机械毕业设计（论文）-抬包清理机床设计【全套图纸】 .doc

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 绪论自接到毕业设计题目以来，通过对相关资料的查阅收集和相关知识的积累，我了解了不少有关电解铝以及抬包的相关信息，受益也不小，为我接下来的设计打了一定的基础。但个人觉得这样了解到的情况很窄，很有滞后性。如果能去铝厂看看，就会有很多很迷糊的问题迎刃而解。1.1铝铝是当今世界上最有应用价值的金属之一。铝地壳中含量约为7.73%(重量)仅次于氧和硅，具第三位。目前，其产量及消费仅次于铁，被称“第二金属”。自从电解法炼铝问世以来，铝生产量和消费量大约以平均每十年增长一倍的规模发展，特别时近十年来，由于冶炼方法与工艺的不断改进和电力工业的发展，电价的下降，铝工业的发展速度更是十分惊人。1940年全世界原铝产量不到100万吨，到1970年已超过1000万吨，1980年达到1650万吨，1990年达到2000万吨，以后，世界上的原铝产量和消费均以每年5%左右的速度增长，到2001年世界铝产量(包括原铝和再生铝)和消费均已超过3000万吨，预计2010年能突破4000万吨大关。而我国自20世纪80年代初提出“优先发展铝”这一有色金属产业发展方针以来，铝产量有了突飞猛进的增长， 我国从1990年产量为146万吨，到2003年已达611.21万吨，增长了4倍多。2004年中国电解铝产能为927万吨，据业内资料显示，2005年末，我国电解铝产能将达到950万吨。而铝厂的规模也达到了140多家。2005年单独电解铝厂产量超过20万吨的就有9家。可近两年，由于电价的上涨，行业总体呈低迷状态，大部分厂家处于亏损营业中，不少厂家停炉整顿。以南山铝业。焦作万方、魏桥铝电等为代表的企业在去年的第一季度率先扭亏。电解有色金属工业协会铝部领导指出，扭亏全行的原因有几点，首先是价格上涨国内市场价格从最低的10100元/吨上涨到15000元/吨，涨幅近50%，其次是各企业自身内部结构的调整与改造。也有专家提醒不要过于乐观，未来大量常能的释放会对市场照成冲击。自从加入wto后，铝工业与世界有了进一步的融通，要在激烈的国际竞争中立于不败之地，必须有强大的实力，产品要有市场，成本要低，才能盈利发展，才能越走越强。 而在我国，炼铝的工艺已经有着成熟而稳定的发展，想从中间环节提高效率，节约开支已经是很小的发展空间了，不过我们可以利用自己的专业知识，对铝渣清理这个环节进行技术改革，从而提高清渣效率，实现降低成本这一目标，就可以降低铝价，从而加快为我国的铝业发展。1.2抬包真空抬包是冶金行业常用的一种周转设备，是用钢铁外壳内衬耐火材料制成的较大型密封容器，靠其上自带的负压产生装置使抬包内产生一定的真空度，以把冶炼好的液态铝、镁等金属从电解槽内抽出并转运至其它地方。正是由于这种优势，正空抬包问世以来就迅速应用与有色金属的冶炼中。虽然真空抬包有这种优势，但是也有一定的弊端，抬包在使用一段时间后，内壁会有金属的残渣遗留在上面，铝渣的剪切强度为70mpa左右，很是不好清理。残渣的存在会影响抬包的有效容积，增加抬包的重量，严重时会影响抬包的正常使用。目前，铝水抬包的铝渣清理是摆在厂家面前的一个严峻的问题。铝厂在每天出铝后都要对抬包进行彻底清理。对于年产量10万吨左右的中型铝厂每天至少有12个抬包进行运转。国内绝大多数电解铝厂都采用人工方法对抬包进行清理，其方法是用铁锤、铁钎、风镐等简单的劳动工具对其进行清理，工人劳动强度大、工作环境不好、生产效率低，通常2人一天清理一个抬包，而且抬包内壁的保温材料经常被破坏，效果不佳。1.3抬包清理状况1.3.1国外的状况国外，早已经实现了清理的自动化，意大利tomorrow technology公司开发出一种新型的有色金属抬包自动清理机，设备由专家组集体研制，并和铝及其它有色金属用户合作对各种类型的抬包进行了清理试验。这种新型的有色金属抬包自动清理机是一种特殊的铣床，可三维动作，微机控制移动，铣刀备有可更换的齿在抬包内侧工作，清理粘在抬包内侧和底部的金属渣.可用于圆柱型、圆锥型、椭圆型抬包。这家公司采用一种特殊控制程序驱动和检查铣刀的运行，能达到彻底清理抬包的目的。该设备还能在更换耐火材料包衬时除去旧的耐火材料包衬，设备装在一干净防尘的柜里，前部份由一滑动通道组成，易于开启，后半部份在地面固定，抬包由天车运送。整个清理工作完全自动化，其主要特点是:投资成本低、清理周期短，易于使用，维护方便，运行和维护费用低，由于铣刀清理的动作均匀，可延长耐火材料使用寿命，并清除了操作者工作区域的粉尘和噪音，由于清理过程完全自动化，所以不需要很高的操作水平。图 1.1 抬包清理机外形结构再者，在网上看到witte公司的抬包清理机构工作原理及结构，如上图；该套设备的铣削装置铣削动力由六台回转定量液压马达通过齿轮与铣削头的回转齿轮啮合，带动铣削头载动进行铣削，铣削速度可无极变速。铣削头系钢结构件，形似蜗杆，直径ll50mm，长1300mm，叶片钢板厚15mm，中心轴管直径419mm。铣削头头部装有多排可调硬质合金刀片。铣削头的进刀装置由两个压力油缸推动铣削刀架在导向槽里前后运行实现的。这样的装置给了我们一个思路，就是用铣刀一次性把铝渣清理干净。但是这样的刀头安排会让抬包底部出现清理不到是死角，同时，多把刀片的调节也不方便。1.3.2国内的现状但在国内，这基本上还是一片盲区，丹江口铝厂在97年曾引进丹麦3吨抬包清理机一台，虽然运行几年效果尚可，但维护费用高昂，近来更由于设备老化，已经停用。沈阳工业大学的学生钱建徐2007年在他的硕士学位论文中提到设计的缘由是沈阳设备厂提出开发一种适应5吨抬包清理的专用清理机床的想法，并委托沈阳工业大学进行研制，要求这种专用清理机床技术先进、结构简单、生产效率高、制造成本低、易于维护、整体动、静态性能好、节省能源、降低工人的劳动强度、造型美观。设计中，各方面都考虑得全面周到，机构简单，易于维护。但沈阳设备厂到底采没采用该方案，也无后话。1.4相关研究本人曾在中国铝业网上发布了一则求购抬包清理机床的信息，可是，没有收到一个厂家的回复，足见目前国内市场在这方面的空白。从某种意义上讲就是，不是没有人看到这一空白，而是没有人去填补这一空白。第二章 抬包清理机床总体设计抬包外形比较特殊，所以在完成清理工作时，也会有些比较具体特殊的要求。 2.1清理工作的原理的选用随着工业技术的发展，能够完成金属切削的工艺已越来越多。但是由于此次设计的目的在于解决眼前的电解铝厂的事实问题，首先，抬包的侧壁和底部均有铝渣需要清理，所以不能用一些传统的机床了完成清理工作。车床，切不论抬包转起来的动量问题，就是从理论上，用车床清理抬包底部的残渣就很有问题。刨床也一样，磨床就更是不用考虑了。而且，就工作现场而论的话，如此庞大的机械设备并不方便在各场地之间转运。针对这种情况，并大量参照目前各国对于这个问题的处理方法，此次设计选用铣削的方法来清理抬包内残留的铝渣。2.2机床传动方案的拟定在选定用铣削来完成这项任务之后，综合一些有用的相关文献资料，在设计的前期，我运用优化设计中的黑箱模型，完成了几种从理论上能有完成切削抬包内壁残渣的机构。方案一抬包固定不动，采用一把大十字刀绕中心轴回转、且作轴向进给完成切削。 图 2.1 大十字刀从图中可以看出，大十字刀的地面和侧面布置了很多小刀片，为了切削抬包侧壁的残渣，刀的直径必须要接近于抬包保温材料的内径。由于此刀盘的径向尺寸固定不变，它不适于清理不同尺寸的抬包。另一方面，它的轴向进给由刀盘的轴向移动来实现，其结构的刚性和强度都会降低。十字刀盘的圆周上布置的刀头个数少，而铝水抬包圆周上的切削量较大，相应的每个刀头的切削认为较重。而铝质较软，熔点大约为660，刀头局部升温后，会造成铝熔化，导致刀头粘结磨损，降低使用寿命。而且时间较长，由于切削过程中的受力不均匀，小刀片受冲击载荷后振动容易松动脱落。方案二借鉴卧式车床车削的形式，让铝水抬包旋转，刀具不动。由于抬包尺寸大，质量大，装夹不方便，无法实现高速旋转，且转动起来动能大，不便于控制。借鉴立式车床车削的形式，让铝水抬包包口朝上，随工作台旋转，刀具不动，切屑排不出，加工效率也低。方案三抬包不动，侧壁的铝渣用镗刀切除，包底的铝渣用普通的端铣刀铣削。但是要用两台机床。镗削效率低，用端铣刀铣削抬包口需朝上，切屑排不出。而且铝有粘结的特性，切削越积越多，最后也无法切除包底的铝渣。方案四是借鉴现有抬包清理机床的原理，把它的大十字刀改成了二把小十字刀，刀的形式与结构不变，只是尺寸减小。 图2.2 方案四机构简图为此提出使用行星传动.主运动的原动机件采用的是电动机。铝水抬包被液压缸卡紧在工作台上.工作台进给运动由多速液压回路控制的液压缸驱动，以实现快进和工进。传动机构布置在回转体的外面。十字刀盘圆周布置刀头个数少，切削任务较重，刀具磨损严重，刀片容易松动。卡紧铝水抬包用的液压机构的存在，使抬包装卸不便。移动工作台的进给采用液压缸驱动，液压缸对进给位移较难精确控制。方案五方案五是在方案四的基础上主要是进行的该进，主要是对两把铣刀的结构进行了该进，完全改变了铣刀的结构和形式。两个相同直径的铣刀盘，在整个刀盘圆周上，可以均匀布置多把刀头。以减少单个刀头的切削量，从而改善刀头的受力情况。抛开刀盘之间的切屑不能顺畅排出外，还存在一个致命的问题，两个刀盘要想切完整个包底的铝渣，就必然存在打齿干涉的现象。方案六此方案是在方案五的基础上加以改进和完善的方案。采用一个偏心不布置的大铣刀盘在自转的同时绕一个滚筒的中心公转，以适应不同大小的抬包。并且也有足够的机动性，能够满足抬包内不同厚度的铝渣的清洗要求。抬包有起重设备掉起，置于有v型支架的底座上，底部有挡板挡住，在抬包的侧壁焊一方形铁块，用做圆周方向定位用。用两条钢带勒紧抬包，以防止抬包在铣削的过程中发生转动。整个切削过程的进给运动由一个减速电动机带动两个位于一根轴上的齿轮，通过齿轮齿条传动，实现抬包小车的进给运动。2.3抬包定位与固定的方案选择抬包的固定方案的选择也十分重要，好的定位固定方案，能够让操作简便，设备要求不高。方案一抬包的夹紧置于两块v铁上，底部用挡板挡住，在抬包的侧壁焊接两方向铁块，用液压缸运用杠杆原理带动一铁块夹紧抬包横放后的上侧。这种方案总的来说，操作还是简便，用液压压紧，也可以实现压力控制，保护抬包。但是由于整套设备都是采用的电动机提供动能，机械传动，如果单为这一处夹紧装置设计一个液压系统，其中牵扯到泵，牵扯到马达，液压缸以及液压油和管道的选用等等。一个庞大的液压系统只为实现一个小的简单的夹紧则显得有点小题大作了。方案二方案二是在方案一的基础上进行的改进和完善，方案二继承了方案一简单的定位原理和抬包安放取出过程，摒弃了方案一繁琐复杂的夹紧机构。抬包的夹紧置于两块v铁上，底部用挡板挡住，在抬包的侧壁焊接两方向铁块，用两条钢带勒紧。这套方案的长处在于，能够满足此处的工作的需要，且非常的简单。成本低，基本不用什么维护。值得一提的是，选用这套方案，不影响抬包的放下和取出。第三章 刀具的设计只要涉及的机床，涉及到金属切削，我们就不得不承认刀具的重要性。铣削是应用非常广泛的一种切削加工方法，不仅可以加工平面、沟槽、台阶，还可以加工螺纹、花键、齿轮及其他成型表面。铣刀又是一种多刃刀具，铣削速度较高且无空行程，因此是一种高效率的切削加工方法。本设计中就是利用铣刀公转，加工抬包的内壁和底面。铣刀种类繁多，其分类方法也较多，一般按用途分类，也可按齿背形式和结构形式分类。按用途分类，可分为圆柱铣刀，端铣刀，盘铣刀，锯片铣刀，立铣刀，键槽铣刀，角度铣刀和成形铣刀。 图3.1 圆柱铣刀 图3.2 端铣刀 图3.3 立铣刀 本次设计中，考虑到具体工作的需要，抬包的内壁和底部都有铝渣需要清理，且在清理的过程中最好不要有换刀的操作，以保证整个清理过程的简单使用的操作流程。故，我将立铣刀和圆柱铣刀进行了功能性的结合，设计出一种形似钻头的铣刀，只是直径比普通钻头要大。3.1 铣刀形状的设计良好的铣刀外形，可以保证金属铣削过程中，好切削效率和比较高的表面质量。根据此处工作的需要，铣刀直径选择1000mm，l=400mm。齿数z选8。材料选择耐热合金钢。前角。铣刀的前角也是根据工件材料的性质来选择，其原则与车刀前角基本相同。由于铣削时有冲击，为保证刀刃强度，铣刀前角一般小于车刀前角，硬质合金铣刀前角小于高速钢铣刀前角。硬质合金端铣刀切削冲击大，前角应取更小值或负值，或加负倒棱。故选择前角=35。后角。铣刀后角主要是根据进给量（及切削厚度）大小来选择，因铣刀进给量小，后角取大值，一般比车刀后角值大。根据金属切削原理与刀具表15.2，铣刀的后角数值。确定周齿的后角为12，端齿的后角为8。刀刃螺旋角：硬质合金端铣刀的螺旋角对刀尖强度影响较大，只有加工软钢及其他低强度材料时，才用正刃倾角。根据金属切削原理与刀具表15.3，铣刀的刃倾角（螺旋角）。确定刀齿螺旋角=45。后角面最大磨损限度为1mm，刀具耐用度t=10.8 。 3.2 铣削用量的选择选择切削用量就是要确定具体工序的背吃刀量、进给量和切削速度。切削用量的合理选择，直接关系到生产效率、加工成本、加工精度和表面质量，因而是金属切削研究的主要内容之一。所谓“合理的”切削用量，是指充分利用刀具和机床的性能，在保证加工质量的前提下，获得高的生产效率和低的加工成本的切削用量三要素的最佳组合。此处选择切削用量，主要是为了是设计的过程中，根据实际的需要，设计出能够完成清理工作的各种性能参数都和合理的刀具，以及根据选定的切削用量，计算电动机的功率转速和减速机的减速比的计算。根据切削用量手册（修订本），铣削要素有：v铣削速度（m/s）v= 铣刀外径（mm）； 铣刀每秒转速（r/s）； 铣刀工作台每秒移动距离（mm/r）； 铣刀每齿工作台移动距离（mm/z）； 进给速度（mm/s）; 铣刀齿数； 铣削宽度（mm）； 铣削深度（mm）； t 耐用度（s）。本次设计所面对的实际问题比较特殊，铣削的材料是铝渣，实际上是电解铝生产工艺中残留的电解质， 其组织疏松，强度很低，所以，在选择切削用量的时候，可以取相对较大的值。综合个方面因素，根据切削用量手册（修订本）最终确定：周铣时，铣削宽度选59mm，铣削深度为400mm；铣抬包底部时，铣削深度选59mm，铣削宽度为1000mm。铣削速度v，由于被切削材料是电解质，强度很低。所以在选择铣削速度的时候，考虑到加工时间，应取较大值。加工铝材的切削速度为75-750m/min，考虑到排屑可能会不顺畅，引起刀头温度升高，此处选择v=300m/min。每齿进给量选择1mm/z 。抬包在作进给运动时，由于铣削的过程中有两部分，及铣抬包的内壁和抬包的底部。而在这个过程中，切削量是不同的，所以在确定进给运动的时候抬包进给的速度不一样，切抬包内壁的时候，抬包的进给速度为60mm/min；切底部时，抬包的进给速度为20mm/min。第四章 清理工作时功率的计算与分析在设计的过程中，根据自己选择好的一些工作参数，计算出整个工作过程所需要功率，是必不可少的步骤。根据计算出来的功率了，我们才能继续往下的设计。铣削的过程中，整个刀头主轴的动力和滚筒转动的动力都由一个电动机，经一个减速器传递过来。而抬包进给运动的动力则是由一个减速电动机驱动齿轮，运用齿轮齿条传动，传递到抬包小车上。整个抬包清理的过程被分解为刀头自转，滚筒带动刀头公转和抬包的进给运动后，功率的计算相对来说也就要简单些了。4.1铣削运动的功率计算铣削时，切削速度=300m/min。刀具直径1000mm。根据 公式 v=，得，所以， r/min r/min因为每齿进给量为1mm/z，所以，铣圆周时，铣刀每自转一圈的进给量为：s= = 1*8 mm = 8 mm一分钟的进给量及等于滚筒一分钟转动的量，n*s=;所以， r/min 0.15 r/min ;铣抬包内壁时的圆周力： 式中，公式中的系数及指数 表4.1 铣削圆周力计算参数按以上系数，求得=26973 n; 铣削的过程中，需要的扭矩： ；铣削时，所需要的功率： kw；所以，铣削时，刀头做铣削运动，所需要的功率为135 kw。4.2 滚筒转动的功率计算由于滚筒和刀头是由同一个电动机提供动力，所以计算出滚筒转动所需要的功率，才能选出合适的电动机。必须指出的是，在计算滚筒转动时需要的功率的时候，首先得知道滚筒的一些几何参数，质量等。也就是说，这个工作应该在滚筒的设计之后，但是由于本处编排排版的需要，就这一部分放在了前面，与铣削运动的功率计算组成一个章节单独地列出来。计算滚筒转动的功率，主要是克服滚筒和托辊接触发生相对运动所产生的摩擦力所做的功。而产生这个摩擦力的正压力有几个部分。一是滚筒自身的重力，二是刀头以及主轴的重力，三是铣刀铣削时，抬包产生的对铣刀的径向压力。 及铣削的过程中，滚筒转动所需要的功率为920 w。4.3进给运动的功率计算进给运动功率的计算，也是涉及到电动机的选择问题，虽然进给运动的动力源跟铣削运动不是同一个电动机，但是为了选得合适的减速电动机，必须得计算出进给运动的功率。当然，跟滚筒转动功率的计算一样，也需要在设计出抬包支座及小车之后，根据小车支座的参数作具体计算。但是，为了设计说明的统一的整体性，特意将进给运动个功率计算这块儿提前到这里来说明。抬包进给运动的时候，由于铣削的过程分两个阶段，进给运动的速度也有两个。抬包在铣削完底部之后，必须得将抬包往后移动。此时，没有切削运动，所以回来的时候，抬包的速度可以选择更大的值，以减少整个抬包清理工作的时间。 从数字上看，这个功率是小得有点离谱，但是从另一个角度看，也是可以理解的。因为进给运动的速度很低很低。只有1mm/min。第五章 机构运动参数以及零部件具体参数的确定在这个环节中，需要做的工作就是将确定好的结构原理进一步的完善，设计好各种结构的的具体参数，以及考虑其安装是个零件的位置关系，解决掉可能存在的主观意识和客观事实的偏差。 5.1铣刀主轴的设计铣刀主轴是一个重要的零部件，清理过程中，铣刀头的支撑，传递动力给铣刀头，这些都是铣刀主轴所必须完成的任务。除了承受铣刀的重力外，还要受到铣削时产生的冲击载荷，以及铣削过程中所需要传递的扭矩。5.1.1 主轴最小尺寸的计算良好的设计是既要保证结构的强度，同时尺寸又不能过于无理由的大，因为那样不仅浪费材料，还增加了设备整体的重量。制造、运输、安装以及维护都不方便。所以，我们应该根据已知的条件，计算出主轴的最小尺寸。这样，就不会存在为了满足结构强度，根据不成熟的经验，盲目地加大工件的尺寸的问题。由上一章的铣削功率的计算可知，铣削时，主轴传递的功率为135kw；主轴转速为95.5 r/min。主轴在铣削的过程中受冲击载荷比较大，所以，轴的材料选择40cr。根据公式， 输出轴传递的扭矩为13500 。所以轴的最小尺寸为： 由于，轴上有键槽，应增大轴径3%，故选主轴的最小直径为d=130mm。 5.1.2 主轴结构的设计以及轴上零件的布置主轴上零件不叫少，所以结构也相应比较简单。轴的轴向定位采用的是一对圆锥滚子轴承正装，所以，在轴的一端加工一个轴肩，另一端则加工加工螺纹，用带有螺纹的套筒完成滚动轴承的轴向定位。轴的两端分别于刀头和万向联轴器相连，所以得加工键槽。 图 5.1 主轴机构 5.1.3 主轴强度的校核按扭转强度条件计算， ,所以，主轴的尺寸设计满足要求。 5.2 主轴支撑件的设计主轴支撑件是本次设计中一个很重要，很关键的零件之一。顾名思义，它得支撑起那个既公转又自转的主轴。主轴又电动机经减速器再接万向联轴器直接驱动，自转肯定是没有问题。可是怎么完成公转呢，这个支撑件的另一大用途就在这里，它必须得带动主轴公转。 图5.2主轴支撑件 5.2.1 滚动轴承的选择滚动轴承是现代机械中广泛应用的部件之一，它是依靠主要元件间的滚动接触来支承转动零件的。滚动轴承绝大多数都已经标准化，并由专业工厂大量制造及供应各种常用规格的轴承。滚动轴承具有摩擦阻力小，功率消耗少，启动容易等优点。正是由于这样，所以在设计的过程中，不用自己来设计轴承，只要根据自己设计的需要，选择符合工作条件及要求的滚动轴承即可。此处用用铣刀主轴的滚动轴承，由于工作时，有径向方向的载荷，同时也有轴向方向的载荷。所以在选择能够承受一定径向载荷的圆锥滚子轴承。一对圆锥滚子轴承采用正装的形式安装。考虑寿命、转速、可靠度、温度、振动和冲击等变化，计算轴承基本额定载荷按下式进行简化计算， ；式中c为基本额定动载荷的值；n；p为当量动载荷，可按下式计算，n其中xy为滚动轴承的计算参数。选择32026，计算p=37.8 kn;由机械设计手册（第二卷），表7-2-27,选择使用寿命 30000 h；表7-2-23，查得寿命因数 =1.71 ；表7-2-24，查得速度因数 =0.728 ；表7-2-25，查得冲击载荷因数 =1.5 ；表7-2-26，查得温度因数 =1 ; 为力矩载荷因数，力矩载荷较小时，=1.5 。所以，求得c=200 kw 335 kw。5.2.2 支撑件的形状和尺寸的确定这里的支撑件不是一个标准件，是跟是工作的需要自己设计的一个零件。而在此处的要求是：首先，主轴滚动轴承是外圈要能装在这个支撑件上；其次在铣削的过程中这个支撑件是和滚筒一起转动的，必须得有一点的刚度；最后，也是最重要的一点，就是当滚筒停止转动，调整铣刀公转的直径时，这个支撑件必须得完成这个工作。由于没有现成的公式计算支撑件的形状尺寸，所以，支撑件的外形尺寸按经验类比得出。在滚筒停车，调整铣刀公转直径的时候，支撑件会和滚筒产生摩擦，所以，在加工的时候，支撑件与滚筒接触的面都要求粗糙度=0.8。且工作时，采用脂润滑。在工作的过程中，此支撑件主要承受弯矩，值等于两个滚动轴承施加给零件的弯矩的和， m=13954450+8494450 =10101600 nm m。由于主要承受弯矩，所以按弯曲强度条件计算，因为零件特殊，不好计算其抗弯截面系数，但根据机械设计（第八版）表17-1可知，跟零件形状相似的工字钢的许用弯矩是用心轴的许用弯矩的1.55倍。所以取 =405000 带入数据可得25 ，所以，支撑零件的强度能够满足要求。5.3 滚筒的设计滚筒是本次设计中一个很特殊的零部件，不是标准件，是我自己设计以完成铣削时刀头公转功能的零件。滚筒在工作的过程中，受铣削时的轴向力以及冲击载荷。由于这些载荷都不大，所以在选择轴向定位的时候以及支撑的时候，直接用两对带有凸起的托辊与焊接在滚筒上的托圈配合。5.3.1 滚筒外形设计及紧固件的选择滚筒于此处，完成的功能是将带动主轴支撑件做旋转运动，而且还要能满足主轴的在滚筒径向上的调整位移。所以，在设计的时候，滚筒主体是有两部分组成，以保证能够正常的安装轴承支撑件。图5.3滚筒上下外壳上下滚筒用ht200铸造而成，形状大致一样，只是为了满足主轴支撑件的径向移动，两个外壳的外形做了相应的调整。上壳主要是是要留出主轴移动的空间，换句话说，就是得开口。下壳主要是要完成驱动支撑件移动，原理是利用螺旋传动。下壳上有一个用双向止推轴承固定的螺纹杆，与之配套的是支撑件上开有同等公称直径的螺纹孔。调整的时候，就是转动螺纹杆带动支撑件得到相应的位移。上下两壳的用螺栓螺母固定。固定后，在滚筒的中间焊接上一个齿圈，和两个托圈，焊接的时候分别用三根钢条定位。滚筒的设计没有现成的模式公式计算其机构强度等，所以，起结构尺寸都是按照经验类比其他类似机构的尺寸设计出该滚筒的尺寸参数。各设计值均已标注于图纸之中。支撑件的径向移动是在滚筒停车时，利用螺纹传动实现的。螺杆用止推轴承轴向定位与滚筒下半壳上，支撑件上有与之相配合的螺纹孔。螺杆的设计，螺杆选择40cr，经热处理以提高它的耐磨性，适合与重载。按螺纹工作面的耐磨性条件计算，p=f/a=,所以，对于梯形螺纹，h=0.5p,取1.2，由机械设计表5-12，得许用压力为18mpa，摩擦系数f=0.10。所以，求得d17mm。为了便于操作，故选择螺杆的公称直径为64,螺距p=10。支撑零件上的螺纹孔用浇注巴氏合金。螺杆端部做成截面为2525正方形的形状，以实现扳手可以在使用之后拆卸下来。扳手的长度设计为力臂长367mm。5.3.2 滚筒的支撑一个直径近两米的大滚筒，我们当然不能找到一个那么大的滚动轴承来支撑。所以，这就要求还要设计一个滚筒的支撑装置。首先，必须要保证支撑起来后，滚筒是可转的；其次，滚筒的回转中心，由于有刀头主轴的干扰，所以，不能用一根实际的轴来支撑这个滚筒。考虑到，滚筒在整个过程中，主要承受的是径向上面的里，当然轴向上的力也有。我就用两对中间带有凸起的托辊来支撑滚筒。两对托辊，一高一低，这样可以平衡掉一部分倾翻力矩。图5.4滚筒支撑托辊的外形及安装方式托辊带凸起，与之配合的焊接在滚筒上的托圈也有凸缘，所以，这样就能平衡掉工作时的轴向载荷，同时也能起到导向的作用，避免滚筒的转动发生偏移。托辊装配时，需用的滚动轴承的选择，这里的滚动轴承要承受一点的轴向载荷，所以选择圆锥滚子轴承，选择30310圆锥滚子轴承，gb/t297-1994。5.4 滚筒驱动零件的设计滚筒的功能是带动铣刀以滚筒的回转中心公转，滚筒是房租两对托辊上的，没有轴带动它，所以它的转动就得特别安排一个驱动装置。而滚筒的转速又是非常低的，只有0.15r/min。考虑到这些实际情况，设计在滚筒的外面焊接上一个齿圈，用一个小齿轮驱动，仿照建筑机械中拌料的那个滚筒。由于大齿圈和小齿轮直径相差悬殊，所以，小齿轮的转速则可相应的高点。这样有利于后来设计减速器。5.4.1 齿轮传动的设计滚筒直径 d=1170mm ，大齿圈的齿数为154,为了提高传动比，小齿轮齿数应取得小点，但为了避免齿轮发生根切，所以不发生根切的最小齿数17,设计设计定传动比为9.06。机床为一般工作机器，转速不高，故选用7级精度(gb 10095-88)。由机械设计（第八版）表10-1选择小齿轮的材料为45钢（调质），硬度为250 hbs，大齿轮材料为zg 340-640(常化)，硬度为220 hbs,二者材料硬度差为30 hbs。考虑滚筒的质量转速以及负荷，求得这个轴上传递的功率为1.06 kw；因转速为1.5 r/min。所以根据公式 ，求得，t=6812.3 nm。由设计公式 ,求得，118 mm；所以取=136 mm， m=/=8；=1230 mm。齿宽为，取0.7，b=95.2 mm，圆整取 b=100 mm，由于大齿圈的齿宽由滚筒的结构限制，所以取大齿圈的齿宽大于小齿轮的齿宽，取150 mm。传动比i=9.06，所以驱动轴需要的转速为1.4r/min。5.4.2 轴上零件的布局和轴的结构设计 驱动轴结构简单，直接做成齿轮轴的形式，可以免去不少定位与固定的问题。根据轴传递的转矩和功率转速之间的关系，求得输入轴传递的扭矩为6812.3 nm。可根据求主轴最小尺寸的公式求出驱动轴的最少轴径为91mm。综合进安全系数，设计轴的最小直径为110mm。齿轮轴上选用一对圆锥滚子轴承33022（gb/t297-1994）支承。结构及装配关系如图图5.5滚筒驱动轴上上零件的装配5.5 离合器的设计离合器的种类繁多，但大致都是为了方便在不切断动力源的情况下随时停车。设计面对需要解决的实际问题，就是要调整铣刀铣削时的径向距离。在这个过程中，最好是铣刀继续它的自转，而提供它公转的条传动线必须得停了。因为这个调整过程是人力手工操作的。所以，在这条传动链上安排了一个离合器。此处离合器不要求功能很单一，就是它很原始的功能。动作也很简单，所以，控制就由人力手工操作一个手柄利用杠杆原理带动拨叉转动一定的角度，再由与拨叉连接到滑块带动离合器实现停车和开车的动作。图5.6摩擦片式离合器要设计出合适的联轴器，就必须先计算出两轴之间所传递的转矩，按 进行计算，k为工况系数，1.4；为结合频率系数，1；为速度系数，1.35。 =7064.7 nm。，工作面的平均直径，（2.5-4）d故=330 mm。工作面外直径 =1.25=412.5 mm ；摩擦面内径 =0.75=247.5 mm ；摩擦面宽度 ；摩擦面对数 m=z-1 ； ；所以，m5.6 ；故取m=6，z=7。脱开时的间隙为1mm。离合器的许用传递转矩， =6702.9nm ；压紧力 =23786.9 n;摩擦面压强 =37.9 nc 30 nc。故，离合器的参数符合要求。根据离合器的尺寸设计相应的拨叉，要求拨叉在工作的过程中，两个极限位置不要超过。5.6 减速器的设计减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，用来降低转速和增大转矩以满足各种工作机械的需要。减速器的种类很多，可按多种形式分类。若按传动和结构特点来划分，则可概括为以下六种：齿轮减速器、蜗杆减速器、蜗杆齿轮减速器、行星齿轮减速器、摆线针轮减速器和谐波齿轮减速器。以上六种减速器由于在工程实际中应用很广泛，所以已有标准系列产品，使用时只需要结合所需传动功率、转速、传动比、工作条件和及其的总体布置等具体要求，从产品目录或有关手册中选择即可。而针对本设计所解决的实际问题，我们这里所要的减速器要求却很特别。首先，动力有电动机输入，经过减速器要分别传到两根轴上去，一个是跟铣刀主轴相连的轴，一个是跟滚筒驱动齿轮相连的轴。两根轴的转速相差也很大，而为了整套设备安装的方便以及设备总体布局的紧凑性，输出的这两根轴应该是平行的。而切其中心距应该等于滚筒回转中心到滚筒驱动齿轮的中心的距离。图5.7减速箱内各轴及传动方式5.6.1减速器圆柱齿轮传动的设计电动机输出转速为493r/min，而铣刀主轴的转速为95.5r/min。两者之比为5.16。用一级圆柱齿轮减速就能实现这个传动比，滚筒驱动轴的转速为1.5r/min。可利用涡轮蜗杆传动，蜗杆装在转速为95.5r/min的输出轴上，一级减速即可实现要求的转速。为了减小整个设备的体积，小齿轮的齿数选较小值，为了避免齿轮发生根切，所以选择小齿轮的齿数为19，大齿轮齿数为98。机床为一般工作机器，转速不高，故选用7级精度(gb 10095-88)。由机械设计（第八版）表10-1选择小齿轮的材料为45钢（调质），硬度为250 hbs，大齿轮材料为zg 340-640(常化)，硬度为220 hbs,二者材料硬度差为30 hbs。由设计公式 ,试选载荷系数。小齿轮转矩为2905.7 nm。由机械设计（第八版）表10-7选择齿宽系数=0.4。由机械设计（第八版）表10-6查得材料的弹性影响系数=188。由机械设计（第八版）图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限为600mpa；大齿轮的接触疲劳强度极限为550mpa。由机械设计（第八版）式10-13计算应力循环系数次数=1由机械设计（第八版）图10-19取接触疲劳寿命系数为0.9和0.95。取失效率为1%，安全系数为1，由机械设计（第八版）式10-12得将较小的代入公式，求得=212 mm。m=/z=11.15,圆整后取m=12。所以=228mm；=1176 mm。齿轮齿宽为，取，计算b=90。为防止大小齿轮因装配误差产生轴向错位时导致啮合齿宽减小而增大齿轮单位齿宽的工作载荷，所以小齿轮的齿宽取100。5.6.2减速器蜗轮蜗杆传动的设计图5.8蜗轮蜗杆传动蜗杆在减速器的第一根输出轴上，考虑到个方面的工艺性，直接设计成蜗杆轴。蜗杆转速为95.5 r/min。蜗轮的转速为1.5r/min。二者转速比为63.67。所以选择蜗杆头数为1，蜗轮齿数为64。假设蜗轮直径d与中心距之间的比为d/a=0.22,从机械设计图11-18中科查=2.9。按公式，,计算出a320 mm，取a=358 mm，机械设计表11-2查得模数m=8，蜗轮分度圆直径d=102 mm。这时，d/a=0.28。再次从表11-2中，选得为2.7。小于，故上述结果可用。蜗轮分度圆直径=m=512 mm蜗轮喉圆直径为=496 mm蜗轮齿根圆直径=492.8 mm蜗杆选用45钢，为了保证良好的耐磨性，蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为50hrc。蜗轮用铸锡磷青铜 zcusn10pl，金属模铸造，为了节约重要的有色金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铁ht150制造。5.7 联轴器的选用联轴器的种类繁多，但其最根本的功能是将两根不同直径的轴连接起来，传递不扭矩。联轴器的应用非常广泛，所以相关标准都很完善。制造联轴器的厂家也很多。所以在设计的过程中，一般只需要按照工作的要求，两根轴的直径以及传递的转矩等选用满足要求的联轴器。针对此处设计的需要，铣刀主轴在工作的过程中要绕滚筒回转中心旋转，所以，铣刀主轴和减速器的输出轴之间绝大多数时间并不是同轴的，而且，由于铣刀主轴在径向调整的过程中，铣刀主轴的轴端和减速器输出轴的轴端之间的距离会发生很大的改变。这样的情况下，选择的联轴器就必须得满足能有一定角度的偏移，同时还能够有一定的轴向伸缩量。应用最广泛的凸缘联轴器并不具备这个功能，所以，在这里选用焊接式十字万向可伸缩联轴器。图5.9十字万向可伸缩联轴器主轴转速为95.5 r/min,功率为141 kw。计算可得主轴上的扭矩为14100 nm。所以，在机械设计手册（第二卷）表6-2-18选得bh-标准伸缩焊接式swc整体叉头十字轴式万向联轴器，swc 225。伸缩量=140mm，轴线折角=15。公称转矩为40knm。各项参数均能满足本设计的需要。两端分别用8个m16的螺栓与轴上的连轴套连接。5.8 夹具及进给小车的设计在铣削的过程中，进给运动是由小车带动抬包运动的，而不是铣刀做进给运动。因此，抬包的定位及固定就显得十分重要。一要保证抬包安放时方便快捷，二要保证抬包安装的精确性，三就是要保证在进给的过程中，抬包必须不能有扭动或者轴向的窜动。出去着三个基本的要求，我对装夹装置及小车做如下设计：小车有一个底板，算作小车的基体，底板下装六个万向工业车轮，地面上开两条槽，以作导向之用，让车轮只能在槽里移动。基体上有两块v铁，和一个能挡住抬包底部的挡板。当抬包放在上面的时候，可以凭自重自动对中。为了防止在铣削的过程中，抬包发在转动，在抬包的外壁上焊接上两块铁块，位置由v铁的上沿儿决定。也就是说，焊接的铁块是和v铁的上沿儿接触，起到定位作用。但是如果光是这样的话，在铣削的过程中，还是有可能会出项抬包转动的情况。所以在抬包被放置在小车上之后，还用两条钢带勒紧抬包，这样，上面提到的三点要求就能满足了。小车选用的工业脚轮，车轮直径选为300mm，宽75mm，c级，额定载荷10000n，(gb/t14688-1993)。六个车轮，所以，总共额定负载60000n,所以能够满足要求。5.9 进给装置驱动轴的设计当抬包安放在小车上之后，实际上抬包的进给运动，就是小车的进给运动。而小车本身并没有动力源，那么它的进给运动就必须得单独拿出来说一下。在小车的尾部，加工出两条各个参数都一样的齿条。动力从减速电机输出，传到一个上装两个齿轮的轴上，两个齿轮的参数也是一样的。通过齿轮齿条传到，动力被传到了小车上，这样，小车就可以根据减速电机的输出转速而动了。图5.10小车驱动轴的结构及固定方式5.10 电动机的选用电动机是提供动力的设备，将电能转换为机械能或者液压能。选择电动机，主要是根据工作的条件，以及需要的功率和转速等给方面具体工件的需要。本套设计中应用了两个电动机。本来，一开始是想就用铣刀主轴的电动机提供动力，同时带动铣刀主轴和需要作进给运动的小车。但是在设计的过程中，发现有两点不合适的理由。一，两者之间的转速要求不一样，铣刀主轴的转速很稳定，而进给小车的驱动轴转速却要求有一定的变化；二是由于设备布局的原因，将驱动铣刀主轴的电动机的动力传递到小车上还是很困难的，并且设备还显得十分杂乱。所以，综合各方面因素，还是选用两个电动机分别驱动铣刀主轴和抬包进给小车。用于驱动洗刀主轴转动的电动机，因为铣削过程中，并没有什么特殊的要求，所以选择防护式笼型三相异步电动机，它实用于驱动无特殊要去的各种机械设备，如金属切削机床等。铣削和驱动滚筒转动的总功率为141kw，选额定功率为160kw的y系列（ip23）400-12，（jb/t5269-1991）。这种电动机，额定功率为160kw,输出转速为493r/min，输出转矩3100nm。用于给进给运动提供动力的电动机，因为在整个清理的过程中，进给运动的分为几个阶段而进给速度不一样，所以就选择有一定调速功能的电动机。根据机械设计手册（第五版）第四卷选择ycj系列齿轮减速三相异步电动机。产品代号为ycj132，配用电机801 f2-4,(jb/t6447-1992)。 该电动机额定功率为0.55kw，输出转速为23.5r/min,输出转矩为206nm。第六章 机床各零部件的布局以及装配设计出各种零部件之后，就应该把这些零部件合理地装配起来，好的布局应该能够使工作现场从整体上看，比较合适，个零部件之间安排紧凑，占地面积小，便于工作人员操作和监测以及日常的维护。针对本套设计，由于电动机，减速器以及滚筒的中的回转中心和抬包的中心，与地面的距离都不等。而他们基本上在工作的时候又需要在同一水平面上，所以必须利用支架或者是将地面砌成阶梯状，来满足这一要求。图6.1各零部件的布置与安装因为具体情况的特殊，所以的零部件都需要到现在装配，此设备是作用的清理抬包的，很有针对性。所以，设备在安装好了之后除过正常的维护与检修之外，一般就不用拆移它了。加之设备整体庞大，做支架不方便且很难避免振动问题。所以综合各些方面的因素，设计最终定位不用支架，直接将地面做成不同水平高度的阶梯形状。结论本次设计从得知题目，到最终定稿，时间长达半年之久。虽然，最终设计出了一套从理论上讲能够完成抬包清理工作的机床以及其配套的夹具。但是也有很多不足之处。首先，设计与实际比较脱节，设计的过程中，由于实际条件的限制，我没有到电解铝厂去实习调研，不知道电解铝抬包工作以及清理时的场地等具体情况；其次，在设计的过程中呢，当遇到一个实际的问题，我总是翻书上的本本条条来解决问题。当然，肯定是能有解决问题，但是不可否认，很多东西都过时了。也就是说，本设计从理论上讲，能够完成设计题目中要求的清理抬包残留铝渣的工作，但是要想用于生产实践，