5m数控立式车床横梁、刀架和升降机构设计毕业论文

1、山东理工大学 毕业设计论文题 目： 学 院： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 李明哲 指导教师： 王勇 毕业设计论文时间：二一二年 三 月 一 日 六 月 二十七 日 共 十七 周摘 要众所周知，数控立式车床在机械加工行业应用比拟广泛，是机械制造行业所必不可少的重要设备，尤其对于大型盘类零件，其外表的加工更是需要数控立式车床。本次毕业设计的任务主要是设计数控立式车床中横梁升降机构、刀架机构、以及横梁结构这三局部内容。横梁升降机构实现了横梁的快速升降。由于整个刀架联接在横梁上，而且所加工的工件一般尺寸都较大，为使刀具能迅速到达加工位置就需要加快横梁升降的速度。横梁的快

2、速升降节约了加工时间从而提高了生产率、降低了本钱。横梁的升降是由滚珠丝杠螺母副完成，在螺旋传动时要求传动平稳，且滚珠丝杠具有一定承载能力。刀架转动机构是数控立式车床中的重要一局部。刀架转动机构主要由蜗轮蜗杆组成。刀架转动机构实现了刀架可以在一定范围内的转动，使的加工的形式和范围更为多样。在设计横梁时主要计算其所承受的剪力与弯矩。整个刀架机构都联接在横梁上，故横梁所承受的剪力与弯矩主要来自与切削工件时产生的各力。为使横梁轻便，故采用空心钢管。关键词：平稳，承载，轻便AbstractAs we all know ，CNC vertical lathe is widely applicated in

3、 the machining industry , CNC vertical lathe is the essential equipment of the machinery manufacturing industry, especially for large-scale disk parts, the surface processing is required CNC vertical lathe. the main task of this graduation project is to design beam lifting institutions, the turret i

4、nstitutions, as well as the beam structure of these three sections of CNC vertical lathe.Beam lifting institutions achieve the rapid movements of the beams. The entire turret connects on the beam, and the l size of the workpiece is very large, we need to accelerate the speed of the beam lift to ensu

5、re the turret can quickly reach the processing position on the workpiece. The rapid movements of the beam saves processing time and improve productivity and reduce costs. The rise and fall of the beam is completed by the ball screw pair, smooth transmission requirements in the screw drive and ball s

6、crew has a certain carrying capacity.The turret rotating institutions is an important part of the CNC lathe. Turret rotating institutions is mainly composed by the worm. Turret rotation institutions make the turret can rotate within a certain range, the form and scope of the processing become more d

7、iverse.In the design of beam structure, we mainly calculate the shear and bending moment that the beam bear. The entire turret bodies are connected on the beam, so the the shear and bending moment is mainly from the cutting force, we chose steel tube as beam to ensure that it is light.Keywords: Smoo

8、th, Carrying, Light 目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章 引 言11.1 课题的背景和意义11.2 数控机床国内外开展状况11.2.1 国内数控机床现状11.2.2 国外数控机床现状2第二章 课题设计的各机构部件选取及工作过程32.1 课题设计的各机构部件选取32.2 课题设计的各机构工作过程3第三章 刀架上力的分析与计算43.1 刀架上力的分析43.2 刀架上力的计算4第四章 横梁升降机构设计84.1 减速器的选取84.2 丝杠螺旋传动的计算选取与校核84.2.1 丝杠螺旋传动的计算选取8丝杠螺旋传动的校核124.3 丝杠上轴承的计算选取与校核15同步轴的

9、选取17第五章 横梁结构设计195.1 作用在横梁上的各力分析195.2 横梁的计算选取与校核195.2.1 横梁的计算与选取195.2.2 横梁的校核225.3 滑动轴承的计算选取24第六章 刀架转动结构设计256.1 蜗轮蜗杆的计算选取与校核256.2 蜗杆轴上轴承的计算选取与校核28总 结31致谢及声明32参考文献33第一章 引 言1.1 课题的背景和意义数控机床在目前的生产加工过程中处于十分重要的地位，数控技术的开展程度往往代表一个国家工业化程度的上下。在当下的兴旺国家几乎个个都是生产制造强国，代表国家如德国、日本、意大利和美国等，其数控技术的开展程度令其他国家望尘莫及。数控机床的开展

10、程度关乎到社会的方方面面:在军事方面如武器的研发与制造，在资源方面如石油机械与采矿机械的制造，在生活方面如家庭常备工具等都与数控机床关系密切，故许多国家在数控机床方面的研发和投入都是巨大的，我国也在大力致力与数控技术的开展。与以前的机床加工相比数控机床更为省时省力，大大节约了本钱的投入，且能够到达更高的精度。精度的提高往往带来产品的质量更为可靠和高效。一方面节约了开支，另一方面还提高了产品的质量，故数控机床的应用越来越广泛，而对于数控机床这一课题的研究也具有重大意义。1.2 数控机床国内外开展状况 国内数控机床现状 目前国内对于数控机床的投资研发正在一步步加大，国内的数控机床的开展速度也在大大

11、加快。许多国内数控车床企业正一步步趋近并赶超世界先进的数控机床生产厂商。陕西汉江机床主要从事滚珠丝杠副的研发，滚珠丝杠副的精密性决定了机床的精密程度，而汉江机床的的滚珠丝杠副在精密程度上已经趋于国外同类厂家，其滚珠丝杠的生产量和市场占有率都位居前列。武汉重机集团在越南的一次招标会上击败了德国、日本等国家企业，成功签下加工直径达8m的数控双柱重型立车订单，是我国在机床方面出口最多的一次。武重的CKX53160型16m超重型数控单轴立式车铣床在国际上原来只有捷克、德国、俄罗斯的三家公司可以生产，武重自主研制并生产5台，并且功能不断完善。国内数控机床正在不断的进步并一步步赶超国外先进数控机床生产企业

12、。中国的数控机床正逐渐被认可。 国外数控机床现状国内数控机床正在快速开展的过程中，但与国外先进的数控技术相比，差距仍是巨大的。高精度是数控机床中的一个重要指标，在精度方面，国外的机床已经到达较高水平，这正是我国许多重要领域例如航天、军事等都不得不依赖国外的机床来加工重要部件，而且往往最为先进机床都是保密的，这大大制约了这些重要领域的开展。目前数控机床正朝着信息化、智能化、系统化、个性化方向开展，而这都是由国外先进数控机床生产国领导。德国已经研发出十轴联动机床，为制造更为复杂的产品提供了便利。美国某公司研制的机床转速可达6000r/min，加工航天精密薄壁件仅用时几十分钟。国外数控技术仍在快速开

13、展，数控机床未来的开展仍将不可限量。第二章 课题设计的各机构部件选取及工作过程2.1 课题设计的各机构部件选取本次设计中的横梁升降机构主要由滚珠丝杠螺母副、双向推力球轴承、深沟球轴承、减速器、步进电机等组成。滚珠丝杠螺母副的选取是根据传动时所承受的轴向力，该轴向力由电机功率传递时所产生。由于横梁升降机构是上下两个方向的运动应选取双向推力球轴承来承受轴向载荷，其径向力那么由深沟球轴承承受。减速器的选取那么是根据其所能传递的功率。刀架转动机构主要由蜗轮蜗杆组成。蜗轮蜗杆的选取主要根据电机给予的蜗杆轴的功率。由于在蜗杆轴上既有径向力又有轴向力，应选取蜗杆轴的轴承时采用了角接触球轴承。横梁的选取也是要

14、计算出其所承受的剪力、弯矩以及扭矩，剪力弯矩以及扭矩也是由刀具切削工件时的各力所产生。为使横梁更加轻便应选用空心钢管。 课题设计的各机构工作过程横梁升降机构的工作过程如下：电机启动转动，通过第一级减速器将动力传递到同步轴上，然后由同步轴再将动力传递到第二级减速器上，最终由第二级减速器将动力传递到滚珠丝杠上，由于滚珠丝杠螺母固定在T型横梁上，然后滚珠丝杠的转动转化为滚珠丝杠螺母的上下的直线运动，并带动横梁实现横梁的升降，由于减速器选取的都为蜗轮蜗杆减速器，故可防止滚珠丝杠的翻转。刀架转动机构的工作过程如下：由人工利用扳手拧动方头杆，方头杆与蜗杆轴相连带动蜗杆轴转动，这时由于蜗杆轴的转动，与其配合

15、的蜗轮也进行转动，蜗轮与刀架的滑座联接，故带动整个刀架进行转动。由此完成刀架在一定角度范围内转动，由于是蜗杆传动，故可防止蜗轮翻转。第三章 刀架上力的分析与计算3.1 刀架上力的分析图3-2刀具切削时的受力分析如下图：刀具在加工工件的时候主要受到三个力的作用，即进给力或轴向力背向力切削力。3.2 刀架上力的计算由?金属切削原理?查得，计算切削时各力的公式如下： 式中：、决定于被加工金属和切削条件的系数。、分别为三个分力公式中，背吃刀量、进给量和切削速度的指数。、 分别为三个分力计算中，当实际加工条件与所求经验公式的条件不符时，各种因素对切削力的修正系数的积，1.确定刀具材料和加工工件材料刀具材

16、料为硬质合金，刀具主偏角=，前角=，刃倾角=。加工工件的材料为结构钢及铸钢，故查得。查?机械加工工艺手册?得，最大参考切削力为=36790N，应选择=10mm, , , 上面各个参数：背吃刀量 进给量 切削速度2.各切削力的计算1) 计算主切削力 由?金属切削原理?查得：=270 =1.0 =0.75 由表查得计算钢和铸铁的强度和硬度改变时切削力的修正系数公式： 式中：指数，由表查得，因为，故取 由表加工钢及铸铁时刀具几何参数改变时切削力的修正系数 主偏角=， 前角=， 刃倾角=, 2计算背向力 由?金属切削原理?查得 ：=199 =0.9 =0.6 由表查的计算钢和铸铁的强度和硬度改变时切削

17、力的修正系数公式： 式中：指数，由?金属切削原理?查得。因为>0.588GPa，故=1.35 由表查得加工钢及铸铁时刀具几何参数改变时切削力的修正系数 主偏角=，前角=， 刃倾角=, 3计算进给力由?金属切削原理?查得：=294 =1.0 =0.5 由表查得计算钢和铸铁的强度和硬度改变时切削力的修正系数公式 式中：指数，由?金属切削原理?查得。因为，故 由表查得加工钢及铸铁时刀具几何参数改变时切削力的修正系数 当主偏角为，前角， 刃倾角,第四章 横梁升降机构设计4.1 减速器的选取电机的功率为7.5kw，电机型号为Y132M-4型，转速为n=2900r/min，最大转矩为2.2kN/m。

18、根据电机功率选取第一级减速器型号为WPKS175，经过第一级减速器减速后，电机功率由同步轴传递到第二级减速器，故传递的电机功率由两个第二级减速器共同承当，故根据传递的功率选择第二级减速器的型号为WPX120。4.2 丝杠螺旋传动的计算选取与校核 丝杠螺旋传动的计算选取1.由?现代传动设计手册?，可由下式推出丝杠所受轴向力=式中：每根丝杠所分担的电机功率故可得丝杠所承受的轴向力正行程效率，传动损耗效率，经查得传动损耗效率为初估丝杠的螺距为p=16mm，那么可得丝杠转动时的线速度为2.计算螺杆中径式中：螺纹型式系数，查?现代传动设计手册?梯形矩形螺纹螺母长度与螺杆中径之比，整体式螺母取为满足刚度要

19、求故取=100mm 螺距3.计算螺纹导程式中：Z螺纹线数4，螺母旋合长度 5. 旋合圈数6.螺纹工作高度梯形螺纹7螺纹外表工作压强压强校核 校核合格8.计算螺纹升角当量摩擦角，取9.计算螺旋传动的转矩10.计算丝杠当量应力验算强度条件，11.计算螺纹牙底宽度12.对丝杠剪切应力进行验算螺杆剪切应力：螺母剪切应力：只校验螺母剪切应力 剪切应力足够13.弯曲应力验算螺杆弯曲应力：螺母弯曲应力：只在此校验螺母弯曲应力剪切应力与弯曲应力均足够故螺纹牙强度足够14.对丝杠柔度进行验算式中：长度系数，经查表得取螺杆的最大工作长度2310mm螺杆危险截面的惯性半径临界载荷的验算由于故式中：A螺杆危险截面的面

20、积稳定性的合格条件验算 故螺杆的稳定性合格15.计算轴向载荷使每个螺纹导程产生的变形量式中：E螺杆材料的弹性模量 钢材的E= 16.计算转矩T使每个螺纹导程产生的变形量式中：G螺杆材料的切变模量 钢材的G= 16计算每个螺纹导程的总变形量计算单位长度变形量为一般普通机床的许用变形量，螺杆刚度合格17.计算临界转速式中：钢的密度工作转速n的校核 转速满足要求查取手册，暂取滚珠丝杠10016-64.2.2丝杠螺旋传动的校核 对选取滚珠丝杠进行寿命校核1. 计算丝杠等效轴向载荷最大轴向载荷查取资料得所选取滚珠丝杠根本额定动载荷2.计算丝杠寿命条件式中：寿命系数， 使用寿命载荷系数，查表得中等冲击取载

21、荷系数动载荷硬度影响系数 取短行程系数 取转速系数 因为，故满足寿命要求对其静载荷条件进行校核查表得静载荷3.计算丝杠静载荷式中：静载荷硬度影响系数 查表得 故满足静载荷条件4.计算丝杠的转矩T式中：滚珠丝杠中径 在前面螺旋滑动时得 式中：丝杠螺纹底径 ，故丝杠满足强度条件6.计算轴向载荷F产生的轴向变形量式中：丝杠两支撑间距离 L=2310mm丝杠计算长度，指轴向力和扭矩作用处到固定支承的距离，长度为285mm丝杠的计算截面面积 钢球直径 经查得钢球直径为7.计算转矩T产生的轴向变形量式中：丝杠材料的切变模量，钢材的丝杠计算截面的极惯性矩 8.计算轴向载荷F使钢球与螺纹滚道间产生的轴向变形量

22、式中：Z工作螺母中的钢球总数 经查表得圈数j=3.5, 列数k=1， 每圈中的钢球个数=33 载荷分布不均匀系数 经查表取预紧力，一般取9.计算轴向总变形量10.计算丝杠的轴向刚度 丝杠满足刚度条件11.丝杠的稳定性校核对丝杠柔度进行验算式中：长度系数，取螺杆的最大工作长度2310mm螺杆危险截面的惯性半径临界载荷的验算由于 故计算式中：A螺杆危险截面的面积稳定性的合格条件验算 故螺杆的稳定性合格12.计算临界转速式中：钢的密度13.工作转速n的校核 ，转速满足要求故所取的滚珠丝杠满足要求4.3 丝杠上轴承的计算选取与校核1.计算径向力，轴向力与径向力关系如图4-1所示， 暂选用双向推力球轴承

23、来承受轴向力，双向推力球轴承时只承受轴向载荷，故当量动载荷轴承受中等冲击力，查表得负荷系数，温度系数2.计算速度系数由于选用的是球轴承故取3.计算寿命系数预计轴承使用3年，每年工作300天，每天工作8小时故轴承使用寿4.计算额定动载荷图4-1 滚珠丝杠螺纹示意图查?轴承手册?，双向推力球轴承52324额定动载荷为330000N对双向推力球轴承进行校核5.计算双向推力球轴承的寿命由于应选取轴承52324适宜暂选取深沟球轴承来承受径向载荷选用深沟球轴承时，轴承主要承受径向力故当量动载荷轴承受中等冲击力，查表得负荷系数，温度系数6.计算速度系数由于选用的是球轴承故7.计算寿命系数预计轴承使用3年，每

24、年工作300天，每天工作8小时故轴承使用寿命8.计算额定动载荷查?轴承手册?，轴承6220的额定动载荷为122000N对深沟球轴承进行校核9.计算计算深沟球轴承的寿命由于故可选取轴承型号为6220电机输出最大扭矩为2.2KN/m，功率为经过一级减速后扭矩式中：减速器传输效率，查表得减速器减速比，减速比为3选取第一级减速器型号为WPKX175，由于减速器出力轴直径为80mm，为能承受扭矩故查表可选择钢管外径d=80mm，内径=64mm按扭转强度对所选取带键槽空心轴进行校核其许用外径因为空心轴上由键槽故其外径应该增大105%110%间故由下式计算空心轴许用外径式中：由?机械设计手册?查得A1261

25、03，故可取A=120为钢管内外径之比，选取的空心轴适宜。通过查表选择钢管的直径为为80mm，壁厚为14mm。 第五章 横梁结构设计5.1 作用在横梁上的各力分析刀具在切削工件时所产生的轴向力，背向力以及切削力将作用在横梁上。由于左刀架的切削力较大，故取左刀架进行受力分析，其受力情况可简化为图5-1所示 图 5-1横梁受力示意图 横梁的计算选取与校核 横梁的计算与选取图5-2，刀架示意图：其中L1=1650mm，L2=950mm,L= L1+ L2=2600mm。1.如图5-2，横梁与刀架滑动轴承处的滑座联接，故横梁上的径向受力可由与算出。在Y向上，对螺母座处点取矩，由弯矩平衡得， 在Z向上，

26、对螺母座处点取矩，由弯矩平衡得， 将与叠加，计算叠加力作用在横梁上。2.如图5-3，左刀架处距左端横梁距离取=860mm，取横梁长度为=6720mm那么对左端横梁处取矩那么算得由力的平衡得那么计算横梁处最大弯矩作剪力弯矩图如下3.计算横梁直径横梁采用钢管，内径与外径之比取根据空心轴外径计算公式式中：空心钢管许用强度，空心管材料选用45号钢，查表取得=10Mpa为使钢管强度加强，故取直径d=620mm，那么内径取图5-35 横梁的校核由图5-3看出，左刀架处截面上弯矩最大，故该截面为最危险截面横梁的材料选用45钢调质，查表得，2.脉动循环疲劳极限 4. 弯曲应力幅在左刀架处的弯矩为 如图5-1，

27、横梁上的扭矩可以看作是，对横梁产生的扭矩的叠加求在作用下横梁承受的扭矩由前面 求在作用下横梁承受的扭矩由前面 那么总扭矩计算扭转切应力 7.选取有效应力集中系数，根据，查表得。 8.外表状态系数查表得 9.尺寸系数查表得， 设为无限寿命，10.弯曲平安系数 在这里由于横梁尺寸很大固可取5.3 滑动轴承的计算选取 滑动轴承轴瓦的材料选为锡青铜，许用压强根据限制轴承平均压强进行计算式中：轴承径向载荷，在横梁计算时已经算出 轴颈直径，在这里轴颈直径可近似等于横梁直径 滑动轴承宽度 在机床的设计中不允许有任何的强度问题，故可将其宽度增大60倍，可取滑动轴承的宽度为255mm。第六章 刀架转动结构设计6

28、.1 蜗轮蜗杆的计算选取与校核刀架转动机构的输入选择，刀架转动由人力通过扳手转动，其输入功率定为4kw。 计算蜗轮转矩式中：传动啮合效率，由表查得计算转速系数式中：蜗轮转速 弹性系数选取，选取涡轮副材料为铸锡青铜，查表得 计算寿命系数接触系数由图查得接触疲劳极限由表查得解除疲劳最小平安系数由表查得计算中心距取其中心距为480mm由图查得导程角，蜗杆头数蜗轮齿数模数为增强蜗轮蜗杆强度取模数蜗杆分度圆直径蜗轮分度圆直径蜗轮宽度计算蜗杆圆周速度相对滑动速度当量摩擦系数经查表得查表得当量摩擦角3.齿面接触疲劳强度验算许用接触应力最大接触应力，故合格齿根弯曲疲劳极限由表查得弯曲疲劳最小平安系数取许用弯曲

29、应力轮齿最大弯曲应力由于，故合格转惯性矩允许蜗杆挠度计算蜗杆轴挠度式中：蜗杆轴啮合传动中的周向力 蜗杆轴两支撑间的距离，此处取端面压力角E弹性模量 蜗杆轴挠度验算合格计算传动啮合效率选取搅油效率选取轴承效率计算总效率对散热面积进行估算计算箱体工作温度式中：工作环境温度，通常取 外表传热系数，一般情况下可取7.润滑油粘度和润滑方法根据相对滑动速度5.48m/s,由表选取运动粘度润滑方法由表查得可采用浸油或喷油润滑。6.2 蜗杆轴上轴承的计算选取与校核1.计算蜗杆传动时，蜗杆轴所承受的径向力与轴向力计算蜗杆轴承受的轴向力计算蜗杆轴承受的径向力式中：蜗杆传动中，蜗轮承受的转矩 蜗杆传动中，蜗轮的周向

30、力 蜗轮分度圆直径蜗轮端面压力角 由于轴承承受轴向力与径向力，故可选取角接触球轴承 由于， 计算当量动载荷冲击力，查表得负荷系数，温度系数4.计算速度系数由于选用的是球轴承故5.计算寿命系数取6.计算额定动载荷故经查取手册取角接触球轴承7210C，角接触球轴承7210C的额定动载荷为42800N计算轴承静载荷查表得的角接触球轴承的，计算当量静载荷 ，两者取大者 故取 计算额定静载荷 角接触球轴承7210C，根本额定静载荷 故轴承选取适宜。 总 结经历了13周的毕业设计，使我对几年来所学的机械知识有了更为深刻的理解，很多在学习的时候不能够理解的地方也在此次毕业设计中得到了理解。在设计的过程中遇到

31、了许多问题，这恰好提供了一个让我利用所学知识来解决问题的时机，在解决问题的过程中，我又学到了以前所没有接触到的知识。培养了我综合运用所学的知识来解决实际问题的能力。在整个设计过程中，我掌握了一些机械设计的方法，学会了使用各种手册来查取参数或计算，并逐渐锻炼熟练的运用CAD来进行绘图的能力。在此次课程设计中收获很多，受益匪浅。在设计中，毕业设计指导老师王勇老师给予了我很大的帮助，使我对我所设计的各机构的构造以及工作过程有了深刻的理解。在很多细节方面，王老师对我的指导令我收获颇丰。在CAD制图方面自己也存在着缺陷，例如：标注的方式不正确、图纸的布局不够合理等，当然改正这些错误的同时自己也将这局部知识收获。本