毕业设计（论文）-螺旋槽加工专用机床床身、加工装置及其润滑系统设计.doc

密级：内部 螺旋槽加工专用机床床身、加工装置及其润滑系统设计 Design of Milling Head PartSpiral bed processing machine tools, processing equipment and its lubrication system design学 院：机械工程学院专 业 班 级：机自xxxx班学 号：学 生 姓 名： 指 导 教 师： 201x年 x月摘要螺杆泵是近十几年来发展起来的，由于螺杆泵具有结构简单、投资少、节能效果明显以及适应性强等优点而倍受国内外油田重视，已广泛应用于石油，化工等机械领域。目前国内外公知的螺杆钻具定子的加工方法是将橡胶浇铸在定子壳体光滑内壁形成的，橡胶衬套的内表面是螺旋曲面。橡胶衬套厚薄不均，螺杆钻具定子在工作时，容易导致定子过早失效，从而缩短了螺杆钻具的使用寿命，因此，如何提高螺杆钻具定子橡胶寿命，成为当前螺杆钻具应用研究领域中的主要难题之一。大量文献数据和研究资料表明，通过合理改变定子壳体的形状，使定子橡胶层薄且均匀，以克服常规螺杆钻具定子技术的不足，能有效地改善螺杆钻具的工作环境，提高其使用寿命。通过对等壁厚螺杆泵定子的螺旋槽曲线的研究，提出了螺旋槽的加工方法，以及借鉴龙门刨床的工作原理与前辈所设计的机床工作原理相结合，提出了螺旋槽加工专用机床的总体设计方案。首先，本论文介绍了螺杆泵的应用及发展趋势，分析了研究的必要性，从而提出了本文的设计目的、内容、意义。其次，本文根据所要加工工件的尺寸和重量，来确定床身和工作台的设计方案， 在此基础上设计了其加工装置、润滑系统以及机床附件。最后，通过与组员的配合对实际情况进行了分析，完成螺旋槽加工专用机床的整体装配图，以此完成了其床身的总体装配图、床身与工作台的零件图以及润滑系统装配图。关键词：螺杆泵；螺旋槽；工作台；机床AbstractScrew pump is developed in the last decade, due to screw with a simple structure, low investment and energy-saving effect and the advantages of adaptability and much emphasis on domestic and foreign oil, has been widely used in petroleum, chemical industry machinery.Publicly known at home and abroad screw hole of the stator rubber processing method is to cast the stator housing wall to form a smooth, rubber lining the inner surface of the spiral surface. Uneven thickness of rubber bushings, screw drill the stator in the job, easily lead to premature failure of the stator, thus shortening the life of the screw hole, therefore, how to improve the life of stator rubber screw drill has become the screw drill field of application of one of the main challenges. A large number of literature data and research data show that changes in the stator housing through reasonable shape, so that the stator rubber thin and even, to overcome the general lack of technology, the stator screw drill, screw drill can improve the working environment, improve its service life.Screw through the stator wall thickness of such curves of spiral groove, spiral groove proposed processing methods, and reference works planer designed with the older machine works by combining the spiral groove machining Special Purpose Machine the overall design.First, the paper introduces the application and development trend of the screw pump, the necessity of the study, which made the design purpose of this article, content, meaning.Secondly, according to the size and weight of the workpiece to determine the bed and table design, designed on the basis of its processing units, lubrication systems, and machine tool accessories.Finally, the co-ordination with team members analyzed the actual situation, complete the spiral groove machining assembly drawing the overall special machine tools, in order to complete its general assembly drawing bed, bed and table parts assembly diagrams, and lubrication systems Fig.Key words: Screw Pump; Spiral groove; table; Machine目 录摘要IIAbstractIII目 录IV第1章 绪 论11.1螺杆泵应用及国内外发展现状11.2本课题研究的目的21.3本课题的研究内容31.4本课题的研究目的和意义4第2章 螺旋槽加工专用机床床身设计62.1螺旋槽加工专用机床的总体分布62.2螺旋槽加工专用机床床身设计62.2.1螺旋槽加工专用机床床身的功能62.2.2螺旋槽加工专用机床床身满足的基本要求72.2.3螺旋槽加工专用机床床身的结构设计72.2.4螺旋槽加工专用机床床身的结构设计的相关计算122.2.5螺旋槽加工专用机床床身导轨设计152.3螺旋槽加工专用机床工作台设计20第3章 床身附件设计及加工装置设计233.1床身附件设计233.1.1行程开关布置设计233.1.2床身光栅尺布置设计243.2加工装置设计263.2.1机床偏心块支撑装置263.2.2机床刀架、刀杆设计26第4章 润滑系统设计284.1润滑系统设计284.2液压元件的计算和选用29第5章 结论31参考文献32致谢34 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）第1章 绪 论螺杆钻具又称定排量马达( Positive Displace2ment Motor ,简写PDM) ,是一种容积式井下动力钻具。螺杆钻具由马达总成、旁通阀、万向轴总成和传动轴总成组成。它通过泥浆挤压内转子与定子之间的密封腔推动转子自转,经万向轴的转换,把行星转动变为轴心转动,带动钻头旋转,即把泥浆的液力能通过螺杆转换成机械能,从而给钻头提供转速和扭矩,进行钻进。螺杆钻具结构简单、性能可靠,是理想的井下动力钻具,已广泛应用于定向井、丛式井、长中短半径水平井、大位移井和分支井。等壁厚螺杆钻具定子散热性能好,可以减缓橡胶的热老化,可以进一步提高螺杆泵的使用寿命。但定子内部螺旋槽的加工是一项比较复杂而困难的工作。因为螺旋槽的等分、槽形尺寸以及表面光洁度均有比较高的要求。采用螺旋拉刀加工这类螺旋槽,不但生产率高,而且能大大减轻劳动强度,螺杆钻具的质量也能得到可靠的保证。1.1螺杆泵应用及国内外发展现状螺杆钻具是目前最广泛使用的一种井下动力钻具, 主要用于定向井、水平井的造斜及扭方位施工,一部分也用于直井反扣或侧钻作业中。美国50年代中期开始研制螺杆钻具,1962 年用于生产, 不同厂家生产的有迪纳钻具公司、纳维钻具公司和波斯钻具, 其基本原理都是基于容积式马达, 只是内部结构和技术参数略有不同。至80年代中期, 美国的迪纳钻具已发展成两个系列10种规格, 纳维钻具有两个系列14种规格。随着配套部件质量的提高, 螺杆钻具工作寿命从原来的30-40h, 提高到100h以上, 1980年在美国俄克拉荷马州创造了连续运转429h的新记录。前苏联1966年开始研制螺杆钻具, 到1984年螺杆钻具累计进尺达150*10000m, 1991年螺杆钻具钻进量占全苏工作量的7.5%。近10年来, 随着水平井、径向井、分支水平井的大量涌现, 螺杆钻具的发展也产生了质的飞跃。在美国和西欧, 几乎90%的大、中曲率半径水平井的定向造斜和水平井段都是由螺杆钻具钻成, 导向钻井系统已成了定向井中公认的标准化专用工具, 出现了许多新型的专用螺杆钻具。我国的螺杆钻具生产在80年代中后期才形成一定规模, 目前, 常规螺杆钻具已规格化系列化, 各主要厂家如大港、北京、德州、潍坊的产品已覆盖国内绝大部分市场。某些厂家也已着手研制小径螺杆、铰接螺杆、中空螺杆等一些专用产品, 并取得一定的成果, 但在工作寿命、易损件耐磨性、特种螺杆的设计制造等方面与国外有一定的差距。螺杆钻具应用到今天, 逐步向多元化、专业化方向扩展, 一些专用螺杆钻具在某些特殊领域具有重要的使用价值, 更经济有效地进行钻井。常规螺杆在内部结构上改进主要是为了提高螺杆钻具的使用寿命。为达到这一目的, 各研究机构和生产厂家在设计和制造工艺上做了大量的工作, 不但实验了许多新型耐用材料, 对定子橡胶、轴承材料有所改进, 并研制了有旁通孔结构的空心转子, 使用了闭式油润滑支承节和聚晶金刚石轴承,发展了带减速器的低速大扭矩螺杆, 这些方面都是常规螺杆提高工作寿命的发展方向。等壁厚螺杆泵定子和常规螺杆泵定子结构如图1-1所示。图1-1 等壁厚螺杆泵定子和常规螺杆泵定子结构1.2本课题研究的目的目前国内外公知的螺杆钻具定子的加工方法是将橡胶浇铸在定子壳体光滑内壁形成的，橡胶衬套的内表面是螺旋曲面。橡胶衬套厚薄不均，螺杆钻具定子在工作时，容易导致定子过早失效，从而缩短了螺杆钻具的使用寿命，因此，如何提高螺杆钻具定子橡胶寿命，成为当前螺杆钻具应用研究领域中的主要难题之一。为了适应不断发展的采油工艺技术，出现了很多形式结构的螺杆泵，等壁厚定子螺杆泵就是以其寿命长、启动力矩小、应用范围广等优点而具有长远的市场前景，所以国内外许多公司都在极力进行等壁厚定子螺杆泵的开发研究。大量文献数据和研究资料表明，通过合理改变定子壳体的形状，使定子橡胶层薄且均匀，以克服常规螺杆钻具定子技术的不足，能有效地改善螺杆钻具的工作环境，提高其使用寿命。所以需要设计一款螺旋槽加工专用机床。本文围绕着螺旋槽加工专用机床床身、润滑系统及加工装置的设计进行讨论。1.3本课题的研究内容从螺杆钻具的原理可知,该螺杆钻具定子内孔螺旋线不同于普通螺纹中的梯形螺纹、三角螺纹等。螺杆钻具定子属于典型的细长杆件,刚性差,极易发生弯曲变形;螺杆螺距很大,加工中需要较低的主轴转速和较高的刀具速度。由于螺杆钻具生产类型属于批量生产, 所以组织生产时,除保证零件的加工精度, 提高生产效率外, 还需要保证零件的互换性。根据螺旋曲线结构的特殊性,我们可把螺旋曲线加工工艺分为3 类。第1 类是利用金属切削加工方法加工螺旋曲线,如车螺旋线、铣螺旋线等;第2 类是利用金属变形加工方法加工螺旋曲线,如螺旋线滚丝轮、螺旋线搓丝轮、挤压丝锥和螺旋线滚压头等;第3 类是成型工艺方法加工曲线,如机械成型和铸造成型。螺杆钻具定子内孔螺旋曲线的机械成型本质是加工工具在定子内孔对定子施加作用力,使接触处的定子内壁产生局部失稳变形,工具压入产生相应形状的压力变形,之后在工具与被加工定子内壁之间产生一对轴向和周向运动,这样便会在管材表面产生连续的压入变形,从而使定子内孔螺旋曲线得以成型。本课题最终确定以刨削来加工工件，从而提出了螺旋槽加工专用机床的设计方案。等壁厚螺杆泵定子三维结构如图1-2所示。图1-1 等壁厚螺杆泵定子和常规螺杆泵定子结构我国目前等壁厚螺旋槽的生产大多是使用拉削加工，精铸工艺加工，铣削加工。拉削加工对于加工大批量的零件具有加工精度高，加工效率高等显著特点，其过程平稳、顺利，加工后的孔径尺寸精度平稳，但在加工过程中拉刀需要沿着螺旋曲线向前运动，所以其运动较为复杂，而且拉刀结构复杂、制造成本高、热变形较大。精铸工艺加工可以对定子一次成型，其主要工艺包括：制造砂芯、制造铸型、浇注。虽然精铸工艺加工可以实现快速成型，但对设备和加工工艺要求很高，就现有条件来说很难实现。而铣床铣削，保证了加工表面的粗糙度，但其加工效率非常低，降低了工件的生产速度，使生产成本提高。所以设计螺旋槽加工专用机床可以使工件的加工过程平稳、顺利，加工后尺寸精度平稳，提高其表面粗糙度和加工效率。螺旋槽加工专用机床加工工件时，一次装夹两件工件，使机床一次可以加工两个工件，大大提高了生产效率，降低了生产成本。所以对螺旋槽加工专用机床的床身和其加工装置提出了较高的要求。本次设计根据螺旋槽加工专用机床的设计方案，结合工件各参数，并且分析了机床的工作原理以及工作环境，现有的经济实力，着重设计了螺旋槽加工专用机床床身、其加工装置。根据床身与工作台的工作原理、进给机构与工作台的工作原理，设计出其润滑系统。1.4本课题的研究目的和意义本次设计的主要研究目的是把螺杆泵的定子壳体的光滑内壁加工成螺旋型，这样再用一个橡胶做成的螺旋型衬套与转子进行连接，大大延长了橡胶衬套寿命。本次研究通过改变定子壳体的形状可使定子橡胶层薄且均匀，克服了常规螺杆泵定子技术的不足，能有效地改善螺杆钻具的工作性能，进一步提高螺杆钻具的工作寿命。所以需要设计一款螺旋槽加工专用机床。本课题主要设计螺旋槽加工专用机床床身、加工装置及其润滑系统。并且在与组员的团队合作的情况下完成了螺旋槽加工专用机床的总体设计。从而达到生产出合格的等壁厚螺杆泵定子。因为螺杆泵在现实生活中的应用非常广泛，所以它的性能就显得尤为重要，等壁厚螺杆泵定子的研究具有的意义如下:1)采用此方法加工完的螺杆泵定子，橡胶层薄且均匀，可以改善螺杆钻具工作时的散热性能，不会产生热积聚效应;因为温度是影响定子橡胶使用寿命敏感因素之一，等壁厚定子因其良好的散热性能可以减缓橡胶的热老化，进一步提高螺杆泵的使用寿命。2)薄且均匀壁厚的橡胶层，在运动过程中抗变形的能力好，因而不仅单级承压高，而且在相同的条件下可以减少泵级数及定、转子间的过盈量，所以在运转扭矩和系统效率等方面优于常规螺杆泵，可改善螺杆泵性能，提高工作效率。3)等壁厚螺杆泵定子橡胶溶胀、温胀均匀，能较好地保证泵的型线，也就是说泵的密封性能变好，使螺杆泵在运转时具有更好的工作性能。有利于长时间维持泵油效率，延长泵的使用周期。4)不容易脱胶，增大橡胶与金属粘着面积，橡胶收缩均等，无应力，运转平稳，可增加转速，提高排量，延长使用寿命。对于机床的设计具有的意义如下:1)在现有的条件下，可以生产性能合格的等壁厚螺杆钻具定子。2)此机床借鉴了刨床的设计方案，并且保留了上一代机床的有点，改进了其结构上的不足，因此本课题所设计的机床具有加工效率高，加工过程稳定，加工精度相对于前一代机床较高等特点。3)此机床对于工人来说，操作简单，工作强度低，安全系数高等特点。第2章 螺旋槽加工专用机床床身设计2.1螺旋槽加工专用机床的总体分布 在进行螺旋槽专用加工机床的设计过程中，参考了龙门刨床和往届学长所设计的螺旋槽加工机床的结构特点，并总结了之前所设计的机床在使用中反映出的问题，参照了龙门刨床和之前所设计的机床的布局，重点考虑了考虑了工件的长度和直径，刀杆的长度、刀杆的受力以及工作台的行程来拟定了机床的总体布局示意图，如图2-1所示。本机床的主要机械结构包括：床身、工作台、进给机构、加工装置、床头箱、支撑箱、润滑系统等。图2-1 机床的总体布局示意图2.2螺旋槽加工专用机床床身设计2.2.1螺旋槽加工专用机床床身的功能床身属于机床支撑件，是机床相互固定连接成机床的基础和框架。机床上其他零件可以固定在床身上，或者工作时在床身上的导轨上运动。因此床身的主要功能是保证机床各零件之间的互相位置和相对运动精度，并保证机床有足够的静刚度、抗振性、热稳定性和耐用度。所以，床身的合理设计是机床设计的重要环节。本课题所涉计的床身，就是其机床的支撑件，固定连接着润滑系统、加工装置和进给机构；工作台沿着床身导轨运动。床身不仅承受这些部件的重力，而且还要承受切削力、传动力和摩擦力等，在这些力的作用下，不应产生过大的变形和振动；还要保证工作台沿床身导轨运动的直线度，和相对于主轴的直线度；受热后产生的热变形不应破坏机床的原始精度；床身导轨应有一定的耐用度等。2.2.2螺旋槽加工专用机床床身满足的基本要求床身满足下列要求：1)应具有足够的刚度和较高的刚度-质量比。2)应具有良好的动态特性,包括较大的位移阻抗（动刚度）和阻尼；整机的低阶频率较高，各阶频率不致引起结构振荡；不会因为薄壁振动而产生噪声。3)热稳定性好，热变形对机床加工精度影响较小。4)排削畅通、吊运安全，并具有良好的工艺性。2.2.3螺旋槽加工专用机床床身的结构设计床身是机床的支撑件部分，因此设计床身时，本文首先考虑到了所属机床的类型、及常用支撑件的形状。在满足机床工作性能的前提下，综合考虑其工艺性。还要根据其使用要求，进行受力和变形分析，再跟所受的力和其他要求（如排削、吊运、润滑、安装其他零件等）进行结构设计，初步决定其形状和尺寸。然后利用计算机进行有限元计算，求出静态刚度和动态特性，在对设计进行修改和完善，选出了最佳结构形式，既能保证床身的良好性能，又能减少质量，节约材料。（1） 机床的类型、布局和床身的结构设计 1.机床的类型机床根据所受外载荷的特点，可分为三类：1) 以切削力为主的中小型机床。这类机床的外载荷以切削力为主，工件的重力、移动部件（如车床的刀架）的重力等相对较小，在进行受力分析时可忽略不计。例如，车床的刀架从床身的一端移至床身中部时引起床身弯曲变形可忽略不计。2) 以移动部件的重力和热应力为主的精密和高精密机床。这类机床以精加工为主，切削力很小。外载荷以移动部件的重力为主以及切削产生的热应力为主。如双柱立式坐标镗床，在分析横梁受力和变形时，主要考虑主轴箱从横梁一端移动到中部时，引起横梁的弯曲和扭曲变形。3) 重力和切削力必须同时考虑的大型和重型机床。这类机床工件较重，移动件的重力较重切削力也很大，因此受力分析时必须同时考虑工件重力、移动件重力和切削力等载荷，如重型车床、落地镗铣床及龙门式机床等。根据综合分析确定本课题所设计的螺旋槽加工专用机床属于第三类大型和重型机床。2. 机床的分布形式对床身形状的影响机床的分布形式直接影响床身的结构设计。如图2-2所示的卧式数控车床，因采用不同布局，导致车床床身结构和形状不同。图2-2a是平床身、平滑板；图2-2b后倾床身、平滑板；图2-2c平床身、前倾滑板；图2-2d前倾床身、前倾滑板。床身的导轨的倾斜角度有30、45、60、75。小型数控车床采用45、60的较多。中型卧式车床，采用前倾床身、前倾滑板布局形式的较多，其优点是：排削方便，不会使切削堆积在导轨上将热量传给床身而产生热变形；容易安装自动排削装置；床身设计成封闭的箱形，能保证有足够的弯曲和抗扭强度。图2-2 机床的总体布局示意图综上所述，并考虑本课题所设计机床的实际加工情况，考虑与机床各部件的装配关系确定螺旋槽加工专用机床床身的结构布局，如图2-3螺旋槽加工专用机床床身结构示意图。图2-3 床身的总体结构俯视图3.床身的形状支撑件的形状基本上可以分为三类：1) 相形类：支撑件在三个方向的尺寸上都相差不多，如各类箱体、底座、升降台等。2) 板块类：支撑件在两个方向上的尺寸上比第三个方向大得多，如工作台、刀架等。3) 梁类：支撑件在一个方向的尺寸比另两个方向大得多，如立柱、横梁、摇臂、滑枕、床身等。此课题的床身的形状属于属于梁类。如图2-4机床的结构主视图。图2-4 机床的结构主视图（2） 床身的截面形状和选择床身结构的合理设计是应该在最小质量条件下，具有最大静刚度。静刚度主要包括抗弯刚度和抗扭刚度，均与截面系数成正比。床身截面形状不同，即使同一材料、相等的截面积、其抗弯和抗扭截面系数也不同。如表2-1所示常见截面抗弯、抗扭惯性矩比较。1) 无论是正方形、圆形、空心截面的刚度都比实心的大，而且同样的截面形状和相同大小的面积，外形尺寸大而壁薄的截面，外形尺寸小而壁厚的截面的抗弯刚度和抗扭刚度都高。所以提高床身刚度，床身的截面应是中空形状，尽可能加大截面尺寸，在工艺可能的前提下壁厚尽量薄一些。当然壁厚不能太薄，以免薄壁振荡。2) 圆环形截面的抗扭刚度比方形好，而抗弯刚度比方形低。因此，以承受弯矩为主的支撑件的截面形状应取矩形，并以其高度方向为受弯方向；以承受扭矩为主的支撑件的截面形状应取圆形。3) 封闭截面的刚度远远大于开口截面的刚度，特别是抗扭刚度。设计时应尽可能把支撑件的截面做成封闭形状。但是为了排削和在床身内安装一些机构的需要，有时不能做成完全封闭形状。 综合考虑上述三种情况对床身截面的抗弯刚度和抗扭刚度的影响情况。本课题所设计的螺旋槽加工专用机床床身截面结构采用空心矩形结构。首先，尽量做到了让床身的外形尺寸大，并尽量使床身的壁厚小。其次，在分析床身的受力情况之后合理的选择了床身各处的截面形状。最后，根据螺旋槽加工专用机床的总体布局，参照龙门刨床的床身设计，主要承受弯曲载荷，由于切削不需要从床身排除，所以顶面采用封闭的结构，台面不能太高以便于加工工件的安装调整。如图2-5螺旋槽加工专用机床床身截面示意图。图2-5 螺旋槽加工专用机床床身截面示意图表2-1常见截抗弯、面的抗扭惯性矩比较（3） 床身肋板的布置肋板是连接车床四周外壁的内板，它能使床身外壁的局部载荷传递给其他壁板，从而使整个床身承受载荷，加强床身的自身和整体刚度。肋板的布置取决于床身的受力变形方向。其中，水平布置的肋板有助于提高床身水平面抗弯刚度；垂直放置的肋板有助于提高床身垂直面内的抗弯刚度；而斜向肋板能同时提高床身抗弯和抗扭刚度。因此，两种结构的抗弯和抗扭都很高，应用于受复杂的空间载荷作用的机床，如加工中心、镗床、铣床等。一般将肋条配置于床身内壁上，主要为了减小局部变形和薄壁振荡，用来提高床身的局部刚度。肋条可以纵向、横向和斜向，常常布置成交叉排列，如井字形、米字形等。必须使肋板置于壁板的弯曲平面内，才能有效的减少壁板的弯曲变形。肋条厚度一般是床身壁厚的0.7-0.8倍。本课题所设计的床身肋板的布置，如图2-6螺旋槽加工专用机床身的剖视图。图2-6 螺旋槽加工专用机床身的剖视图（4） 床身的材料和热处理床身与导轨为一体，床身材料的选择应根据导轨的要求选择。铸铁具有良好的减震性和耐磨性，易于铸造和加工。床身材料采用机械性能优良的HT200，其硬度、强度较高，耐磨性较好，具有很好的减震性。为了消除床身的内应力，对机床床身进行两次时效处理，粗加工前后各进行一次。导轨表面经热处理，中频淬火后，其硬度可达到40-50HRC，淬火后其硬度、强度更高，耐磨性更好。而且淬火质量稳定、成本低、生产效率高。淬火后进行磨削加工，磨削后导轨具有良好的导向精度、精度保持性和低速运动平稳性，完全可以满足机床的技术要求。床身类铸件作为一种大型铸件必须要经过热处理才能提高本身的使用性能，改善铸铁平板的内在质量。金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其它加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量。为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。整体热处理是对工件整体加热，然后以适当的速度冷却，以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺过程。 由于热处理不能改变石墨的形状、分布，故对提高力学性能作用不大，因此在灰铸铁的生产中，热处理主要用于消除铸件的内应力和改善其切削加工工艺。方法：应力退火，消除铸件白口的退火以及表面淬火。 应力退火：消除内应力退火通常是将铸件缓慢加热到500摄氏度到560摄氏度，保温一段时间（每10mm截面保温一小时），然后以极缓慢的速度随炉冷至150摄氏度到200摄氏度后出炉。此时，铸件的内应力基本上被消除.应当指出，若退火温度超过温560摄氏度或保时间过长，会引起石墨化，使铸件的强度与硬度降低，是不适宜的. 当铸件形状复杂，厚薄不均时，由于浇注后冷却过程中各部位的冷却速度不同，往往在铸件内部产生很大的应力。因此，对精度要求较高或大型、复杂的铸件（如机床床身、机架等）在切削加工之前，都要进行一次消除内应力的退火，有时甚至在粗加工之后还要进行一次它不仅削弱了铸件的强度，而且在随后的切削加工之后，由于应力的重新分布而引起变形，甚至开裂。 表面淬火：是将刚件的表面层淬透到一定的深度，而心部分仍保持未淬火状态的一种局部淬火的方法。表面淬火时通过快速加热，使刚件表面很快到淬火的温度，在热量来不及穿到工件心部就立即冷却，实现局部淬火。目的在于获得高硬度，高耐磨性的表面，而心部仍然保持原有的良好韧性。可以是床身更加耐磨损。2.2.4螺旋槽加工专用机床床身的结构设计的相关计算（1） 床身壁厚的计算通过以上分析，由于螺旋槽加工专用机床床身要进行砂模铸造，查阅资料可知，其外壁可由当量尺寸C来确定。 （2-1）式中，L、B、H分别为床身的长、宽、高。根据算出的C值按表2-2选择最小壁厚t，在综合考虑工艺条件、受力情况，可适当加厚。壁厚应尽量均匀。表2-2 根据当量尺寸选择壁厚C/m0.751.01.51.82.02.53.03.54.0t/mm81012141618202225床身的长、宽、高分别为：L=13000mm，B=1115mm，H=575mm。由公式2-1得：C4.0根据表2-1，取壁厚t=25mm。由t=25mm，取肋板厚t1=20mm。（2） 机床床身重力的计算由上设计可知，床身材料为铸铁，灰铸铁：6.6-7.4t/m3。根据质量公式求出床身质量： （2-2） 床身体积为： （2-3） 由公式2-2、2-3 ，估算出床身的质量为：重力计算公式： （2-4）式中：G为物体所受的重力，m为物体的质量，g=9.8m/s2由公式2-4得：G=55468N（3） 机床床身底面受力面积由简化受力模型可知，底面受力面积为：查阅资料可知，机床整体的重量约为6.0t，加工零件的重量不超过3000kg，即因此载重可按6300kg计算。所以查阅资料可知，HT200的抗拉强度为b=200N/mm2由此可知，安全系数最大可取100，因此床体强度符合设计要求。（4） 机床床身强度计算床身属于机架的梁类，而梁类的强度计算主要是考虑受弯时的正应力：单向受弯时： （2-5） 双向受弯时： （2-6）式中 M所计算截面的弯矩； I横截面对中性轴的惯性距； 横截面上的最大拉伸或压缩正应力； y横截面上距中性轴最远的点，y表示与x的垂直方向； p许用应力。如果床身上还作用有纵向拉、压力F，则还应增加一项应力： （2-7）式中 A截面面积。理论上说来，该拉应力的作用使梁受弯矩的作用变形减少，不能分别计算相加，在特殊情况下才这样考虑。在需要计算剪切、扭转或合成应力的特殊情况，可以根据通常的力学公式进行。如载荷不作用在弯曲中心时，还应计算其扭转变形。综合分析床身为双向受弯则根据公式2-6计算应力，得：经强度计算床身强度符合设计要求。（5） 机床床身肋板强度计算1) 有横隔板框架的弯矩计算当横隔板厚度为t1当横隔对框架长度l比值很小时，隔板的数目及厚度对抵抗垂直载荷的能力是很低的。这种框架的弯曲刚度主要取决与平行中性轴的两块纵向侧板。考虑到侧板对侧壁的支撑作用，刚度计算时侧壁可不作为简支梁而作为两端固定梁来计算。垂直变形为： （2-8）式中 F为床身上的集中力； L床身总长度。强度条件为：(2-9)计算：2.2.5螺旋槽加工专用机床床身导轨设计导轨(daogui)guide rail:金属或其它材料制成的槽或脊，可承受、固定、引导移动装置或设备并减少其摩擦的一种装置。导轨表面上的纵向槽或脊，用于导引、固定机器部件、专用设备、仪器等。导轨又称滑轨、线性导轨、线性滑轨，用于直线往复运动场合，拥有比直线轴承更高的额定负载， 同时可以承担一定的转矩，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。（1） 各类机床导轨的比较及功能分析导轨的设计形式是多种多样的。人们不禁要问，哪一种导轨是最佳的。本文阐述的是各种导轨的比较和分析其不同的原因。机床控制元件的运动实现了机床的精密加工，这是手动工具和机床的主要区别，下面讨论的是机床的控制元件之一导轨系统。机床制造者最关心的莫过于机床的精度，刚性和使用寿命。对导轨系统的研究途径是很不够的，至少在机床制造技术方面没有把它放在重要的位置上，在机床样本，宣传广告上，最具有吸引力的技术参数是：主轴转速、进给速度、换刀时间和快速进给速度。当然，这些参数对机床的性能是很重要的。但导轨为机床功能的实现奠定了可靠的基础。各种类型的机床工作部件，都是利用控制轴在指定的导轨上运动，机床设计者根据机床的类型和用途选用各种不同形式的导轨系统，用得较为广泛的有下列三种；即平面导轨、直线滚动导轨和循环滚柱与平面导轨的组合所构成的滚动体导轨。当然系统远不止上述三种形式，还有其它形式的导轨。导轨的功能尽管导轨系统的形式是多种多样的，但工作性质都是相同的，机床工作部件在指定导轨系统上移动，尤如火车沿着铁轨在指定的方向上行驶。无论是机床导轨还是铁路上的铁轨，都是体现如下三种基本功能：(1)为承载体的运动导向(2)为承载体提供光滑的运动表面(3)把火车的运动或机床的切削所产生的力传到地基或床身上，减少由此产生的冲击对乘客和被动加工零件的影响。沿导轨系统的运动，大多数为直线运动，也有少数为弧线运动。本文讨论的重点是直线导轨系统。当然，直线导轨的很多技术可以直接应用弧形导轨。导轨为什么被称为“系统”呢？这是因为导轨系统的工作包含着若干元件的同时工作，最基本的元件为一个运动元件和一个固定元件。运动元件的形式有多种多样，以后将予以详细介绍，固定元件一般为道轨式，它是导轨精度的保证，如果导轨弯曲变形，运动元件或滑动元件便失去精确的导向。镶钢导轨机床上最常用的导轨形式是镶钢导轨，它的使用已有很长的历史。镶钢导轨是导轨系统的固定元件，其截面为矩形。它可水平装在机床的床身上，也可以与床身铸成一体，分别被称为镶钢式或整体式。镶钢式导轨是由钢制成的，经淬硬和磨削。硬度在洛氏硬度60度以上、把镶钢导轨用螺钉或粘结剂(环氧树脂)贴在机床床身或经刮研的立柱配合表面上，确保导轨获得最佳的平面度。这种形式，维修更换方便、简单，很受维修工人的欢迎。整体导轨或铸造导轨，即钢导轨与底座铸成一体，加工后再经精磨到要求的尺寸和光洁度。导轨必须经过火焰淬火提高表面硬度，以提高导轨的耐磨性。床身一般为球墨铸铁，当然球墨铸铁的硬度比不上钢，整体导轨可以重新修理和淬硬，但更换它几乎是不可能的。直线导轨新的导轨系统使机床可获得快速进给速度，在主轴转速相同的情况下，快速进给是直线导轨的特点。直线导轨与平面导轨一样，有两个基本元件；一个作为导向的为固定元件，另一个是移动元件。由于直线导轨是标准部件，对机床制造厂来说.唯一要做的只是加工一个安装导轨的平面和校调导轨的平行度。当然，为了保证机床的精度，床身或立柱少量的刮研是必不可少的，在多数情况下，安装是比较简单的。直线滚柱导轨直线滚柱导轨系统是平面导轨与直线滚柱导轨的组合，用滚柱安装在平行导轨上，用滚柱代钢球承载机床的运动部件。优点是接触面积大、承载负荷大、灵敏度高。从床身尾部看，支架与滚柱置于平面导轨的顶面和侧面，为了获得高精度，在机床工作部件和支架内面之间，设置一块楔板，使预加负载作用于支架的侧面。楔板的工作原理与斜铁相似，工作部件的重量作用于支架的顶面。由于作用在导轨系统上的预加负荷是可调的，为此楔板的损失得到补偿，这一特点被广泛用于中型或大型机床上，因为它对CNC指令反应灵敏，承受负荷大，直线滚柱导轨系统比传统的平面导机能经受高速运转，改善机床的性能。其它形式的导轨机床上常用的另一种导轨形式是燕尾槽导轨，一般用于机床运动部件的定位。例如：车削中心的尾架，导轨系统可以使尾架在上面移动或者移到要求的位置去支承被加工零件，然后迅速夹紧。机床很多附件，如定位工作台、回转工作台或旋转轴等，也采用燕尾槽导轨作为定位元件。然后夹紧在要求的位置上。如果机床往复行程较长，则采用V型导轨，如平面磨床和刨床等。优点是V型导轨系统导向性好，能承受重力切削。有的采用V型导轨和平面导轨相结合的形式，V型导轨作为导向，平面导轨作为支承体。（2） 导轨应满足的要求导向精度 主要指导轨运动轨迹的精确度。影响导向精度的主要因素有：导轨的几何精度和接触精度，导轨的结构形式，导轨及其支承件的刚度和热变形，静（动）压导轨副之间的油膜厚度及其刚度等； 精度保持性 主要由导轨的耐磨性决定，耐磨性与导轨的材料，导轨副的摩擦性质，导轨上的压强及其分布规律等因素有关； 刚度 包括导轨自身刚度和接触刚度。主要取决于导轨的形状，尺寸与支承件的连接方式及受力状况等因素； 低速运动平稳性 动导轨作低速运动或微量位移时易产生摩擦自激振动，即爬行现象。爬行会降低定位精度或增大被加工工件表面的粗糙度的值。（3） 导轨的截面形状选择1. 直线运动导轨的截面选择直线运动导轨的截面形状主要分为4种：矩形、三角形、燕尾槽和圆柱形，并可互相组合，每种导轨副之中还有凸凹之分。1)矩形导轨：承载能力大、刚度高、制造简单 、检验和维修方便等优点。适于载荷较大而导向要求略低的机床，如图2-7a所示。2)三角形导轨：磨损时自动补偿磨损量，不产生间隙。导轨顶角越小，导向性越好，但摩擦力也越大。小顶角用于轻载荷精密机械，大顶角用于大型或重型机床。三角形导轨结构有对称式和不对称式两种，如图2-7b所示。3)燕尾形导轨：承载较大的颠覆力矩，导轨的高度较小，结构紧凑，间隙调整方便。但刚度性较差，加工检验维修都不大方便。适应受力小、层次多、要求间隙调整方便的部件，如图2-7c所示。4)圆柱形导轨：制造方便，工艺性好，但磨损后较难调整和补偿间隙。主要用于受轴向负荷的导轨，应用较少，如图2-7d所示。图2-7 导轨的截面形状a） 矩形导轨 b）三角形导轨 c）燕尾形导轨 d）圆柱形导轨2. 导轨的组合形式机床直线运动导轨通常由两条导轨组合而成，根据不同要求，如图2-8 所示，机床导轨主要有如下形式的组合：图2-8 导轨的组合形式1)双三角形导轨：不需要鑲条调整间隙，接触刚度好，导向性和精度保持性好，但工艺性差，加工、检验和维修都不方便。2)双矩形导轨：承载能力大、制造简单。导向方式有两种宽式组合和窄式组合。3)矩形和三角形导轨的组合：导向性好，刚性高，制造方便，应用最广。4)矩形和燕尾形导轨的组合：能承受较大力矩,调整方便，多用在横梁、立柱、摇臂导轨中。综上所属，根据机床加工原理，润滑系统的润滑方式，工作台与床身的关系，并根据导轨应满足精度高、承载能力大、刚性好、摩擦阻力小、运动平稳、精度保持性好、寿命长、结构简单、工艺性好、便于加工、装配、调整和维修、成本低的要求。又因为导轨分为开始导轨和闭式导轨，确定了导轨的横截面形状和组合方式，如图2-9 所示的导轨组合方式。图2-9 螺旋槽加工专用机床导轨组合形式 （四）合理选择导轨的材料和热处理导轨材料和热处理方法对导轨性能、精度有直接影响,要合理的选择，以便降低摩擦系数，提高导轨的耐磨性，降低成本。导轨的材料有铸铁、钢、有色金属、塑料等。 1)铸铁导轨：良好的抗振性抗，工艺性和耐磨性。 2)鑲钢导轨：磨损能力强。 3)有色金属：可以防止撕伤，保证运动的平稳性和提高运动精度。4)塑料：摩擦因数低、耐磨性高、抗撕伤能力强、低速不易爬行、运动平稳、工艺简单、化学性能好、成本低等特点。本课题所设计的导轨与床身为一体，所以导轨材料为铸铁，但要在表面贴一层塑料，来降低床身与工作台的摩擦系数。热处理：粗加工后进行一次时效处理，然后进行中频淬火。2.3螺旋槽加工专用机床工作台设计本课题所设计的螺旋槽加工专用机床工作台与龙门刨床的工作台十分相似，大部分设计思路来源于刨床工作台的设计，如图2-9龙门刨床的三维视图。图2-9龙门刨床的三维视图（一）龙门刨床简介龙门刨床具有门式框架和卧式长床身的刨床。龙门刨床主要用于刨削大型工件，也可在工作台上装夹多个零件同时加工，是工业的母机。龙门刨床的工作台带着工件通过门式框架作直线往复运动，空行程速度大于工作行程速度。横梁上一般装有两个垂直刀架，刀架滑座可在垂直面内回转一个角度，并可沿横梁作横向进给运动；刨刀可在刀架上作垂直或斜向进给运动；横梁可在两立柱上作上下调整。一般在两个立柱上还安装可沿立柱上下移动的侧刀架,以扩大加工范围工作台回程时能机动抬刀，以免划伤工件表面。机床工作台的驱动可用发电机电动机组或用可控硅直流调速方式,调速范围较大,在低速时也能获得较大的驱动力。有的龙门刨床还附有铣头和磨头，变型为龙门刨铣床和龙门刨铣磨床，工作台既可作快速的主运动，也可作慢速的进给运动，主要用于重型工件在一次安装中进行刨削、铣削和磨削平面等加工。（二）本课题设计的工作台与龙门刨床工作台的功能比较刨床工作台的作用主要是装卡工件，并带动工件在床身上沿导轨做直线往复运动，使刨刀可以对工件进行刨削，并完成加工任务。本课题所设计的机床工作台与刨台作用大致相似，带动工件在床身上沿导轨做直线往赴运动，但不同的是本课题所设计的工作台不仅带动工件做往复运动，而且工作台上装有床头箱和支撑箱。如图2-10、2-11所示。图2-10 工作台截面图图2-11 工作台俯视、主视图（2） 工作台相关计算参照本课题所设计的床身计算过程，计算工作台个参数。1.机床工作台重力的计算由上设计可知，工作台材料为铸铁，灰铸铁：6.6-7.4t/m3。根据质量公式求出工作台质量： （2-2） 床身体积为： （2-3） 由公式2-2、2-3 ，估算出工作台的质量为：