【正文】 .......327. 主軸及 其相關(guān)零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核 ....................................36 擬定主軸上零件的裝配方案 ...........................................36 主軸的材料與熱處理 .................................................37 確定主軸的最小直徑 .................................................38 主軸的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) .................................................38 主軸的校核 .........................................................39 主軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度 .................................................39 主軸的扭轉(zhuǎn)剛度校核計(jì)算 .........................................39 主軸的花鍵校核 .................................................40 主軸軸承 ...........................................................41 主軸軸承的選用 .................................................41 主軸軸承的壽命計(jì)算 ..............................................418. 綜合評(píng)價(jià) ..............................................................43設(shè)計(jì)總結(jié) .................................................................44致 謝 ...................................................................45參考文獻(xiàn) .................................................................46附錄1 / 51引 言本畢業(yè)設(shè)計(jì)課題是數(shù)控平面鉆床液壓進(jìn)給鉆削動(dòng)力頭，目的是通過在數(shù)控平面鉆床液壓進(jìn)給鉆削動(dòng)力頭設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)機(jī)床主軸及其相關(guān)的軸承、傳動(dòng)等部件的設(shè)計(jì)計(jì)算，了解機(jī)電控制 PLC 等知識(shí)。機(jī)械加工行業(yè)中，孔加工占重要的地位。本課題的目的在于以自控行程鉆削動(dòng)力頭為研究目標(biāo)，主要解決當(dāng)前 H 鋼的鉆孔加工專用鉆削動(dòng)力頭。因此對(duì) H 鋼的鉆孔加工通過數(shù)控平面鉆床液壓進(jìn)給鉆削動(dòng)力頭實(shí)現(xiàn)是鉆孔加工是較為理想的加工方式。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。這不僅有助于提高鉆床加工的自動(dòng)化，而且對(duì)于滿足生產(chǎn)效率要求越來(lái)越高也具有重要意義。金屬切削機(jī)床是用切削的方法將金屬毛坯加工成機(jī)器零件的機(jī)器，除切削加工外，還有鑄造、鍛造、焊接、沖壓、擠壓和輥軋等，在這其中機(jī)床切削加工的工作量約占總制造工作量的 40%～60%(其中鉆床占 %),所以在目前的機(jī)械制造行業(yè)中金屬切削機(jī)床是主要的加工設(shè)備。當(dāng)前傳統(tǒng)鉆床問題的存在主要在于自動(dòng)化程度、生產(chǎn)效率、工作環(huán)境及產(chǎn)品質(zhì)量。2 / 511 . 數(shù)控平面鉆床液壓進(jìn)給鉆削動(dòng)力頭概況 研究現(xiàn)狀金屬切削機(jī)床是用刀具或磨具對(duì)金屬工件進(jìn)行切削加工的機(jī)器，在制造業(yè)中，尤其是機(jī)械行業(yè)，機(jī)床有著非常廣泛的應(yīng)用。鉆床是切削加工的主要設(shè)備之一。在機(jī)床加工中鉆床的加工工作量在總制造工作量中占有很大的比重。而數(shù)控平面鉆床的鉆削動(dòng)力頭是數(shù)控平面鉆床的核心部件，鉆削動(dòng)力頭是將進(jìn)給運(yùn)動(dòng)與主運(yùn)動(dòng)集于一體；目前鉆削動(dòng)力頭大多數(shù)靠液壓滑臺(tái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)給，由于采用了滑臺(tái)使動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜。隨著機(jī)械工業(yè)的擴(kuò)大和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)的機(jī)械制造行業(yè)正朝著高精度、高效率、高智能發(fā)展。在鉆孔加工時(shí)其最關(guān)鍵的孔位定位由微機(jī)控制進(jìn)行自動(dòng)、準(zhǔn)確、快速定位。高效率 數(shù)控平面鉆床由微機(jī)控制，按程序進(jìn)行自動(dòng)定位、根據(jù)不同的孔徑自動(dòng)調(diào)整至最佳的鉆孔進(jìn)給量與旋轉(zhuǎn)速度，人工只需上、下工件即可，減少了人工鉆孔時(shí)劃線定位、輔助鉆孔的人員，其鉆孔速度是人工的 4 倍以上；可連續(xù)地進(jìn)行加工，而不需要在上下工件時(shí)使機(jī)器停止運(yùn)行；100%的合格率又節(jié)省了人工鉆孔可能發(fā)生的返工工時(shí)。高性價(jià)比 因機(jī)床采用微機(jī)數(shù)值控制系統(tǒng)裝置，有精度高、效率高等優(yōu)越性。因此優(yōu)越性能與低價(jià)格便使該機(jī)床具有很高的性能價(jià)格比。主要用于建筑鋼結(jié)構(gòu)中的梁、柱構(gòu)件。地下工程的鋼樁及支護(hù)結(jié)構(gòu)。大跨度鋼橋構(gòu)件?；疖?、汽車、拖拉機(jī)大梁支架。采用數(shù)控平面鉆床鉆削動(dòng)力頭實(shí)現(xiàn) H 鋼的孔加工是較為理想的加工方式之一。數(shù)控平面鉆床自控行程的鉆削動(dòng)力頭可以像組合機(jī)床那樣實(shí)現(xiàn)多動(dòng)力頭在一臺(tái)機(jī)床上使用，大大的提供加工效率。4 / 512 . 數(shù)控平面鉆床液壓進(jìn)給鉆削動(dòng)力頭總體方案設(shè)計(jì) 鉆削動(dòng)力頭系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案要求由于設(shè)計(jì)的多解性和復(fù)雜性，滿足某種功能要求的機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案可能會(huì)有多種，因此，在考慮機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案時(shí)，除滿足基本的功能要求外，還應(yīng)遵循以下原則：① 機(jī)械系統(tǒng)盡可能簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)鏈盡量簡(jiǎn)短 在保證實(shí)現(xiàn)功能要求的前提下，應(yīng)盡量采用構(gòu)建數(shù)和運(yùn)動(dòng)副數(shù)少的機(jī)構(gòu)，這樣可以簡(jiǎn)化機(jī)器的構(gòu)造，從而減輕重量，降低成本。選擇運(yùn)動(dòng)副 高副機(jī)構(gòu)可減少構(gòu)建數(shù)的運(yùn)動(dòng)副數(shù)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。在一般情況下，應(yīng)優(yōu)先考慮低副機(jī)構(gòu)，而且盡量少用移動(dòng)副。目前，電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)使用最廣泛，但是應(yīng)結(jié)合具體情況靈活選擇。該設(shè)計(jì)中選用變頻三相電動(dòng)機(jī)提供主運(yùn)動(dòng)動(dòng)力，省去了齒輪傳動(dòng)部分，使鉆削動(dòng)力頭尺寸減小，制造成本也降低。采用對(duì)稱布置的機(jī)構(gòu)。該鉆削動(dòng)力頭采用雙液壓對(duì)稱布置在主軸兩側(cè)，為主軸提供對(duì)稱的軸向力，避免了主軸受到側(cè)向顛覆力。該鉆削動(dòng)力頭采用了 PLC 控制系統(tǒng)，控制相應(yīng)的液壓回路系統(tǒng)，能使動(dòng)力頭工作時(shí)進(jìn)給行程可控，并能自控形成，很大程度上降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。然后再把這三個(gè)部分集為一體。傳統(tǒng)的鉆床一般都用電動(dòng)機(jī)作為主運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源，然后再通過齒輪傳動(dòng)，把電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力傳遞給主軸。然后經(jīng)過帶輪把變頻電機(jī)的運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力傳遞給主軸，由于沒有齒輪的傳動(dòng)，為了避免帶輪打滑而影響運(yùn)動(dòng)傳遞，在此采用同步帶輪傳動(dòng)。（2） 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方案選擇6 / 51 外置液壓缸鉆削動(dòng)力頭數(shù)控平面鉆床液壓進(jìn)給鉆削動(dòng)力頭的方案設(shè)計(jì)，主要在于確定動(dòng)力頭的液壓進(jìn)給方式。外置 是指為鉆削動(dòng)力頭提供軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的液壓缸置于主軸座外邊，然后通過與之相配套的機(jī)械滑臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)副。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。內(nèi)置 是指為鉆削動(dòng)力頭提供軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的液壓缸置于動(dòng)力頭內(nèi)部，與主軸套筒合為一個(gè)整體。一般用于機(jī)加工。 內(nèi)置液壓缸鉆削動(dòng)力頭結(jié)合液壓缸外置和內(nèi)置這兩種傳統(tǒng)鉆削動(dòng)力頭的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)第三種方案。通過以上的三種液壓進(jìn)給方案的分析，第三種方案揚(yáng)長(zhǎng)避短，既能減小鉆削動(dòng)力頭的體積，又能提高其工作行程。（3） 控制系統(tǒng)的方案選擇鉆床的控制系統(tǒng)有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng) DCS 與 PIC 控制系統(tǒng)等。PLC 控制系統(tǒng)的可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)、維護(hù)方便，容易改造，體積小，重量輕，能耗低等特點(diǎn)。主運(yùn)動(dòng)采用變頻電機(jī)作為動(dòng)力源，通過變頻調(diào)速改變主運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速；變頻電機(jī)輸出的運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力直接通過同步帶輪傳遞給主軸。此方案使主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)副同時(shí)實(shí)現(xiàn)。主軸進(jìn)給的工進(jìn)行程由安裝在主軸尾部的端子板行程開關(guān)來(lái)控制，由端子板行程開關(guān)從主軸工進(jìn)開始時(shí)通過判定主軸的工進(jìn)距離，當(dāng)鉆頭鉆透或者鉆到一定距離的時(shí)候，主軸暫停預(yù)定時(shí)間后快速退回。即鉆削動(dòng)力頭的進(jìn)給為：快進(jìn)——工進(jìn)（碰到工件時(shí)，緩沖彈簧壓縮，感應(yīng)器發(fā)出信號(hào)給 PLC 控制液壓回路）——暫停（由端子板行程開關(guān)控制，當(dāng)鉆透或鉆到一定深度，暫停）——快退（暫停預(yù)定時(shí)間后，延時(shí)開關(guān)合閉，主軸快速退回）——原始停止（退到原始位置，碰到位置擋塊，使主軸停止進(jìn)給或進(jìn)入下一工作循環(huán)）。本論文設(shè)計(jì)的鉆削動(dòng)力頭的鉆孔范圍是 10 30mm，最大工作行程是 200mm。可實(shí)現(xiàn)進(jìn)給時(shí)自控行215Q?b?程，且行程可控；其鉆削動(dòng)力頭工作時(shí)，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(shí)暫停進(jìn)給，最后快速退回原始位置后停止。為了計(jì)算出所需的主要參數(shù)，本論文中選用整體麻花鉆作為計(jì)算評(píng)估刀具。184WCrV設(shè)計(jì)參數(shù)主要是由規(guī)定的工件最大孔徑鉆削參數(shù)來(lái)確定的。KFK同理，得最小切削力為 min0FXYCdf???.?7N?該公式中：鉆削最小孔徑時(shí)所需要的力，即鉆削過程中所需要的最小鉆削力，N；maxF 材料系數(shù)，根據(jù)材料查表得 =；CFC 鉆削孔徑，此式中 =10mm；0d0d 等于 1；FX 等于 ；Y 進(jìn)給量，此式中 =；f f 工件的硬度系數(shù)，取 =。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 / 51 工件的硬度系數(shù)， =。 由切削功率公式 32106MnP????式中： 鉆削過程中所需要的功率，KW；M n鉆頭的轉(zhuǎn)速，n=230r/min； M鉆削扭矩，M= 。那么大修間隔期工作時(shí)間為 308340hLh????11 / 514 . 主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由總體方案設(shè)計(jì)，已知主運(yùn)動(dòng)由變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，經(jīng)過皮帶輪的傳動(dòng)，再經(jīng)過滑移花鍵把運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞給主軸。 電動(dòng)機(jī)的選擇一般傳統(tǒng)的鉆床，都是通過齒輪傳動(dòng)把電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)傳遞給主軸，使主軸的主運(yùn)動(dòng)速度改變。使用變頻調(diào)速電機(jī)作為主運(yùn)動(dòng)動(dòng)力源，不但省去了齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的繁瑣設(shè)計(jì)，使動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單；同時(shí)滿足了主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的無(wú)極調(diào)速。變頻三相異步電機(jī)，主要是靠調(diào)節(jié)供電頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的。如圖 所示。變頻器實(shí)際作為三相電機(jī)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(jī)，使電機(jī)能按不同速度轉(zhuǎn)動(dòng)。從這個(gè)公式就可以看出，要想改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以改變 f，s，p 這三個(gè)量中的任意一個(gè)，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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。由傳動(dòng)效率公式 MP 1234=????式中： 總傳動(dòng)效率；?主軸軸承的傳動(dòng)效率， =；1 1? 主軸花鍵的傳動(dòng)效率， =；2 2帶傳動(dòng)效率， =；3?3帶輪軸承的傳動(dòng)效率， =。?得電動(dòng)機(jī)的功率為： ???D根據(jù)鉆削動(dòng)力頭的工作要求，選擇:日立牌 YVF 0OL8 變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)，額定功率為 。如圖 所示。帶傳動(dòng)的基本組成零件為帶輪（主動(dòng)帶輪和從動(dòng)帶輪）和傳動(dòng)帶。帶傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)平穩(wěn)，價(jià)格低廉和緩沖吸振等特點(diǎn)，在近代機(jī)械中應(yīng)用廣泛。同步帶（又稱為同步齒形帶），以鋼絲繩為抗拉層，外面包覆聚氨醋或氯丁橡膠而組成。由于帶與帶輪無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，能保持兩輪的圓周速度同步，故稱為同步帶傳動(dòng)。同步帶的缺14 / 51點(diǎn)是：制造、安裝精度要求較高，中心距要求嚴(yán)格。齒形帶傳動(dòng)，帶速可達(dá) 50m/s，傳動(dòng)比可達(dá) 10，傳遞功率可達(dá) 200kw。已知同步帶和同步帶輪齒形為梯形，按周節(jié)制公式計(jì)算。圖 同步帶及同步帶輪（1） 設(shè)計(jì)功率 dp由公式 APK?式中：為工況系數(shù)，按每天運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為 10～18h，查表（GB/T11362AK）得 =；AKP傳動(dòng)電機(jī)功率，已知 P=。b1nbP（3） 小帶輪齒數(shù) z15 / 51按電機(jī)轉(zhuǎn)速和 H 型同步帶查表得 。1i?（4） 小帶輪節(jié)圓直徑 1d ????（5） 帶輪 v ??（6） 傳動(dòng)比 i 初取傳動(dòng)比 i=3。（8） 大帶輪節(jié)圓直徑 2d ????查標(biāo)準(zhǔn)表取 = mm2（9） 初定中心距 0a由公式： ()()dad???得： 為使結(jié)構(gòu)緊湊，減小體積，盡量縮小中心距。0a（10）初定帶的節(jié)線長(zhǎng)度 及其齒數(shù)OPLbz ??2102104daa????????????=600++=查標(biāo)準(zhǔn)表，取帶的實(shí)際節(jié)線長(zhǎng)度 ，帶的齒數(shù) 。（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 / 51根據(jù) H 型同步帶查表，取 =。帶輪的各參數(shù)，如表 所示,表 同步帶輪的各尺寸參數(shù)項(xiàng)目 大帶輪 小帶輪齒輪 z 60 20節(jié)