1、自动铣削机动力装置设计1 前言1.1 国内外研究现状21世纪的制造业正面临着越来越激烈的全球化市场竞争，以信息技术为核心的数字化开发支持技术在产品创新设计中的大量应用，推动了全球制造业和新产品的迅速发展1。国内的制造业已转向新产品的自主开发和支持技术的改造方面。塑钢门窗在建筑方面有广泛的应用，所以塑钢门窗加工设备成为制造业中新型部分。塑钢门窗行业的蓬勃发展, 有力地推动着塑窗加工设备的设计开发和更新换代。在我国, 早期的塑窗加工设备很落后, 其生产效率和质量稳定性不高。而国外进口的塑窗加工设备价格普遍较高。这在一定程度上制约了我国塑料门窗的发展。近年来, 国内技术人员对国外塑窗技术的研究与学习
2、, 使国内塑窗在技术水平和自动化程度上都有了很大的发展和提高。我国塑钢门窗行业起步较晚,与发达国家相比装备比较落后,在这种情况下国家大力推广制造业信息化技术，国内塑窗装备制造企业开始开发研制塑窗锯铣加工中心。自动铣削机作为锯铣加工中心的主要组成部分,它将先进的计算机智能控制与气动控制技术、合理的机械装置融为一体,可对36种不同型材进行加工,能实现多种复杂的铣削工序, 具有良好的加工性能。锯铣加工中心初步实现了锯铣生产过程控制的自动化, 提高了企业生产过程自动化水平3。1.2 选题的目的及意义塑钢门窗作为新一代建筑门窗, 以节能、环保、隔音等诸多优良特性受到用户广泛欢迎, 被列为国家建筑节能的重
3、点产品。我国塑料门窗加工设备有锯切类、铣削类、焊接类、清角类、加工中心自动线类等7大类3。铣削类设备有仿形铣、水槽铣、锁孔铣、玻璃压条铣等多种产品, 但总体来看铣削类设备还是不够智能，自动化程度没有国外高。自动铣削机动力装置设计在设计方面需要采用跨越式思维模式，需要创新，从中可以巩固和加强大学里所学的知识，同时提高自己的创新能力和运用知识的能力，为以后工作打下良好的基础。2 设计内容和方案2.1 设计内容塑窗自动铣削机作为锯铣加工中心主要单元，将信息技术、自动化技术、气动控制技术等与制造技术相结合，可自动高速加工36种不同型材，并将多种复杂的铣削工序集中在一台设备上自动实现，具有良好的柔性加工
4、性能3。本次以自动铣削机动力装置设计为毕业设计主要内容，要求实现多种型材的排水孔、通风孔、铰链孔、门窗锁孔、滑轮孔以及其他各种五金件安装孔、槽的加工，其孔、槽既可为规则形状亦可为异形。锯铣加工中心由电脑控制台、自动输料台、送料机械手、自动铣削机、自动锯切机、锯后输送和收尘等几大部分组成。图2.1为加工中心各组成单元配置图。 图2.1 加工中心各组成单元配置1送料机械手 2主控柜 3自动铣削机 4废料输送 5收尘设备6锯后输送 7自动锯切机 8电脑控制台 9自动送料台自动铣削机的重要部分是动力装置，设计要求满足一下参数：（1）自动铣床能够实现2525120120截面铝塑型材的规则及异型孔槽的铣削
5、；（2）铣刀直径为（3）可以铣削铝合金及塑料门窗型材； （4）要求设计方案合理，结构紧凑、工作可靠、质量达到行业标准。2.2 设计方案2.2.1 自动铣削机装置自动铣削装置, 见图由2.2两个伺服电动机驱动,通过滚珠丝杠控制其上下和左右运动, 调整刀具相对于型材的位置。刀具则在进给驱动气缸的作用下, 快进后进行切削。这一设计得到很高的精度和生产效率。 图2.2 自动铣削装置 1铣削装置支架 2铣刀头 3气缸 4电动机 5滚珠丝杠 6上下移动伺服电动机此自动铣削装置安装14把刀具可实现在型材截面内多方向的进给。切削加工采用两种方式进行, 通过气缸直接进给或配合送料机械手进行小孔及排水槽等的加工,
6、 另一方式则为送料机械手与铣削装置支架带动刀具的伺服进给实现较大孔或异形孔、槽的加工。 这种结构设计方式具有明显的柔性加工性能及其他一些优点, 具体表现在: （1）在型材同一截面内可进行多方向的孔、槽加工,满足用户多方面需要;（2）自动铣削装置的两个伺服轴配合送料机械手的纵向伺服进给, 可实现各种规则及异形孔、槽的加工;（3）滚珠丝杠及工作头进给气缸较大的行程范围配合送料机械手的自动识别系统, 可加工36种不同规格的型材;（4）具有较高的加工精度和加工效率。因刀具位置或轨迹由伺服系统控制, 且根据需要, 某几把刀可同时加工;（5）进给采用带磁性开关的气缸进行控制, 不污染环境, 成本较低3。2
7、.2.2 气动控制设计时考虑塑钢门窗应在清洁的环境中生产, 而气动控制相对液压控制有不污染环境、成本较低等许多优点, 且切削PVC塑料切削力较小, 故夹紧和切削进给均采用了气动控制, 其原理图见图2.3。 图2.3 刀具进给及夹紧机构气动控制系统1、2液压阀 3刀具进给气缸 4调速接头 5垂直夹紧上气缸 6垂直夹紧气缸 7水平夹紧气缸 气动系统主要由气源处理器、电磁阀、压力继电器、气缸及各种气路接头等组成, 气缸速度全部由调速接头4调整,可调整行程。当型材固定好以后，由气缸带着刀具进给以及铣削。2.3 最优方案确定2.3.1 电机电机都采用交流伺服电机，交流伺服电机有以下特点：(a)、自动调整
8、(b)、高速高响应(c)、低振动 (d)、当信号电压为零时无自转现象，位置精度非常准确2.3.2 进给传动系统进给传动系统选择滚珠丝杠，因为滚珠丝杠有以下特点：(a) 传动效率高。滚珠丝杠副的传动效率很高,可达92 %98 % ,是普通丝杠的24 倍。(b) 摩擦力小。因为动、静摩擦系数相差小,因而传动灵敏,运动平稳、低速不容易产生爬行,随动精度和定位精度高。(c) 使用寿命长。滚珠丝杠采用优质合金制造,表面粗糙度小, 其滚道表面淬火硬度可达60HRC62HRC。另外,因为是滚动摩擦,磨损更小。(d) 经预紧后可以消除轴向间隙,提高了系统的刚度。(e) 反向运动时无空行程,可以提高轴向运动精度
9、。(f) 不能自锁,有可逆性。2.3.3 动力装置动力装置采用气动，气动有以下特点：(a)、气动装置结构简单、轻便、安装维护简单。压力等级低、故使用安全。(b)、工作介质是取之不尽的空气、空气本身不花钱。排气处理简单，不污染环境，成本低。3 主要结构设计3.1 主传动系统设计机床的主传动系统是用来实现机床主运动的，它应具有一定的转速和一定的变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工件，并能方便地进行开、停、变速、换向和制动等。3.1.1 选铣刀 根据设计要求，实现多种型材的排水孔、通风孔、铰链孔、门窗锁孔、滑轮孔以及其他各种五金件安装孔、槽的加工，其孔、槽既可为规则
10、形状亦可为异形，从要求我们可以知道主要是铣削沟槽与工件上各种形状的孔，能满足要求的铣刀是立铣刀。由于本课题中铝塑型材锯铣加工中心的切削材料主要是铝塑型材，对加工刀具的要求不高，可以用高速钢，所选铣刀如图3.1。图3.1 直柄立铣刀名称基本尺寸d1（mm）基本尺寸d2（mm）基准型L1（mm）长型L1（mm）基准型L2（mm）长型L2（mm）齿数高速钢直柄立铣刀556475558631324466657576868132447810605774681630488106366828019384表3.1 所选铣刀的参数高速钢直柄立铣刀的螺旋角3040，主前角20，主后角2025，副后角8。(a) 铣
11、削速度在该刀具材料下铣削硬度比较低的材料一般的铣削速度为：1535(m/min)，因为我们要达到一个比较高的加工表面的粗糙度，所以我们选择比较高的的一个速度，暂定为35(m/min)。(b) 进给量f (3.1) ：铣刀每分钟进给量（毫米/分）； z：铣刀齿数；一般fz的范围是：0.050.15（mm/z）。所以进给量f的范围是：0.20.6（mm/z）。(c) 铣削深度 半精加工铣削深度ap的范围是：0.52（mm）,对于硬度比较低的铝合金材料铣削深度ap的范围可以取为：0.54（mm）。3.1.2 选电机（a） 高速钢直柄立铣刀铣削铝合金的计算 (3.2) 表3.2 各种铣刀加工不同材料的
12、CF值铣刀名称切削系数Cf值钢料可锻铸铁青铜灰铸铁铝镁合金端铣刀808490368490177立铣刀669294222294167三面刃铣刀670294221294167 表3.3 高速钢铣刀切削力修正系数kF值前角05101520kF1.081.00.920.85表3.3 铣削时各分力与圆周力的比值铣削条件比值不对称铣立铣ae=0.05d0(mm)af=0.10.2(mm/z)逆铣顺铣FH/FZFV/FZFa/FZ1.01.20.20.30.350.40.80.90.750.80.350.4 由以上表我们可以知道CF=167，kF=0.85，因为d0=58，所以我们取d0=8，那么ae=0.
13、05d0=0.4，af=fz=0.2，Z=4,ap=4,将以上各值代入式3.2中，我们可得最大铣削力为： (N)(b) 计算电机功率 (3.3)我们已经知道FZ=54.2，V是最大切削速度为35，弹性联轴器=0.990.995，我们选=0.99，将以上代入式3.3中，可得： (c) 计算电机转速 (3.4)当V=35，d0=5时，n取最大值，把V、d0代入式3.4中，可得： (r/min)(d) 电机选型知道电机功率不小于1.9KW，转速不小于2229r/min。我们可以选电机为：表3.4 GSH电机性能参数型号规格额定电压(v)额定功率(KW)基准频率(Hz)同步转速(r/min)最高转速(
14、r/min)额定电流(A)额定转矩(N.m)GSH-2.2-06A42220/3802.21006000900010.45/6.053.502所选电机的尺寸如下图3.2： 表3.5 电机尺寸型号ABCGSHA4237565225 图3.2 GSH-2.2-06A42的尺寸图3.1.3 联轴器的选型由于转速比较高，尺寸比较小，我就选择了胀紧套联接单向膜片联轴器，此联轴器的特点是：(a) 结构简单;(b) 传递力矩大；(c) 吸收振动；(d) 拆装方便；(e) 使用寿命长；(f) 可补偿轴的角度偏差、偏心、轴向窜动。表3.6 胀紧套联接单向膜片联轴器型号d(mm)D(mm)L(mm)A(mm)B(
15、mm)DMA0210-3282956.626图3.3 胀紧套联接单向膜片联轴器3.1.4 胀紧套的选择根据要求以及联轴器的型号，我们选用Z1型胀紧连接套：表3.7 Z1型胀紧连接套dD(mm)L(mm)l(mm)25306.35.3 图3.4 Z1型胀紧连接套尺寸图3.1.5 弹簧夹头的选择根据铣刀选择的弹簧夹头为ER卡簧。表3.8 ER卡簧型号D(mm)L(mm)d(mm)ER323240320图3.5 ER卡簧3.1.6 主轴的设计 主轴的设计取决于安装的刀具，安装铣刀需要用弹簧夹头，所以主轴前端设计成空心的，用来安装弹簧夹头，后端与联轴器联接，设计尺寸如图3.6。图3.6 主轴 3.2
16、进给传动系统设计进给传动系统我选择伺服电机带动滚珠丝杠，其特点：1.摩擦损失小，传动效率；2.运动平稳，灵敏度高，低速时无爬行；3.轴向刚度高，反向定位精度高；4.磨损小，寿命长，维护简单；5.同步性好；6.有专业的厂家生产。对于滚珠丝杠的安装我们选用了一端固定一段自由安装的形式。 图3.7 滚珠丝杠安装示意3.2.1 电机的选型对带动丝杠上下移动的电机要求不高，因为它只管带着刀架上下移动，切削时不用移动，这样的电机功率可以小，转速可以小，然而带着丝杠水平移动的电机，切削时也要配合移动。所以电机按水平电机选择。 我们先假设电机的额定功率为2KW、额定转速为1000r/min，丝杠的螺距是6mm
17、,那么丝杠的进给速度V1= 10006=6m/min,丝杠主轴受力有以下公式： (3.5) (3.6) (3.7) 根据式3.6 =9550=19100(Nmm) 根据式3.7 Fx=Fz4=54.24=13.55式3.5中f=0.15、dz=35把以上数据代入式3.5中，可得： 丝杠功率P1=FmV1=177.266=1.06(KW)弹性联轴器的效率=0.990.995，角接触球轴承的效率= 0.99，用两个角接触球轴承，所以电机最大功率： = 1.09 因为P2=1.092 ，所以电机的额定功率为2KW，额定转速为1000r/min是符合的。表3.9 电机性能参数 型号相数及线电压(V)额
18、定功率(KW)额定转速(RPM)最高转速(RPM)额定转矩(Nm)最大转矩(Nm)额定电流(A)转子惯量(Kgcm2)电机长度L(mm)130L2M19N3-2202.01000130019579.344313图3.8 电机尺寸图3.2.2 联轴器的选择这也选胀紧套联接单向膜片联轴器如图3.3，所选型号如下表3.10：表3.10 胀紧套联接单向膜片联轴器型号d(mm)D(mm)L(mm)A(mm)B(mm)DMA0110-2268906.1263.2.3 丝杠轴的设计初步确定轴的最小尺寸，选取轴的材料为45钢，调质处理，根据下列公式： dmin=A0 (3.8) 取A0为120，P1=1.06
19、，n=1000代入式3.8中则： dmin=120=12(mm)以下图3.9是我设计的丝杠轴，最小直径是22mm，符合要求，前端与胀紧套联接单向膜片联轴器联接，中间有螺纹的安装一个小圆螺母为了固定轴承，后端安装轴承。丝杠直径为35mm,丝杠长度设计成400mm。 图3.9 丝杠轴3.2.4 胀紧套的选择配合联轴器选择Z1型胀紧连接套如图3.4：表3.11 Z1型胀紧连接套dD(mm)L(mm)l(mm)22266.35.33.2.5 轴承的选择 由于在此处主要受轴向力，角接触球轴承能承受一定的径向力和较大的轴向力，所以我们选择了角接触球轴承，在这受两个方向的轴向力所以要成对使用角接触球轴承（小
20、端面对小端面）。4 主要零件选择4.1 丝杠的选择此课题选的是滚珠丝杠，型号是W3506： 表4.1 滚珠丝杠 单位：mm型号直径D0螺距lD1D2D3D4TL额定动载荷(N)额定静载荷(N)W3506356556596821260250011600图4.1 滚珠丝杠4.2 气缸的选择4.2.1 控制铣刀的气缸的选择选择气缸好坏直接决定切削的质量，所以必须严格选择气缸，气缸的输出力、缸径和使用压力的关系有F1=A1P (4.1)式中 F1气缸的输出力，(N)；负载率；A1受压面积，(mm2)；P使用压力，(MPa)。根据查表可知，运动工况时54.2，所以此气缸合理可用。表4.2 气缸 型号缸径
21、(mm)行程(mm)MBB40-200402004.2.2 平衡气缸的选择同理取=0.3，P=0.15，选个缸径为100mm的，它的受压面积是7850mm2，取=0.3，P=0.8,A1=7850代入4.1可得 F1=0.478500.8=25122000(通过估算竖直丝杠所受最大轴向载荷)，所以此气缸合理可用。表4.3 气缸 型号缸径(mm)行程(mm)MBB100-4001004004.3 导轨以及导轨滑块的选择4.3.1 导轨的选择这里我们选线性导轨，它的结构简单、安装方便。线性导轨又称滑轨、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， 同时可以承担一定的扭矩，可在高负
22、载的情况下实现高精度的直线运动。图4.2 线性滑轨表4.4 线性导轨 单位：mm型号H1DhdEPW1H2MSA25LS2211972060236.5MSA20LS189.58.562060205MSA15S157.55.34.52060154.24.3.2 导轨滑块的选择导轨滑块与导轨是配合的，导轨确定了导轨滑块也就确定了，如图4.1：表4.5 导轨滑块 单位：mm型号Hd1TBCWKW2LL1NGSlMSA25LS403.3103550485.812.5100.6781012M68MSA20LS303.383250445.81288.867.2512M56MSA15S283.37.2262
23、6343.29.556.339.38.37M455 主要零件的校核5.1 丝杠的校核 所选滚珠丝杠的型号是W3506，它的额定动载荷是2500N，额定静载荷是11600N。5.1.1 计算最大动载荷C选用滚珠丝杠副的直径D0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载C，可用下式计算： (5.1)式中 L寿命，以106转为一单位， L= (5.2)n丝杠转速，(r/min)T为使用寿命，(h)对于数控机床取T=15000h；fw运转系数，见表5.1。表5.1 运转系数运转状态运转系数无冲击运转1.0
24、1.2一般运转1.21.5有冲击运转1.52.5把n=1000,T=15000代入式5.2，可得： (h)把Fm=177.26，fw=1.2，L=900代入式5.1，可得： (N)这样C=2054nK则丝杠不会失稳，nK为许用稳定性安全系数，一般取nK=2.54。nK=1.1106/177.26=6200远大于nK，所以稳定性很好。5.1.4 滚珠丝杠副的寿命计算滚珠丝杠副的寿命，主要是指疲劳寿命。在工程计算中，采用“额定疲劳寿命”这一概念，它指一批尺寸、规格、精度相同的滚珠丝杠，在相同的条件下回转，其中90%不发生疲劳剥落的情况下运转的总转数。也可以总回转时间或总走行距离来表示，寿命计算公式如下： (5.7) (5.8)式中 L1额定疲劳寿命，(r)； Lt寿命时间，(h)； C0额定动载荷，(N)，C0=2500N； Fm轴向载荷，(N)，Fm=177.26N； fww运转系数， fww=1.2； n丝杠转速，(r/min),n=1000r/min。由式5.7可得 (r)由式5.8可得 (h) Lt20000h，所以符合。5.2 轴承的校核本轴承主要是解决其寿命问题，因此对本设计中的角接触球轴承进行校核，其主要参数：额定动载荷是19.
