【正文】 .................................................38 主軸的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) .................................................38 主軸的校核 .........................................................39 主軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度 .................................................39 主軸的扭轉(zhuǎn)剛度校核計(jì)算 .........................................39 主軸的花鍵校核 .................................................40 主軸軸承 ...........................................................41 主軸軸承的選用 .................................................41 主軸軸承的壽命計(jì)算 ..............................................418. 綜合評(píng)價(jià) ..............................................................43設(shè)計(jì)總結(jié) .................................................................44致 謝 ...................................................................45參考文獻(xiàn) .................................................................46附錄1 / 51引 言本畢業(yè)設(shè)計(jì)課題是數(shù)控平面鉆床液壓進(jìn)給鉆削動(dòng)力頭，目的是通過(guò)在數(shù)控平面鉆床液壓進(jìn)給鉆削動(dòng)力頭設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)機(jī)床主軸及其相關(guān)的軸承、傳動(dòng)等部件的設(shè)計(jì)計(jì)算，了解機(jī)電控制 PLC 等知識(shí)。以便更好的將機(jī)械專業(yè)所學(xué)知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中，為以后的工作打下基礎(chǔ)，鞏固所學(xué)知識(shí)。機(jī)械加工行業(yè)中，孔加工占重要的地位。鉆床加工的自動(dòng)化和生產(chǎn)效率要求越來(lái)越高，鉆床的發(fā)展急需改進(jìn)。本課題的目的在于以自控行程鉆削動(dòng)力頭為研究目標(biāo)，主要解決當(dāng)前 H 鋼的鉆孔加工專用鉆削動(dòng)力頭。 隨著鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)與民用建筑中的廣泛應(yīng)用，H 鋼的鉆孔加工已成為鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此對(duì) H 鋼的鉆孔加工通過(guò)數(shù)控平面鉆床液壓進(jìn)給鉆削動(dòng)力頭實(shí)現(xiàn)是鉆孔加工是較為理想的加工方式。數(shù)控平面鉆床液壓進(jìn)給鉆削動(dòng)力頭一種集動(dòng)力頭的主運(yùn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和控制裝置于一體，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，鉆削過(guò)程簡(jiǎn)單，可使鉆頭快速接近工件，立即自動(dòng)轉(zhuǎn)換好的工進(jìn)速度開(kāi)始鉆孔，鉆完快速自動(dòng)返回。它可用于 H 鋼結(jié)構(gòu)、汽車(chē)工業(yè)、摩托車(chē)制造業(yè)、燃?xì)馄骶咧圃鞓I(yè)、電梯制造業(yè)等行業(yè)的鉆、擴(kuò)、鉸加工,具有廣泛的應(yīng)用前景。數(shù)控平面鉆床自控行程的鉆削動(dòng)力頭。這不僅有助于提高鉆床加工的自動(dòng)化，而且對(duì)于滿足生產(chǎn)效率要求越來(lái)越高也具有重要意義。在現(xiàn)代機(jī)械制造行業(yè)中，隨著加工零件方式多樣化及工藝合理化發(fā)展的要求，加工零件的方法也呈現(xiàn)出多樣化，金屬切削加工是利用刀具切除被加工零件多余材料的方法，是機(jī)械制造行業(yè)中最基本的加工方法，金屬切削加工過(guò)程是由金屬切削機(jī)床來(lái)實(shí)現(xiàn)的。金屬切削機(jī)床是用切削的方法將金屬毛坯加工成機(jī)器零件的機(jī)器，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(jī)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 %),所以在目前的機(jī)械制造行業(yè)中金屬切削機(jī)床是主要的加工設(shè)備。而機(jī)床的技術(shù)性能又直接影響機(jī)械制造行業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率，所以為了提高國(guó)家的工業(yè)生產(chǎn)能力和科學(xué)技術(shù)水準(zhǔn)，必須對(duì)機(jī)床的發(fā)展作出新的要求。當(dāng)前傳統(tǒng)鉆床問(wèn)題的存在主要在于自動(dòng)化程度、生產(chǎn)效率、工作環(huán)境及產(chǎn)品質(zhì)量。在生產(chǎn)過(guò)程中，手動(dòng)的操作、繁鎖的裝夾、大量生產(chǎn)力的投入和單一的生產(chǎn)流程導(dǎo)致了鉆床加工的自動(dòng)化程度低、生產(chǎn)效率低、工作環(huán)境惡劣和產(chǎn)品質(zhì)量不高，因此，我們要解決的問(wèn)題在于如何實(shí)現(xiàn)鉆床加工的自動(dòng)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(shí)也要考慮經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。2 / 511 . 數(shù)控平面鉆床液壓進(jìn)給鉆削動(dòng)力頭概況 研究現(xiàn)狀金屬切削機(jī)床是用刀具或磨具對(duì)金屬工件進(jìn)行切削加工的機(jī)器，在制造業(yè)中，尤其是機(jī)械行業(yè)，機(jī)床有著非常廣泛的應(yīng)用。然而鉆削加工仍然在零件加工中占有相當(dāng)?shù)谋壤?，?jù)統(tǒng)計(jì)在零件加工中鉆孔加工占 %以上。鉆床是切削加工的主要設(shè)備之一。尤其是作為傳統(tǒng)的老產(chǎn)品搖臂鉆床，有數(shù)百年的發(fā)展歷史，其產(chǎn)品都在不斷地更新，功能也越來(lái)越齊全、性能也不斷地完善。在機(jī)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(jī)床，按其結(jié)構(gòu)形式不同可以分為搖臂鉆床、立式鉆床、臥式鉆床、深孔鉆床、數(shù)控平面鉆床等。而數(shù)控平面鉆床的鉆削動(dòng)力頭是數(shù)控平面鉆床的核心部件，鉆削動(dòng)力頭是將進(jìn)給運(yùn)動(dòng)與主運(yùn)動(dòng)集于一體；目前鉆削動(dòng)力頭大多數(shù)靠液壓滑臺(tái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)給，由于采用了滑臺(tái)使動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在 隨著鋼結(jié)構(gòu)的不大發(fā)展應(yīng)用，數(shù)控平面鉆床的鉆削動(dòng)力頭是加工鋼結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)孔的理想部件，必將得到大發(fā)展。隨著機(jī)械工業(yè)的擴(kuò)大和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)的機(jī)械制造行業(yè)正朝著高精度、高效率、高智能發(fā)展。高精度 機(jī)床針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)加工設(shè)計(jì)，采用微機(jī)控制。在鉆孔加工時(shí)其最關(guān)鍵的孔位定位由微機(jī)控制進(jìn)行自動(dòng)、準(zhǔn)確、快速定位。其高速、精確的定位是人工無(wú)法達(dá)到的，同時(shí)避免了因人工定位與鉆孔的誤差而造成工件反修或報(bào)廢的可能。高效率 數(shù)控平面鉆床由微機(jī)控制，按程序進(jìn)行自動(dòng)定位、根據(jù)不同的孔徑自動(dòng)調(diào)整至最佳的鉆孔進(jìn)給量與旋轉(zhuǎn)速度，人工只需上、下工件即可，減少了人工鉆孔時(shí)劃線定位、輔助鉆孔的人員，其鉆孔速度是人工的 4 倍以上；可連續(xù)地進(jìn)行加工，而不需要在上下工件時(shí)使機(jī)器停止運(yùn)行；100%的合格率又節(jié)省了人工鉆孔可能發(fā)生的返工工時(shí)。高智能 數(shù)控平面鉆床在人機(jī)交流即傳統(tǒng)的編程上作了更突出的設(shè)計(jì)，使用戶操作非常簡(jiǎn)單、迅速，不具備電腦操作經(jīng)驗(yàn)者也可在很短的時(shí)間內(nèi)完成編程；程序簡(jiǎn)短，通常只需 23 條指令即可；對(duì)于機(jī)床的一些參數(shù)用戶不需處理；同時(shí)具有自檢，可以全自動(dòng)地完成所有工作。高性價(jià)比 因機(jī)床采用微機(jī)數(shù)值控制系統(tǒng)裝置，有精度高、效率高等優(yōu)越性。其3 / 51低價(jià)格在于僅針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)加工之特點(diǎn)與精度要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，相對(duì)其它數(shù)控機(jī)床（如數(shù)控銑床、車(chē)床、鉆床）的設(shè)備結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，加工精度要求較低。因此優(yōu)越性能與低價(jià)格便使該機(jī)床具有很高的性能價(jià)格比。 應(yīng)用領(lǐng)域H 鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)與民用建筑中的應(yīng)用廣泛。主要用于建筑鋼結(jié)構(gòu)中的梁、柱構(gòu)件。工業(yè)構(gòu)筑物的鋼結(jié)構(gòu)承重支架。地下工程的鋼樁及支護(hù)結(jié)構(gòu)。石油化工及電力等工業(yè)設(shè)備結(jié)構(gòu)。大跨度鋼橋構(gòu)件。船舶、機(jī)械制造框架結(jié)構(gòu)?；疖?chē)、汽車(chē)、拖拉機(jī)大梁支架。由于 H 型鋼的大量使用，H 鋼的鉆孔加工已成為鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。采用數(shù)控平面鉆床鉆削動(dòng)力頭實(shí)現(xiàn) H 鋼的孔加工是較為理想的加工方式之一。數(shù)控平面鉆床液壓進(jìn)給鉆削動(dòng)力頭除了用于 H 鋼結(jié)構(gòu)孔加工，它還可以用于機(jī)床零件加工、汽車(chē)工業(yè)、摩托車(chē)制造業(yè)、電梯制造業(yè)等行業(yè)的鉆、擴(kuò)、鉸加工具有廣泛的應(yīng)用前景。數(shù)控平面鉆床自控行程的鉆削動(dòng)力頭可以像組合機(jī)床那樣實(shí)現(xiàn)多動(dòng)力頭在一臺(tái)機(jī)床上使用，大大的提供加工效率。這不僅有助于提高鉆床加工的自動(dòng)化，而且對(duì)于滿足生產(chǎn)效率要求越來(lái)越高也具有重要意義。4 / 512 . 數(shù)控平面鉆床液壓進(jìn)給鉆削動(dòng)力頭總體方案設(shè)計(jì) 鉆削動(dòng)力頭系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案要求由于設(shè)計(jì)的多解性和復(fù)雜性，滿足某種功能要求的機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案可能會(huì)有多種，因此，在考慮機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案時(shí)，除滿足基本的功能要求外，還應(yīng)遵循以下原則：① 機(jī)械系統(tǒng)盡可能簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)鏈盡量簡(jiǎn)短 在保證實(shí)現(xiàn)功能要求的前提下，應(yīng)盡量采用構(gòu)建數(shù)和運(yùn)動(dòng)副數(shù)少的機(jī)構(gòu)，這樣可以簡(jiǎn)化機(jī)器的構(gòu)造，從而減輕重量，降低成本。此外，也可以減少由零件的制造誤差形成的運(yùn)動(dòng)鏈的累計(jì)誤差。選擇運(yùn)動(dòng)副 高副機(jī)構(gòu)可減少構(gòu)建數(shù)的運(yùn)動(dòng)副數(shù)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。但低副機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副元素加工方便，容易保證配合精度以及有較高的承載能力，究竟選用何種機(jī)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求全面衡量得失，盡可能做到揚(yáng)長(zhǎng)避短。在一般情況下，應(yīng)優(yōu)先考慮低副機(jī)構(gòu)，而且盡量少用移動(dòng)副。選擇原動(dòng)機(jī) 機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)與原動(dòng)機(jī)的形式密切相關(guān)。目前，電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)使用最廣泛，但是應(yīng)結(jié)合具體情況靈活選擇。② 盡量縮小裝備的尺寸機(jī)械的尺寸和重量隨所選擇的機(jī)構(gòu)類(lèi)型不同而有很大差別。該設(shè)計(jì)中選用變頻三相電動(dòng)機(jī)提供主運(yùn)動(dòng)動(dòng)力，省去了齒輪傳動(dòng)部分，使鉆削動(dòng)力頭尺寸減小，制造成本也降低。③ 機(jī)構(gòu)應(yīng)具有較好的動(dòng)力特性機(jī)構(gòu)在機(jī)械系統(tǒng)中不僅傳遞動(dòng)力，同時(shí)還要傳動(dòng)動(dòng)力，因此要選擇有較好動(dòng)力學(xué)特性的機(jī)構(gòu)。采用對(duì)稱布置的機(jī)構(gòu)。對(duì)于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)，其往復(fù)運(yùn)動(dòng)和平面一般運(yùn)動(dòng)的構(gòu)建以及偏心的回轉(zhuǎn)構(gòu)建的慣性力和慣性力矩較大，在選擇機(jī)構(gòu)時(shí)，應(yīng)盡可能考慮機(jī)構(gòu)的對(duì)稱性，以減少運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的動(dòng)載荷和振動(dòng)。該鉆削動(dòng)力頭采用雙液壓對(duì)稱布置在主軸兩側(cè)，為主軸提供對(duì)稱的軸向力，避免了主軸受到側(cè)向顛覆力。5 / 51④ 機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)具有良好的人機(jī)性能任何機(jī)械系統(tǒng)都是由人類(lèi)設(shè)計(jì)，并用來(lái)為人類(lèi)服務(wù)的，而且大多數(shù)機(jī)械系統(tǒng)都要由人來(lái)操作和使用，因此在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮人的人理特點(diǎn)，以求得人與機(jī)械系統(tǒng)的和諧統(tǒng)一。該鉆削動(dòng)力頭采用了 PLC 控制系統(tǒng)，控制相應(yīng)的液壓回路系統(tǒng)，能使動(dòng)力頭工作時(shí)進(jìn)給行程可控，并能自控形成，很大程度上降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。 總體方案的確定 方案的選擇本論文的數(shù)控平面液壓進(jìn)給鉆削動(dòng)力頭，采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，把鉆削動(dòng)力頭分為三個(gè)主要部分：主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)部分，進(jìn)給系統(tǒng)部分，控制系統(tǒng)部分。然后再把這三個(gè)部分集為一體。（1） 主運(yùn)動(dòng)方案選擇主運(yùn)動(dòng)，即旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)力源使用電動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)比較廣泛。傳統(tǒng)的鉆床一般都用電動(dòng)機(jī)作為主運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源，然后再通過(guò)齒輪傳動(dòng)，把電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力傳遞給主軸。本論文的數(shù)控平面鉆床液壓進(jìn)給鉆削動(dòng)力頭的主運(yùn)動(dòng)采用電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，但不是經(jīng)過(guò)齒輪把運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力傳遞給主軸，而是使用變頻器作為電動(dòng)機(jī)的電源，通過(guò)變頻調(diào)速來(lái)改變提供給主軸的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速。然后經(jīng)過(guò)帶輪把變頻電機(jī)的運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力傳遞給主軸，由于沒(méi)有齒輪的傳動(dòng)，為了避免帶輪打滑而影響運(yùn)動(dòng)傳遞，在此采用同步帶輪傳動(dòng)。這樣就使動(dòng)力頭的體積減小，加工簡(jiǎn)單，成本降低。（2） 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方案選擇6 / 51 外置液壓缸鉆削動(dòng)力頭數(shù)控平面鉆床液壓進(jìn)給鉆削動(dòng)力頭的方案設(shè)計(jì)，主要在于確定動(dòng)力頭的液壓進(jìn)給方式。傳統(tǒng)的液壓進(jìn)給鉆削動(dòng)力頭分為外置和內(nèi)置兩種。外置 是指為鉆削動(dòng)力頭提供軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的液壓缸置于主軸座外邊，然后通過(guò)與之相配套的機(jī)械滑臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)副。這種鉆削動(dòng)力頭體積比較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難。但工作行程比較大，可以鉆削深孔，一般用于礦業(yè)、石油業(yè)的鉆孔。，為液壓缸外置鉆削動(dòng)力頭。內(nèi)置 是指為鉆削動(dòng)力頭提供軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的液壓缸置于動(dòng)力頭內(nèi)部，與主軸套筒合為一個(gè)整體。這種鉆削動(dòng)力頭體積小，鉆削平穩(wěn)，精度高，但工作行程沒(méi)有外置液壓缸的鉆削動(dòng)力頭的工作行程大。一般用于機(jī)加工。，為主軸套與液壓缸合為一體的液壓缸內(nèi)置鉆削動(dòng)力頭。 內(nèi)置液壓缸鉆削動(dòng)力頭結(jié)合液壓缸外置和內(nèi)置這兩種傳統(tǒng)鉆削動(dòng)力頭的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)第三種方案。第三種方案采用內(nèi)外結(jié)合的方式，即液壓缸置于主軸座外部，推動(dòng)內(nèi)部的主軸套筒帶動(dòng)主軸作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，主軸座和箱體不動(dòng)。通過(guò)以上的三種液壓進(jìn)給方案的分析，第三種方案揚(yáng)長(zhǎng)避短，既能減小鉆削動(dòng)力頭的體積，又能提高其工作行程。所以本論文采用第三種液壓缸內(nèi)外結(jié)合的方式，為主軸進(jìn)給提供動(dòng)力。（3） 控制系統(tǒng)的方案選擇鉆床的控制系統(tǒng)有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng) DCS 與 PIC 控制系統(tǒng)等。7 / 51本設(shè)計(jì)中采用 PLC 控制系統(tǒng)。PLC 控制系統(tǒng)的可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)、維護(hù)方便，容易改造，體積小，重量輕，能耗低等特點(diǎn)。 方案的確定根據(jù)以上三個(gè)方案的選擇，確定數(shù)控平面鉆床液壓進(jìn)給鉆削動(dòng)力頭的設(shè)計(jì)方案為：如圖 所示。主運(yùn)動(dòng)采用變頻電機(jī)作為動(dòng)力源，通過(guò)變頻調(diào)速改變主運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速；變頻電機(jī)輸出的運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力直接通過(guò)同步帶輪傳遞給主軸。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)液壓缸對(duì)稱置于主軸座外邊，然后通過(guò)彈簧緩沖裝置（起減小液壓缸受震動(dòng)、沖擊作用）與主軸活塞套筒聯(lián)接，液壓缸在推動(dòng)主軸活塞套筒軸向移動(dòng)的同時(shí)，也帶動(dòng)主軸作軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。此方案使主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)副同時(shí)實(shí)現(xiàn)。數(shù)控平面鉆削液壓進(jìn)給鉆削動(dòng)力頭的進(jìn)給行程采用 PLC 控制，液壓缸進(jìn)給的時(shí)候通過(guò)彈簧緩沖裝置內(nèi)的感應(yīng)信號(hào)器判斷彈簧受力壓縮的范圍來(lái)發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)給 PLC系統(tǒng)，PLC 系統(tǒng)收到信號(hào)后可控制液壓回路系統(tǒng)，使主軸座工作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。主軸進(jìn)給的工進(jìn)行程由安裝在主軸尾部的端子板行程開(kāi)關(guān)來(lái)控制，由端子板行程開(kāi)關(guān)從主軸工進(jìn)開(kāi)始時(shí)通過(guò)判定主軸的工進(jìn)距離，當(dāng)鉆頭鉆透或者鉆到一定距離的時(shí)候，主軸暫停預(yù)定時(shí)間后快速退回。由此達(dá)到鉆削動(dòng)力頭的行程可控，并自控行程。即鉆削動(dòng)力頭的進(jìn)給為：快進(jìn)——工進(jìn)（碰到工件時(shí)，緩沖彈簧壓縮，感應(yīng)器發(fā)出信號(hào)給 PLC 控制液壓回路）——暫停（由端子板行程開(kāi)關(guān)控制，當(dāng)鉆透或鉆到一定深度，暫停）——快退（暫停預(yù)定時(shí)間后，延時(shí)開(kāi)關(guān)合閉，主軸快速退回）——原始停止（退到原始位置，碰到位置擋塊，使主軸停