工件回转式小直径内排屑数控深孔钻床设计

西安石油大学本科毕业设计（论文） 1本科毕业设计（论文）开题报告题 目： 工件回转式小直径内排屑 数控深孔钻床的设计 学生姓名： 院 （系）： 机械工程学院 专业班级： 机械设计制造及其自动化 5 班 指导教师： 完成时间： 2011 年 月 日 西安石油大学本科毕业设计（论文） 2毕 业 设 计 （论文） 任 务 书题 目 工件回转式小直径内排屑数控深孔钻床设计学生姓名 阎 涛 学 号 专 业 班 级 机 械 0705设计（论文）内容及基本要求原始资料：1、钻孔直径：10-30mm; 钻头：枪钻。2、钻孔深度：2000mm。设计要求：1、检索有关内排屑深孔钻削方法及装置中外文资料、消化资料、调研并完成开题报告。2、熟悉内排屑深孔钻削工艺及钻削原理。3、熟悉数控内排屑深孔钻削系统的工作原理及结构。4、完成数控内排屑深孔钻削机床总体方案设计。5、完成数控内排屑深孔钻削机床的结构及主要零件设计。6、设计图纸总量折合 A0 图纸 3 张以上，至少有 1 张以上A0 图纸是由计算机绘图。7、设计说明书一份，约 20000 字以上。8、外文翻译资料约 15000 字符。设计（论文）起止时间 2011 年 2 月 21 日 至 2011 年 6 月 4 日设计（论文）地点 西 安 石 油 大 学指 导 教 师 签 名 年 月 日系（教研室）主任签名 年 月 日学 生 签 名 年 月 日西安石油大学本科毕业设计（论文） 3工件回转式小直径内排屑数控深孔钻床的设计摘 要：制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国家或地区的经济实力、科技水平、生活水准和国防实力。而制造业的生产能力主要取决于制造装备机床的先进程度。本设计所研究的深孔钻床用于加工孔径比（D/L）为 1：10 以上的深孔，如钻杆，枪管、炮筒和机床主轴等部件中的深孔。它的工作原理是变频电机驱动的主轴带动工件旋转实现主运动，伺服电机带动丝杠旋转，使置于溜板箱上的主轴系统做横向进给运动。在进给切削工件的同时供油系统向授油器提供高压切削液，切削液流向钻头冷却工件，并携带切屑从钻杆芯部流向钻杆箱排出，由回油路流回油箱。油箱的箱体中装有隔板和滤油装置，保证脏物能够沉淀，使切削液能够更好的重复循环使用。首先从切削力入手确定主轴所需功率进而确定电机类型与型号，结合机床的控制系统的结构与布局联系任务要求得出整个机床的结构尺寸；然后利用单片机对冷却润滑油路系统、主运动系统和进给系统进行控制，以实现其数控化的目的。本设计的结果可以顺利达到设计任务的要求，提高加工效率，数控机床可以广泛应用在机械加工的各个行业，工程技术人员也应掌握并创新该项技术为振兴我国机械制造业而努力。关键字 深孔钻床；BTA 系统；滚珠丝杠；授油器；中心架西安石油大学本科毕业设计（论文） 4The Design For Small Diameter rotary workpiece of BTA CNC Deep Hole Drilling MachineAbstract：The Manufacture is an important support of economic development in a country or area. Its level of development stands for the economic power, technical and scientific level, living standard and national defensive power of the country or area. While the capability of production in trade of manufacture mostly depends on the advanced producing equipmentmachine tool.The design of the deep hole drilling machine for processing aperture ratio (D / L) of 1:10 or more deep,Such as the barrel, barrel and spindle and other parts of the deep hole. It works by variable frequency motor drive the main spindle drive rotation of workpiece movement, servo motor driven lead screw rotation to be placed on the spindle box slide board lateral feed motion of the system to do. Cutting the workpiece in the feed oil supply system, while providing high-voltage device to grant oil cutting fluid, cutting fluid flow cooling of the drill bit and carry drill cuttings from the drill core boxes the Department of flow discharge, flow back into the tank by the return oil line. The box is equipped with a diaphragm tank and Oil Filters, ensure that dirt can be precipitated, so that duplication of cutting fluid can be better recycled.Starting from the cutting force required to determine the spindle motor power and thus determine the type and model of the machine control system combining the structure and layout of contact tasks require the whole machine tool structure size obtained.Finally, single chip cooling lubricating oil system, the primary motor system to control and feed system in order to achieve its objective of NC. The result of this design successfully attain the design of tasks, improve the efficiency for processing, CN machine can be widely used in machining to the various industries, the engineer must also master the technology and innovation in manufacturing and efforts to revitalize our machines.Keyword: Deep hole drilling machine ；BTA system Ball screw ；Oil Cooler grant； Center rack西安石油大学本科毕业设计（论文） 5目 录 第 1 章 绪 论 11.1 前 言 .11.2 国内外发展情况 .31.3 相关领域发展情况 .41.4 深孔加工技术的研究方向 .5第 2 章 机床总体方案设计 72.1 工作原理及方案 .72.2 方案原理图 .82.3 深孔钻削工艺对机床的要求 .92.4 深孔钻削工艺对加工系统其他附件的安装要求 .92.5 深孔钻削工艺对冷却润滑液的要求 .9第 3 章 钻削系统总体设计 113.1 切削用量的选择 .113.2 切削功率的计算 .113.3 主运动电动机的选择 .123.3.1 电动机种类的选择 .123.3.2 交流变频调速电机的型号选择 .123 .4 进给系统电动机的选择 133.4.1 电机种类选择 .133.4.2 交流伺服调速电动机 .133.4.3 交流伺服调速电动机的选择 .133.5 带传动的选择 .133.5.1 带传动的类型 .133.5.2 带传动的选择 .143.5.3 V 带轮的设计计算 .14第 4 章 具体结构设计 164.1 授油器的设计 .164.1.1 授油器的作用及设计思路 .164.1.2 总体方案的选择 .164.1.3 总体结构的设计 .164.1.4 总体结构图 .174.1.5 密封圈的选用 .184.1.6 配合与公差的选用 .184.1.7 授油器设计注意事项 .19西安石油大学本科毕业设计（论文） 64.2 中心架的选择与设计 .194.3 主轴箱设计 .214.3.1 主轴箱总体设计 .214.3.3 主轴的密封 .244.3.4 主轴箱中配合与公差的选用 .244.3.5 轴承精度的选择 .254.4 进给系统的设计 .254.4.1 进给系统的组成及总体设计 .254.4.2 丝杠螺母副的设计 .254.4.3 丝杠支撑轴承的设计 .334.4.4 联轴器的选择 .364.5 导轨的选择 .374.5.1 导轨的分类： .384.5.2 导轨设计的基本要求 .384.5.3 滚动直线导轨的选型与计算 .40参考文献 41致 谢 43西安石油大学本科毕业设计（论文） 1第 1 章 绪 论1.1 前 言课题的认识深孔加工难度高、加工工作量大，已成为机械加工中的关键性工序。随着科学技术的进步，产品的更新换代十分频繁，新型高强度、高硬度的难加工零件不断出现，无论是对深孔加工的质量、加工小李，还是刀具的耐用程度都提出了更高的要求。因此，研究深孔加工的新结构、新方法、新机床以及检测方法已成为人们十分关注的问题。所谓深孔，就是当加工孔的长度与直径之比达 10 倍左右，往往对精度及表面光洁度又有较高要求，使用一般的加工方法就比较难满足。关于“深孔” , 至今国内外仍有不同的说法，一般以孔深 L 与孔径 D 之比作为基本标志, 把L/D 5 或 10 的孔认定为深孔。但进一步的研究表明, 标准麻花钻一次钻孔时, 长径比大于 2.54 时, 排屑状况以及切削液向切削区的渗透能力都明显恶化, 切削力和刀具磨损也都随着急剧增大。尤其是在加工难加工材料时, 必须采取相应的措施, 才能获得在加工质量与效率上均可兼顾的效果， 因此, 加工钢时把 L/D4 的孔定义为深孔是适当的。目前, 由于深孔加工技术的日益完善, 对于L/D4, 甚至在L/D1时也日趋普遍地采用专门的深孔加工技术。I.深孔加工必须解决的问题：1）刀具细长刚度差，易引起刀具偏斜及与孔壁摩擦，因此在刀头上均具有导向套来保证正确引入；同时，根据需要设置刀杆支承以减少刀杆的变形和振动。2） 切屑不易排出，采用分级进给或者通过高压切削液的内排和外排刀具结构排出切屑。3） 刀具冷却困难，通入高压切削液对刀具进行充分冷却。II深孔加工的类型：结合深孔加工的特点，关于深孔加工的工艺困难，已有相应的方法进行克服。1）分级进给深孔加工：使用普通麻花钻头在铸铁件或钢件上钻直径610mm 以下的孔时，一般一次钻深不宜大于610倍孔径。当钻孔方向为水平时，在钢件上一次钻深不宜大于6倍孔径，在铸铁上可达10倍左右孔径。如果加工的孔深超过这个范围时，可采用分西安石油大学本科毕业设计（论文） 2级进给的加工方法，即在钻削过程中，使钻头加工一定深度后自动退出工件，借以排出切屑，并进行冷却，然后再重新向前加工，不断往复，直至加工完毕（每次钻深，铸铁件取36倍孔径；钢件取0.52倍孔径，孔较深时取小值） 。这种加工方法适于钻削较小直径的孔深，但生产率及技工精度都比较低。2）一次进给深孔加工它主要是用各种类型的特殊刀头，并配备形影的接杆、传动导向系统、切削液输入器等，在深孔机床上进行钻、铰、镗及套料加工。从切屑的排出方式，可分外排屑（对铰、镗还可有向前或向后外排屑）及内排屑；从切削刃数目，可以分单刃、双刃及多刃，切削刃可采用高速钢或硬质合金。刀头上均具有不同数量的导向支承块，在加工过程中起导向作用，保证孔的平直度，同时也起挤光作用，提高加工孔的表面光洁度。内排屑深孔钻具有单管内排屑和双管内排屑（即喷射钻） 。双管内排屑深恐钻比单管内排屑深恐钻及外排屑深孔钻的加工效率和精度都较高。对不通的深孔进行套料时，在套料完成后卸下套料刀，装上芯棒切断刀并使它的刀夹靠在芯棒上，通过专用进给装置进行切断，切断到芯棒直径4/55/6便退回切断刀，稍加外力把芯棒折断取出。一般来说，采用内排屑比外排屑的加工直径大，获得的加工精度和表面光洁度高。III.深孔加工的工作要点机床在前及加工过程中，应检查和注意如下几点： 1） 主轴、刀具导向套、刀杆支承套、工件支承套等中心线的不同轴度应符合要求。2） 检查切削液系统是否畅通和正常工作，特备是多刃内排屑深孔钻（喷吸钻）的喷吸效应，尤其应该认真检查。3） 工件的加工端面上部应有中心孔，并避免在斜面上钻孔。4） 切屑形状是否正常。它与工件材料、刀具几何形状、切削用量等有关。两条分离而每条按一定方向向内卷曲的切削形状最好，应避免形成直的带状切屑。5） 采用较高速度加工通孔，当钻头即将钻通时，最好停车或降速，防止损坏西安石油大学本科毕业设计（论文） 3钻头和出口处。6） 应避免在加工过程中停车，如必须停车，则应先停止进给并将刀具退回一段距离，然后停止油泵和主运动的旋转，以防刀具在孔中产生“咬死”现象。1.2 国内外发展情况据情报检索, 目前世界上利用外排屑(如枪钻)深孔钻削技术, 可钻削的孔径小到5 2 mm。而内排屑深孔钻削的孔径很少有小于5 16 mm 的, 且多数仍采用传统的BTA 钻削系统。 。采用单管内排屑喷吸钻(SED) 钻削系统, 钻削小深孔直径可小到5 3. 7 mm。国内工艺所采用SED 技术, 行了孔径(mm ) 5 16、5 12、5 10、5 8、5 7. 62、5 5. 7、5 3. 7 的小深孔钻削加工, 钻削过程平稳, 排屑流畅, 孔的尺寸形状精度和孔壁表面粗糙度均能满意, 在上述孔径范围内, 完全可以替代枪钻对小深孔进行钻削加工。由于其刚度好, 可加大进给量和钻削速度, 使生产效率、钻孔质量和经济效益均有所提高, 显示了一定的技术优势。当前中国机械工厂中的孔加工，仍普遍采用通用机床加专用工艺装备的生产模式。即仍采用一人、一机、一刀或一套镗模的方式来完成一道工序，而使用的机床设备又存在着严重的四多四少现象，即：低档的多，中高档高柔性的数控机床(NC)和加工中心(MC)少；低精度的多，高精度的少；手动的多，自动化的少；单工序的多，复合加工的机床少。所以，中国孔加工的工艺水平和工效低，加工精度差，并且缺乏柔性结构。近十几年来，随着中国工厂技术改造的深入和引进先进技术，以及数控机床和加工中心等高效设备应用的增多，在少数大型国有企业中，一些精密机床的加工精度已达到或接近国外先进水平，但从全面来看，工艺水平仍然较低。与先进工业发达国家相比，中国现有的孔加工精度与表面粗糙度要相差12级，孔系的相互位置精度相差23倍。必须指出，工业发达国家在孔加工技术方面发展十分迅速，孔加工方式亦从单一的机械加工转向电加工、物理加工（激光、超声） 、化学加工及复合加工，加工精度的位级日益提高，表面粗糙度值日益减小，并正向着高度自动化方向去发展。鉴于我们之间的差距。建议成立跨行业的孔加工协会，交流行业信息；同时积极引进国外的新技术，加强孔加工机床、孔加工刀具与刃磨机床等生产基地西安石油大学本科毕业设计（论文） 4的建设，积极采用数显、数控设备，提高制造方法与手段的柔性；还应强化技工培训和在职职工教育以及技术人员的知识更新，使我国的孔加工技术尽快赶上国外先进水平。如今，利用当代计算机工具发展起来的成组技术（GT）和计算机辅助设计（CAD） ，大大推动了机械加工技术的进步。在推进小深孔加工技术的进步和发展方面，成功的采用 GT、CAD 的报导也很多。如对深孔刀具及其辅具利用 GT 技术建立分类编码系统，并在此基础上开展相应的 CAD 系统软件的研制开发，为深孔刀具的系列化，标准化奠定基础。同时，CAD 软件的研制和应用，是深孔钻的设计过程通过计算机实现，不仅大大提高了设计速度，还避免和减少了设计中的错误。1.3 相关领域发展情况（1）、普通型单座标深孔钻床的发展。我国于 1989 年德州机床厂为了满足国内加工的需要，自行设计制造了最大钻孔直径 20 毫米、最大加工深度 500、1000 毫米的 Z2102 型深孔钻床，这是我国第一台利用枪钻法钻削的深孔钻床，1990 年通过原机械工业部部级鉴定，并评为国家级新产品，填补国内空白，真正投入市场用于生产是在半年以后，中间经过用户批量试验认同，才逐渐推上市场。 上世纪 70 年代初，深孔钻床在世界上还是采用普通继电器控制的。如 70年代80 年代进入我国的美国的 ELDORADO 公司的 MEGA50，日本神崎高级精工制作所的 DEG 型等深孔钻床都是采用继电器控制的。80 年代后期由于数控技术的出现才逐渐开始在深孔钻床上得到应用，特别是 90 年以后这种先进技术才得到推广。如 TBT 公司 90 年代初上市的 ML 系列深孔钻床除进给系统由机械无级变速器改为采用交流伺服电机驱动滚珠丝杠副，进给用滑台导轨采用滚动直线导轨以外，钻杆箱传动为了保证高速旋转、精度平稳，由交换皮带轮及皮带，和双速电机驱动的有级传动变为无级调速的变频电机到电主轴驱动，为钻削小孔深孔钻床和提高深孔钻床的水平质量创造了有利条件。（2）、专用型深孔钻床的发展。近些年来为了加工某些零件上的相互交叉或任意角度、或与加工零件中心线成一定角度的斜孔，垂直孔或平行孔等需要，各个国家而专门开发研制多种专用深孔钻床。例如专门为了加工曲轴上的油孔，连杆上的斜油孔，平行孔和饲料机械上料模的多个径向出料孔等。如：英国 MOLLART 公司生产制造的专西安石油大学本科毕业设计（论文） 5为加工颗粒挤出模具而开发的具有六等分六根主轴同时加工同一工件上六个孔的专用深孔钻床。该工件孔数量多达 36000 个，全都是数控系统控制的。 （3）、三座标数控深孔钻床的发展。随着家电市场销售量增大，塑料制品增长速度加快，塑料模具制造业蓬勃发展，深孔钻床为了满足模具上的水孔、射销孔等孔系的深孔加工，由过去的单一座标轴的深孔钻床加工发展到需要加工座标孔系的多孔加工而开发的三座标数控深孔钻床近些年来发展很快。前几年存储刀具的刀库只有 12 把或 24 把，而且自动换刀装置不包括细长的枪钻，现在不但刀具库存储数量增加，而且枪钻也自动更换之列，这是一个很大的发展。如：德国 IXI0N 公司的 TLF1004 型四轴数控（X、Y 、Z 、B ）深孔钻床刀具刀库存储 24 把，TBT 公司的T30/3201050KT，FTS 深孔钻削中心，滚筒式刀具库 24 把（其中 8 种不同直径、每种三件），它们的枪钻都不包括在自动换刀之列。现在的英国MOLLART 公司的 FMC 系列全自动六轴数控枪钻加工中心、钻孔直径范围：550mm 最大钻孔深 1350mm，除了钻削以外还有铣削、攻丝功能。当刚性攻丝 M30 满足不了时，还可以用标准铣刀及螺旋铣削方式通过数控插补功能来加工大螺纹，它的自动换刀装置具有 90 把刀，其中包括长度达到 1500 mm 枪钻的自动更换，其独到之处是对这长钻头的特殊辅助支承，在加工过程能自动就位和撤回，该机床还有用户化编程软件 GE .FANUC 数控系统。为了扩大机床加工规格范围，有的深孔钻床既具有枪钻法钻削深孔、铣削平面、刚性攻丝的功能，又具有内排屑钻削（BTA 法）钻孔的功能，以便钻削大孔及加大机床柔性。 现代深孔钻削机床及刀具与其他机床一样发展很快，向数控多轴化、多功能化发展，不久的将来环保型的深孔钻床亦将陆续出现。以减少或消除油烟雾对人体的影响。1.4 深孔加工技术的研究方向为适应种类愈来愈多，加工难度愈来愈高的新型工程材料的深孔加工方法已由传统的切削加工方法发展到非传统的切削加工方法，前者是以机械力学为基础的单刃或多刃刀具的切削加工方法，后者是以附加能量（如热切削、低温切削、磁化切削和振动切削） 、附加介质切削（如添加气体切削或涂复固体润滑剂切削） 、高速切削、电解切削以及高能束与射流切削技术等。非传统切削方法是最近几年发展起来的一种新的切削方法，它可以改善切屑的形成、切削力、刀具耐用度及已加工表面的质量等，其研究主要方面为：西安石油大学本科毕业设计（论文） 6振动钻削技术、加热辅助切削、低温切削、 磁化切削、电解加工、电火花加工、超声波加工、高能束加工等。深孔加工发展方向 1）进一步研究不重磨刀具和各种涂层硬质合金刀具的开发和应用及最佳排屑槽形式。 2）对深孔加工的自动化要求不断提高，包括切屑处理的自动化，工件装卸自动化和刀具更换自动化等。为进入柔性制造系统（FMS）创造条件。 3）中小型深孔加工中空气压力雾化润滑冷却方法的研究与应用。 4）深孔加工向柔性复合化趋势发展，即一次装夹，完成钻、车、镗、铣和磨光等多道工序。西安石油大学本科毕业设计（论文） 7第 2 章 机床总体方案设计深孔加工机床是深孔刀具和深孔加工技术的载体。全套深孔加工机床可以认为是由专用、通用两种零部件系统所组成。本案用于加工 2 米以内的直径在 10 到 30 毫米的深孔。考虑到需要加工回转体工件，所以选择三抓卡盘夹紧工件回转，刀具自动进给的传动形式。内排屑深孔钻削机床主要有机床和油路两大部分，机床部分主要有主轴系统、进给系统、授油器、中心架、内排屑系统、数控系统等；油路部分主要含有进油路、回油路以及排屑箱、油箱等。主轴系统采用交流变频电机通过 v 带传动带动主轴旋转，同时主轴端连接三抓卡盘夹紧工件旋转完成主运动。进给系统采用溜板箱置于床身直线滚珠导轨之上，由滚珠丝杠螺母副带动溜板箱在导轨上运动。滚珠丝杠的旋转运动由伺服电机通过联轴器直接带动来实现。受油器的功用是正确引导钻头并向且切削区供给高速冷却液。本设计由于采用工件旋转刀具进给的方式，所以采用旋转式授油器。中心架主要起到支撑、扶正工件的作用，与普通车床中心架的功用相同。而用于扶正工件的中心架因为深孔加工的工件较重、工件外圆速度较高，因此必须使用滚动支撑。2.1 工作原理及方案当使用内排屑深孔钻削机床进行深孔加工时，授油器与工件采用端面密封。在将工件装夹在卡盘上后，授油器内桶向工件运动靠紧工件，实现端面密封。由变频电机带动的主轴带动工件旋转。伺服电机带动丝杠旋转，使至于溜板箱上的主轴系统做横向进给运动。在进给切削工件的同时供油系统向授油器提供高压切削液，切削液流向钻头冷却工件，并携带切屑从钻杆芯部流向钻杆箱排出，由回油路流回油箱。油箱的箱体中装有隔板和滤油装置，保证脏物能够沉淀，使切削液能够更好的重复循环使用。西安石油大学本科毕业设计（论文） 8本设计要求应用 BTA 系统进行钻削。BTA 系统属于内排屑方式，其结构如图 2-1 所示，主要由中心架、授油器、钻杆连结器冷却润滑油路系统组成。BTA 系统中的授油器与枪钻系统中的扶正器功能不同，授油器除了具备导向扶正功能外，还提供了向切削区输油的通道。BTA 系统的工作原理是切削液通过授油器从钻杆外壁与已加工表面之间的环形空间进入，到达刀具头部进行冷却润滑，并将切屑经钻杆内部推出。该系统使用范围广泛，适用于深孔钻削、镗削、铰削和套料，但受到钻杆内孔排屑空间的限制，主要用于直径 12mm 的深孔加工。图 2-1 DF 系统2.2 方案原理图西安石油大学本科毕业设计（论文） 91变频电机；2主轴箱；3四卡盘；4工件中心架；5授油器；6数控工作台；7钻杆中心架；9钻杆箱；10伺服电机；11床体；12 回油路；13磁排屑器;14冷却系统；15油泵 16进油路；17滚动导轨图 2-2 机床总体设计图2.3 深孔钻削工艺对机床的要求（1） 应有足够的刚度：内排屑深孔钻采用高转速、大进给量进行加工，扭矩及轴向力都很大，机床的刚性对加工孔的精度和钻头的耐用度都有较大的影响。（2） 应具有足够的功率：在计算电动机的额定功率时，应考虑机床效率。（3） 进给机构必须稳定可靠：进给平稳，不能有爬行现象。机床的进给量最好是无级调速，以适宜多种材料的深孔加工，一般进给量在0.050.35mm/r 范围内。最好使用带有过载保护的进给机构。（4） 机床的主轴轴向窜动要小：应把机床主轴轴向窜动调整到允许的范围内，否则易引起振动而打刀。（5） 应具有一定的控制系统：如主轴负荷表、进给量表、超载安全装置等，以保证深孔加工的可靠性。（6） 机床主轴的径向跳动不得超过 0.02mm。2.4 深孔钻削工艺对加工系统其他附件的安装要求（1） 要求机床主轴和导向套之间的跳动量不得超过 0.02mm，以保证两者的同轴度要求。为减小机床主轴和导向套的同轴度误差，最好在所用的机床上直接加工出导向套的底孔。（2） 要求导向套和工件之间的距离不得超过 1mm，以保证钻头初钻时良好的贯穿和足够的冷却液流量。（3） 钻杆的联结器与机床主轴应有一定的同轴度要求。尤其当采用钻头旋转的加工方式时，钻杆联结器应严格对中，以保证与机床主轴有公共的旋转轴线。2.5 深孔钻削工艺对冷却润滑液的要求在深孔加工中合理的选择切削液是很重要的，它对加工质量和生产率有决定性的影响。切削液的选用，主要取决于工件材料的性质、加工方法、加工精度、切削液的类型及切削条件等。理论上，应根据不同的条件，配置最合适的切削液，实践证明，没有一种“万能的切削液” ，想依靠一种切削液去适应所有西安石油大学本科毕业设计（论文） 10的加工，这是不现实的。然而，深孔加工中，选择一种通用的切削液，以适应主要的几种深孔加工，那却是十分重要的。这是因为深孔加工中切削液需要量很大，频繁地更换切削液会造成生产成本及生产辅助时间的增加。根据内排屑深孔钻的加工特点，对所使用的冷却润滑液有以下要求：（1） 应采用低压大流量的冷却润滑方式。由于采用大进给量的加工方式，单位时间内产生的切屑多，切削温度高，因此保证尽快冲走切屑和冷却润滑刀头是十分重要的。（2） 宜采用油脂类切削油。由于钻头的导向块在切削时受较大的径向压力以及摩擦力，要是冷却润滑不好往往会造成导向块的急剧磨损和剥离。若选用极压强化切削油，会在导向块表面形成一层润滑膜，起到润滑和支承重载的作用，这对减小导向块的磨损和延长刀具的寿命极为有利。（3） 要求保持冷却润滑液的清洁。由于脏的冷却润滑液会导致破坏导向块表面的润滑膜，或使小直径深孔钻的油路堵塞，也容易使高压泵及阀门过早磨损，因此，必须对冷却液进行过滤，可采用先粗后精的过滤方式。西安石油大学本科毕业设计（论文） 11第 3 章 钻削系统总体设计本案采用工件旋转式深孔加工，选用两部电机分别带动主轴和滚珠丝杠，完成工件旋转和刀具进给两个运动过程。机床主要运动参数的选择取决于加工时最大钻孔直径。最大钻孔直径决定深孔钻削的功率（即被机床的功率） 。因此，计算过程如下。 3.1 切削用量的选择切削用量的选择与切削过程以及切屑的形成有关，同时也与被加工零件的材料、精度要求和机床特性有关。内排屑 DF 系统的深孔钻的切削用量的选择可以参考高合金钢枪钻切削用量的选择原则。因此，选择钻孔的进给量 smf/05.。3.2 切削功率的计算目前，还没有成熟的计算深孔钻削功率的经验公式，一般可用麻花钻的功率计算公式近似计算。钻削扭矩： mfdM N91.2405.304130438.238.2（3-1）式中： d钻孔直径，30 m；f钻孔进给量， r/05.。钻削轴向力： N7.1.3297.07.0dfN（3-2）钻削功率 ： 西安石油大学本科毕业设计（论文） 12kWNfnMP0.210233 （3-3）式中： n钻孔转速， srr/mi/6。考虑到麻花钻有横刃和刀具材料为高速钢等因素，取计算值的 70%作为深孔钻削功率的近似值。通过计算得知，钻削直径在 30mm 以下的孔，最大切削功率不超过 2.0kw。3.3 主运动电动机的选择3.3.1 电动机种类的选择使用了内排屑 BTA 系统的深孔钻削机床的主钻削运动，是由电动机通过同步皮带轮传递给主运动箱中的主轴，再由主轴传递给固定在其上的三爪卡盘，最后由三爪卡盘带动工件旋转，来完成深孔钻削加工的主运动。主运动电动机在切削工作中带动主轴旋转。钻头在钻削过程中属于恒转矩负载。对恒转矩负载系统特性的系统，应选用机械特性为硬特性的电动机，如同步电机、一般异步电机和直流并激电动机或带机械变速的交流异步电动机；对需要精确控制位置的系统，应选用控制电动机。当使用交流电动机和直流电动机都满足机电系统要求时，由实际供电情况和经济性考虑通常选用交流电动机。交流电动机适用于不需要频繁起动、制动、反转以及在宽广范围内平滑调整的系统，其中笼型异步电动机具有价格便宜、结构简单、耐用、特性硬和维护方便等优点因此，此次选择交流异步变频调速电机。3.3.2 交流变频调速电机的型号选择表 3-1 电机型号表西安石油大学本科毕业设计（论文） 13根据上面计算的主轴功率，我们可以选择所需要的电机选择交流变频调速电动机的型号为 YPNC-50-3.7-B。输出功率为 3.7 kW，额定转矩为 24.0 mN，重量为 50 kg。3 .4 进给系统电动机的选择3.4.1 电机种类选择进给系统是由电动机转动带动丝杠旋转，再将转动惯量传递给安装在溜板箱上的滚珠丝杠螺母副，进而完成深孔切削的进给过程。由机床在进给系统运行精度和控制方式决定，进给系统电机应选择易于控制、运动精度高、相应速度快的电机来完成。所以本案选择交流伺服调速电机。3.4.2 交流伺服调速电动机交流伺服调速电动机在控制系统中作执行元件，将电信号转换为轴上的转角或转速，以带动控制对象，它最大的特点是可控。在有控制信号输入时，电动机就转动；没有控制信号输入时，则停止转动；改变控制电压的大小和相位（或极性）就可改变电动机的转速和转向。因此，它与普通电动机相比具有如下特点：（1） 调速范围宽广，交流伺服调速电动机的转速随着控制电压改变，能在宽广的范围内连续调节；（2） 转子的惯性小，即能实现迅速启动、停转；（3） 控制功率小，过载能力强，可靠性好。西安石油大学本科毕业设计（论文） 143.4.3 交流伺服调速电动机的选择选择交流伺服调速电动机的型号为 SSM15-A3-2.2-15/80-380-B5。输出功率为 2.2 kW，额定转矩为 19 mN，最大转矩为 23.5 mN，最高转速为 1500min/r重量为 20 g。3.5 带传动的选择3.5.1 带传动的类型带传动是两个或多个带轮之间用带作为挠性拉曳零件的传动装置，工作时借助零件之间的摩擦（或啮合）来传递运动或动力。结构通常是由三部分组成：带 、带轮 、张紧装置。根据截面形状，带传动类型主要有：1) 平型带传动截面形状：扁平矩形 摩擦工作面：带的内表面特点： i35 中心距较大2）圆形带传动比平带传动能力小，适合于速度高、带轮直径小的场合。3）V 带传动：截面形状：梯形摩擦工作面：两侧表面特点： i7 运行较平稳4) 多楔带传动具有 V 带的特点，适合于结构紧凑、功率大、重要的场合。5) 同步齿形带传动靠啮合传动，传动比恒定，中心距要求严格。带传动的优缺点a适合于中心距较大的传动；b能缓和载荷冲击；运行平稳，无噪声；c过载时将引起带在带轮上打滑，因而可防止其他零件的损坏；（具有过载保护作用） ；d结构简单，成本低廉；e传动外廓尺寸较大；f需要张紧装置。g传动效率较低西安石油大学本科毕业设计（论文） 15h不能保持准确的传动比i带的寿命较短。3.5.2 带传动的选择深孔钻床要求工件转动平稳，同时考虑到经济性的原因，故本设计采用主轴采用 V 带传动。3.5.3 V 带轮的设计计算1.计算功率 caP查机械设计手册中表 8-7 选取 AK= 1.3 ,故 wKAca 81.47.312.选择 V 带的带型根据 、电机转速 n 由图 8-1 选用 A 型caP3.确定带轮的基准直径 并验算带速 vd1） 初选小带轮的基准直径 。由表 8-6 和表 8-8，取小带轮的基准直径1d=100mm。d2） 验算带速 v。按式（8-13）验算带的速度smssmnd /53.7/)106/(40/)106/(1 因为 ，故带速合适。s35901643.57)08(3.7)(182 ad西安石油大学本科毕业设计（论文） 166.计算带的根数 z1）.计算单根 V 带的额定功率 。rP查表（8-4a）得 =1.32Kw0查表（8-4b）得 =0.17Kw查表（8-5）得 =0.95K查表（8-2）得 =0.99，于是L KwP40.19.50)17.32()(0r 2）.计算 V 带的根数 z。418rcaz取 z=4 根。第 4 章 具体结构设计4.1 授油器的设计4.1.1 授油器的作用及设计思路授油器的功用是正确引导钻头并向切削区供给高速冷却液。设计思路：通过旋转手柄，靠手柄座与授油器芯轴之间的螺纹将人为施加给手柄的力传递给芯轴，芯轴移动，进而使导向套靠紧需加工的工件表面。目的是为了防止钻孔时由于工件高速旋转引发窜动损坏钻头；将冷却液导入钻孔冷却钻头并带走切屑。 (1) 力的传递：钻杆导向套授油器主体。目的是为了稳定钻杆。(2) 密封圈是为了防止压力油从钻杆漏出而设计的。4.1.2 总体方案的选择授油器的作用是正确引导钻头并向切削区供给高速冷却液。常用的授油器一般分为不旋转式授油器和旋转式授油器两种，如图 4-1 和图 4-2 所示，分别用于工件不旋转和旋转两种方式。不旋转式授油器(如图 4-1 所示)是由 1、授油器主体 2、前密封圈 3、导向套 4、伸缩轴 5、手轮 6、支承螺母 7、后密封圈等组成。这种不旋转式授油器主要用于刀具旋转的深孔加工方式。西安石油大学本科毕业设计（论文） 17旋转式授油器(如图 4-2 所示)和不旋转式授油器的结构大体相同，只是这种旋转式授油器主要用于刀具不旋转工件旋转的深孔加工方式。本案是设计数控内排屑深孔钻削机床，由于本设计选用工件旋转的钻削方式，因此，采用旋转式授油器。该授油器在头部增加了一个旋转部分，使导向套与工件同时转动，可以提高刀具钻入时的导向精度。4.1.3 总体结构的设计本次方案采用旋转式授油器，授油器主体可以沿着机床本身导轨（非床身上安装的直线导轨）移动并紧固。钻孔时，旋转手轮使伸缩轴靠向工件表面，将前密封圈贴紧于工件表面上，压力油通过伸缩轴进入，经由钻头体与导向套形成的环行缝隙进入切削区域，冷却润滑钻头。后密封圈是为了防止压力油漏出而设置的。由于工件端面和授油器端面是密封的，冷却液就可从授油器进入切削刃区域，并将切屑从钻杆中心的空腔带向后方排出，从而保证切削的顺利进行。图 4-1 不旋转式授油器 图 4-2 旋转式授油器对于小直径深孔，由于空间受到限制，常用如图 4-3 所示的微型授油器。它由支架 1，导向套 2，移动轴 3，锁紧螺母 4，密封圈 5 和支承螺母 6 组成，去掉了手轮，用扳手松紧，调整移动轴 3，达到导向，密封和给切削区供油的目的。工作时，松开前锁紧螺母，移动轴后移而脱开工件表面。这种授油器结构简单，占用空间不大。西安石油大学本科毕业设计（论文） 181 支架，2 导向套，3 移动轴，4 锁紧螺母，5 密封圈，6 支承螺母图 4-3 微型授油器 4.1.4 总体结构图参考图 4-2 中旋转式授油器的工作原理设计如下旋转式授油器。1、旋转套 2、伸缩轴 3、后密封圈 4、O 型密封圈 5、授油器主体 6、导轨滑块 7、导向套 8、前密封圈 图 4-4 授油器结构图西安石油大学本科毕业设计（论文） 194.1.5 密封圈的选用授油器的前端密封圈是用于密封授油器导向套与工件间端面密封的空隙。由于两部分之间没有相对移动，在这里选用 O 形橡胶密封圈。根据 GB3452.1-82 选用系列内径 d=100mm,截面直径 d=7mm。授油器的后密封圈是为防止压力油从钻杆漏出而设置的。在这里选用 O 形橡胶密封圈。它的特点是结构紧凑，密封性较好，可用于低速，压力不高的场合，作为密封和防尘用途。轴径表面粗糙度 Ra0.8m。根据 GB3452.1-82 选用系列内径 d=29mm,截面直径 d=5.3mm。导向套密封圈是用于密封导向套与伸缩桶之间的空隙，防止从此处漏油。两部分之间有相对移动，属于滑动密封。在这里选用 d=94mm 的毡圈油封。压套座密封圈是用于密封压套座与伸缩桶之间的空隙，防止从此处漏油。由于两部分之间没有相对移动，在这里选用 O 形橡胶密封圈。根据 GB3452.1-82 选用系列内径 d=33.5mm,截面直径 d=5.3mm。4.1.6 配合与公差的选用伸缩套与授油器体之间是间隙很小的滑动配合，并不希望自由转动，但可以是自由移动和滑动配合，定位要求明确，配合采用一般常用的配合即可。所以选用的配合为（H7/g6） ，配合按基孔制，孔的等级比轴的等级低一级，符合机械设计的要求即可。伸缩套与压套座之间和压套与压套座之间均采用静密封，无滑动要求，但有定位进度要求。配合采用基孔制，间隙配合。孔与轴的精度等级分别为 7 级和 6 级。所以，配合公差选为 H7/g6。4.1.7 授油器设计注意事项钻套的内外径须高度精确同轴。钻套孔与钻头之间的间隙必须严格控制。钻套内径与钻头之间的间隙，对深孔钻切入阶段的正常工作有重大影响，间隙过大还会加大钻头走偏。根据国内外实践经验，对于 m50以下的钻头，新钻头与新钻套之间的直径差应不大于 0.01mm；已磨损的钻套，其直径的最大磨损量应控制在 0.005mm 范围内。 m50以上的钻头与新钻套之间的间隙应不大于 0.02mm，钻套的直径磨损量应不大于 0.01mm。为此，应从钻头直径和钻套内径两方面加以保证。 50以内的钻头，其直径公差不大于 0.005mm， 以上的钻头不大于 0.01mm。钻套内径一般经研磨而成，新钻套的内径应允许尺寸为钻头直径上限的柱塞规刚刚能通过。钻套的内外径应严格同轴。一般是先研出钻套孔，再以孔为基准磨出外圆。西安石油大学本科毕业设计（论文） 20授油器后端与钻杆的密封也很重要。除了保证切削液不泄露这一基本功能以外，密封件实际上还起到钻杆辅助支承的作用。密封件因磨损而必须及时调节或更换，当更换不同直径的钻杆时，需相应的换装不同直径的密封件。因此，换装密封件是否方便快速，将直接影响机床的效率。装配好的输油器，其钻套中心线应与机床主轴的回转中心严格保持一致。4.2 中心架的选择与设计中心架是深孔钻削装置中三大部件之一，其主要功能是支承、扶正旋转工件，与普通车床中心加工用相同。但由于深孔加工零件较重，工件外圆速度较高，因此，必须使用滚动支承。目前常用的有局部滚动支承和整体滚动支承两种形式，分别使用三点支承和四点支撑。1. 局部滚动支承局部滚动支承式中心架的结构如图 4-5 所示，与普通车床中心架结构相同，只是支承采用了滚动方式，这种中心架的优点是工件装夹方便，其缺点是刚性较差，工件外圆必须预先车出定位基准，并且找正不太方便。由于深孔钻床没有尾座，采用这种中心架，一般必须在工件端面上车定位锥和授油器导向套上锥面配合定心。2.整体滚动式中心架整体是滚动式中心架适用于中小型深孔加工机床，其结构如图 4-6 所示，由轴承、支座、支承套、支撑调节螺钉、和底版等构成。工件安装在支承套内，调整四个支撑螺图 4-5 局部滚动式中心架 图 4-6 整体滚动式中心架西安石油大学本科毕业设计（论文） 21钉进行工件对中。该中心家具有刚性好，回转精多高，找正方便等优点，但工件的装夹不如局部滚动式中心架方便，需要移动中心架。更具本设计的设计需求，此处的中心架应该选用整体滚动式中心架。其设计图如下图 4-7。图 4-7 整体滚动式中心架4.3 主轴箱设计 4.3.1 主轴箱总体设计主轴箱：它的主要任务是将主电机传来的旋转运动传递给主轴，使主轴得到所需的正反两种转向的不同转速。主轴箱中主轴是机床的关键零件。主轴在轴承上运转的平稳性直接影响工件的加工质量，一旦主轴的旋转精度降低，则机床的使用价值就会降低。本案由于选择了变频调速电机，大大简化了电机到主轴的传动系统。因此主轴箱内只安装一根主轴，由轴承双端支撑。具体结构见装配图。 4.3.2 .1 轴承的选择原则轴承是用来支承轴的部件，有时也用来支承其它的转动零件。按轴承工作时的摩擦性质不同，可把轴承分为滑动摩擦轴承(简称为滑动轴承)和滚动摩擦轴承(简称为滚动轴承)两大类。而每一类轴承，按其能承受的载荷方向的不同，又可分为向心轴承或径向轴承(承受径向载荷)、推力轴承或止推轴承(承受轴向载荷)和向心推力轴承(同时承受径向和轴向载荷)等。选择轴承类型时，应该根据载荷情况、转速高低、空间位置、调心性能以西安石油大学本科毕业设计（论文） 22及其它要求，选定合适的轴承类型。选择原则为：(1) 球轴承承载能力较低，抗冲击能力较差，但旋转精度和极限转速较高，适用于轻载、高速和要求精确旋转的场合。(2) 滚子轴承承载能力较高，抗冲击能力较强，但是旋转精度和极限转速较低，多用于重载或有冲击载荷的场合。(3) 同时承受径向及轴向载荷的轴承，应区别不同情况选取轴承类型。以径向载荷为主的可选择深沟球轴承；轴向载荷和径向载荷都较大的可选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承；轴向载荷比径向载荷大很多或要求变形较小的可选用圆柱滚子轴承(或深沟球轴承)和推力轴承联合使用。(4) 如一根的两个轴承孔的同心度难以保证，或轴受载后发生较大的挠曲变形，应选用调心球轴承或调心滚子轴承。(5) 选择轴承类型时要考虑经济性。一般说来，球轴承比滚子轴承价格便宜，深沟球轴承最便宜。精度愈高的轴承价格愈贵，所以选用高精度轴承必须慎重。滚动轴承公差国标(GB307.184)规定，轴承按公称尺寸(基本尺寸)精度和旋转精度分为五个精度等级，用汉语拼音字母 G、E、D、C、B 表示，G 级精度最低，B 级精度最高。滚动轴承各级精度的应用情况如下：G 级轴承应用在中等负荷、中等转速和旋转精度要求不高的一般机构中。如变通机床、汽车和拖拉机的变速机械和变通电机、水泵、压缩机的旋转机构的轴承。E 级轴承应用于旋转精度和转速较高的旋转机构中，如变通机床的主轴轴承，精密机床的传动轴使用的轴承。D、C 级轴承应用于旋转精度高和转速高的旋转机构中，如精密机床的主轴轴承，精密食品加工机械使用的轴承。B 级轴承应用于旋转精度和转速很高的旋转机构中，如坐标镗床的主轴轴承、高精度仪器和高转速机构中使用的轴承。滚动轴承内圈与轴配合应按基孔制，但内径的公差带位置却与一般基准孔相反。根据滚动轴承国家标准规定，G、E、D、C、B 各级轴承的单一平面平均内径的公差带都分布在零线下侧，即上偏差为零，下偏差为负值。这样分布主要是考虑配合的特殊需要。因为在多数情况下，轴承的内圈是随轴一起转动的，为了防止它们之间发生相对运动而导致结合面磨损，其配合应具有一定过盈。但由于内圈是薄壁零件，容易弹性变形而胀大，且一定时间后又必须折换，配合的过盈不宜过大，假如轴承内孔的公差带与一般基准孔一样分布在零线上侧，当采用公差与配合国标中的过盈配合时，所得的过盈往往太大；如果改用过渡西安石油大学本科毕业设计（论文） 23配合，又可能出现间隙，不能保证一定的过盈；若采用非标准配合，又违反了标准化和互换性原则。为此，滚动轴承国标将各级轴承的单一平面平均内径的公差带分布在零线下侧。此时，当它与一般过渡配合的轴相配合时，不但能保证获得不大的过盈，而且还不会出现间隙，从而满足了轴承内孔与轴配合的要求，同时又可以按照标准偏差来加工轴。滚动轴承的外径与壳体的配合应按基轴制，通常两者之间不要求太紧。因此，滚动轴承公差国标对所有精度级轴承的单一平面平均外径的公差带位置，仍按一般基准轴的规定，分布在零线下侧。其上偏差为零，下偏差为负值。正确的选用轴承配合，对保证机器正常运转，提高轴承的使用寿命，充分发挥轴承的承载能力关系很大。选择轴承配合时，应综合地考虑：轴承的工作条件，作用在轴承上负荷的大小、方向和性质，轴承类型和尺寸，与轴承相配的轴和壳体的材料和结构，工作温度，装卸和调整等因素。4.3.2.2 主轴箱轴承的选择根据主轴旋转的工作特性，选择滚动轴承是最合适，其摩擦系数小、润滑密封方便，并且已经标准化，所以在机械行业中应用最为广泛。在正常钻削中，轴向力和切削力各占一定比例，为了承受轴向力和切向力，可以选择最常用的圆锥滚子轴承和推力球轴承，并且将两者结合一起使用，效果十分明显。这里我选用的深沟球轴承 6220，推力球轴承为 51220。 单列向心推力球轴承的主要特性为推力球轴承的套圈与滚动体多半是可分离的。单向推力球轴承只能承受单向轴向载荷，两个圈的内孔不一样大，内孔较小的是紧圈与轴配合，内孔较大的是松圈与固定在一起的。在高速时，由于离心力大，滚动球与保持架因摩擦而发热严重，寿命较低。此类球轴承常用于轴向载荷大、转速不高处。根据设计的尺寸及受力要求，选用的单列向心推力球轴承的型号为：51220。其主要参数为：内径 d100mm，外径 D150mm，轴承宽度 T38mm，额定动负荷 C125.57kN，额定静负荷 C0347.27kN，极限转速 ni1100r/min( 脂润滑 )和 nj1700/min(油润滑 )。圆锥滚子轴承主要用于轴承承受径向载荷的同时，还可承受轴向载荷。根据设计尺寸及受力要求，选用深沟球轴承的型号为：6220。其主要的参数为：内径 d100mm，外径 D180mm，轴承宽度 B 34mm，额定动负荷C93.98kN，额定静负荷 C079.07kN，极限转速 ni3400r/min( 脂润滑)和nj4300r/min( 油润滑) 。4.3.2. 3 主轴箱中轴承的校核（1）. 推力球轴承的校核由于中心架的支撑作用，使作用在推力球轴承上的径向力不是很大，取西安石油大学本科毕业设计（论文） 24Fr=500N；主轴箱所受到的轴向力主要由推力球轴承来承受，取 Fa=1500N。计算当量动载荷 P:P=f )(arYFX （3-4） 根据机械设计中表 136 知，f p =1.21.8，