姚成彬毕业论文3.doc

毕 业 设 计 论文 说 明 书 题 目 砂带抛光机床的设计 姓 名 编 号 平顶山工业职业技术学院 2008 年 5 月 20 日 平顶山工业职业技术学院 毕业设计 论文 答辩委员会记录 系 专业 学生 于 年 月 日 进行了毕业设计 论文 答辩 设计题目 专题 论文 题目 指导老师 答辩委员会根据学生提交的毕业设计 论文 材料 根据学生答辩情况 经答 辩委员会讨论评定 给予学生 毕业设计 论文 成绩为 答辩委员会 人 出席 人 答辩委员会主任 签字 答辩委员会副主任 签字 答辩委员会委员 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 目录目录 摘要 摘要 1 1 目录 目录 1 1 第一章第一章 引引 言言 3 3 1 1 抛光在现代加工工艺中的重要 性 3 1 2 抛光的分 类 3 1 3 国内外凸轮轴抛光机床的发展现状 3 1 4 本次所设计抛光机的特点及有关说明 4 第二章第二章 工艺分析工艺分析 5 5 2 1 确定工艺方案 5 2 1 12 1 1 第一种方案 采用砂轮磨床进行抛光 第一种方案 采用砂轮磨床进行抛光 6 2 1 22 1 2 第二种方案 采用砂带抛光机床进行抛光 第二种方案 采用砂带抛光机床进行抛光 7 7 2 2 拟定夹具方案 9 2 3 拟定砂带抛光装置的结构方 案 10 2 3 1 国内外砂带抛光机现状及分 析 10 2 3 2 结 论 12 第三章第三章 确定机床主要技术参数确定机床主要技术参数 1313 3 1 确定主参数 13 3 2 其他参数的确定 13 3 2 1 确定主轴的转 速 13 3 2 2 确定切削数 据 14 3 2 3 确定主运动电动机的功 率 15 3 2 4 确定砂带抛光装置电动机的功 率 16 第四章第四章 机床的总体布局机床的总体布局 1717 4 1 运动的分 配 17 4 2 机床的传动形 式 17 4 3 机床的支承形 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 式 18 4 4 机床总联系尺寸 图 18 第五章第五章 液压系统的设计液压系统的设计 1919 5 1 工况分 析 19 5 1 1 运动分 析 19 5 1 2 负载分 析 20 5 1 3 运动行程分析与计 算 23 5 1 4 结 论 23 5 2 拟订液压系统工作原理 图 24 5 3 液压元件的选择与计算 24 5 3 1 液压泵的选 择 24 5 3 2 液压泵电动机的确定与选 择 25 5 3 3 液压油的选 用 25 5 3 4 确定液压缸的主要参 数 26 5 3 5 活塞杆直径的选定与校核 27 5 3 6 其它元件的选用与计算 27 5 4 系统性能验算 30 5 4 1 传动路线中的压力损 失 30 5 4 2 确定液压泵工作压 力 31 5 4 3 液压系统的效 率 32 5 5 系统的可行性验证 32 5 6 支撑件及导轨设 计 32 参考文献参考文献 3333 致致 谢 谢 3434 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 第一章第一章 1 11 1 抛光在现代加工工艺中的重要性抛光在现代加工工艺中的重要性 抛光是一种应用广泛的磨料加工方法 金属及非金属材料制品 精密机电 产品 日常生活用品 均采用抛光加工来提高表面质量 抛光工序在现代加工工艺中的重要性是由抛光自身的特点及零件要求的表 面质量的日益提高决定的 它是对零件表面进行的光饰加工 主要的目的是去 除上道工序的加工痕迹 如到痕 划印 麻点 尖棱 毛刺等 改善零件表面 粗糙度 获得光亮平整的加工表面 增加美观 提高工件的抗疲劳和抗腐蚀的 性能 经抛光的的零件表面粗糙度一般可以达到 Ra0 4vm 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 此外 抛光还可以作为一道中间加工工序 为油漆 电镀等后道工序提供 油膜 镀层附着能力强的表面 1 21 2 抛光的分类抛光的分类 抛光一般可以分为柔性机械抛光 机械化学抛光 电化学抛光和磁化学抛 光等 在日常的加工中常用的是柔性机械抛光 它包括轮式抛光 带式抛光 盘式抛光和滚筒抛光等 而本论文所采用的是带式抛光 1 31 3 国内外凸轮轴抛光机床的发展现状国内外凸轮轴抛光机床的发展现状 在国内过去的二十年间 我国的传统制造业中一般采用砂轮磨削或手工抛 磨来完成抛磨工序 技术含量 自动化程度和加工精度都较低 在八十年代初 到九十年代初的十年中 砂带磨削抛光工艺引起了我国大专院校和科研所及企 业界的极大关注 他们发表了相当数量的试验报告及论文 但由于对砂带磨削 工艺特性的了解不够 砂带质量 品种及规格不能满足生产需求 砂带磨床品 种太少等原因 导致在国内的砂带热没持续几年就沉寂下来了 近年来 砂带 抛光机床稍有回头 一般 加工工艺范围小 品种少 应用范围小 主要应用于棒料 平面等简单型面的 加工 而用于凸轮轴抛光的有到目前为止只有 B6006 砂带抛光机床 在国外 最早的凸轮轴砂带磨削机床已于 1978 年在米兰展出 但并没马上 获得成功 而近年来对凸轮轴的研究与应用以美国尤为突出 制造出了多砂带 凸轮磨削抛光机床 并成功地应用于汽车的加工中 1 41 4 本次所设计抛光机的特点及有关说明本次所设计抛光机的特点及有关说明 本次设计的砂带抛光机床采用砂带与接触轮的接触应力保持不变的砂带抱 抛式抛光装置 并采用基于 CA6140 普通机床的变形设计方法 因而在相关尺寸 的确定上采用关联比例来确定 具体的尺寸 结构和有关要求下图 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 第二章第二章 工艺分析工艺分析 首先 我们得对凸轮轴有个初步的了解 通常凸轮轴的材料为铸铁或合金 钢 铸造的凸轮轴一般经过铸造 硬化 有的是在铸造时采用冷激铸铁 组织 是白口铁 磨削 抛光 钢制的凸轮轴在磨削 淬硬和抛光前 其毛胚是锻造 的 或者用棒料粗加工成形的 而加工凸轮轴的抛光工序通常为加工工艺的最 后一道工序 且加工余量很小 由于此机床专为凸轮轴的抛光工序设计 具有较强的针对性 因此属于专 用机床的设计的范围 同时由于凸轮轴上凸轮的独特曲面特性 应采用与之相 适应的加工方法来对其进行加工 其具体的分析如下 2 12 1 确定工艺方案确定工艺方案 为了在满足加工要求的前提下采用较优的加工方案 我们在确定加工方案 时得注重考虑以下的几个问题 首先 抛光的目的是获得较高的表面质量 但评价抛光机床的抛光质量有 这样两方面的内容 一方面是机床应保证工件抛光后的最终尺寸精度 保证这 些部位抛光前各道工序所获得的形状 位置精度 这是抛光质量的先决条件 另一方面是抛光后的表面粗糙度 对于一般的圆柱工件来说 保证尺寸公差是 较容易的 因为工序中为抛光工序留有适当的抛光余量 而这些抛光余量则可 根据抛削量制定 其次 我们得考虑的是被加工工件的表面形状 对于我们现有的特定加工 对象 凸轮轴而言 各凸轮的曲面为凹或为凸及各凸轮的相对转角 如图 2 1 所示 及近年来对加工表面质量的要求日趋提高和机床应具备一定的加工工 艺范围等 在很大程度上决定了我们所采用加工机床 刀具 抛光装置 为了 在机床设计中实现成本 效率 结构 技术熟练成度要求等的优化设计 现在 可对以下的几种加工方案进行分析对比 择优采用符合生产实际的加工方案 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 2 1 12 1 1 第一种方第一种方案 案 采用砂轮磨床进采用砂轮磨床进行抛行抛 光 光 在此方案中 可采 用较高的砂轮和工件的 相对转动速度 可进行 较大的磨削进给量 获得 较大的金属切除率 同时 若采用小磨粒的砂轮 也可获得较高的表面质 量和较低的表面粗糙度 但若用在凸轮轴加工中 则将主要存在以下的三个问题 1 工作节拍 由于凸轮轮廓复杂 精度要求高 而且同一凸轮轴上各个凸轮之间有严格 的相位要求 这在前面的图 2 1 可以看到 从其表面曲线来看 凸轮轴上的凸 轮曲线由基圆部分和工作段部分组成 而工作段部分则由开放曲线 凸尖 关 闭曲线组成 如图 2 2 为了保证阀门开关运动平稳要求 这些曲线的设计有 专门的要求 对于凸轮的设计者要要仔细分析凸轮的轮廓 升程值及其一阶导 数 速度 和二阶导数 加速度 有时还得分析三阶导数 加速度的变化 此外 吸气凸轮与排气凸轮在外形轮廓上稍有不同 还有 为实现发动机气缸 的正确点火周期 每个凸轮的相位角是不同地安置的 由于这些原因会导致砂 轮的进给控制非常的困难 难以保证加工凸轮的加工精度 同时其灵活性小 若对四缸或六缸的凸轮轴进行加工 则需配备 10 14 套抛光装置 或者配备一 个可编程的控制系统来控制砂轮的进给运动 这样都会导致设计的机床相当复 杂 2 烧伤 烧伤另一有关的是磨削凸轮轴凸轮的表面质量 显然 金属切除率是直接 正比于砂轮与凸轮的相对周边速度 由于凸轮的基圆部分和工作段部分的周边 速度不一 图表 2 1 四缸凸轮轴端面视图 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 图 2 2 凸轮磨削曲线 1 凸尖 2 基圆曲线 3 回程曲线 4 升程曲线 样 因而凸轮各部分的金属切除率不相同 从而由磨削过程中产生的塑性变形 而产生的热量相应增多 其热量的大部分积聚在工件的表面而导致表面局部烧 伤 3 凹入的凸轮轮廓 这样的凸轮轴砂轮磨床的前瞻性不好 适应性有限 对于凹入的凸轮没法 加工 或者说加工成本很高 可采用小直径的 CBN 来加工 但由于其经济问题 在大规模生产中是无法推广的 近年来 凹入的凸轮已经被发动机设计者感兴 趣 其凸轮曲线在开放曲线和关闭曲线处的曲率是负值 在这种廓形中 以凹 曲线代替直的或凸的曲线 这样的凸轮在工作中比现在的凸轮能更快的开关阀 门 这样燃烧更完全 输出的马力更大 当然在以上的三个问题中对于针对中轴厂的中小规模的生产类型及现有的 生产加工条件 按照结构简单 重量轻 效率高 成本低 操作方便简单等机 床设计原则 第一个问题 即凸轮轴的工作节拍是我们面临的最为关键的问题 若采用与凸轮轴转动同步的控制系统来实现 其较高的技术难度和成本 致使 此种方案的可行性较小 2 1 22 1 2 第二种方案 采用砂带抛光机床进行抛光 第二种方案 采用砂带抛光机床进行抛光 砂带抛光是根据工件形状 用相应的接触方式及高速运动的砂带对工件进 行磨削抛光的一种新工艺 在过去的五 六十年里 砂带磨削作为一种新工艺 在像塑料 皮革 不锈钢 陶瓷等表面要求较高而又特别难加工的金属和非金 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 属材料 在现代工业中 砂带磨削抛光技术以其独具的加工特点被视为一种很 重要的加工方法 国外有专家曾把砂带磨床比做 未来的巨人 加以评述 下面将对砂带磨削抛光的有关原理及其特点加以分析 1 砂带磨削抛光原理 实现砂带磨削加工的主要方法有 砂带自由张紧法 带有接触轮的转动砂 带法和接触板法 最常用的是带有接触轮的转动砂带法 如图 2 3 所示 根据工件形状和加工要求 以相应的接触方式和适当的磨削参数对工件进 行磨削加工或抛光 图 2 3 抛光原理图 2 砂带磨削抛光机床的基本部件 a 主轴传动装置 有单速或具有较大灵活性的变速传动 有时装有可逆 电动机 以改变砂带的运动方向 皮带速度为 10 50m min 通常取 16 30m min 主传动装置的功率 在每 10mm 宽的砂带上是 0 3 0 7kw b 砂带张紧装置 保持磨削及导向时砂带的适当张力 在砂带磨削中起 到非常重要的作用 它影响到砂带的切削性能和加工零件表面粗糙度 当增加 砂带拉力时 可提高金属切除量 但同时也提高了表面粗糙度值和磨料覆盖层 的消耗量 经试验表明 砂带的张力在 6 8N mm 范围内 在逆磨削时每次行程 能切出最大的金属量 拉紧机构有各种形式 从简单的机械或弹簧方法到宽砂 带与重负载磨削机床用的气动及液压拉紧装置 同时 为获得最大的生产率 必须使更换砂带的时间最少 通常操作者能在一分钟内更换砂带 c 砂带导向装置 这一装置可设计成手动或自动的 视具体情况而定 主要起导向作用 d 接触轮 接触轮在磨削点上支承砂带 其本体是用铝或钢制成 轮上 覆盖有橡胶 纤维 毛毯或其它材料制成的弹性圈 此外 还有吸尘装置 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 3 砂带磨削抛光的特点 砂带与易损坏的工具如单刃车刀 铣刀 砂轮磨削等工具相比 具有以下 的特点 a 加工效率高 经过精选的针状砂粒采用先进的 静电植砂法 使砂 粒均匀直立于基底 且锋口向上 定向整齐排列 等高性好 容屑间隙大 接 触面小 具有较好的切削性能 应用这一多刀多刃的切削工具进行磨削加工 对钢材的切除率已达每 mm 宽砂带 200 600mm min 3 b 加工表面质量高 砂带磨削时接触面小摩擦发热少 且磨粒散热时间 间隔长 可以有效地减少工件变形及烧伤 故加工精度高 尺寸精度可达 0 002mm 平度可达 0 001mm 另外 砂带在磨削时是柔性接触 具有较好 地磨削 研磨和抛光等多重作用 再加上磨削系统振动小 磨削速度稳定使得 表面加工质量粗糙度值小 残余应力状态好 工件的粗糙度可达 Ra0 4 0 1 m 且表面有均匀的粗糙度 但由于砂带不能修整 故砂带磨削加工精度比砂 轮磨削略低 c 工艺灵活性大 适应性强 砂带磨削可以方便地用于平面 外圆 内 圆磨削 复杂的异形面加工 切削余量 20mm 以下的粗加工磨削 去毛刺和为 镀层零件的预加工 抛光表面 消除板坯表面缺陷 刃磨和研磨切削工具 消 除焊接处的凸瘤 代替钳工作业的手工劳动 除了有各种通用 专用设备外 设计一个砂带磨头能方便地装于车床 刨床和铣床等常规现成设备上 不仅能 使这些机床功能大为扩展 而且能解决一些难加工零件如超长 超大型轴类 平面零件 不规则表面等的精密加工 d 砂带有很大的弹性 因而整个系统有较高的抗振性 e 砂带尺寸可很大 适用于大面积高效率加工 且设备简单 操作安全 使用维护方便 更换砂带和培训机床操作人员花费时间较少 由上面两加工方案的优缺点的对比可知 在凸轮轴的抛光加工工序中应采 用砂带加工的加工方案 2 22 2 拟定夹具方案拟定夹具方案 对于特定的加工工件 下面以中原轴件厂提供的六缸凸轮轴为例 如图 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 2 4 所示 此六缸凸轮轴中的加工表面为 1 中的十二个进排气凸轮面 2 中的 六个凸轮轴轴颈和 3 中的两个滚子轴承端面 同时还可从图中可看到凸轮轴的 两端有两个圆柱 两个端面孔和轴的右端的专为装夹预留的部分 从而我们可采用三爪卡盘 加尾架的定位方式来完成夹紧 定位 这其中的三爪卡盘具有自动定心的功能 因此在此装置中只需保证主轴和尾架顶锥的同轴度即可保证加工工件的同轴度 如图2 5所示 图2 4六 缸凸轮轴 1 十二个进排气凸轮 2 六个凸轮轴轴颈 3 端面轴径 图 2 5 凸轮轴的装夹示意图 2 32 3 拟定砂带抛光装置的结构方案拟定砂带抛光装置的结构方案 2 32 3 1 1 国内外砂带抛光机现状及分析国内外砂带抛光机现状及分析 从六十年代起 用于国产汽车发动机凸轮轴的砂带抛光机床一直采用 靠 模顶抛 式结构 如图2 6所示 其工作原理是 用一个与被加工工件形状 尺 寸相同的零件做靠模 靠模与工件之间用连杆联接着 连杆靠近工件的一端装 有抛光爪 抛光砂带由传送装置送到工件与抛光爪之间 抛光爪使砂带贴在工 件表面上 连杆的另一端安装仿形滚轮 连杆在弹簧力作用下使滚轮紧靠着靠 模 当靠模与工件同步旋转时 通过连杆 抛光爪即沿工件做仿形运动 砂带 即把工件表面抛光 使用此类机床必须保证以下两点 第一 在安装工件时 应使工件表面的某一点A与靠模对应的某一点A 在同一平面内 且角度与位置 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 相同 第二 抛光时工件与靠模必须保持严格地同步旋转 在实际工作中 传 动误差与安装误差总是存在的 这些误差使得工件凸轮曲线在各点的极座标值 与靠模对应点的极座标值不一致 最终导致抛光时砂带与工件表面接触力不稳 定 影响了抛光质量 靠模顶抛 式砂带抛光机的另一缺点是 连杆尺寸大 质量也大 运动时会产生较大的动员 特别当连杆的两端靠近凸轮尖端部位的 升回程表面时 连杆将获得最大的动量变化值 使凸 7 6 5 4 3 2 1 图2 6 靠模顶抛示意图 1 弹簧 2 滚轮 3 靠模 4 连杆 5 砂带 6 工件 7 抛光爪 轮升 回程表面的抛光压力不均匀 因而影响抛光质量 即当抛光爪处于凸轮 回程面时 较大的连杆动量值由于惯性的作用 迫使抛光爪离开凸轮表面或者 使工件与抛光爪之间的压力降低 也就是砂带与工件表面脱离接触或压力降低 而当抛光爪处在凸轮的升程面时 连杆运动产生的惯性力与弹簧力方向一致 增加了抛光爪作用在位抛光表面的压力 因此 在抛光过程中作用力大小不一 致 使得抛光质量不如人意 为了克服 靠模顶抛 式砂带抛光机的缺点 国际上各主要汽车生产国使 用的砂带抛光机床普遍采用 抱抛 式抛光头 且由PLC进行控制 其结构如图 2 7所示 从图中可以看到 工件每一个抛光面都有一对抛光爪 平时是撑开的 工作时 两个抛光爪将工件 抱 住 砂带从两个抛光爪内穿过 再与工件表面接触 工 件每旋转一周 砂带两次抛削工件表面 工作效率是 靠模顶抛 结构的两倍 抱抛 结构在工作时 两个抛光爪作用在工件上的力大小相等 方向相反 不但使凸轮升 回程表面的抛光质量均匀一致而且使机床主轴和尾架不受径向 力 从而提高了机床的使用寿命 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 图2 7 抱抛 机构图 1 气缸 2 新砂带 3 过砂带装置 4 废砂带 5 抛光头 6 工件 抱抛式 抛光头没有靠模和连杆 结构尺寸小 重量轻 动量惯性小 每个抛光头都配有一个砂带卡盘 更换砂带方便 图2 8 改造的 抱抛 结构示意图 主动轮 摆动液压缸 张紧轮 抛光头 铰链传动机构 辅助轮 砂带 加工工件 2 3 22 3 2 结论结论 由上面的分析很明显地知道应该采用 抱抛 式抛光结构 同时考虑到现 有的生产条件及各方面的实际情况和机床设计的 三化 即系列化 通用化 标准化的原则 决定在抱抛结构的控制系统改用液压恒压系统来取代PLC 同 时为降低运行成本 提高砂带的利用率 采用闭式砂带装置取代开式砂带装置 如图2 8所示 这样一来 在实现同等控制效果的基础上 既能简化机床又 降低机床的制造成本 运行成本和维护成本等 具有较强的现实可行性 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 第三章第三章 确定机床主要技术参数确定机床主要技术参数 由于此机床专为凸轮轴的抛光工序而设计 同时又具有一定的可调节性 因此也可定义为可调凸轮轴抛光专用机床 下面将确定其主要技术参数如下 3 13 1 确定主参数确定主参数 由于本次设计的机床为针对具体的凸轮轴而设计 因此我们的主参数和基 本参数的选定可根据给定的加工工件尺寸 最大直径 最大长度为 52 5mm 837mm 和我们所设计的机床形式 卧式 相结合 利用相似类比的方 法参照 机床设计手册 3 部件 机构及其总体设计 的普通机床参数 1217 P 的表7 1 88 将其设计所需的主参数如表3 1如79143 791582 ZJBGB 下 表3 1 床身上最大工件回转直径 D mm 500 抛光机构上的最大工件回 转直径 mm 1 100 最大工件长度 1000 3 23 2 其他参数的确定其他参数的确定 3 2 13 2 1 确定主轴的转速确定主轴的转速 由于本机床为特定工件的特定工序而设计的专用机床 其凸轮在径向上的 变动不大 同时考虑到砂带加工机床的工件转速一般取0 20m min的转速及实 际凸轮表面质量的要求不是太高 其表面粗糙度Ra的取值为0 4 12 5um 因此 可根据下面的公式 转 分 d v 1000 3 1 式中 选定的切削速度 米 分 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 d 刀具直径或工件直径 毫米 在这里选取 0 20m min 的中间值 15m min 的转速和工件的变化范围为 30 100mm 可确定主轴的转速 的变化范围 进而初步确定一适当的主轴转速 值 在一定的情况下可获得主轴的极限转速 当 d 取小值 30mm 时可得最大极限转速 159 2 转 分 max 30 151000 当 d 取 100mm 时 则可获得最小极限转速 转 分 min 7 47 100 151000 因此 可初步取其中间值 64 转 分来验算工 件直径在 30 100mm 内的转速 由公式 3 1 可得工件切削速度 m min 3 1000 d 2 当 d 取小值 30mm 时可得最低工件切削速度 m min 028 6 1000 3014 3 64 1000 min d 当 d 取大值 100mm 时可得最高工件切削速度 m min 096 20 1000 10014 364 1000 max d 由于中原轴件厂提供的凸轮轴在直径方向上的变化范围为 44 80mm 为使 给定的凸轮轴 最大直径 最大长度为 52 5mm 837mm 即六缸发动机凸轮轴 加工时能处于最佳的加工状态 即 15 20m min 因此 最终取主轴转速为 60 转 分 主轴 3 2 23 2 2 确定切削数据确定切削数据 切削力 由于对于砂带的磨削抛光中的受力分析和计算公式 到目前为止还没有一 套具体的计算公式 因此只能采用参照的方法 取径向方向上的最大分力 NFn100 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 因为在砂带机床中一般取 50 300 同时又 考虑到此机床为半精加工的精密抛光 所以为得到较好的抛光表面粗糙度取较 小一点的值 100 对于其切向分力 最大值通常取径向分力的一半 这将按 F 最大值来取值 故抛光的最大切向分力 50N F 切削用量 同上的分析类同 由于无法在理论上计算出砂带接触轮的纵向进给量 而 只能在生产实际中根据具体的生产实际调节液压系统的压力值 即可调节接触 轮的径向压力 进而得到加工所需的各个纵向进给量和所需的各个表面粗糙度 值 同理 机床的横向进给为手动调节 因而无需确定 在生产中根据实际需 要手动调节即可 3 2 33 2 3 确定主运动电动机的功率确定主运动电动机的功率 为了不使电动机在工作时出现电动机经常处于低负荷工作状态而造成浪费 或者电动机经常处于超负荷状态而导致电机或电气元件的烧坏 为主要考虑因 素 现采用计算法初步确定主电动机的功率 一般来说 机床主电动机的功率 3 附空切 NNNN 3 式中 消耗与切削的功率 又称为有效功率 切 N 消耗与切削的功率 又称为有效功率 千瓦 空载功率 千瓦 空 N 载荷附加功率 千瓦 附 N 对于砂带磨削抛光机床可按磨床来计算其切削功率 3 3a 6120 Z P N切 式中 切削力的切向分量 公斤力 z P 这里由于抛光时主要承受径向压力 且径向力一般为 50 200 所以这里可N 取较大值 10 公斤力 按通常切向力一般取径向力的一半的经验方法 来验 z P 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 算 切削速度 米 分 这里取最佳切削速度 15 米 分 千瓦 0245 0 6120 1510 切 N 而计算载荷附加功率的公式为 3 3b 切 切 附 N N N 式中 载荷附加功率 千瓦 主传动链的机械效率 附 N 将式 3 3b 代入 3 3 得 3 3c 空 切 N N N 此时 式 3 3c 中的为主要消耗功率的元素 但又无法在实际的机 空 N 床中测得 故只能按相似类比的方法 类比于机床 6140 来初步拟定为 1 5 同时又因为机床的主运动为回转运动 因而取较大一点的效率值 80 0 床 代入式 3 4d 中得 千瓦 531 1 5 1 80 0 0245 0 空 床 切 N N N 因此电机的额定功率 3 3d k N N 额定 对连续工作的机床 取 k 为 1 0 则 千瓦 531 1 0 1 531 1 k N N额定 最后 由于本机床在设计时采用模块化设计的方法 为给机床功能改造和将 来的扩展留有一定的预留功率 因此在这选用 2 2 的主电动机 3 2 43 2 4 确定砂带抛光装置电动机的功率确定砂带抛光装置电动机的功率 由于具体的砂带抛光机构的具体尺寸和偏角需在抛光机构设计完后 才能 进行较为精确的计算 现在只能参考取值 参照 机床液压 中的宁波高等专 科学校机械工程系的陈廉清和俞利锋的论文 砂带磨削及机床设计 315010 主传动装置的取值范围 0 3 0 7kw 10mm 按宽度取 取小值 0 3 进行计算 同时我们所需抛光的圆面和凸轮面的最大宽度值为 30mm 因此所需电动机功率 为 P 0 3 30 10 0 9 kw 查中国矿业大学出版社出版的吴相宪等主编的 实用机械设计手册 页表 163 p 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 11 1 选 Y90s 4 型号的电动机 其额定功率为 1 1kw 满载转速为 1420r min 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 第四章第四章 机床的总体布局机床的总体布局 4 14 1 运动的分配运动的分配 从第一节的分析我们知道在砂带抛光机中所需的运动为工件与砂带的相对 转动和抛光装置中的抛光头相对工件的径向方向上的运动 根据机床设计的小件承担运动的原则及砂带抛光机床中的工 件与砂带的相对运动特性和抛光装置中抛光头的特殊运动形式 决定采用以下 的运动分配形式 即工件承担相对于砂带运动方向反方向的转动运动 此运动 从主轴箱的主轴获得 砂带做相对于工件转动反方向的独立运动 此运动由单 独的动力源供给 主要原因是可简化机床的运动传动系统 从而简化机床 抛 光头的特殊路线的运动 则由恒压的液压系统提供恒定的外力伴随工件的转动 而自 动随动完成 其运动的分配如上页图4 1所示 图4 1 抛光机床的运动分配示意图 4 24 2 机床的传动形式机床的传动形式 在此机床的设计中 由于主运动和进给运动间没有严格的传动比要求 及 各模块单独的动力源设计 因此 机床的传动形式为机床主轴箱的齿轮机械传 动 抛光装置中的恒压系统中的液压传动 主电动机与主轴箱及砂带与各传动 轮的带传动 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 4 34 3 机床的支承形式机床的支承形式 在机床的常用支承件 床身 底座 立柱 横梁 横臂等的使用中 或单 独使用 或组合使用 其支承形式主要有以下的五种形式 1 一 形 一字形 支承 2 形 柱形 支承 3 形 倒丁字形 支承 4 形 槽形 支承 5 形 框形 支承 由于凸轮轴一般都为杆件 所以通常可采用 一 形 一字形 支承和 形 柱形 支承 但为了操作时装夹方便 简化机床等决定采用 一 形 一 字形 支承的机床 也可称之为卧式抛光机床 其示意图如图 4 2 所示 图4 2 机床支承示意图 4 44 4 机床总联系尺寸图机床总联系尺寸图 图 4 3 机床联系尺寸图 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 第五章第五章 液压系统的设计液压系统的设计 5 15 1 工况分析工况分析 为了能够设计一个合理的 实用的液压系统 必须进行工况分析 以明确 机构在运动过程中的运动规律和负载的大小及其变化规律 凸轮轴抛光机机床 的液压系统主要是为抛光机在抛光工件时 能随工件的转动提供一个理想恒定 的随动工作压力 下面将对机构进行运动分析和负载的分析以便确定所设计的 液压系统的主要参数 5 1 15 1 1 运动分析运动分析 由于凸轮轴的加工过程是一个连续不断的变化过程 现在讨论的是液压系 统设计所需的负载 及负载的变化程度 现将以中轴提供的六缸凸轮轴 注 此轴的加工部位的形状为圆面和凸轮面 圆的直径为 80mm 凸轮的尺寸为 长轴 短轴为 51 6mm 44mm 排气凸轮 50 7mm 44mm 吸气凸轮 因而 在抛光加工前的凸轮尺寸大概为 52mm 45mm 为主 选定其加工运动过程中 的两个极限位置 两抛光接触轮间的最近位置 44mm 和接触的最远位置 52mm 进行分析 其示意分析图如图 5 1 从图 5 1 上可以看到 在凸轮轴运 动的两个极限位置上 只取了抛光装置的一边进行分析 因为抛光机构基本成 对称分布 其运动规律和受力情况基本一致 只是时间上的先后差别 抛光机 构上的杆件和接触轮整体转动一定的角度 并在垂直方向上与初始位置有一定 的高度差 在这为方便分析起见 在这两个取定的特殊位置上 假定 1 位置为 初始位置 这样当凸轮轴上的凸轮部分转到 2 位置的过程中 杆件 cef 及接触 轮 a 将整体绕点 e 顺时针方向偏转一偏角dec 又杆件 ad 和杆件 def 为固定 连接 因而其偏转角与杆 ad 相同 即 图 5 1 运动位置分析示意图 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 dec aeb 这里由于凸轮在长度上的差值此时为最大 但在水平方向上不到 7mm 因 为接触轮与凸轮表面在抛光过程中始终相切 此时由于接触轮绕 e 点的转动 因而会导致凸轮和接触轮的相切点并不绝对的在水平方向上 而是有小角度的 偏移 约等于aeb 的值 因而整个机构的往外偏转的程度为最大 在凸轮轴 的加工过程中只需考虑其凸轮轴在水平和垂直方向上的力的大小及变化 即可 初步拟订液压缸的额定压强的要求 5 1 25 1 2 负载分析负载分析 a 机构在理想状态下受力情况及其变化情况进行分析如下 在 1 位置时 此时接触轮与凸轮的转动中心线所组成的 平面与水平面的夹角为 0 度 凸轮的径向力为 100 因而作用在 c 点杆件上 N 的反作用力 F2 100N 其受力图如图 5 2 所示 从上图可以看出 力 F2 给与杆 件一个相对于转动点 e 的顺时针方向的转矩 M2 100 220 1000 22N m 100 图 5 2 1 位置受力分析图 因而 液压缸得相应的给予一个相对于转动点 e 的逆时针方向的转矩 M1 并使得 M1 M2 又 ef 的长度为 mm 因而力 F1 M1 22 0 1 220N ef L 在 位置时 此时接触轮与凸轮转动中心所组成的平面与水平面方向 有一定的夹角 因而点 c 处的力的方向与水平方向也有一定的夹角 从而水平 方向上的分力将发生变化 成变小的趋势 下图为 位置时受力分析图和位置 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 示意图如 5 3a 所示 图 5 3a 2 位置分析图 在这两图中 为 hig fig 为 abo 此时仍然假定液压缸的 推力为 N 即图 6 3b 中的力 Fb N 由图 6 3a 可以知道 aeb aob 又 aob 的角度值很小 趋近于零 所以可以近似地认为 aeb aob 由于 dab 也较小 因而可认为线段 ab 的长度为 7mm 则 aeb 2arsin 1 8 5050220220 2 ab 所以 aob aeb 1 8 这里假定 1 2 1 8 来估算力 Fd 及力 Fc 的大小及变化 由 5 3b 1 图 5 3b 2 位置受力分析图 可知 Fb 220 N 则 F3 100 N Fd F3 cos 2 100 cos1 8 99 95 N Fc F3 sin 2 100 sin1 8 3 14 N 因而在水平方向上 F F2 Fd 100 99 95 0 05 N 在垂直方向上 F 0 3 14 3 14 N 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 由于其值都很小 因而在水平方向和垂直方向上基本可以看作是恒定的工 作压力 水平方向仅为 而垂直方向相对与工件的自重则更是微乎其微 100 05 0 了 因此 在不考虑自身重力的理想状态下 液压缸应提供的力应为 理想 F 220 N 理想 F 但由于抛光装置是横置的 同时杆件和活塞皆为有一定质量的元件 因而 还的考虑其重力的影响 b 考虑重力状态下的受力分析 由于抛光机构为横置 故杆件的两端重力差将产生的一定方向 5 缸 图 5 4 受力分析图 1 杆件左端 2 杆件右端 3 接触轮 4 5 两导向轮 的转矩 现在对起机构的重力分布情况进行了初步的估算 其大致情况如图 5 4 所示 设 G1 作用点到 e 的距离为 ef 2 50mm G2 作用点到 e 的距离为右边长度的 一半 即为 150mm 所有构件皆按铸铁材料来计算 此时 7 9g 而 3 轮 3 cm 的尺寸直径厚度为 60mm 50mm 4 5 轮的尺寸直径 厚度为 40mm 30mm 销 的尺寸直径 长度为 10mm50mm 因此 左边的质量 m1 v1 7 9 1020100 158g 右边的质量 m2 v2 7 9 1020300 30 2 2 30 20 2030 2205030 1550 30 5 5503 1000 2484g 所以 M 2484150 15850 10 1001000 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 3650 N mm 所以 M ef 3650 100 36 5 N 缸 F 由于在液压缸的工作过程中还存在摩擦力等的影响 因而液压缸提供的力 F 256 3 N 理想 F 缸 F 5 1 35 1 3 运动行程分析与计算运动行程分析与计算 由前面的分析可知 在每个凸轮的加工过程中偏转角 的变化很小 在杆件的轴向方向上的差值不大 因而可以进近似地将圆弧看成 水平直线来分析 这样工件在水平方向上的液压缸的工作行程可用图 5 5 来近 似计算 已知抛光机床的加工范围为 30 100mm 即 X 70 2 35mm 由图可知 杆件在 1 和 2 位置所组成的图形是成相似三角形的 因而相应边的比值相等 即 100 220 x X 所以 mm 9 1535 220 100 220 100 Xx 图 5 5 机构上杆件偏转极限示意图 恒压工作 停止 启动 图 5 6 工作循环图 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 5 1 45 1 4 结论结论 经过上述的分析和估算 对所设计的液压系统可提出以下的几个设计要求 所设计的液压系统提供的压力为相对恒定的稳压系统 其提供的推力 应不低于 256 3N 所设计的液压系统的单边工作行程应大于 15 9mm 所设计的液压系统中的活塞杆能绕杆件的 f 点小角度的偏转 液压系统的工作控制循环如图 5 6 所示 并能实现实时的起停控制 5 25 2 拟订液压系统工作原理图拟订液压系统工作原理图 在综合考虑第一部分的设计要求及相关液压系统 液压元件的性能和特性 后 可采用如图 5 7 所示的调压液压系统 为系统智能符号图 图 5 7 抛光机床液压系统图 1 固定液压缸 2 转动活塞杆及活塞 3 电磁换向阀 4 抱抛机构杆件 5 溢流阀 6 油管 7 电动机 8 滤油器 9 油缸 10 叶片泵 11 单向阀 12 压力表 13 液压缸复位弹簧 5 35 3 液压元件的选择与计算液压元件的选择与计算 由于系统所要求的工作推力条件不高 即只需大于 256 3 N 在 弹簧 N 液压缸的工作压力及尺寸上没有任何附加的条件 因而 在设计本液压系统时 采用了选定液压泵后再设计相关的元件的设计方案来设计本系统 并在最后对 其有关参数进行验证和计算 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 5 3 15 3 1 液压泵的选择液压泵的选择 查 机械设计手册 4 液压 气压系统设计及机床现代设计方法 选表 8 3 7 中的 BB B4 型摆线内齿轮泵 因为该型号的泵具有结构简单 输油 平稳 噪音低 良好的高速性能等特点 适用于低压液压系统 价格也较便宜 该型号的齿轮泵的主要参数如表 5 1 表 5 1BB B4 型摆线内齿轮泵主要参数表 5 3 25 3 2 液压泵电动液压泵电动 机的确定与选择机的确定与选择 由上边参数表中的驱动功率和转速 可查吴相宪 王正为 黄玉堂主编的 实用机械设计手册 P163 页表 11 1 Y 系列三相异步电动机技术数据 选 Y 4 型号的三相异步电动机 额定功率为 0 55kw 1 80 5 3 35 3 3 液压油的选用液压油的选用 为了在满足系统要求的前提下 选用合适的液压油还得考虑所选油的价格性能 比问题 由于所设计的系统的液压泵的额定压力仅为 2 5MPa 而且工作压力取 得更低 为 1 0MPa 左右 故属于低压系统 而在通常的机床低压液压系统中 一般都采用 10 号 20 号 30 号机械油 8 号柴油机油 及 22 号 30 号汽轮机 油等 在这系统中 考虑压力低和通用性及价格性能比等 系统在春 冬季由 于温度较低选用粘度较低的 10 号机械油 夏 秋季选用粘度较高的 20 号机械 油 查上海科学技术出版社出版的 液压系统设计手册 P1022 页表 12 6 得到 这两种油的主要性能参数如表 5 2 所式 表 5 2 GB443 64 流量 L min 4 压力 MPa 2 5 转数 r min 1500 压力振摆 MPa 15 0 容积效率 80 驱动功率 kw 0 25 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 10 号机械油20 号机械油 运动粘度 cSt 7131723 恩氏粘度 E 2 63 31 酸值 mgKOH g 0 140 16 灰分 0 0070 007 水溶性酸和碱无无 机械杂质 0 0050 005 水分 无无 闪点 C 165170 凝点 C 15 15 5 3 45 3 4 确定液压缸的主要参数确定液压缸的主要参数 A 初选液压缸的工作压力 根据所选的液压泵的额定压力为 2 5MPA 令回路的压力损失为 P 0 5 MPA 取系统总效率 60 综合参考王裕清等主编的 液压传动与控制技术 表 总 4 2 和表 4 3 初选液压缸的工作压力为 0 8MPA 液压缸推力为 1000 N B 确定液压缸尺寸 液压缸内径 由于本系统采用的是单缸双活塞弹簧复位液压缸 因而其油液的作用面仅为无 杆的端面 由公式 5 1 4 2 D F P 推 工作 得到液压缸的内径 D mmm P F D56056 0 108 014 3 20004 4 6 工作 推 查上海科学技术出版社出版 液压传动设计手册 第 441 页表 6 1 油缸的内径 系列参数 JB826 66 取最近值 D 50MM 此时 倒向推算得 P 2000 3 14 0 05 0 05 4 1 02 MPA 2 5 0 8 0 6 1 2 MPA 因而选用 50MM 是合理的 液压缸长度尺寸 一般来说 液压缸的长度 L 由最大工作行程 A 活塞长度 B 活塞杆导向长度 C 密封长度 C 及必要时的特殊长度 D 等部分组成 根据前面的分析及设计的 特殊情况 即单缸双活塞结构 可将其各组成部分的尺寸确定如下 最大工作行程 A A2 倍单活塞工作行程 即为 2 X 31 8MM 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 活塞长度 B B 0 6D 30MM 导向长度 C C 0 6D 30MM 由于需要平面上的转动 故取为 0 6 倍 特 殊长度取 40MM 由此液压缸长度 L L A B C 100MM 即液压缸长度 L 100MM 缸筒壁厚 首先初取厚度 10MM 则缸筒内径与壁厚的比值 D 10 故按公式 5 2 1 3 1 4 0 2 y y P P D 式中 试验压力 当液压缸的额定工作压力时 y P h pMPa16 1 5 y P h p 当16MPA 时 1 25 h p y P h p 缸筒材料的许用应力 为材料抗拉强度 N 为安全 n b b 系数 一般取 N 5 由于一般压力低于 10 MPA 的液压缸大都采用铸铁材料制造 这里选用 HT350 号灰铸铁 查于永泗 齐民主编的 机械工程材料 第五版 P132 页表 7 4 灰铸 铁的牌号 力学性能 显微组织及用途 GB9489 1988 得 340 MPA 取 b N 5 则 1 3 1 4 0 2 y y P P D 10487 0 1 02 1 5 13 15 340 02 1 5 14 05 340 2 50 因此 所选缸筒厚度刚度足够 5 3 55 3 5 活塞杆直径的选定与校核活塞杆直径的选定与校核 这里按 d 0 5D 取 则 d 0 5 50 25mm 为确定所选直径是否满足设计要 求 下面对其进行刚度校核 5 3 4 F d 式中 F 活塞杆上的作用力 活塞杆材料的许用应力 为材料抗拉强度 n n b b 为安全系数 一般取 n 1 4 取缸筒相同的材料 因而相同 即为 340MPa 取 n 1 4 F 2000 前面 b 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 已分析得出 那么 4 F d mmmm25 5 10 4 1 340 14 3 20004 因而所选直径尺寸满足强度要求 为合理取用 5 3 65 3 6 其它元件的选用与计算其它元件的选用与计算 a 油管和管接头的选择 油管类型的选择 在整个液压系统中 处在不同位置的油管应相应地采用不同类型的油管 以便取得较好的效果 因为油管的选择是否恰当 对液压系统的工作可靠性 安装合理性和维修方便性等都有影响 同时不同类型的有关具有不同的特性和 最佳使用场合 比如钢管 它能承受高压 耐油 抗腐蚀性和钢性好的特点 主要使用于中 高压系统 而铜管它易弯曲 承受的压力也较高 但价格高 抗振能力弱 只用于液压装置配接不方便的地方 至于软管 主要用于两个相 对运动之间的连接 这里我们在液压系统的连接中 在进油管路上采用冷拔钢 管 在换相阀与液压缸之间采用软管连接 油管尺寸的计算 油管内径 d 的计算公式为 5 4 Q d 4 式中 Q 通过油管的最大流量 油管中允许的流速 一般吸油管去 0 5 5m s 压力油管 2 5 5m s 回油管取 1 5 2m s 因而 对于吸油管 mmcmd5 8849 0 1001 60 100044 吸 查上海科学技术出版社出版的 液压传动设计手册 表 8 1 管道公称通径 系列参数 JB825 66 选系列中的 14mm 再查表 8 2 得管壁 厚为 2mm 管接头连接螺纹 M22 1 5 对于压力油管 mmcmd4 334 0 1005 2 60 100044 压 同上选公称通径为 10mm 油管壁厚为 1mm 接头连接螺纹为 M10 1 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 对于回油管 mmcmd7 557 0 1005 1 60 100044 回 同上选公称通径为 10mm 油管壁厚为 1mm 接头连接螺纹为 M10 1 b 溢流阀的选用 溢流阀作为液压系统中不可少缺的压力控制元件 其主要功能就是能在系 统中起调压和限压作用 除此之外 溢流阀还可以作背压阀 远程调压阀 卸 荷阀等多种用途 在本系统中采用溢流阀 主要用来调节系统的工作压力和限制活塞缸的压 强 以便保持基本恒定的活塞推力 因而对选用的活塞要求压力 流量特性要 好 在溢流阀的种类中主要分为两种 即直动式溢流阀和先导式溢流阀 由于 先导式溢流阀的压力 流量特性比直动式溢流阀要好 因而要尽量采用先导式 溢流阀 结合所调节压力系统的压力不高 为低压系统 及资料 液压传动系 统设计手册 上海科学技术出版社出版的 P622 页表 7 88 选用 P B10 型低 压溢流阀 广州型 其压力范围为 0 3 2 5MPa 额定流量为 10L min 接