磨損對定位精度影響不大,隨著不斷使用磨合,定位精度有可能改善,精度保持性好； 承載能力強,定位剛性好。其齒面嚙合長度一般不小于60%,齒數(shù)嚙合率一般不低于90%；適應(yīng)性強,齒數(shù)的所有因數(shù)都可作為分度工位數(shù),容易得到不等的分度；重復(fù)定位精度穩(wěn)定。缺點:齒形加工較為復(fù)雜,轉(zhuǎn)位、定位時動齒盤需要升降,并要有夾緊裝置,成本高。c.數(shù)控轉(zhuǎn)塔式四工位自動回轉(zhuǎn)刀架傳動方案的確定:采用蝸輪-蝸桿傳動:螺旋副加緊；電磁離合器制動:雙插銷機構(gòu)預(yù)定位；端面齒盤精定位:霍爾元件發(fā)訊。6.5蝸桿副的設(shè)計計算6.5.1蝸桿的選型根據(jù)GB/T10085-1988的推薦，采用漸開線（ZI）蝸桿，這種蝸桿的端面齒廓是漸開線，所以相當于少一個齒數(shù)。6.5.2蝸桿副的材料由于蝸桿傳動效率不高，速度也只是中等,故蝸桿用45鋼;因希望效率高些,耐磨性好些,故蝸桿螺旋要求淬火硬度為45-55HRC且心部調(diào)制蝸輪用鑄錫青銅ZcusnlOP1,金屬模鑄造。為了節(jié)約貴重的有色金屬,僅齒圈用青銅制造,而輪芯用灰鑄鐵HT100制造。6.5.3按齒面接觸疲勞強度進行設(shè)計根據(jù)工作要求和條件:功率小,起動轉(zhuǎn)矩低,運轉(zhuǎn)平穩(wěn)等,無需調(diào)速、長期反復(fù)工作，異步電動機取轉(zhuǎn)速為1400r/min。由要求:自鎖力Q=1000kgf—500kgf,此處取Q=1000kgf。螺旋副傳動的牙型為梯形螺紋,可通過較小的扭矩獲得較大的軸向力,并要求自鎖。梯形螺紋的牙型角α=,則牙型半角P=,且有f=0.08～0.10。由于本刀架鎖緊系統(tǒng)中的摩擦是由封閉系統(tǒng)彈性變形力所引起的,壓力通常超過3,其摩擦系數(shù)比一般2～3倍,取螺桿中徑d=85mm. a.求當量摩擦角:，為保證電機驅(qū)動力矩消失后刀盤仍處于鎖緊狀態(tài),絲杠螺母傳動必須滿足自鎖條件:,所以λmax=11.7-1=10.7，由實驗表明λ=4～6有滿意效果,故取λ=5。b.螺桿的轉(zhuǎn)速n1=28r/min（設(shè)計任務(wù)書給出）可得出傳動比：（7-1）計算電機容量：（7-2） 其中,Pd為電機所需功率:Pw為工作機所需工作功率；是由電動機至工作機主動端的總效率： （7-3）（7-4） 其中分別為軸承、蝸輪蝸桿、聯(lián)軸器、滑動絲杠的傳動效率。取=0.98,=0.45(自鎖時傳動效率),,（設(shè)計任務(wù)書給出）W（7-5）c.計算螺桿上的扭矩:（7-6）d.，選取150BF002電機，其技術(shù)參數(shù)如下：表7.1150BF002電機技術(shù)參數(shù)電壓輸出功率轉(zhuǎn)速輸入功率質(zhì)量380V120w1400r/min150w3.0kg額定電流起動轉(zhuǎn)矩/:額定轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩起動電流0.47(A)〉2.2>2.4〈6e.各軸的運動動力參數(shù) ①各軸轉(zhuǎn)速I軸(蝸桿軸)=1400(r/min)II軸(絲杠螺母、刀盤)=1400/28=50(r/min)②各軸輸入功率I軸（7-7）II軸w（7-8）輸出功率I軸（7-9）II軸（7-10）根據(jù)閉式蝸桿傳動的設(shè)計準則,先根據(jù)齒面接觸疲勞強度進行設(shè)計,再校核齒根彎曲強度應(yīng)有:（7-11）a.用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩：按，取效率則（7-1SEQ(4—\*ARABIC2)b.確定載荷系數(shù)K：因工作載荷較穩(wěn)定,所以取齒向載荷分布系數(shù)由表11-5(機械設(shè)計第七版)中選取使用系數(shù)=1.15由于轉(zhuǎn)速不高,沖擊不大,取動載荷系數(shù)則（7-13）c.確定彈性影響系數(shù)：由選用鑄錫磷青銅渦輪和鋼蝸桿相配合,故（7-14）d.確定接觸系數(shù):先假設(shè)蝸桿分度圓直徑為和中心距a的比值從圖11-18(機械設(shè)計第七版)中可查得=2.75e.確定許用接觸應(yīng)力：根據(jù)蝸桿材料為鑄錫磷青銅ZCuSn10Pi金屬模鑄造,蝸桿硬度大于45HRC可以從11-7(機械設(shè)計第六版)中查得渦輪的基本許用應(yīng)力=268應(yīng)力循環(huán)次數(shù)設(shè)計要求壽命為12000h則(渦輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn),每個輪齒嚙合的次數(shù))（7-15)壽命系數(shù)：則（7-16)f.計算中心距:19（7-17)所以取中心距為20mm；因i=50，故從表11-12中取模數(shù)m=1mm6.5.4蝸桿和蝸輪的主要計算參數(shù)和幾何尺寸圖7.2蝸桿尺寸圖6.5.5校核蝸輪齒根彎曲疲勞強度（7-18)當量齒數(shù)：（7-19)根據(jù)從圖11-19中(機械設(shè)計第七版)可查得齒形系數(shù)螺旋角系數(shù)許用彎曲應(yīng)力從表11-8(機械設(shè)計第七版)查得ZcuSn10Pi制造的蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力。壽命系數(shù)：（7-20)（7-21)（7-22)故彎曲強度不滿足要求。改用鑄鋁鐵青銅(ZcuAl10Fe3)砂模鑄造，其許用應(yīng)力：（7-23）則（7-24）所以強度滿足。6.6螺桿的設(shè)計計算6.6.1螺距的確定a.選用T55梯形螺紋絲桿，螺距t=12mm;b.絲桿螺母尺寸：大徑：d=46mm小徑：=40mm中徑：螺母外徑：螺母小徑：螺母中徑：線速n=1。由于連接螺紋要求自鎖性。故多用單線螺紋，若要求傳動效率高則采用雙線或三線螺紋。導(dǎo)程：S=P=12mm螺紋升角：當量摩擦角：，由于選用的是的梯形螺紋，因而。當f=0.1時，，，此絲桿能自鎖。c.絲桿螺母的傳動效率和驅(qū)動扭矩的計算：①效率：②驅(qū)動扭矩M：設(shè)所受的軸向力P,則螺紋中徑的圓周力為，驅(qū)動扭矩，，（kgfcm）（7-25)d.校核滑動螺旋傳動：滑動螺旋工作時，主要承受轉(zhuǎn)矩及軸向拉力（或壓力）的作用，同時在螺旋和螺母的旋合紋間較大的相對滑動。主要的失效形式是螺紋磨損。因此滑動螺旋的基本尺寸(即螺桿直徑和螺母高度)，通常是根據(jù)耐磨性條件確定的。對于受力較大的傳動螺旋，還應(yīng)校核螺桿的危險截面以及螺母紋牙的強度，以防止發(fā)生塑性變形和斷裂。對于精密傳動螺紋還應(yīng)該校核螺桿的剛度。耐磨性校核：圖7.3刀盤齒形圖作用于螺桿的軸向力主要是刀盤重力。螺紋的承壓面積（指螺紋工作投影到垂直于軸向力的平面上的面積）為A(),螺紋中徑（mm）螺紋工作高度h，螺紋螺距為P(mm),螺母高度H(mm),螺紋的工作圈數(shù)n=H/p.=43mmh=25mmP=12mmH=64mmn=H/P=5則螺紋工作面的耐磨性條件為：（7-26）e.強度計算：空心軸工作時，承受軸向力Q和扭矩T的作用，螺桿切應(yīng)力的作用。螺桿危險截面上既有壓縮應(yīng)力，又有切應(yīng)力。在校核時根據(jù)第四強度理論，求出危險截面的應(yīng)力。（7-27）（7-28)（7-29)（7-30)，（7-31)，Q=216.86NT=216.86(5.08+8.82)43/2=1153.85Nmm（7-32)（7-33),故強度滿足要求。6.6.2其它參數(shù)的確定由于機床絲桿螺母的主要失效形式是磨損，以及切削細長螺紋時時刀具磨損使絲杠產(chǎn)生表面缺陷和較大的內(nèi)應(yīng)力，所以選擇絲桿材料及熱處理，應(yīng)從高的耐磨性，良好的加工性能及長期的尺寸穩(wěn)定性來進行考慮。選擇合金鋼40Cr,8級精度，淬硬，熱處理使之具有相當?shù)哪湍バ?。螺母材料選用鑄鋅鉛青銅ZQSn6-6-3,雖然ZQSn10-1非常耐磨，但成本太高ZQSn6-6-3已經(jīng)能滿足要求。6.6.3自鎖性能校核根據(jù)要求，要求具有自鎖能力，所以必須對蝸輪蝸桿的自鎖情況進行驗算。所需用到的公式式中表示螺旋升角，表示導(dǎo)程，表示牙型角，，代入數(shù)據(jù)計算得到螺紋升角約為3.312°，通常使用值小于這個度數(shù)。式中表示當量摩擦角，表示螺旋副的摩擦系數(shù)，查表，取結(jié)論我認為這是一個測試，一個對我所學(xué)知識的掌握多少的測試。要完成這次的設(shè)計，需要我查閱一系列和專業(yè)知識相關(guān)的書籍，通過查閱資料，可以對以前所學(xué)習(xí)的知識進行鞏固和復(fù)習(xí)。我的各種能力也在這次設(shè)計中得到了鍛煉。本次設(shè)計不僅僅需要課本上的理論知識，還需要來自實際的工作經(jīng)驗。要想完成就要將兩者進行完美的結(jié)合，因此不僅僅可以提高我的理論，還可以提高我的實際操作經(jīng)驗。這次設(shè)計對我的提高也有很多，其中之一就是我可以將我所學(xué)的知識運用起來，讓知識不在僅僅是一些文字，更是一些情景，我想我以后在遇到這些一定會想起這次的畢業(yè)設(shè)計。說得跟具體一點就是這次的畢業(yè)設(shè)計讓我深刻的認識到了將所學(xué)變成所會是何等的重要，從此以后，我不在是只會說而不會做的“書呆子”了?，F(xiàn)在想想剛開始做畢業(yè)設(shè)計的時候，總是會在這里那里有所困惑，而每當這時候，都會努力的查找相關(guān)資料和尋求李老師的幫助。這些事情至今任在眼前，感慨頗多。是的，從最開始的對夾具的半知半解，到最后通過學(xué)習(xí)完成設(shè)計，這中間所經(jīng)歷的重重事情讓我學(xué)到了跟多的知識，在用這些知識來對我進行武裝升級。通過我的不懈努力，最后終于對我的大學(xué)生活做出了一個完美的答卷，不僅如此還讓我的人生都得到了完美的成長。以前總以為自己掌握了足夠多的知識的我，通過這次的畢業(yè)設(shè)計終于認清了自己，并且得到了提升。不僅僅如此，我想這次的畢業(yè)設(shè)計也會對我的人生產(chǎn)生更加深刻的影響。參考文獻[1]葉邦彥，陳統(tǒng)堅.MechanicalEngineeringEnglish北京:機械工業(yè)出版社[2]濮良貴，紀名剛.機械設(shè)計（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2001.[3]文懷興，夏田.數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.5[4]夏田.數(shù)控加工中心設(shè)計[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.4[5]陳立德.機械制造裝備設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2006.4[6]王愛玲.現(xiàn)代數(shù)控機床結(jié)構(gòu)與設(shè)計[M].北京：兵器工業(yè)出版社，1999.9[7]華楚生.機械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2003.[8].甘永立.幾何量公差與檢測[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2005.[9]WilliamOrthwein.MachineComponentDesign.WestPublishingCompany，St.Paul，MN，USA.1990；[10]T.A.Harrisetc.RollingElementBearingsDynamics[J].JournalofBasicEngineering，1959.[11]A.B.Janes.BallMotionandslidingFrictioninBallBearings[J].JournalofBasicEngineering，1959.致謝四年的大學(xué)生活是一種短暫的生活，在那里，酸甜苦辣是無法形容的，不能用原話來表達。當論文即將完成時，我要真誠地感謝我所有關(guān)心和支持我的朋友，正是因為有了他們，我才能將學(xué)業(yè)支撐到現(xiàn)在。這篇文章是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成的。在完成論文的過程中，當我問自己這個問題的時候，是他耐心向我解釋了困難的問題。這就是