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南京工程學院
畢業(yè)設計(論文)外文資料翻譯
原 文 題 目：Vector modeling of robotic helical milling
hole movement and theoretical analysis on roughness of
hole surface
原 文 來 源：Central South University Press and
Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013
學 生 姓 名： 陳志斌 學 號： X00231120510
所在院(系)部： 工業(yè)中心
專 業(yè) 名 稱： 機械設計制造及其自動化
J.Cent.South大學（2013）20：1818年至1824年
DOI：10.1007/ sll771-013-1678-5
機器人螺旋銑孔運動矢量建模與
孔加工表面粗糙度的理論分析
SHAN Yi-cai(單以才)，HE Ning(何寧)，LI Liang(李亮)，ZHAO wei(趙威)，YANG Yin-fei(楊吟飛)
1南京航空航天大學機電工程學院，南京210016，中國;;
2南京信息技術學院，南京210046，中國
◎中南工業(yè)大學出版社和施普林格出版社柏林海德堡2013
摘要：為了避免過多的軸向力的故障，在復雜的流程和頻繁換刀鉆孔機器出現(xiàn)的問題，新的制孔技術（即螺旋銑孔）中引入了設計一種新的機器人螺旋銑孔系統(tǒng)。這可能會進一步提高機器人的銑孔，在飛機數(shù)字化裝配能力。分析螺旋銑孔的特點后，總結(jié)兩個典型的機器人螺旋銑孔系統(tǒng)的優(yōu)點和局限性。然后，在矢量分析法上建立螺旋銑孔運動矢量模型。最后，表面粗糙度的計算公式是根據(jù)螺旋銑孔的運動原理，那么的主影響推導對表面粗糙度工藝參數(shù)進行了分析。分析表明，孔理論表面粗糙度變窮人的工具速比和公轉(zhuǎn)半徑的增加。與此同時，粗糙度根據(jù)工具的增加而減小齒數(shù)。這項研究大大有助于粗糙度預測模型的螺旋銑孔加工。
關鍵詞：螺旋銑孔;機器人制孔系統(tǒng)，矢量建模;理論表面粗糙度
1 引言
隨著成功研制國內(nèi)區(qū)域的航空公司ARJ.700和大飛機C919，更多的關注都集中在如何提高質(zhì)量和裝配孔的效率，在平面最終組裝階段[1-2]。由于這種優(yōu)點自動化程度高，良好的柔韌性和低成本，由于這些優(yōu)點，自動化程度高，柔韌性好，成本低，在大型和超大型飛機中機器人制孔系統(tǒng)正逐漸成為未來智能化的主要技術。
為了滿足高效和精確的孔制定的要求，新的機械手制孔系統(tǒng)相繼出現(xiàn)。目前，常用的技術是關節(jié)機器人鉆孔技術。是考慮在低剛性和差承載力的串聯(lián)機械手固有的缺陷，本鉆孔系統(tǒng)的應用受到限制。近日，波音和Electroimpact公司聯(lián)合開發(fā)的靈活的軌道自動送鉆系統(tǒng)，其中真空吸盤吸附在工件表面上實現(xiàn)鉆孔?，F(xiàn)在，鉆井系統(tǒng)已經(jīng)成功應用在波音787，波音777和A380上。
西班牙M.Torres公司設計了爬壁機器人自動鉆孔系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，鉆孔裝置安裝在機器人上在真空卡盤上完成吸附功能。所以，可避免特殊輔助工具。由于上述系統(tǒng)都使用真空吸附技術，這兩個鉆孔系統(tǒng)無法適應大的軸向力的場合。因此，這兩個系統(tǒng)僅在小孔使用。隨著航空部件制成的大洞的不斷增加難切削材料（尤其是鈦合金，碳纖維增強復合材料和高強度航空鋁合金），迫切需要開發(fā)高效率，高精度的新鉆孔系統(tǒng)[5-7]。
螺旋銑孔（即軌道銑孔），是新技術，它利用研磨的方式來實現(xiàn)打孔.T001運動技術常規(guī)鉆孔的不是一個簡單的組合和銑削，但是三維螺桿的相對運動刀具和工件。螺旋銑孔的過程包括圍繞刀具的刀具旋轉(zhuǎn)軸三個動作，刀具軸向進給，刀具圍繞孔的軸線公轉(zhuǎn)。該技術可以使不同的孔不斷變化的工具，位置精度，幾何精度和表面粗糙度變化的工具，滿足需求[8-9]。因此，新的機器人制孔系統(tǒng)基于螺旋銑孔技術具有廣闊的應用前景，在航空，航天領域和造船等[1 0-1 3]。然而，在切割過程機器人螺旋銑孔一直沒有深研究。在這項工作中，機器人螺旋的造型矢量銑孔是在孔理論上的表面粗糙度進行建立和深入研究的。
2螺旋銑孔的特點和基于兩個典型的加工方法關節(jié)機器人
2.1螺旋銑孔的特性
螺旋銑孔的原理如圖1所示[14]。在螺旋銑孔，主運動是刀具的高速旋轉(zhuǎn)和進給運動是相對于工件的刀具的螺旋進給。該進給運動是刀具和工件之間的公轉(zhuǎn)進給組合運動和軸向進給。因此，螺旋銑孔有以下特點：
工件
螺旋路徑
刀具
：進給在軸線方向
：刀具旋轉(zhuǎn)速度
：刀具轉(zhuǎn)速
孔中心線
刀具中心線
：刀具旋轉(zhuǎn)半徑
圖1 螺旋銑孔的示意圖
1）由于旋轉(zhuǎn)半徑存在，孔直徑是由刀具直徑和旋轉(zhuǎn)半徑來確定。所以，銑孔技術具有良好的彈性。
2）旋轉(zhuǎn)半徑可在線路進行調(diào)整。因此，螺旋銑削不僅可生成圓柱孔和圓錐孔，而且有正確的位置誤差。此外，它提高了孔的加工精度。
3）不連續(xù)的螺旋銑削實現(xiàn)短暫切屑，?這有助于實現(xiàn)自動排屑和提高孔的質(zhì)量。
4）不連續(xù)的螺旋銑削要保證刀具足夠的冷卻時間。同時，較小的刀具直徑有助于受熱刀具的耗散。這樣，刀具具有在低的溫度加工。
5）相對于傳統(tǒng)的鉆孔，螺旋銑孔大大降低軸向力。因此，該研磨方法是適用于制造精確的硬質(zhì)固化材料的孔。
2.2兩種典型的加工方法
據(jù)螺旋送進的實現(xiàn)形式，機器人螺旋銑孔有兩種典型的加工方法。在第一加工方法。螺旋送進是通過刀具軸向進給和工件旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)。如圖2所示（一）。另一種方法使用刀具的軸向進給和工具的公轉(zhuǎn)，實現(xiàn)螺旋銑削，原理示于圖2（b）。
工件
末端執(zhí)行單元
機器人
工件
末端執(zhí)行單元
B
圖2 兩種典型的加工方法螺旋銑削保持（一）工件運動插值;（二）工具轉(zhuǎn)
在圖2（a）中，兩個線性運動的插值實現(xiàn)工件旋轉(zhuǎn)。為了保證良好的精度，這種加工方法在處理上有較高的進給驅(qū)動加速度，剛度和硬度要求的特性。因此，世界各地的學者們通常會選擇螺旋銑孔，通常選用世界各地高速精密加工中心。由于螺旋送進是由工件裝載平臺和主軸完成的，螺旋研磨孔的過程中很容易實現(xiàn)。然而，工件體積由裝載平臺的尺寸的限制。
在圖2（b）所示，通過刀具公轉(zhuǎn)完成圍繞孔的軸線。第二種加工方法可以避免由于插值的加工誤差運動。為主軸實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，軸向進給并同時公轉(zhuǎn)，不必調(diào)整工件的嵌入姿勢。因此，第二方法是很適合于在大和超大型工件的自動制孔制造。但是，它需要復雜的運動機構(gòu)。
3機器人螺旋銑削孔矢量模型
3.1機器人螺旋銑削系統(tǒng)工作流程
機器人螺旋磨邊系統(tǒng)主要由機器人平臺，末端執(zhí)行器的制孔，自動測量設備尋求孔標記點和控制平臺。末端執(zhí)行器和自動測量裝置安裝在機器人平臺。螺旋磨邊之前，末端執(zhí)行器是由機器人平臺的自動測量設備的引導下發(fā)送到特定位置。用于確定所述孔標記點的檢測算法在參考文獻中所示。[5]。在結(jié)束時，端部執(zhí)行器是實現(xiàn)螺旋磨邊的運動。機器人螺旋磨邊系統(tǒng)的工作過程中顯示如圖3所示。
3.2工件運動插值與螺旋銑孔的矢量模型
雖然已經(jīng)提出進行了深入研究螺旋銑削孔的運動學，運動矢量模型的研究，目前仍然缺乏。開發(fā)基于螺旋銑削技術的機器人制孔系統(tǒng)，矢量方程應該找到來形容螺旋銑削孔的運動。因此，從根本上矢量模型需要在空間中的坐標系統(tǒng)來建立。圖4給出了當工件移動螺旋銑孔的基本矢量模型。為了易于學習，工件插補運動取代有工件旋轉(zhuǎn)。根據(jù)由自動測量設備檢測出的孔標記點的姿勢，一個新的絕對坐標系統(tǒng)被建立在模型中。這兩個相對坐標系和除z外，都涉及到工件上。這兩個坐標系的平移和旋轉(zhuǎn)坐標系統(tǒng)標注孔點與末端執(zhí)行器之間。相關刀具相對坐標系刀具的軸向進給坐標系和刀具旋轉(zhuǎn)坐標系。編譯坐標系統(tǒng)由的沿向量和的平移形成。在，的原點由刀具軸向進給矢量描述。該刀具旋轉(zhuǎn)載體描述加工運動過程中切削刃的位置向量。切削刃在的位置矢量通過刀具軸向進給向量，刀具旋轉(zhuǎn)矢量和兩個軸向偏差向量和的合成。
---孔數(shù)
---刀具直徑
---孔直徑
結(jié)束
螺旋銑孔
調(diào)整
換刀
手眼校準
步入制作孔的工作狀態(tài)
末端執(zhí)行器姿勢調(diào)整結(jié)束
機器人移動到在測試點
刀具中心點校準
大型工件孔位置標記點
圖3 機器人螺旋銑孔工作進程
圖4 螺旋銑孔矢量模型與工件的運動插值
在圖4中，刀具由逆時針旋轉(zhuǎn)在上的刀具旋轉(zhuǎn)矢量被表示為
兩個軸向偏差矢量顯示在如下：
其中是刀具安全高度。
從中的轉(zhuǎn)換矩陣被給定為
其中，表示軸向進給距離時工件公轉(zhuǎn)了一圈。是工件轉(zhuǎn)速。表示工件的旋轉(zhuǎn)角度。
當轉(zhuǎn)換到需要新的平移矩陣：
從轉(zhuǎn)換矩陣由描述
其中是工件旋轉(zhuǎn)角度。
中的前沿位置矢量P是獲得：
上述表達式是當工件使螺旋銑孔插補運動基本矢量模型。
3.3刀具螺旋銑孔公轉(zhuǎn)的矢量模型
在圖2（b）中，沒有必要調(diào)整工件在構(gòu)成螺旋銑孔。因此，向量模型與工具公轉(zhuǎn)螺旋銑孔是建立在圖5。在這種模式下，一個新的絕對坐標系值也建立了基于孔的位置
機器人標志點坐標系｛｝。的原點是孔標記點。末端執(zhí)行器的工作協(xié)調(diào)制度的建立，為了滿足相關需求端之間位置效應和標記點。
其他三個相對坐標系統(tǒng)刀具公轉(zhuǎn)坐標系統(tǒng)中，刀具軸向進給坐標系統(tǒng)，和刀具旋轉(zhuǎn)坐標系統(tǒng)。在時，為原點是由刀具安全高度的矢量描述。該工具公轉(zhuǎn)矢量E描述的合原點。刀具軸向進給矢量和旋轉(zhuǎn)載體對應于在圖4所示的矢量和。我們定義數(shù)作為切削刃在的位置矢量。這里，是四個矢量作為，，和的組合。
圖5 螺旋銑孔刀具公轉(zhuǎn)矢量模型
從到的變換矩陣給出
當轉(zhuǎn)換到，新需要平移變換矩陣：
來自的變換矩陣為被描述為公式（8）?從轉(zhuǎn)換矩陣被描述為式（9）
中的前沿位置矢量是表示為
表達(10)是螺旋的基本矢量模型銑孔與刀具公轉(zhuǎn)。
4計算和孔表面的分析粗糙度
在螺旋銑孔的過程中，孔表面粗糙度Rz直接影響磨損性，耐疲勞性，和應力腐蝕的工件特征抵抗性。因此，高度重視應該對表面粗糙度。根據(jù)刀具運動原理，可以在孔表面粗糙度進行理論分析。
圖6示出用于計算孔表面的模型粗糙度。當?shù)毒咝D(zhuǎn)一個齒，刀具旋轉(zhuǎn)角度是
其中Z是刀具齒數(shù)，是刀具的變速比自轉(zhuǎn)和刀具公轉(zhuǎn)。
從圖6中，孔表面粗糙度Rz表示如
中，表示從點到點的距離，其被描述為
當代方程（11）和式（13）成等式（12），我們獲得以下公式：
軌道刀具中心點
孔
第i刀具路徑
工件
第（i +1）個刀具路徑
圖6 孔表面粗糙度理論計算模型
孔表面粗糙度圖6理論計算模型等式（14）是表面的理論公式粗糙度螺旋銑孔。粗糙度是由刀具齒數(shù)，刀具直徑，旋轉(zhuǎn)速度。轉(zhuǎn)速和公轉(zhuǎn)半徑幾個參數(shù)來確定。
當?shù)毒咧睆綖?2mm和孔徑為23毫米，在圖7中示出的是表面粗糙度與刀具齒數(shù)和速度比的關系。表面刀具牙齒和速比的降低粗糙度增大。在這里，刀具齒數(shù)對表面粗糙度的影響明顯。兩個參數(shù)對孔表面粗糙度低傳動比和小刀具數(shù)加工尤其是當顯著的影響。
圖8顯示了在三個參數(shù)的表面粗糙度，旋轉(zhuǎn)半徑和速度比，當?shù)毒咧睆皆O置為12毫米刀具牙齒是2的關系。在這里，孔直徑隨刀具旋轉(zhuǎn)半徑的擴大而增加。在高速率，孔表面粗糙度略有增加。然而，它的變速比明顯減小，變速比越小，更快的孔的表面粗糙度下降。
圖9反映了旋轉(zhuǎn)半徑和轉(zhuǎn)速比的對表面粗糙度的影響，當不同的工具被用于機器的孔。這里，不同工具的齒數(shù)為2，并且所述孔被加工都具有23毫米直徑相同。可以得出的結(jié)論如下：1）當旋轉(zhuǎn)半徑逐漸增大，孔表面粗糙度如下增加的趨勢;2）在大型旋轉(zhuǎn)半徑和低轉(zhuǎn)速比，孔的質(zhì)量變差。
從圖7-9這些結(jié)論有很大的在優(yōu)化過程中的控制參數(shù)的意義螺旋銑削。
刀刃
速比
圖7為與和的關系（ =-23毫米，=12廠）
速比
旋轉(zhuǎn)半徑
圖8為與和的關系（ =1 2毫米， =2）
速比
旋轉(zhuǎn)半徑/毫米
圖9為與和的關系（=23毫米，=2）
5 結(jié)論
1）根據(jù)螺旋銑孔的原理，在機器人的螺旋銑刀兩種典型方法特征進行了討論和機器人的螺旋銑刀的工作過程進行了設計。關于機器人的螺旋銑刀的運動分析后，兩種典型的螺旋研磨方法矢量方程推導出，這有助于實現(xiàn)移動控制螺旋銑孔。
2）孔表面粗糙度的分析模型是建立在螺旋銑孔的運動功能內(nèi)的，?然后切割粗糙度參數(shù)的影響研究?該研究給出了在螺旋銑削過程中選擇的刀具齒數(shù)，刀具半徑，旋轉(zhuǎn)半徑和速度比合適的參數(shù)很好的借鑒。
3）在螺旋銑孔，表面粗糙度也通過切削環(huán)境下切削的類型，以及排屑等的實際過程因素的影響。因此，如何抵御基于理論和實驗的有效組合，精確的粗糙模式將成為一個重要的研究方向。
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南京工程學院
工 業(yè) 中 心
本科畢業(yè)設計（論文）開題報告
題目:一種螺旋銑孔裝置的機械機
構(gòu)設計
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
班 級： D機加工123 學 號：231120510
學生姓名： 陳志斌
指導教師： 劉桂芝、卞榮
2016年03月11日
本科畢業(yè)設計(論文)開題報告
學生姓名
陳志斌
學 號
231120510
專 業(yè)
機械設計制造及其自動化
指導教師姓名
劉桂芝、卞榮
職 稱
教授級高工/講師
所在院系
工業(yè)中心
課題來源
D自擬課題
課題性質(zhì)
A工程設計
課題名稱
一種螺旋銑孔裝置的機械機構(gòu)設計
畢業(yè)設計的
內(nèi)容和意義?
采用類比法、綜合分析法以及查閱文獻等，進行螺旋銑孔裝置的機械機構(gòu)設計的設計，使其各個單元的精度、剛度、力學性能以及運動性能達到要求。
畢業(yè)設計的具體內(nèi)容：
1. 理論、計算
a) 理解螺旋銑孔工藝以及各參數(shù)意義
b) 根據(jù)基礎數(shù)據(jù)分析計算最大加工孔徑
2. 機械制圖
a)圖紙清晰，布局合理，符合設計標準，無重大錯誤；
b) CAD繪制試驗機裝配圖0號圖 1張
c) 繪制其它典型零件CAD圖紙，合0號圖1.5張
3. 翻譯有關外文資料
a) 文章大意、作者觀點基本正確，無重大語病
b) 專業(yè)術語翻譯正確
4. 按要求撰寫畢業(yè)設計說明書（論文）
本課題研究的意義：
大量的復合材料和鈦合金在航空航天制造領域應用日益廣泛，對復合材料和鈦合金制孔設備的需求也愈加強烈。螺旋銑孔設備與原有的鉆孔技術相比：便于實現(xiàn)自動化控制；單一直徑的刀具可以加工出一系列不同直徑的孔，減少工廠刀具庫存種類；刀具壽命顯著提高，減少刀具庫存數(shù)量降低成本；制孔效率高，縮短飛機裝配制造周期等優(yōu)點。螺旋銑孔技術因其在制孔方面的優(yōu)勢及在航空航天領域內(nèi)的應用前景，必將在今后的工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛重視。
英文期刊文章引用：作者. 題名. 期刊名, 出版年份，期號：起止頁碼
文獻綜述
作為一種新型孔加工方式，螺旋銑孔技術具有切削過程平穩(wěn)、刀具承受切削力小和一次加工即可滿足精度要求的優(yōu)點。該技術已成為國內(nèi)外材料加工研究的熱點和難點之一。主要應用于飛機受力部件的孔加工，以及高硬度材料的孔加工等方面。為了降低飛機自重，提高結(jié)構(gòu)強度，一些大型復雜結(jié)構(gòu)零件都采用新型合成復合材料，一些主承力結(jié)構(gòu)件以及機翼普遍都采用新型輕型材料，大量零部件都需要進行裝配， 通常需要對飛機機翼和一些主承力結(jié)構(gòu)件加工成千上萬個孔，以便進行裝配，并且要求航空裝配孔實現(xiàn)高效、高精度和高質(zhì)量的加工；但是，由于傳統(tǒng)鉆削加工的一些特點，如半封閉式加工、切削力大和工件表面質(zhì)量難以控制等，限制了鉆削加工在高硬度材料和航空材料上的作為。螺旋銑孔工藝的“以銑代鉆”完全彌補了傳統(tǒng)鉆孔加工的不足，不僅在高硬度材料的孔加工中體現(xiàn)了其優(yōu)勢，而且在航空難加工材料鈦合金和碳纖維增強復合材料(CFRP)的孔加工中也體現(xiàn)了其優(yōu)勢。
國內(nèi)外已經(jīng)有一些學者進行了螺旋銑學動力學的研究和探索，其中Wangyang Ni從不同材料的傳統(tǒng)鉆削與螺旋銑孔加工質(zhì)量上進行對比，進行了螺旋銑孔加工動力學研究，并針對于新型材料鈦合金，鋁合金，CFRP等材料的螺旋銑孔刀具提出了一些解決方案；Eric WhinnemllJ通過在航空制造業(yè)領域以螺旋銑削進行了對比，分析了螺旋銑孔在加工效率和孔質(zhì)量方面的優(yōu)勢，并研究了螺旋銑孔便攜式裝置的性能和發(fā)展。以及Tonshoff 闡述了螺旋銑孔技術在復合材料銑孔中的優(yōu)勢，并根據(jù)螺旋銑孔技術銑削力低，加工質(zhì)量好的優(yōu)點，預測了其在航空領域中廣泛的應用前景。R.Iyer等人研究了某些特殊材料螺旋銑孔力，以及加工質(zhì)量，證明了螺旋銑孔方式的優(yōu)越性。Novator公司已經(jīng)成功研制出螺旋銑孔的專用設備，并在空客與波音飛機裝配中得到應用?？湛凸疽呀?jīng)在飛機的研制上應用螺旋銑孔技術，由于螺旋銑孔是在一個工序內(nèi)完成對不同孔的加工，Novator公司的研究表明，這項技術的應用相對于傳統(tǒng)鉆孔技術縮短了50％的時間，通過拆卸來消除毛刺的工藝被徹底消除了，大大提高了加工效率。
國外在這一領域?qū)ξ覈鴮嵭辛思夹g封鎖，導致我國目前飛機裝配過程中的制孔還處在手動鉆孔狀態(tài)，嚴重影響了我國飛機的研制進度。為此，國內(nèi)多家單位已開始著手螺旋銑孔裝置的研制。國內(nèi)多家單位已開始著手螺旋銑孔裝置的研制?；傻热嘶诼菪娍浊邢饕?guī)律和運動特性，設計了一款包括自轉(zhuǎn)機構(gòu)、公轉(zhuǎn)機構(gòu)以及徑向偏移機構(gòu)的虛擬樣機，并對其進行了虛擬裝配和有限元分析。單以才等人通過對螺旋銑孔運動進行功能分解，對螺旋銑孔單元進行了模塊化設計，確定了偏心調(diào)節(jié)模塊的傳動方案，設計了銑刀結(jié)構(gòu)與裝夾方式，并針對螺旋銑孔單元樣機進行了切削試驗。王紅嵩等人設計了一款螺旋銑孔虛擬樣機，并研究了螺旋銑孔自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)和軸向進給3個運動單元之間的關系。
目前，我國已成為世界飛機零部件的重要生產(chǎn)國，波音、麥道、空客等世界著名飛機制造公司都在我國生產(chǎn)從尾翼、機身、艙門到發(fā)動機等各種零部件，這些飛機零部件
文獻綜述
的加工生產(chǎn)必須采用先進的加工裝備和加工工藝。與此同時，大量高速、高效、柔性、
復合、環(huán)保的國外切削加工新技術不斷涌現(xiàn)，使切削加工技術發(fā)生了根本性的變化。為了降低研制周期和降低生產(chǎn)成本，深入研究了螺旋銑孔的優(yōu)勢?？湛凸編啄昵芭cNovator公司合作啟動一項發(fā)展輕型便攜式的螺旋銑孔裝置的研究，應用于法國、德國的空客飛機裝配生產(chǎn)車間中，最近又推出了TwinspinPX3輕型便攜式的螺旋銑孔裝置。
空客已經(jīng)將該項技術應用到了裝配生產(chǎn)線上，驗證了該項技術的生產(chǎn)能力。各公司效仿，
部署這項技術的研發(fā)工作，鑒于螺旋銑孔技術在航空飛機上打孔的優(yōu)勢，其他傳統(tǒng)的鉆孔工藝慢慢將會減少，逐漸將會被先進的銑孔工藝所代替。
在機械工業(yè)產(chǎn)品更新?lián)Q代，日益發(fā)展的過程中．特別針對高新技術密集的航空、模具行業(yè)，對上述要求將會愈加明顯與迫切。螺旋銑孔提高了打孔工藝的效率，產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)收益率。這種技術采用全新的，先進的工藝，在新型材料上也能取得非常高的孔質(zhì)量，如碳化纖維和鈦合金等，為促進企業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品提供了保證，螺旋銑孔只需要一把刀具就可以加工不同直徑高質(zhì)量的孔，減少了換刀時間，不需要再進行精加工，這樣大大提高了效率。螺旋銑孔技術極大的提高了制造企業(yè)的效率，產(chǎn)品質(zhì)量，并節(jié)約了加工成本。
螺旋銑孔與傳統(tǒng)的鉆削加工相比，螺旋銑孔采用了完全不同的加工方式。螺旋銑孔過程由主軸的“自轉(zhuǎn)”和主軸繞孔中心的“公轉(zhuǎn)”2個運動復合而成，這種特殊的運動方式?jīng)Q定了螺旋銑孔的優(yōu)勢。首先，刀具中心的軌跡是螺旋線而非直線，即刀具中心不再與所加工孔的中心重合，屬偏心加工過程。刀具的直徑與孔的直徑不一樣，這突破了傳統(tǒng)鉆孔技術中一把刀具加工同一直徑孔的限制，實現(xiàn)了單一直徑刀具加工一系列直徑孔。這不僅提高了加工效率，同時也大大減少了存刀數(shù)量和種類，降低了加工成本。其次，螺旋銑孔過程是斷續(xù)銑削過程，有利于刀具的散熱，從而降低了因溫度累積而造成刀具磨損失效的風險。更重要的是，與傳統(tǒng)鉆孔相比，螺旋銑孔過程在冷卻液的使用上有了很大的改進，整個銑孔過程可以采用微量潤滑甚至空冷方式來實現(xiàn)冷卻，是一個綠色環(huán)保的過程。第三，偏心加工的方式使得切屑有足夠的空間從孔槽排出，排屑方式不再是影響孔質(zhì)量的主要因素[6]。
螺旋銑孔技術是一種全新的孔加工方法，它與傳統(tǒng)的鉆孔加工有著本質(zhì)上的區(qū)別其與傳統(tǒng)鉆孔工藝的主要區(qū)別體現(xiàn)在：1)提高制孔效率，降低生產(chǎn)成本，便于實現(xiàn)自動化 不同于鉆削加工工藝，螺旋銑孔工藝可采用較小直徑的刀具加工較大直徑的孔，能做到用單一刀具加工出不同直徑的孔和復雜的臺階孔，并可根據(jù)實際情況對孔徑實施實時補償，尤其適合在疊層材料上制孔瞪。因此，采用螺旋銑孔工藝，不僅可以減少換刀次數(shù)，節(jié)省生產(chǎn)準備時間，提高加工效率，而且還可以減少企業(yè)的刀具庫存，降低生產(chǎn)成本。2)延長刀具壽命 難加工材料鉆孔時，由于其強度高、熱傳導低，導致散熱效果較差，刀具磨損嚴重，容易發(fā)生粘刀甚至燒刀現(xiàn)象，即使使用金剛石涂層刀具，效果也不理想。
文獻綜述
螺旋銑孔是斷續(xù)切削，不僅排屑容易，而且有利于刀具散熱，可降低刀具因熱量積累而
造成的高溫磨損，提高刀具的使用壽命。更為重要的是，與鉆削相比，螺旋銑孔在冷卻
液的使用上有較大改進，整體銑孔過程可采用微量潤滑甚至空冷方式來實現(xiàn)冷卻，是一種綠色加工工藝。3)提高零件表面加工質(zhì)量 螺旋銑孔的加工機理完全不同于傳統(tǒng)鉆削。螺旋銑孔的軸向力遠遠小于傳統(tǒng)鉆孔，這使得制孔具有良好的出口質(zhì)量，尤其對于加工層間強度較低的碳纖維復合材料。螺旋銑孔所用刀具直徑比所加工孔小，排屑容易，能有效防止切削對已加工表面的損傷，可提高制孔質(zhì)量。4）促進了新材料的應用推廣 鈦合金，復合材料等新材料由于其自身的高強度，耐腐蝕等優(yōu)勢，備受航空航天領域的親睞，但是，傳統(tǒng)的鉆孔工藝已無法滿足這些材料的要求，從而很大程度上限制了這些材料的應用。螺旋銑孔技術的出現(xiàn)，很好的解決了這一問題，螺旋銑孔產(chǎn)生的銑削力較小，加工新興的高強度材料的功耗降低，加工質(zhì)量提高，這就為新材料的廣泛推廣打下了堅實的工藝基礎。
本文通過對國內(nèi)外現(xiàn)狀的概述以及通過比較傳統(tǒng)鉆孔與螺旋銑孔加工工藝的特點，了解到螺旋銑孔在未來切削加工中的重要性。并且鑒于螺旋銑孔技術的優(yōu)勢，特別是航空和模具行業(yè)中的許多企業(yè)已開始將它應用到生產(chǎn)實際中。隨著這種技術的推廣和應用，傳統(tǒng)的鉆孔刀具將會慢慢失去其主導地位，而新型銑孔裝置將會越來越多地出現(xiàn)在孔加工過程中。通過以學的知識對螺旋銑孔裝置的機構(gòu)進行設計與研究，使其達到應有的精度和運動要求。
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文獻綜述
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研究內(nèi)容
1.徑向偏移機構(gòu) 偏移機構(gòu)是對螺旋銑孔設備進行機構(gòu)創(chuàng)新的重點。螺旋銑孔設備的主要特征在于其沿螺旋線走刀和可以進行刀具位置的調(diào)整。
2.公轉(zhuǎn)機構(gòu) 公轉(zhuǎn)運動的驅(qū)動方式可以創(chuàng)新的利用普通電機、步進電機或者氣動馬達等；
3.軸向進給機構(gòu) 在完成螺旋銑孔設備的創(chuàng)新設計后，只需要按照手冊選擇合適的絲杠和導軌。
根據(jù)螺旋銑孔的特征對機構(gòu)進行創(chuàng)新與設計，并對主要機構(gòu)如主軸機構(gòu)、偏心機構(gòu)，進給機構(gòu)進行研究并對主要零件進行相關理論分析、計算，以及零件圖與裝配圖的繪制。
研究計劃
研究周期與時間安排
畢業(yè)設計起止日期：2.22—6.03（第1周—第16周）
第1-2周 (2.22-3.04) 收集資料，學習有關書籍文獻，了解螺旋銑孔工藝及其應用
背景，同步進行開題報告撰寫與翻譯工作的進行
第3周 (3.07-3.11） 完成開題報告及外文材料翻譯
第4周 (3.14-3.18) 完成的任務完成開題報告及外文材料翻譯
第5周 (3.21-3.25) 完成機構(gòu)草圖設計以及相關理論分析、計算
第6周 (3.28-4.01) 完成裝配圖草圖設計
第7周 (4.04-4.08) 進行各零部件設計，進行機械制圖工作
第8-9周 (4.11-4.22） 畢業(yè)設計中期檢查
第10-11周 (4.25-5.06）進行零件圖計算機繪圖，同期準備論文的撰寫
第12周 (5.09-5.13) 完成裝配圖、零件圖的繪制
第13周 (5.16-5.20) 遞交論文初稿
第14周 (5.23-5.27) 修改論文并定稿
第15周（5.30-6.03） 論文評審及答辯資格確定畢業(yè)設計（論文）答辯整理資料存
檔
第16周（6.06-6.10） 整理資料存檔
特色與創(chuàng)新
本論文特色與創(chuàng)新如下：
①刀具中心的軌跡是螺旋線而非直線，即刀具中心不再與所加工孔的中心重合，屬于偏心加工過程。刀具的直徑與孔的直徑不同，突破了傳統(tǒng)鉆孔技術中一把刀具加工同一直徑孔的限制，實現(xiàn)了單一直徑刀具加工一系列直徑孔。不僅提高了加工效率，而且大大減少了刀具的種類和數(shù)量，降低了加工成本。
②螺旋銑孔過程是斷續(xù)銑削過程，有利于刀具的散熱，從而降低了因溫度累積而造成刀具磨損失效的風險。與傳統(tǒng)鉆孔相比，螺旋銑孔過程中可以采用微量潤滑以及空冷方式來實現(xiàn)冷卻，是一個綠色環(huán)保的過程。
③偏心加工的方式使得切屑有足夠的空間從孔槽排出，排屑方式不再是影響孔表面質(zhì)量的主要因素。由此可見，相對于傳統(tǒng)鉆孔，螺旋銑孔具有更大的優(yōu)勢。
指導教師
意 見
指導教師簽名：
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分中心意見
中心意見
分中心主任簽名：
年 月 日
教學主任簽名：
年 月 日
南京工程學院工業(yè)中心畢業(yè)設計說明書（論文）
南京工程學院
工 業(yè) 中 心
本科畢業(yè)設計說明書（論文）
題 目：一種螺旋銑孔裝置的機械機構(gòu)設計
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
班 級： D機加工123 學 號：231120510
學生姓名： 陳志斌
指導教師：劉桂芝、卞榮（教授級高工、講 師)
起迄日期： 2016.2.22～2016.6.3
設計地點： 工程中心5號樓
畢業(yè)設計說明書（論文）摘要
摘要：
螺旋銑孔加工作為近幾年興起的加工方式，在航空裝配加工領域有了廣泛的運用。本文介紹螺旋銑孔加工工藝的特點，并對螺旋銑孔機構(gòu)的組成進行分析。在此基礎上，設計了一種臥式螺旋銑孔裝置，主要包括自轉(zhuǎn)機構(gòu)、偏移機構(gòu)、公轉(zhuǎn)機構(gòu)以及進給機構(gòu)等。通過計算分析和對比法設計、選擇合適的主傳動和進給傳動部件，并對各個機構(gòu)中的主要零部件如滑塊、箱體、軸承座、齒輪等零件進行結(jié)構(gòu)設計。同時，通過UG NX設計軟件對各個單元零部件進行三維實體模型設計，并完成了螺旋銑孔裝置的虛擬裝配。
關鍵詞：螺旋銑孔、機構(gòu)設計、UG、潤滑
南京工程學院工業(yè)中心畢業(yè)設計說明書（論文）
畢業(yè)設計說明書（論文）英文摘要
Title:Mechanical design of a helical milling hole device
Abstract:
Helical milling Hole rise in recent years as a way of processing, assembly processing in the aviation field with the widely used. This article describes the characteristics of spiral hole milling process, composition and spiral milling holes mechanism were analyzed. On this basis, we designed a horizontal spiral milling aperture means, including rotation mechanism, shift mechanism, revolving mechanism and feed mechanism and the like. By analyzing and comparing the calculation method of design, select the appropriate main drive and feed drive components, and various agencies of the main components such as a slider, box, bearing, gears and other parts design. Meanwhile, UG NX design software for three-dimensional solid model design components for each unit, and completed a virtual assembly screw hole milling device.
Keywords: Helical milling holes, mechanical design, UG, lubrication
I
目錄
前言 1
第一章 緒論 3
1.1背景介紹 3
1.2螺旋銑孔工藝介紹 3
1.3螺旋銑孔的研究現(xiàn)狀 4
1.3.1螺旋銑孔設備國外的研究現(xiàn)狀 4
1.3.1螺旋銑孔設備國內(nèi)的研究現(xiàn)狀 5
1.4研究的意義 5
第二章 螺旋銑孔設備的機構(gòu)分析 6
2.1螺旋銑孔機構(gòu)分析 6
2.2自轉(zhuǎn)機構(gòu) 7
2.3偏移機構(gòu) 8
2.4公轉(zhuǎn)機構(gòu) 9
2.5軸向進給機構(gòu) 10
2.6本章小結(jié) 13
第三章 螺旋銑孔機構(gòu)參數(shù)計算 14
3.1絲杠慣量匹配計算 14
3.2電機轉(zhuǎn)矩匹配的計算 15
3.3進給力的計算 15
3.4絲杠預拉伸量的計算 16
3.5本章小結(jié) 16
第四章 螺旋銑孔機構(gòu)的設計 17
4.1關于UG軟件的分析 17
4.2滑塊結(jié)構(gòu)設計 18
4.3外殼的設計 18
4.4軸承的選擇 19
4.5軸承座的設計 20
4.5.1外殼軸承座的設計 20
4.5.2絲杠軸承座的設計 21
4.6齒輪的設計 21
4.7虛擬樣機的裝配 23
4.8本章小結(jié) 24
第五章 潤滑與防護 24
5.1軸承的潤滑與防護 25
5.2絲桿的潤滑與防護 25
5.3導軌的潤滑與防護 26
5.3本章小結(jié) 26
第六章 結(jié)論與展望 27
6.1本文總結(jié) 27
6.2展望 27
致謝 28
參考文獻 28
第1章
III
前言
螺旋銑孔與傳統(tǒng)鉆孔工藝相比具有切削過程平穩(wěn)、刀具承受切削力小以及一次可以加工便可以達到所需加工精度要求的優(yōu)點。在以后螺旋銑孔技術必然代替?zhèn)鹘y(tǒng)制孔技術?，F(xiàn)在螺旋銑孔技術已成為國內(nèi)外研究的難點與重點之一。由于國外在該技術上對我國實行技術封鎖，該技術在國內(nèi)的研究才剛剛起步，并沒有研制出商業(yè)產(chǎn)品，而國外在該技術方面的研究研究已經(jīng)比較的深入，已經(jīng)研制出了螺旋銑孔設備并已經(jīng)投入到工業(yè)生產(chǎn)中去了。螺旋銑孔設備現(xiàn)在主要應用于飛機上孔的加工。因為飛機上有許多不同規(guī)格的孔，采用傳統(tǒng)鉆孔既費時，又費力而且精度還不高，還存在毛刺。采用螺旋銑孔設備從而彌補了傳統(tǒng)制孔工藝所帶來的不足。螺旋銑孔不光在制孔方面有很大的優(yōu)勢，在不同的難加工材料的加工方面也具有很大的優(yōu)勢，尤其是現(xiàn)在很多的大型結(jié)構(gòu)零件都采用復合材料，使用傳統(tǒng)制孔方法并不能達到其所需的加工精度，而螺旋銑孔采用銑孔代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉆孔完全彌補了傳統(tǒng)制孔技術的不足。提高了螺旋銑孔技術在孔加工中的優(yōu)勢，尤其在難加工材料方面。
第一章介紹了螺旋銑孔設備的一般概念。并將螺旋銑孔工藝與傳統(tǒng)鉆孔工藝的進行對比，以及螺旋銑孔在國內(nèi)與國外的研究現(xiàn)狀。
第二章主要是對螺旋銑孔機構(gòu)總體結(jié)構(gòu)與運動方式進行分析。對自傳機構(gòu)、偏移機構(gòu)、公轉(zhuǎn)機構(gòu)、軸向進給機構(gòu)的特點以及它們之間的運動關系進行了分析。對各個機構(gòu)運動部件所要承受的力進行分析，并對傳動部件的特點進行比較從而對傳動部件的型號選擇做出初步的確定。
第三章主要是通過已知參數(shù)對機構(gòu)的傳動部件進行校核。通過查閱機床設計手冊對電機的轉(zhuǎn)矩慣，絲杠的慣量匹配，預拉伸量以及進給力的計算。通過計算的參數(shù)對比從而確定所選機構(gòu)的傳動部件是否復合螺旋銑孔機構(gòu)的設計要求。如果不符合要求就將要對該機構(gòu)的傳動部件進行重新的選擇，一用來滿足機構(gòu)的設計要求。
第四章主要是對螺旋銑孔機構(gòu)的全面設計以及主要零部件的設計。根據(jù)設計尺寸以及受力方式選擇合適的軸承。通過使用UG繪圖軟件對各個機構(gòu)的零部件進行三維圖的繪制。確定各個機構(gòu)之間的運動關系，通過繪圖軟件將各個零部件之間裝配約束，完成整個機構(gòu)的裝配。從而提前發(fā)現(xiàn)機構(gòu)所存在的問題，并作出修改。
第五章主要對機構(gòu)潤滑與防護的重要性進行分析，并對螺旋銑孔機構(gòu)中的軸承、滾珠絲杠、滑動導軌的潤滑和防護進行分析，并對潤滑方式以及防護方法進行對比，從而選擇合適的潤滑方式。
第一章 緒論
1.1背景介紹
隨著時代的進步，工業(yè)需求越來越大，其要求也越來越高。因此特種加工就成為了現(xiàn)代研究人員主要的研究方向。而螺旋銑孔現(xiàn)在已經(jīng)開始代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉆孔工藝。螺旋銑孔在進行加工時與傳統(tǒng)工藝相比其在切削材料過程中其運動平穩(wěn)，而且孔的加工不需要多次換刀，只需一把刀具就可以完成孔的加工，并且提高了刀具的使用壽命。因此螺旋銑孔技術已成為各個國家工業(yè)研究的重點之一?，F(xiàn)在螺旋銑孔技術普遍使用在飛機制造方面[1]。飛機上一般都采用結(jié)構(gòu)復雜，且材料較輕的復合材料，來降低飛機的自身重量。在飛機制造加工是需要加工許多的孔，來對受力部件進行固定，而且孔必須要有較高的精度。顯然普通的傳統(tǒng)鉆孔技術已經(jīng)滿足不了其所需的要求。而螺旋銑孔技術的高效，高精完全的將傳統(tǒng)鉆孔技術的不足所代替，其不僅僅有在加工效率方面的優(yōu)勢，在加工不同的材料時，尤其是現(xiàn)在工業(yè)制造上最常用的復合材料以及難加工材料都有其很大的優(yōu)勢。因此螺旋銑孔技術將逐漸的代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉆孔技術成為主流的制孔技術。
1.2螺旋銑孔工藝介紹
與傳統(tǒng)的鉆削加工相比，螺旋銑孔采用了完全不同的加工方式。傳統(tǒng)鉆孔具有以下特點：在鉆孔的過程中，鉆削主軸中心的線速度為0，即鉆頭的中心不參與切削，完全是通過鉆頭先下的推力將所需要加工部分的材料擠壓出去；因此，鉆頭承受很大的軸向力，加工鈦合金等一些難加工的金屬材料時，刀具磨損程度加劇，很快就會是刀具失效[2]。傳統(tǒng)鉆孔工作的過程是一個連續(xù)的切削加工的過程，刀刃一直與工件接觸，切削的接觸面的具有很高的溫度，相對于導熱性差的材料，連續(xù)切削的過程是溫度不斷的提高，加劇了刀具的磨損，比且降低了加工表面的表面質(zhì)量；在傳統(tǒng)鉆削過程中排屑方式的問題也是導致刀具加快失效的原因之一。在鉆孔過程中，切削從排屑槽中排除，速度過慢，但是切削熱量主要是通過排屑帶走，當切削熱不能及時的排出，大量的熱量將集中在刀具和工件上，將加快刀具磨損以及失效；另外，當切屑與以加工表面接觸會將以加工表面劃傷，降低了加工表面的表面質(zhì)量。螺旋銑孔顧名思義肯定與螺旋有關。在數(shù)控加工中心中有一種銑削方式較螺旋下刀，其實和螺旋銑孔是差不都的工作原理。其中一個是刀具在運動，一個是工作臺運動。螺旋銑孔主要由“主軸”的自轉(zhuǎn),主軸繞待加工孔中心線做公轉(zhuǎn)這兩個運動機構(gòu)組成的[3]。螺旋銑孔在下刀時并不是直線往下，而是沿著螺旋線的軌跡慢慢下刀，也就是說刀具中心和待加工孔中心不在同一條中心線上，具有一定的偏移量和傳統(tǒng)的鉆孔有了很大的差別，從而可以更具偏移量采用同一把刀具加工出不同規(guī)格尺寸的孔，突破了傳統(tǒng)鉆孔的一刀一孔的限制，大大提高了加工效率，也是刀具的規(guī)格減少，從而降低了刀具的加工成本。在螺旋銑孔時采用的是斷續(xù)銑削，采用這樣的方式有利于刀具熱量的散發(fā)，從而使刀具因為受熱而磨損失效這一缺點得到降低。在與傳統(tǒng)鉆孔相比螺旋銑孔由于是偏心加工，所以使得有足夠的空間來排除切屑，不會因為切削而是刀具磨損，并且加工出來的工件是不需要去除毛刺。由此可見，該項技術有著廣闊的發(fā)展空間和良好的市場前景，但作為新的加工方式，其加工機理有待進一步研究探討。
1.3螺旋銑孔的研究現(xiàn)狀
1.3.1螺旋銑孔設備國外的研究現(xiàn)狀
在工業(yè)生產(chǎn)中美國、日本、德國、瑞士等一些國家的機械制造技術在全球以屬于領先水平。比如螺旋銑孔技術這些國家的技術水平以遙遙領先國內(nèi)的研究水平。在國外螺旋銑孔技術已經(jīng)在飛機的制造過程中普遍使用。因為螺旋銑孔可以使用一把刀具進行不同孔徑的制孔加工，不需要跟換刀具，其與傳統(tǒng)鉆孔技術相比大大的縮短了其制孔時間，提高了加工效率。在國外Eric Whinnem[4]其對螺旋銑孔技術在飛機制造上的應用進行了研究與分析；Wangyang Ni[5]其對螺旋銑孔的機構(gòu)運動原理以及機構(gòu)在運動過程中的動力學進行了分析與研究并取得了一定的成果；R.Iyer[6]等這些人對螺旋銑孔設備進行孔加工時對道具壽命的影響進行了分析與研究。國外的一些飛機制造公司已經(jīng)開始相互合作對螺旋銑孔設備進行研制與開發(fā)，并且已經(jīng)在飛機制造上開始使用。最近Novator公司又推出了Twin spin PX3輕型便攜式螺旋銑孔裝置，空客已經(jīng)將該項技術應用到了裝配生產(chǎn)線上，并且驗證了其生產(chǎn)能力，各公司紛紛效仿，部署這項技術的研發(fā)工作[7]。
1.3.1螺旋銑孔設備國內(nèi)的研究現(xiàn)狀
現(xiàn)在隨著我國國內(nèi)經(jīng)濟技術的飛快發(fā)展，我國在國際上的地位也不斷的提高。因此由于國際上大量的訂單，因此國外的一些先進的加工技術以及加工設備不斷的出現(xiàn)，提高了我國原本的加工技術?，F(xiàn)在我國已成為飛機零部件的生產(chǎn)大國，許多世界出名的飛機制造商在我國進行飛機零部件的生產(chǎn)。由于飛機制造上需要加工大量的且規(guī)格不同的孔，而我國對于螺旋銑孔技術的研究與實驗才剛開始，許多的方面還存在一些缺陷。使得我國在對飛機制造過程中還是采用傳統(tǒng)的鉆孔工藝既費時有費力，很大的影響了對飛機制造以及研發(fā)的進度。因為這個原因國內(nèi)的一些飛機制造商也已經(jīng)開始對螺旋銑孔技術進行研究，并且國內(nèi)的一些機械方面的專家也對螺旋銑孔技術和螺旋銑孔設備進行了研究與設備的試制?；蒣8-9]等人根據(jù)螺旋銑孔的運動原理以及其在加工時對工件的切削加工特性進行分析，并且自主研制了一個包括自傳機構(gòu)、公轉(zhuǎn)機構(gòu)和徑向偏移機構(gòu)的虛擬樣機，并對其進行了虛擬裝配和有限元分析。單以才[10]等人對螺旋銑孔的運動過程進行逐步的分析和研究，對螺旋銑孔機構(gòu)的每個部分進行分析與設計，從而確定了各個機構(gòu)的運動方式，并對刀具的裝夾部分進行了設計，通過試驗機對工件進行了試切。。目前，我國關于螺旋銑孔設備的研究與設計還處于實驗的階段，具備完整的功能的商品機面試還需要進一步的研究。
1.4研究的意義
在時代的發(fā)展中，由于科學技術的不斷提高，工業(yè)產(chǎn)品的更新?lián)Q代變得很快，產(chǎn)品的精度要求也越來越高，從而使得以前的機械設備并不能滿足現(xiàn)在的加工需求。螺旋銑孔相對于傳統(tǒng)鉆削工藝制孔不僅提高了產(chǎn)品的加工精度，產(chǎn)品的加工質(zhì)量以及加工效率，還降低了加工成本。在現(xiàn)在的工業(yè)生產(chǎn)中螺旋銑孔作為一種新型的制孔工藝，主要應用于在難加工材料的制孔，加工精度要求較高的制孔以及制孔量特別大的場合。因為螺旋銑孔可一個別根據(jù)偏移量的調(diào)節(jié)使用同一把刀具加工出不同規(guī)格孔徑的孔，不需要更換刀具進行精加工，這樣大大提高了加工效率。
第2章 螺旋銑孔設備的機構(gòu)分析
2.1螺旋銑孔機構(gòu)分析
螺旋銑孔機構(gòu)主要有自轉(zhuǎn)機構(gòu)、公轉(zhuǎn)機構(gòu)、徑向偏移機構(gòu)以及進給機構(gòu)組成的，它們彼此之間具都有聯(lián)系，因此這些機構(gòu)中的各個執(zhí)行單元選擇以及安裝都會互相影響。在裝配時就會出現(xiàn)一個機構(gòu)包含了另一個機構(gòu)，就比如公轉(zhuǎn)機構(gòu)就包含了偏移機構(gòu)，偏移機構(gòu)包含了自轉(zhuǎn)機構(gòu)。因此公轉(zhuǎn)機構(gòu)的外形尺寸就必須根據(jù)偏移機構(gòu)的外形尺寸來進行設計，偏移機構(gòu)的外形尺寸就必須按照自轉(zhuǎn)機構(gòu)的外形尺寸來進行設計。如下圖2.1所示：
圖2.1 機構(gòu)簡圖
1. 箱體 2.電機 3.減速器 4.聯(lián)軸器 5.軸承座 6.角接觸球軸承 7.軸套 8.軸端擋圈 9.螺釘 10.滾珠絲桿 11.鍵 12.螺釘 13.擋板 14.齒輪 15.螺釘 16.軸承座 17.螺釘 18.擋板 19.端蓋 20.螺釘 21.滑塊 22.螺釘 23.氣動馬達 24.端蓋 25.滾動軸承 26.固定板 27.螺釘 28.螺帽座 29.絲杠螺母 30.螺釘 31.滑塊
2.2自轉(zhuǎn)機構(gòu)
自轉(zhuǎn)機構(gòu)也就是刀具自轉(zhuǎn)是整個機構(gòu)的切削主運動。自轉(zhuǎn)運動也就是主軸自轉(zhuǎn)，在現(xiàn)代數(shù)控機床上主軸自轉(zhuǎn)基本上采用電主軸或者是氣動馬達以實現(xiàn)超高速加工的基礎。在選擇主軸的時候要考慮到主軸是否可以滿足切削用量，能否發(fā)揮刀具的切削性能，是否具有足夠的精度與剛度，從而達到機構(gòu)所需的要求。
現(xiàn)在數(shù)控機床主要采用電主軸。電主軸具有高轉(zhuǎn)速、高精度、高速精密和高效率特性，并且具有結(jié)構(gòu)緊湊、慣性小、動態(tài)特性好等優(yōu)點，并可以改善機床的動平衡，避免震動，污染和噪聲，他在高速機床上得到廣泛的應用，在機床發(fā)達的國家比如日本、德國、美國、瑞士等都在高速機床上采用電主軸結(jié)構(gòu)。氣動馬達的特點：在用作主軸使用時氣動馬達相對于電主軸而言其不需要冷卻裝置對主軸進行散熱降溫，而電主軸由于連續(xù)的高速運轉(zhuǎn)必須安裝冷卻裝制進行降溫來穩(wěn)定其工作狀態(tài)，因此氣動馬達的制造成本相對于電主軸要低很多并且結(jié)構(gòu)簡單。而且氣動馬達也具有電主軸所具有的運動特性。但在氣動馬達加工時也存在缺陷，在其運動時會使機構(gòu)產(chǎn)生震動，噪聲大，并且在加工時穩(wěn)定性不高，效率低等等。
電主軸在工作時產(chǎn)生很大的熱量，在電主軸高速旋轉(zhuǎn)是需要及時的將熱量釋放出去，因此在電主軸的外壁安裝一個循環(huán)冷卻裝置，冷卻裝置的作用是保持冷卻劑的溫度。并且電主軸的價格相對于氣動馬達要貴上很多，氣動馬達反而相對比較成本低，功率范圍及轉(zhuǎn)速范圍均較寬，可以達到該機構(gòu)切削力和功率，轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速的要求。
圖2.2氣動馬達
該氣動馬達的型號為OBER T1071120具體參數(shù)如下表2.1：
表2.1 氣動馬達的參數(shù)表
編號
轉(zhuǎn)速rpm
扭矩N·m
重量
右旋
左旋
空載時
最大功率時
最大功率時
最大扭矩
Kg
10711201
10721201
12500
6300
1.2
2.6
1.8
2.3偏移機構(gòu)
在螺旋銑孔的機構(gòu)中主要的特征機構(gòu)就是偏移機構(gòu)。其主要實現(xiàn)的是刀具自轉(zhuǎn)中心線與所加工孔的中心線之間的偏差，需要通過改變偏移量來獲取加工孔徑的大小。因為偏移量對加工孔有很大的影響，所以偏移機構(gòu)必須具有較高的移動精度。
該機構(gòu)使用的是滑塊偏移機構(gòu)，因為滑塊機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡便直觀，方便與加工與制造，成本低廉。但是該機構(gòu)也存在著一些問題。因為在完成了偏移之后，在加工過程中沒有雙重偏心機構(gòu)穩(wěn)定。在滑塊完成偏移之后需要進行在偏移方向上的固定對支撐機構(gòu)的要求比較高。
在滑塊的偏移上采用的是步進電機加絲桿螺母形式的直線電機進行偏移。采用直線電機的特點具有：
（1）直線電機不需要通過介質(zhì)就可以實現(xiàn)機構(gòu)的直線運動，從而可以使機構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸變得簡化，并且減少機構(gòu)的運動慣量，提高了機構(gòu)的運動精度和定位精度。
（2）有直線電機不需要傳動介質(zhì)所以成本低，制造維護方便。又因為指直接與移動部件相連接，可靠性高。
（3）由于其屬于電機可以通過改變電壓與電機頻率，得到機構(gòu)所需的移動速度和推力。因此便于調(diào)節(jié)與控制，適用于低速往復的運動場合。
電機型號選擇海頓直線電機5700
圖1為直線電機的外觀圖，圖2為該直線電機的步長，表2為電機的各個參數(shù)。
圖2.3 直線電機 圖2.4 直線電機的步長
表2.2電機的各個參數(shù)
Size 23:57mm(2.3-in)混合式直線電機（1.8°step angle）
零件編號
固定軸式
57H4（X）-v
57H6（X）-v
貫通軸式
57F4（X）-v
57F6（X）-v
外部驅(qū)動式
E57H4（X）-v
E57H6（X）-v
繞組類型
雙極性
單極性
工作電壓
3.25 VDC
5 VDC
12 VDC
5 VDC
12 VDC
每箱電流
2 A
1.3 A
0.54 A
1.3 A
0.54 A
每箱電阻
1.63 Ω
3.85 Ω
22.2 Ω
3.85 Ω
22.2 Ω
每箱電感
3.5 mH
10.5 mH
58 mH
5.3 mH
23.6 mH
功耗
13 W
轉(zhuǎn)子慣量
166 gcm2
溫升
135°（75°C）Rise
重量
18oz（511 g）
絕緣電阻
20 MΩ
2.4公轉(zhuǎn)機構(gòu)
在螺旋銑孔機構(gòu)中公轉(zhuǎn)機構(gòu)在其中就是實線螺旋銑孔的圓周進給運動。由于公轉(zhuǎn)機構(gòu)包含了刀具的自轉(zhuǎn)，偏移機構(gòu)，結(jié)構(gòu)比較的復雜，因此必須具有較高的抗震強度以及剛度，并且要具有運動平穩(wěn)、傳動準確等。在本課題中為了要實現(xiàn)機構(gòu)的公轉(zhuǎn)可以采用帶傳動、鏈傳動以及齒輪傳動等來通過電機來實現(xiàn)其公轉(zhuǎn)運動。
在這些傳動機構(gòu)中每個機構(gòu)都有各個機構(gòu)的特點。帶傳動的特點：結(jié)構(gòu)簡單，成本低使用維護方便；帶傳動中帶具有撓性和彈性能在機構(gòu)運動是起到緩沖的作用且機構(gòu)運動平穩(wěn)噪音低；適合需要較大中心距傳動；過載時容易打滑可以防治機構(gòu)部件的損壞。帶傳動缺點：不能保證傳動比；在機構(gòu)中的尺寸占有量很大；需要安裝張緊輪對帶的松緊進行調(diào)節(jié)。鏈傳動的特點：優(yōu)點：平均速比i準確；可傳遞遠距離傳動；成本低。缺點：瞬時傳動比不恒定i；傳動不平衡；傳動時有噪音、沖擊；對安裝粗度要求較高。適于兩軸相距較遠，工作條件惡劣等。在帶傳動，鏈傳動以及齒輪傳動中齒輪傳動的平穩(wěn)性最好，而且傳動效率高，并且可以保證準確的傳動比，使用壽命長，運動速度高等特點。由于齒輪傳動的特點本課題選擇齒輪傳動與步進電機的配合實線螺旋銑孔機構(gòu)的公轉(zhuǎn)運動。
在螺旋銑孔中步進電機作為公轉(zhuǎn)運動的驅(qū)動部分，在選擇電機型號的時候應將電機的額定轉(zhuǎn)數(shù)，轉(zhuǎn)矩，功率，以及電機的轉(zhuǎn)動慣量等考慮進去，這些參數(shù)必須比螺旋銑孔機構(gòu)的參數(shù)大，我們可以根據(jù)螺旋銑孔的參數(shù)來選擇電機型號，應盡量選擇參數(shù)比機構(gòu)參數(shù)大1~2倍的電機參數(shù)。
根據(jù)所給參數(shù)選擇電機型號為130BYG3501下表2.3為電機的主要參數(shù)：
表2.3電機型號及參數(shù)
型號
步距角
相數(shù)
電壓
電流
靜轉(zhuǎn)矩
空載運行頻率
轉(zhuǎn)動慣量
機身長
單位
度
V
A
N·m
KHZ
Kg·c㎡
mm
130BYG3501
0.6
3
110-220
6
25
≥18
18
177
130BYG3502
0.6
3
110-220
6
35
≥18
30
230
130BYG3503
0.6
3
110-220
6
50
≥18
48
282
2.5軸向進給機構(gòu)
在螺旋銑孔機構(gòu)中軸向進給機構(gòu)就是整個螺旋銑孔機構(gòu)相對于待加工工件的法線方向上的運動。在整個機構(gòu)中，進給機構(gòu)的傳動精度、靈敏度以及穩(wěn)定性將會直接影響工件的加工精度。因此，進給機構(gòu)必須要有以下特點：
（1） 由于在進給機構(gòu)中要使工作臺移動需要很大的驅(qū)動力矩，然而在進給機構(gòu)中的聯(lián)軸器部分會產(chǎn)生彈性從而會影響在工作臺的運動時間上的起停。因此這將會使機構(gòu)的快速響應能力有所降低。因此進給機構(gòu)必須要有較高的傳動精度以及剛度。
（2） 進給機構(gòu)的快速響應還與機構(gòu)中存在的摩擦力有關。因為機構(gòu)中存在摩擦力，從而使機構(gòu)的傳動效率降低，并影響了機構(gòu)的快速響應的能力。因此進給機構(gòu)中為了提高快速響應的能力，必須是運動部件的摩擦阻力降低。所以進給機構(gòu)必須具有低摩擦阻力。
（3） 在進給機構(gòu)中運動部件快速運動時，存在很大的慣量，因此在機構(gòu)起停時對機構(gòu)的運動特性有很大的影響。因此進給機構(gòu)在滿足部件剛度和強度的前提下，盡可能的減少運動部件的質(zhì)量，減小工作臺的質(zhì)量，來減少機構(gòu)工作室運動部件所帶的慣量。
由于進給機構(gòu)的性能特點，所以本課題選擇最常見的滾珠絲杠加滑動導軌作為螺旋銑孔機構(gòu)中進給機構(gòu)。滑動導軌是用于支撐整個機構(gòu)的重量，滾珠絲杠是為了整個機構(gòu)提供軸向進給運動的。滾珠絲桿的特點：
（1）在滾珠絲杠中采用的是哥德式溝槽的形狀，從而使絲杠的軸向間隙可以通過調(diào)整變得非常的小，但并不影響其傳動。在絲杠中通過添加預緊載荷，消除軸向間隙，可使絲桿具有更佳的剛性，在承載時減少滾珠和螺母、絲桿間的彈性變形，達到更高的精度。
（2）滾珠絲桿由于屬于球運動，起動扭矩極小，滑動不會出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，從而可以實現(xiàn)微進給。
（3）因為移動的高效率，高速進給可采用滾珠絲杠，因為其發(fā)熱小，所以能夠?qū)崿F(xiàn)高速進給。
（4）相對于其他傳輸設備，液壓，滾珠絲杠系統(tǒng)的故障率是非常低并且維護比較簡單，僅需要一般潤滑和防塵。因此具有較高的可靠性。
（5）無側(cè)隙、剛性高????滾珠絲桿副可以加予壓，由于預緊壓力可使軸向間隙達到負值,進而得到較高的剛性。
綜上所述可以先選擇絲杠型號為 SFI03210-4
圖2.5與2.6為滾珠絲杠的尺寸參數(shù)以及滾珠絲杠的受力參數(shù)。
圖2.5滾珠絲杠尺寸
圖2.6 絲杠參數(shù)
在螺旋銑孔機構(gòu)中進給機構(gòu)需要支撐整個機構(gòu)的重量。而可以實現(xiàn)進給運動又要承載一定的重量的機構(gòu)，在本課題中可以采用滑塊導軌來進行實現(xiàn)。對于導軌要求的特點：
（1） 采用導軌主要是用來實現(xiàn)機構(gòu)運動部件的直線運動，而運動的精度，以及相互之間的位置精度，都取決于導軌的導向精度。因此導軌在加工制造時，不關要有合理的結(jié)構(gòu)、較高的剛度和硬度、還必須要有較高的導向精度以及裝配質(zhì)量。
（2） 導軌是進給機構(gòu)的主要部分，在工作過程中由于導軌的頻繁使用會使導軌產(chǎn)生一定的磨損，從而降低了導軌的導向精度。為了確保導軌的導向精度在導軌加工時需要較好的耐磨性。以減少磨損量。
（3） 由于導軌支撐著整個主傳動機構(gòu)的重量，導軌長期承受較大的載荷會使其發(fā)生一定的變形從而影響導軌的導向精度，以及導軌與工作臺的位置精度。因此導軌需要較高的剛度來預防導軌變形對機構(gòu)運動的影響。
（4） 由于在機構(gòu)運動時要求導軌上的摩擦阻力小，工作臺移動平穩(wěn)，低速時無爬行現(xiàn)象，因此導軌要具有低速平穩(wěn)性好。
（5） 機構(gòu)中的導軌要便于制造、調(diào)整與維護，因此導軌的結(jié)構(gòu)必須簡單，工藝性好。
因此選取型號為HGW45CA
圖2.7滑塊尺寸圖
圖2.8滾動導軌型號
2.6本章小結(jié)
本章主要是對螺旋銑孔機構(gòu)總體結(jié)構(gòu)與運動方式進行分析。對自傳機構(gòu)、偏移機構(gòu)、公轉(zhuǎn)機構(gòu)、軸向進給機構(gòu)的特點以及它們之間的運動關系進行了分析。對各個機構(gòu)運動部件所要承受的力進行分析，并對傳動部件的特點進行比較從而對傳動部件的型號選擇做出初步的確定。
第三章 螺旋銑孔機構(gòu)參數(shù)計算
3.1絲杠慣量匹配計算
已知電機型號為130BYG3501，可知其轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)動慣量
(3-1)
----絲杠的轉(zhuǎn)動慣量
----移動部件轉(zhuǎn)化到絲杠上的慣量
慣量匹配的計算，主要用以檢查負載慣量對系統(tǒng)的靈敏度和加速度，如果負載慣量過大，則電機加速時間較長。若負載發(fā)生變化，則加速時間也將發(fā)生變化，因此要負載慣量與電機的慣量要合理匹配。一般負載慣量與電機慣量Jm之比應滿足0.25