【正文】 意義。由于螺旋槳是由復(fù)雜幾何形狀組成的工件，直徑大、葉片多，空間重疊區(qū)域大，吸力面和壓力面均為空間自由曲面，導(dǎo)邊隨邊均采用空間曲線圓滑過渡，葉片葉片與槳轂之間過度圓角半徑由導(dǎo)邊到隨便不斷變化。特別是對于大尺寸螺旋槳加工而言，扁薄的葉片受到單面加工應(yīng)力后很容易發(fā)生彎曲變形，其形狀與尺寸更加難以保證。 本課題在國內(nèi)外的研究狀況及發(fā)展趨勢 螺旋槳雙面加工銑床的國外研究狀況國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家在加工設(shè)備方面起步早、發(fā)展充分，也注重高性能加工設(shè)備的研發(fā)，各國競相發(fā)展機(jī)電一體化、高精、高效、高自動化先進(jìn)機(jī)床，以加強(qiáng)工業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。也正因?yàn)榇耍@些國家成為向高性能潛艇、螺旋槳發(fā)動機(jī)、先進(jìn)船舶等提供高性能、高質(zhì)量的螺旋槳產(chǎn)品。這標(biāo)志著國內(nèi)數(shù)控機(jī)床已進(jìn)入快速發(fā)展的時期。隨著制造加工水平和設(shè)計水平的提高，機(jī)床的加工精度和速度越來越高，機(jī)床的種類也越來越多。3）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)：便于可重組和模塊化設(shè)計，且可構(gòu)成形式多樣的布局和自由度組合。因此，并聯(lián)結(jié)構(gòu)在機(jī)床上的采用可以看作是機(jī)床行業(yè)的一種趨勢。圍繞以上目的，把主要研究內(nèi)容分為：研究并確定雙面銑床的加工方式，確定銑床的自由度結(jié)構(gòu)類型，螺旋槳裝夾方式等。第2章 機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計為了確定機(jī)床的整體方案，首先要了解和分析大型螺旋槳的結(jié)構(gòu)和加工特點(diǎn)。圖21 虎螺旋槳槳葉受力分析螺旋槳的上下面都是自由曲面、形狀復(fù)雜，傳統(tǒng)的單面加工方式，因?yàn)橐疵娣謩e加工，需要兩次安裝和對刀，因此，理論設(shè)計中對上下曲面所要求的位置公差很難得到保證。 圖22 單面加工和雙面加工效果比較 9第2章 機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計螺旋槳采用單面加工時，需要兩次走刀、兩次裝夾定位，加工耗時長，效率比較低。方案b：螺旋槳裝夾機(jī)構(gòu)沒有平動自由度，兩個主軸裝夾機(jī)構(gòu)各有5個自由度，包括2個平動自由度和3個回轉(zhuǎn)自由度，可以實(shí)現(xiàn)對自由曲面的加工。另外，對于整體式的螺旋槳，如果一次裝夾就可以加工所有的槳葉，則不僅減少了多次裝夾的時間，而且提高了槳葉之間的位置精度、提高整個螺旋槳的加工質(zhì)量。導(dǎo)軌的鋪設(shè)，可以使螺旋槳裝夾機(jī)構(gòu)移動到寬闊的地方裝夾螺旋槳，然后再推入到加工位置，方便了螺旋槳的安放；機(jī)架采用梯形設(shè)計，既可以使機(jī)架的寬邊容納下螺旋槳，并保證螺旋槳可以旋轉(zhuǎn)；又可以使減少機(jī)架的尺寸，減小占地面積、提高了整體的剛度。因?yàn)闄C(jī)床采用立式的雙面加工方式，主軸裝夾機(jī)構(gòu)既要正向放置，又要倒掛放置，因此，在設(shè)計時必須考慮到正反安裝時的受力情況，并盡量保證上下主軸裝夾機(jī)構(gòu)一致，這樣既可以使機(jī)床的制造成本、維修成本降低，又可以保證上下兩套主軸加工出來的自由曲面質(zhì)量一致。在串聯(lián)工作臺設(shè)計時，要考慮并聯(lián)工作臺的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動特點(diǎn)，在校核計算時，要注意顛覆力矩的校核，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，既要注意給并聯(lián)工作臺留出運(yùn)動空間，又要方便并聯(lián)工作臺的安裝。 圖25 并聯(lián)工作臺的原理圖對于球形副，因?yàn)榍蛐毋q鏈要保證連接的可靠性，所以轉(zhuǎn)動角度有限，不能很好的滿足并聯(lián)工作臺的要求，因此采用虎克鉸進(jìn)行替代。如圖27所示，具體的結(jié)構(gòu)為：滾珠絲杠軸向固定，在電機(jī)的驅(qū)動下帶動滾珠螺母軸向平移，進(jìn)而帶動花鍵軸伸縮。圖210 轉(zhuǎn)動支座如圖211所示，此零件為轉(zhuǎn)動副的軸承支座，為了保證并聯(lián)軸的安裝，采用剖分式結(jié)構(gòu)。另外，因?yàn)椴⒙?lián)工作臺受到的加工反向應(yīng)力變化較多，受力情況復(fù)雜，要注意進(jìn)行受力分析。圖212 螺旋槳裝夾機(jī)構(gòu)直線運(yùn)動平臺，通過直線導(dǎo)軌和滾珠絲杠相組合的方式來實(shí)現(xiàn)，滿足螺旋槳夾緊工作臺的直線運(yùn)動，使工作臺可以到遠(yuǎn)離機(jī)床主體的寬闊地帶安放螺旋槳，然后再帶著螺旋槳移動到工作位置，方便螺旋槳的拆卸。機(jī)床定位機(jī)構(gòu)，主要為了保證螺旋槳裝夾機(jī)構(gòu)和機(jī)床主體之間的連接，保證螺旋槳安裝的位置精度。設(shè)計時，應(yīng)緊緊圍繞螺旋槳加工的特點(diǎn)逐步展開。另外，在進(jìn)行機(jī)床主體的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要為螺旋槳裝夾機(jī)構(gòu)留下位置。因而，應(yīng)該從螺旋槳的結(jié)構(gòu)和加工特點(diǎn)入手，完成并聯(lián)工作臺的設(shè)計。 圖31 并聯(lián)桿的基本結(jié)構(gòu)因?yàn)椴⒙?lián)桿既要連接主軸和刀具，又要連接2維串聯(lián)平臺，因此為了縮短并聯(lián)軸的尺寸，電機(jī)的驅(qū)動不采用最常用的聯(lián)軸器直接連接方式，改為齒輪連接。 圖32 粒動平臺上各個連接件的位置 考慮到電主軸的直徑為200mm，虎克鉸的第3級轉(zhuǎn)動副在動平臺上所需要的安裝尺寸為70mm，而從虎克鉸第二級轉(zhuǎn)動副到第三級轉(zhuǎn)動副的距離設(shè)定為50mm。因?yàn)閯庸ぷ鞯牡呢Q直移動距離為420mm，考慮到并聯(lián)桿擺動時可以提供一定的移動量，但是并聯(lián)桿和豎直方向是一直呈銳角的。圖33 動、定平臺和并聯(lián)桿的空間位置尺寸圖此時的并聯(lián)桿模型可以看做是一個直角三角形，假設(shè)轉(zhuǎn)動副與并聯(lián)桿的角度約為70度，則可以求出水平的直角邊的距離為 （）式中為動平臺和定平臺的水平距離的差值。但是套筒的一端要接內(nèi)花鍵套筒，另一端要接齒輪箱，設(shè)兩端的尺寸各減少30mm，如圖35所示，這樣大套筒的軸向尺寸為 （）圖35 大套筒結(jié)構(gòu)和軸向尺寸另外，對于虎克鉸，兩個叉扁軸的軸向尺寸都定為100mm。倒掛的主軸裝夾機(jī)構(gòu)，因?yàn)樗艿闹亓图庸し醋饔昧Φ姆较蚴冀K呈鈍角，因而不會出現(xiàn)受最大軸向載荷的絲杠。由于下工作臺主要的負(fù)載方向?yàn)樨Q直朝下，因此桿的伸出量越短，其所受的軸向負(fù)載越大[9]?？梢圆捎眠^的鋼珠預(yù)壓方式，這種方式內(nèi)容納的鋼珠比珠槽空間大（過大鋼珠），使鋼珠產(chǎn)生四面接觸，消減回轉(zhuǎn)誤差。根據(jù)并聯(lián)桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，滾珠絲杠的剛性應(yīng)大一點(diǎn)；為了減小整個并聯(lián)軸的徑向尺寸，法蘭的徑向尺寸不可以太大；為了減少并聯(lián)軸的軸向尺寸，滾珠螺母的長度不能太長。滾珠絲杠確定以后，并聯(lián)桿的主要徑向尺寸可以根據(jù)滾珠絲杠的公稱直徑進(jìn)行確定。由之前滾珠絲杠的校核結(jié)果知：絲杠導(dǎo)程為6mm，得滾珠絲杠的最大轉(zhuǎn)速為 （）式中：V ——并聯(lián)桿的最快伸出速度，取值為； ——絲杠的導(dǎo)程，；絲杠扭矩的計算：絲杠為順序切削，轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)運(yùn)動為直線運(yùn)動，由計算公式得 （）式中： ——轉(zhuǎn)動的機(jī)械效率，； ——絲杠旋轉(zhuǎn)扭矩，；——絲杠加速時的軸向負(fù)載，；為了防止電機(jī)和并聯(lián)軸干涉，齒輪連接的中心距應(yīng)該足夠大。故選取MDMA750W中慣量交流伺服電機(jī)[11]，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為，最大轉(zhuǎn)矩，額定轉(zhuǎn)速為，最高轉(zhuǎn)速為，都符合要求。滾珠絲杠的軸承為一對32008圓錐滾子軸承，軸承以背對背形式安裝。 本章小結(jié)本章完成了并聯(lián)工作臺的設(shè)計，其結(jié)構(gòu)如圖所示，達(dá)到了3個轉(zhuǎn)動自由度的要求。串聯(lián)工作臺有兩個平動自由度，需要采用兩個1維平動工作臺串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，設(shè)直接連接在機(jī)架上的工作臺為第二級工作臺，直接連接并聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作臺為第一級工作臺。對于直徑大于4米大型螺旋槳，其槳葉的寬度也小于槳葉的徑向長度，其槳葉的徑向長度為2米，因此設(shè)定工作臺的移動距離: （）并聯(lián)工作臺設(shè)計完畢，其質(zhì)量約為430kg，主軸加工時受到的最大反作用力F為1000N，主軸傾角額定值為。組合考慮各種因素，選取HGW55HA型導(dǎo)軌[10]，導(dǎo)軌的長度為2100mm,安裝方式為雙導(dǎo)軌，4滑塊模式。明顯符合對并聯(lián)工作臺的支撐要求；對導(dǎo)軌的動負(fù)載進(jìn)行分析：，考慮整個平臺的加速度，設(shè)加速度為。分析絲杠的工作條件：已知工作臺的行程為1600mm，考慮到滾珠螺母的尺寸，；初步計算并聯(lián)工作臺質(zhì)量m為430kg；另外主軸的最大反作用力為1kN，考慮重力和主軸反向作用力的方向，其最大的合力在下工作臺，大小為 （）其方向豎直朝下設(shè)工作臺的最大加速，則在平臺加速運(yùn)動時，還將產(chǎn)生一個很大的軸向負(fù)載 （）由于主軸的反向作用力方向可以與水平面有的傾角，所以滾珠絲杠在機(jī)床進(jìn)行加工時，還會受到其在軸向方向的載荷，其大小為 （）考慮到工作臺的摩擦阻力，可以得到絲杠軸受到的最大動載荷為 （）其中摩擦系數(shù)；設(shè)絲杠在加速時的時間比為10%，受加工反作用力的時間比為70%，故絲杠受的平均動載荷為 （）因?yàn)闈L珠絲杠需要正反轉(zhuǎn)換向，在滾珠絲杠換向時，易因反向間隙造成回轉(zhuǎn)誤差，影響運(yùn)動的準(zhǔn)確性，所以也需要對滾珠螺母進(jìn)行預(yù)壓，消減回轉(zhuǎn)誤差。表41 FDV25010B3的主要參數(shù)(默認(rèn)單位mm)公稱外徑導(dǎo)程PCD珠徑根徑剛性K5010255螺母直徑螺母長度法蘭直徑法拉厚度動負(fù)載C(N)靜負(fù)載Co（N）78258110188394026505滿足條件： （） 故選擇的滾珠絲杠符合要求。絲杠的長度較長，而且絲杠主要承受的載荷為軸向載荷，所以絲杠采用一端固定，一端支撐的方式。因?yàn)闈L珠絲杠的支撐端和固定端承受的豎直載荷一樣，但是固定端還要承受軸向載荷，因此固定端的兩個圓錐滾珠軸承是危險端，需要校核，如圖43所示[13]。工作臺主板上要鋪設(shè)導(dǎo)軌和滾珠絲杠，根據(jù)之前選取的導(dǎo)軌和滾珠絲杠的尺寸，確定主板的主要尺寸，如圖44[10]：圖44工作臺主板尺寸第二級工作臺直接連接在機(jī)架上，通過線性移動來帶動整個并聯(lián)工作臺移動；其運(yùn)動方向平行于螺旋槳的徑向，運(yùn)動尺寸要保證主軸可以加工槳葉的整個徑向尺寸。為了使上下工作臺結(jié)構(gòu)一致，選用導(dǎo)軌的負(fù)載能力要在4個主要方向上相近，或一致。對導(dǎo)軌的動負(fù)載進(jìn)行分析：，考慮第一級工作臺和整個并聯(lián)平臺的加速度，設(shè)加速度為。屬于機(jī)床的核心部件，不易更換，應(yīng)該保證較高的安全系數(shù)。預(yù)壓力為 （）在預(yù)壓力負(fù)載下滾珠絲杠的軸向負(fù)載為 （）預(yù)期壽命校核：機(jī)床每天工作12小時，一年工作350天，額定工作年限為20年，其中工作臺的使用時間比為90%，則預(yù)期壽命為： （）滾珠絲杠的軸向尺寸已經(jīng)確定大于2200mm，對于這個長度的滾珠絲杠導(dǎo)程一般都大于10mm，故取導(dǎo)程。由之前滾珠絲杠的校核結(jié)構(gòu)結(jié)果知：導(dǎo)程為10mm,快速移動速度為30m/s，得滾珠絲杠的最大轉(zhuǎn)速為： （）絲杠扭矩的計算，絲杠為順序切削，即轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)運(yùn)動為直線運(yùn)動，由計算公式得： （）式中： ——轉(zhuǎn)動的機(jī)械效率，——絲杠的最大軸向負(fù)載，N——絲杠旋轉(zhuǎn)的最大扭矩，查看《機(jī)械設(shè)計手冊》，保證電機(jī)的輸出的額定轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速大于絲杠所需要的值，保證絲杠的運(yùn)轉(zhuǎn)。固定端為兩個背對背的圓錐滾珠軸承，支撐端為為一對深溝球軸承。因?yàn)?，滾珠絲杠的支撐端和固定端承受的豎直載荷一樣，但是固定端還要承受比豎直載荷大的多的軸向載荷，因此固定端的兩個圓錐滾珠軸承時危險端，需要校核。故軸承壽命為： （）——溫度系數(shù)，——載荷系數(shù)，故此軸承滿足設(shè)計要求，進(jìn)而其他軸承也符合要求。圖48主軸裝夾機(jī)構(gòu)設(shè)計結(jié)論結(jié) 論本論文主要針對大型螺旋槳（直徑大于4m）的結(jié)構(gòu)、加工特點(diǎn)，設(shè)計了一種能夠同時加工兩個自由曲面的雙面加工銑床的結(jié)構(gòu)部分。本論文基本達(dá)到了預(yù)期的目的，完成了銑床結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要部分，因?yàn)橹皼]有這種機(jī)床，所以在工作原理和整體布局方面做了很多分析，另外由于經(jīng)驗(yàn)較少，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中還有一定缺陷。在這期間，我得到了很多老師、同學(xué)和朋友無私的幫助和關(guān)懷。感謝0902班的所有同窗好友，感謝你們對我學(xué)業(yè)、生活上的幫助與關(guān)懷！同時格外感謝論文小組里的同學(xué)，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個又一個的困難和疑惑，直至本文的