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畢業(yè)設(shè)計(jì)（說(shuō)明書）
題目名稱：大直徑輥筒雙頭鏜孔專機(jī)
承載裝置及自定心裝置的設(shè)計(jì)
摘要
本論文是關(guān)于大直徑輥筒雙頭鏜孔專機(jī)承載裝置和自定心裝置的設(shè)計(jì)說(shuō)明。首先，本文簡(jiǎn)要概述了課題的選題背景及發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)雙頭鏜孔專機(jī)的加工對(duì)象錫林輥筒及道夫輥筒進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和加工工藝的分析。其次，根據(jù)承載裝置和自定心裝置的性能要求進(jìn)行了方案的擬定并在方案對(duì)比分析的基礎(chǔ)上確定出了相對(duì)合理的方案。承載裝置對(duì)錫林輥筒與道夫輥筒的定位采用類似V形面的定位方式，驅(qū)動(dòng)方式為減速電動(dòng)機(jī)齒輪傳動(dòng)。自定心裝置采用帶雙矩形導(dǎo)軌的可移動(dòng)箱體實(shí)現(xiàn)三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的同時(shí)進(jìn)給，采用液壓缸驅(qū)動(dòng)六桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自定心裝置的三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，對(duì)方案中用到的電動(dòng)機(jī)、液壓缸、扭桿彈簧進(jìn)行了計(jì)算選擇及連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)確定性的驗(yàn)證。最后，校核了承載裝置中驅(qū)動(dòng)軸的強(qiáng)度及軸承的壽命，并在結(jié)論中總結(jié)了本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)，對(duì)方案中存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析并提出了改進(jìn)方向。
關(guān)鍵詞：承載裝置 自定心裝置 六桿機(jī)構(gòu)
Abstract
This thesis is a piece of explanation of design that about the bearing and self-centering device of the specialized and two-headed boring machine to process the big diameter roller.
Firstly, these papers briefly summarize the background and development present situation of the topic. It also analyze the structure and processing manufacturability of cylinder and doffer rollers which was processed by specialized and two-headed boring machine.
Secondly, according to the performance requirement of the bearing and self-centering device to make the project block in, then on the basis of the project analysis make out a relatively reasonable project. The cylinder and doffer rollers are located by the V-shaped surface and the drive mode is reducer motors gear transmission. Self-centering device adopt the removable tank body with double rectangular guide rail to realize three axis remove in the meantime. It also adopts hydraulic cylinder driving mechanism drive linkage mechanism to realize the three axes rotate meanwhile. At the same time, makes a calculation and choice to the motor and hydraulic cylinder used in the project.
Finally, checks the strength of drive shaft and bearing life of bearing device, summarizes this designing project’s advantage and innovations, analyzes the problems in the project and put up with improving direction.
Key words: bearing device self-centering device six-connecting rod mechanism
目錄
引言 1
1 課題介紹 2
1.1 課題名稱 2
1.2 課題概述 2
1.3 課題背景及發(fā)展現(xiàn)狀 2
2 零件的結(jié)構(gòu)和加工工藝分析 4
2.1 輥筒的加工工藝要求 5
2.2 輥筒的加工工藝流程 5
2.3 零件的工藝分析 5
3 方案擬定 6
3.1 承載裝置及自定心裝置的設(shè)計(jì)要求 6
3.1.1 承載裝置的設(shè)計(jì)要求 6
3.1.2 自定心裝置的設(shè)計(jì)要求 7
3.2 課題可行性分析 7
3.3 方案的設(shè)計(jì)與對(duì)比分析 8
3.3.1 承載裝置方案設(shè)計(jì) 8
3.3.2 承載裝置方案的對(duì)比分析 12
3.3.3 自定心裝置方案設(shè)計(jì) 13
3.3.4 自定心裝置方案的對(duì)比分析 17
3.4 方案的選擇確定 18
4 理論計(jì)算及關(guān)鍵零部件的校核 18
4.1 理論計(jì)算 18
4.1.1 電動(dòng)機(jī)的選擇 18
4.1.2 液壓缸的選擇 19
4.1.3 連桿機(jī)構(gòu)的計(jì)算 22
4.1.4 自定心裝置中扭桿彈簧的計(jì)算 23
4.2 關(guān)鍵零部件的校核 25
4.2.1 承載裝置驅(qū)動(dòng)軸的校核 25
4.2.2 鍵聯(lián)接的選擇與校核 28
4.2.3 軸承的校核 28
結(jié)論 30
參考文獻(xiàn) 31
致謝 32
附錄 33
32
引言
隨著梳棉機(jī)在紡織工業(yè)中更加廣泛地使用，使得梳棉機(jī)的主關(guān)件錫林輥筒與道夫輥筒的生產(chǎn)加工成為批量生產(chǎn)。然而對(duì)于大直徑錫林輥筒與道夫輥筒的鏜孔加工在普通鏜床上加工不能保證鏜孔精度，而且加工生產(chǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度大，孔的加工精度不高，而在現(xiàn)代化的加工中心鏜孔則會(huì)大大提高生產(chǎn)成本，且不利于現(xiàn)代化機(jī)械的合理利用?，F(xiàn)知梳棉機(jī)的生產(chǎn)綱領(lǐng)為3500臺(tái)/年，則錫林輥筒和道夫輥筒的生產(chǎn)屬于批量生產(chǎn)，這就需要專門的鏜床專機(jī)進(jìn)行加工即節(jié)約成本、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，也保證孔的同軸度和表面粗糙度，而為了保證與回轉(zhuǎn)軸配合的孔的同軸度就需要對(duì)輥筒雙頭同時(shí)鏜孔。目前紡織機(jī)械行業(yè)鏜錫林道夫輥筒孔所用專機(jī)為鏜錫林、道夫?qū)C(jī)B-SPM。
本課題的設(shè)計(jì)主要包括大直徑輥筒雙頭鏜孔專機(jī)的承載裝置和自定心裝置的設(shè)計(jì)，在深入理解課題的基礎(chǔ)上對(duì)兩部分裝置分別進(jìn)行了方案的對(duì)比分析，并確定出相對(duì)較合理的方案。在各方案實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上對(duì)兩部分裝置的方案均有創(chuàng)新，承載裝置中采用齒輪減速電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，提高自動(dòng)化程度；在自定心裝置中有扭桿彈簧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和整體帶動(dòng)部分構(gòu)件運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這增加機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的同步性。本篇設(shè)計(jì)說(shuō)明在結(jié)論中對(duì)方案中出現(xiàn)的問(wèn)題都做了分析，同時(shí)也給出了問(wèn)題的改進(jìn)方向。
1 課題介紹
1.1 課題名稱
本課題名稱為大直徑輥筒雙頭鏜孔專機(jī)承載裝置及自定心裝置的設(shè)計(jì)
1.2 課題概述
本課題為大直徑輥筒雙頭鏜孔專機(jī)承載裝置及自定心裝置的設(shè)計(jì)，主要的任務(wù)是：
(1)根據(jù)給定的道夫輥筒零件圖對(duì)零件進(jìn)行工藝分析；
(2)根據(jù)加工工藝的參數(shù)對(duì)兩部分裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；
(3)通過(guò)對(duì)所設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行對(duì)比分析來(lái)確定最佳的方案；
(4)對(duì)設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和校核。
對(duì)兩部分裝置的概述：
大直徑輥筒雙頭鏜孔專機(jī)主要用于對(duì)梳棉機(jī)產(chǎn)品中的主關(guān)件—錫林輥筒和道夫輥筒的加工，加工主要內(nèi)容為對(duì)兩輥筒的中心孔進(jìn)行雙頭鏜削。該雙頭鏜孔專機(jī)的兩部分主要裝置則為承載裝置和自定心裝置，承載裝置的主要作用為：1.該裝置可利于大直徑輥筒的裝卸而且減小機(jī)床床身的體積；2.該裝置主要用于加工零件時(shí)的承載作用，承載裝置上的V形定位裝置對(duì)輥筒起定位作用。自定心裝置的作用為：對(duì)于雙頭鏜孔專機(jī)，為保證鏜孔的精度和輥筒兩端孔的同軸度就必須保證在加工時(shí)輥筒的中心軸線與鏜床專機(jī)主軸的軸線共線，而自定心裝置的原理類似于車床的三爪卡盤的自定心原理，可使輥筒在被夾緊情況自動(dòng)定心以保證鏜孔精度。
本課題的設(shè)計(jì)要求為在對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)課題熟悉的基礎(chǔ)上通過(guò)查閱資料、引擎搜索和對(duì)相關(guān)制造部門的參觀學(xué)習(xí)進(jìn)行方案的擬定，獨(dú)立地進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)和確定并能夠做到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，最后進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算和主要零部件的校核。
1.3 課題背景及發(fā)展現(xiàn)狀
錫林輥筒和道夫輥筒是紡織行業(yè)典型機(jī)械產(chǎn)品梳棉機(jī)的主要零部件，此兩種輥筒的主要作用如下：
(1)梳棉機(jī)上錫林輥筒的作用
錫林是梳棉機(jī)的主要機(jī)件，錫林由滾筒和梳理齒條組成，F(xiàn)A201型梳棉機(jī)滾筒直徑為1284mm,包覆齒條后的工作直徑為1290mm.，其作用是將刺輥初步梳理過(guò)的纖維轉(zhuǎn)移并帶入錫林、蓋板工作區(qū)，作進(jìn)一步細(xì)致的梳理、伸直和均勻混和，并將纖維轉(zhuǎn)移給道夫。
(2)梳棉機(jī)上道夫輥筒的作用
道夫滾筒的結(jié)構(gòu)與錫林相似。FA201型梳棉機(jī)的道夫滾筒直徑為698mm,工作直徑為706mm，道夫的作用是將錫林表面的纖維凝聚成纖維層，并在凝聚過(guò)程中，對(duì)纖維具有梳理和均勻混和作用，由于道夫直徑較小，因而對(duì)其動(dòng)平衡、包卷針后滾筒的變形及軸與軸承的要求都比對(duì)錫林的要求低。
(3)課題背景及現(xiàn)狀
錫林、道夫輥筒的特殊性在于是用卷板機(jī)把鋼板卷成圓筒并整體焊接起來(lái)的，用于梳棉機(jī)上的大直徑錫林、道夫輥筒外圓要有很高的表面光潔度，輥筒的軸線與外圓要有高的同軸度，這就對(duì)輥筒的鏜孔工序有很高的要求，而在一般的鏜床上加工直徑分別為1280mm和692mm的錫林輥筒和道夫輥筒不論是承載還是裝夾都比較困難，對(duì)于生產(chǎn)批量很大(每年各3000件)的輥筒用現(xiàn)代化的加工中心則經(jīng)濟(jì)性和效益性較差，那么對(duì)于專門加工兩種大直徑輥筒的雙頭鏜孔專機(jī)的需求也就顯得格外必要。
就鏜床專機(jī)來(lái)說(shuō)，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)鏜床專機(jī)的廠家很多，而且鏜床專機(jī)類型也較多，但由于梳棉機(jī)上錫林輥筒和道夫輥筒直徑較大這一特性，則相應(yīng)地鏜大直徑輥筒的專機(jī)也有其特殊性，目前該類型專機(jī)只在紡織機(jī)械行業(yè)中使用的較多，如目前紡織機(jī)械行業(yè)用的鏜錫林、道夫?qū)C(jī)B-SPM。
下面對(duì)該專機(jī)與普通的機(jī)床作一對(duì)比分析：存大的兩大不同之處為：(1)普通鏜床專機(jī)的承載裝置(鏜床的工作臺(tái))和鏜床的床身通常都是一體的，這是由加工零件尺寸的大小決定的，而鏜錫林、道夫?qū)C(jī)B-SPM的承載裝置是和專機(jī)的床身獨(dú)立的，該承載裝置可以在固定的軌道上移動(dòng)，這有利于大直徑輥筒的裝卸。(2)普通鏜床專機(jī)的自定心裝置即自定心夾緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)比較緊湊，夾緊行程小，定位精度高，對(duì)于小尺寸工件的自定心裝置的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)比較容易實(shí)現(xiàn)；而對(duì)于鏜錫林、道夫?qū)C(jī)B-SPM的自定心裝置就比較復(fù)雜，不但要滿足能夠加工錫林和道夫兩不同直徑的輥筒，而且定位夾緊件在空間距離較大。
2 零件的結(jié)構(gòu)和加工工藝分析
圖2-1，圖2-2分別為梳棉機(jī)的主關(guān)件道夫輥筒、錫林輥筒的零件圖，該類型零件主要由腹板、道夫筒體和道夫堵頭結(jié)合件焊接而成的。
圖2-1 道夫輥筒結(jié)構(gòu)圖
圖2-2 錫林輥筒結(jié)構(gòu)圖
2.1 輥筒的加工工藝要求
(1)輥筒應(yīng)具有足夠的剛性，確保在重載作用下，彎曲變形不超過(guò)許用值。
(2)輥筒表面應(yīng)有足夠的硬度，一般要求達(dá)到50HRC以上，具有較強(qiáng)的耐腐蝕能力。鍍層具有抗剝落能力，確保輥筒工作表面具有較好的耐磨性及耐腐蝕性。
(3)輥筒工作表面應(yīng)精細(xì)加工，以保證尺寸精度和表面粗糙度。粗糙度應(yīng)在Ra0.16以上，不能有氣孔或溝紋。輥筒工作表面的壁厚要均勻，否則會(huì)使輥面溫度不均勻，影響制品質(zhì)量。
(4)輥筒的材料應(yīng)具有良好的導(dǎo)熱性，通常采用冷硬鑄鐵，特殊情況采用鑄鋼或鉬鉻合金鋼，無(wú)論是加熱還是冷卻，均能達(dá)到快速均勻。
(5) 因錫林與道夫輥筒直徑較大，表面速度較高，所以，對(duì)輥筒的圓整度、輥筒與軸的同心度以及錫林滾筒的動(dòng)平衡等要求較高。
(6) 為減小輥筒包卷齒條后的變形程度，F(xiàn)A201型梳棉機(jī)將錫林滾筒筒壁厚度加厚至125mm，筒體內(nèi)壁有加高加寬的梯形筋以增加筒體的剛性。
(7) 錫林輥筒軸與兩端堵頭用螺栓夾緊結(jié)構(gòu)，以提高錫林的安裝精度。
2.2 輥筒的加工工藝流程
錫林、道夫輥筒有鋼板焊接結(jié)構(gòu)或鑄鐵滾筒兩種形式，滾筒兩端用堵頭和裂口軸套將滾筒與軸連接在一起，目前梳棉機(jī)所用錫林、道夫輥筒多是整體焊接式輥筒，輥筒的加工工藝流程為：將125mm厚的鋼板在卷板機(jī)上卷出圓筒的形狀并焊接為圓筒，保證輥筒壁厚均勻→在圓筒內(nèi)壁焊接梯形筋→將輥筒進(jìn)行時(shí)效處理以減少殘余應(yīng)力→在輥筒的兩端分別安裝內(nèi)嵌有裂口錐套的堵頭→在輥筒兩端分別固定一個(gè)蓋板→在大直徑輥筒雙頭鏜孔專機(jī)(鏜錫林、道夫?qū)C(jī)B-SPM)上鏜輥筒上與軸配合的內(nèi)孔，并保證孔的同心度→在磨錫林、道夫?qū)C(jī)C-SPM上磨輥筒的外圓，并保證輥筒外圓的光潔度、圓整度。
2.3 零件的工藝分析
與本設(shè)計(jì)課題相關(guān)的加工工序?yàn)樵诖笾睆捷佂搽p頭鏜孔專機(jī)上半精鏜和精鏜輥筒上與軸配合的內(nèi)孔，該工序的上道工序?yàn)楹附訒r(shí)效處理后的堵頭安裝，下道工序?yàn)樵谀ュa林、道夫?qū)C(jī)上磨輥筒的外圓并保證光潔度和圓整度。按照生產(chǎn)綱領(lǐng)給定的每年生產(chǎn)3000臺(tái)梳棉機(jī)，則分別需要加工3000件錫林輥筒和3000件道夫輥筒，查機(jī)械制造技術(shù)中表14-3(生產(chǎn)類型的規(guī)范)可知中型機(jī)械的生產(chǎn)綱領(lǐng)為3000件/年的為大批生產(chǎn)。
若在普通的鏜床上進(jìn)行加工，當(dāng)一端鏜孔完成后進(jìn)行調(diào)頭會(huì)影響兩孔的同軸度，鏜孔的精度較低，而且也會(huì)大大增加加工的輔助時(shí)間，從而影響生產(chǎn)率增加。若在現(xiàn)代化的加工中心進(jìn)行鏜孔，雖然自動(dòng)化提高但是大批量的零件會(huì)使加工中心得不到充分的使用而大大提高加工成本。綜上分析，為使本道工序的生產(chǎn)率提高需要生產(chǎn)專門的機(jī)床進(jìn)行大批量的加工錫林與道夫輥筒。
其它工序的工藝分析：
(1)在輥筒兩端分別安裝有裂口錐套的堵頭：采用這種錐套連接的目的是增大孔與軸的接觸面，結(jié)構(gòu)緊湊，拆卸方便，傳動(dòng)件的定心精度大大提高，傳遞轉(zhuǎn)矩大，而一般的連接傳遞轉(zhuǎn)矩較小而且會(huì)有間隙，裝配時(shí)也會(huì)有問(wèn)題。
(2)在輥筒內(nèi)壁焊接梯形筋：焊接梯形筋的目的是在不加大輥筒厚度的條件下，增強(qiáng)輥筒筒體的剛度和強(qiáng)性，可克服輥筒壁厚差帶來(lái)的應(yīng)力不均造成的歪曲變形，同時(shí)也減輕重量，降低成本。
3 方案擬定
3.1 承載裝置及自定心裝置的設(shè)計(jì)要求
3.1.1 承載裝置的設(shè)計(jì)要求
就承載裝置來(lái)說(shuō)，一般可分為與機(jī)床床身一體的承載裝置和與床身獨(dú)立的承載裝置，對(duì)于鏜孔專機(jī)加工對(duì)象尺寸較小的零件來(lái)說(shuō)承載裝置則為機(jī)床的工作臺(tái)。相反地，對(duì)于鏜床專機(jī)所加工對(duì)象尺寸較大時(shí)，為了減小機(jī)床床身的體積，則把承載裝置與機(jī)床床身獨(dú)立開(kāi)來(lái)。因鏜孔過(guò)程中鏜削力會(huì)引起振動(dòng)，因此承載裝置應(yīng)該有定位裝置，而且該裝置可以滿足加工兩種不同直徑大輥筒的承載及定位，綜上分析提出了鏜錫林、道夫輥筒承載裝置應(yīng)該滿足以下要求：
(1)承載裝置應(yīng)能夠滿足可同時(shí)承載錫林輥筒和道夫輥筒，因兩輥筒直徑不同故承載定位面應(yīng)不同，定位方式為類似于V形槽定位。
(2)因輥筒重量較大，為了方便輥筒的裝卸該承載裝置應(yīng)該可在固定的軌道上移動(dòng)，且在指定的位置有鎖緊裝置將承載裝置卡死。
(3)根據(jù)輥筒的重量尺寸來(lái)進(jìn)行受力分析，計(jì)算出承載裝置具有足夠強(qiáng)度的外形尺寸及承載裝置兩支撐點(diǎn)間的跨度。
(4)為了確保承載裝置的耐用性，還應(yīng)該選擇合適的材料和適當(dāng)?shù)臒崽幚矸绞交虮砻嫣幚韥?lái)提高其耐磨性和硬度。
3.1.2 自定心裝置的設(shè)計(jì)要求
生產(chǎn)實(shí)際中，在軸套類工件上銑鍵槽及在法蘭盤類零件上鉆孔等情況均應(yīng)保證加工部位相對(duì)于工序基準(zhǔn)對(duì)稱，根據(jù)基準(zhǔn)重合原則，應(yīng)以工序基準(zhǔn)即工件上的對(duì)稱點(diǎn)(線、面)作為定位基準(zhǔn)。同時(shí)并保證定位基準(zhǔn)在整個(gè)夾緊過(guò)程中是固定不動(dòng)的，即定心。由此可見(jiàn)，所謂定心夾緊機(jī)構(gòu)，即能保證工件的對(duì)稱點(diǎn)(線、面)在夾緊過(guò)程中始終處于固定準(zhǔn)確位置的夾緊機(jī)構(gòu)。
因工件定位面存在加工誤差，若保證定位基準(zhǔn)定心，其夾具定位元件必定可動(dòng)，并且能隨定位表面尺寸的變化相對(duì)定位基準(zhǔn)作等距離的移近或退出，如三爪定心卡盤，這樣才能起到良好的定心作用。故該種夾緊機(jī)構(gòu)的定位元件與夾緊元件是合一的，且定位和夾緊動(dòng)作同步進(jìn)行，如此有利于縮短時(shí)間，提高效率。
但本課題中的雙頭鏜孔專機(jī)的加工對(duì)象直徑分別為1284mm和692mm，此情況下實(shí)現(xiàn)自定心功能就比較困難，而且自定心夾緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)不緊湊。綜上分析對(duì)雙頭鏜孔專機(jī)的自定心裝置應(yīng)解決的關(guān)鍵問(wèn)題如下：
(1)因該鏜床專機(jī)用于加工錫林和道夫兩種直徑的輥筒，故該自定心夾緊機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足兩種不同直徑的自定心夾緊，且為了減小道夫輥筒(小直徑)自定心夾緊時(shí)的夾緊行程，應(yīng)使定位夾緊件有兩個(gè)極限位置。
(2)自定心原理可采用車床三爪卡盤自定心原理，但在加工大直徑輥筒時(shí)三個(gè)定位夾緊件應(yīng)位于一極限位置，加工道夫輥筒時(shí)位于另一極限位置。
(3)最關(guān)鍵的問(wèn)題是該自定心夾緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)不緊湊，為減小機(jī)床床身體積如何合理布置自定心裝置同是實(shí)現(xiàn)自定心夾緊。
3.2 課題可行性分析
在已知鏜床主軸高度、輥筒直徑、承載裝置受力分析的結(jié)果、承載裝置的基本外形尺寸可初步確定。承載裝置的外形結(jié)構(gòu)可類比現(xiàn)有的鏜錫林、道夫?qū)C(jī)B-SPM的結(jié)構(gòu)初步擬定方案，包括承載裝置的材料選擇、V形槽的外形尺寸、承載裝置的長(zhǎng)度和寬度，結(jié)合各計(jì)算參數(shù)進(jìn)行精確的設(shè)計(jì)，當(dāng)然這個(gè)過(guò)程可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)膭?chuàng)新，比如鎖緊卡死機(jī)構(gòu)，承載裝置的驅(qū)動(dòng)形式。
該專機(jī)的自定心裝置的設(shè)計(jì)實(shí)則是設(shè)計(jì)一套自定心夾緊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)錫林和道夫輥筒的自定心夾緊，解決這一問(wèn)題就需要參閱大量的機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)，在掌握一定自定心夾緊機(jī)構(gòu)知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新，可初步確定自定心夾緊機(jī)構(gòu)的方案。但是關(guān)鍵的問(wèn)題是如何利用結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊的自定心機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)大直徑輥筒的自定心夾緊，這就需要結(jié)合機(jī)床整體的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)的布局、自定心夾緊的動(dòng)力來(lái)源等進(jìn)行設(shè)計(jì)。
3.3 方案的設(shè)計(jì)與對(duì)比分析
3.3.1 承載裝置方案設(shè)計(jì)
方案一
該方案采用兩導(dǎo)軌和四輪子的運(yùn)動(dòng)方式，該承載裝置的寬度由錫林、道夫輥筒的寬度決定，具體尺寸為1020mm，采用的定位方式為類似V形定位塊定位，一側(cè)為斜邊，另一側(cè)為直邊，此定位方式限制輥筒的四個(gè)自由度，如圖3-1所示為承載裝置的總體結(jié)構(gòu)圖及輥筒的部分定位尺寸。
驅(qū)動(dòng)方案如下：
(1)采用電動(dòng)機(jī)軸端的齒輪與驅(qū)動(dòng)軸上的齒輪配合進(jìn)行傳動(dòng)，如圖3-2所示，電動(dòng)機(jī)的種類可選用普通的三相異步電動(dòng)機(jī)，如采用Y系列電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)勻速的運(yùn)動(dòng)，此情況可采用卡死鎖緊裝置來(lái)確保鏜孔時(shí)的鏜削力使裝置偏離原位置。也可以采用伺服電動(dòng)機(jī)，根據(jù)給定的脈沖信號(hào)來(lái)控制伺服電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止，由于伺服電動(dòng)機(jī)本身的自鎖功能可以避免在鏜孔時(shí)裝置移動(dòng)而使輥筒中心與鏜床主軸中心偏移。
(2)采用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，通過(guò)聯(lián)軸器將電動(dòng)機(jī)的軸端與絲杠軸端聯(lián)接起來(lái)，電動(dòng)機(jī)固定在承載裝置端部的底板上。
(3)采用鏈傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)軸上安裝鏈輪，電動(dòng)機(jī)的軸端也安裝鏈輪，以此進(jìn)行傳動(dòng)。
圖3-1 承載裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案一
圖3-2 承載裝置驅(qū)動(dòng)方式
方案二
該方案對(duì)錫林輥筒與道夫輥筒的定位均采用V形面的定位，兩側(cè)均為斜面進(jìn)行定位該方案的定位裝置圖如圖3-3所示。
圖3-3 承載裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案二
驅(qū)動(dòng)方案仍可以采用方案一中所述的齒輪軸驅(qū)動(dòng)、絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)與鏈輪傳動(dòng)。
方案三
采用一V形裝置可以同時(shí)對(duì)兩不同直徑的輥筒進(jìn)行定位，以固定在承載支架上的大V形塊來(lái)對(duì)錫林輥筒進(jìn)行定位，如圖3-4所示，當(dāng)對(duì)道夫輥筒(直徑為692mm)進(jìn)行定位時(shí)可以加活動(dòng)的V形塊，該活動(dòng)V形塊的結(jié)構(gòu)尺寸剛好可以對(duì)道夫輥筒進(jìn)行定位，結(jié)構(gòu)圖如圖3-5所示。
圖3-4 承載裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案三
圖3-5 承載裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案三
在此方案中的驅(qū)動(dòng)方案也可以選擇方案一中的三個(gè)方案。
3.3.2 承載裝置方案的對(duì)比分析
承載方案的對(duì)比分析：
方案一：采用V形定位塊的原理進(jìn)行定位，而又不局限于V形塊的設(shè)計(jì)，整個(gè)承載支架及箱體均采用鋼板焊接而成，或者采用型鋼焊接而成，在制造承載箱體時(shí)較方便。
方案二：對(duì)兩輥筒均采用V形裝置定位，采用這種定位方式的原因是V形定位的最大特點(diǎn)是：工件上用作定位基面的外圓柱面，不論是否經(jīng)過(guò)加工與否或精度的高低，也不論是圓柱面或是圓弧面，它們?cè)赩形裝置上定位時(shí)，其定位基準(zhǔn)始終處于V形裝置兩工作斜面的對(duì)稱面上，即對(duì)中性很好。而且還適用于階梯軸及曲軸的定位，并且裝卸工件很方便。
方案三：該方案分別對(duì)需要定位的大直徑錫林輥筒與道夫輥筒設(shè)計(jì)V形塊來(lái)定位，而且小V形塊為可固定可拆卸的裝置，當(dāng)對(duì)錫林輥筒進(jìn)行定位時(shí)活動(dòng)V形塊拆卸，當(dāng)對(duì)道夫輥筒進(jìn)行定位時(shí)將小V形塊的外表面與大V形塊的內(nèi)表面進(jìn)行貼合即可。
方案一與方案二相比，雖然方案二比方案一具有定位的對(duì)中性好這一優(yōu)勢(shì)，但是從承載裝置箱體制造工藝角度來(lái)考慮，方案一中的矩形箱體要比方案二中的斜面箱體容易加工或者焊接，而且方案二中的V形面定位使輥筒的重量作用在斜面上的力較大，這對(duì)箱體的強(qiáng)度與剛度有較高的要求，相同經(jīng)濟(jì)條件下，方案一中的承載裝置更不容易變形，使用壽命更長(zhǎng)。
方案一與方案三相比，方案三對(duì)兩輥筒也均采用V形面定位，定位的對(duì)中性較好，而且整體結(jié)構(gòu)相對(duì)方案一來(lái)說(shuō)更加緊湊，但是從此方案的施行角度考慮，在對(duì)道夫輥筒進(jìn)行定位時(shí)，小V形塊外表面與大V形塊的內(nèi)表面進(jìn)行配合時(shí)配合要求比較高，使用一段時(shí)間后由于大V形塊內(nèi)表面的變形量會(huì)使配合精度較低。
方案二與方案三相比，方案三比方案二結(jié)構(gòu)緊湊，方案二的箱體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，此兩種方案采用的V形面定位對(duì)定位裝置的材料要求較高，若采用方案一中的鋼板焊接而成會(huì)影響承載裝置的性能。
驅(qū)動(dòng)方案的對(duì)比分析：
本課題承載裝置設(shè)計(jì)部分驅(qū)動(dòng)方式的備選方案有如下三種：鏈傳動(dòng)、絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)、齒輪傳動(dòng)。
(1)鏈傳動(dòng)：鏈傳動(dòng)主要用在要求工作可靠，兩軸相距較遠(yuǎn)，低速重載，工作環(huán)境惡劣及其他不宜采用齒輪傳動(dòng)的場(chǎng)合，與齒輪傳動(dòng)相比，鏈傳動(dòng)的制造與安裝精度要求較低，在遠(yuǎn)距離傳動(dòng)時(shí)，其結(jié)構(gòu)比齒輪傳動(dòng)輕便得多。
鏈傳動(dòng)的主要缺點(diǎn)：鏈傳動(dòng)只能實(shí)現(xiàn)平行軸間鏈輪的同向傳動(dòng)；運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不能保持恒定的瞬時(shí)傳動(dòng)比；磨損后易發(fā)生跳齒；工作時(shí)有噪聲；不宜用在載荷變化很大、高速和急速反向的傳動(dòng)中。
(2)齒輪傳動(dòng)：齒輪傳動(dòng)是使用最多的機(jī)械傳動(dòng)，齒輪傳動(dòng)具有以下主工特點(diǎn)：齒輪傳動(dòng)效率高；結(jié)構(gòu)緊湊；設(shè)計(jì)制造正確合理、使用維護(hù)良好的齒輪傳動(dòng)工作可靠、使用壽命長(zhǎng)；傳動(dòng)比穩(wěn)定。但是齒輪傳動(dòng)的制造及安裝精度要求高，價(jià)格較貴，且不宜用于傳動(dòng)距離過(guò)大的場(chǎng)合。
(3)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)：絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)屬于螺旋傳動(dòng)的一種，是通過(guò)螺桿和螺母的旋合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，它主要是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)，以較小的轉(zhuǎn)矩得到很大的推力。該傳動(dòng)類型的特點(diǎn)為：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便；易于自鎖；運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)；但也有以下缺點(diǎn)：摩擦阻力大，傳動(dòng)效率低(通常為30%～60%)；低速或微調(diào)時(shí)可能出現(xiàn)爬行；螺紋有側(cè)向間隙，反向時(shí)有空行程，定位精度和軸向剛度較差；磨損快。
結(jié)合本課題承載裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，因該承載裝置的整體尺寸較大，若采用絲杠傳動(dòng)，則絲杠的長(zhǎng)度為2000mm左右，這就使得絲杠的軸向剛度較差，而且傳動(dòng)效率較低。但此傳動(dòng)方案可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)承載裝置的自鎖。鏈傳動(dòng)與齒輪傳動(dòng)的對(duì)比：雖然鏈傳動(dòng)比齒輪傳動(dòng)輕便得多，但本裝置要求傳動(dòng)平穩(wěn)和恒定的瞬時(shí)傳動(dòng)比。采用鏈傳動(dòng)或齒輪傳動(dòng)時(shí)，必須采用驅(qū)動(dòng)軸，而絲杠傳動(dòng)就不需要。
3.3.3 自定心裝置方案設(shè)計(jì)
本方案原理與車床三爪卡盤自定心原理相似，即三個(gè)定位件同時(shí)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)與工件外圓接觸，這樣便可達(dá)到自定心的目的。但由于該鏜床專機(jī)加工對(duì)象的特殊性，使得自定心裝置的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而且空間距離較大，這就使得該自定心夾緊機(jī)構(gòu)的安裝較困難。經(jīng)過(guò)分析采用連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)三個(gè)定位件的同時(shí)運(yùn)動(dòng)。該連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖如圖3-6所示。
圖3-6 六桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖
而定位夾緊件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)形式分如下三種方案：
方案一
該方案采用三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸分別由三個(gè)液壓缸作為進(jìn)給原動(dòng)機(jī)，而三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由一個(gè)傾斜放置的液壓缸作原動(dòng)機(jī)，該方案的結(jié)構(gòu)圖如圖3-7所示
該裝置中在上圖液壓缸加壓過(guò)程，三個(gè)回轉(zhuǎn)軸同時(shí)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)三個(gè)回轉(zhuǎn)軸的后端進(jìn)給液壓缸推動(dòng)與旋轉(zhuǎn)柄配合的軸進(jìn)給，使三個(gè)滾子與所加工的輥筒外圓相接觸，從而起到自定心夾緊的作用。
圖3-7 自定心裝置方案一
方案二
方案一中的三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)是分別由液壓缸驅(qū)動(dòng)的，每個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)都是獨(dú)立的。方案二采用的則是將三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸固定在箱體上，而箱體則可以在矩形的導(dǎo)軌上滑動(dòng)，此方案中只需要一個(gè)液壓缸推動(dòng)箱體運(yùn)動(dòng)便可以實(shí)現(xiàn)使三個(gè)回轉(zhuǎn)軸同時(shí)向前運(yùn)動(dòng)的目的。這不僅實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的同步運(yùn)動(dòng)，也實(shí)現(xiàn)了三根軸進(jìn)給的同步運(yùn)動(dòng)。另外，考慮到自定心裝置中液壓缸泄壓后旋轉(zhuǎn)柄和滾子在重力作用下會(huì)使軸自轉(zhuǎn)，因此要考慮旋轉(zhuǎn)柄的限位，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)新版第2卷可利用扭桿彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)。該整體方案的結(jié)構(gòu)圖如圖3-8所示。
圖3-8 自定心裝置方案二
方案三
在方案一中采用的是三個(gè)回轉(zhuǎn)軸分別有原動(dòng)機(jī)并獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，方案二中采用三軸固定在箱體上同時(shí)運(yùn)動(dòng)的方式，而本方案則采用只有一個(gè)回轉(zhuǎn)軸有進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，而另兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸在軸向上是固定的，即只有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而無(wú)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。其方案的結(jié)構(gòu)圖如圖3-9所示，旋轉(zhuǎn)柄1只可以在內(nèi)外花鍵的配合下旋轉(zhuǎn)，而沒(méi)有軸向的移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)柄3(圖中未標(biāo)出)與旋轉(zhuǎn)柄1相同。當(dāng)承載裝置載著工件錫林或道夫輥筒向主軸靠近時(shí)，旋轉(zhuǎn)柄2是縮進(jìn)去的，輥筒停下時(shí)旋轉(zhuǎn)柄2在液壓缸的作用下軸向移動(dòng)，最后再旋轉(zhuǎn)自定心夾緊。
圖3-9 自定心裝置方案三
3.3.4 自定心裝置方案的對(duì)比分析
方案一：本方案中分別用液壓缸控制旋轉(zhuǎn)軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，各軸的運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)情況不受其它兩軸工作的影響，獨(dú)立工作性能較好；承載軸的箱體是固定的，在鏜孔時(shí)系統(tǒng)的剛性好，強(qiáng)度高；單個(gè)旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)給速度快。
方案二：本方案將三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸固定在帶導(dǎo)軌的可移動(dòng)板上，只需要一個(gè)液壓缸就可以使三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸同時(shí)運(yùn)動(dòng)，這保證了自定心夾緊原理中的夾緊件的同步運(yùn)動(dòng)；采用的內(nèi)外花鍵配合使軸旋轉(zhuǎn)，因矩形花鍵在軸與轂孔上直接而均勻地制出較多齒與槽，故連接時(shí)受力較均勻；內(nèi)外花鍵的齒數(shù)較多故可承受較大的載荷；進(jìn)給時(shí)內(nèi)外花鍵的導(dǎo)向性好。
方案三：方案三是在方案一的基礎(chǔ)上提出的，將三個(gè)旋轉(zhuǎn)柄分別進(jìn)給改為只有一個(gè)軸具有進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，此方案只適用于承載裝置單方向移動(dòng)到主軸位置時(shí)。
方案一與方案二相比，方案一中的三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的進(jìn)給互不影響更具有靈活性，并且承載軸的板是固定的，在夾緊鏜孔的過(guò)程中方案一比方案二中可移動(dòng)的板剛度要好。而方案二中采用整體式移動(dòng)，能保證三軸進(jìn)給的同步性，采用的矩形花鍵配合使承受載荷能力高，進(jìn)給時(shí)導(dǎo)向性好，但可移動(dòng)板的剛性不高。
方案一與方案三相比，方案三只適用于承載裝置單向運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合，具有局限性。
3.4 方案的選擇確定
承載裝置的方案選擇:
通過(guò)承載裝置三個(gè)方案的設(shè)計(jì)及各方案的對(duì)比分析，分析出了各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合承載裝置的使用情況等確定方案一為最佳方案，即采用齒輪傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式，定位形式采用直面與斜面定位的方式。
自定心裝置的方案選擇:
綜合上文對(duì)自定心裝置的設(shè)計(jì)及三個(gè)方案的對(duì)比分析，確定方案二為最佳方案，即采用三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸固定在帶矩形導(dǎo)軌的可移動(dòng)板上，一個(gè)液壓缸作進(jìn)給原動(dòng)機(jī)，另一個(gè)液壓缸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)原動(dòng)機(jī)；采用矩形花鍵傳遞轉(zhuǎn)矩并且起很好的導(dǎo)向作用；采用扭桿彈簧對(duì)旋轉(zhuǎn)柄進(jìn)行限位。
4 理論計(jì)算及關(guān)鍵零部件的校核
4.1 理論計(jì)算
4.1.1 電動(dòng)機(jī)的選擇
(1)電動(dòng)機(jī)類型的選擇：
因該承載裝置采用齒輪傳動(dòng)，而齒輪僅有二級(jí)齒輪，若采用一般的三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，因三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高，故驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速會(huì)很高，不適于重載裝置的傳動(dòng)，因而考慮到采用齒輪減速電動(dòng)機(jī)，選擇轉(zhuǎn)速(120～200r/min)的電機(jī)傳動(dòng)。
齒輪減速電動(dòng)機(jī)，在傳遞動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)中應(yīng)用范圍非常廣泛，它利用齒輪的速度轉(zhuǎn)換器將電機(jī)的回轉(zhuǎn)數(shù)減速到所要的回轉(zhuǎn)數(shù)并得到較大轉(zhuǎn)矩的機(jī)構(gòu)減速電動(dòng)機(jī)，電壓分為單相220V與三相380V的，功率分別有0.1 Kw，，0.2 Kw，0.4 Kw，0.75 Kw，1.5 Kw，2.2 Kw，3.7Kw。
(2)電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算：
因承載裝置承載著錫林輥筒，故運(yùn)動(dòng)時(shí)速度不能太高，初步取定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為0.2～0.3m/s，齒輪模數(shù)與齒數(shù)確定后再進(jìn)行確定。因驅(qū)動(dòng)軸上安裝齒輪處軸徑為D=45mm，故采用模數(shù)m=2，齒數(shù)Z=48的齒輪，與之相配合的齒輪模數(shù)m=2，齒數(shù)Z=18，由傳動(dòng)比公式
(4-1)
知=45r/min.
由齒輪分度圓直徑公式：d=mz
(4-2)
齒輪線速度公式：
知v=0.226m/s.
估算承載裝置的質(zhì)量：支撐件質(zhì)量
已知，，故=260Kg
承載箱體質(zhì)量：約為160Kg
承載裝置的總質(zhì)量
已知=450Kg，=250Kg 故=1120Kg
導(dǎo)軌材料為45鋼，導(dǎo)軌表面的摩擦因數(shù)=0.15
由功率計(jì)算公式 經(jīng)計(jì)算電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)選取0.75Kw。
4.1.2 液壓缸的選擇
(1)選擇液壓缸：
該旋轉(zhuǎn)液壓缸的主要功能是實(shí)現(xiàn)自定心裝置連桿機(jī)構(gòu)的小角度旋轉(zhuǎn)，雖然旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可以由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，但考慮到鏜孔的全過(guò)程定心裝置的夾緊力始終要保持著，這就體現(xiàn)出了液壓傳動(dòng)與控制的優(yōu)點(diǎn)：與其他傳動(dòng)方式相比，傳遞功率相同時(shí)，液壓裝置的重量輕，體積緊湊；傳動(dòng)工作平穩(wěn)系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)緩沖吸振，并能自動(dòng)防止過(guò)載；
(2)液壓缸類型的選擇：
液壓缸種類很多，可分為單作用液壓缸，雙作用液壓缸及組合液壓缸等，雖然本裝置中的運(yùn)動(dòng)為單向運(yùn)動(dòng)，但為了確保液壓缸在泄壓后活塞桿能夠回復(fù)到原位，則需要考慮采用雙向液壓驅(qū)動(dòng)的液壓缸，故在雙作用液壓缸中進(jìn)行選擇。雙作用液壓缸分為單活塞桿液壓缸、雙活塞桿液壓缸和伸縮式液壓缸，通過(guò)對(duì)三種雙作用液壓缸的性能及使用場(chǎng)合的分析知，只有單活塞桿液壓缸適用于此裝置，此類型液壓缸為單邊有桿，兩向液壓驅(qū)動(dòng)，兩向推力和速度不等。因該連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)不需要實(shí)現(xiàn)較大的運(yùn)動(dòng)速度和往返相等的速度，故不需要采用差動(dòng)連接。
(3)液壓缸主要參數(shù)的選定：
包括缸筒內(nèi)徑，活塞桿直徑，活塞行程和公稱壓力
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第五版單行本液壓傳動(dòng)之21-30表21-2-11可知，一般機(jī)床、壓鑄機(jī)的壓力范圍為7Mpa以內(nèi)，對(duì)于一般的工程機(jī)械并且系統(tǒng)要求不是很高時(shí)采用中壓等級(jí)為7～21Mpa。查手冊(cè)知液壓缸缸筒內(nèi)徑尺寸系列為：8、10、12、16、20、25、32、40等，活塞桿外徑尺寸系列為：4、5、6、8、10、12、14、16、18、20、22、25、28、32等，氣缸的行程參數(shù)系列為：25、40、50、63、80、90、100、110、125、140、160、180、200等，液壓缸氣缸活塞桿螺紋尺寸系列為：M14×1.5、M16×1.5、M18×1.5、M20×1.5、M22×1.5等。查該手冊(cè)表21-6-30，液壓缸的標(biāo)準(zhǔn)系列與產(chǎn)品選擇液壓缸，與生產(chǎn)實(shí)際相聯(lián)系，則選用工作壓力為16Mpa的工程用液壓缸。
選擇液壓缸的技術(shù)性能參數(shù)為：
液壓缸缸徑：D=40mm；活塞桿直徑：d=22mm；速度比：= 1.46；推力：F=20100N；拉力：F=14020N；最大行程：=400mm. 活塞桿螺紋尺寸：M22×1.5。
(4)液壓缸的安裝方式：
液壓缸的安裝方式很多，有如下向種：
法蘭型安裝：頭部法蘭型、尾部法蘭型；
銷軸型安裝：頭部銷軸型、中間銷軸型、尾部銷軸型；
耳環(huán)型安裝，底座型安裝(腳架安裝)，球頭安裝。
根據(jù)自定心裝置在機(jī)床箱體上的安裝方式和安裝位置來(lái)選擇合適的安裝方式，此處液壓缸的安裝采用底座安裝，該類型安裝方式屬承受重型負(fù)載的安裝方式。
該液壓缸的型號(hào)為：HSG·L-40/22·E-*501-400·*
(5)液壓缸主要技術(shù)性能參數(shù)的計(jì)算：包括驗(yàn)證允許最高壓力p，流量Q和行程時(shí)間。
壓力P：經(jīng)估算錫林輥筒和道夫輥筒的質(zhì)量分別約為450Kg和250Kg，液壓缸所承受的最大載荷為當(dāng)自定心裝置夾緊輥筒時(shí)使輥筒剛好脫離承載面，此時(shí)液壓缸所承受的最大載荷為4500N。由油液作用在單位面積上的壓強(qiáng)公式
知:壓力p是由載荷F的存在需產(chǎn)生的，在同一個(gè)活塞的有效工作面積上，載荷越大，克服載荷所需要的壓力就越大。如果活塞的有效工作面積一定，油液壓力越大，活塞產(chǎn)生的作用力就越大。額定壓力是液壓缸能用以長(zhǎng)期工作的壓力，應(yīng)符合或接近規(guī)定的數(shù)值，對(duì)于中壓等級(jí)必須符合>2.5～16MPa。因所選液壓缸內(nèi)徑為d=40mm，故由
(4-3)
符合中壓等級(jí)的壓力范圍。
流量Q：因活塞的最低運(yùn)動(dòng)速度受活塞與活塞密封件摩擦力和加工精度的影響，不能太低，以免產(chǎn)生爬行，一般>0.1～0.2m/min?？紤]到生產(chǎn)實(shí)際中用于夾緊裝置的液壓缸因需要平穩(wěn)地夾緊，故速度也不能太高，現(xiàn)取液壓缸速度為v=0.5m/min。單位時(shí)間內(nèi)油液通過(guò)缸筒有效截面積的體積為
(4-4)
由于
則
對(duì)于單活塞桿液壓缸
活塞桿伸出時(shí)：
活塞桿縮回時(shí)：
V：液壓缸活塞一次行程中所消耗的油液體積，L；
t：液壓缸活塞一次行程所需時(shí)間，min；
D：液壓缸內(nèi)徑，m；
d：活塞桿直徑，m；
v：活塞桿運(yùn)動(dòng)速度，m/min；
：液壓缸的容積效率，當(dāng)活塞密封圏為彈性密封材料時(shí)=1，當(dāng)活塞密封圏為金屬環(huán)時(shí)=0.98，代入數(shù)值即可求解。
行程時(shí)間t：活塞在缸體內(nèi)完成全部行程所需要的時(shí)間
(4-5)
活塞桿伸出時(shí)：
活塞桿縮回時(shí)：
S：活塞行程，m；Q：流量，L/min；
上述時(shí)間的計(jì)算公式只適用于長(zhǎng)行程或活塞速度較低的情況，對(duì)于短行程、高速度時(shí)的行程時(shí)間，除與流量有關(guān)，還與負(fù)載、慣量、阻力等有直接關(guān)系，可參見(jiàn)有關(guān)文獻(xiàn)。
4.1.3 連桿機(jī)構(gòu)的計(jì)算
該連桿機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)圖如圖4-1所示
圖4-1 六桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖
(4-6)
該機(jī)構(gòu)由原動(dòng)機(jī)液壓缸驅(qū)動(dòng)，ABC構(gòu)件為原動(dòng)件，該機(jī)構(gòu)共有五個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，故該機(jī)構(gòu)為六桿機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=5，低副數(shù)=7，高副數(shù)=0由計(jì)算自由度的公式
知：該機(jī)構(gòu)的自由度為1，與原動(dòng)件數(shù)目相等，故該機(jī)構(gòu)有確定的運(yùn)動(dòng)。
下面將該六桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行桿組拆分，可拆分為原動(dòng)件和兩個(gè)二級(jí)桿組，如圖4-2所示。
圖4-2 六桿機(jī)構(gòu)桿組拆分圖
上述原動(dòng)件的自由度為1，兩個(gè)二級(jí)桿組的自由度均為0。
因平面六桿機(jī)構(gòu)是由平面鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)演化而來(lái)的，故可將該六桿機(jī)構(gòu)分開(kāi)兩個(gè)四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行桿長(zhǎng)條件的驗(yàn)證：
將ABC桿，CD桿，DEF桿和機(jī)架看作平面鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行桿長(zhǎng)條件的驗(yàn)證，
因AEH為等邊三角形，AE=EH=AH=998，CD連桿長(zhǎng)為1000mm，DE=AC=325，故所取四桿機(jī)構(gòu)滿足桿長(zhǎng)條件。將DEF桿，F(xiàn)G桿、HG桿及機(jī)架看作四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行桿長(zhǎng)條件的驗(yàn)證，也滿足桿長(zhǎng)條件。
在本課題中自定心裝置夾緊工件時(shí)并不需要連桿作整周運(yùn)動(dòng)，因滿足桿長(zhǎng)條件的機(jī)構(gòu)具有整轉(zhuǎn)副，故本方案在不滿足桿長(zhǎng)條件的情況下，只需要控制原動(dòng)件旋轉(zhuǎn)很小的角度便可實(shí)現(xiàn)三個(gè)滾子定位件自定心夾緊工件。
4.1.4 自定心裝置中扭桿彈簧的計(jì)算
在本課題設(shè)計(jì)的自定心裝置中用到了扭桿彈簧進(jìn)行限位，扭桿彈簧經(jīng)常和轉(zhuǎn)臂合在一起使用，在此情形下，轉(zhuǎn)臂受力點(diǎn)垂直方向的彈簧剛度隨轉(zhuǎn)臂的安裝角度和轉(zhuǎn)角變化。扭桿和轉(zhuǎn)臂的結(jié)構(gòu)圖如圖4-3所示
圖4-3 扭桿彈簧機(jī)構(gòu)圖
按圖示機(jī)構(gòu)則有下列計(jì)算式：
扭桿所受轉(zhuǎn)矩為
(4-7)
扭桿彈簧的剛度，扭轉(zhuǎn)T作用下的扭轉(zhuǎn)角，將此關(guān)系式代入(4-7)
(4-8)
得到
式中 —計(jì)算系數(shù)，
—作用于轉(zhuǎn)臂端部垂直方向的載荷(N)；
—轉(zhuǎn)臂的長(zhǎng)度(mm)
—轉(zhuǎn)臂端部力作用點(diǎn)到水平線的距離(mm)
—載荷作用時(shí)轉(zhuǎn)臂中心線和水平線的夾角(rad)
—無(wú)載荷時(shí)轉(zhuǎn)臂中心線和水平線的夾角(rad)，和在圖示位置時(shí)取正值。
沿載荷方向的彈簧剛度為
(4-9)
式中 —計(jì)算系數(shù)，
圖4-4 靜變形量
取彈簧的變形量，參見(jiàn)圖4-4，則
(4-10)
式中 —計(jì)算系數(shù)，
靜變形量和彈簧自振頻率間還具有關(guān)系
(4-11)
式中 —重力加速度，；
—自振頻率(HZ)
以上公式中的計(jì)算系數(shù)、、都是和的函數(shù)。
根據(jù)工作載荷F，轉(zhuǎn)臂長(zhǎng)度，常用工作載荷作用點(diǎn)與水平位置的距離，最大變形時(shí)，工作載荷下扭桿的自振頻率來(lái)給出扭桿的扭轉(zhuǎn)剛度、轉(zhuǎn)臂的最大變形時(shí)的夾角、扭桿的最大扭轉(zhuǎn)角和最大扭矩，最后確定扭桿的直徑和長(zhǎng)度。公式分別為和，為許用應(yīng)力取850Mpa，
4.2 關(guān)鍵零部件的校核
4.2.1 承載裝置驅(qū)動(dòng)軸的校核
(1)選擇軸的材料：
選取45鋼調(diào)質(zhì)，硬度230HBS，強(qiáng)度極限=640Mpa，屈服極限=355Mpa，彎曲疲勞極限=275Mpa，剪切疲勞極限=155Mpa，對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力時(shí)的許用應(yīng)力=60Mpa。
(2)估算軸的最小直徑
查機(jī)械設(shè)計(jì)表15-3，取103.則該驅(qū)動(dòng)軸的最小直徑：
(4-12)
因軸段上有鍵槽，故需將軸徑增加7%，取軸端直徑30mm.
(3)驅(qū)動(dòng)軸上載荷的計(jì)算
輥筒質(zhì)量的估算：
道夫輥筒筒體質(zhì)量：因輥筒材料為Q235，該鋼的密度為7.85g/，道夫輥筒的尺寸為：D=692mm，d=667mm，h=1020mm,
由公式
可知道夫輥筒筒體的質(zhì)量=213.5Kg
錫林輥筒筒體質(zhì)量：材料與道夫輥筒相同，尺寸參數(shù)為：D=1284mm，d=1260mm，h=1020mm，由質(zhì)量公式可計(jì)算出錫林輥筒筒體質(zhì)量為=383.76Kg.
道夫輥筒與錫林輥筒兩端堵頭質(zhì)量計(jì)算：堵頭的尺寸參數(shù)為D=150mm，d=85mm，h=81mm，由此可估算堵頭的質(zhì)量為7.62Kg.
再考慮到錫林與道夫輥筒內(nèi)壁的梯形筋的質(zhì)量，將道夫輥筒的質(zhì)量估算為250Kg，將錫林輥筒的質(zhì)量估算為450Kg。
校核承載裝置在最大限度承載時(shí)驅(qū)動(dòng)軸的強(qiáng)度是否滿足要求，此時(shí)承載裝置承受載荷為7000N，再考慮支撐件和承載箱體的質(zhì)量共420Kg，故驅(qū)動(dòng)軸與從動(dòng)軸承受的載荷為11200N。為方便計(jì)算將載荷平分到兩端軸上，故驅(qū)動(dòng)軸所受載荷為5600N。
電動(dòng)機(jī)功率為0.75Kw，齒輪傳遞效率為=0.97，故驅(qū)動(dòng)軸的功率為=0.7275Kw。由轉(zhuǎn)矩公式：
(4-13)
知
計(jì)算齒輪的圓周力與徑向力，將分解為、，計(jì)算公式為：
(4-14)
(4-15)
將d=45mm，代入公式計(jì)算得：=(N)，=(N)
因該驅(qū)動(dòng)軸的兩支撐為活動(dòng)鉸鏈(可動(dòng)鉸支座)，水平面內(nèi)的不對(duì)軸產(chǎn)生矩，該力是軸的驅(qū)動(dòng)力，故不在彎矩圖中表達(dá)。
驅(qū)動(dòng)軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及受力簡(jiǎn)圖分別如圖4-5所示
Nm
圖4-5 驅(qū)動(dòng)軸受力分析圖
因驅(qū)動(dòng)軸所受輥筒載荷為5600N，為便于計(jì)算，可取，，，均相等且為1400N。受力分析知N
對(duì)B點(diǎn)取矩有：
解方程有：=4000N，=4000N。
根據(jù)計(jì)算出的力繪出該軸的剪力圖，計(jì)算各點(diǎn)彎矩并畫出簡(jiǎn)圖如上所示。
由上述彎矩圖可知該軸的危險(xiǎn)截面為中間齒輪截面，在截面上扭矩和合成彎矩分別為=150 Nm，=494.6 Nm
按第三強(qiáng)度理論進(jìn)行校核：由材料力學(xué)公式
(4-16)
抗彎截面系數(shù)
(4-17)
將數(shù)值代入公式有：
因該軸上的最大切應(yīng)力值小于許用應(yīng)力，且該軸的強(qiáng)度仍有彈性，故該軸的強(qiáng)度符合要求。
4.2.2 鍵聯(lián)接的選擇與校核
驅(qū)動(dòng)軸與齒輪用普通平鍵的選擇和強(qiáng)度校核
(1)選用圓頭普通平鍵(A型)
按軸徑d=45mm及輪轂長(zhǎng)l=24mm，查機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)表15-20，選鍵14×9 GB 1096-79
(2)強(qiáng)度校核：
鍵的材料選用45鋼，查機(jī)械設(shè)計(jì)表6-2知，許用應(yīng)力=100～120Mpa，鍵的工作長(zhǎng)度為l=L-b/2=17mm，k=h/2=4.5mm，按機(jī)械設(shè)計(jì)公式6-2
(4-18)
知 ，
故該鍵的聯(lián)接強(qiáng)度滿足要求。
4.2.3 軸承的校核
選擇承載裝置從動(dòng)輪上的軸承進(jìn)行校核，
對(duì)從動(dòng)軸上的軸承進(jìn)行校核，因該軸上軸承無(wú)軸向力，故選用深溝球軸承，其型號(hào)為：6008。軸承6008的基本額定動(dòng)載荷=17.0KN，基本額定靜載荷為=11.8KN，基本尺寸為。因該軸上軸承無(wú)軸向載荷，故徑向動(dòng)載荷系數(shù)=1，軸向動(dòng)載荷系數(shù)=0.
計(jì)算軸承當(dāng)量動(dòng)載荷，查機(jī)械設(shè)計(jì)表13-6，取軸承的載荷系數(shù)=1.5
故當(dāng)量動(dòng)載荷為(N)
(4-19)
軸承的額定壽命
查機(jī)械設(shè)計(jì)表13-4，取溫度系數(shù)=1，則軸承計(jì)算的額定壽命為：
(h)
若按大修期為八年，在大修時(shí)更換軸承，按每年300天，每天8小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，則軸承的預(yù)期壽命為=19200(h)，故所選軸承滿足要求。
結(jié)論
本篇論文在課題分析的基礎(chǔ)上分別對(duì)承載裝置的設(shè)計(jì)和自定心裝置的設(shè)計(jì)提出了三個(gè)不同的方案，并根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況、加工工藝、方案可行性及經(jīng)濟(jì)性對(duì)方案進(jìn)行對(duì)比分析，提出了承載裝置和自定心裝置的設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，對(duì)本方案設(shè)計(jì)中用到的電動(dòng)機(jī)、液壓缸通過(guò)理論計(jì)算進(jìn)行合理地選擇，對(duì)自定心裝置中的連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)確定性的驗(yàn)證，最后對(duì)本設(shè)計(jì)中的主關(guān)件驅(qū)動(dòng)軸進(jìn)行強(qiáng)度校核。
1、本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)
(1)在承載裝置方案設(shè)計(jì)中用到齒輪減速電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而且此類型電機(jī)具有自鎖功能，在鏜孔過(guò)程中可防止承載裝置在外力作用下滑移。
(2)承載裝置的定位方式采用類V形面定位，即起到了很好的定位作用，也避免了普通V形面定位件強(qiáng)度不足引起的變形現(xiàn)象。
(3)自定心裝置采用液壓缸驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸同時(shí)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以?shī)A緊輥筒的目的，夾緊行程小，夾持平穩(wěn)。
(4)自定心裝置中采用的內(nèi)處花鍵即起到傳遞扭矩的作用，也起到很好的導(dǎo)向作用；夾緊件的限位方式采用扭桿彈簧，也是本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)之一。
2.本設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及分析
雖然完成了承載裝置與自定心裝置的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，但本方案也存在問(wèn)題，下面對(duì)存大的問(wèn)題進(jìn)行分析并提出改進(jìn)的方向如下：
(1)承載裝置中的驅(qū)動(dòng)軸同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)輪子，這使得驅(qū)動(dòng)軸的長(zhǎng)度過(guò)大，雖經(jīng)校核滿足強(qiáng)度要求，但生產(chǎn)實(shí)際中較長(zhǎng)的軸不易加工，而且要保證長(zhǎng)軸的同軸度就很困難。
改進(jìn)方向：可以將長(zhǎng)的驅(qū)運(yùn)軸一分為二，分別用兩個(gè)相同的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這不僅降低了生產(chǎn)成本，也便于軸的安裝。
(2)在自定心裝置方案中，將三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸固定在可移動(dòng)的箱體上，在夾緊機(jī)構(gòu)夾緊輥筒時(shí)該可移動(dòng)板的剛性不高。
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附錄
圖1 承載裝置三維建模外觀
圖2 承載裝置與自定心裝置總裝外觀圖