齿条加工机床分度机构设计论文本科论文.docx

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齿条加工机床分度机构设计论文本科论文

毕业设计

题目齿条加工机床分度机构设计

学院机械工程学院

专业工业工程

班级工程0701

学生黄贤彬

学号20070407023

指导教师侯志坚

二〇一一年五月二十六日

摘要

机床床身是机床的主要支撑件，其结构的合理性和性能的好坏直接影响着机床的成本，也影响着机床各部件之间的相对位置精度和机床在工作过程中各部件相对运动轨迹的准确性，同时也影响着工件的加工质量以及机床的耐用度。

本次设计通过拟定工艺方案，典型零件的设计及校核，总体尺寸的规划来进行对机床的分度机构进行设计。

首先，拟定工艺方案，选取合适粗、精基准，选取合理的工序方案，进而确定最佳的工艺路线；其次，设计床身结构，包括对床身的截面、形状和材料进行设计；再次，对丝杠结构进行设计，通过对丝杠螺母的设计，确定丝杠的尺寸，然后对其进行校核，完成对传动结构的设计；另外，还对机床整体尺寸和外形进行设计，确定设计合理的机床设计方案。

通过上述设计方法，完成了对机床床身结构的设计。

关键词：

机床床身；工艺方案；传动；制造技术

ABSTRACT

Machinebedisthemainsupportmachineparts,thestructureoftherationalityandtheperformancedirectlyaffectthemachinecosts,alsoaffectmachinetherelativepositionbetweenthevariouscomponentsinworkingprocessaccuracyandmachinecomponentsofrelativemotionorbitofaccuracy,butalsoaffectstheworkpiecemachiningqualityandofmachinedurability.

Thisdesignthroughprocessscheme,typicalpartsworkedthedesignandchecktheplanning,overallsizeofmachinetooltodesigntheindexinginstitutions.First,prepareselectappropriateprocessscheme,roughandfinebenchmark,selectthereasonableprocessscheme,thendeterminetheoptimalprocessingroute;Secondly,thedesignofbedlathebedstructure,includingthesection,shapeandmaterialsfordesign;Again,toscrewstructuredesign,throughthedesignofscrewnut,determinethesizeofaballscrew,thencarriesontheroad-line;onthetransmissionstructuredesign;Furthermore,theoverallsizeandshapeofmachinedesign,makesuretodesignthereasonablemachinedesign.Throughtheabovedesignmethod,completionofthemachinebedstructuredesign.

Keywords：

Machinebed；Processscheme；transmission；Manufacturingtechnology

目录

摘要I

ABSTRACTII

1前言1

1.1选题背景与意义1

1.2国内外研究现状1

1.3本论文的主要内容2

2工艺方案的拟定3

2.1床身零件的工艺技术分析3

2.1.1面3

2.1.2孔3

2.1.3螺纹孔3

2.1.4位置度3

2.1.5技术要求3

2.2定位分析、基准选取及制定工艺路线4

2.2.1粗基准选取4

2.2.2精基准选取4

2.2.3工序的合理组合5

2.2.4工艺路线6

3床身设计7

3.1床身的基本要求7

3.1.1床身要有足够的静刚度以及较高的固有频率7

3.1.2床身要有良好的动态特性7

3.1.3床身的材料要求7

3.2床身的结构设计8

3.2.1床身的截面结构设计8

3.2.2床身的断面形状的选择9

3.3床身导轨结构的设计9

3.4选择合理的隔板和加强筋10

3.4.1床身隔板的选择10

3.4.2床身壁厚的选择11

4丝杠结构的设计12

4.1丝杠螺母的传动设计12

4.2丝杠的设计12

4.2.1丝杠的计算12

4.2.2丝杠的校核13

4.3丝杠安装轴承的选用及校核13

5总体方案的拟定15

5.1被加工零件的工序图16

5.1.1被加工零件工序图的作用及内容16

5.1.2联轴器及支架形状的设计16

5.2床身上的垫台的设计17

6机床尺寸联系图19

6.1尺寸联系图的作用及内容19

6.2动力部件的选取20

7结论21

参考文献22

致谢23

1前言

1.1选题背景与意义

机床是集机械、电气、液压、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品，它是机械制造设备中拥有有高精度、高效率、高自动化和高柔性化等优点的工作母机。

机床的技术水平高低与在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比是衡量一个国家经济发展与工业制造水平的重要标志之一。

床身作为机床的主要支撑件，它不仅支撑着车床的床头箱，床鞍，刀架，尾座等部件，而且还起承受切削力，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将直接影响着车床的成本；影响着车床各部件间的相对位置精度以及车床在工作中各运动部件的相对运动轨迹的准确性，进而影响着工件的加工质量；另外，它还影响着车床所用刀具的耐用度，同时它也影响着机床的工作效率与寿命等。

所以，床身特别是数控车床的床身应具有足够的静态刚度和较高的刚度和质量比，良好的动态性能，较小的热变形和内应力，并且易于加工制造，装配，这样才能满足车床对床身的要求。

1.2国内外研究现状

我国齿条加工机床无论从产品种类、技术水平、质量以及产量上都取得了较大的发展，在一些关键技术也取得了重大的突破。

目前，我国的可供市场的齿条加工机床有很多种，并且在整个金属切削机床以及锻压机械中占到了较大的比重，这就标志着国内齿条加工机床已进入快速发展时期。

发达国家的机床厂大多生产数控机床，普通机床已甩给第三世界国家去进行生产。

在数控机床的生产过程中，生产最多的依然是普通数控机床，特别是数控车床，其中发展最快的是可以自动换刀的加工中心。

“十二五”期间，国内机床产业的发展将会出现重大的趋势性变化。

国内消费需求量的不断增长，为机床制造业打开了一个广阔的市场，提供了发展机遇，同时也提出了较大的挑战。

目前，我国机床产业技术水平还不高，“十二五”规划要求机床产业必须要进行高端发展，以科技创新为手段，向着现代化以及高端化方向前进。

所以，“走低碳环保之路”将成为机床产业发展规划重点，兼并优化重组，成为机床企业提高核心竞争力的手段。

我国机床行业总体的技术开发能力以及技术基础薄弱，信息化应用程度也不高。

机床行业现有信息化的技术来源主要依靠引进国外高端技术，且国外在许多高新产品的核心技术上拥有掌控地位，我们对国外技术的依存度比较高，对引进的高端技术的吸收与消化仍停留在已有技术上，没有上升到形成产品自主开发能力以及技术创新能力的高度。

具有高精度、高速、高效、复合功能以及多轴联动等特点的高性能实用数控机床基本上还要依赖进口。

和国外产品相比，我国的差距主要在机床的高速、高效化以及精密化上。

对高速加工技术，国外进行了很多年的研究，对高速加工的机理、机床刚度、机床结构以及精度的影响都有了较为系统的研究，并开发了各种高速铣削中心、高速加工中心，并广泛应用于航空铝合金零件以及模具加工上。

为了进一步促进我国机床的发展，要把企业作为发展的主体，把高校、科研单位作为依托，政府在宏观政策上应予以指导和扶持，社会中介力量需提供较高质量的服务，这样才能把机床产业逐步做优做强。

1.3本论文的主要内容

本次设计主要是对齿条加工机床床身进行设计，包括机床床身截面的结构设计，车床床身的局部结构设计，导轨结构以及材料的设计。

在设计床身结构时，应考虑下列几个主要方面：

选择适当的断面形状及尺寸，这样可以使构件在相同重量的条件下，具有较高的抗弯度以及抗扭刚度；适当安排筋板位置及筋条位置、形状和数量，用来增加床身的刚度，减小断面形状的变变；导轨与床身的连接形式也要适当，减小床身受力后发生较大局部变形；提高连接面的刚度，用来减小床身的接触变形。

此外，应设计合理的箱体，依据箱体的受力情况，选取适当的形状和材料，进而确定最佳的加工工艺路线。

依据需要，选择合理的轴承、轴承座、丝杠以及螺钉等结构，通过计算，完成对这些零件的合理选择，保证最佳的装配结构。

另外，还需要合理布置隔板和加强筋，设置隔板和加强筋是提高刚度的比较有效办法，特别是当截面无法封闭时显得更为重要。

2工艺方案的拟定

2.1床身零件的工艺技术分析

床身零件图2.1：

图2.1床身零件图

主要技术参数如下：

2.1.1面：

（1）上下两平面的光洁度

（2）两侧面、两端面和结合面的光洁度

2.1.2孔：

（1）光洁度：

轴向中心孔、横向孔

（2）平行度：

（2）同轴度：

（2）垂直度：

2.1.3螺纹孔：

6-M6-6HM10-6HM12-6H

2.1.4位置度：

一般公差为

0.5即可

2.1.5技术要求：

（1）时效处理

（2）涂防锈漆

通过对上图众多标准及要求分析，可找到此工件上重要的加工表面及孔，这样在分析选取时就要以保证这些部位的技术要求为前提。

2.2定位分析、基准选取及制定工艺路线

2.2.1粗基准选取

依据生产纲领，该零件属于大批量生产零件，所以选用砂型铸造的方法来进行毛坯生产。

此零件的各个表面均为毛坯面，为加工的需要，加工基准面以及后备工序做好准备。

依据需要，应选择合理的粗基准和精基准。

在选择粗基准的时候，重点考虑的是应该如何保证各个加工表面要有充足的余量，确保加工表面和非加工表面之间的尺寸、位移符合图纸的要求。

粗基准的选择应满足下列要求：

（1）粗基准的选择须以加工表面来作为粗基准。

其目的是为了保证加工面和非加工面之间的相对位置关系精度，假设工件表面上有很多不需要加工的表面，则应选择其中和加工表面的相对位置精度要求比较高的表面作为粗基准，来保证壁厚均匀、外形对称。

（2）要选择加工余量要求比较均匀的表面作为粗基准。

就像机床床身导轨面那样用来当做粗基准，所以，在加工时选择导轨面来作为粗基准，加工床身的底面，然后以底面作为精基准来加工导轨面。

如此以来，就能够保证均匀的去掉较小的余量，使表层保留细致的组织，用来增加耐磨性。

（3）要选取加工余量较小的表面作为粗基准，这样就可以保证该面有足够的加工余量。

（4）要尽量选择平整、光滑以及面积足够大的表面作为粗基准。

这样就可以保证定位准确，加工方便，安装可靠。

在有冒口、浇口、飞边、毛刺的表面不适合选择作为粗基准，必要时需进行初加工。

（5）要避免重复使用粗基准，由于粗基准的表面大多数是粗糙不规则的，因此重复使用粗基准难以保证加工精度。

总之，要保证孔和孔、孔和平面、平面和平面之间的位置，来保证加工的整个过程做到统一和规范的基准定位。

2.2.2精基准选取

（1）坚持基准重合原则。

要尽可能的选取设计基准作为定位基准，这样就可以避免设计基准与定位基准不重合引起的误差。

（2）坚持基准统一原则。

要尽可能的选择统一的定位基准，统一的基准有助于保证各表面间的位置精度，降低基准转换所带来的误差，各工序采用统一的基准，减小夹具设计和工具制造。

比如轴类零件一般用顶针孔来作为定位基准，车削、磨削也一般采用顶针孔作为定位基准，这样不仅在一次加工中可以加工大多数表面，而且还可以保证各外圆表面的同轴度以及端面和轴心线的垂直度。

（3）坚持互为基准原则。

在选择精基准时，两个被加工面可以互为基准进行反复加工。

比如：

淬火后的齿轮磨损一般以齿面为基准磨内孔，然后再以孔为基准进行磨齿面，从而保证齿面余量均匀。

另外，有些情况下，还需坚持自为精准原则，在一些精加工或光整加工工序要求余量小和均匀的情况下，应选择加工表面本身为基准。

在磨削机床导轨面时，应以导轨面作为精基准的。

另外，应尽可能的选择工件上精度高、尺寸较大的面作为精基准，来保证定位可靠。

总之，在选择精基准时，要保证工件的加工精度。

2.2.3工序的合理组合

在大批量生产过程中，粗精加工应分开进行，这样工件能得到较好的冷却，减少热应变及内应力变形的影响，有利于保证加工精度。

同时可以避免粗加工产生振动等不利因素，也有利于精加工机床精度的保持。

确定加工方案后，要按照生产类型以及零件的结构特点、技术要求等生产条件，来确定合理的工艺过程，工序过程要根据以下原则：

（1）坚持工序分散原则。

工序内容越简单，越容易选择最合理的切削用量。

简单的机床生产工作量小，产品容易更换，对工人的技术水平要求也不高，但是它需要的设备和工人较多，并且生产线较大，工艺路线复杂，生产管理复杂。

（2）坚持工序集中原则。

工序量小，工件装备简单，缩短了工艺路线，减少了工人数，同时也简化了生产管理。

在一次装夹过程中同时加工多个表面，有利于保证这些表面间的相互位置精度。

对设备简单，大量生产的工序，采用高效率的专用机床，以提高生产率。

如果采用复杂的专用设备与工艺路线，那么成本会增高，调整维修也很费事，生产工作量准备也要求高。

一般情况下，在单件小批量生产中，为了简化生产管理，应将工序适当集中。

但是由于不采用专用设备，工序集中程序将会受到限制，加工工序完成以后，要将工件清洗干净，保证零件内部的杂质、铁屑、毛刺、沙粒的残余量较低。

在制定工艺路线的过程中，要考虑工序的数目，采用工序集中或工序分散是两个截然不同的原则。

所谓工序集中就是用较少的工序来完成零件的加工，反之，称之为工序分散。

工序分散的特点是工序数目多，工件安装次数大，工艺路线复，但工序内容简单。

工序集中和工序分散各具有其特点，根据生产类型，加工要求以及技术要求进行综合分析，确定采用哪个工序原则。

因为近代计算机控制机床以及加工中心的出现，使得工序集中的优点更为突出，即便在单间小批量生产中仍可采用工序集中，进而取得良好的经济效益。

零件的加工质量要求比较高时，应分阶段进行加工。

在进行粗加工时，要注意粗加工的目的是切除绝大部分多余的材料，为后面的精加工提供良好的基础。

如果在粗加工中发现问题，应及时解决，避免浪费。

粗加工一般采用功率大、精度低、刚性好的机床，进而提高加工效率。

另外，在粗加工过程中，切削力较大，相应的产生的热量也较多，易使工件发生变形和内应力的改变，因此，在错加工过程中，应选择粗糙度较大，加工精度较低的机床。

粗加工完成后，要进行半精加工，半精加工阶段是进行完一部分次要面的加工，与此同时为精加工做好准备的阶段，来保证适当的加工余量。

之后，进行加工的关键阶段，也就是精加工阶段，在此阶段，主要是切除较小的加工余量以保证零件的加工质量和精度，并且要求保证有较小的表面粗糙度、较高的尺寸精确度以及较高位置精度。

该阶段也可以安排在加工的最后阶段，这样可以减少精加工表面的损伤，采用高精度的机床进行加工，使工序变形小，提高加工精度。

最后，进行光整加工阶段，对那些精度要求较高的零件进行光整，改善表面质量。

2.2.4工艺路线

基于以上分析，工艺路线制定如下：

（1）铸造

（2）时效处理

（3）漆底漆

（4）划线

（5）粗铣箱体底面

（6）粗、精铣箱体结合面

（7）粗、精铣箱盖结合面

（8）钻光孔，攻制螺纹孔

（9）粗、精铣两侧面

（10）粗、精铣两端面

（11）粗、半精、精镗孔

（12）清洗去毛刺

（13）检验

（14）涂防锈漆

注：

（1）钻孔和攻制螺纹孔的工序建议采用组合机床，可以大大提高加工效率。

（2）镗孔工序采用多工位镗刀，一次完成加工。

3床身设计

3.1床身的基本要求

3.1.1床身要有足够的静刚度以及较高的固有频率

床身的静刚度包括接触刚度、整体刚度以及局部刚度。

床身的整体刚度又称为自身刚度，和材料、截面形状以及尺寸等这些影响惯性矩的参数有关。

局部刚度指的是载荷集中的局部机构处抵抗外形的能力，就像本设计中的床身和平行夹具下盖连接的地方以及底座安装部位的刚度。

接触刚度指的是床身的结合面在外部载荷的作用下抵抗接触变形的能力，接触刚度用结合面的平均压强和变形量之比来表示，因结合面在加工过程中存在平面度误差以及表面精度误差，当接触压强比较小的时候，接触面只有几个高点接触，实际接触面比较小，但接触变形较大，接触刚度也比较低；当接触压强比较大的时候，接触面上的高点就会产生变形，随着接触面积的扩大，变形量的增长比率小于接触压强的增长，所以接触刚度较高，也就是接触刚度为压强的函数，并且随着接触压强的增大而增加。

另外，接触刚度还和结合面的结合形式有关，活动接触的接触刚度低于等接触面积固定接触的接触刚度。

由此可见，接触刚度取决于结合面的平面度和表面粗糙度，结合面的大小、材料硬度以及接触面的压强等因素。

床身的固有频率指的是刚度和质量比的平方；当激振力的频率接近固有频率时，床身将会产生共振。

设计时要使固有频率高于激振频率30%。

因激振力大多为低频，所以床身要有较高的固有频率，在满足刚度的前提下，尽量减小支架的质量。

3.1.2床身要有良好的动态特性

床身要有比较高的静刚度、固有频率，使整机的各阶段的固有频率远离激振频率，在切削的过程中不产生共振；床身支架还应有较大的阻尼，来抑制振动的振幅，进而避免薄壁的振动。

3.1.3床身的材料要求

根据本设计的要求我们选用铸铁来作为床身所选用的材料。

本支架选用灰口铸铁材料制成，在铸铁中加入了少量合金元素如铬、硅、稀土元素等可提高机床耐磨性的材料。

铸铁铸造导致在冷却在冷却过程中产生铸造应力，因此铸造后必须进行时效处理，应尽量采用自然时效。

自然时效是将铸铁放在露天，任其日晒雨淋，少则一年多则三至五年。

梁类支撑件像床身、横梁、立柱等，可以利用共振原理进行振动时效，消除材料内应力。

在振动时效时，支撑件放在弹性支承上，激振器安装在支承件的中央位置；激振器的频率为一次横向弯曲的振动的共振频率。

激振器可以看作为质量偏心的，偏心距是可调的、无级变速电机，本支架的材料选用HT200。

3.2床身的结构设计

床身简图如下：

图3.1床身简图

3.2.1床身的截面结构设计

为了提高机床的刚度，减小床身的变形，现对床身的结构结构设计。

在进行床身的结构设计时，必须考虑床身的工作性能及工艺性。

应在满足机床工作性能的条件下，减轻床身的重量，节省材料，提高床身的静刚度以及动态性能，减少床身铸造及加工工作量。

床身的合理结构，意味着在较小重量的条件下，具有较大的静刚度，所以，静刚度的提高及重量的减轻，同时都可能提高床身的固有频率，在大多数情况下，提高固有频率，这样就可以改变床身的动态特征。

在设计床身结构时，应考虑下面几个主要方面：

选择适当的断面形状及尺寸，这样可以使构件在同样重量的条件下，具有较高的抗弯强度及抗扭刚度；适当安排筋板位置以及筋条的位置、形状和数量，以增加床身的刚度，减小断面形状的变形；导轨和床身的连接形式要适当，以减小床身受力后发生的局部变形；提高连接面的刚度，这样就可以减小床身的接触变形。

床身在弯曲和扭转载荷的作用下，床身的变形和床身截面的抗弯惯性矩以及抗扭惯性矩有关。

材料、截面均相同，但形状不同的床身，截面惯性矩相差较大。

截面积相同的时候，采用空形截面，加大外轮廓尺寸，在工艺允许的情况下，要尽可能减小壁厚，这样就可以大大提高截面的抗弯刚度和抗扭刚度；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；封闭截面的刚度要显著高于不封闭截面的刚度。

为此，我们在设计床身截面时，应该综合考虑以上因素，在满足使用、工艺的情况下，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面形式，如图3-1。

3.2.2床身的断面形状的选择

机床支撑件受力情况是复杂的，但主要是受扭矩和弯矩作用，因而产生扭转和弯曲变形，由材料力学可知，当支撑件受弯矩作用而其他条件相同时，其变形程度取决于截面的抗弯与抗扭的惯性矩，而惯性矩又与截面的形状有关，同一种材料，截面面积相等而形状不同时，截面惯性矩相差很大，经计算比较可知：

（1）空心截面的惯性矩比实心的大，在相同截面面积的条件下，加大轮廓尺寸，减少壁厚，可以大大提高刚度，因此，设计支撑件时总是使壁厚在工艺可能的前提下尽量薄一些，不用增加壁厚的办法来提高刚度。

（2）方形截面的抗弯刚度比圆型的大，而抗扭刚度比圆形的小，因此，若支撑件所承受的弯矩大于扭矩，则截面形状以选择方形或矩形截面为佳。

矩形截面在其高度方向的抗弯刚度比方形截面的高，但抗扭刚度比方形的低。

因此，以承受一个方向的弯矩为主要的支撑件，其截面形状常取矩形，以其高度方向为受弯方向;若弯矩和扭矩都相当大,则截面形状取正方形。

（3）不封闭的截面刚度比封闭的截面刚度有明显下降,因此,在可能条件下,应尽量把支撑件的截面做成封闭矩形。

但是实际上由于排屑、出砂、安装电器、液压件、传动件等的需要往往很难做成四面封闭的，有时甚至连三面封闭的都难以做到。

综上所述，据此机床的工作特性，应选择截面形状为矩形。

如下图：

图3.2床身断面图

3.3床身导轨结构的设计

导轨是金属或其他材料制成的槽或脊，可承受、固定、引导移动装置或设备并减小其摩擦的一种装置。

导轨表面上的纵向槽或脊，用来引导、固定机器部件、专用设备、仪器等。

导轨又称滑轨、线性导轨、线性滑轨，用于直线往复运动场合，拥有比直线轴承更高的额定负载，同时可以承受一定的扭矩，可在高负载的情况下实现高精度的直线移动。

导轨的设计应满足导向精度、精度的保持性、低速运动平稳性、结构简单、工艺性好的要求。

导轨材料需满足耐磨性好、工艺好、成本底的要求。

直线移动导轨截面的基本形式主要有三角形、燕尾形、矩形和圆柱形。

在此横臂导轨的设计过程中根据横臂和摆动块的结构特点以及导轨的设计要求，巧妙的用横臂的下矩形底面为动导轨，以摆动快两侧开的矩形槽为支撑导轨，运用摩擦滑动导轨的形式，构成矩形导轨。

导轨材料的就使用摆动块的材料和横臂的材料，也就是支撑导轨采用铸铁，横臂采用淬火钢。

这样不仅满足导向精度，而且又使运动平稳，工艺简单，制造方便，调整和维修方便，成本低廉。

导轨通过过渡壁和床身连接为一体，连接处的构造对局部刚度影响很大。

这个连接部分的结构必须设计得合理，否则常成为机床的薄弱环节，而在工作时出现严重局部变形。

导轨部分的刚度主要取决于床身及过渡壁的刚度，最好不用增加壁厚而用加筋的方法来提高刚度