大直徑輥筒雙頭鏜孔專機承載裝置和自定心裝置的設(shè)計【說明書+CAD】

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中原工學(xué)院畢業(yè)譯文翻譯 畢業(yè)設(shè)計（論文） 畢業(yè)設(shè)計譯文 題目名稱： 大直徑輥筒雙頭鏜孔專機 承載裝置和自定心裝置的設(shè)計 院系名稱： 機 電 學(xué) 院 班 級： 機 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)你仔細觀察我們身邊不同類型的產(chǎn)品時，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，一架飛機機體上的鉚釘數(shù)量或者發(fā)動機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)）和各種各樣的先進加工方法（第26章）。 22.7.1 鉆頭 因為鉆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?？椎纳疃扔幸稽c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動的反方向運動。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)鉆頭進入工件后為緊貼也內(nèi)壁而提供一個承載面。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)驗為依據(jù)，被設(shè)計來加工有精度高的孔，使鉆削力和轉(zhuǎn)矩最小，同時使鉆頭壽命最長。 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或更多不同直徑的孔。擴孔鉆用于擴大已經(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) 高強度鋼 118-135 7-10 125-135 24-32 曲軸 不銹鋼(低強度) 118 10-12 125-135 24-32 標(biāo)準(zhǔn) 不銹鋼(高強度) 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（因為在鉆頭體上沒有開槽）這一優(yōu)勢，很容易磨削切削刃的邊緣，而且價格低廉。曲柄鉆（圖22.23）有很好的對心功能，因為切屑很容易破裂，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300:1，甚至更高。這個鉆削力（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)鉆深孔直的孔時這是一個重要的性能。 圖22.25 (a)深孔鉆的各個特征；(b)鉆深孔的方法 來源：Eldorado刀具和制造公司 鉆深孔時的鉆削速度通常很高，進給量較低。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。孔的加工是在不分解材料使之變?yōu)榍行纪瓿傻?，這和鉆孔類似。穿孔可以加工直徑達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）或其它機床上完成，可以用單刃刀具或多刃刀具。穿孔的一個變種為深孔穿孔，除了刀具有一個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間內(nèi)被鉆頭切除的材料體積。對于一個直徑為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） 我們可以檢查這個方程所達到尺寸的精度，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（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)矩也可以達到4000N·m。這個鉆削力取決于以下幾個因素：(a)工件材料的硬度；(b)進給量；(c)轉(zhuǎn)速；(d)鉆頭直徑；(e)鉆頭的幾何形狀；(f)切削液。精確計算出鉆頭上的鉆削力是很困難的。但是，實驗數(shù)據(jù)在設(shè)計、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)矩可以由先計算出來的材料切除率計算出來。 例子：材料切除率和轉(zhuǎn)矩 在一塊鎂合金上用一個直徑為10mm的鉆頭以0.2mm/r的進給量鉆孔，主軸轉(zhuǎn)速為N=800r/min，計算材料切除率和鉆頭的轉(zhuǎn)矩。 解：首先用方程式22.3計算材料切除率 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。因為它們有很高的耐磨性，故鉆成千上萬個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. 分數(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現(xiàn)各種鉆頭的快換，這以特性可以用于機器的生產(chǎn)。 因為鉆頭沒有自定心功能，在鉆孔開始時，它在工件表面有游移的趨勢。這個問題對于小直徑的鉆頭來說尤其嚴重，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。 可以用一個中心鉆(通常刀尖角為60°)來鉆一個小起始孔，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)合使用時鉆頭游移的現(xiàn)象就更少了。 因為鉆頭是旋轉(zhuǎn)運動，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 鉆孔過程速度和進給量的一般性建議 進給量，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)速和進給量應(yīng)該減小。轉(zhuǎn)速和進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，轉(zhuǎn)速可以達到3000r/min，要由工件材料來定。 鉆孔進給量是鉆頭每轉(zhuǎn)一圈鉆頭進入工件的長度。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，鉆頭應(yīng)該定時地退回以排除可能已經(jīng)堵滿切屑槽的切屑。而且，鉆頭可能因為過大轉(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，尤其是在計算機數(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算機控制磨削機上完成。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；因為切屑堵塞鉆頭卡在孔中；進給量過大；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或力傳感器上夾住一塊材料并鉆若干孔，同時記錄每一個成功操作過程的轉(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)在計算機控制加工中尤其重要。 本文摘自制造工程與技術(shù)（機加工）（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 9