多轴立式钻床进给系统结构设计论文-本科论文.doc
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1、济南大学毕业设计毕业设计题 目 多轴立式钻床进给系统结构设计 学 院 机械工程学院 专 业 机械工程及自动化 班 级 机自0705 学 生 辛宗成 学 号 20070403218 指导教师 冯德振 二一一 年 五 月 二十 日- 1 -济南大学毕业设计摘 要本次设计主要介绍了一种简洁型多轴立式钻床进给系统结构的设计过程,通过查阅大量相关文献资料,请教有经验的老师和同学,来进行此机床的设计。随着机械行业的发展,在钻削加工行业中许多零件要求有比较复杂的钻孔,但是使用现在的普通单轴钻床加工出来的零件形状还是较单一,多用于单孔加工而且生产效率非常低。已有的数控钻床虽然能够实现多轴联动,又操作方便,但是
2、其经济成本高,维修费用也高。因此迫切需要通过对多轴机床的进给系统的研究和设计,以此来增加加工零件的形状变化,同时提高加工零件的精度。本着实用性的原则,加上对本设计设计要求的综合考虑,本次设计应用了伺服电机、轴承、滚珠丝杠、导轨、立柱等各方面的知识。对于本次设计,首先,要查阅相关的大量资料,充实理论知识;其次,根据设计需求进行相关的实验,记录每次的实验结果以及实验过程中所出现的问题;最后,对实验结果进行分析,选择最优方案。本次设计采用滚珠丝杠进给系统,用伺服电动机作为动力源,可以满足加工过程中的精度要求。因此本钻床具有很好的经济性。关键词:多轴;立式钻床;设计;进给系统ABSTRACT This
3、 design introduces a simple type of multi-axis vertical drilling structure of the feed system design process, through access to a large number of relevant documents, consult an experienced teacher and students, to carry out the design of this machine. With the development of machinery industry in th
4、e drilling industry in many parts require more complex drilling, but using ordinary single-axis drilling process is now out of shape, or than a single part, multi-processing and production efficiency for the single hole is very low . Although CNC has been able to achieve multi-axis drilling, but als
5、o easy to operate, but its high economic costs, maintenance costs are also high. There is an urgent need for multi-axis machine tool feed system research and design, in order to increase the processing part of the shape change, while improving the precision machining parts. In line with the principl
6、e of practicality, coupled with the design requirements of the design into account, the application of this design servo motors, bearings, ball screws, rails, columns and other areas of knowledge. For this design, first of all, a lot of information related to access and enrich the theory of knowledg
7、e; Secondly, according to the experimental design requirements related to record each of the experimental results and the experimental problems arising in the process; Finally, the analysis of experimental results , choose the best program. The design uses a ball screw feed system, with the servo mo
8、tor as a power source, the accuracy can meet the processing requirements. Therefore, this drill has a good economy. Key words:multi-axis; vertical drilling machine; design; feeding system目 录摘 要IABSTRACTII1 前言11.1 高速切削技术及刀具的发展现状11.1.1 开创了高速切削等新工艺,全面提高了加工效率。11.1.2 硬质合金材料的发展11.1.3刀具新材料的研究11.2 夹具与附件22 总
9、体方案设计42.1 设计任务42.2 提高使用和维修的经济性42.3 总体方案图53 床身的设计63.1 支承件的基本要求63.1.1刚度63.1.2 抗振性63.1.3热变形63.1.4内应力63.1.5其它63.2 床身材料的选择73.3壁厚的选择和壁的连接74 导轨的设计84.1导轨副的分类84.1.1按运动轨迹分类84.1.2按摩擦性质分类84.1.3按工作性质分类84.2导轨应满足的基本要求84.2.1导向精度84.2.2精度保持性84.2.3刚度94.2.4低速运动平稳性94.3 导轨设计的任务94.4导轨的主要失效形式94.4.1磨损94.4.2疲劳和压溃104.5 导轨形式的选
10、择104.6 导轨材料的特点及其选择104.7 各种截面形状导轨的性能114.8 常用导轨组合114.9 导轨截面尺寸的设计125 滚珠丝杠的选择135.1 珠丝杠的精度、结构、及安装135.1.1精度等级135.1.2结构形式及预紧方法135.1.3安装时的注意事项145.2 滚珠丝杠副的设计计算145.3 滚珠丝杠支承的选择186 伺服电动机的选择236.1 伺服电动机概述236.2 伺服电动机的选择与计算237 结论25参 考 文 献26致 谢27- 26 -1 前言1.1 通用机床与专用机床随着经济的发展,特别是改革开放以来,专用组合机床的需求量增加,通用机床的需求量相对减少。于是,各
11、通用机床厂纷纷建立专机车间或专机分厂,生产组合机床。由于设计、制造、组装和调试经验不足,使之在市场特别是国际市场中缺乏竞争力。组合机床作为一种现代机床,它不是通用部件、各种元件、刀夹辅具和控制系统的简单组合,从设计制造到组装调试都有其专业特征。通用机床是成熟产品,即使是改进型也是经过一轮或几轮试制后,方能投产。通用机床的整机和零部件可以有少量库存,生产时间充裕。而组合机床一般是单机一次性生产,不可能进行试制,而且要求在一定的时间内完成制造。这就要求机床厂家有一支经验丰富的设计队伍,特别是资深的方案工程师。在订购组合机床时,用户往往将技术方案作为前提之一,因为一个好的方案可以为用户带来很大的经济
12、效益。同时,也使机床制造厂家便于组织生产。好的技术方案是用最简捷的形式,满足工艺要求,并且易于操作、调整和维修。这就要求通用部件的选择,刀具的设计和选择,夹具的设计,控制系统的设计及液压和气动系统的设计等都要相对合理。专用组合机床一般用于大量生产,需要加工精度长期稳定,因此,对其质量的要求与通用机床有很大不同,通常要求工序能力系数CPK1.33。国内一知名机床厂为用户设计制造一条壳体生产线,用户要求在技术协议中将工序能力系数CPK1.33作为一项验收标准,厂家明确表示达不到这一要求。他们只能同意按被加工零件图纸给定公差的75%作为验收标准,这一验收标准与工序能力系数CPK1.33的要求相差甚远
13、。有的厂家甚至不了解工序能力系数这一概念。应当指出,CPK=1.33是最低要求,有的国外用户将CPK4.0作为验收标准。提高机床的质量是一项复杂的系统工程,它要求制造厂家建立一套完整的质量控制体系。从方案论证到产品设计,从原料进货到元件采购,从工艺编制到加工制造,从安装调试到售后服务,都必须严格控制。才能有效保证整机的产品质量,得到市场的认可。为了占领市场,世界各厂家争相提高产品质量和服务质量。美国的一家机床公司向用户承诺,订购该公司设备时,他们“不是在拿到订单之后就一走了之,再见面时设备已经制造完毕并请你付款,这时你所看到的只是设备的外表,而看不到内在质量。例如,你知道主轴的精度和硬度吗?”
14、他们的做法是:向你报告从方案设计、元件采购、加工制造到装配调试的全过程并接受你的检查。他们之所以能够做到这一点是因为像大多数机床制造厂家一样,机床在投入制造后,每个零件都备有一张卡片,将每道工序检验结果填写在卡片上并输入计算机,使制造的全过程处于受控状态,从而保证了机床的出厂质量。这些都是值得我们借鉴的质量管理方法。通用机床一般不需要制造厂家到用户安装调试,即使需要也很简单。而组合机床则需要制造厂家到用户安装调试,且过程复杂,周期较长。要求厂家培养和建立一支有经验的安装调试队伍。此外,因为组合机床均用于大量生产,如果机床故障不能及时排除,其他设备很难替代,势必造成停产,将给用户带来重大损失。因
15、此,售后服务也是组合机床生产的一项重要内容。1.2多轴钻床 多轴钻床俗称多轴器、多空钻或多轴钻孔器,是一种运用于机械领域钻孔、攻牙的机床设备。1.2.1 多轴钻床的优势一般钻床劳动强度大,专用性能低,生产率不高而且不能保证精度;而多轴专用钻床操纵方便、省力、容易掌握,不易发生操作错误和故障,不仅能减少工人的疲劳,保证工人和钻床的安全,还能提高钻床的生产率。1.2.2 多轴钻床的应用 广泛应用于机械行业多孔零件的钻孔以及攻丝加工。如:汽车、摩托车多孔零部件:发动机箱体、铝铸件壳体、制动鼓、刹车盘、转向器、轮毂、差速壳、阀类、液压元件、太阳能配件等等。2 总体方案设计市场的开放性和全球化,促使机床
16、产品的竞争日趋激烈,决定机床产品竞争力的指标是产品的开发时间、产品质量、产品性价比、产品的创新能力和产品的售后服务。采用先进的设计技术和手段,提高产品的技术含量成为企业追求的目标之一。我国已有的钻削产品虽然能够实现多轴联动,且操作方便,但是价格极其昂贵,维修费用也较高。主要存在的问题:第一,单孔加工,多工步转换,加工费时费力,工作效率低。第二,由于单个钻头重复工作,被加工孔的尺寸精度,位置精度达不到设计要求,导致出现产品质量不稳定现象。本次钻床总体方案的拟定包括以下内容:系统运动方案的确定,伺服系统的选择,执行机构的结构及传动方式的确定。2.1 设计任务本设计的任务是要求设计一种多轴立式钻床进
17、给系统的结构,设计内容包括进给系统和零部件的结构设计,参数确定及主要零件的计算校核等,并绘制相关手工工程图及电子工程图3。本设计采用伺服电机,扭矩按8选定,采用滚珠丝杠驱动,并合理确定导轨截面形状及尺寸。2.2 提高使用和维修的经济性 2.2.1 提高产品的效率机械设备的效率主要取决于传动系统和执行系统的效率。2.2.2 合理确定经济寿命使用寿命愈长,系统的性能愈差,相应的使用费用也愈多,使用经济性愈低。机器的寿命分为功能寿命、技术寿命和经济寿命三种。功能寿命机器从开始使用至其主要功能丧失而报废所经历的时间。技术寿命机器从开始使用至因技术落后而被淘汰所经历的时间。经济寿命机器从开始使用至继续使
18、用其经济效益显著变差所经历的时间。对设备进行适时的技术改造和良好的维修可延长其经济寿命。2.2.3 提高维修的经济性维修能延长机器的使用寿命,是保证良好的技术状况及正常运行的技术措施,但必须付出一定的维修费用及停机费用作为代价。因此,设备维修的原则是以尽可能少的维修费用换取尽可能多的使用经济效益4。2.3 总体方案图图2-1总体方案图此图为总体方案设计图,如图2-1所示,进给系统由床身、滑板、滚珠丝杠螺母等组成,经伺服电机驱动滚珠丝杠, 滚珠丝杠旋转带动动力箱纵向移动,实现进给运动及进给速度大小的变化。采用立式布局,切屑容易排除,机床导轨、滚珠丝杠防护结构简单。3 床身的设计支承件是机床的基础
19、构件,主要是指床身底座、立柱、横梁、工作台、箱体和升降台等大件。这些大件的作用是支承其它零部件,保证它们之间正确的相互位置关系和相对运动轨迹。机床切削时,支承件承受着一定的重力、切削力、摩擦力、夹紧力等。机床中的支承件有的互相固联在一起,有的在导轨上作相对运动。导轨常与支承件做成一体,也有采用装配、镶嵌或粘接的方法与支承件相连接。支承件受力受热后的变形和振动将直接影响机床的加工精度和表面质量。因此,正确设计支承件结构、尺寸及布局具有十分重要的意义4。3.1 支承件的基本要求3.1.1刚度所谓刚度是指支承件在恒定载荷或交变载荷作用下抵抗变形的能力。前者称为静刚度,后者称为动刚度。一般所说的刚度往
20、往指静刚度。支承件要有足够大的刚度,即在额定载荷作用下,变形不得超过允许值。3.1.2 抗振性抗振性是指支承件抵抗受迫振动和自激振动的能力。抵抗受迫振动的能力是指受迫振动的振幅不超过许用值,即要求有足够的静刚度。抵抗自激振动的能力是指在给定的切削条件下,能保证切削的稳定性。3.1.3热变形机床工作时,电动机、传动系统的机械摩擦及切削过程等都会发热,机床周围环境温度的变化也会引起支承件温度变化,产生热变形,从而影响机床的工作精度和几何精度,这一点对精密机床尤为重要。因此应对支承件的热变形及热应力加以控制。3.1.4内应力支承件在铸造、焊接及粗加工的过程中,材料内部会产生内应力,导致变形。在使用中
21、,由于内应力的重新分布和逐渐消失会使变形增大,超出许用的误差范围。支承件的设计应从结构上和材料上保证其内应力 要求,并应在焊、铸等工序后进行失效处理。3.1.5其它支承件还应使排屑通畅,操作方便,吊运安全,加工及装配工艺性好等。支承件的性能对整台机床的性能影响很大,其重量约为机床总重的80%以上,所以应正确地对支承件进行结构设计,并对主要支承件进行必要的验证和试验,使其能够满足对它的基本要求,并在此前提下减轻重量,节省材料5。3.2 床身材料的选择适合铸造的床身材料很多,最为常用的是铸铁。铸铁是一种低成本、有良好的减振性和耐磨性、易于铸造和切削的金属材料,其中HT200是应用最为广泛的。本设计
22、中即选用HT200作为床身材料。3.3壁厚的选择和壁的连接壁厚可参照表3-1来选择:表3-1 铸件壁厚选择铸件种类铸件尺寸灰铸铁可锻铸铁球墨铸铁铸钢铝合金砂 型200200以下200200-500500500500以上566101520455861268101218253457金属型7070以下7070150150150150以上4562.53.53.54.55102345当结构复杂的铸件及灰铸铁的牌号较高时,选取偏大值13;特大型铸铁的最小允许壁厚,还可适当增加。一般铸造条件下,各种灰铸铁的最小允许壁厚:HT100,HT150为46;HT200为685。根据以上论述,本设计中的床身壁厚选择2
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