最新细长杆生产线进料机构的设计.docx

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最新细长杆生产线进料机构的设计

编号：

毕业设计（论文）任务书

题目：

细长杆生产线进料机构的设计

院（系）：

应用科技学院

专业：

机械设计制造及其自动化

学生姓名：

罗吴烈

学号：

0401120425

指导教师单位：

桂林工业学校

姓名：

王力源

职称：

工程师

题目类型：

☐理论研究☐实验研究☑工程设计☐工程技术研究☐软件开发

2008年1月10日

摘要

现代机械技术的演进对于生产线的工艺要求越来越高，对于生产线的进料系统的工作机理也要求得十分严格，细长轴作为一种加工工艺很高但功能广泛的装置，用于生产线进料系统，必将大大改善生产线进料装置的效能。

本文通过对细长轴的加工工艺及机械特点的分析，以及各类生产线进料机构的研究，初步把细长轴应用到进料机构的设计方面，开发出一套细长杆生产线进料机构，并把该进料系统设计为滑动式进料系统。

利用细长杆作为自动生产线系统的输料杆，通过细长杆的直线往复运动完成材料的输送，即进料功能的实现。

其工作原理是：

由杆件的传动轴连接电动机与齿轮，使电动机带动齿轮转动，从而带动连杆机构动作，再使与连杆焊接的细长杆在直线滑动导轨上来回滑动。

这种结构简单可行，工作可靠，安装容易，不更多的占据工作空间。

但这一机构进料速度低，不适应与工作节拍较短的加工，而多用于单工位机床生产。

英文摘要

Thedevelopmentofmodernmechanismtechnologysetsgreaterdemandonthetechniquesoftheproductline,thusthestructureandtheoperationoffeedingmechanismwillbestricterandstricter.Asakindofaccessorywithadvancedprocessingtechniqueandwideapplication,theslendershaftcanbeusedinthefeedingmechanismofproductline,whichwillgreatlyimprovetheefficiencyoffeedingdeviceoftheproductline.Throughtheanalysisofprocessingtechniquesandthemechanismcharacteristicoftheslendershaftandtheresearchonvariousfeedingmechanismsofproductlines,thisthesisapplyslendershafttothedesignoffeedingmechanismofproductlineelementarily,anddevelopasetoffeedingmechanismwithslendershaftdevices,whichisfeaturedbyslidingfeeding.Slendershaftisusedasfeeddeliveryshaftoftheautomaticproductline,andtheslendershafttakesareciprocatingstraight-linemotiontorealizethefunctionoffeeding.Themodeoperationisasfollows:

thedriveshaftoftheslendershaftlinkstheelectromotorandthegearwheel,andmaketheelectromotortodrivethegearwheelstorotate,whichwilldrivetheconnectingshaftmechanismtomove,andmaketheslendershaftweldedtotheconnectingshaftslidealongthestraight-lineslidingguideway.Thisstructureisbriefandfeasibleandreliable,easytobeequipped,andtakelessroomforoperation.Butontheotherhand,thismechanismfeedslowlyandisnotfittedtoprocessingatalowspeed,butismoresuitableforthesingletripstationmanufacture.

1引言

1.1课题的提出

当今世界正经历着一场新的技术革命。

新概念、新理论、新方法、新工艺不断出现。

作为向各行各业提供装备的机械工业，也得到了迅猛的发展。

现在机械工业日益向高速、重载、高精度、高效率、低噪声等方向发展。

对机械提出的要求也越来越苛刻。

有的需用于宇宙空间，有的要在深海作业，有的小到能沿人体血管爬行，有的又是庞然大物，有的速度数倍于声速，有的又要作亚微米级甚至纳米级的微位移，如此等等。

出于机械工业发展前沿的机械原理学科，为了适应这种种情况，新的研究课题与日俱增，新的研究方法日新月异。

为了适应生产发展的需要，当前自控机构、机器人机构、仿生机构、柔性及弹性机构和机电光液综合机构等的研制上有很大的进展。

在机械的分析与综合中，也只由考虑其运动性能过度到同时考虑其动力性能；考虑到机械在运转时，构件的运动和弹性变形，运动副中的间隙和够的误差对机械运动及动力弹性的影响；以及如何对构件和机械进一步作好动力平衡问题等等。

在连杆机构方面，重视了对空间连杆机构、多杆多自由度机构、连杆机构的弹性动力学和连杆机构的动力平衡研究；在齿轮机构方面，发展了齿轮啮合原理，提出了许多性能优异的新型齿廓曲线和新型传动，加速了对高速齿轮、精密齿轮、微型齿轮的研制；在凸轮机构的方面，十分重视对高速凸轮机构的研究。

为了获得动力性能好的凸轮机构，在凸轮机构推动杆运动规律的开发、选择和组合上作了很多工作。

此外，为了适应现代机械快速度、快节拍、优性能的需要，还发展了能够高速度高定位精度的分度机构，具有优良综合性能的组合机构，以及各种机构的变异和组合等等。

目前，在机械的分析和综合中日益广泛地应用了计算机，发展并推广了计算机辅助设计、优化设计、考虑误差的概率设计。

提出了许多便于对机械进行分析和综合的数学工具，编制了许多大型通用或专用的计算机程序。

此外，随着现在科学技术的发展，测试手段的日臻完善，也加强了对机械的实验研究。

试验、测试、试制加工所需主要仪器设备及条件。

基于以上的分析，现代机械工艺的演进对于生产线的工艺要求越来越高，对于生产线的进料结构也要求得十分严密。

细长轴生产线进料机构在生产中将获得广泛应用，其控制结构对于对于其他类型的生产线进料机构也是一种借鉴。

1.2国内外的研究现状及存在的问题

对于细长杆的加工工艺，国内外的学者做了很多研究，一些经验丰富的技师也根据实践经验总结出了一系列的论著，比如，罗景军在《精密细长轴的磨削加工》一文中，介绍了精密细长轴采用无心磨削进行高效加工的方法,对生产线中的关键设备进行了较详细的性能分析,并讨论了设计中的有关问题[1]。

李卫泽在《采煤机细长轴加工工艺探讨》一文中，阐述了采煤机细长工艺轴的加工工艺、刀具参数及切削用量等参数的合理选择,为加工细长轴类零件提供了新的方法[2]。

淮遵科在《细长轴数控车床径向进给系统和刀台一体化设计》中，从力学角度分析细长轴类零件车削加工变形原因,提出细长轴数控车床径向进给系统和刀台一体化设计方案,解决了由于机床结构的原因所造成的细长轴类零件车削加工变形问题。

张永飞在研究400t冲床自动生产线送料系统过程中，介绍了大型水轮发电机定子磁极冲片自动生产线送料系统的方案设计和系统构成;同时还介绍了送料系统组成、控制方式的设计和系统工作过程[3]。

牛锡传在《轴的设计》一书中，专门对于轴的常规设计方法作了简要介绍，对于轴所受的载荷、轴的强度计算及轴的临界转速等方面的研究引入了一些现代设计的理论和方法，如疲劳损伤的线性积累假设、疲劳损伤的断裂力学概念、临界转速计算的普罗尔法、可靠性理论及轴的优化设计等。

对于进料机构的研究也很多，比如秦雄宇讨论了一种无级调距单向进料系统，介绍了单向间隙进料机构的原理以及进料机构的无级调距问题。

吴向文在研究智能化多工位物料自动配料系统时，通过系统控制、控制软件、节省投资、使用效果等几个方面对于进料系统的技术革新进行了评价，对于本研究的进料机构性能评价提供了一种借鉴。

总之，对于轴的研究目前的成果十分系统，对于细长轴以及超细长轴的研究和实践都有经验型的成果和产品可循，对于各种生产线进料系统的研究和应用都非常多，但是应用细长轴来设计生产线进料机构的经验性成果目前还没有，细长轴的应用范围还不是很广，而且细长轴进料机构的性能以及控制结构的论证在前人的研究中也没有提及，本论题涉及到了一个技术研究薄弱的领域，因而研究是非常有意义的。

尽管现有的研究成果没有完全吻合本论题，但是其中所作的研究对于本文都是有一定借鉴意义的，这些成果可以使本文的研究视野更加开阔，顾及的方面更多，而且对于研究方法方面也有参考价值。

1.3本设计需完成的工作

本课题主要研究的是细长杆生产线进料机构的设计。

本研究设计的细长杆生产线进料机构用于。

本进料机构设计的内容包括零件的工艺性分析，工件的尺寸精度，进料机构整体结构，各部分零件的标准和材料，零件的尺寸设计，主要加工零件的加工工艺等，主要内容如下：

（1）到细长杆生产线进料机构制造相关企业调研，了解进料机构生产，制造，加工情况。

进行市场调查，了解现有细长杆生产线进料机构的结构与工作原理。

结合本设计课题，查阅相关资料。

（2）进行细长杆生产线进料机构装置的运动和结构设计，完成装配图的绘制。

进行相关的理论计算。

充分分析工件结构，工艺性，了解细长杆生产线进料机构装置工作原理，进行必要的计算，确定进料系统设计的基本步骤，设计进料机构装置的基本参数，设计细长杆生产线进料机构装置的主体结构，工作零件，卸料装置，导料装置等。

（3）完成全部零件的结构设计，合理选用零件的材料，绘制零件图，标注技术要求。

（4）编写部分重要零件的加工工艺。

根据主要零件结构，技术参数要求，进行工艺计算，编制主要零件加工工艺规程。

选择相关的标准件、和常用件，进行传动系统的设计。

2.细长轴的加工和生产线进料机构机理综述

2.1细长杆（轴）的加工

在机械中作旋转运动长度大于直径的圆柱零件，通常称作轴；细长轴，通常轴的直径与长度之比大于7叫长轴，而长度为直径20倍以上的轴，被称作细长轴，大于即L/d≥25的轴称之为超细长轴。

细长轴在加工过程中有一定的难度，工件的刚性差，给切削带来了困难，不易获得良好的表面粗糙度及几何精度。

细长轴刚性较差，在加工过程中因床及刀具事业者多因素等影响，工件易产生，弯曲腰鼓形，多角形，糖糊芦形等等缺陷，特别是磨削加工中一般尺寸占差，表面粗糙度又要求较高，又因磨削时工件一般要求谇火式调质等热处理要求，磨削时的切削热更容易引起工件变形等等，因此如何解决好上述的问题，便成了加工超细长轴关键问题。

2.1.1加工方法要点

⑴反向切削见图1[4]，所谓反向切削就是指加工过程中车刀从卡盘方向向尾座方向移动。

这是切削细长轴的关键所在，尤其是切削小直径细长轴。

例如：

直径在20mm以下，长度在500mm以上时必须这样加工，这是非常重要的，有的工人师傅车削C620车床光杠，直径约为30mm长度约为1500mm时采用正向切削，但由于工件刚性差，极易产生振动，车削成功率低，甚至无法切削而出现废品。

另外正向切削对设备精度要求高，即主轴中心与尾座中心的偏差要调整在0.02mm以内，否则车出的光杠会出现很大的锥度，不符合质量要求。

图1反向进给切削示意图

⑵使用两爪跟刀架在一些介绍车削细长轴的资料中，阐述使用三爪跟刀架，称这种跟刀架有三个支撑爪，车削时工件被夹持在三个跟刀爪和车刀之间，组成两对径向压力，限制工件上下、左右移动，只能绕轴线旋转，故能有效地减少切削振动和工件变形。

但根据我们实践经验认为，使用三爪跟刀架没有必要。

使用好两爪跟刀架，同样可以车削出合格的细长轴。

两爪跟刀架加工状态如图2。

我们使用的两爪跟刀架其两爪轴线夹角大于90o，约为100o，而三爪跟刀架的三爪轴线之间的夹角均为90o。

在正常的切削状态下，跟刀架两爪的径向合力作用于工件中心，而刀具在切削垂直分力和水平分力的作用下将反作用切削力作用于工件，形成三点合力同时作用于工件轴心，达到力的平衡，使工件绕轴心旋转。

如果用三爪跟刀架则下面的第三爪悬空，处于不接触状态，没有达到应有的作用，所以使用三爪跟刀架就没有必要。

但要注意的是，在使用两爪跟刀架时水平支爪的直径应接近加工工件的直径，约为0.8~0.9倍工件直径，起到托撑工件的作用。

图2使用二爪跟刀架受力分析

⑶研磨跟刀爪在切削细长轴时，使用跟刀架是必要的。

但是一些资料里对保持跟刀爪和工件外圆的有效接触都没有特别说明，根据我们的经验，跟刀爪的材料在车削钢件时一般采用铸铁或耐磨铸铁，车削铝件、铜件时采用尼龙或层压板。

具体操作如下：

立铣刀修整跟刀爪的内圆弧，使之内圆弧和工件的已切削外径有紧密地接触和很好的包容性。

在做加工细长轴的准备工作中，修跟刀爪是很关键的，所以要用立铣刀或其他方法修整跟刀爪的内圆弧。

有时在切削细长轴时，可能有一次以上的粗加工，当两次加工的工件外径有较大的变化时，要进行多次修整。

当跟刀爪修整后，为了保证跟刀爪的内圆弧和工件的已切削外径有紧密的接触和很好的包容性还需要进行研磨跟刀爪，包括有时所加工的工件外径是小数，没有合适的立铣刀时，都需要研磨跟刀爪。

研磨操作有两种方法：

一是在所粗加工的细长轴上直接研磨，工件毛坯在车床上夹牢后，在接近三爪自定心卡盘处车削40~50mm长度，表面可粗糙些，直径大于所需直径0.3~0.5mm，然后旋转车床主轴，将跟刀爪在所车的工件上研磨，研磨时摇动床鞍，接触面相差较大时采

用较高转速干研磨，以达到快速吻合工件直径的目的。

尺寸接近时应加入切削液以达到减少磨削量，降低爪的表面粗糙度值。

二是单独车削一段短轴，材料采用45钢或Q235钢，尺寸等同于所加工工件直径，然后再按上述步骤进行研磨。

这在加工有色金属细长轴时经常采用。

图3尾座套筒托架支撑工件示意图

2.1.2加工工装的探讨

⑴用可伸缩的弹簧顶尖使用可伸缩的弹簧顶尖在工件受切削热而膨胀伸长时，顶尖能轴向压缩，避免工件弯曲变形。

但这种顶尖难购到，所以在车削小直径细长轴时，可采用尾座套管托架，套管内直径大于工件0.5~1mm左右即可（见图3）。

如采用普通顶尖，其顶紧力要掌握好，当顶尖顶住工件后，以手能捏住旋转的顶尖头为合适。

在加工过程中还要时时观察，避免出现顶力过紧，使工件弯曲变形。

这在操作中有一定难度，需要有较多的实践经验慢慢摸索，才能得以掌握。

图4工作托架示意图

⑵用车削细长轴托架（见图4）当细长轴长度较长、直径较细时，在车削到车头或车尾时，中间很长一段不受控制，特别是在加工量不均匀时，在离心力的作用下，工件容易弯曲，极易发生振动，使切削无法进行，这时应采用托架，控制细长轴的径向甩动。

这种托架在许多资料中都介绍过，托架形式大同小异，只要能起到支撑作用和不妨碍切削即可。

⑶粗加工和精加工时车刀与跟刀爪的位置（如图5）粗加工车刀选用75o反偏刀。

为了保证刀的切削力和跟刀爪形成三点合力，不产生过大的扭力，控制工件绕轴线旋转，刀尖应与跟刀爪轴向相距2~3mm以内。

精加工时选用大宽刃光刀，刃宽30~40mm，刃宽中心对准跟刀爪中心即可。

图5车刀与跟刀爪位置示意图

2.1.3细长轴加工切削刀具的选用

⑴粗加工车刀及其特点选用75o反偏刀，刀片牌号TY15，型号A117；刀杆45钢，调质硬度220~250HB。

主偏角较大，以使径向力!

2减小，轴向分力Fx增大，从而减少切削振动和弯曲变形。

但同时又有一定的径向分力，顶紧工件。

前角为15o~20o，以使切削轻快。

断削槽磨成R2.5~4mm，有良好的卷屑作用，并增大实际切削前角。

⑵精车刀及其特点选用30~40mm大宽刃光刀，刀片牌号W18Cr4V，热处理硬度63~66HRC，刀杆采用弹性刀体。

采用较大前角，刃口无倒棱，切削轻快。

切削刃宽度为进给量的1.3倍以上，可修光工件表面。

切削刃必须研磨平直，表面粗糙度值Ra=0.8μm。

2.1.4切削用量及加工效果

⑴粗车切削速度v=32~40m/min；进给量f=0.3~0.35mm/r；背吃刀量ap=0.8~4mm。

⑵精车切削速度v=1.5m/min；进给量f=12~14mm/r；背吃刀量ap=0.02~0.05mm。

采用上述切削用量的加工效果：

若如引言里说到细长轴，毛坯直径15mm，粗加工一次切削，精加工一到两次切削，粗加工留加工余量0.15mm，粗加工表面粗糙度Ra=6.3μm。

精加工表面粗糙度Ra=1.6μm，全长1500mm的工件尺寸精度0.02mm，圆锥度仅0.02mm，椭圆度0.01mm，弯曲度0.2mm左右。

2.1.5常见的加工缺陷和解决方法

在细长轴加工中常见的加工缺陷有竹节（俗称糖葫芦）、振动纹、锥度大和弯曲度超标等。

大都发生在粗加工加工到0.7倍的长度时，由于刚性差，工件变形产生振动造成的。

一般粗加工不出问题，精加工就容易达到加工要求。

根据我们的经验，出现以上问题，多是因为跟刀爪配合不好，夹持工件过松或过紧。

在粗加工过程中应加入适当油性切削液进行润滑，防止跟刀爪过快磨损，若夹持过松，就造成工件偏离主轴中心产生振动，出现竹节现象。

所以在加工过程中，要时时注意跟刀爪是否松动，随时进行调整。

跟刀爪松紧度的掌握是靠多年实践经验来决定的，所以研磨跟刀爪也是很重要的。

弯曲度超标多是因为毛坯料内应力大，粗加工后应力回弹，弯曲变形，应选用应力小的毛坯料，可能的话进行材料退火。

顶尖顶力应保持适度。

在细长轴精加工中常见的加工缺陷是工件表面粗糙度达不到要求，有时甚至有扎刀、啃刀现象，解决方法是精加工车刀刃口磨削要平整，表面粗糙度值低，刀具安装中心对准主轴旋转中心，以防止扎刀。

另外背吃刀量不应超过0.05mm，否则容易啃刀。

2.2细长轴类零件的加工方法

在加工长径比大于40,直径公差、形位公差为级精度的细长轴时,采用常规的加工细长轴方法装夹加工,很难达到加工要求,且经常造成产品在精加工时报废,而影响产品交付日期、提高加工成本。

经过多次分析、试验,在零件热处理、装夹、加工方法、刀具等方面采取了一定的技术措施,可加工出长径比大于100,直径公差、形位公差较高的细长轴。

当直径值小于5mm的超细长轴用“两位”方法直接加工，直径大于5mm的超细长轴采用“跟刀架、中心架”与“两拉”联合使用的方法加工。

由于细长轴类零件的长径比很大,刚性差,在车削时,受切削力、装夹力、自身重力、切削热、振动等因素的影响,容易出现以下问题①切削时产生的径向切削力与装夹径向分力的合力,会使工件弯曲,工件旋转时引起振动,从而影响加工精度和表面质量。

②由于工件自重变形而加剧工件的振动,影响加工精度和表面质量。

③工件转速高时,由于离心力的作用,加剧了工件的弯曲和振动。

④在加工中,由于切削热作用,工件因受热膨胀受阻将引起工件弯曲变形。

因此,在车削细长轴时,无论对刀具、机床、辅助工具、切削用量的选择,工艺安排和操作技能都有较高的要求。

2.2.1合理选择切削参数

切削用量的选择

⑴切削速度的选择:

图为没有产生颤振时的切削速度与振动强度及稳定性的关系曲线。

从图可知,车削时,当V=30~70m/min时,容易产生振动,此时相应的振幅有较大值,高于或低于该范围,振动呈现减弱趋势。

当加工直径小于10mm时,取V≤30m/min;当加工直径大于10mm时,取V≥70m/min。

图1为极限切削宽度与切速的变化关系曲线。

由图可知,在高速或低速范围进行切削,自振就不易产生。

特别是在高速范围内进行切削,既可提高生产率,又可避免切削颤振,是值得采用的方法。

图6车削速度对切削稳定性的影响

（2）进给量f的选择:

震动强度随进给量f的增大而减小，如图所示，极限切削。

其宽度随进给量的增大而增大，如图所示。

为避免颤振的产生，在许可的情况下（如机床有足够的刚度与电机功率，工件的表面粗糙度参数值要较低等），应选取大的进给量。

故粗车时取f=0.15mm，半精车时选取f=0.1mm，精车时取f=0.06mm。

（3）切削深度aP的选择：

车削时候，切削宽度aw=aP/sinkr，式中，kr为刀具的主偏角。

图7进给量f对切削稳定性的影响

切削深度对切削稳定性的影响如图3所示，由图3可知随着ap增大，振动不断加大。

当f增大时，极限切断深度也随之加大。

所以，为加大极限切削深度aplim必须增加进给量f，这有利于发挥机床的功率，提高生产效率。

故粗车时ap=1mm，

半精车时选取ap=0.5mm，精车时取ap=0.1mm。

图8切削深度对切削稳定性的影响

合理选择刀具几何参数

刀具几何参数的合理选择，通常是实现稳定切削简便而行之有效的方法。

（1）前角r0对振动的影响如图4所示，随前角的增大，振动随之下降，但在切削速度较高的范围内，前角对振动的影响将减弱。

由于细长轴车削速度一般不会太高，故在粗加工中取r0=20o，精车时取r0=25o

（2）主偏角Kt主偏角Kt对振动强度的影响如图5所示，当切削深度和进给量不变时，随主偏角的增大，振幅将逐渐减小，这是由于径向切削力减小了。

同时，实际切削宽度aw将减小。

在粗车削细长轴时取Kt=75o~80o

（3）后角ao一般来说，对切削稳定性无多大影响，但当后角减小到2o~3o时，振动明显减弱，在生产中也发现，后刀面有一定程度的磨损后，会有显著的减振作用。

（4）刀具圆弧半径ro，刀尖圆弧半径ro增大时候，径向分量力随之增大，为避免自振，ro越小越好。

但是随着ro的减小，将使刀具寿命降低，同时也不利于表面粗糙度的改善。

故加工时，断屑槽宽度R取1.5~3，刀尖圆弧r=0.5

细长轴加工应采用的技术措施

⑴细长轴加工中传统的加工方法传统装夹方法——两顶（即一夹一顶），一般都利用过定位原理，使用跟刀架或中心架作为辅助支撑来增加工件的刚性。

通过调节尾座的回转中心提高工件的同轴度，在装夹时候，尽量采用线接触起到一定的方向调节作用。

这一加工方法，对要求不高的细长轴没有问题，但对精度要求高或者长径比很大的超细长杆就很难加工出合格产品。

由于顶尖的顶力作用，使轴在加工中受到的径向弯曲力加大，从而使轴的弯曲变形加大，加工精度降低。

再加之切削热及跟力架与中心架的摩擦热使工件产生热膨胀，工件胀长增大了轴的弯曲度，另外跟力架与中心架的脚爪中心线可能与轴中心线不完全同心。

因此，一夹一顶的传统方法，加工超细长杆，即使使用中心架、跟刀架来增加零件的刚度，也不能很好的消除弯曲变形，加工精度也低。

⑵细长轴两拉加工法针对传统装夹方法的缺陷，采用两拉（即一夹一拉）的装夹方法来解决这一问题，装夹时候需要在夹紧处垫一个开口钢丝圈，使工件与卡爪之间的夹持变为线接触，起到类似万向节的作用，工件的另一端由按轴径改制的顶尖（如图