大型螺旋桨双面加工铣床结构设计学士学位论文.docx
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大型螺旋桨双面加工铣床结构设计学士学位论文
并联机床；螺旋桨加工；双面铣床PropellerDouble-sidedProcessingStructureDesignDesignDescriptionPropellerisakindoftypicalfree-formsurfacepartswidelyusedinaerospace,navigation,etc.Itscurvedshapeandmanufactureofprecisiondirectlydeterminestheefficiencyofpropulsionandthesizeofthenoise,studiesthedesignandprocessingforthemilitaryandthewholeshippinghasextremelyimportantsignificance.
Inthisthesis,thephysicalconstructionofdouble-sidedmillingmachinethatcanmachiningdouble-free-formsurfaceatthesametimeisdesigned,inaccordancewiththestructureandprocessingcharacteristicsoflargepropeller,thedesignhighlightsincludethewholestructuredesignandspindleclampingmechanismdesign.
Thismachineiscomposedoftwosetsofspindleclampinginstitutionsandpropellerclampingmechanismcomposition.Thedouble-free-formsurfaceofpropellerbladecanbemachinedbythemillingmachineatthesametimeafterthepropellerisinstallation,sothetwomachiningstresscanbecounteracteachother.Inthisway,notonlyimprovestheprecisionofmilling,butalsoavoidthepositioningerrorwhenchangingfacewheninstalled.Inaddition,afterthemachiningofapropellerbladeisfinished,thepropellercanrollbythepropellerclampingmechanismcomposition,thenallpropellerbladesofthepropellercanbemachined,sothequalityandefficiencyofthemachiningcanimprove.
ThemillingmachineisverticalParallelMachineTool.Thespindleclampinginstitutionsisconsistof2-degree-of-freedomtranslationworktableand3axisparalleltranslationworktableofworkbench.Sothespindleclampinginstitutionscanmovein5-degree-of-freedom.Thepropellerclampingmechanismconsistsofa1-degree-of-freedomtranslationworktablearotaryworktableandclampingmechanismcomposition.Sothepropellerclampingmechanismcompositioncancompletetheinstallationandrotationofthepropeller.
Thedesignofthemillingmachinemakesgreatimportanceforimprovingthequalityandtheefficiencyofmachiningofthelargepropeller.
Keywords:
propellerblade;ParallelMachineTool;Double-sidedmillingmachine
1章绪论
1.1选题目的、价值和意义
1.2本课题在国内外的研究状况及发展趋势
1.2.1螺旋桨双面加工铣床的国外研究状况
1.2.2螺旋桨双面加工铣床的国内研究状况
1.2.3螺旋桨双面加工铣床的发展趋势
1.3主要研究内容
2.1确定机床的工作方式
图2-1虎螺旋桨桨叶受力分析
图2-2单面加工和双面加工效果比较
2.2确定机床各部件自由度
2.3机床的整体布局
图2-3机架的主体结构
2.4主轴装夹机构的设计
2.4.1二维串联工作台
图2-4串联工作台的结构
2.4.2并联工作台
图2-5并联工作台的原理图
图2-6虎克铰
并联工作台受到的加工反向应力变化较多，受力情况复杂，要注意进行受力分析。
并联工作台安装时既要正向放置，又要倒挂放置，设计时上下两套并联工作台应该一致，以减少机床成本，保证上下主轴加工质量的一致性。
综上，主轴装夹机构的设计要求可以通过以上结构来实现，而且主轴装夹机构无论正放，还是倒挂放置都可以使用，通用性好，成本降低，上下两个自由曲面的加工质量也可以保证基本一致。
2.5螺旋桨装夹机构的基本设计
螺旋桨夹紧机构由4部分组成，分别是直线移动平台，旋转平台、伸缩杆压紧机构和机床定位机构，
直线运动平台，通过直线导轨和滚珠丝杠相组合的方式来实现，满足螺旋桨夹紧工作台的直线运动，使工作台可以到远离机床主体的宽阔地带安放螺旋桨，然后再带着螺旋桨移动到工作位置，方便螺旋桨的拆卸。
旋转平台，通过把一根主轴安放在滑动轴承上，在电机的带动下，实现转动，旋转平台的转动又带动了螺旋桨的转动，这样螺旋桨可以在程序控制下实现精确的转动，可以保证在铣床加工完一个桨叶后，通过转动加工其余的桨叶。
避免了螺旋桨的多次安装，既可以提高螺旋桨整体的加工精度，又可以节省时间、提高生产效率，一举两得。
伸缩杆压紧机构，可以实现自锁，保证螺旋桨在压紧后不会松动；另外伸缩杆压紧机构可以安装在机床的上机架的中心线上，在螺旋桨压紧后，整个螺旋桨装夹机构组成一个刚性体，对机床起到支撑作用，对提高整个机床的刚性有很大帮助。
机床定位机构，主要为了保证螺旋桨装夹机构和机床主体之间的连接，保证螺旋桨安装的位置精度。
综上，螺旋桨装夹机构既可以方便地安放螺旋桨、夹紧螺旋桨，又可以由程序控制螺旋桨的精准旋转，不仅保证了螺旋桨在双面铣床上的安装，而且实现了一次安装就可以加工所有桨叶的设想。
另外，当螺旋桨夹紧，准备加工时，螺旋桨夹紧机构可以看作是机床机架的一个刚性支撑，这样就大大改善了机床的受力情况，提高了机床的整体刚度，进而在一定程度上保证了加工的精度。
第3章并联工作台的结构设计3.1确定主要参数
3.2确定并联杆的基本结构
3.3确定动平台的尺寸
动平台的尺寸半径约为
3.4确定定平台的尺寸
（3.5）
（3.6）3.5分配并联杆上主要部件的轴向尺寸
（3.7）
图3-4预定的丝杠轴向尺寸
（3.8）
图3-5大套筒结构和轴向尺寸
3.6并联轴滚珠丝杠的选择
（3.9）（3.10）（3.11）
（3.12）
（3.13）（3.14）
（3.15）
（3.16）
（3.17）
（3.18）（3.19）（3.20）
查
为动负载，应该满足条件
（3.21）
C为额定动负载
查看《机床设计手册》表3-1FSV-32-6B2的主要参数（默认单位mm）
公称直径
导程
PCD
滚珠直径
根径
刚性K
32
6
32.8
3.969
32.8
56
螺母直径
螺母长度
法兰直径
法兰厚度
动负载C（N）
静负载Co（N）
52
70
78
12
25049
68796
满足条件：
（3.22）3.7确定并联杆的主要径向尺寸
图3-6并联杆的轴向尺寸
图3-7并联杆的轴向尺寸
3.8电机的选择
（3.23）（3.24）（3.25）
图3-8电机的放置
（3.26）
（3.27）
3.9轴承的选择
（3.28）（3.29）（3.30）（3.31）（3.32）
图3-9轴承受力图
（3.33）（3.34）（3.35）（3.36）（3.37）
（3.38）（3.39）
——温度系数，取为0.95
——载荷系数，取为2.53.10本章小结
表3-2并联工作台的主要参数
图3-10并联工作台的整体结构
第4章串联工作台的结构设计
4.1第一级工作台的设计
第一级工作台连接在第二级工作台上，通过线性移动来带动整个并联工作台移动；其运动方向垂直于螺旋桨铺地导轨的径向，运动尺寸要保证主轴可以加工桨叶的整个宽度尺寸。
如图4-1所示，工作台的结构为一根滚珠丝杠和两根导轨，导轨起支撑作用，丝杠为驱动轴，也可以起到一定的支撑作用。
图4-1工作台效果图
4.1.1主要参数
螺旋桨的种类许多，但是桨叶的宽度一般都不会太大。
对于直径大于4米大型螺旋桨，其桨叶的宽度也小于桨叶的径向长度，设加工螺旋桨的直径为4.5米，其桨叶的径向长度为2米，宽度应小于1.5米，因此设定工作台的移动距离:
4.1.2导轨的选择
工作台既要能正放于机架上表面，也要能倒挂在机架的下表面。
为了使上下工作台结构一致，缩减制造、维护成本，选用导轨的负载能力要在4个主要方向上相近，或一致。
组合考虑各种因素，选取HGW55HA型导轨，导轨的长度为2100mm,安装方式为双导轨，4滑块模式。
HG线性导轨属于滚动滑轨，同时是整合最佳化结构设计的重载精密线性滑轨，相较于其他的线性提升了负载与刚性能力，具备4个方向等负载及自动调心能力，可减小安装面的装配误差，达到高精度的要求。
符合本次的机床设计要求。
HGW55HA导轨的基本静额定负载为227kN，基本额定动负载为114kN。
明显符合对并联工作台的支撑要求；对导轨的动负载进行分析：
导轨承受的最大竖直力为5.3kN，考虑整个平台的加速度，设加速度为
。
图4-2导轨受力图
如图4-2所示，重力与最大加工应力之和P为5.3kN，方向始终为工作台中心竖直朝下；受第二级水平加速度的影响，水平受力为
所以最大动负载为
假设导轨一直在做
的高速运动，则导轨的寿命为
式中：
L——额定寿命，km
——硬度系数，取为1
——温度系数，取为0.92
——负载系数，取为1.5
——工作负载，为
的一半，2.4KN
则导轨的额定寿命时间为
设机床的运动时间为一天20小时，导轨的时间比为90%，机床一年工作350天，工作时间为20年，则：
4.1.3滚珠丝杠的选择与校核
滚珠丝杠是工作台的驱动轴，同时也能起到一定支撑作用。
属于机床的核心部件，不易更换，应该保证较高的安全系数。
分析丝杠的工作条件：
1、已知工作台的行程为1600mm，考虑到滚珠螺母的尺寸，滚珠丝杠的尺寸应该大于1.6m；
2、初步计算并联工作台质量m为430kg；另外主轴的最大反作用力为1kN，考虑重力和主轴反向作用力的方向，其最大的合力在下工作台，大小为
其方向竖直朝下
3、设工作台的最大加速，则在平台加速运动时，还将产生一个很大的轴向负载
4、由于主轴的反向作用力方向可以与水平面有的倾角，所以滚珠丝杠在机床进行加工时，还会受到其在轴向方向的载荷，其大小为
5、考虑到工作台的摩擦阻力，可以得到丝杠轴受到的最大动载荷为
其中摩擦系数
；
6、设丝杠在加速时的时间比为10%，受加工反作用力的时间比为70%，
故丝杠受的平均动载荷为
因为滚珠丝杠需要正反转换向，在滚珠丝杠换向时，易因反向间隙造成回转误差，影响运动的准确性，所以也需要对滚珠螺母进行预压，消减回转误差。
则预压力大小为
（4.20）（4.21）
为动负载，应该满足条件
（4.22）
C为额定动负载
根据工作条件，查看《机械设计手册》选取丝杠：
表4-1的主要参数（默认单位mm）
公称外径
导程
PCD
珠径
根径
刚性K
50
10
51.4
6.35
44.91
255
螺母直径
螺母长度
法兰直径
法拉厚度
动负载C（N）
静负载Co（N）
78
258
110
18
83940
26505
满足条件：
（4.23）4.1.4电机的选择
4.1.5滚珠丝杠轴承的选用和校核
图4-3丝杠轴的轴承受力图
（4.35）
（4.36）（4.37）
——温度系数，取为0.95
——载荷系数，取为2.54.1.6工作台主板的尺寸
图4-4工作台主板尺寸
4.2第二级工作台的设计
4.2.1主要参数
4.2.2导轨的选择
图4-5导轨受力分析
式中：
L——额定寿命，km
——硬度系数，取为1
——温度系数，取为0.92
——负载系数，取为1.5
——工作负载，为
的一半，2.4KN
4.2.3滚珠丝杠的选择与校核
（4.58）（4.59）
为动负载，应该满足条件
（4.60）
C为额定动负载
根据工作条件，查看《现代机械设计手册》选取丝杠：
表4-2丝杠主要参数（默认单位mm）
公称外径
导程
PCD
珠径
根径
刚性K（kgf/um）
63
10
54.4
6.35
57.91
305
螺母直径
螺母长度
法兰直径
法拉厚度
动负载C（N）
静负载（N）
90
258
132
20
92580
33556
4.2.4电机的选择
4.2.5滚珠丝杠轴承的选用和校核
图4-6轴承受力分析
（4.73）
（4.74）
——温度系数，取为0.95
——载荷系数，取为2.54.3本章小结
通过对直线导轨、滚珠丝杠、轴承和电机的选型和校核，确定了2维工作台的具体尺寸，进而完成了工作台的设计，如图4-7所示。
图4-7二维工作台
表4-3二维工作台的主要参数
1级工作台的移动范围
1600mm
2级工作台的移动范围
2250mm
最大加速度
0.5g
快速移动速度
30m/s
工作台整体尺寸
3000mm-2160mm
结合之前并联工作台的设计，完成了对整个主轴装夹机构的设计，
图4-8主轴装夹机构设计
结论
参考文献
致谢
其次，非常感谢机电工程系所有培养过我的全体老师们，是你们的辛勤教诲为我毕业设计打下坚实的基础功底，让我顺利通过了大学的学习。
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