单轴仿形铣床设计.doc

济南大学泉城学院毕业设计- 2 -1 前 言随着铝塑门窗型材的广泛应用，门窗组装设备技术同样发展很快，产品品种齐全配套，基本满足生产各种类型档次门窗的要求。一部分企业还开发出数控双角锯、锯切加工中心、数控角缝清理机和数控四角焊接机等具有较高自动化程度的设备。41.1 铣削类设备概述水槽铣、仿形铣、端面铣、封盖铣、锁孔槽加工机等是以圆柱棒铣刀或组合圆盘铣刀作为切削工具，以刀具圆周上的切削刃进行周铣，同时垂直于刀杆进给方向，能够实现各类铝塑型材中的槽孔、端面的铣削加工，这一类设备被我们称之为铣削类设备。仿形铣、水槽铣等采用与电机同轴或经皮带增速的（10000r/min以上）双直刃、单螺旋刃的特殊棒铣刀的高速铣削方式，使得塑料型材加工表面光滑、整齐；采用气动夹紧、手动或气动进给等方式使得铣削更加可靠；并且塑料型材铣削刀具刃部是不需要冷却的。端面铣及封盖铣等则是采用手动或气动进给的硬质合金三面刃成型或组合铣刀，能够实现塑料型材的异形铣削。削铣类设备的整体特点是设备专用性强、加工效率高，主要适用于批量、中高档塑料门窗的加工。塑料门窗组装工艺中，排水槽、气压平衡槽、锁孔等的铣削加工的一般工艺条件如表1.1所示。5表1.1 空槽铣削工艺一般技术条件加工项目工艺项目水槽及气压平衡槽的铣削仿形铣削端面铣削封盖铣削铣刀转速（r/min）250001100028002800铣刀线速度（m/s）6.53.223.523.5进给速度（m/min）0.21.00.21.00.21.00.21.01.2 铣削类设备品种铣削类设备主要包括下列6种。（1）仿形铣 用于铝塑门窗各类槽孔如排水槽、轮滑槽、锁孔等的仿形铣削加工。 单头仿形铣只有一个仿形铣头，一次加紧完成一处孔槽的铣削仿形铣。 双头仿形铣有两个仿形铣头，一次夹紧可以实现垂直和水平两个方向的仿形铣。（2） 水槽铣 水槽铣是塑料门窗框、扇下边料有排水要求的型材排水槽的铣削加工及型材气压平衡孔的铣削加工的专用设备。按结构分为： 单轴水洗槽仅有一把可在0°45°范围内倾角的铣刀的水槽铣； 双轴水洗槽设有上下两个铣削机头，一次装夹可实现两个方向铣削的水槽铣； 三轴水洗槽共有三个机头，上机头铣刀可分别与下机铣头或水平机头铣刀组合的水槽铣； 四轴水槽铣有上部并列两个铣削机头、下部及水平方向各一个机头共四个机头（即共有四把铣刀）的水槽铣。按功能分为： 自动水槽铣自动完成铣削加工的水槽铣； 普通水槽铣需要手动实现进刀和进给运动的水槽铣。（3）端面铣 用于铝塑门窗螺接时中挺的端面铣削，通过更换不同刀具，可以铣削不同端面的型材。（4）封盖铣 用于塑料推拉门窗封盖的两端与上下滑道配合的封盖槽的铣削，不同的型材系统配以相应的成型刀具与响应导料槽可加工不同形状的封盖槽。（5）门板锁孔组合钻 用于加工塑料整体门板及各类普通门板球形门锁孔的专用设备。一次装夹，可同时自动完成门板锁体孔和所设空的加工，生产效率高、加工精度高。（6）锁孔槽加工机 该机是加工塑料门窗传动器类五金件安装孔槽的专用设备，一次装夹可完成水平方向三个空的钻削和垂直方向长圆孔的仿形铣削。121.3 研究内容铝、塑门窗为了安装各种五金件需要许多孔、槽，其形状多样，既有规则形状，同时也有不规则形状。仿形铣床通过仿形板设计、仿形加工可以实现多种规格及异型孔槽的加工。本次设计内容为单轴仿形铣床，用来加工铝塑型材门窗的各类型孔、榫槽、流水口等。要求对整机结构进行设计计算，按照国家标准设计装配图、零件图。所设计的铣床结构紧凑、体积小，型材夹紧采用气压传动。本次设计主要完成机械结构设计。2 总体方案设计铝塑型材仿型铣床是通过仿形触头沿着仿形板中轮廓运动带动铣头运动铣削可实现多种规则以及异形孔槽的加工。一次装夹可完成同一方向的铣削。其中，仿形铣削槽孔的技术要求见表2.1。表2.1 仿形铣削槽孔的技术要求项目数值项目数值加工面的直线度/mm0.1加工面对垂直定位的平行度/mm0.3加工面的粗糙度 Ra/m12.5仿形尺寸的仿形精度/mm0.3J加工面对水平定位基准的垂直度/mm0.3根据上表所示仿形铣削设备的各种要求经过分析论证，确定了三种设计方案。2.1 设计方案一设计方案1结构如图2.1所示。1- y轴丝杠 2- x轴丝杠 3- 电动机 4- 机械传动系统5- 仿形铣头 6- 气压缸 7- 仿形板 8- 仿形触头图2.1 单轴仿形铣床结构简图1- 电动机 2- 传动齿轮 3- 铣刀图2.2 齿轮传动的机械传动系统结构简图本设计方案是基于仿型原理设计而出的，其结构简图如图2.1所示。仿形触头8和仿型铣头5是由机械传动系统4连接一起的。当仿形触头8运动的时候带动机械传动系统4上的仿型铣头5一起运动铣削，从而能够铣削出所需要的形状。仿形触头8和仿型铣头5的X轴、Y轴以及Z轴的运动皆是由操作手柄带动其分别在三个方向上运动。在XY平面内的曲线运动则是由运动副合成。在整个机器的运行过程中，其机械传动部分作为唯一一个运动部分具有如图2.2所示的结构。电机的转速经过带传动增速达到所要求的转速带动铣刀转动。铣削刀具为垂直方向的铣刀。通过左右手配合操纵仿形操纵杆和垂直进给操纵杆，在仿形触头沿仿形模板的轮廓运动的同时，滑块带动铣刀实现对型材关于仿形模板轮廓形状的仿形铣削。通过选择不同仿形板轮廓，可以实现不同形状孔槽的加工。由表1.1我们知道仿形铣床的铣刀转速在11000r/min左右，所以在此种方案中无论选择何种电动机，机械传动系统应该是一个二级的加速器。通过齿轮的相互啮合传动加速。2.2 设计方案二本设计方案与设计方案一相类似，也是基于仿型原理而设计出的。但，其机械传动系统采用的是皮带增速的高速切削及气动夹紧的形式，如图2.3所示。1- 电动机 2- 大带轮 3- 铣刀 4- 小带轮 5-皮带图2.3 带传动机械传动系统结构简体2.3 设计方案三本设计方案是基于CAD/CAM的多轴联动原理设计而出的。其结构如图2.4所示。1- 机械传动系统 2- 竖直方向导轨 3- 水平方向导轨 4- 立柱 5- 工作台6- 底座 7- 铣刀图2.4 单轴仿形铣床的总体结构简图如图2.4所示，与主轴箱一体的主轴箱可以沿着竖直方向导轨2上下移动，沿着水平方向导轨3作水平方向移动。同时，工作台6也可以在水平方向左右移动。其机械传动系统（皮带传动或者齿轮传动系）带动铣刀高速旋转实现对型材的铣削。2.4 最终方案确定设计方案一和设计方案二利用相同的设计原理与设计方案三的设计原理相比较，显然，仿形原理设计结构简单操作方便，基于CAD/CAM多轴联动的设计主要是用于自动化程度比较高的机床，其造价相对比较高。综合比较，对于小型机械设计方案一和设计方案二利用的仿型原理更适合本设计。设计方案一与设计方案二相比较唯一的区别是在于机械传动系统。设计方案一的机械传动系统是齿轮传动。齿轮传动具有效率高、结构紧凑、工作可靠、寿命长以及传动稳定等特点。但是，齿轮传动的制造以及安装精度要求高，价格较贵，且不易用于传动距离过大的场合16。设计方案二中的机械传动系统是带传动。带传动具有结构简单、传动平稳、价格低廉和缓冲吸振等特点，在近代机械中应用广泛16。经过此两种设计方案的对比，设计方案二优于设计方案一。综上所述，最终方案确定为基于仿形原理利用带传动的设计方案二。3 主要构件的设计一台机器能够平稳的运动需要许多零件相互配合。在这些零件中大多数都是组成机器的主要构件。换言之，一台机的加工精度、使用寿命以及加工范围主要取决于这些有许多零件组成的主要构件。因此，主要构件的设计有着至关重要的作用。在本铝塑型材单轴仿形铣床的设计中主要构件分别是：机械传动系统、工件夹紧装置、XY平面运动合成装置以及仿形触头的设计。本章将重点针对这几部分进行设计说明。3.1 电动机的选择经查询资料并且与市场上同类产品比较，单轴仿形铣床的输入功率为0.75KW，输入电源为380V 50HZ。由以上参数对比确定，电动机选择为功率为0.75KW 转速为2800r/min的YS8012型号的电动机。3.2 机械传动系统设计由最终设计方案二得知，机械传动系统为带传动。带传动分别需要对V带、轮槽尺寸、小带轮、大带轮进行设计计算。如图3.1所示带传动示意图。当主动轮1转动时，利用带轮和传送带之间的摩擦或啮合作用，将运动和动力通过传送带2传递给从动轮316。1- 主动轮 2- 传送带 3- 从动轮图3.1 带传动示意图3.2.1 V带传动计算（1）已知条件和设计内容已知条件：根据前面所列举出的各种条件参数，可以确定带传动是在有轻微震动载荷变动小的工作条件下运动。额定功率为0.75KW。因为大带轮与电动机直接相连接，所以转速为2800r/min。传动比 （3.1）设计内容：选择带的型号、确定基准长度、根数、中心距、带轮的材料、基准直径以及结构尺寸、初拉力和压轴力、张紧装置等。（2）设计步骤 根据参考资料16机械设计进行带传动部分设计。1）确定计算功率计算功率Pca是根据传递的功率P和带的工作条件而确定的 （3.2）由机床工作环境等条件确定工作情况系数应为=1.5所以计算功率=1.125（KW） (3.3)2）选择V带的带型根据以上条件可以选取Y型V带3）确定带轮的基准直径并验算带速初选小带轮的基准直径根据Y型V带参考有关资料16确定小带轮的基准直径（）min=20(mm)，调整后取=40(mm)。验算带速根据公式v1=计算带的转速。(m/s) (3.4)根据经验，带速不宜过低或过高，一般应取，最高不超过。所以，所选择的带型以及小带轮的基准直径符合条件。计算大带轮的基准直径由计算，(mm)。圆整后(mm)4）确定中心距，并选择V带的基准长度中心距大，可以增加带轮的包角，减少单位时间内带的循环次数，有利于提高带的寿命。但中心距过大，则会加剧带的波动，降低带传动的平稳性，同时增大带传动的整体尺寸。中心距小，则有相反的利弊。根据传送带总体尺寸的限制条件或要求的中心距，一般初选带传动的中心距为0.7（） (3.5)所以，初步确定中心距(mm)计算相应的带长根据公式得出相应的带长（mm） (3.6)查表得带长为(mm)计算中心距及其变动范围传动的实际中心距近似为 (mm) (3.7)考虑到带轮的制造误差、带长误差、带的弹性以及因带的松弛而产生的补充张紧的需要，常给出中心距的变动范围 (mm) (mm)所以，中心距的范围是。故取中心距 (mm)验算小带轮的包角由公式和公式16可知，小带轮上的包角小于大带轮上的包角。又由公式可知，小带轮上的总摩擦相应的小于大带轮上的总摩擦力。因此，打滑只可能在小带轮上发生。为了提高带传动的工作能力，应使 (3.8)符合条件。故，圆整后为确定带的初拉力由公式，并计入离心力和包角的影响，可得单根V带所需的最小初拉力为对于新安装的V带，初拉力应为N；对于运转后的V带，初拉力应为N。安装时，应保证初拉力大于上述数值，但也不应过大。为了控制实际的大小，可以采用在V带与两带轮切点的跨度中点，施加一规定的、与带边垂直的力，使带在每100mm上产生1.6mm的挠度即可。计算带传动的压轴力为了设计带轮轴的轴承，需要计算带传动作用在轴上的压轴力 （3.9）所以，压轴力N3.2.2 V带轮的设计（1）V带轮的设计内容根据带轮的基准直径和带轮转速等已知条件，确定带轮的材料、结构形式、论槽、轮辐和轮毂的几何尺寸、公差和表面粗糙度以及相关技术要求。（2）带轮的材料带轮转速较高，可以采用铸钢。材料选用HT200。（3）带轮的结构形式V带轮由轮缘、轮辐和轮毂组成。带轮的基准直径mm，可以采用腹板式。（4）带轮的轮槽V带轮的轮槽与所选用的V带型号相对应，所以查16机械设计表8-10得：表3.1 轮槽截面尺寸槽型Y5.31.604.76-V带绕在带轮上所发生弯曲变形，使V带工作面的夹角发生变化。为了使V带的工作面与带轮的轮槽工作面紧密贴合，将V带轮轮槽的工作面的夹角做成小于400。.V带轮安装到轮槽中后，一般不应超出带轮外圆，也不应与轮槽底部接触。为此规定了轮槽的基准直径到带轮外圆和底部的最小高度。轮槽工作表面的粗糙度为µm。（5）V带轮传动的张紧V带轮传动运转一段时间以后，会因为带的塑性变形和磨损而松弛。为了保证带传动正常工作，应定期检查带的松弛程度，采取相应的补救措施。根据本设计的工作环境以及加工技术要求等条件，采用定期改变中心距的方法来调节带的初拉力，使带重新张紧。应用滑道式，利用螺栓张紧，定期调节螺栓时期沿着滑到移动，从而达到张紧V带增大初拉力的作用。3.2.3 轴的设计 轴是组成机器的主要零件之一。一切做回转运动的传动零件（例如齿轮、涡轮等），都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递。因此轴的主要功用是支撑回转零件及传递运动和动力。(1) 轴设计的主要内容轴的设计也和其他零件的设计相似，包括结构设计和工作能力计算两方面的内容。轴的结构设计是根据轴上的零件安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理的确定轴的结构形式和尺寸。轴的结构设计不合理，会影响轴的工作能力和轴上零件的工作可靠性，还会增加轴的制造成本和轴上零件装配的困难等。因此，轴的结构设计是轴设计中的重要内容。轴的工作能力计算指的是轴的强度、刚度和震动稳定性等方面计算。多数情况下，轴的工作能力主要取决于轴的强度。这时只需要对轴进行强度计算，以防止断裂或塑性变形。而对刚度要求高的轴（如车床主轴）和受力大的细长轴，还应计算刚度，以防止工作时产生过大的弹性变形。对高速运转的轴，还应进行振动稳定性计算，以防止发生共振而破坏16。（2）轴的材料轴的材料主要是碳钢和合金钢。在本设计中，轴的材料选用碳钢。因为碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理或化学热处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度，所以选用45钢。（3）轴的计算轴的计算主要是对轴选用材料的直径进行计算。 各轴的转速由于大带轮轴与电动机直接相连，所以其转速(r/min)小带轮轴的转速(r/min) 各轴功率 (KW)(KW) （3.10） 各轴转矩(N.m)(N.m) （3.11） 初步确定轴的直径由前面设计步骤知道，轴的材料为45钢。查资料16选取。于是有 (mm) （3.12）故轴的最小直径为mm。 轴承的选择考虑到轴不仅要承受径向力，还要承受小量的轴向力。当量摩擦系数最小。在高速转动时，可用来承受纯轴向载荷。工作中允许内、外圈轴线偏斜量，大量生产价格低廉。所以，选用深沟球轴承6004，直径为。 拟定轴上零件装配图轴上零件安装在轴上自左到右一次分别为：左端的第一个12mm是在机械传动系统箱体的外面顶端。其上面安装盘套并固定，不过其上面有螺钉，可以沿着滑道左右移动，调整皮带张紧。左端第二个12mm是安装轴承的。该轴选择的轴承为深沟球轴承6004，直径为20mm，与轴配合，所以，轴的尺寸也为20mm。左端第三部分是一个轴肩。其主要作用是定位作用。右端轴承的右侧定位。 左端的第四段带有键槽的16mm是安装小带轮的。经过前面计算确定小带轮的直径为22mm。其与轴相配合，所以轴的直径也是22mm。 剩下的最后一段，其中一部分安装在传动系统的箱体内，在箱体内轴的最后端安装轴承。其最右边内有安装孔的轴部分，是安装铣头夹具的。它是裸露在箱体之外的。根据上述分析，设计确定轴的结构如图3.2所示。图3.2 传动系统输出轴 轴的校核轴上的载荷 N通过计算(N.m) （3.13）所以，(Mpa) （3.14）前面已选定轴的材料为45钢，查表得=，因此，故轴的直径符合条件安全2。3.3 仿形触头机构设计仿形触头是仿形铣床中比较重要的一部分。其有两级仿形触头杆分别为5和 8两直径部分，可分别与相应的铣刀直径配合使用，从而实现1:1的铣削关系。其结构如图3.3所示。图中所示为5的仿形触头在工作。当调整时，松开夹紧螺母，提上螺母旋转1800使顶杆6落入另一个孔中即可。1-方块2-仿形触头杆3-圆柱块4-扁螺母5-螺母6-顶杆图3.3仿形触头机构3.4 铣刀夹具机构设计单轴仿形铣床主要工作部件便是铣刀，所以铣刀的夹紧固定有非常重要的作用。如图3-4所示即为铣刀夹具机构。该机构主要有轴2、弹簧夹头3、挡圈1与拧紧螺母组成9。1-挡圈 2-轴 3-弹簧夹头 4-拧紧螺母 5-铣刀图3.4铣刀夹具机构如上图所示，其装配方法为：首先，将铣刀放入弹簧夹头中；然后，将弹簧夹头与铣刀一起放入轴中；最后，将垫上挡圈的螺母镶入轴中。3.5 气动夹紧设计该设计夹紧原理图如图3.5所示。气源产生的压缩空气经起源处理器减压为进入送气系统。当脚踏板踩下时，压缩空气将进入气缸中。其中，脚踏板处包含一个止推阀，其作用是防止压缩空气回流。在夹紧装置中，气缸是主要的作用件。在该设计系统中，选用型号为QGA32s的气缸。31- 气源处理器 2- 脚踏阀 3- 气缸图3.5 气动原理图3.6 弹簧夹头设计弹簧夹头与刀具（工件）的相对转动或相对轴向移动都会使加工工件尺寸的一致性和几何精度受到影响16。因此就与要研究影响夹紧力的因素；以下介绍几个影响夹紧力的主要因素：1. 轴向作用力。在弹簧夹头的使用中，轴向力拉力可由不同的方式施加。很明显，大的轴向拉力将产生大的夹紧力。一般拉杆的轴向拉力可由操作员进行调整。2. 锁紧角(或头部倾角)大小将决定着夹紧力经扩大后是否能够达到的指标。3. 刀具（或工件）与弹簧夹头之间的总摩擦力将直接影响夹紧力。小的摩擦值将导致小的夹紧力，反之亦然 。可采取在弹簧夹头内孔有意制出锯齿形状或将硬质合金微晶粒浸渍在夹紧表面等措施来增大夹紧力。4. 主轴锥面与弹簧夹头在锁紧角处的擦力大小也直接影响弹簧夹头对刀具（或工件）的夹紧力大小。摩擦力太小时夹紧力不够，太大的夹紧力，会加快弹簧夹头磨损。使用中弹簧夹头要经常松开实行工件交换，例如在车削加工中心上使用，需在松开时在弹簧夹头内孔表面喷涂一薄层润滑剂。有条件采用冷却剂润滑更好，因为冷却剂提供可冲洗弹簧夹头，而且润滑性效果好。尤其在锁紧角处定期施加冷却剂，则能减少长期磨损和增加夹紧力。一些更多润滑效果更好的材料也可以使用，包括有EP（极限压力）特性的高质量润脂油或蜡基材料。8图4.1为弹簧夹头的基本结构。下面详述Ø8铣刀夹头设计，Ø5铣刀夹头设计相似；故取d=8mm。从而取夹头数为i=316。由于装夹头的轴段外径最大为20mm，还要攻外螺纹，同时要保证轴的强度；故取d1=12mm16。因此夹头其它相关尺寸如下16： （mm） （3.15） （mm） （3.16） （mm） （3.17） （mm） （3.18） (mm） （3.19） （mm） （3.20） (mm) （3.21） (mm） （3.22） (mm） （3.23） (mm) （3.24） (mm) （3.25）夹头材料一般用的是T6AT10A,薄壁的可用9SiCr。由于h=1mm，故材料选用9SiCr。根据上述分析计算，得出弹簧夹头的机构如图4.1所示：图4.1弹簧夹头4 结 论该毕业设计单轴仿形铣床设计主要适用于实现多种规格及异型孔槽的加工。其主要由电动机、机械传动部分、夹紧装置以及底座等几部分组成。该机器结构比较简单，价格低廉，适合小型工厂使用。在整个设计中，对机械传动传动部分采用了带传动增速实现高速铣削。在设计中，对带的设计应用做了详细的计算选型，并且针对此种应用对轴的设计做出了比较大的改动。在达到相同要求的前提下极大程度的节省了成本，减轻了重量。在对铣刀夹具的设计上利用自加强原理，使铣刀能够比较快捷方便的更换，减少工时。在夹紧装置方面，采用了比较简单卫生的气动夹紧的形式，利用气缸推力作用使工件夹紧。参 考 文 献1卢秉恒. 机械制造技术基础（第3版） M. 北京：机械工业出版社，20072杜君文. 机械制造技术装备技术（新版）M.天津：天津大学出版社，20073李国平，王慧，昃向博，王娜，艾长胜. 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