【正文】 .................................................38 主軸的結構尺寸設計 .................................................38 主軸的校核 .........................................................39 主軸的扭轉強度 .................................................39 主軸的扭轉剛度校核計算 .........................................39 主軸的花鍵校核 .................................................40 主軸軸承 ...........................................................41 主軸軸承的選用 .................................................41 主軸軸承的壽命計算 ..............................................418. 綜合評價 ..............................................................43設計總結 .................................................................44致 謝 ...................................................................45參考文獻 .................................................................46附錄1 / 51引 言本畢業(yè)設計課題是數(shù)控平面鉆床液壓進給鉆削動力頭，目的是通過在數(shù)控平面鉆床液壓進給鉆削動力頭設計的基礎上，學習機床主軸及其相關的軸承、傳動等部件的設計計算，了解機電控制 PLC 等知識。以便更好的將機械專業(yè)所學知識運用到實際生產(chǎn)中，為以后的工作打下基礎，鞏固所學知識。機械加工行業(yè)中，孔加工占重要的地位。鉆床加工的自動化和生產(chǎn)效率要求越來越高，鉆床的發(fā)展急需改進。本課題的目的在于以自控行程鉆削動力頭為研究目標，主要解決當前 H 鋼的鉆孔加工專用鉆削動力頭。 隨著鋼結構在工業(yè)與民用建筑中的廣泛應用，H 鋼的鉆孔加工已成為鋼結構行業(yè)中的關鍵技術之一。因此對 H 鋼的鉆孔加工通過數(shù)控平面鉆床液壓進給鉆削動力頭實現(xiàn)是鉆孔加工是較為理想的加工方式。數(shù)控平面鉆床液壓進給鉆削動力頭一種集動力頭的主運動、進給運動和控制裝置于一體，具有體積小、重量輕、結構緊湊，鉆削過程簡單，可使鉆頭快速接近工件，立即自動轉換好的工進速度開始鉆孔，鉆完快速自動返回。它可用于 H 鋼結構、汽車工業(yè)、摩托車制造業(yè)、燃氣器具制造業(yè)、電梯制造業(yè)等行業(yè)的鉆、擴、鉸加工,具有廣泛的應用前景。數(shù)控平面鉆床自控行程的鉆削動力頭。這不僅有助于提高鉆床加工的自動化，而且對于滿足生產(chǎn)效率要求越來越高也具有重要意義。在現(xiàn)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(xiàn)的。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，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 %),所以在目前的機械制造行業(yè)中金屬切削機床是主要的加工設備。而機床的技術性能又直接影響機械制造行業(yè)的產(chǎn)品質量和勞動生產(chǎn)率，所以為了提高國家的工業(yè)生產(chǎn)能力和科學技術水準，必須對機床的發(fā)展作出新的要求。當前傳統(tǒng)鉆床問題的存在主要在于自動化程度、生產(chǎn)效率、工作環(huán)境及產(chǎn)品質量。在生產(chǎn)過程中，手動的操作、繁鎖的裝夾、大量生產(chǎn)力的投入和單一的生產(chǎn)流程導致了鉆床加工的自動化程度低、生產(chǎn)效率低、工作環(huán)境惡劣和產(chǎn)品質量不高，因此，我們要解決的問題在于如何實現(xiàn)鉆床加工的自動化、減少生產(chǎn)力的投入生產(chǎn)和與其它工藝流程相結合，同時也要考慮經(jīng)濟問題。2 / 511 . 數(shù)控平面鉆床液壓進給鉆削動力頭概況 研究現(xiàn)狀金屬切削機床是用刀具或磨具對金屬工件進行切削加工的機器，在制造業(yè)中，尤其是機械行業(yè)，機床有著非常廣泛的應用。然而鉆削加工仍然在零件加工中占有相當?shù)谋壤?，?jù)統(tǒng)計在零件加工中鉆孔加工占 %以上。鉆床是切削加工的主要設備之一。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，功能也越來越齊全、性能也不斷地完善。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、數(shù)控平面鉆床等。而數(shù)控平面鉆床的鉆削動力頭是數(shù)控平面鉆床的核心部件，鉆削動力頭是將進給運動與主運動集于一體；目前鉆削動力頭大多數(shù)靠液壓滑臺實現(xiàn)進給，由于采用了滑臺使動力頭結構復雜。在 隨著鋼結構的不大發(fā)展應用，數(shù)控平面鉆床的鉆削動力頭是加工鋼結構聯(lián)結孔的理想部件，必將得到大發(fā)展。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(xiàn)和數(shù)控技術的發(fā)展，我國的機械制造行業(yè)正朝著高精度、高效率、高智能發(fā)展。高精度 機床針對鋼結構行業(yè)加工設計，采用微機控制。在鉆孔加工時其最關鍵的孔位定位由微機控制進行自動、準確、快速定位。其高速、精確的定位是人工無法達到的，同時避免了因人工定位與鉆孔的誤差而造成工件反修或報廢的可能。高效率 數(shù)控平面鉆床由微機控制，按程序進行自動定位、根據(jù)不同的孔徑自動調(diào)整至最佳的鉆孔進給量與旋轉速度，人工只需上、下工件即可，減少了人工鉆孔時劃線定位、輔助鉆孔的人員，其鉆孔速度是人工的 4 倍以上；可連續(xù)地進行加工，而不需要在上下工件時使機器停止運行；100%的合格率又節(jié)省了人工鉆孔可能發(fā)生的返工工時。高智能 數(shù)控平面鉆床在人機交流即傳統(tǒng)的編程上作了更突出的設計，使用戶操作非常簡單、迅速，不具備電腦操作經(jīng)驗者也可在很短的時間內(nèi)完成編程；程序簡短，通常只需 23 條指令即可；對于機床的一些參數(shù)用戶不需處理；同時具有自檢，可以全自動地完成所有工作。高性價比 因機床采用微機數(shù)值控制系統(tǒng)裝置，有精度高、效率高等優(yōu)越性。其3 / 51低價格在于僅針對鋼結構加工之特點與精度要求進行設計，相對其它數(shù)控機床（如數(shù)控銑床、車床、鉆床）的設備結構較為簡單，加工精度要求較低。因此優(yōu)越性能與低價格便使該機床具有很高的性能價格比。 應用領域H 鋼結構在工業(yè)與民用建筑中的應用廣泛。主要用于建筑鋼結構中的梁、柱構件。工業(yè)構筑物的鋼結構承重支架。地下工程的鋼樁及支護結構。石油化工及電力等工業(yè)設備結構。大跨度鋼橋構件。船舶、機械制造框架結構?；疖嚒⑵?、拖拉機大梁支架。由于 H 型鋼的大量使用，H 鋼的鉆孔加工已成為鋼結構行業(yè)中的關鍵技術之一。采用數(shù)控平面鉆床鉆削動力頭實現(xiàn) H 鋼的孔加工是較為理想的加工方式之一。數(shù)控平面鉆床液壓進給鉆削動力頭除了用于 H 鋼結構孔加工，它還可以用于機床零件加工、汽車工業(yè)、摩托車制造業(yè)、電梯制造業(yè)等行業(yè)的鉆、擴、鉸加工具有廣泛的應用前景。數(shù)控平面鉆床自控行程的鉆削動力頭可以像組合機床那樣實現(xiàn)多動力頭在一臺機床上使用，大大的提供加工效率。這不僅有助于提高鉆床加工的自動化，而且對于滿足生產(chǎn)效率要求越來越高也具有重要意義。4 / 512 . 數(shù)控平面鉆床液壓進給鉆削動力頭總體方案設計 鉆削動力頭系統(tǒng)運動方案要求由于設計的多解性和復雜性，滿足某種功能要求的機械系統(tǒng)運動方案可能會有多種，因此，在考慮機械系統(tǒng)運動方案時，除滿足基本的功能要求外，還應遵循以下原則：① 機械系統(tǒng)盡可能簡單機構運動鏈盡量簡短 在保證實現(xiàn)功能要求的前提下，應盡量采用構建數(shù)和運動副數(shù)少的機構，這樣可以簡化機器的構造，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動鏈的累計誤差。選擇運動副 高副機構可減少構建數(shù)的運動副數(shù)，設計簡單。但低副機構的運動副元素加工方便，容易保證配合精度以及有較高的承載能力，究竟選用何種機構，應根據(jù)具體設計要求全面衡量得失，盡可能做到揚長避短。在一般情況下，應優(yōu)先考慮低副機構，而且盡量少用移動副。選擇原動機 機械系統(tǒng)的運動與原動機的形式密切相關。目前，電動機、內(nèi)燃機使用最廣泛，但是應結合具體情況靈活選擇。② 盡量縮小裝備的尺寸機械的尺寸和重量隨所選擇的機構類型不同而有很大差別。該設計中選用變頻三相電動機提供主運動動力，省去了齒輪傳動部分，使鉆削動力頭尺寸減小，制造成本也降低。③ 機構應具有較好的動力特性機構在機械系統(tǒng)中不僅傳遞動力，同時還要傳動動力，因此要選擇有較好動力學特性的機構。采用對稱布置的機構。對于高速運轉的機構，其往復運動和平面一般運動的構建以及偏心的回轉構建的慣性力和慣性力矩較大，在選擇機構時，應盡可能考慮機構的對稱性，以減少運轉過程中的動載荷和振動。該鉆削動力頭采用雙液壓對稱布置在主軸兩側，為主軸提供對稱的軸向力，避免了主軸受到側向顛覆力。5 / 51④ 機械系統(tǒng)應具有良好的人機性能任何機械系統(tǒng)都是由人類設計，并用來為人類服務的，而且大多數(shù)機械系統(tǒng)都要由人來操作和使用，因此在進行機械設計時，必須考慮人的人理特點，以求得人與機械系統(tǒng)的和諧統(tǒng)一。該鉆削動力頭采用了 PLC 控制系統(tǒng)，控制相應的液壓回路系統(tǒng)，能使動力頭工作時進給行程可控，并能自控形成，很大程度上降低了工人的勞動強度。 總體方案的確定 方案的選擇本論文的數(shù)控平面液壓進給鉆削動力頭，采用模塊化的設計思路，把鉆削動力頭分為三個主要部分：主運動傳動系統(tǒng)部分，進給系統(tǒng)部分，控制系統(tǒng)部分。然后再把這三個部分集為一體。（1） 主運動方案選擇主運動，即旋轉運動，其動力源使用電動機和內(nèi)燃機比較廣泛。傳統(tǒng)的鉆床一般都用電動機作為主運動的動力源，然后再通過齒輪傳動，把電動機的運動與動力傳遞給主軸。本論文的數(shù)控平面鉆床液壓進給鉆削動力頭的主運動采用電動機作為動力源，但不是經(jīng)過齒輪把運動與動力傳遞給主軸，而是使用變頻器作為電動機的電源，通過變頻調(diào)速來改變提供給主軸的運動轉速。然后經(jīng)過帶輪把變頻電機的運動與動力傳遞給主軸，由于沒有齒輪的傳動，為了避免帶輪打滑而影響運動傳遞，在此采用同步帶輪傳動。這樣就使動力頭的體積減小，加工簡單，成本降低。（2） 進給運動方案選擇6 / 51 外置液壓缸鉆削動力頭數(shù)控平面鉆床液壓進給鉆削動力頭的方案設計，主要在于確定動力頭的液壓進給方式。傳統(tǒng)的液壓進給鉆削動力頭分為外置和內(nèi)置兩種。外置 是指為鉆削動力頭提供軸向進給運動的液壓缸置于主軸座外邊，然后通過與之相配套的機械滑臺來實現(xiàn)進給運動的移動副。這種鉆削動力頭體積比較大、結構復雜，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力頭。內(nèi)置 是指為鉆削動力頭提供軸向進給運動的液壓缸置于動力頭內(nèi)部，與主軸套筒合為一個整體。這種鉆削動力頭體積小，鉆削平穩(wěn)，精度高，但工作行程沒有外置液壓缸的鉆削動力頭的工作行程大。一般用于機加工。，為主軸套與液壓缸合為一體的液壓缸內(nèi)置鉆削動力頭。 內(nèi)置液壓缸鉆削動力頭結合液壓缸外置和內(nèi)置這兩種傳統(tǒng)鉆削動力頭的優(yōu)缺點，設計第三種方案。第三種方案采用內(nèi)外結合的方式，即液壓缸置于主軸座外部，推動內(nèi)部的主軸套筒帶動主軸作進給運動，主軸座和箱體不動。通過以上的三種液壓進給方案的分析，第三種方案揚長避短，既能減小鉆削動力頭的體積，又能提高其工作行程。所以本論文采用第三種液壓缸內(nèi)外結合的方式，為主軸進給提供動力。（3） 控制系統(tǒng)的方案選擇鉆床的控制系統(tǒng)有計算機控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng) DCS 與 PIC 控制系統(tǒng)等。7 / 51本設計中采用 PLC 控制系統(tǒng)。PLC 控制系統(tǒng)的可靠性高，抗干擾能力強、維護方便，容易改造，體積小，重量輕，能耗低等特點。 方案的確定根據(jù)以上三個方案的選擇，確定數(shù)控平面鉆床液壓進給鉆削動力頭的設計方案為：如圖 所示。主運動采用變頻電機作為動力源，通過變頻調(diào)速改變主運動的轉速；變頻電機輸出的運動與動力直接通過同步帶輪傳遞給主軸。進給運動是由兩個液壓缸驅動，兩個液壓缸對稱置于主軸座外邊，然后通過彈簧緩沖裝置（起減小液壓缸受震動、沖擊作用）與主軸活塞套筒聯(lián)接，液壓缸在推動主軸活塞套筒軸向移動的同時，也帶動主軸作軸向進給運動。此方案使主運動和進給運動兩個運動副同時實現(xiàn)。數(shù)控平面鉆削液壓進給鉆削動力頭的進給行程采用 PLC 控制，液壓缸進給的時候通過彈簧緩沖裝置內(nèi)的感應信號器判斷彈簧受力壓縮的范圍來發(fā)出相應的信號給 PLC系統(tǒng)，PLC 系統(tǒng)收到信號后可控制液壓回路系統(tǒng)，使主軸座工作進給運動。主軸進給的工進行程由安裝在主軸尾部的端子板行程開關來控制，由端子板行程開關從主軸工進開始時通過判定主軸的工進距離，當鉆頭鉆透或者鉆到一定距離的時候，主軸暫停預定時間后快速退回。由此達到鉆削動力頭的行程可控，并自控行程。即鉆削動力頭的進給為：快進——工進（碰到工件時，緩沖彈簧壓縮，感應器發(fā)出信號給 PLC 控制液壓回路）——暫停（由端子板行程開關控制，當鉆透或鉆到一定深度，暫停）——快退（暫停預定時間后，延時開關合閉，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