【文章內(nèi)容簡介】 式鉆床控制系統(tǒng)改造及其進給系統(tǒng)設計 作者：田素坤 第 7 頁 共 31 頁在于它更加適應工業(yè)現(xiàn)場和市場要求?？煽啃愿?，抗干擾能力強、編程方便、價格低、壽命長。與單片機相比，它的輸入/輸出端更接近現(xiàn)場設備，不需添加太多的中間部件，這樣可以大大的節(jié)省用戶的開發(fā)時間與生產(chǎn)成本。 [16] 本章小結本章主要介紹了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?；?PLC 的臺式鉆床控制系統(tǒng)改造及其進給系統(tǒng)設計 作者：田素坤 第 8 頁 共 31 頁第 3 章 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切削運動，也要作軸向的直線進給運動。機床主軸被裝置在主軸套筒內(nèi)，套筒放置在主軸箱體孔的鑲套內(nèi)，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(nèi)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、停留和快退動作。 [15]鉆床在加工時，主軸要作高速的旋轉運動和進給運動。導入液壓缸進給系統(tǒng)后，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。圖 31 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1 1 234567基于 PLC 的臺式鉆床控制系統(tǒng)改造及其進給系統(tǒng)設計 作者：田素坤 第 9 頁 共 31 頁 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)仔細的研究。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。其結構圖如圖 31 示： [20]根據(jù)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 32所示：圖 32 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(jù)設計任務可知，生產(chǎn)工件時，要求生產(chǎn)率為 3 把/分鐘，即要求在 20秒內(nèi)要完成一件工件的送料、夾緊、鉆削加工和出料。1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 1 基于 PLC 的臺式鉆床控制系統(tǒng)改造及其進給系統(tǒng)設計 作者：田素坤 第 10 頁 共 31 頁已知件材料為 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 10mm 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。 [18]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。所以，鉆床主軸為僅受轉矩作用的軸類。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，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。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》選擇標準圓柱錐柄麻花鉆中等長度第一系列，刀具直徑為 10mm,鉆頭與主軸用莫氏錐孔連接。 [17]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》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》，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， ——選定的切削速度（m/min）vmin/10rdvn??基于 PLC 的臺式鉆床控制系統(tǒng)改造及其進給系統(tǒng)設計 作者：田素坤 第 11 頁 共 31 頁 ——刀具或工件的直徑（mm）d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》,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） ——刀具或工件的直徑（mm） n——主軸固定轉速（ r/min）d將 l =15mm，f =, d=12mm,n=850r/min 代入公式中，計算得出T=.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》得：鉆床轉矩計算公式如下： pkkfDM08234.?式中， —— 切削力矩（NM） —— 鉆頭直徑（mm）k—— 每轉進給量（ mm） —— 修正系數(shù)f p軸向切削力的計算公式如下： ???)3(bpk?基于 PLC 的臺式鉆床控制系統(tǒng)改造及其進給系統(tǒng)設計 作者：田素坤 第 12 頁 共 31 頁式中， —— 軸向切削力（N） —— 鉆頭直徑（mm） fFD—— 每轉進給量 (mm) —— 修正系數(shù)f pk已知被加工材料為 Q235 結構鋼，結構鋼和鑄鋼取=736MPa，D=12mm， =，所以可分別計算出切削轉矩和軸向切削為：b?f= NMkM=2595 NfF 鉆床主軸設計 主軸材料的選擇軸的材料種類很多，選用時主要根據(jù)對軸的強度、剛度、耐磨性等要求，以及為實現(xiàn)這些要求而采用的熱處理方式，同時考慮制造工藝問題加以選用，力求經(jīng)濟合理。根據(jù)工作條件要求，軸都要整體熱處理，一般是調質，對不重要的軸采用正火處理。對要求高或要求耐磨的軸或軸段要進行表面處理，以及表面強化處理(如噴丸、輻壓等)和化學處理(如滲碳、滲氮、氮化等)，以提高其強度（尤其疲勞強度）和耐磨、耐腐蝕等性能。 軸的結構設計由圖 32 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)、套筒、鎖緊螺栓和軸端花鍵連接等。根據(jù)鉆床軸徑選用軸承及花鍵尺寸如下（表 31）表示：根據(jù)主軸的行程，可確定鉆床主軸的基本長度尺寸如下圖示（圖 33）：表 31 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基于 PLC 的臺式鉆床控制系統(tǒng)改造及其進給系統(tǒng)設計 作者：田素坤 第 13 頁 共 31 頁矩形花鍵 832366 GB/T 11441987圖 33 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下（圖 34）：圖 34 鉆床主軸受力簡圖圖 35 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/（ ）=14 NM,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fF互抵消。所以，繪制主軸所受扭矩圖如圖 35。fF液 壓 力FMMk基于 PLC 的臺式鉆床控制系統(tǒng)改造及其進給系統(tǒng)設計 作者：田素坤 第 14 頁 共 31 頁根據(jù)軸上零件的布置，軸的危險截面為受力最大處，所以應對該處進行軸的強度效核。扭轉強度約束條件： ][TTWM????式中：τ T—— 軸的扭轉應力（MPa）M——軸的傳遞轉矩()WT——軸的抗扭截面模量（mm 3） [τ T]——軸的許用扭轉應力（ ）aMP查《機械設計》得花鍵的抗扭截面模量 WT的計算公式為：DdbzdT16)(141?????式中：d 1——花鍵內(nèi)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 ，所以可以計算3m出鉆床主軸的扭轉應力 = 。T?aMP由于[ ]=35 ，顯然 ≤[ ]，所以，軸滿足強度要求。T?aT? 進給液壓系統(tǒng)設計 負載分析負載分析中，暫且不考慮回油腔的背時壓力，所以需要考慮的力有：工作阻力、系統(tǒng)摩擦阻力、重力和慣性力。負載中工作阻力為鉆床的軸向切削力，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：η==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》鋼材密度取 ，主軸體積 V 為：3??mt92104?ldV?基于 PLC 的臺式鉆床控制系統(tǒng)改造及其進給系統(tǒng)設計 作者：田素坤 第 15 頁 共 31 頁式中： V——主軸體積（m 3） d——主軸直徑 (mm) ，取 40mm