大型支撑套在线车削装置设计【含8张CAD图纸】
摘 要当今的制造业,在国民经济中占据重要的地位。任何行业的发展都离不开制造业做铺垫,没有制造业,就没有航空航天事业的辉煌,也没有深海探索的成就,然而传统的机械制造业已经落后,传统的加工技术已经跟不上社会发展的需要,那么新的技术就要与时俱进,当然离不开传统的加工制造技术作为基础。在线车削加工技术就是新时代发展的需要,从生产成本,经济效益,资源的利用角度来将,在线修复加工也是必须的,本课程设计就是对大型水泥生产设备回转窑的运动部件进行在线修复装置的设计,经过深入实践调查,在正确的理论指导下,设计的简易机床。其运动形式简单,制造比较容易,在传统技术的指导下完成的设计。IAbstractTodays manufacturing industry, in national economic occupy the important position. Any industry development is inseparable from the manufacturing of groundwork, no manufacturing, there is no aerospace brilliant career, also does not have the deep sea exploration achievement, however the traditional mechanical manufacturing has backward, the traditional processing technology has couldnt keep up with the demand of social development, so the new technology will keep pace with The Times, of course, without the traditional processing manufacturing technology as the foundation.Online turning processing technology is a new era of development needs, from the production cost, economic benefits, in the use of resources Angle, to repair processing is necessary online, this course is designed for large cement rotary kiln production equipment of moving parts for on-line repairing device design, through the thorough practice survey, in the right guidance, the design of simple machine tools. The forms of exercise is simple, make easy, in the traditional technology finish below the guidance of design.目录1 概 述 .11.1 选题背景 11.2 水泥回转窑的尺寸参数 21.3 水泥回转窑的工作原理和轮带受损原因分析 52 机床结构形式的总体设计 .72.1 传动形式的选定 72.2 机床结构布局设计 93 机床传动系统设计 .113.1 机床进给传动形式的选择 113.1.1 丝杠螺母副的选择 .113.1.2 丝杆螺母的结构选择 .153.1.3 丝杠螺母耐磨性的计算 .163.1.4 螺纹牙强度计算 .183.1.5 螺纹副自锁条件 .193.1.6 螺杆稳定性计算 .203.1.7 丝杠转速的计算 .213.1.8 切削功率的计算 .213.2 电动机的选择 223.2.1 减速机的安装尺寸 233.3 导轨的选择 233.3.1 导轨的功用和分类 .243.3.2 导轨材料的选取 .243.3.3 滑动导轨的结构 .25i3.3.4 导轨间隙的调整 .263.3.5 提高导轨精度、刚度和耐磨性的措施 .273.4 联轴器的选用 283.5 机床支承件的设计 293.5.1 支承件的功能 .293.5.2 支承件应满足的要求 .293.5.3 床身结构的设计 .294 刀具固定装置的设计 .324.1 刀架的设计 32结束语 .35致 谢 .37参考文献 .38附 录: .40外文资料与中文翻译 .4001 概 述1.1 选题背景本科毕业设计,是每个即将毕业的本科生都要完成的任务,其目 地在于将在校四年学习的理论知识与生产实际结合起来,在实践中检验对理论知识的掌握情况,同时为即将走上工作岗位做好准备。我在和指导教师刘传绍教授多次沟通和交流之后,在刘老师的指导下,确定了毕业设计的题目:大型支撑套在线车削装置。具体来说就是对大型设备的支撑装置进行在线车削,就是对其支撑装置的某些部位进行在线修复的过程。经过了解,将设计的研究对象确定为水泥回转窑。大型多支承回转窑是建材、冶金、水泥、化工等生产中的关键设备,它运行好坏在很大程度上决定了生产效率和企业效益。由于其体积和质量大,一般采用如下图所示的多组托轮的支承形式,每组支承结构都由滚圈(即轮带)和左右两个托轮组成,滚圈活套在筒体外面并支承在两个托轮上,托轮与垂直方向呈 30角;支承组数一般为 49 档。1滚圈是回转窑设备中的极为关键的部件,筒体、窑衬及物料等所有回转部分的重量都要通过滚圈传到支承托轮上。因此滚圈与托轮之间产生很大的接触应力,接触面容易发生剥落、压馈等磨损失效现象,严重影响支承部件的使用寿命,从而降低回转窑的运转效率。滚圈的破坏主要有下面几种形式:(1)疲劳点蚀。滚圈经常是由托辊托住,托辊和滚圈接触即为产生很大的赫兹应力,这种应力是局部的高应力,滚圈在此脉动应力的长期作用下,就会产生疲劳点蚀。点蚀逐渐扩大,就会产生大面积的剥落。(2)剥落压溃。滚圈的材料一般均为碳素铸钢,由于铸造的缺陷或热处理的缺陷造成滚圈周向的硬度不均,组织不一致,在高的负荷下,轮带材质的组织结构疏松,硬度较低的地方就会压渍、卷边、压陷。另外,铸造缺陷如皮下空洞、大面积的疏松,砂眼等亦会造成剥落和压溃。(3)断裂。滚圈的径向或周向断裂。径向整个完全断开,内圆弧发生变化,现场很难修复,周向裂纹,没有完全裂开,尚有办法修复。水泥回转窑的支撑装置由于其体积和质量大,拆卸下来对受损表面进行修复,工序比较麻烦,那么在线对回转窑轮带进行修复是非常必要的,针对这样的实际情况,设计一个简易车床,对受损表面进行车削加工,即可解决这些问题。1.2 水泥回转窑的尺寸参数技术参数 测温范围:02000 (分段) 2系统精度:0.5 发送器发送间隔时间:快发 10-30 秒,慢发 60-180 秒; 环境温度:可耐受 300以上的窑体辐射高温, 防护等级:IP65(防雨、抗晒、抗震动) ; 设备工作方式:24 小时连续; 无线传送距离:150 米(转发 500 米) ; 信号输出形式:温度显示(4-20mA 电流、RS485 接 口、Rs232 接口可选) 。 规格 转速 (r/min)斜度 (%)产量 (t/d)功率 (kw)设备重量 (t)1.433 0.393.963 30 18.5 47.51.636 0.262.634 50 22 521.845 0.161.624 70 30 78.21.939 0.292.934 75 30 77.592.040 0.232.263 100 37 119.12.245 0.212.443.5 150 45 128.32.540 0.442.443.5 250 55 149.612.554 0.481. 3.5 300 55 196.293452.742 0.101.523.5 400 55 198.52.844 0.4372.183.5 600 55 201.583.048 0.63.483.5 800 100 2373.250 0.6743.373.5 1000 160 252.43.552.5 0.63.6 3.5 1500 180 366.5460 0.3963.963.5 2500 315 5234.364 0.43.963.5 3200 420 606.694.872 0.393.963.5 5000 630 853.35.261 0.383.793.5 5500 800 859580 ma3.5 4 6000 800 12011.3 水泥回转窑的工作原理和轮带受损原因分析水泥回转窑工作原理:水泥回转窑在高温状态下重载交变慢4速运转,其附件设备维护和热工制度控制的水平关系到回转窑运行的安全和效率。传动装置的维护重点是设备的润滑、运行状态、动态检测以及大小齿轮的啮合精度;支承装置的安装精度决定着回转窑能否安全可靠运行,运行中应注意合理控制各档托轮承载量分配、托轮的布置形式、液压挡轮的上下行压力及时间、托轮的受力、轮带与垫板的间隙。密封装置的好坏,直接影响到回转窑热工制度及运行成本。加强回转窑日常维护数据整理分析,有利于设备的管理工作。水泥窑由三档轮带、三对托轮支承并回转,在生产运行过程中承受着很大的交变载荷,服役一段时间后往往会出现表面缺陷与结构断裂的损坏情况。失效原因(1)交变应力:根据水泥窑的结构特点,最大剪应力一般产生于轮带表面下 34mm 和托轮表面下 4060mm 下的深处。由于剪应力方向反复发生变化,导致轮带和托轮构件表面金属在支反力作用下不断地发生微观塑性变形时,最后产生疲劳裂纹,在载荷的继续作用下裂纹将不断地扩展,最后接近表面而形成网状点蚀裂纹及局部剥落缺陷,造成构件表面的疲劳破坏。(2)剥落压溃:轮带或托轮的材料,一般均为 ZG55碳素铸钢或35SiMn、42CrMnSi 中碳合金铸钢等材质。由于存在着不可避免的铸造缺陷,造成工件的轴向硬度不均匀,组织不一致,在高负荷条件下,会在工件表面硬度较低的地方产生压溃现象,导致点蚀裂纹与表层金属剥落。(3)异物碾压:由于水泥窑属低速重载设备,轮带表面接触处变形较大,油、水浸入裂纹后在轮带与托轮相互碾压下,液5体在裂缝中受到瞬间的封闭而产生极高压力,也会加速裂纹的扩展,并沿表面剥离。(4)热疲劳:水泥窑是处于“静不定结构”条件之下,由于窑内热工工况变化及窑的上下窜动的影响,相对于各轮带处筒体及轮带温度差和轮带与托轮接触面积的变化造成各轮带和托轮的应力水平的不断地变化,也存在着金属材料的热疲劳不利因素,都会加剧裂纹的扩展速率。(5)裂纹扩展:已经产生裂纹还可能向径向与轴向不断地扩展,逐步由表及里形成贯穿性裂纹,最后导致构件的断裂破坏而彻底失效,其危害性更为严重,将会造成更大的设备损坏与停产损失。62 机床结构形式的总体设计2.1 传动形式的选定机械传动形式有很多种,像带传动,链传动,齿轮传动,蜗杆传动,螺旋传动等等。而结合本车床设计来说,传动要实现车刀的横向和纵向进给运动。要将电机输出轴的旋转运动转化为刀具的横向和纵向进给运动,我首先想到了车床的传动系统,CA6140 车床就是通过螺旋传动实现纵向和横向进给运动的。螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。他主要用于将回转运动转变为直线运动,同时传递运动和动力。根据螺杆和螺母的相对运动关系,螺旋传动分为滑动螺旋传动,滚动螺旋传动,静压螺旋传动。对比这三种传动的特点和应用情况如下表。7综上对比情况,选择滑动螺旋传动作为本车床的传动形式。82.2 机床结构布局设计不同的生产目的,对机床的结构要求也不同,不同的加工对象,对机床的机构布局需求也不一样。机床的分类形式很多,如通常所说的车、铣、刨、钻、磨、镗等通用机床,每一类机床又分为大小不同的几种规格。而本设计机床的加工对象是水泥回转窑的轮带,其机构形式如下图所示,由此可以看出,为们要加工的对象,其回转直径很大,普通车床都的无法对其进行加工,并且回转速度也很低,最快才能够达到 10r/min,结合工作环境的实际情况,我认为,设计一个装置,来固定一把车刀,让车刀沿着水泥回转窑轴线的方向,让刀尖通过回转窑的轴心,缓慢地做水平直线运动,那样利用水泥回转窑自身的回转速度,来进行轮带表面的切削,达到加工的目的。而车刀在固定的同时,还需要有横向进给运动和纵向进给运动,这样的话,可根据普通卧式车床的工作原理,设计一个支架,将丝杠螺母固定在支架上,以实现刀具的运动。9机床的结构布局形式有立式、卧式及斜置式等,其中基础的形式有底座式、立柱式、龙门式等,基础支撑件的结构又有一体式和分离式等等。如果选择一体式的支撑结构形式,由于铸件体积大,浇铸工艺复杂,加工也不方便,并且一旦浇铸成型,其结构形式就确定,改动起来由于其体积大,很难实现。考虑到加工方便,制造成本简单,所以在这里应用分离式,采用碳素结构钢Q235A,其强度较高,塑性较好,常常轧制成各种型钢,钢管,钢筋等制成各种构件,冲压件、焊接件,因其焊接性能良好,在这里就采用 Q235A 这种碳素结构钢来焊接一个简易机床的结构件。分析比较后确定机床的总体结构图如下所示。 B103 机床传动系统设计3.1 机床进给传动形式的选择机床进给传动系统是本机床的关键部分,是该机床设计的核心。此简易疥疮的设计内容是供给进给运动的传动系统,在确定了螺旋传动的运动形式后,在这里采用滑动螺旋传动,采用丝杠螺母副进行传动。3.1.1 丝杠螺母副的选择(一)丝杠的螺纹、直径、螺旋方向的选择机床上常用的螺纹牙形有 30梯形和矩形两种,梯形螺纹加工方便,可以车、铣和磨,闭合对开螺母也较容易,故应用较多。丝杠的直径通常为 10 毫米到 200 毫米。但最常用的是 20 毫米到 60 毫米。一般丝杠直径 d 和长度 L 之比为 1/201/50. 丝杆旋转方向的选择:由于本设计采用电动机带到丝杆旋转来实现滑台的纵向进给,则采用右旋螺纹。因为制造较方便。对于滑台横向进给的实现需要手摇,则应根据操作习惯选择旋向:顺时针方向摇动时,应使滑台向前(离开操作者),由于丝杆轴向不动螺母带动移动部件移动,则采取左旋。综上可知:执行滑台纵向进给的丝杠与实现刀架横向进给的丝杠都选 30梯形牙形螺纹,并且前者是选用右旋螺纹,后者选用左旋螺纹。对执行纵向进给的丝杠进行耐磨性计算校核:螺纹工作面上单位压力 P 的大小,直接影响丝杠磨损的程度。应限制工作面上的单位压力,以确保丝杠的耐磨性。由耐磨性决定丝杠中径 d2 的公式为:11d2 8 p式中 p - 丝杠所受的最大轴向力( N)- 螺母长径比, = L/d2,L 为螺母的长度(mm),一般 取 1.24,但是螺母的螺纹圈数一般不超过 10. 因为圈数越多,载荷分布愈不匀,第 10圈以后的螺纹实际上起不到分担载荷的作用;p - 许用单位压力(N/cm2)查机床设计手册表 5.7-14 丝杆螺母的许用单位压力 p (N/cm2)许用单位压力 p=50 N/cm2由机床设计手册图 5.7-4 丝杆螺母耐磨性计算图可得到:d2 = 30mm 15 12 钢钢 低速 1013 钢铸铁 2.4 1318 17612 47 注:当 2.5 或人力驱动时,p值可提高 20;若为剖分螺母时则p值应降低 15 20。 3.1.4 螺纹牙强度计算螺纹牙的剪切和弯曲破坏多发生在螺母。螺纹牙底宽 mPt 8.364.063.1许用压应力 Mas5许用切应力 许用弯曲应力 Pb 8.376.0.相旋合螺纹圈数 42PHz剪切强度条件 MPazdtF04.618.371034.6531 弯曲强度条件 .4108.314.365622 bazdth 滑动螺旋副材料的许用应力许用应力(MPa) 螺旋副材料 b 18螺杆 钢 s/(35) 青铜 4060 3040 铸铁 4055 40 螺母 钢 (1.01.2) 06 3.1.5 螺纹副自锁条件 78.32914.6arctnarct2dP梯形螺纹的牙型斜角 ,其当量摩擦角5.61cos.0artncosartnv对于螺旋传动,为保证自锁可靠,实际应取 。本1v设计满足这一条件,因此能够自锁。上式中;为螺纹升角;f V 为螺旋副的当量摩擦系数;f 为摩擦系数见下表。 表: 滑动螺旋副的摩擦系数 f 螺杆螺母的材料 摩擦系数 f 钢青铜 0.080.10 淬火钢青铜 0.060.08 钢钢 0.110.17 钢铸铁 0.120.15 193.1.6 螺杆稳定性计算对于长径比大的受压螺杆,当轴向压力 Q 大于某一临界值时,螺杆就会突然发生侧向弯曲而丧失其稳定性。因此,在正常情况下,螺杆承受的轴向力 Q 必须小于临界载荷 Q。 。则螺杆的稳定性条件为4Fcr表: 螺杆的长度系数 :端 部 支 撑 情 况 长度系数 两端固定 0.50 一端固定,一端不完全固定 0.60 一端铰支,一端不完全固定 0.70 两端不完全固定 0.75 两端铰支 1.00 一端固定,一端自由 2.00 NlEIFcr 8.1026564)1042()29(.361.3)( 4392 .165380cr所以,该螺杆是稳定的。203.1.7 丝杠转速的计算已知回转窑的转速最大为 10r/min,回转窑的回转速度非常低,要实现对回转窑轮带的车削,进给速度应该非常低,选择回转窑转速为 6r/min,选择车刀进给量 f=0.2mm/r。车削压力 F=130N,背吃刀量 ap=1.0mm。则通过计算得出进给速度 vf-3102.10fnvf由此即可知道滑台的移动速度为 1.2 10 m/min,执行滑台-3纵向进给运动的丝杠螺纹头数为 1,则有导程 S 和螺距 P 相同,已知丝杠的导程和滑台移动的速度 Vf(m/min),则可以求得丝杠转速 n。 min201r/.Svf由于丝杠要通过联轴器与电机相连接,所以可以知道减速器输出轴的转速为 0.2r/min。3.1.8 切削功率的计算单位切削力 kc 的单位为 N/mm2 ,可表示为:kc = = = DcAFfaCPyxcCFFcyf1式中实验得到 1. 查金属切削原理与刀具表 3.1 可cF得:=2795 , =0.75 。FcCFcy则切削力 Fc = kc = kc = 836 NDAPaf鉴于切削时主运动消耗功率的比例约占 95%,因此,常用它21核算加工成本、计算能量消耗和选择机床主电动机功率。主运动消耗的切削功率 Pc(单位为 kW)应为: Pc = = 1.672 10 kW60fCvF-5机床采用滑动丝杠传动,查金属切削机床设计表 1-6 可知:滑动丝杠传动的平均机械效率 为 0.300.60.s则电动机功率 PE Pc/ = 1.672 10 /0.3 =5.57310 s-5-5kW3.2 电动机的选择综上计算可得,丝杠转速很低,切削功率也很低,一般的电动机的功率和转速都远远大于该丝杠所需求的功率和转速,如果用一般的电动机,那么就需要一个减速比很大的减速器来连接,而功率又远远大于丝杠所需要的工作功率,那么将造成浪费。由此选择 R 系列斜齿轮硬齿面减速机,该减速具有以下特点:、节省空间,可靠耐用,承受过载能力高,功率可达123kw;、能耗低,性能优越,减速机功率高达 95%以上;、振动小,噪音低,节能高;、该系列减速机选用优质锻钢材料,锻钢铸铁箱体,齿轮表面经过高频热处理;、经过精密加工,确保轴平行度和定位轴要求,形成斜齿轮传动总成的减速机配置了各种类电机,组合成机电一体化,完全保证了减速电机产品使用质量特性。22、该减速机输出功率小,输出转速小,具有很大的减速比。按照 R 系列斜齿面减速机选型参数表,最终确定选择R93R63 型减速机,该减速机的额定功率是 0.18kw,输出转速是0.2r/min,输出转矩是 2200Nm。3.2.1 减速机的安装尺寸根据减速机安装尺寸参数表,按照 R93R63 型减速机安装形式,选择安装形式和安装尺寸如下。 233.3 导轨的选择3.3.1 导轨的功用和分类导轨的功用是导向和承载。在导轨副中,运动的一方叫做动导轨,不动的一方叫做支承导轨。动导轨相对于支承导轨只有一个自由度的运动,以保证单一方向的导向性。通常动导轨相当于支承导轨只做直线运动或者回转运动。导轨按运动性质可分为主运动导轨、进给导轨、移置导轨。按摩擦性质可分为滑动导轨和移动导轨两种。导轨还可分为开式导轨和闭式导轨。3.3.2 导轨材料的选取铸铁是一种成本低,有良好的减震性和耐磨性,易于铸造和切削加工的金属材料。常用的铸铁有灰铸铁、孕育铸铁和耐磨铸铁等几种。在磨粒磨损的条件下,铸铁导轨的耐磨性随硬度的增加而提高。石墨细化的孕育铸铁耐磨性较高,以为均匀分布的石墨微粒能够产生润滑作用,又可以吸引和保持油膜。孕育铸铁是铁水在浇注之前加入少量的孕育剂硅和铝。这就可以使铸件各部24分获得均匀的珠光体和细片状石墨的金相组织,从而得到均匀的强度和硬度。但对于单件专用机床的设计,应在满足使用要求的条件下尽可能的降低成本和机床的体积,即达到经济耐用,设计轻巧的要求。床身不能通过铸造来生产,因为铸造需要模具,从而提高了生产成本。同时铸件比较笨重,违背床身简单轻巧的要求。综合以上特点,本设计不能采用采取导轨与床身一体铸造的方案,可将导轨焊接到床身上,则导轨材料选取灰铸铁 HT200。3.3.3 滑动导轨的结构直线导轨截面的基本形状主要有四种:三角形、矩形、燕尾形和圆柱形。由于在线车削装置不经常工作,且工作过程中承受颠覆力矩,因此实现车刀纵向和横向移动的导轨都选择燕尾形导轨,这种导轨高度较小、间隙调整方便,可以承受颠覆力矩。适用于受力小,层次多,要求间隙调整方便的地方。查机械设计实用手册表 5.8-9 燕尾形导轨尺寸 可选取导轨的尺寸。 150 5050520水平支撑导轨的截面图尺寸如上图所示,其长度为 600mm,用螺25钉连接在车床床身的支承板上,这样的导轨有两块,都采用螺钉连接,以床身底板中心线为对称线,对称地用螺钉连接在车床床身两侧的支承板上面,与之配合的是滑台,滑台的下导轨截面结构尺寸如下图所示。 370245310150上图为滑台左视图方向的截面尺寸,主视图方向截面尺寸如下图所示。 305160203.3.4 导轨间隙的调整导轨结合面配合的松紧对机床的工作性能有相当大的影响。配合过紧不仅操作费力还会加快磨损;配合过松则将影响运动精
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