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摘 要 生產(chǎn)力的競爭是當今國際的主要競爭點所在，生產(chǎn)力的發(fā)展決定著 一個項目乃至一個企業(yè)的命運,而生產(chǎn)力的發(fā)展的根本是要不斷地提高生 產(chǎn)的效率，而臺式鉆床正是以新型鉆床為基礎(chǔ)發(fā)展起來的以針對性的加 工特定零件為目的專用機床。 而在本次設(shè)計的題目正是針對臺式功能設(shè)計的臺式鉆床。臺式鉆床 的應用相比較于傳統(tǒng)的加工方法，擴孔的效率大大的提升。 為了解決傳統(tǒng)鉆床在生產(chǎn)工程中存在的不足和問題，在保證產(chǎn)品質(zhì) 量的前提下，對傳統(tǒng)鉆床的結(jié)構(gòu)進行改進。傳統(tǒng)鉆床的進給系統(tǒng)和送料 系統(tǒng)的是靠人力去完成，我們通過設(shè)計改進，來提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率， 降低工人的勞動強度和工作量。 關(guān)鍵詞：臺式鉆床；進給系統(tǒng)；夾緊系統(tǒng)；送料系統(tǒng) Abstract Productivity is the main point of competition in today's international competition, the development of productive forces determines a project and the fate of an enterprise, and the development of productive forces is to continuously improve the efficiency of production, and bench drilling machine is developed on the basis of the new type of drilling machine for the purpose of targeted processing specific parts for machine tools. And in the title of this design is for desktop function design of bench drill. Bench drill application compared to the traditional machining method, expanding the efficiency greatly. In order to solve the defects of traditional drilling machine in the production of engineering and problems, on the premise of guarantee the quality of products, to improve the traditional structure of drilling machine. The traditional drilling machine feeding system and feeding system is to rely on human to accomplish, we through the design improvement, to improve product quality and productivity, reduce labor intensity and workload. Key words: bench drilling machine; Feed system; The clamping system; Feeding system 目 錄 第一章 引言 .....................................................................................................1 1.1 問題分析及其對策 ................................................................................1 1.1.1 現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展狀況 ......................................................................1 1.1.2 問題的提出 ..........................................................................................1 1.1.3 問題的分析以及解決方案 .................................................................1 1.2 本文研究的內(nèi)容及目標 ..........................................................................2 1.3 本章小結(jié) ..................................................................................................3 第二章 自動鉆床的總體方案設(shè)計 .................................................................4 2.1 自動專用鉆床已知條件和設(shè)計要求的概述 ..........................................4 2.2 自動鉆床的工藝路線分析與確定 ..........................................................5 2.3 執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計 ..............................................................................5 2.3.1 執(zhí)行系統(tǒng)的功能原理設(shè)計 .................................................................5 2.3.2 執(zhí)行系統(tǒng)的運動規(guī)律 .........................................................................6 2.3.3 執(zhí)行機構(gòu)的形式設(shè)計 .........................................................................6 2.4 傳動系統(tǒng)方案設(shè)計和原動機選擇 ..........................................................7 2.4.1 原動機選擇 .........................................................................................7 2.4.2 傳動系統(tǒng)方案設(shè)計 .............................................................................7 2.5 控制方案設(shè)計 ..........................................................................................8 2.6 總體布局設(shè)計 ..........................................................................................8 2.7 本章小結(jié) ..................................................................................................8 第三章 專用鉆床進給系統(tǒng)的設(shè)計 .................................................................9 3.1 進給系統(tǒng)概述與分析 ..............................................................................9 3.2 進給系統(tǒng)方案圖的確定 ........................................................................10 3.3 工況分析 ................................................................................................10 3.4 切削力的計算 ........................................................................................11 3.4.1 切削刀具及相關(guān)參數(shù)的選擇 ...........................................................11 3.4.2 主軸轉(zhuǎn)速及鉆孔時間的計算 ...........................................................11 3.4.3 切削力的計算 ...................................................................................12 3.5 鉆床主軸設(shè)計 ........................................................................................13 3.5.1 主軸材料的選擇 ...............................................................................13 3.5.2 軸徑的計算 .......................................................................................13 3.5.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ...................................................................................14 3.5.4 軸強度的校核 .................................................................................15 3.6 進給液壓系統(tǒng)設(shè)計 ................................................................................16 3.6.1 負載分析 ...........................................................................................16 3.6.2 液壓缸執(zhí)行元件主要參數(shù)的確 .......................................................18 3.6.3 活塞桿及活塞材料的選擇 ...............................................................25 3.6.4 活塞桿與活塞的連接方式及活塞密封裝置的選擇 .......................26 3.6.5 液壓缸蓋與液壓缸連接方式及密封方式的選擇 ...........................26 3.7 本章小結(jié) ................................................................................................27 第四章 專用鉆床主軸傳動系統(tǒng)的設(shè)計 .......................................................28 4.1 主軸傳動系統(tǒng)的分析 ............................................................................28 4.2 主軸花鍵的設(shè)計 ....................................................................................28 4.3 主軸電機選擇 ........................................................................................28 4.4 V 帶傳動設(shè)計 ........................................................................................29 4.4.1 設(shè)計功率 的計算 ...........................................................................29cP 4.4.2 選擇帶型 ...........................................................................................29 4.4.3 選取帶輪基準直徑 和 ............................................................291d2 4.4.4 驗算帶速 .......................................................................................30V 4.4.5 確定中心距 a和帶的基準長度 ....................................................30dL 4.4.6 驗算小帶輪包角 ...........................................................................301? 4.5 本章小結(jié) ................................................................................................31 第五章 自動鉆床控制系統(tǒng)設(shè)計 ...................................................................32 5.1 自動鉆床的自動化控制要求 ................................................................32 5.2 可編程控制器 PLC 的簡述 ...................................................................32 5.3 自動鉆床進給系統(tǒng)控制流程 ................................................................32 5.4 自動鉆床進給系統(tǒng)電氣原理圖 ............................................................34 5.5 自動鉆床進給系統(tǒng)控制元件的選擇 ....................................................35 5.5.1 可編程控制器 PLC 的選擇 .............................................................35 5.5.2 刀開關(guān)的選擇 ...................................................................................35 5.5.3 熔斷器的選擇 ...................................................................................35 5.5.4 交流接觸器的選擇 ...........................................................................36 5.5.5 行程開關(guān)與接近開關(guān)的選擇 ...........................................................36 5.5.6 繼電器的選擇 ...................................................................................36 5.5.7 控制元件選擇明細表 .......................................................................37 5.6 控制系統(tǒng)程序的編寫 ............................................................................37 5.6.1 輸入與輸出的分配 ...........................................................................37 5.6.2 PLC 程序清單 ..................................................................................37 5.7 本章小結(jié) ................................................................................................38 結(jié) 束 語 .........................................................................................................39 致 謝 .............................................................................................................40 參 考 文 獻 ...................................................................................................41 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 引言 1 第一章 引言 1.1 問題分析及其對策 1.1.1 現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展狀況 在當今國際機械加工行業(yè)中，零件的加工方法越來越多樣化，可選擇的方法很 多除去切削加工，鑄造、鍛造、焊接、沖壓、擠壓和輥軋等。而一半以上的工作量 則由機床切削加工完成。所以機械生產(chǎn)過程中的主要設(shè)備是金屬切削機床。所以機 床的性能和生產(chǎn)方法直接影產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。 1.1.2 問題的提出 在切削加工中鉆床的生產(chǎn)工作量占總制造工作量的很大的比重?？椎募庸な怯?鉆床，由搖臂鉆床、立式鉆床、臥式鉆床、深孔鉆床、多軸鉆床等。進行鉆孔、擴 孔、絞孔、攻絲等。傳統(tǒng)的鉆床在生產(chǎn)中的問題： （1）自動化程度不高.，難以進行大批量的生產(chǎn)； （2）工作效率低，且工人的工作環(huán)境惡劣； （3）占用人力較多，操作固定不變易出錯； （4）精度不高，工件裝夾費時； （5）加工產(chǎn)品質(zhì)量不高； 1.1.3 問題的分析以及解決方案 過去傳統(tǒng)的鉆床的不足主要是自動化程度低下、生產(chǎn)率一般、生產(chǎn)環(huán)境和產(chǎn)品 質(zhì)量。進給和上料系統(tǒng)都是需要人力完成。所以，我們要實現(xiàn)鉆床加工自動化、減 少生產(chǎn)力的投入生產(chǎn)和與其它工藝流程相結(jié)合，同時也要考慮經(jīng)濟問題 [4]。 考慮分析，我們主要對機構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)的改進去解決問題。通過對鉆床機 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 引言 2 構(gòu)的改造來實現(xiàn)自動化控制的要求，提高產(chǎn)品的加工精度及質(zhì)量；通過導入先進的 控制系統(tǒng)來進行自動操控，從而實現(xiàn)自動化，便于導入到其它生產(chǎn)流程中去。為了 解決問題和便于設(shè)計改造，我們將鉆床分為傳動系統(tǒng)、進給系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)、送料 系統(tǒng)和控制系統(tǒng)五個部分，下面分別對各部分的問題提出解決方案： (1)傳動系統(tǒng) 為滿足改進后的加工及工作要求，在做出相應的計算后對傳動系 統(tǒng)進行改進和調(diào)整。 (2)進給系統(tǒng) 傳統(tǒng)的鉆床主軸進給系統(tǒng)主要由主軸、主軸套筒、主軸套筒鑲套、 齒輪齒條和軸承等組成。主軸在加工時作旋轉(zhuǎn)運動的同時作軸向的進給運動。機床 主軸被裝置在主軸套筒內(nèi)，套筒放置在主軸箱體孔的鑲套內(nèi)，主軸上側(cè)由花鍵連接。 機床加工時，旋轉(zhuǎn)運動由花鍵傳入，而進給運動則由齒輪通過齒條帶動套筒在鑲套 內(nèi)運動。為了實現(xiàn)自動化控制的要求，主軸進給機構(gòu)改進主要有：主軸旋轉(zhuǎn)運動依 然由電動機傳入，而進給則由液壓傳動替代手動的齒條傳動，通過液壓控制系統(tǒng)來 實現(xiàn)進給動作。 (3)夾緊系統(tǒng) 手工操作夾緊是效率低下的一個原因。自動化控制工件夾緊解決 的人力完成效率低下的問題。系統(tǒng)通過液壓控制系統(tǒng)來實現(xiàn)夾緊動作自動化。 (4)送料系統(tǒng) 傳統(tǒng)鉆床的送料主要由人力手工完成，和夾緊系統(tǒng)相同，動力源 可由電機或液壓系統(tǒng)提供，共同實現(xiàn)自動化控制。 (5)控制系統(tǒng) 當前機床控制系統(tǒng)主要由計算機數(shù)控、繼電器電氣控制和 PLC 控 制等，由于繼電器電氣控制系統(tǒng)，其聯(lián)動關(guān)系復雜，維修困難，故障率高，經(jīng)常影 響正常生產(chǎn)，計算機數(shù)控造價高、系統(tǒng)復雜，而 PLC 控制系統(tǒng)可靠性好、造價低、 抗干擾能力強、柔性好、編程簡單、使用方便、擴充靈活、功能完善，所以我們利 用 PLC 控制技術(shù)來實現(xiàn)對進給系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)和送料系統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)的控制 [3]。 1.2 本文研究的內(nèi)容及目標 對傳統(tǒng)鉆床的機構(gòu)和控制系統(tǒng)進行改進。主要改進的方面是普通臺式鉆床傳動 系統(tǒng)的改進、進給系統(tǒng)的設(shè)計、進給系統(tǒng)液壓缸的設(shè)計和 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計等四 個方面。重點是進給系統(tǒng)、進給系統(tǒng)液壓缸系統(tǒng)的設(shè)計。改進和設(shè)計要達到的目標 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 引言 3 是能夠?qū)崿F(xiàn)工作自動化，滿足以下要求： (1)能實現(xiàn)自動化連續(xù)生產(chǎn)，改善產(chǎn)品加工質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率； (2)降低工作人員勞動強度和工作量； (3)鉆床系統(tǒng)工作平穩(wěn)，滿足工作要求； (4)經(jīng)濟因素合理； 1.3 本章小結(jié) 本章主要介紹了機械制造行業(yè)的現(xiàn)狀及問題，重點介紹分析了鉆床的生產(chǎn)方式及 現(xiàn)今的不足之處。分析并提出解決問題的方案。 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 自動鉆床的總體方案設(shè)計 4 第二章 自動鉆床的總體方案設(shè)計 2.1 自動專用鉆床已知條件和設(shè)計要求的概述 總體方案設(shè)計的內(nèi)容主要包括以下幾個方面： (1)執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計； (2)原動機類型的選擇和傳動系統(tǒng)的方案設(shè)計； (3)控制系統(tǒng)的方案設(shè)計； (4)總體布局設(shè)計； (5)輔助系統(tǒng)的設(shè)計； 本文對普通臺式鉆床的自動化改造及進給系統(tǒng)設(shè)計是以某五金工具廠鋼絲鉗生 產(chǎn)線的自動化改造為背景。 已知：加工對象為鋼絲鉗，加工工序為在鋼絲鉗上鉆削直徑為 φ12mm（鉆床最 大鉆削直徑）的通孔，鋼絲鉗材料為 Q235。 改造后的全自動鉆床應滿足以下設(shè)計要求： (1)滿足自動連續(xù)生產(chǎn)，且生產(chǎn)率為 3 把/分鐘； (2)自動化改造應是機械、電氣和液壓的有機結(jié)合； (3)傳動系統(tǒng)設(shè)計應包含切削力計算、電動機選擇、傳動裝置設(shè)計、床身結(jié)構(gòu)設(shè) 計等； (4)設(shè)計重點為鉆床液壓進給系統(tǒng)之進給油缸設(shè)計； (5)自動控制系統(tǒng)應以 PLC 與手動相結(jié)合的方式實現(xiàn)； 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 自動鉆床的總體方案設(shè)計 5 2.2 自動鉆床的工藝路線分析與確定 自動化加工是改進后相比較于傳統(tǒng)鉆床的優(yōu)勢所在。結(jié)合實際要求，設(shè)計工藝 路線如下： 開啟→送料→夾緊→主軸快速進給→主軸工進→主軸停頓→主軸快速退回→夾 具打開→出料→完成 成批生產(chǎn)的工藝流程，自動鉆床的動作流程圖如圖 2.1 所示。 圖 2.1 自動鉆床動作流程圖 2.3 執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計 本文自動鉆床的執(zhí)行系統(tǒng)主要包括鉆頭加工和進給液壓缸驅(qū)動進給。 2.3.1 執(zhí)行系統(tǒng)的功能原理設(shè)計 系統(tǒng)功能的設(shè)計決定產(chǎn)品的技術(shù)水平、質(zhì)量、成本等。所以鉆床的系統(tǒng)功能原 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 自動鉆床的總體方案設(shè)計 6 理的設(shè)計，要考慮鉆床功能的可實現(xiàn)性、先進性和經(jīng)濟性。 對鉆床改造的目的主要是實現(xiàn)自動化連續(xù)生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，符合工廠的生 產(chǎn)要求，適應現(xiàn)代械加工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展需求。 2.3.2 執(zhí)行系統(tǒng)的運動規(guī)律 本文設(shè)計的重點在于鉆床液壓進給系統(tǒng)之進給油缸設(shè)計。我們要研究鉆頭在進 行切削運動和進給液壓缸驅(qū)動進給運動時的運動規(guī)律。鉆頭在加工時的主要運動方 式包括旋轉(zhuǎn)切削運動和鉆頭直線進給運動。進給液壓缸驅(qū)動進給運動要完成驅(qū)動主 軸進給，為直線運動。 鉆床執(zhí)行系統(tǒng)的運動規(guī)律如圖 2.2 所示。 圖 2.2 自動鉆床運動規(guī)律簡圖 2.3.3 執(zhí)行機構(gòu)的形式設(shè)計 在此設(shè)計過程中，我們需要滿足執(zhí)行機構(gòu)的工藝動作和運動要求、減小運動鏈 和機構(gòu)尺寸、考慮動力源的形式、讓整個系統(tǒng)有良好的傳力和動力、讓機械具有調(diào) 節(jié)運動參數(shù)的能力，保證機械使用過程中的安全 [5]。 所以，動力源與主軸之間我們選擇以帶輪傳動的方式去完成；使用運動的液壓 缸。去實現(xiàn)鉆頭的直線往復的進給運動。 主軸直線進給運動 主軸旋轉(zhuǎn)切削運動 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 自動鉆床的總體方案設(shè)計 7 2.4 傳動系統(tǒng)方案設(shè)計和原動機選擇 2.4.1 原動機選擇 由執(zhí)行部件的運動規(guī)律選擇原動機。用電動機來實現(xiàn)主軸旋轉(zhuǎn)運動，進給液壓 缸原動力選擇電動機驅(qū)動液壓泵 （具體型號在下面章節(jié)中計算后選擇） 。 2.4.2 傳動系統(tǒng)方案設(shè)計 (1)確定傳動系統(tǒng)總傳動比 總傳動比是通過切削力和傳動效率的計算得出的，確定工作功率后，查表確認 電動機的型號。通過鉆床的工作參數(shù)確定總傳動比。 (2)選擇傳動類型 傳統(tǒng)臺式鉆床主軸旋轉(zhuǎn)運動選擇帶輪 V 帶傳動，它在運轉(zhuǎn)過程中提供過載保護； 液壓傳動實現(xiàn)鉆頭的直線進給運動，這種傳動方式的優(yōu)點有： (a)在輸出功率相同的條件下，體積小、重量輕； (b)運動平穩(wěn)，吸振能力強； (c)啟動、制動迅速。在頻繁換向的過程中保持穩(wěn)定。還可以實現(xiàn)無級調(diào)速； (d)布局安裝的限制比較少； (3)繪制傳動系統(tǒng)運動簡圖 根據(jù)以上分析，確定傳動系統(tǒng)的運動簡圖如 2.3 所示。 圖 2.3 傳動系統(tǒng)運動簡圖 液壓缸進給傳動 V 帶傳動 花鍵傳動 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 自動鉆床的總體方案設(shè)計 8 2.5 控制方案設(shè)計 根據(jù)設(shè)計改進的要求，控制系統(tǒng)主要由 PLC 和手動去完成順序控制和定時控制。 應用 PLC 的原因主要因為它的一下特點： (1)可靠性高； (2)編程容易，易于使用； (3)控制功能極強； (4)擴展及與外部連接極為方便； (5)通用性好、體積小、使用靈活； (6)設(shè)計施工和調(diào)試的周期短； 2.6 總體布局設(shè)計 本文對傳統(tǒng)鉆床的改進是在其原有的機構(gòu)的基礎(chǔ)上加入了液壓進給驅(qū)動系統(tǒng)。 在液壓夾緊系統(tǒng)方面，由于臺式鉆床固定不動，用變動工作臺的結(jié)構(gòu)去協(xié)調(diào)總體布 局的設(shè)計。 2.7 本章小結(jié) 本章主要介紹了在傳統(tǒng)鉆床的基礎(chǔ)上加以改進設(shè)計，實現(xiàn)加工自動化。確認工 藝流程，設(shè)計流程及其他前期設(shè)計準備。綜上，我們對改進方向方法有了清晰明確 的認識和思路，確定了設(shè)計改進的重點。 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第三章 專用鉆床進給系統(tǒng)的設(shè)計 9 第三章 專用鉆床進給系統(tǒng)的設(shè)計 3.1 進給系統(tǒng)概述與分析 傳統(tǒng)的臺式鉆床主軸進給系統(tǒng)主要由主軸、主軸套筒、主軸套筒鑲套、齒輪齒 條和軸承等組成。主軸在加工時即要作旋轉(zhuǎn)運動，也要作軸向的進給運動。機床主 軸被裝置在主軸套筒內(nèi)，套筒放置在主軸箱體孔的鑲套內(nèi)，主軸上側(cè)由花鍵連接 [4]。 機床加工時，旋轉(zhuǎn)運動由花鍵傳入，而進給運動則由齒輪通過齒條帶動套筒在鑲套 內(nèi)運動。由總體方案可知，自動鉆床進給系統(tǒng)設(shè)計導入了液壓缸進給系統(tǒng)，由液壓 缸驅(qū)動替代齒輪齒條的手動進給，來實現(xiàn)主軸的快進、工進和快退動作。 傳統(tǒng)鉆床的加工主要由主軸的高速旋轉(zhuǎn)運動和直線進給運動去完成。但導入液 壓缸進給系統(tǒng)后，液壓缸活塞桿不能作高速的旋轉(zhuǎn)運動，所以我們要應用合適的軸 承和結(jié)構(gòu)來使主軸的高速旋轉(zhuǎn)。如圖 3.1 所示。 圖 3.1 普通臺式鉆床進給系統(tǒng)簡圖 1、主軸套筒鑲套 2、推力球軸承 3、主軸套筒 4、主軸 5、深溝球軸承 6、齒輪齒條手動進給系統(tǒng) 7、主軸箱 1 1 2 3 4 5 6 7 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第三章 專用鉆床進給系統(tǒng)的設(shè)計 10 3.2 進給系統(tǒng)方案圖的確定 首先我們要對普通臺式鉆床的進給系統(tǒng)做出詳細的研究后，才能在原有系統(tǒng)基 礎(chǔ)上加以改進。 根據(jù)圖 3.1 的進給系統(tǒng)特點，確定改進后鉆床的進給系統(tǒng)如圖 3.2 所示： 圖 3.2 自動鉆床的進給系統(tǒng)簡圖 1、主軸 2、深溝球軸承 3、活塞桿 4、液壓缸筒 5、油路口 6、液壓缸蓋 7、鎖緊螺釘 8、推力球軸承 9、密封圈 3.3 工況分析 根據(jù)設(shè)計任務可知，生產(chǎn)工件時，要求生產(chǎn)率為 3 把/分鐘，即要求在 20 秒內(nèi) 要完成一件工件的送料、夾緊、鉆削加工和出料。 已知件材料為 Q235 鋼，工件厚度大約為 15mm，查 《機械工程材料實用手冊》 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 1 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第三章 專用鉆床進給系統(tǒng)的設(shè)計 11 可知，Q235 為碳素結(jié)構(gòu)鋼，其韌性良好，有一定的強度和伸長率，在一般機械制造 中應用廣泛，是一般機械制造中的主要材料，其切削加工性能較好。鉆削直徑為 12mm 的通孔，鉆削行程（孔的長度）l≈15mm。由此可確定鉆床主軸行程為 100mm，也就是液壓缸行程為 100mm。 在鉆床的切削加工過程中，鉆床主軸主要受到切削扭矩和軸向進給力的作用。 軸向進給力是沿主軸軸向的，在主軸保持其與工作臺的垂直度的情況下，軸向力作 用產(chǎn)生的彎矩基本可忽略不計。所以，鉆床主軸為僅受轉(zhuǎn)矩作用的軸類 [6]。 主軸進給液壓缸在工作過程中受到力的作用可分為三個階段。主軸快速進給過 程中，液壓缸受到鉆床主軸組件重力和液壓缸系統(tǒng)自身的的摩擦力作用；在主軸工 作進給過程中，液壓缸受到鉆床主軸組件的重力、軸向切削力和液壓缸系統(tǒng)自身的 摩擦力作用；在主軸快速退回的過程中，液壓缸受到主軸組件的重力、退刀阻力和 液壓缸系統(tǒng)摩擦力。綜上我們要計算最大受力來作為液壓缸的設(shè)計標準。 3.4 切削力的計算 3.4.1 切削刀具及相關(guān)參數(shù)的選擇 目前在鉆孔加工中使用的麻花鉆主要有高速鋼麻花鉆和硬質(zhì)合金麻花鉆兩類。 由于高速鋼麻花鉆在采用物理沉積法 TiN 涂層處理后，其耐用度和鉆孔精度都有了 很大的保障，所以該鉆頭得到了廣泛的應用。因此，我們在加工過程中，應用高速 鋼麻花鉆頭。查《金屬切削手冊》 [17]標準圓柱錐柄麻花鉆中等長度第一系列，刀具 直徑為 12mm,鉆頭與主軸用莫氏錐孔連接，莫氏錐孔為 1 號莫氏錐孔。 由于 Q235 鋼切削性能較好，所以查《金屬切削手冊 》 [17]選擇加工時進給量 f 為： f=0.2mm/r；其對應的切削速度 V=32m/min。 3.4.2 主軸轉(zhuǎn)速及鉆孔時間的計算 查《金屬切削手冊》 [17]，由切削速度計算公式可得出主軸在工藝長期穩(wěn)定時的 固定轉(zhuǎn)速 n 的計算公式如下： （3- 1） dv?10?min/r 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第三章 專用鉆床進給系統(tǒng)的設(shè)計 12 式中， ——選定的切削速度（m/min）v ——刀具或工件的直徑（mm）d 將 V=32m/min，d=12mm 代入公式中，計算得出 n=850r/min. 查《金屬切削手冊》 [17],鉆孔時間 T 的計算公式為： （3- 2） 式中，l——被鉆孔厚度（mm） f——切削進給量（mm/r） ——刀具或工件的直徑（mm）d n——主軸固定轉(zhuǎn)速（r/min） 將 l =15mm，f =0.2mm/r，d=12mm，n=850r/min 代入公式中，計算得出 T=6.6s。 由此，確定一件工件的加工工時為：送料過程 1s，工件夾緊 2s，快速進給 2s， 工作過程 7s，主軸停留 2s，快退 2s，出料 1s，加工一件工件用時 17s，達到了加工 效率的要求。 3.4.3 切削力的計算 鉆床切削力的計算包括鉆床主軸轉(zhuǎn)矩計算和主軸軸向切削力的計算。由于加工 材料為 Q235 鋼，其屬于碳素結(jié)構(gòu)鋼，鉆頭為高速鋼麻花鉆，加工方式為鉆孔，所 以查《機床夾具設(shè)計手冊》 [16]得： 鉆床轉(zhuǎn)矩計算公式如下： （3-pkkfD.M08234? 3） 式中， —— 切削力矩（N·M）k —— 鉆頭直徑（ mm） —— 每轉(zhuǎn)進給量（mm ）f —— 修正系數(shù)pk 分fnd.lT30?? 75036.b)(?? 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第三章 專用鉆床進給系統(tǒng)的設(shè)計 13 （3- 4） 軸向切削力的計算公式如下： （3-p.fKDfF706? 5） 式中， —— 軸向切削力（ N）f —— 鉆頭直徑（ mm） —— 每轉(zhuǎn)進給量(mm)f —— 修正系數(shù)pk 已知被加工材料為 Q235 結(jié)構(gòu)鋼，結(jié)構(gòu)鋼和鑄鋼取 =736MPa， =12mm， =0.2mm，所以可分別計算出切削轉(zhuǎn)矩和軸向切削為：b?Df =13.5 N·M =2595 NkMfF 3.5 鉆床主軸設(shè)計 3.5.1 主軸材料的選擇 要考慮的因素有： (1)軸的強度、剛度和耐磨性要求； (2)軸的熱處理方式和機加工工藝性要求； (3)軸的材料來源和經(jīng)濟性； 軸的常用材料有碳鋼和合金鋼。碳鋼的價格要比合金鋼的價格低，而親對應力 集中的敏感性低，我們可以對其進行熱處理改善其綜合性能，加工工藝性好。而合 金鋼雖然機械性能和淬火性能優(yōu)于碳鋼，但其價格較貴，一般用于強度和耐磨性要 求高的場合 [19]。 綜上鉆床主軸材料選 45 號鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后 HB 要達到 240 左右。其機械性能 參數(shù)如下：δ b=650MPa；δ s=360MPa；δ -1=300MPa； τ-1=155MPa；[δ -1]b=60MPa；[τ T] =35MPa。 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第三章 專用鉆床進給系統(tǒng)的設(shè)計 14 3.5.2 軸徑的計算 由金屬切削原理 [14]可知，主軸切削功率的計算公式為： （3-MK 6） 式中： —— 軸向切削力（ N）fF —— 每轉(zhuǎn)進給量(mm)f n——主軸固定轉(zhuǎn)速（r/min） —— 切削力矩（N·M）kM 將以上數(shù)值代入公式中可計算出功率 =1.2KWmP 考慮到軸承傳動效率（查得為 0.99）和花鍵傳動效率 [5]（查得為 0.98） ，由上計 算出鉆床主軸要傳遞的功率 P 為： P= /(0.99×0.99×0.98)=1.25KW （3-m 7） 查《機械設(shè)計》 [6]得鉆床最小直徑的計算公式如下： （3-3npCdmin?? 8） 選 C=110，計算出 dmin=13mm 所以我們可以得出鉆床主軸的最小直徑大于等于 13mm，基于普通臺式鉆床的 主軸結(jié)構(gòu)，得出改進后的自動鉆床主軸直徑為 40mm。 3.5.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 由進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖可知，鉆床主軸上主要安裝有一對深溝球軸承、一對推力 球軸承、一個軸承擋環(huán)、一個鎖緊螺栓和軸端的花鍵連接。根據(jù)鉆床軸徑選用軸承 及花鍵尺寸如表 3.1 所示。 根據(jù)主軸的的行程，可確定鉆床主軸的基本長度尺寸如圖 3.3 所示。 表 3.1 主軸零件選用表 3106201?????)nf(Pkm? 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第三章 專用鉆床進給系統(tǒng)的設(shè)計 15 主軸零件 型號 深溝球軸承 滾動軸承 6208 GB/T 276-1994 推力球軸承 滾動軸承 51308 GB/T 301-1995 花鍵 8×32×36×6 GB/T 1144-1987 圖 3.3 鉆床主軸基本尺寸簡圖 3.5.4 軸強度的校核 由工況分析可知，鉆床主軸的受力圖如圖 3.4 所示。 圖 3.4 鉆床主軸受力簡圖 圖 3.5 鉆床主軸轉(zhuǎn)矩簡圖 基于傳動效率的考慮，鉆床主軸要傳遞的轉(zhuǎn)矩 M=Mk/（0.99×0.99×0.98）=14 fF液 壓 力F M Mk 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第三章 專用鉆床進給系統(tǒng)的設(shè)計 16 N·M,液壓力為對稱受為，合力方向沿鉆床主軸方向，大小與進給切削力 相互抵消。fF 所以，繪制主軸所受轉(zhuǎn)矩圖如圖 3.5。 根據(jù)整體結(jié)構(gòu),軸的危險截面為軸端花鍵處，所以要對它進行軸強度校驗。 扭轉(zhuǎn)強度約束條件： （3-][WMTT???? 9） 式中：τ T—— 軸的扭轉(zhuǎn)應力（MP a） M——軸的傳遞轉(zhuǎn)矩(N·mm) WT——軸的抗扭截面模量（mm 3） [τT]——軸的許用扭轉(zhuǎn)應力（ ）aMP 查《機械設(shè)計》 [6]得花鍵的抗扭截面模量 WT的計算公式為： （3-D)d)((bzdT161 41????? 10） 式中：d 1——花鍵內(nèi)徑（mm） b——花鍵齒寬(mm) z——花鍵的齒數(shù) D——花鍵的外徑（mm） 將基本參數(shù)代入公式計算 WT=5739 ，計算出鉆床主軸的扭轉(zhuǎn)應力 =2.443mT? 。aMP 由于[ ]=35 ，顯然 ≤[ ]，所以，軸滿足強度要求。T?aPT? 3.6 進給液壓系統(tǒng)設(shè)計 3.6.1 負載分析 工作阻力主要是鉆床的軸向切削力產(chǎn)生的，其大小 =2595 N。fF 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第三章 專用鉆床進給系統(tǒng)的設(shè)計 17 系統(tǒng)摩擦阻力在機械效率中考慮，軸承傳動效率取 0.99，花鍵傳動效率取 0.98，液壓傳動效率取 0.95，所以計算出整下系統(tǒng)的機械效率 η 為 [6]： η=0.99×0.99×0.98×0.95=0.91 （3- 11） 鋼材密度取 7.85 ，主軸體積 V 為：3mt?? （3-9 2104?ldV? 12） 式中： V——主軸體積（m 3） d——主軸直徑 (mm)，取 40mm ——主軸長度（ mm） ，取 550mml 所以主軸重力 為：主 軸G = （3-主 軸 gVm??? 13） 式中： V——主軸體積（m 3） ρ——主軸材料密度（ ）kg?? g——重力加速度（ ） ，取 102s2ms? ——主軸重力（N）主 軸G 加上軸上零件的重力作用，整個系統(tǒng)承受的總重力 =200N。G 慣性力 Fm指運動部件在啟動或制動過程中的慣性力，查《液壓與氣壓傳動》 [3] 得其計算公式為： （3- 14） 式中， ——系統(tǒng)重力G ——重力加速度g —— 時間內(nèi)的速度變化量v?t ——加速或減速時間t tvg?? 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第三章 專用鉆床進給系統(tǒng)的設(shè)計 18 =5N （3-60231??.Fm 15） 快速進給時，在不考慮背壓的情況下，主軸會在重力的作用下自動下移，且加 速度大約為 9.8 ，因此，液壓缸在快進時受到的最大作用力 F=G×η=182N。2s? 工進時，液壓缸要克服工作阻力自身系統(tǒng)的摩擦力和系統(tǒng)重力的作用。所以 F=（ -G）/η ，為了設(shè)計的可行性。我們?nèi)∠到y(tǒng)重力的一半代入到式中，f F=2742N。 快速退回時，液壓缸要克服重力和系統(tǒng)摩擦力，所以 F=G/η 考慮到鉆頭退出工 件時的摩擦力，η 在計算時取 0.89，所以計算出此時 F=225N。 由上得出數(shù)據(jù)表 3.2 和圖 3.6。 表 3.2 液壓缸各運動階段負載表 運動階段 計算公式 負載大?。∟） 主軸快進 F=G×η 182 主軸工進 F=（ -G）/ηfF2742 主軸快退 F=G/η 225 圖 3.6 液壓系統(tǒng)負載及速度簡圖 F（N ） 0 182 225 2742 70 72 )(ml V（m/min ） )(ml 70 72 -3 3 0.17 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第三章 專用鉆床進給系統(tǒng)的設(shè)計 19 3.6.2 液壓缸執(zhí)行元件主要參數(shù)的確 (1)初選液壓缸的工作壓力 表 3.3 液壓設(shè)備常用的工作壓力表 機床 設(shè)備類型 磨床 組合機 床 龍門 刨床 拉 床 農(nóng)業(yè)機械 或中型工 程機械 液壓機、重型機 械起重運輸機械 工作壓力 P1/（ MPa ） 0.8～2.0 3～5 2～8 8～ 10 10～16 20～32 我們初選液壓缸的工作壓力為 =3 。1PaM (2)確定液壓缸的類型及主要結(jié)構(gòu)尺寸 根據(jù)我們的設(shè)計要求，選擇中空的雙桿活塞缸；在活塞桿兩端裝上軸承，固定 主軸?；钊刂鬏S方向可做往復運動，根據(jù)需要，活塞缸采用缸筒固定式。缸筒固 定式雙桿活塞缸簡圖如圖 3.7 所示。 圖 3.7 缸筒固定式雙桿活塞缸結(jié)構(gòu)簡圖 為了防止鉆頭鉆透時主軸突然前沖，要在回油路上安裝背壓閥。查表 3.4 液壓 缸參考背壓表，回油路背壓選擇 =0.8 。2PaM 表 3.4 液壓缸參考背壓 系統(tǒng)類型 背壓 （ ）2PaM 回油路上有節(jié)流閥的調(diào)速系統(tǒng) 0.2～0.5 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第三章 專用鉆床進給系統(tǒng)的設(shè)計 20 回油路上有調(diào)速閥的調(diào)速系統(tǒng) 0.5～0.8 回油路上裝有背壓閥 0.5～1.5 帶補油泵的閉式回路 0.8～1.5 由表 3.1 可知，深溝球軸承選用滾動軸承 6208 GB/T 276-1994，其外徑為 80mm，查表 3.5 活塞桿直徑系列表，活塞桿直徑選用 =100mm。d 表 3.5 活塞桿直徑系列（GB2348-80 ） （mm ） 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320 360 400 由表 3.2 可知，當主軸工進時液壓系統(tǒng)的負載最大 F=2742N，由此可計算出液 壓缸的有效面積 S 為： bPFdD??124)(? （3.16） 式中： ——液壓缸內(nèi)徑（ ）m ——液壓缸活塞桿直徑（ ）, =100mmdd ——液壓缸負載（ ） , F=2742FN ——液壓缸工作壓力（ ）, =31PaMP1a ——回油路背壓力（ ）, = =0.8b b2P 所以可計算也液壓缸內(nèi)徑 =117 。為了使原件使用標準化，查表 3.6 圓整Dm 后取 =125 。Dm 表 3.6 液壓缸內(nèi)徑尺寸系列（GB2348-80 ）(mm) 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 （90） 100 （110） 125 （140） 160 （180） 200 220 250 320 400 500 630 在基本尺寸確定后，液壓缸按最低加工運動速度驗算尺寸。保證液壓缸的有效 工作面積要不小于最小穩(wěn)定速度時的最小有效面積 。minA ≥ （3-4 2)dD(A???miniVqA? 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第三章 專用鉆床進給系統(tǒng)的設(shè)計 21 17） 式中， ——流量閥的最小穩(wěn)定流量， =0.05minqminqi/L ——液壓缸的最低速度, =0.17iVminV/ 由計算可得 A=2767 ≥ =294 ,所以基本尺寸滿足設(shè)計要求。2i2 (3)液壓缸材料的選擇 液壓缸材料的選擇主要受以下幾個因素的制約： （a）液壓缸要有足夠的強度； （b）液壓缸要有足夠的剛度； （c）液壓缸要有很好的耐磨性能； 綜上原因，材料選擇 45 號無縫鋼管。 (4)液壓缸各工作階段的工作壓力、流量和功率計算 根據(jù)液壓缸的負載圖和速度圖以及上述液壓缸的計算數(shù)值，可以計算出液壓缸 工作各階段的壓力、流量和功率。在計算時工進時背壓按 =0.8 代入，快退快bPaM 進時背壓按 =0.5 代入計算。計算公式及計算結(jié)果列于表 3-5 中。bPaM 主軸下壓時，液壓缸上油缸進油下油缸回油；上移時液壓缸下油缸進油上油缸 回油。 表 3.7 液壓缸所需的實際流量、壓力和功率 進油壓力 回油壓力 所需流量 輸入功率 工作循環(huán) 計算公式 jP （ ）aM（ ）naP（qmin/L ） P（ ）kw 主軸快進 j= -nAF =qV P= j 0.43 0.5 8.3 0.06 主軸工進 j= +nAF =qV P= j 1.8 0.8 0.47 0.02 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第三章 專用鉆床進給系統(tǒng)的設(shè)計 22 主軸快退 jP= +nAF =qV P= j 0.6 0.5 8.3 0.08 注：表中 A 為液壓缸有效面積，V 為各階段穩(wěn)定速度。 (5)液壓缸壁厚和最小導向長度的計算 液壓缸的壁厚由液壓缸的強度條件來計算。 液壓缸的內(nèi)徑 D 與其壁厚 δ 的比值 圓筒稱為薄壁圓筒。工程機械的液10/??D 壓缸大多屬于薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，其壁厚按薄壁圓筒公式計算： （3- 18） 式中 δ—液壓缸壁厚（m） ； D—液壓缸的內(nèi)徑（m） ； —試驗壓力，一般取最大工作壓力的（ 1.25～1.50）倍；yp [σ]—缸筒材料的許用