1、辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 1 毕 业 设 计（论 文）说 明 书 题 目 齿轮泵壳体回油孔加工专机的设计 学 生 学 院 机械工程学院 专 业 班 级 机械工程 及其自动化（涉外机械） 学 号 指 导 教 师 于敬漪 ：齿轮泵壳体回油孔加工专机及夹具设计 2 目 录 第一章 前言 3 1.1 钻床简介 3 1.1.1 钻床的发展历史 3 1.1.2 钻床的分类 3 第二章 钻床内部结构的各项性能校核 4 2.1 确定电动机类型 4 2.2 外部传动件的校核 4 2.2.1 带传动各项性能校核 5 2.2.2 齿轮传动各项性能校核 7 2.2.3 轴的各项性能校核计算 9 第三章 附钻床
2、各图 12 文献参考 13 前言 孔加工分为浅孔加工和深孔加工两类，也包括介于两者之间的中深孔加工。一般规定孔深 L 与孔径 0d 之比大于 5，即 0 5Ld 的孔称为深孔； 0 5Ld 的孔称为浅孔。孔的深度与直径之比，决定了孔加工工艺系统的刚度及刀具结构上的特点。 0Ld 增大，工艺系统刚度降低，切屑排出及冷却润滑 的难度加大。 因此，一直以来，深孔加工成为人们研究的重要课题之一。 在深孔加工中， 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 1。在 20 世纪初期，德、英、美等国家的军事工业部门先
3、后发明了单刃钻孔工具，因用于加工枪孔而得名枪钻。 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）。 此后 ，这种特殊的加工方法又有了新的发展，并定名为 BTA 法。后来瑞典的山特辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 3 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 法又有的新的飞跃。 1963 年山特维克公司发明了喷吸钻法。 20 世纪 70 年代中期，日本冶金股份有限公司又 研制 DF（ Double Feeder）法 。 它是把 BTA 法与喷吸钻法两者的有点结合起来的一种加工方法，目前广泛应用于中、小直径内排屑深孔钻削。 由于我国机
4、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 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。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； 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。 随着生产科技的进步，深孔零件在材质及毛坯制造、刀具材料、深孔加工机床、基础理论研究、检测等方面都有了较大的进展。 目前，深
5、孔加工技术已较为成熟。 同时 随着我国科学和技术的不断发展，机械产品不断更新换代，其品种型号越来越多，质量要求越来越高，更新换代周期也越来越短。因而多品种、中小批量生产已日益成为机械制造业的主要生产 类型。 机床夹具是保证产品质量，提高劳动生产率等生产技术准备工作中的重要组成部分，其结构形式必须与其生产类型相适应 2。 在批量生产齿轮泵时，多采用流水线式操作，即按工序分配给不同生产车间来生产。齿轮泵 壳体回油孔加工 专机及夹具 设计 ，就是为加工齿轮泵深孔这一工序而设计的专用机床及夹具。 由于齿轮泵壳体回油孔为深孔，因此需要综合应用深孔加工及机床家具等方面的知识。 本次设计主要包括两大部分。
6、第一部分为齿轮泵深孔钻削专机的设计，其中包括机床的基本尺寸的选择、电机的选择、传动系统的设计和钻头的选择。 首先，机床的 基本尺寸主要参考常用机床的外形尺寸，并根据回油孔加工的需要来确定。其次，齿轮泵壳体材料为铝合金。因此可根据铝合金的切削性能，及钻削铝合金时的切削用量和钻削速度来估算出钻削力、钻削扭矩和钻削功率来，并根据钻削功率选择电动机。然后，根据所选电机的同步转速和切削速度来确定传动比，并用齿轮传动系统来实现。由于本次设计的机床只为加工回油孔而设计，因此不需变速，一级传动就能实现。最后，根据回油孔的特点，并考虑经济性来选择合适的深孔加工刀具。 于敬漪 ：齿轮泵壳体回油孔加工专机及夹具设计
7、 4 第二部分为专用夹具的设计，其中包括定位方式的选择、定位误差的计算、夹紧方式的确 定、夹紧力的 确定 及夹紧机构的的选择、导引装置的确定、夹具体的设计和夹具体在机床上的定位方式。 根据六点定位原理、齿轮泵壳体外形的特点及常用定位元件的种类，来确定夹具体的定位方式。由于零件在加工时，总会产生误差，因此应考虑工件的定位误差。进行定位误差的计算，以保证定位误差在零件加工误差允许的范围之内。若不合适，则应选择更合适的定位方式，以确保零件的加工精度。为了使零件在被加工时保持位置不变，应对零件在被加工时所需的加紧力进行估算。在此基础上，综合考虑零件的定位方式和加工方式，来设计适合的夹紧机构。为保证加工
8、精 度，选择合适的对刀导引装置，保证工件相对于刀具处于正确的位置。综合以上各方面的设计和各个装置的相对位置关系，可以设计出夹具体的结构。并且还要确定夹具体在机床上的定位方法和定位精度。这样就完成了夹具的设计。 由于此次设计是根据实际生产加工中的需要来进行设计的，因此还从经济性方面 分析了此次设计 的可行性。另外，分析了此次设计 相对于一般生产加工情况的优点 、 此次设计的不足， 和 可能改进的方法。 1 齿轮泵壳体 回油孔加工 专机的设计 1.1 钻床的总体设计 钻床可用于加工简单零件上的孔，也可用于加工外型复杂、没有 对称回转轴线工件上的单个或一系列圆柱孔，如盖板、箱体、机架等零件上的各种用
9、途的孔。钻床一般用于完成加工尺寸较小、精度要求不太高的孔。通常，钻头旋转为主运动，钻头轴向移动为进给运动 3。 钻床可分为台式钻床、立式钻床、摇臂钻床、铣钻床、深孔钻床、平端面中心孔钻床和卧式钻床。 在本次设计中，待加工孔为深孔，因此在选择机床上有些困难。通常 深孔钻床具有特殊设计的主轴，卧式布局。 一般 为工件旋转，用特制的深孔钻头钻削深孔，可完成深孔工件钻、扩、铰、套料等加工。 但 由于深孔钻床的特殊性，其比较昂贵，对于非专业化深孔辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 5 加工的 厂家，成本过高 ，因此不能选用这种形式。所以，应由其他钻床改造成深孔钻床，这样可节省开支，并且易于中、小型企业接受
10、。综合各种机床的结构特点和工作方式，决定选用卧式钻床的结构布置。卧 式钻床的结构特点是主轴旋转中心固定，移动工件使加工点对准主轴中心。主轴箱安装在立柱上，主轴 水平 布置。立柱有圆柱、方柱 ，这里选择圆柱作为主轴。 主轴可机动进给。 由于本次设计为钻孔专机，只用于加工深孔的工序，简单的传动系统就能满足，不需要变速 ，因此采用一级齿轮传动即可，这样可以直接达到钻削所需要的速度。 齿轮泵壳体的材料为铝合金，根据其 切削性能及各类深孔钻的尺寸参数，在相比较下选择合适的刀具。从而确定进给量来计算出切削参数，即加工时所需的钻削力、钻削率和钻削转矩。通过这些数据，可选择出适合的电动机作为动力源。同时，根据
11、这些切削参数设计计算出传动系统的参数。 1.2 钻床刀具的选择 在深孔加工中，使用枪钻、内排屑深孔钻虽然具有很多优点，但由于需要专用的机床（或改装的普通车床）以及一套辅助设备，投资较大，深孔加工受到一定的条件限制。深孔麻花钻具有投资少、见效快、无需特殊深孔加工装备等优点，是一般深孔加工中行之有效的加工方法。 在本次设计中 ，则采用直柄超长麻花钻来完成切削任务。其主要的尺寸参数可在表1-1 中查询。 表 1-1 麻花钻主要的尺寸参数 Tab.1-1 Twist drill main size parameter d l =125 l =160 l =200 l =250 l =315 h8 1l
12、 =80 1l =100 1l =150 1l =200 1l =250 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 注： 表示有规格； l 麻花钻全长； 1l 麻花钻工作部分长度； d麻花钻的直径。 此次深孔加工的孔深为 136.8mm，工作部分长度满足此长度即可 ， 因此可选 1l 160的直柄超长麻花钻。麻花钻材料的选择，参见表 1-2。 于敬漪 ：齿轮泵壳体回油孔加工专机及夹具设计 6 表 1-2 麻花钻的性能级别 4 Tab.1-2 Twist drill performance rank 项目 普通型能级麻花钻 高性能级麻花钻 材料 工作部 分用 W6Mo5Gr4V2 或同等性
13、能的其他牌号 普通高速钢（代号 HHS）制造 工作部分用 W2Mo9Gr4VCo8或同等性能的其他牌号 高性能高速钢（代号 HHS E）制造 硬度 工作部分硬度 780 900HV 工作部分硬度 820 950HV 制造 工艺 一般为轧制或铣制 一般为全磨制 应用 设备 一般用于普通机床 一般用于数控机床、自动线 其他 高性能级的麻花钻比普通性能级麻花钻在表面粗糙度、切血人对工作部分轴向斜跳动、钻芯对称直径、沟槽分度误差、直柄直径公差、锥柄圆锥公差、钻芯对工作部分轴线的对称度、两刃带宽度差等方面都要求更高 根据本次加工情况及技术要求，选择普通型能级的麻花钻即可。 1.3 钻床传动系统的设计 1
14、.3.1 切削参数的确定 深孔钻削的功率由最大钻孔直径决定（即钻床的功率），因此应根据深孔钻削最大参数进行计算。 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。 钻削扭距 2 0 . 8 33 0 4 1 0M d f （ 1-1） 式中 M钻削扭距， Nm； d钻孔直径， mm； f 钻孔进给量， mm/r。 钻削轴向力 0.7299N df （ 1-2） 式中 N 钻削轴向力， N。 钻削功率 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 7 332 1 0 1 0P M n N fn （ 1-3） 式中 P钻削功率， kW； n钻孔转速， r
15、/s。 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。 式 1-1、 1-2、 1-3 中的 f 和 v 可从表 1-3 中查询。 表 1-3 在组合机床上用高速钢 刀具对铝、铜件钻孔时切削速度和进给量 5 Tab.1-3 In combination with high-speed machine tools, steel cutlery on aluminum、 copper pieces bored into to the cutting speed and volume3 加工孔径/mm 铝 铜 铝 铝合金 （长切削） 铝合金 （短切削） 黄铜、
16、青铜 硬青铜 v /m/min f /mm /r v /m/min f /mm /r v /m/min f /mm /r v /m/min f /mm /r v /m/min f/mm/r 38 2050 0.03 0.20 2050 0.05 0.25 2050 0.03 0.10 6080 0.03 0.10 2545 0.05 0.15 根据表 1-3 选择切削速度为 v =20 (m/min) 进给量为 f =0.15 (mm/r） 则主轴转速： 1 0 0 0 1 0 0 0 2 0 1 4 1 5 . 4 33 . 1 4 4 . 5vn d (r/min) 式中 n主轴转速； v
17、 切削速度； d工件（或刀具直径）， mm。 则根据式 1-1、 1-2、 1-3 得： 1.35M Nm 356.57N N 1.46P kW 取计算结果的 70，可得钻削的近似功率为 1.022kW。 1.3.2 电动机的选择 一般用于驱动金属切削机床的电动机为异步电动机。其中，低压电 动机中的 Y 系列三于敬漪 ：齿轮泵壳体回油孔加工专机及夹具设计 8 相异步电动机尤为合适。 Y 系列三相异步电动机具有效率高，节能，堵转转矩高，噪声低，振动小，运行安全可靠的特点，作为一般用途的电动机，适用于驱动无特殊性能要求的各种机械设备，如金属切削机床、鼓风机、水泵等 6。 钻削功率近似为 1.022
18、kW，则电动机功率 P 为： 1 / 1 .0 2 2 / 0 .8 1 .2 8mPP (1-4) 式中 m 机床总机械效率，对于主运动为回转运动的机床， m =0.70.85； 1P 钻削功率， kW。 在进行钻削时，进给功率及小，可忽略不计，因此可直接 根据 计算出的 电动机的功率选择电动机。则可 选择机座号为 90S，功率为 1.5kW，同步转速为 3000r/min 的电动机作为动力。 1.3.3 齿轮传动设计及计算 根据切削速度和电机的同步转速可得传动比 i ： 213000 2.121415.43ni n 则齿轮传动的设计计算如下： 1) 选择齿轮材料 齿轮最常用的材料 是 锻钢
19、，其次是铸钢和铸铁，有时也采用非金属材料。 2)齿轮尺寸确定及强度计算 a 选择齿轮材料查表得 ： 小齿轮选用 #45 调质 HBS=245275HBS 大齿轮选用 #45 正火 HBS=210240HBS b 按齿面接触疲劳强度设计计算 确定齿轮传动精度等级： 按 131(0 . 0 1 3 0 . 0 2 2 )t pvn n(1-5) 估取圆周速度，得： 2.89tv m s ，参考表选取 公差组 8 级。 小齿轮分度圆直径 1d 2131 2 1 4 E H EdHk T I Z Zud u (1-6) 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 9 齿宽系数 d 查表得按齿轮相对轴承为非对销布
20、置：取 d =0.8 小齿轮齿数 1Z 在推荐值 2040 中选 1Z =26 大齿轮齿数 2Z 2Z 2111 3000 2 6 5 5 .1 21 4 1 5 .4 3ni Z Zn 圆整取 55; 齿数比 u 2155 2.1 226Zu Z ; 传动比误差 uu ( 2 . 1 2 2 . 1 2 )0 . 0 02 . 1 2uu 误差在 5% 范围内合适。 小轮转矩 661 1 1 . 59 . 5 5 1 0 9 . 5 5 1 0 1 0 1 2 0 . 61 4 1 5 . 4 3pT n Nmm; 载荷系数 K AVK K K K K (1-7) 使用系数 AK 查表得 A
21、K =1 动载荷系数 VK 查相关图得初值 vtK =1.1 齿向载荷分布系数 K 查相关图得 K =1.07 齿间载荷分配系数 K 由 =0 得 121 1 1 1 1 . 8 8 3 . 2 ( ) c o s 1 . 8 8 3 . 2 ( ) 1 . 72 6 5 5ZZ (1-8) 则载荷系数 K 的初值 tK 1 1 . 1 5 1 . 0 7 1 . 1 5 1 . 4 2tK 弹性系数 EZ 查表得 21 8 9 . 8EE NZZ mm节点影响系数查相关图及 HZ =0,查相关图 ( =0, 1x = 2x =0)得 HZ =2.5 重合度系数 Z 查相关图（ 0 ）得 Z
22、=0.88 许用接触应力 H H = limH n w HZ Z S (1-9)接触疲劳极限应力 lim1H , lim2H 查相关图得 lim1H =570 N/mm2 lim2H =460 N/mm2 应力循环次数 1N 、 2N 1N =60nj hL = 106 0 1 4 1 5 . 4 3 1 ( 8 3 0 0 8 ) 1 . 6 3 1 0 于敬漪 ：齿轮泵壳体回油孔加工专机及夹具设计 10 2N = 8 81 1 .6 3 1 0 7 .7 0 7 1 02 .1 1 5NU 由查相关图得接触强度的寿命系数 1NZ 、 2NZ （不允许有点蚀） 1NZ = 2NZ =1 硬化
23、系数 WZ 查相关图得 WZ =1 接触强度安全系数 HS 查表得，按一般可靠度查 min1.0 1.1HS 取 HS =1.1 21 5 7 0 1 1 5 1 81 .1H N m m , 22 4 6 0 1 4 1 81 .1H N m m 故根据式 (2-6) 1d 的设计初值 1td 为 231 2 1 . 4 2 1 0 1 2 0 . 6 2 . 1 2 1 1 8 9 . 8 2 . 5 0 . 8 8( ) 3 7 . 5 20 . 8 2 . 1 2 4 1 8td 得： 1td 37.52mm 齿轮模数 m m= 11tdZ = 37.5226 =1.44mm查表得 m
24、=1.5mm； 小轮分度圆直径的圆整值 1td 11 2 6 1 .5 3 9td Z m mm； 圆周速度 v 11 3 9 1 4 1 5 . 4 3 2 . 8 96 0 0 0 0 6 0 0 0 0tdnv m/s； 与估取 3tv 很相近 ,对 VK 取值影响不大 ,不必修正 VK ； V VtKK , 1.42tKK ； 小轮分度圆 直径 1139tdd mm； 大轮分度圆直径 22 1 .5 5 5 8 2 .5d m Z mm； 中心距 12() 1 . 5 ( 2 6 5 5 ) 6 0 . 7 522m Z Za mm； 齿宽 1 m i n 0 . 8 3 7 . 5 2 3 0 . 0 2dtbd mm； 大轮齿宽 2 30bb ； 小轮齿宽 12 (5 1 0 ) 3 5bb ； 3) 齿根弯曲疲劳强度校核计算 112 F F a Sa FKT Y Y Yb d m ； 齿形系数 FaY 查相关图得 小轮 1FaY =2.60
