电动三轮车减速器镗孔加工.doc

江苏食品职业技术学院毕业设计（论文）摘要1引 言2一 镗孔的切削加工设备31.1 加工中心的镗孔加工的特点31.1.1 工具转动31.1.2颤振(Chatter)42、镗刀的选择基准52.1 一体式(Solid)镗刀与模块式(Modular)镗刀52.2各种各样的模块式镗刀523 镗刀组成62.4 镗杆的组件82.4.1 键杆组件82.4.2 对镗杆组件的基本要求83 高速精细镗104 镗孔的主要加工方法115 镗杆受力变形的影响126 切削热和夹紧力的影响137 保证不留加工刀痕的措施158 镗床几何精度对镗孔精度的影响168.1 镗床主轴回转精度对镗削精度的影响168.2 镗床主轴中心线与导轨的几何精度对镗削精度的影响169 结束语17参考文献18致 谢19摘要: 所谓镗孔加工(Boring)就是指将工件上原有的孔进行扩大或精化。它的特征是修正下孔的偏心、获得精确的孔的位置，取得高精度的圆度、圆柱度和表面光洁度。所以，镗孔加工作为一种高精度加工法往往被使用在最后的工序上。例如，各种机器的轴承孔以及各种发动机的箱体、箱盖的加工等。和其它机械加工相比，镗孔加工是属一种较难的加工。它只靠调节一枚刀片(或刀片座)要加工出象H7、H6这样的微米级的孔。随着加工中心(Machiningcenter)的普及，现在的镗孔加工只需要进行编程、按扭操作等。 关键词:加工中心；加工精度；镗刀abstract: So-called bores processes (Boring) is refers to the work piece on the original hole carries on the expansion or the purification. Its characteristic is under the revision the hole bias, obtains the precise hole the position, obtains the high accuracy roundness, the cylindricity and the surface smooth finish. Therefore, bores the processing to take one kind of high accuracy refining methods often to use in the final working procedure. For example, each kind of machines bearing hole as well as each kind of engines box body, box lids processing and so on.Compares with other machine-finishing, bores the processing is one kind of difficult processing. It only depends adjusts a bit (or bit place) must process looks like H7, the H6 such micron level hole. Along with machining center (Machining center) the popularization, the present bores the processing only to need to carry on the programming, according to turn the operation and so on. key word: Machining center; Working accuracy; Boring cutter引 言 随着科学技术的不断发展,对加工精度的要求越来越高,虽然加工设备精度较高，但用卧式镗床加工单件或中小批量精密内孔，在精镗和半精镗孔时，由于加工余量很小，加工孔的尺寸要求很高，采用普通镗孔刀杆镗孔时，很难达到孔径尺寸精度的要求，且对操作工人技术和经验要求较高，工人劳动强度大，生产效率也很低，在批量自动镗削加工过程中，由于刀具磨损等因素的存在，极大地影响了被加工孔的尺寸精度及其加工效率。可在加工循环过程中自动对镗削刀具进行微米级的调整，从而提高批量镗孔加工的效率及其尺寸精度。 镗孔是一种应用非常广泛的孔加工方法，它可以用于孔的粗加工、半精加工；可以用于通孔和盲孔。对工件材料的适应范围也很广泛，一般有色金属、灰铸铁和结构钢等都可以用镗床加工。镗孔可以在各种镗床上进行，也可以在卧式车床、回轮或转塔车床、铣床和数控机床、加工中心上进行。与其它孔加工方法相比，镗孔的一个突出的优点。是可以用一种镗刀加工一定范围内各种不同的直径的孔。尤其是直径很大的孔，它几乎是可选择的唯一方法。此外，镗孔可以修正上一工序所产生的孔的相互位置误差，这一点是其它很多孔加工方法难以做到的。一 镗孔的切削加工设备镗孔是最常用的孔加工方法，可以作为粗加工，也可以作为精加工，并且加工范围很广，可以加工各种零件上不同尺寸的孔。镗孔使用镗刀对已经钻出、铸出或锻出的孔做进一步的加工。镗孔一般在镗床上进行，但也可以在车床、铣床、数控机床和加工中心上进行。车床上适合于镗削回转体零件的轴心孔，镗床适合于箱体、支驾和机架等大、中型复杂零件的孔系加工；中小型箱体、支架类零件上的孔系,可在加工中心上加工。镗孔的加工精度为IT8IT10，表面粗糙度a为6.3 0.8m。用于镗孔的刀具（镗杆和镗刀），其尺寸受到被加工孔径的限制，一般刚性较差，会影响孔的精度，并容易引起弯曲和扭转振动，特别是小直径离支承远的孔，振动情况更为突出。由图1-1可知，所加工零件的轴承孔和油封孔均为IT8，且为批量生产，每天生产量为1200套电机外壳，所以采用加工中心镗孔。3台加工中心就可满足生产量。图1-1电动三轮车减速器右箱体1.1 加工中心的镗孔加工的特点1.1.1 工具转动和车床加工不同，加工中心加工时由于工具转动，便不可能在加工中及时掌握刀尖的情况来调节进刀量等。也不可能象数控车床那样可以只调节数控按扭就可以改变加工直径。这便成了完全自动化加工的一个很大的障碍。也正因为加工中心不具有自动加工直径调节机能(附有U轴机能的除外)，就要求镗刀必须具有微调机构或自动补偿机能，特别是在精镗时根据公差要求有时必须在微米级调节。另外，加工中心镗孔时由于切屑的流出方向在不断地改变，所以刀尖、工件的冷却以及切屑的排出都要比车床加工时难的多。特别是用纵型加工中心进行钢的盲孔粗镗加工时，至今这个问题还没得到完全解决。1.1.2颤振(Chatter)镗孔加工时最常出现的、也是最令人头疼问题是颤振。在加工中心上发生颤振的原因主要有以下几点（1）工具系统的刚性(Rigidity)：包括刀柄、镗杆、镗头以及中间连接部分的刚性。因为是悬臂加工(StubBoring)所以特别是小孔、深孔及硬质工件的加工时，工具系统的刚性尤为重要。（2）工具系统的动平衡(Balance)：相对于工具系统的转动轴心，工具自身如有一不平衡质量，在转动时因不平衡的离心力的作用而导致颤振的发生。特别是在高速加工时工具的动平衡性所产生影响很大。（3）工件自身或工件的固定刚性(ClampingRigidity)：象一些较小、较薄的部件由于其自身的刚性不足，或由于工件形状等原因无法使用合理的治具进行充分的固定。（4）刀片的刀尖形状(GeometryofEdge)：刀片的前角、逃角、刀尖半径、断屑槽形状的不同所产生的切削抗力也不同。（5）切削条件(CuttingCondition)：包括切削速度、进给、进刀量以及给油方式及种类等。（6）机器的主轴系统(Spindle)等：机器主轴自身的刚性、轴承及齿轮的性能以及主轴和刀柄之间的连接刚性。2、镗刀的选择基准根据加工内容的不同镗刀的选择基准也不一样，一般来说，应注意系统本身的刚性、动平衡性、柔性、信赖性、操作方便性及寿命和成本。 2.1 一体式(Solid)镗刀与模块式(Modular)镗刀古老的一体式镗刀主要用在量产品的生产线或专用机上，但实际上机器的规格有多种多样:NT、MT、BT、IV、CV、DV等等。即使规格一样，大小也有不同。如BT有15、30、40、45、50、60等等。即使规格、大小都一样，有可能拉钉形状、螺纹不一样，或者法兰面形状不一样。这些都使得一体式镗刀在对应上遇到很大的困难。特别是近些年来，市场结构、市场需要日新月异，产品周期日益缩短，这就要求加工机械以及加工工具具有更充分的柔性(Suppleness)。所以一体式镗刀大多数已从工场中消失。模块式镗刀即是将镗刀分为：基础柄(BasicHolder)、延长器(Extension)、减径器(Reduction)、镗杆、镗头(BoringHead)、刀片座(InsertHolder)、刀片(Insert)、倒角环等多个部分，然后根据具体的加工内容(粗镗、精镗；孔的直径、深度、形状；工件材料等等)进行自由组合。这样不但大大地减少了刀柄的数量，降低了成本，也可以迅速对应各种加工要求，并延长刀具整体的寿命。模块式镗刀最先出现在欧洲市场，大约20年前日本大昭和精机株式会社(BIG)与瑞士KAISER公司进行技术合作，BIG-KAISER模块式镗刀首次出现在日本市场，并逐渐取代了一体式镗刀的地位。如今日本的机械加工工场里80%以上都是使用的BIG-KAISER模块式镗刀。由此显而可见，模块式镗刀具有一体式镗刀无法比拟的优势。当然，这也需要模块式镗刀具有高连接精度和高连接刚性，以及高重复精度和高度的信赖性。2.2各种各样的模块式镗刀现在市场上存在着各种各样的模块式镗刀系统，它们的连接方式各有区别。（1）BIG-KAISER方式它只要靠一颗锥度为15的锥形螺丝来连接，固定时也只需要一支六角小扳手，操作非常方便。由于螺孔与被连接体的锥孔间有一定的偏心，当旋紧螺丝时依靠锥面的作用，将旋紧力的绝大部分转化为轴向的拉力，使被连接的两部分贴紧，而保持径向位置不变。固定螺丝用高剪断强度材料制成，可承受较大的扭矩，并且粗镗时设有加强拴。（2）侧固式显而已见，这种连接方式仅仅是达到固定的目的。它的旋紧力的绝大部分都向着径向。不但连接体的端面不能密接，径向位置也会发生变化。（3）旋入式虽然端面得到连接，但刀尖在圆周上的相位会发生变化。（4）后部拉紧式端面的连接和跳动都较好，但操作性很差。（5）其它方式侧面90两点固定方式；侧面180两点倾斜固定方式；ABS方式等等。总而言之，模块式镗刀系统具有很大的优势，但并不是说只要是模块式就好。必须从连接刚性、精度、操作性、价格等多方面来衡量23 镗刀组成镗刀是由镗刀头和镗刀杆及相应的夹紧装置组成的，镗刀头是镗刀的切削部分，其结构和几何参数与车刀相似。在加工中心上镗孔时，工件固定在工作台上作进给运动，镗刀夹固在镗刀杆上与机床主轴一起作回转运动。在车床上车孔时，镗刀固定在机床架上作进给运动，工件作回转运动。由于镗刀的尺寸以及镗刀杆是粗细和长短在很大程度上取决于被加工孔的直径、深度和该孔所处的位置，因此不论镗刀用于何种机床上，一般说来其刚度和工件条件都比外圆车刀差。（1）单刃镗刀。这种镗刀只有一个切削刃，结构简单，制造方便，通用性好，一般都有调节装置。如图21所示为微调镗刀的结构，在镗刀杆2中装有刀块6，刀块上装有刀片1，在刀块的外螺纹上装有锥形精调螺母5，紧固螺钉4将带有精调螺母的刀块拉紧在镗杆的锥孔内，导向健3防止刀头转动，旋转有刻度的精调螺母，可将镗刀片调到所需直径。 图21 微调镗刀加工小直径孔的镗刀通常做成整体式，加工大直径孔的镗刀通常做成机夹式。（如下图22所示）为机夹式单刃镗刀。它的镗杆可长期使用，可节省制造镗杆的工时和材料。镗刀头通常做成正方形或圆形。镗杆、镗刀头尺寸与镗孔直径的关系见下表23所示。 （a） （） （） （） 图22 机夹式单刃镗刀（）盲孔镗孔刀 （）通孔镗刀 （）阶梯孔镗刀 （）阶梯孔镗刀（2）双刃镗刀。双刃镗刀常用的有固定式镗刀和浮动镗刀。它的两端具有对称的切削刃，工作时可消除径向力对镗杆的影响，工件孔径尺寸由镗刀尺寸保证。（3）非国标镗刀。图2-3是非国标镗刀，零件右箱体轴承孔以及油封孔均采用这种非国标镗刀。运用这种镗刀可大大缩短加工周期。粗镗5与精镗4相距0.2mm至0.3mm。1是深度调剂螺母，2是压紧刀卡螺母，3是微调螺母，微调可达0.005mm，4是pcd刀片，5是白钢刀片。图2-3非国标镗刀2.4 镗杆的组件2.4.1 键杆组件镗杆组件是镗刀的一个重要组成部分。机床在工作时，由镗杆夹持着刀具直接参与表面成形运动，所以，镗杆组件的工作性能，对加工质量和机床的生产率有着重要的影响。2.4.2 对镗杆组件的基本要求对镗杆的要求，与一般传动轴有共同之处，都要在一定的转速下传递一定的转矩，保证轴上的传动件和轴承正常的工作条件。但是，镗杆又是直接带着刀具进行切削的。加工中心的加工质量，在很大程度上要靠镗杆组件保证。所以，对在镗杆组件设计时，还要充分考虑以下几项基本要求。(1)旋转精度：镗杆的旋转精度，是指装配后，在无载荷、低速转动的条件下，镗杆安装刀具部位的径向和轴向跳动。当幢杆以工作转速旋转时，由于不平衡力的扰动，其旋转精度取决于各主要件的制造、装配和调整精度。(2)静刚度： 静刚度简称刚度，是指机床或部件、组件、零件抵抗静态外载荷的能力。该镗杆的弯曲刚度可以定义为使镗杆中部产生单位位移，在位移方向测量处所需施加的力。如图3-1所示， 图2-4镗杆的组件刚度影响镗杆组件弯曲刚度的因素很多，如镗杆的尺寸和形状，前后支承的距离，传动件的布置方式，镗杆组件的制造和装配质量。(3)抗振性镗杆组件中的振动会影响工件的表面质量，刀具的耐用度和主轴承的寿命，还会产生噪声、影响工作环境。如果产生切削自激振动，将严重影响加工质量，甚至使切削无法进行下去。影响抗振性的主要因素是铿杆组件的静刚度、质量分布和阻尼。镗杆的固有频率应远大于激振力的频率，使它不易发生共振。(4)温升和热变形：温升使润滑油的粘度下降，而且会产生热变形，使镗杆伸长。(5)耐磨性：镗杆组件必须有足够的耐磨性，以便长期地保持精度。为了提高耐磨性，镗杆的表面一般要进行淬硬处理。3 高速精细镗高速精细镗也称金刚镗，广泛应用于不适宜用于圆磨削加工的各种结构零件的精密孔，例如:发动机的气缸杆、连杆孔、活塞销孔以及变速箱的主轴孔等。由于高速精细镗切削速度高、切屑截面小，因而切削力非常小，这就保证了加工过程中工艺系统弹性变形小，故可获得较高的加工精度和表面质量，孔径精度可达IT6IIT7级，表面粗糙度Ra可达0.80.1m。孔径在15100mm范围内时，尺寸误差可保持在58m以内，还能获得较高的孔轴心线的位置精度。为保证加工质量，高速精细镗常分预、终两次进给。高速精细镗要求机床精度高、刚性好、传动稳定、能实现微量进给，一般采用硬质合金刀具，其主要特点是主偏角（45度90度），刀尖圆弧半径较小，故径向切削力小，有利于减小变形和振动。当要求表面粗糙度Ra小于0.08m时，须使用金刚石刀具。金刚石刀具主要适用于铜、铝等有色金属及其合金的精密加工。电动三轮车减速器外壳精加工全采用PCD刀片，保证了产品的质量。4 镗孔的主要加工方法坐标法。以箱体零件同轴孔系为代表的长距孔的镗削是切削加工最主要的内容之一，但近一、二十年来，随着数控技术广泛应用，工艺方法得到了很大的改善，通常箱体零件上的同轴孔均有较高的精度要求。电动三轮车减速器外壳是在加工中心上镗孔，采用坐标法。而徐州吉利达铸造有限公司采用的是FANUC Oi-MD系统以及三菱M70系统，均为国内加工中心比较好的系统，完全可满足加工要求。5 镗杆受力变形的影响镗杆受力变形是影响孔系加工质量的主要原因之一。在镗孔过程中，受到切削力矩、切削力r及镗杆自重的作用。切削力矩使镗杆产生弹性扭曲，主要影响工作的表面粗糙和刀具的寿命；切削力r产生弹性弯曲（挠曲变开），对孔系加工精度的影响严重；自重由于和进刀方向一致，科忽略不计。下面分析切削力r的影响。 图51切削力对镗杆扰 由切削力r所产生的挠曲变形.作用在镗杆上的切削力r，随着镗杆的旋转不断地改变方向，由此而引起的镗杆的挠曲变形F也不断地改变方向，如图61所示，使镗杆的中心偏离了原来的理想中心。由图可见，当切削力不变时，刀尖的运动轨迹仍然呈正圆，只不过所镗出孔的直径比刀具调整尺减少了F。F的大小与切削力F和镗杆的伸出长度有关，F愈大或镗杆伸出愈长，则F就愈大。但应该指出：在实际生产中由于实际加工厂余量的变化和材质的不匀，切削力r是变化的，因此刀尖运动轨迹不可能是正圆。同理，在被加工孔的轴线方向上，由于加工余量和材质的不匀，或者采用镗杆进给时，镗杆的挠曲变形也是变化的。从以上分析可知：切削力作用下的挠曲变形，对孔的几何形状精度和相互位置精度都有显著的影响。因此，在镗孔中必须十分注意提高镗杆提高镗杆的刚度。可采取下列措旋：第一，尽可能加精镗杆直径和减少悬伸长度；第二，采用导向装置，使镗杆的挠曲变形得以约束。此外，也可通过减小镗杆减小削力对挠曲变形的影响来提高孔系加工精度。精加工时采用较小的切削用量，并使加工各孔所用的切削用量基本一致，以减小削力的影响。6 切削热和夹紧力的影响箱体零件的壁薄且不均匀，加工中切削热和夹紧力对孔系的加精度有较大的影响，必须引起注意。（一）切削热对孔系加工精度的影响粗加工时，有大量的切削热产生。同样的热量传递到箱体的不同壁厚处，会有不同的温升产生。薄壁处的金属少，温度升得快；厚壁处的金属多，温度升得慢。粗加工后如果不等工作冷却下来就进行精加工，那么薄壁处的温度高，向外膨胀的热变形量大；而厚壁处的温度低，向外膨胀的热变形量小。这样，加工中在孔内壁处所实际切去的金属要比厚壁处少。如果孔加工后成正圆，那么冷却下来后就会产生圆度误差。因此，箱体孔系的粗精加工通常部分开进行，粗加工后，待工作充分冷却后再行精加工，以消除工作热变形的影响。由于电动三轮车减速器外壳是铝制品，且余量很小，约为1mm，为节约时间，提高产量，均采用图2-3所示的非国标刀，加工时采用加切削液的方法冷却，切削热对孔系精度的影响几乎可以忽略不计。（二）夹紧力对孔系加工精度的影响镗孔中若夹紧力过大或着力点不当，容易产生夹紧变形。例如图所示的箱体，在夹紧力作用下，毛坯孔变形产生圆度误差（图6（），镗孔后变圆（图6（b），松夹后，孔径弹性恢复而变形，被加工孔又产生了圆度误差（图6（c）。同样，箱体的夹紧变形也将影响孔系的相互位置精度。 图61箱体的夹紧变形 图62夹紧力的着力点为了消除夹紧变形对孔系加工精度的影响，精镗时夹紧力要适当，不宜过大；夹紧着力点应选择在实点上，如图62所示。图6-3电动三轮车右箱体在实际生产中，采用“一面两销”的定位方式，夹紧力分别在A、B、C三点，均为实点，所产生的夹紧力变形也可忽略不记。影响孔系加工精度的因素除上所述外，还有许多其他的因素：如工件内应力的影响、机床主轴旋转精度的影响及机床受力变形和热变形的影响等等。实际生产中分析孔系加工质量问题时，应和镗孔方式联系起来，针对不同的镗孔方式进行具体分析，找出其中最主要的原因而采取相应的措施消除之。7 保证不留加工刀痕的措施为了使加工面不留退刀痕，主轴不让刀，工件让刀。主轴定向就是要求加工完了，镗杆停止旋转，并使镗刀朝着固定方向。当被加工工件的加工表面不允许留有退