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太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 開題報(bào)告
機(jī)械工程學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
題 目： 螺紋在線加工部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
專業(yè)班級(jí)： 機(jī)電1103班
姓 名：
學(xué) 號(hào)： 2011100818
指導(dǎo)教師： 成建平
2015年 月 日
1.課題名稱：
螺紋在線加工部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
2. 課題研究背景：
小型零部件上的螺紋孔一般在加工螺紋的專用機(jī)床上進(jìn)行，如鏜床、銑床、鉆床等。但對(duì)于加工大型零部件上的螺紋孔，上述專用機(jī)床就不能滿足現(xiàn)場加工，有兩個(gè)方面的原因：第一，這些機(jī)床大都體型巨大而笨重難于到現(xiàn)場加工；第二，這些專用機(jī)床都有加工范圍，對(duì)于大型零部件的螺紋孔，這些機(jī)床都不適用。該數(shù)控設(shè)備通過主軸箱內(nèi)傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)鉆孔和內(nèi)螺紋的加工，滿足了對(duì)于大型零部件上孔和螺紋的加工。研究該數(shù)控加工設(shè)備可以在線對(duì)零部件的鉆孔和螺紋加工，而且可以連續(xù)加工出不同螺距的螺紋，滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求，相對(duì)于機(jī)械式數(shù)控加工設(shè)備具有明顯的優(yōu)勢：操作方便，加工精度較高，生產(chǎn)效率較高，自動(dòng)化程度較高。所以該數(shù)控加工設(shè)備具有較廣的應(yīng)用前景。
3. 課題研究意義：
（ （1）主要解決大型零部件上鉆孔和螺紋的加工
（2）解決專用機(jī)床對(duì)于實(shí)時(shí)在線加工的問題
（3）降低生產(chǎn)成本，節(jié)省用于加工的時(shí)間，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率
（4）提高對(duì)生產(chǎn)自動(dòng)化的認(rèn)識(shí)
4. 文獻(xiàn)查閱概況
《金屬機(jī)械加工工藝人員手冊》趙如福
《機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊》
《數(shù)控技術(shù)指導(dǎo)書》
5. 設(shè)計(jì)（論文）的主要內(nèi)容
（1） 數(shù)控設(shè)備的總體設(shè)計(jì)
本課題主要設(shè)計(jì)一套數(shù)控加工大型零部件上孔內(nèi)螺紋加工的主軸箱，進(jìn)給箱內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如圖所示，通過對(duì)主軸箱的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于螺紋的加工。這是一條內(nèi)聯(lián)系傳動(dòng)鏈，聯(lián)系兩個(gè)執(zhí)行件，以形成復(fù)合成形運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)鏈，稱為內(nèi)聯(lián)系傳動(dòng)鏈。它的作用是保證兩個(gè)末端件之間的相對(duì)速度或相對(duì)位移保持嚴(yán)格的比例關(guān)系，以保證被加工表面的性質(zhì)。如在臥式車床上車螺紋時(shí)，連接主軸和刀具之間的傳動(dòng)鏈，就屬于內(nèi)聯(lián)系傳動(dòng)鏈。此時(shí)，必須保證主軸（工件）每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，車刀移動(dòng)工件螺紋一個(gè)導(dǎo)程，才能得到要求的螺紋導(dǎo)程。對(duì)于主運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)是采用交流伺服電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)把動(dòng)力傳到主軸上，主軸帶動(dòng)刀具回轉(zhuǎn)在孔內(nèi)加工出螺紋，而另一方面也采用交流伺服電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)將運(yùn)動(dòng)傳到絲杠螺母副，絲杠的回轉(zhuǎn)帶動(dòng)螺母移動(dòng)，利用螺母座與主軸的套筒聯(lián)結(jié)，由于主軸和套筒的剛性連接，從而使得主軸隨著螺母的移動(dòng)而移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。另外在主運(yùn)動(dòng)的減速機(jī)構(gòu)上安裝編碼器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測主軸的轉(zhuǎn)速，以便及時(shí)調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速，保證螺紋的加工質(zhì)量。對(duì)于鉆孔加工和螺紋加工類似，但卻是一條外聯(lián)系傳動(dòng)鏈，聯(lián)系交流伺服電動(dòng)機(jī)和主軸，使主軸得到給定的速度運(yùn)動(dòng)，并傳遞一定的動(dòng)力，外聯(lián)系傳動(dòng)鏈傳動(dòng)比的變化，只影響生產(chǎn)率或表面粗糙度，不影響加工表面的形狀。因此，外聯(lián)系傳動(dòng)鏈不要求兩末端件之間有嚴(yán)格的傳動(dòng)關(guān)系。通過主軸的主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)刀具同時(shí)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)加工出所要求的孔。
伺服電動(dòng)機(jī)是指能夠精確地控制轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角的一類電動(dòng)機(jī)，它在機(jī)電一體化設(shè)備進(jìn)給伺服系統(tǒng)中是執(zhí)行元件。常用的伺服電動(dòng)機(jī)分為四大類：直流伺服電動(dòng)機(jī)；交流伺服電動(dòng)機(jī)；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)和直流驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)均采用位置閉環(huán)控制，一般用于要求精度高、速度快的伺服系統(tǒng)；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要用于開環(huán)控制，一般用于精度、速度要求不高，成本較低的伺服系統(tǒng)中。相比于其他電動(dòng)機(jī)，交流伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電機(jī)特點(diǎn)?：⑴無電刷和換向器，因此工作可靠，對(duì)維護(hù)和保養(yǎng)要求低。⑵定子繞組散熱比較方便。⑶慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性。⑷適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)。⑸同功率下有較小的體積和重量。
減速機(jī)構(gòu)采用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)：1、使用的圓周速度和功率范圍廣；2、效率較高；3、傳動(dòng)比穩(wěn)定；4、壽命長；5、工作可靠性高；6、可實(shí)現(xiàn)平行軸的之間傳動(dòng)。
在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，常常需要檢測運(yùn)動(dòng)部件的位移和速度。檢測角位移和速度常用的傳感器是增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，檢測線位移和線速度常用的則是直線光柵。這兩種位移檢測裝置本身就是旋轉(zhuǎn)器，它們與控制系統(tǒng)的接口簡單方便。
增量式旋轉(zhuǎn)編碼器結(jié)構(gòu)和工作原理：增量式旋轉(zhuǎn)編碼器是一種光學(xué)式位置檢測元件，主要用以測量轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速，輸出信號(hào)為電脈沖，其外形如圖4-35所示。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器最初的結(jié)構(gòu)是一種光電盤，如圖4-36所示。在一個(gè)圓盤的圓周上分成相等的透明與不透明部分（構(gòu)成主柵），圓盤與工作軸1一起旋轉(zhuǎn)。此外還有一個(gè)固定不動(dòng)的圓形薄片（分度柵8）與圓盤（主柵7）平行放置，分度柵開有、、三組狹縫。其中、狹縫用于辨向，彼此錯(cuò)開1/4柵距（主柵上相鄰兩線的間距為一個(gè)柵距）；狹縫用作零位。工作軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，感光元件接收到的光通量會(huì)時(shí)大時(shí)小地連續(xù)變化（近似于正弦信號(hào)），經(jīng)放大，整形電路變換后輸出方波信號(hào)，如圖4-37所示，其中、兩路方波的相位差為。若定義相超前于相時(shí)工作軸為正轉(zhuǎn)，則相超前于相時(shí)工作軸就為反轉(zhuǎn)。相是零位脈沖（每轉(zhuǎn)一個(gè)），通常用作測量基準(zhǔn)。在實(shí)際應(yīng)用中，從編碼器輸出的、相信號(hào)經(jīng)辨向和倍頻后，變成代表位移的測量脈沖被引入位置控制回路進(jìn)行位置調(diào)節(jié)；或經(jīng)頻率-電壓變換器轉(zhuǎn)變成正比于頻率的電壓，作為速度反饋信號(hào)送給速度控制單元進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。
（1） 鉆孔的基本尺寸和切削用量
根據(jù)加工螺紋的公稱直徑確定孔徑的大小，查《金屬機(jī)械加工工藝人員手冊》(以下簡稱《手冊》)可知，普通螺紋的基本尺寸如圖所示（注：本課題主要研究螺距之間的螺紋）。本課題研究螺紋的公稱直徑在之間，中徑公差等級(jí)為8級(jí)。查《手冊》可知，直徑大于的孔采用兩個(gè)鉆頭分兩次來鉆出，先用直徑為的鉆頭鉆，然后再擴(kuò)至所要求的孔徑，選用的刀具是錐柄麻花鉆（）,刀具材料是,選用第一系列的刀具直徑，工件材料選用為結(jié)構(gòu)鋼=。
查《手冊》得，鉆削加工的切削速度公式
（1）
式中：---進(jìn)給量[]
---刀具耐用度[]
---孔徑[]
由《手冊》查得=，當(dāng)?shù)毒咧睆?，；?dāng)?shù)毒咧睆?，將相關(guān)參數(shù)代入公式得，
鉆削時(shí)軸向力，扭矩及功率的計(jì)算公式查《手冊》可知，
[] (2)
[] (3)
[] (4)
根據(jù)（2）式，計(jì)算，
根據(jù)（3）式，計(jì)算，
對(duì)于轉(zhuǎn)速，有：
[] (5)
得，
將相關(guān)參數(shù)代入式（4）中得，
根據(jù)所計(jì)算的相關(guān)參數(shù)查相關(guān)資料，選擇180SM3020型號(hào)大慣量交流伺服電動(dòng)機(jī)，額定功率5.6,額定力矩30，額定轉(zhuǎn)速2000，額定線電流28.6,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量90，其安裝尺寸如圖所示，
電機(jī)性能曲線如上圖所示，當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)速在之間時(shí)，轉(zhuǎn)矩在之間。
減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)選擇的電動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)和切削加工時(shí)功率和轉(zhuǎn)矩的要求，初選進(jìn)給運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比，二級(jí)傳動(dòng)。
(2)加工螺紋的基本尺寸和切削用量
螺紋的公稱直徑查《手冊》知，如下表所示
選擇加工三角形內(nèi)螺紋的公稱直徑為之間，螺距在之間。加工刀具的材料為硬質(zhì)合金YT15，加工形式是鏜削螺紋，工件材料選用為結(jié)構(gòu)鋼。
切削速度計(jì)算公式：
（6）
其中，為刀具耐用度90，為行程次數(shù)，
根據(jù)查到的數(shù)據(jù)可知為2；切削速度=18.51，=22.77.
主軸轉(zhuǎn)速公式：
= （8）
同理主軸切削速度在之間，代入主軸轉(zhuǎn)速公式得轉(zhuǎn)速的范圍在之間。電動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)速之間根據(jù)螺紋加工時(shí)主軸轉(zhuǎn)速范圍可知，主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比符合要求。
主軸做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)鉆削扭矩值選擇180SM3020型號(hào)大慣量交流伺服電動(dòng)機(jī)，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比，二級(jí)傳動(dòng)。
（3）主軸的設(shè)計(jì)以及有關(guān)參數(shù)的計(jì)算
主軸是機(jī)床中最常見的一種旋轉(zhuǎn)類零件。主要由內(nèi)圓面、外圓面、內(nèi)外圓錐面、螺紋、花鍵和橫向孔等組成。主軸是機(jī)床的執(zhí)行件，它的主要功能是支撐傳動(dòng)件和傳遞轉(zhuǎn)矩、在運(yùn)作時(shí)，由它帶動(dòng)刀具直接參與表面成形運(yùn)動(dòng)；同時(shí)還保證刀具對(duì)機(jī)床其他部件有正確的相對(duì)位置。所以，主軸的性能對(duì)加工質(zhì)量和機(jī)床的生產(chǎn)效率有重要影響。另外，主軸的傳動(dòng)方式是由皮帶傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)兩種方式結(jié)合的。各種車床主軸部件有所不同，但他們的基本用途是相同的，在結(jié)構(gòu)和要求方面也是類似的。在工作性能上都必須與機(jī)床使用性能有相匹配的旋轉(zhuǎn)精度、剛度、抗振性和耐磨性等。
主軸的基本要求：
1.承受摩擦與磨損?
機(jī)床主軸的不同部位承受著不同程度的磨損，尤其是軸頸部分，由于某些軸承與軸頸配合時(shí)，摩損較大，所以此部位應(yīng)具有很高的硬度來增強(qiáng)耐磨性。
2. 工作中時(shí)承受載荷
在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)床主軸要承受不同載荷的作用，如彎曲變形、沖壓，扭轉(zhuǎn)等。因此要求主軸必須有抵抗不同載荷的能力。主軸在載荷大轉(zhuǎn)速高時(shí)還要承受著很高的交變應(yīng)力。所以要求主軸具有較高的綜合力學(xué)性能和疲勞強(qiáng)度。
前錐孔用來裝頂尖或其他工具錐柄，要求能自鎖，目前采用莫氏錐孔，本主軸錐孔采用莫氏錐度6號(hào)。設(shè)計(jì)主軸內(nèi)徑的原則是為減輕主軸重量，在滿足對(duì)空心主軸孔徑要求和最小壁厚要求下，應(yīng)取最大值。主軸孔徑越大，主軸部件的相對(duì)重量就越輕。主軸的孔徑大小主要受主軸剛度的制約。主軸的孔徑與主軸直徑之比，小于0.3時(shí)空心主軸的剛度幾乎與實(shí)心主軸相等；等于0.5時(shí)空心主軸的剛度為實(shí)心主軸的90%；大于0.7時(shí)，空心主軸的剛度就急劇下降。一般可取其比值為0.5左右。?
主軸本身剛度K正比于抗彎斷面慣性矩I
（7）
由式子可知取孔徑的直徑極限為：<0.7。
此時(shí)若孔徑再大，剛度則急劇下降，根據(jù)推薦值，取0.6。
根據(jù)前面鉆削加工鉆刀的直徑設(shè)計(jì)主軸的錐孔孔徑,鉆刀直徑最大為50，則主軸直徑為105，主軸各部分尺寸如圖表所示.
自動(dòng)松拉刀系統(tǒng)
1. 自動(dòng)松拉刀系統(tǒng)的工作原理及結(jié)構(gòu)形式
鉆削電主軸的自動(dòng)松拉刀機(jī)構(gòu)可以分為兩部分，即刀具夾緊部分和松刀部分。刀具夾緊部分主要由夾頭、拉桿、碟形彈簧等組成，這一部分隨轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)；松刀部分主要是氣缸部分。自動(dòng)松拉刀系統(tǒng)的工作原理是：在夾頭夾緊刀具的狀態(tài)下，碟形彈簧壓縮，彈簧向后施加力給拉桿，拉桿拉緊夾頭，夾緊刀具；松刀時(shí)，主軸后部配置的松刀氣缸充氣，頂桿頂推拉桿后部，壓縮碟形彈簧，拉桿推動(dòng)夾頭下移，彈簧夾頭張開，松開刀具。
2. 刀具夾緊結(jié)構(gòu)夾緊結(jié)構(gòu)
圖2 所示的是碟形彈簧后置式夾緊結(jié)構(gòu)形式。碟形彈簧安裝在后螺母內(nèi)，拉桿較長，拉桿對(duì)主軸的動(dòng)平衡有一定的影響。這種結(jié)構(gòu)的碟形彈簧損壞后可以方便地取出，進(jìn)行更換。一般多使用在采用滾動(dòng)軸承的鉆削主軸上。
自動(dòng)松拉刀系統(tǒng)的關(guān)鍵零件：
（1）夾頭
夾頭是主軸夾緊刀具用的關(guān)鍵零件，通常采用的夾頭有EX1010、EX820、1201 等型號(hào)。夾頭本身的因素是引起掉刀的原因之一，夾頭的有效長度和疲勞壽命是掉刀的直接因素。圖8 是測量夾頭有效長度的示意圖，圖中h 的值相差太大，當(dāng)更換夾頭不當(dāng)時(shí)就會(huì)引起掉刀或松不開刀的現(xiàn)象發(fā)生。h值直接影響的是拉緊刀具的碟形彈簧的壓縮量，鉆、銑削電主軸的碟形彈簧壓縮量都很小，碟形彈簧的工作壓縮量根據(jù)主軸型號(hào)的不同在0.5～1.2mm 之間。經(jīng)檢測即使進(jìn)口的彈簧夾頭其圖中的h 值相差也會(huì)到0.3mm 以上。假設(shè)使用的夾頭與原配的夾頭相差0.2mm，彈簧的拉緊力就要相差25% 左右，對(duì)于有些型號(hào)的主軸會(huì)相差更大。
（2）碟形彈簧
碟形彈簧是自動(dòng)松拉刀系統(tǒng)的關(guān)鍵零件，向主軸生產(chǎn)廠家購買質(zhì)量差的碟形彈簧會(huì)出現(xiàn)脆裂、彈性在較短時(shí)間內(nèi)喪失等問題。新購來的碟形彈簧片需要進(jìn)行以下處理：(1)為了能使碟彈簧在工作時(shí)伸縮自由，需要對(duì)其進(jìn)行研邊處理，兩端研磨出約0.1mm 寬的平面。(2)需要進(jìn)行強(qiáng)壓處理，如圖9所示，把碟形彈簧片依次反向裝入預(yù)壓心軸上，將臺(tái)鉆的鉆夾頭端部壓在壓套上端，向下加力，直到把碟形彈簧壓平，這樣壓50～100 次。強(qiáng)壓處理后，單片彈簧的高度和原來相比要低0.05mm，或更大一些。經(jīng)過處理的碟形彈簧片，裝機(jī)后，拉刀力穩(wěn)定性好，拉緊力下降不明顯。
3.松刀氣缸
浮動(dòng)缸是指氣缸體在工作過程中有上下移動(dòng)，圖6 所示是一種浮動(dòng)缸的結(jié)構(gòu)形式。浮動(dòng)缸的工作原理是：壓縮空氣從圖6 箭頭所示方向進(jìn)入氣缸，當(dāng)氣缸充氣時(shí)，浮動(dòng)缸體上移，拉住轉(zhuǎn)軸的后部，在消除頂桿與拉桿間的間隙后，頂桿繼續(xù)下移，接觸拉桿后端，頂桿頂住拉桿的后部，松刀力只作用在碟形彈簧上，轉(zhuǎn)軸和軸承均不受力。這樣轉(zhuǎn)軸的支撐不承受松刀的拉力，達(dá)到給支撐卸載的目的。當(dāng)轉(zhuǎn)軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，氣缸和頂桿均與轉(zhuǎn)軸脫開，不影響轉(zhuǎn)軸的運(yùn)轉(zhuǎn)。這種浮動(dòng)缸結(jié)構(gòu)在鉆削主軸上用的較為廣泛。
6.設(shè)計(jì)（論文）提交形式
1. 設(shè)計(jì)計(jì)算說明書1份。（按太原理工大學(xué)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)撰寫規(guī)范寫）。
2. 主軸箱裝配圖1張（A0）。
3. 主軸零件圖1張（A1）。
4. 機(jī)床尺寸聯(lián)系圖1張（A1）。
5. 箱體零件圖1張（A0）。
6．1萬印刷符號(hào)的英文資料翻譯文件。
7. 進(jìn)度安排
第四周 查找有關(guān)外文資料并翻譯成中文
第五周 查閱資料并撰寫開題報(bào)告
第六周 基本參數(shù)計(jì)算
第七周 零部件和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
第八周 畢業(yè)實(shí)習(xí)，完成實(shí)習(xí)報(bào)告
第九周 零部件和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
第十周 主運(yùn)動(dòng)部分設(shè)計(jì)計(jì)算
第十一周 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部分設(shè)計(jì)計(jì)算
第十二周 傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)計(jì)算
第十三周 計(jì)算機(jī)繪圖，編寫設(shè)計(jì)說明書
第十四周 計(jì)算機(jī)繪圖，編寫設(shè)計(jì)說明書
第十五周 計(jì)算機(jī)繪圖，編寫設(shè)計(jì)說明書
第十六周 審查和修改圖紙及整理畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
第十七周 準(zhǔn)備畢業(yè)答辯答辯
第十八周 畢業(yè)答辯
8. 指導(dǎo)教師意見
簽名：
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