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長(zhǎng) 春 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) 課程設(shè)計(jì)名稱(chēng) 《計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造》課程設(shè)計(jì) 專(zhuān) 業(yè) 機(jī)械制造及自動(dòng)化 班 級(jí) 學(xué) 生 姓 名 指 導(dǎo) 教 師 范依航 2014年11月25日 目錄 一、設(shè)計(jì)任務(wù) 2 二、設(shè)計(jì)分析 3 1.螺桿 3 1.1螺桿材料級(jí)牙型選擇 3 1.2耐磨性計(jì)算 3 1.3驗(yàn)算螺紋的自鎖條件 4 1.4螺桿強(qiáng)度校核 5 1.5穩(wěn)定性校核 5 1.6螺桿其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6 2.螺母 7 2.1確定螺母高度H及螺紋工作圈數(shù)u 7 2.2校核螺紋牙強(qiáng)度 7 2.3螺母的其他設(shè)計(jì)要求 8 3.托杯 8 4.手柄 9 4.1手柄材料 9 4.2手柄長(zhǎng)度Lp 9 4.3手柄直徑dp 10 4.4結(jié)構(gòu) 10 5.底座 11 三、三維設(shè)計(jì) 12 1.零件三維造型 12 2.裝配三維造型 14 3.裝配體的二維工程圖 15 4.UG加工CAM模塊 16 5.NC代碼 24 四、設(shè)計(jì)總結(jié) 27 五、參考文獻(xiàn) 27 一、設(shè)計(jì)任務(wù) 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAM）課程設(shè)計(jì)是在學(xué)習(xí)三維造型軟件的基礎(chǔ)上，理解并掌握當(dāng)代CAD/CAM技術(shù)的基本理論和基本方法。通過(guò)一個(gè)較簡(jiǎn)單的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用實(shí)體建模、曲面建模、混合建模知識(shí)，并結(jié)合前期機(jī)械制造專(zhuān)業(yè)課程知識(shí)，進(jìn)行造型設(shè)計(jì)，了解利用CAM技術(shù)生成刀位代碼的基本過(guò)程和方法。 目的是提高綜合運(yùn)用三維造型軟件的實(shí)際操作能力和機(jī)械制造知識(shí)的運(yùn)用能力，鍛煉分析解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，為后續(xù)其他教學(xué)環(huán)節(jié)和從業(yè)所需專(zhuān)業(yè)技術(shù)打下良好基礎(chǔ)。 設(shè)計(jì)內(nèi)容與步驟如下： 1.分析圖紙，拆解零件； 2.分析零件形狀，確定基體特征和造型策略； 3.造型； 4.不同零件之間進(jìn)行裝配，檢查干涉情況，檢查物性； 5.選擇一簡(jiǎn)單零部件，進(jìn)入三維軟件CAM模塊，設(shè)置毛坯，選擇合理的刀具、刀路軌跡和切削用量，并進(jìn)行模擬加工，輸出NC代碼； 6.保存相應(yīng)各階段的結(jié)果，并撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。 設(shè)計(jì)文件提交要求 1.產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)三維模型圖； 2.二維工程圖； 3.NC數(shù)控代碼； 4.設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)； 5.上述內(nèi)容的電子文檔。 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單千斤頂（參見(jiàn)教材書(shū)圖5—41）的螺桿和螺母級(jí)其他結(jié)構(gòu)的主要尺寸。起重量為45000N，起重高度為250mm。 千斤頂：梯形螺紋螺旋傳動(dòng)。 螺桿：45# 鋼，采用帶有外螺紋的桿件。 螺母：青銅ZcuSn10P1，帶有內(nèi)螺紋的構(gòu)件。 底座：灰鑄鐵 HT200 帶1：10斜度。 手柄：Ｑ235，[σb]=125 MPa。 二、設(shè)計(jì)分析 手動(dòng)螺旋千斤頂主要零件有：1）螺母、2）螺桿、3）底座、4）手柄、5）托杯、等零件及其附件組成。其中螺桿、螺母等主要尺寸要通過(guò)理論計(jì)算確定，其他尺寸可以由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)需要和工藝要求來(lái)確定，必要時(shí)還需要經(jīng)過(guò)相關(guān)驗(yàn)算。千斤頂最大起重量是其最主要的性能指標(biāo)之一。千斤頂在工作過(guò)程中，傳動(dòng)螺紋副承受主要的工作載荷，螺紋副工作壽命決定千斤頂使用壽命，故傳動(dòng)螺紋副的設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵，其設(shè)計(jì)與最大起重量、螺紋副材料、螺紋牙型以及螺紋頭數(shù)等都有關(guān)系。 1.螺桿 1.1螺桿材料級(jí)牙型選擇 選用45＃鋼，螺桿螺紋類(lèi)型選擇梯形螺紋。梯形螺紋牙型為等腰梯形，牙形角α=300，梯形螺紋的內(nèi)外螺紋以錐面貼緊不易松動(dòng)；它的基本牙形按GB5796.1—86的規(guī)定。 1.2耐磨性計(jì)算 滑動(dòng)螺旋的磨損與螺紋工作面上的壓力、滑動(dòng)速度、螺紋表面粗糙度以及潤(rùn)滑狀態(tài)等因素有關(guān)。其中最主要的是螺紋工作面上的壓力，壓力越大螺旋副間越容易形成過(guò)度磨損。因此，滑動(dòng)螺旋的耐磨性計(jì)算，主要是限制螺紋工作面上的壓力p，使其小于材料的許用壓力[p]。假設(shè)作用于螺桿的軸向力為Ｆ（N），螺紋的承壓面積（指螺紋工作表面投影到垂直于軸向力的平面上的面積）為A（），螺紋中徑為?。ǎ?，螺紋工作高度為H（），螺紋螺距為 P（），螺母高度為 D（），螺紋工件圈數(shù)為 u＝H/P 。則螺紋工作面上的耐磨性條件為： 令，則代入上式得： d2≥ 對(duì)于梯形螺紋，，則： d2≥0.8 式中，為材料得需用壓力，單位為，?。?0，。代入計(jì)算得： d2≥0.8 根據(jù)梯形螺紋國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（ＧＢ5796－86），以及螺桿穩(wěn)定性的初步估算，選取以下參數(shù)的梯形螺紋：公稱(chēng)直徑d=28螺距Ｐ＝6；螺紋小徑；； 由此：螺母高度 　　查閱有關(guān)技術(shù)手冊(cè)知螺桿退刀槽直徑； 退刀槽寬度b=7.5 螺紋工作圈數(shù)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 1.3驗(yàn)算螺紋的自鎖條件 在考慮眾多因素后，實(shí)際應(yīng)滿(mǎn)足的自鎖條件為： 由 n=1，p=7.5mm，==32.375mm 得tan=0.07373 當(dāng)量摩擦角=arctan ，在有潤(rùn)滑油情況下=0.1，得=4.574 驗(yàn)證結(jié)束，左邊小于右邊，達(dá)到自鎖條件。 1.4螺桿強(qiáng)度校核 螺桿工作時(shí)承受軸向壓力Ｆ和扭矩T的作用。螺桿危險(xiǎn)截面上既有壓縮應(yīng)力；又有切應(yīng)力。根據(jù)第四強(qiáng)度理論求出危險(xiǎn)截面的計(jì)算應(yīng)力，其強(qiáng)度條件為： 其中螺桿所受的扭矩， 式中：A — 螺桿螺紋段的危險(xiǎn)截面面積；（因?yàn)?，故退刀槽處為危險(xiǎn)面）； — 退刀槽直徑， —螺桿螺紋段的抗扭截面系數(shù)，， －螺桿材料的許用應(yīng)力， 強(qiáng)度校核： ，因此滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。 1.5穩(wěn)定性校核 對(duì)于長(zhǎng)徑比大的受壓螺桿，當(dāng)軸向壓力Ｆ大于某一臨界值時(shí)，螺桿就會(huì)突然發(fā)生側(cè)向彎曲而喪失其穩(wěn)定性。因此，在正常情況下，螺桿承受的軸向力Ｆ必須小于臨界載荷，則螺桿的穩(wěn)定性條件為 ： 式中：——螺桿穩(wěn)定性的計(jì)算安全系數(shù)； ?。輻U穩(wěn)定性安全系數(shù)，對(duì)于傳力螺旋（如起重螺桿等），=3.5～5.0 　　——螺桿的臨界載荷； 計(jì)算螺桿柔度：，此處，μ為螺桿的長(zhǎng)度系數(shù)，對(duì)本千斤頂，看做一端固定、一端自有，設(shè)計(jì)時(shí)取μ＝2 為螺桿的工作長(zhǎng)度，當(dāng)螺桿一端以螺母支承時(shí)，則以螺母中部到另一端支點(diǎn)的距離，作為工作長(zhǎng)度；為螺桿危險(xiǎn)截面的慣性半徑， ； 圖2：螺桿結(jié)構(gòu)示意圖 所以， 故應(yīng)用歐拉公式計(jì)算臨界載荷： 式中：E——螺桿材料的拉壓彈性模量，； I——螺桿危險(xiǎn)截面的慣性矩， 代入數(shù)據(jù)計(jì)算得： 所以：，滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求。 1.6螺桿其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 螺桿上端用于支承托杯10并在其中插裝手柄7，因此需要加大直徑。手柄孔徑的大小根據(jù)手柄直徑dp決定，dk≥dp十0.5mm。為了便于切制螺紋，螺紋上端設(shè)有退刀槽。為了便于螺桿旋入螺母，螺桿下端應(yīng)有倒角或制成稍小于d1的圓柱體。為了防止工作時(shí)螺桿從螺母中脫出，在螺桿下端必須安置鋼制擋圈，擋圈用螺釘固定在螺桿端部。 圖2中各參數(shù)的具體設(shè)計(jì)數(shù)值為：；h=48; 2. 螺母 螺母材料一般可選用青銅，耐磨性較好。 2.1確定螺母高度H及螺紋工作圈數(shù)u 螺母高度H=φd2（H應(yīng)圓整為整數(shù)）螺紋工作圈數(shù)，考慮到螺紋圈數(shù)u越多，載荷分布越不均，故u不宜大于10，否則應(yīng)改選螺母材料或加大d。 2.2校核螺紋牙強(qiáng)度 螺母的材料強(qiáng)度低于螺桿，故只校核螺母螺紋牙的強(qiáng)度。 如圖3所示，如果將一圈螺紋沿螺母的螺紋大徑D處展開(kāi)，則可看作寬度為πD的懸臂梁。假設(shè)螺母每圈螺紋所承受的平均壓力為，并作用在以螺紋中徑為直徑的圓周上，則螺紋牙危險(xiǎn)截面a－a的剪切強(qiáng)度條件為 圖3：螺母螺紋圈的受力分析 螺紋牙危險(xiǎn)截面a－a的彎曲強(qiáng)度條件為 式中： b——螺紋牙根部的厚度， mm，對(duì)于梯形螺紋，b＝0.65P, P為螺紋螺距； ——彎曲力臂；mm參看圖3 , ； ——螺母材料的許用切應(yīng)力，MPa， 圖4：螺母結(jié)構(gòu) ——螺母材料的許用彎曲應(yīng)力，MPa， 其余符號(hào)意義同前。代入數(shù)據(jù)計(jì)算得： 滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求: 螺母的其它尺寸根據(jù)圖中經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)尺寸確定，具體尺寸數(shù)據(jù)如下： Ｈ＝58；；；； 2.3螺母的其他設(shè)計(jì)要求 螺母壓入底座上的孔內(nèi)，圓柱接觸面間的配合常采用配合。為了安裝簡(jiǎn)便，需在螺母下端（圖4）和底座孔上端（圖6）做出倒角。為了更可靠地防止螺母轉(zhuǎn)動(dòng)，底座與螺母用緊釘螺釘固定，根據(jù)舉重量選取緊定螺釘直徑常為Ｍ10。 3.托杯 托杯用來(lái)承托重物，選用用Q235鋼模鍛制成，為了使其與重物接觸良好和防止與重物之間出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)，在托杯上表面制有切口的溝紋。為了防止托杯從螺桿端部脫落，在螺桿上端應(yīng)裝有擋板。其經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖5，具體設(shè)計(jì)計(jì)算尺寸如下： ；;;; 當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，托杯和重物都不作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。因此在起重時(shí)，托杯底部與螺桿和接觸面間有相對(duì)滑動(dòng)，為了避免過(guò)快磨損，一方面需要潤(rùn)滑，另一方面還需要驗(yàn)算接觸面間的壓力強(qiáng)度。 ≤[p] 式中：[p]——許用壓強(qiáng)，應(yīng)取托杯與螺桿材料[p]的小者。 校核： 鑄鐵的許用壓強(qiáng)[p]＝55ＭＰa； 故p<[p],滿(mǎn)足壓力強(qiáng)度要求。 4.手柄 4.1手柄材料 選用Q235為材料 4.2手柄長(zhǎng)度Lp 板動(dòng)手柄的力矩 FLp=T1+T2 則 式中：——加于手柄上一個(gè)工人的臂力，間歇工作時(shí)，約為150～250N，工作時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)為100～150N。 T1——螺旋副間的摩擦阻力矩 T2——托杯與軸端支承面的摩擦力矩 由前面計(jì)算知T1； 取＝200Ｎ， 則：手柄計(jì)算長(zhǎng)度Lp是螺桿中心到人手施力點(diǎn)的距離，考慮螺桿頭部尺寸及工人握手距離，手柄實(shí)際長(zhǎng)度還應(yīng)加上+（50～150）mm。手柄的實(shí)際尺寸，手柄實(shí)際長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)千斤頂，使用時(shí)在手柄上另加套管。 4.3手柄直徑dp 把手柄看成一個(gè)懸臂梁按彎曲強(qiáng)度確定其直徑dp，按彎曲強(qiáng)度條件，手柄彎曲應(yīng)力 ≤ 故dp≥ 式中：——手柄材料許用彎曲應(yīng)力，當(dāng)手柄材料為Q215和Q235時(shí)，=120Mpa ??；故 4.4結(jié)構(gòu) 手柄插入螺桿上端的孔中，為防止手柄從孔中滑出，在手柄兩端面應(yīng)加上擋環(huán)，并用螺釘或鉚合固定。 5.底座 底座材料常用鑄鐵（HT150及HT200）（圖6），鑄件的壁厚δ不應(yīng)小于8～12mm，取為10ｍｍ，為了增加底座的穩(wěn)定性，底部尺寸應(yīng)大些，因此將其外形制成1∶10的斜度。 圖6：底座設(shè)計(jì)示意圖 圖已知外螺紋大徑為d=48mm, 有：D2=1.5d D3=1.4D2 D4=1.4D5 δ=10mm D5由結(jié)構(gòu)確定（斜度為1：15） 所以：=得：D5=134mm 依次可得出：D4=1.4D5=1.4x134=180mm S=（1.5~2）δ=15~20，取S=16mm 。 綜合考慮各尺寸關(guān)系，取總的高度為215mm 三、三維設(shè)計(jì) 1.零件三維造型 墊頂 螺釘 絞杠 螺桿 螺套 底座 2.裝配體三維造型 裝配體 爆炸圖 3.裝配體的二維標(biāo)注工程圖 4.UG加工CAM模塊 加工絞杠 在建模中建立毛坯 建立加工環(huán)境 創(chuàng)建程序 創(chuàng)建刀具 創(chuàng)建幾何體 指定部件 指定毛坯 創(chuàng)建方法（粗加工） 創(chuàng)建操作（平面銑） 指定部件邊界 指定毛坯邊界 指定底面 刀軸、切削模式 切削深度 進(jìn)給和速度 生成 后處理（出G代碼） 5.NC代碼 % N0010 G40 G17 G90 G70 N0020 G91 G28 Z0.0 :0030 T01 M06 N0040 G0 G90 X.4065 Y12.2047 S3000 M03 N0050 G43 Z-.7421 H00 N0060 Y11.9291 N0070 G1 Y11.811 F9.8 M08 N0080 X.5424 Z-.624 N0090 G2 X.6634 Z-.4934 I-.5424 K.624 N0100 G1 X.7815 Z-.3346 N0110 Y11.9291 N0120 G0 Y12.2047 N0130 X.1164 N0140 Z-.7421 N0150 Y11.9291 N0160 G1 Y11.811 N0170 X.3359 Z-.624 N0180 G2 X.6634 Z-.2492 I-.3359 K.624 N0190 G1 X.7815 Z.0651 N0200 Y11.9291 N0210 G0 Y12.2047 N0220 Z.3365 N0230 Y11.9291 N0240 G1 Y11.811 N0250 X.6606 Z.4971 N0260 G2 X.5923 Z.5768 I-.6606 K-.4971 N0270 G1 X.4697 Z.7028 N0280 Y11.9291 N0290 G0 Y12.2047 N0300 X.7815 N0310 Z-.0651 N0320 Y11.9291 N0330 G1 Y11.811 N0340 X.6634 Z.2492 N0350 G2 X.4005 Z.5846 I-.6634 K-.2492 N0360 G1 X.2281 Z.7028 N0370 Y11.9291 N0380 G0 Y12.2047 N0390 X-.4665 N0400 Y11.9291 N0410 G1 Y11.811 N0420 X-.5846 Z.5846 N0430 G2 X-.7421 Z.3644 I.5846 K-.5846 N0440 G1 X-.8602 Z.1239 N0450 Y11.9291 N0460 G0 Y12.2047 N0470 Z-.1239 N0480 Y11.9291 N0490 G1 Y11.811 N0500 X-.7421 Z-.3644 N0510 G2 X-.5424 Z-.624 I.7421 K.3644 N0520 G1 X-.4065 Z-.7421 N0530 Y11.9291 N0540 G0 Y12.2047 N0550 Z.7028 N0560 X-.2281 N0570 Y11.9291 N0580 G1 Y11.811 N0590 X-.4005 Z.5846 N0600 G2 X-.3359 Z-.624 I.4005 K-.5846 N0610 G1 X-.1164 Z-.7421 N0620 Y11.9291 N0630 G0 Y12.2047 N0640 Z.7028 N0650 X.0336 N0660 Y11.9291 N0670 G1 Y11.811 N0680 Z.6013 N0690 X-.0833 Z.5846 N0700 G2 X.0833 I.0833 K-.5846 N0710 G1 X.0666 Z.4677 N0720 G2 I-.0666 K-.4677 N0730 G1 X.1001 Z.7028 N0740 Y11.9291 N0750 G0 Y12.2047 N0760 M02 % 四、設(shè)計(jì)總結(jié) 本次設(shè)計(jì)沒(méi)有以實(shí)物作為基準(zhǔn)，尺寸由自己設(shè)定，故必有不足之處，例如尺寸對(duì)材料利用率的影響等沒(méi)有納入本次設(shè)計(jì)考慮，故仍有很大提升空間。通過(guò)建模，最終獲得了螺旋千斤頂?shù)娜S實(shí)體模型，與普通的螺旋千斤頂造型接近，實(shí)物感強(qiáng)，獲得了各個(gè)部件的工程圖，從外觀上看基本達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的。但是在建模過(guò)程中仍存在一定的不足，尤其是對(duì)于螺桿的建模，其造型花費(fèi)了一定的時(shí)間且最終形狀不是十分理想，限于時(shí)間就沒(méi)有進(jìn)一步修改，其他部分則如前面所述，在尺寸上由于沒(méi)有實(shí)物作為參照，故必存在諸多不合理之處。建模技巧也還有待提高，許多工具還不是很清楚其用途，有待日后慢慢研究。但總的來(lái)講，通過(guò)這次設(shè)計(jì)，了解了螺旋千斤頂?shù)囊话銟?gòu)造和基本原理，通過(guò)一系列的建模，學(xué)會(huì)了協(xié)調(diào)一個(gè)裝置各個(gè)部件之間尺寸的關(guān)系，進(jìn)一步鞏固了三維建模的基本知識(shí)，同時(shí)也練習(xí)了尺寸標(biāo)注等制圖技術(shù)，獲益匪淺。 五、參考文獻(xiàn) 1. 《UG NX 6.0快速入門(mén)教程》，展迪優(yōu)，機(jī)械工業(yè)出版社，2009.11 2. 《UG NX6.0應(yīng)用與實(shí)例教程》，周瑋，人民郵電出版社，2012.9 3. 《CAD/CAM應(yīng)用技術(shù)-UG NX6.0》，史立峰，化學(xué)工業(yè)出版社，2011.3