1、第页 共页目录1 绪 论 .11.1 课题研究的目的和意义 .11.2 深孔加工发展概况 .21.3 深孔加工的类型及特点 .31.3.1 深孔加工的分类 .31.3.2 常用深孔加工系统简介 .41.4 深孔加工机床的特点 .62 设计机床的步骤 .62.1 机床的选择 .72.1.1 机床主要技术参数的确定 .102.2 主传动的功用、主要组成部分、设计要求： .122.3 主传动方案内容 .122.3.1 主传动布局方式 .132.3.2 主传动变速方式 .132.4 进给传动系统 .152.4.1 进给传动系统的特点 .152.4.2 进给驱动电动机功率的确定 .162.4.3 直线运
2、动机构 .162.5 支承件的功用及基本要求 .202.6 导轨的功用、分类及基本要求 .292.6.1 滑动导轨 .312.6.2 导轨的间隙调整装置 .363 机床的优缺点和经济分析 .384 结论 .38参考文献 .39致 谢 .411 绪 论第页 共页1.1 课题研究的目的和意义金属切削机床(以下简称机床)是用刀具或磨具对金属工件进行切削加工的机器。在一般机械制造厂中，机床约占机器设备总台数的50-70。现代化工业生产的特征主要表现在高生产率和先进的技术经济指标两方面，而这些则首先取决于机械制造工业提供的装备的技术水平。机床工业是机器制造业的重要部门，担负着为农业、工业、科学技术和国防
3、现代化提供技术装备的任务，在整个国民经济中占有重要地位。一个国家机床工业的技术水平、机床的拥有量和现代化程度，是衡量这个国家工业生产能力和技术水平的重要标志之一。制造业中，通常将长径比超过 5 的圆柱孔称为“深孔” ，具有深孔的零件称为“深孔零件” ，对加工深孔零件为主体的机械装备称为“深孔类装备” ，对专门用于加工的装备则称为“深孔加工装备” 1。80 年代以来，国内机床工业水平提高较快，相对而言，深孔机床发展相对滞后，在设计水平、品种、精度和专业化程度等方面与欧、美、日本还有相当大的差距。数控深孔钻床到 80 年代末才出现，而用于加工固定工件的深孔钻床还是空白点 2。面对深孔装备和深孔零件
4、的广泛应用，制造业对深孔加工技术的需求呈直线上升趋势。一方面，大批老国有企业由于缺少先进的深孔加工技术，自身原有的大批深孔机床长期处于闲置状态；另一方面，又有大批新兴中小型企业因不具备深孔加工手段，导致其新装备的开发面临重重阻力。判断某种制造技术发展速度的最具说服力的标准，莫过于其装备的性能价格比和市场占有率。自从 20 世纪 60 年代以来国 际深孔刀具、深孔机床市场一直为欧洲、日本少数公司所垄断，其价位数十年高居不下。即使在欧美装备市场上，深孔刀具和机床在机床工具类产品也属于最昂贵的品种。一台枪钻机床的平均价格高达 20 万美元以上，一支枪钻、BTA 钻的平均价格也高达上百至数百美元。对于
5、像我国这样的发展中国家，绝大多数企业“既买不起也用不起” ，只能望洋兴叹，转而采用相对；落后和成本教低的技术手段去应对新装备的开发。这就使新型深孔加工技术与装备的发展成为我国制造业高速发展中必须加以克服的环节 3。本课题的研究正是基于此情况下进行的，深孔加工机床的设计，可以在实际的环境中激发我们的动手动能力，使我们积极思考，把所学到的知识融会贯通，从对深孔机床的理性认识上升到感性认识，提高我们在深孔加工装备方面的设计能力，为以后的工作打下坚实的基础，为我国深孔加工机床制造业的发展贡献自己的一份力量。1.2 深孔加工发展概况 最早用于加工金属的深孔钻头是扁钻，它发明于 18 世纪初。1860 年
6、美国人对扁钻做了改进，发明了麻花钻，在钻孔领域迈出了重要的一步。但用麻花钻钻深第页 共页孔时，不便于冷却与排屑，生产效率很低。随着枪炮生产的迅速发展，在 20 世纪初期，德、英、美等国家的军事工业部门先后发明了单刃钻孔工具，因用于加工枪孔而得名枪钻。枪钻也称为月牙钻、单刃钻及外排屑深孔钻。枪钻钻杆为非对称形，故扭转强度差，只能传递有限扭矩，适用于小孔零件加工生产，效率较低。在第一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效率的要求。在 1943 年，德国海勒公司研制出毕斯涅耳加工系统(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
7、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发展，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位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较高，密封困难等缺点。为克服这些不足，1963 年山特维克公司发明了喷吸钻法。这是一种巧妙应用喷吸效应的方法，可以采用较低的切削液压力，使切屑在推、吸效应下容易排出，有利于系统的密封。但是喷吸钻法本身也有缺点，它使用两根钻管，使排屑空间受到限制，加工孔径一般不能小于 18mm。由于特殊的
8、切削液供给方式，缺乏了 BTA 法中切削液对钻杆振动的抑制作用，刀杆易擦伤，其系统刚性和加工精度要低于 BTA 法。20 世纪 70 年代中期，由日本冶金股份有限公司研制出的 DF(Double Feeder)法为单管双进油装置，它是把 BTA 法与喷吸钻法两者的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。由于我国机械制造业的迅速发展，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，我国开始研制和推广喷吸钻，到 1978 年 DF
9、 法已在我国设计完成并于 1979 年正式用于生产，现广泛应用于中、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 长的发电机转子内孔。西安石油大学于 1989 年成功地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第页 共页屑深孔钻，使深孔钻削的稳定性和耐用度大大提高。 1.3 深孔加工的类型及特点1.3.1 深孔加工的分类深孔加工可分为一般深孔加工(钻、镗、铰等)、精密深孔加工和电深孔加工（电火花、电解等） 。1按加工方式分类：a) 实心钻孔法：毛坯无孔，采用钻削加工出孔的方法。b) 镗孔法：已
10、有孔，为提高孔的精度和降低孔表面粗极度采用的方法。c) 套料钻孔法：用空心钻头钻孔，加工后毛坯中心残存一根芯棒的方法。2按运动形式分类：a) 工件旋转，刀具作进给运动。b) 工件不动，刀具旋转又作进给运动。c) 工件旋转，刀具也作相反方向旋转又作进给运动。d) 工件作旋转运动与进治运动，刀具不动，这种形式采用不多。3按排屑方法分类：a) 外排屑：切屑从刀杆外部排出。外排屑又可分为两种方式。b) 前排屑：切屑沿孔中待加工表面向前排出，切削液从钻杆内，或从钻杆外，或从杆内外同时进入。c) 后排屑：切屑沿刀杆外部向后排出，切削液从钻杆内部进入。d) 内排屑：切屑从刀杆内部排出，切削液从钻杆外部进入。
11、4按加工系统(冷却、排屑系统)分类：a) 枪钻系统。b) BTA 系统。c) 喷吸钻系统。d) DF 系统。1.3.2 常用深孔加工系统简介深孔加工系统是以深孔加工中所用的冷却、排屑装置来分类的。目前，国内、外常用的深孔加工系统有枪钻系统、BTA 系统、喷吸钻系统和 DF 系统。这些系统第页 共页除用于与之对应的钻头进行钻削外，亦可以用于其它深孔刀具切削加工，如深孔镗削、钻削和珩磨等。1.枪钻系统枪钻系统属于外排屑方式，主要由中心架、扶正器、钻杆联结器和冷却润滑油路系统组成。其中中心架辅助机床卡盘用于装夹工件；扶正器主要用于钻头入钻时导向，并提供向外排屑的通道；尾架用于夹持钻头柄部，支承钻削扭
12、矩和轴向力。枪钻系统的工作原理是：切削液通过尾架上输油人口进入钻杆内部，到达钻头头部进行冷却润滑，并将切除的切屑从钻头外部的 V 型槽中排出。由于切屑由钻头和钻杆外部排出，容易擦伤已加工孔表面，其加工质量要低于内排屑方式的系统。该系统主要用于小直径(一般 20mm深孔加工)。2.BTA 系统BTA 系统属于内排屑方式。主要由中心架、授油器、钻杆联结器和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用外，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
13、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。3.喷吸钻系统喷吸钻系统主要用于内排屑深孔钻削加工。喷吸钻系统利用了流体力学的喷射效应的原理，当高压流体经过一个狭小的通道喷嘴高速喷射时。在这般喷射流的周围形成低压区，可将喷嘴附近的流体吸走。其工作原理是：切削液在一定压力作用下，由联结器上输油口进人，其中 23 的切削液向前进人内、外钻杆之间的环形空间，通过钻头柄部上的小孔流向切削区。对切削部分、导向部分进行冷却与润滑。并将切屑推入内钻杆内腔向后排出；另外 13 的切削液，由内钻杆上月牙状喷嘴高速喷入内钻
14、杆后部，在内钻杆内腔形成一个低压区，对切削区排出的切削液和切屑产生向后的抽吸，在推、吸双重作用下，促使切屑迅速向外排出。因此，在喷吸钻钻孔时，切削液压力低而稳定，不易外泄，排屑顺畅，降低了钻削系统的密封要求，保证了钻削加工可以在较大的切削用量下进行。第页 共页喷吸钻系统由中心架、扶正器、内钻杆、外钻杆及冷却润滑系统等组成。由于有内管，喷吸钻加工最小直径范围受到限制。一般不能小于 18mm。4.DF 系统DF 为英文 Double Feeder 的缩写，原意为双进油装置，是 20 世纪 70 年代中期日本冶金有限股份公司研制出来的。它并非独创，而是将 BTA 方法推出切屑与喷吸钻吸出切屑的力法相
15、结合，仅用一个钻杆完成推、吸双重作用。它同时具备了 BTA 系统和喷吸钻系统的优点，并克服不足，使钻削直径范围增大(最小直径可达 6mm)，密封压力减小，加工精度和效率提高。DF 系统需要把切削液分成两条路线分别供给授油器和联结器。其工作原理是：约 23 的切削液向 BTA 系统一样由授油器进入。并从钻杆外壁和已加工孔表面之间的环形空间到达钻头头部，并将切屑从钻杆内部推出；另外 1/3 的切削液直接从钻杆联结器的负压装置进入钻杆内腔，产生一定的负压，将切削区的切削液和切屑向后抽吸，促使切屑顺利排出。1.4 深孔加工机床的特点深孔加工机床是深孔刀具和深孔技术的载体。全套深孔机床可以认为是由专用、
16、和通用两种零部件系统组成。所谓专用零件系统，是指那些只与具体采用的深孔刀具和深孔加工技术特点直接相关的零件系统。例如枪钻机床的排屑装置、进给刀座；双管喷吸钻、DF 系统、SIDE 系统的抽屑器和输油器，以及专用的导向和密封件。属于深孔机床的通用零件系统的有床身、主传动系统、进给系统、进给机构、液压系统及通用功能附件、电机等，可以根据深孔机床的特定需要，按照通用机床的设计、制造方式进行生产或委托生产，再与专用的系统进行组装和调试，最后成为不同规格的深孔机床。用于内、外排屑的深孔加工机床，都可以按照工件旋转、刀具旋转、工件与刀具相对旋转三种方式分类。根据深孔加工只、这一特点，机床一般为卧式，但对于
17、某些特殊工件（大型、重型工件、板料等） ，也可以设计成立式。外排屑深孔机床由于不适用于加工大孔，所以机床一般为中小型的。这是与内排屑深孔机床的一个主要不同点。2 设计机床的步骤设计机床的步骤在实践中虽有细节上差别，但归纳起来大体上可以分为调查第页 共页研究、拟定方案、结构设计、零件图设计和试制鉴定五个阶段。1.调查研究详细地掌握第一手资料，对于搞好机床设计是十分重要的。调查研究的内容包括调查使用单位、制造单位，与查阅、收集国内外有关文献、技术资料等， 2拟定总体方案拟定方案的内容包括：设计本机床的理由或必要性；机床用途和使用范围，国内外同类机床的比较，本机床的技术性能、轮廓尺寸和估计重量；所采
18、用的工艺方及总体布局，主要结构、控制方案；机床的优缺点和经济分析。最佳方案也可以通过计算机辅助设计获得。3结构设计与计算主要是根据拟定的方案、绘制机床各部件装配图，同时画出机床传动系统图、液压系统图和电器系统图，并进行必要的计算。4零件图设计与编写技本文件绘制全部专用件的工作图和通用件的补充加工图，并进行必要的计算。装配图和零件图应经工艺审查和标进化审查，有时还须再按已设计完的零件重新绘制部件装配图和机床外观图，最后编写技术文件。技术文件的名称和内容有：1）专用件、通用件、标准件和外购件明细表。2）设计说明书或技术设计书。包括机床总体方案及主要结构方案的选择理由、计算、动力计算和零件计算。3）
19、机床使用明书。包括机床技术件能、用途，各部件构造说明，机床的调整、润滑与维护，常见故障的消除方法，机床的运输、安装与试车，滚动轴承表，电气设备表，附件及备件表，易损件零件图，验收标难及精度检验记录表等。5试制鉴定工作图设计完成后，如果是通用机床须先试制一台样机进行试验鉴定，如果是专用机床由于它的生产数量一般很少，有时仅制造一台，因此没有单独的样机试制阶段。以上几个阶段有相对独立性，但又是密切联系的，每个阶段的具体内容可以根据机床的性质和设计工作的具体情况有所不向，也可以根据设计工作的需要划分为较少或较多的阶段，以使设计周密地、全面地、有秩序地进而确保设计质量第页 共页和进度。2.1 机床的选择
20、对机床所要担负的用途进行分析就可以将它们分为两类。一类是一般用途的，另一类是专用的或有限用途的机床。一般用途的机床显然必须具有较大的适应性，以包括预料到的各种情况。专用的或有限用途的机床通常是高生产率的类型，而且是专为担负一种或几种工作而设计的。为了得到更为具体的设计要求，必须确定机床所欲加工的最大、最小和最深的孔。这些因素将帮助决定主轴的尺寸大小、功率和必须的行程长度。 在选择机床时，所要加工的工件也是一项重要的考虑因素。工件材料影响机床所必须的转速范围，而工件的大小和形状影响工作台的大小和动程，以及它是不是能让该工件在上面旋转。使钻头或工件进给都是可以的，而且无论谁旋转都成。这几乎完全决定
21、于为该工件所选择的机床。如果工件的形状允许使工件旋转，则旋转工件或旋转刀具只是经济上的问题而不是机械上的问题。当工件旋转时，在装卸工件时必须停下主轴。如果钻削的时间很短，则装卸工件的时间就不恰当地浪费了，而且由于次数频繁的开车与停车，会使电动机和主轴受到过度的磨损。只有当工序间传送的时间相对于钻削时间很短时，工件旋转的办法才能经济。例如枪管那样的长而对称的工件就是这种情况。刀具的临界转速取决于该刀具的长度对直径的比。刀具可能能以最高的转速旋转而不致接近临界点，但若有出现枣核形旋转抖动的可能时，可使用一个或几个导向器来防止。这样的导向器是一个带裂缝的衬套，旋转抖动导向器由于必须随主轴或工作台而移
22、动，它的对准是很关键的。随着高压冷却液刀具应用数量的增加，一些机床制造厂已制成了“组合件”机床部件作为标准产品，它通常包括一套冷却液系统。这些机床可以按很多办法分类，但最简单的分类方法是按工作台和主轴的运动方式来分。对于单轴线、二轴线、或三轴线的运动，几乎具有工作台和运动的任何组合，也可使工作台固定而主轴带动刀具作进给运动。显然，本课题研究的是专用机床，因为所要加工的零件是非回装体并且加工零件的体积大，因此在结构上与回转体深孔加工机床有明显的差别。一般的回转体和小型非回转深孔加工机床多以卧式为主，而大型的非回转体深孔加工机床多第页 共页为立式。根据所加工的零件决定选用立式机床，而立式深孔加工机
23、床常见的形式有两种，一是（以下都以右手坐标系为准）工作台 Z 轴和 Y 轴方向的运动，刀具做 X 轴方向的运动，二是工作台做 Y 轴方向的运动，刀具做 X 轴和 Z 轴方向的运动。两种结构的区别在于，当零件的重量较大时，工作台的结构设计将变的比较复杂，而且对负责工作台做升降运动的电机的功率要求也会相应的提高。显然，对于本课题来说选择后一种方案要优于前者。机床的主俯视图如图 2.1a、b 所示。另外还有一种工作台做回转运动的深孔加工机床，但是它一般用于加工桶形零件所以，本设计不于考虑这种方案。本设计中深孔加工机床的要组成部分包括工作台、溜板、立柱、主轴箱、床身五部分。(a)第页 共页(b)图 2
24、.1 机床外观图2.2 主传动的功用、主要组成部分、设计要求：机床主传动是实现机床主运动的传动。其功用是：1.将一定的动力由动力源传递给执行件(如主轴或工作台)； 2.保证执行件具有一定的转速(或速度)和足够的转速范围； 3.能够实现运动的开停、变速、换向和制动等。机床主运动为变速回转运动时，其主传动的主要组成部分有：1.动力源、电动机或液压马达；2.主轴组件，包括主轴、主轴支撑和主轴传动件等；3.变速装置，用于实现主轴各级转速的变换；4.开停装置，用于控制主轴的启动与停止；5. 操纵机构，实现主运动开停、变速、换向及制动等；6.润滑与密封装置；7.箱体等。有的机床主传动还有：定比传动机构；制动装置，用于实现主轴的的制动；换
