汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子末葉片銷(xiāo)孔加工裝置的設(shè)計(jì)與研究 （中）
2017-7-5 來(lái)源：遼寧工業(yè)大學(xué) 作者： 張晚青
3.汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子末葉片銷(xiāo)孔加工裝置的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算
汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子末葉片銷(xiāo)孔新型的加工裝置主要由定位與夾緊裝置、進(jìn)給裝置、傳動(dòng)裝置、平衡裝置等四部分組成，在上一章中對(duì)各部分機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了闡述，在這一章中將繼續(xù)介紹這臺(tái)銷(xiāo)孔加工裝置的各個(gè)機(jī)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)方案及關(guān)鍵部件的計(jì)算。銷(xiāo)孔加工裝置的各個(gè)機(jī)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)方案為這臺(tái)裝置的可行性提供了進(jìn)一步的理論依據(jù)和技術(shù)支持。
3.1 定位與夾緊裝置的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
新型轉(zhuǎn)子末葉片錐形銷(xiāo)孔的加工裝置是將采用整個(gè)鉆孔裝置固定在轉(zhuǎn)子上進(jìn)行加工，這種加工方式稱(chēng)作“螞蟻啃骨頭”的加工方式。早在上世紀(jì)五六十年代，“螞蟻啃骨頭”的機(jī)械加工方式在當(dāng)時(shí)得到了廣泛的推崇和推廣。這種加工方式就是用小型機(jī)床加工較大型零件的加工方式。在工作時(shí)，大型工件由于體積和質(zhì)量較大，不易移動(dòng)，故移動(dòng)體積和質(zhì)量都相對(duì)小的機(jī)床在大工件周?chē)M(jìn)行加工。鑒于這樣的加工特點(diǎn)，我們常把相對(duì)小的機(jī)床叫做移動(dòng)式機(jī)床。一臺(tái)最小轉(zhuǎn)子的質(zhì)量也要十幾噸，而這種新型末葉片銷(xiāo)孔的加工裝置（除平衡裝置外）僅僅 60Kg 左右。因此，“螞蟻”主要是指所謂的“積木式”機(jī)床和“移動(dòng)式”機(jī)床，在本文中指的是汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子末葉片銷(xiāo)孔的加工裝置。而“骨頭”則是指經(jīng)鑄、鍛、焊接等方法處理后的大型工件，在本文中指的是汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子[15]。
這種“螞蟻啃骨頭”的加工方式常用于指代各種“以小干大”的方法。其實(shí)，這種“以小干大”的加工方式在傳統(tǒng)加工工藝中并不少見(jiàn)。在中國(guó)的明清時(shí)期，曾經(jīng)就有傳道士使用過(guò)這種加工方式制造天文儀器；在民國(guó)時(shí)期也出現(xiàn)過(guò)用小機(jī)床加工大的零件的例子；在前蘇聯(lián)時(shí)代也曾用移動(dòng)式的“塔式機(jī)床”加工大型零件的事例。本設(shè)計(jì)中所采用的“螞蟻啃骨頭”的加工方式，不僅可以節(jié)省用于定位所需要的大量時(shí)間，而且可以解決由于精度不高帶來(lái)的較大誤差[16]。
本設(shè)計(jì)的定位和夾緊裝置的作用是將小型的加工裝置固定在待加工的大型汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子上。定位與夾緊裝置的設(shè)計(jì)主要包括定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)兩部分。
3.1.1 定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是根據(jù)轉(zhuǎn)子上的平衡孔相對(duì)位置和大小的不變進(jìn)行設(shè)計(jì)的。在汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子上分布著一級(jí)級(jí)的葉輪和隔板，但因?yàn)楦舭迳系钠鈺?huì)存在漏汽的現(xiàn)象，這樣就會(huì)使每一級(jí)的葉輪前后有一定的壓差存在，于是就會(huì)使軸向推力有所增加。鑒于此，在每一級(jí)的葉輪上鉆相同的平衡孔，可以有效的降低軸向推力的作用。因此，在汽輪機(jī)的每一級(jí)葉輪上，一般都開(kāi)有大小和位置相同的平衡孔。為防止偶數(shù)個(gè)數(shù)的平衡孔對(duì)稱(chēng)而產(chǎn)生斷裂，故一般葉輪上開(kāi) 5 或 7 個(gè)的平衡孔。為方便加工，平衡孔在一般情況下起到定位的作用[17]。
在本設(shè)計(jì)中，運(yùn)用“一面兩銷(xiāo)”的定位原理對(duì)定位機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用相鄰的兩個(gè)平衡孔用兩銷(xiāo)進(jìn)行定位。通常情況下，在進(jìn)行機(jī)械加工的過(guò)程中，使用頻率最高的一個(gè)定位方式就是“一面兩銷(xiāo)”，即這種定位方式第一定位基準(zhǔn)是一個(gè)基準(zhǔn)面，另外的兩個(gè)基準(zhǔn)是垂直于這個(gè)基準(zhǔn)面的兩個(gè)銷(xiāo)，這兩個(gè)銷(xiāo)分別是一個(gè)圓形銷(xiāo)，一個(gè)削邊銷(xiāo)（或菱形銷(xiāo)）。
在一面兩銷(xiāo)的定位方式中，一個(gè)銷(xiāo)和一個(gè)面總共限制了 5 個(gè)自由度,僅有一個(gè)自由度沒(méi)有被限制，即繞銷(xiāo)旋轉(zhuǎn)的自由度,假如在一面兩銷(xiāo)的定位方式中的另一個(gè)銷(xiāo)仍然選用圓銷(xiāo),那么，就對(duì)兩銷(xiāo)間距離即兩銷(xiāo)連線方向的自由度多限制了一次,這樣就形成了過(guò)定位[18]。一個(gè)圓柱銷(xiāo)與一個(gè)菱形銷(xiāo)的設(shè)計(jì)就是用于防止過(guò)定位的。故菱形銷(xiāo)只限制了角向的選轉(zhuǎn)的自由度,符合 6 點(diǎn)定位原則，限制了全部 6 個(gè)自由度。即一面，限制了 3 個(gè)自由度，即沿 Z 移動(dòng)，繞 X 轉(zhuǎn)動(dòng)，繞 Y 轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖 3.1 所示。
圖 3.1 一面兩銷(xiāo)結(jié)構(gòu)示意圖
在機(jī)械加工過(guò)程中，任意的尺寸都會(huì)存在公差（或誤差），而兩個(gè)銷(xiāo)的中心距不可能與兩個(gè)定位孔的中心距完全一致。削邊銷(xiāo)或菱形銷(xiāo)就是可以有效的避免由中心距的誤差而造成的無(wú)法安裝，并且可以限制繞 Z 向的轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，圓柱銷(xiāo)是限制 X、Y 向移動(dòng)的，菱形銷(xiāo)的長(zhǎng)軸垂直兩銷(xiāo)孔的連心線[19]。
削邊銷(xiāo)的設(shè)計(jì)及誤差分析：
圖 3.2 一面兩銷(xiāo)誤差分析示意圖
3.1.2 夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
快速卡鉗屬于卡具的一種。在機(jī)械加工或制造過(guò)程中，通常會(huì)有將零件或物體放在恰當(dāng)?shù)奈恢脕?lái)進(jìn)行檢測(cè)或加工的工序，用來(lái)把對(duì)象固定的裝置，我們稱(chēng)為卡具。卡具也具有其廣泛的含義，只要能夠快速，準(zhǔn)確，方便的固定工件，這樣的裝置都可以稱(chēng)之為卡具。在卡具這個(gè)廣泛的大家庭中，屬機(jī)床夾具應(yīng)用最為廣泛，簡(jiǎn)稱(chēng)夾具。
夾具通常由定位元件（確定工件在夾具中的正確位置）、夾緊裝置等組成。故本設(shè)計(jì)中的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子末葉片銷(xiāo)孔加工裝置屬于機(jī)床的一種。
1-壓桿 2-螺母 3-滑動(dòng)框梁 4-調(diào)節(jié)滑塊 5-壓緊橡皮墊 6-鉚釘 7-連接桿 8-支撐桿 9-底座 10-控制手柄
圖 3.3 快速卡鉗二維圖
本課題中的夾緊機(jī)構(gòu)是將定位好的鉆孔裝置完全固定到轉(zhuǎn)子上，它的主要組成部件是快速卡鉗和連接架?？焖倏ㄣQ，又稱(chēng)為快速夾具。它的實(shí)質(zhì)其實(shí)就是雙搖桿機(jī)構(gòu)，雙搖桿機(jī)構(gòu)屬于平面連桿機(jī)構(gòu)的一種，它由連桿、機(jī)架及兩連架桿等四構(gòu)件組成。機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件互相作平面平行運(yùn)動(dòng)，其基本型為由四個(gè)構(gòu)件和四個(gè)低副組成的平面四連桿機(jī)構(gòu)（簡(jiǎn)稱(chēng)平面四桿機(jī)構(gòu)），它是應(yīng)用最廣和結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)，同時(shí)又是構(gòu)成平面多桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)。平面四桿機(jī)構(gòu)中，與機(jī)架相連接的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件稱(chēng)為連接架，不與機(jī)架相聯(lián)的構(gòu)件稱(chēng)為連桿。能相對(duì)機(jī)架作整周轉(zhuǎn)動(dòng)的連接桿稱(chēng)為曲柄，相對(duì)機(jī)架僅能作往復(fù)擺動(dòng)的連架桿稱(chēng)為搖桿[20-24]。
在現(xiàn)實(shí)生活中，我們常巧用死點(diǎn)夾緊原理對(duì)元件或零件進(jìn)行夾緊。當(dāng)平面四桿機(jī)構(gòu)中，當(dāng)連桿與從動(dòng)件在同一條直線時(shí)，那么這個(gè)平面連桿機(jī)構(gòu)達(dá)到了死點(diǎn)位置。被死點(diǎn)位置中的平面連桿機(jī)構(gòu)所壓緊的工件，即使存在再大的作用力，同樣沒(méi)有辦法把壓頭松開(kāi)，當(dāng)然破壞力除外。在本課題中的所選用的快速夾具，裝夾便捷，快速，使用簡(jiǎn)單，并且靈活，節(jié)省了在裝配夾具中所使用的大量時(shí)間。本文中設(shè)計(jì)的夾緊裝置巧妙的運(yùn)用快速卡鉗，可以使新型的加工裝置安裝在轉(zhuǎn)子上更加方便，快速，安全[25,26]。
圖 3.4 夾緊機(jī)構(gòu)連接架
夾緊機(jī)構(gòu)中的另一部件是連接架，連接架的作用是將加工裝置與快速卡鉗連接起來(lái)，使快速卡鉗其發(fā)揮應(yīng)用作用。由于連接架的兩端分別由螺栓連接到加工裝置和快速卡鉗上，整個(gè)連接架均已懸出，且懸出面過(guò)大，而連接架自身所能承受的載荷有限，此時(shí)，在兩個(gè)結(jié)合面之間設(shè)計(jì)一塊加強(qiáng)肋，用來(lái)提高結(jié)合面的強(qiáng)度和剛性。
3.2 進(jìn)給裝置的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算
汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子末葉片錐型銷(xiāo)孔的新型加工裝置的進(jìn)給裝置是為了實(shí)現(xiàn) X、Y、Z 方向進(jìn)給而進(jìn)行設(shè)計(jì)的。其主要部件包括螺旋傳動(dòng)副、導(dǎo)軌、進(jìn)給鎖緊機(jī)構(gòu)、滑塊、連接板、錐齒輪和帶座軸承等。
3.2.1 螺旋傳動(dòng)副的選用與計(jì)算
螺旋傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)的一種，它主要是利用螺紋牙面與螺旋旋合來(lái)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換的一種傳動(dòng)形式[27]。
螺旋傳動(dòng)的分類(lèi)根據(jù)工作性質(zhì)的不同可分為：
（1）傳力螺旋。傳遞動(dòng)力是傳力螺旋的主要工作性質(zhì)的體現(xiàn)，即較大的軸向力和軸向運(yùn)動(dòng)均由較小的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生，螺旋千斤頂和螺旋壓力機(jī)就是傳力螺旋的最好例證，在工作時(shí)常用低轉(zhuǎn)速，間歇的工作或短時(shí)間的工作。
（2）傳導(dǎo)螺旋。傳遞運(yùn)動(dòng)是傳導(dǎo)螺旋的主要工作性質(zhì)的體現(xiàn)，即傳動(dòng)的精度高是傳導(dǎo)螺旋的主要特點(diǎn)。金屬切削機(jī)床的進(jìn)給螺旋是傳導(dǎo)螺旋的常用方式，其較長(zhǎng)且連續(xù)的工作時(shí)間，較高的工作速度，均可使工作臺(tái)和刀具的直線進(jìn)給得到更好的實(shí)現(xiàn)。
（3）調(diào)整螺旋。軋鋼機(jī)軋輥的壓下螺絲和沖壓機(jī)的調(diào)整螺旋是調(diào)整螺旋的常用形式，其零部件間的相對(duì)位置的調(diào)整和固定是調(diào)整螺旋傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)的目的，就像帶傳動(dòng)中心距調(diào)整時(shí)的張緊螺旋，通常不輕易轉(zhuǎn)動(dòng)[28]。
本設(shè)計(jì)中根據(jù)工作性質(zhì)，選用的是傳導(dǎo)螺旋和傳力螺旋，可以通過(guò)人工對(duì)手柄的旋轉(zhuǎn)，使 X、Y、Z 三個(gè)方向進(jìn)行進(jìn)給，間歇的工作和進(jìn)行精確的定位，并通過(guò)旋轉(zhuǎn)手柄完成對(duì)預(yù)加工的銷(xiāo)孔進(jìn)行較好的鉆削。
螺旋傳動(dòng)根據(jù)螺紋副摩擦性質(zhì)的不同可分為：
（1）滑動(dòng)螺旋
滑動(dòng)螺旋摩擦系數(shù)和螺紋升程在通常情況下較小，故縱然具有很大的軸向力，但其具有很小的轉(zhuǎn)矩。運(yùn)用這種工作原理，前面所述的傳力螺旋起到了事半功倍的傳力作用，升程越小“四兩撥千斤”效果就愈發(fā)的明顯。
滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)的特點(diǎn)是：摩擦阻力大，傳動(dòng)效率低，大多數(shù)情況為 30-40%；易于自鎖；磨損快，進(jìn)而壽命短；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便；運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，然而可能有爬行的情況產(chǎn)生。
滑動(dòng)螺紋一般可分為梯形螺紋和鋸齒形螺紋。在日常生活中，我們常提到的滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)就是梯形螺紋傳動(dòng)。梯形螺紋之所以可以得到最廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)殇忼X形螺紋近用于單向受力的傳力螺旋。然而矩形螺紋常用于要求不是很高的傳動(dòng)螺旋和傳力螺旋。
（2）滾動(dòng)螺旋
滾動(dòng)螺旋，也可稱(chēng)為滾珠絲杠傳動(dòng)。在旋合螺母和螺桿的工作面上，置有適量的滾動(dòng)體，多數(shù)情況下為鋼珠，少數(shù)情況下為滾子，當(dāng)螺母與螺桿進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，滾動(dòng)體在滾道里沿著螺紋進(jìn)行滾動(dòng)，使螺母與螺桿的相對(duì)運(yùn)動(dòng)成為滾動(dòng)摩擦，使螺旋副的傳動(dòng)精度和傳動(dòng)效率得到了極大的提高。
滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)的特點(diǎn)是：摩擦阻力小，傳動(dòng)效率高，其傳動(dòng)效率至少在 90%；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造較難；具有傳動(dòng)的可逆性，即既可以把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也可以把直線運(yùn)動(dòng)變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，啟動(dòng)時(shí)無(wú)顫動(dòng)，低速時(shí)不爬行；螺母和螺桿預(yù)緊后，一般能夠調(diào)整到較高的定位精度和重復(fù)定位精度，其精度介于靜壓螺旋和滑動(dòng)螺旋中間，而且可以提高軸向剛度[29-31]。
多數(shù)滾動(dòng)螺旋的螺母上有滾動(dòng)體返回通道，與螺紋滾道形成閉合回路，使?jié)L動(dòng)體在螺紋滾道內(nèi)循環(huán)。
本課題中選用的既有滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)，又有滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)。在 Z 向進(jìn)給裝置的設(shè)計(jì)是在考慮其自身重力的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的，雖然平衡機(jī)構(gòu)能夠使鉆孔裝置處于無(wú)重狀態(tài)，但為避免操作不當(dāng)或操作失誤所引起的加工裝置在 Z 向上滑落下來(lái)的危害，所以在 Z 向?qū)⒙菪齻鲃?dòng)副設(shè)計(jì)為帶自鎖功能的梯形滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)，即梯形絲杠副。根據(jù)上述的滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)的特點(diǎn)，將 X、Y 向上設(shè)計(jì)為摩擦阻力小，傳動(dòng)效率高的滾動(dòng)絲杠傳動(dòng)。
梯形絲杠螺旋副的選型與設(shè)計(jì)：
圖 3.5 梯形絲杠
3.2.2 錐齒輪的選用與計(jì)算
齒輪是常用的機(jī)械設(shè)備的重要組成部分與基礎(chǔ)零件。它具有傳動(dòng)效率高，功率范圍大，使用壽命長(zhǎng)，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，安全可靠等特點(diǎn)，故而成為現(xiàn)今諸多機(jī)械產(chǎn)品中不可或缺的傳動(dòng)部件。
（1）錐齒輪的選用
對(duì)于平行軸傳動(dòng)，通常多采用圓柱直齒輪或斜齒齒輪傳動(dòng)；對(duì)于相交軸傳動(dòng)，多采用直齒、斜齒或曲線齒的錐齒輪傳動(dòng)；對(duì)于兩軸既不平行又不相交的傳動(dòng)（交錯(cuò)軸傳動(dòng)），可采用準(zhǔn)雙曲面齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)、以及交錯(cuò)軸斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)。根據(jù)一般盡可能選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和工藝合理的傳動(dòng)型式，根據(jù)本設(shè)計(jì)對(duì)傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力參數(shù)的要求，Z 向進(jìn)給方向選用兩個(gè)直齒錐齒輪（傘形錐齒輪）來(lái)實(shí)現(xiàn)手柄方向的轉(zhuǎn)向，這樣可以使手柄的操作更加便捷[32]。
直齒圓錐齒輪主要用于相交軸傳動(dòng)，它的效率比較高，可達(dá) 98%，通常用于機(jī)床、汽車(chē)、拖拉機(jī)等機(jī)械中。直齒錐齒輪傳動(dòng)的主要特點(diǎn)是承載能力小，比曲線錐齒輪的軸向力小，制造和結(jié)構(gòu)都比曲線錐齒輪容易。
圖 3.6 Z 向手輪轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖
直齒錐齒輪一般用于低速傳動(dòng)，其齒線理論上為直線。為了補(bǔ)償少量的安裝誤差及負(fù)載變形，實(shí)際上常在齒長(zhǎng)方向上制有微量的鼓形。直齒錐齒輪的軸向力比曲線齒錐齒輪小，因此，有時(shí)可以用軸承來(lái)減小對(duì)安裝空間的要求[33]。
3.2.3 軸承的選用
本課題進(jìn)給裝置中，根據(jù)不同軸承的性質(zhì)，功能，及其不同軸承的特點(diǎn)，選用了KFL002 帶座外球面軸承和深溝球軸承。
（1）帶座外球面軸承的選用
本課題中的 KFL002 帶座外球面軸承是將菱形座和潤(rùn)滑脂密封型深溝球軸承組合起來(lái)的高精度組件產(chǎn)品，但價(jià)格不貴。它是通過(guò)幾個(gè)螺栓連接安裝到 Z 向進(jìn)給框架上，并且具有調(diào)心功能，同時(shí)又能夠進(jìn)行潤(rùn)滑脂的補(bǔ)充，它是一種使用和安裝都很便捷的產(chǎn)品[34]。
圖 3.7 KFL002 帶座外球面軸承
（2）深溝球軸承的選用
在本設(shè)計(jì)中，根據(jù)深溝球軸承的特點(diǎn)及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，選用寬度為 8mm 的國(guó)標(biāo)深溝球軸承。
3.2.4 連接錐齒輪的軸的設(shè)計(jì)
軸是在機(jī)械設(shè)備中的一個(gè)重要的零件，它是用來(lái)安裝傳動(dòng)零件，并且使軸繞它的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，傳遞轉(zhuǎn)矩或運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)軸承和機(jī)架相連接。根據(jù)軸和軸線的形狀和功用不同，可分為直軸，曲軸和軟軸三類(lèi)。
軸的結(jié)構(gòu)決定于受載情況、軸上零件的布置和固定方式、軸承的類(lèi)型和尺寸等條件。軸的結(jié)構(gòu)，應(yīng)使軸受力合理，避免或減輕應(yīng)力集中，有良好的工藝性，并使軸上零件定位可靠，裝拆方便。軸上零件的周向固定，可采用鍵、花鍵、銷(xiāo)、過(guò)盈及脹緊套等連接。軸上零件的軸向固定，常用軸肩、軸環(huán)、螺母、軸端擋圈、套筒、圓錐面、鎖緊擋圈、緊定螺釘和彈性擋圈等[35]。
本課題中的軸的主要作用是連接錐齒輪，使錐齒輪繞著軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)齒輪的傳動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到手柄轉(zhuǎn)向的作用。軸與直齒錐齒輪之間用平鍵相連接，平鍵與軸和錐齒輪
采用過(guò)盈配合的配合方式，在軸的兩端分別用一個(gè)帶座外球面軸承和一個(gè)深溝球軸承連接，由于深溝球軸承與框架過(guò)盈配合，故不需要用軸肩等對(duì)其進(jìn)行軸向固定。
3.2.5 導(dǎo)軌與滑塊的選用與計(jì)算
導(dǎo)軌主要用來(lái)支承和引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)部件沿著一定的軌跡運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部件構(gòu)成一對(duì)導(dǎo)軌副。其中，不動(dòng)配合面稱(chēng)為固定導(dǎo)軌或靜導(dǎo)軌，運(yùn)動(dòng)配合面稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌或動(dòng)導(dǎo)軌。在運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌和固定導(dǎo)軌之間一般只允許有一個(gè)自由度。在本課題中，進(jìn)給裝置中的導(dǎo)軌均為直線導(dǎo)軌。導(dǎo)軌按照其摩擦性質(zhì)的不同，分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是滑動(dòng)導(dǎo)軌，一類(lèi)是滾動(dòng)導(dǎo)軌。
鑒于導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)性能，針對(duì)于本課題設(shè)計(jì)與選用不同類(lèi)別導(dǎo)軌時(shí)應(yīng)注意以下方面：
（1）導(dǎo)向精度。由于本課題的運(yùn)動(dòng)軌跡均為直線運(yùn)動(dòng)，幾何精度是影響導(dǎo)向精度的主要因素；
直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的幾何精度一般包括導(dǎo)軌在垂直平面、水平平面內(nèi)的直線度和兩條導(dǎo)軌面間的平行度，兩導(dǎo)軌面間橫向某長(zhǎng)度的扭曲值；
（2）精度保持性；
（3）低速運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性；
（4）剛度的滿足。
在本課題中，根據(jù)工作性質(zhì)和不同類(lèi)型導(dǎo)軌的特點(diǎn)，在進(jìn)給裝置中，將 Z 向進(jìn)給的導(dǎo)軌設(shè)計(jì)為滑動(dòng)導(dǎo)軌，將 X、Y 向的導(dǎo)軌設(shè)計(jì)為滾動(dòng)導(dǎo)軌。
（1）Z 向進(jìn)給導(dǎo)軌的選用
直線滑動(dòng)導(dǎo)軌既可以是一個(gè)專(zhuān)門(mén)的零件，也可以在一個(gè)零件上起導(dǎo)向作用的部分。在 Z 向進(jìn)給的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的直線滑動(dòng)導(dǎo)軌起到導(dǎo)向作用?；瑒?dòng)導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)件和承導(dǎo)件直接接觸，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，接觸剛度大，缺點(diǎn)是磨損快，易形成自鎖。
在 Z 向的進(jìn)給機(jī)構(gòu)中，選用 T 型導(dǎo)軌用來(lái)對(duì)加工裝置的 T 型絲杠進(jìn)行導(dǎo)向，以減小對(duì)絲杠的方形螺母的壓力與扭矩。由于在 Z 向上，絲杠和與其配合的方形螺母作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。如果沒(méi)有導(dǎo)軌的導(dǎo)向作用，則方形螺母相當(dāng)于懸臂梁的結(jié)構(gòu)，對(duì)方形螺母的壓力和扭矩之大可想而知。雖然在螺母兩側(cè)增加了直線滑動(dòng)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)，減緩了對(duì)螺母的壓力，但仍可能出現(xiàn)自鎖現(xiàn)象，故需要對(duì)導(dǎo)軌的不自鎖條件進(jìn)行驗(yàn)證，以保證進(jìn)給過(guò)程順利安全的完成[36-38]。
滑動(dòng)導(dǎo)軌不自鎖的條件：
作用力 F 平行于導(dǎo)軌軸線，與軸線的距離：
（2）X、Y 向進(jìn)給導(dǎo)軌的選用
直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副是一種新型的導(dǎo)軌標(biāo)準(zhǔn)組件。它是由四列循環(huán)滾珠、滾珠保持架、支承滑塊和帶滾道的導(dǎo)軌等四部分組成。一般情況下，每根導(dǎo)軌有兩個(gè)或兩個(gè)以上的支承滑塊。承載時(shí)，滾珠與滾道成線接觸，其承載能力比點(diǎn)接觸高很多。由于滾動(dòng)元件在受力時(shí)產(chǎn)生彈性變形，因而可以預(yù)緊，以提高導(dǎo)軌副的抗沖擊性能和剛度。
滾動(dòng)導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)是：在滾動(dòng)導(dǎo)軌中，其動(dòng)靜摩擦因數(shù)的兩個(gè)值相差很小，選用滾動(dòng)導(dǎo)軌不會(huì)容易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，并且定位精度高，壽命長(zhǎng)。因此，在本課題中的 XzY 方向的進(jìn)給導(dǎo)軌，選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副中的光軸和 SBR 滑塊。
SBR 直線導(dǎo)軌：在本課題中，選用 SBR 直線導(dǎo)軌，它以超高的強(qiáng)度和剛度，以及超低的阻力，在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)與生活中，得到廣泛的應(yīng)用。
圖 3.8 SBR 導(dǎo)軌
表 3.1 導(dǎo)軌尺寸參數(shù)表
3.2.6 進(jìn)給鎖緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
圖 3.9 鎖緊機(jī)構(gòu)
本文中的鎖緊機(jī)構(gòu)主要對(duì) Z 向和 Y 向的導(dǎo)軌進(jìn)行鎖緊，以使兩個(gè)方向的進(jìn)給裝置進(jìn)行鎖緊在特定的位置停留，且停留后不會(huì)因振動(dòng)或誤碰手柄而產(chǎn)生位移，以確保鉆孔精度滿足加工需求，保證鉆孔過(guò)程的順利進(jìn)行以及操作工人的人身安全。
進(jìn)給裝置的鎖緊機(jī)構(gòu)由帶螺紋法蘭和帶手柄螺桿組成。Z 向的鎖緊機(jī)構(gòu)中，帶螺紋法蘭由四個(gè)沉頭螺釘固定在 Z 向與 Y 向的進(jìn)給連接架上。當(dāng)進(jìn)行 Z 向進(jìn)給時(shí)，將帶手柄螺桿旋松或卸下，在進(jìn)給到特定位置時(shí)，將其旋進(jìn)帶螺紋法蘭中，將螺桿通過(guò) Z 向與Y 向的帶孔連接架旋到旋不動(dòng)為止，利用螺桿對(duì)導(dǎo)軌的擠壓力，阻止 Z 向進(jìn)給，達(dá)到鎖緊目的。X 向的鎖緊機(jī)構(gòu)中，帶螺紋法蘭由四個(gè)沉頭螺釘固定在 X 向的一個(gè)滑塊上，進(jìn)給到特定位置后，將螺桿旋進(jìn)法蘭中，將螺桿通過(guò)帶孔的滑塊直接旋到 X 向?qū)к壣希钡叫粍?dòng)為止，以實(shí)現(xiàn)對(duì) X 向進(jìn)給的鎖緊。
3.3 傳動(dòng)裝置的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算
本文中的傳動(dòng)裝置是由電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和工作機(jī)構(gòu)三部分組成。這部分裝置主要是通過(guò)對(duì) X 向進(jìn)給裝置的移動(dòng)，來(lái)對(duì)預(yù)加工孔進(jìn)行鉆削。電動(dòng)機(jī)接上電源后，通過(guò)平鍵傳遞動(dòng)力到小皮帶輪上，再通過(guò)把小皮帶輪和大皮帶輪連接起來(lái)的皮帶將動(dòng)力傳遞給大皮帶輪，再通過(guò)大皮帶輪將主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞給鉆頭，就這樣實(shí)現(xiàn)了鉆孔的過(guò)程。
3.3.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算
在本課題中，選用帶傳動(dòng)的傳動(dòng)方式是因?yàn)槠渥陨淼膬?yōu)點(diǎn)：傳動(dòng)穩(wěn)定，便于拆卸與安裝，不使用潤(rùn)滑油等。根據(jù)本文中需要設(shè)計(jì)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)功能，選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，用于平行軸傳動(dòng)的開(kāi)口傳動(dòng)。
傳動(dòng)帶選用窄 V 帶進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)，窄 V 帶承載層為繩芯，鍥角為 40°，相對(duì)高度近似為 0.9 梯形截面環(huán)形帶。窄 V 帶還具有摩擦系數(shù)大，工作面與輪槽粘附性好，允許包角小，傳動(dòng)比大，能承受較大的預(yù)緊力，傳遞功率大等特點(diǎn)[39]。
關(guān)于帶傳動(dòng)的參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算：
P -傳遞功率（kw） KA-工況系數(shù)（載荷平穩(wěn)或變動(dòng)微小時(shí)AK =1） 1n -小帶輪轉(zhuǎn)速（r/min）
2n -大帶輪轉(zhuǎn)速（r/min）
P1d -小帶輪節(jié)徑（mm）
P2d -大帶輪節(jié)徑（mm）
3.3.2 工作機(jī)構(gòu)的工作流程及電機(jī)的選型
（1）工作機(jī)構(gòu)的工作流程
電動(dòng)機(jī)以每分鐘 2800 轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速將動(dòng)力以 3：1 的傳動(dòng)比通過(guò)小皮帶輪和皮帶傳遞給大皮帶輪，在大皮帶輪和軸套之間用平鍵連接，以保證主軸轉(zhuǎn)速的正常運(yùn)行。在軸套的外側(cè)的前后，存在兩個(gè)銅質(zhì)的外軸套，并和軸套之間保持一定的縫隙，以減小主軸運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的摩擦力。其中，兩個(gè)銅質(zhì)的外軸套分別通過(guò)三個(gè)鉚釘固定在鉆孔工裝的框架上。為方便使用，鉆頭套是工廠內(nèi)部自行加工的，它是上下半徑不等的兩個(gè)圓面構(gòu)成的圓錐體，中間是鉆頭直徑的通孔。在椎體直徑大的一面，用車(chē)床車(chē)出大概 10mm 厚的螺紋，并切成均勻的四等分。將鉆頭放入鉆頭套后，用圓形螺母對(duì)鉆頭套進(jìn)行預(yù)緊，以便將鉆頭固定在鉆孔工裝上[40,41]。
由于每?jī)杉?jí)葉輪之間的距離相對(duì)小，致使普通的鉆床無(wú)法對(duì)末葉片銷(xiāo)孔進(jìn)行鉆削。本課題中的鉆孔機(jī)構(gòu)就是根據(jù)轉(zhuǎn)子葉輪末葉片銷(xiāo)孔的特殊情況而設(shè)計(jì)的鉆孔裝置。轉(zhuǎn)子中，兩葉輪間的最小距離為75m，所以對(duì)于鉆孔工裝中框架的設(shè)計(jì)，在滿足強(qiáng)度的前提下，盡可能薄一些，以便順利完成整個(gè)鉆孔過(guò)程。
1-電機(jī) 2-框架 3-皮帶 4-小皮帶輪 5-鍵 6-大皮帶輪 7-圓形螺母8-銅質(zhì)外軸套 9-軸套 10-鉆頭套 11-鉆頭
圖 3.10 傳動(dòng)裝置爆炸圖
鉆孔過(guò)程：首先將鉆頭裝進(jìn)鉆頭套，再把鉆頭套安置到軸套內(nèi)，用圓形螺母將鉆頭套鎖緊，固定到工作機(jī)構(gòu)中，注意安裝后的露出的鉆頭長(zhǎng)度和整個(gè)框架厚度之和要小于葉輪之間的最小距離；將傳動(dòng)裝置的電機(jī)接上三相電源，而后鉆頭主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，搖動(dòng) X軸手柄，使鉆頭對(duì)準(zhǔn)劃線后預(yù)鉆孔位置，先用較小直徑的鉆頭進(jìn)行鉆削，而后再用圖紙要求銷(xiāo)孔大小直徑的鉆頭進(jìn)行鉆削。在鉆削過(guò)程中，無(wú)法一次順利完成整個(gè)鉆削過(guò)程，將預(yù)緊鉆頭套的圓形螺母旋松后，用卡鉗將鉆頭伸長(zhǎng)到能夠?qū)⑷~輪鉆透長(zhǎng)度，進(jìn)行第二次鉆孔，直到完成通孔鉆削為止。而后逐個(gè)孔進(jìn)行鉆削。鉆削完成后，再次旋松鉆頭套上圓形螺母，用卡鉗將鉆頭放到可以順利將鉆孔工裝搖出的長(zhǎng)度，將其旋出。至此完成一個(gè)鉆孔周期[42,43]。
（2）電機(jī)的選型
在工廠中一般用于加工的電機(jī)均為三相交流電源。在本設(shè)計(jì)中，在電機(jī)的選用上沿用了原有的三相異步電機(jī)。選取 Y 系列 Y-90S-2 型三相異步電機(jī),額定功率 1.5kw，電機(jī)轉(zhuǎn)速 2800r/min。該電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高，價(jià)格低，維修方便等優(yōu)點(diǎn)。
3.4平衡裝置的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算
本課題中的平衡裝置的作用是平衡掉整個(gè)裝置的重力，理論上使其處于一種失重狀態(tài)，使其運(yùn)動(dòng)平滑，操作省力，可以大大減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。平衡裝置在 Z向進(jìn)給裝置的方形螺母出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，使其防止突然墜落，并使其處于三維空間的懸浮狀態(tài)。
平衡吊夾具操作簡(jiǎn)單、方便，所以只要移動(dòng)手柄工件物料即可隨動(dòng)。
3.4.1 平衡裝置的總體設(shè)計(jì)與受力分析
本課題中平衡裝置包括小型移動(dòng)起重機(jī)和彈簧平衡器兩部分。小型移動(dòng)起重機(jī)由橫梁，立柱，車(chē)輪和配重片等組成。為防止小型起重機(jī)發(fā)生側(cè)翻，加配重片以使裝置達(dá)到受力平衡。
圖 3.11 平衡裝置受力分析圖
3.4.2 彈簧平衡器與葫蘆的比較
彈簧平衡器的能量來(lái)自于在彈簧平衡器內(nèi)部的蝸卷彈簧，蝸卷彈簧處于一種蜷縮狀態(tài)，凝聚著彈性勢(shì)能，使平衡器吊起的重物與彈簧的拉力相抵消，使重物懸掛在半空中。它的工作原理實(shí)際上使平衡器內(nèi)的蝸卷彈簧的彈性勢(shì)能與重物的重力達(dá)到平衡。這種彈簧平衡器使重物處于失重狀態(tài)，大大降低了操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)效率。彈簧平衡器還可以節(jié)約空間，降低成本。
葫蘆屬于小型起重設(shè)備的一種，它主要是通過(guò)鋼絲繩或鏈條，來(lái)帶動(dòng)取物裝置運(yùn)動(dòng)的起重裝備。葫蘆主要是起到承上啟下的過(guò)度作用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易操作，但安全系數(shù)低，無(wú)保險(xiǎn)裝置。而彈簧平衡器自身存在優(yōu)點(diǎn)是葫蘆所不能及的。第一，彈簧平衡器存在保險(xiǎn)裝置，當(dāng)其內(nèi)部的彈性勢(shì)能不足以平衡掉懸掛的重物時(shí)，其內(nèi)部的彈簧會(huì)斷裂，起到保險(xiǎn)的作用；第二，彈簧平衡器能用較小的力移動(dòng)重物，可以節(jié)約很多不必要的人力[44]。
1-掛鉤 2-安全孔 3-拉桿止動(dòng)銷(xiāo) 4-塔輪 5-鋼絲強(qiáng)固定螺栓 6-調(diào)節(jié)蝸桿 7-繩拖動(dòng)移動(dòng)孔 8-鋼絲繩 9-緩沖橡膠 10-鋁管 11-吊鉤
圖 3.12 彈簧平衡器結(jié)構(gòu)圖
3.4.3 彈簧平衡器的選型
由于鉆孔裝置的質(zhì)量在 50Kg 左右，故彈簧平衡器應(yīng)選稱(chēng)重 60Kg 的型號(hào)，其中要考慮彈簧平衡器自身重量。
表 3.2 彈簧平衡器工作參數(shù)表
3.5 本章小結(jié)
本章對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子末葉片銷(xiāo)孔的加工裝置的各個(gè)部分的重要機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與選型進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹，包括固定與夾緊裝置的設(shè)計(jì)，其中一面兩銷(xiāo)的定位方式的選用與說(shuō)明和快速卡鉗的原理及選用；進(jìn)給裝置的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算，其中包括 X、Y、Z 方向螺旋傳動(dòng)副的選用，導(dǎo)軌和滑塊的選用，手柄轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)錐齒輪的選用，軸承的選用等；傳動(dòng)裝置的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算；平衡裝置的設(shè)計(jì)與選用等。
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