手动套丝辅助器的设计.docx

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手动套丝辅助器的设计

2012届本科毕业论文（设计）

论文题目：

手动套丝辅助装置的设计

学生姓名：

所在院系：

机电学院

所学专业：

机电技术教育

导师姓名：

完成时间：

2012年5月9日

摘要

随着我国机械行业的快速发展，板牙的使用领域已经非常广泛，板牙是一种及其常用的加工外螺纹的刀具，但是由于传统手用板牙的设计很难保证板牙轴线与工件轴线同心，以及操作者的经验不足等很容易造成加工出的螺纹出现烂牙、螺纹轴线歪斜、中径小等缺陷，最终导致螺纹不能够正常使用。

故本论文设计此板牙辅助装置，以此装置来改善加工的螺纹精度，提高效率。

本文基于螺纹容易出现的种种缺陷，首先改进原有的手动外螺纹加工机构，本文设计的辅助装置通过4个导向套与4个光轴的高精度的间隙配合限制机构的4个自由度，再加上轴承与工作台的过盈配合而4个光轴固定在工作台上，使整个装置可以通过4个手柄做旋转运动，而4个支撑架上都有十字形的孔，通过螺栓连接可以把此装置牢牢固定，并可以实现此装置的前后左右移动，来加工不同直经的工件，使板牙轴线与工件轴线同心，从而可以大大提高加工精度，接着对此辅助装置上所有受力零部件进行受力分析强度校核，确保每个零件都能满足使用要求。

然后对此装置的工作原理进行优化，使它尽量的结构简单，并且可以最大程度的提高精度。

最后基于SolidWorks对所造型设计全部零件进行虚拟装配，反馈设计合理与否并做相应的改进设计，得出最优设计方案。

关键词：

板牙，辅助装置，设计方案

Abstract

China'smachineryindustry'srapiddevelopment,thedieistheuseoffieldisverywide,andthedieisakindofcommonlyusedmanualprocessingthreadcutter,butduetodesigndefectsinthedieitselfisverydifficulttoguaranteethedieaxisandtheaxisofworkpiececoncentric,aswellastheoperator'slackofexperienceandisveryeasytocausetheprocessingofthethreadappearsrottenteeth,screwskew,diametersmalldefects,eventuallyledtothethreadcannotnormaluse.Thispaperdesignthedieauxiliarydevice,thisdevicetoimprovetheprocessingprecisionofscrewthread,improveefficiency.

Inthispaper,basedonthreadpronetodefects,firstofalltoimprovetheoriginalmanualexternalscrewthreadprocessingmechanism,thispaperdesignedauxiliarydevicethroughthe4guidesleeveandtheopticalaxisofthehighprecisionofclearancelimitingmechanismof5degreesoffreedom,coupledwiththebearingandtheworkingtablethatcanfitthroughthe4handlerotationmotion,whilethe4supportframehastenshapedhole,connectedbyboltstothedeviceisfirmlyfixed,andcanimplementthisdeviceformovingaround,totheprocessingofdifferentdiameterworkpiece,sothatthedieaxisandtheaxisofworkpiececoncentric,whichcangreatlyimprovethemachiningprecision,andthisauxiliarydeviceonallforcepartsstressanalysisstrength,ensurethateverypartofitcanmeetuserequirements.Thentheworkingprincipleofthedeviceisoptimized,makingitasfaraspossiblehastheadvantagesofsimplestructure,andcanbethegreatestdegreeofaccuracy.Finally,basedonSolidWorkstodesignallpartsinvirtualassembly,feedbackdesignisreasonableornotandmakecorrespondingimprovementdesign,optimaldesign.

Keywords:

die,auxiliarydevice,designscheme

1绪论

1.1板牙的介绍

板牙是一种加工外螺纹的刀具，俗称“钢板”，多用高速钢制成，板牙就相当于一个具有很高硬度的螺母，螺孔周围加工有几个排屑孔，一般在螺孔的两端磨有切削锥。

用圆板牙加工螺纹时，呈半切削半挤压状态。

板牙的内径和中径是切削部分，尤其是板牙内径要承受较大的切削力，因此必须具有一定的强度和切削能力。

板牙由切削部分和校准部分组成，切削部分是板牙两端的切削锥角的部分，当一端磨损后可以换用另一端，板牙的中间一段是校准部分，主要起导向和修整作用。

板牙按外形和用途分为圆板牙、方板牙、六角板牙和管形板牙。

如图1.1～1.4所示其中以圆板牙应用最广，规格范围为M0.25～M68毫米。

当加工出的螺纹中径超过公差时，可将板牙上的调节槽切开，以便调节螺纹的中径。

板牙可装在板牙扳手中用手工加工螺纹，也可装在板牙架中在机床上使用。

板牙加工出的螺纹精度较低，但由于结构简单、使用方便，在单件、小批生产和修配中板牙仍得到广泛应用[1]。

图1.1圆板牙图1.2方板牙

图1.3六角板牙图1.4管板牙

由于人们在使用板牙加工螺纹时的操作不当，从而导致加工出来的螺纹发生烂牙,以及螺纹歪斜等缺陷。

如图1.5图1.6所示：

图1.5正常螺纹图1.6缺陷螺纹

图1.7螺纹轴线倾斜示意图

使用板牙加工螺纹首先选用棒料直径要比所要加工的螺纹大径小一点，棒料直径过大会导致出加工出的螺纹出现烂牙，过小会导致螺纹中径小和螺纹太浅，如图1.5图1.6所示，以及就是有缺陷的螺纹由图可知下面一部分螺纹很浅，上面螺纹深，这种螺纹时不能够正常使用的，在加工时板牙的轴线要与棒料的轴线重合，即加工过程中要板牙不能够歪斜，双手带动板牙手柄旋转时要用力平稳，否则会出现螺纹歪斜，在加工前要在棒料和板牙上要涂润滑液，否则会导致加工出的螺纹不光滑以及烂牙。

如图1.6下半部分所示就是烂牙，而图1.5是正常加工出的螺纹，表面比较光滑，螺纹两边深浅相同。

为了尽量的避免上诉种种螺纹缺陷，提高螺纹精度故设计此套丝辅助装置[2]。

1.2国内外研究现状

螺纹刀具是用于加工各种内外螺纹的专用螺纹工具，在机械加工领域使用广泛，需求量大，螺纹刀具在国际刀具市场占有重要地位。

近年来，随着切削加工条件的变化以及对高生产率的重视，对螺纹刀具的材料、表面处理、结构参数等提出了更高的要求。

以下是对螺纹刀具的刀具材料、表面涂层、品种规格、加工设备、加工质量、等方面对国内外螺纹刀具的现状及发展趋势进行初步探讨。

（1）刀具材料

国外大部分产业用的螺纹刀具都是采用高速钢制造，用合金工具钢制造的螺纹刀具通常只限于家庭使用。

例如德国GUHRING精密工具公司生产的板牙82%以上采用高性能高速钢材料制造，约6%采用硬质合金制造，约8%采用粉末冶金高速钢制造；合金工具钢已很少使用。

该公司90%以上的圆板牙采用普通高速钢制造，其余采用高性能高速钢制造。

日本OSG公司、德国EMUGE公司等著名的螺纹刀具制造商约有50%的螺纹刀具采用高速钢制造，其余50%则采用粉末冶金钴高速钢、硬质合金、高性能高速钢等高性能优质材料制造。

在难加工材料、硬材料工件的螺纹加工中，粉末冶金钴高速钢刀具材料日益受到重视，其抗弯强度、耐磨性、热硬度等性能指标可比普通含钴高速钢大约强2～3倍。

但由于粉末冶金高速钢加工本钱较高，目前在螺纹刀具选材时还不能普遍使用。

（2）表面涂层

高速钢螺纹刀具进行表面涂层后，可以有效降低切削摩擦力，减少刀具磨损，大大提高刀具切削性能和使用寿命。

目前TiN涂层及复合涂层工艺在国外螺纹刀具生产中已得到广泛采用，如德国GUHRINR、EMUGE等公司的各种涂层产品已占其螺纹刀具产量的40%左右。

硬度是高速钢螺纹刀具切削性能的重要参数之一。

在加工螺纹过程中，会产生较高切削热并传递给刀具，从而使刀具硬度降低。

当切削区温度超过550℃后，刀具的金相组织将发生变化，以导致刀具硬度快速下降；温度每升高100℃，硬度下降幅度可达300～400HV；若刀具硬度降至59～60HRC，将基本丧失切削能力。

螺纹刀具经涂层后其表面硬度可明显增高。

TiN涂层硬度可达2300HV以上；TiCN涂层硬度可达3000HV以上。

螺纹刀具的表面涂层各具特色，并有不同的适用范围，经TiCN涂层的高速钢螺纹刀具硬度较高，可达到与未涂层硬质合金刀具相当的切削性能；此外，在某些切削场合，TiCN涂层高速钢与未涂层硬质合金刀具相比性能更好。

用TiCN涂层丝锥攻削黄铜板或铸铝工件时，刀具使用寿命可延长10倍以上；用TiAlN涂层丝锥攻削灰铸铁或过共析铝合金工件时，刀具使用寿命可以提高4倍以上。

与TiN涂层相比，TiAIN涂层可使刀具具有更高硬度和更好的抗氧化性能，因此TiAIN涂层刀具更适适用于高速切削加工。

（3）加工设备

随着微电子技术和计算机技术的飞速发展与广泛应用，近年来国外螺纹刀具制造技术与装备水平发生了巨大变革和进步。

如板牙制造已广泛采用整体磨削工艺，利用高速磨削、高压冷却、自动操纵及自动上下料等先进工艺手段使板牙外形一次成型，生产效率大幅度进步。

德国JUNKER公司生产的快速点磨削式外圆磨床采用立方氮化硼（CBN）砂轮，仅需6秒钟即可完成包括丝锥顶尖、刃部、颈部、柄部的一次磨削成型（如需磨方头，只需增加0.5秒即可完成）。

该公司还生产可磨沟、磨刃倾角、磨螺纹的高速、高效NC、CNC磨床，其中520CNC磨床加工一个M10丝锥的螺纹仅需20秒钟。

瑞士REISHAVER生产的RGB25CNC螺纹磨床既可在机床上直接编程加工各种丝锥，也可与设计中心的计算机联接，根据设计中心的指令加工各种丝锥，大大进步了“小批量、多品种、短周期”的柔性生产能力，供货周期一般仅为一个星期，特殊刀具最快可在2～3天内交货。

日本OSG公司拥有数十台德国JUNKER公司制造的丝锥螺纹磨床；德国EMUGE公司拥有瑞士REISHAVER公司制造的十四台GBA机床和多台RGB2510机床。

国外螺纹刀具制造商一方面十分重视在关键工序上重点引进加工效率高、自动化程度高及本国缺少的高精尖设备（一般占全部设备的3%～5%）；另一方面夸大立足自身，依靠技术进步，开发具有独自特色的工艺装备。

通过研制开发高效专用设备，将计算机技术应用于专用设备，进步专用设备的自动化程度，满足操纵简单、调整方便、产品质量稳定的要求，同时最大限度地发挥引进设备的效能，使国外不少螺纹刀具制造商的工艺水平和装备水平达到世界一流。

如日本OSG公司的自制专用设备占全部设备的约60%，可很好满足开发新产品的特殊需要。

（4）加工质量

国外螺纹刀具制造商非常重视加工质量，将不断提高加工质量作为企业发展战略的重要内容。

为保证加工质量的可靠性，大量采用先进的加工设备和加工工艺。

如对板牙毛坯先热处理后成型，以消除冷热加工产生的变形，保证产品的内在质量；采用先进的检测手段，辅以计算机数据处理，使产品检测正确、方便、直观；不断进行板牙性能试验，建立切削数据库，及时向用户提供正确、完整的切削数据，保证用户获得最佳效益。

进入21世纪后，高速切削技术及工厂自动化、智能化加工技术的发展对螺纹刀具提出了更高要求。

国外目前已批量生产主轴转速达2000～3500r/min的加工中心，但配套刀具的切削能力尚不能满足这些先进设备的要求。

因此，必须加快对螺纹刀具（包括刀具材料、结构型式、几何参数等）的研制和开发，使“每一把刀具都调整到适用于每一个具体加工对象”。

应特别重视对超硬刀具材料及刀具表面涂层技术的开发，改善螺纹刀具的切削性能，延长其使用寿命，以满足高速切削的需要。

工厂自动化和无人化加工要求刀具产品除具有较高的可靠性、较长的刀具寿命和良好的排屑结构外，还必须具有较高的质量稳定性和切削刃重复精度。

此外，为适应机械制造业未来发展的需要，还必须开发螺纹刀具识别系统、在线监控系统及刀具运输、刃磨、调整等全方位治理系统[3]。

2拟定方案

本设计的手动套丝辅助装置如图2.3所示其工作原理如下：

原有的板牙只有两个手柄，在使用时由于传统板牙本身的设计以及操作者的工作经验不足很容易造成加工出的螺纹出现烂牙、螺纹歪斜、中径小等缺陷，最终导致螺纹不能够正常使用。

而本设计的是使用4个手柄，每个手柄长度为137.5mm板牙外径为45mm，板牙与手柄装配后总长度为320mm，每个板牙手柄上加工4个M6螺距为1mm的螺纹孔以及一个直径为10mm的通孔，每个手柄上放置一个长度为70mm内径为10mm外径为20mm的导向套，70mm长的导向套与下方的光轴之间的高精度间隙配合（孔选φ10H9，轴选φ10d9）可以限制板牙的4个自由度，（过短只能限制2个移动自由度故选70mm的导向套）导向套与板牙手柄之间通过M6螺钉联接固定，4个板牙手柄是焊接在板牙套上，板牙放在板牙套中，M6螺钉通过板牙套固定板牙，光轴与凸台为一体，凸台上以加工有4个M6的螺纹孔，通过M6螺钉固定在上直径为240mm厚度为10mm工作台上，上工作台下方凸台处固定一个球轴承，因为当人旋转板牙手柄时通过导向套与光轴之间的高精度间隙配合可以带动上工作台旋转，所以工作台要求是可以高精度的旋转的，深沟球轴承主要可以承受较大的径向力和较小的轴向力，旋转精度高，运行平稳，价格低廉，可以满足使用要求，所以选用球轴承。

深沟球轴承内圈与上工作台的凸台之间是过盈配合采用基孔制，孔用φ50H7轴用φ50p6，而深沟球轴承外圈与下工作台之间是过盈配合采用基轴制，孔用φ65P7，轴用φ65h6，使整个上工作台可以旋转运动，整个工作台通过4个支撑架固定在地面上，支撑架的高度要大约比工件的夹紧机构（三爪卡盘）的高度高大约1～2mm，因为工件是要求先装夹在夹紧机构上的，故支撑架要比夹紧机构高，上面的工作台固定在支撑架上，而4个支撑架上都有十字形的孔，通过M10螺栓连接可以把此装置牢牢固定，并可以实现此装置的前后左右移动，用来首次加工工件时的精确对中，首次加工时应先对中，将一个直径为30mm的轴装夹在三爪卡盘上，卡盘固定在工作台上，三爪卡盘可以精确保证轴的轴线与工作台表面垂直，接着将板牙拆下来，通过调整支撑架上的十字形的孔，使轴的轴线与板牙套上的直径为30mm孔的中心线重合，使轴与板牙套上的孔配合，若旋转4个手柄时感觉阻力不大就可以说明已经对中，就可以直接来加工工件，加工时首次需要对中，由于三爪卡盘有自对中功能，以后得加工就可以直接使用。

加工不同直径的工件时的对中，使板牙轴线与工件轴线同轴，从而可以大大提高加工精度，此辅助装置固定卡盘上方，通过深沟球轴承使工作台可以旋转运动，而轴承的内外圈均是过盈配合，四个套筒和四个光轴的配合可以使加工过程中避免由于工人两手在旋转时,施加力的不同而使加工的螺纹出现歪斜等缺陷，从而可以提高加工螺纹的精度。

原有的外螺纹加工机构很难保证板牙与工件的同轴，即加工过程中由于工人两手在旋转时,施加力的不同而使加工的螺纹出现歪斜、两边螺纹深浅不一样等缺陷而本设计通过4个导向套与4个光轴的高精度配合限制了板牙的4个自由度使板牙手柄在旋转过程中不会因为两手施加的力的不同导致螺纹歪斜，对于板牙与工件的不同轴问题本设计有所改进。

图2.1整体装配

我们通过对手动套丝辅助装置的研究和分析，学习它们的原理和构造，再综合运用在大学期间学习到的力学，材料学，机械设计，机械制图，机械制造工艺学等学科对原有手动外螺纹加工机构进行改进和再设计，本设计需要使用绘图软件来将其实现机械实体建模，而SolidWorks软件是近年来较为流行的机械实体建模绘图软件之一，它的实体建模功能在产品造型设计中应用性很强。

通过介绍板牙辅助装置的造型设计和装配的全过程，可以对该三维建模软件进行一个系统的学习，同时也说明运用SolidWorks软件在零件设计装配过程中具有易学、好用、方便、快捷等特点。

分析研究手动套丝辅助装置的结构以及原理，并确定其设计尺寸。

（1）分析辅助装置的零件结构，并基于SolidWorks分别对其造型设计[4]。

（2）分析板牙的受力情况，进行受力分析，对板牙进行选择，并基于SolidWorks分别对其造型设计。

（3）对辅助装置受力零部件进行受力分析及校核，确保每个零件都能满足使用要求。

（4）根据轴承的结构以及所受的轴向力和径向力进行轴承的选择以及强度校核。

（5）对此套丝辅助装置的工作原理进行优化，使它尽量的结构简单，并且可以最大程度的提高精度。

（6）基于SolidWorks对所造型设计零件进行虚拟装配，反馈设计合理与否并做相应的改进设计，得出最优设计方案[5]。

3主要零部件的校核

3.1板牙的型号

板牙在整个加工过程的处于至关重要的位置，板牙的选择直接影响螺纹的精度，在加工过程中板牙的内径和中径是切削部分，尤其是板牙内径要承受较大的切削力，因此必须具有一定的强度和切削能力。

板牙可以正反两端使用，当一端磨损后可以换用另一端。

本设计是以加工直径为20mm的圆棒料的外螺纹为例，棒料选择为45钢，板牙为标准件，查表《切削加工简明实用手册》[2]型号是M20（GB3464-83）如图3.1板牙材料为高速钢为粗牙P=2.5mm（p为螺距）D=45mm（D为板牙外径）E=18mm（E为板牙厚度）b=6mm（b为固定板牙的螺钉直径）a=1mm（a为板牙上的倒角450），板牙两端的锥角为40°～50°，后角为7°～9°，圆板牙的前刀面为曲线形，因此前角大小沿着切削刃而变化，在内径处前角最大，在外径处前角最小，粗牙时前角为30°～35°，细牙是前角是25°～30°。

图3.1板牙示意图

3.2板牙的使用方法

（1）为了使板牙容易对准工件和切入，圆杆端部要倒成15°～20°的斜角，如图3.2锥体的最小直径要比螺纹小径要小，以使切出的螺纹端部避免出现锋口，否则螺纹端部容易发生卷边而影响螺母的拧入。

图3.2圆柱棒料示意图

（2）套螺纹时，切削力矩很大，圆杆要用硬木或者厚铜板垫好才能可靠地夹紧，圆杆套螺纹部分离钳口也要尽量的近。

（3）开始时为了使板牙切入工件，要在转动板牙时施加轴向压力，但是等板牙面旋入并切出螺纹时，则不需要再施加力，以免损坏螺纹和板牙，加工时板牙每旋转1～1.5圈时要倒转1圈。

（4）套螺纹时，应该保持板牙的断面和圆杆的轴线垂直，否则切出的螺纹牙一面深一面浅。

（5）在钢料上套螺纹要加切削液，以提高螺纹表面质量和延长板牙的寿命。

圆杆直径的选择：

用板牙在圆杆上套螺纹时牙尖要被挤高一些，所以圆杆直径要比螺纹的大径小些，圆杆直径可由经验公式算出：

d0=d-0.13P（式3-1）

d0为圆杆直径

d为螺纹大径

P为螺距

3.3板牙手柄的设计

板牙手柄与板牙套通过焊接固定在一起，当工人旋转手柄时带动板牙套和板牙旋转运动，进而加工工件。

板牙手柄在使用时承受剪力和弯曲应力所以其强度一定要满足使用性能要求。

先根据选工件的材料为45钢查《机械设计手册》[7]其屈服强度极限为σs=355Mpa。

把工件切出为螺纹需要的切应力必须要大于工件材料的屈服强度即σsb>σs=355Mpa。

受力面积为上图梯形D1为螺纹小径D2为螺纹中经D为螺纹大径。

查《机械设计手册》[6]知如图3.3所示：

图3.3牙型角600的螺纹截面

D1=D-2*5/8H（式3-2）

D2=D-2*3/8H（式3-3）

H=

（P为螺距）（式3-4）

H=

=2.17mm

H/8=0.27

知梯形上边为a=tan300*H/8*2=0.31mm

梯形下边长为b=P-H/4/cos300=1.88mm

梯形的高h=H-H/8-H/4=5/8H=5/8*2.165064=1.35mm

梯形面积S=1/2*（a+b）*h=1/2*（0.3125+1.875）*1.3532=1.48mm2

F切=σs*A=355*1.48=525.41N（式3-5）

图3.4受力分析

D2=D-2*3/8*H=20-3/4*H=20-3/4*2.165064=18.376mm

螺纹升角tanφ=np/πD2=2.5/61.176=0.040866（式3-6）

所以φ=2.340

F1=COS2.340*F切=COS2.340*525.41=524.9N

F2=sin2.340*525.41=21.45N

3.3.1板牙手柄的剪力计算

板牙手柄如图3.5所示，作用是与板牙和板牙套固定一起的，工作时带动工件一起旋转，其上还有四个M6的螺纹孔和一个M10光孔，M6螺纹孔用于上导向套的固定。

光孔用于与光轴配合带动工作台旋转。

图3.5板牙手柄

手柄在工作时受剪力和弯曲应力，先进行剪力校核，在横截面积最小处受剪力最大故应进行左边两孔中心进行剪力校核。

图中各尺寸可以在solidworks图中查到知距中心66mm处剪力最大。

F剪*66*2=F1*20

所以：

F剪=524.9*20/（66*2）=79.5N

查《理论力学》[7]可知σn=[σ]/n（式3-7）

安全系数n取1.3[σ]=355Mpa

所以：

σn=355/1.3=273Mpa

σ=F剪/A≤σn

所以：

A≥F剪/σn=79.5/273=0.29mm2

3.3.2板牙手柄的弯曲应力计算

弯曲应力校核：

σ=M/W≤[σ]（式3-8）

W是抗弯截面系数M为弯矩

W≥M/σn=524.9*20/273=38.45mm3（式3-9）

W=bh2/6-（πd3/32）*2≥38.45

bh2≥（38.45+196.34）*6=1408mm3

所以取b=25mmh=15mm即可满足强度要求。

如图3.5示右端手握处直径为15mm也应该进行弯曲应力校核。

此处的W=πd3/32=3.14*153/32=331.2>38.45mm3（式3-1