鉆床的自動化改造及進給系統(tǒng)設計

1、目 錄1 引言11.1 問題分析及其對策11.2 本文研究的內容及目標31.3 本章小結32 自動鉆床的總體方案設計42.1 自動專用鉆床已知條件和設計要求的概述42.2 自動鉆床的工藝路線分析與確定42.3 執(zhí)行系統(tǒng)的方案設計52.4 傳動系統(tǒng)方案設計和原動機選擇72.5 控制方案設計82.6 總體布局設計92.7 輔助系統(tǒng)的設計92.8 本章小結93 專用鉆床進給系統(tǒng)的設計103.1 進給系統(tǒng)概述與分析103.2 進給系統(tǒng)方案圖的確定103.3 工況分析113.4 切削力的計算123.5 鉆床主軸設計133.6 進給液壓系統(tǒng)設計163.7 本章小結284 專用鉆床主軸傳動系統(tǒng)的設計294.

2、1 主軸傳動系統(tǒng)的分析294.2 主軸花鍵的設計294.3 主軸電機選擇294.4 V帶傳動設計304.5 本章小結315 自動鉆床控制系統(tǒng)設計325.1 自動鉆床的自動化控制要求325.2 可編程控制器PLC的簡述325.3 自動鉆床進給系統(tǒng)控制流程335.4 自動鉆床進給系統(tǒng)電氣原理圖355.5 自動鉆床進給系統(tǒng)控制元件的選擇355.6 控制系統(tǒng)程序的編寫385.7 本章小結38結束語39致謝40參考文獻411 引言親，由于某些原因，沒有上傳完整的畢業(yè)設計（完整的應包括畢業(yè)設計說明書、相關圖紙CAD/PROE、中英文文獻及翻譯等），此文檔也稍微刪除了一部分內容（目錄及某些關鍵內容）如需要的

3、朋友，請聯系我的叩扣:，數萬篇現成設計及另有的高端團隊絕對可滿足您的需要1.1 問題分析及其對策1.1.1 現代制造業(yè)的發(fā)展狀況金屬切削加工是指利用刀具切除被加工零件多余材料的方法，是機械制造行業(yè)中最基本的加工方法，金屬切削加工過程是由金屬切削機床來實現的1。金屬切削機床是用切削的方法將金屬毛坯加工成機器零件的機器。在現代機械制造行業(yè)中，隨著加工零件方式多樣化及工藝合理化的發(fā)展的要求，加工零件的方法也呈現出多樣化，如：除切削加工外，還有鑄造、鍛造、焊接、沖壓、擠壓和輥軋等，在這其中機床切削加工的工作量約占總制造工作量的40%60%(其中鉆床占11.2%),所以在目前的機械制造行業(yè)中金屬切削機床

4、是主要的加工設備。而機床的技術性能又直接影響機械制造行業(yè)的產品質量和勞動生產率，所以為了提高國家的工業(yè)生產能力和科學技術水平，必須對機床的發(fā)展作出新的要求5。隨著機械工業(yè)的擴大和科學技術的進步，尤其是計算機的出現和數控技術的發(fā)展，我國的機械制造行業(yè)正朝著自動化、精密化、高效率和多樣化的方向發(fā)展。我國機床工業(yè)自1949年建立以來，雖然在短短的時間內取得了很大的成就，但與世界先進水平相比還有較大的差距。就現狀看，主要表現在：我國機床工業(yè)起步晚、技術不成熟；大部分高精度和超精度機床的性能還不能滿足要求，精度保持度也差，特別是高效自動化和數控機床的產量、技術水平和質量等方面都明顯落后8。據有關部門統(tǒng)計

5、我國數控機床的產量僅是全部機床產量的1.5%，產值數控化僅為8.7%（至1990年底）；我國數控機床基本上是中等規(guī)格的車床、銑床和加工中心等，而精密、大型、重型或小型數控機床還遠遠不能滿足要求；另外我國機床在技術水平和性能方面的差距也很明顯，機床理論和應用技術的研究也明顯落后。所以我們要不斷學習和引進國外先進科學技術，大力發(fā)展研究，推動我國機床工業(yè)的發(fā)展4。1.1.2 問題的提出由以上現狀分析我們可以看出，在機床加工中鉆床的加工工作量在總制造工作量中占有很大的比重。鉆床為孔加工機床，按其結構形式不同可以分為搖臂鉆床、立式鉆床、臥式鉆床、深孔鉆床、多軸鉆床等1。主要用來進行鉆孔、擴孔、絞孔、攻絲

6、等。長期以來我國的機械制造工業(yè)中孔類加工多數由傳統(tǒng)鉆床來完成，但是傳統(tǒng)的鉆床在大批量生產時存在許多的不足之處：(1)自動化程度不高，難以進行大批量的生產；(2)工作效率低，且工人的工作環(huán)境惡劣；(3)占用人力較多，操作固定不易出錯；(4)精度不高，工件裝夾費時；(5)加工產品質量不高；針對以上傳統(tǒng)鉆床的不足之處及生產中存在的問題，我們有必要對傳統(tǒng)鉆床進行結構改進。通過對傳統(tǒng)鉆床手動的進給系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)及人工送料系統(tǒng)的改進和設計，從而提高產品質量和生產效率，實現自動化，降低勞動強度及工作量。1.1.3 問題的分析以及解決方案當前傳統(tǒng)鉆床問題的存在主要在于自動化程度、生產效率、工作環(huán)境及產品質量。

7、在生產過程中，手動的操作、繁鎖的裝夾、大量生產力的投入和單一的生產流程導致了鉆床加工的自動化程度低、生產效率低、工作環(huán)境惡劣和產品質量不高，因此，我們要解決的問題在于如何實現鉆床加工的自動化、減少生產力的投入生產和與其它工藝流程相結合，同時也要考慮經濟問題4。經過分析，我們可以從機構設計和控制系統(tǒng)兩方面去考慮。通過對鉆床機構的改造來實現自動化控制的要求，提高產品的加工精度及質量；通過導入先進的控制系統(tǒng)來進行自動操控，從而實現自動化，便于導入到其它生產流程中去。為了解決問題和便于設計改造，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：

8、(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。主軸在加工時即要作旋轉運動，也要作軸向的進給運動。機床主軸被裝置在主軸套筒內，套筒放置在主軸箱體孔的鑲套內，主軸上側由花鍵連接。機床加工時，旋轉運動由花鍵傳入，而進給運動則由齒輪通過齒條帶動套筒在鑲套內運動。為了實現自動化控制的要求，主軸進給機構改進主要有：主軸旋轉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)來實現進給動作。(3)夾緊系統(tǒng) 傳統(tǒng)鉆床的夾緊主要是手工操作，由夾具夾緊

9、工件。為了便于實現自動化控制，工件夾緊由夾具完成，動力源由夾緊液壓缸導入，通過液壓控制系統(tǒng)來實現夾緊動作的自動化。(4)送料系統(tǒng) 在生產過程中，鉆床的送料主要由人工輸入，這使得投入了大量的生產力，消耗了大量的工時，使的生產率不高，為此我們通過導入自動送料系統(tǒng)來減少生產力的投入和工時的消耗。自動送料系統(tǒng)機構傳動要根據生產的需求作出相應的設計需求，動力源可由電機或液壓系統(tǒng)傳入，二者均可實現自動化控制。(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)，其聯動關系復雜，維修困難，故障率高，經常影響正常生產，計算機數控造價高、系統(tǒng)復雜，而PLC控制系

10、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控制技術來實現對進給系統(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 本文研究的內容及目標 本文主要是通過應用機床設計的一般方法對傳統(tǒng)鉆床的機構和控制系統(tǒng)進行設計及改進。研究的主要內容是普通臺式鉆床傳動系統(tǒng)的改進、進給系統(tǒng)的設計、進給系統(tǒng)液壓缸的設計和PLC控制系統(tǒng)的設計等四個方面。其中重點在于進給系統(tǒng)、進給系統(tǒng)液壓缸和PLC控制系統(tǒng)的設計。進給系統(tǒng)設計主要是解決主軸高速旋轉與軸向進給兩個自由度的實現；進給系統(tǒng)液壓缸設計包括液壓缸的設計、液壓缸與主軸的配合和液壓缸油路控制； PLC控制系統(tǒng)

11、的設計主要是通過應用PLC控制程序來實現對液壓油路的動作控制及鉆床加工過程的動作控制3。我們通過對傳統(tǒng)臺式鉆床的改進及設計，要達到的目標在于通過改進鉆床能夠實現工作自動化，最終能滿足以下要求：(1)能實現自動化連續(xù)生產，改善產品加工質量，提高生產效率；(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)經濟因素合理3；1.3 本章小結本章節(jié)主要對現代機械制造業(yè)作了簡單的總概括，并對機床切削加工做出分析。提出當前金屬切削加工中存在的一些問題，以及針對鉆床加工現存的缺點做出剖析，提出對傳統(tǒng)鉆床改造的必要性和可行性，并對改造的任務和目標作出簡述。通過對改造任務和目標簡述，

12、為設計方案的確定了設計對象。2 自動鉆床的總體方案設計總體方案設計的構思和方案擬定關系到產品的功能是否齊全、性能是否優(yōu)良、經濟效益是否顯著，因此，我們要確定良好的總體方案設計思想，保證產品的功能、經濟效益和實用性能?？傮w方案設計的內容主要包括以下幾個方面：(1)執(zhí)行系統(tǒng)的方案設計；(2)原動機類型的選擇和傳動系統(tǒng)的方案設計；(3)控制系統(tǒng)的方案設計；(4)總體布局設計；(5)輔助系統(tǒng)的設計；為了完成普通臺式鉆床的改造及進給系統(tǒng)的設計，我們依循機床設計的一般步驟確定自動鉆床的總體方案設計。2.1 自動專用鉆床已知條件和設計要求的概述本文對普通臺式鉆床的自動化改造及進給系統(tǒng)設計是以某五金工具廠鋼絲

13、鉗生產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12mm（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計要求：(1)滿足自動連續(xù)生產，且生產率為3把/分鐘；(2)自動化改造應是機械、電氣和液壓的有機結合；(3)傳動系統(tǒng)設計應包含切削力計算、電動機選擇、傳動裝置設計、床身結構設計等；(4)設計重點為鉆床液壓進給系統(tǒng)之進給油缸設計；(5)自動控制系統(tǒng)應以PLC與手動相結合的方式實現；2.2 自動鉆床的工藝路線分析與確定與傳統(tǒng)臺式鉆床的加工工藝路線相比較，改造后的全自動鉆床基本動作有很大的調整，這其中主要是導入了自動化加工動作。結

14、合設計及生產要求，確定工藝路線如下：啟動（電源及控制模塊）自動送料自動夾緊主軸快進主軸工進主軸停留主軸快退夾具松開出料為了完成自動化加工，自動鉆床按照上述工藝路線進循環(huán)行動作來完成成批工件的加工過程。根據工藝流程，可確定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)的方案設計執(zhí)行系統(tǒng)是機械系統(tǒng)中的重要組成部分，直接完成機械系統(tǒng)預期工作任務。機械執(zhí)行系統(tǒng)的方案設計是機械系統(tǒng)總體方案設計的核心，是整個機械設計工作的基礎。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動進給。2.3.1 執(zhí)行系統(tǒng)的功能原理設計功能原理設計決定產品的技術水平、工作質量、傳動方案、

15、結構型式、制造成本等。因此在進行鉆床的功能原理設計時，我們應當考慮鉆床功能的可行性、先進性和經濟性。普通臺式鉆床的改造主要是實現自動化功能。改造后全自動鉆床能實現自動化連續(xù)生產，提高了生產率，符合了工廠的生產需求，適應了現代機械加工業(yè)的發(fā)展要求。2.3.2 執(zhí)行系統(tǒng)的運動規(guī)律本文設計的重點在于鉆床液壓進給系統(tǒng)之進給油缸設計，也就是用液壓缸驅動來替代手動進給。根據設計，我們要分析的運動規(guī)律包括鉆頭切削運動和進給液壓缸驅動進給運動。鉆頭加工運動包括旋轉切削運動和鉆頭直線進給運動。進給液壓缸驅動進給運動要完成驅動主軸進給，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。主軸直線進給運動主軸旋轉切

16、削運動 圖2.2 自動鉆床運動規(guī)律簡圖2.3.3 執(zhí)行機構的形式設計在進行執(zhí)行機構的形式設計時，要遵循以下原則：滿足執(zhí)行構件的工藝動作和運動要求、盡量簡化和縮短運動鏈、盡量減小機構尺寸、選擇合適的運動副形式、考慮動力源的形式、使執(zhí)行系統(tǒng)具有良好的傳力和動力特性、使機械具有調節(jié)某些運動參數的能力和保證機械的安全運轉5?？紤]以上設計原則，在實現鉆頭的旋轉切削運動時，動力源與主軸之間的執(zhí)行機構我們選擇帶輪傳動；在實現鉆頭的直線進給運動時，我們選擇能夠往復運動的液壓缸。2.3.4 執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調設計執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)調設計原則：滿足各執(zhí)行機構動作先后的順序性要求、滿足各執(zhí)行機構動作在時間上的同步性要求、滿足各

17、執(zhí)行機構在空間布置上的協(xié)調性要求、 滿足各執(zhí)行機構在操作上的協(xié)同性要求、各執(zhí)行機構的動作安排要有利于提高勞動生產率、 各執(zhí)行機構的的布置要有利于系統(tǒng)的能量協(xié)調和效率的提高5。自動鉆床的主軸帶輪傳動減少了傳動鏈，且可過載保護；液壓缸驅動進給不需要改變運動形式，且易于實現自動化控制。2.3.5 執(zhí)行系統(tǒng)方案評價與決策自動鉆床執(zhí)行系統(tǒng)在功能上能滿足鉆床加工的工作要求，主軸帶輪傳動能起到過載保護作用。液壓缸執(zhí)行系統(tǒng)能實現鉆床切削加工的進給運動，易于控制，是實現自動化控制的首選機構3。2.4 傳動系統(tǒng)方案設計和原動機選擇 2.4.1 原動機選擇由自動鉆床執(zhí)行部件的運動規(guī)律我們可以選擇原動機。主軸旋轉運動

18、的原動機選擇電動機，進給液壓缸原動力選擇電動機驅動液壓泵 （具體型號在下面章節(jié)中計算后選擇）。 2.4.2 傳動系統(tǒng)方案設計(1)確定傳動系統(tǒng)總傳動比全自動鉆床的總傳動比的確定要建立在計算切削力和傳動效率的基礎上，當確定自動鉆床的工作功率后，查表選擇電動機，對照鉆床的工作參數確定總傳動比（主軸系統(tǒng)總傳動比在傳動系統(tǒng)設計中經計算后確定）4。(2)選擇傳動類型依據傳統(tǒng)臺式鉆床的結構特點，主軸旋轉運動選擇帶輪V帶傳動，此傳動類型可實現過載保護；鉆頭直線進給運動選擇液壓傳動，此類型傳動有以下優(yōu)點：(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)易于實現快速啟動、制動、頻

19、繁換向以及無級調速；(d)布局安裝比較靈活，液壓元件易于實現系列化、標準化、通用化；(e)與機構相結合易實現自動化控制；(3)繪制傳動系統(tǒng)運動簡圖根據以上分析，確定傳動系統(tǒng)的運動簡圖如2.3所示?；ㄦI傳動V帶傳動液壓缸進給傳動 圖2.3 傳動系統(tǒng)運動簡圖2.5 控制方案設計綜合考慮全自動鉆床的改造要求、功能要求、控制要求及經濟因素，控制系統(tǒng)采用PLC與手動相結合的方法進行控制。PLC即可編程控制器，其英文全稱為 Programmable Controller。PLC舉起于20世紀70年代，是微機技術與繼電器常規(guī)控制技術相結合的產物。經過30多年的發(fā)展，可編程控制器已經成為最重要、最可靠、應用場

20、合最廣泛的工業(yè)控制微型計算機。PLC不僅充分利用微處理器的優(yōu)點來滿足各種工業(yè)領域的實時控制要求，同時也照顧到操作維護人員的技能和習慣，摒棄了微機常用的計算機的編程語言，獨具風格地使用以繼電器梯型圖為基礎的形象編程語言和模塊化的軟件結構，使用戶編制的程序清晰直觀、調試和查錯容易，且編程方便易學3。PLC的主要功能有：順序控制、數據處理、邏輯控制、運行狀態(tài)監(jiān)控、記數控制、通訊與聯網、定時控制。在自動鉆床的控制系統(tǒng)中，我們主要應用PLC的順序控制和定時控制。 另外PLC作為現代最重要、最可靠、應用場合最廣泛的工業(yè)控制微型計算機，其具有以下特點：(1)可靠性高；(2)編程容易，易于使用；(3)控制功能

21、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)設計施工和調試的周期短；結合以上PLC的特點，我們在控制系統(tǒng)方案設計時選擇PLC作為主要的控制方式，另外根據實際的工作要求，配合適當的手動控制元件3。2.6 總體布局設計機床總布局的設計任務是解決機床各部件間的相對運動和相對位置的關系，并使機床具有一個協(xié)調完美的造型。工藝分析和工件的形狀、尺寸及重量，在很大程度上左右著機床的布局形式。普通臺式鉆床的自動化改造及進給系統(tǒng)設計，是在原有機構的基礎上導入了液壓進給驅動系統(tǒng)：主軸箱要做變動。同時還導入了液壓夾緊系統(tǒng)：考慮到臺式鉆床固定不動，可變動工作臺的結構以實現總體布局的協(xié)

22、調7。2.7 輔助系統(tǒng)的設計輔助系統(tǒng)的設計主要包括潤滑系統(tǒng)設計、冷卻系統(tǒng)設計、故障檢測系統(tǒng)設計、安全保障系統(tǒng)設計和照明系統(tǒng)設計6。設計過程中可根據設計的要求和實際的鉆床工作需求進行輔助系統(tǒng)的設計。2.8 本章小結本章主要介紹了通過對已知設計條件的分析如何確定自動鉆床總體方案的問題。章節(jié)中主要對自動鉆床總體方案中的工藝路線、執(zhí)行系統(tǒng)方案、傳動系統(tǒng)方案和控制系統(tǒng)方案作了詳細介紹和分析。通過本章節(jié)的敘述和圖文表達，我對自動鉆床的總體設計有了一個清晰的概念，確定了下面章節(jié)中設計的步驟和設計重點。3 專用鉆床進給系統(tǒng)的設計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

23、筒鑲套、齒輪齒條和軸承等組成。主軸在加工時即要作旋轉運動，也要作軸向的進給運動。機床主軸被裝置在主軸套筒內，套筒放置在主軸箱體孔的鑲套內，主軸上側由花鍵連接4。機床加工時，旋轉運動由花鍵傳入，而進給運動則由齒輪通過齒條帶動套筒在鑲套內運動。由總體方案可知，自動鉆床進給系統(tǒng)設計導入了液壓缸進給系統(tǒng)，由液壓缸驅動替代齒輪齒條的手動進給，來實現主軸的快進、工進和快退動作。鉆床在加工時，主軸要作高速的旋轉運動和直線的進給運動。導入液壓缸進給系統(tǒng)后，由于液壓缸結構和性能的限制，液壓缸活塞桿不宜作高速的旋轉運動，因此，我們要結合合適的軸承和結構來實現主軸的高速旋轉。往復進給運動由液壓缸來完成動作。如圖3.

24、1所示。5436721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3.2 進給系統(tǒng)方案圖的確定全自動鉆床是在原有臺式鉆床的結構基礎上進行改造設計的，所以，我們首先要對普通臺式鉆床的進給系統(tǒng)做出詳細的研究。臺式鉆床主軸進給系統(tǒng)主要部件有主軸、主軸套筒、主軸套筒鑲套、齒輪齒條和軸承等4。其結構圖如圖3.1示：根據普通臺式鉆床的進給系統(tǒng)設計特點，綜合考慮本文設計的要求、改造后自動鉆床的工作條件和液壓缸工作特性，確定自動鉆床的進給系統(tǒng)如圖3.2所示：765843921圖3.2 自動鉆床的進給系統(tǒng)簡圖1、主軸2、深溝

25、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 工況分析根據設計任務可知，生產工件時，要求生產率為3把/分鐘，即要求在20秒內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可知，Q235為碳素結構鋼，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）l15mm。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

26、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，軸向力作用產生的彎矩基本為零，可忽略不計。所以，鉆床主軸為僅受轉矩作用的軸類6。主軸進給液壓缸在工作中受到作用力可以分為三個階段分析。在主軸快進工序中，液壓缸受到鉆床主軸組件重力和液壓缸系統(tǒng)的摩擦力的作用；在主軸工進工序中，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)的摩擦力作用；在主軸快退的工序中，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。因此，在進給液壓缸設計時，我們要以最大受力作為設計標準。3.4 切削力的計算3.4.1 切削刀具及相關參數的選擇目前在鉆孔加工中，麻花鉆主要有高速鋼麻花鉆和硬

27、質合金麻花鉆兩類。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有了較大提高，所以該鉆頭應用極廣13。所以，在本文的鉆削加工過程中，選擇高速鋼麻花鉆頭。查金屬切削手冊17選擇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。由于被加工材料為Q235鋼，其切削性能較好，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)定時的固定轉速n的計算公式如下： （3.1）式中，選定的切

28、削速度（m/min）刀具或工件的直徑（mm）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）n主軸固定轉速（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1s，工件夾緊2s，快進2s，工進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矩計

29、算和主軸軸向切削力的計算。由于加工材料為Q235鋼，其屬于碳素結構鋼，鉆頭為高速鋼麻花鉆，加工方式為鉆孔，所以查機床夾具設計手冊16得：鉆床轉矩計算公式如下： （3.3）式中， 切削力矩（N·M） 鉆頭直徑（mm） 每轉進給量（mm） 修正系數 （3.4）軸向切削力的計算公式如下： （3.5）式中， 軸向切削力（N） 鉆頭直徑（mm） 每轉進給量(mm) 修正系數已知被加工材料為Q235結構鋼，結構鋼和鑄鋼取=736MPa，=12mm，=0.2mm，所以可分別計算出切削轉矩和軸向切削為：=13.5 N·M =2595 N3.5 鉆床主軸設計3.5.1 主軸材料的選擇在軸的設

30、計過程中，軸類的材料選擇要考慮如下因素：(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)軸的材料來源和經濟性；軸的常用材料有碳鋼和合金鋼。一般來說碳鋼比合金鋼價格低廉，對應力集中的敏感性低，可通過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。 綜合以上設計要求及因素，鉆床主軸材料選用45號鋼，經調質處理后HB要達到240左右。其機械性能參數如下：b=650MPa；s=360MPa；-1=300MPa；-1=155MPa；-1b=60MPa；T=35MPa。3.5.2 軸徑的計算由金

31、屬切削原理14可知，主軸切削功率的計算公式為： （3.6） 式中： 軸向切削力（N） 每轉進給量(mm)n主軸固定轉速（r/min） 切削力矩（N·M）將以上數值代入公式中可計算出功率=1.2KW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），所以可計算出鉆床主軸要傳遞的功率P為： P=/(0.99×0.99×0.98)=1.25KW （3.7）由工況分析可知，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，軸向力作用產生的彎矩基本為零，可忽略不計。所以，鉆

32、床主軸為僅受轉矩作用的軸類。查機械設計6得鉆床最小直徑的計算公式如下： （3.8）選C=110，計算出dmin=13mm由計算結果可知，在滿足加工條件的情況下，鉆床主軸最小直徑不能小于13mm，根據普通臺式鉆床的主軸結構，現選自動鉆床直徑為40mm。3.5.3 軸的結構設計由圖3.2進給系統(tǒng)結構簡圖可知，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。根據鉆床軸徑選用軸承及花鍵尺寸如表3.1所示。根據主軸的的行程，可確定鉆床主軸的基本長度尺寸如圖3.3所示。表3.1 主軸零件選用表主軸零件型號深溝球軸承滾動軸承 6208 GB/T 276-199

33、4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。MkM圖3.4 鉆床主軸受力簡圖圖3.5 鉆床主軸轉矩簡圖考慮到傳動效率，鉆床主軸要傳遞的轉矩M=Mk/（0.99×0.99×0.98）=14 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。所以，繪制主軸所受轉矩圖如圖3.5。根據軸上零件的布置，軸的危險截面為軸端花鍵處，所以應對該處進行軸的強度

34、校驗。扭轉強度約束條件： （3.9）式中：T 軸的扭轉應力（MPa）M軸的傳遞轉矩(N·mm)WT軸的抗扭截面模量（mm3）T軸的許用扭轉應力（）查機械設計6得花鍵的抗扭截面模量WT的計算公式為： （3.10）式中：d1花鍵內徑（mm）b花鍵齒寬(mm)z花鍵的齒數D花鍵的外徑（mm）將選用花鍵的基本參數代入公式中可計算出WT=5739，所以可以計算出鉆床主軸的扭轉應力=2.44。由于=35，顯然，所以，軸滿足強度要求。3.6 進給液壓系統(tǒng)設計3.6.1 負載分析一般情況下，作往復直線運動的液壓缸的負載由六部分組成，即工作阻力、摩擦阻力、慣性力、重力、密封阻力和背壓力。負載分析中，我

35、們暫不考慮回油腔的背時壓力，液壓缸的密封裝置產生的摩擦阻力在機械效率中加以考慮。因改造后的自動鉆床和普通臺式鉆床一樣豎直放置，所以需要考慮的力有：工作阻力（鉆床軸向切削力）、系統(tǒng)摩擦阻力（在機械效率中考慮）、重力和慣性力。負載中工作阻力為鉆床的軸向切削力，其大小=2595 N。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)的機械效率為6： =0.99×0.99×0.98×0.95=0.91 （3.11）系統(tǒng)要克服的重力有鉆床主軸重力和液壓缸活塞桿重力，鉆床主軸重力可按下式計算：查機械設計手冊

36、1鋼材密度取7.85 ，主軸體積V為： （3.12）式中： V主軸體積（m3）d主軸直徑 (mm)，取40mm主軸長度（mm），取550mm所以主軸重力為：= （3.13）式中： V主軸體積（m3）主軸材料密度（）g重力加速度（），取10主軸重力（N）計算出主軸重量=55N.考慮到軸上零件和液壓缸活塞桿重力，現取整個系統(tǒng)要承受的重力=200N。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)重力重力加速度 時間內的速度變化量 加速或減速時間已知主軸系統(tǒng)重力G=200N；快進行程70mm；工進行程為20mm；根據工時安排可確定主軸快進快退

37、速度為3m/min；工進速度為0.17m/min；加速、減速時間一般取t=0.2s；所以可以計算出慣性力： =5N （3.15）快進時，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×=182N。工進時，液壓缸要克服工作阻力（主軸軸向切削力）和系統(tǒng)摩擦力，此時系統(tǒng)重力起到動力作用。所以F=（-G）/，為了設計的可行性，使得液壓缸有足夠的液壓作用力，計算中我們取系統(tǒng)重力的一半代入到式中，F=2742N?？焱藭r，液壓缸要克服重力和系統(tǒng)摩擦力，所以F=G/考慮到鉆頭退出工件時的摩擦力，在計算時取0.89，所以計算出此時F

38、=225N。列出主軸系統(tǒng)各運動階段的液壓負載計算公式及大小如表3.2所示。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×182主軸工進F=（-G）/2742主軸快退F=G/225根據液壓缸各運動階段負載計算結果和已知各階段的運動速度，我們可以畫出負載圖（F-）和速度圖(V-)如圖3.6所示。V（m/min）0.173-37270727027422251820F（N）圖3.6 液壓系統(tǒng)負載及速度簡圖3.6.2 液壓缸執(zhí)行元件主要參數的確(1)初選液壓缸的工作壓力表3.3 液壓設備常用的工作壓力表設備類型機床農業(yè)機械或中型工程機械液壓機、重型機械起重運輸機

39、械磨床組合機 床龍門刨床拉床工作壓力P1/（MPa）0.82.0352881010162032液壓缸的工作壓力主要根據液壓設備的類型來確定，對不同的液壓設備，由于工作條件的不同，通常采用的壓力范圍也不同。根據鉆床的工作條件和加工要求，參考液壓設備常用的工作壓力表3.3和同類機床的液壓工作壓力，初選液壓缸的工作壓力=3。(2)確定液壓缸的類型及主要結構尺寸根據設計的要求和鉆床主軸的運動規(guī)律，選擇雙桿活塞缸，活塞桿為中空桿，以便主軸穿過；活塞桿兩端裝有軸承，以固定主軸。雙桿活塞缸的活塞桿兩側都可伸出，根據工作需要，選用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

40、式雙桿活塞缸結構簡圖自動鉆床在完成工進后，為了防止在鉆通要加工的孔后主軸突然前沖，我們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。表3.4 液壓缸參考背壓系統(tǒng)類型背壓（）回油路上有節(jié)流閥的調速系統(tǒng)0.20.5回油路上有調速閥的調速系統(tǒng)0.50.8回油路上裝有背壓閥0.51.5帶補油泵的閉式回路0.81.5由表3.1 主軸零件選用表可知，活塞桿兩端要裝軸承。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。表3.5 活塞桿直徑系列（GB2348-80）（mm）4568101214

41、16182022252832364045505663708090100110125140160 180200220250280320360400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A為： （3.16）式中：液壓缸內徑（）液壓缸活塞桿直徑（）, =100mm液壓缸負載（）, F=2742液壓缸工作壓力（）, =3回油路背壓力（）, =0.8所以可計算也液壓缸內徑=117。為了便于采用標準的密封式元件，查表3.6對液壓缸內徑進行圓整。圓整后取=125。表3.6 液壓缸內徑尺寸系列（GB2348-80）(mm)810121620253240506

42、380（90）100（110）125（140）160（180）200220250320400500630液壓缸基本尺寸確定后，要按最低工進速度驗算液壓缸的尺寸。即保證液壓缸的有效工作面積要大于或等于保證最小穩(wěn)定速度時的最小有效面積。即： （3.17）式中，流量閥的最小穩(wěn)定流量，=0.05液壓缸的最低速度, =0.17由計算可得A=2767=294,因此，液壓系統(tǒng)基本尺寸滿足最低速度的要求。(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；因此，基于以上因素及國內現有的液壓缸材料，液壓缸材料選擇

43、45號無縫鋼管3。(4)液壓缸各工作階段的工作壓力、流量和功率計算根據液壓缸的負載圖和速度圖以及上述液壓缸的計算數值，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，快退快進時背壓按=0.5代入計算。計算公式及計算結果列于表3-5中。自動鉆床快進和工進時，液壓缸上油缸進油下油缸回油；快退時液壓缸下油缸進油上油缸回油。因此計算液壓缸工作各階段的壓力、流量和功率如表3.7所示。表3.7 液壓缸所需的實際流量、壓力和功率工作循環(huán)計算公式進油壓力回油壓力所需流量輸入功率（）（）（）P（）主軸快進=-=P=0.430.58.30.06主軸工進=+=P=1.80.80.47

44、0.02主軸快退=+=P=0.60.58.30.08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。液壓缸的壁厚一般是指缸筒結構中最薄處的厚度。因壁厚不同可分為薄壁圓筒和厚壁圓筒。液壓缸的內徑D與其壁厚的比值圓筒稱為薄壁圓筒。工程機械的液壓缸大多屬于薄壁圓筒結構，其壁厚按薄壁圓筒公式計算： （3.18）式中液壓缸壁厚（m）； D液壓缸的內徑（m）； 試驗壓力，一般取最大工作壓力的（1.251.50）倍；缸筒材料的許用應力。其值：鍛鋼：=110120；鑄鋼：=100110；無縫鋼管：= 100110；高強度鑄鐵：=60；灰

45、鑄鐵：=25。根據表3-5中計算的結果，代入計算公式中，可計算出液壓缸壁厚=4mm?？紤]到與缸蓋的聯接，所以設計中取液壓缸的壁厚=8mm。最小導向長度是指當活塞桿全部外伸時，從活塞支撐面中點到缸蓋滑動支撐面中點的距離H稱為對一般的液壓缸，最小導向長度應滿足以下要求3 （3.19） 式中 液壓缸的最大行程； 液壓缸的內徑。本設計中液壓缸的最大行程為100mm，液壓缸的內徑為125mm，代入上式可計算得出H67.5mm,設計中取H=70mm。(6)液壓系統(tǒng)原理圖自動鉆床要完成快進、工進和快退的工作循環(huán)?？爝M和工進時進給液壓缸上油缸進油下油缸出油，而快退時進給液壓缸下油缸進油上油缸出油，因此液壓控制

46、時只需一次換向?？紤]到系統(tǒng)工進完后，需要定時停留，因此，換向閥選擇具有中位封閉功能的三位四通電磁換向閥。由于快進快退和工進時的速度不一樣，所以系統(tǒng)要有調整裝置。根據系統(tǒng)參數可知，液壓系統(tǒng)運動速度不是太大，負載也不大，因此，調整系統(tǒng)選擇進口節(jié)流調整，該調整系統(tǒng)具有較好的低速穩(wěn)定性和速度負載特性；液壓泵選用單向定量液壓泵3。自動鉆床液壓進給系統(tǒng)控制原理圖如圖3.8所示。圖3.8 自動鉆床液壓進給系統(tǒng)控制原理圖1、三位四通電磁換向閥2、二位二通電磁換向閥3、調速閥4、液壓缸5、二位三通電磁換向閥6、7、8、溢流閥（6、7作背壓閥用）9、液壓泵10、過濾器快進時，液壓系統(tǒng)在PLC自動控制下啟動，電磁鐵

47、1Y得電，三位四通電磁換向閥1接入左位，液壓泵9供油經二位二通電磁換向閥2進入液壓缸4上腔，回油經三位四通電磁換向閥1、二位三通電磁換向閥5、溢流閥6回油箱。工進時，電磁鐵1Y、3Y和4Y得電，三位四通電磁換向閥1接入左位，二位二通電磁換向閥2接入左位，二位三通電磁換向閥5位入左位，液壓泵9供油經調整閥3進入液壓缸4上腔，回油經三位四通電磁換向閥1、二位三通電磁換向閥5和溢流閥7回油箱。主軸停留，三位四通電磁換向閥1處于中位，液壓泵9供油在達到一定壓力的條件下回油箱，液壓系統(tǒng)處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。停留時間由PLC定時控制?？焱藭r，電磁鐵2Y，三位四通電磁換向閥1接入右位，液壓泵9供油到液壓缸4下腔

48、，回油經二位二通電磁換向閥2、三位四通電磁換向閥1、二位三通電磁換向閥5和溢流閥6回油箱。工作循環(huán)過程中電磁鐵動作表3.8所示。表3.8 電磁鐵動作表工作階段1Y2Y3Y4Y快進+-工進+-+停留-+快退-+-(7)液壓元件的選擇(a)液壓泵的選擇液壓泵的最高工作壓力可按下式計算3： （3.20） 式中，液壓泵的最高工作壓力 液壓缸的最大工作壓力；查表3.5 =1.8 進油管路總壓力損失；初算時簡單系統(tǒng)可取0.5，復雜系統(tǒng)可取1.5。取=0.5。根據上式及數據值，可計算出=2.3。計算出的是系統(tǒng)的靜態(tài)壓力，因為系統(tǒng)在各種工況的過度階段出現的動態(tài)壓力往往超過靜態(tài)壓力。另外考慮到一定的壓力儲備量，

49、并確保泵的壽命，因此選泵的額定壓力應滿足，中低壓系統(tǒng)取小值，高壓系統(tǒng)取大值。所以泵的額定壓力為： =1.25=2.9 （3.21）液壓泵的最大流量應滿足下面公式： （3.22） 式中，液壓泵的最大流量同時動作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值。如果這時溢流閥正在進行工作，需加上溢流閥的最小溢流量3；查表3.5取=8.3；系統(tǒng)泄漏系數，一般取，式中取；所以計算出9.96。 根據上面計算的壓力和流量，查機械設計手冊1液壓泵產品樣本，選擇YB1-12型，其額定壓力為6.3，排量為12,額定轉速為960，驅動功率為2。其具有結構簡單、性能穩(wěn)定、壓力流量脈動小、噪聲低和壽命長等優(yōu)點。 (a)液壓泵驅動電機

50、的選擇根據已選擇的液壓泵的規(guī)格，我們可知已選液壓泵需要的驅動功率2，查電機樣本表可選液壓泵驅動電機型號為：Y132S-6。其額定功率為3，滿載轉速為960。 (b)液壓系統(tǒng)液壓閥的選擇根據表3.5液壓系統(tǒng)各工作階段所需的實際流量、壓力和設計中所選的背壓大小，所選液壓閥見液壓系統(tǒng)液元件明細表3.9。表中序號與自動鉆床液壓進給系統(tǒng)控制原理圖中序號一致。表3.9 液壓系統(tǒng)液元件明細表序號元件名稱最大通過流量（）型號1三位四通電磁換向閥15WE5E5/AW220-502二位二通電磁換向閥153WE5E5/AW220-503調速閥0.631-2FRM5/0.65二位三通電磁換向閥154WE5E5/AW220-506溢流閥100BT-03-L-327溢流閥100BT-03-L-328溢流閥100BT-03-L-329定量葉片泵11.52YB1-1210過濾器25XU-25×80J備注：溢流閥6壓力調至0.5，溢流閥7壓力調至0.8，溢流閥8壓力調至6.4 (c)液壓系統(tǒng)油管的選擇液壓傳動中，常用的油管有鋼管、銅管、塑料管、尼龍管、橡膠軟管等3。根據設計的要求和工作環(huán)境的不同選擇相應的材料。本設計中，考慮到自動鉆床的工作環(huán)境，油路管道選用鋼管。油管尺寸參