双向刨削牛头刨床的机构改造设计.docx
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双向刨削牛头刨床的机构改造设计.docx
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双向刨削牛头刨床的机构改造设计
2012届本科毕业论文(设计)
论文题目:
双向刨削牛头刨床的机构改造设计
学生姓名:
所在院系:
机电学院
所学专业:
机械设计制造及其自动化
导师姓名:
完成时间:
2012年5月18日
摘要
针对传统牛头刨床的空行程和工作效率低这两个缺陷,采用机械传动方式,对牛头刨床进行机构改造设计。
使改进后的牛头刨床既能在一定的推力下刨削,又能使滑枕保持一定的速度运动,既能消除空行程,又能变单向刨削为双向刨削。
不仅提高了工作效率,也降低了能耗,而且机构简单,容易进行改造。
关键词:
牛头刨床;空行程;单向刨削;双向刨削
Abstract
Asimplifiedcalculationschemefortheequivalentstressofvortexdedendumundertheeffectofuniforminternaloressurewasbroughtforward.Simulationhasbeencarriedoutonthebeingestablished72finiteelementmodelsofvortexbodywiththeexertionoffixedend..surfaceconstraintanddifferentinteriorpres..sures.Thesimplifiedformulawasobtainedthroughplanningfromtheanalysisofsimulatedresult.Theresearchindicatedthatthedistributionrulesofequivalentstressofvortexdedendumwithdifferentparameterswerebasicallyidenticalandpresentedanexponentialdistributionalongwiththeinvoluteanglesandrevealedalinearrelationshipwiththevortexaddendumandinteriorpressures.Thereisevidentdiferenceinstressdistributionbetweentheportionofendsegmentofvortextooth.whichcorrespondstoapproximately1r/2oftheportionofinvoluteangle,andtherestportion.Theportionthatcorespondswiththetheoreticalinitialinvoluteangleo/ofthevortextoothattheendsegmenthadrapidchangesinStress.Underthecircumstancesofnoconsiderationonthestressconcentrationatrootofvortextooth,theequivalentstressattherootofvortextothcanbecarriedoutbysimplifiedcalculationofsegmentation.Largenumbersoflivingexamplestestifiedthatexcepttheo/portionofendsegment,therewaslesserorbetweentheresultofsimplifiedcalculationandthatofthefiniteelementsimulation,andthemaximumerorwasnotmorethen5%.
Keywords:
vortexmachinery;vortexdedendum;equivalentstress;simplifiedcalculation
目录
1引言1
2设计方案的拟定1
2.1刨床整体和各部件的拟定和分析1
2.1.1工作原理与结构组成2
2.1.2牛头刨床的传动系统简图及分析4
2.2牛头刨床操作规程6
2.3牛头刨床尺寸参数的确定7
2.4主执行机构设计参考方案的拟定7
2.5牛头刨床主运动的主要结构及其调整8
3系统和刀架的改造方案设计9
4经济性分析12
5结论和展望12
致谢13
参考文献14
引言
机械制造业作为一个传统的领域已经发展了很多年,积累了不少理论和实践经验,但随着社会的发展,各个方面的个性化需求愈加强烈。
中国的机械制造业是中国经济发展的基础,也是中国经济参与国际竞争的强项,因此,必须要将行业做精。
机械行业在2010年有了飞速发展,为“十一五”画上了一个圆满的句号。
随着结构调整和增长方式转变必将创造良好的宏观经济环境,加上战略性新兴产业的快速发展和西部大开发、振兴东北、中部崛起和建设新疆等国家战略的进一步实施,中国工程机械行业仍然有较好的市场环境和发展空间。
多年来中国机械工业的高位运行,盈利能力的持续提升,为国民经济可持续发展和综合国力的提高做出了无可替代的贡献。
因此,大力发展机械工业,用先进的机械设备去装备国民经济各部门,对促进中国国民经济和社会发展具有重大意义。
2011年机械行业属于景气高点,年初以来机械设备行业市场需求强劲增长,产销高增长,各重点机械子行业收入及利润增速保持较高水平,且利润增速高于收入增速,显示了行业的高景气度,出口显著复苏,预计全年机械行业出口实现30%以上的增长。
中国机械行业联合会发布的《“十二五”机械行业发展总体规划》明确了机械的发展方向:
1.总体增速平稳快速增长;2.生产集中度进一步提高:
机械百强企业的生产集中度达到20%左右;3.注重基础发展,改变基础严重滞后于主机发展的局面;4.大力发展节能机电设备。
传统的牛头刨床不论是机械传动式,还是液压传动式都只能做单向刨削,也就是滑枕在一个往复运动当中只有一个方向是刨削行程,而回程是空行程,不做刨削。
虽然靠传动的急回特性可以缩短空行程的时间,但是也只是个改善,没有从根本上解决加工效率低空耗大的问题。
正因为有空行程和刨削力不均匀这两个致命的缺陷,导致牛头刨床在实际生产中的应用受到很大限制。
如果牛头刨床能消除空行程,变单向刨削为双向刨削,同时提供稳定均衡的刨削力,会带来良好的经济效益和社会效益。
根据传统牛头刨床工作特征,实现双向刨削的技术难点:
要解决滑枕往复运动提供一个始终相同的作用力和等速运动;要提供能双向刨削的刨刀。
设计方案的拟定
刨床整体和各部件的拟定和分析
机械制造行业中,刨床占有一定的位置。
它适合加工一些狭窄、细长的零件。
如机床的床身、箱体及其它零件上的平面、沟槽、成形面等。
刨床的分类及型号按刨床的结构特征可分为二类:
牛头刨床、龙门刨床和插床。
其应用范围各有不同。
如B6050型,其中B表示属刨床类,6表示属牛头刨床组,0表示属牛头刨床型,50表示了该刨床最大行程的1/10(即500mm)。
刨削加工能达到的精度等级为IT9~IT7,表面粗糙度Ra=6.3~1.6μm。
工作原理与结构组成
(1)牛头刨床简介
牛头刨床是用于加工中小尺寸的平面或直槽的金属切削机床,多用于单件或小批量生产。
为了适用不同材料和不同尺寸工件的粗、精加工,要求主执行构件—刨刀能以数种不同速度、不同行程和不同起始位置作水平往复直线移动,且切削时刨刀的移动速度低于空行程速度,即刨刀具有急回现象。
刨刀可随小刀架作不同进给量的垂直进给;安装工件的工作台应具有不同进给量的横向进给,以完成平面的加工,工作台还应具有升降功能,以适应不同高度的工件加工。
(2)牛头刨床传动系统及结构组成
图2表明了牛头刨床的传动系统怎样把电动机的回转运动转变成刨刀的切削运动和工作台的进给运动。
打开牛头刨床的外壳,对它的内部结构加以分析研究。
装在电动机1的伸出轴端上的小皮带轮2,通过一组三角皮带3,驱动固定在轴I上的大皮带轮4,再由轴I借助于摩擦离合器8,转动空套在轴I上的三联齿轮5、6、7,驱动花键轴II右端的三联滑移齿轮9、10、11(三联滑移齿轮是用来变换相啮合的齿轮对,以改变转速,从而调整刨削速度的。
图示为齿轮6与10相啮合),并由轴II转动左端的三联滑移齿轮12、13,14,驱动固定在轴III上的三联齿轮15、16、17(图示为齿轮13与16相啮合),再由固联于轴III右端的齿轮18,驱动固定在轴IV上的大齿轮19。
由图1-2b可见,在大齿轮19上,装有用销钉20联接的滑块21,此滑块可绕销钉20转动,并可在导杆22的导槽中滑动(销钉20到大齿轮中心的距离可由图1-2c所示的机构进行调整),所以当大齿轮转动时,便可借助滑块21来拨动导杆22绕固定支点(销钉23)左右摆动(同时导杆下端的导槽与滑块24之间可作相对滑动,以改变导杆的有效长度)。
大齿轮每转一周,导杆便往复摆动一次。
又由于导杆的上端是用销钉25与调整块26相联的,而调整块又在拧紧手柄27时被紧固在滑枕28上。
所以当导杆22摆动时,滑枕28便沿着导轨29作前后往复运动。
于是由图2可知,安
装在滑枕前端刀架30上的刨刀31便作切削运动。
工作台32由如下方式获得到适时的、间歇的进给运动。
在大齿轮19的空心轴IV上,固定着凸轮33。
当轴IV转动时,凸轮便推动滚子34而使L形推杆35绕其轴VIII往复摆动,于是推杆35的另一端的扇形齿轮36也往复摆动,以驱动空套在轴V上的扇形齿轮37摆动。
又由于在扇形齿轮37下部的小轴上,装有一个棘爪38,所以当扇形齿轮37摆动时,棘爪38便间歇地拨动空套在轴V上的棘轮39转动一个角度,并遇过牙嵌离合器40,使轴V带着其左端的圆锥齿轮47间歇地转动一个角度,以驱动与其相啮合的圆锥齿轮42,从而通过伸缩轴VI使其另一端的圆锥齿轮43间歇地转动,再通过轴VII上的圆锥齿轮44和牙嵌离合器45,使螺杆46间歇地转动,以推动固联在工作台32上的螺母47间歇地移动。
这样,工作台32便沿着滑轨48间歇地进行进给运动。
切削运动和进给运动恰当地配合起来,便可实现其刨削平面的功能。
由上述分析知,电动机是它接受外界输入能量的原动部分,刨刀和工作台(包括夹持装置)是它的执行部分,从原动部分到执行部分之间所经过的一系列装置则是它的传动部分。
所以就其主体来说,这部机器是由原动部分、传动部分和执行部分三个组成部分所构成的。
我们还可以对多种机器进行类似的分析,由此知,任何一部完整的机器,其主体都是由主动部分、传动部分和执行部分所组成的。
图2所示的牛头刨床由以下机构组成。
皮带传动(机构):
小皮带轮2、皮带3和和大皮带轮4(包括轴,轴承、机架等,下同)。
齿轮机构:
齿轮6和10(或13和16,18和19,36和37等)。
螺旋机构:
螺杆46和螺母47。
摆动导杆机构:
大齿轮19(包括销钉20),滑块21、导杆22,滑块24等。
凸轮机构:
凸轮33和推杆35(包括滚子34)。
棘轮机构:
扇形齿轮37,棘爪38和棘轮39。
组成上述各机构用的皮带轮、皮带,齿轮、螺杆、螺母、滑块,导杆、凸轮,椎杆、棘爪、棘轮等,以及联接用的螺栓、销钉等,支承用的轴、机架等都叫做零件。
离合器、轴承等叫做部件或组件。
牛头刨床的传动系统简图及分析
(1)主运动
运动由电动机经三角皮带传至轴I,轴I上装有摩擦离合器M,空套在轴I上的三联齿轮转动,分别与轴II左边的三联滑移齿轮啮合,运动由轴I传给轴II,可使轴II获得三种不同的转速。
同样,轴右边的三联滑移齿轮,分别与轴III上的固定三联齿轮啮合,将运动传给轴III。
对于轴II的每一种转速,轴III都可获得三种不同的转速。
只有一种转速的轴I将运动传给轴II时,通过变速手柄操纵轴II上的两组三联滑移齿轮,使轴III获得3×3=9种不同的转速。
固定在轴III上的z=23的齿轮带动固定在轴IV上的z=115的大齿轮转动,再经曲柄摇杆机构带动滑轮作往复直线运动。
大齿轮每转一周,滑枕就往复一次。
滑枕每分钟往复运动的次数n,可用下列运动平衡式进行计算:
n=n电机×D/D'×(1-ε)×uI-II×uII-III×uIII-IV
式中n电机——电动机转速;
D——主动皮带轮直径;
D'——被动皮带轮直径;
ε——三角皮带传动的滑动系数,近似取ε=0.02;
uI-II、uII-III、uIII-IV——轴I-II、轴II-III、轴III-IV间的传动比
(2)进给运动
机床的进给运动是间歇的,且是在滑枕回程以后,刨床再次切入工作之前的瞬间完成的。
进给运动传动链首末两端分别为轴IV上的凸轮和工作台。
轴IV上的大齿轮转动时,固定在大齿轮上的凸轮转动,通过滚轮(在弹簧作用下滚轮紧抵凸轮表面)使扇形齿轮(z=45)往复摆动,并带动z=18的扇形齿轮往复摆动(图20-4)。
该扇形齿轮下面装有一个棘爪,于是棘爪就拨动棘轮(z=80)向一定的方向转过一个角度(根据需要棘爪拨动棘轮可转过1个齿﹑2个齿直至16个齿的角度)。
空套在轴IV上的棘轮通过齿式离合器K1带动轴VI转动,经进给安全机构的圆锥齿轮副(25/16)带动传动轴VII(该轴可伸缩)转动,再经进给换向机构中23/18的圆锥齿轮副及齿式离合器K2,使轴VIII得到两种不同的转向。
齿式离合器K3接通,使丝杠(t=5)轴IX转动,带动工作台作横向进给运动。
若接通齿式离合器K4,轴VIII的运动经齿轮副35/35及K4传给轴X,经圆锥齿轮副15/19使丝杠(t=4)轴XI转动,带动工作台作垂直进给运动。
工作台的快速移动:
当操作手柄K1使右移与空套在轴VI上的z=69的齿轮接合时,棘轮(z=80)的运动就不能传给轴VI。
这时轴VI的运动由轴I传来:
经轴I右端z=30的齿轮、z=70的中间齿轮、z=60的齿轮传动轴V,再由轴V上的z=31的齿轮传给z=69齿轮,K1使轴VI转动(以下的进给运动的传动路线相同),从而使工作台获得横向或垂直方向上的快速移动。
设计要求与技术条件
(1)要考虑如何控制刨床走第二刀的精度
(2)走第一刀的时候怎么不碰走第二刀的刀具
(3)第一次走刀后平面校合
(4)走刀速度总是匀速的,考虑好第一刀的退和第二刀怎么进的交替过程
牛头刨床操作规程
(1)认真执行《金属切削机床通用操作规程》有关规定;
(2)认真执行下述补充规定;
(3)工作前认真做到:
1)检查进给棘轮罩应安装正确紧固牢靠,严防进给时松动;
2)空运转试车前,应先用手盘车使滑枕来回运动,确认情况良好后,再机动运转;
(4)工作中认真做到:
1)横梁升降时须先松开紧螺钉,工作时应将螺钉拧紧;
2)不准在机床运转中调整滑枕行程,调整滑枕行程时,不准用敲打方法来松开或压紧调整手把;
3)滑枕行程不得超过规定范围。
使用较长行程时不准开高速;
4)工作台机动进给或用手摇动时,应注意丝杠行程的限度,防止丝杠、螺母脱开或撞击损坏机床;
5)装卸虎钳时应轻放轻拿,以免碰伤工作台。
6)工作后,把工作台停在横梁的中间位置上。
牛头刨床尺寸参数的确定
最大刨削长度500mm
滑枕底面至工作台面最大距离370mm
工作台最大移动距离水平500mm;垂直300mm
工作台最大回转角度无虎钳±90°;有虎钳±55°
刀架最大垂直行程110mm
滑枕每分钟往复次数15,24,37,51,64,80,102,126,158times/min
滑枕往复一次工作台进给量
棘轮转动一格时垂直0.0845mm:
水平0.133mm
棘轮转动十格时垂直0.845mm;水平1.33mm
电动机3kW1420r/min
虎钳尺寸(长×宽×钳口最大距离)240×64×215mm
主执行机构设计参考方案的拟定
主执行机构设计参考方案如图5所示。
牛头刨床主运动的主要结构及其调整
曲柄摇杆机构是机械传动牛头刨床主运动的常用结构。
它的作用是把摇杆齿轮的旋转运动转变为滑枕的往复直线运动,如图6所示。
摇杆滑块可在摇杆的导槽中上下滑动,而摇杆滑块套在曲柄销上,当大齿轮带动曲柄销绕大齿轮轴线等速旋转时,摇杆就往复摆动。
由于摇杆上端用叉头与滑枕联接,故当大齿轮每转一转时,滑枕就往复直线运动一次。
只要改变偏心滑块与大齿轮回转中心的偏心距大小,就可调整滑枕的行程长度。
偏心距越大,行程长度就越长;反之,就越短。
转动行程长度调整手柄,通过圆锥齿轮副、丝杠螺母副可改变偏心距的大小。
系统和刀架的改造方案设计
(1)牛头刨床滑枕恒推力和等速运动的实现
传动牛头刨床主传动机构的曲柄摇杆机构的运动特性是无法实现滑枕往复等速运动的,由于滑枕在刨削行程中的速度不均匀性,不能提供给滑枕一个恒定的推力。
解决这一技术难点的方法多种多样,从经济性、技术性、可靠性角度分析,采用机械传动式比较简单易行且经济实用。
用机械传动式实现牛头刨床滑枕恒推动力和等速直线运动的设计方案如图7所示。
用机构的运动简图方式来描述运动。
其运动原理是:
电动机通过带传动带动由齿轮1、2、3、4组成的齿轮传动系统机构,再由齿轮4与齿条1啮合推动滑枕运动(齿条1与滑枕相固连)。
因为电动机是在某一固定转速运动工作的,在整个传动系统中传动比是不变的,所以可以提供给滑枕恒定的刨削力,并进行匀速直线运动。
用solidworks软件模拟其主运动的传动系统如下图8所示。
为了让电动机在刨削过程中始终保持一个方向转动,且不停歇不换向,在设计中加了一个电磁阀和一个介轮(介轮与齿轮4相啮合)。
当齿轮2顺时针转动时,齿轮3与齿轮4啮合,滑枕就向右作正向运动,当滑枕运动到碰铁1与行程开关1相撞时,触动了行程开关1,电磁铁工作,将齿轮3推向右侧,脱离齿轮4,与介轮啮合,此时,齿轮4反转,使滑枕反向运动。
在滑枕回程中,碰铁2与行程开关2相撞,触动行程开关2,电磁铁工作将齿轮3与介轮脱离,与齿轮4重新啮合,使滑枕换向右行,实现了双向刨削的效果。
(1)双向刨削刀架的设计
双向刨削刨刀刀架的设计采用双刀交替工作式。
设计思路如图7所示。
工作原理如下:
当滑枕向右工作时,在进入刨削之前的预工作阶段,齿轮5在齿条2上滚动,齿轮5受到的啮合阻力方向向左,这使得摇杆向左摆转,同时牵动连杆2及与之相连的连杆1向左移动,从而带动刀架1和刀架2绕主刀架上的铰链作瞬时转动,这样就使刨刀1靠向工作面而同时使刨刀2抬起,此时便可以使牛头刨床作正向刨削。
当滑枕运动到碰铁1触动行程开关1时,电磁铁动作,将齿轮3推向右侧脱离齿轮4并与介轮啮合,这就使齿轮4反转,使滑枕反向运动,这时,齿轮5在齿条2上向左滚动,齿轮5受到的啮合阻力方向向右,使得摇杆向右摆转,同时牵动连杆2及与之相连的连杆1向右移动,从而带动刀架1和刀架2绕主刀架上的铰链作逆时转动,这样就使刨刀2靠向工作面而同时使刨刀1抬起,此时便可使牛头刨床作反向刨削。
这就使两把刨刀随应刨削要求而实现自动交替交换。
为了解决刨刀的对定问题,在主刀架上设置了一个凸轮机构。
当逆时针转动刀凸轮,对刀凸轮将左侧副刀架2抬起,使其绕铰链沿顺时针转一个角度,同时通过连杆1拉动刀架1靠向主刀架靠板并垂直于工件,调整主刀架升降手轮,使刨刀1抵到工件表面后将其固定;然后再顺时针扳动对刀凸轮,使对刀凸轮将顶起刀架1,让刨刀1抬起,也使刀架2靠向主刀架靠板并垂直于工作表面,再将刨刀2抵到工件表面后再固定,这样便完成两把刨刀的对定。
(3)牛头刨床双向刨削的实现
按图6所示,当电动机拖动使齿轮2做顺时针转动时,若齿轮3和齿轮4啮合,滑枕向右运动作正向刨削,齿轮5在齿条2上向右滚动,齿轮5受到的啮合阻力方向向左,这就使得摇杆向左摆转,同时牵动连杆2及与之相连的连杆1向左移动,从而带动刀架1和刀架2绕主刀架上的铰链作瞬时转动,这样就使刨刀1靠向工作面而同时使刨刀2抬起,此时便可使牛头刨床作正向刨削。
当滑枕运动到碰铁1触动行程开关1时,电磁铁动作将齿轮3推向右侧脱离齿轮4并与介轮啮合,这就使齿轮4反转,使滑枕反向运动,同时,齿轮5在齿条2上向左滚动,齿轮5受到的啮合阻力方向向右,使得摇杆向右摆转,同时牵动连杆2及与之相连的连杆1向右移动,从而带动刀架1和刀架2绕主刀架上的铰链作逆时转动,这样就使刨刀2靠向工作面而同时使刨刀1抬起,此时便可使牛头刨床作反向刨削。
当滑枕回程过程中,碰铁2触动行程开关2时,电磁铁又动作并将齿轮3拉回与齿轮4重新啮合,使滑枕再次换向右行,进而又实现正向刨削。
移动碰铁1、2的位置便可调整滑枕的行程和相对工作台的位置。
工作台的横向进给由横向进给步进电机拖动一套螺旋传动机构来实现。
当任意一个行程开关动作时,步进电机工作一个角度,通过螺旋传动机构使工作台作横向移动一个距离。
经济性分析
任何一个较为复杂的机械零件,都有不同的加工工艺方案,特别是一个新产品,从开发设计,试制,小批量投产到产品发展和成熟时期的大批量生产,都要经历不同的生产批量过程。
作为组成这一产品的机械零件必须根据生产批量来确定其工艺方案,现在以B6050型牛头刨床双向切削到家改造为例,将在保持加工精度的同时大大提高生产效率,且安全性能好,自动化程度有所提高,对工人的劳动强度也没那么大。
说明在不同生产批量情况下,如何合理选择定位基准,采用适宜的生产设备和工艺手段,以保证加工质量可靠,满足市场的需求。
达到生产批量的能力,同时投资小,见效快,成本低,从而获得企业的最大经济效益。
传统的牛头刨床不论是机械传动还是液压传动都只能作单项工作刨销,在一个来回运动中只有前进是工作形成,但是后退是空消耗空形成。
不能做刨削运动,浪费了很多动力工作效率低下这是传统的牛头刨床的一个缺点。
如果能够消除空行程那么将会产生巨大的经济效益和社会效益,对于提高劳动生产力有很大的帮助。
结论和展望
上述所确定的双向刨削牛头刨床设计方案,较全面的阐述了双向刨削牛头刨床的设计思路,较好的解决了关键性的技术难题,实现了牛头刨床应具备的优质高效、节能低耗的设计理念和目标,为刨削机床的技术创新开辟了新道路。
未来几年,中国机床市场需求依然乐观,到2020年我国的工业化基本实现之时,作为工作母机,刨床工业旺盛的国内市场需求,都不会出现衰退和逆转。
民营企业的崛起,刺激了机床市场的国内需求。
人们工作生活休闲娱乐以及衣食住行品质的提升,都使机床市场的国内需求增添了新的潜力。
经过多年快速发展,中国工程机械市场规模已经跃居全球第一,今年将超过5000亿元人民币。
潜力巨大的中国工程机械市场已经成为全球最开放、竞争最充分、国际化程度最高的市场之一。
如今,全球工程机械制造商50强中的39家国外企业,已经有37家进入中国,并构建了完善的业务体系。
其中,多数企业还投资建立了制造和研发基地,进行本土化生产。
在国家经济发展的有力推动下,中国工程机械制造业涌现出越来越多的具备世界级规模和竞争力的超大型企业。
尽管如此,到处依然充斥着国产即是山寨的言论,希望通过自身的努力改变国人对此现象的看法,壮大自己的同时,不要满于现状,向国际看齐。
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