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        經(jīng)濟(jì)型回轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

        2022-07-08 03:30:16左鴻浩ZUOHonghao劉羽婷LIUYuting
        價(jià)值工程 2022年21期
        關(guān)鍵詞:齒輪軸小齒輪工作臺(tái)

        左鴻浩ZUO Hong-hao;劉羽婷LIU Yu-ting

        (大連科技學(xué)院機(jī)制教研室,大連116052)

        0 引言

        加工中心設(shè)置回轉(zhuǎn)工作臺(tái)來進(jìn)行圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng),以期獲得更大的加工范圍,因此加工中心回轉(zhuǎn)工作臺(tái)不但要進(jìn)行弧線或直線的聯(lián)動(dòng)曲面加工,并且對(duì)自動(dòng)分度實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。某型加工中心回轉(zhuǎn)工作臺(tái)分為工作臺(tái)、回轉(zhuǎn)體以及滑臺(tái)體等三個(gè)主體部分,在材料的選擇上均采用灰鑄鐵,從結(jié)構(gòu)方面可分為定位系統(tǒng)、鎖緊機(jī)構(gòu)、吹氣系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。從設(shè)計(jì)選型角度而言,該回轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心是伺服電機(jī)的選型、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析計(jì)算以及軸承的選用校核。

        1 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的工作原理

        某型加工中心回轉(zhuǎn)工作臺(tái)如圖1 所示,采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),保證作業(yè)時(shí)與其他軸產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)配合。電機(jī)運(yùn)行時(shí)動(dòng)力通過齒輪傳輸給工作臺(tái),采用錐度設(shè)計(jì)方案及錐銷定位和夾緊套爪鎖緊方案,消除傳動(dòng)間隙。采用工作臺(tái)鎖緊系統(tǒng),在工作臺(tái)不使用時(shí),使油液通過油路注入到夾緊套爪油腔上方,擴(kuò)張彈性圈,壓縮碟簧,推動(dòng)夾緊套爪向外側(cè)擴(kuò)張,使位于夾緊套爪上方的鎖緊套進(jìn)入套在套爪上的彈性圈,從而實(shí)現(xiàn)壓縮鎖緊套,同時(shí)實(shí)現(xiàn)工作的鎖死。在工作臺(tái)需要松開時(shí),油腔中的油液由油路返回,碟簧恢復(fù)原狀,產(chǎn)生向上的彈力,將鎖緊套頂出彈性圈,夾緊套爪收縮,從而使工作臺(tái)與轉(zhuǎn)臺(tái)松開。采用推力圓柱軸承及錐銷實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)中心定位,同時(shí)配備吹氣系統(tǒng),將雜物由定位銷錐兩側(cè)吹出,規(guī)定吹氣路線并從進(jìn)油口排出雜質(zhì)。

        圖1 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)

        2 伺服電機(jī)的選型計(jì)算

        伺服電機(jī)的選擇應(yīng)從旋轉(zhuǎn)特性、調(diào)速特性、傳動(dòng)可靠性,精度特性,控制特性等方面綜合考量,因此該回轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)計(jì)方案選取FANUC 系列交流伺服電機(jī),具體見表1。

        表1 伺服電機(jī)選擇表(節(jié)選)

        已知工作臺(tái)快速進(jìn)給速度為40r/min,傳動(dòng)機(jī)構(gòu)總傳動(dòng)比為i=100,工作臺(tái)最大承載力為1300kg,即F=12740N,工作臺(tái)轉(zhuǎn)速V=0.19m/s。

        電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速n=40×100=4000r/min

        根據(jù)P=F·V

        得電機(jī)功率P=12740×0.19=2.42kW

        得電機(jī)扭矩T=5.8N·m,根據(jù)最高轉(zhuǎn)速及功率、扭矩綜合情況,選取αiS 12/4000 的伺服電機(jī),額定功率2.7kW,其結(jié)構(gòu)圖見圖2。

        圖2 伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

        3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析計(jì)算

        回轉(zhuǎn)工作臺(tái)傳動(dòng)方案為:伺服電機(jī)→一級(jí)齒輪傳動(dòng)→齒輪軸→二級(jí)齒輪傳動(dòng)→工作臺(tái)。

        當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令,伺服電機(jī)將提供動(dòng)力給一級(jí)齒輪傳動(dòng)的小齒輪,并由小齒輪傳遞給相嚙合的大齒輪,通過齒輪軸,將動(dòng)力通過齒輪軸另一端的小齒輪傳遞給驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的大齒輪,從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞,使工作臺(tái)進(jìn)行回轉(zhuǎn)。

        3.1 一級(jí)齒輪傳動(dòng)計(jì)算

        一級(jí)齒輪傳動(dòng)小齒輪材質(zhì)40Cr(調(diào)質(zhì)處理),280HBS硬度,熱處理為齒部G48。大齒輪材質(zhì)40Cr(調(diào)質(zhì)),280HBS 硬度,熱處理為齒部G48。已知電機(jī)功率P=2.7kW。選用7 級(jí)精度,效率η=0.97;選用球軸承,效率η=0.99。

        3.1.1 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算

        ①整理基礎(chǔ)數(shù)據(jù):

        1)齒輪形式:直齒圓柱

        2)齒數(shù)(?。㈱1=21,齒數(shù)(大)Z2=150

        3)確定載荷系數(shù)KHt=1.3

        4)傳遞的轉(zhuǎn)矩(?。㏕=8595N·m

        5)齒寬系數(shù)φd=0.48

        6) 確定材料的彈性系數(shù)ZE=189.8MPa、ZH=2.5、Zε=0.873

        7)選擇小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限600MPa;大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度550MPa

        8)計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù):N1=60×3000×1×(2×8×300×10)=8.64×109;N1=8.64×109/7.14=1.21×109

        9)選擇接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1=0.90;KHN1=0.95

        10)確定接觸疲勞許用應(yīng)力:選擇失效概率為1%,安全系數(shù)S=1,由許用應(yīng)力公式得σH1=540MPa;σH2=523MPa

        ②計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù):

        1)計(jì)算小齒輪的分度圓直徑d1t,代入σH較小的值。

        2)確定周轉(zhuǎn)速度

        3)計(jì)算齒寬

        4)確定齒輪的寬高比

        5)確定載荷系數(shù)

        根據(jù)V1=3.95m/s,7 級(jí)精度,選擇動(dòng)載荷系數(shù)KV=1.7;直齒輪KHα=KFα=1;使用系數(shù)KA=1;7 級(jí)精度、小齒輪相對(duì)支承非對(duì)稱布置KHβ=1.57;由于b/h=4.53,KHβ=1.57,所以KHβ=1.57;代入K=KVKAKFαKHβ=0.26

        6)確定分度圓直徑

        7)計(jì)算模數(shù)m

        3.1.2 齒根彎曲強(qiáng)度計(jì)算

        ①整理基礎(chǔ)數(shù)據(jù):

        1)小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限σFE1=500MPa;大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限σFE2=380MPa

        2)彎曲疲勞壽命系數(shù):KFN1=0.85;KFN2=0.88

        3)彎曲疲勞許用應(yīng)力:彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4,則σF1=303.57MPa;σF2=238.86MPa

        4)確定載荷系數(shù):K=KVKAKFαKFβ=2.38

        5)確定齒形系數(shù):YFα1=2.65;YFα2=2.2

        6)確定應(yīng)力校正系數(shù):YSα1=1.5;YSα2=1.65

        7)確定大、小齒輪相關(guān)數(shù)值

        ②計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù):

        按照近似取值的原則,選取m=1.5,根據(jù)按接觸強(qiáng)度計(jì)算算出分度圓直徑d=32mm,求得小齒輪齒數(shù)Z1=d1/m=32/1.5≈21;大齒輪齒數(shù)Z1=7.14×21=150。

        3.1.3 一級(jí)齒輪傳動(dòng)基本數(shù)據(jù)

        ①分度圓直徑:

        d1=Z1m=21×1.5=31.5mm

        d2=Z2m=150×1.5=225mm

        ②中心距:

        ③齒寬:b1=φd·d1=0.48×31.5=15.12mm;取B1=15mm;B2=20mm

        3.2 二級(jí)齒輪傳動(dòng)計(jì)算

        二級(jí)齒輪傳動(dòng)小齒輪材質(zhì)40Cr(進(jìn)行調(diào)質(zhì)),280HBS硬度,熱處理為齒部G52。大齒輪材質(zhì)45 鋼,240HBS 硬度,熱處理為齒部T235。其計(jì)算過程與一級(jí)齒輪傳動(dòng)計(jì)算過程類似,本文篇幅所限其具體基本參數(shù)計(jì)算所得:

        模數(shù)、齒數(shù):m=2.5mm;Z3=17;Z4=238

        d3=Z3m=17×2.5=42.5mm

        d4=Z4m=238×2.5=595mm

        中心距:

        齒寬:b2=φd·d3=0.48×39.62=19.01mm;

        取B1=20mm;B2=28mm

        3.3 齒輪軸校核分析

        3.3.1 尺寸設(shè)計(jì)

        齒輪軸的主要作用是承載回轉(zhuǎn)部件,同時(shí)傳遞扭矩和動(dòng)力。因此需要較強(qiáng)的韌性,剛度及耐磨性,采用40Cr 調(diào)質(zhì)材料作為齒輪軸的材料兼顧以上特性。如圖3 所示,通過扭矩初步計(jì)算軸徑,并將最先計(jì)算的軸徑作為所能承受扭矩的軸段的最小直徑dmin,然后在計(jì)算過程中,根據(jù)軸上相配合的其他零件及相關(guān)定位要求,進(jìn)而從最小直徑處起逐一確定各軸段的直徑。

        圖3 齒輪軸

        選取A0=138;傳動(dòng)效率取η=0.99,所以p1=p·η=2.7×0.99=2.673kW;轉(zhuǎn)速n1=n/i=3000/7.14=420m/s;

        因?yàn)榇簖X輪裝配在齒輪軸上,并且裝有軸套和墊片等部件,根據(jù)齒寬B=26mm 及墊片寬度5mm,所以取最小軸段軸長(zhǎng)為32mm。

        在Ⅱ-Ⅲ段因?yàn)檩S段上裝有深溝球軸承,尺寸為φ30×72×19 和φ30×62×16,所以計(jì)算此段直徑為φ30mm,根據(jù)軸上配合可知此段軸長(zhǎng)為133mm。Ⅲ-Ⅳ段上因?yàn)榕c小齒輪配合,且小齒輪分度圓直徑為42.5mm,經(jīng)計(jì)算可知該段直徑為φ35.5mm,該段軸的長(zhǎng)度由小齒輪齒寬與軸肩組成,已知齒寬為28mm,預(yù)估軸肩為14mm,所以該段軸長(zhǎng)為42mm。

        3.3.2 齒輪軸的強(qiáng)度校核

        軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為:

        公式變換,軸的基本直徑為:

        該軸的材料為40Cr,調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)表查得τT=35MPa;c=112MPa

        因?yàn)閐1=25mm,所以該軸滿足扭矩強(qiáng)度要求,屬于安全范圍內(nèi)。

        3.3.3 齒輪軸的剛度校核

        ①軸的彎曲剛度校核計(jì)算。

        在校核計(jì)算的時(shí)候,直軸可直接運(yùn)用材料力學(xué)公式計(jì)算校核,而階梯軸由于軸段數(shù)較多,計(jì)算時(shí)需分段考慮,但在特殊情況下,比如計(jì)算精度較低的情況下,只需把階梯軸當(dāng)成直軸,使用直軸的當(dāng)量直徑dv進(jìn)行計(jì)算,即

        式中:li——階梯軸第i 段的長(zhǎng)度,mm;di——階梯軸第i 段的直徑,mm;L——階梯軸的計(jì)算長(zhǎng)度,mm;z——階梯軸計(jì)算長(zhǎng)度內(nèi)的軸段數(shù)。

        將齒輪軸各組數(shù)據(jù)代入得dv=29.52mm,初步可知該軸處于安全范圍內(nèi)。

        ②軸的扭轉(zhuǎn)剛度校核計(jì)算。

        計(jì)算扭轉(zhuǎn)角φ:

        式中:T——軸所受的扭轉(zhuǎn),N·mm;G——軸的材料的剪切彈性模量,MPa,對(duì)于鋼材,G=8.1×104MPa;IP——軸截面的極慣性矩,對(duì)于圓軸,IP=πd4/32;L——階梯軸受扭矩作用的長(zhǎng)度,mm;TiliIpi——分別代表階梯軸第i 段上所受的扭矩、長(zhǎng)度和極慣性矩;z——位于階梯軸上受扭矩作用的軸段數(shù)。

        由上述內(nèi)容代入求出扭轉(zhuǎn)角:φ=0.48(°)/m

        軸的扭轉(zhuǎn)剛度條件:φ≤[φ]

        對(duì)于一般傳動(dòng)軸,可取[φ]=0.5~1(°)/m;所以經(jīng)過剛度的兩次計(jì)算可得知該軸的剛度要求合格,處于安全范圍內(nèi)。

        4 軸承的選用校核

        根據(jù)臥式加工中心回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的實(shí)際功能需求,選用推力圓柱滾子軸承和兩端帶密封圈球軸承。①推力圓柱滾子軸承:能夠承受單方向較高的軸向載荷,然而無法承受徑向載荷,且不可以自動(dòng)調(diào)心。適用于高承載用途,軸向剛度也更大。根據(jù)功能需求,所選的型號(hào)為81118,規(guī)格為φ90×120×22。②兩端帶密封圈球軸承:這種軸承為深溝球軸承中的一個(gè)分類,可簡(jiǎn)單的防止灰塵進(jìn)入的軸承滾道,可以很好的防止軸承內(nèi)的潤(rùn)滑脂流出。根據(jù)需求,選擇型號(hào)為180206 和180306 兩種,規(guī)格為φ30×62×16 和φ30×72×19。

        4.1 推力圓柱滾子軸承的校核

        因?yàn)樵撦S承只受軸向載荷影響,所以只需計(jì)算軸向載荷即可,查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得該81118 型號(hào)軸承基本額定動(dòng)載荷C 為105kN,該軸承預(yù)期壽命為15000h。

        根據(jù)軸上配合件的重量計(jì)算出軸向載荷Fa=20260N

        當(dāng)量動(dòng)載荷P=fd·Fa

        其中fd為和載荷系數(shù),選取范圍為1.2~1.8 選取為1.8;所以P=36408N

        其中ε=10/3;ft=1;n=30r/min;得實(shí)際壽命Lh=18193h大于15000h 預(yù)期壽命,故該軸承適用。

        4.2 兩端帶密封圈球軸承的校核

        查表得180206 型軸承基本額定動(dòng)載荷C 為19.5kN,基本額定靜載荷C0為11.5kN,該軸承預(yù)期壽命為5000h。

        根據(jù)軸上配合件的重量計(jì)算出軸向載荷和徑向載荷:

        軸向載荷Fa=203N,徑向載荷Fr=3000N

        由于相對(duì)軸向載荷Fa/Fr<e,可取軸向系數(shù)Y 和徑向系數(shù)X;查設(shè)計(jì)手冊(cè)取X=1 Y=0

        當(dāng)量動(dòng)載荷P=fd(XFr+YFa)

        其中fd為和載荷系數(shù),選取范圍為1.2~1.8 選取為1.2;所以P=3600N

        其中ε=3;ft=1;n=420r/min;可得Lh=6306h 大于5000h預(yù)期壽命,故該軸承適用。

        對(duì)于180306 型軸承,其計(jì)算過程與180206 軸承相似,其實(shí)際壽命大于預(yù)期壽命,可用。

        5 結(jié)論

        經(jīng)濟(jì)型回轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在強(qiáng)調(diào)功能性的同時(shí),注重核心部件的原理優(yōu)化設(shè)計(jì),尤其是對(duì)于齒輪設(shè)計(jì)、齒輪軸設(shè)計(jì)以及軸承校核等重要零部件參數(shù)指標(biāo)的計(jì)算,更貼近實(shí)際生產(chǎn)狀況需求,并以經(jīng)濟(jì)性為依托,體現(xiàn)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)的使用可靠性、精度穩(wěn)定性、工作效率性及使用壽命等各方面技術(shù)要求。同時(shí)在理論創(chuàng)新方面采用錐度設(shè)計(jì)方案及錐銷定位方案解決回轉(zhuǎn)工作臺(tái)定位精度問題;采用夾緊套爪機(jī)構(gòu)及蝶閥解決回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的鎖死與放松;采用吹氣系統(tǒng)解決回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的雜質(zhì)處理問題等。經(jīng)濟(jì)型回轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)生產(chǎn)運(yùn)用過程中,各項(xiàng)指標(biāo)良好,同時(shí)為其他形式的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。

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