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外语文献翻译 系 别 机电工程系 专 业 机械设计制造及其自动化 he is or to It in so on 1 对金属基复合材料的高速车削实验 L. a, L. a . b ,* a. C. 24b. 997; 12 998) 摘 要 在机加工操作中，由机械特性增加了的金属基复合材料（ 成的硬磨料陶瓷元件，会引起快速磨损和刀具过早失效。本文的目的就是将高前角的硬质合金刀具和有金刚石涂层的硬质合金刀具，在对 l 6061 金属基复合材料（ 速加工时的特性，进行比较。关于刀具磨损和表面光洁度对切削参数的影响，尤其是切削进给量和切削速度，进 行了研究。另外，涂层的高耐磨性，会使刀具寿命和切削成形机理得到提高。（ 1998 年，由 学有限公司出版并保留所有权利。） 关键词：金属基复合材料（ 高速切削；刀具磨损 简介 使用复合材料的益处以及越来越多采用它们的原因是寻找，具有获取很多增益优势的，特性组合体。其中包括：增加强度，减少重量，更高的服务温度，耐磨性的提高及较高的弹性模量。 复合材料的主要优势：在于它们的机械性能和物理性能可以根据特定的设计标准进行调整。 近年来，一种被称为新一代金属基复合材料（ 1,2 的材料已被 开发出来，用以满足高强度和高韧性材料的需求，且能在恶劣的条件下有效地工作。 这些材料的发展，始于 20 世纪 60 年代硼、石墨和芳族聚酰胺纤维复合材料的引入。对在金属基复合材料的研究中，也引出了一些硼 /铝复合材料的零部件。 2 然而， 20 世纪 70 年代早期随着聚合物基复合材料逐渐占据主导地位，有关金属基复合材料的收益便减少了。到上世纪 80 年代末，新的纤维增强材料的引进，再一次促进了金属基复合材料的发展。 这些材料通常是由一种，可由任何合适的金属（铝，镁，钛的形成和一些高温合金应用最多）组成的，基质形成；且由构成陶瓷材料的 连续或非连续的纤维、晶须或颗粒组成的 增强的。 这些先进的复合材料被认为是用于高温应用的良好选择。大多数的金属基复合材料含有约三分之一的钢，它们的比强度和刚度相当高 3。因为具有重量可减少量高达 25%的潜力，所以这些属性在汽车和航空航天方面的应用非常重要。此外，其高温强度保留率也是一个重要的特征，使它们适于用作汽车和飞机发动机的材料。 然而，在尝试对其进行切削时，这些吸引工程设计人员的金属基复合材料（ 性能，却由于它们的高脆硬性而呈现出一个巨大的挑战。 例如，由于高磨损率 4 常规方法如车削、钻、铣、锯等，对硬氧化铝颗粒的氧化铝铝合金 料加工是非常困难的。鉴于此，氧化铝被作为许多刀具的基础材料，也就不奇怪了。因此，使用这些传统的方法加工 ，往往涉及频繁及昂贵的刀具变化和因此而增多的刀补次数。所以，在车削、铣削和钻削 ，需要使用硬质合金、金刚石或硬质氮化物涂层刀具。即使加工次数往往是那些未增强的基体材料 8两到四倍，但由于刀具磨损的增加和脆性要求而需要良好的表面光洁度，就有必要减少进给速率了。 图一 粒分布平 行（ a）和（ b）垂直于挤压方向 表 1 6061 铝基表的化学成分 3 表 2 切削条件 如果这些材料有更广泛的用途，那么金属基复合材料的加工困难就必须最小化。因此，金属基复合材料的加工，目前被认为是制造科学迫切需要关注中最有意思的领域之一。由于复合材料是相对较新的材料，所以已经建立了综合切削数据库，并引起了人们的研究兴趣 5,6,8 在本文中的一些调查结果的概述，包括一个用传统的车削进行高速加工的10%颗粒的 6061 铝基复合材料。几何形状相同的硬质合金刀具和有金刚石涂层的硬质合金刀具被用于测试和测量刀具的磨损和表面光洁度，试验执行时，切削速度和进给速率都在一定范围内。 该芯片的扫描电镜观察，以及磨损结果的评估是在不同切削速度和进给量的切屑机理下形成的。 此前，作者已报道过 13（ N 涂层提高刀具寿命的调查结果。然而，这些结果表明：由于要实现刀具寿命上这点优势会耗费更多成本，所以在经济上涂层是不可行的。 实验装置 车削试验是在一台，坚固、有刚性、由特定的滚子轴承所组成的主轴及主轴转速可达 5000 转的，数控立式车床上进行的。其主轴由一台额定功率为 80 千瓦、峰值功率为 120 千瓦的直流电机连续提供动力。 商用的未涂层刀具和 刚石涂层硬质合金刀具是以三角可转位刀片的形式使用的，这些刀片典型的几何形状可用于铝合金的加工。聚晶金刚石刀具没有被测试，是因为与未涂层硬质合金刀具相比其成本高。一般情况下，刀具的前 4 角 ，倾角 。 对 10%颗粒的 6061 基合金进行连续切削测试，其组成见表 1。图 1 显示的是分布均匀的正在增强的 粒，平行、垂直于挤压方向。 经过初步试验，为 避免灾难性的失败，对切削条件进行了选择。选定的切削条件见表 2。总的来说，对于每一个工具都要进行 12 次的测试 加工完 150* 103 立方毫米的物体后，根据 94 55M 标准测得的残余磨损量 所检验的刀具磨损模式都是一致的。对硬质合金刀具切削刃的磨损区域的 描电镜观察）照片显示，图 2 中所示的后刀面磨损的模式是统一的。 表面粗糙度 用霍梅尔 式仪器在被加工表面测得的。测量是在四个围绕工件的空间位置间隔获得的中值及其分布。 用制备金相和使用二次电子显微镜检查（ 背散射电子（ 扫描电镜对切屑和刀具进行分析，有时也会用能谱半定量分析。 图二 扫描电镜对磨损未涂层硬质合金刀具切削刃区图片 ，结果与讨论 对使用未涂层刀具和金刚石涂层刀具所获得的每组 F 参数，使用多元 5 线性回归统计分析刀具磨损的 平均表面粗糙度 。独立的变量包括进给量、切削速度和它们所选定的第二阶项。该模型，解释了一部分总的变异，拟合了所观察到的反应的主要因素和第二项。就该模型的意义和参数进行方差分析检验；所得的模型变异的百分比大于 80%。 分析标准不允许我们排除一些变量的影 响，因为他们只是指出，这些与结果的联系性很强。应该强调的是，为了预测的目的，该模型的有效性不超过由测试的独立变量的组合定义相关的样本空间。注意，实验数据排除了刀具的持续时间与切削速度符合泰勒定律的特性的初步分析。统计分析表明，数据拟合了一个二阶多项式模型。 刀具的磨损 图 3 和图 4 所示的是未涂层刀具和金刚石涂层刀具的磨损特性。根据以下模型，主要影响因素有：进给量、方进、方进的切削速度以及切削速度的多次进给。 对无涂层的刀具，和 对金刚石涂层刀具。 图三 以未涂层硬 质合金刀具的切削速度和进给量为变量的后刀面磨损 计算模型，星号显示实验结果已对模型进行过计算。 6 使用的模型： 统计参数： 图四 以金刚石涂层硬质合金刀具的切削速度和进给量为变量的后刀面磨损 计算模型，星号显示实验结果已对模型进行过计算。 使用的模型： 统计参数： 事实上，可以观察到，对于一个给定的材料去除量，最小的后刀面磨损是由一个特定的组合切削速度低和相对高的进给量获得的。另一方面，低速进给和高切削速度的组合不可取 。从这两张图片的对比中可以看到，正如预期的那样，金刚石涂层工具显示了更高的耐磨性和最小的后刀面磨损是为了达到更高的切削进给和速度。图 5 所示的灰色部分，代表的参数的组合区域，仅可以安全的使用金刚石涂层刀具。 7 图五 灰色区域只能安全适用在金刚石涂层硬质合金刀具 涂层刀具更高的耐磨性是由于与硬质合金有关的高耐磨金刚石涂层。 表面光洁度 表面粗糙度 分析清楚地表明，粗糙度不依赖于位置角的 ，这是由于基体上均匀分布的 固所致。 通过将测量各加工实验得到的 与未涂层刀具进行 加工以获得平均值行统计分析，得到以下模型： 图 6 所示的是未涂层刀具的表面粗糙度特性。切削速度 此，起主导作用的是切削速度和进给量。 8 图六 以切削速度和进给量为变量的，未涂层硬质合金刀具的平均表面粗糙 m)的计算模型。星号显示实验结果已对模型进行过计算。 使用的模型： 统计参数： 然而，用金刚石涂层刀具所加工零件时并没有显示出切削参数与表面粗糙度之间的相关性。 切屑的形成 采用 理的刀具加工后，用扫描电镜观察切 屑和工件表面。 时，由切屑的图像分析可观察到，基体和增强颗粒发生了脱离。这一现象，独立于切削刀具的材料，随着切削速度的增加变得更为明显（图 7）。 进给率更大时，对切削速度的影响却不是很强。 时，对切 屑 的 下 表 面 进 行 扫 描 电 镜 观 察 。 却 注 意 到 当 、时，二者之间并无差异（图 8）。 9 图七 金刚石涂层刀具加工时，产生发的切屑下表面上颗粒清晰可见： 图八 金刚石涂层刀具加工时，产生的切屑下表面上，可以看到堆放的粒子： 切削速度为 630 米 /分钟时，已注意到一些零碎的平行流速度，随着切削速度和进给率的增加而变得更加明显。在最后的废料中，常可以在基体上观察到部分增强的颗粒。简单的解释可能是增强颗粒粘在了刀具前角和刻在切屑上的划痕，直到消失，至少部分地在切屑基体上远离刀具的前角。为了验证这一点，切屑的纵向部分被切断（图 9）。 10 图九 使用未涂层刀具加工产生的切屑的纵向断面（放大 50 倍）： 很明显（图 10）如 型所示，由其截面图像可观察到：增强粒子倾向于在基体沿剪切平面上下沉、堆集。有足够多的粒子堆积起 来以阻止另一粒子的下沉，最后一个则伸出了基体一部分。高速切削下产生的切屑，其效果更加明显。切削速度更高时产生的高温，使粒子更易于沿剪切面运输。此外，剪切面越来越不规则，下表面上可见的划痕和脊数变多。 图十 增强粒子沿剪切面的扩散模型 同样的特性是由切削速度增加而诱使的：剪切面之间的距离增大（如图11 13）。 11 图十一 时，金刚石涂层刀具加工时产生的切屑纵断面 （放大 50 倍） ； 能够清楚地观察到粒子的堆积 图十二 金刚石涂层刀 具切削时，切屑的上表面的剪切面： 图十三 未涂层刀具切削时，切屑的上表面的剪切面： 至于对涂层的影响，可以说，加工参数不变时，用金刚石涂层刀具产生的剪切平面之间的距离是高于使用硬质合金刀具的。当用硬质合金刀具加工时，切屑的下表面更均匀且规则。这可能是由于涂层 14摩擦系数低。 磨损的切削刀具 12 金刚石涂层的热导率约为的硬质合金的 10 20 倍（ 1000 2000 W / 100 W / 然而，测得沿生长方向的值却是垂直于生长方向值的两倍。这使得涂层和基板的借口处产生了 高温梯度以及切屑 16上较低的温度： 度增强值和软基之间有一个很大的区别，所以当硬质金刚石刀具的刃口切入硬质颗粒时，这些便开始移动；而参考 9 对 具的描述亦有同样的效果。所观察到的切屑形成机理并不是参考 13 中作者对于一个非常不同的（ N 涂层刀具的描述，但由于切屑的温度较低，在此处就需要更大的局部力来移动基体上的粒子。机加工完成后，可以在金刚石涂层刀具上观察到这些局部力和热负载的影响（图 14）。在刀具后刀面上的一个大的材料黏附区域（白色区域）很醒目；随着切削速度的增大，该区域便会延伸；随 着进给率的增加，黏附区域面积开始减小。很快，下方粘着带的深色线条会变得明显，且在刀具涂层被去除部位的平行于切削刃。涂层已消失的另一面，则可以在靠近切削刃的刀具前刀面看到。必须考虑到，金刚石涂层与基体之间的附着力仍然是关键的因素，特别是在硬质合金衬底17的情况下。 图十四 机加工完成后的金刚石涂层硬质合金刀具： 结语 可以从试验结果中得出以下结论： （ 1）在形成切屑的过程中，增强的粒子沿被分割成层的变形的，切屑的剪切面堆积。因为温度升高使氧化铝粒子的移动更自由，所以随着切削速度和进给量的 增加，这种现象更加明显。 （ 2）至于涂层对切屑形成的影响：较低的摩擦系数使得剪切面之间的距离变 13 大 ，切屑下表面变得更均匀、规则。 （ 3）局部应力和热负载的影响使得涂层，沿着切削刃的平行位置，被去除。 （ 4）后刀面磨损的统计模型显示：当切削速度高达一定值时，后刀面的磨损会随着进给率的增大而降低。正如在此所陈述的，刀具上的高耐磨金刚石涂层，极大地提高了耐磨性，使其成为加工耐磨材料时的优良选择。 （ 5）由于所展示的金刚石涂层硬质合金刀具的磨损有限，所以还需要更多的研究，以探讨其在更严酷情况下加工复合材料时的行为， 尤其在材料的去除量上。 致谢 在此，本文的作者们希望向，在准备这份手稿时为他们提供有见地的建议和意见的， 学的 授和都灵理工大学的 R. 授致谢。 参考文献 1D. 1987, 15, 662 7. 2 a 1991, 26, 1137 1156. 3 of 1996, 56(1/4), 743 748. 4 of 1990, 18 73 76. 5 O P. of l/1992, 33, 453 468. 6 D., of of 1992, 41(1), 63 66. 7 ., of : 7 10 14 1987, 8 S., A of of 1993,42(1), 95 98. 9 N. K., of of 1992, 41(1),55 58. 10 C., L S, l of 1993, 42(1), 107 109. 11 , , , . of F., A.( of 994 4 7 2, 1994:35 42. 12 ., ., . of of T. (29 1 1995:89 95. 13 ., ., . of of 01997, 1997. 14 . VD 1990. 15 W., R. D., to of of 1992, 41(1), 49 54. 16 in of 994;43/1. 17 in 1990, 193/194, 342 349. on L. . C. 24 997; 12 998)of in of is of in of 061 of in on of q 1998 of is to be in in of of in to a of ,2to a of of in 960of in 970s as of in 980s by a of of or or of of is of of is in of in up 5%. is an to a to of of MC as to . is of of or to be to to 29A (1998) 1501150913598/$ - 998 8)00105 +39+39to is by of be if to be is to be of to be ,8of of a 10% 061 T6 by a of of as as to be of at on a (l)N to to in on a a to is by a DC kW in a 20 VD in of of to A a x 918 of l 08 on in on a 10%061 T6 is to to . 12 50 3 103of to 94 55M A of of a is to of on L. et of 061 e n r i l% a) b) to g) 208r) 0.4 Y) 150 3 103of a)2(630, 800, 1000, 1260) m/f) (mm/on by a 1000 in at v 908 to EM tf a in of of by is 0%us to of It be of by of of of s to a of is to B 0:33 4:63 3 f 23 3 10 83 4:74 3 0:002 3 0:11 0:95 3 f 2:3 3 10 83 :82 3 0:0003 3 on L. et of of a 630 m/f mm/ of B(0:33 4:63 3 f 23 3 10 83 4:74 3 0:002 3 f . it be a is of of on of it be as a at a is be of is of to of on v, to of on of on L. et of B(0:11 0:95 3 f 2:3 3 10 83 :82 3 0:0003 3 f . 2, be in 0:36 0:0013 3 8:40 3 of is of no E SE of it be at f mm/a of )of is EM of at f mm/no t 630 m/t 1260 m/)a 30 m/as At a be A of be on on at in on L. et of am(0:36 0:0013 3 8:40 3 f . of (a) 630 m/f mm/(b) 260 m/f mm/of )it is to up in by 0)up to is in at at of of on is by an in 3)of it be is a on L. et of of be (a) 630 m/f mm/(b) 260 m/f mm/ 3 50) (a) 630 m/f mm/(b) 1000 m/f mm/0 of of a be by of of 020 of 0002000 W/mK 100 W/ is to at in is a so on L. et 1 of 3 50) at f mm/(a) 630 m/(b) 1000 m/(c)1260 m/of be 2 on of (a) 630 m/f mm/(b) 630 m/f mm/3 on of (a) 630 m/f mm/(b) 630 m/f CD is by l)N to in to of on 4). A on of an as a is to in in on to It to be in of a be 1) In up is as or to 2) As of on to be to be 3) of to be a to 4) of at up to as on of as 5) to by is in in in of to of R. in D. 1987, 15, 662 a 1991, 26, 1137 1996, 56(1/4), 743毕业设计 (论文 ) 导 师 : 李文燕 姓 名 : 汝 韬 班 级 :161003 学 号 :103352 题目 :专用镗床主轴箱设计 主要任务及目的 : 件直径 50 轴能够正反转，具备五级转 速，分别为 100、 160、 220、 300、 360r/ . 设计思路： 轮传动，蜗杆传动，齿轮 传动。 动机选择，轴的运 动参数计算，齿轮参数计算。 的尺寸参数确定。 传动方案的选择： 滑移齿轮是在轴上可以移动的，它所传递的扭距是传到轴上的，用滑键或花键连接，齿轮啮合实现变速。比如：汽车齿轮箱、机床的床头箱里面换挡的齿轮。 塔轮传动通常两个塔轮配套使用。动力和运动由主动轴输入，通过带和塔轮装置由从动轴输出。 传动方案的确定： 本篇论文设计的专用镗床的主轴箱需要五级转速，故采用滑移齿轮变速来进行主轴箱的设计。齿轮传动变速可靠，且自动化程度高于塔轮传动结构变速。 装配图俯视图： 装配图主视图： 装配图左视图： 谢 谢 毕业（设计）论文 题 目 专用镗床的主轴箱设计 系 别 机电工程系 专 业 机械设计制造及其自动化 I 毕业 设计论文 任务书 一、题目 ： 专用镗床主轴箱设计 二、指导思想和目的要求： 毕业设计是学生在校期间进行最后一次理论结合实际的较全面和基本的训练，是对几年来所学知识的系统运用和检验，也是走向工作岗位之前的最后一次的过渡性练兵。 通过这次毕业设计要求达到以下基本目的： 1）巩固 、加强、扩大和提高以往所学的有关基础理论和专业知识。 2）培养学生综合运用所学的知识以解决实际工程问题的独立工作能力，并初步掌握机械装备或部件设计的思想、设计程序、设计原则、步骤和方法。 3）培养学生使用有关设计规范、手册、参考文献以及分析计算、绘图和编写设计说明书等项能力的基本技能训练。 对本次毕业设计的基本要求是： 1）设计者应在规定时间内圆满完成要求的设计内容。设计成果包括：设计说明书一份（按规范格式，不少于 字），设计图纸一套（文本版 +电子版，不少于 2 张 励用三维软件建模和装配并生成二 维图纸）；另外还应翻译与课题有关的外文资料，译文字数不少于 5000 字。 2） 设计者必须充分重视和熟悉原始资料，明确设计任务，在学习和参考他人经验的基础上，发挥独立思考能力，创造性地完成设计任务；合理利用标准零件和标准部件，非标准件应满足工艺性好、操作方便、使用安全等要求，降低成本提高效益；绘制图纸应符合国家标准，各项技术要求和尺寸标注应符合规范，说明书论述要充分，层次清楚，文字简洁，计算步骤正确。 三、主要技术指标 设计一专用镗床的主传动装置及箱体。机床的工艺要求为： 1）工件材料为铸铁，零件孔直径为 50寸精度最高为 7级，可加 通孔、沉孔、倒角。表面粗糙度数值最小为 工零件图略）。要求主轴能正反转 。 2）机床技术参数：主轴具备 5级转速： 100、 160、 220、 300、 360r/m。 四、进度和要求： 1. 熟悉题目背景、查阅相关资料、复习有关知识；查找与课题相关的英文资料并翻译成中文；完成开题报告。 寒假 据给定的转速确定传动方案、绘制传动系统图 ； 第 1 行运动和动力参数计算，确定原动机型号； 第 3 择主轴轴承、计算主轴跨距、验算主轴刚度，绘制主轴部件装配图（鼓励用三维软件） ； 第 5 第 8 周 标准件 零件图（鼓励用三维软件）； 第 9 第 12备答辩。 第 14 周 五、主要参考书及参考资料 机械设计手册（重点是传动部分）、机床设计手册、机床图库、机械原理、机械设计、三维软件应用、机械制图、互换性技术、机械制造等，以及与题目背景相关的其他资料。 要 镗床是一种在工件上加工孔为主的机床，通常用于加工尺寸较大、精度要求较高的孔。本文主要针对卧式专用镗床的主轴 箱进行设计，以便达到提高生产效率，降低成本等功效。卧式镗床是应用最多、性能最广的一种镗床，适用于单件小批生产，而专用镗床更是针对特定的零件而进行设计的机床，它有利于减少成本、提高生产效率。 本文设计的专用镗床主轴箱一共拥有五级转速，采用滑移齿轮组实现变速。利用拨杆来推动滑移齿轮进行变速，从而使输入轴的转速能够进行合理变速满足输出轴要求的转速。本文主要进行了主轴箱的传动方案设计，其次进行了齿轮参数的计算以及轴类的参数设计。并完成装配图以清楚表示镗床主轴箱的参数以及零件布局。 此次所设计的简易镗床，具有 结构简单、变速可靠、生产效率高等优点，它适用于加工孔距误差较小的孔系。 关键词：镗床，五级变速滑移齿轮，主轴箱。 a in a on is in so as to is of as a is is a it to is a of to of so of be of a by of to of of it is in V 第一章 绪论 . 1 床概述 . 1 镗床的概念 . 1 镗削加工的特点 . 1 镗床的分类 . 2 轴箱的概念 . 2 用镗床 . 2 用镗床的概念 . 2 用机床的基本要求 . 3 第二章 镗床传动方案的确定 . 5 第三章 主传动系统的总体设计 . 7 动机的选择 . 7 械传动装置运动和动力参数的计算 . 10 各轴的转速、输入功率及扭矩 . 10 齿轮的设计 . 11 第四章 轴的设计 . 23 动轴的设计计算 . 23 轴的设计计算 . 27 连接的选择与计算 . 29 第五章 全文总结 . 31 致谢 . 32 毕业设计小结 . 33 附录 . 35 1 第一章 绪论 床概述 镗床的概念 镗床是用来加工尺寸较大、精度要求较高的孔的机床，特别适用于加工分布在零件不同位置上的相互位置精度要求较高的孔系，此外还可以从事与孔精加工有关的其他加工面的加工。使用不同的刀具和附件还可以进行钻削、铣削，并且镗床的加工精度和加工表面质量均高于钻床。镗床是大型箱体零件加工的主要设备。 由于制造武器的需要，在 15世纪就已经出现了水力驱动的炮筒镗床。 1769年 ，汽缸的加工精度就成了蒸汽机的关键问题。1774年英国人 年用于为瓦特蒸汽机加工汽缸体。1776年他又制造了一台较为精确的汽缸镗床。 1880年前后，在德国开始生产带前后立柱和工作台的卧式镗床。为适应特大、特重工件的加工， 20 世纪 30年代发展了落地镗床。随着铣削工作量的增加， 50年代出现了落地镗铣床。 20世纪初，由于钟表仪器制造业的发展，需要加工孔距误差较小的设备，在瑞士出现了坐标镗床。为了提高镗床的定位精度，已广泛采用光学读数头或数字显示装置。有些镗床还采用数字控制系统实现坐标定 位和加工过程自动化。 镗削加工的特点 1) 镗孔是对已铸、锻、钻的孔进行加工，以扩大孔径、提高精度、降低表面粗糙度以及孔位置的纠偏； 2) 镗削加工的主运动是镗刀的旋转涌动，进给运动可以是主轴的轴向或径向移动，也可以是工作台的纵向或横向移动。 3) 镗削刀具结构简单、种类多样，具有较好的通用性，但镗削加工（特别是单刃镗刀加工）生产效率较低； 2 4) 镗削加工主要适用于批量生产的零件加工及位置精度要求较高的孔的加工。 镗床的分类 镗床分为卧式镗床、落地镗铣床、金刚镗床和坐标镗床等类型。 1） 卧式镗床：应用最多、性能最广的一种镗床，适用 于单件小批生产和修理车间。 2） 落地镗床和落地镗铣床：特点是工件固定在落地平台上，适宜于加工尺寸和重量较大的工件 ,用于重型机械制造厂。 3） 金刚镗床 :使用金刚石或硬质合金刀具，以很小的进给量和很高的切削速度镗削精度较高、表面粗糙度较小的孔，主要用于大批量生产中。 4） 坐标镗床：具有精密的坐标定位装置，适于加工形状、尺寸和孔距精度要求都很高的孔，还可用以进行划线、坐标测量和刻度等工作，用于工具车间和中小批量生产中。 5） 其他类型的镗床还有立式转塔镗铣床、深孔镗床和汽车、拖拉机修理用镗床等。 本文中设计的镗床主轴箱为卧式镗床主 轴箱。 轴箱的概念 主轴箱是机床的重要的部件，是用于布置机床工作主轴及其传动零件和相应的附加机构的。主轴箱采用多级齿轮传动，通过一定的传动系统，经主轴箱内各个位置上的传动齿轮和传动轴，最后把运动传到主轴上，使主轴获得规定的转速和方向。主轴箱传动系统的设计，以及主轴箱各部件的加工工艺直接影响机床的性能。 用镗床 用镗床的概念 专用镗床是根据需要加工零件的特性进行设计的一类专用机床，主要用于对较复杂零件的批量生产。 3 用机床的基本要求 评论专用机床的性 能的优劣，主要是根据下述的技术、经济指标来判定，目的是希望设计（或者改进设计）和制造出质量好、效益好、重量轻、结构简单、使用方便的专机。 1） 工艺范围 机床的工艺范围是指机床适应不同生产要求的能力。对于专用机床只能完成一个或者几个工件的特定工序加工。一般来说，工艺范围窄，则专用机床结构简单，容易实现自动化，生产效率也高；工艺范围太宽，则会使专用机床的结构趋于复杂，不能充分发挥各部件的性能，甚至会影响专用机床的主要性能的提高、增加专用机床的成本。 2） 加工精度 专用机床应该保证被加工工件达到规定的精度（包括尺寸、形状 、位置精度和表面粗糙度等），并能在专用机床长期使用中保持其精度。 3） 生产率和自动化程度 生产率通常是指在单位时间所能加工出的工件数量。要提高专用机床的生产率，必须缩短单个工件加工过程的总时间，包括切削加工时间、装卸工件等辅助时间以及分摊到每个工件上的准备和终了时间。 为了提高劳动生产率、减轻工人的劳动强度以及更好的保证加工精度和精度的稳定性，各种专用机床应当尽量提高自动化程度。设计专用机床时应根据实际情况确定其自动化程度和实现自动化所采用的手段。 4） 可靠性 机床的可靠性是指机床整个使用寿命周期内完成规定功能的能 力。对于专用机床来说，它也是一项重要的技术经济指标。要求专用机床不轻易发生或尽可能少发生故障。所谓故障是指专用机床或其零件失去所规定功能的事件。从可靠性考虑，不仅要求专用机床在使用过程中不易发生故障，而且要求其发生故障后容易维修。 5） 操作方便、工作安全 操作系统要简便可靠，以减轻操作人员的劳动强度。要有各种保险装置以消除由于误操作而引起的危险，以避免人身及设备事故的发生。 6） 造型美观、减少污染 4 要求所设计的专用机床不仅使用性能好、尺寸小、价格低廉而且外形美观，富于时代特点，并且尽可能降低噪声，减轻对环境的污染。 上述各项基本要求之间既相互联系又相互制约，在设计时应加以综合考虑。 章的主要内容 本篇论文的主要内容是专用镗床的主轴箱设计，其中涉及了镗床传动方案的确定，主传动系统的总体设计以及轴的设计三部分。根据对于传动方案的确定，通过对电动机的选择，齿轮参数的计算，从动轴及主轴参数的计算从而确定主轴箱的设计。其中最重要的是对于传动方案的选择以及传动方案的设计。 5 第二章 镗床传动方案的确定 （ 1） 蜗杆传动： 蜗杆传动由蜗杆和蜗轮组成，一般蜗杆为主动件。蜗杆和螺纹一样有右旋和左旋之分。蜗 杆传动，分别称为右旋蜗杆和左旋蜗杆。蜗杆上只有一条螺旋线的称为单头蜗杆，即蜗杆转一周，涡轮转过一齿，若蜗杆上有两条螺旋线，就称为双头蜗杆，即蜗杆转一周，涡轮转过两个齿。 （ 2） 塔轮传动： 通常两个塔轮配套使用。动力和运动由主动轴输入，通过带和塔轮装置由从动轴输出。当带所处的主动轮和从动轮直径相等时，实现等速传动。改变带的位置，当带处于主动轮直径小于从动轮直径位置时，实现减速传动；处于主动轮直径大于从动轮直径位置时，实现增速传动。塔轮传动可用于需要有级变速而功率较小的地方。由于塔轮传动装置尺寸较大，虽然结构 简单，在机械传动中已很少采用。 （ 3） 齿轮传动： 齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动。按齿轮轴线的相对位置分平行轴圆柱齿轮传动、相交轴圆锥齿轮传动和交错轴螺旋齿轮传动。在所有的机械传动中，齿轮传动应用最广，可用来传递相对位置不远的两轴之间的运动和动力。齿轮传动的特点是：齿轮传动平稳，传动比精确，工作可靠、结构紧凑、效率高、寿命长，使用的功率、速度和尺寸范围大。例如传递功率可以从很小至几十万千瓦；速度最高可达 300m/s；齿轮直径可以从几毫米至二十多米。但是制造齿轮需要有专门的设备， 啮合传动会产生噪声。 根据毕业设计任务书要求的简易镗床主轴具备 5级转速，并且主轴能够正反转， 刀具随主轴上作旋转运动，转速分别为 分别为 100、 160、 220、 300、 360r/作台随丝杠上作直线进给运动。根据镗床的运动特点，刀具在切削加工过程中 6 需要多种转速（如镗孔、车削内外螺纹、攻丝、铣削端面或者平面等）。镗床最大的特色是设计考虑到设计的简易性、操作可行性，经过诸多方面的考虑，而采用 滑移齿轮 最适合。认为利用滑移齿轮结构能够简便的将电动机转速降为多种转速从而满足设计要求。 故本设计中的主运动为：电动机经过滑移齿轮进行传动，再通过主轴使刀具做旋转运动，以实现刀具的切削运动。 主轴箱转速图如图所示： 主轴箱内布局如图所示： 7 第三章 主传动系统的总体设计 电动机的选择 按工作要求，由于三相异步电动机构造简单，制造、使用和维护方便，运行可靠，重量较轻，成本较低，固选用 结构形式：基本安装 ，机座带底角，端盖无凸缘， 电动机输出功率按式（ 1）为 wP a (1) 由式（ 2） 9550550 (2) 因此 电动机的工作功率 W 工作机（主轴）所需功率 主轴的扭矩 n 主轴的转速 机械传动装置的总效率按式（ 3）为 = 7654321 （ 3） 机械传动装置 的总效率（由电动机至工作机的输入端） 8 式中 1 输入轴上轴承传动效率 2 第一级圆柱齿轮传动效率 3 第二级圆柱齿轮传动效率 4 中间轴上轴承传动效率 5 输出轴上轴承传动效率 查表得 1 =2 =4 = 则 = 2534634221 = 3642 根据实用机床设计手册可得公式（ 1），（ 2） （ 1） 切削力，单位为 N。 大加工直径，单位为 由毕业设计任务书可得 50因此 378 N T= （ 2） 切削力，单位为 N。 T主轴的扭矩，单位 由毕业设计任务书可得 S= 2/= 3) 3 7 8 则 5 0 3 6 3 由于主轴的工作转速为 100、 160、 220、 300、 360 次设计采用的是滑移齿轮传动机构。对于长期连续运转，载荷变化较小，且在常温下工作的电动机，选择电动机时，只需要使电动机的额定功率 于或略大于电动机所需要 9 的输出功率 动机便不会过热。 根据容量和转速以及前文转速图可以得出。，由机械设计课程设计查出有三种使用的电动机型号，因此有三种传动方案，如图表： 方案 电动机型号 额定功率 w 电动机转速 r/ 2 900 2 6 60 3 440 综合考虑电动机和传动装置的尺寸和齿轮传动比，可见第三方案比较适合。因此选定电动机型号为 2。 i 并分配传动比 由于该传动装置共有五级转速，分别为： 100、 160、 220、 300、 360 故传动比由 i =wm 式中 i 高速轴传动比 i 低速轴传动比 得出在五种转速时得到的不同传动比分别如下表： 100 r 160 r 220 r 300 r 360 r i 29 18 5 4 3 3 10 机械传动 装置运动和动力参数的计算 各轴的转速、输入功率及扭矩 该传动装置从电动机到工作机共有三轴，依次为 该传动装置共有五级转速，分别为： 100、 160、 220、 300、 360 当转速为 100 ： 1） 各轴的转速： 轴 I： m 轴 m 0 02 m 轴 m 055 0 023 2） 各轴的输入功率 轴 I： 轴 轴 3） 各轴的输入转矩 电动机的输出转矩 9550轴 I： 0 5 09 5 5 0 311131 轴 轴 固可得高速轴（输入轴）轴 I、中间轴轴 速轴（输出轴）轴 11 不同转速时各轴参数 100r/60r/20r/00r/60r/ I 转速 2900 r 2900 r 2900 r 2900 r 2900 r 轴 速 500 r 644 r 659 r 900 r r 轴 速 100 r 160 r 220 r 300 r 358 r 轴 I 输入功率 轴 入功率 轴 入功率 轴 I 转矩 13.6 13.6 13.6 13.6 13.6 轴 矩 41.8 轴 矩 齿轮的设计 由于本次设计需要进行 100、 160、 220、 300、 360 级转速的转换，并要求主轴能够正反转，固需要进行多组齿轮的设计。 00 的齿轮设计： 1）中 间轴与输出轴选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 （ 1）按简图所示的传动方案，选用直齿轮圆柱齿轮传动 （ 2）本次设计专用镗床需要一定精度，固选用 7级精度齿轮 （ 3）材料选择。由机械设计表 10择小齿轮材料为 40质），硬度为 280齿轮为 45钢（调质），硬度为 240者材料硬度差为 40 （ 4）选小齿轮齿数 221 z ，则大齿轮齿数 12 （ 5）按软齿而齿轮非对称安装，查机械设计表 10步设计齿轮主要尺寸 （ 1） 设计准则：先由齿面接触疲劳强度计算，再按齿根弯曲疲劳强度计算。两者比较校核。 （ 2）按齿面接触疲劳强度计算 由机械设计课本可得公式（ 1） 3 21 )(（ 1） 1)试选载荷系数 5.1u。 2)计算小齿轮传递的扭矩 T 451151 机械设计表 10d。 4)由机械设计表 10P 。 5)由机械设计图 10001 ；大齿轮的接触疲劳强度极限 502 。 6)由机械设计可得公式（ 2） 0（ 2） 式中 N应力循环次数； n齿轮的转速，单位为 r/ j为齿轮每转一圈时，同一齿面啮合的次数； 齿轮的工作寿命，单位为 h。 由式（ 2）计算应力循环次数 可得 101 102 5 2 53 0 082(12 9 0 06060 hn 2 13 7）由机械设计课本图 10算接触疲劳需用应力。 由机械设计课本得公式（ 3） （ 3） 式中 S疲劳强度安全系数； 命系数； 齿轮的疲劳极限。 取失效概率为 1%，安全系数 S=1 固 M P 1l i M P 2l i 1） 计算小齿轮分度圆直径入 H 中较小的值。 ( 43 211 2） 计算圆周速度 v。 t 1 3） 计算齿宽 b。 4）计算齿宽与齿高之比 模数： 0 计算载荷系数。 根据 ， 7级精度，由机械设计课本图 1014 15.11 K; 由机械设计课本表 10K 由机械设计课本表 10级精度、小齿轮相对支承非对称布置时， 由 78.9械设计课本图 10 固载荷系数 按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由机械设计课本可以得公式（ 4） 311 （ 4） 固 311 7） 计算模数 m。 按齿根弯曲强度设计 由机械设计课本可得公式（ 5） 3 211 )(2（ 5） 1）由机械设计课本图 10001 ；大齿轮的弯曲强度极限 802 ； 2）由机械设计课本图 10算弯曲疲劳许用应力 由机械设计课本可得公式（ 6） 15 （ 6） 取弯曲疲劳安全系数 S=式（ 6）得 M P 111 M P 222 4） 计算载荷系数 K。 取齿形系数。 由机械设 计课本表 10查取应力校正系数 由机械设计课本表 10计算大小齿轮的 加以比较 0 1 4 2 3 1 11 F Y 0 1 6 4 8 8 0 2 22 F Y 可得大齿轮的数值较大 由公式（ 5）可得 (2 3 2 43 211 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数 齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿 轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数 m=2接触强度算得分度圆直径 ，算出小齿轮齿数 16 大齿轮齿数： z 这样设计出的齿轮，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。 几何尺寸计算 0230111 4 821 7 4222 042 3 48602 21 06011 固取大齿轮 02 ，小齿轮 51 。 1）中间轴与输出轴选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 （ 1）按简图所示的传动方案，选用直齿轮圆柱齿轮传动 （ 2）本次设计专用镗床需要一定精度，固选用 7级精度齿轮 （ 3）材料选择。由机械设计表 10择小齿轮材料为 40质），硬度为 280齿轮为 45钢（调质），硬度为 240者材料硬度差为 40 （ 4）选小齿轮齿数 221 z ，则大齿轮齿数 1 1 （ 5）按软齿而齿轮非对称安装，查机械设计表 10步设计齿轮主要尺寸 （ 1） 设计准则：先由齿面接触疲劳强度计算，再按齿根弯曲疲劳强度计算。两者比较校核。 （ 2）按齿面接触疲劳强度计算 由机械设计 课本可得公式（ 1） 3 21 )(（ 1） 17 1)试选载荷系数 5.1522110 u。 2)计算小齿轮传递的扭矩 T 451151 机械设计 表 10d。 8)由机械设计表 10P 。 9)由机械设计图 10001 ；大齿轮的接触疲劳强度极限 502 。 10)由机 械设计可得公式（ 2） 0（ 2） 式中 N应力循环次数； n齿轮的转速，单位为 r/ j为齿轮每转
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