靠模凸轮轴磨床本体结构设计【含CAD图纸、说明书】
压缩包内含有CAD图纸和说明书,咨询Q 197216396 或 11970985摘 要作为机动车(汽车)、内燃机、工程机械、国家防护等众多重要领域行业所需的关键零部件凸轮轴,它在加工精度、效率等方面的尺寸数据对其发动机或其相关产品的性能、质量及节能的标准都会产生一些直接的影响。从目前来看,投入生产运用的凸轮轴磨床有两种:一种采用的是靠模磨削手段的凸轮轴磨床;另一种是无靠模的凸轮轴磨床。本份毕业设计的主旨是将普通外圆磨床改造为靠模凸轮轴磨床。普通的外圆磨床与凸轮轴磨床在磨削工艺方面有着毋庸置疑的相似之处:它们的基圆和外圆磨削运动基本相同。但是凸轮轮廓的磨削运动与外圆磨削有着非常大的区别。此份设计除了是在万能外圆磨床上进行的改造,节约了资源,使机床操作更加便捷以外,在靠模机构中增添了液压仿形磨削的原理,更加简单的实现了砂轮和仿形触头能够可靠地与工件和靠模表面保持接触。这既提高了机床的利用率,又巧妙地提高了整个系统的传动精度。关键词:磨床;靠模;凸轮轴;机床本体VIIIAbstractAs a key component of many important sectors of motor vehicles (cars), internal combustion engines, construction machinery, etc. required for national protection camshaft. It is the size of the data processing accuracy, efficiency and other aspects of the performance of the engine or its related products, the quality and energy efficiency standards will have some direct impact. From the current point of view, the use of production camshaft grinder, there are two: one uses a cam camshaft grinding tool grinder; the other is a non-cam camshaft grinder.Subject duty graduation project is the transformation of an ordinary cylindrical grinder cam camshaft grinder. Ordinary cylindrical grinder and camshaft grinding machine has no doubt similarities in terms of grinding technology: their base and OD grinding motion basically the same. But the movement of the cam profile grinding and cylindrical grinding has a very big difference. This part is designed in addition to the transformation of the universal cylindrical grinder, saving resources, so that the machine operation more convenient than in the cam mechanism adds a principle of hydraulic profile grinding, the grinding wheel to achieve a simpler and copying contact with the workpiece and can be reliably held in contact against the mold surface. This not only improves the utilization rate of the machine, but also subtly improve the transmission accuracy of the entire system.Keywords: grinder; cam; camshaft; machine body目 录摘 要IAbstractII1绪论11.1选题的背景11.2分析目前磨床的发展状况21.2.1外圆磨床21.2.2端面磨床31.2.3内圆磨床41.2.4凸轮轴磨床41.3简述凸轮轴磨床的地位及其未来发展趋势61.4课题主要研究对象及内容72靠模凸轮轴磨床总体的方案设计82.1总体设计82.2初步设想机床组成及其用途与规格82.3注意事项93靠模凸轮轴磨床床身的结构设计103.1床身纵向尺寸的设计103.2床身横向尺寸的设计103.3液压仿形磨削机构124靠模凸轮轴磨床砂轮架的结构设计154.1设计条件和要求154.2砂轮架主轴的设计154.2.1砂轮架主轴的强度校核154.2.2选择合适的砂轮架主轴的电机164.2.3砂轮架主轴的刚度校核164.2.4如何提高砂轮架主轴的旋转精度174.2.5合适的主轴轴承的选择:动静压轴承184.3砂轮架相关尺寸的设计确定194.3.1砂轮架导轨的选取194.3.2如何确定砂轮架的高度及长度194.4如何选择砂轮修整器204.5传动装置的设计21参考文献25致 谢26III Abstract26 绪论1绪论1.1选题的背景在如今的机械工业和机械制造业迅速往高科技方向发展的大背景之下,随之济入人们焦点之中,最引人关注的除了节能和环保这个聊不完的话题,更多的还有是对作为机动车(汽车)、内燃机、工程机械、国家防护等众多重要行业、领域所需的关键零部件凸轮轴也有了越来越高的要求。其加工精度、效率等方面的尺寸数据对其发动机或其相关产品的性能、质量及节能的标准都产生了一些直接性的影响。在技术和生产要求以及价格等多方面条件的综合作用之下,研制出具有自主知识产权的靠模凸轮轴磨床是一件非常有必要的重要的事。于国内而言,大多数的厂家依然还是采用传统方法:依靠着机械靠模仿形法来磨削凸轮轴零件,用这种方法来生产磨削零件的弊端在哪里?就在于它的周期比较长,因为有一个很直观的问题对于不同的零件,我们必须得重新制作不同的靠模来完成生产任务。这是由于凸轮轴自身的外形轮廓,它是变化的,是不相同的,所以凸轮的靠模就不能在同种型号的凸轮轴磨床上做到相互替换,因此就出现了一个很明显的问题,即:一台凸轮轴磨床上使用的凸轮靠模就不能在其它同型号的凸轮轴磨床上使用。换言之,如果凸轮靠模能够实现在同种型号的凸轮轴磨床上的互换1,那么不仅仅是为制造商提供了凸轮靠模的条件,而且更值得我们关注的是对使用者来说,它带来了很大的方便。这就需要磨床在磨削时,砂轮可以适应不同的轮廓变化,以达到其凸轮轴加工的不同要求2。而于国际上而言,比较先进的方法应该就是采用无靠模的数控技术,相比较起来,它可以非常方便地磨削各种复杂形状的凸轮,不必费时又费力地来思考制造靠模这个问题,所以在提高了零件的加工精度的同时,更值得一提的是它大大缩短的新产品开发的周期。然而目前对于我们国家来讲,在这个领域里国内还没有自主知识产权的产品,而且由于数控凸轮轴磨床在技术含量方面又是比较高,另一方面就是这类机床的价格非常昂贵,所以在国内实施生产的话,暂时来看是有一些难度的。但是为了满足国内生产在产量的不断递增方面的需求,就很有必要研制出类似或者与国外相比更具优势的这种具有自主知识产权的凸轮轴磨床。不过随之产生的还有一个问题,众所周知零件形状取决于靠模形状,而靠模又很容易磨损,要想保证它的精度,我们不得不再次动点脑筋来解决这样一个问题靠模模板制造精度对凸轮轴精度的直接影响。由此可见,研究出一种精度高、效率高,同时又可以满足大规模大批量生产制造加工的专业的靠模凸轮轴磨床是一件相当必要且重要的事情。1.2分析目前磨床的发展状况如今的世界掀起的是一股高质量要求的风潮,相应的,对机械产品的要求也是越来越高,特别是在新型材料应用日益增多的今天,不仅是对它们的使用寿命,它们自身的精度、使用过程中的稳定性和可靠性都在不断提高。在各类金属切削机床中,磨床可能要数其中应用种类最为多的一种了,它广泛的用于零件的精加工,特别是如以淬硬钢、高硬度特殊材料及非金属材料等的精加工3。而它的类型也有很多,主要有:工具磨床、外圆磨床、平面磨床、内圆磨床、刀具刃磨磨床、各种专门化磨床、研磨机及其他磨床3。1.2.1外圆磨床外圆磨床依旧属于一个较大的分类,它还包含着好几种具体类型,比如:无心外圆磨床、普通外圆磨床、万能外圆磨床等等。每种磨床的不同点是表现在各个方面的,外圆磨床主要的加工面就属于其表现的一个方面,常见些的它有:圆锥面、圆柱面、台阶部分的加工端面以及一些特殊形状的外表面等等。不过,外圆磨床较低的自动化生产程度使它并不能适用于大批量的生产加工,但对于中小批量或者单件生产、修配某些特殊工件还是很适用的2。一台磨床的介绍很难通过寥寥数语来表现清楚,只能针对性的进行一下点对点的介绍。如其磨削方式,按照不同的进给方向,就有两种外圆磨削的方式,分别为纵磨法和横磨法。 纵磨法:当磨削正在进行时,此时(如图1.1):主运动砂轮的旋转;进给运动1)工件旋转时的圆周进给运动;2)工件随工作台沿其轴线往复移动的纵向进给运动。图1.1纵磨法磨外圆 横磨法:或者叫作切入磨法(如图1.2)。横磨法磨削外圆时,有个与纵磨法不同的地方,它没有纵向进给运动。原因在于它的砂轮宽度比工件的磨削宽度要大,所以工件并不需要这个纵向进给。但它有横向进给运动,是砂轮以缓慢的速度连续或者断续地沿工件径向运动,直到磨至所需尺寸4。图1.2横磨法磨外圆实际上,实现外圆磨削的渠道也不止一种,它是多种多样的,可以通过冲压磨削切削法、传递进给切削法、整块深度磨削法等各个方法来得以实现。但它们并不是简单的可替代关系,它们的使用都是需要各自一定的前提条件的。冲压磨削切削法只有当圆柱的外表面宽度比磨削轮的磨损宽度窄时,方可使用。它是通过砂轮的纵向、横向进给来完成的。而在传递进给切削法中,所有的运动(砂轮的磨削、工件的旋转、径向进给)都需要满足工件的整个的长度,其中磨削砂轮到工件的纵向进给可以利用切削深度来调整。还有很具有代表性的整块深度磨削法,可以磨削加工短而粗的轴类零件,但要记得间隙调整4。1.2.2端面磨床端面磨削机床虽以端面磨削命名,但其并非磨床的又一分类,而是外圆磨床的一种改造机床。既然是得以改造的机床,那它就有它进步的地方比起前面所介绍的外圆磨床,它的生产率提高了,所以克服了外圆磨床不可用于的大批量生产的弊端。它继承的是它们都适用于磨削加工轴类零件,但不同的是此处的端面磨床很适用于磨削加工带轴肩的轴类零件。而因其加工精度不高,所以多用于粗磨。正因为它是外圆磨床进一步改造过的机床,所以它的一些好的特点更加引人注目:1)为什么说它适用于大批量生产?因为它进行的加工过程(快速进给粗磨精磨)是具有自动磨削的循环加工的过程,而且在磨床工作时,主轴受到了压力,却因其刚性较好,便允许采用较大的磨削用量。工件的大小是由自动测量或者是由定程装置来进行控制的5。2)它的改进具体是哪里得到了改进?在原有的外圆磨床上装了砂轮修整器和轴向对刀装置。之所以多加这两样装置,是因为它们各自所能起到的作用正是我们所需要的。砂轮修整器起到的作用是可以按照模板修整出磨削工件外圆和端面的成型砂轮;轴向对刀装置则是保证端面尺寸稳定和操作时的安全5。3)改进后的另一值得关注之处:砂轮架、头架、尾架的中心连线所倾斜一定的角度(这些角度并非随意定的,在通常情况下所指是:10,15,23,30,45)2,这些角度的设置为了避免它们之间在工作时相碰而造成一些不必要的麻烦或是损失,即砂轮架与工件或者与尾架相碰。如图1.3所示,注意它们的安装位置应该是砂轮架的右边安装砂轮,然后从斜向切入加工工件的外圆和端面,并且是一次切入。图1.3砂轮架、头架、尾架的中心连线的倾斜角度1.2.3内圆磨床内圆磨床和外圆磨床一样,都属于一个较大的分类,依然涵盖着很多小种类,包括行星内圆磨床、普通内圆磨床、无心内圆磨床等等。其中常见的普通内圆磨床,它的磨削方法有:纵磨法和切入法。在其磨削进行时,主运动是砂轮的高速旋转,进给运动发生在两个方向上:其一是沿其轴线往复移动的砂轮或是工件做纵向进给运动,另一方向上则是砂轮的进给运动。1.2.4凸轮轴磨床类似上文介绍的外圆磨床和内圆磨床,凸轮轴磨床的种类也是各式各样,它包括靠模凸轮轴磨床、无靠模凸轮轴磨床、数控凸轮轴磨床等等。总的来讲,凸轮轴磨床是专门用于专业化大批量生产的。传统的凸轮轴磨削加工一般都是采用普通砂轮,加上运用靠模的方法来实现这种磨削加工。但是这个方法又确实难以满足解决凸轮轴几个加工方面的要求高精度、高效率、高柔性和工序集中 6。凸轮轮廓的加工精度主要是受到来自于仿形靠模的准确性和机床的精度。此次设计是针对靠模凸轮轴磨床的。在靠模的设计上,目前来说采用的是靠模仿形加工的方法,这个方法既经济可靠又可谓行之有效。它在保证加工精度的同时,又把劳动强度减小了下来,并且提高了它的生产效率。从机构的仿形靠模来分析,仿形靠模机构是属于一种凸轮机构的,如下图所示(图1.4),是一种磨削平面外凸轮的靠模凸轮机构。图1.4平面凸轮轮廓仿形磨削将靠模和凸轮轮坯同轴安装,并令其实现同步回转。在这里靠模和滚子所起到的作用,使得摆动的工件架可以按照所设计的既定规律来摆动,从而实现了砂轮回转中心对凸轮轮坯的相对运动轨迹的控制作用。当然,这里所用到的靠模凸轮的轮廓曲线必须是根据被加工的凸轮轮廓参数所设计而来的。具体在磨床上的分析,如下图(图1.5)所示的仿形靠模磨削工件。图1.5仿形靠模磨削工件示意图图中所示的标号1、2、3、4,分别是指工件、靠模、砂轮和滚子。安装在同一根轴上的工件1和靠模2,是能与绕他们的中心轴O3摆动的摆架连成一体的。而砂轮3和滚子4则分别安装在O2和O1轴上,而此处的O1O2之间的距离是固定的,同样,工件轴O和摆架中心轴O3之间的距离也是固定的。在整个磨削过程中,靠模的形状控制着控制着工件绕O3摆动,可得出O点的轨迹是以O3为中心,并以O3O为半径所的出的圆弧。时间一长,在此过程中的砂轮会有所磨损,即其直径变小,从而直接影响到所加工的工件的形状、精度、尺寸。所以要注意其磨损量以保证加工工件或是后续加工。1.3简述凸轮轴磨床的地位及其未来发展趋势随着现代科学技术的飞速发展,大家对所用的机械零件各方面的要求都在不断的提高。比如常接触得到的它们的表面精度、表面光洁度等方面,使用者对它们的要求都在一步步提高。而且如今所能运用的材料也是日益增多,各种高硬度材料的应用日新月异。再如今天的精密铸造技术和精密锻造工艺使毛坯直接被高速磨削、强力磨削成成品,一下子将机床的磨削加工效率提高了不少,从而不断扩大了磨床的使用范围,也提高了磨床在金属切削机床中的使用比例。正如作为汽车发动机或其它工程机械的关键零部件之一的凸轮轴,要想获得更好的发动机等工程机械,就需要不但提高凸轮轴的精度及其性能,也就是说,我们需要的是相应的高精密凸轮轴磨床。凸轮轴磨床的工艺应用范围是相当广泛的,不仅仅能对零件进行粗加工、精加工以及超精加工,而且它还可以加工、切断那些高硬或者超硬材料以及对刀具的刃磨。它主要所能加工的表面也不是局限的,有各类轴类零件的表面,如:圆柱的内外表面、圆锥面或者螺旋面,还有各种成型外圆的表面。从如98年的那场世界机床展览会的各项数据资料可以看出,在当时所有参加调查的企业当中,有近30%的企业在他们生产运用中最为主要的切削加工的技术那栏中选择的是磨削加工,并且在此之中钻削加工、车削加工及其它加工各占的比例分别是22%、23%及8%。还有譬如各企业在机床的使用当中,磨床在其中的所占比例更是高达45%,与之相比较起来,车床、铣床、钻床则各只占了33%、26%、21%。由此可见,在精密的磨削加工过程中,许多的零部件都是通过它来达到其自身的精度要求的。而如此精密的磨削加工技术应该如何获得呢?那当然必须在与之精密程度相应的高精密模床上得以实现。所以高精密磨床在精密加工当中所占地位是相当重要的。7而要将其得以实现,也不是一蹴而就的,首先要把基本条件满足。首当其冲的就是需要有高的几何表面精度:既然称之为精密磨床,那对于几何表面精度的要求更是呼之欲出。在磨削加工精度主要涉及的几个方面里包括了要保证工件的几何形状精度及砂轮主轴的回转精度,还有导轨的直线度。一般对于砂轮修整器的修整导程所定的要求在8-14mm/min,所以为了满足无冲击和能够平稳工作的要求,此时工作台要保持的是低速进给运动。精密磨床的加工一定要考虑到减少机床和它的传动结构的震颤,否则一定会严重影响加工工件的质量。所有种类的机床或者是工艺系统都会因为热变形这个问题,而引起加工的误差,严重的情况下,因此而有的加工误差可能会达到总误差的50%左右。结合上一小结尾提到的传统凸轮轴磨床的磨削加工工艺的弊端,由于它是先将导轮设计制造出来,再用仿形法制造出靠模模板,最后就是用制造出来的靠模模板通过靠模仿形的方式将零件加工出来。这个方法中一系列的过程不仅所耗时间长,而且在产品改型这个问题上很难解决。因此,靠模凸轮轴磨床的研究对缩短制造产品零件的时间、提高凸轮轴的精度及生产效率等重要方面具有着非常必要的意义。1.4课题主要研究对象及内容在以往的学习中,接触过汽车技术服务与营销这个专业,在接触学习的工程中能够很明显地感受到如今的这个汽车市场,不管在什么样政策之下,它的需求量一直高居不下,这将或者这已经带动了发动机凸轮轴的需求日益增加。所以,本次课题的研究对象是研制出一台高效率,高精度并能实现专业化生产的靠模凸轮轴磨床。如今汽车需求量的不断增大,再加上国外汽车行业先进技术的冲击,我们更应该加紧研究制造出拥有自主知识产权的制造产业来保证我们国产汽车行业的地位。本课题是靠模凸轮轴磨床本体结构设计,本文中主要的设计内容是改造普通外圆磨床为凸轮轴磨床。主要包括凸轮轴磨床的床身的整体结构、传动系统的方案选定、工作台及砂轮架的布局、强度校核及结构设计。 靠模凸轮轴磨床总体的方案设计2靠模凸轮轴磨床总体的方案设计2.1总体设计首先以整体的角度来思考靠模凸轮轴磨床上的床身和砂轮架的设计,然后详细的来论证此课题方案,从而初步完成对靠模凸轮轴磨床床身、砂轮架结构等部分的设计工作以及砂轮修整器的选择。通过加工凸轮轴的精度及其外形轮廓要求来将靠模凸轮轴磨床的设计确定。综合国内外先进的靠模凸轮轴磨床结构设计方案和设计原理,构思设计出一台较为经济实用,同时又可靠并能保证其加工精度和满足其工作要求的靠模凸轮轴磨床。利用系统性设计的方法来完成这次的设计,对整个靠模凸轮轴磨床设计中各个环节进行系统的综合考虑,以此便于对方案中的不足进行改善,并统筹全局,加上对资源的合理利用,这样设计出来的产品更容易被投入到在实际生产操作里应用。2.2初步设想机床组成及其用途与规格实现改造普通外圆磨床为凸轮轴磨床,在机床的组成部分及外形上初步是这么设想的,大致与外圆磨床相似,由床身(T型床身结构)、工作台(上下工作台面倾斜成10)、砂轮架(主轴中心线与床身导轨倾斜成30)、砂轮修整器(采用成型砂轮修整器)、头尾架(头架、尾架之间中心线平行)、各部分电机等组成。此外,还有进给系统(X、Y、Z、W四轴,即分别为砂轮架横向进给,修整器进给,工作台纵向移动,工件的旋转运动),各轴之间的动力则是由交流伺服电机所提供的,并将其通过精密无间隙的弹性联轴器直接与滚珠丝杠相连接8。设计的加工对象9:有较大的端面的盘或者轴类零件。带有轴肩的多台阶轴类零件。不规则的外圆轮廓或者是精度要求比较高的外圆零件。设计中主要存在的运动9:工件、砂轮和砂轮修整器的转动。工作台的纵向移动。砂轮架和砂轮修整器的横向进给。设计中所涉及的主要规格9:工件的最大加工长度700mm。零件最大加工重量140kg。设计加工外圆直径范围定为25mm-310mm。设计加工工件的转速范围50r/min-280r/min。机床中心高1000mm。砂轮线速度58m/s。2.3注意事项1、应保证机床满足凸轮轴加工时所需的精度、刚性及稳定性要求。2、传动系统尽量简短,操作调整要方便可行。3、机床的安全保护,注意冷却液的供给,废渣的回收与处理。 靠模凸轮轴磨床床身的结构设计3靠模凸轮轴磨床床身的结构设计3.1床身纵向尺寸的设计图3.1靠磨凸轮轴磨床纵向尺寸图如图所示:L1为工件的最大加工长度,即L1=700mm。L2,L3分别为头架、尾架的长度,即L2=300mm,L3=450mm。L4为工作台上台面长度,即L4=L1+100+L2+L3+40=1590mm。L5为工作台下台面长度,即L5=L4+L4*(15%20%)=(1828.51908)mm,则L5取1900mm。L6为磨床床身长度,即L6=L5+L1-200=2400mm。L7为磨床后床身长度,即L7=1650mm(需考虑到砂轮架与砂轮修整器的大小)。整个床身的宽度为1400mm,砂轮架中心线与磨床床身中心线相距设为L0,即L0=L3-L2=150mm。3.2床身横向尺寸的设计要确定工作台的各个参数,首先要找到各个基准。磨床床身的工作台横向尺寸的基准是以磨床床身的V型导轨横向尺寸来确定的;而其高度尺寸的基准则是以床身平面导轨的纵向尺寸来确定的10。如下图所示,可做以下计算设计:图3.2靠磨凸轮轴磨床横向尺寸图1) 如何确定上、下工作台的宽度B和厚度W。 确定工作台宽度B:设l为工作台导轨的中心距(l=350mm)工作台导轨选用的是8075350工作台宽度B=l+B4+B5B6=(1/2)Bl+(1230)=(1/2)75+2058mm B4B6B4=125mmB7=(1/2)Bl+(1230)=(1/2)80+20=60mm B5B7B5=125mm工作台宽度B=350+125+125=600mm 确定上、下工作台的厚度W1、W2: 依据类比法,同上:设l为工作台导轨的中心距(l=350mm)工作台导轨选用的是8075350上工作台的厚度W1=(0.250.35)l=0.3350=105mm下工作台的厚度W2=(0.30.4)l=0.4350=140mm2) 如何确定头架顶尖与尾架顶尖中心的位置。在磨削加工直径比较小的零件时,为了避免砂轮架此时的进给与工作台发生相碰,所以才选择将卡盘与顶尖的中心安排在V型轨道的中心线上。虽然这可以防止砂轮架与工作台的相碰,但也引起了另一个问题V型导轨的承载问题,这就不得不采取加宽导轨宽度的措施,从而使导轨承载力较大的问题得以解决。3)如何确定头架顶尖和尾架顶尖的中心到床身地面的距离,即高度H1。 H1取值范围为1000mm1100mm机床操作是指人的操作,所以在设计机床高度时,应从实际出发,考虑工人的身高,则由经验和类比法可得:H1=1095mm,由公式: H2= H1-(W1+W2+H/COS) (3-1)H2740mm4)如何确定工作台回转中心的位置B9。B9=(1/2)l=(1/2) 350=175mm5)如何确定靠模凸轮轴磨床的总高度H。H= H2+h+H头架+H测量仪1350mm3.3液压仿形磨削机构在靠模凸轮轴磨床本体结构设计中,针对如何使得砂轮和靠模的仿形触头(如滚轮)始终与被加工工件和靠模表面相接触的这个问题,本设计中提出的是增加液压仿形机构来确保整个磨削过程的可靠性和稳定性。如(下图3.3)液压仿形磨削机构的原理图所示:图3.3液压仿形磨削原理图其中序号1-13分别代表的是:1顶尖,是指待加工工件的;2链轮;3卡盘,是指靠模的;4供油系统;5仿形触头;6托板;7液压缸;8活塞杆;9砂轮(刀具);10中滑板;11阀体;12弹簧;13阀芯。首先液压式仿形机构是利用液压油作为介质来传递动力和机构各部分信息的。然后从上述原理图可以分析出:安装位置:7(液压缸)和液压系统是固定在6(托板)上的,而托板则是安装在靠模凸轮轴磨床的大滑板上的。具体运动方式:1(顶尖,因为图中并未表示出机床工作状态,没有装夹工件和靠模,所以此处指待加工工件。)和3(卡盘,理由同1,故指靠模)均装夹在磨床上,工件随主轴作高速旋转运动,靠模则通过2(链轮)和链条保持和工件同步的旋转。10(中滑板)和9(砂轮)以及11(滑阀阀体)一起由8(活塞杆)带动着向前或者向后运动。活塞的运动时靠滑阀来控制的。5(仿形触头)和13(滑阀阀芯)相连。在工件仿形前,5(仿形触头)在12(弹簧)的作用下,其端部始终保持与靠模的表面相接触。仿形磨削加工时,9(砂轮)作纵向进给运动,5(仿形触头)沿靠模表面移动并产生所需的横向运动。一旦5(仿形触头)沿靠模表面后退,13(阀芯)后端的间隙会逐渐减小,此时压力油流过,油缸后油腔压P2会降低。这是因为之前仿形触头后退时,间隙的减小所产生的节流作用。但是前腔的油压P1是不变的,所以使8(活塞杆)带动9(砂轮)向后移动,于是产生了仿形动作。此时,8(活塞杆)又带动了11(阀体)的向后移动。而13(阀芯)受到了12(弹簧)的弹性压力作用,并未向后移动,于是13(阀芯)后端的间隙逐渐增大,直到液压缸前、后腔压力平衡。即P1A1=P2A2,(其中按图说示来看,A2是大于A1的)。这一整个工作过程就实现了不断平衡又不断后退的跟踪过程。若靠模表面是使5(仿形触头)前进时,则整个仿形过程与上述的运动过程相反。采用液压仿形磨削不仅是因为它解决了如何使刀具(砂轮),仿形触头始终与工件和靠模相紧贴的问题,而且它具有结构简单,体积较小而输送功率较大以及它有较强的工作适应性等多处优点。另外,采用液压仿形装置避免了在机械仿形中存在的传动间隙这个问题,从而提高了整个系统的传动精度。最后,可以将砂轮和仿形触头制造成可换的,这样可以根据靠模的不同外轮廓来跟换相应的触头和砂轮,来保证工件的表面精度。 靠模凸轮轴磨床砂轮架的结构设计4靠模凸轮轴磨床砂轮架的结构设计4.1设计条件和要求 砂轮架对于各种凸轮轴磨床来讲都是关键的功能部件,起着凸轮轴磨削和径向进给的功能,它的动力学特性和结构形式将直接影响凸轮轴磨削的加工精度和表面质量11。所以说,我国自主研发靠模凸轮轴磨床这个领域,在其研发设计的过程中,是需要我们着眼于研制开发砂轮架的,需要我们对其关键部件进行仔细研究学习,比如有动静态分析及结构优化设计,从而来提高凸轮轴磨床砂轮架的整体性能。着眼整个磨床的布局结构,可知砂轮架的位置是在磨床的后床身的垫板上面,它是在整个靠模凸轮轴磨床上直接带动砂轮作高速旋转运动的关键性部件。它主要有三部分组成,分别是主轴、传动系统和轴承。其中,起到重要作用的是砂轮架主轴以及其主轴轴承这两个部分。所以,此处所谓对砂轮架的设计所提及的设计条件,也就是针对于其主轴和轴承的设计条件和要求。总结设计砂轮架应该注意的几个设计基本条件和要求:1)砂轮架主轴:保证其旋转精度高,旋转稳定性好。2)砂轮架主轴轴承:保证其系统刚性要好。3)砂轮架:注意制造装配要尽可能的简单,维修调整操作的方便。整体的震动尽可能的要小,砂轮架不能漏油,耐磨性要好,要控制发热,使发热量低。4.2砂轮架主轴的设计如下图所示,砂轮架主轴:图4.1靠磨凸轮轴磨床砂轮架主轴4.2.1砂轮架主轴的强度校核根据书本知识以及我们的所学内容可知,在对轴进行强度校核时,是需要根据实际情况而言的,要根据此时轴具体承受的载荷和应力的情况来进行分析计算,并且要适当的选取许用应力,即在校核时,所选取的许用应力应该选取的是较小值。对于砂轮架主轴来讲,它主要承受的就是扭矩的作用,因为它采用了卸荷皮带轮装置,所以这里的计算应该按照扭矩强度。采用Q235为砂轮架主轴的材料,而且需要进行淬火处理,所以最后查表选取的许用应力是40MPa。据轴的扭转强度校核条件: (4-1) 其中: T是指轴的扭转切应力,其单位是MP。 T是指上文所选取的轴的许用扭转应力,其单位是r/mm。WT是指轴的扭转截面的系数,其单位是mm3。 T是指轴所受到的扭矩,其单位是Nmm。 P是指轴所传递的功率,其单位是KW。 n是指轴的转速,主轴高速旋转,应该将其调至600 r/mm。 d是指轴计算截面处的直径,其单位是mm。由上面公式可知,需要先求解得到主轴所传递的功率P,即砂轮架主轴的电机的功率。4.2.2选择合适的砂轮架主轴的电机砂轮架主轴电机的选择要从其适合电机的功率着手,一旦选小,就不能保证主轴的正常旋转,会造成电动机的过载而损坏;当然也不能选的过大,因为电动机如果经常不能满载运动,会降低电动机的功率因数和效率,就会出现电能消耗的增加,造成浪费。因此此处采取类比法来选出砂轮架主轴合适的电动机功率为15KW。利用公式:N电=N切+N空 (4-2)由上式代入数据可得砂轮架的主轴直径为:d=120mm。再由计算所得出砂轮架的最小直径,加上对砂轮架刚度等条件要求限制的考虑,最后由经验估算,将主轴的最小直径取为60mm。4.2.3砂轮架主轴的刚度校核1)砂轮架主轴当量直径的确定 计算当量直径的公式(当量直径法,因为该主轴为阶梯轴):(4-3)公式中L,l i,d i,n分别代表的是砂轮架主轴长度(mm),阶梯轴第i段的长度(mm),阶梯轴第i段的直径(mm),砂轮架主轴上的轴段数。砂轮架主轴长度L为1395mm,经过计算,其当量直径dv=120mm。2) 砂轮架主轴允许挠度y的计算y=0.0002L0.00021395=0.279mm3)砂轮架主轴的前端挠度值的确定 公式: Y主轴=pa2(l+a)/3EI (4-4) 其中:p是指载荷,其单位是kg。 a是指主轴前端悬伸出去的长度,其单位是cm。 l是指轴两端的跨距,其单位是cm。 E是指材料弹性模数,其单位是kg/cm2。 I是指截面惯性矩,其单位是cm2。根据以上计算可得Y主轴0.0011cm即0.011mm。y=0.2790.0110.279即Y主轴y经校核,上述计算的主轴刚度是符合其条件要求的。4.2.4如何提高砂轮架主轴的旋转精度首先,砂轮架主轴的旋转精度所形容的是大小,是指主轴的前端径向圆跳动和其轴向跳动的大小。它的精度会直接影响到加工的工件的精度,即加工工件的表面粗糙度和表面缺陷。一般情况下而言,靠模凸轮轴磨床的砂轮架主轴的前端径向圆跳动和其轴向跳动的允许误差值在510微米的范围之间12。那么,如此重要的旋转精度,可以通过哪些措施得以提高呢?一方面可以在加工主轴的时候直接提高主轴加工时的精度;另一方面就是从其他方法着手,比如:选择正确的主轴轴向止推方式以及合适的主轴轴承,可选择液体静压推力轴承,采用动静压轴承。4.2.5合适的主轴轴承的选择:动静压轴承1)动静压轴承的含义及其相关工作原理:动静压轴承即动静压的混合轴承,它在拥有综合液体静压和液体动压的优点的同时,还克服了两轴承的缺点多油楔式油膜轴承。它利用静压轴承节流原理来克服主轴和轴承之间出现的互相磨损的现象。因为它如同静压轴承一样在压力油腔内产生了足够大的承受载荷的能力,从而克服了液体动压式轴承会在启动或停止时出现干摩擦而造成主轴与轴承间磨损的问题,动静压轴承就是以此原理来提高主轴和轴承的使用寿命及其使用精度13。与此同时,它的油腔大多采用了浅腔结构,而浅腔的阶梯效应又形成了静压和动压两者在承载力上的相互叠加,最终主轴就获得了很好的承载能力。它的极具优点还体现在它的多腔对置结构上,因为这个结构极大地增加了主轴刚度。主轴较高的运转平稳性和旋转精度还要归功于高压油膜良好的抗震性和均化作用。2) 动静压轴承的众多优点:使得主轴回转精度高。原因:动静压的混合轴承中静压油膜良好的轴向跳动和所具有纠正轴力的能力。较小的磨损和摩擦阻力。原因:油膜起到了关键性作用,它隔开了相对运动的表面,使其能够保证很高的运动精度及较长的使用寿命。很好的安全性能。原因:当供油受阻或者被切断的时候,利用了轴承中的动压效应来承受载荷。较高的承载能力。原因:动压效应可以承受载荷,所以受动压效应影响,转速越高的轴承,其承载能力相对来讲也是越大的。更大的优势在于这里的动静压轴承还可以承受来自不同变化的方向的动载或是瞬时过载。稳定性非常好。此次设计中采用的是毛细管节流器。目前来看,关于改进精密磨削机械,使用较多的就是表面节流液体动静压混合轴承。在这次的设计中砂轮架主轴的轴向定位采用的就是轴向止推静压轴承,它是由两个相对的环形油腔组合而成。轴上还有特定设计的台阶,这些台阶的设计所起到的作用是承受压力的,而轴承的间隙则是通过垫圈厚度的调整或者是依靠修磨来得以保证。较好的使用经济性。由于动静压轴承在高速运转的情况下,主要是依靠着动压来承受载荷的,所以此时的供油压力相对来讲是较小的。而且将轴承的轴颈设计的比较小,使其结构简单,而它在制造精度和对所选材料等方面的要求也并不高。在被广泛运用的定压供油的系统中,系统中最为关键的部分就是节流器,节流器此时所起的作用是使得流入油腔的流量阻尼得以限制,从而油腔的压力就可以随着外部载荷的变化而不断地变化了。4.3砂轮架相关尺寸的设计确定4.3.1砂轮架导轨的选取导轨的选择,要从具体的砂轮大小、重量,以及砂轮架的稳定性等角度考究,结合各方面经验,书本指导的综合考虑之下,最后采用的是V平导轨(规格为10090500),0.15MPa的卸荷导轨。根据V导轨和平导轨之间中心距500,则可得出砂轮架的宽度为600。设砂轮架的导轨横向行程度为l横,根据公式: l横=s丝杠+s快速+(0.10.2)s快速 (4-5)其中,s快速是指砂轮架的快速进退的行程,一般的取值范围为65150mm,此处所取之数为130mm,即s快速=130mm。根据公式:s丝杠=(D砂轮max/2+ D工件max/2)-(D砂轮min/2+ D工件min/2) (4-6)已知:D砂轮max=700mmD砂轮min=500mm D工件max =330mmD工件min =30mm即得:s丝杠=250mm据资料查阅:此处的安全系数应该去0.1,进而可得:l横=250+130+0.1130=393mm4.3.2如何确定砂轮架的高度及长度首先,分别将砂轮架的各个高度表示出来:图4.2砂轮架高度长度尺寸示意图砂轮架箱体导轨的高度设为h1(后工作台以及其床身的进给导轨内部会安装有传动丝杠,所以此处h1取180mm)。砂轮架底板滑台的高度设为h2(砂轮架底座上会安装修整器,而其内部会安装传动丝杠,所以此处h2取100mm)。砂轮架中心距砂轮底面的高度设为h3。后床身的顶面距平导轨的高度设为h0。如图4.2中h5,据经验可知h5的取值范围为110mm150mm,此处取其为140mm。砂轮架导轨长度设为L10。砂轮架底板的长度设为L9。并且,有3.2的计算内容和结果可知:H1=1095mm,H2=740mm。所以可得:砂轮架中心与后床身顶面之间的高度h4。h4= H1-H2+h5=1095-740+140=495mm由上一系列关联计算推理,可得:h3= h4- h1- h2=495-180-100=215mmL10L9+ l横+(5080),L9(1.52)l中心,其中l横,l中心由上文可知值分别为393,500。L9=(1.52)500=7501000,此处取其为900mm。 L10=900+393+(5080)=13431373,此处取其为1353mm。4.4如何选择砂轮修整器首先确定传动好传动的路线:伺服电机传动丝杆砂轮修整器。然后确定出导轨进给方式:直线滚动导轨。还要注意参数的选择:1)砂轮修整器修整速度V=(1/31/5)V砂; 2)砂轮修整器修整直径70120,所以可得V线的取值范围为1219m/s。 3)砂轮修整器的行程为150mm。最后砂轮的修整方法:当砂轮遇到磨损情况时,则将工作台左移,让砂轮进入尾架的修整区,准备进行修整。捏手调整装在尾架体壳上方的金刚钻头,一般的调整是位于和被磨工件的侧母线同一的位置上。当修整进行时,砂轮架处于快速引进位置,由手摇横向进给手轮来促使砂轮架的进给,此时进给量的大小就是砂轮架的修整量,所有这里就不再需要修整后的补偿了14。工作台的换向距离是依靠换向撞块来调整的。4.5传动装置的设计为本课题所设计的传动装置选定的方案是采用卸荷皮带轮来传递运动。所谓采用卸荷皮带轮传递运动就是指并不是将皮带轮直接安装在砂轮架主轴上,而是将其安装在单独的支架上,并且使用花键套将其连接,以此来带动主轴的旋转,从而就可以实现提高主轴旋转精度的目标15。之所以采取这个方案,还有一个更有力的理由,是因为此方案可以在减少主轴变形的同时,还可以提高主轴的承载能力。1) 传动带的设计:设计传动带采用多楔带,这是因为多楔带携V型带和平带的优点于一身,又因其外轮廓尺寸较小,并且比V型带传动平稳。假设已知小带轮的转速n1=1500r/min,传动比i=2.5,P=15kw。则具体计算如下: 功率Pac的计算:查机械设计表7.8可得工况系数KA为1.1,则由公式 Pac=KAP (4-7)所以Pac =1.115=16.5kw传动带带型的选择:通过Pac=16.5kw和n1=1500r/min查表,可得传动带带型选取为L型。带轮基准直径的确定:查机械切割机床设计简明手册表4-17,取主动轮的基准直径D1=90mm。i=n1/n2D1/D2从动轮的基准直径D2=n1/n2D1=225mm带速的验算:V=D1 n1/601000=901500/6010007m/s28m/s,由此可得带速是合格的。轴向间距a0的设定:已知有公式:0.5(D1 +D2)a02(D1 +D2); 可得:157.5a0630,则轴向间距a0取为400。基准带长的计算:据以下公式: Ld0=2a0+/2(D1+D2)+(D2-D1)2/4a0 (4-8)以及金属切屑机床设计简明手册中的表4-6,可得:Ld01306.19mm,Ld取1330mm。实际轴向间距a:由公式: aa0+(Ld- Ld0)/2 (4-9)计算出实际轴向间距a400+(1330-1306.19)/2411.905mm,所以取a=410mm。多楔带的每楔基本额定功率P1的确定:根据机械切割机床设计简明手册中的表4-38,可查得P1=0.52kw。计算小带轮的包角:=180-(D2-D1) 57.3/a=180-(225-90) 57.3/410161.133确定多楔带的楔数Z:ZKAP/(P1+P)KdKl, 其中又由公式:P=Kbh1(1-1/Ki) (4-10)Kb=4.610-3,Ki=1.14,代入可得P=0.768kw。又K=0.899,Kl=1.01,则Z14.5,所以最后Z=15。2) 传动带带轮的设计: 传动带带轮的设计要求:首先,载荷的分布要均匀,高速旋转时可以经过动平衡来校正;其次,带轮的结构工艺性好,质量小,没有较大的铸造应力,轮槽角度和尺寸要有一定的精度;最后需要保证槽轮工作面的精度,可以减少带的磨损。带轮的材料选择为HT200。小带轮结构尺寸的计算(如图4.3所示):图4.3小带轮结构尺寸示意图由于小带轮的直径要满足:D1(2.53)d (4-11)从而所采用的结构是实心式。根据公式可得出小带轮的外径da: da=d+2h (4-12)其中:d是指轴的直径,h是指基准线的槽深。则将各数据代入公式得出小带轮的外径得:da=80+24=88mm; db=(1.82)da=(1.82)88=158.4176(mm),经过圆整db取165mm。L=(1.52)da=(1.52)88=132176(mm),L取140mm。代入B的公式: B=(Z-1)P+2g (4-13)其中:Z是指多楔带楔数(此处Z为15)P是指多楔带槽间距(此处P为4.9)g是指第一槽对称面到端面的距离(此处g为10)。则将各数据代入公式得B=88.6mm。大带轮结构尺寸的计算(如下图4.4所示):图4.4大带轮结构尺寸示意图同上小带轮的计算,可推大带轮各数据的计算如下:da=d+2h=120+24=128mmdb=(1.82)128=230.4256(mm),db取240mm。L=(1.52)128=192256(mm),L取256mm。 选取合适的花键套:花键套的选择是根据轴端直径来选择的,本设计中的轴端直径为60,所以选取的内花键套为:862H778H1012H11GB1144-87。如下图4.5所示:图4.5内花键套结构尺寸示意图 参考文献参考文献1 孙志永,韩实秋,郑军改造外圆磨床为数控凸轮轴磨床J.北京:机械工业出版社,2006.35.9:12吕付强.外圆磨床论文J.济南:山东大学学报,2010.3:20-353陈立德.机械制造技术基础. 北京:高等教育出版社2009.44李伯民,赵波.现代磨削技术M.北京:机械工业出版社,2005.4:113-1255王文熙.经济型凸轮轴磨床数控系统J.制造技术与机床,1999(9):50-516彭克力,黄险峰,刘涛.一种实用性数控凸轮轴磨床的磨削工作原理分析J.长沙:汽车制造技术,2008.4:1-27Mastri A R.Machine Design and ResearchJ.Ann Intern Med,2004.87(2):235-2568张祖同,詹永麟,徐晖.机械靠模凸轮磨床数控化改造方案研究与应用J.上海:上海交通大学汽车科技报,2002.4:1-29陈立德机械设计基础M北京:高等教育出版社200810何铭新,钱可强机械制图M北京:高等教育出版社2004325-35411贾振元,郭东明,傅南红,等.摇摆式凸轮轴数控磨削插补算法及控制策略研究J.机械工程学报,2001(2):70-7312 尚汉冀,朱永明.凸轮磨床靠模计算与凸轮加工误差分析J.内燃机工程,1980(1):40-4913王永春,陈伟,高世伦,等.用西门子840C数控系统实现凸轮轴的无靠模磨削加工J.汽车科技,2003(1):18-2014 DANIEL B.DALLAS. Tool & Manufacturing Engineers HandbookM. 3rd ed. Columbus: McGraw-Hill Book
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