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摘 要
該設計是設計一超聲深孔鉆床，利用超聲震動加工深孔。振動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，振動切削具有普通切削無法比擬的工藝效果。因此，作為精密機械加工和難加工材料加工的一種新技術，振動切削已經(jīng)逐步滲透到多種機械加工領域，振動鉆削就是比較成功的應用實例。
振動鉆削，即在鉆頭(或工件)正常工作進給的同時，對鉆頭(或工件)施加某種有規(guī)律的振動，使鉆頭在振動中切削，形成脈沖式的切削力波形，使切削用量按某種規(guī)律變化，以達到改善切削效能的目的。根據(jù)實際加工的需要，適當選擇振動參數(shù)(頻率v，振幅A以及頻率v與工件轉速n的比例關系)，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，且加工表面質量也有較大改善。
超聲振動深孔加工鉆床是利用超聲振動系統(tǒng)對鉆頭施加振動，使鉆頭在振動中切削，使切削用兩按規(guī)律變化，從而達到改善切削效能的目的。
關鍵詞：超聲振動，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的發(fā)展趨勢 3
1.1 超聲振動加工技術發(fā)展趨勢 3
1.2 深孔加工發(fā)展狀況 9
2.機床主要參數(shù)的確定 12
2.1 電機功率的確定 12
2.2 主運動參數(shù)的確定 12
2.3 標準公比值和標準轉速數(shù)列 14
3.確定結構式和繪制轉速圖 18
3.1 求級數(shù)z 18
3.2 確定結構式 18
3.3 繪制轉速圖 19
4.確定各級傳動副齒輪的齒數(shù) 21
4.1 確定齒輪的齒數(shù) 21
4.2 驗算傳動比 25
4.3 各軸及齒輪的計算轉速的確定 26
5.傳動零件的初步計算 29
5.1 傳動軸直徑初定 29
5.2 主軸主要結構參數(shù)的確定 30
5.3 齒輪模數(shù)計算和齒輪中心距的計算 30
5.4 皮帶的相關計算 31
6.主要零件的驗算 36
6.1 齒輪的強度驗算 36
6.2 主軸的驗算 37
6.3 花鍵的驗算 43
致 謝 46
參考文獻： 47
前言
畢業(yè)設計是學生學完大學教學計劃所規(guī)定的全部基礎課和專業(yè)課后，綜合運用所學的知識，與實踐相結合的重要實踐性教學環(huán)節(jié)。它是大學生活最后一個里程碑，是四年大學學習的一個總結，是我們結束學生時代，踏入社會，走上工作崗位的必由之路，是對我們工作能力的一次綜合性檢驗。
1.畢業(yè)設計的目的
通過本次畢業(yè)設計，使達到以下幾個效果：
1） 鞏固、擴大、深化學生以前所學的基礎和專業(yè)知識；
2） 培養(yǎng)學生綜合分析、理論聯(lián)系實際的能力；
3） 培養(yǎng)學生調查研究、正確熟練運用國家標準、規(guī)范、手冊等工具書的能力；
4） 鍛煉進行設計計算、數(shù)據(jù)處理、編寫技術文件、繪圖等獨立工作能力。
總之，通過畢業(yè)設計使學生建立正確的設計思想，初步掌握解決本專業(yè)工程技術問題的方法和手段，從而使學生受到一次工程師的基本訓練。
2、畢業(yè)設計的主要內(nèi)容和要求
本次畢業(yè)設計的主要內(nèi)容是設計超聲深孔鉆床的主軸箱。具體設計內(nèi)容和要求如下：
a) 調查使用部門對機床的具體要求，現(xiàn)在使用的加工方法；收集并分析國內(nèi)外同類型機床的先進技術、發(fā)展趨勢以及有關的科技動向；調查制造長的設備、技術能力和生產(chǎn)經(jīng)驗等。
b) 超聲深孔鉆床主軸箱的設計主要是設計主軸、傳動軸及傳動齒輪，確定各部分的相互關系；擬訂總體設計方案，根據(jù)總體設計方案，選擇通用部件，并繪制裝配圖和各零件的零件圖；
c) 進行運動計算和動力計算，繪制轉速圖；
d) 其他零部件的設計和選擇；
e) 設計并選擇皮帶的型號和根數(shù)及帶輪；
f) 編制設計技術說明書一份。
3、程序和時間安排
畢業(yè)設計是實踐性的教學環(huán)節(jié)，由于時間的限制，本次畢業(yè)設計不可能按工廠的設計程序來進行，具體的說，可以分以下幾個階段：
g) 實習階段，通過畢業(yè)實習實地調查、研究、收集有關資料，掌握深孔加工技術和超聲加工技術，了解機床的結構、工作原理和設計的基本要求，花兩周時間；
h) 制定方案、總體設計階段，花兩周時間；
i) 計算和技術設計階段，繪制圖紙，整理設計說明書，花四周時間；
j) 答辯階段，自述設計內(nèi)容，回答問題，花半周時間。
1.超聲和深孔加工技術的發(fā)展趨勢
1.1 超聲振動加工技術發(fā)展趨勢
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，人們習慣上常把以工程應用為目的，而不是以聽覺為日的的某些對聽盧的應用亦列人超盧技術的研究范圍。因此，在實際應用中，有些超聲技術使用的頻率可能在16kHz以下。而超聲波頻率的上限是Hz，整個頻率范圍是相當寬廣的，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。例如，超聲波由于頻率可以很高，因而傳播的方向件較強，同時超聲設備的幾何尺寸可以較??；超聲波傳播過程中，介質質點振動的加速度非常大；在液體介質中，
當超聲波的強度達到一定值后便產(chǎn)生空化現(xiàn)象，等等。正是這些特點，決定了超聲波具有與可聽聲不同的、領域相當廣闊的各種用途。
1.1.1 起聲加工技術發(fā)展概況
超聲加工是利用超聲振動的工具在有磨料的液體介質中或于磨料中產(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行振動加工，或利用超聲振動使工件相互結合的加工方法。超聲加工系統(tǒng)由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、振動傳遞系統(tǒng)、工具、工藝裝置等構成。超聲波發(fā)生器的作用是將220v或380v的交流電轉換成超聲頻電振蕩信號；換能器的作用是將超聲頻電振蕩信號轉
換為超聲頻機械振動；變幅桿的作用是將換能器的振動振幅放大，超聲波的機械振動經(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，進行加工。
超聲加工技術是超聲學的一個重要分支。超聲加工技術是伴隨著超聲學的發(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)的氣哨實驗產(chǎn)生的超聲波的頻率達到了3×Hz，后改用氫氣時，其頻率達到了8×N z。這些實驗使人們開始對超聲波的性質有了一定的認識。
對超聲學的誕生起重大推進作用的是1912年豪華客輪泰坦尼克(Titanic)號在旨航中碰撞冰山后沉沒，這個當時震驚世界的悲劇促使科學家提出用聲學人法來探測冰山。這些活動啟發(fā)了第一次世界大戰(zhàn)期間偵察德國潛艇的緊張冊究。1916年以法國著名物理學家郎之萬(P.langevin)為首的科學家升始究產(chǎn)生和運用水下超聲作為偵察手段，并在1918年發(fā)現(xiàn)壓電效應可使石英板振動，制成了可用作超聲源的石英壓電振蕩器。這就是現(xiàn)代超聲學的開端。
1927午，美國物理學家怔德(R W．Wood)和盧米斯(A．E loomis)最早做了超聲加工試驗，利用強烈的超聲振動對玻璃板進行雕刻和快速鉆孔，們當時并未應用在工業(yè)上。1951年，美國的科思制成第一臺實用的超聲加工機，并引起廣泛關注，為超聲加上技術的發(fā)展奠定了基礎。
日本是較早研災超聲加工技術的國家，20世紀50午代，日本已經(jīng)設立專門的振動切削研究所，許多大學和科研機構也都設有這個研究課題。日本研究超聲加工的主要代表人物有兩位：一位是中央大學的島川正暉教授，《超音波工學——理論和實際》是他的代表作；另一位是宇都官大學的隈部淳一郎教授，《精密加工、振動切削基礎和應用》是他的代表作。日本研究人員不但把超聲加上用在普通設備上，而且在精密機床、數(shù)控機床中也引人了超聲振動系統(tǒng)。l 977年日本將超聲振動切削與磨削用于生產(chǎn)，可對直徑為6oomm大型船用柴油機缸套進行鏜孔。
原蘇聯(lián)的超聲加工研究也比較早，20世紀50年代末60年代初已經(jīng)發(fā)表過很有價值的論文。在超聲車削、鉆孔、磨削、光整加工、復合加工等方面均有生產(chǎn)應用，并取得了良好的經(jīng)濟效果。為了推動超聲加工的應用，1973年原蘇聯(lián)召開了一次全國性的討論會，充分肯定了超聲加工的經(jīng)濟效果和實用價值，對這項新技術在全國的推廣應用起到了積極的作用。到80年代末期，當時蘇聯(lián)已經(jīng)生產(chǎn)系列超聲振動鉆削裝置。
20世紀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)應用階段，超聲車削、鉆孔、鏜孔巳處于試驗性生產(chǎn)設備原型階段。1979年通用超聲振動切削系統(tǒng)已供應工業(yè)界應用。
德國和英國也對超聲加工的機理和工業(yè)應用進行了大量的研究，并發(fā)表了許多有價值的論文，在生產(chǎn)中也得到了積極的應用。例如，英同十1964年提出使用燒結或電鍍金剛石工具的超聲旋轉加工的方法，克服了一般超聲加工深孔時加工速度低和精度差的缺點，取得了較好的效果。
我國超聲加工技術的研究始于20世紀50年代末，60午代末開始了超聲振動車削的研究，1973年上海超聲波電子儀器廠研制成功cNM—2型超聲研磨機。1982年，上海鋼管廠、中國科學院聲學研究所及上海超聲波儀器廠研制成功超聲拉管設備，為我國超聲加工在金屬塑性加工中的應用填補丁空白。1983年10月，機械電子丁業(yè)部科技司委托《機械工藝師》雜志編輯部在西安召開了我國第一次“振動切削專題討論會”，會議充分肯定了振動切削在金屬切削中的重要作用，交流了研究和應用成果，促進了這項新技術在我國的深入研究和推廣應用。1985年，廣西大學、南京電影機械廠和南京刀具廠聯(lián)合開發(fā)了我國第一套“czQ—250A型”超聲振動切削系統(tǒng)。同年，機械電子工業(yè)部第11研究所研制成功超聲旋轉加工機，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制電火花與超聲波復合的研磨、拋光加工技術，并成功應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長桿超聲車削裝置。
20世紀末到本世紀初的十幾年間，我國的超聲加工技術發(fā)展迅速，在超聲振動系統(tǒng)、深小孔加工、拉絲模及型腔模具研磨拋光、超聲復合加工領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、玻璃和燒結永磁體等難加工材料領域解決了許多關鍵性問題，取得了良好的效果。
1.1.2 超聲加工技術發(fā)展趨勢和未來展望
超聲加工技術已經(jīng)涉及到許多領域，在各行各業(yè)發(fā)揮了突出的作用，但有關工藝與設備的相關技術有待于進一步研究開發(fā)。
(1)超聲振動切削技術
隨著傳統(tǒng)加工技術和高新技術的發(fā)展，超聲振動切削技術的應用日益廣泛，振動切削研究日趨深入，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。
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，對機械零件加工質量的要求越來越高。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，在振動切削中，人們將更多的注意力轉為對刀具材料的開發(fā)與使用上，其中天然金剛石、人造金剛石和超細晶粒的硬質合金材料的研究和應用為主要方向。
2對振動切削機理深入研究。當前和今后一個時期對振動切削機理的研究將主要集中在對振動切削中刀具與工件相互作用的力學分析和振動切削機理的微觀研究及數(shù)學描述兩個方面。
3超聲橢圓振動切削的研究與推廣。超聲橢圓振動切削已受到國際學術界和企業(yè)界的重視。美國、英國、德國和新加坡等國的大學以及國內(nèi)的北京航空航大大學和上海交通大學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用化研究工作。但是，超聲橢圓振動切削在理論和應用方面還有許多工作要做。尤其是對硬脆性材料的超精密切削加工、微細部品和微細模具的超精密切削加工等方向還需要進一步研究。
①超聲銑削加丁技術。基于分層去除技術思想的超聲銑削加工技術正在被更多的學者所關注。大連理工大學研制了超聲數(shù)控銑削機床，提出了一種新的利用超聲銑削加工技術數(shù)控加工工程陶瓷零件的途徑。基于分層去除思想的超聲銑削數(shù)控加工技術解決了傳統(tǒng)超聲加工中工具損耗嚴重且不能在線補償?shù)碾y題，使加工帶有尖角和銳邊的復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用提供了有力的技術支持。
(2)超聲復合加工技術
目前，超聲電火花機械三元復合加工技術已經(jīng)得到較快的發(fā)展。哈爾濱工業(yè)大學利用超聲電火花磨料三元復合加工技術對不銹銅進行加工，解決了電火花小孔加工中生產(chǎn)率和表面質量不能兼顧的矛盾，具合較好的應用前景。
針對現(xiàn)代模具手動光整加工的弊端，華南理工大學采用超聲電解磨粒復合加工技術對形狀復雜的模具型腔光整加工進行了研究，并利用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡對加工表面粗糙度進行了預測，取得了良好的效果。超聲電解磨粒復合加工技術是一項新的復合加工技術，能較好地用于形狀復雜的模具型腔光整加工。但包括材料去除機理的許多方面的內(nèi)容有待進一步研究。
近年來，日本東京農(nóng)工大學對氣體介質中的電火花脈沖放電加工技術進行了開創(chuàng)性的研究，為電火花脈沖放電加工技術開辟了一條新的途徑。但該技術在加丁過程中短路頻繁，山東大學的研究人員將超聲振動引入氣中放電加工技術，并對工程陶瓷進行了加工實驗研究，加工效率提高了近3倍。但該工藝的加工機理有待于進一步研究。
在微小三維型面的加工中，利用簡單形狀電極、基于分層制造原理的微細電火花銑削技術正在受到重視，哈爾濱工業(yè)大學研究了超聲輔助分層去除微細電火花加上技術，對電極袖向施加的小幅超聲振動對活化極間狀態(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一步完善以達到實用化。
出于新材料(尤其是難加工材料)的涌現(xiàn)和對產(chǎn)品質量茍生產(chǎn)效益的要求不斷提高，新的加丁方法也不斷出現(xiàn)。可以預見，超聲復合加工將日靛顯現(xiàn)出其獨特的魅力，并將拓展其更加廣闊的應用領域。
(3)微細超聲加工技術
隨著以微機械為代表的工業(yè)制品的日益小型化及微細化，特別是隨著晶體硅、光學玻璃、工程陶瓷等硬脆材料在微機械中的廣泛應用，硬脆材料的高精度三維微細加工技術己成為世界各國制造業(yè)的一個重要價究課題。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。超聲加工與電火花加工、電解加工、激光加工等技術相比，既不依賴于材料的導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在陶瓷、半導體硅等非金屬硬脆材料加下方而有著得天獨厚的優(yōu)勢。東京大學生產(chǎn)技術研究所對微細工具的成功制作及微細工具裝夾、工具回轉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加工技術成為可能。
同其他特種加工技術一樣，起聲加工技術在不斷完善之中．正向著高精度、微細化發(fā)展，微細超聲加丁技術合理成為微電子機械系統(tǒng)(MEM5)技術的有力補充。
此外，超聲加工技術在迅猛發(fā)展的汽車工業(yè)中已有非常廣泛的應用，目前超聲加工技術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合加工，塑料件的焊接，以及對具有小孔窄縫而清潔度要求較高的零件的清洗。可以預測，超聲加工技術在世界汽車工業(yè)中將發(fā)揮越來越重要的作用。
1.2 深孔加工發(fā)展狀況
最早用于加工金屬的深孔鉆頭是扁鉆．它發(fā)明干18世紀初，1860年美國人對扁鉆做了改進，發(fā)明了麻花鉆，在鉆孔領域邁出了重要的一步。但用麻花鉆鉆探孔時，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。槍鉆鉆桿為非對稱形，故扭轉強度差。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)爭期間，由于戰(zhàn)爭的需要．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、法國的現(xiàn)代設備商會等聯(lián)合組成了深孔加工國際孔加工協(xié)會(Boring and Trepanning Association），簡稱BTA協(xié)會。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，在世界各國普遍應用。后來瑞典的山特維克公司首先設計出可轉位深孔鉆及分屑多刃錯齒深孔鉆，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．為克服這些不足，1963年山特維克公司發(fā)明了噴吸鉆法。這是一種巧妙應用噴吸效應的方法，可以采用較低的切削液壓力，使切屑在推、吸效應下容易排出．有利于系統(tǒng)的密封。但是噴吸鉆法本身也有缺點，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法中切削液對鉆桿振動的抑制作用，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)法為單管雙進油裝置，它是把BTA法與噴吸鉆法兩者的優(yōu)點結合起來的一種加工方法，用于生產(chǎn)后得到了滿意的結果，目前廣泛應用于中、小直徑內(nèi)徘屑探孔鉆削。
出于我國機械制造業(yè)的迅速發(fā)展，深孔加工技術在我國也得到了廣泛的應用。20世紀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法己在我國設計完成并于1979年正式用于生產(chǎn)．現(xiàn)廣泛應用于中、小直徑內(nèi)排屑探孔鉆削。國內(nèi)幾家重型機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長的發(fā)電機轉子內(nèi)孔。西安石油大學于1989年成功地將噴吸效應原理應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)與科技的進步，深孔零件在材質及毛坯制造、刀具樹料、深孔加工機床、基礎理論研究、檢測等方面都有了較大的進展。
深孔零件的材質，過去多采用碳索結構鋼、低合金鋼和高強度合金鋼。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、復合材料等，開始在深孔零件上采用。新材料的逐步采用對深孔加工提出了新的技本難題。
除了深孔零件的材質外．零件的毛坯質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，對于機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量的鑄錠后，進行壓力加工。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。冶金技術的進步．提高了材料的機械性能．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的進步。使得毛坯材料的去除率大為降低.另外,由產(chǎn)熱處理技術的發(fā)展，深孔工件經(jīng)過熱處理后，在機械性能、結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)展及材料機械性能的提高，促進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類的硬質合金。目前,已開始試驗和采用新型高速鋼材料、超細晶粒硬頂合金、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。
深孔加工機床現(xiàn)在多采用常規(guī)機床，有深孔鉆鏜床、深孔磨床、珩磨機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)。由于機械工業(yè)產(chǎn)品多品種、小批量的比重日益增加，提高勞動生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本成為深孔加工技術的中心課題。發(fā)展成組技術和開展計算機輔助設計及計算機捕助制造(cAD／(CAM)、實現(xiàn)自動化生產(chǎn)是提高深孔加工勞動生產(chǎn)率和經(jīng)濟效益的根本途徑。新型工程材料對深孔加工技術的挑戰(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，并相應地發(fā)展精密測量及精密機械設汁。在實現(xiàn)深孔加工自動化生產(chǎn)中，需要解決加工中異常情況的監(jiān)控及自動檢測。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，進行解決。
隨著深孔加工技術的發(fā)展．深孔加工技術的基礎理論研究也在不斷加強．并取得了有價值的成果。
2.機床主要參數(shù)的確定
2.1 電機功率的確定
機床功率與鉆孔直徑的關系如圖2-1所示：
圖2-1鉆孔直徑與機床功率p的關系圖
根據(jù)設計要求我們要對材料是硬度HB為220--400的低合金鋼，長為500mm，外徑D為50mm的工件加工出直徑為10mm的通孔。所以機床的功率為4KW。
2.2 主運動參數(shù)的確定
主運動為旋轉運動時，機床的主運動參數(shù)是主軸轉速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系
變速范圍
2.3 標準公比值和標準轉速數(shù)列
規(guī)定標準公比>1，并且規(guī)定相對速度損失的最大值Amax不大于50%，則相應不大于2，所以。
為了簡化機床設計和使用．規(guī)定了幾個標準值，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標準公比
1)公比是2的某次方根．其數(shù)列每隔若干項增加或縮小2倍，如，數(shù)列為10、l 2．5、16、20、25；、32、40等，每隔三項增大2倍。這樣．使
表3標準數(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。
廠采用雙速電動機，因為雙速電動機的兩個轉速比值是2，例如3000/1500或1500/750等，同時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)列每隔若干項增大或縮小10倍。這特性符合常用十進制習慣，如，數(shù)列為10、16、25、40、63、100、160、250、400、630等，每隔五項增大10倍．使數(shù)列整齊好記。
當選定標準公比之后．從表3可查出轉速數(shù)列。表3適用于轉速、雙行程數(shù)和進給系列．而且可以用于機床尺寸和功率參數(shù)等數(shù)列。
從使用性能考慮，選取公比最好小一些，以便減少相對速度損失，但小一些，級數(shù)z增多．會使機床的結構復雜化。公比選取的一股原則如下：1用于大批大量生產(chǎn)的自動化與半自動比機床，因為要求較高的生產(chǎn)率，相對轉速損失要小，因此，要小些，選取1.12或1．25。2大型機床加工大尺寸工件，機動時間長，選擇合理的切削速度對提高生產(chǎn)
2可由標準數(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，應小些，取1．12、1．25。3中型通用機床，萬能性較大，因而要求轉速級數(shù)z要多—些，但結構又不能過于復雜，公比常選取1．25或1.41。4小型機床切削加工時間常比輔助時間少，結構要求簡單一些，機動時間短．變速級數(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.確定結構式和繪制轉速圖
3.1 求級數(shù)z
由等比級數(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 確定結構式
選擇一個比較好的結構式，一般要遵照下列的原則：
3.2.1 傳動副的“前多后少”原則
傳動副數(shù)較多的變速組安排在傳動順序前面，傳動副數(shù)較少的變速組安排在后面。這是因為機床的電動機往往比主軸變速的大多數(shù)轉速高，因此，變速系統(tǒng)以降速傳動居多。傳動系統(tǒng)中，若按傳動順序排列，在前面的各軸轉速較高，依次類推。根據(jù)轉矩公式
當傳動功率p一定時．轉速n較高的鈾所傳遞的轉矩就較小，在其他條件相同時，傳動件(如鈾、齒輪)的尺寸就較?。虼耍０褌鲃痈睌?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，減少傳動系統(tǒng)的轉動慣量。以18級變速系統(tǒng)為例，應選擇結構式18＝3×3×2。
3.2.2 傳動副的“前緊后松”原則
變速組的擴大順序應盡可能與傳動順序一致
當時。要求
即在傳動順序中按基本組在前，然后依次排第一擴大組、第二擴大組……第n擴大組，這稱為“前緊后松”原則，這時各變速組的變速范圍是逐步增大，在轉速圖上表現(xiàn)為傳動順序前面的變速組傳動比連線分布緊密，而后面的變速組傳動比連線分布疏松，這樣可以使前面的各軸轉速范圍較小，相當于提高該軸的最低轉速和降低它的最高轉速，前者可以減少傳動件尺寸，后者可以降低噪聲和減少振動。
3.2.3 各變速組的變速范圍不應超過最大的變速范圍
在主傳動系統(tǒng)的降速傳動中，主動齒輪的最少齒數(shù)受到限制，為了避免被動齒輪的直徑過大，建議降速傳動比最小值為Umin＝1／4；對于升速傳動比最大值，考慮到盡量減少振動和噪聲，建議Umax＝2(斜齒傳動Umax＝2．5)。這樣主傳動各變速組的變速范圍限制在 r＝＝8一l0之間。對于進給傳動系統(tǒng)，由于傳動件的轉速較低，尺寸較小，變速范圍可放寬到Umin=1／5．Umax＝2．8，這樣進給傳動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，但可能會給結構設計帶來困難。
機床的傳動系統(tǒng)中，最后擴大組的變速范圍必定最大，因此一般只要檢查最后擴大組的變速范圍不超過限制范圍，則其余的變速組也不會超過。
根據(jù)以上原則可得機床的結構式為
3.3 繪制轉速圖
根據(jù)機床的結構式繪制轉速圖。如圖3—1所示
圖3—1轉速圖
4.確定各級傳動副齒輪的齒數(shù)
4.1 確定齒輪的齒數(shù)
機床轉速圖確定后．則各變速組的傳動比也就確定了．即可進一步確定各變速組中傳動副的齒輪齒數(shù)、帶輪的直徑等，在確定齒數(shù)時要注意下列幾點：
1)齒輪的齒數(shù)和；不能太大，以免齒輪尺寸過大而引起機床結構增大。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)，這是因為各齒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齒輪的齒數(shù)和相等。
3)最小齒輪的齒數(shù)應保證不產(chǎn)生根切。對于標準齒輪．就最小齒數(shù)一般取。
4)應保證最小齒輪裝到軸上或套簡上具有足夠的強度、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，要先估算傳動軸的直徑。
圖4—1齒輪的齒厚
5)保證主軸的轉速誤差在規(guī)定范圍之內(nèi)。按照ISO229—1973規(guī)定，機床主軸的實際轉速或每分鐘雙行程數(shù)對于優(yōu)先數(shù)列的理論值的相對誤差，應在范圍內(nèi)。
對于變速組內(nèi)齒輪的齒數(shù)，如傳動比是標準公比的整數(shù)次方時，變速組內(nèi)每對齒輪的齒數(shù)和、及小齒輪的齒數(shù)可從表4中選取。在表中，橫坐標是齒數(shù)和；縱坐標是傳動副的傳動比u；表中所列的u值是傳動副的被動齒輪的齒數(shù)；齒數(shù)和減去被動齒輪齒數(shù)就是主動齒輪齒數(shù)。表中所列的u值全大于1，即全是升速傳動。對于降速傳動副，可取其倒數(shù)查表，查出的齒數(shù)則是主動齒輪齒數(shù)。
本設計所選用的公比為標準公比，齒輪齒數(shù)可有表中查出。
圖1—3中的變速組a有兩個傳動副，其傳動比分別是：。按u=1.12和1查表。在合適的齒數(shù)和Sz范圍內(nèi)，查出存在上述兩個傳動比的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。從表中可查出兩個傳動副的主動齒輪齒數(shù)分別為33和35。則可算出變速組a中的兩個傳動副的齒輪齒數(shù)為。同樣可查表得變速組b中的兩個傳動副的齒輪齒數(shù)為；變速組c中的兩個傳動副的齒輪齒數(shù)為.。
表4各種常用傳動比的適用齒數(shù)
續(xù)
4.2 驗算傳動比
有前面的敘述可知實際傳動比(齒輪齒數(shù)之比)與理論傳動比(轉速圖上給定的傳動比)之間的轉速誤差應在允許的范圍之內(nèi).一般應滿足
式中 主軸實際轉速;
n---------主軸的標準轉速;
公比.
所以;
經(jīng)驗算所選齒輪轉速誤差在允許的范圍內(nèi).
4.3 各軸及齒輪的計算轉速的確定
主傳動系統(tǒng)中的主軸和傳動件的尺寸大小主要決定于它所傳遞的轉矩大小，而轉矩大小則和所傳遞的功率及轉速兩個因素有關。
對于專用機床，它是按照持定工藝設計的，傳遞的功率和轉速是固定不變的，所傳遞的轉矩也是一定的。但是，對于通用機床和某些專門化機床，主傳動的功率是根據(jù)某些典型加工的切削用量確定的，機床在實際使用中，低轉速范圍加工時，不需要使用機床的全部功率。據(jù)調查， 主抽在最低一段的幾級轉速一般用來加工螺紋、鉸孔、精鏜等輕負荷工作，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機的全部功率。如果按最低轉速計算，勢必造成各傳動件較粗大，具備過大的強度儲備，這是不經(jīng)濟和不必要的。
由此可知，通用機床主傳動系統(tǒng)只是從某轉速開始才有可能使用電動機的全部功率。這一傳遞全部功率的最低轉速稱為該傳動件的計算轉速(nj)。
計算轉速的確定對各種機床是不同的,表5列出各類機床主軸的計算轉速,表中的公式為經(jīng)驗公式.
至于中間傳動件(包括軸上的傳動件)的計算轉速，也是按照上述原則，取主軸傳遞全部功率時，各中間傳動件相應轉速中最低的一級轉速作為中間傳動件的計算轉速，即各個中間傳動軸和齒輪副的計算轉速，同樣應是各自傳遞全部功率的最低轉速。
4.3.1 主軸的計算轉速
由表5可知,主軸的計算轉速是低速第一個三分之一變速范圍的最高一級轉速,即nj=1600r/min.
4.3.2 各傳動軸的計算轉速
軸III有四級轉速,其最低轉速1000r/min通過雙聯(lián)齒輪使主軸獲得兩級轉速:1250r/min和2000r/min.2000r/min比主軸的計算轉速高,需傳遞全部功率,故軸III的1000r/min轉速也應能傳遞全部功率,是計算轉速.軸II有兩級轉速,其最低轉速1250r/min通過雙聯(lián)齒輪使軸III獲得兩極轉速:1000r/min和1250r/min均需傳遞全部功率,故軸II的1250r/min轉速也應能傳遞全部功率,是計算轉速.軸I上有一級轉速1250r/min應傳遞全部功率,是計算轉速.
4.3.3 各齒輪的計算轉速
各變速組內(nèi)一般只計算組內(nèi)最小的,也是強度最薄弱的齒輪,故也只需確定最小齒輪的計算轉速.
軸III----IV間的變速組的最小齒輪是z=31,經(jīng)該齒輪傳動,使主軸獲得4級轉速:1800,2000,2240和2800r/min.主軸的計算轉速是1600r/min,故z=31齒輪在2000r/min時應傳遞全部功率,是計算轉速.軸II----III間的變速組的最小齒輪是z=38,經(jīng)該齒輪傳動,使軸III獲得兩級轉速:1000和1250r/min.軸III的計算轉速是1000r/min,故z=38齒輪在1250r/min時應傳遞全部功率,是計
算抓轉速.軸I----II間的變速組的最小齒輪是z=33,經(jīng)該齒輪傳動,使軸II獲得轉速是1400r/min,軸II的計算轉速是1250r/min,故z=33齒輪在1400r/min時應傳遞全 部功率,是計算轉速.。
表5各類機床的主軸計算轉速
5.傳動零件的初步計算
5.1 傳動軸直徑初定
用公式計算軸的直徑
式中:d------傳動軸的直徑,mm;
N------傳動軸所傳動的功率,KW;
nj------傳動軸的計算轉速,r/min;
.該軸允許的扭轉角[deg/m],取.
所以
圓整得
圓整得
圓整得
5.2 主軸主要結構參數(shù)的確定
主軸的主要結構參數(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.。很多機床的主軸是空心的，內(nèi)孔直徑與其1用途有關。如車床內(nèi)孔用來通過棒料或安裝送夾料機構，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)計算和齒輪中心距的計算
5.3.1 利用齒輪的彎曲強度公式計算
式中 -----計算的齒輪模數(shù)；
i---------計算齒輪的傳動比；
電機的功率，kw；
-----齒寬系數(shù)，=B/m(B為齒寬;m為模數(shù))一般取=6~10；
-----計算齒輪的齒數(shù)；
------許用接觸應力[mpa]，取=1100MPa；
----齒輪的計算轉速，r/min。
圓整模數(shù)：m1=2mm，m2=3mm，m3=3.5mm。
5.3.2 各傳動副間的中心距：
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 皮帶的相關計算
5.4.1 確定計算功率
計算功率是根據(jù)傳動的功率p，并考慮到載荷性質和每天運轉時間長短等因素的影響而定的。即
=kp
式中：------計算功率，單位為kw；
p-------傳動的額定功率（例如電動機的額定功率），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：反復起動、正反轉頻繁、工作條件惡劣等場合，k應乘1.2。
根據(jù)機床的工作情況取k=1.1。
則 =kp=1.1*4=4.4kw
5.4.2 選擇帶型
根據(jù)計算功率和小帶輪轉速n1由圖1—5選定帶型
計算功率=4.4kw，小帶輪轉速n1=1440r/min。查表得選擇A型皮帶。
5.4.3 初選小帶輪的基準直徑
根據(jù)v帶截型，參考文獻[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 計算帶輪的轉速v
圖1—5普通v帶選型圖
對普通v帶。一般。同時，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和帶的基準長度
根據(jù)傳動的結構需要初定中心距a0，取
中心距a0為：
a0=1.5（+D）=1.5*（100+115）=323vmm
a0取定后，根據(jù)帶傳動的幾何關系，按下式計算所需帶的基準長度：
=2*323+3.14/2*（100+115）+（115-100）（115-100）/4*323=983.7mm
根據(jù)，有文獻[2]中表8—2中選取=1000mm
采用下式作近似計算a，即
所以=323+（1000-983.7）/2=331.2mm
5.4.6 驗算小帶輪上的包角
根據(jù)對包角的要求，應保證
即=180-（115-100）/331.2*57.5=177>120
5.4.7確定帶的根數(shù)z
式中：考慮包角不同時的影響系數(shù)，簡稱包角系數(shù)，查文獻[2]表8—8；
考慮帶的長度不同時的影響系數(shù)，簡稱長度系數(shù)，查文獻[2]中 表8—2；
單根v帶的基本額定功率，查文獻[2]表8—5a或8—5c；
計入傳動比的影響時，單根v帶額定功率的增量（因p0是按a=180，即d1=d2的條件計算的，而當傳動比越大時，從動輪直徑就越比主動輪直徑大，帶繞上從動輪時的彎曲應力就越比繞上主動輪時的小，故其傳動能力既有提高），其值見文獻表8—5b或8—5d。
查文獻中表8—8，8—2，8—5得。kw。
所以 根。
6.主要零件的驗算
6.1 齒輪的強度驗算
變速箱中的齒輪,不必都作強度驗算。可在相同模數(shù)和材料的齒輪中，選取一個承受載荷最大并且齒數(shù)最小的齒輪，驗算它的接觸和彎曲疲勞強度。一般說來，對高速傳動齒輪以驗算接觸強度為主，對低速傳動齒輪主要考慮其彎曲強度，對硬齒面軟齒芯的滲碳淬火齒輪，必須驗算其彎曲疲勞強度。由圖1—3轉速圖可知該機床變速組內(nèi)的齒輪都是高速傳動，故按接觸疲勞計算齒輪模數(shù)：
式中：齒輪所傳遞的額定功率[kw]，
電動機功率；
從電動機到所計算齒輪的傳動效率；
小齒輪齒數(shù)；
齒輪對的傳動比，，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)），通常取；
齒輪的計算轉速[r/min]；
工作狀況系數(shù)，考慮載荷沖擊的影響：
沖擊性機床（如刨床、插床）
主運動（中等沖擊） ；
輔助傳動（輕微沖擊） ；
動載荷系數(shù)；
齒向載荷分布系數(shù)；
許用接觸應力，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 主軸的驗算
6.2.1主軸的強度驗算
機床變速箱中的傳動軸，受到裝在軸上的主、被動齒輪的圓周力、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，所以傳動軸應按彎
表8 直齒圓柱齒輪的動載荷系數(shù)
精度等級
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)
圓柱齒輪對稱布置與兩軸承之間
齒輪非對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
——
——
——
矩和扭矩合成的強度條件進行驗算。
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]