V400立式加工中心立柱部分設(shè)計(jì)

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黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 1 頁(yè)引 言1.1 數(shù)控加工中心概述數(shù)字控制是 20 世紀(jì)中期發(fā)展起來(lái)的一種自動(dòng)控制技術(shù)，是用數(shù)字化信號(hào)進(jìn)行控制的一種方法 [16]。采用數(shù)控技術(shù)進(jìn)行控制的機(jī)床，稱為數(shù)控機(jī)床 [8]。加工中心（Machining Center,簡(jiǎn)稱 MC）是一種備有刀庫(kù)并能自動(dòng)更換刀具對(duì)工件進(jìn)行多工序加工的數(shù)控機(jī)床。它是適應(yīng)省力、省時(shí)和節(jié)能的時(shí)代要求而發(fā)展起來(lái)的，它綜合了機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)、拖動(dòng)技術(shù)、現(xiàn)在控制理論、測(cè)量及傳感技術(shù)以及通訊診斷、刀具和應(yīng)用編程技術(shù)的高技術(shù)產(chǎn)品，將數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、數(shù)控鉆床的功能聚集在一臺(tái)加工設(shè)備上，且增設(shè)有自動(dòng)換刀裝置和刀庫(kù)，可以在一次安裝工件后，數(shù)控系統(tǒng)控制機(jī)床按不同工序自動(dòng)選擇和更換刀具，自動(dòng)改變機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和刀具相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)軌跡及其他輔助功能；依次完成多面和多工序的端平面、孔系、內(nèi)外倒角、環(huán)形槽及攻螺紋等加工 [4]。隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，以及各種性能良好的傳感器的出現(xiàn)和運(yùn)用，加工中心的功能日趨完善，這些功能包括：刀具壽命的監(jiān)視功能，刀具磨損和損傷的監(jiān)視功能，切削狀態(tài)的監(jiān)視功能，切削異常的監(jiān)視、報(bào)警和自動(dòng)停機(jī)功能，自動(dòng)檢測(cè)和自我診斷功能及自適應(yīng)控制功能等 [1]。加工中心還與載有隨行夾具的自動(dòng)托板進(jìn)行有機(jī)連接，并能進(jìn)行切屑自動(dòng)處理，使得加工中心成為柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)合自動(dòng)化工廠的關(guān)鍵設(shè)備和基本單元。1.2 數(shù)控加工中心的分類1.2.1 加工中心的組成加工中心有各種類型，雖然外形結(jié)構(gòu)各異，但總體上是由以下幾大部分組成。 （1） 基礎(chǔ)部件：由床身、立柱和工作臺(tái)等大件組成，它們是加工中心結(jié)構(gòu)中的基礎(chǔ)部件。這些大件有鑄鐵件，也有焊接的鋼結(jié)構(gòu)件，它們要承受加工中心的靜載荷以及在加工時(shí)的切削負(fù)載，因此必須具備更高的靜動(dòng)剛度，也是加工中心中質(zhì)量和體積最大的部件。（2） 主軸部件:由主軸箱、主軸電動(dòng)機(jī)、主軸和主軸軸承等零件組成。主軸是加黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 2 頁(yè)工中心的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)的好壞對(duì)加工中心的性能有很大的影響，它決定著加工中心的切削性能、動(dòng)態(tài)剛到、加工精度等。（3） 數(shù)控系統(tǒng)：由 CNC 裝置、可編程控制器、伺服驅(qū)動(dòng)裝置及電機(jī)等部分組成。（4） 自動(dòng)換刀裝置（ATC）:由刀庫(kù)、機(jī)械手、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等部件組成。該系統(tǒng)是加工中心區(qū)別于其他數(shù)控機(jī)床的典型裝置，它解決工件一次裝夾后多工序連續(xù)加工中，工序與工序間的刀具自動(dòng)儲(chǔ)存、選擇、搬運(yùn)和交換任務(wù)。（5） 自動(dòng)托盤交換系統(tǒng)。（6）輔助裝置：包括潤(rùn)滑、冷卻、排屑、防護(hù)、液壓、氣動(dòng)、檢測(cè)系統(tǒng)等部分。1.2.2 按照機(jī)床形態(tài)分類（1）臥式加工中心 指主軸軸線為水平狀態(tài)設(shè)置的加工中心。臥式加工中心一般具有 3-5 個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)。常見的有三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)(沿 X、Y 、Z 軸方向)加一個(gè)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)(工作臺(tái) )，它能夠使工件一次裝夾完成除安裝面和頂面以外的其余四個(gè)面的加工。臥式加工中心較立式加工中心應(yīng)用范圍廣，適宜復(fù)雜的箱體類零件、泵體、閥體等零件的加工。但臥式加工中心占地面積大，重量大；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較高 [1]。 （2）立式加工中心 指主軸軸心線為垂直狀態(tài)設(shè)置的加工中心。立式加工中心一般具有三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，工作臺(tái)具有分度和旋轉(zhuǎn)功能，可在工作臺(tái)上安裝—個(gè)水平軸的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)用以加工螺旋線零件。立式加工中心多用于加工筒單箱體、箱蓋、板類零件和平面凸輪的加工。立式加工中心具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積小、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)。 （3）龍門加工中心 與龍門銑床類似，適應(yīng)于大型或形狀復(fù)雜的工件加工。（4）萬(wàn)能加工中心 萬(wàn)能加工中心也稱五面加工中心小工件裝夾能完成除安裝面外的所有面的加工；具有立式和臥式加工中心的功能。常見的萬(wàn)能加工中心有兩種形式：一種是主軸可以旋轉(zhuǎn) 900 既可象立式加工中心一樣，也可象臥式加工中心一樣；另一種是主軸不改變方向，而工作臺(tái)帶著工件旋轉(zhuǎn) 900 完成對(duì)工件五個(gè)面的加工。在萬(wàn)能加工中心安裝工件避免了由于二次裝夾帶來(lái)的安裝誤差，所以效率和精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)也高 [1，2] 。1.2.3 按換刀形式分類（1）帶刀庫(kù)機(jī)械手的加工中心 加工中心換刀裝置由刀庫(kù)、機(jī)械手級(jí)組成，換刀黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 3 頁(yè)動(dòng)作由機(jī)械手完成。（2）機(jī)械手的加工中心 這種加工中心的換刀通過(guò)刀庫(kù)和主軸箱配合動(dòng)作來(lái)完成換刀過(guò)程。（3）轉(zhuǎn)塔刀庫(kù)式加工中心 一般應(yīng)用于小型加工中心，主要以加工孔為主。加工中心常按主軸在空間所處的狀態(tài)分為立式加工中心和臥式加工中心，加工中心的主軸在空間處于垂直狀態(tài)的稱為立式加工中心，主軸在空間處于水平狀態(tài)的稱為臥式加工中心。主軸可作垂直和水平轉(zhuǎn)換的，稱為立臥式加工中心或五面加工中心，也稱復(fù)合加工中心。按加工中心立柱的數(shù)量分；有單柱式和雙柱式（龍門式） [7]。1.2.4 按數(shù)控系統(tǒng)功能分類加工中心根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)控制功能的不同分：有三軸二聯(lián)動(dòng)、三軸三聯(lián)動(dòng)、四軸三聯(lián)動(dòng)、五軸四聯(lián)動(dòng)、六軸五聯(lián)動(dòng)等。三軸、四軸是指加工中心具有的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)數(shù)，聯(lián)動(dòng)是指控制系統(tǒng)可以同時(shí)控制運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)刀具相對(duì)工件的位置和速度控制 [11]。 1.2.5 按工作臺(tái)的數(shù)量和功能分類有單工作臺(tái)加工中心、雙工作臺(tái)加工中心，和多工作臺(tái)加工中心。1.2.6 按加工精度分類（1）普通加工中心 普通加工中心，分辨率為 1μm，最大進(jìn)給速度15～25m/min，定位精度 l0 μm 左右。（2）高精度加工中心 高精度加工中心，分辨率為 0.1μm，最大進(jìn)給速度為15～100m/min，定位精度為 2μm 左右。介于 2～l0 μm 之間的，以±5 μm 較多，可稱精密級(jí) [3]。1.3 加工中心的主要加工對(duì)象加工中心適宜于加工復(fù)雜、工序多、要求較高、需用多種類型的普通機(jī)床和眾多刀具夾具，且經(jīng)多次裝夾和調(diào)整才能完成加工的零件。其加工的主要對(duì)象有箱體類零件、復(fù)雜曲面、異形件、盤套板類零件和特殊加工等五類 [4-6]。1.3.1 箱體類零件箱體類零件一般是指具有一個(gè)以上孔系，內(nèi)部有型腔，在長(zhǎng)、寬、高方向有一定黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 4 頁(yè)比例的零件。這類零件在機(jī)床、汽車、飛機(jī)制造等行業(yè)用的較多。箱體類零件一般都需要進(jìn)行多工位孔系及平面加工，公差要求較高，特別是形位公差要求較為嚴(yán)格，通常要經(jīng)過(guò)銑、鉆、擴(kuò)、鏜、鉸、锪，攻絲等工序，需要刀具較多，在普通機(jī)床上加工難度大，工裝套數(shù)多，費(fèi)用高，加工周期長(zhǎng)，需多次裝夾、找正，手工測(cè)量次數(shù)多，加工時(shí)必須頻繁地更換刀具，工藝難以制定，更重要的是精度難以保證。加工箱體類零件的加工中心，當(dāng)加工工位較多，需工作臺(tái)多次旋轉(zhuǎn)角度才能完成的零件，一般選臥式鏜銑類加工中心。當(dāng)加工的工位較少，且跨距不大時(shí)，可選立式加工中心，從一端進(jìn)行加工。1.3.2 復(fù)雜曲面復(fù)雜曲面在機(jī)械制造業(yè)，特別是航天航空工業(yè)中占有特殊重要的地位。復(fù)雜曲面采用普通機(jī)加工方法是難以甚至無(wú)法完成的。在我國(guó)，傳統(tǒng)的方法是采用精密鑄造，可想而知其精度是低的。復(fù)雜曲面類零件如：各種葉輪，導(dǎo)風(fēng)輪，球面，各種曲面成形模具，螺旋槳以及水下航行器的推進(jìn)器，以及一些其它形狀的自由曲面。這類零件均可用加工中心進(jìn)行加工。銑刀作包絡(luò)面來(lái)逼近球面。復(fù)雜曲面用加工中心加工時(shí)，編程工作量較大，大多數(shù)要有自動(dòng)編程技術(shù)。1.3.3 異形件異形件是外形不規(guī)則的零件，大都需要點(diǎn)、線、面多工位混合加工。異形件的剛性一般較差，夾壓變形難以控制，加工精度也難以保證，甚至某些零件的有的加工部位用普通機(jī)床難以完成。用加工中心加工時(shí)應(yīng)采用合理的工藝措施，一次或二次裝夾，利用加工中心多工位點(diǎn)、線、面混合加工的特點(diǎn)，完成多道工序或全部的工序內(nèi)容。1.3.4 盤、套、板類零件帶有鍵槽，或徑向孔，或端面有分布的孔系，曲面的盤套或軸類零件，如帶法蘭的軸套，帶鍵槽或方頭的軸類零件等，還有具有較多孔加工的板類零件，如各種電機(jī)蓋等。端面有分布孔系、曲面的盤類零件宜選擇立式加工中心，有徑向孔的可選臥式加工中心。1.3.5 特殊加工在熟練掌握了加工中心的功能之后，配合一定的工裝和專用工具，利用加工中心可完成一些特殊的工藝工作，如在金屬表面上刻字、刻線、刻圖案；在加工中心的主軸上裝上高頻電火花電源，可對(duì)金屬表面進(jìn)行線掃描表面淬火；用加工中心裝上高速黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 5 頁(yè)磨頭，可實(shí)現(xiàn)小模數(shù)漸開線圓錐齒輪磨削及各種曲線、曲面的磨削等 [7，8] 。1.4 加工中心的特點(diǎn)加工中心是典型的集高新技術(shù)于一體的機(jī)械加工設(shè)備，已成為現(xiàn)代機(jī)床發(fā)展的主流方向。與普通數(shù)控機(jī)床相比，加工中心具有以下幾個(gè)突出的特點(diǎn)。（1）工序集中：加工中心備用刀庫(kù)，能自動(dòng)換刀，使工件在一次裝夾后實(shí)現(xiàn)多表面、多特征、多工位的連續(xù)、高效、高精度加工。這是加工中心最突出的特點(diǎn)。（2）對(duì)加工對(duì)象的適應(yīng)性強(qiáng)：加工中心的柔性高，對(duì)特殊要求反應(yīng)迅速，而且可以快速實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。（3）加工精度高：由于加工工序集中，避免了長(zhǎng)工藝流程，減少了人為干擾，故精度高，質(zhì)量穩(wěn)定。（4）生產(chǎn)生產(chǎn)率高：加工中心帶有刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置，實(shí)現(xiàn)了工序集中，可減少工件裝夾、測(cè)量和機(jī)床的調(diào)整時(shí)間，減少工件半成品的周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)和存放時(shí)間，使機(jī)床的切削利用率高于普通機(jī)床 3～4 倍。（5）操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度低，工作條件好：勞動(dòng)者不需要進(jìn)行繁重的重復(fù)性手工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度和緊張程度均大為減輕，勞動(dòng)條件也得到很大的改善。（6）經(jīng)濟(jì)效益高。（7）有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。2 V400 型加工中心設(shè)計(jì)方案的擬定2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)本畢業(yè)設(shè)計(jì)課題任務(wù)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）：2.1.1 總要求本課題要求設(shè)計(jì) V400 臥式加工中心的立柱部分，包含立柱、導(dǎo)軌副、絲杠副等。2.1.2 給定的條件和要求V400 立式加工中心具有三軸聯(lián)動(dòng)功能，工作臺(tái)可交換。機(jī)床主要參數(shù)：X 軸、Y 軸的行程均為 400mm，Z 軸行程 320mm；定位精度0.01mm，重現(xiàn)精度 0.01mm；工作臺(tái)最大載重量 400Kg；主軸電動(dòng)機(jī)功率 5KW，主軸轉(zhuǎn)速黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 6 頁(yè)3000 轉(zhuǎn)/Min；進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)功率 1KW，進(jìn)給速度 10~10000mm/Min；刀庫(kù)容量 10 把刀，單把刀具總重小于 6KG.，刀具直徑小于 120mm，長(zhǎng)度小于 240mm；工作臺(tái)尺寸400mm×320mm；2.1.3 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)（1）總體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制立柱部分總裝配圖。（2）絲杠機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成絲杠傳動(dòng)設(shè)計(jì)、計(jì)算，繪制部分裝配圖。（3）立柱零件設(shè)計(jì)，完成立柱零件圖。（4）其他主要零件設(shè)計(jì)，繪制主要零件的工作圖。機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖要求視圖完整、符合最新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，圖面整潔、質(zhì)量高。2.2 設(shè)計(jì)方案的擬定本設(shè)計(jì)題目是設(shè)計(jì)加工中心的支承系統(tǒng)。加工中心的支承系統(tǒng)主要包括床身、立柱、橫梁、底座等基礎(chǔ)件，它們的作用是支承零部件，承受作用力并保證它們的相互位置。雖然支承件的形態(tài)、幾何尺寸和材料是多種多樣的，但它們都應(yīng)滿足下列要求：（1）剛度要求 支承件剛度是指支承件在恒定載荷和交變載荷作用下抵抗變形是能力。前者為靜剛度，后者為動(dòng)剛度。靜剛度取決于支承件本身的結(jié)構(gòu)剛度和接觸剛度。動(dòng)剛度不僅與靜剛度有關(guān)，而且與支承件系統(tǒng)的阻尼和固有頻率有關(guān)。影響支承件剛度的主要因素是支承件的材料和支承件的結(jié)構(gòu)。采用高剛度的材料，提高材料的彈性模量可以提高支承件的剛度；提高表面接觸面積、加大預(yù)緊力、提高表面質(zhì)量可以有效地提高接觸強(qiáng)度；基礎(chǔ)大件采用封閉箱形機(jī)構(gòu)、采用合理的截面形狀、配置加強(qiáng)肋板和加強(qiáng)肋是提高支承件剛度的有效措施。（2）抗振性要求 支承件的抗振性是指其抵抗受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)的能力。振動(dòng)不僅會(huì)使機(jī)床產(chǎn)生噪音，同時(shí)也會(huì)影響加工質(zhì)量，因此支承件應(yīng)用足夠的抗振性，具有合乎要求是動(dòng)態(tài)特性。影響支承件的抗振性的主要因素是：支承件的剛度，支承件的固有頻率，支承件的阻尼，支承件的支撐情況和支承件的材料等。實(shí)際中常常通過(guò)選擇高阻尼的材料、采用高阻尼部件、增加消振墊改善支承件的支承情況等措施來(lái)增加支承件的抗振性。調(diào)整構(gòu)件的質(zhì)量可能改變系統(tǒng)的自振頻率。（3）熱變形和內(nèi)應(yīng)力要求 影響支承件熱變形的主要因素是：支承件的結(jié)構(gòu)，運(yùn)黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 7 頁(yè)動(dòng)部件的發(fā)熱及外部熱源。通過(guò)采用熱對(duì)稱結(jié)構(gòu)使構(gòu)件的熱變形發(fā)生在非誤差敏感方向上、隔離熱源、強(qiáng)制冷卻、快速排屑等措施減少熱變形。例如：臥式加工中心的立柱采用框式雙立柱結(jié)構(gòu)，左右對(duì)稱，熱變形對(duì)主軸軸線產(chǎn)生垂直方向的平移，它可以由坐標(biāo)修正量進(jìn)行補(bǔ)償，減少發(fā)熱，盡可能將熱量從主機(jī)中分離出去。（4）其他 支承件還應(yīng)該排屑通暢，操作方便，調(diào)運(yùn)安全，切削液及潤(rùn)滑油的回收方便，加工及裝配工藝性好等。所要設(shè)計(jì)的 V400 立式加工中心的基本參數(shù)已經(jīng)在任務(wù)書中給了，它的設(shè)計(jì)要求是：具有三軸聯(lián)動(dòng)功能及第四軸定角度分度功能，工作臺(tái)可交換。設(shè)計(jì)的基本原則是：結(jié)構(gòu)及控制原理要先進(jìn)且符合實(shí)際，機(jī)床功能完善、擴(kuò)展能力強(qiáng)；整體布局結(jié)構(gòu)合理緊湊，符合高精度機(jī)床結(jié)構(gòu)的發(fā)展。3 V400 型加工中心立柱的設(shè)計(jì)過(guò)程3.1 立柱的設(shè)計(jì)加工中心立柱主要是對(duì)主軸箱起到支承作用，滿足主軸的 Z 向運(yùn)動(dòng)。因此，立柱應(yīng)具有較好的剛性和熱穩(wěn)定性。這里設(shè)計(jì)的 V400 臥式加工中心立柱，采用框架封閉結(jié)構(gòu)，內(nèi)部采用斜向肋板提高立柱的抗彎、抗扭能力，而且單位重量的剛度比其他結(jié)構(gòu)的剛度要高。主軸箱裝在立柱中間，沿立柱導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)符合剛度大、熱對(duì)稱性好和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。整個(gè)結(jié)構(gòu)也是采用 Q235-A 鋼焊接實(shí)現(xiàn)。如圖 4 所示：這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：（1）由于力的作用點(diǎn)在立柱的中央，因此立柱受扭矩力的因素少;（2）熱對(duì)稱性好，主軸箱式機(jī)床的主要熱源，而它正好處于框形中間，使立柱結(jié)構(gòu)成為熱對(duì)稱結(jié)構(gòu)，這就減小了熱變形的影響；（3）穩(wěn)定性好，由于立柱結(jié)構(gòu)采用框架結(jié)構(gòu)箱式布置，立柱的抗彎、抗扭剛度以及構(gòu)件的固有頻率都能得到提高。黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 8 頁(yè)圖 4 V400 加工中心框架式立柱結(jié)構(gòu)3.2 絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算及選用已知：工作臺(tái)最大載重量 400Kg，及 W=4000N；工作臺(tái)最大行程 =400mm;工作臺(tái)KL導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)：動(dòng)摩擦系數(shù) =0.1，靜摩擦系數(shù) =0.2；快速進(jìn)給速度?0?=10000mm/min；定位精度 0.01mm；重復(fù)定位精度 0.01mm；設(shè)計(jì)壽命 20000 小時(shí)。maxV其它狀況見表-1：表—1 基本參數(shù)切削方式縱向切削力（N）xPi縱向切削力（Nzi進(jìn)給速度（m/minVi）工作時(shí)間百分比絲杠軸向載荷（N）絲杠轉(zhuǎn)速（r/min）黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 9 頁(yè)）強(qiáng)力切削 2000 1200 0.6 10 2920 60一般切削 1000 500 0.8 50 1850 80精切削 500 200 1 30 1320 100快速進(jìn)給 0 0 10 10 800 18003.2.1 確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程（3-1）maxVPhin?A：滾珠絲杠副的導(dǎo)程，mmPh：工作臺(tái)最高移動(dòng)速度 m/minmaxV:電機(jī)最高轉(zhuǎn)速 r/minn：傳動(dòng)比i因電機(jī)與絲杠直聯(lián)， =1i由表-1 查得 =10000mm/minmaxV=1800r/minn代入公式（3-1）得 =5.6mm，圓整為 6mm。Ph3.2.2 確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速與當(dāng)量載荷（1）各種切削方式下，絲杠轉(zhuǎn)速（3-2） 310VinPh??：絲杠轉(zhuǎn)速 r/min i=1，2，3，…ni：進(jìn)給速度 m/min i=1，2，3，…V由表-1 查得=0.6， =0.8， =1， =101V4代入（3-2）得 =100， =133， =167， =16701n23n4（2）各種切削方式下，絲杠軸向載荷黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 10 頁(yè)（3-3）()WFPixzi???A：絲杠軸向載荷 N i=1，2，3，…i：縱向切削力 N i=1，2，3，…x：垂向切削力 N i=1，2，3，…Pzi由表-1 查得=2000N， =1000N， =500N， =0N1xxPx4x=1200N， =500N， =200N， =0NPz2z3zz已知：W=4000N代入式（3-3）得=2520N， =1450N， =920N， =400N1F23F4（3）當(dāng)量轉(zhuǎn)速+…+ （3-4）1010tttnnm??0tn：當(dāng)量轉(zhuǎn)速 r/min， ， ，… ：工作時(shí)間百分比1t23ttn由表-1 查得 =10， =50， =30， =103t4t代入式(3-4)得 =295r/minm（4）當(dāng)量載荷（3-5）3331201010ntntntFFm????：當(dāng)量載荷 Nm分別代入數(shù)值得 =922N3.2.3 預(yù)期額定動(dòng)載荷（1）按預(yù)期工作時(shí)間估算黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 11 頁(yè)（3-6）3601fFmWCnLhaac?：預(yù)期額定動(dòng)載荷 Nam：負(fù)荷性質(zhì)系數(shù)，查得：輕微沖擊取 =1.3fWf：精度系數(shù)，查表，1-3 取 =1fa:可靠性系數(shù)，查表，可靠性 97%取 =0.44fc fc已知： =20000 小時(shí)Lh分別代入式（3-6）得 =19270NCam（2）擬采用預(yù)緊滾珠絲杠副，按最大負(fù)載 計(jì)算maxF= （3-7）CafeaxF查表知，中預(yù)載取 =4.5f分別代入式（3-7）得 =11340NCm取以上兩種結(jié)果的最大值=19270NCam3.2.4 確定允許的最小螺紋底徑（1）估算絲杠允許的最大軸向變形量① ≤（1/3～1/4）重復(fù)定位精度?② ≤（1/4～1/5）定位精度m：最大軸向變形量 m?已知：重復(fù)定位精度 10 m，定位精度 10 m?① =3?② =3所以取 =3 m?黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 12 頁(yè)（2）估算最小螺紋底徑取一端固定一端浮動(dòng)的支承形式（3-8）100.78LLFdmEm??????：最小螺紋底徑2：楊氏彈性模量 2.1× N/E5102：估算的滾珠絲杠最大允許軸向變量（ m）m? ?：導(dǎo)軌靜摩擦力（N） 。 = W=0.2×4000=800N（ 為靜摩擦系數(shù)）0FF0L:滾珠螺母至滾珠絲杠固定端支承的最大距離（mm） ，L≈（1.05～1.1）行程+（10～14） =（1.05～1.1）400+（10～14）6=500mmPh分別代入式（3-8）得 =28.5mm2dm3.2.5 確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號(hào)由計(jì)算出的螺距 、預(yù)期額定動(dòng)載荷 和允許最小螺紋底徑 ，在樣本中PhCam2dm選取 THK 公司的 BIF 3206-10 的滾珠絲杠，=6, h=1950﹥ 1927,Cam=32﹥ 28.52d3.2.6 確定滾珠絲杠副預(yù)緊力（3-9）1ax3FP?其中 =2520N， =840Nmax3.2.7 絲杠螺紋長(zhǎng)度 sL=Ls2ue?：余程，查表 40mm=行程+螺母長(zhǎng)度=400+99=499mm黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 13 頁(yè)= =499+2×40=579mm，取 =580mmLs2ue?Ls3.3 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)計(jì)算及選用已知：所設(shè)計(jì)的加工中心計(jì)劃標(biāo)準(zhǔn)使用 d=100mm 的圓柱形硬質(zhì)合金銑刀，齒數(shù)z=8，主軸正常銑削轉(zhuǎn)速為 150r/min，正常切削深度 =5mm，切削寬度 =60mm，進(jìn)aeap給量 f=0.4mm/r，銑削條件是逆銑，每分鐘往返次數(shù) n1=4opm，行程長(zhǎng)度 ls=400mm，及0.4m。3.3.1 計(jì)算正常切削各個(gè)方向的力由參考文獻(xiàn)[13]中的表 1.6-10 和表 1.6-11 查到以下公式和參數(shù)：正常切削時(shí)的圓周力 （3-10）0yxuFZfCapecqwdn?根據(jù)刀具類型和材料可在表 1.6-10 查得：=967， =1.0， =0.75， =0.88， =0.87， =0，CFxyFuqFw已知參數(shù)： =60， =5， = = =-0.05apefZ0.48分別代入式（3-10）得到 =3525N。c由參考文獻(xiàn)[13]中的表 1.6-11 中各銑削分力的經(jīng)驗(yàn)比值知道：=1.0， =0.3， =0.4，F(xiàn)XCFYFZC代入 可分別求出 =3525， =1058， =1410.cXY3.3.2 對(duì)四個(gè)滑塊進(jìn)行受力分析并求出額定動(dòng)載荷在設(shè)計(jì)的導(dǎo)軌上，四個(gè)滑塊受力情況如下圖 5 所示，黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 14 頁(yè).圖 5 滑塊受力示意圖在機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中:L0=250mm，L1=400mm,L2=200mm,L3=30mm,L4=200mm,L5=118mm當(dāng) Fx 作用時(shí)， ～ = ×1P42Fx05L當(dāng) Fz 作用時(shí)， = = + ， = －z?23P?4Fz20L?當(dāng) Fy 作用時(shí)， ～ = y31L分別代入數(shù)據(jù)可以計(jì)算出 Pxmax=832kgf，Pymax=53kgf，Pzmax=688kgf則系統(tǒng)實(shí)際工作時(shí)的負(fù)荷 P= =1081kgf283653?壽命時(shí)間的計(jì)算公式為： （3-11）10Lhlsn??：壽命時(shí)間，20000 小時(shí)； ：額定壽命（Km） ；Lhls：行程長(zhǎng)度，0.4m；n1：每分鐘往復(fù)次數(shù) 4opm分別代入式（3-11）可以求出 L=3840Km。適用滾柱導(dǎo)軌時(shí)有 L= ×100 （3-12）103CP??????已求出 L=3840Km，P=1081N，可以得到額定動(dòng)載荷 C=3265kgf黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 15 頁(yè)3.3.3 確定導(dǎo)軌的規(guī)格代號(hào)由 C=3265Kgf，在樣本中選取 THK 公司的型號(hào)為 HSR 35CR 的直線導(dǎo)軌，它的基本額定負(fù)荷 C＝3800kgf﹥3265kgf。3.4 伺服電機(jī)與絲杠的聯(lián)結(jié)伺服電機(jī)與絲杠的聯(lián)結(jié)，必須保證無(wú)間隙。在數(shù)控機(jī)床中，伺服電機(jī)與滾珠絲杠主要采用三種聯(lián)結(jié)方式：直聯(lián)式、齒輪減速式、同步帶式。在加工中心進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中大都采用直聯(lián)式。這里設(shè)計(jì)的 V400 型加工中心也是采用直聯(lián)式。如圖 6 所示。交流伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)一個(gè)撓性聯(lián)軸器以直聯(lián)方式聯(lián)結(jié)在滾珠絲杠上。交流伺服電動(dòng)機(jī)由其端口的止口定位，螺栓鎖緊安裝在軸承支座上。軸承支座由銷釘定位，通過(guò)螺栓與床身相聯(lián)，承受加工中該方向的切削載荷。滾珠絲杠由一對(duì) 60 度接觸角向心推力球軸承支撐，軸承預(yù)加載荷間隙由兩軸承間的隔套修配調(diào)整實(shí)現(xiàn)。圖 6 V400 進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1-伺服電機(jī) 2-聯(lián)軸器 3-軸承支座 4-支撐軸承 5-螺母 6-滾珠絲杠在所設(shè)計(jì)的 V400 臥式加工中心上，X、Y、Z 三方向的滾珠絲杠均采用一端固定一端浮動(dòng)的聯(lián)結(jié)方式。黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 16 頁(yè)4 設(shè)計(jì)總結(jié)歷時(shí)一個(gè)學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)接近尾聲了，從最初看到的設(shè)計(jì)題目，到分析題目，老師講解，查閱資料，根據(jù)老師的指導(dǎo)，同學(xué)們的幫助，一步一步到現(xiàn)在，做出的理論成果達(dá)到了預(yù)期的要求。在這段時(shí)間里，我大量借鑒了國(guó)內(nèi)已有的理論成果和實(shí)際產(chǎn)品，根據(jù)自己的要求，結(jié)合自己對(duì)加工中心的理解和設(shè)計(jì)想法，借助老師的幫助，設(shè)計(jì)出了 H400 加工中心的床身、立柱的具體結(jié)構(gòu)；通過(guò)理論計(jì)算、受力分析，選出了符合任務(wù)要求的滾珠絲杠和滾動(dòng)導(dǎo)軌；都通過(guò)圖紙的形式表現(xiàn)了出來(lái)。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)是我四年大學(xué)歷程中的最后一門課，也是對(duì)四年大學(xué)的一個(gè)總結(jié)。我不僅從中進(jìn)一步了解了加工中心在機(jī)械加工行業(yè)中的突出作用，以及它的工作原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)、原理的設(shè)計(jì)進(jìn)行了一定的探索，對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的具體環(huán)節(jié)及過(guò)程有了更深入的體會(huì)，也鞏固了自己的專業(yè)知識(shí)，鍛煉了分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)了一定的設(shè)計(jì)思想，所有的收獲都將令我終生受益。但是，由于自己的知識(shí)水平有限，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)缺乏，設(shè)計(jì)思想不完善，設(shè)計(jì)中難免出現(xiàn)錯(cuò)誤，存在問(wèn)題，希望大家批評(píng)指正，我會(huì)繼續(xù)努力，以便進(jìn)一步提高和完善。黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 17 頁(yè)致謝這次畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)間長(zhǎng)，任務(wù)重，需要知識(shí)和資料多，由于自己的水平有限，如果沒(méi)有身邊老師和同學(xué)們的耐心指導(dǎo)和無(wú)私幫助，我很難完成這此設(shè)計(jì)。在這里，我首先要感謝我的指導(dǎo)老師薛東彬老師。從設(shè)計(jì)題目的下發(fā)、講解，設(shè)計(jì)資料的收集，外文的翻譯，方案論證報(bào)告的撰寫，圖紙的繪制，到最后說(shuō)明書的撰寫，我遇到過(guò)很多的問(wèn)題，有專業(yè)上的，也有生活上的，只有向薛老師提出，他都會(huì)耐心地給我講解，幫我查找相關(guān)文獻(xiàn)，有時(shí)還手把手教我一些東西，并糾正了我的專業(yè)知識(shí)中的很多錯(cuò)誤，薛老師的專業(yè)水平讓我佩服。薛老師不僅指導(dǎo)了我的這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，他還用自己在生活中的經(jīng)歷和感受告訴我們?cè)S多為人處事的道理，這些將會(huì)積極影響我以后的工作和生活。其次，我要感謝我身邊的同學(xué)們，是他們從頭到尾陪著我走過(guò)這四年的大學(xué)生活，是他們幫著我走完畢業(yè)設(shè)計(jì)這最后的一段路。愿我們的友誼地久天長(zhǎng)。我還要感謝大學(xué)里所有教過(guò)我的老師，是他們教會(huì)了我專業(yè)知識(shí)，幫助我不斷提高。感謝母校對(duì)我的培養(yǎng)。在以后的人生中，我會(huì)更加努力，用自己的成就來(lái)報(bào)答母校，報(bào)答老師和同學(xué)們。黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 18 頁(yè)參 考 資 料[1] 夏田.數(shù)控加工中心設(shè)計(jì).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.4[2] 沙杰. 加工中心結(jié)構(gòu)、調(diào)試與維護(hù). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.[3] 朱孝錄.機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè).北京：電子工業(yè)出版社，2007.7[4] 楊坤怡.制造技術(shù).北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.7[5] 高德文.數(shù)控加工中心.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.8[6] 劉瑞已.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.11[7] 惠延波等.加工中心的數(shù)控編程與操作技術(shù).北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2001.7[8] 廉元國(guó).加工中心設(shè)計(jì)與應(yīng)用. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.[9] 廉元國(guó).加工中心設(shè)計(jì)與應(yīng)用. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.[10] 范珍等.加工中心.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2004.8 [11] 王愛(ài)玲.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2003.4[12] 王先逵.機(jī)械加工工藝手冊(cè)（第一卷）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.12[13] 王曉霞.金屬切削原理與刀具.北京：航空工業(yè)出版社，2000[14] 符煒.實(shí)用切削加工手冊(cè).長(zhǎng)沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2003.3[15] 于駿一，鄒青.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.1[16] 吳宗澤，羅圣國(guó).機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè).北京：高等教育出版社，1998.12[17] 濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì).北京：高等教育出版社，2001[18] 成大先，機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：第三卷[M]．第四版．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002．[19] 成大先，機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：第五卷[M]．第四版．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002．[20] 濮良貴，機(jī)械設(shè)計(jì)[M]．北京：高等教育出版社，2006．[21] 朱輝，曹桄，畫法幾何及工程制圖[M]．上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2003．[22] 馮辛安，機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005．黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 19 頁(yè)