一种在农机制造维修中实用的铣削动力头的设计与使用
凌萌+姚炬均
摘要农机制造维修与机具创新改造是农机管理与技术推广工作中的重要环节，经常会遇到铣削键槽和小平面的工艺。本文介绍一种成功并经过长期使用验证的键槽铣削动力头的设计与使用，特别适合农机维修及农机零部件小批量铣削加工，是一种设计简单、制造容易、使用方便的农机维修小装备，能真正达到小装备解决大难题的效果。希望能为农机制造维修业有此期待的同行提供有益帮助及参考。
关键词农机化农机制造维修铣削动力头设计使用
0引言
农机制造维修是农机管理与技术推广服务工作中的重要环节。机械制造与维修中铣削键槽和小平面是很常见的工艺。键联接主要用来实现轴和轴上零件（如齿轮、蜗轮、皮带轮等）之间的周向固定，以传递工作转矩，所以在机械传动中广泛应用。有条件的工厂在铣床上加工键槽，但在没有铣床的小型农机修造厂和基层农机维修企业（中心），就只能靠外协加工，须专人联系，程序繁杂、误时费工、费用虚高，给工作带来极大不便。也有一些维修厂（点）的维修生产人员尝试利用钻床的钻夹头夹持键槽铣刀，在钻台上再安装带可控移动机构的工件夹持台，通过钻床主轴转动带动夹持在钻夹头上的键槽铣刀旋转，安装在钻台工件夹持台上的工件在加工人员操控下作水平移动，在两种相对运动的配合下完成铣削加工过程。我们最初也做过设想并尝试，达不到预想效果，其一，铣削深度及铣削点线不便调整；其二，由于钻夹头不能承受铣削加工时产生的较大垂直铣削力(即径向力)，很难保证铣削工艺要求。对一些轻质材料（铝合金等）可能勉强应付。鉴于此我们结合实际设计了一种结构简单、制造容易、体积小巧、工作可靠的铣削动力头装配在B665刨床的刨头刀架上（或车床的刀架座上也可），利用机床的直线运动机构进行了大胆而成功的键槽铣削加工，达到设计要求，取得很好的效果，起到了小装备解决大难题的作用，特别适合农机维修及小批量加工。
铣削动力头结构示意图如图1，其工作原理：电机带动空心主轴转动，空心主轴中拉杆旋紧，拉紧弹簧夹头锁住键槽铣刀旋转工作，利用安装在机床上的铣削动力头与装夹在机床移动部件上的工件之间的相对移动进行铣削加工。
1.电机2.皮带轮3.连接板4.调节手柄5.大皮带轮6.拉杆7.平健8.三角皮带9.轴承盖 10.调整垫片11.空心主轴12.轴承座13.轴承14.弹簧夹头15.键槽铣刀
图1铣削动力头结构示意图将这种铣削动力头的设计及使用体会介绍如下。
1运动学计算
从农机维修与革新改造实际考虑，我们加工的键槽宽度一般在12 mm及以下（较常用的有B=4 mm、5 mm、6 mm、8 mm、10 mm、12 mm），为了既考虑到电机功率充裕又不过度富余，而且不会造成动力头重量和体积增加，选用键槽宽12 mm作为设计计算依据。更宽键槽铣削可采用两次加工，即先窄后宽的办法。如有特殊要求者可预订。经查铣削工艺手册，考虑适应性广，高速钢双齿键槽铣刀铣削碳钢，选取铣削速度25 m/min，根据推荐铣削速度，计算主轴转速
N主=1000 vπds=1000×25314×12=633 r/min
2计算铣削力Fc与各铣削分力
2.1高速钢键槽铣刀铣削力
Fc＝CF α0.86ef0.72zd-0.860αp Z
Fc＝669×120.86×0.050.72×12-0.86×5× 2＝774 N
参数查阅铣削工艺手册，立铣刀铣削碳钢：
铣削力参数CF＝669，铣削宽度αe＝12 mm，铣刀齿数Z＝2，铣刀直径d0＝12 mm，铣削深度αp＝5 mm，每齿进给量fz＝0.05 mm。
2.2各铣削分力
各铣削力之间存在以下比值关系：
Ff／Fc＝0.3～0.4
Fe／Fc＝0.85～0.95
FfN／Fc＝0.85～0.95
计算得：主铣削力Fc＝774 N，垂直铣削力FcN＝271 N，背向力Fp＝406 N。
3计算铣削功率Pm
Pm＝1000 vπd0＝1000×25314×12＝ 0.32 kW
选配电动机功率：P电＝Pmη＝0.4 kW。
考虑工作可靠性，功率略有富余，取动力头的传动效率：η=0.80。
选配电动机型号：A06324。额定功率：400 W；转速：1400 r/min。
为适用不同切削速度的需要，可根据实际要求选配塔形变速皮带轮或选配结构小巧的变速电动机。皮带及皮带轮的设计计算略。
电机皮带轮直径：D电=55 mm,主轴皮带轮直径：D主=120 mm，三角皮带：A900。
4保证铣削键槽精度的主要零件技术要求及铣刀的夹紧方式
4.1主轴基本结构（如图2）
图2主轴基本结构材料：45号钢；调质热处理：HB217~255。
4.2铣刀的夹紧方式及元件
直径在Φ20 mm以下的键槽立铣刀一般都采用直柄结构，故设计选用高速钢直柄双刃键槽铣刀，由于键槽精度要求高，故设计采用定心精度较高、装夹可靠、能承受较大径向力并抗弯曲变形能力强的弹簧夹头作为键槽铣刀的夹紧元件，基本结构如图3。
图3铣刀的夹紧元件材料：65Mn；热处理硬度：工作部分HRC57~62，尾部HRC40~45;锥度与主轴孔内锥度配作后再开槽。
5主轴受力分析计算及强度校核
主轴上扭矩：
T = 9549Pmn= 9549×032633= 4.827 N·m= 4827 N·mm
三角胶带胀力一般取：Tc＝2tc。
建立主轴的力平衡方程：求出各支点力：
∑x＝0,－FcN+RB H-RAH+Tc+tc＝0
∑Y＝0,Fp－yA＝0
∑Y＝0,Fc－RBV+ RAV＝0
∑mx＝0,(b+c) Fc-b RBV＝0
∑my＝0, －r Fc+ R Tc－R tc＝0
∑mz＝0,(b+c) FcN+r Fp－b RBH+a(Tc+tc)＝0
解平衡方程组，求出各支点力：tc = 77 N；RAH = 441 N；RBH=481 N；yA = 406 N；RAV= 364 N；RBV =1138 N。
图4主轴受力分析图主轴受力分析如图4所标示。
主轴装配简如图4（a）；主轴受力简如图4（b）；主轴水平面H的受力如图4（c）；主轴垂直面V的受力如图4（d）；主轴的扭矩如图4（e）；主轴水平面上弯矩如图4（f）；主轴垂直面上弯矩如图4（g）；主轴合成总弯矩如图4（h）。
由主轴的总弯矩如图（h）与扭矩图(e) 分析可知，截面B为危险截面。该截面的总弯矩与扭矩分别为:M=66 450 N·mm；T= 4827 N·mm。
根据空心轴弯矩组合对称循环应力条件下强度条件：
32M2+075Tπ·D3(1-a4)≤［σ-1］ (a=dD=1430=047)
26.4 MPa ≤［σ-1］
其值小于对称循环应力条件下许用压力［σ-1］= 40 MPa，考虑到铣削动力头用于机械加工母机，设计时适当高选校核参数，以确保机械加工时的抗弯扭曲强度和刚度能力。以上计算符合高选强度条件要求。
6选用并校核键强度
主轴上安装皮带轮处选用单圆头普通平键C6×15（GB1096-79）：B=6 mm，h=6 mm，L=15 mm，(键工作长度 λ=L-R=15-3=12 mm)
根据主轴所传递扭矩T，计算键两侧所受到的压力
N =2TD=2×11 55022 =1050 n
（1）抗挤压强校核，满足强度要求。
σp=Nh2·λ=105062×12=2917 MPa≤［σ］p=100 MPa
（2）抗剪切强度校核，满足强度要求。
τ=Nb·λ=10506×12=1458 MPa≤［τ］=60 MPa
7机床的调整及注意事项
为确保安全，动力头传动皮带要设计防护罩。安装时必须切断机床电源（只利用机床移动机构，不使用动力）。在刨床上使用，动力头用螺栓按主轴垂直水平面位紧固定位在刨头上，利用刨头刀架调节手柄调整控制铣削深度，移动滑枕或工件夹具配合调整使刀具对中，靠水平进给手柄进行均速铣削加工。为了防止铣削过程中铣削力引起铣削振动造成滑枕移动（即“溜刀”现象），在调整过程中，注意将滑枕调整到反复运动的转折点附近（即使曲柄滑块结构处于“死点”位置），可锁紧滑枕，用后松开。通过实验能克服“溜刀”现象，满足铣削工艺要求。在车床上使用，应根据车床主轴中心高设计动力头中心高，以确保其安装在车床刀架坐上，动力头主轴轴线（即键槽铣刀轴线）与车床主轴轴线处于同一水平面，如低可用垫片等调整。轴类零件装夹在车床三爪卡盘上挂最低挡并处刹车位（车床断电），长轴类零件加用车床尾座顶针以防止振动。铣削键槽时使用中拖板手柄调整控制铣削深度，大拖板手柄均速进给进行铣削加工。如有必要，批量铣削加工时可根据实际配用轴用自定心虎钳夹持工件及铣削液。
8结束语
这种结构简单的铣削动力头是在没有铣床为前提的情况下，为机械制造中常用到的键槽加工设计的。配备在刨床或车床上就可以进行键槽铣削，不用时拆下备用，方便轻巧。经我们多年使用，取得良好效果。根据实际需要还可以参考以上基本设计程序设计制造出适合需要的动力头，为了不使动力头过重，选用电机功率计算要准确，尽可能体积小巧方便可靠。
参考文献：
[1]徐鸿本，姜全新，曹甜东.铣削工艺手册[M].北京：机械工业出版社，2012.
[2]西安交通大学，南京工学院.理论力学[M].北京：人民教育出版社，1981.
[3]北京航空学院材料力学教研室.材料力学教程[M].北京：国防工业出版社，1982.（05）摘要农机制造维修与机具创新改造是农机管理与技术推广工作中的重要环节，经常会遇到铣削键槽和小平面的工艺。本文介绍一种成功并经过长期使用验证的键槽铣削动力头的设计与使用，特别适合农机维修及农机零部件小批量铣削加工，是一种设计简单、制造容易、使用方便的农机维修小装备，能真正达到小装备解决大难题的效果。希望能为农机制造维修业有此期待的同行提供有益帮助及参考。
关键词农机化农机制造维修铣削动力头设计使用
0引言
农机制造维修是农机管理与技术推广服务工作中的重要环节。机械制造与维修中铣削键槽和小平面是很常见的工艺。键联接主要用来实现轴和轴上零件（如齿轮、蜗轮、皮带轮等）之间的周向固定，以传递工作转矩，所以在机械传动中广泛应用。有条件的工厂在铣床上加工键槽，但在没有铣床的小型农机修造厂和基层农机维修企业（中心），就只能靠外协加工，须专人联系，程序繁杂、误时费工、费用虚高，给工作带来极大不便。也有一些维修厂（点）的维修生产人员尝试利用钻床的钻夹头夹持键槽铣刀，在钻台上再安装带可控移动机构的工件夹持台，通过钻床主轴转动带动夹持在钻夹头上的键槽铣刀旋转，安装在钻台工件夹持台上的工件在加工人员操控下作水平移动，在两种相对运动的配合下完成铣削加工过程。我们最初也做过设想并尝试，达不到预想效果，其一，铣削深度及铣削点线不便调整；其二，由于钻夹头不能承受铣削加工时产生的较大垂直铣削力(即径向力)，很难保证铣削工艺要求。对一些轻质材料（铝合金等）可能勉强应付。鉴于此我们结合实际设计了一种结构简单、制造容易、体积小巧、工作可靠的铣削动力头装配在B665刨床的刨头刀架上（或车床的刀架座上也可），利用机床的直线运动机构进行了大胆而成功的键槽铣削加工，达到设计要求，取得很好的效果，起到了小装备解决大难题的作用，特别适合农机维修及小批量加工。
铣削动力头结构示意图如图1，其工作原理：电机带动空心主轴转动，空心主轴中拉杆旋紧，拉紧弹簧夹头锁住键槽铣刀旋转工作，利用安装在机床上的铣削动力头与装夹在机床移动部件上的工件之间的相对移动进行铣削加工。
1.电机2.皮带轮3.连接板4.调节手柄5.大皮带轮6.拉杆7.平健8.三角皮带9.轴承盖 10.调整垫片11.空心主轴12.轴承座13.轴承14.弹簧夹头15.键槽铣刀
图1铣削动力头结构示意图将这种铣削动力头的设计及使用体会介绍如下。
1运动学计算
从农机维修与革新改造实际考虑，我们加工的键槽宽度一般在12 mm及以下（较常用的有B=4 mm、5 mm、6 mm、8 mm、10 mm、12 mm），为了既考虑到电机功率充裕又不过度富余，而且不会造成动力头重量和体积增加，选用键槽宽12 mm作为设计计算依据。更宽键槽铣削可采用两次加工，即先窄后宽的办法。如有特殊要求者可预订。经查铣削工艺手册，考虑适应性广，高速钢双齿键槽铣刀铣削碳钢，选取铣削速度25 m/min，根据推荐铣削速度，计算主轴转速
N主=1000 vπds=1000×25314×12=633 r/min
2计算铣削力Fc与各铣削分力
2.1高速钢键槽铣刀铣削力
Fc＝CF α0.86ef0.72zd-0.860αp Z
Fc＝669×120.86×0.050.72×12-0.86×5× 2＝774 N
参数查阅铣削工艺手册，立铣刀铣削碳钢：
铣削力参数CF＝669，铣削宽度αe＝12 mm，铣刀齿数Z＝2，铣刀直径d0＝12 mm，铣削深度αp＝5 mm，每齿进给量fz＝0.05 mm。
2.2各铣削分力
各铣削力之间存在以下比值关系：
Ff／Fc＝0.3～0.4
Fe／Fc＝0.85～0.95
FfN／Fc＝0.85～0.95
计算得：主铣削力Fc＝774 N，垂直铣削力FcN＝271 N，背向力Fp＝406 N。
3计算铣削功率Pm
Pm＝1000 vπd0＝1000×25314×12＝ 0.32 kW
选配电动机功率：P电＝Pmη＝0.4 kW。
考虑工作可靠性，功率略有富余，取动力头的传动效率：η=0.80。
选配电动机型号：A06324。额定功率：400 W；转速：1400 r/min。
为适用不同切削速度的需要，可根据实际要求选配塔形变速皮带轮或选配结构小巧的变速电动机。皮带及皮带轮的设计计算略。
电机皮带轮直径：D电=55 mm,主轴皮带轮直径：D主=120 mm，三角皮带：A900。
4保证铣削键槽精度的主要零件技术要求及铣刀的夹紧方式
4.1主轴基本结构（如图2）
图2主轴基本结构材料：45号钢；调质热处理：HB217~255。
4.2铣刀的夹紧方式及元件
直径在Φ20 mm以下的键槽立铣刀一般都采用直柄结构，故设计选用高速钢直柄双刃键槽铣刀，由于键槽精度要求高，故设计采用定心精度较高、装夹可靠、能承受较大径向力并抗弯曲变形能力强的弹簧夹头作为键槽铣刀的夹紧元件，基本结构如图3。
图3铣刀的夹紧元件材料：65Mn；热处理硬度：工作部分HRC57~62，尾部HRC40~45;锥度与主轴孔内锥度配作后再开槽。
5主轴受力分析计算及强度校核
主轴上扭矩：
T = 9549Pmn= 9549×032633= 4.827 N·m= 4827 N·mm
三角胶带胀力一般取：Tc＝2tc。
建立主轴的力平衡方程：求出各支点力：
∑x＝0,－FcN+RB H-RAH+Tc+tc＝0
∑Y＝0,Fp－yA＝0
∑Y＝0,Fc－RBV+ RAV＝0
∑mx＝0,(b+c) Fc-b RBV＝0
∑my＝0, －r Fc+ R Tc－R tc＝0
∑mz＝0,(b+c) FcN+r Fp－b RBH+a(Tc+tc)＝0
解平衡方程组，求出各支点力：tc = 77 N；RAH = 441 N；RBH=481 N；yA = 406 N；RAV= 364 N；RBV =1138 N。
图4主轴受力分析图主轴受力分析如图4所标示。
主轴装配简如图4（a）；主轴受力简如图4（b）；主轴水平面H的受力如图4（c）；主轴垂直面V的受力如图4（d）；主轴的扭矩如图4（e）；主轴水平面上弯矩如图4（f）；主轴垂直面上弯矩如图4（g）；主轴合成总弯矩如图4（h）。
由主轴的总弯矩如图（h）与扭矩图(e) 分析可知，截面B为危险截面。该截面的总弯矩与扭矩分别为:M=66 450 N·mm；T= 4827 N·mm。
根据空心轴弯矩组合对称循环应力条件下强度条件：
32M2+075Tπ·D3(1-a4)≤［σ-1］ (a=dD=1430=047)
26.4 MPa ≤［σ-1］
其值小于对称循环应力条件下许用压力［σ-1］= 40 MPa，考虑到铣削动力头用于机械加工母机，设计时适当高选校核参数，以确保机械加工时的抗弯扭曲强度和刚度能力。以上计算符合高选强度条件要求。
6选用并校核键强度
主轴上安装皮带轮处选用单圆头普通平键C6×15（GB1096-79）：B=6 mm，h=6 mm，L=15 mm，(键工作长度 λ=L-R=15-3=12 mm)
根据主轴所传递扭矩T，计算键两侧所受到的压力
N =2TD=2×11 55022 =1050 n
（1）抗挤压强校核，满足强度要求。
σp=Nh2·λ=105062×12=2917 MPa≤［σ］p=100 MPa
（2）抗剪切强度校核，满足强度要求。
τ=Nb·λ=10506×12=1458 MPa≤［τ］=60 MPa
7机床的调整及注意事项
为确保安全，动力头传动皮带要设计防护罩。安装时必须切断机床电源（只利用机床移动机构，不使用动力）。在刨床上使用，动力头用螺栓按主轴垂直水平面位紧固定位在刨头上，利用刨头刀架调节手柄调整控制铣削深度，移动滑枕或工件夹具配合调整使刀具对中，靠水平进给手柄进行均速铣削加工。为了防止铣削过程中铣削力引起铣削振动造成滑枕移动（即“溜刀”现象），在调整过程中，注意将滑枕调整到反复运动的转折点附近（即使曲柄滑块结构处于“死点”位置），可锁紧滑枕，用后松开。通过实验能克服“溜刀”现象，满足铣削工艺要求。在车床上使用，应根据车床主轴中心高设计动力头中心高，以确保其安装在车床刀架坐上，动力头主轴轴线（即键槽铣刀轴线）与车床主轴轴线处于同一水平面，如低可用垫片等调整。轴类零件装夹在车床三爪卡盘上挂最低挡并处刹车位（车床断电），长轴类零件加用车床尾座顶针以防止振动。铣削键槽时使用中拖板手柄调整控制铣削深度，大拖板手柄均速进给进行铣削加工。如有必要，批量铣削加工时可根据实际配用轴用自定心虎钳夹持工件及铣削液。
8结束语
这种结构简单的铣削动力头是在没有铣床为前提的情况下，为机械制造中常用到的键槽加工设计的。配备在刨床或车床上就可以进行键槽铣削，不用时拆下备用，方便轻巧。经我们多年使用，取得良好效果。根据实际需要还可以参考以上基本设计程序设计制造出适合需要的动力头，为了不使动力头过重，选用电机功率计算要准确，尽可能体积小巧方便可靠。
参考文献：
[1]徐鸿本，姜全新，曹甜东.铣削工艺手册[M].北京：机械工业出版社，2012.
[2]西安交通大学，南京工学院.理论力学[M].北京：人民教育出版社，1981.
[3]北京航空学院材料力学教研室.材料力学教程[M].北京：国防工业出版社，1982.（05）摘要农机制造维修与机具创新改造是农机管理与技术推广工作中的重要环节，经常会遇到铣削键槽和小平面的工艺。本文介绍一种成功并经过长期使用验证的键槽铣削动力头的设计与使用，特别适合农机维修及农机零部件小批量铣削加工，是一种设计简单、制造容易、使用方便的农机维修小装备，能真正达到小装备解决大难题的效果。希望能为农机制造维修业有此期待的同行提供有益帮助及参考。
关键词农机化农机制造维修铣削动力头设计使用
0引言
农机制造维修是农机管理与技术推广服务工作中的重要环节。机械制造与维修中铣削键槽和小平面是很常见的工艺。键联接主要用来实现轴和轴上零件（如齿轮、蜗轮、皮带轮等）之间的周向固定，以传递工作转矩，所以在机械传动中广泛应用。有条件的工厂在铣床上加工键槽，但在没有铣床的小型农机修造厂和基层农机维修企业（中心），就只能靠外协加工，须专人联系，程序繁杂、误时费工、费用虚高，给工作带来极大不便。也有一些维修厂（点）的维修生产人员尝试利用钻床的钻夹头夹持键槽铣刀，在钻台上再安装带可控移动机构的工件夹持台，通过钻床主轴转动带动夹持在钻夹头上的键槽铣刀旋转，安装在钻台工件夹持台上的工件在加工人员操控下作水平移动，在两种相对运动的配合下完成铣削加工过程。我们最初也做过设想并尝试，达不到预想效果，其一，铣削深度及铣削点线不便调整；其二，由于钻夹头不能承受铣削加工时产生的较大垂直铣削力(即径向力)，很难保证铣削工艺要求。对一些轻质材料（铝合金等）可能勉强应付。鉴于此我们结合实际设计了一种结构简单、制造容易、体积小巧、工作可靠的铣削动力头装配在B665刨床的刨头刀架上（或车床的刀架座上也可），利用机床的直线运动机构进行了大胆而成功的键槽铣削加工，达到设计要求，取得很好的效果，起到了小装备解决大难题的作用，特别适合农机维修及小批量加工。
铣削动力头结构示意图如图1，其工作原理：电机带动空心主轴转动，空心主轴中拉杆旋紧，拉紧弹簧夹头锁住键槽铣刀旋转工作，利用安装在机床上的铣削动力头与装夹在机床移动部件上的工件之间的相对移动进行铣削加工。
1.电机2.皮带轮3.连接板4.调节手柄5.大皮带轮6.拉杆7.平健8.三角皮带9.轴承盖 10.调整垫片11.空心主轴12.轴承座13.轴承14.弹簧夹头15.键槽铣刀
图1铣削动力头结构示意图将这种铣削动力头的设计及使用体会介绍如下。
1运动学计算
从农机维修与革新改造实际考虑，我们加工的键槽宽度一般在12 mm及以下（较常用的有B=4 mm、5 mm、6 mm、8 mm、10 mm、12 mm），为了既考虑到电机功率充裕又不过度富余，而且不会造成动力头重量和体积增加，选用键槽宽12 mm作为设计计算依据。更宽键槽铣削可采用两次加工，即先窄后宽的办法。如有特殊要求者可预订。经查铣削工艺手册，考虑适应性广，高速钢双齿键槽铣刀铣削碳钢，选取铣削速度25 m/min，根据推荐铣削速度，计算主轴转速
N主=1000 vπds=1000×25314×12=633 r/min
2计算铣削力Fc与各铣削分力
2.1高速钢键槽铣刀铣削力
Fc＝CF α0.86ef0.72zd-0.860αp Z
Fc＝669×120.86×0.050.72×12-0.86×5× 2＝774 N
参数查阅铣削工艺手册，立铣刀铣削碳钢：
铣削力参数CF＝669，铣削宽度αe＝12 mm，铣刀齿数Z＝2，铣刀直径d0＝12 mm，铣削深度αp＝5 mm，每齿进给量fz＝0.05 mm。
2.2各铣削分力
各铣削力之间存在以下比值关系：
Ff／Fc＝0.3～0.4
Fe／Fc＝0.85～0.95
FfN／Fc＝0.85～0.95
计算得：主铣削力Fc＝774 N，垂直铣削力FcN＝271 N，背向力Fp＝406 N。
3计算铣削功率Pm
Pm＝1000 vπd0＝1000×25314×12＝ 0.32 kW
选配电动机功率：P电＝Pmη＝0.4 kW。
考虑工作可靠性，功率略有富余，取动力头的传动效率：η=0.80。
选配电动机型号：A06324。额定功率：400 W；转速：1400 r/min。
为适用不同切削速度的需要，可根据实际要求选配塔形变速皮带轮或选配结构小巧的变速电动机。皮带及皮带轮的设计计算略。
电机皮带轮直径：D电=55 mm,主轴皮带轮直径：D主=120 mm，三角皮带：A900。
4保证铣削键槽精度的主要零件技术要求及铣刀的夹紧方式
4.1主轴基本结构（如图2）
图2主轴基本结构材料：45号钢；调质热处理：HB217~255。
4.2铣刀的夹紧方式及元件
直径在Φ20 mm以下的键槽立铣刀一般都采用直柄结构，故设计选用高速钢直柄双刃键槽铣刀，由于键槽精度要求高，故设计采用定心精度较高、装夹可靠、能承受较大径向力并抗弯曲变形能力强的弹簧夹头作为键槽铣刀的夹紧元件，基本结构如图3。
图3铣刀的夹紧元件材料：65Mn；热处理硬度：工作部分HRC57~62，尾部HRC40~45;锥度与主轴孔内锥度配作后再开槽。
5主轴受力分析计算及强度校核
主轴上扭矩：
T = 9549Pmn= 9549×032633= 4.827 N·m= 4827 N·mm
三角胶带胀力一般取：Tc＝2tc。
建立主轴的力平衡方程：求出各支点力：
∑x＝0,－FcN+RB H-RAH+Tc+tc＝0
∑Y＝0,Fp－yA＝0
∑Y＝0,Fc－RBV+ RAV＝0
∑mx＝0,(b+c) Fc-b RBV＝0
∑my＝0, －r Fc+ R Tc－R tc＝0
∑mz＝0,(b+c) FcN+r Fp－b RBH+a(Tc+tc)＝0
解平衡方程组，求出各支点力：tc = 77 N；RAH = 441 N；RBH=481 N；yA = 406 N；RAV= 364 N；RBV =1138 N。
图4主轴受力分析图主轴受力分析如图4所标示。
主轴装配简如图4（a）；主轴受力简如图4（b）；主轴水平面H的受力如图4（c）；主轴垂直面V的受力如图4（d）；主轴的扭矩如图4（e）；主轴水平面上弯矩如图4（f）；主轴垂直面上弯矩如图4（g）；主轴合成总弯矩如图4（h）。
由主轴的总弯矩如图（h）与扭矩图(e) 分析可知，截面B为危险截面。该截面的总弯矩与扭矩分别为:M=66 450 N·mm；T= 4827 N·mm。
根据空心轴弯矩组合对称循环应力条件下强度条件：
32M2+075Tπ·D3(1-a4)≤［σ-1］ (a=dD=1430=047)
26.4 MPa ≤［σ-1］
其值小于对称循环应力条件下许用压力［σ-1］= 40 MPa，考虑到铣削动力头用于机械加工母机，设计时适当高选校核参数，以确保机械加工时的抗弯扭曲强度和刚度能力。以上计算符合高选强度条件要求。
6选用并校核键强度
主轴上安装皮带轮处选用单圆头普通平键C6×15（GB1096-79）：B=6 mm，h=6 mm，L=15 mm，(键工作长度 λ=L-R=15-3=12 mm)
根据主轴所传递扭矩T，计算键两侧所受到的压力
N =2TD=2×11 55022 =1050 n
（1）抗挤压强校核，满足强度要求。
σp=Nh2·λ=105062×12=2917 MPa≤［σ］p=100 MPa
（2）抗剪切强度校核，满足强度要求。
τ=Nb·λ=10506×12=1458 MPa≤［τ］=60 MPa
7机床的调整及注意事项
为确保安全，动力头传动皮带要设计防护罩。安装时必须切断机床电源（只利用机床移动机构，不使用动力）。在刨床上使用，动力头用螺栓按主轴垂直水平面位紧固定位在刨头上，利用刨头刀架调节手柄调整控制铣削深度，移动滑枕或工件夹具配合调整使刀具对中，靠水平进给手柄进行均速铣削加工。为了防止铣削过程中铣削力引起铣削振动造成滑枕移动（即“溜刀”现象），在调整过程中，注意将滑枕调整到反复运动的转折点附近（即使曲柄滑块结构处于“死点”位置），可锁紧滑枕，用后松开。通过实验能克服“溜刀”现象，满足铣削工艺要求。在车床上使用，应根据车床主轴中心高设计动力头中心高，以确保其安装在车床刀架坐上，动力头主轴轴线（即键槽铣刀轴线）与车床主轴轴线处于同一水平面，如低可用垫片等调整。轴类零件装夹在车床三爪卡盘上挂最低挡并处刹车位（车床断电），长轴类零件加用车床尾座顶针以防止振动。铣削键槽时使用中拖板手柄调整控制铣削深度，大拖板手柄均速进给进行铣削加工。如有必要，批量铣削加工时可根据实际配用轴用自定心虎钳夹持工件及铣削液。
8结束语
这种结构简单的铣削动力头是在没有铣床为前提的情况下，为机械制造中常用到的键槽加工设计的。配备在刨床或车床上就可以进行键槽铣削，不用时拆下备用，方便轻巧。经我们多年使用，取得良好效果。根据实际需要还可以参考以上基本设计程序设计制造出适合需要的动力头，为了不使动力头过重，选用电机功率计算要准确，尽可能体积小巧方便可靠。
参考文献：
[1]徐鸿本，姜全新，曹甜东.铣削工艺手册[M].北京：机械工业出版社，2012.
[2]西安交通大学，南京工学院.理论力学[M].北京：人民教育出版社，1981.
[3]北京航空学院材料力学教研室.材料力学教程[M].北京：国防工业出版社，1982.（05）
摘要农机制造维修与机具创新改造是农机管理与技术推广工作中的重要环节，经常会遇到铣削键槽和小平面的工艺。本文介绍一种成功并经过长期使用验证的键槽铣削动力头的设计与使用，特别适合农机维修及农机零部件小批量铣削加工，是一种设计简单、制造容易、使用方便的农机维修小装备，能真正达到小装备解决大难题的效果。希望能为农机制造维修业有此期待的同行提供有益帮助及参考。
关键词农机化农机制造维修铣削动力头设计使用
0引言
农机制造维修是农机管理与技术推广服务工作中的重要环节。机械制造与维修中铣削键槽和小平面是很常见的工艺。键联接主要用来实现轴和轴上零件（如齿轮、蜗轮、皮带轮等）之间的周向固定，以传递工作转矩，所以在机械传动中广泛应用。有条件的工厂在铣床上加工键槽，但在没有铣床的小型农机修造厂和基层农机维修企业（中心），就只能靠外协加工，须专人联系，程序繁杂、误时费工、费用虚高，给工作带来极大不便。也有一些维修厂（点）的维修生产人员尝试利用钻床的钻夹头夹持键槽铣刀，在钻台上再安装带可控移动机构的工件夹持台，通过钻床主轴转动带动夹持在钻夹头上的键槽铣刀旋转，安装在钻台工件夹持台上的工件在加工人员操控下作水平移动，在两种相对运动的配合下完成铣削加工过程。我们最初也做过设想并尝试，达不到预想效果，其一，铣削深度及铣削点线不便调整；其二，由于钻夹头不能承受铣削加工时产生的较大垂直铣削力(即径向力)，很难保证铣削工艺要求。对一些轻质材料（铝合金等）可能勉强应付。鉴于此我们结合实际设计了一种结构简单、制造容易、体积小巧、工作可靠的铣削动力头装配在B665刨床的刨头刀架上（或车床的刀架座上也可），利用机床的直线运动机构进行了大胆而成功的键槽铣削加工，达到设计要求，取得很好的效果，起到了小装备解决大难题的作用，特别适合农机维修及小批量加工。
铣削动力头结构示意图如图1，其工作原理：电机带动空心主轴转动，空心主轴中拉杆旋紧，拉紧弹簧夹头锁住键槽铣刀旋转工作，利用安装在机床上的铣削动力头与装夹在机床移动部件上的工件之间的相对移动进行铣削加工。
1.电机2.皮带轮3.连接板4.调节手柄5.大皮带轮6.拉杆7.平健8.三角皮带9.轴承盖 10.调整垫片11.空心主轴12.轴承座13.轴承14.弹簧夹头15.键槽铣刀
图1铣削动力头结构示意图将这种铣削动力头的设计及使用体会介绍如下。
1运动学计算
从农机维修与革新改造实际考虑，我们加工的键槽宽度一般在12 mm及以下（较常用的有B=4 mm、5 mm、6 mm、8 mm、10 mm、12 mm），为了既考虑到电机功率充裕又不过度富余，而且不会造成动力头重量和体积增加，选用键槽宽12 mm作为设计计算依据。更宽键槽铣削可采用两次加工，即先窄后宽的办法。如有特殊要求者可预订。经查铣削工艺手册，考虑适应性广，高速钢双齿键槽铣刀铣削碳钢，选取铣削速度25 m/min，根据推荐铣削速度，计算主轴转速
N主=1000 vπds=1000×25314×12=633 r/min
2计算铣削力Fc与各铣削分力
2.1高速钢键槽铣刀铣削力
Fc＝CF α0.86ef0.72zd-0.860αp Z
Fc＝669×120.86×0.050.72×12-0.86×5× 2＝774 N
参数查阅铣削工艺手册，立铣刀铣削碳钢：
铣削力参数CF＝669，铣削宽度αe＝12 mm，铣刀齿数Z＝2，铣刀直径d0＝12 mm，铣削深度αp＝5 mm，每齿进给量fz＝0.05 mm。
2.2各铣削分力
各铣削力之间存在以下比值关系：
Ff／Fc＝0.3～0.4
Fe／Fc＝0.85～0.95
FfN／Fc＝0.85～0.95
计算得：主铣削力Fc＝774 N，垂直铣削力FcN＝271 N，背向力Fp＝406 N。
3计算铣削功率Pm
Pm＝1000 vπd0＝1000×25314×12＝ 0.32 kW
选配电动机功率：P电＝Pmη＝0.4 kW。
考虑工作可靠性，功率略有富余，取动力头的传动效率：η=0.80。
选配电动机型号：A06324。额定功率：400 W；转速：1400 r/min。
为适用不同切削速度的需要，可根据实际要求选配塔形变速皮带轮或选配结构小巧的变速电动机。皮带及皮带轮的设计计算略。
电机皮带轮直径：D电=55 mm,主轴皮带轮直径：D主=120 mm，三角皮带：A900。
4保证铣削键槽精度的主要零件技术要求及铣刀的夹紧方式
4.1主轴基本结构（如图2）
图2主轴基本结构材料：45号钢；调质热处理：HB217~255。
4.2铣刀的夹紧方式及元件
直径在Φ20 mm以下的键槽立铣刀一般都采用直柄结构，故设计选用高速钢直柄双刃键槽铣刀，由于键槽精度要求高，故设计采用定心精度较高、装夹可靠、能承受较大径向力并抗弯曲变形能力强的弹簧夹头作为键槽铣刀的夹紧元件，基本结构如图3。
图3铣刀的夹紧元件材料：65Mn；热处理硬度：工作部分HRC57~62，尾部HRC40~45;锥度与主轴孔内锥度配作后再开槽。
5主轴受力分析计算及强度校核
主轴上扭矩：
T = 9549Pmn= 9549×032633= 4.827 N·m= 4827 N·mm
三角胶带胀力一般取：Tc＝2tc。
建立主轴的力平衡方程：求出各支点力：
∑x＝0,－FcN+RB H-RAH+Tc+tc＝0
∑Y＝0,Fp－yA＝0
∑Y＝0,Fc－RBV+ RAV＝0
∑mx＝0,(b+c) Fc-b RBV＝0
∑my＝0, －r Fc+ R Tc－R tc＝0
∑mz＝0,(b+c) FcN+r Fp－b RBH+a(Tc+tc)＝0
解平衡方程组，求出各支点力：tc = 77 N；RAH = 441 N；RBH=481 N；yA = 406 N；RAV= 364 N；RBV =1138 N。
图4主轴受力分析图主轴受力分析如图4所标示。
主轴装配简如图4（a）；主轴受力简如图4（b）；主轴水平面H的受力如图4（c）；主轴垂直面V的受力如图4（d）；主轴的扭矩如图4（e）；主轴水平面上弯矩如图4（f）；主轴垂直面上弯矩如图4（g）；主轴合成总弯矩如图4（h）。
由主轴的总弯矩如图（h）与扭矩图(e) 分析可知，截面B为危险截面。该截面的总弯矩与扭矩分别为:M=66 450 N·mm；T= 4827 N·mm。
根据空心轴弯矩组合对称循环应力条件下强度条件：
32M2+075Tπ·D3(1-a4)≤［σ-1］ (a=dD=1430=047)
26.4 MPa ≤［σ-1］
其值小于对称循环应力条件下许用压力［σ-1］= 40 MPa，考虑到铣削动力头用于机械加工母机，设计时适当高选校核参数，以确保机械加工时的抗弯扭曲强度和刚度能力。以上计算符合高选强度条件要求。
6选用并校核键强度
主轴上安装皮带轮处选用单圆头普通平键C6×15（GB1096-79）：B=6 mm，h=6 mm，L=15 mm，(键工作长度 λ=L-R=15-3=12 mm)
根据主轴所传递扭矩T，计算键两侧所受到的压力
N =2TD=2×11 55022 =1050 n
（1）抗挤压强校核，满足强度要求。
σp=Nh2·λ=105062×12=2917 MPa≤［σ］p=100 MPa
（2）抗剪切强度校核，满足强度要求。
τ=Nb·λ=10506×12=1458 MPa≤［τ］=60 MPa
7机床的调整及注意事项
为确保安全，动力头传动皮带要设计防护罩。安装时必须切断机床电源（只利用机床移动机构，不使用动力）。在刨床上使用，动力头用螺栓按主轴垂直水平面位紧固定位在刨头上，利用刨头刀架调节手柄调整控制铣削深度，移动滑枕或工件夹具配合调整使刀具对中，靠水平进给手柄进行均速铣削加工。为了防止铣削过程中铣削力引起铣削振动造成滑枕移动（即“溜刀”现象），在调整过程中，注意将滑枕调整到反复运动的转折点附近（即使曲柄滑块结构处于“死点”位置），可锁紧滑枕，用后松开。通过实验能克服“溜刀”现象，满足铣削工艺要求。在车床上使用，应根据车床主轴中心高设计动力头中心高，以确保其安装在车床刀架坐上，动力头主轴轴线（即键槽铣刀轴线）与车床主轴轴线处于同一水平面，如低可用垫片等调整。轴类零件装夹在车床三爪卡盘上挂最低挡并处刹车位（车床断电），长轴类零件加用车床尾座顶针以防止振动。铣削键槽时使用中拖板手柄调整控制铣削深度，大拖板手柄均速进给进行铣削加工。如有必要，批量铣削加工时可根据实际配用轴用自定心虎钳夹持工件及铣削液。
8结束语
这种结构简单的铣削动力头是在没有铣床为前提的情况下，为机械制造中常用到的键槽加工设计的。配备在刨床或车床上就可以进行键槽铣削，不用时拆下备用，方便轻巧。经我们多年使用，取得良好效果。根据实际需要还可以参考以上基本设计程序设计制造出适合需要的动力头，为了不使动力头过重，选用电机功率计算要准确，尽可能体积小巧方便可靠。
参考文献：
[1]徐鸿本，姜全新，曹甜东.铣削工艺手册[M].北京：机械工业出版社，2012.
[2]西安交通大学，南京工学院.理论力学[M].北京：人民教育出版社，1981.
[3]北京航空学院材料力学教研室.材料力学教程[M].北京：国防工业出版社，1982.（05）摘要农机制造维修与机具创新改造是农机管理与技术推广工作中的重要环节，经常会遇到铣削键槽和小平面的工艺。本文介绍一种成功并经过长期使用验证的键槽铣削动力头的设计与使用，特别适合农机维修及农机零部件小批量铣削加工，是一种设计简单、制造容易、使用方便的农机维修小装备，能真正达到小装备解决大难题的效果。希望能为农机制造维修业有此期待的同行提供有益帮助及参考。
关键词农机化农机制造维修铣削动力头设计使用
0引言
农机制造维修是农机管理与技术推广服务工作中的重要环节。机械制造与维修中铣削键槽和小平面是很常见的工艺。键联接主要用来实现轴和轴上零件（如齿轮、蜗轮、皮带轮等）之间的周向固定，以传递工作转矩，所以在机械传动中广泛应用。有条件的工厂在铣床上加工键槽，但在没有铣床的小型农机修造厂和基层农机维修企业（中心），就只能靠外协加工，须专人联系，程序繁杂、误时费工、费用虚高，给工作带来极大不便。也有一些维修厂（点）的维修生产人员尝试利用钻床的钻夹头夹持键槽铣刀，在钻台上再安装带可控移动机构的工件夹持台，通过钻床主轴转动带动夹持在钻夹头上的键槽铣刀旋转，安装在钻台工件夹持台上的工件在加工人员操控下作水平移动，在两种相对运动的配合下完成铣削加工过程。我们最初也做过设想并尝试，达不到预想效果，其一，铣削深度及铣削点线不便调整；其二，由于钻夹头不能承受铣削加工时产生的较大垂直铣削力(即径向力)，很难保证铣削工艺要求。对一些轻质材料（铝合金等）可能勉强应付。鉴于此我们结合实际设计了一种结构简单、制造容易、体积小巧、工作可靠的铣削动力头装配在B665刨床的刨头刀架上（或车床的刀架座上也可），利用机床的直线运动机构进行了大胆而成功的键槽铣削加工，达到设计要求，取得很好的效果，起到了小装备解决大难题的作用，特别适合农机维修及小批量加工。
铣削动力头结构示意图如图1，其工作原理：电机带动空心主轴转动，空心主轴中拉杆旋紧，拉紧弹簧夹头锁住键槽铣刀旋转工作，利用安装在机床上的铣削动力头与装夹在机床移动部件上的工件之间的相对移动进行铣削加工。
1.电机2.皮带轮3.连接板4.调节手柄5.大皮带轮6.拉杆7.平健8.三角皮带9.轴承盖 10.调整垫片11.空心主轴12.轴承座13.轴承14.弹簧夹头15.键槽铣刀
图1铣削动力头结构示意图将这种铣削动力头的设计及使用体会介绍如下。
1运动学计算
从农机维修与革新改造实际考虑，我们加工的键槽宽度一般在12 mm及以下（较常用的有B=4 mm、5 mm、6 mm、8 mm、10 mm、12 mm），为了既考虑到电机功率充裕又不过度富余，而且不会造成动力头重量和体积增加，选用键槽宽12 mm作为设计计算依据。更宽键槽铣削可采用两次加工，即先窄后宽的办法。如有特殊要求者可预订。经查铣削工艺手册，考虑适应性广，高速钢双齿键槽铣刀铣削碳钢，选取铣削速度25 m/min，根据推荐铣削速度，计算主轴转速
N主=1000 vπds=1000×25314×12=633 r/min
2计算铣削力Fc与各铣削分力
2.1高速钢键槽铣刀铣削力
Fc＝CF α0.86ef0.72zd-0.860αp Z
Fc＝669×120.86×0.050.72×12-0.86×5× 2＝774 N
参数查阅铣削工艺手册，立铣刀铣削碳钢：
铣削力参数CF＝669，铣削宽度αe＝12 mm，铣刀齿数Z＝2，铣刀直径d0＝12 mm，铣削深度αp＝5 mm，每齿进给量fz＝0.05 mm。
2.2各铣削分力
各铣削力之间存在以下比值关系：
Ff／Fc＝0.3～0.4
Fe／Fc＝0.85～0.95
FfN／Fc＝0.85～0.95
计算得：主铣削力Fc＝774 N，垂直铣削力FcN＝271 N，背向力Fp＝406 N。
3计算铣削功率Pm
Pm＝1000 vπd0＝1000×25314×12＝ 0.32 kW
选配电动机功率：P电＝Pmη＝0.4 kW。
考虑工作可靠性，功率略有富余，取动力头的传动效率：η=0.80。
选配电动机型号：A06324。额定功率：400 W；转速：1400 r/min。
为适用不同切削速度的需要，可根据实际要求选配塔形变速皮带轮或选配结构小巧的变速电动机。皮带及皮带轮的设计计算略。
电机皮带轮直径：D电=55 mm,主轴皮带轮直径：D主=120 mm，三角皮带：A900。
4保证铣削键槽精度的主要零件技术要求及铣刀的夹紧方式
4.1主轴基本结构（如图2）
图2主轴基本结构材料：45号钢；调质热处理：HB217~255。
4.2铣刀的夹紧方式及元件
直径在Φ20 mm以下的键槽立铣刀一般都采用直柄结构，故设计选用高速钢直柄双刃键槽铣刀，由于键槽精度要求高，故设计采用定心精度较高、装夹可靠、能承受较大径向力并抗弯曲变形能力强的弹簧夹头作为键槽铣刀的夹紧元件，基本结构如图3。
图3铣刀的夹紧元件材料：65Mn；热处理硬度：工作部分HRC57~62，尾部HRC40~45;锥度与主轴孔内锥度配作后再开槽。
5主轴受力分析计算及强度校核
主轴上扭矩：
T = 9549Pmn= 9549×032633= 4.827 N·m= 4827 N·mm
三角胶带胀力一般取：Tc＝2tc。
建立主轴的力平衡方程：求出各支点力：
∑x＝0,－FcN+RB H-RAH+Tc+tc＝0
∑Y＝0,Fp－yA＝0
∑Y＝0,Fc－RBV+ RAV＝0
∑mx＝0,(b+c) Fc-b RBV＝0
∑my＝0, －r Fc+ R Tc－R tc＝0
∑mz＝0,(b+c) FcN+r Fp－b RBH+a(Tc+tc)＝0
解平衡方程组，求出各支点力：tc = 77 N；RAH = 441 N；RBH=481 N；yA = 406 N；RAV= 364 N；RBV =1138 N。
图4主轴受力分析图主轴受力分析如图4所标示。
主轴装配简如图4（a）；主轴受力简如图4（b）；主轴水平面H的受力如图4（c）；主轴垂直面V的受力如图4（d）；主轴的扭矩如图4（e）；主轴水平面上弯矩如图4（f）；主轴垂直面上弯矩如图4（g）；主轴合成总弯矩如图4（h）。
由主轴的总弯矩如图（h）与扭矩图(e) 分析可知，截面B为危险截面。该截面的总弯矩与扭矩分别为:M=66 450 N·mm；T= 4827 N·mm。
根据空心轴弯矩组合对称循环应力条件下强度条件：
32M2+075Tπ·D3(1-a4)≤［σ-1］ (a=dD=1430=047)
26.4 MPa ≤［σ-1］
其值小于对称循环应力条件下许用压力［σ-1］= 40 MPa，考虑到铣削动力头用于机械加工母机，设计时适当高选校核参数，以确保机械加工时的抗弯扭曲强度和刚度能力。以上计算符合高选强度条件要求。
6选用并校核键强度
主轴上安装皮带轮处选用单圆头普通平键C6×15（GB1096-79）：B=6 mm，h=6 mm，L=15 mm，(键工作长度 λ=L-R=15-3=12 mm)
根据主轴所传递扭矩T，计算键两侧所受到的压力
N =2TD=2×11 55022 =1050 n
（1）抗挤压强校核，满足强度要求。
σp=Nh2·λ=105062×12=2917 MPa≤［σ］p=100 MPa
（2）抗剪切强度校核，满足强度要求。
τ=Nb·λ=10506×12=1458 MPa≤［τ］=60 MPa
7机床的调整及注意事项
为确保安全，动力头传动皮带要设计防护罩。安装时必须切断机床电源（只利用机床移动机构，不使用动力）。在刨床上使用，动力头用螺栓按主轴垂直水平面位紧固定位在刨头上，利用刨头刀架调节手柄调整控制铣削深度，移动滑枕或工件夹具配合调整使刀具对中，靠水平进给手柄进行均速铣削加工。为了防止铣削过程中铣削力引起铣削振动造成滑枕移动（即“溜刀”现象），在调整过程中，注意将滑枕调整到反复运动的转折点附近（即使曲柄滑块结构处于“死点”位置），可锁紧滑枕，用后松开。通过实验能克服“溜刀”现象，满足铣削工艺要求。在车床上使用，应根据车床主轴中心高设计动力头中心高，以确保其安装在车床刀架坐上，动力头主轴轴线（即键槽铣刀轴线）与车床主轴轴线处于同一水平面，如低可用垫片等调整。轴类零件装夹在车床三爪卡盘上挂最低挡并处刹车位（车床断电），长轴类零件加用车床尾座顶针以防止振动。铣削键槽时使用中拖板手柄调整控制铣削深度，大拖板手柄均速进给进行铣削加工。如有必要，批量铣削加工时可根据实际配用轴用自定心虎钳夹持工件及铣削液。
8结束语
这种结构简单的铣削动力头是在没有铣床为前提的情况下，为机械制造中常用到的键槽加工设计的。配备在刨床或车床上就可以进行键槽铣削，不用时拆下备用，方便轻巧。经我们多年使用，取得良好效果。根据实际需要还可以参考以上基本设计程序设计制造出适合需要的动力头，为了不使动力头过重，选用电机功率计算要准确，尽可能体积小巧方便可靠。
参考文献：
[1]徐鸿本，姜全新，曹甜东.铣削工艺手册[M].北京：机械工业出版社，2012.
[2]西安交通大学，南京工学院.理论力学[M].北京：人民教育出版社，1981.
[3]北京航空学院材料力学教研室.材料力学教程[M].北京：国防工业出版社，1982.（05）摘要农机制造维修与机具创新改造是农机管理与技术推广工作中的重要环节，经常会遇到铣削键槽和小平面的工艺。本文介绍一种成功并经过长期使用验证的键槽铣削动力头的设计与使用，特别适合农机维修及农机零部件小批量铣削加工，是一种设计简单、制造容易、使用方便的农机维修小装备，能真正达到小装备解决大难题的效果。希望能为农机制造维修业有此期待的同行提供有益帮助及参考。
关键词农机化农机制造维修铣削动力头设计使用
0引言
农机制造维修是农机管理与技术推广服务工作中的重要环节。机械制造与维修中铣削键槽和小平面是很常见的工艺。键联接主要用来实现轴和轴上零件（如齿轮、蜗轮、皮带轮等）之间的周向固定，以传递工作转矩，所以在机械传动中广泛应用。有条件的工厂在铣床上加工键槽，但在没有铣床的小型农机修造厂和基层农机维修企业（中心），就只能靠外协加工，须专人联系，程序繁杂、误时费工、费用虚高，给工作带来极大不便。也有一些维修厂（点）的维修生产人员尝试利用钻床的钻夹头夹持键槽铣刀，在钻台上再安装带可控移动机构的工件夹持台，通过钻床主轴转动带动夹持在钻夹头上的键槽铣刀旋转，安装在钻台工件夹持台上的工件在加工人员操控下作水平移动，在两种相对运动的配合下完成铣削加工过程。我们最初也做过设想并尝试，达不到预想效果，其一，铣削深度及铣削点线不便调整；其二，由于钻夹头不能承受铣削加工时产生的较大垂直铣削力(即径向力)，很难保证铣削工艺要求。对一些轻质材料（铝合金等）可能勉强应付。鉴于此我们结合实际设计了一种结构简单、制造容易、体积小巧、工作可靠的铣削动力头装配在B665刨床的刨头刀架上（或车床的刀架座上也可），利用机床的直线运动机构进行了大胆而成功的键槽铣削加工，达到设计要求，取得很好的效果，起到了小装备解决大难题的作用，特别适合农机维修及小批量加工。
铣削动力头结构示意图如图1，其工作原理：电机带动空心主轴转动，空心主轴中拉杆旋紧，拉紧弹簧夹头锁住键槽铣刀旋转工作，利用安装在机床上的铣削动力头与装夹在机床移动部件上的工件之间的相对移动进行铣削加工。
1.电机2.皮带轮3.连接板4.调节手柄5.大皮带轮6.拉杆7.平健8.三角皮带9.轴承盖 10.调整垫片11.空心主轴12.轴承座13.轴承14.弹簧夹头15.键槽铣刀
图1铣削动力头结构示意图将这种铣削动力头的设计及使用体会介绍如下。
1运动学计算
从农机维修与革新改造实际考虑，我们加工的键槽宽度一般在12 mm及以下（较常用的有B=4 mm、5 mm、6 mm、8 mm、10 mm、12 mm），为了既考虑到电机功率充裕又不过度富余，而且不会造成动力头重量和体积增加，选用键槽宽12 mm作为设计计算依据。更宽键槽铣削可采用两次加工，即先窄后宽的办法。如有特殊要求者可预订。经查铣削工艺手册，考虑适应性广，高速钢双齿键槽铣刀铣削碳钢，选取铣削速度25 m/min，根据推荐铣削速度，计算主轴转速
N主=1000 vπds=1000×25314×12=633 r/min
2计算铣削力Fc与各铣削分力
2.1高速钢键槽铣刀铣削力
Fc＝CF α0.86ef0.72zd-0.860αp Z
Fc＝669×120.86×0.050.72×12-0.86×5× 2＝774 N
参数查阅铣削工艺手册，立铣刀铣削碳钢：
铣削力参数CF＝669，铣削宽度αe＝12 mm，铣刀齿数Z＝2，铣刀直径d0＝12 mm，铣削深度αp＝5 mm，每齿进给量fz＝0.05 mm。
2.2各铣削分力
各铣削力之间存在以下比值关系：
Ff／Fc＝0.3～0.4
Fe／Fc＝0.85～0.95
FfN／Fc＝0.85～0.95
计算得：主铣削力Fc＝774 N，垂直铣削力FcN＝271 N，背向力Fp＝406 N。
3计算铣削功率Pm
Pm＝1000 vπd0＝1000×25314×12＝ 0.32 kW
选配电动机功率：P电＝Pmη＝0.4 kW。
考虑工作可靠性，功率略有富余，取动力头的传动效率：η=0.80。
选配电动机型号：A06324。额定功率：400 W；转速：1400 r/min。
为适用不同切削速度的需要，可根据实际要求选配塔形变速皮带轮或选配结构小巧的变速电动机。皮带及皮带轮的设计计算略。
电机皮带轮直径：D电=55 mm,主轴皮带轮直径：D主=120 mm，三角皮带：A900。
4保证铣削键槽精度的主要零件技术要求及铣刀的夹紧方式
4.1主轴基本结构（如图2）
图2主轴基本结构材料：45号钢；调质热处理：HB217~255。
4.2铣刀的夹紧方式及元件
直径在Φ20 mm以下的键槽立铣刀一般都采用直柄结构，故设计选用高速钢直柄双刃键槽铣刀，由于键槽精度要求高，故设计采用定心精度较高、装夹可靠、能承受较大径向力并抗弯曲变形能力强的弹簧夹头作为键槽铣刀的夹紧元件，基本结构如图3。
图3铣刀的夹紧元件材料：65Mn；热处理硬度：工作部分HRC57~62，尾部HRC40~45;锥度与主轴孔内锥度配作后再开槽。
5主轴受力分析计算及强度校核
主轴上扭矩：
T = 9549Pmn= 9549×032633= 4.827 N·m= 4827 N·mm
三角胶带胀力一般取：Tc＝2tc。
建立主轴的力平衡方程：求出各支点力：
∑x＝0,－FcN+RB H-RAH+Tc+tc＝0
∑Y＝0,Fp－yA＝0
∑Y＝0,Fc－RBV+ RAV＝0
∑mx＝0,(b+c) Fc-b RBV＝0
∑my＝0, －r Fc+ R Tc－R tc＝0
∑mz＝0,(b+c) FcN+r Fp－b RBH+a(Tc+tc)＝0
解平衡方程组，求出各支点力：tc = 77 N；RAH = 441 N；RBH=481 N；yA = 406 N；RAV= 364 N；RBV =1138 N。
图4主轴受力分析图主轴受力分析如图4所标示。
主轴装配简如图4（a）；主轴受力简如图4（b）；主轴水平面H的受力如图4（c）；主轴垂直面V的受力如图4（d）；主轴的扭矩如图4（e）；主轴水平面上弯矩如图4（f）；主轴垂直面上弯矩如图4（g）；主轴合成总弯矩如图4（h）。
由主轴的总弯矩如图（h）与扭矩图(e) 分析可知，截面B为危险截面。该截面的总弯矩与扭矩分别为:M=66 450 N·mm；T= 4827 N·mm。
根据空心轴弯矩组合对称循环应力条件下强度条件：
32M2+075Tπ·D3(1-a4)≤［σ-1］ (a=dD=1430=047)
26.4 MPa ≤［σ-1］
其值小于对称循环应力条件下许用压力［σ-1］= 40 MPa，考虑到铣削动力头用于机械加工母机，设计时适当高选校核参数，以确保机械加工时的抗弯扭曲强度和刚度能力。以上计算符合高选强度条件要求。
6选用并校核键强度
主轴上安装皮带轮处选用单圆头普通平键C6×15（GB1096-79）：B=6 mm，h=6 mm，L=15 mm，(键工作长度 λ=L-R=15-3=12 mm)
根据主轴所传递扭矩T，计算键两侧所受到的压力
N =2TD=2×11 55022 =1050 n
（1）抗挤压强校核，满足强度要求。
σp=Nh2·λ=105062×12=2917 MPa≤［σ］p=100 MPa
（2）抗剪切强度校核，满足强度要求。
τ=Nb·λ=10506×12=1458 MPa≤［τ］=60 MPa
7机床的调整及注意事项
为确保安全，动力头传动皮带要设计防护罩。安装时必须切断机床电源（只利用机床移动机构，不使用动力）。在刨床上使用，动力头用螺栓按主轴垂直水平面位紧固定位在刨头上，利用刨头刀架调节手柄调整控制铣削深度，移动滑枕或工件夹具配合调整使刀具对中，靠水平进给手柄进行均速铣削加工。为了防止铣削过程中铣削力引起铣削振动造成滑枕移动（即“溜刀”现象），在调整过程中，注意将滑枕调整到反复运动的转折点附近（即使曲柄滑块结构处于“死点”位置），可锁紧滑枕，用后松开。通过实验能克服“溜刀”现象，满足铣削工艺要求。在车床上使用，应根据车床主轴中心高设计动力头中心高，以确保其安装在车床刀架坐上，动力头主轴轴线（即键槽铣刀轴线）与车床主轴轴线处于同一水平面，如低可用垫片等调整。轴类零件装夹在车床三爪卡盘上挂最低挡并处刹车位（车床断电），长轴类零件加用车床尾座顶针以防止振动。铣削键槽时使用中拖板手柄调整控制铣削深度，大拖板手柄均速进给进行铣削加工。如有必要，批量铣削加工时可根据实际配用轴用自定心虎钳夹持工件及铣削液。
8结束语
这种结构简单的铣削动力头是在没有铣床为前提的情况下，为机械制造中常用到的键槽加工设计的。配备在刨床或车床上就可以进行键槽铣削，不用时拆下备用，方便轻巧。经我们多年使用，取得良好效果。根据实际需要还可以参考以上基本设计程序设计制造出适合需要的动力头，为了不使动力头过重，选用电机功率计算要准确，尽可能体积小巧方便可靠。
参考文献：
[1]徐鸿本，姜全新，曹甜东.铣削工艺手册[M].北京：机械工业出版社，2012.
[2]西安交通大学，南京工学院.理论力学[M].北京：人民教育出版社，1981.
[3]北京航空学院材料力学教研室.材料力学教程[M].北京：国防工业出版社，1982.（05）
