立式高速火焰噴涂機床設(shè)計（全套含CAD圖紙）

I摘 要高速火焰噴涂技術(shù)（HOVF）是一種可在零部件表面高效率地形成涂層的工藝方法，該方法具有火焰速度高、涂層結(jié)合強度高、致密性好、耐磨等優(yōu)點。本課題主要是對立式高速火焰噴涂機床進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，依據(jù)技術(shù)要求，給出機床的總體設(shè)計方案，并完成包括進給機構(gòu)及主要零部件等的繪制。整機主要包括橫縱向進給機構(gòu)、立柱、底座、工作臺等主要部件。其中所有進給機構(gòu)均采用滾珠絲杠螺母副進行傳動，并由伺服電機進行驅(qū)動。噴槍安裝在縱向工作臺上，并采用重錘平衡機構(gòu)保持平衡，使其升降輕便。本文介紹了高速火焰噴涂機床的組成，全面闡述了高速火焰噴涂機床的結(jié)構(gòu)及設(shè)計特點，論述了采用伺服電機和滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點。詳細(xì)介紹了高速火焰噴涂機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其校核，另外匯總了有關(guān)技術(shù)參數(shù)。其中著重介紹了滾珠絲杠的原理及其選用原則，系統(tǒng)地對滾珠絲杠生產(chǎn)、應(yīng)用等環(huán)節(jié)進行了介紹。包括種類選擇、參數(shù)選擇、精度選擇、循環(huán)方式選擇、與主機匹配的原則等。關(guān)鍵詞：熱噴涂；高速火焰噴涂；滾珠絲杠；伺服電機IIAbstractHigh velocity oxy-fuel (HOVF) technologyis is a process method in the surface of parts efficiently forming coating, the method has the advantages of high flame speed, high strength, high density, good abrasion resistance, etc.This topic is mainly on vertical HVOF machine tool mechanical structure design, based on technical requirements, given the machines overall design, and complete including drawing feeding mechanism and major components and the like. Entire machine including horizontal and vertical feed mechanism, column, base, table and other major components. Wherein all feed mechanism are ball screw drive nut carried by the servo motor drive. Gun mounted on the longitudinal table and lifting of weights balancing mechanism to make it light.This article describes the composition of the high-speed flame spraying machine, a comprehensive exposition of the structure and design features of the high-speed flame spraying machine, discusses the advantages of using servo motor and ball screw nut pairs. Details of the HVOF structural design and verification tools, in addition to a summary of the technical parameters. Which focuses on the principles and selection principles of the ball screw, ball screw system to production, application and other aspects were introduced. Including species selection, parameter selection, precision selection, circulation mode selection, principles and host matches and the like.Keywords：Thermal Spray;HVOF;Ball screw; Servo motorIII目錄摘 要 .IAbstract.II第 1 章 緒論 .11.1 高速火焰噴涂簡介 .11.2 高速火焰噴涂的發(fā)展現(xiàn)狀 .11.3 立式高速火焰噴涂機床設(shè)計的選題意義 .51.4 課題研究內(nèi)容 .61.5 本章小節(jié) .6第 2 章 立式高速火焰噴涂機床的總體機械設(shè)計 .72.1 機床的設(shè)計要求 .72.2 設(shè)計方案 .72.3 本章小節(jié) .9第 3 章 進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計與計算 .103.1 進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計要求 .103.2 滾珠絲杠的特點 .113.3 絲杠的計算 .123.3.1 滾珠絲杠副的導(dǎo)程計算 .123.3.2 滾珠絲杠副的載荷計算 .133.3.3 確定允許最小螺紋低經(jīng) .143.3.4 確定滾珠絲杠副得規(guī)格代號 .153.4 伺服電機的選擇 .153.4.1 基本原則 .153.4.2 額定轉(zhuǎn)速的選擇 .163.4.3 慣量匹配 .163.4.4 電機選擇 .173.3.5 慣量匹配驗算 .173.3.6 速度的驗算 .17IV3.5 滾珠絲杠副的安全使用 .183.5.1 潤滑 .183.5.2 防塵 .183.5.3 使用 .183.5.4 安裝 .183.6 聯(lián)軸器的選擇 .193.7 Y 軸和 Z 軸滾珠絲杠及伺服電機的選擇 .193.8 伺服進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計 .203.9 本章小節(jié) .22第 4 章 主要零部件設(shè)計 .234.1 床身結(jié)構(gòu)的設(shè)計 .234.1.1 床身設(shè)計的基本要求 .234.1.2 床身的結(jié)構(gòu)設(shè)計 .244.2 導(dǎo)軌的設(shè)計 .254.2.1 導(dǎo)軌的設(shè)計要求 .254.2.2 導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計 .254.2.3 導(dǎo)軌的防護及潤滑 .284.3 工作臺的設(shè)計 .294.4 本章小節(jié) .29第 5 章 結(jié)論 .30參考文獻 .31致謝 .331第 1 章 緒論1.1 高速火焰噴涂簡介高速火焰噴涂(high velocity oxy-fuel，簡稱 HOVF)是在火焰噴涂的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的熱噴涂技術(shù) 1，其出現(xiàn)促進了熱噴涂技術(shù)的發(fā)展，擴大了熱噴涂的應(yīng)用范圍 2,3，與其他技術(shù)相比，有許多優(yōu)越性 4。它是利用丙烯、天然氣、煤油 5等燃料和氧氣在燃燒室或特殊噴嘴中燃燒產(chǎn)生高溫，將涂料融化或半融化，經(jīng)加速撞擊在被加工體表面沉積形成涂層。從表 1-1 可以看出，高速火焰噴涂較其它表面噴涂工藝擁有更高的結(jié)合強度和硬度，孔隙率及氧化物含量較低等特點。由于 HVOF 噴槍所產(chǎn)生的粉末顆粒速度相對于其他熱噴涂方法的顆粒速度有明顯提高,使得粉末顆粒從進入噴槍到噴涂至工件表面，進而撞擊基體表面形成涂層的整個過程得到改善 6。表 1-1 高速火焰噴涂涂層與其它表面噴涂工藝涂層性能比較 7工藝 結(jié)合強度 厚度 孔隙率 氧化物含量 硬度 應(yīng)力電弧線材噴涂 2040 Mpa 5% 3% 中 低火焰線材噴涂 1030 Mpa 10% 5% 低 中火焰粉末噴涂 1030 Mpa 10% 5% 低 中等離子噴涂 3050 Mpa 3% 1% 中 高HOVF 70100 Mpa 5 mm 1% 1% 高 中冷噴涂 3050 Mpa 10 mm 1% 1% 高 高HOVF 技術(shù)的主要特點有:(1) 火焰速度高，可達 1500/s 以上 8,9,10，可將噴涂粒子加速到 300500/s 11；(2) 溫度比等離子噴涂低很多，約 2760 12，可有效防止噴涂過程中粒子的氧化，特別適合噴涂加熱后易于分解的金屬陶瓷涂層；(3) 涂層的致密性好，結(jié)合強度高(大于 70MPa)13,14，耐磨性能優(yōu)越。21.2 高速火焰噴涂的發(fā)展現(xiàn)狀HVOF 技術(shù)是在上世紀(jì) 80 年代初期，由美國 Borwning 公司開發(fā)成功，并且先以 JET-KOTE（圖 1-1）為商品推出。經(jīng)過幾年的系統(tǒng)開發(fā)，該技術(shù)的優(yōu)點逐漸被接受和認(rèn)識。由此，世界上發(fā)達國家，投入了大量的財力對高速火焰噴涂技術(shù)進行研究開發(fā)。于上世紀(jì)八十年代末九十年代初期，先后又有數(shù)種高速火焰噴涂系統(tǒng)開發(fā)成功，并投放入市場。如射流槍(J-Gun)，沖鋒槍(Top-Gun)，金剛石射流(Diamond-Jet) ，高速空氣燃料系統(tǒng)(HVAF,HighveloeityAir-Fue)，連續(xù)爆炸噴涂(CDS ，ContinuouSDetonation Spraying)，等。如圖 1-2 是目前國際上流行的主要超音速火焰噴槍結(jié)構(gòu)示意圖，其結(jié)構(gòu)是參照火箭發(fā)動機的原理設(shè)計的 15。1噴涂槍；2冷卻水；3控制箱；4送粉器；5氣體供給圖 1-1 JET-KOTE 高速燃?xì)鈬娡肯到y(tǒng)示意圖12 345燃?xì)?a擴散型噴嘴；b收劍型噴嘴；c前端細(xì)圓筒噴嘴；d多段噴嘴；e無噴嘴；f 前端細(xì)圓筒噴嘴 圖 1-2目前國際上流行的主要超音速火焰噴槍結(jié)構(gòu)示意圖 161994 年,這種設(shè)備日本有 60 多套，歐洲大約有 120 套，其中德國大約有30 套，1995 年在日本神戶召開的第 14 屆熱噴涂國際會議上，以 HVOF 為主題的論文就達到 40 篇 17。在九十年代初期，高速火焰噴涂設(shè)備在熱噴涂市場中所占的比例約為 3%，到了 2000 年，該比例達到約 25%18。據(jù)英國 Metallisatio4有限公司稱，高速火焰噴涂設(shè)備在熱噴涂市場上越來越熱銷。Metallisatio 公司認(rèn)為高速火焰噴設(shè)備越來越受到那些尋求耐磨性能更好或耐腐蝕性能的涂層的工程師們的歡迎，因為相對于那些采用較熟悉的常規(guī)噴涂工藝，如: 等離于噴涂、火焰噴涂和電弧噴涂等制成的涂層來說，高速火焰噴涂制成的涂層硬度更高、致密度會更好一些 19。Fusion 公司現(xiàn)已關(guān)閉電鍍 Cr 生產(chǎn)線而轉(zhuǎn)向 HVOF 噴涂，因為這種涂層具有高韌性和高結(jié)合強度，完全可以適應(yīng)部件服役時的彎曲情況。公司總裁Stratton Gillis 稱，高速火焰噴涂的費用可與電鍍鉻的價格相競爭，尤其對于大型部件或外形復(fù)雜的部件是十分經(jīng)濟的方法。該公司的其它應(yīng)用還包括化工廠軸承密封區(qū)域聯(lián)接配合件、離心壓縮機轉(zhuǎn)子和推進軸承配合件等的修復(fù) 20。到目前為止，我國己陸續(xù)從國外購進了幾臺 HVOF 設(shè)備，如上海的司太立公司引進了美國 Stelhte 公司的 Jet-Kote 高速火焰噴涂設(shè)備，中國有色金屬研究總院引進了 Diamond-Jet 系統(tǒng)，鞍山鋼鐵公司引進了 Top-Gun 系統(tǒng)。此外,西安交通大學(xué)于 1995 年已研制成功了我國自己的 HVOF 系統(tǒng)(CH-2000)，長安大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)、裝甲兵工程學(xué)院、武漢材料保護研究院、北京鋼鐵研究總院、北京欽得新工藝材料有限公司等幾家單位也都在進行這方面研究 21。美國近年來在航空發(fā)動機部件如壓縮機葉片，軸承套等上使用 HVOF 技術(shù)已經(jīng)基本實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，可完全取代以前使用的爆炸噴涂層，旨在降低成本 22。英國在氣輪機使用 HVOF 技術(shù)在第一級靜葉片上效果很好，可取代昂貴的電子束物理氣相沉積和低壓等離子噴涂層。美國、德國、法國等國家在冶金行業(yè)中大量使用熱浸鍍鋅槽、擠壓輥輪中的有色金屬及沉沒輥二次加工軋輥等應(yīng)用高速火焰噴涂技術(shù)，使其壽命明顯提高 23。日本鋼鐵工業(yè)應(yīng)用 HVOF 噴涂修復(fù)退火爐輥，修復(fù)率從 80 年代中期的 30%上升到 90 年代后期的 80%，而帶鋼因結(jié)瘤等引起的次品率則由 85%下降到零 24。國際上著名的熱噴涂設(shè)備生產(chǎn)公司普萊克斯表面技術(shù)公司推出的 JP-5000、JP-8000 型高壓 HVOF 系統(tǒng)是當(dāng)前國際上最為暢銷的 HOVF 系統(tǒng),目前在國際上已有超過 500 臺的在役量，這是其他 HVOF 系統(tǒng)無法比擬的 25。其中JP-5000 系統(tǒng)的 5100 型 CORNOA 控制臺，是一閉環(huán)、全自動控制的控制臺,其外形如下圖 1-3 所示。51- 冷卻水回路； 2-液體燃料回路；3-氧氣回路；4-送載氣回路圖 1-3 JP-8000 系統(tǒng)的 8100 型 HVOF 系統(tǒng)控制臺外形圖1.3 立式高速火焰噴涂機床設(shè)計的選題意義高速火焰噴涂機床作為火焰噴涂工藝的載體，其主要功能是在高速火焰噴涂生產(chǎn)過程中，控制整個噴涂過程，同時還可以通過控制噴槍的速度和噴槍到工件表面距離，從而實現(xiàn)對噴涂寬度和厚度的控制，達到滿足不同性能材料的噴涂要求，最終噴涂出滿足簡單或者極端條件應(yīng)用需求的涂層。高速火焰噴涂技術(shù)是一種比較新型技術(shù)，而高速火焰噴涂設(shè)備也隨著微控制技術(shù)的不斷革新，在不斷地發(fā)生變化。研究和設(shè)計出穩(wěn)定性好、快速性好、可靠性高和易操作的高速火焰噴涂機床是生產(chǎn)和發(fā)展的需要。61.4 課題研究內(nèi)容本課題主要是對立式高速火焰噴涂機床進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，依據(jù)技術(shù)要求，確定機床的總體設(shè)計方案，并對其主要結(jié)構(gòu)進行設(shè)計,完成橫縱向進給機構(gòu)及床身、滑座、立柱、工作臺等主要零部件的繪制。1.5 本章小節(jié)本章主要講述了高速火焰噴涂技術(shù)發(fā)展趨勢及其相關(guān)知識，包括熱噴涂的類型，高速火焰噴涂設(shè)備的組成部分和工作原理。7第 2 章 立式高速火焰噴涂機床的總體機械設(shè)計2.1 機床的設(shè)計要求根據(jù)設(shè)計要求及常用機床性能，列出以下立式高速火焰噴涂機床主要參數(shù)，用于方案擬定。工作臺尺寸：600橫向 X 軸加工范圍 Lx=300，工件線速度 030m/min橫向 Y 軸加工范圍 Ly=500要求性能穩(wěn)定，精度較高，高速高效，結(jié)構(gòu)簡單可靠，可用于噴涂板材以及多種工件。2.2 設(shè)計方案整機分為床身、基座、立柱、滑座、主軸箱、工作臺、三軸進給驅(qū)動機構(gòu)機械部分。總裝圖如圖 2-1 所示。圖 2-1 立式高速火焰噴涂機總裝圖床身是機床設(shè)計的基礎(chǔ)，床身的尺寸設(shè)計影響著機床的設(shè)計，而且設(shè)計的合理性直接影響到機床的剛度。床身用來固定和支撐機床上的各個部件，頂面8有供滑座移動的導(dǎo)軌?；脑O(shè)計是在床身完成后完成的，而立柱安裝在床身一側(cè)，按照主軸的中心盡量貼近橫梁上的導(dǎo)軌面為原則，并把 Z 軸驅(qū)動安裝位置設(shè)計在立柱上，有效地減輕滑座的重量。因滾珠絲杠傳動效率高，摩擦力小，精度高，三軸進給驅(qū)動機構(gòu)均采用滾珠絲杠螺母副將。這樣設(shè)計使可以機床的整體進給性能得以協(xié)調(diào)，各軸的進給力和進給速度得到了最佳匹配。驅(qū)動電機采用永磁同步交流伺服電機，其特點是可以通過軟件簡單精準(zhǔn)的對速度、轉(zhuǎn)矩進行控制，將伺服系統(tǒng)的性能發(fā)揮到最大，其伺服驅(qū)動器連接圖如圖 2-1。圖 2-2 伺服驅(qū)動器連接圖9噴槍的上下垂直運動 Z 軸同樣采用滾珠絲杠副傳動。關(guān)于 Z 軸的安全問題，首先選用帶電磁剎車的伺服電動機，其次為防止?jié)L珠螺母自轉(zhuǎn)引起噴槍機械式下垂，使噴槍升降更輕便，采用了重錘平衡機構(gòu)。2.3 本章小節(jié)本章主要講解了立式高速火焰噴涂機床的總體方案設(shè)計，其主要內(nèi)容為機械部分的設(shè)計，根據(jù)所給要求制定出了總體設(shè)計方案。10第 3 章 進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計與計算3.1 進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計要求機床的位置調(diào)節(jié)對進給伺服系統(tǒng)提出了很高的要求。其中在靜態(tài)設(shè)計方面有： (1)能夠克服摩擦力和負(fù)載； (2)很小的進給位移量； (3)高的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度； (4)足夠的調(diào)速范圍，滿足快進和工進的需要； (5)進給速度均勻，在速度很低時，無爬行現(xiàn)象。在動態(tài)設(shè)計方面的要求有： (1)具有足夠的加速和制動轉(zhuǎn)距，以便快速地完成啟動和制動過程。 (2)具有良好的動態(tài)傳遞性能，以保證在加工中獲得高的軌跡精度和滿意地表面質(zhì)量； (3)負(fù)載引起的軌跡誤差盡可能小。對于數(shù)控機床機械傳動部件則有以下要求： (1)被加速的運動部件具有較小的慣量； (2)高的剛度； (3)良好的阻尼； (4)傳動部件在拉壓剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、摩擦阻尼特性和間隙等方面具有盡可能小的非線性。伺服系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖 3-1。11圖 3-1 伺服系統(tǒng)總體設(shè)計方案3.2 滾珠絲杠的特點在機床的設(shè)計中，滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運動的理想的產(chǎn)品。滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動，這是滾珠螺絲的進一步延伸和發(fā)展，這項發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動動作變成滑動動作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器 26。 滾珠絲杠是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性運動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。滾珠絲杠的特點：(1)與滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩為 1/3由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動運動，所以能得到較高的運動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩達到 1/3 以下，即達到同樣運動結(jié)果所需的動力為使用滾動絲杠副的 1/3。在省電方面很有幫助。12(2)高精度的保證滾珠絲杠副是用世界最高水平的機械設(shè)備連貫生產(chǎn)出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面，對溫度、濕度進行了嚴(yán)格的控制，由于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。(3)微進給可能滾珠絲杠副由于是利用滾珠運動，所以啟動力矩極小，不會出現(xiàn)滑動運動那樣的爬行現(xiàn)象，能保證實現(xiàn)精確的微進給。(4)無側(cè)隙、剛性高滾珠絲杠副可以加預(yù)壓，由于預(yù)壓力可使軸向間隙達到負(fù)值，進而得到較高的剛性( 滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加預(yù)壓力，在實際用于機械裝置等時，由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強)。(5)高速進給可能滾珠絲杠由于運動效率高、發(fā)熱小、所以可實現(xiàn)高速進給(運動)。滾珠絲杠副的精度是影響機床的定位精度及重復(fù)定位精度的最主要的因素。為了在機床的設(shè)計中更合理的選用滾珠絲杠副，使其充分發(fā)揮效能，必須進行一系列的計算。3.3 絲杠的計算3.3.1 滾珠絲杠副的導(dǎo)程計算工作臺橫向 X 軸行程 300mm，速度為 030m/min，伺服電機最大轉(zhuǎn)速為3000r/min,，算得其導(dǎo)程為：(3-1)mrmivPnh 10in/30max式中: P h絲杠導(dǎo)程，mm；vmax工件最大速度，m/min；inmax電機最大轉(zhuǎn)速，r/min。133.3.2 滾珠絲杠副的載荷計算(1)最小載荷 機床空載時滾珠絲杠副的傳動力，如工作臺重量引起的摩擦力(3-2)NfGF1258.93104.min 式中: F min最小載荷，N；f摩擦力系數(shù)；G滑座及工作臺重力，N。(2)最大載荷選機床承受最大負(fù)荷時滾珠絲杠的傳動力。如機床切削時，切削力在滾珠絲杠副軸向的分力與導(dǎo)軌摩擦力之和即為 Fmax（這時導(dǎo)軌摩擦力是由工作臺、工件、夾具三者總的重量以及切削力在垂直導(dǎo)軌方向的分量共同引起的）。(3-3)NGFfF165)(pcmax式中: F max最大載荷，N；Fc夾具重量，N；Fp工件重量，N。(3)平均載荷平均載荷為：(3-4)NFFm148232minax14(4)當(dāng)量載荷工作臺進給速度為 030m/min，故平均轉(zhuǎn)速為：(3-5)min/20312rnav絲杠的工作壽命取為 10000h。故：(3-6)hhnLav7610410當(dāng)量動載荷(3-7)kNfLFCawm9.241036式中:f w負(fù)荷系數(shù)；fa精度系數(shù)。3.3.3 確定允許最小螺紋低經(jīng)絲杠要求預(yù)拉伸，取兩端固定的支承形式(3-8)mLFELFdmmm 5.9039.102 15式中: 最大軸向形變量，um；mL行程，mm；F0靜摩擦力， N。3.3.4 確定滾珠絲杠副得規(guī)格代號查機械設(shè)計師手冊，選型號為 JCS3210-4 的絲杠。額定動載荷為。符合要求。絲杠直徑為 32mm，導(dǎo)程 10mm。滾珠絲桿及螺母副結(jié)構(gòu)如maC圖 4-1。圖 4-1 滾珠絲桿及螺母副結(jié)構(gòu)圖3.4 伺服電機的選擇3.4.1 基本原則(1) 考慮電動機的主要性能（啟動、過載及調(diào)速等）、額定功率大小、額定轉(zhuǎn)速及結(jié)構(gòu)形式等方面要滿足生產(chǎn)機械的要求。 (2) 在以上前提下，優(yōu)先選用結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便又價格合理的電動機。 (3)安裝方式：立式和臥式(4)防護方式：開啟式、封閉式、防護式、防暴式。 (5)額定電壓 交流 380220V ，或根據(jù)需要配變壓器。 163.4.2 額定轉(zhuǎn)速的選擇 根據(jù)生產(chǎn)機械的具體情況來選擇要求重復(fù)、短時、正反轉(zhuǎn)工作的生產(chǎn)機械，除應(yīng)選擇滿足工藝要求的電動機額定轉(zhuǎn)速外，還要保證生產(chǎn)機械達到最大的加、減速度的要求而選擇最恰當(dāng)?shù)貍鲃友b置，以達到最大生產(chǎn)率或最小損耗的目標(biāo)。一般都是直接傳動，而不是減速器。 3.4.3 慣量匹配工件和工作臺的最大質(zhì)量為 3000kg,折算到電動機軸，其慣量為(3-9)22105.)(mkgwvmJ式中:m工件和工作臺的重量，kg；v速度，m/s；w角速度，rad。絲杠慣量：絲杠直徑 32mm，決定長度為 920mm。(3-10)20213.3mkgldJ式中:d 0絲杠直徑，mm；l絲杠長度，mm；密度，取 7.85103kg/m3。負(fù)載慣量為：(3-11)2321106.mkgJL 最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩：17(3-12)mNPFTw3.123.4.4 電機選擇選伺服電機 SM110-040-30LFB：最高轉(zhuǎn)速：3000 ；/minr額定轉(zhuǎn)距：4；轉(zhuǎn)子慣量：0.6510 -3；功率：1.2kw；重量：5.2kg。3.3.5 慣量匹配驗算(3-13)5.0324.1maxTw(3-14)46.2501mLJ慣量滿足匹配要求。3.3.6 速度的驗算高速長絲杠工作時可能發(fā)生共振，因此驗算其不會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速ncr。(3-15)min/214)(910nruldfccr18絲杠平均轉(zhuǎn)速 navncr，因此不會發(fā)生共振。3.5 滾珠絲杠副的安全使用3.5.1 潤滑 為使?jié)L珠絲杠副充分發(fā)揮機能，在其工作狀態(tài)下，必須潤滑，潤滑的方式主要有以下兩種： (1)潤滑脂 潤滑脂的給脂量一般是螺母內(nèi)部空間容積的 1/3，滾珠絲杠副出廠時在螺母內(nèi)部已經(jīng)加注鋰基潤滑脂。 (2)潤滑油 運動粘度 28.574cst(400T)的潤滑油，給油量隨使用條件等的不同而有所變化。 3.5.2 防塵 滾珠絲杠與滾動軸承一樣，如果污物及異物進入就很快使它磨損，成為破損的原因。因此，考慮有污物異物進入時，必須采用防塵裝置，將絲杠軸完全保護起來。另外，如沒有異物，但有浮沉?xí)r可以在滾珠螺母兩端增加防塵圈。3.5.3 使用滾珠絲杠副在使用時應(yīng)注意以下事項： (1)滾珠螺母應(yīng)在有效行程內(nèi)運動，必要時在行程兩端配置限位，以免螺母約程脫離絲杠軸而使?jié)L珠脫落。 (2)滾珠絲杠副由于傳動效率高，不能自鎖，在用于垂直方向傳動使，如部件重量未加平衡，必須防止傳動停止或電機失電后，因部件自重而產(chǎn)生的逆?zhèn)鲃印?3)滾珠絲杠副正常工作環(huán)境溫度為60C。 3.5.4 安裝 滾珠絲杠副在安裝時應(yīng)注意以下事項： (1)滾珠絲杠副僅用于承受軸向載荷。徑向載荷、彎矩會使?jié)L珠絲杠副產(chǎn)生附加表面接觸應(yīng)力等負(fù)荷，從而造成絲杠的永久性破壞。因此，滾珠絲杠副安19裝到機床時，應(yīng)注意絲杠的軸線必須和其配套導(dǎo)軌的軸線平行，機床的兩端軸承座與螺母座必須三點成一線； 安裝螺母時，應(yīng)盡量靠近支撐軸承； 同時，安裝支撐軸承時，應(yīng)盡量靠近螺母安裝部位。 (2)滾珠絲杠安裝到機床時，盡量不要把螺母從絲杠上卸下來，如必須卸下來時要使用輔助套，否則裝卸時滾珠有可能脫落。螺母裝卸時應(yīng)注意輔助套外徑應(yīng)小于絲杠底徑 0.10.2 mm；輔助套早使用中必須靠緊絲杠螺紋軸肩；裝卸時，不可使用過大力以免螺母損壞；裝入安裝孔時要避免撞擊和偏心。3.6 聯(lián)軸器的選擇 已知：電動機輸出軸 D=24mm 絲杠輸入軸 d=22mm (3-15)mNnPT 3820.105.906由機械設(shè)計表 14-1 查得 KA=1.5(3-16)mNTAca5730從 JB/T 9147-1999 中查得 SZL-02-24/22 雙錐套膜片彈性聯(lián)軸器。公稱轉(zhuǎn)矩：80；許用轉(zhuǎn)速：5000r/min；軸孔直徑：10mm，32mm。3.7 Y 軸和 Z 軸滾珠絲杠及伺服電機的選擇(1)Y 軸滾珠絲杠 HJG2065-3：額定動載荷：C a=9kN；20絲杠直徑為：20mm；導(dǎo)程：5mm。伺服電機 SM110-060-20LFB：最高轉(zhuǎn)：2000 ； /minr額定轉(zhuǎn)距：6；轉(zhuǎn)子慣量：110 -3；功率：1.2kw；重量：6.4kg。(2)Z 軸滾珠絲 FFZD3205 -3：額定動載荷：C a=11.3kN；絲杠直徑為：32mm；導(dǎo)程：5mm。伺服電機：SM110-050-30LFB；最高轉(zhuǎn)速：3000 ； /minr額定轉(zhuǎn)距：6；轉(zhuǎn)子慣量：0.8210 -3；功率：1.5kw；重量：5.8kg。3.8 伺服進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計 由以上的分析計算可以設(shè)計出伺服進給系統(tǒng)的機構(gòu)如圖 3-23-4 所示。21圖 3-2 伺服進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（主視圖）圖 3-3 伺服進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（左視圖）22圖 3-4 伺服進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（俯視圖）3.9 本章小節(jié)本章主要講述了進給伺服系統(tǒng)的基本要求和進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計要求，按照要求選擇滾珠絲杠、伺服電機，并進行伺服進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計。23第 4 章 主要零部件設(shè)計4.1 床身結(jié)構(gòu)的設(shè)計4.1.1 床身設(shè)計的基本要求機床的床身是整個機床的設(shè)計基礎(chǔ)，一般用來放置導(dǎo)軌，主軸箱等重要部件。為了滿足機床高速度、高精度、高生產(chǎn)率、高可靠性和高自動化程度的要求，立式高速火焰噴涂機床應(yīng)有高的靜、動剛度，更好的抗振性。 對立式高速火焰噴涂機床的床身主要在以下 3 個方面提出了更高的要求： (1)較高的精度和精度保持性 在床身上有很多安裝零部件的加工面和運動部件的導(dǎo)軌面，這些面本身的精度和相互位置精度要求都很高，而且要長時間保持。另外，機床在加工時，所有的靜、動載荷最后往往都傳到床身上，所以，床身受力很復(fù)雜。為此，為保證零部件之間的相互位置或相對運動精度，除了滿足幾何尺寸位置等精度要求外，還需要滿足靜、動剛度和抗振性、熱穩(wěn)定性、工藝性等方面的技術(shù)要求。(2)應(yīng)具有足夠的靜、動剛度 靜剛度包括：床身的自身結(jié)構(gòu)剛度、局部剛度和接觸剛度，都應(yīng)該采取相應(yīng)的措施，最后達到有較高的剛度-質(zhì)量比。動剛度直接反映機床的動態(tài)性能，為了保證機床在交變載荷作用下具有較高的抵抗變形的能力和抵抗受迫振動及自激振動的能力，可以通過適當(dāng)?shù)脑黾幼枘?、提高固有頻率等措施避免共振及因薄壁振動而產(chǎn)生噪音。 (3)較好的熱穩(wěn)定性 對高速火焰噴涂機床來說，熱穩(wěn)定性已經(jīng)成了一個突出問題，必須在設(shè)計上要做到使整機的熱變形小，或使熱變形對加工精度的影響小。熱變形將直接影響機架的原有的精度，從而是產(chǎn)品精度下降，如立軸矩臺平面磨床，立柱前臂的溫度高于后臂，是立柱后傾，其結(jié)果磨出的零件工作表面與安裝基面不平行；有導(dǎo)軌的機架，由于導(dǎo)軌面與底面存在溫差，在垂直平面內(nèi)導(dǎo)軌將產(chǎn)生中凸或中凹熱變形。因此，床身結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)使熱變形盡量小。 床身機架設(shè)計的一般要求 ：(1) 在滿足強度和剛度的前提下，機架的重量應(yīng)要求輕、成本低； 24(2) 抗振性好。把受迫振動振幅限制在允許范圍內(nèi)； (3) 躁聲??； (4) 溫度場分布合理，熱變形對精度的影響??； (5) 結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，工藝性良好，便于鑄造、焊接和機械加工； (6) 結(jié)構(gòu)力求便于安裝與調(diào)整，方便修理和更換零部件； (7) 有導(dǎo)軌的機架要求導(dǎo)軌面受力合理、耐磨性良好； (8) 造型既適用經(jīng)濟，又美觀大方。4.1.2 床身的結(jié)構(gòu)設(shè)計 根據(jù)機床的類型不同，床身的結(jié)構(gòu)形式有各種各樣的形式。例如數(shù)控車床床身的結(jié)構(gòu)形式有平床身、斜床身、平床身斜導(dǎo)軌和直立床身等四種類型。 另外，斜床身結(jié)構(gòu)還能設(shè)計成封閉式斷面，這樣大大提高了床身的剛度。數(shù)控鉆銑床、加工中心等這一類數(shù)控機床的床身結(jié)構(gòu)與數(shù)控車床有所不同。例如加工中心的床身有固定立柱式和移動立柱式兩種。前者一般使用于中小型立式和臥式加工中心，而后者又分為整體 T 形床身和前后床身分開組裝的 T 形床身。所謂 T 形床身是指床身是由橫置的前床身和與它垂直的后床身組成。整體式床身，剛性和精度保持性都比較好，但是卻給鑄造和加工帶來很大不便，尤其是大中型機床的整體床身，制造時需要大型設(shè)備。而分離式 T 形床身，鑄造工藝性和加工工藝性都大大改善。前后床身聯(lián)接處要刮研，聯(lián)接時用定位鍵和專用定位銷定位，然后再沿截面四周， 用大螺栓固緊。這樣聯(lián)接成的床身，再剛度和精度保持性方面，基本能滿足使用要求。 機床的床身通常為箱體結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計床身的截面形狀及尺寸，采用合理布置的肋板結(jié)構(gòu)可以在較小質(zhì)量下獲得較高的靜剛度和適當(dāng)?shù)墓逃蓄l率。床身肋板一般根據(jù)床身結(jié)構(gòu)和載荷分布情況進行設(shè)計，滿足床身剛度和抗振性要求，V 形肋板有利于加強導(dǎo)軌支承部分的剛度；斜方肋和對角肋結(jié)構(gòu)可明顯增強床身的扭轉(zhuǎn)剛度，并且便于設(shè)計成全封閉的箱形結(jié)構(gòu)。 此外，還有縱向肋板和橫向肋板，分別對抗彎剛度和抗扭剛度有明顯效果；米字形肋板和井字形肋板的抗彎剛度也較高，尤其是米字形肋板更高。 床身結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)盡量避免薄壁結(jié)構(gòu)并簡化表面形狀。根據(jù)設(shè)計的具體情況及要求，床身的結(jié)構(gòu)如圖 4-1。25圖 4-1 床身結(jié)構(gòu)4.2 導(dǎo)軌的設(shè)計4.2.1 導(dǎo)軌的設(shè)計要求當(dāng)運動件沿著絲杠作直線運動時，導(dǎo)軌起支承和導(dǎo)向的作用，即支承和保證運動件在外力的作用下，沿給定的方向進行直線運動。對導(dǎo)軌的要求如下：(1)一定的導(dǎo)向精度。導(dǎo)向精度是指運動件沿導(dǎo)軌移動的直線性，以及它與有關(guān)基面間的相互位置的正確性。(2)運動輕便平穩(wěn)。工作時，應(yīng)輕便省力，速度均勻，低速時應(yīng)無爬行現(xiàn)象。(3)良好的耐磨性。導(dǎo)軌的耐磨性是指導(dǎo)軌長期使用后，能保持一定的使用精度。導(dǎo)軌在使用過程中要磨損，但應(yīng)使磨損量小，且磨損后能自動補償或便于調(diào)整。(4)足夠的剛度。運動件所受的外力，是由導(dǎo)軌面承受的，故導(dǎo)軌應(yīng)有足夠的接觸剛度。為此，常用加大導(dǎo)軌面寬度，以降低導(dǎo)軌面比壓。設(shè)置輔助導(dǎo)軌，以承受外載。(5)溫度變化影響小。應(yīng)保證導(dǎo)軌在工作溫度變化的條件下，仍能正常工作。(6)結(jié)構(gòu)工藝性好。在保證導(dǎo)軌其它要求的條件下，應(yīng)使導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡單，便于加工、丈量、裝配和調(diào)整，降低本錢。4.2.2 導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(1)導(dǎo)軌的基本形式26三角形導(dǎo)軌：該導(dǎo)軌磨損后能自動補償，故導(dǎo)向精度高。它的截面角度由載荷大小及導(dǎo)向要求而定，一般為 90。為增加承載面積，減小比壓，在導(dǎo)軌高度不變的條件下，采用較大的頂角（110120）；為進步導(dǎo)向性，采用較小的頂角（60 ）。假如導(dǎo)軌上所受的力，在兩個方向上的分力相差很大，應(yīng)采用不對稱三角形，以使力的作用方向盡可能垂直于導(dǎo)軌面。矩形導(dǎo)軌：優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，制造、檢驗和修理方便；導(dǎo)軌面較寬，承載力較大，剛度高，故應(yīng)用廣泛。但它的導(dǎo)向精度沒有三角形導(dǎo)軌高；導(dǎo)軌間隙需用壓板或鑲條調(diào)整，且磨損后需重新調(diào)整。燕尾形導(dǎo)軌：燕尾形導(dǎo)軌的調(diào)整及夾緊較簡便，用一根鑲條可調(diào)節(jié)各面的間隙，且高度小，結(jié)構(gòu)緊湊；但制造檢驗不方便，摩擦力較大，剛度較差。用于運動速度不高，受力不大，高度尺寸受限制的場合。圓形導(dǎo)軌：制造方便，外圓采用磨削，內(nèi)孔珩磨可達精密的配合，但磨損后不能調(diào)整間隙。為防止轉(zhuǎn)動，可在圓柱表面開鍵槽或加工出平面，但不能承受大的扭矩。宜用于承受軸向載荷的場合。(2)常用導(dǎo)軌組合形式三角形和矩形組合：這種組合形式以三角導(dǎo)軌為導(dǎo)向面，導(dǎo)向精度較高，而平導(dǎo)軌的工藝性好，因此應(yīng)用最廣。這種組合有 V-平組合、棱-平組合兩種形式。V-平組合導(dǎo)軌易儲存潤滑油，低、高速都能采用；棱-平組合導(dǎo)軌不能儲存潤滑油，只用于低速移動。為使導(dǎo)軌移動輕便省力和兩導(dǎo)軌磨損均勻，驅(qū)動元件應(yīng)設(shè)在三角形導(dǎo)軌之下，或偏向三角形導(dǎo)軌。如圖 4-2。圖 4-2 三角形和矩形組合27矩形和矩形組合：承載面和導(dǎo)向面分開，因而制造和調(diào)整簡單。導(dǎo)向面的間隙用鑲條調(diào)整，接觸剛度低。如圖 4-3。圖 4-3 矩形和矩形組合雙三角形導(dǎo)軌：由于采用對稱結(jié)構(gòu)，兩條導(dǎo)軌磨損均勻，磨損后對稱位置位置不變，故加工精度影響小。接觸剛度好，導(dǎo)向精度高，但工藝性差，四個表面刮削或磨削也難以完全接觸，假如運動部件熱變形不同，也不能保證四個面同時接觸，故不宜用在溫度變化大的場合。(3)間隙調(diào)整為保證導(dǎo)軌正常工作，導(dǎo)軌滑動表面之間應(yīng)保持適當(dāng)?shù)拈g隙。間隙過小，會增加摩擦阻力；間隙過大，會降低導(dǎo)向精度。導(dǎo)軌的間隙如依靠刮研來保證，要廢很大的勞動量，而且導(dǎo)軌經(jīng)過長期使用后，會因磨損而增大間隙，需要及時調(diào)整，故導(dǎo)軌應(yīng)有間隙調(diào)整裝置。矩形導(dǎo)軌需要在垂直和水平兩個方向上調(diào)整間隙。在垂直方向上，一般采用下壓板調(diào)整它的底面間隙，其方法有：刮研或配磨下壓板的結(jié)合面；用螺釘調(diào)整鑲條位置；改變墊片的片數(shù)或厚度等。如圖 4-4 所示。在水平方向上，常用平鑲條或斜鑲條調(diào)整它的側(cè)面間隙。如圖 4-5所示。圓形導(dǎo)軌的間隙不能調(diào)整。28a-刮研下壓板的結(jié)合面；b-用螺釘調(diào)整鑲條位置；c-改變墊片的片數(shù)或厚度圖 4-4 垂直方向的間隙調(diào)整方法圖 4-5 垂直方向的間隙調(diào)整方法(4)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計的具體情況及要求，導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)如圖 4-6。4-6 導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)4.2.3 導(dǎo)軌的防護及潤滑導(dǎo)軌潤滑的主要目的是減小摩擦和磨損以防止過熱破壞其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，影響導(dǎo)軌副的運動性能。本設(shè)計同一采用鋰基潤滑脂潤滑。 29導(dǎo)軌的防護是防止或減少導(dǎo)軌副磨損、延長導(dǎo)軌壽命的重要方法之一。防護裝置已有專門工廠生產(chǎn)，可以外購。導(dǎo)軌的防護方法很多，有刮板式、卷簾式、伸縮式（包括軟式皮囊式和疊層式）等，對于噴涂機床，大都采用折疊式防護罩。折疊式防護罩用人造革，浸聚氨基甲酸脂橡膠的緹滌綸，以聚酰氨基為基體的合成薄膜材料折疊成風(fēng)箱，再襯以高壓紙板，牛皮紙板等。制造簡單，剛性較差。方角折疊剛性較好，適用于水平導(dǎo)軌。斜角折疊制造簡單，外形美觀，適用于垂直導(dǎo)軌。 提高折疊式防護裝置壽命的措施主要有：（1）提高組合式風(fēng)箱接縫強度； （2）保證風(fēng)箱有正確的導(dǎo)向； （3）采用耐磨材料。4.3 工作臺的設(shè)計本題目已給出了工作臺的尺寸為，由此可以確定 T 型槽的數(shù)目為 3 個且應(yīng)用的是滑動導(dǎo)軌，由此可設(shè)計出工作臺的結(jié)構(gòu)如圖 4-7。圖 4-7 工作臺結(jié)構(gòu)4.4 本章小節(jié)本章主要講述了床身的結(jié)構(gòu)特點，導(dǎo)軌的設(shè)計要求及其結(jié)構(gòu)特點和最終的選擇的類型，工作臺的結(jié)構(gòu)。30第 5 章 結(jié)論本文對立式高速火焰噴涂機床進行了全面地論述，分析了本設(shè)計的必要性。機床總體采用立式加工結(jié)構(gòu)，并可以通過橫向和縱向的進給來實現(xiàn)對板材零件表面的均勻噴涂。主要研究成果總結(jié)如下:(1)對床身、導(dǎo)軌、工作臺等進行設(shè)計，如改進材料、合理選擇結(jié)構(gòu)、防護及潤滑方式，增加了其使用壽命，提高工作效率;(2)三軸進給系統(tǒng)均采用滾珠絲杠螺母副將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動，其傳動精度高，運動平穩(wěn)同步性好等特點不僅完成了進給任務(wù)，而且還使系統(tǒng)操作更為方便；(3)對滾珠絲杠進行設(shè)計，按要求合理的選擇伺服電機，使其較好的實現(xiàn)了設(shè)計要求，基本達到了設(shè)計目的。31參考文獻1 王引真，石建穩(wěn)，李小龍超音速火焰噴涂技術(shù)的現(xiàn)狀及展望 J 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