【文章內容簡介】 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。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 10 頁 共 41 頁 3 專用鉆床進給系統(tǒng)的設計 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(xiàn)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(xiàn)主軸的高速旋轉。往復進給運動由液壓缸來完成動作。如圖 所示 。 圖 普通臺式鉆床進給系統(tǒng)簡圖 主軸套筒鑲套 推力球軸承 主軸套筒 主軸 深溝球軸承 齒輪齒條手動進給系統(tǒng) 主軸箱 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。 1 1 2 3 4 5 6 7 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 11 頁 共 41 頁 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 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 所示： 圖 自動鉆床的進給系統(tǒng)簡圖 主軸 深溝球軸承 活塞桿 液壓缸筒 油路口 液壓缸蓋 鎖緊螺釘 推力球軸承 密封圈 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） l≈ 15mm。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1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 1 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 12 頁 共 41 頁 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 。 切削力的計算 切削刀具及相關參數(shù)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=；其對應的切削速度 V=32m/min。 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： （ ） 式中， v —— 選定的切削速度（ m/min） d —— 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： （ ） 式中， l—— 被鉆孔厚度（ mm） f—— 切削進給量（ mm/r） d —— 刀具或工件的直徑（ mm） n—— 主軸固定轉速（ r/min） 將 l =15mm， f =， d=12mm， n=850r/min 代入公式中，計算得出 T=。 dvn ?1000?分fn 30??min/r 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 13 頁 共 41 頁 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。 切削力的計算 鉆床切削力的計算包括鉆床主軸轉矩計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： pk 082340? （ ） 式中， kM —— 切削力矩（ N M） D —— 鉆頭直徑（ mm） f —— 每轉進給量（ mm） pk —— 修正系數(shù) （ ） 軸向切削力的計算公式如下： KDfF 70667? （ ） 式中， fF —— 軸向切削力（ N） D —— 鉆頭直徑（ mm） f —— 每轉進給量 (mm) pk —— 修正系數(shù) 已知被加工材料為 Q235 結構鋼，結構鋼 和鑄鋼取 b? =736MPa， D =12mm， f =，所以可分別計算出切削轉矩和軸向切削為： kM = N M fF =2595 N 鉆床主軸設計 主軸材料的選擇 在軸的設計過程中，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； 750736 .bp )(k ?? 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 14 頁 共 41 頁 (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(shù)如下： δ b=650MPa； δ s=360MPa； δ 1=300MPa； τ 1=155MPa；[δ 1]b=60MPa； [τ T]=35MPa。 軸徑的計算 由金屬切削原理 [14]可知，主軸切削功率的計算公式為： MK （ ） 式中： fF —— 軸向切削力（ N） f —— 每轉進給量 (mm) n—— 主軸固 定轉速（ r/min） kM —— 切削力矩（ N M） 將以上數(shù)值代入公式中可計算出功率 mP = 考慮到軸承傳動效率（查得為 ）和花鍵傳動效率 [5]（查得為 ），所以可計算出鉆床主軸要傳遞的功率 P 為： P= mP /( )= （ ） 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 npCdmin ?? （ ） 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(xiàn)選自動鉆床直徑為 40mm。 軸的結構設計 310602601 0 0 0 ????? )nMfnF(P kfm ? 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 15 頁 共 41 頁 由圖 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 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 所示 。 表 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 2761994 推力球軸承 滾動軸承 51308 GB/T 3011995 花鍵 8 32 36 6 GB/T 11441987 圖 鉆床主軸基本尺寸簡圖 軸強度的校核 由工況分析可知，鉆床主軸的受力圖如圖 所示 。 圖 鉆床主軸受力簡圖 圖 鉆床主軸轉矩簡圖 fF 液壓力F M Mk 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 16 頁 共 41 頁 考慮到傳動效率，鉆床主軸要傳遞的轉矩 M=Mk/（ ） =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 fF 相互抵消。所以，繪制主軸所受轉矩圖如圖 。 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校驗。 扭轉強度約束條件： ][WM TTT ???? （ ） 式中： τ 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） [τ T]—— 軸的許用扭轉應力（ aMP ） 查《機械設計》 [6]得花鍵的抗扭截面模量 WT的計算公式為： D )dD)(dD(bzdWT 16 1141 ???? ? （ ） 式中： d1—— 花鍵內徑（ mm） b—— 花鍵齒寬 (mm) z—— 花鍵的齒數(shù) D—— 花鍵的外徑（ mm） 將選用花鍵的基本參數(shù)代入公式中可計算出 WT=5739 3mm ，所以可以計 算出鉆床主軸的扭轉應力 T? = aMP 。 由于 [ T? ]=35 aMP ，顯然 T? ≤ [T? ]，所以，軸滿足強度要求。 進給液壓系統(tǒng)設計 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）、 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 17 頁 共 41 頁 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 fF =2595 N。 系統(tǒng)摩擦阻力在機械效率中考慮，軸承傳動效率取 ，花鍵傳動效率取 ，液壓傳動效率取 ，所以計算出整下系統(tǒng)的機械效率 η 為 [6]： η = = （ ） 系統(tǒng)要克服的重力有鉆床主軸重力和液壓缸活