卧式刀具回转式数控内排削机床.docx
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卧式刀具回转式数控内排削机床
卧式刀具回转式数控内排屑深孔钻床设计
摘要:
在生产实践中,对于深孔加工的问题,我们经常会遇到。
一般加工中,规定孔深与孔径之比大于5即为深孔加工,其他的叫做浅孔。
深孔加工是一个相对复杂的钻削过程,随着孔深和孔径比的加深,加工难度也逐渐增加。
通常深孔加工系统分为单管深孔钻削(BTA),喷吸钻,枪钻。
这些系统的主要区别在于冷却液到达钻削区的方式。
这次设计目的主要针对卧式刀具回转式数控内排屑深孔钻床进行设计,设计中首先进行设计目的的认识,分析,然后了解并介绍国内外的发展现状,其次查阅相关资料,对钻床的原理,工作特点,工作要求等进行详细的说明,最后,根据课题要求,以及结合所查阅资料,决定采用BTA深孔钻削系统,首先能够得到的质量高孔,然后不但可以用于钻孔,同样可以用于扩孔。
工作台则按照要求采用三坐标工作台,保证高效的同时,增大了机床加工范围,可以生产多种产品。
钻杆主轴箱支撑和钻床进给系统需要进行详细说明,合理选择主动电机和同步带,丝杠,轴承等机床主要部件还要强度分析,校核。
本次深孔机床设计结构简单,使用先进的控制技术,能够加工多种深孔产品。
关键词:
深孔加工;内排屑;三坐标工作台;BTA系统。
ThedesignofcuttingtoolinhorizontalrotaryCNCdeepholedrillingmachine
Abstract:
Inpractice,deepholemachiningisacommonproblemthatmachiningoftenhastoface.Typically,theholedepthtodiameterratioexceeds5isknownasdeep-holedrilling,andtheothersnamedshallowhole.Deep-holedrillingisarelativelycomplexdrillingproductionprocessDuetoincreaseddepthtodiameterratio,Theprocessaremoredifficult.Themaintypesofdeep-holedrillingprocessincludesingle-tubesystemalsoknownasboringandtrepanningassociation(BTA),double-tubesystem,orejector-typeandgundrillings.Allofthesedeep-holedrillingmethodsdifferinthewaythecoolantissuppliedtothecuttingedgeofthedrillbit.
ThedesignismainlyforThedesignofcuttingtoolinhorizontalrotaryCNCdeepholedrillingmachine.Inthedesign,firstly,theauthorrespectivelyintroducesthepurposeofthispaper,thebackground,andthedevelopmentathomeandabroad,Secondly,theauthorprovidesadetaileddescriptionofworkingprincipleandworkcharacteristicsofthedeepholedrillingmachine.Finally,accordingtotheprojectrequirement,combinedwiththedataavailable,authordecidedtousetheBTAsystemwhichcangethighqualityhole,andcandrillingaswellaschamberinghole.Thisdesignadoptthreecoordinateworkbenchasrequested,whichensureefficiency,expandthemachiningrange,havingabilitytoproduceavarietyofproduct,ThedesignmakesadetailedanalysisofBTAsystem,thesupportofdrillspindlebox,aswellasfeedingsystemofthedrillprocess,makingareasonablechoiceforthemotorandthesynchronousbeltdriveandalsomakinganintensityanalysisandcheckingofthemaincomponentsofthemachine.
ThedesignoftheCNCdeepholedrillingmachinehasasimplestructure,usingadvancedcontroltechnology,whichcanprocessvarieskindsofdeepholeproduct.
Keywords:
deepholeprocessing;Internalchipremoval;three-coordinateworkbench;BTAsystem.
目录
1绪论1
1.1本课题的背景及研究目的1
1.2国内外研究现状1
1.3深孔加工的发展趋势2
1.4课题的研究方法3
2深孔加工系统的类型及选择4
2.1深孔加工的类型及特点4
2.2本次设计内排屑BTA系统的特点5
3卧式刀具回转式数控内排屑深孔钻床总体方案设计7
3.1总体方案的设计7
3.2深孔钻床钻削系统的设计8
3.3主电机的选择9
3.4主轴箱轴承的选用及校核11
3.5带传动的设计15
4进给系统的设计19
4.1进给系统的组成19
4.2滚珠丝杠副计算19
4.3进给系统电动机的选择24
4.4联轴器的选择26
4.5导轨的选择28
5工件支撑装置的设计30
5.1工作台的结构设计30
5.2工作台工作原理简述30
结论32
参考文献33
致谢35
1绪论
1.1本课题的背景及研究目的
深孔的加工是我们在从事机械加工过程中经常所要面对的难题。
深孔钻削在航空航天,石油,及新能源等支柱行业都有着非常广泛的运用,这就导致了我们不得不去面对,去解决这一难题。
而且深孔加工难度高、加工工作量大,是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、加工效率,还是刀具的耐用度都提出了更高的要求。
因此,深孔加工的研究已成为机械加工行业非常关注的问题。
数控钻床是数字控制的以钻削为主的孔加工机床。
数控钻床按其布局形式及功能特点可划分为数控立式钻床、钻削中心、印刷线路板数控钻床、数控深孔钻床及其它大型数控钻床等。
可完成钻、扩、绞、攻丝等多道工序,适用于孔间距离有一定精度要求的零件的生产。
其中数控深孔钻床是数控钻床中最为常见的一种。
本次课题主要讨论数控深孔钻床。
深孔钻床是深孔钻镗床的简称。
它广泛地在纺织机械、石油机械、印刷机械、包装机械、医疗器械、航空航天、汽车拖拉机、橡塑模具以及发电机制造、机床制造等行业有关零件的深孔加工得到应用。
随着科学技术的发展,制造技术的进步,以及社会对产品质量和品种多样化的要求越来越强烈。
中、小批量生产的比重明显增加,要求现代数控机床成为一种具有柔性、精密、高效、复合、集成功能和低成本的自动化加工设备。
因此数控深孔钻床也随着深孔加工技术的发展而不断更新换代,以便去适应更新型材料,更高精度的去加工。
1.2国内外研究现状
传统的深内孔加工方法有枪钻,内排屑法钻深孔,喷钻法和套料法四种,内排屑深孔钻是深孔加工中应用最为广泛的方式之一。
与外排屑深孔钻(枪钻)的工作原理不同的是:
高压油经输油装置由钻杆与孔壁间隙处输到切削区,再从钻杆的内孔中同切屑一起排出。
因此相对于枪钻便有了加工表面好,生产效率高等优势。
目前世界上利用外排屑(如枪钻)深孔钻削技术,可钻削的孔直径可以小到直径2mm,而内排屑深孔钻钻削的孔直径很少有小于16mm的,采用传统的钻削系统。
由于枪钻结构为不对称形状,质心偏离中轴,这给制造、重磨都带来一定的困难,也使造价增高。
在第二次世界大战前和战争期间,由于战争的需要,枪钻已不能满足高生产率的要求,在1943年,德国海勒公司研制出比斯涅尔加工系统(即我国常称的内排屑深孔钻削系统)。
战后,英国的维克曼公司、瑞典的卡尔斯德特公司、德国的海勒公司、美国的孔加工协会、法国的现代设备商会等联合组成了深孔加工国际孔加工协会,简称BTA协会。
经过他们的努力,这种特殊的加工方法又有了新的进展,并被定名为BTA法,在世界各国普遍应用。
后来瑞典的山特维克公司首先设计出可转为深孔钻及分屑多刃错齿深孔钻,使BTA法又有了新的飞跃。
BTA法存在着切削液压力过高,密封困难等缺点,为了克服这些不足,1963年山特维克公司发明了喷吸钻法。
它有利于密封,但系统刚性和加工精度要略低于BTA法。
20世纪70年代中期,由日本冶金股份有限公司研制出了一种DF法为单管双进油装置,它是把BTA法与喷吸钻法两者优点结合起来的一种加工方法,用于生产后得到了满意的结果,目前广泛应用于中、小直径内排屑深孔钻削。
由于我国制造业的迅速发展,深孔加工技术在我国也得到了广泛的应用。
20世纪50年代群钻的研制成功,使钻孔效率大为提高。
1958年BTA钻头在我国开始使用,在此之后,70年代初,我国开始研制喷吸钻,到1978年,喷吸钻已在我国设计完成并于1979年正式用于生产,现广泛用于中、小直径内排屑深孔钻削。
国内几家重型机器制造厂相继研制和采用了深孔套料钻,已成功地加工出12m长的发电转子内孔。
西安石油大学于1989年成功的将喷吸效应原理应用到外排屑枪钻系统,使枪钻的加工性能大大提高;1994年又研制成功多尖齿内排屑深孔钻,使深孔钻削的稳定性和耐用度大大提高。
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,成功地采用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,使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深孔加工的发展趋势
(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。
1.4课题的研究方法
本次毕业设计是在我们大学四年学完了机械原理,机械设计,机电一体化、机械制造工程学、深孔加工技术、几何量公差与监测、工程材料及机械制造基础等学科后,以及经过几次的课程设计所积累的经验,从所学的课本上知识的集成及几次课程设计累计的经验入手,通过参观学习,实地考察,分解零部件,综合分析等方法,加之阅读大量相关文献资料,教材及新闻背景资料(包括机械设计的原理及方法,质量管理应用,齿轮箱设计现有技术水准,国际水平探讨方面的书籍、报刊),从而了解更为可靠的内容,了解最为前沿的发展趋势,以及质量管理的概况和齿轮故障模拟领域的基本知识体系。
然后通过进一步的调研,去了解企业现状及需求,以及社会供求比。
接下来进行分析与设计。
在确定数据来源的真实准确的前提下,在老师的指点下完成了卧式刀具回转式数控内排屑深孔钻床的总体设计。
2深孔加工系统的类型及选择
2.1深孔加工的类型及特点
2.1.1深孔加工的分类
(1)按运动形式分类:
①工件旋转,刀具作进给运动;
②工件不动,刀具旋转又作进给运动;
③工件旋转,刀具也作相反方向旋转又作进给运动;
④工件作旋转运动与进给运动,刀具不动,这种形式采用不多。
(2)按排屑方法分类:
①外排屑:
切屑从刀杆外部排出;
②内排屑:
切屑从刀杆内部排出,切削液从钻杆外部进入。
2.1.2深孔加工的特点
深孔加工是处于封闭或半封闭状态下进行的,故具有以下特点:
(1)不能直接观察到刀具的切削情况。
目前只能凭经验,通过听声音、看切屑观察机床负荷及压力表、触摸振动等外观现象来判断切削过程是否正常。
(2)切削热不易传散。
一般切削过程中80%的切削热被切屑带走,而深孔钻削只有40%,刀具占切削液的比例较大,扩散迟、易过热,刃口的切削温度可达600度,必须采用强制有效的冷却方式。
(3)切屑不容易排出。
由于孔深,切屑经过的路线长,容易发生阻塞,造成钻头崩刃。
因此,切屑的长短和形状要加以控制,并要进行强制性排屑。
(4)工艺系统刚性差。
因受孔径尺寸限制,孔的长径比较大,钻杆细而长,刚性差,容易产生振动,钻孔易走偏,因而支承导向极为重要。
2.1.3深孔加工中要解决的主要问题
根据深孔加工的特点,在设计深孔加工刀具和深孔加工系统时,应注意和解以下问题。
1)冷却、润滑与排屑
由于深孔加工切削热不容易排散,切屑不容易排出,因此必须采用强制冷却和强制排屑的措施。
目前用高压将切削液通过钻杆的外部或内部直接送到切削区,起到冷却和润滑的作用后,将切屑由钻杆内部或外部排出,达到强制冷却和排屑的目的。
2)切屑的处理
深孔加工的排屑是十分重要的问题,尤其是小直径深孔及内排屑套料钻(环孔钻),排屑空间很小,排屑条件更为恶劣。
排屑问题从切削过程来看,与分屑,卷屑和断屑三方面密切联系。
切屑的宽窄、卷曲的形状、切屑的长短,都直接影响到排屑情况。
深孔钻削要求切屑的形成应具有适当的切屑容屑系数R:
切削容屑系数R是切屑容积Vq与所切除金属体积Vj之比值,即R=Vq/Vj。
根据统计资料,各种形状的切屑的切屑容屑系数R的数值范围是不同的。
一般,带直长屑的R为300-400;带状乱散屑R值为100-300;螺卷长屑的R值为50-100;螺卷短屑的R值为30-50;半环屑状R值为15-30。
切屑容屑系数R的大小影响到切屑在工作场地所占用的存放空间,特别是影响到切屑的排出的顺利程度和操作的安全性。
从深孔加工的实际情况来看,一般情况下,对于内排屑深孔钻,当R小于50时可以得到顺利排屑。
单刃外排屑深孔钻、套料钻由于排屑孔和通道很小,则要求切屑容屑系数更小一些,即R小于10。
降低切屑容屑系数R通常分屑和断屑措施,并因使切削过程稳定,避免出现切屑形状突然变化和无规律状态。
由于孔深的长径比大,钻杆细而长,刚性较低,易产生振动,并使钻孔偏歪而影响加工精度和生产效率,因此深孔加工的导向问题要和好的解决。
目前,在设计深孔刀具时,都是以两个导向块和一个副切削刃的结构确定其径向尺寸,这样刀具可以在工件孔内三点定圆,自行导向,解决了因钻杆刚性不足,钻孔走偏的问题。
另外在刀具切入时,还需要有导向装置和辅助支撑。
以上的问题,构成了深孔加工技术的核心,所用的道具、装置和设备,构成了深孔加工系统。
所以深孔加工技术可定义为:
使用一定压力的冷却润滑液及排屑系统,采用导向良好的深孔刀具,机床和附加装置,来达到高效、高精度的加工深孔的目的。
2.2本次设计内排屑BTA系统的设计特点
BTA系统属于内排屑方式,其结构如图2-2所示,由支撑架,授油器,钻杆联接器和冷却润滑系统组成。
BTA系统中的授油器出了具备导向扶正功能以外,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的表面之间的环形空间进入,到达刀具头部进行冷却润滑,并将切削经钻杆内部推出。
该系统使用范围广泛,适用于深孔钻削,镗削,铰削和套料,但受钻杆内孔排屑空间的限制,主要用于直径大于12mm的深孔加工。
因为BTA系统的工作原理,高压油经输油装置有钻杆与孔壁间隙处输入到切削区,再从钻杆的内孔中同切屑一起排出,所以加工具有以下特点:
图2-1BTA系统
(1)钻杆为圆心截面,可以传递较大扭矩,可以采用较大进给量钻削,生产效率高。
(2)由于排屑空间大,相应的冷却液压力比枪钻小,对密封和供油系统要求比枪钻低。
(3)加工范围广,可用于较大,也可用于较小孔径加工。
(4)可以用于钻孔,也可以用于扩孔
(5)切削从钻杆内部排出,切削不会划伤已加工表面,加工孔质量高。
3卧式刀具回转式数控内排屑深孔钻床总体方案设计
3.1总体方案的设计
卧式刀具回转式数控内排屑深孔钻床主要有机床和冷却排屑系统两大系统组成。
机床部分由钻削系统和进给系统两部分组成,包括授油器、主轴箱、滚珠丝杠和电机及数控系统。
冷却排屑系统有冷却系统及排屑系统两部分。
数控深孔钻床总体布局图如3-1图所示:
图3-1数控深孔钻床总体图
1-工作台;2-授油器;3-数控控制系统;4-钻杆;5-机床床身;6-钻杆支撑架;7-主轴箱;8-主电机;9-进给伺服电机;10-排屑器;11-纸虑;12-油箱;13-配电箱;14-直线导轨
其工作原理:
工件由夹紧装置固定在工作台上。
支撑架对钻杆起支撑,扶正的作用;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;主轴箱主要传递扭矩。
加工时,切削液从授油器进入,并从钻杆外壁与以加工孔表面之间的环形空间达到钻头头部,并将切屑从钻杆内部推出;主轴带动钻头旋转并做进给运动,工件固定不动。
机床各个部件的主要功能:
1授油器:
一是将切削液输送到切削区冷却和润滑刀具;二是在钻头切入工件前,为钻头提供导向作用;三是为刀杆提供支承。
工作时,高压切削液进入授油器芯后,从钻杆与导向套间的间隙进入切削区,将切削从钻杆内冲出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。
2支撑架:
是起支承和扶正旋转的工件的作用。
3主轴箱:
主要传递扭矩的作用。
3.2深孔钻床钻削系统的设计
3.2.1授油器的结构原理
授油器的功用是正确引导钻头并向切屑区供给高速冷却液。
授油器一般分为不旋转式授油器和旋转式授油器两种。
a.不旋转授油器
如图3-2所示不旋转式授油器是由支架1,前密封圈2,导向套3,伸缩轴4,手轮5,支承螺母6和后密封圈7,等组成。
支架1可沿机床导轨移动并固紧。
钻孔时,旋转手轮5使伸缩轴4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3形成的环形缝隙进入切削区,冷却润滑钻头。
后密封圈6是为了防止压力油从钻杆漏出而设置的。
钻头进入工件时,由导向套3引导稳定钻削,当导向套3磨损后需及时更换。
这种授油器主要用于刀具旋转的深孔加工方式。
图3-2不旋转式授油器图3-3旋转式授油器
b.旋转式授油器
如图3-3所示,主要用于工件旋转或工件旋转或工件与刀具同时旋转的钻削方式,是最常用的一种授油器,该授油器在头部增加一个旋转部分,使导向套与工件同时转动,可以提高道具入钻时的导向精度。
主要由支架﹑导向套﹑授油器芯﹑手柄﹑轴承构成。
工作原理:
支架可沿机床导轨移动并紧固,钻孔时旋转手柄使导向套靠向工件表面,将前密封圈贴紧于工件表面上,导向套与工件同时转动,压力油通过加长接口进入,经由钻头体与导向套形成的环行缝隙进入切削区,冷却润滑钻头。
密封圈是为了防止压力油从钻杆漏出而设置的,钻头进入工件时,由导向套引起稳定钻削,当导向套磨损后需及时更换。
本次设计采用刀具回转并做进给运动,工件固定不动的加工方式。
因此选择不旋转式授油器进行设计。
3.2.2授油器结构设计
如图3-4为内排屑授油器,它是由机架1,导向套2,密封圈3,垫圈4,心轴5,油嘴6,防转螺钉7,内六角螺钉8,卡环9,法兰10,手柄11,密封衬套12等组成。
图3-4授油器内部结构图
其中加力手柄转动通过螺纹传动使得心轴靠近工件表面,冷却液由油管接口进入心轴,并通过钻头体和导向套之间的环形缝隙进入切削区,冷却和润滑钻头。
密封压套上的“O”型密封圈是为了防止冷却液向后流出而设计的。
内衬套和密封压套是通过压套压紧和定位的。
心轴前端的密封圈是为了防止冷却液向外泄露而设计的。
钻头进入工件时,导向套引导稳定钻削。
连接板将授油器与溜板连接。
由于该授油器是不旋转式的,所以不存在轴承的设计。
(3-1)
3.3主电机的选择
主电机选用变频电机,直接和主轴通过同步带连接,实现无级调速。
因为对普通异步电动机来说,在设计时主要考虑的性能参数是过载能力、启动性能、效率和功率因数。
而变频电动机,由于临界转差率反比于电源频率,可以在临界转差率接近1时直接启动,因此,过载能力和启动性能不在需要过多考虑。
变频电机的调速和控制,是当今世界范围内各类机械设备所依赖的动力基础技术之一。
已经广发应用于各类机床中,提高了机床的自动化程度。
3.3.1主轴功率的确定
钻削计算公式
,加工材料为灰铸铁,刀具材料为硬质合金,
=42、
=30mm、
=0.2mm/r、
=1.2、
=0.75、
=1,所以钻削轴向力为:
=9.81×42
301.2
0.20.75
1=7298.55N(3-2)
式中
---轴向切削力,单位为N;
---钻孔直径,单位为mm;
---进给量,单位为mm;
---修正系数;
、
---分别为进给量
和钻孔直径
的指数。
转矩M:
M=CMd0zMfyMkM=0.117
302.2
0.20.8
1=58.2Nm(3-3)
式中
---钻孔直径,单位为mm;
---进给量,单位为mm;
CM---修正系数;
zM、yM---分别为进给量
和钻孔直径
的指数。
钻削功率:
P=Mv/(30d0)=58.2
80/(30×30)=5.17kW(3-4)
式中v---切削速度,单位为m/min。
3.3.2电机的选择
由以上计算的功率,我们可以选择所需要的电机,这里选用YPNC-50-5.5-B变频电机,所选电机为底脚安装式,额定功率5.5KW,额定转矩为36Nm,额定惯量为0.0215kg/m,净重75kg,其各项系数参照表3-1。
表3-1电机型号表
YPNC系列主轴专用电机是结合诸多机床领域实际运行工况候进一步设计研发而成,根据使用场合分成低惯量A系列和强过载B系列两种规格,为数控机床及特殊的主轴驱动行业提供更优质的传动力,配合变频器后具有较宽的调速范围,低速性能、高速性能较普通专用电机更优越,外形美观大方,是机床
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