电动机外壳加工专用机床的设计论文

南华大学机械工程学院毕业设计（论文）目录1 概述11.1 本课题研究的目的11.2 本设计国内外研究历史与现状11.3 目前存在的主要问题42机床设计总体方案52.1 机床总体方案的设计依据52.2 机床设计方案的确定62.2.1 拟定工艺方案的对比62.2.2 设计方案的确定72.3 机床主要技术参数的确定78溜板箱的设计318.1 传动方案的设计318.2 电机的选择31参考文献42谢 辞44附 录451 The Original English45THE KEY TECHNOLOGY OF DESIGN HOB FOR45HOBBING SCREW COMPRESSOR ROTORS454 REFERENCES492 中文翻译49设计加工螺杆式压缩机的内摆线弧轮廓49所用滚刀的关键技术49(1) 概述49(2) 存在的问题50(3) 准确的计算出中间曲线的最好方法511 概述1.1 本课题研究的目的电动机外壳加工专用机床的设计主要用于加工铝合金材料的压铸件电动机外壳的毛坯，通常是在普通机床上进行加工，装夹和测量麻烦，不但加工时间厂，效率低，而且制造误差大，生产成本高，本设计的目的是使机床的结构尽可能简化，降低机床购买成本，提高生产效率，从而降低零件的生产成本，提高产品的市场竞争力。1.2 本设计国内外研究历史与现状专用机床是集机电于一体的综合自动化程度较高的制造技术和成套工艺装备。它的特征是高效、高质、经济实用,因而被广泛应用于工程机械、交通、能源、军工、轻工、家电等行业。我国传统的主用机床及组合机床自动线主要采用机、电、气、液压控制,它的加工对象主要是生产批量比较大的大中型箱体类和轴类零件(近年研制的组合机床加工连杆、板件等也占一定份额) ,完成钻孔、扩孔、铰孔,加工各种螺纹、镗孔、车端面和凸台,在孔内镗各种形状槽,以及铣削平面和成形面等。专用机床的分类繁多,有大型组合机床和小型组合机床,有单面、双面、三面、卧式、立式、倾斜式、复合式,还有多工位回转台式组合机床等;随着技术的不断进步,一种新型的组合机床柔性专用机床越来越受到人们的青睐,它应用多位主轴箱、可换主轴箱、编码随行夹具和刀具的自动更换,配以可编程序控制器( PLC) 、数字控制(NC) 等,能任意改变工作循环控制和驱动系统,并能灵活适应多品种加工的可调可变的专用机床。由于专用机床及其自动线是一种技术综合性很高的高技术专用产品,是根据用户特殊要求而设计的,它涉及到加工工艺、刀具、测量、控制、诊断监控、清洗、装配和试漏等技术。我国专用机床及专用机床自动线总体技术水平比发达国家要相对落后,国内所需的一些高水平专用机床及自动线几乎都从国外进口。工艺装备的大量进口势必导致投资规模的扩大,并使产品生产成本提高。因此,市场要求我们不断开发新技术、新工艺,研制新产品,由过去的“刚性”机床结构,向“柔性”化方向发展,满足用户需求,真正成为刚柔兼备的自动化装备。现仅就近几年大连组合机床研究所研制的组合机床及其自动线对目前我国组合机床及其自动线装备技术的基本情况进行说明：图1.1 压缩机外支撑八工位回转工作台组合机床(1)为某冰箱压缩机厂提供的ZHS - 1283 冰箱压缩机外支撑八工位回转工作台组合机床,见图1。镗孔精度 9.097 mm 0.004 mm , 表面粗糙度Ra 0. 8m ,节拍时间26 s (2 件) ,采用交流伺服滑台,HSK 接杆,主轴带中孔冷却液通道,全封闭防护。(2) ZHS - XU86 凸轮轴轴承盖加工自动线是为某汽车公司研制的用于30 万辆轿车生产的高精度、高生产率、多品种数控自动线,见图1.2 。该线采用多种先进技术:可控扭矩夹紧扳手、气浮输送、电液比例阀、高精度空心锥柄接杆、高密度材料镗杆、数控精密十字滑台、分布式控制系统与监测系统、故障诊断及显示系统、大流量冷却排屑和全封闭防护系统,节拍38 s。图1.2 ZHS - XU86 凸轮轴轴承盖加工自动线(3) UD80 型换刀换箱柔性加工单元,见图1.3 。该单元是一种高效、高精度与高柔性的数控机床,机床有5 个坐标,交换托板尺寸为800 mm 800 mm ,刀库容量60 ,120 ,180 任选,箱库容量12 个,能在一次装夹下成铣、钻、铰、攻丝、镗孔、镗车等工序的单轴加工和多轴加工,适合中大批量生产规模的箱体零件和成组杂件的加工,也适用于中小批量多品种零件的生产。图1.3 UD80 型换刀换箱柔性加工单元上述专用机床代表了目前我国专用机床装备较高的技术水平,但随着市场竞争的加剧和对产品需求的提高,高精度、高生产率、柔性化、多品种、短周期、数控专用机床及其自动线正在冲击着传统的组合机床行业企业,因此专用机床装备的发展思路必须是以提高组合机床加工精度、组合机床柔性、组合机床工作可靠性和组合机床技术的成套性为主攻方向。一方面,加强数控技术的应用,提高组合机床产品数控化率;另一方面,进一步发展新型部件,尤其是多坐标部件,使其模块化、柔性化,适应可调可变、多品种加工的市场需求。1.3 目前存在的主要问题在加工通孔、止口以及两侧表面的零件时，尤其批量生产中，传统车削加工效率方法是应用车镗削专机一次将孔和侧端面加工完；翻过来二次装夹加工另侧表面。工件在实际加工中二次装夹导致加工精度低，效率低下。2机床设计总体方案随着社会的进步，市场经济的发展，各种产品内部及产品之间的竞争日益加强，这使得产品的生产厂家都设法降低产品的生产成本，提高产品的生产效率。在这种情况下，针对要求设计一套电动机外壳内孔、止口及端面加工的专用机床，所以本设计主要是为了通过尽量简化机床的结构和减少机床附件来减少机床的制造成本，从而达到降低电机外壳生产成本的目的。2.1 机床总体方案的设计依据2.1.1 被加工零件工艺方案的拟定工件材料为铸铝合金，牌号为ZL102，硬度为HBS50，加工部位是：内孔表面1、止口表面2、3，以及外壳表面4、5。工件觉得简易零件图如图2.1所示。其具体加工要求如下 ：(1) 需要加工的5个表面均不在同一个加工平面，而设计要求在一次装夹的情况下完成工件的加工过程，因此，需要采用多工位刀具加工，使左端面和止口以及内孔通过一次走刀过程完成加工，然后再使右边的止口和端面同时完成加工。(2) 被加工表面的粗糙度均为Ra3.2。(3) 被加工表面的尺寸及位置精度为：1） 两端面4、5的最小距离为mm；2） 两止口2、3的最小尺寸要求为mm；3） 内孔1的尺寸要求为mm；其内表面相对于两止口轴线的圆跳度为0.075mm。(4) 小批量生产。 图2.1 加工零件简易图2.2 机床设计方案的确定2.2.1 拟定工艺方案的对比在开始本设计之前拟定了三套设计方案，其具体内容如下：（1）在加工通孔、止口以及两侧表面的零件时，尤其批量生产中，传统车削加工效率方法是应用车镗削专机一次将孔和侧端面加工完；翻过来二次装夹加工另侧表面。工件在实际加工中二次装夹导致加工精度低，效率低下。（2）采用双动力头车床，通过两床头机座的轴向进给来完成切削进给，这样使得机床必须具备两个能在导轨上实现轴向运动的主轴箱，一方面，这样的结构为保证电机外壳止口的同轴度要求，将会对导轨的平行度直线度等形位误差提出更高的要求；另一方面，还要给两个主轴箱提供轴向运动的动力装置。这种方案的优点是加工效率高，缺点是采用双动力头，使加工精度难以得到保证，且采用双动力头使得机床的结构复杂、生产费用高。（3）采用参照6140车床的结构进行改造而成的简易车床进行加工，整个加工过程都是由装夹工件的拖把的进给来完成，机床的切削主轴分为前镗头和后镗头两部分组成，两镗头以及镗杆上的镗刀都需要比较高的安装精度，直接通过安装精度来保证零件的加工精度。其加工过程为：首先工件向左进给，通过前镗头上的内孔镗刀、止口镗刀和端面镗刀来完成内孔、左止口和左端面的加工，加工完成后停机，在前后镗头之间加上传动杆使动力传递给后镗头，然后使工件向右进给来完成右端止口和右端面的加工。这种方案的优点是使机床的结构进一步简化，降低了制造费用，保证了较高的加工效率，不足之处是机床在安装时对安装的技术要求较高。2.2.2 设计方案的确定由上述方案各优缺点的对照，综合本设计的设计要求：1、为降低零件的加工成本，应使机床的制造成本尽可能低；2、为提高生产效益，应使零件的生产效率尽可能的提高；3、为适应一系列零的加工要求，应使机床各部分能做适量的调整。综合各方面的设计要求，最后确定采用第三套方案进行设计。2.3 机床主要技术参数的确定2.3.1 主轴转速的确定本设计为专用机床的设计，为了适应同一系列尺寸产品的加工和工艺上的灵活，针对零件的加工要求，采用了主轴两级变速。本专用机床是用来加工材料为铸铝合金的电机外壳，根据组合机床设计简明手册查得满足设计要求加工精度的切削速度为200400m/min，此设计选择的切削速度为300m/min。 根据公式： 由于该专用机床需加工同一系列的电机外壳，所以需要几个转速来完成表面的加工。由于转速对零件加工精度的影响并不是很大，所以我采用平均速度来设计此专用机床： 取整数，则; 取整数，则。2.3.2 进给量的确定 专用机床的切削进给量是由所加工材料的性能和加工精度所决定的，根据切削用量手册查得加工铸铝类零件的进给量为0.150.30mm/r,本设计中取进给量为0.20mm/r。2.3.3 主运动电动机功率的确定(1) 切削力的计算:车削过程中主切削力的计算公式为： 式中：切削力的切向分力（主切削力）KgN； 切削条件系数; 背吃刀量mm； 背吃刀量指数； 切削进给量mm/r； 进给量指数； 切削速度m/min； 总修正系数。(2) 切削功率的计算:切削功率的计算公式为： 由切削用量手册查得利用高速钢刀具对铸铝合金零件进行镗孔加工时，其式中各参数分别取值为：=390，=1.0，=0.75，=1.0。根据加工要求取背吃刀量为1mm，将数据代入公式计算得：主切削力=107.8N，切削功率=0.54KW。(3) 主传动系统的传动效率:由主传动系统示意图（图2.1）可知：主传动系统包括两级齿轮传动和一级带轮传动以及三对滚动轴承，设、分别为齿轮传动、滚动轴承、带轮传动的效率。根据机械设计课程设计查得=0.98、=0.98、=0.95，则主传动系统的总传动效率为： (4) 电动机的选择:由于在切削过程中存在三把刀同时工作进给的情况，以及考虑切削过程中的不稳定因素，需要对电机的功率加上一安全系数，取安全系数S=1.5，计算得总功率为： 查机械设计课程设计，根据Y系列三相异步电动机技术数据（IP44）（摘自JB/T96161999），取电动机的额定功率为4KW；选取电动机型号为Y112M4；其主要参数为；满载转速为1440r/min。3 主传动系统设计3.1 主传动系统的组成及要求实现机床主运动的传动系统，称为机床的主传动系统，它和机床的传动方案和总体布局有关，对机床的使用性能、结构都有明显的影响。图3.1是机床主传动系统的传动简图。根据设计要求，在满足设计要求的条件下，本设计从节省成本的角度考虑，使主传动系统的结构尽量的简化，从而得到如图所示的传动系统简图。为满足工作性能要求，主传动系统应包括如下几个组成部分：图3.1 主传动系统简图(1) 固定传动比结构在电动机和第I轴之间采用V带连接；在第I轴和第二轴之间采用齿轮传动，并且通过这对齿轮实现主轴转向的改变。(2) 变速机构根据本设计的设计要求，该机床主轴只需要有两种不同的转速，故本设计只需要通过第II轴上的一对滑移齿轮来实现变速即可。(3) 主轴部件该机床的主轴部件包括主轴、主轴支撑和安装在主轴上的传动件例如齿轮和键等零件。(4) 开停装置机床主运动需要经常启动和停止，大多数采用离合器的方式，有时用开停电动机的方法来实现。(5) 操作机构机床的起停、变速都需要通过相应的操纵机构，才能达到应有的功能。方便实用的操作装置可以提高生产效率，减少工人的工作量。(6) 润滑与密封装置为保证上述各种传动元件和机构的正常工作，应设有良好的润滑与密封装置，防止出现三漏现象。(7) 箱体各机构和传动件的支撑均装入箱体中，并保证它们相互位置的准确性。在设计机床的主传动系统时，必须满足以下基本要求：1) 机床的主轴应有足够的转速范围和变速级数；2) 机床的动力源和传动机构都需要保证传递足够功率和扭矩，并且要求传动效率较高；3) 机床的传动机构，特别是主轴都需保证足够的精度、刚度、抗振性能，并且要求温升较低和热变形较小；4) 机床的操作和控制需要灵活、轻便和安全可靠，机床的调整维修要求简单方便，机床噪音小，以保证工人生产的正常条件；5) 机床的结构应尽量简单、紧凑、制造方便、成本低；6) 机床的自动化程度和生产率方面的要求，应该合理的满足。3.2 主传动系统的运动设计3.2.1 传动比的分配主轴的两级转速分别为500r/min和850r/min，而电动机的满载转速为1440r/min，由于输入输出转速比较小，因此主轴的变速采用一级滑移齿轮变速，而另一级齿轮则作为换向齿轮等速传动，而且带轮传动同样采用等速传动。则滑移齿轮两部分的传动比分别为： 3.2.2 带传动的设计在同样的张紧力下，V带传动所产生的摩擦力大于平带传动所产生的摩擦力，且摩擦力大，带传动所传递的功率就大，故V带传递的功率比平带大得多，或者说，在同样的功率下，V带传动结构紧凑。同时V带传动具有较大的摩擦因数，可以减小弹性滑动和打滑现象发生的机率。V带型号的选择是根据电动机的输入输出转速和传递功率等方面因素并参考普通V带选型图选择普通V带的带型为A型，传动基准长度取为1800mm。为保证带的稳定性，根据单根V带的基本额定功率和所需传递的总功率确定V带的根数为Z=3根。3.2.3 齿轮齿数的确定在确定传动系统中各传动副的齿轮齿数时应注意下列几点：(1) 齿轮的齿数和不能太大，以免齿轮尺寸过大而引起机床结构增大。一般推荐齿数和100120，常用在100之内；(2) 同一变速组中的几对齿轮，其中心距必须保证相等；(3) 最小的齿轮齿数Zmin应保证不产生根切。对于标准齿轮，最小Zmin17;(4) 应保证最小齿轮装到轴上或套筒上具有足够的强度。为使选用的齿轮标准化，在计算齿数的过程中对传动比进行了修正，其修正后的传动比为：；同时因为个齿轮副的速度变化不大，受力情况相差不大，故允许采用同一模数，且各对齿轮的齿数和也也相等。选择两齿轮副的齿数和=100，则两对齿轮副的齿数分别为： 修正后主轴得到的实际转速为:3.3 主传动系统的结构设计3.3.1 主传动系统的布局及变速机构类型 (1) 布局主传动系统的布局形式取决于机床的用途、类型和尺寸等因素。布局的形式大致有两种：一是集中传动式布局，变速系统的全部变速机构和主轴部件都安放在同一变速箱内；另一种是分离传动式布局，主要变速机构和主轴部件分别装在变速箱和主轴箱两个箱体内，中间用皮带、链条或其他方式传动。本设计中，由于满足设计要求的传动装置的结构比较简单，所以采用的是集中传动式布局。这种布局的优点是结构紧凑，主轴和全部传动元件都安装在一个箱体内，便于集中操纵；箱体数目少，便于调整维修。但是变速机构运转中的振动和发热会直接影响主轴的工作精度。 (2) 变速机构的类型变速机构的类型选择，主要取决于机床的性能和使用条件。常用有级变速机构有：1) 交换齿轮变速机构 常用的交换齿轮变速方式,多半是更换中心距离不变的两轴之间一对齿轮，多用于不经常变速的专用机床、自动和半自动机床以及齿轮加工机床等。这种变速机构的优点是构造简单，结构紧凑。2) 滑移齿轮变速机构这种变速方式广泛应用于一般通用机床中，其优点是变速范围较大，变速级数也较多，不论速度高低，所传递的功率和扭矩多较大，而变速机构的径向尺寸较小，不工作的齿轮不啮合，所以空载功率消耗小，变速方便、省时。其缺点是变速箱的结构比较复杂，轴向尺寸较大，不能在运转中变速。为使滑移齿轮进入啮合，必须用直齿圆柱齿轮传动，传动平稳性不如斜齿轮传动。3) 皮带塔轮变速机构多半是用于中心距不变的两轴之间，以皮带联接两个可以反向安装的塔轮所组成，在磨床上使用较多，台式钻床也常用这种机构。4) 离合器变速机构离合器可以是牙嵌式、齿轮式和摩擦式离合器。在本设计中，机床主轴只需要两种输出转速，因此，在变速机构中采用滑移齿轮变速机构，从而使主轴箱的结构简单、紧凑，操作方便。主轴箱的结构模型如图3.2所示。图3.2主轴箱结构的三维模型 3.3.2 主传动系统中开停装置的设计开停装置用以控制主要执行件（如主轴）的启动和停止。其基本要求是方便省力，操作安全可靠，结构简单并能传递足够的扭矩。对功率较小，不经常启动和停止的机床，为了结构简单那，可直接使用电动机来实现机床的启动和停止。当电动机功率较大时，由于启动电流很大，电机发热严重，同时由于转动惯量较大，传动件不易迅速停止，这时可在传动链中设置离合器来实现机床运动的启停，且离合器可以在电动机运转的情况下实现对主运动的启动或停止，从而减少电动机的开停次数。在本设计中采用的是电动机和离合器相结合的开停装置。电动机开停主要用于每个工段之间人员休息和机器修整时切断主电源；离合器开停装置主要用于两种主轴转速之间的切换，同时本设计中采用电磁离合器。电磁离合器是里哟激磁线圈电流产生的电磁力来操纵接合元件，使离合器接合或脱开，其特点为：1）起动力矩大，动作反应快，离合迅速； 2）结构简单，安装维修方便，使用寿命长； 3）可实现集中控制和远距离操纵，控制简单，功率小。根据机械设计手册第3卷，选择离合器的型号为：DLM10(EKE)系列有滑环湿式多片电磁离合器，规格为6A/6AG的离合器。3.3.3 轴承的选择和组合设计轴承的选定是在轴的结构设计基本确定之后进行的。因此，轴承类型的初步选择是根据轴颈尺寸和安装空间确定的。一般来说，轴颈尺寸较小时，选用各种球轴承；轴颈尺寸较大时，选用各种滚子轴承。然后在根据设计所要求的轴承的承载能力、速度特性、运转精度等方面的因素最终确定轴承的具体型号。传动系统的轴I和轴II主要承受的是轴自身的重力、外力作用下的弯曲应力和不平衡作用力等径向作用力，而且轴I和轴II不需要很精确的轴向定位，工作温度也不高，在这种工作条件下，轴的最贱支撑是采用双支点的单向固定支承。根据轴的强度估算，两轴的轴颈处直径取为50mm和70mm，所以两端选用的轴承分别为30305和30210的圆锥滚子轴承。为满足低噪声要求，除保证内外圈具有较高的形状精度和尺寸精度外，还应选择合适的游隙组值，以使轴承在工作中接近零游隙状态。传动系统的轴是机床的主轴，承受的主要是载荷除自身的重力、弯曲应力和不平衡作用力外，还有来自切削运动时所产生的轴向力。在加工零件时，零件对轴向的加工尺寸的加工要求不是很高，故同样还是采用双支点的单向固定支承。根据主轴的刚度和刀具安装尺寸等设计要求的要求，取轴的轴颈70mm，另一端为85mm，为承受轴向进给切削力的作用，两端轴承型号选为32214和32217的圆锥滚子轴承。3.3.4 润滑系统润滑的基本作用是：降低摩擦阻力，提高机床传动效率；减小磨损，使机床保持原有的工作精度；带走热量，冷却摩擦表面保持正常的工作温度；防止生锈等。润滑时保证机床正常工作不可缺少的条件。3.3.4.1 润滑剂的选择机床上常用的润滑剂有两种：润滑脂和润滑油。常用的润滑脂有钙基润滑脂和钠基润滑脂两种。在机床上主要应用钙基润滑脂，其特点是粘度较大，有耐水的性能，不易流失，密封简单，而且不必经常加换润滑脂，使用方便；但是其流动性差，导热系数小，不能做循环润滑剂，摩擦阻力大，机械效率低。所以润滑脂主要用于中、低速传动件，外露的齿轮及不易密封的立式主轴等。润滑油与润滑脂相比，润滑油的粘度小，摩擦系数低，冷却效果好，适用于高速传动的摩擦表面和集中自动润滑系统中。润滑油多用于机床部件和零件的相对速度较快的条件下，不同的速度和所承受的压力可以选择不同粘度的润滑油。3.3.4.2 润滑方式的选择常用的润滑方式有：（1）飞溅润滑；（2）循环润滑；（3）滴油润滑；（4）油雾润滑；（5）喷射（注射）润滑。普通机床上广泛采用的润滑方式是飞溅润滑。飞溅润滑是在箱体底部装有润滑油，利用最低位置的传动轴上的齿轮或溅油盘浸入油内一定深度，当机床工作时，旋转的齿轮或溅油盘将润滑油向各方向溅出，直接落到润滑件的表面上或落到特制的油盘或油槽中，油液沿着油管或油槽流至需要润滑的表面上。当溅油齿轮或溅油圆盘的圆周速度适宜时，还能形成油雾，油雾中的细小油珠会落到各摩擦面的间隙中进行润滑。4 主传动系统结构校核计算4.1 危险轴截面的校核计算4.1.1 危险截面所在轴的确定（1）各轴转速n(r/min)由电动机型号可以确定电动机的额定输出转速为1440r/min，同时在结构设计中已经确定主传动系统中的带轮传动和第一级齿轮传动均为等速传动，则轴和轴的转速均为1440r/min。而在第二级齿轮传动中具有两个的齿轮变速挡位，在主传动系统结构设计中均已求得，最后得出各级转速如下：（2）各轴功率P(KW)电动机的输入功率为P=4KW，设、分别为齿轮传动、滚动轴承、带轮传动的效率。根据机械传动效率的概略值取得=0.98、=0.98、=0.95，则根据传动系统的结构对各轴功率的计算如下：（3）各轴转矩根据转矩和功率与转速的关系，对各轴的转矩计算如下：各轴的轴径和动力参数如下表4.1。表4.1 轴径和运动参数轴号转速n r/min最小轴径 mm功率P kw转矩T Nm1440203.8025.201440203.6524.21510703.5165.7385739.11由上述表中的几组数据大致确定主传动系统的危险轴截面存在于轴上，下面以轴为模型校核轴的刚度。4.1.2危险面所在轴的校核（1）受力分析轴（主轴）和镗杆组合结构的结构简图及相关尺寸如下图所示：图4.1主轴结构尺寸图齿轮在有较大的传动比时，齿轮所承受的转矩则会相应的增大，即齿轮对轴有较大的力的作用，则由表4.1可知，轴所传递的功率和转矩分别为P=3.51kw，T=65.37Nm，该齿轮的分度圆直径为144mm。此时齿轮受到的圆周力为：齿轮的径向力为：镗杆端部所受到的切削力由前面第三部分功率计算时可知主切削力=107.8N，径向切削力为。图4.2 主轴及镗杆结构受力图（2）求支反力水平方向受力分析如图4.3所示。由得解得由得图4.3 主轴及镗杆结构水平平面受力图垂直面内的受力分析如图4.4所示。由得解得由得图4.4 主轴及镗杆结构垂直面受力图根据轴的受力情况作水平面和垂直面中的弯矩M图，如图4.5所示。图4.5 主轴及镗杆结构水平和垂直面弯矩图（3）轴上危险截面的判断与校核从轴的结构图以及弯矩图和扭矩图中可以看出截面C是轴的危险截面。现将计算出的截面C处的、的值列于下表：表4.2 截面C处的相关参数值载荷水平面x垂直面y支反力弯矩总弯矩扭矩T按弯扭合成应力校核轴的强度：进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面C）的强度。根据上表中的数据以及轴单向旋转，扭切应力为脉动循环应力，取，轴的计算力：由以选定轴的材料为45钢，调质处理，查得。因此，故安全。5 主轴部件5.1 对主轴部件的基本要求5.1.1 旋转精度主轴部件的旋转精度是指机床在装配后，在主轴前端等部位的径向跳动、端面跳动和轴向窜动的大小。主轴的旋转精度直接受轴承精度和间隙的影响，同时也和其他零件（箱体、主轴本身等）的精度有关。而轴承的精度包括：滚道的径向跳动，轴承内孔决定主轴轴承径的几何轴心位置；各滚动体直径不一致和形状误差，将会引起主轴旋转轴线的径向跳动，使加工表面产生形状误差；滚道的端面跳动将引起主轴的轴向窜动；轴承滚道与滚动体间的间隙，使主轴在受到变化的外力时产生位移，从而使主轴的旋转轴线作复杂的周期运动，间隙越小，则旋转轴线变动越小。5.1.2 刚度主轴部件的刚度是指在外加载荷下抵抗变形的能力。影响主轴部件刚度的因素较多，有主轴的结构尺寸、轴承类型和配置方式、轴承间隙的大小、传动件的布置方式、主轴部件的制造和装配质量等，如果主轴部件的刚度不足，将使主轴产生较大的弹性变形，容易引起振动。这样不仅会降低加工精度，增加表面粗糙度，也会使齿轮等传动件和轴承等因不能均匀受力而恶化工作条件。5.1.3 抗振性主轴部件的抗振性是指机床进行切削时，其抵抗振动、保持平稳工作能力。抗振性包括两个方面：抵抗强迫振动的能力和抵抗自激振动的能力。主轴部件的振动会影响工件的表面质量、刀具耐用度和主轴轴承的寿命，还会发生噪声。影响主轴部件振动的主要因素是主轴部件的阻尼、刚度和固有频率。因此，提高抗振性必须提高主轴部件的静刚度，采用较大阻尼比的前轴承，必须时安装阻尼器。并且希望在主轴有尽可能高的固有频率，使它大于激振力。提高主轴组件抗振性应采取的措施主要有：减少产生强迫振动的能源，对高速旋转高速旋转的零件要作静、动平衡，选用传动平稳、抗振性好的传动件，提高齿轮、轴承和主轴等的制造精度，以免在传动中产生周期性冲击，应用消振装置，考虑主轴系统的固有频率，避免共振，应使主轴的临界转速比实际应用的主轴转速高出或低于2530%，增加主轴箱体刚度（加大壁厚或设置加强筋）等。5.2 主轴部件的结构设计主轴部件的结构模型如图5.1所示：图5.1 主轴组合三维图从上图可以看出，主轴的结构相对比较简单，主要由两个圆锥滚子轴承、两个齿轮、轴套、圆螺母以及主轴镗杆组成。主轴上变速用的两个齿轮布置在主轴的后部，可以补偿主轴镗杆的悬臂结构引起的挠度变形。6 加工装置的设计6.1加工装置的组成加工装置的外型如下：图6.1加工装置的三维造型电机外壳加工装置分为三个部分，如下图所示：图6.2 加工装置1后镗杆 2传动杆 3前镗杆6.1.1 前镗头前镗头通过螺钉安装在车床主轴上，并且将用来车削壳体左端面的镗刀通过螺钉锁在其上。6.1.2 镗杆镗杆安装在之后的莫式锥孔内并于前镗头一起组成了上图的前镗杆，并用拉杆拉紧。在镗杆上安装有四把刀，前面两把分别是粗镗刀和半精镗刀，第三把是用来车削端面的，第四把(即安装在前镗头的)是用来车削止口的。一、二两把刀其轴向位置由镗刀本身尺寸保证，径向位置由镗床对刀工具保证；三、四刀的径向位置由镗床对刀工具确定。在镗杆阶梯轴打一弯形槽，且通过传动杆把其旋转主运动传给后镗杆。6.1.3 传动杆当用后镗头镗削外壳右端各面时，把传动杆放入前镗杆于后镗杆之间，卡在弯槽内，把前镗杆的旋转运动通过传动杆传给后镗杆。当工件加工完毕，工件移向前镗杆方向，取出传动杆，再把工件移向原传动杆处（传动杆长度比工件约长5mm），可以非常方便地进行工件的装卸。6.1.4 后镗杆为保证加工精度，把后镗杆和尾座里的轴做成整体，装在一对正向布置的圆锥滚子轴承内，并用端盖密封。后镗杆上安装两把镗刀，分别用来加工外壳右端的止口和右端面。安装后镗杆时，注意保证后镗杆轴线于前镗杆轴线的同轴度不大于0.015。6.1.5 尾座尾座中装有一对正向安装的圆锥滚子轴承，并把轴承装在尾座的孔中。6.2 对刀工具图6.3 对刀工具1.螺钉2.支架3.镗杆4.螺钉5.刀头6.V形架7.深度千分尺如上图所示的镗床对刀工具，可使镗头方便而精确地定位。使用方法是：将V形架6放在镗杆3上，使用使用螺钉1将支架2、V形架6固定在镗杆上，镗刀头5的尺寸路超过所需尺寸，然后用深度千分尺7和刀头5，迫使刀尖缩至所需要的尺寸位置，用螺钉4锁紧。7 夹具的设计夹具的具体结构依据不同的电机外壳结构而设计，本设计是针对卧式机座而设计的夹具。其外形如下图所示：图7.1夹具三维图7.1 组合定位及定位误差的分析与计算工件在装夹的过程中采用一面两孔组合定位，即一个大平面及与该平面相垂直的两个圆孔组合定位，夹具上与之相适应的定位元件是一面两销。工件采用一面两孔定位能使工件在各道工序上的定位基准统一，可以减少基准不重合引起的定位误差，使各工序所使用的夹具定位部分的结构统一，有利于自动化生产。如图7.2（a）所示，当工件采用一面两销定位时，由于两孔、两销的直径、中心距都存在制造误差，极易出现因过定位而引起定位销不能装入工件孔。为解决这一问题，一般有两种方法：一是减少定位销2的直径图7.2（b）；另一种方法是将定位销2做成菱形销图7.2（d）。（1）工件以一面两孔定位时的误差分析设、为工件圆孔1、2定位直径的最小值，、为工件圆孔1、2的定位直径的最大值；、为夹具圆柱销1、2定位直径的最大值，、为夹具圆柱销1、2定位直径的最小值；为定位副1之间的最小间隙， 为定位副2之间的最小间隙，为两孔同时定位时，在极限情况下定位孔2和定位销2之间的最小间隙。为工件两定位孔之间的中心距尺寸和偏差，为夹具两定位销之间的中心距尺寸和偏差。（a） （d） （b） （e） （c） （f）图7.2工件用一面两销定位的误差分析图一面两销定位的基准位移误差，是由定位孔1和定位销1之间的配合间隙决定的，在工件图示平面内的任何方向上的基准位移误差：转角误差为，对于上述图7.2（a）、（b）两种方法，转角误差各不相同： 对于方法一由于减小了，从而增大了转角误差：如图3.3（c） 对于方法二为保证一批工件都能装入定位销，不是通过减小定位销2的直径，而是通过将定位销2削边后增大S值来实现的。如图7.3（e）所示，由图中得；再由图中得：将上两式综合得：展开上式，并略去等高阶无穷小量，得：此处的S相当于方法一中的，其值为 ，所以由此可见，在相同中心距补偿量（）下，采用第二种方法（即用削边销代替圆柱销）使第二定位副间的最小间隙仅为原来的。第一种方法是用缩小圆柱销直径，增大间隙的方法来补偿中心距偏差，而第二种方法是通过调整S值来达到同样的目的，其却只有原来值的 ，因而减小了转角误差图7.2（f）。7.2 工件以一面两孔定位时的设计步骤确定夹具两定位销之间的中心距及尺寸偏差夹具两定位销之间的中心距与工件两定位孔之间的中心距的基本尺寸相同，其基本尺寸相同，其公差一般取工件两定位孔之间的中心距公差的（1/31/5），即=(1/51/3) 确定圆柱销的尺寸和公差取相应圆柱孔的最小直径为圆柱销直径的基本尺寸，其公差一般取g6或f7 。确定菱形销的宽度、直径和公差菱形销的宽度b可查相关标准（参见表6.1），然后按下式：计算出菱形销与其所配合的孔的最小间隙；再计算出菱形销直径的基本尺寸:;最后按h6或h7选取菱形销直径的公差。表7.1 菱形销尺寸d36688202025253232404050Bd-0.5d-1d-2d-3d-4d-5d-5b1233345计算定位误差首先计算基准位移误差：再算转角误差：8溜板箱的设计图8.1溜板箱三维图溜板箱的主要作用是将进给运动或快速移动通过进给箱或快进电机传给拖板或刀架，从而实现纵、横向及正反向机动进给或快速移动。上图为本设计的传动系统立体图。8.1 传动方案的设计传动方案设计是否合理，对整个机械的工作性能、尺寸、重量、和成本等影响很大，因此，传动方案设计是整个溜板箱设计中的最关键的环节。本设计中主要用到齿轮传动和蜗轮蜗杆传动。8.2 电机的选择普同车床上进给=(0.10.6) ，所以取。则工作机所需的有效功率为：由溜板箱三维图（图8.1）可知：传动链包括两级齿轮传动和一个联轴器以及三对滚动轴承，设、分别为齿轮传动、滚动轴承、联轴器传动的效率。根据机械传动效率的概率值取得=0.98、=0.99、=0.98，则传动链的总效率为：电动机的功率为：根据Y系列三相异步电动机技术数据取电动机的额定功率为0.75kw；选取电动机型号为Y90S-6。其主要参数为：满载转速为910r/min。传动比为：，所以最后取得。其后的算法和前面主传动系统的算法及其步骤相同。9 导轨及机架的结构设计9.1 导轨的结构设计9.1.1 导轨的功用、分类和要求导轨的功用是导向和承载。有用于保证主运动或进给运动轨迹，也有用于调整部件之间的相对位置的，后者加工时没有相对运动。按结合面的摩擦性质，导轨又分为滑动导轨和滚动导轨两类。按导轨的截面形状分为矩形、三角形、燕尾形和圆柱形导轨。导轨是用来保证运动部件的运动方向的，因而要求有较高的导向精度；导轨受力后的变形会影响运动部件与固定件的相对位置，因而要求有较高的刚度；相配合的导轨面因相对运动易造成导轨的磨损，影响加工精度，因而要求导轨有较高的耐磨性；运动部件低速时易产生爬行，因而还需要导轨能保持低速均匀性。导向精度主要是指运动部件沿导轨运动时的直线性（对直线运动导轨）或真圆性（对圆周运动导轨）。耐磨性直接影响机床的精度保持性，是导轨设计的关键，也是衡量机床质量好坏的重要标志。导轨受力后变形会影响部件之间的相对位置和导向精度，因此要求导轨有足够高的刚度。9.1.2 导轨材料的选择在本设计中，机床的床身为型材的焊接结构，因此将导轨的设计和床身的设计分开来，通过机械加工的方法来制造。为保证导轨在机械加工过程中的加工性能以及机床设计对导轨刚度的要求，根据机床设计手册第1册选择导轨的材料是T10A，导轨的耐磨性在导轨的加工过程中需进行淬火处理来提高导轨的表面硬度。9.1.3 导轨的结构设计（1）导轨截面形状的选择直线滑动导轨按截面形状可分为：矩形导轨、三角形导轨、燕尾形导轨、圆柱形导轨。圆周运动导轨可分为：平面圆环导轨、锥形圆环导轨、V形圆环导轨。导轨的组合有：双三角形组合、双矩形组合、三角形-平导轨组合、三角形-矩形组合、平-平-三角形组合、三角形-三角形-平形组合。根据加工零件的精度要求，选择导轨的组合形状为双三角形组合，因为这种导轨有较高的导向精度，同时还能起支承、导向作用，磨损后相对位置不变，能自行补偿垂直方向及水平方向的磨损。截面形状如图8.1。图9.1 导轨截面图由图中可以看出本设计中的导轨采用的是组合式导轨，这样设计的目的是综合零件加工的可行性考虑得出的。在装配过程中，采用就地加工的方法，在导轨与床身装配完成后进行磨削来保证导轨的精度要求。（2）导轨尺寸的确定参考6140车床的导轨截面尺寸设计本机床的尺寸如图9.2：图9.2 导轨截面尺寸图9.2 机架的设计9.2.1 机架的设计要求机架的设计主要应保证刚度、强度和稳定性。1）在满足强度和刚度的前提下，机架的重量应要求轻、成本低；2）抗振性好。把受迫振动振幅限制在允许范围内；3）噪声小；4）结构设计合理，工艺性良好，便于铸造、焊接和机械加工；5）结构力求便于安装与调整，方便修理和更换零部件；6）有导轨的机架要求导轨面受力合理、耐磨性良好；7）造型好。使之既适用经济，又美观大方。正确合理的床身结构对提高机床-刀具-夹具-工件这一弹性系统的刚性和长久保持机床工作精度有重要的意义。刚度可解释为弹性体抵抗变形的能力，同等条件下，变形越小，刚度就越大。床身的刚度包括静刚度和动刚度，静刚度主要是指机床本身的结构刚度和接触刚度，动刚度不仅与静刚度有关，而且还与材料的阻尼、固有频率有关，由共振条件下的动刚度公式可以看出：式中：静刚度；阻尼比；衰减常数；固有频率；热变形对精度的影响也是机床床身设计中应当重点考虑的问题，尽管热变形的量通常都比较小，但是对于加工精度要求比较高的机床，热变形将会严重影响零件的加工质量。在设计过程中通常用控制发热或使热量均匀分布等措施来减小热变形的影响。机床的床身在铸造、焊接和粗加工的过程中，材料内部将产生内应力，使床身或者导轨变形，从而引起零件的系统误差，在实际的生产过程中通常采用实效的办法解决。9.2.3 机架结构类型的选择由于所设计的专用机床的生产属于小批量生产，因而在床身的生产制造中不宜采用制造成本高的铸造方式生产，为降低成本，本设计中的床身是通过型材焊接的方法来制造的。焊接的制造方法具有如下几个优点：(1) 满足结构使用性要求 焊接接头的强度一般可达到与母材等强，能够承受基本金属所能承受的各种载荷的作用。焊接是一种金属原子间的连接，刚度大，整体性好。(2) 可节约金属材料焊接结构的零件或部件可以直接通过焊接的方法进行连接，不需要附加连接件（如铆接时常用的连接角钢等）。与铆接相比，相同结构的重量可减轻10%20%。(3) 工艺灵活性大根据产品结构特点，可以将几何尺寸大，形状复杂的结构分解，对分解后的零件或部件分别进行加工，然后，通过总体装配焊接整体结构。(4) 对金属材料的适应性强通过焊接可将多种不同形状与厚度的钢材（或其他金属材料）连接起来，也可将不同种类金属材料（铸钢件，锻压件等）连接起来，从而使焊接结构的材料分布，性能的匹配更加合理。(5) 投资少，见效快焊接结构生产一般不需要大型的，贵重的设备，而且对产品的生产规模适应性强，更换产品型号和品种都比较方便。焊接结构较之铸造结构具有强度和刚度高、重量轻、生产周期短以及施工简便等优点。而且单件小批生产的重型机床、专用机床以及组合机床的床身、立柱等零件，宜选用焊接结构。所以本设计采用焊接结构。9.2.4 机架的结构设计为保证床身的刚度和强度，在选择型材的过程中综合了机架外观设计的考虑，根据GB707-1988选择牌号为的热轧普通槽钢。其截面形状及尺寸如图9.3所示。 图9.3 机架材料截面图机架的结构示意图如图9.4所示：图9.4 机架三维图10 操纵机构设计10.1 操纵机构的功用和要求机床操纵机构的功用是控制机床各工作运动的启动、停止、变速、换向以及控制各种辅助运动等。操纵机构虽不直接参与机床的工作运动，与机床的精度、刚度、寿命等无直接关系，但对机床使用性能、生产率等都有直接的影响。对操纵机构基本要求如下：1） 操纵要灵活省力，以减轻工人的劳动强度。2） 操纵要方便。常用操纵件应布置在便于操纵的区域，不应过高、过低或过远。3） 操纵机构工作要安全可靠。每个操纵件周围必须留有充分的操作空间，以免碰撞。10.2 操纵机构的组成一般操纵机构由操纵件、传动装置、控制元件与执行件四部分组成。操纵件如手轮、按钮等，大部分以标准，可选用标准件。传动装置有机械的、电气的、气动的、液体的。传动装置常用机械的，如杠杆、凸轮、齿轮、齿条、丝杆螺母等机构。控制元件有孔盘、公用凸轮、液压预选阀等。执行件有拨叉、滑块等。10.3 操纵系统的分类（1）按一个操纵件所控制的被操纵件数目可分为单独操纵机构和集中操纵机构。一个操纵件只控制一个被操纵件的机构称为单独操纵机构。它的特点是结构简单、易于制造、广泛用于被操纵件少、操纵不太频繁的机床上。缺点是当被操纵件较多时，操纵手柄也相应增多，使用不便，操纵时间长。一个操纵件控制两个以上的被操纵件的机构被称为集中操纵机构。这种操纵机构使用方便，操作辅助时间短，但结构较复杂。集中变速操纵机构有顺序变速操纵机构（如凸轮式）、选择变速操纵机构（如孔盘式）、预选变速操纵机构（如液压式）三种。（2）按执行件拨动被操纵件的方式可分为移动式操纵机构和摆动式操纵机构移动式操纵机构是通过带导向杆或带导向孔的拨叉、轴心拉杆拨销来拨动被操纵件的，这种机构用于操纵行程较大的滑移齿轮。摆动式操纵机构是通过摆杆、滑块拨动被操纵件的。104 操纵机构的选择根据上述操纵机构的介绍，由于本设计的操纵件只控制一个被操纵件（即滑移齿轮），而且操纵行程较小，所以本设计采用摆动式偏侧作用的单独操纵机构。该操纵机构简图如10.1所示。图10.1操纵机构简图设计此操纵机构时，为减少滑块的偏移量，摆杆轴布置在滑移齿轮的行程中点的垂直面内。手柄位置如图10.2所示。图10.2 手柄位置示意图如图10.2所示的换档手柄两个位置的状态分别为：在位置1时，摆杆轴上的滑块拨动花键轴上的滑移齿轮向右边运动使主轴的转速变为低速档；在位置3时摆杆轴上的滑块拨动花键轴上的滑移齿轮向左边运动，使主轴的转速变为高速档。参考文献1金属切削机床设计编写组.金属切削机床M.上海：上海科学技术出版社，1985.52机床设计手册编写组.机床设计手册（第三册）M.北京：机械工业出版社，1986.123浦林祥主编.金属切削机床夹具设计手册M.北京：机械工业出版社,2002.64曹桄、高学满主编.金属切削机床挂图M.上海：上海交通大学出版社,2006.105寇尊权,王多主编.机械设计课程设计M.北京：机械工业出版社，2006.106濮良贵,纪名刚主编.机械设计(第八版)M.北京：高等教育出版社，2006.57孙恒,陈作模,葛文杰主编.机械原理(七版)M.北京：高等教育出版社，2006.58黄鹤汀,俞光主编.金属切削机床设计M.上海：上海科学技术文献出版社，1986.79机械设计手册编写组编著.机械设计手册（第一卷）M.北京：机械工业出版社，2004.810陆萍主编.机械设计基础M.济南：上海科学技术出版社，2003.911谢家瀛主编.组合机床设计简明手册M.北京：机械工业出版社，1992.1012机械设计手册编委会编著.机械设计手册（3版第3卷）M.北京：机械工业出版社，2004.813许祖德主编.金属切削刀具与磨具标准应用手册M.北京：机械工业出版社，1995.1214艾兴,肖诗纲编.切削用量手册M.北京：机械工业出版社，1986.615机床设计手册编写组编.机床设计手册（第二册零件设计）M.北京：机械工业出版社,1986.1216机床设计手册编写组编.机床设计手册（第三册）部件、机构及总体设计M.北京：机械工业出版社,1986.1217华东纺织工学院,哈尔滨工业大学,天津大学主编.机床设计图册M.上海：上海科学技术出版社出版,1981.518南京市机械研究所主编.金属切削机床夹具图册（下册）专用夹具M.北京：机械工业出版社,1984.1219杨昂岳等主编.机械制造工程学M.长沙：国防科技大学出版社，2004.220机械设计手册编委会编著.机械设计手册（3版2卷）M.北京：机械工业出版社，2004.821(美)杰弗斯等编，曲满军等译.AutoCAD 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