某机械油马达驱动铣削头设计方案.doc

中 文 摘 要 本次毕业设计的题目是旋风式外铣削头设计。设计的铣刀主要用于螺杆外螺纹的铣削。目前对螺杆常用的加工方法主要采用车削和磨削。车削加工精度差，磨削加工虽然加工精度较高，但对于大导程或长度较长的螺杆来说，由于磨削被加工面是砂轮旋转轴线相对螺杆轴线偏转相应的螺旋角，螺杆达到一定的长度，砂轮接杆就会碰到被加工工件。因此，螺杆的可加工长度受螺杆螺旋升角的限制，同样即使螺旋升角不大，当螺杆长度达到一定值时，对其的磨削加工也无法完成。显然，用传统的加工方法显然会比较困难。所以我们采用旋风铣削的加工方法。旋风铣削的加工方法则很好地解决了用传统加工方法难以加工的螺杆问题，它可以消除刀具切削对螺槽外形的影响，大大提高被加工螺杆的精度，并且加工效率高。随着旋风铣削机床在机械制造业中的成功应用和推广，德国Leistrite公司近年来又推出了高速硬体内螺纹旋风铣削机床，一改传统的加工原理，刀杆不用偏转，而是与螺母轴线平行，且使成形刀切削面与螺纹的法向截面重合，铣削出的螺纹滚道截型与成形刀具的截型一致。为了提高数控加工的效率，目前国外许多飞机厂和发动机厂已采用高速切削加工来制造航空零部件。我们所指高速加工是高速主轴、高速进给和先进的控制软件。目前，国外在高速切削加工方面除了进行工艺研究外，还着重开展了研制、发展和提供能够适应于高速切削加工用的高质量、高性能、高可靠性的加工设备和装置。与高速切削加工设备和装置相关的新技术包括：机床结构改进、主轴结构改进、坐标轴驱动技术、导轨设计、刀具材料研究、刀具夹持装置、冷却处理技术、精密位置测量技术、排屑技术以及能适应于高速切削加工设备控制的CNC控制系统及软件等。因此我们设计铣削刀具十分必要。关键词：旋风铣削、螺杆Abstract The Graduation is outside the cam tornado the shaping lathe design. This topic main processing object for plastic transportation screw rod. At present mainly uses the turning and the grinding to the screw rod commonly used processing method. The lathe work precision is bad, although the abrasive machining the working accuracy is high, but regarding led greatly or the length long screw rod, because the grinding by the machined surface was the grinding wheel centerline relative screw rod spool thread deflection corresponding angle of spiral, the screw rod will achieve certain length, the grinding wheel link will bump into is processed the work piece. Therefore, the screw rod may process the length the screw rod lead angle limit, even if similarly the lead angle is not big, when the screw rod length achieves certain value, is also unable to its abrasive machining to complete. Obviously, will be quite obviously difficult with the traditional processing method. Therefore we use the tornado milling the processing method. Outside the tornado the milling processing method well has solved the screw rod problem which processes with difficulty with the tradition processing method, it may eliminate the cutting tool cutting to the spiral flute contour influence, enhances greatly is processed screw rods precision, and the processing efficiency is high. Applies along with the tornado milling engine beds in machine-building industry success and promotes, German Leistrite Corporation has promoted in recent years the high speed hardware box thread tornado milling engine bed, as soon as changes traditional the processing principle, the cutter bar does not use the deflection, but with nut spool thread parallel, and causes the forming tool cutting face and the thread normal section superposition, the milling leaves the thread roller conveyer truncation is consistent with formed cutters truncation. In order to improve the efficiency of CNC machining,At present, many foreign aircraft engine factory plant and high-speed machining has been used to make aviation parts and components. Aluminum alloy parts, such as long, thin web parts, molds, titanium parts. We are referring to high-speed processing of high-speed spindle, high speed feed and advanced control software. At present, foreign high-speed machining in addition to the technology aspects of study, High-speed cutting and processing equipment and installations related to new technologies include: improvements in machine tool structures, spindle structure improvements axis drive technology, guide the design, tool material, tool clamping devices, cooling technology, precision position measurement technology, Chip technology and to adapt to high-speed cutting CNC-controlled processing equipment control system and software. Therefore, we designed milling cutter is necessary. Keywords：tornado milling、screw rod目 录中文摘要 Abstract 第一章 绪论 11.1 本课题分析 11.2 旋风铣削的原理 21.3 旋风铣削国内外状况 4第二章 油马达驱动铣削头总体设计 5 2.1 旋风铣工件成型原理 52.2 方案一 内旋风铣 62.3 方案二 外旋风铣 72.4 最终方案 8 第三章 设计与计算 83.1 结构设计 83.2 旋风铣削运动的矢量建模 163.3 液压系统的设计 20 结论 26致谢 27参考文献 28第一章 绪论1.1 本课题分析Moineau泵自1931年发明以来，广泛地应用于石油化工和机械工业等领域。螺杆钻具是一种依据Moineau泵反原理设计而成的容积式马达，结构简单，由旁通阀、动力节、万向节和支承节等部件组成，以高压钻井液或其它液体介质为动力直接驱动旋转。它是石油定向井、 水平井钻井工艺以及修井作业中最有效的井下动力工具。动力节是螺杆钻具的关键部件,其内的转子和定子是旋向相同、螺距相等而波瓣数差一的螺旋曲面。定子和转子螺旋曲面的成形精度,直接影响到螺杆钻具整机的能量转换效率。目前,螺杆钻具的整机效率为55 %左右。其主要原因是,螺杆钻具的定子和转子是一对沿半径方向螺旋升角变化的3维空间螺旋曲面，现有的4坐标控制3轴联动数控铣床只能加工出固定升角的螺旋曲面,无法满足变螺旋升角的螺杆转子及其定子压胶心轴的精确成形技术要求,这样就破坏了定子和转子的正常啮合条件,造成了机械效率的降低。由于在螺杆钻具转子的数控加工中，螺旋升角的变化不可忽视，因此应采用成形精度高的机床(例如5轴联CNC机床)来制造，以确保螺旋曲面的加工质量。本课题的设计的铣削头主要加工对象为输送螺杆，固态塑料原料进入螺杆螺槽(screw channel)内，由于螺杆高速旋转而与熔胶筒(barrel)产生剪切效应作用，使塑料原料混炼并沿着螺杆螺槽输送。螺杆是塑料机设备中最重要的零部件，它直接关系到塑料机塑化效果和产量。螺杆在料筒内旋转工作是在高温高压大扭拒下进行的，由于它要在转动中强力推动物料前移，同时，它本身还要承受强大的摩擦力和塑料分解腐蚀气体的侵蚀，因而螺杆的材料必须具有很高的力学强度、承受巨大的扭力矩和高温高压条件下不变形的性能。 传统螺纹加工主要在车床上进行，利用车床拖板和小拖板，采用双轴联动方法或靠模法,调整具的运动轨迹才能加工出成型面。刀具与工件的成运动轨迹决定了被加工零件的表面形状，在车螺纹中易出现啃刀、乱扣、螺距不正确、中径不正确螺纹表面粗糙等问题，这种传统加工螺纹方法的产质量和效率都很低。和传统铣削方法相比，高速切削加工中切削速度、进给速度要大得多，但是比传统的切削加工温升低、热变形小，可获得较高的金属切除率，很高的加工精度和良好的加工表面质量。旋风铣削螺纹实质上是用质合金刀齿对螺纹进行高速铣削,是一种较先进的工螺纹方法，具有刀具冷却好、生产效率高的优点但其精度不高,批量较大的生产采用此法一次完成牙深切削，可提高螺纹粗加工生产率。对于精度要不高的螺纹，可用此法一次完成切削加工。速度越快操作机床的难度越高，越容易撞刀，所以无法达到所需要的切削速度，对于材料硬度高、切削量大的螺杆的加工，显然，用传统的加工方法显然会比较困难。然而传统电机驱动外旋风铣削在高速加工中,铣削力及铣削中的震荡等问题将比较突出刀具设计不当将引发刀具过载、断裂等问题，故本课题采用油马达来驱动铣削头。因为用液压驱动马达作为动力有许多优点：1.可在运行过程中实现大范围的无级调速;2. 在同等输出功率下，液压传动装置体积小、重量轻、运动惯性小、反应速度快;3.由于传动液体是无间隙流动 ,所以运动平稳;4.与控制电路的配合便于实现自动工作循环和自动过载保护;5.由于一般采用油作为传动介质，对液压元件有润滑作用， 因此使用寿命较长;6.液压元件都是标准化、系列化产品，可从市场上购买,这有利于液压系统的设计、制造和推广应用;7.可采用大推力的液压缸或大转矩的液压马达带动负载省去中间减速装置，使传动简化，增加传动精度。在旋风铣削过程中,每齿的切削厚度都是由小变大，再由大变小。切出时切削厚度由大变小,切削最终表面时切削厚度很小，所以加工表面质量比普通车削和铣削质量高。此外，外旋风铣削的加工方法则很好地解决了用传统加工方法难以加工的螺杆问题，它可以消除刀具切削对螺槽外形的影响，大大提高被加工螺杆的精度，并且加工效率高。1.2 旋风铣削的原理随着高档数控机床与基础装备制造业的快速发展，对为之配套的滚珠丝杠提出了越来越高的要求，比如产品的高质量、短而快的交货期以及高品质的服务及优惠的价格等。高速旋风铣加工技术正是以它优质、高效、低耗、清洁、无污染的优势，成为切削加工的主流，具有强大的生命力和广阔的应用前景。其优点为：随着切削速度的提高，单位时间内材料切除率增加，切削加工时间减少，大幅度提高了加工效率，降低加工成本。在高速切削加工时，随着切削速度提高，切削力随之减少，有助于对刚性差的零件的切削加工。高速硬切削加工时，切屑以很高速度排出，带走大量的切削热，切削速度愈大，带走的热量愈多，通常在90%以上，传给工件的热量大幅度减少，有助于减少加工零件的内应力和热变形。旋风铣削加工原理如下图（1）所示，加工运动有：刀盘的高速旋转运动R；工件的进给旋转运动C；刀盘相对工件的轴向进给运动W；刀盘相对工件的径向切深运动X。调整参数有刀盘轴线工件轴线的夹角，偏心量H。加工螺纹时，刀盘高速旋转，转速高达8000r/min，切削速度高达400m/min，工件缓慢转动。根据螺纹螺旋参数，调整刀盘转角，同时使刀盘沿工件轴线移动。刀盘偏转角等于螺纹的螺旋角。工件转动速度与刀盘的移动速度有下列关系：v = ndcot （1-1） 式中 v为刀盘的移动速度，mm/min; n为工件的转动速度，r/min; d为螺纹中经，mm； 为螺纹的螺纹角，rad。 （1） （2） 图1-1 旋风铣削的铣削如图（2）所示，当铣削深度为p时，每齿切削量如图中阴影部分所示。切削沿工件外径尺寸为： （1-2） 式中d1为未切工件直径，mm； z 为刀盘上布置的刀齿数。 由图不难看出，在旋风铣削过程中，每齿的切削厚度都是由小变大，再由大变小。切出是切削厚度由大变小，切削最终表面时切削厚度很小，所以加工表面质量比普通铣削质量高。切入时切削厚度由小变大，因此这种铣削可重力切削。 图1-2为旋风铣加工原理简图： 图1-2 1.3 旋风铣削的国外内状况前几年，旋风硬铣加工设备国内不能生产，但国外进口设备价格昂贵，后期使用、维护费用高，使国内中、小企业望而却步。后来国内一些厂家利用现有的资源，以“旋”代“磨”，在普通机床上率先研制开发出旋风硬铣削机床，继而又生产出了数控螺纹旋风铣床，填补了国内的空白，为滚动功能部件的发展开辟了美好的前景，解决了国外进口高端设备价格昂贵、费用高的难题。本课题是依据国内现有的旋风铣削技术设计由油马达来驱动铣削头的数控铣床来加工螺杆类零件，而本课题中的加工零件为膨化挤出螺杆。图1-3为膨化挤出螺杆零件的立体图，其曲线设计通常要求保证螺杆具有良好的挤出特性 ,即具有压缩均匀、压缩比大、吃料情况好、送料均匀、出料口物料连续性好等特点，故该类零件要具有较高的加工精度、较高的表面耐磨性以及较高的强度和硬度要求。此外不同螺杆的螺旋曲线方程变化较大 ,因而加工过程相对复杂。 图1-3第二章 油马达驱动铣削头总体设计2.1 旋风铣工件成型原理膨化挤出螺杆的曲线设计通常要求保证螺杆具有良好的挤出特性 ,即具有压缩均匀、压缩比大、吃料情况好、送料均匀、出料口物料连续性好等特点。而随着对所加工的原料特性及加工工艺的深人认识 ,挤出螺杆的形式变得多种多样 ,出现了许多具有不同特性的挤出螺杆，譬如变螺距螺杆 、变底径螺杆等。螺杆挤出曲线一般根据实际的要求进行设计 ,通过建立相关的表达式来实现曲线的展开。但不同螺杆的螺旋曲线方程变化较大 ,因而加工过程相对复杂 ,采用普通加工方法非常困难。旋风铣削螺纹的实质是高速铣削螺纹,按工件与刀具相对位置可分为内旋风铣和外旋风铣两种。图2-1为描述旋风铣削运动过程的基本模型 ,旋风包络铣削螺杆技术是应用标准硬质合金机夹刀片的内铣装置 ,内铣刀盘上径向装有6把硬质合金刀具 ,分别等角度安装在刀杆槽中 ,刀尖圆弧迹线圆的直径大小可以根据工件直径大小调整刀杆上的调整螺钉来确定。旋风铣削铣刀的回转轴线与工件的回转轴线交叉角度为角(等于螺旋升角),偏心量为 e。其加工过程包括工件的旋转运动 ,工件的螺旋轴向进给运动和径向进给运动（也可刀具进给 ）,铣刀盘上刀刃的旋转主切削运动 ,刀具在主电机带动下 ,作旋转运动为主切削运动 ,工件的旋转运动C与刀具的径向运动X和轴向运动Y在数控系统的控制下同时联动 ,形成了螺杆空间包络旋风运动。循环以上过程便可加工出不同类型的复杂膨化挤出螺杆。 图2-1 旋风铣削法是一种高效、经济 、实用的加工技术 ,不仅对于变底径 、变导程螺杆工方便 ,而且可任意改变挤出螺杆的螺旋展开线方程 ,这种技术在加工时,不但刀刃 回转面与工件表面的接触线较长 ,切削平稳 ,减少加工时间 ,而且加工出的螺旋表面粗糙度值较低 ,是将内旋风式铣削的高效性和包络法的高柔性结合一体的数控加工技术。然而通常的旋风铣包括内旋风铣和外旋风铣削，下面对将要对这两种方案经行分析对比。2.2 方案一 内旋风铣 内旋风包络铣削是一种高效、经济、实用的螺杆加工方法,人们常利用旋风铣头中的成形刀具来加工三角及梯形螺纹。这种技术对截面廓形为凸形的复杂螺杆(简称凸螺杆)螺旋曲面进行数控铣削加工时 ,不但刀刃回转面与工件表面的接触线较长 ,切削平稳 ,加工时间较短 ,而且加工出的螺旋表面粗糙度值较低。螺纹旋风铣削是用安装在刀盘上的多把成形刀具，借助于刀盘旋转中心与工件中心的偏移量来构成渐进式的高速切削（下图2-2）。刀盘的旋转轴线相对于工件的轴线倾斜一个螺旋升角，加工时，工件以低速旋转，刀盘与工件同向高速旋转，工件每转360，刀盘纵向进给一个导程T，从而铣出螺纹。刀盘上有多把成形刀具，但只能依次由一把刀具参加切削。切削余量由每把刀具合理分配，切屑厚度的渐进式变化使切削力减小，而偏心量使尚未进入切削区的刀具有充分的散热时间，这就十分有助于延长刀具的使用寿命，提高加工表面质量。采用内旋风数控包络铣削技术加工凸螺杆,可大大提高凸螺杆的加工效率和加工精度。 图2-2 下图为内旋风铣削刀盘实物图：图2-32.3 第二种方案 外旋风铣外旋风铣与内旋风铣在原理上的最大不同之处在于待加工螺杆在铣刀盘的外侧而不是内侧。外旋风铣削是一种高效、经济、实用的螺杆加工方法 ,人们常利用旋风铣头中的成形刀具来加工三角及梯形螺纹。这种技术对截面廓形为凸形的复杂螺杆(简称凸螺杆)螺旋曲面进行数控铣削加工时，不但刀刃回转面与工件表面的接触线较长，切削平稳，加工时间较短，而且加工出的螺旋表面粗糙度值较低。图2-4为外旋风铣的原理图：图2-42.4 最终方案通过上述分析我们会发现这两种方案均有以下优点：随着切削速度的提高，单位时间内材料切除率增加，切削加工时间减少，大幅度提高了加工效率，降低加工成本。在高速切削加工时，随着切削速度提高，切削力随之减少，有助于对刚性差的零件的切削加工。高速硬切削加工时，切屑以很高速度排出，带走大量的切削热，切削速度愈大，带走的热量愈多，通常在90%以上，传给工件的热量大幅度减少，有助于减少加工零件的内应力和热变形。但是，先从结构看，内旋风铣削要比外旋风铣削来得紧凑，即设备占用空间比较小，因为工件时放在刀盘内部加工；再从原理上看，由于外旋风铣削在加工时每把刀与加工件表面的接触线比内旋风铣削的要短，所以外旋风铣削的刀具所受到的磨损较小，即刀具寿命较长；另外从数控加工工艺上看，外旋风铣削要比内旋风铣削在数控程序上来得简洁，并且切削的精度也相对较高。通过比较会发现，外旋风铣削要优于内旋风铣削，故本课题使用外旋风铣削。第三章 设计与计算3.1 结构设计一、动力源设计 为了克服以往电机驱动所带来的一系列缺点，本课题选用较为先进的液压方式，因为液压传动有以下优点：（1）可在运行过程中实现大范围的无级调速;（2） 在同等输出功率下 ,液压传动装置体积小、 重量轻、运动惯性小、 反应速度快;（3）由于传动液体是无间隙流动 ,所以运动平稳;（4）与控制电路的配合便于实现自动工作循环和自动过载保护;（5）由于一般采用油作为传动介质 ,对液压元件有润滑作用 ,因此使用寿命较长;（6） 液压元件都是标准化、 系列化产品 ,可从市场上购买 ,这有利于液压系统的设计、制造和推广应用;（7）可采用大推力的液压缸或大转矩的液压马达带动负载省去中间减速装置 ,使传动简化 ,增加传动精度。 本设计将选用钢球液压马达，该型马达有以下特点：（1） 该型马达的滚动体用一只钢球代替了一般内曲线液压马达所用的两只以上滚轮和横梁，因而结构简单、工作可靠、体积、重量显著减少。（2） 运动副惯量小，钢球结实可靠，故该型马达可以在较高转速和冲击负载下连续工作。（3） 摩擦副小，配油轴与转子内力平衡，活塞副具有静压平衡和良好润滑条件，并采用软性塑料球垫密封高压油，因而具有较高的机械和容积效率。（4） 因配油轴与定子刚性联接，故该型马达进出油管允许用钢管连接。（5） 该型马达具有二级和三级变排量，因而具有较大的调速范围。（6） 结构简单，拆修方便。（7） 该系列标准液压马达的输出轴一般只允许承受扭矩，不能承受径向和轴向外力，但*QJM*-*Z型液压马达的输出轴可承受径向和轴向外力。下面将要选定马达的额定转速：首先，代加工零件为膨化挤出类零件，此类零件的材料为合金钢38CrMoALA，其硬度和强度都比较高，加工难度比较大，通常选取切削速度为120m/min，刀尖距其回转中心的半径为180mm，再由公式 n=v/（） （2-1）（其中n为马达转速，v为切削速度，为刀尖回转直径）可得转速n=120/（3.14159*0.36)=106r/min。 其次，铣削头转速n为106r/min、工件转速为1r/min、旋切头圆周旋刀数z为6、工件螺纹大经d为71mm，由公式 （毫米） （2-2）可得每齿进给量=3.14*71*1/(106*6)=0.35mm 再次，旋刀刀尖旋转直径与螺纹直径比的选择：因加工类型为外螺纹加工，由公式 （2-3）得旋刀刀尖旋转直径也螺纹外径比i=360/71=5.07，通过查金属切削手册表3-27得与旋切螺纹经比有关的修正系数=0.1。 最后，通过旋风铣削的切削功率计算以及所需的设计要求来选择油马达。旋风切削的切削功率可按下式计算 （千瓦） （2- 4）其中p为工件螺距（毫米）；为每齿进给量；为切削速度；z为旋切头的刀数；为与旋刀磨损量有关的修正系数；为与旋切螺纹经比有关的修正系数。现取刀具后面磨损量VB是0.5毫米，通过查阅金属切削手册表3-26得=1.5,并且知道螺距p为96mm，则由公式可得功率=16.4kw。最后由马达的转速n=106r/min和最大输出功率16.4kw，根据QJM钢球液压马达技术手册得1QJM21-0.8型马达的转速范围为2-200r/min,额定输出扭矩为1913N.m,最大功率为20.0kw，其刚好能满足要求，故应选1QJM21-0.8型油马达作为动力输出装置。 下图为1QJM21型马达的三维图： 图3-1 二、刀盘设计 外旋风铣削的刀盘在结构与内旋风铣削有一定的相似性，最大的区别在于，前者的刀尖是指向刀盘的外经方向 。 图3-2分别是外旋风铣削刀盘的平面图和三维图： 图3-2 从图上可以看出，刀盘是由四个较大的螺钉固定在转动主轴上的，该刀盘可装载六把刀具，每把刀是由两个小螺钉固定在刀架的刀槽内的。三、主轴以及主轴座的设计 从上面油马达的三维图可以看出，1QJM21型马达的主轴端上有个花键孔，可见马达需要通过花键轴来传递扭矩，然而花键轴又如何与刀盘连接到一起呢？ 有两种方案可考虑，一个是花键轴直接与刀盘连接，只需要刀盘中心有可与花键轴配合的花键孔即可，另外一种方案是通过一个中间件将花键轴和刀盘连接在一起。 对于方案一，如果马达轴直接通过花键轴与刀盘连接，这样会产生诸多弊端。其一，单独的花键轴连接势必使刀盘上的刀具在加工工件时会给刀盘带来较大的震动；其二，由于花键轴与刀盘和马达的孔配合时会有较大的配合误差，会使刀盘产生一定量的端面误差，影响刀具的加工质量；其三，花键轴的两个轴端必须要安装两个轴承，而又没有专门的轴承来与花键配合。由此可见，方案一不可取，应将它排除。 对于方案二，如果要加个连接件，就必须合理地设计它的尺寸和结构。首先，花键轴不宜过长，这样是为了保证有一定的传动精度。那么该零件就要适当长一些，很自然，这个长的零件两端必须要装上轴承，以便保证刀盘的稳定运动。其次，由于外旋风铣的刀盘比较大以及与马达链接的花键轴也比较大，故该零件适合设计为空心结构，一方面节约了材料，减轻了装置的重量，另一方面也减小了主轴转动惯量。最后，为了使该零件能够承受一定的轴向力，故要选用角接触球轴承，而且在该零件的尾部再车上螺纹，用螺母来限制其轴向位移。 综上所述，方案二可行，根据以上分析可设计如下图的主轴零件： 图3-3 图3-3为主轴零件的平面图，图3-4为两个不同视角下的主轴三维图。 图3-4 下面的两个图分别是紧定螺母和花键轴的三维图： 图3-5 图3-6是安装在主轴上其中一个角接触球轴承的三维图： 图3-6 其次，要设计与主轴相装配的主轴箱：为了主轴箱内有适当的空间来容纳两个球轴承，箱体内部的中间部分设计成一个突台，其两边用来对两个轴承经行轴向定位。另外，在主轴箱装马达的一侧需要均匀的打出一圈内螺纹孔，用来安装法兰盘，然后再在法兰盘上打一圈螺纹孔，就可将马达安装在法兰盘上，马达与主轴健加上花键轴就可以完成对刀盘的驱动了。 下图分别是主轴箱的三维图、主轴箱的装配图以及该产品的实物照片： 图3-7 最后，将以上所有动力元件装配都装配在一起，就得到了完整的切削动力装置。该装置可以直接安装到机床的小托板上，通过数控装置分别对机床的小托板、中托板、大托板以及安装工件的主轴上的步进电机发出脉冲信号，可实现外旋风铣削在旋风铣削外螺纹时的自动加工。 下图是所设计的零件装配好的动力装置平面图： 图3-83.2 旋风铣削运动的矢量建模 如下图所示，旋风铣削铣刀的回转轴线与工件的回转轴线为空间位置关系，交叉角度为角(等于螺旋升角)。其加工过程包括工件的旋转运动 ,工件的螺旋轴向进给运动(也可刀具进给)，铣刀盘上刀刃的旋转运动。 图3-9旋风铣削的主要运动（1） 运动过程的矢量建模 下图为描述旋风铣削运动过程的基本矢量模型，这一模型以工件轴心为原点的坐标系x-y-z为绝对坐标系，以铣刀心的坐标系-w ,x-y-z， x-y-z为相对坐标系。铣刀轴心矢量C是描述运动过程中相对坐标系 x -y-z原点在绝对坐标系x-y-z中位置的矢量。刀具矢量T为描述运动过程中刀刃在相对坐标系-w中位置的矢量，最终描述运动过程的刀刃在绝对坐标系中的位置矢量P可由铣刀矢量C和刀具矢量T共同完成。 下图中工件旋转w(即铣刀相对转w)后，铣刀轴心矢量 C可由下式表达 （3-1） 若铣刀旋转F，则此时在相对坐标系-w中的刀具矢量 T为 （3-2） 其中，R(铣刀刀刃旋转半径)=r(工件半径)+e(偏心量)-h(牙深)，把此时相对坐标-w中的刀具矢量变换成相对坐标系x-y-z中的矢量，则需变换矩阵 （3-3） 其中为工件旋转w后到达B 点时 ,B 点相对刀盘水平轴线转动角度。可由正弦定理在OOB中求得=w-arcsin(e/Rsinw)把相对坐标系x-y-z中的矢量变换成相对坐标系x-y-z中的矢量，还需变换矩阵 （3-4） 图3-10基本矢量模型其中为刀盘与工件两轴心线夹角，大小等于被加工螺纹升角。由此可得到刀刃在绝对坐标系中的位置矢量P。 （3-5）式(5)即为旋风铣削运动的基本矢量模型。（2） 运动过程的矢量表达式 设为铣刀与工件的转速比，即 （3-6） 分别为铣刀与工件转速。 把式(1)、(2)、(3)、(4)、(6)代入(5)式可得到 （3-7） 其中 在旋风铣削运动中，分外螺纹和内螺纹加工两种情况见下图 ，式(7)为外螺纹铣削运动过程的基本矢量式，在内铣加工中，其中 （3-8） 其余同式(7)相同。因此把式(7)稍加变化可得到描述旋风铣削运动过程的统一矢量表达式 （3-9） 其中 由式(9)可知旋风铣削运动的统一矢量表达式是一个和铣刀与工件的转速比，工件半径、螺纹牙深、偏心量、螺旋升角等参数密切相关的多元函数表达式。 矢量表达式(9)是在假设只有一个刀刃(即铣刀盘只装一把刀)的情况下得到的，而实际的切削加工中有时有几把刀(设为z)，因此每把刀刃的刀具矢量 Ti=T1，T2 ，Ti，大小相等，方向各相差2/z ,即 （3-10） 图3-11旋风铣削加工的两种情况其中i=1,2,z 由此并考虑到实际切削时铣刀(或工件)的轴向进给运动，可得到装有多把铣刀的旋风铣削时描述各个刀刃运动的统一矢量表达式。 （3-11） 结论 1、旋风铣削是一个复杂的复合运动过程, 铣刀数，转速比，偏心量，刀刃旋转半径，工件半径等多个参数对它产生较大的影响。 2、铣刀数目越多，那么每齿切削厚度和进给量越小，则切削力越小，工件变形和系统振动小，加工精度提高。 3、对于较大径工件，转速比越大，则进给速度和每齿进给量越小，加工精度提高。 4、根据加工要求，合理选择各参数，可以最佳方式应用此法。3.3 液压系统的设计一、液压系统设计的基本原则根据国内外对于螺杆的需要，结合我国的具体使用要求。力求简单和适用，尽可能地利用最少的液压元件来实现加工螺杆所需的各种动作。这样，能够降低故障发生概率，提高设备利用率和加工的可靠性，降低工人劳动强度。二、主油路系统2.1调速方式、液压泵和电动机的选择2.1.1液压泵的选择1、 确定液压泵的最大工作压力 PpP1+P=25+0.5=25.5Mpa （3-12）式中P1-液压马达的最大工作压力P-管路简单，流速不大P=（0.20.5）Mpa；管路复杂，进油口有调速阀P P=（0.51.5）Mpa。2、确定液压泵的流量qvp qvpK（qvmax）=1.3x0.5x10-4m3/s=6.5x10-5m3/s （3-13）式中 K-系统漏油系数，一般取K=1.11.3；一般qvmax=0.5x10-4m3/s3、液压泵规格的选择 根据Pp=25.5 Mpa，qvp=6.5x10-5m3/s的值选用63SCY14-1B的手动变量柱塞泵。2.1.2 电动机的选择1、确定液压泵的驱动功率 P=Ppqvp/p =25.5x6.5x10-5/0.85=4.2KW （3-14） 式中 Pp-液压泵最大工作压力；qvp-液压泵的流量；p -液压泵的总效率（见表3-1）液压泵类型齿轮泵螺杆泵叶片泵柱塞泵总效率0.60.70650.800.600.750.800.85 表3-12、根据计算数据，选择电动机型号为：YB132M-4-B352.1.3 调速方式的选择液压系统的调速方式有无级调速和有级调速两大类。无级调速具有调速范围大，能适应不同钻进螺杆加工工艺的要求，但是，变量控制回路和液压泵驱动机构较复杂。旋风铣的液压站需要63SCY14-1B的手动变量柱塞泵1个和1台1QJM21-0.8B低速大扭矩液压马达组成恒功率调速系统，把有级变速和无级变速结合起来，拓宽了调速范围，而且在调速时不需要节流和溢流，能量利用比较合理，效率高。手动变量泵改变流量靠外力转动调节手轮，旋转调节螺杆，带动变量活塞沿轴向移动，同时带动变量头绕中心转动，改变倾斜角，达到变量目的，当达到所需流量时可使锁紧螺母紧固。其变量特性曲线和液压原理符号如图3-12所示：图3-12：变量泵特性曲线和液压原理符号2.2液压阀的选择为了满足设计的需要，效率高的需求，系统稳定的要求，减少液压系统的造价，提高性能价格比，我们选用了叠加阀。叠加阀具有结构紧凑，体积小，重量轻，安装方便，装配周期短，原件之间实现无管连接，消除了因有管、管接头等引起的泄漏，震动和噪声可根据工况需要增减原件，并且组装方便、迅速等优点。并采用集成块，显著减小了尺寸，重量。压力的损失就变小了，系统的稳定性高，使用安全可靠。2.3马达的选择工程机械多数要求转速低而转矩大，所以低速大扭矩液压马达的应用成为发展趋势，它与高速小扭矩马达加减速器的方式相比，优点在于减少了机械传动件，结构简单，布置维修方便，工作可靠，转矩大，而且低速稳定性好。目前，低速大扭矩液压马达的主要形式有多作用径向柱(球)塞式，双斜盘轴向柱塞式和摆线转子式等。凡是转速范围要求宽，径向尺寸小，轴向不受限制的场合，用双斜盘轴向柱塞式马达；当传递转矩大，低速稳定性要求高，采用内曲线多作用径向柱(球)塞马达。1QJM21-0.8型液压马达的配油轴是与后盖刚性连接的，转子体以配油轴作径向支承，以定子球形滚道和钢球作轴向支承，转子出轴是内花键，要求工作机构传动轴与他松动配合，这样转子体是浮动的，配油轴是刚性的，故允许用钢管连接进出油口。压力油经配油轴中通道（或变速阀）分配到个通道高压腔的配油窗口进入各活塞缸孔。活塞在压力油作用下，通过钢球以正压力N作用到定子上，定子以同值的反作用力N作用到钢球。N可分解为径向和切向2个分力，径向力为油压力所平衡，切向力F通过活塞作用于转子体。这样转子体在F力的推动下绕配油轴旋转，因同一瞬间有几只活塞处于压力油的作用下，所以能产生很大扭矩。当活塞随转子体旋转到定子曲面的顶点后，活塞在定子曲面的推动下向轴心回程，将活塞缸中工作油经配油轴窗口排回低压油道。如此往复即完成将压力能转换成机械能的任务，使液压马达不断旋转。改变两个通油口的油流方向，即可使反向旋转。改变进入液压马达的流量即可改变转速，实现无级变速目的。有级变量液压马达排量的变化，是由装置在液压马达配油轴中的变速阀位置的改变来实现的。变速阀的位置可以用手动机构或先导阀来控制。2.4换向阀的选择一般情况下，溢流阀按液压泵的最大流量选取，节流阀和调速阀应考虑最小稳定流量应满足执行机构最低温度速度的要求。在螺杆的加工过程中，系统的稳定是保证螺杆质量的重要保证。为了满足系统高压、大流量的要求，其中压力已降额使用为宜，可以选择电液动换向阀。电液换向阀是由电磁换向阀和液动换向阀组成而成，其中电磁换向阀的作用是改变控制油液的液流方向，从而控制液动换向阀的阀芯移动，实现主油路换向。液动换向阀是依靠压力油驱动，因此可通过的流量较大。在加工的过程中为了使系统保压和系统的平稳性，可选0型的电液换向阀。如图所示：图3-13旋风铣工作原理图1) YA1通电时 进油路：泵单向阀三位四通电液换向阀叠加式双向节流阀（左）马达。 回油路：马达叠加式双向节流阀（右）三位四通电液换向阀回油滤油器油箱。2) YA2通电时进油路：泵单向阀三位四通电液换向阀叠加式双向节流阀（右）马达。 回油路：马达叠加式双向节流阀（左）三位四通电液换向阀回油滤油器油箱。 三、溢流阀的作用 1）起安全阀作用（防止液压系统过载）溢流阀起安全阀作用时，是为了限制液压系统的最高压力，以保证系统的安全。在系统正常工作情况下，阀关闭不溢流，系统的工作压力决定于外载荷。当系统压力达到阀的调定压力时，阀开启溢流，此时系统压力就决定于溢流阀的调定压力。 2）起溢流阀作用（维持液压系统压力恒定）在节流调速系统中，溢流阀在正常工作时为常开，通过溢流将多余油液排回油箱而维持液压系统压力基本恒定。 3）使液压系统卸荷 先导式溢流阀的远程控制口通油箱，就可以利用溢流阀使系统卸荷。DBW型先导式电磁溢流阀利用本身的电磁换向阀就可实现系统卸荷，而其他的先导式溢流阀要实现系统卸荷，就要在远程控制口上添加换向阀。 4）远程调压 在先导式溢流阀的远程控制口上接远程调压阀，能实现远程调压。 此外，溢流阀还可做背压阀使用，能使系统工作平稳；溢流阀与换向阀配合，可实现系统的多级压力控制；在制动回路中，用溢流阀可实现制动作用；在液压试验台系统中，溢流阀可用作加载阀等。在本次课题的设计中，系统的稳定性是十分重要的指标，在进油路上装溢流阀的目的在于起到系统的安全保护，并且溢流阀有稳压的作用。下图为其符号：图3-14溢流阀的符号下图是液压站装配好的三维造型图，其中包括电机、柱塞泵、油马达、滤油器、液压模块以及油箱等：旋风铣削系统是加工螺杆的重要组成部分，直接影铣削效率、质量。进给回路一般有节流进给，压力平衡进给和调压进给3种方式。调压进给回路能够调节钻头的压力，但在减压铣削进时，系统损失较大，且不能