畢業(yè)論文
1 主傳動的運動設(shè)計
1．主電機的選定
由總體設(shè)計方案可知：Z5140鉆床的總功率為4kW,轉(zhuǎn)速為1450 r/min，根據(jù)機械設(shè)計手選取電機為JO2-32,其外型見下圖，其安裝尺寸見下表：
機
座
號
D
E
M
N
P
R
JO2-32
28
60
215
180
250
5
4
120
14
415
其螺栓直徑為12mm。
2．轉(zhuǎn)速圖的擬定
擬定立式鉆床的主傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速圖，由總體設(shè)計方按可知：主軸的轉(zhuǎn)速范圍為31.5～1400 r/min，異步電動機的轉(zhuǎn)速為1450 r/min。
1． 選定公比
中型通用機床，常用的公比為1.26或1.41，考慮到適當(dāng)減小本鉆床的相對速度損
失，選定=1.41。
,取Z=12
按標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速數(shù)列為：31，45，63，90，125，180，1250，355，500，710，1000，1450r/min。
2． 選擇結(jié)構(gòu)式
1）確定變速組的數(shù)目和各變速組中傳動副的數(shù)目
大多數(shù)的機床廣泛應(yīng)用滑移齒輪的變速方式，為了滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計和操縱方便的要求，通常采用雙聯(lián)或三聯(lián)滑移齒輪。該機床的變速范圍較大，必須經(jīng)過較長的傳動鏈減速才能把電動機的轉(zhuǎn)速降到主軸所需的轉(zhuǎn)速，故主軸轉(zhuǎn)速為12級的變速系統(tǒng)需要2個或3個變速組，即Z=12=4×3，或Z=12=4×2×2-4,或Z=12=3×2×2。為了結(jié)構(gòu)緊湊和主軸箱不過分的大，故選取Z=12=4×2×2-4.
2）確定不同傳動副數(shù)的各變速組的排列次序
按著傳動順序，各變速組排列方案有：
12=4×2×2-4
12=2×2×4-4
12=2×4×2-4
因本鉆床在結(jié)構(gòu)上有特殊要求，根據(jù)設(shè)計要點，應(yīng)遵守“前多后少”的原則，選擇12=4×2×2-4的方案。
3）確定變速組的擴大順序
根據(jù)“前密后疏”的原則，選擇12=的結(jié)構(gòu)式。
4）驗算變速組的變速范圍
最后擴大組的變速范圍,在允許的變速范圍之內(nèi)。
3． 確定是否需要增加降速的定比傳動副
該銑床的主傳動系統(tǒng)的總降速比為30/1450=1/48，三個變速組的最小降速比都為
1/4，則總降速比為1/64，這樣是無需增加降速的定比傳動副，為使中間的二個變速組降速緩慢，有利于變型機床的設(shè)計，改變降速齒輪副的傳動比，就可以將主軸12級轉(zhuǎn)速一起提高或降低。
4． 分配各變速組的最小傳動比，擬定轉(zhuǎn)速圖
鉆床的電機和輸入軸之間齒輪傳動， 運動由電機經(jīng)彈性聯(lián)軸節(jié)和一對齒輪傳動軸I，再由傳動變速機構(gòu)中的傳動齒輪傳至軸IV，使主軸獲得12級轉(zhuǎn)速。畫出轉(zhuǎn)速圖的格線如圖所示。
① 在軸IⅤ上標(biāo)出12級轉(zhuǎn)速：30～1500r/min,在第Ⅰ軸上用A點代表電動機轉(zhuǎn)速；最低轉(zhuǎn)速用E點標(biāo)出，因此A、E兩點連線相距約17格，即代表總的降速傳動比。
② 決定III軸和Ⅳ軸之間的最小降速傳動比：為了提高主軸運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，主軸上齒輪應(yīng)大一些，能起到飛輪的作用，所以最后一個變速組的降速傳動比取1/3。按公比=1.41，查表可知，，即從E點向上數(shù)3.5格（3lg），在III軸上找出D點，DE傳動線表示Ⅳ-Ⅴ軸間變速組（第二擴大組）的降速傳動比。
③ 決定其余變速組的最小傳動比：根據(jù)降速前慢后快的原則，Ⅲ-Ⅳ軸間變速組（第一擴速前慢后快的原則，II-Ⅲ軸間變速組（第一擴大組），取u=,即從D點向上數(shù)四格（3lg）,在II軸上找出C點，用CD傳動線表示；同理，I-Ⅱ軸見取u=，用BC傳動線表示；0-Ⅰ軸間取u=,用AB線表示。
④畫出各變速組其他傳動線（圖五），-I軸間有一對齒輪傳動，轉(zhuǎn)速圖上為一條AB傳動線。I-Ⅱ軸間為基本組，有四對齒輪傳動，級比指數(shù)，故四條傳動線在轉(zhuǎn)速圖上各相距一格，從C點向上每隔一格取、、點，連結(jié)、B和B得基本組四條傳動線，它們的傳動比分別為、，，。II-Ⅲ軸間為第一擴大組也有二對齒輪傳動，級比指數(shù)=2，二條傳動線轉(zhuǎn)速圖上各相距一格，即和CD,它們的傳比分別為，，。III-Ⅳ軸間為第二擴大組，有三對齒輪傳動，級比指數(shù)，兩條傳動線在轉(zhuǎn)速圖上應(yīng)相距4格，即D,DE,它們的傳動比分別為和。
⑤ 畫出全部傳動線，即鉆床的主傳動轉(zhuǎn)速圖。如前所述，轉(zhuǎn)速圖兩軸之間的平行線代表同一對齒輪傳動，所以畫II-Ⅲ軸間的傳動線時，應(yīng)從、、兩點分別畫CD、、C、的平行線，使III軸得到8種轉(zhuǎn)速。由于特殊理由，畫III-Ⅳ軸間的傳動線時，應(yīng)畫4條與DE平行的線，8條與D平行的線，使主軸得到12種轉(zhuǎn)速。
3．齒輪的確定
1．齒輪齒數(shù)的確定應(yīng)注意以下問題：
1）.不產(chǎn)生根切。一般要求～20。
2）.保證強度和防止熱處理變形過大，齒輪齒根圓到鍵槽的厚度，一般取，則。
3）.同一傳動組的各對齒輪副的中心距應(yīng)當(dāng)相等。若模數(shù)相等時，則齒數(shù)和亦應(yīng)當(dāng)相等。但由于傳動比的要求，尤其是在傳動中使用了公用齒輪后，常常滿足不了上述要求。機床上可用修正齒輪，在一定范圍內(nèi)調(diào)整中心距使其相等。但修正量不能太大，一般齒數(shù)差不能超過3～4個齒。
4）.防止各種碰撞和干涉。
5）.應(yīng)保證最小齒輪裝到軸上或套筒上具有足夠的強度。
6）.保證主軸的轉(zhuǎn)速誤差在規(guī)定范圍之內(nèi)。
2．齒數(shù)的計算
1）.同一變速組內(nèi)模數(shù)相同的齒數(shù)的確定
為了便于設(shè)計和制造，主傳動系統(tǒng)中所采用的齒輪模數(shù)的種類盡可能少一些。在同一個變速組內(nèi)一般都采用相同的模數(shù)，這是因為各齒輪副的速度變化不一樣，受力情況差別不大。
當(dāng)各對齒輪模數(shù)相同，且不采用變位齒輪時，則各對齒輪的齒數(shù)和也必須相等，其間的關(guān)系是：
（3-1）
式中 —主動齒輪的齒數(shù)
—被動齒輪的齒數(shù)
—一對齒輪的傳動比
—一對齒輪的齒數(shù)和
為了保證不產(chǎn)生根切，必須先找出具有最少齒數(shù)的傳動副（一般出現(xiàn)在最高升速或最低降速的傳動副上），確定最小齒數(shù)，然后確定最合適的齒數(shù)和，再根據(jù)傳動比確定其它齒輪的齒數(shù)。
由上面兩個公式得：
（3-2）
一般=17~30,初選=18,參考有關(guān)資料選取m為標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m=3。
由a=()和選取的=1.41，查表2-1《金屬切削機床》，得=76
故=-=76-18=58
所以=(18+58)=114=0.31
===0.31
==31.5÷0.31=101.6r/min
III軸的最高轉(zhuǎn)速 =×=101.6×1.41=1125.r/min
U=1400÷1125.7=1.24
Z=×S==42
Z=S-Z=76-42=34
3·齒輪參數(shù)的確定
分度圓直徑∶ d=mZ=3×42=126mm
d=mZ=3×34=102mm
齒頂高∶ h=m=3mm
齒根高∶ h=1.25m
全齒高∶ h= h+ h
頂隙∶ C= h- h=0.25m=0.75mm
齒頂圓直徑∶ d= d+2 h=126+2×3=132mm
d= d+2 h=108mm
齒根圓直徑∶d= d-2 h=118.5mm
d= d-2 h=94.5mm
齒寬∶ B=13mm
B=18mm
4．齒輪的布置
為了使變速箱結(jié)構(gòu)緊湊，必須合理布置齒輪。因為他直接影響到變速箱的尺寸，變速操縱的方便性和結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的可能性等問題。在考慮主軸適當(dāng)?shù)闹С芯嗪蜕釛l件下，一般應(yīng)盡可能減少變速箱尺寸，但是變速箱的軸向尺寸和徑向尺寸經(jīng)常不可能同時縮小。
為了防止一對齒輪尚未完全脫開，另一對齒輪就開始進入嚙合狀態(tài)，如圖七所示。尺寸L應(yīng)比2B大2～4mm,其中B為齒寬，這是設(shè)計是排列齒輪首先要注意的問題。
第四章 傳動件的估算與驗算
傳動方案確定之后，要進行方案的機構(gòu)化，確定各零件的實際尺寸和有關(guān)布置。為此，常對傳動件的尺寸先進行估算，如傳動軸的軸徑等。在這些尺寸的基礎(chǔ)上，畫出草圖，得到初步結(jié)構(gòu)化的有關(guān)布置與尺寸；然后按結(jié)構(gòu)尺寸進行主要零件的驗算，如軸的剛度、齒輪的疲勞強度等，必要時做結(jié)構(gòu)和方案上的修改，從新驗算，知道滿足要求。
1． 傳動軸的估算和驗算
傳動軸除應(yīng)滿足強度要求外，還應(yīng)滿足剛度要求。強度要求保證軸在反復(fù)載荷和扭轉(zhuǎn)載荷作用下不發(fā)生疲勞破壞。機床主傳動系統(tǒng)精度要求較高，不允許有較大的變形。因此疲勞強度一般不是主要矛盾。除了載荷很大的情況外，可不必驗算軸的強度。剛度要求保證軸在載荷下（彎曲、軸向、扭轉(zhuǎn)）不致產(chǎn)生過大的變形（彎曲、失穩(wěn)、轉(zhuǎn)角）。如果剛度不足，軸上的零件如齒輪、軸承等將由于軸的變形過大而不能正常工作，或者產(chǎn)生震動和噪聲、發(fā)熱、過早磨損而失效。因此，必須保證傳動軸具有足夠的剛度。通常，先按扭轉(zhuǎn)剛度估算軸的直徑，畫出草圖之后，再根據(jù)受力情況，結(jié)構(gòu)布置和有關(guān)尺寸，驗算彎曲剛度。
1） 傳動軸直徑的估算
傳動軸直徑按扭轉(zhuǎn)剛度用下列公式估算傳動軸直徑：
d=91mm
其中： N—該傳動軸的輸入功率
N=kW
—電機額定功率
—從電機到該傳動軸之間傳動件的傳動效率的乘積
—該傳動件的計算轉(zhuǎn)速r/min
計算轉(zhuǎn)速是傳動件能傳遞全部功率的最低轉(zhuǎn)速。各傳動件的計算轉(zhuǎn)速可以從轉(zhuǎn)速圖上，按主軸的計算轉(zhuǎn)速和相應(yīng)的傳動關(guān)系而確定，而中型車、鉆床主軸的計算轉(zhuǎn)速為：
（主）=
[]—每米長度上允許的扭轉(zhuǎn)角（deg/m）,可根據(jù)傳動軸的要求選取。
估算是應(yīng)該注意：
①．[]值為每米長度上允許的扭轉(zhuǎn)角，而估算的傳動軸的長度往往不足一米，因此在計算時應(yīng)按軸的實際長度進行折算和修正。
②．效率對估算軸徑d影響不大，可以不計，也可以用有關(guān)傳動件效率的概略值的積求出。
③．如使用花鍵時，可根據(jù)估算的軸徑d選取相近的標(biāo)準(zhǔn)花鍵軸的規(guī)格。主軸前徑可參考機械設(shè)計手冊的經(jīng)驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定。
2） 傳動軸剛度的驗算
① 軸的彎曲變形的條件和允許值
機床主傳動軸的彎曲剛度驗算，主要驗算軸上裝齒輪和軸承處的撓度y和傾角。各類軸的撓度y和裝齒輪和軸承處的傾角，應(yīng)小于彎曲剛度的許用值[Y]和[]值，即：
y[Y]; []
② 軸的彎曲變形計算公式
當(dāng)軸的直徑相差不大且計算精度要求不高時，可把軸看作等徑軸，采用平均直徑（）來進行
計算，計算花鍵軸的剛度時可采用平均直徑（）或當(dāng)量直徑（）。
計算公式為：
圓軸：平均直徑=
慣性矩I=
矩形花鍵軸：平均直徑=
當(dāng)量直徑=
慣性矩I=
③ 軸的力分解和變形合成
對于復(fù)雜受力軸的變形，先將受力分解成三個垂直平面上的分力，應(yīng)用彎曲變形的公式求出所
要求截面的兩個垂直平面內(nèi)的y和值，然后進行疊加：在同一平面內(nèi)的可進行代數(shù)疊加，在兩垂直平面內(nèi)的按幾何向量合成，求出該截面的總撓度和總傾角。
④ 危險工作條件的判斷
主軸變速箱傳動軸的工作條件有多種，驗算剛度時應(yīng)選擇最危險的工作條件進行。
一般是：軸的計算轉(zhuǎn)速低，傳動齒輪的直徑小且位于軸的中央，這時，軸受力將總變形劇增。如果對二、三種工作條件難以判斷是那一種最危險，就應(yīng)分別進行計算，找到最大彎曲變形值y和。
⑤ 提高軸剛度的一些措施
加大軸的直徑；減少軸的跨距或增加第三支承；從新安排齒輪在軸上的位置；改變軸間的布置方式等。加大軸徑有時受到軸上小齒輪體厚的限制，增加第三支承使軸的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，都不是最有效和最理想的措施，應(yīng)首先從齒輪在軸上的布置、軸的相互方位關(guān)系來改善受力狀態(tài)，看是否在不加大軸徑、不改變軸的基本形式的前提下，提高軸的剛度。
為了提高軸的剛度，有時寧愿多增加一對固定傳動齒輪，增加一根軸，從傳動方案上保證中間軸不會太長。
2． 齒輪模數(shù)的估算和計算
① 估算
按接觸疲勞和彎曲強度計算齒輪模數(shù)比較復(fù)雜，而且有些系數(shù)只有在齒輪各參數(shù)都
已知道后就可確定，所以只在草圖畫完之后效核用。在畫草圖之前，先估算，再選用標(biāo)準(zhǔn)齒輪模數(shù)。
齒輪彎曲疲勞的估算：
齒面點蝕的估算：
其中為大齒輪的計算轉(zhuǎn)速，為齒輪中心距。
由中心距及齒數(shù)，求出齒數(shù)：
根據(jù)估算所得和中較大的值，選取相近的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。
② 計算
結(jié)構(gòu)確定以后，齒輪的工作條件，空間安排，材料和精度等級都已確定，才肯能
核驗齒輪的接觸疲勞和彎曲疲勞強度值是否滿足要求。
根據(jù)接觸疲勞計算齒輪模數(shù)公式為：
根據(jù)彎曲疲勞計算齒輪模數(shù)公式為：
式中：N—計算齒輪傳遞的額定功率N=kW；
—計算齒輪（小齒輪）的計算轉(zhuǎn)速r/min；
—齒寬系數(shù)=b/m, 常取6～10；
—計算齒輪的齒數(shù)，一般取傳動中最小齒輪的齒數(shù)；
i---大齒輪與小齒輪的齒數(shù)比， i=;
—壽命系數(shù)，；
—工作期限系數(shù)，=；
齒輪等傳動件在接觸和彎曲交變載荷下的疲勞曲線指數(shù)m和基準(zhǔn)循環(huán)次數(shù)；
—轉(zhuǎn)速變化系數(shù)；
—功率利用系數(shù)；
n—齒輪的最低轉(zhuǎn)速r/min;
—材料強化系數(shù)。幅值低的交邊載荷可使金屬材料的晶粒邊界強化，起到阻止疲勞細(xì)縫擴散的作用。
3·軸承選擇
根據(jù)軸的數(shù)據(jù),從參考書《機械設(shè)計課程設(shè)計》（第二版）查的
推力球軸承，軸承型號51305。其尺寸參數(shù)為：d=30mm，D=52mm，B =16mm。技術(shù)參數(shù)為：C=21500N =43200N
計算軸承動負(fù)荷C：
（3.10）
式中 ——壽命系數(shù)
——轉(zhuǎn)速系數(shù)
[9] （3.11）
由公式（3.11）得
[9] （3.12）
由公式（3.12）得
把、代入，由公式（3.10）得
=24947N
<28000N
滿足強度要求。
深溝軸承：軸承型號6005，其尺寸參數(shù)為：d=25mm，D=47mm，B =12mm。
軸承型號6206，其尺寸參數(shù)為：d=30mm，D=62mm，B =16mm。
軸承型號6210，其尺寸參數(shù)為：d=50mm，D=90mm，B =20mm。
軸承型號6212，其尺寸參數(shù)為：d=60mm，D=110mm，B =22mm。
軸承型號6305，其尺寸參數(shù)為：d=25mm，D=80mm，B =17mm。
軸承型號6208，其尺寸參數(shù)為：d=40mm，D=80mm，B =18mm。
三.夾具設(shè)計
一 工藝加工過程
1． 模鍛
2． 正火
3． 車小頭端面,鉆尖孔粗車各外圓,留加工余量3mm,倒角
4． 粗車大端?200mm外圓,車內(nèi)肩孔,留加工余量3mm,深度車至尺寸要求.
5． 調(diào)質(zhì)HB217至255
6． 精車各外圓,留加工余量0.3mm
7． 精車?200mm、?50mm和?104mm至圖紙要求，內(nèi)孔?80mm，留加工余量1mm,車端面取總長，鉆大端內(nèi)頂尖孔
8． 車30斜面
9． 鉆?20mm孔留加工余量1mm，孔口倒角
10． 磨小端各外圓至圖紙要求
11． 車?80mm孔至圖紙要求
12． 鏜6-?20mm孔至圖紙要求
13． 洗鍵槽至尺寸
14． 鉆斜孔兩處?8mm至圖紙要求
15． 配鉆?8mm孔
16． 檢驗
二 設(shè)計夾具
為了提高生產(chǎn)率，保證加工質(zhì)量，降低勞動強度，需要設(shè)計專用夾具。
在該零件的夾具設(shè)計中， 選擇第九道工序——鉆6-￠20孔的鉆床夾具。本鉆模用于Z5140立式鉆床中。工件以外圓?70和端面在定位套中定位,6個被加工的孔程環(huán)行均勻分布在平面上。傳動圖以錐柄和機床主軸連接，并用鍥鐵夾緊。機床工作時，主軸通過內(nèi)齒輪帶動6根工作主軸傳動，并與主軸作送進運動。工作主軸多用推力軸承作為支承。鉆模板裝在兩根導(dǎo)桿上，導(dǎo)桿的下端和夾具體上的兩個導(dǎo)孔為間隙配合，以確定鉆模板對夾具的相對位置。隨著機床主軸下降，鉆模板借助彈簧的壓力通過擺塊將工件壓緊。機床主軸繼續(xù)送進，鉆頭即同時鉆削6個孔。鉆削完畢，鉆模板隨機床主軸上升，直至鉆頭退出工件；然后，自動恢復(fù)原始位置。由于鉆模板采用活動連接定位，被加工孔與定位基準(zhǔn)之間的位置精度只能控制在0.05至0.45mm之間。
設(shè)計鉆模板時應(yīng)注意的地方是:
(1) 鉆模板上安裝鉆套的孔之間及孔與定位元件的位置應(yīng)有足夠的精度。
(2) 鉆模板應(yīng)有足夠的剛度,以保證鉆套位置的準(zhǔn)確性,但又不能設(shè)計的太厚太重。鉆模板一般不應(yīng)承受夾緊反力。
(3) 為保證加工的穩(wěn)定性，鉆模板導(dǎo)桿上的彈簧力必須足夠，以使鉆模板在夾具上維持足夠的定位壓力，如果鉆模板本身產(chǎn)生的重力超過800N，則導(dǎo)桿上可不裝彈簧。
該夾具以圓錐面、軸肩和頂尖孔定位，圓錐面和頂尖可消除， ， ， 四個自由度，軸肩消除 自由度。工件繞的自由度可以不限制。
結(jié)構(gòu)示意圖如下：
1.定位基準(zhǔn)的選擇
由零件圖可知，設(shè)計基準(zhǔn)是該頂尖孔的中心線，為了使定位誤差為零，鉆六個孔時，以頂尖孔為第一定位面，軸肩為第二定位面,圓錐面為底三頂位面。
2.切削力
刀具：選直徑為Φ20的直柄麻花鉆，因在鉆孔過程中的鉆削力最大，故只計算這個切削力。
(1).軸向力：查《工藝手冊》表3--36
F=CF·d0XF·ffF·KF 式中CF=833.85，XF＝1，
yF＝0.7，d0＝20mm f＝0.25mm/r
F＝833.85×201×0.250.7×1＝6319.4N
機床轉(zhuǎn)速：查《工藝手冊》表4-4-1，
選n＝400r/min＝6.67r/s
切削扭矩：查《工藝手冊》表3--36
M＝CM·d0XM·fyM ·KM·10-3, 式中 CM=333.54，d0=5，XM=1.9，yM=0.8，KM=1，f=0.25
∴M＝333.54×20×0.250.8×1×10-3
＝34.64N·M
切削功率：Pm＝2π·M·n·10-3
＝2π×34.64×6.67×10-3
＝1.45Kw
（3）定位誤差分析 ：
?20與頂尖孔中心線的位置度公差為0.15mm。
3.夾具元件的設(shè)計
(1).鉆套的選擇
由<<機床夾具設(shè)計手冊>>查得：
孔徑Φ20的鉆套：
d＝20mm H＝32mm D＝35mm，r=2mm，c=0.6mm
四 致謝
我本次設(shè)計的為Z5140立式鉆床的主軸箱及多軸鉆削頭，在設(shè)計的開始覺得有些困難，感覺無從下手。通過老師的耐心指導(dǎo)和自己的學(xué)習(xí)，終于完成了本次畢業(yè)設(shè)計。在設(shè)計過程中我明白設(shè)計是一個不斷發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的過程，使設(shè)計更加完善，但同時也覺得這個設(shè)計還存在很多不足之處有待改進，由于本人學(xué)識有限，不能使其在我手中設(shè)計的更好。在設(shè)計的過程中是深刻地體會到自己所學(xué)實在有限，以后更應(yīng)該努力學(xué)習(xí)，為爭做一個合格的工程技術(shù)人員而不斷努力。
本次設(shè)計是在尊敬的顏競成老師的精心指導(dǎo)和悉心關(guān)懷下完成的。他以其淵博的知識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、開拓進取精神和高度的責(zé)任心,給我的學(xué)習(xí)、工作、生活以很大的影響,使我受益終生。值此論文完成之際,謹(jǐn)向?qū)煴硎局孕牡母兄x,并致以崇高的敬意!
五 參 考 資 料
1.機床夾具設(shè)計 教材
2.機床夾具設(shè)計手冊 機械工業(yè)出版社
3. 機械設(shè)計手冊第二卷 機械工業(yè)出版社
4. 機械設(shè)計手冊第四卷 機械工業(yè)出版社
5. 機床主軸變速箱設(shè)計指導(dǎo) 機械工業(yè)出版社
6. 金屬切削機床 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社
7 組合機床設(shè)計參考圖冊 機械工業(yè)出
8 金屬切削機床設(shè)計 機械工業(yè)出版
9 機械制圖 高等教育出版社
10 機械設(shè)計 高等教育出版社
11幾何量公差與檢測 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社
12 機械設(shè)計課程設(shè)計 華中科技大學(xué)出版社
13 機床設(shè)計圖冊 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社
14 金屬切削機床夾具圖冊 機械工業(yè)出版
15 金屬機械加工工藝人員手冊 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社
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課題研究背景
隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，國民經(jīng)濟各部門所需求的多品種、多功能、高精度、高品質(zhì)、高度自動化的技術(shù)裝備的開發(fā)和制造，促進了先進制造技術(shù)的發(fā)展。同時，隨著社會進步，人們對加工精度的要求越來越高，對精密和超精密加工的需求也日益增多，精密加工廣泛的應(yīng)用于制造生產(chǎn)中，對機床精度的要求也進一步提高。銑鉆工藝是加工孔類工藝的基礎(chǔ)部分，只要銑鉆工藝的加工精度提高了，在后面的加工工藝過程就會更加簡潔，提高加工效率，節(jié)省時間，提高經(jīng)濟效益。
隨著社會的不斷發(fā)展，高效是各個生產(chǎn)商不斷追求的目標(biāo)，數(shù)控技術(shù)得到推崇。
當(dāng)今，銑鉆加工技術(shù)的發(fā)展趨勢是向著采用超硬刀具，發(fā)展高速、高效、高精度銑鉆新工藝，裝備CNC數(shù)控銑鉆床的方向發(fā)展。
一 鉆床介紹
1概述
鉆床系指主要用鉆頭在工件上加工孔的機床。通常鉆頭旋轉(zhuǎn)為主運動，鉆頭軸向移動為進給運動。鉆床結(jié)構(gòu)簡單，加工精度相對較低，可鉆通孔、盲孔，更換特殊刀具，可擴、锪孔，鉸孔或進行攻絲等加工。鉆床可分為下列類型：
(1)臺式鉆床：可安放在作業(yè)臺上，主軸垂直布置的小型鉆床。
(2)立式鉆床：主軸箱和工作臺安置在立柱上，主軸垂直布置的鉆床。
(3)搖臂鉆床：搖臂可繞立柱回轉(zhuǎn)、升降，通常主軸箱可在搖臂上作水平移動的鉆床。它適用于大件和不同方位孔的加工。
(4)銑鉆床：工作臺可縱橫向移動，鉆軸垂直布置，能進行銑削的鉆床。
(5)深孔鉆床：使用特制深孔鉆頭，工件旋轉(zhuǎn)，鉆削深孔的鉆床。
(6)平端面中心孔鉆床：切削軸類端面和用中心鉆加工的中心孔鉆床。
(7)臥式鉆床：主軸水平布置，主軸箱可垂直移動的鉆床。
2.檢驗標(biāo)準(zhǔn)
鉆床相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與其他金屬切削機床相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)大體相同，其專用標(biāo)準(zhǔn)有：GB6477.4-86《金屬切削機床術(shù)語鉆床》，GB2815-89、JB/T5763-91《鉆床聯(lián)接尺寸標(biāo)準(zhǔn)》，GB9461-88、JB/Z108-89《搖臂鉆床參數(shù)及系列型譜標(biāo)準(zhǔn)》，GB4017-97、JB/T6335-92《搖臂鉆床精度及技術(shù)條件》，JB/GQ1092-86、JB/GQ1087-86《滑座搖臂鉆床精度及技術(shù)條件》，JB4242.1～JB4242.3-86、JB/T6336-92《萬向搖臂鉆床精度及技術(shù)條件》，GB2813-89、JB/Z13689《臺式鉆床參數(shù)及系列型譜》，JB5756-91《臺式鉆床主軸端部》，JB/T5764-91《臺式鉆床主軸技術(shù)條件》，JB5246-91《臺式鉆床精度》，JB/T3061-92《臺式鉆床技術(shù)條件》，GB2814-89、JB/Z125-89《立式鉆床參數(shù)及系列型譜》，GB4019-97、JB/T3769-93《方柱立式鉆床精度及技術(shù)條件》，GB4018-83、JB/T3768-93《圓柱立式鉆床及技術(shù)條件》，JB3756-84《輕型圓柱立式鉆床精度》，JB4148-85《十字工作臺立式鉆床精度》等，出口產(chǎn)品不得低于一等品。
3.檢驗項目
除按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)檢驗外，其專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的主要檢驗項目有：
①底座工作臺面的平面度。
②工作臺面的平面度(搖臂鉆無此項)。
③工作臺跳動(搖臂鉆無此項)。
④主軸錐孔軸線的徑向跳動。
⑤主軸回轉(zhuǎn)軸線的徑向跳動。
⑥主軸回轉(zhuǎn)軸線對底座工作面垂直度。
⑦主軸套筒垂直移動對底座工作面垂直度。
⑧主軸在主軸軸向力作用下主軸軸線對工作臺面垂直度的變化。
此外，搖臂鉆床還應(yīng)檢驗：
①搖臂轉(zhuǎn)動對底座工作面平行度。
②夾緊立柱和主軸箱時主軸軸線的位移量。精度檢驗時必須參照J(rèn)B2670-82《金屬切削機床精度檢驗通則》進行。
二. 精密設(shè)計的元素
在精密儀器和機床的很多部分，要經(jīng)過反復(fù)的祥和作用來達到最后的精度。由于誤差會產(chǎn)生幾何學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)的影響，每一個部分都會影響到整體的精度。盡管實行了這些影響因素的相互作用在整個系統(tǒng)活動中有重要作用，但這里主要是分離的介紹這些因素。
整篇論文的術(shù)語：儀器和機器都用來表示一種儀器。度量衡學(xué)的術(shù)語根據(jù)“國際大眾度量衡學(xué)術(shù)語詞匯表”定義的。在精密設(shè)計中，相對于純粹的度量衡學(xué)、精密定位和機床刀具路徑，有關(guān)機器和儀器的更是關(guān)鍵信息。因此，下列給出的定義，是從上面提到的國際詞匯表的擴大。
.加工精度：加工的實際數(shù)量等級的理想等級之間的差別，描述了質(zhì)量上的精度。
.加工誤差：與加工結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)，描述可以合理的歸因于數(shù)量的等級的離中趨勢。
.精度：可以從只是裝置中讀出的指示度數(shù)的最小刻度。
.（加工結(jié)果的）重復(fù)性：在相同條件下成功加工相同量的結(jié)果間的差值。
.重現(xiàn)性：在不同條件下加工結(jié)果間的差別。
其他關(guān)于測量和制造機器的定義在[]和[]中分別給出，ISO準(zhǔn)則中給出了定量的描述。在布賴恩有關(guān)于“軸的旋度”的個別指導(dǎo)中描述了從20年代30年代末到現(xiàn)在的實際精密汽車轉(zhuǎn)向節(jié)和周的檢驗?zāi)Ｊ絒Bryan,1996]。
1.幾何圖
在最初的機器和儀器設(shè)計中，幾何圖是設(shè)計者對于及其所應(yīng)具有的結(jié)構(gòu)的意向。在最初階段，幾何圖通常包括一些基本形狀。例如，用圓柱體或管子表示軸，用梁或者封閉的盒子結(jié)構(gòu)標(biāo)志支撐物，用平面或柱狀表示導(dǎo)向部分。但是，在實際中，這些理想的形狀不能被復(fù)制，由于受機床精度限制，直線永遠不可能完全直，而且元也不可能完全圓。這里，仔細(xì)選擇加工工序是應(yīng)特別注意提高零件的精度。在加工過程中，越多運動的軸將導(dǎo)致更多的錯誤，盡管額外的軸的微小運動可能會對幾何誤差有一定的補償。
精度不僅僅受肉眼的形狀誤差影響，也受肉眼偏差影響，例如表面光潔度。在整體加工中，這是很多應(yīng)用中的必須因素。在接觸關(guān)系中，磨對于表面光潔度的影響是明顯的。夾住的部分間的聯(lián)系對表面光潔度的影響就不太明顯，但是當(dāng)剛度、阻尼、磁滯和熱傳導(dǎo)率和熱擴散型等性質(zhì)相關(guān)時就是必需的了。幾何圖不僅在加工過程中修改，如果沒有足夠的隔離（例如隔振、隔熱），幾何圖就會受環(huán)境影響，例如，大部分材料的元件，在溫度變化影響下的膨脹和變形，對于未加封的的自然花崗巖，它結(jié)構(gòu)的形狀取決于水汽的進入。其他一些影響幾何圖的因素有：振動、電器和磁場。很多材料的使用壽命取決于空間的變化。
同樣介紹了非理想的形狀，因為實際上機器時有很多零部件裝配而成的。這里，對形式和力的接近的解釋和單塊結(jié)構(gòu)和用螺釘或膠合的裝配結(jié)構(gòu)間的選擇的考慮是必要的。在裝配時，零部件可以用非常精確的特殊機床加工[]，盡管在接觸面的滯后作用可以會對整個在現(xiàn)性產(chǎn)生消極影響。在傳統(tǒng)形式中，對于閉環(huán)裝配部件要有窄的公差，否則會產(chǎn)生反接力，在錯誤測量情況下，就會在裝配時引入搞得不明確的壓力。力的封閉結(jié)構(gòu)從另一方面解決了這個問題，它采用靜態(tài)聯(lián)系方法，例如運動學(xué)的、半運動學(xué)的[]或者未運動學(xué)的[]設(shè)計聯(lián)系，因此，大大減小了幾何形狀誤差，甚至在力封閉結(jié)構(gòu)中，一些幾何誤差，例如：導(dǎo)向軸方形誤差和平面誤差將會影響整個精度。但是這些誤差都是可以減小的，而且有可能采用軟件補償來減少。
由于機器的機械結(jié)構(gòu)的剛度有限，所以幾何位置在有載荷的情況下就會發(fā)生變化。特別是黨在和產(chǎn)生的位置和尺寸的變化時，將嚴(yán)重的影響機器的工作。當(dāng)有了正確的模型，這些誤差都可以預(yù)測和彌補[]。
另一個關(guān)系到幾何圖的問題是：工件的定位。對于加工和測量機床，工件的定位必須保證在夾具內(nèi)不產(chǎn)生變形。同時，工件必須牢固的固定在機床的框架或工作臺上，而且，特別提到的是：在加工時，工件的熱膨脹不能產(chǎn)生過大的壓力。關(guān)系到定位問題的是：在高精密儀器重要是應(yīng)傳感器的襯墊物。這就是運動的和半運動的設(shè)計重點。
2. 運動學(xué)
機床往往不是靜止的，用運動學(xué)關(guān)系來描述就是：不同的部分有不同的運動。這些結(jié)構(gòu)和機構(gòu)的數(shù)學(xué)描述之描繪了理論發(fā)生什么，只基于理論長度、理論位置和理論圓弧的。但是，在實際中，這些因素都是在一定精度下保證的，因此，在實際的形式、速度和加速度等細(xì)節(jié)方面與理想的形式有所不同。
在現(xiàn)代機床中，位置是由多個機械部分聯(lián)合產(chǎn)生的，例如，侍服控制系統(tǒng)中的促動器和傳感器。促動器的公路和速度、傳感器分析、控制方法和機械重現(xiàn)性等因素共同決定了規(guī)定方法的精度。在多于一根軸被控制的情況下，軸的同步性是影響精度的另一因素。例如，在銑圓弧外形時，要同時控制兩個正交軸。
3. 動力學(xué)
事實上，機床不是靜止的，包含有多個加速部分，意味著在加工過程中動力學(xué)效應(yīng)將起到重要的作用。一個將相對位置不確定的加速度影響減到最小的方法是選擇合適的輪廓，例如，在第二引出物中不包含突漲的曲率，例如，用傾斜的正弦來代替拋物線。防止振動和錯誤運動同樣可以有效的減少動力位置誤差。零部件本身就可以按最小受力設(shè)計。若零部件是旋轉(zhuǎn)的，對稱結(jié)構(gòu)就有利于減少不平衡，同時全部的慣性的都可以減小，直線運動時，應(yīng)保持質(zhì)量小，并且應(yīng)盡可能靠近軸驅(qū)動。
另外一個決定機床對動力影響的因素是剛度。一般為了減小受力、增大剛度，不僅跟材料的質(zhì)量和種類有關(guān)，而且和分布也有關(guān)系。通常動力障礙有外部產(chǎn)生，例如地板和聲音的振動。這些情況下，剛度、質(zhì)量比對于減小輸入相應(yīng)是必需的。是機床和障礙隔離可以直接減小輸入
4. 熱循環(huán)
熱循環(huán)的定義是：“在溫度變化時，一條經(jīng)過決定具體部件間相對位置的機械部件集合的路徑，原則上，熱循環(huán)應(yīng)盡量減小，以減小空間熱斜率的影響。機床熱循環(huán)中的熱膨脹又通過兩種方法：改變機床零件的有效長度或選擇合適的熱膨脹系數(shù)。定位的點和軸，可通過建立熱中心來選擇，如圖3.5所示。盡管熱膨脹系數(shù)在0.5×10-6oC內(nèi)才可測得[Breyor,1991]，但熱膨脹的影響可通過測量不同溫度下零件的膨脹程度[Kunzmann,1988]和選擇合適的定位點建立相等的熱長度來減小。
為了獲得在空氣調(diào)節(jié)裝置大廳中0.5/day和在隨氣候變化的小屋中0.1/day的熱穩(wěn)定性還是個問題[Breyor,1991]。熱源被限于機床內(nèi)部或外部會導(dǎo)致機床溫度外形的變化。由于相同的機床元件有不同的熱時間，這可能會導(dǎo)致在熱循環(huán)中的不等熱膨脹（見5.5部分）。因此，Donaldson強烈推薦，并在它的關(guān)于機床刀具[Donaldson，1980]的出版物中作為一個原理。就是：在熱源處把熱量帶走。Wetzels曾利用一個整體熱源來檢驗一個人機床穩(wěn)定性問題。移開熱源之后，利用一條規(guī)則可以減小熱趨勢。
5.結(jié)構(gòu)鏈
根據(jù)[ANSI,1992]，結(jié)構(gòu)鏈定義為：“機械零件的裝配，以保持指明的部件間的相對位置，一對典型的指明的部件是刀具和工件：結(jié)構(gòu)鏈包括主軸、軸承和軸套、導(dǎo)軌和機架、發(fā)動機和刀具、夾具?！睆陌l(fā)動機到響應(yīng)點的傳動路徑中全部機械零件和連接處，例如，最尾受動器（切削刀具或探針）或重力中心，必須具有高剛度以避免在改變載荷情況下的變形。機床或儀器的設(shè)計包括一個或多個結(jié)構(gòu)鏈。
在一個認(rèn)為是好的結(jié)構(gòu)鏈設(shè)計中必須的是連續(xù)和平行路徑的分離。在連續(xù)路徑上，剛度不能突然變化。連續(xù)路徑的改進方法是：通過把材料從最穩(wěn)定的部分轉(zhuǎn)移，從使最柔性的部分剛度增加。平行路徑的改進方法則相反：改進剛度最大的部分——為了系統(tǒng)質(zhì)量相等——到更柔性的平行路徑。
由于物理限制，一個封閉鏈系統(tǒng)的測量系統(tǒng)不可避免的在離最尾受動器一定距離處攝制。除了友好的結(jié)構(gòu)鏈設(shè)計外，測量系統(tǒng)和最尾受動器間的路徑必須盡可能是剛度大，以減小偏差，例如，減小路徑長度，叫做“測量歡”[Kunzmann,1996]。
7.動力補償
通過把正確的機械設(shè)計和閉環(huán)控制結(jié)合起來，可實現(xiàn)增大運動速度、精度和運動適應(yīng)性。典型的例子有：壓縮光盤播放器，高級CNC銑床和車床和快速零件裝配機床。隨著伺服定位控制裝置的發(fā)展，判斷傳動裝置是如何傳遞力的，以抵消慣性引起的力，例如刀具或者測量力、摩擦力等。如“十一條原理”[McKeown,1986,1987,1997]中闡述的，動力應(yīng)該安裝在直接驅(qū)動軸的位置。如果不行，由軸引起的偏差——叫做動力補償——包括機床導(dǎo)軌的動差。如果發(fā)動機和測量軸在旋轉(zhuǎn)中心的同一側(cè)，那么，導(dǎo)軌在它的可控性下合成旋轉(zhuǎn)的影響會減小。
8.靜態(tài)分析
機床和儀器的結(jié)構(gòu)鏈能被類似的靜態(tài)力所影響，例如，改變慢速移動的機床部件的重量，輕微的改變切削力[Spaan,1995]和又鋼絲繩空氣管和真空管引起的力。加速度理由更高的頻率，將在下一段中討論。
由于機床元件的剛度有限，例如軸承、主軸、箱體、包括齒輪齒條和聯(lián)結(jié)，上述提到的力將會引起刀具和探針的位置誤差。第一種方法，用以簡單線性彈性理論或Hertzian聯(lián)系理論為基礎(chǔ)的方法計算剛度可以輕易的估計偏差。如今，可利用高級軟件包如Unigraphics,I-DEAS,Algor,Pro-Engineer[FEM,1998]對復(fù)雜平面結(jié)構(gòu)、軸承、支承和單一材料和復(fù)合材料的3D實體進行線性和非線性分析（見5.1部分）。該領(lǐng)域一種有趣的方法在[Reinhart,1997]中有報道，他描述了在設(shè)計階段早期進行綜合FEM分析的3D-CAD,叫做：“實體樣板”。
9.動態(tài)分析
由于機床結(jié)構(gòu)一般是由許多不同的零件裝配而成的，可以被視為質(zhì)量合理的復(fù)合體，所以整個結(jié)構(gòu)須根據(jù)這些元件間的相互作用而行動。[Timoshenko,1974]。關(guān)于這個項目出版了很多好的書，如[RaO,1990].
由于大部分驅(qū)動系統(tǒng)都在質(zhì)量中心上做直線運動，慣性將會引起機床部件的旋轉(zhuǎn)，主要是由于齒輪系統(tǒng)和聯(lián)結(jié)的剛度有限。在高精機床中，例如3D-CMMs，即使是低的加速度也會給測量精度帶來很大的影響。
機床的動力將會給系統(tǒng)工作帶來很大影響，位置精度和跟蹤精度會因為結(jié)構(gòu)中的機械階躍響應(yīng)而被大大減小。再加上到規(guī)和主軸慣性作用引起的輕微的加速度，振動狀態(tài)取決于固有頻率和阻尼大?。ㄒ?.1.2節(jié)）。
為了預(yù)知內(nèi)部振動引起的偏差，對機床動力的建模分析是非常重要的，例如找出最低的固有頻率和在一定的頻率范圍內(nèi)機床結(jié)構(gòu)的振動模型（由伺服系統(tǒng)的帶寬限制）。重量輕的（動）剛度設(shè)計對于決定機床元件最低自然頻率和靜剛度是非常重要的。
機床結(jié)構(gòu)中的傳動裝置的相互作用力將會引起不能允許的偏差，特別是對高精度機床入晶片步進器和非旋轉(zhuǎn)對稱零件制造應(yīng)用的快速刀具伺服系統(tǒng)的SPDT機床。由于機架的質(zhì)量有限，和地面的聯(lián)結(jié)剛度有限，反作用力就會引起共振（見3.7部分）[Weck,1995b], [Weck,1997],[Renkens,1997],[Rankers,1997]。圖4.3簡單說明了上述因素的影響。
對于復(fù)雜系統(tǒng)如切削機床和晶片步進器，對整個機床進行建模和評估會使效率很低而耗時大。因此[Rankers,1997]建議將整個系統(tǒng)按基礎(chǔ)和元件成功的分割，分別對他們建模和分析。隨后將這些模型合成一個整體系統(tǒng)模型，用于整個機床的固有頻率和振動模型的外形分析。
動力模型，例如塊狀質(zhì)量模型，對于分析選中的想法的動力行為是很有幫助的。這個模型包括由一系列機械條件所聯(lián)結(jié)起來的很多質(zhì)量，可以用一套差分方程表示。模型還原技術(shù)[Hoek,1992-1980],[Ewins,1984],[Rankers,1997]。為該目的，可應(yīng)用4.3節(jié)中的靜態(tài)模型確定固有頻率和質(zhì)量，質(zhì)量慣性和重心位置。應(yīng)用于SPOT機床中的陶瓷導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，在圖4.4中描述了模型形狀分析的結(jié)果。[Vermeulen,1996a]。