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打桩机 箱体 结构 部件 设计

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打桩机箱体结构部件设计,打桩机,箱体,结构,部件,设计

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湘潭大学兴湘学院毕业设计说明书题 目：打桩机箱体结构部件设计 学 院： 兴湘学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 2010963007 姓 名： 陈志远 指导教师： 吴继春 完成日期： 2014年6月 湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目： 打桩机机箱体结构部件设计 学号： 2010963007 姓名： 陈志远 专业：机械设计制造及其自动化 指导教师： 吴继春 系主任： 刘柏希 一、主要内容及基本要求 (1)分析打桩机工作原理和技术要求及其构思方案。 (2)完成打桩机传动系统的设计、机构设计和结构设计。主要零部件的受力分析和强度计算。绘制所设计方案的机构运动简图；绘制打桩机的装配图及主要的零件图。要求图纸工作量2张A0图纸(AutoCAD绘图)。 (3)设计说明书一份，电子文档一份。 (4)英文文献翻译（含原文）。要求：原文5000个单词以上，中文翻译要求通顺。 二、重点研究的问题（1）旋挖打桩机总体方案设计。（2）旋挖打桩机传动系统的设计。 （3）主执行机构设计及其结构设计。 三、进度安排序号各阶段完成的内容完成时间1收集资料、查询相关文献2014年1月18日2月22日2掌握旋挖打桩机的工作原理和技术要求，进行方案构思与设计2014年2月23日 3月8日3完成传动系统及机构设计和主要零件设计计算2014年3月9日 3月31日4绘制装配图和零件图草图2014年4月1日5月2日5完成装配图和零件图的设计2014年5月3日5月15日6撰写毕业设计说明书及英文文献翻译2014年5月16日 5月26日7交毕业设计说明书，准备答辩2014年5月 27 日 5月28日四、应收集的资料及主要参考文献 1 韩金亭.大口径旋挖打桩机在桩基施工中的技术优势J.西部探矿工程，2002，3: 8586 2 郭玉文.旋挖打桩机在北京城市铁路高架桥桩基施工中的应用J.铁道建筑技术，2001，12:8103 李世京.对国产旋挖打桩机研制选型的几点意见J.探矿工程，1996，1：38524 国内外螺旋打桩机的发展概况J.工程机械与维修，2000，9：30325 周红军.我国旋挖打桩进技术及设备的应用与发展J.探矿工程，2003，2:11176 吴允成.旋挖打桩斗结构的探讨J.探矿工程，2000，2:28317 郭玉文.旋挖打桩机在北京城市铁路高架桥桩基施工中的应用J.铁道建筑技术，2001，12:8 郑效功，柳东辉，姜英民，包长林.旋挖打桩机在施工中的推广与应用J.黑龙江交通科技，2000，2：819 阎逢君，谢鹏胜.无循环旋挖打桩机操作规程的优化J. 探矿工程，1999，4：1310 吴时明.旋挖打桩机一种先进的桥梁基础桩施工设备J.工程机械，2002，5：121411 王平，赵永生，赵政.旋挖打桩机选型及其在成孔施工中存在问题的探讨J.探矿工程，2001，4:182012 侯再民.旋挖打桩机卡打桩原因及其对策J.探矿工程，2001，1:131413 郭 传 新 , 马 建 中 , 马 鸿 忠 . 中 国 桩 工 机 械 概 况 J. 建 筑 机械,2002,10:5914 李国平.BRM-4 型打桩机打桩杆发生断裂原因的分析及防止J.建筑机械2001,2:454715 何铭新,钱可强.机械制图M.北京:高等教育出版社,2004.16 潘子健,朱玉祥.计算机三维建模在教学中的应用J.吉林大学社会科学学报,2003,增刊,210-213.17 尤春风. CATIA V5机械设计M.北京:清华大学出版社,2003.湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）评阅表学号 2010963007 姓名 陈志远 专业 机械设计制造及其自动化 毕业论文（设计）题目： 打桩机箱体结构部件设计 评价项目评 价 内 容选题1.是否符合培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的；2.难度、份量是否适当；3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。能力1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力；2.是否有综合运用知识的能力；3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力；4.是否具备一定的外文与计算机应用能力；5.工科是否有经济分析能力。论文（设计）质量1.立论是否正确，论述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表图纸是否完备、整洁、正确，引文是否规范；2.文字是否通顺，有无观点提炼，综合概括能力如何；3.有无理论价值或实际应用价值，有无创新之处。综合评 价 该同学所完成的打桩机箱体结构部件的结构设计 基本原理正确，传动系统设计合理。毕业设计说明书的论述合理，设计计算方法正确，格式符合要求。所绘制的装配图与零件图错误较少，基本达到工程图的要求。该同学具备了一定的专业理论的综合运用能力，正确制定设计方案和解决问题的能力，工程能力，设计能力，计算机制图，及外语能力，具备了工程师的基本素质。整个毕业设计工作体现了学科教学计划的基本要求，所完成的工作达到了本科毕业设计要求，推荐成绩为“及格”，可参与答辩。 评阅人： 2010年5月 日湘潭大学兴湘学院 毕业论文（设计）鉴定意见 学号： 2010963007 姓名： 陈志远 专业： 机械设计制造及其自动化 毕业论文（设计说明书） 30 页 图 表 6 张论文（设计）题目旋挖打桩机箱体结构设计内容提要：近年来,我国旋挖打桩机取得了较快发展但是相较于旋挖钻机在国外几十年的发展历史,国内旋挖打桩机在关键部件和核心技术方面跟国外相比还有一定的差距,我国旋挖打桩机的发展还任重道远。 本文所研究的动力头作为旋挖打桩机主机的重要子项,一直是主机研究的关键部件其性能好坏直接影响打桩机整机的工作效率打桩机的发展在国外己经有数十年的历史,动力头的发展己具备优越的性能!独特的技术和全新的设计概念目前国内动力头的开发能满足旋挖打桩机基本的施工作业,但可靠性和功能扩展方面还需进一步发展。 目前还很难检索到有关旋挖打桩机动力头系统设计开发的相关文献,国内外均无文献可参考和借用。因此,本课题对动力头系统的分析和研究,作为旋挖打桩机开发项目中的重要的子项,希望会给旋挖打桩机的产品开发带来一定的借鉴作用。指导教师评语该同学所完成的打桩机箱体结构部件的结构设计 基本原理正确，传动系统设计合理。毕业设计说明书的论述合理，设计计算方法正确，格式符合要求。所绘制的装配图与零件图错误较少，基本达到工程图的要求。该同学具备了一定的专业理论的综合运用能力，正确制定设计方案和解决问题的能力，工程能力，设计能力，计算机制图，及外语能力，具备了工程师的基本素质。整个毕业设计工作体现了学科教学计划的基本要求，所完成的工作达到了本科毕业设计要求，推荐成绩为“及格”，可参与答辩。 指导教师： 2014年 月 日 答辩简要情况及评语 答辩小组组长： 2014年 月 日答辩委员会意见答辩委员会主任 2014年 6月 日目 录摘 要1第1章 绪论31.1国内外旋挖打桩机的发展现状31.1.1旋挖打桩机机的简介31.1.2国内外旋挖打桩机的发展现状51.1.2.1旋挖打桩机的发展史51.1.2.2国外旋挖打桩机的现状51.1.2.3国内旋挖打桩机的现状61.2本课题的意义及研究内容61.2.1本课题的意义61.3论文主要内容7第2章 旋挖打桩机的工作原理及施工工艺82.1旋挖打桩机的主要构成102.2旋挖打桩机的工作原理11第3章旋挖打桩机动力头系统113.1旋挖打桩机动力头系统的简介113.1.1旋挖打桩机动力头系统的构成113.1.2旋挖打桩机动力头系统的工作原理工作原理113.2旋挖打桩机动力头系统主参数设计12第四章 旋挖打桩机动力头结构组成144.1动力头结构组成144.2旋挖打桩机动力头箱体内部结构154.3旋挖打桩机动力头箱体内部结构设计174.3.1动力头箱体齿轮设计17 4.3.1.1齿轮模数174.4变速器齿轮的的校核214.5 变速器轴的校核224.5.1轴的工艺要求224.5.2计算齿轮的受力，选择一档受力分析，进行轴的刚度和强度校核。224.5.3 轴的刚度计算23参考文献25致谢26摘 要 近年来,我国旋挖打桩机取得了较快发展但是相较于旋挖打桩机在国外几十年的发展历史,国内旋挖钻机在关键部件和核心技术方面跟国外相比还有一定的差距,我国旋挖打桩机的发展还任重道远。 本文所研究的动力头作为旋挖打桩机主机的重要子项,一直是主机研究的关键部件其性能好坏直接影响钻机整机的工作效率打桩机的发展在国外己经有数十年的历史,动力头的发展己具备优越的性能!独特的技术和全新的设计概念目前国内动力头的开发能满足旋挖打桩机基本的施工作业,但可靠性和功能扩展方面还需进一步发展。目前还很难检索到有关旋挖打桩机动力头系统设计开发的相关文献,国内外均无文献可参考和借用因此,本课题对动力头系统的分析和研究,作为旋挖打桩机开发项目中的重要的子项,希望会给旋挖打桩机的产品开发带来一定的借鉴作用。 关键词：旋挖打桩机,动力头,传动方式，打桩机，减速器 54AbstractIn recent years, the rotary digging pile driver has obtained the fast development of our country but compared with rotary digging pile driver in a foreign country for decades, the development history of domestic rotating drill in key components and core technology, there is still a gap compared with abroad, the development of rotary digging pile driver in China is still a long way to go.This paper studied the power head as an important item of the rotary digging pile driver host, has been the key components of the host research the performance is good or not directly affect drilling efficiency the development of the driver in a foreign country has several ten years of history, the development of the power head has a superior performance!Unique technology and new design concept of the development of the current domestic power head can meet the construction work of rotary digging pile driver basic reliability and function extension but still need further development.It is difficult to retrieve the rotary digging pile driver power head system design and development of related literature, no literature at home and abroad and use for reference , therefore, this topic for power system analysis and research, as important item in the rotary digging pile driver development projects, hope will bring the rotary digging pile driver product development as a reference.Keywords: rotary digging pile driver, power head, drive way, the driver, the speed reducer 第1章 绪论1.1国内外旋挖打桩机的发展现状1.1.1旋挖打桩机的简介 旋挖打桩建筑基础工程中成孔作业理想的施工机械,具有较大输出扭矩!较高施工效率的优点,且兼有污染少、环保好、多功能等特点。我国地域辽阔,土壤地质复杂多变,在工程施工中旋挖打桩根据不同的地质条件选择不同类型的钻具,施工适应性强,目前已成为工程机械行业的热门产品。未来几年,我国将投入巨额资金进行基础设施和城市公共设施的建设,包括高速铁路、城际公路、电力、城市地铁等的建设,因此旋挖打桩机的发展具备较好的宏观经济环境,具有较大的发展空间。 旋挖打桩机是桩基础施工的高效成孔设备,施工时利用动力驱动系统来驱动打桩杆和打桩头回转挖土,打桩进压力为液压油缸提供的加压力,打桩头进尺装满土石后由主卷扬提升,回转抛土,同时泥浆进入保护孔壁。循环作业成孔达到施工要求。 与其他打桩孔机械比较,其施工具有以下几个优点:(1)作业速度快,成孔质量高。旋挖打桩机输出扭矩大且具有扭矩自适应功能,可根据地质情况自动调整输出扭矩,工作效率高而且施工时钻头直接从孔内挖土提升,而循环打桩机则是由打桩头切削!泥浆循环排渣。因此省工省时,打桩进速快。一般情况下,在土层、砂层的打桩进速度可达10In几1,在粘土层可达4一6m/h,是普通回转钻进的3一5倍,甚至更高；而且旋挖打桩机钻进时对地层扰动小,孔壁泥皮薄,形成的孔壁为粗糙型，有利于增加桩侧摩阻力,保证桩基设计承载力。由于旋挖打桩特有的施工方法,使成孔底部沉渣少,清孔容易,成孔质量高。(2)施工污染少,环境保护较好。旋挖打桩机使用打桩头直接旋挖取土,然后通过伸缩打桩杆将钻头提出孔外高速回转抛上。所挖泥土和石渣可及时清理运走,施工现场干净。而循环打桩机的工作原理则是由打桩头对地层进行切削,通过正反循环不同的方式抽送泥浆,利用泥浆将孔底的泥土或切削石渣携带上来并排放到地面的泥浆池内,循环往复,施工现场泥浆横流,污染严重。旋挖打桩机施工中也使用泥浆,但泥浆的作用是用来护孔壁,施工现场基本无泥浆污染,且泥浆经过处理可以多次反复利用。(3)行走方便、移位快捷。旋挖打桩机底盘装有两条行驶履带及其驱动机构,无需借助其它工程机械可以自行行走,而传统打桩机由于本身无行走机构,往往需要借助吊车等工程机械才可实现移位。同时旋挖打桩机施工对孔时,利用先进可靠的电、液控制,定位精确。方便可靠而传统打桩机没有先进的定位控制装置,对孔进行定位时只能依靠目测和经验确定,定位精确度不高。(4) 适应地层广泛。我国地层复杂,南北地区地质条件相差较大,南方多石,且硬度不一,北方多土,且土层变化多样。旋挖打桩机可以通过更换适应不同地层的打桩头进行不同地质的施工,甚至可以进行坚硬岩层的施工,地层适应性较强。(5)一机多功能。多功能旋挖打桩机在普通旋挖打桩机上通过简单的装拆可实现多种桩工机械的施工,例如更换长螺旋打桩头及对动力头进行简单改动,可实现长螺旋打桩机的施工;通过更换臂架及工作装置,可实现连续墙抓斗的施工;通过悬挂振动锤可实现振动桩施工。更换简单,施工效率高,适应范围广,用户购买一台旋挖打桩机,即可实现多台工程机械施工的目的,可为用户节省大量资金。(6)电、液控制，先进可靠。为提高旋挖打桩机的自动化程度,旋挖打桩机的生产均采用先进的电!液控制,整机定位为全液压打桩机,各项作业均采用相应的液压系统和电气控制,先进可靠。为了提高旋挖打桩机的可靠性和使用寿命,旋挖钻机关键的液压元件和电气元件均选用进口件,如德国的力士乐液压系统、日本的电控系统等,使用后可延长旋挖钻机的整体使用寿命,不致于因个别零件的损坏而影响旋挖钻机的施工。1.1.2国内外旋挖打桩发展现状1.1.2.1旋挖打桩机发展史 打桩机最初开发成功的是螺旋打桩孔机，时间大约在1940年。然后回转斗式打桩机在美国率先研制成功。前苏联及欧洲其他国家也陆续开发和使用打桩机，法国洛特(BENOTO)于五十年代初期首先研制开发了全套管打桩孔机7呀8。随后，德国、日本等相继研制出这种机型并获得全面发展。BAUER公司生产的BG系列、IMT生产的AF系列、SOILMEC公司生产的R系列、CMV公司的TH系列、LIEBHERR生产的LRB系列等产品性能优越、技术先进，处于世界领先位置。随着先进的电液控制技术的发展与在工程机械上的成功使用，打桩机的功能进一步加强，施工效率也大为提高，产品的竞争力日益提升。 我国是从日本引进的打桩机部分工作装置，配装在履带起重机上形成最初的旋挖打桩机；然后美国RDI公司的旋挖打桩机被天津探矿机械厂引进并消化吸收；1987年意大利SOILMEC公司产品首次在北京展览馆展出；随后履带起重机附着式旋挖打桩机根据土力公司的样机在我国试制成功，但没有形成批量生产。德国宝峨公司从1995年在中国陆续成立了独资子公司宝峨天津机械工程有限公司和中德合资上海宝峨金泰工程机械股份有限公司，开始生产BG20、BG15、BG24型旋挖打桩机、别。1998年，徐州工程机械集团有限公司自主研发成功RD18旋挖打桩机，并于1999年试制成功后进行了批量生产，并逐渐形成系列化产品。我国旋挖打桩机以此为标志，从此打开了自主研发和快速发展的新局面。北京经纬巨力、三一重工等企业陆续加入旋挖钻机的研发、生产和市场竞争当中，对我国旋挖打桩机的发展起到了积极的推动和促进作用。1.1.2.2国外旋挖打桩机的现状目前国外旋挖打桩机的生产制造商主要有宝峨、意马、麦特、卡萨格兰第、土力等，各公司已具有自己独特的产品特性，产品均已实现系列化，而且具有多项扩展功能。国外打桩机在打桩孔直径和打桩孔深度方面有较大优势。打桩孔直径最大可达4米，打桩深可达90多米。 国外产品经过几十年的发展，已经形成了独特的技术特点。如图1.1BAUER旋挖打桩机。(1)动力头一般都配有两个或三个液压马达驱动，且具备连接套管驱动器的功能。有的动力头配有套管打桩进增扭装置，在施工作业时可减省摆管机的应用，大幅度降低旋挖打桩机的施工作业成本。动力头根据扭矩不同已形成系列，不同型号的旋挖打桩机可根据需要选装动力头，装配快捷、维修方便。(2)先进可靠的检测和监控装置，例如打桩桅垂直度检测、打桩孔深度显示等，尤其在打桩杆啮合及施工状态监控方面有着不可超越的优势。国外打桩机采用牙板自锁伸缩式钻杆，旋挖打桩机施工过程中，打桩杆牙嵌板在啮合中很容易受到磨损，当牙嵌板相互啮合不完全时，更易受到严重磨损。如果想继续使用原打桩杆，必须对磨损牙嵌板进行修复，修复过程费时费力，且很难达到原有尺寸和形状。安装打桩杆牙嵌啮合显示系统后，操作人员可在显示器上精确地观察和了解牙嵌啮合情况以及打桩杆实时施工状态，无论新老操作机手都能很好地操作。避免打桩杆带杆、打桩头脱落等事故的发生。(3)保证安全操作的各种保险装置，如防止带负载起动，卷扬机超高限位f.。)，动臂幅度限位及驾驶室内液控开关等安全保护装置，有效避免误操作。(4)为提高操作的舒适性和施工作业效率，依据人机工程学原理设计旋挖打桩机的操纵室，并加设了冷暖空调。(5)多功能化已渐趋完善。能在旋挖打桩机主机上通过简单操作快速更换各类钻具，进行打桩孔施工、连续墙成槽、振动桩施工等多种不同工法的施工。从而使旋挖打桩机具备了一机多功能，方便快捷、节约成本。1.1.2.3国内旋挖打桩的现状近年来，经过各类施工磨练的国产旋挖打桩机得到了快速发展，其整机的主要性能已接近或达到国际先进水平，关键技术和施工工艺也得到进一步的发展。由于国产旋挖打桩机较国外旋挖打桩机价格适中、售后服务及时，目前国产旋挖打桩机已基本占领了国内的市场。未来几年，基础设施和城市公共设施将进一步完善，相关工程的陆续开工，需要配备大量的旋挖打桩机。因此旋挖打桩机的生产厂商如雨后春笋迅猛增长，国内的旋挖打桩机生产厂商约有20多家，但随着市场竞争激烈及旋挖打桩机对技术和生产成本以及销售价格的严格控制，目前旋挖打桩机主要生产厂家为:徐工集团、上海金泰、南车时代、三一重工、山河智能、宇通重工、中联重科等。如图1.2为徐工集团的旋挖打桩机正在施工。这些企业的旋挖打桩机的销量已基本占领了整个旋挖打桩机市场的份额。但是目前国内旋挖打桩机的生产和使用也存在相当多的问题，毕竟相较于旋挖打桩机国外几十年的发展历史，国内旋挖打桩机的发展还任重道远。(1)国内大部分旋挖打桩机生产企业的生产未形成规模，产品也未系列化，产品同质化现象严重，主要集中在中等型号的产品。(2)相对国外来说国内旋挖打桩机生产和使用的时间尚短，还缺乏全面的产品标准，施工规范和系统的工法研究还需进一步确认和完善，关键技术和基本理论的研究有待深入。(3)产品进口配套件受限。进口配套件如液压元件、电控元件、减速机等供货周期相对较长，有些关键元件甚至无法订购。因此很多企业由于进口件受限处于停产状态，主机生产受到严重影响。1.2本课题的意义及研究内容1.2.1本课题的意义旋挖打桩机在桩基础施工的普遍应用和快速发展，使作为关键动力部件的动力头系统显得异常重要。其性能好坏直接影响打桩机整机的工作效率。旋挖打桩机施工中，动力头为旋挖打桩机提供动力，通过液压马达驱动打桩杆、打桩头回转挖土，同时由液压油缸提供旋挖作业所需垂向作用力，满足打桩孔时低速进给钻进和高速甩土两种工况要求5。我国地域辽阔，地层工况复杂，动力头为满足不同的土壤地质条件，能根据不同的负载自动调整转速与扭矩。但由于动力头作为重要的工作装置，其工作环境恶劣，动力头会出现各种各样的故障，严重时需要停机数日进行维修，影响施工效率。因此如何减少和杜绝动力头故障，延长动力头正常使用时间，提高动力头质量和可靠性，是旋挖打桩机制造厂商和施工用户最为关注的问题。动力头作为旋挖打桩机主机研发项目的重要子项，一直是主机研究的关键部件。国外对打桩机研究己经有数十年的历史，打桩机各项性能相对成熟。动力头从最基本的功能为打桩具提供驱动力和加压力，到扩展功能技术的实现。已具备优越的性能、独特的技术和全新的设计概念。目前动力头已发展成为双作用驱动箱，即可进行打桩孔，又能安放套管，并且增加了套管打桩进增扭装置。国内旋挖打桩机动力头在核心技术方面跟国外相比还有一定的差距，可靠性和功能扩展方面还需进一步发展。据作者查证，目前还很难检索到有关旋挖打桩机动力头系统设计开发的相关文献，国内外很少有文献可参考和借用。因此，本课题对动力头系统的分析和研究，作为旋挖打桩机开发项目中的重要的子项，会给旋挖打桩机的产品开发带来借鉴作用，具有一定的经济效益和社会效益。1.3论文主要内容主要包括以下内容:(l)旋挖打桩机的发展现状。(2)旋挖打桩机的工作原理、主要构成及施工工艺。(3)动力头系统设计及扭矩自适应研究。(4)动力头系统箱体设计。第2章 旋挖打桩机的工作原理及其施工工艺2.1旋挖打桩机的主要构成旋挖打桩机是集机电液一体化的高端工程机械，旋挖打桩机的主要构成:底盘、回转平台、幅、主副卷扬、钻桅、动力头、打桩杆、打桩头、发动机系统、液压系统、电气系统甩.司、驾驶室、机棚、配重等。(1)底盘底盘构成包括两部分:车架及行走装置。车架底架为箱形焊接结构，由液压油缸伸缩控制左右纵梁的间距，继而改变履带轨距。行走装置则主要有/四轮一带0和行走减速机等组成。“四轮”是指张紧轮、驱动轮、支重轮和托链轮；“一带”是指履带总成。旋挖打桩机底盘结构类型多样，大致可分(1)底盘底盘构成包括两部分:车架及行走装置。车架底架为箱形焊接结构，由液压油缸伸缩控制左右纵梁的间距，3，.们，继而改变履带轨距。行走装置则主要有“四轮一带”和行走减速机等组成。“四轮”是指张紧轮、驱动轮、支重轮和托链轮；“一带”是指履带总成。旋挖打桩机底盘结构类型多样，大致可分机动灵活。意大利50工LMECR622HD型旋挖打桩机采用摆动伸缩式底盘，底盘结构尺寸相对较小、高度相对较低，在行走过程中即可实现底盘伸缩、.3一-51。国内打桩机一般采用直接伸缩式底盘，如图2.2所示。底盘伸缩大都采用液压油缸驱动纵梁支腿伸缩来实现。 (2)转台国内旋挖打桩机的转台一般为整体焊接式结构，主要包括回转支承、回转减速机和转台主体等。转台主体的两主梁截面设计为/工0形截面或矩形截面。国外旋挖打桩机转台的结构别具特色，如意大利SOILMECR622一HD旋挖打桩机回转平台根据转台受力大、应力高的特点，整体上采用高铰点、大截面结构。转台主梁采用等强度设计的变截面工字梁结构，与矩形梁相比较，重量轻、节省材料。边梁设计采用大圆弧成型钢管7，3，.4了，制造简单、工艺性好。在保证整机要求强度的同时，整体紧凑，外观简洁。 (3)变幅及钻桅根据目前国内外旋挖打桩机变幅机构的结构类型，变幅大致可分为二类，大三角变幅和小三角变幅。国内旋挖打桩机的变幅一般采用小三角变幅机构，即平行四边形和三角架支撑机构。小三角变幅机构适用于中等型号以及小型号打桩机，优点是变幅灵活，运输状态和工作状态切换方便。大三角变幅机构的优点是设备稳定性较好，在大直径深桩孔施工中成孔精度高，尤其是在地层复杂的施工中突显稳定性优势。如德国BAUER公司生产的BG系列旋挖打桩机则采用大三角变幅机构。但缺点是运输时受整机运输高度限制打桩桅必需前趴，因整机运输尺寸超长打桩桅必须拆卸运输。其运输示意图如图2.3。打桩桅一般有三节组成，上下两节均可折叠。下节一般有液压伸缩支腿，用于履带伸缩支撑和顶压护筒。上端有主副滑轮机构，用于提升打桩杆和打桩头。截面为方箱形截面，导轨为成型钢管，焊接在箱体的两侧。徐工集团XR系列旋挖打桩机的打桩桅即采用大箱形截面，具有良好的抗弯和抗扭性能，为动力头和打桩杆的滑移提供导向作用，打桩桅的可折叠式结构能减少整机长度和高度，整机运输时无需拆卸。(4)动力头动力头为打桩机工作提供动力，是旋挖打桩机的关键传动部件。主要构成有变量马达带动减速机和齿轮箱实现驱动的动力驱动机构、与打桩杆牙嵌板相啮合的回转机构及润滑密封系统、动力箱在打桩桅导轨上滑动的支撑机构。其工作原理是液压马达输出扭矩和转速，经减速机和齿轮箱两次减速增扭，打桩进和抛土作业可实现双向旋转以驱动打桩杆、打桩头回转，能满足高速甩土和低速钻进两种工况，能根据不同的负载自动调整转速与扭矩，以满足不同的土壤地质条件。当进行抛土作业及软地层施工时，动力头需要提供高速小扭矩工况。常见的实现快速反转的有采用双速减速机、减速机配以传动箱输入端离合器等方案。国内旋挖打桩机一般采用双液压马达动力头，以保证在回转打桩进和反向抛土作业时动力头能够提供足够的扭矩和转速。而西方工业发达国家的旋挖打桩机，如SOILMECR622HD打桩机的动力头由三液压马达驱动，其中有一对马达位于箱体上下两端同轴驱动齿轮。在低速打桩进时，三马达同时工作，在反向抛土时由单独机构实现减速机输出轴和驱动齿轮的离合，此时只依靠小马达提供动力实现高速抛土。另外，为了适应不同地层的需要，国外动力头一般配备套管连接器，可直接连接套管，省去了摆管机的使用，节省了设备费用，而且有的公司如迈特公司为了提高扭矩其系列旋挖打桩机的动力头均配有套管钻进增扭装置。目前国内徐工集团生产的XR系列旋挖打桩机的动力头配备了套管连接机构，可方便快捷地实现套管的连接和拆卸。(5)打桩杆、打桩头打桩杆、打桩头作为旋挖打桩机施工时直接作业的关键配套件，其质量至关重要。打桩杆的功能是将动力头传递的扭矩和转速传递给打桩头，同时将加压油缸的加压力、动力头和打桩杆本身的重量稳定地传递给钻头，打桩头进尺越多，桩深越深，对打桩杆的要求越严格，因为打桩头在几十米深处作业，当打桩进较硬的地层时，打桩杆除了要能承受传递的大扭矩和大的加压力，而且要能克服细长杆所要承受的较大的弯矩。所以打桩杆的结构形式及钢管质量成为旋挖打桩机顺利钻孔的重要因素。目前旋挖打桩机主要使用的是伸缩式打桩杆，伸缩式打桩杆主要有2种形式，一种是摩阻式打桩杆，另一种是机锁式打桩杆。摩阻式打桩杆最多有6节伸缩杆，只能靠摩擦力传递打桩压，一般适合于软地层施工。机锁式打桩杆一般为4节杆，打桩杆之间通过加压平台加压钻进，适合于硬地层施工。为适应不同地层施工，提高打桩进效率，旋挖打桩机使用一种组合式打桩杆，该打桩杆既继承了机锁式打桩杆加压打桩进的特点，同时兼备了摩阻式打桩杆高效率深孔作业的优点。组合式打桩杆一般为5节杆，外3节为机锁式，可有效打桩进硬地层，内2节为摩阻式，内2节打桩杆直径较小、管壁较厚，且钻杆较长、挠性较大。如果采用机锁式结构，在进行加压打桩进时挠度很大，使打桩杆跳动，影响成孔的精度或造成塌孔，将给施工造成严重损失。采用摩阻式打桩杆，可利用摩擦力柔性加压打桩进，提高深孔作业的效率，既保护了打桩杆，更重要的是保证了成孔的质量。国外旋挖打桩机所用的伸缩式打桩杆一般都采用高强度无缝钢管(抗拉强度约为900MPa)制成，重量轻、焊接性好，但进口的打桩杆价格昂贵，而且损坏后维修不能及时保证。目前随着旋挖打桩机的热销，国内打桩具配套厂家日益增多，国产打桩杆和打桩头在保证打桩机施工的同时，价格便宜，售后服务及时。打桩头作为旋挖打桩机的关键配套件，直接接触施工地层。打桩头的正确选用是旋挖打桩机提高工作效率的重要保证。目前国内外旋挖打桩机在施工时最常用的打桩头主要有螺旋钻头、回转旋挖打桩斗及取心打桩头等。如R622一HD旋挖打桩机的打桩头有:短螺旋打桩头、单层底旋挖打桩头、双层底旋挖打桩头等。(6)液压系统旋挖打桩机液压系统采用开式回路控制。液压动力元件为斜轴式双变量主泵、副泵以及辅助泵，液压泵通过弹性联轴器和发动机相连，通过大流量多路阀控制一组主动作，通过小流量多路阀控制一组辅助动作。执行元件为液压马达和液压缸，液压马达为动力头、卷扬、行走、回转等回转运动机构提供驱动力，液压缸为变幅、加压、打桩桅左右倾、履带伸缩、打桩桅支腿伸缩等直线运动提供动力。2台斜轴式双变量主泵输出压力油由大流量多路阀控制，按工况要求分配给旋挖打桩机的大功率液压执行元件；副泵输出的液压油由小流量多路阀控制，按旋挖打桩机的动作要求非配给小功率的执行元件；先导泵(辅助泵中的1台)输出的压力油由先导阀控制，为先导执行元件提供动力；冷却泵(辅助泵中的1台)输出的压力油为旋挖打桩机冷却系统执行元件提供动力。液压驱动示意图见图2.4。系统分别驱动不同的执行元件以实现不同的动作，可以单独控制一个执行元件实现单个动作，也可同时控制多个执行元件实现多项功能。为提高旋挖打桩机的施工效率，大流量多路阀可实现动力头、主卷扬阀内合流功能以提高两个关键动作的速度。2.2旋挖打桩机原的工作原理旋挖打桩机主要动作有动力头、主、副卷扬、上车回转、下车、打桩桅调平、变幅、加压、支腿、履带伸缩。上车回转和下车行走通过换向阀互锁L13，.引。旋挖打桩机施工动作顺序如下:旋挖打桩机到达指定地点，为了增加支撑面积，左右履带伸缩油缸伸出，达到旋挖打桩机最大履带间距。锁定下车，拔掉上车回转锁定销，变幅油缸和左右倾缸动作使打桩桅在指定点与水平面垂直，打桩杆、打桩头在主卷扬的作用下到达施工地面，在动力头旋转驱动下回转，同时在加压缸提供的加压力的作用下向下挖土。打桩头进尺到位后，提升打桩杆时，主卷扬回转，加压油缸同时提升，当打桩头提升至地面后，上车回转带动打桩头至指定的卸土位置进行卸土，卸土时提升打桩头使回转斗上端的立柱碰到动力头下端承撞体挡板，立柱受力打开回转斗底板开启机构实现卸土作业。然后回转到打桩孔位置，开始下一个工作循环。打桩孔深度由电器数码显示，当打桩至要求深度后即可停止作业。第3章旋挖打桩机动力头系统3.1旋挖打桩机动力头系统的简介3.1.1旋挖打桩机动力头系统的构成旋挖打桩机动力头系统是指驱动动力头回转以传递扭矩和转速给打桩杆和打桩头实现钻孔作业，并能根据土壤地质条件的不同自动改变其扭矩和转速的整个系统。动力头系统主要由发动机、液压泵、液压阀、液压马达、减速机、动力头、打桩杆、打桩头等构成23。动力头系统主要构成部分及各部分间的传动关系如图3.1所示。动力头系统的发动机为大功率柴油发动机，发动机动力驱动部分一般直接连接液压泵，也有在发动机和液压泵之间增加一分动箱，可实现多个取力点以连接多个不同功能的液压泵。液压泵利用三位六通电磁比例换向阀控制执行元件液压回转马达的启动、停止及换向。液压回转马达通过减速机及动力箱齿轮传动增大扭矩降低转速驱动打桩杆和打桩头实现打桩孔作业。3.1.2旋挖打桩机动力头系统的工作原理工作原理旋挖打桩机到位后，钻杆打桩头下放至地面，操纵置于驾驶室内的动力头先导手柄，接通液压回路，发动机驱动液压泵工作，液压泵利用三位六通电磁比例换向阀控制执行元件液压回转马达的启动，液压马达输出的转矩和转速通过减速机减速增扭后传递到齿轮箱，齿轮箱内的减速齿轮进行了二次减速，输出的大扭矩和低转速通过驱动套牙板传递给打桩杆和打桩头，打桩杆和打桩头回转挖土。同时托架和动力头总成沿导轨滑动以传递加压油缸的加压力，驱动打桩杆和打桩头压入地面并回转取土。当打桩头取土满钻后，动力头反转，打桩杆解锁后提打桩整车回转，打桩头上提其上打桩头立轴和动力头承撞体下底板相撞，打桩头开合机构启动，斗底打开卸土，动力头高速旋转，甩粘土。当打桩孔深度超过第一节(最外节)打桩杆的长度时，打桩杆上部的打桩杆托架会压在动力头的上端，随着打桩孔深度的增加，打桩杆各节由外向内依次伸出，直到达到施工要求的打桩孔深度。动力头液压系统可根据施工地层的不同自动改变其扭矩和转速723，以提高施工效率。打桩孔作业过程中，液压泵ASVO双泵中的一台单泵同时驱动两台动力头液压马达实现低速大扭矩作业，当进行较软地层施工或抛土作业时，为提高工作效率，动力头需高速旋转，此时为动力头高速小扭矩作业，由ASVO双泵合流提供大流量。动力头实现高速抛土也可采用双速减速机，当抛土作业时，切换为小减速比工况，动力头转速增加，实现高速甩土。3.2旋挖打桩机动力头系统主要参数设计本论文针对某中等型号的旋挖打桩机的动力头，该旋挖打桩机动力头原动机为康明斯QSMH，功率242kw；主泵为力士乐ASVO双泵；和主泵配合的多路阀采用力士乐的MS阀；动力头马达为力士乐变量马达A6VM；该打桩机要求的最大扭矩220kN.m，最大转速为22r/mln，系统最大流量4301/min。(l)动力头扭矩计算和压力设定根据变量马达的控制性能，变量马达起调点压力设置为20MPa，此时马达排量为最小排量，当压力为30MPa时，变量马达排量为最大排量。动力头输出扭矩:式中气马达排量，ml/r;马达工作压力，Mpa;马达工作效率， =0.95;减速机速比;动力箱传动比。将设计参数值代入式3. 1，可得到动力头的可调输出扭矩Md为56202kN*m。马达最大工作压力:式中从动力头输出扭矩，Md=220kN.m;马达工作效率： =0.95;减速机速比;动力箱传动比。 可得到马达的最大工作压力P为32.5MPa。考虑到M8阀的控制压差可在2-3MPa范围内，取2.5MPa。因此动力头联压力可设置为35MPa.马达的最小排量:式中Q系统流量，Q =215 1/min; 马达容积效率: =0,97; n马达工作转速，n =22r/min; 减速机速比; 动力箱传动比。 可得到马达的最小排量V为67.97m1/r。取整后马达的最小排量可设定67m1/r,满足设计要求。(2)动力头转速计算 发动机功率为242kW，考虑到散热器，消音器等附件的功率损失，可利用功率大约为217kW，现选主泵A8V0，输出功率设定为170kW .主泵的有效输出功率:式中为主泵的输出功率，=170kW;为主泵的效率， = 0.92。可得到泵的有效输出功率P为154 kW 。主泵最小流量:式中P主泵的有效输出功率，P =154kW。P主泵的最大工作压力，Pb=35MPa。可得到主泵最小流量为291.41/min o主泵最小工作压力:式中P主泵的有效输出功率，P=154kW;Q主泵的最大流量，430 1/min。可得到主泵最小工作压力为23.72MPa.动力头的最小打桩进速度:式中主泵最小流量，= 291.41/min; 动力头马达最大排量，ml/r; 减速机速比; 动力箱传动比。 可得到动力头的最小打桩进速度为6.5r/min。动力头的最大打桩进速度:式中为主泵最大流量， =4301/min;动力头马达最小排量， =67m1/r;减速机速比;动力箱传动比。可得到动力头的最大打桩进速度为23r/min 。第四章 旋挖打桩机机动力头结构组成4.1动力头结构组成 旋挖打桩机动力头，主要组成部分有托架和动力箱总成。结构如图4. 1所示托架包括支撑架、滑块支架和左右支架，用以支承动力箱总成在打桩桅导轨上滑移，并和加压油缸相连以传递加压力和提升力。动力箱总成包括液压马达、行星减速机、动力箱、减震装置和承撞体。根据打桩机型号和扭矩的不同，所用液压马达的数量也不同，扭矩要求较小的使用一台，中等型号的钻机一般为两台，较大扭矩的打桩机动力头使用三台。液压马达分别连接行星减速机，行星减速机的输出轴与减速动力箱的齿轮轴连接，齿轮轴与回转支承或大齿圈的外齿啮合，动力箱为齿轮啮合提供润滑和密封空间，回转支承或大齿圈两端支承轴承和密封件均选用进口件，回转支承或大齿圈与驱动套连接为一体，驱动套的上端连接有减震装置，其下端连接承撞体。驱动套内部有均布的三处驱动牙板，与钻杆牙板配合传递扭矩和压力。 图4-1动力头结构组成4.2旋挖打桩机动力头箱体内部结构 旋挖打桩机动力头箱体作为减速装置，通过齿轮减速传动实现增大扭矩、降低转速的目的。国内外动力头箱体的内部结构及减速实现方式各有不同，国内外动力头箱体内部结构大致可分为三类，一类是以BAUER和徐工集团动力箱为代表的箱体机构，结构如图4. 2和图4. 3。该动力箱输入轴为小齿轮，和三排柱回转支承的外齿相啮合，三排柱回转支承的外圈和连接轴通过螺栓相连接，内圈和箱体固定。马达旋转时，带动减速机回转，减速机输出轴和小齿轮通过花键传动，小齿轮和回转支承的外齿啮合传动，从而带动连接轴回转，连接轴和驱动套通过螺栓连接带动驱动套旋转，安装在驱动套上的牙嵌板驱动打桩杆相应牙嵌板从而使打桩杆钻头回转。该动力箱的优点是结构简单，安装方便，箱体紧凑，故障点较少。缺点是三排柱回转支承价格昂贵，且连接轴和驱动套相较于另一类只有驱动套的箱体增加了连接轴的价格，因此动力箱造价高。一类是以意大利CASAGRANDE动力箱为代表的箱体机构，该类动力箱一般有三马达或两马达加离合机构驱动，具有高速抛土功能。减速机和齿轮输入轴之间增加一离合机构，正常作业时，减速机输出轴通过离合机构的过渡齿轮间接和齿轮输入轴啮合传动输出低转速和大扭 图4-2动力箱内部结构矩。需要高速抛土或软地层高速钻进时，离合机构过渡齿轮和减速机输出轴打桩机脱开，只有一马达进行驱动作业，提高转速。另一类是国内一打桩分使用的动力头箱体结构。动力箱输入轴为小齿轮，和小齿轮啮合的是带外齿的大齿圈，大齿圈和单排球回转支承的外圈相连，同时和驱动套相连。回转支承的内圈和动力箱固定，箱体上端是大直径球轴承的支撑结构。该动力箱的优点是造价便宜，缺点是上端大轴承易损坏，大轴承采用的是飞溅润滑，轴承润滑不够充分，另外如果箱体上端进泥浆，大轴承首先会受到破坏。 图4-3驱动套结构组成4.3旋挖打桩机动力头箱体内部结构设计4.3.1动力头箱体齿轮设计4.3.1.1齿轮模数1、模数对旋挖打桩机因为负载比较大重要，故齿轮应该选用大些的模数；从工艺方面考虑，各挡齿轮应该选用一种模数。啮合套和同步器的接合齿多数采用渐开线。由于工艺上的原因，旋挖打桩机中的接合齿模数相同。其取值范围是：总负载在1.814.0t的负载为2.03.5mm；总质量大于14.0t的货车为3.55.0mm。选取较小的模数值可使齿数增多，有利于换挡。 表4-1常用齿轮模数一系列1.001.251.52.002.503.004.005.006.00二系列1.752.252.753.253.503.754.505.50 根据旋挖打桩机负载情况及表1，一二档齿轮的模数定为4mm.2、压力角国家规定的标准压力角为20，所以变速器齿轮普遍采用的压力角为203、齿宽直齿，为齿宽系数，取为4.58.0，取7.0；如图4-3所示为变速器的传动示意图。在初选中心距、齿轮模数和螺旋角以后，可根据变速器的挡数、传动比和传动方案来分配各挡齿轮的齿数。应该注意的是，各挡齿轮的齿数比应该尽可能不是整数，以使齿面磨损均匀。 图4-4 齿轮传动示意图4.3.1.2、确定低速旋进挡齿轮的齿数 取模数=4mm 齿宽系数=7z1=23 z2=58 mm分度圆直径: mm mm齿顶高 =6.819mm =4.469mm齿根高 =4.550mm =6.900mm 全齿高 h1=ha1+hf1=10.069mm齿顶圆直径 da1=d1+2ha1=100.488mm da2=d2+2ha2=240.747mm齿根圆直径 df1=d1-2hf1=81.750mm df2=d2-2hf2=218.009mm分度圆直径 mm mm4.3.1.3.确定快速回土挡齿轮的齿数 取模数=4mm 齿宽系数=7z1=42 z2=41 mm分度圆直径: mm mm齿顶高 =6.819mm =4.469mm齿根高 =4.550mm =6.900mm 全齿高 h1=ha1+hf1=10.069mm齿顶圆直径 da1=d1+2ha1=176.488mm da2=d2+2ha2=172.747mm齿根圆直径 df1=d1-2hf1=158.750mm df2=d2-2hf2=154.009mm分度圆直径 mm mm4.4变速器齿轮的的校核斜齿轮弯曲应力 式中：计算载荷（Nmm）；法向模数（mm）；齿数；斜齿轮螺旋角（）；应力集中系数，=1.50；齿形系数，可按当量齿数在图中查得；齿宽系数=7.0重合度影响系数，=2.0。当计算载荷取作用到变速器第一轴上的最大转矩时，对旋挖机常啮合齿轮和高挡齿轮，许用应力在180350MPa范围，对货车为100250MPa。 式中，为弯曲应力；为圆周力，；为计算载荷；d为节圆直径；为应力集中系数，可近似取=1.65；为摩擦力影响系数，主、从动齿轮在啮合点上的摩擦力方向不同，对弯曲应力的影响也不同：主动齿轮=1.1，从动齿轮=0.9；b为齿宽；t为端面齿距，m为模数；y为齿形系数.=209.476MPa180350MPa=197.974 MPa180350MPa轮齿接触应力计算 式中：轮齿的接触应力（MPa）；计算载荷（N.mm）；节圆直径(mm)；节点处压力角（），齿轮螺旋角（）；齿轮材料的弹性模量（MPa）；齿轮接触的实际宽度(mm)； MPa MPa4.5 变速器轴的校核旋挖机最大扭矩为1460N m，最高转速540r/min，齿轮传动效率99%，离合器传动效率99%，轴承传动效率96%。输入轴 =14699%96%=138.8N.m4.5.1轴的工艺要求对于做为轴向推力支承或齿轮压紧端面的轴的端面，光洁度不应低于7，并规定其端面摆差。一根轴上的同心直径应可控制其不同心度。对于采用高频或渗碳钢的轴，螺纹部分不应淬硬，以免产生裂纹。对于阶梯轴来说，设计上应尽量保证工艺简单，阶梯应尽可能少。 4.5.2计算齿轮的受力，选择一档受力分析，进行轴的刚度和强度校核。（1）旋进挡齿轮1， 2的圆周力、 mm，mm =135.91N.m, =327.88N.m 初选轴的直径4.5.3 轴的刚度计算若轴在垂直面内挠度为，在水平面内挠度为和转角为，可分别用下列式计算 式中：齿轮齿宽中间平面上的径向力（N）；齿轮齿宽中间平面上的圆周力（N）；弹性模量（MPa），=2.1105MPa；惯性矩（mm4），对于实心轴，；轴的直径（mm），花键处按平均直径计算；、齿轮上的作用力距支座、的距离（mm）；支座间的距离（mm）。轴的全挠度为mm。轴在垂直面和水平面内挠度的允许值为=0.050.10mm，=0.100.15mm。齿轮所在平面的转角不应超过0.002rad18。（1）输入轴的刚度=2579.72N，轴颈=25mm，=17.75mm，=196mm， =2.1105N N，N输入轴强度计算=38.35mm，=135.91N.m，=17.75mm，=25mm,=196mm=7087.87N.m，=2579.77N.m，=2797.7N.m输入轴受力弯矩图求H面内支反力、和弯矩 2)求V面内支反力、和弯矩 由以上两式可得N.mm参考文献 1 韩金亭.大口径旋挖打桩机在桩基施工中的技术优势J.西部探矿工程，2002，3: 85862 郭玉文.旋挖打桩机在北京城市铁路高架桥桩基施工中的应用J.铁道建筑技术，2001，12:8103 李世京.对国产旋挖打桩机研制选型的几点意见J.探矿工程，1996，1：38524 国内外螺旋打桩机的发展概况J.工程机械与维修，2000，9：30325 周红军.我国旋挖打桩进技术及设备的应用与发展J.探矿工程，2003，2:11176 吴允成.旋挖打桩斗结构的探讨J.探矿工程，2000，2:28317 郭玉文.旋挖打桩机在北京城市铁路高架桥桩基施工中的应用J.铁道建筑技术，2001，12:8 郑效功，柳东辉，姜英民，包长林.旋挖打桩机在施工中的推广与应用J.黑龙江交通科技，2000，2：819 阎逢君，谢鹏胜.无循环旋挖打桩机操作规程的优化J. 探矿工程，1999，4：1310 吴时明.旋挖打桩机一种先进的桥梁基础桩施工设备J.工程机械，2002，5：121411 王平，赵永生，赵政.旋挖打桩机选型及其在成孔施工中存在问题的探讨J.探矿工程，2001，4:182012 侯再民.旋挖打桩机卡打桩原因及其对策J.探矿工程，2001，1:131413 郭 传 新 , 马 建 中 , 马 鸿 忠 . 中 国 桩 工 机 械 概 况 J. 建 筑 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CATIA V5机械设计M.北京:清华大学出版社,2003.致谢本论文和课题的研究工作实在尊敬的指导老师吴继春老师的亲切关怀下完成的。吴老师渊博的知识、严谨的治学态度、高度的责任心以及严于律己、待人诚恳的思想品德深深影响着我，这不仅是我顺利完成了此项设计，而且也将成为使我受益终生的宝贵财富。几个月的时间里，从课题的选定、资料的收集、方案的拟定、课题的具体设计到论文的审定改进，吴继春老师都给与了极大的帮助，倾注了大量的心血。通过这次的毕业设计，学生不仅开拓了思路、扩大了视野、丰富了知识面，还初步掌握了处理具体实践问题的科学方法，为学生今后发展打下了坚实的基础。在论文的完成过程中，还得到了何源、朱乃明、李昱等同学不懈的支持与帮助，在此对他们表示衷心的感谢。感谢这将近四年来在我身边曾经帮助和关心过我的人们。同时也感谢在学习和生活中给予我无私关怀的我最亲爱的父亲和母亲。外文翻译：Material Removing Mechanism for MechanicalLapping of Diamond Cutting ToolsLI Zeng-qiang，ZONG Wen-jun，SUN Tao，DONG Shen（Center for Precision Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）Abstract：The material removing mechanism for mechanical lapping of diamond cutting tools was illuminated at the atomistic scale. In lapping process，phase transformation of the lapping region was the main reason for the material removal. Thus a three-dimensional model of a specimen of the diamond monocrystal and rigid diamond grit was built with the aid ofthe molecular dynamics（MD）simulation. The force between all of the atoms was calculated by the Tersoff potential. Afterthat，lapping with a certain cutting depth of 1.5 lattice constants was simulated. By monitoring the positions of atoms within the model，the microstructure in the lapping region changes as diamond transformed from its diamond cubic structure to amorphous carbon were identified. The change of structure was accomplished by the flattening of the tetrahedron structure in diamond. This was verified by comparing the radial distribution functions of atoms in the lapping and un-lapping regions.Meanwhile，the debris produced in lapping experiment was analyzed by XRD（X-ray diffraction）. The results show that the phase transformation happens indeed.Keywords：diamond cutting tools；mechanical lapping；material removing mechanism；molecular dynamics simulationIt is an important way to turn the optical surface with natural diamond cutting tools to obtain high accuracy. The processed work-pieces surface has lower surface roughness and residual stress，and smaller metamorphic region than those machined in usual ways.Diamond is the most important material to make cutting tools in the ultra-precision machining，for it is an ideal brittle solid with the greatest hardness and resistance to plastic deformation of any material and has very high dimensional homogeneity. The sharpening method of diamond cutting tools is the key technology to obtain sharp cutting radius，good surface quality and small geometric tolerance1. There are many sharpening methods such as lapping，ion beam sputtering，thermal chemistry polishing，plasma polishing，oxide etching and laser erosion，etc. The most common and effective method is lapping2. The mechanism of the material removal in lapping has a lot of statements such as the micro-cleavage theory3，the thermal abrasion theory4， electro-abrasion theory5 and theory of fracture taking place in the hard direction6，etc. However，these explanations are only satisfactory in the particular situation. The explanation accepted by most people is that the hybridized orbit of the carbon converts from sp3 to sp2 in lapping，as demonstrated by van Bouwelen7，Grillo8，Hird and Field9. As yet，few man has verified it at the atomistic level.The extremely powerful technique of molecular dynamics（MD）simulation involves solving the classical many-body problem in contexts relating to the study of matter at the atomistic level. Since there is no alternative approach capable of handling this broad range of problems at the required level of detail，molecular dynamics methods have been proved indispensable in both pure and applied research，as demonstrated by Rapaport10. Molecular dynamics analysis is an effective method in studying indentation，adhesion，wear and friction，surface defects and nano-cutting at the atomistic scale. Nowadays，MD analysis has already been employed to investigate the AFM-based nanolithography process using an AFM tool11 and atomic surface modification in monocrystalline silicon12. Therefore，it is an efficient way to approach the mechanism of the material removal in lapping using molecular dynamics simulation.From all the above，this study will focus on the material removing mechanism in diamond mechanical lapping using three-dimensional MD simulation. And the microcosmic phenomena in mechanical lapping will be presented and discussed.1 Methods1.1 Simulation modelingAt the beginning，the mechanical lapping process of diamond cutting tools is introduced. The scaife used was made from a grey cast iron and was medium “striped”（radial grooves to hold diamond grit）.It wasprepared for use by applying a film of olive oil to the surface，before a few carats of graded diamond grits were rubbed evenly into it. With the scaife running at a high speed，a diamond cutting tool was lapped by applying a load. In this process，the diamond grit was fixed in the scaife. So，the process belongs to the fixed abrasive polishing category13. Therefore，a model of a specimen of the diamond monocrystal and rigid diamond grit was built，as shown in Fig.1.Fig.1 Molecular dynamics simulation model of mechanical lapping of diamond cutting toolsThe crystal lattice of the specimen and the grit belonged to the diamond cubic system. The lattice constant of this system was 0.356 67 nm，which was represented as a. The control volume of the specimen must be large enough to eliminate boundary effects.Taking this into consideration，an optimum control volume was chosen based on an iterative process of increasing the control volume size until further increases did not affect the displacements and velocities of the atoms due to lapping. An optimum size of 50a15a30a was obtained， consisting of 183,930 atoms. Moreover，the periodic boundary condition was used in the z-direction to reduce the effects of the simulation scale. The specimen included three kinds of atoms ，namely ：boundary atoms，thermostat atoms and Newtonian atoms.To restrict the rigid-body motion of the specimen，the boundary atoms in the left and bottom layers of the specimen that were fixed in space were used to contain the Newtonian atoms.Thermostat atoms were also used to ensure reasonable outward heat conduction away from the control volume.Thermostat atoms and the Newtonian atoms obey the Newtons second law.The top surface of the specimen was（100）surface，which was exposed to the grit.The spherical diamond grit had a radius of 8a，consisting of 17,116 atoms.And it slid on the specimen with the depth of h.Before carrying out the molecular dynamics simulation on the lapping of diamond，it is important to ensure that the chosen potential function gives a reliable result for the simulation. Tersoff potential was used in the present simulation to dictate the interaction among the diamond atoms in this simulation14. The parameters in Tersoff potential for carbon were as follows ：A=1,393.6 eV，B=347.6 eV，=34.879 nm.1， =22.119nm.1 ，=1.572,410.7 ，n=0.727,51 ，c=380,49 ，d=4.384，h=.0.570 58，R=0.18 nm，and S=0.21 nm. Positions and velocities of the atoms were determined by the Verlet method as demonstrated by Maekawa and Itoh15.To simulate lapping under room-temperature conditions，the diamond atoms were arranged in a perfectdiamond cubic structure with the lattice parameters equal to their equilibrium values at an ambient temperature of 293 K. The ambient temperature was maintained by scaling the velocities of the thermostat atoms at every special time step.In this simulation，the 0.5 fs was selected as the time step to obtain a high accuracy.This simulation was calculated by the Lammps software16，and visualized by the VMD software17. The velocity of the lapping was 100a with 1.5a in cutting depth and 40a in lapping length. Before the simulation，the specimen had been relaxed for 10 000 time steps in order to maintain the thermal balance.1.2 ExperimentThe test apparatus of lapping experiment is shown in Fig.2.The abrasive used was diamond grit with an average radius of 0.1 m.They were coated on the scaife in a ring with a radius of 120 mm.The diamond cutting tool was fixed on the arm by a special fixture.Then，thetool was lapped with the scaife running at 3 000r/min(ca.38 m/s)，under a load of 5 N which was obtained by adjusting the place of the weight. The debris was collected after 30 min lapping.Thereafter，the XRD studies were carried out by SHIMADZU XRD-6000.Fig.2 Schematic diagram of the lapping apparatus2 Results and discussions2.1 Molecular dynamics analysisThe 3D view and cross-section view of the simulation are shown in Fig.3. The crystal lattices near the diamond grit are distorted when the diamond grit cuts into the specimen.The region including these crystal lattices is half-ellipse in shape.The region is under the diamond grit and a bit left to the center o. And the major axis of the ellipse is in the same direction as the composition of forces. Furthermore，this region moves left as the diamond grit slides.As shown in Fig.4 ， A1+A2A3 ， where O1O2 represents the surface of the workpiece.It shows that the removal materials do not pole up on both sides of the groove completely.Some materials are removed and form chips. It is a cutting process. Whereas，the existing A1 and A2 show that ploughing also occurs.So this state is the cutting state accompanied by ploughing. Fig.3 Microstructure of specimen after the grit slidingFig.4 Section of the grooves in the longitudinal directionThere are three key points in lapping，as shown in Fig.5. Firstly，atoms near the diamond grit are forced to make some displacement from their initial position.The crystal lattices including these atoms distort a little.The boundary between the distorted lattices and the perfect lattices is along the diamond（111）surface（the black lines）as shown in Fig.5（a）.The displacements of the atoms become bigger and bigger along with the diamond grit sliding left.More and more atoms deviate from their initial position.The lattices including these atoms distort seriously.The phase transformation that the diamond cubic diamond transforms into amorphous graphite starts on a few atoms （ in the dark circles）at the end of this moment.That is to say that the hybridized orbit converts from sp3 to sp2. Secondly，the lattices below the diamond grit have the worst distortion and the boundary faceting along the（111）surface extend to the deeper layer，as shown in Fig.5（b）. More atoms transform from diamond cubic diamond to amorphous graphite ， especially those in the dark circle. Besides，some atoms are taken away by the diamond grit.Thirdly，some lattices revert a little with the force minimizing，as shown in Fig.5（c）. However，the atoms which have the phase transformation cannot revert to their initial phase，especially those in the dark circle. Therefore，the groove is to the left on the surface of the diamond specimen.Fig.5 Scattergrams of atoms in longitudinal sectionA in different states2.2 Bond formationFrom the simulation，it is found that the phase transformation is due to the flattening of the tetrahedron structure in diamond cubic diamond，as shown in Fig.6.The position transformation at progressive time steps is demonstrated in Fig.7.Fig.6 Crystal cell of the diamond crystal lattice taken outfrom the circular region in Fig.5（a）As shown in Fig.7（a），the tetrahedron is deformed when the grit slides close. And the deformation is serious when the grit cuts into section A，as shown in Fig.7（b）. The tetrahedron is flattened a little.Soon after，the tetrahedron deforms badly，as shown in Fig.7（c）.Its four vertexes are almost on a plane and some bonds are broken. At the same time the phase transformation is accomplished.Fig.7 Change of the tetrahedron marked in Fig.6when the grit slides2.3 Pair correlation functionThe pair correlation functions of the specimen and the chip are shown in Fig.8 and Fig.9 respectively.The curve in Fig.8 is syllabified to a lot of clear peaks，which are the same as the diamonds radial distribution fuction(RDF). However，there are only two peaks in Fig.9, and the peaks are continued, which illuminates that amorphous exists in debris atoms. Therefore，it is sure that the phase transformation takes place in lapping.Fig.8 Pair correlation function of specimen atomsFig.9 Pair correlation function of debris atoms2.4 XRDFig.10 shows the X-ray diffraction（XRD） analysis of the debris produced in the lapping experiment. It demonstrates that the amorphous carbon，small diamond particles or chips and Fe-C compositions（like Fe7C3 and Fe5C2）exist together in the debris. Consequently，the amorphous carbon is produced in lapping，which corresponds to the simulation result.Fig.10 XRD analysis of the debris produced in theexperiment3 Conclusions（1）A three-dimensional MD model about the atoms of diamond cutting tools and diamond grit is built by using the molecular dynamics. Lapping at a special cutting depth is simulated.（2）The boundary of the transformation zone is regular ，faceting along （ 111 ） surface. The microcleavage only occurs inside this boundary.（3）Interaction between the diamond grit and diamond specimen leads to a phase transformation event.An amorphous transformation appears as the grit slides.And it is expounded from the comparison between the bond formatting and pair correlation function. Moreover，it has also been proved in the lapping experiment.References：1 Yuan Z J，Yao Y X，Zhou M，et al. Lapping of single crystal diamond toolsJCIRP Annals-Manufacturing Technology，2003，52（1）：285-288.2 Uegami K ，Tamamura K ，Jang K K. Lapping and frictional properties of diamond，and characteristics of diamond cutting toolJJournal of Mechanical Working Technology，1988，17（8）：147-155.3 Tolkowsky M. Research on the Abrading，Grinding or Polishing of DiamondDLondon：City and Guilds College，University of London，1920.4 Bowden F P，Tabor D. Physical Properties of DiamondMOxford：Clarendon Press，1965.5 Brezoczky B ，Seki H. 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VMD：Visual molecular dynamicsJ J Molec Graphics，1996，14：33-38. 金刚石刀具机械研磨过程中材料的去除机理李增强，宗文俊，孙 涛，董 申（哈尔滨工业大学精密工程研究所，哈尔滨 150001）摘要：该材料，移除为的钻石切割工具的机械研磨的机制被照亮在的原子论的的的的规模。在研磨过程中研磨区，相转变材料去除的主要原因。因此，金刚石单晶和刚性金刚石磨粒的标本的三维模型的建立与援助的分子动力学（MD）模拟。所有的原子之间的力量计算Tersoff潜力。后认为，与一个1.5晶格常数的的一定的的切削深度研磨进行了数值模拟。通过监测模型内的原子的位置，在金刚石研磨地区的钻石立方结构转变为无定形碳的微观结构进行了鉴定。完成在钻石的四面体结构的扁平化结构的变化。这验证了原子的径向分布函数的研磨和联合国研磨regions.Meanwhile的，研磨试验产生的碎片，通过XRD（X射线衍射）分析比较。的结果表明，的相位转型会发生确实。 这是一个重要途径，把光学表面与天然金刚石刀具获得高的精度。处理工作件表面具有较低的表面粗糙度和残余应力，小于常规方法加工的变质地区。 钻石是最重要的物质，在超精密加工的切削工具，它是一种理想的最大的硬度和耐磨性的任何材料的塑性变形的脆性固体，具有非常高的维同质。金刚石刀具刃磨方法的关键技术，获得锋利的切削半径，良好的表面质量和几何公差小1。有许多方法，如研磨，离子束溅射，热化学抛光，等离子抛光，氧化腐蚀和激光侵蚀等锐化最常见和最有效的方法是研磨2。在研磨材料去除机制有一个报表很多，如微切割理论3，热磨损理论4，电磨损理论5和断裂理论的努力方向 6，等等。然而，这些解释是只有在特殊情况令人满意。大多数人所接受的解释是，从SP3杂化轨道的碳转换到SP2作为由面包车Bouwelen证明，在研磨7，格里洛8，本手册所有提及和现场9。到目前为止，一些人已证实它在原子水平。 极其强大的技术分子动力学（MD）模拟涉及解决有关的物质在原子水平的研究背景的经典多体问题。由于没有替代方法能够在所需水平的细节处理这个问题的广泛，分子动力学方法已被证明是不可或缺的纯粹与应用研究，由Rapaport表明10。分子动力学分析是一个有效的方法，在学习压痕，附着力，耐磨损和摩擦，表面缺陷，并在原子尺度的纳米切割。如今，医师分析已经被调查基于AFM的纳米光刻过程中使用的原子力显微镜工具11和硅原子在单晶硅表面改性12。因此，它是一种有效的方式来处理的材料去除机制，研磨使用分子动力学模拟。 所有上述，本研究将集中在材料，消除金刚石机械研磨使用三维的MD模拟的机制。和机械研磨的微观现象，将介绍和讨论。1研究方法1.1仿真建模在开始时，介绍了金刚石刀具机械研磨过程。斯凯夫使用了从灰铸铁中的“条纹”（径向槽举行金刚石磨粒）。通过膜表面的橄榄油，之前几克拉分级金刚石颗粒均匀揉入准备使用。斯凯夫在高速运行，钻石刀具研磨应用负载。在这个过程中，金刚石磨粒固定在斯凯夫。所以，这个过程属于固定研磨抛光类13。因此，始建金刚石单晶和刚性金刚石磨粒的标本模型，如图1所示。图7-1 关于金刚石切割工具机械研磨的分子动力学仿真模型晶格的标本和砂砾属于钻石的立方系统。该系统的晶格常数为0.356 67纳米，这是作为一个代表。试样的控制量必须足够大，消除边界effects.Taking考虑到这一点的，被选为最佳控制量的基础上增加控制音量大小，直到进一步增加并不影响原子的位移和速度的迭代过程由于研磨。一个最佳规模为50A15A30A，183930原子组成的。此外，周期性的边界条件是在z方向，以减少仿真规模的影响。标本包括原子3种，即：边界原子，恒温原子和牛顿atoms.To的限制的刚体运动的标本，在标本固定在空间的左侧和底部层的边界原子包含牛顿atoms.Thermostat原子也被用来确保合理向外热传导远离控制volume.Thermostat原子和牛顿原子服从牛顿第二law.The排在前面的标本（100）表面，这是暴露球形金刚石磨粒grit.The了一个8A的半径，它与深度h的标本下滑17,116 atoms.And组成。开展对金刚石研磨的分子动力学模拟之前，重要的是要确保所选择的潜在功能提供了一个可靠的模拟结果。在目前的模拟tersoff潜力，决定在这个模拟14钻石的原子之间的相互作用。 Tersoff碳势参数如下：= 1,393.6 EV，= 347.6 EV，= 34.879 nm.1，= 22.119nm.1，= 1.572,410.7，N = 0.727,51，C =