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卧式管接头14英寸管螺纹套丝机设计,卧式,管接头,14,英寸,螺纹,套丝机,设计
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毕业设计题目名称：立式管接头1/4英寸管螺纹套丝机设计院系名称：机电学院 班 级：机自074 学 号：200700314418 学生姓名：邵小伟 指导教师：路明 2011年3月摘要 管螺纹套丝机是目前加工管螺纹简单且效率高的螺纹加工设备。针对管接头1/4英寸管螺纹的特点，本设计采用了低速、小体积的卧式套丝机结构，通过主轴反转退刀，夹具快速装卸满足专用机床的要求。套丝完成后，只需用手轻转进刀手轮即可进行下次加工，大大的降低了劳动强度。 本套丝机通过运用带轮传动来实现过载保护，运用齿轮传动保证传动的平稳性以实现主轴稳定的转速，且本设计采用单一转速针对1/4英寸管螺纹的加工，省去很多不必要的零件，很大程度上降低了成本，并且减少了机身重量与体积，使生产地点扩大化，同时操作简单也降低了加工工件的成本。 本设计采用左右活动箱体，组装方便快捷，且利于拆卸维修，解决许多安装不便的问题，但是拆卸箱体后组装时要注意箱体的密封，否则会导致漏油或者灰尘杂物进入箱体，影响加工精度和使用寿命。关键词：管螺纹套丝机、卧式、1/4英寸、专用、快速装卸、劳动强度、过载重量、体积、维修、密封、精度、使用寿命summaryPipe thread of silk machine is currently processing pipe thread simple and high efficiency of the threaded processing equipment. In the tube connectors 1/4 inches pipe thread characteristic, this design USES a low speed, small volume of horizontal set of silk machine structure, through the spindle reversal recede cutter, fixture rapid loading and unloading meet special machine tool requirements. After completion of silk, just with handle gently turn feed the handwheel can greatly reduce the next processing, intensity of labor.This set of silk machine using belt drive to achieve overload protection, using gear transmission ensure transmission to achieve stability, and the speed spindle stability for the design USES a single speed 1/4 pipe thread processing, save a lot of unnecessary parts, greatly reducing the costs, and reduce weight and size the fuselage, make the production site enlargement, and simple operation also reduce the cost of machining.This design USES the or so activities box, convenient, and assemble to remove maintenance, solve many problems, but the installation of inconvenience to remove cabinet assembly after the seal, or attention cabinet can cause leakage or dust sundry cabinet, affect machining precision and service life.Keywords: pipe thread of silk machine, horizontal, 1/4 inches, special, fast loading and unloading, and the intensity of labor, overload , Weight, volume, maintenance, seal, precision, service life中原工学院毕业设计（论文）说明书摘要1一、 绪论11.1课题研究背景11.2.课题研究意义11.3.设计的主要内容21.4.功能结构简介2二、总体传动参数计算22.1. 分配传动比22.1.1 分配原则22.1.2.选取电机32.1.3.分配传动比42.2 确定各轴的功率P42.2.1.确定各轴输入功率42.2.2 确定各轴输入转矩4三、 带轮的设计及计算53.1 带轮设计及计算5四、 齿轮强度与几何参数计算74.1第一对齿轮的设计及计算84.2第二对齿轮的设计及计算114.3 第三对齿轮的设计及计算144.4齿轮参数一览表18五、轴的校核计算185.1.确定各轴输入转矩185.2输入轴的结构设计与校核185.3第二根轴的设计215.4第三根轴的设计与校核24六、轴承及键的校核276.1输入轴上轴承的校核276.2.输入轴上键的校核28七、润滑与密封287.1 传动件的润滑287.2滚动轴承的润滑287.3润滑剂的选择28结 论29参考文献30致谢31一、 绪论1.1课题研究背景管螺纹套丝机由: 机体,电动机,减速箱，管子卡盘, 板牙头,割刀架,进刀装置,冷却系统组成。为了节省制造成本,近年来,市场上出现了重型和轻型两种套丝机。管螺纹套丝机工作时,先把要加工管螺纹的管子放进管子卡盘,旋动卡紧,按下启动开关,管子就随卡盘转动起来,调节好板牙头上的板牙开口大小,设定好丝口长短。然后顺时针扳动进刀手轮,使板牙头上的板牙刀以恒力贴紧转动的管子的端部,板牙刀就自动切削套丝,同时冷却系统自动为板牙刀喷油冷却,等丝口加工到预先设定的长度时,主轴倒转,板牙刀推出加工，丝口加工结束。关闭电源,旋开卡盘,取出管子。 套丝机的型号一般有:2英寸套丝机(50型),加工范围为:1/2-2(英寸) 另配板牙可扩大加工范围:1/4-2(英寸) 3英寸套丝机(80型) 加工范围为:1/2-3(英寸) 4英寸套丝机(100型)加工范围为:1/2-4(英寸) 6英寸套丝机(150型)加工范围为:5/2-6(英寸) 板牙是套丝机最常规的易损件,根据螺纹不同,有不同规格的板牙: 按螺距分类有: 英制板牙(BSPT)，美制板牙(NPT)，公制板牙(METRIC) 按尺寸(英寸)分类有: 1/4-3/8 (2分-3分板牙) 1/2-3/4 (4分-6分板牙) 1-2 (1英寸-2英寸板牙) 5/2-3 (2英寸半-3英寸板牙) 5/2-4 (2英寸半-4英寸板牙) 5-6 (5英寸-6英寸板牙) 按板牙材料分类有: 工具钢板牙(用于镀锌管,无缝钢管,圆钢筋,铜材,铝材等加工丝口用) 高速钢板牙(用于不锈钢管,不锈钢圆帮加工丝口用) 英制板牙（BSPT)板牙的牙角度为55度 美制板牙（NPT）板牙的牙角度为60度目前市场上的套丝机大部分加工尺寸都大于1/4英寸，有些机床虽然能加工到1/4英寸但需要改进。在各种管路中1/4英寸管螺纹接头却大量应用，因此需要专用管接头1/4英寸管螺纹套丝机来提高生产效率，降低劳动强度。1.2.课题研究意义管螺纹虽然有多种加工方法，但套丝是效率最高的，为提高生产效率减少成本，因此需要专用套丝机，来满足生产需求。本套丝机为半自动卧式套丝机，可以自动退刀，切能够恢复到加工前的位置因此减少了退刀时间，降低了劳动强度，从而提高了生产效率。1.3.设计的主要内容设计的主要内容包括设计的目的及意义、总传动方案设计（传动原理与机构）、总传动参数计算、皮带轮的设计与计算、齿轮啮合参数、强度、几何参数计算、轴的结构设计及强度计算、轴承的选型设计、其它零部件的结构设计。1.4.功能结构简介根据设计任务并且查询书籍资料和上网查询电子资料可建立功能结构图如图1保证加工螺纹统一长度,防止操作工人因精神不集中而损坏螺纹； 其生产率比人工也提高2到3 倍；因为该机能保证棒料垂直丝板端面套入, 圆心度较好, 切削力均匀, 套丝全过程都得到连续润滑冷却, 使螺纹表这种管螺纹加工专用设备体积小、质量轻,运输、移动、安装和维修都很方便， 可面获得较好的粗糙度，其生产质量也可获得保证。 二、总体传动参数计算2.1. 分配传动比2.1.1 分配原则1.高速级分配较小传动比，由高速级至低速级逐渐增大传动比。由于该机构要求传动比大，空间体积小，如果在高速级分配较大传动比，随着传动比和模数的增大，齿轮的直径将变得很大，不宜满足空间体积的要求。2.通过总体初步预算具体分配各级传动比。由于分配传动比时首先要考虑结构的要求，必须在给定的中心矩范围内分配传动比，因而必须先进行总体预算，并经过不断的调整，最后经过指导老师审核后确定。2.1.2.选取电机由于套丝机与攻丝原理相似，进给速度不能太快，参考机床的攻丝速度套丝机取n=28 r/min根据可算出套螺纹主轴的直径式中：d主轴直径(mm) T转矩（Nm）工件材料为45钢则加工45钢时 式中： D螺纹大径 P螺距加工的管螺纹大径D=13.157，P=1.337计算 T=24.2 切削功率T主轴上的最大转矩n主轴上的计算转速所以因此可以选取Y 801-2型号电机，额定功率0.75kw，同步转速3000 r/min,满载转速2825 r/min，中心高H=80mm，外伸轴段DE=19mm40mm。2.1.3.分配传动比总传动比 由于空间比较小带轮占用空间比较大，带轮用i=3.14传动降速。由于主轴是空心轴直径要求相对较大，故选用传动比为i=4，其他两级分别为3.3和2.5故传动比为i带轮=3.14，i1=2.5 i2=3.3，i3=42.2 确定各轴的功率P已知：输入转速。2.2.1.确定各轴输入功率 2.2.2 确定各轴输入转矩式中 带入参数得各轴的输出转矩为：三、 带轮的设计及计算3.1 带轮设计及计算1)确定计算功率有机械设计（以下凡是没特别提出的均同）表8-7查得工作情况系数故2)选择V带的带型根据 由图8-11选用Z型带3)确定带轮的基准直径并验算带速a带轮的传动比为3.14由表8-6和表8-8取带轮直径b验算带速按式（8-13）验算带的速度因为故带速合适c大带轮基准直径=3.1450=157mm圆整=1604)确定V带的中心距a和基准长度a.根据式（8-20）初定中心距b.由式（8-22），计算带所需的基准长度由表8-2选带的基准长度c.按式（8-23）计算实际中心距中心距的变化范围为216250mm5)验算小带轮上的包角由于两带轮直径相等故6)计算带的根数Za.计算单根V带的额定功率由和查表8-4a得根据和Z带型，查表8-4b得.04kw查表8-5得表8-2得于是b.计算V带的根数取3根7) 计算单根V带的初拉力的最小值由表8-3得Z型带的单位长度质量，所以应使带的实际初拉力8)计算压轴力压轴力的最小值为9） 带轮结构设计带轮结构如图四、 齿轮强度与几何参数计算由于本套丝机传递功率较小，故齿轮全部选用直齿圆柱齿轮传动。套丝机为一般工作机器，低速，故选用7级精度（GB10095-88）由表10-1选择小齿轮材料为45钢调质处理，硬度为217-255HBS，大齿轮材料为45钢常化处理硬度为162-217HBS，二者硬度差为40HBS4.1第一对齿轮的设计及计算1）.选小齿轮齿数，大齿轮齿数取2）按齿面接触强度设计有设计计算公式进行试算，即a.确定公式内的各计算数值1.试选载荷系数2.计算小齿轮传递的转矩3.有表10-7选取齿宽系数4.有表10-6查得材料的弹性影响系数5.有图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度极限6.有式10-13计算应力循环次数7.由图10-19取接触疲劳寿命系数，8.计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数S=1，由式（10-12）得b.计算1.试算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值2.计算圆周速度3.计算载荷系数根据，7级精度，由图10-8查得动载系数直齿轮由表10-2查得使用系数由表10-4用插值法查得7级精度，小齿轮相对支承非对称布置时由 查图10-13得故 载荷系数4.按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径由式（10-10a）得5.计算模数m3）按齿根弯曲强度设计由式（10-5）得弯曲强度的设计公式为a.确定公式内的各计算数值1.由图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限，大齿轮的弯曲强度极限2.由图10-18取弯曲疲劳寿命系数，3.计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由式（10-12）得4.计算载荷系数K5.查取齿形系数和应力校正系数由表10-5查得，由表10-5查得，6.计算大小齿轮的并加以比较大齿轮的数值大b.设计计算对比计算结果取m=2因为最小不发生根切的条件是，取 取4)几何尺寸计算a.计算分度圆直径b.计算中心距c.计算齿轮宽度齿宽系数分别有6-10，小齿轮取10，大齿轮取8则小齿轮B=20 大齿轮B=164.2第二对齿轮的设计及计算1）.选小齿轮齿数，大齿轮齿数取2）按齿面接触强度设计有设计计算公式进行试算，即a.确定公式内的各计算数值1.试选载荷系数2.计算小齿轮传递的转矩3.有表10-7选取齿宽系数4.有表10-6查得材料的弹性影响系数5.有图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度极限6.有式10-13计算应力循环次数7.由图10-19取接触疲劳寿命系数，8.计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数S=1，由式（10-12）得b.计算1.试算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值2.计算圆周速度3.计算载荷系数根据，7级精度，由图10-8查得动载系数直齿轮由表10-2查得使用系数由表10-4用插值法查得7级精度，小齿轮相对支承非对称布置时由 查图10-13得故 载荷系数4.按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径由式（10-10a）得5.计算模数m3）按齿根弯曲强度设计由式（10-5）得弯曲强度的设计公式为a.确定公式内的各计算数值1.由图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限，大齿轮的弯曲强度极限2.由图10-18取弯曲疲劳寿命系数，3.计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由式（10-12）得4.计算载荷系数K5.查取齿形系数和应力校正系数由表10-5查得，由表10-5查得，6.计算大小齿轮的并加以比较大齿轮的数值大b.设计计算对比计算结果取m=2因为最小不发生根切的条件是，取 取4)几何尺寸计算a.计算分度圆直径b.计算中心距c.计算齿轮宽度齿宽系数分别有6-10，小齿轮取10，大齿轮取8则小齿轮B=20 大齿轮B=164.3 第三对齿轮的设计及计算1）.选小齿轮齿数，大齿轮齿数取质数832）按齿面接触强度设计有设计计算公式进行试算，即a.确定公式内的各计算数值1.试选载荷系数2.计算小齿轮传递的转矩3.有表10-7选取齿宽系数4.有表10-6查得材料的弹性影响系数5.有图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度极限6.有式10-13计算应力循环次数7.由图10-19取接触疲劳寿命系数，8.计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数S=1，由式（10-12）得b.计算1.试算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值2.计算圆周速度3.计算齿宽4.计算齿宽与齿高之比模数齿高5.计算载荷系数根据，7级精度，由图10-8查得动载系数直齿轮由表10-2查得使用系数由表10-4用插值法查得7级精度，小齿轮相对支承非对称布置时由 查图10-13得故 载荷系数6.按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径由式（10-10a）得7.计算模数m3）按齿根弯曲强度设计由式（10-5）得弯曲强度的设计公式为a.确定公式内的各计算数值1.由图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限，大齿轮的弯曲强度极限2.由图10-18取弯曲疲劳寿命系数，3.计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由式（10-12）得4.计算载荷系数K5.查取齿形系数和应力校正系数由表10-5查得，由表10-5查得，6.计算大小齿轮的并加以比较大齿轮的数值大b.设计计算对比计算结果取，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲疲劳强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅于齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取有弯曲强度计算的模数2.22并元整为标准值，按接触强度计算的分度圆直径，算出小齿轮齿数取大齿轮齿数为了让齿数互质取4)几何尺寸计算a.计算分度圆直径b.计算中心距c.计算齿轮宽度齿宽系数分别有6-10，小齿轮取10，大齿轮取8，模数为3则小齿轮B=30 大齿轮B=244.4齿轮参数一览表齿轮序号齿数模数齿宽分度圆直径齿顶圆直径齿根圆直径传动比Z1252205054452.5Z263218126130121Z3232204650413.3Z476218152156147Z5213306369373.98Z683324249255161五、轴的校核计算5.1.确定各轴输入转矩5.2输入轴的结构设计与校核.选材45钢调质处理，硬度230HBS，强度极限=630Mpa，屈服极限=355Mpa，弯曲强度极限=275Mpa，剪切疲劳极限=155Mpa，对称循环变应力时的许用应力=60Mpa。b.初步估算轴的最小直径，选择轴承取A0=110，则轴的最小直径为：dmin 考虑到键槽的影响，轴径应增加7%，故去dmin=12mmc选择轴承因轴承主要受径向力，轴向力主要是重力，故选用角深沟球轴承。根据工作要求选用6006深沟球轴承。带轮采用A型键进行周向定位，键的尺寸为，根据带轮宽度取键的长度d.轴的各段长度如图e.按弯扭合成应力校核轴的强度a 绘出轴的计算简图，轴的计算简图如下图所示L3=42.5L1=146.5mmL2=100mmb 计算作用在轴上的力作用在小齿轮上的力c 计算支反力垂直面（V面）如图c水平面（H面）如图d力（方向未定）在支点产生的支反力带轮压轴力的作用方向与带轮的布置有关，在具体位置尚未确定前，可按最不利的情况考虑作转矩图（g）d 单向运动扭转应力按脉动循环变应力取系数为0.6则由计算弯矩图可见1截面受力最大1截面的计算应力为小于许用应力，故安全5.3第二根轴的设计.选材45钢调质处理，硬度230HBS，强度极限=630Mpa，屈服极限=355Mpa，弯曲强度极限=275Mpa，剪切疲劳极限=155Mpa，对称循环变应力时的许用应力=60Mpa。b.初步估算轴的最小直径，选择轴承取A0=110，则轴的最小直径为：dmindmin=17mmc.轴的各段长度如图d.按弯扭合成应力校核轴的强度a. 绘出轴的计算简图，轴的计算简图如上图所示L1=142L2=58L3=55b. 计算作用在轴上的支反力作用在大齿轮上的力作用在小齿轮上的力c. 计算支反力垂直面（V面）如图c水平面（H面）如图dd. 合成弯矩e.f. 单向运动扭转应力按脉动循环变应力取系数为0.6则g. 按弯扭合成应力校核轴的强度由计算弯矩图可见2截面受力最大2截面的计算应力为小于许用应力，故安全5.4第三根轴的设计与校核1).选材45钢调质处理，硬度230HBS，强度极限=630Mpa，屈服极限=355Mpa，弯曲强度极限=275Mpa，剪切疲劳极限=155Mpa，对称循环变应力时的许用应力=60Mpa。2).初步估算轴的最小直径，选择轴承取A0=110，则轴的最小直径为：dmindmin=22mm3).轴的各段长度如图4).按弯扭合成应力校核轴的强度a. 绘出轴的计算简图，轴的计算简图如下图所示L1=75L2=126L3=52b. 计算作用在轴上的支反力力作用在大齿轮上的力作用在小齿轮上的力c. 计算支反力垂直面（V面）如图(c)负号表示方向与假设相反水平面（H面）如图（d）d. e. 合成弯矩f.g. 单向运动扭转应力按脉动循环变应力取系数为0.6则h. 按弯扭合成应力校核轴的强度由计算弯矩图可见小齿轮截面受力最大该截面的计算应力为小于许用应力，故安全六、轴承及键的校核6.1输入轴上轴承的校核已知输入轴上的轴承型号为6006，静载荷1).求比值比值很小，远远小于e2).计算当量动载荷p，根据式（13-8a）P=按照表13-6，按照表13-5，X=1，查表Y=0，则3).根据式13-6，求轴承的基本额定动载荷值则满足要求4).验算轴承寿命因此满足要求6.2.输入轴上键的校核对于普通平键连接的强度条件为式中：T传递的转矩K键与轮毂键槽的接触强度。k=0.5h,此处h为键的高度，单位mml键的工作长度，mm,圆头平键l=L-bd轴的直径键轴轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，见表6-2对于输入轴上的键，故合用七、润滑与密封7.1 传动件的润滑本设计采用用油浴润滑，由于总体上齿轮线速度较小，故可以不考虑回油槽。7.2滚动轴承的润滑本设计采用润滑脂润滑，并在轴承内侧设置挡油环，以免油池中的稀油进入轴承内而使润滑脂稀释。7.3润滑剂的选择润滑剂的选择与传动类型、载荷性质、工作条件、转动速度等多种因素有关。由于轴承负荷较小、温度低、转速不高，可选用粘度较小的润滑油，减速可采用HT-40,HT-50号机械油，也可采用HL-20,HL-30齿轮油。当采用润滑脂润滑时，轴承中润滑脂装入量可占轴承室空间的1/31/2。结 论光阴似梭，大学四年的学习一晃而过，为具体的检验这四年来的学习效果，综合检测理论在实际应用中的能力，除了平时的考试、实验测试外，更重要的是理论联系实际，提高了实际动手能力和独立设计能力。通过十五周的不断努力，在指导老师的认真辅导下完成了对立式套丝机的设计，该设计主要分为以下几个部分，现对各个部分的计算过程和计算结果进行分析和总结。总体设计部分，通过对总体设计进行多次分析改进后，经过指导老师审核，总体设计符合设计要求，主轴箱总体设计通过。齿轮传动部分，通过对齿面接触疲劳强度进行验算，对齿根弯曲疲劳强度进行核算，齿面接触强度和齿根弯曲强度均满足要求，因而齿轮强度校核通过，齿轮部分安全。轴的设计部分，通过对轴的弯曲强度进行校核，校核结果表明：强度校核通过，因而传动轴安全，轴的设计部分满足要求。轴承的校核部分，通过对轴承的寿命进行校核，校核结果表明：寿命通过，因此轴承安全，因而所选轴承满足设计要求。因此，通过对各个部分的校核结果进行分析，管螺纹卧式套丝机的设计达到设计标准。在整个设计过程中，通过具体的设计研究，学到了很多机械行业的基本知识和宝贵的实践经验，使我的综合设计能力有了很大的提高，受益匪浅。可以说通过此次毕业设计，自己领悟了许多，进步了许多，收获了许多。 经过几个月的毕业实习和毕业设计，提高了自己的画图能力，动手能力，独立思考能力，发现并解决技术问题的能力，不但为以后走进工作岗位奠定一个良好的基础，对走好以后的人生之路也不无裨益。参考文献1 濮良贵，纪名刚. 机械设计. 北京：高等教育出版社，20062 申永胜. 机械原理教程. 北京：清华大学出版社，19993 吴宗泽. 机械设计师手册上册.北京：机械工业出版社，20024 吴宗泽. 机械设计师手册下册.北京：机械工业出版社，20025 吴宗泽,罗胜国. 机械设计课程设计手册第二版. 北京：高等教育出版社，19926 吴宗泽. 机械设计实用手册第二版.北京：机械工业出版社，20037 束德林.金属材料性能.北京:机械工业出版社,19998 李宜民，王慕龄，宫能平. 理论力学. 徐州：中国矿业大学出版社，1996。9 马先贵.润滑与密封.北京:机械工业出版社10 韩进宏.互换性与技术测量.北京.机械工业出版社11 单辉祖. 材料力学. 北京：高等教育出版社，200412 甘永立. 几何量公差与检测.上海：上海科学技术出版社，200113 何新铭. 机械制图. 北京：高等教育出版社，199714 中国矿业大学机械制图教材编写组.画法几何及机械制图. 徐州：中国矿业大学出版社，200215 余梦生，吴宗泽.机械零部件手册.北京.机械工业出版社199516 机械设计手册电子版3.017 刘小年等.机械设计制图简明手册.机械工业出版社，200018 施高义等.联轴器.北京:人民邮电出版社致谢本次毕业设计和论文是在导师路明老师的严格要求和精心指导下完成的，我首先要向路老师道一声：老师，您辛苦了，谢谢！在我做毕业设计的每个阶段，从外出实习，查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，装配草图，到说明书的整体要点和布局等整个过程中都给予了我悉心的指导。最使我感动的是，在设计的初期阶段，由于自己没有思路，感觉无从下手，非常苦恼，困惑。路老师反复给予了我热情的鼓励，耐心的指导，细心帮我分析课题设计与画图中可能遇到的困难。路老师的肯定、鼓励、信任给了我巨大的力量，使我增强了信心，畏难情绪一扫而除，最终得以顺利完成本次毕业设计。对路老师的感激之情是无法用言语表达的，在这里再次衷心谢谢路老师。本设计是在指导老师的悉心指导和无微不至的关心下完成的，九周的毕业设计是老师给了我莫大的帮助，毕业设计过程中我所取得的每一点成绩都浸透着老师大量的心血。在此毕业设计中，我学到了很多，特别是老师渊博的知识、严谨的治学态度深深的影响着我，不管是在学习还是生活上，必将会对我以后的人生受益终生。在这里我对本次设计过程帮助过我的老师表示衷心的感谢。大学四年即将结束，我非常感谢大学期间曾经培养过我的老师，感谢机自的所有老师，以及关心过我、帮助过我的同学，是他们让我的大学不留遗憾，衷心希望我们学院越办越好。最后，再次衷心的感谢答辩的各位老师和辛苦辅导我们的导师。323切屑的基本构造第1章 重点是生产组织和机床的加工过程。通过理解的基础分析掌握本章所介绍的机械、热和摩擦学(摩擦,润滑和磨损)。2.1历史介绍 100年前,Tresca(1878)公布一幅金属切削过程柔性图片(图2.1(a)。他表明使用最好的工具和决定最合适的切削深度(我们现在就不会在板料说晶片厚度)、每分钟切削下来切屑的检查是非常重要的。他很清楚,适当的切削比过大削减导致更多的塑性变形并且说这是一个发展的动力更硬更强大机床可以吗使较重的削减。在同一个会议中,据记载,现在似乎是力学分析,很快就会被使用化学分析-就像系统评估形成的质量的情况下,金属加工,这是过早!)。 三年后,瑞利勋爵提交给伦敦皇家学会一份论文通过马洛克(马洛克,1881-82)。它记录了通过显微镜对部分有色金属和蚀刻外观有色金属切削观察大约5倍的放大（Figure2.1（b）图2.1 特雷斯卡(1878)和(b)马洛克(1881-82)观察的早期切屑项），马洛克很清楚剪切金属会出现切屑构造。他认为切屑及工具之间的摩擦力对于切屑的变形有决定作用。他评论说润滑油起着减少切屑及工具之间的摩擦力并且写道,困难的是看看润滑剂怎样到达了那里。他也写下切屑与刀具之间内部的工作完成量和剪切摩擦方程。令人惊奇的是,他似乎没有意识到工作的Tresca的可塑性和认为是一种金属的剪切强度直接成正比的正常压力剪切平面上表演。因此,他的方程组给了错误的答案。这使他错过了一个想法切屑在最小工作摩擦力可能形成的厚度,。事后想来,他接近切屑的形成就像接近商人的法律一样，事实上不得不等待另一个六十年(部分产品配方2.2.4)。 特雷斯卡的和马洛克的论文介绍了两个金属切割的基本理论，即可塑性和切屑和工具之间的相互摩擦之间的重要性。特雷斯卡也非常清楚第三个元素，塑料加热理论，但他在这方面的兴趣是由加热炉热锻造，而不是加工。在他1878年论文中，他描述了他的测试在一次锻造中高达94%的工作热量转换并且明确的联系到他的焦耳定律。 机械加工中，刀具在高温下的寿命被冶金学家解决的重要性，一系列开发从在十九世纪六十年代到20世纪早期,引进新合金钢工具以改良的高温硬度允许切削速度越来越高,与之相的生产量大。经典的报告(泰勒,1907年)描述了早期工作,从1881年开始,他们通过完善刀具材料(高速钢)来优化生产力并且做得很好。 因此，在大约1870到1905年之间奠定了加工的基础理论和实践理论。在这一阶段,除了没有什么名气的马洛克的作品,重点就是观察而不是预测的行为。这样延续了30年,带着巨大的集合(力切削加工性能、刀具耐用度)数据(例如,波士顿,1926年,赫伯特,1928年),当然引进更耐热加强硬质合金刀具。在1920年代晚期,有这么多的数据,需要统一的理论开始被感知。赫伯特援引波士顿(1926年)与写作的:“如果可能的话,金属切削理论导致所有类型的切割应发展。所有这是一个巨大的问题,应该以一个大的方式进行。 第一个预测阶段的金属切削研究从1930s晚期到1940年中期。第二次世界战争的压倒一切的需求可能影响了时间、出版、事态发展，但也创造了机会给关注实际的金属塑性问题上的能人。第一阶段,在1960/65,从某种意义上讲,一个向后的一步。即使是最简单明了复杂的切屑排列-例如这一事实,大多数切屑卷曲（图2.1)时被忽视在一次试图理解为什么他们需要观察切屑的厚度。这是问题的关键:一旦切屑流是已知的、力量、应力和温度可能合理简单计算出来。最简单的塑性流动导致形成的假设,即切屑片在平坦的剪切平面剪切(所描述的更多细节在本章后面)。随之而来的预测切屑厚度、计算切屑温度和当代有关来理解摩擦学切屑的交互工具的发展是本章主要内容。第一阶段在预测切屑的厚度并不成功，它只是在描述后果。显然，流动的假设过于简单，所以是切屑/工具摩擦定律假设;再者是在加热的金属切削（和高应变率参与）引起的进程改变了金属的塑性剪切阻力不能被忽视。从60年代中期到1980年左右的力学重点研究是探索更多的可能性和现实的假设的后果。这种预测发展的第二阶段是第6章的主题。到20世纪80年代，很明显，数值方法需要分析切屑形成正确。金属切削的有限元方法的发展是第7章的主题它的详细的研究是在第8章介绍。 本章的其余部分由三个主要部分：在力学，加热和摩擦学的基础上有关的金属加工。附录1至3包含在这些领域更广泛的背景材料，这和以后的章节有关。与以往常识的人可能会发现至少就本章而言它是没有必要提及这些附件。2.2切屑形成力学本节的目的是以汇集的形式观察切屑并且用产生的力量和压力产生切屑。力学的作用是在这种情况下援助描述而不是预测。首先,2.2.1部分描述的是切屑的形成在所有的加工流程(车、铣、钻等)可以被描述成为一个常用的方法,以便随后被理解部分涉及任何过程。然后2.2.2节报告切屑的类型，使用简单的形状工具观察;以及如何用经过加工硬化的加工材料从工具前角观察切屑厚度变化，工具与切屑之间的摩擦力。2.2.3部分，描述了力切割时的一种工具可能与实测切屑的形状、切屑及工具和塑料流动应力的工作材料之间的摩擦力有关。介绍了长度接触与切屑和工具对切屑曲率半径的联系,并探讨了长度观察可以用于推断之间的接触应力正常切削和工具在不同接触区域。部分2.2.2,2.2.3,只描述了被观测到的切屑形状。部分2.2.4介绍了早期尝试,相关的,他们的名字的厂商(1945年)和李和谢弗(1951届)的预测将有多厚,而切屑汇集了单节段早些时候观察总结的一般价值切屑等特点的形成和具体工作接触应力工具。在这部分的信息，大部分是1970年以前可用，即使它的介绍得到了来自近30年的反思。2.2.1切屑的几何形状和术语的形成 图2.2显示了四个切屑的例子包括从平面的顶面加工平行双面金属板的切割工具（工作），以减少板的高度。这已经想到，这个工具是固定的板块向它移动，从而使切割速度（这是工作之间的相对速度和工具）的描述Uwork。在每一个例子，Uwork是相同的，但不同的工具是相对于面向板，并形成不同的切屑几何方面的介绍。这个数字说明用最简单的方法可以想像这些方面。它关系到并且说明了车削铣削和钻孔过程的发展顺序。图2.2章(a组和b组)正交的,(c)非正交l和(d)45度相交切屑的形成。正交及非正交切屑的形成在图2.2（a）在切削刃AD的平面刀具前刀面的ABCD垂直于Uwork方向。这也是垂直于侧面板。由于工具从这个工件移到另一个，一矩形截面量EFGH被移出金属板。而正确的一些速度Uchip流量切屑，它是垂直时代的尖端。所有的相对运动为平面正常的尖端。在这种条件下，据说切割是正交的，这是最简单的情况。除了在一旁的切屑，其中一些可能会发生膨胀的面孔，这个过程是完全几何描述二维部分，如图2.1（b）项。 他可能想到如果通过一定数量的HG降低金属板的高度会导致工具被带回其起始位置，这与用相同数量的HG可能使供给消耗下跌，这个过程也可能会反复。由于这个原因,HG大小就是所谓的供给。f这个过程该删除的材料尺寸被称为切削深度，d图2.2（a）还规定了刀具前角和前刀面之间的和，这两个学科前沿及Uwork的一个正常的角度。（a是，按照惯例积极的，如图所示。） 如图2.2（a）项，当尖端垂直于板面，其与板的接触长度最小。如果是想分散在一个较长的边长（从工具的角度来看这样可以减少操作的程度）的切削作用，边缘可以旋转对切割速度方向。这显示在图2.2（b）项。活动目录从图2.2（a）是旋转AD。只要长期保持边缘垂直Uwork，该切屑将继续流向垂直的前沿，切割过程中仍然正交。然而，取消了横截面形状改变工作的材料是从矩形EFGH为平行四边形EFGH。如果旋转量的描述是与EF和EH，切割边缘接触角的长度增加至D氪=的D / sinkr和被删除的层厚度，f被称为未经切割的切屑厚度，减少到f sinkr。KR是称为主要偏角，虽然它和其他条件，拟引进具有不同的名称不同加工过程 - 以待日后审议。未经切割的切屑厚度在切屑形成中比供给更重要，因为切割速度,温度升高强有力地影响着加工(我们可以看到2.3节中)。2Chip formation fundamentals2.1 Historical introductionChapter 1 focused on the manufacturing organization and machine tools that surround the machining process. This chapter introduces the mechanical, thermal and tribological (fric- tion, lubrication and wear) analyses on which understanding the process is based.Over 100 years ago, Tresca (1878) published a visio-plasticity picture of a metal cutting process (Figure 2.1(a). He gave an opinion that for the construction of the best form of tools and for determining the most suitable depth of cut (we would now say undeformed chip thickness), the minute examination of the cuttings is of the greatest importance. He was aware that fine cuts caused more plastic deformation than heavier cuts and said this was a driving force for the development of more powerful, stiffer machine tools, able to make heavier cuts. At the same meeting, it was recorded that there now appeared to be a mechanical analysis that might soon be used like chemical analysis systematically to assess the quality of formed metals (in the context of machining, this was premature!).Three years later, Lord Rayleigh presented to the Royal Society of London a paper by Mallock (Mallock, 188182). It recorded the appearance of etched sections of ferrous and non-ferrous chips observed through a microscope at about five times magnification (FigureFig. 2.1 Early chip observations by (a) Tresca (1878) and (b) Mallock (188182)2.1(b). Mallock was clear that chip formation occurred by shearing the metal. He argued that friction between the chip and tool was of great importance in determining the defor- mation in the chip. He commented that lubricants acted by reducing the friction between the chip and the tool and wrote that the difficulty is to see how the lubricant gets there. He also wrote down equations for the amount of work done in internal shear and by friction between the chip and tool. Surprisingly, he seemed unaware of Trescas work on plasticity and thought that a metals shear resistance was directly proportional to the normal stress acting on the shear plane. As a result, his equations gave wrong answers. This led him to discount an idea of his that chips might form at a thickness that minimized the work of friction. With hindsight, he was very close to Merchants law of chip formation, which in fact had to wait another 60 years for its formulation (Section 2.2.4).Trescas and Mallocks papers introduce two of the main elements of metal cutting theory, namely plasticity and the importance of the friction interaction between chip and tool. Tresca was also very clear about the third element, the theory of plastic heating, but his interest in this respect was taken by reheating in hot forging, rather than by machining. In his 1878 paper, he describes tests that show up to 94% conversion of work to heat in a forging, and explicitly links his discussion to the work of Joule.In machining, the importance of heating for tool life was being tackled practically by metallurgists. A series of developments from the late 1860s to the early 1900s saw the introduction of new steel alloy tools, with improved high temperature hardness, that allowed higher and higher cutting speeds with correspondingly greater productivities. A classic paper (Taylor, 1907) describes the early work, from 1881 onwards, on productivity optimization through improved tool materials (high speed steels) and their best use.Thus, the foundations of machining theory and practice were laid between around 1870 and 1905. At this stage, with the minor exception of Mallocks work, the emphasis was on observing rather than predicting behaviour. This remained the case for the next 30 years, with huge collections of machinability (force and tool life) data (for example, Boston,1926; Herbert, 1928), and of course the introduction of even more heat resistant cemented carbide tools. By the late 1920s, there was so much data that the need for unifying theo- ries was beginning to be felt. Herbert quotes Boston (1926) as writing: If possible, a theory of metal cutting which underlies all types of cutting should be developed. . . . All this is a tremendous problem and should be undertaken in a big way.The first predictive stage of metal cutting studies started about the late 1930smid-1940s. The overriding needs of the Second World War may have influenced the timing, and probably the publication, of developments but also created opportunities by focusing the attention of able people onto practical metal plasticity issues. This first phase, up to around1960/65, was, in one sense, a backwards step. The complexity of even the most straight- forward chip formation for example the fact that most chips are curled (Figure 2.1) was ignored in an attempt to understand why chips take up their observed thicknesses. This is the key issue: once the chip flow is known, forces, stresses and temperatures may all be reasonably easily calculated. The most simple plastic flow leading to the formation of straight chips was assumed, namely shear on a flat shear plane (as described in more detail later in this chapter). The consequent predictions of chip thickness, the calculations of chip heating and contemporary developments in tribology relevant to understanding the chip/tool interaction are the main subjects of this chapter.This first stage was not successful in predicting chip thickness, only in describing its consequences. It became clear that the flow assumptions were too simple; so were thechip/tool friction law assumptions; and furthermore, that heating in metal cutting (and the high strain rates involved) caused in-process changes to a metals plastic shear resistance that could not be ignored. From the mid-1960s to around 1980 the main focus of mechan- ics research was exploring the possibilities and consequences of more realistic assump- tions. This second phase of predictive development is the subject of Chapter 6. By the1980s it was clear that numerical methods were needed to analyse chip formation properly. The development of finite element methods for metal cutting are the subject of Chapter 7 and detailed researches are introduced in Chapter 8.2.2 Chip formation mechanicsThe rest of this chapter is organized into three main sections: on the foundations of mechanics, heating and tribology relevant to metal machining. Appendices 1 to 3 contain more general background material in these areas, relevant to this and subsequent chapters. Anyone with previous knowledge may find it is not necessary to refer to these Appendies, at least as far as this chapter is concerned.The purpose of this section is to bring together observations on the form of chips and the forces and stresses needed to create them. The role of mechanics in this context is more to aid the description than to be predictive. First, Section 2.2.1 describes how chip formation in all machining processes (turning, milling, drilling and so on) can be described in a common way, so that subsequent sections may be understood to relate to any process. Section 2.2.2 then reports on the types of chips that have been observed with simple shapes of tools; and how the thicknesses of chips have been seen to vary with tool rake angle, the friction between the chip and the tool and with the work hardening behaviour of the machined material. Section 2.2.3 describes how the forces on a tool during cutting may be related to the observed chip shape, the friction between the chip and the tool and the plas- tic flow stress of the work material. It also introduces observations on the length of contact between a chip and tool and on chip radius of curvature; and discusses how contact length observations may be used to infer how the normal contact stresses between chip and tool vary over the contact area. Sections 2.2.2 and 2.2.3 only describe what has been observed about chip shapes. Section 2.2.4 introduces early attempts, associated with the names of Merchant (1945) and Lee and Shaffer (1951), to predict how thick a chip will be, while Section 2.2.5 brings together the earlier sections to summarize commonly observed values of chip characteristics such as the specific work of formation and contact stresses with tools. Most of the information in this section was available before 1970, even if its presen- tation has gained from nearly 30 years of reflection.2.2.1 The geometry and terminology of chip formationFigure 2.2 shows four examples of a chip being machined from the flat top surface of a parallel-sided metal plate (the work) by a cutting tool, to reduce the height of the plate. It has been imagined that the tool is stationary and the plate moves towards it, so that the cutting speed (which is the relative speed between the work and the tool) is described by Uwork. In each example, Uwork is the same but the tool is oriented differently relative to the plate, and a different geometrical aspect of chip formation is introduced. This figure illus- trates these aspects in the most simple way that can be imagined. Its relationship to theFig. 2.2 (a and b) Orthogonal, (c) non-orthogonal and (d) semi-orthogonal chip formation.turning milling and drilling processes is developed after first describing what those
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