数控曲轴磨床横向滑台部件设计

湖南大学毕业设计(论文)第１页1绪论1.1课题的背景及目的机床既是实施先进制造技术的重要装备，也是制造信息集成的一个重要载体，因此，机床的发展和创新在一定程度上映射出加工技术的主要趋向。随着制造技术的发展，进入了以发展高速切削、开发新的切削工艺和加工方法、提供成套技术为特征的发展新阶段。单单传统的普通机床是不能满足现在发展的需要的，这时，采用数字控制的数控机床产生了，它大大提高了生产的效率，满足市场之所需，特别是加工一些传统方法难以加工的工艺。曲轴是发动机的关键件之一，零件结构复杂，生产批量大（在中、小批量生产中需进行多品种轮翻生产），精度要求高（连杆颈的尺寸精度IT6-IT7，圆度≤0.005mm，表面粗糙度Ra0.2-Ra0.4）。目前，曲轴的终加工，仍普遍采用磨削工艺。为满足曲轴日益提高的加工要求，对曲轴磨床提出了很高的要求。现代曲轴磨床除了要有很高的静态、动态刚度和很高的加工精度外，还要求有很高的磨削效率和更多的柔性。近年来，更要求曲轴磨床具有稳定的加工精度，为此，对曲轴磨床的工序能力系数规定了Cp=1.67，这意味着要求曲轴磨床的实际加工公差要比曲轴给定的公差小一半。现代驱动和控制技术，测量控制，CBN（立方氮化硼）砂轮和先进的机床部件的应用，为曲轴磨床的高精度、高效磨削加工创造了条件。一种称之为连杆颈切点跟踪磨削工艺正是体现了这些新技术综合应用的具体成果。而这种跟踪磨削工艺可显著地提高曲轴连杆颈的磨削效率、加工精度和加工柔性。切点跟踪磨削法运动模型应用在加工曲轴的研究。按磨削点在连杆颈上均匀运动的原则建立了切点跟踪法的运动原则，提出了通过坐标转换把曲轴切点跟踪磨削转换成普通外援磨削状态来进行分析的心思路，从运动学的角度分析了切点跟踪法对加工误差的影响，探讨了切点跟踪运动对当量磨削厚度和磨削力的影响及变化规律，给出了数控补偿量的计算公式和修正后的运动模型。根据所加工的理论，研究设计曲轴加工磨床，要求所设计的磨削加工适应产品的高精度、高耐磨性、高强度的要求，同时还要满足磨削自动化和智能化的要求。在加工的过程中，对磨削过程进行监控和检测技术，也是要得到满足。湖南大学毕业设计(论文)第２页1.2国内外研究状况磨削加工是机械制造中的重要的加工工艺。随着机械产品精度、可靠性和寿命的要求不断提高，高硬度、高强度、高耐磨性、高功能性的新型材料的应用增多，这就要求磨削加工技术从整个理论上都要跟着各种需求而改进。对磨削加工的发展，主要体现在以下的各个方面：1、继续提高磨削效率进一步发展高速磨削，不仅在普通外圆、内圆、轴承磨床上提高速度，而且也在诸如轧辊磨床(险峰机床厂)上也由35m/s提高到45m/s以上。在采用动压轴承主轴条件下实现了高效高速低粗糙度磨削(广西大学、湖南大学)。发展缓进给强力磨削工艺及机床，例如北京机床研究所与北京第四机床厂在国内最早发展此种机床。发展重负荷磨削、磨削速度已达80m/s及压力250~500kgf(2500N~5000N)以上使金属去除率大大提高。2、继续提高磨削精度、质量、发展超精密磨削提高磨削精度仍是工艺的主要方面，在高精度平面磨削中为了降低由于砂轮不平衡而造成的波纹，已开展试用CBN砂轮磨削。提高表面质量与改善磨削表面质量情况是重要方面。3、继续为提高磨削加工过程的自动化程度、发展数控磨床、附加数显装置及自动测量等加工的效率跟很多因素有关，发展自动化不仅仅减小了加工材料的周期，还大大给操作的工人节省了大量的劳动力，彻底改变工人的结构组织，不具有一定的数控技术是不能适应现代的加工要求。4、发展超硬磨料磨削随着加工工件的材料越来越复杂，硬度的要求对于磨料来说，也是一个比较大的挑战，为了适应加工材料的发展，磨料的发展也不能退伍。5、发展其他形式的磨削以及非金属材料的磨削对未来的磨削技术，无论是国内还是国外，都是朝着超精度，高刚度磨床和磨削加工中心的方向发展。精密加工心须由高精度高刚度的机床保证，精密磨床应采用油轴承，空气轴承，磁轴承，静动压轴承，及静动压导轨，直线导轨，静动压丝杠，进给机构高建化高精密化机床结构，采用稳定性好，抗拉性好，等花岗岩，人湖南大学毕业设计(论文)第３页造花岗岩，陶瓷，微晶玻璃代替铁系材料，增加了机床的刚度等。磨削加工中心具备自动交换，自动选择及自动修正磨削工具的机能，一次装卡即能完成磨削加工，实现了磨削加工的复合化与集约化，甚至可实现无人化连续自动生产，节约成本，节约工装费用，对机床高的刚度，热变形等，进一步提高加工精度，磨削加工，中心是当今磨削技术进步的主要标志，也是磨削加工技术的发展方向。1.3课题设计内容和研究方法本课题设计主要是对数控曲轴磨削机床的各个部件进行设计，把整台机床分为砂轮架、横向滑台，纵向滑台、头架、尾架、及床身的设计。然后对每个部件的零件进行设计、计算、选用，最后组成整台机床。最后绘制曲轴磨削机床的总体布局图。本设计应用的绘图软件是SolidWorks，在设计的过程中，熟悉该软件的操作，绘制出各个零件的三维视图，再又该软件转换为二维工程图。本小组设计的内容是曲轴磨床中的横向滑台的设计。湖南大学毕业设计(论文)第４页2总体方案设计2.1设计要求本课题设计的磨削机床是数控曲轴磨床，曲轴是是发动机中重要的零件，其精度要求是非常高的，这就要求我们对磨床的精度设计提出很高的要求。根据加工的曲轴的尺寸，要求设计的磨床要能以较小的体积，较轻的重量能满足精度的要求，同时也满足低成本的要求。由于曲轴加工是批量生产，这就要求设计的磨床生产效率要高，满足自动化生产。另外关于环保和维修方面也要得到好的要求。2.2磨床的总体布局2.2.1工件是设计的依据无论设计什么机床，首先要做的第一步就是要对工件的具体分析。本课题所设计机床的加工工件是曲轴，这就要我们对曲轴进行具体的分析，如表面几何形状、尺寸大小、材料性质、技术要求、批量、加工余量等等。2.2.2磨削方法的介绍对于磨削机床的加工外圆方法主要有：1、纵磨法：在外圆磨床上纵磨工件圆柱表面，然后以砂轮端面磨工件端面。2、端面外圆斜切入法：这种方法须将砂轮成形休整，砂轮跟工件不垂直，侧着磨工件。两种加工方法都有各自的好处，前一种磨削方法，除了砂轮和工件的旋转外，砂轮与工件之间还作纵向往复运动和进给运动，其通用性好；对于后一种方法，砂轮架斜向进给加工，不需要纵向进给，可同时加工工件的两个端面，其效率高，但通用行差，并且结构复杂和休整砂轮不方便。在加工曲轴时，由于曲轴结构复杂，采用端面外圆切入法是不适合的，只能适用第一中方法——纵磨法。2.2.3总体布局由工件的尺寸L=394mm，可采用工件在工作台上纵向往复运动，操作者在工件的湖南大学毕业设计(论文)第５页前面操作。这样的布局对重量不是很大的工件适用，而且操作人员操作方便；床身采用T字形床身。总体布局如下图2.1所示图2.1总体布局草图2.2.4机床总布局应注意的问题1、保证机床的刚度、精度、抗振性和稳定性；2、传动系统力求简短，达到结构简单，提高传动精度和效率；3、机床操作、调整要简洁，装拆、维护要方便，排屑、冷却要畅通，联锁保护要安全可靠；4、机床的外形轮廓应平整、大方、调和。湖南大学毕业设计(论文)第６页3横向进给系统设计计算3.1滚珠丝杆的设计计算3.1.1确定滚珠丝杆副的导程Ph由工作台最高移动速度Vmax,电机最高转速nmax,传动比i等确定PhmaxmaxhVPin（3.1）当电机与滚珠丝杠副直联时i=1maxmaxhVPin计算出的Ph要取较大值圆整根据设计的刚度和精度要求，取Vmax=12m/min，代入得，Ph=8mm3.1.2滚珠丝杆副的载荷及转速计算1、最小载荷Fmin机器空载时滚珠丝杠副的传动力。如工作台重量引起的摩擦力。估算整个滑台和砂轮架的大概重量GG=G电机+G砂轮+G砂轮架+G其它（3.2）=（125kg+60kg+1000kg+165kg）9.8N/kg=13230N根据滚动导轨副的摩擦力计算公式Fu=P+f（3.3）其中：湖南大学毕业设计(论文)第７页——滚动摩擦系数，=0.003-0.005，当载荷比P/Ca0.05时，将急剧增大；P——法向载荷（N）；F——密封件阻力（N），每个滑块座f=5N；Fmin=0.01513230N+5N4=218N2、最大载荷Fmax选机器承受最大载荷时滚珠丝杠副的传动力。如机床切割时，切削力滚珠丝杠轴向的分力与导轨摩擦力之和即为Fmax（这时导轨摩擦力是由工作台，工件，夹具三者总的重量以及切削力在垂直导轨方向的分量共同引起的）本丝杠的最大载荷，为切削时的最大法向力加摩擦力。最大径向力为318.75N（同组同学所算）。作为粗略估计，最大法向力取为Fy=3.2Fz=3.2318.75=1020所以丝杠的最大载荷为Fmax=kFy+f（Fz+G）=1.11020+0.015（318.75+13230）=1325N（3.4）其中：k——考虑颠覆力矩影响的系数；f——钻床主轴套筒上的摩擦系数；Fz——切削力的径向力；Fy——切削力的法向力。3.1.3滚珠丝杠副的当量转速nm及当量载荷Fm滚珠丝杠副在n1,n2,n3…nn各种转速下，各转速工作时间占总时间的百分比分别为t1%,t2%,t3%,…tn%,所受载荷分别是F1,F2,F3…Fn。1212100100100nmntttnnnn（3.5）当负荷与转速接近正比变化时，各种转速使用机会均等时，可采用下列公式计算：湖南大学毕业设计(论文)第８页maxmin2mnnn（3.6）=mr/211500=750r/m=321813252=956N3.1.4预期额定动载荷1、按滚珠丝杠副的预期工作时间Lh(小时)计算：360100mwammhacFfCnlff（3.7）=3150007506044.00.11003.1956=24777N2、按滚珠丝杠副的预期运行距离Ls(千米)计算：3()smwamhacLFfCNPff（3.8）=3825044.00.13.1956=8897N式中Lh-预期工作时间（小时）（见表1）.Ls-预期运行距离（km），一般取250km.fa-精度系数。根据初定的精度等级（见表2）选。fc-可靠性系数。一般情况下fc=1。在重要场合，要求一组同样的滚珠丝杠副在同样条件下使用寿命超过希望寿命的90%以上时fc（见表3）选。fw-负荷系数。根据负荷性质（见表4）选。湖南大学毕业设计(论文)第９页表2精度等级fa精度等级1.2.34.5710fa1.00.90.80.7表3可靠性系数fc可靠性%909596979899fc10.620.530.440.330.21表1各类机械预期工作时间Lh机械类型Lh备注普通机械5000-10000普通机床10000数控机床15000精密机床20000测示机械15000航空机械100Lh=250(天)×16(小时)×10(年)×0.5(开机率)表4负载性质系数fw负荷性质无冲击（很平稳）轻微冲击伴有冲击或震动fw1-1.21.2-1.51.5-23、有预加负荷的滚珠丝杠副还需按最大轴向负荷Fmax计算：maxameCfF（3.9）=13254.5=5962N式中fe-预加负荷系数（见5表）表5预加负荷系数预加负荷类型轻预载中预载重预载fe6.74.53.4以上3种计算结果中选择较大的为滚珠丝杠副的Cam，即Cam=24777N。3.1.5确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径d2m1、估算滚珠丝杠的最大允许轴向变形量δm(1)、δm(1/3~1/4)重复定位精度(2)、δm(1/4~1/5)定位精度δm：最大轴向变形量m湖南大学毕业设计(论文)第１０页已知：一般经过预紧的滚珠丝杠副可以达到定位精度为10m，重复定位精度为5m（参看《滚珠丝杠副及自锁装置》）。1．δm=1.52．δm=2.5取两种结果的小值δm=1.5m2、估算滚珠丝杠副的底径d2m本课题所设计的丝杆支撑类型为两端固定如下图3.1所示：图3.1两端固定丝