【正文】 .............................................38 確定主軸的最小直徑 .................................................39 主軸的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計 .................................................39 主軸的校核 .........................................................40 主軸的扭轉(zhuǎn)強度 .................................................40 主軸的扭轉(zhuǎn)剛度校核計算 .........................................40 主軸的花鍵校核 .................................................41 主軸軸承 ...........................................................42 主軸軸承的選用 .................................................42 主軸軸承的壽命計算 ..............................................428. 綜合評價 ..............................................................44設(shè)計總結(jié) .................................................................45致 謝 ...................................................................46參考文獻(xiàn) .................................................................47英文翻譯附錄1 / 53引 言本畢業(yè)設(shè)計課題是數(shù)控平面鉆床液壓進(jìn)給鉆削動力頭，目的是通過在數(shù)控平面鉆床液壓進(jìn)給鉆削動力頭設(shè)計的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)機床主軸及其相關(guān)的軸承、傳動等部件的設(shè)計計算，了解機電控制 PLC 等知識。它可用于 H 鋼結(jié)構(gòu)、汽車工業(yè)、摩托車制造業(yè)、燃?xì)馄骶咧圃鞓I(yè)、電梯制造業(yè)等行業(yè)的鉆、擴(kuò)、鉸加工,具有廣泛的應(yīng)用前景。2 / 531 . 數(shù)控平面鉆床液壓進(jìn)給鉆削動力頭概況 研究現(xiàn)狀金屬切削機床是用刀具或磨具對金屬工件進(jìn)行切削加工的機器，在制造業(yè)中，尤其是機械行業(yè)，機床有著非常廣泛的應(yīng)用。隨著機械工業(yè)的擴(kuò)大和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是計算機的出現(xiàn)和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，我國的機械制造行業(yè)正朝著高精度、高效率、高智能發(fā)展。因此優(yōu)越性能與低價格便使該機床具有很高的性能價格比?；疖?、汽車、拖拉機大梁支架。選擇運動副 高副機構(gòu)可減少構(gòu)建數(shù)的運動副數(shù)，設(shè)計簡單。采用對稱布置的機構(gòu)。傳統(tǒng)的鉆床一般都用電動機作為主運動的動力源，然后再通過齒輪傳動，把電動機的運動與動力傳遞給主軸。但工作行程比較大，可以鉆削深孔，一般用于礦業(yè)、石油業(yè)的鉆孔。通過以上的三種液壓進(jìn)給方案的分析，第三種方案揚長避短，既能減小鉆削動力頭的體積，又能提高其工作行程。此方案使主運動和進(jìn)給運動兩個運動副同時實現(xiàn)?？蓪崿F(xiàn)進(jìn)給時自控行215Q?b?程，且行程可控；其鉆削動力頭工作時，主軸先根據(jù)所需要的切削速度開始旋轉(zhuǎn)，然后鉆頭快速進(jìn)給，鉆頭接觸到工件后變?yōu)楣みM(jìn)，當(dāng)?shù)毒咩@至所需深度時暫停進(jìn)給，最后快速退回原始位置后停止。由公式 3010MXYCdfK????式中：M鉆削過程中所需要的扭矩， ；Nm?材料系數(shù)，取 為 304；MMC工件加工的孔徑， =30mm；0d0d等于 2；MX等于 ；Y進(jìn)給量， =；ff10 / 53 工件的硬度系數(shù)， =。使用變頻調(diào)速電機作為主運動動力源，不但省去了齒輪傳動機構(gòu)的繁瑣設(shè)計，使動力頭結(jié)構(gòu)變得簡單；同時滿足了主軸轉(zhuǎn)動的無極調(diào)速。從這個公式就可以看出，要想改變電動機的轉(zhuǎn)速，可以改變 f，s，p 這三個量中的任意一個，就能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)速，其中改變電源頻率 f 是比較方便和有效的方法，所以只要改變了電源頻率 f 就能夠改變電動機的轉(zhuǎn)速。帶傳動的基本組成零件為帶輪（主動帶輪和從動帶輪）和傳動帶。同步帶的缺14 / 53點是：制造、安裝精度要求較高，中心距要求嚴(yán)格。b1nbP（3） 小帶輪齒數(shù) z15 / 53按電機轉(zhuǎn)速和 H 型同步帶查表得 。（13）小帶輪包角 1?02186()/da??)/34?01.（14）基準(zhǔn)額定功率 0p ??201aTmvV????=（15）帶寬 sb查表知道 H 型同步帶的基準(zhǔn)寬度 ，? 0 ???式中： ——小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，由 查表，得 =?ZK17 / 53根據(jù) H 型同步帶查表，取 =。傳動帶的張緊有定期張緊裝置、自動張緊裝置、張緊輪張緊裝置等 3 大類。那么大帶輪轉(zhuǎn)動過程中，就需要軸承作為支撐，減小帶輪磨損，使工作可靠。主軸在鉆孔直徑為 30mm、鉆速 230r/min 時， ＝切削功率為 。兩個液壓缸是對稱安裝在主軸座外面的，同時工作，使主軸活塞受力對稱均勻。為了判斷準(zhǔn)確，在兩個彈簧緩沖裝置內(nèi)都裝有感應(yīng)信號器。要計算 D 和 d，首先要確定工作壓力。 缸筒壁厚 ?缸筒壁厚往往由結(jié)構(gòu)工藝要求決定。f f由于主軸進(jìn)給時使用雙液壓缸作為動力源，那么就使用了兩個彈簧緩沖裝置，每個彈簧所受的壓力也降為一半，即彈簧變形所受的最小力 min/?c彈簧不壓縮的最小載荷 /?根據(jù)結(jié)構(gòu)和以上分析，可知壓縮彈簧工作條件為：最小工作載荷 =150N，彈簧高度 =55mm；1P1H最大工作載荷 =350N，彈簧高度 =35mm；n2工作行程 h=20mm；彈簧小徑 270Dm?26 / 53 彈簧的參數(shù)計算因為選用了 II 類彈簧，工作極限載荷：= = 350=?n由彈簧中徑 和工作極限載荷 查表得：Dj彈簧絲的直徑 d=8mm；d中徑=85mm；D工作極限下的單圈載荷變形量 jf=單圈剛度 = m。其中，PLC 控制系統(tǒng)作為整個控制系統(tǒng)的核心，可以根據(jù)加工工件的要求和鉆削動力頭的工藝參數(shù)來編制適合于具體加工工件的程序。本論文采用圖 所示的工作循環(huán)作為研究對象。 （3）.停留液壓系統(tǒng)中有一條端子板，由端子板來檢測主軸行程，且通過預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)來控制液壓缸的動作。31 / 53表 液壓系統(tǒng)工作執(zhí)行情況電磁鐵工作狀態(tài) 液壓元件工作狀態(tài)工作循環(huán)1YA 2YA 3YA 換向閥 6 速度換接閥 5快進(jìn) + 左位 左位工進(jìn) + + 左位 右位暫停 中位 左位快退 + 右位 左位原始停止 中位 左位注：“+”表示得電 ， “”表示失電。 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)前面所設(shè)計的液壓回路系統(tǒng)，設(shè)計鉆削動力頭進(jìn)給運動的電氣控制系統(tǒng)，使主軸能夠在作主運動的同時，能實現(xiàn)快進(jìn)——工進(jìn)——延時——快退——原始停止的動作。當(dāng)按下 按鈕時才會2SB進(jìn)入下一個工作循環(huán)，此動作由數(shù)控系統(tǒng)控制。圖 鉆削動力頭工藝流程圖開始時，動力頭在原位，壓著限位開關(guān) 1ST，即 1ST 閉合。36 / 53圖 PLC 與現(xiàn)場器件的連接圖 鉆削動力頭的 PLC 控制梯形圖滿足圖 所示的工藝流程的梯形圖如圖 所示。7. 主軸及其相關(guān)零部件的設(shè)計計算與校核軸是組成機器的主要零件之一。擬定主軸上零件的裝配方案是進(jìn)行主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提，它決定著主軸的基本形式。那么主軸的尾部就應(yīng)該設(shè)計成與同步帶輪配合的花鍵，同步帶輪與主軸尾部的花鍵形成轉(zhuǎn)動副和移動副，在滿足主軸作直線進(jìn)給運動的同時為主軸提供轉(zhuǎn)動的動力。如圖 所示主軸的軸承裝配，前端由于主軸頭部尺寸過大，所以39 / 53應(yīng)該根據(jù)軸承尺寸女裝一個套筒在前端的軸承與主軸之間；由于主軸的頭部尺寸較大，為了安裝軸承，主軸后端無法設(shè)計尺寸大于軸承內(nèi)徑的軸肩，所以在主軸后端設(shè)計一段螺紋，安裝一個大螺母擋圈代替軸肩。主軸的熱處理方式為：滲碳——淬火——回火。根據(jù)前面的主軸上零件裝配擬定方案，已知主軸結(jié)構(gòu)分為 3 個部分：①.主軸頭部，用來安裝鉆頭快換夾，尺寸已經(jīng)是標(biāo)準(zhǔn)化的；②.主軸中部，用來安裝一對角接觸球軸承，查軸承標(biāo)準(zhǔn)表可選用內(nèi)徑為 40mm 的角接觸球軸承，前端根據(jù)軸承尺寸，安裝一內(nèi)徑 40mm 的套筒來承受向前進(jìn)給的軸向力，后端軸承由螺母擋圈來承受后退時的力；③.主軸尾部，為花鍵部分，用于接受帶輪傳遞的主運動與動力。 主軸的扭轉(zhuǎn)剛度校核計算 ????式中: ——軸所受的扭矩，此式中 ；?? G——軸的材料的剪切彈性模量，MPa；對于鋼材 ；?? ——軸截面的慣性矩，對于圓軸 ；pI 445732pdI m?得 ?????00/[]5~/m??由于主軸進(jìn)給驅(qū)動時，受力在頭部，由活塞套與軸承推動前頭的套筒，套筒再把軸向力傳給頭部，由頭部拉動整個主軸作進(jìn)給運動。分析主軸軸承的受力，主軸選用的 7008AC 型角接觸球軸承采用反裝的方式安裝在主軸上。主要用于10~3m?加工 H 鋼（一般為 和 20 號鋼，硬度 ， =650MPa），可實現(xiàn)進(jìn)給時自控215Q2HB?b?形成，且形成可控。對。對本論文所設(shè)計的數(shù)控平面液壓進(jìn)給鉆削動力頭，應(yīng)該從加工、裝配、維修和運輸?shù)确矫鎭碓u價。查軸承標(biāo)準(zhǔn)表，選用 7008AC 型角接觸球軸承作為主軸的軸承。41 / 53圖 主軸的結(jié)構(gòu)尺寸 主軸的校核主軸的花鍵段為最小直徑，受扭轉(zhuǎn)也最大，所以花鍵部分為危險截面段。 主軸的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計主軸的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計，要滿足主軸的工作受力情況。本論文中，由零件裝配方案已知鉆削動力頭主軸的總體結(jié)構(gòu)，經(jīng)過受力分析，可知主軸主要承受較大的扭矩，且表面摩擦較大。角接觸球軸承可同時承受徑向載荷及軸向載荷，也可以單獨承受軸向載荷，能在較高轉(zhuǎn)速下工作。主軸的主運動轉(zhuǎn)動時由變頻三相異步電機提供的動力。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，會影響主軸的工作能力和軸上零件的工作可靠性，還會增加主軸的制造成本和軸上零件裝配的困難等。再按下啟動按鈕 SB 后，又重復(fù)上述過程。表 鉆削動力頭的動作順序表輸出步 序 輸入條件1YA 2YA 3YA原 位 1ST 快 進(jìn) 1ST*SB + 35 / 53工 進(jìn) 2ST + +延 時 3ST 快 退 3ST*KT + 原 始 1ST 根據(jù)動作順序表選定與各開關(guān)、電磁閥等現(xiàn)場器件相對應(yīng)的 PLC 內(nèi)部等效電器地址編號，其對照表如表 所示。根據(jù)鉆學(xué)動力頭的工藝流程，控制液壓系統(tǒng)。 （5）原始停止當(dāng)鉆頭退到原來的位置時，撞擊擋塊 接通，繼電器 得電使開關(guān) 斷電，3SQ3KA3A切斷了整個進(jìn)給系統(tǒng)的線路，同時主軸也停止了快退動作。使操作人員的勞動強度降低，還提高了生產(chǎn)效率。圖 的液壓油路中，油路不通時不影響液壓泵的工作，因為先導(dǎo)式溢流閥 10 可以起到過壓保護(hù)作用。 調(diào)速電磁閥的作用：通過電磁鐵控制閥口，使其流過預(yù)定的流量，從而使液壓缸達(dá)到一定的工進(jìn)速度。位移檢測系統(tǒng)采用端子板裝置和信號感應(yīng)器。? 液壓進(jìn)給控制系統(tǒng)設(shè)計 液壓進(jìn)給控制系統(tǒng)的方案確定液壓進(jìn)給控制系統(tǒng)定位由以下幾部分組成：機械部分、位置檢測部分件、液壓傳動部分件和 PLC。即 ?鉆削動力頭在進(jìn)給時花鍵軸與內(nèi)花鍵的摩擦力 作為彈簧不壓縮的最小載荷。03dm??由 mini/Aqv?式中： ——調(diào)速閥的最小穩(wěn)定流量， =；minqminq ——液壓缸的最低速度， 。但它對組件的強度、剛度及密封性的要求也高。已知，在進(jìn)給過程中，做不同動作時主軸、活塞套筒、液壓缸所受的軸向力也不同。主軸在活塞套筒內(nèi)轉(zhuǎn)動，然后跟隨著活塞套筒作軸向進(jìn)給運動。下面對大帶輪的軸承壽命進(jìn)行計算。20?為了防止外界異物沾污在帶輪上，導(dǎo)致齒輪損壞，故同步帶和帶輪均內(nèi)置于箱體里面。如果預(yù)緊力不足，會使同步帶松弛，傳動效率降低，帶的工作面不能按正常嚙合而導(dǎo)致磨損，有時還導(dǎo)致同步帶在傳遞運動時發(fā)生震動，甚至?xí)驀Ш喜涣级X而從帶輪上脫落。0a（10）初定帶的節(jié)線長度 及其齒數(shù)OPLbz ??2102104daa????????????=600++=查標(biāo)準(zhǔn)表，取帶的實際節(jié)線長度 ，帶的齒數(shù) 。圖 同步帶及同步帶輪（1） 設(shè)計功率 dp由公式 APK?式中：為工況系數(shù)，按每天運轉(zhuǎn)時間為 10～18h，查表（GB/T11362AK）得 =；AKP傳動電機功率，已知 P=。由于帶與帶輪無相對滑動，能保持兩輪的圓周速度同步，故稱為同步帶傳動。如圖 所示。變頻器實際作為三相電機的電源，可將頻率固定的交流電變成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電源，提供給電機，使電機能按不同速度轉(zhuǎn)動。 電動機的選擇一般傳統(tǒng)的鉆床，都是通過齒輪傳動把電動機的運動傳遞給主軸，使主軸的主運動速度改變。KFK同理，得最小切削力為 min