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河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文
摘 要
當(dāng)今各種先進(jìn)材料在航空航天、化工、軍事、機(jī)械、電子電器以及精密制造領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。但是,對(duì)于這些材料,如具有高強(qiáng)度、高硬度、高脆性的先進(jìn)陶瓷材料,利用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式進(jìn)行加工,加工困難且無法滿足對(duì)加工的要求。超聲加工技術(shù)是一種將超聲振動(dòng)運(yùn)用于精密或超精密加工的技術(shù)，特別是在超硬材料、復(fù)合材料的難加工方面顯示出優(yōu)越性，具有低切削力、低切削溫度、低的表面粗糙度，被加工零件有良好的耐磨性、耐腐蝕性。因此精密超聲銑床將會(huì)制造出質(zhì)量更加優(yōu)異的產(chǎn)品。
本文設(shè)計(jì)分析了超聲精密銑床的發(fā)展現(xiàn)狀和研究超聲精密銑床的意義及超聲精密銑床機(jī)構(gòu)尺寸對(duì)銑床性能的影響。設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括了總體方案及超聲主軸箱設(shè)計(jì)，進(jìn)給箱設(shè)計(jì)，液壓系統(tǒng)和超聲部分設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：精密銑床 超聲裝置
Abstract
Today's various advanced materials in the aerospace industry, chemical industry, military, mechanical, electronic electric appliance and precision manufacturing areas to be more widely used. But, for these materials, such as high strength, high hardness and high brittle advanced ceramic materials, using the traditional mechanical processing way, processing difficult and can meet the requirements of processing. Ultrasonic machining technology is a kind of ultrasonic vibration used in precision or ultra-precision processing technology, especially in superhard materials, composite materials processing hard showed superiority, with low cutting force, low temperature and low cutting the surface roughness, be processing components have good wear resistance and corrosion resistance. So precision ultrasound milling machine will create quality more excellent products.
This paper analyzes the design of ultrasonic precision milling machine development present situation and research the significance and the ultrasonic precision milling machine ultrasonic precision milling machine dimensions of the institutions influence on the performance of the milling machine. Design content mainly includes the overall scheme and the ultrasonic spindle box design, the box design, hydraulic system and ultrasonic part of the design.
Key words: precision milling machine Ultrasound device
目錄
1 緒論 5
1.1 機(jī)床制造業(yè)的發(fā)展 5
1.1.1 金屬切削機(jī)床及其在國民經(jīng)濟(jì)中的地位 5
1.1.2 世界機(jī)床業(yè)的發(fā)展態(tài)勢 5
1.2 超聲波相關(guān)技術(shù)概述 7
1.2.1 超聲加工的提出及其分類 7
1.2.2 超聲加工的發(fā)展 9
1.2.3 旋轉(zhuǎn)超聲加工的特點(diǎn)及優(yōu)勢 12
1.2.4 旋轉(zhuǎn)超聲加工的應(yīng)用 14
1.3 超聲波加工機(jī)床的發(fā)展 17
1.4 設(shè)計(jì)的目的及任務(wù) 19
2 總體方案設(shè)計(jì) 20
2.1 總體方案概述 20
2.2 總體布局 21
2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 23
2.4 主要參數(shù)確定 24
2.5 主軸箱設(shè)計(jì)方案 26
3 擬定主傳動(dòng)系統(tǒng)及運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 28
3.1 標(biāo)準(zhǔn)公比及模數(shù)的選擇 28
3.2.擬定主傳動(dòng)選擇 28
3.3 轉(zhuǎn)速圖確定 30
3.3.1 選定電動(dòng)機(jī) 30
3.3.2 分配總降速傳動(dòng)比 30
3.3.3 確定傳動(dòng)軸的軸數(shù) 30
3.3.4 結(jié)構(gòu)網(wǎng)的選擇 31
3.3.5 畫轉(zhuǎn)速圖 31
3.4 計(jì)算轉(zhuǎn)速的確定 33
3.5 主傳系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 34
3.5.1 變速機(jī)構(gòu)選擇 34
3.5.2 齒輪的布置與排列 35
3.6 V帶傳動(dòng)的計(jì)算 37
3.7 齒數(shù)的確定 40
3.7.1確定齒輪齒數(shù)的原則和要求 40
3.7.2 齒輪齒數(shù)的確定 41
3.7.3 齒輪齒數(shù)檢驗(yàn) 42
3.7.4齒輪具體值確定 43
3.8 各軸直徑的估算 44
3.9傳動(dòng)件校檢 47
3.9.1齒輪的校檢 47
3.9.2傳動(dòng)軸的校檢 49
3.9.3軸承疲勞強(qiáng)度校核 52
3.10主軸箱的箱體 53
3.11 潤滑與密封 55
結(jié)束語 56
致 謝 58
參考文獻(xiàn) 59
1 緒論
1.1 機(jī)床制造業(yè)的發(fā)展
1.1.1 金屬切削機(jī)床及其在國民經(jīng)濟(jì)中的地位
金屬切削機(jī)床(Metal cutting machine tools) 是用切削的方法將金屬毛坯加工成機(jī)器零件的機(jī)器。它是用來制造機(jī)器的機(jī)器,所以又稱為“工業(yè)母機(jī)”或“工具機(jī)”(machinetools) ,習(xí)慣上簡稱為機(jī)床。金屬切削機(jī)床是用來加工機(jī)器零件的主要設(shè)備,約占機(jī)器總制造量的40 %～60 %。機(jī)械制造工業(yè)肩負(fù)著為國民經(jīng)濟(jì)各部門提供現(xiàn)代化技術(shù)設(shè)備的任務(wù),是國民經(jīng)濟(jì)各部門賴以發(fā)展的基礎(chǔ),而機(jī)床工業(yè)則是機(jī)械制造工業(yè)的基礎(chǔ),一個(gè)國家機(jī)床工業(yè)的技術(shù)水平在很大程度上標(biāo)志著這個(gè)國家的工業(yè)生產(chǎn)能力和科學(xué)技術(shù)水平。所以,金屬切削機(jī)床在國民經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化建設(shè)中起著重要的作用。
1.1.2 世界機(jī)床業(yè)的發(fā)展態(tài)勢
全球機(jī)床市場在1994 年跌至谷底后,便一路上揚(yáng)。據(jù)美國Gardner Publication 公司最新統(tǒng)計(jì)資料顯示,到目前為止,全球機(jī)床產(chǎn)值已達(dá)到50 億美元左右,從世界機(jī)床值的統(tǒng)計(jì)來看,機(jī)床生產(chǎn)十分集中,僅日本與德國就占世界總產(chǎn)值的43. 1 %左右。目前世界機(jī)床業(yè)中,日本為第一生產(chǎn)國,占總額的22 % , 其它依次為德國21 % , 美國13 % , 意大利11 % ,瑞士6 % ,中國臺(tái)灣7 % ,中國3 % ,西班牙2. 8 % ,英國2. 7 % ,各國機(jī)床制造業(yè)的特點(diǎn)如下:
（1）日本 日本大量制造的是通用型機(jī)種,比較受各國中小型公司的歡迎。其切削機(jī)床與成型機(jī)床比例為85 :15 ,日本機(jī)床業(yè)的特點(diǎn)是具有高生產(chǎn)力、高彈性且利潤較高的精簡式制造系統(tǒng),在亞洲市場占有明顯的優(yōu)勢。
（2） 德國切削機(jī)床與成型機(jī)床比例為70 :30 。其機(jī)床產(chǎn)品特點(diǎn)是精度高、專用性強(qiáng),通常能根據(jù)各行業(yè)客戶的特殊要求而特別設(shè)計(jì)制造,整個(gè)機(jī)床產(chǎn)業(yè)約350 家機(jī)床制造商,以中小型企業(yè)為主,其用戶主要集中在國內(nèi)一些傳統(tǒng)的工業(yè)結(jié)構(gòu)上,如汽車制造業(yè)、機(jī)械業(yè)、電機(jī)等行業(yè)中。
（3）美國 美國為世界技術(shù)進(jìn)步的領(lǐng)頭羊,其機(jī)床業(yè)的發(fā)展方向也是世界機(jī)床業(yè)今后的發(fā)展趨勢。目前,由電腦控制,高精度且具有優(yōu)異切割性能的激光加工機(jī)床的需求不斷上升,已成為美國機(jī)床市場的后起之秀,美國機(jī)床產(chǎn)品的需求主要來自對(duì)精度要求極高的航空及其高科技產(chǎn)業(yè),其切削機(jī)床與成型機(jī)床的比71 :29 。
（4） 中國 中國目前批量生產(chǎn)的產(chǎn)品均為由傳統(tǒng)的電器、液壓控制的通用機(jī)床,大部分還是在20 世紀(jì)七、八十年代開發(fā)的,特點(diǎn)是性能良好,基本機(jī)械機(jī)構(gòu)合理,但控制和驅(qū)動(dòng)方式落后,仍然屬于中、低檔產(chǎn)品,機(jī)床加工精度能滿足各類零件的精加工要求。今后通用機(jī)床的發(fā)展方向應(yīng)是抓住“入世”機(jī)遇,降低生產(chǎn)成本,提高產(chǎn)品質(zhì)量,積極主動(dòng)地參與質(zhì)量體系國際認(rèn)證,努力提高產(chǎn)品競爭力。而目前國內(nèi)機(jī)床行業(yè)的數(shù)控機(jī)床主要有仿制產(chǎn)品和技術(shù)引進(jìn)產(chǎn)品兩大類,仿制產(chǎn)品一般是結(jié)構(gòu)原理與國外機(jī)床相同,只是在局部功能與外形尺寸上有一些較大的變動(dòng)。而技術(shù)引進(jìn)產(chǎn)品則多數(shù)采用了國外進(jìn)口的數(shù)控系統(tǒng),測量儀器及軸承、滾珠、絲杠等配套件,如上海機(jī)床行業(yè)曾投資近4 億元人民幣進(jìn)行大規(guī)模技術(shù)改進(jìn),引進(jìn)了加工中心制造技術(shù)(德國Norte) ,數(shù)控磨床制造技術(shù)(美國Landis) 等。該類機(jī)床目前正處于消化吸收階段,生產(chǎn)規(guī)模尚未達(dá)到經(jīng)濟(jì)批量,所以中國的機(jī)床產(chǎn)業(yè)今后的努力方向應(yīng)為加快技術(shù)創(chuàng)新,優(yōu)化組織結(jié)構(gòu),調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),提高產(chǎn)品技術(shù)檔次和質(zhì)量,努力開發(fā)高技術(shù)含量和高附加值的機(jī)床產(chǎn)品。
1.2 超聲波相關(guān)技術(shù)概述
1.2.1 超聲加工的提出及其分類
隨著生產(chǎn)發(fā)展和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的需要，很多工業(yè)部門，尤其是宇航、國防工業(yè)部門要求產(chǎn)品向高精度、高速度、高溫、高壓、大功率、小型化等方向發(fā)展，所用的材料愈來愈難加工，如硬質(zhì)合金、鈦合金、耐熱鋼、不銹鋼、淬硬鋼、金剛石、寶石、石英以及鎢、硅等各種高硬度、高強(qiáng)度、高韌性、高脆性的金屬及非金屬材料的加工；工件形狀愈來愈復(fù)雜，精度、表面租糙度和某些特殊要求也愈來愈高。
傳統(tǒng)的切削加工的本質(zhì)和特點(diǎn)：一是刀具材料比工件更硬；二是靠機(jī)械能把工件材料切除。但當(dāng)工件材料愈來愈硬，零件結(jié)構(gòu)愈來愈復(fù)雜的情況下，原來行之有效的方法轉(zhuǎn)變成限制生產(chǎn)率和影響加工質(zhì)量的不利因素。于是人們開始探索、發(fā)掘用軟的工具加工較硬的工件材料，不僅用機(jī)械能而且還采用電、化學(xué)、光、聲等能量來進(jìn)行加工的特種加工方式，超聲加工技術(shù)就是在此背景下發(fā)展起來的。采用超聲加工，可以對(duì)上述難加工進(jìn)行經(jīng)濟(jì)加工，如圖1-1 所示。實(shí)踐證明超聲加工在硬脆性材料加工方面是僅次于磨削加工的一種高效加工方法。
超聲技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用開始于上個(gè)世紀(jì)10到20年代，以經(jīng)典聲學(xué)理論為基礎(chǔ)，同時(shí)結(jié)合電子技術(shù)、計(jì)量技術(shù)、機(jī)械振動(dòng)、相關(guān)技術(shù)和材料學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的成就發(fā)展起來的一門綜合技術(shù)。超聲技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域可劃分為功率超聲和檢測超聲兩大領(lǐng)域。其中，功率超聲是利用超聲
超聲加工
超聲
磨料加工
超聲
復(fù)合加工
游離磨料
超聲加工
固結(jié)磨料
超聲加工
超聲孔加工套料
超聲研磨拋光
超聲成型加工
超聲電化學(xué)
超聲去毛刺
超聲砂帶拋光
超聲放電研磨
超聲磨削、銑削
旋轉(zhuǎn)超聲加工（超聲磨、銑、鉆等）
超聲電化學(xué)
超聲振動(dòng)切削
超聲塑性加工
超聲放電加工（磨、銑等）
圖1-1 超聲加工分類
振動(dòng)形成的能量使物質(zhì)的一些物理、化學(xué)和生物特性或狀態(tài)發(fā)生改變，或者使這種狀態(tài)改變加快的一門技術(shù)。超聲技術(shù)在機(jī)械加工方面的應(yīng)用按其加工工藝特征，大致分為兩類，如圖1-1所示。一類是帶磨料的超聲磨料加工（包括游離磨料和固結(jié)磨料），另一類是采用切削工具（如車刀、沖頭、壓頭、鉆頭、砂輪、銑刀）與其它加工方法相結(jié)合形成的超聲復(fù)合加工，其分類繁多。旋轉(zhuǎn)超聲加工包括超聲磨削、超聲銑削、超聲鉆孔、超聲套料、超聲螺紋加工等。本次設(shè)計(jì)的超聲銑床屬于后者（超聲復(fù)合加工）中的旋轉(zhuǎn)超聲加工。
1.2.2 超聲加工的發(fā)展
1927 年，美國物理學(xué)家伍德和盧米斯最早作了超聲加工試驗(yàn)，利用超聲振動(dòng)對(duì)玻璃板進(jìn)行雕刻和快速鉆孔。但當(dāng)時(shí)并未應(yīng)用在工業(yè)上，直到在大約1940 年在工業(yè)文獻(xiàn)上第一次出現(xiàn)了有用的超聲加工（USM）工藝技術(shù)描述。從那時(shí)以來，超聲機(jī)械加工一直吸引了大量的注意，并且逐漸步入相當(dāng)廣泛的工業(yè)領(lǐng)域。1951 年，美國的科恩制成第一臺(tái)實(shí)用的超聲加工機(jī)。在1953-1954 年，第一個(gè)超聲機(jī)械工具已經(jīng)建立起來，它多數(shù)是基于鉆和銑的機(jī)器。在大約1960 年左右，已經(jīng)看到了各種用途、各種類型和加工尺寸的超聲機(jī)械加工工具，并且某些型號(hào)已經(jīng)開始進(jìn)入正常生產(chǎn)
USM 提供了比常規(guī)機(jī)械加工技術(shù)更多的優(yōu)點(diǎn)。導(dǎo)電和非導(dǎo)電材料都可以加工，并且復(fù)雜的三維輪廓也可以象簡單形狀那樣快速加工。此外，加工過程不會(huì)產(chǎn)生有害的熱區(qū)域，或不會(huì)在工件表面帶來化學(xué)/電氣變化，在工件表面上所產(chǎn)生的有壓縮力的殘余應(yīng)力可以增加被加工零件的高周期性疲勞強(qiáng)度。
然而，在USM中，必須供給泥漿并且要將泥漿從工具和工件之間的間隙中清除。因此，材料的去除速率相當(dāng)慢，甚至于在切削深度增加時(shí)停止工作。在磨粒及切屑混合液返回表面時(shí)，也可能磨損已加工孔壁的邊墻，這就限制了精度，尤其是小孔加工。此外，磨料泥漿還要磨蝕工具本身，它將引起工具端面及徑向的大量磨損，進(jìn)而，很難保證加工精度。
繼而，1964年，英國人P. Legge 提出使用燒結(jié)或電鍍金剛石工具的超聲旋轉(zhuǎn)加工的方法，克服了一般超聲加工深孔時(shí)，加工速度低和精度差的缺點(diǎn)。在第一臺(tái)旋轉(zhuǎn)超聲機(jī)械加工裝置中，沒有采用磨粒液泥漿，而是用一個(gè)充滿了金剛石的振動(dòng)工具來加工旋轉(zhuǎn)工件。然而，由于工件是被夾在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的4爪卡盤上，只能加工圓孔。
后來出現(xiàn)了一種旋轉(zhuǎn)超聲換能器的機(jī)器。旋轉(zhuǎn)換能器使它可能精確地加工工件達(dá)到公差允許范圍。結(jié)合不同形狀工具的使用，其工作范圍可以擴(kuò)大到端部研磨，T形開槽，楔形切割，螺紋和內(nèi)、外圓研磨等。
到目前為止，英、美、蘇、法、日、中等國家己對(duì)超聲旋轉(zhuǎn)加工方法作了一些研究，包括設(shè)備研制和工藝研究。英國Kerry超聲公司研制生產(chǎn)“Sonicmill”落地式超聲旋轉(zhuǎn)加工機(jī)。前蘇聯(lián)莫斯科航空工藝研究所在20世紀(jì)60年代就生產(chǎn)出帶磨料的超聲波鉆孔機(jī)床。法國Extrude Hone 公司生產(chǎn)銷售SoneX 型旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)。瑞士Erosonic AG公司生產(chǎn)銷售Erosonic US400/US800 型旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)。
日本超聲波工業(yè)公司開發(fā)了體積小、重量輕、剛度大、可安裝在金屬切削機(jī)床的USSP系列超聲波主軸系統(tǒng)。日本超音波工業(yè)株式會(huì)社于1994年研制新型UMT-7 三座標(biāo)數(shù)控超聲旋轉(zhuǎn)加工機(jī)，機(jī)床功率450W，工作頻率20KHz，可在玻璃上加工孔徑1.6mm、深150mm 的深小孔，其圓度可達(dá)0.005mm，圓柱度為0.02mm。
日本還研制成一種新型“縱-彎”型振動(dòng)系統(tǒng)，并已在手持式超聲復(fù)合振動(dòng)研磨機(jī)上成功應(yīng)用。該系統(tǒng)壓電換能器采用半圓形壓電陶瓷片產(chǎn)生來“縱-彎”型復(fù)合振動(dòng)。日本金澤工業(yè)學(xué)院的研究人員研制了加工硬脆材料的超聲低頻振動(dòng)組合鉆孔系統(tǒng)。將金剛石中心鉆的超聲振動(dòng)與工件的低頻振動(dòng)相結(jié)合，制造了一臺(tái)組合振動(dòng)鉆孔設(shè)備，該設(shè)備能檢測鉆孔力的變化以及鉆孔精度和孔的表面質(zhì)量，并用該組合設(shè)備在不同的振動(dòng)條件下進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將金剛石中心鉆的超聲振動(dòng)與工件的低頻振動(dòng)相結(jié)合是加工硬脆材料的一種有效方法。
在美國，利用工具旋轉(zhuǎn)同時(shí)作軸向振動(dòng)進(jìn)行孔加工已取得了較好的效果。美國Branson 聲能公司先后制成UMT-3 和UMT-5 兩種超聲旋轉(zhuǎn)加工機(jī)。UMT 的主軸旋轉(zhuǎn)精度0.001~0002 英寸，轉(zhuǎn)速為0~5000 轉(zhuǎn)/分，工具的最大尺寸為ф38 毫米，在玻璃板上已加工出直徑1.6 毫米深達(dá)305 毫米和直徑1 毫米深300 毫米的孔。美國堪薩斯州立大學(xué)提出了一種超聲旋轉(zhuǎn)加工陶瓷材料去除率模型的計(jì)算方法，并將其應(yīng)用到氧化鋯陶瓷的加工中，確定了材料去除率和加工參數(shù)之間的關(guān)系，該研究大大推動(dòng)了陶瓷材料旋轉(zhuǎn)加工技術(shù)的發(fā)展。
在第八屆中國國際機(jī)床展覽會(huì)（CIMT2003）上，德國DMG 公司展出了其新產(chǎn)品DMS35 Ultrasonic 超聲振動(dòng)加工機(jī)床，該機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速3000~40000r/min，特別適合陶瓷、玻璃、硅等硬脆材料的加工。與傳統(tǒng)加工方式相比，生產(chǎn)效率提高5 倍，加工表面粗糙度Ra＜0.2μm，可加工0.3mm 精密小孔，堪稱硬脆材料加工設(shè)備性能的新飛躍。
國內(nèi)機(jī)電部第十一研究所范國良等人研制的用于加工YGA 激光晶體棒的T3030-3/ZV 超聲旋轉(zhuǎn)加工實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，已成功用于YAG 激光晶體棒的成行加工。該機(jī)工作頻率7-22KHz，功率400W，加工晶體棒直徑Φ3~Φ10mm，加工精度：圓度<0.0005mm，圓柱度一般為0.03mm。此外，國內(nèi)眾多高校及研究所，如天津大學(xué)、太原理工大學(xué)、四川大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等也開展了旋轉(zhuǎn)超聲加工裝置及加工過程的研究。
1.2.3 旋轉(zhuǎn)超聲加工的特點(diǎn)及優(yōu)勢
旋轉(zhuǎn)超聲加工有如下幾方面的特點(diǎn)及優(yōu)勢：
（1） 超聲加工可以加工導(dǎo)電性和非導(dǎo)電性等各種硬脆性材料，如陶瓷、寶石、硅、金剛石、大理石等非金屬材料，也適用于加工低塑性[2]和硬度高于40HRC 的金屬材料，如淬火鋼、硬質(zhì)合金、鈦合金等。
（2） 由于工件材料主要依靠磨粒瞬時(shí)局部的沖擊作用，故工件表面的宏觀切削力很小，切削熱少，不會(huì)產(chǎn)生變形及燒傷而改變工件表面的化學(xué)/電性質(zhì)，故加工精度和加工表面質(zhì)量都比較好。與其它材料去除過程相比，超聲加工能達(dá)到更高精度和表面光潔度。在大多數(shù)超聲加工中，可以獲得的平均工件表面粗糙度是0.50μm。使用合適的辦法，可以獲得0.25μm 的表面粗糙度。
（3） 超聲加工中，可用較軟的材料制作較復(fù)雜形狀的工具，且不需要工具與工件復(fù)雜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就可加工出各種復(fù)雜型腔和型面。故機(jī)床結(jié)構(gòu)簡單，操作維修方便。
（4） 旋轉(zhuǎn)超聲加工，采用固結(jié)磨粒的工具對(duì)加工工件進(jìn)行高頻、斷續(xù)加工，是超聲加工和切、磨削加工的復(fù)合加工方式，比單純的超聲加工和切磨削加工更具有突出的優(yōu)勢。
（5） 更好地提高加工精度和工具壽命。在普通超聲加工中，需要持續(xù)將磨料漿注入到工具與工件之間的間隙，并且需要不斷地將工具與工件的間隙處的磨料漿排出，結(jié)果導(dǎo)致材料去除率低，當(dāng)加工深度較大時(shí)，甚至導(dǎo)致加工停止。而且磨料漿流經(jīng)加工表面時(shí)，對(duì)已加工表面進(jìn)行磨拋，大大影響了加工精度。另外，磨料對(duì)工具也具有磨損作用，導(dǎo)致工具磨損加劇，進(jìn)而難以保證加工精密。而旋轉(zhuǎn)超聲加工采用固結(jié)磨料工具進(jìn)行加工，不再需要游離磨料懸浮液作為加工介質(zhì)，同時(shí)工作液更容易在加工工具及加工表面之間流動(dòng)，容易促進(jìn)超聲空化效果的產(chǎn)生，而且能更好地對(duì)工具及加工表面冷卻，及時(shí)的帶走磨屑，因而較普通超聲加工大大提高型面加工的精度。
（6） 更好地提高了已加工表面的耐磨性、耐腐蝕性。如超聲絎磨汽缸套內(nèi)孔表面加工中，刀具以高頻、斷續(xù)加工的方式在加工表面上形成數(shù)以萬計(jì)的微型儲(chǔ)油凹坑，在缸套和活塞工作的時(shí)候起到潤滑和降低摩擦系數(shù)的作用，防止粘著和咬合的出現(xiàn)，有效延長缸套使用壽命。
（7） 大大地提高了生產(chǎn)效率。旋轉(zhuǎn)超聲加工的復(fù)合加工機(jī)理，更適宜于硬脆性材料的加工，其去除率可以達(dá)到普通切磨削的6到10倍，是普通超聲加工材料去除率的10倍。
（8） 特別適用于難加工材料的深小孔加工，采用麻花鉆鉆削難加工材料深孔時(shí)，會(huì)出現(xiàn)很多問題，如切削液不易進(jìn)入切削區(qū)、切削溫度高、刀刃迅速磨鈍、切削力大，鉆頭易折斷、排屑困難，需要經(jīng)常退刀等，加工孔精度差，表明粗糙度大，刀具壽命短。采用超聲旋轉(zhuǎn)鉆削加工，超聲振動(dòng)的作用使切屑與刀具、工件間的摩擦阻力減弱，使切屑的排出流暢，不需要退刀排屑，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；若振幅選擇合適，超聲旋轉(zhuǎn)加工的軸向力比普通切削力下降30%左右，從而提高鉆頭壽命?？梢?，超聲旋轉(zhuǎn)加工是難加工材料深小孔加工的有效方法。
1.2.4 旋轉(zhuǎn)超聲加工的應(yīng)用
金屬和非金屬硬脆材料的使用越來越廣泛，尤其是陶瓷材料，具有高硬度、耐磨損、耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性好、不易氧化、腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于工程陶瓷等難加工材料具有極高的硬度和脆性，其成形加工十分困難，特別是成形孔的加工尤為困難，嚴(yán)重阻礙了其工業(yè)應(yīng)用上的推廣。旋轉(zhuǎn)超聲加工已被公認(rèn)為是一種加工硬脆性材料的高效低成本的加工方法，目前，旋轉(zhuǎn)超聲加工在許多工業(yè)領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應(yīng)用，例如汽車工業(yè)、工具和模具制造、光學(xué)元件、半導(dǎo)體工業(yè)、醫(yī)療工業(yè)等領(lǐng)域。因此，國內(nèi)外許多學(xué)者展開了對(duì)難加工材料超聲加工方法的研究。
（1）旋轉(zhuǎn)超聲鉆削加工
眾所周知，在相同的要求及加工條件下，加工孔比加工軸要復(fù)雜得多。一般來說，孔加工工具的長度總是大于孔的長度，在切削力的作用下易產(chǎn)生變形，從而影響加工質(zhì)量和加工效率。特別是對(duì)難加工材料的深孔鉆削來說，會(huì)出現(xiàn)很多問題。例如，切削液很難進(jìn)入切削區(qū)，造成切削溫度高、刀刃磨損快、產(chǎn)生積屑瘤等問題，進(jìn)而使的排屑困難，切削力增大。其結(jié)果是加工效率和加工精度大大降低，表面粗糙度大為增加，工具壽命縮短。采用超聲加工則可有效解決上述問題。
早在六十年代，超聲加工設(shè)備的研制和加工工藝的應(yīng)用己獲得了一定發(fā)展，以蘇聯(lián)生產(chǎn)的帶磨料的超聲波鉆孔機(jī)床為代表，采用磨料懸浮液的常規(guī)超聲加工在硬脆材料及復(fù)合材料孔加工方面顯示出一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在此之后相繼出現(xiàn)了各種超聲復(fù)合加工。
(2)旋轉(zhuǎn)超聲研磨加工
日本工業(yè)大學(xué)鈴木清和富山縣立大學(xué)植松哲太郎將超聲振動(dòng)頭安裝在加工中心（MC）上，進(jìn)行了陶瓷和超硬合金平面磨削加工和導(dǎo)電陶瓷材料的超聲放電磨削研究，取得了良好的效果。
華北工學(xué)院設(shè)計(jì)了一套旋轉(zhuǎn)超聲內(nèi)圓磨削的工藝設(shè)備，該裝置由超聲振動(dòng)系統(tǒng)、冷卻循環(huán)系統(tǒng)、磨床連接系統(tǒng)和超聲波電源等組成，其超聲換能器采用縱向復(fù)合式換能器結(jié)構(gòu)，通過旋轉(zhuǎn)超聲內(nèi)圓磨削的工藝試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于普通內(nèi)圓磨削，旋轉(zhuǎn)超聲內(nèi)圓磨削能改善工件加工表面質(zhì)量，提高生產(chǎn)率。
西北工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了一套適合于內(nèi)圓磨床上的超聲振動(dòng)磨削裝置，并著文介紹了該裝置的設(shè)計(jì)過程。該裝置由超聲振動(dòng)系統(tǒng)、冷卻循環(huán)系統(tǒng)、磨床連接系統(tǒng)和超聲波電源等組成，其超聲換能器采用縱向復(fù)合式換能器結(jié)構(gòu)，冷卻循環(huán)系統(tǒng)中使用磨削液作為冷卻液；磨床連接系統(tǒng)由輔助支承、制動(dòng)機(jī)構(gòu)和內(nèi)圓磨床連接桿等組成。該磨削裝置工具頭旋轉(zhuǎn)精度由內(nèi)圓磨床主軸精度保證，結(jié)構(gòu)比專用超聲波磨床的主軸系統(tǒng)要簡單得多，因此成本低廉，適合于在生產(chǎn)中應(yīng)用。
河北工業(yè)大學(xué)用旋轉(zhuǎn)超聲內(nèi)圓磨削的方法加工陶瓷材料和淬火軸承材料，通過大量的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分析不同的加工工藝參數(shù)及振動(dòng)參數(shù)對(duì)磨削加工工件表面粗糙度的影響。與普通磨削相比，旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)磨削不僅效率高，而且工件加工表面質(zhì)量得到了很大改善。
兵器工業(yè)五二研究所研究了陶瓷深孔精密高效加工的新方法――超聲振動(dòng)磨削，進(jìn)行了超聲振動(dòng)磨削和普通磨削陶瓷深孔的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果同樣表明了超聲振動(dòng)磨削可明顯提高陶瓷加工效率，能有效地消除普通磨削產(chǎn)生的表面裂紋和凹坑，是陶瓷深孔精密高效加工的新方法。
巴西的研究人員對(duì)石英晶體的超聲研磨技術(shù)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)石英晶體的材料去除率取決于晶體的晶向，研磨晶粒的尺寸影響材料去除率和表面粗糙度。研究指出，加工過程中材料產(chǎn)生微裂紋是材料去除的主要原因。
北京航空航天大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)將超聲振動(dòng)引入普通聚晶金剛石（PCD）的研磨加工，顯著地提高了研磨效率，并在分析PCD材料的微觀結(jié)構(gòu)和去除機(jī)理的基礎(chǔ)上，對(duì)PCD超聲振動(dòng)研磨機(jī)理進(jìn)行了深入研究。研究結(jié)果指出，研磨軌跡的增長和超聲振動(dòng)脈沖力的作用是提高研磨效率的根本原因。
(3)旋轉(zhuǎn)超聲雕刻、銑削加工
工程陶瓷的應(yīng)用日益廣泛，但其成形加工十分困難。尤其是具有三維復(fù)雜型面的工程陶瓷零件至今尚無有效的加工手段，嚴(yán)重影響了工程陶瓷材料的推廣應(yīng)用。1999年由Z.J. Pei博士提出一種將旋轉(zhuǎn)超聲加工應(yīng)用于平面銑的新途徑。在這種方法中，切割表面是一個(gè)圓錐面，以保持與旋轉(zhuǎn)超聲加工相同的加工機(jī)理，并且可以加工大的工件平面。這種工藝技術(shù)已經(jīng)被轉(zhuǎn)化到工業(yè)上，并正在被進(jìn)一步研究和發(fā)展。
大連理工大學(xué)提出了基于分層去除技術(shù)的超聲銑削加工方法，研制了超聲數(shù)控銑削機(jī)床，開辟了利用超聲加工技術(shù)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加工技術(shù)，解決了傳統(tǒng)超聲加工中工具損耗嚴(yán)重且不能在線補(bǔ)償?shù)碾y題，使加工帶有尖角和銳邊的三維復(fù)雜型面工程陶瓷零件成為可能，為工程陶瓷的廣泛應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持。
天津理工學(xué)院對(duì)大理石超聲精密雕刻技術(shù)進(jìn)行了研究，開發(fā)了大理石超聲精雕系統(tǒng)。該系統(tǒng)解決了大理石雕刻中微小異形表面高效精加工的難題，使大理石精雕質(zhì)量和水平跨上了新臺(tái)階。
1.3 超聲波加工機(jī)床的發(fā)展
超聲振動(dòng)系統(tǒng)是超聲設(shè)備的核心。以前普遍采用的超聲振動(dòng)系統(tǒng)多為縱向振動(dòng)方式, 并按“全調(diào)諧”工作。近年來, 對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)的工作方式、設(shè)計(jì)計(jì)算、振動(dòng)方式及應(yīng)用研究都取得新進(jìn)展。
陜西師范大學(xué)聲學(xué)所丁大成等研制成一種縱彎型振動(dòng)系統(tǒng)。利用該振動(dòng)系統(tǒng)制成的YP型超聲車刀已獲國家專利。其特點(diǎn)是: 克服了以往通常采用的“縱2彎”型振動(dòng)系統(tǒng)的某些不足, 且結(jié)構(gòu)簡單, 安裝方便, 節(jié)能。
日本還研制成一種“縱2扭”型超聲復(fù)合振動(dòng)系統(tǒng), 壓電換能器采用兩組壓電陶瓷片, 一組產(chǎn)生縱向振動(dòng), 另一組產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。復(fù)合振動(dòng)系統(tǒng)與四邊形油石連接后, 其縱向振動(dòng)頻率29. 4 kHz, 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率為19. 4 kHz。
國內(nèi)外研究表明, 超聲旋轉(zhuǎn)加工是一種有效的加工方法, 但有關(guān)設(shè)備、加工工藝相關(guān)技術(shù)正待研究開發(fā)。傳統(tǒng)的超聲加工機(jī)床自動(dòng)化程度低, 操作麻煩。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展, 為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床操作的自動(dòng)化, 現(xiàn)在清華大學(xué)已經(jīng)開發(fā)了完全數(shù)控化的旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)床, 以工控PC 為硬件基礎(chǔ), 其數(shù)控系統(tǒng)由Z 軸進(jìn)給控制, 旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制, 自動(dòng)頻率跟蹤控制等功能模塊組成。
天津大學(xué)也在超聲加工機(jī)床方面做了很多研究, 對(duì)機(jī)床進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)研究, 有利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代, 可縮短設(shè)計(jì)和制造周期, 降低成本, 性能穩(wěn)定可靠, 且給今后的維修帶來方便。
近年日本研制生產(chǎn)了多種超聲波加工機(jī)床, 如:
1) UM 250VNR2 型超聲波加工機(jī)床 是微小孔的專用超聲加工機(jī)床, 采用數(shù)控系統(tǒng), 自動(dòng)化程度高, 加工孔的最小直徑為5 0. 1 mm , 位置精度可達(dá)到±3 Lm, 操作簡單, 變幅桿和工具采用可拆卸式,更換工具容易。
2) UM 2500DA 自動(dòng)型超聲波加工機(jī)床 適合加工直徑為50.5mm～ 560mm的孔, 當(dāng)加工完成后能自動(dòng)回到原來位置, X 、Y 軸的進(jìn)給精度為5Lm, 且磨料供給系統(tǒng)好, 深孔加工效率高。
3) UM 2150B 型超聲波加工機(jī)床 主要用于成型研磨加工、精密細(xì)孔加工, 加工尺寸范圍是50.1mm～ 52.0 mm。
4) UM 2300DAP 自動(dòng)吸引式超聲波加工機(jī)床適用于深孔加工和對(duì)超硬合金等高硬度材料的加工。有吸引式磨料供給裝置, 工具振幅大, 且采用中空形式, 可迫使磨料不斷循環(huán), 使參與加工的磨粒更新快, 故加工效率高(為常規(guī)加工的2. 5～4倍)。
綜上所述, 超聲加工技術(shù)是非常有效的加工手段, 其發(fā)展和應(yīng)用促進(jìn)了超聲加工機(jī)床的發(fā)展, 且隨著現(xiàn)代工業(yè)的需要, 有進(jìn)一步開發(fā)研究的必要。
1.4 設(shè)計(jì)的目的及任務(wù)
超聲加工技術(shù)是一種將超聲振動(dòng)運(yùn)用于精密或超精密加工的技術(shù)，特別是在超硬材料、復(fù)合材料的難加工方面顯示出優(yōu)越性，具有低切削力、低切削溫度、低的表面粗糙度，被加工零件有良好的耐磨性、耐腐蝕性。所以精密超聲銑床將會(huì)制造出質(zhì)量更加優(yōu)異的產(chǎn)品。同時(shí)超聲銑床不但用到典型的機(jī)械結(jié)構(gòu)、各式的機(jī)械元件，還關(guān)系到現(xiàn)代加工先進(jìn)技術(shù)。因此精密超聲銑床的設(shè)計(jì)不但能對(duì)大學(xué)四年所學(xué)知識(shí)進(jìn)行一次很好的綜合訓(xùn)練，也能對(duì)創(chuàng)新意識(shí)進(jìn)行一次很好的培養(yǎng)。
精密超聲銑床的設(shè)計(jì)包括總體方案設(shè)計(jì)、超聲主軸箱設(shè)計(jì)，進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)及床身設(shè)計(jì)，共四部分。前兩部分為本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)?？傮w方案設(shè)計(jì)主要就機(jī)床的主要參數(shù)、結(jié)構(gòu)布局、傳動(dòng)系統(tǒng)方案、主軸箱設(shè)計(jì)、超聲裝置設(shè)計(jì)等方面作了簡要的論述。超聲主軸箱的設(shè)計(jì)主要就主軸箱的結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)件的結(jié)構(gòu)及參數(shù)等做了計(jì)算設(shè)計(jì)。
2 總體方案設(shè)計(jì)
2.1 總體方案概述
超聲波加工時(shí)，工具與工件間作用力很小，加工機(jī)床只需實(shí)現(xiàn)工具的工作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)及調(diào)整工具與工件間相對(duì)位置的運(yùn)動(dòng)，因此機(jī)床構(gòu)造較簡單，一般包括支撐振動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)架、工作臺(tái)面、進(jìn)給機(jī)構(gòu)以及床身等部分。
國內(nèi)外研究結(jié)果表明，由于這種加工方法把刀具的優(yōu)良切削性能與工具的超聲頻振動(dòng)結(jié)合在一起，與傳統(tǒng)銑削相比，具有以下特點(diǎn)：
(1) 加工速度快。
(2) 由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬時(shí)局部的沖擊作用，故工件表面的宏觀切削力很小，切削應(yīng)力、切削熱更小，不會(huì)產(chǎn)生變形及燒傷，也可在工件的邊、角附近處銑削，而不產(chǎn)生破裂。
(3) 超聲振動(dòng)減小了工具與加工表面的磨擦系數(shù)，切削力小，進(jìn)而排屑通暢。
(4) 可大大提高加工精度和改善表面質(zhì)量。表面粗糙度較低，可達(dá)Ra0.630.08，尺寸精度可達(dá)0.03mm。
(5) 對(duì)材料的適應(yīng)性廣。可用于脆性材料(例如玻璃、石英、陶瓷、YAG激光晶體、碳纖維復(fù)合材料等)的銑削。
(6) 工具磨損減小，使用壽命延長。
同時(shí)傳統(tǒng)銑床操作簡便，運(yùn)用廣泛，幾乎在所有的機(jī)械加工工廠都可見到。由于工人長期使用，對(duì)機(jī)床性能非常了解，因此也有利于對(duì)機(jī)床維修、改裝等。而超聲銑床在我國還處于剛剛起步階段，因此對(duì)傳統(tǒng)銑床進(jìn)行超聲裝置改裝，不但可以節(jié)約機(jī)床成本，也有利于超聲機(jī)床被工人使用。
臥式萬能升降臺(tái)銑床是近幾十年中生產(chǎn)上最常用、設(shè)計(jì)上最經(jīng)典的銑床，其工作性能相對(duì)穩(wěn)定，加工范圍廣泛，易于改裝，因此本次設(shè)計(jì)將基于X6132銑床進(jìn)行二次超聲銑床設(shè)計(jì)。
因此本次設(shè)計(jì)的超聲銑床還應(yīng)有以下性能要求：
（1）具有皮帶輪卸荷裝置
（2）手動(dòng)操縱雙向摩擦片離合器實(shí)現(xiàn)主軸的正反轉(zhuǎn)及停止運(yùn)動(dòng)。
（3）主軸的變速由變速手柄完成
（4）床頭箱的外型尺寸、與床頭床身的聯(lián)接要求與X6132銑床相同。
2.2 總體布局
本銑床由底座8、床身1、銑刀軸（刀桿）3、懸梁2及懸梁支架6、升降臺(tái)7、磨料管9、滑座5及工作臺(tái)4等傳統(tǒng)部分和超聲裝置部分9組成，如圖2-1所示。
（1）床身 用來支承和固定銑床上所有的部件。內(nèi)裝有主軸、主軸變速箱、超聲波發(fā)生裝置、變速操作機(jī)構(gòu)、電器設(shè)備及潤滑油泵等部件。其中主軸箱：又稱床頭箱，它的主要任務(wù)是將主電機(jī)傳來的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)過一系列的變速機(jī)構(gòu)使主軸得到所需的正反兩種轉(zhuǎn)向的不同轉(zhuǎn)速。主軸箱中等主軸是銑床的關(guān)鍵零件。主軸在軸承上運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性直接影響工件的加工質(zhì)量，一旦主軸的旋轉(zhuǎn)精度降低，則機(jī)床的使用價(jià)值就會(huì)降低。
（2）懸梁 懸梁上裝有支架，用以支持刀桿的外端，以減少刀桿的彎曲和顫動(dòng)。懸梁伸出的長度可根據(jù)刀桿的長度調(diào)整。
（3）刀桿 主軸是用來安裝銑刀并旋轉(zhuǎn)。主軸做成空心，前端有錐孔以便安裝刀桿錐柄。
4
5
1
2
8
7
6
3
9
（4）工作臺(tái) 用來安裝工件和夾具，臺(tái)面上可以緊固工件和夾具。工作臺(tái)的下部有一根傳動(dòng)絲杠，通過它使工作臺(tái)帶動(dòng)工件作縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
圖2-1 銑床結(jié)構(gòu)示意圖
（5）滑座 用以帶動(dòng)工作臺(tái)沿升降臺(tái)水平導(dǎo)軌作橫向運(yùn)動(dòng)，在對(duì)刀時(shí)及時(shí)調(diào)整工件與銑刀的橫向位置。
（6）升降臺(tái) 它位于工作臺(tái)、轉(zhuǎn)臺(tái)、橫向溜板的下面，并帶動(dòng)它們沿床身垂直導(dǎo)軌移動(dòng)，以調(diào)整臺(tái)面到銑刀的距離。升降臺(tái)內(nèi)部裝有進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給電動(dòng)機(jī)、變速傳動(dòng)裝置、快速傳動(dòng)裝置及其操縱結(jié)構(gòu)等。其中主要部分為進(jìn)給箱：又稱走刀箱，進(jìn)給箱中裝有進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的變速機(jī)構(gòu)，調(diào)整其變速機(jī)構(gòu)，可得到所需的進(jìn)給量，通過光杠或絲杠將運(yùn)動(dòng)傳至刀架以進(jìn)行銑削。
（7）底座 固定和支撐機(jī)床部件。底部盛裝液態(tài)磨料。
加工時(shí)，刀具安裝在主軸連接的刀桿3上，作旋轉(zhuǎn)的主運(yùn)動(dòng)；工件安裝在工作臺(tái)4上，工作臺(tái)在滑座5上作縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；滑座和工作臺(tái)在升降臺(tái)7上作橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；升降臺(tái)帶著滑座和工作臺(tái)一起作垂直升降運(yùn)動(dòng)。
2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
擬定傳動(dòng)方案，包括傳動(dòng)型式的選擇以及開停、換向、制動(dòng)、操縱等整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的確定。傳動(dòng)型式則指傳動(dòng)和變速的元件、機(jī)構(gòu)以及組成、安排不同特點(diǎn)的傳動(dòng)型式、變速類型。
傳動(dòng)方案和型式與結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度密切相關(guān)，和工作性能也有關(guān)系。因此，確定傳動(dòng)方案和型式，要從結(jié)構(gòu)、工藝、性能及經(jīng)濟(jì)等多方面統(tǒng)一考慮。
（1）傳動(dòng)布局選擇：考慮到此設(shè)計(jì)銑床為中型機(jī)床，要求結(jié)構(gòu)緊湊，便于實(shí)現(xiàn)集中操作；為了使箱體數(shù)少，在機(jī)床上安裝方便，所以采用集中傳動(dòng)。
（2）變速方式選擇：采用有級(jí)變速傳遞的功率大，變速范圍也大，傳動(dòng)比也準(zhǔn)確，且工作可靠，故選之。所采用的機(jī)構(gòu)為滑移齒輪變速機(jī)構(gòu)，因其可實(shí)現(xiàn)多級(jí)轉(zhuǎn)速，變速方便，且非工作齒輪不嚙合，空載功率損失較小。采用三聯(lián)齒輪可使結(jié)構(gòu)簡單，軸向尺寸小。
（3）開停方式：因?yàn)樵撱姶驳墓β瘦^小，且啟動(dòng)不是很頻繁，采用電動(dòng)機(jī)開停使操作方便省力，可簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)，因此采用電動(dòng)機(jī)開停方式
（4）制動(dòng)方式：考慮到該銑床需要裝卸和更換刀具，且要調(diào)整機(jī)床時(shí)要求主軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)。采用電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向和實(shí)際轉(zhuǎn)向相反，使之轉(zhuǎn)速而且迅速停轉(zhuǎn)。采用反接制動(dòng)，操作簡單，大大地簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)。
（5）換向方式的選擇：銑床的正反向都可以用于切削，工作中不需要變換轉(zhuǎn)向，正反向的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)和傳遞力都相同，在此采用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向。
2.4 主要參數(shù)確定
參照我國現(xiàn)存臥式萬能銑床，擬采用以下參數(shù)：
主軸箱主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：
主電機(jī) 功率：7.5 kw
轉(zhuǎn)速：1450 r/min
進(jìn)給電機(jī) 功率： 1.5 kw
轉(zhuǎn)速： 1410 r/min
進(jìn)給量范圍 縱向： 10—1000 mm/min
橫向： 10—1000 mm/min
垂直： 3.3—33 mm/min
工作精度 平面度： 0.02/300mm
粗糙度： 2.5 um
主軸轉(zhuǎn)速30～1500 r/min
主軸18級(jí)轉(zhuǎn)速
工作臺(tái)21級(jí)進(jìn)給速度
工作臺(tái)最大水平拖力1500N
被加工工件最大質(zhì)量 500kg
超聲部分主要技術(shù)指標(biāo)如下：
最大輸出功率 (kW)：2．2
超聲頻率 (kHz)：15
輸入電壓 (V)AC：220
負(fù)載阻抗 ()：15
電容 (pF)-1300
進(jìn)給部分設(shè)計(jì)參數(shù)如下：
工作臺(tái)、工件和夾具的總質(zhì)量m=918kg
工作臺(tái)的質(zhì)量510kg
工作臺(tái)的最大行程Lp=600 mm
工作臺(tái)快速移動(dòng)速度10-1000mm/min
工作臺(tái)采用貼塑導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)均為0.15
工作臺(tái)的定位精度為30μm
重復(fù)定位精度為20μm
床的工作壽命為20000h（即工作時(shí)間為10年）
主軸伺服電動(dòng)機(jī)，額定功率為1.5kw
2.5 主軸箱設(shè)計(jì)方案
設(shè)計(jì)主軸變速箱的結(jié)構(gòu)包括傳動(dòng)件（傳動(dòng)軸、軸承、帶輪、齒輪、離合器和制動(dòng)器等）、主軸組件、操縱機(jī)構(gòu)、潤滑密封系統(tǒng)和箱體及其聯(lián)結(jié)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與布置，用一張展開圖和若干零件圖表示。
主軸變速箱是機(jī)床的重要部件。設(shè)計(jì)時(shí)除考慮一般機(jī)械傳動(dòng)的有關(guān)要求外，著重考慮以下幾個(gè)方面的問題。
精度方面的要求，剛度和抗震性的要求，傳動(dòng)效率要求，主軸前軸承處溫度和溫升的控制，結(jié)構(gòu)工藝性，操作方便、安全、可靠原則，遵循標(biāo)準(zhǔn)化和通用化的原則。
主軸變速箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)整個(gè)機(jī)床設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)中不可避免要經(jīng)過反復(fù)思考和多次修改。在正式畫圖前應(yīng)該先畫草圖。目的是：
（1） 布置傳動(dòng)件及選擇結(jié)構(gòu)方案。
（2） 檢驗(yàn)傳動(dòng)設(shè)計(jì)的結(jié)果中有無干涉、碰撞或其他不合理的情況，以便及時(shí)改正。
（3） 確定傳動(dòng)軸的支承跨距、齒輪在軸上的位置以及各軸的相對(duì)位置，以確定各軸的受力點(diǎn)和受力方向，為軸和軸承的驗(yàn)算提供必要的數(shù)據(jù)。
3 擬定主傳動(dòng)系統(tǒng)及運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1 標(biāo)準(zhǔn)公比及模數(shù)的選擇
從使用性能考慮，公比最好選的小些，以減少相對(duì)轉(zhuǎn)速損失。但公比越小級(jí)數(shù)就越多，將使機(jī)床結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜。對(duì)生產(chǎn)率要求高的普通機(jī)床，減少相對(duì)損失是主要的，所以值取得較小，如=1.26或=1.41等。有些小型機(jī)床希望簡化構(gòu)造，公比可取得大些，如=1.58或=2等。對(duì)于自動(dòng)機(jī)床，減少相對(duì)轉(zhuǎn)速損失率的要求高，常取=1.06或=1.12。
此次設(shè)計(jì)的超聲銑床為生產(chǎn)率要求高的普通類機(jī)床，減少相對(duì)損失非常重要，因此標(biāo)準(zhǔn)公比擬采用=1.26.
齒輪模數(shù)的設(shè)定應(yīng)參考同類型機(jī)床的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，如齒輪模數(shù)設(shè)定的過小，齒輪經(jīng)不起沖擊，易磨損；如設(shè)定的過大齒數(shù)和將較少，是變速組內(nèi)的最小齒輪齒數(shù)小于17，產(chǎn)生根切現(xiàn)象，最小齒輪也有可能無法套裝到軸上。因此本機(jī)床主軸箱齒輪模數(shù)暫定為4.
3.2.擬定主傳動(dòng)選擇
（1）確定變速組的個(gè)數(shù)和傳動(dòng)副數(shù)
主軸傳動(dòng)為18級(jí)的 變速系統(tǒng)可用三個(gè)變速組，其中兩個(gè)三聯(lián)滑移齒輪變速組和一個(gè)雙聯(lián)滑移齒輪變速組。當(dāng)較小時(shí)，可以采用兩個(gè)變速組。
（2）確定傳動(dòng)順序方案
不同的傳動(dòng)順序方案有：
18=9×2， 18=6×3， 18=2×9， 18=3×6
18=3×3×2， 18=3×2×3， 18=2×3×3?
因無特殊要求根據(jù)傳動(dòng)副“前多后少”的原則應(yīng)選用18=9×2，18=6×3，18=3×3×2?三個(gè)方案。
（3）確定擴(kuò)大順序方案
根據(jù)傳動(dòng)線“前多后少”的原則，應(yīng)使變速組的擴(kuò)大順序與傳動(dòng)順序一致，故使用18=9 ×2 ，18=6 ×3 ，18=3 ×3 ×2
（4）檢驗(yàn)最后擴(kuò)大組的變速范圍
由于r = =1.26
? 結(jié)構(gòu)式 18=9 ×2 中，r =8
???????? 18=6 ×3 中，r =16>8不允許
18=3 ×3 ×2 符合
即方案有①18=9 ×2 ②18=3 ×3 ×2
在2種方案中：
方案①中，有三根軸，11對(duì)齒輪，軸向齒輪組過大
???方案②中，有四根軸，8對(duì)齒輪
因此比較可選擇方案②。
3.3 轉(zhuǎn)速圖確定
3.3.1 選定電動(dòng)機(jī)
一般金屬切削機(jī)床的驅(qū)動(dòng)，如無特殊性能要求，多采用Y系列封閉自扇冷式鼠籠型三相異步電動(dòng)機(jī)。Y系列電動(dòng)機(jī)高效、節(jié)能、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、噪聲低、振動(dòng)小、運(yùn)行安全可靠。根據(jù)機(jī)床所需功率選擇Y132S2-4，其同步轉(zhuǎn)速為1440/min。
3.3.2 分配總降速傳動(dòng)比
總降速傳動(dòng)比為u=30/1500≈0.02,nmin為主軸最低轉(zhuǎn)速，考慮是否需要增加定比傳動(dòng)副，以使轉(zhuǎn)速數(shù)列符合標(biāo)準(zhǔn)或有利于減少齒輪和及徑向與軸向尺寸，并分擔(dān)總降速傳動(dòng)比。然后，將總降速傳動(dòng)比按“先緩后急”的遞減原則分配給串聯(lián)的各變速組中的最小傳動(dòng)比。又知=1.26，則18級(jí)轉(zhuǎn)速分別為30、37.5、47.5、60、75、95、118、150、190、235、300、375、475、600、750、950、1180、1500.
3.3.3 確定傳動(dòng)軸的軸數(shù)
傳動(dòng)軸數(shù)＝變速組數(shù)+定比傳動(dòng)副數(shù)+1=4
3.3.4 結(jié)構(gòu)網(wǎng)的選擇
在18＝3×3×2中。又因基本組和擴(kuò)大組排列順序的不同而有不同的方案。在這些方案中，可根據(jù)下列原則選擇最佳方案。
a 傳動(dòng)副的極限傳動(dòng)比和傳動(dòng)組的極限變速范圍。在降速傳動(dòng)時(shí)，為防止被動(dòng)齒輪的直徑過大而使徑向尺寸太大，常限制最小傳動(dòng)比。在升速傳動(dòng)時(shí)，為防止產(chǎn)生過大的振動(dòng)和噪聲，常限制最大傳動(dòng)比；斜齒齒輪傳動(dòng)比較平穩(wěn)，可取。因此，變速傳動(dòng)組的最大變速范圍一般為，當(dāng)采用斜齒輪傳動(dòng)時(shí)可達(dá)到10。
b 基本組和擴(kuò)大組排列順序。原則是選擇中間傳動(dòng)軸變速范圍最小的方案。因?yàn)槿绻鞣桨竿?hào)傳動(dòng)軸的最高轉(zhuǎn)速相同，則變速范圍小的，最低轉(zhuǎn)速較高，轉(zhuǎn)矩較小，傳動(dòng)件的尺寸也就可以小些，這就是“前密后疏”的原則。即如果沒有別的要求，則應(yīng)盡量使擴(kuò)大順序和傳動(dòng)順序一致，即可實(shí)現(xiàn)前密后疏。
3.3.5 畫轉(zhuǎn)速圖
電動(dòng)機(jī)和主軸的轉(zhuǎn)速是已定。當(dāng)選定結(jié)構(gòu)網(wǎng)或結(jié)構(gòu)式后，應(yīng)合理分配各傳動(dòng)組的傳動(dòng)比并確定中間軸的轉(zhuǎn)速。再加上定比傳動(dòng)，就可畫出轉(zhuǎn)速圖。
如果中間軸的轉(zhuǎn)速能高一些，傳動(dòng)件的尺寸也就可以小一些。通常，從電動(dòng)機(jī)到主軸是降速傳動(dòng)，為使尺寸小的傳動(dòng)件多一些，所以在傳動(dòng)順序上各變速組的最小傳動(dòng)比應(yīng)采用所謂的“前緩后急”原則，即要求
但是，如果中間軸轉(zhuǎn)速過高，將會(huì)引起很大的振動(dòng)、發(fā)熱和噪聲。通常希望齒輪的線速度不超過12～15。對(duì)于中型車、鉆、銑等機(jī)床，中間軸的最高轉(zhuǎn)速不宜超過電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。對(duì)于小型機(jī)床和精密機(jī)床，由于功率較小，傳動(dòng)件不會(huì)太大，這時(shí)振動(dòng)、發(fā)熱和噪聲是應(yīng)該考慮的主要問題。因此要注意限制中間軸的轉(zhuǎn)速，不使其過高。
本設(shè)計(jì)所選定的結(jié)構(gòu)式共有3個(gè)變速組，變速機(jī)構(gòu)共需4軸。加上電動(dòng)機(jī)軸共5軸。故轉(zhuǎn)速圖需5條豎線，主軸共18級(jí)轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)速與主軸最高轉(zhuǎn)速相近，故需18條橫線。注明主軸的各級(jí)轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)速也應(yīng)在電動(dòng)機(jī)軸上注明。
中間各軸的轉(zhuǎn)速可以從電動(dòng)機(jī)開始往后推，也可從主軸開始往前推。通常，以往前推比較方便。
變速傳動(dòng)組c的變速范圍為，可知兩個(gè)傳動(dòng)副的傳動(dòng)比必然是前文敘述的極限值：
,
這樣就確定了軸Ⅳ的9種轉(zhuǎn)速只有一種可能，即為118、150、190、……、750r/min。
同理可推定Ⅲ的3種轉(zhuǎn)速只有一種可能，即為300、375、475r/min.
由此可作轉(zhuǎn)速圖，如圖3-1所示。
圖3-1 轉(zhuǎn)速圖
3.4 計(jì)算轉(zhuǎn)速的確定
（1）主軸根據(jù)圖3-1，升降臺(tái)銑床主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速是第一個(gè)的三分之一范圍內(nèi)的最高一級(jí)轉(zhuǎn)速，即=95r/min.
表3-1 各軸計(jì)算轉(zhuǎn)速
軸序號(hào)
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
計(jì)算轉(zhuǎn)速r/min
750
300
118
95
（2）各傳動(dòng)軸軸上有9級(jí)轉(zhuǎn)速，其最低轉(zhuǎn)速是118r/min、通過雙聯(lián)齒輪使主軸獲得兩級(jí)轉(zhuǎn)速:30r/min和235r/min，235r/min比主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速高，需傳遞全部功率，故軸Ⅳ的118r/min轉(zhuǎn)速也應(yīng)能傳遞全部功率，是計(jì)算轉(zhuǎn)速。以此類推，各軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速如表3-1所示。
3.5 主傳系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.5.1 變速機(jī)構(gòu)選擇
本設(shè)計(jì)加工范圍廣泛，采用有級(jí)變速機(jī)構(gòu)，有級(jí)變速機(jī)構(gòu)有下列幾種：
(1) 交換齒輪變速機(jī)構(gòu)
這種變速機(jī)構(gòu)的變速簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，主要用于大批量生產(chǎn)的自動(dòng)或半自動(dòng)機(jī)床、專用機(jī)床及組合機(jī)床等。
(2)滑移齒輪變速機(jī)構(gòu)
這種變速機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于通用機(jī)床和一部分專用機(jī)床中。其優(yōu)點(diǎn)是變速范圍大，變速級(jí)數(shù)也較多，又節(jié)省時(shí)間，在較大的變速范圍內(nèi)可傳遞較大的功率和轉(zhuǎn)矩，不工作的齒輪不嚙合，因而空載功率損失較小等。其缺點(diǎn)是變速箱的構(gòu)造較復(fù)雜，不能在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速。為使滑移齒輪容易進(jìn)入嚙合，多用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，故傳動(dòng)平穩(wěn)性不如斜齒輪傳動(dòng)。
(3)離合器變速傳動(dòng)
在離合器變速機(jī)構(gòu)中應(yīng)用較多的有牙嵌式離合器、齒輪式離合器和摩擦片式離合器。當(dāng)變速機(jī)構(gòu)為斜齒或人字齒圓柱齒輪時(shí)，不便于采用滑移齒輪變速，則應(yīng)用牙嵌式或齒輪式離合器變速。
摩擦片式離合器可以是機(jī)械的、電磁的或液壓的，特點(diǎn)是可在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中變速，接合平穩(wěn)，沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。采用摩擦離合器變速時(shí)，為減小離合器的尺寸，應(yīng)盡可能將離合器安排在轉(zhuǎn)速較高的傳動(dòng)軸上，而且要防止出現(xiàn)超速現(xiàn)象。
本次設(shè)計(jì)的超聲銑床要求變速范圍大，變速級(jí)數(shù)較多，變速也方便，因此選擇滑移齒輪變速機(jī)構(gòu)。
3.5.2 齒輪的布置與排列
（1）滑移齒輪的軸向布置
變速組中的滑移齒輪一般布置在主動(dòng)軸上，因轉(zhuǎn)速一般比被動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速高，可使滑移齒輪尺寸小、重量輕、操作省力。但有時(shí)由于具體結(jié)構(gòu)上的考慮，需將滑移齒輪放在被動(dòng)軸上；有時(shí)為了使變速操作力。便將兩個(gè)變速組的滑移齒輪都放在同一根軸上。
為了避免同一滑移齒輪變速組內(nèi)兩對(duì)齒輪同時(shí)嚙合，兩個(gè)固定齒輪的間距應(yīng)大于滑移齒輪的總寬度，即留有一定的間隙（mm）。
（2）一個(gè)變速組內(nèi)齒輪軸向位置的排列
如無特殊情況，應(yīng)盡量縮小齒輪軸向排列尺寸?；讫X輪的軸向位置排列通常有窄式和寬式兩種，一般窄式排列(即滑移齒輪軸向尺寸窄小)軸向長度較小。寬式排列(即滑移齒輪的軸向尺寸寬)，則占用的軸向尺寸較大，以致在相同的載荷條件下，軸徑需增大，軸上的小齒輪的齒數(shù)增加，相應(yīng)使齒數(shù)和徑向尺寸加大。因此，我們采用窄式排列。
（3）縮小徑向和軸向尺寸
為了減小變速箱的尺寸和增加齒輪傳動(dòng)的穩(wěn)定性，既需縮短軸向尺寸，又要縮短徑向尺寸，。它們之間往往是相互聯(lián)系的，應(yīng)該根據(jù)具體情況考慮全局，恰當(dāng)?shù)亟鉀Q齒輪布置問題。
軸Ⅳ
軸Ⅲ
軸Ⅱ
圖3-2 主軸箱齒輪分布圖
采用公用齒輪不僅可減少齒輪的數(shù)量，而且可縮短軸向尺寸。又知軸Ⅲ有齒數(shù)為38的兩個(gè)齒輪，因此在軸可Ⅲ選用公用齒輪。
軸Ⅳ的軸向尺寸略等于a、b、c組傳動(dòng)副在軸Ⅲ上的軸向距，將會(huì)造成軸向尺寸過大，因此可在軸Ⅳ中間某位置選用軸承支撐。
綜上所述，部分軸齒輪分布如圖3-2所示。
3.6 V帶傳動(dòng)的計(jì)算
普通V帶的選擇應(yīng)保證帶傳動(dòng)不打滑的前提下能傳遞最大功率，同時(shí)要有足夠的疲勞強(qiáng)度，以滿足一定的使用壽命。
(1) 確定計(jì)算功率
設(shè)計(jì)功率 （kW）
——工況系數(shù)，查《機(jī)床設(shè)計(jì)指導(dǎo)》（任殿閣，張佩勤 主編）表2-5，取1.1；
故
（2） 選擇V帶的帶型
根據(jù)，選用A型帶
（3）確定帶輪的基準(zhǔn)直徑，并驗(yàn)算帶速
由表8-6和8-8，小帶輪基準(zhǔn)直徑取為150mm；
帶速 ；
故帶速合適
大帶輪基準(zhǔn)直徑
圓整為280mm
（4）確定V帶的中心距和基準(zhǔn)長度
依據(jù)
由機(jī)床總體布局確定，過小，增加帶彎曲次數(shù)；過大，易引起振動(dòng)。初選中心距＝500mm,
帶基準(zhǔn)長度
查《機(jī)床設(shè)計(jì)指導(dǎo)》（任殿閣，張佩勤 主編）表2-7，取＝1400mm
實(shí)際中心距
(5) 計(jì)算小帶輪上的包角
小帶輪包角
（6） 計(jì)算帶的根數(shù)
單根V帶的基本額定功率,查《機(jī)床設(shè)計(jì)指導(dǎo)》（任殿閣，張佩勤 主編）表2-8，取2.28kW；
單根V帶的基本額定功率增量
——彎曲影響系數(shù)，取
——傳動(dòng)比系數(shù)，取1.12
故；
帶的根數(shù)
——包角修正系數(shù)，取0.93；
——帶長修正系數(shù)，取1.01；
故
圓整z取3；
（7）計(jì)算單根帶初拉力
單根帶初拉力
q為每米長質(zhì)量，取0.10；
故＝159.2N
應(yīng)使帶的實(shí)際初拉力大于
（8）計(jì)算壓軸力
帶對(duì)軸壓力
3.7 齒數(shù)的確定
3.7.1確定齒輪齒數(shù)的原則和要求
齒輪齒數(shù)確定的原則是使齒輪結(jié)構(gòu)緊湊，主軸轉(zhuǎn)速誤差小。具體要求如下。
（1）齒輪的齒數(shù)和不應(yīng)過大
齒輪的齒數(shù)和過大會(huì)加大兩軸之間的中心距，使機(jī)床的結(jié)構(gòu)龐大。一般推薦齒數(shù)和;特殊情況下也可取得。
（2）最小齒輪的齒數(shù)要盡可能小
最小齒輪的齒數(shù)盡可能小，但還需考慮以下3個(gè)問題。
① 最小齒輪不產(chǎn)生根切，機(jī)床變速箱中，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪，一般取最小齒數(shù).
② 受結(jié)構(gòu)限制的最小齒數(shù)的各齒輪(尤其是最小齒輪)，應(yīng)能可靠地裝到軸上或進(jìn)行套裝，齒輪的齒槽到孔壁或鍵槽的壁厚 (m為齒輪模數(shù))，以保證有足夠的強(qiáng)度，避免出現(xiàn)變形、斷裂。
③ 兩軸間最小中心距應(yīng)取得適當(dāng)，若齒數(shù)和太小，將導(dǎo)致兩軸件的的軸承及其他結(jié)構(gòu)之間的距離過近或碰撞。
3.7.2 齒輪齒數(shù)的確定
如參考文獻(xiàn)[1]表3.2-3，橫坐標(biāo)是齒數(shù)和，縱坐標(biāo)是傳動(dòng)副的傳動(dòng)比,由此可查出傳