立轴的工艺系统设计.docx
- 文档编号:5943379
- 上传时间:2023-01-02
- 格式:DOCX
- 页数:26
- 大小:231.32KB
立轴的工艺系统设计.docx
《立轴的工艺系统设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《立轴的工艺系统设计.docx(26页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
立轴的工艺系统设计
毕业设计
设计题目:
立轴的工艺系统设计
系别:
机械工程系
专业:
机械设计
班级:
01机械
(2)班
姓名:
学号:
指导老师:
课题简介
本课题主要是围绕立轴工艺系统设计而进行的,它包括立轴零件的工艺分析,加工零件时所选的刀具,普通机床改装,及对立轴加工所需夹具的设计与工艺编程,在设计过程中,其中最主要的是对立轴零件加工所需机床的改造.
中小型企业为了发展生产,常常希望对原有旧机床进行改造,实现数控化,自动化。
数控机床系统就是结合现实的生产实际,结合我国国情,在满足系统基本功能的前提下,尽可能降低价格,价格便宜,性能价格比适中是其最重要的特点,特别适合在设备中占有较大比重的普通车床改造,适合在生产第一线大面积推广。
企业应用经济型数控系统对设备进行改造后,将提高产品加工精度和批量生产的能力,同时又能保持“万能加工”和“专用高效”这两种属性,提高设备自身对产品更新换代的应变能力,增强企业的竟争能力。
C616普通机床改装为数控机床,主要解决的问题是如何将机械传动的进给和手工控制的刀架转位,可用经济型数控系统进行控制,并采用滚珠丝杠螺母副代替原有机床的丝杠进行传动,实现横向、纵向的进给传动。
立轴的工艺分析要考虑几个不同的方案,选择一个好的方案,进行详细工艺设计分析,设计夹具时要考虑到定位、夹紧等问题,保证工件表面粗糙度,选择合适的材料。
(一)立轴的加工工艺分析
1、立轴加工工艺方案的确定…………………………4
2、方案分析……………………………………………4
3、立轴毛坯的制造……………………………………5
4、零件的刀具选择……………………………………5
5、零件的夹具设计……………………………………6
6、零件的定位基准……………………………………6
7、零件加工路线、切削用量的选择…………………7
(二)加工立轴零件的机床的数控改装……………7
1、数控机床改装的必要性………………………………8
2、数控机床改造的优点………………………………9
3、数控机床改造的注意点……………………………9
4、车床的数控改造……………………………………9
5、设计方案的确定……………………………………10
6、步进电机的选择……………………………………10
7、机械部分改造设计与计算…………………………13
8、自动转位刀架的选用………………………………25
9、机床导轨改造……………………………………26
10、机床尾座的改造……………………………………28
11、机床丝杠的改造…………………………………28
12、数控机床改造时数控系统选用……………………29
13、立轴零件的数控加工编程……………………30
(三)小结…………………………………………34
(四)参考文献……………………………………36
一、立轴的加工工艺分析
1、立轴加工工艺方案的确定
(a)毛坯——外表面粗加工——钻深孔——外表面精加工——锥孔粗加工——锥孔精加工
(b)毛坯——外表面粗加工——钻深孔——锥孔粗加工——锥孔精加工——外表面精加工
(c)毛坯——外表面粗加工——钻深孔——锥孔粗加工——外表面精加工——锥孔精加工
2、方案分析
方案a:
在锥孔粗加工时,由于要用已加工过的外表面作精基准面,会破坏外圆表面的精度和光洁度,所以此方案不宜采用。
方案b:
在精加工外圆表面是,还要在插上锥堵,这样会破坏锥孔精度。
另外,在加工锥孔时不可避免地会有加工误差,加上锥堵本身的误差等会造成外圆表面和内锥的不同轴。
故此案不宜采用。
方案c:
在锥孔精加工时,虽然也要用已加工过的外圆表面作为精基准面,但由于锥面精加工的加工余量已很小,磨削力不大;同时锥孔的精加工已处于轴加工的最终阶段,对外圆的精度影响不大;加上这一方案的加工顺序,可以采用外圆表面和锥孔互为基准,交替使用,能逐步提高轴度。
经比较可知,立轴的加工顺序以方案c为佳。
3、立轴毛坯的制造
对于直径较大的阶梯轴,为了节约材料和减少机械加工的劳动量,则往往采用锻件。
锻件的好处在于材料的金属纤维组织致密,在热锻过程中按轴向排列,从而获得较高较高的抗拉、抗弯和抗扭的强度。
在大批大量生产时采用模锻,模锻法可以锻造形状复杂的毛坯,而且材料在经模锻后,纤维组织的再分布更有利于提高零件的强度。
合理选用材料和规定热处理的技术要求,对提高轴类零件的使用强度和耐用度有重要关系。
材料选用时要注意表面物理机械性能,然后合理选定热处理方法和必要的修饰加工,力求是零件达到良好的强度、刚度和所需的表面硬度。
轴是传递动力的零件,它应有良好的机械强度和刚度,而其工作表面又应有良好的耐磨性,因此轴件要选用适当的钢材;为了使轴件加工后有良好的尺寸精度稳定性,因而又要求有合适的热处理过程。
45钢,这是常用的主轴材料,在调质处理之后,再经局部高频淬火,可以是局部硬度达到HRC62~65,再经过适当的回火处理,可以降到需要的硬度。
4、零件的刀具选择
选择刀具时要求安装调整方便、刚性好、精度高、耐用度好。
对于粗、精加工,可以采用不同的刀具。
加工该零件首先选择01号车刀粗车外圆表面(副偏角大于45°),选择02号钻孔刀钻∮20的深孔,03号螺纹刀车螺纹,04号割槽刀割槽,共四把刀进行加工。
5、零件的夹具设计
由于立轴零件结构比较复杂,精度要求较高,且轴的一端带有球体用一般夹具不容易装夹、定位,所以需要设计一套专用夹具进行装夹。
立轴的夹具设计为采用端齿式拨动顶尖,该顶尖用于车削轴类工件的外圆,而轴向长度要求不高的场合。
使用时将莫氏锥柄装入机床主轴内,顶尖在弹簧的作用下,是工件定心。
锥柄端面有四个均布的硬质合金尖齿,当机床尾顶尖顶紧工件时,尖齿咬入工件的端面而随主轴一起旋转,并传递切削扭矩。
使用该顶尖能省去卡箍的装卸操作,提高生产效率,而且可以在工件全长上进行车削。
6、零件的定位基准
轴件加工中,为了保证各主要表面的相互位置精度,选择定位基准时应尽可能使其与装配基准重合和工序的基准统一,并考虑在一次安装中尽可能加工出较多的表面。
轴类零件加工的精度指标是各段外圆的同轴度以及锥孔和外圆的同轴度。
立轴的装配基准主要是前后两个支承轴颈面,为了保证卡盘定位面以及前锥孔与支承轴颈面有较高的同轴度,应以加工好的支承轴颈为定位基准来终磨锥孔和卡盘定位,这就符合基准重合的原则。
但由于立轴外圆表面的设计基准为轴的中心线,在加工轴时若能以轴心线作为定位基准就能符合基准统一的原则,就可以避免误差的产生,所以轴类零件加工都用轴两端的顶尖孔作为精基准面。
顶尖孔的精度越高,加工精度就越高。
用顶尖孔作为定位基准,能在一次装夹中加工出各段外圆表面及端面等,既符合基准统一的原则,又保证了各外圆表面的同轴度以及各外圆表面与端面的垂直要求。
所以立轴选择以孔的轴心线为基准,采用双顶尖鸡心夹方式定位。
7、零件加工路线、切削用量的选择
零件的加工路线就是加工过程中刀具的运动轨迹。
加工路线应在保证零件的加工精度和表面粗糙度的基础上尽可能使加工路线最短,以减少空程时间,提高生产率。
切削用量主要是主轴转速、切削深度和进给速度。
主轴转速应根据允许切削深度和工件直径来选定。
进给速度应根据加工精度和表面粗糙度选定,当加工精度要求高以及表面粗糙度值要求小时,进给量应取小些。
切削深度根据机床、工件和刀具的刚度来确定。
在刚度允许的情况下,应尽可能使切削深度等于零件的加工余量,以减少走刀次数,提高效率。
为保证加工质量,可留出加工余量。
G73进行外圆粗车时,单边粗车吃刀量1.75,U=1.75,R是切削次数4次,精车余量0.5mm;G71进行内孔粗加工时,单边粗车吃刀量1mm,U=1,R退刀量的值0.5mm,精车余量0.5mm。
二、加工立轴零件的机床的数控改装
1、数控机床改装的必要性
数控机床可以较好地解决形状复杂、精密、小批及多变零件的加工问题,能够稳定加工质量和提高生产率,但是数控机床的应用也受到其它条件的限制。
1)数控机床价格昂贵,一次性投资巨大,对中小型企业常是心有余而力不足。
2)目前,各企业都有大量的普通机床,完全用数控机床替换根本不可能,而且替代下的机床闲置起来又会造成浪费。
3)在国内,订购新数控机床的交货周期一般较长,往往不能满足生产急需。
4)通用数控机床对具体生产有多余功能。
经济型数控机床是指价格低廉、操作使用方便,适合我国国情的装有简易数控系统的高效自动化机床。
中小企业为了发展生产,常希望对原有旧机床进行改造,实现数控化,自动化。
经济型数控机床系统就是结合现实的生产实际,结合我国国情,在满足系统基本功能的前提下,尽可能降低价格。
价格便宜、性能价格比适中是其最主要的特点,特别适合在设备中占有较大比重的普通车床改造,适合在生产第一线大面积推广。
企业应用经济型数控系统对设备进行改造后,将提高产品加工精度和批量生产的能力,同时又能保持“万能加工”和“专用高效”这两种属性,提高设备自身对产品更新换代的应变能力,增强企业的竞争能力。
我国是拥有300多万台机床的国家,而这些机床又大量是多年累积生产的通用机床,自动化程度低,要想在近几年内用自动和精密设备更新现有机床,不论是资金还是我国机床制造厂的能力都办不到的。
因此普通机床的数控改装大有可为。
它适合我国的经济水平、教育水平和生产水平,已成为我国设备技术改造主要方向之一。
2、数控机床改造的优点
数控机床改造一般是指对普通机床某些部位做一定的改造,配上数控装置,从而使机床具有数控加工能力。
其改造的优点有:
1)从提高资本效率出发,改造闲置设备,能发挥机床的原有功能和改造后的新增功能,提高机床的使用价值。
2)适应多品种,小批量零件生产。
3)自动化程度高,专业性强,加工精度高,生产效率高。
4)降低对工人技术水平的要求。
5)数控改造费用低,经济性好。
6)数控改造的周期短,可满足生产急需。
3、数控机床改造的注意点
将普通机床改造为数控机床,是一项技术性很强的工作,必须根据加工对象的要求和工厂实际情况,确定切实可行的技术制造方案,搞好机床的改造设计。
4、车床的数控改造
利用微机改造现有的普通车床,主要应该解决的问题是如何将机械传动的进给和手工控制的刀架转位,进给改造成由计算机控制的刀架自动转位以及自动进给的自动加工车床,即经济型数控车床。
以C616普通车床为例进行数控改造。
5、设计方案的确定
1)C616型车床是一种加工效率高,操作性能好,社会拥有量大的普通车床。
实践证明,把这种车床改造为数控车床,已收到了良好的经济效果。
2)设计任务
本设计任务是对C616普通车床进行数控改造。
利用微机对纵、横进给系统进行开环控制,纵向脉冲当量为0.01mm/脉冲,横向脉冲当量为0.005mm/脉冲,驱动元件采用步进电机,。
传动系统采用滚珠丝杠副,刀架采用自动转位刀架。
3)总体设计方案的确定
由于是经济型数控改造,所以在考虑具体方案时,基本原则是在满足使用要求的前提下,对机床的改动尽可能少,以降低成本。
根据C616车床有关资料以及数控车床的改造经验,确定总体方案为:
采用微机对数据进行计算处理,由I/O接口输出步进脉冲,经一级齿轮减速后,带动滚珠丝杠转动,从而实现纵向、横向进给运动。
6、步进电机的选择
1)步进电机选择的原则
步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移的机电执行元件。
合理选用步进电机是比较复杂的问题,需要根据电机在整个系统中的实际工作情况,经过分析后才能正确选择。
现仅就选用步进电机最基本的原则如下:
(1)步矩角α步矩角应满足α≤
式中i——传动比;
αmin——系统对步进电机所驱动部件的最小转角。
(2)精度步进电机的精度可用步矩误差或积累误差衡量。
积累误差是指转子从任意位置开始,经过任意步后,转子的实际转角与理论之差的最大值,用积累误差衡量精度比较实用。
所选用的步进电机应满足
△Q≤i[△θs]
式中△Q——步进电机的积累误差;
[△θs]——系统对步进电机驱动部分允许的角度误差。
(3)转矩为了使步进电机正常运行(不失步、不越步),正常启动并满足对转速的要求,必须考虑:
a启动力矩一般启动力矩选取为:
Mq≥
失中Mq——电动机启动力矩;
ML0——电动机静负载力矩。
根据步进电机的相数和拍数,启动力矩选取如表所示。
。
Mjm为步进电机的最大静转矩,是步进电机技术数据中给出的。
步进电机相数、拍数、启动转矩表
运行
方式
相数
3
3
4
4
5
5
6
6
拍数
3
6
4
8
5
10
6
12
Mg/Mjm
0.5
0.866
0.707
0.707
0.809
0.951
0.866
0.866
b在要求的运行频率范围内,电动机力矩应大于电动机的静载力矩与电动机转矩惯量(包括负载的转动惯量)引起的惯性矩之和。
(4)启动频率由于步进电机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低,因此相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足:
ft≥[fcp]m
式中ft——极限启动频率;
[fcp]m——要求不步进电机最高启动频率。
2)步进电机的选择
(1)C616纵向进给系统步进电机的确定
Mq=
685.125N·㎝
为满足最小步矩角要求,电动机选用三相六拍工作方式,查表知Mq/Mjm=0.866
所以,步进电机最大静转矩Mjm为:
Mjm=
791.14N·㎝
步进电机最高工作频率
fmax=
Hz
综合考虑,查表选用110BF003型直流步进电机,能满足使用要求。
(2)C616横向进给系统步进电机的确定
Mq=
N·㎝
电动机仍选用三相六拍工作方式,查表知:
Mq/Mjm=0。
866
所以,步进电机最大静转矩Mjm为:
Mjm=
N·㎝
步进电机最高工作频率
fmax=
=3333.3Hz
为了便于设计和采购,仍选用110BFOO3型直流步进电机,能满足使用要求。
7、机械部分改造设计与计算
1)纵向进给系统的设计与计算
(1)纵向进给系统的设计经济型数控车床的改造一般是步进电机经减速驱动丝杠,螺母固定在溜板箱上,带动刀架左右移动。
步进电机的布置,可以放在丝杠的任意一端。
对车床改造来说,外观不必象产品设计要求的那么高,而从改造方便,使用方面来考虑。
一般都把步进电机放在纵向丝杠的右端。
(2)纵向进给系统的设计计算
已知条件:
工作台重量:
W=80Kgf=800N
时间常数:
T=25ms
滚珠丝杠基本导程:
L=6mm
行程:
S=640mm
脉冲当量:
Q=0.01mm/stp
步矩角:
a=0.75°/stp
快速进给速度:
Vmax=2m/min
1°切削力计算由《机床设计手册》可知,切削功率
Nc=NηK
式中N——电机功率,查机床说明书,N=4KW;
η——主传动系统总效率,一般为0.6~0.7取η=0.65;
K——进给系统功率系数,取为K=0.96
则:
Nc=4×0.65×0.96=2.496KW
又因为NC=
Fz=
式中v——切削线速度,取v=100m/min
主切削力
Fz=6120×2.496/100=152.76(Kgf)=1527.6(N)
由〈〈金属切削原理〉〉可知,主切削力
FZ=CFzapxFzfYFzKFz
查表得:
CFz=188kgf/mm21880Mpa
XFz=1YFz=0.75KFz=1
则可计算FZ如表所示:
FZ计算结果
ap(mm)
2
2
2
8
8
8
f(mm)
0.2
0.3
0.4
0.2
0.3
0.4
FZ(N)
1125
1524
1891
1687
2287
2837
当FZ=1520N时,切削深度ap=2mm,走刀量f=0.3mm,以此参数做为下面计算的依据。
从〈〈机床设计手册〉〉中可知,在一般外圆车削时:
FX=(0.1~0.6)FZFZ=(0.15~0.7)FZ
取:
FX=0.5FZ=0.5×1527.6=763.8N
FY=0.6FZ=0.6×1527.6=916.5N
2°滚珠丝杠设计计算综合导轨车床丝杠的轴向力:
P=KFX+f′(FZ+W)
式中K=1.15,f′=0.15~0.18,取为0.16。
则
P=1.15×763.8+0.16×(1527.6+800)=1250.8N
3°强度计算:
寿命值L1=
n1=
=
取工件直径D=80mm,查表得TI=15000h
则:
n1=
=20r/min
L1=
=18
最大动负载Q=
查表得:
运转系数fw=1.2硬度系数fH=1
则
Q=
×1.2×1×1250.8=39933.6N
根据最大动负载Q的值,可选择滚珠丝杠的型号。
例如,滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取FC1B系列,滚珠丝杠直径为φ32mm,型号为FC1B32×6—5—E2,其额定动载荷是10689N,所以强度足够用。
4°效率计算:
根据〈〈机械原理〉〉的公式,丝杠螺母副的传动效率η为:
η=
式中摩擦角ψ=10′ 螺旋升角γ=3°25′
则
η=
5°刚度验算:
滚珠丝杠受到工作负载P引起的导程的变化量
△L1=±
式中L0=6mm=0.6cm;
E=20.6×166N/cm2。
滚珠丝杠截面积F=(
)2π=(
)2×3.14
则
△L1=±
=±5.9×10-6㎝
滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量△L2很小,可忽略,即:
△L=△L1。
所以:
导程变形总误差△为
△=
=
×5.9×10-6=9.8μm/m
查表知E级精度丝杠允许的螺距误差(1m长)为15μm/m,故刚度足够。
6°稳定性验算:
由于机床原丝杠直径为φ30mm,现选用的滚珠丝杠直径为φ32mm,支承方式不变,所以稳定性不存在问题。
(3)齿轮及转距的有关计算
1°有关齿轮计算
传动比
i=
=
=1.25
故取Z1=32mmZ2=40
m=2mmb=20mmα=20°
d1=mZ1=2×32=64mm
d2=mZ2=2×40=80mm
dα1=d1+2ha*=68mm
dα2=d2+2ha*=84mm
α=
=
=72㎜
2°转动惯量计算
工作台质量折算到电机轴上的转动惯量:
J1=(
)2W=(
)2×80=0.468㎏·㎝2
=4.68N·㎝2
丝杠的转动惯量:
JS=7.8×10-4×D4L1=7.8×10-4×3.24×140.3
=11.475㎏·㎝2=114.75N·㎝
齿轮的转动惯量:
JZ1=7.8×10-4×6.44×2=2.617㎏·㎝2=26.17N·㎝2
JZ2=7.8×10-4×84×2=6.39㎏·㎝2=63.9N·㎝
电机转动惯量很小可以忽略。
因此,总的转动惯量:
J=
(JS+JZ2)+JZ1+J1
=
(11.475+6.39)+2.617+0.468
=14.519㎏·㎝2=145.19N·㎝2
3°所需转动力矩计算
快速空载启动时所需力矩
M=Mamax+Mf+M0
最大切削负载时所需力矩
M=Mat+Mf+M0+Mt
快速进给时所需力矩
M=Mf+M0
式中Mamax——空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩;
Mf——折算到电机轴上的摩擦力矩;
M0——由于丝杠预紧所引起,折算到电机轴上的附加摩擦力矩;
Mat——切削时折算到电机轴上的加速度力矩;
Mt——折算到电机轴上的切削负载力矩。
Ma=
×10-4N·m
当n=nmax时Mamax=Ma
nmax=
=
=416.7r/min
Mamax=
×10-4=2.52N·m=25.72㎏f·㎝
当n=nt时Ma=Mat
nt=
=
=
=24.88r/min
Mat=
×10-4=0.1505N·m=1.536㎏f·㎝
Mf=
=
当η0=0.8f′=0.16时
Mf=
=1.223㎏f·㎝
M0=
(1-η02)
当η0=0.9时预加载荷P0=
Fx则:
M0=
=
=0.462㎏f·㎝=4.62N·㎝
Mt=
=
=7.297㎏f·㎝=72.97N·㎝
所以,快速空载启动时所需力矩:
M=Mamax+Mf+M0
=25.72+1.223+0.462=27.405㎏f·㎝
=274.05N·㎝
切削时所需力矩:
M=Mat+Mf+M0+Mt
=1.536+1.223+0.462+7.297=10.518㎏f·㎝
=105.18N·㎝
快速进给时所需力矩:
M=Mf+M0=1.223+0.462=1.685㎏f·㎝
=16.85N·㎝
由以上分析计算可知:
所需最大力矩Mmax发生在快速启动时,
Mmax=27.405㎏f·㎝=274.05N·㎝
2)横向进给系统的设计和计算
(1)横向进给系统的设计
经济型数控改造的横向进给系统的设计比较简单,一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠,使刀架横向运动。
步进电机安装在大拖板上,用法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来,以保证其同轴度,提高传动精度。
(2)横向进给系统的设计和计算
由于横向进给系统的设计和计算与纵向类似,所用到的公式不再详细说明,只计算结果。
已知条件:
工作台重(根据图纸粗略计算)W=30㎏f=300N
时间常数T=25ms
滚珠丝杠基本导程L0=4㎜左旋
行程S=190㎜
脉冲当量δp=0.005㎜/step
步距角α=0.75°/step
快速进给速度vmax=1m/min
1°切削力计算横向进给量为纵向的1/2~1/3,取1/2,则切削力约为纵向的1/2。
FZ=0.5×152.76=76.38㎏f=763.8N
在切断工件时:
Fy=0.5FZ=0.5×76.38=38.19㎏f=381.9N
2°滚珠丝杠设计计算
a强度计算:
对于燕尾型导轨:
P=KFy+f′(Fz+W)
取K=1.4f′=0.2
则
P=1.4×38.19+0.2(76.38+30)
=74.74㎏f=747.4N
寿命值
L1=
=
=13.5
最大动负载
Q=
=
=213.55㎏f=2135.5N
根据最大动负载Q的值,可选择滚珠丝杠的型号。
例如,滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取FC1B系列,滚珠丝杠公称直径为φ20㎜,型号为FC1B20×4—5—E2左,其额定动负载为5393N,所以强度足够用。
b效率计算:
螺旋升角γ=3°38′,摩擦角ψ=10′
则传动效率
η=
=
=0.956
c刚度验算:
滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量
△L1=±
=±
=±
5.96×10-6㎝
滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量△L2很小,可忽略, 即:
△L=△L1所以导程变形总误差为
△=
查表知E级精度丝杠允许的螺旋误差(1m长)为15μm/m,故刚度足够。
d稳定性验算:
由于选用滚珠丝杠的直径与原丝杠直径相同,而支承方式由原来的一端固定、一端悬空
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 立轴 工艺 系统 设计
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)