200米液压钻机变速箱的设计（含CAD图纸）
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摘要随着我国地质勘探、工程建设和农田水利等事业的发展，对各种钻探设备提出了更多的要求。钻机作为钻探设备的重要工具之一，在这些工程中起了举足轻重的作用。为了适应当前各种勘探工作和工程建设项目对浅孔钻机的要求，本设计任务在 TXU-150 型钻机的基础之上进行了一些改进，设计出了钻探深度为 200 米的液压钻机。设计中根据钻机使用的环境和场合，运用比较和参照的方法，借鉴同类型钻机的设计参数，通过比较分析，重点对变速箱重新进行设计计算。在此基础之上运用绿色设计的理念，对不影响钻机性能的环节进行了优化。最后，设计出的 200 米钻机理论上满足钻探深度为 200 米的设计要求，同时尽量节省了制造成本和生产时间。关键字 地质勘探 钻机 变速箱 Abstract With the high development of geology explore, engineering constructions, and farmland irrigation in our country ,various drilling equipments are put forward more requests.As one of the most important tools in explore manchines,drill machine having the prominent function in these engineering constructions.For adapting to various current explore works and engineering constructions,which gives drill manchines more new requests.This design mission started on the foundation of TXU-150 drill machine,and than carried on some improvements.As a result,a new liquid pressure drill manchine which can drill holes as deep as 200 metres was designed. According to the drill environment and situations of the machine usage,this design mission used of the comparison method, taked design parameter from the same kind type drill machines.Passed more analytical,I redesigned the gear-box of the 200-metre drill machine as my key work. At this foundation on make use of the principle of green design, to not affected the function of the machine,it carry on optimal design.At the end of the work,the designed machine satisfy to drill holes of depth as 200 meters in theorety.At the same time, it save the manufacturing costs and producing time as could as possible.Key words geology explore drill machine gear-box97目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 选题的意义11.2 钻机概述11.2.1 钻机的功用11.2.2 对钻机的要求11.2.3 钻机的组成21.2.4 钻机的分类和名称21.3 本设计主要内容4第2章 钻机的总体设计52.1 本设计钻机的应用场合52.2 设计方案的确定52.2.1 本设计钻机的特点52.2.2 总体设计方案的确定62.3 钻机的技术特性和要求6第3章 动力机的确定83.1 输出功率计算83.2 回转钻进及破碎岩石、土层所需功率83.3 给进油缸所需功率的计算103.3.1 给进油缸的基本参数103.3.2 油缸工作压力的计算103.3.3 油泵最大工作流量计算113.3.4 给进油缸功率计算113.3.5 油泵满负荷工作时所需要的功率113.4 动力机功率的确定12第4章 机械传动系统设计144.1 主要参数的选择144.1.1 回转器144.1.2 绞车144.1.3 变速箱144.2 机械传动系统初步计算144.2.1 立轴的转速144.2.2 绞车的缠绳速度16第5章 变速箱的设计与计算175.1 变速箱的结构特点及设计要求175.1.1 结构特点175.1.2 设计要求175.2 齿轮副的强度计算与校核185.2.1 变速箱内各齿轮主要参数确定185.2.2.主要齿轮副的强度设计计算与校核185.3 轴的强度计算与校核245.3.1 轴的强度计算255.3.2 轴的强度验算校核29第6章 回转器316.1 回转器的机构特点316.2 零部件的强度与寿命计算316.2.1 弧齿锥齿轮副的参数设计316.2.2 计算齿面接触疲劳强度32第7章 绞车367.1 绞车的结构特点367.2 主要参数的选择367.2.1 绞车性能参数367.2.2 绞车卷筒转速和提升速度计算377.3 绞车所需功率387.4 绞车齿轮副强度简单校核397.4.1 按接触疲劳强度校核397.4.2 按弯曲疲劳强度校核40第8章 液压系统的设计与计算428.1 液压卡盘的设计与计算428.2 给进油缸的设计458.2.1 钻杆摩擦力的计算458.2.2 油缸直径的计算45第9章 使用说明469.1 概述469.2 钻机分组情况469.3 结构特征与工作原理469.3.1钻机结构469.3.2 钻机的工作原理489.4 操作程序509.5 机器的保养与维护519.6 故障原因及排除方法539.7 钻机的安全注意事项54第10章 经济可行性分析5510.1 市场前景分析5510.2 经济效益分析56结论57致谢58参考文献59专题60附录169附录278附录389附录490附录591第1章 绪 论1.1 选题的意义本设计选择了200米钻机的变速箱设计，主要原因是当前我国地质勘探、工程建设和农田水利等事业正在逐渐完善，对各种钻探设备尤其是钻机提出了更多的要求。现在市场上流行的钻机中以钻探深度为百米左右的液压钻机为主，这些钻机在承担各种生产建设项目中起到了至关重要的作用。但是，我们通过调查和了解发现，随着生产建设项目的扩大，市场对上钻探深度为几百米的液压钻机的需求量正在逐步上涨，尤其是钻探深度为200左右的钻机，市场前景更加乐观。变速箱是钻机中最重要的部分之一，通过对钻机变速箱的设计改进，就解决了钻机设计制造中的关键环节。所以，选择200米液压钻机变速箱的设计不仅对钻机这个生产行业有着重要的经济意义，同时间接推动了我国国民经济的发展，意义十分重大。1.2 钻机概述1.2.1 钻机的功用 钻探是地质勘探工作的重要手段之一。钻机是实现该手段的主要设备。其基本功用是以机械动力带动钻头向地壳钻孔并采取岩矿心。钻机同时还是进行石油、天然气勘探及开采、水文水井钻探、工程地质钻探等工程的重要设备。1.2.2 对钻机的要求 钻机的技术性能要保证在施工中能满足合理的工艺要求，以最优规程，达到预计的质量要求；维护保养简单容易；安装拆卸搬迁方便；利于快速钻进；钻进辅助时间短；钻孔施工周期短；体力劳动强度低等。概括起来说，是钻机要为多、快、好、省地完成钻探生产任务创造有利条件。 根据钻机的基本功用，对钻机具体要求如下： 1.通过回转钻具等钻进方式将动力传给钻头，使钻头具有适合钻进规程需要的转速及调节范围，以便有效地破碎岩石； 2.能通过钻具向钻头传递足够的轴心压力，并有相当的调整范围，使钻头有效地切入或压碎岩石； 3.能调整和控制钻头给进速度，保证连续钻进； 4.能完成升降钻具的工作，并能随着钻具重量的变化而改变提升速度，以充分利用动力机的功率和缩短辅助时间； 5.能变换钻进角度和按一定技术经济指标旧响应深度的直径的钻孔，以满足钻孔设计的要求和提高钻进效率。1.2.3 钻机的组成 目前常用的钻机由如下各部分组成： 1.机械传动系统 将输入的动力变速并分配到回转、升降机构。对与液压钻机还要有驱动油泵，以使液压系统工作的装置。 2.液压传动系统 利用油泵输出的压力油驱动马达、油缸等液动机，以使立轴回转和控制给进机构、移动钻机、松紧卡盘等； 3.回转机构 回转钻具，以带动钻头破碎孔底岩石。 4.给进机构 调整破碎岩石所需要的轴心压力和控制给进速度。在出现孔内事故时，可以进行强力拔出。 5.升降机构 用于升降钻具（提取岩心和更换钻头）和进行起下套管等作业。 6.机架 支承上述各机构及系统，使之组装成一个整体，成为完整的机器。 1.2.4 钻机的分类和名称 随着钻探工程在国民经济各部门中的广泛应用，钻机类别和型号也在增多。为此将钻机实行科学分类和确定名称，对识别、评价和选择钻机是很有意义的。 1.分类 按用途分类 按用途不同，可将现行广泛使用的钻机分为三大类，即地质勘探用岩心钻机；石油钻探用钻机；专用钻机（水文水井钻机、物探钻机、工程钻机等）； 按钻机标准钻进孔深分类根据不同孔深范围，将各种不同钻进孔深的钻机分成三类或四类。按三类分见表11。 表11 (m）类别浅孔钻机中深孔钻机深孔钻机1030010300300800300800800120010002000按四类分类见表12。表12 （m）浅孔钻机次深孔钻机中深孔钻机深空钻机10150200400500800900以上按原来地质总局设备管理分类钻机可分为六类，即浅孔钻机、岩心钻机、石油钻机、水文水井钻机、汽车钻机和砂矿钻机；按装载方式分类可以分为滑橇式、卡车式、拖车式；按破碎岩石方式分类可分为回转式、冲击式和冲击回转式；按回转机构型式分类可分为立轴式、转盘式、动力头式；按进给机构分类可以分为手轮（把）式、油压式、螺旋差动式、长油缸式、油马达链轮式。2.名称钻机的名称是按照钻机综合特征及主要性能，以汉字拼音字母及数字编排成的代号来表示的。通常把这种代号称为型号，并以铭牌指示在钻机上。国产钻机名称一般有三部分组成：首部为用途类别和结构特征代号，用汉语拼音中的一个字母表示。如“X”是汉字“心”的拼音首字母，表示钻机用于岩心钻进。“U”是汉字“油”的首字母，表示给进机构类型属于油压式。中部为主要性能参数代号，用钻机标准钻进深度数字表示。如标准钻进深度为200米的钻机，中部代号为200。尾部为变型代号，可用汉语拼音字母中的一个字母或数字为代号。无尾部的是指首次产品。如是第二次修改后的产品，尾部代号为2。1.3 本设计主要内容1.设计题目：200米液压钻机变速箱的设计主要技术参数：见表11表11钻探深度200m立轴转速120、240、350、600r/min开孔直径89mm终孔直径60mm钻机角度0360第2章 钻机的总体设计2.1 本设计钻机的应用场合 200米型钻机主要用于钻探深度为200米的各种角度的放水孔、地质构造孔、灭火孔、抽放瓦斯孔及铁路、公路、桥梁、隧道、国防建设、工业民用建设、农田打井及地质勘探、工程爆破以及其它用途的各种工程孔。 该机可用于不同硬度的岩石中钻探任何角度的钻孔，而在煤层、软岩层、硬岩层中钻孔和农田打井时效率为最高。整个机组由两部分组成，即200米钻机、TBW150/3.0泥浆泵。钻机冲洗液为泥浆或清水。在地面钻探不需要使用钻塔，只要有一定高度的三角架可供提升使用就可以。 本200米钻机配备动力为电动或柴油机，适用于井上、井下或野外没有电源的场地作业。2.2 设计方案的确定2.2.1 本设计钻机的特点通过市场调研了解到，目前钻探工程对钻孔深度200米左右的钻机需求量日趋增加，而当前的200米钻机，存在着劳动强度大、适应性差等缺点。鉴于以上原因，我们决定改进200米钻机。经几次方案讨论决定，钻机应具有以下特点：1. 经济耐用可靠、质优价廉；2. 便于解体搬运；3. 体积小，重量轻；4. 操作简单，维修方便；5. 适用于42、50mm两种钻杆；6. 适用于合金钻头或金刚石钻头钻进；7. 钻进速度快，效率高；8. 动力为电机或柴油机。2.2.2 总体设计方案的确定经过调研和几次方案论证，考虑到现场特点，从实用角度出发，确定方案如下：1.考虑到井下、井上和野外作业，动力可选电机或柴油机；2.考虑到有软岩石、硬岩石的钻进，除了正常的钻进速度外，增加高速600r/min；3.钻机除配机动绞车外，增加了液压卡盘减轻劳动强度，节约时间，提高有效钻进速度；4.考虑到高转速时，绞车速度不能太快，所以增加了互锁装置，安全可靠；5.由于本机动力较大，动力由V型带传动到变速箱的传动轴上易使传动轴弯曲，所以增加了卸荷装置；6.采用二级回归式变速箱，减少变速箱体积，根据不同的地质条件，选用不同的钻进速度；7.在满足上述要求的同时，尽量结构简单，操作方便，适于整体或解体搬运。尽量做到标准化, 通用化，系列化。2.3 钻机的技术特性和要求考虑到钻机的实际工作情况，根据我国当前生产技术和工艺水平，本TXU200型钻机的技术特性为：1.钻进深度(使用42或50钻杆) 200m 2.钻孔直径 开孔直径 89m 终孔直径 60mm3.钻孔倾斜角度 03604.立轴转速 120、240、350、600r/mm5.立轴行程 500mm6.最大液压给进压力 4 MPa7.卡盘最大工作压力（弹簧常闭式液压卡盘） 6 MPa8.立轴内孔直径 52mm9.油缸最大起拔力 28.5KN10.油缸最大给进力 20KN11.绞车提升速度 0.26、0.61、0.70m/s12.绞车转速 33、79、91r/min13.绞车提升负荷0.70m/s 3.35KN0.61m/s 6.00KN0.26m/s 12KN14.卷筒直径 140mm宽度 100m钢丝绳直径 8.8mm容绳长度 32.8m15.配备动力 电动机 型号 YB160L4电压 380/660V功率 15KW转速 1460r/min第3章 动力机的确定3.1 输出功率计算根据现场需要，动力机的选择偏大些，加大储备系数，这样可以提高钻进效率。 输出功率为 （31）式中： 钻机所需功率(KW)式中: 回转钻及破坏岩石、土层所需功率(KW) 效率 =0.9 油泵所需功率(KW)3.2 回转钻进及破碎岩石、土层所需功率回转钻进及破碎岩石、土层所需功率计算公式如下：= （32）式中: 井底破碎岩石、土层所需功率(KW) =式中: m钻头切削刃数 取m=6 n立轴转速（r/min） r/min h钻进速度(cm/min) 当转速130r/min、250r/min时,h=5cm/min 当转速350r/min、600r/min时,h=1.5cm/min 岩石抗压强度,其值见表3-1井底环状面积，取钻头直径D=7.7cm,内孔直径 d=5.9cmcm2 钻头与孔底摩擦所需功率(KW) （33）式中: 孔底压力或岩石抗压强度； 钻具与岩石直接的摩擦系数 f=0.5 e侧摩擦系数 e=1.1 立轴转速(r/min) R钻头外圆半径(cm) R=3.85cm r钻头内孔半径(cm) r=2.95cm将立轴不同转速和不同孔底压力代入式（33）中,所得相应数值见表31。 回转钻杆所需功率(KW)当200r/min时 式中：孔深(mm) ， 硬质合金钻进时，取200000mm 金刚石钻进时，取75000mm 钻杆直径(mm) 取=50mm 立轴转速(r/min) 冲洗液比重, =1.15将上述参数及立轴不同转速代入上式，所得值列表32中。3.3 给进油缸所需功率的计算3.3.1 给进油缸的基本参数1. 给进油缸的基本参数 给进油缸的数量 2 油缸直径 55mm活塞杆直径 30mm活塞杆有效行程 500mm油缸面积 23.75cm2活塞杆面积 7cm2 有效面积 16.76cm23.3.2 油缸工作压力的计算钻机大水平孔时，油缸的最大推力为：式中：油缸最大推力(N) 孔底最大压力(N) C13345N 钻杆与孔壁间的摩擦力(N)式中：钻杆单位长度重量(N/m) 55.46N/m 钻杆长度(m) 200m 摩擦系数 0.35N故 N油泵的工作压力MPa3.3.3 油泵最大工作流量计算油缸回程时的最大容油量:L油缸送进时的最大容油量:L 当选用立轴的钻进速度=0.05m/min=0.5dm/min时,立轴送进时每分钟所需的油量为:L/min令活塞回程时间为0.3min,则回程所需油量为:L/min3.3.4 给进油缸功率计算根据以上的计算，可以得到给进油缸的功率：KW 3.3.5 油泵满负荷工作时所需要的功率根据上面的计算,选用YBC12/80型齿轮油泵(排油量12L/min,额定压力8MPa,最大压力12MPa)。油泵满负荷时所需功率是： (34)式中: 额定压力(N/cm2) =800N/cm2额定流量(L/min) =12L/min机械效率 =0.9容积效率 =0.71将上述参数代入式（34）中可以得到： 上式油泵排量在额定转速1460r/min时是12L,在995r/min时是8L。3.4 动力机功率的确定通过上述的计算说明，立轴钻进时给进所需功率很小，而且油泵满负荷工作时一般是立轴停止转动状态，液压卡盘松开时，必须停止钻进。所以参考表31，本机选用15电机或柴油机，基本能满足表31中粗线以上各种工作状态。 表31 各种类型岩层的抗压强度 （N/cm2）岩 石 名 称抗 压 强 度粘土、页岩、片状砂岩4000石灰岩、砂岩8000大理石、石灰岩10000坚硬的石灰岩、页岩12000黄铁况、磁铁矿14000煤2000 表32 电机功率选择计算功率N（KW） 转速r/min抗压强度(N/cm2)120240350600N120000.217680.258870.115320.1319540000.435370.517750.230640.2639180000.870751.035500.461280.52782100001.088441.294380.576600.65978120001.306131.553260.691920.79173140001.523821.812140.807240.92369N220000.461530.923071.346152.3076940000.923071.846152.692304.6153880001.846153.692305.384619.23076100002.307694.615386.7307611.5384120002.769235.538468.0769213.8461140003.230766.461539.4230716.1538N32.677.754.89.83N回转器(N1+N2+N3)20003.349228.931956.2614712.269640004.0284510.11397.7229514.709380005.3869112.477810.645919.5885100006.0661313.659712.107322.0282120006.74536414.8417213.5688524.46789140007.42459216.0236815.0303326.90754N油泵0.0280.0280.0280.028N(N油+N回）20003.3772278.9599546.28947512.2976540004.05645510.141917.7509514.737380005.4149112.5058210.673919.61659100006.09413713.6877712.1353822.05624120006.77336414.8697213.5968524.49589140007.45259216.0516815.0583326.93554=N/0.98.28065811.2687913.483813.6640=1.19.10872412.3956714.832115.0304第4章 机械传动系统设计4.1 主要参数的选择4.1.1 回转器立轴的转速，主要取决于地质条件、钻头直径及钻进方式，当使用直径为75mm钻头时，采用硬质合金和钻粒，根据国内外的经验，立轴转速取n90400r/min比较适宜；采用金刚石钻头钻进时，立轴转速取n4001000r/min比较适宜。本机选用120600r/min，即适合合金钻头钻进，由适合金刚石钻头钻进。4.1.2 绞车为了减轻钻机重量，不使动力机过大，绞车的缠绳速度不宜过高，基本上采用低速，本机升降机速度为0.260.70m/s。卷筒缠绳速度为三种，见表41 表41 绞车卷筒缠绳速度档档档档立轴转速 r/min120240350600缠绳速度 m/s0.260.610.704.1.3 变速箱参考国内外现有小型钻机的转速系列，本机采用了不规则排列的中间转速系列。立轴有四种转速，120、240、350r/min转速适合合金钻头钻进，600r/min转速适合金刚石钻头钻进。4.2 机械传动系统初步计算4.2.1 立轴的转速根据机械传动路线，立轴的转速计算如下：式中:立轴的第一档转速(r/min) 电机转速(r/min) n=1460r/min 主动皮带轮直径(mm) D1=160mm 大皮带轮直径(mm) D2=355mm Z1Z11传动链中各齿轮的齿数,Z1=25,Z2=31,Z3=19,Z4=40Z10=20,Z11=39故 r/min第二档、第三档和第四档转速分别计算如下：第二档： =式中:Z5=28,Z6=31故 =r/min第三档： =式中: Z4内=24故 =351.5350r/min第四档： =式中: Z7=46,Z8=21,Z6内=21故 =考虑到皮带传动、齿轮传动、轴承等的效率，所以各档转速确定为120、240、350、600r/min。4.2.2 绞车的缠绳速度第一档速度: m/s式中:mm式中:=140mm为卷筒直径,=8.8mm为钢丝绳直径。故 =0.28同样方法可以得到:m/s m/s (计算从略)考虑到皮带、轴承、齿轮等的效率，确定绞车提升速度分别为：0.26ms =0.61m/s =0.70m/s。第5章 变速箱的设计与计算5.1 变速箱的结构特点及设计要求5.1.1 结构特点 变速箱的结构有变速部分、分动部分、操纵部分和箱体组成。本设计中变速部分和分动部分合为一整体，缩小了箱体的结构尺寸。其具体特点是： 1.采用了回归式的传动形式，箱体呈扁平状，有利于降低钻机的高度，齿轮Z4即使移动齿轮又是结合子，因此结构紧凑； 2.变速、分动相结合，减少了零件的数目，有效利用变速箱内的空间； 3.操纵机构采用了齿轮齿条拨叉机构，操纵灵活可靠，每个移动齿轮单独控制，并有互锁装置，这种互锁装置安全可靠，结构简单； 4.增加了卸荷装置，减少了齿轮的受力。5.1.2 设计要求 1.在校核零件强度时，假设电机的功率全部输入变速箱，然后再输入绞车和回转器； 2.变速箱在不更换齿轮的情况下，可连续工作10000小时，纯机动时间每班16小时，可连续工作20个月。 每种速度的工作时间分配情况见表61。表51 变速箱四种速度工作时间分配情况转速（r/min）占总工作时间百分率工作时间(h)12030%300024030%300035020%200060020%2000 3.本设计零件的强度和寿命计算方法和数据是按机械设计手册（化学工业出版社）计算的。5.2 齿轮副的强度计算与校核5.2.1 变速箱内各齿轮主要参数确定 根据立轴转速的要求，前面已经初步选择各齿轮的齿数，由钻机的实际情况，变速箱内各齿轮的主要设计参数见表62。表52 变速箱内齿轮的主要设计参数齿轮编号齿数Z模数m齿宽b变 位系数Xn材料硬度RC应力角备注Z1254401.040Cr405020Z2314300.7640Cr405020Z319430020CrMnTi576220Z440430040Cr405020Z528425040Cr405020Z631425040Cr405020Z7473.525-1.0340Cr405020Z8213.5350.0440Cr4050205.2.2.主要齿轮副的强度设计计算与校核 现选择变速箱中重要传动轴轴上的Z3、Z4齿轮副为例进行齿轮副的强度设计计算和校核。 1.按照齿面接触疲劳强度计算初步计算计算转矩Nmm 齿宽系数 查阅相关手册，取=0.4 接触疲劳极限 查阅相关手册，Z3、Z4两齿轮的接触疲劳极限分别为：=1080MPa =970MPa 初步计算的许用接触应力MPa =873MPa 值 查阅相关资料，取=88 初步计算小齿轮直径mm 取=73mm初步齿宽 mm 取=30mm 参数选取计算 圆周速度m/s 使用系数 查阅相关资料，取=1.25 动载系数 查阅相关资料，取=1.15 齿间载荷分配系数 由相关资料，先求小齿轮切向力N然后有 N/mm 100N/mm同时 查阅相关资料得， 故 =190.038+400.017=1.40从而可以得到重合度系数由此可得 齿向载荷分布系数查阅相关资料得到： =1.81 载荷系数 =1.251.151.161.81 =3.02载荷系数 查阅相关资料，取MPa1/2节点区域系数 查阅相关资料，取=2.5接触最小安全系数 查阅相关资料，取=1.05总工作时间 按照要求=10000h应力循环次数 查阅相关资料，估计107109 =3.18108 =1.51108接触寿命系数查阅相关资料，取， 许用接触应力MPaMPa校核验算 =1054.16MPa = =715.5MPa计算结果表明，接触疲劳强度合适。2.按照齿根弯曲疲劳强度验算参数选取计算重合度系数齿间载荷分配系数查阅相关资料，齿向载荷分布系数查阅相关资料，要得到的值先要求。=3.32从资料中可以查出，=1.43载荷系数 =1.251.151.231.43 =2.53齿形系数 查阅相关资料，取，应力修正系数 查阅相关资料，取，最小弯曲疲劳极限 查阅相关资料，取MPa，MPa弯曲最小安全系数 查阅相关资料，取 应力循环次数 查阅相关资料，取，弯曲寿命系数 查阅相关资料，取， 尺寸系数 查阅相关资料，取 许用弯曲应力=400.4MPa=357.2MPa校核验算 =298.74MPa=283.72MPa计算结果表明，弯曲疲劳强度合适。 由于传动中无严重过载，故不作静强度校核。5.3 轴的强度计算与校核 在变速箱中共有三根轴，其中轴相对尺寸直径小，长度大，所受到的力多。下面仅以该轴的强度寿命进行验算。 轴共有7种工作状态，向回转器传递4种状态的动力，驱动绞车的3种转速。相比而言回转器120r/min的转速时该轴受扭矩最大，受力最大。 已知条件：材料40Cr，调质处理。该轴的各档转速及其传递的功率、转矩见表53。表53 轴的各档转速及其传递的功率、转矩速度序号转速（r/min）传递功率(KW)传递转矩(Nm)252.0714.55513.4479.314.55270.0685.414.55188.801187.714.14105.7轴上各齿轮的分度圆直径为：mm,mm,mm,mm,mm 5.3.1 轴的强度计算1.在各种转速下齿轮所受力计算 齿轮圆周力，齿轮径向力 档转速下：N =6417.520=2335.78N 同样可以计算出齿轮在其他各档转速下的受力： 档转速下：N，N档转速下：N，N档转速下：N，N 2.计算轴受到的支承反力由于轴的转速处于最低时所受到的力和转矩最大，所以以第一档转速时的受力情况为条件进行计算。轴的长度较大，相对直径较小，尤其是Z4与Z3啮合处的花键轴，支承跨度大，容易产生弯曲变形，因此本次校核只在该花键轴上取截面，从而轴的受力可以简化。轴的受力简图如图51。图51 传动轴的受力简图如图51，将轴受到的力简化为水平方向和垂直方向受力，下面分别从这两个方向分别列出方程计算支承反力。水平方向受力代入数据计算：N N垂直方向受力代入数据计算：N N3.画轴的弯矩图轴的水平受力弯矩图和垂直受力弯矩图分别见图52和图53。图52 轴水平受力、弯矩图图53 轴垂直受力、弯矩图通过以上计算，轴的合成弯矩为：Nmm合成弯矩图见图54。图54 轴受到的合成弯矩图4.轴的当量转矩和当量弯矩钻机在运转时不可能完全均匀，且有扭转振动存在，故考虑到安全，常按脉动转矩计算。许用应力值轴的材料为40Cr，查阅相关资料，取许用应力值MPa同时取MPa。应力校正系数当量转矩计算如下：NmmNmm当量弯矩计算：选择在齿轮Z4中间截面处445665.33Nmm当量弯矩图如图65所示。图55 当量弯矩图5.3.2 轴的强度验算校核1.校核轴径Z4齿根圆直径计算：mm轴最小轴径计算：=mm故 ,满足要求。2.应力校核轴所受应力计算如下：式中：W轴的抗弯截面系数 花键轴的抗弯截面系数计算如下： （51）式中： 花键内径(mm) 取mm; 花键键宽(mm) 取mm 花键外径(mm) 取mm 花键的个数 取=8故代入（61）式后得： N所以，可以计算出轴所受应力：MPa显然，有,通过校核。第6章 回转器6.1 回转器的机构特点回转器的结构是由本体、立轴、立轴导管、弧齿锥齿轮等组成。立轴上端装有常闭式液压卡盘。其特点是：1、回转器尺寸小、紧凑。2、回转器适用于各种角度的孔的钻进。3、离开孔口采用开箱式，简单可靠，减轻钻机重量。4、立轴行程比过去小型钻机大，为500mm，缩短钻进辅助时间。6.2 零部件的强度与寿命计算6.2.1 弧齿锥齿轮副的参数设计锥齿轮传动的主要尺寸可用类比法或按传动方式来确定。对闭式传动可按齿面接触强度估算，对开式传动可按结构初步确定，也可按弯曲强度估算，并用计算载荷验算。设计中该传动采用垂直正交传动方式小弧锥齿大端直径的估算：齿轮齿数设计为Z10=20，Z11=39 齿面硬度Z10为HRC57，Z11为HRC52式中：设计齿轮的许用接触应力 式中：接触疲劳应力() 取1200安全系数 11.2 取1.1u传动比或齿数比 u=0.51所受转距(N/mm) 由前一章计算得K 使用系数 取K1.5故取 120 mm则有齿轮大端模数 /z=120/20=6 mm其他相关参数如表51，52所示表61名称小弧锥齿Z10大弧锥齿Z11分锥角27.1562.85齿宽系数0.30.3终点模数5.15.1中点法向模数4.1784.178齿宽中点螺旋角35356.2.2 计算齿面接触疲劳强度Z10与Z11的主要参数见表52。齿面硬度Z10为HRC52，Z11为HRC57，锥距R131.49mm,节锥角10=,11=。表6-2齿 号齿 数模数变位系数齿宽材料齿顶系数压力角螺旋角旋向精度Z102060.294020CrMnTi0.85右8DCZ113960.294020CrMnTi0.85左8DC齿轮在各种转速下传递的功率、转速及转矩见表63 表63功率 KW转速 r/min转矩 nm14.55252513.414.55479.3270.014.55685.4188.814.141187.7105.71.校核公式计算接触应力： (61)许用应力： （62）查阅相关资料,将校核所涉及的其它参数列于表64中。表64参数名称参数符号参数值节点区域系数2.22弹性系数189.8接触强度计算的重合度系数0.88接触强度计算的螺旋角系数0.91接触强度计算的锥齿轮系数0.85使用系数1.5动载系数1.03齿向载荷分布系数1.50齿向载荷分配系数1.4传动比1.95接触强度计算的有效齿宽34mm小齿轮分度圆直径120mm锥齿轮中点端面分度圆上名义切向力9610 N试验齿轮的接触疲劳极限1200接触疲劳的最小安全系数1.1润滑剂系数1.0速度系数 1.0，粗糙度系数0.95温度系数1.02.校核验算：将表64中的参数代入公式61、62中得：869.3MPa1036.36MPa显然16MPa时 PPPn125%Pn工作压力（Pa）D油缸内径(m) D0.17(m) 缸体材料许用拉压力式中：为材料抗拉强度S安全系数 S=3.55，取S=4故Pn=600104(Pa) PP=600104150%=900104（Pa） 取t=8mm,所以强度足够。8.2 给进油缸的设计给进油缸为双作用单活塞杆往复运动油缸，所起的作用是：1.完成钻孔过程中的给进运动；2.当卡钻及处理事故时，配合绞车起拔在钻杆。8.2.1 钻杆摩擦力的计算TXU200型钻机，打水平孔时，需克服200m钻杆的自重和孔壁的摩擦力，其力为：式中：q长度重量(N m); q=69.6N/mL钻杆长度(m) L=200m; 摩擦系数 =0.33在低速钻进时,当井底压力C=10000N时,则活塞杆所产生的推力必须大于+C,即4872+10000=14872N,活塞杆有效面积16.76cm2油泵工作压力为：8.2.2 油缸直径的计算根据所需油缸最大作用力以及液压系统的最大工作压力可求得油缸直径。式中：D油缸计算直径(cm) D5.8cm P油压系统的调整压力(N/cm2) P=600N/cm2； P2油缸最大起拔力(N) P2=32500N。 第9章 使用说明9.1 概述本200米钻机主要用于矿井内部，供钻探深度为200米的各种角度的放水孔、地质构造孔、灭火孔、抽放瓦斯孔及其他用途的各种工程孔，也可以在地面钻探深度为200米的地质勘探孔及其他用途的各种浅孔。本钻机可在各种不同硬度的岩层中钻探任意角度的孔，尤其在煤层、软岩石及中硬岩石中钻孔效率为最高。整个机组由200米钻机及泥浆泵两部分组成。在矿井内部钻探时不需要井架。钻孔冲洗液为泥浆、清水或煤水。在地面钻探时也不需要使用钻塔,只要有一定高度的三角架可供提升使用就可以。9.2 钻机分组情况本200米钻机共分六组，整机外观总装图附录3。1回转器（JW01）：是钻机立轴产生回转及往复运动部分。2变速箱（JW02）：是钻机立轴、绞车产生各种不同转数的传动与变速部分。3绞车（JW03）：是升降钻具的部分。4抱闸（JW04）：是用来提升与停止钻具在任何位置的部分。5机架（JW05）：是连接机器各组的机体，并将机器稳定地固定在钻场基台木上。6操纵仪（JW06）：是控制钻机液压系统的总枢钮。9.3 结构特征与工作原理本钻机型式为：机械传动、液压给进、弹簧夹紧、立轴式钻机。9.3.1钻机结构1.回转器（JW0105）回转器部分主要由液压卡盘、立轴、本体、立轴导管、大弧齿锥齿轮、两根油缸和两根导向杆组成。（1）液压卡盘主要由下列构件组成：五片碟形弹簧和位于其上的带外环、内锥的移动套；位于外环上的活塞；插入碟形弹簧和移动套内孔中的主轴；主轴中的三片卡瓦外锥与移动套内锥相配合，卡瓦置于主轴上部的三个等分的槽中。下部由两轴承支持。卡盘的外壳，即缸体和压头座，由螺栓联接在一起。卡盘的主要动作是高压油从上部进入缸体推动活塞下移压移动套，移动套压碟形弹簧，由于移动套下移，三片卡瓦在主轴槽内呈自由状态，被主轴内的涨环外推，松开钻杆。当释放油压时，在碟形弹簧的弹力推动下，移动套上移，迫使卡瓦向中心移动，在压缩涨环的同时夹紧了钻杆。组装时碟形弹簧的预紧力为32KN。更换卡瓦时，先将上端螺钉取出，再取下压盖，防尘盖,垫及卡环，然后取出涨环，卡瓦，即更换新的卡瓦和涨环。（2）给进油缸主要有活塞杆、油缸上盖、下盖，用锁紧钢丝连接在一起。在更换弧齿锥齿轮时，为保证成对弧齿锥齿轮锥顶重合，需加垫调整间隙保证啮合。每次安装液压卡盘时立轴螺纹端部不许接触卡盘螺纹内端面，卡盘与立轴用圆螺母防止松动。2.变速箱（JW0109）如附录4。变速箱主要由四对直齿园柱齿轮及两根平行的花键轴构成。动力由电动机首先传到装在变速箱体的带有卸荷装置的大皮带轮上，然后经过不同的传动链，将动力传给小园弧锥齿轮Z10。主动齿轮52为轴齿轮，通过滚动轴承架于箱体内，轴齿轮44端面加工有不通孔，内装一对滚动轴承51构成支点，支撑花键轴50。花键轴50是通过滚动轴承12架于变速箱体内。花键轴50上装有齿轮6、49、46。在花键轴50上安装的齿轮49为移动齿轮，变速箱所产生的不同转速，就是改变移动齿轮49的位置来实现的。安装在花键轴50上的齿轮6也是移动齿轮，该齿轮将三种不同速度传给绞车。变速箱前部的T型槽是与回转器部分的连接盘连用的，连接盘上的T型螺钉可在T型槽内固定于任何位置，钻机给进角度的调整就是用T型槽来实现的。3绞车(JW0107)见附录5绞车为行星齿轮机构，绞车轴19固定在轴承座21及变速箱体的滚动轴承上，绞车轴的左端用键与传动齿轮8相连接。绞车轴中部带有齿轮。当变速箱中的齿轮6（附录4）将动力传给齿轮8时，绞车轴19就会同传动齿轮8一同旋转。当提升时，应将用闸带刹住，使固定在闸筒12上的两个行星齿轮16只能在行星齿轮轴30上自转而无公转。因而带动内齿圈15使卷筒17产生转动。当钻具提升到一定高度，需要使卷筒停止转动时，应很快的松开刹住闸筒12的抱闸，同时又很快的用另一抱闸将卷筒右侧的制动部分抱紧，使卷筒17与内齿圈15停止转动，这时由绞车轴19传来的动力，传给行星齿轮16后，行星齿轮除了自身的转动外又通过行星齿轮轴30带动闸筒12一起转动。下降钻具时左右闸带全松开，卷筒因钻具自重下落而回转。依此循环往返便可完成钻具的升降工作。为了牢固的将钢丝绳固定在绞车上，在卷筒右侧开有小孔将绳头穿过孔后，通过绳卡将钢丝绳固定。在更换拆装内齿圈15时应先将内齿圈15与卷筒相固定用的螺钉取下，然后，在卷筒容绳侧用螺钉将内齿圈顶出。1.4制动闸(JW0114)钻机所选用的制动闸，左右是一致的，整个闸带与闸筒（或卷筒）之间的间隙是用调整连杆下部螺钉来实现的。1.5机架（JW0101）见附录3机架1是连接钻机各组的总框架，电机也装在机架上，皮带松紧是通过调整压带轮来实现的。1.6操纵仪（JW0115）见附录3操纵仪28由油路控制阀27和压力表23、手轮24（调速）和手轮26（调压）等组成。其功能主要是控制液压卡盘和进给油缸的。压力控制阀26是调整油路压力，改变立轴压力的控制机构；手轮25是控制进给速度的；控制阀27控制油缸上升与下降；另一控制阀控制液压卡盘松卡钻杆。9.3.2 钻机的工作原理钻机的传动系统如图2所示，电机动力通过以下各传动链传到固定在立轴上的大弧齿锥齿轮上，从而使立轴带动钻具一起产生旋转运动；齿轮油泵输送出一定的压力，一方面用于打开液压卡盘，另一方面通过油路控制阀使给进油缸产生往复运动，给进油缸带动钻具往复运动。至此，钻具即可旋转，又可给进，从而完成钻进任务。钻屑的排泄是通过与钻机配套的泥浆泵来完成。各传动链如下：1.立轴的速回转运动120r/minD1D2Z1Z2Z3Z4Z10Z112.立轴的速回转运动240r/minD1D2Z1Z2Z5Z6Z10Z113.立轴的速回转运动350r/minD1D2Z1Z4（内齿）Z10Z114.立轴的速回转运动600r/minD1D2Z1Z2Z7Z8Z6（内齿）Z10Z115.绞车的低速回转运动D1D2Z1Z2Z3Z4Z9Z12Z13Z14Z156.绞车的中速回转运动D1D2Z1Z2Z5Z6Z9Z12Z13Z14Z157.绞车的高速回转运动D1D2Z1Z4（内齿）Z9Z12Z13Z141Z158.立轴的给进运动D3D4经低压油管将油箱中的20号机油吸入油泵，使其产生需用的压力，再经高压油管、调压阀、高压油管进入油缸中的活塞上部，推动活塞产生直线运动，活塞下部具有一定的压力的20号机油经高压油管，进入调速阀，调整调速阀的回油量大小即可控制给进速度的快慢。（当需要减压钻进时，也按此操作控制活塞的下部压力）然后流经油管及操纵阀、低压油管回到油箱。9.立轴的快速移动D3D4经油泵、高压油管、调压阀、操纵阀、高压油管、调速阀、高压油管，进入活塞的下部，推动活塞产生直线运动，活塞上部的机油经过高压油管、操纵阀及低压油管回到油箱，当调速阀的流量调整为最大时，立轴得到快速移动。完成一个500mm进尺后，将卡盘控制阀打开，经油管松开液压卡盘，将操纵阀手柄位置板到上升位置，操纵调速阀将立轴快速上升，然后板动卡盘控制阀手柄，卡瓦自动卡紧钻杆。9.4 操作程序所有钻探人员都应按下列操作程序进行操作，避免因操作不当而造成机器或人身事故。1.钻机在搬运过程中应避免碰撞，在分组搬运过程中，应将油管固定后方能进行。2.在工作场地安装时，应使用地脚螺栓将钻机固定于基台木上。无论钻任何角度的孔都应在基台木的上面打支柱。3.电源接通前首先仔细检查钻机各部分安装是否正确。并应用手搬动外部可转动部分看是否灵活。4.电源接通后首先应验证立轴转动方向是否正确。5.需要变速或接通绞车时，必须关闭电机。6.在正式工作前应使机器空转10分钟，此时油路系统应调整到零压。7.各操作手把的操作及配合使用程序如下：（1）开车前首先将手把放在0（断开）位置，手轮向左旋至0位，手把4置于位置3，手轮5向右旋死。（2）上述各手把全部按规定位置准确无误后即可开动电机，转动23分钟后将电机关闭，这时即可将手把2调到低速I的位置，再进行开车并空转10分钟。（3）空运转完毕后，关闭电机，将手把2调到需要的转数后再开动电机。（4）上述各传动操作完毕后就可以调整液压部分，液压部分的调整是在机器运转过程中进行的，同时装入钻杆。所以手把位置调的正确与否对机器的安全使用非常重要。（5）手轮5向右旋死（拧不动为止），手把4搬到第4个位置，手把7搬到卡紧位置后再松开使其自然回到中间位置，然后慢慢的向右拧动手轮3，当压力表中的指针逐渐上升到0510Mpa时停止拧动手轮3而将手轮5向左慢慢拧动，当立轴开始移动应继续拧动手轮5使钻具下至井底，最后将节流阀调到最慢位置，并根据井下岩石的软硬程度向右调整手轮3使立轴压力达到需要的数值。（6）当立轴的一个行程走完后将手把4搬到位置3上并关闭电机，然后将手把2搬到空档。再启动电机，将手把7搬到松开位置，同时抬起快速增压手把9，待卡盘松开后，再将手把7扳到中间位置后才可松开快速增压手把9，并将手轮5调到最大的速度，这时将手把4搬到位置2使立轴快速上升（或后退），上升到终点后，将手把7搬到卡紧位置，操作者这时要把手轮5向右旋死，当电动机开动后再调手把5得到需要的给进速度，在立轴上升（或后退时）都应关闭电机后，手把2放到空档位置后进行。（7）当一个班工作完毕后将手把1置于断开位置，手把2置于空转位置，手把3向左扭到零位，手把4上下搬动几次使表针回到零位后将其置于位置3，手轮5向右拧到全关闭位置。（8）在每次提升使用绞车时应首先关闭电机，将手把1置于连接位置，手把2置于需要的位置上，手把3、4及5完全按第（7）条规定调到零位。（9）使用绞车时手把10与11绝对禁止同时制动。提升时应使手把10抱紧闸筒，手把11松开，当需要停止提升时非常迅速的先松开手把10，然后迅速的用手把11刹住卷筒。再提升时应先将手把11松开，然后使手把10抱紧闸筒进行提升。8每次打开回转器后，在需要重新合上进行工作时，都应检查回转器内是否掉进污物或其它碎屑（如岩石、铁屑等），防止损坏齿轮。回转器合上后一定要把合箱螺母锁紧不许松动，在给进过程中也应经常检查。9钻进角度的调整是用转动回转器来完成的，在未转动以前应先松开四个螺母后，扳动回转器使T型螺栓2在变速箱体前部的T形槽内移动，给进角度按需要调整好以后，要重新将螺母锁紧。9.5 机器的保养与维护正确的使用和保养机器是顺利完成钻孔任务的保障，每个操作者都应予以高度重视，本200米钻机应按如下规定进行保养与维护。1.应在每班开始工作前，对机器各转动部分予以检查。看各运动部件是否灵活可靠。2.对外露的转动及滑动表面，应在每班开车前擦拭干净，并于其表面涂上一层20号机械油。3.每一个操作过程中都应校核各部操作手把的位置的相互配合是否正确，不正确时应立即纠正。4.润滑及液压用油等应按表91规定按期进行更换。除表91规定外，其它转动或滑动部分应根据使用情况予以润滑。5.在每次拆装卡盘时，都应在装配前将螺纹部分擦拭干净并涂一层机械油或黄干油。6.油泵用油（油箱内的油）需要保证清洁无杂质，应使用50时运动粘度为1723的油质，如20号机械油或10号高速柴油等。7.当油箱内的油温超过70时应适当停车冷却，待油温下降后再继续工作。8.有关油泵的使用与保养应按YBC12/80型齿轮泵说明书规定进行。9.当立轴下降与上升时油缸内的活塞不应进入死点，应在进入死点前510mm处停车。表91需润滑或者更换机油部分需润滑或更换机油的时间用油种类方 法立轴每小班1次20号机械油油壶园弧伞齿轮每周1次黄干油抹入导向杆每小班1小20号机械油抹入变速箱内的润滑连续运转500小时更换1次20号机械油更换绞车油咀每班使用前一次20号机械油油枪或油壶油箱连续运转500小时更换1次20号机械油更换所有滚动轴承每三个月更换一次黄干油抹入卡盘每周1次20号机械油抹入9.6 故障原因及排除方法故障现象故障原因排除方法突然停车1、齿轮打齿2、钻进压力过大更换齿轮减小钻进压力变速箱发热1、润滑不良2、润滑油不符合要求3、过载时间长定期换油按规定更换机油禁止长时间超负荷运转回 转 器本体发热1、园弧锥齿轮啮合不好2、齿轮及各轴承润滑不良3、本体与连接盘的联接螺钉松动。调整轴承衬套与本体之间垫片厚度。定期更换润滑油拧紧螺钉回转及变速有异常音1、齿轮打齿2、箱体内有异物3、轴承损坏更换齿轮清洗箱体更换润滑油更换轴承卡盘卡不紧钻杆1、三个卡瓦严重摩损3、蝶形弹簧损坏更换卡瓦更换碟形弹簧液压盘卡紧杆后松开1、涨环损坏2、液压系统压力不足更换涨环顺时针方向旋动调压阀手轮，使压力表读数至所需压力，或使用快速增压压头座及卡盘油缸发 热1、轴承间隙不合适2、轴承损环3、轴承无润滑调整轴承盖与轴承之间的间隙。更换轴承清洗轴承、换油液压系统工作不正常1、油泵反转2、进出油口接反3、液压油粘度高4、油箱内油量不足5、滤油器堵塞6、油温过高检查电动机转向，使之与箭头方向一至检查并更正更换符合规定的液压油油箱加油清洗滤油器更换新油1.降低油温，2.不要长时间超载运行。压力不稳1、调压弹簧老化2、调压锥阀与阀座接触不好3、油液不清洁更换弹簧修研或更换阀座清洗滑阀并换油调压失灵1、调压弹簧断裂或漏装2、调压锥阀漏装3、调压阀阀针与阀座研坏更换或补装弹簧检修，并补装锥阀清洗或更换系统接头漏 油密封圈损坏更换密封圈液压系统有异常噪音1、液压油不干净2、调压锥阀表面有异物3、油泵吸油管密封圈损坏清洗没箱及管路、更换新油清洗调压阀更换密封圈给进油缸爬 行1、油泵吸空2、油缸内密封件硬化3、管路中有空气4、油缸里有损坏另件或脏物卡住5、温度太低油箱加油并检查油泵吸油管路密圈更换密封圈更换密封圈很好地排除空气清洗油缸并更换损坏零件工作一段时间能自然排除绞车打滑1、抱闸松调整连杆下端螺母9.7 钻机的安全注意事项1.必须定期进行大、中、小修，并加强平时的维修及保养。2.所有罩子和防尘盖要经常保持完整，不准随便取消。3.操作钻机时，必须严格按照“操作规程”中规定的步骤进行操作。4.钻机不用时，应存放在干燥通风的仓库内，做到防雨、防潮和防火。5.需要吊运时，可在卷筒处起吊。第10章 经济可行性分析10.1 市场前景分析随着我国钻探工程建设事业的不断发展进步，特别是石油、煤炭等能源行业的发展，市场对钻探设备的需求量正在逐步上升，尤其以钻机设备的发展最为明显。据悉，自上世纪60年代，我国与前苏联关系恶化后，我国的钻探设备制造发展受到了制约，钻机生产几乎停止。但是随着我国对外开放政策的落实和深入，钻探行业又有了新的起色。二十多年来，我国钻探设备全行业产品销售收入和利润总额一直是持续增长。去年上半年，我国钻探设备制造业保持高速发展的同时经济效益提高尤其突出，利润增长远大于产品销售收入增长。由此可见，钻探设备制造业经济效益明显好转。据统计，2005年16月，规模以上石油钻采专用设备企业实现销售收入77亿元，同比增长45.1%；规模以上的煤炭钻采专用设备企业实现销售收入52亿元,同比增长30%，虽增速减缓但仍继续保持高速增长。经济效益是行业发展的基础和原动力，钻探设备制造业，尤其是钻机生产行业经过计划经济向市场经济转变的阵痛后恢复较快，经济效益逐步提高，现已连续3年大幅增长。钻探设备制造业经济效益明显好转，有以下原因：1.国内外市场对钻探设备需求旺盛世界对石油、煤炭等能源的开采技术要求不断提高，随之对钻机等钻探设备的品种、技术等方面的研究投入不断加大。我国为了确保能源开采、工业工程建设和农业灌溉事业的正常发展，满足国民经济日益增长的需要，近来在钻探设备制造工业上的投资更是大幅上升，无论是国内还是国外对钻机等钻探设备的需求都是巨大的。2.我国钻探设备，以钻机为例，大到钻采深达6000米以上的大型成套钻机，小到几十米的小型钻机，品种相对比较齐全，各种产品出口势头强劲。2004年石油钻采专用设备出口交货值比去年增长41.1%，今年上半年出口交货值达10.7亿元，同比增长62.7%。不少石油钻探设备制造骨干企业产品出口大幅增加。3.我国钻探设备制造能力较强，其中钻机产品已经达到或接近世界先进水平。10.2 经济效益分析以具有一般生产能力的企业为例，预计其200米钻机的年生产能力为1500台。200米钻机为中型设备，按照这样的生产规模应该确定为大批生产。本设计产品中，个别重要传动零件采用了40Cr为材料以提高强度，其他诸如箱体、机架等较大零件均采用铸钢材料，有些对强度要求不高的零件以铸铁为材料，这样，整体上材料利用经济合理，节省了制造费用。 由于是大批生产，所以采用了一些专用设备进行生产，大大提高了生产效率，缩短了工时，节省了大量的生产时间，间接提高了经济效益。正因为如此，所以企业生产的前期投入相对大了一些，但是从发展的长远利益来看还是值得的。 对于一件产品的价值预算，还得考虑到其他一些不可变的成本。比如生产人员开支、厂房折旧费以及维护费、照明、取暖、通风、运输等费用。综合考虑以上因素，估计一台200米钻机的成本价格在4万元人民币左右，市场前期价格预计在8万元人民币左右。所以从长远来，这种钻机的经济效益是可观的。结论 本200米钻机变速箱的设计项目，从机械原理上来讲是比较成熟的。设计过程中参照了TXU150型钻机的设计要求，在充分发掘150米钻机的设计优点基础上，提出了自己的设计观点，在继承150米钻机优点的同时将绿色设计的观点融入本次设计中。本200米钻机的沿用TXU150型变速箱回归式的传动形式，箱体呈扁平状，有利于降低钻机的高度，齿轮Z4即使移动齿轮又是结合子，因此结构紧凑，同时变速、分动相结合，减少了零件的数目，有效利用变速箱内的空间。在设计中一直把握降低生产成本的原则，从材料的选用、结构空间的合理化布局和生产工时的设计方面都有所考虑。考虑到设备的使用场合，在变速箱的设计中在保证能满足生产任务的前提下去除了离合器，这样一方面减小了设备的体积，同时节省了生产成本，又不影响工程的进度。致谢本次设计历时3个多月，在老师的精心指导和同学的帮助下，经过自己的努力顺利地完成设计任务。特别要感谢我的指导老师苏发老师，从毕业实习到毕业设计他一直默默在关心和帮助着我和设计小组的其他同学。在他的指导下，我在设计中遇到的许多问题都得到了解决，更重要的是，经过他的指导加上我自己在设计时的自学，我理解了许多以前不太明白的知识，增长了见识，拓宽了自己的知识面。同时我也要感谢在我设计最紧张时借我电脑的于广伟同学和他们寝室的全体同学，正是由于他们的帮助才能保证我按时顺利完成设计任务。参考文献1王秉晋.XU3002型油压钻机知识.北京：地质出版社，1978：802 赖海辉.钻孔工程问答.北京：冶金工业出版社，1985：233 .沃兹德维任斯基.岩心钻探学.北京：地质出版社，1985：75774 陕西省地质局.岩心钻探手册.北京：地质出版社，1977：56575 濮良贵，纪名刚.机械设计.北京：高等教育出版社，20016 甘永宁.几何量公差与检测.上海：上海科学技术出版社，20017 李文双，于信伟，苏发.机械制造工程学.哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，2004：3268 龚桂义.机械设计课程设计指导书（第2版）.北京：高等教育出版社，19909 孙明主.机械工程基础（上）.哈尔滨：黑龙江人民出版社，2000：14217210 孙德音.机械加工工艺基础.北京：机械工业出版社，200111 章日晋等编.机械零件的结构设计.北京：机械工业出版社，198712 孙桓，陈作模.机械原理（第六版）.北京：高等教育出版社，2000：32713 李喜桥.加工工艺学.北京：北京航空航天大学出版社，200314 陈隆德.互换性与测量技术基础.大连：大连理工大学出版社，198815 徐溥滋，陈铁鸣，韩永春.带传动.北京：化学工业出版社，198016 胡家秀.简明机械零件设计实用手册.北京：机械工业出版社，200417 李益民.机械制造工艺设计简明手册.北京：机械工业出版社，1993：223227专题传动轴的加工工艺编制以200米钻机变速箱轴为例编写加工工艺。1.计算生产纲领确定生产要素如附图1所示为200米钻机变速箱传动轴零件图。估计该钻机年产量为1500台，其备品率为10%，机械加工废品率为1%，现制订该轴零件的机械加工工艺规程。式中：N零件的生产纲领（件/年） 机器产品的年产量（台/年） n每台产品中该零件的数量（件/台） 备品百分率 废品百分率 故 N =15001（1+0.1+0.01）=1665台传动轴零件的年产量为1665台，现已知产品属于中型机械，根据生产类型与生产纲领的关系，查阅相关资料后确定其生产类型为大批生产。2.零件的工艺分析（1）零件技术要求分析轴一端外圆和较长花键轴外圆对轴外圆、的公共轴线有公差为0.01mm的同轴度要求；轴外圆的左端和较长花键轴外圆的右端面对、的公共轴线有公差为0.02mm的端面圆跳动要求。外圆对该公共轴线有公差为0.02mm的径向跳动要求；平键键槽侧面对外圆、的公共轴线有公差为0.03mm的对称度要求。花键键侧面对对外圆、的公共轴线有公差为0.02mm的位置度要求；轴外圆和有公差为0.02mm的圆柱度要求。（2）审查零件图样的工艺性 轴零件图样视图正确完整，尺寸、公差技术要求齐全，基准面、要求Ra =0.8m有些偏高，一般6级精度轴Ra =1.6m即可。本零件外圆加工并不困难，大部分工序只在普通车床上完成。花键和平键要到立式铣床上进行加工。由于有端面跳动公差的要求，要靠磨削来保证。3.毛坯的选择本传动轴采用40Cr为原料，传动轴各段直径相差不大，可选用热轧钢为坯料。轴的最大直径为mm，根据查机械制造工艺设计简明手册表2.227，确定该热轧钢坯料直径为60mm,，传动轴总长为530mm，查表2.235，确定两端各取余量6mm，坯料长度取为542mm。3.定位基准的选择（1）两外圆对轴线有同轴度要求，两端面对轴线有端面圆跳动要求，应该选用两端面中心孔为定位基准面。由于坯料的长径比比较大，车削加工时增加辅助支承以提高轴加工时的刚度。由于大批量生产，可以在车床的三爪自定心卡盘上以坯料外圆为粗基准，依次在两端车端面和钻中心孔，然后以两端面中心孔为精基准面定位加工轴各段外圆和台肩面。（2）为了保证键槽对外圆轴线的对称度要求，加工键槽时以外圆和为定位基准面，用V形架定位。4.零件表面加工方法的选择本零件的加工表面有外圆、端面、槽和螺纹孔等，材料为40Cr。参考机械制造工艺设计简明手册有关资料，其加工方法选择如下：（1）、外圆表面：尺寸公差等级为IT6，表面粗糙度值均为为Ra0.8m，需要粗车半精车精车。（2）花键轴轴段外圆表面：公差等级为IT11，表面粗糙度为Ra1.6m，需要粗车半精车。（3）外圆表面：公差等级为IT6，表面粗糙度为Ra1.6m,需要粗车半精车。 （4）外圆表面：公差等级为IT7，表面粗糙度为Ra0.8m，需要粗车半精车精车。（5）端面：本零件的端面为回转体端面，尺寸精度要求不高，表面粗糙度为Ra6.3m，只需粗车即可。（6）槽：花键的宽度和槽深度公差等级为IT7和IT11，平键宽度和深度公差等级为IT6级，表面粗糙度均为Ra3.2m，采用三面刃铣刀，粗铣半精铣。（7）螺纹孔：采用锥柄麻花钻在车床上最后加工。（8）较长花键轴段右端面和左端面有端面圆跳动要求，需要在磨床上由砂轮靠磨削来保证。5.加工顺序安排（1）两端中心孔是加工主要外圆的定位精基准面，应先进行加工。（2）车削外圆时，粗、精加工应分段进行。调质处理安排在粗车与半精车之间，以消除粗车时产生的内应力。（3）铣键槽与铣花键安排在半精车之后、精车之前进行。（4）在调质处理后和磨削之前都安排修研中心孔的工序，以保证中心孔的定位精度。（5）机械加工完毕后，要安排去毛刺和检验工序。6.工序设计按照先加工粗基准后加工精基准的原则，轴的加工工艺路线一般先是以外圆为粗基准加工端面，在以端面中心孔为精基准定位加工外圆。主要工序具体可按照如下的加工路线进行：工序：以坯料外圆为粗基准粗车一端面，钻中心孔。调头安装，粗车、另一端面，钻中心孔。工序：以中心孔作精基准粗车轴一端的三个外圆分别至mm、mm和mm。调头安装，粗车轴另一端两个外圆分别至mm和mm。工序：热处理，调质220240HBS。工序：进行钳工处理，研修两端中心孔。工序：半精车另一端两外圆分别至mm、mm,切槽22，32并倒角2。调头，半精车一端两外圆分别至mm，mm和。切槽22，32，倒角2。工序：精车一端外圆分别至mm、mm和mm。调头装夹，精车外圆mm。工序：钳工处理，划键槽加工线。工序：粗铣、半精铣花键至规定尺寸。工序：粗铣、半精铣平键槽到规定尺寸。工序：钳工处理，研修两中心孔。工序：以中心孔定位，靠磨两端面使满足端面跳动要求，磨、外圆保证圆柱度要求。工序：钻螺纹孔M825，攻螺纹。工序：钳工处理，去毛刺。7.编制传动轴机械加工工艺过程卡片工序号工序名内容工序、工位、工步草图夹具设备1热处理正火2下料下料3车安装：以坯料外圆为粗基准粗车一端面，钻中心孔。安装：调头，粗车、半精车另一端面，保证总长530mm，钻中心孔。三爪自定心卡盘卧式车床CA61404车安装：以中心孔作精基准粗车轴一端的三个外圆分别至、安装：调头，粗车另一端面两外圆分别至、前后顶尖卧式车床CA61405热处理调质，220240HBS6钳修研两端中心孔前后顶尖卧式车床CA61407车安装：半精车另一端两外圆分别至、，切槽22，32并倒角2。安装：调头，半精车一端两外圆分别至，和。切槽22，32，倒角2。 卧式车床CA61408车精车一端外圆分别至mm、调头装夹，精车外圆mm。9钳划键槽加工线10铣粗铣、半精铣花键至规定尺寸。V形架花键铣床Y631K11铣粗铣、半精铣平键到规定尺寸。V形架立式铣床X53K13钳修研两端面中心孔前后顶尖卧式车床CA614014磨以中心孔定位，靠磨两端面使满足端面跳动要求，磨、外圆保证圆柱度要求。前后顶尖外圆磨床15钻钻M825螺纹孔，攻螺纹三爪自定心卡盘卧式车床CA614016钳尖角、去毛刺17检验按图样要求检验附图1附录1 利用三坐标测量仪确定聚苯乙烯材料表面形态D艾奇逊 R苏莱曼新西兰克赖斯特彻奇坎特伯雷大学机械工程学院【摘要】由于泡沫材料的用途广泛，全世界材料市场对它的需求量迅速上升。泡沫材料被广泛应用与汽车工业、食品包装工业、医疗卫生、运动器械、家庭用具、海岸浮标及救生圈,和小型船只等。因为泡沫材料的使用大大关系到人们的日常生活，所以有必要通过改变切割和加工的速度使它形成各种不同的形状。这种利用计算机辅助切割机床或全自动切割机才能达到。但是，切割的速度将会影响到材料加工后的表面粗糙度。所以，为达到优质的表面加工质量，有必要确定聚苯乙烯的表面形态。当前，人们正在研究制造一台用于这种泡沫材料的快速原型制造设备，研究的第一阶段就是在不同种类的金属切割丝在不同的温度下用不同的进给量切削后利用坐标测量仪确定聚苯乙烯表面形态。【关键字】 聚苯乙烯 表面形态 热切割丝1 简介当今世界材料市场对泡沫材料的需求量正迅速上升。泡沫材料可分成两大类，即柔性泡沫和刚性泡沫。柔性泡沫材料主要用于家具，运输工具、床垫、地毯、包装、玩具、运动器材和鞋子等，同时也被用于实现共振和吸音。刚性泡沫材料经常被用于建筑行业、绝缘隔离装置、管道、罐子、浮漂和装食物和饮料的容器等。泡沫材料被如此广泛地应用，总的来说可以概括为以下几点原因： 泡沫材料经济实用； 泡沫材料适合于室内和户外使用； 泡沫材料能被涂上一层各种不同的材料以达到任何设计的光洁度； 泡沫材料质量轻，运输安装方便。泡沫材料的是生产可以用各种不同的技术方法得以实现。生产连续泡沫板材的最常用方法是通过注入包括二甲苯异氰酸盐、聚醚多元醇等石油化工药剂和水的混合原料，这些原料可以被用来进行再生和再加工。不同的添加剂混合在一起以达到专门的特性。如颜色、活化吸收功能、作用于紫外线及其它一些特性。这种方法生产的泡沫此时仍然处于原始状态，接下的工作就是要把这些混合物加工成不同的形状和尺寸的材料。通常有切削的方法就能达到。切削泡沫材料有两种主要的方法，即发热切割丝切割和振动式切片法。两者分别适合于生产不同特性的泡沫材料。振动式切片法主要用于生产具有简单几何形状的刚性泡沫，而发热切割丝切割法适用于加工复杂几何形体的柔性泡沫材料。当前，着两种加工技术只作为人工的或半自动生产生产方式。2. 三坐标测量仪（CMM）在做进一步讨论之前,有必要对作为一种工具被用于确定聚苯乙烯表面形态这项研究的坐标测量仪进行一些说明。一台三坐标测量仪(以下简写为CMM)具有一个测量工件上各点的探针。这就像用手指去丈量地图上的坐标，探针就相当于手指，在工件表面触碰或触摸一定的区域。工件上的每一个点对于仪器的坐标系都是对立的，而这个坐标系描述了测量仪的运动情况。通常有两种类型的坐标系，第一个叫做机器坐标系，它的X，Y，Z轴分别表示CMM探针的移动方向，第二个叫做工件坐标系，它上面的三轴对应于工件的基准。一个基准确定工件上的一个特定部位的位置。这个部位可以是一个孔，一个面或是一个槽。CMM通过测量一个工件坐标来确定两个特定部位的距离。它也能被用来确定质地较软的物体的表面形态或表面粗糙度，比如聚苯乙烯。以下实验中使用的CMM是Discovery系列坐标测量仪Model D-12(如图1a)。机器利用一个固体探针或电子探测头触摸被测试件的表面来收集数据。这个实验使用了电子探测头。由于该探测头在工作时头部的微小侧滑将会影响到数据的正确读取，所以它工作时必须与被测工件表面保持垂直正交以获得最准确的数据信息。在笔者的实验室里可使用的探测头头部接触信号传输元件直径有1.0、2.0、3.0、4.0和5.0mm五种。由于聚苯乙烯比较软，更小尺寸的接触信号传输元件在触摸工件表面时可能会导致新的斜面或坑洞的产生，因此在这个实验中使用了一个直径为3.0mm的红宝石传输元件。（如图b1）。较大尺寸的元件相对就会减少导致聚苯乙烯表面产生斜面或坑洞的可能性。所以用直径用3.0mm的传输元件可以避免上述现象的发生而减少数据读取误差。（如图c1 和d）3.表面形态表面形态或者表面粗糙度包括表面刮擦痕迹和碎片痕迹，这种认识被普遍接受。这些痕迹彼此分开但相对紧密地排列，这使得他们很难被测量到。究竟为什么工程师们要不怕麻烦地去测量表面粗糙度呢？主要原因是被测的表面经常与其它表面相关。通过了解工件表面的形态，接触位置的状态和相接触的各种部件的表现都被控制了。 (d)图1 (a)本次实验使用的CMM；(b)在显微镜下观测到的聚苯乙烯表(c)典型探针直径；(d)本次实验中用的探针区分表面形态和表面粗糙度的不同是很有必要的。表面形态是柔性材料表面的几何属性，如聚苯乙烯或海绵。要测量柔性材料表面粗糙度是一项非常困难和具有挑战性的工作，但最终也能做到。3。表面粗糙度更多地被认为是一种无规则或者凹凸不平的表面状态，通常是在坚硬的材料表面进行测量4。这样定义它们有利于开发和鉴定测量工件硬度的技术和等级。假如表面粗糙度需要遵循一个书面的标准，那很少有这样的书面标准可以参考。最常用的就是1961年英国标准学会BS1134出版的Centre-line A verage Height Method for Assessment of Surface Texture。当前机械工业中常用的另一个标准就是1984年颁布的国际标准体系第一版第1215页中的Surface Roughness-Terminology-Part 1-surface and Its Parameters。测量标准基于扫描一机械实体表面后得到的外形轮廓。要得到一个经仔细评价的粗糙度标准，就要涉及到ISO组织出版的国家标准。后者可以与国家参考实验室联系查阅到。这些实验室有英联邦国家物理实验室，德国Physikalishe Technishe Bundesabstalt，美国国家标准与技术研究所和法国dEssais国家实验室。4.柔性材料表面形态涉及到测量柔性材料诸如聚苯乙烯及其它泡沫材料的表面粗糙度时往往问题就会产生。有一种恰当的测量方法就是运用光学技术，然而由于运用光学技术只仔细关注局部位置，如试样表面那些比较陡的斜坡，就像动力学只关注结构一样，会使反馈失真。其它一些光学技术遇到的问题是当扫描到较陡的斜破时没有足够的光反射回探测系统。这就是此项研究要使用CMM的原因。CMM之所以能测量聚苯乙烯表面形态是因为聚苯乙烯表面有陡的斜坡。用显微镜观测后发现这些陡坡的形状非常有规律。测试的结果如图2所示。我们可以注意到，坡越陡CMM读取数据后绘制的线越长。5.实验技术在这项研究中，设计了一台用线切割技术切割聚苯乙烯的简单机器。这台机器在一维空间上切割聚苯乙烯材料，即水平方向向工件输送热切割丝。用热丝切割泡沫材料尤其是聚苯乙烯的方法很常用。热切割丝的两端与一个电源相连，当切割丝两端的温度不一致时热量就会沿着切割丝传递。热量按照一定的温度梯度沿切割丝从温度高的部位传递到温度低的部位，这样来实现热的传导。热切割丝的一头与一个热电偶相连，用来读取切割丝的温度。我们通过控制热切割丝两端的电压和流过切割丝上的电流就能够控制切割丝的温度了。是实验中用到的温度为100、200和300。这个实验的目的就是要通过用CMM测量用不同材料的切割丝，不同的温度和不同的切割丝给进速度来呈现聚苯乙烯的各种表面形态。它的表面形态的变化取决于热线切割机的切割丝材料、温度和切割丝的给进速度。被测试的材料工件是长度为300mm，宽300mm，厚50mm的聚苯乙烯。之所以选择这样的尺寸是因为在进行检测时方便抓握。用于切割的切割线有镍铬合金切割丝、Inconel和镍铬铁弹簧丝5。选择使用Inconel和镍铬铁弹簧丝是由于它们在被用于高温切割后有保持形状的能力67。而选择镍铬合金切割丝是因为它是切割聚苯乙烯时最常用的切割丝。聚苯乙烯在不同的温度下，不同的切割丝给进速度和不同类型的切割丝被切割。切割时的给进速度范围从100到500mm/min。在每次切割后，聚苯乙烯工件的表面就用CMM测量上面的20个测点。在这个实验开始之前，我们测试了大量的测量用接触点。用CMM进行10到200次测量试验以调整测量用的测点。调整测点的测试次数越多，本次测量时间就越长。试验结果表明，测试次数为20和200次的情况非常相似，所以在本次测量中选择了20个测点。6.结果实验中聚苯乙烯的表面形态用CMM直接计算和记录下来。用不同的切割线，温度和切割给进速度，聚苯乙烯材料被切割成厚度为10mm的小块，然后，CMM就分别在这些小块表面检测20个点。图3显示了用镍铬合金切割丝在100，给进速度为100mm/min进行切割，材料形成的表面形态数值为0.551个单位。最好的表面形态值应该接近0。图3同时显示出用镍铬合金切割丝切割聚苯乙烯材料时最适合的切割温度为200，最适合的给进速度为200mm/min。当给进速度大于200mm/min时，切割丝容易滑动和弯曲，这会影响到切割的质量，进而影响到聚苯乙烯的表面形态。图4比较了三种材料切割丝在100时切割表现。图2 用CMM测量结果输出样本最好的表面形态质量是用英科耐尔合金材料(Inconel)切割丝在100和200mm/min给进速度是形成的。这时的表面形态值仅为0.14个单位。我们注意到，英科耐尔合金材料(Inconel)切割丝在给进速度为500mm/min时仍然可以进行工作，但这时形成的工件表面形态质量是很差的。图3 直径为1.0mm的镍铬合金切割丝在不同给进速度下切割后的表面形态比较图4在100下不同给进速度切割后的表面形态比较图5显示了三种切割丝在200时的切割表现。在这个温度下，英科耐尔合金材(Inconel)切割丝和镍铬铁弹簧丝在给进速度为500mm/min时也仍然可以继续工作。最好的表面形态质量是Inconel在给进速度为300mm/min时形成的。但是，只有镍铬铁弹簧丝在各种不同给进速度下进行切割时所形成的表面形态值保持在1.0个单位以下。图5在200下不同给进速度切割后的表面形态比较7.讨论前面已经提到，之所以选择英科耐尔合金材(Inconel)和镍铬铁弹簧丝是由于它们在100、200和300温度下进行切割作业后仍能保持原来的形状。选择镍铬合金切割丝是因为它是切割聚苯乙烯材料最常用的切割丝。保持切割丝的形状不变是一个非常重要的性能指标，因为切割丝的弯曲变形直接影响到切割聚苯乙烯后形成的表面形态质量。图6比较了实验中用到的三种切割丝对应的弹性率。假设检测前切割丝被做成环状，就像一个弹簧，弹性率的计算公式如下：其中 R弹性率 G剪切模数 d切割丝直径 n线圈数 D线圈直径平均值它的单位是力每偏差单位（或力每毫米）。弹性率实际上分散了偏差所要求产生的力8。下面这个图表比较了三种材料切割丝的弹性率。我们从图中不难看出，弹性率越高，恢复形状的能力越大。图6表明，选择镍铬合金切割丝弹性率最大，因此这种切割丝能够保持自己原来的形状。图6 直径为1毫米切割丝在不同线圈直径下的弹性率比较然而，基于这些实验，切割工件后产生的最好表面形态的是用英科耐尔合金材料(Inconel)切割丝在200下用300mm/min的给进速度切割时形成的。英科耐尔合金材料(Inconel)切割丝能够在500mm/min的给进速度切割工件，但产生的工件表面形态质量很糟糕。一个更加连续的表面形态可以有镍铬铁弹簧丝切切割后形成。用镍铬铁弹簧丝在200下用200mm/min的给进速度进行切割所形成的表面形态质量最好。镍铬铁弹簧丝也能在接近500mm/min给进速度下工作，而且可以得到一个有趣的结果，就是用镍铬铁弹簧丝切割工件时，在所有不同的给进速度下产生的表面形态值都在1.0个单位以下。用不同给进速度进行切割能够形成连续的表面是它的一个优点，因为这样就提供了一个安全切割环境，同时能够避免产生切割错误的发生。所有以上材料的切割丝均能在300的温度下工作并表现出良好的切割性能。8.结论像聚苯乙烯这样的柔性材料的表面形态能够用CMM在设置20个检测点的条件下确定。最好的连续表面形态能够用镍铬铁弹簧丝切割工件达到，其次是英科耐尔合金材料(Inconel)切割丝。最适合的切割条件是在200温度下，用200mm/min的给进速度。如之前提到的，没有现行的研究来制造用于切割泡沫材料工件的快速成型机。这项研究的第一步就是在不同的温度和给进速度条件下，被不同材料的切割丝切割后再通过CMM确定聚苯乙烯的表面形态。根据实验第一步的结果，切割聚苯乙烯快速成型机应该用镍铬铁弹簧丝作为刀具。附录2Determining the surface form of polystyrene throughthe coordinate measurement machineD Aitchison and R Sulaiman*Department of Mechanical Engineering, University of Canterbury, Christchurch, New ZealandAbstract: The market for foam materials has been growing rapidly throughout the world as they have a variety of uses. Some examples are in the automotives industries, food packaging industries, medical application, sports gears, home insulations and floatation in offshore drilling rigs, buoys and small boats. Since the uses of foam affects greatly the daily lives of humans, the need to have foams in different shapes requires speed in cutting and manufacture. This can only be done through computer aided cutting machines or automated cutting of foams. However, the speed of cutting will affect the surface . finish of the cut. Therefore, it is necessary to determine the surface form of the polystyrene to achieve quality results. This is an on-going research to produce a rapid-prototyping machine that cuts foam models. The . first phase of this research is to determine the surface form of polystyrene through the use of a coordinate measuring machine (CMM), after being cut with different types of wires, at different temperatures and cutting feed-rates.Keywords: polystyrene, surface form, hot-wire cutting1 INTRODUCTIONThe market for foam material has been growing rapidly throughout the world. Foams can be categorized intotwo major types, namely flexible foams and rigid foams. The flexible foams are mainly used in furniture, transportation, bedding, carpet underlay, packaging, toys, sports application and shoes, as well as for vibration and sound attenuation. The rigid foams are usually used in building appliances, insulation agents, pipes, tanks, floatation and food and drink containers1. The reason why foams are used everywhere can be summarized as follows:1. Foam is very inexpensive.2. Foam is suitable for use indoors or outdoors.3. Foam can be coated with many different products to achieve any desired . finish.4. Foam is lightweight for easy handling and installation.The production of foams can take place using many different techniques. The most common method to produce continuous foam slab is by pouring mixed ingredients of petrochemical agents that include toluene di-isocyanate, polyol and water. These ingredients are left to rise and cure. Additives are blended in for specific. characteristics such as colors, absorbing capacity, effects on ultra violet and others. This method produces foam in its raw state, which must then be formed into different shapes and sizes. This is usually done by cutting the foams. There are two ways to cut foam materials, which are by using hot-wire techniques and the oscillating blade method. Both produce different features to the foams. The oscillating blade produces simple geometrical shapes and is suitable for rigid foams. The hot-wire technique is capable of producing complicated geometrical shapes and is suitable for flexible foams. Presently, both techniques are performed either manually or in a semi-automated manner 2.2 COORDINATE MEASUREMENT MACHINE (CMM)Before further discussion, it is necessary to describe the features of a coordinate measurement machine (CMM) as a tool used in this research for determining the surface form of polystyrene. A CMM consists of a probe to measure points on a work-piece. This is similar to using a . finger to trace a map coordinate. The probe acts as a . finger that points or touches a certain location on the work-piece. Each point on the work-piece is unique to the machines coordinate system. The coordinate system describes the movement of the measurement machine.There are two types of coordinate system. The . first is called the machine coordinate system. Here, the X, Y and Z axes refer to the machine s motion. The second coordinate system is called the part coordinate system, where the three axes relate to the datum of the work-piece. A datum is a location of a feature on a work-piece. It can be a hole, a surface or a slot. A CMM measures a work-piece to determine the distance from one feature to another. It can also be used to determine the form or roughness on a surface of a soft object, such as polystyrene. The CMM used in the present experiment is the Discovery Series coordinate measuring machine Model D-12 (Fig. 1a).Data are gathered by touching the test piece with either a solid probe or an electronic touch trigger probe. This experiment uses the electronic touch trigger probe. The probe measurement was taken perpendicular to the test piece to obtain the optimal result because probe tip skidding will affect the reading of data. The stylus sizes that are available in the authors laboratory are 1.0, 2.0, 3.0, 4.0 and 5.0mm in diameter. The stylus used in this experiment was ruby with a size of 3.0mm in diameter. As polystyrene is soft, a smaller stylus size may create new slopes or holes when touching the polystyrene (Fig. 1b). A larger stylus size may not detect the existing slopes and holes on the surface of the polystyrene. Therefore, the stylus 3.0mm in diameter was used to avoid the above reading errors (Figs 1c and d).3 SURFACE FORMIt is generally agreed that surface form or roughness consists of scratch marks and fragmentation marks within them. These marks are relatively closely spaced together. This makes them dif. cult to measure. Why do engineers trouble to measure surface roughness at all? The main reason is that the surface being measured will be in contact with some other surfaces. By understanding its surface, the nature of the contact and the performance of the contacted components can be controlled. （d）Fig. 1 (a) The CMM used in this experiment; (b) the surface of polystyrene as seen through a microscope; (c) typical diagram of the probe; (d) the probe used in this experimentIt is necessary to state that surface form and surface roughness are not the same. Surface form is a geometrical pro. le of a surface on soft materials, such as polystyrene or sponge. Measuring surface roughness on soft material is challenging and complicated, but can be done 3. Surface roughness is more commonly recognized as an irregular or uneven surface, usually on hard materials 4. The definitions tend to refer to the technique or scale of measuring its hardness. If surface roughness needs to comply with a written standard, there are a few to choose from. The most common is the British Standards Institution BS 1134, Centre-line Average Height Method for Assessment of Surface Texture, 1961. There is also another one being used in the mechanical engineering industry to date, which is the International Standard ISO 4287, Surface RoughnessTerminologyPart 1Surface and Its Parameters, 1st edition, 1984, pp. 1215. The measurement standards are based on a line pro. le obtained by scanning a mechanical stylus across the surface. For a thorough assessment of the roughness standards, refer to ISO 4287 and the published national standards based on this ISO documents. The latter can be traced by contacting national reference laboratories, e.g.National Physical Laboratory in the United Kingdom, Physikalishe Technishe Bundesanstalt in Germany, National Institute of Standards and Technology in the United States and Laboratoire National dEssais in France.4 SURFACE FORM FOR SOFT MATERIALSQuestions are often raised concerning the possibility of measuring surface roughness of soft materials such as polystyrene or other foam materials. A suitable method of measuring is by using the optical technique. However, with the optical technique careful attention must be focused on local, steep slopes in the surface of the test piece, as the dynamic focusing instruments tend to produce corrupt feedback at these points. Other optical techniques encounter problems with steep local slopes by not reflecting enough light back into the detector system. This is the main reason why this research uses the CMM machine. The CMM machine can measure the surface form of polystyrene because polystyrene usually does not have steep slopes. When examined through a microscope, these slopes appear to be sperical in shape. Results of the tests are produced as shown in Fig. 2.Notice that the deeper the slope, the longer the line produced by CMM readings.5 EXPERIMENTAL TECHNIQUEIn this research, a simple machine is designed to cut polystyrene using the hot-wire technique. The machine will cut the polystyrene in a one-dimensional movement, i.e. feeding the hot wire horizontally towards the polystyrene. Hot-wire foam cutters are very common when working with polystyrene. The two ends of the hot wire are connected to a power source. Heat will flow when there is a difference in temperature across the wire. Heat flows from warm to cold areas at a rate proportional to the temperature gradient and the thermal conductivity of the wire it is owing through. A thermocouple is connected to the hot wire to give a reading of the wire temperature. Manipulating the current and voltage of the wire can control the temperature. The temperatures considered in this experiment are 100, 200 and 300 8CThe objective of this experiment is to reveal the surface form of polystyrene through the use of a CMM with different types of wires, temperatures and cutting feed-rates. The surface form is affected by the federate and temperature of the hot-wire cutter. The test material was polystyrene with width of 300mm, length of 300mm and thickness of 50mm. These sizes were selected because they can be easilyhandled when performing the test. The wires used as the cutting tool were nickelchromium alloy (Nichrome), Inconel and nickelchromiumiron (NiCr-C) spring wire 5. The reasons for selecting Inconel and NiCr-C spring wires are due to their ability to maintain their shape after being applied to the operating cutting temperatures 6, 7. Nichrome wire was chosen as it is the most commonly used wire for cutting polystyrene materials.The polystyrene was cut using different types of wires at different temperatures and feed-rates. The feed-rate ranged from 100 to 500mm/min. After each cut, the surface of the polystyrene was measured using the CMM with 20 touch points. A test was done prior to this experiment on the number of touch points. Touch points from 10 to 200 touches were investigated using the CMM. The higher the number of touches, the longer the time required in order to perform the test. Results show that the surface form from 20 and 200 touches were very similar. Therefore, in this experiment 20 touch points were chosen.6 RESULTSThe surface form of the polystyrene was calculated and recorded directly from the CMM. Using different types of wires, temperatures and cutting feed-rates, the polystyrenes were cut into small pieces of 10mm thickness. Then, the CMM ran the 20 touch pointsD AITCHISON AND R SULAIMA842 Ntest on the cut pieces of polystyrene. Figure 3 shows that a Nichrome wire at a temperature of 100 and a feed-rate of 100mm/min produces a surface form of 0.551 units. The best surface form should be the one nearest to 0.Figure 3 also shows that the most suitable cutting temperature and feed-rate for Nichrome wire were 200 and 200mm/min respectively. Cutting can only be done up to a feed-rate of 300mm/min. At a feed-rate higher than this, the wire tends to slip and bend. This affectsFig. 3 Surface form against feed-rate for Nichrome wire of 1.0mm diameterFig. 4 Surface form against feed-rate at a temperature of 100the cutting quality and, hence, the surface form of the polystyrene. Figure 4 illustrates the comparison of all three types of wire used in this experiment at a cut
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