【文章內(nèi)容簡介】 應(yīng)用 手持式電鉆通常稱為手電鉆，亦稱電鉆，是開發(fā)最早、使用最廣泛的電動工具。它適用于金屬材料上鉆孔，也可在木材、塑料、磚等非金屬構(gòu)件上鉆孔加工。其特點是：體積小、質(zhì)量輕、便于攜帶、操作簡單、使用靈活等。 電鉆的種類繁多，按使用電源可分為：單相串勵、三相工頻和永磁直流電鉆；按速度可分為：單速、雙速和無級電子調(diào)速電鉆；按電氣安全方式可分為：單絕緣、雙重絕緣和特低安全電壓電鉆；按手柄類型可分為：直筒式、手槍式、后直手柄（ D 型柄） + 側(cè)手柄電鉆等類型。 電鉆廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、造船 、車輛等領(lǐng)域，隨著建筑裝潢業(yè)的不斷發(fā)展，電鉆的應(yīng)用更加普遍，并開始進入家庭。 電鉆的基本結(jié)構(gòu) 電鉆的基本結(jié)構(gòu)如圖 所示，它由電動機、齒輪傳動機構(gòu)、外殼、鉆夾頭和電源聯(lián)接裝置等組成。 [圖片來源：汪鎮(zhèn)國主編 .電機工程手冊（第二版） 6 應(yīng)用卷（一）圖 ] 1電動機 2外殼 3齒輪傳動機構(gòu) 4鉆夾頭 5手柄 6電源開關(guān) 圖 電鉆的基本結(jié)構(gòu)圖 電鉆的發(fā)展概況 世界上最早的電動工具出現(xiàn)在歐洲， 1985 年，一臺采用直流電動機驅(qū)動鉆頭的手電鉆在湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 德國 Fein 廠誕生，其 外殼是鑄鐵的，重達 ，能在鋼鐵件上鉆直徑 4mm 的孔。它雖然簡單而且顯得笨重，但它已具備電動工具的典型結(jié)構(gòu)和基本特征，使手工勞動實現(xiàn)機械化。 隨著科學(xué)技術(shù)的進步，電鉆在不斷的改進。 1900 年，出現(xiàn)了采用三相異步電動機的電鉆； 1905 年，電鉆外殼開始采用鋁合金，減輕了整機重量。 1912~1913 年間，第一批交直流兩用單相串激電鉆問世，這使電鉆的單位重量出力有了很大提高。 1914 年，美國 Blacramp。Decker廠槍式手柄電鉆正式申請專利。為提高電鉆的使用安全性， 1946 年，美國出現(xiàn)采用熱固性酚醛塑料外殼 的電鉆；從 1950 起，英國 Wolf、德國 AEG 等歐洲電動工具廠開始生產(chǎn)雙重絕緣結(jié)構(gòu)的電鉆。隨后為擴大使用范圍、提高鉆孔精度，又出現(xiàn)角向電鉆、調(diào)速電鉆、磁座鉆等。1961 年，美國 Blacramp。Decker 廠制造出用電池做電源的永磁直流電鉆。 我國電動工具制造史也是由電鉆開始的。 1941 年，上海大威電機廠開始仿造美國香賓牌電鉆。新中國成立后，上海華生和亞美電器廠分別仿制生產(chǎn)英國狼牌電鉆。 1954 年，大威電機廠明確為電動工具專業(yè)生產(chǎn)廠，試制了生產(chǎn) 1 1 23mm 單相串激和三相工頻電鉆。1965 年，沈陽電動工 具廠試制成功 JIZ10 型雙重絕緣電鉆； 1988 年，上海宇宙電動工具廠開發(fā)成功 JODSZ016 型電池式雙速多能電鉆。近年來，我國電動工具產(chǎn)品在品種、規(guī)格、產(chǎn)量、質(zhì)量上都有較大發(fā)展。 存在的問題與解決方案 由于我國電動工具生產(chǎn)起步較晚，因此我國的產(chǎn)品始終與國外先進水平有著一定的差距。過去我國產(chǎn)品存在著品種少、外觀差、噪音大、有電磁干擾、單位重量輸出低和使用壽命短等問題，且大量的產(chǎn)品及原材料依賴于進口，經(jīng)過不斷的發(fā)展，我國在電動工具生產(chǎn)上取得了可喜的成績，如今已成為世界電動工具的生產(chǎn)大國和出口大國， 逐漸縮小了與發(fā)達國家之間的差距，但是我國的產(chǎn)品在質(zhì)量與水平上仍存在一些問題： 一是單位重量出力低。國產(chǎn)的電鉆單位重量出力大都在 120w/kg 以下，國外電鉆都在150w/kg，有的甚至超過 200w/kg。二是國外電鉆大都采用電子調(diào)速，還有不少采用電子控制，除了調(diào)速功能外，還有起動保護、過載保護、電刷自停保護量顯示等。國內(nèi)僅有部分產(chǎn)品采用電子調(diào)速，電子控制產(chǎn)品則剛開發(fā)。三是噪聲、振動比較大。據(jù)了解，國產(chǎn)電鉆噪聲約比國外高 2 分貝以上，有的還有高頻尖叫聲，國外先進產(chǎn)品聲音柔和，對人體健康危害小。并經(jīng)振動實驗，表明振 動指標，我國尚未開展此項研究。四是在外殼設(shè)計上不夠完美。國外先進水平產(chǎn)品的外殼均采用人體工程學(xué)原理設(shè)計，其外形美觀，操作舒適，低疲勞，避免了長期手持操作而產(chǎn)生腕管綜合癥等。此外，我國產(chǎn)品的平均使用壽命也較國外低。 針對以上提出的問題，本文將從以下幾個方面來解決： 一、提高單位重量出力?？梢酝ㄟ^提高電動機額定轉(zhuǎn)速，使額定負載轉(zhuǎn)速與空載轉(zhuǎn)速基本相同來提高單位重量出力，還可采用深槽定子結(jié)構(gòu)、提高絕緣結(jié)構(gòu)的耐熱等級、提高電動湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 機額定轉(zhuǎn)速等技術(shù)措施。 二、采用電子無級調(diào)速開關(guān)裝置，使電鉆能夠?qū)崿F(xiàn)從 0~額定負載轉(zhuǎn)速之間無 級調(diào)速，并有正反轉(zhuǎn)和自鎖功能。 三、減小噪聲和振動。噪聲、振動是影響電動工具正常使用的重要質(zhì)量指標，要減小振動和噪聲，取決于選用的材料及零部件的質(zhì)量和加工工藝水平，可在齒輪的加工精度、換向器的質(zhì)量、軸絕緣工藝等方面采取技術(shù)措施。此外，電鉆在工作時會干擾無線電和電視，應(yīng)安裝無線電干擾抑制電容器。 四、使外殼具有外表美觀、質(zhì)輕、操作舒適等特點。故采用人體工程學(xué)原理設(shè)計電鉆的外殼，具體包括材料的選擇、結(jié)構(gòu)的設(shè)計、手柄的設(shè)計等。 本設(shè)計說明書總共分為六個章節(jié)，包括電鉆的總體設(shè)計方案、電動機及其電器元件的選擇、傳動裝 置的設(shè)計、外殼的設(shè)計等等。其中第四章傳動裝置的設(shè)計是本次設(shè)計的核心，也是本設(shè)計最困難、工作量最大的一部分，匯集了大量的計算公式和圖表說明，軸承、鍵等標準件的參數(shù)均通過嚴格查表而得。設(shè)計過程中經(jīng)常用到 UG、 Auto CAD 和公式編輯器等輔助軟件。 4 第 2 章 電鉆的總體設(shè)計方案 電鉆的結(jié)構(gòu)及工作原理 電鉆由電動機、齒輪傳動機構(gòu)、鉆夾頭、外殼、開關(guān)、電源聯(lián)接裝置等部分構(gòu)成。電鉆的工作原理是電動機的高速旋轉(zhuǎn)運動通過兩級齒輪減速后，驅(qū)動工作頭作鉆孔等加工。 主要技術(shù)參數(shù)的確定 根據(jù) [1]單相串勵電鉆性能數(shù)據(jù)表，初步選定所設(shè)計的電鉆主要技術(shù)參數(shù)列于表 。 表 電鉆主要技術(shù)參數(shù) 型號規(guī)格 最大鉆孔直徑 / mm 額定電壓 /V 輸入功率 /W 空載轉(zhuǎn)速 /(r/min) 額定輸出功率 /W JIZ10A 鋼材 10 木材 25 220 350 0~2800 160 電鉆的傳動裝置 電鉆的傳動裝置采用一級齒輪傳動。其傳動裝置簡圖如下： 123 4 1— 齒輪 2— 軸齒輪 3— 風(fēng)扇 4— 電動機 圖 電鉆傳動裝置簡圖 5 第 3 章 電動機及電器元件的選擇 電動機的選擇 電動機是電鉆的驅(qū)動源，可謂電鉆的“心臟”。不同的電鉆使用的電動機種類規(guī)格不盡相同，通常采用以下三種電動機：單相串勵電動機、三相工頻電動機和 三相中頻電動機。其中使用最廣泛的是 單相串勵電動機，據(jù)統(tǒng)計在交流電動工具中有 95% 使用這種電動機，其特點是：轉(zhuǎn)速高、體積小、重量輕、啟動轉(zhuǎn)矩大、過載力強等，適用于交、直流兩種電源。因為它的特點符合電鉆體積小、重量輕等特點，故采用單相串勵電動機。 單相串勵電動機的結(jié)構(gòu)和規(guī)格 單相串勵電動機 由定子、轉(zhuǎn)子、電刷裝置及風(fēng)扇等部件組成，其中定子由定子鐵心和定子繞組構(gòu)成，定子鐵心是由硅鋼片沖制成具有凸級的定子片疊壓而成的，一般為 2 極，凸級上繞有勵磁繞組。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、電樞繞組、換向器及轉(zhuǎn)軸等構(gòu)成，轉(zhuǎn)子鐵心也是由硅鋼片沖制成具有槽的圓片疊壓而成，轉(zhuǎn)子沖片的槽形一般是半閉口槽，在槽內(nèi)放置絕緣材料后，在鐵心上疊繞電樞線圈，線圈的進、出線端與整流子銅片相焊接。為簡化工藝，轉(zhuǎn)子鐵心的槽，一般與轉(zhuǎn)軸軸線相平行，也可以疊裝成斜槽形式。斜槽結(jié)構(gòu)可使極面和電樞間的磁組變化較小，在運行時可減小電動機噪聲。 [1]冷卻風(fēng)扇 也裝置在轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸上。 為了趕超世界先進水平，我國早在 60年代 對電動工具用單相串勵電動機進行了大量的試驗研究工作， 設(shè)計制造了電動工具用 DT系列單相串勵電動機，共有 7種定子、轉(zhuǎn)子沖片， 15個功率等級，此外，每種沖片還派生一個正反轉(zhuǎn)規(guī)格，共計 22 個規(guī)格。 1974 年，電動工具行業(yè)在 DT系列單相串勵電動機中擇優(yōu)選取了 56? 、 71? 、 90? mm三擋沖片進行了單相串勵電動工具的設(shè)計， 本次設(shè)計的電鉆所用的電動機將從這三檔沖片中選擇。這三擋沖片設(shè)計的電動機性能數(shù)據(jù)列于表 。表中數(shù)據(jù)來源于 [1] 單相串勵電動機性能數(shù)據(jù)表。 表 電動機性能數(shù)據(jù)表 定子沖片 1D()mm 輸出功率??Pw 電壓 U??V 頻率 ? ?f Hz 電流 ??IA 轉(zhuǎn)矩 ? ?tM Nm? 轉(zhuǎn)速 n minr 效率 ??%? 功率 因數(shù) cos? 定子每級匝數(shù) 1W 轉(zhuǎn)子每元件匝數(shù) 2W 實槽節(jié)距 3Y 56 140 220 50 1 14000 247 36 4 204 14300 197 27 4 71 275 12100 185 20 5 385 13200 68 138 17 5 90 550 9900 134 13 9 770 13200 69 116 10 9 1250 12500 75 8 8 8 6 定子沖片 1D()mm 定子繞組線規(guī) ? ?1d mm 轉(zhuǎn)子繞組線規(guī)? ?2d mm 風(fēng)扇直徑 ? ?1BD mm 換向器直徑eD? ?mm 換向器片數(shù) 電刷長度? ?ba cm 電刷寬度? ?bbcm 定子內(nèi)徑? ?12D cm 轉(zhuǎn)子直徑? ?2Dcm 56 48 22 27 71 64 26 33 90 2? 81 90 33 38 2? 2? 單相串勵電動機型號的選擇 因為電鉆的規(guī)格為 10A（普通型），根據(jù)電鉆輸入功率較低、轉(zhuǎn)速快、體積小、質(zhì)量輕等特點，綜合表 [1]單相串勵電鉆系列性能數(shù)據(jù)表，可得到電動機的基本參數(shù)如表 示。 表 定子沖片 1D ()mm 輸出功率()PW 電壓 ()UV 頻率 ()fHz 電流 ()IA 轉(zhuǎn)矩 ()tM Nm? 轉(zhuǎn)速 ( min)nr 效率 (%)? 71 385 220 50 13200 68 功率因數(shù) cos? 風(fēng)扇直徑1()BD mm 換向器直徑eD ()mm 換向器片數(shù) 電刷長度()bacm 電刷寬度()bbcm 定子內(nèi)徑12()Dcm 轉(zhuǎn)子直徑2()Dcm 64 26 33 轉(zhuǎn)子內(nèi)徑22()D cm 鐵心長度()Lcm 氣隙長度? ?gcm 槽數(shù) Z 轉(zhuǎn)子齒寬 ? ?cm 定子軛高 ? ?cm 11 定子沖片 1D ()mm 轉(zhuǎn)子內(nèi)徑? ?22D cm 鐵心長度? ?Lcm 氣隙長度? ?gcm 槽數(shù) Z 轉(zhuǎn)子齒寬 ? ?cm 定子軛高 ? ?cm 56 9 5 71 11 90 19 7 風(fēng)扇的選擇 通常在電動機轉(zhuǎn)軸上裝有風(fēng)扇，用以進行冷卻。風(fēng)扇分為軸輪式和離心式，電鉆所采用的是離心式風(fēng)扇。為減輕重量，采用工程塑料制造風(fēng)扇。在選擇電鉆用離心式風(fēng)扇時應(yīng)考慮： 風(fēng)扇直 徑 串勵電動機的風(fēng)扇外徑應(yīng)比定子鐵心外徑小 6～ 8mm。在本章 風(fēng)扇的外徑為 64mm,定子鐵心外徑為 71mm，符合要求。 葉片數(shù) 由于單相串勵電動機轉(zhuǎn)速高，為減小葉片間的渦流，風(fēng)扇外徑處的葉片數(shù)以選取較多的葉片為佳。 風(fēng)扇底板有平板式和傾斜式兩種。根據(jù) [1]單相串勵電動工具常用離心式風(fēng)扇主要尺寸表24，選擇該風(fēng)扇的尺寸列 于表 ： 表 風(fēng)扇直徑()mm 葉片形狀 ? 片數(shù) 1? 2? ? ()mm b ()mm 底板形狀 64 復(fù)合式 16? 37 90? 30? 13 平板式 換向器的選擇 轉(zhuǎn)子上與風(fēng)扇對立的一端是換向器。換向器由銅或銀等材料制成梯形換向片、塑料、內(nèi)襯套、云母片組成。換向器按片間絕緣分為半塑性和全塑性兩種。半塑性換向器是在換向片間用云母片隔開，其下部壓入玻璃纖維酚醛塑料，不但使換向片、云母片、銅襯套等固定，使之構(gòu)成圓柱體，而且起到絕緣作用。全塑性換向器是在梯形換向片間采用耐弧酚醛塑料絕緣。云母片不允許高于換向器的圓柱面，以免凸出的云母絕緣會使電刷和換向片接觸不良而在換向器上形成火花，并加快電刷磨耗。 換向器按其每一換向 片與繞組相應(yīng)的線圈聯(lián)接的形式可分為槽形換向器和鉤形換向器。溝形換向器的換向片端部有一舌形小溝，轉(zhuǎn)子繞組引線繞在小鉤上，點焊，連接質(zhì)量好。換向器內(nèi)孔有金屬襯套，與塑料壓在一起，與軸配合結(jié)為一體；無套則結(jié)構(gòu)簡單，精度不高，金屬襯套與軸配合較差。換向片燕尾槽內(nèi)設(shè)有鋼制加強環(huán)，或用無緯玻璃帶繞制的絕緣加強環(huán)，機械強度較高；無環(huán)則強度一般。綜合以上特點選擇溝形加固型換向器，內(nèi)孔結(jié)構(gòu)有襯套。其規(guī)格尺寸如表 。（該換向器為瑞安安固電器有限公司產(chǎn)品）。 表 型號 結(jié)構(gòu) 片數(shù) 內(nèi)徑/mm 外徑/mm 總高/mm 片高/mm 溝長 /mm 鉤外徑 /mm DZQDRAD441 鉤型加固 24 10 30 8 電刷裝置的選擇 電刷裝置由電刷、刷握和彈簧等組成，其結(jié)構(gòu)應(yīng)能保證電刷能在正確的位置與換向 器保持連續(xù)不斷的全面的良好接觸，使其接觸電壓降保持恒定。 電刷裝置按其結(jié)構(gòu)形式可分為卡式、辮式和芯式?？ㄊ浇Y(jié)構(gòu)是盤簧通過導(dǎo)電片把電刷壓在換向器表面，隨著電刷的磨短，盤簧、導(dǎo)電片和電刷下移，當電刷磨損使得盤簧、導(dǎo)電片被凹槽底部擋住，電刷就不再受壓，電流不再導(dǎo)通，此時需更換新電刷。這種結(jié)構(gòu)的電刷產(chǎn)生火花等級在二級以內(nèi)。辮式結(jié)構(gòu)是壓縮彈簧作用于電刷上，使之與換向器表面接觸，彈簧隨著電刷磨短而伸長，同時電刷辮也逐漸伸直，當電刷磨至刷辮完全伸直時，彈簧不再對電刷施壓，此時電刷與換向器面脫離接觸，電動機停轉(zhuǎn)。芯式結(jié)構(gòu)是 在電刷內(nèi)部埋有帶反力彈簧的圓柱塑料芯。當電刷磨到某一位置時，反力彈簧作用力使塑料芯沖破電刷面，同時電刷脫離換向器表面，電動機停轉(zhuǎn)。 [4] 上述三種結(jié)構(gòu)中，前兩種結(jié)構(gòu)簡單、易制作且成本低，但是電刷磨短至一定程度時，電刷與換向器之間的火花就會增大，從而損壞換向器。芯式結(jié)構(gòu)能彌補這一不足，但是加工要求較高，成本也高。由于辮式結(jié)構(gòu)較卡式結(jié)構(gòu)可靠耐用，故選擇辮式結(jié)構(gòu)。 電刷也稱為“碳刷”，一般采用電化石墨制成，形狀為長方形，上裝有彈簧及引線。它由刷架定位，用彈簧加一定壓力使其與換向器面接觸。電刷除接通轉(zhuǎn)子繞組與定子繞 組外還起到電流換向作用。單相串勵電動機有兩個電刷，其位置相差 180? 。電刷與高速旋轉(zhuǎn)的換向器面接觸是熱動接觸，且有一定壓力，故電刷與換向器間存在著機械磨損的振動，電流換向時產(chǎn)生火花使用不當時，火花會很嚴重，從而使換向器壽命大大縮短，影響電動工具正常工作。選用電刷主要考慮它的溫升，而溫升與電刷電流密度及其與換向器之間壓降密切相關(guān)，此外還要考慮電刷硬度、磨損性能和惰性等因素。 電動工具用電刷常用的型號為 D374L，由表 可知電刷長度為 8mm,寬度為 5mm， 根據(jù)電刷 規(guī)格、結(jié)構(gòu)形式及性能表，查出所選電刷的規(guī)格及性能數(shù)據(jù)列于表 中，電刷的結(jié)構(gòu)如圖 。 表 型號/mm 規(guī)格 /mm lar 導(dǎo)線截面/mm2 導(dǎo)線長度/mm 電阻率/??m 硬度/HRC 電流密度/Acm2 允許圓周速度/ms1 使用壓力/kPa D374L 5 8 16?? 29 50 90 12 50 ～ 1電刷 2引出線 3彈簧 4引線銅片 圖 9 開關(guān)的選擇 開關(guān)是電鉆控制電動機的元件，其主要功能是接通和斷開電源。為操作方便，開關(guān)一般裝在手柄內(nèi)，因此要求開關(guān)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、安全可靠、操作方便。由于開關(guān)直接與人接觸，為防止觸電，開關(guān)、手柄、自鎖按鈕均采用絕緣塑料制造。目前電動工具常用的 開關(guān)有普通電源開關(guān)、正反轉(zhuǎn)開關(guān)和無級調(diào)速開關(guān)三類。手柄的規(guī)格有倒板式、推動式、手槍式等。 電鉆按照規(guī)格 10mm可將 手柄設(shè)計為手槍式。為使電鉆不僅用于鉆孔之外，還具備擰螺釘功能，可采用正反轉(zhuǎn)開關(guān)，正反轉(zhuǎn)開關(guān)的原理是保持定子或轉(zhuǎn)子中的 一個電流方向不變，另一個電流改變方向，電動機的轉(zhuǎn)向也就改變了。電鉆在不同材料上鉆孔所需的轉(zhuǎn)速也不同，如在鋼材上鉆孔要求轉(zhuǎn)速較高，而在塑料、玻璃等脆性材料上，則要求轉(zhuǎn)速較低，因此為了擴大電鉆的使用范圍，可采用電子無級調(diào)速開關(guān)，轉(zhuǎn)速可以在零至最大值之間無級調(diào)速。調(diào)速開關(guān)是通過改變加于電動機上的電壓來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的，改變電壓的方法最常用的是改變晶閘管的導(dǎo)通角進行調(diào)壓。另外電鉆開關(guān)還應(yīng)設(shè)有自鎖機構(gòu)（閉合鎖定），鎖定開關(guān)閉合、斷開狀態(tài)。自鎖按鈕裝置在開關(guān)手柄的適當部位。 綜合以上內(nèi)容，選擇的開關(guān)類型為電子調(diào)速開關(guān)，并具有 正反轉(zhuǎn)功能，帶自鎖機構(gòu)。根據(jù) [1]表 2