动静压回转工作台设计【结构设计】【含CAD图纸、说明书】
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压缩包内含有CAD图纸和说明书,咨询Q 197216396 或 11970985毕 业 论 文(设 计)论文(设计)题目:动静压回转工作台设计姓 名学 号学 院专 业年 级指导教师 压缩包内含有CAD图纸和说明书,咨询Q 197216396 或 11970985目录目录摘 要IAbstractIII第1章 概 述11.1 液体静压支承技术国内外发展概况11.2 动静压回转工作台设计的目的和意义21.3 本设计的主要内容31.4 静压技术的发展趋势3第2章 动静压回转工作台的原理与应用52.1 动静压回转工作台52.2 主要技术参数62.3 静压支承相关设计62.4 闭式静压回转台的设计计算102.5 相关部件的选型132.6 本章小结13第3章 结构设计153.1 传动方案的确定153.2 轴的设计与校核203.3 轴上配合件的选用233.4 蜗杆传动的设计与校核293.5 带传动的设计与校核363.6 本章小结39结 论41参考文献43致 谢45译文和原文4772摘要摘 要回转工作台,即带有可转动的工作台面、用以装夹加工工件并实现回转和分度的机械设备,简称为转台或第四轴。随着现代工业的迅猛发展,机械加工对加工精度的要求越来越高,而回转工作台作为镗床、钻床、铣床等的重要附件,其性能对加工精度的影响极为显著。传统工作台由于结构、材质等条件的限制,已经难以满足日益提高的技术需求。动静压回转工作台,是在传统回转工作台的结构基础上,加入一层常转中盘结构,并辅以静压支承技术,在纯液体润滑工作条件下实现差动回转,从而克服如爬行等运动问题,提高回转工作台的运动精度和抗震能力,扩大工作台的速度范围,提高承载能力,使之具有较高的运动平稳性,以符合更高的生产要求。本课题主要从主体结构、传动方式、动静压支承等方面探究了动静压回转工作台的工作原理及其实现方式。关键词 动静压回转工作台;液体静压支承;供油回路;蜗杆传动;带传动AbstractAbstractRotating table is a mechanical equipment which is for workpiece clamping fixture. With development of modern industry, the demand for machining precision has greatly increased. As an important accessory for machine tools, rotating table has obvious significance on working accuracy. But the traditional rotating table is limited by lagging design and mechanical structure, this leads to a huge disparity between traditional rotating table and increasing technical requirement. Hybrid rotating table is an improvement based on old-fashioned rotating table. Changes in the mechanical structure and hydrostatic support make performance a big progress. Hybrid rotating table works in the pure liquid lubricant condition, and it helps to cover some motion problems like “crawling”. The new design brings better kinematic accuracy and shock resistance, amplifies the range of speed and carrying capacity. It makes hybrid rotating table high stability. This topic is trying to explore the working principle and implementation about hybrid rotating table by means of designing the major structure, kind of drive, dynamic and static pressure bearing. Key word hybrid rotating table; hydrostatic support; fuel supply circuit; worm drive; belt drive第1章 概述第1章 概 述1.1 液体静压支承技术国内外发展概况液体静压支承是指借助外部的液压系统将压力油输入支承工作面之间,借助液体的静压力来支承载荷,从而实现纯液体摩擦的滑动支承。与传统支承技术相比,液体静压支承具有速度范围宽、承载能力大、运动精度高等一系列的优点,它也因此获得了普遍的重视和广泛的应用。早在1878年的巴黎国际博览会上,就曾出现了能灵活浮动的展品,这也被视作是液体静压支承最早的雏形。在1938年美国加利福尼亚州的帕洛马尔山天文观测站里,设计师在一台200英寸天文望远镜上首次成功使用了液体静压推力轴承。这一望远镜虽然重达500t,转速仅为1转/天,但驱动功率仅为70W 丁振乾. 我国机床液体静压技术的发展历史及现况J. 精密制造与自动化, 2003, 3: 19-21.。液体静压支承技术的优势在此得到了充分的展示。1945年,法国工程师P.Gerard发明了向心静压轴承,并将其成功地应用于磨床砂轮主轴。在之后的数十年里,静压支承技术得到了迅猛的发展,应用范围日益扩大,几乎渗透进了整个机械制造行业,催生了一批又一批的新兴技术。在国内,上海机床厂于1958年首先开展了对这项技术的研究,以制造精密磨床。随着研究的不断深入和推广,静压支承技术在国内的应用也越来越频繁,特别是在高精度、高效率和重型机床中取得了良好的成效。伴随着现代工业的飞速发展,静压支承技术也取得了长足的进步,静压支承的应用在今天已经相当的普遍,并且成为了高精度和重载设备的主要手段,衍生出静压蜗杆齿条、静压花键、自调节静压支承、动静压混合轴承等新型设备。这些技术的出现,不仅给新产品的设计提供了性能良好的新型支承,使产品的整体性能有了质的飞跃,而且也有利于旧设备的改进。液体静压支承的作用并不仅仅限于支承元件,由于其油腔压力会随外载荷而变动,它也被应用于自动控制及测量装置中,例如用于实现高精度微进给装置 戴一帆, 李圣怡. 超精密加工精度分析J. 中国机械工程, 1999, 10(2): 203-206.、对刀装置、砂轮自动平稳等。静压支承的实际应用还有很多。作为引入静压支承技术的新型工作台,液体静压转台在欧美等工业发达国家有着十分普遍的应用。英国LOADPOINT公司生产的PICOACE系列研磨设备,就采用了液体静压转台。该转台最大工作直径305mm,最大转速200r/min,在保持高动静刚度的同时,还拥有较小的运动误差,能够进行纳米级的加工,同时保证较小的表面损伤 周堃, 熊万里, 吕浪, 等. 液体静压转台技术综述J. 制造技术与机床, 2011, 4: 012.。美国PRECITECH公司将麻省理工大学研制的新型液体静压回转台成功应用于NANOFORM系列高精度金刚石车床,也取得了极好的效果,为后来者提供了极具参考价值的技术案例。在国内,陕西秦川机械发展股份有限公司 薛宏丽, 王贵成, 刘钢. 高速刀柄及其工具系统的结构与性能J. 工具技术, 2008, 42(10): 31-34.和无锡永凯达齿轮有限公司 胡雅琴, 何桢. 响应曲面二阶设计方法比较研究 D. 天津大学, 2005.开发了用于YK73125磨齿机床的液体静压转台,这一成果提高了成形磨齿机的齿形加工精度。在学术界,学者们对静压支承技术也是格外的重视,诸如机床与液压润滑与密封磨床与磨削等知名技术杂志上也频频出现以这项技术为研究对象的文章。1.2 动静压回转工作台设计的目的和意义近年来,随着机械加工中心不可避免地向着大型化、精确化、重型化的方向发展,人们对工作台承载能力的需求急速上涨,对回转精度、刚度的要求也越来越高。传统的工作台由于其结构、材料、装备制造能力等方面的缺陷,已经不可能满足日益复杂的加工需求。于是,具有更大承载能力和高回转精度的新型回转工作台成为机械加工的必需品。动静压回转工作台的设计工作,就是在这样的背景下进行的。动静压回转工作台采用了液体静压回转导轨作为支承,以压力油膜作为工作介质,这使得它具有高承载刚度的特性。摩擦副在纯液体润滑条件下工作,受到的磨损极小,并且可克服爬行现象,运转灵敏度高,运行平稳。相较于传统的回转工作台,动静压回转工作台的性能优势主要体现在以下几点上:(1)动静压回转工作台的运转速度范围很宽,其承载能力受滑动表面相对速度的影响较小,只要液压系统正常工作,各部分尺寸设计也合理,那么在极低的速度甚至是静止状态下也能正常的工作,实现液体摩擦。(2)如果能选择合理的支承有效承载面积和节流器形式,则能够获得很大的承载能力。(3)油膜将支承件和滑动件隔开,油膜均化效应 许尚贤. 液体静压和动静压轴承综述J. 精密制造与自动化, 1985, 4: 004.减小了两相对滑动面本身的制造误差对运动精度的影响,从而使动静压回转工作台能保持较高水平的运转精度。(4)油膜具有良好的吸振作用,能削弱冲击对回转工作台的影响,因此回转台能平稳的运动。(5)由于工作部件处于纯液体润滑状态,两相对滑动面并不直接接触,因此磨损教少,使用寿命长,启动功率的消耗也随之减少。1.3 本设计的主要内容此次课题的题目为:动静压回转工作台设计。其研究范围主要包括了对传统回转工作台结构的改进和静压支承技术的应用。具体来说,本次设计任务需要解决的问题有:在传统回转工作台的基础上进行必要的改良和创新,以确定动静压回转工作台的功能结构;完成相关的结构设计(传动、锁紧、润滑等)和尺寸计算;进行关键零部件的强度校核;设计供油回路;根据主要的设计参数要求,分析计算静压油腔数量、形状及尺寸;绘制相关图纸。1.4 静压技术的发展趋势静压支承技术在回转工作台中的应用,将朝着大规模、高回转精度、高承载能力、高刚度、高热稳定性等方面发展,以满足日益复杂的技术需求。具体来说主要集中在以下几个方面:(1)改良现有的油腔结构设计技术,在不损害回转精度和承载能力的条件下,解决系统的热稳定性问题。(2)降低供油回路,特别是定量泵的成本及功耗问题,同时也要保证油膜刚度。通过对油路设备的改良来简化油路本身的复杂性。(3)研发特大规模静压回转工作台,并开发相应的精密加工工艺和精密装配工艺,提高制造效率。(4)运用更为先进的分析设计技术,实现精确定量优化设计,开发超精密工作台,实现工艺的复合性。有静压支承技术支持的回转工作台,必将得到业内越来越多的重视。第2章 动静压回转工作台的原理与应用第2章 动静压回转工作台的原理与应用2.1 动静压回转工作台动静压回转工作台的外形与一般工作台几乎无异,但其采用三层差动运转的工作方式,中间层保持较高的转速,消除了工作台启动时因克服静摩擦所导致的不稳定的运动状态,因而提高了工作台运动的平稳性,克服了爬行等运动问题。1上转台 2上转台轴(低速轴) 3中盘轴(高速轴)4中盘 5蜗杆 6蜗轮 7带轮图2-1 动静压回转工作台图2-1为动静压回转工作台的机械结构部分。动静压回转工作台的上转台为放置工件的工作台面,用蜗杆传动方式为其传递动力,并借此获得较低的转速。上转台与上转台轴(即低速轴)用键连接在一起,二者之间为间隙配合。低速轴可以完成上转台的径向定位,而上转台的轴向定位通过与上转台相连接的摩擦副的特殊结构来完成。该结构使动静压回转工作台成为闭式回转工作台,可加强台面对偏载荷的承载能力,并负责保证蜗轮的对中性。中盘轴(即高速轴)与中盘用键连接在一起,并通过带传动方式传递动力,使中盘以较高的转速长时间的运转。带传动的电机放置于动静压回转工作台的底座之外,以节省内部空间,用于供油回路的设计。两轴的轴承组都选用角接触球轴承,背对背安装,并通过预紧装置提高回转精度。2.2 主要技术参数动静压回转工作台的主要设计参数如下: (1)工作台面直径左右。(2)工作台面承受载荷左右(包括动载荷)。(3)供油压力不超过。(4)上台面转速小于1转/分。(5)中间台面转速5001000转/分。2.3 静压支承相关设计为了实现动静压支承的设计理念,需要进行一系列的设计工作,比如:合理的基本结构形式;一套运行良好的液压供油系统,为静压支承系统提供压力油,保证油压能随着外载荷的变化自动调节,以使工作面始终处于纯液体摩擦状态;合理的油腔数量、形状、尺寸和分布位置。2.3.1 静压回转台的结构形式静压回转台按其结构可分为开式及闭式两类 李列. XK2125 床身工作台导轨副采用恒流供油式静压导轨的探讨J. 机床与液压, 2006, 10: 64-66.。左图为开式回转工作台结构 右图为闭式回转工作台结构图2-2 回转台结构对比图开式静压回转台依靠运动件的自重或载荷保持运动件不与支承件分离,没有结构上的限制,属于力封闭。开式静压回转台只能在回转台的一个方向上开有油腔。开式静压回转台的特点可总结为以下几点:(1)承受正向载荷的能力大,承受偏置载荷及颠覆力矩的能力较差,不能承受反向载荷。(2)结构简单,制造及调整方便。(3)当几何尺寸确定后油腔压力唯一由载荷确定,因此小载荷时油膜刚度低。闭式静压回转台的运动件,除在其运动方向具有一个自由度外,其余运动自由度都由回转台的结构所约束,属于几何封闭。闭式回转台的特点为:(1)能承受正、反向的载荷,承受偏载荷及颠覆力矩的能力较强。(2)油膜刚度高,因此导轨本身的结构刚度要求较高。(3)制造及调整较复杂。(4)为减少功率消耗,闭式回转台一般采用不等面积油腔的结构。动静压回转工作台的载荷不均匀,偏载较大,且需要设计对置油腔结构,因此设计为闭式结构。2.3.2 供油形式的选择液体静压支承按液压系统供油形式不同,可分为定压供油式静压支承和定量供油式液压支承 谢黎明, 徐铮. 重载荷静压支承供油方式的选择J. 中国制造业信息化, 2008, 11.。左图为定压式供油 右图为定量式供油图 2-3 供油方式对比图定压供油式静压支承,是通过调节油腔的流量来调节油腔的油膜厚度,常用的节流方式有毛细管节流、小孔节流、滑阀节流和薄膜节流等。在实际工程应用中,上述节流器存在易堵塞、难于维修调整等缺陷。定量供油式静压支承,不需要节流器,采用多个油泵对每个油腔进行定流量供油,并在压力允许的范围内形成油膜。相对于定压供油式,定量供油式调节的工作可靠、方便、易于控制、油泵功率小、对油的清洁度要求低,且对温度变化不敏感、稳定性好、基本上消除了节流间隙的堵塞现象。由于每个油腔需要一个流量相同的油泵供油、成本较高,结构较复杂。随着液压元件的发展,工程上开始使用多供油点的定量油泵。动静压回转工作台选用定量供油的方式。实现定量供油有两种方法 丁振乾. 流体静压支承设计M. 上海科学技术出版社, 1989.:(1)用定量油泵:油泵以恒定的流量直接供油给油腔,所以油腔压力始终等于油泵压力。(2)用定量节流阀:类似于定压式,仅是用定量节流阀代替节流器,使通过油腔的流量恒定。2.3.3 油腔的结构形式油腔的数量、形状及尺寸,都对动静压回转工作台的动静压支承性能有极大的影响。油腔设计的基本形式如下:(1)单油腔。单油腔是静压支承最基本的形式。一个单油腔静压支承由油腔、进油孔及四周封闭的封油面组成。单油腔的静压支承往往不能承受偏载荷,若载荷偏置时,偏离载荷远的一边间隙大,压力小,而间隙小处压力大,滑动件会发生倾斜。(2)多油腔。在一个支承上开有两个以上的油腔,即为多油腔。多油腔可承受偏置载荷,各个油腔的压力可以不同,以平衡各自承受的不同载荷。(3)对置油腔和向心轴承。对置油腔由两个互相对置的油腔组成恶棍,这种结构的闭式静压导轨中极为常见。而向心静压轴承实际上是多个油腔沿着圆周分布而成的。为了使油膜均匀,本次设计采用多油腔的承载方案。由于载荷分布可能不均匀,并且对运动精度要求较高,油腔的数目可相应增多。在油腔之间留适当的间隔,其上不设油槽。在动静压回转工作台运动过程中,要保证油腔不得外露,因此油腔开在支撑件上。在确定油腔的主要参数时,应考虑多方的因素 汪星桥, 盛伯浩, 遇立基. 机床设计手册J. 1986.:(1)油腔要有足够的初始托举力。初始托举力是指油泵供油压力刚建立,而运动件尚未浮起时的静压推力。(2)油槽不能太宽。(3)要减小动压力的影响,使回转工作台运行平稳。(4)油槽应便于加工。本次设计的油腔形状及分布的情况如下图:A、C支承平台 B静压腔 D油楔 螺旋角图2-4 油腔及其分布图静压油腔部分为环形,半径为100mm到150mm,深度为5mm左右,其结构类似于推力轴承。动压油腔部分,其边缘线为对数螺旋线 周伟, 叶林, 李蒲建, 等. 对数螺旋线与对数螺旋型拱坝研究J. 电网与水力发电进展, 2008, 24(3): 66-69.,曲线方程为:。分布范围从半径150mm到210mm,油楔等深,其深度约为2mm。共有6个油楔,油楔D与支承平面C所占角度比为2:1。由机床设计手册查得,油膜厚度的推荐值为0.0150.030mm。2.4 闭式静压回转台的设计计算2.4.1 确定油腔的初始压力按已知的最大外载荷并选定相对位移(一般取)带入承载能力的计算公式,即可求得油腔初始压力或按已知所需的油膜刚度代入油膜刚度的计算公式中,即可求得值。 (2-1)式中 副导轨的有效承载面积 主副导轨面积比一个油腔的有效承载面积指的是:假设在该面积上均匀地分布着油腔压力,且其产生的总推力等于一个油腔和它周围的封油面上的实际总推力,即。由此可计算环形油腔推力轴承的有效面积。环形油腔推力轴承的总推力可分为三部分,即环内支承平台部分(),油腔部分(),环外支承平台部分()。三部分皆按环形面积计算,则各圆环面积上的推力分别为:可得 则环形油腔推力轴承的有效承载面积为: 由设计的主要技术指标可知,工作台面承受载荷400左右(包含动载荷),即。取。动静压回转工作台的轴向位移极小,取正反向载荷比,则有效承载面积之比为:由式(2-1)可得:2.4.2 确定油泵额定供油压力由油腔的初始压力及相对位移代入压力的计算公式即可求得,此值即油泵的确定输出压力。 (2-2)由式(2-2)得: 2.4.3 确定每个油腔的流量每个油腔的流量即定量泵的流量,选择合理的润滑油粘度后,按最高允许工作湿度(一般低于5060)的粘度值及值代入流量计算式,就可确定所需的定量泵流量。 (2-3)式中 流量系数初始油膜厚度 润滑油粘度取,取20号机油,则,流量系数由下式计算可得:由式(2-3)得:计算油膜刚度: (2-4)式中 无纲量油膜刚度 由式(2-4)得: 2.5 相关部件的选型首先选择定量泵。外啮合齿轮泵流量和压力脉动大,噪声大;内啮合齿轮泵结构复杂,加工性能差,价格较贵;柱塞泵结构复杂,对油污染敏感,皆不予选用。可从双作用叶片泵、凸轮转子叶片泵选用。由前文的计算可知,油泵的输出压力,流量。由此选择定量叶片泵,其技术参数如下表:表2-1 定量叶片泵技术参数型号排量/ 额定压力/ 转速范围/ 备注2.51006.39001450可双联2.6 本章小结本章从整体上介绍了动静压回转工作台的工作原理和机械结构,总结了本次设计的主要技术参数,并借助动静压支承技术的相关理论,为动静压回转工作台设计了一套供油系统及相应的油腔结构。最后通过计算确定静压支承的相关参数。第3章 结构设计第3章 结构设计3.1 传动方案的确定传动是指机械之间的动力传递,是将机械力通过中间媒介传递给终端设备的过程。传动应当满足机械设备工作部分的要求,并且使得动力机能在较佳工况下运转。3.1.1 传动方案的选择原理传动装置负责传送原动机的动力,变换其运动形式,以实现工作机预定的工作要求。传动装置的设计是否合理,直接影响到整部机器的性能、成本及整体的尺寸。传动装置首先应满足工作机的性能要求,适应工作条件,此外还应该结构简单、紧凑,成本低。传动效率高和操作维护方便等。当然,同时满足所有要求往往比较困难,因此要根据具体的设计任务有侧重地保证主要设计要求,进行合理地选择和组合 卜炎, 机械设计. 机械传动装置设计手册M. 机械工业出版社, 1999.。参考如下:(1)大功率、高强度、长期工作的工况,宜用齿轮传动。(2)低速、大传动比,可用单级蜗杆传动或是多级齿轮传动。(3)带传动多用于平行轴传动,链传动只能用于平行轴传动,齿轮可用于各向轴线传动,蜗杆常用于空间垂直交错轴传动。(4)有自锁要求时宜采用螺旋传动或蜗杆传动。(5)带传动可以缓冲吸振,同时还有过载保护作用,但不宜用于易燃、易爆的场合。(6)改变运动形式的机构(连杆、凸轮)应布置在运动系统的末端或低速级。3.1.2 高速轴的传动方案3.1.2.1 高速轴的传动方式高速轴为中盘的连接轴,在动静压回转工作台的工作过程中一直保持高速旋转,其转速为5001000转/分,作为回转工作台的差速层,不要求十分精确的转速。为节省工作台的内部空间以安置液压泵,高速轴选择带传动作为传动方式,将电机置于工作台外部。带传动的优势在于 秦书安. 带传动技术现状和发展前景J. 机械传动, 2002, 26(4): 1-2.:(1)能够在一定程度上缓和载荷的冲击。(2)运动较为平稳,无噪声。(3)制造和安装精度相对较低,不像啮合传动那样严格要求。(4)如过载,则将引起带与带轮之间打滑,可有效防止其他零件的损坏。(5)通过增加带长,可以适应中心距较大的工作条件。(6)两带轮的相对位置要求不严格。带传动的传动比可以满足高速轴传动的要求,高速轴的传动方案为:电机带传动工作台。3.1.2.2 高速轴传动装置的选型高速轴带传动的传动比估算约为,大带轮基准直径估算为,则电机功率约为。选择Z3-41直流电动机,其主要参数如下表:表3-1 Z3-41直流电动机主要参数机座号序号功率/ 电压/ 额定转速/ 电流/ Z3-41532201500173.1.3 低速轴的传动方案3.1.3.1 低速轴的传动方式低速轴为上转台的连接轴,在动静压工作回转台的工作过程中只做低速的旋转,转速小于1转/分。为了实现低速转动并占用较小的空间,低速轴的传动采用蜗杆传动。蜗杆传动的优势在于 杨兰春. 蜗杆传动手册M. 华东化工学院出版社, 1990.:(1)传动比大,结构紧凑。若换用齿轮传动,则需要采取多级传动才行,所以蜗杆传动结构紧凑,体积小、重量轻。(2)结构平稳,无噪声,冲击、震动都比较小。(3)具有自锁性,只能蜗杆带动涡轮转动,而蜗轮不能带动蜗杆传动,可防止机器倒转。仅凭借蜗杆传动的传动比,难以满足低速轴的传动要求,因此加入减速器对传动比加以调整,使低速轴的转速进一步降低。低速轴的传动方案为:电机减速器蜗杆传动工作台。3.1.3.2 低速轴传动装置的选型减速器是用于降低转速、传递动力、增大转矩的独立传动部件,用以满足工作需要,在现在机械中应用极为广泛。本次设计初选ZDY、ZLY、ZSY型硬齿面圆柱齿轮减速器(JB/T 88532001)减速器的承载能力受到热平衡许用功率和机械强度两方面的限制。因此选用减速器必需经过两个步骤 吴宗泽. 机械设计实用手册M. 化学工业出版社, 1999.:(1)选用减速器的公称输入功率应满足: (3-1)式中 机械强度计算功率() 负载功率() 工况系数(即使用系数),见表(3-2) 安全系数,见表(3-3) 减速器公称输入功率()表3-2 工况系数原动机每日工作时间/h均匀载荷U中等冲击载荷M强冲击载荷H电机汽轮机水力机0.811.511.251.751.251.52表3-3 安全系数重要性与安全要求一般设备,减速器失效仅引起单机停产且易更换设备重要设备,减速器失效引起机组、生产线或全厂停产高度安全要求,减速器失效引起设备、人身事故1.11.31.31.51.51.7按动静压回转工作台的设计要求,从上述各表中选取数据。工作台不受冲击载荷作用,按工作时长较长选择,可得,负载功率预估,由式(3-1)得:(2)校核热平衡许用功率应满足: (3-2)式中 计算热功率() ,减速器热功率,无冷却装置为, 有冷却装置为 ,系数,查表(3-4),(3-5),(3-6)表3-4 环境温度系数冷却条件环境温度/ 1020304050无冷却0.911.151.351.65冷却管冷却0.911.11.21.3表3-5 载荷率系数小时载荷率/%1008060402010.940.860.740.56表3-6 公称功率利用率40506070801001.251.151.11.051根据动静压回转台的设计要求,从上述各表中选取数据,得,。由式(3-2)得:根据以上计算结果,按照使用要求,选择减速器ZLY型。该减速器主要参数如下表:表3-7 ZLY型电动机基本参数型号ZLY(低速级中心距)公称传动比公称转速/ 输入输出112875094根据设计要求及减速器参数,选择电动机型号为Z3-52,重要参数如下表:表3-8 Z3-52电动机主要参数机座号序号功率/ 电压/ 额定转速/ 电流/ Z3-5210322075017.43.2 轴的设计与校核3.2.1 轴的设计要求和设计步骤作为组成机械的重要零件之一,轴的设计应满足多方面的要求,比如:受力合理,尽量避免或减少应力集中,足够的强度和必要的刚度等。通常的设计步骤如下 成大先. 机械设计手册: 单行本: 轴及其联接M. 化学工业出版社, 2004.:(1)拟定轴上零件的布置和装配方案。(2)选择轴的材料(3)对轴的直径进行初步估算(4)对轴进行强度校核(5)必要时应校核轴的刚度和临界转速3.2.2 高速轴的设计3.2.2.1 高速轴的结构设计高速轴与动静压回转工作台的中盘相连接,用于传递转矩并完成中盘的径向定位,为空心传动轴。其结构设计应使轴系部件有较准确的轴向工作位置,便于安装拆卸,且便于加工。高速轴的设计如下图:图3-1 高速轴3.2.2.2 高速轴的强度计算轴的强度计算一般可以分为三种:按扭转强度或刚度计算;按弯扭合成强度计算;精确强度校核计算。此高速轴不受弯矩或仅受较小的弯矩,强度计算的重点在于传递扭矩,所以选择按扭转强度计算。空心轴的扭转强度计算公式为: (3-3)式中 轴端直径() 轴所传递的扭矩() 轴所传递的功率() 轴的工作转速() 许用扭转剪应力(),见表(3-9) 系数,见表(3-9) 空心轴的内径与外径之比()表3-9 几种常用轴材料的及A值轴的材料Q235-A、20Q275、35(1Cr18Ni9Ti)4540Cr、35SiMn、42SiMn、40MnB、38SiMnMo、3Cr13/MPa1525203525453555A14912613511212610311297注:1、表中所给出的值已考虑了弯曲影响。 2、当弯矩较小或只受扭矩作用、载荷较为平稳、无轴向载荷或只有较小的轴向载荷、轴单向旋转时,取较大值、A取较小值。反之,取较小值、A取较大值。高速轴为空心轴,结构较为复杂,为保持尺寸稳定性和减少热处理变形,选择铬钢,40Cr,查表(3-9)可得:取较大值55,A取较小值100。由设计的主要技术指标可知,回转工作台需承受的最大载荷约为400(包含动载荷)。动压润滑摩擦系数为0.001到0.01,取较大值0.01。由此可计算高速轴所受摩擦力,即轴所传递的扭矩。计算过程如下:摩擦力中间层上下表面均受摩擦力,则设单位面积质量为,取面积微元,质量微元。则 由式(3-3)得:即高速轴最小半径为。3.2.3 低速轴的设计低速轴的直径受高速轴内径以及配合轴承内径的限制,并且需考虑到油路的通行。其直径在可行范围内尽量大,为油路的设计保证足够的空间。3.2.3.1 低速轴的结构设计低速轴与动静压回转工作台的上转台相连接,用于完成上转台的径向定位,基本不传递转矩和弯矩,因此强度上的要求较高速轴低。其结构设计更多的考虑到使轴系部件有较准确的轴向工作位置,便于安装拆卸,且便于加工。低速轴的设计如图(3-2)。低速轴内需要通行油路,但油路几何尺寸在结构设计图内未标出。图3-2 低速轴3.2.3.2 低速轴的强度计算按照最初的设计,低速轴需要通行油路,以实现上转台的供油。但相对于轴的半径,油路尺寸要小得多,因此低速轴可按实心轴进行校核,其校核过程与高速轴基本一致。实心轴的扭转强度计算公式为: (3-4)式中系数按表(3-9)选取。低速轴的材料选用45号钢。3.3 轴上配合件的选用作回转运动的零部件,都需要转在轴上以实现其回转运动。轴不能独立完成传递转矩的功能,还需要如键、螺栓等配合件的协助。正确的选择轴上配合件,能够保证轴系的正常运转。3.3.1 键的选取与校核所谓键联接,是指通过键来实现轴和轴上零件之间的周向定位,并传递运动和转矩的连接方式。键的类型一般可以通过使用要求、工作条件以及联接的结构特点来进行选取。键是标准件,它的剖面尺寸是根据轴的直径来制定标准,键的长度则是按轴毂长度从标准中选取 成大先. 机械设计手册: 单行本. 联接与紧固M. 化学工业出版社, 2004.。键的相关尺寸可通过设计手册查询,设计时进行强度校核即可。键或键槽工作面的挤压或磨损: (3-5)键的剪切: (3-6)式中 转矩() 轴的直径() 键与轮毂的接触高度(),平键 键的工作长度() 键的宽度() 、键连接的许用挤压应力及许用挤压压强(),见表3-10 键连接的许用剪切应力()见表3-10表3-10 键连接的许用挤压应力、许用挤压压强和许用剪应力许用应力及许用压强联接工作方式被连接零件材料不同载荷性质的许用值静载轻微冲击冲击静联接钢1251501001206090铸铁708050603045动联接钢5040301209060高速轴上端的键用于联接高速轴和中盘,其作用是传递扭矩,选用薄型平键。由机械设计手册查得键的公称尺寸为,。键和轴的材料都是钢,因此由表(3-10)可查得,取较小值125MPa;。由式(3-5)得: 由式(3-6)得: 满足强度要求。高速轴下端的键用于联接高速轴和带轮,其作用是传递扭矩,选用薄型平键。由机械设计手册查得键的公称尺寸为,。键和轴的材料都是钢,由表(3-10)可得其参数同上。由式(3-5)得:由式(3-6)得: 满足强度要求。低速轴的键用于联接低速轴和上转台,其作用是对上转台进行径向定位,不传递扭矩,选用普通平键。由机械设计手册查得键的公称尺寸为,。键和轴的材料都是钢,由表(3-10)可查得其参数同上。由式(3-5)得: 由式(3-6)得: 满足强度要求。3.3.2 轴承的选用及组合设计滚动轴承是标准件,在机械设计中一般根据工作条件选用合适的滚动轴承类型和型号进行组合设计。作为现代机器中广泛应用的部件之一,滚动轴承安装、维修方便,价格也较为便宜。选择滚动轴承的类型时,必须了解轴承的工作载荷(大小、性质、方向)、转速及其使用要求。本次设计的转速较高、载荷较小,且要求较高的旋转精度,此时宜选用球轴承 唐金松, 机械设计. 简明机械设计手册M. 上海科学技术出版社, 2000.。考虑到轴承上可能同时受径向载荷和轴向联合载荷,选用角接触球轴承。高速轴选用轴承的轴承代号为7024C,低速轴选用代号为7010C,其主要参数见表(3-11)。表3-11 选用轴承主要参数轴承代号基本尺寸/mm基本额定载荷/kN极限转速/dDB脂油7024C12018028108110280038007010C50801626.522.067009000为了保证轴承的正常工作,除了正确选择轴承类型和确定型号外,还需要设计合理的轴承组合。轴承的组合结构设计主要考虑以下几个方面的问题 成大先. 机械设计手册: 单行本: 轴承M. 化学工业出版社, 2004.:(1)轴系的固定。(2)轴承与相关零件的配合。(3)轴承的润滑与密封。(4)提高轴承系统的刚度。此次设计中,工作间处于轴的悬伸端,背对背安装能保证较好的刚度。同时需要设计轴承预紧装置,使滚动体和内、外套圈之间产生一定的预变形,使轴承带负游隙运行,借此增加轴承刚度,提高轴承的旋转精度,延长其使用寿命。3.3.3 轴承预紧装置的设计动静压回转工作台所使用的角接触球轴承,常常处于高速轻载的运动状态。适当的预紧可以有效地防止轴承在高速旋转时钢球发生公转打滑及陀螺旋转现象,减小钢球的自旋滑动,从而减小轴承内部的摩擦和发热,延长轴承的使用寿命。轴承的预紧方式有两种,即径向预紧和轴向预紧 姜韶峰, 刘正士, 杨孟祥. 角接触球轴承的预紧技术J. 轴承, 2003, 3(1): 4.。角接触球轴承通常采用轴向预紧的方式。本次设计中,使用预选的内外圈隔套使一组轴承的内圈和外圈之间处于某一固定位置,从而使轴承获得合适的预紧,即所谓的定位预紧。定位预紧的轴承在使用过程中,其相对位置是不会改变的。但是工作温度的变化所引起的轴及轴承座的尺寸以及相关定位部件尺寸的变化会直接影响到轴承预紧力的变化。本次设计的预紧系统如下图:A 套筒 B端盖 C内螺纹盘 D轴上外螺纹部 E特制垫圈图3-3 预紧系统低速轴上,两轴承之间的相对位置用套筒固定,使得两轴承外圈的距离一定。而两侧分别用轴肩和内螺纹盘固定轴承的内圈。内螺纹盘可在轴上有外螺纹的部分上下移动,通过旋紧螺纹盘,可对轴承内圈施加轴向力的作用,来达到预紧的目的,且预紧力可调整。高速轴上,两轴承的位置用套筒和特制垫圈固定,两轴承内圈的距离一定,特制垫圈与端盖上的螺栓接触,通过拧紧螺栓来对轴承外圈施加轴向力的作用,以达到预紧的目的,且预紧力可调整。3.3.4 轴承端盖的设计为了完成高速轴轴承的轴向定位及预紧工作,需要对高速轴轴承端盖进行设计。轴承端盖是用于固定轴承、调整轴承间隙,并且承受轴向力的轴承配件。轴承端盖的结构有嵌入式和凸缘式两种 夏仁丰, 高伟, 姜威, 等. 便捷式端盖J. 现代机械, 2002, 4: 045.。嵌入式轴承端盖的结构较为简单、紧凑,且不需要固定螺钉,外径小,重量轻,但装拆端盖和调整轴承的间隙相对困难,密封性能差。在座孔上开槽,加工费时。凸缘式轴承端盖安装。拆卸、调整轴承间隙都比较方便,密封性能也好,但外廓尺寸较大,需要螺钉来连接。为了满足预紧要求,保证密封性能,本次设计选用凸缘式轴承端盖。由前文可知,轴承外径为,其相关数据可按下表选取:图3-12 凸缘式轴承端盖的尺寸轴承外径螺栓直径端盖上螺栓数目456564701008410014010615023012166由表(3-12)可查得:螺栓直径,端盖上螺栓数目为6。选择螺栓直径为,由此可计算得:螺栓间距,端盖外径,轴承接触内径。固定端盖所用的螺栓选型为:GB/T 5781 M5X13(螺纹规格d=M5、公称长度l=13mm、性能等级为4.8级、不经表面处理、C级的六角头螺栓)。为了方便调整轴承的游隙,在端盖上设计了一个特殊结构,通过螺栓推进特殊垫圈,由特殊垫圈挤压轴承外圈,以完成预紧工作。预紧螺栓选型为:GB/T 5781 M5X13(螺纹规格d=M5、公称长度l=13mm、性能等级为4.8级、不经表面处理、C级的六角头螺栓)3.4 蜗杆传动的设计与校核蜗杆传动可用于传递空间交错轴之间的回转运动,其轴线夹角可以为任意值,最为常用的是90。其主要优点有:结构较为紧凑、工作平稳、无噪声、冲击振动小,并且能够得到很大的单机传动比,在部分机床工作台中,传动比甚至可到1000,同样的传动比用其他的机构则极难实现。蜗杆传动多以蜗杆作为原动件,用于减速运动。在动静压回转工作台的上转台部分选用蜗轮蜗杆作为传动方式。3.4.1 传动类型按照蜗杆螺旋线方向的不同,蜗杆分为左旋和右旋两种。除了特殊需要外,一般多采用右旋。两者的运行原理相同,计算方法也一样,但作用力的方向不同(除径向力外)。此次选用右旋。按照蜗杆头数的不同,蜗杆可分为单头蜗杆和多头蜗杆两种。单头蜗杆主要适用于要求传动比较大的场合。如果传动要求自锁功能,则此时必须采用单头蜗杆。而多头蜗杆则主要用于传动比不大和要求效率较高的场合。此次选用单头蜗杆。按照蜗杆形状的不同,蜗杆可分为圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动、锥蜗杆传动三大类。由于刀具的加工位置不同,圆柱蜗杆又可以分为阿基米德蜗杆(ZA型)、渐开线蜗杆(ZI型)、法向直廓蜗杆(ZN型)等多种类型。由于要求较为精密的传动,本次设计选用圆柱蜗杆传动中的渐开线蜗杆(ZI型) 邱宣怀, 郭可谦, 吴宗泽, 等. 机械设计M. 高等教育出版社, 1997.,其端面齿廓为渐开线。3.4.2 材料的选择蜗杆按材料分有碳钢和合金钢,其工艺要求见表(3-13)。按热处理不同可分为硬面蜗杆和调制蜗杆。一般首先考虑选用硬面蜗杆。表3-13 蜗杆材料及工艺要求蜗杆材料热处理硬度表面粗糙度40 45 45Cr40CrNi 42SiMn表面淬火45HRC55HRC1.60.820Cr 20CrMnTi 12CrNi3A表面渗碳淬火58HRC63HRC1.60.832CrMo 50CrV渗氮65HRC70HRC3.21.645 40Cr 40CrNi 42CrMo调质270HB6.3本次设计需要保证持久性高的动力传动,因此蜗杆选用45号钢进行表面渗碳淬火。涡轮材料通常是指涡轮齿冠部分的材料。主要有:(1)铸锡青钢。适用于和持续运转的工况。(2)铸铝青钢。适用于的工况,抗胶和能力较差,蜗杆硬度不得低于45HRC。(3)铸铝黄铜。点蚀强度高,但磨损性能差,宜用于低滑动速度场合。(4)灰铸铁和球墨铸铁。适用于的工况,前者的表面若经硫化处理,有利于减轻磨损,后者若与淬火蜗杆配对,能用于重载场合。本次设计要求蜗杆转速较低,所以选用灰铸铁蜗轮(HT200)。3.4.3 主要参数和几何尺寸模数:在圆柱蜗杆传动中,蜗杆的轴向模数和蜗轮的端面模数已经定为标准值,查询设计手册可得。查阅机械设计手册后后,选取。(GB/T 10088-1988)中心距:一般圆柱蜗杆传动作为减速装置的中心距,可从机械设计手册中选取,本次设计选取。蜗杆分度圆直径:查机械设计手册可得:。蜗杆分度圆柱导程角:。式中 ,为蜗杆直径系数。变位系数:圆柱蜗杆传动变位的主要目的是配凑中心距。根据本次的设计要求,。由此可计算蜗轮蜗杆的各相关参数和几何尺寸。传动比齿顶高系数,齿顶高顶隙系数,顶隙(1)蜗杆:蜗杆轴向齿距蜗杆导程蜗杆齿顶圆直径蜗杆齿根圆直径蜗杆节圆直径蜗杆分度圆导程角蜗杆齿宽(螺纹长度)(2)蜗轮:蜗轮分度圆直径蜗轮喉圆直径蜗轮齿根圆直径涡轮外径蜗轮咽喉圆半径蜗轮节圆直径蜗轮齿宽蜗轮齿宽角根据计算出的数据,绘制蜗轮蜗杆如下图:图3-4 蜗轮蜗杆3.4.4 蜗杆传动的强度计算圆柱蜗杆传动的破坏形式,主要是蜗轮的轮齿表面产生胶合、点蚀和磨损等问题,而齿轮的弯曲折断则少有发生。通常多按齿面接触强度对蜗杆传动进行计算,只是当时,才进行弯曲强度核算 秦大同, 谢里阳. 现代机械设计手册M. 化学工业出版社, 2011.。本次蜗杆传动需进行这两种强度校核。3.4.4.1 蜗杆传动齿面接触强度验算齿面接触强度的验算公式为: (3-7)式中 许用接触应力,其值与蜗轮轮缘的材料有关。对无锡青铜、黄铜和铸铁的轮缘,取决于胶合,其值可按表(3-14)查询 作用于蜗轮轴上的名义转矩() 弹性系数,查表(3-15) 使用系数,查表(3-16) 动载系数,其值按速度选取。当时,;当时, 载荷分布系数,载荷平稳时,载荷变化时,表3-14 无锡青铜、黄铜及铸铁的许用接触应力蜗轮材料蜗杆材料滑动速度0.250.5123468ZCuAl10Fe3、ZCuAl10Fe3Mn2钢经淬火24522521018016011590ZCuZn38Mn2Pb2钢经淬火2102001801301309575HT200、HT150(120150HB)渗碳钢16013011590HT150(120150HB)调质或淬火钢1401109070表3-15 弹性系数蜗杆材料涡轮材料铸锡青铜铸铝青铜灰铸铁球墨铸铁钢155156162181.4表3-16 使用系数原动机工作特点平稳中等冲击严重冲击电动机、透平0.812.50.91.511.75多缸内燃机0.91.511.751.252单杠内燃机117.51.2521.52.25根据设计中蜗杆传动的工作情况,查表(3-14)得,查表(3-15)得,查表(3-16)得。,。由式(3-7)得:满足强度要求。3.4.4.2 蜗杆传动齿根弯曲强度动静压回转工作台所使用的蜗轮齿数为,需进行齿根弯曲强度的校核工作。齿根弯曲强度的验算公式为: (3-8)式中 蜗轮的综合齿形系数,可根据图(3-5)选取 导程角系数,蜗轮的当量齿数,由此可根据图(3-5)查得蜗轮的综合齿形系数。由式(3-8)得: 满足强度要求。图3-5 齿轮综合齿形系数3.4.5 蜗杆传动的刚度验算蜗杆轴刚度验算公式为: (3-9)式中: 蜗杆材料的弹性模量, 蜗杆齿根截面的惯性矩, 蜗杆的跨度()蜗杆齿根截面的惯性矩由式(3-9)得: 刚度满足要求。3.4.6 蜗杆传动支承设计蜗杆用轴承组进行支撑,轴承用轴肩和轴承端盖进行固定。轴承选用角接触球轴承,轴承代号为7004C,主要参数如下表:表3-17 所选轴承主要参数轴承代号基本尺寸/基本额定载荷/极限转速/
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