【正文】 背壓按=，快退快進(jìn)時(shí)背壓按=。（三）液壓缸材料的選擇液壓缸材料的選擇主要受以下幾個(gè)因素的制約：（1）液壓缸要有足夠的強(qiáng)度；（2）液壓缸要有足夠的剛度；（3）液壓缸要有很好的耐磨性能；因此，基于以上因素及國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的液壓缸材料，液壓缸材料選擇45號(hào)無縫鋼管。即保證液壓缸的有效工作面積要大于或等于保證最小穩(wěn)定速度時(shí)的最小有效面積。圓整后取=125。表35 活塞桿直徑系列（GB234880）（mm）456810121416182022252832364045505663708090100110125140160 180200220250280320360400由表32可知，當(dāng)主軸工進(jìn)時(shí)液壓系統(tǒng)的負(fù)載最大F=2742N，由此可計(jì)算出液壓缸的有效面積A為：式中：——液壓缸內(nèi)徑（）——液壓缸活塞桿直徑（）, =100mm——液壓缸負(fù)載（）, F=2742——液壓缸工作壓力（）, =3——回油路背壓力（）, ==所以可計(jì)算也液壓缸內(nèi)徑=117。表34液壓缸參考背壓系統(tǒng)類型背壓（）回油路上有節(jié)流閥的調(diào)速系統(tǒng)～回油路上有調(diào)速閥的調(diào)速系統(tǒng)～回油路上裝有背壓閥～帶補(bǔ)油泵的閉式回路～由表31 主軸零件選用表可知，活塞桿兩端要裝軸承。缸筒固定式雙桿活塞缸簡(jiǎn)圖如下（圖37）：圖37 缸筒固定式雙桿活塞缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖自動(dòng)鉆床在完成工進(jìn)后，為了防止在鉆通要加工的孔后主軸突然前沖，我們要在回油路上安裝背壓閥。(二)確定液壓缸的類型及主要結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)設(shè)計(jì)的要求和鉆床主軸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，選擇雙桿活塞缸，活塞桿為中空桿，以便主軸穿過；活塞桿兩端裝有軸承，以固定主軸。列出主軸系統(tǒng)各運(yùn)動(dòng)階段的液壓負(fù)載計(jì)算公式及大小如下表（表32）：表32 液壓缸各運(yùn)動(dòng)階段負(fù)載表運(yùn)動(dòng)階段計(jì)算公式負(fù)載大?。∟）主軸快進(jìn)F=Gη182主軸工進(jìn)F=（G）/η2742主軸快退F=G/η225V（m/min）根據(jù)液壓缸各運(yùn)動(dòng)階段負(fù)載計(jì)算結(jié)果和已知各階段的運(yùn)動(dòng)速度，我們可以畫出負(fù)載圖（F）和速度圖(V)如下（圖36）：337270727027422251820F（N）圖36 液壓系統(tǒng)負(fù)載及速度簡(jiǎn)圖 液壓缸執(zhí)行元件主要參數(shù)的確定(一)初選液壓缸的工作壓力表33液壓設(shè)備常用的工作壓力表設(shè)備類型機(jī)床農(nóng)業(yè)機(jī)械或中型工程機(jī)械液壓機(jī)、重型機(jī)械起重運(yùn)輸機(jī)械磨床組合機(jī) 床龍門刨床拉床工作壓力P1/（MPa）～3～52～88～1010～1620～32液壓缸的工作壓力主要根據(jù)液壓設(shè)備的類型來確定，對(duì)不同的液壓設(shè)備，由于工作條件的不同，通常采用的壓力范圍也不同。所以F=（G）/η，為了設(shè)計(jì)的可行性，使得液壓缸有足夠的液壓作用力，計(jì)算中我們?nèi)∠到y(tǒng)重力的一半代入到式中，F(xiàn)=2742N。慣性力Fm指運(yùn)動(dòng)部件在啟動(dòng)或制動(dòng)過程中的慣性力，查《液壓與氣壓傳動(dòng)》得其計(jì)算公式為：式中，——系統(tǒng)重力——重力加速度 ——時(shí)間內(nèi)的速度變化量 ——加速或減速時(shí)間已知主軸系統(tǒng)重力G=200N；快進(jìn)行程70mm；工進(jìn)行程為20mm；根據(jù)工時(shí)安排可確定主軸快進(jìn)快退速度為3m/min；；加速、減速時(shí)間一般取Δt=；所以可以計(jì)算出慣性力：=5N快進(jìn)時(shí)，在不考慮背壓的情況下，主軸會(huì)在重力的作用下自動(dòng)下移，因此，液壓缸在快進(jìn)時(shí)受到的最大作用力F=Gη=182N。因改造后的自動(dòng)鉆床和普通臺(tái)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(jī)械效率中考慮）、重力和慣性力。 進(jìn)給液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 負(fù)載分析一般情況下，作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的液壓缸的負(fù)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。mm)WT——軸的抗扭截面模量（mm3）[τT]——軸的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（）查《機(jī)械設(shè)計(jì)》得花鍵的抗扭截面模量WT的計(jì)算公式為：式中：d1——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(jì)算出WT=5739，所以可以計(jì)算出鉆床主軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力=。根據(jù)軸上零件的布置，軸的危險(xiǎn)截面為軸端花鍵處，所以應(yīng)對(duì)該處進(jìn)行軸的強(qiáng)度校驗(yàn)。M,液壓力為對(duì)稱受為，合力方向沿鉆床主軸方向，大小與進(jìn)給切削力相互抵消。 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由圖32進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖可知，鉆床主軸上主要安裝有一對(duì)深溝球軸承、一對(duì)推力球軸承、一個(gè)軸承擋環(huán)、一個(gè)鎖緊螺栓和軸端的花鍵連接。所以，鉆床主軸為僅受轉(zhuǎn)矩作用的軸類。M）將以上數(shù)值代入公式中可計(jì)算出功率=考慮到軸承傳動(dòng)效率（）和花鍵傳動(dòng)效率（），所以可計(jì)算出鉆床主軸要傳遞的功率P為：P=/()=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(jìn)給力的作用。其機(jī)械性能參數(shù)如下：δb=650MPa；δs=360MPa；δ1=300MPa；τ1=155MPa；[δ1]b=60MPa；[τT]=35MPa。而合金鋼雖然機(jī)械性能和淬火性能優(yōu)于碳鋼，但其價(jià)格較貴，一般用于強(qiáng)度和耐磨性要求高的場(chǎng)合。M=2595 N 鉆床主軸設(shè)計(jì) 主軸材料的選擇在軸的設(shè)計(jì)過程中，軸類的材料選擇要考慮如下因素：（1） 軸的強(qiáng)度、剛度和耐磨性要求；（2） 軸的熱處理方式和機(jī)加工工藝性要求；（3） 軸的材料來源和經(jīng)濟(jì)性；軸的常用材料有碳鋼和合金鋼。由于加工材料為Q235鋼，其屬于碳素結(jié)構(gòu)鋼，鉆頭為高速鋼麻花鉆，加工方式為鉆孔，所以查《機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)》得：鉆床轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式如下： 式中，—— 切削力矩（N 主軸轉(zhuǎn)速及鉆孔時(shí)間的計(jì)算查《金屬切削手冊(cè)》，由切削速度計(jì)算公式可得出主軸在工藝長(zhǎng)期穩(wěn)定時(shí)的固定轉(zhuǎn)速n的計(jì)算公式如下： 式中，——選定的切削速度（m/min） ——刀具或工件的直徑（mm）將V=32m/min，d=12mm代入公式中，計(jì)算得出n=850r/min.查《金屬切削手冊(cè)》,鉆孔時(shí)間T的計(jì)算公式為：式中，l——被鉆孔厚度（mm） f——切削進(jìn)給量（mm/r） ——刀具或工件的直徑（mm） n——主軸固定轉(zhuǎn)速（r/min）將l =15mm，f =, d=12mm,n=850r/min代入公式中，計(jì)算得出T=.由此，確定一件工件的加工工時(shí)為：送料1s，工件夾緊2s，快進(jìn)2s，工進(jìn)7s，主軸停留2s，快退2s，出料1s，加工一件工件用時(shí)17s，達(dá)到了加工效率的要求。查《金屬切削手冊(cè)》選擇標(biāo)準(zhǔn)圓柱錐柄麻花鉆中等長(zhǎng)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(hào)莫氏錐孔。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(yīng)用極廣。因此，在進(jìn)給液壓缸設(shè)計(jì)時(shí)，我們要以最大受力作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。主軸進(jìn)給液壓缸在工作中受到作用力可以分為三個(gè)階段分析。軸向進(jìn)給力是沿主軸軸向的，在主軸保持其與工作臺(tái)的垂直度的情況下，軸向力作用產(chǎn)生的彎矩基本為零，可忽略不計(jì)。由此可確定鉆床主軸行程為100mm，也就是液壓缸行程為100mm。已知件材料為Q235鋼，工件厚度大約為15mm，查《機(jī)械工程材料實(shí)用手冊(cè)》可知，Q235為碳素結(jié)構(gòu)鋼，其韌性良好，有一定的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，在一般機(jī)械制造中應(yīng)用廣泛，是一般機(jī)械制造中的主要材料，其切削加工性能較好。臺(tái)式鉆床主軸進(jìn)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。往復(fù)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由液壓缸來完成動(dòng)作。鉆床在加工時(shí)，主軸要作高速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。機(jī)床加工時(shí)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由花鍵傳入，而進(jìn)給運(yùn)動(dòng)則由齒輪通過齒條帶動(dòng)套筒在鑲套內(nèi)運(yùn)動(dòng)。主軸在加工時(shí)即要作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也要作軸向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。通過本章節(jié)的敘述和圖文表達(dá)，我們對(duì)自動(dòng)鉆床的總體設(shè)計(jì)有了一個(gè)清晰的概念，確定了下面章節(jié)中設(shè)計(jì)的步驟和設(shè)計(jì)重點(diǎn)。 本章小結(jié)本章主要介紹了通過對(duì)已知設(shè)計(jì)條件的分析如何確定自動(dòng)鉆床總體方案的問題。 輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)、故障檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安全保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)和照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)。普通臺(tái)式鉆床的自動(dòng)化改造及進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是在原有機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上導(dǎo)入了液壓進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：主軸箱要做變動(dòng)。 總體布局設(shè)計(jì)機(jī)床總布局的設(shè)計(jì)任務(wù)是解決機(jī)床各部件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和相對(duì)位置的關(guān)系，并使機(jī)床具有一個(gè)協(xié)調(diào)完美的造型。在自動(dòng)鉆床的控制系統(tǒng)中，我們主要應(yīng)用PLC的順序控制和定時(shí)控制。PLC不僅充分利用微處理器的優(yōu)點(diǎn)來滿足各種工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)時(shí)控制要求，同時(shí)也照顧到操作維護(hù)人員的技能和習(xí)慣，摒棄了微機(jī)常用的計(jì)算機(jī)的編程語(yǔ)言，獨(dú)具風(fēng)格地使用以繼電器梯型圖為基礎(chǔ)的形象編程語(yǔ)言和模塊化的軟件結(jié)構(gòu)，使用戶編制的程序清晰直觀、調(diào)試和查錯(cuò)容易，且編程方便易學(xué)。PLC舉起于20世紀(jì)70年代，是微機(jī)技術(shù)與繼電器常規(guī)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。（二）選擇傳動(dòng)類型依據(jù)傳統(tǒng)臺(tái)式鉆床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)選擇帶輪V帶傳動(dòng)，此傳動(dòng)類型可實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)；鉆頭直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)選擇液壓傳動(dòng)，此類型傳動(dòng)有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）在輸出功率相同的條件下，體積小、重量輕；（2）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，吸振能力強(qiáng)；（3）易于實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)、制動(dòng)、頻繁換向以及無級(jí)調(diào)速；（4）布局安裝比較靈活，液壓元件易于實(shí)現(xiàn)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化；（5）與機(jī)構(gòu)相結(jié)合易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制；（三）繪制傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖根據(jù)以上分析，確定傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如下（圖23）：花鍵傳動(dòng)V帶傳動(dòng)液壓缸進(jìn)給傳動(dòng)圖23 傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 控制方案設(shè)計(jì)綜合考慮全自動(dòng)鉆床的改造要求、功能要求、控制要求及經(jīng)濟(jì)因素，控制系統(tǒng)采用PLC與手動(dòng)相結(jié)合的方法進(jìn)行控制。主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的原動(dòng)機(jī)選擇電動(dòng)機(jī)，進(jìn)給液壓缸原動(dòng)力選擇電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵 （具體型號(hào)在下面章節(jié)中計(jì)算后選擇）。液壓缸執(zhí)行系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)鉆床切削加工的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，易于控制，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的首選機(jī)構(gòu)。自動(dòng)鉆床的主軸帶輪傳動(dòng)減少了傳動(dòng)鏈，且可過載保護(hù)；液壓缸驅(qū)動(dòng)進(jìn)給不需要改變運(yùn)動(dòng)形式，且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。考慮以上設(shè)計(jì)原則，在實(shí)現(xiàn)鉆頭的旋轉(zhuǎn)切削運(yùn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)力源與主軸之間的執(zhí)行機(jī)構(gòu)我們選擇帶輪傳動(dòng)；在實(shí)現(xiàn)鉆頭的直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，我們選擇能夠往復(fù)運(yùn)動(dòng)的液壓缸。進(jìn)給液壓缸驅(qū)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)要完成驅(qū)動(dòng)主軸進(jìn)給，為直線運(yùn)動(dòng)。根據(jù)設(shè)計(jì)，我們要分析的運(yùn)動(dòng)規(guī)律包括鉆頭切削運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給液壓缸驅(qū)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。改造后全自動(dòng)鉆床能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)率，符合了工廠的生產(chǎn)需求，適應(yīng)了現(xiàn)代機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展要求。因此在進(jìn)行鉆床的功能原理設(shè)計(jì)時(shí)，我們應(yīng)當(dāng)考慮鉆床功能的可行性、先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性。本文自動(dòng)鉆床的執(zhí)行系統(tǒng)主要包括鉆頭加工和進(jìn)給液壓缸驅(qū)動(dòng)進(jìn)給。根據(jù)工藝流程，可確定自動(dòng)鉆床的動(dòng)作流程圖如下（圖21）：圖21自動(dòng)鉆床動(dòng)作流程圖 執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)執(zhí)行系統(tǒng)是機(jī)械系統(tǒng)中的重要組成部分，直接完成機(jī)械系統(tǒng)預(yù)期工作任務(wù)。 改造后的全自動(dòng)鉆床應(yīng)滿足以下設(shè)計(jì)要求：（1） 滿足自動(dòng)連續(xù)生產(chǎn)，且生產(chǎn)率為3把/分鐘；（2） 自動(dòng)化改造應(yīng)是機(jī)械、電氣和液壓的有機(jī)結(jié)合；（3） 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)包含切削力計(jì)算、電動(dòng)機(jī)選擇、傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)、床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等；（4） 設(shè)計(jì)重點(diǎn)為鉆床液壓進(jìn)給系統(tǒng)之進(jìn)給油缸設(shè)計(jì)；