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南京工程學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯
原 文 題 目：Vector modeling of robotic helical milling
hole movement and theoretical analysis on roughness of
hole surface
原 文 來(lái) 源：Central South University Press and
Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013
學(xué) 生 姓 名： 陳志斌 學(xué) 號(hào)： X00231120510
所在院(系)部： 工業(yè)中心
專 業(yè) 名 稱： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
J.Cent.South大學(xué)（2013）20：1818年至1824年
DOI：10.1007/ sll771-013-1678-5
機(jī)器人螺旋銑孔運(yùn)動(dòng)矢量建模與
孔加工表面粗糙度的理論分析
SHAN Yi-cai(單以才)，HE Ning(何寧)，LI Liang(李亮)，ZHAO wei(趙威)，YANG Yin-fei(楊吟飛)
1南京航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，南京210016，中國(guó);;
2南京信息技術(shù)學(xué)院，南京210046，中國(guó)
◎中南工業(yè)大學(xué)出版社和施普林格出版社柏林海德堡2013
摘要：為了避免過(guò)多的軸向力的故障，在復(fù)雜的流程和頻繁換刀鉆孔機(jī)器出現(xiàn)的問(wèn)題，新的制孔技術(shù)（即螺旋銑孔）中引入了設(shè)計(jì)一種新的機(jī)器人螺旋銑孔系統(tǒng)。這可能會(huì)進(jìn)一步提高機(jī)器人的銑孔，在飛機(jī)數(shù)字化裝配能力。分析螺旋銑孔的特點(diǎn)后，總結(jié)兩個(gè)典型的機(jī)器人螺旋銑孔系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和局限性。然后，在矢量分析法上建立螺旋銑孔運(yùn)動(dòng)矢量模型。最后，表面粗糙度的計(jì)算公式是根據(jù)螺旋銑孔的運(yùn)動(dòng)原理，那么的主影響推導(dǎo)對(duì)表面粗糙度工藝參數(shù)進(jìn)行了分析。分析表明，孔理論表面粗糙度變窮人的工具速比和公轉(zhuǎn)半徑的增加。與此同時(shí)，粗糙度根據(jù)工具的增加而減小齒數(shù)。這項(xiàng)研究大大有助于粗糙度預(yù)測(cè)模型的螺旋銑孔加工。
關(guān)鍵詞：螺旋銑孔;機(jī)器人制孔系統(tǒng)，矢量建模;理論表面粗糙度
1 引言
隨著成功研制國(guó)內(nèi)區(qū)域的航空公司ARJ.700和大飛機(jī)C919，更多的關(guān)注都集中在如何提高質(zhì)量和裝配孔的效率，在平面最終組裝階段[1-2]。由于這種優(yōu)點(diǎn)自動(dòng)化程度高，良好的柔韌性和低成本，由于這些優(yōu)點(diǎn)，自動(dòng)化程度高，柔韌性好，成本低，在大型和超大型飛機(jī)中機(jī)器人制孔系統(tǒng)正逐漸成為未來(lái)智能化的主要技術(shù)。
為了滿足高效和精確的孔制定的要求，新的機(jī)械手制孔系統(tǒng)相繼出現(xiàn)。目前，常用的技術(shù)是關(guān)節(jié)機(jī)器人鉆孔技術(shù)。是考慮在低剛性和差承載力的串聯(lián)機(jī)械手固有的缺陷，本鉆孔系統(tǒng)的應(yīng)用受到限制。近日，波音和Electroimpact公司聯(lián)合開發(fā)的靈活的軌道自動(dòng)送鉆系統(tǒng)，其中真空吸盤吸附在工件表面上實(shí)現(xiàn)鉆孔?，F(xiàn)在，鉆井系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用在波音787，波音777和A380上。
西班牙M.Torres公司設(shè)計(jì)了爬壁機(jī)器人自動(dòng)鉆孔系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，鉆孔裝置安裝在機(jī)器人上在真空卡盤上完成吸附功能。所以，可避免特殊輔助工具。由于上述系統(tǒng)都使用真空吸附技術(shù)，這兩個(gè)鉆孔系統(tǒng)無(wú)法適應(yīng)大的軸向力的場(chǎng)合。因此，這兩個(gè)系統(tǒng)僅在小孔使用。隨著航空部件制成的大洞的不斷增加難切削材料（尤其是鈦合金，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和高強(qiáng)度航空鋁合金），迫切需要開發(fā)高效率，高精度的新鉆孔系統(tǒng)[5-7]。
螺旋銑孔（即軌道銑孔），是新技術(shù)，它利用研磨的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)打孔.T001運(yùn)動(dòng)技術(shù)常規(guī)鉆孔的不是一個(gè)簡(jiǎn)單的組合和銑削，但是三維螺桿的相對(duì)運(yùn)動(dòng)刀具和工件。螺旋銑孔的過(guò)程包括圍繞刀具的刀具旋轉(zhuǎn)軸三個(gè)動(dòng)作，刀具軸向進(jìn)給，刀具圍繞孔的軸線公轉(zhuǎn)。該技術(shù)可以使不同的孔不斷變化的工具，位置精度，幾何精度和表面粗糙度變化的工具，滿足需求[8-9]。因此，新的機(jī)器人制孔系統(tǒng)基于螺旋銑孔技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，在航空，航天領(lǐng)域和造船等[1 0-1 3]。然而，在切割過(guò)程機(jī)器人螺旋銑孔一直沒(méi)有深研究。在這項(xiàng)工作中，機(jī)器人螺旋的造型矢量銑孔是在孔理論上的表面粗糙度進(jìn)行建立和深入研究的。
2螺旋銑孔的特點(diǎn)和基于兩個(gè)典型的加工方法關(guān)節(jié)機(jī)器人
2.1螺旋銑孔的特性
螺旋銑孔的原理如圖1所示[14]。在螺旋銑孔，主運(yùn)動(dòng)是刀具的高速旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是相對(duì)于工件的刀具的螺旋進(jìn)給。該進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是刀具和工件之間的公轉(zhuǎn)進(jìn)給組合運(yùn)動(dòng)和軸向進(jìn)給。因此，螺旋銑孔有以下特點(diǎn)：
工件
螺旋路徑
刀具
：進(jìn)給在軸線方向
：刀具旋轉(zhuǎn)速度
：刀具轉(zhuǎn)速
孔中心線
刀具中心線
：刀具旋轉(zhuǎn)半徑
圖1 螺旋銑孔的示意圖
1）由于旋轉(zhuǎn)半徑存在，孔直徑是由刀具直徑和旋轉(zhuǎn)半徑來(lái)確定。所以，銑孔技術(shù)具有良好的彈性。
2）旋轉(zhuǎn)半徑可在線路進(jìn)行調(diào)整。因此，螺旋銑削不僅可生成圓柱孔和圓錐孔，而且有正確的位置誤差。此外，它提高了孔的加工精度。
3）不連續(xù)的螺旋銑削實(shí)現(xiàn)短暫切屑，?這有助于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排屑和提高孔的質(zhì)量。
4）不連續(xù)的螺旋銑削要保證刀具足夠的冷卻時(shí)間。同時(shí)，較小的刀具直徑有助于受熱刀具的耗散。這樣，刀具具有在低的溫度加工。
5）相對(duì)于傳統(tǒng)的鉆孔，螺旋銑孔大大降低軸向力。因此，該研磨方法是適用于制造精確的硬質(zhì)固化材料的孔。
2.2兩種典型的加工方法
據(jù)螺旋送進(jìn)的實(shí)現(xiàn)形式，機(jī)器人螺旋銑孔有兩種典型的加工方法。在第一加工方法。螺旋送進(jìn)是通過(guò)刀具軸向進(jìn)給和工件旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。如圖2所示（一）。另一種方法使用刀具的軸向進(jìn)給和工具的公轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)螺旋銑削，原理示于圖2（b）。
工件
末端執(zhí)行單元
機(jī)器人
工件
末端執(zhí)行單元
B
圖2 兩種典型的加工方法螺旋銑削保持（一）工件運(yùn)動(dòng)插值;（二）工具轉(zhuǎn)
在圖2（a）中，兩個(gè)線性運(yùn)動(dòng)的插值實(shí)現(xiàn)工件旋轉(zhuǎn)。為了保證良好的精度，這種加工方法在處理上有較高的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)加速度，剛度和硬度要求的特性。因此，世界各地的學(xué)者們通常會(huì)選擇螺旋銑孔，通常選用世界各地高速精密加工中心。由于螺旋送進(jìn)是由工件裝載平臺(tái)和主軸完成的，螺旋研磨孔的過(guò)程中很容易實(shí)現(xiàn)。然而，工件體積由裝載平臺(tái)的尺寸的限制。
在圖2（b）所示，通過(guò)刀具公轉(zhuǎn)完成圍繞孔的軸線。第二種加工方法可以避免由于插值的加工誤差運(yùn)動(dòng)。為主軸實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，軸向進(jìn)給并同時(shí)公轉(zhuǎn)，不必調(diào)整工件的嵌入姿勢(shì)。因此，第二方法是很適合于在大和超大型工件的自動(dòng)制孔制造。但是，它需要復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
3機(jī)器人螺旋銑削孔矢量模型
3.1機(jī)器人螺旋銑削系統(tǒng)工作流程
機(jī)器人螺旋磨邊系統(tǒng)主要由機(jī)器人平臺(tái)，末端執(zhí)行器的制孔，自動(dòng)測(cè)量設(shè)備尋求孔標(biāo)記點(diǎn)和控制平臺(tái)。末端執(zhí)行器和自動(dòng)測(cè)量裝置安裝在機(jī)器人平臺(tái)。螺旋磨邊之前，末端執(zhí)行器是由機(jī)器人平臺(tái)的自動(dòng)測(cè)量設(shè)備的引導(dǎo)下發(fā)送到特定位置。用于確定所述孔標(biāo)記點(diǎn)的檢測(cè)算法在參考文獻(xiàn)中所示。[5]。在結(jié)束時(shí)，端部執(zhí)行器是實(shí)現(xiàn)螺旋磨邊的運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人螺旋磨邊系統(tǒng)的工作過(guò)程中顯示如圖3所示。
3.2工件運(yùn)動(dòng)插值與螺旋銑孔的矢量模型
雖然已經(jīng)提出進(jìn)行了深入研究螺旋銑削孔的運(yùn)動(dòng)學(xué)，運(yùn)動(dòng)矢量模型的研究，目前仍然缺乏。開發(fā)基于螺旋銑削技術(shù)的機(jī)器人制孔系統(tǒng)，矢量方程應(yīng)該找到來(lái)形容螺旋銑削孔的運(yùn)動(dòng)。因此，從根本上矢量模型需要在空間中的坐標(biāo)系統(tǒng)來(lái)建立。圖4給出了當(dāng)工件移動(dòng)螺旋銑孔的基本矢量模型。為了易于學(xué)習(xí)，工件插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)取代有工件旋轉(zhuǎn)。根據(jù)由自動(dòng)測(cè)量設(shè)備檢測(cè)出的孔標(biāo)記點(diǎn)的姿勢(shì)，一個(gè)新的絕對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)被建立在模型中。這兩個(gè)相對(duì)坐標(biāo)系和除z外，都涉及到工件上。這兩個(gè)坐標(biāo)系的平移和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)標(biāo)注孔點(diǎn)與末端執(zhí)行器之間。相關(guān)刀具相對(duì)坐標(biāo)系刀具的軸向進(jìn)給坐標(biāo)系和刀具旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。編譯坐標(biāo)系統(tǒng)由的沿向量和的平移形成。在，的原點(diǎn)由刀具軸向進(jìn)給矢量描述。該刀具旋轉(zhuǎn)載體描述加工運(yùn)動(dòng)過(guò)程中切削刃的位置向量。切削刃在的位置矢量通過(guò)刀具軸向進(jìn)給向量，刀具旋轉(zhuǎn)矢量和兩個(gè)軸向偏差向量和的合成。
---孔數(shù)
---刀具直徑
---孔直徑
結(jié)束
螺旋銑孔
調(diào)整
換刀
手眼校準(zhǔn)
步入制作孔的工作狀態(tài)
末端執(zhí)行器姿勢(shì)調(diào)整結(jié)束
機(jī)器人移動(dòng)到在測(cè)試點(diǎn)
刀具中心點(diǎn)校準(zhǔn)
大型工件孔位置標(biāo)記點(diǎn)
圖3 機(jī)器人螺旋銑孔工作進(jìn)程
圖4 螺旋銑孔矢量模型與工件的運(yùn)動(dòng)插值
在圖4中，刀具由逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)在上的刀具旋轉(zhuǎn)矢量被表示為
兩個(gè)軸向偏差矢量顯示在如下：
其中是刀具安全高度。
從中的轉(zhuǎn)換矩陣被給定為
其中，表示軸向進(jìn)給距離時(shí)工件公轉(zhuǎn)了一圈。是工件轉(zhuǎn)速。表示工件的旋轉(zhuǎn)角度。
當(dāng)轉(zhuǎn)換到需要新的平移矩陣：
從轉(zhuǎn)換矩陣由描述
其中是工件旋轉(zhuǎn)角度。
中的前沿位置矢量P是獲得：
上述表達(dá)式是當(dāng)工件使螺旋銑孔插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)基本矢量模型。
3.3刀具螺旋銑孔公轉(zhuǎn)的矢量模型
在圖2（b）中，沒(méi)有必要調(diào)整工件在構(gòu)成螺旋銑孔。因此，向量模型與工具公轉(zhuǎn)螺旋銑孔是建立在圖5。在這種模式下，一個(gè)新的絕對(duì)坐標(biāo)系值也建立了基于孔的位置
機(jī)器人標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)系｛｝。的原點(diǎn)是孔標(biāo)記點(diǎn)。末端執(zhí)行器的工作協(xié)調(diào)制度的建立，為了滿足相關(guān)需求端之間位置效應(yīng)和標(biāo)記點(diǎn)。
其他三個(gè)相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)刀具公轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)中，刀具軸向進(jìn)給坐標(biāo)系統(tǒng)，和刀具旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)。在時(shí)，為原點(diǎn)是由刀具安全高度的矢量描述。該工具公轉(zhuǎn)矢量E描述的合原點(diǎn)。刀具軸向進(jìn)給矢量和旋轉(zhuǎn)載體對(duì)應(yīng)于在圖4所示的矢量和。我們定義數(shù)作為切削刃在的位置矢量。這里，是四個(gè)矢量作為，，和的組合。
圖5 螺旋銑孔刀具公轉(zhuǎn)矢量模型
從到的變換矩陣給出
當(dāng)轉(zhuǎn)換到，新需要平移變換矩陣：
來(lái)自的變換矩陣為被描述為公式（8）?從轉(zhuǎn)換矩陣被描述為式（9）
中的前沿位置矢量是表示為
表達(dá)(10)是螺旋的基本矢量模型銑孔與刀具公轉(zhuǎn)。
4計(jì)算和孔表面的分析粗糙度
在螺旋銑孔的過(guò)程中，孔表面粗糙度Rz直接影響磨損性，耐疲勞性，和應(yīng)力腐蝕的工件特征抵抗性。因此，高度重視應(yīng)該對(duì)表面粗糙度。根據(jù)刀具運(yùn)動(dòng)原理，可以在孔表面粗糙度進(jìn)行理論分析。
圖6示出用于計(jì)算孔表面的模型粗糙度。當(dāng)?shù)毒咝D(zhuǎn)一個(gè)齒，刀具旋轉(zhuǎn)角度是
其中Z是刀具齒數(shù)，是刀具的變速比自轉(zhuǎn)和刀具公轉(zhuǎn)。
從圖6中，孔表面粗糙度Rz表示如
中，表示從點(diǎn)到點(diǎn)的距離，其被描述為
當(dāng)代方程（11）和式（13）成等式（12），我們獲得以下公式：
軌道刀具中心點(diǎn)
孔
第i刀具路徑
工件
第（i +1）個(gè)刀具路徑
圖6 孔表面粗糙度理論計(jì)算模型
孔表面粗糙度圖6理論計(jì)算模型等式（14）是表面的理論公式粗糙度螺旋銑孔。粗糙度是由刀具齒數(shù)，刀具直徑，旋轉(zhuǎn)速度。轉(zhuǎn)速和公轉(zhuǎn)半徑幾個(gè)參數(shù)來(lái)確定。
當(dāng)?shù)毒咧睆綖?2mm和孔徑為23毫米，在圖7中示出的是表面粗糙度與刀具齒數(shù)和速度比的關(guān)系。表面刀具牙齒和速比的降低粗糙度增大。在這里，刀具齒數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響明顯。兩個(gè)參數(shù)對(duì)孔表面粗糙度低傳動(dòng)比和小刀具數(shù)加工尤其是當(dāng)顯著的影響。
圖8顯示了在三個(gè)參數(shù)的表面粗糙度，旋轉(zhuǎn)半徑和速度比，當(dāng)?shù)毒咧睆皆O(shè)置為12毫米刀具牙齒是2的關(guān)系。在這里，孔直徑隨刀具旋轉(zhuǎn)半徑的擴(kuò)大而增加。在高速率，孔表面粗糙度略有增加。然而，它的變速比明顯減小，變速比越小，更快的孔的表面粗糙度下降。
圖9反映了旋轉(zhuǎn)半徑和轉(zhuǎn)速比的對(duì)表面粗糙度的影響，當(dāng)不同的工具被用于機(jī)器的孔。這里，不同工具的齒數(shù)為2，并且所述孔被加工都具有23毫米直徑相同?？梢缘贸龅慕Y(jié)論如下：1）當(dāng)旋轉(zhuǎn)半徑逐漸增大，孔表面粗糙度如下增加的趨勢(shì);2）在大型旋轉(zhuǎn)半徑和低轉(zhuǎn)速比，孔的質(zhì)量變差。
從圖7-9這些結(jié)論有很大的在優(yōu)化過(guò)程中的控制參數(shù)的意義螺旋銑削。
刀刃
速比
圖7為與和的關(guān)系（ =-23毫米，=12廠）
速比
旋轉(zhuǎn)半徑
圖8為與和的關(guān)系（ =1 2毫米， =2）
速比
旋轉(zhuǎn)半徑/毫米
圖9為與和的關(guān)系（=23毫米，=2）
5 結(jié)論
1）根據(jù)螺旋銑孔的原理，在機(jī)器人的螺旋銑刀兩種典型方法特征進(jìn)行了討論和機(jī)器人的螺旋銑刀的工作過(guò)程進(jìn)行了設(shè)計(jì)。關(guān)于機(jī)器人的螺旋銑刀的運(yùn)動(dòng)分析后，兩種典型的螺旋研磨方法矢量方程推導(dǎo)出，這有助于實(shí)現(xiàn)移動(dòng)控制螺旋銑孔。
2）孔表面粗糙度的分析模型是建立在螺旋銑孔的運(yùn)動(dòng)功能內(nèi)的，?然后切割粗糙度參數(shù)的影響研究?該研究給出了在螺旋銑削過(guò)程中選擇的刀具齒數(shù)，刀具半徑，旋轉(zhuǎn)半徑和速度比合適的參數(shù)很好的借鑒。
3）在螺旋銑孔，表面粗糙度也通過(guò)切削環(huán)境下切削的類型，以及排屑等的實(shí)際過(guò)程因素的影響。因此，如何抵御基于理論和實(shí)驗(yàn)的有效組合，精確的粗糙模式將成為一個(gè)重要的研究方向。
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南京工程學(xué)院
工 業(yè) 中 心
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
題目:一種螺旋銑孔裝置的機(jī)械機(jī)
構(gòu)設(shè)計(jì)
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí)： D機(jī)加工123 學(xué) 號(hào)：231120510
學(xué)生姓名： 陳志斌
指導(dǎo)教師： 劉桂芝、卞榮
2016年03月11日
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告
學(xué)生姓名
陳志斌
學(xué) 號(hào)
231120510
專 業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
指導(dǎo)教師姓名
劉桂芝、卞榮
職 稱
教授級(jí)高工/講師
所在院系
工業(yè)中心
課題來(lái)源
D自擬課題
課題性質(zhì)
A工程設(shè)計(jì)
課題名稱
一種螺旋銑孔裝置的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
畢業(yè)設(shè)計(jì)的
內(nèi)容和意義?
采用類比法、綜合分析法以及查閱文獻(xiàn)等，進(jìn)行螺旋銑孔裝置的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)，使其各個(gè)單元的精度、剛度、力學(xué)性能以及運(yùn)動(dòng)性能達(dá)到要求。
畢業(yè)設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容：
1. 理論、計(jì)算
a) 理解螺旋銑孔工藝以及各參數(shù)意義
b) 根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析計(jì)算最大加工孔徑
2. 機(jī)械制圖
a)圖紙清晰，布局合理，符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)重大錯(cuò)誤；
b) CAD繪制試驗(yàn)機(jī)裝配圖0號(hào)圖 1張
c) 繪制其它典型零件CAD圖紙，合0號(hào)圖1.5張
3. 翻譯有關(guān)外文資料
a) 文章大意、作者觀點(diǎn)基本正確，無(wú)重大語(yǔ)病
b) 專業(yè)術(shù)語(yǔ)翻譯正確
4. 按要求撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）
本課題研究的意義：
大量的復(fù)合材料和鈦合金在航空航天制造領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛，對(duì)復(fù)合材料和鈦合金制孔設(shè)備的需求也愈加強(qiáng)烈。螺旋銑孔設(shè)備與原有的鉆孔技術(shù)相比：便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制；單一直徑的刀具可以加工出一系列不同直徑的孔，減少工廠刀具庫(kù)存種類；刀具壽命顯著提高，減少刀具庫(kù)存數(shù)量降低成本；制孔效率高，縮短飛機(jī)裝配制造周期等優(yōu)點(diǎn)。螺旋銑孔技術(shù)因其在制孔方面的優(yōu)勢(shì)及在航空航天領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用前景，必將在今后的工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛重視。
英文期刊文章引用：作者. 題名. 期刊名, 出版年份，期號(hào)：起止頁(yè)碼
文獻(xiàn)綜述
作為一種新型孔加工方式，螺旋銑孔技術(shù)具有切削過(guò)程平穩(wěn)、刀具承受切削力小和一次加工即可滿足精度要求的優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外材料加工研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。主要應(yīng)用于飛機(jī)受力部件的孔加工，以及高硬度材料的孔加工等方面。為了降低飛機(jī)自重，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，一些大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件都采用新型合成復(fù)合材料，一些主承力結(jié)構(gòu)件以及機(jī)翼普遍都采用新型輕型材料，大量零部件都需要進(jìn)行裝配， 通常需要對(duì)飛機(jī)機(jī)翼和一些主承力結(jié)構(gòu)件加工成千上萬(wàn)個(gè)孔，以便進(jìn)行裝配，并且要求航空裝配孔實(shí)現(xiàn)高效、高精度和高質(zhì)量的加工；但是，由于傳統(tǒng)鉆削加工的一些特點(diǎn)，如半封閉式加工、切削力大和工件表面質(zhì)量難以控制等，限制了鉆削加工在高硬度材料和航空材料上的作為。螺旋銑孔工藝的“以銑代鉆”完全彌補(bǔ)了傳統(tǒng)鉆孔加工的不足，不僅在高硬度材料的孔加工中體現(xiàn)了其優(yōu)勢(shì)，而且在航空難加工材料鈦合金和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)的孔加工中也體現(xiàn)了其優(yōu)勢(shì)。
國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有一些學(xué)者進(jìn)行了螺旋銑學(xué)動(dòng)力學(xué)的研究和探索，其中Wangyang Ni從不同材料的傳統(tǒng)鉆削與螺旋銑孔加工質(zhì)量上進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行了螺旋銑孔加工動(dòng)力學(xué)研究，并針對(duì)于新型材料鈦合金，鋁合金，CFRP等材料的螺旋銑孔刀具提出了一些解決方案；Eric WhinnemllJ通過(guò)在航空制造業(yè)領(lǐng)域以螺旋銑削進(jìn)行了對(duì)比，分析了螺旋銑孔在加工效率和孔質(zhì)量方面的優(yōu)勢(shì)，并研究了螺旋銑孔便攜式裝置的性能和發(fā)展。以及Tonshoff 闡述了螺旋銑孔技術(shù)在復(fù)合材料銑孔中的優(yōu)勢(shì)，并根據(jù)螺旋銑孔技術(shù)銑削力低，加工質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)，預(yù)測(cè)了其在航空領(lǐng)域中廣泛的應(yīng)用前景。R.Iyer等人研究了某些特殊材料螺旋銑孔力，以及加工質(zhì)量，證明了螺旋銑孔方式的優(yōu)越性。Novator公司已經(jīng)成功研制出螺旋銑孔的專用設(shè)備，并在空客與波音飛機(jī)裝配中得到應(yīng)用?？湛凸疽呀?jīng)在飛機(jī)的研制上應(yīng)用螺旋銑孔技術(shù)，由于螺旋銑孔是在一個(gè)工序內(nèi)完成對(duì)不同孔的加工，Novator公司的研究表明，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用相對(duì)于傳統(tǒng)鉆孔技術(shù)縮短了50％的時(shí)間，通過(guò)拆卸來(lái)消除毛刺的工藝被徹底消除了，大大提高了加工效率。
國(guó)外在這一領(lǐng)域?qū)ξ覈?guó)實(shí)行了技術(shù)封鎖，導(dǎo)致我國(guó)目前飛機(jī)裝配過(guò)程中的制孔還處在手動(dòng)鉆孔狀態(tài)，嚴(yán)重影響了我國(guó)飛機(jī)的研制進(jìn)度。為此，國(guó)內(nèi)多家單位已開始著手螺旋銑孔裝置的研制。國(guó)內(nèi)多家單位已開始著手螺旋銑孔裝置的研制。滑松等人基于螺旋銑孔切削規(guī)律和運(yùn)動(dòng)特性，設(shè)計(jì)了一款包括自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及徑向偏移機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行了虛擬裝配和有限元分析。單以才等人通過(guò)對(duì)螺旋銑孔運(yùn)動(dòng)進(jìn)行功能分解，對(duì)螺旋銑孔單元進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，確定了偏心調(diào)節(jié)模塊的傳動(dòng)方案，設(shè)計(jì)了銑刀結(jié)構(gòu)與裝夾方式，并針對(duì)螺旋銑孔單元樣機(jī)進(jìn)行了切削試驗(yàn)。王紅嵩等人設(shè)計(jì)了一款螺旋銑孔虛擬樣機(jī)，并研究了螺旋銑孔自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)和軸向進(jìn)給3個(gè)運(yùn)動(dòng)單元之間的關(guān)系。
目前，我國(guó)已成為世界飛機(jī)零部件的重要生產(chǎn)國(guó)，波音、麥道、空客等世界著名飛機(jī)制造公司都在我國(guó)生產(chǎn)從尾翼、機(jī)身、艙門到發(fā)動(dòng)機(jī)等各種零部件，這些飛機(jī)零部件
文獻(xiàn)綜述
的加工生產(chǎn)必須采用先進(jìn)的加工裝備和加工工藝。與此同時(shí)，大量高速、高效、柔性、
復(fù)合、環(huán)保的國(guó)外切削加工新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，使切削加工技術(shù)發(fā)生了根本性的變化。為了降低研制周期和降低生產(chǎn)成本，深入研究了螺旋銑孔的優(yōu)勢(shì)。空客公司幾年前與Novator公司合作啟動(dòng)一項(xiàng)發(fā)展輕型便攜式的螺旋銑孔裝置的研究，應(yīng)用于法國(guó)、德國(guó)的空客飛機(jī)裝配生產(chǎn)車間中，最近又推出了TwinspinPX3輕型便攜式的螺旋銑孔裝置。
空客已經(jīng)將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到了裝配生產(chǎn)線上，驗(yàn)證了該項(xiàng)技術(shù)的生產(chǎn)能力。各公司效仿，
部署這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)工作，鑒于螺旋銑孔技術(shù)在航空飛機(jī)上打孔的優(yōu)勢(shì)，其他傳統(tǒng)的鉆孔工藝慢慢將會(huì)減少，逐漸將會(huì)被先進(jìn)的銑孔工藝所代替。
在機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品更新?lián)Q代，日益發(fā)展的過(guò)程中．特別針對(duì)高新技術(shù)密集的航空、模具行業(yè)，對(duì)上述要求將會(huì)愈加明顯與迫切。螺旋銑孔提高了打孔工藝的效率，產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)收益率。這種技術(shù)采用全新的，先進(jìn)的工藝，在新型材料上也能取得非常高的孔質(zhì)量，如碳化纖維和鈦合金等，為促進(jìn)企業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品提供了保證，螺旋銑孔只需要一把刀具就可以加工不同直徑高質(zhì)量的孔，減少了換刀時(shí)間，不需要再進(jìn)行精加工，這樣大大提高了效率。螺旋銑孔技術(shù)極大的提高了制造企業(yè)的效率，產(chǎn)品質(zhì)量，并節(jié)約了加工成本。
螺旋銑孔與傳統(tǒng)的鉆削加工相比，螺旋銑孔采用了完全不同的加工方式。螺旋銑孔過(guò)程由主軸的“自轉(zhuǎn)”和主軸繞孔中心的“公轉(zhuǎn)”2個(gè)運(yùn)動(dòng)復(fù)合而成，這種特殊的運(yùn)動(dòng)方式?jīng)Q定了螺旋銑孔的優(yōu)勢(shì)。首先，刀具中心的軌跡是螺旋線而非直線，即刀具中心不再與所加工孔的中心重合，屬偏心加工過(guò)程。刀具的直徑與孔的直徑不一樣，這突破了傳統(tǒng)鉆孔技術(shù)中一把刀具加工同一直徑孔的限制，實(shí)現(xiàn)了單一直徑刀具加工一系列直徑孔。這不僅提高了加工效率，同時(shí)也大大減少了存刀數(shù)量和種類，降低了加工成本。其次，螺旋銑孔過(guò)程是斷續(xù)銑削過(guò)程，有利于刀具的散熱，從而降低了因溫度累積而造成刀具磨損失效的風(fēng)險(xiǎn)。更重要的是，與傳統(tǒng)鉆孔相比，螺旋銑孔過(guò)程在冷卻液的使用上有了很大的改進(jìn)，整個(gè)銑孔過(guò)程可以采用微量潤(rùn)滑甚至空冷方式來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻，是一個(gè)綠色環(huán)保的過(guò)程。第三，偏心加工的方式使得切屑有足夠的空間從孔槽排出，排屑方式不再是影響孔質(zhì)量的主要因素[6]。
螺旋銑孔技術(shù)是一種全新的孔加工方法，它與傳統(tǒng)的鉆孔加工有著本質(zhì)上的區(qū)別其與傳統(tǒng)鉆孔工藝的主要區(qū)別體現(xiàn)在：1)提高制孔效率，降低生產(chǎn)成本，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化 不同于鉆削加工工藝，螺旋銑孔工藝可采用較小直徑的刀具加工較大直徑的孔，能做到用單一刀具加工出不同直徑的孔和復(fù)雜的臺(tái)階孔，并可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)孔徑實(shí)施實(shí)時(shí)補(bǔ)償，尤其適合在疊層材料上制孔瞪。因此，采用螺旋銑孔工藝，不僅可以減少換刀次數(shù)，節(jié)省生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，提高加工效率，而且還可以減少企業(yè)的刀具庫(kù)存，降低生產(chǎn)成本。2)延長(zhǎng)刀具壽命 難加工材料鉆孔時(shí)，由于其強(qiáng)度高、熱傳導(dǎo)低，導(dǎo)致散熱效果較差，刀具磨損嚴(yán)重，容易發(fā)生粘刀甚至燒刀現(xiàn)象，即使使用金剛石涂層刀具，效果也不理想。
文獻(xiàn)綜述
螺旋銑孔是斷續(xù)切削，不僅排屑容易，而且有利于刀具散熱，可降低刀具因熱量積累而
造成的高溫磨損，提高刀具的使用壽命。更為重要的是，與鉆削相比，螺旋銑孔在冷卻
液的使用上有較大改進(jìn)，整體銑孔過(guò)程可采用微量潤(rùn)滑甚至空冷方式來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻，是一種綠色加工工藝。3)提高零件表面加工質(zhì)量 螺旋銑孔的加工機(jī)理完全不同于傳統(tǒng)鉆削。螺旋銑孔的軸向力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)鉆孔，這使得制孔具有良好的出口質(zhì)量，尤其對(duì)于加工層間強(qiáng)度較低的碳纖維復(fù)合材料。螺旋銑孔所用刀具直徑比所加工孔小，排屑容易，能有效防止切削對(duì)已加工表面的損傷，可提高制孔質(zhì)量。4）促進(jìn)了新材料的應(yīng)用推廣 鈦合金，復(fù)合材料等新材料由于其自身的高強(qiáng)度，耐腐蝕等優(yōu)勢(shì)，備受航空航天領(lǐng)域的親睞，但是，傳統(tǒng)的鉆孔工藝已無(wú)法滿足這些材料的要求，從而很大程度上限制了這些材料的應(yīng)用。螺旋銑孔技術(shù)的出現(xiàn)，很好的解決了這一問(wèn)題，螺旋銑孔產(chǎn)生的銑削力較小，加工新興的高強(qiáng)度材料的功耗降低，加工質(zhì)量提高，這就為新材料的廣泛推廣打下了堅(jiān)實(shí)的工藝基礎(chǔ)。
本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀的概述以及通過(guò)比較傳統(tǒng)鉆孔與螺旋銑孔加工工藝的特點(diǎn)，了解到螺旋銑孔在未來(lái)切削加工中的重要性。并且鑒于螺旋銑孔技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，特別是航空和模具行業(yè)中的許多企業(yè)已開始將它應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際中。隨著這種技術(shù)的推廣和應(yīng)用，傳統(tǒng)的鉆孔刀具將會(huì)慢慢失去其主導(dǎo)地位，而新型銑孔裝置將會(huì)越來(lái)越多地出現(xiàn)在孔加工過(guò)程中。通過(guò)以學(xué)的知識(shí)對(duì)螺旋銑孔裝置的機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究，使其達(dá)到應(yīng)有的精度和運(yùn)動(dòng)要求。
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研究?jī)?nèi)容
1.徑向偏移機(jī)構(gòu) 偏移機(jī)構(gòu)是對(duì)螺旋銑孔設(shè)備進(jìn)行機(jī)構(gòu)創(chuàng)新的重點(diǎn)。螺旋銑孔設(shè)備的主要特征在于其沿螺旋線走刀和可以進(jìn)行刀具位置的調(diào)整。
2.公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式可以創(chuàng)新的利用普通電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或者氣動(dòng)馬達(dá)等；
3.軸向進(jìn)給機(jī)構(gòu) 在完成螺旋銑孔設(shè)備的創(chuàng)新設(shè)計(jì)后，只需要按照手冊(cè)選擇合適的絲杠和導(dǎo)軌。
根據(jù)螺旋銑孔的特征對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新與設(shè)計(jì)，并對(duì)主要機(jī)構(gòu)如主軸機(jī)構(gòu)、偏心機(jī)構(gòu)，進(jìn)給機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究并對(duì)主要零件進(jìn)行相關(guān)理論分析、計(jì)算，以及零件圖與裝配圖的繪制。
研究計(jì)劃
研究周期與時(shí)間安排
畢業(yè)設(shè)計(jì)起止日期：2.22—6.03（第1周—第16周）
第1-2周 (2.22-3.04) 收集資料，學(xué)習(xí)有關(guān)書籍文獻(xiàn)，了解螺旋銑孔工藝及其應(yīng)用
背景，同步進(jìn)行開題報(bào)告撰寫與翻譯工作的進(jìn)行
第3周 (3.07-3.11） 完成開題報(bào)告及外文材料翻譯
第4周 (3.14-3.18) 完成的任務(wù)完成開題報(bào)告及外文材料翻譯
第5周 (3.21-3.25) 完成機(jī)構(gòu)草圖設(shè)計(jì)以及相關(guān)理論分析、計(jì)算
第6周 (3.28-4.01) 完成裝配圖草圖設(shè)計(jì)
第7周 (4.04-4.08) 進(jìn)行各零部件設(shè)計(jì)，進(jìn)行機(jī)械制圖工作
第8-9周 (4.11-4.22） 畢業(yè)設(shè)計(jì)中期檢查
第10-11周 (4.25-5.06）進(jìn)行零件圖計(jì)算機(jī)繪圖，同期準(zhǔn)備論文的撰寫
第12周 (5.09-5.13) 完成裝配圖、零件圖的繪制
第13周 (5.16-5.20) 遞交論文初稿
第14周 (5.23-5.27) 修改論文并定稿
第15周（5.30-6.03） 論文評(píng)審及答辯資格確定畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯整理資料存
檔
第16周（6.06-6.10） 整理資料存檔
特色與創(chuàng)新
本論文特色與創(chuàng)新如下：
①刀具中心的軌跡是螺旋線而非直線，即刀具中心不再與所加工孔的中心重合，屬于偏心加工過(guò)程。刀具的直徑與孔的直徑不同，突破了傳統(tǒng)鉆孔技術(shù)中一把刀具加工同一直徑孔的限制，實(shí)現(xiàn)了單一直徑刀具加工一系列直徑孔。不僅提高了加工效率，而且大大減少了刀具的種類和數(shù)量，降低了加工成本。
②螺旋銑孔過(guò)程是斷續(xù)銑削過(guò)程，有利于刀具的散熱，從而降低了因溫度累積而造成刀具磨損失效的風(fēng)險(xiǎn)。與傳統(tǒng)鉆孔相比，螺旋銑孔過(guò)程中可以采用微量潤(rùn)滑以及空冷方式來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻，是一個(gè)綠色環(huán)保的過(guò)程。
③偏心加工的方式使得切屑有足夠的空間從孔槽排出，排屑方式不再是影響孔表面質(zhì)量的主要因素。由此可見，相對(duì)于傳統(tǒng)鉆孔，螺旋銑孔具有更大的優(yōu)勢(shì)。
指導(dǎo)教師
意 見
指導(dǎo)教師簽名：
年 月 日
分中心意見
中心意見
分中心主任簽名：
年 月 日
教學(xué)主任簽名：
年 月 日
南京工程學(xué)院工業(yè)中心畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）
南京工程學(xué)院
工 業(yè) 中 心
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）
題 目：一種螺旋銑孔裝置的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí)： D機(jī)加工123 學(xué) 號(hào)：231120510
學(xué)生姓名： 陳志斌
指導(dǎo)教師：劉桂芝、卞榮（教授級(jí)高工、講 師)
起迄日期： 2016.2.22～2016.6.3
設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 工程中心5號(hào)樓
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）摘要
摘要：
螺旋銑孔加工作為近幾年興起的加工方式，在航空裝配加工領(lǐng)域有了廣泛的運(yùn)用。本文介紹螺旋銑孔加工工藝的特點(diǎn)，并對(duì)螺旋銑孔機(jī)構(gòu)的組成進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種臥式螺旋銑孔裝置，主要包括自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、偏移機(jī)構(gòu)、公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及進(jìn)給機(jī)構(gòu)等。通過(guò)計(jì)算分析和對(duì)比法設(shè)計(jì)、選擇合適的主傳動(dòng)和進(jìn)給傳動(dòng)部件，并對(duì)各個(gè)機(jī)構(gòu)中的主要零部件如滑塊、箱體、軸承座、齒輪等零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。同時(shí)，通過(guò)UG NX設(shè)計(jì)軟件對(duì)各個(gè)單元零部件進(jìn)行三維實(shí)體模型設(shè)計(jì)，并完成了螺旋銑孔裝置的虛擬裝配。
關(guān)鍵詞：螺旋銑孔、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、UG、潤(rùn)滑
南京工程學(xué)院工業(yè)中心畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）英文摘要
Title:Mechanical design of a helical milling hole device
Abstract:
Helical milling Hole rise in recent years as a way of processing, assembly processing in the aviation field with the widely used. This article describes the characteristics of spiral hole milling process, composition and spiral milling holes mechanism were analyzed. On this basis, we designed a horizontal spiral milling aperture means, including rotation mechanism, shift mechanism, revolving mechanism and feed mechanism and the like. By analyzing and comparing the calculation method of design, select the appropriate main drive and feed drive components, and various agencies of the main components such as a slider, box, bearing, gears and other parts design. Meanwhile, UG NX design software for three-dimensional solid model design components for each unit, and completed a virtual assembly screw hole milling device.
Keywords: Helical milling holes, mechanical design, UG, lubrication
I
目錄
前言 1
第一章 緒論 3
1.1背景介紹 3
1.2螺旋銑孔工藝介紹 3
1.3螺旋銑孔的研究現(xiàn)狀 4
1.3.1螺旋銑孔設(shè)備國(guó)外的研究現(xiàn)狀 4
1.3.1螺旋銑孔設(shè)備國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀 5
1.4研究的意義 5
第二章 螺旋銑孔設(shè)備的機(jī)構(gòu)分析 6
2.1螺旋銑孔機(jī)構(gòu)分析 6
2.2自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 7
2.3偏移機(jī)構(gòu) 8
2.4公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 9
2.5軸向進(jìn)給機(jī)構(gòu) 10
2.6本章小結(jié) 13
第三章 螺旋銑孔機(jī)構(gòu)參數(shù)計(jì)算 14
3.1絲杠慣量匹配計(jì)算 14
3.2電機(jī)轉(zhuǎn)矩匹配的計(jì)算 15
3.3進(jìn)給力的計(jì)算 15
3.4絲杠預(yù)拉伸量的計(jì)算 16
3.5本章小結(jié) 16
第四章 螺旋銑孔機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 17
4.1關(guān)于UG軟件的分析 17
4.2滑塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18
4.3外殼的設(shè)計(jì) 18
4.4軸承的選擇 19
4.5軸承座的設(shè)計(jì) 20
4.5.1外殼軸承座的設(shè)計(jì) 20
4.5.2絲杠軸承座的設(shè)計(jì) 21
4.6齒輪的設(shè)計(jì) 21
4.7虛擬樣機(jī)的裝配 23
4.8本章小結(jié) 24
第五章 潤(rùn)滑與防護(hù) 24
5.1軸承的潤(rùn)滑與防護(hù) 25
5.2絲桿的潤(rùn)滑與防護(hù) 25
5.3導(dǎo)軌的潤(rùn)滑與防護(hù) 26
5.3本章小結(jié) 26
第六章 結(jié)論與展望 27
6.1本文總結(jié) 27
6.2展望 27
致謝 28
參考文獻(xiàn) 28
第1章
III
前言
螺旋銑孔與傳統(tǒng)鉆孔工藝相比具有切削過(guò)程平穩(wěn)、刀具承受切削力小以及一次可以加工便可以達(dá)到所需加工精度要求的優(yōu)點(diǎn)。在以后螺旋銑孔技術(shù)必然代替?zhèn)鹘y(tǒng)制孔技術(shù)。現(xiàn)在螺旋銑孔技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外研究的難點(diǎn)與重點(diǎn)之一。由于國(guó)外在該技術(shù)上對(duì)我國(guó)實(shí)行技術(shù)封鎖，該技術(shù)在國(guó)內(nèi)的研究才剛剛起步，并沒(méi)有研制出商業(yè)產(chǎn)品，而國(guó)外在該技術(shù)方面的研究研究已經(jīng)比較的深入，已經(jīng)研制出了螺旋銑孔設(shè)備并已經(jīng)投入到工業(yè)生產(chǎn)中去了。螺旋銑孔設(shè)備現(xiàn)在主要應(yīng)用于飛機(jī)上孔的加工。因?yàn)轱w機(jī)上有許多不同規(guī)格的孔，采用傳統(tǒng)鉆孔既費(fèi)時(shí)，又費(fèi)力而且精度還不高，還存在毛刺。采用螺旋銑孔設(shè)備從而彌補(bǔ)了傳統(tǒng)制孔工藝所帶來(lái)的不足。螺旋銑孔不光在制孔方面有很大的優(yōu)勢(shì)，在不同的難加工材料的加工方面也具有很大的優(yōu)勢(shì)，尤其是現(xiàn)在很多的大型結(jié)構(gòu)零件都采用復(fù)合材料，使用傳統(tǒng)制孔方法并不能達(dá)到其所需的加工精度，而螺旋銑孔采用銑孔代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉆孔完全彌補(bǔ)了傳統(tǒng)制孔技術(shù)的不足。提高了螺旋銑孔技術(shù)在孔加工中的優(yōu)勢(shì)，尤其在難加工材料方面。
第一章介紹了螺旋銑孔設(shè)備的一般概念。并將螺旋銑孔工藝與傳統(tǒng)鉆孔工藝的進(jìn)行對(duì)比，以及螺旋銑孔在國(guó)內(nèi)與國(guó)外的研究現(xiàn)狀。
第二章主要是對(duì)螺旋銑孔機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行分析。對(duì)自傳機(jī)構(gòu)、偏移機(jī)構(gòu)、公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、軸向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)以及它們之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行了分析。對(duì)各個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部件所要承受的力進(jìn)行分析，并對(duì)傳動(dòng)部件的特點(diǎn)進(jìn)行比較從而對(duì)傳動(dòng)部件的型號(hào)選擇做出初步的確定。
第三章主要是通過(guò)已知參數(shù)對(duì)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)部件進(jìn)行校核。通過(guò)查閱機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩慣，絲杠的慣量匹配，預(yù)拉伸量以及進(jìn)給力的計(jì)算。通過(guò)計(jì)算的參數(shù)對(duì)比從而確定所選機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)部件是否復(fù)合螺旋銑孔機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。如果不符合要求就將要對(duì)該機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)部件進(jìn)行重新的選擇，一用來(lái)滿足機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。
第四章主要是對(duì)螺旋銑孔機(jī)構(gòu)的全面設(shè)計(jì)以及主要零部件的設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸以及受力方式選擇合適的軸承。通過(guò)使用UG繪圖軟件對(duì)各個(gè)機(jī)構(gòu)的零部件進(jìn)行三維圖的繪制。確定各個(gè)機(jī)構(gòu)之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，通過(guò)繪圖軟件將各個(gè)零部件之間裝配約束，完成整個(gè)機(jī)構(gòu)的裝配。從而提前發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)所存在的問(wèn)題，并作出修改。
第五章主要對(duì)機(jī)構(gòu)潤(rùn)滑與防護(hù)的重要性進(jìn)行分析，并對(duì)螺旋銑孔機(jī)構(gòu)中的軸承、滾珠絲杠、滑動(dòng)導(dǎo)軌的潤(rùn)滑和防護(hù)進(jìn)行分析，并對(duì)潤(rùn)滑方式以及防護(hù)方法進(jìn)行對(duì)比，從而選擇合適的潤(rùn)滑方式。
第一章 緒論
1.1背景介紹
隨著時(shí)代的進(jìn)步，工業(yè)需求越來(lái)越大，其要求也越來(lái)越高。因此特種加工就成為了現(xiàn)代研究人員主要的研究方向。而螺旋銑孔現(xiàn)在已經(jīng)開始代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉆孔工藝。螺旋銑孔在進(jìn)行加工時(shí)與傳統(tǒng)工藝相比其在切削材料過(guò)程中其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，而且孔的加工不需要多次換刀，只需一把刀具就可以完成孔的加工，并且提高了刀具的使用壽命。因此螺旋銑孔技術(shù)已成為各個(gè)國(guó)家工業(yè)研究的重點(diǎn)之一。現(xiàn)在螺旋銑孔技術(shù)普遍使用在飛機(jī)制造方面[1]。飛機(jī)上一般都采用結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且材料較輕的復(fù)合材料，來(lái)降低飛機(jī)的自身重量。在飛機(jī)制造加工是需要加工許多的孔，來(lái)對(duì)受力部件進(jìn)行固定，而且孔必須要有較高的精度。顯然普通的傳統(tǒng)鉆孔技術(shù)已經(jīng)滿足不了其所需的要求。而螺旋銑孔技術(shù)的高效，高精完全的將傳統(tǒng)鉆孔技術(shù)的不足所代替，其不僅僅有在加工效率方面的優(yōu)勢(shì)，在加工不同的材料時(shí)，尤其是現(xiàn)在工業(yè)制造上最常用的復(fù)合材料以及難加工材料都有其很大的優(yōu)勢(shì)。因此螺旋銑孔技術(shù)將逐漸的代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉆孔技術(shù)成為主流的制孔技術(shù)。
1.2螺旋銑孔工藝介紹
與傳統(tǒng)的鉆削加工相比，螺旋銑孔采用了完全不同的加工方式。傳統(tǒng)鉆孔具有以下特點(diǎn)：在鉆孔的過(guò)程中，鉆削主軸中心的線速度為0，即鉆頭的中心不參與切削，完全是通過(guò)鉆頭先下的推力將所需要加工部分的材料擠壓出去；因此，鉆頭承受很大的軸向力，加工鈦合金等一些難加工的金屬材料時(shí)，刀具磨損程度加劇，很快就會(huì)是刀具失效[2]。傳統(tǒng)鉆孔工作的過(guò)程是一個(gè)連續(xù)的切削加工的過(guò)程，刀刃一直與工件接觸，切削的接觸面的具有很高的溫度，相對(duì)于導(dǎo)熱性差的材料，連續(xù)切削的過(guò)程是溫度不斷的提高，加劇了刀具的磨損，比且降低了加工表面的表面質(zhì)量；在傳統(tǒng)鉆削過(guò)程中排屑方式的問(wèn)題也是導(dǎo)致刀具加快失效的原因之一。在鉆孔過(guò)程中，切削從排屑槽中排除，速度過(guò)慢，但是切削熱量主要是通過(guò)排屑帶走，當(dāng)切削熱不能及時(shí)的排出，大量的熱量將集中在刀具和工件上，將加快刀具磨損以及失效；另外，當(dāng)切屑與以加工表面接觸會(huì)將以加工表面劃傷，降低了加工表面的表面質(zhì)量。螺旋銑孔顧名思義肯定與螺旋有關(guān)。在數(shù)控加工中心中有一種銑削方式較螺旋下刀，其實(shí)和螺旋銑孔是差不都的工作原理。其中一個(gè)是刀具在運(yùn)動(dòng)，一個(gè)是工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。螺旋銑孔主要由“主軸”的自轉(zhuǎn),主軸繞待加工孔中心線做公轉(zhuǎn)這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的[3]。螺旋銑孔在下刀時(shí)并不是直線往下，而是沿著螺旋線的軌跡慢慢下刀，也就是說(shuō)刀具中心和待加工孔中心不在同一條中心線上，具有一定的偏移量和傳統(tǒng)的鉆孔有了很大的差別，從而可以更具偏移量采用同一把刀具加工出不同規(guī)格尺寸的孔，突破了傳統(tǒng)鉆孔的一刀一孔的限制，大大提高了加工效率，也是刀具的規(guī)格減少，從而降低了刀具的加工成本。在螺旋銑孔時(shí)采用的是斷續(xù)銑削，采用這樣的方式有利于刀具熱量的散發(fā)，從而使刀具因?yàn)槭軣岫p失效這一缺點(diǎn)得到降低。在與傳統(tǒng)鉆孔相比螺旋銑孔由于是偏心加工，所以使得有足夠的空間來(lái)排除切屑，不會(huì)因?yàn)榍邢鞫堑毒吣p，并且加工出來(lái)的工件是不需要去除毛刺。由此可見，該項(xiàng)技術(shù)有著廣闊的發(fā)展空間和良好的市場(chǎng)前景，但作為新的加工方式，其加工機(jī)理有待進(jìn)一步研究探討。
1.3螺旋銑孔的研究現(xiàn)狀
1.3.1螺旋銑孔設(shè)備國(guó)外的研究現(xiàn)狀
在工業(yè)生產(chǎn)中美國(guó)、日本、德國(guó)、瑞士等一些國(guó)家的機(jī)械制造技術(shù)在全球以屬于領(lǐng)先水平。比如螺旋銑孔技術(shù)這些國(guó)家的技術(shù)水平以遙遙領(lǐng)先國(guó)內(nèi)的研究水平。在國(guó)外螺旋銑孔技術(shù)已經(jīng)在飛機(jī)的制造過(guò)程中普遍使用。因?yàn)槁菪娍卓梢允褂靡话训毒哌M(jìn)行不同孔徑的制孔加工，不需要跟換刀具，其與傳統(tǒng)鉆孔技術(shù)相比大大的縮短了其制孔時(shí)間，提高了加工效率。在國(guó)外Eric Whinnem[4]其對(duì)螺旋銑孔技術(shù)在飛機(jī)制造上的應(yīng)用進(jìn)行了研究與分析；Wangyang Ni[5]其對(duì)螺旋銑孔的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理以及機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析與研究并取得了一定的成果；R.Iyer[6]等這些人對(duì)螺旋銑孔設(shè)備進(jìn)行孔加工時(shí)對(duì)道具壽命的影響進(jìn)行了分析與研究。國(guó)外的一些飛機(jī)制造公司已經(jīng)開始相互合作對(duì)螺旋銑孔設(shè)備進(jìn)行研制與開發(fā)，并且已經(jīng)在飛機(jī)制造上開始使用。最近Novator公司又推出了Twin spin PX3輕型便攜式螺旋銑孔裝置，空客已經(jīng)將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到了裝配生產(chǎn)線上，并且驗(yàn)證了其生產(chǎn)能力，各公司紛紛效仿，部署這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)工作[7]。
1.3.1螺旋銑孔設(shè)備國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀
現(xiàn)在隨著我國(guó)國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的飛快發(fā)展，我國(guó)在國(guó)際上的地位也不斷的提高。因此由于國(guó)際上大量的訂單，因此國(guó)外的一些先進(jìn)的加工技術(shù)以及加工設(shè)備不斷的出現(xiàn)，提高了我國(guó)原本的加工技術(shù)?，F(xiàn)在我國(guó)已成為飛機(jī)零部件的生產(chǎn)大國(guó)，許多世界出名的飛機(jī)制造商在我國(guó)進(jìn)行飛機(jī)零部件的生產(chǎn)。由于飛機(jī)制造上需要加工大量的且規(guī)格不同的孔，而我國(guó)對(duì)于螺旋銑孔技術(shù)的研究與實(shí)驗(yàn)才剛開始，許多的方面還存在一些缺陷。使得我國(guó)在對(duì)飛機(jī)制造過(guò)程中還是采用傳統(tǒng)的鉆孔工藝既費(fèi)時(shí)有費(fèi)力，很大的影響了對(duì)飛機(jī)制造以及研發(fā)的進(jìn)度。因?yàn)檫@個(gè)原因國(guó)內(nèi)的一些飛機(jī)制造商也已經(jīng)開始對(duì)螺旋銑孔技術(shù)進(jìn)行研究，并且國(guó)內(nèi)的一些機(jī)械方面的專家也對(duì)螺旋銑孔技術(shù)和螺旋銑孔設(shè)備進(jìn)行了研究與設(shè)備的試制。滑松[8-9]等人根據(jù)螺旋銑孔的運(yùn)動(dòng)原理以及其在加工時(shí)對(duì)工件的切削加工特性進(jìn)行分析，并且自主研制了一個(gè)包括自傳機(jī)構(gòu)、公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和徑向偏移機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行了虛擬裝配和有限元分析。單以才[10]等人對(duì)螺旋銑孔的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行逐步的分析和研究，對(duì)螺旋銑孔機(jī)構(gòu)的每個(gè)部分進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，從而確定了各個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式，并對(duì)刀具的裝夾部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過(guò)試驗(yàn)機(jī)對(duì)工件進(jìn)行了試切。。目前，我國(guó)關(guān)于螺旋銑孔設(shè)備的研究與設(shè)計(jì)還處于實(shí)驗(yàn)的階段，具備完整的功能的商品機(jī)面試還需要進(jìn)一步的研究。
1.4研究的意義
在時(shí)代的發(fā)展中，由于科學(xué)技術(shù)的不斷提高，工業(yè)產(chǎn)品的更新?lián)Q代變得很快，產(chǎn)品的精度要求也越來(lái)越高，從而使得以前的機(jī)械設(shè)備并不能滿足現(xiàn)在的加工需求。螺旋銑孔相對(duì)于傳統(tǒng)鉆削工藝制孔不僅提高了產(chǎn)品的加工精度，產(chǎn)品的加工質(zhì)量以及加工效率，還降低了加工成本。在現(xiàn)在的工業(yè)生產(chǎn)中螺旋銑孔作為一種新型的制孔工藝，主要應(yīng)用于在難加工材料的制孔，加工精度要求較高的制孔以及制孔量特別大的場(chǎng)合。因?yàn)槁菪娍卓梢粋€(gè)別根據(jù)偏移量的調(diào)節(jié)使用同一把刀具加工出不同規(guī)格孔徑的孔，不需要更換刀具進(jìn)行精加工，這樣大大提高了加工效率。
第2章 螺旋銑孔設(shè)備的機(jī)構(gòu)分析
2.1螺旋銑孔機(jī)構(gòu)分析
螺旋銑孔機(jī)構(gòu)主要有自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、徑向偏移機(jī)構(gòu)以及進(jìn)給機(jī)構(gòu)組成的，它們彼此之間具都有聯(lián)系，因此這些機(jī)構(gòu)中的各個(gè)執(zhí)行單元選擇以及安裝都會(huì)互相影響。在裝配時(shí)就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)機(jī)構(gòu)包含了另一個(gè)機(jī)構(gòu)，就比如公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)就包含了偏移機(jī)構(gòu)，偏移機(jī)構(gòu)包含了自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。因此公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的外形尺寸就必須根據(jù)偏移機(jī)構(gòu)的外形尺寸來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，偏移機(jī)構(gòu)的外形尺寸就必須按照自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的外形尺寸來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。如下圖2.1所示：
圖2.1 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
1. 箱體 2.電機(jī) 3.減速器 4.聯(lián)軸器 5.軸承座 6.角接觸球軸承 7.軸套 8.軸端擋圈 9.螺釘 10.滾珠絲桿 11.鍵 12.螺釘 13.擋板 14.齒輪 15.螺釘 16.軸承座 17.螺釘 18.擋板 19.端蓋 20.螺釘 21.滑塊 22.螺釘 23.氣動(dòng)馬達(dá) 24.端蓋 25.滾動(dòng)軸承 26.固定板 27.螺釘 28.螺帽座 29.絲杠螺母 30.螺釘 31.滑塊
2.2自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)也就是刀具自轉(zhuǎn)是整個(gè)機(jī)構(gòu)的切削主運(yùn)動(dòng)。自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)也就是主軸自轉(zhuǎn)，在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床上主軸自轉(zhuǎn)基本上采用電主軸或者是氣動(dòng)馬達(dá)以實(shí)現(xiàn)超高速加工的基礎(chǔ)。在選擇主軸的時(shí)候要考慮到主軸是否可以滿足切削用量，能否發(fā)揮刀具的切削性能，是否具有足夠的精度與剛度，從而達(dá)到機(jī)構(gòu)所需的要求。
現(xiàn)在數(shù)控機(jī)床主要采用電主軸。電主軸具有高轉(zhuǎn)速、高精度、高速精密和高效率特性，并且具有結(jié)構(gòu)緊湊、慣性小、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)，并可以改善機(jī)床的動(dòng)平衡，避免震動(dòng)，污染和噪聲，他在高速機(jī)床上得到廣泛的應(yīng)用，在機(jī)床發(fā)達(dá)的國(guó)家比如日本、德國(guó)、美國(guó)、瑞士等都在高速機(jī)床上采用電主軸結(jié)構(gòu)。氣動(dòng)馬達(dá)的特點(diǎn)：在用作主軸使用時(shí)氣動(dòng)馬達(dá)相對(duì)于電主軸而言其不需要冷卻裝置對(duì)主軸進(jìn)行散熱降溫，而電主軸由于連續(xù)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)必須安裝冷卻裝制進(jìn)行降溫來(lái)穩(wěn)定其工作狀態(tài)，因此氣動(dòng)馬達(dá)的制造成本相對(duì)于電主軸要低很多并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。而且氣動(dòng)馬達(dá)也具有電主軸所具有的運(yùn)動(dòng)特性。但在氣動(dòng)馬達(dá)加工時(shí)也存在缺陷，在其運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)使機(jī)構(gòu)產(chǎn)生震動(dòng)，噪聲大，并且在加工時(shí)穩(wěn)定性不高，效率低等等。
電主軸在工作時(shí)產(chǎn)生很大的熱量，在電主軸高速旋轉(zhuǎn)是需要及時(shí)的將熱量釋放出去，因此在電主軸的外壁安裝一個(gè)循環(huán)冷卻裝置，冷卻裝置的作用是保持冷卻劑的溫度。并且電主軸的價(jià)格相對(duì)于氣動(dòng)馬達(dá)要貴上很多，氣動(dòng)馬達(dá)反而相對(duì)比較成本低，功率范圍及轉(zhuǎn)速范圍均較寬，可以達(dá)到該機(jī)構(gòu)切削力和功率，轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速的要求。
圖2.2氣動(dòng)馬達(dá)
該氣動(dòng)馬達(dá)的型號(hào)為OBER T1071120具體參數(shù)如下表2.1：
表2.1 氣動(dòng)馬達(dá)的參數(shù)表
編號(hào)
轉(zhuǎn)速rpm
扭矩N·m
重量
右旋
左旋
空載時(shí)
最大功率時(shí)
最大功率時(shí)
最大扭矩
Kg
10711201
10721201
12500
6300
1.2
2.6
1.8
2.3偏移機(jī)構(gòu)
在螺旋銑孔的機(jī)構(gòu)中主要的特征機(jī)構(gòu)就是偏移機(jī)構(gòu)。其主要實(shí)現(xiàn)的是刀具自轉(zhuǎn)中心線與所加工孔的中心線之間的偏差，需要通過(guò)改變偏移量來(lái)獲取加工孔徑的大小。因?yàn)槠屏繉?duì)加工孔有很大的影響，所以偏移機(jī)構(gòu)必須具有較高的移動(dòng)精度。
該機(jī)構(gòu)使用的是滑塊偏移機(jī)構(gòu)，因?yàn)榛瑝K機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便直觀，方便與加工與制造，成本低廉。但是該機(jī)構(gòu)也存在著一些問(wèn)題。因?yàn)樵谕瓿闪似浦?，在加工過(guò)程中沒(méi)有雙重偏心機(jī)構(gòu)穩(wěn)定。在滑塊完成偏移之后需要進(jìn)行在偏移方向上的固定對(duì)支撐機(jī)構(gòu)的要求比較高。
在滑塊的偏移上采用的是步進(jìn)電機(jī)加絲桿螺母形式的直線電機(jī)進(jìn)行偏移。采用直線電機(jī)的特點(diǎn)具有：
（1）直線電機(jī)不需要通過(guò)介質(zhì)就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的直線運(yùn)動(dòng)，從而可以使機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸變得簡(jiǎn)化，并且減少機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)慣量，提高了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度和定位精度。
（2）有直線電機(jī)不需要傳動(dòng)介質(zhì)所以成本低，制造維護(hù)方便。又因?yàn)橹钢苯优c移動(dòng)部件相連接，可靠性高。
（3）由于其屬于電機(jī)可以通過(guò)改變電壓與電機(jī)頻率，得到機(jī)構(gòu)所需的移動(dòng)速度和推力。因此便于調(diào)節(jié)與控制，適用于低速往復(fù)的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合。
電機(jī)型號(hào)選擇海頓直線電機(jī)5700
圖1為直線電機(jī)的外觀圖，圖2為該直線電機(jī)的步長(zhǎng)，表2為電機(jī)的各個(gè)參數(shù)。
圖2.3 直線電機(jī) 圖2.4 直線電機(jī)的步長(zhǎng)
表2.2電機(jī)的各個(gè)參數(shù)
Size 23:57mm(2.3-in)混合式直線電機(jī)（1.8°step angle）
零件編號(hào)
固定軸式
57H4（X）-v
57H6（X）-v
貫通軸式
57F4（X）-v
57F6（X）-v
外部驅(qū)動(dòng)式
E57H4（X）-v
E57H6（X）-v
繞組類型
雙極性
單極性
工作電壓
3.25 VDC
5 VDC
12 VDC
5 VDC
12 VDC
每箱電流
2 A
1.3 A
0.54 A
1.3 A
0.54 A
每箱電阻
1.63 Ω
3.85 Ω
22.2 Ω
3.85 Ω
22.2 Ω
每箱電感
3.5 mH
10.5 mH
58 mH
5.3 mH
23.6 mH
功耗
13 W
轉(zhuǎn)子慣量
166 gcm2
溫升
135°（75°C）Rise
重量
18oz（511 g）
絕緣電阻
20 MΩ
2.4公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
在螺旋銑孔機(jī)構(gòu)中公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在其中就是實(shí)線螺旋銑孔的圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。由于公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包含了刀具的自轉(zhuǎn)，偏移機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)比較的復(fù)雜，因此必須具有較高的抗震強(qiáng)度以及剛度，并且要具有運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)準(zhǔn)確等。在本課題中為了要實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的公轉(zhuǎn)可以采用帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)以及齒輪傳動(dòng)等來(lái)通過(guò)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)其公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
在這些傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中每個(gè)機(jī)構(gòu)都有各個(gè)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)。帶傳動(dòng)的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低使用維護(hù)方便；帶傳動(dòng)中帶具有撓性和彈性能在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)是起到緩沖的作用且機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)噪音低；適合需要較大中心距傳動(dòng)；過(guò)載時(shí)容易打滑可以防治機(jī)構(gòu)部件的損壞。帶傳動(dòng)缺點(diǎn)：不能保證傳動(dòng)比；在機(jī)構(gòu)中的尺寸占有量很大；需要安裝張緊輪對(duì)帶的松緊進(jìn)行調(diào)節(jié)。鏈傳動(dòng)的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：平均速比i準(zhǔn)確；可傳遞遠(yuǎn)距離傳動(dòng)；成本低。缺點(diǎn)：瞬時(shí)傳動(dòng)比不恒定i；傳動(dòng)不平衡；傳動(dòng)時(shí)有噪音、沖擊；對(duì)安裝粗度要求較高。適于兩軸相距較遠(yuǎn)，工作條件惡劣等。在帶傳動(dòng)，鏈傳動(dòng)以及齒輪傳動(dòng)中齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)性最好，而且傳動(dòng)效率高，并且可以保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，使用壽命長(zhǎng)，運(yùn)動(dòng)速度高等特點(diǎn)。由于齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)本課題選擇齒輪傳動(dòng)與步進(jìn)電機(jī)的配合實(shí)線螺旋銑孔機(jī)構(gòu)的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
在螺旋銑孔中步進(jìn)電機(jī)作為公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)部分，在選擇電機(jī)型號(hào)的時(shí)候應(yīng)將電機(jī)的額定轉(zhuǎn)數(shù)，轉(zhuǎn)矩，功率，以及電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等考慮進(jìn)去，這些參數(shù)必須比螺旋銑孔機(jī)構(gòu)的參數(shù)大，我們可以根據(jù)螺旋銑孔的參數(shù)來(lái)選擇電機(jī)型號(hào)，應(yīng)盡量選擇參數(shù)比機(jī)構(gòu)參數(shù)大1~2倍的電機(jī)參數(shù)。
根據(jù)所給參數(shù)選擇電機(jī)型號(hào)為130BYG3501下表2.3為電機(jī)的主要參數(shù)：
表2.3電機(jī)型號(hào)及參數(shù)
型號(hào)
步距角
相數(shù)
電壓
電流
靜轉(zhuǎn)矩
空載運(yùn)行頻率
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
機(jī)身長(zhǎng)
單位
度
V
A
N·m
KHZ
Kg·c㎡
mm
130BYG3501
0.6
3
110-220
6
25
≥18
18
177
130BYG3502
0.6
3
110-220
6
35
≥18
30
230
130BYG3503
0.6
3
110-220
6
50
≥18
48
282
2.5軸向進(jìn)給機(jī)構(gòu)
在螺旋銑孔機(jī)構(gòu)中軸向進(jìn)給機(jī)構(gòu)就是整個(gè)螺旋銑孔機(jī)構(gòu)相對(duì)于待加工工件的法線方向上的運(yùn)動(dòng)。在整個(gè)機(jī)構(gòu)中，進(jìn)給機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)精度、靈敏度以及穩(wěn)定性將會(huì)直接影響工件的加工精度。因此，進(jìn)給機(jī)構(gòu)必須要有以下特點(diǎn)：
（1） 由于在進(jìn)給機(jī)構(gòu)中要使工作臺(tái)移動(dòng)需要很大的驅(qū)動(dòng)力矩，然而在進(jìn)給機(jī)構(gòu)中的聯(lián)軸器部分會(huì)產(chǎn)生彈性從而會(huì)影響在工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間上的起停。因此這將會(huì)使機(jī)構(gòu)的快速響應(yīng)能力有所降低。因此進(jìn)給機(jī)構(gòu)必須要有較高的傳動(dòng)精度以及剛度。
（2） 進(jìn)給機(jī)構(gòu)的快速響應(yīng)還與機(jī)構(gòu)中存在的摩擦力有關(guān)。因?yàn)闄C(jī)構(gòu)中存在摩擦力，從而使機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率降低，并影響了機(jī)構(gòu)的快速響應(yīng)的能力。因此進(jìn)給機(jī)構(gòu)中為了提高快速響應(yīng)的能力，必須是運(yùn)動(dòng)部件的摩擦阻力降低。所以進(jìn)給機(jī)構(gòu)必須具有低摩擦阻力。
（3） 在進(jìn)給機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)部件快速運(yùn)動(dòng)時(shí)，存在很大的慣量，因此在機(jī)構(gòu)起停時(shí)對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性有很大的影響。因此進(jìn)給機(jī)構(gòu)在滿足部件剛度和強(qiáng)度的前提下，盡可能的減少運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量，減小工作臺(tái)的質(zhì)量，來(lái)減少機(jī)構(gòu)工作室運(yùn)動(dòng)部件所帶的慣量。
由于進(jìn)給機(jī)構(gòu)的性能特點(diǎn)，所以本課題選擇最常見的滾珠絲杠加滑動(dòng)導(dǎo)軌作為螺旋銑孔機(jī)構(gòu)中進(jìn)給機(jī)構(gòu)?；瑒?dòng)導(dǎo)軌是用于支撐整個(gè)機(jī)構(gòu)的重量，滾珠絲杠是為了整個(gè)機(jī)構(gòu)提供軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的。滾珠絲桿的特點(diǎn)：
（1）在滾珠絲杠中采用的是哥德式溝槽的形狀，從而使絲杠的軸向間隙可以通過(guò)調(diào)整變得非常的小，但并不影響其傳動(dòng)。在絲杠中通過(guò)添加預(yù)緊載荷，消除軸向間隙，可使絲桿具有更佳的剛性，在承載時(shí)減少滾珠和螺母、絲桿間的彈性變形，達(dá)到更高的精度。
（2）滾珠絲桿由于屬于球運(yùn)動(dòng)，起動(dòng)扭矩極小，滑動(dòng)不會(huì)出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，從而可以實(shí)現(xiàn)微進(jìn)給。
（3）因?yàn)橐苿?dòng)的高效率，高速進(jìn)給可采用滾珠絲杠，因?yàn)槠浒l(fā)熱小，所以能夠?qū)崿F(xiàn)高速進(jìn)給。
（4）相對(duì)于其他傳輸設(shè)備，液壓，滾珠絲杠系統(tǒng)的故障率是非常低并且維護(hù)比較簡(jiǎn)單，僅需要一般潤(rùn)滑和防塵。因此具有較高的可靠性。
（5）無(wú)側(cè)隙、剛性高????滾珠絲桿副可以加予壓，由于預(yù)緊壓力可使軸向間隙達(dá)到負(fù)值,進(jìn)而得到較高的剛性。
綜上所述可以先選擇絲杠型號(hào)為 SFI03210-4
圖2.5與2.6為滾珠絲杠的尺寸參數(shù)以及滾珠絲杠的受力參數(shù)。
圖2.5滾珠絲杠尺寸
圖2.6 絲杠參數(shù)
在螺旋銑孔機(jī)構(gòu)中進(jìn)給機(jī)構(gòu)需要支撐整個(gè)機(jī)構(gòu)的重量。而可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)又要承載一定的重量的機(jī)構(gòu)，在本課題中可以采用滑塊導(dǎo)軌來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。對(duì)于導(dǎo)軌要求的特點(diǎn)：
（1） 采用導(dǎo)軌主要是用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部件的直線運(yùn)動(dòng)，而運(yùn)動(dòng)的精度，以及相互之間的位置精度，都取決于導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度。因此導(dǎo)軌在加工制造時(shí)，不關(guān)要有合理的結(jié)構(gòu)、較高的剛度和硬度、還必須要有較高的導(dǎo)向精度以及裝配質(zhì)量。
（2） 導(dǎo)軌是進(jìn)給機(jī)構(gòu)的主要部分，在工作過(guò)程中由于導(dǎo)軌的頻繁使用會(huì)使導(dǎo)軌產(chǎn)生一定的磨損，從而降低了導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度。為了確保導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度在導(dǎo)軌加工時(shí)需要較好的耐磨性。以減少磨損量。
（3） 由于導(dǎo)軌支撐著整個(gè)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的重量，導(dǎo)軌長(zhǎng)期承受較大的載荷會(huì)使其發(fā)生一定的變形從而影響導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度，以及導(dǎo)軌與工作臺(tái)的位置精度。因此導(dǎo)軌需要較高的剛度來(lái)預(yù)防導(dǎo)軌變形對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的影響。
（4） 由于在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)要求導(dǎo)軌上的摩擦阻力小，工作臺(tái)移動(dòng)平穩(wěn)，低速時(shí)無(wú)爬行現(xiàn)象，因此導(dǎo)軌要具有低速平穩(wěn)性好。
（5） 機(jī)構(gòu)中的導(dǎo)軌要便于制造、調(diào)整與維護(hù)，因此導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)必須簡(jiǎn)單，工藝性好。
因此選取型號(hào)為HGW45CA
圖2.7滑塊尺寸圖
圖2.8滾動(dòng)導(dǎo)軌型號(hào)
2.6本章小結(jié)
本章主要是對(duì)螺旋銑孔機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行分析。對(duì)自傳機(jī)構(gòu)、偏移機(jī)構(gòu)、公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、軸向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)以及它們之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行了分析。對(duì)各個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部件所要承受的力進(jìn)行分析，并對(duì)傳動(dòng)部件的特點(diǎn)進(jìn)行比較從而對(duì)傳動(dòng)部件的型號(hào)選擇做出初步的確定。
第三章 螺旋銑孔機(jī)構(gòu)參數(shù)計(jì)算
3.1絲杠慣量匹配計(jì)算
已知電機(jī)型號(hào)為130BYG3501，可知其轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
(3-1)
----絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
----移動(dòng)部件轉(zhuǎn)化到絲杠上的慣量
慣量匹配的計(jì)算，主要用以檢查負(fù)載慣量對(duì)系統(tǒng)的靈敏度和加速度，如果負(fù)載慣量過(guò)大，則電機(jī)加速時(shí)間較長(zhǎng)。若負(fù)載發(fā)生變化，則加速時(shí)間也將發(fā)生變化，因此要負(fù)載慣量與電機(jī)的慣量要合理匹配。一般負(fù)載慣量與電機(jī)慣量Jm之比應(yīng)滿足0.25
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