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类型汽车发动机凸轮轴磨床工作台与专用夹(头架、尾架)设计.doc

  • 上传人:wo7103235
  • 文档编号:6274188
  • 上传时间:2019-04-03
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    1、1毕 业 设 计题 目:汽车发动机凸轮轴磨床工作台与专用夹(头架、尾架)设计姓 名:专 业: 机电班 级:学 号:校内指导老师:校外指导老师:填表日期: 湘潭医卫职业技术学院教务处制湘 潭 医 卫 职 业 技 术 学 院 2毕业设计作品二 级 学 院 医电学院 专 业 机电 班 级姓 名 学 号 校内指导老师毕业设计名称 汽车发动机凸轮轴磨床工作台与专用夹(头 架、尾架)设计 校外指导老师毕业设计时间 前 言发动机凸轮轴是影响汽车发动机整体性能的重要零件。凸轮轴主要由凸轮、支承轴颈、轴颈等几部分组成。凸轮轴主轴颈是整个凸轮轴零件的加工和使用的基准,其加工质量和效率直接影响发动机的使用性能和制造

    2、成本。本文介绍了国内外凸轮轴磨床的发展现状及其趋势,凸轮轴磨削技术的发展,传统机械仿形法以及切点跟踪磨削法。阐述了切点跟踪磨床设计的总体方案,分析总结汽车发动机凸轮轴加工磨床的总体结构以及 X-C 轴凸轮轴磨削加工过程的原理。着重研究了凸轮轴磨床机床工作台与专用夹具(头架、尾架) ,确定头架转速及工作台相关参数,提高凸轮轮廓的加工精度。关键词:凸轮轴;机床工作台;头架;尾架3AbstractThe engine is the camshaft affect auto engine performance of the major parts. The camshaft mainly by th

    3、e CAM, supporting shaft neck, shaft neck a few parts. The main journal is the camshaft camshaft parts processing and use of the benchmark, the processing quality and efficiency directly influence the engine performance and the manufacturing cost. This paper introduces the current situation of the de

    4、velopment of the domestic and foreign camshaft grinding machine and its trend, the camshaft grinding technology development, the traditional mechanical nc-copy method and enjoyed tracking grinding method. Expounds the tracking grinder enjoyed the overall scheme of the design, the analysis of the aut

    5、omobile engine camshaft processing grinding machine with the overall structure and X-C shaft grinding machining process of the camshaft principle. This paper studies the camshaft the machine table grinder with special jig (head frame, tail frame), to determine the speed and head frame relevant param

    6、eters, improve the machining precision of the CAM contour.Keywords:camshaft;The machine table;Head frame;Tail frame4目 录目 录 VI第一章 绪 论 11.1 课题背景 11.2 凸轮轴磨削技术发展概述 11.2.1 传统凸轮轴磨削加工方法 11.2.2 切点跟踪法磨削凸轮轴 31.3 凸轮轴磨床的发展现状及发展趋势 41.3.1 国外凸轮轴磨床的发展状况 41.3.2 国内凸轮轴磨床的发展状况 5第二章 切点跟踪凸轮轴磨床的总体方案 72.1 凸轮轴加工难点 72.2 切点跟踪

    7、法磨削凸轮轴的基本原理 82.3 凸轮轴磨床总体布局设计 92.3.1 机床设计的基本要求 92.3.2 凸轮轴初步估计组成部分 92.3.3 总体布局初步设计 102.4 磨床的技术参数 102.4.1 磨床的主要参数 112.4.2 磨床的一般技术参数 11第三章 凸轮轴磨床机床工作台设计 123.1 凸轮轴磨床机床工作台的基本要求 133.2 凸轮轴磨床工作台设计 133.2.1 总体方案的确定 133.2.2 工作台尺寸及其相关参数 133.2.3 滚动导轨的参数确定 143.4 工作台步进电机的选用 14第四章 凸轮轴磨床夹具系统设计 154.1 机床夹具的分类、基本组成和功用 16

    8、4.1.1 机床夹具的分类及其基本组成 164.1.2 机床夹具的功用 164.2 凸轮轴夹具设计的特点 174.3 磨床头架设计的基本要求 174.4 磨床头架主轴系统的设计 184.5 头架转速的确定 194.6 中心高的确定 204.7 顶尖 204.8 磨床头架其他相关尺寸的确定 204.9 磨床头架传动系统的设计 2154.10 定位基准的选择 224.11 尾架相关尺寸的确定 22第五章 总结与展望 22参考文献 23感 谢 256第一章 绪 论1.1 1.1 课题背景所有汽车工业是世界上许多发达国家的支柱性产业。随着我过综合国力的逐渐增强,我国汽车工业尤其是轿车工业得到了极大的发

    9、展,产品品种增长迅速、质量稳步提升、国产化程度显著提高。凸轮轴作为汽车发动机的关键零件之一,是影响发动机整体性能的重要零件。凸轮轴主轴颈、轴端的精密磨削加工一般都由普通外圆磨床分多工序加工,加工效率低,加工精度不高。凸轮轴又是一种非圆磨削工件,其加工余量大,且材料难磨,对磨削精度和生产效率要求都很高,工作难度比较大,不能满足现在汽车工业快速发展的需要。1.2 1.2 凸轮轴磨削技术发展概述1.3 1.2.1 传统凸轮轴磨削加工方法磨削是用有磨粒的工具对工件进行加工的方法。作为一种重要的精加工方法,在机械制造业中占有极其重要的地位。普通的磨削方法也同时存在效率低、使用价格昂贵等不足之处,这极大的

    10、阻碍了磨削的发展,限制了磨削的应用范围。但是磨削同其他的加工方法相比,具有加工精度高、获得的表面质量好等优点。传统的凸轮轴磨削加工方法采用的是机械仿形法,其加工原理如图 1.2.1 所示。凸轮(工件)和靠模固定装配在一起,绕头架主轴中心 同步回转,在靠模的驱动下,摇架以及装O在摇架上的工件和靠模均绕摆动中心 作往复摆动,砂轮作切入运动,1回转和摆动两个运动合成,生成了凸轮的型面 。17图 1.2.1 仿形凸轮轴磨床的工作原理1-靠模;2-工件;3-砂轮;4-摇架;5-导轮凸轮轴由于表面轮廓型线复杂,对磨削精度和生产效率要求都很高。传统的凸轮轴磨削加工方法基本上都是采用砂轮加上靠模仿形的磨削工艺

    11、完成加工制作的,然而传统的加工凸轮轴方法还存在如下一些问题:当采用靠模加工方法,由于靠模制造精度的影响,以及动态补偿 1措施的落后,使得凸轮型线的精度很难达到高精度要求。采用普通砂轮进行磨削加工,因为在磨削的过程中砂轮的径向磨 2损使得砂轮半径随着加工过程在不断减小,而且会随着加工时间减小的越来越多,这就使得理论计算的磨削点和实际磨削点的位置造成偏差,从而就很难保证凸轮轴零件的型线加工精度;靠模制造困难,想要制造高精度凸轮轴就必须要有高精度的靠模 3样板,故需要更高精度的数控坐标磨床才能加工出来。而当零件变更时,就必须重新制造靠模样板,这样就使得产品改型周期长,这样以来就难以保证多品种、小批量

    12、零件加工的高效率和高柔性要求;经过长期加工后,靠模容易磨损,加工的时候,靠模的尺寸发生 4变化,这样便会影响零件的加工质量,并且难以实现高速加工。综合经济效益不高,普通砂轮的耐用度和使用寿命低,需要频繁 5修正或更换,使得修正工具加快损耗,辅助时间和劳动强度大大增加,既影响生产效率又增加生产成本。此外,砂轮用量大,其质量波动也形象了磨削工艺的稳定性。8随着数控技术的发展,磨削点恒线速运动的磨削原理在仿形凸轮轴磨床上得到了应用,数控仿形凸轮轴磨床仍然是凸轮轴磨削加工的主要设备。仿形凸轮轴磨床价格低廉,应用广泛,但是磨削精度受到靠模精度的限制,凸轮轮廓磨削精度很难提高,只能应用在精度要求不高的场合

    13、。更不方便的是,在加工不同类型的凸轮轴时,必须根据每个凸轮轴的数据制作专用的靠模,大大增加了辅助时间和劳动强度,安装调试也比较麻烦。1.3.1 1.2.2 切点跟踪法磨削凸轮轴它的工作原理就是通过控制工件的旋转运动(C 轴)和砂轮横向进给运动(X 轴) ,使砂轮外圆与工件的被加工表面轮廓始终相切,并且使切削厚度始终相同,从而实现偏心圆和非圆表面的加工。切点跟踪法主要用于汽车发动机凸轮轴零件的加工高精度、高效率和高柔性是磨削加工永恒的研究主题,引导着切点跟踪磨削法的研究方向和发展趋势切削点跟踪磨削是随着磨削技术和数控技术(特别是伺服驱动和控制技术)的发展而出现的一种新型工序集中式磨削加工方法,切

    14、点跟踪磨削也叫随动磨削。如图 1.2.2 所示是凸轮轴磨削的装置简图,工件 1 轴向夹持在头架2 与尾架 3 之间,或是夹紧在头架卡盘中。为了防止细长工件在磨削过程中由于磨削力的作用而产生弯曲变形,工件可被支撑在中心架 4 上,C 轴的旋转运动通过夹具 5 传递到工件上。Z 轴为工作台相对砂轮 6 的纵向运动。9图 1.2.2 凸轮轴磨削的装置简图切点跟踪磨削方法克服了现有凸轮轴类零件磨削方式的缺点,在一台磨床上,一次装夹就能完成凸轮轴的磨削,可以消除因为两次装夹而产生的定位误差,更容易保证加工精度,极大的减少了辅助时间。对不同的型号的凸轮轴,又不必设计专用的偏心夹具,只要重新设定相应的几何参

    15、数即可。由切点跟踪磨削法的数学模型生成相应的数控加工代码,便可实现磨削的柔性加工,切点跟踪磨削法具有高精度、高柔性和高效率的特点。1.4 1.3 凸轮轴磨床的发展现状及发展趋势1.4.1 1.3.1 国外凸轮轴磨床的发展状况随着科学技术的迅猛发展,机床朝着工序集中化、自动化突进。凸轮轴磨床也不例外。在各种金属切削机床中,磨床的 NC 和 CNC 进展较慢,80 年代初欧美及日本先后开发 CNC 控制的无靠模凸轮轴磨床,90 年代初开始逐渐商品化。国外较典型的机型有:德国 Schaudlt 公司 CF5 型 CNC磨床,Fourtuna、Werke 公司 FN3CNC 磨床,英国 Bueler

    16、Newall 公司Camtrinic 型 CNC 磨床,日本 3LCNC 磨床等等。现在以英国 Landeis 公司产的价值 50 多万美元的数控凸轮轴磨床为例说明。此磨床的纵向 Z 轴、横向 X 轴、工件回转 C 轴的运动都有数控10系统控制,凸轮的形状是由 X 轴控制的砂轮头架的行程和由 C 轴控制的工件回转角度,两者插补后,在砂轮和工件的接触处产生所需的凸轮形状,并通过 Z 轴将各个凸轮一次移到砂轮所在位置进行磨削加工。该机床有很高的静态和动态稳定性,在 X 轴线(砂轮头架滑板)上采用无爬行的预紧滚柱导轮;在 Z 轴线(纵向工作台)上采用表面涂塑料的导轨,同时采用精密滚柱丝杠及高分辨率的

    17、位移测量系统。上述装置使 X 轴和Z 轴导轨获得很高的位置精度和重复精度、高刚性、低摩擦系数以及很好的减震性能。在各轴的传动中采用精度高、刚度高、寿命长、有很高的动力性能而又不需要维修的三相直流伺服电机驱动。采用一个频率发生器能在砂轮直径改变时使圆周线速度保持不变。同时机床还具有多处理机数控系统,硬件是组合式的多处理机轨迹控制装置,包括微型计算机和可编程序控制器 PC 或群控系统 DNC 连接装置。用户软件是为所磨削的凸轮编制计算程序的操作软件。工件程序输入是通过微机磁盘读入,它包含所有生产工件的集合参数,通过微型计算机完成对加工循环的监控、指令的编排以及砂轮半径每减小 5 毫米时工件程序的自

    18、动修正。通过群控系统 DNC 接口机床的控制可与一台中央计算机相连接,能传送数据程序、加工参数、工具数据及反馈机床和工具状态。计算机数控系统承担全部信息和数据整理、加工和传递。此凸轮轴磨床集精密、柔性、高效于一身,使凸轮轴磨削精加工提高到一个新的水准 。41.4.2 1.3.2 国内凸轮轴磨床的发展状况相比之下,国内数控凸轮轴磨床起步较晚,欠缺投入,因而发展较国外来说慢了很多,但也取得了一些成就。比如湖南大学高校磨削技术工程研究中心经过几十年艰苦研究,研制出了一代代先进的凸轮轴磨床。80 年代初,湖南大学研制了 MXBS8312A 型微机控制高速凸轮轴磨床,该磨床采用传统的样板、导轮磨制成型面

    19、,并通过电器加数显装置实现机床自动控制。通过手动输入的方式对机床横向进给机构及砂轮修整进给实行开环数字程序控制,用定程磨削的方式来保证零件的加工精度,机床具有单循环、双循环两周磨削方式。其后湖南大学又在 MXBS8312A 型微机控制高速凸轮轴磨床的基础上研发了 MKS8312 数控高速凸轮轴磨床。该磨床的最大特点是工件头架能“四点恒线速”变速旋转。由于当时硬件水平限制,还无法实现各点恒线速度。这两种磨床较液压、机械半自动磨床具有操作简便、调整维修方便、加工精度较好、生产效率及自动化程度较高等优点,但仍属于靠11模式凸轮轴磨床,因而无法克服靠模式凸轮轴磨床的原理性缺陷。随着数控技术在磨床上应用

    20、水平的不断提高,国内汽车、拖拉机、轴承、工具、航空、机床等行业迫切要求一种高精度、高效率的数控凸轮轴磨床。为适应市场需求,国家磨削技术中心与湖大海捷制造技术有限公司在 MKS8312 数控高速凸轮轴磨床的基础上,研制开发了我国第一台 CNC8312 数控高速凸轮轴磨床。该磨床是集二十年生产各种型号的凸轮轴磨床之经验,吸取国际先进技术,结合中国国情自行开发研制,是一种与前述机床完全不用的新型机床 。4第二章 切点跟踪凸轮轴磨床的总体方案1.5 2.1 凸轮轴加工难点加工工艺性差 1大部分凸轮轴均属于细长轴类零件,本身刚性较差,磨削时容易产生弯曲变形,并产生磨削震动,影响加工零件尺寸一致性和磨削表

    21、面质量,加工工艺性较差。轮廓型面复杂 2凸轮轴轮廓型面具有多段高次曲线型面,它的升程转角与砂轮半径之间存在非线性关系。 (如图 2.1.1 所示)它一般是由基圆段 1、缓冲段2、加(减)速段 3(4) 、顶圆段 5 等几部分组成。在基圆部,其磨削条件与普通外圆磨削基本相同,但在其他区段,磨削时的情况与普通外圆磨削就有很大差异。由于凸轮轮廓曲线形状的特殊性,它在磨削时各磨削点的移动速度有很大的变化,尤其是在加(减)速段,磨削线速度可达到磨基圆时的几倍,甚至几十倍。12图 2.1.1 凸轮轮廓的组成凸轮表面不同曲线段的硬度分布不一致 3目前大量轿车发动机凸轮轴采用合金冷激铸铁材质。合金冷激铸铁凸轮

    22、轴由于在铸坯时已采取了局部冷激工艺,因此凸轮型面隔各段已具有各不相同的硬质层,不再需要进行热处理就能达到零件表面所需的硬度与强度。一般来说,在凸轮顶端,要求的硬度最高;在挺杆上升段与下降段,硬度次之;在基圆部,硬度要求低。这种硬度结构改善了凸轮轴综合机械性能,有效降低了凸轮轴与挺杆间的摩擦系数。但是这种非均值的硬度结构也给磨削工艺带来了一定的难度。加工表面容易产生波纹 4由于凸轮轴属于长轴类零件,变化的磨削力容易引起磨削震动,加上凸轮轴本省刚性差则会使这种情况越加严重,其后果则是在磨削表面产生直线波纹。加工精度要求越来越高 5随着汽车工业的迅猛发展,节能环保日益成为人们关注的焦点。新的凸轮轴设

    23、计标准对加工设备提出了更高的要求,凸轮轴的加工精度的高低直接影响到发动机的质量、寿命、废弃排放和节能。因而,对发动机的关键零件凸轮轴的制造精度的要求也越来越高。磨削容易发生磨削烧伤 6磨削加工大部分磨粒是以负前角方式进行切削,对材料的挤压作用明显,随着磨削速度的提高、磨削表面层会有更高的温升,切削区的瞬时温度有时可以达到一千度以上,从而产生磨削烧伤。在凸轮轴磨削时,由于两侧加(减)速段磨削速度最高、材料硬度又最硬,且由于该区段加工时凸轮轮廓形状原因导致冷却液不容易进入切削区,因此最容易发生磨削烧伤。131.1 2.2 切点跟踪法磨削凸轮轴的基本原理凸轮轴的切点跟踪磨削加工方法是利用计算机数控(

    24、CNC)技术,按照凸轮轮廓形状编制相应的数控程序控制砂轮的横向跟踪进给(X 轴)和工件回转(C 轴)的联动运动来加工凸轮的轮廓形状(如图 2.2.1 所示) 。这种全数控性的凸轮轴磨削加工方法在凸轮产品换型时只需改变数控程序就可以实现产品的快速加工,克服了传统机械靠模仿形加工方法存在的靠模易磨损、精度难以保证、生产周期长和由于凸轮型线改变带来的更换靠模困难等一系列缺陷,有很高的柔性,并且精度不受靠模制造精度的限制,还具有高精度和高效率的优点,代表了凸轮轴磨削加工的发展方式。在加工凸轮轴时,分析凸轮轴切点跟踪磨削方法,确定适当加工策略磨削凸轮轴零件,可以获得较高的轮廓精度和良好的表面质量。在工程

    25、实践中,凸轮轴的磨削是基于磨削点恒线速度运动原则和凸轮轮廓形状建立运动方程控制砂轮横向进给运动(X 轴)和头架(工件)的变速回转(C 轴) ,实现凸轮轮廓的磨削加工。图 2.2.1 凸轮运动关系用切点跟踪法磨削凸轮轴,以主轴中心线为中心,一次装夹一次磨削凸轮轴,在磨削凸轮轴时,通过头架运动(C 轴)和砂轮横向进给运动(X 轴)的联动完成凸轮套型轮廓的磨削。1.6 2.3 凸轮轴磨床总体布局设计1.6.1 2.3.1 机床设计的基本要求14设计制造机床应力求达到重量轻、体积小、质量好、成本低、使用维修方便。要达到上述要求,就必须考虑机床的技术、经济指标。比如加工范围、精度和表面粗糙度、生产率、操

    26、作和维修性能、工艺性、成本、采用新技术和“三化”程度等。各项技术、经济指标之间是相互联系和相互影响的,因此在设计时必须全面的加以考虑,根据具体要求确定若干指标为重点。处理好相互之间的关系。1.6.2 2.3.2 凸轮轴初步估计组成部分凸轮轴磨床主要包括床身、主轴箱、工作台、托板、砂轮架和尾架。数控装置分别与驱动头架主轴转动的伺服电机、驱动砂轮架移动的伺服电机、驱动工作台移动的伺服电机连接。摇架采用固定件或者焊接加以固定,背轮和靠模均固定不动,用螺栓将摇架固定在床身上使之不再摆动,工件在顶尖之间随拨盘旋转而不再作往复运动。驱动头架主轴转动的伺服电机带动小同步带轮转动,小同步带轮通过皮带驱动带动带

    27、轮旋转,带轮与拨盘固定连接在一起。拔爪一端与拨盘固定连接,拔爪的另一端可与被加工凸轮轴工件相连接并带动工件旋转。1.6.3 2.3.3 总体布局初步设计运用全数控磨削原理于有靠模普通数控,提高加工精度。 1普通凸轮磨床不论是在靠模还是在工件磨削中,头架是恒转速旋转,砂轮始终按一定速度进给,而与工件装夹无关。从上面的分析可以看出,这种磨削方式中,磨削点在凸轮轴的基圆和两个升程面上的磨削时间是不相同的,各磨削点的相对磨削速度、磨削深度以及磨削力的大小、方向都不同,因而很难获得好的轮廓精度和表面质量。在全数控凸轮磨床中,他是通过头架变速,将凸轮一周分为若干区间,计算磨削点在每个区间内的相对速度,通过

    28、程序控制,保证圆周内每个区间上的磨削点相对旋转速度一致,也就是通常说的恒线速度磨削。同时,通过 C 轴的角度计算,砂轮始终只在基圆某一段圆弧中进给,而在升程区域是不进刀的,这样就能保证在凸轮表面任意一点的磨削速度相同,磨削厚度和磨削力也趋于相同或相近,从而保证高精度磨削。机床设计需符合强力磨削要求,提高加工效率 2强力磨削可在较少的时间内加工出大量加工余量,是提高机床加工效率的有效方法。机床床身的刚性、磨削力大小的控制,工件系统的刚性是影响机床性能是否在实际应用中进行强力磨削的主要因素。15采用粗精双循环磨削方式 3采用工件恒线速旋转磨削,可以获得很高的凸轮磨削精度,强力磨削方式,可以获得较高

    29、的加工效率,将两大优势同时运用于工件磨削是机床设计的目的,故可采用双循环磨削工作方式实现 。51.7 2.4 磨床的技术参数磨床的技术参数包括主要参数和一般技术参数。表示磨床主要规格的叫主要参数,表示磨床运动参数、结构参数、功率参数以及其他参数叫一般技术参数。1.7.1 2.4.1 磨床的主要参数磨床主要参数通常以磨床上可加工的最大工件尺寸表示。凸轮轴磨床是以工件的最大加工长度 L 和回转直径 D 为主参数。磨床的各项技术参数中,主要影响磨床布局、传动、结构和性能的是主参数,所以在确定磨床技术参数时,首先要决定的是主参数,其他一般技术参数都和主参数有一定的关系。最大工件回转直径 D 为 125

    30、200mm 1最大工件长度为 L 为 3152000mm 21.7.2 2.4.2 磨床的一般技术参数磨床的一般技术参数,功率参数以及其他参数,通常是指磨床各部件的运动参数、尺寸、结构参数。磨床的运动及其参数 1为了便于分析,通常把磨床的运动大致归纳为两大类:工件和刀具的相对切削运动及进给运动为工作运动;其他如快速进给、分度、调整等运动作为辅助运动。磨床砂轮架主轴带动砂轮作高速旋转运动;头架主轴带动工件作旋转运动;工作台纵向往复运动;砂轮架作横向进给运动,这些运动称之为工作运动。尾架套筒的移动及其他运动为辅助运动。无论是工作运动还是辅助运动,对于各种磨床来说有不同的内容,而且运动量大小和速度即

    31、运动参数,具有一定的数值范围。磨床的结构参数 2结构参数是指个磨床各部件的主要结构尺寸参数,如中心高,导轨形式及参数,顶尖锥度,砂轮架、工作台、头架的回转角度,工作台型面等。16磨床的电机功率参数 3磨床运动主要由电机带动,因此合理的选择电机功率参数是磨床设计中不可忽视的一项工作,尤其是磨床运动中起主要磨削作用的电机功率(通常称为主电机功率参数) 。磨床的主电机功率参数,一般是指带动砂轮架高速旋转的电机功率 。517如下表所示即为凸轮轴磨床的主参数及一般参数。表 2.4.1 凸轮轴磨床参数项 目 单 位 参 数 最大回转直径最大顶尖距离mm 1802000加工范围(磨削工件外圆直径)mm 20

    32、 180磨削工件最大长度 mm 2000磨削工件最大重量 Kg 80磨削工件最大提升量 mm 20中心高 mm 100顶尖距 mm 2000头架顶尖 莫氏 4 号尾架顶尖 莫氏 4 号工作精度(凸轮长度上的锥度)mm 0.01凸轮表面精度 um Ra0.63重量 Kg 6200电机总功率(电机总功率)Kw 12.88磨头电机功率 Kw 7.5砂轮尺寸 mm 60032 30518第三章 凸轮轴磨床机床工作台设计1.8 3.1 凸轮轴磨床机床工作台的基本要求上、下台面要能方便调整头尾架,便于安装滚珠螺母。倾斜 10以便于头尾架定位,冷却液回流; 1.9 3.2 凸轮轴磨床工作台设计1.9.1 3

    33、.2.1 总体方案的确定系统的运动方式与伺服系统 1由于工件在移动的过程中没有进行切削,故应用点位控制系统。定位方式采用增量坐标控制。为了简化结构,降低成本,采用步进电机开环伺服系统驱动 X-Y 工作台。X-Y 工作台的传动方式 2为保证一定的传动精度和平稳性,又要求结构紧凑,所以选用丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙,采用预加负荷的结构。由于工作台的运动载荷不大,因此采用有预加载荷的双 V 形滚珠导轨。采用滚珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差,从而提高运动平稳性,减小振动。考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取,为达到分辨率的要求,需采用齿轮降速传动。1.9.2 3.2.2

    34、 工作台尺寸及其相关参数X 向拖板(上拖板)尺寸:长 宽 高=14560m重量(按重量=体积材料比重估算): 32145607.89NY 向拖板(下拖板)尺寸: 如下图 3.2.2 所示为工作台示意图。191.9.3 3.2.3 滚动导轨的参数确定导轨型式:圆形截面滚珠导轨 1导轨长度 2上导轨(X 向):驱动导轨长度 10Blm驱动导轨行程 5支承导轨长度 Ll下导轨(Y 向):50lm10Bl10选择导轨的型号:GTA16 直线滚动轴承的选型: 3上导轨: 24()XGN下导轨: 87Y1.10 3.4 工作台步进电机的选用步进电机的步距角 1 b20取系统脉冲当量 ,初选步进电机步距角

    35、。0.1/pmstep 1.5b步进电机启动力矩的计算 2设步进电机等效负载力矩为 T,负载力为 P,根据能量守恒原理,电机所做的功与负载力做功有如下关系: s式中: 电机转角; 移动部件的相应位移; 机械传动效率。s 若取 ,则 ,且 ,所以:bpSPG36()2pbTNcmA式中: 移动部件负载(N) ; G移动部件重量(N) ; 与重SP zP量方向一致的作用在移动部件上的负载力(N) ; 导轨摩擦系数;步进电机步距角(rad) ;T电机轴负载力矩( ) 。b cA本例中,取 (淬火钢滚珠导轨的摩擦系数) , , 为0.3 0.96S丝杠牵引力, 。考虑到重力影响,Y 向电机负载较大,因

    36、247sHP此取 ,所以8yGN6.10.32871.3()596TNcmA若不考虑启动时运动部件惯性的影响,则启动力矩为: 0.3qT取安全系数为 0.3,则: 1.4.2qNcmA对于工作方式为三相六拍的三相步进电机: max5.10.86qjTc步进电机的最高工作频率: 3 axmax167().1pVf Hz广德爱众 砺能善医第四章 凸轮轴磨床夹具系统设计1.11 4.1 机床夹具的分类、基本组成和功用1.11.1 4.1.1 机床夹具的分类及其基本组成机床夹具按生产类型可分为大批量生产专用夹具、单件小批或新产品试制用的组合夹具以及中小批量产品用的通用夹具和可调夹具。按夹紧动力源可分为

    37、手动夹具、气动夹具、液压夹具、电动夹具、磁力夹具、真空夹具、离心力夹具。按夹具所在机床范围可分为万能机床夹具、专用机床与组合机床夹具、自动线夹具。在生产中使用的夹具种类繁多,结构复杂,而且新型夹具不断出现,但是机床夹具的结构仍有很多共同之处。机床夹具主要由定位元件,保证工件在夹具中处于正确位置; 1夹紧装置,将工件压紧夹牢,保证工件在加工过程中受到外 2力作用时不发生位移一直处于正确位置。对刀或导向装置,用于确定刀具相对定位元件的正确位置。 3连接元件,用于确定夹具在机床上正确位置的元件。 4夹具体,机床夹具的基础件。 5其他装置或元件,夹具中因特殊需要而设置的装置或元件。 61.11.2 4

    38、.1.2 机床夹具的功用在机械制造各行业的工艺过程中广泛应用着各种不同的,用以固定加工对象,使之占有正确位置,以便接受加工的一种工艺装备,统称为夹具。机床夹具是在机床上用以准备、迅速地安装工件或刀具,从而保证工件与刀具间正确相对位置的一种工艺装备。机床夹具是保证机械产品质量高、数量多、成本低的一种极重要的工艺装备。机床夹具在保证产品优质、高产、低成本,充分发挥现有设备的潜力,便于工人掌握复杂或精密零件加工技术,减轻繁重的体力劳动等许多方面起着很重要的作用。机床夹具的设计是促进生产飞速发展的重要工艺措施。机床夹具的作用可以简单归纳为如下几个方面:- 22 -保证和稳定产品质量,实行全面质量管理的

    39、重要手段。 1提高劳动生产率,降低产品成本。 2扩大机床工艺范围,实现一机多能。 3使操作方便、安全,大大减轻工人劳动强度。 41.12 4.2 凸轮轴夹具设计的特点一个优良的机床夹具必须满足下列基本要求:保证工件的加工精度,首先在于正确的选定定位基准、定位 1方法和定位元件,必要是还需进行定位误差分析,还要注意夹具中其他零部件的结构对加工精度的影响,确保夹具能满足工件的加工精度要求。提高生产效率,夹具的复杂程度应与生产纲领相适应,应尽 2量采用各种快速高效的装夹机构,保证操作方便,缩短辅助时间,提高生产效率。工艺性能好,夹具的结构应力求简单、合理、便于制造、装 3配、调整、检验、维修等。使用

    40、性能好,夹具的操作应简便、省力、安全可靠。在客观 4条件上允许且又经济使用的前提下,应尽可能采用气动、液压等机械化夹紧装置,以减轻操作者的劳动强度。此外,夹具还应排屑方便,必要时可设置排屑结构,防止切屑破坏工件的定位和损坏刀具,防止切屑的集聚带来大量的热量而引起工艺系统变形。经济型好,夹具应竟可能采用标准元件和标准结构,力求结 5构简单、制造容易,以降低夹具的制造成本。1.13 4.3 磨床头架设计的基本要求头架(也叫工作架、床头箱)是机床的一个重要部件。在凸轮轴磨床,由头架与尾架组合,对工件起到支撑、定心、夹持及带动回转等作用。磨床头架的主轴有两种形式:主轴不回转和主轴回转两种形式。主轴不回

    41、转的磨床具有结构简单,层次少,刚性好的特点,因此磨削工件的精度和光洁度也比较高。而主轴回转磨床具有使用范围广的特点,但结构一般比较复杂,层次也比较多,刚性也比较差。通常磨床头架设计需满足如下基本要求:主轴传动系统要达到一定的调速范围 1- 23 -主轴系统要有良好的回转精度和足够的刚度 2主轴系统要有减少温升和震动的措施 31.14 4.4 磨床头架主轴系统的设计主轴颈的支撑 1主轴颈的固定形式有单支撑、双支撑两种。一般情况下,规格较小的磨床,趋向于采用单支撑而规格大的磨床大多采用双支撑,采用单支承主轴的结构制造简单。但必须满足轴颈支撑长度大于轴颈直径的 1.5 倍的原则。如果轴颈尺寸较大,其

    42、支撑长度较长,则可在箱体内空中段设计适当长度的沉割槽。主轴颈尺寸与跨距的确定 2主轴是保证回转精度的关键零件,除主轴支承轴颈的精度外,其刚度是影响回转精度的主要因素。主轴只有在刚度足够的前提下,才能保证精度要求。提高主轴刚性的主要措施有:加大支承轴颈直径D、缩短悬伸长度 a 和合理确定支承跨距 L。主轴的支承跨距一般取L=(34.5) D 而支承轴径 D 是根据顶尖大端尺寸 d 来确定的,一般取 D=(1.52) d,头架主轴的悬伸长度 a 与支承跨距 L 之比为 12之间,具体尺寸视情况而定。1主轴轴承的选用与设计 3合理选用轴承类型对主轴系统的回转精度有很大影响,头架常用的轴承有滚动、滑动

    43、和液体静压轴承等,但他们的要求与结构和砂轮架轴承不同。砂轮架轴承主要保证主轴的高速旋转,而头架轴承主要保证主轴的回转精度。由于滚动轴承具有“三小、二便、一简单”的优点,即摩擦损耗小,气动力矩小和轴向尺寸小;选购方便,维修保养方便;结构简单。但滚动轴承的旋转精度、使用寿命和承载刚性都比滑动轴承低,因此使用与一般精度要求的头架。一般头架主轴上所有的轴承精度要求在 P5 级以上,并进行预加负荷以提高轴承刚性,保证回转精度。此外,除保证主轴支承轴颈和轴承精度外,固定轴承或对轴承进行预加负荷的零件(如螺母、挡圈、轴承盖等)也必须保证一定的精度,否则也会影响主轴的回转精度。最常见的是上述三种零件的断面与外

    44、圆(或内孔)不垂直,紧固后会使轴承变形,影响主轴的回转精度,因此需对这些零件提出断面与外圆(或内孔)垂直或两端面平行的要求等。此外还可以采用下述结构来减少轴承的变形:- 24 -a采用十字垫圈结构,即在两只平垫圈之间夹一直十字型的特种垫圈,以消除因螺母的螺纹与断面不垂直所引起主轴和轴承的变形。b采用压力油调整轴承间隙,减少螺母对轴承的紧固力,以减少主轴和轴承的变形。如在装配调整圆锥孔双列向心短圆柱滚子轴承的间隙时,原来用拧螺母的方法使轴承预紧,螺母的紧固力很大,如在主轴与轴承孔间注入压力油,使主轴与轴承之间形成油墨,不但能在移动轴承时起润滑作用,而且使螺母用很小的紧固力就能把轴承的间隙(或过盈

    45、)调整好。由于滑动轴承的旋转精度高,承载刚性好,因此多用于精度要求高或大型磨床头架,其加工和装配的工艺性较复杂,除要求前后轴承同心、间隙相等、主轴和轴承有一定的接触面积要求外,还必须保证主轴轴承间在热平衡状态(头架工作一段时间后,达到热平衡状态)时有微量的间隙,一般约为 0.002mm,太大会影响主轴回转精度,而太小又容易出现“咬死”现象。头架滑动轴承与砂轮架滑动轴承在结构上最大的不同点是:轴承一般都采用整体式,而且上面没有形成油楔的油槽,这是由于头架主轴的转速较低,即使轴承上有油槽几个也难形成油楔。所以在头架轴承上一般只有用于润滑主轴承表面的螺旋形油槽。静压轴承一般也用于高精度的大型磨床的头

    46、架,他的结构和砂轮架静压轴承相同,具有回旋精度高、承载能力强、刚性好、低速时没有爬行现象等优点。1.15 4.5 头架转速的确定一般粗、精磨时,磨床头架和砂轮架线速度的比例大致如下: 1()608V工 砂 轮头架线速度(m/s) ; 砂轮线速度(m/s)工 V砂 轮头架工件转速范围,应能满足粗精磨最大和最小直径的工件,但头架的最高、最低转速比不能太大,否则传动系统很难满足。因此,工件转速范围和可磨削直径范围是磨床设计中的一个矛盾。在正常生产情况下磨削最大或最小直径工件的机会很少,因为这样使用设备即不合理也不经济,而常用的磨削直径是在 40 200mm 范围内,这时- 25 -可充分发挥机床的效

    47、率和性能。1.16 4.6 中心高的确定中心高是指磨床的头架、尾架顶尖中心至工作台面的距离。中心高,一般以工件最大磨削或回转直径的一半加系数 K 来计算:=2DHKK 值是使工件与工作台之间留有磨削和安装自动测量仪器的位置的值。按磨床规格大小而定,规格大则 K 值小,规格小则 K 值大。1.17 4.7 顶尖顶尖是安装在头、尾架上起支撑工件和定心作用的重要零件,其规格大小是机床承载能的一项指标,因此合理选用顶尖规格,是保证机床承载刚度和工件加工精度、表面光洁度的重要因素。1.18 4.8 磨床头架其他相关尺寸的确定长、宽、高: 1 401m主轴锥孔:莫氏 5#锥孔 2中心高: 3 max/2H

    48、DK3035189通过以上计算头架中心高取 180mm。主轴转速 4 1(806)0=452.m/sVV砂取 则:0/ImsIm71/in3axrin20IV- 26 -交流伺服电机选择 5砂轮磨削工件需要的功率: max150324/ZFrNmsA最 大 磨 削 力 工 件交流伺服电机通过 20/38 的双楔齿轮带传递给工件,即: 483/./Nsl实1.19 4.9 磨床头架传动系统的设计头架传动的调速方法分有级调速与无极调速两种。所谓有极调速,即在一定的转数范围内,分成若干不同的转速级。常见的有极调速机构有齿形 V 带、同步带、平带、三角皮带、齿轮或链轮传动。在外圆磨床头架传动中,目前大

    49、多采用同步带、齿形 V 带或齿轮传动。皮带传动的特点主要存:由于皮带具有弹性,可起缓冲、吸振作用,因此传动平稳、 1噪音少,适用于中、高速的传动( ) ;540/Vms适宜于两轴中心距较大的传动; 2在过载传动时,皮带能自动在皮带轮上打滑,避免损坏其它 3传动零件;结构简单、成本低,制造、保养,维修和更换方便; 4由于皮带在传动时会伸长和打滑,所以不能用于传动比有严 5格要求的机构。且其外形尺寸较大,传动效率也较低。由于皮带传动有上述特点,故在磨床头架传动中被广泛采用。无级调速传动就是在一定的转速范围内能任意变换转速的传动。近年来,无极调速传动在机床上应用较广泛。无极调速的方式有很多,如用电器、液压、机械等。电器无极调速机构一般采用可控硅直流调速、可控硅变频无极调速。液压无极调速时采用液动机构来达到的,但它在工作时容易发热,故目前在头架上还很少应用。机械无极调速机构种类很多,但不论哪种

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