车床用球面切削装置的设计.docx
《车床用球面切削装置的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《车床用球面切削装置的设计.docx（34页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
车床用球面切削装置的设计
河南科技学院
2009届本科毕业论文（设计）
论文题目：
车床用球面切削装置的设计
学生姓名：
姚林
所在院系：
机电学院
所学专业：
机械设计制造及其自动化
导师姓名：
陈锡渠
完成时间：
2009年6月1日
摘要
球面零件广泛的应用于机械行业以及其他与机械相关的行业，但是球面零件的加工往往被生产厂家视为难题。
能够完成球面零件加工的车床普遍价格昂贵，结构复杂，维修困难，这使得生产效率低下。
生产厂家普遍采取改装通用车床的方法来加工球面，但受原始设备的条件限制，以及对车床改装的不合理，加工出来的球面在尺寸精度上和表面质量上都达不到要求。
本文对现有的车床用球面切削装置进行分析，总结其优缺点，进而整理出装置的工作原理和可行的技术方案，进行装置的设计以及三维建模等工作。
力求让所设计的装置能够达到结构简单、拆装迅速，使用方便、通用性强，能够加工各种规格的球形零件并满足尺寸精度及表面质量的要求，生产成本低并易于制造。
关键词：
车床，球面，切削
CuttingInstallmentforSphericalSurfacebylathe
Abstract
Sphericalsurfacecomponentswidespreadapplicationinmechanicalprofessionaswellasotherwithmachineryrelatedprofession,butthesphericalsurfacecomponents'processingoftenregardsasadifficultproblembytheManufacturer.Cancompletethesphericalsurfacecomponentsprocessingthelatheuniversalpricetobeexpensive,thestructureiscomplex,theservicedifficulty,thiscausestheproductionefficiencytobelow.TheManufactureradoptsthere-equippinggenerallathe'smethodtoprocessthesphericalsurfacegenerally,butoriginalequipment'sconditionlimit,aswellasre-equipstothelatheunreasonable,processesthesphericalsurfacecannotmeettherequirementsinthesizeprecisionandthesurfacequality.
Thisarticlecarriesontheanalysistotheexistinglathewiththesphericalsurfacecuttinginstallment,summarizesitsgoodandbadpoints,thenreorganizestheinstallmenttheprincipleofworkandthefeasibletechnicalprogram,carriesonworkandsooninstallmentdesignaswellasthreedimensionalmodeling.Makeseveryefforttheequipmentwhichletsdesigntobeabletoachievethestructuretobesimple,disassemblingisrapid,theeasytooperate,versatile,canprocesseachkindofspecificationthebulbandsatisfythesizeprecisionandthesurfacequalityrequest,theproductioncostlowandeasytomake
Keywords:
Lathe,SphericalSurface,Cutting
1绪论
1.1研究背景
在机械加工行业中，球形零件广泛应用于汽车、化工、航天、航空等领域，所以经常会遇到球形表面的加工。
但加工方法比较复杂，而且各种球面零件的规格也不尽相同，给生产加工带来许多不便，是车削生产中长期没有解决的技术难题。
1.2常见的球面车削加工方法及其不足
加工外球面零件多采用车削的方法，此前国内尚无专用设备，车削外球面时一般采用数控车床和液压仿形车床。
由于这类车床结构复杂、维修困难、效率低和价格昂贵等缺点，外球面零件生产厂家很少采用。
为应付生产急需，各厂普遍采用在通用机床上改装的办法。
因力量分散，各厂的基础也不尽相同，改装所采用的原理五花八门，对各种原理的优缺点缺乏系统地对比和分析。
再者受原设备条件的限制，改装的机床往往结构不尽合理，刚性较差，车削精度和效率均较低，增加了外球面磨削工序的困难。
外球面磨削工序采用切入磨削时，要求外球面车削工序产生的球形误差尽可能小。
但是，因为外球面的球形误差没有简单的测量方法，无法采取随时测量零件加工精度。
然后根据测量结果调整机床的方法来保证球形精度，因而只能依靠合理的工艺方法来保证球形精度。
下面介绍几种典型的外球面车削工艺方法，并对他们的优缺点进行简单的分析。
1）双手控制法，数量较少时或单件球面零件，可以采用双手控制法进行车削。
就是用双手同时摇动中、小拖板，通过双手的合成运动，车出所要求的球面。
双手控制车削球面的优点是：
不需要其它特殊工具就能加工出球面。
缺点是：
加工的零件精度不高，操作者必须具有熟练的技巧，而且生产效率较低。
2）机械靠模法，靠模法车削原理如图1-1所示。
它是依靠车刀根据靠模的形状平行移动车出所需表面形状的一种方法。
该方法的最大优点就是更换加工品种容易，特别适合小批量、多品种和型面复杂零件的车削加工。
但是，由其原理所决定，车削精度较底，车削外球面时所产生的球形误差较大，这可从以下几个方面来分析。
（1）刀尖圆弧形状对球形误差的影响
由图1-1可以看出，在球面车削过程中，由于车刀平行移动，车刀与工件的接触点将随着车刀平移而变化。
开始车削是在A点接触，然后逐渐过渡到B点，最后在C点退出车削。
因此，要使车出的表面形状为一球形，必须保证车刀刀尖
图1-1靠模法车削原理
轮廓是一个好的圆弧。
我国的车刀绝大部分还是手工磨制，刀尖圆弧很难保证。
况且即使磨刀时保证了，车削时也会被破坏，所以此项误差是不可避免的。
（2）尺寸调整对球形误差的影响
靠模法车削工件时，靠模滚子中心所走的轨迹半径为R0与车刀刀尖圆弧中心行走的轨迹半径r0相同。
即R0=r0=R1+R2=r1+r2
所以r1=R1+R2-r2
式中r1————工件球面半径
R1————靠模圆弧半径
R2————靠模滚子半径
r2————车刀刀尖圆弧半径
其中R1、R2和r2都是在车削前确定的，车削过程中很难改变。
当套圈直径Φ超出公差时，若调整尺寸Φ就必然破坏球面形状，使2r0=Φ。
（3）用液压作为靠模压紧力时，液压特性对球形误差的影响
实验表明，油缸中油的压力与活塞杆的运动速度的关系曲线如图1-2所示。
由图1-2可以看出，当活塞杆的速度在零值附近变化时，油腔中油的压力变化剧烈。
由图1-3可以看出，在车削过程中，当滚子由a点向b点运动时，活塞杆以速度为V（V为变量）向上运动。
当滚子过b点向c点运动时，活塞杆就改变运动方向，以速度S（S为变量）向下运动。
由于这一改变，引起压紧油缸中油压的剧烈变化。
因径向切削力的变化，引起切削深度变化，从而造成车削表面的形状误差，严重时甚至无法连续车削。
某厂改装的车床就因发生此类情况而失败[5]。
图1-2活塞速度V与油腔压力P的关系
图1-3活塞速度变化示意图
3）成形车刀法，采用成形刀车削外球面时，此方法对精密球体加工采用先车加工然后磨削成型，以切入式方法加工工件，要求成形刀刃口与被加工表面母线形状一致。
车刀刃口的缺陷直接影响被车表面的精度，要想车出高精度的外球面就必须首先加工出高精度的车刀。
这就需要有专用的刀具刃磨设备，成本高。
而且这种车削方法切削抗力大容易产生振纹，难以车削尺寸较大的零件。
4）旋风车削法，如图1-4所示，此方法若要保证加工精度必须保证刀具的运行轨迹和球面任何瞬时都重合，这样会使机构复杂化，刀具在切削过程的磨损也会产生加工误差，并且旋风切削装置需拆除中滑板不易于安装。
图1-4旋风车削法加工带柄圆球
1.刀盘2.电动机3三角架
5）用数控机床加工，用数控车床加工球面，虽然能达到图样设计的尺寸要求，但数控机床价格昂贵使成本增加。
1.3本文的主要研究内容及意义
对现有可行的车床用球面切削装置的优缺点进行比较，设计一种在普通车床上加工球面的工装，技术指标为所加工的球面最大直径为200mm，力求能达到如下要求：
1）能够保证精度及表面质量要求。
2）结构简单，拆装迅速。
3）使用方便，通用性强，适用于多规格，单件、批量生产，稳定性高，提高生产效率。
4）装置生产成本低且易于制造。
2球面车削装置的加工原理及技术方案
2.1球面车削装置的加工原理
工件绕自身轴线高速旋转，刀具绕圆心点做低速圆周运动，刀尖对工件端面进行切削，使工件段部成为球面。
其中圆心点在工件轴线上，刀尖始终与工件轴线在同一平面内。
2.2球面车削装置的技术方案
2.21立式车床用球面车削装置的技术方案实例
图2-1是基于C5235双柱立式车床设计制造的球面加工装置。
这种工装的工作原理及使用方法如下：
加工时，将工件装在立车的工作台上，刀架体3装夹在立车左刀架上，滑板2装在刀架的燕尾导轨上，在水平方向可以自由滑动。
装有车刀的刀杆1，则固定在滑板2上，支架4装在立车的右刀架上，连杆5的两端用销轴与滑板2和支架4铰接。
两销轴的中心距，即为所加工球面半径R。
支架4通常被固定在某一位置。
加工内球面时，刀架体3随左刀架作垂直方向的走刀运动S，则滑2板带动刀杆1在空间作半径为R的平移弧线运动。
由于工件同时绕工作台中心旋转，即可加工出半径为R的内球面。
水平方向移动右刀架（即支架4）的位置就可调节切削深度。
若加工外球面，只需将刀杆1翻转180°。
（图2-1）即可。
图2-1立式车床用球面车削装置
1.刀杆2.滑板3.刀架体4.支架5.连杆
用这种方法加工的内、外球面，因其半径相同所以配合较好同时由于刀尖时时处于被加工表面的法线方向，刀尖的切削角度始终没有改变，因此加工精度较好。
需要注意的是刀具安装时，刀尖轨迹的曲率中心必须在工作台的旋转轴线上，否则加工出的表面不是球面，而是回转体[6]。
2.22卧式车床用球面车削装置的技术方案实例
图2-2是在卧式车床上快速车削球面的装置，将一块钢板2固定在车床导轨上，在中间钻一个直径8mm的孔，另外加一块钢板3，两端各加工直径8mm的孔，并且保证两孔中心距为40mm。
将刀架8与转动丝杠脱离，在中滑板7上固定钢板6，钢板6上也加工直径为8mm的孔,将钢板3用销轴5与钢板2、钢板6铰接在一起，这样在刀架横向进给的时候，由于受钢板3的牵引刀架会绕前销轴做R40mm的运动，从而加工出R40mm的圆弧。
这种工装只需要根据加工圆弧的大小，调整钢板2上两个直径为8mm的孔的中心距，即可加工不同大小的圆弧。
使用注意事项：
1）要保证钢板2、3、6具有足够的刚性，使用中不能变形。
2）钢板3上两个直径为8mm的孔的中心距要求要严格，它直接影响加工圆弧的精度。
3）钢板3与钢板2、6的铰接要适当，既不能太松也不能太紧，也就是销轴5与直径为8mm的孔的配合要适当。
4）如果加工圆弧尺寸精度要求特别高的话，也可以将钢板3与钢板2、6的铰接，改为用轴承铰接，这样可以消除销轴5与直径8mm的孔的铰接间隙，提高加工精度[9]。
图2-2卧式车床车削球面装置
1.长盘2、3、6.钢板4.工件5.销轴
7.中滑板8.刀架9.车刀
2.3本文技术方案的确定
本文这次设计的车床用球面车削装置适用于卧式车床，卧式车床的型号为CD6140A。
装置的动力来源于机床的转动丝杠，用直齿轮将丝杠的动力传递给车削装置，用蜗轮蜗杆来实现刀具的圆周运动，车削过程为自动车削以保证所加工球面零件的尺寸精度和表面质量要求。
3球面车削装置的设计及三维建模
3.1三维建模所用到的软件
3.11SolidWorks软件平台
Solidworks软件是在windows环境下开发的三维实体设计软件，它能够充分利用Windows的优秀界面，为设计师提供了简易方便的工作界面。
Solidworks首创的特征管理，能够将设计过程的每一步记录下来，并形成特征管理树，显示在屏幕的左侧。
设计师可以随时点取任意一个特征进行修改，还可以随意调整特征树的顺序，以改变零件的形状。
由于Solidworks全面采用Windows的技术，因此在零件设计时可以对零件的特征进行“剪切、复制、粘贴”等操作。
SolidWork软件提供完整的、免费的开发工具（API），用户可以用微软的VB、VC++或其它支持OLE的编程语言建立自己的应用方案。
通过数据转换接口，Solidworks可以很容易地将目前市场几乎所有的机械CAD软件集成到现在的设计环境中来。
Solidworks是Windows原创的三维实体设计软件，全面支持微软的OLE技术。
它支持OLEZ.O的API后继开发工具己经改变了CAD/CAE/CAM领域传统的集成方式，使得不同的应用软件能集成到同一个窗口，共享同一数信息，以相同的方式操作，没有文件传输的烦恼。
Solidworks软件在用户界面方面的方便程度是世界公认的，该软件自1995年问世以来，先后共获得工业界的十几次大奖，这在同档次软件中是获奖次数最多的软件[10]。
3.12GearTrax
Geartrax主要用于精确齿轮的自动设计和齿轮副的设计，通过指定齿轮类型、齿轮的模数和齿数、压力角以及其它相关参数，Geartrax可以自动生成具有精确齿形的齿轮。
为工程师提供了一种简单易用的、在Solidworks内部就可完成的驱动零件实体造型工具。
可以设计的齿轮类型包括直齿轮、斜齿轮、锥齿轮、链轮、渐开线、齿形带齿轮、蜗轮和蜗杆、花键、V带齿轮等。
主要特点和功能如下：
1）直观易用，功能强大，真正精确的渐开线齿廓，渐开线齿廓曲线可导入SolidWorks草图。
2）英制和公制模数可选，支持主要工业国家的标准。
3）变量自动计算。
4）支持塑料齿轮的设计标准，具有ansi和bs（英国标准）米制键槽选项。
5）齿轮所有参数均可由用户控制。
6）单个齿轮实体可以加入已有的prt文件。
3.13Pro/E
1985年，PTC公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。
1988年，V1.0的Pro/ENGINEER诞生了。
经过10余年的发展，Pro/ENGINEER已经成为三维建模软件的领头羊。
目前已经发布了Pro/ENGINEER2000i2。
PTC的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。
Pro/ENGINEER还提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。
下面就Pro/ENGINEER的特点及主要模块进行简单的介绍。
全相关性：
Pro/ENGINEER的所有模块都是全相关的。
这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。
全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。
基于特征的参数化造型：
Pro/ENGINEER使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。
这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。
例如：
设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。
装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。
通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。
数据管理：
加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。
为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。
数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了Pro/ENGINEER独特的全相关性功能，因而使之成为可能。
装配管理：
Pro/ENGINEER的基本结构能够使您利用一些直观的命令，例如“啮合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。
高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。
易于使用：
菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易学习和使用。
3.2车床CD6140A简介
普通车床是车床中应用最广泛的一种，约占车床类总数的65%。
作为最常见的一种，CA6140型普通车床的主要组成部件有：
主轴箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、光杠、丝杠和床身。
车床的传动系统：
电动机经主换向机构、主变速机构拖动主轴。
主换向机构主要用于切削螺纹，主变速机构用于变速。
进给链（切螺纹时为螺纹链）从主轴开始，经进给换向机构、挂轮和进给箱内的进给变换机构、转换机构---光杠（普通车削）、溜板箱内的转换机构传至刀架；或经丝杠和溜板箱内的螺母传至刀架。
3.3齿轮的设计及三维建模
3.31直齿轮的设计
本次设计共用到两个直齿轮，主要作用是给切削装置传递动力，第一个齿轮安装在机床中托板下方的转动丝杠的轴上，第二个齿轮安装在蜗杆的轴上。
1）传动比的确定，因为要保证球面零件的尺寸精度和表面质量，所以刀具切削零件时的速度不宜过大，故设定两个直齿轮的传动比为1。
2）模数及压力角的确定，模数通过标准（GB/T1357—1987）确定为2，压力角根据国家标准（GB/T1356—1988）中的标准值确定为20°。
3）齿数的确定，为避免根切，对于压力角为20°的标准直齿圆柱齿轮，应取齿数要大于17，因为两齿轮传动比为1，所以两齿轮齿数相同，都取20。
4）齿宽的确定，齿宽b=φdd1,φd=0.5（1+u）φa其中φa取值为0.5，u为1，故所求齿宽为b=20。
3.32直齿轮的三维建模
由于用SolidWorks直接绘制直齿轮操作复杂，这里采用与SolidWorks无缝集成的Geartrax2007来完成直齿轮的绘制。
图3-1是Geartrx2007的主界面，点选spur/helical选项卡来到圆柱齿轮的绘制菜单。
图3-1GearTrax主界面
图3-2中红框所示的部分为调节齿廓参数的部分，在第一个下拉菜单下选择模数modulepitches，在第二个下拉菜单下设置模数为2.0module，在第三个下拉菜单下设置压力角为20°coarsepitchinvolute20deg，齿廓参数设定完毕。
图3-2调节齿廓参数
设定齿数，设定小齿轮、齿轮数皆为20如图3-3所示。
图3-3设定齿数
在齿轮类型中选择直齿轮，螺旋角设为0，如图3-4所示。
图3-4设定齿轮类型
图3-5红框所示的位置是齿轮参数，除最后一项外，皆由计算机根据我们刚才输入的一系列数值自动计算完成，我们更改最后一项来确定齿宽，点击数值框后面的按钮弹出对话框，均改为20mm，如图3-6所示，点击ok完成。
图3-5齿轮参数
图3-6设定齿宽
点击界面右面的完成开始生成齿轮，这时我们可以看到SolidWorks自动打开生成齿轮，生成的齿轮如图3-7所示。
图3-7直齿轮三维建模图
3.4蜗轮蜗杆的设计及三维建模
3.41蜗轮蜗杆的设计
蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动机构，两轴线交错的夹角可为任意值，常用的为90°。
这种传动由于具有下述特点，故应用颇为广泛。
1）当使用单头蜗杆（相当于单线螺纹）时，蜗杆每旋转一周，蜗轮只转过一个齿距，因而能实现大的传动比。
在动力传动中，一般传动比为5~80；在分度机构或手动机构的传动中，传动比可达300；若只传递运动，传动比可达1000。
由于传动比大，零件数目又少，因而结构很紧凑。
2）在蜗杆传动中，由于蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，它和蜗轮齿是逐渐进入啮合及逐渐退出啮合的，同时啮合的齿对又较多，故冲击载荷小，传动平稳，噪声低。
3）当我干的旋线升角小于啮合面的当量摩擦角时，蜗杆传动具有自锁性。
4）蜗杆传动与螺旋齿轮传动相似，在啮合处有相对滑动。
当滑动速度很大，工作条件不够良好时，会产生较严重的摩擦与磨损，从而引起过分发热，使润滑情况恶化，因此摩擦损失较大，效率低；当传动具有自锁性时，效率仅为0.4左右。
同时由于摩擦与磨损严重，常需耗用有色金属制造蜗轮（或轮圈），以便与钢制蜗杆配配对组成减摩性良好的滑动摩擦副。
蜗杆传动通常用于减速装置，但也有个别机器用作增速装置。
蜗杆传动的类型：
如图3-8，根据蜗杆形状不同，蜗杆传动可以分为圆柱蜗杆传动，环面蜗杆传动和锥蜗杆传动等。
图3-8蜗杆传动的类型
圆柱蜗杆传动包括普通圆柱蜗杆传动和圆弧圆柱蜗杆传动两类。
1.普通圆柱蜗杆传动
普通圆柱蜗杆的齿面（除ZK型蜗杆外）一般是在车床上用直线刀刃的车刀车制的。
根据车刀安装位置的不同，所加工出的蜗杆齿面在不同截面中的齿廓曲线也不同。
根据不同的齿廓曲线，普通圆柱蜗杆可分为阿基米德蜗杆（ZA蜗杆）、渐开线蜗杆（ZI蜗杆）、法向直廓蜗杆（ZN蜗杆）和锥面包络圆柱蜗杆（ZK蜗杆）等四种。
GB10085-88推荐采用ZI蜗杆和ZK蜗杆两种。
现将上述四种普通圆柱蜗杆传动所用的蜗杆及配对的蜗轮齿形分别介绍于后：
阿基米德蜗杆（ZA蜗杆） 这种蜗杆，在垂直于蜗杆轴线的平面（即端面）上，齿廓为阿基米德螺旋线，在包含轴线的平面上的齿廓（即轴向齿廓）为直线，其齿形角α0=20°。
它可在车床上用直线刀刃的单刀（当导程角γ≤3°时）或双刀（当γ>3°时）车削加工。
安装刀具时，切削刃的顶面必须通过蜗杆的轴线。
这种蜗杆磨削困难，当导程角较大时加工不便。
法向直廓蜗杆（ZN蜗杆） 这种蜗杆的端面齿廓为延伸渐开线，法面（N-N）齿廓为直线。
ZN蜗杆也是用直线刀刃的单刀或双刀在车床上车削加工。
刀具的安装形式如图<法向直廓蜗杆>所示。
这种蜗杆磨削起来也比较困难。
渐开线蜗杆（ZI蜗杆） 这种蜗杆的端面齿廓为渐开线,所以它相当于一个少齿数（齿数等于蜗杆头数）、大螺旋角的渐开线圆柱斜齿轮。
ZI蜗杆可用两把直线刀刃的车刀在车床上车削加工。
刀刃顶面应与基圆柱相切，其中一把刀具高于蜗杆轴线，另一把刀具则低于蜗杆轴线。
刀具的齿形角应等于蜗杆的基圆柱螺旋角。
这种蜗杆可以在专用机床上磨削。
锥面包络圆柱蜗杆（ZK蜗杆） 这是一种非线性螺旋曲面蜗杆。
它不能在车床上加工，只能在铣床上铣制并在磨床上磨削。
加工时，除工件作螺旋运动外，刀具同时绕其自身
升级会员 