內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)
內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì),內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì),切片機(jī),設(shè)計(jì)
內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)
目 錄
目 錄 I
第1章 前 言 1
1.1內(nèi)圓切片機(jī)的發(fā)展和現(xiàn)狀 1
1.1.1內(nèi)圓切割技術(shù)與線切割技術(shù)分析 2
1.1.2國(guó)內(nèi)外內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)備技術(shù)概況 4
1.2課題意義 5
第2章 內(nèi)圓切片機(jī)的基本原理 7
2.1內(nèi)圓切片機(jī)的原理和特點(diǎn) 7
2.1.1內(nèi)圓切片機(jī)的三種基本運(yùn)動(dòng) 7
2.1.2內(nèi)圓切片機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理 7
2.2 液壓伺服系統(tǒng)的工作原理 8
2.2.1數(shù)控液壓伺服系統(tǒng)的組成 8
2.2.2數(shù)控液壓伺服閥的結(jié)構(gòu)和工作原理 9
第3章 主要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12
3.1 擺動(dòng)切割方式 12
3.2 精密主軸系統(tǒng) 12
3.3 彈性絲杠螺母副送料系統(tǒng) 13
3.4 液壓傳動(dòng)及其裝置 14
3.5 電控系統(tǒng) 15
第4章 組合機(jī)床主軸箱設(shè)計(jì) 16
4.1主軸箱設(shè)計(jì)的原始依據(jù) 16
4.2 運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)的確定 16
4.2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比分配 16
4.2.2 計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和設(shè)計(jì)參數(shù) 16
4.2.3 齒輪模數(shù)的估算及其校核 17
4.2.4 軸各參數(shù)估算及強(qiáng)度校核 20
4.3主軸箱的坐標(biāo)計(jì)算 29
第5章 結(jié)論 31
參考文獻(xiàn) II
內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)
第1章 前 言
1.1內(nèi)圓切片機(jī)的發(fā)展和現(xiàn)狀
為了提高IC生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，IC生產(chǎn)線所需硅圓片直徑不斷增大。為了滿(mǎn)足硅圓片加工的需要，硅片切割設(shè)備一方面向大片徑化方向發(fā)展，另一方面向高精度、高自動(dòng)化及高智能化方向發(fā)展。
從世界半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展來(lái)看，八十年代中期普遍使用150m圓片，該生產(chǎn)線于1996年發(fā)展到鼎盛時(shí)期，當(dāng)時(shí)150mm硅片消耗量為世界圓片消耗量的50％。1990年開(kāi)始應(yīng)用200mm圓片，該生產(chǎn)線將于2003年達(dá)到高峰。于此同時(shí)，300mm圓片生產(chǎn)線已于1995年建成試驗(yàn)性生產(chǎn)線。從世界范圍來(lái)看，目前已有相當(dāng)一些IC制造商、設(shè)備供應(yīng)商和半導(dǎo)體供應(yīng)商完成了向300mm圓片工藝水平的過(guò)渡。但是，硅圓片切割設(shè)備技術(shù)的發(fā)展在IC生產(chǎn)線建線技術(shù)中走在時(shí)間的前列?？v觀世界IC生產(chǎn)線的發(fā)展，發(fā)展速度之快，技術(shù)更新日新月異，給人耳目一新的感覺(jué)[1]。
由于集成電路制造工業(yè)的重要性，世界各國(guó)都比較重視，都積極大力發(fā)展各自盼IC制造工業(yè)。IC器件的基礎(chǔ)性材料是半導(dǎo)體硅單晶材料，因此，世界各國(guó)對(duì)硅單晶材料的消耗量反映了一個(gè)國(guó)家的IC制造業(yè)的規(guī)模和工藝水平，同時(shí)各國(guó)硅材料生產(chǎn)及硅圓片生產(chǎn)水平也代表了一個(gè)國(guó)家IC工業(yè)的材料基礎(chǔ)的實(shí)力。
由于國(guó)家的高度重視和積極扶持，我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正在快速發(fā)展。2001年在國(guó)際電子制造業(yè)的不景氣情形下，我國(guó)電子制造業(yè)是同期GDP的3倍。我國(guó)電子市場(chǎng)在全球市場(chǎng)中所占的份額由1996年的2．3％上升到2000年的6．996；同時(shí)世界集成電路的平均單價(jià)為2．6美元，我國(guó)集成電路平均單價(jià)由0．4美元升至0．5美元。我國(guó)IC工業(yè)具有發(fā)展數(shù)量的空間和具有發(fā)展技術(shù)的空間，這兩大空間，決定了我國(guó)在今后一段時(shí)期內(nèi)IC產(chǎn)業(yè)保持快速發(fā)展。當(dāng)前，我國(guó)擁有8家集成電路芯片制造企業(yè)，其中2家采用200mm生產(chǎn)線。正在建設(shè)和計(jì)劃建設(shè)的生產(chǎn)線包括：北京信創(chuàng)(150mm)、首鋼華夏(200mm)、上海先進(jìn)(200mm)、上海貝嶺(200mm)和杭州士蘭(150m)等，這些生產(chǎn)線2～3年內(nèi)可望建成投產(chǎn)。拿深圳、上海兩地為例：深圳計(jì)劃在3～5年內(nèi)建成8～15條前工藝生產(chǎn)線。上海計(jì)劃于2005年前，先行完成4條8～12英寸晶圓生產(chǎn)線，以實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)240萬(wàn)片，產(chǎn)能1．1億平方英寸的生產(chǎn)目標(biāo)。
以上項(xiàng)目的建設(shè)，為硅材料加工行業(yè)提供了廣闊的市場(chǎng)。以上海規(guī)劃年產(chǎn)240萬(wàn)片為例，240萬(wàn)片折合200mlCZ法單晶硅片240噸(這一數(shù)據(jù)為日本2001年晶圓單晶硅產(chǎn)量的十分之一，2001年日本晶圓單晶硅產(chǎn)量為2153噸)。從目前國(guó)內(nèi)硅圓片加工行業(yè)來(lái)看，在我國(guó)具有相當(dāng)規(guī)模的半導(dǎo)體材料生產(chǎn)及加工企業(yè)中，其單晶硅年產(chǎn)量徘徊在50噸的水平，并且其生產(chǎn)的硅圓片的數(shù)量，較多集中在125mn圓片的加工范圍。
硅圓片的加工方法一直延用以下工藝過(guò)程：
晶棒成長(zhǎng)——晶棒裁切與檢測(cè)——外徑滾磨——切片——圓邊(倒角)——表層研磨
——蝕刻一去疵——拋光——清洗——檢驗(yàn)——包裝
硅圓片切片工藝過(guò)程中多應(yīng)用內(nèi)圓切割技術(shù)，該技術(shù)于二十世紀(jì)七十年代末發(fā)展成
熟。
隨著硅圓片直徑的增大，內(nèi)圓切割工藝中所需內(nèi)圓刀片尺寸增大，刀片張緊力也相應(yīng)增大。同時(shí)刀片刃口的加厚增加了切割損耗，高速切割使硅片表面的損傷層及刀具損耗加大。這些缺點(diǎn)使內(nèi)圓切割技術(shù)在大片徑化方向中提高效率，降低生產(chǎn)成本受到制約。加之當(dāng)時(shí)內(nèi)圓刀具制作上的困難，基于這種情況，國(guó)際上又發(fā)展了一種多線切割(后簡(jiǎn)稱(chēng)線切割)技術(shù)工藝方法。
1.1.1內(nèi)圓切割技術(shù)與線切割技術(shù)分析
200mm以上規(guī)格硅單晶圓片切割加工可采用內(nèi)圓切割技術(shù)或線切割技術(shù)兩種切割方式。在硅圓片規(guī)?；a(chǎn)中，線切割技術(shù)作為主流加工方式，逐步取代傳統(tǒng)的內(nèi)圓切割技術(shù)方式。但在所有硅材料切片加工中，內(nèi)圓切割技術(shù)與線切割技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中互為補(bǔ)充而存在。
眾所周知，隨著硅圓片直徑的增大，內(nèi)圓切割技術(shù)的缺點(diǎn)使硅片表面的損傷層加大(約為30～40微米)。線切割技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是效率高(大約為內(nèi)圓切割技術(shù)的6～8倍。在8小時(shí)左右切割過(guò)程中一次可切出400圓片左右)。切口小，硅棒切口損耗小(約為內(nèi)圓切割技術(shù)的60%，這相當(dāng)于內(nèi)圓切片機(jī)切割6片圓片而節(jié)約出1塊圓片)，切割的硅片表面損傷層較淺(約為10～15微米)，片子質(zhì)量人為因素少。
但線切割技術(shù)同內(nèi)圓切割技術(shù)相比有其明顯的弱點(diǎn)，一是片厚平均誤差較大(約為內(nèi)圓切割技術(shù)2倍)。二是切割過(guò)程中智能檢測(cè)控制不易實(shí)現(xiàn)。三是切割過(guò)程的成功率要求較高，風(fēng)險(xiǎn)大，一但斷絲而不可挽救時(shí)，直接浪費(fèi)一根單晶棒。四是不能實(shí)現(xiàn)單片質(zhì)量控制，一次切割完成后，才能檢測(cè)一批圓片的切割質(zhì)量，并且圓片之間切割質(zhì)量也不相同。在這些方面，內(nèi)圓切割技術(shù)卻顯示出其優(yōu)越性來(lái)。具體表現(xiàn)在：(I)切片精度高。(2)切片成本低，同規(guī)格級(jí)的內(nèi)圓切片機(jī)價(jià)格為線切割機(jī)價(jià)格l／3～l／4，線切割機(jī)還需配置專(zhuān)用粘料機(jī)。(3)每片都可調(diào)整。(4)小批量多規(guī)格加工時(shí)靈活的加工可調(diào)性(5)自動(dòng)、單片方式切換操作方便性。(6)低成本的輔料(線切割機(jī)磨料及磨料液要定時(shí)更換)。(7)不同片厚所需較小的調(diào)整時(shí)間。(8)不同棒徑所需較小的調(diào)整時(shí)間。(9)修刀、裝刀方便。八十年代中后期人們普遍認(rèn)為：隨著硅硬脆材料塊大片徑化發(fā)展，線切割技術(shù)是硅片切割的主流技術(shù)，在規(guī)?；A片切割中將取代內(nèi)圓切割技術(shù)。因此人們加大了對(duì)200m以上線切割機(jī)的研究，以解決其技術(shù)不足。例如1996年7月，日本日平外山公司研制成功300mm晶圓片線切割機(jī)(MNM444)。
切片機(jī)已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體材料、石英、陶瓷、鐵氧體、鈮酸鋰等硬脆材料的切割，是半導(dǎo)體加工的重要工序，在國(guó)內(nèi)外許多材料加工單位普遍采用[2]。切片機(jī)直接影響到硬脆材料塊的成本、質(zhì)量以及各種性能。目前，硬脆材料塊切割主要的方法有金剛石內(nèi)圓切割和線切割但是作為成熟工藝技術(shù)的內(nèi)圓切割技術(shù)在大直徑化發(fā)展方向上并沒(méi)有失掉其有利的地位，并隨著IC器件大片徑化發(fā)展同時(shí)其技術(shù)不斷創(chuàng)新。1998年1月，日本旭日金剛石工業(yè)公司推出T-SM-300內(nèi)圓切片機(jī)，標(biāo)志著內(nèi)圓切割技術(shù)又上了一個(gè)新的臺(tái)階 ?？上驳氖?，這種設(shè)備在刀片直徑增大情況下，仍采用較小的刀口厚度(0．38mm)。從相對(duì)意義而言，這種較小的刀口厚度降低了刀口硅材料消耗。并且，該內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)制造采用了一系列先進(jìn)技術(shù)，使刀口處寬度變化控制在0．36一O．38枷。這與200mm晶圓片切片加工時(shí)的刀口寬度的擺幅變化(O．34—0．38)是一樣的。由此可見(jiàn)300mm內(nèi)圓切割設(shè)備制造精度和工作動(dòng)態(tài)精度之高。由于內(nèi)圓切片機(jī)晶棒端磨技術(shù)，切割過(guò)程中的自動(dòng)修刀系統(tǒng)及刀片導(dǎo)向系統(tǒng)以及動(dòng)態(tài)檢測(cè)和自診斷系統(tǒng)等智能化技術(shù)的應(yīng)用，以單片切割質(zhì)量的控制成為優(yōu)勢(shì)條件，使內(nèi)圓切片機(jī)切片質(zhì)量很高(300m片子的平均厚度變化差在0.Olmm以?xún)?nèi))，為IC器件提供了優(yōu)良的晶圓片。同對(duì)，機(jī)械手自動(dòng)單片取片也使連續(xù)切割的成片率的可靠性大大提高。
根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，內(nèi)圓切割技術(shù)與線切割技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中互為補(bǔ)充而存在。同時(shí)我們認(rèn)為：(1)在新建硅圓片加工生產(chǎn)線上，規(guī)模在年產(chǎn)量達(dá)50噸以上硅單晶加工生產(chǎn)線，并且圓片品種主要針對(duì)較大數(shù)量集成電路用硅圓片時(shí)，切割設(shè)備選型可定位在線切割機(jī)上，同時(shí)大規(guī)模、單一硅圓片品種(主要指圓片的厚度規(guī)格品種)的太陽(yáng)能級(jí)圓片加工，切割設(shè)備選型也可定位在線切割機(jī)上。厚度規(guī)格品種的多少，直接關(guān)系到線切割機(jī)排線導(dǎo)輪備件的多少。該排線導(dǎo)輪目前國(guó)內(nèi)無(wú)法配套，國(guó)外供應(yīng)商配套，價(jià)格較高。頻繁更換排線導(dǎo)輪增加了輔助時(shí)間，還會(huì)增加線絲的浪費(fèi)．(2)生產(chǎn)規(guī)模較小的生產(chǎn)單位或多品種硅圓片生產(chǎn)并具有較大規(guī)模的生產(chǎn)單位，在設(shè)備選型上，應(yīng)首先考慮選用內(nèi)圓切片機(jī)。
1.1.2國(guó)內(nèi)外內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)備技術(shù)概況
在國(guó)內(nèi)引進(jìn)的內(nèi)圓切片機(jī)機(jī)型中主要有瑞士M&B公司和日本東京精密株式會(huì)社(TOKYO)兩公司的內(nèi)圓切片機(jī)機(jī)型。這幾年隨著國(guó)外硅片生產(chǎn)公司的設(shè)備更新，在國(guó)內(nèi)引進(jìn)了二手的日本TOYO公司生產(chǎn)的200mm規(guī)格的切片機(jī)，但數(shù)量不是很多。M&B公司以臥式機(jī)型為主，TOKYO公司以立式機(jī)型為主。在切片機(jī)主軸支撐方式上，M＆B公司以空氣軸承為發(fā)展方向。TOKYO公司以滾動(dòng)軸承和空氣軸承兩種形式發(fā)展。由于以空氣軸承支撐的主軸結(jié)構(gòu)的內(nèi)圓切片機(jī)，在技術(shù)和制造成本上較高，因而其價(jià)格比以滾動(dòng)軸承支撐的主軸結(jié)構(gòu)的內(nèi)圓切片機(jī)高出近10萬(wàn)美元。因而，TOKYO公司以滾動(dòng)軸承支撐的主軸結(jié)構(gòu)的切片機(jī)為主要發(fā)展方向，腿B公司的產(chǎn)品中150mm主流機(jī)型有TS23、TS202(TS23增強(qiáng)型)兩種。200mm的主流機(jī)型有TS205、TS206兩款機(jī)型。TS205機(jī)型主要用于200mm晶捧齊端頭、切樣片和切斷，TS206機(jī)型則是集中了內(nèi)圓切片機(jī)所有現(xiàn)有技術(shù)的機(jī)型。TOKYO公司的TSK系列內(nèi)圓切片機(jī)中，150mm～200mm規(guī)格機(jī)型有S-LM-227D，s-LM-227DR，s-LM～434E，s-LM-534B機(jī)型，其產(chǎn)品檔次和技術(shù)含量隨型號(hào)的大小而增加。
2002年3月26日～27日在上海國(guó)際展覽中心舉行國(guó)際半導(dǎo)體設(shè)備與材料展覽暨研討會(huì)(SEMICONCHINA 2002)期間，除了M＆B公司繼續(xù)宣傳他們的內(nèi)圓切片機(jī)和線切割機(jī)外、TOKYO公司沒(méi)有專(zhuān)項(xiàng)宣傳切片機(jī)機(jī)型，在他們的宣傳資料中涉及到切片機(jī)內(nèi)容也不多，這可能與TOKYO產(chǎn)品戰(zhàn)略調(diào)整有關(guān)，TOKYO產(chǎn)品開(kāi)始涉及到后封裝設(shè)備，研磨拋光和化學(xué)機(jī)械拋光領(lǐng)域了。
在線切割機(jī)方面TOKYO公司拋棄了自行設(shè)計(jì)的多線鋸w-SL-300／-500，轉(zhuǎn)而把瑞士HCT公司多線鋸系列作為經(jīng)營(yíng)對(duì)象。M&B公司內(nèi)圓切片機(jī)同2001年北京展示的相同，僅推薦TS23、TS206兩種，TS23機(jī)型是在原機(jī)型上加裝了防護(hù)罩，使操作環(huán)境變好。TS23機(jī)型的生命期己延續(xù)了20年之久，該機(jī)型在國(guó)內(nèi)用戶(hù)中也反映良好。內(nèi)圓切斷機(jī)為T(mén)S205、TS207兩種。M&B同TSK不同，該公司一直從事材料切割技術(shù)研究工作。
國(guó)內(nèi)在內(nèi)圓切片機(jī)研制中僅有信息產(chǎn)業(yè)部電子第四十五研究所。其內(nèi)圓切片機(jī)機(jī)型在國(guó)內(nèi)硅片切割行業(yè)應(yīng)用的范圍涵蓋了從φ50mm到φ200mm圖片的切片加工，QP-613機(jī)型應(yīng)用范圍為中φ125m～φ150mm圓片切割加工，QP-816機(jī)型應(yīng)用于φ200mm圓片切割加工。這些機(jī)型技術(shù)層次為國(guó)外九十年代初期的水平。
在以上諸多機(jī)型中以TS206，S-LM-534B兩種機(jī)型集中了當(dāng)今內(nèi)圓切片機(jī)制造的最高技術(shù)。但是需要指出的是，這些主要技術(shù)停滯了將近10年。其技術(shù)特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
(1)精密主軸制造技術(shù)：不論是采用空氣靜壓軸承支撐的主軸技術(shù)還是以精密滾動(dòng)軸承支撐的主軸技術(shù)，都是保證切片機(jī)主軸高精度、高壽命及保證切片質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。
(2)精密伺服定位技術(shù)：這是保證切片機(jī)切片厚度均勻、誤差小，減少磨片時(shí)間的關(guān)鍵技術(shù)。
(3)機(jī)械手技術(shù)：保證切片后可靠的取片，減少片子意外損壞的技術(shù)。
(4)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)；是刀片導(dǎo)向系統(tǒng)及自動(dòng)修刀系統(tǒng)應(yīng)用和單片質(zhì)量控制的前提條件。
(5)CNC控制技術(shù)：對(duì)機(jī)器進(jìn)行控制及保證自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用的一軟硬件技術(shù)。
(6)直流伺機(jī)服技術(shù)：保證切片質(zhì)量，提供可靠的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的技術(shù)。
(7)精密滾動(dòng)導(dǎo)軌：保證切片時(shí)片子的平行度、翹曲度、粗糙度機(jī)械導(dǎo)向技術(shù)。
(8)端磨技術(shù)：提高片子表面彎曲度、翹曲度和表面粗糙度的技術(shù)。
1.2課題意義
(1)利用CNC技術(shù)實(shí)現(xiàn)精密內(nèi)圓切片機(jī)的控制，探索出一條制造經(jīng)濟(jì)高效、精密可靠?jī)?nèi)圓切片機(jī)的思路。
(2)該設(shè)備的研制成功不僅能夠增加企業(yè)產(chǎn)品數(shù)量、提高本企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也解決了晶圓生產(chǎn)廠同類(lèi)產(chǎn)品依賴(lài)進(jìn)口的現(xiàn)狀。在設(shè)計(jì)過(guò)程中借鑒、吸收國(guó)外相同、相近產(chǎn)品的優(yōu)秀技術(shù)和成果，也為產(chǎn)品的智能化、大直徑切削設(shè)計(jì)生產(chǎn)提供了有益的借鑒。
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第2章 內(nèi)圓切片機(jī)的基本原理
2.1內(nèi)圓切片機(jī)的原理和特點(diǎn)
2.1.1內(nèi)圓切片機(jī)的三種基本運(yùn)動(dòng)
作為內(nèi)圓切片機(jī)，要完成一個(gè)工作循環(huán)必須具備三種基本運(yùn)動(dòng)，即刀片高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) (主軸系統(tǒng))，被切割材料按設(shè)定片厚值步進(jìn)送料運(yùn)動(dòng)(進(jìn)料系統(tǒng) )以及 內(nèi)圓刀片柑對(duì)被切割材料作切割運(yùn)動(dòng)(切割進(jìn)給系統(tǒng) )。另外，在切割過(guò)程 中所 切硬脆材料塊停置于刀盤(pán)內(nèi)，為了將硬脆材料塊取出 ，必須將被切豺材料退出內(nèi)圓刀片刃口位置，這一退料運(yùn)動(dòng)是切片機(jī)的輔助運(yùn)動(dòng)。不同類(lèi)型的切片機(jī)就是采用了不同類(lèi)型的機(jī)構(gòu)以及機(jī)構(gòu)布局實(shí)現(xiàn)這三種基本運(yùn)動(dòng)和輔助運(yùn)動(dòng)。
2.1.2內(nèi)圓切片機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理
內(nèi)圓切片機(jī)主要由刀盤(pán)(主軸系統(tǒng))，送料箱 ，切割油缸，調(diào)晶向機(jī)構(gòu)，液壓站，液壓系統(tǒng)工作臺(tái)，電控框，電控箱(操作面板)等組成。因夾持內(nèi)圓刀片的主軸軸線呈水平位置，因此該機(jī)為臥式結(jié)構(gòu)。送料箱也相應(yīng)呈水平位置，所以?shī)A持被切割材料也為臥式安裝 ?；凇芭P式”這一特點(diǎn)，被切割材料直徑增大，長(zhǎng)度加長(zhǎng)，這就為該機(jī)型切割大直徑硬脆材料塊提供了可能。
該機(jī)工作原理：內(nèi)圓刀片夾持在刀盤(pán)間，刀盤(pán)安裝在主軸系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)內(nèi)圓刀片的高速旋轉(zhuǎn)。送料箱夾持硬脆材料塊，由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠螺母副按預(yù)置量進(jìn)行步進(jìn)送料，送料箱安裝在具有三維調(diào)晶向機(jī)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)硬脆材料塊晶向調(diào)節(jié)切割功能。調(diào)晶向機(jī)構(gòu)安裝在工作臺(tái)上，工作臺(tái)相對(duì)于主軸軸線方向向前，后退 動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)硬脆材料塊相對(duì)于內(nèi)圓刀片刃口進(jìn)料、退料輔助運(yùn)動(dòng)，可以很方便將 已切成的一疊硬脆材料塊從刀盤(pán)內(nèi)取出。主軸系統(tǒng)安裝在擺動(dòng)支架上，擺動(dòng)支架在切割油缸驅(qū)動(dòng)下作往復(fù)上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)圓刀片相對(duì)于硬脆材料塊的切割運(yùn)動(dòng)。這樣，一方面內(nèi)圓刀片高速旋轉(zhuǎn)，一方面內(nèi)圓刀片隨擺動(dòng)架作擺動(dòng)切割 ，即完成一個(gè) 切片循環(huán)，這就是“擺動(dòng)切割”方式 。其主要技術(shù)指標(biāo)：
1、最大加工尺寸：? 60*80mm；
2、切割速度：5~30mm/min；
3、切割片厚：≥0.30mm;
4、橫向/縱向行程：110/100mm;
5、主軸電機(jī)：2800r/min;
6、主軸轉(zhuǎn)速：4000 r/min；
7、切片種類(lèi)：100；
8、片數(shù)設(shè)定范圍：200pcs
9、液壓系統(tǒng)壓力：1.2MPa
2.2 液壓伺服系統(tǒng)的工作原理
國(guó)內(nèi)在液壓的精密控制領(lǐng)域通常采用傳統(tǒng)的電液伺服控制系統(tǒng),但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳動(dòng)環(huán)節(jié)多而不能由電脈沖信號(hào)直接控制。對(duì)于現(xiàn)代液壓伺服控制需考慮:①環(huán)境和任務(wù)復(fù)雜,普遍存在較大程度的參數(shù)變化和外負(fù)載干擾;②非線性的影響,特別是閥控動(dòng)力機(jī)構(gòu)流量非線性的影響;③有高的頻寬要求及靜動(dòng)態(tài)精度的要求,須優(yōu)化系統(tǒng)的性能;④微機(jī)控制與數(shù)字化及離散化帶來(lái)的問(wèn)題;⑤如何通過(guò)“軟件伺服”達(dá)到簡(jiǎn)化系統(tǒng)及部件的結(jié)構(gòu)[3]。
因此發(fā)達(dá)國(guó)家已應(yīng)用數(shù)字控制,即數(shù)控液壓伺服系統(tǒng)來(lái)取代電液伺服控制系統(tǒng),經(jīng)過(guò)幾年的努力,設(shè)計(jì)并研制成功自己的數(shù)控液壓伺服系統(tǒng),它超越了傳統(tǒng)的電液伺服控制系統(tǒng),大大提高控制精度。本文僅就該系統(tǒng)作簡(jiǎn)要介紹。
2.2.1數(shù)控液壓伺服系統(tǒng)的組成
系統(tǒng)由數(shù)控裝置、數(shù)控伺服閥、數(shù)控液壓缸或液馬達(dá)、液壓泵站4大部分組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
圖2.1 數(shù)控液壓伺服系統(tǒng)的組成
(1)數(shù)控裝置:包括控制器、驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)。之所以要采用步進(jìn)電機(jī),是由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,使步進(jìn)電機(jī)的性能在快速性和可靠性方面能夠滿(mǎn)足數(shù)控液壓系統(tǒng)的要求,而其價(jià)格低廉,又由于數(shù)控液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn),所需步進(jìn)電機(jī)功率較小,不需采用寬調(diào)速伺服電機(jī)等大功率伺服電機(jī)系統(tǒng),就能大大降低成本。
(2)液壓缸、液馬達(dá)和液壓泵站是液壓行業(yè)的老產(chǎn)品,只要按數(shù)控液壓伺服系統(tǒng)的要求選取精度較高的即可應(yīng)用。
(3)伺服控制元件是液壓伺服系統(tǒng)中最重要、最基本的組成部分,它起著信號(hào)轉(zhuǎn)換、功率放大及反饋等控制作用。所以整個(gè)數(shù)控液壓伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵部件就是數(shù)控伺服閥,它必需將電脈沖控制的步進(jìn)電機(jī)的角位移精確地轉(zhuǎn)換為液壓缸的直線位移(或液馬達(dá)的角位移)。也可以說(shuō),只要有了合格的數(shù)控伺服閥,就能獲得不同的數(shù)控液壓伺服系統(tǒng)。
2.2.2數(shù)控液壓伺服閥的結(jié)構(gòu)和工作原理
1、數(shù)控液壓伺服閥的結(jié)構(gòu)
數(shù)控液壓伺服閥的結(jié)構(gòu)如圖2.2所示,數(shù)控液壓缸的結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。
1-步進(jìn)電機(jī) 2-法蘭 3-螺釘 4-閥體 5-聯(lián)軸節(jié) 6-限動(dòng)蓋 7-定為套
8-芯軸 9-閥桿 10-閥套 11-擋墊 12-隔墊 13-軸承 14-密封圈
15-螺蓋 16-反饋螺母 P-壓力油孔 O-回油孔
圖2.2 數(shù)控液壓伺服閥結(jié)構(gòu)
1-步進(jìn)電機(jī) 2-法蘭 3-螺釘 4-閥體 5-聯(lián)軸節(jié) 6-限動(dòng)蓋 7-定位套 8-芯軸 9-閥桿 10-閥套 11-擋墊 12-隔墊 13-軸承 14-密封圈 15-螺蓋 16-反饋螺母 17-鎖緊螺母 18-活塞 19-反饋螺桿副 20-油管 21-油缸體 22-接頭 23-支撐蓋 24-活塞桿 a、b-進(jìn)、回油孔 25-錐銷(xiāo)
圖2.3 數(shù)控液壓缸
2、工作原理
（1）、數(shù)控液壓伺服閥和液壓缸匹配工作原理如圖2.2和圖2.3所示,步進(jìn)電機(jī)1通過(guò)法蘭2用螺釘3與閥體4聯(lián)接,電機(jī)軸通過(guò)聯(lián)軸節(jié)5與芯軸8聯(lián)接,閥桿9被定位套7固定在芯軸8上,閥桿可隨芯軸在閥套10中軸向移動(dòng),閥套被限動(dòng)蓋6固定在閥體4中,壓力油口P、回油口O分別與閥體上相應(yīng)的油道相通,閥體4的左端有2只球軸承13被檔墊11和隔墊12定位,用螺蓋15固定在閥體中,反饋螺母16被兩只球軸承固定;芯軸8的左端加工有外螺紋,擰入反饋螺母的內(nèi)螺紋中。當(dāng)有電脈沖輸入,步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生角位移,帶動(dòng)芯軸角位移,由于反饋螺母被2只球軸承固定,不能軸向移動(dòng),螺母與活塞桿中的反饋螺桿剛性連接,在活塞桿靜止的條件下也不能轉(zhuǎn)動(dòng),迫使芯軸產(chǎn)生直線位移,帶動(dòng)閥桿產(chǎn)生軸向位移,打開(kāi)閥的進(jìn)、回油通道,壓力油經(jīng)閥套開(kāi)口處進(jìn)入液壓缸,油壓推動(dòng)活塞作直線位移,由于活塞桿固定在機(jī)床導(dǎo)軌上不能轉(zhuǎn)動(dòng),迫使活塞桿中的反饋螺桿作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)伺服閥的反饋螺母旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)方向與芯軸方向相同,使芯軸巡回原位,當(dāng)芯軸退回到O位時(shí),閥桿關(guān)閉了進(jìn)、回油口,油缸停止運(yùn)動(dòng),活塞桿運(yùn)動(dòng)的方向、速度和距離由計(jì)算機(jī)程序控制。數(shù)控伺服液壓缸完成了一次脈沖動(dòng)作。
（2）、數(shù)控伺服閥和液馬達(dá)匹配工作原理如圖2.4所示,液馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)軸用鍵26與閥的反饋螺母16聯(lián)接,液馬達(dá)的進(jìn)、回油接頭與閥的相應(yīng)接頭聯(lián)接,當(dāng)有電脈沖輸入時(shí),步進(jìn)電機(jī)按指令方向旋轉(zhuǎn),由于反饋螺母16不能軸向移動(dòng),芯軸8放置產(chǎn)生軸向位移量,帶動(dòng)閥桿9軸向移動(dòng),打開(kāi)液馬達(dá)的進(jìn)、回油通道,油壓使旋轉(zhuǎn)軸27旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)反饋螺母16同向旋轉(zhuǎn),由于反饋螺母16不能軸向位移,使芯軸8產(chǎn)生軸向位移,當(dāng)移動(dòng)量達(dá)到一定時(shí),閥桿關(guān)閉進(jìn)、回油通道,液馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動(dòng),完成一次脈沖動(dòng)作,其轉(zhuǎn)動(dòng)的方向、速度和角位移由計(jì)算機(jī)程序控制。
1-步進(jìn)電機(jī) 2-法蘭 3-螺釘 4-閥體 5-聯(lián)軸節(jié) 6-限動(dòng)蓋 7-定位套 8-芯軸 9-閥桿 10-閥套 11-擋墊 12-隔墊 13-軸承 14-密封圈 15-螺蓋 16-反饋螺母 26-鍵 27-旋轉(zhuǎn)軸 28-油管接頭 29-液馬達(dá)殼體 30-安裝孔 a、b-進(jìn)、回油孔
圖4 數(shù)控伺服閥和液馬達(dá)匹配
第3章 主要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 擺動(dòng)切割方式
在內(nèi)圓切片機(jī)系列中，完成切割運(yùn)動(dòng)一般多采甩直線導(dǎo)軌的形式來(lái)完成這一功能。本設(shè)計(jì)內(nèi)圓切片機(jī)采用擺動(dòng)切割方式其原理見(jiàn)圖3.1。主軸系統(tǒng)安裝在擺 動(dòng)臂上，在切割油缸驅(qū)動(dòng)下，繞中心軸上下擺動(dòng)，同時(shí)刀盤(pán)夾掙內(nèi)圓刀片高速旋 轉(zhuǎn)，來(lái)完成切割、返回的工作循環(huán)。
采用擺動(dòng)切割方式 ，省去了直線導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)，其上下擺動(dòng)的直線性精度 ， 由中心軸一對(duì)圓錐滾子軸承裝配精度保證。同直線導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)相比，它制造簡(jiǎn)單，精 度容易保證，精度保持性長(zhǎng)。
圖3.1 擺動(dòng)切割原理
3.2 精密主軸系統(tǒng)
決定內(nèi)圓切片機(jī)切片質(zhì)量的另一主要因素是主軸系統(tǒng)。在對(duì)半導(dǎo)體單晶體 進(jìn)行切割時(shí)，內(nèi)圓刀片內(nèi)刃口線速度一般要求在17．8m／s左右 ，切割速度一般為40mm／min左右。因此主軸轉(zhuǎn)速按所夾持內(nèi)圓刀片規(guī)格不同而不同，本設(shè)計(jì)切片機(jī)設(shè)計(jì)主軸最高轉(zhuǎn)速為2500rpm。
圖3.2 主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
因夾持內(nèi)圓刀的刀盤(pán)體積較大，夾持外徑φ422內(nèi)圓刀片的刀盤(pán)重量為57：5kg，而且為了保證已切硬脆材料塊在內(nèi)圓刀片刃口另一面 (刀盤(pán)內(nèi))容料長(zhǎng)度，主軸系統(tǒng)的懸伸量較大，懸伸量與主軸平均直徑之比為2.5。同時(shí)，考慮到主軸旋轉(zhuǎn)精度，主軸剛度，主軸高速旋轉(zhuǎn)抗震性以及主軸壽命等諸多因素，我設(shè)計(jì)了圖3.2所示的主軸結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)類(lèi)同于內(nèi)圓磨床磨具主軸結(jié)構(gòu)，通過(guò)適當(dāng)加太主軸軸徑，增大軸承支承跨度等辦法，使主軸滿(mǎn)足使用要求 。
3.3 彈性絲杠螺母副送料系統(tǒng)
本設(shè)計(jì)的內(nèi)圓切片機(jī)進(jìn)科精度設(shè)計(jì)為±5μm，圖3.4為送料系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)。本機(jī)采用傳動(dòng)比i為 l2.5齒輪減速傳遞至絲杠螺母副實(shí)現(xiàn)步進(jìn)送料。圖 3.4所示傳動(dòng)系統(tǒng)為開(kāi)環(huán)控制。為了達(dá)到最終送料精度，一方面提高整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)精度外，另一方面采用了獨(dú)特的彈性絲杠螺母機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)中，螺母沿軸線方向類(lèi)似于彈性?shī)A頭形式對(duì)稱(chēng)開(kāi)二條彈性槽，使螺母圓柱體呈整體不可分離 的四瓣體，這樣，因絲杠裝配或直線導(dǎo)軌導(dǎo)向精度誤差造成的絲杠與螺母不同軸而產(chǎn)生內(nèi)力，由螺母的彈性體而減小或消除，因而保證了絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)精度這一送料系統(tǒng)的采用，保證了切片過(guò)程中硬脆材料塊厚度一致性要求。
圖3.2 送料系統(tǒng)
3.4 液壓傳動(dòng)及其裝置
本設(shè)計(jì)內(nèi)圓切片機(jī)切割運(yùn)動(dòng)及工作臺(tái)進(jìn)退運(yùn)動(dòng)由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，圖3.5為該機(jī)液壓系統(tǒng)圖。
圖3.5 液壓系統(tǒng)圖
在該系統(tǒng)中，貯能器用來(lái)吸收，減小液壓泵打入高壓液的脈動(dòng)以及緩和電液換向閥(14)換向時(shí)沖擊力，為切割油缸均勻驅(qū)動(dòng)奠定基礎(chǔ)，保證硬脆材料塊切割表面粗糙度的質(zhì)量要求。切割運(yùn)動(dòng)循環(huán)由電液換向閣控制，目的是通過(guò)電液換向閥換向延時(shí)性來(lái)減小退刀過(guò)程中沖擊，增強(qiáng)了切割過(guò)程中的平穩(wěn)性。工作臺(tái)油缸采用進(jìn)油路調(diào)速方式。切割油缸采用回油路調(diào)速方式，以增強(qiáng)切割過(guò)程中調(diào)速平穩(wěn)性，同時(shí)采用精密2FRM5型調(diào)速閥(17)進(jìn)行大范圍穩(wěn)定調(diào)速二位二通電磁閥(16)用于防止停機(jī)后刀盤(pán)西自身重量下沉的可能。背壓閥(12)在整個(gè)系統(tǒng)中產(chǎn)生背壓，增強(qiáng)系統(tǒng)工作平穩(wěn)性。整個(gè)系統(tǒng)工作動(dòng)作見(jiàn)表1。
表1 系統(tǒng)動(dòng)作一覽表
1DT
2DT
3DT
4DT
5DT
工作臺(tái)快退
+
-
-
-
-
工作臺(tái)工進(jìn)
-
+
-
-
-
切割快退
-
+
+
-
-
切割工進(jìn)
-
+
-
+
+
3.5 電控系統(tǒng)
本設(shè)計(jì)內(nèi)圓切片機(jī)是以MCS-51系列中8031為中央處理機(jī)作為控制主單元 的控制系統(tǒng)，以此控制系統(tǒng)完成主軸轉(zhuǎn)速測(cè)速顯示，切割速度測(cè)速顯示，片厚、片數(shù)撥碼預(yù)置及顯示，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電磁閥動(dòng)作，開(kāi)關(guān)等多種功能，保證了機(jī)器工作的可靠性在該電控系統(tǒng)中，主軸轉(zhuǎn)速由霍爾元件檢測(cè)，切割速度由光柵尺 檢測(cè)，主軸轉(zhuǎn)速，切割速度在操作面板上顯示 。片厚片數(shù)預(yù)置 ，在操作面板上通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)完成，并在自動(dòng)循環(huán)過(guò)程中自動(dòng)累計(jì)顯示一個(gè)循環(huán)過(guò)程中所切硬脆材料塊數(shù)量以及該機(jī)工作臺(tái)所切硬脆材料塊總數(shù)。為了使機(jī)器能正常工作，本機(jī)設(shè)有冷卻、刀片變形、水壓、油壓差四種故障診斷顯示為用戶(hù)排除故障，保證切片質(zhì)量提供方便。這種集操作、檢測(cè)、診斷、顯示為一體的電控系統(tǒng)為整機(jī)使用帶來(lái)很大優(yōu)越性。
此外本設(shè)計(jì)的切片機(jī)首次應(yīng)用了刀片變形跟蹤惻試系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，由電渦流電磁傳感器對(duì)高速旋轉(zhuǎn)片進(jìn)行動(dòng)態(tài)撿測(cè)，經(jīng)專(zhuān)用電控裝置控制顯示刀片切割過(guò)程中的微變形，將刀片變形控制在預(yù)定范圍由，同時(shí)具有打印變形數(shù)據(jù)功能。這一裝置的采用為用戶(hù)方便使用，提高硬脆材料塊切割成品率，提高刀片壽命，降低生產(chǎn)成本都是非常有益的。
第4章 組合機(jī)床主軸箱設(shè)計(jì)
4.1主軸箱設(shè)計(jì)的原始依據(jù)
主軸箱設(shè)計(jì)的原始依據(jù)圖,是根據(jù)三圖一卡整理編繪出來(lái)的,其內(nèi)容包括主軸箱設(shè)計(jì)的原始要求和已知條件
在編輯此圖時(shí)從三圖一卡中一已之
1） 主軸箱輪廓尺寸500500mm。
2） 工件位置尺寸及連桿大小頭中心位置尺寸。
3） 工件與主軸箱位置尺寸。
根據(jù)這些數(shù)據(jù)可編制出主軸箱設(shè)計(jì)原始依據(jù)圖。
4.2 運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)的確定
4.2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比分配
本機(jī)床主軸箱采用三級(jí)傳動(dòng)： 傳動(dòng)比為3.765
根據(jù)所提供數(shù)據(jù)估算各對(duì)齒輪齒輪數(shù)及傳動(dòng)比：
第一對(duì)：=22 =32 其傳動(dòng)比 ： i=1.45
第二對(duì)： =26 =38 其傳動(dòng)比 ： i=1.46
第三對(duì)： =32 =57 其傳動(dòng)比 ： i=1.78
按任務(wù)書(shū)的要求，本機(jī)床要同時(shí)粗銑兩端面。因被加工零件兩端面所要達(dá)到的各級(jí)參數(shù)都完全相同，故設(shè)計(jì)成相互對(duì)稱(chēng)的傳動(dòng)系統(tǒng)。
4.2.2 計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和設(shè)計(jì)參數(shù)
（1） 推算出各軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩
1． 各軸的轉(zhuǎn)速：
2． 各軸輸入功率分別為齒輪傳動(dòng)效率
3． 各軸輸入轉(zhuǎn)矩
4.2.3 齒輪模數(shù)的估算及其校核
（1） 估算 齒輪彎曲疲勞的估算
齒面點(diǎn)蝕的估算
其中為大齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)速，A為齒輪的中心距，由中心距A 及齒數(shù)Z1、Z2求其摸數(shù)
根據(jù)估算所得和中較大的值選取相近的標(biāo)準(zhǔn)摸數(shù)對(duì)于第一對(duì)齒輪：
第二對(duì)齒輪：
mm
=2.76mm
取摸數(shù)m為3
第二對(duì)齒輪：
=2.4mm
mm
取摸數(shù)m為3
第三對(duì)齒輪：
取摸數(shù)m 為3
（2） 齒輪模數(shù)計(jì)算及強(qiáng)度校核
1． 選定齒輪類(lèi)型、精度、材料及齒數(shù)
1） 按照所示的傳動(dòng)方案選用直齒圓拄齒輪傳動(dòng)
2） 組合機(jī)床為一般工作機(jī)器，速度不高，故選用7級(jí)精度
3） 材料選擇：選用小齒輪材料40，硬度為280HBS，大齒輪材料為45號(hào)鋼硬度為240HBS，二者材料硬度為40HBS
4） 選小齒輪齒數(shù)Z1=22 大齒輪齒數(shù)Z2=32
2． 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式機(jī)械設(shè)計(jì)第七版進(jìn)行試算，所涉及的公式到《機(jī)械設(shè)計(jì)》的第七版得。
1 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
1） 試選擇載荷系數(shù)
2 ） 計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
3 ） 由表中可得選取齒寬系數(shù)為1
4） 由表中可查材料彈性系數(shù)
5） 由圖可知 按齒輪面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限
6 ）計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
7 ）由圖可知 查得接觸疲勞壽命系數(shù)
8） 計(jì)算接觸疲勞強(qiáng)度許用應(yīng)力
取失效概率為1% 安全系數(shù)S=1 則有：
（3） 計(jì)算
（1） 試算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值：
由于大于等于58.286毫米，故取為66毫米。
（2） 計(jì)算摸數(shù)
（4） 按齒輪彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由公式得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為：
1． 由圖則有小齒輪的彎曲強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度極限，大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限
2． 由表上則有彎曲的疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù)
3． 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力：取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由書(shū)中的公式有：
4． 計(jì)算載荷系數(shù)K
K=1X1.12X1.2X1.35=1.814
5． 查取齒形系數(shù)
6． 查取應(yīng)力系數(shù)
7． 計(jì)算大，小齒輪的并加以比較：
大齒輪的計(jì)算值大。
（2） 設(shè)計(jì)計(jì)算
對(duì)比計(jì)算結(jié)果，取，則有：
這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)，既滿(mǎn)足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿(mǎn)足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。
此時(shí)關(guān)于幾何計(jì)算
1、計(jì)算分度圓的直徑：
2、計(jì)算中心距：
3、計(jì)算齒輪寬度：通過(guò)查閱《組合機(jī)床手冊(cè)》得
（3） 第二對(duì)齒輪的計(jì)算，經(jīng)校核有：
（4）第三對(duì)齒輪的計(jì)算，經(jīng)校核有：
4.2.4 軸各參數(shù)估算及強(qiáng)度校核
一、傳動(dòng)軸的估算
（1）估算軸的最小直徑，按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算，先按照下列初步估算的最小直徑，選取軸的材料45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理。
式中： —扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位兆帕
T —軸所受的扭矩
—軸的抗扭截面系數(shù)
n —軸的轉(zhuǎn)速
p—軸的傳遞的功率
d —計(jì)算截面處軸的直徑
—許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力
由以上公式可得軸的直徑；
取
取
取
取
二、主軸的強(qiáng)度校核
對(duì)傳遞動(dòng)力軸滿(mǎn)足強(qiáng)度條件是最基本的要求。通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初步確定出軸的尺寸后，根據(jù)受載情況進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核計(jì)算。
首先作出軸的計(jì)算圖。如果軸上零件的位置已知，即已知外載荷及支反力的作用位置。將齒輪帶輪等級(jí)裝配寬度的分布簡(jiǎn)化為集中力，并視為作用在輪轂寬度的中點(diǎn)上；略去軸和軸上的自重；略去軸上產(chǎn)生的拉壓應(yīng)力；把軸看成鉸鏈支承，支反力作用在軸承上，其作用點(diǎn)的位置可用如下圖所示確定。則將雙支點(diǎn)軸當(dāng)作受集中力的簡(jiǎn)支梁進(jìn)行計(jì)算，然后繪制彎矩圖和扭矩圖，并進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核。
1、 求出輸出軸的功率，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。
設(shè)，分別為齒輪傳動(dòng)軸承的傳動(dòng)效率
=0.97， =0.98 則
==5.5=4.54 KW
又 =/==255 r/m
于是
=9550000=172580 nmm
2、 求作用在齒輪上的力
因已知低速大齒輪的分度圓直徑
==357=171mm
而：===2018.5 N
==2018.5 =734.7 N
式中：
——主軸上大齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，單位為Nmm
——主軸上大齒輪的節(jié)圓直徑，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)齒輪即為分度圓直徑。單位為mm
——嚙合角。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)齒輪=
3、 求軸上的載荷
首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖（見(jiàn)主軸箱圖）作出計(jì)算簡(jiǎn)圖。在確定軸承的支點(diǎn)位置時(shí)，應(yīng)從手冊(cè)中查得a值。對(duì)于7216E型圓錐滾子軸承，由手冊(cè)中查得a=22。對(duì)于7220E型圓錐滾子軸承，由手冊(cè)中查得a=29mm。因此，作為簡(jiǎn)支梁的軸的軸承跨距+=119.5mm+93.45mm=212.94mm。
圖3-1 主軸載荷分析圖
從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩和扭矩圖中可以看出截面B是軸的危險(xiǎn)截面。現(xiàn)將計(jì)算截面B處的、及M的值
①確定支座處的約束力（水平H）
由=0和=0可求得：
+= ①
-(+)=0 ②
其中=119.5mm
=93.45 mm
=2018.5 N
因此：
=885.8 N
=1132.7 N
又由=885.8 N，=119.5mm可求得：
==885.8119.5=105853.1 Nmm
②確定支座處垂直約束力
由=0和=0可求得
+= ①
-(+)=0 ②
其中=119.5mm
=93.45mm
=734.7 N
因此 =322.4 N
=412.3 N
由上式可求得：==322.4119.5=38526.5 Nmm
=172580 Nmm
由①②可求得M===112646.3 Nmm
4、 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險(xiǎn)截面）
強(qiáng)度。
由式==
式中：——軸的計(jì)算應(yīng)力。單位為Mpa
M——軸所受的彎矩。單位為Nmm
T——軸所受的扭矩。單位為Nmm
W——軸的抗彎截面系數(shù)。單位為
對(duì)于圓環(huán)形截面，W=
0.1
其中 ===0.31
查表得=0.6
因此：==
= Mpa
=1.16 Mpa
前已選定軸的材料為45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理。由表查得
=60 Mpa
因此〈 ，故安全滿(mǎn)足要求。
三、軸Ⅲ的強(qiáng)度校核
1、 求軸Ⅲ上的功率，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩
設(shè)，分別為齒輪傳動(dòng)，軸承傳動(dòng)的效率
=0.97 ，=0.98
==5.39=4.87 kw
又 ===454 r/min
于是：=9550000=101990 N mm
2、 求作用在齒輪上的力
因已知低速大齒輪的分度圓直徑為
mm
而 N
==1789.3tan=651.25 N
式中：——軸Ⅲ上大齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，單位為 Nmm
——軸Ⅲ上大齒輪的節(jié)度圓直徑，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)齒輪即為分度圓直徑。單位為mm
——為嚙合角。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)齒輪=。
對(duì)于軸Ⅲ上小齒輪受力
因軸Ⅲ上小齒輪與軸Ⅲ上大齒輪相嚙合，由主軸校核已知=2018.5 N，=734.7 N。
由牛頓第三定律可知
=2018.5 N，=734.7 N
3、 求軸的載荷
首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖（見(jiàn)主軸箱裝配圖）作出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖（如下圖所示）。對(duì)于1000806、1000807型深溝球軸承，起其作用支點(diǎn)在其軸承中心。因此作為簡(jiǎn)支梁的軸的支承跨矩，
++=85+48.4+111.4=244.8mm
3-2 軸的載荷分析圖
從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩和扭矩圖中可以看出截面心是軸的危險(xiǎn)截面?，F(xiàn)將計(jì)算截面C處,,及M的值。
① 確定支座處水平的約束力
由=0和=0可求得：
+=- ①
（）=+（） ②
從而推得：
=292.1 N
= 521.3 N
由，，，可求得：
=-24828.5 Nmm
=127262 Nmm
=199726.48 Nmm
=-69541.42 Nmm
M=127614.24 Nmm
由上可推出：=199726.48
② 確定支座處垂直方向約束力
由=0，=0可求得
+=- ①
（）=+（） ②
將公式=734.7 N，=651.25 N 代入① ②
因此，=90.8 N
=174.2 N
由，，，已知可求得：
=-771.8 Nmm
=47638.25Nmm
=7476 Nmm
=-23244.96 Nmm
M=42656.4 Nmm
由上可推出：=74764 Nmm
由① ②可求得
===213261 Nmm
兩齒輪之間=101990 Nmm
4、 按彎扭和成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
進(jìn)行校核時(shí)通常只校核軸上承受最大的彎矩和扭矩的截面（即危險(xiǎn)截面C）的強(qiáng)度
由式==
對(duì)于圓柱形截面 W=0.1
查手冊(cè)得=0.6
===34.7mps
前已選定軸的材料為45號(hào)鋼，經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)量處理。查手冊(cè)得=60mpa
因此〈，故安全滿(mǎn)足要求。
同理可得軸Ⅰ，軸Ⅱ校核安全。
4.3主軸箱的坐標(biāo)計(jì)算
坐標(biāo)計(jì)算是機(jī)床主軸箱設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問(wèn)題。坐標(biāo)計(jì)算就是根據(jù)已知的驅(qū)動(dòng)軸和主軸的位置及傳動(dòng)關(guān)系。計(jì)算中間傳動(dòng)軸的坐標(biāo)，以便在繪制主軸零件加工圖時(shí)，將各孔的坐標(biāo)尺寸完整地出來(lái)。并用已繪制的坐標(biāo)檢查圖作為傳動(dòng)設(shè)計(jì)的全面檢查。
1、 加工基準(zhǔn)坐標(biāo)架的選擇及確定各主軸的坐標(biāo)
為了便于主軸箱的加工，設(shè)計(jì)時(shí)必須基準(zhǔn)坐標(biāo)架。通常采用直角坐標(biāo)。用xoy表示。它的選擇是根據(jù)主軸箱的安置情況和加工所用設(shè)備條件而定。針對(duì)本設(shè)計(jì)的組合機(jī)床，采用以下的方法確定主軸及驅(qū)動(dòng)軸坐標(biāo)。
①坐標(biāo)架原點(diǎn)選在定位銷(xiāo)孔上。
②坐標(biāo)架的橫架（x軸）選在主軸箱底面，縱軸（Y軸）通過(guò)定位銷(xiāo)孔（如上圖）。這是因?yàn)樽鴺?biāo)架的x軸與主軸箱底面重合，則工藝基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)統(tǒng)一，可減少因基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換引起的加工誤差。
③坐標(biāo)原點(diǎn)確定后，便可以根據(jù)主軸箱設(shè)計(jì)原始依據(jù)圖。在基準(zhǔn)坐標(biāo)架xoy上標(biāo)出各主軸及其驅(qū)動(dòng)軸的坐標(biāo)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求， 兩主軸中心BC=332.5mm，BC與y軸的夾角為，驅(qū)動(dòng)軸在BC的垂直平分線上，點(diǎn)D在主軸箱中心線上。則有：
對(duì)于驅(qū)動(dòng)軸：
X=+sin+sin
=100+31.7+257.3
=389mm
=+cos+sin
=70+163.2+50
=283.2mm
=+sin
=163.4mm
==70
=100
=+cos
=70+326.4=396.4
由以上分析可知驅(qū)動(dòng)軸，主軸Ⅰ，主軸Ⅱ的坐標(biāo)分別是（389，283.2），（163.4，70），（100，396.4）
第5章 結(jié)論
此次畢業(yè)設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的題目是“硬脆材料內(nèi)圓切片機(jī)設(shè)計(jì)”通過(guò)這次設(shè)計(jì)，我對(duì)內(nèi)圓切片技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀有了一個(gè)全面地了解，了解了內(nèi)圓切片技術(shù)在現(xiàn)在以及以后機(jī)械工業(yè)中所起的作用，明白了內(nèi)圓切片技術(shù)的在以后工業(yè)的發(fā)展中所扮演的角色。為自己今后更好的學(xué)習(xí)數(shù)控技術(shù)指明了方向。
通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我對(duì)大學(xué)期間所學(xué)的知識(shí)，進(jìn)行了融會(huì)貫通，有了一個(gè)全新的認(rèn)識(shí)，對(duì)以前許多不太清楚的地方，通過(guò)問(wèn)老師和查資料的方法，已經(jīng)明白了很多，知道了自己以前學(xué)習(xí)的不足，所以以后應(yīng)該更加努力。
此次設(shè)計(jì)，我認(rèn)為最重要的就是使我明白了，無(wú)論做什么事情，要想做好，必須態(tài)度端正；要善于學(xué)習(xí)，時(shí)刻學(xué)習(xí)；做事要嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真，細(xì)致、不怕吃苦，還要有創(chuàng)新精神。
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