测控设备与仪表机构零件及工艺设计

精密机械课程设计报告微动螺旋机构设计

摘要

车刀进给机构是车床中的重要机构，刀具进给的精度决定了工件的精度。本文设计的是一个提高车床车刀进给精度的装置。该装置采用的是螺旋差动微动原理，实现车刀进给量的微米级精确控制，比普通的车刀进给装置精度上有了大幅的提升。该装置的示数原理与螺旋测微器相似，是通过长刻度筒和圆刻度筒确定车刀当前位置。然后论述了该装置的加工工艺并分析了影响该装置精度的一些因素。

关键词：车刀；进给量；精度；螺旋微动

目录

1 绪论 (1)

2 方案论证 (2)

3 结构设计 (3)

3.1整体结构设计 (3)

3.2微动装置设计 (3)

3.3示数装置设计 (5)

3.4导轨设计 (6)

3.4.1 结构设计 (6)

3.4.2工艺设计 (7)

4误差分析 (9)

5 总结体会 (10)

参考文献 (11)

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1 绪论

车削加工可以实现工件的外表面、端面、内表面以及内外螺纹的加工，不仅是切削加工中应用最广泛的形式，并且在整个机加工中占据着重要位置。车削加工过程由主运动和进给运动两种运动形式构成。主运动是指车床主轴的回转运动，是切削力的主要来源；进给运动指的是刀具的移动，包括沿工件轴向的进给运动、沿工件径向的进给运动和斜向运动，刀具的运动决定了工件的外形轮廓，当然也决定了工件的加工精度。

传统刀架是通过螺纹杆的转动利用螺旋副直接实现前进或回退的。由于人手灵敏度的限制，刀具进给最小刻度一般不小于0.02mm，不可能实现微米级的精确进给控制，无法实现精确的尺寸控制。目前解决这一问题的方法主要是靠数控加工，或使用精密车床，但数控车床或者精密车床成本都很高，因此只适用于批量加工。针对这一缺陷，本文介绍了一种新的刀具进给控制机构。这种机构采用的是差动螺旋微动机构的原理，用机械的方式提高了加工精度。经过这种改造，普通车床也能实现较高精度要求零件的加工，可以为小批量生产节约生产成本。

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2 方案论证

方案一：减小螺纹螺距

螺距就是螺杆旋转一周时所前进的距离（单线螺纹），减小螺距必然可以实现更高精度的进给量控制。对于公称直径为10mm的螺纹，其最小标准螺距为1mm。要想得到更小的螺距，一是可以减少螺纹直径，二是不按标准螺距加工，保持直径不变的的情况下减小螺距。但是减小螺纹直径会导致螺杆强度降低，使用寿命缩短；保持直径不变的的情况下减小螺距又会导致加工成本的上升，两种方式都不理想。

方案二：通过齿轮改变传动比

在手轮与螺杆之间增加一组或机组齿轮，改变手轮与螺杆之间的传动比，实现在手轮转动一圈的情况下螺杆旋转更小角度，从而实现更精确的进给量控制。这一方案可以到的预期目的。

方案三：通过差动螺旋装置实现更精确进给

在两端螺纹同旋向的情况下，差动螺旋机构可动螺母移动的距离是两部分螺纹螺距之差，将刀架作为差动螺旋装置的可动螺母部分便可实现刀架的“微动”。

与方案一相比，方案三可以在不改变螺纹螺距的情况下实现更精确的进给量控制，明显优于方案一。而方案二在传动比较大时，为避免单级传动比过大，只能通过多组齿轮实现，比较复杂，并且齿轮的安装要求严格，成本高，所以方案三为最优方案。

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3 结构设计

3.1整体结构设计

结构整体由导轨、车刀支架、固定螺母、螺纹杆、长刻度筒、圆刻度筒以及手轮几部分组成，如图3.1所示。

图3.1 整体结构1/4剖视图

螺杆与固定螺母和刀具支架构成两个螺旋副，手柄与螺杆之间无相对运动。固定螺母固定在导轨上，与导轨之间无相对运动。当转动手柄时，刀具支架沿导轨做直线运动。刀具固定在刀具支架上（图中未画出），从而实现刀具的进给运动。刀具运动的距离可从两个刻度筒上读出。

3.2微动装置设计

微动装置有多种结构形式，如螺旋微动、螺旋斜面微动、螺旋杠杆微动、螺旋齿轮微动、弹性微动等[1]。本次设计中采用的是螺旋微动形式。

螺旋微动装置是由两个螺旋副组成的使活动螺母与螺杆产生差动的螺旋传动装置。从

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定义中可以看出，螺旋微动装置包含固定螺母、活动螺母和螺杆三部分，如图3.2所示。

图3.2 螺旋微动装置示意图

注：1——机架 2——活动螺母 3——螺栓 4——固定螺母 5——手轮

差动螺旋传动的工作原理为，螺杆3与活动螺母2、固定螺母4组成两个螺旋副，机架上的固定螺母与机架之间无相对运动，而活动螺母不能回转，只能沿导向槽（螺纹杆轴向）移动。因为螺杆上两段螺纹螺距不同，所以当螺杆旋转一周时，其在固定螺母内移动的距离与在活动螺母内移动的距离不同。这一距离差则由活动螺母的移动来补偿，从而使活动螺母产生位移[2]。

当螺杆3的两段螺纹旋向相同时，活动螺母实际移动距离为螺杆在固定螺母中移动距离和在活动螺母中移动距离之差，而当两端螺纹旋向相反时，活动螺母实际移动距离为螺杆在固定螺母中移动距离和在活动螺母中移动距离之和。所以要想构成螺旋微动机构，螺杆3的两段螺纹旋向必须相同。微动机构的活动螺母移动距离可由式3-1计算。

L =N(P1?P2) (3-1)

式中： L ——活动螺母实际移动距离，mm

N ——螺杆的回转圈数

P1——机架上固定螺母的导程，mm

P2——活动螺母的导程，mm

计算结果中L 的正负表示活动螺母实际移动方向。计算结果为正值时，活动螺母实际移动方向与螺杆移动方向相同，计算结果为负值时，活动螺母实际移动方向与螺杆移动方向相反。

本次设计中，考虑到螺纹杆只是起传导作用，受力并不是很大，所以取其直径为10mm 左右。公称直径为10的螺纹标准螺距有1.25、1和0.75几种，公称直径为12

的螺纹标准

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螺距有1.5和1.25。对于单线螺纹，其导程等于螺距。所以1.5与1.25组合或者1.25与1组合所形成的导程差都为0.25。所以在灵敏度上两种配合方式是一样的。但由于螺距越小则自锁性能越好，所以选1.25与1这一组合稳定性会更好一些[3]。即取固定螺母公称直径为12mm螺距为1.25mm，旋向为右旋；活动螺母，也就是刀架支架，的公称直径为10mm，螺距为1mm，旋向也为右旋。这样由式3-1可计算出，螺杆每旋转一周，刀架移动0.25mm。因为固定螺母的导程大于活动螺母的导程，所以刀架移动方向和螺杆移动方向一致。微动装置的连接关系如图3.3所示。

图3.3 微动装置结构图

3.3示数装置设计

示数装置由长刻度筒和圆刻度筒两部分组成，如图3.4所示。

图3.4 示数装置图

图中：1——固定螺母2——长刻度筒3——圆刻度筒4——螺杆

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长刻度筒固定在固定螺母上，圆刻度筒固定在螺杆上，随螺杆一起转动和移动。长刻度筒共分为20小格，螺杆每转动一圈前进一小格，所以每小格的实际间距为1.25mm。而螺杆每转动一圈，刀架前进0.25mm，每小格的刻度值为0.25。为便于读数，每四小格画一大格，刻度为1mm。设定刀具的最大进给距离为5mm，刻度如图3.4所示。

图3.5 长刻度筒刻度

将圆刻度筒一圈划分为50格，则每小格的刻度值为0.005mm，即螺杆每转动一小格刀架移动5um，这就是整个微动装置的分度值。圆刻度筒上的刻度值如图3.6所示。

图3.6 圆刻度筒刻度

所标注的刻度值为刀架实际移动距离的100倍。刀具实际进给距离可由式3-2计算。

L=(S2?S1)+(P2?P1)/100(3-2)式中(S2?S1)为转动前后长刻度筒上刻度值的变化量，(P2?P1)为转动前后原刻度筒上刻度值的变化量，其读数方法与螺旋测微器读数方法相同。

从以上分析中可以看出，与精度为0.02mm的传统进给装置相比，经过改进后的装置精度得到提升，可以精确到微米数量级。

3.4导轨设计

3.4.1 结构设计

导轨是整个结构的重要组成部分。导轨的作用有两个，一是支撑刀架，承受安装在导

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轨上的刀架及工件的质量和切削力，二是对刀架的运动其导向作用。刀架导轨的导向精度对零件的精度也有很大影响。影响导轨导向精度的因素有导轨的几何精度、导轨的结构形式、装配质量以及导轨的刚度和热变形等。另外，导轨在使用过程中的磨损也是影响导轨精度的一大重要因素。

直线导轨常见截面形状有四种：矩形、三角形、燕尾形和圆柱形[4]。矩形导轨承载能力大制造维修方便，但导向性差，不适用于精密场合。三角形导轨有着导向性好、无间隙且能实现磨损量自动补偿，但其抗颠覆力矩能力差。车床刀架导轨承受较大的颠覆力矩，所以不适宜采用三角导轨。而燕尾形导轨有较高的抗颠覆力矩性能，并且导向精度也很高，所以燕尾形导轨是最佳选择。燕尾形导轨有分凹形和凸型两种。凹形导轨易储存润滑油，所以最终确定导轨的形式为凹形燕尾形。导轨形状如图3.7所示。端面的三个螺纹孔用于固定固定螺母。

图3.7 刀架导轨

3.4.2工艺设计

为增加导轨的刚度和耐磨性，一是要选择硬度较高的材料，如常用的HT20 – 40型灰铸铁并对其表面进行淬火处理使其硬度达到HRC56~62[5]。二是采取一些常用的提高耐磨性的措施。常用的提高耐磨性的措施有粘贴塑料软带、增加塑料涂层等。粘贴塑料软带能够显著减小摩擦系数，就有减震性好、耐磨性好、结构简单、使用寿命长、维修方便等特点，是一种非常经济的措施。但其缺点在于刚性差，受力后易产生变形，对加工精度有一定影响。增加塑料涂层能够增加导轨的硬度和强度，提高导热率，并且还可以在无润滑油

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的的情况下防止爬行，显著提高导轨的性能，特别是低速运动时的平稳性。

为减小导轨表面的摩擦力，需要尽量降低导轨表面粗糙度。因为对导轨精度要求较高，取导轨表面粗糙度值为Ra0.6。降低表面粗糙度不仅可以减小摩擦力，同时也可以减轻导轨的磨损，延长导轨寿命，对于减少爬行也有一定帮助。

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4误差分析

影响刀具进给精度的因素有很多。各零件在制造过程中必然存在加工误差，如导轨的直线度和平面度等[6]。如果导轨的的直线度误差较大，刀具实际沿工件轴向或径向进给的距离是刀具进给距离在该方向的一个分量，会导致刀具实际进给距离小于理论值。

按装过程中会产生安装误差，如活动螺母、固定螺母和螺杆之间的同轴度，导轨与刀架之间的间隙等。导轨与刀架之间的间隙会影响导轨的导向型，使刀具前进方向产生偏差，而活动螺母、固定螺母和螺杆之间的同轴度则直接影响刀具的进给量，最终在成零件加工尺寸的误差。

另外，螺旋副在两次方向相反的运动中会产生空程误差，使刀具进给距离少于从刻度值上读出来的距离。这就要求操作工人要有一定技巧，在确定初始刻度之前应先将螺杆按将要转动的方向旋转一定角度，从而消除空程误差。

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5 总结体会

本次课程设计综合了学过的精密机械设计、互换性测量技术、仪器制造工艺学以及工程制图等多门学科的知识，对我们是一次很好的锻炼。由于长时间没有接触机械方面的知识，在本次课程设计中对一些问题感到比较生疏。

在设计导轨时，这方面的知识之前很少接触过。通过上网查阅资料以和查阅书籍等方式，了解了导轨的基本形式以及各种各种形式的优缺点和应用场合，最终确定导轨的基本机构形式为凹形燕尾形。在确定机构形式后还要考虑导轨的材料和硬度、表面粗糙度、直线度、平面度等一系列问题，综合性比较强。这些问题一一解决不仅是对耐心的一种考验，也是对自己查阅资料学习新知识的能力的一种锻炼。

通过本次课程设计，我温习了很对以前学过的知识。同时也提醒了我对于学过的东西要经常复习，否则时间久了再拾起来就比较困难了。

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参考文献

[1] 栽良贵.机械设计.北京:高等教育出版社,2003

[2] 刘茂福,刘林枝,贺柳操.高精度镗刀微调机构.机械工程师,2011.5:165-166

[3] 郑增铭,郭攀成.机械力学与机械设计[M].兰州:兰州大学出版社,2004

[4] 李威,穆玺清.机械设计基础[M].北京:机械工业出版社,2008

[5] 张雪飞,付生力.仪器制造工艺学.北京:电子工业出版社,2013

[6] 邢闽芳,房强汉,兰利洁.互换性与技术测量.北京:清华大学出版社,2011

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