【正文】 在未來的日子里，我會(huì)更加努力的學(xué)習(xí)和工作，不辜負(fù) 老師、 父母 和朋友 對(duì)我的 殷切期望！我一定會(huì)加倍努力，爭(zhēng)取更大的進(jìn)步！ 33 參 考 文 獻(xiàn) [1] 上海紡織工學(xué)院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué) .機(jī)床設(shè)計(jì)圖冊(cè) .上?？茖W(xué)技術(shù)出版， 1979. [2] 徐 .機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第 5卷 .機(jī)械工業(yè) 出版社， 1995. [3] 朱龍根 .簡(jiǎn)明機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè) .機(jī)械工業(yè)出版社。本論文的順利完成，離不開各位老師、同學(xué)和朋友的關(guān)心和幫助。本論文從選題到完成，每一步都是在孫老師的指導(dǎo)下完成的，傾注了老師大量的心血和汗水。 32 八 致謝 本 次畢業(yè) 論文是在孫金風(fēng)副教授悉心指導(dǎo) 下完成的。 本次設(shè)計(jì)主要做了以下工作： 1） 根據(jù)已知的轉(zhuǎn)速、行程等計(jì)算出轉(zhuǎn)矩，并初步選擇標(biāo)準(zhǔn)液壓 缸； 2） 對(duì)選擇的各元件， 在保證強(qiáng)度和壽命的條件下進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和參數(shù)等的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輕量化和 各零部件和等強(qiáng)度等壽命的總體要求； 3） 對(duì)軸和鍵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和相關(guān)強(qiáng)度的校核，對(duì)機(jī)體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并完成了軸承的強(qiáng)度校核 ； 4） 根據(jù)上面的設(shè)計(jì)及計(jì)算，我們繪制出了液壓鉆動(dòng)力頭的總裝配圖，以及主軸，箱體和液壓系統(tǒng)的零件圖 。 液壓泵的選擇 我們?cè)谶x擇合適的液壓泵的時(shí)候，要在保證其可靠性、使用壽命、維護(hù)保養(yǎng)等方面外，還應(yīng)考慮各種參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，例如以下參數(shù)就對(duì)我們的選擇起到很大的影響，有工作壓力、轉(zhuǎn)速、流量和液壓油的相容性 。 在液壓系統(tǒng)中，液壓泵作為動(dòng)力源，為液壓系統(tǒng)提供液壓壓力。采用彈性物密封圈時(shí) 1?v? ；采用金屬環(huán)時(shí)， ?v? 。工作類型為等速缸，額定壓力為 7MPa，采用底角形式安裝，活塞桿端用外螺紋連接，缸徑為 100mm，活塞桿徑為 32mm，行程為 250mm。 國家標(biāo)準(zhǔn)的活塞行程系列如下表所示： 表 66 活塞行程 mm 25 50 80 100 125 160 200 250 320 400 500 計(jì)算所得的液壓缸行程為 mm240 ，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值，選活塞行程為 mm250 。進(jìn)給油箱帶動(dòng)滑板在導(dǎo)軌上移動(dòng)，動(dòng)力頭通過套筒與滑板焊接傳遞動(dòng)力，因此，動(dòng)力頭對(duì)鉆具的加、減壓給進(jìn)由給進(jìn)油缸直接驅(qū) 動(dòng)，剛性大導(dǎo)向性好、間隙可調(diào)節(jié)。由于上腔工作面積大于下腔工作面積，所以提升力大于給進(jìn)力，滿足鉆進(jìn)工藝要求。當(dāng)b 孔進(jìn)油時(shí)通過內(nèi)層油管進(jìn)入液壓缸上腔，下腔油通過 a 孔返回油箱，進(jìn)行后退工作。本次設(shè)計(jì)將標(biāo)準(zhǔn)液壓缸加以技術(shù)改造，如下圖61 4 )(22 dDA ?? ?21224 )( pp FdDA ???? ? 29 圖 61 液壓缸 進(jìn)給機(jī)構(gòu)帶動(dòng)動(dòng)力頭前進(jìn)或后退達(dá)到鉆進(jìn)或后退的目的，本設(shè)計(jì)采用長(zhǎng)行程單桿液壓缸進(jìn)給機(jī)構(gòu)，動(dòng)力頭 給進(jìn)機(jī)構(gòu)如上圖。如果 說計(jì)算結(jié)果 與標(biāo)準(zhǔn)值液壓缸參數(shù)相差不到 ， 則 最好選用標(biāo)準(zhǔn)液壓缸， 這是為了免去自行設(shè)計(jì)和加工 。 一般來說，在 2個(gè)工況下的液壓缸，活塞面積計(jì)算公式 ： 運(yùn)用上式計(jì)算活塞直徑和活塞桿的直徑，必須先確定活塞直徑 D 與活塞桿直徑 d 的關(guān)系，令桿徑比 Dd/?? ， 由于 為 單 桿雙作用缸，往返速度相等 。 液壓缸主要尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算 液壓缸主要尺寸的計(jì)算 液壓缸有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如下圖所示，則存在活塞桿受力為： mms 240?min/8mv?AppF )( 21 ?? 28 式中 — 活塞的有效工作面積 1p — 液壓缸工作腔壓力 Pa 2p — 液壓缸回油腔壓力 Pa ， 可根據(jù)回路的具體情況來確定 ，初算時(shí)可參照表 3 取值。 具體可參考表 61和表 62。 動(dòng)力頭電氣原理圖如圖 51 26 圖 51 電氣原理圖 數(shù)控液壓鉆動(dòng)力頭的動(dòng)作順序如圖 52所示，其中， 1ST*SB表示 1ST與 SB同時(shí)閉合；“ +”代表電磁閥得電，“ ”表示電磁閥失電。 （ 4） 快退 延時(shí)開關(guān) KT 延時(shí)到預(yù)定時(shí)間后接通， 2YA得點(diǎn)事電磁換向閥右位接通，實(shí)現(xiàn)快速退回。 （ 2） 工進(jìn) 當(dāng)鉆頭碰到工件時(shí)，開關(guān) SQ1 接通，繼電器 KA2 得電，使開關(guān) KA2 閉合， 3YA 的電使速度換向閥啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 [13] PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 我們可以根據(jù)液壓回路的設(shè)計(jì)，完成了電氣控制系統(tǒng)，從而使主軸在作主運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)：快進(jìn) — 工進(jìn) — 延時(shí) — 快退 — 停止 。由以上分析，該方案不僅操作簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，而且控制精度高，工作可靠等。 可以說，現(xiàn)在可編程控制器已經(jīng)成為自動(dòng)化控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的控制裝置。 液壓系統(tǒng)原理圖的繪制 液壓系統(tǒng)工作循環(huán)圖 41： 圖 41 系統(tǒng)循環(huán)圖 液壓系統(tǒng)原理圖 42： 24 圖 42液壓系統(tǒng)原理圖 其工作原理為： 參見《液壓與氣壓傳動(dòng)》 [16]第 4 版，左健民主編， 164 頁： YT4543 動(dòng)力滑臺(tái)的液壓系統(tǒng)的工作原理。系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)往復(fù)功能且系統(tǒng)的控制精度要求較高，因此采用運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn)的單長(zhǎng)桿雙作用活塞缸。 為了降低泵的不規(guī)則脈動(dòng)對(duì)液壓閥的沖擊，我們?cè)谝簤夯芈分屑友b一個(gè)特殊的裝置來吸收部分脈動(dòng) —— 蓄能器，而且我們還在液壓回路中加裝了壓力控制閥來控制回路中的壓力，起到過載保護(hù)的作用 。 23 液壓控制系統(tǒng)動(dòng)力源的選擇 我們這里選擇的液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)是有液壓動(dòng)力源來提供的，其動(dòng)力源的核心為液壓泵 。（ 5）當(dāng)按工作特性來說的話，可以分為傳動(dòng)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。 （ 3）當(dāng)按執(zhí)行器速度的控制調(diào)節(jié)方式來分的話，可以分為執(zhí)行器控制、泵體控制盒閥門控制三種。我們?cè)诓橛嘘P(guān)資料時(shí)，液壓系統(tǒng)的分類方式有多種： （ 1） 當(dāng)按工作特征來劃分的話，可 以分為開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)兩種不同的結(jié)構(gòu)。采用變量泵系統(tǒng)可以減少油溫的升高，功率利用合理。自驅(qū)式液壓動(dòng)力頭的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，過去我國在組合機(jī)床中采用自驅(qū)式液壓動(dòng)力頭，大多為整體控制板式定量泵系統(tǒng)。 22 四 液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 液壓系統(tǒng)是 此液壓鉆動(dòng)力頭的動(dòng)力來源，液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的先進(jìn)性、合理性是液壓鉆動(dòng)力頭先進(jìn)性、 運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性的標(biāo)志。危險(xiǎn)截面受力較大，小部分嚴(yán)重的應(yīng)力集中實(shí)則是實(shí)際應(yīng)力較大的截面。取 6d =120mm， mm40L7 ? 確定鍵的截面尺寸 hb? 裝聯(lián)軸器處： C 型鍵，由 mm110d1 ? ，得 hb? =28mm?16mm 確定鍵長(zhǎng) L=，且為標(biāo)準(zhǔn)值， 1 4 0 m ??? 21 軸強(qiáng)度的校核 疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核 M 校核危險(xiǎn)截面的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù) S。 因主軸要做徑向旋轉(zhuǎn)又要做軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，初步?jīng)Q定由長(zhǎng)套筒帶動(dòng)主軸做軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，由此還需再加一個(gè)滾動(dòng)軸承和一個(gè)推力球 軸承 ，為了符合 同一軸上兩軸承型號(hào)相同 ，選擇滾動(dòng) 軸承 1204，推力球 軸承 51204。 初選 推力球 軸承 51204。1204軸承寬度 B=15mm。 采用雙滾動(dòng)軸承傳遞軸向力，與主軸相配 符合軸承內(nèi)徑系列。影響軸的結(jié)構(gòu)的因素有很多，但是不論何種情況，軸的結(jié)構(gòu)都應(yīng)以以下要求為準(zhǔn)： ①保證軸和軸 類零件的軸向位置，以確定適當(dāng)?shù)闹芟蛭恢?，常用的軸向固定有軸肩，軸環(huán)，套筒和緊定螺釘，常用的周向固定有鍵、花鍵、銷、過盈聯(lián)接； ②軸應(yīng)易于加工，軸上零件應(yīng)易于拆裝； ③軸的應(yīng)力必須合理，盡可能降低應(yīng)力的集中。 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 軸上安裝的零件類型、尺寸和配置，甚至零件的固定方式都可以改變州的結(jié)構(gòu)和形狀，軸的加工裝配工藝及對(duì)軸的變形要求等有關(guān)。 本次設(shè)計(jì)因主軸不僅有軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，還有徑向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，中間用花鍵連接實(shí)線主軸的軸向進(jìn)給主運(yùn)動(dòng)，因此選用 40Cr，其力學(xué)性能如下： 40Cr，熱處理調(diào)質(zhì)，毛坯直徑∮ ≤ 100，硬度 241— 286HB， 735b? ? N/mm2， 490s? ? N/mm2, 1 345?? ? N/mm2, 1 195?? ? N/mm2, 許用彎曲應(yīng)力21[ ] 24 5 /N mm? ? ? ， 20[ ] 12 0 /N mm? ? ，2[ ] 70 /N mm? ?? ? ,用于載荷較大，而無很大沖擊的軸 根據(jù)軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算的最小直徑，只考慮軸向承載轉(zhuǎn)矩計(jì)算，并考慮與應(yīng)力的方法減小力矩的影響。而我們常提到的碳素鋼，它的優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)合金鋼價(jià)格低廉，且對(duì)應(yīng)力集中這點(diǎn)上有更小的敏感 度，因此應(yīng)用范圍也較廣。 ? ? 7002 ????? ?? Pp 主軸的選擇計(jì)算 主軸的材料 軸的材料應(yīng)該有一定的剛度、強(qiáng)度和耐磨性，這是為了對(duì)抗軸的實(shí)效；我們還要考慮工藝性和對(duì)經(jīng)濟(jì)的要求。 mD —— 平均直徑， mm，矩形花鍵 mD = 2dD? ， 漸開線花鍵 mD =d。 圖 31 矩形花鍵 花鍵的擠壓強(qiáng)度校核 ? ?pzhlDTp m ??? 2 式中 T—— 轉(zhuǎn)矩， mmN? 。 矩形花鍵 這里我們先來看看矩形花鍵的特點(diǎn)， 可以查資料得起定心不僅穩(wěn)定度可靠，而且精度較高，且最值得稱道的是能用磨削的方法來抵消熱處理變形 。 花鍵的選用 花鍵的連接是由軸和轂孔上的多個(gè)鍵齒和鍵槽來實(shí)現(xiàn)，其工作面為齒側(cè) 面，可用于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)連接 。鍵的長(zhǎng)度我們可以從查標(biāo)準(zhǔn)來選擇，并按其傳遞的轉(zhuǎn)矩來對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn) 。 而我們把平鍵又細(xì)分為普通平鍵、滑鍵和導(dǎo)向平鍵，而把鍥鍵又分為普通鍥鍵、切向鍵和鉤頭鍥鍵 。 計(jì)算公式為： 33 221 * ]Fa SatXdYYK tTm z ??? 式中， Kt取 T1= 10 ^ 6 1Pn? =? 10^4N*m 其中 d? = 取 z1=20 個(gè)，則 z2=u*z1=100 有上式算出來的 mt= 17 確定傳動(dòng)尺寸 取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) m=4mm，則兩個(gè)齒輪間的中心距為： a=m(z1+z2)/2=240mm 分別計(jì)算各齒輪的分度圓直徑 D1=m*z1=80mm D2=m*z2=400 計(jì)算各齒輪的齒寬 B=d? *d1=56mm 取 b2=56mm 則 b1=b+(5~10)=62mm 鍵的選用 鍵連接是在軸的外圓上和零件的內(nèi)孔中分別 開鍵槽，利用鍵作為連接過渡零件傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。即 nTK ?? 1cT （ mN? ） 式中 1K —— 轉(zhuǎn)矩修正系數(shù) 根據(jù)電機(jī)及系統(tǒng)工作情況，選擇彈性柱銷聯(lián)軸器 本設(shè)計(jì)選擇 LX2 彈性柱銷聯(lián)軸器， 公稱 轉(zhuǎn) 矩 560N*m、許用轉(zhuǎn)速 6300r/min， 軸孔直徑 選擇 30mm。 ? ?nHW TnPKnPKTK ??????? 70209550T c （ mN? ） 式中 T —— 理論轉(zhuǎn)矩， mN? ； ??nT —— 許用轉(zhuǎn)矩， mN? ； 16 WP —— 驅(qū)動(dòng)功率， KW ； HP —— 驅(qū)動(dòng)功率，馬力 ； n —— 工作轉(zhuǎn)速， r/min 。 根據(jù)設(shè)計(jì)需要及聯(lián)軸器特點(diǎn)，選用彈性柱銷聯(lián)軸器。 聯(lián)軸器的分類和特點(diǎn) 聯(lián)軸器一般用來連接電動(dòng)機(jī)和主軸，屬于中間機(jī)構(gòu)。它的參數(shù)為：滿載荷下的轉(zhuǎn)速達(dá) 1430r/min，起動(dòng)額定轉(zhuǎn)矩 *m，最大額定轉(zhuǎn)矩也是 N*m，同步轉(zhuǎn)速取 1500r/min，它的額定功率為 3KW。在確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)考慮綜合因素，進(jìn)行分析比較，是整個(gè)設(shè)計(jì)既合理，又較經(jīng)濟(jì)。 WWW nTp ?9550?? W? —— 工作機(jī)構(gòu)的效率 W? = nW ????? .. .. ..321 ??? 上 式中 n???? ......321 ?? 分別為 傳動(dòng)裝置中每 一 個(gè)聯(lián)軸器、每對(duì)軸承和每一個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率。 若我們選擇的 電動(dòng)機(jī)功率 Pe等于或略大于所需電動(dòng)機(jī)功率 Pd， 這樣的話我們就 不必作發(fā)熱計(jì)算。 14 確定電機(jī)的容量 我們知道，電機(jī)容量（也就是功率）是否選擇恰當(dāng)，不僅影響電機(jī)的給工作方式，也對(duì)經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生影響 ，容量小的話肯定不 能滿足工作要求，或者因?yàn)殡姍C(jī)長(zhǎng)期處于過載保護(hù)狀態(tài)而影響它的壽命 。 選擇電機(jī)的類型和結(jié)構(gòu) 電流種類還有工作條件以及載荷特點(diǎn)這三個(gè)方面是我們選擇電動(dòng)機(jī)類型的關(guān)鍵依據(jù) 。 電機(jī)的選型 電動(dòng)機(jī)是系列化的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。傳動(dòng)方案的好壞，關(guān)系到設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，因