小型鉆床設(shè)計(jì)

1、目 錄摘要1關(guān)鍵詞1Abstract1Key words1引言11鉆床的總體方案12 關(guān)鍵問(wèn)題的解決221 主軸確定222 主軸箱與機(jī)床的聯(lián)結(jié)及進(jìn)給方式323 機(jī)床固定33 鉆床規(guī)格431 鉆孔能力432 工件的材料433 鉆床精度434 切削要素435 切削速度及進(jìn)給率5351 切削速度5352 鉆頭進(jìn)給量536 主軸轉(zhuǎn)速637 鉆削力與鉆削功率638 電機(jī)選取839 磁性底座選取8310 鉆床電氣控制84 驅(qū)動(dòng)部分的設(shè)計(jì)校核941 主軸校核942 小齒輪軸齒條的校核9421 模數(shù)9422 齒數(shù) 10423 手柄10424 小齒輪軸1043 渦線彈簧1044 鍵11致謝12參考文獻(xiàn)13小型鉆

2、床設(shè)計(jì)摘要：為了解決在各類大型機(jī)械及不方便移動(dòng)的大型零件上加工孔及螺紋等要素的問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，本文主要介紹了一種帶有磁性底座的便于移動(dòng)和加工的小型鉆床的設(shè)計(jì)思路、方法。并列舉解決有關(guān)實(shí)際設(shè)計(jì)中的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。如總體方案的確定，主軸設(shè)計(jì)要領(lǐng)及順序，機(jī)床不加工時(shí)主軸自動(dòng)回復(fù)原位的解決方法，主軸箱與機(jī)體連接的問(wèn)題以及磁性底座的選擇設(shè)計(jì)布局等。關(guān)鍵詞：鉆床，磁力系統(tǒng)，移動(dòng)加工，大型零件 引言在大型零件的制造和維修中,需要對(duì)其上的孔、螺紋等結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工。如在鍋爐等設(shè)備的維修中,常因拆卸問(wèn)題導(dǎo)致原螺釘孔報(bào)廢而需重新加工螺釘孔。由于零件外形尺寸大,普通機(jī)床無(wú)法加工。因此,需要設(shè)計(jì)一種能適應(yīng)這種加工情況

3、的多功能簡(jiǎn)易機(jī)床，能方便移動(dòng)，又能夠方便控制加工。其次，家庭使用拖拉機(jī)及輾米機(jī)等農(nóng)業(yè)機(jī)械由于經(jīng)常維修的需要，鑒于維修及運(yùn)輸成本考慮，也需要一種能夠方便移動(dòng)適應(yīng)這種加工情況的簡(jiǎn)易機(jī)床，可方便對(duì)其進(jìn)行加工維修。因此，這種機(jī)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(dòng)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(diǎn),要求所設(shè)計(jì)的機(jī)床應(yīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jìn)行各個(gè)方向的加工。所以先要確定鉆床的總體方案，本鉆床設(shè)計(jì)的總體方案如圖1所示，采用帶有磁性底座的床身設(shè)計(jì)。由于主軸轉(zhuǎn)速底，切削力及進(jìn)給力小，電機(jī)功率重量體積小，采用電機(jī)與主軸一體

4、同時(shí)進(jìn)給的進(jìn)給形式。如圖1，z向?yàn)橹鬏S進(jìn)給方向。電機(jī)與主軸箱軸向通過(guò)上下支座與滑動(dòng)塊聯(lián)結(jié)。主軸采用手動(dòng)進(jìn)給方式，通過(guò)連接手柄的小齒輪軸與滑動(dòng)塊上的齒條形成齒輪齒條副，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，提供主軸軸向進(jìn)給力。這樣可減少機(jī)床不必要結(jié)構(gòu)，減小機(jī)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(dòng)兩部分：固定部分就是鉆床的床身，包括機(jī)體架和磁性底座，用于機(jī)床的固定及支撐主軸；磁性底座被固定于機(jī)床的最下部，通過(guò)電磁力將床身固定在被加工件的不動(dòng)部分。移動(dòng)部分則主要實(shí)現(xiàn)進(jìn)給，主要包括與鉆床連接的滑動(dòng)燕尾槽、主軸箱及與此軸向連接的電機(jī)。通過(guò)床身上的小齒輪與燕尾槽上的齒條配合可實(shí)現(xiàn)主軸的進(jìn)給。通過(guò)更換裝在主軸上

5、的鉆夾頭來(lái)改變加工功能。圖1 鉆床總體方案結(jié)構(gòu)示意圖2 關(guān)鍵問(wèn)題的解決21 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13以下時(shí)，應(yīng)裝配標(biāo)準(zhǔn)鉆夾頭，使用小直徑的標(biāo)準(zhǔn)直柄麻花鉆。 圖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(guò)一個(gè)剛性套筒與電機(jī)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(dòng)。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(chē)有螺紋，其上配有螺母，作用是在鉆削加工一段時(shí)間后方便拆卸鉆夾頭，拆卸時(shí)，只需用一只手握緊鉆夾頭，另一只手用扳手扳動(dòng)螺目即可。主軸端應(yīng)作拔錐軸，方便與鉆夾頭配合。 主軸材料為45號(hào)鋼，軸上有軸承裝配的部

6、位應(yīng)作表面硬化并使用磨削加工。22 主軸箱與機(jī)床的聯(lián)結(jié)及進(jìn)給方式 如圖1所示，主軸箱通過(guò)支座及螺釘固定在滑動(dòng)塊上，而滑動(dòng)塊則通過(guò)燕尾槽與機(jī)體聯(lián)結(jié)，這樣主軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)就轉(zhuǎn)化為燕尾滑塊與機(jī)身的滑動(dòng)。 主軸的進(jìn)給方式，通過(guò)手柄操作將旋轉(zhuǎn)力變換為滑塊的上下運(yùn)動(dòng)。如圖3所示，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，帶動(dòng)齒輪軸旋轉(zhuǎn)，齒輪軸帶動(dòng)滑塊上的直齒條上下運(yùn)動(dòng)，形成主軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 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(dòng)回復(fù)到原來(lái)位置，這是由于鉆孔時(shí)小齒輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)將能量?jī)?chǔ)存在彈簧所致。圖3 滑塊運(yùn)動(dòng)裝置示意圖 圖4 主軸回復(fù)裝置示意圖23 鉆床固定 鉆床在進(jìn)行鉆孔加工時(shí)主要受到與進(jìn)給方向反向的推力作用，如圖

7、1的-Z向。因此要將機(jī)床固定，就要克服這個(gè)方向上的力。經(jīng)過(guò)對(duì)切削加工時(shí)的鉆床進(jìn)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(gè)力的作用。為鉆頭推力，支撐力，電磁吸力。他們對(duì)回轉(zhuǎn)線O的轉(zhuǎn)距和為0才能使鉆床固定不動(dòng),即= (式1)圖5 鉆床受力示意圖3 鉆床規(guī)格31 鉆孔能力根據(jù)任務(wù)說(shuō)明書(shū)確定鉆孔直徑小于或等于12。鉆孔深度調(diào)查各廠產(chǎn)品結(jié)果，如表1所示。表1 主軸最大上下移動(dòng)距離鉆孔能力 （）主軸最大上下移動(dòng)距離 （）6.56013.08019.090-13019.0特殊由表1可選取主軸最大上下移動(dòng)距離為80。32 工件的材料 由于此鉆床主要由于

8、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。33 鉆床精度 關(guān)于鉆床精度的檢查，根據(jù)GB/T 4018.1-1997的規(guī)定檢查其精度。一般以機(jī)體滑動(dòng)面為基準(zhǔn)，與主軸中心的平行度是否正確，主軸與機(jī)座的垂直度要求等為檢查對(duì)象。34 切削要素 背吃刀量 =/2，單位。式中為鉆頭外徑 每轉(zhuǎn)進(jìn)給率（每刃進(jìn)給率） 鉆頭或工件每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，他們之間的軸向相對(duì)位移，用表示，單位為每轉(zhuǎn)毫米。 每齒進(jìn)給量 鉆頭或工件每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒，它們之間的軸向相對(duì)位移，用表示，單位為每齒毫米。 每秒進(jìn)給量 每秒鐘內(nèi)鉆頭與工件之間的軸向相對(duì)位移，用表示，單位為每秒毫米。 三種進(jìn)給率之間的關(guān)系為：=/60(/) （式-2）

9、式中 鉆頭的轉(zhuǎn)速（/）。 生產(chǎn)中經(jīng)常應(yīng)用的進(jìn)給量是每鉆進(jìn)給量。 切削速度 是鉆頭主切削刃外緣處的線速度，用來(lái)表示，單位為米/分。=（/） （式-3）式中 鉆頭的轉(zhuǎn)速（/）。35 切削速度及進(jìn)給率351 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。高速鋼鉆頭由經(jīng)驗(yàn)公式= （式-4）確定。式中 切削速度（/） 待削件的抗拉強(qiáng)度（/） 系數(shù)（表2） 當(dāng)被切削件為鋼 =0.95;鑄鐵=1.33表2 鉆孔進(jìn)給量鉆頭直徑（）21112181925265020.523.727.328.8 設(shè)被加工件為鋼，取抗拉強(qiáng)度為50（/），取=20.5，則切

10、削速度= =2315 （/） 設(shè)被加工件為鑄鐵，取抗拉強(qiáng)度為20-30（/），取=20.5，則切削速度=17.5 （/）綜上取=15（/）較為合適。也可以根據(jù)鉆工工藝學(xué)表25選取合適切削速度。352 鉆頭進(jìn)給量 鉆頭直徑確定后，就要在允許的調(diào)件下盡量選大進(jìn)給量。對(duì)于小直徑孔，主要受鉆頭強(qiáng)度的限制； 未經(jīng)過(guò)修磨的標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆的進(jìn)給量可參考表3。表3 不同直徑麻花鉆進(jìn)給量鉆頭直徑（）<3366121225>25進(jìn)給量（/）0.0250.050.050.100.100.180.180.380.380.62 由上表可選取鉆削進(jìn)給量=0.18（/）。36 主軸轉(zhuǎn)速 鉆頭最大直徑為時(shí)，其最低轉(zhuǎn)速

11、為= （式-5） 鉆頭最小直徑為時(shí)，其最高轉(zhuǎn)速為= （式-6） 根據(jù)對(duì)各廠商產(chǎn)品調(diào)查，同一臺(tái)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= （式-7） 根據(jù)鉆床設(shè)計(jì)要求12，由此=2.12.7，取標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆=2.5，因此，當(dāng)=2.5時(shí)，=1594.5（/）取=1600（/）。當(dāng)=12時(shí)，=405 （/）取=400（/）。由上可確定主軸轉(zhuǎn)速范圍4001600（/）。37 鉆削力與鉆削功率 鉆削中，鉆頭切削部分上的兩個(gè)主切削刃，如圖6所示，橫刃和兩個(gè)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(gè)部分的力都分成相互成的分力，即圓周切削力，徑向力和軸向力。 圖6繪出了這五個(gè)切削刃上

12、的各個(gè)分力的情況。由于鉆頭結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱性，兩個(gè)基本上是互相抵消的；兩個(gè)組成一力偶，構(gòu)成扭矩；兩個(gè)組成一軸向力。同理，可以找出作用于兩個(gè)棱邊的扭矩，軸向扭矩；作用于橫刃上的扭矩，軸向力。經(jīng)過(guò)合成可以認(rèn)為各切削力最后構(gòu)成一個(gè)扭矩和一個(gè)軸向力。=+ （式-8）=+ （式-9）圖6 切削時(shí)的切削力 實(shí)驗(yàn)表明，未經(jīng)修磨的標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆，軸向力主要由橫刃產(chǎn)生，約占57%，扭矩主要由主切削上的兩個(gè)圓周切削產(chǎn)生，約占80%。各切削刃上的軸向力及扭矩所占及的百分比大致如表4所示。表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(%) 扭矩（%）40 805710310鉆削軸向力，扭矩，和切削功率

13、，都可由實(shí)驗(yàn)測(cè)得；實(shí)際應(yīng)用中利用經(jīng)驗(yàn)公式(表5)計(jì)算或查表求得。(1)計(jì)算公式 鉆頭直徑（） 進(jìn)給量（/） 轉(zhuǎn)速（/）表5 高速鋼麻花鉆切削力及功率的計(jì)算公式扭 矩 ()軸 向 力 ()切削功率 （）(2) 公式中系數(shù)與指數(shù) 鋼 =735 扭 矩 =333.54 =1.9 =0.8 軸向力 =833.85 =1 =0.7 未磨損時(shí) =0.87 磨損后 =1由以上經(jīng)驗(yàn)公式可算出鉆頭未磨損切削鋼時(shí)M=9.5 ()F=1266 ()當(dāng)=1600（/）時(shí)=1590 （）當(dāng)=400 （/） 時(shí)=397.7 （）38 電機(jī)選取 在確定切削功率后，可以確定電機(jī)功率。 電機(jī)的功率，應(yīng)考慮由切削加工所產(chǎn)生的扭矩

14、及摩擦損失的功率確定。 = (式-10) 傳動(dòng)裝置的總效率應(yīng)為組成傳動(dòng)裝置的各部分運(yùn)動(dòng)副效率之成積 (式-11)式中 分別為每一傳動(dòng)副（齒輪 渦桿 帶或鏈）每對(duì)軸承、每個(gè)連軸器及卷筒的效率。傳動(dòng)副的效率數(shù)值可按機(jī)械設(shè)計(jì)制造手冊(cè)選取，軸承及連軸器效率的概略值為： 滾動(dòng)軸承（每對(duì)） 0.980.995 滑動(dòng)軸承（每對(duì)） 0.970.99 剛性連軸器 0.970.99由=1600時(shí)鉆削功率=1590 ，可計(jì)算出電機(jī)所需功率=0.980.970.97=0.912所以=1742.27（）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220V50HZ標(biāo)準(zhǔn)交流電源。由電機(jī)所需功率確定選取日立牌

15、電容起動(dòng)式單項(xiàng)電機(jī)，型號(hào)EFOU-KR(1800)，同步額定轉(zhuǎn)速1500（/），最大同步額定轉(zhuǎn)速1800（/）。電機(jī)尺寸為8080100()，重量約為3.6,結(jié)緣等級(jí)E級(jí)，防護(hù)等級(jí)IP-45。39 磁性底座選取 根據(jù)鉆床尺寸244100417（）,調(diào)查部分廠家此類鉆床重量，如德國(guó)百得機(jī)械鉆床功率為950W時(shí)，其總重量為9.812，其鉆床功率為1600W時(shí)，其重量為1318,因此估算鉆床總重量為15。切削時(shí)軸向力F最大為1266,由式1可知，()/= (式-12)估算鉆床尺寸，,=70時(shí)1800N進(jìn)行單位換算180?？蛇x用日本KANETEC （日本強(qiáng)力）牌公司生產(chǎn)的磁性底座，型號(hào)為MB-PG,磁

16、性力大小為2200,長(zhǎng)寬高分別為8012070（）。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(dòng)、固定。310 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(shí)現(xiàn)機(jī)械變速箱式的有級(jí)變速或無(wú)極變速，只能通過(guò)調(diào)節(jié)鉆床電機(jī)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(kāi)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(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，電流變大，可通過(guò)熱融斷體對(duì)電機(jī)進(jìn)行過(guò)載保護(hù)。圖9 鉆床電氣控制示意圖4 驅(qū)動(dòng)部分的設(shè)計(jì)校核41 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，軸端可使用鉆夾頭公稱，拔錐度=1/19.286（莫氏錐度）。軸承為徑向滾珠

17、軸承。假設(shè)其扭矩為=9.5，軸向推力=1200,及主軸=18。則許用扭矩=19.2主軸直徑由公式，已知=400=11.3由零件圖上可知主軸最小截面直徑12（），為因此主軸剛度符合要求。 42 小齒輪軸齒條的校核421 模數(shù) 已知軸向推力=120，速率系數(shù)=1，=26（45號(hào)鋼），齒型系數(shù)=0.35，模數(shù)=1.27取=1.5.422 齒數(shù) 主軸最大偏移距離=80（），齒數(shù)=17.9所以=18。小齒輪直徑= ()外徑=30 ()423 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，另一端則固定旋緊于輪觳。手柄一般長(zhǎng)150300。鉆孔時(shí)手臂力為35（鉆孔直徑為6.5），1015（鉆孔直徑

18、為13），1520（鉆孔直徑為19）。手柄的直徑為如圖9所示，當(dāng)作用于手柄端部的力=8（），手柄長(zhǎng)度=150（）時(shí)=12000（） 手柄直徑，已知手柄材料為45號(hào)鋼，許用應(yīng)力=15/，=7.38（） 手柄直徑取10。手柄端部要車(chē)削出M8的螺紋，深度=12。424 小齒輪軸 小齒輪軸與齒輪做為一體式，材料為45號(hào)鋼，小齒輪軸齒輪外徑=30（），切削推力負(fù)荷=1266()=18.9（） ，直徑=8.7（）因此，小軸外徑為10（）能滿足需求。43 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(dòng)部分的自重后在決定。已知渦線彈簧裝配軸直徑=10（），彈簧容納箱內(nèi)的直徑=50()，彈簧厚度=0.

19、8（），彈簧長(zhǎng)度=1247（） 電機(jī)滑塊全重=4.0，假設(shè)彈簧材料為65Si2Mn,最大抗彎應(yīng)力90，寬度=10.8（） 如上所述，彈簧容納直徑=50()，渦線彈簧裝配軸徑=10，彈簧厚度=0.8，彈簧長(zhǎng)度=1247，寬度=12。為分度圓直徑，扭矩=2.16查表可知此渦線彈簧扭矩=1.8，符合需求。44 鍵 鍵根據(jù)電機(jī)軸上鍵槽尺寸使用平鍵尺寸為4416（），=2.5，=1.8，作用在主軸的扭矩=973=973=130（） 作用在軸外徑的線切削力=16.25（） 對(duì)于鍵長(zhǎng)度，應(yīng)考慮鍵寬度，剪應(yīng)力=4.8=0.845（） 鍵長(zhǎng)為了配合電機(jī)主軸，確定其=16（），遠(yuǎn)大于0.85（），符合需求。致謝參考文獻(xiàn)： 1 夏廣嵐，馮 憑.金屬切削機(jī)床M.北京：北京大學(xué)出版社，2008. 2 邱宣懷，主編.機(jī)械設(shè)計(jì)（第四版）M.北京：高等教育出版社.2008. 3 馮辛安.機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001. 4 王先逵.機(jī)械加工工藝手冊(cè)（單行本）鉆削、擴(kuò)削、鉸削加工M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2008. 5 劉庶民機(jī)床改造的思路與實(shí)用技術(shù)M北京：機(jī)械工業(yè)出版社1992 6 大連組合機(jī)床研究所組合機(jī)床設(shè)計(jì)參考圖冊(cè)M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985 7 陳忠良，邊 欣.機(jī)械制圖