毕业设计（论文）：轧辊堆焊机床设计(床身及夹具设计)26674

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1、轧辊堆焊机床设计（床身及夹具设计）摘要：钢轧辊的堆焊技术已有30多年的历史，它逐步从对裂纹的修复和对磨损部分的修复发展到复合轧辊的生产。目前，轧辊堆焊技术已是轧钢厂降低辊耗、提高轧机作业率、增加产品产量、改善产品质量、降低生产成本的一项行之有效的措施。其中轧辊堆焊机修复废旧轧辊，运用堆焊的方法，不仅使轧辊使用寿命比原来有所提高，而且还实现废辊再生，具有重要的经济意义。床身是堆焊机的主要支承件，它支承着堆焊机的床头箱，尾座等部件；承受着重力，摩擦力等静态力和动态力的作用。其结构的合理性和性能的好坏直接影响着堆焊机的制造成本；影响着堆焊机各部件制件的相对位置精度和堆焊机在工作中各运动部件的相对运动

2、轨迹的准确性，从而影响着工件的加工质量；还影响着堆焊机的工作效率和寿命等。本次设计的目的是把普通机床床身改造为轧辊堆焊机床床身。夹具的主要作用为缩短辅助时间、提高劳动生产率、保证加工精度稳定、扩大机床使用范围 ，减轻劳动强度。通过对夹具的作用的了解，结合轧辊堆焊机夹具的用途，本文另一设计主题是目设计一种简约经济的对轧辊的夹紧装置。关键词：轧辊堆焊机 、床身 、三爪卡盘、顶尖尾座Design of Roll welding machine（The major Design of Bed and fixtures） Abstract: Steel Roll welding technology f

3、or more than 30 years of history, it gradually from the crack repair and restoration of the worn part of the development of the composite roll of the production. At present, roll welding technology is reducing rolling mill roll wear and improve mill operations, increase product yield, improve produc

4、t quality, reduce production costs of a well-established measures. One roll of roll welding machine repair waste, the use of welding methods, not only than the original roll life has increased, but also to achieve regeneration of waste roll of great economic significance. Bed is the main supporting

5、pieces of welding machine, welding machine that supports the headstock, tailstock and other components; sustains force, friction and other static force and dynamic force. The rationality of its structure and performance of a direct impact on manufacturing costs of welding machines; affected parts pa

6、rts welding machine accuracy and the relative position of each welding machine moving parts in the work of the relative accuracy of the trajectory , Which affects the processing quality of the workpiece.The purpose of this design is to transform the ordinary machine bed roll welding machine bed. The

7、 main role is to reduce fixture auxiliary time, improve labor productivity; ensure accuracy and stability; to expand the use of machine tools; reduce labor intensity and lower level workers.Through understanding of the role of the fixture, with roll welding machine of a fixture designed for another

8、theme of this design project to design a simple economy on the roll of the clamping device.Key words： Roll welding machine Machine Bed Jaw chuck Top Tailstock目 录1 绪 论11.1 本课题研究的目的与意义11.2 轧辊堆焊机的现状22 机床床身结构及工艺设计42.1 床身性能及结构设计42.1.1 床身结构设计42.1.1.1 床身截面的结构设计42.1.1.2 床身结构工艺设计62.1.2 床身材料的选择和热处理62.2 机床床身工艺

9、设计62.2.1床身的作用62.2.2床身的工艺分析62.2.3确定毛坯的制造形式72.2.4基准的选择72.2.4.1粗基准的选择72.2.4.2精基准的选择72.2.5制定工艺路线72.2.6机械加工余量及毛坯尺寸的确定8 2.2.6.1确定床身毛坯的尺寸公差等级8 2.2.6.2确定床身机械加工余量、毛坯尺寸82.3 床身导轨的要求：92.4 安装、调试及维护92.4.1安装92.4.1.1 螺旋传动机构的安装92.4.2 调试93 轧辊堆焊机夹具设计113.1 卡盘发展趋势113.1.2 卡盘组成、原理及作用123.1.2.1 三爪卡盘的原理123.1.2.2 三爪卡盘的作用133.1

10、.3 卡盘设计的要求133.1.4 轧辊堆焊机的床头箱输出转矩计算143.1.4.1 电动机的选择143.1.4.2 初选传动比143.1.4.3 摆线针轮齿数确定143.1.4.4 针轮齿数的确定143.1.4.5 传动比的确定143.1.4.6 输出转矩T的确定143.1.5 三爪卡盘锥齿轮传动的设计163.1.6三爪卡盘保养方法223.2 顶尖尾座的设计223.2.1 顶尖尾座的工作原理223.2.2顶尖尾座的安装243.2.3 顶尖尾座的作用243.2.4顶尖尾座各个零件工艺分析及设计253.2.4.1滑座设计253.2.4.2顶尖设计263.2.4.3滑块设计273.2.4.4丝杠设

11、计283.2.4.5夹紧螺杆设计293.2.4.6盖形螺母设计303.2.4.7立板设计313.2.4.8轴承设计323.2.4.9手轮、手柄设计324 结 论34 参考文献35 致 谢36致 谢39371 绪 论1.1 本课题研究的目的与意义 钢轧辊的堆焊技术已有30多年的历史，它逐步从对裂纹的修和对磨损部分的修复发展到复合轧辊的生产。目前，轧辊堆焊技术已是轧钢厂降低辊耗、提高轧机作业率、增加产品产量、改善产品质量、降低生产成本的一项行之有效的措施。其中轧辊堆焊机修复废旧轧辊，运用堆焊的方法，不仅使轧辊使用寿命比原来有所提高，而且还实现废辊再生，具有重要的经济意义。钢铁工业是国民经济的重要基

12、础产业，我国是钢铁工业大国，对轧辊的需求量非常大。轧辊是轧钢的主要部件，是关系到钢材质量和数量的关键所在，也是轧机的主要消耗部件。轧辊的过量消耗给轧钢厂增加了生产成本，引起了业内人士的高度重视。一般从两个方面解决这个问题：(1)通过合金化等手段提高新轧辊材质的硬度与耐磨性，延长新辊的使用寿命；(2)对旧辊实施修复处理，提高轧辊的利用率，降低成本。修复轧辊的方法很多，堆焊修复的成本低、效果好，是国内外广泛采用的轧辊修复技术。堆焊机是将焊条平敷在金属的表面,来提高焊口的高度,所特用的一种焊接设备.堆焊机是由包括机架、机头、翻转机构、行走机构、控制设备构成，所述控制设备通过机头控制卡与机头相连接，同

13、时通过控制电路板、驱动器与翻转机构和行走机构相连接，以实现行走机构和翻转机构的协同精确转动和移动，机头为两个，一个是丝极机头，一个是带极机头，分别安装在行走机构的两条导轨上进行焊接。堆焊的应用广泛，它遍及各种机械使用和制造部门。堆焊作为材料表面改性的一种经济而快速的工艺方法，越来越广泛地应用于各个工业部门零件的制造修复中。为了最有效地发挥堆焊层的作用，希望采用的堆焊方法有较小的母材稀释、较高的熔敷速度和优良的堆焊层性能，即优质、高效、低稀释率的堆焊技术。用它制造某些零件时，不仅发挥零件的综合技术性能和材料的工作潜力，还能节约大量的贵重合金。例如，一般的热锻模用5CrMnMo或5CrNiMo等合

14、金钢整体模制造，而我国有的工厂已成功的应用45Mn2铸钢基体电渣堆焊合金材料来制造，从而大量节约了贵重的Ni、Mo等合金元素。用堆焊修复旧件费用低、省工、省时、省材料，还可以缩短制造周期。因此，合理地采用并用并推广堆焊技术具有重大的经济意义。本次设计的主要任务就是对轧辊堆焊机机床床身的改装。轧辊堆焊机床身功和机床床身功能相似。故可仿照机床床身。将机床床身改造为轧辊堆焊机床是本次设计的意义之一。夹具可分为通用夹具、专用夹具、可调夹具和组合夹具。夹具的主要作用为缩短辅助时间，提高劳动生产率；保证加工精度稳定；扩大机床使用范围 ；减轻劳动强度，降低工人等级。通过对夹具的作用的了解，结合轧辊堆焊机夹具

15、的用途而设计一种简约经济的轧辊堆焊机夹具。1.2 轧辊堆焊机的现状 从轧辊堆焊的设备、材料和工艺三个方面看我国轧辊堆焊的现状，我国现有的堆焊设备中改装设备多专用设备少，自动化程度较低，有待进一步提高设备的自动化和智能化水平；堆焊用焊接材料存在系列化程度低、品种少、严重依赖进口等问题，开发具有自主知识产权的焊材是发展方向；堆焊工艺方面，应发展堆焊工艺专家系统，以提高堆焊工艺水平，缩短工艺试验时间。目前，国内堆焊复合材质轧辊研究正在兴起，而且越来越受到重视。但对于服役工况更为苛刻，性能要求更高的冶金轧辊堆焊复合制造，仍然是冶金行业亟待解决的重大攻关难题。随着轧制新技术的应用，对轧辊的各项性能都提出

16、了更高的要求。具有方法简单、综合性能优异、技术优势及经济效益显著等特点的堆焊制造方法越来越受到各轧钢厂的青睐。因此研究开发优质、高效、低耗、灵活、清洁的先进堆焊技术，是我国轧辊堆焊的必然趋势。 目前我国的堆焊机主要有改装和专用两种形式。改装的堆焊设备由轧辊装夹、回转系统和焊机系统组成。轧辊装夹和回转系统由堆焊厂家自己设计制造，焊机采用埋弧自动焊机，将普通埋弧机头改装成堆焊机头，电源采用直流弧焊电源。另一种是专用堆焊设备，可分为轧辊夹持系统、焊接系统、控制系统和辅助系统四个部分。轧辊夹持系统包括轧辊转动及支承机构、焊接机头轴向移动机构、机头垂直升降系统和导前距离调整机构等；焊接系统包括焊接电源、

17、焊接机头、机头焊接控制箱、单丝(双丝)焊枪等；控制系统包括主控制台、主轴驱动调速控制、机头升降驱动控制、焊剂送给与回收电控系统等；辅助系统包括轧辊加热与保温装置、除尘系统等。 综上所述，目前堆焊设备存在改装设备多、专用设备少、机械化设备多、智能化设备少的问题，有待进一步提高设备的自动化智能化水平。轧辊堆焊技术的竞争趋于白热化，我国更应该从堆焊设备、材料和工艺等方面进行改进。焊接设备应实现智能化自动化，以提高生产效率，改变改装设备多、专用设备少的现状。在焊接材料方面要更广泛地研究制造先进材料，摆脱依赖进口的现状。实现堆焊工艺的专家控制系统是现代堆焊工艺发展的必然趋势。 目前，高强度、高韧性和高耐

18、磨性的冶金轧辊在国外发达国家已开始推广应用。相对于传统的冶金制造方法，其技术进步主要体现在改变轧辊材质和采用新的冶金复合制造技术。改变轧辊材质是提高轧辊性能的首要措施。轧辊材质发展的趋势是广泛使用合金元素，且合金化程度逐步提高。如国外热轧带钢精轧前段由60年代的半钢工作辊发展到70年代的高铬铸铁辊，到了80年代末开始使用高速钢轧辊；冷轧带钢工作辊材质由2%铬钢发展到3%铬钢、5%铬钢，到了90年代末开始使用半高速钢。高速钢材料用于轧辊制造，使轧辊性能显著提高，轧材质量明显改善。近十多年来，国外采用多种新的冶金轧辊复合制造技术，使轧辊的综合性能明显优于整体锻造和普通离心铸造轧辊。其中堆焊复合技术

19、由于其更低的制造成本、较高的综合性能，始终是发达国家研究的重点。由于堆焊材料和工艺的复杂性，使其在实际应用方面没有其它复合方法的产品应用广泛。但由于其优越的性价比，使堆焊复合技术的研究仍然不断的向前发展。2 机床床身结构及工艺设计2.1 床身性能及结构设计床身是堆焊机的主要支承件，它支承着堆焊机的床头箱，尾座等部件；承受着重力，摩擦力等静态力和动态力的作用。其结构的合理性和性能的好坏直接影响着堆焊机的制造成本；影响着堆焊机各部件制件的相对位置精度和堆焊机在工作中各运动部件的相对运动轨迹的准确性，从而影响着工件的加工质量；还影响着堆焊机的工作效率和寿命等等。因此，轧辊堆焊机的床身具有足够的静态刚

20、度和较高的刚度/质量比；良好的动态性能；较小的热变形和内应力；并易于加工制造，装配等；才能满足堆焊机对床身的要求。2.1.1 床身结构设计堆焊机工作时，主要受到水平方向摩擦力和垂直方向重力作用，使床身在水平面和垂直面内发生弯曲，以及在这些分力联合作用下的扭转，其中，影响最大的是床身水平面内的弯曲。因此，在床身不太长的情况下，主要应提高床身在水平面内的弯曲刚度。所以，在设计轧辊堆焊机床身时，采用与水平面倾斜 600的斜面床身。这种结构特点是由于在床身上无需开孔，就可以增加与底座连接的床身底面的整体性，从而可增加床身底面的刚性。基于以上特点使得床身抵抗来自切削力在水平和垂直面内的分力所产生的弯曲变

21、形能力，以及它们的合力产生的扭转变形能力显增强。从而大幅度提高了床身的抗弯和抗扭刚度。2.1.1.1 床身截面的结构设计床身在弯曲、扭转载荷作用下，床身的变形与床身的截面的抗弯惯性矩和抗扭惯性矩有关。材料、截面相同，但形状不同的床身，截面的惯性矩相差很大。截面积相同时，采用空形截面，加大外轮廓尺寸，在工艺允许的情况下，尽可能减小壁厚，可以大大提高截面的抗弯和抗扭刚度；矩形截面的抗弯刚度高于圆形截面，但圆形截面的抗扭刚度较高；封闭截面的刚度显著高于不封闭截面的刚度。为此，我们在设计床身截面时，综合考虑以上因素，在满足使用、工艺情况下，采用空心截面，加大轮廓，减小壁厚，采用全封闭的类似矩形的床身截

22、面形式；同时，为了提高床身的抗扭刚度和床身的刚度 /重量比，在大截面内设计一个较小的类似圆形截面，如图2-1所示。图2-1床身截面图为了进一步提高床身的抗弯、抗扭刚度和床身的刚度/重量比，在大截面和小截面之间的横向和纵向布置隔板，将两个截面连接起来，如图 2-1和如图2-2所示。图2-2 床身俯视局部图堆焊机床身局部结构的刚性也很重要，若不重视，同样会影响床身的整体性能。为此，根据床身的受力情况，在床身的斜面下方布置了加强筋，如图2-3所示。左图2-3 床身的局部剖视 机床导轨的质量在一定程度上决定了机床的加工精度、工作能力和使用寿命。导轨应满足导向精度，精度保持性，低速运动平稳性和结构的工艺

23、性的要求。由于燕尾形导轨制造简单，刚度高，承载能力大，具有两个相垂直的导轨面。且两个导轨面的误差不会相互影响，便于安装。再将矩形整体倾斜 600后，侧面磨损能自动补偿，克服了矩形导轨侧面磨损不能自动补偿的缺陷，使其导向性更好。为此，设计出导轨结构来满足机床对导轨结构的要求。2.1.1.2床身结构工艺设计 这类铸件是机床的基础件，其共同特点是轮廓尺寸较大、箱型结构、筋多、具有导轨面。结构设计时需要考虑的铸造工艺性问题如下： 选择合适的壁厚是这类铸件结构设计的最重要问题之一，过分地减薄或增加铸造上的空难。壁厚主要根据铸件尺寸、重量、工艺条件等因素来确定。 关于床身的壁厚尺寸，资料推荐：底部18、外

24、壁16、内壁15，床身重量约1350kg。由于床身是轧辊堆焊机上的基础大件，因此其壁厚对铸件和整个机床的重量都有较大的影响。2.1.2床身材料的选择和热处理 床身与导轨为一体，床身材料的选择应根据导轨的要求选择。铸铁具有良好的减震性和耐磨性，易于铸造和加工。床身材料采用机械性能优良的HT250，其硬度、强度较高，耐磨性较好，具有很好的减震性。为了消除床身的内应力，对床身进行两次时效处理，粗加工前后各进行一次。导轨表面经热处理，中频淬火后，其硬度可达40-50HRC，淬火后其硬度、强度更高，耐磨性更好；而且淬火质量稳定，成本低、生产效率高。淬火后进行磨削加工，磨削后导轨具有良好的导向精度、精度保

25、持性和低速运动平稳性，完全可以满足机床的技术要求。2.2机床床身工艺设计2.2.1床身的作用床身是轧辊堆焊机的基础构件。堆焊机机床的各个主要部件和零件都装在床身上或在床身导轨上作相对运动。床身是机床的支承件，装左床腿和右床腿并支承在地基上。床身上安装着机床的各部件，并保证它们之间具有要求的相互准确位置。 在床身上安装有尾座、床头箱等零件。 在工作中，尾座与工件相互作用力传递到床身上而床身变形，床身的变形和振动直接影响到被加工零件的精度和表面粗糙度。因此，床身是机床上极为重要的构件。 导轨，则是床身上极为重要的一个部分。导轨为尾座导轨，其作用为导向和承载，所以，以导轨要求有较高的的导向精度，结构

26、简单，工艺好等特点。 本次的设计主要就是针对加工床身导轨而进行设计的，为了保证导轨的精度，降低工人的劳动强度，床身导轨的加工基准选用导轨本身即“自为基准”原则。2.2.2床身的工艺分析 床身主要有三组加工表面，该二组加工表面都要求有较小的表面粗糙度值。现述如下：（1）导轨面。床身上有四条导轨，其中有两条上安装拖板，另两条安装尾架，导轨面是床身的的一个重要表面，因此，要求导轨面有较小的表面粗糙度值和好的直线度，以保证零件的加工精度。（2） 床头箱的安装定位面。该平面主要安装床头箱，所以，要求该平面要较小的表面粗糙度和好的平面度。（3） 钻孔。该项加工主要包括钻床身的安装孔、齿条安装孔、床头箱安装

27、孔。要求加工这些孔的时候，保证良好的位置精度，以保证安装时的顺利。2.2.3确定毛坯的制造形式正确的选择毛坯，具有重大的经济技术意义，毛坯的材料、制造方法和制造精度对工件的加工过程、加工劳动量、材料利用率和工件成本都有很大的影响。由于床身的结构较复杂，生产量又为大批量的生产，所在毛坯应选用铸件，为了保证床身的铸造精度和提高其生产率，应选用精度和生产率都经较高的毛坯制造方法，所以，这里选用机器造型的砂型铸造，一是为了提高生产率，二是为了降低工人的劳动强度。2.2.4基准的选择2.2.4.1粗基准的选择 零件在加工时，考虑到粗基准的几个选择原则,以及更好的制订合理的加工工艺路线，这里，零件的粗基准

28、按预先划好的加工线来找正，这样，更有利于保证准确的加工位置，对于划线的基准，由于床身上导轨面是一个重要面，所以这里先用导轨面作为基准。2.2.4.2精基准的选择一般的零件在加工前，都应对基准进行的合理的选择，这样，才有利于保证零件加工时的精度。但是对于床身来说，这就不一样了，因为床身是属于较大型的工件，同时又比较重，在加工过程在只要调节好了床身和刀具的相对位置，就相当于保证了床身加工时的精度，因为床身较重，在加工过程中可以以自身的重量来限制某些自由度。2.2.5制定工艺路线由于生产类型为大批生产， 应尽量使工序集中来提高生产率，保证零件的各部 份精度，除此以外，还应降低生主成本。工序1：铸造毛

29、坯工序2：清理、喷砂后上底漆工序3：划线，划底面及导轨面的刨加工线及校正线工序4：粗刨床身底面 按划线找校正线，以导轨面为安装基准工序5：粗铣各导轨面及结合面 按划线找校正线，以底面为安装基准工序6：人工时效处理工序7：半精刨底面 以导轨面为基准 工序8： 半精铣导轨面、床身内侧面、结合面、外侧面 找正导轨侧面，以底面为安装基准工序9： 热处理、导轨表面高频淬火工序10：精刨底面、压板面和齿条安装面 以导轨面为安装基准工序11：钻齿条安装孔、进给箱安装孔及攻螺纹 以底面为基准工序12：钻床身的安装孔 以底面为基准工序13：精磨床头箱定位安装面及压板面 找正导轨面，以底面为安装基准工序14：粗、

30、精磨导轨面 找正导轨面，以底面为安装基准工序15：终检2.2.6机械加工余量及毛坯尺寸的确定 2.2.6.1 确定床身毛坯的尺寸公差等级 查机械制造工艺简明手册 表2.23可知铸件的尺寸公差为810级 2.2.6.2确定床身机械加工余量、毛坯尺寸 确定床身各加工表面的机械加工余量、毛坯尺寸如下： 查机械制造工艺简明手册 表2.21和机械加工工艺实用手册表 684可知：（1）高度方向尺寸： 毛坯的底面加工余量为2.8、顶面加工余量为2.8，所以该方向的毛坯 尺寸为。（2）结合面尺寸： 压板面宽度尺寸：该方向的加工余量为4，所以，毛坯尺寸为和 床头箱面宽度尺寸：该方向的加工余量为4，所以，毛坯尺寸

31、为和 。 压板面高度尺寸：该方向的加工余量为2.6，所以，毛坯尺寸为 床头箱面高度尺寸：该方向的加工余量为2.6，所以，毛坯尺寸为（3） 顶面槽尺寸：该方向的加工余量为1.5，所以，其槽深方向尺寸为1.5（4） 导轨的加工余量为1.5 导轨尺寸为 （5） 底面厚度尺寸：。（6）底面宽度尺寸： 该方向的加工余量是4，所以，毛坯尺寸的2.3 床身导轨的要求： 该导轨的工作条件是在低速下工作，所以，选用凸形的导轨，该种导轨不易积存切屑等脏物，适用于低速运动中。在导轨工作中，导轨的受力是垂直向下的，由于床身会引起导轨的磨损，所以，这里选用导轨的截面形状为三角形导轨，该导轨具有较高的导向精度，它的工作面

32、为两侧面，故承载能力较大，两边的磨损量是一样的，磨损后能够起到自动补偿作用，所以，工作时导向精度也高。 而导轨材料则选用铸铁，铸铁具有较好的耐磨性和减振性、高的热稳定性、并且易于铸造和切削加工，成本也较低，因此在工业中用途较多。 对于导轨的刚度，由于三角导轨的工作面是两侧面，受力面共有四个面，工作过程中载荷也较平稳，无冲击现像等发生，且支承方式为两边同时支承，故导轨的刚度足够。2.4 安装、调试及维护2.4.1安装2.4.1.1 螺旋传动机构的安装(1)将螺纹衬套装入面板下方的通孔中，并用螺钉固定；(2)将两个圆柱衬套分别装入支承座的孔中；(3)将面板装入支承座中的导轨上；(4)装入螺旋传动杆

33、；(5)装入右端限位挡板，并用螺栓固定；(6)将导轨挡块装入面板上，并用螺钉固定；(7)将整体装在导轨机床的工作台上；(8)安装完成，调试使用。 2.4.2 调试 （1）装配完成后，在不安装工件的情况下，扳动手柄，看各导轨面和螺旋传动面的运动是否灵活，有无卡死现像。 （2）装上工件后，再检查看各部分之间的相对运动是否灵活，行程能否达到要求。 2.4.3 维护 （1）定期对导轨进行润滑 （润滑方式为浇油润滑）； （2）定期对调节装置的各个部分进行检查，查看导轨、螺纹，支承杆等主要部位有无磨损，如有磨损，应及时更换。3 轧辊堆焊机夹具设计 3.1 卡盘发展趋势 夹具是机械加工不可缺少的部件，在现代

34、化机床技术向高速、高效、精密、复合、智能、环保方向发展的带动下，卡盘技术正朝着高精、高效、模块、组合、通用、经济方向发展。 高精随着机床加工精度的提高，为了降低定位误差，提高加工精度，对卡盘的制造精度要求更高。高精度卡盘的定位孔距精度高达5m，夹具支承面的垂直度达到0.01mm/300mm，平行度高达0.01mm/500mm。德国demmeler（戴美乐）公司制造的4m长、2m宽的孔系列组合焊接卡盘平台，其等高误差为0.03mm；精密平口钳的平行度和垂直度在5m以内；夹具重复安装的定位精度高达5m；卡盘的重复定位精度高达25m。机床卡盘的精度已提高到微米级，世界知名的卡盘制造公司都是精密机械制

35、造企业。诚然，为了适应不同行业的需求和经济性，卡盘有不同的型号，以及不同档次的精度标准供选择。二、高效为了提高机床的生产效率，双面、四面和多件装夹的夹具卡盘产品越来越多。为了减少工件的安装时间，各种自动定心夹紧、精密平口钳、杠杆夹紧、凸轮夹紧、气动和液压夹紧等，快速夹紧功能部件不断地推陈出新。新型的电控永磁卡盘，加紧和松开工件只用12秒，夹具结构简化，为机床进行多工位、多面和多件加工创造了条件。为了缩短在机床上安装与调整夹具的时间，瑞典3R夹具仅用1分钟，即可完成线切割机床卡盘的安装与校正。采用美国Jergens（杰金斯）公司的球锁装夹系统，1分钟内就能将卡盘定位和锁紧在机床工作台上，球锁装夹

36、系统用于柔性生产线上更换卡盘，起到缩短停机时间，提高生产效率的作用。模块、组合夹具元件模块化是实现组合化的基础。利用模块化设计的系列化、标准化夹具元件，快速组装成各种夹具，已成为夹具技术开发的基点。省工、省时，节材、节能，体现在各种先进夹具系统的创新之中。模块化设计为夹具的计算机辅助设计与组装打下基础，应用CAD技术，可建立元件库、典型夹具库、标准和用户使用档案库，进行夹具优化设计，为用户三维实体组装夹具。模拟仿真刀具的切削过程，既能为用户提供正确、合理的夹具与元件配套方案，又能积累使用经验，了解市场需求，不断地改进和完善夹具系统。组合夹具分会与华中科技大学合作，正在着手创建夹具专业技术网站，

37、为夹具行业提供信息交流、夹具产品咨询与开发的公共平台，争取实现夹具设计与服务的通用化、远程信息化和经营电子商务化。四、通用、经济夹具的通用性直接影响其经济性。采用模块、组合式的夹具系统，一次性投资比较大，只有夹具系统的可重组性、可重构性及可扩展性功能强，应用范围广，通用性好，夹具利用率高，收回投资快，才能体现出经济性好。德国demmeler（戴美乐）公司的孔系列组合焊接夹具，仅用品种、规格很少的配套元件，即能组装成多种多样的焊接夹具。元件的功能强，使得夹具的通用性好，元件少而精，配套的费用低，经济实用才有推广应用的价值。专家们建议组合夹具行业加强产、学、研协作的力度，加快用高新技术改造和提升夹

38、具技术水平的步伐，创建夹具专业技术网站，充分利用现代信息和网络技术，与时俱进地创新和发展夹具技术。主动与国外夹具厂商联系，争取合资与合作，引进技术，这是改造和发展我国组合夹具行业较为行之有效的途径。3.1.2 卡盘组成、原理及作用 卡盘是机床上用来夹紧工件的机械装置。利用均布在卡盘体上的活动卡爪的径向移动，把工件夹紧和定位的机床附件。卡盘一般由卡盘体、活动卡爪和卡爪驱动机构三部分组成。卡盘体直径最小为65毫米，最大可达1500毫米，中央有通孔，以便通过工件或棒料；背部有圆柱形或短锥形结构，直接或通过法兰盘与机床主轴端部相联接。 从卡盘爪数上面可以分为：两爪卡盘，三爪卡盘，四爪卡盘，六爪卡盘和特

39、殊卡盘。 从使用动力上可以分为：手动卡盘，气动卡盘，液压卡盘，电动卡盘和机械卡盘。 从结构上面还可以分为：中空型和中实型。3.1.2.1 三爪卡盘的原理 由于轧辊堆焊机工件转动速度:0.1r/min-3r/min承受的转矩不大，故本次设计选择三爪卡盘为堆焊机的夹紧工件的机械装置。 三爪卡盘全称为三爪自定心卡盘，其发明应用给机械零件的制造装夹带来前所未有的便捷和高效，因此在生产过程中得到广泛使用。 三爪卡盘具有夹紧力大，自锁性能好，夹持稳定可靠的特点，其夹持零件的便捷和高效，源于卡盘上三爪联动和自定心的功能。在生产中常用来夹持回转类零件，亦可借助于筒夹夹持平面立体形状。 它根据工件装夹部分的圆周

40、确定工件的回转中心，但它的定心精度不是很高。三爪卡盘装夹工件的原理是，利用卡盘扳手转动圆周上的三个伞齿中的任一个。从而带动平面螺纹转动并带动三个卡爪一齐移动，起到自定心装夹工件作用。用伏打扳手旋转锥齿轮，锥齿轮带动平面矩形螺纹，然后带动三爪向心运动，因为平面矩形螺纹的螺距相等，所以三爪运动距离相等，有自动定心的作用。三爪卡盘是由一个大锥齿轮，三个小锥齿轮，三个卡爪组成。三个小锥齿轮和大锥齿轮啮合，大锥齿轮的背面有平面螺纹结构，三个卡爪等分安装在平面螺纹上。当用扳手扳动小锥齿轮时，大锥齿轮便转动，它背面的平面螺纹就使三个卡爪同时向中心靠近或退出。3.1.2.2 三爪卡盘的作用 卡盘就是将焊件准确

41、定位和可靠夹紧，便于焊件进行装配和焊接、保证焊件结构精度方面要求的工艺装备。在现代焊接生产中积极推广和使用与产品结构相适应的夹具，对提高产品质量，减轻工人的劳动强度，加速焊接生产实现机械化、自动化进程等方面起着非常重要的作用。 在焊接生产过程中，焊接所需要的工时较少，而约占全部加工工时的2/3以上的时间是用于备料、装配及其他辅助的工作，极大的影响着焊接的生产速度。为此，必须大力推广使用机械化和自动化程度较高的装配焊接工艺装备。 卡盘的主要作用有以下几个方面： （1）准确、可靠的定位和夹紧，可以减轻甚至取消下料和划线工作。减小制品的尺寸偏差，提高了零件的精度和可换性。 （2）有效的防止和减轻了焊

42、接变形。 （3）使工件处于最佳的施焊部位，焊缝的成型性良好，工艺缺陷明显降低，焊接速度得以提高。 （4）以机械装置代替了手工装配零件部位时的定位、夹紧及工件翻转等繁重的工作，改善了工人的劳动条件。 （5）可以扩大先进的工艺方法的使用范围，促进焊接结构的生产机械化和自动化的综合发展。3.1.3 卡盘设计的要求 卡盘设计的基本要求 （1）夹具应具备足够的强度和刚度。夹具在生产中投入使用时要承受多种力度的作用，所以夹具应具备足够的强度和刚度。 （2）夹紧的可靠性。夹紧时不能破坏工件的定位位置和保证产品形状、尺寸符合图样要求。既不能允许工件松动滑移，又不使工件的拘束度过大而产生较大的拘束应力。 （3）

43、焊接操作的灵活性。使用夹具生产应保证足够的装焊空间，使操作人员有良好的视野和操作环境，使焊接生产的全过程处于稳定的工作状态。 （4）便于焊件的装卸。操作时应考虑制品在装配定位焊或焊接后能顺利的从夹具中取出，还要制品在翻转或吊运使不受损害。 （5）良好的工艺性。所设计的夹具应便于制造、安装和操作，便于检验、维修和更换易损零件。设计时还要考虑车间现有的夹紧动力源、吊装能力及安装场地等因素，降低夹具制造成本。3.1.4 轧辊堆焊机的床头箱输出转矩计算3.1.4.1 电动机的选择 初始数据：输出转速v=13r/min; 根据工况条件，初步选定YD系列。根据初始数据=13r/min;选定电机：YD180

44、L电动机; P=3.3KW; n=500r/min。3.1.4.2 初选传动比因级摆线针轮减速器 所以不能满足要求，故选择双级摆线针轮减速器。则选择 故选择 ， 3.1.4.3 摆线针轮齿数确定为使摆线轮齿廓和销轴孔能正好重叠加工,以提高生产率和精度,齿数尽可能取奇数,即也应尽可能取奇数,在平稳载荷下选材料为GCr15,硬度为60HRC以上。由于 则可知11 =17；3.1.4.4 针轮齿数的确定 由于 故， ；选材为GCr15,硬度为60HRC以上。3.1.4.5 传动比的确定 3.1.4.6 输出转矩T的确定根据，则可得：由输出转矩可选择FSC-310(12)型号的标准前装卡盘三爪卡盘。表

45、3-1 三爪卡盘规格表最大静态夹持力（KN）最大转速（r/s）重量（kgf）最大输入转矩操作力矩（N）FSC-310(6)31400011.4610688.3FSC-310(7)31350012.27.8106107.9FSC-310(9)37290021.28.5106147FSC-310(10)462500289.3106176.5FSC-310(12)5522004110.5106206图3-1 三爪卡盘结构 表3-2 三爪卡盘结构尺寸表D(mm)D1(mm)D2(mm)D3(mm)h(mm)H(mm)H1(mm)H2(mm)(mm)FSC-310(6)16714113027517313

46、61553M4FSC-310(7)1921691553251891431653M4FSC-310(9)2322041903561971521743M6FSC-310(10)2732442304962051621863M6FSC-310(12)3102742606072271821963M6由图3-1、表3-2所示，FSC-310(12)型号三爪卡盘的结构尺寸即为本次设计所取尺寸。3.1.5 三爪卡盘锥齿轮传动的设计 选轴夹角为90度的直齿圆锥齿轮，为8级精度，选择小齿轮材料为45钢（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS，二者材料 硬度差40HBS。(1)

47、选小齿轮的齿数 Z1=16， 大齿轮齿数 Z2=103。由直齿锥齿轮齿面接触强度zhI Cm 配对材料系数，取1 。 计算齿数比 取小齿轮传递的转矩 。(2) 最常用的值，齿宽系数 (3) 查得材料的弹性影响系数 (4) 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 大齿轮的齿面的接触疲劳强度极限为 (5) 由式计算应力循环次数(6) 由取接触疲劳寿命系数 (7) 计算接触疲劳许用应力取失效概率为 ，安全系数 ，由式(8) 试验算小齿轮分度圆直径 代入 中较小的值。 (9)计算齿宽(10）模数 (11）计算载荷系数根据 8级精度，查得动载荷系数 ，直齿锥齿轮使用系数查得(12）齿间载荷分配系数可按下

48、试计算 (13）由表10-9中查得取轴承系数(14）故载荷系数 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式得 (15） 计算模数 弯曲强度的设计公式为由查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 大齿轮的弯曲强度极限 （16）取弯曲疲劳寿命系数 （17)计算弯曲疲劳许用应力。 取弯曲疲劳安全系数 由式得（18）计算载荷系数k (19)查取齿形系数 由表查得： (20)查取应力校正系数由表查取 ，小齿轮的 ,并加以比较大齿轮的数值大(21)弯曲强度的设计公式为计算 =2.08mm对比计算结果，由齿面接触疲劳计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强大计算的模数，由于齿轮模数m大小主要取决于弯曲疲劳强度所决定的承载能力

49、，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，反于齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数3.03mm并就圆整为标准值。按接触强度算得的分度圆直径算出小齿轮齿数 大齿轮齿数根据三爪卡盘的标准规格以及与小锥齿啮合的参数而定。这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费则取Z2=110。(22)计算分度圆直径(23) 计算齿轮齿宽 取 表3-3小锥齿轮参数（单位：mm）端面模数m2.25齿数Z1110分锥角8.84法向齿形角20分度圆直径d138.25齿宽中点分度圆直径31.875外锥距124.45齿宽b 145齿顶高2.25齿根高

50、2.7顶圆直径41.94齿根角1.240齿顶角1.240顶锥角10.080根锥角7.60分度圆齿厚3.53分度圆弦齿厚3.52分度圆弦齿高2.33当量齿数18当量齿数分度圆直径38.71齿宽中点齿顶高1.25当量齿轮顶圆直径41.21精度等级IT6表3-4大锥齿的参数单位：mm）端面模数m2.25齿数Z217分锥角81.16法向齿形角20分度圆直径d2247.5齿宽中点分度圆直径206.25齿宽b 245齿顶高2.25齿根高2.7顶圆直径251.95齿根角1.240齿顶角1.240顶锥角82.40根锥角79.920分度圆齿厚3.53分度圆弦齿厚3.529分度圆弦齿高2.252当量齿数716当量

51、齿数分度圆直径671.06齿宽中点齿顶高142.4当量齿轮顶圆直径955086精度等级IT7图3-2三爪卡盘主视剖面图3.1.6三爪卡盘保养方法（1） 为了常保车床卡盘常时间使用后，仍然有良好精度，润滑工作很重要。不正确或不合适润滑将导致一些问题，例如低压时不正常功能，夹持力减弱，夹持精度不良，不正常磨损及卡住，所以必须正确润滑卡盘。（2）每天至少打一次二硫化钼油脂(颜色为黑色)，将油脂打入卡盘油嘴内直到油脂溢出夹爪面或卡盘内孔处(内孔保护套与连结螺帽处)，但如果卡盘高旋转或大量水性切削油于加工使用时，需要更多润滑，须依照不同情况来决定。（3）作业终了时务必以风枪或类似工具来清洁卡盘本体及滑道

52、面。 （4）至少每6个月拆下卡盘分解清洗，保持夹爪滑动面干净并给予润滑，使卡盘寿命增长。但如果切削铸铁每2个月至少一次或多次来澈底清洁，检查各部零件有无破裂及磨损之情形，严重者立刻更换新品。检查完毕后，要充份给油，才能组立。 （5）针对不同工件，必须使用不同夹持方式或选择制作特殊夹具。三爪卡盘只泛用型一种挟治具，勉强使用它去夹不规则或奇怪工件，会造成卡盘损坏!若卡盘压力不正常，会使卡盘处于高压力下，或机台关机后卡盘还将工件夹住，这都会降低卡盘寿命!所以当你发现卡盘间隙过大时，必须立即更换新卡盘。（6）使用具有防锈效果切削油，可以预防卡盘内部生锈，因为卡盘生锈会降低夹持力，而无法将工件夹紧。3.

53、2 顶尖尾座的设计尾座是夹具的重要组成部份，在堆焊中，利用尾座来完成顶紧工件。尾座：它用于安装后顶尖，以支持较长工件进行加工。尾座的结构由下列部分组成。 滑块 其左端有锥孔，用以安装顶尖。套筒在尾座体内的轴向位置可用手轮调节，并可用盖形螺母固定。将套筒退至极右位置时，即可卸出顶尖。滑座 它与底座相连，当松开固定螺钉，拧动盖形螺母可使尾座体在底板上作微量横向移动，以便使前后顶尖对准中心。底板 它直接安装于床身导轨上，用以支承尾座体。3.2.1 顶尖尾座的工作原理 尾座的工作原理如图3-2、图3-3所示，转动手柄6，使手轮7旋转丝杠12与手轮靠锥销5连接，故也随之旋转。螺母11与滑块13用螺钉10

54、连接，因丝杠旋转而使滑块在滑座上左右移动，从而使顶尖15架住工件。为了锁紧滑块，尾架装有盖型螺母16、垫圈17、杆18.只要拧紧盖型螺母，杆的移动使滑座15中的开槽减小，滑块就被锁住了。图3-3顶尖尾座主视刨面图图3-4顶尖尾座侧视图3.2.2顶尖尾座的安装尾座安装在机床的右端导轨上，尾座上的滑块可以安装顶尖，以支承较长的工件的右端（即顶持工件的中心孔）。尾座可以沿尾座导轨作纵向调整移动，然后旋转尾座紧固手轮将尾座夹紧在所需位置，摇动尾座手轮可以实现对工件的顶紧、松开或对工件进行顶持作用。3.2.3 顶尖尾座的作用 此零件为机床的尾座顶尖，在机床的使用中经常用到的定位元件，它可以帮助主轴一起限

55、制的工件的自由度，并起到定心的作用，因此要求具有较高的精度，在使用中要使尾座的轴心线与机床主轴的轴心线保证较高的同轴度。3.2.4顶尖尾座各个零件工艺分析及设计3.2.4.1滑座设计图3-5滑座视图滑座座设计说明（如图3-5所示）：（1）设计要求：1)滑座座与顶尖15配合使用，用于机床支撑、顶紧工件；2)要求滑座座具有轴向方向调节功能；（2）确定顶尖座结构如下：1)顶尖16用于顶紧工件，为单独设计零件，将其安装在滑块13上，这样便于拆卸、修整。2)滑块13具有轴向移动功能，安装在滑座14上，滑块14和滑座15之间采用间隙配合，保证定位准确。滑块14设有油沟，便于顶滑块14和滑座15之间的滑动。

56、设计丝杠12、手轮7和手柄6，手动手柄6旋转手轮7带动丝杠12，在丝杠12的进给下带动螺母12、滑块14和顶尖16轴向移动，满足任务书要求。3)滑座14安装在两个立板之间，采用H7/k6间隙配合，通过手动螺杆18左右移动，达到锁紧滑块的目的。4)用M28螺母锁紧。轴向调节定位后，用夹紧螺杆18锁紧。5)顶尖15高度与分度头高度一致，为290mm。6)滑座与底座2固定在导轨上安置。（2）滑座设计说明：零件设计主要考虑以下几方面：1）零件的作用：安装滑块等其它零件，并与机床导轨配合。2）材料选择：底座要求有一定的强度，综合加工性能要好，选择45#钢。3）结构、精度：底座上面要安装其它零件，下面与机

57、床导轨，要求上下平面粗超 度要小，选择Ra=1.6m，并要有平行度要求。4）、表面及热处理：防止使用过程生锈，加工后进行发蓝处理。（3）零件加工工艺分析：1）下料：板材下料可采用锯切或气割方式。2）外表面粗加工：用铣床铣六面，四个侧面铣到尺寸。上下面留精加工余量。3）铣224长孔和28的长孔。4）以24长孔定位，铣四角R5圆弧。5）精加工上下平面：用平面磨床先磨一面，然后以这个面为基准磨另一面。保证两个平面的平行度。6）划线：划出螺钉孔和销钉孔位置。7）钻M28螺钉沉头孔和钻24销钉底孔。8）铰孔：手动铰刀铰24销钉孔。整个加工工艺路线：下料外表面粗加工-铣28和224长孔铣四角R5圆弧磨削上

58、下平面划线钻M28螺钉沉头孔和钻24销钉底孔-铰24销钉孔。3.2.4.2顶尖设计图3-6顶尖视图顶尖设计加工计算说明（如图3-6所示）：（1）零件设计主要考虑以下几方面：1）零件的作用：顶尖是与被加工件连接件。2）材料选择：要求有一定的强度和耐磨性，选择20CrMn合金钢。3）结构、精度：顶尖安装在滑座上，要随时进行修磨，更换要方便，与滑块连接采用莫氏3#锥度，顶尖是与被加工件相连接，所以莫氏锥度斜面和60锥角粗超度要小，选择Ra=0.8m，并要有同轴度要求。4）表面及热处理：防止使用过程生锈，加工后进行发蓝处理。热处理HRC45-50。（2）零件加工工艺分析：1）下料：圆棒料下料可采用锯切或无齿锯方式。2）外表面加工：车床加工，44和48尺寸加工到尺寸，莫氏3#锥度、60锥角留加工余量。3）铣空刀缺口：用铣床加工。4）热处理：用箱式淬火炉，热处理HRC45-50。5）精加工：外圆磨床磨削，莫氏3#锥度、60锥角留加