【0105】5jx繞絲篩管纏繞機(jī)(論文+DWG圖紙)
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繞絲篩管纏繞機(jī)
摘要：繞絲篩管纏繞機(jī)是一種應(yīng)用很廣泛的機(jī)械設(shè)備，這個設(shè)備生產(chǎn)出來的篩管是國際上近年來出現(xiàn)的一種新型產(chǎn)品，該產(chǎn)品由成形不銹鋼絲經(jīng)繞焊而成。它具有結(jié)構(gòu)簡單、焊接強(qiáng)度高、縫隙均勻價格合理、流通面積大、耐磨、耐腐蝕、不受溫度及壓力影響、安全可靠、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、壽命長、成本低等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)在我國已能大量生產(chǎn)全焊式不銹鋼篩管，并用于石油、化工、礦山、冶金、水利、電力、造紙、制藥、飲食及環(huán)保等行業(yè)的分級篩選、脫水和油、氣、水的過濾方面。因此，對繞絲篩管纏繞機(jī)的設(shè)計開發(fā)是很有實(shí)際意義的.
關(guān)鍵詞：纏繞機(jī) 篩管 焊接
遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）
參考文獻(xiàn)
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遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）
引言
繞絲篩管纏繞機(jī)是一種新面世的用于生產(chǎn)繞絲篩管的機(jī)械產(chǎn)品，目前國內(nèi)篩管生產(chǎn)廠家所使用的繞絲篩管纏繞機(jī)大部分是依靠國外進(jìn)口的。雖然有的廠家與某個科研單位共同研制了這種機(jī)械設(shè)備，但生產(chǎn)出來的產(chǎn)品精度很難達(dá)到用戶的要求。
在石油的鉆采作業(yè)中，篩管是一種重要的器材，常用于先期完井或采油防砂。目前，使用較多的篩管是繞絲篩管。這種篩管的制造方法是:在均勻分布于圓周的篩桿上或開孔的金屬襯管上，纏繞某種截面的鋼絲并焊牢，留出一定的縫隙作為篩孔。這種制造方法在我國已被較多的廠家所采用，如勝利油田就是從國外引進(jìn)了繞絲篩管生產(chǎn)線，滿足了不同用戶的需求。
經(jīng)有關(guān)部門測試，國產(chǎn)全焊式不銹鋼篩管的開口率、縫隙均勻度及外表面光潔度接近美國貝克爾公司的同類產(chǎn)品，繞絲與筋條焊點(diǎn)抗拉強(qiáng)度500N/mm，規(guī)格為60的篩管，整管拉斷力可達(dá)320kN。
在繞絲篩管出現(xiàn)之前，油井、水井的防砂濾網(wǎng)原多采用銅絲網(wǎng)、陶粒和環(huán)氧樹脂膠砂管，由于材料的強(qiáng)度較差，所以使用時間短，易損壞，造成井下大量出砂，使機(jī)泵損壞，不得不停產(chǎn)維修，影響原油生產(chǎn)?，F(xiàn)在很多油田，如大慶、大港、勝利等，已采用了國產(chǎn)全焊式不銹鋼篩管，使用情況表明，.國產(chǎn)篩管性能穩(wěn)定，能夠提高油、水井的利用率，保證油、水井的正常生產(chǎn)，降低原油的生產(chǎn)成本，最終提高了采收率，特別對油井早期防砂和油熱力開采具有一定的優(yōu)越性。把繞絲篩管展平后，可制成篩板，現(xiàn)已廣泛地用在采油廠污水處理系統(tǒng)的單閥濾罐中，代替了原來的過濾網(wǎng)。由于這種篩板強(qiáng)度另外，大直徑全焊式不銹鋼篩管經(jīng)切割展高、耐溫，耐壓、耐腐蝕、縫隙均勻，易于清理，所以保證了污水處理站的正常運(yùn)行，為油田的生產(chǎn)發(fā)揮了良好的作用。因此，對繞絲篩管纏繞機(jī)的設(shè)計和開發(fā)有很大的實(shí)在意義。
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開題報告
設(shè)計的題目：繞絲篩管纏繞機(jī)
設(shè)計題目的意義：
繞絲篩管纏繞機(jī)是一種新面世的用于生產(chǎn)繞絲篩管的機(jī)械產(chǎn)品，目前國內(nèi)篩管生產(chǎn)廠家所使用的繞絲篩管纏繞機(jī)大部分是依靠國外進(jìn)口的。雖然有的廠家與某個科研單位共同研制了這種機(jī)械設(shè)備，但生產(chǎn)出來的產(chǎn)品精度很難達(dá)到用戶的要求。
在石油的鉆采作業(yè)中，篩管是一種重要的器材，常用于先期完井或采油防砂。目前，使用較多的篩管是繞絲篩管。這種篩管的制造方法是:在均勻分布于圓周的篩桿上或開孔的金屬襯管上，纏繞某種截面的鋼絲并焊牢，留出一定的縫隙作為篩孔。這種制造方法在我國已被較多的廠家所采用，如勝利油田就是從國外引進(jìn)了繞絲篩管生產(chǎn)線，滿足了不同用戶的需求。
在繞絲篩管出現(xiàn)之前，油井、水井的防砂濾網(wǎng)原多采用銅絲網(wǎng)、陶粒和環(huán)氧樹脂膠砂管，由于材料的強(qiáng)度較差，所以使用時間短，易損壞，造成井下大量出砂，使機(jī)泵損壞，不得不停產(chǎn)維修，影響原油生產(chǎn)?，F(xiàn)在很多油田，如大慶、大港、勝利等，已采用了國產(chǎn)全焊式不銹鋼篩管，使用情況表明，.國產(chǎn)篩管性能穩(wěn)定，能夠提高油、水井的利用率，保證油、水井的正常生產(chǎn)，降低原油的生產(chǎn)成本，最終提高了采收率，特別對油井早期防砂和稠油熱力開采具有一定的優(yōu)越性。把繞絲篩管展平后，可制成篩板，現(xiàn)已廣泛地用在采油廠污水處理系統(tǒng)的單閥濾罐中，代替了原來的過濾網(wǎng)。由于這種篩板強(qiáng)度另外，大直徑全焊式不銹鋼篩管經(jīng)切割展高、耐溫，耐壓、耐腐蝕、縫隙均勻，易于清理，所以保證了污水處理站的正常運(yùn)行，為油田的生產(chǎn)發(fā)揮了良好的作用。因此，對繞絲篩管纏繞機(jī)的設(shè)計和開發(fā)有很大的實(shí)在意義。
方案的比較：
方案一
根據(jù)設(shè)計的目的和要求，主軸的運(yùn)動形式是轉(zhuǎn)動，而工件的運(yùn)動形式是邊轉(zhuǎn)動邊移動。主軸的轉(zhuǎn)動靠齒輪帶動來實(shí)現(xiàn)的。工件的轉(zhuǎn)動是通過夾具將工件夾緊與主軸同步轉(zhuǎn)動，而工件的移動，通過尾座來帶動工件移動，尾座通過滾珠絲杠螺母副與滾珠絲杠連接起來，同時在尾座上安裝一個夾具將工件夾緊。且在主軸上安裝套筒，套筒為兩層。一層套筒通過花鍵與主軸連接，在二層套筒上開出一排齒條，通過齒輪與齒條嚙合推動套筒向外移動，即工件的移動。由于此裝置設(shè)計要求的精度較高，而齒輪齒條的嚙合根本就不能保證精度，故此方案不合適。
方案二：
主軸的結(jié)構(gòu)：在主軸外安裝一個套筒，套筒與主軸采用花鍵連接，同時在雙鍵與主軸連接處開出一米多長的鍵槽。另外，齒輪安裝在套筒上，這樣 齒輪帶動套筒轉(zhuǎn)動，即齒輪帶動主軸轉(zhuǎn)動。絲杠與尾座通過螺母副連接，絲杠帶動尾座前進(jìn)，尾座通過工件推動主軸在套筒里滑動。
進(jìn)給運(yùn)動：滑移齒輪2與3嚙合，1與4不嚙合，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給
尾座自由移動：滑移齒輪4作用，1、2、3不作用，通過手輪轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)尾座自由移動。
此方案出現(xiàn)的問題是當(dāng)工件完全進(jìn)入主軸箱時，主軸尾部要伸出主軸箱外很長一段，由于主軸很粗，質(zhì)量很大，且沒有支撐，很難保證主軸平穩(wěn)移動，所以此方案不合適。
方案三：
主軸箱內(nèi)主軸的結(jié)構(gòu)與方案二中主軸的結(jié)構(gòu)一樣，只是在主軸尾部安裝一個套筒，該套筒與箱壁連在一起同時在套筒最尾部放上支撐以支撐主軸。此方案雖然可實(shí)現(xiàn)設(shè)計要求，但主軸的初始位置無法保證，故此方案不合適。
方案四：
此方案與方案三中主軸箱的結(jié)構(gòu)相同，只是在主軸尾部用絲杠螺母副與下面的絲杠連接，目的是支撐主軸。通過手輪實(shí)現(xiàn)主軸的回位。此方案存在兩個問題：（一）。當(dāng)工件實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動時，與尾座連的滾珠絲杠和支撐主軸的絲杠之間容易產(chǎn)生干擾，很難保證進(jìn)度；（二）主軸回位問題，雖然可通過手輪帶動絲杠可以實(shí)現(xiàn)，但效率太低。故此方案不合適。
方案五：
此方案中主軸結(jié)構(gòu)與前面所述一至。主軸箱后面的絲杠螺母副采用的是開合螺母，當(dāng)工件實(shí)現(xiàn)進(jìn)給時，開合螺母打開，這樣兩根絲杠之間就沒有干擾了，同時還能支撐主軸。主軸的回位有機(jī)動和手動兩種。手動時，開合螺母合上，通過轉(zhuǎn)動手輪，可使主軸回位，另外還可微調(diào)主軸的初始位置。機(jī)動時，將滑移齒輪移位，通過絲杠帶動尾座連同工件與主軸一起回位。
尾座自由移動：在滾珠絲杠的左端有一個離合器，斷開離合器，通過手輪來調(diào)整尾座初始位置。
根據(jù)以上各個方案的比較， 確定方案五為最佳方案
研究計劃進(jìn)度表: 1周～6周 查資料;
7周～8周 調(diào)研
9周～13周 選定設(shè)計方案
14周～17周 繪制圖紙
參考文獻(xiàn)
[1]成大先主編.機(jī)械設(shè)計圖冊.化學(xué)工業(yè)出版社,2000
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[12] 王洪興,李木,劉秉忠.機(jī)械設(shè)計工程學(xué).中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1999
目錄
前言………………………………………………………………………………….1
第一章 繞絲篩管纏繞機(jī)的有關(guān)理論及工作原理……………………………..2
第二章 方案的選擇…………………………………………………………………6
第三章 箱體的設(shè)計………………………………………………………………..11
第四章 電動機(jī)的選擇………………………………………………………………14
4.1 步進(jìn)電動機(jī)及其發(fā)展………………………………………………………….14
4.2 步進(jìn)電動機(jī)的特點(diǎn)…………………………………………………………….14
4.3 步進(jìn)電動機(jī)的主要參數(shù)……………………………………………………….15
4.4 步進(jìn)電動機(jī)的分類…………………………………………………………….16
第五章 焊接方式的選擇……………………………………………………………18
5.1 焊接的概述……………………………………………………………………...18
5.2 焊接的方法……………………………………………………………………...18
第六章 各傳動軸的估算和驗(yàn)算…………………………………………………....20
第七章 按彎曲剛度校核軸的直徑………………………………………………....23
第八章 齒輪的校核………………………………………………………………....27
第九章 經(jīng)濟(jì)性分析………………………………………………………………36
第十章 后 續(xù)………………………………………………………………….....37
致謝……………………………………………………………………………….….38
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………..39
遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）
第一章 繞絲篩管纏繞機(jī)的有關(guān)理論及工作原理
目前篩管生產(chǎn)所參照的技術(shù)主要是卷繞成形技術(shù)。卷繞成形將是一種很有前途的加工方法,能夠制造功能性零件,特別是金屬零件,效率高、成本低可直接應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。卷繞成形可以作為零件的最終成形手段,也可以作為零件的粗加工手段。在鑄模制造等方面有其它材料添加制造加工方法無法比擬的優(yōu)越性。
卷繞成形是一種能夠制造功能性零件、效率高、成本低可直接應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的材料添加制造方法;其原理是通過一根或數(shù)根具有一定廓形的帶材的卷繞形成零件主體部分;卷繞成形工藝的適用材料范圍廣,可以是金屬、塑料、紙、纖維織物等;給出了卷繞成形加工的定義及工藝過程、適用范圍、信息模型、高效的加工設(shè)備及應(yīng)用實(shí)例。
目前競爭日益激烈,如何快速地開發(fā)出新型產(chǎn)品以響應(yīng)市場的需求是生產(chǎn)廠家,也是科技工作者關(guān)注的熱點(diǎn)問題。零件的成形可分為材料去除、材料變形和材料添加3種方式。材料添加制造因其非傳統(tǒng)的成形思想(將材料單元按照一定方式堆積、疊加成零件所需形狀)和優(yōu)于傳統(tǒng)加工方法的性能潛力而倍受矚目。材料添加制造方法是一種先進(jìn)的成形技術(shù),主要應(yīng)用于模型或原型的制造或某些特定的產(chǎn)品,極少應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。究其原因主要有：
成形材料的物理性能不能滿足產(chǎn)品的要求;成本高;效率低。根據(jù)“Rapid Prototyping Report”對其讀者調(diào)查,材料問題是現(xiàn)有的材料添加制造方法中存在的主要問題。目前用于材料添加制造的成形材料的成形性能大多不太理想,成形件的物理性能一般不能滿足功能性、半功能性零件的要求。特別是在制造傳統(tǒng)的功能零件金屬零件方面,雖然已有了很大的進(jìn)步(如,DTM公司推出了RapidSteel2.0新型燒結(jié)材料,Op-tomec公司推出的LENS系列金屬直接沉積成形機(jī)等),但與實(shí)際生產(chǎn)尚有一定的距離。而且成形材料的價格一般都比較高,造成高生產(chǎn)成本。將現(xiàn)有的材料,特別是功能材料進(jìn)行改造或預(yù)處理,使之適合于材料添加制造的工藝要求,是降低材料成本的一個有效方法。而開發(fā)可以直接應(yīng)用現(xiàn)有功能材料的工藝方法則能根本地解決成形材料問題,也只有這樣才能有效地拓寬材料添加制造的應(yīng)用范圍。
成本高一方面來自于昂貴的成形材料,另一方面則是設(shè)備價格的不菲,實(shí)質(zhì)是設(shè)備的性能價格比不理想。若開發(fā)出一種成形設(shè)備能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的性能價格比要求,價格將不是問題。由于現(xiàn)有材料添加制造工藝自身的限制,如LOM需要進(jìn)行廢料切碎,SLS、SLA、FDM等點(diǎn)積成形工藝需要進(jìn)行截面掃描等加工過程,致使加工效率較低。清華大學(xué)精密儀器系制造工程研究所開發(fā)的卷繞成形加工工藝是一種能夠制造功能性零件(特別是金屬零件),可直接采用現(xiàn)有材料而無須開發(fā)專用成形材料,效率高、成本低,是一種可直接應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的新型加工工藝方法。
一 卷繞成形的定義及工藝過程
卷繞成形加工方法工藝(rolling shaping process, RSP)是指通過一根或數(shù)根具有一定廓形的帶材卷繞形成零件主體部分的加工方法(見圖1),該帶材稱為芯帶(roll lam inated strip, RLS)。各點(diǎn)法線方向均垂直于卷軸W的型面稱為零件的周型面,若一周型面在卷軸W方向上的投影為該零件投影的外廓線,則將該周型面稱為最大周型面;其余型面稱為零件的端型面。如圖所示的零件是由一根寬窄連續(xù)變化的芯帶卷繞而成,所示零件由3根芯帶卷繞而成。
卷繞成形加工的工藝過程如下:
(1) 對零件進(jìn)行可制造性評價 若該零件可采用卷繞成形加工工藝,則進(jìn)行下一步,否則試用其它方法。
(2) 根據(jù)零件的實(shí)體模型計算芯帶的理論廓形 即以一定方式將零件的實(shí)體模型分層展開所得到的廓形,例如,從零件的最大周型面開始向內(nèi)做間距為芯帶厚度的等距面Pi,求各等距面與零件端型面的交集Ai,將上述等距面由內(nèi)至外依次展為平面并拼接,各等距面上的交集Ai所形成的集合ΣAi及其連接線即為芯帶的理論廓形。
(3) 計算芯帶的實(shí)際加工廓形 從實(shí)際生產(chǎn)的角度考慮,在滿足零件精度要求的前提下,可對芯帶的廓線進(jìn)行變形處理,以提高材料利用率和加工效率。
(4) 根據(jù)芯帶的實(shí)際加工廓形生成芯帶加工NC程序。
(5) 在芯帶加工設(shè)備上完成芯帶成形加工。
(6) 在芯帶卷繞設(shè)備上卷繞 該步驟可與上一步合并,在一體化的加工設(shè)備上一次完成。工件卷繞成形后,在芯帶的結(jié)束處施以焊接或粘接,保證工件取下后不致散開。
(7) 根據(jù)零件的不同要求進(jìn)行后續(xù)工藝 有些零件卷繞完成后不需要其它后續(xù)工藝,而有些零件必須通過其它工藝過程才能達(dá)到要求。典型的后續(xù)工藝有去應(yīng)力退火、精加工、去除型芯等。
二 適用范圍
卷繞成形加工方法對原材料沒有特殊的要求,現(xiàn)有的具有一定韌性的薄帶材均可應(yīng)用,無需使用昂貴的專用材料,可以是金屬、塑料、紙、纖維織物等。當(dāng)然,根據(jù)零件的性能要求可選用具有特殊涂敷層的原材料,如具有熱粘性的紙帶、涂有絕緣層的硅鋼帶等。卷繞成形的加工精度取決于帶材的厚度、芯帶廓形的計算誤差、芯帶的成形加工誤差和卷繞誤差等因素。它既可以作為零件的最終成形手段,也可以作為零件的粗加工工序。
芯帶加工時,可根據(jù)零件的精度要求對理論廓形進(jìn)行變形處理,從而提高材料利用率,降低成本。芯帶成形時,切割裝置僅需加工芯帶輪廓曲線,而無須進(jìn)行廢料切碎、截面掃描等其它加工,對于某些零件其有效加工路徑本身就短于其它的材料添加制造工藝,因而卷繞成形加工工藝具有很高的加工效率。由于卷繞成形工藝自身的限制,當(dāng)采用純卷法作為零件最終成形手段時,對零件的形狀有一定的要求。
采用單一芯帶純卷法可以加工的零件形狀具有如下特征:
1． 具有最大周型面;
2． 最大周型面在卷軸W方向上的投影為連續(xù)光滑曲線,當(dāng)原材料未 涂敷粘接材料時,該投影應(yīng)為連續(xù)光滑凸曲線;
3． 零件在卷軸W上投影的最小長度不得小于加工設(shè)備所要求的最小寬度;
4． 芯帶的理論廓形應(yīng)為圖2所示拓?fù)湫问街械?種,或是幾種的組合;
5． 卷繞成形加工需要型芯,當(dāng)需要去除型芯時,型芯的周型面應(yīng)為零件最大周型面的等距曲面。當(dāng)上述條件無法滿足時,需要采用其它工藝輔助加工。
三 信息模型
卷繞成形加工工藝信息處理系統(tǒng)根據(jù)零件的信息以及可加工性知識、設(shè)備能力對零件的可加工性進(jìn)行判斷見圖3。若該零件可以采用卷繞成形加工工藝,則進(jìn)行下一步計算;若不可以則需試用其它方法。此時輸入的零件信息為零件的材料和零件的立體模型。零件的立體模型可以有2種表達(dá)方式:1描述零件的函數(shù),適合于等截面環(huán)形零件等一些簡單的零件;2零件的STL文件,適合于形狀復(fù)雜的零件。
芯帶的理論廓形計算完畢后,卷繞成形加工工藝信息處理系統(tǒng)根據(jù)零件的精度要求信息、設(shè)備的能力、材料的性能和工藝規(guī)劃的知識進(jìn)行工藝規(guī)劃,確定芯帶的排料方式和走刀的順序,對芯帶的理論廓形進(jìn)行變形處理,計算芯帶的實(shí)際加工廓形。卷繞成形加工工藝信息處理系統(tǒng)根據(jù)芯帶的排料方式、走刀順序和芯帶的實(shí)際加工廓形計算芯帶的NC程序,并根據(jù)芯帶成形加工機(jī)床檢測到的帶材厚度變化反饋信息,以及芯帶卷繞加工機(jī)床檢測到的零件形狀變化反饋信息進(jìn)行調(diào)整,以保證成形零件的精度,其中對NC程序的調(diào)整可以實(shí)時進(jìn)行,也可以在生產(chǎn)一定數(shù)量的零件之后進(jìn)行[4]。
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第七章 按彎曲剛度校核軸的直徑
軸在載荷作用下若產(chǎn)生過大的彎曲變形，會影響軸上正常的工作。例如：安裝在齒輪上的軸，如軸的彎曲剛度不足而產(chǎn)生過大的撓度y和偏角θ，會使齒輪嚙合發(fā)生偏載。在電動機(jī)中，軸的過大撓度y會改變電動機(jī)轉(zhuǎn)子與釘子間的間隙，使電動機(jī)性能惡化。對于滾動軸承支承的軸，偏轉(zhuǎn)角θ會使軸承內(nèi)、外圈互相傾斜，如偏轉(zhuǎn)角超過滾動軸承的允許轉(zhuǎn)角，就顯著降低軸承的使用壽命。因此，設(shè)計軸時，需要對其進(jìn)行彎曲剛度的校核[12]。
傳動軸Ⅰ的彎曲剛度校核
1 軸上受力分析
軸上傳遞的扭矩：
軸I上的受力分析如圖所示。因此：
齒輪的圓周力：
齒輪的徑向力：
（一般嚙合角為20）
齒輪的法向力：
=640.4/0.94=681.5N
根據(jù)平衡條件，得到如下數(shù)據(jù)：
Y方向：
， ， N；
, ;
Z方向：
， ，
，
2. 彎矩圖
由于齒輪的作用力在水平平面的
由于齒輪的作用力在垂直的彎矩圖
由于齒輪的作用力在D截面的最大合成彎矩
圖
3轉(zhuǎn)矩圖
T1=48030Nm
4確定危險截面并計算其安全系數(shù)
根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)尺寸及彎矩圖、轉(zhuǎn)矩圖，截面B處彎矩最大，且有軸承配合引起的應(yīng)力集中；截面D處彎矩最大，且有齒輪配合與鍵槽引起的應(yīng)力集中，故為危險截面[4]。因此，對載面D進(jìn)行安全系數(shù)校核。
由于軸轉(zhuǎn)動，彎矩引起對稱循環(huán)的彎曲應(yīng)力，其應(yīng)力副為：
式中，W—抗彎截面系數(shù)，由軸上開有花鍵槽時的截面系數(shù)得：; 彎曲正應(yīng)力的平均應(yīng)力：
根據(jù)公式：
式中，—材料在對稱循環(huán)應(yīng)力時試見的彎曲疲勞極限。查《機(jī)械設(shè)計工程學(xué)Ⅱ》表4-1軸的常用材料及其主要機(jī)械性得：=270Mpa
—正應(yīng)力的有效應(yīng)力集中系數(shù)，由應(yīng)力集中系數(shù)表得：按鍵查得=1.57；按配合查得=1.25。此處取=1.25。
—表面質(zhì)量系數(shù)，軸經(jīng)切削加工，由不同表面粗糙度的表面質(zhì)量系數(shù)查得：。
---尺寸系數(shù)。由絕對尺寸影響系數(shù)表得：=0.81；
得：270*1037.43
轉(zhuǎn)矩=48.03，考慮到軸上作用的轉(zhuǎn)矩總是有些變動，故單向傳遞的軸的扭剪應(yīng)力一般視為動脈循環(huán)應(yīng)力：
根據(jù)公式可得：
式中 ---材料在對稱循環(huán)應(yīng)力時試件的扭轉(zhuǎn)疲勞極限，經(jīng)查表得：
=140， =0.1 ；
K---剪應(yīng)力的有效應(yīng)力集中系數(shù)，經(jīng)查表得：按鍵查得=1.40；按配合查得=1.88，此處取=1.88；
---尺寸系數(shù)，查表得： =0.76。
按公式S=,可以。
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第三章 箱體的設(shè)計
剛度和強(qiáng)度的要求是箱體設(shè)計的重要設(shè)計準(zhǔn)則。對于某些箱體零件，還應(yīng)進(jìn)行震動穩(wěn)定性和熱變形的校核計算。大多數(shù)的箱體設(shè)計是以剛度作為第一設(shè)計條件，如機(jī)床主軸及床身，立柱，機(jī)械壓力機(jī)等。按剛度條件設(shè)計所得到的截面尺寸一般比安強(qiáng)度設(shè)計所得到的尺寸要大。因此，滿足剛度條件的箱體往往也滿足強(qiáng)度條件，但是某些結(jié)構(gòu)也不盡然[11]。
箱體的設(shè)計應(yīng)滿足以下一般要求：
1. 可靠性
箱體在使用期內(nèi)必須安全可靠，其結(jié)構(gòu)迎合所承受的外力相協(xié)調(diào)，能滿足強(qiáng)度，剛度，震動穩(wěn)定性，疲勞強(qiáng)度，熱并行等方面的要求。
2. 實(shí)用性
箱體是機(jī)器的重要組成部分，他的精度，表面粗糙度，尺寸和形位公差等技術(shù)指標(biāo)必須確保機(jī)器的使用功能和使用壽命。
3. 工藝性
箱體結(jié)構(gòu)應(yīng)該容易鑄造或焊接，減少和防止鑄造或焊接缺陷，便于機(jī)械加工，便于機(jī)器的裝配和調(diào)試。焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化核自動化焊接。
4. 經(jīng)濟(jì)性
要盡量減輕結(jié)構(gòu)的重量，降低材料的成本，減少能源消耗，加工工時和制造成本。
根據(jù)箱體的用途不同，在箱體和機(jī)架的設(shè)計中，對以上各項(xiàng)要有所偏重，又要統(tǒng)籌兼顧。
箱體的設(shè)計步驟[7]：
第一步:確定箱體的基本形狀和尺寸
箱體的基本形狀尺寸是根據(jù)機(jī)器的用途、安裝在機(jī)器內(nèi)部和外部零件的位置與尺寸、相互運(yùn)動關(guān)系，以及他們的安裝和拆卸條件確定的，也取決于運(yùn)動情況和所承受的載荷情況。
綜合以上各種情況，并根據(jù)箱體的種類和用途及所掌握的資料相對比，運(yùn)用設(shè)計人員經(jīng)驗(yàn)作類比設(shè)計，來確定箱體的基本尺寸。基本尺寸包括其外形尺寸、界面形狀、壁厚和加強(qiáng)肋等相關(guān)尺寸。根據(jù)生產(chǎn)條件確定其毛坯類型。還要綜合各種情況選擇箱體材料。箱體、的草圖設(shè)計師箱體設(shè)計中最重要的一步。
第二步:常規(guī)計算
采用材料力學(xué)的理論和計算方法或者經(jīng)驗(yàn)公式對草圖設(shè)計中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性等方面的校核計算。對不符合要求之處進(jìn)行修改，達(dá)到設(shè)計要求。
第三步:有限元靜動態(tài)分析、模型試驗(yàn)和優(yōu)化設(shè)計
根據(jù)所得到的應(yīng)力分布和變形情況及振動特性來改進(jìn)設(shè)計。優(yōu)選設(shè)計方案和參數(shù)，使設(shè)計指標(biāo)達(dá)到最佳。
第四步:工藝審查和經(jīng)濟(jì)分析
根據(jù)生產(chǎn)條件對結(jié)構(gòu)設(shè)計中有關(guān)的內(nèi)容如鑄造、焊接、熱處理、機(jī)械加工、裝配等進(jìn)行工藝審查，對不足之處進(jìn)行改進(jìn)，還要進(jìn)行成本預(yù)算。
在完成步驟一至四以后，設(shè)計工作已經(jīng)完成，可以投產(chǎn)。但是對于復(fù)雜的大型箱體還要完成體的現(xiàn)場測試。在及其總裝負(fù)荷試車或者超負(fù)荷試車時，也可以在機(jī)器的工作現(xiàn)場對箱體的應(yīng)力、變形、振動特征、外載荷等設(shè)計參數(shù)進(jìn)行測試。將這些參數(shù)和原設(shè)計的結(jié)果進(jìn)行分析比較，進(jìn)一步修改原設(shè)計，使之更加完善。
對于受力較小、結(jié)構(gòu)簡單、一般用途得像體零件，完成一、二、四步驟就可以了。對于簡單的箱體零件設(shè)計，只完成步驟一和四就可以投產(chǎn)，如中小型減速機(jī)箱體的電動機(jī)機(jī)座等。對于受力復(fù)雜，機(jī)構(gòu)復(fù)雜的大型重要箱體，必須完成一到五的全部設(shè)計步驟。
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第九章 經(jīng)濟(jì)性分析
從這臺設(shè)備的整體布局和經(jīng)濟(jì)性分析，在設(shè)計該機(jī)器設(shè)備時，各個零部件大致選用以下材料：
1. 床身，主軸箱以及尾座選用鑄鐵；
2. 主軸選用45#鋼；
3. 導(dǎo)軌選用鑄鐵—淬火鋼導(dǎo)軌；
4. 帶動主軸轉(zhuǎn)動的電機(jī)選用步進(jìn)電動機(jī)；
5. 滾珠絲杠采用海特傳動工業(yè)集團(tuán)的ZG型精密滾珠絲杠。
其他的零部件，如軸承之類的都是選用國家標(biāo)準(zhǔn)。因此，本設(shè)備只有步進(jìn)電動機(jī)和滾珠絲杠的價格比較貴一點(diǎn)，在選用步進(jìn)電動機(jī)和滾珠絲杠時，應(yīng)考慮到電動機(jī)的特性和滾珠絲杠的承載能力。按目前的情況來看，我國各電動機(jī)廠家正在大量生產(chǎn)步進(jìn)電動機(jī)，從而使步進(jìn)電動機(jī)的價格大幅度下降，國外進(jìn)口的步進(jìn)電動機(jī)的價格大約是8～12美元，而國內(nèi)的價格只有5～6美元，所以步進(jìn)電動機(jī)的價格比普通電動機(jī)的價格還要便宜。
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第二章 方案的選擇
方案一：
傳動系統(tǒng)圖如圖一所示
根據(jù)設(shè)計的目的和要求，主軸的運(yùn)動形式是轉(zhuǎn)動，而工件的運(yùn)動形式是邊轉(zhuǎn)動邊移動。主軸的轉(zhuǎn)動靠齒輪帶動來實(shí)現(xiàn)的。工件的轉(zhuǎn)動是通過夾具將工件夾緊與主軸同步轉(zhuǎn)動，而工件的移動，通過尾座來帶動工件移動，尾座通過滾珠絲杠螺母副與滾珠絲杠連接起來，同時在尾座上安裝一個夾具將工件夾緊。且在主軸上安裝套筒，套筒為兩層。一層套筒通過花鍵與主軸連接，在二層套筒上開出一排齒條，通過齒輪與齒條嚙合推動套筒向外移動，即工件的移動。由于此裝置設(shè)計要求的精度較高，而齒輪齒條的嚙合根本就不能保證精度，故此方案不合適。[1]
圖一
Fig.1
方案二：
傳動系統(tǒng)圖如圖2所示
主軸的結(jié)構(gòu)：在主軸外安裝一個套筒，套筒與主軸采用花鍵連接，同時在雙鍵與主軸連接處開出一米多長的鍵槽。另外，齒輪安裝在套筒上，這樣 齒輪帶動套筒轉(zhuǎn)動，即齒輪帶動主軸轉(zhuǎn)動。絲杠與尾座通過螺母副連接，絲杠帶動尾座前進(jìn)，尾座通過工件推動主軸在套筒里滑動。
進(jìn)給運(yùn)動：滑移齒輪2與3嚙合，1與4不嚙合，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給
尾座自由移動：滑移齒輪4作用，1、2、3不作用，通過手輪轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)尾座自由移動。
此方案出現(xiàn)的問題是當(dāng)工件完全進(jìn)入主軸箱時，主軸尾部要伸出主軸箱外很長一段，由于主軸很粗，質(zhì)量很大，且沒有支撐，很難保證主軸平穩(wěn)移動，所以此方案不合適。
圖二
Fig.2
方案三：
傳動系統(tǒng)圖如圖三所示
主軸箱內(nèi)主軸的結(jié)構(gòu)與方案二中主軸的結(jié)構(gòu)一樣，只是在主軸尾部安裝一個套筒，該套筒與箱壁連在一起同時在套筒最尾部放上支撐以支撐主軸。此方案雖然可實(shí)現(xiàn)設(shè)計要求，但主軸的初始位置無法保證，故此方案不合適。
圖三
Fig.3
方案四：
傳動系統(tǒng)圖如圖四所示
此方案與方案三中主軸箱的結(jié)構(gòu)相同，只是在主軸尾部用絲杠螺母副與下面的絲杠連接，目的是支撐主軸。通過手輪實(shí)現(xiàn)主軸的回位。此方案存在兩個問題：
（一） 當(dāng)工件實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動時，與尾座連的滾珠絲杠和支撐主軸的絲杠之間容易產(chǎn)生干擾，很難保證進(jìn)度；
（二） 主軸回位問題，雖然可通過手輪帶動絲杠可以實(shí)現(xiàn)，但效率太低。故此方案不合適。
圖四
Fig.4
方案五：
傳動系統(tǒng)圖如圖五所示
此方案中主軸結(jié)構(gòu)與前面所述一至。主軸箱后面的絲杠螺母副采用的是開合螺母，當(dāng)工件實(shí)現(xiàn)進(jìn)給時，開合螺母打開，這樣兩根絲杠之間就沒有干擾了，同時還能支撐主軸。主軸的回位有機(jī)動和手動兩種。手動時，開合螺母合上，通過轉(zhuǎn)動手輪，可使主軸回位，另外還可微調(diào)主軸的初始位置。機(jī)動時，將滑移齒輪移位，通過絲杠帶動尾座連同工件與主軸一起回位。
尾座自由移動：在滾珠絲杠的左端有一個離合器，斷開離合器，通過手輪來調(diào)整尾座初始位置。
圖五
Fig.5
根據(jù)以上各個方案的比較， 確定方案五為最佳方案。
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第五章 焊接方式的選擇
5.1 焊接的概述
焊接是連接由于在被焊材料之間建立了原子間的聯(lián)系而實(shí)現(xiàn)的。據(jù)統(tǒng)計，占世界總產(chǎn)量50%～60%的鋼都是經(jīng)過焊接加工才投入使用的 。在傳統(tǒng)工業(yè)中，如機(jī)械制造、造船、能源、交通、石油、化工、核工業(yè)、航空、航天、建筑等制造領(lǐng)域，焊接與熱切割作為一種最基本的加工手段，已獲得了極廣泛的應(yīng)用，沒有這兩種工藝手段的餓應(yīng)用，現(xiàn)代化優(yōu)質(zhì)高效機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)已幾乎是成為不可能。隨著高新技術(shù)，新材料工業(yè)的發(fā)展，焊接技術(shù)已在微電子工業(yè)，表面工程及新材料工程中發(fā)揮著特殊的加工制作作用，被 加工的對象也跨出了金屬材料范圍而擴(kuò)大到了各種非金屬材料領(lǐng)域[3]。
5．2 焊接的方法
根據(jù)焊接過程中達(dá)到建立原子間聯(lián)系所能獲能量來源的不同，把焊接方法有分成了溶焊、壓焊、釬焊及堆焊四大類：
5．2．1 溶焊
熔焊：將焊件接頭加熱至熔化狀態(tài)，不加壓力以完成焊接的方法。
熔焊包括氣焊、手工電弧焊、埋弧焊、氣體保護(hù)焊、電渣焊、等離子弧焊、電子束焊、激光焊等。溶焊是最基本的焊接方法，在焊接生產(chǎn)中占主導(dǎo)地位。溶焊主要用于機(jī)械制造中所有同種金屬，部分種金屬及某些非金屬材料的焊接。
5．2．2 壓焊
壓焊：對焊件通過施加壓力（加熱或不加熱）以完成焊接方法。壓焊包括電阻焊（對焊、縫焊、點(diǎn)焊、凸焊）、摩擦焊、冷壓焊、擴(kuò)敷焊、高頻焊、爆炸焊、超聲波焊等。電阻焊在壓焊中占主導(dǎo)地位，主要用于汽車等薄板構(gòu)件的裝配，焊接；摩擦焊更適于圓形、管行截面工件焊接，正逐步代替閃光對焊。
5．2．3 釬焊
釬焊：利用熔點(diǎn)比焊件底的釬料與焊件共同加熱至釬焊溫度（高于釬料熔點(diǎn)），底于焊件熔點(diǎn)，液態(tài)釬料潤濕母材，填充接頭間隙并與母材相互擴(kuò)散以實(shí)現(xiàn)連接的方法。釬焊包括烙鐵釬焊、火焰釬焊、電阻釬焊、感應(yīng)釬焊、爐中釬焊等。釬焊適用于金屬、非金屬異種材料之間的釬焊，可焊接復(fù)雜結(jié)合面的工件，焊接變形小。
5．2．4堆焊
堆焊：機(jī)械制造行業(yè)中一個重要的制造和維修手段，它是用焊接方法將填充金屬熔敷在金屬材料或零件表面以得到特殊的表面性能或需要的尺寸的工藝方法。目的是提高設(shè)備或零件的使用壽命，節(jié)省制造和維修費(fèi)用。
由于此裝置加工的工件是鋼絲篩管，它是通過鋼絲纏繞在籠子形的鋼筋上形成的。當(dāng)鋼絲與筋接觸的同時焊接在一起，而篩管的要求是盡量圓形的。因此，焊接時，需要加熱快，變形小，生產(chǎn)率高等特點(diǎn)。根據(jù)以上對焊接方法的了解和對加工工件的要求，選定感應(yīng)焊接為此裝置的焊接方法。
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第八章 齒輪的校核
（一） 嚙合齒輪Z1和Z3的校核。（參考《機(jī)械設(shè)計工程學(xué)》Ⅰ）[12]
1 選擇齒輪材料
查表8-17 ，
小齒輪選用45號調(diào)質(zhì)，齒面硬度為HBS1=245～275HBS；
大齒輪先用45號正火, 齒面硬度為HBS1=210～240HBS。
2 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計計算
確定齒輪傳動的等級，按
=
估取圓周速度vt=0.5m/s，參考表8-14、表8-15選?、蚬罱M8級。
小輪分度圓直徑d1，由式（8-53）得
齒寬系數(shù)查表8-23按齒輪相對軸承為非對稱布置，取=0.4；
根據(jù)系統(tǒng)傳動圖知 ：小輪齒數(shù)Z1=25 ，大齒輪齒數(shù)Z3=100。傳動比3.85，齒數(shù)比為4，則傳動誤差為3.75%，誤差范圍在±5%范圍內(nèi)，合適。
小輪轉(zhuǎn)距T1 由式（8-53）得
P=T1×n1/9.55=0.329
載荷系數(shù)K 由式（8-54）得
使用系數(shù) 查表8-20
=1
動載荷系數(shù) 查圖8-57得初值
=1.02
齒向載荷分布系數(shù) 查圖8-60得
=1.07
齒向載荷分配系數(shù) 由式（8-55）及=0得
查表并插值得
=1.16
則載荷系數(shù)K的初值
=1×1.02×1.07×1.16=1.226
彈性系數(shù) 查表8-22得
節(jié)點(diǎn)影響系數(shù) 查圖8-64（=0，得
=2.5
重合度系數(shù) 查圖8-65（）得：
=0.87
許用接觸應(yīng)力[] 由式（8-69）得
接觸疲勞極限應(yīng)力查圖8-69知：
硬化系數(shù)ZW 查圖8-71及說明得：
ZW=1
接觸強(qiáng)度安全系數(shù) 查表8-27，按一般可靠度查，取
=1.6
即有
故的設(shè)計初值為
齒輪模數(shù)m
，
查表8-3得：
m=6
小輪分度圓直徑參數(shù)圓整值
圓周速度v
與估取=0.5m/s很相近，對取值影向不大，不必修正。故
== 1.02，K==1.226
小輪分度圓直徑
==150mm
大輪分度圓直徑
中心距
齒寬
大輪齒寬
==90mm
小輪齒寬
=+(5～10)=95mm
3齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核計算
由式（8-66）
齒形系數(shù) 查圖8-67 ，得： 小輪 =2.65
大輪 =2.22
應(yīng)力修正系數(shù) 查圖8-68 小輪 =1.59
大輪 =1.8
重合度系數(shù) 由式（8-67）
許用彎曲應(yīng)力[] 由式（8-71）
彎曲疲勞極限 查圖8-72 ，得：
彎曲壽命系數(shù) 查圖8-73，得：
尺寸系數(shù) 查圖8-74， 得：
=1
安全系數(shù) 查表8-27， 得：
=1.6
則
故
終上所述，根據(jù)對齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核，兩個齒輪的齒根彎曲強(qiáng)度足夠，能夠保證正常運(yùn)作。
（二） 合齒輪Z6和Z7的校核。（參考《機(jī)械設(shè)計工程學(xué)》Ⅰ）
1 選擇齒輪材料
查表8-17 ，
小齒輪選用45號調(diào)質(zhì)，齒面硬度為HBS1=245～275HBS；
大齒輪先用45號正火, 齒面硬度為HBS1=210～240HBS。
2 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計計算
確定齒輪傳動的等級，按
=
估取圓周速度vt=0.086m/s，參考表8-14、表8-15選取Ⅱ公差組8級。
小輪分度圓直徑d1，由式（8-53）得
齒寬系數(shù)查表8-23按齒輪相對軸承為非對稱布置，取=0.8；
根據(jù)系統(tǒng)傳動圖知 ：小輪齒數(shù)Z6=30 ，大齒輪齒數(shù)Z7=113。傳動比3.85，齒數(shù)比為3.765，則傳動誤差為2.2%，誤差范圍在±5%范圍內(nèi)，合適。
小輪轉(zhuǎn)距T1 由式（8-53）得
P=T1×n1/9.55=0.329
載荷系數(shù)K 由式（8-54）得
使用系數(shù) 查表8-20
=1
動載荷系數(shù) 查圖8-57得初值
=1.02
齒向載荷分布系數(shù) 查圖8-60得
=1.07
齒向載荷分配系數(shù) 由式（8-55）及=0得
查表并插值得
=1.16
則載荷系數(shù)K的初值
=1×1.02×1.07×1.16=1.226
彈性系數(shù) 查表8-22得
節(jié)點(diǎn)影響系數(shù) 查圖8-64（=0，得
=2.5
重合度系數(shù) 查圖8-65（）得：
=0.87
許用接觸應(yīng)力[] 由式（8-69）得
接觸疲勞極限應(yīng)力查圖8-69知：
硬化系數(shù)ZW 查圖8-71及說明得：
ZW=1
接觸強(qiáng)度安全系數(shù) 查表8-27，按一般可靠度查，取
=1.1
即有
故的設(shè)計初值為
齒輪模數(shù)m
，
查表8-3得：
m=4
小輪分度圓直徑參數(shù)圓整值
圓周速度v
與估取=0.12m/s很相近，對取值影向不大，不必修正。故
== 1.02，K==1.226
小輪分度圓直徑
==120mm
大輪分度圓直徑
中心距
齒寬
大輪齒寬
==84.36mm
小輪齒寬
=+(5～10)=89.36mm
3齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核計算
由式（8-66）
齒形系數(shù) 查圖8-67 ，得： 小輪 =2.54
大輪 =2.18
應(yīng)力修正系數(shù) 查圖8-68 小輪 =1.62
大輪 =1.84
重合度系數(shù) 由式（8-67）
許用彎曲應(yīng)力[] 由式（8-71）
彎曲疲勞極限 查圖8-72 ，得：
彎曲壽命系數(shù) 查圖8-73，得：
尺寸系數(shù) 查圖8-74， 得：
=1
安全系數(shù) 查表8-27， 得：
=1.3
則
故
終上所述，根據(jù)對齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核，兩個齒輪的齒根彎曲強(qiáng)度足夠，能夠保證正常運(yùn)作。
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