凸轮轴抛光机床的设计讲解

济源职业技术学院毕 业 设 计题目 凸轮轴抛光机床的设计系 别机电系专业 机电一体化技术班级 机电0407姓 名学号 200402235指导教师日期 2008 年11月济源职业技术学院毕业设计设计任务书设计题目凸轮轴抛光机床的设计设计要求：1、抛光在现代加工工艺中的重要性减速器轴类的设计。2、使工件与工艺分析。3、确定机床主要技术参数。4、机床的总体布局。5、液压系统的设计。设计进度：第一周：确定并上交毕业设计题目；第二周：查找资料，相关内容的分析；第三周：电子稿的初步整理，零件图草图的绘制；第四周：修改内容，继续整理电子稿，零件图电子稿完成;第五周：对电子稿中出现的问题进一步更改、设计；第六周：毕业设计上交电子稿。第七周：打印电子稿。第八周：答辩。指导教师（签名）I济源职业技术学院毕业设计摘要抛光是一种应用广泛的磨料加工方法， 金属及非金属材料制品，精密机电产 品，日常生活用品，均采用抛光加工来提高表面质量。抛光工序在现代加工工艺中的重要性是由抛光自身的特点及零件要求的表 面质量的日益提高决定的。它是对零件表面进行的光饰加工， 主要的目的是去除 上道工序的加工痕迹，如到痕、戈旺除麻点、尖棱、毛刺等，改善零件表面粗糙 度，获得光亮平整的加工表面，增加美观，提高工件的抗疲劳和抗腐蚀的性能。经抛光的的零件表面粗糙度一般可以达到 Ra0.4vm,止匕外，抛光还可以作为一道中间加工工序，为油漆、电镀等后道工序提供油 膜、镀层附着能力强的表面。本毕业设计所设计的凸轮轴抛光机床， 采用能克服传统“靠模”抛光引起的 升程和回程表面接触力不相等及需严格的工件和靠模转动同步等缺陷的“抱抛” 抛光原理，利用模块化的设计方法将凸轮轴抛光机床分主轴箱、抱抛装置、床身、尾架、底座和溜板六大模块，且各模块采用独立的动力源。在整个机床的设计中 需解决的两个关键技术问题为：(1)保持抱抛机构两抛光轮对凸轮表面的径向作用力的恒定。(2)伴随工件的转动，抛光轮的运动控制。为解决这两个问题，在设计中采用了包压随动液压系统。至于其它模块的设 计则根据需要和具体设计情况，采用类比C6140普通车床的有关尺寸进行变型设 计，如床身的设计等。关键词：光饰加工，抱抛装置，靠模II济源职业技术学院毕业设计目录摘 要 II1引言61.1 抛光在现代加工工艺中的重要性 61.2 抛光的分类 61.3 国内外凸轮轴抛光机床的发展现状 61.4 本次所设计抛光机的特点及有关说明 错误！未定义书签。2使工件与工艺分析 82.1 确定工艺方案 82.2 拟定夹具方案 112.3 拟定砂带抛光装置的结构方案 123确定机床主要技术参数 153.1 确定主参数 153.2 其他参数的确定 154机床的总体布局 194.1 运动的分配 194.2 机床的传动形式 194.3 机床的支承形式 194.4 机床总联系尺寸图 205液压系统的设计 215.1 工况分析 215.2 拟订液压系统工作原理图 275.3 液压元件的选择与计算 275.4 系统性能验算325.5 系统的可行性验证 345.6 支撑件及导轨设计35致谢36参考文献 37济源职业技术学院毕业论文意见表 38专科阶段的毕业设计是大学三年学习的最后一个教学环节，是实现工科大学生培养目 标的实践性、综合性教学的必经环节；是实现教学、科研、工程实践的重要结合点；是我 们毕业生作为一名专门的技术性人才第一次也是本科阶段的最后一次比较全面地接受检 验的机会。它不但能较好地反映我们在整个大学学习期间的基础理论、专业知识和基本技 能的掌握情况，还有助于我们提高分析问题和解决问题的能力，全面提高我们的素质，为 即将走向生产和科研岗位打下良好的基础。因而，对于每一个即将毕业的毕业生来说有着 非常大的重要性。在本次毕业设计中，我所选的设计题目为一一凸轮轴抛光机床的设计(总体设计)。难度应属于中等，能从各个方面综合考查大学三年所学过的专业知识，能代表系统机械选型 设计的一般过程。由于设计题目与焦作市中原轴件厂生产实践挂钩，实践性较强。本毕业设计所设计的凸轮轴抛光机床，采用能克服传统“靠模”抛光引起的升程和回 程表面接触力不相等及需严格的工件和靠模转动同步等缺陷的“抱抛”抛光原理，利用模 块化的设计方法将凸轮轴抛光机床分主轴箱、抱抛装置、床身、尾架、底座和溜板六大模 块，且各模块采用独立的动力源。在整个机床的设计中需解决的两个关键技术问题为：(1)保持抱抛机构两抛光轮对凸轮表面的径向作用力的恒定。(2)伴随工件的转动，抛光轮的运动控制。为解决这两个问题，在设计中采用了包压随动液压系统。至于其它模块的设计则根据 需要和具体设计情况，采用类比 C6140普通车床的有关尺寸进行变型设计，如床身的设计 等。限于我自身的设计水平及实践工作经验的相对欠缺，本次设计中难免有疏漏或不恰当 之处。恳请各位老师和翻阅者给以指正。211引言1.1 抛光在现代加工工艺中的重要性抛光是一种应用广泛的磨料加工方法，金属及非金属材料制品，精密机电产品，日常 生活用品，均采用抛光加工来提高表面质量。抛光工序在现代加工工艺中的重要性是由抛光自身的特点及零件要求的表面质量的日 益提高决定的。它是对零件表面进行的光饰加工，主要的目的是去除上道工序的加工痕迹， 如到痕、戈旺除麻点、尖棱、毛刺等，改善零件表面粗糙度，获得光亮平整的加工表面， 增加美观，提高工件的抗疲劳和抗腐蚀的性能。经抛光的的零件表面粗糙度一般可以达到 Ra0.4vmb止匕外，抛光还可以作为一道中间加工工序，为油漆、电镀等后道工序提供油膜、镀层 附着能力强的表面。1.2 抛光的分类抛光一般可以分为柔性机械抛光、机械化学抛光、电化学抛光和磁化学抛光等。在日 常的加工中常用的是柔性机械抛光，它包括轮式抛光、带式抛光、盘式抛光和滚筒抛光等。 而本论文所采用的是带式抛光。1.3 国内外凸轮轴抛光机床的发展现状在国内过去的二十年间，我国的传统制造业中一般采用砂轮磨削或手工抛磨来完成抛 磨工序，技术含量、自动化程度和加工精度都较低。在八十年代初到九十年代初的十年中， 砂带磨削抛光工艺引起了我国大专院校和科研所及企业界的极大关注，他们发表了相当数 量的试验报告及论文。但由于对砂带磨削工艺特性的了解不够、砂带质量、品种及规格不 能满足生产需求、砂带磨床品种太少等原因，导致在国内的砂带热没持续几年就沉寂下来 了。近年来，砂带抛光机床稍有回头，一般加工工艺范围小，品种少，应用范围小，主要 应用于棒料、平面等简单型面的加工，而用于凸轮轴抛光的有到目前为止只有B6006砂带抛光机床。在国外，最早的凸轮轴砂带磨削机床已于 1978年在米兰展出，但并没马上获得成功 而近年来对凸轮轴的研究与应用以美国尤为突出，制造出了多砂带凸轮磨削抛光机床，并成功地应用于汽车的加工中2.使工件与工艺分析首先，我们得对凸轮轴有个初步的了解，通常凸轮轴的材料为铸铁或合金钢，铸造的 凸轮轴一般经过铸造、硬化（有的是在铸造时采用冷激铸铁，组织是白口铁）、磨削、抛光。钢制的凸轮轴在磨削、淬硬和抛光前，其毛胚是锻造的，或者用棒料粗加工成形的。 而加工凸轮轴的抛光工序通常为加工工艺的最后一道工序，且加工余量很小。由于此机床专为凸轮轴的抛光工序设计，具有较强的针对性，因此属于专用机床的设 计的范围。同时由于凸轮轴上凸轮的独特曲面特性，应采用与之相适应的加工方法来对其 进行加工，其具体的分析如下。2.1 确定工艺方案为了在满足加工要求的前提下采用较优的加工方案，我们在确定加工方案时得注重考 虑以下的几个问题：首先，抛光的目的是获得较高的表面质量，但评价抛光机床的抛光质量有这样两方面 的内容：一方面是机床应保证工件抛光后的最终尺寸精度，保证这些部位抛光前各道工序 所获得的形状、位置精度，这是抛光质量的先决条件；另一方面是抛光后的表面粗糙度。 对于一般的圆柱工件来说，保证尺寸公差是较容易的，因为工序中为抛光工序留有适当的 抛光余量，而这些抛光余量则可根据抛削量制定。其次，我们得考虑的是被加工工件的表面形状，对于我们现有的特定加工对象一一凸 轮轴而言，各凸轮的曲面为凹或为凸及各凸轮的相对转角（如图 2.1所示）及近年来对加 工表面质量的要求日趋提高和机床应具备一定的加工工艺范围等，在很大程度上决定了我 们所采用加工机床、刀具、抛光装置，为了在机床设计中实现成本、效率、结构、技术熟 练成度要求等的优化设计，现在可对以下的几种加工方案进行分析对比，择优采用符合生 产实际的加工方案。图2.1 四缺凸轮轴端面视图2.1.1 第一种方案，采用砂轮磨床进行抛光在此方案中，可采用较高的砂轮和工件的相对转动速度，可进行较大的磨削进给量， 获得较大的金属切除率，同时若采用小磨粒的砂轮，也可获得较高的表面质量和较低的表 面粗糙度，但若用在凸轮轴加工中，则将主要存在以下的三个问题：（1）工作节拍由于凸轮轮廓复杂，精度要求高，而且同一凸轮轴上各个凸轮之间有严格的相位要求， 这在前面的图2-1可以看到。从其表面曲线来看，凸轮轴上的凸轮曲线由基圆部分和工作 段部分组成，而工作段部分则由开放曲线、凸尖、关闭曲线组成（如图 2.2 ）0为了保证阀 门开关运动平稳要求。这些曲线的设计有专门的要求。对于凸轮的设计者要要仔细分析凸 轮的轮廓、升程值及其一阶导数（速度）和二阶导数（加速度），有时还得分析三阶导数（加速度的变化），此外，吸气凸轮与排气凸轮在外形轮廓上稍有不同。还有，为实现发 动机气缸的正确点火周期，每个凸轮的相位角是不同地安置的，由于这些原因会导致砂轮 进进给控制非常的困难，难以保证加工凸轮的加工精度。同时其灵活性小，若对四缸或六 缸的凸轮轴进行加工，则需配备10-14套抛光装置，或者配备一个可编程的控制系统来控 制砂轮的进给运动，这样都会导致设计的机床相当复杂。（2）烧伤烧伤另一有关的是磨削凸轮轴凸轮的表面质量。显然，金属切除率是直接正比于砂轮 与凸轮的相对周边速度。由于凸轮的基圆部分和工作段部分的周边速度不一样，因而凸轮图2.2凸轮磨削曲线1 .凸尖2.基圆曲线 3.回程曲线 4.升程曲线各部分的金属切除率不相同，从而由磨削过程中产生的塑性变形而产生的热量相应增多， 其热量的大部分积聚在工件的表面而导致表面局部烧伤。(3)凹入的凸轮轮廓这样的凸轮轴砂轮磨床的前瞻性不好，适应性有限，对于凹入的凸轮没法加工，或者 说加工成本很高，可采用小直径的 CBN加工，但由于其经济问题在大规模生产中是无法 推广的。近年来，凹入的凸轮已经被发动机设计者感兴趣，其凸轮曲线在开放曲线和关闭 曲线处的曲率是负值，在这种廓形中，以凹曲线代替直的或凸的曲线。这样的凸轮在工作 中比现在的凸轮能更快的开关阀门，这样燃烧更完全，输出的马力更大。当然在以上的三个问题中对于针对中轴厂的中小规模的生产类型及现有的生产加工 条件，按照结构简单、重量轻、效率高、成本低、操作方便简单等机床设计原则。第一个 问题，即凸轮轴的工作节拍是我们面临的最为关键的问题，若采用与凸轮轴转动同步的控 制系统来实现，具较高的技术难度和成本，致使此种方案的可行性较小。2.1.2第二种方案，采用砂带抛光机床进行抛光砂带抛光是根据工件形状，用相应的接触方式及高速运动的砂带对工件进行磨削抛光 的一种新工艺。在过去的五、六十年里，砂带磨削作为一种新工艺，在像塑料、皮革、不 锈钢、陶瓷等表面要求较高而又特别难加工的金属和非金属材料。在现代工业中，砂带磨 削抛光技术以其独具的加工特点被视为一种很重要的加工方法。国外有专家曾把砂带磨床 比做“未来的巨人”加以评述。下面将对砂带磨削抛光的有关原理及其特点加以分析。(1)砂带磨削抛光原理实现砂带磨削加工的主要方法有：砂带自由张紧法、带有接触轮的转动砂带法和接触 板法。最常用的是带有接触轮的转动砂带法。如图 2.3所示根据工件形状和加工要求，以相应的接触方式和适当的磨削参数对工件进行磨削加工 或抛光。图2.3抛光原理图2.2拟定夹具方案对于特定的加工工件，下面以中原轴件厂提供的六缸凸轮轴为例，如图 2.4所示，此 六缸凸轮轴中的加工表面为1中的十二个进排气凸轮面2中的六个凸轮轴轴颈和3中的两 个滚子轴承端面，同时还可从图中可看到凸轮轴的两端有两个圆柱。两个端面孔和轴的右端的专为装夹预留的部分，从而我们可采用三爪卡盘加尾架的定 位方式来完成夹紧、定位。这其中的三爪卡盘具有自动定心的功能，因此在此装置中只需 保证主轴和尾架顶锥的同轴度即可保证加工工件的同轴度，如图 2.5所示。图2.4六缸凸轮轴1.十二个进排气凸轮2.六个凸轮轴轴颈3.端面轴径由皿皿皿口zoO：DD1口图2.5凸轮轴的装夹示意图2.3拟定砂带抛光装置的结构方案2.3.1 国内外砂带抛光机现状及分析从六十年代起，用于国产汽车发动机凸轮轴的砂带抛光机床一直采用“靠模顶抛”式 结构，如图2-6所示，其工作原理是：用一个与被加工工件形状、尺寸相同的零件做靠模， 靠模与工件之间用连杆联接着，连杆靠近工件的一端装有抛光爪，抛光砂带由传送装置送 到工件与抛光爪之间，抛光爪使砂带贴在工件表面上，连杆的另一端安装仿形滚轮。连杆 在弹簧力作用下使滚轮紧靠着靠模。当靠模与工件同步旋转时，通过连杆，抛光爪即沿工 件做仿形运动，砂带即把工件表面抛光。使用此类机床必须保证以下两点：第一，在安装 工件时，应使工件表面的某一点 Af靠模对应的某一点A在同一平面内，且角度与位置相 同。第二，抛光时工件与靠模必须保持严格地同步旋转。在实际工作中，传动误差与安装 误差总是存在的，这些误差使得工件凸轮曲线在各点的极座标值与靠模对应点的极座标值 不一致，最终导致抛光时砂带与工件表面接触力不稳定，影响了抛光质量。“靠模顶抛” 式砂带抛光机的另一缺点是：连杆尺寸大，质量也大，运动时会产生较大的动员，特别当 连杆的两端靠近凸轮尖端部位的升回程表面时，连杆将获得最大的动量变化值，使凸轮图2.6靠模顶抛示意图1.弹簧2.滚轮3.靠模4.连杆5.砂带6.工件7.抛光爪开、回程表面的抛光压力不均匀，因而影响抛光质量.即当抛光爪处于凸轮回程面时，较 大的连杆动量值由于惯性的作用，迫使抛光爪离开凸轮表面或者抛光爪之间的压力降低， 也就是砂带与工件表面脱离接触或压力降低，而当抛光爪处在凸轮的升程面时，连杆运动 产生的惯性力与弹簧力方向一致，增加了抛光爪作用在位抛光表面的压力。因此，在抛光 过程中作用力大小不一致，使得抛光质量不如人意。为了克服“靠模顶抛”式砂带抛光机的缺点，国际上各主要汽车生产国使用的砂带抛 光机床普遍采用“抱抛”式抛光头，且由 PLC4行控制，具结构如图2.7所示。从图中可以看到，工件每一个抛光面都有一对抛光爪，平时是撑开的，工作时两个抛 光爪将工件“抱”住，砂带从两个抛光爪内穿过，再与工件表面接触，工件每旋转一周， 砂带两次抛削工件表面，工作效率是“靠模顶抛”结构的两倍。“抱抛”结构在工作时， 两个抛光爪作用在工件上的力大小相等、方向相反，不但使凸轮开、回程表面的抛光质量 均匀一致而且使机床主轴和尾架不受径向力，从而提高了机床的使用寿命。图2.7 “抱抛”机构图1.气缸2.新砂带3.过砂带装置 4.废砂带5.抛光头6.工件“抱抛式”抛光头没有靠模和连杆，结构尺寸小，重量轻，动量惯性小，每个抛光头 都配有一个砂带卡盘，更换砂带方便。图2.8改造的“抱抛”结构示意图1 .主动轮2.摆动液压缸3.张紧轮4.抛光头5.钱链传动机构6.辅助轮7.砂带8.加工工件3.确定机床主要技术参数由于此机床专为凸轮轴的抛光工序而设计，同时又具有一定的可调节性，因此也可定 义为可调凸轮轴抛光专用机床。下面将确定其主要技术参数如下。3.1 确定主参数由于本次设计的机床为针对具体的凸轮轴而设计，因此我们的主参数和基本参数的选 定可根据给定的加工工件尺寸（最大直径 父最大长度为52.5mm 837mm和我们所设计的机 床形式（卧式）相结合，利用相似类比的方法参照机床设计手册 3部件、机构及其总 体设计将其设计所需的主参数如表3-1如下：表3-1床身上最大工件回转直径D（mm）500抛光机构上的最大工件回转直径D1 （mrm100最大工件长度L10003.2 其他参数的确定3.2.1 确定主轴的转速由于本机床为特定工件的特定工序而设计的专用机床，其凸轮在径向上的变动不大。同时考虑到砂带加工机床的工件转速一般取020m/min的转速及实际凸轮表面质量的要求不是太高，其表面粗糙度R#勺取值为0.412.5um。因此可根据下面的公式：1000 vn = 叼（转/分）（3-1）式中：。选定的切削速度（米/分）；d 刀具直径或工件直径（毫米）；在这里选取020m/min的中间值15m/min的转速和工件的变化范围为 30100mm 确定主轴的转速N的变化范围，进而初步确定一适当的主轴转速值。在 一定的情况下可获得主轴的极限转速。当d取小值30mm寸可得最大极限转速:1000 15nmax=兀父30 =159.2 (转/分)当d取100mm寸，则可获得最小极限转速:1000 1547.730100mnrt的转速u ,由nmin = n x100(转/分)因此，可初步取其中间值n =64转/分来验算工件直径在公式（3-1 ）可得工件切削速度v :u =1000(m/min)(3-2)当d取小值30mm寸可得最低工件切削速度:n 二 d100064 3.14 30 :6.010 0 02 8(m/min)当d取大值100mm寸可得最高工件切削速度: maxn 二 d100064 3.14 1001000=20 .096(m/min)由于中原轴件厂提供的凸轮轴在直径方向上的变化范围为4480mm为使给定的凸轮轴（最大直径父最大长度为52.5mm837mm即六缸发动机凸轮轴）加工时能处于最佳的加工状态，即1520m/min。因此，最终取主轴转速为n主轴二60转/分。3.2.2 确定切削数据切削力由于对于砂带的磨削抛光中的受力分析和计算公式，到目前为止还没有一套具体的计 算公式，因此只能采用参照的方法，取径向方向上的最大分力Fn =100N（因为在砂带机床中一般取50300N ,同时又考虑到此机床为半精加工的精密抛光，所以为得到较好的抛光表面粗糙度取较小一点的值100）。对于其切向分力FJ最大值通常取径向分力的一半，这将按最大值来取值，故抛光的最大切向分力F =50N切削用量同上的分析类同，由于无法在理论上计算出砂带接触轮的纵向进给量，而只能在生产 实际中根据具体的生产实际调节液压系统的压力值，即可调节接触轮的径向压力，进而得 到加工所需的各个纵向进给量和所需的各个表面粗糙度值。同理，机床的横向进给为手动调节，因而无需确定，在生产中根据实际需要手动调节 即可。3.2.3 确定主运动电动机的功率现采用计算法为了不使电动机在工作时出现电动机经常处于低负荷工作状态而造成浪费，或者电动 机经常处于超负荷状态而导致电机或电气元件的烧坏（为主要考虑因素） 初步确定主电动机的功率。一般来说，机床主电动机的功率(3-3)N = N切+ N空+ N附式中：N切消耗与切削的功率，又称为有效功率（千瓦）N空空载功率（千瓦）；N附载荷附加功率（千瓦）。对于砂带磨削抛光机床可按磨床来计算其切削功率PZ (3-3a)N 切=6120Pz式中：一切削力的切向分量（公斤力），这里由于抛光时主要承受径向压力，Pz且径向力一般为50200n ,所以这里可取较大值=10公斤力（按通常切向力一般取径向力的一半的经验方法）来验算；。一切削速度（米/分）。这里取最佳切削速度15米/分。10 15N 切=0.02456120（千瓦）而计算载荷附加功率的公式为：N切N附=考N切(3-3b)式中：N附一一载荷附加功率（千瓦）；三主传动链的机械效率。将式（3-3b）代入（3-3）得：N切N= ? +N空（3-3c）此时，式（3-3c）中的N空为主要消耗功率的元素，但又无法在实际的机床中测得，故只能按相似类比的方法，类比于机床C A 6140来初步拟定为1.5 KW。同时又因为机床的主运动为回转运动，因而取较大一点的效率值床=0.80,代入式(3-3d)中得:N = N切十 N 空=0.0245+1.5=1.531 （千瓦） 月床0.80因此电机的额定功率：N 额定=（3-3d）k对连续工作的机床，取k为1.0 ,则N额定二二生1：?千瓦）k 1.0最后，由于本机床在设计时采用模块化设计的方法，为给机床功能改造和将来的扩展 留有一定的预留功率，因此在这选用 2.2 KW的主电动机。3.2.4确定砂带抛光装置电动机的功率由于具体的砂带抛光机构的具体尺寸和偏角需在抛光机构设计完后，才能进行较为精 确的计算。现在只能参考取值，参照机床液压中的宁波高等专科学校机械工程系的陈 廉涛和俞利锋的论文“砂带磨削及机床设计”（315010）主传动装置白取值范围（0.30.7kw/10mm,按宽度取），取小值0.3进行计算。同时我们所需抛光的圆面和凸轮面的最 大宽度值为30mm因此所需电动机功率为P=0.3*30/10=0.9 kw查中国矿业大学出版社出版的吴相宪等主编的实用机械设计手册p163页表11-1 ,选Y90S-4型号的电动机，具额定功率为1.1kw,满载转速为1420r/min4.机床的总体布局4.1 运动的分配从第一节的分析我们知道在砂带抛光机中所需的运动为工件与砂带的相对转动和抛 光装置中的抛光头相对工件的径向方向上的运动。根据机床设计的小件承担运动的原则及砂带抛光机床中的工件与砂带的相对运动特 性和抛光装置中抛光头的特殊运动形式，决定采用以下的运动分配形式：即工件承担相对 于砂带运动方向反方向的转动运动，此运动从主轴箱的主轴获得；砂带做相对于工件转动 反方向的独立运动，此运动由单独的动力源供给（主要原因是可简化机床的运动传动系统, 从而简化机床）；抛光头的特殊路线的运动，则由恒压的液压系统提供恒定的外力伴随工 件的转动而自动随动完成。具运动的分配如上页图 4.1所示。图4.1抛光机床的运动分配示意图4.2 机床的传动形式在此机床的设计中，由于主运动和进给运动间没有严格的传动比要求，及各模块单独 的动力源设计。因此，机床的传动形式为机床主轴箱的齿轮机械传动、抛光装置中的恒压 系统中的液压传动、主电动机与主轴箱及砂带与各传动轮的带传动。4.3 机床的支承形式在机床的常用支承件一床身、底座、立柱、横梁、横臂等的使用中，或单独使用，或组合使用。具支承形式主要有以下的五种形式：1、“一”形（一字形）支承。2、F”形（柱形）支承。3、形（倒丁字形）支承。4、 “匚”形（槽形）支承。5、“口”形（框形）支承。由于凸轮轴一般都为杆件，所以通常可采用“一”形（一字形）支承和”形（柱 形）支承，但为了操作时装夹方便、简化机床等决定采用“一”形（一字形）支承的机床, 也可称之为卧式抛光机床，具示意图如图 4.2所示：图4.2机床支承示意图4.4机床总联系尺寸图图4.3机床联系尺寸图则液压缸的输出功率为N = F h =320 0.031 =9.92(W)5.液压系统的设计5.1 工况分析为了能够设计一个合理的、实用的液压系统，必须进行工况分析，以明确机构在运动 过程中的运动规律和负载的大小及其变化规律。凸轮轴抛光机机床的液压系统主要是为抛 光机在抛光工件时，能随工件的转动提供一个理想恒定的随动工作压力。下面将对机构进 行运动分析和负载的分析以便确定所设计的液压系统的主要参数。5.1.1 运动分析由于凸轮轴的加工过程是一个连续不断的变化过程，现在讨论的是液压系统设计所需 的负载，及负载的变化程度。现将以中轴提供的六缸凸轮轴（注：此轴的加工部位的形状 为圆面和凸轮面，圆的直径为 80mm凸轮的尺寸为：长轴父短轴为51.6mm父44mm（排气 凸轮）、SOImmM4mm（吸气凸轮），因而在抛光加工前的凸轮尺寸大概为 52mm 45mm为 主，选定其加工运动过程中的两个极限位置（两抛光接触轮间的最近位置44mrnffi接触的最远位置52mm进行分析。其示意分析图如图 5.1 o从图5-1上可以看到，在凸轮轴运动的两个极限位置上（只取了抛光装置的一边进行 分析，因为抛光机构基本成对称分布，其运动规律和受力情况基本一致，只是时间上的先 后差别），抛光机构上的杆件和接触轮整体转动一定的角度，并在垂直方向上与初始位置 有一定的高度差。在这为方便分析起见，在这两个取定的特殊位置上，假定1位置为初始位置，这样当凸轮轴上的凸轮部分转到 2位置的过程中，杆件cef及接触轮a将整体绕点 e顺时针方向偏转一偏角N dec,又杆件ad和杆件def为固定连接，因而其偏转角与杆 ad 相同，即图5.1运动位置分析示意图dec= aeb这里由于凸轮在长度上的差值此时为最大(但在水平方向上不到7mm因为接触轮与凸轮表面在抛光过程中始终相切，此时由于接触轮绕e点的转动，因而会导致凸轮和接触轮的相切点并不绝对的在水平方向上，而是有小角度的偏移，约等于2aeb的值)，因而整个机构的往外偏转的程度为最大。在凸轮轴的加工过程中只需考虑其凸轮轴在水平和垂直 方向上的力的大小及变化，即可初步拟订液压缸的额定压强的要求。5.1.2 负载分析(a)机构在理想状态下受力情况及其变化情况进行分析如下： 在1位置时。此时接触轮与凸轮的转动中心线所组成的平面与水平面的夹角为0度，凸轮的径向力为100N ,因而作用在c点杆件上的反作用 力F2=100N其受力图如图5-2所示。从上图可以看出，力F2给与杆件一个相对于转动点 e的顺时针方向的转矩 M2=100*220/1000=22N/m济源职业技术学院毕业设计F-= =10O图5.2位置受力分析图因而，液压缸得相应的给予一个相对于转动点e的逆时针方向的转矩 M1,并使得M1=M2又ef的长度为10 0 mm因而力F1=M1/Lef =22/0.1=220N、在2位置时。此时接触轮与凸轮转动中心所组成的平面与水平面方向有一定的火 角，因而点c处的力的方向与水平方向也有一定的夹角，从而水平方向上的分力将发生变化，成变小的趋势。下图为2位置时受力分析图和位置示意图如5.3a所示。在这两图中，/1为/ hig=/1g , /2为/ abo,此时仍然假定液压缸的推力为22 0 N,即图6-3b中的力Fb= 2 2 0 N,由图6-3a可以知道 Zaeb/ aob,又/ aob的 角度值很小，趋近于零，所以可以近似地认为/ aeb= /aob。由于/ dab也较小，因而可 认为线段ab的长度为7mm则ab2/aeb=2arsin。220 父 220 +50 父50 =8。所以/ aob= / aeb=1.8 ,这里假定/ 17 2=1.8 0来估算力Fd及力Fc的大小及变 化。由5-3b图5.3b位置受力分析图可知： Fb=220 N, WJ F3=100 NFd=F3 Mcos/2=100Mcos1.8=99.95 NFc=F3 xsin /2 =100 51.8=3.14 N因而在水平方向上 F=F2-Fd=100-99.95=0.05 N在垂直方向上F=0-3.14=-3.14 N由于其值都很小，因而在水平方向和垂直方向上基本可以看作是恒定的工作压力（水 0.05平方向仅为/100,而垂直方向相对与工件的自重则更是微乎其微了）因此，在不考虑自身重力的理想状态下，液压缸应提供的力F理想应为：院里想二220 N但由于抛光装置是横置的，同时杆件和活塞皆为有一定质量的元件，因而还的考虑其 重力的影响。(b)、考虑重力状态下的受力分析由于抛光机构为横置，故杆件的两端重力差将产生的一定方向的转矩，现在对起机构的重力分布情况进行了初步的估算，其大致情况如图5.4所示：图5.4受力分析图1.杆件左端2.杆件右端3.接触轮4.两导向轮设G1作用点到e的距离为ef/2=50mm； G2作用点到e的距离为右边长度的一半，即为150mm所有构件皆按铸铁材料来计算，此时 P=7.9g/ cm3;而3轮的尺寸直径又厚度 为60mm50mm4、5轮的尺寸直径M厚度为40mm 30mmi肖的尺寸直径尺长度为10mm 50mm 因此左边的质量m1= Pv1=7.9M (10父 20M 100) =158g右边的质量m2=： v22=7.9 M (10M 20M 300+元父 30 M 30+2 .20*20 30+2 20 50 30+15 50m 30+冗父 5*5 m 50 M 3) /1000=2484g所以三 M二(2484 150-158 50)10/(1001000)=3650 N.mm所以F缸=三 M/ef=3650/100=36.5 N由于在液压缸的工作过程中还存在摩擦力等的影响，因而液压缸提供的力F F理想 +F缸=256.3 N5.1.3运动行程分析与计算由前面的分析可知，在每个凸轮的加工过程中偏转角的变化很小，在杆件的轴向方向 上的差值不大，因而可以进近似地将圆弧看成水平直线来分析，这样工件在水平方向上的 液压缸的工作行程可用图5.5来近似计算；已知抛光机床的加工范围为 30100mm即4X=70/2=35mm由图可知杆件在1和2位置所组成的图形是成相似三角形的，因而相应边的比值相等，即X 220 x 一 100所以 x =100-AX =35 =15.9mm220220图5.5机构上杆件偏转极限示意图启动恒压工作停止图5.6工作循环图5.2 拟订液压系统工作原理图在综合考虑第一部分的设计要求及相关液压系统、液压元件的性能和特性后，可采用 如图5-7所示的调压液压系统（为系统智能符号图）。_ 图5.7抛光机床液压系统图1 .固定液压缸2.转动活塞杆及活塞3.电磁换向阀4.抱抛机构杆件5.溢流阀6.油管7.电动机 8.滤油器 9.油缸10.叶片泵11.单向阀12.压力表13.液压缸复位弹簧5.3 液压元件的选择与计算由于系统所要求的工作推力条件不高，即只需大于（256.3+N弹簧）N,在液压缸的工作压力及尺寸上没有任何附加的条件。因而，在设计本液压系统时采用了选定液压泵后再 设计相关的元件的设计方案来设计本系统，并在最后对其有关参数进行验证和计算。5.3.1 液压泵的选择查机械设计手册（4、液压、气压系统设计及机床现代设计方法）,选表8.3-7中 的BB-B4型摆线内齿轮泵。因为该型号的泵具有结构简单、输油平稳、噪音低、良好的高 速性能等特点。适用于低压液压系统，价格也较便宜。该型号的齿轮泵的主要参数如表 5-1。表5-1BB-B4型摆线内齿轮泵主要参数表流量（L/min ）4压力（MPa2.5转数（r/min ）1500压力振摆（MPa0.15容积效率（%）80驱动功率（kw）0.255.3.2 液压泵电动机的确定与选择由上边参数表中的驱动功率和转速，可查吴相宪、王正为、黄玉堂主编的实用机械设 计手册P163页表11-1 （Y系列三相异步电动机技术数据），选Y801-4型号的三相异步电 动机，额定功率为0.55kw。5.3.3 液压油的选用为了在满足系统要求的前提下，选用合适的液压油还得考虑所选油的价格性能比问题。由于所设计的系统的液压泵的额定压力仅为2.5MPa,而且工作压力取得更低，为1 .0MPa左右，故属于低压系统。而在通常的机床低压液压系统中，一般都采用10号、20号、30号机械油、8号柴油机油，及22号、30号汽轮机油等。在这系统中，考虑压力低 和通用性及价格性能比等，系统在春、冬季由于温度较低选用粘度较低的10号机械油，夏、秋季选用粘度较高的 20号机械油。查上海科学技术出版社出版的液压系统设计手 册P1022页表12-6得到这两种油的主要性能参数如表 5-2所式。表 5-2 (GB443-6410号机械油20号机械油运动粘度cSt7131723恩氏粘度 E2.63.31酸彳直mgKOH/g 0.140.16灰分%0.0070.007水溶性酸和碱无无机械杂质% 0.0050.005水分%无无闪点 C之165170凝点 C PL +AP = (6.71x1.632)x105 = 8.342父 105(Pa)5故溢流阀的调整压力取9父10 (Pa)。5.4.3 液压系统的效率液压缸活塞的速度Q ,0.067 10，0.9h = =2 =0.031(m/s)A 二 502 上 10 4液压泵的输出功率为Nb=PQ=9 105 0.067 10 二=60.3(W)所以整个系统的效率(取齿轮泵的效率为0.8)N9 92N= 泵=992x0.8=0.132 NB60.35.5系统的可行性验证由于在机床的加工过程中，工件每转一转，抱抛机构的每个单边均做一次升程和回程 运动，而回程运动由弹簧来完成。机床上的工件转速为60r/min ,故工件每一秒钟得转一转，若按工件每转一转，液压缸里油量变化四次来计算临界速度，(取每次变化量为3.2mn 则4 4 10u临=0.16乂10 (m/s) Muh =0.031(m/s)1故所设计的液压系统符合机构控制要求5.6支撑件及导轨设计机床中的支承件主要是指床身、立柱、横梁、底座等大件。而且在设计时可主要从刚 度、热变形与内应力等方面来着重考虑。而在本次的抛光机床的支承件设计中，主要为床 身和底座的设计，为缩短设计的时间和周期，采用基于CA61401通车床的变形设计方法。其主要的尺寸和结构基本与 CA6140的成比例，因而在满足机床的性能要求上不会存在失 效的情形，具体的设计尺寸、结构及相关的技术要求见零件图和总装图。论文至此，将近两个月的毕业设计也即将告一段落了， 此时此刻，感触最深的是： 毕业设计真能锻炼人，同时也非常庆幸自己选了往年没做过的毕业设计题目，让自己在大学的最后阶段真真正正地锻炼一下自己。 虽然在设计之初也曾后悔过，没有选一 个较容易的设计题目，虽然在我的设计中也还存在一些问题， 虽然现在我还不可能知 道我的毕业设计的成绩，但事实证明了我做到了我曾经为此而疑惑、徘徊犹豫过的问 题。而且，在毕业设计的这段时间里，它让我学会了一种通用的系统设计方法，让我 学会了独立做研究、查资料、做设计等。同时也培养了我们在做设计过程中的团队合 作。我想这也许就是我们做毕业设计的最初目标所在吧！弹指一挥问，大学就这样结束了，回想当时刚刚上大学的时候，就一懵懂的小青 年，上了一个有着悠久历史的学校，我就是伴着新校区成长的，它成长的同时也哺 育了我成长。最后，我要特地感谢的是：在毕业设计过程中为我解除过疑难的老师及带过我们 毕业实习和设计过程中帮助过我的老师。感谢他们在我毕业设计中对我的指导和帮 助。祝他们： 身体健康！工作愉快！生活美满！参考文献1邓文英.2004.金属工艺学.北京：高等教育出版社2 丁树膜.2004.机械工程学.北京：机械工业出版社3房世荣.1994.工程材料与金属工艺学.北京：机械工业出版社4郭炯凡，陈定乾.2000.金属工艺学.北京：高等教育出版社5李义增.1998.金属工艺学.北京：机械工艺出版社6凌爱林.2001.金属工艺学.北京：机械工艺出版社7罗会昌.2000.金属工艺学.北京：高等教育出版社8刘跃南.2000.机械基础工艺学.北京：机械工业出版社9孙学强.2001.机械制造基础.北京：机械工艺出版社10王英杰.2001.金属工艺学.北京.高等教育出版社济源职业技术学院毕业论文意见表指导教师意见:教师签字：年 月 日评阅人意见:评阅人签字：年 月 日答辩委员会意见:成绩评定：答辩组组长签字：年 月 日