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切管機的機械結構設計 摘 要 液壓切管機床是一種新型管材下料機床，是在傳統(tǒng)機床設計基礎上與液壓系統(tǒng)相結合而設計的。該機床主要包括主軸箱，定心夾具，摩擦送料機構，液壓系統(tǒng)，電氣控制系統(tǒng)等。其特點為：切割管料范圍廣，噪聲污染小，操作控制簡單，結構尺寸小，占地面積小，成本低廉，適合中小批量生產的廠家。隨著科學技術的發(fā)展，各種新材料、新工藝和新技術不斷涌現，機械制造工藝正向著高質量、高生產率和低成本方向發(fā)展。各種新工藝的出現，已突破傳統(tǒng)的依靠機械能、切削力進行切削加工的范疇，可以加工各種難加工材料、復雜的型面和某些具有特殊要求的零件。數控機床的問世，提高了更新頻率的小批量零件和形狀復雜的零件加工的生產率及加工精度。特別是計算方法和計算機技術的迅速發(fā)展，極大地推動了機械加工工藝的進步，使工藝過程的自動化達到了一個新的階段。液壓切管套絲機應用范圍十分廣泛，它的一種金屬切割機床。隨著計算機、液壓等先進技術的廣泛應用，液壓切管套絲機制造水平大大提高。進一步開發(fā)自動定長，自動夾緊，自動切削，通過PLC控制來實現切刀自動進給和返回進行切削管料。 關鍵詞：切管機；送料；定心夾具；切斷 Abstract Hydraulic pipe cutting machine is a new kind of pipe cutting machine tool, is based on the traditional machine tool design combined with a hydraulic system is designed. This machine is mainly including spindle box, centralizer, friction feeder structure, hydraulic system, electrical control system, etc. Its characteristic is: cutting the pipe material is wide, small noise pollution, simple operation control, the structure of small size, cover an area of an area small, low cost, suitable for medium and small batch production of the manufacturers. With the development of science and technology, all kinds of new materials, new technology and new technologies are emerging, and the mechanical manufacturing technology is developing in the direction of high quality, high productivity and low cost. The emergence of a variety of new technology, has broken through the traditional rely on mechanical energy, cutting force to carry out the scope of the cutting process, can process a variety of difficult processing materials, complex surfaces and certain parts with special requirements. The advent of CNC machine tools to improve the frequency of small batch parts and the shape of complex parts processing productivity and processing accuracy. In particular, the rapid development of computational methods and computer technology has greatly promoted the progress of mechanical processing technology, so that the automation of the process has reached a new stage. Keywords：Pipe cutter; Feeding; Centering fixture; Cut off the 目 錄 摘 要 I Abstract II 第1章 緒 論 1 1.1 選題的背景 1 1.2 國內外的現狀和發(fā)展 1 1.3 研究設想與設計方法 1 1.4 預想結果 1 第2章 液壓切管套絲機總體方案的確定 3 2.1 液壓切管套絲機總體設計 3 2.2總體方案綜合評價和選擇 3 2.3液壓切管套絲機設計修改和優(yōu)化 3 2.4本章小結 4 第3章 液壓切管套絲機總體布局的設計 5 3.1 液壓切管套絲機總體布局的分析 5 3.2 總體布局的初步擬定 5 3.3 總體布局的最終確定 5 3.4 本章小結 6 第4章 電動機的選取 7 4.1電動機類型和結構形式 7 4.2 電動機的容量 7 4.3套絲電動機的選取 7 4.4液壓馬達的選取 9 4.5本章小結 9 第5章 套絲機的設計 10 5.1設計思路 10 5.2工作原理 11 5.3連接固定方式 11 5.4蝸輪蝸桿轉動機構 11 5.5本章小結 14 第6章 軸的設計與計算 15 6.1蝸桿軸最小尺寸的確定 15 6.2蝸桿軸各段尺寸的確定 15 6.3蝸輪軸各段尺寸的確定 16 6.4軸上零件的周向定位 17 6.5蝸輪軸上的載荷 17 6.6軸承的校核 21 6.7本章小結 22 第7章 聯軸器、鍵的校核及選擇 23 7.1聯軸器類型的選擇 23 7.2鍵的選擇及強度計算 24 7.3本章小結 25 第8章 切管機的設計計算 26 8.1切管機的組成 26 8.2套絲機工作原理 26 8.3切刀尺寸的選取和設計 27 8.4 V帶轉動的設計計算 27 8.5 V帶輪設計 29 8.6本章小結 30 第9章 液壓系統(tǒng)的設計計算 31 9.1液壓轉動系統(tǒng)設計一般步驟進行 31 9.2明確液壓系統(tǒng)的技術要求 31 9.3液壓系統(tǒng)的功能設計 31 9.4本章小結 42 結 論 43 致 謝 44 參考文獻 45 V 第1章 緒 論 1.1 選題的背景 液壓切管套絲機應用范圍十分廣泛，它的一種金屬切割機床。隨著計算機、液壓等先進技術的廣泛應用，液壓切管套絲機制造水平大大提高。進一步開發(fā)自動定長，自動夾緊，自動切削，通過PLC控制來實現切刀自動進給和返回進行切削管料。 1.2 國內外的現狀和發(fā)展 當今液壓切管套絲機的發(fā)展趨勢是在切割管材并套絲時能夠自動定長、自動夾緊、自動切削、并通過液壓技術、PLC技術進行控制。 1）規(guī)格 切管機有自動液壓切管機、半自動切管機、手動切管機，大多為小型機床，套絲機有電動套絲機，手動套絲機，以小型為主。 2）控制 以液壓技術和PLC技術為主，能過自動定長、自動夾緊、自動切削，70%以上的切管為液壓型。 3）功能 該機適于加工較長的管材，直徑為在，壁厚不大于。能夠套絲直徑為規(guī)格不同鐵管的螺紋。 1.3 研究設想與設計方法 改裝前我們對普通切管套絲機所存在的缺點和一些影響機床精度和質量的因素，進行了調查和分析，決定把研究方向放在解決下面六個問題上： 1）減少加工費用。 2）改善機床的噪聲。 3）實現切刀的自動進給。 4）合理選擇轉動機構。 5）能夠加工長管材、能對直徑比較大的管材進行套絲。 6）用液壓系統(tǒng)控制切刀的進給量。 1.4 預想結果 1）與普通車床相比，解決了不能加工較長管料的難題。 2）與砂輪切割機相比，提高了加工質量，解決了消耗資金大、環(huán)境污染嚴重等問題。 3）由于該機是刀具通過旋轉運動來切削固定不動的工件，所以結構緊湊，制造成本低。 4）由電動機帶動蝸輪蝸桿轉動機構對管料進行套絲，從而結構比較緊湊，工作穩(wěn)定。 5）由液壓馬達驅動經V型皮轉動帶動切刀旋轉，減少了噪聲污染。 第2章 液壓切管套絲機總體方案的確定 2.1 液壓切管套絲機總體設計 主要技術指標設計是后續(xù)設計的前提和依據。設計任務的來源不同，如工廠的規(guī)劃產品，或根據機床系列型譜進行設計的產品，或用戶訂貨等，具體的要求不同，但所要進行的內容大致相同。主要技術指標包括： 1） 用途 可切割并套絲一定范圍直徑的金屬管材 2） 主要參數 機床外廓尺寸 2000mm×1000mm×1200mm(長×寬×高) 切刀旋轉面積 切刀長度 200mm 切刀轉速范圍 套絲轉速 切割管材直徑 套絲直徑 3） 驅動方式 液壓切管套絲機有液壓及機械兩種傳動；切刀工作進給及旋轉靠液壓、機械傳動，套絲由蝸輪蝸桿轉動進行套絲。 2.2總體方案綜合評價和選擇 液壓切管套絲機的總體轉動方式主要有三種：工件旋轉切刀垂直進給、工件旋轉并且?guī)忧械缎D進給、切刀旋轉工件固定。 1）工件旋轉切刀垂直進給式:結構簡單，適用于小批量切削。缺點是，切刀容易崩碎。 2）工件旋轉并且?guī)忧械缎D進給:能夠進行無屑切削、節(jié)省材料。缺點是，受力大，管材摩擦力大。 3）切刀旋轉工件固定式:結構緊湊、制造方便、成本低。切削穩(wěn)定。 三種轉動方式中切刀的進給量都依靠液壓驅動。綜上所訴，我選擇第三種方案、切刀旋轉工件固定為轉動方式對管材進行切割及套絲。 2.3液壓切管套絲機設計修改和優(yōu)化 1）將液壓系統(tǒng)驅動切刀的向下進給，用液壓系統(tǒng)的差動回路，使切刀進行快速進給、工作進給。 2）由電動機經V型帶帶動切刀旋轉運動，從而結構簡單并且經濟，由電動機帶動蝸輪蝸桿轉動帶動套絲板裝置對管件進行套絲，結構比較緊湊。 2.4本章小結 設計任務的來源不同，如工廠的規(guī)劃產品，或根據機床系列型譜進行設計的產品，或用戶訂貨等，具體的要求不同，但所要進行的內容大致相同。 第3章 液壓切管套絲機總體布局的設計 3.1 液壓切管套絲機總體布局的分析 由于液壓切管套絲機的總體布局關系著它的性能，質量和整體的合理型，所以在決定液壓切管套絲機布局時，應注意以下幾個問題： 1） 液壓切管套絲機的剛度，精度，抗振性和穩(wěn)定性。支撐部件應力求有足夠的剛度，運動件在不影響本身剛度的條件下，應盡可能做到體積小，重量輕。 2）液壓切管套絲機的布局應盡量使傳動鏈較短，以簡化結構，提高傳動精度和效率，減少功率損失和發(fā)熱量，降低制造成本。采用合理布局，例如V帶傳動，蝸輪蝸桿轉動等。 3） 液壓切管套絲機操作與調整要簡單，裝拆與維修要方便，排屑與冷卻要暢通，聯鎖與防要安全可靠。在考慮機床布局時必須重視減輕工人的勞動強度，改善勞動條件和環(huán)境，如操作三角夾盤位置高低適當，并盡量集中。 4） 液壓切管套絲機的外觀輪廓應美觀，大方和協(xié)調。 3.2 總體布局的初步擬定 根據圖3-1中所作的分析，可以從大體上知道了總體布局需要涉及的問題。此時參看設計任務書可知道設計的要求。因此，總體布局必須要完成設計所要求的內容。 一般來說，由于后床腿承受的力較大，故后床腿尺寸要大些，前床腿可以小些。一般車床的高度都在800-1800mm之間。為了工人的操作方便，要將前后兩床腿同時加高一部分，大約在400-500mm之間最為適宜。主要材料采用水泥等即可。液壓切管套絲機的外觀造型模仿車床的大體外觀。 3.3 總體布局的最終確定 綜合以上分析，確定設計方案如圖3-1 圖3-1 液壓切管套絲機總體裝配圖 3.4 本章小結 經分析可以從大體上知道了總體布局需要涉及的問題。此時參看設計任務書可知道設計的要求。因此，總體布局必須要完成設計所要求的內容。 第4章 電動機的選取 4.1電動機類型和結構形式 電動機分交流電動機和直流電動機兩種。由于生產單位一般多采用三相交流電動機因此，無特殊要求時均應選用三相交流電動機。其中以三相異步交流電動機應用最廣泛。根據不同防護要求，電動機有開啟式、防護式、封閉自扇冷式和防爆式等不同的結構形式。Y系列三相籠型異步電動機是一般用途的全封閉自扇冷式電動機，由于其結構簡單、工作可靠、價格低廉、維護方便，因此廣泛應用于不易燃、不易爆、無腐蝕性氣體和無特殊要求的機械上，如金屬切削機床、運輸機、風機、掘拌機等。常用Y系列三相異步電動機的技術數據和外形尺寸見相關手冊。對于經常起動、制動和正反轉的機械，如起重、提升設備，要求電動機具有較小的轉動慣量和較大過載能力，應選用冶金及起重用三相異步電動機YZ型（籠型）或YZR型（繞線型）。 電動機的類型和結構形式應根據電源種類（交流或直流）、工作條件（環(huán)境、溫度、空間位置等）、在和大小和性質（變化性質、過載情況等）、起動性能和起動、制動、正反轉的頻率頻繁程度等條件來選擇。 4.2 電動機的容量 功率選擇得是否合適，對電動機的正常工作和經濟性都有影響。容量選得過小，不能保證工作機正常工作，或使電動機因超載而過早損壞，而容量選得過大，則電動機的價格高，能力又不能充分利用，而且由于電動機經常不滿載運行，其效率和功率因數都較低，增加奠定消耗而造成能源的浪費。 電動機的容量主要根據電動機運行時的發(fā)熱條件來決定。對于載荷比較穩(wěn)定、長期連續(xù)運行的機械（如運輸機），只要所選電動機的額定功率Pm 等于或稍大于所需得電動機工作功率P0，即可，即Pm ≧P0，這樣選擇的電動機就能安全工作，不會過熱，因此通常不必校驗電動機的發(fā)熱和起動轉矩。 4.3套絲電動機的選取 套絲電動機功率必須要合理確定，若功率選用得過大，則消耗電力多，造成浪費，選用得過小，則又使機床的使用效率受到了限制。一般使用下述方法互相參考比較而定。 根據[14]可得電動機的功率公式為： （4-1） （4-2） （4-3） 式中： ——工作機的有效功率，即工作機的輸出功率，單位為KW，它有工作機的工作阻力和運動參數確定； V ——為工作機的線速度，單位為m/s； ——從電動機到工作機間的總效率。她為組成傳動裝置和工作機的各部分運動副或傳動副的效率之乘積； ——蝸輪傳動的效率； ——兩對圓錐滾子軸承的效率； 計算總效率時，應注意以下幾點： （1）各機械傳動效率的概率值，各概略值都有一定的范圍，一般取個范圍的中間值。 （2）帶傳動的效率是指V帶的傳送效率，我們在這采取的是V帶A型。 （3）軸承的效率包括兩對圓錐滾子軸承，在計算時要把兩對轉動都考慮在內，不要漏掉。 切管電動機所需功率： F =2000N，V=0.2m/s，工作機的效率。取。代入（4-2）式得 根據上面的公式要使電機能夠安全的實現工件的工作我們所選擇電動機的功率必須大于計算所得的功率，當所選電動機的功率大于工作所需功率時電動機的能量有所浪費，當電動機的功率小于工件完成運動所需要的功率時則不能安全的實現工件主軸的做功。電動機轉速選擇的是否合理，容量相同的三相異步電動機，一般有3000r/min、1500r/min、1000r/min及750r/min四種同步轉速。電動機同步轉速愈高，磁極對數愈少，價格愈低。但是電動機轉速愈高，傳動裝置總傳動比愈大，會使傳動裝置外部尺寸增加，提高制造成本。而電動機同步轉速愈低，其優(yōu)缺點剛好相反。因此，在確定電動機轉速時，應綜合考慮，分析比較。電動機轉速對整個機構的運動的速度都有很大的影響。電動機的轉速經過蝸輪傳動進行減速，再由蝸輪軸帶動套絲筒進行旋轉運動，由此可得電動機速度的選擇要根據蝸輪的轉動比來綜合考慮。 所以取電機的額定功率為0.75KW。 由上述可得我們選用電動機的轉速為1440r/min。 4.4液壓馬達的選取 1）液壓馬達與液壓缸一樣，也是液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行器，液壓馬達是把液壓能轉換成連續(xù)回轉機械能，液壓馬達輸入油液的實際壓力稱為工作壓力P，工作壓力取決與負栽。額定壓力是指液壓馬達在正常工作條件下，按試驗標準規(guī)定連續(xù)運轉的最高壓力。液壓馬達可以進行無級調速，質量輕等優(yōu)點。根據切刀的轉速，與其帶的轉動比，來選擇液壓馬達。 馬達型號 理論排量 額定壓力16 公稱轉速2600 最低轉速600 理論轉矩64 重量3.4 2）系列高壓齒輪馬達為三片結構，主要由鋁合金制造的前蓋，中間體，后蓋合金鋼制造的壓力板等部件組成。前后蓋內各壓裝兩個DU軸承，DU材料使齒輪泵提高了壽命，壓力板是徑向和軸向壓力補償的主要元件，可以減輕軸承載荷和自動調節(jié)齒輪軸向間隙，從而有效地提高齒輪馬達的性能指標和工作可靠性。 3）液壓馬達的實際輸入功率為 ——液壓馬達的工作壓力 ——馬達的實際流量 液壓馬達的工作壓力 ，已知液壓馬達軸的直徑為。 4.5本章小結 由于生產單位一般多采用三相交流電動機因此，無特殊要求時均應選用三相交流電動機。功率選擇得是否合適，對電動機的正常工作和經濟性都有影響。 第5章 套絲機的設計 5.1設計思路 套絲機是一種管件螺紋加工的一種機械。本機器適用于套絲直徑為的管件，設計套絲機首先要考慮管件的夾緊問題，大多夾緊機構采用液壓夾緊，由于管件比較長，難于對管件自動送料，自動化不能得到實現，所以無需對管件自動夾緊，本機器采用手工夾緊，主要考慮了加工、套絲管件方便。 再次必須考慮套絲機的套絲速度，由電動機帶動轉動機構進行套絲時，轉動比比較大，從設計方案中，可以想到用蝸輪蝸桿轉動機構，由于轉動比要求很大，采用蝸桿頭數為， 套絲對管件進行套絲必須具備兩個運動條件：一、是套絲筒必須有軸向移動的距離。二、在套絲時，套絲機必須對管件有個軸向力。 要使套絲機對管件產生一個推力，必須要使套絲機向管件方向移動，我采用液壓轉動來作為驅動力，推動套絲機向管件方向移動。 套絲管件時，為了使管件受力均勻，采用四把刀對管件進行套絲。 圖5-1 套絲機構 5.2工作原理 管件固定，套絲筒旋轉。由電動機產生驅動力，帶動蝸輪蝸桿轉動機構，經蝸輪軸帶動套絲筒做旋轉運動。蝸輪軸與套筒是通過滑鍵聯接，軸上的套筒則可沿鍵作軸向滑移?；I固定在套筒上，套筒帶動滑鍵在軸上的鍵槽中作軸向滑移。這樣，只需在軸上銑出較長的滑鍵，而鍵可做得較短。套絲需要軸向進給外，還需軸向力，軸向力由液壓驅動為動力，經液壓缸的軸推動減速器箱底的肋板，產生軸向力，帶動減速器軸向移動，移動導軌采用車床的三角導軌，液壓缸軸與減速器箱底的肋板是焊接固定的，在液壓驅動下，減速器能夠自動進給和自動返回。 5.3連接固定方式 管件采用三角爪盤來固定，進行人工操作。蝸輪軸與套絲筒的軸向固定采用螺母聯接。套絲刀與套絲筒的固定采用螺釘聯接。液壓缸與支座的固定采用螺紋銷聯接。減速器的固定方式由：軸承端蓋固定圓錐滾子軸承的軸向運動，電動機軸與蝸桿軸通過聯軸器來固定，蝸輪與蝸輪軸通過平鍵來固定，液壓缸軸與減速器箱底的肋板是焊接固定。 5.4蝸輪蝸桿轉動機構 （1）選擇蝸桿轉動類型 根據，采用漸開線蝸桿（ZI） （2）選擇材料 根據庫存材料的情況，并考慮到蝸桿轉遞的功率不大，速度只是中等，故蝸桿用45鋼；因希望效率高些，耐磨性好些，故蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬度為。蝸輪用鑄錫磷青銅ZCuSn10P1。金屬模鑄造，為了節(jié)省貴重的有色金屬，僅齒圈用青銅制造，而輪芯用灰鑄鐵制造。 （3）按齒面接觸疲勞強度進行設計 根據閉式蝸桿轉動的設計準則，先按齒面接觸疲勞強度進行設計，再按校核齒根彎曲疲勞強度。轉動中心距 （5-1） 1）確定作用在蝸輪上的轉矩 按，估取效率， 2）確定載荷系數 因工作載荷較穩(wěn)定，估取載荷分布不均系數，由機械設計表11-5選取使用系數；由于轉速不高，沖擊不大，可取動載系數；則 3）確定彈性影響系數 因選用的是鑄錫磷青銅蝸輪和鋼蝸桿相配，故。 4）確定接觸系數 選假設蝸桿分度圓直徑和轉動中心距的比值 ，從機械設計圖11-18中可查得。 5）確定許用接觸應力 根據蝸輪材料為鑄錫磷青銅ZCuSn10P1，金屬摸鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度，可從機械設計表11-7中查許用應力。 應力循環(huán)次數 壽命系數 則 6）計算中心距 取中心距，因，故取模數4，蝸輪分度圓 直徑，這時 從機械設計圖11-8中可查得接觸系數 因為 因此以上計算結果可用。 （4）蝸輪與蝸桿的主要參數與幾何尺寸 軸向齒距 直徑系數 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 分度圓導程角；蝸桿軸向齒厚 （5）蝸輪 蝸輪齒數；變位系數-0.500； 驗算轉動 ；這時轉動比誤差為 是允許的 蝸輪分度圓直徑 蝸輪喉圓直徑 蝸輪齒頂圓直徑 齒頂高 齒根高 蝸輪齒根圓直徑 蝸輪咽喉圓半徑 （6）校核齒根彎曲疲勞強度 當量齒數 根據=-0.5,=52.28,查得齒形系數 螺旋角系數 許用彎曲應力 從表中查得由ZCuSn10P1制造的蝸輪的基本許用彎曲應力 壽命系數 彎曲強度是滿足的。 5.5本章小結 設計套絲機首先要考慮管件的夾緊問題，大多夾緊機構采用液壓夾緊，由于管件比較長，難于對管件自動送料，自動化不能得到實現，所以無需對管件自動夾緊，本機器采用手工夾緊，主要考慮了加工、套絲管件方便。 第6章 軸的設計與計算 6.1蝸桿軸最小尺寸的確定 軸的設計計算需要注意以下內容 1）軸的材料主要是碳鋼和和合金鋼，根據需要選用45鋼。 2）零件的軸向定位 軸上零件的軸向定位是以軸肩、套筒、軸端擋圈、軸承端蓋和圓螺母等來保證的，定位軸肩的高度一般取為，為與零件相配處的軸的直徑。單位為。滾動軸承的定位軸肩的高度必須低于軸肩內圈端面的高度，以便拆卸軸承。 3）蝸桿軸上的功率P1，轉速n1和轉矩T1 P1＝0.57KW， n1＝910r/min （6-1） 4）初步估算蝸桿軸的最小直徑 先按式機械設計手冊初步估算軸的最小直徑，選取軸的材料為45號鋼，調質處理，根據《機械設計》，取得A0＝110，于是得 考慮軸上鍵槽的削弱，軸徑需加大，取 6.2蝸桿軸各段尺寸的確定 根據軸向定位的要求確定軸的各段長和直徑擬定軸上的零件裝配方案，軸上的大部分零件包括齒輪，套筒，軸承和軸承端蓋及聯軸器幾大部分。 已知階梯軸有如下公式 軸肩（環(huán)）高度 軸環(huán)寬度 1）由計算可的軸的最小直徑為24mm,故軸段I的直徑為。故取軸段I的長度。 2）軸段I采用鍵定位，其尺寸為，由于軸段I僅僅是用鍵來定位的，所以軸段I的長度與鍵的寬度和高度有關，所以。 3）取安裝軸承端蓋的軸段II的直徑; 4）軸段III的左端是由圓錐滾子軸承3106固定，為了是軸的受力均勻和穩(wěn)定，故設計軸段IV并用軸承端蓋和軸環(huán)進行固定，通過查機械設計手冊第三卷，根據選定的圓錐滾子軸承的支承環(huán)的高度為2.5mm，并且選定軸III的直徑，為了使軸承緊密的固定在軸上，軸段III的長度選為。 5）軸環(huán)的寬度為，由蝸寬度，得。 圖6-1 蝸桿軸的結構示意圖 6.3蝸輪軸各段尺寸的確定 1）由計算可的軸的最小直徑為26mm,故軸段I的直徑為。由于I段與鍵聯接，外加圓螺母固定，故取軸段I的長度。 2）軸段I采用鍵定位，其尺寸為，由于軸段I僅僅是用鍵來定位的，所以軸段I的長度與鍵的寬度和高度有關，所以。 3）取安裝軸承端蓋的軸段II的直徑; 4）軸段III的左端是由圓錐滾子軸承3106固定，為了是軸的受力均勻和穩(wěn)定，故設計軸段IV并用軸承端蓋和軸環(huán)進行固定，通過查機械設計手冊第三卷，根據選定的圓錐滾子軸承的支承環(huán)的高度為2mm，并且選定軸III的直徑，為了使軸承緊密的固定在軸上，軸段III的長度選為。 5）軸段IV為鍵槽，與蝸輪連接，已知蝸輪的寬度為，為了便于固定蝸輪，軸段IV的長度應小于蝸輪的寬度，所以。 6）軸環(huán)的寬度為，由蝸桿寬度，得。 圖6-2 蝸輪軸結構示意圖 6.4軸上零件的周向定位 蝸桿軸與電動機軸的周向定位采用平鍵聯接。按查得平鍵截（GB/T1095－1979），鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為22mm（鍵長見GB/T1096-1979）[13]。滾動軸承與軸的周向定位是借過渡配合來保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為m6。確定軸上圓角和倒角尺寸參考機械設計手冊，取軸端倒角為2×45°，各軸肩處的圓角半徑為R＝1mm。 6.5蝸輪軸上的載荷 由機械設計手冊查得 畫軸受力結構簡圖如圖6-1所示 1）計算扭矩，蝸桿所受的外力偶矩為 取蝸桿軸最小直徑為，扭矩為 2）計算極慣性矩，軸橫截面的極慣性矩為 3）計算應力（切應力） 可以確定軸承的支撐點跨距，，， 水平面支反力： ， 垂直面支反力： 4）畫彎矩圖、轉矩圖 總彎矩 扭矩 彎矩圖如圖6-2 圖 6-3 工作軸的載荷分析圖 從圖中可知，截面E為危險截面，在截面E上，扭矩T和合成彎矩M分別為 T＝7870N?mm M＝14314.5N?mm 5)按第三強度理論進行強度校核: W為軸的抗彎截面系數，W=- W==331.2-56.3=274.9 ==222MPa<[]=237MPa 即軸的強度足夠。 6)校核軸的疲勞強度 在上面的分析中已判定E截面為危險截面，所以現在校核E面左右兩側即可，其他截面均無需校核。 抗彎截面系數為： 抗扭截面系數為： 彎矩M及彎曲應力為: M=14314.5 ===15.46MPa 扭矩T3及扭轉應力為： T3 ＝10947.7N?mm == =5.91MPa 軸的材料為45號鋼，調質處理， =640MPa,=275MPa,=155MPa。 過盈配合處的值，根據《機械設計》用插入法求出，并取， 于是得： =2.93, =0.8x2.93=2.35 軸按磨削加工，由《機械設計》得表面質量系數為==0.92 故得綜合系數為：K=--1=2.93+=3.02 K=+-1=2.35+=2.44 計算安全系數：S===1.85 S===4.48 Sca===1.7>S=1.5 故安全 截面E左側面校核： 抗彎截面系數W為： W=0.1d3=0.1x253=1562.5mm3 抗扭截面系數WT為： WT=0.2d3=0.2x153=3125mm3 彎矩M及彎曲應力為: M=54600 == =17.5Mpa 扭矩T3及扭轉應力為：T3=27300 ===40.4MPa 根據《機械設計》用插入法求得軸上鍵槽處的有效應力集中系數：k,k 由《機械設計》得尺寸系數 由《機械設計》 得扭轉尺寸 軸按磨削加工，由《機械設計》得表面質量系數為 ==0.92 軸未經表面強化處理，即，則按《機械設計》 ，得綜合系數值為： K=--1=0+=0.09 K=+-1=+=1.63 計算安全系數：S===18.89 S===4.57 Sca===4.4>S=1.5 故該軸在截面右側面是安全的，又因為軸無大的瞬時過載及嚴重的應力循環(huán)不對稱性，故可略去靜強度校核。 6.6軸承的校核 機床一般傳動軸的滾動軸承失效形式，主要是疲勞破壞，故應進行疲勞壽命計算。 對型號為3006圓錐滾子軸承進行校核。 由可知主動軸的軸向力。 所受徑向力：Fr=1754.5/2=877.25N 軸承安全。 6.7本章小結 軸上的大部分零件包括齒輪，套筒，軸承和軸承端蓋及聯軸器幾大部分。機床一般傳動軸的滾動軸承失效形式，主要是疲勞破壞，故應進行疲勞壽命計算。 第7章 聯軸器、鍵的校核及選擇 7.1聯軸器類型的選擇 為了隔離振動與沖擊，選用彈性套柱銷聯軸器 1）載荷計算 公稱轉矩 由表查得工作情況系數，計算轉矩為 2）型號選擇 從中查得型彈性套柱銷聯軸器的許用轉矩為，許用最大轉速為。 型號 許用轉矩 許用轉速[] 軸孔直徑 軸孔長度 轉動慣量 重量 型 鐵 鋼 鐵 鋼 250 3300 3800 32、35、38 82 60 82 160 5 45 0.026 10.36 40 40、42 工作溫度： 件號 名稱 材料 1、7 半聯軸器 鋼鐵 2 螺母 按性能等級5級 3 墊圈 4 擋圈 5 彈性套 橡膠 6 柱銷 35 8 制動輪 鑄鋼 7.2鍵的選擇及強度計算 1）鍵的選擇 鍵的選擇包括類型選擇和尺寸選擇兩個方面。鍵的類型應根據鍵聯接的結構特點、使用要求和工作條件來選擇；鍵的尺寸則按符合標準規(guī)格和強度要求取定。鍵的主要尺寸為其截面尺寸（一般以鍵寬鍵高表示）與長度L。鍵的截面尺寸按軸的直徑由標準中選定。鍵的長度一般可按輪轂的長度而定，即鍵長等于或略短于輪 的長度；而導向平鍵則按輪轂的長度及其滑動距離而定。一般輪轂的長度可取為，這里為軸的直徑。所選定的鍵長亦應符合標準規(guī)定的長度系列。重要的鍵聯接在選用鍵的類型和尺寸后，還應進行強度校核計算。 2）鍵聯接強度計算 滑鍵聯接強度計算，平鍵聯接轉遞轉矩時，聯接中各零件的受力情況。對于采用常用材料組合和按標準選取尺寸的普通平鍵聯接（靜聯接），其主要失效形式是工作面被壓潰，除非有嚴重過載，一般不會出現鍵的剪斷。因此，通常只按工作面上的擠壓應力進行強度校核計算。對于導向平鍵聯接和滑鍵聯接（動聯接），其主要失效形式是工作面的過度磨損。因此，通常按工作面上的壓力進行條件性的強度校核計算。假定載荷在鍵的工作面上均勻分布。 普通平鍵聯接的強度條件為 (7-1) 導向平鍵聯接和滑鍵聯接的強度條件為 (7-2) 式中： T——轉遞的轉矩（），單位為； K——鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，此處為鍵的高度，單位為； ——鍵的工作長度，單位為，圓頭平鍵，平頭平鍵，這里為鍵的公稱長度，單位為；為鍵的高度，單位為； —— 軸的直徑，單位為； [] ——鍵、軸、輪 三者中最弱材料的許用擠壓應力，單位為； [] ——鍵、軸、輪 三者中最弱材料的許用應力，單位為； 對套絲筒與蝸輪軸聯接的滑鍵進行強度校核 已知 (7-3) ，已知蝸輪蝸桿的轉動效率為，得 T——工作機的阻力矩 (7-4) 強度滿足條件。 7.3本章小結 鍵的類型應根據鍵聯接的結構特點、使用要求和工作條件來選擇；鍵的尺寸則按符合標準規(guī)格和強度要求取定。通常按工作面上的壓力進行條件性的強度校核計算。 第8章 切管機的設計計算 8.1切管機的組成 該切管機由動力部分（主動機）、工作部分、液壓部分、轉動部分（V型帶）輔助部分（支料滑車及導軌）組成。 圖8-1 切管機構裝配圖 1 支撐架2滾輪3管件4螺母5平鍵6 V型帶7皮帶輪8軸承端蓋9密封圈10圓錐滾子軸承11三角卡盤12切刀13彈簧14密封活塞15螺母16進油口17密封圈18夾緊機構 8.2套絲機工作原理 1）如圖8-1所示，工件向右進料，由于管件比較長，為了防止管件過長發(fā)生塑性彎曲，在夾緊機構后面加上支撐架，由滾輪帶動，當移動管件時減少摩擦力，減少勞動、強度。當三角卡盤夾緊管件后，主電機經V型帶帶動空心主軸轉動，液壓油通過進油口、聚油環(huán)槽進入軸上油路中，最后進入進刀油缸上腔，并推動進刀活塞運動，進刀活塞上緊固的刀具進行輾壓其管壁。直到管件發(fā)生塑性變形最終切削最終斷裂，液壓系統(tǒng)關閉換向閥，進刀活塞在彈簧的作用復位，即退刀，一個工作循環(huán)完成。 2）切管機液壓系統(tǒng)原理圖，它是單作用缸彈簧復位液壓回路。切管機采用了間隙密封技術，如圖 所示的聚油環(huán)槽兩邊的間隙密封處，要求研配后拋光，以獲得較小的密封性能，并保證較小的旋轉運動阻力和良好的密封性能，液壓系統(tǒng)工作時，液壓油從油口進入聚油槽中，此時無論空心主軸是靜止或是旋轉運動，都不會影響液壓油的正常流入軸上油路中，從而實現了相對旋轉運動機構間的液壓轉動。液壓通過間隙密封處，允許有微量的泄油流量，泄油油液流經軸承起潤滑作用，在經泄流回油箱。 8.3切刀尺寸的選取和設計 切刀是切管機的核心部件，應有一定的硬度和較好的韌性，減少切割作業(yè)中脆斷。切割刀采用耐沖擊工具鋼，經過特殊的熱處理工藝，由數控機車加工制成，保證了硬度和韌性要求。 由于管材直徑不斷增大。切刀的尺寸也不斷增大，為了減少切刀的尺寸，應選取硬度比較大的刀具。我采用了兩把切刀對管件進行工作，管件固定不動，切刀刀刃圓周高速旋轉，慢速切入進給，不斷輾壓其管壁，導致管壁塑性變型最終斷裂。由于切刀為無齒刀具，整個切削過程都不產生切屑，故稱之為無屑切削。 切刀控制原理：在這工作過程中切刀進給工作采用了液壓缸驅動，我采用液壓系統(tǒng)的差動連接，使得刀具能夠快速的運動，在短時間內接近管件。當刀具接觸管件后，由變量液壓泵產生小流量液壓油，從而推動刀具工作進給。當切斷管件后，液壓換向閥換向，高壓油回油，進回油箱。 切刀機械原理：活塞與切刀焊接而成，由泵產生高壓油推動密封活塞運動，導致切刀產生推力，對管件進行工作進給，當切斷管件后，高壓油回油箱，由彈簧產生復位力，使刀具返回原先位置。 8.4 V帶轉動的設計計算 (1)設計準則和單根V帶的基本額定功率 根據分析可知，帶轉動的主要失效形式即為打滑和疲勞破壞。因此，帶轉動的設計準則應為：在保證帶轉動不打滑的條件下，具有一定的疲勞強度和壽命。 (2)設計V帶轉動時給定的原始數據 轉遞的功率，轉速、（或轉動比），轉動位置要求及工作條件等。設計內容包括：確定帶的截型、長度、根數、轉動中心距、帶輪基準直徑及結構尺寸等。 (3)設計步驟和方法 1)確定計算功率 計算功率是根據轉遞的功率，并考慮到載荷性質和每天運轉時間長短等因素的影響而確定的。即 （8-1） 式中： — 計算功率，單位為； —轉遞的額定功率（例如電動機的額定功率），單位為； —工作情況系數； 已知電動機型號為，額定功率，轉速，轉動比，一天運轉時間。（以下《機械設計》為第七版，西北工業(yè)大學機械原理及機械零件教研室編著） 由機械設計表8-6查得工作情況系數，故 2）選取窄V帶型 根據、，由機械設計圖8-9確定選用型。 3)確定帶輪基準直徑 由機械設計表8-3和表8-7取主動輪基準直徑。 從動輪基準直徑 驗算帶的速度 帶的速度合適。 4）確定窄V帶的基準長度和轉動中心距 根據，初步確定中心距。 根據機械設計式（8-20）計算帶所需的基準長度 機械設計表8-2選帶的基準長度。 按公式計算實際中心距 5）驗算主動輪上的包角 主動輪上的包角合適。 6）計算窄V帶的根數Z （8-2） 由、、，查機械設計表8-5和表8-5 由機械設計表8-8得和表8-2得 取根 7）計算預緊力 由式（8-23）知 （8-3） 查機械設計表8-4得，故 8）計算作用在軸上的壓軸力 由機械設計式（8-24）得 8.5 V帶輪設計 1）V帶輪設計要求 設計V帶輪時應滿足的要求有：質量??；結構工藝性好；無過大的鑄造內應力；質量分布均勻，轉速高時要經過動平衡；輪槽工作面要精細加工（表面粗糙度一般應為3.2 ）以減少帶的磨損；各槽的尺寸和角度應保持一定的精度，以使載荷分布較為均勻等。 2）帶輪的材料 帶輪的材料主要采用鑄鐵，常用材料的牌號為或；轉速較高是宜采用鑄鋼（或用鋼板沖壓后焊接而成）；小功率時可用鑄鋁或塑料。 3）結構尺寸 鑄鐵制V帶輪的典型結構有以下幾種形式：實心式；腹板式；孔板式；橢圓輪輻式。 帶輪基準直徑（為軸的直徑，單位為）時，可采用實心式； 時，可采用腹板式（當時，可采用孔板式）；可采用輪輻式。 帶輪的結構設計，主要是根據帶輪的基準直徑選擇結構型式；根據帶的截型確定輪槽尺寸；帶輪的其它結構尺寸可參照機械設計圖8-12所列經驗公式計算。確定了帶輪的各部分尺寸后，即可繪制出零件圖，并按工藝要求注出相應的技術條件等。 圖8-2 V帶輪的結構 8.6本章小結 管件發(fā)生塑性變形最終切削最終斷裂，液壓系統(tǒng)關閉換向閥，進刀活塞在彈簧的作用復位，即退刀，一個工作循環(huán)完成。當切斷管件后，液壓換向閥換向，高壓油回油，進回油箱。 第9章 液壓系統(tǒng)的設計計算 9.1液壓轉動系統(tǒng)設計一般步驟進行 1）明確設計依據，進行工況分析 2）初步擬訂液壓系統(tǒng)原理圖 3）初步確定液壓系統(tǒng)參數 4）液壓元件的計算和選擇 5）液壓系統(tǒng)性能的驗算 6）繪制液壓系統(tǒng)工作圖編寫技術文件 9.2明確液壓系統(tǒng)的技術要求 機器設備的技術要求是設計液壓系統(tǒng)的依據和出發(fā)點。設計者應在設計之初與用戶或主機制造單位共同討論，并輔以調查研究，以求定量了解和掌握下列技術要求： 1）主機的工藝目的（用途）、結構布局（臥式、立式等）、使用條件（連續(xù)運轉、間歇運轉、特殊液體的使用）、技術特征（工作負載是阻力負栽還是超越負栽、恒值負載還是變值負栽，以及負載的大??；運動形式是直線運動、回轉運動還是擺動，位移、速度、加速度等運動參數的大小和范圍）等。由此確定哪些機構需要采用液壓轉動，所需執(zhí)行器的形式和數量，執(zhí)行器的工作范圍、尺寸、質量和安裝等限制條件。 2）各執(zhí)行器的動作循環(huán)與周期及各機構運動之間的連鎖和安全要求。 3）主機對液壓系統(tǒng)的工作性能如運動平穩(wěn)性、轉換精度、轉動效率、控制方式及自動化程度等要求。 4）原動機的類型（內燃機還是電動機）及功率、轉速和轉矩特性。 5）工作環(huán)境條件、如室內或室外、溫度、沖擊振動、易燃易爆及腐蝕情況等。 6）限制條件，如壓力脈動、沖擊、振動噪聲的允許值等。 7）經濟性要求，如投資費用、運行能耗和維護保養(yǎng)費用等。 9.3液壓系統(tǒng)的功能設計 切管套絲機切刀要完成快進—工進—快退—原位停止的工作循環(huán)，并按能滿足活塞僅單向運動，由外力使活塞反向運動的類型，即單作用式液壓缸最大切削力為；工件進給要求能在快進、快退速度為，工進行程為,摩擦系數,,兩把切刀重量為，往復運動的加速減速時間要求不大于0.5。 （1）設計要求： （2）確定執(zhí)行元件（液壓缸）的主要結構尺寸； （3）繪制正式液壓系統(tǒng)圖； （4）選擇各類元件及輔件的形成和規(guī)格； （5）確定系統(tǒng)的主要參數； （6）進行必要的性能估算（系統(tǒng)發(fā)熱計算和效率計算） （二）確定液壓缸的尺寸及工況圖 1．負載圖及速度圖 負載分析 （1）切削力 （2）摩擦阻力 （3） （4）將密封阻力考慮在液壓缸的機械效率中去，取液壓缸機械效率 （5）背壓力 表9-1 液壓缸各動作階段中的負載 工況 計算公式 液壓缸負載 液壓缸推力 啟動 100 111.11 加速 60.19 66.87 快速 50 55.55 工進 10050 11166.6 快退 50 55.55 快進速度 與快退速度相等，即，行程分別為， ，，，工行程。根據這些數據和表9-1 中的數值繪液壓缸的負載和速度圖，如圖9-1所示 圖9-1 液壓缸負載及速度 （三）初定液壓缸的結構尺寸 （1）初選液壓缸的工作壓力，初選。 （2）計算液壓缸的結構尺寸 因要求，故選用單桿式液壓缸，使，且快退時液壓差動連接。 因為是切割管材，為了防止切斷管材時工作部件突然前沖，回油中應有背壓。取背壓力。 快進時，液壓缸差動連接，由于管路中有壓力損失，所以這時液壓缸有桿腔中的壓力必大于無桿腔中的壓力，若估取這部分損失為，則。 快退時，油液從液壓缸無桿腔流出，是有阻力的，故也有背壓。此時背壓也按估取。 求出缸體的面積 按標準取 液壓活塞桿直徑為 按標準取 由此求得液壓缸實際有效工作面積為 無桿腔面積 有桿腔面積 查得調速閥最小穩(wěn)定流量為，驗算液壓杠的有效工作面積，即 所以流量控制閥無論是放在進油路上，還是回油路上，有效工作面積、都能滿足工作部件的最低速度要求。 （四）液壓缸工況圖 液壓缸工作循環(huán)中各動作階段的壓力，流量和功率的實際使用值，如表9-3所列 表9-2 液壓缸工作循環(huán)中的壓力，流量和功率 工況 負載 液壓缸 計算公式 回油壓力 輸入流量 進油腔壓力 輸入功 進 動 111.11 / / 5.56 / 速 68.87 / 5.425 / 速 55.55 18.69 5.382 0.1 工 進 11166.6 6 30.31 快退 啟動 111.11 / / 4.93 / 加速 68.87 5 / 4.91 / 恒進 55.55 19.4 4.91 0.95 啟動時活塞尚未動作，故?。海爝M時）；（快退時）。 因加速時間很短，故流量不計。 根據上表可繪制出液壓缸的工況圖（圖9-2）。 （五）擬訂液壓回路 （1）選擇回路及油源型式 由工況圖9-2知，該切管機液壓系統(tǒng)功率?。ǎ?，速度較低，切管為連續(xù)切割，切削力變化小。故采用單向節(jié)流調速回路。 節(jié)流閥是結構比較簡單但應用最廣泛的流量控制閥，經常與溢流閥配合組成定量泵供油的各種節(jié)流調速回路或系統(tǒng)。按照操縱方式的不同，節(jié)流閥可以分為手動調節(jié)式普通節(jié)流閥、行程擋塊或凸輪等機械運動部件操縱式性程節(jié)流閥等形式；節(jié)留閥還可以與單向閥等組成單向節(jié)流閥、單向行程節(jié)流筏等復合閥。本液壓系統(tǒng)采用單向調速回路。為增加運動的平穩(wěn)性，防止工件切斷時工件部件突然前沖，采用調速閥的出口節(jié)流調速回路。 圖9-2 工況圖 由工況圖還可以看出，該系統(tǒng)由低壓大流量和高壓大流量兩階段組成，其最大流 量與最小流量之比： 而相應的時間之比為： 上述比值還很大。故為了節(jié)約能源，采用雙定量泵供油。 （2）快速回路和速度換接回路 因系統(tǒng)要求快進快退速度相等，故快進時采用液壓缸差動連接的方式，以保證快進快退時的速度基本相等。 （3）由于快進、工進之間的速度差較大。 換向回路，由工況可看出，回路中流量較?。ㄔ诳焱藭r，進油路上的流量為 ，回油路上為 系統(tǒng)的工作壓力也不高，故采用電磁換向回路。 換向閥的作用是利用閥芯相對于閥體的運動，實現油路的通、斷或改變液流的方向，從而實現液壓執(zhí)行器的啟動、停止或運動方向的變換。 （4）壓力控制回路 壓力控制閥的功用是控制液壓系統(tǒng)中的油液壓力，以滿足執(zhí)行器對輸出力、輸出轉矩及運動狀態(tài)的不同需求。壓力控制閥的種類很多，它們的共同特點是利用液壓力和彈簧力的平衡原理進行工作，調