机械创新设计范例

典型机械设计范例本次讲座的目的意义：1、了解机械设计的一般方法与思路：机械设计是一种创造性的劳动，需要全身心的投入，要设法拿出自己独到的见解，哪怕是一些不十分成熟方案，在此基础上开动脑筋去加以完善；这样:可以在与同事的讨论中找出自身的差距；可以在方案逐步完善的过程中，使自己焕发出工作热情与信心；可以在设计工作过程中，使自己逐步成为内行，增长才干，获得进步。不能从一开始就幻想有现成的资料可以利用，即使有类似的图纸可以作参考，也必须作充分的消化吸收，否则，就有可能在设计中重复别人的错误，而且投机取巧不利于个人的专业进步，也会在周围同事中造成恶劣的印象。甚至有些是在今后相当一段时间内难以弥补的。另外，盲目的抄袭，很难领会别人的设计理念，在听到不同意见时，会变得无所适从，在后续的生产服务中，难以正确处理好相关问题。2、了解空间机构设计的约束方案：在机械原理课程中，我们曾经强调，要使空间运动的机构，具有确定的相对运动，对于各个空间构件，必须限制其多余的自由度，这在工程设计中称作导向问题；我们将通过立体仓库堆垛机的结构设计和传动方案对比，多角度展示机构运动中的约束方案设计，使相关人士掌握一定的导向技术。3、进一步强调实践中自学成才的理念：大学本科教育仅仅是为我们从事专业技术工作奠定了一个简单的基础平台，大量的专业知识，是需要我们在各自的专业技术岗位上继续自学成才的，可以说，大学期间学到的各科知识，远远不能解决未来工作的实际问题，真正的专业知识和能力，需要在实践中学习，就此而言应该是在干中学习；而不是一切等学好了在干；就此而言，青出于蓝而胜于蓝大有道理，今天老师把相关的专业知识教给了学生。未来，学生能处理的实际问题，老师很可能望尘莫及。毛泽东主席曾说过：“读书是学习，使用也是学习，而且是更重要的学习。”这是一条普遍真理。4、工程设计中辉煌与风险共存，机遇与困难同在。要把握机遇，挑战困难，不仅需要勇气、更需要有吃苦耐劳的实干精神。要有责任心，使命感。因此要在未来的工作中建功立业，还必须具备严肃认真，一丝不苟的工作态度．下面就几项典型设备设计方案的推敲，说明上述论点。一、薄壁圆筒初圆整专用工艺及设备：目前我国纺织行业浆纱、印染设备中，多种规格的烘筒零件为薄壁辊筒，直径规格为Φ570，Φ800，Φ1200毫米；多采用壁厚≤3毫米的0Cr19Ni19冷轧不锈钢板卷制焊接而成。因其工作转速高，随着纺织产品档次及生产效率的提高，对辊筒径向跳动，直线度，动平衡等方面的误差限制也越来越严格，为此，需要设计专用设备来满足薄壁圆筒生产加工中的特殊要求。以Φ800，筒体长2000毫米的辊筒为例，其加工工艺流程为：下料→卷圆→焊接→修磨焊道（初圆整）→酸洗钝化→二次圆整检修→精圆整→焊接两端堵头，心轴→机加工实现心轴与筒体的同轴抛光图1度要求。传统的二次圆整检修，是采用手工操作的方式，象敲制铁皮烟筒一样，凭肉眼感觉检查，不合格再返回来修整，其缺点是生产效率低，占地面积大，工人劳动强度高，一件产品需要几次反复修整操作，检修精度也相对较低。为此，我们设计了专用薄壁筒体圆整检验修整平台。薄壁筒体圆整检验修整专用平台由两组滚轮组成，其中4个钢制滚轮为检验轮；另外4个包胶轮为修整轮。4个钢轮及图上方的两个包胶轮为固定支承（轴承座位置无法调整），图下方的两个包胶轮轴承座安在一个活动滑台上，由减速电机及丝杠螺母驱动；当丝杠驱使平台及从动胶轮上行时，主动胶轮与从动胶轮中心距减小，放置在检修平台上的1、底座；2、主动钢轮；3、钢轮通轴；4、7、10、13链轮；5、12、链条；6、摆线针轮减速机；9、胶轮通轴；11、18、联轴器；14、19、22、26、轴承座；15、主动胶轮；16、多盘无极调速器；17、电动机；20、驱动螺母；21、丝杠；23、活动滑台；24、滑座及轨道；25从动胶轮；27、从动钢轮；28、检验平尺。薄壁筒体会被4个胶轮托起，此时可将检验时发现的不圆度超差处用木榔头手工修整；修整结束后，用驱动滑台的减速电机驱使滑台下行，使从动胶轮与主动胶轮的中心距加大，逐步使平台上的薄壁筒体脱离胶轮，并支撑在4个检验用的钢轮上。图上方的两个固定主动钢轮和两个固定主动包胶轮，都采用通轴连接；在两根通轴上设计安装有三个链轮，其中两个主动钢轮通轴间的链轮与两个主动胶轮通轴间的链轮用一链条连接，当两链轮齿数比为1时，两主动钢轮与主动胶轮之间可实现同步转动。两主动胶轮间的另一个链轮，通过链条与摆线针轮减速机上的链轮连接，由电动机，多盘无极调速器、联轴器、摆线针轮减速机组成的原动机系统驱动，即实现两个主动胶轮与两个主动钢轮的同步转动；当平台上的薄壁筒体由4个胶轮托起时，由主动胶轮通过与筒体接触处的摩擦力，驱动薄壁筒体转动；当薄壁筒体由4个钢轮支承时，也由主动钢轮借助接触处的摩擦力，驱使筒体转动，转速可由多盘无极调速器在1：10范围内调整。在平台的最外边（下方）自由放置一根检验平尺，其支承高度与筒体在检验钢轮上支撑时轴心线水平。当筒体由主动钢论驱使转动时，碰动（平移）检验平尺，并直观的通过筒壁与平尺的间隙，显示筒体圆周不同位置的不圆度误差，工人可随机做出记号，以备修整。思考题1、什么是非标设备，其基本设计原则是什么？为是么？2、薄壁圆筒的基本工艺流程是什么？你认为是否需要改进？（提出具体修改意见。）3、薄壁圆筒初圆整专用设备主要解决了什么问题？4、为什么薄壁圆筒修整与检验不能采用同一套滚轮机构？5、该专用设备如何实现检验与修整工序的变换？如何实现滚筒转速的调整？显示筒体圆周不同位置的不圆度误差，工人可随机做出记号，以备修整。二、精圆整设备：由于辊筒工作转速较高，设备的转动精度和运行平衡性精度也有较高要求，因此对筒体零件的径向跳动、直线度等方面都有严格的公差要求，在薄壁筒体零件的成形加工工艺中，精圆整工艺成为影响产品质量的关键，需要专用设备来解决精圆整工艺的难题。为解决薄壁筒体精圆整加工的工艺难题，笔者设计了精圆整专用设备。薄壁筒体精圆整专用设备的具体结构如图所示：主要由原动力机构、壳体机架、行星走刀机构、滚压头、活动尾座等部分组成。图2.上壳体2.滚压头3.主轴4.下壳体5.调节螺钉6.底座7.丝杠1、17.底座2.减速机3.联轴节4.行星走刀机构5、18.丝杠6、12.上壳体7、15.下壳体8、13.滚压头9、14.主轴10.支撑座11.活动尾座16.调节螺钉图中1、底座；2、减速机；3、联轴节；4、行星走刀机构；5、丝杆；6、上壳体，7、下壳体；8、滚压头；9、主轴；10、支承坐；11、活动尾架。图2.上壳体2.滚压头3.主轴4.下壳体5.调节螺钉6.底座7.丝杠1、17.底座2.减速机3.联轴节4.行星走刀机构5、18.丝杠6、12.上壳体7、15.下壳体8、13.滚压头9、14.主轴10.支撑座11.活动尾座16.调节螺钉在精圆整加工前，先将活动尾座转动90°，把初圆整后的薄壁筒体，套在主轴和滚压头上，由专用铸铁壳体固定，再回转活动尾座，用滑动轴承支承固定主轴。精圆整时，原动力机构2通过电机、皮带轮、蜗杆减速机构，为主轴提供一均匀的输出转动，转速为100r/min。行星轮走刀机构在支承主轴转动的同时，通过五个齿轮组成的行星轮系及两种位置组合变换，驱使固定支承在转动主轴上的丝杠5以67.33r/min和333.33r/min两种转速转动，其中低速67.33r/min为工作进给速度。高速333.33r/min为滚压头快退速度。在转动主轴上设计有长度大于2000mm的长键槽，其作用是驱使滚压头8在与主轴同步转动的同时，又用转动丝杠驱使滚压头沿主轴轴线方向水平匀速移动。这样，工作进给时，滚压头以100r/min的转速和404mm/min的水平移动速度，由走刀机座4向尾座11方向复合运动，最终实现滚压头相对于固定在机架壳体内薄壁筒体内壁的螺线复合走刀进给运动。滚压头滚轮作用在筒体内壁上的滚压力由压缩弹簧产生。薄壁筒体通过滚压头多点滚压力作用，紧贴在专用壳体内壁，随着滚压头匀速螺旋复合进给运动，产生相应的弹性、塑性变形，整遍滚压后使刚性壳体的尺寸形状精度，满足薄壁筒体的各项尺寸公差要求。工作进给完成后，滚压头以2000mm/min的快退速度返回到走刀机架4的一端，然后松开壳体紧固螺栓，用顶丝顶起上壳体6，再松轴承10及尾座11的紧固螺栓，转动尾座90°，即可取出滚压精圆整后的薄壁筒体零件。从上述结构动作可见，薄壁筒体的精圆整是通过无屑滚压工艺来实现的，根据金属变形理论，工件表面在挤压力作用时，被挤压金属的原子间会产生相对滑移，由弹性塑性变形造成被滚压表面的形状改变，并使其内部组织结构和物理性能也发生变化，使金属被挤压层组织紧密，晶粒细化，晶格形状也沿着变形方向扭曲延伸。由于薄壁筒体被固定在一个理想的刚性壳体内，在滚压力作用时，薄壁筒体不仅会产生不大的径向变形（因壳体限制），还会轴向产生挤压延伸。一般情况下，薄壁筒体受挤压力越大，其塑性变形越充分，滚压所达到的圆整效果越佳。同时，在被挤压金属表层还会产生极大的压缩应力，使金属表层冷作硬化，提高薄壁筒体的表层硬度，强度极限、屈服极限和疲劳极限等，改善筒体表面粗糙度，并使零件表面抗腐蚀性能也有所提高。这一切对薄壁筒体的使用性能提高都是十分有利的。薄壁筒体精圆整专用设备的主要结构介绍:1、壳体机架：壳体机架为铸钢件，壳体分为上下两半，如图2：1、4所示，安装筒体零件时，可将上壳体用顶丝顶起。待筒体零件安装就位后，再用螺栓将上下壳体联接固定。壳体内孔壁尺寸公差及表面粗糙度对薄壁筒体的最后定形精度有致关重要的直接影响，因此需要专用设备工艺进行壳体内壁镗孔加工。图2.上壳体2.滚压头3.主轴4.下壳体5.调节螺钉6.底座7.丝杠1、17.底座2.减速机3.联轴节4.行星走刀机构5、18.丝杠6、12.上壳体7、15.下壳体8、13.滚压头9、14.主轴10.支撑座11.活动尾座16.调节螺钉2、行星轮走刀机构；走刀机构的具体结构如图3所示。齿轮14用键与主轴固定联接，齿轮8与套20紧配后空套在主轴10上，齿轮15与丝杠17固定，丝杠17由两个托脚11及9固定在主轴10上，由齿轮15并通过齿轮8驱使转动。双联齿轮5、6与套紧配后，活套在销轴7上，并沿齿轮支架4作上下、啮合和脱离的调整移动。当滚压头按要求工作进给时，通过螺旋操作手轮使齿轮支架4下移，使双联齿轮5、6与齿轮8、14处于啮合状态。当齿轮14随主轴同步转动时，齿轮14、5、6、8、15及丝杠托脚9组成差动混合轮系，驱动齿轮15并丝杠17转动，再通过滚压头圆盘上的导程支撑架托架轴套架齿轮支架齿轮齿轮销轴齿轮托架主轴托脚轴瓦隔套主动齿轮齿轮套丝杆平面轴承套套螺母滚压盘滚轮架齿轮轴滚压轮图3螺母传动，使滚压头沿主轴作轴向进给运动。按图3所示各齿轮齿数，滚压头工作进给时，按主轴转速n1=100r/min滚压头工作进给时的移动速为：min/33.671437100)(37)(6327min/11463192165100.114514515145445442311141431424114rnnnnnnzznnnnnnnnirnzzzzninnzzzznniHHHHV1=S×n5=6x67.33=404mm/min，（S为丝杠导程）图4齿轮支架轴套架托架连杆卡爪主轴齿轮导程支撑架托架轴套架齿轮支架齿轮齿轮销轴齿轮托架主轴托脚轴瓦隔套主动齿轮齿轮套丝杆平面轴承套套螺母滚压盘滚轮架齿轮轴滚压轮图3当滚压头滚压结束，按要求快速返回时，可转动手轮使齿轮支架4上移，使双联齿轮5、6与齿轮8和14脱离啮合位置，同时齿轮8被齿轮支架4上的联动夹紧机构锁紧，如图4所示，变为固定齿轮，n4=0，这时齿轮14、8、15及丝杠托脚9组成行星轮系，此时：min/33.333100)100(3763270'5451'51'5445rnzznnnnnnniHHH滚压头快退速度为：V2=S×n’5=6×333.33=2000mm/min3、滚压头