200米钻机设计说明书 94页

'200米钻机设计说明书摘要200米液压钻机主要用于钻探各种深度为200米左右的各种角度的各类用途的孔，可在不同硬度的岩石中钻孔，而在煤层、软岩石中钻孔以及在农田打井时效率最高。钻机组成主要分为回转器、绞车、变速箱、机架、操作仪。在本次的设计中主要对回转器部分进行了分析创新设计，通过了结构合理性分析及各强度的较核验算。对钻机整体进行了设计，通过最后设计结果，满足了初定的设计要求。该项目的成功设计，有效满足了由于150米钻机不能完成的钻探探测任务，为新型的探测作出了有力准备，填补了目前的空白。在设计中加入和优化设计理论和绿色设计理论，使得操作者减轻了劳动强度，考虑了油的各种泄露问题，对环境减轻了甚至免去了污染，符合新型设计理论。关键字地质勘探钻机回转器94 Abstract200metersliquidpressesdrillmachineismainlyusedtodrilltoexplorevariousdepthas200metersanykindofangleofbore.Itcandrillaholeintherockofdifferentdegreesofhardness.Drillingaholeinthecoalseam,softrockandinthefarmlandbeatthewelltimeandlimitedefficacyrate.theDrilllingmachineconstitutesisdividedintoturnroundamachine,winchandbecomesoonabox,machineandoperatesaninstrument.Maincarriedonananalyticalinnovationdesigntowardsturningroundthemachinepartinthedesign,bythestructurerationalityananalyticalandeachstrengthtochecktocalculatemore.Carriedonadesigntowardsdrillingmachinewholly,passanendthedesignresult,satisfyabeginningsettleofdesignrequest.Thesuccessfuldesignofthatitem,satisfiedeffectivelytodrillmachineandcan"tcompletebecauseof150metersofdrillandexploremission,inordertoprobeintomakeemollientpreparationnewly,fillupcurrentblank.Joininthedesignwithexcellentturndesignthetheoriesandgreentodesigntheories,maketheoperationeaselaborstrength,consideringoilofvariousrevealaproblemandeasetotheenvironmenttoevenavoidapollution,matchnewdesigntheories.KeywordsThegeologyprobesinto,drillmachine,turnroundamachine94 第1章绪论1.1选题的意义题目的选择，是通过毕业实习上的调查了解，以及目前能源行业的火暴形式，大家都知道社会的发展离不了能源的供应，针对在课前的调查中了解到目前在能源开采的紧张，需要一些专门化的设备，来解决实际问题。选择200米液压钻机的设计，主要是考虑到目前的75米，100米，150米以及当前的200米钻机存在着各种问题，他们不能满足现在实际要求，对新型200米钻机的设计能解决目前存在的问题，对他的成功设计，将有效改进目前的钻探工艺，取得较大的经济效益。1.2设计内容1.200米液压钻机回转器的设计2．主要技术参数：（1）.钻进深度(使用Φ42或Φ50钻杆)200m（2）.钻孔直径①开孔直径89m②终孔直径≥60mm（3）.立轴行程500mm（4）．最大液压给进压力4MPa（5）．卡盘最大工作压力（弹簧常闭式液压卡盘）6MPa（6）．立轴内孔直径52mm（7）．油缸最大起拔力32.5KN（8）．油缸最大给进力20KN1.3设计方法94 确定了设计题目，就得需要相应的设计方法，有了明确的设计方法理念才能完成预期的设计目标。有针对性的设计才能取得良好的效果，根据自己的调研情况，我设计采用的方法是改进型创新设计，主要理论知识来源于钻机的结构原理，钻机的钻进工艺，及岩心岩石的理论研究知识。1.4预期目标每一项设计都有一个预期计划目的，本次设计的预期目标为，设计结果应满足设计要求，设计的钻机应较前期钻机有突出的设计优势。设计最终应满足钻进200米的各项功能要求，对环境无污染或少污染，得到绿色设计要求，能有效减轻劳动者的劳动强度，及提高操作者的安全保证，得到优化设计的要求。并且能够取得较高的经济效益和社会效益。94 第2章钻机概述2.1钻机的功用钻探是地质勘探工作的重要手段之一。钻机是实现该手段的主要设备。其基本功用是以机械动力带动钻头向地壳钻孔并采取岩矿心。钻机同时还是进行石油、天然气勘探及开采、水文水井钻探、工程地质钻探等工程的重要设备。2.2对钻机的要求钻机的技术性能要保证在施工中能满足合理的工艺要求，以最优规程，达到预计的质量要求；维护保养简单容易；安装拆卸搬迁方便；利于快速钻进；钻进辅助时间短；钻孔施工周期短；体力劳动强度低等。概括起来说，是钻机要为多、快、好、省地完成钻探生产任务创造有利条件。根据钻机的基本功用，对钻机具体要求如下：1.通过回转钻具等钻进方式将动力传给钻头，使钻头具有适合钻进规程需要的转速及调节范围，以便有效地破碎岩石；2.能通过钻具向钻头传递足够的轴心压力，并有相当的调整范围，使钻头有效地切入或压碎岩石；3.能调整和控制钻头给进速度，保证连续钻进；4.能完成升降钻具的工作，并能随着钻具重量的变化而改变提升速度，以充分利用动力机的功率和缩短辅助时间；5.能变换钻进角度和按一定技术经济指标旧响应深度的直径的钻孔，以满足钻孔设计的要求和提高钻进效率。2.3钻机的组成目前常用的钻机由如下各部分组成：1.机械传动系统将输入的动力变速并分配到回转机构、升降机构。对于液压钻机还要有驱动油泵，使液压系统工作的装置。2.液压传动系统94 利用油泵输出的压力油驱动马达、油缸等液动机，以使立轴回转和控制给进机构、移动钻机、松紧卡盘、夹持器等；3.回转机构回转钻具，以带动钻头破碎孔底岩石。4.给进机构调整破碎岩石所需要的轴心压力和控制给进速度。在出现孔内事故时，可以进行强力起拨。5.升降机构用于升降钻具（提取岩心和更换钻头）和进行起下套管等作业。6.机架支承上述各机构及系统，使之组装成一个整体，成为完整的机器。2.4钻机的分类和名称随着钻探工程在国民经济各部门中的广泛应用，钻机类别和型号也在增多。为此将钻机实行科学分类和确定名称，对识别、评价和选择钻机是很有意义的。2.4.1分类⑴按用途分类按用途不同，可将现行广泛使用的钻机分为三大类，即地质勘探用岩心钻机；石油钻探用钻机；专用钻机（水文水井钻机、物探钻机、工程钻机等）；⑵按钻机标准钻进孔深分类根据不同孔深范围，将各种不同钻进孔深的钻机分成三类或四类。按三类分见表2—1。表2—1(m）类别浅孔钻机中深孔钻机深孔钻机ⅠⅡ10—30010—300300—800300—800800—12001000—2000按四类分类见表1—2。94 表1—2（m）浅孔钻机次深孔钻机中深孔钻机深空钻机10—150200—400500—800900以上⑶按原来地质总局设备管理分类钻机可分为六类，即浅孔钻机、岩心钻机、石油钻机、水文水井钻机、汽车钻机和砂矿钻机；⑷按装载方式分类可以分为滑橇式、卡车式、拖车式；⑸按破碎岩石方式分类可分为回转式、冲击式和冲击回转式；⑹按回转机构型式分类可分为立轴式、转盘式、动力头式；⑺按进给机构分类可以分为手轮（把）式、油压式、螺旋差动式、长油缸式、油马达—链轮式。2.4.2名称钻机的名称是按照钻机综合特征及主要性能，以汉字拼音字母及数字编排成的代号来表示的。通常把这种代号称为型号，并以铭牌指示在钻机上。国产钻机名称一般有三部分组成：首部为用途类别和结构特征代号，用汉语拼音中的一个字母表示。如“X”是汉字“心”的拼音首字母，表示钻机用于岩心钻进。“U”是汉字“油”的首字母，表示给进机构类型属于油压式。中部为主要性能参数代号，用钻机标准钻进深度数字表示。如标准钻进深度为200米的钻机，中部代号为200。尾部为变型代号，可用汉语拼音字母中的一个字母或数字为代号。无尾部的是指首次产品。如是第二次修改后的产品，尾部代号为2。94 第3章钻机的总体设计3.1本设计钻机的应用场合200米型液压钻机主要用于钻探深度为200米的各种角度的放水孔、地质构造孔、灭火孔、抽放瓦斯孔及铁路、公路、桥梁、隧道、国防建设、工业民用建设、农田打井及地质勘探、工程爆破以及其它用途的各种工程孔。该机可用于不同硬度的岩石中钻探任何角度的钻孔，而在煤层、软岩层、硬岩层中钻孔和农田打井时效率为最高。整个机组由两部分组成，即200米型钻机、150/3.0泥浆泵。钻机冲洗液为泥浆或清水。在地面钻探不需要使用钻塔，只要有一定高度的三角架可供提升使用就可以。200米型液压钻机配备动力为电动或柴油机，适用于井上、井下或野外没有电源的场地作业。3.2设计方案的确定3.2.1本设计钻机的特点通过市场调研了解到，目前钻探工程对钻孔深度200米左右的钻机需求量日趋增加，而当前的200米钻机，存在着劳动强度大、适应性差等缺点。鉴于以上原因，我们决定改进200米钻机。经几次方案讨论决定，钻机应具有以下特点：1.经济耐用可靠、质优价廉；2.便于解体搬运；3.体积小，重量轻；4.操作简单，维修方便；5.适用于Φ42、Φ50mm两种钻杆；6.适用于合金钻头或金刚石钻头钻进；7.钻进速度快，效率高；8.动力为电机或柴油机。3.2.2总体设计方案的确定经过调研和几次方案论证，考虑到现场特点，从实用角度出发，确定方案如下：94 1.考虑到井下、井上和野外作业，动力可选电机或柴油机；2.考虑到有软岩石、硬岩石的钻进，除了正常的钻进速度外，增加高速600r/min；3.钻机除配机动绞车外，增加了液压卡盘减轻劳动强度，节约时间，提高有效钻进速度；4.考虑到高转速时，绞车速度不能太快，所以增加了互锁装置，安全可靠；5.由于本机动力较大，动力由V型带传动到变速箱的传动轴上易使传动轴弯曲，所以增加了卸荷装置；6.采用二级回归式变速箱，减少变速箱体积，根据不同的地质条件，选用不同的钻进速度；7.在满足上述要求的同时，尽量结构简单，操作方便，适于整体或解体搬运。尽量做到标准化,通用化，系列化。3.3钻机的技术特性和要求考虑到钻机的实际工作情况，根据我国当前生产技术和工艺水平，本200型钻机的技术特性为：1.钻进深度(使用Φ42或Φ50钻杆)200m2.钻孔直径⑴开孔直径89m⑵终孔直径≥60mm3.钻孔倾斜角度0～360°4.立轴转速120、240、350、600r/mm5.立轴行程500mm6．最大液压给进压力4MPa7．卡盘最大工作压力（弹簧常闭式液压卡盘）6MPa8．立轴内孔直径52mm9．油缸最大起拔力32.5KN10．油缸最大给进力20KN11.绞车提升速度0.26、0.61、0.70m/s12.绞车转速33、79、91r/min13．绞车提升负荷⑴．0.70m/s3.35KN94 ⑵.0.61m/s6.00KN⑶.0.26m/s12KN14.卷筒⑴直径140mm⑵宽度100m⑶钢丝绳直径8.8mm⑷容绳长度32.8m15．配备动力⑴电动机①型号YB160L－4②电压380/660V③功率15KW④转速1460r/min⑵柴油机①型号S1500②功率15KW③转速2200r/min16.外型尺寸（L×h×b）1370×685×1200mm17．重量（不含柴油机）750Kg94 第4章动力机的确定4.1输出功率计算根据现场需要，动力机的选择偏大些，加大储备系数，这样可以提高钻进效率。输出功率为（4—1）式中：—钻机所需功率(KW)式中：—回转钻及破坏岩石、土层所需功率(KW)—效率=0.9—油泵所需功率(KW)4.2回转钻进及破碎岩石、土层所需功率回转钻进及破碎岩石、土层所需功率计算公式如下：=（4—2）式中：—井底破碎岩石、土层所需功率(KW)=式中：m—钻头切削刃数取m=694 n—立轴转速r/minh—钻进速度当转速130r/min、250r/min时,h=5cm/min当转速350r/min、600r/min时,h=1.5cm/minδ—岩石抗压强度,其值见表3-1—井底环状面积，取钻头直径D=7.7cm,内孔直径d=5.9cmcm2—钻头与孔底摩擦所需功率(KW)（4—3）式中：δ—孔底压力或岩石抗压强度—钻具与岩石直接的摩擦系数f=0.5e—侧摩擦系数e=1.1—立轴转速R—钻头外圆半径R=3.85cmr—钻头内孔半径r=2.95cm将立轴不同转速和不同孔底压力代入式（4—3）中,所得相应数值见表3—1。—回转钻杆所需功率(KW)当<200r/min时当n>200r/min时式中：—孔深，硬质合金钻进时，取＝200000mm金刚石钻进时，取＝75000mm—钻杆直径取=50mm—立轴转速;94 —冲洗液比重,=1.15将上述参数及立轴不同转速代入上式，所得值列表4—2中。4.3给进油缸所需功率的计算4.3.1给进油缸的基本参数1.给进油缸的基本参数⑴给进油缸的数量＝2⑵油缸直径＝60mm⑶活塞杆直径＝30mm⑷活塞杆有效行程＝500mm⑸油缸面积＝2826mm2⑹活塞杆面积＝706.5mm2⑺有效面积＝2119.5mm24.3.2油缸工作压力的计算⑴钻机钻打水平孔时，油缸的最大推力为：式中：—油缸最大推力—孔底最大压力C＝13345N—钻杆与孔壁间的摩擦力式中：—钻杆单位长度重量＝55.46N/m—钻杆长度＝200m—摩擦系数＝0.3594 N故N⑵油泵的工作压力4.3.3油泵最大工作流量计算⑴油缸回程时的最大容油量:L⑵油缸送进时的最大容油量:L⑶当选用立轴的钻进速度=0.05m/min=0.5dm/min时,立轴送进时每分钟所需的油量为:L/min⑷令活塞回程时间为0.3min,则回程所需油量为:L/min4.3.4给进油缸功率计算根据以上的计算，可以得到给进油缸的功率：KW4.3.5油泵满负荷工作时所需要的功率根据上面的计算,选用YBC—12/80型齿轮油泵(排油量12L/min,额定压力8MPa,最大压力12MPa)。油泵满负荷时所需功率是：(4—4)式中：—额定压力=800N/cm294 —额定流量=12L/min—机械效率=0.9—容积效率=0.71将上述参数代入式（4—4）中可以得到：上式油泵排量在额定转速1460r/min时是12L,在995r/min时是8L。4.4动力机功率的确定通过上述的计算说明，立轴钻进时给进所需功率很小，而且油泵满负荷工作时一般是立轴停止转动状态，液压卡盘松开时，必须停止钻进。所以参考表3—1，本机选用15电机或柴油机，基本能满足表3—1中粗线以上各种工作状态。表4—1各种类型岩层的抗压强度（N/cm2）岩石名称抗压强度粘土、页岩、片状砂岩4000石灰岩、砂岩8000大理石、石灰岩10000坚硬的石灰岩、页岩12000黄铁况、磁铁矿14000煤2000表4—2电机功率选择计算功率N（KW）转速r/min抗压强度δ(N/cm2)120240350600N120000.217680.258870.115320.1319594 40000.435370.517750.230640.2639180000.870751.035500.461280.52782100001.088441.294380.576600.65978120001.306131.553260.691920.79173140001.523821.812140.807240.92369N220000.461530.923071.346152.3076940000.923071.846152.692304.6153880001.846153.692305.384619.23076100002.307694.615386.7307611.5384120002.769235.538468.0769213.8461140003.230766.461539.4230716.1538N32.677.754.89.83N回转器(N1+N2+N3)20003.349228.931956.2614712.269640004.0284510.11397.7229514.709380005.3869112.477810.645919.5885100006.0661313.659712.107322.0282120006.74536414.8417213.5688524.46789140007.42459216.0236815.0303326.90754N油泵0.0280.0280.0280.028N(N油+N回）20003.3772278.9599546.28947512.2976540004.05645510.141917.7509514.737380005.4149112.5058210.673919.61659100006.09413713.6877712.1353822.05624120006.77336414.8697213.5968524.49589140007.45259216.0516815.0583326.93554=N/0.98.28065811.2687913.483813.6640=1.19.10872412.3956714.832115.030494 第5章机械传动系统设计5.1主要参数的选择5.1.1变速箱参考国内外现有小型钻机的转速系列，本机采用了不规则排列的中间转速系列。立轴有四种转速，120、240、350r/min转速适合合金钻头钻进，600r/min转速适合金刚石钻头钻进。5.1.2绞车为了减轻钻机重量，不使动力机过大，绞车的缠绳速度不宜过高，基本上采用低速，本机升降机速度为0.26～0.70m/s。卷筒缠绳速度为三种，见表5—1表4—1绞车卷筒缠绳速度Ⅰ档Ⅱ档Ⅲ档Ⅳ档立轴转速r/min120240350600缠绳速度m/s0.260.610.70—5.1.3回转器立轴的转速，主要取决于地质条件、钻头直径及钻进方式，当使用直径为75mm钻头时，采用硬质合金和钻粒，根据国内外的经验，立轴转速取n＝90～400r/min比较适宜；采用金刚石钻头钻进时，立轴转速取n＝400～1000r/min比较适宜。本机选用120～600r/min，即适合合金钻头钻进，由适合金刚石钻头钻进。5.2机械传动系统初步计算94 5.2.1变速箱各档传动根据设计方案可知变速箱的几种传动如下所示：1，立轴的Ⅰ速回转运动125r/minD1→D2→Z1→Z2→Z3→Z4→Z10→Z112，立轴的Ⅱ速回转运动210r/minD1→D2→Z1→Z2→Z5→Z6→Z10→Z113，立轴的Ⅲ速回转运动340r/minD1→D2→Z1→Z4（内齿）→Z10→Z114，立轴的Ⅳ速回转运动580r/minD1→D2→Z1→Z2→Z7→Z8→Z6（内齿）→Z10→Z115，绞车的低速回转运动D1→D2→Z1→Z2→Z3→Z4→Z9→Z12→Z13→Z14→Z156，绞车的中速回转运动D1→D2→Z1→Z2→Z5→Z6→Z9→Z12→Z13→Z14→Z157，绞车的高速回转运动D1→D2→Z1→Z4（内齿）→Z9→Z12→Z13→Z141→Z155.2.2绞车的缠绳速度第一档速度:m/s式中:mm式中:=140mm为卷筒直径,=8.8mm为钢丝绳直径。故=0.28同样方法可以得到:m/sm/s(计算从略)94 考虑到皮带、轴承、齿轮等的效率，确定绞车提升速度分别为：＝0.26ms=0.61m/s=0.70m/s。5.2.3立轴的转速根据机械传动路线，立轴的转速计算如下：式中：—立轴的第一档转速r/min—电机转速n=1460r/min—主动皮带轮直径D1=160mm—大皮带轮直径D2=355mmZ1—Z11传动链中各齿轮的齿数,Z1=25,Z2=31,Z3=19,Z4=40Z10=20,Z11=39故r/min同理可求出第二档、第三档和第四档转速分别表示如下：第二档：Ⅱ=式中：Z5=28,Z6=31故Ⅱ=r/min第三档：Ⅲ=式中:Z4内=24故Ⅲ==351.5≈350r/min94 第四档：Ⅳ=式中：Z7=46,Z8=21,Z6内=21故Ⅳ=考虑到皮带传动、齿轮传动、轴承等的效率，所以各档转速确定为120、240、350、600r/min。94 第6章变速箱的设计与计算6.1变速箱的结构特点及设计要求6.1.1结构特点变速箱的结构有变速部分、分动部分、操纵部分和箱体组成。本设计中变速部分和分动部分合为一整体，缩小了箱体的结构尺寸。其具体特点是：1.采用了回归式的传动形式，箱体呈扁平状，有利于降低钻机的高度，齿轮Z4即使移动齿轮又是结合子，因此结构紧凑；2.变速、分动相结合，减少了零件的数目，有效利用变速箱内的空间；3.操纵机构采用了齿轮齿条拨叉机构，操纵灵活可靠，每个移动齿轮单独控制，并有互锁装置，这种互锁装置安全可靠，结构简单；4.增加了卸荷装置，减少了齿轮的受力。6.1.2设计要求1.在校核零件强度时，假设电机的功率全部输入变速箱，然后再输入绞车和回转器；2.变速箱在不更换齿轮的情况下，可连续工作10000小时，纯机动时间每班16小时，可连续工作20个月。3.本设计零件的强度和寿命计算方法和数据是按《机械设计手册》（化学工业出版社）计算的。6.2齿轮副的强度计算与校核6.2.1变速箱内各齿轮主要参数确定根据立轴转速的要求，前面已经初步选择各齿轮的齿数，由钻机的实际情况，变速箱内各齿轮的主要设计参数见表6—2。表6—2变速箱内齿轮的主要设计参数94 齿轮编号齿数Z模数m齿宽b变位系数Xn材料硬度RC应力角备注Z1254401.040Cr40—5020ºZ2314300.7640Cr40—5020ºZ319430020CrMnTi57—6220ºZ440430040Cr40—5020ºZ528425040Cr40—5020ºZ631425040Cr40—5020ºZ7473.525-1.0340Cr40—5020ºZ8213.5350.0440Cr40—5020º6.2.2主要齿轮副的强度设计计算与校核现选择变速箱中重要传动轴Ⅲ轴上的Z3、Z4齿轮副为例进行齿轮副的强度设计计算和校核。1.按照齿面接触疲劳强度计算参数名称符号值计算转矩T251370N齿宽系数0.4接触疲劳极限1080MPa970MPa设计许用应力[][]972MPa873MPa88初定小齿轮直径73mm初定齿宽b3094 圆周速度v2.03m/s使用系数1.25动载系数1.15齿间载荷分配系数1.16齿向载荷分布系数1.81载荷系数K3.02弹性模量MPa1/2节点区域系数2．5接触最小安全系数1．05应力循环次数3.18×108接触寿命系数1．12许用接触应力1152MPa1053MPa校核验算=94 =1054.16==715.5计算结果表明，，，接触疲劳强度合适。6.3轴的强度计算与校核在变速箱中共有三根轴，其中Ⅲ轴相对尺寸直径小，长度大，所受到的力多。下面仅以该轴的强度寿命进行验算。Ⅲ轴共有7种工作状态，向回转器传递4种状态的动力，驱动绞车的3种转速。相比而言回转器120r/min的转速时该轴受扭矩最大，受力最大。已知条件：材料40Cr，调质处理。该轴的各档转速及其传递的功率、转矩见表6—3。表6—3Ⅲ轴的各档转速及其传递的功率、转矩速度序号转速（r/min）传递功率(KW)传递转矩(N·m)Ⅰ252.0714.55513.4Ⅱ479.314.55270.0Ⅲ685.414.55188.80Ⅳ1187.714.14105.7轴上各齿轮的分度圆直径为：mm,mm,mm,mm,mm94 6.3.1轴的强度计算1.在各种转速下齿轮所受力计算齿轮圆周力，齿轮径向力由分析可知在Ⅰ档转速下所受力为最大：N=6417.5×20º=2335.78N2.计算轴受到的支承反力由于轴的转速处于最低时所受到的力和转矩最大，所以以第一档转速时的受力情况为条件进行计算。Ⅲ轴的长度较大，相对直径较小，尤其是Z4与Z3啮合处的花键轴，支承跨度大，容易产生弯曲变形，因此本次校核只在该花键轴上取截面，从而轴的受力可以简化。轴的受力简图如图6—1。图6—1传动轴的受力简图如图6—1，将轴受到的力简化为水平方向和垂直方向受力，下面分别从这两个方向分别列出方程计算支承反力。⑴水平方向受力N94 N⑵垂直方向受力NN（3）当量转矩计算如下6.3.2轴径的校核1.校核轴径Z4齿根圆直径计算：mmⅢ轴最小轴径计算：Ⅲ=mm故Ⅲ<,满足要求。94 第7章绞车7.1绞车的结构特点本钻机考虑到井上、井下钻探作业，故设置了绞车，绞车结构如附录图3所示。在结构上选择常用的固定轮系的行星式传动绞车，其特点是：1、结构简单而紧凑，传动装置兼起离合作用，并有过载保护作用；2、传动功率大，效率高。3、传动平稳，操纵灵活。7.2主要参数的选择7.2.1绞车性能参数1.确定钢丝绳直径d根据GB1102－74标准，选定钢丝绳直径如下：外径：=8.8mm总断面积：=27.88mm2总破断力：=47300N抗拉强度：=1700Mpa绳型：绳6×37（纤维芯）2.卷筒参数确定如下卷筒内径：＝140mm卷筒外径：＝243mm卷筒有效长度：L0＝100mm容绳长度：式中：——每层钢丝绳圈数＝11——每层缠绳长度之和，共6层，m94 3.绞车主要齿轮副的几何参数计算在绞车中，行星齿轮的外啮合为重要齿轮副，只计算齿轮Z14、Z15的几何参数。它们的主要参数见表7—1。表7—1齿轮Z14、Z15的主要几何参数齿轮齿数Z模数m变位系数Xn材料硬度HRCZ141830.1520CrMnTi5762Z151830.1520CrMnTi57627.2.2绞车卷筒转速和提升速度计算1.绞车共有3种转速,各种转速计算如下第Ⅰ档:==33.4r/min第Ⅱ档:Ⅱ=78.77/r/min第Ⅲ档:Ⅲ94 =90.84r/min2.三种转速下的绕绳速度在4.4.2中已经对绞车的绕绳速度，即提升速度进行了计算，现加上提升力总结于表7—1中。表7—1提升速度卷筒转速提升力Ⅰ=0.26m/sⅠ=28r/min12000NⅡ=0.61m/sⅡ=50r/min6000NⅢ=0.70m/sⅢ=78r/min3350N7.3绞车所需功率1.卷筒所受扭矩：2.绞车轴所受扭矩:3.绞车轴所需功率:7.4绞车齿轮副强度简单校核7.4.1按接触疲劳强度校核1.圆周力计算2.其他参数计算94 查阅相关资料,将校核所涉及的其它参数列于表7—2中。表7—2序号参数名称参数符号参数值1工况系数KA1.252动载系数KV13齿间载荷分配系数KHα1.054齿向载荷分配系数KHβ15节点区域系数ZH2.356弹系数ZE189.87重合度系数Zε0.978螺旋角系数Zβ19寿命系数ZN1，ZN21.02，1.1110最小安全系数SHmin，SFmin1，1.411润滑剂系数ZL112速度系数ZV0.913粗糙度系数ZR0.914齿面工作硬化系数ZW115尺寸系数ZX116传动比U0.317齿宽B22mm3.接触应力计算根据轴的材料，查阅相关资料可得载荷系数K=KA·KV·KHα·KHβ=1.25×1×1.05×1=1.31⑴计算接触应力：94 ⑵许用接触应力：同样可以得到显然，，通过接触强度校核。94 第8章回转器的设计8.1回转器的结构特点回转器的结构附录图5所示，是由本体、立轴、立轴导管、弧齿锥齿轮等组成。立轴上端装有常闭式液压卡盘。其特点是：1、回转器尺寸小、紧凑。2、回转器适用于各种角度的孔的钻进。3、离开孔口采用开箱式，简单可靠，减轻钻机重量。4、立轴行程比过去小型钻机大，为500mm，缩短钻进辅助时间。8.2回转器的弧齿锥齿轮副设计8.2.1弧齿锥齿轮参数设计锥齿轮传动的主要尺寸可用类比法或按传动方式来确定。对闭式传动可按齿面接触强度估算，对开式传动可按结构初步确定，也可用表23.4-22所示来确定，或按弯曲强度估算，并用计算载荷验算.设计中该传动采用垂直正交传动方式小弧锥齿大端直径的估算：齿轮齿数设计为Z10=20Z11=39齿面硬度Z10为HRC57、Z11为HRC52,（8—1）式中：—设计齿轮的许用接触应力＝＝1200N/mm2由《机械设计手册》图23.2－18查得。—安全系数1～1.2取＝1.1；u—传动比也为齿数比u=20/39；T1—所受转距；K—使用系数取K＝1.5。94 可知取＝120mm；则有齿轮大端模数＝/z=120/20=6mm。其他相关参数如表8－1，8－2所示：表8－1名称小弧锥齿Z10大弧锥齿Z11分锥角27.15°62.85°齿宽系数0.30.3终点模数5.15.1中点法向模数4.1784.178齿宽中点螺旋角35°35°8.2.2零部件的强度与寿命计算Z10与Z11的主要参数见表8－2。齿面硬度Z10为HRC52、Z11为HRC57，锥距R＝131.49mm,节锥角δ10=2709’,δ11=62051’表8-2齿号齿数模数变位系数齿宽材料齿顶系数压力角螺旋角旋向精度Z102060.294020CrMnTi0.85200350右8DCZ113960.294020CrMnTi0.85200350左8DC齿轮在各种转速下传递的功率、转速及转矩见表8－3表5－3功率KW转速r/min转矩n·m14.12234576.314.12468288.114.19682.5198.594 14.021170114.61.齿轮校核公式按接触强度校核计算，计算接触应力：（8—2）许用应力：（8—3）式中—节点区域系数查图14-3-27＝2.22（机械设计手册四版三卷）；—弹性系数由表14-1-105知＝189.8；—接触强度计算的重合度系数由表14-3-30＝0.88；—接触强度计算的螺旋角系数＝＝0.91；—接触强度计算的锥齿轮系数＝0.85；—使用系数＝1.5；—动载系数＝1.03；—接触强度计算的齿向载荷分布系数＝1.50；—接触强度计算的齿向载荷分配系数＝1.4；—传动比＝1.95；—接触强度计算的有效齿宽＝0.85b＝34mm；94 —小齿轮分度圆直径＝120mm；—作用在锥齿轮中点端面分度圆上的名义切向力＝2000T1/＝2000ⅹ576/120＝9610N；—试验齿轮的接触疲劳极限＝1200；—接触疲劳的最小安全系数＝1.1；—润滑剂系数查图14-1-27＝1.0；—速度系数＝1.0查图14-1-28＝1.0；—粗糙度系数＝0.95；—温度系数＝1.0。2.齿轮校验计算：＝869.3＝1036.36因为计算接触应力＝869.3小于许用接触应力＝1036.3694 所以满足要求，并且安全系数所以满足安全要求。即齿轮按接触疲劳强度校核满足要求。3.弯曲疲劳强度校核计算：计算齿根应力：许用齿根应力：强度条件：式中—使用系数＝1.5；—弯曲强度计算的齿向分布系数；—弯曲强度计算的齿向载荷分配系数；—弯曲强度计算的有效齿宽mm＝＝0.85b=34mm；—锥齿轮系数＝1；—中点法向模数＝4.178；—齿形螺旋角系数由图14-3-28有＝2.0；—应力修正数由图14-3-29有＝2.03；94 —最小安全系数＝1.5；—圆角敏感系数有14-1-57有＝1.02；——表面状态系数由14-1-8-58有＝1.025；应力修正系数＝2；尺寸系数＝1——弯曲强度计算的重合度系数由式14-3-7——螺旋角系数＝0.75；4.校验计算：94 由上可知所以满足要求，在上面的校核中，接触疲劳是校核的小弧锥齿轮，弯曲强度校核的是大弧锥齿轮，即分别是最危险的齿轮，可知通过校核他们均满足各项强度要求，所以齿轮的强度满足要求。8.3轴径的估算8.3.1齿轮受力分析齿轮中点出分度圆上的切向力齿宽中点处的径向力主动论从动轮齿宽中点处的轴向力主动论从动轮注：当表示的径向力指向目标轴线方向，当时相反。94 当时，表示轴向力指向锥齿轮大端，当时相反。当轴交角＝90°时，（大小相等，方向相反）由上可知：由上可知：受力图分析，实际受力为轴线在竖直方向，为分析的方便将其旋转九十度分析，受力分析：弯矩分析94 94 可知在C点处所受弯矩最大，在C点处所受的力也是最大，故C点为危险截面。计算C点所需的最小轴径：该轴主要受扭矩，按扭转强度条件计算：轴的扭转强度条件为：式中—扭转切应力单位为T—轴所受的扭矩，单位为—轴的扭转截面系数，单位为mm3n—轴的转速，单位为r/min—轴传递的功率，单位为kW——计算截面处轴的直径，单位为mm——许用扭转切应力，单位为由上可得轴的直径对于空心轴则94 即空心轴的内径与外径之比。由表15-3（机械设计，第七版）查得：＝115带入数据有：考虑实际设计情况取d＝76，需要装42mm和50mm的钻杆，故选取内径为56mm。对轴进行校验，扭转校核：求出轴的抗扭截面系数由表15-4的计算公式有：扭矩则有＝305931/61915＝4.95远小于＝30所以满足扭转强度要求。弯矩校核：轴的弯扭合成强度条件为：（8—1）式中：——轴的计算应力，单位为——轴所受的弯矩，单位为N.m——轴所受的扭矩，单位为N.m94 ——许用弯曲应力a——折合系数取值为1抗弯截面系数W所受弯矩将上述值代入式8—1有因远小于其弯曲疲劳极限=225，所以满足要求。在上述的各种较核中，均较核的最危险的截面，所以在整体上更能满足各项要求。94 第9章液压系统的设计与计算钻机液压系统的作用：1、实现液压卡盘的松卡钻杆动作。2、实现钻机钻进时给进的动作。3、实现强力起拔动作。4、实现夹持器对钻杆的夹紧动作。9.1液压卡盘的设计与计算卡盘的结构如附录3图4所示，其工作原理是夹紧钻杆依靠碟型弹簧安装时的预紧力，使移动套上移，移动套内孔为圆锥形，迫使主轴槽内的三块卡块同时向中心移动，完成卡紧动作。当松开卡盘时，是依靠加入卡盘油缸中的压力油克服碟型弹簧的弹力，并压缩碟型弹簧，迫使活塞及移动套下移，由于移动套离开了卡瓦，主轴上的涨环的张力将卡瓦弹回到圆锥面外径的位置，完成松开钻杆的动作。卡盘夹紧力的大小，取决于碟型弹簧的轴向推力，轴向推力越大，夹紧力就越大。9.1.1卡瓦对钻杆的夹紧力卡瓦对钻杆的夹紧力F2必须满足下式：F2·f≥Q式中Q—最大起拔力Q＝32500（N）f—卡瓦与钻杆的摩擦系数f=0.5。所以F2≥Q/f=32500/0.5=65000(N)9.1.2碟型弹簧的轴向推力此处省略 NNNNNNNNNNNN字。如需要完整说明书和设计图纸等.请联系 扣扣：九七一九二零八零零另提供全套机械毕业设计下载！该论文已经通过答辩94 94 第10章可行性及经济成本分析10.1可行性分析10.1.1设计可行性分析根据设计理论要求，通过上述的实际理论设计运算分析，可以看出该200米钻机的各项性能满足设计要求。结合工厂实际生产能力，包括工厂设备条件，技术条件和工人的操作技术能力，综合给出了设计要求。所有的设计均是在理论和实际的要求下进行的，所以设计技术上是完全可行的。10.1.2市场可行性分析一个产品开发出来没有市场那将是一个废品。所有的设计均是浪费时间和财力和人力。该设计的产品是一个新型号，能满足200米钻探的所有要求，弥补了原150米、100米、75米等不能满足的钻探缺陷。在能源需求紧迫的情况下，急需找到解决的方法，所以单从对能源方面的要求考虑，该产品在矿业坑道作业中具有独特优势，产品的安全性能高，设计时采用了防爆设计，采用了绿色设计对环境适宜性高，且对环境无损害；采用了优化设计，产品。各项布置更合理，减轻了劳动者的劳动强度。产品的各项性能要求符合市场要求，所以完全能满足市场的需要，一旦投放市场，将获得市场的认可。10.2经济性分析经济性分析主要对其产品的经济成本分析，经济成本包括调研成本、设计成本、制造成本及销售成本分析。一个产品的成本分析还要将废品率考虑进去。为使产品的经济成本得到最低，获得最大的经济效益。必须想法降低成本，成本的减少主要依靠降低制造成本和销售成本。降低制造成本主要在于设计中的设计生产符合现时的生产条件，能充分利用现有设备生产。在这个产品的设计中是充分根据工厂的现有条件，所以能充分发挥现有资源能力。在这点上将获得较大的经济效益。对于销售成本的降低最好的方法是订单式生产销售。因为该产品的设计有独特优势，能有很好的市场能力，所以销售成本上也能获得较大经济效益。94 该产品的成本估算，调研分析成本20000元，调研期四人一个月；设计研发成本100000元，设计研发期五人两月；单件产品制造包括机器维修保养成本15000元。设计首期生产500台，其各项成本共预算为单件18000元左右，其中为包括工厂场地费和日常费用。预销售价格为单件42000元。因该项产品是市场之需所以将有很好的经济效益，其二期及以后生产为获得更大的经济效益，将根据首期用户反馈进行具体再分析改进生产。94 第11章使用说明11.1概述200米钻机主要用于矿井内部，供钻探深度为200米的各种角度的放水孔、地质构造孔、灭火孔、抽放瓦斯孔及其他用途的各种工程孔，也可以在地面钻探深度为200米的地质勘探孔及其他用途的各种浅孔。11.2钻机分组情况200米型钻机共分六组，各组布局及外观如图1所示。（1）．回转器（LHS.05）：是钻机立轴产生回转及往复运动部分。（2）．变速箱（LHS.03）：是钻机立轴、绞车产生各种不同转数的传动与变速部分。（3）．绞车（LHS.02）：是升降钻具的部分。（4）．抱闸（LHS.01）：是用来提升与停止钻具在任何位置的部分。（5）．机架（LHS.06）：是连接机器各组的机体，并将机器稳定地固定在钻场基台木上。（6）．操纵仪（LHS.04）：是控制钻机液压系统的总枢钮。11.3工作原理11.3.1钻机的工作原理钻机的传动系统如图2所示，电机动力通过以下各传动链传到固定在立轴上的大弧齿锥齿轮上，从而使立轴带动钻具一起产生旋转运动；齿轮油泵输送出一定的压力，一方面用于打开液压卡盘，另一方面通过油路控制阀使给进油缸产生往复运动，给进油缸带动钻具往复运动。至此，钻具即可旋转，又可给进，从而完成钻进任务。钻屑的排泄是通过与钻机配套的泥浆泵来完成。11.3.2立轴的给进运动经低压油管将油箱中的机油吸入油泵，使其产生需用的压力，再经高压油管、调压阀、高压油管进入油缸中的活塞上部，推动活塞产生直线运动，活塞下部具有一定的压力的机油经高压油管，进入调速阀，调整调速阀的回油量大小即可控制给进速度的快慢。（当需要减压钻进时，也按此操作控制活塞的下部压力）然后流经油管及操纵阀、低压油管回到油箱。94 11.3.3立轴的快速移动经油泵、高压油管、调压阀、操纵阀、高压油管、调速阀、高压油管，进入活塞的下部，推动活塞产生直线运动，活塞上部的机油经过高压油管、操纵阀及低压油管回到油箱，当调速阀的流量调整为最大时，立轴得到快速移动。完成一个500mm进尺后，将卡盘控制阀打开，经油管4松开液压卡盘，将操纵阀手柄位置板到上升位置，操纵调速阀将立轴快速上升，然后板动卡盘控制阀手柄，卡瓦自动卡紧钻杆。11.4操作程序所有钻探人员都应按下列操作程序进行操作，避免因操作不当而造成机器或人身事故。1、钻机在搬运过程中应避免碰撞，在分组搬运过程中，应将油管固定后方能进行。2、在工作场地安装时，应使用地脚螺栓将钻机固定于基台木上。无论钻任何角度的孔都应在基台木的上面打支柱。3、电源接通前首先仔细检查钻机各部分安装是否正确。并应用手搬动外部可转动部分看是否零活。4、电源接通后首先应验证立轴转动方向是否正确。5、需要变速或接通绞车时，必须关闭电机。6、在正式工作前应使机器空转10分钟，此时油路系统应调整到零压。7．每次打开回转器后，在需要重新合上进行工作时，都应检查回转器内是否掉进污物或其它碎屑（如岩石、铁屑等），防止损坏齿轮。回转器合上后一定要把合箱螺母锁紧不许松动，在给进过程中也应经常检查。8．钻进角度的调整是用转动回转器来完成的，在未转动以前应先松开四个螺母1（图1）后，扳动回转器使T型螺栓2在变速箱体前部的T形槽内移动，给进角度按需要调整好以后，要重新将螺母1锁紧。11.5机器的保养与维护正确的使用和保养机器是顺利完成钻孔任务的保障，每个操作者都应予以高度重视，对200米钻机应按如下规定进行保养与维护。94 1、应在每班开始工作前，对机器各转动部分予以检查。看各运动部件是否灵活可靠。2、对外露的转动及滑动表面，应在每班开车前擦拭干净，并于其表面涂上一层20号机械油。3、每一个操作过程中都应校核各部操作手把的位置的相互配合是否正确，不正确时应立即纠正。4、润滑及液压用油等应按表1规定按期进行更换。除表1规定外，其它转动或滑动部分应根据使用情况予以润滑。5、在每次拆装卡盘时，都应在装配前将螺纹部分擦拭干净并涂一层机械油或黄干油。6、油泵用油（油箱内的油）需要保证清洁无杂质，应使用50℃时运动粘度为17—23的油质，如20号机械油或10号高速柴油等。7、当油箱内的油温超过70℃时应适当停车冷却，待油温下降后再继续工作。8、当立轴下降与上升时油缸内的活塞不应进入死点，应在进入死点前5~10mm处停车。表1需润滑或者更换机油部分需润滑或更换机油的时间用油种类方法立轴每小班1次20号机械油油壶园弧伞齿轮每周1次黄干油抹入导向杆每小班1小20号机械油抹入变速箱内的润滑连续运转500小时更换1次20号机械油更换绞车油咀）每班使用前一次20号机械油油枪或油壶油箱连续运转500小时更换1次20号机械油更换所有滚动轴承每三个月更换一次黄干油抹入卡盘每周1次20号机械油抹入94 11.6故障原因及排除方法故障现象故障原因排除方法突然停车1、齿轮打齿2、钻进压力过大更换齿轮减小钻进压力变速箱发热1、润滑不良2、润滑油不符合要求3、过载时间长定期换油按规定更换机油禁止长时间超负荷运转回转器本体发热1、园弧锥齿轮啮合不好2、齿轮及各轴承润滑不良3、本体与连接盘的联接螺钉松动。调整轴承衬套与本体之间的垫片厚度。定期更换润滑油拧紧螺钉回转器及变速箱有异常噪音1、齿轮打齿2、箱体内有异物3、轴承损坏更换齿轮清洗箱体更换润滑油更换轴承卡盘卡不紧钻杆1、三个卡瓦严重摩损3、蝶形弹簧损坏更换卡瓦更换碟形弹簧液压卡盘卡紧钻杆后松不开1、涨环损坏2、液压系统压力不足更换涨环顺时针方向旋动调压阀手轮，使压力表读数至所需压力，或使用快速增压压头及卡盘缸发热1、轴承间隙不合适2、轴承损环4、轴承无润滑调整轴承盖与轴承之间的间隙。更换轴承清洗轴承、换油压力不稳1、调压弹簧老化2、调压锥阀与阀座接触不好3、油液不清洁更换弹簧修研或更换阀座清洗滑阀并换油调压失灵1、调压弹簧断裂或漏装2、调压锥阀漏装更换或补装弹簧检修，并补装锥阀清洗或更换94 3、调压阀阀针与阀座研坏系统接头漏油密封圈损坏更换密封圈液压系统有异常噪音1、液压油不干净2、调压锥阀表面有异物3、油泵吸油管密封圈损坏清洗没箱及管路、更换新油清洗调压阀更换密封圈给进油缸爬行1、油泵吸空2、油缸内密封件硬化3、管路中有空气4、油缸里有损坏另件或脏物卡住5、温度太低油箱加油并检查油泵吸油管路密封圈更换密封圈更换密封圈很好地排除空气清洗油缸并更换损坏零件工作一段时间能自然排除绞车打滑1、抱闸松调整连杆下端螺母11.7钻机的安全注意事项1、必须定期进行大、中、小修，并加强平时的维修及保养。2、所有罩子和防尘盖要经常保持完整，不准随便取消。3、操作钻机时，必须严格按照“操作规程”中规定的步骤进行操作。4、钻机不用时，应存放在干燥通风的仓库内，做到防雨、防潮和防火。5、需要吊运时，可在卷筒处起吊。94 结论在这次设计中钻机的外形形状得到了优化设计，具有较好的线形美感。在本次的设计中，主要包括总体设计、变速箱、回转器、液压系统等设计。回转器组件的详细设计中，还包括了液压卡盘的设计，齿轮和立轴等的各性能参数得到了设计验算，满足预定要求。在设计中加大了安全较核系数，使产品本身的安全性能得到了提高。该产品的设计体现了现代设计的基本特征，走出了传统的设计观念。产品的设计过程中，充分运用了优化设计理论和绿色设计理论，使得产品的适宜性能大大得到了提高。该产品大大改善了劳动者的劳动强度，减轻了对环境的污染。产品的设计同时考虑了经济效益分析，从中看出该产品符合市场需求，具有良好的经济效益。产品的设计过程中，另一个最显著的创新设计在于在整机的设计过程中，在主动力传到变速箱之间增加了一个离合器组件，它的作用在于可以不停主动力的前题下，停下给进机构等，有利于方便处理简单问题，避免了主动力的频繁启动。这在寒冷地区野外作业时，采用柴油机作为驱动主动力时，具有特别的优势，因为在寒冷季节，柴油机不易启动，启动前得进行预热。本次设计的成功完成，使该钻机具有下述的各项功能，该钻机的钻孔角度为0~360度全方位孔。主要适宜于钻孔深度为200米左右的各种工程及农建用孔。该钻机可在不同硬度的岩石中工作钻孔，而在煤层。软岩石中和农田打井时效率为最高。94 致谢大学四年转瞬即逝，在这四年的学习生活中，在老师和同学们的关心帮助下，我即将圆满完成我的大学学习，在次表示诚挚的谢意。我们06的学生在黑龙江科技学院中具有非常特殊的意义，我们准确见证了学院的发展壮大，学院给我们学生提供了良好的学习环境，对我们的学习生活认真负责。在我的实际课程学习中，特别是在专业课的学习上，机械学院的老师们认真严谨的治学态度，让我学习到了过硬的专业知识，对这些辛勤工作的老师们，我在毕业之即，只能对您们说声谢谢，老师您们辛苦了！毕业设计是大学学习生活中最重要的部分，它将对我们的学习成果进行检验。在我的毕业设计中得到了机制教研室全体老师们指导，在我们设计计算阶段，老师不辞辛苦每天都来到我们的设计室对我们进行设计指导，为我们顺利完成毕业设计奠定了坚实的基础。在次对老师们的指导只能表示衷心的感谢。在我的毕业设计过程中，特别要感谢我的指导老师苏发苏老师的热心指导和帮助。毕业实习中，苏老师为使我们的实习卓有成效，他亲自来领我们去辽宁铁法煤业集团实习，在实习的每一处都邀请技术人员为我们讲解，让我们真正得到了实习调研的目的。在设计过程中的指导，苏老师更是不厌其烦的解答我的疑惑点，苏老师在发现我有设计有难点时，主动找我了解情况，提出更佳解决方案。在苏老师的指导下，我圆满地完成设计任务，得到了预期的设计目标。最后，感谢老师和同学们的教导和帮助，祝愿大家身体健康，工作顺利！感谢学院给予的教育，祝愿学院明天更美好！94 参考文献1.甘永宁主编几何量公差与检测上海：上海科学技术出版社20012.李喜桥主编加工工艺学北京:北京航空航天大学出版社20033.孙德音主编机械加工工艺基础北京:机械工业出版社，20014.孙明主编机械工程基础（上、中、下）黑龙江:黑龙江人民出版社，20005.濮良贵、纪名刚主编机械设计北京：高等教育出版社20016.北京市地质局《岩心钻探知识》编写组岩心钻探知识地质出版社19737.夏延栋编液压传动的密封与密封装置.北京：机械工业出版社，19828.洛阳轴承研究所编滚动轴承产品样本.北京：机械工业出版社，20009.徐溥滋，陈铁鸣，韩永春编.带传动.北京：化学工业出版社，198010.齿轮国家标准汇编.北京：中国标准出版社199211.仙波正庄著.齿轮强度计算.姜永等译.北京：化学工业出版社，198512.章日晋等编.机械零件的结构设计.北京：机械工业出版社，198713.吴宗泽主编.机械零件习题集.北京：高等教育出版社，198314.濮良贵.纪名刚主编.西北工业大学机械原理及机械零件教研室.机械设计学习指南.第四版.北京：高等教育出版社200115.陈隆德主编.互换性与测量技术基础.大连理工大学出版社.1988.1216.李继庆陈作模主编.械设计基础.北京：高等教育出版社17.邱宣怀主编机械设计北京：高等教育出版社，198918.龚桂义编.机械设计课程设计指导书（第2版）.北京：高等教育出版社，199019.毛振扬等编.机械课程设计.杭州.浙江大学出版社，198994 专题齿轮加工工艺过程1.工艺过程的制定制定零件机械加工工艺过程的主要内容包括：对零件的工艺分析、毛坯的选择、加工余量的确定，定位基准的选择、工艺路线的拟定和工艺文件的编制等。（1）零件的工艺分析，首先要了解产品的用途、性能和工作条件，结合装配图了解零件在整机中的位置、作用及装配关系，明确其精度和技术要求对产品质量和使用性能的影响，在此基础上对零件进行工艺分析，通常审查以下三个方面：零件的图样是否完整、正确，零件选材是否恰当，零件的结构工艺性是否合理。（2）坯料的选择，坯料的种类及制造方法不同，对零件工艺过程的经济性有很大影响。工序数量、材料消耗、机械加工劳动量等在很大程度上取决于所选坯料。常用的坯料类型有型材、铸件、锻件、焊接件等。这些的余量较大，材料利用率低。近年来的精密铸造、精密锻造等技术的应用和推广，使坯料制造质量材料利用率得到提高，大大节约了机械加工劳动量，经济效益也得到了显著提高，故在制定零件工艺过程时，应尽可能采用先进的坯料制造方法。（3）加工余量的确定，零件有坯料变为成品的过程中，在某加工表面上切除金属层的总厚度，称为表面的加工总余量，各道工序中切除的那层金属，称为该工序的加工余量。余量的确定方法有计算法，估算法，查表法等。（4）定位基准的选择,定位基准选择得是否合理，对保证零件精度、安排加工顺序有着决定性影响。定位主要是为保证加工表面间的相互位置精度，故定位基准应选择有相互位置精度要求的表面。坯料开始加工时，各表面均未加工，故第一道只能以坯料表面定位，这种基准的选择面称为粗基准；以后的工序中用已加工过的表面定位，称为精基准。粗基准的选择，用着粗基准的表面，必须满足两个要求：一是能保证所有的加工表面都具有足够的加工余量，二是保证零件上各加工表面对不加工表面具有一定的位置精度，因此粗基准的选择应遵循以下原则：1，选取不加工表面为粗基准2，选取要求余量均匀的表面为粗基准94 3，选取便于装夹的表面为粗基准。粗基准表面粗糙，每次安装中位置不可能一致，故粗基准一般只能使用一次。精基准的选择,除第一道工序外，其他工序均应采用以加工过的表面为定位基准，即精基准，其选择应遵循如下原则：1，基准重合原则确定精基准时，尽量选择设计基准，即定位基准与设计基准重合，这样可避免产生定位误差。2，基准统一原则加工零件上某些位置精度要求较高的表面时，应尽可能选择同一定位基准，以利保证各加工表面间的位置精度。3，自为基准原则对于某些精加工或光整加工，可用被加工表面自身作为定位基准。4，互为基准原则当两表面间的位置精度要求高，且自身尺寸和形状精度要求也很高时，则可采取无为基准原则。在实际生产中，定位基准的选择完全符合上述原则是困难的，因此，应根据生产实际的具体情况，抓住主要问题，对整个工艺过程作全面分析，选择合理的定位基准。（5）工艺路线的拟订拟订工艺路线是根据工件的结构形状、位置精度、生产类型、材料及硬度等，将加工工件所需各工序按顺序排列出来，主要包括加工阶段的划分和加工顺序的安排。加工阶段的划分零件所需精度要求较高时，往往需要将加工过程划分为几个阶段，一般分为粗加工、精加工和光整加工等，划分加工阶段的目的是：①保证加工质量②合理使用设备③热处理工序的需要。划分加工阶段还可在粗加工后及时发现坯料缺陷，如裂纹、气孔、夹砂、余量不足等，以便及时处理，避免浪费工时。加工顺序的安排合理安排加工顺序，不但关系到加工质量能否报证，而且对其经济效果也有重要影响。1，机械加工工序的安排除“粗，精”加工分开的原则外，还应遵循以下原则：①先主后次原则主要表面先加工，次要表面后加工②基面领先原则定位基准面的精度决定着加工表面的精度，所以每次粗精加工工作表面之前，应先相应加工其基准面。2，热处理工序的安排①预备处理②时效处理③最终处理3，辅助工序的安排辅助工序包括检验、去毛刺、清洗、涂防锈油漆等，检验是保证质量的主要措施，在加工过程中除每道工序的操作者自检外，在下列情况下还需安排检验工序：①粗加工阶段之后，精加工前；②关键工序前后；③零件自一个车间转到另一个车间时；④全部加工完成后；⑤特种性能检验，如磁力探伤、封闭性检验等；去毛刺、清洗、涂防锈油漆等适当穿插在工艺过程中。（6）工艺文件的编制94 工艺过程拟订后，将其填写在一定形式的表格内，作为工艺文件，指导生产。工艺文件种类繁多，繁简程度各异，视生产类型而定，常用的有工艺过程卡片，工艺卡片和工序卡片。2.齿轮加工工艺论述齿轮是机械传动中十分重要的零件，其中以渐开线圆柱齿轮应用最为广泛。目前制造齿轮的齿形主要是切削加工，按加工原理不同可分为成形法和展成法两种。成形法是指用与被切齿轮齿槽形状相符的成形刀具直接切出齿形的加工方法；展成法是指利用齿轮刀具与被切齿轮的啮合运动，切出齿形的加工方法。齿轮加工的方法：（1）铣齿是利用成形齿轮铣刀，在铣床上加工齿轮齿形的方法。常用的成形法加工齿形的刀具有盘形齿轮铣刀和指形齿轮铣刀，后者适合加工大摸数的直齿、斜齿齿轮，特别是人字齿轮。由于铣齿是在铣床上进行，刀具结构简单，因而加工成本较低。但由于铣刀数量的限制及分度误差的存在，他的加工精度和生产率较低。铣齿不但可以加工直齿、斜齿和人字齿圆柱齿轮，而且还可以加工齿条和锥齿轮等。它仅适用于单件小批量生产或维修工作中加工精度不高的低速齿轮。（2）滚齿是在滚齿机上利用齿轮滚刀加工齿轮齿形的方法。它运用一对蜗轮蜗杆相啮合的原理，工件相当于蜗轮安装在工作台上，滚刀相当于蜗杆，用高速钢等刀具材料制造，并在其垂直于螺旋槽方向开出若干个沟槽，形成刀齿及切削刃，在加上必要的切削运动，即可在工件上滚切出轮齿来。（3）插齿是用插齿刀在插齿机上加工齿轮齿形的方法。它是按一对圆柱齿轮相啮合的原理进行加工的。若一对相啮合的圆柱齿轮，其中一个工件，另一个用高速钢制造，并在轮齿上磨出前角和后角，形成切削刃，在加上必要的切削运动，即可在工件上切出轮齿来。对于齿轮齿面精度在6级以上，粗糙度小于Ra0.4um的齿轮，在滚齿、插齿加工之后，还需要进行精加工。以下几种为齿轮精加工方法。（4）剃齿是在专用的剃齿机或经过改造的通用机床上，以剃齿刀与齿轮的自由啮合的展成过程进行加工的方法。其加工过程相当于两个轴线交叉的渐开线齿轮啮合过程，由于两回转轴线是交错的，故在啮合过程中，沿齿宽方向上有相对滑动，该滑移运动与沿齿轮径向滑移运动的合成使剃齿到刀刃对工件齿面产生微量的刮削作用，通过反复刮削，完成对齿面的精加工。剃吃齿适合于淬火或经调质处理的钢类齿轮或齿面硬度低于HRC30的其他材料齿轮的精加工。常用于直齿或斜齿圆柱齿轮的精加工，生产批量不限。这是一种常用的最简单且成本较低的精加工齿轮的方法。94 （5）珩齿珩齿与剃齿的原理相同，不同之处是以珩磨轮代替了剃齿刀，珩磨轮是用磨料与环氧树脂等浇铸或热压而成的，具有很高齿形精度的斜齿圆柱齿轮。珩齿对齿形精度改善不大，主要是减少热处理后齿面的粗糙度值。珩齿加工切削速度比剃齿高2~3倍，生产效率高。珩齿适应于淬硬齿轮的光整加工，也能有效地去除热处理后产生与齿面的氧化皮。（6）磨齿磨齿主要用来精加工齿面已淬硬的齿轮，加工方法有成形法磨齿和展成法磨齿两种。（7）研齿其切削原理和珩齿相同。研齿仅能提高齿面质量及稍修正齿形、齿向误差，对其他精度改善不大。它主要用于淬硬齿面齿轮的精加工。齿轮齿形加工方法的选择主要取决于齿轮精度和齿面粗糙度的要求以及齿轮的结构、形状、尺寸、材料和热处理状态等。3.齿轮加工工艺过程分析齿轮的加工工艺过程一般应包括以下内容：齿轮毛坯加工，齿面加工，热处理工艺及齿面的精加工。（1），齿轮加工中定位基准的选择，齿轮的定位基准因齿轮的结构形式不同而有所差异，带轴齿轮采用顶尖定位，孔径大时采用锥堵，顶尖的定位精度高，且能作到基准统一，带孔齿轮在加工齿面时常常采用以下两种定位，夹紧方式。①以内孔和端面定位，夹紧；②以外圆和端面定位，夹紧。（2），齿轮毛坯加工齿面加工前的齿轮毛坯加工，在整个齿轮加工工艺过程中占有很重要的地位。齿面加工和检测所用的基准必须在这一阶段加工出来，同时齿坯加工的工时所占比例也很大，故无论从提高效率或保证精度来考虑都应该重视齿轮毛坯的加工。（3），齿面及齿端的加工齿面加工是齿轮加工的关键，其方案的选择取决于多方面的因素，如设备条件，齿轮精度，表面粗糙度，硬度等，常用的齿面加工方案：①八级精度以下的齿轮，调质齿轮用滚齿或插齿便能满足加工要求。对于淬硬齿轮可采用：滚（插）齿——齿端加工——淬火——校正孔的加工方案，但淬硬齿面加工精度应提高一级。②6~7精度齿轮，对于淬硬齿轮可采用：滚（插）齿——齿端加工——剃齿——表面淬火——校正基准——珩齿。这种方案生产效率高，设备简单，成本较低，适于大批生产。94 4.齿轮工艺规程的制定以下图所示的齿轮加工为例说明齿轮的工艺规程：（1），零件技术要求的分析：①　齿顶圆对孔轴线有公差0.05mm的径向圆跳动要求.②两端面对孔94 轴线分别有公差0.015mm和0.02mm的端面跳动要求.③键槽两侧面对孔轴线有公差为0.01mm的对称度要求.（2）,毛坯的选择该齿轮的材料为40Cr,齿轮的孔和外圆直径较大,批量为单间小批生产,毛坯应锻件.锻件毛坯图如下所示:　　　　　　　　　　　　　　　（3）,定位基准的选择为保证齿顶圆对孔轴线的径向圆跳动要求和大端面对孔轴线的端面圆跳动要求,加工时,在一次装夹中完成内孔大端外圆和大端面的加工，再以大端面为基准磨出小端面，以保证小端面对内孔的端面圆跳动要求．（４），加工方法的选择两端面表面粗糙度Ra值为１.６um，内孔表面粗糙度Ra值为０.８um，需粗车――半精车――粗磨．大外圆和小外圆表面粗糙度Ra值分别为３.２um和6.3um，用粗车――半精车即可达到．键槽Ra的值为３.２um，用插削加工，粗插之后再半精插．齿面Ra的值为０.８um，可采用插齿或滚齿之后进行磨齿，这样既能保证表面粗糙度Ra的要求，又可保证精度等级的要求．（５），加工顺序的安排①　各外圆，端面．内孔粗车之后，进行调质处理，然后再进行半精车，精车．其中大外圆，大端面和内孔在一次装夹中完成，因此以大端面为定位基准，磨削小端面，以保证位置精度．②　插齿之后，进行齿端倒圆，然后对齿面进行高频淬火．③　磨内孔之后，采用心轴装夹磨齿．④　插键槽之后，去毛刺．⑤　机械加工完毕后，最终要进行检验．94 5.齿轮机械加工工艺过程卡片工序号工种工序内容加工简图夹具设备１下料２锻锻造毛坯３热正火４车安装Ⅰ：粗车大端面见平，粗车大外圆至,粗镗孔至安装Ⅱ:调头安装,粗车小端至,粗车小端外圆至,粗车台阶端面,使大端外圆长22.6mm三爪自定心卡盘卧式车床94 ５热调质处理保证220~240HBS94 ６车安装Ⅰ:半精车小端面,保证尺寸34.3,半精车小端外圆至,倒两处外角C2,C1,内角C1安装Ⅱ:调头安装,半精车,精车大端面,使总长为,半精车大外圆至,半精镗孔至,倒内角C1三爪自定心卡盘卧式车床94 ７磨磨小端面,使总长为54±0.10电磁吸盘平面磨床94 ８齿插齿,给齿厚留磨削余量0.2mm心轴插齿机９齿齿端倒圆心轴齿轮倒角机１０热齿面高频淬火,保证50~55HRC１１磨磨内孔到图样规定尺寸分度圆卡具内圆磨床94 １２齿磨齿锥度心轴磨齿机１３钳划键槽加工线１４插插键槽到图样规定尺寸压板螺栓插床１５钳尖角去毛刺１６检按图样要求检验94 附录1蜡模精确成型在浇注中的实验性研究摘要：浇注是经常用于从牺牲模型中生产全功能的标准部件，这些模型（标准）可以用特殊的快速原形技术如立体图或者三维尺寸印刷技术来制造。当要求复合的多样功能的模型时，制造蜡模被采用于过度时期的工具。这个研究工作的目的是为了决定判断出准确细致和精确的蜡模生产用于若干模型工具中。线性收缩常常在决定其精度上起着作用，蜡模浇入参数常用于低压喷入造型.蜡模常常用于生产聚氨脂和矽树脂橡胶工具。从这两种相似的工具中他将展示出模型的精确度.可知,蜡模工具生产的产品模型有较高的收缩比这些有聚氨脂工具生产的产品。自然模型尺寸收缩分别是矽树脂为3.44±0.40%而聚氨脂为1.70±0.60%。另外受压制的尺寸收缩分别为在矽树脂工具的应用中是2.20±0.20%，在聚氨脂工具中的应用为1.40±0.20%。关键字：浇注蜡模尺寸精度1、介绍浇注模型能制造用快速模型技术能提供大多数成型轮廓，一些复杂的轮廓成型在选择材料上有一些限制。然而当要求需要多功能的模型部件时，这中过程成为太昂贵和使用蜡模作为过度工具派上用场。多步骤的模型过程是易于被错误地计算介绍通过每一个时期，Mor-wod.etal。[1]分析在浇注上的自始至终的错误累积过程，可以清晰的指示出最大的变化是被介绍通过在蜡模的大尺寸的变化中。浇注是被认为是一种多精度的铸造过程在一系列的成型设计尺寸中，但是，有食品储藏室改进了在铸造中的尺寸精度。通常采用的公差的是±0.5%[3]，但是更严格的公差可以被实现在特定的环境中，为了增加提高浇注成型的形状和尺寸精度，浇注过程需要更好更明白和更显著的提升改进。模型典型的制造方式是将流动的蜡液浇入进一个印模里，使蜡液在印模里凝固，在更深的冷却之后，将形成的蜡模从印模中取出。94 蜡模精度的影响因素有：蜡模材料，浇注参数（包括压力，温度，支持时间，冷却率）以及模型的几何形状。模型几何形状的影响使特别困难的在预测引起尺寸的改变的原因使蜡模凝固。几何形状的影响的一些现象，以及强加在收缩模型上的当地的冷却率喝当时的限制条件，这样导致一些复杂的不同收缩现象在模型上，可能影响蜡模浇注的最终尺寸的是浇注过程中的浇注参数。最近研究发现最大的浇铸影响因素是浇注过程的时期包括浇注时间、填充时间、和支持时间。这项工作的目标是决定蜡模精度生产在宝石浇注挤压的应用，聚氨脂和矽树脂橡胶过程工具是频繁使用在快速模型中。经过选择的尺寸线性收缩过去常用于决定精度，这项研究的目的不是全部的研究在蜡模浇注的整个领域。相反地，这仅仅打算用蓝图提供铸造品这些过程的参数值在浇注中在最大尺寸上的模型精度。一件宝石的浇注挤压常用来生产蜡模，机器的高压力浇注是十分困难的通常应用于工艺上。1、试验性结论2.1样品机构的测试和测量图1，展示了生产的测试样品等结构。在选择这个结构模型时，下列因素时被考虑的：该模型应该反映出铸件的平均壁厚在昆士兰制造协会（QMI）模型应该考虑管理和测量，约束收缩和无约束收缩应该要呈现自身的特色。尺寸考虑的因素指示在图2中，这些尺寸的计算是从相关点的坐标得来得，如图3中所示。坐标与测量使用的是坐标测量仪（CMM）仅仅尺寸4是约束尺寸其他尺寸作为无约束尺寸来考虑对待。然而，在模型中出现收缩缺乏导致与收缩发生冲突，因而把这些尺寸作为特殊约束尺寸。2.2蜡模的创建在图1`中展示的立体图模型是用于生产聚氨脂和矽树脂橡胶工具（RTV）聚氨脂橡胶工具是用EbltaSG310和铝粉来作为填充物制造的，其比率在1中是1：3.5参数的配置能改变宝石的浇注压力。参数包括浇注温度，浇注压力，模型预热和在模型中的占用时间。相对于工业浇注压力，浇注压力在这些事件中涉及的是溶蜡通过孔进入印模中的压力。在这个系统中当充满印模后压力应该被取消。这些试验是采用独特的浇注液和蜡使用QMI。表格1展示的是试验进程和考虑合格的标准值，模型预热使试验在整个过程中保证40度，在印模中，主模的中心被填完时（对称点）。参照试验图表，设置了24个测量点，每个蜡块包括26个尺寸，聚集在每一个工件中。蜡模的相关尺寸的易变是由生产他们的印模的实际尺寸来决定的。印模的实际尺寸是决定使用检查在图3中有所展现。在印模和蜡模之间呈现的不同是比率的相对改变，并不是尺寸改变而表示的收缩。表格1浇注蜡模过程参数值94 腊式样数字浇注压力(kPa)浇注温度（℃）占用时间（分）12076562138656369656434.565652076586138658769658834.565892076510101386510116965181234.56510132077061413870615697061634.5706172077081813870819697082034.5708212077010221387010236970102435.770103结果和论证测量数目是太大而不能在无规律的组成中被描述，为了统一和分析有意义的结果，数据经过观测分析判断基本上分为以下几组：1，94 存在由两个方向的收缩，X方向（沿着字母H的手臂方向）和Y方向（见图3所示）第三个方向，字母H的厚度方向，是没有被测量的。1，存在两种类型的几何图样特点，这两种类型为约束和非约束收缩。2，收缩的程度可以依据几何形状的不同定义了X和Y坐标来协助表示如图3所示。3，收缩的程度可以依据于模型的尺寸大小。有5个基本尺寸，100mm（尺寸标注为20，21和25，26）70mm（尺寸标注为4）20mm（图中标注为22.23.和24）15mm（图中标注为1－13除了4）4，尺寸14和19不是在收缩模型中直接测量的，他们是模型变形的测量依据是浇注参数。举个例子说明，浇注占用时期将决定模型自由收缩的时间。过长的浇注占用时期意味着蜡液的完全凝固，通过印模约束了收缩时间。这个变形的意义为从点17到20和25到28的垂直位置中字母H5，方向的角度偏差。如图3所示。第一组（G—Ⅰ）由标注4组成，仅仅是收缩中的一个方向的约束。这收缩是在X方向被认为是过大的。经历这个形状的保持收缩，由于在蜡模和印模表面两者间的摩擦受到不约束和特殊约束，根据这样我们划分为以下三这组，1，G—Ⅱ组包括标注20，21，25和26，是过大的在Y方向上的收缩。2，G—Ⅲ组包括标注22，23和24，是过小的在Y方向的收缩（20mm）。3，G—Ⅳ组包括标注1到13除了4，是小的在X方向上的收缩。最后在描述其变形时分为了5组，事实上，除去第一组，剩下的被考虑的每一个点都是对称的。在每一组里面收缩的平均值是采用比较两种工具生产蜡模的不同结果。表格2展示了这些不同的结果，首先，聚氨脂和矽树脂工具的生产收缩的不同的变化展示在I到Ⅳ组，他们角度的改变不同变化在Ⅴ组，变化值用±％来表示评定的标准误差。矽树脂工具生产的模型有过大的扭曲变形导致了较大的收缩比用聚氨酯工具生产的模型。第一组和第二组表示的是在全约束或特殊约束下表现出来的收缩是较小的比第三组和第四组在无约束条件的展示出来的收缩。对于这两种工具，在全约束和特殊约束下展示出来的收缩平均值在标准误差下是符合公差允许的。约束和非约束的尺寸收缩是非常不同的且是特别显著的在应用矽树脂工具时。同时表现出来的现象是采用矽树脂工具产生的变化是采用聚氨酯工具的变化的两倍还大。94 在第四组和第五组表现出来的大的平均偏差相对于标准误差是进行了平均的结果。这种忽视事情的进程在他们之间相同改变易变的各种各样的数值，他们的收缩情况可能依据于他们之间的相对位置关系和大小。采用逐步回归的复原分析方法可以解释出出现在这之间的进程参数和收缩情况在这每一个组成的团体中。P1=-0.0195Ti-0.27P+0.0041TiP+0.032HP-0.00048TiHP标准误差＝±0.11％S1=-0.0352Ti+0.000132HP标准误差＝±0.12％P2=-0.34Ti+0.04H*H+2.7H-6P+0.0042Ti*Ti-0.031Tih标准误差＝±0.15％S2=-0.0043P+0.000021P*P+0.000109XY*Y-0.0093Ti㏒(XY)标准误差＝±0.17％P3=-1.5标准误差＝±0.46％S3=-3.46标准误差＝±0.26％P4=-2.1XY+0.00033XY*Y-0.025XY-0.125H-5.5H*H标准误差＝±0.62％S4=-0.0243Ti+0.00033XY*Y-6.22H-0.01365H*H标准误差＝±0.41％P5=0.00834Ti-0.0087XY+0.0000667XY*Y-0.00129H*H标准误差＝±0.95％S5=0.0043XY+0.57㏒(H)-0.081㏒(XY)-0.000683P-0.0493H标准误差＝±0.121°在这里的数值中P和S分别指示的是在使用聚氨酯和矽树脂工具工作试验是展示出来的收缩百分比。下标数字表示的是不同的组别团体的代号，举例来说P1指第一组即G-I组中与聚氨酯有关的数值，Ti是指在浇注时注入的温度（℃）,H是指在其过程中占用的时间（分），P是指在浇注注入时的压强（kPa），XY是来自方向的与方向X或Y的距离（m）并且时与标准误差的比较的平均估计值，表示为预测的收缩标准的误差值或是角度的扭曲的误差值。94 这些统计分析的细节是不被提供的，把这些有用的相等的条件限制在QMI的铸造练习和使用于特别的几何测试部分，在这里他们的重要性通过这两种工具来展现是非常明显的。同时有计划的约束误差的估算表示了改进了的收缩超出了简单的平均值。在G-I组里面，对于这两种工具约束包括了最有影响的蜡液温度Ti注入压力P和占用时间H，收缩的精度值两者类似的差了差不多两倍，（±0.20相对于±0.11）增加提高蜡液的温度将增加收缩率，同时占用时间和注入压力将相对减少。表格2每一组的平均测量值组别矽树脂工具聚氨脂工具方向包含大小G-Ⅰ-2.20±0.18％-1.30±0.21％X70mm(FC)G-Ⅱ-2.10±0.27％-1.46±0.24％Y100mm(PC)G-Ⅲ-3.43±0.26％-1.50±0.46％Y20mm(U)G-Ⅳ-3.44±0.57％-1.93±0.74％X15mm(U)G-Ⅴ0.68±0.15°0.31±0.15°注：FC－全约束，PC－部分约束，U－无约束在特殊的约束条件下的事例，G－Ⅱ组那聚氨酯工具表现了相似的附属关系和G－I组的全约束条件下差不多，同时矽树脂工具生产的结果表示了增加约束依赖于位置的特点与占用时间没有直接的关系。尺寸特点的坐标与冷却率有关系，可给出蜡模的凝固点，在这里没有直接测量，坐标点可能是隐式的将给出重新计算点。G－Ⅲ组和G－Ⅳ组表示出来的尺寸是在无约束条件下产生的。这里聚氨酯和矽树脂工具表现的不同变得更加明显。聚氨酯工具展示出来的约束依据于占用时间和坐标位置。矽树脂表现出来的收缩主要式注入的蜡液温度Ti。这些不同可以归纳于两者的热的传导率的不同而引起的。在这两种情况下的收缩精度的评价中，没有增加回归分析上的重要性，事实上在G－Ⅲ组的事例中，没有相关的数值可以能评价这两者的不同，这说明还有另外一些重要的因素、条件没有被考虑在内，或者在这次试验生产一些其他的条件没有尽到足够的精确测量。94 占用时间H和（XY）的坐标位置关系有着显著的影响在扭曲变形上，此外在聚氨酯作为生产工具时，蜡液的温度Ti也能显著的影响改变其扭曲变形。回归复原分析法给出了有价值的结论，仅仅在约束和特殊约束的尺寸条件下，对于其他更多的尺寸情况，通过强烈的相互关系作用能决定这两者的约束或变形以及过程参数。没有完全准备好的特定数量关系作为收缩的传导类似于误差的传导，这些能从标准误差中看出来。标准误差没有显著提高当标准误差通过简单的平均比较后，然而这些数值给出了怎样控制收缩和约束变形过程参数的前景。结论:约束和特殊约束尺寸，在平均上来说，在用矽树脂工具中收缩了-2.20±0.20％，在用聚氨酯工具中收缩了-1.40±0.20％。无约束尺寸在平均上来说，收缩了-3.44±0.40％和-1.70±0.60％分别对于矽树脂和聚氨酯工具。蜡模的扭曲变形使用矽树脂时两倍多比使用聚氨酯工具。蜡模的准确度被定义是通过对标准误差的评价从两种类似的工具中。在他们的试验中使用聚氨酯带来的效益是高于使用矽树脂工具的。蜡模的收缩使用矽树脂是要考虑更多的因素比使用聚氨酯，可能是因为他们的冷却率不同的缘故。大体说来大的收缩率导致难于控制其尺寸。收缩尺寸的选择能被简化，当然有更好的显示，那就是通过在进程中对相互关系的参数控制，同时采用已开发的回归复原方程分析法来解决。类似地，蜡模的扭曲变形也将被显示和控制。无约束尺寸展示出两倍的易变性比约束尺寸。感谢作者非常感谢铸造合作中心（CAST）提供的经济支持，同时，特别感谢由QMI的铸造基础部的全体员工的大力支持。附录294 ExperimentalstudiesontheaccuracyofwaxpatternsusedininvestmentcastingAbstract:Investmentcastingisoftenusedtoproducefullyfunctionalprototypecomponentsfromsacrificialpatterns.Thesepatternsmaybemadeusingspecializedrapidprototypingtechniquessuchasstereolithographyorthree-dimensionalprinting.Whenmultiplefunctionalprototypesarerequired,interimtoolsformakingwaxpatternsareemployed.Theobjectiveofthisresearchworkwastodeterminetheprecisionandaccuracyofwaxpatternsproducedusingseveralprototypetools.Linearcontractionwasusedtodeterminetheaccuracyasafunctionofthewaxinjectionparametersusedinlow-pressureinjectionmoulding.Waxpatternswereproducedusingpolyurethaneandsiliconerubbertools.Ithasbeenshownthattheaccuracyofpatternsfrombothtoolsissimilar.However,siliconetoolsproducepatternswithmuchhighercontractionthanthoseproducedbypolyurethanetools.Unconstrainedpatternsdimensionscontractedasmuchas3.44±0.40percentand1.70±0.60percentforsiliconeandpolyurethanetoolsrespectively.Theconstraineddimensionscontractedby2.20±0.20percentinthecaseofsiliconetoolsand1.40±0.20percentinthecaseofpolyurethanetools.Keywords:investmentcasting,waxpattern,dimensionalaccuracy1INTRODUCTIONPatternsforinvestmentcastingcanbemadeusingrapidprototypingtechniquesthatcanprovideshapesofalmostanycomplexitybutinalimitedchoiceof94 materials.However,whenmultiplefunctionalprototypecomponentsarerequired,thisprocessbecomestooexpensiveandinterimtoolsforwaxpatternproductionareusuallyutilized.Themulti-stepprototypingprocessispronetoerroraccumulationintroducedbyeachofthestages.Mor-woodetal[1]analysestheerrorpropagationthrough-outtheinvestmentcastingprocessandclearlyindicatedthatthebiggestvariabilityisintroducedbyhighdimensionalvariabilityofwaxpatterns.Investmentcastingisconsideredtobeoneofthemoreaccuratecastingprocessesintermsofshapeanddimensions[2].Nonethelessthereisstillroomforimprovementinthedimensionalaccuracyofcastings.Generaltolerancesquotedare±0.5percent[3],buttightertolerancesmaybeachievedincertaincircumstances.Toincreasetheshapeanddimensionalaccuracyofinvestmentcastprototypes,theinvestmentcastingprocessneedstobebetterunderstoodandimprovedsignificantly[4].Patternsaretypicallymadebyinjectingliquidwaxintoadie.Thewaxsoldiersinthedieandthenfurthercoolsafteritisremovedfromthedie.Theaccuracyofthewaxpatternisininfluencedbythewaxmaterial,injectionparameters(pressure,temperature,holdingtime,coolingrates)andthepatterngeometry.Theinfluenceofthepatterngeometryisespeciallydifficulttocaptureinpredictingdimensionalchangescausedbywaxsolicitation,thegeometryinfluencessuchphenomenaaslocalcoolingrateandlocalconstraintsimposedontheshrinkingpattern.Thisleadstoacomplexnon-uniformshrinkingofthepattern[3].Itispossibletoaffectthefinal94 dimensionsofthewaxwiththeinjectionprocessparameters.Previousstudieshavefoundthemostimportantfactortobetheprocessingtimes(injection,packingandholdingtimes)[5].Theaimofthisworkwastodeterminetheaccuracyofwaxpatternsproducedusingajeweler’sinjectionpressandpolyurethaneandsiliconerubberinterimtoolsthatarefrequentlyusedIrapidprototyping.Linearcontractionofselecteddimensionswasusedtodeterminetheaccuracy.Thepurposeofthisstudywasnotthoroughlytoresearchtheentiretopicofwaxinjection.Rather,itwasintendedtoprovidethefoundrywithablueprintastowhatprocessparametervaluesgivethemostdimensionallyaccuratepatternsforinvestmentcasting.Ajeweler’sinjectionpresswasusedtoproducewaspatterns,quitedifferentfromthehigh-pressureinjectionmachinesthataremorecommonlyusedinindustry.2EXPERIMENTALMETHODOLOGY2.1TestspecimendesignandmeasurementsFigure1showsthedesignofthetestspecimensproduced.Thefollowingfactorshavebeenconsideredinchoosingthisdesign:ThepatternshouldreflecttheaveragewallthicknessofcastingsmadeatQueenslandManufacturingInstitute(QMI).Patternhandlingandmeasurementshouldbeeasy.Featureswithconstrainedandunconstrainedshrinkageshouldbepresent.ThedimensionsconsideredweredesignatedasshowninFig.2.Thesedimensionswerecalculatedfromthecoordinatesofreferencepoints,shownin94 Fig.3,measuredusingacoordinatemeasuringmachine(CMM).Dimension4istheonlyconstraineddimension,whiletheothersaretreatedasunconstrained.However,lackoftapersinthepatternleadstofrictionduringshrinkage,andhenceclassifiesthesedimensionsaspartiallyconstrained.2.2CreationofwaxpatternsAstereolithographypatternofthepolyurethaneandthesiliconerubber(RTV)tool.ThepolyurethanetoolwasmadefromEbaltaSG130withaluminumpowderasthefiller,inaratioof1:1:3.5.Arangeofparameterscanbealteredonthejeweler’sinjectionpress.Theseareinjectiontemperature,injectionpressure,mouldpreheatandholdingtimeinthemould.Incontrasttoindustrialinjectionpresses,injectionpressureinthiscasereferstothepressureforcingmoltenwaxthroughtheorificeandintothemould.Pressureisremovedfromthesystemafterfillingofthemould.TheseexperimentsarespecifictotheinjectionmachineandthewaxusedattheQMI.Table1showsthesequenceofexperimentsandthevaluesoftheprocessparametersconsidered.Mouldpreheatwaskeptconstantat40°throughthecentreofthespecimen(pointofsymmetry).Followingthisexperimentalplan,24setsofmeasurements,eachcontaining26waxpatterndimensions,werecollectedfromeachtool.Thedimensionalvariabilityofthewaxpatternswasdeterminedwithreferencetotheactualdimensionsofthemouldsusedtoproducethem.ThedimensionsofthemouldsweredeterminedusingtheinspectionplanfromFig.3.thedifference94 betweenthemouldandthewaxpatternwaspresentedaspercentagerelativechange.Negativedimensionalchangeindicatedshrinkage.3RESULTSANDDISCUSSIONThenumberofmeasurementswastoolargetopresentdatainrawform.Tofacilitateanalysisandconsolidateresultsintomeaningfuloutcomes,thedateweredividedintoseveralgroupsbasedonthefollowingobservations:1.Twodirectionsofshrinkingexist,theXdirection(alongtheconnectingarmoftheletterH)andtheYdirection(seeFig.3).Thethirddirection,thethicknessoftheletterHwasnotmeasured.2.Twotypesofgeometricalfeatureexist,thosewithconstrainedandthosewithunconstrainedshrinkage,3.ThedegreeofshrinkagemaydependonthepositionofthegeometricalfeatureasdefinedbyXandYcoordinatesandexpressedinmillimeters(seeFig.3).4.Thedegreeofshrinkagemaydependonthesizeofthefeature.Therearebasicallyfivesizes:100mm(features20,21,25and26),70mm(features4),20mm(features22,23an24)and15mm(features1to13excludingfeature4).5.Dimensions14to19arenotdirectmeasurementsofpatternshrinkage.Theyareameasureofthepatterndistortionwhichmaydependstronglyontheinjectionparameters.Forexample,theholdingtimewilldeterminethefractionofthetimeduringwhichthewaxpatternis94 freelyshrinking.Averylongholdingtimemeansthatthewaxpatternfullysolidifieswhileatalltimesbeingconstrainedbythemould.ThedistortionwasdefinedasangulardeviationofthearmsoftheletterHfromtheverticalpositionatmeasurementpoints17to20and25to28,asshowninFig.3.Thefirstgroup(G-I)consistsoffeature4,whichistheonlydimensionthatisfullyconstrainedwhileshrinking.ItshrinksintheXdirectionandisconsideredtobelarge.Theremainingfeaturesthatundergoshrinkageareunconstrainedorpartiallyconstrainedowingtofrictionbetweenthewaxandmouldsurfaces.Thesecanbefurtherdividedintothreegroups:1.GroupG-IIconsistsoffeatures20,21,25and26,whichshrinkintheYdirectionandarelarge.2.GroupG-IIIconsistsoffeatures22,23and24,whichshrinkintheYdirectionandaresmall(20mm).3.GroupG-IVconsistsoffeatures1to13,excludingfeature4,whichshrinkintheXdirectionandaresmall(15mm).Finally,thereisthefifthgroup(G-V)whichdescribesthedistortion.Inallcases,apartfromgroupG-I,thepositionofeachfeaturewithregardtothepointofsymmetryisalsoconsidered.Theaveragecontractionwithineachgroupwasdeterminedtoallowcomparisonofthetwotoolsusedtoproducewaxpatterns.Table2showstheresults,thefirstentryforthesiliconandpolyurethanetoolsindicatingthe94 dimensionalchange(G-ItoG-IV)orangulardeviation(G-V)with±representingtheestimatedstandarderror.Thesiliconetoolproducedmoreheavilydistortedpatternsandcausedgreatercontractionthanthepoly-urethanetool.GroupsG-IandG-IIrepresentfeaturesthatareconstrainedorpartiallyconstrainedandshowlesscontractionthangroupsG-IIIandG-IVwhichfreelycontract.Forbothtools,theaveragecontractionofconstrainedandpartiallyconstrainedfeaturesisequalwithinthetolerancedefinedbythestandarderrors.Thedifferencebetweenconstrainedandunconstraineddimensionsisespeciallypronouncedinthecaseofthesiliconetool.Itisalsoapparentthatdistortionwhenemployingthesiliconetoolistwiceasgreatasthatinthecaseofthepolyurethanetool.LargedeviationsfromaveragevaluesindicatedbythestandarderrorwithingroupsG-IVandG-Varetheresultofaveraging.Thisdisregardsthefactthatprocessvariablesbetweenpatternsvariedconsiderablyandthatcontractionmaydependonfeaturerelativepositionandsize.Regressionanalysisrevealedthefollowingdependencesbetweenprocessparametersandthecon-tractionwithineachofthegroups:P1=-0.0195Ti-0.27P+0.0041TiP+0.032HP-0.00048TiHPstandarderror＝±0.11％S1=-0.0352Ti+0.000132HPstandarderror＝±0.12％94 P2=-0.34Ti+0.04H*H+2.7H-6P+0.0042Ti*Ti-0.031Tihstandarderror＝±0.15％S2=-0.0043P+0.000021P*P+0.000109XY*Y-0.0093Ti㏒(XY)standarderror＝±0.17％P3=-1.5standarderror＝±0.46％S3=-3.46standarderror＝±0.26％P4=-2.1XY+0.00033XY*Y-0.025XY-0.125H-5.5H*Hstandarderror＝±0.62％S4=-0.0243Ti+0.00033XY*Y-6.22H-0.01365H*Hstandarderror＝±0.41％P5=0.00834Ti-0.0087XY+0.0000667XY*Y-0.00129H*Hstandarderror＝±0.95％S5=0.0043XY+0.57㏒(H)-0.081㏒(XY)-0.000683P-0.0493Hstandarderror＝±0.121°wherePandSdenotethelinearpercentagecontractionforthepolyurethaneandsiliconetoolrespectivelyandthesubscriptnumbersindicatetherelevantgroup,i.e.P1relatestopolyurethanegroupG-I,Tiisthewaxtemperatureatthetimeofinjection(8C),Histheholdingtime(min),Pistheinjectionpressure(kPa),XYisthedistancein94 directionXorYfromtheorigin(m)andstandarderroristheestimateoftheaveragestandarderrorforthepredictedcontractionorangulardistortion.Thedetailsofthestatisticalanalysisarenotprovided,astheusefulnessoftheseequationsislimitedtoQMI’sfoundrypracticesandtheparticulargeometryofthetestpart.Theirimportancehereliesinshowingwhichprocessparametersarethemostinfluentialwithineachgroupandforeachtool.Atthesametimetheestimatedstandarderrorofthecalculatedcontractionindicatestheimprovementinshrinkageestimationoversimpleaveraging.WithingroupG-I,forbothtools,contractionisinfluencedbywaxtemperatureTi,injectionpressurePandholdingtimeH.Theaccuracyofapproximationofthecontractionisalmostdoubled(±0.20asagainst±0.11).Theincreaseinwaxtemperaturewillincreasetheshrink-age,whileholdingtimeandpressurewilldecreaseit.Inthecaseofthepartiallyconstrainedfeatures,groupG-II,thepolyurethanetoolexhibitssimilardependencesasingroupG-I(fullyconstrained),whilethesiliconetoolproducesresultsindicatingthatcontractionadditionallydependsonthepositionoffeatureswithnoconnectiontotheholdingtime.Thecoordinatesofthedimensionsofthefeaturecanbelinkedtocoolingrateatagivenpointofthesolidifyingwaxpattern.Thishasnotbeenmeasureddirectly,andthecoordinatesofthefeature94 mayimplicitlyaccountforthis,giventhattheconditionsarerepeatable.GroupsG-IIIandG-IVrepresentdimensionsthatshrinkwithoutconstraint.There,thedifferencesbetweenthesiliconeandpolyurethanetoolsbecomemoreapparent.Thepolyurethanetoolshowsthatcontractiondependsonholdingtimeandthefeaturecoordinates.Thesiliconetoolshowsthatthecontractionisadditionallyinfluencedbythetemperatureofthewax,Ti.Thesedifferencescanbeattributedtothedifferencesinheatconductivity.Inbothcasestheaccuracyofestimationofcontractiondidnotimprovesignificantlywiththeimplementationofregressionanalysis.Infact,inthecaseofgroupG-III,norelationshipscouldbeestablishedforthetwocases.Thisindicatesthatsomeother,possiblymoreinfluential,elementshavenotbeenconsidered,oreitherthemeasurementsarenotaccurateorrepeatabilityoftheexperimentalprocedurewasnotgoodenough.TheholdingtimeHandthepositionofthefeature(XY)hassignificantimpactonthedistortion.Addition-ally,inthecaseofthepolyurethanetool,waxtemperatureTisignificantlyalteredthedistortion.Theregressionanalysisgaveworthyresultsonlyinthecaseofconstrainedandpartiallyconstraineddimensions.Inallothercases,althoughastrongcorrelationwasdeterminedbetweenthecontractionordistortionandtheprocessparameters,thesewerenotreallyviableinquantitativetermsasthespreadofthecontractionwassimilartothespreadoftheerrors.Thiscanbeseenfromthestandarderrors,whichdidnotimprovesignificantlywhencomparedwithstandarderrorsattainedthroughsimpleaveraging.Nonetheless,theseequationsgaveaninsightintohow94 theprocessparametersaffectthecontractionanddistortion.4CONCLUSIONSTheconstrainedandpartiallyconstraineddimensions,onaverage,shrinkby-2.20±0.20percentinthecaseofsiliconetoolsand-1.40±0.20percentinthecaseofpolyurethanetools.Unconstraineddimensions,onaverage,contractby-3:44±0:40percentand-1:70±0:60percentforsiliconeandpolyurethanetoolsrespectively.Thedistortionofwaxpatternsmadeusingthesiliconetoolistwiceasgreatasthatinthecaseofwaxpatternsmadeusingthepolyurethanetool.Theaccuracyofwaxpatternsasdeterminedbytheestimateofstandarderrorsissimilarforbothtools.Thebenefitofusingpolyurethanetoolsoversiliconetoolsisintheirprecision.Waxpatternsmadeusingthesiliconetoolshrinkconsiderablymorethanthosemadebythepolyurethanetool,possiblyowingtodifferencesinsolidificationcoolingrates.Ingeneral,greatercon-tractionleadstomoredifficultcontrolofdimensions.Thecontractionofselecteddimensionscanbereduced,andcertainlybetterpredicted,byappropriatelyselectingcontrollingtheprocessparametersinaccordancewiththeregressionanalysisequationsdeveloped.Similarly,thedistortionofthewaxpatterncouldbepredictedandcontrolled.Unconstraineddimensionsexhibittwicethevariabilityofconstrainedones.ACKNOWLEDGEMENTSTheauthorswouldliketoacknowledgethefinancialsupportfromCAST94 (CooperativeResearchCentreforCastMetalsManufacturing).Also,manythanksareduetoQMI’sinvestmentfoundrystaffforthesupportprovided.REFERENCES1Moorwood,G.,Christodoulou,P.,Lahnam,B.andByrnes,D.ContractionofinvestmentcastH13toolsteel.Int.J.CastMetals,2000,12,457±467.2DimensionalTolerancesforMetalandMetalAlloyCastings,1985(BritishStandardsInstitution,London).3Piwonka,T.S.andWiest,J.M.FactorsaVectinginvest-mentcastingpatterndiedimensions.INCAST,June1998,8±13.4Halford,B.Advancedlowcosttoolingmanufacturing.PrototypingTechnol.Int.,1997,309±311.5Horacek,M.andLubos,S.In¯uenceofinjectionparametersonthedimensionalstabilityofwaxpatterns.In9thWorldConferenceonInvestmentCasting,SanFrancisco,Califor-nia,1996,paper1.Table2AveragemeasuredvaluesforeachgroupGroupSiliconetoolPolyurethanetoolDirectionSizeconstraintG-Ⅰ-2.20±0.18％-1.30±0.21％X70mm(FC)G-Ⅱ-2.10±0.27％-1.46±0.24％Y100mm(PC)G-Ⅲ-3.43±0.26％-1.50±0.46％Y20mm(U)94 G-Ⅳ-3.44±0.57％-1.93±0.74％X15mm(U)G-Ⅴ0.68±0.15°0.31±0.15°FC－fullyconstrained，PC－partiallyconstrained，U－unconstrainedTable1ProcessparametersforwaxinjectionWaxpatternnumberInjectionpressure(kPa)Injectiontemperature（℃）Holdingtime(time)12076562138656369656434.565652076586138658769658834.565892076510101386510116965181234.56510132077061413870615697061634.5706172077081813870819697082034.57082120770102213870102369701094 2435.77010Fig.194 Fig.3Fig.294 附录394 图2变速箱94 图3绞车94 图4液压卡盘94 图5回钻器94'