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中原工學(xué)院畢業(yè)譯文翻譯
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
畢業(yè)設(shè)計(jì)譯文
題目名稱： 大直徑輥筒雙頭鏜孔專機(jī)
承載裝置和自定心裝置的設(shè)計(jì)
院系名稱： 機(jī) 電 學(xué) 院
班 級： 機(jī) 自 072
學(xué) 號： 200700314207
學(xué)生姓名： 邢 家 坤
指導(dǎo)教師: 肖 慶 和
2011年4月
22.7 鉆孔和鉆頭
當(dāng)你仔細(xì)觀察我們身邊不同類型的產(chǎn)品時(shí)，我們會意識到大多數(shù)產(chǎn)品都帶有一些孔。這些孔一般是和像螺栓、螺釘、鉚釘（每種零件都需要一個(gè)孔）等緊固件一起用于裝配，或者是這些孔使得產(chǎn)品內(nèi)部得以顯露。注意，例如，一架飛機(jī)機(jī)體上的鉚釘數(shù)量或者發(fā)動機(jī)箱體上的螺栓以及一臺自動裝置外殼內(nèi)的各種各樣的零部件。
孔加工是制造業(yè)中最重要的操作。在自動化機(jī)器生產(chǎn)中，孔加工的成本是生產(chǎn)成本中最高之一。鉆孔是一個(gè)主要的和常見的孔加工過程；其它加工孔的過程有沖壓（第16.2節(jié)）和各種各樣的先進(jìn)加工方法（第26章）。
22.7.1 鉆頭
因?yàn)殂@頭通常有很大的長度與直徑比（圖22.22），所以它們能夠用于鉆相對比較深的孔。孔的深度有一點(diǎn)靈活，但是這取決于它的直徑，并且為了保證鉆孔的精度和防止鉆頭損壞應(yīng)該小心地使用。另外，工件內(nèi)部產(chǎn)生的切屑必須朝著與鉆頭軸線運(yùn)動的反方向運(yùn)動。因此，在鉆孔過程中切屑的排除和切削液的有效使用將會十分困難。
圖22.22 各種類型的鉆頭
一般地，由鉆孔加工出的孔直徑要比鉆頭的直徑略大，正如你所看到的鉆頭很容易在它剛加工出的孔中移動?？字睆奖茹@頭直徑大出的數(shù)值取決于鉆頭的質(zhì)量和所用的設(shè)備，也和工人的操作有關(guān)。
一些金屬和非金屬材料由于鉆孔產(chǎn)生的熱而劇烈擴(kuò)張，因此，最后的孔會比鉆頭的直徑小，這取決于鉆頭的熱性能。已加工的孔為了得到更好的表面光潔度和尺寸精度或許受制于接下來的操作過程，比如鉸孔和珩磨。鉆孔通常會在工件下表面留下毛刺，一旦鉆頭穿破工件，這就需要去毛刺處理（第25.10節(jié)）。
麻花鉆 最常見的鉆頭是傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)刀尖麻花鉆（圖22.23a），主要的特征是刀尖角，鉆緣后角，橫刃角和螺旋角。鉆頭頂尖的幾何形狀從鉆頭的中心到邊緣距離不斷變化以至于有標(biāo)準(zhǔn)的前角和切削速度。
一般地，兩個(gè)螺旋槽趨向鉆頭的全長，產(chǎn)生的切屑通過這些溝槽被指引向前，溝槽也作為通道使切削液流至切削刃邊緣。一些鉆頭有內(nèi)部軸向的孔，切削液流過起到提高潤滑和冷卻的作用，而且可以沖走切屑。
圖22.23 （a）標(biāo)準(zhǔn)的橫刃鉆有著不同的特征，這對邊刃的作用是當(dāng)鉆頭進(jìn)入工件后為緊貼也內(nèi)壁而提供一個(gè)承載面。四刃鉆頭可以用來提高鉆頭的導(dǎo)向和鉆孔精度。帶有分屑槽的鉆頭也可以使用。（b）曲軸尖鉆（c）各種各樣的鉆頭刀尖和設(shè)計(jì)者：1.四面分割刀尖，美國高邁特。2.SE型刀尖，赫特爾。3.新型刀尖，三菱材料公司。4.Hosoi刀尖，OSG Tap & Die 5.螺旋尖
具有分屑溝沿著刀具邊緣這一特性的鉆頭可以使用。這一特性在使用自動化機(jī)器鉆孔中是十分重要的，對于沒有操作者輔助情況下長切屑的排除，鉆頭的這一特性是必須的。
在表22.10中給出了不同工件材料的鉆頭幾何形狀規(guī)范。這些角度以鉆孔操作的經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，被設(shè)計(jì)來加工有精度高的孔，使鉆削力和轉(zhuǎn)矩最小，同時(shí)使鉆頭壽命最長。
鉆尖的幾何形狀 鉆頭形狀的微小改變就會對鉆頭參數(shù)有很大的影響，特別是占鉆孔過程大約50%鉆削力的橫刃區(qū)。例如，太小的鉆緣后角（圖22.23 a）會增加鉆削力，產(chǎn)生過量的熱而加快鉆頭磨損。相反地，太大的角度會造成切削刃的剝落或損壞。因此，除了傳統(tǒng)的尖鉆，一些其它的鉆尖幾何形狀已經(jīng)被改善來提高鉆頭參數(shù)并且增加穿透速度（圖22.23 c）。特殊的研磨拋光技術(shù)和設(shè)備也用于加工這些幾何結(jié)構(gòu)。
其它形式的鉆頭 如圖22.24為幾種類型的鉆尖。階梯鉆頭可以加工出兩個(gè)或更多不同直徑的孔。擴(kuò)孔鉆用于擴(kuò)大已經(jīng)存在的孔。平底锪孔鉆和錐底锪孔鉆在工件表面加工出沉槽以容納螺釘和螺栓的頭部。中心鉆很短并用于在圓棒料的一端加工孔以至于可以被固定在車床的兩個(gè)中心（在主軸箱和尾座之間，圖22.2）。定心鉆是用來在工件指定的位置沖孔。
表22.10 高速麻花鉆鉆頭幾何結(jié)構(gòu)的一般性建議
工件材料 刀尖角 鉆緣后角 橫刃角 螺旋角 刀尖
鋁合金 90-118 12-15 125-135 24-48 標(biāo)準(zhǔn)
鎂合金 70-118 12-15 120-135 30-45 標(biāo)準(zhǔn)
銅合金 118 12-15 125-135 10-30 標(biāo)準(zhǔn)
鋼 118 10-15 125-135 24-32 標(biāo)準(zhǔn)
高強(qiáng)度鋼 118-135 7-10 125-135 24-32 曲軸
不銹鋼(低強(qiáng)度) 118 10-12 125-135 24-32 標(biāo)準(zhǔn)
不銹鋼(高強(qiáng)度) 118-135 7-10 120-130 24-32 曲軸
高溫合金 118-135 9-12 125-135 15-30 曲軸
耐熱合金 118 7-10 125-135 24-32 標(biāo)準(zhǔn)
鈦合金 118-135 7-10 125-135 15-32 曲軸
鑄鐵 118 8-12 125-135 24-32 標(biāo)準(zhǔn)
塑料 60-90 7 120-135 29 標(biāo)準(zhǔn)
圖22.24 各種類型的鉆孔和鉸孔(擴(kuò)孔)
扁鉆具有可更換的頂尖或刀頭，可以用來加工大而深的孔。它具有更高的剛度（因?yàn)樵阢@頭體上沒有開槽）這一優(yōu)勢，很容易磨削切削刃的邊緣，而且價(jià)格低廉。曲柄鉆（圖22.23）有很好的對心功能，因?yàn)榍行己苋菀灼屏?，故這類鉆頭適用于加工深孔。
深孔鉆 主要發(fā)展于槍筒的鉆孔，深孔鉆用于鉆深孔并需要一特殊的鉆頭（圖22.22 e和22.25 a）。加工的孔深和直徑比可達(dá)300:1，甚至更高。這個(gè)鉆削力（徑向力使鉆頭橫向傾斜）被鉆頭上沿著孔內(nèi)表面（圖22.25 a）滑動的烏金軸瓦平衡掉。因此，深孔鉆可以自定心，當(dāng)鉆深孔直的孔時(shí)這是一個(gè)重要的性能。
圖22.25 (a)深孔鉆的各個(gè)特征；(b)鉆深孔的方法
來源：Eldorado刀具和制造公司
鉆深孔時(shí)的鉆削速度通常很高，進(jìn)給量較低。切削液在高壓下被迫流過鉆頭體（圖22.25 b）的軸向孔。除了潤滑和冷卻之外，切削液也可以沖走將會中斷正在鉆的深孔而干擾鉆孔操作的切屑。沒有必要通過退刀來清理切屑。
穿孔 在穿孔中，通過移動盤狀的工件使切削刀具（圖22.26 a）加工出孔，這些盤狀工件通常是平板?？椎募庸な窃诓环纸獠牧鲜怪?yōu)榍行纪瓿傻?，這和鉆孔類似。穿孔可以加工直徑達(dá)150mm（6英寸）的平板，也可以用于加工將會替代O型密封圈的環(huán)型槽。
穿孔可以在車床，鉆床（圖22.26）或其它機(jī)床上完成，可以用單刃刀具或多刃刀具。穿孔的一個(gè)變種為深孔穿孔，除了刀具有一個(gè)中心外所用刀具和深孔鉆類似。
圖22.26 (a)穿孔刀；(b)用架式單刀具穿孔
22.7.2材料切除率
鉆孔過程中材料的切除率是每單位時(shí)間內(nèi)被鉆頭切除的材料體積。對于一個(gè)直徑為D的鉆頭，它所鉆的孔的截面面積為πD2/4。鉆頭垂直工件方向的速度是進(jìn)給量f（鉆頭每轉(zhuǎn)鉆入工件的距離）和旋轉(zhuǎn)的速度N的乘積，此處N=V/πD。所以 MRR=（πD2/4）（f）（N）
我們可以檢查這個(gè)方程所達(dá)到尺寸的精度，就像方程（22.1）一樣，注意到MRR=(mm2)(mm/rev)(rev/min)=mm3/min，這是單位時(shí)間內(nèi)材料移除量的正確單位。
22.7.3 鉆削力和轉(zhuǎn)矩
鉆孔中的鉆削力作用于孔的軸線方向，如果這個(gè)力過大將會使鉆頭彎曲或損壞。過大的鉆削力也會使工件彎曲，尤其是工件沒有足夠剛度時(shí)（例如薄金屬片的結(jié)構(gòu)），或者使工件滑入工件夾緊裝置。
鉆削力范圍從用小鉆頭的幾牛頓到用大鉆頭鉆高硬材料的100千牛頓。同樣地，鉆入轉(zhuǎn)矩也可以達(dá)到4000N·m。這個(gè)鉆削力取決于以下幾個(gè)因素：(a)工件材料的硬度；(b)進(jìn)給量；(c)轉(zhuǎn)速；(d)鉆頭直徑；(e)鉆頭的幾何形狀；(f)切削液。精確計(jì)算出鉆頭上的鉆削力是很困難的。但是，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)、使用鉆頭和鉆孔設(shè)備中是可以做為幫助使用的。
為了估計(jì)所需功率的大小，必須知道鉆孔過程轉(zhuǎn)矩的大小。過大的轉(zhuǎn)矩會使工件彎曲或使工件滑入工件夾緊裝置。鉆孔的過程很難計(jì)算轉(zhuǎn)矩的大小?？梢杂盟o表20.1的數(shù)據(jù)得知鉆孔過程消耗的功率，這個(gè)功率是轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的乘積。因此，鉆頭的轉(zhuǎn)矩可以由先計(jì)算出來的材料切除率計(jì)算出來。
例子：材料切除率和轉(zhuǎn)矩
在一塊鎂合金上用一個(gè)直徑為10mm的鉆頭以0.2mm/r的進(jìn)給量鉆孔，主軸轉(zhuǎn)速為N=800r/min，計(jì)算材料切除率和鉆頭的轉(zhuǎn)矩。
解：首先用方程式22.3計(jì)算材料切除率
MRR=[(π)(10)2/4](0.2)(800)=12570mm3/min=210 mm3/s.
查表20.1，對應(yīng)鎂合金取單位功率的平均值為0.5W·s/ mm3
因此，所需功率為P=(210)(0.5)=105W
功率是鉆頭轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的乘積，在此轉(zhuǎn)速為(800)(2π)/60=83.8r/s
注意到W=J/S，J = N·m
故得T=105/83.8=1.25 N·m
22.7.4鉆頭材料和尺寸
鉆頭通常由高速鋼(M1,M7,M10)制成，為了提高鉆頭的耐磨性，現(xiàn)在許多鉆頭表面都鍍有氮化鈦。硬質(zhì)合金（圖22.22f,g）或者整體硬質(zhì)合金鉆頭可以用于鉆鑄鐵、鋼、硬質(zhì)耐高溫金屬和研磨材料，如混凝土和磚(石工鉆)，以及摻有研磨纖維的合成材料，如玻璃，石墨。
表面覆有多晶金剛石的鉆頭現(xiàn)在廣泛用于在加固塑料上加工鈕扣孔，如石墨環(huán)氧樹脂。因?yàn)樗鼈冇泻芨叩哪湍バ裕抒@成千上萬個(gè)孔對鉆頭材料的磨損仍很小。
標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆的尺寸包含以下四個(gè)系列：
a. 數(shù)值的：從97號(0.0059英寸)到1號(0.228英寸)；
b. 字母：從A(0.234英寸)到Z(0.413英寸)；
c. 分?jǐn)?shù)的：直柄尺寸從1/64英寸到5/4英寸(以1/64英寸增加)到3/2英寸(以1/32英寸增加)，更大的鉆頭則有更大的增加量；
d. 毫米：從0.05mm(0.002英寸)，以0.01mm增加。
鉆孔和鏜孔的性能列在表22.11中。
22.7.5鉆孔操作
鉆頭和類似的孔加工刀具通常被夾在帶或不帶鍵的鉆頭夾盤，。特殊的卡盤和夾頭具有不需要停下主軸就可實(shí)現(xiàn)各種鉆頭的快換，這以特性可以用于機(jī)器的生產(chǎn)。
因?yàn)殂@頭沒有自定心功能，在鉆孔開始時(shí)，它在工件表面有游移的趨勢。這個(gè)問題對于小直徑的鉆頭來說尤其嚴(yán)重，為了使鉆孔順利，鉆頭需要被指引，用固定裝置(如軸襯)來防止鉆頭偏向。
可以用一個(gè)中心鉆(通常刀尖角為60°)來鉆一個(gè)小起始孔，或者用鉆尖類似于S形的。這種形狀的自定心功能減少了鉆中心孔的需要，可加工出高精度的孔并提高鉆頭的壽命。在加工中心自動化生產(chǎn)中這些因素是非常重要的，通常的操作是使用118°刀尖角的定心鉆。當(dāng)定心鉆的刀尖角度和鉆頭相結(jié)合使用時(shí)鉆頭游移的現(xiàn)象就更少了。
因?yàn)殂@頭是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，鉆出的孔會有圓周方向的痕跡，相反，沖孔會有軸向的痕跡(看圖16.5a)?？紤]到孔的疲勞性能(第30.5節(jié))，上述的不同點(diǎn)有重要的意義。
表22.11 鉆孔和鏜孔操作的性能
孔深與直徑的比
刀具類型 直徑變化范圍(mm) 典型值 最大值
麻花鉆 0.5-150 8 50
扁鉆 25-150 30 100
深孔鉆 2-50 100 300
穿孔鉆 40-250 10 100
鏜孔鉆 3-1200 5 8
表22.12 鉆孔過程速度和進(jìn)給量的一般性建議
進(jìn)給量，mm/r(in./r)
表面速度 鉆頭直徑 r/m
工件材料 m/min ft/min 1.5mm(0.060in.) 12.5mm(0.5in.) 1.5mm 12.5mm
鋁合金 30-120 100-400 0.025(0.001) 0.30(0.012) 6400-25000 800-3000
鎂合金 45-120 150-400 0.025(0.001) 0.30(0.012) 9600-25000 1100-3000
銅合金 15-60 50-200 0.025(0.001) 0.25(0.010) 3200-12000 400-1500
鋼 20-30 60-100 0.025(0.001) 0.30(0.012) 4300-6400 500-800
不銹鋼 10-20 40-60 0.025(0.001) 0.18(0.007) 2100-4300 250-500
鈦合金 6-20 20-60 0.010(0.0004) 0.15(0.006) 1300-4300 150-500
鑄鐵 20-60 60-200 0.025(0.001) 0.30(0.012) 4300-12000 500-1500
熱塑性塑料 30-60 100-200 0.025(0.001) 0.13(0.005) 6400-12000 800-1500
熱固性塑料 20-60 60-200 0.025(0.001) 0.10(0.004) 4300-12000 500-1500
注意：隨著孔的深度增加，轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量應(yīng)該減小。轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的選擇也取決于要求的表面光潔度。
鉆孔建議：推薦的鉆孔速度和進(jìn)給量范圍在表22.12給出。速度是鉆頭邊緣的表面速度。因此，一個(gè)0.5英寸(12.7mm)的鉆頭以300r/min旋轉(zhuǎn)的表面速度為(0.5/2 in.)(300r/min)(2πrad/r)(1/12ft/ in)=39 ft/min=12m/min.。當(dāng)鉆孔直徑比1mm(0.040英寸)小時(shí)，轉(zhuǎn)速可以達(dá)到3000r/min，要由工件材料來定。
鉆孔進(jìn)給量是鉆頭每轉(zhuǎn)一圈鉆頭進(jìn)入工件的長度。例如，表22.12建議，對于大多數(shù)工件材料直徑為1.5mm(0.06英寸)的鉆頭進(jìn)給量應(yīng)為0.025mm/r。如果表中的速度一欄表明鉆頭應(yīng)該以2000r/min旋轉(zhuǎn)，那么鉆頭應(yīng)該以線速度(0.025mm/r)(2000r/min)=50mm/min=2in./min進(jìn)入工件。
鉆孔過程排除切屑會比較難，尤其是在軟的和易延伸的材料上鉆深孔時(shí)，鉆頭應(yīng)該定時(shí)地退回以排除可能已經(jīng)堵滿切屑槽的切屑。而且，鉆頭可能因?yàn)檫^大轉(zhuǎn)矩而破裂，或者會偏向而鉆出異形孔。在鉆孔操作中對造成問題的可能原因的說明列在表22.13中。
鉆頭的修整 通過人工或特殊裝置磨削來修整鉆頭。鉆頭的適當(dāng)修整是重要的，尤其是在計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的自動化生產(chǎn)中，手工磨削是很困難的，而且需要很高的技術(shù)以保證勻稱的切削刃。在裝置上磨削可保證精度并在特殊的計(jì)算機(jī)控制磨削機(jī)上完成。鍍有氮化鈦的鉆頭可以重新鍍層。
表22.13 鉆孔操作問題檢修指南
問題 造成問題的原因
鉆頭破損 鉆頭變鈍；因?yàn)榍行级氯@頭卡在孔中；進(jìn)給量過大；鉆緣后角太小。
鉆頭過度磨損 切削速度太高；無效的切削液；鉆頭前角太大；鉆頭變尖鉆頭磨損，失去強(qiáng)度。
孔為圓錐形 鉆頭偏移或彎曲；邊緣刃不相等；鉆心偏移。
孔變大 機(jī)床主軸松動；橫刃不在中心；工件上有側(cè)壓力；也包括圓錐孔的三個(gè)原因。
孔的表面光潔度低 鉆頭變鈍；無效的切削液；切屑粘在鉆頭邊緣；不當(dāng)?shù)哪ハ縻@頭；不當(dāng)?shù)男?zhǔn)。
圖22.27
根據(jù)已經(jīng)鉆孔的數(shù)量
來檢測鉆削力和轉(zhuǎn)矩
的增加，以此來估量
鉆頭的壽命。
這一測試也可以用于
沖床沖頭的壽命。
鉆削力和轉(zhuǎn)矩
鉆孔的數(shù)量
22.7.6估量鉆頭的壽命
減少或替代已鈍化的鉆頭很重要，尤其在自動化生產(chǎn)中。使用鈍的鉆頭會增加鉆削力和功率，造成表面破損，而且加工的孔沒有精度。鉆頭的壽命通常以它們變鈍前所鉆孔的數(shù)量來估量。
測試過程包括在合適的測力計(jì)或力傳感器上夾住一塊材料并鉆若干孔，同時(shí)記錄每一個(gè)成功操作過程的轉(zhuǎn)矩和鉆削力。鉆過許多孔之后，因刀具開始變鈍，轉(zhuǎn)矩和鉆削力的數(shù)值開始增加(圖22.27)。
鉆頭壽命被定義為在這一轉(zhuǎn)變過程開始之前，鉆頭已鉆孔的數(shù)量。其它一些技術(shù)如振動監(jiān)測，聲波發(fā)射(第20.7.5節(jié))，或許也可以用來估量鉆頭的壽命。這些技術(shù)在計(jì)算機(jī)控制加工中尤其重要。
本文摘自制造工程與技術(shù)（機(jī)加工）（英文版）
Manufacturing?Engineering?and?Technology-Machining?
美?S.卡爾帕基安（Serape?Kalpak Ian)?S.R.施密德（Stern?R.Schmid)著
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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
開題報(bào)告
題目名稱： 大直徑輥筒雙頭鏜孔專機(jī)
承載裝置和自定心裝置的設(shè)計(jì)
院系名稱： 機(jī) 電 學(xué) 院
班 級：
學(xué) 號：
學(xué)生姓名：
指導(dǎo)教師:
2011年4月
?1．本課題所涉及的內(nèi)容國內(nèi)(外)研究現(xiàn)狀綜述
本課題的名稱是大直徑輥筒雙頭鏜孔專機(jī)的承載裝置和自定心裝置的設(shè)計(jì)，就鏜床專機(jī)來說，目前國內(nèi)生產(chǎn)鏜床專機(jī)的廠家很多，而且鏜床專機(jī)類型也較多，但由于梳棉機(jī)上錫林輥筒和道夫輥筒直徑(錫林直徑約為1280mm)較大這一特性，則相應(yīng)地鏜大直徑輥筒的專機(jī)也有其特殊性，目前該類型專機(jī)只在紡織機(jī)械行業(yè)中使用的較多，如目前紡織機(jī)械行業(yè)用的鏜錫林、道夫?qū)C(jī)B-SPM。
錫林、道夫輥筒的特殊性在于是用鋼板整體焊接起來的，用于梳棉機(jī)上的大直徑錫林、道夫輥筒外圓要有很高的表面光潔度，輥筒的軸線與外圓要有高的同軸度，這就對輥筒的鏜孔工序有很高的要求，而對于大直徑輥筒的承載和裝夾就比較困難，那么設(shè)計(jì)一雙頭鏜孔專機(jī)就顯得必要。
鏜錫林、道夫?qū)C(jī)B-SPM這一專機(jī)與一般鏜床專機(jī)的有兩大不同之處：1.一般的鏜床專機(jī)的承載裝置(鏜床的工作臺)和鏜床的床身通常都是一體的，這是由加工零件尺寸的大小決定的，而鏜錫林、道夫?qū)C(jī)B-SPM的承載裝置是和專機(jī)的床身獨(dú)立的，該承載裝置可以在固定的軌道上移動，這有利于大直徑輥筒的裝卸。2.一般的鏜床專機(jī)的自定心裝置即自定心夾緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)比較緊湊，夾緊行程小，定位精度高，對于小尺寸工件的自定心裝置的設(shè)計(jì)來說比較容易實(shí)現(xiàn)；而對于鏜錫林、道夫?qū)C(jī)B-SPM的自定心裝置就比較復(fù)雜，不但要滿足能夠加工錫林和道夫兩不同直徑的輥筒，而且定位夾緊件在空間距離較大。若要保證自定心精度很高，設(shè)計(jì)這樣的自定心裝置就有困難。實(shí)際應(yīng)用中的自定心夾緊機(jī)構(gòu)有螺旋定心夾緊機(jī)構(gòu)、楔塊定心夾緊機(jī)構(gòu)、偏心定心夾緊機(jī)構(gòu)等，這就需要在已有自定心夾緊機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行借鑒和創(chuàng)新。
2．本課題有待解決的主要關(guān)鍵問題
1.設(shè)計(jì)承載裝置的關(guān)鍵問題
a.承載裝置應(yīng)能夠滿足可同時(shí)承載錫林輥筒和道夫輥筒，因兩輥筒直徑不同故承載定位面應(yīng)不同，定位方式為類似于V型槽定位。
b.因輥筒重量較大，為了方便輥筒的裝卸該承載裝置應(yīng)該可在固定的軌道上移動，且在指定的位置有鎖緊裝置將承載裝置卡死。
c.根據(jù)輥筒的重量尺寸來進(jìn)行受力分析，計(jì)算出承載裝置具有足夠強(qiáng)度的外形尺寸及承載裝置兩支撐點(diǎn)間的跨度。
d.為了確保承載裝置的耐用性，還應(yīng)該選擇合適的材料和適當(dāng)?shù)臒崽幚矸绞交虮砻嫣幚韥硖岣咂淠湍バ院陀捕取?
2.設(shè)計(jì)自定心裝置的關(guān)鍵問題
a.因該鏜床專機(jī)用于加工錫林和道夫兩種直徑的輥筒，故該自定心夾緊機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足兩種不同直徑的自定心夾緊，且為了減小道夫輥筒(小直徑)自定心夾緊時(shí)的夾緊行程，應(yīng)使定位夾緊件有兩個(gè)極限位置。
b.自定心原理可采用車床三爪卡盤自定心原理，但在加工大直徑輥筒時(shí)三個(gè)定位夾緊件應(yīng)位于一極限位置，加工道夫輥筒時(shí)位于另一極限位置。
c.最關(guān)鍵的問題是該自定心夾緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)不緊湊，為減小機(jī)床床身體積如何合理布置自定心裝置同是實(shí)現(xiàn)自定心夾緊。
3．對課題要求及預(yù)期目標(biāo)的可行性分析 (包括解決關(guān)鍵問題技術(shù)和所需條件兩方面)
在已知鏜床主軸高度、輥筒直徑、承載裝置受力分析的結(jié)果、承載裝置的基本外形尺寸可初步確實(shí)承載裝置。承載裝置的外形結(jié)構(gòu)可以參考鄭紡機(jī)鏜錫林、道夫?qū)C(jī)B-SPM的結(jié)構(gòu)初步擬定方案，包括承載裝置的材料選擇、V型槽的外形尺寸、承載裝置的長度和寬度，結(jié)合各計(jì)算參數(shù)進(jìn)行精確的設(shè)計(jì)，當(dāng)然這個(gè)過程可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)膭?chuàng)新，比如鎖緊卡死機(jī)構(gòu)。
該專機(jī)的自定心裝置的設(shè)計(jì)實(shí)則是設(shè)計(jì)一套自定心夾緊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對錫林和道夫輥筒的自定心夾緊，解決這一問題就需要參閱大量的機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊，在掌握一定自定心夾緊機(jī)構(gòu)知識的基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新，可初步確定自定心夾緊機(jī)構(gòu)的方案。但是關(guān)鍵的問題是如何利用結(jié)構(gòu)相對緊湊的自定心機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對大直徑輥筒的自定心夾緊，這就需要結(jié)合機(jī)床整體的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)的布局、自定心夾緊的動力來源等進(jìn)行設(shè)計(jì)。
承載裝置的設(shè)計(jì)需要較多的計(jì)算來確定承載裝置的尺寸，并進(jìn)行校核，而設(shè)計(jì)自定心夾緊機(jī)構(gòu)就需要大量的查閱手冊、資料進(jìn)行構(gòu)思分析，需要在初步擬定的方案基礎(chǔ)上進(jìn)行反復(fù)的修改，最終確定合理的方案。
承載裝置方案比較：該方案與一般的承載方案相比具有以下幾具優(yōu)點(diǎn)：1.該承載裝置可以在固定軌道上移出移入，與機(jī)床箱體分開，這樣便于大直徑輥筒的裝卸也減小了機(jī)床的體積；2.該承載裝置可同時(shí)承載兩種不同直徑的輥筒，并且具有類似V型槽的定位方式；3.該裝置還采用了鎖緊卡死機(jī)構(gòu)，以便承載裝置的固定。
自定心裝置方案比較：該自定心裝置與普通的自定心裝置不同，普通的自定心裝置可夾緊的工件直徑為一個(gè)范圍值，可在較大范圍內(nèi)變化，而本自定心方案適用于兩種不同直徑的輥筒的定位夾緊，因此本自定心方案具有其特殊性，即定位件具有兩個(gè)極限位置，當(dāng)更改加工對象時(shí)定位件旋轉(zhuǎn)至另一極限位置即可，這也增加了該自定心方案的復(fù)雜性。
4．完成本課題的工作計(jì)劃及進(jìn)度安排
2.21—3.6 調(diào)研與實(shí)習(xí)，英文文獻(xiàn)翻譯及編寫實(shí)習(xí)報(bào)告；
3.7 —3.13 總體方案設(shè)計(jì)，工藝方案，承載、定心結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)；
3.14—4.10 專機(jī)承載、定心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)草圖，詳細(xì)設(shè)計(jì)；
4.11—5.1 設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇與計(jì)算,整理設(shè)計(jì)任務(wù)書；
5.2 —5.8 定稿；
5.9 —5.15 評審；
5.16--5.20 畢業(yè)答辯；
5.23—5.29 修改畢業(yè)設(shè)計(jì)；
5．指導(dǎo)教師審閱意見
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指導(dǎo)教師(簽字)： 年 月 日
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6．指導(dǎo)小組意見
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指導(dǎo)小組組長(簽字)： 年 月 日
說明：
1. 本報(bào)告前4項(xiàng)內(nèi)容由承擔(dān)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))課題任務(wù)的學(xué)生獨(dú)立撰寫；
2. 本報(bào)告必須在第八學(xué)期開學(xué)兩周內(nèi)交指導(dǎo)教師審閱并提出修改意見；
3. 學(xué)生須在小組內(nèi)進(jìn)行報(bào)告，并進(jìn)行討論；
4. 本報(bào)告作為指導(dǎo)教師、畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))指導(dǎo)小組審查學(xué)生能否承擔(dān)該畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)課題和是否按時(shí)完成進(jìn)度的檢查依據(jù)，并接受學(xué)校的抽查
畢業(yè)設(shè)計(jì)（說明書）
題目名稱：大直徑輥筒雙頭鏜孔專機(jī)
承載裝置及自定心裝置的設(shè)計(jì)
院系名稱： 機(jī) 電 學(xué) 院
班 級：
學(xué) 號：
學(xué)生姓名：
指導(dǎo)教師：
年 月
摘要
本論文是關(guān)于大直徑輥筒雙頭鏜孔專機(jī)承載裝置和自定心裝置的設(shè)計(jì)說明。首先，本文簡要概述了課題的選題背景及發(fā)展現(xiàn)狀，對雙頭鏜孔專機(jī)的加工對象錫林輥筒及道夫輥筒進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和加工工藝的分析。其次，根據(jù)承載裝置和自定心裝置的性能要求進(jìn)行了方案的擬定并在方案對比分析的基礎(chǔ)上確定出了相對合理的方案。承載裝置對錫林輥筒與道夫輥筒的定位采用類似V形面的定位方式，驅(qū)動方式為減速電動機(jī)齒輪傳動。自定心裝置采用帶雙矩形導(dǎo)軌的可移動箱體實(shí)現(xiàn)三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的同時(shí)進(jìn)給，采用液壓缸驅(qū)動六桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自定心裝置的三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸同步轉(zhuǎn)動。同時(shí)，對方案中用到的電動機(jī)、液壓缸、扭桿彈簧進(jìn)行了計(jì)算選擇及連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動確定性的驗(yàn)證。最后，校核了承載裝置中驅(qū)動軸的強(qiáng)度及軸承的壽命，并在結(jié)論中總結(jié)了本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)，對方案中存在的問題進(jìn)行了分析并提出了改進(jìn)方向。
關(guān)鍵詞：承載裝置 自定心裝置 六桿機(jī)構(gòu)
Abstract
This thesis is a piece of explanation of design that about the bearing and self-centering device of the specialized and two-headed boring machine to process the big diameter roller.
Firstly, these papers briefly summarize the background and development present situation of the topic. It also analyze the structure and processing manufacturability of cylinder and doffer rollers which was processed by specialized and two-headed boring machine.
Secondly, according to the performance requirement of the bearing and self-centering device to make the project block in, then on the basis of the project analysis make out a relatively reasonable project. The cylinder and doffer rollers are located by the V-shaped surface and the drive mode is reducer motors gear transmission. Self-centering device adopt the removable tank body with double rectangular guide rail to realize three axis remove in the meantime. It also adopts hydraulic cylinder driving mechanism drive linkage mechanism to realize the three axes rotate meanwhile. At the same time, makes a calculation and choice to the motor and hydraulic cylinder used in the project.
Finally, checks the strength of drive shaft and bearing life of bearing device, summarizes this designing project’s advantage and innovations, analyzes the problems in the project and put up with improving direction.
Key words: bearing device self-centering device six-connecting rod mechanism
目錄
引言 1
1 課題介紹 2
1.1 課題名稱 2
1.2 課題概述 2
1.3 課題背景及發(fā)展現(xiàn)狀 2
2 零件的結(jié)構(gòu)和加工工藝分析 4
2.1 輥筒的加工工藝要求 5
2.2 輥筒的加工工藝流程 5
2.3 零件的工藝分析 5
3 方案擬定 6
3.1 承載裝置及自定心裝置的設(shè)計(jì)要求 6
3.1.1 承載裝置的設(shè)計(jì)要求 6
3.1.2 自定心裝置的設(shè)計(jì)要求 7
3.2 課題可行性分析 7
3.3 方案的設(shè)計(jì)與對比分析 8
3.3.1 承載裝置方案設(shè)計(jì) 8
3.3.2 承載裝置方案的對比分析 12
3.3.3 自定心裝置方案設(shè)計(jì) 13
3.3.4 自定心裝置方案的對比分析 17
3.4 方案的選擇確定 18
4 理論計(jì)算及關(guān)鍵零部件的校核 18
4.1 理論計(jì)算 18
4.1.1 電動機(jī)的選擇 18
4.1.2 液壓缸的選擇 19
4.1.3 連桿機(jī)構(gòu)的計(jì)算 22
4.1.4 自定心裝置中扭桿彈簧的計(jì)算 23
4.2 關(guān)鍵零部件的校核 25
4.2.1 承載裝置驅(qū)動軸的校核 25
4.2.2 鍵聯(lián)接的選擇與校核 28
4.2.3 軸承的校核 28
結(jié)論 30
參考文獻(xiàn) 31
致謝 32
附錄 33
33
XX學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說明書
引言
隨著梳棉機(jī)在紡織工業(yè)中更加廣泛地使用，使得梳棉機(jī)的主關(guān)件錫林輥筒與道夫輥筒的生產(chǎn)加工成為批量生產(chǎn)。然而對于大直徑錫林輥筒與道夫輥筒的鏜孔加工在普通鏜床上加工不能保證鏜孔精度，而且加工生產(chǎn)勞動強(qiáng)度大，孔的加工精度不高，而在現(xiàn)代化的加工中心鏜孔則會大大提高生產(chǎn)成本，且不利于現(xiàn)代化機(jī)械的合理利用?，F(xiàn)知梳棉機(jī)的生產(chǎn)綱領(lǐng)為3500臺/年，則錫林輥筒和道夫輥筒的生產(chǎn)屬于批量生產(chǎn)，這就需要專門的鏜床專機(jī)進(jìn)行加工即節(jié)約成本、降低勞動強(qiáng)度，也保證孔的同軸度和表面粗糙度，而為了保證與回轉(zhuǎn)軸配合的孔的同軸度就需要對輥筒雙頭同時(shí)鏜孔。目前紡織機(jī)械行業(yè)鏜錫林道夫輥筒孔所用專機(jī)為鏜錫林、道夫?qū)C(jī)B-SPM。
本課題的設(shè)計(jì)主要包括大直徑輥筒雙頭鏜孔專機(jī)的承載裝置和自定心裝置的設(shè)計(jì)，在深入理解課題的基礎(chǔ)上對兩部分裝置分別進(jìn)行了方案的對比分析，并確定出相對較合理的方案。在各方案實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上對兩部分裝置的方案均有創(chuàng)新，承載裝置中采用齒輪減速電動機(jī)傳動，提高自動化程度；在自定心裝置中有扭桿彈簧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和整體帶動部分構(gòu)件運(yùn)動的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這增加機(jī)構(gòu)運(yùn)動的同步性。本篇設(shè)計(jì)說明在結(jié)論中對方案中出現(xiàn)的問題都做了分析，同時(shí)也給出了問題的改進(jìn)方向。
1 課題介紹
1.1 課題名稱
本課題名稱為大直徑輥筒雙頭鏜孔專機(jī)承載裝置及自定心裝置的設(shè)計(jì)
1.2 課題概述
本課題為大直徑輥筒雙頭鏜孔專機(jī)承載裝置及自定心裝置的設(shè)計(jì)，主要的任務(wù)是：
(1)根據(jù)給定的道夫輥筒零件圖對零件進(jìn)行工藝分析；
(2)根據(jù)加工工藝的參數(shù)對兩部分裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；
(3)通過對所設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行對比分析來確定最佳的方案；
(4)對設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和校核。
對兩部分裝置的概述：
大直徑輥筒雙頭鏜孔專機(jī)主要用于對梳棉機(jī)產(chǎn)品中的主關(guān)件—錫林輥筒和道夫輥筒的加工，加工主要內(nèi)容為對兩輥筒的中心孔進(jìn)行雙頭鏜削。該雙頭鏜孔專機(jī)的兩部分主要裝置則為承載裝置和自定心裝置，承載裝置的主要作用為：1.該裝置可利于大直徑輥筒的裝卸而且減小機(jī)床床身的體積；2.該裝置主要用于加工零件時(shí)的承載作用，承載裝置上的V形定位裝置對輥筒起定位作用。自定心裝置的作用為：對于雙頭鏜孔專機(jī)，為保證鏜孔的精度和輥筒兩端孔的同軸度就必須保證在加工時(shí)輥筒的中心軸線與鏜床專機(jī)主軸的軸線共線，而自定心裝置的原理類似于車床的三爪卡盤的自定心原理，可使輥筒在被夾緊情況自動定心以保證鏜孔精度。
本課題的設(shè)計(jì)要求為在對畢業(yè)設(shè)計(jì)課題熟悉的基礎(chǔ)上通過查閱資料、引擎搜索和對相關(guān)制造部門的參觀學(xué)習(xí)進(jìn)行方案的擬定，獨(dú)立地進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)和確定并能夠做到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，最后進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算和主要零部件的校核。
1.3 課題背景及發(fā)展現(xiàn)狀
錫林輥筒和道夫輥筒是紡織行業(yè)典型機(jī)械產(chǎn)品梳棉機(jī)的主要零部件，此兩種輥筒的主要作用如下：
(1)梳棉機(jī)上錫林輥筒的作用
錫林是梳棉機(jī)的主要機(jī)件，錫林由滾筒和梳理齒條組成，F(xiàn)A201型梳棉機(jī)滾筒直徑為1284mm,包覆齒條后的工作直徑為1290mm.，其作用是將刺輥初步梳理過的纖維轉(zhuǎn)移并帶入錫林、蓋板工作區(qū)，作進(jìn)一步細(xì)致的梳理、伸直和均勻混和，并將纖維轉(zhuǎn)移給道夫。
(2)梳棉機(jī)上道夫輥筒的作用
道夫滾筒的結(jié)構(gòu)與錫林相似。FA201型梳棉機(jī)的道夫滾筒直徑為698mm,工作直徑為706mm，道夫的作用是將錫林表面的纖維凝聚成纖維層，并在凝聚過程中，對纖維具有梳理和均勻混和作用，由于道夫直徑較小，因而對其動平衡、包卷針后滾筒的變形及軸與軸承的要求都比對錫林的要求低。
(3)課題背景及現(xiàn)狀
錫林、道夫輥筒的特殊性在于是用卷板機(jī)把鋼板卷成圓筒并整體焊接起來的，用于梳棉機(jī)上的大直徑錫林、道夫輥筒外圓要有很高的表面光潔度，輥筒的軸線與外圓要有高的同軸度，這就對輥筒的鏜孔工序有很高的要求，而在一般的鏜床上加工直徑分別為1280mm和692mm的錫林輥筒和道夫輥筒不論是承載還是裝夾都比較困難，對于生產(chǎn)批量很大(每年各3000件)的輥筒用現(xiàn)代化的加工中心則經(jīng)濟(jì)性和效益性較差，那么對于專門加工兩種大直徑輥筒的雙頭鏜孔專機(jī)的需求也就顯得格外必要。
就鏜床專機(jī)來說，目前國內(nèi)生產(chǎn)鏜床專機(jī)的廠家很多，而且鏜床專機(jī)類型也較多，但由于梳棉機(jī)上錫林輥筒和道夫輥筒直徑較大這一特性，則相應(yīng)地鏜大直徑輥筒的專機(jī)也有其特殊性，目前該類型專機(jī)只在紡織機(jī)械行業(yè)中使用的較多，如目前紡織機(jī)械行業(yè)用的鏜錫林、道夫?qū)C(jī)B-SPM。
下面對該專機(jī)與普通的機(jī)床作一對比分析：存大的兩大不同之處為：(1)普通鏜床專機(jī)的承載裝置(鏜床的工作臺)和鏜床的床身通常都是一體的，這是由加工零件尺寸的大小決定的，而鏜錫林、道夫?qū)C(jī)B-SPM的承載裝置是和專機(jī)的床身獨(dú)立的，該承載裝置可以在固定的軌道上移動，這有利于大直徑輥筒的裝卸。(2)普通鏜床專機(jī)的自定心裝置即自定心夾緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)比較緊湊，夾緊行程小，定位精度高，對于小尺寸工件的自定心裝置的設(shè)計(jì)來說比較容易實(shí)現(xiàn)；而對于鏜錫林、道夫?qū)C(jī)B-SPM的自定心裝置就比較復(fù)雜，不但要滿足能夠加工錫林和道夫兩不同直徑的輥筒，而且定位夾緊件在空間距離較大。
2 零件的結(jié)構(gòu)和加工工藝分析
圖2-1，圖2-2分別為梳棉機(jī)的主關(guān)件道夫輥筒、錫林輥筒的零件圖，該類型零件主要由腹板、道夫筒體和道夫堵頭結(jié)合件焊接而成的。
圖2-1 道夫輥筒結(jié)構(gòu)圖
圖2-2 錫林輥筒結(jié)構(gòu)圖
2.1 輥筒的加工工藝要求
(1)輥筒應(yīng)具有足夠的剛性，確保在重載作用下，彎曲變形不超過許用值。
(2)輥筒表面應(yīng)有足夠的硬度，一般要求達(dá)到50HRC以上，具有較強(qiáng)的耐腐蝕能力。鍍層具有抗剝落能力，確保輥筒工作表面具有較好的耐磨性及耐腐蝕性。
(3)輥筒工作表面應(yīng)精細(xì)加工，以保證尺寸精度和表面粗糙度。粗糙度應(yīng)在Ra0.16以上，不能有氣孔或溝紋。輥筒工作表面的壁厚要均勻，否則會使輥面溫度不均勻，影響制品質(zhì)量。
(4)輥筒的材料應(yīng)具有良好的導(dǎo)熱性，通常采用冷硬鑄鐵，特殊情況采用鑄鋼或鉬鉻合金鋼，無論是加熱還是冷卻，均能達(dá)到快速均勻。
(5) 因錫林與道夫輥筒直徑較大，表面速度較高，所以，對輥筒的圓整度、輥筒與軸的同心度以及錫林滾筒的動平衡等要求較高。
(6) 為減小輥筒包卷齒條后的變形程度，F(xiàn)A201型梳棉機(jī)將錫林滾筒筒壁厚度加厚至125mm，筒體內(nèi)壁有加高加寬的梯形筋以增加筒體的剛性。
(7) 錫林輥筒軸與兩端堵頭用螺栓夾緊結(jié)構(gòu)，以提高錫林的安裝精度。
2.2 輥筒的加工工藝流程
錫林、道夫輥筒有鋼板焊接結(jié)構(gòu)或鑄鐵滾筒兩種形式，滾筒兩端用堵頭和裂口軸套將滾筒與軸連接在一起，目前梳棉機(jī)所用錫林、道夫輥筒多是整體焊接式輥筒，輥筒的加工工藝流程為：將125mm厚的鋼板在卷板機(jī)上卷出圓筒的形狀并焊接為圓筒，保證輥筒壁厚均勻→在圓筒內(nèi)壁焊接梯形筋→將輥筒進(jìn)行時(shí)效處理以減少殘余應(yīng)力→在輥筒的兩端分別安裝內(nèi)嵌有裂口錐套的堵頭→在輥筒兩端分別固定一個(gè)蓋板→在大直徑輥筒雙頭鏜孔專機(jī)(鏜錫林、道夫?qū)C(jī)B-SPM)上鏜輥筒上與軸配合的內(nèi)孔，并保證孔的同心度→在磨錫林、道夫?qū)C(jī)C-SPM上磨輥筒的外圓，并保證輥筒外圓的光潔度、圓整度。
2.3 零件的工藝分析
與本設(shè)計(jì)課題相關(guān)的加工工序?yàn)樵诖笾睆捷佂搽p頭鏜孔專機(jī)上半精鏜和精鏜輥筒上與軸配合的內(nèi)孔，該工序的上道工序?yàn)楹附訒r(shí)效處理后的堵頭安裝，下道工序?yàn)樵谀ュa林、道夫?qū)C(jī)上磨輥筒的外圓并保證光潔度和圓整度。按照生產(chǎn)綱領(lǐng)給定的每年生產(chǎn)3000臺梳棉機(jī)，則分別需要加工3000件錫林輥筒和3000件道夫輥筒，查機(jī)械制造技術(shù)中表14-3(生產(chǎn)類型的規(guī)范)可知中型機(jī)械的生產(chǎn)綱領(lǐng)為3000件/年的為大批生產(chǎn)。
若在普通的鏜床上進(jìn)行加工，當(dāng)一端鏜孔完成后進(jìn)行調(diào)頭會影響兩孔的同軸度，鏜孔的精度較低，而且也會大大增加加工的輔助時(shí)間，從而影響生產(chǎn)率增加。若在現(xiàn)代化的加工中心進(jìn)行鏜孔，雖然自動化提高但是大批量的零件會使加工中心得不到充分的使用而大大提高加工成本。綜上分析，為使本道工序的生產(chǎn)率提高需要生產(chǎn)專門的機(jī)床進(jìn)行大批量的加工錫林與道夫輥筒。
其它工序的工藝分析：
(1)在輥筒兩端分別安裝有裂口錐套的堵頭：采用這種錐套連接的目的是增大孔與軸的接觸面，結(jié)構(gòu)緊湊，拆卸方便，傳動件的定心精度大大提高，傳遞轉(zhuǎn)矩大，而一般的連接傳遞轉(zhuǎn)矩較小而且會有間隙，裝配時(shí)也會有問題。
(2)在輥筒內(nèi)壁焊接梯形筋：焊接梯形筋的目的是在不加大輥筒厚度的條件下，增強(qiáng)輥筒筒體的剛度和強(qiáng)性，可克服輥筒壁厚差帶來的應(yīng)力不均造成的歪曲變形，同時(shí)也減輕重量，降低成本。
3 方案擬定
3.1 承載裝置及自定心裝置的設(shè)計(jì)要求
3.1.1 承載裝置的設(shè)計(jì)要求
就承載裝置來說，一般可分為與機(jī)床床身一體的承載裝置和與床身獨(dú)立的承載裝置，對于鏜孔專機(jī)加工對象尺寸較小的零件來說承載裝置則為機(jī)床的工作臺。相反地，對于鏜床專機(jī)所加工對象尺寸較大時(shí)，為了減小機(jī)床床身的體積，則把承載裝置與機(jī)床床身獨(dú)立開來。因鏜孔過程中鏜削力會引起振動，因此承載裝置應(yīng)該有定位裝置，而且該裝置可以滿足加工兩種不同直徑大輥筒的承載及定位，綜上分析提出了鏜錫林、道夫輥筒承載裝置應(yīng)該滿足以下要求：
(1)承載裝置應(yīng)能夠滿足可同時(shí)承載錫林輥筒和道夫輥筒，因兩輥筒直徑不同故承載定位面應(yīng)不同，定位方式為類似于V形槽定位。
(2)因輥筒重量較大，為了方便輥筒的裝卸該承載裝置應(yīng)該可在固定的軌道上移動，且在指定的位置有鎖緊裝置將承載裝置卡死。
(3)根據(jù)輥筒的重量尺寸來進(jìn)行受力分析，計(jì)算出承載裝置具有足夠強(qiáng)度的外形尺寸及承載裝置兩支撐點(diǎn)間的跨度。
(4)為了確保承載裝置的耐用性，還應(yīng)該選擇合適的材料和適當(dāng)?shù)臒崽幚矸绞交虮砻嫣幚韥硖岣咂淠湍バ院陀捕取?
3.1.2 自定心裝置的設(shè)計(jì)要求
生產(chǎn)實(shí)際中，在軸套類工件上銑鍵槽及在法蘭盤類零件上鉆孔等情況均應(yīng)保證加工部位相對于工序基準(zhǔn)對稱，根據(jù)基準(zhǔn)重合原則，應(yīng)以工序基準(zhǔn)即工件上的對稱點(diǎn)(線、面)作為定位基準(zhǔn)。同時(shí)并保證定位基準(zhǔn)在整個(gè)夾緊過程中是固定不動的，即定心。由此可見，所謂定心夾緊機(jī)構(gòu)，即能保證工件的對稱點(diǎn)(線、面)在夾緊過程中始終處于固定準(zhǔn)確位置的夾緊機(jī)構(gòu)。
因工件定位面存在加工誤差，若保證定位基準(zhǔn)定心，其夾具定位元件必定可動，并且能隨定位表面尺寸的變化相對定位基準(zhǔn)作等距離的移近或退出，如三爪定心卡盤，這樣才能起到良好的定心作用。故該種夾緊機(jī)構(gòu)的定位元件與夾緊元件是合一的，且定位和夾緊動作同步進(jìn)行，如此有利于縮短時(shí)間，提高效率。
但本課題中的雙頭鏜孔專機(jī)的加工對象直徑分別為1284mm和692mm，此情況下實(shí)現(xiàn)自定心功能就比較困難，而且自定心夾緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)不緊湊。綜上分析對雙頭鏜孔專機(jī)的自定心裝置應(yīng)解決的關(guān)鍵問題如下：
(1)因該鏜床專機(jī)用于加工錫林和道夫兩種直徑的輥筒，故該自定心夾緊機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足兩種不同直徑的自定心夾緊，且為了減小道夫輥筒(小直徑)自定心夾緊時(shí)的夾緊行程，應(yīng)使定位夾緊件有兩個(gè)極限位置。
(2)自定心原理可采用車床三爪卡盤自定心原理，但在加工大直徑輥筒時(shí)三個(gè)定位夾緊件應(yīng)位于一極限位置，加工道夫輥筒時(shí)位于另一極限位置。
(3)最關(guān)鍵的問題是該自定心夾緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)不緊湊，為減小機(jī)床床身體積如何合理布置自定心裝置同是實(shí)現(xiàn)自定心夾緊。
3.2 課題可行性分析
在已知鏜床主軸高度、輥筒直徑、承載裝置受力分析的結(jié)果、承載裝置的基本外形尺寸可初步確定。承載裝置的外形結(jié)構(gòu)可類比現(xiàn)有的鏜錫林、道夫?qū)C(jī)B-SPM的結(jié)構(gòu)初步擬定方案，包括承載裝置的材料選擇、V形槽的外形尺寸、承載裝置的長度和寬度，結(jié)合各計(jì)算參數(shù)進(jìn)行精確的設(shè)計(jì)，當(dāng)然這個(gè)過程可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)膭?chuàng)新，比如鎖緊卡死機(jī)構(gòu)，承載裝置的驅(qū)動形式。
該專機(jī)的自定心裝置的設(shè)計(jì)實(shí)則是設(shè)計(jì)一套自定心夾緊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對錫林和道夫輥筒的自定心夾緊，解決這一問題就需要參閱大量的機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊，在掌握一定自定心夾緊機(jī)構(gòu)知識的基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新，可初步確定自定心夾緊機(jī)構(gòu)的方案。但是關(guān)鍵的問題是如何利用結(jié)構(gòu)相對緊湊的自定心機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對大直徑輥筒的自定心夾緊，這就需要結(jié)合機(jī)床整體的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)的布局、自定心夾緊的動力來源等進(jìn)行設(shè)計(jì)。
3.3 方案的設(shè)計(jì)與對比分析
3.3.1 承載裝置方案設(shè)計(jì)
方案一
該方案采用兩導(dǎo)軌和四輪子的運(yùn)動方式，該承載裝置的寬度由錫林、道夫輥筒的寬度決定，具體尺寸為1020mm，采用的定位方式為類似V形定位塊定位，一側(cè)為斜邊，另一側(cè)為直邊，此定位方式限制輥筒的四個(gè)自由度，如圖3-1所示為承載裝置的總體結(jié)構(gòu)圖及輥筒的部分定位尺寸。
驅(qū)動方案如下：
(1)采用電動機(jī)軸端的齒輪與驅(qū)動軸上的齒輪配合進(jìn)行傳動，如圖3-2所示，電動機(jī)的種類可選用普通的三相異步電動機(jī)，如采用Y系列電動機(jī)來實(shí)現(xiàn)勻速的運(yùn)動，此情況可采用卡死鎖緊裝置來確保鏜孔時(shí)的鏜削力使裝置偏離原位置。也可以采用伺服電動機(jī)，根據(jù)給定的脈沖信號來控制伺服電動機(jī)的啟動、停止，由于伺服電動機(jī)本身的自鎖功能可以避免在鏜孔時(shí)裝置移動而使輥筒中心與鏜床主軸中心偏移。
(2)采用絲杠螺母傳動，通過聯(lián)軸器將電動機(jī)的軸端與絲杠軸端聯(lián)接起來，電動機(jī)固定在承載裝置端部的底板上。
(3)采用鏈傳動，驅(qū)動軸上安裝鏈輪，電動機(jī)的軸端也安裝鏈輪，以此進(jìn)行傳動。
圖3-1 承載裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案一
圖3-2 承載裝置驅(qū)動方式
方案二
該方案對錫林輥筒與道夫輥筒的定位均采用V形面的定位，兩側(cè)均為斜面進(jìn)行定位該方案的定位裝置圖如圖3-3所示。
圖3-3 承載裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案二
驅(qū)動方案仍可以采用方案一中所述的齒輪軸驅(qū)動、絲杠螺母傳動與鏈輪傳動。
方案三
采用一V形裝置可以同時(shí)對兩不同直徑的輥筒進(jìn)行定位，以固定在承載支架上的大V形塊來對錫林輥筒進(jìn)行定位，如圖3-4所示，當(dāng)對道夫輥筒(直徑為692mm)進(jìn)行定位時(shí)可以加活動的V形塊，該活動V形塊的結(jié)構(gòu)尺寸剛好可以對道夫輥筒進(jìn)行定位，結(jié)構(gòu)圖如圖3-5所示。
圖3-4 承載裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案三
圖3-5 承載裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案三
在此方案中的驅(qū)動方案也可以選擇方案一中的三個(gè)方案。
3.3.2 承載裝置方案的對比分析
承載方案的對比分析：
方案一：采用V形定位塊的原理進(jìn)行定位，而又不局限于V形塊的設(shè)計(jì)，整個(gè)承載支架及箱體均采用鋼板焊接而成，或者采用型鋼焊接而成，在制造承載箱體時(shí)較方便。
方案二：對兩輥筒均采用V形裝置定位，采用這種定位方式的原因是V形定位的最大特點(diǎn)是：工件上用作定位基面的外圓柱面，不論是否經(jīng)過加工與否或精度的高低，也不論是圓柱面或是圓弧面，它們在V形裝置上定位時(shí)，其定位基準(zhǔn)始終處于V形裝置兩工作斜面的對稱面上，即對中性很好。而且還適用于階梯軸及曲軸的定位，并且裝卸工件很方便。
方案三：該方案分別對需要定位的大直徑錫林輥筒與道夫輥筒設(shè)計(jì)V形塊來定位，而且小V形塊為可固定可拆卸的裝置，當(dāng)對錫林輥筒進(jìn)行定位時(shí)活動V形塊拆卸，當(dāng)對道夫輥筒進(jìn)行定位時(shí)將小V形塊的外表面與大V形塊的內(nèi)表面進(jìn)行貼合即可。
方案一與方案二相比，雖然方案二比方案一具有定位的對中性好這一優(yōu)勢，但是從承載裝置箱體制造工藝角度來考慮，方案一中的矩形箱體要比方案二中的斜面箱體容易加工或者焊接，而且方案二中的V形面定位使輥筒的重量作用在斜面上的力較大，這對箱體的強(qiáng)度與剛度有較高的要求，相同經(jīng)濟(jì)條件下，方案一中的承載裝置更不容易變形，使用壽命更長。
方案一與方案三相比，方案三對兩輥筒也均采用V形面定位，定位的對中性較好，而且整體結(jié)構(gòu)相對方案一來說更加緊湊，但是從此方案的施行角度考慮，在對道夫輥筒進(jìn)行定位時(shí)，小V形塊外表面與大V形塊的內(nèi)表面進(jìn)行配合時(shí)配合要求比較高，使用一段時(shí)間后由于大V形塊內(nèi)表面的變形量會使配合精度較低。
方案二與方案三相比，方案三比方案二結(jié)構(gòu)緊湊，方案二的箱體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，此兩種方案采用的V形面定位對定位裝置的材料要求較高，若采用方案一中的鋼板焊接而成會影響承載裝置的性能。
驅(qū)動方案的對比分析：
本課題承載裝置設(shè)計(jì)部分驅(qū)動方式的備選方案有如下三種：鏈傳動、絲杠螺母傳動、齒輪傳動。
(1)鏈傳動：鏈傳動主要用在要求工作可靠，兩軸相距較遠(yuǎn)，低速重載，工作環(huán)境惡劣及其他不宜采用齒輪傳動的場合，與齒輪傳動相比，鏈傳動的制造與安裝精度要求較低，在遠(yuǎn)距離傳動時(shí)，其結(jié)構(gòu)比齒輪傳動輕便得多。
鏈傳動的主要缺點(diǎn)：鏈傳動只能實(shí)現(xiàn)平行軸間鏈輪的同向傳動；運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不能保持恒定的瞬時(shí)傳動比；磨損后易發(fā)生跳齒；工作時(shí)有噪聲；不宜用在載荷變化很大、高速和急速反向的傳動中。
(2)齒輪傳動：齒輪傳動是使用最多的機(jī)械傳動，齒輪傳動具有以下主工特點(diǎn)：齒輪傳動效率高；結(jié)構(gòu)緊湊；設(shè)計(jì)制造正確合理、使用維護(hù)良好的齒輪傳動工作可靠、使用壽命長；傳動比穩(wěn)定。但是齒輪傳動的制造及安裝精度要求高，價(jià)格較貴，且不宜用于傳動距離過大的場合。
(3)絲杠螺母傳動：絲杠螺母傳動屬于螺旋傳動的一種，是通過螺桿和螺母的旋合傳遞運(yùn)動和動力，它主要是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變成直線運(yùn)動，以較小的轉(zhuǎn)矩得到很大的推力。該傳動類型的特點(diǎn)為：結(jié)構(gòu)簡單，加工方便；易于自鎖；運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)；但也有以下缺點(diǎn)：摩擦阻力大，傳動效率低(通常為30%～60%)；低速或微調(diào)時(shí)可能出現(xiàn)爬行；螺紋有側(cè)向間隙，反向時(shí)有空行程，定位精度和軸向剛度較差；磨損快。
結(jié)合本課題承載裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，因該承載裝置的整體尺寸較大，若采用絲杠傳動，則絲杠的長度為2000mm左右，這就使得絲杠的軸向剛度較差，而且傳動效率較低。但此傳動方案可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)承載裝置的自鎖。鏈傳動與齒輪傳動的對比：雖然鏈傳動比齒輪傳動輕便得多，但本裝置要求傳動平穩(wěn)和恒定的瞬時(shí)傳動比。采用鏈傳動或齒輪傳動時(shí)，必須采用驅(qū)動軸，而絲杠傳動就不需要。
3.3.3 自定心裝置方案設(shè)計(jì)
本方案原理與車床三爪卡盤自定心原理相似，即三個(gè)定位件同時(shí)運(yùn)動，同時(shí)與工件外圓接觸，這樣便可達(dá)到自定心的目的。但由于該鏜床專機(jī)加工對象的特殊性，使得自定心裝置的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而且空間距離較大，這就使得該自定心夾緊機(jī)構(gòu)的安裝較困難。經(jīng)過分析采用連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)三個(gè)定位件的同時(shí)運(yùn)動。該連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖如圖3-6所示。
圖3-6 六桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖
而定位夾緊件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動形式分如下三種方案：
方案一
該方案采用三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸分別由三個(gè)液壓缸作為進(jìn)給原動機(jī)，而三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動由一個(gè)傾斜放置的液壓缸作原動機(jī)，該方案的結(jié)構(gòu)圖如圖3-7所示
該裝置中在上圖液壓缸加壓過程，三個(gè)回轉(zhuǎn)軸同時(shí)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)三個(gè)回轉(zhuǎn)軸的后端進(jìn)給液壓缸推動與旋轉(zhuǎn)柄配合的軸進(jìn)給，使三個(gè)滾子與所加工的輥筒外圓相接觸，從而起到自定心夾緊的作用。
圖3-7 自定心裝置方案一
方案二
方案一中的三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動是分別由液壓缸驅(qū)動的，每個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的進(jìn)給運(yùn)動都是獨(dú)立的。方案二采用的則是將三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸固定在箱體上，而箱體則可以在矩形的導(dǎo)軌上滑動，此方案中只需要一個(gè)液壓缸推動箱體運(yùn)動便可以實(shí)現(xiàn)使三個(gè)回轉(zhuǎn)軸同時(shí)向前運(yùn)動的目的。這不僅實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的同步運(yùn)動，也實(shí)現(xiàn)了三根軸進(jìn)給的同步運(yùn)動。另外，考慮到自定心裝置中液壓缸泄壓后旋轉(zhuǎn)柄和滾子在重力作用下會使軸自轉(zhuǎn)，因此要考慮旋轉(zhuǎn)柄的限位，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊新版第2卷可利用扭桿彈簧來實(shí)現(xiàn)。該整體方案的結(jié)構(gòu)圖如圖3-8所示。
圖3-8 自定心裝置方案二
方案三
在方案一中采用的是三個(gè)回轉(zhuǎn)軸分別有原動機(jī)并獨(dú)立運(yùn)動，方案二中采用三軸固定在箱體上同時(shí)運(yùn)動的方式，而本方案則采用只有一個(gè)回轉(zhuǎn)軸有進(jìn)給運(yùn)動，而另兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸在軸向上是固定的，即只有回轉(zhuǎn)運(yùn)動而無進(jìn)給運(yùn)動。其方案的結(jié)構(gòu)圖如圖3-9所示，旋轉(zhuǎn)柄1只可以在內(nèi)外花鍵的配合下旋轉(zhuǎn)，而沒有軸向的移動，旋轉(zhuǎn)柄3(圖中未標(biāo)出)與旋轉(zhuǎn)柄1相同。當(dāng)承載裝置載著工件錫林或道夫輥筒向主軸靠近時(shí)，旋轉(zhuǎn)柄2是縮進(jìn)去的，輥筒停下時(shí)旋轉(zhuǎn)柄2在液壓缸的作用下軸向移動，最后再旋轉(zhuǎn)自定心夾緊。
圖3-9 自定心裝置方案三
3.3.4 自定心裝置方案的對比分析
方案一：本方案中分別用液壓缸控制旋轉(zhuǎn)軸的進(jìn)給運(yùn)動，各軸的運(yùn)動軸的運(yùn)動情況不受其它兩軸工作的影響，獨(dú)立工作性能較好；承載軸的箱體是固定的，在鏜孔時(shí)系統(tǒng)的剛性好，強(qiáng)度高；單個(gè)旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)給速度快。
方案二：本方案將三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸固定在帶導(dǎo)軌的可移動板上，只需要一個(gè)液壓缸就可以使三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸同時(shí)運(yùn)動，這保證了自定心夾緊原理中的夾緊件的同步運(yùn)動；采用的內(nèi)外花鍵配合使軸旋轉(zhuǎn)，因矩形花鍵在軸與轂孔上直接而均勻地制出較多齒與槽，故連接時(shí)受力較均勻；內(nèi)外花鍵的齒數(shù)較多故可承受較大的載荷；進(jìn)給時(shí)內(nèi)外花鍵的導(dǎo)向性好。
方案三：方案三是在方案一的基礎(chǔ)上提出的，將三個(gè)旋轉(zhuǎn)柄分別進(jìn)給改為只有一個(gè)軸具有進(jìn)給運(yùn)動，此方案只適用于承載裝置單方向移動到主軸位置時(shí)。
方案一與方案二相比，方案一中的三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的進(jìn)給互不影響更具有靈活性，并且承載軸的板是固定的，在夾緊鏜孔的過程中方案一比方案二中可移動的板剛度要好。而方案二中采用整體式移動，能保證三軸進(jìn)給的同步性，采用的矩形花鍵配合使承受載荷能力高，進(jìn)給時(shí)導(dǎo)向性好，但可移動板的剛性不高。
方案一與方案三相比，方案三只適用于承載裝置單向運(yùn)動的場合，具有局限性。
3.4 方案的選擇確定
承載裝置的方案選擇:
通過承載裝置三個(gè)方案的設(shè)計(jì)及各方案的對比分析，分析出了各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合承載裝置的使用情況等確定方案一為最佳方案，即采用齒輪傳動的驅(qū)動方式，定位形式采用直面與斜面定位的方式。
自定心裝置的方案選擇:
綜合上文對自定心裝置的設(shè)計(jì)及三個(gè)方案的對比分析，確定方案二為最佳方案，即采用三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸固定在帶矩形導(dǎo)軌的可移動板上，一個(gè)液壓缸作進(jìn)給原動機(jī)，另一個(gè)液壓缸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動原動機(jī)；采用矩形花鍵傳遞轉(zhuǎn)矩并且起很好的導(dǎo)向作用；采用扭桿彈簧對旋轉(zhuǎn)柄進(jìn)行限位。
4 理論計(jì)算及關(guān)鍵零部件的校核
4.1 理論計(jì)算
4.1.1 電動機(jī)的選擇
(1)電動機(jī)類型的選擇：
因該承載裝置采用齒輪傳動，而齒輪僅有二級齒輪，若采用一般的三相異步電動機(jī)驅(qū)動，因三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速較高，故驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速會很高，不適于重載裝置的傳動，因而考慮到采用齒輪減速電動機(jī)，選擇轉(zhuǎn)速(120～200r/min)的電機(jī)傳動。
齒輪減速電動機(jī)，在傳遞動力與運(yùn)動的機(jī)構(gòu)中應(yīng)用范圍非常廣泛，它利用齒輪的速度轉(zhuǎn)換器將電機(jī)的回轉(zhuǎn)數(shù)減速到所要的回轉(zhuǎn)數(shù)并得到較大轉(zhuǎn)矩的機(jī)構(gòu)減速電動機(jī)，電壓分為單相220V與三相380V的，功率分別有0.1 Kw，，0.2 Kw，0.4 Kw，0.75 Kw，1.5 Kw，2.2 Kw，3.7Kw。
(2)電動機(jī)功率計(jì)算：
因承載裝置承載著錫林輥筒，故運(yùn)動時(shí)速度不能太高，初步取定電動機(jī)轉(zhuǎn)速為0.2～0.3m/s，齒輪模數(shù)與齒數(shù)確定后再進(jìn)行確定。因驅(qū)動軸上安裝齒輪處軸徑為D=45mm，故采用模數(shù)m=2，齒數(shù)Z=48的齒輪，與之相配合的齒輪模數(shù)m=2，齒數(shù)Z=18，由傳動比公式
(4-1)
知=45r/min.
由齒輪分度圓直徑公式：d=mz
(4-2)
齒輪線速度公式：
知v=0.226m/s.
估算承載裝置的質(zhì)量：支撐件質(zhì)量
已知，，故=260Kg
承載箱體質(zhì)量：約為160Kg
承載裝置的總質(zhì)量
已知=450Kg，=250Kg 故=1120Kg
導(dǎo)軌材料為45鋼，導(dǎo)軌表面的摩擦因數(shù)=0.15
由功率計(jì)算公式 經(jīng)計(jì)算電動機(jī)功率應(yīng)選取0.75Kw。
4.1.2 液壓缸的選擇
(1)選擇液壓缸：
該旋轉(zhuǎn)液壓缸的主要功能是實(shí)現(xiàn)自定心裝置連桿機(jī)構(gòu)的小角度旋轉(zhuǎn)，雖然旋轉(zhuǎn)運(yùn)動可以由電動機(jī)驅(qū)動，但考慮到鏜孔的全過程定心裝置的夾緊力始終要保持著，這就體現(xiàn)出了液壓傳動與控制的優(yōu)點(diǎn)：與其他傳動方式相比，傳遞功率相同時(shí)，液壓裝置的重量輕，體積緊湊；傳動工作平穩(wěn)系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)緩沖吸振，并能自動防止過載；
(2)液壓缸類型的選擇：
液壓缸種類很多，可分為單作用液壓缸，雙作用液壓缸及組合液壓缸等，雖然本裝置中的運(yùn)動為單向運(yùn)動，但為了確保液壓缸在泄壓后活塞桿能夠回復(fù)到原位，則需要考慮采用雙向液壓驅(qū)動的液壓缸，故在雙作用液壓缸中進(jìn)行選擇。雙作用液壓缸分為單活塞桿液壓缸、雙活塞桿液壓缸和伸縮式液壓缸，通過對三種雙作用液壓缸的性能及使用場合的分析知，只有單活塞桿液壓缸適用于此裝置，此類型液壓缸為單邊有桿，兩向液壓驅(qū)動，兩向推力和速度不等。因該連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動不需要實(shí)現(xiàn)較大的運(yùn)動速度和往返相等的速度，故不需要采用差動連接。
(3)液壓缸主要參數(shù)的選定：
包括缸筒內(nèi)徑，活塞桿直徑，活塞行程和公稱壓力
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊第五版單行本液壓傳動之21-30表21-2-11可知，一般機(jī)床、壓鑄機(jī)的壓力范圍為7Mpa以內(nèi)，對于一般的工程機(jī)械并且系統(tǒng)要求不是很高時(shí)采用中壓等級為7～21Mpa。查手冊知液壓缸缸筒內(nèi)徑尺寸系列為：8、10、12、16、20、25、32、40等，活塞桿外徑尺寸系列為：4、5、6、8、10、12、14、16、18、20、22、25、28、32等，氣缸的行程參數(shù)系列為：25、40、50、63、80、90、100、110、125、140、160、180、200等，液壓缸氣缸活塞桿螺紋尺寸系列為：M14×1.5、M16×1.5、M18×1.5、M20×1.5、M22×1.5等。查該手冊表21-6-30，液壓缸的標(biāo)準(zhǔn)系列與產(chǎn)品選擇液壓缸，與生產(chǎn)實(shí)際相聯(lián)系，則選用工作壓力為16Mpa的工程用液壓缸。
選擇液壓缸的技術(shù)性能參數(shù)為：
液壓缸缸徑：D=40mm；活塞桿直徑：d=22mm；速度比：= 1.46；推力：F=20100N；拉力：F=14020N；最大行程：=400mm. 活塞桿螺紋尺寸：M22×1.5。
(4)液壓缸的安裝方式：
液壓缸的安裝方式很多，有如下向種：
法蘭型安裝：頭部法蘭型、尾部法蘭型；
銷軸型安裝：頭部銷軸型、中間銷軸型、尾部銷軸型；
耳環(huán)型安裝，底座型安裝(腳架安裝)，球頭安裝。
根據(jù)自定心裝置在機(jī)床箱體上的安裝方式和安裝位置來選擇合適的安裝方式，此處液壓缸的安裝采用底座安裝，該類型安裝方式屬承受重型負(fù)載的安裝方式。
該液壓缸的型號為：HSG·L-40/22·E-*501-400·*
(5)液壓缸主要技術(shù)性能參數(shù)的計(jì)算：包括驗(yàn)證允許最高壓力p，流量Q和行程時(shí)間。
壓力P：經(jīng)估算錫林輥筒和道夫輥筒的質(zhì)量分別約為450Kg和250Kg，液壓缸所承受的最大載荷為當(dāng)自定心裝置夾緊輥筒時(shí)使輥筒剛好脫離承載面，此時(shí)液壓缸所承受的最大載荷為4500N。由油液作用在單位面積上的壓強(qiáng)公式
知:壓力p是由載荷F的存在需產(chǎn)生的，在同一個(gè)活塞的有效工作面積上，載荷越大，克服載荷所需要的壓力就越大。如果活塞的有效工作面積一定，油液壓力越大，活塞產(chǎn)生的作用力就越大。額定壓力是液壓缸能用以長期工作的壓力，應(yīng)符合或接近規(guī)定的數(shù)值，對于中壓等級必須符合>2.5～16MPa。因所選液壓缸內(nèi)徑為d=40mm，故由
(4-3)
符合中壓等級的壓力范圍。
流量Q：因活塞的最低運(yùn)動速度受活塞與活塞密封件摩擦力和加工精度的影響，不能太低，以免產(chǎn)生爬行，一般>0.1～0.2m/min?？紤]到生產(chǎn)實(shí)際中用于夾緊裝置的液壓缸因需要平穩(wěn)地夾緊，故速度也不能太高，現(xiàn)取液壓缸速度為v=0.5m/min。單位時(shí)間內(nèi)油液通過缸筒有效截面積的體積為
(4-4)
由于
則
對于單活塞桿液壓缸
活塞桿伸出時(shí)：
活塞桿縮回時(shí)：
V：液壓缸活塞一次行程中所消耗的油液體積，L；
t：液壓缸活塞一次行程所需時(shí)間，min；
D：液壓缸內(nèi)徑，m；
d：活塞桿直徑，m；
v：活塞桿運(yùn)動速度，m/min；
：液壓缸的容積效率，當(dāng)活塞密封圏為彈性密封材料時(shí)=1，當(dāng)活塞密封圏為金屬環(huán)時(shí)=0.98，代入數(shù)值即可求解。
行程時(shí)間t：活塞在缸體內(nèi)完成全部行程所需要的時(shí)間
(4-5)
活塞桿伸出時(shí)：
活塞桿縮回時(shí)：
S：活塞行程，m；Q：流量，L/min；
上述時(shí)間的計(jì)算公式只適用于長行程或活塞速度較低的情況，對于短行程、高速度時(shí)的行程時(shí)間，除與流量有關(guān)，還與負(fù)載、慣量、阻力等有直接關(guān)系，可參見有關(guān)文獻(xiàn)。
4.1.3 連桿機(jī)構(gòu)的計(jì)算
該連桿機(jī)構(gòu)的簡圖如圖4-1所示
圖4-1 六桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖
(4-6)
該機(jī)構(gòu)由原動機(jī)液壓缸驅(qū)動，ABC構(gòu)件為原動件，該機(jī)構(gòu)共有五個(gè)活動構(gòu)件，故該機(jī)構(gòu)為六桿機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)活動構(gòu)件數(shù)n=5，低副數(shù)=7，高副數(shù)=0由計(jì)算自由度的公式
知：該機(jī)構(gòu)的自由度為1，與原動件數(shù)目相等，故該機(jī)構(gòu)有確定的運(yùn)動。
下面將該六桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行桿組拆分，可拆分為原動件和兩個(gè)二級桿組，如圖4-2所示。
圖4-2 六桿機(jī)構(gòu)桿組拆分圖
上述原動件的自由度為1，兩個(gè)二級桿組的自由度均為0。
因平面六桿機(jī)構(gòu)是由平面鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)演化而來的，故可將該六桿機(jī)構(gòu)分開兩個(gè)四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行桿長條件的驗(yàn)證：
將ABC桿，CD桿，DEF桿和機(jī)架看作平面鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行桿長條件的驗(yàn)證，
因AEH為等邊三角形，AE=EH=AH=998，CD連桿長為1000mm，DE=AC=325，故所取四桿機(jī)構(gòu)滿足桿長條件。將DEF桿，F(xiàn)G桿、HG桿及機(jī)架看作四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行桿長條件的驗(yàn)證，也滿足桿長條件。
在本課題中自定心裝置夾緊工件時(shí)并不需要連桿作整周運(yùn)動，因滿足桿長條件的機(jī)構(gòu)具有整轉(zhuǎn)副，故本方案在不滿足桿長條件的情況下，只需要控制原動件旋轉(zhuǎn)很小的角度便可實(shí)現(xiàn)三個(gè)滾子定位件自定心夾緊工件。
4.1.4 自定心裝置中扭桿彈簧的計(jì)算
在本課題設(shè)計(jì)的自定心裝置中用到了扭桿彈簧進(jìn)行限位，扭桿彈簧經(jīng)常和轉(zhuǎn)臂合在一起使用，在此情形下，轉(zhuǎn)臂受力點(diǎn)垂直方向的彈簧剛度隨轉(zhuǎn)臂的安裝角度和轉(zhuǎn)角變化。扭桿和轉(zhuǎn)臂的結(jié)構(gòu)圖如圖4-3所示
圖4-3 扭桿彈簧機(jī)構(gòu)圖
按圖示機(jī)構(gòu)則有下列計(jì)算式：
扭桿所受轉(zhuǎn)矩為
(4-7)
扭桿彈簧的剛度，扭轉(zhuǎn)T作用下的扭轉(zhuǎn)角，將此關(guān)系式代入(4-7)
(4-8)
得到
式中 —計(jì)算系數(shù)，
—作用于轉(zhuǎn)臂端部垂直方向的載荷(N)；
—轉(zhuǎn)臂的長度(mm)
—轉(zhuǎn)臂端部力作用點(diǎn)到水平線的距離(mm)
—載荷作用時(shí)轉(zhuǎn)臂中心線和水平線的夾角(rad)
—無載荷時(shí)轉(zhuǎn)臂中心線和水平線的夾角(rad)，和在圖示位置時(shí)取正值。
沿載荷方向的彈簧剛度為
(4-9)
式中 —計(jì)算系數(shù)，
圖4-4 靜變形量
取彈簧的變形量，參見圖4-4，則
(4-10)
式中 —計(jì)算系數(shù)，
靜變形量和彈簧自振頻率間還具有關(guān)系
(4-11)
式中 —重力加速度，；
—自振頻率(HZ)
以上公式中的計(jì)算系數(shù)、、都是和的函數(shù)。
根據(jù)工作載荷F，轉(zhuǎn)臂長度，常用工作載荷作用點(diǎn)與水平位置的距離，最大變形時(shí)，工作載荷下扭桿的自振頻率來給出扭桿的扭轉(zhuǎn)剛度、轉(zhuǎn)臂的最大變形時(shí)的夾角、扭桿的最大扭轉(zhuǎn)角和最大扭矩，最后確定扭桿的直徑和長度。公式分別為和，為許用應(yīng)力取850Mpa，
4.2 關(guān)鍵零部件的校核
4.2.1 承載裝置驅(qū)動軸的校核
(1)選擇軸的材料：
選取45鋼調(diào)質(zhì)，硬度230HBS，強(qiáng)度極限=640Mpa，屈服極限=355Mpa，彎曲疲勞極限=275Mpa，剪切疲勞極限=155Mpa，對稱循環(huán)變應(yīng)力時(shí)的許用應(yīng)力=60Mpa。
(2)估算軸的最小直徑
查機(jī)械設(shè)計(jì)表15-3，取103.則該驅(qū)動軸的最小直徑：
(4-12)
因軸段上有鍵槽，故需將軸徑增加7%，取軸端直徑30mm.
(3)驅(qū)動軸上載荷的計(jì)算
輥筒質(zhì)量的估算：
道夫輥筒筒體質(zhì)量：因輥筒材料為Q235，該鋼的密度為7.85g/，道夫輥筒的尺寸為：D=692mm，d=667mm，h=1020mm,
由公式
可知道夫輥筒筒體的質(zhì)量=213.5Kg
錫林輥筒筒體質(zhì)量：材料與道夫輥筒相同，尺寸參數(shù)為：D=1284mm，d=1260mm，h=1020mm，由質(zhì)量公式可計(jì)算出錫林輥筒筒體質(zhì)量為=383.76Kg.
道夫輥筒與錫林輥筒兩端堵頭質(zhì)量計(jì)算：堵頭的尺寸參數(shù)為D=150mm，d=85mm，h=81mm，由此可估算堵頭的質(zhì)量為7.62Kg.
再考慮到錫林與道夫輥筒內(nèi)壁的梯形筋的質(zhì)量，將道夫輥筒的質(zhì)量估算為250Kg，將錫林輥筒的質(zhì)量估算為450Kg。
校核承載裝置在最大限度承載時(shí)驅(qū)動軸的強(qiáng)度是否滿足要求，此時(shí)承載裝置承受載荷為7000N，再考慮支撐件和承載箱體的質(zhì)量共420Kg，故驅(qū)動軸與從動軸承受的載荷為11200N。為方便計(jì)算將載荷平分到兩端軸上，故驅(qū)動軸所受載荷為5600N。
電動機(jī)功率為0.75Kw，齒輪傳遞效率為=0.97，故驅(qū)動軸的功率為=0.7275Kw。由轉(zhuǎn)矩公式：
(4-13)
知
計(jì)算齒輪的圓周力與徑向力，將分解為、，計(jì)算公式為：
(4-14)
(4-15)
將d=45mm，代入公式計(jì)算得：=(N)，=(N)
因該驅(qū)動軸的兩支撐為活動鉸鏈(可動鉸支座)，水平面內(nèi)的不對軸產(chǎn)生矩，該力是軸的驅(qū)動力，故不在彎矩圖中表達(dá)。
驅(qū)動軸結(jié)構(gòu)簡圖及受力簡圖分別如圖4-5所示
Nm
圖4-5 驅(qū)動軸受力分析圖
因驅(qū)動軸所受輥筒載荷為5600N，為便于計(jì)算，可取，，，均相等且為1400N。受力分析知N
對B點(diǎn)取矩有：
解方程有：=4000N，=4000N。
根據(jù)計(jì)算出的力繪出該軸的剪力圖，計(jì)算各點(diǎn)彎矩并畫出簡圖如上所示。
由上述彎矩圖可知該軸的危險(xiǎn)截面為中間齒輪截面，在截面上扭矩和合成彎矩分別為=150 Nm，=494.6 Nm
按第三強(qiáng)度理論進(jìn)行校核：由材料力學(xué)公式
(4-16)
抗彎截面系數(shù)
(4-17)
將數(shù)值代入公式有：
因該軸上的最大切應(yīng)力值小于許用應(yīng)力，且該軸的強(qiáng)度仍有彈性，故該軸的強(qiáng)度符合要求。
4.2.2 鍵聯(lián)接的選擇與校核
驅(qū)動軸與齒輪用普通平鍵的選擇和強(qiáng)度校核
(1)選用圓頭普通平鍵(A型)
按軸徑d=45mm及輪轂長l=24mm，查機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)表15-20，選鍵14×9 GB 1096-79
(2)強(qiáng)度校核：
鍵的材料選用45鋼，查機(jī)械設(shè)計(jì)表6-2知，許用應(yīng)力=100～120Mpa，鍵的工作長度為l=L-b/2=17mm，k=h/2=4.5mm，按機(jī)械設(shè)計(jì)公式6-2
(4-18)
知 ，
故該鍵的聯(lián)接強(qiáng)度滿足要求。
4.2.3 軸承的校核
選擇承載裝置從動輪上的軸承進(jìn)行校核，
對從動軸上的軸承進(jìn)行校核，因該軸上軸承無軸向力，故選用深溝球軸承，其型號為：6008。軸承6008的基本額定動載荷=17.0KN，基本額定靜載荷為=11.8KN，基本尺寸為。因該軸上軸承無軸向載荷，故徑向動載荷系數(shù)=1，軸向動載荷系數(shù)=0.
計(jì)算軸承當(dāng)量動載荷，查機(jī)械設(shè)計(jì)表13-6，取軸承的載荷系數(shù)=1.5
故當(dāng)量動載荷為(N)
(4-19)
軸承的額定壽命
查機(jī)械設(shè)計(jì)表13-4，取溫度系數(shù)=1，則軸承計(jì)算的額定壽命為：
(h)
若按大修期為八年，在大修時(shí)更換軸承，按每年300天，每天8小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，則軸承的預(yù)期壽命為=19200(h)，故所選軸承滿足要求。
結(jié)論
本篇論文在課題分析的基礎(chǔ)上分別對承載裝置的設(shè)計(jì)和自定心裝置的設(shè)計(jì)提出了三個(gè)不同的方案，并根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況、加工工藝、方案可行性及經(jīng)濟(jì)性對方案進(jìn)行對比分析，提出了承載裝置和自定心裝置的設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，對本方案設(shè)計(jì)中用到的電動機(jī)、液壓缸通過理論計(jì)算進(jìn)行合理地選擇，對自定心裝置中的連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動確定性的驗(yàn)證，最后對本設(shè)計(jì)中的主關(guān)件驅(qū)動軸進(jìn)行強(qiáng)度校核。
1、本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)
(1)在承載裝置方案設(shè)計(jì)中用到齒輪減速電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，而且此類型電機(jī)具有自鎖功能，在鏜孔過程中可防止承載裝置在外力作用下滑移。
(2)承載裝置的定位方式采用類V形面定位，即起到了很好的定位作用，也避免了普通V形面定位件強(qiáng)度不足引起的變形現(xiàn)象。
(3)自定心裝置采用液壓缸驅(qū)動連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸同時(shí)進(jìn)給運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動以夾緊輥筒的目的，夾緊行程小，夾持平穩(wěn)。
(4)自定心裝置中采用的內(nèi)處花鍵即起到傳遞扭矩的作用，也起到很好的導(dǎo)向作用；夾緊件的限位方式采用扭桿彈簧，也是本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)之一。
2.本設(shè)計(jì)中存在的問題及分析
雖然完成了承載裝置與自定心裝置的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，但本方案也存在問題，下面對存大的問題進(jìn)行分析并提出改進(jìn)的方向如下：
(1)承載裝置中的驅(qū)動軸同時(shí)驅(qū)動兩個(gè)輪子，這使得驅(qū)動軸的長度過大，雖經(jīng)校核滿足強(qiáng)度要求，但生產(chǎn)實(shí)際中較長的軸不易加工，而且要保證長軸的同軸度就很困難。
改進(jìn)方向：可以將長的驅(qū)運(yùn)軸一分為二，分別用兩個(gè)相同的電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，這不僅降低了生產(chǎn)成本，也便于軸的安裝。
(2)在自定心裝置方案中，將三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸固定在可移動的箱體上，在夾緊機(jī)構(gòu)夾緊輥筒時(shí)該可移動板的剛性不高。
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致謝
為期半年的畢業(yè)設(shè)計(jì)已接近尾聲，值此要對我的導(dǎo)師肖慶和老師真心地說一聲謝謝，謝謝肖老師在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中對我的悉心指導(dǎo)。
畢業(yè)設(shè)計(jì)的前期實(shí)習(xí)和課題調(diào)研環(huán)節(jié)，肖老師帶領(lǐng)了我們小組參觀實(shí)習(xí)，在實(shí)習(xí)的過程肖老師總是能夠耐心地給我們講解，給我們講解的知識內(nèi)容不只是為了做畢業(yè)設(shè)計(jì)，而是把知識推廣到更深的層次和更廣的層面，使我們在實(shí)習(xí)調(diào)研的過程學(xué)習(xí)新的知識和開拓眼界。在設(shè)計(jì)的中期環(huán)節(jié)，肖老師總是能夠先啟發(fā)我們?nèi)ニ伎紗栴}，然后再和我們討論，這更能提高學(xué)生的自主性，也提高學(xué)生們思考問題的能力?？傊?，肖老師能夠始終對我們認(rèn)真負(fù)責(zé)地指導(dǎo)，并且在設(shè)計(jì)過程注重培養(yǎng)我們的創(chuàng)新思維能力。
另外，還要感謝樊瑞老師，牛永生老師在開題答辯和中期答辯時(shí)對我的指導(dǎo)及針對方案設(shè)計(jì)給出的建議。最后也要謝謝在設(shè)計(jì)過程中幾位同學(xué)對我的幫助，對我的方案提出的想法、建議。
附錄
圖1 承載裝置三維建模外觀
圖2 承載裝置與自定心裝置總裝外觀圖