机械设计千斤顶设计使用说明.doc

,. 长 春 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 课程设计名称 《计算机辅助设计与制造》课程设计 专 业 机械制造及自动化 班 级 学 生 姓 名 指 导 教 师 范依航 2014年11月25日 目录 一、设计任务 2 二、设计分析 3 1.螺杆 3 1.1螺杆材料级牙型选择 3 1.2耐磨性计算 3 1.3验算螺纹的自锁条件 4 1.4螺杆强度校核 5 1.5稳定性校核 5 1.6螺杆其他结构设计 6 2.螺母 7 2.1确定螺母高度H及螺纹工作圈数u 7 2.2校核螺纹牙强度 7 2.3螺母的其他设计要求 8 3.托杯 8 4.手柄 9 4.1手柄材料 9 4.2手柄长度Lp 9 4.3手柄直径dp 10 4.4结构 10 5.底座 11 三、三维设计 12 1.零件三维造型 12 2.装配三维造型 14 3.装配体的二维工程图 15 4.UG加工CAM模块 16 5.NC代码 24 四、设计总结 27 五、参考文献 27 一、设计任务 计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）课程设计是在学习三维造型软件的基础上，理解并掌握当代CAD/CAM技术的基本理论和基本方法。通过一个较简单的产品设计，综合运用实体建模、曲面建模、混合建模知识，并结合前期机械制造专业课程知识，进行造型设计，了解利用CAM技术生成刀位代码的基本过程和方法。 目的是提高综合运用三维造型软件的实际操作能力和机械制造知识的运用能力，锻炼分析解决实际工程问题的能力，为后续其他教学环节和从业所需专业技术打下良好基础。 设计内容与步骤如下： 1.分析图纸，拆解零件； 2.分析零件形状，确定基体特征和造型策略； 3.造型； 4.不同零件之间进行装配，检查干涉情况，检查物性； 5.选择一简单零部件，进入三维软件CAM模块，设置毛坯，选择合理的刀具、刀路轨迹和切削用量，并进行模拟加工，输出NC代码； 6.保存相应各阶段的结果，并撰写设计说明书。 设计文件提交要求 1.产品的结构三维模型图； 2.二维工程图； 3.NC数控代码； 4.设计说明书； 5.上述内容的电子文档。 设计简单千斤顶（参见教材书图5—41）的螺杆和螺母级其他结构的主要尺寸。起重量为45000N，起重高度为250mm。 千斤顶：梯形螺纹螺旋传动。 螺杆：45# 钢，采用带有外螺纹的杆件。 螺母：青铜ZcuSn10P1，带有内螺纹的构件。 底座：灰铸铁 HT200 带1：10斜度。 手柄：Ｑ235，[σb]=125 MPa。 二、设计分析 手动螺旋千斤顶主要零件有：1）螺母、2）螺杆、3）底座、4）手柄、5）托杯、等零件及其附件组成。其中螺杆、螺母等主要尺寸要通过理论计算确定，其他尺寸可以由经验数据、结构需要和工艺要求来确定，必要时还需要经过相关验算。千斤顶最大起重量是其最主要的性能指标之一。千斤顶在工作过程中，传动螺纹副承受主要的工作载荷，螺纹副工作寿命决定千斤顶使用寿命，故传动螺纹副的设计最为关键，其设计与最大起重量、螺纹副材料、螺纹牙型以及螺纹头数等都有关系。 1.螺杆 1.1螺杆材料级牙型选择 选用45＃钢，螺杆螺纹类型选择梯形螺纹。梯形螺纹牙型为等腰梯形，牙形角α=300，梯形螺纹的内外螺纹以锥面贴紧不易松动；它的基本牙形按GB5796.1—86的规定。 1.2耐磨性计算 滑动螺旋的磨损与螺纹工作面上的压力、滑动速度、螺纹表面粗糙度以及润滑状态等因素有关。其中最主要的是螺纹工作面上的压力，压力越大螺旋副间越容易形成过度磨损。因此，滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力p，使其小于材料的许用压力[p]。假设作用于螺杆的轴向力为Ｆ（N），螺纹的承压面积（指螺纹工作表面投影到垂直于轴向力的平面上的面积）为A（），螺纹中径为小（），螺纹工作高度为H（），螺纹螺距为 P（），螺母高度为 D（），螺纹工件圈数为 u＝H/P 。则螺纹工作面上的耐磨性条件为： 令，则代入上式得： d2≥ 对于梯形螺纹，，则： d2≥0.8 式中，为材料得需用压力，单位为，取＝20，。代入计算得： d2≥0.8 根据梯形螺纹国家标准（ＧＢ5796－86），以及螺杆稳定性的初步估算，选取以下参数的梯形螺纹：公称直径d=28螺距Ｐ＝6；螺纹小径；； 由此：螺母高度 　　查阅有关技术手册知螺杆退刀槽直径； 退刀槽宽度b=7.5 螺纹工作圈数，满足设计要求。 1.3验算螺纹的自锁条件 在考虑众多因素后，实际应满足的自锁条件为： 由 n=1，p=7.5mm，==32.375mm 得tan=0.07373 当量摩擦角=arctan ，在有润滑油情况下=0.1，得=4.574 验证结束，左边小于右边，达到自锁条件。 1.4螺杆强度校核 螺杆工作时承受轴向压力Ｆ和扭矩T的作用。螺杆危险截面上既有压缩应力；又有切应力。根据第四强度理论求出危险截面的计算应力，其强度条件为： 其中螺杆所受的扭矩， 式中：A — 螺杆螺纹段的危险截面面积；（因为，故退刀槽处为危险面）； — 退刀槽直径， —螺杆螺纹段的抗扭截面系数，， －螺杆材料的许用应力， 强度校核： ，因此满足强度要求。 1.5稳定性校核 对于长径比大的受压螺杆，当轴向压力Ｆ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Ｆ必须小于临界载荷，则螺杆的稳定性条件为 ： 式中：——螺杆稳定性的计算安全系数； 　－螺杆稳定性安全系数，对于传力螺旋（如起重螺杆等），=3.5～5.0 　　——螺杆的临界载荷； 计算螺杆柔度：，此处，μ为螺杆的长度系数，对本千斤顶，看做一端固定、一端自有，设计时取μ＝2 为螺杆的工作长度，当螺杆一端以螺母支承时，则以螺母中部到另一端支点的距离，作为工作长度；为螺杆危险截面的惯性半径， ； 图2：螺杆结构示意图 所以， 故应用欧拉公式计算临界载荷： 式中：E——螺杆材料的拉压弹性模量，； I——螺杆危险截面的惯性矩， 代入数据计算得： 所以：，满足稳定性要求。 1.6螺杆其他结构设计 螺杆上端用于支承托杯10并在其中插装手柄7，因此需要加大直径。手柄孔径的大小根据手柄直径dp决定，dk≥dp十0.5mm。为了便于切制螺纹，螺纹上端设有退刀槽。为了便于螺杆旋入螺母，螺杆下端应有倒角或制成稍小于d1的圆柱体。为了防止工作时螺杆从螺母中脱出，在螺杆下端必须安置钢制挡圈，挡圈用螺钉固定在螺杆端部。 图2中各参数的具体设计数值为：；h=48; 2. 螺母 螺母材料一般可选用青铜，耐磨性较好。 2.1确定螺母高度H及螺纹工作圈数u 螺母高度H=φd2（H应圆整为整数）螺纹工作圈数，考虑到螺纹圈数u越多，载荷分布越不均，故u不宜大于10，否则应改选螺母材料或加大d。 2.2校核螺纹牙强度 螺母的材料强度低于螺杆，故只校核螺母螺纹牙的强度。 如图3所示，如果将一圈螺纹沿螺母的螺纹大径D处展开，则可看作宽度为πD的悬臂梁。假设螺母每圈螺纹所承受的平均压力为，并作用在以螺纹中径为直径的圆周上，则螺纹牙危险截面a－a的剪切强度条件为 图3：螺母螺纹圈的受力分析 螺纹牙危险截面a－a的弯曲强度条件为 式中： b——螺纹牙根部的厚度， mm，对于梯形螺纹，b＝0.65P, P为螺纹螺距； ——弯曲力臂；mm参看图3 , ； ——螺母材料的许用切应力，MPa， 图4：螺母结构 ——螺母材料的许用弯曲应力，MPa， 其余符号意义同前。代入数据计算得： 满足设计要求: 螺母的其它尺寸根据图中经验设计尺寸确定，具体尺寸数据如下： Ｈ＝58；；；； 2.3螺母的其他设计要求 螺母压入底座上的孔内，圆柱接触面间的配合常采用配合。为了安装简便，需在螺母下端（图4）和底座孔上端（图6）做出倒角。为了更可靠地防止螺母转动，底座与螺母用紧钉螺钉固定，根据举重量选取紧定螺钉直径常为Ｍ10。 3.托杯 托杯用来承托重物，选用用Q235钢模锻制成，为了使其与重物接触良好和防止与重物之间出现相对滑动，在托杯上表面制有切口的沟纹。为了防止托杯从螺杆端部脱落，在螺杆上端应装有挡板。其经验设计结构尺寸见图5，具体设计计算尺寸如下： ；;;; 当螺杆转动时，托杯和重物都不作相对转动。因此在起重时，托杯底部与螺杆和接触面间有相对滑动，为了避免过快磨损，一方面需要润滑，另一方面还需要验算接触面间的压力强度。 ≤[p] 式中：[p]——许用压强，应取托杯与螺杆材料[p]的小者。 校核： 铸铁的许用压强[p]＝55ＭＰa； 故p<[p],满足压力强度要求。 4.手柄 4.1手柄材料 选用Q235为材料 4.2手柄长度Lp 板动手柄的力矩 FLp=T1+T2 则 式中：——加于手柄上一个工人的臂力，间歇工作时，约为150～250N，工作时间较长时为100～150N。 T1——螺旋副间的摩擦阻力矩 T2——托杯与轴端支承面的摩擦力矩 由前面计算知T1； 取＝200Ｎ， 则：手柄计算长度Lp是螺杆中心到人手施力点的距离，考虑螺杆头部尺寸及工人握手距离，手柄实际长度还应加上+（50～150）mm。手柄的实际尺寸，手柄实际长度不应超过千斤顶，使用时在手柄上另加套管。 4.3手柄直径dp 把手柄看成一个悬臂梁按弯曲强度确定其直径dp，按弯曲强度条件，手柄弯曲应力 ≤ 故dp≥ 式中：——手柄材料许用弯曲应力，当手柄材料为Q215和Q235时，=120Mpa 取；故 4.4结构 手柄插入螺杆上端的孔中，为防止手柄从孔中滑出，在手柄两端面应加上挡环，并用螺钉或铆合固定。 5.底座 底座材料常用铸铁（HT150及HT200）（图6），铸件的壁厚δ不应小于8～12mm，取为10ｍｍ，为了增加底座的稳定性，底部尺寸应大些，因此将其外形制成1∶10的斜度。 图6：底座设计示意图 图已知外螺纹大径为d=48mm, 有：D2=1.5d D3=1.4D2 D4=1.4D5 δ=10mm D5由结构确定（斜度为1：15） 所以：=得：D5=134mm 依次可得出：D4=1.4D5=1.4x134=180mm S=（1.5~2）δ=15~20，取S=16mm 。 综合考虑各尺寸关系，取总的高度为215mm 三、三维设计 1.零件三维造型 垫顶 螺钉 绞杠 螺杆 螺套 底座 2.装配体三维造型 装配体 爆炸图 3.装配体的二维标注工程图 4.UG加工CAM模块 加工绞杠 在建模中建立毛坯 建立加工环境 创建程序 创建刀具 创建几何体 指定部件 指定毛坯 创建方法（粗加工） 创建操作（平面铣） 指定部件边界 指定毛坯边界 指定底面 刀轴、切削模式 切削深度 进给和速度 生成 后处理（出G代码） 5.NC代码 % N0010 G40 G17 G90 G70 N0020 G91 G28 Z0.0 :0030 T01 M06 N0040 G0 G90 X.4065 Y12.2047 S3000 M03 N0050 G43 Z-.7421 H00 N0060 Y11.9291 N0070 G1 Y11.811 F9.8 M08 N0080 X.5424 Z-.624 N0090 G2 X.6634 Z-.4934 I-.5424 K.624 N0100 G1 X.7815 Z-.3346 N0110 Y11.9291 N0120 G0 Y12.2047 N0130 X.1164 N0140 Z-.7421 N0150 Y11.9291 N0160 G1 Y11.811 N0170 X.3359 Z-.624 N0180 G2 X.6634 Z-.2492 I-.3359 K.624 N0190 G1 X.7815 Z.0651 N0200 Y11.9291 N0210 G0 Y12.2047 N0220 Z.3365 N0230 Y11.9291 N0240 G1 Y11.811 N0250 X.6606 Z.4971 N0260 G2 X.5923 Z.5768 I-.6606 K-.4971 N0270 G1 X.4697 Z.7028 N0280 Y11.9291 N0290 G0 Y12.2047 N0300 X.7815 N0310 Z-.0651 N0320 Y11.9291 N0330 G1 Y11.811 N0340 X.6634 Z.2492 N0350 G2 X.4005 Z.5846 I-.6634 K-.2492 N0360 G1 X.2281 Z.7028 N0370 Y11.9291 N0380 G0 Y12.2047 N0390 X-.4665 N0400 Y11.9291 N0410 G1 Y11.811 N0420 X-.5846 Z.5846 N0430 G2 X-.7421 Z.3644 I.5846 K-.5846 N0440 G1 X-.8602 Z.1239 N0450 Y11.9291 N0460 G0 Y12.2047 N0470 Z-.1239 N0480 Y11.9291 N0490 G1 Y11.811 N0500 X-.7421 Z-.3644 N0510 G2 X-.5424 Z-.624 I.7421 K.3644 N0520 G1 X-.4065 Z-.7421 N0530 Y11.9291 N0540 G0 Y12.2047 N0550 Z.7028 N0560 X-.2281 N0570 Y11.9291 N0580 G1 Y11.811 N0590 X-.4005 Z.5846 N0600 G2 X-.3359 Z-.624 I.4005 K-.5846 N0610 G1 X-.1164 Z-.7421 N0620 Y11.9291 N0630 G0 Y12.2047 N0640 Z.7028 N0650 X.0336 N0660 Y11.9291 N0670 G1 Y11.811 N0680 Z.6013 N0690 X-.0833 Z.5846 N0700 G2 X.0833 I.0833 K-.5846 N0710 G1 X.0666 Z.4677 N0720 G2 I-.0666 K-.4677 N0730 G1 X.1001 Z.7028 N0740 Y11.9291 N0750 G0 Y12.2047 N0760 M02 % 四、设计总结 本次设计没有以实物作为基准，尺寸由自己设定，故必有不足之处，例如尺寸对材料利用率的影响等没有纳入本次设计考虑，故仍有很大提升空间。通过建模，最终获得了螺旋千斤顶的三维实体模型，与普通的螺旋千斤顶造型接近，实物感强，获得了各个部件的工程图，从外观上看基本达到了设计的目的。但是在建模过程中仍存在一定的不足，尤其是对于螺杆的建模，其造型花费了一定的时间且最终形状不是十分理想，限于时间就没有进一步修改，其他部分则如前面所述，在尺寸上由于没有实物作为参照，故必存在诸多不合理之处。建模技巧也还有待提高，许多工具还不是很清楚其用途，有待日后慢慢研究。但总的来讲，通过这次设计，了解了螺旋千斤顶的一般构造和基本原理，通过一系列的建模，学会了协调一个装置各个部件之间尺寸的关系，进一步巩固了三维建模的基本知识，同时也练习了尺寸标注等制图技术，获益匪浅。 五、参考文献 1. 《UG NX 6.0快速入门教程》，展迪优，机械工业出版社，2009.11 2. 《UG NX6.0应用与实例教程》，周玮，人民邮电出版社，2012.9 3. 《CAD/CAM应用技术-UG NX6.0》，史立峰，化学工业出版社，2011.3