毕业设计（论文）-深孔振动钻削加工装置设计.doc

2014届毕业设计说明书 深孔振动钻削加工装置设计 院 、 部： 学生姓名： 指导教师： 专 业： 班 级： 完成时间： 摘 要孔加工是金属切削加工中常用的加工工艺。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要求的不断提高，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、扭转振动和复合运动。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、延长刀具使用寿命等问题，理论上也获得另外许多发展。关键词：深孔加工；振动钻削；振动装置ABSTRACTHole 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 practicalily is uses the twist drill drilling processing. As the hole of the requirement of increasing the quality and efficiency,the traditiongal 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 driliing through vibration device in the process of driliing bit and generate controllable relative movement between parts.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 and cylindrical turning processing,etc,to solve practical production incutting machining,such as chip removal improve processing quality,prolong tool life and other issues,theory also received many development.Key words: Deep-hole mechining；Vibration drilling；Vibration divice目 录1绪 论41.1深孔振动钻削技术的简介41.2深孔振动钻削的发展史及应用前景52深孔振动钻削的原理62.1振动钻削的机理62.2切屑原理分析73装置设计83.1装置总体设计83.1.1振动装置的要求93.1.2振动类型的选择103.2 电机的选择123.3 带传动设计133.3.1确定计算功率Pca143.3.2选择带型143.3.3 确定带轮的基准直径143.3.4 确定中心距a和带的基准长度Ld153.3.5 验算主动轮上的包角1153.3.6 确定带的根数Z153.3.7 确定带的预紧力F0163.3.8计算带传动作用在轴上的力（简称压轴力）Fp163.3.9 V带轮设计163.3.10 V带传动的张紧装置173.4 偏心轴及其附件设计183.4.1 轴承的选用203.4.2 偏心轴轴承底座223.4.3 端盖和透盖223.4.4 偏心销钉233.5 主轴及其附件设计233.5.1 主轴243.5.2 弹性夹头253.5.3 轴承的选用263.5.4 主轴轴承底座273.5.5 夹紧螺母273.5.6轴承盖283.5.7 摆杆283.6 底板设计29总 结30参考文献31致 谢321绪 论1.1深孔振动钻削技术的简介在孔加工中，如果孔的长度在直径的5倍以上，则称之为深孔。目前，深孔加工技术还表现得不是很成熟，主要体现在以下几方面：（1）由于刀具较长且轴身较细，加上刀具刚性差、强度也比较低，所以在深孔加工时容易发生引偏和振动等状况，进一步影响到轴线的直线度。（2）刀具的散热效果不是很理想，使刀具的使用寿命随着切削时温度的升高而降低。（3）切屑排除困难，不仅会影响加工表面质量，严重时还会导致刀具折断。我们都知道，孔加工在金属加工中的地位是不言而喻的，可以说是非常的重要，主要表现在两方面：（1）金属切除量占切削加工总切除量比例非常高，其达到了33%。（2）钻头的产量在刀具的总产量中也占有惊人的比例，比前者更高，甚至超过了60%。随着科学的不断发展，一些科学生产技术也日益发展与成熟，由于生产生活的需要，孔加工的数目也随之越来越多，同时对孔的质量及其精度要求也越来越高，这将是一次艰难的挑战，随之而来的便是孔加工的地位得到了提高。目前来说，虽然有很多的方法可以用在加工微小孔的工艺中,但麻花钻钻削加工仍是到目前为止其中使用最多的加工方法。而近些年，振动钻削工艺逐步发展，并展现出了自身的优越性，使其拥有良好的应用前景。振动钻削技术相对于其他传统孔加工方法是一种比较先进的钻削方法,特别是在小直径深孔加工中体现得更明显，其能够实现良好地断屑,在排屑方面有着积极地作用。由于振动钻削所具有的优越性,很多钻削工艺中都使用了振动钻削。振动钻削的振动方式可以分为三种：（1）振动方向与钻头轴线方向一致的振动称为轴向振动；（2）振动方向与钻头旋转方向一致的振动称为扭转振动；（3）轴向振动与扭转振动两者的振动形式共存的振动称为复合振动。在三种方式中，轴向振动的地位最为重要，其原因在于它工艺效果良好且便于实现。除此之外，振动钻削以其振动频率为标准，又会有不同的分类，包括低频和高频两种，低频振动钻削的振动主要靠机械装置来实现，其通常在频率在200Hz以下；高频振动钻削主要是利用超声波发生器等装置来实现，其频率通常在16kHz以上，所以也经常被称为超声波振动钻削。振动钻削与传统钻削完全不一样，其机理也存在差别，其差异性的体现如下。振动钻削时，当主切削刃与工件紧密连接在一起,切削速度和方向将会发生明显变化，且这样变化呈现出一定的规律，具有周期性。在主切削刃与工件从结合连接状态变为分离状态时,其切削过程也变成了断续切削，呈现出脉冲的表现形式。当装置的各个参数选择符合实际需求且合理时，孔的加工质量将会得到质的改变,同时钻头的的切削温度和切削力都会大大降低,从而延长钻头寿命。1.2深孔振动钻削的发展史及应用前景根据振动钻削的特点可以知道，相比于普通钻削，振动钻削具有很多优越性，从80年代开始，国内外很多学者便开始逐步对振动钻削进行研究，从理论方面入手，包括研究 “钻头刚性化效果”理论，振动断屑理论，动态角度理论以及脉冲能量和应力集中理论。随着理论研究的不断深入，便开始逐步向应用方面发展，其目的是使其研究更具实际应用价值。经过多年以来的研究，在很多方面都取得了一定的成绩，甚至有了极大的突破，大大推动了振动钻削的历史发展进程，但由于其应用于实践的时间太短，其理论工作的研究还与实际的需要还相差甚远，可以说是完全不能满足，通过理论与实践的结合，目前振动钻削存在的问题主要表现在以下几个方面：（1）对振动钻削的理论研究虽然取得了一定的成果，但还未能形成完整的理论体系，研究的范围和领域还不完全充分，也不够广泛，存在一定的局限性，还需要进一步地修正来不断完善，从而充分地展现出振动钻削所具有的的优越性。（2）对振动钻削工艺的加工对象在一定程度上存在局限性，其主要加工大于1mm的孔径区域，而对于加工直径小于0.5mm的微小孔很困难，很难保证其加工质量及其精度，现代社会中，由于需求量越来越大，所以对微小孔振动钻削的研究就显得非常有必要。（3）对目前振动钻削的研究来说，主要涉及的方面是定参数振动钻削研究，它在许多方面都存在着局限性，以至于很难进一步提高钻孔整体加工的水平。因此，三区段变参数振动钻削相对于定参数振动钻削有了很大的突破，是一次质的飞跃，对其的研究有着相当重要的意义。（4）由于能量关系以及各种误差的存在，振动钻削过程中会产生一定的振幅损失，由于振幅损失的存在，将会导致加工精度降低，从而给振动钻削带来了很大的困难。（5）由于各种原因，激振装置会存在一定的不稳定性，导致很难将振动钻削进行推广并投入使用。综上所述，振动钻削理论的研究还不够成熟，不足以满足生产生活的需求，所以还需进一步的发展和完善。2深孔振动钻削的原理2.1振动钻削的机理振动钻削属于振动切削的一部分，而振动切削相对于传统的切削来说具有较大的差异性，其最大的特点就是使工件或刀具振动按一定的规律进行，切削速度、进给量、切削深度的变化也是如此，同样有规律可循。振动切削相对于普通切削来说，其切削力和切削热在一定程度上都减小了，孔的加工质量和精度也得到了相应的提高，发生这些变化的主要原因是因为其改变了工件与刀具之间的时间、空间分配。由于切削过程中速度会发生变化，随之也就会存在加速度，这给加工带来了巨大方便，特别是在某些特定材料和某些特定加工工序中，收到了很好的加工效果。目前，在振动钻削中应用最广泛的是用麻花钻进行振动切削，其振动形式有扭转振动、轴向振动和复合振动。如图1所示：图1 振动方式通常情况下，当钻头以扭振方式作为主运动时，它仅仅使切削速度产生了一定的变化，并没有使切削厚度也随之改变，所以，从运动学的原理上来说，如果刀具存在一定的刚性，那么扭振并不能产生断屑条件，很难解决断屑及排屑问题，对于复合振动中的扭振成分，这一观点也同样适用。然而，根据扭振的定义可以知道它能够减小切削力，同时在圆周方向上切削速度的波动，与进给运动进行合成，可以导致切削厚度的产生相应的变化，这会对断屑起到积极地作用。同样的原理，轴向振动对钻芯部分的切削刃来说，使横刃部分的冲剪作用有存在一定的规律性，并使作用在横刃上的脉冲力发挥其主要功能。另一方面，振动切削时，刀具与工件之间的接触是不连续的，这种方式将会导致正应力减小，切削温度也随之降低，同时内摩擦开始向外摩擦进行转化，并且产生的波前剪切应力也比静态剪应力要大一些。同时这些问题的存在，也可以导致切削力降低，进一步使得工件材料更容易被破坏。2.2切屑原理分析自从振动这种方式应用于钻削工艺以后，由于在振动过程中存在着切削力，并且振动、冲击与其发生互相作用，最终使加工表面的各参数受到了影响，并且发生一定规律的变化。研究发现，这种变化存在着周期性。由于这一系列原因的存在，振动钻削的切屑并不是成带状的，而是以片状、线性状、颗粒状等多种形式存在。在振动钻削中，刀头会有规律的振动,刀头产生的振动函数为：A1sin2Pt上式中:A1为振幅(m),P为振动频率(Hz)，t为时间(s) 。刀头的轴向位移为：X(t)=ftn/60+ A1sin2Pt (1)上式中:f为走刀量(mm/r),n为主轴转速(r/min)。设为前后两刀波纹的重迭系数=60P/n=N+i (2)上式中:为整数,0i1设 a0 = 312f+2A1sin(i)cos(2Pt+i)/2 (3)当 a0 0, 即f 2A1sin(i) (4)即可实现理论上的断屑。理论上来说，在加工时，振动钻削都能够断屑,只是不同情况断屑的难易程度不一样，但其本质和原理是一样的，即不连续的切削形成的切屑，在切削力动和冲击负荷的共同作用下形成断裂。据了解，在以下两种情况下容易实现断屑：（1）切屑厚度随时发生改变有利于断屑。振动切削时，工件上会产生一系列的波纹，从而每次切削的厚度也就不一样，切屑各部位的强度也会存在差异性，从而很容易从切屑的强度较差部位折断，也就是所谓的断屑。（2）刀杆的轴向振动有利于断屑。振动钻削时，钻头的进给量不能太大，当进给量小于轴向的振动双振幅时，切屑将会就被强制的切断。3装置设计3.1装置总体设计 在传统的钻削工艺中，深孔钻削是相对来说比较困难的问题，尤其是在难加工材料上进行小直径深孔钻削，其难度更大。根据实际加工经验，各种传统深孔钻削方法都会存在一些问题，解决了一方面的问题，另一方面的缺陷又会暴露出来，所以传统的深孔钻削还不是很完善，亟需解决。振动钻削技术是近年来才应用的新的钻削方法，其与传统方法相比，主要有利于解决断屑、排屑问题，具有一定的优越性。因此，国内外已在许多难加工材料以及难加工工序中采用了新型的振动钻削。拥有振动钻削装置是实现振动钻削的前提，但并不代表拥有振动装置就能解决所有问题，由于振动钻削装置在其振动参数上存在较大的差异，因此，振动钻削在实际的应用中也会上存在一些问题。枪钻属于外排屑深孔钻，由于其结构的影响，钻削过程中有时也会产生连续不断的带状屑，导致很难将切屑排出，所以用枪钻加工深孔时，断屑问题仍是最需要考虑并解决的。枪钻结构如图2：图2 枪钻结构3.1.1振动装置的要求在通常情况下，振动装置应满足下列几点要求:（1）为了能够满足较为广泛的工艺要求，在一定功率下，振动装置的尺寸越小越好（尺寸符合实际需要）；（2）振幅和频率调节范围需广，且最好是单独无级调节，以便能够灵活使用装置，最大程度发挥其作用；（3）频率特性须稳定，即尽量使其受负载的影响小； （4）装置振动部分的质量应轻重合适，满足装置能够平稳工作的要求；（5）尽量提高装置耐用度，延长其使用寿命，且装置的设计需便于维护;（6）装置噪声要小，工作须平稳；（7）装置的结构要简单，便于制造生产，且要尽量使用通用的零部件；（8）装置和执行机构的连接须可靠且简便，若使用用螺纹一类的连接方式，必须要采取一定的防松措施。据了解，振动装置按不同依据可分为以下几类，如表1：表1 振动装置分类分类依据种类定义按振动性质分类自激振动钻削强迫振动钻削利用钻削过程中自身产生的振动利用专门设置的振动装置提供振动源按振动对象分类振动主轴振动工作台振动施加在主轴上振动施加在工作台上面按振动的频率分类低频振动钻削高频振动钻削刀具或工件的振动频率在200Hz以下刀具或工件的振动频率在16kHz以上按振动的方向分类轴向振动钻削扭转振动钻削复合振动钻削振动方向与刀具进给方向相同振动方向与钻头旋转方向相同轴向振动和扭转振动的迭加按激振装置分类超声波振动、机械振动、液压振动、电磁振动通过上表我们可以了解到，由于振动性质存在一定的差别，振动装置又可分为强迫振动装置和自激振动装置。强迫振动装置的振动参数是可调的，基本不受切削过程影响，它可以根据不同情况随机改变，在实际切削中广泛存在。强迫振动装置的形式多种多样，有电磁、机械、电气、以及液压等，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。在实际生活中，由于机械式振动装置结构不是很复杂，包括偏心式、四连杆机构、曲柄滑块式等，以至于容易使用且价格低廉，切削时振动参数也比较稳定，不容易受到负载的影响。3.1.2振动类型的选择振动钻削有多种多样的组合形式，不同的组合形式，其特点也存在一定差异，生活中，根据实际加工情况的需求及各种振动钻削的优缺点，可选择不同的方式，以下是各种振动钻削形式特点在不同方面的比较：（1）振动对象比较：如果振源的工作台、夹具以及工件的质量和结构组成都发生一定的变化，那么频率和振幅也会随之在一定程度上之发生改变。当振动主轴时，振源的负载是不会因工件发生变化而变化的，其拥有良好的稳定性，从而其振动参数也不容易变化，易于维持稳定。（2）振动性质比较：自激振动钻削可以变害为利，但其没有规律可循，不能准确地控制振动振幅和频率，从而使工艺效果更佳。而强迫振动钻削既可控制，又有一定的规律性，并且将切屑的形成机理也改变了，得到了非常好的钻削效果。在难加工材料和超精密加工中很常见。（3）振动方向比较：在三种方式中，轴向振动的工艺效果明显且易于实现，还可以改善钻头横刃附近的切削性能，在振动钻削中占有重要地位。而扭转振动钻削则改善了外缘切削刃的切削性能。根据定义可知，复合振动具有前两者特点的组合，既能提高横刃的切削性能，又能改善主切削刃的切削性能。（4）振动频率的比较：低频振动钻削的实现方式可谓是种类繁多，包括各种激振装置，但可以根据实际需求来选择激振类型。高频振动钻削的实现方式较单一，可利用换能器、变幅杆、超声波发生器来实现。其能改变切屑的形成机理，从而改变材料的可加工型，提高加工质量，延长刀具的使用寿命。但由于其噪声大且成本高，其应用还不是很广泛。考虑到装置制造生产的难易程度以及生产成本，本次设计的是低频扭振装置，该设计采用固定的偏心量方案，可视具体情况而定，通常取1mm。结合各种因素初步设计方案如下：扭转振动钻削装置的组成包括偏心式振动机构、枪钻、导向机构和切削液循环系统，它与其他装置一样，都是安装在普通车床上来使用的。在安装刀架的小溜板上，将振动钻削装置安装好。将工件固定在夹盘上，启动机床，主轴和工件便开始做旋转运动，枪钻也开始作扭转振动，而小溜板则带动枪钻向工件方向进给，切削液也随着枪钻中心孔进入工件，进行润滑及降温处理。这样便实现了小径孔的扭振钻削加工。如图3所示，电动机的转速为n，经过带传动后，偏心轴的转速为n1，在此转速下，销钉也会作圆周运动，圆周运动的中心线就为该偏心轴，此时摆杆便会在销钉的影响下上下进行摆动，由于摆杆的一端与振动主轴相连，所以导致主轴上的枪钻开始进行扭转振动钻削，其频率大概在100r/s左右。如想改变其频率，可以改变皮带轮的传动比，另外还可以通过采用调速电机来实现无极调速，本次设计的装置使采用后面这种方式。图3 机械制扭转振动钻削装置3.2 电机的选择由于此次装置设计采用低频扭振的形式，查取相关振动钻削的资料，取其振动频率f=0100Hz设偏心轴转速为n1，则由公式f= n1/60 (5)将f值带入可得出n1=06000 r.min-1 (6)振动钻削的总体装配如图4所示：图4 总体装配图从上图我们可以知道，最右端的是电机，中间轴作为偏心轴，它们之间的链接方式采用带传动当偏心轴以n1=06000 r.min-1的速度高速旋转时设电机转速为n, 取带传动公比i=0.5由公式 i= n1/n (7)可得右端电机转速 n=03000 r.min-1 (8)调速电机有直流调速和交流调速两大类。工件加工过程中，振动装置需要的功率不是很大，可以说是相当小，它只是让夹住钻头的振动轴有着轻微的振动。而机床的主轴为此次加工提供大本分主切削力，考虑到经济情况，以及使用是否方便，结合实际情况，并查询大量资料后，决定将Z2-11型电机作为首选。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最大转速：3000 r/min效率：68%飞轮力矩：0.012 GD2/kgf.m2重量：30 kg该电机结构如图5所示：图5 电机结构3.3 带传动设计已知带传动由主动轮、从动轮以及传送带组成。如下图所示，主动轮联于带轮1，从动轮联于带轮2，,传送带即图中3部位，套在两个轮上。当主动轮在电机的驱动力下，并开始转动时，由于摩擦力的存在，从动轮也会跟随着转动，转动的同时，也传递一定的动力。带传动具有很多优点，其应用相对来说也比较广泛，带传动不仅结构简单，制造起来方便，而且价格也较低廉，传动时还具有平稳、缓冲吸振等优点。带传动结构如图6示：图6 带传送结构图3.3.1确定计算功率Pca由于电机每天工作时间的长短不一样，载荷的性质也不同，同时，传递功率P也会影响计算功率Pca，所以得出以下关系式： Pca=KAP在上式中：Pca 表示计算功率，单位用kW表示； P 表示传递的额定功率（如电动机的额定功率），单位为kW； KA 表示工作情况系数，不同情况，其值大小不一样。查相关资料，取KA=1.3 则 Pca= 1.30.4 =0.52kW3.3.2选择带型由上面的计算可以知道：计算功率 Pca=0.52Kw， 主动轮转速 n=03000 r.min-1， 查阅相关资料，决定选用选用窄V带SPZ。3.3.3 确定带轮的基准直径采用带传动的目的是为了提高速度，所以将大带轮作为主动轮，小带轮为从动轮。已知传动比i=0.5 由于装置体积不能太大，要求其结构需紧凑，所以取主动轮dd1 =125 mm 取从动轮dd2 =67 mm验算带的速度Vmax =18.5 m/s 这样的选择既满足要求又合理。3.3.4 确定中心距a和带的基准长度Ld首先初步估计中心距a0查相关资料可知 0.7(dd1+dd2)a02(dd1+dd2) (9)将 dd1=125 dd2=67 带入上式得 134a0384取 a0=200 mma0已知，即可初步算出传送带基准长度Ld，查资料知： Ld=2a0+/2(dd2+dd1)+(dd2-dd1)2/(4a0) (10)代入上面计算出的数据，可以得出Ld = 705 mm查阅相关资料及参考相关标准，取V带基准长度Ld =710 mm。 一般情况下，中心距并没有完全固定，而是可以作相关调整的，查资料知： a=a0+(Ld-Ld)/2 (11) =200+(710-705)/2 =202.5 mm由于装置安装好后，可能还需要调整，其预紧力可能也需补偿，所以中心距有一定的变动范围： amin=a-0.015Ld (12) amax=a+0.03Ld (13)考虑各种因素，取a=210 mm3.3.5 验算主动轮上的包角11=180o-（dd2-dd1）/a 57.5o (14) =164o由于1大于120度，所以选择合理3.3.6 确定带的根数Z查阅相关资料可知 z=Pca/(P0+P0)KKL (15)上式中：K-简称包角系数（包角不同时，其值的大小不一样） KL-简称长度系数（带的长度不同时，其值的大小不一样） P0-单根V带的基本额定功率 P0-单根V带额定功率的增量（考虑到传动比的影响）查表 得K=0.96KL=0.84P0=2.15P0=0.8所以， z=0.52/(2.15+0.8) 0.960.84 (16) 1因此取V带根数z=13.3.7 确定带的预紧力F0由公式： F0=500XPca/(zv) (2.5/ K-1)+qv2 (17)查表 q=0.07 kg/m再代入其它已知的数据，可算出：F0=46.5N 3.3.8计算带传动作用在轴上的力（简称压轴力）Fp由公式： Fp=2zF0sin(1/2) (18) =2146.5sin(164o/2) =92N3.3.9 V带轮设计V带轮的设计必须满足与装置相匹配，并且满足一定的要求，主要有以下几个方面：（1）质量不能太大、有良好的结构工艺性、铸造应力也不能太大；（2）质量分布不能太集中、转速高时要保持动平衡；（3）为了减小带的磨损程度，轮槽工作面的加工需精细；（4）应确保各槽的尺寸和角度在一定的精度范围内。查阅资料知，带轮材料可用铸铁、铸钢和铸铝等。综合考虑各材料的性质，再加上本装置的带轮转速较高，故此带轮采用铸钢。由设计标准及实际需求知：小带轮的结构选择实心式，大带轮的结构选择腹板式。它们的结构图分别如图7、图8所示：图7 实心式小V带轮图8 腹板式大V带轮3.3.10 V带传动的张紧装置无论是铸铁、铸钢或是铸铝制成的V带，其都不是完全的弹性体，由于预紧力的影响，V带经过长时间的工作之后，就会变得松弛，并且预紧力F0也会降低，这主要是由于塑性变形的影响造成的。为了使带传动能正常运转，应间隔一定的时间就检查一下预紧力的数值，看是否符合工作需求。如果发现有问题存在或是不能满足工作要求时，必须要进行重新张紧，才能保证其正常工作。如图9示，滑槽上装有电机，其位置是可以通过张紧装置来进行调节的，底板上一开有螺纹孔的的钢块即为张紧装置，通过螺栓的松紧可移动电机，改变其位置。图9 张紧装置3.4 偏心轴及其附件设计偏心轴是振动装置的地位是最不可缺少的，其安装如图10所示：图10 偏心轴装配图在轴端的偏心位置装了一销钉，V带轮工作时，该轴也会随之旋转，此时，销钉便作圆周运动，圆周运动的中心线就为该偏心轴，其偏心量就是该轨迹的半径。V带轮可以通过轴肩加螺母来进行固定，偏心轴是安装在轴承座上的，并且其两端需安装有轴承，由于偏心轴的转速较高，最大达到了6000 r/min，所以生产偏心轴时对精度的要求非常严格。偏心轴的结构如图11所示：图11 偏心轴结构图轴的强度校核：工作时，偏心轴不会受到轴向力的作用，其仅仅只受径向力的作用，而此径向力大部分是皮带轮附加的压轴力，再加上偏心轴转速高，导致偏心轴对变形比较敏感，所以需要对轴的刚度进行校核，由于轴的两端装有轴承，其作用力主要作用在轴承两端，而轴的中间部分基本不受力，所以对于刚度的计算校核，只需选择皮带轮到其最近轴承上的部分。该偏心轴可简化如图12：图12 偏心轴受力简化图建立坐标系，如图12所示，则任意一横截面上的弯矩可以表示为： M= -P（L-x）由公式 d2v/dx2=M/(EI)得挠曲线的微分方程为EIv=M= -P(L-x)上式积分得EIv=Px2/2-PLx+C (19)ELv=Px3/6-PLx2/2+Cx+D (20)在轴承端A，即：当x=0时 vA=A=0 (21) vA=0 (22)把（21）式代入（19）式，（22）式代入（20）式，得C=EIA=0D=EIvA=0再将上面算出的积分常数C=0和D=0代入（19）和（20）式， (23)得转角方程EIv=Px2/2 PLx (24)挠曲线方程EIv=Px3 /6 PLx2/2 (25)将截面B的横坐标x=L代入以上两式，得截面B的转角B=vB= -PL2/(2EI) (26)截面B的挠度fB=vB= -PL3/(3EI) (27)B为负，表示截面B的转角为顺时针，fB为负，表示B点的挠度向下，令P=92N, E=210GPa, L=45mm, I=d4/64=7850mm4,得B=-0.0000565radfB=0.00167mm查资料验证可知，偏心轴刚度合格3.4.1 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不受轴向力的作用，其所受的径向力也大部分是皮带轮附加的压轴力，前面计算可知该压轴力为92N，偏心销钉绕轴心线旋转时会与摆动杆发生碰撞，其频率达到了0100Hz，又因为轴的最高转速可达到6000 r/min，所以具有一定的冲击力。由于偏心轴承受纯径向力且轴的转速较高，一般情况下会选择深沟球轴承或圆柱滚子轴承，又由于其承受的载荷较小，因此选用深沟球轴承。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根据所查公式 C=P（60nLh/106）1/ (28)式中C表示基本额定动载荷，代入数据，可算出 C=2034N根据轴承内径d的大小及参考轴承选用原则，再加上已知C =2034N。 n=03000 r.min-1因此决定选用深沟球轴承6204 标准摘自GB/T276-1994 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): 12.8额定静载荷C0(kN): 6.65极限转速(r.min-1): 脂润滑时14000 ，油润滑时18000重量(kg): 0.098结构如图13所示：图13 深沟球轴承结构图3.4.2 偏心轴轴承底座偏心轴轴承座大多数是由铸铁铸造的，其主要作用是用来支承轴承和轴，所受载荷较大，所以对刚度有一定的要求，并且工作时振动幅度需小，稳定性要好。内孔壁部分对配合公差的要求也较严格。偏心轴轴承座结构如图14所示：图14 偏心轴轴承底座3.4.3 端盖和透盖通常情况下，轴承都需要密封，在密封的情况下，里面的润滑剂不易流出同时外面有污染性的杂质及气体也不容易进入，以保证轴承良好的工作环境，结合装置的设计需要。根据实际使用情况，本装置采用毡圈油封形式。具体如下：在下列左图中，轴承盖的中间开有孔，轴可以从中贯穿，这种轴承盖称之为透钙，毛毡圈就装在透钙孔壁上的梯形槽中。而右图是端盖，其中间没有通孔，一般将其安装在偏心轴不伸出的那一端。端盖和透钙的固定方式都是一样的，在轴承座上用螺钉来进行固定。根据设计要求，毛毡的形状为带形或者是环形，并将其安装在轴承盖上的梯形槽中，并且与轴紧密结合。端盖和透盖结构如图15所示： 图15 透盖和端盖3.4.4 偏心销钉销钉的作用主要是定位和连接，根据此次设计的要求，偏心销钉选用的是槽销，此类销大多数情况应用于冲击载荷大且振动程度厉害的场合，其结构如图示：在销上有三条沟槽，成纵向分布，其作用主要是为了确保在将销插入销孔后不再容易脱落，使其与孔壁紧密结合。由于这样的结构，销孔不需要铰制，可以进行多次拆装，重复使用，提高其使用价值。偏心销钉的槽销如图16所示：图16 槽销3.5 主轴及其附件设计主轴在该振动钻削装置中有着非常重要的地位，是装置不可缺少的一部分，其装配如图17所示：图17 主轴装配图根据设计要求，如上图所示，由于结构上的需要，主轴选用的是一空心轴。在轴的左端，安装的是一弹性夹头，其作用主要是用来夹紧钻头；在轴的右端安装的是一摆动杆，其在轴上的固定是通过轴肩和螺母来实现的，而二者之间力的传递则是靠键来实现。摆杆的主要作用是要使装置实现扭转振动，具体实现方式如下：首先，偏心轴最先开始旋转，它的旋转将带动摆杆也随之运动，使其绕主轴轴心线进行扭转运动，并且往复多次，幅度较小。摆杆的运动通过键传递到主轴，此时弹性夹头上的钻头也会随之作扭转振动，从而实现了装置的扭转振动。3.5.1 主轴主轴是该振动装置的一重要组成部分，其作用不言而喻。当装置进行钻削加工时，主轴上的钻头将会受到扭矩的作用，由于连接关系，该扭矩的也会作用于主轴上，所以对主轴的扭转强度有着一定的要求。同时，加工出的深孔多半对其有较高的精度及质量要求，所以生产主轴时，对主轴的旋转精度也必须要一定的保障。主轴的结构如图18所示：图18 主轴结构图主轴强度校核：由于钻削时，钻头不仅仅只受到轴向力的作用，于此同时它还受到了扭矩的作用，而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，钻头所受扭矩为M=9.81CMd0zMfyMkM (29)设d0=8mm,f=0.008mm/r 加工材料为中碳钢查资料得：CM=0031 zM=2.0 yM =0.8 kM=1.0所以 M=9.810.03182.00.0080.81.0 =0.03 N.m由M=0.03N.m可知，主轴所受的扭矩非常小，加上设计时主轴最小厚度为11mm，所以，对于主轴的扭转强度要求较低，这样的设计应经能够满足其扭转强度要求。3.5.2 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材料采用65Mn，其具体结构如图19所示：图19 弹性夹头3.5.3 轴承的选用进行扭转振动钻削时，主轴主要承受的是轴向力，而该轴向力并不是直接施加在主轴上的，而是来自于工件对钻头的作用力。已知轴向力公式为F=9.81CFd0fzFyFkF (30)查相关资料知： CF=61.2 zF=1.0 yF=0.7 kF=1.0将以上数据代入得 F=9.81X61.2X8X0.008X1.0X0.7X1.0 =26.9 N由于振动钻削的对象一般都是小直经孔，所以对于钻头来说，其承受的作用力也不会太大，一般的轴承都可以满足这样的要求。由于主轴所受轴向载荷较小，根据轴承选用规则，可以选择深沟球轴承、触圆锥滚子轴承以及角接触球轴承，再根据主轴直径大小以及查取相关资料，最后确定选用圆锥滚子轴承30210 摘自GB/T2971994。该轴承尺寸及结构如图20所示：图20 圆锥滚子轴承查资料可知该轴承具体参数：标准摘自GB/T 297-1994 轴承代号: 30210尺寸d: 50mm尺寸D: 90mm尺寸B: 20mm额定动载荷C（kN）：73.2额定静载荷C0（kN）：92.0极限转速(r.min-1)：脂润滑时4300 油润滑时53003.5.4 主轴轴承底座主轴轴承座结构图21所示：图21 主轴轴承座3.5.5 夹紧螺母夹紧螺母一般不会单独来使用，其作用主要是为了让弹性夹头将钻头夹得更紧，具体实现原理如下：当螺母向轴向拧动时，弹性夹头的外斜面将会受到螺母内斜面的作用力，螺母拧的越紧，其作用力也会随之增大，而弹性夹头将会发生弹性形变，从而更好地夹紧钻头。夹紧螺母的结构如图22所示：图22 夹紧螺母3.5.6轴承盖主轴的轴承盖与偏心轴上的类似，唯一不同的是由于主轴的两端都要伸出去，所以不能采用端盖，两端都必须使用透盖。其密封方式也同样使用毛毡圈密封。具体设计可参考偏心轴的轴承盖设计。3.5.7 摆杆摆杆的形状即为一长条块，在长条块的中央有一滑槽，摆杆与主轴一端的连接方式为键连接，与偏心轴的连接方式则是通过滑槽连接偏心轴上的槽销。摆杆具体结构如图23所示：图23 摆杆3.6 底板设计底板的作用主要是用来安装电机、偏心轴以及主轴，它们都采用螺栓固定的方式，安装完成后，便会组成一个完整的振动钻削装置。安装过程中，电机、偏心轴和主轴的位置不能随意放置，它们存在一定的相互位置关系。具体如图24所示：图24 底板当整个装置安装完成后，将通过底