钻削精密深孔扭振发生装置的设计【2013年最新整理毕业论文】

编号 无锡 太湖学院 毕业设计（论文） 题目： 钻削精密深孔扭振发生装置的设计 机电 系 机械工程及自动化 专业 学 号： 0923024 学生姓名： 刘路路 指导教师： 范圣耀 （职称： 副教授 ） 2013 年 5 月 25 日 无锡 太湖学院本科毕业设计（论文） 诚 信 承 诺 书 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 钻削精密深孔扭振发生装置的设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 91 学 号： 0923024 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 无锡 太湖学院 机 电 系 数 控 专业 毕 业 设 计论 文 任 务 书 一、题目及专题： 1、 题目 钻削精密深孔扭振发生装置的设计 2、专题 二、课题来源及选题依据 近年来，新型非金属工程材料的应用不断扩展，其中不乏难加工材料，这对振动钻削工艺提出了新的挑战，同时也为展示其优良工艺效果提供了机遇。隈部教授采用 超声波 扭转振动和低频轴向复合振动钻削工程陶瓷，石川惠一采用单一的低频轴向振动钻削工程陶瓷，均取得了改善加工能力、提高钻头寿命的实验结果。北京航空航天大学陈鼎昌教授和哈尔滨工业大学张其馨先后用超声波振动钻削碳纤维增强复合材料 (CFRP)，不但改善了对硬而韧的碳纤维的切削能力，同时还可抑制钻削中材料的层间剥离。 三十多年来，国内外学者对振动钻削作了大量理论与实验研究工作，振动钻削能提高钻孔质量 、延长刀具寿命和改善对难加工材料切削能力等优良工艺效果已在 机械加工 领域得到普遍承认。综观国内外振动钻削的研究现状，目前主要存在以下问题： 对振动钻削的理论研究尚不充分，还未形成完整的理论体系，现有理论具有较大局限 II 性，尚需修正和完善，以充分揭示振动钻削的动力学本质； 对振动钻削工艺效果的研究大多局限于直径大于 1mm 的孔径区域，而直径小于 0.5mm 的微小孔加工条件最为恶劣，且 加工数量与日俱增，所以对振动钻削微小孔的研究更具实际意义，需予以更多关注； 迄今对振动钻削的研究均属于定参数振动钻削，无法同时满足钻削三区段不同钻削机理的要求，难以达到进一步提高钻孔整体加工水平的要求。因此，三区段变参数振动钻削，特别是对微小孔的三区段变参数振动钻削是在定参数振动钻削基础上的一次飞跃，是具有重要科研及应用价值的研究课题。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 熟悉 低频振动深孔钻削 的发展历程，特别是近十几年来提出的直径小于 0.5mm 的微小孔加工； 熟悉低频振动深孔钻削的工艺效果 ； 熟练掌握 低频振动深孔钻削的三种振动方式： 轴向振动 (振动方向与钻头轴线方向相同 )、扭转振动 (振动方向与钻头旋转方向相同 )和复合振动 (轴向振动与扭转振动迭加 )； 掌握了解针对不同的材料所需要的加工参数 ； 能够熟练使用振动钻削的自动控制系统，实现振动钻削的 自动化和智能化。 四、接受任务学生： 机械 91 班 姓名 刘路路 III 五、开始及完成日期： 自 2012 年 11 月 7 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师 签名 签名 签名 教 研 室 主 任 学 科组组长研究所所长 签名 系主任 签名 2012 年 11 月 7 日 IV 摘 要 孔加工是金属切削加工中最常用的加工工艺。据统计 ,孔加工的金属切除量约占切削加工总金属切除量的 1/3,钻头的产量约占刀具总产量的 60%。目前用于加工微小孔的工艺方法虽然较多 ,但应用最广泛、生产实用性最强的仍是采用麻花钻钻削加工。随着对孔加工质量和效率的要求不断提高 ,传统的钻削工艺已显示出极大的局限性 ,而近年来迅速发展的振动钻削工艺则日益显示出其独特的优势及广阔的应用 前景。本文主要介绍了振动钻削，振动钻削是振动切削的一个分支，它与普通钻削的区别在于钻孔过程中通过振动装置使钻头与工件之间产生可控的相对运动。振动方式主要有三种 ,即轴向振动、扭转振动和复合振动 。 本文讲述了如何匹配加工参数来实现精密深孔的加工，并设计了扭振发生装置，综合分析了振动钻削的工艺效果。 低频振动切削技术目前已应用于孔加工 (包括钻、扩、铰、锁、攻丝等 )和外圆车削加工等领域，解决实际生产中诸如切屑处理、改善切削加工性、提高加工质量、延长刀具寿命等问题，理论上也获得了许多发展。 关键词 ： 麻花钻 ； 振动 钻削 ； 振动装置 ； 低频振动 V Abstract Hole processing is the most commonly used metal cutting machining processing technology. According to statistics, hole machining of metal removal accounted for about one-third of the total machining metal removal of the, drill production accounted for about 60% of the total tool production. Process methods now used for machining small holes while more, but the strongest is still the most widely used, the production practicality is uses the twist drill drilling processing. As the hole of the requirement of increasing the quality and efficiency, the traditional drilling technology has shown great limitations, in recent years the rapid development of the vibration drilling technology is increasingly shows its unique advantages and broad application prospects.Vibration drilling is mainly introduced in this paper, the vibration drilling is a branch of vibration cutting, the difference between it and common drilling through vibration device in the process of drilling bit and generate controllable relative movement between parts. Vibration mode mainly has three kinds, namely axial vibration, torsional vibration, and vibration compound. This article tells the story of how the matching processing parameters to achieve precision deep hole machining, and torsional vibration generator is designed, the comprehensive analysis of the vibration drilling technology effect. Low frequency vibration cutting technology has been applied to the machining (including drilling, expanding, hinge, lock, tapping, etc.) and cylindrical turning processing, etc, to solve practical production in cutting machining, such as chip removal, improve processing quality, prolong tool life and other issues, theory also received many development. Keywords： Twist drill ； Vibration drilling； Vibration device； Low frequency vibration V 目 录 摘 要 . IV Abstract .V 目 录 . VI 1 绪论 . 1 1.1 振动钻削技术的发展历史 . 1 1.2 振动钻削的工艺效果 . 2 1.3 振动钻削的应用前景及前沿课题 . 4 2 振动钻削的原理 . 7 2.1 振动钻削的机理 . 7 2.2 振动钻削系统的稳定性与振幅损失 . 8 2.2.1 振动钻削时的切削力 . 9 2.2.2 振动钻削系统的稳定性 . 10 2.2.3 产生横向摆振与钻杆弯曲振动的原因 . 12 2.2.4 振幅损失 . 13 3 深孔加工的高效解决方案 . 14 3.1 深孔加工 . 14 4 装置设计 . 16 4.1 装置总体方案 . 16 4.2 电机的选择 . 18 4.3 带传动设计 . 20 4.3.1 确定计算功率 Pca . 20 4.3.2 选择带型 . 20 4.3.3 确定带轮的基准直径 . 20 4.3.4 确定中心距 a 和带的基准长度 Ld . 21 4.3.5 验算主动轮上的包角 1 . 21 4.3.6 确定带的根数 Z . 21 4.3.7 确定带的预紧力 F0 . 22 4.3.8 计算带传动作用在轴上的力（简称压轴力） Fp . 22 4.3.9 V 带轮设计 . 22 4.3.10 V 带传动的张紧装置 . 23 4.4 偏心轴及其附件设计 . . 24 4.4.1 轴承的选用 . 26 4.4.2 轴承底座 . 27 4.4.3 端盖和透盖 . 28 4.4.4 偏心销钉 . 29 4.5 主轴及其附件设计 . 29 4.5.1 主轴 . 29 VI 4.5.2 弹性夹头 .30 4.5.3 轴承的选用 .31 4.5.4 轴承座 .32 4.5.5 夹紧螺母 .32 4.5.6 轴承盖 .33 4.5.7 摆杆 .33 4.6 底板设计 .33 5 致谢 .35 参考文献 .36 VII VIII IX 钻削精密深孔扭振发生装置的设计 1 1 绪论 1.1 振动钻削技术的发展历史 据统计，孔加工是金属切削加工中最重要的工序之一。约占所有金属切削加工工序的 33%。我国每年生产钻头用的高速钢消耗量约占刀具生产中高速钢消耗总量的 70%。可见，在机械加工中孔加工占有很重要的地位，尤其是航空、航天、汽车、电子和计算机等行业，孔加工更 显示出其得天独厚的地位。例如，一架波音 747 约有 200 万个连接孔，机械连接工作量（不包括总装）约占机械加工工作量的 20%。 随着现代化进程的不断推进，高科技产品层出不穷，孔加工的数量与日俱增 !孔加工的地位也在不断地上升。同时对孔加工质量的要求也越来越高，这无疑给孔加工带来巨大挑战。目前用来加工微小孔的方法很多，但在国内外应用最广泛、生产实用性最强的要数麻花钻的钻削加工。然而 !以往的大量实验结果证明，普通钻削很难承担起这一历史使命，非传统的振动钻削新工艺越来越显示出其独特的优势。目前用于加工微小孔的工艺方法虽 然较多 ,但应用最广泛、生产实用性最强的仍是采用麻花钻钻削加工。随着对孔加工质量和效率的要求不断提高 ,传统的钻削工艺已显示出极大的局限性 ,而近年来迅速发展的振动钻削工艺则日益显示出其独特的优势及广阔的应用前景。振动钻削是振动切削的一个分支 ,它与普通钻削的区别在于钻孔过程中通过振动装置使钻头与工件之间产生可控的相对运动。振动方式主要有三种 ,即轴向振动 (振动方向与钻头轴线方向相同 )、扭转振动 (振动方向与钻头旋转方向相同 )和复合振动 (轴向振动与扭转振动迭加 )。其中 ,轴向振动易于实现 ,工艺效果良好 ,在振动钻削中占主导 地位 。振动的激励方式主要有 超声波振动 、 机械振动 、 液压振动和电磁振动 。其中 ,超声波振动的频率通常在 kHz16 以上 ,所以也称为高频振动钻削 ；其它三种振动方式的频率一般为几百赫兹 ,故称为低频振动钻削。振动钻削改变了传统钻削的切削机理。在振动钻削过程中 ,当主切削刃与工件不分离 (不分离型振动钻削 )时 ,切削速度、切削方向等参数产生周期性变化 ；当主切削刃与工件时切离 (分离型振动钻削 )时 ,切削过程变成脉冲式的断续切削。当振动参数 (振动频率和振幅 )、进 给量、主轴转速等选择合理时 ,可明显提高钻入定位精度及孔的尺寸精度、圆度和表面质量 ,减小出口毛刺 ,降低切削力和切削温度 ,延长钻头寿命。振动钻削良好的工艺效果已引起国内外研究者的普遍关注 ,自 1954 年日本宇都宫大学的隈部淳一郎教授提出振动钻削理论以来 ,各国学者对振动钻削进行了大量理论研究及实验分析 ,取得了许多有价值的研究成果 ,其中一些成果已逐步应用于加工领域。 低频振动切削技术目前已应用于孔加工 (包括钻、扩、铰、锁、攻丝等 )和外圆车削加工等领域，解决实际生产中诸如切屑处理、改善切削加工性、提高加工质量、延长刀具 寿命等问题，理论上也获得了许多发展。 无锡太湖学院学士学位论文 2 1.2 振动钻削的国内外研究状况 1970 年代中期，在人们发现了振动钻削具有的一些优良工艺效果之后，为寻求科学的支持，国内外一些学者开始从理论上对振动钻削的机理与特性进行探索，至今 30 多年来，主要对振动钻削的“钻头刚性化效果”理论、动态角度理论、振动断屑理论、脉冲能量和应力集中理论等进行了分析研究。 隈部淳一郎教授在他的著作精密加工振动切削基础与应用中，率先提出了超声波振动钻削的“钻头刚性化效果”理论。在他构造的钻头动力学模型中，把钻头抽象为自由端具有集中等效质量 M 、 相互垂直的两个方向（ x 向和 y 向）上的等效刚度为xK和 yK、等效阻尼系数为xC和 yC的悬臂梁，并受到脉 冲宽度为ct、周期为 T、两个垂直方向幅值分别为xH和yH的脉冲力作用使钻头产生横向位移 x 和 y，从而构造出钻头在两个方向上的运动微分方程，并进行了求解和分析。 1984 年开始，王立江教授和他的课题组对高频和低频振动钻削都进行了系统的研究。他在研究中还提出了低频振动提高钻入定 位精度的新观点，指出振动钻入时虽然由于某种原因产生的横向力作用使钻头产生横向偏移，但由于振动的存在，使钻头迅速退回脱离工件，并在再次钻入前的一段时间内受阻尼力的作用横向偏移迅速衰减，待衰减近平衡位置时再次钻入，故明显地提高了钻入定位精度，即具有“钻入偏移退回恢复重新钻入”的动力学特性。这一特性的发现无疑丰富了刚性化理论，推动了振动钻削理论研究的进程。 1986 年刘华明教授在自制的超声波振动钻床上进行了实验研究，结果发现振动钻削使切削力下降、表面质量和孔径精度提高，并进一步探讨了钻头耐用度与进给量之间 的关系 !给出了两者的关系曲线。 1998 年，杨兆军教授根据自己的实验经验，提出通过改变进给量来减少入钻位置误差的理论。微孔钻削入钻时，钻头横刃连续刮削工件，由于工件表面的不平整、钻头两切削刃的不对称等各种因素，钻尖受到横向力的作用而产生偏移，使钻头偏移钻入工件，而产生入钻定位误差。振动钻削则改变了微孔钻削的入钻现象。入钻时，钻头相对于工件做轴向振动，横刃作脉冲式旋转楔入工件，与工件表面时切时离。楔入时，钻尖因横向力作用而产生偏移， 设偏移量 ，但进入工件表面分离后，钻头将做以 为初始位移激励的偏移衰减振动，其动力学模型可简化为单自由度振动系统。通过计算和分析得出主切削刃全部钻入工件之前，楔入次数越多，修正次数就越多，入钻位置误差就越小的结论。显然，减小钻头的进给量，就增加修正次数，但将降低加工效率。若控制机床进给系统，在入钻阶段施以较小的进给量，而在钻削阶段再转变成正常的进给量，则在保证加工效率的前提下可减少微孔钻削的入钻定位误差。 出口毛刺是 钻削加工中严重影响加工质量的难题，长期未能有效解决。随着振动钻削钻削精密深孔扭振发生装置的设计 3 实验研究的深入，学者们发现振动钻削可有效减小出口毛刺。 1984 年，日本学者鞍古文保采用钻头每转振动 1 次的频转比，在铝制工件 (AL1050-0)上钻削 f5mm 的孔，结果出口毛刺高度由普通钻削时的 4.5 5.2mm 下降到 0.6 0.9mm。他指出，低频轴向振动钻削能缓解切屑阻塞，有利于排屑；此外，由于钻头钻出工件的瞬间切削力并不增加，因此可减小出口毛刺。 1986 年，足立胜重等人在相同实验条件下分别对铝 (AL1050-0)和碳素结构钢(S45C)工件 进行了低频振动钻削实验，铝件和钢件的出口毛刺平均高度分别由普通钻削时的 5mm 和 0.5mm 下降到 0.7mm 和 0.3mm，说明轴向振动钻削对于减小塑性材料的出口毛刺效果更为明显。 1989 年，王立江教授分析了零相位差低频振动钻削时出口处金属的残留特性和横刃的特殊机理，揭示了振动与毛刺的关联性，并通过实验证明在 1Cr18Ni9Ti 不锈钢和 L5 工业铝上钻削 f3mm 的孔时，若振动参数选择合理，甚至可实现无毛刺钻削。 1991年， H.Takeyama 通过实验证实，超声波振动钻削也具有明显减小出口毛刺的作用。 1997年，王 立江教授的课题组用 f0.5mm 钻头钻削黄铜 (H62)时发现，当加工参数选择合理时，出口毛刺可由普通钻削时的 31.52m下降到 0.12m，基本上实现了无毛刺钻削。 提高钻头寿命及对难加工材料的切削能力也是钻削加工中的重要课题。 1958 年，W.Hansen 在碳素钢工件上低频振动钻削深孔 ( f4mm,孔深 58mm,频转比为 3)时，发现振动钻削可显著 提高钻头寿命，并指出钻头轴向振动降低了切削温度 ,减轻了钻头烧伤，改善了排屑性能，因此可提高钻头寿命 14。 1962 年， E.A.Satel 采用低频振动钻削加工属于难加工材料的不锈钢和耐热合金钢，结果使钻头平均寿命提高了 300%,加工效率提高了250%。他认为，低频轴向振动钻削时刀具与工件切削表面的周期性分离可改善排屑性能，所以提高了钻头寿命。 1972 年，前苏联学者采用低频扭转振动钻削也获得了切削扭矩降低、钻头寿命提高 1.5 倍的加工效果。 1989 年以来，日本学者新井典久等人对低频振动钻削提高难 加工材料的钻削能力进行了较为深入的系统研究。他们用 f10mm的高速钢 (SKH51)麻花钻先后对钛合金 (Ti-6Al-4V)、镍铬铁耐热合金 (Inconel600)和奥氏体不锈钢 (SUS304)进行了低频振动钻削实验，并与碳素结构钢 (S45C)对比，用压电晶体三相测力仪测量动态切削力，用热电偶测量切削温度，并用有限元法分析温度分布，以主后刀面刃区外缘处的磨损宽度来衡量刀具寿命。实验结果表明： 振动钻削时钻削轴向力和扭矩静态分量 (动态力的平均值 )明显下降，其中钻削 Ti-6Al-4V 时分别下降 19%和 24%，效果 最为明显；钻削 S45C 时分别下降 4%和 10%，下降幅度最小；振动钻削使切削液冷却润滑作用增强，钻头外缘处切削温度下降；磨损宽度减小，钻头寿命延长。因此，新井的实验结果有力地证明了低频振动钻削具有提高难加工材料钻削能力的工艺效果。王立江教授及课题组着重对振动钻削提高微小钻头寿命进行了实验研究，他们根据微小钻头不重磨的特点，以钻头折断前的钻孔个数或钻孔长度作为钻头寿命指标，先后做了超声波振动钻孔和低频振动钻孔实验，实验数据表明，不但低频振动钻削能成倍提高微小钻头寿命，无锡太湖学院学士学位论文 4 超声波振动钻削提高微小钻头寿命的效果也十 分明显，如参数选择合理，寿命可提高 4.5倍以上。 三十多年来，国内外学者对振动钻削作了大量理论与实验研究工作，振动钻削能提高钻孔质量、延长刀具寿命和改善对难加工材料切削能力等优良工艺效果已在机械加工领域得到普遍承认。综观国内外振动钻削的研究现状，目前主要存在以下问题：对振动钻削的理论研究尚不充分，还未形成完整的理论体系，现有理论具有较大局限性，尚需修正和完善，以充分揭示振动钻削的动力学本质；对振动钻削工艺效果的研究大多局限于直径大于 1mm的孔径区域，而直径小于 0.5mm的微小孔加工条件最为恶劣，且加工 数量与日俱增，所以对振动钻削微小孔的研究更具实际意义，需予以更多关注；迄今对振动钻削的研究均属于定参数振动钻削，无法同时满足钻削三区段不同钻削机理的要求，难以达到进一步提高钻孔整体加工水平的要求。因此，三区段变参数振动钻削，特别是对微小孔的三区段变参数振动钻削是在定参数振动钻削基础上的一次飞跃，是具有重要科研及应用价值的研究课题。 1.3 振动钻削的发展趋势 当今，随着科学技术的迅猛发展，一些具有优良的机械和物理性能的新型材料不断涌现，并逐渐在各个领域开始得到应用，这为振动钻削的发展提供了有利的条件。由 于振动钻削是一种先进的加工工艺，振动参数对孔加工质量的影响非常大，而且要根据不同的加工对象、不同的钻削区段作相应的变化，因此靠以往的钻削设备不能实现这一目标，必须增加能进行改变振动参数的自动控制系统，充分实现振动钻削的自动化和智能化。 振动钻削的最终目的是适应新型材料的出现，优化切削过程，全面提高孔加工质量，而受实验设备等客观因素的限制不可能在实验中大幅度地随意改变参数，因此用计算机仿真来全方位地分析和优化切削过程是必须的，这就要求在对系统辨识的基础上根据振动理论、切削理论、控制理论等对系统进行形象的描述并 构造振动钻削的仿真模型，实现对振动钻削的动态仿真。 近年来，由于材料科学的飞速发展，具有优良机械和物理性能的新型材料不断涌现，并逐渐在各个领域得到应用。高强度、高硬度金属材料、正交纤维束增强复合材料及涂层材料等的应用日益广泛，尤其是正交纤维束增强复合材料以其优良的比强度、比刚度和加工性能被广泛应用于飞机结构中，然而其主要弱点之一是层间剪切强度低，采用普通钻削加工时因轴向力较大，使层间容易产生脱层现象，尤其钻出时脱层更为严重。针对这一问题，采用振动钻削工艺，并在钻入和钻出时采用不同的加工参数 (振幅 A、 振动频率 F、进给量 f、主轴转速 n 等 )以减小轴向力，无疑可显著提高孔的加工质量。 由多种材料 (如钛合金、铝合金及复合材料 )组合构成的叠层材料已逐渐应用于新型飞钻削精密深孔扭振发生装置的设计 5 机的制造中，其应用前景十分广阔，但由于其切削性能很差，成为推广应用的主要障碍，因此亟需解决其切削加工难的问题。对于这种材料采用定参数振动钻削的加工方法难以奏效，必须在钻削不同材料层时相应改变加工参数，才能在性能差别悬殊的不同材料层上钻出高质量的孔。 极有发展前途的金属基 (主要是铝基 )非连续增强复合材料以及最近出现的一些具有晶须、短纤维和陶瓷颗粒结构的 材料，不仅性能优异，而且价格也可与传统金属材料竞争，国外已在导航系统、航空发动机、汽车连杆、活塞、汽缸体、工业机器人传动齿轮上投入应用。但是这类材料中的增强相 (纤维、晶须或颗粒 )硬度很高，且在材料中随机分布，故钻削加工中刀具磨损严重，加工表面质量差，且随钻削深度的增加而加剧。所以，必须采用变参数振动钻削工艺才能较好解决其加工问题。 针对上述材料的加工难题，振动钻削应根据加工孔的材料组合特性、孔的长径比和技术要求等灵活选择参数变量 (A， F， f， n)，并将参数变量作为钻削深度的函数，即 A(l)，F(l)， f(l)， n(l)，最终目的是使整个钻削过程处于优化状态，全面提高孔的加工质量。因此，对振动钻削的研究主要应从以下几方面进行： 在充分考虑各种复杂因素尤其是非线性因素的基础上，构造能够真实反映钻削过程机理的动力学模型，深入进行振动钻削动力学特性的研究：由于振动钻削系统是一个包含非线性因素的复杂动力学系统，系统运行过程中可能出现诸如分叉、混沌等方面的动力学特性，这方面内容在以往的振动钻削研究中很少涉及；钻头的结构和几何参数比较复杂，以往国内外对振动钻削进行理论研究时都是把钻头近似看作具有两自由度且自 由端具有集中质量 (或均匀分布质量 )的悬臂梁来建立动力学模型，根据这种模型进行理论分析，求出的解只能是近似解，不能完全、真实地反映钻头结构及切削过程的动力学特性，因此需要从振动理论上进一步深入分析振动钻削的动力学特性，寻找更为有效的求解方法，为振动钻削技术在现代加工条件下的完善和发展提供更充分、更精确的理论依据。 开发先进的振动钻削设备。振动钻削是一种先进的加工工艺，振动参数对孔加工质量的影响非常大，而且需要根据不同的加工对象和钻削区段作相应变化。因此，依靠传统的钻削设备很难实现这一目标，必须配置能进行变 参数振动钻削的自动控制系统，实现振动钻削的自动化和智能化。 开拓新的分析方法。振动钻削研究的最终目的是适应新型材料的加工要求，优化切削过程，全面提高孔加工质量。但受实验设备等客观条件的限制，不可能在实验中大幅度地任意改变参数，因此采用计算机仿真对切削过程进行全方位的分析和优化是必不可少的，这就要求在系统辨识的基础上根据振动理论、切削理论、控制理论等对系统进行形象的描述并构造振动钻削的仿真模型，实现对振动钻削的动态仿真。 综上所述，振动钻削为了适应现代化高科技发展的需要，要从各方面进行不断地自我无锡太湖学院学士学位论文 6 发展和完善， 并发挥出其特有的优势。为此我们应该不断积累前人的经验，继续努力钻研，争取在这方面有更大的突破。 钻削精密深孔扭振发生装置的设计 7 2 振动钻削 的原理 2.1 振动钻削的机理 振动切削是在普通切削过程中给刀具 或工件 人为地加上某种有规律的、可控的振动 ,从而形成在机理上不同于普通切削的切削方法 .振动切削按振动频率 ,可分为高频振动切削 超声振动切削 和低频振动切削 Hzf 200 .实践证明 ,不论是高频还是低频振动切削 ,只要振动参数和切削用量选择得当 ,都能产生普通切 削所无法比拟的切削效果 ,如改善难加工材料的可加工性 ,可靠地断屑、排屑 ,显著减小切削力 ,降低切削温度 ,降低表面粗糙度 ,提高切削液的使用效果 ,从而大大地提高刀具的耐用度 .尤其在难加工材料和精密零件的加工中 ,振动切削已成为一种不可忽视的加工方法 .用麻花钻进行振动切削时 ,振动形式有扭振 主切削方向上的振动 、轴向振动 进给方向上的振动 和复合振动 同时进行扭振和轴向振动。 图 2-1 振动方式 一般认为 ,当钻头进行扭振时 ,仅仅改变了切削速度 ,并没有形成切削厚度的变化 ,因而 ,从运动学上 分析 ,在认为刀具是刚性的条件下 ,扭振并无断屑条件 ,对于复合振动中的扭振成分也是如此 .但是 ,由于扭振是在钻头外缘部分的主切削方向上的振动 ,能起到减小切削力的作用 ；另一方面 ,它所产生的圆周方向上的切削速度的波动 ,与进给运动合成 ,仍然形成了切削厚度的变化 ,也有利于断屑 .轴向振动对钻芯部分的切削刃而言 ,振动方向与切削方向一致 ,使横刃部分的冲剪作用有规律地进行 ,从而使作用在横刃上的脉冲力发挥作用 ,这时 ,对钻头外缘附近的切削刃而言 ,就形成吃刀方向振动切削机理 .另一方面 ,振动切削过程中 ,由于刀具与工件之间断续接触 ,使得切 削温度降低 ,正应力减小 ,内摩擦向外摩擦转化 ,而且刀具的动态冲击力产生了高于静态剪应力的波前剪切应力 ,这些也是切削力降低 ,工件材料更容易被破坏的原因 . 钻削工艺引入振动方式以后 ,由于受到振动、切削力、冲击等互相作用 ,加工表面的各种参数呈周期性变化 ,切屑不像麻花钻钻出来呈带状的切屑 ,而是片状、颗粒状、线性状等不同的形式。 导向部分 内切削刃 （ a） 轴向振动 外切削刃 导向部分 内切削刃 外切削刃 外切削刃 内切削刃 导向部分 （ b） 扭转振动振动 （ c） 复合振动 n n n 无锡太湖学院学士学位论文 8 切屑原理分析 : 设由于施振系统的作用，刀头产生振动特征函数为： PtSinA 21 式中 : 1A 为振幅 ,（ m） P 为振动频率 )(Hz , t 为时间 )s( 。 刀头的轴向位移 )t(X PtS inA 2ft n/ 6 0X (t )1 (2-1) 式中 :f 为走刀量 )/( rmm ； n 为主轴转速 min)/(r 。 设 为前后两刀波纹的重迭系数 iNnP /60 (2-2) 式中 :N 为整数 ； 1i0 。 设 2/)2()(23 1 210 iPtC o siS i nAfa (2-3) 当 00a,即 )(2 1 iSinAf (2-4) 实现断屑 (理论上 )。 实验证明，振动钻削在加工过程中 都能断屑 ,其原理是刀具与工件进行间歇、断续的切削，所形成的切屑在切削力振动挤压。冲击负荷的周期变化的共同作用下形成断裂 ,所以断屑在振动钻削加工中最易形成。 2.2 振动钻削系统的稳定性与振幅损失 振动钻削是通过给钻削加工系统施加某种有规律的振动 (振幅 A，频率 p)，通过周期性地实现刀具与工件的接触和分离，从而在圆周上形成切屑的薄弱环节，人为控制切屑的形成与折断过程。只要振动参数 (振幅 A，频率 p)匹配合适，无论加工何种材料，选择何种切削角度，都能可靠地实现断屑和自主控制切屑尺寸。但加工经验证明：在振动 加工的凸轮刀具工件系统中，由凸轮机构预设的振幅值，经钻杆传到钻头进行加工时，尽管振动频率保持不变，但是会产生显著的振幅损失。由于振幅值对切屑的折断以及控制切屑尺寸都有很重要的影响，所以振幅损失给人为控制振动钻削加工过程带来极大的障碍。因此，了解振动钻削加工过程中的振幅损失因素、估算损失量并采取相应措施进行预防或补偿，是振动钻削可靠断屑和稳定排屑的基础。 振动钻削中振幅损失因素分析 凸轮在外部电机的带动下高速旋转，迫使钻杆作一定振幅和频率的简谐振动，对工件进行振动加工。在该系统中，影响振幅损失的因素主要 有： (1)凸轮高速旋转时，从动件 (即钻削精密深孔扭振发生装置的设计 9 钻杆 )的惯性力较大，整个机构会发生弹性变形，使得钻杆工作端的实际位移与凸轮轮廓所预定的名义位移存在一定的差距； (2)对深小孔进行振动钻削时，由于振动刀杆的刚性较差，使钻杆受压后产生弯曲变形； (3)对工件来说，由于受到周期性的强烈冲击，它将产生振动响应，即出现一定振幅的振动，该振动在与激振力存在相位差时，会使部分振幅损失。上述三种因素所引起的振幅损失并不能进行简单的叠加，由于振动的存在，使得振幅损失值也以一定的周期出现，而各因素所引起的振幅损失量之间存在相位差，使振幅损失量 在整体上表现为加强或减弱。因此，若分别计算三种振幅损失量，则很难确切了解整个系统振幅损失值。 利用几何断屑机理低频振动钻削，解决了小直径深孔钻削中的切屑处理问题。所谓几何断屑是指通过改变切削层的几何参数，使切削面积有规律地变为零值，或产生薄弱环节而达到断屑的目的。前者称为完全几何断屑，后者称为不完全几何断屑。钻削时，由于附加振动引起了进给量的周期性变化使得切削力也发生周期性变化，与普通钻削相比，系统的稳定性发生了很大的变化，并产生了振动钻削时特有的现象。 振动钻削时，工件每转中刀具的振动次数称为重迭系数 J，用 iknpJ / 表示，其中 k表示整数部分， i表示小数部分， 5.05.0 i ix 2 ，即后一刀比前一刀在圆周上超前。虽然进给量 f 并没有变化，但每一瞬时，刀刃两转之间的轴向距离都在变化。把这一距离称为瞬时进给量，用tf表示，则 2/)()(2 xtS i nJA S i nfft （ 2-5） 瞬时进给量的变化引起切削厚度的变化和切削面积的变化，因此对加工过程中的切削力和钻削稳定性都有很大的影响。从变化规律上分析，瞬时进给量的变化与所加振动有相同的规律，只是相位上相差 2/)( x 。 2.2.1 振动钻削时的切削力 振动钻削时， 钻头受力状况见图 2-2。 图 2-2 钻头受力状况 由于瞬时进给量的周期性变化，钻削扭矩和轴向力也发生周期性的变化，同时，径向无锡太湖学院学士学位论文 10 力yF和导向块上的支撑反力NF也发生周期性的变化。在完全几何断屑时，由于切屑在切削面积为零处自动分离，其理论切削力见图 2-3。 图 2-3 理论切削力 理论切削力是以 2 为周期的函数，由于切削面积并非按正弦规律变化，所以瞬时切削力也并非按正弦规律变化。 2.2.2 振动钻削系统的稳定性 低频轴向振动钻孔时，钻削系统实际上为弹性体，由于切削力的周期性变化，势必引起系统的振动，表现为：钻头的轴向振动； 钻杆的扭转振动；钻杆的横向摆振；钻杆的弯曲振动。这些振动分别由变化的轴向力、扭矩、主切削力所引起。假设轴向力、扭矩和主切削力随轴向切削厚度而线性变化，实际上对于不完全几何断屑，进给量按正弦规律变化时，钻削扭矩和主切削力也是按正弦规律变化 的，轴向力的变化近似于正弦规律。为此，我们假设所有的激振力和扭矩都是时间 t的正弦函数，可以认为各激振力 (扭矩 )的变化和切削厚度的变化间没有相位差。为研究轴向振动，建立见图 2-4 所示的模型， 图 2-4 轴向振动模型 假设刀柄处的振动为 tASinx 3 ,图中 x 为钻头的瞬时位移，根据式 (2-5)可得由于进钻削精密深孔扭振发生装置的设计 11 给量的变化而产生的瞬时轴向力 Fxt 2/)()2/(0 xtS i nxS i nFF x t 。 （ 2-6） 式中： x 相邻两转刀刃轨迹波形间的相位差。 于是，可以得出动力学方程： )2/()(0 xS i nFtA S i nxkmx )2/()(2/10 xS i nFkxmxtS i n ，即 tA k S i nxtSi n )(2/1 (2-7) 解此方程可得： tS i nmnAkxtmS i nnxS i nFx )22(2/1)22()2/(0( (2-8) 这是两个相同频率的振动的合成，整理后得： )( tSi nAx (2-9) 其中 ，)2/( )( 21 1 AS inA S inAtg , 2/1),2/222/2( 222121 ASi nAASi nAA mAkAmFA nn )(,)( 22222 01 式中： A 振动钻削时钻头的振幅； x 钻头的瞬时位移； 3x 钻柄的瞬时位移； 0F 激振力的力幅； k 系统的弹性系数； n 系统固有频率， mkn /2 ； 激振力频率； m 模型的质量。 不难看出，当 ,5.0i 时 tS i nAAtm S i nAkFx n )()( )( 2122 0 (2-10) 该式说明 5.0i 时，变化的切削力减小了钻头的振动，使钻头的振幅达到最小值。由式 (2-5)可知，此时瞬时进给量的变化幅度最大，由它引起的瞬时切削力的力幅也最大， 1A最大，钻头振幅最小。同样可以分析出当 0i 时，钻头振幅 A 最大，显然， n 时， A无锡太湖学院学士学位论文 12 将趋于无穷大。 由以上分析可得出如下结论： 当 i=0.5 时，钻头的轴向激振力的幅值最大，所受振动冲击最大； 当 i=0 时，钻头轴向激振力的幅值最小，所受振动冲击最小； 当 n时，钻头振幅将 无限大，即系统达到共振，要设法避开； 刀柄的振幅越大，钻头的振幅越大。 2.2.3 产生横向摆振与钻杆弯曲振动的原因 2.2.3.1 横向振动 由于径向力以及主切削力的周期性变化，使得压向导向块的合力 gF 及导向套上的支反力也周期性变化。在轴向位置上，导向块滞后于切削力，这样导向块上形成的支反力NF形成一对力偶NM，NM也随tf周期性地变化。又由于导向块的倒锥量，导向块后部与孔壁间存在间隙，引起变化的力偶就使得钻杆产生横向振动，周期性变化的力偶见图 2-5。 图 2-5 周期性变化的力偶 导向块的轴向滞后量很小，产生的力偶也很小，所以横向振动一般不是太严重，但如果振动频率接近横向振动的固有频率时会发生共振，这 是应该避免的。 2.2.3.2 钻杆的弯曲振动 在横向振动中，会引起钻杆的弯曲振动。产生弯曲振动的另一个原因是采用了单刃刀具，使轴向力不过轴心 (见图 2-6)。 图 2-6 轴向力不过轴心 小直径内排屑深孔钻头一般都是单刃刀具，单刃切削时轴向力的合力不是作用在钻头中心，偏置的轴向力必然引起钻杆的弯曲，同时由于它周期性地变化，必然也会引起钻杆钻削精密深孔扭振发生装置的设计 13 的弯曲振动。钻杆的弯曲振动是这两种振动的合成。当振动频率接近系统的固有频率时，也会产生共振，当然也应该避免。 2.2.4 振幅损失 由于钻杆刚性较差，特别是当孔径越小 ，钻杆越长时，刚性就越差。这就使得钻柄处的振幅传到钻头时变小，即振幅损失。如果用来表示振幅的损失率，则 A ASi nAASi nAA A 2/1)2/(22)2/(2(11 222121 (2-11) 显然，当 i 越接近 0 5，即相位差接近，振幅损失越大，当 i=0.5 时，振幅损失率为最大值： A AA )(1 12m a x (2-12) 令 , tmAkxtmFxnn s i n),(2/1s i n )( )2/s i n (2222201 由此式可知，钻头的振动是由 1x 和 2x 两部分组成，其中， 1x 完全是由变化的切削力引起的附加振动， 2x 是由钻柄的振动引起的，二者的相位差为2 )( 。当 5.0i 时，钻头的振幅最小，当 0i 时，钻头的振幅最大。可见，当变化的切削力引起系统的振幅越大，振幅损失就越大。同时由式 (7)可看出，减小振幅损失的的途径有：减小相位差 ，但这受到断屑要求的制约；增大 2A 和 A ，增大 A 太多会使得钻头承受的交变切削力幅值太大，冲击增大，影响钻头寿命。增大 2A 必须增大弹性系数 k，即增大钻杆的刚度。钻杆刚性越好，振幅损失越小。所以，采 用内排屑深孔钻的振幅损失将小于采用枪钻的振幅损失。 无锡太湖学院学士学位论文 14 3 深孔加工的高效解决方案 3.1 深孔加工 就刀具本身而言，通过提高自身的加工效率、延长使用寿命可以降低其在生产成本中所占的比例。为缩减过去占制造成本 15% 20%的切削液成本，干式、半干式切削得到逐步推广，开始替代传统的湿式切削。与此同时，刀具制造厂商开始将适应干式、半干式切削的刀具商品化，以进一步降低零部件的制造成本。 在切削刀具中，孔加工用的钻头尤其不易实现干式、半干式切削。进行干式加工时，由于不能通过使用冷却剂达到冷却与润滑 的效果，致使切削部位的温度会迅速上升，使刀刃急剧磨损，刀具寿命急速缩短。特别是在切削热易蓄积的孔加工中，熔结在刀具上的被加工材料脱落后会造成刀刃的显著损伤，再加上缺乏冷却液的排屑功效，切屑堵塞很容易造成钻头折断，使加工不稳定。令人遗憾的是，至今为止，孔的干式加工的实用化仍未能实现。 图 3-1 深孔加工用硬质合金整体钻头 目前，除了铝合金、耐热合金材料的加工之外，采用最少量冷却剂的半干式加工正在得到推广和普及，在深孔加工中也已开始得到采用，如至今仍很难加工的 10/ DL 以上的深孔已经能够用非步进法进行加工了。 以往的深孔加工主要使用高速钢钻头、枪钻。为了避免孔弯曲而采用小进给方式加工，为防止切屑堵塞而采用步进方式加工，致使生产效率一直很低。现在，这个问题已经得到了解决，三菱公司开发出的可实现高效、高质量加工的硬质合金整体钻头（如图 3-2 所示），目前在汽车制造业已经得到应用。 被削材料： FCD700 刀具直径： 6（内冷型） 切削条件： Vc=60m/min fr=0.15mm/r 孔 深： 150mm（通孔） 切 削 液：乳性液 10% 7MPa 钻削精密深孔扭振发生装置的设计 15 图 3-2 切削性能比较 这种硬质合金整体钻头的特点是螺旋排屑槽形状由窄变宽，加工 20/ DL 的深孔时不需步进进给，可实现连续进给，一次完成加工。 当加工球墨铸铁时，如图 3 所示，使用普通钻头切削，当 3.5/ DL 时就会因切屑堵塞钻头发生折断现象而无法继续加工下去。而采用最新的深孔加工用硬质合金整体钻头，25/ DL 的深孔也可用非步进进给方式实现稳定加工，且未见切削动力消耗的上升。 图 3-3 与以往加工方法的比较（加工时间 ） 图 3-3 所示的是最新深孔加工用硬质合金整体钻头与以往的深孔加工用钻头切削时间的对比情况。采用直径为 6.18mm 的内冷型钻头，加工 mmLd 150的深孔，分别采用各自推荐的常规切削条件进行加工。结果显示，整体硬质合金钻头的加工时间大约是以往加工方式的 1/5（与枪钻相比） 1/10（与高速钢钻头相比），大幅提高了生产效率。 被削材料： S40C 曲轴 刀具直径： 6.18（内冷型） 切削条件： Vc=89m/min fr=0.2mm/r 孔 深： 100mm（通孔） 切削液压： 1MPa M.Q.L 加工（ 30cc/hr) 以往钻头 深孔加工用钻头 0 20 40 60 80 切削长度（ m） 深孔加工用硬质合金整体钻头 枪钻 高速钢钻头 高速钢钻头（步进进给加工） 无锡太湖学院学士学位论文 16 4 发生装置设计 4.1 装置总体方案 精密深孔钻削是机械加工中较难的问题 ,特别是在难加工材料上的钻削小直径深孔 ,难度更大。一般情况下 ,用枪钻来加工小直径深孔 ,虽然冷却润滑和排屑都有较大的改善 ,但断屑并未解决。振动钻削技术是一种新的钻削方法 ,在小直径深孔加工中能有效地断屑 ,有利于深孔钻削中排屑问题的解决。由于振动钻削所具有的特点 ,国内外已在许多难加工材料的钻削中采用了振动钻削。实现振动钻削的关键之一是振动钻削装置。各种振动钻削装置所能产生的稳定的振动参数差别很大 ,因此 ,在实用上都有一定的局限性。 枪钻是一种外排屑深孔钻，其结构如图 1 所示。通常切屑是被由刀具孔内流入切削区的高压切削油冲出孔的。如果切屑为连续不断的带状屑 ，即使增大供抽压力也难以可靠地冲出切屑，因此导致扭断刀头或刀杆的现象，所以枪钻加工深孔时的切屑处理主要是断屑问题。 图 4-1 枪钻结构 一般来说，振动装置应满足下列一些要求 : 1.单位功率要大，即在一定的功率下具有最小的轮廓尺寸，能够满足尽可能广泛的工艺要求； 2.振动参数 (频率与振幅 )最好能单独无级调节，可调范围要尽可能大，以便使同一种振动装置能满足不同工种、不同工序的特殊需要； 3.频率特性要稳定，即要求受负载的影响越小越好 e； 4.振动部分的质量要适当，即要求附加的振动部分质量不会引起工艺系统的 振动，以保证在切削过程中工艺系统能平稳工作； 5.要有足够长的使用寿命，振动装置中的易损件要便于更换； 6.工作要平稳 ,噪声要小； 7.结构要简单，制造要方便，要容易和现有机床配套使用，甚至成为通用的机床 钻削精密深孔扭振发生装置的设计 17 部件； 8.和执行机构的连接要简便、可靠，若用螺纹一类的连接方式，必须采取防松措施。 振动装置的类型若按振动的能源分类，可分为强迫振动装置和自激振动装置。强迫振动装置可根据实际需要，在一定范围内随机改变振动参数，它受切削过程的影响较小，在切削过程中容易维持振动参数的稳定性 ,因此应用最多。强迫振动切削装置有 机械、电磁、电气、气动和液压等形式；也可以根据具体需要组成各种组合形式的振动装置，如机械 -液压、电气 -液压等。机械式振动装置结构简单，造价低 ,使用和维护方便，切削过程中振动参数受负载影响较小，其结构有偏心式、曲柄 -滑块式、四连杆机构等。偏心式振动装置由电动机、振动轴、偏心轮、偏心轮轴等组成。 本人设计的是可用在车床上的低频扭振装置。 为了使制造简单方便，并考虑到工厂生产时加工工序比较固定，所以本装置采用偏心量不可调的方案，取最常用的 1mm作为偏心量。结合各种因素初步设计方案如下： 在普通车床上，卸下刀架 ,在 小溜板上安装上机械式扭转振动钻削装置。这种装置由偏心式振动机构、枪钻、导向机构和切削液循环系统等组成，车床主轴通过夹盘带动工件作旋转运动 (主运动 )，偏心振动机构带动枪钻作圆周方向振动 (扭振 )，小溜板带动枪钻作轴向进给运动，高压切削液通过枪钻中心孔注入切削液，通过这种方法实现小径深孔低频扭振钻削加工。 如图 4-2 所示。电动机转速为 1n ,经一级皮带带动偏心轴产生 2n 转速使偏心旋转，利用偏心轴轴端的偏心销钉使摆杆上下摆动，摆杆与振动轴相连接，枪钻夹持在振动轴的中心内，这样枪钻就在圆周方向以 100 / 左右的振动频率进行扭振钻削加工。调节枪钻扭振频率的方法：一是更换皮带轮改变传动比；二是采用调速电机实现无级调速。本装置选用调速电机实现无级调速。 图 4-2 扭转振动钻削结构简图 无锡太湖学院学士学位论文 18 图 4-3 机械式扭转振动钻削装置 1. 机床 2. 工件 3. 中心架 4. 授油器 5. 钻杆 6. 支撑架 7. 抽屑装置 8. 电机 9. 振动装置 4.2 电机的选择 本装置定为低频扭振，所以取其振动频率 Hzf 1000 设偏心轴转速为 1n 则由公式 60/1nf 可算出 rpmn 600001 (4-1) 图 4-4 电机装置结构简图 如图 4-4：中间轴为偏心轴，右端为电机，它们之间用带传动 当偏心轴以 rpmn 600001 的速度高速旋转时 设电机转速为 n， 取带传动公比 5.0i 由公式 nni /1 可得 rpmn 30 000 钻削精密深孔扭振发生装置的设计 19 调速电机有直流调速和交流调速两大类 因为在工件加工时，主切削力由机床主轴提供 所以本装置只是使夹持钻头的振动轴产生很微小的振动，所需功率很小 本着造价经济，实用简单的原则，查阅相关资料后，决定选用 Z2-11 型电机 该电机参数和样本图如下： 型号： Z2-11 额定功率： 0.4kW 额定电压： 220V 额定电流： 2.68A 弱磁调速时最大转速： 3000 r/min 效率： 68% 飞轮力矩： 0.012 GD2/kgf.m2 重量： 30 kg 图 4-5 电机简图 表 4-1电机尺寸 无锡太湖学院学士学位论文 20 4.3 带传动设计 带传动是由联于主动轴上的带轮 1（主动轮），固联于从动轴上的带轮 3（从动轮）和紧套在两轮上的传动带 2 组成的（如图）。当原动机驱动主动轮转动时，由于带和带轮间的摩擦（或啮合），便拖动从动轮一起转动，并传递一定动力。带传动具有结构简单，传动平稳，造价低以及缓冲吸振等特点，在近代机械中被广泛应用。 图 4-6 带传动简图 4.3.1 确定计算功率 Pca 计算功率caP是根据传递的功率 P ，并考虑到载荷性质和每天运转时间长短等因素的影响而确定的。即 PKPAca (4-2) 式中：caP 计算功率，单位为 kW； P 传递的额定功率（如电动机的额定功率），单位为 kW； KA 工作情况系数 查相关资料，取 KA=1.3 则 caP = 1.3X0.4 =0.52kW 4.3.2 选择带型 根据计算功率 caP 和主动轮转速，查相关资料 选用窄 V 带 SPZ 4.3.3 确定带轮的基准直径 由于本装置是用带传动增速，故主动轮为大带 轮，从动轮为小轮 已知传动比 5.0i 以结构紧凑为指导原则，参考相关标准 取主动轮 mmdd 1251 取从动轮 mmdd 672 验算带的速度 smV /5.18m ax 合理 钻削精密深孔扭振发生装置的设计 21 4.3.4 确定中心距 a 和带的基准长度 Ld 初步估计中心距0a 由公式 )(2)(7.021021 dddd ddadd (4-3) 代入 6712521 dd dd ， 得 3841340 a 取 mma 2000 0a取定后，根据带传动的几何关系，按下式计算所需的基准长度 dL 012120 4 )(2)(2/2 a ddddadL dddd (4-4) 代入相关数值后，得 mmdL 705 参考相关标准，取 V 带基准长度 mmLd 710 ，再根据 Ld 来计算实际中心距。 由于 V 带传动的中心距一般是可以调整的，故可采用下式作近似计算，即 2 )(0 dLLdaa (4-5) mm5.2 0 22)7 0 57 1 0(2 0 0 考虑安装调整和补偿预紧力的需要，中心距的变动 范围为： Ldaa 015.0m in (4-6) LdaA 03.0m a x (4-7) 综合考虑，取 a=210 mm 4.3.5 验算主动轮上的包角 1 ad d 3.57)(d-180 1d21 (4-8) 164 大于 120度，合理 4.3.6 确定带的根数 Z Lca KKPP PZ )( 00 (4-9) 式中： K 考虑包角不同时的影响系数，简称包角系数； LK 考虑带的长度不同时的影响系数，简称长度系数； 0P 单根 V 带的基本额定功率； 无锡太湖学院学士学位论文 22 0P 计入传动比的影响时，单根 V 带额定功率的增量 查表 得 K=0.96 LK=0.84 0P=2.15 0P=0.8 所以，84.096.0)8.015.2( 52.0 Z 1 因此取 V 带根数 Z=1 4.3.7 确定带的 预紧力 F0 由公式： 20 )5.2(5 0 0 qvzvK PKF ca (4-10) 查表 q=0.07 kg/m 再代入其它已知的数据，算得： F0=46.5N 4.3.8 计算带传动作用在轴上的力（简称压轴力） Fp 由公式 ： 2sin2 10 zFF p (4-11) N922164s in5.4612 4.3.9 V 带轮设计 设计 V 带轮时应满足的要求有：质量小；结构工艺性好；无过大的铸造应力；质量分布均匀；转速高时要经过动平衡；轮槽工作面要精细加工，以减小带的磨损；各槽的尺寸和角度应保持一定的精度，以使载荷分布较均匀等。 带轮材料可用铸铁，铸钢和铸铝。本装置因带轮转速较高，故采用铸钢。 由设计标准： 小轮结构为实心式，大轮结构为腹板式。 它们的结构图如下所示： 钻削精密深孔扭振发生装置的设计 23 图 4-7 实心式小 V 带轮 图 4-8 腹板式大 V 带轮 4.3.10 V 带传动的张紧装置 各种材质的 V 带都不是完全的弹性体，在预紧力的作用下，经过一定时间的运转后，就会由于塑性变形而松弛，使预紧力 F0 降低。为了保证带传动的能力，应定期检查预紧力的数值。如发现不足时，必须重新张紧，才能正常工作。 如下图，电机安装在滑槽上，张紧装置为一焊在底板上的钢块，钢块上开有螺纹孔，装上一螺栓后，调节螺栓即可调节电机的位置。 无锡太湖学院学士学位论文 24 图 4-9 张紧装置 4.4 偏心轴及其附件设计 . 图 4-10 偏心轴简图 偏心轴是本装置最关键的零件，如上图所示： 在轴端偏心位置安装有销钉，当 V 带轮带动该轴旋转时，销钉便以偏心轴中心线为中心作圆周运动，其运动轨迹的圆周半径即是偏心量， V 带轮的固定方法是轴肩加螺母，整个轴在两端装上轴承后安装在轴承座上。偏心轴转速最高为 6000 r/min，所以其制造精度要求较高。 偏心轴的结构图如下： 张紧装置 钻削精密深孔扭振发生装置的设计 25 图 4-11 偏心轴结构图 轴的强度校核： 偏心轴只受径向力，主要是皮带轮附加的压轴力，由于偏心轴转速较高 轴的 微变形都会产生较显著的影响，因此需要校核轴的刚度，因为轴的两端用轴承支承，两轴承间的轴部分无载荷，因此只需计算皮带轮到其最近轴承上的部分轴的刚度。该轴段可简化为下图： 图 4-12 受力简图 选取坐标系如图所示，任意横截面上的弯矩为 )( xLPM (4-12) 由公式 EIMdxvd 22 (4-13) 得挠曲线的微分方程为 )( xLPME I v 积分得 CP L xPxE Iv 2 2 (4-14) 无锡太湖学院学士学位论文 26 DCxP L xPxE L v 26 23 (4-15) 在轴承端 A，转角和挠度均应等于零，即 当 0x 时 0 AAV (4-16) 0VA (4-17) 把边界条件（ 4-16）式代入（ 4-14）式，（ 4-17）式代入（ 4-15）式，得 0AEIC 0 EIVAD 再将所得积分常数 C 和 D 代回（ 4-14）和（ 4-15）式，得转角方程和挠曲线方程分别为 PLxPxEIv 2 2 2623 PLxPxEIv 以截面 B 的横坐标 Lx 代入以上两式，得截面 B 的转角和挠度分别为 EIPLv BB 22 EIPLvF BB 33 B 为负，表示截面 B 的转角是顺时针的。 BF 也为负，表示 B 点的挠度向下， 令 P=92N, E=210GPa, L=45mm, 44 785064 mmdI ，得 ra dB 0000565.0 BF =0.00167mm 查资料验证，刚度合格 4.4.1 轴承的选用 轴承的选取依据是： （ 1）轴承的载荷，包括大小，方向和性质 （ 2）轴承的转速 （ 3）轴承的调心性能 （ 4）轴承的安装和拆卸 已知偏心轴只受径向力，主要是 V 带轮附加的压轴力，该压轴力为 92N，轴的转速最高为 6000 r/min，偏心销钉绕轴心线旋转时以 0100Hz 的频率与摆动杆碰撞，具有冲击性质。 钻削精密深孔扭振发生装置的设计 27 由偏心轴的工作性质，并按轴承的选用原则，参考相关的资料后，决定选用深沟 球轴承。 由相关资料，设轴承预期寿命 Lh=30000 h 已知载荷 P=92N 转速 n=6000 r/min =3 则所需轴承应具有的基本额定动载荷 C（单位为 N）可根据公式计算得出： gIhnLPC )1060(6 (4-18) 代入数据，算出 C=2034N 由轴承内径 d ，基本额定动载荷 C ，转速 n 参考相关标准后选用深沟球轴承 6204 标准 摘自 GB/T276-94 参照 ISO-15-1981 单位 (mm) 轴承代号 : 6204 尺寸 d: 20 尺寸 D: 47 尺寸 B: 14 额定动载荷 C(kN): 10.0 额定静载荷 C0(kN): 6.30 极限转速 (rpm): 14000(脂润滑 ) 18000（油润滑） 重量 (kg) : 0.098 图 4-13 轴承 4.4.2 轴承底座 轴承座用来支承轴承和轴，要求刚度足够，工作时稳定振动小，轴承座一般是用铸铁铸造，其中与轴承配合接触的内孔壁 有较高的尺寸公差要求。 B d D 无锡太湖学院学士学位论文 28 偏心轴轴承座结构图如下： 图 4-14 轴承底座 4.4.3 端盖和透盖 为了阻止灰尘，水，酸气和其它杂物进入轴承，并阻止润滑剂流失而必需对轴承进行密封，本装置采用毡圈油封形式。 具体方法是在轴承盖上开出梯形槽，将毛毡按标准制成环形或带形，放置在梯形槽中以与轴密合接触。如下图，透盖是中间开有孔的轴承盖，以使轴可以伸出来，孔壁上开有梯形槽，用来安放毛毡圈。端盖是中间不通孔的轴承盖，安装在偏心轴不需伸出的另一端。它们都是使用镙 钉固定在轴承座上。 (a) (b) 图 4-15 透盖 (a)和端盖 (b) 钻削精密深孔扭振发生装置的设计 29 4.4.4 偏心销钉 偏心销钉选用槽销，该类销上辗压或锻出的三条纵向的沟槽，打入销孔后与孔壁压紧，不易松脱，能承受振动和变载荷，销孔不需铰制，可多次装拆，一般用于有严重振动和冲击载荷的场合。 图 4-16 槽销 4.5 主轴及其附件设计 弹性夹头 摆动杆 图 4-17 主轴及其附件 主轴为一空心轴，如上图，在右端利用轴肩和螺母将摆动杆固定在轴上，摆杆和轴之间通过键来传递力；轴的左端装有弹性夹头，可将钻头夹紧。 当偏心轴旋转使摆杆绕主轴轴心线作微小往复扭转时，整个主轴便带动紧固在弹性夹头上的钻头作扭转运动，即实现了本装置所要求的扭振。 4.5.1 主轴 主轴上装有钻头，钻削加工时，钻头所受的扭矩要附加在主轴上，所以要求主轴具有足够的扭转强度。另外，为了保证加工时深孔的精度，对主轴的 旋转精度要求较高。 主轴的结构图如下： 无锡太湖学院学士学位论文 30 图 4-18 主轴 强度校核： 由于钻削时，钻头主要受轴向力和扭矩，轴向力对主轴的变形基本无影响，因此主轴只需校核扭转强度。 钻削时，钻头所受扭矩 MMMM kfyzdCM 081.9 (4-19) 设 d0=8mm,f=0.008mm/r 加工材料为中碳钢 查资料： MC =0031 Mz =2.0 My =0.8 Mk =1.0 所以 mNM 03.0 0.18.0008.00.28031.081.9 可见该扭矩很小，由于设计的主轴最小厚 度已有 11mm，远远能满足扭转强度要求。 4.5.2 弹性夹头 弹性夹头已有相关的设计标准，本装置所设计的弹性夹头如下： 图 4-19 弹性夹头 （材料： 65Mn） 钻削精密深孔扭振发生装置的设计 31 4.5.3 轴承的选用 主轴主要承受的是加工时工件对钻头的作用力，附加给轴承时主要是轴向力。 轴向力 FFFF kyfzdCF 081.9 (4-20) 查相关资料： FC=61.2 Fz=1.0 Fy=0.7 Fk=1.0 所以 NF 9.26 0.17.00.1008.082.6181.9 由于振动钻削时，所加工的孔一般都是小孔，因此钻头所受作用力都比较小，一般的轴承都可以满足要求。 由轴承选用规则确定选用圆