机械类毕业设计,自动挤压攻丝机

1、临沂大学机械工程学院2014届本科毕业设计2014届 分 类 号:TH122 单位代码:10452毕业论文（设计）自动挤压攻丝机设计姓 名 陈 学 号 年 级 2010 专 业机械设计制造及其自动化 系（院） 机械工程学院 指导教师 李 2014年3月1日摘 要本次设计的装置为自动挤压攻丝装置，它的工作原理是利用丝锥在螺母内利用挤压原理攻出螺纹，与一般的切削式攻丝不同之处在于普通攻丝攻出螺纹同时会产生铁屑，而挤压攻丝装置在工作时因为它的工作过程中不会产生铁屑，即节省材料又提高了螺母强度。本次设计中用夹具固定工件，电机通过减速器减速，再通过联轴器带动丝杠转动，丝杠再通过丝锥套带动丝锥旋转，丝锥上

2、套一个成品螺母，该螺母固定且与待加工螺母有相同的参数，丝锥在旋转过程中受到固定螺母的轴向力进给待加工螺母，即可完成一次攻丝过程。本次设计只使用了一个交流电机，成本节约，效率较高。关键词：自动挤压；攻丝机；减速器；丝锥；螺母ABSTRACTDevice of the design for the automatic tapping device, its working principle is to use the tap in the nut using the principle of extrusion tapping thread cutting tapping, and the ge

3、neral difference is that ordinary tapping screw threads and can produce iron, and tapping device at work not because of its working process of iron, namely, save material and improve the strength of the nut.Clamp the workpiece in this design, the motor speed reducer through, then through coupling to

4、 drive the screw rod to rotate, and then through the tap to tap a screw rotation, screw tap a finished nut, the nut is fixed and processed nut has the same parameters, tap by axial force feed to be processed in a fixed nut nut in the rotation process, to complete a tapping process. This design uses

5、only a DC motor, cost saving, high efficiency.Key words: The automatic extrusion; Tapping machine; Retarder; Tap; Nut目 录1 绪 论12 方案设计与选择33 参数设计53.1 计算攻丝扭矩53.2 计算电机功率63.3选择减速器73.4 丝杠螺母计算83.4.1动丝杠副的结构类型83.4.2 丝杠、螺母的精度和表面粗糙度93.4.3滑动丝杠副的计算94 细节零件的设计144.1 直流电机与减速器输入轴的联轴器144.2减速器输出轴与丝杠的联轴器144.3丝锥与丝锥套的设计144

6、.4三爪卡盘及其过度盘设计154.5 键联接设计165 控制电路设计18小 结19致 谢2111 绪 论目前国内外的攻丝机主要为全自动攻丝机，它们的特点是速度快，精度高，可实现自动化。自动挤压攻丝装置（The automation squeezes chasing bar），它的工作原理是利用丝锥在螺母内利用挤压原理攻出螺纹。它与一般的切削式攻丝不同之处在于普通攻丝攻出螺纹同时会产生铁屑，而挤压攻丝装置在工作时因为它的工作过程中不会产生铁屑，即节省材料又提高了螺母强度。内螺纹挤压成形加工既可以作为一种螺纹加工方法，又可以作为内螺纹表面强化的手段。这种加工方法与螺纹切削相比，具有许多突出的优点，

7、比如，挤压螺纹的加工精度高，表面粗糙度低，具有更高的疲劳强度，另外，挤压丝锥还具有强度高，加工效率高等优点。当挤压丝锥挤压工件底孔上的金属材料时，金属产生的塑性变形是在有限空间内进行的。金属经塑性变形后，晶粒内部出现滑移带，同时各晶粒均沿变形方向延伸和扭曲，使螺纹成型后材料具有流向结构，呈明显的沿金属填充丝锥螺纹槽时的流动方向的弯曲纤维状，如图1所示。图1 挤压螺纹成形过程示意图由于挤压攻丝凌齿与工件接触区的金属材料向牙型顶部方向流动速度，该去的金属的晶粒变形相当大，离开表面层越远的金属材料变形越小。螺纹槽最底部金属表面层的纤维组织已经被压紧到难以分辨出晶粒的程度，形成一层流线状，平稳绕过螺纹

8、槽地面，并沿牙形侧面流动，紧靠着这些纤维组织的晶粒也向牙形轮廓的方向流动，离开螺纹槽的底部接近牙形中心的材料的流动方向性逐渐减弱，牙形中心部的材料则呈原始组织状态。此外，内螺纹挤压成形时，变形区金属处于三向压应力状态，金属处于这种应力状态时其塑性会大大增加，这为实现内螺纹挤压强化提供了有利条件。2 方案设计与选择要完成设计自动挤压攻丝机，首先要进行攻丝机的总体结构设计，攻丝机的主体首先应该保证能够牢固的固定住待加工工件，并且攻丝机在工作时能够平稳运行。其次，尽量保证结构简单，容易操作，对工件的加工尽量精准。成本也尽量降到最低。经过李老师的指引，我自己收集的资料和思考，先后考虑了三种设计方案。方

9、案一：立式挤压攻丝装置 图2 立式挤压攻丝装置示意图如2图所示，由两个电机分别带动主轴旋转和纵向进给，右侧电机通过带传动，带动主轴旋转，左边电机通过齿轮齿条传动，带动机架纵向进给。优点：该方案能够将工序很直接的展现出来，而且比较容易操作。缺点：齿轮齿条比较难以控制极佳的升降，比如机架不工作时的锁紧就会产生问题，并且齿轮齿条不能实现微量进给。方案二 卧式挤压攻丝装置一，如图3 机床左边是主轴系统，由步进电机和主轴以及夹具组成，主要用于实现装夹待加工螺母，并且实现旋转，右侧包括步进电机和进给箱，进给箱由丝杠和丝锥组成，电机带动丝杠，丝杠的螺母进给，带动丝锥，两种工序结合就可以用丝锥攻出螺母螺纹。优

10、点:使用了步进电机后能够对工序中的各种尺寸有比较好的把握。缺点：本身有两个步进电机，有需要两个控制系统，会使成本很高。步进电机主轴系统步进电机进给箱夹具图3卧式挤压攻丝装置一示意图减速器方案三 卧式挤压攻丝装置二，如图4直流电机箱体样本螺母丝锥丝杠图4 卧式挤压攻丝装置二工件在左侧用夹具固定，右侧电机通过减速器减速，再通过联轴器带动丝杠转动，丝杠再通过丝锥套带动丝锥旋转。丝锥上套一个成品螺母1，该螺母固定且与待加工螺母有相同的参数，丝锥在旋转过程中受到固定螺母的轴向力进给待加工螺母。优点：直使用了一个直流电机，比较节约成本，工艺特性较前面两种方案好。缺点：装置比较复杂一点。在比较了三个方案以后

11、，从经济，工艺等方面综合考虑，决定选择方案三。223 参数设计3.1 计算攻丝扭矩攻丝选择I型六角螺母材料为不锈钢，螺纹代号 M36×4，粗牙螺纹。表1 M364螺母参数表dadwescm材料性能等级螺纹公差公差产品等级38.951.160.79550.831钢66HB级 图5 M364螺母其余按NF标准，假设材料不可压缩。无材料脱落。挤压丝锥与工件完全接触。为便于计算，将螺纹螺旋线简化为相隔2mm的一系列圆，螺牙截面绕某一轴线旋转所形成的体积时，不会产生误差。 图7中阴影2、3、4、5、6绕X轴旋转所扫过的体积均可用立体几何公式。挤压攻丝的扭矩比同类型螺纹的切削扭矩高一些，对M36

12、×4挤压攻丝的计算扭矩为M=1.765=190.5N·m（不含钝化余量）。内螺纹的挤压攻丝扭矩与材料的力学性能、底孔直径、挤丝深度、丝锥的结构（锥度、刃角、磨损程度）、润滑剂性能、主轴转速等有关，会在一定的范围内变动。考虑到 其它螺纹并进行相关计算后，其挤压攻丝扭矩小于300N·m。由经验公式，孔尺寸=螺纹大径-0.43×螺距，得孔尺寸为34.28mm。 图6 设计尺寸及简化螺纹示意图图7 挤压丝锥的挤压示意图3.2 计算电机功率可将同型号螺纹攻丝切削速度的11.5倍作为挤压攻丝的速度。参阅相关资料后，初选主轴转速75r/min。这里用计算法确定功率。机

13、床主运动驱动电机的功率P为： （31）式中：消耗于攻丝的功率，又称有效功率（KW） 空载功率（KW） 载荷附加功率钻、扩等工序的切削功率为PC=T·n/9550=0.94KW；粗略估算，有经验公式：P=PC/m=1.34KW,m取0.7。因此选择三相异步交流电机，Y系列安装尺寸国际接轨，功率因数和电机的效率都比旧式的JO2有很大提高，型号Y132S-8，功率为2.2KW,转速750r/min，扭矩由公式得T=9550P/n=28.1N·m。安装形式为B3，电动机的各项参数及结构如下所示：图8 电动机结构图表2 电动机各项参数ABCDEFGH21614089388010331

14、32KABACADHDBBL122802702103152004753.3选择减速器选择硬齿面圆柱齿轮减速器，型号为ZLY16010I，传动比为10：1，低速级中心距160mm。由于减速器并不改变功率，所以输出扭矩为281N·m,各个参数及结构如下所示。 图9 减速器结构图表3 减速器各项参数ABHad1l1L1b1t1d25402903752723858198104175l2L2b2t2rm1 m2m3n1n21052452079.532225-24558120e1e2e3 h地脚螺栓孔d1/n重量/kg103126188180ø18.563003.4 丝杠螺母计算3.4

15、.1动丝杠副的结构类型因为丝杠行程较短，采用螺母固定、丝杠转动并且轴向移动，螺母固定，且其本身起着支撑作用，从而大大的简化了滑动丝杠副结构，消除了丝杠的支撑可能产生的轴向的位移，这对于提高丝杠传动精度是是十分有利的。但是它的缺点是丝杠所占空间比较大，即丝杠全长大约等于其行程的二倍再加上螺母长度。丝杠长度为400mm，左右两边各设50mm的螺母支撑。结构如图10：140mm（加工联轴器）90mm螺纹（进给预留空间）50mm螺纹（支撑螺母）100mm螺纹50mm螺纹（支撑螺母）10mm螺纹(预留空间)60mm（截面为30×30mm）（连接丝锥套）图10 动丝杠副结构图当丝杠转过一周，轴向

16、移动4mm,转速为75r/min时，丝杠移动的速度为：V=nL/60=75×4/60=5mm/s式中 v丝杠移动的速度，mm/s n丝杠的转速，r/min.3.4.2 丝杠、螺母的精度和表面粗糙度滑动丝杠副采用2级精度的梯形螺纹，牙型角为30°。丝杠与螺母选用6级精度。丝杠的螺旋线公差：丝杠一转内螺旋线公差4µm，在小于100mm内螺旋线公差为8µm,丝杠全长小于1000mm上螺旋线公差为16µm；丝杠螺距公差：分螺距公差1.5µm,单个螺距公差1.2µm，在小于100mm的螺距积累公差为6µm,丝杠全长小于100

17、0mm的螺距积累公差为15µm；丝杠全长上中径尺寸变动量的公差小于10µm；丝杠中径跳动公差8µm；丝杠牙型半角的极限偏差±15µm；丝杠和螺母的表面粗糙度（Ra）：螺母（大径 3.2，牙形侧面0.8，小径0.8），丝杠（大径0.4，牙形侧面0.4，小径1.6）3.4.3滑动丝杠副的计算机械中常用的滑动丝杠副工作时，除承受扭矩外，还承受轴向的拉力或压力，对于这里的滑动丝杠副，主要根据耐磨性计算来决定丝杠的直径和螺母的长度。（1）耐磨性计算由于螺母的材料一般比丝杠的材料软，所以磨损只要发生在螺母的螺纹表面,这里螺母材料选择耐磨铸铁，丝杠材料选择4

18、0Cr。因为影响磨损的因素很多，常用限制螺纹表面的压强来进行磨损性计算，即使螺纹工作面的压强p小于或等于其需用压强p。计算时，将螺母的螺纹牙堪称是盘旋绕在圆柱表面上的长条，展直后相当于一悬臂梁。展直后的一圈螺纹牙如图所示。设作用于螺纹上的总轴向力为F，则每一圈螺纹牙所承受的轴向力为F/Z，校核公式为： （3-2）式中 F作用于螺纹上的总轴向力，N； d2螺纹中径，mm； h螺纹的工作高度，mm； Z参加接触的螺纹圈数； p许用压强，N/mm2 。由公式,得到F=191/0.2·0.077=12.4N,计算得p=5.16N/mm2<6N/mm2，故材料符合要求。图11 展直后的螺

19、纹牙及螺母长度（2）螺母螺纹牙的强度验算螺母上一圈螺纹牙展直后可看作一悬臂梁。在载荷作用下，螺纹牙根部受弯曲和剪切作用，其剪切强度计算：弯曲强度计算：式中 d螺母螺纹大径，mm； b螺纹牙根部的宽度，mm,梯形螺纹b=0.65t； 许用剪切应力，N/mm2； w许用弯曲应力，N/mm2；经过校验螺母的强度合格。（3）丝杠的强度计算丝杠再扭矩和轴向载荷F作用下，其危险坡面内受有扭剪应力和压（或拉）应力，根据第四强度理论，可得到丝杠危险坡面的强度计算公式为 (3-3)式中 d丝杠危险坡面的当量应力，N/mm2； M作用在丝杠上的扭矩，N/mm2； 需用应力，N/mm2；计算得d=7.07×

20、;N/mm2 ，所以丝杠强度合格。(4）丝杠稳定性计算当丝杠的柔度比较大，承受的轴向压力F过大时，丝杠就会因失稳而损坏。根据材料力学，进行丝杠稳定性验算 (3-4)丝杠横剖面的丝杠柔度为=µl/i=1×230/34=6.76,Fc=（340d12）/4(1+0.000132)=290654N。式中 nsc丝杠稳定性的计算安全系数； ns丝杠稳定性的设计安全系数，这里取2.5； F轴向压力，N； Fc丝杠稳定的临界压力，N； µ长度系数； l丝杠的最大工作长度，mm； i丝杠剖面的惯性半径，mm,这里i=d/2；nsc=290654/12400=23.4>ns

21、，所以该丝杠是安全的，不会失稳。 （5）刚度计算这里要求的滑动丝杠副传递精确，在其工作中只允许有很小的螺距误差。滑动丝杠副受力变形后所引起的螺距误差分为两部分计算。杠在轴向载荷F作用下，所产生的螺距变形量为tF=Ft/EA=12.4×4/(907×2.1×105）=2.6×10-9mm，式中 A丝杠最小横剖面的面积，mm2，；这里A=d12/4 E丝杠材料的弹性模量，N/mm2；对于刚E=2.1×105N/mm2。 F丝杠承受的轴向力，N； t丝杠螺纹的螺距，mm。丝杠在扭矩M作用下，所产生的螺距变形量为tM。图中所示为一螺纹在扭转前后的平面展

22、开图。丝杠再扭矩M作用下，相应一个螺距产生的扭角为=Mt/GJe,它所引起的螺距变形量为tM。由图可得： 3-5即得到 tM=Mt2/2GJp=3.39×10-9mm，式中 G丝杠材料的剪切弹性模量，对于刚G=8×104N/mm2； Jp丝杠最小剖面的极惯性矩，mm4。t=tF+tM=3.41×10-9mm，因此所求的的丝杠螺距总变形量t小于丝杠螺距公差，该丝杠能满足刚度要求。（6）效率和自锁条件效率计算 若仅考虑滑动丝杠副的传动效率，计算得，=34.5%；pd为当量摩擦角，为螺旋升角。自锁条件根据上式，得滑动丝杠副的自锁条件为 pd，欲使滑动丝杠副具有可靠地自锁

23、能力，就必须是螺旋升角小于当量摩擦角； ，所以验算子索性的公式 。表4 螺纹副材料与摩擦系数螺纹副材料钢与青铜钢与耐磨铸铁钢与铸铁淬火钢与青铜摩擦系数0.080.100.100.120.120.150.060.08由上表可知，对于钢制丝杠与铸铁螺母的丝杠传动螺旋副的当量系数为，其对应的当量摩擦角为；故通常可使用螺旋升角。（7）滑动丝杠副的材料丝杠材料选择40cr并进行热处理，螺母材料选择为耐磨铸铁。（8）丝杠螺母的结构采用如图12所示的螺母结构，丝杠两端各一个，既支撑了丝杠，又保证了丝杠旋转过程中丝杠进给的稳定性。图12 丝杠螺母的结构4 细节零件的设计4.1 直流电机与减速器输入轴的联轴器电

24、机输出轴直径28mm,减速器输入轴直径28mm。选用凸缘联轴器型号为GYH3，轴孔长度均为J1型，为44mm。表5 联轴器参数表型号公称转矩Tn/(N·m)许用转速n/(r/min)轴孔直径DD1b1GY54008000381206852图13 联轴器结构图4.2减速器输出轴与丝杠的联轴器选择有位移补偿的滚子链联轴器，型号为GY8，轴孔长度减速器输出端为为J1型107mm；丝杠连接处为Y型142mm。凸缘联轴器刚性好，结构简单，工作可靠，维护和拆装简便，可以保证两轴有较好的对中性。表6 GY8联轴器参数表型号公称转矩Tn/(N·m)许用转速n/(r/min)轴孔直径DD1b

25、GY83150480075200130504.3丝锥与丝锥套的设计图14 丝锥与丝锥套表7 M36各项参数代号公称直径d螺距pd1lLal2M3636425571622024因为工艺需求选择粗牙丝锥。标记：右螺纹，直径36mm，螺距4mm，H1公差带，单支高性能通用柄用丝锥；机用丝锥 初G M36-H1 GB/T 3464.12007丝锥套设计：将丝杠的一端做成正方形，为30×30mm，深度为60mm，丝锥的尾端为20×20mm，深度为30mm，其它数据见装配图。4.4三爪卡盘及其过度盘设计根据GB4346-84,因为选择卡盘直径为200mm，正爪。主轴端部代号为5，D=2

26、00mm的C型连接方式的三爪卡盘用过渡盘；过渡盘C5×200 GB/T 12891。表8 三爪卡盘及过度盘的参数 D D1 D2 D3 d h H S Z(个)20016518060M100.30 5 75 12 3图15 三爪卡盘4.5 键联接设计（1）连接电机和减速器输入轴的键选择普通平键，由于是在轴端，选用平头普通平键（B型），根据电动机上的轴径以及轴上的自带键槽，取键的尺寸为宽度b=10mm，高度h=8mm，取键长度为40mm，传递扭矩为28.1N·m，由于材料都是钢，查得许用挤压应力P=110MPa，键与联轴器键槽的接触高度为k=0.5h=4mm。P=2T

27、5;103/kld=2×28.1×103/4×40×38=9.24MPaP=110MPa,可见挤压强度足够。（2）连接减速器输出轴和联轴器，选用普通平键，选用平头普通平键（B型），根据减速器自带键槽，取键的尺寸为宽度b=20mm，高度h=12mm，取键长度为80mm，传递扭矩为281N·m，由于材料都是钢，查得许用挤压应力P=110MPa，键与联轴器键槽的接触高度为k=0.5h=6mm。P=2T×103/kld=2×281×103/6×80×75=15.6MPaP=110MPa,可见挤压强度足够

28、。(3)连接联轴器和丝杠的键，还是采用普通平键连接，选用平头普通平键（B型），将丝杠加工得和减速器输出轴一样的键槽，取键的尺寸为宽度b=20mm，高度h=12mm，取键长度为120mm，传递扭矩为281N·m，由于材料都是钢，查得许用挤压应力P=110MPa，键与联轴器键槽的接触高度为k=0.5h=6mm。因为丝杠需要向左进给80mm，故键也需要向左移动80mm，由于键的位置在联轴器中间，故键的工作面积减少70mm。P=2T×103/kld=2×281×103/6×50×75=24.9MPaP=110MPa,可见挤压强度足够。5 控制

29、电路设计电机换向可以在电机停转时进行，使用继电器换向电路。且成本低，电路的设计维护也相对容易。如图所16示，控制电路元件为图16 控制电路小 结挤压攻丝现在越来越多地应用到机械制造的多个方面,体现着它的使用价值,在现代企业中,尤其制造业企业中, 挤压攻丝在内螺纹制造中起着至关重要的作用。内螺纹挤压成形加工既可以作为一种螺纹加工方法，又可以作为内螺纹表面强化的手段。如前文所示，采用切削丝锥，螺纹小径由钻孔工序保证，尺寸较稳定，所以攻丝工序一般只用螺纹塞规检查，而采用挤压丝锥，螺纹小径及其他尺寸均靠挤压形成，因而需要增加小径光滑量规检具。同时采用挤压丝锥攻丝对工序要求较高。如采用切削丝锥，工序保证

30、中径、大径、螺距及牙形。这种加工方法与螺纹切削相比，具有许多突出的优点，比如，挤压螺纹的加工精度高，表面粗糙度低，具有更高的疲劳强度，另外，挤压丝锥还具有强度高，加工效率高等优点。而对于挤压丝锥后工艺，螺纹所有尺寸均由挤压形成，所以关键是保证工序的加工过程稳定,因此设计的控制系统必须提高加工效率和对攻丝过程中突发因素的处理能力。随着人们对工作质量的要求不断提高，以及上述的各种装置创新以及挤压攻丝装置方面的研究越来越广泛，将会提高螺纹加工质量和生产效益。参 考 文 献1张逸.内螺纹挤压攻丝的底径计算及加工技术J.机械设计与制造,2002(2):82-842李海国.一次性自动到位的浮动攻丝装置D.制造技术与机床,2007(10）:90-913于振汉.谈无屑挤压攻丝内螺纹新工艺M.锦州新生开关厂，2007(4):474杨安民.车床用自动攻丝装置J.机械工程师,2001(10):555李伟青.挤压丝锥攻丝的应用J.摩托车信息，2009(8):216方晓堂.车床用自动套丝、攻丝装置M.机械工程师.2002(10):667杨竹红.钻床盲孔自动攻丝装置J.矿山机械.2006(9):768杨名大,徐久华.钛合金内螺纹表面的冷挤压强化技术J.机械科学与技术.1