卧式车床尾座结构设计

摘要

本课题研究的主要目的是设计出与C6611卧式车床相匹配的尾座结构。

为了完成本课题的设计，首先是搜集和分析资料。主要包括国内外对卧式车床尾座结构的研究现状；同等卧式车床尾座的图纸和资料以及进给与夹紧系统的基本资料；其次是初步确定尾座的总体布局。包括进给系统与夹紧机构的布置及合理选用该结构应用的标准件。最后主要是关于尾座相关方面的设计计算及技术要求。

目前，传统的卧式车床尾座中没有变速机构。当钻削大直径孔时，由于切削力过大，操作工人通常采用加长力臂的方法来扳动手轮。而且耗时又耗力，还会增加企业成本。因此，本课题研究所要达到的预期效果是在C6611车床加工过程中，当需要使用尾座时，可以降低工人的劳动强度，降低企业成本，提高生产效率。

关键词：卧式车床；尾座；进给机构；夹紧机构;齿轮变速箱

ABSTRACT

The main purpose of this research is to design the general purpose centre lathes tailstock matching the C6611.

To complete the design of this project, before the first is to collect and analyze data, including domestic and international research about the tailstock;the blueprint and data of the same lathe tailstock and the basic information of the feed mechanisms and clamp mechanisms;Secondly,make sure the overall layout of the tailstock initially, including the layout of feed system and the clamping mechanism and the rational use of standard parts of the structure. Finally, the main aspect is the related design calculations about tailstock and technical requirements.

Currently,there is no gear box in the traditional general purpose centre lathes . When drilling large diameter holes, because the cutting force is too large, the workers flip the hand wheel with extending the moment of force.And it not only consume times and labor but also increase business costs. Therefore,the expected results of studying this subject is when needing the tailstock in the working process, it can reduce labor intensity and business costs ,increase productivity.

key word: general purpose centre lathes; tailstock; feed system; clamping mechanism; gear box

目录

摘要.................................................................................................... .I ABSTRACT................................................................................................ I 1前言. (4)

1.1选题目的和义 (4)

1.2当今机床的技术发展趋势 (4)

1.4设计的主要研究内容 (4)

2尾座部分的设计 (6)

2.1总体布局 (6)

2.2尾座体的设计 (7)

2.3尾座顶尖的设计 (7)

2.4支撑件的设计 (8)

2.5套筒移动的进给机构 (9)

2.6导轨设计 (9)

2.7操纵机构设计 (8)

2.8尾座的结构工艺性 (10)

2.9尾架的变速设计 (11)

2.10套筒加紧机构的设计 (12)

2.11装配结构的工艺性 (12)

3尾座相关的设计计算与强度校核 (13)

3.1挠度的计算 (13)

3.2转角的计算 (14)

3.3钻削力的计算与功率 (14)

3.4主要零件强度校核 (15)

3.4.1键的强度校核 (15)

3.4.2齿根弯曲疲劳强度计算 (16)

3.4.3齿面接触疲劳强度算 (17)

3.4.4压板处螺栓直径的校核 (17)

3.5蜗杆传动效率计算........................................................... (18)

4尾座精度的设计 (19)

4.2尾座与机床形位公差的确定 (19)

4.3底面及立导向面形位公差的确定 (19)

5结论 (20)

参考文献 (21)

致谢 (22)

1.前言

1.1选题目的和意义

金属切削机床是用切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器。它是用来制造机器的机器，所以又称为“工业母机”或“工具机”，习惯上简称为机床。金属切削机床是用来加工机器零件的主要设备，约占机器总制造量的40%—60%。机械制造工业肩负着为国民经济各部门提供现代化技术设备的任务，是国民经济各部门赖以发展的基础，而机床工业则是机械制造上业的基础，一个国家机床上业的技术水平在很大程度上标志着这个国家的上业生产能力和科学技术水平。所以，金属切削机床在国民经济现代化建设中起着重要的作用。

目前我国批量生产的产品均为由传统的电器液压控制的通用机床，特点是性能良好，基本机械机构合理，但控制和驱动方式落后，仍然属于中、低档产品，机床加工精度能满足各类零件的精加工要求。而目前国内机床行业的数控机床主要有仿制产品和技术引进产品两大类，仿制产品一般是结构原理与国外机床相同，只是在局部功能与外形尺寸上有一此较大的变动。而技术引进产品则多数采用了国外进口的数控系统，测量仪器及轴承、滚珠、丝杠等配套件。所以我国的机床产业今后的努力方向应为加快技术创新，优化组织结构，调整产业结构，提高产品技术档次和质量，努力开发高技术含量和高附加值的相床产品。

今天，为了和最新技术的发展保持同步，机床行业必须不断发展，不断提高和改进元件和系统的性能，以满足日益变化的市场需求。与世界上主要的工业国家相比，我国的机床工业还是相当落后的，标准化的工作有待于继续做好，优质化的工作须形成声势，智能化的工作则刚刚在准备起步，为此必须急起直追，才能迎头赶上。可以预见，为满足国民经济发展需要，机床行业也将继续获得飞速的发展，它在各个工业部门中的应用越来越广泛。

在这样一种背景下，我的课题选择为卧式车床尾座结构的设计，用以提高生产效率，产品质量，降低工人劳动强度及降低企业成本。此外，力求完成课题之余，熟悉国内外机床行业的现状及发展趋势,增强对如何发展民族机床产业的感性认识。

1.2当今机床的技术发展趋势

（1）高速高效仍是当今机床的主要发展趋势

日本的一些机床制造厂家以金属切除率(cm3/min)来作为其产品的高效标志之一，在评判机床进给速度时也引入了加速度这个概念，因为现代化生产要求不仅机床进给速度快，而且响应变化率也要求高，即需要评估由静止状态至峰值之间的加速度变化情况，如沈阳的B}W60卧式加工心，其加速度为1g,德国DMG公司的85 V立式

加工心，最大快进速度为120m/ min，加速度为2 g.

国外的加工中心，主轴转速均已达12000r/min—20000r/ min，快速行程为40 m/ min —60 m/ min，换刀时间为1. 5s—3s。如意大利FIDIA公司的664高速铣床，主轴转速为24000 r/ min;德国Roders公司的RFM760高速铣床，转速高达42000 r/ min,国产数控机床的主转速也普遍提高，如我国沈阳和意大利FIDIA公司的合作产品DIGIT 165高速铣床，转速可达40000 r/ min，上海明精机床有限公司推出的电主轴数控机床H M—077/ 25T和HY—009,其主轴转速也分别达到10000 r/ min和5000 r/ min。

机床高效的另一个标志是复合加工，德国WFL公司的M ILL—T U RN，是一种集车、铣、镗、钻和测量功能于一身的高效率机床。它既可加工盘类、圆柱类、曲轴类零件，又可加上半类及箱体类零件，其装在刀架滑座上的主轴箱，既可自动换刀进行铣削加工，又可装夹车刀直线进给。该机床为6轴控制，瑞士MIKRON公司的M ulLisLep 复合加工系统，是组合机床效率与加工心柔性的完美结合。根据零件对象，其加上单位可以任意组合，在每个单元中都有2个盘状刀具库，当其中一个与主轴换刀时，另一个就寻找下一个刀位，机床配有回转工作台，实现五轴五面加工。

（2）环保机床是21世纪机床的发展重点之一。

当今世界，保护环境，建立可持续发展的生态环境日益受到全世界的重现，日本就已提出今后机床业发展的重点是开发节能和环保机床，日前，该国已拔出专款来研究机床无切削液的课题，日立精机新近推出一种V S50立式加工中心，该产品标记是“ECO. ECO",即环保性和经济性(Ccologyand Economy)。该机床的滚动体直线导轨，将适量的润滑脂封入润滑块上，可以使其实现长期润滑，这样每年将可省油 (润滑油)100L,对节能和环保很有益处。V S50还可进行干切削加工，即采用油雾冷却方式，这样每年可省切削液150L，大大降低了对环境的污染及处理废油的成本。据日本Horkos公司介绍，他们的干切削技术，重点在于改善了刀具和工件材料之间的摩擦性能。在刀具上常镀M0或一些二硫化物，选用含S和Si的材料，可改善工件材料的机械性能，如日本大为公司(OKUMA)的MA系列机床，已逐步采用干切削技术，使润滑减少20%;并采用油水分离装置使油被分离出来，以防止冷却液的腐蚀，同时采用了油雾，粉尘回收装置使大气污染减少到最低程度。该系列产品在停止主运行时，液压装置，冷却电机及电磁阀等，都自动切断，从而使机床用电减少。

1.3设计的主要研究内容

（1）根据普通卧式车床C6611的整体结构要求，设计出与其相符合的尾座，使其满足精度等众多要求，比如直线度，平面度，垂直度等精度要求。以使尾座结构达到预期的要求。

（2）分析搜集相关的资料包括国内外机床，特别是普通卧式车床的发展现状

和发展方向；夹紧机构与进给系统的基本资料和相关参数等；相关车床尾座的图纸资料及技术要求等。

（3）大致确定尾座的布局方式包括主要机构的配置形式及选择相应的标准件与外购件的技术规范。

（4）尾座部分的相关设计及计算套筒、尾座体的设计，尾座导轨的设计，挠度、转角、钻削力、钻削力的效率、蜗杆传动效率以及主要零件的强度校核。

（5）尾座精度的确定包括尾座体表面粗糙度的确定、尾座与机床形位公差的确定、底面及立导向面形位公差的确定。

2. 尾座部分的设计

尾座是卧式车床的重要附属部件，其主要作用是在加工特别是轴类零件时，可以定心，同时具有辅助支撑和夹紧的功能。C6611卧式车床的尾座采用的结构设计合理，动、静刚度好，精度高。套筒和尾座的移动均为机械传动，套筒和尾座的夹紧、放松均采用相关机构夹紧，夹紧力足够大，安全可靠，工人操作简单、方便、效率高。这种结构的尾座优点在于：(1) 精度保持性好，刚度高、精度高，抗震性能好，这种结构的尾座，采用整体式箱形结构设计，经有限元分析、计算，通过对尾座内部筋板的合理布置，提高了尾座的刚度和固有频率，避免在加工过程中出现影响加工精度的影响。尾座采用低应力高强度灰铸铁HT200，经良好的人工时效处理，热变形小，在加工大工件和大额切削力的情况下。尾座结构整体变形小，抗振性能好，满足普通卧式车床精度检验标准的标准。(2)结构更加简单、优化、合理，这种结构的尾座，总零件数和标准件数更少，是得相关的零件加工表面大大减低，比如零件之间配合的表面，采用这种结构的尾座可以减少配合的面积，是得加工效率高，满足现代加工要求，同时可以减少资源的浪费，顺应国家节能减排的方针要求。而且如果采用这种尾座，其加工，装配工艺性更好，节约了加工、装配总费用，降低了尾座的总重量和总成本。

下面详细介绍该车床尾座几个主要部分的设计

2.1总体布局

经工艺分析后，确定出尾座所需的运动，如何实现这些运动，由哪个部件产生运动以及怎样产生所需的运动，运动控制，机床操作位置等，都是总体布局所要考虑的问题。

总体布局是指按工艺要求决定所需要的运动，确定相关部件以及各个部件件的相对运动和位置关系，同时也要确定其它机构的配置，并作出部件的联系尺寸图。总体布局的基本要求有以下几点。

1.保证工艺方法所要求的工件和刀具的相对位置和相对运动。

2.保证机床具有与所要求的加工精度相适应的刚度与抗振性。

3.使用方便。具体的说，就是便于操作，调整，修理机床；便于输送，装卸工件，排除切屑。

4.经济效果好，如节省材料，减少机床占用面积等。

5.造型美观。

总体布局设计的一般方法是，首先根据工艺分析分配相关的运动，选择传动形式和支撑形式，然后安排操纵部位，并拟定在布局上改善部件的的性能和技术经济指标的措施。上诉方法之间有着密切联系，必要时可互相穿插或并进。

2.2尾座体的设计

普通卧式车床C6611的尾座体是尾座的主要的机械部分，它是支撑其内部零件的整体框架。可以说尾座体设计的好坏，直接影响着后续设计。尾座体在设计时主要参考的是其它同类产品的尾座体和根据生产者在生产中所积累的生产经验，稍加改造而成的。一般的尾座其手轮位于操作工人的右手边，而我设计的尾座其手轮则是在操作者的正前方，也可以说是一种结构上的创新，满足不同操作工人的加工习惯。另外就是，尾座体的壁厚要尽量均匀，这样可以有效的降低其在铸造时的难度，避免产生缩孔，砂眼等影响其外部轮廓与技术要求的因素。同时，拐角处要设计成圆角以减少集中应力。尾座体的材料采用HT200，铸造加工而成。在尾座体的设计过程中考虑到加工工艺，需要设计出工艺凸台和工艺孔。这样可以减少加工量，提高效率。

图1.尾座结构

2.3尾座顶尖的设计

车床的尾座顶尖，它是在车床加工过程中起到定位作用的重要零件，它可以与主轴一起限制加工零件的自由度，另外还可以定心工件，因此顶尖的精度往往要求较高，在零件加工过程中要使尾座的轴心线与车床主轴的轴心线保证较高的同轴度与直线度在进行工件的加工过程中一般采用前后顶尖来支承工件，来定位工件的旋转中心并承受刀具在加工过程中所产生的切削力。顶尖是机械加工中的机床的重要部件，它可

对端面复杂的零件和不允许打中心孔的零件进行支承。顶尖的一端可顶中心孔或管料的内孔，另一端则放入到尾座套筒内。顶尖的锁紧主要是靠顶紧力和加紧机构提供的压力，其主要夹紧工作原理会在下文中提到。顶尖一般由专门的工厂生产，我们只要根据自己的需要买产品。由于普通卧式车床C6611是中小型机械加工设备，尾座总体尺寸并不是很大所以选择莫氏6号的顶尖。莫氏锥度是一个锥度的国际标准，用于静配合以精确定位。由于锥度很小，可以传递一定的扭距，又因为有锥度，又便于拆卸。利用的就是摩擦力的原理，在一定的锥度范围内，工件可以自由的拆装，同时在工作时又不会影响到使用效果，比如钻孔的锥柄钻。在锥柄上好后，钻头可以将工件钻出需要的孔，而锥柄处不会出现转动现象。又比如钻孔的锥柄钻，如果使用中需要拆卸钻头磨削，拆卸后重新装上不会影响钻头的中心位置。

图2 尾座顶针

2.4支撑件的设计

支撑件是设备的基础构件，包括横梁，摇臂，底座，箱体等。这些构件一般都比较大，所以也称大件。

支撑件的种类繁多。按构造方式可分为机座类，箱壳类，机架类，平板类；按结构可分为整体式和装配式；按制造方法可分为铸造式，焊接式，螺栓式和组合式；按力学模型可分为杆系结构，板壳结构和实体结构。支撑件的主要功用主要包括以下几点。

①支撑件安装机器各部件零部件，并承受各种静态力及动态力（切削力）。

②保证各零部件间的相对位置精度和运动部件的运动精度。

③用作液压油，润滑油，切削液的存储器。

④独立完成某些功能，如托架，支撑套等。

支撑件的设计步骤支撑件的结构形状十分复杂，受力条件也很复杂，难以进行符合

实际的简化理论计算。因此，设计时首先根据其使用要求进行受力分析，其次根据所受的力和其他要求，并参考现有设备的同类型件，初步决定其形状和尺寸。对重要的支撑件，在初步选定其形状与尺寸后，可用有限元法，借助计算机进行验算或进行模拟实验，求得其静态与动态特性，并据此设计进行修改或对几个方案进行对比，选择最佳方案

2.5套筒移动的进给机构

图3 丝杠螺母结构

如上图所示为丝杠螺母结构，本结构主要是为了驱动套筒的运动。进而里面的顶针相继运动。在加工过程中，特别是在加工一些轴向长度较短的零件时，往往需要移动套筒顶针来进行工件的精准定位与夹紧，此时如果采用如上图所示的结构。则可以大大地简化结构，节约成本，提高效率。

2.6导轨设计

导轨的功用是支撑并引导运动部件，使之沿着一定的轨迹准确运动。一对导轨副中，运动的一方叫做动导轨，固定不动的叫做支撑导轨或静导轨。动导轨相对于支撑导轨可以作直线运动或者回转运动。

导轨的基本要求

导轨是机床的关键部件之一，其性能的好坏，将直接影响机床的加工精度，承载能力和使用寿命。因此它必须满足下列基本要求。

1.较高的导向精度

导向精度是指运动导轨轨迹的准确性。足够高的导向精度是保证机床加工精度的前提，因而它是导轨的最基本要求。

导轨在空载运动中和切削条件下运动时，都应具有足够的导向精度。影响导向精度的主要因素是导轨的结构形式和装配精度，导轨的几何精度和接触精度，导轨与基础部件的接触刚度与热变形导轨的油膜厚度和刚度等。不同类型的导轨的导向精度不同，如三角形导轨比矩形导轨的导向精度高。

2.良好的耐磨性

导向精度的持久性主要是由导轨的耐磨性决定的。常见的磨损形式有磨料磨损，接触疲劳磨损等。滑动导轨磨损的基本形式是磨料磨损和黏着磨损，这两种磨损常常是伴随发生，相互影响的。滚动导轨则主要是疲劳磨损。导轨的耐磨性与导轨面的摩擦性质，导轨材料，工艺方法，受力情况及导轨的相对运动速度等有关。另外，导轨与

基础部件上的残余应力，也会使导轨发生蠕变而影响导轨精度的保持性。

3.足够的刚度

足够的刚度可以保证在额定载荷作用下，导轨的变形在允许的范围之内。受载后，导轨的变形是绝对的，它会影响导向精度和部件的相对位置。因此，要求导轨应有足够的刚度。主要影响因素有：导轨的结构形式，尺寸及与基础部件的连接方式，受力情况等。

4.良好的低速运动平稳性

当导轨作低速运动或微量位移时，应保证导轨运动的平稳性，既不出现爬行状况。爬行现象会严重影响加工精度，表面粗糙度和机床零部件的定位精度。主要因素有：动静摩擦系数的差值，传动导轨运动的传动系统的刚度及导轨的结构和润滑等。

5.结构简单，工艺性好

设计时要使导轨的制造和维护方便，刮研量小。如果是镶装导轨，则应尽量做到更换容易。

2.7操纵机构设计

操纵系统是能够实现人为控制机械运行状态的机构及其装置的组合。机械系统的运动状态如启停，换向，传动系统中传动路线的改变，执行系统的运动方式等都是由操纵和控制系统的给定输入决定的。操纵机构虽不直接参与机床的工作运动，对机床的精度，刚度和寿命等不产生直接影响，但对机床的布局，使用性能，生产效率及外观造型等都有一定的影响。因此，在确定机床总体方案时，对操纵机构加以考虑，并与相关部件一起进行结构设计。

操纵机构应满足的基本要求：1.轻便省力操纵系统设计时应尽量减少操纵力，有益于提高劳动生产效率和安全性，提高操纵系统的灵敏度。手轮与手柄的操纵力不应超过GB9061关于操纵力的规定。可采取以下措施。选择合适的传动比，杠杆比，适当加长操纵手柄或加大手轮直径；将常用的操作件布置在人手所能及的便于操纵的区域，还要根据具体情况就位，不应过高，过低或过远。2.易于操纵，便于记忆为操纵方便舒适，不仅要求操纵力和操纵行程的大小要适宜，而且操纵件的形状，尺寸，布置，运动方向和各操纵件的标记，操纵顺序都要符合人体状况和动作习惯。为了减少操纵时产生差错和防止事故，可采取以下措施。

操纵件与运动件的运动方向应一致，手轮，摇把等的旋转方向应符合操作习惯，即顺时针旋转时，移动件的移动方向应为离开操作者或向右；操作手柄的尺寸应与人手相称，不宜过大或过小。3.操纵件定位可靠变换及换向用的操纵机构必须可靠定位，以免工作过程中自动松开。有时操纵系统还需有自锁，互锁功能或具有自动复位功能。此外，根据机床的特点，对操纵机构应有不同的要求。