大直徑輥筒雙頭鏜孔專機承載裝置和自定心裝置的設計【說明書+CAD】

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各種類型的鉆頭一般地，由鉆孔加工出的孔直徑要比鉆頭的直徑略大，正如你所看到的鉆頭很容易在它剛加工出的孔中移動。孔直徑比鉆頭直徑大出的數(shù)值取決于鉆頭的質量和所用的設備，也和工人的操作有關。一些金屬和非金屬材料由于鉆孔產(chǎn)生的熱而劇烈擴張，因此，最后的孔會比鉆頭的直徑小，這取決于鉆頭的熱性能。已加工的孔為了得到更好的表面光潔度和尺寸精度或許受制于接下來的操作過程，比如鉸孔和珩磨。鉆孔通常會在工件下表面留下毛刺，一旦鉆頭穿破工件，這就需要去毛刺處理（第25.10節(jié)）。麻花鉆 最常見的鉆頭是傳統(tǒng)的標準刀尖麻花鉆（圖22.23a），主要的特征是刀尖角，鉆緣后角，橫刃角和螺旋角。鉆頭頂尖的幾何形狀從鉆頭的中心到邊緣距離不斷變化以至于有標準的前角和切削速度。一般地，兩個螺旋槽趨向鉆頭的全長，產(chǎn)生的切屑通過這些溝槽被指引向前，溝槽也作為通道使切削液流至切削刃邊緣。一些鉆頭有內(nèi)部軸向的孔，切削液流過起到提高潤滑和冷卻的作用，而且可以沖走切屑。圖22.23 （a）標準的橫刃鉆有著不同的特征，這對邊刃的作用是當鉆頭進入工件后為緊貼也內(nèi)壁而提供一個承載面。四刃鉆頭可以用來提高鉆頭的導向和鉆孔精度。帶有分屑槽的鉆頭也可以使用。（b）曲軸尖鉆（c）各種各樣的鉆頭刀尖和設計者：1.四面分割刀尖，美國高邁特。2.SE型刀尖，赫特爾。3.新型刀尖，三菱材料公司。4.Hosoi刀尖，OSG Tap & Die 5.螺旋尖具有分屑溝沿著刀具邊緣這一特性的鉆頭可以使用。這一特性在使用自動化機器鉆孔中是十分重要的，對于沒有操作者輔助情況下長切屑的排除，鉆頭的這一特性是必須的。在表22.10中給出了不同工件材料的鉆頭幾何形狀規(guī)范。這些角度以鉆孔操作的經(jīng)驗為依據(jù)，被設計來加工有精度高的孔，使鉆削力和轉矩最小，同時使鉆頭壽命最長。鉆尖的幾何形狀 鉆頭形狀的微小改變就會對鉆頭參數(shù)有很大的影響，特別是占鉆孔過程大約50%鉆削力的橫刃區(qū)。例如，太小的鉆緣后角（圖22.23 a）會增加鉆削力，產(chǎn)生過量的熱而加快鉆頭磨損。相反地，太大的角度會造成切削刃的剝落或損壞。因此，除了傳統(tǒng)的尖鉆，一些其它的鉆尖幾何形狀已經(jīng)被改善來提高鉆頭參數(shù)并且增加穿透速度（圖22.23 c）。特殊的研磨拋光技術和設備也用于加工這些幾何結構。其它形式的鉆頭 如圖22.24為幾種類型的鉆尖。階梯鉆頭可以加工出兩個或更多不同直徑的孔。擴孔鉆用于擴大已經(jīng)存在的孔。平底锪孔鉆和錐底锪孔鉆在工件表面加工出沉槽以容納螺釘和螺栓的頭部。中心鉆很短并用于在圓棒料的一端加工孔以至于可以被固定在車床的兩個中心（在主軸箱和尾座之間，圖22.2）。定心鉆是用來在工件指定的位置沖孔。表22.10 高速麻花鉆鉆頭幾何結構的一般性建議工件材料 刀尖角 鉆緣后角 橫刃角 螺旋角 刀尖鋁合金 90-118 12-15 125-135 24-48 標準鎂合金 70-118 12-15 120-135 30-45 標準銅合金 118 12-15 125-135 10-30 標準鋼 118 10-15 125-135 24-32 標準高強度鋼 118-135 7-10 125-135 24-32 曲軸不銹鋼(低強度) 118 10-12 125-135 24-32 標準不銹鋼(高強度) 118-135 7-10 120-130 24-32 曲軸高溫合金 118-135 9-12 125-135 15-30 曲軸耐熱合金 118 7-10 125-135 24-32 標準鈦合金 118-135 7-10 125-135 15-32 曲軸鑄鐵 118 8-12 125-135 24-32 標準塑料 60-90 7 120-135 29 標準圖22.24 各種類型的鉆孔和鉸孔(擴孔)扁鉆具有可更換的頂尖或刀頭，可以用來加工大而深的孔。它具有更高的剛度（因為在鉆頭體上沒有開槽）這一優(yōu)勢，很容易磨削切削刃的邊緣，而且價格低廉。曲柄鉆（圖22.23）有很好的對心功能，因為切屑很容易破裂，故這類鉆頭適用于加工深孔。 深孔鉆 主要發(fā)展于槍筒的鉆孔，深孔鉆用于鉆深孔并需要一特殊的鉆頭（圖22.22 e和22.25 a）。加工的孔深和直徑比可達300:1，甚至更高。這個鉆削力（徑向力使鉆頭橫向傾斜）被鉆頭上沿著孔內(nèi)表面（圖22.25 a）滑動的烏金軸瓦平衡掉。因此，深孔鉆可以自定心，當鉆深孔直的孔時這是一個重要的性能。圖22.25 (a)深孔鉆的各個特征；(b)鉆深孔的方法來源：Eldorado刀具和制造公司鉆深孔時的鉆削速度通常很高，進給量較低。切削液在高壓下被迫流過鉆頭體（圖22.25 b）的軸向孔。除了潤滑和冷卻之外，切削液也可以沖走將會中斷正在鉆的深孔而干擾鉆孔操作的切屑。沒有必要通過退刀來清理切屑。 穿孔 在穿孔中，通過移動盤狀的工件使切削刀具（圖22.26 a）加工出孔，這些盤狀工件通常是平板?？椎募庸な窃诓环纸獠牧鲜怪?yōu)榍行纪瓿傻模@和鉆孔類似。穿孔可以加工直徑達150mm（6英寸）的平板，也可以用于加工將會替代O型密封圈的環(huán)型槽。穿孔可以在車床，鉆床（圖22.26）或其它機床上完成，可以用單刃刀具或多刃刀具。穿孔的一個變種為深孔穿孔，除了刀具有一個中心外所用刀具和深孔鉆類似。圖22.26 (a)穿孔刀；(b)用架式單刀具穿孔22.7.2材料切除率鉆孔過程中材料的切除率是每單位時間內(nèi)被鉆頭切除的材料體積。對于一個直徑為D的鉆頭，它所鉆的孔的截面面積為D2/4。鉆頭垂直工件方向的速度是進給量f（鉆頭每轉鉆入工件的距離）和旋轉的速度N的乘積，此處N=V/D。所以 MRR=（D2/4）（f）（N）我們可以檢查這個方程所達到尺寸的精度，就像方程（22.1）一樣，注意到MRR=(mm2)(mm/rev)(rev/min)=mm3/min，這是單位時間內(nèi)材料移除量的正確單位。22.7.3 鉆削力和轉矩鉆孔中的鉆削力作用于孔的軸線方向，如果這個力過大將會使鉆頭彎曲或損壞。過大的鉆削力也會使工件彎曲，尤其是工件沒有足夠剛度時（例如薄金屬片的結構），或者使工件滑入工件夾緊裝置。鉆削力范圍從用小鉆頭的幾牛頓到用大鉆頭鉆高硬材料的100千牛頓。同樣地，鉆入轉矩也可以達到4000Nm。這個鉆削力取決于以下幾個因素：(a)工件材料的硬度；(b)進給量；(c)轉速；(d)鉆頭直徑；(e)鉆頭的幾何形狀；(f)切削液。精確計算出鉆頭上的鉆削力是很困難的。但是，實驗數(shù)據(jù)在設計、使用鉆頭和鉆孔設備中是可以做為幫助使用的。為了估計所需功率的大小，必須知道鉆孔過程轉矩的大小。過大的轉矩會使工件彎曲或使工件滑入工件夾緊裝置。鉆孔的過程很難計算轉矩的大小?？梢杂盟o表20.1的數(shù)據(jù)得知鉆孔過程消耗的功率，這個功率是轉矩和轉速的乘積。因此，鉆頭的轉矩可以由先計算出來的材料切除率計算出來。例子：材料切除率和轉矩在一塊鎂合金上用一個直徑為10mm的鉆頭以0.2mm/r的進給量鉆孔，主軸轉速為N=800r/min，計算材料切除率和鉆頭的轉矩。解：首先用方程式22.3計算材料切除率MRR=()(10)2/4(0.2)(800)=12570mm3/min=210 mm3/s.查表20.1，對應鎂合金取單位功率的平均值為0.5Ws/ mm3 因此，所需功率為P=(210)(0.5)=105W功率是鉆頭轉矩和轉速的乘積，在此轉速為(800)(2)/60=83.8r/s注意到W=J/S，J = Nm故得T=105/83.8=1.25 Nm22.7.4鉆頭材料和尺寸鉆頭通常由高速鋼(M1,M7,M10)制成，為了提高鉆頭的耐磨性，現(xiàn)在許多鉆頭表面都鍍有氮化鈦。硬質合金（圖22.22f,g）或者整體硬質合金鉆頭可以用于鉆鑄鐵、鋼、硬質耐高溫金屬和研磨材料，如混凝土和磚(石工鉆)，以及摻有研磨纖維的合成材料，如玻璃，石墨。表面覆有多晶金剛石的鉆頭現(xiàn)在廣泛用于在加固塑料上加工鈕扣孔，如石墨環(huán)氧樹脂。因為它們有很高的耐磨性，故鉆成千上萬個孔對鉆頭材料的磨損仍很小。標準麻花鉆的尺寸包含以下四個系列：a. 數(shù)值的：從97號(0.0059英寸)到1號(0.228英寸)；b. 字母：從A(0.234英寸)到Z(0.413英寸)；c. 分數(shù)的：直柄尺寸從1/64英寸到5/4英寸(以1/64英寸增加)到3/2英寸(以1/32英寸增加)，更大的鉆頭則有更大的增加量；d. 毫米：從0.05mm(0.002英寸)，以0.01mm增加。 鉆孔和鏜孔的性能列在表22.11中。22.7.5鉆孔操作鉆頭和類似的孔加工刀具通常被夾在帶或不帶鍵的鉆頭夾盤，。特殊的卡盤和夾頭具有不需要停下主軸就可實現(xiàn)各種鉆頭的快換，這以特性可以用于機器的生產(chǎn)。因為鉆頭沒有自定心功能，在鉆孔開始時，它在工件表面有游移的趨勢。這個問題對于小直徑的鉆頭來說尤其嚴重，為了使鉆孔順利，鉆頭需要被指引，用固定裝置(如軸襯)來防止鉆頭偏向?？梢杂靡粋€中心鉆(通常刀尖角為60)來鉆一個小起始孔，或者用鉆尖類似于S形的。這種形狀的自定心功能減少了鉆中心孔的需要，可加工出高精度的孔并提高鉆頭的壽命。在加工中心自動化生產(chǎn)中這些因素是非常重要的，通常的操作是使用118刀尖角的定心鉆。當定心鉆的刀尖角度和鉆頭相結合使用時鉆頭游移的現(xiàn)象就更少了。因為鉆頭是旋轉運動，鉆出的孔會有圓周方向的痕跡，相反，沖孔會有軸向的痕跡(看圖16.5a)。考慮到孔的疲勞性能(第30.5節(jié))，上述的不同點有重要的意義。表22.11 鉆孔和鏜孔操作的性能 孔深與直徑的比刀具類型 直徑變化范圍(mm) 典型值 最大值麻花鉆 0.5-150 8 50扁鉆 25-150 30 100深孔鉆 2-50 100 300穿孔鉆 40-250 10 100鏜孔鉆 3-1200 5 8表22.12 鉆孔過程速度和進給量的一般性建議 進給量，mm/r(in./r) 表面速度 鉆頭直徑 r/m工件材料 m/min ft/min 1.5mm(0.060in.) 12.5mm(0.5in.) 1.5mm 12.5mm鋁合金 30-120 100-400 0.025(0.001) 0.30(0.012) 6400-25000 800-3000鎂合金 45-120 150-400 0.025(0.001) 0.30(0.012) 9600-25000 1100-3000銅合金 15-60 50-200 0.025(0.001) 0.25(0.010) 3200-12000 400-1500鋼 20-30 60-100 0.025(0.001) 0.30(0.012) 4300-6400 500-800不銹鋼 10-20 40-60 0.025(0.001) 0.18(0.007) 2100-4300 250-500鈦合金 6-20 20-60 0.010(0.0004) 0.15(0.006) 1300-4300 150-500鑄鐵 20-60 60-200 0.025(0.001) 0.30(0.012) 4300-12000 500-1500熱塑性塑料 30-60 100-200 0.025(0.001) 0.13(0.005) 6400-12000 800-1500熱固性塑料 20-60 60-200 0.025(0.001) 0.10(0.004) 4300-12000 500-1500注意：隨著孔的深度增加，轉速和進給量應該減小。轉速和進給量的選擇也取決于要求的表面光潔度。鉆孔建議：推薦的鉆孔速度和進給量范圍在表22.12給出。速度是鉆頭邊緣的表面速度。因此，一個0.5英寸(12.7mm)的鉆頭以300r/min旋轉的表面速度為(0.5/2 in.)(300r/min)(2rad/r)(1/12ft/ in)=39 ft/min=12m/min.。當鉆孔直徑比1mm(0.040英寸)小時，轉速可以達到3000r/min，要由工件材料來定。鉆孔進給量是鉆頭每轉一圈鉆頭進入工件的長度。例如，表22.12建議，對于大多數(shù)工件材料直徑為1.5mm(0.06英寸)的鉆頭進給量應為0.025mm/r。如果表中的速度一欄表明鉆頭應該以2000r/min旋轉，那么鉆頭應該以線速度(0.025mm/r)(2000r/min)=50mm/min=2in./min進入工件。鉆孔過程排除切屑會比較難，尤其是在軟的和易延伸的材料上鉆深孔時，鉆頭應該定時地退回以排除可能已經(jīng)堵滿切屑槽的切屑。而且，鉆頭可能因為過大轉矩而破裂，或者會偏向而鉆出異形孔。在鉆孔操作中對造成問題的可能原因的說明列在表22.13中。鉆頭的修整 通過人工或特殊裝置磨削來修整鉆頭。鉆頭的適當修整是重要的，尤其是在計算機數(shù)字控制的自動化生產(chǎn)中，手工磨削是很困難的，而且需要很高的技術以保證勻稱的切削刃。在裝置上磨削可保證精度并在特殊的計算機控制磨削機上完成。鍍有氮化鈦的鉆頭可以重新鍍層。表22.13 鉆孔操作問題檢修指南問題 造成問題的原因鉆頭破損 鉆頭變鈍；因為切屑堵塞鉆頭卡在孔中；進給量過大；鉆緣后角太小。鉆頭過度磨損 切削速度太高；無效的切削液；鉆頭前角太大；鉆頭變尖鉆頭磨損，失去強度?？诪閳A錐形 鉆頭偏移或彎曲；邊緣刃不相等；鉆心偏移?？鬃兇?機床主軸松動；橫刃不在中心；工件上有側壓力；也包括圓錐孔的三個原因?？椎谋砻婀鉂嵍鹊?鉆頭變鈍；無效的切削液；切屑粘在鉆頭邊緣；不當?shù)哪ハ縻@頭；不當?shù)男?。圖22.27 根據(jù)已經(jīng)鉆孔的數(shù)量來檢測鉆削力和轉矩的增加，以此來估量鉆頭的壽命。這一測試也可以用于沖床沖頭的壽命。鉆削力和轉矩鉆孔的數(shù)量22.7.6估量鉆頭的壽命減少或替代已鈍化的鉆頭很重要，尤其在自動化生產(chǎn)中。使用鈍的鉆頭會增加鉆削力和功率，造成表面破損，而且加工的孔沒有精度。鉆頭的壽命通常以它們變鈍前所鉆孔的數(shù)量來估量。測試過程包括在合適的測力計或力傳感器上夾住一塊材料并鉆若干孔，同時記錄每一個成功操作過程的轉矩和鉆削力。鉆過許多孔之后，因刀具開始變鈍，轉矩和鉆削力的數(shù)值開始增加(圖22.27)。鉆頭壽命被定義為在這一轉變過程開始之前，鉆頭已鉆孔的數(shù)量。其它一些技術如振動監(jiān)測，聲波發(fā)射(第20.7.5節(jié))，或許也可以用來估量鉆頭的壽命。這些技術在計算機控制加工中尤其重要。本文摘自制造工程與技術（機加工）（英文版）ManufacturingEngineeringandTechnology-Machining美S.卡爾帕基安（SerapeKalpak Ian)S.R.施密德（SternR.Schmid)著9畢業(yè)設計（論文）開題報告題目名稱： 大直徑輥筒雙頭鏜孔專機 承載裝置和自定心裝置的設計 院系名稱： 機 電 學 院 班 級： 學 號： 學生姓名： 指導教師: 2011年4月1本課題所涉及的內(nèi)容國內(nèi)(外)研究現(xiàn)狀綜述本課題的名稱是大直徑輥筒雙頭鏜孔專機的承載裝置和自定心裝置的設計，就鏜床專機來說，目前國內(nèi)生產(chǎn)鏜床專機的廠家很多，而且鏜床專機類型也較多，但由于梳棉機上錫林輥筒和道夫輥筒直徑(錫林直徑約為1280mm)較大這一特性，則相應地鏜大直徑輥筒的專機也有其特殊性，目前該類型專機只在紡織機械行業(yè)中使用的較多，如目前紡織機械行業(yè)用的鏜錫林、道夫專機B-SPM。錫林、道夫輥筒的特殊性在于是用鋼板整體焊接起來的，用于梳棉機上的大直徑錫林、道夫輥筒外圓要有很高的表面光潔度，輥筒的軸線與外圓要有高的同軸度，這就對輥筒的鏜孔工序有很高的要求，而對于大直徑輥筒的承載和裝夾就比較困難，那么設計一雙頭鏜孔專機就顯得必要。鏜錫林、道夫專機B-SPM這一專機與一般鏜床專機的有兩大不同之處：1.一般的鏜床專機的承載裝置(鏜床的工作臺)和鏜床的床身通常都是一體的，這是由加工零件尺寸的大小決定的，而鏜錫林、道夫專機B-SPM的承載裝置是和專機的床身獨立的，該承載裝置可以在固定的軌道上移動，這有利于大直徑輥筒的裝卸。2.一般的鏜床專機的自定心裝置即自定心夾緊機構的結構比較緊湊，夾緊行程小，定位精度高，對于小尺寸工件的自定心裝置的設計來說比較容易實現(xiàn)；而對于鏜錫林、道夫專機B-SPM的自定心裝置就比較復雜，不但要滿足能夠加工錫林和道夫兩不同直徑的輥筒，而且定位夾緊件在空間距離較大。若要保證自定心精度很高，設計這樣的自定心裝置就有困難。實際應用中的自定心夾緊機構有螺旋定心夾緊機構、楔塊定心夾緊機構、偏心定心夾緊機構等，這就需要在已有自定心夾緊機構的基礎上進行借鑒和創(chuàng)新。2本課題有待解決的主要關鍵問題1.設計承載裝置的關鍵問題a.承載裝置應能夠滿足可同時承載錫林輥筒和道夫輥筒，因兩輥筒直徑不同故承載定位面應不同，定位方式為類似于V型槽定位。b.因輥筒重量較大，為了方便輥筒的裝卸該承載裝置應該可在固定的軌道上移動，且在指定的位置有鎖緊裝置將承載裝置卡死。c.根據(jù)輥筒的重量尺寸來進行受力分析，計算出承載裝置具有足夠強度的外形尺寸及承載裝置兩支撐點間的跨度。d.為了確保承載裝置的耐用性，還應該選擇合適的材料和適當?shù)臒崽幚矸绞交虮砻嫣幚韥硖岣咂淠湍バ院陀捕取?.設計自定心裝置的關鍵問題a.因該鏜床專機用于加工錫林和道夫兩種直徑的輥筒，故該自定心夾緊機構應滿足兩種不同直徑的自定心夾緊，且為了減小道夫輥筒(小直徑)自定心夾緊時的夾緊行程，應使定位夾緊件有兩個極限位置。b.自定心原理可采用車床三爪卡盤自定心原理，但在加工大直徑輥筒時三個定位夾緊件應位于一極限位置，加工道夫輥筒時位于另一極限位置。c.最關鍵的問題是該自定心夾緊機構結構不緊湊，為減小機床床身體積如何合理布置自定心裝置同是實現(xiàn)自定心夾緊。3對課題要求及預期目標的可行性分析 (包括解決關鍵問題技術和所需條件兩方面)在已知鏜床主軸高度、輥筒直徑、承載裝置受力分析的結果、承載裝置的基本外形尺寸可初步確實承載裝置。承載裝置的外形結構可以參考鄭紡機鏜錫林、道夫專機B-SPM的結構初步擬定方案，包括承載裝置的材料選擇、V型槽的外形尺寸、承載裝置的長度和寬度，結合各計算參數(shù)進行精確的設計，當然這個過程可以進行適當?shù)膭?chuàng)新，比如鎖緊卡死機構。該專機的自定心裝置的設計實則是設計一套自定心夾緊機構，實現(xiàn)對錫林和道夫輥筒的自定心夾緊，解決這一問題就需要參閱大量的機床夾具設計手冊，在掌握一定自定心夾緊機構知識的基礎上進行機構的創(chuàng)新，可初步確定自定心夾緊機構的方案。但是關鍵的問題是如何利用結構相對緊湊的自定心機構實現(xiàn)對大直徑輥筒的自定心夾緊，這就需要結合機床整體的設計、結構的布局、自定心夾緊的動力來源等進行設計。承載裝置的設計需要較多的計算來確定承載裝置的尺寸，并進行校核，而設計自定心夾緊機構就需要大量的查閱手冊、資料進行構思分析，需要在初步擬定的方案基礎上進行反復的修改，最終確定合理的方案。承載裝置方案比較：該方案與一般的承載方案相比具有以下幾具優(yōu)點：1.該承載裝置可以在固定軌道上移出移入，與機床箱體分開，這樣便于大直徑輥筒的裝卸也減小了機床的體積；2.該承載裝置可同時承載兩種不同直徑的輥筒，并且具有類似V型槽的定位方式；3.該裝置還采用了鎖緊卡死機構，以便承載裝置的固定。自定心裝置方案比較：該自定心裝置與普通的自定心裝置不同，普通的自定心裝置可夾緊的工件直徑為一個范圍值，可在較大范圍內(nèi)變化，而本自定心方案適用于兩種不同直徑的輥筒的定位夾緊，因此本自定心方案具有其特殊性，即定位件具有兩個極限位置，當更改加工對象時定位件旋轉至另一極限位置即可，這也增加了該自定心方案的復雜性。4完成本課題的工作計劃及進度安排2.213.6 調研與實習，英文文獻翻譯及編寫實習報告；3.7 3.13 總體方案設計，工藝方案，承載、定心結構方案設計；3.144.10 專機承載、定心結構設計草圖，詳細設計；4.115.1 設計參數(shù)的選擇與計算,整理設計任務書；5.2 5.8 定稿；5.9 5.15 評審；5.16-5.20 畢業(yè)答辯；5.235.29 修改畢業(yè)設計；5指導教師審閱意見指導教師(簽字)： 年 月 日6指導小組意見 指導小組組長(簽字)： 年 月 日說明：1. 本報告前4項內(nèi)容由承擔畢業(yè)論文(設計)課題任務的學生獨立撰寫；2. 本報告必須在第八學期開學兩周內(nèi)交指導教師審閱并提出修改意見；3. 學生須在小組內(nèi)進行報告，并進行討論；4. 本報告作為指導教師、畢業(yè)論文(設計)指導小組審查學生能否承擔該畢業(yè)設計(論文)課題和是否按時完成進度的檢查依據(jù)，并接受學校的抽查畢業(yè)設計（說明書） 題目名稱：大直徑輥筒雙頭鏜孔專機承載裝置及自定心裝置的設計院系名稱： 機 電 學 院 班 級： 學 號： 學生姓名： 指導教師： 年 月摘要本論文是關于大直徑輥筒雙頭鏜孔專機承載裝置和自定心裝置的設計說明。首先，本文簡要概述了課題的選題背景及發(fā)展現(xiàn)狀，對雙頭鏜孔專機的加工對象錫林輥筒及道夫輥筒進行了結構和加工工藝的分析。其次，根據(jù)承載裝置和自定心裝置的性能要求進行了方案的擬定并在方案對比分析的基礎上確定出了相對合理的方案。承載裝置對錫林輥筒與道夫輥筒的定位采用類似V形面的定位方式，驅動方式為減速電動機齒輪傳動。自定心裝置采用帶雙矩形導軌的可移動箱體實現(xiàn)三個旋轉軸的同時進給，采用液壓缸驅動六桿機構運動進而實現(xiàn)自定心裝置的三個旋轉軸同步轉動。同時，對方案中用到的電動機、液壓缸、扭桿彈簧進行了計算選擇及連桿機構的運動確定性的驗證。最后，校核了承載裝置中驅動軸的強度及軸承的壽命，并在結論中總結了本設計的優(yōu)點和創(chuàng)新點，對方案中存在的問題進行了分析并提出了改進方向。關鍵詞：承載裝置 自定心裝置 六桿機構AbstractThis thesis is a piece of explanation of design that about the bearing and self-centering device of the specialized and two-headed boring machine to process the big diameter roller. Firstly, these papers briefly summarize the background and development present situation of the topic. It also analyze the structure and processing manufacturability of cylinder and doffer rollers which was processed by specialized and two-headed boring machine. Secondly, according to the performance requirement of the bearing and self-centering device to make the project block in, then on the basis of the project analysis make out a relatively reasonable project. The cylinder and doffer rollers are located by the V-shaped surface and the drive mode is reducer motors gear transmission. Self-centering device adopt the removable tank body with double rectangular guide rail to realize three axis remove in the meantime. It also adopts hydraulic cylinder driving mechanism drive linkage mechanism to realize the three axes rotate meanwhile. At the same time, makes a calculation and choice to the motor and hydraulic cylinder used in the project.Finally, checks the strength of drive shaft and bearing life of bearing device, summarizes this designing projects advantage and innovations, analyzes the problems in the project and put up with improving direction.Key words: bearing device self-centering device six-connecting rod mechanism目錄引言11 課題介紹21.1 課題名稱21.2 課題概述21.3 課題背景及發(fā)展現(xiàn)狀22 零件的結構和加工工藝分析42.1 輥筒的加工工藝要求52.2 輥筒的加工工藝流程52.3 零件的工藝分析53 方案擬定63.1 承載裝置及自定心裝置的設計要求63.1.1 承載裝置的設計要求63.1.2 自定心裝置的設計要求73.2 課題可行性分析73.3 方案的設計與對比分析83.3.1 承載裝置方案設計83.3.2 承載裝置方案的對比分析123.3.3 自定心裝置方案設計133.3.4 自定心裝置方案的對比分析173.4 方案的選擇確定184 理論計算及關鍵零部件的校核184.1 理論計算184.1.1 電動機的選擇184.1.2 液壓缸的選擇194.1.3 連桿機構的計算224.1.4 自定心裝置中扭桿彈簧的計算234.2 關鍵零部件的校核254.2.1 承載裝置驅動軸的校核254.2.2 鍵聯(lián)接的選擇與校核284.2.3 軸承的校核28結論30參考文獻31致謝32附錄33 33XX學院畢業(yè)設計(論文)說明書引言隨著梳棉機在紡織工業(yè)中更加廣泛地使用，使得梳棉機的主關件錫林輥筒與道夫輥筒的生產(chǎn)加工成為批量生產(chǎn)。然而對于大直徑錫林輥筒與道夫輥筒的鏜孔加工在普通鏜床上加工不能保證鏜孔精度，而且加工生產(chǎn)勞動強度大，孔的加工精度不高，而在現(xiàn)代化的加工中心鏜孔則會大大提高生產(chǎn)成本，且不利于現(xiàn)代化機械的合理利用。現(xiàn)知梳棉機的生產(chǎn)綱領為3500臺/年，則錫林輥筒和道夫輥筒的生產(chǎn)屬于批量生產(chǎn)，這就需要專門的鏜床專機進行加工即節(jié)約成本、降低勞動強度，也保證孔的同軸度和表面粗糙度，而為了保證與回轉軸配合的孔的同軸度就需要對輥筒雙頭同時鏜孔。目前紡織機械行業(yè)鏜錫林道夫輥筒孔所用專機為鏜錫林、道夫專機B-SPM。本課題的設計主要包括大直徑輥筒雙頭鏜孔專機的承載裝置和自定心裝置的設計，在深入理解課題的基礎上對兩部分裝置分別進行了方案的對比分析，并確定出相對較合理的方案。在各方案實現(xiàn)功能的基礎上對兩部分裝置的方案均有創(chuàng)新，承載裝置中采用齒輪減速電動機傳動，提高自動化程度；在自定心裝置中有扭桿彈簧結構設計和整體帶動部分構件運動的結構設計，這增加機構運動的同步性。本篇設計說明在結論中對方案中出現(xiàn)的問題都做了分析，同時也給出了問題的改進方向。1 課題介紹1.1 課題名稱本課題名稱為大直徑輥筒雙頭鏜孔專機承載裝置及自定心裝置的設計1.2 課題概述本課題為大直徑輥筒雙頭鏜孔專機承載裝置及自定心裝置的設計，主要的任務是：(1)根據(jù)給定的道夫輥筒零件圖對零件進行工藝分析；(2)根據(jù)加工工藝的參數(shù)對兩部分裝置進行結構的設計；(3)通過對所設計的方案進行對比分析來確定最佳的方案；(4)對設計的參數(shù)進行計算和校核。對兩部分裝置的概述：大直徑輥筒雙頭鏜孔專機主要用于對梳棉機產(chǎn)品中的主關件錫林輥筒和道夫輥筒的加工，加工主要內(nèi)容為對兩輥筒的中心孔進行雙頭鏜削。該雙頭鏜孔專機的兩部分主要裝置則為承載裝置和自定心裝置，承載裝置的主要作用為：1.該裝置可利于大直徑輥筒的裝卸而且減小機床床身的體積；2.該裝置主要用于加工零件時的承載作用，承載裝置上的V形定位裝置對輥筒起定位作用。自定心裝置的作用為：對于雙頭鏜孔專機，為保證鏜孔的精度和輥筒兩端孔的同軸度就必須保證在加工時輥筒的中心軸線與鏜床專機主軸的軸線共線，而自定心裝置的原理類似于車床的三爪卡盤的自定心原理，可使輥筒在被夾緊情況自動定心以保證鏜孔精度。本課題的設計要求為在對畢業(yè)設計課題熟悉的基礎上通過查閱資料、引擎搜索和對相關制造部門的參觀學習進行方案的擬定，獨立地進行方案的設計和確定并能夠做到結構設計的創(chuàng)新，最后進行設計參數(shù)的計算和主要零部件的校核。1.3 課題背景及發(fā)展現(xiàn)狀錫林輥筒和道夫輥筒是紡織行業(yè)典型機械產(chǎn)品梳棉機的主要零部件，此兩種輥筒的主要作用如下：(1)梳棉機上錫林輥筒的作用錫林是梳棉機的主要機件，錫林由滾筒和梳理齒條組成，F(xiàn)A201型梳棉機滾筒直徑為1284mm,包覆齒條后的工作直徑為1290mm.，其作用是將刺輥初步梳理過的纖維轉移并帶入錫林、蓋板工作區(qū)，作進一步細致的梳理、伸直和均勻混和，并將纖維轉移給道夫。(2)梳棉機上道夫輥筒的作用道夫滾筒的結構與錫林相似。FA201型梳棉機的道夫滾筒直徑為698mm,工作直徑為706mm，道夫的作用是將錫林表面的纖維凝聚成纖維層，并在凝聚過程中，對纖維具有梳理和均勻混和作用，由于道夫直徑較小，因而對其動平衡、包卷針后滾筒的變形及軸與軸承的要求都比對錫林的要求低。(3)課題背景及現(xiàn)狀錫林、道夫輥筒的特殊性在于是用卷板機把鋼板卷成圓筒并整體焊接起來的，用于梳棉機上的大直徑錫林、道夫輥筒外圓要有很高的表面光潔度，輥筒的軸線與外圓要有高的同軸度，這就對輥筒的鏜孔工序有很高的要求，而在一般的鏜床上加工直徑分別為1280mm和692mm的錫林輥筒和道夫輥筒不論是承載還是裝夾都比較困難，對于生產(chǎn)批量很大(每年各3000件)的輥筒用現(xiàn)代化的加工中心則經(jīng)濟性和效益性較差，那么對于專門加工兩種大直徑輥筒的雙頭鏜孔專機的需求也就顯得格外必要。就鏜床專機來說，目前國內(nèi)生產(chǎn)鏜床專機的廠家很多，而且鏜床專機類型也較多，但由于梳棉機上錫林輥筒和道夫輥筒直徑較大這一特性，則相應地鏜大直徑輥筒的專機也有其特殊性，目前該類型專機只在紡織機械行業(yè)中使用的較多，如目前紡織機械行業(yè)用的鏜錫林、道夫專機B-SPM。下面對該專機與普通的機床作一對比分析：存大的兩大不同之處為：(1)普通鏜床專機的承載裝置(鏜床的工作臺)和鏜床的床身通常都是一體的，這是由加工零件尺寸的大小決定的，而鏜錫林、道夫專機B-SPM的承載裝置是和專機的床身獨立的，該承載裝置可以在固定的軌道上移動，這有利于大直徑輥筒的裝卸。(2)普通鏜床專機的自定心裝置即自定心夾緊機構的結構比較緊湊，夾緊行程小，定位精度高，對于小尺寸工件的自定心裝置的設計來說比較容易實現(xiàn)；而對于鏜錫林、道夫專機B-SPM的自定心裝置就比較復雜，不但要滿足能夠加工錫林和道夫兩不同直徑的輥筒，而且定位夾緊件在空間距離較大。2 零件的結構和加工工藝分析圖2-1，圖2-2分別為梳棉機的主關件道夫輥筒、錫林輥筒的零件圖，該類型零件主要由腹板、道夫筒體和道夫堵頭結合件焊接而成的。圖2-1 道夫輥筒結構圖圖2-2 錫林輥筒結構圖2.1 輥筒的加工工藝要求(1)輥筒應具有足夠的剛性，確保在重載作用下，彎曲變形不超過許用值。(2)輥筒表面應有足夠的硬度，一般要求達到50HRC以上，具有較強的耐腐蝕能力。鍍層具有抗剝落能力，確保輥筒工作表面具有較好的耐磨性及耐腐蝕性。(3)輥筒工作表面應精細加工，以保證尺寸精度和表面粗糙度。粗糙度應在Ra0.16以上，不能有氣孔或溝紋。輥筒工作表面的壁厚要均勻，否則會使輥面溫度不均勻，影響制品質量。(4)輥筒的材料應具有良好的導熱性，通常采用冷硬鑄鐵，特殊情況采用鑄鋼或鉬鉻合金鋼，無論是加熱還是冷卻，均能達到快速均勻。(5) 因錫林與道夫輥筒直徑較大，表面速度較高，所以，對輥筒的圓整度、輥筒與軸的同心度以及錫林滾筒的動平衡等要求較高。(6) 為減小輥筒包卷齒條后的變形程度，F(xiàn)A201型梳棉機將錫林滾筒筒壁厚度加厚至125mm，筒體內(nèi)壁有加高加寬的梯形筋以增加筒體的剛性。(7) 錫林輥筒軸與兩端堵頭用螺栓夾緊結構，以提高錫林的安裝精度。2.2 輥筒的加工工藝流程錫林、道夫輥筒有鋼板焊接結構或鑄鐵滾筒兩種形式，滾筒兩端用堵頭和裂口軸套將滾筒與軸連接在一起，目前梳棉機所用錫林、道夫輥筒多是整體焊接式輥筒，輥筒的加工工藝流程為：將125mm厚的鋼板在卷板機上卷出圓筒的形狀并焊接為圓筒，保證輥筒壁厚均勻在圓筒內(nèi)壁焊接梯形筋將輥筒進行時效處理以減少殘余應力在輥筒的兩端分別安裝內(nèi)嵌有裂口錐套的堵頭在輥筒兩端分別固定一個蓋板在大直徑輥筒雙頭鏜孔專機(鏜錫林、道夫專機B-SPM)上鏜輥筒上與軸配合的內(nèi)孔，并保證孔的同心度在磨錫林、道夫專機C-SPM上磨輥筒的外圓，并保證輥筒外圓的光潔度、圓整度。2.3 零件的工藝分析與本設計課題相關的加工工序為在大直徑輥筒雙頭鏜孔專機上半精鏜和精鏜輥筒上與軸配合的內(nèi)孔，該工序的上道工序為焊接時效處理后的堵頭安裝，下道工序為在磨錫林、道夫專機上磨輥筒的外圓并保證光潔度和圓整度。按照生產(chǎn)綱領給定的每年生產(chǎn)3000臺梳棉機，則分別需要加工3000件錫林輥筒和3000件道夫輥筒，查機械制造技術中表14-3(生產(chǎn)類型的規(guī)范)可知中型機械的生產(chǎn)綱領為3000件/年的為大批生產(chǎn)。若在普通的鏜床上進行加工，當一端鏜孔完成后進行調頭會影響兩孔的同軸度，鏜孔的精度較低，而且也會大大增加加工的輔助時間，從而影響生產(chǎn)率增加。若在現(xiàn)代化的加工中心進行鏜孔，雖然自動化提高但是大批量的零件會使加工中心得不到充分的使用而大大提高加工成本。綜上分析，為使本道工序的生產(chǎn)率提高需要生產(chǎn)專門的機床進行大批量的加工錫林與道夫輥筒。其它工序的工藝分析：(1)在輥筒兩端分別安裝有裂口錐套的堵頭：采用這種錐套連接的目的是增大孔與軸的接觸面，結構緊湊，拆卸方便，傳動件的定心精度大大提高，傳遞轉矩大，而一般的連接傳遞轉矩較小而且會有間隙，裝配時也會有問題。(2)在輥筒內(nèi)壁焊接梯形筋：焊接梯形筋的目的是在不加大輥筒厚度的條件下，增強輥筒筒體的剛度和強性，可克服輥筒壁厚差帶來的應力不均造成的歪曲變形，同時也減輕重量，降低成本。3 方案擬定3.1 承載裝置及自定心裝置的設計要求3.1.1 承載裝置的設計要求就承載裝置來說，一般可分為與機床床身一體的承載裝置和與床身獨立的承載裝置，對于鏜孔專機加工對象尺寸較小的零件來說承載裝置則為機床的工作臺。相反地，對于鏜床專機所加工對象尺寸較大時，為了減小機床床身的體積，則把承載裝置與機床床身獨立開來。因鏜孔過程中鏜削力會引起振動，因此承載裝置應該有定位裝置，而且該裝置可以滿足加工兩種不同直徑大輥筒的承載及定位，綜上分析提出了鏜錫林、道夫輥筒承載裝置應該滿足以下要求：(1)承載裝置應能夠滿足可同時承載錫林輥筒和道夫輥筒，因兩輥筒直徑不同故承載定位面應不同，定位方式為類似于V形槽定位。(2)因輥筒重量較大，為了方便輥筒的裝卸該承載裝置應該可在固定的軌道上移動，且在指定的位置有鎖緊裝置將承載裝置卡死。(3)根據(jù)輥筒的重量尺寸來進行受力分析，計算出承載裝置具有足夠強度的外形尺寸及承載裝置兩支撐點間的跨度。(4)為了確保承載裝置的耐用性，還應該選擇合適的材料和適當?shù)臒崽幚矸绞交虮砻嫣幚韥硖岣咂淠湍バ院陀捕取?.1.2 自定心裝置的設計要求生產(chǎn)實際中，在軸套類工件上銑鍵槽及在法蘭盤類零件上鉆孔等情況均應保證加工部位相對于工序基準對稱，根據(jù)基準重合原則，應以工序基準即工件上的對稱點(線、面)作為定位基準。同時并保證定位基準在整個夾緊過程中是固定不動的，即定心。由此可見，所謂定心夾緊機構，即能保證工件的對稱點(線、面)在夾緊過程中始終處于固定準確位置的夾緊機構。因工件定位面存在加工誤差，若保證定位基準定心，其夾具定位元件必定可動，并且能隨定位表面尺寸的變化相對定位基準作等距離的移近或退出，如三爪定心卡盤，這樣才能起到良好的定心作用。故該種夾緊機構的定位元件與夾緊元件是合一的，且定位和夾緊動作同步進行，如此有利于縮短時間，提高效率。但本課題中的雙頭鏜孔專機的加工對象直徑分別為1284mm和692mm，此情況下實現(xiàn)自定心功能就比較困難，而且自定心夾緊機構的結構不緊湊。綜上分析對雙頭鏜孔專機的自定心裝置應解決的關鍵問題如下：(1)因該鏜床專機用于加工錫林和道夫兩種直徑的輥筒，故該自定心夾緊機構應滿足兩種不同直徑的自定心夾緊，且為了減小道夫輥筒(小直徑)自定心夾緊時的夾緊行程，應使定位夾緊件有兩個極限位置。(2)自定心原理可采用車床三爪卡盤自定心原理，但在加工大直徑輥筒時三個定位夾緊件應位于一極限位置，加工道夫輥筒時位于另一極限位置。(3)最關鍵的問題是該自定心夾緊機構結構不緊湊，為減小機床床身體積如何合理布置自定心裝置同是實現(xiàn)自定心夾緊。3.2 課題可行性分析在已知鏜床主軸高度、輥筒直徑、承載裝置受力分析的結果、承載裝置的基本外形尺寸可初步確定。承載裝置的外形結構可類比現(xiàn)有的鏜錫林、道夫專機B-SPM的結構初步擬定方案，包括承載裝置的材料選擇、V形槽的外形尺寸、承載裝置的長度和寬度，結合各計算參數(shù)進行精確的設計，當然這個過程可以進行適當?shù)膭?chuàng)新，比如鎖緊卡死機構，承載裝置的驅動形式。該專機的自定心裝置的設計實則是設計一套自定心夾緊機構，實現(xiàn)對錫林和道夫輥筒的自定心夾緊，解決這一問題就需要參閱大量的機床夾具設計手冊，在掌握一定自定心夾緊機構知識的基礎上進行機構的創(chuàng)新，可初步確定自定心夾緊機構的方案。但是關鍵的問題是如何利用結構相對緊湊的自定心機構實現(xiàn)對大直徑輥筒的自定心夾緊，這就需要結合機床整體的設計、結構的布局、自定心夾緊的動力來源等進行設計。3.3 方案的設計與對比分析3.3.1 承載裝置方案設計方案一該方案采用兩導軌和四輪子的運動方式，該承載裝置的寬度由錫林、道夫輥筒的寬度決定，具體尺寸為1020mm，采用的定位方式為類似V形定位塊定位，一側為斜邊，另一側為直邊，此定位方式限制輥筒的四個自由度，如圖3-1所示為承載裝置的總體結構圖及輥筒的部分定位尺寸。驅動方案如下：(1)采用電動機軸端的齒輪與驅動軸上的齒輪配合進行傳動，如圖3-2所示，電動機的種類可選用普通的三相異步電動機，如采用Y系列電動機來實現(xiàn)勻速的運動，此情況可采用卡死鎖緊裝置來確保鏜孔時的鏜削力使裝置偏離原位置。也可以采用伺服電動機，根據(jù)給定的脈沖信號來控制伺服電動機的啟動、停止，由于伺服電動機本身的自鎖功能可以避免在鏜孔時裝置移動而使輥筒中心與鏜床主軸中心偏移。(2)采用絲杠螺母傳動，通過聯(lián)軸器將電動機的軸端與絲杠軸端聯(lián)接起來，電動機固定在承載裝置端部的底板上。(3)采用鏈傳動，驅動軸上安裝鏈輪，電動機的軸端也安裝鏈輪，以此進行傳動。圖3-1 承載裝置結構設計方案一圖3-2 承載裝置驅動方式方案二該方案對錫林輥筒與道夫輥筒的定位均采用V形面的定位，兩側均為斜面進行定位該方案的定位裝置圖如圖3-3所示。圖3-3 承載裝置結構設計方案二驅動方案仍可以采用方案一中所述的齒輪軸驅動、絲杠螺母傳動與鏈輪傳動。方案三采用一V形裝置可以同時對兩不同直徑的輥筒進行定位，以固定在承載支架上的大V形塊來對錫林輥筒進行定位，如圖3-4所示，當對道夫輥筒(直徑為692mm)進行定位時可以加活動的V形塊，該活動V形塊的結構尺寸剛好可以對道夫輥筒進行定位，結構圖如圖3-5所示。圖3-4 承載裝置結構設計方案三圖3-5 承載裝置結構設計方案三在此方案中的驅動方案也可以選擇方案一中的三個方案。3.3.2 承載裝置方案的對比分析承載方案的對比分析：方案一：采用V形定位塊的原理進行定位，而又不局限于V形塊的設計，整個承載支架及箱體均采用鋼板焊接而成，或者采用型鋼焊接而成，在制造承載箱體時較方便。方案二：對兩輥筒均采用V形裝置定位，采用這種定位方式的原因是V形定位的最大特點是：工件上用作定位基面的外圓柱面，不論是否經(jīng)過加工與否或精度的高低，也不論是圓柱面或是圓弧面，它們在V形裝置上定位時，其定位基準始終處于V形裝置兩工作斜面的對稱面上，即對中性很好。而且還適用于階梯軸及曲軸的定位，并且裝卸工件很方便。方案三：該方案分別對需要定位的大直徑錫林輥筒與道夫輥筒設計V形塊來定位，而且小V形塊為可固定可拆卸的裝置，當對錫林輥筒進行定位時活動V形塊拆卸，當對道夫輥筒進行定位時將小V形塊的外表面與大V形塊的內(nèi)表面進行貼合即可。方案一與方案二相比，雖然方案二比方案一具有定位的對中性好這一優(yōu)勢，但是從承載裝置箱體制造工藝角度來考慮，方案一中的矩形箱體要比方案二中的斜面箱體容易加工或者焊接，而且方案二中的V形面定位使輥筒的重量作用在斜面上的力較大，這對箱體的強度與剛度有較高的要求，相同經(jīng)濟條件下，方案一中的承載裝置更不容易變形，使用壽命更長。方案一與方案三相比，方案三對兩輥筒也均采用V形面定位，定位的對中性較好，而且整體結構相對方案一來說更加緊湊，但是從此方案的施行角度考慮，在對道夫輥筒進行定位時，小V形塊外表面與大V形塊的內(nèi)表面進行配合時配合要求比較高，使用一段時間后由于大V形塊內(nèi)表面的變形量會使配合精度較低。方案二與方案三相比，方案三比方案二結構緊湊，方案二的箱體結構較復雜，此兩種方案采用的V形面定位對定位裝置的材料要求較高，若采用方案一中的鋼板焊接而成會影響承載裝置的性能。驅動方案的對比分析：本課題承載裝置設計部分驅動方式的備選方案有如下三種：鏈傳動、絲杠螺母傳動、齒輪傳動。(1)鏈傳動：鏈傳動主要用在要求工作可靠，兩軸相距較遠，低速重載，工作環(huán)境惡劣及其他不宜采用齒輪傳動的場合，與齒輪傳動相比，鏈傳動的制造與安裝精度要求較低，在遠距離傳動時，其結構比齒輪傳動輕便得多。鏈傳動的主要缺點：鏈傳動只能實現(xiàn)平行軸間鏈輪的同向傳動；運轉時不能保持恒定的瞬時傳動比；磨損后易發(fā)生跳齒；工作時有噪聲；不宜用在載荷變化很大、高速和急速反向的傳動中。(2)齒輪傳動：齒輪傳動是使用最多的機械傳動，齒輪傳動具有以下主工特點：齒輪傳動效率高；結構緊湊；設計制造正確合理、使用維護良好的齒輪傳動工作可靠、使用壽命長；傳動比穩(wěn)定。但是齒輪傳動的制造及安裝精度要求高，價格較貴，且不宜用于傳動距離過大的場合。(3)絲杠螺母傳動：絲杠螺母傳動屬于螺旋傳動的一種，是通過螺桿和螺母的旋合傳遞運動和動力，它主要是將旋轉運動變成直線運動，以較小的轉矩得到很大的推力。該傳動類型的特點為：結構簡單，加工方便；易于自鎖；運轉平穩(wěn)；但也有以下缺點：摩擦阻力大，傳動效率低(通常為30%60%)；低速或微調時可能出現(xiàn)爬行；螺紋有側向間隙，反向時有空行程，定位精度和軸向剛度較差；磨損快。結合本課題承載裝置的設計進行分析，因該承載裝置的整體尺寸較大，若采用絲杠傳動，則絲杠的長度為2000mm左右，這就使得絲杠的軸向剛度較差，而且傳動效率較低。但此傳動方案可以實現(xiàn)整個承載裝置的自鎖。鏈傳動與齒輪傳動的對比：雖然鏈傳動比齒輪傳動輕便得多，但本裝置要求傳動平穩(wěn)和恒定的瞬時傳動比。采用鏈傳動或齒輪傳動時，必須采用驅動軸，而絲杠傳動就不需要。3.3.3 自定心裝置方案設計本方案原理與車床三爪卡盤自定心原理相似，即三個定位件同時運動，同時與工件外圓接觸，這樣便可達到自定心的目的。但由于該鏜床專機加工對象的特殊性，使得自定心裝置的結構較復雜，而且空間距離較大，這就使得該自定心夾緊機構的安裝較困難。經(jīng)過分析采用連桿機構實現(xiàn)三個定位件的同時運動。該連桿機構的結構圖如圖3-6所示。圖3-6 六桿機構結構圖而定位夾緊件的旋轉運動和進給運動形式分如下三種方案：方案一該方案采用三個旋轉軸分別由三個液壓缸作為進給原動機，而三個旋轉軸的旋轉運動由一個傾斜放置的液壓缸作原動機，該方案的結構圖如圖3-7所示該裝置中在上圖液壓缸加壓過程，三個回轉軸同時旋轉，同時三個回轉軸的后端進給液壓缸推動與旋轉柄配合的軸進給，使三個滾子與所加工的輥筒外圓相接觸，從而起到自定心夾緊的作用。圖3-7 自定心裝置方案一方案二方案一中的三個旋轉軸的運動是分別由液壓缸驅動的，每個旋轉軸的進給運動都是獨立的。方案二采用的則是將三個旋轉軸固定在箱體上，而箱體則可以在矩形的導軌上滑動，此方案中只需要一個液壓缸推動箱體運動便可以實現(xiàn)使三個回轉軸同時向前運動的目的。這不僅實現(xiàn)了旋轉軸旋轉的同步運動，也實現(xiàn)了三根軸進給的同步運動。另外，考慮到自定心裝置中液壓缸泄壓后旋轉柄和滾子在重力作用下會使軸自轉，因此要考慮旋轉柄的限位，查機械設計手冊新版第2卷可利用扭桿彈簧來實現(xiàn)。該整體方案的結構圖如圖3-8所示。圖3-8 自定心裝置方案二方案三在方案一中采用的是三個回轉軸分別有原動機并獨立運動，方案二中采用三軸固定在箱體上同時運動的方式，而本方案則采用只有一個回轉軸有進給運動，而另兩個回轉軸在軸向上是固定的，即只有回轉運動而無進給運動。其方案的結構圖如圖3-9所示，旋轉柄1只可以在內(nèi)外花鍵的配合下旋轉，而沒有軸向的移動，旋轉柄3(圖中未標出)與旋轉柄1相同。當承載裝置載著工件錫林或道夫輥筒向主軸靠近時，旋轉柄2是縮進去的，輥筒停下時旋轉柄2在液壓缸的作用下軸向移動，最后再旋轉自定心夾緊。圖3-9 自定心裝置方案三3.3.4 自定心裝置方案的對比分析方案一：本方案中分別用液壓缸控制旋轉軸的進給運動，各軸的運動軸的運動情況不受其它兩軸工作的影響，獨立工作性能較好；承載軸的箱體是固定的，在鏜孔時系統(tǒng)的剛性好，強度高；單個旋轉軸進給速度快。方案二：本方案將三個旋轉軸固定在帶導軌的可移動板上，只需要一個液壓缸就可以使三個旋轉軸同時運動，這保證了自定心夾緊原理中的夾緊件的同步運動；采用的內(nèi)外花鍵配合使軸旋轉，因矩形花鍵在軸與轂孔上直接而均勻地制出較多齒與槽，故連接時受力較均勻；內(nèi)外花鍵的齒數(shù)較多故可承受較大的載荷；進給時內(nèi)外花鍵的導向性好。方案三：方案三是在方案一的基礎上提出的，將三個旋轉柄分別進給改為只有一個軸具有進給運動，此方案只適用于承載裝置單方向移動到主軸位置時。方案一與方案二相比，方案一中的三個旋轉軸的進給互不影響更具有靈活性，并且承載軸的板是固定的，在夾緊鏜孔的過程中方案一比方案二中可移動的板剛度要好。而方案二中采用整體式移動，能保證三軸進給的同步性，采用的矩形花鍵配合使承受載荷能力高，進給時導向性好，但可移動板的剛性不高。方案一與方案三相比，方案三只適用于承載裝置單向運動的場合，具有局限性。3.4 方案的選擇確定承載裝置的方案選擇:通過承載裝置三個方案的設計及各方案的對比分析，分析出了各方案的優(yōu)缺點，并結合承載裝置的使用情況等確定方案一為最佳方案，即采用齒輪傳動的驅動方式，定位形式采用直面與斜面定位的方式。自定心裝置的方案選擇:綜合上文對自定心裝置的設計及三個方案的對比分析，確定方案二為最佳方案，即采用三個旋轉軸固定在帶矩形導軌的可移動板上，一個液壓缸作進給原動機，另一個液壓缸作旋轉運動原動機；采用矩形花鍵傳遞轉矩并且起很好的導向作用；采用扭桿彈簧對旋轉柄進行限位。4 理論計算及關鍵零部件的校核4.1 理論計算4.1.1 電動機的選擇(1)電動機類型的選擇：因該承載裝置采用齒輪傳動，而齒輪僅有二級齒輪，若采用一般的三相異步電動機驅動，因三相異步電動機轉速較高，故驅動軸的轉速會很高，不適于重載裝置的傳動，因而考慮到采用齒輪減速電動機，選擇轉速(120200r/min)的電機傳動。齒輪減速電動機，在傳遞動力與運動的機構中應用范圍非常廣泛，它利用齒輪的速度轉換器將電機的回轉數(shù)減速到所要的回轉數(shù)并得到較大轉矩的機構減速電動機，電壓分為單相220V與三相380V的，功率分別有0.1 Kw，0.2 Kw，0.4 Kw，0.75 Kw，1.5 Kw，2.2 Kw，3.7Kw。(2)電動機功率計算：因承載裝置承載著錫林輥筒，故運動時速度不能太高，初步取定電動機轉速為0.20.3m/s，齒輪模數(shù)與齒數(shù)確定后再進行確定。因驅動軸上安裝齒輪處軸徑為D=45mm，故采用模數(shù)m=2，齒數(shù)Z=48的齒輪，與之相配合的齒輪模數(shù)m=2，齒數(shù)Z=18，由傳動比公式(4-1)知=45r/min.由齒輪分度圓直徑公式：d=mz(4-2)齒輪線速度公式：知v=0.226m/s.估算承載裝置的質量：支撐件質量已知，故=260Kg承載箱體質量：約為160Kg承載裝置的總質量已知=450Kg，=250Kg 故=1120Kg導軌材料為45鋼，導軌表面的摩擦因數(shù)=0.15由功率計算公式 經(jīng)計算電動機功率應選取0.75Kw。4.1.2 液壓缸的選擇(1)選擇液壓缸：該旋轉液壓缸的主要功能是實現(xiàn)自定心裝置連桿機構的小角度旋轉，雖然旋轉運動可以由電動機驅動，但考慮到鏜孔的全過程定心裝置的夾緊力始終要保持著，這就體現(xiàn)出了液壓傳動與控制的優(yōu)點：與其他傳動方式相比，傳遞功率相同時，液壓裝置的重量輕，體積緊湊；傳動工作平穩(wěn)系統(tǒng)容易實現(xiàn)緩沖吸振，并能自動防止過載；(2)液壓缸類型的選擇：液壓缸種類很多，可分為單作用液壓缸，雙作用液壓缸及組合液壓缸等，雖然本裝置中的運動為單向運動，但為了確保液壓缸在泄壓后活塞桿能夠回復到原位，則需要考慮采用雙向液壓驅動的液壓缸，故在雙作用液壓缸中進行選擇。雙作用液壓缸分為單活塞桿液壓缸、雙活塞桿液壓缸和伸縮式液壓缸，通過對三種雙作用液壓缸的性能及使用場合的分析知，只有單活塞桿液壓缸適用于此裝置，此類型液壓缸為單邊有桿，兩向液壓驅動，兩向推力和速度不等。因該連桿機構的運動不需要實現(xiàn)較大的運動速度和往返相等的速度，故不需要采用差動連接。(3)液壓缸主要參數(shù)的選定：包括缸筒內(nèi)徑，活塞桿直徑，活塞行程和公稱壓力查機械設計手冊第五版單行本液壓傳動之21-30表21-2-11可知，一般機床、壓鑄機的壓力范圍為7Mpa以內(nèi)，對于一般的工程機械并且系統(tǒng)要求不是很高時采用中壓等級為721Mpa。查手冊知液壓缸缸筒內(nèi)徑尺寸系列為：8、10、12、16、20、25、32、40等，活塞桿外徑尺寸系列為：4、5、6、8、10、12、14、16、18、20、22、25、28、32等，氣缸的行程參數(shù)系列為：25、40、50、63、80、90、100、110、125、140、160、180、200等，液壓缸氣缸活塞桿螺紋尺寸系列為：M141.5、M161.5、M181.5、M201.5、M221.5等。查該手冊表21-6-30，液壓缸的標準系列與產(chǎn)品選擇液壓缸，與生產(chǎn)實際相聯(lián)系，則選用工作壓力為16Mpa的工程用液壓缸。選擇液壓缸的技術性能參數(shù)為：液壓缸缸徑：D=40mm；活塞桿直徑：d=22mm；速度比：= 1.46；推力：F=20100N；拉力：F=14020N；最大行程：=400mm. 活塞桿螺紋尺寸：M221.5。(4)液壓缸的安裝方式：液壓缸的安裝方式很多，有如下向種：法蘭型安裝：頭部法蘭型、尾部法蘭型；銷軸型安裝：頭部銷軸型、中間銷軸型、尾部銷軸型；耳環(huán)型安裝，底座型安裝(腳架安裝)，球頭安裝。根據(jù)自定心裝置在機床箱體上的安裝方式和安裝位置來選擇合適的安裝方式，此處液壓缸的安裝采用底座安裝，該類型安裝方式屬承受重型負載的安裝方式。該液壓缸的型號為：HSGL-40/22E-*501-400*(5)液壓缸主要技術性能參數(shù)的計算：包括驗證允許最高壓力p，流量Q和行程時間。壓力P：經(jīng)估算錫林輥筒和道夫輥筒的質量分別約為450Kg和250Kg，液壓缸所承受的最大載荷為當自定心裝置夾緊輥筒時使輥筒剛好脫離承載面，此時液壓缸所承受的最大載荷為4500N。由油液作用在單位面積上的壓強公式知:壓力p是由載荷F的存在需產(chǎn)生的，在同一個活塞的有效工作面積上，載荷越大，克服載荷所需要的壓力就越大。如果活塞的有效工作面積一定，油液壓力越大，活塞產(chǎn)生的作用力就越大。額定壓力是液壓缸能用以長期工作的壓力，應符合或接近規(guī)定的數(shù)值，對于中壓等級必須符合2.516MPa。因所選液壓缸內(nèi)徑為d=40mm，故由 (4-3) 符合中壓等級的壓力范圍。流量Q：因活塞的最低運動速度受活塞與活塞密封件摩擦力和加工精度的影響，不能太低，以免產(chǎn)生爬行，一般0.10.2m/min?？紤]到生產(chǎn)實際中用于夾緊裝置的液壓缸因需要平穩(wěn)地夾緊，故速度也不能太高，現(xiàn)取液壓缸速度為v=0.5m/min。單位時間內(nèi)油液通過缸筒有效截面積的體積為(4-4)由于 則 對于單活塞桿液壓缸活塞桿伸出時：活塞桿縮回時：V：液壓缸活塞一次行程中所消耗的油液體積，L；t：液壓缸活塞一次行程所需時間，min；D：液壓缸內(nèi)徑，m；d：活塞桿直徑，m；v：活塞桿運動速度，m/min；：液壓缸的容積效率，當活塞密封圏為彈性密封材料時=1，當活塞密封圏為金屬環(huán)時=0.98，代入數(shù)值即可求解。行程時間t：活塞在缸體內(nèi)完成全部行程所需要的時間(4-5)活塞桿伸出時： 活塞桿縮回時： S：活塞行程，m；Q：流量，L/min；上述時間的計算公式只適用于長行程或活塞速度較低的情況，對于短行程、高速度時的行程時間，除與流量有關，還與負載、慣量、阻力等有直接關系，可參見有關文獻。4.1.3 連桿機構的計算該連桿機構的簡圖如圖4-1所示圖4-1 六桿機構運動簡圖(4-6)該機構由原動機液壓缸驅動，ABC構件為原動件，該機構共有五個活動構件，故該機構為六桿機構，該機構活動構件數(shù)n=5，低副數(shù)=7，高副數(shù)=0由計算自由度的公式 知：該機構的自由度為1，與原動件數(shù)目相等，故該機構有確定的運動。下面將該六桿機構進行桿組拆分，可拆分為原動件和兩個二級桿組，如圖4-2所示。圖4-2 六桿機構桿組拆分圖 上述原動件的自由度為1，兩個二級桿組的自由度均為0。因平面六桿機構是由平面鉸鏈四桿機構演化而來的，故可將該六桿機構分開兩個四桿機構進行桿長條件的驗證：將ABC桿，CD桿，DEF桿和機架看作平面鉸鏈四桿機構進行桿長條件的驗證，因AEH為等邊三角形，AE=EH=AH=998，CD連桿長為1000mm，DE=AC=325，故所取四桿機構滿足桿長條件。將DEF桿，F(xiàn)G桿、HG桿及機架看作四桿機構進行桿長條件的驗證，也滿足桿長條件。在本課題中自定心裝置夾緊工件時并不需要連桿作整周運動，因滿足桿長條件的機構具有整轉副，故本方案在不滿足桿長條件的情況下，只需要控制原動件旋轉很小的角度便可實現(xiàn)三個滾子定位件自定心夾緊工件。4.1.4 自定心裝置中扭桿彈簧的計算在本課題設計的自定心裝置中用到了扭桿彈簧進行限位，扭桿彈簧經(jīng)常和轉臂合在一起使用，在此情形下，轉臂受力點垂直方向的彈簧剛度隨轉臂的安裝角度和轉角變化。扭桿和轉臂的結構圖如圖4-3所示圖4-3 扭桿彈簧機構圖按圖示機構則有下列計算式：扭桿所受轉矩為(4-7)扭桿彈簧的剛度，扭轉T作用下的扭轉角，將此關系式代入(4-7)(4-8)得到 式中 計算系數(shù)，作用于轉臂端部垂直方向的載荷(N)；轉臂的長度(mm)轉臂端部力作用點到水平線的距離(mm)載荷作用時轉臂中心線和水平線的夾角(rad)無載荷時轉臂中心線和水平線的夾角(rad)，和在圖示位置時取正值。沿載荷方向的彈簧剛度為(4-9)式中 計算系數(shù)，圖4-4 靜變形量取彈簧的變形量，參見圖4-4，則(4-10)式中 計算系數(shù)，靜變形量和彈簧自振頻率間還具有關系(4-11)式中 重力加速度，； 自振頻率(HZ)以上公式中的計算系數(shù)、都是和的函數(shù)。 根據(jù)工作載荷F，轉臂長度，常用工作載荷作用點與水平位置的距離，最大變形時，工作載荷下扭桿的自振頻率來給出扭桿的扭轉剛度、轉臂的最大變形時的夾角、扭桿的最大扭轉角和最大扭矩，最后確定扭桿的直徑和長度。公式分別為和，為許用應力取850Mpa，4.2 關鍵零部件的校核4.2.1 承載裝置驅動軸的校核(1)選擇軸的材料：選取45鋼調質，硬度230HBS，強度極限=640Mpa，屈服極限=355Mpa，彎曲疲勞極限=275Mpa，剪切疲勞極限=155Mpa，對稱循環(huán)變應力時的許用應力=60Mpa。(2)估算軸的最小直徑查機械設計表15-3，取103.則該驅動軸的最小直徑：(4-12) 因軸段上有鍵槽，故需將軸徑增加7%，取軸端直徑30mm.(3)驅動軸上載荷的計算輥筒質量的估算：道夫輥筒筒體質量：因輥筒材料為Q235，該鋼的密度為7.85g/，道夫輥筒的尺寸為：D=692mm，d=667mm，h=1020mm,由公式 可知道夫輥筒筒體的質量=213.5Kg錫林輥筒筒體質量：材料與道夫輥筒相同，尺寸參數(shù)為：D=1284mm，d=1260mm，h=1020mm，由質量公式可計算出錫林輥筒筒體質量為=383.76Kg.道夫輥筒與錫林輥筒兩端堵頭質量計算：堵頭的尺寸參數(shù)為D=150mm，d=85mm，h=81mm，由此可估算堵頭的質量為7.62Kg.再考慮到錫林與道夫輥筒內(nèi)壁的梯形筋的質量，將道夫輥筒的質量估算為250Kg，將錫林輥筒的質量估算為450Kg。校核承載裝置在最大限度承載時驅動軸的強度是否滿足要求，此時承載裝置承受載荷為7000N，再考慮支撐件和承載箱體的質量共420Kg，故驅動軸與從動軸承受的載荷為11200N。為方便計算將載荷平分到兩端軸上，故驅動軸所受載荷為5600N。電動機功率為0.75Kw，齒輪傳遞效率為=0.97，故驅動軸的功率為=0.7275Kw。由轉矩公式：(4-13)知 計算齒輪的圓周力與徑向力，將分解為、，計算公式為：(4-14)(4-15)將d=45mm，代入公式計算得：=(N)，=(N)因該驅動軸的兩支撐為活動鉸鏈(可動鉸支座)，水平面內(nèi)的不對軸產(chǎn)生矩，該力是軸的驅動力，故不在彎矩圖中表達。驅動軸結構簡圖及受力簡圖分別如圖4-5所示Nm圖4-5 驅動軸受力分析圖因驅動軸所受輥筒載荷為5600N，為便于計算，可取，均相等且為1400N。受力分析知N對B點取矩有：解方程有：=4000N，=4000N。 根據(jù)計算出的力繪出該軸的剪力圖，計算各點彎矩并畫出簡圖如上所示。由上述彎矩圖可知該軸的危險截面為中間齒輪截面，在截面上扭矩和合成彎矩分別為=150 Nm，=494.6 Nm按第三強度理論進行校核：由材料力學公式(4-16)抗彎截面系數(shù)(4-17)將數(shù)值代入公式有：因該軸上的最大切應力值小于許用應力，且該軸的強度仍有彈性，故該軸的強度符合要求。4.2.2 鍵聯(lián)接的選擇與校核驅動軸與齒輪用普通平鍵的選擇和強度校核(1)選用圓頭普通平鍵(A型)按軸徑d=45mm及輪轂長l=24mm，查機械設計課程設計表15-20，選鍵149 GB 1096-79(2)強度校核：鍵的材料選用45鋼，查機械設計表6-2知，許用應力=100120Mpa，鍵的工作長度為l=L-b/2=17mm，k=h/2=4.5mm，按機械設計公式6-2(4-18)知 ，故該鍵的聯(lián)接強度滿足要求。4.2.3 軸承的校核選擇承載裝置從動輪上的軸承進行校核，對從動軸上的軸承進行校核，因該軸上軸承無軸向力，故選用深溝球軸承，其型號為：6008。軸承6008的基本額定動載荷=17.0KN，基本額定靜載荷為=11.8KN，基本尺寸為。因該軸上軸承無軸向載荷，故徑向動載荷系數(shù)=1，軸向動載荷系數(shù)=0.計算軸承當量動載荷，查機械設計表13-6，取軸承的載荷系數(shù)=1.5故當量動載荷為(N)(4-19)軸承的額定壽命 查機械設計表13-4，取溫度系數(shù)=1，則軸承計算的額定壽命為：(h)若按大修期為八年，在大修時更換軸承，按每年300天，每天8小時運轉，則軸承的預期壽命為=19200(h)，故所選軸承滿足要求。結論本篇論文在課題分析的基礎上分別對承載裝置的設計和自定心裝置的設計提出了三個不同的方案，并根據(jù)生產(chǎn)實際情況、加工工藝、方案可行性及經(jīng)濟性對方案進行對比分析，提出了承載裝置和自定心裝置的設計方案。同時，對本方案設計中用到的電動機、液壓缸通過理論計算進行合理地選擇，對自定心裝置中的連桿機構進行機構運動確定性的驗證，最后對本設計中的主關件驅動軸進行強度校核。1、本設計的優(yōu)點及創(chuàng)新點(1)在承載裝置方案設計中用到齒輪減速電動機進行驅動，而且此類型電機具有自鎖功能，在鏜孔過程中可防止承載裝置在外力作用下滑移。(2)承載裝置的定位方式采用類V形面定位，即起到了很好的定位作用，也避免了普通V形面定位件強度不足引起的變形現(xiàn)象。(3)自定心裝置采用液壓缸驅動連桿機構實現(xiàn)三個旋轉軸同時進給運動和旋轉運動以夾緊輥筒的目的，夾緊行程小，夾持平穩(wěn)。(4)自定心裝置中采用的內(nèi)處花鍵即起到傳遞扭矩的作用，也起到很好的導向作用；夾緊件的限位方式采用扭桿彈簧，也是本設計的創(chuàng)新點之一。2.本設計中存在的問題及分析雖然完成了承載裝置與自定心裝置的結構方案設計，但本方案也存在問題，下面對存大的問題進行分析并提出改進的方向如下：(1)承載裝置中的驅動軸同時驅動兩個輪子，這使得驅動軸的長度過大，雖經(jīng)校核滿足強度要求，但生產(chǎn)實際中較長的軸不易加工，而且要保證長軸的同軸度就很困難。改進方向：可以將長的驅運軸一分為二，分別用兩個相同的電動機進行驅動，這不僅降低了生產(chǎn)成本，也便于軸的安裝。(2)在自定心裝置方案中，將三個旋轉軸固定在可移動的箱體上，在夾緊機構夾緊輥筒時該可移動板的剛性不高。參考文獻1 濮良貴等主編. 機械設計. 北京：高等教育出版社， 20062 黃大宇，梅瑛主編. 機械設計課程設計. 長春：吉林大學出版社， 20063 機械設計手冊編委會編著.機械設計手冊第2卷.北京：機械工業(yè)出版社，2004.84 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