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减震器铝合金缸筒双面扩绞专用机床进给系统和夹具设计 1 1 绪绪论论 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 1.1 本课题的研究内容和意义本课题的研究内容和意义 人们在生活中的每个方面都离不开机械设备。专业为机械方面的人，毕业后想要从 事机械设计及制造工作都需要具备机械方面的基础知识与基础技能。毕业设计是概括性， 综合性的实践课程，是工科各专业学生的必经之路，是所有学生离开学校之前最重要的 任务。 本毕业设计是从事专业机床设计。包括总体设计，进给系统，床身部件，液压系统， 主轴箱和机床夹具部分。 课程来源于无锡市惠发特精密机械有限公司。本课题系机动车减震器缸筒加工的专 用机床设计，对于摩托车及其这一些激动车的减震器缸筒加工均有一定的参考价值，在 减震器行业技术更新中起相当的作用。 1.2 国内外的发展概况国内外的发展概况 回首过去几十年来，机床行业已经能够实现平稳较快发展，得益于该行业在新形势 下，把握“抓创新，调结构，促改革”的工作主线，使虽然在此期间显著改善产业格局， 广大员工在机床行业和公司的大力支持下，各个方面的共同努力，已取得长足的进步， 2009年，中国的机床产量位居第一，在世界，在国内市场占有率国内机床工具的80以 上，但应该可以看到机床行业，我们只能将其视为一个“发展中的国家”在中国的机床 工具产品结构，价格实惠的产品仍然占了很大的比例;国家重点发展领域的一些必要的高 端产品仍然需要依赖进口，我们的机床出口，仍然依靠大量的低价值，低成本的仿制产 品，以支持，但总是有进口进出口逆差。尽管多年的努力，中国的机床工具企业，有已 经被一些国际影响力的群体，一些世界先进水平和机床出口的国际竞争力已经开始，但 整个行业的整体，自主创新能力，基础制造，低水平的同质化现象严重，低水平重复建 设，难以解决的问题仍然存在自主创新产品推广应用，产品的质量和服务水平还有待提 高，所以贯彻落实科学发展观，转变经济增长方式，大力调整的工业结构和产品结构， 并力求在未来的一个重大突破，这将是中国机床工具行业的共同努力我们的方向和目标， 无锡太湖学院学士学位论文 2 组合机床的发展有28年的历史，它的研究和生产是相当的基础上，应用程序也已经渗透 到许多行业。机械制造行业目前的产品更新，技术创新，提高生产效率和高速发展的必 备设备。如何加快，高效率，高品质的加工是一个指导性意义的课题。外国如英国研究 公司哈曼机械研究项目中的类，具有无可争议的领导者，在其技术已经非常完善。在我 们的研究在这个项目上，他们仍然有较大的距离。 1.3 本课题应达到的要求本课题应达到的要求 此次毕业设计任务要求机床功能得到进一步的完善，能够提高零件的加工精度和加 工效率，能够降低加工成本。该零件属摩托车减震器用，其材料为铸铝，要求单班制生 产，年产量 5 万件。机床结构表达清晰合理，说明书工整并有理论依据。进给系统应采 用一般简易数控专用机床的滚珠丝杆付及滚动导轨的传动方案，并选用步进电机。绘制 进给系统总图一份。绘制夹具总图一份，所设计之夹具必须根据工件尺寸大小有一定的 调节范围。编写说明书，要求包括必要的计算并且文字简洁通顺，表达清晰，字数一万 字左右。专业英文资料翻译一万字左右。此次毕业设计从十一月十二日开始至五月二十 五日结束。 减震器铝合金缸筒双面扩绞专用机床进给系统和夹具设计 3 2 对总体设计的理解对总体设计的理解 2.1 机床的主要用途机床的主要用途 双工位扩绞专用机床是用于减震器生产线上铝筒加工的专用设备。双工位钻床的使用 可以稳定高效地保证铝筒加工的精度，得到优良的加工质量，并可大幅度的降低加工成 本，企业增效显著。 双工位扩绞专用机床是一种简易的数控专用机床，受制造成本的制约，为了节约成 本结构要求简单，制造维修方便。 2.2 机床的主要部件机床的主要部件 本机床主要由床身、主轴箱、夹具、进给系统和液压系统等部件组成。 2.3 总体设计工艺方案的制定总体设计工艺方案的制定 机械加工工艺规程是规定产品或零部件机械加工工艺过程和操作方法的工艺文件。 生产规模的大小，工艺水平的高低以及解决各种工艺问题的方法和手段都要通过机械加 工工艺规程来体现。因此，机械加工工艺规程设计是一项重要而又严肃的工作。为能具 体确切地说明工艺过程，一般将机械加工工艺过程分为工序、安装、工位、工步和走刀。 这是设计专用机床最重要的一步。工艺方案制定得正确与否，将决定机床能否达到 “体积小，重量轻，结构简单，使用方便，效率高，质量好”的要求。我们想让工艺方 案采用的正确，必定先认真的分析加工零件的图纸，走进厂房详细的知道产品的结构突 出点，加工地方，精度要求技术要求，粗糙度，定位夹紧方式采用的工艺和生产过程所 采用的刀类，辅具，切屑用量情况及产生率要求高，分析其优缺点，总结设计，制造， 使用单位和操作者的丰富的实践经验，以求理论紧密联系生产实际，从而确定零件在组 合机床上完成的工艺（工序）内容及方法，决定刀具种类，结构型式，数量及切屑用量 无锡太湖学院学士学位论文 4 等。 根据选定的工艺方案确定机床的配置型式，并定出影响机床总体布局和技术性能的 主要部件的结构方案。既要考虑能实现工艺方案，以确保零件的加工精度，技术要求及 生产率；又要考虑机床的操作方便可靠，易于维修，且冷却，排屑情况良好。 以上两个步骤是十分重要的。对于同一个零件的加工，可能会有各种不同的工艺方 案和机床配置方案，在最后决定采取哪种方案时，决不能草率，要全面地看问题，综合 分析各方面的情况，进行多种方案对比，从中选择最佳方案2。 2.3.1 工序工序 被加工零件为一棒铝合金MgZAlSi9 牌号: 代号 铸造方法: 金属型 MgZAlSi9 1104Z 热处理: 淬火+人工时效 力学性能: 抗拉强度 伸长率: 2145:/MPab(%)5 布氏硬度 : )30/250/5(HBS50 铸造铝合金应具有良好的铸造性能，其成分应接近共晶点。此外，为了提高其力学性能， 常常采用变质处理和固溶热处理。 双孔加工，左端 14.5，表面粗糙度 Ra=6.3 微米” 右端阶梯孔 最大 37.5，最小 28，表面粗糙度 Ra=6.3 微米 其他技术要求见孔位图，要求生产纲领为年产量 5 万件，单班制生产。 机械加工工艺过程的工序是指：一个（或一组）工人在一个工作地点对一个（或同 时对几个）工件连续完成的那一部分加工过程。 减震器铝合金缸筒双面扩绞专用机床进给系统和夹具设计 5 图 2.1 减震器零件图 其加工内容是 : 对左右两端钻孔 加工深孔 去毛刺 这些加工内容安排在 3 个工序中完成，如下表所示。 表 2-1 铝合金缸筒工序安排方案 工 序 号 工 序 内 容 设 备 1 对左右两端钻孔 专业钻床 2 加工深孔 专业钻床 3 手工去毛刺 2.3.2 安装安装 在同一个工序中，工件每定位和夹紧一次所完成的那部分加工称为一个安装。此次全 部工序的完成需要两次定位和夹紧。如下表所示。 表 2-2 铝合金缸筒的工序和安装 工序 号 安 装 号安 装 内 容设 备 11左右两端钻孔专业钻床 22加工深孔专业钻床 2.3.3 拟订加工工艺路线拟订加工工艺路线 根据厂方要求，该零件有两种加工方案，一是先加工深孔再加工双端面孔，二是先加 工双端面孔再加工深孔。金属切屑机床又称工作母机，是机械制造业的基础装备。随着 社会需求和科学技术的发展，对机床设计技术要求越来越高。一方面为了适应社会需求 的变化，出现了柔性制造系统（FMS）等先进的自动化制造系统，除了传统的机床设计 要求之外，还要求机床增加柔性，并能与系统有机结合。另一方面数控技术和 CAD 技术 的发展，为机床设计提供了新的条件和支撑。因此机床的设计方法和设计技术也在发生 着深刻变化。 2.3.4 两种加工路线的比较两种加工路线的比较 A 先加工深孔再加工两端面孔路线 根据加工深孔时工件旋转而刀具不转的原理，此方案在先加工深孔时需要一个导航设 备，以确保刀具能够精准地校准工件中心。在工件夹紧方面，工件左面可考虑选用三爪 卡盘夹具，这样可以带动工件高速旋转。由于深孔加工的特殊要求，工件若只夹紧一侧， 会由于震动而导致误差偏大，达不到工件的精度要求。故而需要设计一辅助夹具，用来 夹紧工件的另一侧，以确保工件能够达到厂方要求。但由于工件需要高速旋转，此辅助 夹具也必须能够高速旋转。这一特殊要求将给此辅助夹具的设计带来相当大的困难，暂 考虑以同样的三爪卡盘来夹紧工件的另一侧。由于深孔加工对刀具的特殊要求，刀具在 无锡太湖学院学士学位论文 6 加工时需要一个导航设备，以避免刀具在加工时产生较大的偏移。经这样考虑，辅助夹 具和导航设备的安装又将是另一难题。若将此两个设备以前后顺序安装于同一板垫上， 则或多或少会影响加工精度。 现在来考虑加工两端面孔。我们要求两端面孔要同时加工,这样不仅可以提高工作效 率,对两端孔的中心线的合一也能够很好的解决,避免了先后加工两端面孔时由于拆卸工件 所带来的认为误差。由于这一要求,所以对夹具的设计要进行一番考虑。现设计夹具为臂 杆式,左右各一个,如“T”型状,利用液压缸夹紧,简图如下。 图 2.2 夹具简图 综上所述,方案一需消耗人力,才力和资源比较大,成本高,方案实行比较困难. B 先加工两端面孔再加工深孔路线 两端面孔的加工要求同步进行,并在同时间内完成加工任务,在刀具设计方面同上一方 案。 现在来考虑加工深孔。深孔加工要求工件高速旋转，上一方案考虑用三爪卡盘夹紧 两端面里带动工件完成高速运转。此方案在实际亦不可行，现由于工件两端面孔已经加 工完成，故可考虑用顶针顶住工件左端面孔，依靠机床结构对工件向左的紧压力所产生 的摩擦力带动工件高速运转。根据工件右端面孔的特征，可以设计一个刀具导向套，利 于机床部件运动给工件一个向左的压紧力，此刀具导向套简图如下所示。 图 2.3 刀具导向套简图 这样便可以成功地解决工件高速运转所带来的夹具设计困难问题。此方案不仅方便 减震器铝合金缸筒双面扩绞专用机床进给系统和夹具设计 7 可行，而且成本低，运用合理，完全能够满足加工要求3。 2.3.5 刀具与夹具的比较刀具与夹具的比较 刀具 两种方案对刀具的要求是统一的，故不论是哪种方案，其刀具的设计是完全一样的， 勿需比较。 夹具 方案一所需要的夹具，在加工两端面时与方案二是一样的，但在加工深孔时，夹具的 设计比较困难，成本较高，较难实现。 方案二所需的夹具在加工深孔时比较容易，设计简单，成本低，可以顺利达到工件 的加工要求。 2.3.6 工序的集中与分散工序的集中与分散 同一工件，同样的加工内容可以安排两种不同的形式的工艺规程：一种是工序集中， 另一种是工序分散。 集中工序有帮助保护各加工面间的相关地位精确度要求，有效于使用高效率机床， 节约装配工件的长度，减弱工件的搬动来回。分散工序可让每个工序采取的设备和夹具 比较容易，对刀也比较简单，对操作工人的层次要求比较少。 采用高效自动化机床,以工序集中的形式组织生产,除了具有上述工序集中的优点以外, 生产适应强,因而虽然设备价格昂贵,但仍然受到愈来愈多的重视. 综上所述,此次加工采用的是工序集中的工艺规程. 2.3.7 确定加工工艺路线确定加工工艺路线 根据上述内容,对各种方案的比较,选用先加工两端面孔再加工深孔这一方案比较合理, 也比较科学,这一方案不仅降低了生产成本,提高了生产效率,同时也容易完成加工任务.工 艺路线简图如下图所示. 钻 两 端 面 孔 钻 深 孔 图 2-3 加工工艺路线简图 无锡太湖学院学士学位论文 8 3 进给系统设计进给系统设计 3.1 确定传动方式确定传动方式 机械部件中我们经常用的是螺旋传动、齿冷传动、同步带、和各种非线性传动部件 等。它的功能主要的是传输转矩和转速，实际上说就是一种转矩和转速变化器。目的是 使执行机构和负载之间获得最佳匹配方面的转矩和转速。机械传动部分的传动类型、传 输模式、刚度和传输可靠性的机电一体化系统的准确性、稳定性和快速响应有显著的影 响, 应设计和选择传动间隙小、精度高、体积小、重量轻、运行平稳、传递转矩大的传 动部件。 丝杠螺母机构又称螺旋传动机构。它主要用于将旋转运动转换成线性运动或直线运 动转换成旋转运动。螺杆螺母机构滑动摩擦和滚动摩擦的点。滑动丝杠螺母机构，结构 简单，易于加工，制造成本低，具有自锁功能。但摩擦阻力，传动效率低。滚动丝杠螺 母机构虽然结构复杂，制造成本高，但其最大的优点是摩擦阻力小，传动效率高，因此 在机电一体化系统中得到广泛应用。 在本设计中工作台行程的直线运动导轨，主体，以传递运动，需要更高的传输精度和紧 凑的，所以使用的进给丝杠螺母驱动机构。 3.2 联轴器的选用联轴器的选用 联轴器主要用来联接不同部件之间的两根轴，使其一同回转并传递转矩。可分为两 大类弹性联轴器刚性联轴器和联轴器。挠性接头，根据划分是否弹性元件的非弹性和弹 性元件弹性联轴器的弹性联轴器元件。弹性套柱销联轴器加工简单，装拆方便，成本较低， 可以补偿综合位移，具有一定的缓冲和吸震能力，适用于正反转或启动频繁的传递中。 此次设计中选用弹性套柱销联轴器。它属于非金属弹性元件挠性联轴器。其构造与 凸缘联轴器相似，只是用装有弹性套的柱销代替了联接螺栓。弹性套的变形可以补偿两 轴的径向位移和角位移。 3.3 导轨形式的确定（选用和载荷计算导轨形式的确定（选用和载荷计算） 3.3.1 选用选用 机电一体化系统对导轨的基本要求是导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性 好、温度变化小以及结构工艺性好等。 减震器铝合金缸筒双面扩绞专用机床进给系统和夹具设计 9 按接触面的摩擦性质可分为： A. 滑动导轨副： 滑动导轨机构简单，阻尼系数大，刚度大；但易产生低速爬行现象，易磨损。滑动导 轨是金属对金属型式，目前在数控机床上很少采用。摩擦系数较大，而且变化范围也大， 对于精度高的工件加工心有余而力不足。承载能力中等。接触刚度高。滑动导轨一般仅 用于普通精度的机床。数控机床已不采用。 B. 滚动导轨副： 直线滚动导轨由导轨和滑块两部分组成。导轨通常为两根，装在支撑件上，每根导轨 上有 2 个滑块，固定在移动件导轨体上。 直线滚动导轨副的工作原理就是滑块中装有四组滚珠，在导轨条的滑块的断点，就经 合成树脂制造的端面挡板和滑块中的回珠孔回到另一端，经另一端端面挡板再进入循环。 四组滚珠各有自己的回株孔，分别处于滑块的四角。四组滚珠和滚道相当于四个直线运 动角接触滚珠轴承。接触角为 45 度时，四个方向具有相同的承载能力。 C. 液体静压导轨： 无磨损，无静摩擦，无低速爬行现象，阻尼系数大；但设计、制造、使用较复杂。 D. 气浮导轨： 无磨损，无静摩擦，无低速爬行现象，无需回行管道，不产生污染；但刚度小，阻尼 系数很小，容易引起振荡。 此次设计中选用滚动导轨副。 3.3.2 载荷计算载荷计算 垂直载荷为 Fz=1200N，取计算导轨的静安全系数，代入式，计0 . 4fSLPCfSL/0 算出为导轨的基本静额定载荷； 工作载荷： (3.1) 3642 )60841200(5 . 0 )2(5 . 0 FFP NNC1456836424 根据计算结果查有关资料初选导轨：CDA20 依据速度 v=5.84 m/min 和选定导轨的基本动额定载荷验算导轨的工作寿命：Ln (3.2) h h v PC Ln 20000 156000 6085 . 5 10501618/16728 60 1050)/( 33 33 ）（ 3.4 滚珠丝杆的机械特性的设计计算滚珠丝杆的机械特性的设计计算 无锡太湖学院学士学位论文 10 滚珠丝杠被认为是如今所有机床进给的主要传动装置，以其长使用、高强度、高效 果、高灵活度、无间隔等明显优点而得以宽泛使用，成为各种机床的关键配合部分，并 已实现了好通用，标准好。数控机床，以满足进给速度高，定位精度高，稳定性高，响 应速度快的要求，必须选择滚珠丝杆，并进行必要的验算。 表 3 -1 滚珠丝杠的计算列表 说明备注 1.1 额定 动载荷 在轴向载荷 Fa 以较高速运转转。其 6 10 90%的滚珠丝杆副不产生疲劳剥落，此时的 Fa 即 为 Ca， 1.2 额定 静载荷 滚珠丝杆副在静止或者转速较低状态下， 承受最大接触应力的滚珠和滚珠接触面的塑性变 形量之和为钢珠直径的十万分之一的轴向载荷 13 回转 寿命 L 700936210 6 3 aw a Ff C L 式中 L回转寿命 额定动载荷 a C NCa16728 轴向载荷 a F NFa7284 载荷系数 w f 2 . 1 w f 1 轴 向 载 荷 寿 命 1.4 时间 寿命 n L Lh 60 式中年回转寿命5 .13L N转速=5.84，r/min 见尺寸规格表 )( 100 3 N ff F LnCa ca m hmm 式中 预期工作时间，H h L 2 按 预 期 工作时 间 确定预 普通机械10005000 h L 减震器铝合金缸筒双面扩绞专用机床进给系统和夹具设计 11 普通机床1500010000 h L 数控机床 20000 h L 精密机床 20000 h L 测试机床 15000 h L 期 额定动 载 荷 航空机床 1000 h L 续表 3-1 说明备注 精度系数 a f 精度 1.2.3 0 . 1 a f 4.5 0.9 7 0.8 10 0.8 可靠性系数，一般 c f 1 c f 载荷系数 w f 无冲击平稳 2 . 11 w f 轻微冲击5 . 12 . 1 拌有冲击，震动25 . 1 当量转速,r/min, m n 92 . 2 2 minmax nn nm 3. 按预期 工作时 间确定 预期额 定动载 荷 Cam 当量载荷,N, m F N FF Fm4876 3 2 minmax 3.1 滚珠 丝杆螺母间的 预加负荷 N F F m P 1625 3 式中当量载荷,N m F 当轴向载荷不能确定时取 108 a P C F 过大， 影响寿命及 摩擦力矩增 大；过小， 会出现轴向 间隙，影响 定位精度 无锡太湖学院学士学位论文 12 3.2 对预 拉伸滚珠丝杆 副的行程补偿 值 C 和预紧 3.2.1 滚珠丝杆轴在制造时，可提出目标行程的行 程补偿 C，mmttLuaC0354 . 0 10 8 . 11 3 式中 温度变化值，一般取3t32 滚珠丝杆副的有效行程， u L mm418 a丝杆膨胀系数为 16 10 8 . 11 C 续表 3-1 说明备注 3.22 滚珠丝杆副安装时丝杆的拉伸力 NtdE d ta L EAL F a t pl 455395 . 1 4 2 2 2 2 式中 滚珠丝杆的温升，一般取 3 t 滚珠丝杆螺纹底径， 2 d mm 9 . 27 E弹性模量， 25 /101 . 2mmNE 全长总修正量, t LmmtaLL st , 丝杆在两支撑轴间距离， Ls mm395 4 滚珠 丝杆 副的 极限 转速 和允 许转 速 4.1 极限转 速 min)/(rnc min)/(3510 2 60 2 2 2 2 r L d f A EI L kn b b c 式中 k 安全系数，一般去 0.8 安装间距 35mm b L A丝杆横截面积 611mm 滚珠丝杆螺纹底径 27.9mm 2 d I丝杆最小截面惯性矩 29728mm E弹性模量 材料密度 、 表示与支撑形式有关的系数 f 高速运 转时，避免 产生震动现 象 减震器铝合金缸筒双面扩绞专用机床进给系统和夹具设计 13 固定自由 875 . 1 4 . 3f 支持支持 142 . 3 7 . 9f 固定支持 927 . 3 1 . 15f 固定固定703 . 4 9 .21f 续表 3-1 说明备注 4.2 允 许转速 min)/( max rN 式 D滚珠丝杆的公称直径，2063 70000 max D N 32mm 3.5 滚珠丝杆副的选用滚珠丝杆副的选用 综合上述所选主要技术参数，根据滚珠丝杠产品样本，即可确定所选滚珠丝杠副型 号规格 3207-4。 图 3-1 滚珠丝杠 无锡太湖学院学士学位论文 14 3.6 滚珠丝杆的验算滚珠丝杆的验算 (1) 刚度验算 滚珠丝杠副在工作载荷 F=7284Nmax 和扭矩 M1 共同作用下，所引起的螺纹每米导 程变形总误差 按下式计算： 3max 10) 15001000 ( GI M EA F K （3.3） 式中：A丝杠截面积，rdA 2 4 1 2 mm G丝杠材料剪切弹性模量，对钢 2 /82400mmNG K安装方式系数(固定自由：K=1；固定固定：K=0.25)。 验算不等式为：(300mm 单一导程变动量)。300V (2) 效率验算 (3.4)%90 )( %100 tg tg 式中：丝杠螺纹螺旋升角；=arctg 为摩擦角。 如上述验算不满足要求，需另选其它型号，重复以上步骤，直至满足要求为止。 丝杠受工作负载引起的导程变化量很小，可忽略不计。就不在具体计算总长变形量、 滚道接触变形量、轴承轴向变形量了10。 3.7 步进电机的选用步进电机的选用 A 步进电机的分类及优缺点 步进电机的运动是由输入的电脉冲信号控制的，每当电机绕组接收一个脉冲，转子 就转过一个相应的角度。其角位移量与输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉 冲同步。因而，只要控制输入脉冲的数量、频率和电机绕组的相序，即可得到所需转动 的速度和方向。 步进电机有反应式、永磁式和混合式三种类型。 步进电机的主要特性指标：步距角、最高启动频率、最高连续工作频率等。 步进电机的主要特性：1 步进电机必须加驱动才能运转，动力来源必须是脉冲号码， 没有脉冲的时候，步进电机关闭，当加入合理的脉冲信源，就会转动一定角度。转动的 速度和脉冲的频率成一定关系；2 步进电机的步进角度为 7.5 度，一圈 360 度，需要 48 个脉冲实现；3 步进电机含有瞬时启动并且快速停住的好处；4 为实现改变转动方位可以 改变脉冲顺序。步进电机有其独特的优点，归纳起来主要有： 1)步矩值不受各种干扰因素的影响 2)误差不长期积累 3)控制性能好 B 伺服电机的分类及优缺点 减震器铝合金缸筒双面扩绞专用机床进给系统和夹具设计 15 直流伺服电动机具有良好的线性调节特性及快速的时间响应。 所以区分步进电机与伺服电机的依据条件主要视具体应用情况而定，简单地说要确 定：负载的性质（如水平还是垂直负载等） ，转矩、惯量、精度、加减速等要求，上位控 制条件（如对端口界面条件和通讯方面条件的使用条件） ，主要控制形式是方位、转矩还 是速度方式。供电电源是直流还是交流电源，或者是电池供电，电压范围。以此为依据 来确定电机和配用驱动器或控制器的型号。 还可以按照下表区别选择步进系统还是伺服系统（步进电机的负荷及扭矩计算）: 表 3-2 步进电机系统 伺服电机系统 小扭矩范围扭矩 （20Nm 的普遍以下）小， 中，大，全范围 低转速范围内（通常在不到 2000RPM，高扭矩电机小于 1000RPM） 高（可达 5000RPM） ，直 流伺服电机和 1 至 20000 转/分 钟 控制方式主要是位置控制多元化智能控制，位置/速 度/转矩模式 平滑性低速振动（但与驱动器的子类型可 以显着改善） 好，运行平滑 精度一般较低，细分型驱动时较高高 矩频特性高速时，力矩下降快力矩特性好，特性较硬 过载特性过载时会失步可 310 倍过载（短时） 反馈方式的开环控制，也可以被连接到 编码器，以防止失步 闭环方式，编码器反馈 编码器类型光电旋转编码器（增量/绝对）旋转变压器型 旋转变压器型一般快 温升运行温度高一般 维护性基本可以免维护较好 价格低较高 所以考虑到这次设计的要求，为了在不影响工作精度条件下，我选择了步进电机。 表 3-3 步进电机计算列表 说明备注 无锡太湖学院学士学位论文 16 5 电机 选择 51 外部载荷所产生 的摩擦力锯 p T =9696式中轴)( 2 mN N Fal Tp MN a F 向载荷，=7284N NWFFa 切削力，7224N F 工作台总重量，1200N W N摩擦系数 0.05（滑动或滚珠） 导程，418mm l 续表 3-3 说明备注 5.2 预紧力产生的摩擦 力矩 D T MNmN lF T P D 30.1)(10 1 2 3 2 式中预紧力，1618N p F 导程，0.418m l 预紧滚珠杠副的效率（0.850.9） 5.3 支承轴承产生的摩 擦力矩 查阅轴承 样本 5.4 加速度产生的负荷 扭矩 j T 当电机转速从升至时: 1 n 2 n )(17803 60 )(2 21 mN t nn jT a j 当电机从静止升至时: max n max max 508 60 2 n t N jT a j 式中 j加在电机上的惯性矩，9720 2 mkg 电机最高转速，35 r/min max n 加速时间，2s a t 减震器铝合金缸筒双面扩绞专用机床进给系统和夹具设计 17 5.5 电机总扭矩 m T26532N.M bjDPm TTTTT 通常将限制在电机输出功率的 DP TT 10%30%左右，尤其是选用小电机时更要注意 11 5.6 进给系统的刚度 )/(mNK4321 11111 KKKKK 式中滚珠丝杠的轴向刚度， 1 KmN/ 螺母的轴向刚度， 2 KmN/ 支承轴承的轴向刚度， 3 KmN/ 所以步进电动机型号选择为0501350110BHBYG 3.8 传动系统的结构设计传动系统的结构设计 3.8.1 螺母螺母 螺母的工作原理是采用螺母和螺栓之间的摩擦力进行自锁的。但是在动载荷中这种 自锁的可靠性就会降低。在一些重要的场合我们就会采取一些防松措施，保证螺母锁紧 的可靠性。其中用锁紧螺母就是其中的一种防松措施。 锁紧螺母也有两种，一种是用两个一样的螺母拧在同一支螺栓上，在两个螺母之间 附 加一个拧紧力矩，使得螺栓连接可靠。 另一种是专用的防松螺母，需要和一种可以防松垫片一起使用。专用的防松螺母不 是六角螺母，而是一中圆螺母，在螺母的圆周上开有 6 个缺口，这六个缺口既是拧紧工 具的着力点，又是防松垫片卡口的卡入处。13 第二种防松方式比第一种更可靠，但是结构相对复杂。 这次设计我们选用第 2 种方案 3.8.2 活灵座活灵座 无锡太湖学院学士学位论文 18 图 3.2 活灵座 主轴箱上电机只带动主轴旋转，和进给运动无关联，所以我们用到了活灵座，起连 接丝杆与进给的桥梁。 活灵座固定丝杆的螺母，一头固定在滑台上，丝杆轴向固定，旋转时带动螺母和活 灵座再带动滑台，实现进给运动。 数据显示：长 90mm 宽 98mm 高 112mm 表面粗糙度为 0.8 3.8.3 轴承座轴承座 轴承座顾名思义就是轴承的支撑座。轴承座的作用是稳定轴承及其所连接的回转轴， 确保轴和轴承内圈平稳回转避免因承载回转引起的轴承扭动或跳动！螺孔是上轴承盖的。 减震器铝合金缸筒双面扩绞专用机床进给系统和夹具设计 19 图 3.3 轴承座 3.8.3.1 轴承轴承 滚动轴承的种类、类型及尺寸是多种多样的。为使机械装置发挥出预期的性能，选 择最适宜的轴承是非常关键的。选它，我们分析多个原因，从各种角度评审选择轴承的 条件，并无特殊规格，但一般顺序如下： (1)掌握机械物件和轴承的要求 (2)明确对轴承的使用环境 (3)选定轴承的类型 (4)选定轴承配置方式 (5)选定轴承尺寸 (6)选定轴承规格 (7)选定轴承的安装方法 3.8.3.2 轴承的使用条件与环境条件轴承的使用条件与环境条件 正确把握轴承在机械装置的使用部位及使用条件与环境条件是选择适宜轴承的前提。 为之，需要取得以下几个方面的数据和资料： (1)机械装置的功能与结构 (2)轴承的使用部位 (3)轴承负荷(大小、方向) 无锡太湖学院学士学位论文 20 (4)旋转速度 (5)振动、冲击 (6)轴承温度(周围温度、温升) (7)周围气氛(腐蚀性，清洁性，润滑性) 3.8.3.3 轴承配置方式的选择轴承配置方式的选择 通常，轴是以两个轴承在径向和轴向进行支撑的，此时，将一侧的轴承称为固定侧 轴承，它承受径向和轴向两种负荷，起固定轴与轴承箱之间的相对轴向位移的作用。将 另一侧称之为自由侧，仅承受径向负荷，轴向可以相对移动，以此解决因温度变化而产 生的轴的伸缩部题和安装轴承的间隔误差。 对于固定侧轴承，需选择可用滚动面在轴向移动(如圆柱滚子轴承)或以装配面移动 (如向心球轴承)的轴承。在比较短的轴上，固定侧与自由侧无甚别的情况下，使用只单向 固定轴向移动的轴承(如向心推力球轴承)。 3.8.3.4 轴承类型的选定轴承类型的选定 选择轴承类型时，全面掌握轴承的使用条件是至关重要的。下表列出了主要的分析 项目: 表 3-4 轴承类型选择应注意问题 分析项目作用选择方法 1)轴承的 安装空间 能容纳于轴承安装空 间内的轴承型 由于设计轴系时注重轴的刚性和强度，因此一般先确定轴 径，即轴承内径。但滚动轴承有多种尺寸系列和类型，应从中 选择最为合适的轴承类型。 2)负荷 轴承负荷的大小、方 向和性质轴承的负荷能力 用基本额定负荷表示，其 数值载于轴承尺寸表 轴承负载的变化，如负载的大小，是否只有径向负荷，轴 向负荷是单向的或双向的，所以振动或冲击的程度。在考虑这 些因素后，再选择最合适的轴承类型。一般来说，相同内径的 轴承的径向负荷能力按下列顺序：深沟球轴承 20 米/分钟。一般用于 这些孔的直径 25 孔的加工，特别是在应用程序中的多个大直径镗。 b.确定导向数量，选择导向参数 导向件的形状，内部结构的刚性工具，精密的加工和特定的情况下，应根据编号。 通常钻，扩，铰孔孔或单壁与小悬镗杆镗，扩，铰孔深度是不是一个大洞，选择一个单 加工为主。铰孔时，在工件施放时，加强工具导向，通常采取两种加工为主的刚性;离开 植树节限制长悬伸或扩，铰长孔的位置精度的工件时的内部结构高外，还应考虑一个长 单或双导向的外向型加工的布局。镗孔时或大型多系列薄壁工件同轴孔，具体的结构和 形状的工件提供双重引导或引导的过程。导向的主要参数包括：管直径和公差，导套长 度，导套和工件的端面的距离。必须强调的是，不扩，铰只相当无聊，只能用旋转方向 与固定导。实际使用中，扩，铰，也是相当沉闷的旋转引导面向固定的情况下使用。有 时，由于结构上的限制，在使用双取向或取向处理，以及固定和旋转面向混合使用的情 况。 还应当指出的是，使用的复合材料模具孔导向的引导，一定要检查到引导部分长度 L（LD，D-型直径） ，以防止的制导或导游长度不足的加工情况开始加工，凉亭。c.初 定主轴类型，尺寸，外伸长度和选择接杆 主轴型式主要取决于进给抗力和主轴-刀具系统结构上的需要。主轴尺寸规格应根据 选定的切削用量计算出切削扭矩 M，查表初定主轴直径 d，再综合考虑加工精度和具体工 作条件，根据表决定主轴外伸部分尺寸及配套的刀具接杆莫氏锥号，攻丝靠模规格代号 等5 4.4 工件夹紧工件夹紧方案确定方案确定 4.4.1 夹紧方向夹紧方向 减震器铝合金缸筒双面扩绞专用机床进给系统和夹具设计 31 图 4.5 零件夹紧示意图 4.4.2 夹紧部件夹紧部件 图 4.6 固定 V 型块 对其去毛刺，然后淬火 HRC 5662。 无锡太湖学院学士学位论文 32 锐角倒钝；倒角 1 45；然后调制、渗碳。 图 4.7 压杆 调制 HRC 3235； 未注倒角 1 45； 发黑。 减震器铝合金缸筒双面扩绞专用机床进给系统和夹具设计 33 图 4.8 拉杆 图 4.9 压紧块 压紧块为材料 pvc，防止出现压痕 图 4.10 斜契 无锡太湖学院学士学位论文 34 全部倒角 1 45；发黑。 图 4.11 活塞压紧块 本次设计中定位误差选用 V 型块，零件以 V 型块定位时工序定位误差 在机械零件的设计和制造中，一般应确定零件的设计基准，进而确定零件各尺寸； 在制造中，先根据零件的结构功能特殊处选取加工工艺路线、工序定位基准、余量等， 再行加工。工序的定位和及定位误差解析在计算零件设计和机械加工中起着至关重要的 作用。加工质量、和生产的成本直接与定位误差的确定有很大关系。通常设计师或工艺 师用经验判定定位误差的大小。 a.定位误差的基本概念及组成 定位误差是指采用调整法加工一批工件时，由于定位不准确而造成某一工序在工序 尺寸（通常指加工表面对工序基准的距离尺寸）或位置要求方面的加工误差。 jbjwdw （4.1） b.确定定位误差方法 分析工序基准的两个极端情况，然后根据相关公式和公差确定具体变动量。如图 减震器铝合金缸筒双面扩绞专用机床进给系统和夹具设计 35 12，两个极端情况：情况 1，使工序基准尽可能地“高”得加工尺寸； minmax 2,11dddd 情况 2， 使工序基准尽可能的“低”得加工尺寸。且该工序东位误差 maxmin 2,11dddd 1212)(PPHHHdw （4.2） H2 H1 O1 O2 P2 P1 1 2 图 4.12 按概念确定的定位误差 2/2)2/sin2/(1 2/)22(2(21 2/2)2/221()( minmax TdTd TdddOO ddOOHdw （4.3） 更为简单的情况 两个极端情况:情况 1， 使工序基准 A 获得最高)(Hdw max dd 点；情况 2， 时 A 获得最低点；两者之差即为该工序的定位误差。 min 2dd 设计夹紧机构一般应遵循以下主要原则： (1) 夹紧必须保证定位准确可靠，而不能破坏定位； (2) 工件和夹具变形必须在允许的范围内； (3) 必须有可靠的夹紧机构。有足够刚度和强度的夹紧机构各种元件，手动夹紧机 构必须保证能够自锁，机动夹紧应有联锁保护设备，有足够的夹紧行程； (4)夹紧机构操作必须安全，省力，方便，快捷，根据工人操作实践; (5)所述夹持机构的复杂性，程度的自动化和工厂的生产程序必须 气动夹紧装置采用空气作为夹紧装置的动力源。压缩空气具有粘度小，不污染，传 送分配方便的优点。缺点是夹紧力比液压夹紧小，一般压缩空气工作压力为 0.40.6MPa，结构尺寸较大，有排气噪音。 液压夹紧装置的工作原理和结构基本上与气动夹紧装置相似，它与气动夹紧装置相 比有下列优点: (1) 压力油工作压力可达 6MPa,因此液压缸尺寸小，不需增力机构，夹紧装置紧凑； 无锡太湖学院学士学位论文 36 (2) 压力油具有不可压缩性，因此夹紧装置刚度大，工作平稳可靠； (3) 液压夹紧装置噪声小。 其缺点是需要有一套供油装置，成本要相对高一些。因此适用于具有液压传动系统 的机床和切削力较大的场合。 本设计采用的是液压夹紧装置6。 4. 5 定位元件，夹紧元件的设计定位元件，夹紧元件的设计 由于定位元件的精度对工件的加工精度影响很大，所以在设计定位元件时，其材料 的选择和技术条件应有较高要求，定位元件与工件定位基准面或与夹具体接触或配合的 表面，一般不低于 IT8，常选 IT7 甚至 IT6 制造；定位元件工作表面粗糙度一般不应大于 Ra1.6 微米，常选 Ra0.8 和 Ra0.4 微米；采用调整法和修配法提高装配精度，以保证支承 钉和支承板的等高性以及夹具安装面的平行度或垂直度等要求；定位元件可选用 45、40Cr 等优质碳素结构钢或合金钢制造；或选用 T8、T10 等碳素工具钢制造，并经淬 火处理提高表面硬度及耐磨性；对于尺寸较大或装配时需要做定位销孔的定位元件，如 加紧力等负荷较大时可采用 20、20Cr 等低碳钢经渗碳并淬火后再磨制。 4.5.1 定位元件的设计定位元件的设计 工件以外圆柱面作定位基准时，根据外圆柱面的完整程度、加工要求和安装方式， 可以在 V 形块、定位套、半圆套及圆锥套中定位。其中最常用的是在 V 形块上定位。 根据工件与 V 形块的接触母线长度，固定式 V 形块可以分为短 V 形块和长 V 形块， 前者限制工件两个自由度，后者限制工件四个自由度。 V 形块定位的优点是：对中性好，即能使工件的定位基准轴线对中在 V 形块两斜 面的对称平面上，在左右方向上的不会发生偏移，且安装方便；应用范围较广。不论 定位基准是否经过加工，不论是完整的圆柱面还是局部圆弧面，都可采用 V 形块定位。 V 形块上两斜面间的夹角一般选用 60、90和 120，其中以 90应用最多。其典 型结构和尺寸均已标准化，设计时可查国家标准手册。V 形块的材料一般用 20 钢，渗碳 深 0.81.2mm，淬火硬度为 6064HBC。 工件以外圆柱表面定位有两种形式，一种是定心定位，另一种是支承定位。 (1) 定心定位 与工件以圆柱孔定心类似，用各种卡头或弹性筒夹代替心轴或柱销， 来定位和夹紧工件的外圆。有时也可以采用套筒和锥套来定位 (2) V 型块定位 工件外圆以 V 型块定位是最常见的定位方式之一，两斜面夹角有 60、90、120等，90V 型块使用最广泛，其定位精度和定位稳定性介于 60和 120V 型块之间，精度比 60V 型块高，稳定性比 120V 型块高。使用 V 型块定位的 优点是对中性好，可用于非完整外圆柱表面定位。V 型块有长短之分，长 V 型块限制 4 个自由度，其宽度 B 与圆柱直径 D 之比 B/D1，短 V 型块只能限制两个自由度，其宽 度有时仅 2mm。它们均已标准化，可以选用，特殊场合也可以自行设计。 本设计采用的是 V 型块定位的方式。 减震器铝合金缸筒双面扩绞专用机床进给系统和夹具设计 37 4.5.2 夹紧元件设计夹紧元件设计 在车床上用来加工工件内、外回转面及端面的夹具称为车床夹具。车床夹具多数安 装在主轴上；少数安装在床鞍或床身上。后一类属机床改装范畴，应用较少，不做介绍。 车床夹具按工件定位方式不同分为：定心式、角铁式和花盘式等。 (1).定心式车床夹具 在定心式车床夹具上，工件常以孔或外圆定位，夹具采用定心夹紧机构。 (2)角铁式车床夹具 在车床上加工壳体、支座、杠杆、接头等零件的回转端面时，由于零件形状较复杂， 难以装夹在通用卡盘上，因而须设计专用夹具。这种夹具的夹具体呈角铁状，故称其为 角铁式车床夹具。 (3)花盘式车床夹具 这类夹具的夹具体称花盘，上面开有若干个 T 形槽，安装定位元件、夹紧元件和分 度元件等辅助元件，可加工形状复杂工件的外圆和内孔。这类夹具不对称，要注意平衡。 7 4.6 夹紧力计算夹紧力计算 根据总体设计得 切削轴向力： NF6176mNM/70123 6543210KKKKKKKK （4.4） 取 2.538 . 1 0 . 10 . 10 . 115 . 1 0 . 12 . 1 )( 2 sin 2 sin 21 N RuRu KM WK 05 . 0 7 . 0 2 2 05. 07 . 0 2 2 701235 . 2 N2074707 （4.5） （4.6) )( 2 sin 2 sin 43 N uu KF WK f 7 . 0 2 2 7 . 0 2 2 61765 . 2 N9136 由图 NF F FF 2593984 1201502074707 120150 2 2 21 无锡太湖学院学士学位论文 38 图 4.13 夹具联系尺寸图 4.7 夹紧油缸设计夹紧油缸设计 4.7.1 液压缸的载荷组成与计算液压缸的载荷组成与计算 图 4.71 所示的液压缸的液压系统的组成部分的计算图的实施。由参考文献8，相 关参数标记在地图上，其中，fw 是在活塞杆上的外部负载的作用，FM 是在活塞与气缸壁 和活塞杆和导套之间的密封阻力。 在活塞杆上的外部负载的工作量纤维蛋白原，Ff 和轨面摩擦而产生的惯性力 Fa 的速 减震器铝合金缸筒双面扩绞专用机床进给系统和夹具设计 39 度变化的作用。 图 4.14 液压系统计算简图 一种常见的工作负载轴重力作用在活塞杆上，切削力，挤压力。的力的方向在活塞运动 的方向相同的方向为负，相反的是正 NFg6176 （1）导轨摩擦载荷 Ff 对于平导轨 对于 V 型导轨)(FnGuFf 2/sin/ )(FnGuFf （4.7） 式中 G运动部件所受的重力（N） ； Fn外载荷作用与导轨上的正压力（N） ； 摩擦系数，见表 1； Q235B 级是 20 度常温冲击; Q235C 级，是 0 度冲击; Q235D 水平是-20 度冲击。不同的温 度的影响，值的影响是不同的 Q235 各个级别的化学成份： Q235 分 A、B、C、D 四级(GB700-88) Q235A 级含 C0.140.22% Mn0.300.65 Si0.30 S0.050 P0.045 Q235B 级含 C0.120.20% Mn0.300.670 Si0.30 S0.045 P0.045 Q235C 级含 C0.18% Mn0.350.80 Si0.30 S0.040 P0.040 减震器铝合金缸筒双面扩绞专用机床进给系统和夹具设计 45 Q235D 级含 C0.17% Mn0.350.80 Si0.35 S0.040 P0.035 就其脱氧方法而言，可以采用 F,b,z 分别表示为沸腾钢、平镇静钢、镇静钢、沸腾钢 是脱氧不完全的钢，塑性和韧性较差。用这种材料制成的焊接结构，受动力载荷作用时 接头容易出现裂缝。不宜在低温下工作，有时会产生硬化现象。相比之下，镇静钢质优 而匀，塑性和韧性都好9。 Q235 的机械性能： 在板材里，是最普通的材质，属普板系列。过去的一种叫法为：A3。 执行标准：外部标准为：GB709，内部标准为：GB3274-88。 4.9 夹具的安装与调整夹具的安装与调整 4.9.1 安装安装 法一：在 V 形块和压紧块之间夹紧一个芯棒，芯棒的表面光洁度要高，且长度是 300 毫米，在芯棒下方处安装两个千分表，转动芯棒，表无变化，即可以进行安装。 方法二：在主轴箱两端安装千分表，绕芯棒一周，表无变化，可见芯棒与主轴箱同 轴度好，可进行安装。 4.9.2 调整调整 一 调整规格，用斜面 二 调整位置 同上在 V 形块和压紧块之间夹紧一个芯棒，并在两端导轨上安装千分 表，滑动导轨，千分表是否能达到轴端面，达到即可，达不到就进行调整。 4.9.3 夹具的可调节性夹具的可调节性 通过固定 V 形块的上下位置调整，使得夹具可夹取不同规格的工件。 调整范围在 0-16mm 之间，不得超过 16mm。 无锡太湖学院学士学位论文 46 5 5 总结与展望总结与展望 时光荏苒，毕业设计也接近了尾声。经过几个月的战斗，我的毕业设计终于结束了。 在没有接受论文题目以前觉得毕业设计只是对几年来所学东西的简单总结，但是经过这 次做毕业设计发现毕业设计不仅是对以前所学的知识的一种检验，而且也是对自己能力 的一种提高。 这次毕业设计要求设计双工位钻床，是一次非常好的演练机会。尽管我们 对专业知识的掌握还不够透彻，我们仍然希望通过自己的努力完成设计并希望有所突破。 下面就对我们这次设计的过程做个简单的小结： 第一，课题分析。在接到毕业设计题目后，我认真翻阅了指导老师提供的资料，对 课题进行了深刻的分析，并向老师请教了设计中的一些要点及难点。 第二，总体设计。在对课题进行仔细分析以后，我和廖成威概括出了这次设计的大 体框架，并将设计划分成了若干模块，由我们分别完成。 第三，资料整理。我的任务是夹具和进给设计，通过书籍、互联网等途径积极查阅 资料，并与廖成威进行资源共享，以达到最大的资源利用率及工作效率。 第四，课题实现。在资料准备充分后，大家开始着手论文的撰写，大家精诚协作、 共同探讨，充分体现出了团结精神。过程中，大家也越到不少问题，通过一起讨论、请 教老师、以及翻阅资料等方式将问题一一解决。 第五，论文整理。在我们完成了各自的模块以后，一起将论文进行了整合，并整理 成册。 我们这次的设计大体过程就是这样。在此，要感谢我们的指导老师张大俊老师对我 们的悉心指导，给予了我们很大的帮助。通过这次的毕业设计，我们对机械设计过程有 了一定的了解，大家充分的将所学理论知识运用到了实践当中。我们通过查阅资料、跟 其他小组探讨、以及请教老师等方式学到了不少东西，虽然经历了一些困难，但同样收 获巨大。这次设计不仅提升了大家的业务能力，也加强了我们的团队意识，对我们以后 的工作有非常大的帮助。虽然这个方案做的还不够专业，但是在设计过程中所学到的东 西是这次毕业设计的最大收获和财富，将使我们终身受益。 减震器铝合金缸筒双面扩绞专用机床进给系统和夹具设计 47 致致 谢谢 大四最后的半学期，我们进行了大学的毕业设计，既为了考察我们在大学时期的学 习进度，同时由为我们的知识进行了一次温故而知新。 在这短暂的几个月中，我感到非常充实，期间我们多次到工厂见习，得到了丰富的 实践知识，这离不开张大骏老师与同学的共同团结合作。在做毕业设计的过程中，由于 专业知识的不扎实我遇到了各种各样的问题，有时候觉得不可能完成，但是在同学老师 的鼓励下，我坚持了下来，回首以前的日子感觉到了温暖，是他们让我走过了一步又一 步。毕业设计结束了，留下了看的见的，看不见的，厚厚的图纸，丰富的见识。我想在 此再次感谢各位同学，尤其是张大骏老师，感谢你们的热情无私的帮助，同时我也想感 谢自己，功夫不负有心人。 感谢张大俊老师。 无锡太湖学院学士学位论文 48 参考文献参考文献 1 卢秀春，李凤云. 组合机床设计M. 上海科学技术出版社，1985 年：108-119. 2 杜华，王敏. 机械工程手册M. 机械工业出版社，1999 年：89-97. 3 单东升，孔详东. 组合机床及其自动线的使用与调整M. 劳动人事出版社，1988 年：132-143. 4 金贺荣. 金属切削机床设计M .机械工业出版社，1986 年：67-84. 5 韩雪艳，梁孝敏，王树春. 工程材料M. 东南大学出版社，1999 年：154-1 61. 6 马恩. 液压与气压传动M. 机械工业出版社，1999 年：134-143. 7 冯辛安，黄玉美，关慧贞. 机械制造装备设计M. 机械工业出版社，1999 年：88-96. 8 孙桓，陈作模，葛文杰. 机械设计M. 北京理工大学出版社，2005 年：124-135. 9 黄虹. 金属加工工艺及工装设计
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