浅谈高效机械内拉床的设计

摘要:文章旨在推广高效机械内拉床的设计与应用,重点在于引用变频调速电动机与滚珠丝杠螺母副。变频电动机使机床结构简单化、制造成本降低;滚珠丝杠提高了机械传动效率,节约了能源,降低了使用成本。高效机械内拉床对液压驱动的内拉床提出了强有力的挑战,其广阔的市场前景不可忽视。

关键词:机械内拉床;变频电动机;滚珠丝杠;机械设计

中图分类号:TG751文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)21-0028-02

拉床是目前大批量生产广泛使用的一类机床,拉削加工的生产率、加工精度、表面质量都比较高,且加工成本低。内拉床用于加工通孔,拉削时,拉刀作平稳的低速直线往复运动,它的主运动通常由液压驱动,但因其价格昂贵,因此,它的使用受到了一定的限制;也有用机械(普通丝杠、齿轮)驱动的,但因传动效率低及不能实现无级变速,致使它的使用有很大的局限性。

随着科学技术的发展,滚珠丝杠及变频电动机的广泛使用,笔者认为把滚珠丝杠及变频电动机用于机械内拉床的设计,它能简化机械内拉床结构,实现拉床无级变速,降低拉床生产成本。本文主要研究一种高效机械拉床的设计。

一、高效机械内拉床的主运动传动链

图1是高效机械内拉床的传动系统图,运动由变频电动机经多楔带或同步带传动机构传至减速器中的Ⅰ轴,Ⅰ轴上的运动经齿轮副传至滚珠丝杠7(滚珠丝杠传动副的螺母与齿轮6连为一体)。因滚珠丝杠与溜板8连为一体,当变频电动机旋转(正或反)时,溜板作往复运动,便通过溜板上的拉削头带动拉刀作往复运动。

二、高效机械内拉床的研究与分析

(一)变频电动机的选用

随着电子技术、微电子技术的惊人发展,采用“变频电动机+变频器”的交流无级调速方式,正在以其卓越的性能和经济性,在调速领域,引导了一场取代传统调速方式的更新换代的变革。笔者认为:把这种交流无级调速方式应用于机械内拉床,可使其结构简单、降低成本。

变频电动机的特点:具有宽范围恒转矩与恒功率调速特性,调速平稳,无转矩脉动。

1.VFG系列变频电动机的功率与转矩特性。VFG系列变频电动机以基频原理设计,基准频率有:25Hz、33.3Hz、50Hz、87Hz,对于同功率不同基频下的电动机输出功率、转矩特性如图2和图3所示:

由图2可知,随着基准频率的增大,其同步转速也在增大;由图3可知随着基准频率的增大,其输出转矩在减小。

2.成本分析。

由表1可知在功率相同的条件下,随着基准频率的减小,其调速系统成本在升高。所以在输出同等功率的情况下,尽可能选择基频大的电动机,可降低调速系统成本。但是,要结合减速器结构简单要求,综合考虑,因此一般尽量首选基频为50Hz或33.3Hz的电动机,使综合成本最低。

(二)基频拉削速度的确定

变频电动机的基频是恒转矩与恒功率的转换点,此点就是拉床的恒拉力与恒功率的转换点,此点的拉削速度确定尤为重要,如何确定该点的拉削速度是下面要研究的问题。

拉削速度决定切削温度、积屑瘤的形成条件和拉削振动的频率,因而对加工表面粗糙度有明显的影响。图4为高速钢拉刀拉削各种材料时,加工表面粗糙度与拉削速度的关系。从图中可以看出:塑性比较好的材料(2,3,5,6,7),易形成积屑瘤,只有在拉削速度比较低(16m/min)时,才能消除积屑瘤,减少振动,得到比较好的表面粗糙度。

再根据对拉床的拉削速度调查分析结果表明,最高拉削速度不超过11m/min。拉削普通结构钢、铸铁、有色金属时,一般粗拉速度为3～7m/min,精拉速度为

综合上述条件,建议取基频拉削速度为3～4m/min之间,这样既考虑了粗精拉削工艺,又充分发挥了变频电动机的效能。

(三)滚珠丝杠的设计

1.额定拉削力F的确定。如果是设计通用机械内拉床,可以参照现有的拉床规格(10吨、20吨、40吨等);如果是设计专用机械内拉床,则要计算加工零件的实际拉削力作为额定拉削力。

2.滚珠丝杆工作状态。根据对拉床工作状态调查分析得到滚珠丝杆工作状态分布表,见表2:

3.计算滚珠丝杆当量转数Nm(rpm)

Nm=

4.计算当量负荷Fm(N)

Fm=()1/3

5.计算额定动载荷Cam=(60NmH)1/3Fm fw fa-1 fc-110-2

式中:fw:负荷系数;fa:精度系数;fc:可靠度系数;H:预计寿命。

6.选定滚珠丝杠参数。根据(5项)选定滚珠丝杠公称直径,导程,滚珠圈数。

(四)传动比的确定

根据基频拉削速度与滚珠丝杠导程,确定滚珠丝杠螺母的转速;再根据滚珠丝杠螺母的转速与变频电动机的基频转速,确定总的传动比。多楔带或同步带、齿轮减速器传动比的设计计算及分配可查阅相关设计手册,这里不再叙述。

(五)导轨的选择

因内拉床仅受轴向力的作用,最好选择双矩形导轨,这种导轨具有摩擦系数低,刚度高,寿命长,加工、检验和维修较方便。如果生产条件有限也可以选择双圆柱形导轨,这种导轨具有结构简单,制造方便,不易积存铁屑,成本低,但磨损后很难调整和补偿间隙,精度保持性不够理想。

三、结语

本文意在推广高效机械内拉床的设计与应用,重点在于引用变频调速电动机与滚珠丝杠螺母副。变频电动机使机床结构简单化、制造成本降低;滚珠丝杠提高了机械传动效率,节约能源,降低使用成本。高效机械内拉床对液压驱动的内拉床提出了强有力的挑战,其广阔的市场前景不可忽视。

参考文献

[1]顾维邦.金属切削机床概论[M].北京:机械工业出版社,1999

[2]盛伯浩.机械工程手册(第8卷)[M].北京:机械工业出版社,1982.

[3]徐灏.机械设计手册(第3卷)[M].北京:机械工业出版社,1991.

基金项目:院级立项项目“高效机械内拉床的设计研究”课题。

作者简介:黄应勇(1962-),男,广西宾阳人,柳州职业技术学院机电工程系高级工程师,研究方向:机械设计与制造、数控机床技术。