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摘 要
該設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)一超聲深孔鉆床，利用超聲震動(dòng)加工深孔。振動(dòng)切削與普通切削相比，在降低切削力和切削熱方面有明顯的效果，尤其在難加工材料的加工和精密加工中，振動(dòng)切削具有普通切削無法比擬的工藝效果。因此，作為精密機(jī)械加工和難加工材料加工的一種新技術(shù)，振動(dòng)切削已經(jīng)逐步滲透到多種機(jī)械加工領(lǐng)域，振動(dòng)鉆削就是比較成功的應(yīng)用實(shí)例。
振動(dòng)鉆削，即在鉆頭(或工件)正常工作進(jìn)給的同時(shí)，對(duì)鉆頭(或工件)施加某種有規(guī)律的振動(dòng)，使鉆頭在振動(dòng)中切削，形成脈沖式的切削力波形，使切削用量按某種規(guī)律變化，以達(dá)到改善切削效能的目的。根據(jù)實(shí)際加工的需要，適當(dāng)選擇振動(dòng)參數(shù)(頻率v，振幅A以及頻率v與工件轉(zhuǎn)速n的比例關(guān)系)，可以控制切屑的大小和形狀，得到滿意的切屑，避免切屑堵塞?？商岣呱a(chǎn)效率幾倍到十幾倍，提高加工精度1—2級(jí)，且加工表面質(zhì)量也有較大改善。
超聲振動(dòng)深孔加工鉆床是利用超聲振動(dòng)系統(tǒng)對(duì)鉆頭施加振動(dòng)，使鉆頭在振動(dòng)中切削，使切削用兩按規(guī)律變化，從而達(dá)到改善切削效能的目的。
關(guān)鍵詞：超聲振動(dòng)，深孔加工，槍鉆車床。
Abstract
This design is designs a supersonic deep hole drilling machine, the use supersonic vibration processes the deep hole. The vibration cutting and the ordinary cutting compares, in reduces the cutting force and cuts the hot aspect to have the tangible effect, difficult to be processing the material especially in the processing and the precise processing, the vibration cutting has the craft effect which the ordinary cutting is unable to compare. Therefore, took the precision machinery processing and difficult to process the material processing one kind of new technology, the vibration cutting already gradually seeps to many kinds of machine-finishing domain, the vibration drills truncates compares the successful application example.
The vibration drills truncates, namely while the drill bit (or work piece) normal work to feed, (or work piece) exerts some kind of orderly vibration to the drill bit, causes the drill bit to cut in the vibration, forms the pulse -like cutting force profile, causes the cutting specifications according to some kind of rule change, achieves the improvement cutting potency the goal。According to the actual processing need, chooses the vibration parameter suitably (frequency v, oscillation amplitude A as well as frequency v with the work piece rotational speed n proportional relationship), may control the scrap the size and the shape, obtains satisfaction scrap, avoids the scrap jamming. May enhance production efficiency several times to several times, enhances the processing precision 1-2 level, also the processing surface quality also has improves greatly.
The ultrasonic vibration deep hole processing drilling machine is the use ultrasonic vibration system to the drill bit infliction vibration, causes the drill bit to cut in the vibration, causes the cutting with two according to the rule change, thus achieves the improvement cutting potency the goal.
Key words: The ultrasonic vibration, the deep hole processing, butts the lathe.
50
目 錄
前言 1
1.超聲和深孔加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 3
1.1 超聲振動(dòng)加工技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 3
1.2 深孔加工發(fā)展?fàn)顩r 9
2.機(jī)床主要參數(shù)的確定 12
2.1 電機(jī)功率的確定 12
2.2 主運(yùn)動(dòng)參數(shù)的確定 12
2.3 標(biāo)準(zhǔn)公比值和標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速數(shù)列 14
3.確定結(jié)構(gòu)式和繪制轉(zhuǎn)速圖 18
3.1 求級(jí)數(shù)z 18
3.2 確定結(jié)構(gòu)式 18
3.3 繪制轉(zhuǎn)速圖 19
4.確定各級(jí)傳動(dòng)副齒輪的齒數(shù) 21
4.1 確定齒輪的齒數(shù) 21
4.2 驗(yàn)算傳動(dòng)比 25
4.3 各軸及齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)速的確定 26
5.傳動(dòng)零件的初步計(jì)算 29
5.1 傳動(dòng)軸直徑初定 29
5.2 主軸主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定 30
5.3 齒輪模數(shù)計(jì)算和齒輪中心距的計(jì)算 30
5.4 皮帶的相關(guān)計(jì)算 31
6.主要零件的驗(yàn)算 36
6.1 齒輪的強(qiáng)度驗(yàn)算 36
6.2 主軸的驗(yàn)算 37
6.3 花鍵的驗(yàn)算 43
致 謝 46
參考文獻(xiàn)： 47
前言
畢業(yè)設(shè)計(jì)是學(xué)生學(xué)完大學(xué)教學(xué)計(jì)劃所規(guī)定的全部基礎(chǔ)課和專業(yè)課后，綜合運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)，與實(shí)踐相結(jié)合的重要實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。它是大學(xué)生活最后一個(gè)里程碑，是四年大學(xué)學(xué)習(xí)的一個(gè)總結(jié)，是我們結(jié)束學(xué)生時(shí)代，踏入社會(huì)，走上工作崗位的必由之路，是對(duì)我們工作能力的一次綜合性檢驗(yàn)。
1.畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的
通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使達(dá)到以下幾個(gè)效果：
1） 鞏固、擴(kuò)大、深化學(xué)生以前所學(xué)的基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)；
2） 培養(yǎng)學(xué)生綜合分析、理論聯(lián)系實(shí)際的能力；
3） 培養(yǎng)學(xué)生調(diào)查研究、正確熟練運(yùn)用國家標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊(cè)等工具書的能力；
4） 鍛煉進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、編寫技術(shù)文件、繪圖等獨(dú)立工作能力。
總之，通過畢業(yè)設(shè)計(jì)使學(xué)生建立正確的設(shè)計(jì)思想，初步掌握解決本專業(yè)工程技術(shù)問題的方法和手段，從而使學(xué)生受到一次工程師的基本訓(xùn)練。
2、畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和要求
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)超聲深孔鉆床的主軸箱。具體設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求如下：
a) 調(diào)查使用部門對(duì)機(jī)床的具體要求，現(xiàn)在使用的加工方法；收集并分析國內(nèi)外同類型機(jī)床的先進(jìn)技術(shù)、發(fā)展趨勢(shì)以及有關(guān)的科技動(dòng)向；調(diào)查制造長(zhǎng)的設(shè)備、技術(shù)能力和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)等。
b) 超聲深孔鉆床主軸箱的設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)主軸、傳動(dòng)軸及傳動(dòng)齒輪，確定各部分的相互關(guān)系；擬訂總體設(shè)計(jì)方案，根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，選擇通用部件，并繪制裝配圖和各零件的零件圖；
c) 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)計(jì)算和動(dòng)力計(jì)算，繪制轉(zhuǎn)速圖；
d) 其他零部件的設(shè)計(jì)和選擇；
e) 設(shè)計(jì)并選擇皮帶的型號(hào)和根數(shù)及帶輪；
f) 編制設(shè)計(jì)技術(shù)說明書一份。
3、程序和時(shí)間安排
畢業(yè)設(shè)計(jì)是實(shí)踐性的教學(xué)環(huán)節(jié)，由于時(shí)間的限制，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)不可能按工廠的設(shè)計(jì)程序來進(jìn)行，具體的說，可以分以下幾個(gè)階段：
g) 實(shí)習(xí)階段，通過畢業(yè)實(shí)習(xí)實(shí)地調(diào)查、研究、收集有關(guān)資料，掌握深孔加工技術(shù)和超聲加工技術(shù)，了解機(jī)床的結(jié)構(gòu)、工作原理和設(shè)計(jì)的基本要求，花兩周時(shí)間；
h) 制定方案、總體設(shè)計(jì)階段，花兩周時(shí)間；
i) 計(jì)算和技術(shù)設(shè)計(jì)階段，繪制圖紙，整理設(shè)計(jì)說明書，花四周時(shí)間；
j) 答辯階段，自述設(shè)計(jì)內(nèi)容，回答問題，花半周時(shí)間。
1.超聲和深孔加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
1.1 超聲振動(dòng)加工技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
超聲波是指頻率高于人耳聽覺上限的聲波。一般來說，正常人聽覺的頻率上限在l 6—20kHz之間，隨年齡、健康狀況等有所不同。值得注意的是，人們習(xí)慣上常把以工程應(yīng)用為目的，而不是以聽覺為日的的某些對(duì)聽盧的應(yīng)用亦列人超盧技術(shù)的研究范圍。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，有些超聲技術(shù)使用的頻率可能在16kHz以下。而超聲波頻率的上限是Hz，整個(gè)頻率范圍是相當(dāng)寬廣的，如圖1—1所示
超聲波是聲波的一部分，因此它遵循聲波傳播的基本規(guī)律。但超聲波也有與可聽聲不同的一些突出特點(diǎn)。例如，超聲波由于頻率可以很高，因而傳播的方向件較強(qiáng)，同時(shí)超聲設(shè)備的幾何尺寸可以較?。怀暡▊鞑ミ^程中，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的加速度非常大；在液體介質(zhì)中，
當(dāng)超聲波的強(qiáng)度達(dá)到一定值后便產(chǎn)生空化現(xiàn)象，等等。正是這些特點(diǎn)，決定了超聲波具有與可聽聲不同的、領(lǐng)域相當(dāng)廣闊的各種用途。
1.1.1 起聲加工技術(shù)發(fā)展概況
超聲加工是利用超聲振動(dòng)的工具在有磨料的液體介質(zhì)中或于磨料中產(chǎn)生磨料的沖擊、拋磨、液壓沖擊及由此產(chǎn)生的氣蝕作用來去除材料，或給工具或工件沿一定介向施加超聲頻振進(jìn)行振動(dòng)加工，或利用超聲振動(dòng)使工件相互結(jié)合的加工方法。超聲加工系統(tǒng)由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、振動(dòng)傳遞系統(tǒng)、工具、工藝裝置等構(gòu)成。超聲波發(fā)生器的作用是將220v或380v的交流電轉(zhuǎn)換成超聲頻電振蕩信號(hào)；換能器的作用是將超聲頻電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)
換為超聲頻機(jī)械振動(dòng)；變幅桿的作用是將換能器的振動(dòng)振幅放大，超聲波的機(jī)械振動(dòng)經(jīng)變幅桿放大后傳給工具，使工具以一定的能量與工件作用，進(jìn)行加工。
超聲加工技術(shù)是超聲學(xué)的一個(gè)重要分支。超聲加工技術(shù)是伴隨著超聲學(xué)的發(fā)展而逐漸發(fā)展的。
早在1830年，為探討人耳究竟能聽到多高的頻率，F(xiàn)．5avrt曾用一多齒的齒輪，第一次人工產(chǎn)生了2．4×Hz的超聲波，1876年加爾頓(F．Galton)的氣哨實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的超聲波的頻率達(dá)到了3×Hz，后改用氫氣時(shí)，其頻率達(dá)到了8×N z。這些實(shí)驗(yàn)使人們開始對(duì)超聲波的性質(zhì)有了一定的認(rèn)識(shí)。
對(duì)超聲學(xué)的誕生起重大推進(jìn)作用的是1912年豪華客輪泰坦尼克(Titanic)號(hào)在旨航中碰撞冰山后沉沒，這個(gè)當(dāng)時(shí)震驚世界的悲劇促使科學(xué)家提出用聲學(xué)人法來探測(cè)冰山。這些活動(dòng)啟發(fā)了第一次世界大戰(zhàn)期間偵察德國潛艇的緊張冊(cè)究。1916年以法國著名物理學(xué)家郎之萬(P.langevin)為首的科學(xué)家升始究產(chǎn)生和運(yùn)用水下超聲作為偵察手段，并在1918年發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)可使石英板振動(dòng)，制成了可用作超聲源的石英壓電振蕩器。這就是現(xiàn)代超聲學(xué)的開端。
1927午，美國物理學(xué)家怔德(R W．Wood)和盧米斯(A．E loomis)最早做了超聲加工試驗(yàn)，利用強(qiáng)烈的超聲振動(dòng)對(duì)玻璃板進(jìn)行雕刻和快速鉆孔，們當(dāng)時(shí)并未應(yīng)用在工業(yè)上。1951年，美國的科思制成第一臺(tái)實(shí)用的超聲加工機(jī)，并引起廣泛關(guān)注，為超聲加上技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
日本是較早研災(zāi)超聲加工技術(shù)的國家，20世紀(jì)50午代，日本已經(jīng)設(shè)立專門的振動(dòng)切削研究所，許多大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)也都設(shè)有這個(gè)研究課題。日本研究超聲加工的主要代表人物有兩位：一位是中央大學(xué)的島川正暉教授，《超音波工學(xué)——理論和實(shí)際》是他的代表作；另一位是宇都官大學(xué)的隈部淳一郎教授，《精密加工、振動(dòng)切削基礎(chǔ)和應(yīng)用》是他的代表作。日本研究人員不但把超聲加上用在普通設(shè)備上，而且在精密機(jī)床、數(shù)控機(jī)床中也引人了超聲振動(dòng)系統(tǒng)。l 977年日本將超聲振動(dòng)切削與磨削用于生產(chǎn)，可對(duì)直徑為6oomm大型船用柴油機(jī)缸套進(jìn)行鏜孔。
原蘇聯(lián)的超聲加工研究也比較早，20世紀(jì)50年代末60年代初已經(jīng)發(fā)表過很有價(jià)值的論文。在超聲車削、鉆孔、磨削、光整加工、復(fù)合加工等方面均有生產(chǎn)應(yīng)用，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果。為了推動(dòng)超聲加工的應(yīng)用，1973年原蘇聯(lián)召開了一次全國性的討論會(huì)，充分肯定了超聲加工的經(jīng)濟(jì)效果和實(shí)用價(jià)值，對(duì)這項(xiàng)新技術(shù)在全國的推廣應(yīng)用起到了積極的作用。到80年代末期，當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)已經(jīng)生產(chǎn)系列超聲振動(dòng)鉆削裝置。
20世紀(jì)70年代中期，美國在超聲鉆中心孔、光整加工、磨削、拉管和焊接等方面已處于生產(chǎn)應(yīng)用階段，超聲車削、鉆孔、鏜孔巳處于試驗(yàn)性生產(chǎn)設(shè)備原型階段。1979年通用超聲振動(dòng)切削系統(tǒng)已供應(yīng)工業(yè)界應(yīng)用。
德國和英國也對(duì)超聲加工的機(jī)理和工業(yè)應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究，并發(fā)表了許多有價(jià)值的論文，在生產(chǎn)中也得到了積極的應(yīng)用。例如，英同十1964年提出使用燒結(jié)或電鍍金剛石工具的超聲旋轉(zhuǎn)加工的方法，克服了一般超聲加工深孔時(shí)加工速度低和精度差的缺點(diǎn)，取得了較好的效果。
我國超聲加工技術(shù)的研究始于20世紀(jì)50年代末，60午代末開始了超聲振動(dòng)車削的研究，1973年上海超聲波電子儀器廠研制成功cNM—2型超聲研磨機(jī)。1982年，上海鋼管廠、中國科學(xué)院聲學(xué)研究所及上海超聲波儀器廠研制成功超聲拉管設(shè)備，為我國超聲加工在金屬塑性加工中的應(yīng)用填補(bǔ)丁空白。1983年10月，機(jī)械電子丁業(yè)部科技司委托《機(jī)械工藝師》雜志編輯部在西安召開了我國第一次“振動(dòng)切削專題討論會(huì)”，會(huì)議充分肯定了振動(dòng)切削在金屬切削中的重要作用，交流了研究和應(yīng)用成果，促進(jìn)了這項(xiàng)新技術(shù)在我國的深入研究和推廣應(yīng)用。1985年，廣西大學(xué)、南京電影機(jī)械廠和南京刀具廠聯(lián)合開發(fā)了我國第一套“czQ—250A型”超聲振動(dòng)切削系統(tǒng)。同年，機(jī)械電子工業(yè)部第11研究所研制成功超聲旋轉(zhuǎn)加工機(jī)，在玻璃、陶瓷、YAG激光晶體等硬脆材料的鉆孔、套料、端銑、內(nèi)外圓磨削及螺紋加
工中，取得了良好的工藝效果。1987年，北京市電加工研究所在國際上首次提出了超聲頻調(diào)制電火花與超聲波復(fù)合的研磨、拋光加工技術(shù)，并成功應(yīng)用于聚晶金剛石拉絲模的研磨和拋光。1989年，我國研制成功超聲珩磨裝置。1991年研制成功變截面細(xì)長(zhǎng)桿超聲車削裝置。
20世紀(jì)末到本世紀(jì)初的十幾年間，我國的超聲加工技術(shù)發(fā)展迅速，在超聲振動(dòng)系統(tǒng)、深小孔加工、拉絲模及型腔模具研磨拋光、超聲復(fù)合加工領(lǐng)域均有較廣泛的研究，尤其是在金剛石、陶撓、瑪淄、玉石、淬火鋼、模具鋼、花崗巖、大理石、石英、玻璃和燒結(jié)永磁體等難加工材料領(lǐng)域解決了許多關(guān)鍵性問題，取得了良好的效果。
1.1.2 超聲加工技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和未來展望
超聲加工技術(shù)已經(jīng)涉及到許多領(lǐng)域，在各行各業(yè)發(fā)揮了突出的作用，但有關(guān)工藝與設(shè)備的相關(guān)技術(shù)有待于進(jìn)一步研究開發(fā)。
(1)超聲振動(dòng)切削技術(shù)
隨著傳統(tǒng)加工技術(shù)和高新技術(shù)的發(fā)展，超聲振動(dòng)切削技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，振動(dòng)切削研究日趨深入，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
1研制和采用新的刀具材料。在現(xiàn)代產(chǎn)品中，難加工材料所占的比例越來越大，對(duì)機(jī)械零件加工質(zhì)量的要求越來越高。為了更好地發(fā)揮刀具的效能，除了選用合適的刀具幾何參數(shù)外，在振動(dòng)切削中，人們將更多的注意力轉(zhuǎn)為對(duì)刀具材料的開發(fā)與使用上，其中天然金剛石、人造金剛石和超細(xì)晶粒的硬質(zhì)合金材料的研究和應(yīng)用為主要方向。
2對(duì)振動(dòng)切削機(jī)理深入研究。當(dāng)前和今后一個(gè)時(shí)期對(duì)振動(dòng)切削機(jī)理的研究將主要集中在對(duì)振動(dòng)切削中刀具與工件相互作用的力學(xué)分析和振動(dòng)切削機(jī)理的微觀研究及數(shù)學(xué)描述兩個(gè)方面。
3超聲橢圓振動(dòng)切削的研究與推廣。超聲橢圓振動(dòng)切削已受到國際學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的重視。美國、英國、德國和新加坡等國的大學(xué)以及國內(nèi)的北京航空航大大學(xué)和上海交通大學(xué)已開始這方面的研究工作。日本企業(yè)界如日立、多賀和Towa公司等已開始這方面的實(shí)用化研究工作。但是，超聲橢圓振動(dòng)切削在理論和應(yīng)用方面還有許多工作要做。尤其是對(duì)硬脆性材料的超精密切削加工、微細(xì)部品和微細(xì)模具的超精密切削加工等方向還需要進(jìn)一步研究。
①超聲銑削加丁技術(shù)?；诜謱尤コ夹g(shù)思想的超聲銑削加工技術(shù)正在被更多的學(xué)者所關(guān)注。大連理工大學(xué)研制了超聲數(shù)控銑削機(jī)床，提出了一種新的利用超聲銑削加工技術(shù)數(shù)控加工工程陶瓷零件的途徑?；诜謱尤コ枷氲某曘娤鲾?shù)控加工技術(shù)解決了傳統(tǒng)超聲加工中工具損耗嚴(yán)重且不能在線補(bǔ)償?shù)碾y題，使加工帶有尖角和銳邊的復(fù)雜型面三維工程陶瓷零件成為可能，為工程陶瓷和其他超硬材料的廣泛應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持。
(2)超聲復(fù)合加工技術(shù)
目前，超聲電火花機(jī)械三元復(fù)合加工技術(shù)已經(jīng)得到較快的發(fā)展。哈爾濱工業(yè)大學(xué)利用超聲電火花磨料三元復(fù)合加工技術(shù)對(duì)不銹銅進(jìn)行加工，解決了電火花小孔加工中生產(chǎn)率和表面質(zhì)量不能兼顧的矛盾，具合較好的應(yīng)用前景。
針對(duì)現(xiàn)代模具手動(dòng)光整加工的弊端，華南理工大學(xué)采用超聲電解磨粒復(fù)合加工技術(shù)對(duì)形狀復(fù)雜的模具型腔光整加工進(jìn)行了研究，并利用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)加工表面粗糙度進(jìn)行了預(yù)測(cè)，取得了良好的效果。超聲電解磨粒復(fù)合加工技術(shù)是一項(xiàng)新的復(fù)合加工技術(shù)，能較好地用于形狀復(fù)雜的模具型腔光整加工。但包括材料去除機(jī)理的許多方面的內(nèi)容有待進(jìn)一步研究。
近年來，日本東京農(nóng)工大學(xué)對(duì)氣體介質(zhì)中的電火花脈沖放電加工技術(shù)進(jìn)行了開創(chuàng)性的研究，為電火花脈沖放電加工技術(shù)開辟了一條新的途徑。但該技術(shù)在加丁過程中短路頻繁，山東大學(xué)的研究人員將超聲振動(dòng)引入氣中放電加工技術(shù)，并對(duì)工程陶瓷進(jìn)行了加工實(shí)驗(yàn)研究，加工效率提高了近3倍。但該工藝的加工機(jī)理有待于進(jìn)一步研究。
在微小三維型面的加工中，利用簡(jiǎn)單形狀電極、基于分層制造原理的微細(xì)電火花銑削技術(shù)正在受到重視，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究了超聲輔助分層去除微細(xì)電火花加上技術(shù)，對(duì)電極袖向施加的小幅超聲振動(dòng)對(duì)活化極間狀態(tài)、拉大極間間隙、增加排屑能力、提高有效脈沖利用率和放電穩(wěn)定性等方面起到廣重要的作用．但是該工藝尚有待于進(jìn)一步完善以達(dá)到實(shí)用化。
出于新材料(尤其是難加工材料)的涌現(xiàn)和對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量茍生產(chǎn)效益的要求不斷提高，新的加丁方法也不斷出現(xiàn)。可以預(yù)見，超聲復(fù)合加工將日靛顯現(xiàn)出其獨(dú)特的魅力，并將拓展其更加廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。
(3)微細(xì)超聲加工技術(shù)
隨著以微機(jī)械為代表的工業(yè)制品的日益小型化及微細(xì)化，特別是隨著晶體硅、光學(xué)玻璃、工程陶瓷等硬脆材料在微機(jī)械中的廣泛應(yīng)用，硬脆材料的高精度三維微細(xì)加工技術(shù)己成為世界各國制造業(yè)的一個(gè)重要價(jià)究課題。目前可適用于硬脆材料加工的手段主要有光刻加工、電火花加工、激光加工、超聲加工等特種加工技術(shù)。超聲加工與電火花加工、電解加工、激光加工等技術(shù)相比，既不依賴于材料的導(dǎo)電性又沒有熱物理作用，與光刻加工相比又
可加工高深寬比三維形狀，這決定了超聲加工技術(shù)在陶瓷、半導(dǎo)體硅等非金屬硬脆材料加下方而有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所對(duì)微細(xì)工具的成功制作及微細(xì)工具裝夾、工具回轉(zhuǎn)精度等問題的合理解決，采用工件加振的工作方式在工程陶瓷材料上加工出了直徑最小為5的微孔，從而使超聲加工作為微細(xì)加工技術(shù)成為可能。
同其他特種加工技術(shù)一樣，起聲加工技術(shù)在不斷完善之中．正向著高精度、微細(xì)化發(fā)展，微細(xì)超聲加丁技術(shù)合理成為微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEM5)技術(shù)的有力補(bǔ)充。
此外，超聲加工技術(shù)在迅猛發(fā)展的汽車工業(yè)中已有非常廣泛的應(yīng)用，目前超聲加工技術(shù)主要用于精密模具的型孔、型腔加工，難加工材料的超聲電火花和超聲電解復(fù)合加工，塑料件的焊接，以及對(duì)具有小孔窄縫而清潔度要求較高的零件的清洗?？梢灶A(yù)測(cè)，超聲加工技術(shù)在世界汽車工業(yè)中將發(fā)揮越來越重要的作用。
1.2 深孔加工發(fā)展?fàn)顩r
最早用于加工金屬的深孔鉆頭是扁鉆．它發(fā)明干18世紀(jì)初，1860年美國人對(duì)扁鉆做了改進(jìn)，發(fā)明了麻花鉆，在鉆孔領(lǐng)域邁出了重要的一步。但用麻花鉆鉆探孔時(shí)，不便于冷卻與排屑．生產(chǎn)效率根低。隨著槍炮生產(chǎn)的迅速發(fā)展，在20世紀(jì)初期，德、英、美等國家的軍事工業(yè)部門先后發(fā)明了單刃鉆孔工具，因用于加工槍孔而得名槍鉆。槍鉆也稱為月牙鉆、單刃鉆及外排屑深孔鉆。槍鉆鉆桿為非對(duì)稱形，故扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度差。只能傳遞有限扭矩，適用于小孔零件加工生產(chǎn)，效率較低。
在第二次世界大戰(zhàn)前和戰(zhàn)爭(zhēng)期間，由于戰(zhàn)爭(zhēng)的需要．槍鉆已不能滿足高生產(chǎn)效率的要求，在1943午．德國誨勒公司研制出畢斯涅耳加工系統(tǒng)(即我國常稱的內(nèi)排屑深孔鉆削系統(tǒng))。戰(zhàn)后，英國的維克曼公司、瑞典的卡爾斯德特公司、德國的海勒公司、美國的孔加工協(xié)會(huì)、法國的現(xiàn)代設(shè)備商會(huì)等聯(lián)合組成了深孔加工國際孔加工協(xié)會(huì)(Boring and Trepanning Association），簡(jiǎn)稱BTA協(xié)會(huì)。經(jīng)過他們的努力，這種特殊的加工方法又有了新的發(fā)展，并被定名為BTA法，在世界各國普遍應(yīng)用。后來瑞典的山特維克公司首先設(shè)計(jì)出可轉(zhuǎn)位深孔鉆及分屑多刃錯(cuò)齒深孔鉆，侵BTA法又有了新的飛躍。
BTA法存在著切削液壓力較高，密封困難等缺點(diǎn)．為克服這些不足，1963年山特維克公司發(fā)明了噴吸鉆法。這是一種巧妙應(yīng)用噴吸效應(yīng)的方法，可以采用較低的切削液壓力，使切屑在推、吸效應(yīng)下容易排出．有利于系統(tǒng)的密封。但是噴吸鉆法本身也有缺點(diǎn)，它使用兩根鉆管，使排屑空間受到限制，加工扎徑——般不能小于18mm。由于特殊的切削液供給方式．缺乏了BTA法中切削液對(duì)鉆桿振動(dòng)的抑制作用，刀桿易擦傷．其系統(tǒng)剛性和加工精度要賂低于BTA法。
20世紀(jì)70年代中期，由日本冶金股份有限公司研制出的DF(Double Feeder)法為單管雙進(jìn)油裝置，它是把BTA法與噴吸鉆法兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來的一種加工方法，用于生產(chǎn)后得到了滿意的結(jié)果，目前廣泛應(yīng)用于中、小直徑內(nèi)徘屑探孔鉆削。
出于我國機(jī)械制造業(yè)的迅速發(fā)展，深孔加工技術(shù)在我國也得到了廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)50年代群鉆的研制成功．使鉆孔效率大為提高。1958年BTA鉆頭在我國開始使用，在此之后，70年代初，我國開始研制和推廣噴吸鉆，到1978年DF法己在我國設(shè)計(jì)完成并于1979年正式用于生產(chǎn)．現(xiàn)廣泛應(yīng)用于中、小直徑內(nèi)排屑探孔鉆削。國內(nèi)幾家重型機(jī)器制造廠相繼研制和采用于深孔套料鉆．已成功地加工出12m長(zhǎng)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)孔。西安石油大學(xué)于1989年成功地將噴吸效應(yīng)原理應(yīng)用到外排屑槍鉆系統(tǒng)．使槍鉆的加工性能大大提高;1994年又研制成功多尖齒內(nèi)排屑探孔鉆，使深孔鉆削的穩(wěn)定性和耐用度大大提高。
隨著生產(chǎn)與科技的進(jìn)步，深孔零件在材質(zhì)及毛坯制造、刀具樹料、深孔加工機(jī)床、基礎(chǔ)理論研究、檢測(cè)等方面都有了較大的進(jìn)展。
深孔零件的材質(zhì)，過去多采用碳索結(jié)構(gòu)鋼、低合金鋼和高強(qiáng)度合金鋼。新型工程材料．如鈦合金、不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、陶瓷、塑料、碳素纖維塑料、復(fù)合材料等，開始在深孔零件上采用。新材料的逐步采用對(duì)深孔加工提出了新的技本難題。
除了深孔零件的材質(zhì)外．零件的毛坯質(zhì)量也有了很大的改觀?，F(xiàn)在深孔零件的毛坯除了采用—般的鑄、鍛、軋制毛坯外，對(duì)于機(jī)械性能要求高的深孔零件．采用真空冶煉、電渣重熔等方法獲得高質(zhì)量的鑄錠后，進(jìn)行壓力加工。在管坯生產(chǎn)中，除了一般的熱軋、沖軋無縫管才外．現(xiàn)已采用精軋無縫管材。冶金技術(shù)的進(jìn)步．提高了材料的機(jī)械性能．使材料的加工性能發(fā)生了顯著的變化；鍛造及壓力加工技術(shù)的進(jìn)步。使得毛坯材料的去除率大為降低.另外,由產(chǎn)熱處理技術(shù)的發(fā)展，深孔工件經(jīng)過熱處理后，在機(jī)械性能、結(jié)晶與顯微組織上都有了較大的改善。這直接影響著材料的再加工性。
隨著新材料發(fā)展及材料機(jī)械性能的提高，促進(jìn)了新刀具材料的不斷發(fā)展。深孔加工刀具所使用的刀具材料多為高速鋼、YG及YT類的硬質(zhì)合金。目前,已開始試驗(yàn)和采用新型高速鋼材料、超細(xì)晶粒硬頂合金、徐層刀片、陶瓷(金屆陶瓷、等)、立方氮化硼(CBN)、金剛石等新型刀具材料。
深孔加工機(jī)床現(xiàn)在多采用常規(guī)機(jī)床，有深孔鉆鏜床、深孔磨床、珩磨機(jī)及通用車床改造成的深孔鉆鏜床。近年來，已出現(xiàn)數(shù)控深孔鉆鏜床(cNc)。
現(xiàn)代深孔加工技術(shù)的發(fā)展，面臨著多品種、小批量、新型工程材料及愈來愈高的精度要求的挑戰(zhàn)。由于機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品多品種、小批量的比重日益增加，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本成為深孔加工技術(shù)的中心課題。發(fā)展成組技術(shù)和開展計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)捕助制造(cAD／(CAM)、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)是提高深孔加工勞動(dòng)生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益的根本途徑。新型工程材料對(duì)深孔加工技術(shù)的挑戰(zhàn)，在于要求提高傳統(tǒng)深孔加工方法的水平．開發(fā)新的制造技術(shù)與工藝方法。愈來愈高的精度要求，需要發(fā)展深孔精密加工技術(shù)，并相應(yīng)地發(fā)展精密測(cè)量及精密機(jī)械設(shè)汁。在實(shí)現(xiàn)深孔加工自動(dòng)化生產(chǎn)中，需要解決加工中異常情況的監(jiān)控及自動(dòng)檢測(cè)。日前．深孔加工中的這些問題、雖然落后于車削、銑削，但已有一些國家在開發(fā)研制，進(jìn)行解決。
隨著深孔加工技術(shù)的發(fā)展．深孔加工技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究也在不斷加強(qiáng)．并取得了有價(jià)值的成果。
2.機(jī)床主要參數(shù)的確定
2.1 電機(jī)功率的確定
機(jī)床功率與鉆孔直徑的關(guān)系如圖2-1所示：
圖2-1鉆孔直徑與機(jī)床功率p的關(guān)系圖
根據(jù)設(shè)計(jì)要求我們要對(duì)材料是硬度HB為220--400的低合金鋼，長(zhǎng)為500mm，外徑D為50mm的工件加工出直徑為10mm的通孔。所以機(jī)床的功率為4KW。
2.2 主運(yùn)動(dòng)參數(shù)的確定
主運(yùn)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)參數(shù)是主軸轉(zhuǎn)速n（r/min）
式中v——切削速度，m/min；
d——工件（或刀具）直徑，mm。
有表1可知切削速度為40——120m/min，所以
表1 工件材料與切削速度的關(guān)系
變速范圍
2.3 標(biāo)準(zhǔn)公比值和標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速數(shù)列
規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)公比>1，并且規(guī)定相對(duì)速度損失的最大值A(chǔ)max不大于50%，則相應(yīng)不大于2，所以。
為了簡(jiǎn)化機(jī)床設(shè)計(jì)和使用．規(guī)定了幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值，這些數(shù)值是選取2或10的某次方根．見表2。這些公比的特性如下。
表2標(biāo)準(zhǔn)公比
1)公比是2的某次方根．其數(shù)列每隔若干項(xiàng)增加或縮小2倍，如，數(shù)列為10、l 2．5、16、20、25；、32、40等，每隔三項(xiàng)增大2倍。這樣．使
表3標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列表
續(xù)
注：1大于1000和小于1的數(shù)列，可將表中數(shù)值乘或除以1000。
廠采用雙速電動(dòng)機(jī)，因?yàn)殡p速電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)轉(zhuǎn)速比值是2，例如3000/1500或1500/750等，同時(shí)也便于記憶和寫出等比數(shù)列。
2)公比是l0的某次方根，其數(shù)列每隔若干項(xiàng)增大或縮小10倍。這特性符合常用十進(jìn)制習(xí)慣，如，數(shù)列為10、16、25、40、63、100、160、250、400、630等，每隔五項(xiàng)增大10倍．使數(shù)列整齊好記。
當(dāng)選定標(biāo)準(zhǔn)公比之后．從表3可查出轉(zhuǎn)速數(shù)列。表3適用于轉(zhuǎn)速、雙行程數(shù)和進(jìn)給系列．而且可以用于機(jī)床尺寸和功率參數(shù)等數(shù)列。
從使用性能考慮，選取公比最好小一些，以便減少相對(duì)速度損失，但小一些，級(jí)數(shù)z增多．會(huì)使機(jī)床的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。公比選取的一股原則如下：1用于大批大量生產(chǎn)的自動(dòng)化與半自動(dòng)比機(jī)床，因?yàn)橐筝^高的生產(chǎn)率，相對(duì)轉(zhuǎn)速損失要小，因此，要小些，選取1.12或1．25。2大型機(jī)床加工大尺寸工件，機(jī)動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，選擇合理的切削速度對(duì)提高生產(chǎn)
2可由標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列中選用具有某一公比的數(shù)列，組成派生系列，例如=1.41的派生系列為132、190、265、375等。
率作用較大，應(yīng)小些，取1．12、1．25。3中型通用機(jī)床，萬能性較大，因而要求轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)z要多—些，但結(jié)構(gòu)又不能過于復(fù)雜，公比常選取1．25或1.41。4小型機(jī)床切削加工時(shí)間常比輔助時(shí)間少，結(jié)構(gòu)要求簡(jiǎn)單一些，機(jī)動(dòng)時(shí)間短．變速級(jí)數(shù)z也不多，公比常取1．58或1．78。根據(jù)以上敘述選=1.12。
3.確定結(jié)構(gòu)式和繪制轉(zhuǎn)速圖
3.1 求級(jí)數(shù)z
由等比級(jí)數(shù)規(guī)律可知
公式中——變速范圍；
——公比。
由前面=2.25，=1.12
所以
3.2 確定結(jié)構(gòu)式
選擇一個(gè)比較好的結(jié)構(gòu)式，一般要遵照下列的原則：
3.2.1 傳動(dòng)副的“前多后少”原則
傳動(dòng)副數(shù)較多的變速組安排在傳動(dòng)順序前面，傳動(dòng)副數(shù)較少的變速組安排在后面。這是因?yàn)闄C(jī)床的電動(dòng)機(jī)往往比主軸變速的大多數(shù)轉(zhuǎn)速高，因此，變速系統(tǒng)以降速傳動(dòng)居多。傳動(dòng)系統(tǒng)中，若按傳動(dòng)順序排列，在前面的各軸轉(zhuǎn)速較高，依次類推。根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式
當(dāng)傳動(dòng)功率p一定時(shí)．轉(zhuǎn)速n較高的鈾所傳遞的轉(zhuǎn)矩就較小，在其他條件相同時(shí)，傳動(dòng)件(如鈾、齒輪)的尺寸就較?。虼耍０褌鲃?dòng)副數(shù)較多的變速組安排在前面高速軸上，這樣可以節(jié)省材料，減少傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。以18級(jí)變速系統(tǒng)為例，應(yīng)選擇結(jié)構(gòu)式18＝3×3×2。
3.2.2 傳動(dòng)副的“前緊后松”原則
變速組的擴(kuò)大順序應(yīng)盡可能與傳動(dòng)順序一致
當(dāng)時(shí)。要求
即在傳動(dòng)順序中按基本組在前，然后依次排第一擴(kuò)大組、第二擴(kuò)大組……第n擴(kuò)大組，這稱為“前緊后松”原則，這時(shí)各變速組的變速范圍是逐步增大，在轉(zhuǎn)速圖上表現(xiàn)為傳動(dòng)順序前面的變速組傳動(dòng)比連線分布緊密，而后面的變速組傳動(dòng)比連線分布疏松，這樣可以使前面的各軸轉(zhuǎn)速范圍較小，相當(dāng)于提高該軸的最低轉(zhuǎn)速和降低它的最高轉(zhuǎn)速，前者可以減少傳動(dòng)件尺寸，后者可以降低噪聲和減少振動(dòng)。
3.2.3 各變速組的變速范圍不應(yīng)超過最大的變速范圍
在主傳動(dòng)系統(tǒng)的降速傳動(dòng)中，主動(dòng)齒輪的最少齒數(shù)受到限制，為了避免被動(dòng)齒輪的直徑過大，建議降速傳動(dòng)比最小值為Umin＝1／4；對(duì)于升速傳動(dòng)比最大值，考慮到盡量減少振動(dòng)和噪聲，建議Umax＝2(斜齒傳動(dòng)Umax＝2．5)。這樣主傳動(dòng)各變速組的變速范圍限制在 r＝＝8一l0之間。對(duì)于進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)，由于傳動(dòng)件的轉(zhuǎn)速較低，尺寸較小，變速范圍可放寬到Umin=1／5．Umax＝2．8，這樣進(jìn)給傳動(dòng)中各變速組的變速范圍限制在r＝14之內(nèi)。上述限制是建議限制范圍，若條件許可，也允許超過上述范圍，但可能會(huì)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來困難。
機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)中，最后擴(kuò)大組的變速范圍必定最大，因此一般只要檢查最后擴(kuò)大組的變速范圍不超過限制范圍，則其余的變速組也不會(huì)超過。
根據(jù)以上原則可得機(jī)床的結(jié)構(gòu)式為
3.3 繪制轉(zhuǎn)速圖
根據(jù)機(jī)床的結(jié)構(gòu)式繪制轉(zhuǎn)速圖。如圖3—1所示
圖3—1轉(zhuǎn)速圖
4.確定各級(jí)傳動(dòng)副齒輪的齒數(shù)
4.1 確定齒輪的齒數(shù)
機(jī)床轉(zhuǎn)速圖確定后．則各變速組的傳動(dòng)比也就確定了．即可進(jìn)一步確定各變速組中傳動(dòng)副的齒輪齒數(shù)、帶輪的直徑等，在確定齒數(shù)時(shí)要注意下列幾點(diǎn)：
1)齒輪的齒數(shù)和；不能太大，以免齒輪尺寸過大而引起機(jī)床結(jié)構(gòu)增大。一般推薦齒數(shù)和，常選用在100之內(nèi)。
2）同一變速組中的各對(duì)齒輪，其中心距必須保持相等。在同一變速組內(nèi)一般采用相同的模數(shù)，這是因?yàn)楦鼾X輪副的速度變化不大，受力情況差別不大。也就是說在同一變速組中各對(duì)齒輪的齒數(shù)和相等。
3)最小齒輪的齒數(shù)應(yīng)保證不產(chǎn)生根切。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)齒輪．就最小齒數(shù)一般取。
4)應(yīng)保證最小齒輪裝到軸上或套簡(jiǎn)上具有足夠的強(qiáng)度、圖4—1所示為保證輪齒受力和熱處理之后．齒根部分不致于斷裂．齒根到孔壁或鍵槽的壁厚M應(yīng)有足夠的厚度，一般推薦值2m〔m為齒輪的模數(shù))，由此可知，在確定最小齒輪的齒數(shù)時(shí)，要先估算傳動(dòng)軸的直徑。
圖4—1齒輪的齒厚
5)保證主軸的轉(zhuǎn)速誤差在規(guī)定范圍之內(nèi)。按照ISO229—1973規(guī)定，機(jī)床主軸的實(shí)際轉(zhuǎn)速或每分鐘雙行程數(shù)對(duì)于優(yōu)先數(shù)列的理論值的相對(duì)誤差，應(yīng)在范圍內(nèi)。
對(duì)于變速組內(nèi)齒輪的齒數(shù)，如傳動(dòng)比是標(biāo)準(zhǔn)公比的整數(shù)次方時(shí)，變速組內(nèi)每對(duì)齒輪的齒數(shù)和、及小齒輪的齒數(shù)可從表4中選取。在表中，橫坐標(biāo)是齒數(shù)和；縱坐標(biāo)是傳動(dòng)副的傳動(dòng)比u；表中所列的u值是傳動(dòng)副的被動(dòng)齒輪的齒數(shù)；齒數(shù)和減去被動(dòng)齒輪齒數(shù)就是主動(dòng)齒輪齒數(shù)。表中所列的u值全大于1，即全是升速傳動(dòng)。對(duì)于降速傳動(dòng)副，可取其倒數(shù)查表，查出的齒數(shù)則是主動(dòng)齒輪齒數(shù)。
本設(shè)計(jì)所選用的公比為標(biāo)準(zhǔn)公比，齒輪齒數(shù)可有表中查出。
圖1—3中的變速組a有兩個(gè)傳動(dòng)副，其傳動(dòng)比分別是：。按u=1.12和1查表。在合適的齒數(shù)和Sz范圍內(nèi)，查出存在上述兩個(gè)傳動(dòng)比的Sz分別有：
根據(jù)前面的敘述，該變速組a的齒輪齒數(shù)和應(yīng)相等，符合條件的有Sz=64，68，70，72，74，76，78和80，試取Sz=70。從表中可查出兩個(gè)傳動(dòng)副的主動(dòng)齒輪齒數(shù)分別為33和35。則可算出變速組a中的兩個(gè)傳動(dòng)副的齒輪齒數(shù)為。同樣可查表得變速組b中的兩個(gè)傳動(dòng)副的齒輪齒數(shù)為；變速組c中的兩個(gè)傳動(dòng)副的齒輪齒數(shù)為.。
表4各種常用傳動(dòng)比的適用齒數(shù)
續(xù)
4.2 驗(yàn)算傳動(dòng)比
有前面的敘述可知實(shí)際傳動(dòng)比(齒輪齒數(shù)之比)與理論傳動(dòng)比(轉(zhuǎn)速圖上給定的傳動(dòng)比)之間的轉(zhuǎn)速誤差應(yīng)在允許的范圍之內(nèi).一般應(yīng)滿足
式中 主軸實(shí)際轉(zhuǎn)速;
n---------主軸的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速;
公比.
所以;
經(jīng)驗(yàn)算所選齒輪轉(zhuǎn)速誤差在允許的范圍內(nèi).
4.3 各軸及齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)速的確定
主傳動(dòng)系統(tǒng)中的主軸和傳動(dòng)件的尺寸大小主要決定于它所傳遞的轉(zhuǎn)矩大小，而轉(zhuǎn)矩大小則和所傳遞的功率及轉(zhuǎn)速兩個(gè)因素有關(guān)。
對(duì)于專用機(jī)床，它是按照持定工藝設(shè)計(jì)的，傳遞的功率和轉(zhuǎn)速是固定不變的，所傳遞的轉(zhuǎn)矩也是一定的。但是，對(duì)于通用機(jī)床和某些專門化機(jī)床，主傳動(dòng)的功率是根據(jù)某些典型加工的切削用量確定的，機(jī)床在實(shí)際使用中，低轉(zhuǎn)速范圍加工時(shí)，不需要使用機(jī)床的全部功率。據(jù)調(diào)查， 主抽在最低一段的幾級(jí)轉(zhuǎn)速一般用來加工螺紋、鉸孔、精鏜等輕負(fù)荷工作，或者是用于相加工，但切削速度較低，這些工序都不需要使用電動(dòng)機(jī)的全部功率。如果按最低轉(zhuǎn)速計(jì)算，勢(shì)必造成各傳動(dòng)件較粗大，具備過大的強(qiáng)度儲(chǔ)備，這是不經(jīng)濟(jì)和不必要的。
由此可知，通用機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)只是從某轉(zhuǎn)速開始才有可能使用電動(dòng)機(jī)的全部功率。這一傳遞全部功率的最低轉(zhuǎn)速稱為該傳動(dòng)件的計(jì)算轉(zhuǎn)速(nj)。
計(jì)算轉(zhuǎn)速的確定對(duì)各種機(jī)床是不同的,表5列出各類機(jī)床主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速,表中的公式為經(jīng)驗(yàn)公式.
至于中間傳動(dòng)件(包括軸上的傳動(dòng)件)的計(jì)算轉(zhuǎn)速，也是按照上述原則，取主軸傳遞全部功率時(shí)，各中間傳動(dòng)件相應(yīng)轉(zhuǎn)速中最低的一級(jí)轉(zhuǎn)速作為中間傳動(dòng)件的計(jì)算轉(zhuǎn)速，即各個(gè)中間傳動(dòng)軸和齒輪副的計(jì)算轉(zhuǎn)速，同樣應(yīng)是各自傳遞全部功率的最低轉(zhuǎn)速。
4.3.1 主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速
由表5可知,主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速是低速第一個(gè)三分之一變速范圍的最高一級(jí)轉(zhuǎn)速,即nj=1600r/min.
4.3.2 各傳動(dòng)軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速
軸III有四級(jí)轉(zhuǎn)速,其最低轉(zhuǎn)速1000r/min通過雙聯(lián)齒輪使主軸獲得兩級(jí)轉(zhuǎn)速:1250r/min和2000r/min.2000r/min比主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速高,需傳遞全部功率,故軸III的1000r/min轉(zhuǎn)速也應(yīng)能傳遞全部功率,是計(jì)算轉(zhuǎn)速.軸II有兩級(jí)轉(zhuǎn)速,其最低轉(zhuǎn)速1250r/min通過雙聯(lián)齒輪使軸III獲得兩極轉(zhuǎn)速:1000r/min和1250r/min均需傳遞全部功率,故軸II的1250r/min轉(zhuǎn)速也應(yīng)能傳遞全部功率,是計(jì)算轉(zhuǎn)速.軸I上有一級(jí)轉(zhuǎn)速1250r/min應(yīng)傳遞全部功率,是計(jì)算轉(zhuǎn)速.
4.3.3 各齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)速
各變速組內(nèi)一般只計(jì)算組內(nèi)最小的,也是強(qiáng)度最薄弱的齒輪,故也只需確定最小齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)速.
軸III----IV間的變速組的最小齒輪是z=31,經(jīng)該齒輪傳動(dòng),使主軸獲得4級(jí)轉(zhuǎn)速:1800,2000,2240和2800r/min.主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速是1600r/min,故z=31齒輪在2000r/min時(shí)應(yīng)傳遞全部功率,是計(jì)算轉(zhuǎn)速.軸II----III間的變速組的最小齒輪是z=38,經(jīng)該齒輪傳動(dòng),使軸III獲得兩級(jí)轉(zhuǎn)速:1000和1250r/min.軸III的計(jì)算轉(zhuǎn)速是1000r/min,故z=38齒輪在1250r/min時(shí)應(yīng)傳遞全部功率,是計(jì)
算抓轉(zhuǎn)速.軸I----II間的變速組的最小齒輪是z=33,經(jīng)該齒輪傳動(dòng),使軸II獲得轉(zhuǎn)速是1400r/min,軸II的計(jì)算轉(zhuǎn)速是1250r/min,故z=33齒輪在1400r/min時(shí)應(yīng)傳遞全 部功率,是計(jì)算轉(zhuǎn)速.。
表5各類機(jī)床的主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速
5.傳動(dòng)零件的初步計(jì)算
5.1 傳動(dòng)軸直徑初定
用公式計(jì)算軸的直徑
式中:d------傳動(dòng)軸的直徑,mm;
N------傳動(dòng)軸所傳動(dòng)的功率,KW;
nj------傳動(dòng)軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速,r/min;
.該軸允許的扭轉(zhuǎn)角[deg/m],取.
所以
圓整得
圓整得
圓整得
5.2 主軸主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定
主軸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有主軸前、后軸頸直徑，主軸內(nèi)孔直徑d。主軸前軸頸直徑的選取是一般按機(jī)床類型、主軸傳遞的功率或最大加工直徑，參考表6選取D1。車床和銑床后軸頸的直徑.。很多機(jī)床的主軸是空心的，內(nèi)孔直徑與其1用途有關(guān)。如車床內(nèi)孔用來通過棒料或安裝送夾料機(jī)構(gòu)，銑床主軸內(nèi)孔可通過拉桿來拉緊刀桿等等。為不過多地削弱主軸的剛度，臥式車床的主軸孔徑d通常不小于主軸平均直徑的55%~60%；銑床主軸孔徑d可比刀具拉桿直徑大5~10mm。
查表6選取車床主軸前軸頸D1=90mm，則D2=0.8D1=0.8*90=72mm。
主軸孔直徑d=45mm。
表6 主軸前軸頸的直徑
功率kw
車床
2.6~3.6
3.7~5.5
5.6~7.2
7.4~11
11~14.7
14.8~18.4
車床
70~90
70~105
95~130
110~145
140~165
150~190
升降臺(tái)銑床
60~90
60~95
75~100
90~105
100~115
外圓磨床
50~60
55~70
70~80
75~90
75~100
90~100
5.3 齒輪模數(shù)計(jì)算和齒輪中心距的計(jì)算
5.3.1 利用齒輪的彎曲強(qiáng)度公式計(jì)算
式中 -----計(jì)算的齒輪模數(shù)；
i---------計(jì)算齒輪的傳動(dòng)比；
電機(jī)的功率，kw；
-----齒寬系數(shù)，=B/m(B為齒寬;m為模數(shù))一般取=6~10；
-----計(jì)算齒輪的齒數(shù)；
------許用接觸應(yīng)力[mpa]，取=1100MPa；
----齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)速，r/min。
圓整模數(shù)：m1=2mm，m2=3mm，m3=3.5mm。
5.3.2 各傳動(dòng)副間的中心距：
軸I----II間齒輪的中心距為a1=（z1+z2）*m/2=70*2/2=70mm
軸II---III間齒輪的中心距為a2=（z1+z2）*m/2=86*3/2=129mm
軸III---IV間齒輪的中心距為a3=（z1+z2）*m/2=93*3.5/2=162.75mm
5.4 皮帶的相關(guān)計(jì)算
5.4.1 確定計(jì)算功率
計(jì)算功率是根據(jù)傳動(dòng)的功率p，并考慮到載荷性質(zhì)和每天運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)短等因素的影響而定的。即
=kp
式中：------計(jì)算功率，單位為kw；
p-------傳動(dòng)的額定功率（例如電動(dòng)機(jī)的額定功率），單位為kw；
k-------工作情況系數(shù)，見表7
表7工作情況系數(shù)
注：反復(fù)起動(dòng)、正反轉(zhuǎn)頻繁、工作條件惡劣等場(chǎng)合，k應(yīng)乘1.2。
根據(jù)機(jī)床的工作情況取k=1.1。
則 =kp=1.1*4=4.4kw
5.4.2 選擇帶型
根據(jù)計(jì)算功率和小帶輪轉(zhuǎn)速n1由圖1—5選定帶型
計(jì)算功率=4.4kw，小帶輪轉(zhuǎn)速n1=1440r/min。查表得選擇A型皮帶。
5.4.3 初選小帶輪的基準(zhǔn)直徑
根據(jù)v帶截型，參考文獻(xiàn)[2]中的表8—3及表8—7選取為了提高v帶的壽命選取較大的直徑。取=100mm。
則大帶輪的直徑D為：D=n1/n2*=1440/1250*100=115mm
5.4.4 計(jì)算帶輪的轉(zhuǎn)速v
圖1—5普通v帶選型圖
對(duì)普通v帶。一般。同時(shí)，一般v不得低于5m/s，所以v=7.54m/s合適。
5.4.5 初定中心距a和帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度
根據(jù)傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)需要初定中心距a0，取
中心距a0為：
a0=1.5（+D）=1.5*（100+115）=323vmm
a0取定后，根據(jù)帶傳動(dòng)的幾何關(guān)系，按下式計(jì)算所需帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度：
=2*323+3.14/2*（100+115）+（115-100）（115-100）/4*323=983.7mm
根據(jù)，有文獻(xiàn)[2]中表8—2中選取=1000mm
采用下式作近似計(jì)算a，即
所以=323+（1000-983.7）/2=331.2mm
5.4.6 驗(yàn)算小帶輪上的包角
根據(jù)對(duì)包角的要求，應(yīng)保證
即=180-（115-100）/331.2*57.5=177>120
5.4.7確定帶的根數(shù)z
式中：考慮包角不同時(shí)的影響系數(shù)，簡(jiǎn)稱包角系數(shù)，查文獻(xiàn)[2]表8—8；
考慮帶的長(zhǎng)度不同時(shí)的影響系數(shù)，簡(jiǎn)稱長(zhǎng)度系數(shù)，查文獻(xiàn)[2]中 表8—2；
單根v帶的基本額定功率，查文獻(xiàn)[2]表8—5a或8—5c；
計(jì)入傳動(dòng)比的影響時(shí)，單根v帶額定功率的增量（因p0是按a=180，即d1=d2的條件計(jì)算的，而當(dāng)傳動(dòng)比越大時(shí)，從動(dòng)輪直徑就越比主動(dòng)輪直徑大，帶繞上從動(dòng)輪時(shí)的彎曲應(yīng)力就越比繞上主動(dòng)輪時(shí)的小，故其傳動(dòng)能力既有提高），其值見文獻(xiàn)表8—5b或8—5d。
查文獻(xiàn)中表8—8，8—2，8—5得。kw。
所以 根。
6.主要零件的驗(yàn)算
6.1 齒輪的強(qiáng)度驗(yàn)算
變速箱中的齒輪,不必都作強(qiáng)度驗(yàn)算?？稍谙嗤?shù)和材料的齒輪中，選取一個(gè)承受載荷最大并且齒數(shù)最小的齒輪，驗(yàn)算它的接觸和彎曲疲勞強(qiáng)度。一般說來，對(duì)高速傳動(dòng)齒輪以驗(yàn)算接觸強(qiáng)度為主，對(duì)低速傳動(dòng)齒輪主要考慮其彎曲強(qiáng)度，對(duì)硬齒面軟齒芯的滲碳淬火齒輪，必須驗(yàn)算其彎曲疲勞強(qiáng)度。由圖1—3轉(zhuǎn)速圖可知該機(jī)床變速組內(nèi)的齒輪都是高速傳動(dòng)，故按接觸疲勞計(jì)算齒輪模數(shù)：
式中：齒輪所傳遞的額定功率[kw]，
電動(dòng)機(jī)功率；
從電動(dòng)機(jī)到所計(jì)算齒輪的傳動(dòng)效率；
小齒輪齒數(shù)；
齒輪對(duì)的傳動(dòng)比，，Z2為大齒輪齒數(shù)，i后面的“+”用于外嚙合，“-”用于內(nèi)嚙合；
齒寬系數(shù)，，（B為齒寬；m為模數(shù)），通常??；
齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)速[r/min]；
工作狀況系數(shù)，考慮載荷沖擊的影響：
沖擊性機(jī)床（如刨床、插床）
主運(yùn)動(dòng)（中等沖擊） ；
輔助傳動(dòng)（輕微沖擊） ；
動(dòng)載荷系數(shù)；
齒向載荷分布系數(shù)；
許用接觸應(yīng)力，取=1100MPa。
查表8，9得=1.3，=1。取，。
所以軸I—II間齒輪的模數(shù)為
軸II—III間齒輪的模數(shù)為
軸III—IV間齒輪的模數(shù)為
6.2 主軸的驗(yàn)算
6.2.1主軸的強(qiáng)度驗(yàn)算
機(jī)床變速箱中的傳動(dòng)軸，受到裝在軸上的主、被動(dòng)齒輪的圓周力、徑向力（如果是斜齒圓柱齒輪或錐齒輪，則還有軸向力）的作用，齒輪的圓周力
使軸傳遞扭矩，齒輪的徑向力（和軸向力）使軸受彎矩，所以傳動(dòng)軸應(yīng)按彎
表8 直齒圓柱齒輪的動(dòng)載荷系數(shù)
精度等級(jí)
齒面硬度
圓周線速度v[m/s]
<1
1~3
3~8
8~12
12~80
6
350
>HB 350
1
1
1.1
1.1
1.2
1.2
1.3
1.3
1.5
1.4
7
350
>HB 350
1
1
1.2
1.2
1.4
1.3
1.5
1.4
——
8
350
>HB 350
1
1
1.3
1.3
1.5
1.4
——
——
9
350
>HB 350
1.1
1.1
1.4
1.4
——
——
——
表9 圓柱齒輪的齒向載荷分布系數(shù)
圓柱齒輪對(duì)稱布置與兩軸承之間
齒輪非對(duì)稱布置于兩軸承之間
齒輪懸臂安裝
軸的剛度較高
軸的剛度較低
0.2
1
1
1.05
1.08
0.4
1
1.04
1.12
1.15
0.6
1.03
1.10
1.22
1.22
0.8
1.05
1.10
1.28
1.30
1.0~1.5
1.08
1.30~1.40
1.45~1.55
——
1.5~2.2
1.15
——
——
——
矩和扭矩合成的強(qiáng)度條件進(jìn)行驗(yàn)算。
a 受力分析
主軸所受的力如圖所示：
（1）主軸所受到的外力為
所以
（2）求支座反力
在H平面內(nèi)，將支座約束看做支座反力，其受力如圖所示：
則
根據(jù)靜力平衡方程得：
在V平面內(nèi)，其受力如圖所示：
則
（b） 求合成彎矩M
在H平面內(nèi)，彎矩如下頁圖所示：
在V平面內(nèi)，彎矩如下頁圖所示：
所以合成彎矩如下頁圖所示：
（c） 求軸所傳遞的扭矩T
式中：該軸傳遞的額定功率[kw]