小型鉆床設(shè)計

1、摘要1關(guān)鍵詞1Abstract1Keywords1引言11鉆床的總體方案12關(guān)鍵問題的解決22. 1主軸確定23. 2主軸箱與機床的聯(lián)結(jié)及進給方式34. 3機床固定33鉆床規(guī)格43. 1鉆孔能力43. 2工件的材料43. 3鉆床精度43. 4切削要素43. 5切削速度及進給率53. 5.1切削速度53. 5.2鉆頭進給量53. 6主軸轉(zhuǎn)速63. 7鉆削力與鉆削功率63. 8電機選取83. 9磁性底座選取85. 10鉆床電氣控制84驅(qū)動部分的設(shè)計校核94. 1主軸校核94. 2小齒輪軸齒條的校核94. 2.1模數(shù)94. 2.2齒數(shù)104. 2.3手柄104. 2.4小齒輪軸104. 3渦線彈簧1

2、06. 4鍵11致謝12參考文獻13小型鉆床設(shè)計摘要：為了解決在各類大型機械及不方便移動的大型零件上加工孔及螺紋等要素的問題。針對該問題，本文主要介紹了一種帶有磁性底座的便于移動和加工的小型鉆床的設(shè)計思路、方法。并列舉解決有關(guān)實際設(shè)計中的各項關(guān)鍵技術(shù)問題。如總體方案的確定，主軸設(shè)計要領(lǐng)及順序，機床不加工時主軸自動回復(fù)原位的解決方法，主軸箱與機體連接的問題以及磁性底座的選擇設(shè)計布局等。關(guān)鍵詞：鉆床，磁力系統(tǒng)，移動加工，大型零件引言在大型零件的制造和維修中，需要對其上的孔、螺紋等結(jié)構(gòu)進行加工。如在鍋爐等設(shè)備的維修中，常因拆卸問題導(dǎo)致原螺釘孔報廢而需重新加工螺釘孔。由于零件外形尺寸大，普通機床無法加

3、工。因此，需要設(shè)計一種能適應(yīng)這種加工情況的多功能簡易機床，能方便移動，又能夠方便控制加工。其次，家庭使用拖拉機及輾米機等農(nóng)業(yè)機械由于經(jīng)常維修的需要，鑒于維修及運輸成本考慮，也需要一種能夠方便移動適應(yīng)這種加工情況的簡易機床，可方便對其進行加工維修。因此，這種機床就應(yīng)該具備普通鉆床的基本功能并能滿足方便安裝移動加工的特殊功能。1鉆床的總體方案根據(jù)在大型零件上鉆孔、加工螺紋的特點，要求所設(shè)計的機床應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單，外形尺寸小、功能多、主軸轉(zhuǎn)速不宜太高，而且能夠適應(yīng)進行各個方向的加工。所以先要確定鉆床的總體方案，本鉆床設(shè)計的總體方案如圖1所示，采用帶有磁性底座的床身設(shè)計。由于主軸轉(zhuǎn)速底，切削力及進給力小，電

4、機功率重量體積小，采用電機與主軸一體同時進給的進給形式。如圖1,z向為主軸進給方向。電機與主軸箱軸向通過上下支座與滑動塊聯(lián)結(jié)。主軸采用手動進給方式，通過連接手柄的小齒輪軸與滑動塊上的齒條形成齒輪齒條副，轉(zhuǎn)動手柄，提供主軸軸向進給力。這樣可減少機床不必要結(jié)構(gòu)，減小機床體積，降低重量，提高鉆床便攜性。由此，鉆床就可分為固定和移動兩部分：固定部分就是鉆床的床身，包括機體架和磁性底座，用于機床的固定及支撐主軸；磁性底座被固定于機床的最下部，通過電磁力將床身固定在被加工件的不動部分。移動部分則主要實現(xiàn)進給，主要包括與鉆床連接的滑動燕尾槽、主軸箱及與此軸向連接的電機。通過床身上的小齒輪與燕尾槽上的齒條配合

5、可實現(xiàn)主軸的進給。通過更換裝在主軸上的鉆夾頭來改變加工功能。圖一1鉆床總體方案結(jié)構(gòu)示意圖2關(guān)鍵問題的解決2.1主軸確定本鉆床主軸的結(jié)構(gòu)如圖2左圖所示。鉆床鉆孔直徑在13mm以下時，應(yīng)裝配標準鉆夾頭，使用小直徑的標準直柄麻花鉆。深溝球軸承推力£軸承鉆夾H螺紋撥錐軸圖一2主軸結(jié)構(gòu)示意圖主軸上端的螺紋用于主軸軸向預(yù)緊。鍵槽則通過一個剛性套筒與電機主軸聯(lián)結(jié)，傳遞扭矩。套筒兩側(cè)的軸上都裝有軸用彈性擋圈，防止套筒軸向移動。如圖2左圖預(yù)緊螺母及套筒出處。如圖2右圖，主軸下端車有螺紋，具上配有螺母，作用是在鉆削加工一段時間后方便拆卸鉆夾頭，拆卸時，只需用一只手握緊鉆夾頭，另一只手用扳手扳動螺目即可。

6、主軸端應(yīng)作拔錐軸，方便與鉆夾頭配合。主軸材料為45號鋼，軸上有軸承裝配的部位應(yīng)作表面硬化并使用磨削加工。2. 2主軸箱與機床的聯(lián)結(jié)及進給方式如圖1所示，主軸箱通過支座及螺釘固定在滑動塊上，而滑動塊則通過燕尾槽與機體聯(lián)結(jié)，這樣主軸進給運動就轉(zhuǎn)化為燕尾滑塊與機身的滑動。主軸的進給方式，通過手柄操作將旋轉(zhuǎn)力變換為滑塊的上下運動。如圖3所示,轉(zhuǎn)動手柄，帶動齒輪軸旋轉(zhuǎn)，齒輪軸帶動滑塊上的直齒條上下運動，形成主軸的進給運動。如圖4所示，鉆孔后的手柄，由于已將渦線彈簧裝配在齒輪軸上，可自動回復(fù)到原來位置，這是由于鉆孔時小齒輪軸的轉(zhuǎn)動將能量儲存在彈簧所致。圖一3滑塊運動裝置示意圖圖一4主軸回復(fù)裝置示意圖2.

7、3鉆床固定鉆床在進行鉆孔加工時主要受到與進給方向反向的推力作用，如圖1的-Z向。因此要將機床固定，就要克服這個方向上的力。經(jīng)過對切削加工時的鉆床進行受力分析，作出其受力分析示意圖。如圖5所示，以磁性底座的右下角直線為旋轉(zhuǎn)中心線O,磁性底座受到3個力的作用。為鉆頭推力F,支撐力F2,電磁吸力Fi。他們對回轉(zhuǎn)線O的轉(zhuǎn)距和為0才能使鉆床固定不動，即式1)FLF2L1=F1LoIf匚T簡7中心0圖一5鉆床受力示意圖3鉆床規(guī)格3. 1鉆孔能力根據(jù)任務(wù)說明書確定鉆孔直徑小于或等于12mm。鉆孔深度調(diào)查各廠產(chǎn)品結(jié)果，如表1所小。表一1主軸最大上下移動距離l鉆孔能力d(mm)主軸最大上下移動距離l(mm)6.

8、56013.08019.090-130>19.0特殊由表1可選取主軸最大上下移動距離為80mm3. 2工件的材料由于此鉆床主要由于大型設(shè)備維修及家庭使用，故假設(shè)其加工工件材料為鋼及鑄鐵。3. 3鉆床精度關(guān)于鉆床精度的檢查，根據(jù)GB/T4018.1-1997的規(guī)定檢查其精度。一般以機體滑動面為基準，與主軸中心的平行度是否正確，主軸與機座的垂直度要求等為檢查對象。3. 4切削要素背吃刀量ap=d0/2,單位mm。式中d0為鉆頭外徑每轉(zhuǎn)進給率(每刃進給率)鉆頭或工件每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，他們之間的軸向相對位移，用f表示，單位為每轉(zhuǎn)毫米。每齒進給量鉆頭或工件每轉(zhuǎn)過一個齒，它們之間的軸向相對位移，用af表示,

9、單位為每齒毫米。每秒進給量每秒鐘內(nèi)鉆頭與工件之間的軸向相對位移，用Vf表示，單位為每秒毫米。三種進給率之間的關(guān)系為:vf=nf=2naf/60(mm/s)式中n鉆頭的轉(zhuǎn)速（r/min）。生產(chǎn)中經(jīng)常應(yīng)用的進給量是每鉆進給量f。切削速度是鉆頭主切削刃外緣處的線速度，用v來表示，單位為米/分v=唯n(mm/min)100060(式-3)式中n鉆頭的轉(zhuǎn)速（r/min）。3.5切削速度及進給率3.5.1切削速度由于鉆頭所加工的孔與鉆頭之間的間隙極為狹小，使切屑排除比較困難。所以切削速率選擇要考慮多種情況。高速鋼鉆頭v由經(jīng)驗公式v=Cd(式-4)確定式中v一切削速度（m/min）%一待削件的抗拉強度（Kg

10、/mm2）Cd一系數(shù)（表一2）當被切削件為鋼X=0.95;鑄鐵X=1.33鉆頭直徑d0（mm）Cd21120.5121823.7192527.3265028.8表一2鉆孔進給量設(shè)被加工件為鋼，取抗拉強度為50（Kg/mm2）,取Cd=20.5,則切削速度(m/min)設(shè)被加工件為鑄鐵，取抗拉強度為20-30（/mm2Kg）,取Cd=20.5,則切削速度v=Cd60!=17.5(m/min)綜上取v=15（m/min）較為合適。也可以根據(jù)鉆工工藝學(xué)P49表25選取合適切削速度。3.5.2鉆頭進給量鉆頭直徑確定后，就要在允許的調(diào)件下盡量選大進給量f對于小直徑孔，主要受鉆頭強度的限制；未經(jīng)過修磨的標

11、準麻花鉆的進給量可參考表3。表一3不同直徑麻花鉆進給量鉆頭直徑d0(mm)<33-66-1212-25>25進給量(mm/r)0.025-0.050.05-0.100.10-0.180.18-0.380.38-0.62由上表可選取鉆削進給量f=0.18(mm/r)3.6主軸轉(zhuǎn)速鉆頭最大直徑為dmax時，其最低轉(zhuǎn)速為(式-5)(式-6)1000Vnmindmax鉆頭最小直徑為dmin時，其最高轉(zhuǎn)速為1000Vn_=max-Tdmin根據(jù)對各廠商產(chǎn)品調(diào)查，同一臺鉆床經(jīng)常使用的最大鉆頭直徑與最小鉆頭直徑有如下關(guān)系min0.3,0.4max(式-7)根據(jù)鉆床設(shè)計要求dmax<12mm

12、,由此dmin=2.12.7,取標準麻花鉆dmin=2.5mm,因此，當dmin=2.5mm時，=1594.5(r/min)1000V100015nmax=二dmin3.142.5取nmax=1600(r/min)。當dmax=12mm時,nmin_1000V=405dmax(r/min)取nmin=400(r/min)。由上可確定主軸轉(zhuǎn)速范圍nminnmax定4001600(r/min)。3.7鉆削力與鉆削功率鉆削中，鉆頭切削部分上的兩個主切削刃，如圖6所示，橫刃和兩個棱邊都承受了切削力。為了便于觀察與分析，我們可將作用于這五個部分的力都分成相互成90口的分力，即圓周切削力Fz,徑向力和Fy

13、軸向力Fx。圖6繪出了這五個切削刃上的各個分力的情況。由于鉆頭結(jié)構(gòu)上的對稱性，兩個Fy基本上是互相抵消的；兩個Fz組成一力偶，構(gòu)成扭矩M主；兩個Fx組成一軸向力F主。同理，可以找出作用于兩個棱邊的扭矩M棱，軸向扭矩F棱；作用于橫刃上的扭矩M橫，軸向力F橫。經(jīng)過合成可以認為各切削力最后構(gòu)成一個扭矩M和一個軸向力F。M=M主+M棱+M橫(式-8)圖一6切削時的切削力實驗表明，未經(jīng)修磨的標準麻花鉆，軸向力主要由橫刃產(chǎn)生，約占57%扭矩M主要由主切削上的兩個圓周切削產(chǎn)生，約占80%各切削刃上的軸向力及扭矩所占F及M的百分比大致如表4所示。表一4各刀刃軸向力與扭矩的比例軸向力和扭矩主切削刃橫刃棱邊軸向力

14、F(%)扭矩M(%)40805710310鉆削軸向力F,扭矩M，和切削功率巳，都可由實驗測得；實際應(yīng)用中利用經(jīng)驗公式(表5)計算或查表求得。計算公式鉆頭直徑d0(mm)進給量f(mm/r)轉(zhuǎn)速n(r/min)表一5高速鋼麻花鉆切削力及功率的計算公式扭矢巨M=CMd0XMfyMKm10(Nm)軸向力F=CFd°xFf(N)切削功率Pm=2"Mn/60(W)(2)公式中系數(shù)與指數(shù)鋼0b=735MPa扭矩MCm=333.54Xm=1.9Ym=0.8軸向力FCf=833.85xF=1yF=0.7未磨損時Km=Kf=0.87磨損后Km=Kf=1由以上經(jīng)驗公式可算出鉆頭未磨損切削鋼時M

15、=9.5(Nm)F=1266(N)當n=1600(r/min)時Pm=1590(W)當n=400(r/min)時Pm=397.7(W)3.8電機選取在確定切削功率后，可以確定電機功率。電機的功率，應(yīng)考慮由切削加工所產(chǎn)生的扭矩及摩擦損失的功率確定（式-10）P=_PmP=a傳動裝置的總效率%應(yīng)為組成傳動裝置的各部分運動副效率之成積（式-11）式中n%，分別為每一傳動副(齒輪渦桿帶或鏈)每對軸承、每個連軸器及卷筒的效率。傳動副的效率數(shù)值可按機械設(shè)計制造手冊選取，軸承及連軸器效率的概略值為：滾動軸承(每對)0.980.995滑動軸承(每對)0.970.99剛性連軸器0.970.99由n=1600時鉆

16、削功率Pm=1590W,可計算出電機所需功率a=0.980.970.97=0.912所以P1590P=m=1742.27（W）a0.912由于此鉆床定位于大型零件維修及家庭使用，為方便使用，采用交流220V50H本準交流電源。由電機所需功率確定選取日立牌電容起動式單項電機，型號EFOU-KR(180W),同步額定轉(zhuǎn)速1500(r/min),最大同步額定轉(zhuǎn)速1800(r/min)。電機尺寸為80x80x100(mm),重量約為3.6Kg,結(jié)緣等級E級，防護等級IP-45。3. 9磁性底座選取根據(jù)鉆床尺寸244M100M417(mm),調(diào)查部分廠家此類鉆床重量，如德國百得機械鉆床功率為950WM,

17、其總重量為9.812Kg,其鉆床功率為1600WM,其重量為1318Kg，因此估算鉆床總重量為15Kg。切削時軸向力F最大為1266N,由式1可知，(FLF2L1)/Lo=Fi(式-12)估算鉆床尺寸，L=200mm,L0=160mm,L二70mm時F1：1800N進行單位換算Fi電180Kg?？蛇x用日本KANETEC(日本強力)牌公司生產(chǎn)的磁性底座，型號為MB-PG磁性力大小為2200KGf，長寬高分別為80M120M70(mm)。螺孔數(shù)及規(guī)格4M6而且其帶有磁性力調(diào)節(jié)旋鈕，可方便鉆床移動、固定。3.10鉆床電氣控制由于此鉆床的形狀結(jié)構(gòu)的局限性，不可能實現(xiàn)機械變速箱式的有級變速或無極變速，只

18、能通過調(diào)節(jié)鉆床電機的電壓改變其轉(zhuǎn)速。鉆床電器控制示意圖如圖9所示，電源開關(guān)控制總電源，在電壓突變或加工到工件中的硬夾雜物時，電機轉(zhuǎn)速下降，電流變大，可通過熱融斷體對電機進行過載保護。N電熊鞭中體指示燈電磁鐵及調(diào)節(jié)開關(guān)圖一9鉆床電氣控制示意圖4驅(qū)動部分的設(shè)計校核4.1主軸校核鉆床的主軸，應(yīng)考慮由鉆頭切削所產(chǎn)生的扭矩及軸向力確定其軸的尺寸，軸端可1使用鉆夾頭公稱21，拔錐度=1/19.286(莫氏錐度)。軸承為徑向滾珠軸承。假設(shè)其扭2矩為T=9.5N，m,軸向推力F=1200N,及主軸d=18mm。則許用扭矩MktT2229.5=19.2Nm19父2000、Ix8J主軸直徑由公式，已知.=400K

19、g/cm2.316Me31619.2_d=3、=3=11.3mm'二.3.14400由零件圖上可知主軸最小截面直徑12(mm),為因此主軸剛度符合要求。4. 2小齒輪軸齒條的校核4. 2.1模數(shù)已知軸向推力F=120Kg,速率系數(shù)fu=1,0b=26Kg/mm2(45號鋼),齒型系數(shù)y=0.35,模數(shù):8二=:120.81260.35=1.27取m=1.5.4. 2.2齒數(shù)主軸最大偏移距離l=80(mm),齒數(shù)803.141.5=17.9所以Z=18,小齒輪直徑D=mZ=27(mm)外徑Do=mz2=30(mm)4 .2.3手柄鉆床的手柄一般為3或4根。其端部配有把手以方便把握，另一端

20、則固定旋緊于輪般。手柄一般長150300mm。鉆孔時手臂力為35Kg(鉆孔直徑為5 .5mm),1015Kg(鉆孔直徑為13mm),1520Kg(鉆孔直徑為19mm)。手柄的直徑d為如圖一9所示，當作用于手柄端部的力F=8(Kg),手柄長度l=150(mm)時M=Fl=8150=12000(Kgmm)手柄直徑d,已知手柄材料為45號鋼，許用應(yīng)力CTb=15Kg/mm2,-10-32M33212003.1415=7.38(mm)手柄直徑取10mm。手柄端部要車削出M8的螺紋，深度l=12mm。4. 2.4小齒輪軸小齒輪軸與齒輪做為一體式，材料為45號鋼，小齒輪軸齒輪外徑D0=30(mm),切削推

21、力負荷F=1266(N)FDo126630=18.9(Nm)b=4Kg/mm2,直徑d,32M.32M18.9d=3=3i=8.7(mm)二b3.144因此，小軸外徑為10(mm)能滿足需求。4. 3渦型彈簧渦形彈簧用于主軸回復(fù)原位的操作，應(yīng)考慮主軸可動部分的自重Ws后在決定。已知渦線彈簧裝配軸直徑d=10(mm),彈簧容納箱內(nèi)的直徑DR=50(mm),彈簧厚度h=0.8(mm),彈簧長度l,Dr2-d2l二2.55h502-1022.550.8=1247(mm)電機滑塊全重=4Wi.0Kg,假設(shè)彈簧材料為65Si2Mn,最大抗彎應(yīng)力9=90Kg/mm2,寬度b6rWi二h2=10.8(mm)

22、650/242900.82如上所述，彈簧容納直徑D=50(mm),渦線彈簧裝配軸徑d=10mm,彈簧厚度h=0.8mm,彈簧長度l=1247mm,寬度b=12mm。D為分度圓直徑，扭矩MM=FD/2=(40027)/2=2.16Nm查表可知此渦線彈簧扭矩M=1.8Nm,符合需求。4. 4鍵鍵根據(jù)電機軸上鍵槽尺寸使用平鍵尺寸為4M4M16(mm),t=2.5,t1=1.8,作用在主軸的扭矩Ts3N302Ts=973M103=973父103父=130(Kgmm)n1500作用在軸外徑的線切削力P=2TL=2-130=16.25(Kg)d12對于鍵長度l,應(yīng)考慮鍵寬度b=4mm,剪應(yīng)力=4.8Kg/mm2-11-l=_P_=1625=0.845(mm)b.44.8鍵長為了配合電機主軸，確定其l=16(mm),遠大于0.85(mm),符合需求致謝參考文獻:1夏廣嵐，馮憑.金屬切削機床M.北京：北京大學(xué)出版社，2008.2 邱宣懷，主編.機械設(shè)計(第四版)M.北京：高等教育出版社.2008.3 馮辛安.機械制造裝備設(shè)計M.北京：機械工業(yè)出版社，2001.4 王先