3226 內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì),切片機(jī),設(shè)計(jì) 內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)目 錄目 錄 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------I第 1 章 前 言 ---------------------------------------------------------------------------------------------------11.1 內(nèi)圓切片機(jī)的發(fā)展和現(xiàn)狀 ............................................................................................11.1.1 內(nèi)圓切割技術(shù)與線切割技術(shù)分析 -------------------------------------------------------------21.1.2 國內(nèi)外內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)備技術(shù)概況 -------------------------------------------------------------41.2 課題意義 ........................................................................................................................5第 2 章 內(nèi)圓切片機(jī)的基本原理 ----------------------------------------------------------------------------72.1 內(nèi)圓切片機(jī)的原理和特點(diǎn) ............................................................................................72.1.1 內(nèi)圓切片機(jī)的三種基本運(yùn)動 -------------------------------------------------------------------72.1.2 內(nèi)圓切片機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理 -------------------------------------------------------------------72.2 液壓伺服系統(tǒng)的工作原理 ...........................................................................................82.2.1 數(shù)控液壓伺服系統(tǒng)的組成 ----------------------------------------------------------------------82.2.2 數(shù)控液壓伺服閥的結(jié)構(gòu)和工作原理 ---------------------------------------------------------9第 3 章 主要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ---------------------------------------------------------------------------------123.1 擺動切割方式 .............................................................................................................123.2 精密主軸系統(tǒng) .............................................................................................................123.3 彈性絲杠螺母副送料系統(tǒng) .........................................................................................133.4 液壓傳動及其裝置 .....................................................................................................143.5 電控系統(tǒng) .....................................................................................................................15第 4 章 組合機(jī)床主軸箱設(shè)計(jì) ------------------------------------------------------------------------------164.1 主軸箱設(shè)計(jì)的原始依據(jù) ..............................................................................................164.2 運(yùn)動參數(shù)和動力參數(shù)的確定 .....................................................................................164.2.1 傳動系統(tǒng)傳動比分配 ---------------------------------------------------------------------------164.2.2 計(jì)算傳動裝置的運(yùn)動和設(shè)計(jì)參數(shù) ----------------------------------------------------------164.2.3 齒輪模數(shù)的估算及其校核 --------------------------------------------------------------------174.2.4 軸各參數(shù)估算及強(qiáng)度校核 --------------------------------------------------------------------204.3 主軸箱的坐標(biāo)計(jì)算 ......................................................................................................29第 5 章 結(jié)論 ---------------------------------------------------------------------------------------------------31參考文獻(xiàn) --------------------------------------------------------------------------------------------------------II內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)1第 1 章 前 言1.1 內(nèi)圓切片機(jī)的發(fā)展和現(xiàn)狀為了提高 IC 生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，IC 生產(chǎn)線所需硅圓片直徑不斷增大。為了滿足硅圓片加工的需要，硅片切割設(shè)備一方面向大片徑化方向發(fā)展，另一方面向高精度、高自動化及高智能化方向發(fā)展。從世界半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展來看，八十年代中期普遍使用 150m 圓片，該生產(chǎn)線于 1996 年發(fā)展到鼎盛時(shí)期，當(dāng)時(shí) 150mm 硅片消耗量為世界圓片消耗量的50％。 1990 年開始應(yīng)用 200mm 圓片，該生產(chǎn)線將于 2003 年達(dá)到高峰。于此同時(shí)，300mm 圓片生產(chǎn)線已于 1995 年建成試驗(yàn)性生產(chǎn)線。從世界范圍來看，目前已有相當(dāng)一些 IC 制造商、設(shè)備供應(yīng)商和半導(dǎo)體供應(yīng)商完成了向 300mm 圓片工藝水平的過渡。但是，硅圓片切割設(shè)備技術(shù)的發(fā)展在 IC 生產(chǎn)線建線技術(shù)中走在時(shí)間的前列?？v觀世界 IC 生產(chǎn)線的發(fā)展，發(fā)展速度之快，技術(shù)更新日新月異，給人耳目一新的感覺 [1]。由于集成電路制造工業(yè)的重要性，世界各國都比較重視，都積極大力發(fā)展各自盼 IC 制造工業(yè)。IC 器件的基礎(chǔ)性材料是半導(dǎo)體硅單晶材料，因此，世界各國對硅單晶材料的消耗量反映了一個國家的 IC 制造業(yè)的規(guī)模和工藝水平，同時(shí)各國硅材料生產(chǎn)及硅圓片生產(chǎn)水平也代表了一個國家 IC 工業(yè)的材料基礎(chǔ)的實(shí)力。由于國家的高度重視和積極扶持，我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正在快速發(fā)展。2001 年在國際電子制造業(yè)的不景氣情形下，我國電子制造業(yè)是同期 GDP 的 3 倍。我國電子市場在全球市場中所占的份額由 1996 年的 2．3％上升到 2000 年的6．996 ；同時(shí)世界集成電路的平均單價(jià)為 2．6 美元，我國集成電路平均單價(jià)由0．4 美元升至 0．5 美元。我國 IC 工業(yè)具有發(fā)展數(shù)量的空間和具有發(fā)展技術(shù)的空間，這兩大空間，決定了我國在今后一段時(shí)期內(nèi) IC 產(chǎn)業(yè)保持快速發(fā)展。當(dāng)前，我國擁有 8 家集成電路芯片制造企業(yè)，其中 2 家采用 200mm 生產(chǎn)線。正在建設(shè)和計(jì)劃建設(shè)的生產(chǎn)線包括：北京信創(chuàng)(150mm)、首鋼華夏(200mm)、上海先進(jìn)(200mm)、上海貝嶺(200mm)和杭州士蘭(150m)等，這些生產(chǎn)線 2～3 年內(nèi)可望建成投產(chǎn)。拿深圳、上海兩地為例：深圳計(jì)劃在 3～5 年內(nèi)建成 8～15 條前工藝生產(chǎn)線。上海計(jì)劃于 2005 年前，先行完成 4 條 8～12 英寸晶圓生產(chǎn)線，以實(shí)現(xiàn)內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)2年產(chǎn) 240 萬片，產(chǎn)能 1．1 億平方英寸的生產(chǎn)目標(biāo)。以上項(xiàng)目的建設(shè)，為硅材料加工行業(yè)提供了廣闊的市場。以上海規(guī)劃年產(chǎn)240 萬片為例，240 萬片折合 200mlCZ 法單晶硅片 240 噸( 這一數(shù)據(jù)為日本 2001年晶圓單晶硅產(chǎn)量的十分之一，2001 年日本晶圓單晶硅產(chǎn)量為 2153 噸)。從目前國內(nèi)硅圓片加工行業(yè)來看，在我國具有相當(dāng)規(guī)模的半導(dǎo)體材料生產(chǎn)及加工企業(yè)中，其單晶硅年產(chǎn)量徘徊在 50 噸的水平，并且其生產(chǎn)的硅圓片的數(shù)量，較多集中在 125mn 圓片的加工范圍。硅圓片的加工方法一直延用以下工藝過程：晶棒成長——晶棒裁切與檢測——外徑滾磨——切片——圓邊(倒角)——表層研磨——蝕刻一去疵——拋光——清洗——檢驗(yàn)——包裝硅圓片切片工藝過程中多應(yīng)用內(nèi)圓切割技術(shù)，該技術(shù)于二十世紀(jì)七十年代末發(fā)展成熟。隨著硅圓片直徑的增大，內(nèi)圓切割工藝中所需內(nèi)圓刀片尺寸增大，刀片張緊力也相應(yīng)增大。同時(shí)刀片刃口的加厚增加了切割損耗，高速切割使硅片表面的損傷層及刀具損耗加大。這些缺點(diǎn)使內(nèi)圓切割技術(shù)在大片徑化方向中提高效率，降低生產(chǎn)成本受到制約。加之當(dāng)時(shí)內(nèi)圓刀具制作上的困難，基于這種情況，國際上又發(fā)展了一種多線切割(后簡稱線切割) 技術(shù)工藝方法。1.1.1 內(nèi)圓切割技術(shù)與線切割技術(shù)分析200mm 以上規(guī)格硅單晶圓片切割加工可采用內(nèi)圓切割技術(shù)或線切割技術(shù)兩種切割方式。在硅圓片規(guī)模化生產(chǎn)中，線切割技術(shù)作為主流加工方式，逐步取代傳統(tǒng)的內(nèi)圓切割技術(shù)方式。但在所有硅材料切片加工中，內(nèi)圓切割技術(shù)與線切割技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中互為補(bǔ)充而存在。眾所周知，隨著硅圓片直徑的增大，內(nèi)圓切割技術(shù)的缺點(diǎn)使硅片表面的損傷層加大(約為 30～40 微米 )。線切割技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是效率高 (大約為內(nèi)圓切割技術(shù)的6～8 倍。在 8 小時(shí)左右切割過程中一次可切出 400 圓片左右)。切口小，硅棒切口損耗小(約為內(nèi)圓切割技術(shù)的 60%，這相當(dāng)于內(nèi)圓切片機(jī)切割 6 片圓片而節(jié)約出 1 塊圓片)，切割的硅片表面損傷層較淺 (約為 10～15 微米)，片子質(zhì)量人為因內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)3素少。但線切割技術(shù)同內(nèi)圓切割技術(shù)相比有其明顯的弱點(diǎn)，一是片厚平均誤差較大(約為內(nèi)圓切割技術(shù) 2 倍 )。二是切割過程中智能檢測控制不易實(shí)現(xiàn)。三是切割過程的成功率要求較高，風(fēng)險(xiǎn)大，一但斷絲而不可挽救時(shí)，直接浪費(fèi)一根單晶棒。四是不能實(shí)現(xiàn)單片質(zhì)量控制，一次切割完成后，才能檢測一批圓片的切割質(zhì)量，并且圓片之間切割質(zhì)量也不相同。在這些方面，內(nèi)圓切割技術(shù)卻顯示出其優(yōu)越性來。具體表現(xiàn)在：(I)切片精度高。(2) 切片成本低，同規(guī)格級的內(nèi)圓切片機(jī)價(jià)格為線切割機(jī)價(jià)格 l／3～l／4，線切割機(jī)還需配置專用粘料機(jī)。(3)每片都可調(diào)整。(4)小批量多規(guī)格加工時(shí)靈活的加工可調(diào)性(5) 自動、單片方式切換操作方便性。(6)低成本的輔料 (線切割機(jī)磨料及磨料液要定時(shí)更換)。(7)不同片厚所需較小的調(diào)整時(shí)間。(8) 不同棒徑所需較小的調(diào)整時(shí)間。(9) 修刀、裝刀方便。八十年代中后期人們普遍認(rèn)為：隨著硅硬脆材料塊大片徑化發(fā)展，線切割技術(shù)是硅片切割的主流技術(shù)，在規(guī)模化晶圓片切割中將取代內(nèi)圓切割技術(shù)。因此人們加大了對 200m 以上線切割機(jī)的研究，以解決其技術(shù)不足。例如 1996 年 7 月，日本日平外山公司研制成功 300mm 晶圓片線切割機(jī)(MNM444)。切片機(jī)已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體材料、石英、陶瓷、鐵氧體、鈮酸鋰等硬脆材料的切割，是半導(dǎo)體加工的重要工序，在國內(nèi)外許多材料加工單位普遍采用 [2]。切片機(jī)直接影響到硬脆材料塊的成本、質(zhì)量以及各種性能。目前，硬脆材料塊切割主要的方法有金剛石內(nèi)圓切割和線切割但是作為成熟工藝技術(shù)的內(nèi)圓切割技術(shù)在大直徑化發(fā)展方向上并沒有失掉其有利的地位，并隨著 IC 器件大片徑化發(fā)展同時(shí)其技術(shù)不斷創(chuàng)新。1998 年 1 月，日本旭日金剛石工業(yè)公司推出 T-SM-300 內(nèi)圓切片機(jī)，標(biāo)志著內(nèi)圓切割技術(shù)又上了一個新的臺階 ?？上驳氖?，這種設(shè)備在刀片直徑增大情況下，仍采用較小的刀口厚度(0．38mm)。從相對意義而言，這種較小的刀口厚度降低了刀口硅材料消耗。并且，該內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)制造采用了一系列先進(jìn)技術(shù)，使刀口處寬度變化控制在 0．36 一 O．38 枷。這與200mm 晶圓片切片加工時(shí)的刀口寬度的擺幅變化(O．34—0．38)是一樣的。由此可見 300mm 內(nèi)圓切割設(shè)備制造精度和工作動態(tài)精度之高。由于內(nèi)圓切片機(jī)晶棒端磨技術(shù)，切割過程中的自動修刀系統(tǒng)及刀片導(dǎo)向系統(tǒng)以及動態(tài)檢測和自診斷系統(tǒng)等智能化技術(shù)的應(yīng)用，以單片切割質(zhì)量的控制成為優(yōu)勢條件，使內(nèi)圓切內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)4片機(jī)切片質(zhì)量很高(300m 片子的平均厚度變化差在 0.Olmm 以內(nèi))，為 IC 器件提供了優(yōu)良的晶圓片。同對，機(jī)械手自動單片取片也使連續(xù)切割的成片率的可靠性大大提高。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，內(nèi)圓切割技術(shù)與線切割技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中互為補(bǔ)充而存在。同時(shí)我們認(rèn)為：(1)在新建硅圓片加工生產(chǎn)線上，規(guī)模在年產(chǎn)量達(dá) 50 噸以上硅單晶加工生產(chǎn)線，并且圓片品種主要針對較大數(shù)量集成電路用硅圓片時(shí)，切割設(shè)備選型可定位在線切割機(jī)上，同時(shí)大規(guī)模、單一硅圓片品種(主要指圓片的厚度規(guī)格品種)的太陽能級圓片加工，切割設(shè)備選型也可定位在線切割機(jī)上。厚度規(guī)格品種的多少，直接關(guān)系到線切割機(jī)排線導(dǎo)輪備件的多少。該排線導(dǎo)輪目前國內(nèi)無法配套，國外供應(yīng)商配套，價(jià)格較高。頻繁更換排線導(dǎo)輪增加了輔助時(shí)間，還會增加線絲的浪費(fèi)．(2)生產(chǎn)規(guī)模較小的生產(chǎn)單位或多品種硅圓片生產(chǎn)并具有較大規(guī)模的生產(chǎn)單位，在設(shè)備選型上，應(yīng)首先考慮選用內(nèi)圓切片機(jī)。1.1.2 國內(nèi)外內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)備技術(shù)概況在國內(nèi)引進(jìn)的內(nèi)圓切片機(jī)機(jī)型中主要有瑞士 M&B 公司和日本東京精密株式會社(TOKYO)兩公司的內(nèi)圓切片機(jī)機(jī)型。這幾年隨著國外硅片生產(chǎn)公司的設(shè)備更新，在國內(nèi)引進(jìn)了二手的日本 TOYO 公司生產(chǎn)的 200mm 規(guī)格的切片機(jī)，但數(shù)量不是很多。M&B 公司以臥式機(jī)型為主，TOKYO 公司以立式機(jī)型為主。在切片機(jī)主軸支撐方式上，M＆B 公司以空氣軸承為發(fā)展方向。TOKYO 公司以滾動軸承和空氣軸承兩種形式發(fā)展。由于以空氣軸承支撐的主軸結(jié)構(gòu)的內(nèi)圓切片機(jī)，在技術(shù)和制造成本上較高，因而其價(jià)格比以滾動軸承支撐的主軸結(jié)構(gòu)的內(nèi)圓切片機(jī)高出近 10 萬美元。因而，TOKYO 公司以滾動軸承支撐的主軸結(jié)構(gòu)的切片機(jī)為主要發(fā)展方向，腿 B 公司的產(chǎn)品中 150mm 主流機(jī)型有 TS23、TS202(TS23 增強(qiáng)型)兩種。200mm 的主流機(jī)型有 TS205、TS206 兩款機(jī)型。TS205 機(jī)型主要用于 200mm 晶捧齊端頭、切樣片和切斷，TS206 機(jī)型則是集中了內(nèi)圓切片機(jī)所有現(xiàn)有技術(shù)的機(jī)型。TOKYO 公司的 TSK 系列內(nèi)圓切片機(jī)中，150mm～200mm 規(guī)格機(jī)型有 S-LM-227D，s-LM-227DR，s-LM～434E，s-LM-534B 機(jī)型，其產(chǎn)品檔次和技術(shù)含量隨型號的大小而增加。2002 年 3 月 26 日～27 日在上海國際展覽中心舉行國際半導(dǎo)體設(shè)備與材料展覽暨研討會(SEMICONCHINA 2002)期間，除了 M＆B 公司繼續(xù)宣傳他們的內(nèi)圓內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)5切片機(jī)和線切割機(jī)外、TOKYO 公司沒有專項(xiàng)宣傳切片機(jī)機(jī)型，在他們的宣傳資料中涉及到切片機(jī)內(nèi)容也不多，這可能與 TOKYO 產(chǎn)品戰(zhàn)略調(diào)整有關(guān)，TOKYO 產(chǎn)品開始涉及到后封裝設(shè)備，研磨拋光和化學(xué)機(jī)械拋光領(lǐng)域了。在線切割機(jī)方面 TOKYO 公司拋棄了自行設(shè)計(jì)的多線鋸 w-SL-300／-500，轉(zhuǎn)而把瑞士 HCT 公司多線鋸系列作為經(jīng)營對象。M&B 公司內(nèi)圓切片機(jī)同 2001 年北京展示的相同，僅推薦 TS23、TS206 兩種，TS23 機(jī)型是在原機(jī)型上加裝了防護(hù)罩，使操作環(huán)境變好。TS23 機(jī)型的生命期己延續(xù)了 20 年之久，該機(jī)型在國內(nèi)用戶中也反映良好。內(nèi)圓切斷機(jī)為 TS205、TS207 兩種。M&B 同 TSK 不同，該公司一直從事材料切割技術(shù)研究工作。國內(nèi)在內(nèi)圓切片機(jī)研制中僅有信息產(chǎn)業(yè)部電子第四十五研究所。其內(nèi)圓切片機(jī)機(jī)型在國內(nèi)硅片切割行業(yè)應(yīng)用的范圍涵蓋了從 φ50mm 到 φ200mm 圖片的切片加工，QP-613 機(jī)型應(yīng)用范圍為中 φ125m～φ150mm 圓片切割加工，QP-816 機(jī)型應(yīng)用于 φ200mm 圓片切割加工。這些機(jī)型技術(shù)層次為國外九十年代初期的水平。在以上諸多機(jī)型中以 TS206，S-LM-534B 兩種機(jī)型集中了當(dāng)今內(nèi)圓切片機(jī)制造的最高技術(shù)。但是需要指出的是，這些主要技術(shù)停滯了將近 10 年。其技術(shù)特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面：(1)精密主軸制造技術(shù)：不論是采用空氣靜壓軸承支撐的主軸技術(shù)還是以精密滾動軸承支撐的主軸技術(shù)，都是保證切片機(jī)主軸高精度、高壽命及保證切片質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。(2)精密伺服定位技術(shù)：這是保證切片機(jī)切片厚度均勻、誤差小，減少磨片時(shí)間的關(guān)鍵技術(shù)。(3)機(jī)械手技術(shù)：保證切片后可靠的取片，減少片子意外損壞的技術(shù)。(4)自動檢測技術(shù)；是刀片導(dǎo)向系統(tǒng)及自動修刀系統(tǒng)應(yīng)用和單片質(zhì)量控制的前提條件。(5)CNC 控制技術(shù)：對機(jī)器進(jìn)行控制及保證自動檢測技術(shù)應(yīng)用的一軟硬件技術(shù)。(6)直流伺機(jī)服技術(shù)：保證切片質(zhì)量，提供可靠的驅(qū)動動力的技術(shù)。(7)精密滾動導(dǎo)軌：保證切片時(shí)片子的平行度、翹曲度、粗糙度機(jī)械導(dǎo)向技內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)6術(shù)。(8)端磨技術(shù)：提高片子表面彎曲度、翹曲度和表面粗糙度的技術(shù)。1.2 課題意義(1)利用 CNC 技術(shù)實(shí)現(xiàn)精密內(nèi)圓切片機(jī)的控制，探索出一條制造經(jīng)濟(jì)高效、精密可靠內(nèi)圓切片機(jī)的思路。(2)該設(shè)備的研制成功不僅能夠增加企業(yè)產(chǎn)品數(shù)量、提高本企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也解決了晶圓生產(chǎn)廠同類產(chǎn)品依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀。在設(shè)計(jì)過程中借鑒、吸收國外相同、相近產(chǎn)品的優(yōu)秀技術(shù)和成果，也為產(chǎn)品的智能化、大直徑切削設(shè)計(jì)生產(chǎn)提供了有益的借鑒。內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)7第 2 章 內(nèi)圓切片機(jī)的基本原理2.1 內(nèi)圓切片機(jī)的原理和特點(diǎn)2.1.1 內(nèi)圓切片機(jī)的三種基本運(yùn)動作為內(nèi)圓切片機(jī)，要完成一個工作循環(huán)必須具備三種基本運(yùn)動，即刀片高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動 (主軸系統(tǒng)) ，被切割材料按設(shè)定片厚值步進(jìn)送料運(yùn)動(進(jìn)料系統(tǒng) )以及 內(nèi)圓刀片柑對被切割材料作切割運(yùn)動(切割進(jìn)給系統(tǒng) )。另外，在切割過程 中所 切硬脆材料塊停置于刀盤內(nèi)，為了將硬脆材料塊取出 ，必須將被切豺材料退出內(nèi)圓刀片刃口位置，這一退料運(yùn)動是切片機(jī)的輔助運(yùn)動。不同類型的切片機(jī)就是采用了不同類型的機(jī)構(gòu)以及機(jī)構(gòu)布局實(shí)現(xiàn)這三種基本運(yùn)動和輔助運(yùn)動。2.1.2 內(nèi)圓切片機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理內(nèi)圓切片機(jī)主要由刀盤(主軸系統(tǒng))，送料箱 ，切割油缸，調(diào)晶向機(jī)構(gòu)，液壓站，液壓系統(tǒng)工作臺，電控框，電控箱(操作面板)等組成。因夾持內(nèi)圓刀片的主軸軸線呈水平位置，因此該機(jī)為臥式結(jié)構(gòu)。送料箱也相應(yīng)呈水平位置，所以夾持被切割材料也為臥式安裝 ?；凇芭P式” 這一特點(diǎn)，被切割材料直徑增大，長度加長，這就為該機(jī)型切割大直徑硬脆材料塊提供了可能。該機(jī)工作原理：內(nèi)圓刀片夾持在刀盤間，刀盤安裝在主軸系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)內(nèi)圓刀片的高速旋轉(zhuǎn)。送料箱夾持硬脆材料塊，由步進(jìn)電機(jī)帶動絲杠螺母副按預(yù)置量進(jìn)行步進(jìn)送料，送料箱安裝在具有三維調(diào)晶向機(jī)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)硬脆材料塊晶向調(diào)節(jié)切割功能。調(diào)晶向機(jī)構(gòu)安裝在工作臺上，工作臺相對于主軸軸線方向向前，后退 動作，實(shí)現(xiàn)硬脆材料塊相對于內(nèi)圓刀片刃口進(jìn)料、退料輔助運(yùn)動，可以很方便將 已切成的一疊硬脆材料塊從刀盤內(nèi)取出。主軸系統(tǒng)安裝在擺動支架上，擺動支架在切割油缸驅(qū)動下作往復(fù)上下運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)內(nèi)圓刀片相對于硬脆材料塊的切割運(yùn)動。這樣，一方面內(nèi)圓刀片高速旋轉(zhuǎn)，一方面內(nèi)圓刀片隨擺動架作擺動切割 ，即完成一個 切片循環(huán)，這就是“擺動切割”方式 。其主要技術(shù)指標(biāo)：1、最大加工尺寸：? 60*80mm； 2、切割速度：5~30mm/min ； 3、切割片厚：≥0.30mm; 內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)84、橫向/ 縱向行程： 110/100mm; 5、主軸電機(jī)：2800r/min;6、主軸轉(zhuǎn)速：4000 r/min；7、切片種類：100；8、片數(shù)設(shè)定范圍：200pcs9、液壓系統(tǒng)壓力：1.2MPa2.2 液壓伺服系統(tǒng)的工作原理國內(nèi)在液壓的精密控制領(lǐng)域通常采用傳統(tǒng)的電液伺服控制系統(tǒng),但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳動環(huán)節(jié)多而不能由電脈沖信號直接控制。對于現(xiàn)代液壓伺服控制需考慮:①環(huán)境和任務(wù)復(fù)雜,普遍存在較大程度的參數(shù)變化和外負(fù)載干擾;②非線性的影響,特別是閥控動力機(jī)構(gòu)流量非線性的影響;③有高的頻寬要求及靜動態(tài)精度的要求,須優(yōu)化系統(tǒng)的性能;④微機(jī)控制與數(shù)字化及離散化帶來的問題;⑤如何通過“軟件伺服”達(dá)到簡化系統(tǒng)及部件的結(jié)構(gòu) [3]。因此發(fā)達(dá)國家已應(yīng)用數(shù)字控制,即數(shù)控液壓伺服系統(tǒng)來取代電液伺服控制系統(tǒng),經(jīng)過幾年的努力,設(shè)計(jì)并研制成功自己的數(shù)控液壓伺服系統(tǒng),它超越了傳統(tǒng)的電液伺服控制系統(tǒng),大大提高控制精度。本文僅就該系統(tǒng)作簡要介紹。2.2.1 數(shù)控液壓伺服系統(tǒng)的組成系統(tǒng)由數(shù)控裝置、數(shù)控伺服閥、數(shù)控液壓缸或液馬達(dá)、液壓泵站 4 大部分組成。系統(tǒng)框圖如圖 1 所示。圖 2.1 數(shù)控液壓伺服系統(tǒng)的組成(1)數(shù)控裝置:包括控制器、驅(qū)動器和步進(jìn)電機(jī)。之所以要采用步進(jìn)電機(jī),是由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,使步進(jìn)電機(jī)的性能在快速性和可靠性方面能夠滿足數(shù)控液壓系統(tǒng)的要求,而其價(jià)格低廉,又由于數(shù)控液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn),所需步進(jìn)內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)9電機(jī)功率較小,不需采用寬調(diào)速伺服電機(jī)等大功率伺服電機(jī)系統(tǒng),就能大大降低成本。(2)液壓缸、液馬達(dá)和液壓泵站是液壓行業(yè)的老產(chǎn)品,只要按數(shù)控液壓伺服系統(tǒng)的要求選取精度較高的即可應(yīng)用。(3)伺服控制元件是液壓伺服系統(tǒng)中最重要、最基本的組成部分,它起著信號轉(zhuǎn)換、功率放大及反饋等控制作用。所以整個數(shù)控液壓伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵部件就是數(shù)控伺服閥,它必需將電脈沖控制的步進(jìn)電機(jī)的角位移精確地轉(zhuǎn)換為液壓缸的直線位移(或液馬達(dá)的角位移)。也可以說,只要有了合格的數(shù)控伺服閥,就能獲得不同的數(shù)控液壓伺服系統(tǒng)。2.2.2 數(shù)控液壓伺服閥的結(jié)構(gòu)和工作原理1、數(shù)控液壓伺服閥的結(jié)構(gòu)數(shù)控液壓伺服閥的結(jié)構(gòu)如圖 2.2 所示,數(shù)控液壓缸的結(jié)構(gòu)如圖 2.3 所示。1-步進(jìn)電機(jī)　2-法蘭　3-螺釘　4-閥體　5-聯(lián)軸節(jié) 6-限動蓋　7-定為套8-芯軸　9-閥桿　10-閥套 11-擋墊　12-隔墊　13-軸承　14-密封圈15-螺蓋　16-反饋螺母　P-壓力油孔　O-回油孔圖 2.2　數(shù)控液壓伺服閥結(jié)構(gòu)內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)101-步進(jìn)電機(jī)　2-法蘭　3-螺釘　4-閥體　5-聯(lián)軸節(jié)　6-限動蓋　7-定位套　8-芯軸　9-閥桿　10-閥套　11-擋墊　12-隔墊　13-軸承　14-密封圈　15-螺蓋　16-反饋螺母　17-鎖緊螺母　18-活塞 19-反饋螺桿副　20-油管　21-油缸體　22-接頭　23-支撐蓋　24-活塞桿　a、b-進(jìn)、回油孔　25-錐銷圖 2.3　數(shù)控液壓缸2、工作原理（1） 、數(shù)控液壓伺服閥和液壓缸匹配工作原理如圖 2.2 和圖 2.3 所示,步進(jìn)電機(jī) 1 通過法蘭 2 用螺釘 3 與閥體 4 聯(lián)接,電機(jī)軸通過聯(lián)軸節(jié) 5 與芯軸 8 聯(lián)接,閥桿 9 被定位套 7 固定在芯軸 8 上,閥桿可隨芯軸在閥套 10 中軸向移動,閥套被限動蓋 6 固定在閥體 4 中,壓力油口 P、回油口 O 分別與閥體上相應(yīng)的油道相通,閥體 4 的左端有 2 只球軸承 13 被檔墊 11 和隔墊 12 定位,用螺蓋 15 固定在閥體中,反饋螺母 16 被兩只球軸承固定;芯軸 8 的左端加工有外螺紋,擰入反饋螺母的內(nèi)螺紋中。當(dāng)有電脈沖輸入,步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生角位移,帶動芯軸角位移,由于反饋螺母被2 只球軸承固定,不能軸向移動,螺母與活塞桿中的反饋螺桿剛性連接,在活塞桿靜止的條件下也不能轉(zhuǎn)動,迫使芯軸產(chǎn)生直線位移,帶動閥桿產(chǎn)生軸向位移,打開閥的進(jìn)、回油通道,壓力油經(jīng)閥套開口處進(jìn)入液壓缸,油壓推動活塞作直線位移,由于活塞桿固定在機(jī)床導(dǎo)軌上不能轉(zhuǎn)動,迫使活塞桿中的反饋螺桿作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,帶動伺服閥的反饋螺母旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)方向與芯軸方向相同,使芯軸巡回原位,當(dāng)芯軸退回到 O 位時(shí),閥桿關(guān)閉了進(jìn)、回油口,油缸停止運(yùn)動,活塞桿運(yùn)動的方向、速度和距離由計(jì)算機(jī)程序控制。數(shù)控伺服液壓缸完成了一次脈沖動作。內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)11（2） 、數(shù)控伺服閥和液馬達(dá)匹配工作原理如圖 2.4 所示,液馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)軸用鍵 26 與閥的反饋螺母 16 聯(lián)接,液馬達(dá)的進(jìn)、回油接頭與閥的相應(yīng)接頭聯(lián)接,當(dāng)有電脈沖輸入時(shí),步進(jìn)電機(jī)按指令方向旋轉(zhuǎn),由于反饋螺母 16 不能軸向移動,芯軸 8 放置產(chǎn)生軸向位移量,帶動閥桿 9 軸向移動,打開液馬達(dá)的進(jìn)、回油通道,油壓使旋轉(zhuǎn)軸 27 旋轉(zhuǎn)帶動反饋螺母 16 同向旋轉(zhuǎn),由于反饋螺母 16 不能軸向位移,使芯軸 8 產(chǎn)生軸向位移,當(dāng)移動量達(dá)到一定時(shí),閥桿關(guān)閉進(jìn)、回油通道,液馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動,完成一次脈沖動作,其轉(zhuǎn)動的方向、速度和角位移由計(jì)算機(jī)程序控制。1-步進(jìn)電機(jī)　2-法蘭　3-螺釘　4-閥體　5-聯(lián)軸節(jié) 6-限動蓋　7-定位套　8-芯軸　9-閥桿　10-閥套 11-擋墊　12-隔墊　13-軸承　14-密封圈　15-螺蓋　16-反饋螺母　26-鍵　27-旋轉(zhuǎn)軸　28-油管接頭　29-液馬達(dá)殼體　30-安裝孔　a、b-進(jìn)、回油孔圖 4　數(shù)控伺服閥和液馬達(dá)匹配內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)12第 3 章 主要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 擺動切割方式 在內(nèi)圓切片機(jī)系列中，完成切割運(yùn)動一般多采甩直線導(dǎo)軌的形式來完成這一功能。本設(shè)計(jì)內(nèi)圓切片機(jī)采用擺動切割方式其原理見圖 3.1。主軸系統(tǒng)安裝在擺 動臂上，在切割油缸驅(qū)動下，繞中心軸上下擺動，同時(shí)刀盤夾掙內(nèi)圓刀片高速旋 轉(zhuǎn)，來完成切割、返回的工作循環(huán)。采用擺動切割方式 ，省去了直線導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)，其上下擺動的直線性精度 ， 由中心軸一對圓錐滾子軸承裝配精度保證。同直線導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)相比，它制造簡單，精 度容易保證，精度保持性長。圖 3.1 擺動切割原理3.2 精密主軸系統(tǒng)決定內(nèi)圓切片機(jī)切片質(zhì)量的另一主要因素是主軸系統(tǒng)。在對半導(dǎo)體單晶體 進(jìn)行切割時(shí)，內(nèi)圓刀片內(nèi)刃口線速度一般要求在 17．8m／s 左右 ，切割速度一般為 40mm／min 左右。因此主軸轉(zhuǎn)速按所夾持內(nèi)圓刀片規(guī)格不同而不同，本設(shè)內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)13計(jì)切片機(jī)設(shè)計(jì)主軸最高轉(zhuǎn)速為 2500rpm。圖 3.2 主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)因夾持內(nèi)圓刀的刀盤體積較大，夾持外徑 φ422 內(nèi)圓刀片的刀盤重量為57：5kg，而且為了保證已切硬脆材料塊在內(nèi)圓刀片刃口另一面 (刀盤內(nèi))容料長度，主軸系統(tǒng)的懸伸量較大，懸伸量與主軸平均直徑之比為 2.5。同時(shí)，考慮到主軸旋轉(zhuǎn)精度，主軸剛度，主軸高速旋轉(zhuǎn)抗震性以及主軸壽命等諸多因素，我設(shè)計(jì)了圖 3.2 所示的主軸結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)類同于內(nèi)圓磨床磨具主軸結(jié)構(gòu)，通過適當(dāng)加太主軸軸徑，增大軸承支承跨度等辦法，使主軸滿足使用要求 。3.3 彈性絲杠螺母副送料系統(tǒng)本設(shè)計(jì)的內(nèi)圓切片機(jī)進(jìn)科精度設(shè)計(jì)為±5μm，圖 3.4 為送料系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)。本機(jī)采用傳動比 i 為 l2.5 齒輪減速傳遞至絲杠螺母副實(shí)現(xiàn)步進(jìn)送料。圖 3.4 所示傳動系統(tǒng)為開環(huán)控制。為了達(dá)到最終送料精度，一方面提高整個傳動系統(tǒng)精度外，另一方面采用了獨(dú)特的彈性絲杠螺母機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)中，螺母沿軸線方向類似于彈性夾頭形式對稱開二條彈性槽，使螺母圓柱體呈整體不可分離 的四瓣體，這樣，因絲杠裝配或直線導(dǎo)軌導(dǎo)向精度誤差造成的絲杠與螺母不同軸而產(chǎn)生內(nèi)力，由螺母的彈性體而減小或消除，因而保證了絲杠螺母傳動精度這一送料系統(tǒng)的采用，保證了切片過程中硬脆材料塊厚度一致性要求。內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)14圖 3.2 送料系統(tǒng)3.4 液壓傳動及其裝置本設(shè)計(jì)內(nèi)圓切片機(jī)切割運(yùn)動及工作臺進(jìn)退運(yùn)動由液壓系統(tǒng)驅(qū)動，圖 3.5 為該機(jī)液壓系統(tǒng)圖。圖 3.5 液壓系統(tǒng)圖在該系統(tǒng)中，貯能器用來吸收，減小液壓泵打入高壓液的脈動以及緩和電液換向閥(14)換向時(shí)沖擊力，為切割油缸均勻驅(qū)動奠定基礎(chǔ)，保證硬脆材料塊切割表面粗糙度的質(zhì)量要求。切割運(yùn)動循環(huán)由電液換向閣控制，目的是通過電內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)15液換向閥換向延時(shí)性來減小退刀過程中沖擊，增強(qiáng)了切割過程中的平穩(wěn)性。工作臺油缸采用進(jìn)油路調(diào)速方式。切割油缸采用回油路調(diào)速方式，以增強(qiáng)切割過程中調(diào)速平穩(wěn)性，同時(shí)采用精密 2FRM5 型調(diào)速閥(17)進(jìn)行大范圍穩(wěn)定調(diào)速二位二通電磁閥(16)用于防止停機(jī)后刀盤西自身重量下沉的可能。背壓閥(12)在整個系統(tǒng)中產(chǎn)生背壓，增強(qiáng)系統(tǒng)工作平穩(wěn)性。整個系統(tǒng)工作動作見表 1。表 1 系統(tǒng)動作一覽表1DT 2DT 3DT 4DT 5DT工作臺快退 + - - - -工作臺工進(jìn) - + - - -切割快退 - + + - -切割工進(jìn) - + - + +3.5 電控系統(tǒng)本設(shè)計(jì)內(nèi)圓切片機(jī)是以 MCS-51 系列中 8031 為中央處理機(jī)作為控制主單元 的控制系統(tǒng)，以此控制系統(tǒng)完成主軸轉(zhuǎn)速測速顯示，切割速度測速顯示，片厚、片數(shù)撥碼預(yù)置及顯示，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，電磁閥動作，開關(guān)等多種功能，保證了機(jī)器工作的可靠性在該電控系統(tǒng)中，主軸轉(zhuǎn)速由霍爾元件檢測，切割速度由光柵尺 檢測，主軸轉(zhuǎn)速，切割速度在操作面板上顯示 。片厚片數(shù)預(yù)置 ，在操作面板上通過撥碼開關(guān)完成，并在自動循環(huán)過程中自動累計(jì)顯示一個循環(huán)過程中所切硬脆材料塊數(shù)量以及該機(jī)工作臺所切硬脆材料塊總數(shù)。為了使機(jī)器能正常工作，本機(jī)設(shè)有冷卻、刀片變形、水壓、油壓差四種故障診斷顯示為用戶排除故障，保證切片質(zhì)量提供方便。這種集操作、檢測、診斷、顯示為一體的電控系統(tǒng)為整機(jī)使用帶來很大優(yōu)越性。此外本設(shè)計(jì)的切片機(jī)首次應(yīng)用了刀片變形跟蹤惻試系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，由電渦流電磁傳感器對高速旋轉(zhuǎn)片進(jìn)行動態(tài)撿測，經(jīng)專用電控裝置控制顯示刀片切割過程中的微變形，將刀片變形控制在預(yù)定范圍由，同時(shí)具有打印變形數(shù)據(jù)功能。這一裝置的采用為用戶方便使用，提高硬脆材料塊切割成品率，提高刀片壽命，降低生產(chǎn)成本都是非常有益的。內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)16第 4 章 組合機(jī)床主軸箱設(shè)計(jì)4.1 主軸箱設(shè)計(jì)的原始依據(jù)主軸箱設(shè)計(jì)的原始依據(jù)圖,是根據(jù)三圖一卡整理編繪出來的,其內(nèi)容包括主軸箱設(shè)計(jì)的原始要求和已知條件在編輯此圖時(shí)從三圖一卡中一已之1）主軸箱輪廓尺寸 500 500mm。?2）工件位置尺寸及連桿大小頭中心位置尺寸。3）工件與主軸箱位置尺寸。根據(jù)這些數(shù)據(jù)可編制出主軸箱設(shè)計(jì)原始依據(jù)圖。4.2 運(yùn)動參數(shù)和動力參數(shù)的確定4.2.1 傳動系統(tǒng)傳動比分配本機(jī)床主軸箱采用三級傳動： 傳動比為 3.765根據(jù)所提供數(shù)據(jù)估算各對齒輪齒輪數(shù)及傳動比：第一對： =22 =32 其傳動比 ： i=1.45 0Z1Z第二對： =26 =38 其傳動比 ： i=1.4623第三對： =32 =57 其傳動比 ： i=1.78 45按任務(wù)書的要求，本機(jī)床要同時(shí)粗銑兩端面。因被加工零件兩端面所要達(dá)到的各級參數(shù)都完全相同，故設(shè)計(jì)成相互對稱的傳動系統(tǒng)。4.2.2 計(jì)算傳動裝置的運(yùn)動和設(shè)計(jì)參數(shù)（1） 推算出各軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩1． 各軸的轉(zhuǎn)速： 096minnr?1.452ir23.78inrn?2． 各軸輸入功率 分別為齒輪傳動效率1?、10.97?20.9583PXKW?2..5.1?361097487內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)174.8709.4.5PXKW??3． 各軸輸入轉(zhuǎn)矩05.6.71T1.7409834X??23.0.9KW0.71258TNM4.2.3 齒輪模數(shù)的估算及其校核（1） 估算 齒輪彎曲疲勞的估算jwzNm?32?齒面點(diǎn)蝕的估算Aj370其中 為大齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)速，A 為齒輪的中心距，由中心距 A 及齒數(shù)jnZ1、Z2 求其摸數(shù)12()jmmZ??根據(jù)估算所得 和 中較大的值選取相近的標(biāo)準(zhǔn)摸數(shù)對于第一對齒輪：wj第二對齒輪：mm25.639.52131 ???xZN?=2.76mmmAj)(2??取摸數(shù) m 為 3第二對齒輪：=2.4mmjwzN?32?mm6.2451.70?j取摸數(shù) m 為 3第三對齒輪： 7.2587.23??xw40j取摸數(shù) m 為 3內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)18（2） 齒輪模數(shù)計(jì)算及強(qiáng)度校核1． 選定齒輪類型、精度、材料及齒數(shù)1） 按照所示的傳動方案選用直齒圓拄齒輪傳動2） 組合機(jī)床為一般工作機(jī)器，速度不高，故選用 7 級精度3） 材料選擇：選用小齒輪材料 40 ，硬度為 280HBS，大齒Cr輪材料為 45 號鋼硬度為 240HBS，二者材料硬度為 40HBS4） 選小齒輪齒數(shù) Z1=22 大齒輪齒數(shù) Z2=322． 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)由設(shè)計(jì)計(jì)算公式機(jī)械設(shè)計(jì)第七版進(jìn)行試算，所涉及的公式到《機(jī)械設(shè)計(jì)》的第七版得。1 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值1） 試選擇載荷系數(shù) 3.1?Kt2 ） 計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩MNnPTm.5470950?3 ） 由表中可得選取齒寬系數(shù)為 14） 由表中可查材料彈性系數(shù) 2/18.aEpZ5） 由圖可知 按齒輪面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限;60limaMPH? ;50lim6aPH?6 ）計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)99211026.3/047. 10947.)38(6??? ?NjLn7 ）由圖可知 查得接觸疲勞壽命系數(shù) 5.,.21?HNHNK8） 計(jì)算接觸疲勞強(qiáng)度許用應(yīng)力取失效概率為 1% 安全系數(shù) S=1 則有： aH mpSKN54069.0lim6][111 ????? a.2.li222（3） 計(jì)算（1） 試算小齒輪分度圓直徑 ，代入 中較小的值：1td??H?內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)1931.547102.45189.2 58.26.451.2..txxxd mxx? ?由于 大于等于 58.286 毫米，故取 為 66 毫米。tdtd（2） 計(jì)算摸數(shù)3261??dm（4） 按齒輪彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)由公式得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為： 311][2FdFazYKTm???1． 由圖則有小齒輪的彎曲強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度極限 ，大齒輪的MPE50??彎曲疲勞強(qiáng)度極限 MPaE3802??2． 由表上則有彎曲的疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù) 8.,.21FNFN3． 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力：取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4，由書中的公式有：PaXF57.304.158.01???M86224． 計(jì)算載荷系數(shù) K K=1X1.12X1.2X1.35=1.814 5． 查取齒形系數(shù) 26.,65.1?sasaY6． 查取應(yīng)力系數(shù) 7418FF7． 計(jì)算大，小齒輪的 并加以比較：][aXs?01379.5.3.6211 ??YFFa64827][22s大齒輪的計(jì)算值大。（2） 設(shè)計(jì)計(jì)算mxxxm89.120164.47.581.3 ??對比計(jì)算結(jié)果，取 ，則有：?35.201iz這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。此時(shí)關(guān)于幾何計(jì)算內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)201、計(jì)算分度圓的直徑：6320??xmzd 96321?xmzd2、計(jì)算中心距： a8)(10?3、計(jì)算齒輪寬度：通過查閱《組合機(jī)床手冊》得 24,10?b（3） 第二對齒輪的計(jì)算，經(jīng)校核有：46.1,2,32?izmmxd78?23b4,2（4）第三對齒輪的計(jì)算，經(jīng)校核有：78.1,5,32,343??izmmxd9635b2444.2.4 軸各參數(shù)估算及強(qiáng)度校核一、傳動軸的估算（1）估算軸的最小直徑，按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算，先按照下列初步估算的最小直徑，選取軸的材料 45 號鋼，調(diào)質(zhì)處理。 ][2.095TTxdNPW?? ??式中： —扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位兆帕T?T —軸所受的扭矩—軸的抗扭截面系數(shù)n —軸的轉(zhuǎn)速p—軸的傳遞的功率d —計(jì)算截面處軸的直徑—許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力][T?由以上公式可得軸的直徑； mxxnpid 13.8960452.950][2.0950333 ???內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)21取 md30in?mnPiT17.20][.9513??取 inpid49.][.0233取 m5in?mniT63.2][2.933 ??取 d40min二、主軸的強(qiáng)度校核對傳遞動力軸滿足強(qiáng)度條件是最基本的要求。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初步確定出軸的尺寸后，根據(jù)受載情況進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核計(jì)算。首先作出軸的計(jì)算圖。如果軸上零件的位置已知，即已知外載荷及支反力的作用位置。將齒輪帶輪等級裝配寬度的分布簡化為集中力，并視為作用在輪轂寬度的中點(diǎn)上；略去軸和軸上的自重；略去軸上產(chǎn)生的拉壓應(yīng)力；把軸看成鉸鏈支承，支反力作用在軸承上，其作用點(diǎn)的位置可用如下圖所示確定。則將雙支點(diǎn)軸當(dāng)作受集中力的簡支梁進(jìn)行計(jì)算，然后繪制彎矩圖和扭矩圖，并進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核。1、 求出輸出軸的功率 ，轉(zhuǎn)速 和轉(zhuǎn)矩 。Vp?3n3T設(shè) ， 分別為齒輪傳動軸承的傳動效率?2=0.97， =0.98 則1= =5.5 =4.54 KWVp?電 ?1230.97?5.8又 = / = =255 r/m3n0i總 6.于是=9550000 =172580 n mm3T?452A2、 求作用在齒輪上的力因已知低速大齒輪的分度圓直徑= =3 57=171mm3dm?5z而： = = =2018.5 NtF32T1780?內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)22= =2018.5 =734.7 NF?t?an??tan20?式中：——主軸上大齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，單位為 N mm3T ?——主軸上大齒輪的節(jié)圓直徑，對標(biāo)準(zhǔn)齒輪即為分度圓直徑。單位d為 mm——嚙合角。對標(biāo)準(zhǔn)齒輪 =??20?3、 求軸上的載荷首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖（見主軸箱圖）作出計(jì)算簡圖。在確定軸承的支點(diǎn)位置時(shí)，應(yīng)從手冊中查得 a 值。對于 7216E 型圓錐滾子軸承，由手冊中查得a=22。對于 7220E 型圓錐滾子軸承，由手冊中查得 a=29mm。因此，作為簡支梁的軸的軸承跨距 + =119.5mm+93.45mm=212.94mm。1l2內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)23圓 錐 滾 子 軸承 圓 錐 滾 子 軸 承圖 3-1 主軸載荷分析圖從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩和扭矩圖中可以看出截面 B 是軸的危險(xiǎn)截面?，F(xiàn)將計(jì)算截面 B 處的 、 及 M 的值HV①確定支座處的約束力（水平 H）由 =0 和 =0 可求得：B?F+ = ①1NHF2t- ( + )=0 ②t?L21內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)24其中 =119.5mm1L=93.45 mm2=2018.5 NtF因此：=885.8 N1NH=1132.7 N2又由 =885.8 N， =119.5mm 可求得：1NHF1L= =885.8 119.5=105853.1 N mmM1???②確定支座處垂直約束力由 =0 和 =0 可求得B?F+ = ①1NVF2r- ( + )=0 ②r?L21其中 =119.5mm1=93.45mm2=734.7 NrF因此 =322.4 N1V=412.3 N2由上式可求得： = =322.4 119.5=38526.5 N mmVM1F?L??=172580 N mm3T由①②可求得 M= = =112646.3 N mm2HV?220583.16.8??4、 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險(xiǎn)截面）強(qiáng)度。由式 = =ca???2MT（ ） （ ）W2??（ ） ???1??內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)25式中： ——軸的計(jì)算應(yīng)力。單位為 Mpaca?M——軸所受的彎矩。單位為 N mm?T——軸所受的扭矩。單位為 N mmW——軸的抗彎截面系數(shù)。單位為 3m對于圓環(huán)形截面，W=32d??4（ 1-）0.1?3（ ）其中 = = =0.31?1d340查表得 =0.6?因此： = =ca?2M??（ T）W234164.0(10.)???2（ 758）= Mpa57.89=1.16 Mpa前已選定軸的材料為 45 號鋼，調(diào)質(zhì)處理。由表查得=60 Mpa??1??因此 〈 ，故安全滿足要求。ca???1?三、軸Ⅲ的強(qiáng)度校核1、 求軸Ⅲ上的功率 ，轉(zhuǎn)速 和轉(zhuǎn)矩3P2n2T設(shè) ， 分別為齒輪傳動，軸承傳動的效率1?2=0.97 ， =0.98= =5.39 =4.87 kw3P231??電 230.97.8?又 = = =454 r/min2n01i6.45于是： =9550000 =101990 N mm3229PTn???4.875?2、 求作用在齒輪上的力因已知低速大齒輪的分度圓直徑為內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)26mm23814dmz????而 N12097.3TFt= =1789.3 tan =651.25 N1?tan???2?式中： ——軸Ⅲ上大齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，單位為 N mm2T ?——軸Ⅲ上大齒輪的節(jié)度圓直徑，對標(biāo)準(zhǔn)齒輪即為分度圓直徑。單位d為 mm——為嚙合角。對標(biāo)準(zhǔn)齒輪 = 。??20?對于軸Ⅲ上小齒輪受力因軸Ⅲ上小齒輪與軸Ⅲ上大齒輪相嚙合，由主軸校核已知 =2018.5 N，tF主=734.7 N。F?主由牛頓第三定律可知=2018.5 N， =734.7 N2t 2rF3、 求軸的載荷首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖（見主軸箱裝配圖）作出軸的計(jì)算簡圖（如下圖所示）。對于 1000806、1000807 型深溝球軸承，起其作用支點(diǎn)在其軸承中心。因此作為簡支梁的軸的支承跨矩，+ + =85+48.4+111.4=244.8mm1L23內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)273-2 軸的載荷分析圖從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩和扭矩圖中可以看出截面心是軸的危險(xiǎn)截面?，F(xiàn)將計(jì)算截面 C 處 , , 及 M 的值。HV內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)28① 確定支座處水平的約束力由 =0 和 =0 可求得：AM?F+ = - ①1NHF2t1t（ ）= + （ ） ②2tL?tL?2NH123L?從而推得：=292.1 N1NH= 521.3 N2F由 ， ， ， 可求得：1NH1t2tF=-24828.5 N mmBM?=127262 N mm2=199726.48 N mmC?=-69541.42 N mm1M=127614.24 N mm?由上可推出： =199726.48maxM② 確定支座處垂直方向約束力由 =0， =0 可求得A?F+ = - ①1NV2r1（ ）= + （ ） ②2rL?rL?2NV123L?將公式 =734.7 N， =651.25 N 代入① ② rF1r因此， =90.8 N1NV=174.2 N2由 ， ， ， 已知可求得：1NVF1r2rF=-771.8 N mmBM?=47638.25N mm2內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)29=7476 N mm2CM?=-23244.96 N mm1M=42656.4 N mm?由上可推出： =74764 N mmmax?由① ②可求得= = =213261 N mmM總 22axaxHv?221976.48??兩齒輪之間 =101990 N mm2T?4、按彎扭和成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度進(jìn)行校核時(shí)通常只校核軸上承受最大的彎矩和扭矩的截面（即危險(xiǎn)截面C）的強(qiáng)度由式 = =ca???2MT（ ） （ ）W2??（ ） ???1??對于圓柱形截面 W=0.1 3d查手冊得 =0.6?= = =34.7mpsca???2T（ ） （ ） 22316(0.19)4??前已選定軸的材料為 45 號鋼，經(jīng)過調(diào)質(zhì)量處理。查手冊得 =60mpa??1??因此 〈 ，故安全滿足要求。ca??1??同理可得軸Ⅰ，軸Ⅱ校核安全。4.3 主軸箱的坐標(biāo)計(jì)算坐標(biāo)計(jì)算是機(jī)床主軸箱設(shè)計(jì)中的一個重要問題。坐標(biāo)計(jì)算就是根據(jù)已知的驅(qū)動軸和主軸的位置及傳動關(guān)系。計(jì)算中間傳動軸的坐標(biāo)，以便在繪制主軸零件加工圖時(shí)，將各孔的坐標(biāo)尺寸完整地出來。并用已繪制的坐標(biāo)檢查圖作為傳動設(shè)計(jì)的全面檢查。1、 加工基準(zhǔn)坐標(biāo)架的選擇及確定各主軸的坐標(biāo)為了便于主軸箱的加工，設(shè)計(jì)時(shí)必須基準(zhǔn)坐標(biāo)架。通常采用直角坐標(biāo)。用xoy 表示。它的選擇是根據(jù)主軸箱的安置情況和加工所用設(shè)備條件而定。針對本設(shè)計(jì)的組合機(jī)床，采用以下的方法確定主軸及驅(qū)動軸坐標(biāo)。①坐標(biāo)架原點(diǎn)選在定位銷孔上。內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)30②坐標(biāo)架的橫架（x 軸）選在主軸箱底面，縱軸（Y 軸）通過定位銷孔（如上圖）。這是因?yàn)樽鴺?biāo)架的 x 軸與主軸箱底面重合，則工藝基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)統(tǒng)一，可減少因基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換引起的加工誤差。③坐標(biāo)原點(diǎn)確定后，便可以根據(jù)主軸箱設(shè)計(jì)原始依據(jù)圖。在基準(zhǔn)坐標(biāo)架 xoy 上標(biāo)出各主軸及其驅(qū)動軸的坐標(biāo)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求， 兩主軸中心BC=332.5mm，BC 與 y 軸的夾角為 ，驅(qū)動軸在 BC 的垂直平分線上，點(diǎn) D1?在主軸箱中心線上。則有：對于驅(qū)動軸：X= + sin + sin3XCD?1?A79?=100+31.7+257.3=389mm= + cos + sin1Y2B?1?=70+163.2+50=283.2mm= + sin2X3C?=163.4mm = =702Y=1003= + cos2XBC1?=70+326.4=396.4由以上分析可知驅(qū)動軸，主軸Ⅰ，主軸Ⅱ的坐標(biāo)分別是（389，283.2） ，（163.4 ，70 ） ， （100 ，396.4 ）內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)31第 5 章 結(jié)論此次畢業(yè)設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的題目是“硬脆材料內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)”通過這次設(shè)計(jì)，我對內(nèi)圓切片技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀有了一個全面地了解，了解了內(nèi)圓切片技術(shù)在現(xiàn)在以及以后機(jī)械工業(yè)中所起的作用，明白了內(nèi)圓切片技術(shù)的在以后工業(yè)的發(fā)展中所扮演的角色。為自己今后更好的學(xué)習(xí)數(shù)控技術(shù)指明了方向。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我對大學(xué)期間所學(xué)的知識，進(jìn)行了融會貫通，有了一個全新的認(rèn)識，對以前許多不太清楚的地方，通過問老師和查資料的方法，已經(jīng)明白了很多，知道了自己以前學(xué)習(xí)的不足，所以以后應(yīng)該更加努力。此次設(shè)計(jì)，我認(rèn)為最重要的就是使我明白了，無論做什么事情，要想做好，必須態(tài)度端正；要善于學(xué)習(xí)，時(shí)刻學(xué)習(xí)；做事要嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真，細(xì)致、不怕吃苦，還要有創(chuàng)新精神。參考文獻(xiàn)II參考文獻(xiàn)[1].張耀宸 主編 機(jī)械加工工藝手冊 航空工業(yè)出版社。1987[2].李洪主編 機(jī)械加工工藝手冊〉 北京出版社.1990。[3].機(jī)械制造工藝設(shè)備設(shè)計(jì)手冊編寫組編 機(jī)械制造工藝及設(shè)備手冊 機(jī)械工業(yè)出版社 1992[4].機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)手冊 王紹俊 主編 哈爾濱