车削中心机械部分设计.docx
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车削中心机械部分设计.docx
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车削中心机械部分设计
天津大学网络教育学院
专科毕业论文
题目:
车削中心机械部分设计
完成期限:
2018年1月5日至2018年5月5日
学习中心:
专业名称:
学生姓名:
学生学号:
指导教师:
车削中心机械部分设计
一、车削中心的结构特点
1、车削中心的加工范围
车床主要是用于进行车削加工,在车床上—般以加工各种回转表面,如内外圆柱面、圆锥面、成型回转表面及螺纹面等。
在数控车床上还可加工高精度的曲面与端面螺纹。
用的刀具主要是车刀、各种孔加工刀具(如钻头、铰刀、锤刀等)及螺纹刀具。
车床主要用于加工各种抽类、套筒类和盘类零件广的回转表面。
数控车床加工零件的尺寸精度可达到0.05mm,表面粗糙度可达1.6以下。
数控车床的种类很多,各类卧式车床都有数控化的。
数控车床主要可分为数控卧式车床、数控立式车床和数控专用车床(数控曲轴车床、数控丝杠车床等);或分为普通数控车床和车削加工中心。
2、车削中心的特点
数控车床具有加工精度高、稳定性好、生产效率高、工作可靠等优点。
车床主要用于对圆柱形、圆锥形和各种成形的回转表面,车削各种螺纹,以及对盘形零件的钻、扩、铰和镗孔加工。
数控车床与卧式车床相比,有一下几个特点:
(1)高精度数控车床控制系统的性能不断提高,机械结构不断完善,机床精度日益提高。
(2)高效率随着新刀具材料的应用和机床结构的完善,数控车床的加工效率、主轴转速、传动功率不断提高,使的新型数控车床的空转动时间大为缩短。
其加工效率比卧式车床高(2~5)倍。
加工零件越复杂,越体现出数控车床的高效率加工特点。
(3)高柔性数控车床具有高柔性,适应70%以上的多品种、小批量零件的自动加工。
(4)高可靠性随着数控系统的性能提高,数控机床的无故障工作时间迅速提高。
(5)工艺能力强数控车床既能用于粗加工又能用于精加工,可以在一次装夹中完成零件全部或大部分工序。
(6)模块化设计数控车床的设计多采用模块化原则设计。
现在,数控车床技术还在不断向前发展着。
数控车床发展趋势如下:
随着数控系统、机床结构和刀具材料的技术发展,数控车床将向高速化发展,进一步提高主轴转速、刀架快速移动以及转位换刀速度:
工艺和工序将更加复合化和集中化;数控车床相多主轴、多刀架加工方向发展;为实现长时间无人化全自动操作,数控车床向全自动化方向发展;机床的加工精度向更高方向发展。
同时,数控车床也向简易型发展[14]。
二、机床机械部分的结构
1、主轴的结构
主轴的前端是三个角接触球轴承,前面两个大口朝外(朝向主轴前端),后面一个大口朝里(朝向主轴后端),形成背靠背组合形式。
轴承由圆螺母预紧,预紧量在轴承制造时已调好。
因为带轮直接安在主轴上,又没有卸荷装置,为了加强刚性,主轴后支承为双列圆柱滚子轴承。
其径向间隙由圆螺母来调整。
主轴的脉冲发生器是由主轴通过一对带轮和齿形带带动的,和主轴同步运转,齿形带的松紧由螺钉来调整。
调节时,先将机床上固定脉冲发生器支架的螺钉略松,再进行调整,调好后再将支架固定。
同步齿形带是一种新型的带传动。
齿形带传动在数控机床上得到了广泛的应用。
因为它具有以下优点:
齿形带兼有带传动、齿轮传动及链传动的优点,无相对滑动,无须特别张紧,传动效率高;平均传动比准确,传动精度较高、厚度小、质量小,故可用于高速传动。
齿形带根据齿形的不同又分为梯形齿同步带和圆弧齿同步带。
梯形齿同步带在传递功率时由于应力集中在齿根部位,使功率传递能力下降,且与轮齿啮合时由于受力状况不好,会产生噪声和振动。
而圆弧齿同步带均化了应力,改善了啮合条件。
所以,带传动时,总是优先选择圆弧齿同步带。
而梯形齿同步带,一般仅在转速不高的或小功率的动力传动中使用。
所以选择圆弧齿同步带。
齿形带带轮的结构和尺寸。
齿形带带轮除轮缘表面需制出轮齿外。
其他结构与平带带轮相似。
为了防止工作时齿形带的脱落,一般在小带轮两边装有挡边。
然而,我们用的是同步齿形带,两个带轮是相等大小的,则无需装挡边。
2、进给传动系统
(1)数控车床对进给系统的要求
数控车床进给系统的机械传动结构是指将电动机的旋转运动转变为工作台或刀架的往复运动的整个机械运动链,包括齿轮传动副、丝杠螺母副及其支承部件。
为了保证数控机床进给系统的定位精度和动态性能,对其机械传动装置提出了高传动刚度、抗振性、低摩擦、低惯量、无间隙等要求。
(2)滚珠丝杠副传动
中,小型数控车床的进给系统普遍采用滚珠丝杠副传动。
伺服电机与滚珠丝杠的传动连接方式有两种:
设计中纵向进给机构采用滚珠丝杠与伺服电机轴端的锥环连接方式,而横向进给机构采用滚珠丝杠通过同步齿形带与伺服电机连接方式[2]。
(3)纵向驱动装置
床鞍的纵向移动由伺服电机带动滚珠丝杠来实现的。
丝杠的两端支承在成对的丝杠专用的角接触球轴承上。
前轴承由螺母锁紧,后轴承由两个套筒和轴用弹簧卡圈定位。
丝杠的前端轴向是固定的,后端轴向则是自由的,可以补偿由于温度变化引起的伸缩变形。
滚珠丝杠螺母副为内循环浮动式法兰,直筒双螺母垫片预紧形式。
丝杠前端与伺服电机之间用弹性膜片联轴器联接,可以消除丝杠与电机之间的不同轴度的影响。
伺服电机与联轴器之间采用锥环联接。
(4)床鞍和横向进给机构
在床鞍中部装有与横向导轨平行的内循环滚珠丝杠副,滚珠丝杠支承在成对的丝杠专用的角接触球轴承上。
丝杠的导程为10mm,由P10B13100HXS伺服电机通过弹性膜片连轴器与丝杠直接相连。
由于刀架为倾斜布置,而滚珠丝杠又不能自锁,刀架可能自动下滑,这个问题由直流伺服电机的电磁制动来解决。
为了消除齿形带传动误差对精度的影响,采用了分离检测系统,把反馈元件脉冲编码器与丝杠相联接,直接检测丝杠的回转角度,有利于系统的精度提高。
齿形带的放松用螺钉来调整[8]。
3、床身和导轨
(1)床身的结构设计
对床身结构的基本要求
机床的床身时整个机床的基础支承件,一般用来放置导轨、主轴箱等重要部件。
为了满足数控机床高速度、高精度、高可靠性和高自动化程度的要求,与普通机床相比,数控机床应有更高的静、动刚度,更好的抗振性。
对数控机床主要在以下三个方面提出了更高的要求。
高精度和精度保持性:
在床身上由很多安装零部件的加工面和运动部件的导轨面,这些面本身的精度和相对位置精度要求都很高,而且要很长时间保持。
另外机床在切削加工时,所有的静、动载荷最后都往往传到床身上,所以,床身上的受力很复杂。
为此,为保证零部件之间的相互位置或相对运动精度,除满足几何尺寸、位置等精度要求外,还要满足静、动刚度和抗振性、热稳定性、工艺性等方面的技术要求。
应具有足够的静、动刚度:
静刚度包括:
床身的自身结构刚度、局部刚度和接触刚度,都应该采取相应的措施,最后达到有较高的刚度——质量比。
动刚度直接反映机床的动态特性,为了保证机床在交变载荷作用下具有较高的抵抗变形的能力和抵抗受迫振动及自激振动的能力,可以通过适当增加阻尼、提高固有频率等措施避免共振及因薄壁振动而产生的噪声。
较好的热稳定性:
对数控机床来说,尤其是高精度的数控机床,热稳定性已成了一个突出问题,必须在设计上作到使整体的热变形较小,或使热变形对加工精度的影响较小。
2.床身形式的选取
在了解斜床身斜导轨布局形式的种种优点之后,故在本设计中选择倾斜床身倾斜导轨的布局形式。
斜床身按导轨相对于地面倾斜角度不同,可分为30°、45°、60°、75°和90°(即立式床身)。
其中30°、45°多为小型数控车床采用;60°形式适用于中等规格数控车床;75°形式多为大型数控车床采用。
倾斜角的大小将影响到刚度、排屑,也影响到占地面积、宜人性、外形尺寸高度的比例,以及刀架质量作用于导轨面垂直分力的大小等等。
选用时,应结合机床规格、精度等选择合适的倾斜角。
数控车床与普通车床比较,具有功率大精度高兼做粗精加工的优点。
所以,对支承件的刚度和抗振性提出了更高的要求。
为此,床身和导轨除采用倾斜结构外,床身采用了封闭式箱形结构,具有很高的刚度。
数控机床的床身选择了箱体结构,合理设计床身的截面形状及尺寸,采用合理布置的筋板结构可以在较小质量下获得较高的静刚度和适当的固有频率。
床身筋板一般根据床身结构和载荷情况进行设计,满足床身刚度和抗振性要求,V型筋有利于加强导轨支承部分的刚度、斜方筋和对角筋结构可明显增强床身的扭转刚度,并且便于设计成全封闭的箱形结构。
此外还有纵向筋板和横向筋板,分别对抗弯刚度和抗扭刚度有明显效果;米字形筋板和井字形筋板的抗弯刚度也较高,尤其是米字形筋板更高[1]。
基于斜床身斜滑板床身的特点,在设计中采用这种形式的床身。
图3-1床身形式
4.导轨的设计过程
滚动导轨的设计,主要是根据导轨的工作条件,选择直线滚动导轨或滚动导轨块的型号数量并进行合理的配置。
在设计中横向和纵向进给机构的导轨均采用直线滚动导轨副,且为两个导轨,每个导轨上有两个滑块的结构。
首先要计算直线滚动导轨的受力。
再根据导轨的工作条件和寿命要求计算动载荷。
依此选择直线滚动导轨的型号;或者根据导轨的工作条件,选择直线滚动导轨,再验算寿命是否符合要求,最后进行导轨的结构设计。
4、刀架的布局
(1).数控车床的刀架是机床的重要组成部分。
刀架用于夹持切削用的刀具,因此其结构直接影响机床的切削性能和切削效率,在一定程度上,刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造水平。
随着数控车床的不断发展,刀架结构形式也在不断翻新。
(2)刀架是直接完成切削加工的执行部件,所以,刀架在结构上必须既有良好的强度和刚度,以承受粗加工时的切削抗力;由于切削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置,故要求数控车床选择可靠的定位方案和合理的定位结构,以保证有较高的重复定位精度(一般位0.001mm~0.005mm)。
此外还应满足换刀时间短、结构紧凑、安全可靠等。
(3)刀架是数控车床的重要部件,它对机床整体布局影响很大。
回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架,通过刀架的旋转分度定位来实现机床的自动换刀动作。
一般来说旋转直径超过100mm的机床大多采用回转刀架。
根据加工要求可设计成四方、六方刀架或圆盘式轴向装到刀架,并相应的安装四把、六把或更多的刀具。
两坐标连续控制的数控车床,一般都采用12工位的回转刀盘。
回转刀架在机床上的布局主要有两种:
一种是适应于加工轴类和盘形零件的刀架,其回转轴与主轴平行;另一种是专门用于加工盘类零件的刀架,其回转轴与主轴垂直。
此外,还有分别加装在两个滑板上的回转刀架的结构形式。
这种结构的数控车床称为双刀架四坐标数控车床。
每个独立刀架的切削进给可分别控制,因而可同时切削同一工件的不同部分,不仅加工范围广,还能提高加工效率。
四坐标的数控需要配置专门的CNC装置,机械结构也比较复杂。
它主要用于加工形状复杂、批量较大的零件。
可是在设计种我们要设计的数控机床,属于通用型的机床,则无需配置双刀架,选用12工位的回转刀架并采用回转轴与主轴平行的布局形式即可。
回转刀架的换刀动作可分为刀架抬起、刀架转位和刀架压紧等几个步骤。
它的动作是根据数控指令进行,由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制[6]。
5、尾座的结构设计
当手动移动尾架到所需位置后,先用螺钉进行预定位,紧螺钉时,使两楔块上的斜面顶出轴,使得尾架紧贴在矩形导轨的两内侧面上,然后,用螺母螺栓和压板,将尾架紧固。
这种结构,可以保证尾架的定位精度。
尾架套筒内轴上装有顶尖,因轴能在尾架套筒内的轴承上转动,故顶尖使活顶尖。
为了使顶尖保证高的回转精度,前轴承选用NN3000K双列圆柱滚子轴承,轴承的径向间隙用螺母调整;后轴承为三个角接触球轴承,由放松螺母来固定。
尾架套筒与尾架孔的配合间隙,由内外锥套来做微量调整。
当向内压外锥套时,使得内锥套内孔缩小,即可使配合间隙减小;反之变大,压紧力用端盖来调整。
尾架套筒用压力油驱动。
若在孔内通入压力油,则尾架套筒向前运动,若在孔内通入压力油,尾架套筒就向后运动。
预紧力的大小用液压系统的压力来调整。
尾架套筒行程大小可以用安装在套筒上的挡铁通过行程开关来控制。
尾架套筒的进退由操纵面板上的按钮来操纵。
在电路上尾架套筒的动作与主轴互锁,即在主轴转动时,按动尾架套筒推出按钮,套筒并部动作,只有在主轴停止状态下,尾架套筒才能退出,以保证安全[15]。
6、主传动系统的设计
数控机床的主传动系统除应满足普通床主传动要求外,还提出如下要求:
(1)具有更大的调速范围,并实现无级调速
数控机床为了保证加工时能选用合理的切削用量,充分发挥刀具的切削性能,从而获得最高的生产率、加工精度和表面质量,必须具有更高的转速和更大的调速范围。
对于自动换刀的数控机床,工序集中,工件一次装夹,可完成许多工序,所以,为了适应各种工序和各种加工材质的要求,主运动的调速范围还应进一步扩大。
(2)具有较高的精度和刚度,传动平稳噪声低
数控机床加工精度的提高,与主传动系统的刚度密切相关。
为此,应提高传动件的制造精度与刚度,齿轮齿面进行高频感应加热淬火,增加耐磨性;最后一级采用斜齿轮传动,使传动平稳;采用高精度轴承和合理的支承跨距等,以提高主轴组件的刚性。
(3)良好的抗振性和热稳定性
数控机床上一般既要进行粗加工,又要进行精加工;加工时可能由于断续切削、加工余量部均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰,使主轴产生振动,影响加工精度和表面粗糙度,严重时甚至破坏刀具或零件,使加工无法进行。
因此在主传动系统中的各主要零部件不但要具有一定的静刚度,而且要求具有足够的抑制各种干扰引起振动的能力——抗振性。
抗振性用动刚度或动柔度来衡量。
主传动系统采用无级调速,可简化主轴箱的结构,又可满足加工要求,可以得到合适的切削速度。
7、主轴组件设计
对主轴组件的性能要求:
主轴组件是机床主要部件之一。
它的性能,对整机性能有很大的影响。
主轴直接承受切削力,转速范围又很大,所以对主轴组件的主要性能特提出如下要求:
1.回转精度
主轴组件的回转精度,是指主轴的回转精度。
当主轴做回转运动时,线速度为零的点的连线称为主轴的回转中心线,回转中心线的空间位置,在理想的情况下应是固定不变的。
实际上,由于主轴组件中各种因素的影响,回转中心线的空间位置每一瞬间都是变化的,这些瞬时闪转中心线的平均空间位置称为理想回转中心线。
瞬时回转中心线相对于理想回转中心线在空间的位置距离,就是主轴的回转误差,而回转误差的范围,就是主轴的回转精度。
纯径向误差、角度误差和轴向误差,它们很少单独存在。
当径向误差和角度误差同时存在时,构成径向跳动,而轴向误差和角度误差同时存在构成端面跳动。
由于主轴的回转误差一般都是一个空间旋转矢量,它并不是在所有的情况下都表示为被加工工件所得到的加工形状。
2.刚度
主轴组件的刚度是指受外力作用时,主轴组件抵抗变形的能力。
通常以主轴前端产生单位位移时,在位移方向上所施加的作用力大小来表示。
如图所示,在主轴前端部加一作用力F,若主轴端的位移量为Y,则主轴部件的刚度值K为:
K=F/Y(N/um)。
图3-2主轴刚度受力图
主轴组件的刚度越大,主轴受力的变形就越小。
主轴组件的刚度不足,在切削力及其他力的作用下,主轴将产生较大的弹性变形.不仅影响工件的加工质量,还会破坏齿轮、轴承的正常工作条件,使其加快磨损,降低精度。
主轴部件的刚度与主轴结构尺寸、支承跨距、所选用的轴承类型及配置形式、轴承间隙的调整、主轴上传动元件的位置等有关。
3.抗振性
主轴组件的抗振件是指切削加工时,主轴保持平稳地运转而不发生振动的能力。
主轴组件抗振性差,工作时容易产生振动,不仅降低加工质量,而且限制了机床生产率的提高,使刀具耐用度下降。
提高主轴抗振性必须提高主轴组件的静刚度,采用较大阻尼比的前轴承,以及在必要时安装阻尼(消振)器。
另外,使主轴的固有频率远远大于激振力的频率。
4.温升
主轴组件在运转中,温升过高会引起两方面的不良结果:
一是主轴组件和箱体因热膨胀而变形,主轴的回转中心线和机床其他件的相对位置会发生变化,直接影响加工精度;其次是轴承等元件会因温度过高而改变已调好的间隙和破坏正常润滑条件,影响轴承的正常工作。
严重时甚至会发生“抱轴”。
数控机床在解决温升问题时,一般采用恒温主轴箱。
5.耐磨性
主轴组件必须有足够的耐磨性,以便能长期保持精度。
主轴上易磨损的地方是刀具或工件的安装部位以及移动式主轴的工作部位。
为了提高耐磨性,主轴的上述部位应该淬硬,或者经过氮化处理,以提高其硬度增加耐磨性。
主轴轴承也需有良好的润滑,提高其耐磨性。
以上这些要求,有的还是矛盾的。
例如高刚度与高速,高速与低温升,高速与高精度等。
这就要具体问题具体分析,例如设计高效数控机床的主轴组件时,主轴应满足高速和高刚度的要求;设计高精度数控机床时,主轴应满足高刚度低温升的要求。
三、主轴设计
1.主轴电机的选择
本设计拟定设计工件最大回转直径为400mm,根据《实用机床设计手册》表5-10査得,主轴转速上限nmax=r/min如,下极限nmin=12.5r/min。
查《机械设计课程设计》表19-1得,选择同步转速为3000r/min的Y系列封闭式三相异步电动机。
1)切削力的估算:
在金属切削中广泛应用指数公式计算切削力。
常用的指数公式的形式为:
……………….…………………..(4-1)
以《金属切削机床设计指导》依据将所查得的参数代入公式(4-1)。
2)主电机功率的估算:
切削功率PC为:
…………………………………………(4-2)
代入参数得:
主电机的功率:
……………….…………………..……..(4-3)
对于通用机床一般可取
=0.70〜0.85,当传动系统简单且主轴转速较低时取最大值。
所以,
=6.74kW
由《机械设计课程设计》表19-1选择同步转速为3000r/min,额定功率为7.5kW的电动机,电机型号为Y132S2—2.
2、主轴主要参数的初步确定
1)主轴直径直接影响主轴部件的刚度,直径越大,刚度越高,但与之配合的轴承等零件的尺寸也越大。
所以,只能根据统计资料选择主轴直径。
车床主轴常是自前往后逐步减小的,即前轴直径D1大于后轴直径D2,一般取D2=(0.7—0.9)D1。
由《实用机床设计手册》表8-20选取主轴前轴颈直径D1=110mm,主轴后轴颈D2=0.8D1约等于90mm
2)主轴内孔直径的确定:
3)根据《实用机床设计手册》表8-24确定悬伸长a=140mm,在计算跨距时综合变量的计算公式为
其中E——主轴材料的弹性模量(N/mm2),I——主轴截面的平均惯性(mm4)
计算得
=0.31,取KA/KB=2,根据《实用机床设计手册》图8-23査得最佳跨距与悬伸长的比值L0/a=2.3
即L0=2.3×a=322mm,由于在具体设计时,常由于结构上的限制,实际跨距与最佳跨距不符,这样就造成了主轴部件的刚度损失,通常认为
现在取
=1.5L0=1.5×322=483mm,为了方便取
=480mm
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