三坐标万能工作台式数控枪钻机床设计方案.doc

三坐标万能工作台式数控枪钻机床设计方案1 绪论1.1 本课题的背景及研究目的深孔的加工是我们在从事机械加工过程中经常所要面对的难题。深孔钻削在航空航天，石油，及新能源等支柱行业都有着非常广泛的运用，这就导致了我们不得不去面对，去解决这一难题。而且深孔加工难度高、加工工作量大，是机械加工中的关键性工序，随着科学技术的进步，产品的更新换代十分频繁，新型高强度、高硬度的难加工零件不断出现，无论是对深孔加工的质量、加工效率，还是刀具的耐用度都提出了更高的要求。因此，深孔加工的研究已成为机械加工行业非常关注的问题。数控钻床是数字控制的以钻削为主的孔加工机床。数控钻床按其布局形式及功能特点可划分为数控立式钻床、钻削中心、印刷线路板数控钻床、数控深孔钻床及其它大型数控钻床等。可完成钻、扩、绞、攻丝等多道工序，适用于孔间距离有一定精度要求的零件的生产。其中数控深孔钻床是数控钻床中最为常见的一种。本次课题主要讨论数控深孔钻床。深孔钻床是深孔钻镗床的简称。它广泛地在纺织机械、石油机械、印刷机械、包装机械、医疗器械、航空航天、汽车拖拉机、橡塑模具以及发电机制造、机床制造等行业有关零件的深孔加工得到应用。随着科学技术的发展，制造技术的进步，以及社会对产品质量和品种多样化的要求越来越强烈。中、小批量生产的比重明显增加，要求现代数控机床成为一种具有柔性、精密、高效、复合、集成功能和低成本的自动化加工设备。因此数控深孔钻床也随着深孔加工技术的发展而不断更新换代，以便去适应更新型材料，更高精度的去加工。1.2 国内外研究现状深孔钻床广泛地在我国纺织机械、石油机械、印刷机械、包装机械、医疗器械、航空航天、汽车拖拉机、橡塑模具以及发电机制造、机床制造等行业有关零件的深孔加工得到应用。 基本上可以分三大类: （一）普通型单座标深孔钻床。 我国于1989年我公司的前身德州机床厂为了满足国内加工的需要，自行设计制造了最大钻孔直径20毫米、最大加工深度500、1000毫米的Z2102型深孔钻床，这是我国第一台利用枪钻法钻削的深孔钻床，1990年通过原机械工业部部级鉴定，并评为国家级新产品，填补国内空白，真正投入市场用于生产是在半年以后，中间经过用户批量试验认同，才逐渐推上市场，到目前我公司仅深孔钻床产品年产值已达千万元。该产品已由普通继电器控制的Z2102、可编程控制器控制的ZP2102、发展到现在由电气数字控制系统控制和应用其他先进技术的ZK2102、ZK2102A，其中为了提高加工效率,满足大批量生产的要求,又开发了双主轴的ZP2102X2、ZK2102X2数控深孔钻床系列及其他专机等。 上世纪70年代初，深孔钻床在世界上还是采用普通继电器控制的。如70年代80年代进入我国的美国的ELDORADO公司的MEGA50，德国TBT公司的T30-3-250，NAGEL公司的B4-H30-C/L，日本神崎高级精工制作所的DEG型等深孔钻床都是采用继电器控制的。80年代后期由于数控技术的出现才逐渐开始在深孔钻床上得到应用，特别是90年以后这种先进技术才得到推广。如TBT公司90年代初上市的ML系列深孔钻床除进给系统由机械无级变速器改为采用交流伺服电机驱动滚珠丝杠副，进给用滑台导轨采用滚动直线导轨以外，钻杆箱传动为了保证高速旋转、精度平稳，由交换皮带轮及皮带，和双速电机驱动的有级传动变为无级调速的变频电机到电主轴驱动，为钻削小孔深孔钻床和提高深孔钻床的水平质量创型号项目 ML200 ML250 T30-3-250 单位 钻孔范围 1轴 0.915 225 418 mm 2轴 0.910 218 mm 3轴 111 111 mm 4轴 110 110 mm 进给速度范围 015000(无级) 015000(无级) 35320(无级) mm/min 主轴功率 2.4 7.5/2X4 KW 快速移动速度 15000 15000 3500 mm/min 主轴转速 100024000(无级) 10009000(无级) 13756100(无级) r/min 钻削孔径向小方向延伸，说明技术含量高，质量要求严格。 主轴向多轴发展,可以同时加工多件工件，提高加工效率。主轴转速高，应用先进的电主轴，运转平稳、精度提高。进给速度范围广且大，因此深孔钻床这些年来由于先进技术的应用，水平提高很快。 （二）专用型深孔钻床。 近些年来为了加工某些零件上的相互交叉或任意角度、或与加工零件中心线成一定角度的斜孔，垂直孔或平行孔等需要，各个国家而专门开发研制多种专用深孔钻床。例如专门为了加工曲轴上的油孔，连杆上的斜油孔，平行孔和饲料机械上料模的多个径向出料孔等。如：TBT公司生产的特别适用于加工摩托车到轻型卡车的各种中小型曲轴油孔的BW200-KW深孔钻床；特别适用于大中型卡车曲轴油孔的BW250-KW深孔钻床，它们均具有X、Y、Z、W四轴数控。该公司为了客户需要,在一条生产线上可以加工多种不同品种的曲轴油孔，于2000年设计制造了第一台柔性曲轴加工中心，可以加工212缸不同曲轴上所有的油孔。英国MOLLART公司生产制造的专为加工颗粒挤出模具而开发的具有六等分六根主轴同时加工同一工件上六个孔的专用深孔钻床。该工件孔数量多达 36000个。全都是数控系统控制的。 （三）三座标数控深孔钻床。 随着家电市场销售量增大，塑料制品增长速度加快，塑料模具制造业蓬勃发展，深孔钻床为了满足模具上的水孔、射销孔等孔系的深孔加工。由过去的单一座标轴的深孔钻床加工发展到需要加工座标孔系的多孔加工而开发的三座标数控深孔钻床近些年来发展很快。1995年我公司为了满足广东美的空调设备有限公司开发了我国第一台为塑料模具上多孔系加工的ZK2103型三座标数控深孔钻床，为了满足模具制造业发展的需要，又开发了除了钻削深孔以外，还可以进行铣削、攻丝等多功能的ZXK2103深孔钻铣中心和三座标数控ZK2103A、ZKA2102型深孔钻床。此类机床世界上有关国家发展很快，不仅有三座标(三轴数控轴)深孔钻床，而且数控轴已发展到四轴、五轴，有的已到六轴的全自动六轴数控枪钻加工中心或数控铣钻中心，它们都有自动换刀装置。前几年存储刀具的刀库只有12把或24把，而且自动换刀装置不包括细长的枪钻，现在不但刀具库存储数量增加，而且枪钻也自动更换之列，这是一个很大的发展。如：德国IXI0N公司的TLF1004型四轴数控（X、Y、Z、B）深孔钻床刀具刀库存储24把，TBT公司的T30/3201050KT，FTS深孔钻削中心，滚筒式刀具库24把（其中8种不同直径、每种三件），它们的枪钻都不包括在自动换刀之列。现在的英国MOLLART公司的FMC系列全自动六轴数控枪钻加工中心、钻孔直径范围：550mm最大钻孔深度1350mm，除了钻削以外还有铣削、攻丝功能。当刚性攻丝M30满足不了时，还可以用标准铣刀及螺旋铣削方式通过数控插补功能来加工大螺纹，它的自动换刀装置具有90把刀，其中包括长度达到1500 mm枪钻的自动更换，其独到之处是对这长钻头的特殊辅助支承，在加工过程能自动就位和撤回，该机床还有用户化编程软件GE .FANUC数控系统。可编程参数：主轴进给速度、钻孔深度、及对加工工程中进行监控。为了扩大机床加工规格范围，有的深孔钻床既具有枪钻法钻削深孔、铣削平面、刚性攻丝的功能，又具有内排屑钻削（BTA法）钻孔的功能，以便钻削大孔及加大机床柔性。如：德国IX10N公司的1A5TL16005重型深孔钻铣复合加工中心，五轴数控其主要技术参数：钻孔直径范围：336（65）mm，其中大于35mm的孔径可用BTA法进行钻削。一次钻削深度1600mm，最大钻削深度2100mm，铣削能力250（400）cm3/min，主轴转速300（75）6000r/min，五轴数控：W、X、Y、Z、B、A（-25+15），按“A”其中W钻铣单元水平移动；X工作台横向移动；Y钻铣单元垂直移动；Z立柱纵向移动；B工作台旋转；A钻铣单元摆动。再如德国TBT公司的MD30-KW深孔钻铣床，其主要技术参数：钻孔范围：425mm，最大钻削深度1000mm，铣削能力350cm3/min，麻花钻钻孔最大30mm，攻丝M24X3, 数控轴数：X、Y、Z、W、B、A还有C轴，此机床具有很大的柔性，除了加工垂直于平面上的和斜面上钻削深孔以外，还可以利用“C”轴对曲轴上任何位置上的油孔进行钻削。 近些年来，除深孔钻床有很大发展以外，深孔钻枪本身也有很大变化。过去枪钻规格一般为230mm左右，现在已发展到0.940mm甚至到50mm.。德国BOTEK公司的枪钻规格已标准化到0.950mm，特别是其中大于18mm的钻头可用机夹刀头，它是一种不重磨钻头，刀刃磨损后转位、刀片磨损后更换刀片或导向垫，不会伤害或废弃刀杆、刀柄等。 综上所述现代利用枪钻钻削深孔的机床及刀具与其他机床一样发展很快，向数控多轴化、多功能化发展，不久的将来环保型的深孔钻床亦将陆续出现。以减少或消除油烟雾对人体的影响造了有利条件。这可以从下述对比的几项主要技术参数看出，深孔钻床发展情况:（ML系列是近期的、T30系列是过去的） 1.3 深孔加工的发展趋势为适应种类愈来愈多，加工难度愈来愈高的新型工程材料的深孔加工方法已由传统的切削加工方法发展到非传统的切削加工方法，前者是以机械力学为基础的单刃或多刃刀具的切削加工方法，后者是以附加能量（如热切削、低温切削、磁化切削和振动切削）、附加介质切削（如添加气体切削或涂复固体润滑剂切削）、高速切削、电解切削以及高能束与射流切削技术等。非传统切削方法是最近几年发展起来的一种新的切削方法，它可以改善切屑的形成、切削力、刀具耐用度及已加工表面的质量等，其研究主要方面为：振动钻削技术、加热辅助切削、低温切削、 磁化切削、电解加工、电火花加工、超声波加工、高能束加工等。深孔加工发展方向 1）进一步研究不重磨刀具和各种涂层硬质合金刀具的开发和应用及最佳排屑槽形式。 2）对深孔加工的自动化要求不断提高，包括切屑处理的自动化，工件装卸自动化和刀具更换自动化等。为进入柔性制造系统（FMS）创造条件。 3）中小型深孔加工中空气压力雾化润滑冷却方法的研究与应用。 4）深孔加工向柔性复合化趋势发展，即一次装夹，完成钻、车、镗、铣和磨光等多道工序。1.4 课题的研究方法本次毕业设计是在我们大学四年学完了机械原理，机械设计，机电一体化、机械制造工程学、深孔加工技术、几何量公差与监测、工程材料及机械制造基础等学科后，以及经过几次的课程设计所积累的经验，从所学的课本上知识的集成及几次课程设计累计的经验入手，通过参观学习，实地考察，分解零部件，综合分析等方法，加之阅读大量相关文献资料，教材及新闻背景资料（包括机械设计的原理及方法，质量管理应用,齿轮箱设计现有技术水准，国际水平探讨方面的书籍、报刊），从而了解更为可靠的内容，了解最为前沿的发展趋势，以及质量管理的概况和齿轮故障模拟领域的基本知识体系。然后通过进一步的调研,去了解企业现状及需求，以及社会的实际需求，接下来进行分析与设计。在确定数据来源的真实可靠以及在老师的指点下完成了三坐标万能工作台式数控枪钻机床的总体设计。2 深孔加工系统的类型及选择2.1 深孔加工的类型及特点2.1.1 深孔加工的分类（1) 按运动形式分类： 工件旋转，刀具作进给运动； 工件不动，刀具旋转又作进给运动； 工件旋转，刀具也作相反方向旋转又作进给运动； 工件作旋转运动与进给运动，刀具不动，这种形式采用不多。(2) 按排屑方法分类： 外排屑：切屑从刀杆外部排出； 内排屑：切屑从刀杆内部排出，切削液从钻杆外部进入。2.1.2 深孔加工的特点深孔加工是处于封闭或半封闭状态下进行的，故具有以下特点：（1） 不能直接观察到刀具的切削情况。目前只能凭经验，通过听声音、看切屑观察机床负荷及压力表、触摸振动等外观现象来判断切削过程是否正常。（2） 切削热不易传散。一般切削过程中80%的切削热被切屑带走，而深孔钻削只有40%，刀具占切削液的比例较大，扩散迟、易过热，刃口的切削温度可达600度，必须采用强制有效的冷却方式。（3） 切屑不容易排出。由于孔深，切屑经过的路线长，容易发生阻塞，造成钻头崩刃。因此，切屑的长短和形状要加以控制，并要进行强制性排屑。（4） 工艺系统刚性差。因受孔径尺寸限制，孔的长径比较大，钻杆细而长，刚性差，容易产生振动，钻孔易走偏，因而支承导向极为重要。2.1.3 深孔加工中要解决的主要问题根据深孔加工的特点，在设计深孔加工刀具和深孔加工系统时，应注意和解以下问题。1） 冷却、润滑与排屑由于深孔加工切削热不容易排散，切屑不容易排出，因此必须采用强制冷却和强制排屑的措施。目前用高压将切削液通过钻杆的外部或内部直接送到切削区，起到冷却和润滑的作用后，将切屑由钻杆内部或外部排出，达到强制冷却和排屑的目的。2） 切屑的处理深孔加工的排屑是十分重要的问题，尤其是小直径深孔及内排屑套料钻（环孔钻），排屑空间很小，排屑条件更为恶劣。排屑问题从切削过程来看，与分屑，卷屑和断屑三方面密切联系。切屑的宽窄、卷曲的形状、切屑的长短，都直接影响到排屑情况。深孔钻削要求切屑的形成应具有适当的切屑容屑系数R：切削容屑系数R是切屑容积Vq与所切除金属体积Vj之比值，即R=Vq/Vj。根据统计资料，各种形状的切屑的切屑容屑系数R的数值范围是不同的。一般，带直长屑的R为300-400；带状乱散屑R值为100-300；螺卷长屑的R值为50-100；螺卷短屑的R值为30-50；半环屑状R值为15-30。切屑容屑系数R的大小影响到切屑在工作场地所占用的存放空间，特别是影响到切屑的排出的顺利程度和操作的安全性。从深孔加工的实际情况来看，一般情况下，对于内排屑深孔钻，当R小于50时可以得到顺利排屑。单刃外排屑深孔钻、套料钻由于排屑孔和通道很小，则要求切屑容屑系数更小一些，即R小于10。降低切屑容屑系数R通常分屑和断屑措施，并因使切削过程稳定，避免出现切屑形状突然变化和无规律状态。由于孔深的长径比大，钻杆细而长，刚性较低，易产生振动，并使钻孔偏歪而影响加工精度和生产效率，因此深孔加工的导向问题要和好的解决。目前，在设计深孔刀具时，都是以两个导向块和一个副切削刃的结构确定其径向尺寸，这样刀具可以在工件孔内三点定圆，自行导向，解决了因钻杆刚性不足，钻孔走偏的问题。另外在刀具切入时，还需要有导向装置和辅助支撑。以上的问题，构成了深孔加工技术的核心，所用的道具、装置和设备，构成了深孔加工系统。所以深孔加工技术可定义为：使用一定压力的冷却润滑液及排屑系统，采用导向良好的深孔刀具，机床和附加装置，来达到高效、高精度的加工深孔的目的。2.2 常用深孔加工系统的简介以及钻削系统选择深孔加工系统是以深孔加工中所用的冷却，排屑装置来分类的。目前国内外常用的深孔加工系统有枪钻系统，BTA系统，喷吸钻系统和DF系统。这些系统出了用于与之对应的钻削外，亦可用于其他深孔刀具切削加工，如深孔镗削和铰削等。2.2.1 枪钻系统枪钻系统属于外排屑方式，其结构如图2-1所示，主要由中心架、扶正器、钻杆连接器和冷却润滑油路系统组成。枪钻系统的工作原理是：切削液通过尾架上输油入口进入钻杆内部，到达钻头头部进行冷却润滑，并将切屑从钻头外部的V型槽中排出。由于切屑从外部排出，容易擦伤被加工孔表面，其加工质量要低于内排屑方式的系统。该系统主要用于小直径的深孔加工。图2-1 枪钻系统2.2.2 BTA系统BTA系统属于内排屑方式，其结构如图2-2所示，只要由中心架，授油器，钻杆联接器和冷却润滑系统组成。BTA系统中的授油器与枪钻系统的扶正器功能不同，授油器出了具备导向扶正功能以外，还提供了向切削区输油的通道。BTA系统的工作原理是：切削液通过授油器从钻杆外壁与已加工的表面之间的环形空间进入，到达刀具头部进行冷却润滑，并将切削经钻杆内部推出。该系统使用范围广泛，适用于深孔钻削，镗削，铰削和套料，但受钻杆内孔排屑空间的限制，主要用于直径大于12mm的深孔加工。图2-2 BTA 系统2.2.3 喷吸钻系统喷吸钻系统这要用于内排屑深孔钻削加工。喷吸钻系统利用了流体力学的喷射效应的原理，当高压流体经过一个狭小的通道喷嘴高速喷射时，在这喷射流的周围形成低压区，可将喷射嘴附近的流体吸走。喷吸钻系统结构如图2-4所示。喷吸钻系统的工作原理是：切削液在一定的压力作用下，由联接器上输油口进入，其中三分之二的切削液向前进入内，外钻杆之间环形空间，通过钻头柄部的小孔流向切削区。对切削部分，导向部分进行冷却与润滑，并将切削推入内钻杆内腔向后排出;l另外三分之一的切削液，由内钻杆上月状的喷嘴告诉射入内钻杆后部，在内钻杆内腔形成一个低压区，对切削区排出的切削液和切屑产生向后抽吸，在推，吸双重作用下，促使切屑迅速向外排出。因此，在喷吸钻钻孔时，切削液压力低二稳定，不易外泄，排屑顺畅，降低了钻削系统的密封要求，保证了钻削加工可以在较大的切削用量下进行。图2-3喷吸钻系统喷吸钻系统由中心架，扶正器，内钻杆，外钻杆及冷却润滑系统等组成。由于吸管喷吸钻加工最小的直径范围受限制，一般不能小于18mm。2.2.4 DF系统DF系统如图2-3是目前应用最为广泛的一种深孔加工系统.它缓解了小直径深孔加工的排屑密封等难题,并且还可以应用于普通立式钻床和普通车床上,为解决深孔麻花钻孔的冷却排屑问题开辟了一个新途径。DF系统为双进油装置,它同时具备了BTA系统和喷吸钻系统的优点,并克服不足,使钻削直径范围增大(最小直径可达6mm)加工精度和效率提高。DF系统由工件钻头授油器钻杆和负压装置构成。图2-4 DF系统因为DF系统具有比BTA钻排屑状况好，比枪钻、双管喷吸钻投资少、成本低等优势。此次设计选用DF系统，下面将DF系统分别和BTA，双喷吸钻系统作一比较。a. DF系统与BTA系统的比较：（1）在所用机床设备方面，DF系统比BTA钻适应性更大。所有BTA钻床只需增加一台抽屑装置并对油路进行简单改造，均可用于DF系统加工。已有的枪钻机床、普通车床等，都可以改造为DF深孔钻床。DF系统对油泵排油量、油箱容积和机床密封的要求也低于同直径的BTA钻。（2）凡属大批量生产的深孔零件，均适于采用DF方法加工。在抽屑装置设计正确的条件下，在孔径、工件材质等条件相同时，采用DF系统加工的工效、加工质量和经济性均高于BTA技术。(3)孔径15.625mm的深孔零件（特别当生产批量很大时），是BTA钻最容易产生排屑故障的区段；孔径1415.6mm这一区段，则超出BTA钻的推荐应用范围。BTA钻的这一弱势区段，正好被DF系统加以填补。b. DF系统与双喷吸钻系统的比较：(1)DF系统和双管喷吸钻的共同优势为：由于利用射流负压抽屑效应，两种喷吸钻的排屑功能都比BTA钻有明显的提高，特别是对25mm以内的内排屑深孔加工表现突出。与此相应的是，两种喷吸钻的油压和流量都比BTA钻有明显降低。DF系统虽然密封要求稍高于双管喷吸钻，但比BTA钻低得多。两种喷吸钻的共同特点是，它们对机床的专用性都不高。(2)从钻孔直径范围方面对比，双管喷吸钻的最小钻孔直径为18.4mm，DF系统由于不设内管而且负压抽屑功能更强，因而最小钻孔直径可继续向下扩展。(3)DF系统和双管喷吸钻各自适用于不同的生产类型和深孔零件。双管喷吸钻由于钻具的装备投资较高、订货期较长，用于多品种单件小批生产是不经济的。如用于单一钻孔直径零件的大批量生产，特别当孔深较大时，DF系统比BTA钻和双管喷吸钻更为优越。2.3 外排屑DF系统的设计理论 外排屑DF系统由工件1、工件2、枪钻（外排屑钻）3、负压抽屑装置4、枪钻柄部5、输油头构成，如图2.5所示。DF系统负压抽屑机理：大部分切削液从尾座输油口进入，通过钻杆内部到达切削区，冷却润滑钻头，并将切屑从钻头外部V型槽或者螺旋槽中推出；另一小部分切屑液从外排屑负压装置进入，通过喷嘴到达钻杆外壁，并向后喷出，在钻杆V型槽或螺旋槽内产生负压，将切屑区的切削液和切屑向外抽吸，促使切屑排出。因为外排屑负压区的截面积较小，为了喷射充分，喷嘴一般采用圆锥型喷嘴。 图2-5外排屑DF系统3 钻头回转式数控内排屑深孔钻床床总体方案设计3.1 总体方案的设计 小直径深孔数控枪钻机床主要有机床和冷却排屑系统两大系统组成。机床部分由钻削系统和进给系统两部分组成，包括排屑箱、主轴箱、滚珠丝杠和电机及数控系统。冷却排屑系统有冷却系统及排屑系统两部分。数控深孔钻床总体布局图如3-1图所示：图3-1数控深孔钻床总体图1-工作台；2-负压抽屑装置；3-排屑箱；4-中心架；5-数控系统；6-机床床身；7-主轴箱；8-主电机；9-输油器；10-进给伺服电机；11-纸滤；12-排屑机；13-油泵；14-直线导轨；15-配电柜。其工作原理：工件由夹紧装置固定在工作台上。中心架对钻杆起支撑，扶正的作用；主轴箱主要传递扭矩。加工时，约23的切削液从输油器进入到钻杆内，直到达到钻头头部，并将切屑从钻杆外部推出；另外13切削液直接从排屑箱的负压装置进入钻杆内腔，产生一定的负压，将切削区的切削液和切屑向后抽吸，促使切屑顺利排出。主轴带动钻头旋转并做进给运动，工件固定不动。机床各个部件的主要功能：1 工作台：起支撑工件和夹持工件的作用。2 中心架:是起支承和扶正旋转钻杆的作用。3 主轴箱:主要传递扭矩的作用。3.2 深孔钻床钻削系统的设计3.2.3 负压抽屑装置的工作原理与结构DF系统负压产生的机理是：切削液经负压装置高速射入排屑通道，与向外流动的切削液混合进行能量转换。排屑通道中向后流动的切削液，在射流喷嘴口处的能量转换区获得能量，切削液流速得以提高。这样，排屑通道内向后流动的切削液，在能量转换前后的流速产生梯度，具有不同的能量，形成压力差。在能量转换区前的切削液压力低，在能量转换区后边的压力高，因而产生真空区，即负压区。在负压区切削液的流动速度加快，提高了排屑效果。图3-5 负压抽屑装置如图3-5所示为深孔钻负压抽屑装置，一小部分切削液从负压抽屑装置进入，并通过射流间隙产生高压，向后喷射，在V型槽或螺旋槽内产生了负压，引导切屑向外排出，极大促进了装置排屑的能力。3.2.4 射流间隙和喷射角的选择负压抽屑效果由负压区的负压值确定，而负压值的提高只能通过提高负压射流的能量及其转换率来实现。采用圆锥形喷嘴时，根据流体动力学理论，负压抽屑装置锥形喷嘴射流具有的动量F及其轴向分量Fx和径向分量Fy。通过大量的实验证明：间隙对负压效应的影响最大；其次是喷射角。间隙对负压效应的影响：在喷射角和射流流量确定的条件下，射流间隙较大时，射流速度较低，射流动量较小，排屑通道切削液所获得的能量较小，负压区压力较高，故负压效率甚微；随着减小，轴向分量增大，负压区压力减小，负压效应得以加强。此时，虽然径向分量也在增大，能量损失增大，但对负压效应影响不大；当间隙继续减小时，径向分量继续增大，射流能量损失较大，出现轴向分量和径向分量对负压效应的影响处于平衡状态，此时，负压效应趋于稳定；当间隙再继续减小时，射流能量损失对负压效应影响很大，则负压效应降低；当间隙很小时，能量损失很大，此时，几乎不产生负压效应。射流间隙的选取除考虑负压效应外，还应该注意的大小，太小时，易造成进油口密封困难和间隙“堵塞”等弊病。更具流体力学理论，喷嘴环形通道的压力损失与的3次幂成反比。太小，压力损失剧增，射流能量损失严重，射流压力过高，造成密封困难和漏油现象。另外，太小易造成“堵塞”。其原因是：a. 油污及微粒切屑容易在间隙中逐步堆积，造成堵塞；b. 射流液流受两壁的吸附形成吸附层，易使间隙“堵塞”。这样，负压效应将会完全消失。油污及微粒切屑容易在间隙中逐步堆积，造成堵塞；图3-5 负压效应所以，射流间隙不能太小，在保证一定负压效应后，应尽量取最大值。也就是说，在同样的负压效应时，应取最大值，此区为负压效应稳定区。而不应取小值，此区为负压效应非稳定区。射流间隙一般可在0.10.5mm内选取。此设计的钻孔大小适中，因此选择0.3mm.喷射角对负压效应的影响：当间隙和射流流量确定后，射流动量F亦即确定。此时，喷射角决定轴向分量和径向分量的大小。当减小时，轴向分量增加，径向分量减小，转换的能量增大，射流能量损失小，能量转换率高，则负压效率提高。如图所示在不同的喷射角时，间隙与负压压力的关系。在同样的射流间隙，当=15度时，负压压力最低，即负压效果最佳；=45度时，负压压力最高，负压效应最差。故喷射角应取小一些，但喷射角太小时，又会因径向分量很小而使排屑，射流两通道的切削液，在能量转换区里不能充分转换，反而不利于负压效应的提高。另外，喷射角还受到负压装置结构以及制造工艺条件的限制，其一般取值范围为15度30度。因此此设计选择30度。后排屑通道混流区结构设计:后排屑通道如图所示。后排屑通道混流区长度l和直径对负压效应和排屑效果有一定的影响。从负压机理方面考虑，太短或直径过大，均不利于两通道切削液充分混合，即能量转换。从负压排屑过程考虑，切屑在推吸作用下排至混流区，由于混流区压力较小，此时要靠混流区切削液的动量排屑。所以，混流区流速不宜太小，这样，也就决定了混流区直径不宜太大。但混流区l太长或直径太小，将造成能量严重损失，混流区通道直径绝不能小于钻杆的排屑通道直径。一般混流区通道直径取为cos,混流区长度取为=3较为合理。图3-6圆锥式负压装置cos=20+20.3cos30。 =20.5mm=6.8mm (3-1)3.3 主电机的选择本案采用钻头旋转式深孔加工，选用两部电机分别带动主轴和滚珠丝杠，完成刀具旋转和刀具进给两个运动过程。机床主要运动参数的选择取决于加工时最大钻孔直径。最大钻孔直径决定深孔钻削的功率（即被机床的功率）。因此，计算过程如下。 3.3.1 切削用量的选择切削用量的选择与切削过程以及切屑的形成有关，同时也与被加工零件的材料、精度要求和机床特性有关。内排屑DF系统的深孔钻的切削用量的选择可以参考高合金钢枪钻切削用量的选择原则。因此，选择钻孔的进给量f=0.08mm/s。3.3.2 切削功率的计算目前，还没有成熟的计算深孔钻削功率的经验公式，一般可用麻花钻的功率计算公式近似计算。钻削扭矩： （3-1） 式中： 钻孔直径，30； 钻孔进给量，。钻削轴向力： （3-2）钻削功率 ： （3-3）式中： 钻孔转速，。考虑到麻花钻有横刃和刀具材料为高速钢等因素，取计算值的70%作为深孔钻削功率的近似值。通过计算得知，钻削直径在30mm以下的孔，最大切削功率不超过2.6KW。3.3.3 主运动电动机的选择3.3.3.1 电动机种类的选择使用了外排屑枪钻系统的深孔钻削机床的主钻削运动，是由电动机通过同步皮带轮传递给主运动箱中的主轴，再由主轴传递给固定在其上的三爪卡盘，最后由三爪卡盘带动枪钻旋转，来完成深孔钻削加工的主运动。主运动电动机在切削工作中带动主轴旋转。钻头在钻削过程中属于恒转矩负载。对恒转矩负载系统特性的系统，应选用机械特性为硬特性的电动机，如同步电机、一般异步电机和直流并激电动机或带机械变速的交流异步电动机；对需要精确控制位置的系统，应选用控制电动机。当使用交流电动机和直流电动机都满足机电系统要求时，由实际供电情况和经济性考虑通常选用交流电动机。交流电动机适用于不需要频繁起动、制动、反转以及在宽广范围内平滑调整的系统，其中交流伺服电机的伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性因此，此次选择交流伺服电机。3.3.3.2 交流伺服电机的型号选择表3-1 电机型号表根据上面计算的主轴功率，我们可以选择所需要的电机选择交流变频调速电动机的型号为SM150-180-20LFB。输出功率为3.6，额定转矩为18.0，重量为17.3。所选电机参数及尺寸3 .3.4 进给系统电动机的选择3.3.4.1 电机种类选择进给系统是由电动机转动带动丝杠旋转，再将转动惯量传递给安装在溜板箱上的滚珠丝杠螺母副，进而完成深孔切削的进给过程。由机床在进给系统运行精度和控制方式决定，进给系统电机应选择易于控制、运动精度高、相应速度快的电机来完成。所以本案选择交流伺服调速电机。3.3.4.2 交流伺服调速电动机交流伺服调速电动机在控制系统中作执行元件，将电信号转换为轴上的转角或转速，以带动控制对象，它最大的特点是可控。在有控制信号输入时，电动机就转动；没有控制信号输入时，则停止转动；改变控制电压的大小和相位（或极性）就可改变电动机的转速和转向。因此，它与普通电动机相比具有如下特点：（1） 调速范围宽广，交流伺服调速电动机的转速随着控制电压改变，能在宽广的范围内连续调节；（2） 转子的惯性小，即能实现迅速启动、停转；（3） 控制功率小，过载能力强，可靠性好。3.3.4.3 交流伺服调速电动机的选择选择交流伺服调速电动机的型号为SM150-150-20LFB。输出功率为3.8，额定转矩为15，额定转速为2000重量为15.2。3.4 带传动的选择3.4.1 带传动的类型带传动是两个或多个带轮之间用带作为挠性拉曳零件的传动装置，工作时借助零件之间的摩擦（或啮合）来传递运动或动力。结构通常是由三部分组成：带 、带轮 、张紧装置。根据截面形状，带传动类型主要有：1) 平型带传动截面形状：扁平矩形 摩擦工作面：带的内表面特点： i35 中心距较大2）圆形带传动比平带传动能力小，适合于速度高、带轮直径小的场合。3）V带传动：截面形状：梯形摩擦工作面：两侧表面特点： i7 运行较平稳4) 多楔带传动具有V带的特点，适合于结构紧凑、功率大、重要的场合。5) 同步齿形带传动靠啮合传动，传动比恒定，中心距要求严格。 带传动的优缺点a适合于中心距较大的传动；b能缓和载荷冲击；运行平稳，无噪声；c过载时将引起带在带轮上打滑，因而可防止其他零件的损坏；（具有过载保护作用）；d结构简单，成本低廉；e传动外廓尺寸较大；f需要张紧装置。g传动效率较低h不能保持准确的传动比i带的寿命较短。3.4.2 带传动的选择深孔钻床要求工件转动平稳，同时考虑到经济性的原因，故本设计采用主轴采用V带传动。3.4.3 V带轮的设计计算1.计算功率 查机械设计手册中表8-7选取= 1.2 , 故 2. 选择V带的带型根据 、电机转速n由图8-1选用A型3. 确定带轮的基准直径并验算带速v1） 初选小带轮的基准直径。由表8-6和表8-8，取小带轮的基准直径=80mm。2） 验算带速v。按式（8-13）验算带的速度 因为，故带速合适。3）计算大带轮的基准直径。根据式（8-15a），计算大带轮的基准直径 故取大带轮直径80mm。4. 确定V带的中心距a和基准长度(1) .根据式（8-20），初选中心距=200mm。(2) .由式（8-22）计算带所需的基准长度 由表（8-22）选带的基准长度=630mm。3) .计算实际中心距a。 5. 验算小带轮上的包角 6. 计算带的根数z1）.计算单根V带的额定功率。查表（8-4a）得=1.34Kw查表（8-4b）得=0.0Kw查表（8-5）得=1查表（8-2）得=0.81，于是2） .计算V带的根数z。 取z=4根。7. 计算单根V带的初拉力最小值（）min由表8-3得A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 3.5 主轴箱轴承的选用及校核3.5.1 轴承选择原则轴承是用来支承轴的部件，有时也用来支承其它的转动零件。按轴承工作时的摩擦性质不同，可把轴承分为滑动摩擦轴承(简称为滑动轴承)和滚动摩擦轴承(简称为滚动轴承)两大类。而每一类轴承，按其能承受的载荷方向的不同，又可分为向心轴承或径向轴承(承受径向载荷)、推力轴承或止推轴承(承受轴向载荷)和向心推力轴承(同时承受径向和轴向载荷)等。选择轴承类型时，应该根据载荷情况、转速高低、空间位置、调心性能以及其它要求，选定合适的轴承类型。选择原则为：(1) 球轴承承载能力较低，抗冲击能力较差，但旋转精度和极限转速较高，适用于轻载、高速和要求精确旋转的场合。(2) 滚子轴承承载能力较高，抗冲击能力较强，但是旋转精度和极限转速较低，多用于重载或有冲击载荷的场合。(3) 同时承受径向及轴向载荷的轴承，应区别不同情况选取轴承类型。以径向载荷为主的可选择深沟球轴承；轴向载荷和径向载荷都较大的可选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承；轴向载荷比径向载荷大很多或要求变形较小的可选用圆柱滚子轴承(或深沟球轴承)和推力轴承联合使用。(4) 如一根的两个轴承孔的同心度难以保证，或轴受载后发生较大的挠曲变形，应选用调心球轴承或调心滚子轴承。(5) 选择轴承类型时要考虑经济性。一般说来，球轴承比滚子轴承价格便宜，深沟球轴承最便宜。精度愈高的轴承价格愈贵，所以选用高精度轴承必须慎重。滚动轴承公差国标(GB307.184)规定，轴承按公称尺寸(基本尺寸)精度和旋转精度分为五个精度等级，用汉语拼音字母G、E、D、C、B表示，G级精度最低，B级精度最高。滚动轴承各级精度的应用情况如下：G级轴承应用在中等负荷、中等转速和旋转精度要求不高的一般机构中。如变通机床、汽车和拖拉机的变速机械和变通电机、水泵、压缩机的旋转机构的轴承。E 级轴承应用于旋转精度和转速较高的旋转机构中，如变通机床的主轴轴承，精密机床的传动轴使用的轴承。D、C级轴承应用于旋转精度高和转速高的旋转机构中，如精密机床的主轴轴承，精密食品加工机械使用的轴承。B级轴承应用于旋转精度和转速很高的旋转机构中，如坐标镗床的主轴轴承、高精度仪器和高转速机构中使用的轴承。滚动轴承内圈与轴配合应按基孔制，但内径的公差带位置却与一般基准孔相反。根据滚动轴承国家标准规定，G、E、D、C、B各级轴承的单一平面平均内径的公差带都分布在零线下侧，即上偏差为零，下偏差为负值。这样分布主要是考虑配合的特殊需要。因为在多数情况下，轴承的内圈是随轴一起转动的，为了防止它们之间发生相对运动而导致结合面磨损，其配合应具有一定过盈。但由于内圈是薄壁零件，容易弹性变形而胀大，且一定时间后又必须折换，配合的过盈不宜过大，假如轴承内孔的公差带与一般基准孔一样分布在零线上侧，当采用公差与配合国标中的过盈配合时，所得的过盈往往太大；如果改用过渡配合，又可能出现间隙，不能保证一定的过盈；若采用非标准配合，又违反了标准化和互换性原则。为此，滚动轴承国标将各级轴承的单一平面平均内径的公差带分布在零线下侧。此时，当它与一般过渡配合的轴相配合时，不但能保证获得不大的过盈，而且还不会出现间隙，从而满足了轴承内孔与轴配合的要求，同时又可以按照标准偏差来加工轴。滚动轴承的外径与壳体的配合应按基轴制，通常两者之间不要求太紧。因此，滚动轴承公差国标对所有精度级轴承的单一平面平均外径的公差带位置，仍按一般基准轴的规定，分布在零线下侧。其上偏差为零，下偏差为负值。正确的选用轴承配合，对保证机器正常运转，提高轴承的使用寿命，充分发挥轴承的承载能力关系很大。选择轴承配合时，应综合地考虑：轴承的工作条件，作用在轴承上负荷的大小、方向和性质，轴承类型和尺寸，与轴承相配的轴和壳体的材料和结构，工作温度，装卸和调整等因素。3.5.2 主轴箱轴承的选择根据主轴旋转的工作特性，选择滚动轴承是最合适，其摩擦系数小、润滑密封方便，并且已经标准化，所以在机械行业中应用最为广泛。在正常钻削中，轴向载荷和径向载荷各占一定比例，轴向载荷和径向载荷都较大，为了承受轴向载荷和径向载荷，靠近工作端选择深沟球轴承和推力球轴承配合使用，选择的深沟球轴承型号为6210,推力球轴承型号为51306，主轴箱中轴承的布局如下图3-7。 图3-7 主轴箱中轴承的布局深沟球轴承主要用于承受轴向载荷，推力球轴承主要承受轴向载荷。根据设计尺寸及受力要求，选用的型号为：7207C。其主要的参数为：内径d35mm，外径D72mm，轴承宽度B17mm，额定动负荷C30500N，额定静负荷C020000N，极限转速ni8000r/min(脂润滑)和nj11000r/min(油润滑)。靠近加工端角接触球轴承（两个）所选型号为7208C。其主要的参数为：内径d40mm，外径D80mm，轴承宽度B18mm，额定动负荷C36800N，额定静负荷C025800N，极限转速ni7500r/min(脂润滑)和nj10000r/min(油润滑)。3.4.3 主轴箱中轴承的校核（1）. 角接触球轴承7208C的校核由于中心架的支撑作用，使作用在角接触球轴承上的径向力不是很大，取Fr=500N；主轴箱所受到的轴向力主要由角接触球轴承来承受，取Fa=1500N。计算当量动载荷P: P=f (3-5) 根据机械设计中表136知2，fp =1.21.8，取fp =1.5。根据机械设计中表135知2，X=1， Y=1.2。因此， P=fp=1.5(1500+1.21500) = 3450 N查零件手册知1，轴承的基本额定动载荷C=36800N，所以： Lh=（）=13485 h (3-6)（2）. 角接触球轴承7207C的校核由于作用在角接触球轴承上的轴向力不是很大，取=500，而主轴箱受到的切向力主要由角接触球轴承来承受，取=1500.计算当量动载荷P: P=fp 根据机械设计中表136知2，fp =1.21.8，取fp =1.5。根据机械设计中表135知2，X=1， Y=0。因此， P=fp=1.5(1500+01500) =750N查零件手册知10，轴承的基本额定动载荷C=69800N，所以 Lh=() = 747263 h 因此满足要求。3.4.4 轴承的预紧和润滑（1）轴承的预紧滚动轴承的预紧是指在安装轴承的时候，采用一定的方法，以消除轴承的游隙，并在滚动体和内外圈接触处产生预变形，使工件的表面的接触面积增大。为了提高支承轴的刚度，抗震性和旋转精度，机床主轴的轴承需要加以适当的预紧。在两个轴承之间放置轴套，固定推力轴承的外圈，使内外圈之间产生一定的预紧力。用轴承端盖顶住角接触球轴承的外圈，并在轴承与箱体之间置以不同厚度的调整垫圈，通过调整垫圈厚度，拧紧螺钉得到不同的预加载荷。（2） 轴承的润滑使用滚动轴承可以减少轴承的摩擦，但滚动轴承的滚动并非纯滚动，还有多种滑动存在，如滚动体和保持架之间的滑动，滚子断面的引导挡边之间的滑动，以及由于弹性变形引起的滚动体和套圈之间的旋转滑动和差动滑动等。因此，为了减少摩擦、防止烧伤、锈蚀和摩擦，必须对滚动轴承进行润滑。润滑在一定程度上还能起到减少噪声、缓冲、吸震和防止异物侵入的作用。机床常用的润滑方法有脂润滑和油润滑两种。本机床选择脂润滑。脂润滑和油润滑相比有许多优点：润滑脂很容易保持在轴承内，不易泄露，维护简单，可防止灰尘、冷却液和其它有害杂质的侵入，油膜强度较高，可以使用较长时间而不须更换，支承结构简单，不需要特殊的润滑装置等。轴承中充填润滑脂的量不易过多，根据经验，以填满轴承和轴承壳体之间空间的1/31/2为宜，高速时应仅填充至1/3。而深孔加工速度较高，且对密封要求比较严格，所以可将轴承和轴承壳体空间填满。3.4.5 滚动轴承的密封滚动轴承的密封装置的作用是防止润滑油从轴承内流出，和防止灰尘、冷却液及杂质等侵入轴承内。如果轴承密封不良，则轴承的工作状况将显著变化，轴承的使用寿命将显著降低。密封装置的基本形式有非接触式密封和接触式密封，非接触式密封包括间隙密封、曲路密封和垫圈式密封装置，接触式密封包括毡密封、径向密封圈等。此处选择间隙密封。这种密封装置是靠轴和轴承盖间细