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太原理工大學機械工程學院 開題報告 機械工程學院 畢業(yè)設計（論文）開題報告 題 目： 螺紋在線加工部件結構設計 專業(yè)班級： 機電1103班 姓 名： 學 號： 2011100818 指導教師： 成建平 2015年 月 日 1.課題名稱： 螺紋在線加工部件結構設計。 2. 課題研究背景： 小型零部件上的螺紋孔一般在加工螺紋的專用機床上進行，如鏜床、銑床、鉆床等。但對于加工大型零部件上的螺紋孔，上述專用機床就不能滿足現(xiàn)場加工，有兩個方面的原因：第一，這些機床大都體型巨大而笨重難于到現(xiàn)場加工；第二，這些專用機床都有加工范圍，對于大型零部件的螺紋孔，這些機床都不適用。該數(shù)控設備通過主軸箱內傳動部件的設計能夠實現(xiàn)鉆孔和內螺紋的加工，滿足了對于大型零部件上孔和螺紋的加工。研究該數(shù)控加工設備可以在線對零部件的鉆孔和螺紋加工，而且可以連續(xù)加工出不同螺距的螺紋，滿足實際生產的要求，相對于機械式數(shù)控加工設備具有明顯的優(yōu)勢：操作方便，加工精度較高，生產效率較高，自動化程度較高。所以該數(shù)控加工設備具有較廣的應用前景。 3. 課題研究意義： （ （1）主要解決大型零部件上鉆孔和螺紋的加工 （2）解決專用機床對于實時在線加工的問題 （3）降低生產成本，節(jié)省用于加工的時間，提高勞動生產率 （4）提高對生產自動化的認識 4. 文獻查閱概況 《金屬機械加工工藝人員手冊》趙如福 《機床夾具設計手冊》 《數(shù)控技術指導書》 5. 設計（論文）的主要內容 （1） 數(shù)控設備的總體設計 本課題主要設計一套數(shù)控加工大型零部件上孔內螺紋加工的主軸箱，進給箱內部的機械結構設計框圖如圖所示，通過對主軸箱的具體結構設計，實現(xiàn)主運動和進給運動，從而實現(xiàn)對于螺紋的加工。這是一條內聯(lián)系傳動鏈，聯(lián)系兩個執(zhí)行件，以形成復合成形運動的傳動鏈，稱為內聯(lián)系傳動鏈。它的作用是保證兩個末端件之間的相對速度或相對位移保持嚴格的比例關系，以保證被加工表面的性質。如在臥式車床上車螺紋時，連接主軸和刀具之間的傳動鏈，就屬于內聯(lián)系傳動鏈。此時，必須保證主軸（工件）每轉一轉，車刀移動工件螺紋一個導程，才能得到要求的螺紋導程。對于主運動的設計是采用交流伺服電機通過減速機構把動力傳到主軸上，主軸帶動刀具回轉在孔內加工出螺紋，而另一方面也采用交流伺服電機和減速機構將運動傳到絲杠螺母副，絲杠的回轉帶動螺母移動，利用螺母座與主軸的套筒聯(lián)結，由于主軸和套筒的剛性連接，從而使得主軸隨著螺母的移動而移動，實現(xiàn)了進給運動。另外在主運動的減速機構上安裝編碼器用于實時監(jiān)測主軸的轉速，以便及時調整主軸轉速，保證螺紋的加工質量。對于鉆孔加工和螺紋加工類似，但卻是一條外聯(lián)系傳動鏈，聯(lián)系交流伺服電動機和主軸，使主軸得到給定的速度運動，并傳遞一定的動力，外聯(lián)系傳動鏈傳動比的變化，只影響生產率或表面粗糙度，不影響加工表面的形狀。因此，外聯(lián)系傳動鏈不要求兩末端件之間有嚴格的傳動關系。通過主軸的主運動和進給運動帶動刀具同時回轉運動和直線進給運動加工出所要求的孔。 伺服電動機是指能夠精確地控制轉速與轉角的一類電動機，它在機電一體化設備進給伺服系統(tǒng)中是執(zhí)行元件。常用的伺服電動機分為四大類：直流伺服電動機；交流伺服電動機；步進電動機；直接驅動電動機。直接驅動電動機、交流伺服電動機和直流驅動電動機均采用位置閉環(huán)控制，一般用于要求精度高、速度快的伺服系統(tǒng)；步進電動機主要用于開環(huán)控制，一般用于精度、速度要求不高，成本較低的伺服系統(tǒng)中。相比于其他電動機，交流伺服電動機交流伺服電機特點?：⑴無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和保養(yǎng)要求低。⑵定子繞組散熱比較方便。⑶慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性。⑷適應于高速大力矩工作狀態(tài)。⑸同功率下有較小的體積和重量。 減速機構采用直齒圓柱齒輪傳動，齒輪傳動的優(yōu)點：1、使用的圓周速度和功率范圍廣；2、效率較高；3、傳動比穩(wěn)定；4、壽命長；5、工作可靠性高；6、可實現(xiàn)平行軸的之間傳動。 在機電一體化系統(tǒng)中，常常需要檢測運動部件的位移和速度。檢測角位移和速度常用的傳感器是增量式旋轉編碼器，檢測線位移和線速度常用的則是直線光柵。這兩種位移檢測裝置本身就是旋轉器，它們與控制系統(tǒng)的接口簡單方便。 增量式旋轉編碼器結構和工作原理：增量式旋轉編碼器是一種光學式位置檢測元件，主要用以測量轉角與轉速，輸出信號為電脈沖，其外形如圖4-35所示。增量式旋轉編碼器最初的結構是一種光電盤，如圖4-36所示。在一個圓盤的圓周上分成相等的透明與不透明部分（構成主柵），圓盤與工作軸1一起旋轉。此外還有一個固定不動的圓形薄片（分度柵8）與圓盤（主柵7）平行放置，分度柵開有、、三組狹縫。其中、狹縫用于辨向，彼此錯開1/4柵距（主柵上相鄰兩線的間距為一個柵距）；狹縫用作零位。工作軸轉動時，感光元件接收到的光通量會時大時小地連續(xù)變化（近似于正弦信號），經(jīng)放大，整形電路變換后輸出方波信號，如圖4-37所示，其中、兩路方波的相位差為。若定義相超前于相時工作軸為正轉，則相超前于相時工作軸就為反轉。相是零位脈沖（每轉一個），通常用作測量基準。在實際應用中，從編碼器輸出的、相信號經(jīng)辨向和倍頻后，變成代表位移的測量脈沖被引入位置控制回路進行位置調節(jié)；或經(jīng)頻率-電壓變換器轉變成正比于頻率的電壓，作為速度反饋信號送給速度控制單元進行速度調節(jié)。 （1） 鉆孔的基本尺寸和切削用量 根據(jù)加工螺紋的公稱直徑確定孔徑的大小，查《金屬機械加工工藝人員手冊》(以下簡稱《手冊》)可知，普通螺紋的基本尺寸如圖所示（注：本課題主要研究螺距之間的螺紋）。本課題研究螺紋的公稱直徑在之間，中徑公差等級為8級。查《手冊》可知，直徑大于的孔采用兩個鉆頭分兩次來鉆出，先用直徑為的鉆頭鉆，然后再擴至所要求的孔徑，選用的刀具是錐柄麻花鉆（）,刀具材料是,選用第一系列的刀具直徑，工件材料選用為結構鋼=。 查《手冊》得，鉆削加工的切削速度公式 （1） 式中：---進給量[] ---刀具耐用度[] ---孔徑[] 由《手冊》查得=，當?shù)毒咧睆?，；當?shù)毒咧睆?，將相關參數(shù)代入公式得， 鉆削時軸向力，扭矩及功率的計算公式查《手冊》可知， [] (2) [] (3) [] (4) 根據(jù)（2）式，計算， 根據(jù)（3）式，計算， 對于轉速，有： [] (5) 得， 將相關參數(shù)代入式（4）中得， 根據(jù)所計算的相關參數(shù)查相關資料，選擇180SM3020型號大慣量交流伺服電動機，額定功率5.6,額定力矩30，額定轉速2000，額定線電流28.6,轉動慣量90，其安裝尺寸如圖所示， 電機性能曲線如上圖所示，當電動機軸轉速在之間時，轉矩在之間。 減速機構設計 根據(jù)選擇的電動機的相關參數(shù)和切削加工時功率和轉矩的要求，初選進給運動傳動機構傳動比，二級傳動。 (2)加工螺紋的基本尺寸和切削用量 螺紋的公稱直徑查《手冊》知，如下表所示 選擇加工三角形內螺紋的公稱直徑為之間，螺距在之間。加工刀具的材料為硬質合金YT15，加工形式是鏜削螺紋，工件材料選用為結構鋼。 切削速度計算公式： （6） 其中，為刀具耐用度90，為行程次數(shù)， 根據(jù)查到的數(shù)據(jù)可知為2；切削速度=18.51，=22.77. 主軸轉速公式： = （8） 同理主軸切削速度在之間，代入主軸轉速公式得轉速的范圍在之間。電動機軸轉速之間根據(jù)螺紋加工時主軸轉速范圍可知，主運動傳動機構傳動比符合要求。 主軸做進給運動時，根據(jù)鉆削扭矩值選擇180SM3020型號大慣量交流伺服電動機，其傳動機構傳動比，二級傳動。 （3）主軸的設計以及有關參數(shù)的計算 主軸是機床中最常見的一種旋轉類零件。主要由內圓面、外圓面、內外圓錐面、螺紋、花鍵和橫向孔等組成。主軸是機床的執(zhí)行件，它的主要功能是支撐傳動件和傳遞轉矩、在運作時，由它帶動刀具直接參與表面成形運動；同時還保證刀具對機床其他部件有正確的相對位置。所以，主軸的性能對加工質量和機床的生產效率有重要影響。另外，主軸的傳動方式是由皮帶傳動和齒輪傳動兩種方式結合的。各種車床主軸部件有所不同，但他們的基本用途是相同的，在結構和要求方面也是類似的。在工作性能上都必須與機床使用性能有相匹配的旋轉精度、剛度、抗振性和耐磨性等。 主軸的基本要求： 1.承受摩擦與磨損? 機床主軸的不同部位承受著不同程度的磨損，尤其是軸頸部分，由于某些軸承與軸頸配合時，摩損較大，所以此部位應具有很高的硬度來增強耐磨性。 2. 工作中時承受載荷 在高速運轉時，機床主軸要承受不同載荷的作用，如彎曲變形、沖壓，扭轉等。因此要求主軸必須有抵抗不同載荷的能力。主軸在載荷大轉速高時還要承受著很高的交變應力。所以要求主軸具有較高的綜合力學性能和疲勞強度。 前錐孔用來裝頂尖或其他工具錐柄，要求能自鎖，目前采用莫氏錐孔，本主軸錐孔采用莫氏錐度6號。設計主軸內徑的原則是為減輕主軸重量，在滿足對空心主軸孔徑要求和最小壁厚要求下，應取最大值。主軸孔徑越大，主軸部件的相對重量就越輕。主軸的孔徑大小主要受主軸剛度的制約。主軸的孔徑與主軸直徑之比，小于0.3時空心主軸的剛度幾乎與實心主軸相等；等于0.5時空心主軸的剛度為實心主軸的90%；大于0.7時，空心主軸的剛度就急劇下降。一般可取其比值為0.5左右。? 主軸本身剛度K正比于抗彎斷面慣性矩I （7） 由式子可知取孔徑的直徑極限為：<0.7。 此時若孔徑再大，剛度則急劇下降，根據(jù)推薦值，取0.6。 根據(jù)前面鉆削加工鉆刀的直徑設計主軸的錐孔孔徑,鉆刀直徑最大為50，則主軸直徑為105，主軸各部分尺寸如圖表所示. 自動松拉刀系統(tǒng) 1. 自動松拉刀系統(tǒng)的工作原理及結構形式 鉆削電主軸的自動松拉刀機構可以分為兩部分，即刀具夾緊部分和松刀部分。刀具夾緊部分主要由夾頭、拉桿、碟形彈簧等組成，這一部分隨轉軸一起旋轉；松刀部分主要是氣缸部分。自動松拉刀系統(tǒng)的工作原理是：在夾頭夾緊刀具的狀態(tài)下，碟形彈簧壓縮，彈簧向后施加力給拉桿，拉桿拉緊夾頭，夾緊刀具；松刀時，主軸后部配置的松刀氣缸充氣，頂桿頂推拉桿后部，壓縮碟形彈簧，拉桿推動夾頭下移，彈簧夾頭張開，松開刀具。 2. 刀具夾緊結構夾緊結構 圖2 所示的是碟形彈簧后置式夾緊結構形式。碟形彈簧安裝在后螺母內，拉桿較長，拉桿對主軸的動平衡有一定的影響。這種結構的碟形彈簧損壞后可以方便地取出，進行更換。一般多使用在采用滾動軸承的鉆削主軸上。 自動松拉刀系統(tǒng)的關鍵零件： （1）夾頭 夾頭是主軸夾緊刀具用的關鍵零件，通常采用的夾頭有EX1010、EX820、1201 等型號。夾頭本身的因素是引起掉刀的原因之一，夾頭的有效長度和疲勞壽命是掉刀的直接因素。圖8 是測量夾頭有效長度的示意圖，圖中h 的值相差太大，當更換夾頭不當時就會引起掉刀或松不開刀的現(xiàn)象發(fā)生。h值直接影響的是拉緊刀具的碟形彈簧的壓縮量，鉆、銑削電主軸的碟形彈簧壓縮量都很小，碟形彈簧的工作壓縮量根據(jù)主軸型號的不同在0.5～1.2mm 之間。經(jīng)檢測即使進口的彈簧夾頭其圖中的h 值相差也會到0.3mm 以上。假設使用的夾頭與原配的夾頭相差0.2mm，彈簧的拉緊力就要相差25% 左右，對于有些型號的主軸會相差更大。 （2）碟形彈簧 碟形彈簧是自動松拉刀系統(tǒng)的關鍵零件，向主軸生產廠家購買質量差的碟形彈簧會出現(xiàn)脆裂、彈性在較短時間內喪失等問題。新購來的碟形彈簧片需要進行以下處理：(1)為了能使碟彈簧在工作時伸縮自由，需要對其進行研邊處理，兩端研磨出約0.1mm 寬的平面。(2)需要進行強壓處理，如圖9所示，把碟形彈簧片依次反向裝入預壓心軸上，將臺鉆的鉆夾頭端部壓在壓套上端，向下加力，直到把碟形彈簧壓平，這樣壓50～100 次。強壓處理后，單片彈簧的高度和原來相比要低0.05mm，或更大一些。經(jīng)過處理的碟形彈簧片，裝機后，拉刀力穩(wěn)定性好，拉緊力下降不明顯。 3.松刀氣缸 浮動缸是指氣缸體在工作過程中有上下移動，圖6 所示是一種浮動缸的結構形式。浮動缸的工作原理是：壓縮空氣從圖6 箭頭所示方向進入氣缸，當氣缸充氣時，浮動缸體上移，拉住轉軸的后部，在消除頂桿與拉桿間的間隙后，頂桿繼續(xù)下移，接觸拉桿后端，頂桿頂住拉桿的后部，松刀力只作用在碟形彈簧上，轉軸和軸承均不受力。這樣轉軸的支撐不承受松刀的拉力，達到給支撐卸載的目的。當轉軸運轉時，氣缸和頂桿均與轉軸脫開，不影響轉軸的運轉。這種浮動缸結構在鉆削主軸上用的較為廣泛。 6.設計（論文）提交形式 1. 設計計算說明書1份。（按太原理工大學學生畢業(yè)設計撰寫規(guī)范寫）。 2. 主軸箱裝配圖1張（A0）。 3. 主軸零件圖1張（A1）。 4. 機床尺寸聯(lián)系圖1張（A1）。 5. 箱體零件圖1張（A0）。 6．1萬印刷符號的英文資料翻譯文件。 7. 進度安排 第四周 查找有關外文資料并翻譯成中文 第五周 查閱資料并撰寫開題報告 第六周 基本參數(shù)計算 第七周 零部件和總體結構設計 第八周 畢業(yè)實習，完成實習報告 第九周 零部件和總體結構設計 第十周 主運動部分設計計算 第十一周 進給運動部分設計計算 第十二周 傳動部分設計計算 第十三周 計算機繪圖，編寫設計說明書 第十四周 計算機繪圖，編寫設計說明書 第十五周 計算機繪圖，編寫設計說明書 第十六周 審查和修改圖紙及整理畢業(yè)設計說明書 第十七周 準備畢業(yè)答辯答辯 第十八周 畢業(yè)答辯 8. 指導教師意見 簽名： 年 月 日