立辊轧机机架扩孔机设计

立辊轧机机架扩孔机设计

摘要

由于工作的需要，需对现有的立辊轧机机架进行扩孔，以便安装长行程伺服油缸。立辊轧机机架扩孔如果送入设备制造厂进行加工，质量保证可靠，但机架还原难于保证安装质量、精度。为了降低技改工程费用，决定在立辊轧机现场对机架进行扩孔加工。经过潜心研究，结合现场实际情况设计专用扩孔设备——专用镗床，再结合专用设备的扩孔工艺，提出了切实可行的解决方案。我个人认为，这个方案还是可以的。

设计的特色：解决了现场安装及镗杆的刚度问题；满足了扩较大孔的要求；此专用设备镗刀系统采用卧式镗床的平旋盘结构，可方便调整刀具切削深度；导轨采用组合式导轨，使运动平稳，安装便捷；支撑采用组合机床型式支撑，便于拆卸安装，可提高生产率。

关键词专用设备专用镗床加工效率工艺实验

毕业设计任务书v摘要Vi Abstract Vii

1 绪论1

1.1 设计目的和意义1

1.2 扩孔技术要求1

1.3 应解决的问题1

1.4 设计项目的发展情况1

1.4.1 镗床的发展历史2

1.4.2 现代镗床的现状及发展水平3

1.4.3 现代镗床飞速发展主要的几种形式3

1.4.4 镗床的发展方向4

1.5设计原理4

2 总体设计6

2.1 总体设计原则6

2.2 工艺分析6

2.3 总体方案的比较6

2.3.1 刀杆的安装形式6

2.3.2 进给方式 7

2.3.3 升降运动形式7

2.3.4 机床运动的分配7

2.3.5 选择传动形式和支撑形式7

3 力能参数计算9

3.1 镗削用量的选择及转矩、功率的确定原则9

3.2 最佳切削用量的选择10

3.2.1 现有镗孔工艺参数10

3.2.2 镗削切削速度、扭矩和切削功率公式10

3.2.3 主要镗削参数的计算11

3.3 选择电机13

4 扩孔机传动系统设计14

4.1 确定总传动比14

4.2 分配传动装置的传动比14

4.3 计算总的机械效率15

4.4 计算传动装置各轴的运动和动力参数15

4.5 带传动设计16

4.6 传动斜齿轮的设计计算19

4.6.1 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数19

4.6.2 按齿面接触强度设计20

4.6.3 按齿根弯曲强度设计21

4.6.4 几何尺寸计算23

4.6.5 计算Ⅰ－Ⅱ轴间圆柱斜齿轮23

4.6.6 齿轮的结构设计24

4.7 轴的结构设计24

4.7.1 轴设计的主要内容24

4.7.2 轴的材料24

4.7.3 轴的设计计算25

4.7.4 按扭转强度初步估算轴径25

4.7.5 轴的机构设计26

4.7.6求轴上的载荷27

4.7.7按弯扭合成应力校核的轴的强度28

4.7.8 精确校核轴的疲劳强度28

4.7.9 对轴Ⅱ进行设计31

4.8 对所有选用键进行强度校核36

4.9 对承受较大载荷的圆锥滚子轴承进行校核37

4.10 镗刀系统设计38

4.10.1 镗刀头38

4.10.2 镗杆选择39

4.11 箱体的结构设计40

5 导轨设计42

6 镗刀强度及镗杆的稳定性验算45

7 工艺试验49

结论50

小结51

参考文献52

附录A: E1立辊轧机机架加工工序图53

附录B: E2立辊轧机机架加工工序图54

致谢 55

附表：外文资料翻译 56

1 绪论

1.1 设计目的和意义

公司为了适应钢铁市场需求，实现了全连铸，热轧系统进行了大规模的改造，以提高热轧产品质量、成材率和作业效率，以及为冷轧提供高质量的原料，同时提高热轧产品的市场占有率。为了提高热轧板的外观增强带钢的市场竞争力，决定对现有的E1、E2立辊轧机进行改造，使热轧带钢产品质量达到国内先进水平。

此次改造用长行程伺服液压缸替代原电动机械侧压系统，为保证缸的行程满足原侧压轧辊位置变化要求，在安装伺服油缸位置，需对现有的立辊轧机机架孔进行扩孔，以便安装长行程伺服油缸。

立辊轧机机架扩孔实施方案比较突出，如果拆除，送入设备制造厂进行加工，质量保证可靠，但机架还原难于保证安装质量。为了降低技改工程建设费用，决定在立辊轧机现场对机架进行扩孔加工。

为了采用经济实用的方案解决机架现场扩孔，结合现场实际情况设计专用扩孔设备，再结合专用设备编制详细的扩孔工艺，提出了切实的解决方案，该方案具有经济、实用、可行等特点。

1.2 扩孔技术要求

E1立辊轧机机架：所加工孔从300mm扩孔至540mm，孔实际长度292mm,上下孔中心距1500mm，孔与油缸间隙单边5mm。

E1立辊轧机机架下孔相对地面标高为+200mm，上孔标高为+1700mm，安装面标高为-1600mm。

E2立辊轧机机架：所加工孔从260mm扩大到440mm，孔的实际长度108mm，上下孔中心距1240mm，孔与油缸间隙单边5mm。

E2立辊轧机机架下孔相对地面标高为+320mm，上孔标高为+1560mm，安装面标高为-1600mm。

1.3 应解决的问题

如何对较大孔进行扩孔，刀杆系统的稳定性；现场条件的限制问题；由于机架未拆卸下来只能在机器上加工扩孔，必须考虑现场空间大小以及专用镗床的生产成本问题。

1.4 设计项目的发展情况

镗床是一种主要用镗刀在工件上加工孔的机床。通常用于加工尺寸较大，精度要求较高的孔，特别是分布在不同表面上，孔距和位置精度要求较高的孔。如箱体上的孔，还可以进行铣削，钻孔，扩孔，铰孔等工作。镗床的特点是：在镗床上镗孔时，镗刀基本与车刀相同，不同之处是工件不动，镗刀在旋转。镗孔加工精度一般为IT9—IT7，表面粗糙度为Ra6.3—0.8mm。

镗削是利用镗床及安装在镗床上的金属切削刀具，对工件上的孔或其他一些加工表面进行切削加工的一种基本方法。镗削的基本过程是通过镗床上的镗刀与工件间的相对运动，对工件加工表面进行切削，使一层金属被切离加工表面，并使所加工表面获得一定的加工精度和表面粗糙度的切削过程。镗削的特点为：刀具结构简单,通用性达,可粗加工也可半精加工和精加工,适用批量较小的加工，镗孔质量取决于机床精度。

镗削一般在镗床、加工中心和组合机床上进行，主要用于加工箱体、支架和机座等工件上的圆柱孔、螺纹孔、孔内沟槽和端面。当采用特殊附件时，也可加工内外球面、锥孔等。对钢铁材料的镗孔精度一般可达IT9～7，表面粗糙度为R2.5～0.16微米。镗削时，工件安装在机床工作台或机床夹具上，镗刀装夹在镗杆上(也可与镗杆制成整体)，由主轴驱动旋转。当采用镗模时，镗杆与主轴浮动联接，加工精度取决于镗模的精度。不采用镗模时，镗杆与主轴刚性联接，加工精度取决于机床的精度。由于镗杆的悬伸距离较大，容易产生振动，选用的切削用量不宜很大。镗削加工分粗镗、半精镗和精镗。采用高速钢刀头镗削普通钢材时的切削速度，一般为20～50米/分。采用硬质合金刀头时的切削速度，粗镗可达40～60米/分，精镗可达150米/分以上。对精度和表面粗糙度要求很高的精密镗削，一般用金刚镗床，并采用硬质合金、金刚石和立方氮化硼等超硬材料的刀具，选用很小的进给量(0.02～0.08毫米/转)和切削深度 (0.05～0.1毫米)高于普通镗削的切削速度。精密镗削的加工精度能达到IT7～6，表面粗糙度为R0.63～0.08微米。精密镗孔以前，预制孔要经过粗镗、半精镗和精镗工序，为精密镗孔留下很薄而均匀的加工余量。镗削加工最常见的毛坯种类有铸铁件、铸钢件、有色金属铸件、锻件及焊接组件。其中铸件毛坯的材料常选用灰铸铁、铸钢、铝合金、铜合金等；锻件通常采用中碳结构钢和合金钢；而焊接组件常采用低碳结构钢板料，经切割加工后焊接而成。

专用镗床主要用于特殊孔的加工，应用范围较广。同时，专用镗床主要用于大批量大件生产，具有生产率高，能加工大型难加工零件，且结构简单，制造成本低等特点,复杂箱体零件孔系的加工,能在较为复杂的环境下工作且加工精度稳定。国内外专用镗床主要向标准化、高精度、高生产率方向发展，以适应复杂多变的生产环境。

1.4.1 镗床的发展历史

金属切削加工在这整个机械制造中占有极重的位置，约占机械制造总工作量的40~60％。在1770年前后，由于用手工和一般金属加工机具加工蒸汽机气缸不能到达精度要求，人们就创制了专门加工蒸汽机气缸孔的专业机床，于是就诞生了第一台卧式镗床。

20世纪初期,由于钟表仪器制造业的发展,需要加工孔距精度较高的设备，1905年在瑞士制成小型台式坐标定中心机床。1917年，在美国制成单柱坐标镗床。1920年瑞士制成双柱坐标镗床。当时绝大多数坐标镗床采用精密丝杠螺母、标准测杆(或量块)和千分表作为坐标定位装置，坐标定位精度仅为6～10微米。30年代,在德国、瑞士等先后出现了以线纹尺定位的光学坐标镗床，坐标定位精度提高到2～6微米。60年代以后，随着电子技术的发展，坐标镗床向数字显示和数字控制方向发展，采用光栅、感应同步器、激光干涉仪和磁栅等作为坐标定位装置，有的还增设了自动换刀装置。

到了二十世纪中期，又相继出现了加工各种复杂大型零件的坐标镗床。由于加工零件的不断变化，促进了镗床的不断发展完善。终于发展成为今天具有通用性、万年性的卧式镗床。对于重型制造业来说，那些体积大、吨位重的大型工件的孔加工，由于工件的移动和装夹困难，无法在普通卧式镗床上加工，因此，在卧式镗床的基础上又发展制造了重型落地镗床。

1.4.2 现代镗床的现状及发展水平

现代机器向着高速度、高效率、高精度发向发展，对机械零件精度要求越来越高，同时机构也日趋复杂，特别是箱体零件具有孔系多的特点它除了本身有尺寸精度要求外，还有形状精度和孔系之间的位置精度要求。镗床在这些加工中由为重要。现代还出现了一些生产能力强柔性不高的专用镗床。如用了大批量生产连杆轴瓦、活塞孔、油泵壳体等零件上的专门加工精密孔的金刚镗床。

1.4.3 现代镗床飞速发展主要的几种形式

a.卧式镗床：主要用于侧面孔的加工。

b.坐标镗床：是一种高精度的机床。主要特点：具有坐标位置的精密测量装置。

c.金刚镗床：一种高速精密镗床。主要特点：vc很高，ap和f很小，加工精度可达IT5--IT6.Ra达0.63--0.08μm。

d.专用镗床：专用镗铣头。主要特点：结构简单，制造成本低，能适应快速化生产及复杂的生产环境。

坐标镗床的发展由为迅速，下面介绍一下坐标镗床：

坐标镗床是高精度机床的一种，它是具有精密坐标定位装置，用于加工高精度孔或孔系的一种镗床。它的结构特点是有坐标位置的精密测量装置。在坐标镗床上还可进行钻孔、扩孔、铰孔、铣削、精密刻线和精密划线等工作，也可作孔距和轮廓尺寸的精密测量，用途广泛。坐标镗床适于在工具车间加工钻模、镗模和量具等，也用在生产车间加工精密工件。

坐标镗床的简史　20世纪初期,由于钟表仪器制造业的发展,需要加工孔距精度较高的设备，1905年在瑞士制成小型台式坐标定中心机床。1917年，在美国制成单柱坐标镗床。1920年瑞士制成双柱坐标镗床。当时绝大多数坐标镗床采用精密丝杠螺母、标准测杆(或量块)和千分表作为坐标定位装置，坐标定位精度仅为6～10微米。30年代,在德国、瑞士等先后出现了以线纹尺定位的光学坐标镗床，坐标定位精度提高到2～6微米。60年代以后，随着电子技术的发展，坐标镗床向数字显示和数字控制方向发展，采用光栅、感应同步器、激光干涉仪和磁栅等作为坐标定位装置，有的还增设了自动换刀装置。

坐标镗床可分为单柱式坐标镗床、双柱式坐标镗床和卧式坐标镗床三种类型。

　　单柱坐标镗床:主轴垂直布置，并由主轴套筒带动作上下移动以实现垂直进给,有的主轴箱可沿立柱导轨上下移动以适应不同高度的工件。工作台沿滑座作纵向移动，滑座沿床身导轨作横向移动，以配合坐标定位。工作台三面敞开，操作方便。中小型坐标镗床大多采用这种布局形式，坐标定位精度为2～4微米。

双柱坐标镗床:两立柱上部通过顶梁连接，横梁可沿立柱导轨上下调整位置。主轴箱沿横梁导轨作横向移动，工作台沿床身导轨作纵向移动，以配合坐标定位。大型的双柱坐标镗床在立柱上还配有水平主轴箱。采用双柱框架式结构,刚度很高,大中型坐标镗床多为这种形式,坐标定位精度为3～10微米。

　　单柱和双柱坐标镗床的主轴都垂直于工作台面，一般适合于加工一个方向上有孔的工件，如钻模、镗模和样板等。加工几个方向都有孔的工件时，则须使用万能回转工作台，因而工件的尺寸和重量受到限制。

　卧式坐标镗床:两个坐标方向的移动分别为工作台横向移动和主轴箱垂直移动。工作台可在水平面内回转。进给运动由纵向滑座的轴向移动或主轴套筒伸缩来实现。由于主轴平行于工作台面，利用精密回转工作台可在一次安装工件后很方便地加工箱体类零件四周所有的坐标孔，而且工件安装方便，生产效率较高。这种镗床适合箱体类零件的加工。

1.4.4 镗床的发展方向

现代镗床由过去的专用镗床发展为今天的通用性机床，具有较大的工艺范围，且运动灵活，柔性高，能加工复杂的零件，通用镗床正向数控化、大型化、超精密、高速度等方向发展。一些专用镗床向标准化发展，使专用镗床生产周期大为降低，生产成本降低，体积更小，能满足各种加工要求。

1.5设计原理

该专用镗床主要由刀具系统、变速装置、动力装置构成。

镗刀可分为镗刀头和镗刀块。

镗杆按支撑形式分为悬臂式和双支撑式镗杆。

变速装置可由齿轮变速或电机无极变速装置构成，本课题考虑到机械结构及成本因素，选用齿轮组变速。

动力装置主要由各类电机供给。

本设计根据现有坐标镗床及相关组合机床综合设计利用刀具在导轨上做进给运动，导轨类似CA6140导轨。利用组合支架提供不同高度的孔加工。

参考文献

[1] 王绍俊主编.机械制造工艺设计手册[M].哈尔滨工业大学出版社

[2] 乐兑谦主编.金属切削刀具[M].机械工业出版社.1985。