超声振动加工技术发展趋势.doc

目录前言毕业设计是学生学完大学教学计划所规定的全部基础课和专业课后，综合运用所学的知识，与实践相结合的重要实践性教学环节。它是大学生活最后一个里程碑，是四年大学学习的一个总结，是我们结束学生时代，踏入社会，走上工作岗位的必由之路，是对我们工作能力的一次综合性检验。1、 毕业设计的目的通过本次毕业设计，使达到以下几个效果：1） 巩固、扩大、深化学生以前所学的基础和专业知识；2） 培养学生综合分析、理论联系实际的能力；3） 培养学生调查研究、正确熟练运用国家标准、规范、手册等工具书的能力；4） 锻炼进行设计计算、数据处理、编写技术文件、绘图等独立工作能力。总之，通过毕业设计使学生建立正确的设计思想，初步掌握解决本专业工程技术问题的方法和手段，从而使学生受到一次工程师的基本训练。2、 毕业设计的主要内容和要求本次毕业设计的主要内容是设计超声深孔钻床的主轴箱。具体设计内容和要求如下：a) 调查使用部门对机床的具体要求，现在使用的加工方法；收集并分析国内外同类型机床的先进技术、发展趋势以及有关的科技动向；调查制造长的设备、技术能力和生产经验等。b) 超声深孔钻床主轴箱的设计主要是设计主轴、传动轴及传动齿轮，确定各部分的相互关系；拟订总体设计方案，根据总体设计方案，选择通用部件，并绘制装配图和各零件的零件图；c) 进行运动计算和动力计算，绘制转速图；d) 其他零部件的设计和选择；e) 设计并选择皮带的型号和根数及带轮；f) 编制设计技术说明书一份。3、 程序和时间安排毕业设计是实践性的教学环节，由于时间的限制，本次毕业设计不可能按工厂的设计程序来进行，具体的说，可以分以下几个阶段：a) 实习阶段，通过毕业实习实地调查、研究、收集有关资料，掌握深孔加工技术和超声加工技术，了解机床的结构、工作原理和设计的基本要求，花两周时间；b) 制定方案、总体设计阶段，花两周时间；c) 计算和技术设计阶段，绘制图纸，整理设计说明书，花四周时间；d) 答辩阶段，自述设计内容，回答问题，花半周时间。1超声振动加工技术发展趋势 超声波是指频率高于人耳听觉上限的声波。一般来说，正常人听觉的频率上限在l 620kHz之间，随年龄、健康状况等有所不同。值得注意的是，人们习惯上常把以工程应用为目的，而不是以听觉为日的的某些对听卢的应用亦列人超卢技术的研究范围。因此，在实际应用中，有些超声技术使用的频率可能在16kHz以下。而超声波频率的上限是Hz，整个频率范围是相当宽广的，如图11所示 超声波是声波的一部分，因此它遵循声波传播的基本规律。但超声波也有与可听声不同的一些突出特点。例如，超声波由于频率可以很高，因而传播的方向件较强，同时超声设备的几何尺寸可以较小；超声波传播过程中，介质质点振动的加速度非常大；在液体介质中，当超声波的强度达到一定值后便产生空化现象，等等。正是这些特点，决定了超声波具有与可听声不同的、领域相当广阔的各种用途。1.1起声加工技术发展概况 超声加工是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或于磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，或给工具或工件沿一定介向施加超声频振动进行振动加工，或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。超声加工系统由超声波发生器、换能器、变幅杆、振动传递系统、工具、工艺装置等构成。超声波发生器的作用是将220v或380v的交流电转换成超声频电振荡信号；换能器的作用是将超声频电振荡信号转换为超声频机械振动；变幅杆的作用是将换能器的振动振幅放大，超声波的机械振动经变幅杆放大后传给工具，使工具以一定的能量与工件作用，进行加工。 超声加工技术是超声学的一个重要分支。超声加工技术是伴随着超声学的发展而逐渐发展的。 早在1830年，为探讨人耳究竟能听到多高的频率，F5avrt曾用一多齿的齿轮，第一次人工产生了24Hz的超声波，1876年加尔顿(FGalton)的气哨实验产生的超声波的频率达到了3Hz，后改用氢气时，其频率达到了8N z。这些实验使人们开始对超声波的性质有了一定的认识。 对超声学的诞生起重大推进作用的是1912年豪华客轮泰坦尼克(Titanic)号在旨航中碰撞冰山后沉没，这个当时震惊世界的悲剧促使科学家提出用声学人法来探测冰山。这些活动启发了第一次世界大战期间侦察德国潜艇的紧张册究。1916年以法国著名物理学家郎之万(P.langevin)为首的科学家升始究产生和运用水下超声作为侦察手段，并在1918年发现压电效应可使石英板振动，制成了可用作超声源的石英压电振荡器。这就是现代超声学的开端。 1927午，美国物理学家怔德(R WWood)和卢米斯(AE loomis)最早做了超声加工试验，利用强烈的超声振动对玻璃板进行雕刻和快速钻孔，们当时并未应用在工业上。1951年，美国的科思制成第一台实用的超声加工机，并引起广泛关注，为超声加上技术的发展奠定了基础。 日本是较早研灾超声加工技术的国家，20世纪50午代，日本已经设立专门的振动切削研究所，许多大学和科研机构也都设有这个研究课题。日本研究超声加工的主要代表人物有两位：一位是中央大学的岛川正晖教授，超音波工学理论和实际是他的代表作；另一位是宇都官大学的隈部淳一郎教授，精密加工、振动切削基础和应用是他的代表作。日本研究人员不但把超声加上用在普通设备上，而且在精密机床、数控机床中也引人了超声振动系统。l 977年日本将超声振动切削与磨削用于生产，可对直径为6oomm大型船用柴油机缸套进行镗孔。 原苏联的超声加工研究也比较早，20世纪50年代末60年代初已经发表过很有价值的论文。在超声车削、钻孔、磨削、光整加工、复合加工等方面均有生产应用，并取得了良好的经济效果。为了推动超声加工的应用，1973年原苏联召开了一次全国性的讨论会，充分肯定了超声加工的经济效果和实用价值，对这项新技术在全国的推广应用起到了积极的作用。到80年代末期，当时苏联已经生产系列超声振动钻削装置。 20世纪70年代中期，美国在超声钻中心孔、光整加工、磨削、拉管和焊接等方面已处于生产应用阶段，超声车削、钻孔、镗孔巳处于试验性生产设备原型阶段。1979年通用超声振动切削系统已供应工业界应用。 德国和英国也对超声加工的机理和工业应用进行了大量的研究，并发表了许多有价值的论文，在生产中也得到了积极的应用。例如，英同十1964年提出使用烧结或电镀金刚石工具的超声旋转加工的方法，克服了一般超声加工深孔时加工速度低和精度差的缺点，取得了较好的效果。 我国超声加工技术的研究始于20世纪50年代末，60午代末开始了超声振动车削的研究，1973年上海超声波电子仪器厂研制成功cNM2型超声研磨机。1982年，上海钢管厂、中国科学院声学研究所及上海超声波仪器厂研制成功超声拉管设备，为我国超声加工在金属塑性加工中的应用填补丁空白。1983年10月，机械电子丁业部科技司委托机械工艺师杂志编辑部在西安召开了我国第一次“振动切削专题讨论会”，会议充分肯定了振动切削在金属切削中的重要作用，交流了研究和应用成果，促进了这项新技术在我国的深入研究和推广应用。1985年，广西大学、南京电影机械厂和南京刀具厂联合开发了我国第一套“czQ250A型”超声振动切削系统。同年，机械电子工业部第11研究所研制成功超声旋转加工机，在玻璃、陶瓷、YAG激光晶体等硬脆材料的钻孔、套料、端铣、内外圆磨削及螺纹加工中，取得了良好的工艺效果。1987年，北京市电加工研究所在国际上首次提出了超声频调制电火花与超声波复合的研磨、抛光加工技术，并成功应用于聚晶金刚石拉丝模的研磨和抛光。1989年，我国研制成功超声珩磨装置。1991年研制成功变截面细长杆超声车削装置。 20世纪末到本世纪初的十几年间，我国的超声加工技术发展迅速，在超声振动系统、深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、超声复合加工领域均有较广泛的研究，尤其是在金刚石、陶挠、玛淄、玉石、淬火钢、模具钢、花岗岩、大理石、石英、玻璃和烧结永磁体等难加工材料领域解决了许多关键性问题，取得了良好的效果。1.2 超声加工技术发展趋势和未来展望 超声加工技术已经涉及到许多领域，在各行各业发挥了突出的作用，但有关工艺与设备的相关技术有待于进一步研究开发。 (1)超声振动切削技术 随着传统加工技术和高新技术的发展，超声振动切削技术的应用日益广泛，振动切削研究日趋深入，主要表现在以下几个方面。 1研制和采用新的刀具材料。在现代产品中，难加工材料所占的比例越来越大，对机械零件加工质量的要求越来越高。为了更好地发挥刀具的效能，除了选用合适的刀具几何参数外，在振动切削中，人们将更多的注意力转为对刀具材料的开发与使用上，其中天然金刚石、人造金刚石和超细晶粒的硬质合金材料的研究和应用为主要方向。 2对振动切削机理深入研究。当前和今后一个时期对振动切削机理的研究将主要集中在对振动切削中刀具与工件相互作用的力学分析和振动切削机理的微观研究及数学描述两个方面。超声椭圆振动切削的研究与推广。超声椭圆振动切削已受到国际学术界和企业界的重视。美国、英国、德国和新加坡等国的大学以及国内的北京航空航大大学和上海交通大学已开始这方面的研究工作。日本企业界如日立、多贺和Towa公司等已开始这方面的实用化研究工作。但是，超声椭圆振动切削在理论和应用方面还有许多工作要做。尤其是对硬脆性材料的超精密切削加工、微细部品和微细模具的超精密切削加工等方向还需要进一步研究。 超声铣削加丁技术。基于分层去除技术思想的超声铣削加工技术正在被更多的学者所关注。大连理工大学研制了超声数控铣削机床，提出了一种新的利用超声铣削加工技术数控加工工程陶瓷零件的途径。基于分层去除思想的超声铣削数控加工技术解决了传统超声加工中工具损耗严重且不能在线补偿的难题，使加工带有尖角和锐边的复杂型面三维工程陶瓷零件成为可能，为工程陶瓷和其他超硬材料的广泛应用提供了有力的技术支持。 (2)超声复合加工技术 目前，超声电火花机械三元复合加工技术已经得到较快的发展。哈尔滨工业大学利用超声电火花磨料三元复合加工技术对不锈铜进行加工，解决了电火花小孔加工中生产率和表面质量不能兼顾的矛盾，具合较好的应用前景。 针对现代模具手动光整加工的弊端，华南理工大学采用超声电解磨粒复合加工技术对形状复杂的模具型腔光整加工进行了研究，并利用BP人工神经网络对加工表面粗糙度进行了预测，取得了良好的效果。超声电解磨粒复合加工技术是一项新的复合加工技术，能较好地用于形状复杂的模具型腔光整加工。但包括材料去除机理的许多方面的内容有待进一步研究。 近年来，日本东京农工大学对气体介质中的电火花脉冲放电加工技术进行了开创性的研究，为电火花脉冲放电加工技术开辟了一条新的途径。但该技术在加丁过程中短路频繁，山东大学的研究人员将超声振动引入气中放电加工技术，并对工程陶瓷进行了加工实验研究，加工效率提高了近3倍。但该工艺的加工机理有待于进一步研究。 在微小三维型面的加工中，利用简单形状电极、基于分层制造原理的微细电火花铣削技术正在受到重视，哈尔滨工业大学研究了超声辅助分层去除微细电火花加上技术，对电极袖向施加的小幅超声振动对活化极间状态、拉大极间间隙、增加排屑能力、提高有效脉冲利用率和放电稳定性等方面起到广重要的作用但是该工艺尚有待于进一步完善以达到实用化。 出于新材料(尤其是难加工材料)的涌现和对产品质量苟生产效益的要求不断提高，新的加丁方法也不断出现。可以预见，超声复合加工将日靛显现出其独特的魅力，并将拓展其更加广阔的应用领域。 (3)微细超声加工技术 随着以微机械为代表的工业制品的日益小型化及微细化，特别是随着晶体硅、光学玻璃、工程陶瓷等硬脆材料在微机械中的广泛应用，硬脆材料的高精度三维微细加工技术己成为世界各国制造业的一个重要价究课题。目前可适用于硬脆材料加工的手段主要有光刻加工、电火花加工、激光加工、超声加工等特种加工技术。超声加工与电火花加工、电解加工、激光加工等技术相比，既不依赖于材料的导电性又没有热物理作用，与光刻加工相比又可加工高深宽比三维形状，这决定了超声加工技术在陶瓷、半导体硅等非金属硬脆材料加下方而有着得天独厚的优势。东京大学生产技术研究所对微细工具的成功制作及微细工具装夹、工具回转精度等问题的合理解决，采用工件加振的工作方式在工程陶瓷材料上加工出了直径最小为5的微孔，从而使超声加工作为微细加工技术成为可能。 同其他特种加工技术一样，起声加工技术在不断完善之中正向着高精度、微细化发展，微细超声加丁技术合理成为微电子机械系统(MEM5)技术的有力补充。 此外，超声加工技术在迅猛发展的汽车工业中已有非常广泛的应用，目前超声加工技术主要用于精密模具的型孔、型腔加工，难加工材料的超声电火花和超声电解复合加工，塑料件的焊接，以及对具有小孔窄缝而清洁度要求较高的零件的清洗。可以预测，超声加工技术在世界汽车工业中将发挥越来越重要的作用。2深孔加工技术2.1 深孔的定义 深孔加工难度高、加工工作量大，已成为机械加上中的关键性工序。 孔加工分为浅孔加工和深孔加工两类也包括介于两者之间的中深孔加工。一般规定孔深与孔径do之比大于5，即L/do5的孔称为深孔；Ldo 5的孔称为浅孔。J与孔径d o之比大于5，为什么要这样规定呢?原因在于：般实心料上的孔加工、采用标准麻花钻进行钻削如图所示，麻花钻结构直径do、螺旋角和螺旋槽导程P之间的关系为麻花钻的螺旋角在生产实践小，为了保证切屑顺利排比麻花钻一次钻到底时(中途不退出)的钻孔深度L通常不超过螺旋槽导程的3/4。即L3P/4,代入式 得，按GB144178规定、麻花钻螺旋角推荐值在25一300之间。由式(）可算得Ld05.05-4.08，即麻花钻正常钻孔深度和孔径之比一般不超过5，因此，工程上把Ld05的孔称为深孔。2.2 深孔加工的发展概况 最早用于加工金属的深孔L钻头是扁钻它发明干18世纪初，1860年美国入对扁钻做了改进，发明了麻花钻，在钻孔领域迈出了重要的一步。但用麻花钻钻探孔时，不便于冷却与排屑生产效率很低。随着枪炮生产的迅速发展，在20世纪初期，德、英、美等国家的军事工业部门先后发明了单刀钻孔工具，因用于加工枪孔而得名枪钻。枪钻也称为月牙钻、单刃钻及外排屑深孔钻。枪钻钻杆为非对称形，故扭转强度差。只能传递有限扭矩，适用于小孔零件加工生产，效率较低。 在第一次世界大战前和战争期间，由于战争的需要枪钻已不能满足高生产效率的要求，在1943午德国诲勒公司研制出毕斯涅耳加上系统(即我国常称的内排屑深孔钻削系统)。战后，英国的维克曼公司、瑞典的卡尔斯德特公司、德国的海勒公司、美国的孔加工协会、法国的现代设备商会等联合组成了深孔加工国际孔加工协会(Boring and Trepanning Association)，简称BTA协会。经过他们的努力、这种特殊的加工方法又有了新的发展，并被定名为BTA法，在世界各国普遍应用。后来瑞典的山特级克公司首先设计出可转位深孔钻及分屑多刃错齿深孔钻，使BTA法又有了新的飞跃。 BAT法存在着切削液压力较高，密封困难等缺点为克服这些不足，1963年山特维克公司发明了喷吸钻法。这是一种巧妙应用喷吸效应的方法，可以采用较低的切削液压力，使切屑在锥、吸效应下容易排出有利于系统的密封。但是喷吸钻法本身也有缺点，它使用两根钻管，使排屑空间受到限制，加工孔径般不能小于18mm。由于特殊的切削液供给方式缺乏了BTA法中切削液对钻杆振动的抑制作用，刀杆易擦伤其系统刚性和加工精度要略低于BTA法。 20世纪70年代中期，出日本冶金股份有限公司研制出的DF(Double Feeder)法为单管双进油装置，它是把BTA法与喷吸钻法两者的优点结合起来的一种加工方法，用于生产后得到了满意的结果，目前广泛应用于中、小直径内排屑探孔钻削。 由于我国机械制造业的迅速发展，深孔加工技术在我国也得到了广泛的应用。20世纪50年代群钻的研制成功使钻孔效率大为提高。1958年BTA钻头在我国开始使用，在此之后，70年代初，我国开始研制和推广喷吸钻，到1978年DF法己在我国设计完成并于1979牛正式用于生产现广泛应用于中、小直径内排屑探孔钻削。国内几家重型机器制造厂相继研制和采用丁深孔套料钻已成功地加工出12m长的发电机转子内孔。西安石油大学于1989年成功地将喷吸效应原形应用到外排屑枪钻系统使枪钻的加工性能大大提高；1994年又研制成功多尖齿内排屑探孔钻，使深孔钻削的稳定性和耐用度大大提高。 深孔工机床现在多采用常规机床，有深孔钻镗床、深孔磨床、绗磨机及通用车床改造成的深孔钻镗床。近年来，已出现数控深孔钻镗床(CNC)。 现代深孔加工技术的发展，面临着多品种、小批量、新型工程材料及愈来愈高的精度要求的挑战。由于机械工业产品多品种、小批量的比重口益增加，提高劳动生产率、降低生产成本成为深孔加工技术的中心课题。发展成组技术和开展计算机辅助设计及计算机捕助制造(CADCAM)、实现自动化生产是提高深孔加工劳动生产率和经济效益的根本途径。新型工程材料对深孔加工技术的挑战，在于要求提高传统深孔加工方法的水平开发新的制造技术与工艺方法。愈来愈高的精度要求，需要发展深孔精密加工技术，并相应地发展精密测量及精密机械设汁。在实现深孔加工自动化生产中，需要解决加工中异常情况的监控及自动检测。日前深孔加工中的这些问题、虽然落后于车削、铣削，但已有一些国家在开发研制，进行解决。2.3 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，放具有以下特点： (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%刀具占切削热的比例较大扩散迟、易过热，刃口的切削温度可达600，必须果用强制有效的冷却方式。 (3)切屑不易排出。由于孔深、切屑经过的路线长，容易发生阻塞，造成钻头崩刃。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、刚性差易产生振动，钻孔易走偏，因而支承导向极为重要。3枪钻车床3.1枪钻枪钻是种比较古老的深孔加工刀具，最初用于加工枪管，故名为枪钻。枪钻是外排屑深孔钻的代表。也是小直径（10 mm以下)深孔加工的常用方法。目前硬质合金枪钻的最小直径为lmm；钻孔深度与直径之比超过100，最大可至250；钻孔精度为IT7一IT9；钻孔表面粗糙度Ra为3.2一0.4m。枪钻具有一次钻削就获得良好精度利表面粗糙度低的特点，近几年来，已用于密浅孔和特殊孔加工。以美国为例。1963年枪钻加工的代表深度为250一300mm1968年降到100 mm，进入20世纪70年代已降至2537mm。枪钻的使用范围也在不断扩大，不仅用于加工通孔，还可以加工盲孔、阶梯孔、斜孔、半圆孔、断续孔和叠层板孔等。3.2 枪钻的使用3.2.1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材料、精度要求和机床特性有关。1切削速度切削速度主要取决于工具材料，受到钻头耐用度和机床转速的限制。目前，高速钢枪钻一般取切削速度v为35一70 mmin；硬质合金枪钻切削速度可参考有关资料选取。2.进给量进给量主要受工艺系统(刀具、工件和机床等)刚度和强度的限制此外，还受到加工表面质量、排屑效果和切削液的性质因素的影响。日前，高速钢枪钻常取f 为0.01-0.032mmr直径大者取上限，硬质合金枪钻进给量可参考有关资料选取。3.2.2 对枪钻机床的要求枪钻钻削需要使用专用机床。一般使用专门设计的专用枪钻钻床，这种钻床是根据枪钻钻削的特点而设计的用它可以获得最佳的钻削效果。另外，也可以将普通机床改装为枪钻钻床，通常用普通车床改装，但钻削效果比专用机床要差一些。一台好的枪钻机床应满足下述要求：(1)刚性好，振动小。用普通车床改装时，应特别注意进给机构的刚性。(2)具有足够大的功率。改装钻床时可参考图校核原机床的功率。(3)具有足够高的主轴转速。普通车床最高转速一般远远不能满足小直径(10 mm)深孔加工转速的要求，所以v改装机床时需要提高原机床的转速。 (4)进结机构稳定(最好有无级进给)，进给量范围合适。改装时，一般需重新配挂轮，减小进给量档次。(5)具有满足要求的切削液装置和排肩装置(最好使用外排屑DF装置）(6)还需装备下列部件：1)可调式进给过载保护器；2)保证切削液系统与机床同步起动的电机联锁装置；3)油压表；4)切削液过滤器，5)储油箱的油量表。3.3 使用枪钻应注意的问题(1)工件的夹紧必须安全可靠，并与机床中心同轴可将工件外圆和端面加工，至少要车出定位面。(2)在加工长工件时工件和枪钻应使用固定中心架此外。钻杆还需要有13个移动支承架。(3)工件上的中心孔一定要小于枪钻的直径，如果中心孔的尺小无法减少。可使用特殊的导向钻套。(4)开始钻削时必须使用导向钻套、钻套的内径均钻头直径相配，钻套的内径要磨至IT6级工件较短或孔直线度要求不高时，亦可采用在工件上预钻导向孔来导向。(5)钻套是易损件、当钻套内径磨损量大于0.02mm时该钻套就应该调换，最好使用硬质合金钻套。3.4 枪钻的重磨枪钻磨钝后，可以重磨，以保证枪钻的正常工作，通常，硬质合金枪钻后力面磨钝标准VB是 (1)d015mm的枪钻，VB0.2一0.4mm； (2)d015mm的枪钻，VB=0.4一0.6mm。枪钻的可重磨次数取决于孔径公差和工件材料一般重磨次数为1520次；每次重磨后总钻孔深度为10一20 m。重磨一般在工具或刃具磨床上进行采用专用夹具。4进给系统 进给传动系统是用来实现机床的进给运动相某些辅助运动(如快进、快退、调位等运动)，它可以采用机械、液压或电气等传动方式。进给运动的动力源，通常是各类电动机，通常有两种情况，一种是进给运动与主运动共用一个动力源时，它一般以主铀为始端，刀架或工作台为末端，如车床、钻床、铝床等；第二种是进结运动为单独动力源时，则以电动机为始端，末端仍为刀架或工作台，如铣床等。本设计的进给系统拟采用单独动力源，即单独采用电机来实现进给系统的运动。进给系统的设计4.1机床的进给量的计算和基本参数选择 进给量主要受工艺系统(刀具、工件和机床等)削度和强度的限制此外，还受到加工表面质量、排屑效果和切削液的性质等因素的影响。目前，高速钢枪钻常取为0.010.032mm/r，直径大者取上限，硬质合金枪钻进给量可参考表选取。硬质合金枪钻切削用量我们这次毕业设计选用的枪钻钻头直径是10mm,材料为低合金钢，硬度为220400HB，走刀量为0.010.05mm/r，枪钻的钻速为12502800r/mim。通过计算机床的进给量为12.5140mm/min。4.1.2丝杠的选择枪钻机床的进给是通过丝杠由进给箱传递到刀架上的，因此丝杠的选择与机床的进给量也有很大的联系。在这次毕业设计中，我们采用的丝杠的基本数据如下：螺距 P=12mm， 牙型角 =30，大径 d=40mm, 线数 n=2丝杠的材料为：Y40Mn根据机床的进给量进行计算丝杠的转速为：n=1.182.6 r/min4.1.3电机的选择进给系统的功率损失主要为机床中心架和联结器等在导轨上运动克服摩擦做功，参照普通机床C6140的进给系统，我们拟采用的电机型号为D71，基本数据为：功率P=0.37KW，转速n=1400 r/min4.1.4机床的变速机构因为电机的转速太高了，不能满足机床进给系统对转速的需要，需要进行降速，以达到机床进给系统的要求。本设计拟采用蜗轮蜗杆机构和调速箱机构对转速进行调速来满足进给系统对转速的需要。4.2 蜗轮蜗杆的设计4.2.1 蜗轮蜗杆的选择蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动机构，两轴线交错的夹角可为任意值，常用的为90。这种传动由于具有下述特点股应用颇为广泛。1) 当使用单头蜗杆（相当于单线螺纹）时，蜗杆旋转一周，蜗轮只转过一个齿距因而能实现较大的传动比。在动力传动中，一般传动比 i=580，在分度机构或手动机构的传动中，传动比可达300；若只传递运动，传动比可达1000。由于传动比大，零件数目又少，因而结构很紧凑。2) 在蜗杆传动中，由于蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，它和蜗轮齿是逐渐进入啮合及逐渐退出啮合的，同时捏合的齿对又较多，故冲击载荷小，传动平稳，噪声低。3) 当蜗杆的螺旋升角小于啮合面的当量摩擦角时，蜗杆传动便具有自锁性。4) 蜗杆传动与螺旋齿轮传动相似，在啮合处有相对滑动。当滑动速度很大，工作条件不够良好时，会产生较严重的摩擦与磨损，从而引起过分发热，使润滑情况恶化。因此摩擦损失较大，效率低；当传动具有自锁性时，效率仅为0.4左右。同时由于摩擦与磨损严重，常需耗用有色金属制造蜗轮（或轮圈），以便与钢制蜗杆配对组成减磨性能良好的滑动摩擦副。蜗杆传动通常用于减速装置，但也有个别机器用作增速装置。根据蜗杆形状的不同，蜗杆传动可以分为圆柱蜗杆传动，环面蜗杆传动和锥面蜗杆传动等。其中圆柱蜗杆传动包括普通圆柱蜗杆传动和圆弧蜗杆传动两类。在普通圆柱蜗杆传动中又分为：阿基米德蜗杆（ZA蜗杆），法向直廓蜗杆（ZN蜗杆），渐开线蜗杆（ZI蜗杆），锥面包络圆柱蜗杆（ZK蜗杆）等。它们的主要特点和用途见下表。比较表中的几种蜗杆，结合各种情况。在本设计中，拟采用阿基米德蜗杆（ZA蜗杆）。4.2.2 蜗轮蜗杆的基本数据因电机的转速为1400 r/min,转速较高，用蜗轮蜗杆传动比较大，能实现大的变速。在本设计中结合调速箱考虑，初定蜗轮蜗杆的传动比i=50。查下表可得蜗杆的头数Z1和蜗轮齿数Z2。蜗杆头数Z1与蜗轮齿数Z2的推荐值因设计的初定蜗轮蜗杆的传动比为i=50,所以结合上表，蜗杆头数Z1=1，蜗轮齿数Z240。再根据下表确定蜗轮蜗杆的基本数据。普通圆柱蜗杆基本尺寸和参数及其与蜗轮参数的匹配考虑到箱体尺寸和布局，蜗轮蜗杆的中心距为a=50mm,根据上表查得，蜗轮蜗杆的基本数据为：中心距 a=50mm, 模数 m=1.6mm, 蜗杆头数 Z1=1, 直径系数q=12.50分度圆导程角 =43426 蜗轮齿数Z2=51 变位系数 X2=-0.5蜗杆传动的其他基本数据计算参照下表圆柱蜗扦传动基本几何尺寸关系式续表 蜗轮齿宽B、蜗轮顶圆de2及蜗杆齿宽b1的计算公式根据上表计算的蜗杆传动的基本数据如下： a=50mm z1=1 z2=51 =20 m=1.6 i=51 u=51 x2=-0.5 q=12.50 pa=5.024 pz=5.024 d1=20 da1=23.2 df1=16.16 c=0.32 ha1=1.6hf1=1.92 h1=3.42 b1=15 d2=81.6 d a2=83.2 df2=76.16 ha2=0.8 hf2=2.72 h2=0.8 rg2=8.4 b2= d1=18.4 d2=81.6 =43426 B=17 de2=86.24.2.3蜗轮蜗杆材料的选择 由蜗杆传动的失效形式可知对蜗杆相蜗轮的材料不仅要具有足够的强度，更重要的是应具有良好的跑合性、减摩性及耐磨性。蜗杆一般用碳钢或合金钢制成。高速重载蜗杆常用15Cr 20Cr20CrMnTi和20MnvB等，经渗碳淬火硬度达5863HRC;也可用40，45，40Cr,40CrNi和42SiMn等经表面淬火，硬度达4550HRC对于不太重要的传动及低速中载蜗杆，可采用40和45钢等，经调质硬度在220300HBS。常用的蜗轮材料为铸造锡青铜(ZCuSn10Pb1，ZCuM5n5Pb5Zn5)、铸造铝青铜(ZCuAl9Mn2,ZCuAl10Fe3)及铸铁(HT150，HT200)等。锡青铜耐磨性最好，但价格较高，一般用于滑动速度Vs3ms的重要传动：铝青铜有足够的强度，虽耐磨性较锡青铜差,但价格便宜，一般用于滑动速度Vs1，并且规定相对速度损失的最大值Amax不大于50%，则相应不大于2，所以。 为了简化机床设计和使用规定了几个标准值，这些数值是选取2或10的某次方根见下表。这些公比的特性如下。 标准公比 1)公比是2的某次方根其数列每隔若干项增加或缩小2倍，如，数列为10、l 25、16、20、25；、32、40等，每隔三项增大2倍。这样使厂采用双速电动机，因为双速电动机的两个转速比值是2，例如3000/1500或1500/750等，同时也便于记忆和写出等比数列。 2)公比是l0的某次方根，其数列每隔若干项增大或缩小10倍。这特性符合常用十进制习惯，如，数列为10、16、25、40、63、100、160、250、400、630等，每隔五项增大10倍使数列整齐好记。 当选定标准公比之后可以从参考书机械制造装备设计P73页表3-3标准数列中查出转速数列。表3-3适用于转速、双行程数和进给系列而且可以用于机床尺寸和功率参数等数列。 从使用性能考虑，选取公比最好小一些，以便减少相对速度损失，但小一些，级数z增多会使机床的结构复杂化。公比选取的一股原则如下：1.用于大批大量生产的自动化与半自动比机床，因为要求较高的生产率，相对转速损失要小，因此，要小些，选取1.12或126。2.大型机床加工大尺寸工件，机动时间长，选择合理的切削速度对提高生产率作用较大，应小些，取112、126。3.中型通用机床，万能性较大，因而要求转速级数z要多些，但结构又不能过于复杂，公比常选取126或1.41。4.小型机床切削加工时间常比辅助时间少，结构要求简单一些，机动时间短变速级数z也不多，公比常取158或178。根据以上叙述选=1.26。4.3.2确定结构式和绘制转速图1求级数z由等比级数规律可知 公式中变速范围； 公比。由前面=2.2，=1.26所以 因为5级传动在设计时比较复杂，所以在这次设计中采用Z=6。2确定结构式选择一个比较好的结构式，一般要遵照下列的原则：1）传动副的“前多后少”原则 传动副数较多的变速组安排在传动顺序前面，传动副数较少的变速组安排在后面。这是因为机床的电动机往往比主轴变速的大多数转速高，因此，变速系统以降速传动居多。传动系统中，若按传动顺序排列，在前面的各轴转速较高，依次类推。根据转矩公式 当传动功率p一定时转速n较高的铀所传递的转矩就较小，在其他条件相同时，传动件(如铀、齿轮)的尺寸就较小因此常把传动副数较多的变速组安排在前面高速轴上，这样可以节省材料，减少传动系统的转动惯量。以18级变速系统为例，应选择结构式18332。 2） 传动副的“前紧后松”原则变速组的扩大顺序应尽可能与传动顺序一致当时。要求 即在传动顺序中按基本组在前，然后依次排第一扩大组、第二扩大组第n扩大组，这称为“前紧后松”原则，这时各变速组的变速范围是逐步增大，在转速图上表现为传动顺序前面的变速组传动比连线分布紧密，而后面的变速组传动比连线分布疏松，这样可以使前面的各轴转速范围较小，相当于提高该轴的最低转速和降低它的最高转速，前者可以减少传动件尺寸，后者可以降低噪声和减少振动。 3）各变速组的变速范围不应超过最大的变速范围 在主传动系统的降速传动中，主动齿轮的最少齿数受到限制，为了避免被动齿轮的直径过大，建议降速传动比最小值为Umin14；对于升速传动比最大值，考虑到尽量减少振动和噪声，建议Umax2(斜齿传动Umax25)。这样主传动各变速组的变速范围限制在r8一l0之间。对于进给传动系统，由于传动件的转速较低，尺寸较小，变速范围可放宽到Umin=15Umax28，这样进给传动中各变速组的变速范围限制在r14之内。上述限制是建议限制范围，若条件许可，也允许超过上述范围，但可能会给结构设计带来困难。 机床的传动系统中，最后扩大组的变速范围必定最大，因此一般只要检查最后扩大组的变速范围不超过限制范围，则其余的变速组也不会超过。根据以上原则可得机床的结构式为3. 绘制转速图根据机床的结构式绘制转速图。如下图所示 4.3.3 确定各级传动副齿轮的齿数 1) 机床转速图确定后则各变速组的传动比也就确定了即可进一步确定各变速组中传动副的齿轮齿数、带轮的直径等，在确定齿数时要注意下列几点： 1)齿轮的齿数和；不能太大，以免齿轮尺寸过大而引起机床结构增大。一般推荐齿数和，常选用在100之内。 2）同一变速组中的各对齿轮，其中心距必须保持相等。在同一变速组内一般采用相同的模数，这是因为各齿轮副的速度变化不大，受力情况差别不大。也就是说在同一变速组中各对齿轮的齿数和相等。 3)最小齿轮的齿数应保证不产生根切。对于标准齿轮就最小齿数一般取。 4)应保证最小齿轮装到轴上或套简上具有足够的强度、图14所示为保证轮齿受力和热处理之后齿根部分不致于断裂齿根到孔壁或键槽的壁厚M应有足够的厚度，一般推荐值2mm为齿轮的模数)，由此可知，在确定最小齿轮的齿数时，要先估算传动轴的直径。 图14齿轮的齿厚 5)保证主轴的转速误差在规定范围之内。按照ISO2291973规定，机床主轴的实际转速或每分钟双行程数对于优先数列的理论值的相对误差，应在范围内。 对于变速组内齿轮的齿数，如传动比是标准公比的整数次方时，变速组内每对齿轮的齿数和、及小齿轮的齿数可从表4中选取。在表中，横坐标是齿数和；纵坐标是传动副的传动比u；表中所列的u值是传动副的被动齿轮的齿数；齿数和减去被动齿轮齿数就是主动齿轮齿数。表中所列的u值全大于1，即全是升速传动。对于降速传动副，可取其倒数查表，查出的齿数则是主动齿轮齿数。 本设计所选用的公比为标准公比，齿轮齿数可有表中查出。图13中的变速组a有三个传动副，其传动比分别是：。按u=3.16，2，2.51查表。在合适的齿数和Sz范围内，查出存在上述两个传动比的Sz分别有： =70，72，73，75，77，78，80，82，83，84，87，88 =64，66，67，69，72，75，78，81，84，86，87，89 =70，71，73，74，77，78，80，81，84，85，87，88根据前面的叙述，改变速组a的齿轮齿数和应相等，符合条件的有Sz=84，87。试取Sz=84。从表中可查出两个传动副的主动齿轮齿数分别为20和64。则可算出变速组a中的三个传动副的齿轮齿数为20/64，24/60，28/56。同样可查表得变速组b中的两个传动副的齿轮齿数为。为了使调速箱达到机床进给所达到的速度需增加一个定比传动齿轮对。齿数为25/47。箱体的运动结构简图如下：4.3.4 验算传动比 有前面的叙述可知实际传动比(齿轮齿数之比)与理论传动比(转速图上给定的传动比)之间的转速误差应在允许的范围之内.一般应满足 式中 主轴实际转速; n-主轴的标准转速; 公比. 所以;经验算所选齿轮转速误差在允许的范围内。所选齿轮符合要求。4.4 各轴及齿轮的计算转速的确定4.4.1 轴的计算转速 传动系统中的主轴和传动件的尺寸大小主要决定于它所传递的转矩大小，而转矩大小则和所传递的功率及转速两个因素有关。进给传动系统是在恒转矩条件(在各种转速下最大传动转矩相等)下工作的。因此，确定进给传动系统的计算转速，主要用以确定所需的功率。进给系统的计算转速可以按下列三种情况来确定。1)具有快速运动的进给系统传动件的计算转速应取最大快速运动时的转速(速度)。2)对于切削进给分力远大于移动部件摩擦力的中型机床，传动件的计算转速应取机床在最大切削抗力工作时所用的最大进给速度，一般为机床规格中规定的最大进给速度的1213。3)对于移动部件的摩擦力比切削进给分力大的大型机床和精密、高精度机床的进给传动系统，传动件的计算转速应取最大进给速度时的转速(速度)。结合我们毕业设计的机床的特点，进给系统的计算转速为最大运动的转速。所以各轴的计算转速为：轴的计算转速为27.5 r/min，轴的计算转速为14.6 r/min，轴的计算转速为7.5 r/min，轴的计算转速为3.75 r/min。4.4.2 齿轮的计算转速 根据设计机床的特点，各齿轮的计算转速应为传递最大功率最小齿轮的转速。所以个齿轮的计算转速为：轴轴之间Z=32齿轮在7. 5r/min时传递最大功率，是计算转速。 轴轴之间Z=28齿轮在14.6 r/min时传递最大功率，是计算功率。 轴轴之间Z=25齿轮在27.5 r/min时传递最大功率，是计算功率。4.5 传动零件的初步计算4.5.1传动轴直径初定 用公式计算轴的直径式中:d-传动轴的直径,mm; N-传动轴所传动的功率,KW; nj-传动轴的计算转速,r/min; .该轴允许的扭转角deg/m,取. 所以圆整得 =35mm 圆整得 =40mm圆整得 =45mm圆整得 =55mm4.5.2 齿轮模数计算和齿轮中心距的计算利用齿轮的弯曲强度公式计算 式中 -计算的齿轮模数； i-计算齿轮的传动比,为大齿轮齿数与小齿轮齿数之比，即i1；i后面的正号用于外啮合，负号用于内啮合。 电机的功率，kw； -齿宽系数，=B/m(B为齿宽;m为模数)一般取=610； -计算齿轮的齿数； -许用接触应力mpa，取=1100MPa； -齿轮的计算转速，r/min。圆整模数得：=4mm，=4mm，=4.5mm。各传动副间的中心距：轴I-II间齿轮的中心距为a1=（z1+z2）*m/2=72*4/2=144mm轴II-III间齿轮的中心距为a2=（z1+z2）*m/2=84*4/2=168mm轴III-IV间齿轮的中心距为a3=（z1+z2）*m/2=95*4.5/2=213.75mm5. 离合器的选择离合器的作用是使同轴线的两轴、或轴与该轴上的空套传动件，如齿轮、皮带轮等，根据工作需要随时接通或分离，以实现机床的启停、变速、换向及过载保护。离合器种类很多，按其结构、功用的不同可分为啮合式离合器，摩织式离合器，超越式离合器和安全离合器；按其操作方式的不同，又可分为操纵式(机械、气动、液压、电磁操纵式)和自动离合器。机床上常用离合器的结构和基本特点见表。（下略）大多数离合器已标准化、系列化，使用时可按需要选择合适的类型、型号和尺寸。5.1 啮合式离合器啮合式离合器由两