龍門式家用數(shù)控銑床設(shè)計

龍門式家用數(shù)控銑床設(shè)計,龍門,家用,數(shù)控,銑床,設(shè)計 沈陽理工大學應用技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書 緒 論 隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)選用數(shù)控設(shè)備已是大勢所趨。并且隨著生產(chǎn)的多元化，機械加工已走入實驗教學及家用生產(chǎn)之中。 本次龍門式家用數(shù)控模擬銑床設(shè)計是結(jié)合教學實訓要求，設(shè)計的簡單易學，具有教學實驗功能的簡易數(shù)控銑床。其結(jié)構(gòu)參考南京機械?？茖W校教學設(shè)備《立柱式模擬數(shù)控銑床》。 原產(chǎn)品為單立柱式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)單一，切削范圍較窄，穩(wěn)定性和加工精度較差，現(xiàn)將原單立柱式結(jié)構(gòu)改為龍門式結(jié)構(gòu)，其機床剛度和精度比以前有所提高，工藝范圍也大大提高。結(jié)構(gòu)簡圖如下圖a。 對一個制造企業(yè)來說，提高生產(chǎn)能力往往從生產(chǎn)管理、制造工藝、生產(chǎn)設(shè)備等方面入手進行技術(shù)改造，而這幾部分內(nèi)容又是互為影響和制約的。在技改中對生產(chǎn)設(shè)備、數(shù)控機床的更新、維修、采購等的選擇上必須考慮到要在什么樣環(huán)境下使用、如何管理、怎樣能達到最好的經(jīng)濟效果等問題。 選擇制造設(shè)備是要為制造某一些產(chǎn)品服務的，選擇的設(shè)備可能用于產(chǎn)品零件的一部分工序加工、也可能用于全部工序加工。制造水平的高低首先取決于工藝過程的設(shè)計，它將決定用什么方法和手段來加工，從而也決定了對使用設(shè)備的基本要求，這也是對生產(chǎn)進行技術(shù)組織和管理的依據(jù)。設(shè)備選擇的基本要求確定后還要根據(jù)市場上能提供什么樣技術(shù)水平的裝備來選擇，針對大部分中小批量生產(chǎn)的制造企業(yè)，選擇數(shù)控機床來替代舊機床或增強生產(chǎn)能力已是發(fā)展趨勢。 比較普通和數(shù)控兩類機床的性能，數(shù)控機床具有加工復雜形面零件能力強、適應多種加工對象（柔性強）；加工質(zhì)量、精度和加工效率高；適應CAD/CAM聯(lián)網(wǎng)、適合制造加工信息集成管理；設(shè)備的利用率高、正常運行費用低等特點。 圖a. 龍門式家用數(shù)控銑床簡圖 1 機械結(jié)構(gòu)概述 機床特征規(guī)格應包括機型、機床規(guī)格參數(shù)和機床主電機功率等。在確定工藝內(nèi)容的前提下，機型選擇就較明確了。 目前，數(shù)控機床已發(fā)展成品種繁多、可供廣泛選擇的商品，在機型選擇中應在滿足加工工藝要求的前提下越簡單越好。例如，車削中心和數(shù)控車床都可以加工軸類零件，但一臺滿足同樣加工規(guī)格的車削中心價格要比數(shù)控車床貴幾倍，如果沒有進一步工藝要求，選數(shù)控車床應是合理的。在加工型腔模具零件中，同規(guī)格的數(shù)控銑床和加工中心都能滿足基本加工要求，但兩種機床價格相差20%～50%，所以在模具加工中要采用常更換刀具的工藝可安排選用加工中心，而固定一把刀具長時間銑削的可選用數(shù)控銑床。 數(shù)控機床的最主要規(guī)格是幾個數(shù)控軸的行程范圍和主軸電機功率。選用工作臺面比典型工件稍大一些是出于安裝夾具考慮的。機床工作臺面尺寸和三個直線坐標行程都有一定的比例關(guān)系，比如工作臺（80 mm ×100 mm）的機床，x軸行程一般為（100～200）mm、y軸為（80～120）mm、z軸為（60～100）mm左右。因此，工作臺面的大小基本上確定了加工空間的大小。個別情況下也允許工件尺寸大于坐標行程，這時必須要求零件上的加工區(qū)域處在行程范圍之內(nèi)，而且要考慮機床工作臺的允許承載能力，以及工件是否與機床交換刀刀具的空間干涉、與機床防護罩等附件發(fā)生干涉等系列問題。 數(shù)控機床的主電機功率在同類規(guī)格機床上也可以有各種不同的配置，一般情況下反映了該機床的切削剛性和主軸高速性能。主軸電機功率反映了機床的切削效率，從另一個側(cè)面也反映了切削剛性和機床整體剛度。在現(xiàn)代中小型數(shù)控機床中，主軸箱的機械變速已較少采用，往往都采用功率較大的交流可調(diào)速電機直聯(lián)主軸，甚至采用電主軸結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)在低速中扭矩受到限制，即調(diào)速電機在低轉(zhuǎn)速時輸出功率下降，為了確保低速輸出扭矩，就得采用大功率電機，所以同規(guī)格機床數(shù)控機床主軸電機比普通機床大好幾倍。當使用單位的一些典型工件上有大量的低速加工時，也必須對選擇機床的低速輸出扭矩進行校核。輕型機床在價格上肯定便宜，要求用戶根據(jù)自己的典型工件毛坯余量大小、切削能力（單位時間金屬切除量）、要求達到的加工精度、實際能配置什么樣刀具等因素綜合選擇機床。 在機床精度的選擇中，要考慮典型零件的關(guān)鍵部位的加工精度要求，這就決定了選擇數(shù)控機床的精度等級。數(shù)控機床根據(jù)用途又分為簡易型、全功能型、超精密型等，其能達到的精度也是各不一樣的。簡易型目前還用于一部分車床和銑床，其最小運動分辯率為0.01mm，運動精度和加工精度都在(0.03～0.05)mm以上。超精密型用于特殊加工，其精度可達0.001mm以下。這里主要討論應用最多的全功能數(shù)控機床（以加工中心為主）。 按精度可分為普通型和精密型，一般數(shù)控機床精度檢驗項目都有20～30項，但其最有特征項目是：單軸定位精度、單軸重復定位精度和兩軸以上聯(lián)動加工出試件的圓度。 定位精度和重復定位精度綜合反映了該軸各運動部件的綜合精度。尤其是重復定位精度，它反映了該軸在行程內(nèi)任意定位點的定位穩(wěn)定性，這是衡量該軸能否穩(wěn)定可靠工作的基本指標。目前數(shù)控系統(tǒng)中軟件都有豐富的誤差補償功能，能對進給傳動鏈上各環(huán)節(jié)系統(tǒng)誤差進行穩(wěn)定的補償。 1.1 數(shù)控機床概述 1.1.1 數(shù)控機床的特點 (1)具有高度柔性 在數(shù)控機床上加工零件，主要取決于加工程序，它與普通機床不同，不必制造、更換許多工具、夾具，不需要經(jīng)常調(diào)整機床。因此，數(shù)控機床適用于零件頻繁更換的場合。也就是適合單件、小批生產(chǎn)及新產(chǎn)品的開發(fā)，縮短了生產(chǎn)準備周期，節(jié)省了大量工藝設(shè)備的費用。 (2)加工精度高 數(shù)控機床的加工精度，一般可達到0.005～0.1mm，數(shù)控機床是按數(shù)字信號形式控制的，數(shù)控裝置每輸出一個脈沖信號，則機床移動部件移動一個脈沖當量（一般為0.001mm），而且機床進給傳動鏈的反向間隙與絲杠螺距平均誤差可由數(shù)控裝置進行補償，因此，數(shù)控機床定位精度比較高。 (3)加工質(zhì)量穩(wěn)定、可靠 加工同一批零件，在同一機床，在相同加工條件下，使用相同刀具和加工程序，刀具的走刀軌跡完全相同，零件的一致性好，質(zhì)量穩(wěn)定。 (4)生產(chǎn)率高 數(shù)控機床可有效地減少零件的加工時間和輔助時間，數(shù)控機床的主軸轉(zhuǎn)速和進給量的范圍大，允許機床進行大切削量的強力切削，數(shù)控機床目前正進入高速加工時代，數(shù)控機床移動部件的快速移動和定位及高速切削加工，減少了半成品的工序間周轉(zhuǎn)時間，提高了生產(chǎn)效率。 (5)改善勞動條件 數(shù)控機床加工前經(jīng)調(diào)整好后，輸入程序并啟動，機床就能自動連續(xù)的進行加工，直至加工結(jié)束。操作者主要是程序的輸入、編輯、裝卸零件、刀具準備、加工狀態(tài)的觀測，零件的檢驗等工作，勞動強度極大降低，機床操作者的勞動趨于智力型工作。另外，機床一般是封閉式加工，即清潔，又安全。 (6)利于生產(chǎn)管理現(xiàn)代化 數(shù)控機床的加工，可預先精確估計加工時間，所使用的刀具、夾具可進行規(guī)范化、現(xiàn)代化管理。數(shù)控機床使用數(shù)字信號與標準代碼為控制信息，易于實現(xiàn)加工信息的標準化，目前已與計算機輔助設(shè)計與制造（CAD/CAM）有機地結(jié)合起來，是現(xiàn)代集成制造技術(shù)的基礎(chǔ)。 1.1.2 數(shù)控機床使用中應注意的事項 使用數(shù)控機床之前，應仔細閱讀機床使用說明書以及其他有關(guān)資料，以便正確操作使用機床，并注意以下幾點： (1)機床操作、維修人員必須是掌握相應機床專業(yè)知識的專業(yè)人員或經(jīng)過技術(shù)培訓的人員，且必須按安全操作規(guī)程及安全操作規(guī)定操作機床； (2)非專業(yè)人員不得打開電柜門，打開電柜門前必須確認已經(jīng)關(guān)掉了機床總電源開關(guān)。只有專業(yè)維修人員才允許打開電柜門，進行通電檢修； (3)除一些供用戶使用并可以改動的參數(shù)外，其它系統(tǒng)參數(shù)、主軸參數(shù)、伺服參數(shù)等，用戶不能私自修改，否則將給操作者帶來設(shè)備、工件、人身等傷害； (4)修改參數(shù)后，進行第一次加工時，機床在不裝刀具和工件的情況下用機床鎖住、單程序段等方式進行試運行，確認機床正常后再使用機床； (5)機床的PLC程序是機床制造商按機床需要設(shè)計的，不需要修改。不正確的修改，操作機床可能造成機床的損壞，甚至傷害操作者； (6)建議機床連續(xù)運行最多24小時，如果連續(xù)運行時間太長會影響電氣系統(tǒng)和部分機械器件的壽命，從而會影響機床的精度； (7)機床全部連接器、接頭等，不允許帶電拔、插操作，否則將引起嚴重的后果。 1.1.3 數(shù)控機床的維護 科學技術(shù)的發(fā)展，對機械產(chǎn)品提出了高精度、高復雜性的要求，而且產(chǎn)品的更新?lián)Q代也在加快，這對機床設(shè)備不僅提出了精度和效率的要求，而且也對其提出了通用性和靈活性的要求。數(shù)控機床就是針對這種要求而產(chǎn)生的一種新型自動化機床。數(shù)控機床集微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)及伺服驅(qū)動技術(shù)、精密機械技術(shù)于一體，是高度機電一體化的典型產(chǎn)品。它本身又是機電一體化的重要組成部分，是現(xiàn)代機床技術(shù)水平的重要標志。數(shù)控機床體現(xiàn)了當前世界機床技術(shù)進步的主流，是衡量機械制造工藝水平的重要指標，在柔性生產(chǎn)和計算機集成制造等先進制造技術(shù)中起著重要的基礎(chǔ)核心作用。 而數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的核心部件，因此，數(shù)控機床的維護主要是數(shù)控系統(tǒng)的維護。數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過一段較長時間的使用，電子元器件性能要老化甚至損壞，有些機械部件更是如此，為了盡量地延長元器件的壽命和零部件的磨損周期，防止各種故障，特別是惡性事故的發(fā)生，就必須對數(shù)控系統(tǒng)進行日常的維護。概括起來，要注意以下幾個方面。 1、 制訂數(shù)控系統(tǒng)日常維護的規(guī)章制度 根據(jù)各種部件特點，確定各自保養(yǎng)條例。如明文規(guī)定哪些地方需要天天清理（如CNC系統(tǒng)的輸入／輸出單元——光電閱讀機的清潔，檢查機械結(jié)構(gòu)部分是否潤滑良好等），哪些部件要定期檢查或更換（如直流伺服電動機電刷和換向器應每月檢查一次）。 2、 應盡量少開數(shù)控柜和強電柜的門 因為在機加工車間的空氣中一般都含有油霧、灰塵甚至金屬粉末。一旦它們落在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的印制線路或電器件上，容易引起元器件間絕緣電阻下降，甚至導致元器件及印制線路的損壞。有的用戶在夏天為了使數(shù)控系統(tǒng)超負荷長期工作，打開數(shù)控柜的門來散熱，這是種絕不可取的方法，最終會導致數(shù)控系統(tǒng)的加速損壞。正確的方法是降低數(shù)控系統(tǒng)的外部環(huán)境溫度。因此，應該有一種嚴格的規(guī)定，除非進行必要的調(diào)整和維修，不允許隨便開啟柜門，更不允許在使用時敞開柜門。 3、 定時清掃數(shù)控柜的散熱通風系統(tǒng) 應每天檢查數(shù)控系統(tǒng)柜上各個冷卻風扇工作是否正常，應視工作環(huán)境狀況，每半年或每季度檢查一次風道過濾器是否有堵塞現(xiàn)象。如果過濾網(wǎng)上灰塵積聚過多，需及時清理，否則將會引起數(shù)控系統(tǒng)柜內(nèi)溫度高（一般不允許超過55℃），造成過熱報警或數(shù)控系統(tǒng)工作不可靠。 4、 經(jīng)常監(jiān)視數(shù)控系統(tǒng)用的電網(wǎng)電壓 本次畢業(yè)設(shè)計數(shù)控系統(tǒng)欲采用FANUC公司生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)，允許電網(wǎng)電壓在額定值的85%～110%的范圍內(nèi)波動。如果超出此范圍，就會造成系統(tǒng)不能正常工作，甚至會引起數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部電子部件損壞。 5、 定期更換存儲器用電池 FANUC公司所生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的存儲器有兩種： (1)不需電池保持的磁泡存儲器。 (2)需要用電池保持的CMOS RAM器件，為了在數(shù)控系統(tǒng)不通電期間能保持存儲的內(nèi)容，內(nèi)部設(shè)有可充電電池維持電路，在數(shù)控系統(tǒng)通電時，由+5V電源經(jīng)一個二極管向CMOS RAM供電，并對可充電電池進行充電；當數(shù)控系統(tǒng)切斷電源時，則改為由電池供電來維持CMOS RAM內(nèi)的信息，在一般情況下，即使電池尚未失效，也應每年更換一次電池，以便確保系統(tǒng)能正常工作。另外，一定要注意，電池的更換應在數(shù)控系統(tǒng)供電狀態(tài)下進行。 6、 數(shù)控系統(tǒng)長期不用時的維護 為提高數(shù)控系統(tǒng)的利用率和減少數(shù)控系統(tǒng)的故障，數(shù)控機床應滿負荷使用，而不要長期閑置不用，由于某種原因，造成數(shù)控系統(tǒng)長期閑置不用時，為了避免數(shù)控系統(tǒng)損壞，需注意以下兩點： (1)要經(jīng)常給數(shù)控系統(tǒng)通電，特別是在環(huán)境濕度較大的梅雨季節(jié)更應如此，在機床鎖住不動的情況下（即伺服電動機不轉(zhuǎn)時），讓數(shù)控系統(tǒng)空運行。利用電器元件本身的發(fā)熱來驅(qū)散數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的潮氣，保證電子器件性能穩(wěn)定可靠，實踐證明，在空氣濕度較大的地區(qū)，經(jīng)常通電是降低故障率的一個有效措施。 (2)數(shù)控機床采用直流進給伺服驅(qū)動和直流主軸伺服驅(qū)動的，應將電刷從直流電動機中取出，以免由于化學腐蝕作用，使換向器表面腐蝕，造成換向性能變壞，甚至使整臺電動機損壞。 1.2 家用銑床機械零件的失效形式及設(shè)計計算準則 機械零件喪失預定功能或預定功能指標減低至許用值以下的現(xiàn)象，稱為機械零件的失效。機械零件設(shè)計時必須根據(jù)零件的失效形式分析其失效原因，提出防止或減輕失效的措施，根據(jù)不同的失效形式得出不同的設(shè)計計算準則。 1.2.1 失效形式 主要的失效形式大致上有以下幾種： 1、 斷裂 機械零件的斷裂通常有以下兩種情況： （1）、零件在外載荷的作用下，某一危險截面上的應力超過零件的強度極限時將發(fā)生斷裂。 （2）、零件在循環(huán)交變應力的作用下，危險截面上的應力超過零件的疲勞強度而發(fā)生疲勞斷裂。 2、 過大的變形 當零件的應力超過材料屈服極限時，零件將發(fā)生塑性變形，使零件的尺寸和形狀改變，破壞各零件的相對位置和配合，使機器不能正常工作。 3、 表面失效 （1）、在過大的表面接觸應力作用下，可能造成零件的表面失效，有如下幾種形式： 1）、膠合失效（又稱粘著磨損） 2）、點蝕失效（又稱疲勞磨損） 3）、磨損失效（又稱磨粒磨損） 4）、塑性變形 （2）、壓潰 面接觸的零件，在外載荷作用下，接觸表面因互相擠壓作用將產(chǎn)生擠壓應力。 （3）、腐蝕失效 多產(chǎn)生在化學腐蝕物質(zhì)的接觸和作用下而造成表面腐蝕失效。 （4）、破壞正常工作條件引起的失效 有些零件只有在一定的工作條件下才能正常工作，否則就會引起失效，如帶傳動因過載發(fā)生打滑，使傳動不能正常工作，但帶本身未發(fā)生疲勞失效等。 1.2.2 設(shè)計計算準則 同一零件對于不同失效形式的承載能力也各不相同。根據(jù)不同的失效原因建立起來的工作能力的判定條件，稱為設(shè)計計算準則。零件設(shè)計時的主要計算準則有： 1、強度準則 強度是零件必須首先滿足的基本計算準則。強度是指零件在載荷作用下抵抗斷裂，塑性變形及表面失效（磨粒磨損、腐蝕除外）的能力。強度可分為整體強度和表面強度（接觸和擠壓強度）兩種。 整體強度的計算準則為：零件在危險截面處的最大應力σ、τ不應超過零件的許用應力[σ][τ]，即 σ≤[σ] τ≤[τ] 另一種表達形式為：危險截面處的實際安全系數(shù)S應大于或等于許用安全系數(shù)[S]，即 S≥[S] （1）、許用應力 1）、靜壓力下，[σ]= σB/S或[σ]= σs/S,式中σB為強度極限，σs為屈服極限，S為安全系數(shù)。根據(jù)不同的工況，選用σB或σs。 2)、變應力下，當零件中應力為變應力時，由于其失效除與材料性質(zhì)、熱處理和使用條件等因素有關(guān)外，還與零件形狀（不同形狀的應力集中不同）、尺寸、表面狀態(tài)、要求的壽命以及工作的重要性等因素有關(guān)，故在計算其許用應力時，應在其計算公式中考慮。 對許用切應力[τ]，上述關(guān)系式概念上亦適用。 （2）、強度計算內(nèi)容 在強度計算中，一般有兩種計算形式：①設(shè)計計算，可求出零件的主要幾何參數(shù)；②校核計算，判斷是否符合強度條件。 2、剛度準則 剛度是指零件受載后抵抗彈性變形的能力，其設(shè)計計算準則為：零件在載荷作用下產(chǎn)生彈性變形量應小于或等于機器工作性能允許的極限值，其表達式為 撓度 Y≤[Y] 偏轉(zhuǎn)角 θ≤[θ] 扭轉(zhuǎn)角 φ≤[φ] 3、耐磨性標準 耐磨性是指零件抗磨損的能力。設(shè)計時應使零件的磨損量在預定限度內(nèi)，并部超過允許量。通過對接觸表面的正壓力p與pv值等參數(shù)的計算，使其小于許用值，即零件的耐磨性合格，用公式表示為 p≤[p] pv≤[pv] 4、熱平衡準則 零件工作時因摩擦產(chǎn)生過多的熱量導致潤滑劑失去作用，從而使零件不能正常工作。熱平衡準則是：根據(jù)熱平衡條件，工作溫度t不應超過許用工作溫度[t],即 t≤[t] 5、可靠性準則 可靠性用可靠度表示。零件的可靠度用零件在規(guī)定的使用條件下，在規(guī)定的時間內(nèi)能正常工作的概率來表示，即用在規(guī)定的壽命時間內(nèi)能連續(xù)工作的件數(shù)占總件數(shù)的百分比表示。如有NT個零件，在預期壽命內(nèi)只有NS個零件能連續(xù)正常工作，則其系統(tǒng)的可靠度為 R=NT/NS 1.3軸的基本設(shè)計 通常現(xiàn)場對于一般軸的設(shè)計方法有類比法和設(shè)計計算法兩種。 1.3.1類比法 這種方法是根據(jù)軸的工作條件，選擇與其相似的軸進行類比及結(jié)構(gòu)設(shè)計，畫出軸的零件圖。用類比法設(shè)計軸一般不進行強度計算。由于完全依靠現(xiàn)有資料及設(shè)計者的經(jīng)驗進行軸的設(shè)計，設(shè)計結(jié)果比較可靠、穩(wěn)妥，同時又可加快設(shè)計進程，因此類比法較為常用，但有時這種方法也會帶有一定的盲目性。 1.3.2設(shè)計計算法 用設(shè)計計算法設(shè)計軸的一般步驟為： (1)根據(jù)軸的工作條件選擇材料，確定許用應力。 (2)按扭轉(zhuǎn)強度估算出軸的最小直徑。 (3)設(shè)計軸的結(jié)構(gòu)，繪制出軸的結(jié)構(gòu)草圖。具體內(nèi)容包括以下幾點： 1)根據(jù)工作要求確定軸上零件的位置和固定方式； 2)確定各軸段的直徑； 3)確定各軸段的長度； 4)根據(jù)有關(guān)設(shè)計手冊確定軸的結(jié)構(gòu)細節(jié)，如圓角、倒角、退刀槽等的尺寸。 (4)按彎扭合成進行軸的強度校核。一般在軸上選取2～3個危險截面進行強度校核。若危險截面強度不夠或強度裕度太大，則必須重新修改軸的結(jié)構(gòu)。 (5)修改軸的結(jié)構(gòu)后再進行校核計算。這樣反復交替地進行校核和修改，直至設(shè)計出較為合理的軸的結(jié)構(gòu)。 （6)繪制軸的零件圖。 需要指出的是： (1) 一般情況下設(shè)計軸時不必進行軸的剛度、振動、穩(wěn)定性等校核。如需進行軸的剛度校核時，也只作軸的彎曲剛度校核。 (2) 對用于重要場合的軸、高速轉(zhuǎn)動的軸應采用疲勞強度校核計算方法進行軸的強度校核。具體內(nèi)容可查閱機械設(shè)計方面的有關(guān)資料。 1.4 軸的強度計算 1.4.1軸的扭轉(zhuǎn)強度計算 開始設(shè)計軸時，通常還不知道軸上零件的位置及支點位置，無法確定軸的受力情況，只有待軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計基本完成后，才能對軸進行受力分析及強度、剛度等校核計算。因此，一般在進行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計前先按純扭轉(zhuǎn)受力情況對軸的直徑進行估算。 設(shè)軸在轉(zhuǎn)矩T的作用下，產(chǎn)生剪應力τ。對于圓截面的實心軸，其抗扭強度條件為 …………………………（1.1） 式中T軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩，單位為N·mm；WT為軸的抗扭截面系數(shù)，單位為m m3 P為軸所傳遞的功率，單位為kW；n為軸的轉(zhuǎn)速，單位為r／min；r，[r]分別為軸的剪應力、許用剪應力，單位為MPa;d為軸的估算值徑，單位為mm …………………………（1.2） 常用材料[r]值、c值。[r]值、c值的大小與軸的材料及受載情況有關(guān)。當作用在軸上的彎矩比轉(zhuǎn)矩小，或軸只受轉(zhuǎn)矩時:τ值取較大值、C值取較小值;否則相反。 表1.1 常用材料的[]值和C值 由式(1．2)求出的直徑值，需圓整成標準直徑，并作為軸的最小直徑。如軸上有一個鍵槽。 可將算得的最小直徑增大3％～5％，如有兩個鍵槽可增大7％～10％。 1.4.2 軸的彎扭合成強度計算 完成軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計后，作用在軸上外載荷(轉(zhuǎn)矩和彎矩)的大小、方向、作用點、載荷種類及支點反力等就已確定，可按彎扭合成的理論進行軸危險截面的強度校核。 進行強度計算時通常把軸當作置于鉸鏈支座上的梁，作用于軸上零件的力作為集中力，其作用點取為零件輪轂寬度的中點。支點反力的作用點一般可近似地取在軸承寬度的中點上。具體的計算步驟如下： (1)畫出軸的空間力系圖。將軸上作用力分解為水平面分力和垂直面分力，并求出水平面和垂直面上的支點反力。 (2)分別作出水平面上的彎矩(MH)圖和垂直面上的彎矩(MV)圖。 (3)計算出合成彎矩，繪出合成彎矩圖。 (4)作出轉(zhuǎn)矩圖。 (5)計算當量彎矩。，繪出當量彎矩圖。 式中a為考慮彎曲應力與扭轉(zhuǎn)剪應力循環(huán)特性的不同而引入的修正系數(shù)。通常彎曲應力為對稱循環(huán)變化應力，而扭轉(zhuǎn)剪應力隨工作情況的變化而變化。對于不變轉(zhuǎn)矩取a=[σ-1b]／[σ+1b]≈O．3；對于脈動循環(huán)轉(zhuǎn)矩取a=[σ-1b]／[σ+1b]≈0 6；對于對稱循環(huán)轉(zhuǎn)矩取a=1。其中[σ-1b]、[σ0b]、[σ+1b]分別為對稱循環(huán)、脈動環(huán)及靜應力狀態(tài)下的許用彎曲應力，其值列于表1. 2中。對正反轉(zhuǎn)頻繁的軸，可將轉(zhuǎn)矩r看成是對稱循環(huán)變化=當不能確切知道載荷的性質(zhì)時，一般軸的轉(zhuǎn)矩可按脈動循環(huán)處理： (6)校核危險截面的強度。 根據(jù)當量彎矩圖技出危險截面，進行軸的強度校核，其公式如下： ……………………（1.3） 式中W為軸的抗彎截面系數(shù)．單位為mm3；M、T、Me的單位均為N·mm；d的單位為mm；σe為當量彎曲應力，單位為MPa。 表1.2 軸的許用應力 1.4.3 軸的剛度計算 軸受載荷的作用后會發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)變形，如變形過大會影響軸上零件的正常工作，例如愛有齒輪的軸，如果變形過大會使嚙合狀態(tài)惡化。因此對于有剛度要求的軸必須要進行軸的剛i校核計算。軸的剛度有彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度兩種，n面分別討論這兩種剛度的計算方法。 1、 軸的彎曲剛度校核計算 應用材料力學的計算公式和方法算出軸的撓度y或轉(zhuǎn)角自，并使其滿足下式 式中[y]、[θ]分別為許用撓度和許用轉(zhuǎn)角，其值列于表1. 3中。 2、 軸的扭轉(zhuǎn)剛度計算 應用材料力學的計算公式和方法算出軸每米的扭轉(zhuǎn)角φ，并使其滿足下式 φ≤[φ] 式中[φ]為軸每米長的許用扭轉(zhuǎn)角。一般傳動的[φ]值列表1.3中 表1.3 軸的許用應力變形量 圖1.1 軸的彎矩圖 3、 軸的校核： 軸的剪應力為： τ=T/WT=9.55×106P/(0.2d3n) 式中 P=0.3kw d=12mm n=200r/min τ=(9.55×106×0.3)/(0.2×123×200) τ= 41.45Pa 根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，滿足使用強度。 1.5 軸的材料及選擇 軸的材料主要采用碳素鋼和合金鋼：軸的毛坯一毀采用碾壓件和鍛件，很少采用鑄件。由于碳素鋼比合金鋼成本低，且對于應力集中的敏感性較小，所以得到廣泛的應用。常用的碳素鋼有30、40、45鋼等，其中最常用的為45鋼：為保證軸材料的機械性能，應對軸材料進行調(diào)質(zhì)或正火處理。軸受載荷較小或用于不重要的場合時．可用普通碳素鋼(如Q235A、Q275等)作為軸的材料。合金鋼具有較高的機械性能，可淬火性也較好．可以于傳遞大動力、要求減輕軸的重量和提高軸頸耐磨性時采用，如20Cr、40Cr等,軸也可以采用合金鑄鐵或球墨鑄鐵制造．其毛坯是鑄造型的．所以易于得到更合理的形狀。合金鑄鐵和球墨鑄鐵的吸振性高，可用熱處理方法提高材料的耐蝕性．材料對應力集中的敏感性也較低。但是鑄造軸的質(zhì)量不易控制，可靠性較差。 軸的常用材料及其部分機械性能見表1．4。 表1.4 軸的常用材料及部分機械性能 經(jīng)查表可確定，本次設(shè)計所需主軸材料為 45 鋼。 2 結(jié)構(gòu)設(shè)計計算 2.1 切削力的計算 在銑削過程中，銑刀上所有參與切削的各切削部分所產(chǎn)生的總切削力的合力，稱為切削力，用符號F表示。 通常把切削力分解成三個分力： 主切削力 Fc 總切削力在主運動方向上的正投影。 背向力 Fp 總切削力在垂直于工作平面上的分力。 進給力 Ff 總切削力在進給運動方向上的正投影。 在以上三個分力中，主切削力Fc消耗動力最多，是計算切削功率和零件強度的主要依據(jù)。 主切削力常用金屬材料的單位切削力來近似計算。在實際生產(chǎn)中，為了方便起見，常用下列計算式近似計算主切削力Fc …………………………………………………2.1 式中 P—單位切削力 （N/mm2） f —每轉(zhuǎn)進給量 （mm/r） ap—背吃刀量 （mm） 摘取《機械設(shè)計手冊》可得： 表2.1 常用金屬材料的單位切削力（N/ mm2） 類別 材料 牌號 單位切削力P 鑄造合金 鑄造錫青銅 ZCuSn5Pb5Zn5 700 鑄造鋁合金 ZAlCu5Mn 720 根據(jù)設(shè)計要求ap=5mm，每轉(zhuǎn)進給量f=1.0mm/r，銑床材料為鋁合金，取 P=720 N/ mm2 則，主切削力 ………………………………………………………2.2 Fc =720*1*5（N） = 3600 （N） 2.2 切削功率的計算 同一瞬間切削刃基點上的主切削力與切削速度的乘積，稱為切削功率，用符號Pc表示，單位為：Kw。 切削功率Pc的計算公式如下： ………………………………………………2.3 式中 Fc — 主切削力 （N） Vc — 切削速度 （m/min） 因為切削時，在Fp方向上的運動速度等于零，在Ff方向上的運動速度也很小，故Fp和Ff消耗功率很少，約占總功率的1%~2%，所以在上式（2.3）中可略去不計。 根據(jù)設(shè)計要求，vc=5m/min，F(xiàn)c=3600N， 則 切削功率： = 0.3 kW 2.3 高速鋼立銑刀銑削用量及功率 根據(jù)龍門式家用數(shù)控銑床設(shè)計要求： 銑削深度ap≤5mm、刀具直徑d0=ae≤8mm、刀具齒數(shù)Z取3。 查《機械加工工藝手冊》選取其中部分表格2.2。可知： 表2.2 V(m/s) Pm(Kw) 耐用度 T*103(S) Do/z Ae(mm) Af(mm/z) Ap(mm) 5 10 15 20 30 v pm v pm v pm v pm v pm 2.7 8/3 8 0.008 0.78 0.23 0.73 0.44 - - - - - - V=0.78m/s, Pm=0.23Kw 故，選擇電動機功率應 P≥0.23Kw。 又，根據(jù)切削要求，刀具直徑d0=8mm，銑削速度vc=5m/min，查《新編銑工計算手冊》劉承啟編著，有： …………………………………………2.4 代入數(shù)值，則有： =199.045r/min 取n=200r/min 2.4 絲杠選擇 2.4.1 螺距的確定 根據(jù)機床設(shè)計要求，銑床其切削進給速度為500mm/min，絲杠轉(zhuǎn)速選擇為100r/min。 則根據(jù)螺距計算公式： P=v/n………………………………………2.5 有： P=v/n=500/100=5mm/r 2.4.2 根據(jù)螺距選擇直徑 計算出絲杠螺距P=5mm,根據(jù)強度要求，選擇絲杠直徑為12mm。 2.5 導軌設(shè)計計算及選擇 2.5.1 導軌撓度的計算 1、龍門式家用數(shù)控銑床的Y方向?qū)к壠鸪兄刈饔?，故只需計算并校核Y方向?qū)к墦隙茸冃问欠穹显O(shè)計要求。 假設(shè)龍門式家用數(shù)控銑床Y方向?qū)к壍淖灾厥羌葹閝的均布載荷，主軸電機和主軸頭塊重力P為作用于跨度中點的集中力（當重力集中于中心位置時撓度變形量最大）。分析可知，導軌撓度變形是由于均布載荷q和集中力P共同引起的。在均布載荷q單獨作用下，導軌跨度中點C的撓度可由《簡明材料力學》中表7.1的第7欄查出為： ……………………………………2.6 在集中力P單獨作用下，導軌跨度中點C的撓度由表7.1的第5欄查出為： ……………………………………2.7 疊加以上結(jié)果，求得在q、P兩種載荷共同作用下，導軌跨度中點的撓度是： …………………………2.8 其中：l為簡支梁跨距，設(shè)計中l(wèi)=0.18m，查表得45鋼EI=210GPa，均布載荷q= 112N/m,集中力P=50N。代入公式（2.4）求得（fc）： （fc）= 0.000028928571429+0.00000729 = 0.0000289 +0.00000729 = 0.00003619 滿足設(shè)計要求[f]≤l/500=0.00036 。 2.5.2 導軌的選擇 根據(jù)設(shè)計計算要求，滑動導軌滿足其使用要求。如圖2.1例導軌，選用直線滑動導軌。 圖2.1 直線滑動導軌 2.6 步進電機的計算和選用 選用步進電機時，必須首先根據(jù)機械結(jié)構(gòu)草圖計算機械傳動裝置及負載折算到電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量，分別計算各種工況下所需的等效力矩，再根據(jù)步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩和啟動、運行矩頻特性選擇合適的步進電機。 2.6.1 轉(zhuǎn)動慣量計算 1）、軸、絲杠等圓柱體慣量計算。 圓柱體轉(zhuǎn)動慣量： ……………………………2.9 對于鋼材： …………2.10 式中：M——圓柱體質(zhì)量 （Kg） D——圓柱體直徑 （cm） L——圓柱體長度或厚度 （cm） R——材料比重（N/cm3）,r=PG P——材料密度（kg/cm3）,鋼材的密度=7.8 g——重力加速度 g=980cm/s 2.6.2 電動機力矩的計算 電動機的負載力矩再各種情況下時不同的，下面分快速空載起動時所需力矩，快速進給時所需力矩，最大切削負載時所需力矩等幾部分列出其計算方法。 （1）、快速空載啟動時所需力矩Mq。 Mq=Mamax+Mf+Mo…………………………2.11 式中：Mq——快速空載起動力矩（Ncm）； Mamax——空載起動時折算到電機軸上的加速力矩（Ncm）； Mf——折算到電機軸上的摩擦力矩（Ncm）； Mo——由于四缸預緊時折算到電機軸上的附加摩擦力矩（Ncm）。 （2）、快速進給時所需力矩Mk。 Mk=Mf+Mo……………………………………2.12 因此時運動部件已啟動，故不包含Mamax，顯然Mk＜Mq。 （3）、最大且學負載時所需力矩Mj。 Mj=Mf+Mo+Mt…………………………………2.13 式中：Mt——折算到電機軸上的切削負載力矩（Ncm）。 2.6.3 步進電機的選擇 目前，經(jīng)濟型數(shù)控機床中多采用反應式步進電機，其技術(shù)參數(shù)可見《機電一體化設(shè)計手冊》相關(guān)圖表。 本次設(shè)計采用南京機械?？茖W院教學設(shè)備《立柱式模擬數(shù)控銑床》。在原有設(shè)備基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新設(shè)計，使新設(shè)計設(shè)備比原有設(shè)備精度和剛度都有大幅提高。 因其只進行了結(jié)構(gòu)改動，故采用原有步進電機型號。 其具體數(shù)據(jù)為： 主軸電機選用《稀土寬調(diào)速直流伺服測速機組》，該電機參數(shù)為： 型 號： 60syr 額定轉(zhuǎn)矩：9.1N·M 最高電壓：30V 最高轉(zhuǎn)速：5000r/min 工作電流：1.12A X軸、Y軸、Z軸絲杠進給驅(qū)動電機選擇同組電機，以方便安裝數(shù)控系統(tǒng)。該電機參數(shù)有： TYPE 57BYG 060-01 2.6V/ PHASE(相) 2.0A/ PHASE 1.3Ω/ PHASE 1.8DEG(度)/STEP（步） 結(jié) 論 本設(shè)計說明書介紹了龍門式數(shù)控銑床機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計簡介，從銑床結(jié)構(gòu)的確定、零部件的設(shè)計、電動機的選型以及導軌的強度計算等，簡明扼要地敘述了設(shè)計過程。龍門結(jié)構(gòu)被廣泛應用于工程機械和起重傳輸設(shè)備中，具有較高的強度、穩(wěn)定性和工作精度。因其良好的工作性能，設(shè)計制造出龍門式家用數(shù)控銑床保證了加工精度，為工程和實驗室設(shè)計提供便捷的加工機械。提高設(shè)計水平，降低勞動強度。希望本設(shè)計說明書能對實際生產(chǎn)有一定幫助，能為設(shè)備改進、技術(shù)革新、生產(chǎn)率提高做出貢獻。 本次龍門式家用數(shù)控模擬銑床設(shè)計是結(jié)合教學實訓要求，設(shè)計的簡單易學，具有教學實驗功能的簡易數(shù)控銑床。其結(jié)構(gòu)參考南京機械?？茖W校教學設(shè)備《立柱式模擬數(shù)控銑床》。在原有設(shè)備基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新設(shè)計，使新設(shè)計設(shè)備比原有設(shè)備精度和剛度都有大幅提高。 同時通過本次畢業(yè)設(shè)計，從中總結(jié)出了機械工程行業(yè)基本設(shè)計理念，初步懂得了設(shè)計的基本步驟。為以后步入社會，從事機械行業(yè)打下了堅實的基礎(chǔ)。 本設(shè)計應用于實際生產(chǎn)時也許會有紕漏，不能溶于生產(chǎn)的情況發(fā)生，設(shè)計者會集眾人之意見，對本設(shè)計說明書作必要的改動及完善，同時也感謝讀者的支持，并提出寶貴意見與建議。 致 謝 尊敬的各位老師： 首先，我要感謝學校在這大學四年生活中給予我多方的指導和幫助，使我成為一名合格的大學本科畢業(yè)生。同時，我也要感謝在這四年生活中曾給我諸多方面無微不至關(guān)懷的各位各位領(lǐng)導、各位老師，尤其是我的畢業(yè)設(shè)計導師，讓我在困難中勇往直前。在本次畢業(yè)設(shè)計中，我得到了各位專業(yè)課老師、基礎(chǔ)課老師及工廠師傅的細心指導和熱情幫助，使我能夠順利完成畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容。這與各位老師的不辭辛苦、認真耐心、詳細周全的指導是密不可分的，所以在此我衷心向各位老師道一聲：“各位老師，你們辛苦了！”我還要向在畢業(yè)設(shè)計中給予我無私幫助的同學們道一聲感謝。在學校的最后一次設(shè)計中，能夠跟同學緊密的協(xié)作，極大地鍛煉了與同學相互配合的團結(jié)協(xié)作能力，為以后步入工作崗位備下了堅實的契機。 在生產(chǎn)加工過程中，使我發(fā)現(xiàn)了圖紙設(shè)計過程中的許多疵漏。并在工廠師傅的幫助下得到及時糾正。對在此次設(shè)計加工中幫助過我的表示衷心的感謝。 最后，我再一次向?qū)W校以及各位評審老師，指導老師謹表我最深切的敬意和由衷的感謝。 謹祝：各位老師身體健康，工作順利，萬事如意。 參考文獻 [1] 謝家瀛.組合機床設(shè)計簡明手冊.機械工業(yè)出版社.2008 [2] 吳宗澤，羅圣國.機械設(shè)計課程設(shè)計手冊.第3版.高等教育出版社.2006 [3] 李洪.機械加工工藝手冊.北京出版社.1990 [4] 韓步愈.金屬切削刀具設(shè)計指導資料.第1版.寧夏人民出版社.1987 [5] 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