氣缸體專(zhuān)用平面磨床設(shè)計(jì),氣缸體專(zhuān)用平面磨床設(shè)計(jì),缸體,專(zhuān)用,平面磨床,設(shè)計(jì)
氣缸體專(zhuān)用平面磨床設(shè)計(jì)
第1章 緒論
1.1 磨床的類(lèi)型與用途
1.1.1 磨床的類(lèi)型及其特點(diǎn)
用磨料磨具(砂輪、砂帶、油石和研磨料等)為工具進(jìn)行切削加工的機(jī)床,統(tǒng)稱(chēng)為磨床(英文為Grinding machine),它們是因精加工和硬表面的需要而發(fā)展起來(lái)的[1]。
磨床種類(lèi)很多,主要有:平面磨床、內(nèi)圓磨床、平面磨床、工具磨床和用來(lái)磨削特定表面和工件的專(zhuān)門(mén)化磨床,如花鍵軸磨床、凸輪軸磨床、曲軸磨床等[2]。
對(duì)平面磨床來(lái)說(shuō),又可分為普通平面磨床、萬(wàn)能平面磨床、無(wú)心平面磨床、 寬砂輪平面磨床、端面平面磨床等。
以上均為使用砂輪作切削工具的磨床。此外,還有以柔性砂帶為切削工具的砂帶磨床,以油石和研磨劑為切削工具的精磨磨床等。
磨床與其他機(jī)床相比,具有以下幾個(gè)特點(diǎn):
(1)磨床的磨具(砂輪)相對(duì)于工件做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(一般砂輪圓周線速度在35m/s左右,目前已向200m/s以上發(fā)展);
(2)它能加工表面硬度很高的金屬和非金屬材料的工件;
(3)它能使工件表面獲得很高的精度和光潔度;
(4)易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和自動(dòng)線,進(jìn)行高效率生產(chǎn);
(5)磨床通常是由電動(dòng)機(jī)—油泵—發(fā)動(dòng)部件、通過(guò)機(jī)械、電氣、液壓傳動(dòng)-傳動(dòng)部件帶動(dòng)工件和砂輪相對(duì)運(yùn)動(dòng)-工件等部分組成[1]。
1.1.2 磨床的用途
磨床可以加工各種表面,如內(nèi)、外圓柱面和圓錐面、平面、漸開(kāi)線齒廓面、螺旋面以及各種成形表面。磨床可進(jìn)行荒加工、粗加工、精加工和超精加工,可以進(jìn)行各種高硬、超硬材料的加工,還可以刃磨刀具和進(jìn)行切斷等,工藝范圍十分廣泛。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)機(jī)械零件的精度和表面質(zhì)量要求越來(lái)越高,各種高硬度材料的應(yīng)用日益增多。精密鑄造和精密鍛造工藝的發(fā)展,使得有可能將毛坯直接磨成成品。高速磨削和強(qiáng)力磨削,進(jìn)一步提高了磨削效率。因此,磨床的使用范圍日益擴(kuò)大。它在金屬切削機(jī)床所占的比重不斷上升。目前在工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家中,磨床在機(jī)床總數(shù)中的比例已達(dá)(30-40)%。
據(jù)1997年歐洲機(jī)床展覽會(huì)(EMO)的調(diào)查數(shù)據(jù)表明,25%的企業(yè)認(rèn)為磨削是他們應(yīng)用的最主要的加工技術(shù),車(chē)削只占23%, 鉆削占22%,其它占8%;而磨床在企業(yè)中占機(jī)床的比例高達(dá)42%,車(chē)床占23%,銑床占22%,鉆床占14%[3]。由此可見(jiàn),在精密加工當(dāng)中,有許多零部件是通過(guò)精密磨削來(lái)達(dá)到其要求的,而精密磨削加工要在相應(yīng)的精密磨床上進(jìn)行,因此精密磨床在精密加工中占有舉足輕重的作用。但是要實(shí)現(xiàn)精密磨削加工,所用的磨床就應(yīng)該滿足以下幾個(gè)基本要求:
(1)高幾何精度。 精密磨床應(yīng)有高的幾何精度,主要有砂輪主軸的回轉(zhuǎn)精度和導(dǎo)軌的直線度以保證工件的幾何形狀精度。主軸軸承可采用液體靜壓軸承、短三塊瓦或長(zhǎng)三塊瓦油膜軸承,整體度油楔式動(dòng)壓軸承及動(dòng)靜壓組合軸承等。當(dāng)前采用動(dòng)壓軸承和動(dòng)靜壓軸承較多。主軸的徑向圓跳動(dòng)一般應(yīng)小于1um,軸向圓跳動(dòng)應(yīng)限制在(2-3)um以內(nèi)。
(2)低速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。 由于砂輪的修整導(dǎo)程要求(10-15)mm/min,因此工作臺(tái)必須低速進(jìn)給運(yùn)動(dòng),要求無(wú)爬行和無(wú)沖擊現(xiàn)象并能平穩(wěn)工作。
(3)減少振動(dòng)。 精密磨削時(shí)如果產(chǎn)生振動(dòng),會(huì)對(duì)加工質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重不良影響。故對(duì)于精密磨床,在結(jié)構(gòu)上應(yīng)考慮減少振動(dòng)。
(4)減少熱變形。 精密磨削中熱變形引起的加工誤差會(huì)達(dá)到總誤差的50%,故機(jī)床和工藝系統(tǒng)的熱變形已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)精密磨削的主要障礙。
1.1.3 平面磨削和端面平面磨床
(1)平面磨削
在平面磨削過(guò)程中,工件是安裝在兩頂尖的中心之間,砂輪旋轉(zhuǎn)是引起切削旋轉(zhuǎn)的主要來(lái)源和原因?;镜钠矫婺ハ鞣椒ㄓ袃煞N,即橫磨法磨外圓和縱磨法磨外圓,如圖1-1和圖1-2所示。
事實(shí)上,平面磨削可以通過(guò)其他以下幾種方法來(lái)實(shí)施。
1)傳遞方法:在這種方法中,磨削砂輪和工件旋轉(zhuǎn)以及徑向進(jìn)給都應(yīng)滿足所有的整個(gè)長(zhǎng)度,切削的深度是由磨削砂輪到工件的縱向進(jìn)給來(lái)調(diào)整的。
2)沖壓切削方法:在這種方法中,磨削是通過(guò)砂輪的縱向進(jìn)給和無(wú)軸向進(jìn)給來(lái)完成的,正如我們所看到的,只有在表面成為圓柱的寬度比磨削輪磨損寬度短時(shí),這種方法才能完成。
圖1.1 橫磨法磨外圓
圖1.2 縱磨法磨外圓
3)整塊深度切削方法:除了在磨削過(guò)程中,要進(jìn)行間隙調(diào)整外,這種方法與傳遞方法很相似,同時(shí)這種方法具有代表性,除了磨削短而粗的軸。
(2)端面平面磨床及其特點(diǎn)
端面平面磨床是平面磨床的一種變形機(jī)床,它宜于大批量磨削帶肩的軸類(lèi)工件,有較高的生產(chǎn)率。它的特點(diǎn)如下:
1)這種磨床的布局形成和運(yùn)動(dòng)聯(lián)系與平面磨床相似,只是砂輪架與頭架,尾架中心連線傾斜一角度(通常10°,15°,26.23°,30°,45°),如圖1-3所示,數(shù)控端面平面磨床MKS1632A的砂輪架與頭架,尾架中心連線傾斜30°。為避免砂輪架與工件或尾架相碰,砂輪安裝在砂輪架的右邊,從斜向切入,一次磨削工件外圓和端面。
2)由于它適用于大批量生產(chǎn),所以具有自動(dòng)磨削循環(huán),完成快速進(jìn)給(長(zhǎng)切入)-粗磨-精磨-無(wú)花磨削。由定程裝置或自動(dòng)測(cè)量控制工件尺寸。
3)裝有砂輪成型修整器,按樣板修整出磨削工件外圓和端面的成型砂輪,為保證端面尺寸穩(wěn)定及操作安全,一般具有軸向?qū)Φ堆b置。
圖1.3 砂輪架與頭架,尾架中心連線傾斜一角度
1.2 磨床的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)
隨著機(jī)械產(chǎn)品精度、可靠性和壽命的要求不斷提高以及新型材料的應(yīng)用增多,磨削加工技術(shù)正朝著超硬度磨料磨具、開(kāi)發(fā)精密及超精密磨削(從微米、亞微米磨削向納米磨削發(fā)展)和研制高精度、高剛度、多軸的自動(dòng)化磨床等方向發(fā)展[4],如用于超精密磨削的樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪的金剛石磨粒平均半徑可小至4μm、磨削精度高達(dá)0.025μm;使用電主軸單元可使砂輪線速度高達(dá)400m/s,但這樣的線速度一般僅用于實(shí)驗(yàn)室,實(shí)際生產(chǎn)中常用的砂輪線速度為(40-60)m/s;從精度上看,定位精度<2μm,重復(fù)定位精度≤±1μm的機(jī)床已越來(lái)越多;從主軸轉(zhuǎn)速來(lái)看,8.2kw主軸達(dá)60000r/min,13kw達(dá)42000r/min,高速已不是小功率主軸的專(zhuān)有特征;從剛性上看,已出現(xiàn)可加工60HRC硬度材料的加工中心。
北京第二機(jī)床廠引進(jìn)日本豐田工機(jī)公司先進(jìn)技術(shù)并與之合作生產(chǎn)的GA(P)62-63數(shù)控外圓/數(shù)控端面平面磨床,砂輪架采用原裝進(jìn)口,砂輪線速度可達(dá)60m/s,砂輪架主軸采用高剛性動(dòng)靜壓軸承提高旋轉(zhuǎn)精度,采用日本豐田工機(jī)公司GC32-ECNC磨床專(zhuān)用數(shù)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)二軸(X和Z)到四軸(X、Z、U和W)控制。
此外,對(duì)磨床的環(huán)保要求越來(lái)越高,絕大部分的機(jī)床產(chǎn)品都采用全封閉的罩殼,絕對(duì)沒(méi)有切屑或切削液外濺的現(xiàn)象。大量的工業(yè)清洗機(jī)和切削液處理機(jī)系統(tǒng)反映現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)環(huán)保越來(lái)越高的要求。
1.3 本課題的設(shè)計(jì)目的和意義
設(shè)計(jì)目的:發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體對(duì)其平面度要求十分嚴(yán)格,用專(zhuān)用磨床加工可確保其加工質(zhì)量。
設(shè)計(jì)意義:氣缸體作為重要的工藝要求精密的零部件,其外表面的粗糙度一直是制約產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)瓶頸問(wèn)題,如何能使氣缸體的表面粗糙度和平面度達(dá)到技術(shù)要求,因此設(shè)計(jì)一臺(tái)用于氣缸體表面加工用的專(zhuān)用磨床。
第2章 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 基本參數(shù)和設(shè)計(jì)內(nèi)容
根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū),本氣缸體專(zhuān)用平面磨床的設(shè)計(jì)基本參數(shù)如下。
電動(dòng)機(jī)功率:2.8kW
主軸轉(zhuǎn)速:2800rpm
磨頭行程:垂直方向260mm,縱向840mm
磨削頭砂輪直徑:250mm
該磨床的總體設(shè)計(jì)包括如下主要內(nèi)容:
(1) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
包含數(shù)控裝置的功能設(shè)計(jì)、元件和部件設(shè)計(jì),程序段格式設(shè)計(jì)及系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。
(2) 邏輯設(shè)計(jì)
包含運(yùn)算器設(shè)計(jì)、控制器設(shè)計(jì)及電路設(shè)計(jì)。
(3) 機(jī)床主機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
本次設(shè)計(jì)主要對(duì)總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2.2 磨床總體設(shè)計(jì)
(1)加工零件的工藝分析(表面形狀,尺寸,材料,技術(shù)條件,批量,加工余量等);
(2)調(diào)查研究和比較國(guó)內(nèi)外同類(lèi)機(jī)床,經(jīng)驗(yàn)總結(jié),進(jìn)行改革創(chuàng)新;
(3)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)(總圖,部件裝配圖,零件圖,工藝卡,目錄,標(biāo)準(zhǔn)件,外購(gòu)件目錄,鑄件,鍛件目錄,說(shuō)明書(shū),裝箱單,合格證);
(4)制造,裝配,調(diào)試;
(5)小批量生產(chǎn),設(shè)計(jì)改進(jìn)。
2.3 總體設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
(1)保證機(jī)床滿足加工精度要求,剛性、穩(wěn)定性好;
(2)傳動(dòng)系統(tǒng)力求簡(jiǎn)短;
(3)操作調(diào)整方便;
(4)安全保護(hù),冷卻液供給,回收,廢渣的排除。
第3章 磨床總體布局設(shè)計(jì)
3.1 加工零件
發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體對(duì)其平面度要求十分嚴(yán)格,用專(zhuān)用磨床加工可確保起加工質(zhì)量。氣缸體材料為45#、40cr、球墨鑄鐵等;
3.2 初步估計(jì)組成部分
磨床的主要組成包括:a.床身;b.工作臺(tái)面;c頭架;d尾架;e砂輪架;f 修整器;g 測(cè)量裝置;h 砂輪進(jìn)給電機(jī);I 修整器進(jìn)給電機(jī);j 電器框;k工作臺(tái)進(jìn)給電機(jī);l 工件旋轉(zhuǎn)電機(jī);m 潤(rùn)滑冷卻裝置;n數(shù)控裝置。
3.3 總體布局初步設(shè)計(jì)
確定初步設(shè)計(jì)方案如下。
(1)T型床身;
(2)工作臺(tái)移動(dòng);
(3)工作臺(tái)型面采用傾斜10°的型面;
(4)砂輪架主軸與床身導(dǎo)軌傾斜30°角;
(5)頭尾架中心線平行;
(6)采用成型砂輪修整器(金剛石滾輪),采用MARPPOS公司軸向,徑向測(cè)量?jī)x;
(7)數(shù)控系統(tǒng)的四坐標(biāo)軸
X軸:砂輪架進(jìn)給 Y軸:修整器進(jìn)給
Z軸:工作臺(tái)移動(dòng) W軸:工件旋轉(zhuǎn)
各軸采用交流伺服電機(jī),通過(guò)精密無(wú)間隙彈性連軸器直接與滾珠絲桿相連;
(8)液壓油箱單獨(dú)(減小熱變形,簡(jiǎn)化機(jī)床結(jié)構(gòu),易實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化,通用化,便于維修);
(9)電器框與機(jī)床采用空中走線;
(10)機(jī)床前防護(hù)罩采用全封閉結(jié)構(gòu)。
3.4 縱向與橫向尺寸的確定
(1)縱向尺寸
①工件最大長(zhǎng)度 ;
②頭架長(zhǎng)度 ;
③尾架長(zhǎng)度 ;
④上臺(tái)面長(zhǎng)度 ;
⑤下臺(tái)面長(zhǎng)度 ;
⑥床身長(zhǎng)度 ;
⑦后床身長(zhǎng)度 (考慮砂輪架和修整器大小按經(jīng)驗(yàn)給定);
⑧整個(gè)床身寬度 (視覺(jué)效果);
⑨砂輪架中心與機(jī)床床身對(duì)稱(chēng)線相距
圖3.1 磨床縱向尺寸
(2)橫向尺寸
1)畫(huà)出橫向尺寸床身的V型導(dǎo)軌作為橫向尺寸的基準(zhǔn),畫(huà)出床身的平面導(dǎo)軌作為高度尺寸的基準(zhǔn)線,根據(jù)確定的工作臺(tái)參數(shù),導(dǎo)軌參數(shù)B1’,B2’中心畫(huà)出左視圖。
2)確定上、下工作臺(tái)厚度和寬度
(a)厚度:用類(lèi)比法
上工作臺(tái) 中心 ?。?.1)
下工作臺(tái) 中心 (3.2)
為工作臺(tái)導(dǎo)軌的中心距,工作臺(tái)導(dǎo)軌選用8075250
取 =0.3250=75mm
=0.38250=95mm
(b)寬度
(3.3)
∵ ∴
∵ ∴
3)確定頭,尾架頂尖中心位置
頂尖中心安排在V型導(dǎo)軌的中心線上,這樣有利于磨削最小直徑工件的,砂輪架趨近于工作臺(tái)不致相碰。缺點(diǎn)是使導(dǎo)軌的承載壓力較大,故常適當(dāng)加寬V型導(dǎo)軌的寬度。
4)確定頭尾架頂尖中心至床身底面的高度H1
左右[1]
根據(jù)工人身高,經(jīng)驗(yàn)。類(lèi)比取
5)工作臺(tái)回轉(zhuǎn)中心位置B9
6)確定機(jī)床總高H
所以H取2000mm。
3.5 砂輪架相關(guān)尺寸設(shè)計(jì)
(1)砂輪架導(dǎo)軌(V—平導(dǎo)軌)10090400[1]
考慮到砂輪的大小及重量與砂輪架的穩(wěn)定性,取L`中心=500mm,從而可定出砂輪架的寬度約為600mm,導(dǎo)軌為0.15MPa 的卸荷導(dǎo)軌。
圖3.2 砂輪架的導(dǎo)軌
(2)砂輪架橫向行程長(zhǎng)度
(3.4)
式中為砂輪架快速進(jìn)退的行程,一般取。此處取。
(3.5)
安全系數(shù)取0.1足夠。
(取373)
(3)砂輪架高度和長(zhǎng)度
砂輪架箱體導(dǎo)軌的高度h3,砂輪底板滑臺(tái)高度h4,砂輪中心距砂輪底面高度h5,與后床身頂面至平導(dǎo)軌的高度h0,為避免上、下工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)與箱體相碰,安裝在后床身上的墊板頂面需低于上下工作臺(tái)的頂面,同時(shí)考慮橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)穿過(guò)床身的位置等,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)
① 取
②砂輪架中心距后床身頂面
③砂輪架底座安裝修整器,內(nèi)有傳動(dòng)絲桿
取
④后床身進(jìn)給導(dǎo)軌內(nèi)裝絲桿
取
圖3.3 砂輪架的高度和寬度
⑤砂輪架底板長(zhǎng)度:
∴ 取=900mm
⑥砂輪架導(dǎo)軌長(zhǎng)度
∴取
(4)砂輪架主軸電機(jī)的選擇
①用類(lèi)比法,砂輪架主軸電機(jī)的功率取15kw;
②計(jì)算法 (3.6)
取
3.6 頭架相關(guān)尺寸的確定
①長(zhǎng)×寬×高:440400411mm[1]
②主軸錐孔:莫氏5#錐孔
③中心高: (3.7)
通過(guò)以上計(jì)算頭架中心高取180mm。
④主軸轉(zhuǎn)速 (3.8)
取
⑤交流伺服電機(jī)選擇
用類(lèi)比法,交流伺服電機(jī)選擇IFT5076-DA(D1 18N-M)電機(jī)。
砂輪磨削工件需要的功率
(3.9)
交流伺服電機(jī)通過(guò)20/38的雙楔齒輪帶傳遞給工件,即
∴合格
⑥主軸不旋轉(zhuǎn),主軸靠撥盤(pán)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)
3.7 尾架相關(guān)尺寸的確定
①5#莫氏錐孔
②中心高180mm,臺(tái)面傾斜10°
③直線滾動(dòng)導(dǎo)軌
④液壓油缸,頂緊力
3.8 工作臺(tái)
要求上、下臺(tái)面便于調(diào)整頭尾架,便于安裝滾珠螺母。傾斜10°以便于頭尾架定位,冷卻液回流;及使頭尾架不等高時(shí)修刮側(cè)面。
3.9 橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)
交流伺服電機(jī)-聯(lián)軸器-滾珠絲桿-砂輪架
壓力卸荷導(dǎo)軌 壓力油0.15Mpa 卸去壓力
V—平導(dǎo)軌
砂輪架行程
3.10 砂輪修整器
伺服電機(jī)-絲桿-修整器
直線滾動(dòng)導(dǎo)軌
主軸直徑D=50mm,采用液體動(dòng)壓軸承(16r/min 6.3Mpa)
修整速度=
修整器直徑 故
修整器行程為160mm
3.11 液壓系統(tǒng)
①修整器;②尾架;③量?jī)x(兩個(gè));④潤(rùn)滑油;⑤床身導(dǎo)軌;⑥砂輪架卸荷導(dǎo)軌;⑦絲桿;⑧直線滾動(dòng)導(dǎo)軌;⑨間歇。
3.12 電氣部分
SIMENS 810G,控制五坐標(biāo)軸,砂輪架主軸。
3.13 機(jī)床保護(hù)系統(tǒng)
①靜壓供油系統(tǒng) 壓力繼電器 壓差發(fā)訊器
液壓控制器 電路延時(shí)
②尾架伸縮油缸靜壓供油系統(tǒng):設(shè)置自動(dòng)循環(huán)電路,可手動(dòng),也可用于腳踏。當(dāng)工件旋轉(zhuǎn)時(shí),由于互鎖裝置,使起無(wú)效。
③油箱液壓控制
④數(shù)控系統(tǒng)(在各坐標(biāo)軸)自診斷與保護(hù)功能
如:電池電壓低 程序錯(cuò)誤
⑤各坐標(biāo)軸由行程開(kāi)關(guān)控制最大位移量
⑥安全防護(hù)罩(砂輪罩,機(jī)床前罩)全封閉式
⑦導(dǎo)軌面保護(hù)
Ⅰ 工作臺(tái)導(dǎo)軌:不銹鋼可伸縮防護(hù)罩
Ⅱ 砂輪架導(dǎo)軌:㈠前部:翻板式護(hù)罩+橡皮(防水);㈡后罩:鋼罩。
Ⅲ 修整器導(dǎo)軌:折疊式
第4章 部件設(shè)計(jì)(砂輪架)
4.1 砂輪架設(shè)計(jì)的基本要求
砂輪架是磨床上用來(lái)帶動(dòng)砂輪作高速旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件,主要由傳動(dòng)部件和主軸軸承部分組成,主軸與軸承是砂輪架的主要組成部分,因此對(duì)砂輪架設(shè)計(jì)提出的基本要求也是針對(duì)主軸軸承部分的。
砂輪架設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)基本要求[1]:
1.主軸旋轉(zhuǎn)精度高,旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定;
2.主軸軸承系統(tǒng)剛性好;
3.振動(dòng)小,發(fā)熱低,不漏油;
4.裝配制造簡(jiǎn)單,調(diào)整維修方便。
4.2 主軸旋轉(zhuǎn)精度及其提高措施
1.砂輪架旋轉(zhuǎn)精度是指主軸前端的徑向跳動(dòng)和軸向躥動(dòng)大小,它直接影響工件的表面粗糙度和表面缺陷。一般端面平面磨床砂輪架允許的徑向和軸向跳動(dòng)允許誤差取5μm~10μm。
2.提高主軸旋轉(zhuǎn)精度的措施
(1)選擇合適的主軸軸承:動(dòng)靜壓軸承;
(2)提高主軸的加工精度;
(3)正確選擇主軸軸向止推方式:液體靜壓推力軸承。
4.3 主軸軸承系統(tǒng)的剛性
主軸軸承系統(tǒng)的剛性是指在磨削力或傳動(dòng)力作用下,主軸軸承抵抗變形的能力。通常以主軸前端的撓度來(lái)度量。過(guò)低的剛性會(huì)降低磨削生產(chǎn)率、加工精度和工件表面的粗糙度,引起直波形和螺旋線缺陷。
4.4 砂輪架主軸初步設(shè)計(jì)
1. 砂輪架主軸的強(qiáng)度校核
進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核時(shí),應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況采取相應(yīng)的計(jì)算方法,并恰當(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力。對(duì)砂輪架主軸來(lái)說(shuō),由于采用了卸荷皮帶輪裝置,砂輪架主軸主要承受扭矩,應(yīng)該按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算,且在選取許用應(yīng)力時(shí)應(yīng)該選取較小值。砂輪架主軸材料采用42MnVB,并進(jìn)行淬火,故選取許用應(yīng)力為40MP。
軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為
(4.1)
——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力(單位為MP)
—— 軸所受扭矩(單位為)
—— 軸的扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)(單位為)
—— 軸傳遞的功率(單位為KW)
—— 軸的轉(zhuǎn)速(單位為r/mm)
—— 計(jì)算界面處的直徑(單位為mm)
—— 許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力(單位為r/mm)
由上式可得軸的直徑為
(4.2)
mm
由上述計(jì)算可以得知砂輪架最小直徑為31.02mm,考慮到砂輪架的剛度等因素,取主軸的最小直徑為60mm。砂輪架主軸的尺寸如圖4-1所示。
圖4.1 砂輪架主軸尺寸示意圖
4.5 主軸剛度校核
1.當(dāng)量直徑
因?yàn)槭请A梯軸,所以用當(dāng)量直徑法作近似計(jì)算當(dāng)量直徑為:
(4.3)
L=140+640+20+32+10=932mm
= 89.36mm
2.允許撓度
允許撓度[y]=0.0002L < 0.0002*660=0.132mm
3、計(jì)算主軸前端撓度值
[1] (4.4)
——載荷(單位為公斤)(150/9.8)
—— 軸兩端的跨距(單位為厘米)(66.00)
—— 懸伸長(zhǎng)度(單位為厘米)(13.2)
—— 材料的彈性模數(shù)(單位為公斤/平方厘米)(21.02)
—— 截面慣性矩(平方厘米)
= 0.001cm = 0.01mm
又因?yàn)閇y]=0.135,0.01<0.135,即< [y],由上述校核可以得知,主軸剛度符合要求。
一般存在一個(gè)使主軸前端撓度最小,即剛性最好的支承跨距L。由經(jīng)驗(yàn)得知,L為(3~6)D時(shí),主軸前端撓度最小,D=120mm,L為360~720mm,取L為640mm。
4.6 動(dòng)靜壓軸承
靜壓軸承是利用外部油源產(chǎn)生承載能力的油膜軸承,動(dòng)靜壓混合軸承是一種既綜合了液體動(dòng)壓和靜壓軸承的優(yōu)點(diǎn),又克服了兩著缺點(diǎn)的新型多油楔油膜軸承。它利用靜壓軸承的節(jié)流原理,使壓力油腔中產(chǎn)生足夠大的靜壓軸承載力,從而克服了液體動(dòng)壓軸承啟動(dòng)和停止時(shí)出現(xiàn)的干摩擦造成主軸與軸承磨損現(xiàn)象,提高了主軸和軸承的使用壽命及精度保持性;軸承油腔大多采用淺腔結(jié)構(gòu),在主軸啟動(dòng)后,依靠淺腔階梯效應(yīng)形成的動(dòng)壓承載力和靜壓承載力疊加,大大地提高了主軸承載能力,而多腔對(duì)置結(jié)構(gòu)又極大地增加了主軸剛度;高壓油膜的均化作用和良好的抗振性能,保證了主軸具有很高旋轉(zhuǎn)精度和運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。
它的優(yōu)點(diǎn)如下:
1.速度和載荷范圍廣,應(yīng)用范圍廣。動(dòng)靜壓軸承在零件轉(zhuǎn)速到很高的范圍內(nèi)的各種相對(duì)速度下都能承載,而且載荷范圍大,其承載能力取決于供油壓力,軸承軸頸結(jié)構(gòu)和相對(duì)大?。?
2.油膜剛度高,阻尼大,抗振性好;
3.摩擦阻力,磨損小.由于總有一層油膜將相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面隔開(kāi),因此摩擦阻力小,磨損小,能長(zhǎng)期保持很高的運(yùn)動(dòng)精度,壽命長(zhǎng).且對(duì)軸承軸頸材料要求也較低;
4.主軸回轉(zhuǎn)精度高.動(dòng)靜壓軸承中靜壓油膜具有良好的糾正軸和軸向跳動(dòng);
5.安全性好.在萬(wàn)一供油受阻或切斷時(shí),可利用軸承中動(dòng)壓效應(yīng)來(lái)承載;
6.承載能力高.由于動(dòng)壓效應(yīng),使軸承轉(zhuǎn)速越高承載能力越大,同時(shí)軸承還能承受方向不斷變化的動(dòng)載及瞬時(shí)過(guò)載;
7.穩(wěn)定性好.
8.使用較經(jīng)濟(jì).由于動(dòng)靜壓軸承高速下主要靠動(dòng)壓承載,故這時(shí)供油壓力可相對(duì)較小,軸承可設(shè)計(jì)成較小軸頸,軸承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造精度和材料要求不高。
動(dòng)靜壓軸承需要一套供油系統(tǒng),潤(rùn)滑油要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格過(guò)濾以保持清潔。目前廣泛應(yīng)用的是定壓供油系統(tǒng)。一定壓力的壓力油,經(jīng)節(jié)流器流入兩相對(duì)運(yùn)動(dòng)體間的油腔,通過(guò)油腔壓力來(lái)平衡外載荷。在定壓供油系統(tǒng)中,節(jié)流器是關(guān)鍵部分,它起著限制流入油腔流量的阻尼作用,使油腔壓力僅隨外載荷的變化而變化。靜壓軸承常用的固定節(jié)流器有毛細(xì)管和小孔節(jié)流器兩種。本次設(shè)計(jì)選用毛細(xì)管節(jié)流器。
動(dòng)靜壓軸承廣泛用于高速精密設(shè)備中.目前,在改造舊精密磨削設(shè)備方面,用得較多的是北京中航設(shè)備改造廠的WMB型表面節(jié)流液體動(dòng)靜壓混合軸承。
砂輪架主軸的軸向定位采用軸向止推靜壓軸承。軸向止推軸承由兩個(gè)相對(duì)的環(huán)形油腔構(gòu)成。軸上具有臺(tái)肩以形成承載面。軸承的間隙通過(guò)修磨調(diào)整墊圈的厚度來(lái)保證。
4.7 傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)
為了提高主軸的旋轉(zhuǎn)精度,皮帶輪不直接裝在主軸上,而是裝在單獨(dú)的支架上,并用花鍵套帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn),即采用卸荷皮帶輪的方案,如圖4-2所示。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是減少了主軸的變形,同時(shí)還提高了承載能力。
圖4.2 卸荷皮帶輪
1.電動(dòng)機(jī)的選擇
= (2.35~8.82)+3.8 = 12.62kw
通過(guò)以上計(jì)算,取=15kw,選擇Y100L—4型電動(dòng)機(jī)
2.皮帶設(shè)計(jì)
因?yàn)槎嘈◣Ъ嬗蠽帶和平帶的優(yōu)點(diǎn),外輪廓尺寸小,比V型帶傳動(dòng)平穩(wěn),所以皮帶采用多楔帶[5]。多楔帶以平帶為基體,內(nèi)表面有等距離縱向楔型的環(huán)形帶傳動(dòng)。工作面為楔側(cè)面,有橡膠和聚氨酯兩種[5]。
1)皮帶材料的選用
皮帶材料選用聚氨酯。
2)設(shè)計(jì)計(jì)算
已知小帶輪轉(zhuǎn)速,即 =1500r/min,傳動(dòng)比i=2.5;
(1)計(jì)算功率
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表8.7查得,工作情況系數(shù)為1.1,故
(4.5)
(2)由和選擇帶型
由于=16.5kw,=1500r/min,查表后可知,取帶型為L(zhǎng)型。
(3)確定帶輪基準(zhǔn)直徑
由《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》表4—43,取主動(dòng)輪基準(zhǔn)直徑=80mm。
,由此得。
(4)驗(yàn)算帶速
(4.6)
= 6.28 m/s < 30 m/s,所以帶速合格。
(5)初定軸向間距
由公式(4-5)
0.7(+)< < 2(+), (4.7)
可知196< < 560,取=400。
(6)所需基準(zhǔn)帶長(zhǎng)
(4.8)
=1248.82mm
由《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》表4—5,取相近的基準(zhǔn)帶長(zhǎng)= 1250 mm[6]。
(7)實(shí)際軸向間距
(4.9)
= 401.18mm
所以皮帶的實(shí)際軸向間距取=401mm。
(8)多楔帶每楔的基本額定功率
由《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》表4—40,可以查得=0.34kw。
(9)小帶輪的包角
(4.10)
=162.85°
(10)多楔帶楔數(shù)的確定
(4.11)
其中
查表得,
,代入的計(jì)算公式中,得=0.849kw。
又已知=0.955,=1.00,得:
由此可以確定,取Z=15。
3.帶輪設(shè)計(jì)
1)帶輪設(shè)計(jì)的要求:
(1)質(zhì)量小,結(jié)構(gòu)工藝性好,無(wú)過(guò)大的鑄造應(yīng)力;
(2)質(zhì)量分布均勻,轉(zhuǎn)速高時(shí)要經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡校證;
(3)槽輪工作面要經(jīng)過(guò)精細(xì)加工,以減少帶的磨損;
(4)輪槽的尺寸和角度應(yīng)有一定的精度,以使載荷分布均勻。
2)帶輪的材料選用
帶輪的材料選用HT200。
3)帶輪的結(jié)構(gòu)
(1)小帶輪直徑(d為軸的直徑),所以采用實(shí)心式。
(2)大帶輪< 300,所以采用腹板式結(jié)構(gòu)。
4)小帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸
圖4.3 小帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸
(4.12)
其中——帶輪的外徑,
——軸的直徑,
——基準(zhǔn)線上槽深。
(4.13)
,圓整后得=165mm
(4.14)
, (4.15)
其中——多楔帶的楔數(shù),
——多楔帶的槽間距,
——第一槽對(duì)稱(chēng)面到端面的距離。
5)大帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸
圖4.4 大帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸
4.花鍵套的選用
由軸端直徑Φ60選用內(nèi)花鍵套:8×62H7×78H10×12H11GB1144-87,如圖
圖4.5 內(nèi)花鍵套的結(jié)構(gòu)尺寸
第5章 床身與導(dǎo)軌
本章進(jìn)行磨床床身與導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)。
5.1 床身設(shè)計(jì)
5.1.1 床身結(jié)構(gòu)的基本要求
機(jī)床的床身是整個(gè)機(jī)床的基礎(chǔ)支承件,一般用來(lái)放置導(dǎo)軌等重要部件。為了滿足數(shù)控機(jī)床高速度、高精度、高生產(chǎn)率、高可靠性和高自動(dòng)化的要求,與普通機(jī)床相比,數(shù)控機(jī)床應(yīng)有更高的靜、動(dòng)剛度,更好的抗振性。數(shù)控機(jī)床床身主要在下面四個(gè)方面提出了更高的要求。
1.很高的精度和精度保持性
在床身上有很多安裝部件的加工面和運(yùn)動(dòng)部件的導(dǎo)軌面,這些面本身的精度和相互位置精度要求都很高,而且要能長(zhǎng)時(shí)間保持.另外,機(jī)床在切削加工時(shí),所有動(dòng)、靜載荷最后往往都傳到床身上,所以,床身上的受力很復(fù)雜。為此,為保證零部件之間的相互位置或相對(duì)運(yùn)動(dòng)精度,處滿足幾何尺寸位置等精度要求外,還要滿足靜、動(dòng)剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性和工藝等方面的技術(shù)要求。
2. 應(yīng)具有足夠的靜、動(dòng)剛度
靜剛度包括:床身的自身結(jié)構(gòu)剛度、局部剛度和接觸剛度,都應(yīng)該采取相應(yīng)的措施,最后達(dá)到有較高的剛度—質(zhì)量比。
動(dòng)剛度直接反映機(jī)床的運(yùn)動(dòng)特性,為了保證機(jī)床在交變載荷作用下具有較高的抵抗變形的能力和抵抗受迫振動(dòng)及自激振動(dòng)的能力,可以通過(guò)適當(dāng)增加阻尼,提高固有頻率等措施避免共振及因薄臂振動(dòng)而產(chǎn)身的噪聲。
3. 較好的熱穩(wěn)定性
控機(jī)床來(lái)說(shuō),尤其是高精度數(shù)控機(jī)床,熱穩(wěn)定性已成為一個(gè)突出的問(wèn)題,必須在設(shè)計(jì)上要作到使整機(jī)的熱變形較小,或使熱變形對(duì)加工精度的影響較小。
4.高的強(qiáng)度和耐磨性
通常床身在抵抗外負(fù)載荷而不超過(guò)允許的變形情況下,都具有足夠的強(qiáng)度。但是,對(duì)于外負(fù)載荷比較大而變形要求不大的部位,仍有注意其強(qiáng)度的情況。至于床身與運(yùn)動(dòng)部件相接觸的部位,即導(dǎo)軌處,要求有良好的耐磨性。
5.1.2 床身的結(jié)構(gòu)
該次設(shè)計(jì)的數(shù)控磨床的Z向運(yùn)動(dòng)是垂直與工作臺(tái)的上下運(yùn)動(dòng).這種結(jié)構(gòu)的床身有固定立柱和移動(dòng)立柱兩種方式由于后者加工制造不方便,加上本次設(shè)計(jì)的數(shù)控磨床屬于中型機(jī)床,故采用固定立柱式。
5.1.3 床身的截面形狀
為了在較小質(zhì)量下獲得高的靜剛度和適當(dāng)?shù)墓逃蓄l率,該機(jī)床的床身采用帶有對(duì)角筋的箱體結(jié)構(gòu)。對(duì)角筋截面可明顯床身的扭轉(zhuǎn)剛度,并且便于設(shè)計(jì)成全封閉的箱形結(jié)構(gòu)。
5.1.4 鋼板焊接結(jié)構(gòu)
該機(jī)床的床身采用鋼板直接焊接而成。焊接結(jié)構(gòu)床身的突出優(yōu)點(diǎn)是制造周期短。一般比鑄鐵快1.7~3.5倍。省去了制作木摸和鑄造工序,不易出廢品。焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活,便于產(chǎn)品更新、改進(jìn)結(jié)構(gòu)。焊接件能達(dá)到與鑄件相同,甚至更好的結(jié)構(gòu)特性,可提高抗彎截面慣性矩,減小質(zhì)量。采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)能夠按剛度要求布置筋板的形式,充分發(fā)揮臂板和筋板的承載和抗變形作用。另外,焊接床身采用鋼板,其彈性摸量E為MPa,而鑄鐵的彈性摸量E為MPa,兩者幾乎相差一倍。因此采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)床身有利于提高固有頻率。
5.1.5 箱體封沙結(jié)構(gòu)
床身封沙結(jié)構(gòu)是利用筋板隔成封閉箱體結(jié)構(gòu)。對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)的床身,在床身內(nèi)腔填充泥芯和混凝土等阻尼材料,當(dāng)振動(dòng)時(shí),利用相當(dāng)摩擦來(lái)耗散振動(dòng)能量。利用沙粒良好的吸振性能,可以提高機(jī)構(gòu)件的阻尼比。提高床身結(jié)構(gòu)的靜剛度,有剛度和質(zhì)量關(guān)系式K=(為系統(tǒng)無(wú)阻尼振動(dòng)時(shí)的固有頻率)可以看出增加質(zhì)m可以提高靜剛度.封沙結(jié)構(gòu)降低了床身的重心,有利于床身機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性,可提高床身的抗彎和抗扭剛度。
5.2 導(dǎo)軌設(shè)計(jì)
5.2.1 對(duì)導(dǎo)軌的要求
對(duì)導(dǎo)軌的要求,納起來(lái)有下列幾點(diǎn):
1. 要有一定的導(dǎo)向精度 2.要有良好的耐磨性
3.要有足夠的剛度 4.要減少熱變形影響
5.要使運(yùn)動(dòng)輕便平穩(wěn) 6.要有一定的工藝性
5.2.2 滑動(dòng)導(dǎo)軌
導(dǎo)軌按照接觸面的摩擦情況而言.可分為:滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌等三大類(lèi)型。該次設(shè)計(jì)的數(shù)控磨床采用滑動(dòng)導(dǎo)軌。
滑動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單制造方便,承載面積大,接觸剛度好,抗振性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)。滑動(dòng)導(dǎo)軌一般用于定位精度要求不高的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中,本次設(shè)計(jì)的伺服系統(tǒng)是閉環(huán)系統(tǒng),因?yàn)橛辛朔答佅到y(tǒng),導(dǎo)軌的定位精度,由于誤差進(jìn)行補(bǔ)償而不受影響,故采用滑動(dòng)導(dǎo)軌。
5.2.3 貼塑滑動(dòng)導(dǎo)軌
滑動(dòng)導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造方便,接觸剛度大的優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦阻力大,磨損快,動(dòng)靜摩擦系數(shù)差別大,低速時(shí)易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。因此,采用帶有耐磨粘貼帶覆蓋層的新型塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌。
本次設(shè)計(jì)采用的塑料導(dǎo)軌是聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶。
1. 聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶的特點(diǎn)
摩擦性好:鑄鐵淬火導(dǎo)軌副的靜摩擦系數(shù)與動(dòng)摩擦系數(shù)相差較大,幾乎是相差一倍.而金屬聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶的靜、動(dòng)摩擦系數(shù)基本不變。這種良好的摩擦性能可防止低速爬行,是運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)并獲得較高的定位精度。
耐磨性好:處摩擦系數(shù)低外,聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶材質(zhì)中含有青二硫化鉬和石墨,因此,本身即具有潤(rùn)滑作用,對(duì)潤(rùn)滑油的供油量要求不高,采用間歇式供油即可。此外,塑料質(zhì)地較軟,即便是嵌入金屬碎屑、灰塵等,也不至損傷金屬導(dǎo)軌面和軟帶本身,可延長(zhǎng)導(dǎo)軌副的使用壽命。
減振性好:塑料有很好的阻尼性,其減振消聲的性能對(duì)提高摩擦副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度有很大的意義。
工藝性好:可降低對(duì)粘貼塑料的金屬導(dǎo)軌基體的硬度和表面質(zhì)量要求,而且塑料易于加工,使導(dǎo)軌副接觸面獲得優(yōu)良的表面質(zhì)量。
此外,還有化學(xué)穩(wěn)定性好,維修方便,經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。
2. 導(dǎo)軌軟帶使用工藝
首先將導(dǎo)軌粘貼面加工至表面粗糙度Ra3.2~1.6,有時(shí)為了起定位作用,導(dǎo)軌粘貼面加工成0.5mm到1mm深的凹槽.用汽油或金屬清洗或丙酮清洗導(dǎo)軌粘貼面后,用膠粘劑粘合導(dǎo)軌軟帶,加壓初固化1~2h后再合攏到配對(duì)的固定導(dǎo)軌上施加一定的壓力,并在室溫固化24h,取下清除余膠,即可開(kāi)油槽和進(jìn)行精加工,由于這類(lèi)導(dǎo)軌用粘貼方法,習(xí)慣上稱(chēng)為“貼塑導(dǎo)軌”。
5.2.4 導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)
該機(jī)床的X方向和Z方向?qū)к壘捎镁匦螌?dǎo)軌,以為這種導(dǎo)軌制造維修方便,承載能力大,新導(dǎo)軌導(dǎo)向精度高,使用一段時(shí)間后可通過(guò)鑲條調(diào)節(jié),以滿足導(dǎo)向精度。Y方向采用V形導(dǎo)軌,這種導(dǎo)軌導(dǎo)向精度高,導(dǎo)軌磨損后靠自重下沉自動(dòng)補(bǔ)償。下導(dǎo)軌采用凹型的,可以便于存油,頂角采用90。
5.2.5 導(dǎo)軌設(shè)計(jì)
該磨床作用在運(yùn)動(dòng)件上的推力平行與運(yùn)動(dòng)件的軸線。為了運(yùn)動(dòng)件不被卡死,且保證運(yùn)動(dòng)靈活,矩形導(dǎo)軌需h/L<2,V形導(dǎo)軌需h/L<1. 其中h和L分別為推力F到軸線的距離和導(dǎo)軌的寬度。該次設(shè)計(jì)中,矩形導(dǎo)軌,h=75mm,L=470mm,
h/L=0.16<2 滿足要求。V 形導(dǎo)軌,h=115mm,L=440mm,
h/L=0.26<1,滿足要求。
5.2.6 導(dǎo)軌的材料
塑料導(dǎo)軌用在導(dǎo)軌副的動(dòng)導(dǎo)軌上,與其相配的導(dǎo)軌采用鑄鐵,組成鑄鐵-塑料導(dǎo)軌副.鑄鐵采用耐磨鑄鐵,牌號(hào)是HT3054,表面淬火硬度為HRC45~55,淬火層深度規(guī)定經(jīng)摩削后保留1.0~1.5mm.
第6章 主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
6.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求
數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)除應(yīng)滿足普通機(jī)床的主傳動(dòng)要求外,還提出如下要求:
1.具有更大的調(diào)速范圍,并實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。
數(shù)控機(jī)床就要為了保證加工時(shí)能選用合理的切削用量,充分發(fā)揮刀具的切削性能,從而獲得最高的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量,必須具有更高的轉(zhuǎn)速和更大的調(diào)速范圍。對(duì)于自動(dòng)換刀的數(shù)控機(jī)床,工序集中工件一次裝夾,可完成許多工序,所以,為了適應(yīng)各種工序和各種加工材質(zhì)的要求,主運(yùn)動(dòng)的調(diào)速范圍還應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大。
2.具有較高的精度和剛度,傳動(dòng)平穩(wěn),噪聲低。
數(shù)控機(jī)床加工精度的提高與主傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度密切相關(guān)。為此,應(yīng)提高傳動(dòng)件的精度與剛度,采用高精度軸承及合理的支撐跨距等,以提高主軸組件的剛性。
3.良好的抗震性和熱穩(wěn)定性。
數(shù)控機(jī)床一般即要進(jìn)行粗加工,又要精加工;加工時(shí)可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻、運(yùn)動(dòng)部件不平穩(wěn)以及切削過(guò)程中的自振動(dòng)等原因引起的沖擊力或交變力的干擾,使主軸產(chǎn)生振動(dòng),影響加工精度和表面粗糙度,嚴(yán)重時(shí)甚至破壞刀具或零件,使加工無(wú)法進(jìn)行。因此主傳動(dòng)系統(tǒng)中的各主要零部件不但要具有一定的剛度,而且要求具有足夠的抑制各種干擾力引起振動(dòng)的能力抗震性??拐鹦杂脛?dòng)剛度或動(dòng)柔度來(lái)衡量。例如主軸組件的動(dòng)剛度取決于主軸的當(dāng)量靜剛度,阻尼比及固有頻率等參數(shù)。
機(jī)床在切削加工中主傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)熱使其中所有零部件產(chǎn)生變形,破壞了零部件之間的相對(duì)位置精度和運(yùn)動(dòng)精度造成的加工誤差,且熱變形限制了切削用量的提高,降低傳動(dòng)效率,影響到生產(chǎn)率。為此,要求主軸部件有較高的熱穩(wěn)定性,通過(guò)保持合適的配合精度,并進(jìn)行循環(huán)潤(rùn)滑保持熱平衡等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。
6.2 主傳動(dòng)變速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
該平面磨床需要自動(dòng)變速,且在切削階梯軸的不同直徑,切削曲線旋轉(zhuǎn)面和端面時(shí),需隨切削直徑的變化而自動(dòng)變速,以維持切削速度基本恒定。這些自動(dòng)變速又是無(wú)級(jí)變速,以利于在一定的調(diào)速范圍內(nèi)選擇到理想的切削速度,這樣既有利于提高加工精度,又利于提高切削效率。無(wú)級(jí)調(diào)速有機(jī)械、液壓和電氣等多種形式,該次設(shè)計(jì)的數(shù)控磨床采用交流調(diào)速電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源的電氣無(wú)級(jí)調(diào)速。電機(jī)通過(guò)一級(jí)高速帶帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn),完成切削運(yùn)動(dòng)。
6.3 選擇主軸電機(jī)
1. 主軸轉(zhuǎn)速范圍
該數(shù)控磨床的磨頭選擇為圓頭錐磨頭和碟形磨頭。
當(dāng)選用碟形磨頭時(shí),
切削速度v=(25~30)m/s 刀具直徑D=(75~120)mm
主軸轉(zhuǎn)速:
n1===3980r/min
n2===8913r/min
當(dāng)選用圓頭錐磨頭時(shí),
切削速度v=(10~12.5)m/s 刀具直徑D=(16~35)mm
主軸轉(zhuǎn)速:n1===5457r/min
n1===14920r/min
所以主軸轉(zhuǎn)速范圍n=(3980~14920)r/min
2.傳動(dòng)比i
主軸與電動(dòng)機(jī)通過(guò)一級(jí)高速帶傳動(dòng),傳動(dòng)比i=0.5
3.電機(jī)轉(zhuǎn)速 no=in=(1990~7460)r/min
所以選電機(jī)的轉(zhuǎn)速no=2000r/min
4.切削功率pc
工作臺(tái)單行程的磨削深度進(jìn)給量
S===0.08mm/行程
v—工件的運(yùn)動(dòng)速度 v=5m/min
K=1.0 (尺寸精度為0.03mm,加工余量h=0.35mm)
K=1.0 (工件材料為淬火鋼,磨頭直徑D≤500mm)
==120mm
—工件磨削表面的實(shí)際總面積(36000mm)
L—工作臺(tái)的行程長(zhǎng)度(300mm)
根據(jù)上述數(shù)據(jù),查《金屬機(jī)械加工工藝人員手冊(cè)》可得:
切削功率pc=6.15kw
5. 主傳動(dòng)功率 ===7.2kw
—主傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率(0.75~0.85)
6.電機(jī)額定功率 P=/K=7.2/1.1=6.5kw
K—工況系數(shù) 取1.1 查表得額定功率P=7.0kw
7.結(jié)果:
交流
主軸
電機(jī)
型號(hào)
連續(xù)
負(fù)載
P/kw
間隙負(fù)載(60%)
/kw
短時(shí)
負(fù)載
(30min)/kw
額定轉(zhuǎn)速
r/min
最大轉(zhuǎn)速 r/min
額定轉(zhuǎn)矩M
N.m
慣性矩J
Kg/m
晶體管PWM變頻器型號(hào)
1HP6
103-
4CG4
7.0
8.6
8.8
2000
9000
33
0.017
6SC6503
-4AA02
1HP6系列交流主軸電機(jī)是四籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī),這類(lèi)電動(dòng)機(jī)與SIMODRIVE6500晶體管PWM變頻器配套開(kāi)發(fā),電動(dòng)機(jī)的損耗和噪音都明顯減低。主軸電機(jī)有安裝在非驅(qū)動(dòng)端的風(fēng)扇電獨(dú)冷卻,由于單獨(dú)冷卻的結(jié)果,電動(dòng)機(jī)即使在靜止時(shí)。也能提供全轉(zhuǎn)矩,標(biāo)準(zhǔn)型的電動(dòng)機(jī)的冷卻空氣是從驅(qū)動(dòng)端流向非驅(qū)動(dòng)端。由SIMODRIBVE6500晶體管PWM變頻器與1HP6交流主軸電機(jī)組成的交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),提供一個(gè)適合與不受限制的四象限操作,帶有反饋制動(dòng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
6.4 高速帶的設(shè)計(jì)計(jì)算
主軸電機(jī)與主軸之間采用高速帶直接聯(lián)接。
1.選擇帶型
由于要求傳動(dòng)可靠,運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),并有一定的壽命,所以都采用重量輕、厚度薄而均勻、曲撓性好的環(huán)形平帶作為高速帶。根據(jù)和n選擇A型帶(3槽)。
2.小帶輪直徑 +2=75+2×4=83mm
取標(biāo)準(zhǔn),=90mm
3.帶速
==71.8m/s
==19.2m/s
4.大帶輪直徑
==180mm
5.中心距
得 189≤a≤540
取a=255mm
6.帶長(zhǎng)
L==
=932mm
7.小帶輪包角 =
=> 合格
8.撓曲次數(shù)
==150<200合格
所以選高速帶的種類(lèi)為薄型綿綸片復(fù)合平帶。
9.帶厚 ~=(2.25~3)
取標(biāo)準(zhǔn),帶厚為3mm
10.帶寬b
傳遞功率P=7.0kw
工況系數(shù) 拉力計(jì)算系
包角修正系數(shù) 傳動(dòng)布置系數(shù)
傳動(dòng)比系數(shù) 帶的質(zhì)量
帶的許用拉應(yīng)力
帶的離心拉應(yīng)力=
所以=
取b=26mm
11.作用在軸上的力
帶的預(yù)緊力推薦值為=
帶的截面積A=b=40×2.5=90
=
第7章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
7.1 確定硬件電路的總體方案
數(shù)控系統(tǒng)基本組成:任何一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)都是有硬件和軟件兩部分組成。硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ),有了硬件軟件才能有效地運(yùn)行。硬件電路的可靠性直接影響數(shù)控系統(tǒng)的性能指標(biāo)。數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來(lái)有以下四部分組成:主控制器 即中央處理單元CPU;總線 包括數(shù)據(jù)總線(DB)、地址總線(AB)和控制總線(CB);存儲(chǔ)器 包括可編程存儲(chǔ)器和隨機(jī)可讀存儲(chǔ)器;接口 即I/O輸入/輸出接口電路。
其中CPU是系統(tǒng)的核心,其作用是發(fā)布命令以及協(xié)調(diào)各部分電路。存儲(chǔ)器用于存放系統(tǒng)軟件以及運(yùn)行過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)。I/O接口電路是系統(tǒng)與外界進(jìn)行信息交換的橋梁??偩€則是連接CPU、存儲(chǔ)器和I/O接口電路的紐帶,是各部分進(jìn)行通信的線路。
除此以外,還需要根據(jù)系統(tǒng)的要求配備一些外圍設(shè)備和信號(hào)變換器。上圖所示的數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖。信號(hào)交換電路包括A/D交換、D/A轉(zhuǎn)換等。
7.2 主控制器CPU的選擇
在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中,CPU的選擇應(yīng)考慮以下三要素:
時(shí)鐘頻率和字長(zhǎng)(控制數(shù)據(jù)處理速度);可擴(kuò)展存儲(chǔ)器(ROM/RAM)的容量;指令系統(tǒng)功能是否強(qiáng)(即變成的靈活性)。
I/O擴(kuò)展的能力:
開(kāi)發(fā)手段(包括支持開(kāi)發(fā)的軟件和硬件電路)。
除此以外,還應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合,選擇對(duì)象以及對(duì)各種參數(shù)要求選擇CPU。在一般數(shù)控系統(tǒng)中,最常用MCS-51系統(tǒng)單片機(jī)作為主控制器。本次設(shè)計(jì)將選用8031單片機(jī)。
從上述特性可知,一塊8031的功能幾乎相當(dāng)于一塊Z80CPU、一塊RAM、一塊Z80CTC、兩塊Z80PIO和一塊Z80SIO所組成的微型機(jī)算計(jì)系統(tǒng)。
7.3 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)
1、程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展
單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中擴(kuò)展用的程序存儲(chǔ)器芯片采用EPROM芯片。其型號(hào)分別為2716、2732、2764、2756等,其容量分別為2K、4K、16K、32K。在選擇芯片時(shí),要考慮CPU與EPROM時(shí)序的匹配。即8031所能讀取的時(shí)間必須大于EPROM所要求的時(shí)間。此外,還需考慮最大讀出速度,工作溫度及存儲(chǔ)器的容量。在滿足要求時(shí),盡量選擇大容量芯片,以減少芯片數(shù)量,使系統(tǒng)簡(jiǎn)化。本控制電路中選用2732存儲(chǔ)芯片,74LS373地址鎖存器。
2、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
由于8031內(nèi)部RAM只有128字節(jié),遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的要求,需擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。本控制電路選用6264靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
3、譯碼電路
在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中,所有外圍芯片都通過(guò)總線與單片機(jī)相聯(lián)。單片機(jī)數(shù)據(jù)總線分時(shí)地與各個(gè)外圍芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送,故需進(jìn)行片選控制,選用74LS138譯碼器。
7.4 I/O口擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)
8031單片機(jī)共有四個(gè)8位并行I/O口,但可供用戶使用的只是一部分。因此,不可避免的要進(jìn)行I/O口的擴(kuò)展。
本電路擴(kuò)展了兩個(gè)可變成并行接口芯片8255A。8255A是一個(gè)適用于諸多微機(jī)系列的可編程通用8位輸入/輸出接口芯片??赏ㄟ^(guò)編程來(lái)改變它的工作方式。通用性強(qiáng)、靈活多變、便于和各種外設(shè)連接。
鍵盤(pán)、顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機(jī)交互的外部設(shè)備,可以完成數(shù)據(jù)的輸入和計(jì)算機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示。數(shù)據(jù)系統(tǒng)采用行列式鍵盤(pán),即I/O口的線組成行列結(jié)構(gòu)。按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上。顯示器為L(zhǎng)ED。鍵盤(pán)和顯示器共用8255A的PA口進(jìn)行控制。在進(jìn)行鍵盤(pán)巡回掃描時(shí),必須先關(guān)顯示。當(dāng)然有關(guān)鍵盤(pán)和顯示器的工作必須經(jīng)過(guò)軟件協(xié)調(diào)才能達(dá)到預(yù)期的效果。
7.5 交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
單片機(jī)發(fā)出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)8255A轉(zhuǎn)向定時(shí)器8253,用來(lái)改變其輸出的脈沖寬度。8253發(fā)出的信號(hào)由電平轉(zhuǎn)換電路變換成雙級(jí)性脈寬調(diào)制信號(hào),再由有源濾波電路平滑成連續(xù)的電壓信號(hào),這個(gè)環(huán)節(jié)的作用類(lèi)似于D/A轉(zhuǎn)換,然后將此電壓信號(hào)送到速度調(diào)節(jié)器,而后再由電流調(diào)節(jié)器送出電流指令值到內(nèi)含PWM調(diào)制電路的PWM功率接口。其中電流反饋和速度反饋均采用模擬電路。
7.6 主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
主軸電機(jī)采用交流電機(jī),并采用單片機(jī)控制變頻器的閉環(huán)交流調(diào)速系統(tǒng)。
單片機(jī)完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的兩級(jí)監(jiān)控管理,協(xié)調(diào)各模塊之間的工作,并進(jìn)行復(fù)雜的控制決策??刂屏拷?jīng)D/A轉(zhuǎn)換后輸出至變頻器,變頻器根據(jù)接收到的信號(hào)產(chǎn)生變壓變頻的電源信號(hào),以驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量控制模塊可方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟動(dòng)、停止及加減速等功能。A/D模塊接收整流濾波處理后的速度反饋信號(hào)。構(gòu)成調(diào)節(jié)閉環(huán),使系統(tǒng)穩(wěn)定工作。因此,實(shí)現(xiàn)了一套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能齊全和運(yùn)行可靠的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。
7.7 越界報(bào)警
為了防止工作臺(tái)越界,可分別在極限位置安裝限位開(kāi)關(guān)。一旦某一方向越界,應(yīng)立即停止工作臺(tái)移動(dòng)。為了報(bào)警,可以設(shè)置發(fā)光二級(jí)管。工作時(shí)綠燈亮;有越界信號(hào)時(shí),紅燈亮,指示工作臺(tái)越過(guò)極限位置。
結(jié) 論
畢業(yè)設(shè)計(jì)是大學(xué)四年所學(xué)知識(shí)的一個(gè)考察,它兼顧了四年中所學(xué)的基礎(chǔ)和專(zhuān)業(yè)知識(shí),因此不同于以前的課程設(shè)計(jì),畢業(yè)設(shè)計(jì)是課程設(shè)計(jì)一個(gè)質(zhì)的飛越.認(rèn)識(shí)到這點(diǎn),我對(duì)待畢業(yè)設(shè)計(jì)的態(tài)度也不敢懶散,一直抱以認(rèn)真謹(jǐn)慎的學(xué)習(xí)態(tài)度.
在接到畢業(yè)設(shè)計(jì)課題后首先要做的就是搜集各方面的資料,以前的課程設(shè)計(jì)都是老師給出的,不用自己去煩惱。但是畢業(yè)設(shè)計(jì)就不同了,它是一個(gè)綜合設(shè)計(jì),很多資料、數(shù)據(jù)都需要自己通過(guò)各種途徑搜集得到。
在本次設(shè)計(jì)中,要用到許多基礎(chǔ)理論,由于有些知識(shí)已經(jīng)遺忘,這使我們要重新溫習(xí)知識(shí),因此設(shè)計(jì)之前就對(duì)大學(xué)里面所涉及到的有關(guān)該課題的課程認(rèn)真的復(fù)習(xí)了一遍,開(kāi)始對(duì)本課題的設(shè)計(jì)任務(wù)有了大致的了解,并也有了設(shè)計(jì)的感覺(jué)。同時(shí),由于設(shè)計(jì)的需要,要查閱并收集大量關(guān)于機(jī)械制造方面的文獻(xiàn),進(jìn)而對(duì)這些文獻(xiàn)進(jìn)行分析和總結(jié),這些都提高了我們對(duì)于專(zhuān)業(yè)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力和分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力。通過(guò)本次設(shè)計(jì)還使我更深切地感受到了團(tuán)隊(duì)的力量,在與同學(xué)們的討論中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并及時(shí)解決問(wèn)題,這些使我們相互之間的溝通協(xié)調(diào)能力得到了提高,團(tuán)隊(duì)合作精神也得到了增強(qiáng)??梢哉f(shuō),畢業(yè)設(shè)計(jì)體現(xiàn)了我們大學(xué)四年所學(xué)的大部分知識(shí),也檢驗(yàn)了我們的綜合素質(zhì)和實(shí)際能力。同時(shí)也跨出了我的工程師之路的第一步。
參考文獻(xiàn)
[1] 蘭雄侯,王繼先,高航磨削溫度理論研究的現(xiàn)狀與進(jìn)展[A],沈陽(yáng):東北大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院.
[2] 徐鴻鈞,磨削溫度的測(cè)量技術(shù)磨料磨具與磨削,1986.
[3] 王霖、秦勇等,磨削溫度場(chǎng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì),濟(jì)南:山東大學(xué),2001.
[4] 徐鴻鈞,高航,磨削溫度的測(cè)量技術(shù),徐鴻鈞,高航,沈陽(yáng):東北大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院.
[5] 田志勛,徐明信,崔云惠,隋金福.熱電現(xiàn)象與熱電偶理論,金屬熱處理,1994年第6期.
[6] 錢(qián)立宗,熱電偶及應(yīng)用[J],安慶師院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1995年8月.
[7] 袁希光,傳感器技術(shù)手冊(cè).國(guó)防工業(yè)出版社,1986年12月.
[8] 王西彬,任敬心,磨削溫度及熱電偶測(cè)量的動(dòng)態(tài)分析[J],中國(guó)機(jī)械工程,1997年第8卷第6期.
[9] 崔亦飛,曹云乾,簡(jiǎn)易熱電偶制作原理與標(biāo)定[J],儀器儀表學(xué)報(bào),1994年5月第15卷第2期.
[10 ] 黃澤銑等,熱電偶原理及其檢定.
[11 ] 陳守仁主編,工程檢測(cè)技術(shù)(下冊(cè)),北京:中央電視大學(xué)出版社,1984.
[12 ] 任敬心,華定安,磨削原理,西安:西北工業(yè)大學(xué),2000.
[13] 王西彬,師漢民,任敬心,結(jié)構(gòu)陶瓷的磨削溫度,西安:西北工業(yè)大學(xué),2002.
[14] 余英良.磨床專(zhuān)用改造設(shè)計(jì)與實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998:31~49.
[15] 張碧泉.普通磨床的數(shù)字化改造[J].機(jī)械工程師,1999(11),26~30.
[16] 劉書(shū)華.專(zhuān)用磨床與編程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005:324~40.
[17] 李善術(shù).專(zhuān)用磨床及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005,1~5,173~188.
[18] Papadopoulos,E.Planning and model-based control for mobile manipulators. Intelligent.Robots and Systems.Takamatsu,2000,1810~1815.
[19]肖愛(ài)萍.基于普通磨床的專(zhuān)用化改造的設(shè)計(jì)[J].蘭州工業(yè)高等專(zhuān)科學(xué)校,2002(2).
[20]李盛宇.普通磨床的專(zhuān)用化改造[J].電氣技術(shù)與專(zhuān)用化,2005(6):121~123.
致 謝
為期三個(gè)多月的畢業(yè)設(shè)計(jì)就要結(jié)束了,我也順利的完成了我的課題設(shè)計(jì),在此之際我要衷心的感謝在設(shè)計(jì)過(guò)程中一直幫助我支持我的老師。
我要感謝指導(dǎo)老師老師在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)我的影響很大,設(shè)計(jì)過(guò)程中的很多個(gè)難點(diǎn)都是在老師的悉心指導(dǎo)下才克服的,還有老師親切和善也是我在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中感受最深的。也因?yàn)?/div>
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