珍珠打孔机设计.doc

【JX17-62】珍珠打孔机设计(二维+论文)

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【JX17-62】珍珠打孔机设计(二维+论文)
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A1-后轴承盖.bak
A1-密封盖.bak
A2-前轴承盖.bak
A2-后轴承盖.dwg
A2-套筒5.bak
A2-密封盖.dwg
A2套筒.bak
A2套筒.dwg
A3-前轴承盖.dwg
A3压盖.dwg
A4-套筒5.dwg
法兰上盖A2.dwg
法兰下盖A2.dwg
液压系统图 A1.dwg
电气原理图A1.dwg
程序流程图A1.dwg
花键毂 A2.dwg
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JX17-62 【JX17-62】珍珠打孔机设计二维+论文
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内容简介:
摘 要珍珠是天然形成的一类珍珠矿物集合体,千百年来一直受到广大人民群众的喜爱,珍珠链作为一种珍珠饰品,生产时需要对珍珠进行钻孔加工。目前已有多种珍珠钻孔设备在生产中应用,但均不能脱离人工操作,这类生产方式存在生产效率低、劳动强度大、工作环境恶劣和操作安全隐患等问题。本课题拟开发一种集自动送料、自动装夹、自动钻孔、自动落料于一体的全自动珍珠钻孔机,以促进珍珠加工业的发展。论文的主要内容如下:(1)对珍珠钻削理论模型进行了推导,分析了珍珠恒钻压钻削过程中钻头扭矩与钻头转速之间的对应关系,确定了合理钻孔转速区间作为实验转速区间。(2)设计制造出珍珠钻孔夹具,对珍珠进行恒定钻压条件下的钻孔实验,基于获取的实验数据,得出了进给速度和钻头转速的最佳组合,为钻孔机构设计提供了设计参数。(3)设计出全自动珍珠钻孔机关键部件,进行相关元器件的选型计算。完成了整机的装配,为了避免设计失误,对装配模型进行间隙检查分析。 关键词:珍珠,钻孔,选型设计 IIIAbstractPearl is a kind of natural rock mineral aggregate, for thousands of years has been loved by the broad masses of the people, pearl beads chain as a kind of pearl jewelry, production need to drill the pearl. There are a variety of Pearl drilling equipment used in the production, but not without manual operation, the problems of low production efficiency, high labor intensity, poor working environment and the operation safety of this kind of mode of production. This topic is to develop a set of automatic feeding, automatic clamping, automatic drilling, automatic blanking in one of the automatic pearl drilling machine, in order to promote the development of pearl processing industry. The main contents of this paper are as follows:(1) the Pearl drilling theory model is deduced and analyzed pearl constant drilling pressure relationship between drilling drilling bit torque and rotary speed of the bit, to determine the reasonable drilling speed range as the experimental speed range.(2) design and manufacture of pearl pearl drilling fixture, constant drilling pressure experimental conditions, experimental data acquisition based on the optimum combination of feed rate and drill speed, provide design parameters for the design of drilling machine.(3) the design of the key parts of the automatic pearl drilling machine, the selection of relevant components. To complete the assembly of the machine, in order to avoid the design error, the assembly model for clearance check analysis. Key Words:Pearl, drilling, type selection design目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪论11.1 选题的背景、目的和意义11.2 珍珠加工方法研究现状分析21.2.1非金属硬脆材料加工方法综述21.2.2珍珠打孔技术的研究31.3 主要研究内容6第2章 珍珠钻削研究72.1珍珠材料钻削理论模型72.1.1 珍珠材料钻削公式的推导72.1.2 珍珠钻削参数的选取11第3章 珍珠钻孔机总体方案设计133.1珍珠自动钻床的工艺路线分析133.2执行系统方案设计143.2.1 执行系统的运动规律143.2.2 执行机构的形式153.3传动系统方案设计和原动机选择163.3.1 原动机选择163.3.2 传动系统方案设计163.3总体布局设计16第4章 珍珠自动钻孔机进给系统设计184.1进给系统概述184.2进给系统方案图确定194.3工况分析194.4切屑力计算204.4.1 切削刀具相关参数选择204.4.2 主轴转速及钻孔时间计算204.4.3 切削力计算214.5钻床主轴设计214.5.1 主轴轴径计算214.5.2 轴的结构设计224.5.3 轴强度的校核234.6进给液压系统设计244.7主轴电机选择264.8 V带传动设计264.8.1 设计功率的计算264.8.2 选择带型264.8.3 选择带轮基准直径和264.8.4 验算带速V274.8.5 确定中心距a和带的基准长度274.8.6 验算小带轮包角274.9 转盘的设计284.10 转盘电机的选择28第5章 结论33参考文献35致 谢38 第1章 绪论1.1 选题的背景、目的和意义珍珠,在中国人的心目中象征着瑰丽、高尚、坚贞、圣洁。几千年来人们对珍珠怀着一种特殊的情感,并形成了一种特殊的文化,我们称之为“珍珠文化”。现代科学研究表明,珍珠含有对人体有益的矿物元素,经常佩戴和使用珍珠器,有益身体健康,可见这种说法并非空穴来风。与此同时,珍珠制品作为一种饰品,能够提升人的品味和气质,珍珠制品也因此受到了人们的广泛喜爱。中国是世界上珍珠开采和珍珠饰品生产制造最早的国家之一,也是世界上珍珠产量最多的国家之一,来自中国珠宝行业网的资料数据显示,我国2014年珍珠市场规模约为20万吨,年销售额约538亿元人民币。并且呈现出年均10个点以上的增长速度。珍珠产业已经成为了许多地区的支柱产业,广东作为全国珍珠生产消费的大省,珍珠加工年产值已经达到全国宝玉产业产值的百分之三十,并且形成了广州、四会、平州、揭阳四大珍珠市场。本文研究的内容是珍珠,珍珠可以做成珍珠项链、珍珠手链、珍珠帘等不同形式的饰品。随着人民生活水平的日益提高,这类饰品的市场需求量也越来越大。珍珠链的生产步骤可以分为五步:1)钻孔:将珍珠过球心钻通孔。2)打磨抛光:用金刚砂等研磨剂将钻好孔的珍珠表面打磨光洁。3)穿线:将已打磨好的珍珠穿线成链。珍珠钻孔是珍珠链生产的一个重要的工序,现有的加工设备主要可以分为两类:机械钻头钻孔机以及超声波钻孔机,但是它们在加工珍珠的时候有两个通病,第一,都是通过人工手工填料的方式将珍珠装入钻孔工位,工人的工作环境差,劳动强度高,而且存在一定的危险性;其次,为了避免珍珠表面崩豁,两种珍珠钻孔机都必须分两次装夹钻孔,这无疑加长了加工步骤,降低了生产效率。为克服现有珍珠钻孔加工设备的不足,提高珍珠钻孔加工的生产效率,本课题拟开发一台实现自动送料、自动装夹、自动钻孔、自动落料以及冷却液自动添加的全自动珍珠钻孔机。它能有效的解放工人的体力劳动,提高工人工作安全性,此外也能提高珍珠钻孔加工质量。1.2 珍珠加工方法研究现状分析1.2.1非金属硬脆材料加工方法综述非金属硬脆材料种类繁多,比较常见的有玻璃、陶瓷、单晶硅、大理石、花岗岩、珍珠宝石等,由于它们的组成成分和组织结构不同,有自己独有的特性,因而在不同的领域,比如航空航天、电子、仪表、军用和民用工业都有广泛的应用。它们也同时具有高脆性、高硬度、低断裂韧性,并且其材料的强度与弹性极限接近,因此,加工难度很大,属于极难加工材料。工业上对这类材料的加工方法不乏一些特种加工方法,包括金刚石磨削加工、激光加工、电火花加工和超声振动加工等方法。不同的加工方法对非金属硬脆材料的加工机理和效果有显著差异。超声振动加工方法是利用加工工具在具有介质或磨料的加工区域振动,促使磨料与工件产生磨削、冲击形成气蚀作用来去除材料的加工方法,此外也可给加工工具或者工件自身施加超声高频振动来去除材料的加工方法。超声振动加工早在1907年就被俄国科研人员用在玻璃切割加工领域;1927年,美国科学家伍德等做了超声加工试验研究,利用超声振动的钻头对玻璃板进行雕刻、钻孔;1951年,美国科学家科恩发明了第一台实用的超声加工机。在非金属硬脆材料的钻削方面,超声振动加工结合旋进钻削方法,形成了超声振动钻削加工方法。它和一般钻削加工方法的本质区别在于,进行钻孔的过程中,使钻头与工件之间产生恒定频率的轴向相对运动。基于此原理,日本金泽工业学院的研究人员研制了加工硬脆材料的超声低频振动组合钻孔系统并进行了相关实验,试验结果表明,将金刚石中心钻的超声振动与工件的低频振动相结合的方法是加工硬脆材料的一种有效方法。超声钻孔机一般由超声发生器、振动系统(包括超声换能器和变幅杆)和机床本体等部分组成,利用这种加工原理工作的设备会存在结构复杂、加工效率较低以及加工成本高等缺陷。激光去除材料加工方法是利用聚焦激光能量使工件局部材料溶化或汽化从而脱离工件加工面而去除材料的方式来加工材料的一种方法。由于这类加工方法可以使激光功率密度达到足够大的值,所以即使是熔点和硬度非常大的脆质材料如陶瓷、金刚石等也可以采用激光加工的方法进行加工。自1960年7月美国科学家梅曼发明世界第一台红宝石激光器至今50多年,激光加工技术日臻成熟,越来越多的被应用到工业生产领域。其中硬脆非金属材料的加工方面也有所涉及,这类材料又以CO2激光热加工为主要手段。I-Black等对8.5mm和9.2mm厚的氧化铝基瓷砖进行了切割研究;Tsai等在厚型陶瓷切割的实验中,以YAG和CO2聚焦激光混合切割10mm厚的陶瓷板;Noboru Morita等提出在水中通过Nd-YAG激光可以实现无缺陷陶瓷加工。激光加工作为一种特种加工方法,虽然有其独特的优势,但由于非金属硬脆材料显微结构均匀性差,极易在加工过程中因为热应力而形成裂纹破坏,因此也主要用其进行薄壁材料加工。电火花加工是一种在绝缘介质环境下,在工件和电极之间施加高电压脉冲产生火花放电,通过电蚀现象去除工件材料,使工件达到加工要求的一种加工方法。电火花加工是一种非接触性加工,由于加工过程中没有接触应力,因此能够加工薄壁件、窄槽、异形孔和微细孔等零件。1770年的英国化学家Joseph Priestly首次发现放电蚀除现象,但并未应用于生产,直至1943前苏联科学家Lazarenko夫妇才基于此原理展开放电机理的理论研究,他们还研发了一套加工过程可控的EDM加工系统。我国自上世纪80年代以来,对电火花加工技术也做了许多研究,电火花制孔技术也朝着越来越精密化的方向发展,其中哈工大已掌握直径为4.5m的微小轴和孔径为8m的微小孔的加工技术,达到了世界先进水平。虽然电火花加工能够完成对高硬度、高韧性的难加工材料的加工,但它要求被加工工件材料具有导电性,仅限于加工电阻率小于100的材料,因而对于非金属硬脆材料的钻孔加工并不适用。金刚石磨削加工是采用金刚石磨粒刀具来切削去除材料的一种加工方法。金刚石是已知材料中自然形成的硬度最高的物质,它无论是在金属材料加工还是非金属硬脆材料的加工领域都有非常广泛的应用。目前金刚石加工工具根据其制备的工艺的区别,主要分为烧结成型金刚石工具和电镀成型金刚石工具两种。本文以珍珠材料的钻孔加工为研究内容,珍珠材料作为硬脆材料的代表,同样有着高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、耐热、抗腐蚀、抗氧化等一系列性能,属难加工材料。考虑加工技术的实用性、经济性、易操作性,设计出珍珠专用夹具,采用金刚石钻孔的方式对珍珠材料进行钻孔加工。1.2.2珍珠打孔技术的研究长期以来,珍珠链扮演了一种手工饰品的角色,它的制孔方式也主要以手工雕琢成孔为主,近些年来,由于产品的市场需求量扩大,珍珠辅助加工工具相继出现,吊磨机就是其中之一。珍珠雕刻加工人员手持装有高速旋转的金刚石磨头的手柄,雕刻出想要的工艺图案。此种工具也用于给珍珠打小孔,后来相关产业人员又开始采用改进的台钻,以金刚石钻头作为钻削工具制孔,操作人员用手工方法将珍珠放在固定的位置,然后操作夹具将珍珠手动夹好,再手动轴向进给高速旋转的金刚石钻头,同时添加冷却液,钻孔结束后,将珍珠取出。这种加工方式的加工效率相较于手动雕刻的方式有了一定的提高,但是这种生产方式同样存在生产效率较低、工人劳动强度大、加工环境差以及操作过程中存在安全隐患等问题。经过不断改进,现有珍珠钻孔生产行业使用的珍珠钻孔机主要有三种:第一类珍珠钻孔机如图1-1所示,主轴电机和珍珠夹具安装在机架上,采用主电机轴线与装夹头轴线垂直共面的布置方式,主轴电机和机座之间安装有与主轴轴线方向相同的导轨滑槽。加工时,先将整机安装在生产台上,通过手工方法依次夹紧珍珠、加冷却液、钻头进给、翻转珍珠、再次进给等加工步骤。图1-1 第一类珍珠钻孔机第二类珍珠钻孔机如图1-2所示,主要是由机架、冷却系统和改进的卧式钻台组成,其中每组加工工位由两台同轴相向布置的改进台钻,这两台台钻的主轴夹头上分别安装有一个圆锥形凹坑珍珠夹头和一支金刚石钻头,两台钻的主轴严格同轴,其中前者为定钻台,工作中固定不动,后者为动钻台,工作过程中完成进给动作。这类珍珠钻孔机加工时,通过手工的方法装夹、进给,且只能完成单向钻孔加工。图1-2 第二类珍珠钻孔机第三类珍珠钻孔机如图1-3所示,为超声钻孔机。它主要由电源变频器控制机、超声波发生器,盘式钻孔机构以及冷却机构组成,电源变频器控制机和超声波发生器通过线路连接,控制发生振动频率,发生器下端主轴安装有阵列钻头,下方安装有与之相匹配的开有珍珠装夹孔的装夹盘。加工时,将珍珠手工装夹在装夹盘内,再将装夹盘安装在钻头下方,自动完成钻头进给。图1-3 现有的几类珍珠钻孔机上述三类珍珠钻孔机从原理到结构都有自己的特色,第一类钻孔机机构简单,制造成本低廉,能够通过一次装夹,完成对钻功能,但是此类钻孔机操作困难,体力劳动量非常大,并且此类机器加工效率非常低,加工一颗珍珠的时间大概是三分钟;第二类钻孔机相较于第一类钻孔机结构稍复杂,制造成本稍高,加工效率也有明显的提升,但是它不能实现一次装夹同轴对钻,对于通孔的加工质量影响很大,并且手工操作装夹,存在一定的安全隐患;第三类钻孔机采用超声钻削原理,相较于前两类钻孔机,它一次性可以同时装夹多颗珍珠,但它在进行珍珠钻孔过程中会产生大量的粉尘,操作环境极差,此外,它采用的是一次性钻孔,钻通位置会不可避免的出现崩豁现象,造成珍珠钻孔质量低的缺陷。1.3 主要研究内容由于现阶段珍珠打孔设备普遍存在加工效率低、工人体力劳动强度大、加工环境恶劣、生产成本高等制约生产的问题,因此,产业届亟需一种能够克服以上不利条件的珍珠钻孔设备,来弥补这些不足。珍珠材料属于典型的非金属硬脆材料,莫氏硬度58之间,抗拉强度较低,属于难加工材料,由于它是一种混合矿物,其物理组织结构也存在不均匀性,因此钻孔加工过程中也容易因为加工方法不当而产生裂纹等加工缺陷。本文的目的是研究探寻一种合理的珍珠钻孔的方法,找出并优化其加工参数,发明一台经济实用的全自动珍珠钻孔机,提高加工效率,把相关产业工人从繁重的体力劳动中解放出来。为实现上述研究目标,本文拟围绕珍珠样本的物性参数、磨削特性与全自动珍珠钻孔机整机设计与实验等方面开展研究工作。具体研究内容如下:(1)对珍珠钻削理论模型进行了推导,分析了珍珠恒钻压钻削过程中钻头扭矩与钻头转速之间的对应关系,确定了合理钻孔转速区间作为实验转速区间。(2)设计制造出珍珠钻孔夹具,对珍珠进行恒定钻压条件下的钻孔实验,基于获取的实验数据,得出了进给速度和钻头转速的最佳组合,为钻孔机构设计提供了设计参数。(3)设计出全自动珍珠钻孔机关键部件,进行相关元器件的选型计算。完成了整机的装配,为了避免设计失误,对装配模型进行间隙检查分析。39第2章 珍珠钻削研究珍珠材料作为一种难加工材料,对它的钻孔加工研究,本文第一章已经提出了金刚石钻削的方法,即利用镶嵌在金刚石钻头上的金钢石磨粒形成线速度去挤压、剪切珍珠材料,达到钻孔加工的目的。为达到珍珠钻孔加工最佳的功率/效率配比、实现经济高效的设计要求、确定金刚石钻头钻削珍珠所需的扭矩和进给力、进而计算珍珠夹具夹持珍珠所需的夹持力,因此,有必要对珍珠样本设计钻孔加工实验,通过实验活动的钻削参数能为珍珠钻孔机的设计提供实验指导。2.1珍珠材料钻削理论模型珍珠的钻削可以认为是钻头的机械能用来克服珍珠的表面能做功的过程。此加工过程中,依据能量守恒原理,克拉克26建立了珍珠研磨功能关系。珍珠材料去除所需的能量可以分为两部分:钻头旋转扭矩M做功WM和钻头轴向进给力N做功WN。2.1.1 珍珠材料钻削公式的推导钻头旋转扭矩M做功WM由克服摩擦功W与磨削珍珠所做功WY两部分组成。则金刚石钻头端部功能关系表达式为:式中:p摩擦消耗的能量不仅与进给力以及摩擦系数有关,还与钻削接触面的形状有关,钻头的形态如图2-1所示:图2-1(a)为珍珠金刚石钻头实物图片,它由刀柄和刀头组成。刀柄被钻夹头夹持,用来传递力和扭矩,刀头是钻削的工作部位,它是由胎体和金刚石磨粒组成。由于钻削珍珠过程中,被加工区域的珍珠会破碎成岩屑状态,若不及时的从加工孔中排出,会造成孔的破坏,钻头加剧磨损,失效等不利影响。金刚石刀头如果采用圆柱设计,那么磨削岩屑就排不出来,因此,刀头设计成如图2-1(a)所示的扁形,并且还开有排屑槽。端面形状可近似成图2-1(b)中阴影部分所示,它可近似的认为是由两个直径为,中心距为的圆交叠而成,其中O为回转中心,加工过程中形成的孔径。a.金刚石钻头 b.金刚石钻头截面图不难推出:阴影部分面积可以表达为:代入数值得:依据功的计算原理,则克服摩擦力做功表达式为:式中:法向压力 摩擦系数 沿摩擦力方向运动距离如图2-2所示为金刚石钻花刀头钻削珍珠孔接触示意图,接触面即为图2-1(b)所示阴影部分的面积。设钻头进给力为N时,进给量f时,以O为圆心,回转一圈,克服摩擦力做的功为,则可以分两部分计算,以为半径的小圆接触部分克服摩擦力做功,其余阴影部分面积内克服摩擦力做功。当,以及为半径两圆组成的圆环上的摩擦功为,圆环面积为。图2-2 钻头钻孔面积分计算参数图加工平面受到进给力N的压强为p。则圆环上受到的正压力为钻头回转一周,移动距离为l。则有:当,此时受到摩擦的圆环为非完整圆环,如图2-2阴影部分所示,圆环面积为。其中利用余弦定理求得:钻头回转一周,移动距离为l。则有:式中:钻头切削转矩 轴向进给力 钻头横截面积 珍珠摩擦系数,其值约为0.4其次、分别为如图所示的参数,为积分变量。设: 则:有:根据克拉克给出的计算方法,设钻头每旋转一周,钻削时去除材料所需要的功为,进给力所做的功为。式中:珍珠抗压强度 钻削孔面积 进给力 进给量克拉克认为,钻削去除材料所需的功应该为进给力所做的功与磨削珍珠所做功两部分组成。即:合并以上各式,得:2.1.2 珍珠钻削参数的选取根据同济大学廖宗廷、马婷婷等对珍珠类材料的研究,在抗压性测试上,珍珠的抗压强度在495775MPa之间,进行钻孔研究时,可初步选取,则下式中,钻进方向上的钻压一般取值范围在之间,选取,钻压力计算式:由于;,也即,可近似认为,钻头扭矩计算公式可为:由于进给量的值与主轴转速以及进给速度有关,即:依据设计效率要求,金刚石钻头进给速度是。依据此计算方法,在不同钻削转速下,钻头的转速和转矩对应列表如2-1所示。表2-1 钻头的转速和转矩关系列表转速r/min转矩mNm转速转矩150024.0780007.82300014.07120006.57500010.07150006.07不难看出,钻头转速与钻头扭矩之间是倒函数的关系,当钻头转速在04000r/min的区域,对应的钻头扭矩急速下降,钻头转速在40006000r/min的区域,对应钻头扭矩缓慢下降,当钻头转速在6000r/min以上时,钻头扭矩下降的趋势就不明显了。由于扭矩所做的功可认为是克服研磨破碎珍珠所需功与克服摩擦所需之和。其中:所以每一个进给f下,在不同的转速下,扭矩所做的钻削功与其研磨破碎珍珠的有用功以及有用功占总功的比例如下表2-2所示。表2-2 钻头转速与功率关系砖头转速钻削功率有用功率有用功占比%15003.783.1483.130004.423.147150005.273.1459.680006.553.1447.6120008.253.1438.1150009.533.1432.9由以上公式不难得出,若进给力稳定,钻头钻削转矩M与进给量f成线性关系,进给量越大,钻头所需扭矩越大。亦可得出,钻头钻削转矩M与进给速度v成正比,与主轴钻速成反比,进给速度越大,需要的钻头钻削转矩M就越大;主轴钻速越小,需要的钻头钻削转矩M也会越大。第3章 珍珠钻孔机总体方案设计总体方案设计的构思和方案拟定关系到产品的功能是否齐全、性能是否优良、经济效益是否显著,因此,我们要确定良好的总体方案设计思想,保证产品的功能、经济效益和实用性能。总体方案设计的内容主要包括以下几个方面:(1)执行系统的方案设计 ;(2)原动机类型的选择和传动系统的方案设计;(3)控制系统的方案设计;(4)总体布局设计;(5)辅助系统的设计;为了完成普通台式钻床的改造及进给系统的设计,我们依循机床设计的一般步骤,确定自动钻床的总体方案设计。3.1珍珠自动钻床的工艺路线分析与传统台式钻床的加工工艺路线相比较,改造后的全自动钻床基本动作有很大的调整,这其中主要是导入了自动化加工动作。结合设计及生产要求,确定工艺路线如下:启动(电源及控制模块)自动送料自动夹紧主轴快进主轴慢进主轴停留主轴快退夹具松开出料自动钻床的动作流程图如下(图2-1): 图3-1自动钻床动作流程图3.2执行系统方案设计执行系统是机械系统中的重要组成部分,直接完成机械系统预期工作任务。机械执行系统的方案设计是机械系统总体方案设计的核心,是整个机械设计工作的基础。本文自动钻床的执行系统主要包括钻头加工和进给液压缸驱动进给。3.2.1 执行系统的运动规律本文设计的重点在于钻床液压进给系统之进给油缸设计,也就是用液压缸驱动来替代手动进给。根据设计,我们要分析的运动规律包括钻头切削运动和进给液压缸驱动进给运动。钻头加工运动包括旋转切削运动和钻头直线进给运动。进给液压缸驱动进给运动要完成驱动主轴进给,为直线运动。钻床执行系统的运动规律如下图示(图3-2):图3-2 自动钻床运动规律简图1-液压缸 2-钻套 3-转盘 4-压块 5-珍珠图3-3 转盘运动规律简图 转盘部分的运动为:转盘的顺时针旋转,珍珠从传送带送入转盘的工件孔,通过转盘的旋转转到了2位置,在通过1液压缸的夹紧来固定珍珠在钻孔的过程中不旋转,加工过后工件随着转盘的旋转进行卸料过程。3.2.2 执行机构的形式在进行执行机构的形式设计时,要遵循以下原则:满足执行构件的工艺动作和运动要求、尽量简化和缩短运动链、尽量减小机构尺寸、选择合适的运动副形式、考虑动力源的形式、使执行系统具有良好的传力和动力特性、使机械具有调节某些运动参数的能力和保证机械的安全运转。考虑以上设计原则,在实现钻头的旋转切削运动时,动力源与主轴之间的执行机构我们选择带轮传动;在实现钻头的直线进给运动时,我们选择能够往复运动的液压缸。3.3传动系统方案设计和原动机选择3.3.1 原动机选择由自动钻床执行部件的运动规律我们可以选择原动机。主轴旋转运动的原动机选择电动机,进给液压缸原动力选择电动机驱动液压泵 (具体型号在下面章节中计算后选择)。3.3.2 传动系统方案设计(一) 确定传动系统总传动比全自动钻床的总传动比的确定要建立在计算切削力和传动效率的基础上,当确定自动钻床的工作功率后,查表选择电动机,对照钻床的工作参数确定总传动比(主轴系统总传动比在传动系统设计中经计算后确定)。(二)绘制传动系统运动简图根据以上分析,确定传动系统的运动简图如下(图3-4):图3-4 传动系统运动简图3.3总体布局设计机床总布局的设计任务是解决机床各部件间的相对运动和相对位置的关系,并使机床具有一个协调完美的造型。工艺分析和工件的形状、尺寸及重量,在很大程度上左右着机床的布局形式。普通台式钻床的自动化改造及进给系统设计,是在原有机构的基础上导入了液压进给驱动系统:主轴箱要做变动。第4章 珍珠自动钻孔机进给系统设计4.1进给系统概述传统的台式钻床主轴进给系统主要由主轴、主轴套筒、主轴套筒镶套、齿轮齿条和轴承等组成。主轴在加工时即要作旋转运动,也要作轴向的进给运动。机床主轴被装置在主轴套筒内,套筒放置在主轴箱体孔的镶套内,主轴上侧由花键连接。机床加工时,旋转运动由花键传入,而进给运动则由齿轮通过齿条带动套筒在镶套内运动。由总体方案可知,自动钻床进给系统设计导入了液压缸进给系统,由液压缸驱动替代齿轮齿条的手动进给,来实现主轴的快进、工进和快退动作。钻床在加工时,主轴要作高速的旋转运动和直线的进给运动。导入液压缸进给系统后,因此,我们要结合合适的轴承和结构来实现主轴的高速旋转。往复进给运动由液压缸来完成动作。1、主轴套筒镶套2、推力球轴承3、主轴套筒4、主轴5、深沟球轴承 6、齿轮齿条手动进给系统7、主轴箱图4-1钻床进给系统简图4.2进给系统方案图确定全自动钻床是在原有台式钻床的结构基础上进行改造设计的,所以,我们首先要对普通台式钻床的进给系统仔细的研究。 台式钻床主轴进给系统主要部件有主轴、主轴套筒、主轴套筒镶套、齿轮齿条和轴承等。其结构图如图4-1示:根据普通台式钻床的进给系统设计特点,综合考虑本文设计的要求、改造后自动钻床的工作条件和液压缸工作特性,确定自动钻床的进给系统如图4-2所示:1、深沟球轴承2、主轴3、活塞杆4、液压缸筒5、油路口6、液压缸盖7、锁紧螺钉8、推力球轴承9、密封圈图4-2自动钻床的进给系统简图4.3工况分析根据设计任务可知,对珍珠进行钻孔时,要求生产率为6个/分钟,即要求在10秒内要完成一个珍珠的送料、夹紧、钻削加工和出料。在钻床的切削加工过程中,钻床主轴主要受到切削扭矩和轴向进给力的作用。所以,钻床主轴为仅受转矩作用的轴类。主轴进给液压缸在工作中受到作用力可以分为三个阶段分析。在主轴快进工序中,液压缸受到钻床主轴组件重力和液压缸系统的摩擦力的作用;在主轴工进工序中,液压缸受到钻床主轴组件的重力、轴向切削力和液压缸系统的摩擦力作用;在主轴快退的工序中,液压缸受到主轴组件的重力、退刀阻力和液压缸系统摩擦力。因此,在进给液压缸设计时,我们要以最大受力作为设计标准。4.4切屑力计算4.4.1 切削刀具相关参数选择目前在钻孔加工中,由于高速钢麻花钻在采用物理沉积法TiN涂层处理后,其耐用度和钻孔精度有了较大提高,所以该钻头应用极广。所以,在本文的钻削加工过程中,选择高速钢麻花钻头。查金属切削手册选择标准圆柱锥柄麻花钻中等长度第一系列,钻头与主轴用莫氏锥孔连接,莫氏锥孔为1号莫氏锥孔。由于被加工材料为珍珠,其切削性能较好,所以查金属切削手册选择加工时进给量f为:f=0.2mm/r;其对应的切削速度V=32m/min。4.4.2 主轴转速及钻孔时间计算查金属切削手册,由切削速度计算公式可得出主轴在工艺长期稳定时的固定转速n的计算公式如下:(3-1)式中,选定的切削速度(m/min) 刀具或工件的直径(mm)将V=32m/min,d=2mm代入公式中,计算得出n=850r/min.查金属切削手册,钻孔时间T的计算公式为: (3-2)式中,l被钻孔厚度(mm) f切削进给量(mm/r) 刀具或工件的直径(mm) n主轴固定转速(r/min)将l =15mm,f =0.2mm/r,d=2mm,n=850r/min代入公式中,计算得出T=3.6s。由此,确定一件工件的加工工时为:送料1s,工件夹紧1s,快进1s,工进4s,主轴停留1s,快退1s,出料1s,加工一件工件用时10s,达到了加工效率的要求。4.4.3 切削力计算钻床切削力的计算包括钻床主轴转矩计算和主轴轴向切削力的计算。由于加工材料为珍珠,钻头为高速钢麻花钻,加工方式为钻孔,所以查机床夹具设计手册得:钻床转矩计算公式如下: (3-3) 式中,切削力矩(NM)钻头直径(mm)每转进给量(mm)修正系数 轴向切削力的计算公式如下: (3-4)式中, 轴向切削力(N) 钻头直径(mm) 每转进给量(mm) 修正系数已知被加工材料为珍珠,取=73MPa,D=2mm,=0.2mm,所以可分别计算出切削转矩和轴向切削为:=1.35 NM=260 N4.5钻床主轴设计4.5.1 主轴轴径计算由金属切削原理可知,主轴切削功率的计算公式为: (3-5) 式中: 轴向切削力(N) 每转进给量(mm)n主轴固定转速(r/min) 切削力矩(NM)将以上数值代入公式中可计算出功率=1.2KW考虑到轴承传动效率(查得为0.99)和花键传动效率(查得为0.98),所以可计算出钻床主轴要传递的功率P为:P=/(0.990.990.98)=1.25KW由工况分析可知,钻床主轴为仅受转矩作用的轴类。查机械设计得钻床最小直径的计算公式如下: (3-6)选C=110,计算出dmin=13mm由计算结果可知,在满足加工条件的情况下,钻床主轴最小直径不能小于13mm,根据普通台式钻床的主轴结构,现选自动钻床直径为40mm。4.5.2 轴的结构设计由图4-2进给系统结构简图可知,钻床主轴上主要安装有一对深沟球轴承、一对推力球轴承、一个轴承挡环、一个锁紧螺栓和轴端得花键连接。根据钻床轴径选用轴承及花键尺寸如下(表4-1)表示:根据主轴的行程,可确定钻床主轴的基本长度尺寸如下图示(图4-3):图4-3 钻床主轴基本尺寸简图表4-1 主轴零件选用表主轴零件型号深沟球轴承滚动轴承 6208 GB/T 276-1994推力球轴承滚动轴承 51308 GB/T 301-1995花键832366 GB/T 1144-19874.5.3 轴强度的校核由工况分析可知,钻床主轴的受力图如下(图4-4):图4-4钻床主轴受力简图图4-5钻床主轴转矩简图考虑到传动效率,钻床主轴要传递的转矩M=Mk/(0.990.990.98)=14NM,液压力为对称受为,合力方向沿钻床主轴方向,大小与进给切削力相互抵消。所以,绘制主轴所受转矩图如图4-5。根据轴上零件的布置,轴的危险截面为轴端花键处,所以应对该处进行轴的强度校验。扭转强度约束条件: (3-7)式中:T 轴的扭转应力(MPa)M轴的传递转矩(N.mm)WT轴的抗扭截面模量(mm3)T轴的许用扭转应力()查机械设计得花键的抗扭截面模量WT的计算公式为:、 (3-8)式中:d1花键内径(mm)b花键齿宽(mm)z花键的齿数D花键的外径(mm)将选用花键的基本参数代入公式中可计算出WT=5739,所以可以计算出钻床主轴的扭转应力=2.44。由于=35,显然,所以,轴满足强度要求。4.6进给液压系统设计一般情况下,作往复直线运动的液压缸的负载由六部分组成,即工作阻力、摩擦阻力、惯性力、重力、密封阻力和背压力。负载分析中,我们暂不考虑回油腔的背时压力,所以需要考虑的力有:工作阻力(钻床轴向切削力)、系统摩擦阻力(在机械效率中考虑)、重力和惯性力。负载中工作阻力为钻床的轴向切削力,其大小=260N系统摩擦阻力在机械效率中考虑,轴承传动效率取0.99,花键传动效率取0.98,液压传动效率取0.95,所以计算出整下系统的机械效率为:=0.990.990.980.95=0.91系统要克服的重力有钻床主轴重力和液压缸活塞杆重力,钻床主轴重力可按下式计算:查机械设计手册钢材密度取7.85,主轴体积V为: (3-9)式中: V主轴体积(m3)d主轴直径 (mm),取40mm主轴长度(mm),取550mm所以主轴重力为:= (3-10)式中: V主轴体积(m3)主轴材料密度()g重力加速度(),取10主轴重力(N)计算出主轴重量=55N,考虑到轴上零件和液压缸活塞杆重力,现取整个系统要承受的重力=200N。惯性力指运动部件在启动或制动过程中的惯性力,查液压与气压传动得其计算公式为: (3-11)式中,系统重力重力加速度 时间内的速度变化量 加速或减速时间已知主轴系统重力G=200N;快进行程70mm;工进行程为20mm;根据工时安排可确定主轴快进快退速度为3m/min;工进速度为0.17m/min;加速、减速时间一般取t=0.2s;所以可以计算出惯性力: 快进时,在不考虑背压的情况下,主轴会在重力的作用下自动下移,且加速度大约为9.8,因此,液压缸在快进时受到的最大作用力F=G=182N。工进时,液压缸要克服工作阻力(主轴轴向切削力)和系统摩擦力,此时系统重力起到动力作用。所以F=(-G)/,为了设计的可行性,使得液压缸有足够的液压作用力,计算中我们取系统重力的一半代入到式中,F=2742N。快退时,液压缸要克服重力和系统摩擦力,所以F=G/考虑到钻头退出工件时的摩擦力,在计算时取0.89,所以计算出此时F=225N。列出主轴系统各运动阶段的液压负载计算公式及大小如下表(表4-2):表4-2 液压缸各运动阶段负载表运动阶段计算公式负载大小(N)主轴快进F=G182主轴工进F=(-G)/270主轴快退F=G/2254.7主轴电机选择根据前面章节的计算可知,主轴切削功率=1.2KW。由于花键毂要与带轮固定在机架上,取轴承传动效率为0.99、花键传动效率为0.98和V带传动效率为0.96,所以可计算出电机要传递的最小功率为: (3-13)所以可计算出=1.32。查电机样品选取电机型号为:Y90L-4。其额定功率为1.5,满载转速为1400 r/min。4.8 V带传动设计4.8.1 设计功率的计算 (3-14)式中: 工况系数;自动钻床一般为空载启动取=1.2传递功率;取电动机额定功率=1.5计算出=1.8。4.8.2 选择带型根据=1.8,=1400 r/min,查机械设计选用Z型V带。4.8.3 选择带轮基准直径和由前面章节中计算可知,主轴转速=850 r/min。考虑到电机主轴直径D=24mm及Z型V带的=50mm,查机械设计取=80mm。 (3-15)式中: 钻床主轴带轮直径;主轴电机满载转速;=1400 r/min钻床主轴转速;=850 r/min钻床主轴带轮直径;=80mm滑动率;取=0.02所以可计算出=129.13mm,圆整取标准值后取=132mm。4.8.4 验算带速V带速的计算公式为:由以上确定的数值,代入可计算出带速=5.86。在520范围之间,带速合适。4.8.5 确定中心距a和带的基准长度由带轮直径和自动钻床的机构尺寸,初选中心距=300mm。经计算可知其符合:0.7(+)=148.42(+)=424由带长计算公式可计算出: (3-16)查机械设计对Z型带选用基准长度=1080mm,可由下式计算出实际的中心距为:4.8.6 验算小带轮包角所以120,在要求的范围之内,包角合适。4.9 转盘的设计 由于该转盘为自行设计,所以根据电机的轴线来设计该转盘,转盘夹装工件并带着工件旋转,因为转速并不需要很大所以自行设计。因此,转盘上房需要有固定块来稳定转盘由图(4-10)所示图4-10 转盘图1、转台 2、固定块 3、螺栓4.10 转盘电机的选择控制转盘的为步进电机,因为需要间断性的旋转工作,通过PLC来控制此转台,故电机的选择如下:(1) 步进电机的类型的确定数控伺服系统中常用的步进电机有快速步进电机和功率步进电机。快速步进电机的输出转距一般为:。可以用来控制小型的数控装置。功率步进电机的输出转距一般为:。可以直接用来驱动大型的数控装置。此外,按励磁相数可分为三相、四相、五相、六相等。相数越多步距角越小,但结构也越复杂。在选择步进电机时,首先要确定步进电机的类型。(2) 步进电机步距角的选择步进电机的步距角是步进电机的主要性能指标之一。不同的场合,对步距角大小的要求不同。它的大小直接影响着步进电机的启动和运行频率,因此在选择步进电机时,应使其步距角小于或等于系统对步进电机最小转角的要求,即,步距角应满足 (3-17)式中, -传动比 -负载要求的最小位移量。(3) 最大静转矩负载转矩和最大静转矩的关系为 (3-18) 为保证步进电机在系统中正常工作,还必须满足 式中 -步进电机启动转矩-最大负载转矩通常取 =/(0.3-0.5) (3-19)(4) 负载启动频率:步进电机的负载启动频率由下式计算 式中 -系统中移动部件的最大启动速度 -系统脉冲当量只要负载启动频率不大于允许的最大启动频率即可。(5) 最大运行频率的确定由于步进电机在运行时,驱动力矩随着频率的增加而下降,因而必须按工作时的负载力矩T从“运行矩频特性曲线”中查出最大运行频率(Hz)。假设系统在工作负载情况下的最大速度为(m/min),系统脉冲当量为(mm),则步进电机在工作负载情况下的最大允许工作频率为: = 电动机启动、加速时的负载扭矩通过下式计算出电动机启动、加速时的负载扭矩: (3-20)式中 -丝杠的转动惯量 (3-21)此公式也用来计算齿轮等圆形零件的转动惯量-由电机轴到丝杠一级齿轮减速器的传动比,-丝杠上的齿轮的转动惯量 -丝杠启动的角加速度-电机轴上齿轮的转动惯量-电机启动的角加速度-螺母作用在丝杠上的扭矩其中 =/ 式中 -螺母的线加速度 = -螺母与丝杠间的磨擦系数 一般取=0.1-0.3还要计算出夹紧力对丝杠的扭矩: (3-22)式中F-夹紧力将折算到电机轴上去: (3)轴类零件的强度校核: 轴类零件的强度校核可以依据下式来进行计算 (3-23) (3-24) 式中 -轴传递的功率(kW) -扭应力(MPa) -轴的抗扭截面系数() -轴的转速(r/min) C-常数 -许用应力(MPa),-零件中的最小直径(mm)T-轴承受的转矩,T=P*9.55*1000000/n表3.10 轴常用的几种材料的及C值轴的材料Q235,20354540Cr,35SiMn,38SiMnMo,2Cr13/MPa12202030304040-52C160135135-118118106106-98整个电机及机械手机体部分的总重量为3Kg。进给量最小为0.01mm。即,。(4)等效负载转矩的计算设工进速度为V=6000mm/min,快进速度V=6000mm/min。 (3-27)已知F=G=200N,F=12N。 T=0.36(5)启动惯性阻力矩(T)的计算取=0.3s。取加(减)速曲线为等加(减)速梯形曲线,故角加速度为: T=0.52(6)步进电机输出轴上总负载转矩T的计算 机械传动总效率为=0.7取安全系数K=1其最大静转矩T=1.2NM。则。由此可知:T=1.50.882=1.323NmT选择鼎浩三相混合式步进电机55BF009。保持力矩0.732N/M,步距角0.72,转动惯量1400gfcm2.zx。第5章 结论本文为了解决目前珍珠打孔设备普遍存在的加工生产效率低、工作环境恶劣、劳动强度大、生产成本高等制约生产的问题,设计出了一种能够针对不同大小的珍珠进行自动钻孔的全自动珍珠钻孔机。论文的主要研究工作总结如下:(1)根据珍珠力学,讨论了珍珠拉压力学性质以及加工破坏的形式,分析了珍珠等硬脆材料加工过程中的主要影响因素,为全自动珍珠钻孔机钻孔方案以及各部件的设计中,设计有利的加工条件提供理论指导。(2)根据珍珠钻孔过程中的功能转换关系,对珍珠钻孔过程中的钻头钻孔转速、钻头钻孔扭矩以及钻孔钻压等钻削参数之间的关系进行了理论推导,得到了较优的钻削转速范围为4000r/min-6000r/min。(3)依据文献总结得到的脆硬材料的参考转速区间和参考钻压区间,设计了两因素四水平的珍珠钻孔实验方案,设计了针对珍珠钻孔加工的专用实验夹具。通过对Z4006 型台钻的改进得到了1970r/min、3350r/min、4735r/min 和7500r/min 四种实验钻削转速,同时,改进台钻进给机构,提供了恒定进给力的实验方案。通过对实验结果和数据分析,选取4735r/min 的钻削钻速以及0.882mm/s 的进给速度为合理钻削参数,为全自动珍珠钻孔机钻孔主轴电机的选取以及整机工作时序的设计和控制系统程序的设计提供了设计依据。(4)根据珍珠的尺寸、钻削力学特性、定位夹持方案以及自动生产要求,对全自动珍珠钻孔机进行总体方案以及具体实施方式进行了设计;依据统计数据和实验数据,结合实际工况,对关键部件进行了具体设计、做了相关力学计算验证以及元器件选型计算。(5)根据珍珠钻孔机各执行部件的功能顺序要求,对整机气动系统做了相关气动回路设计,绘制了气动系统原理图,并做了气动元器件选型和相关计算。由于时间关系,本文仍然存在一些不足之处,主要表现如下:(1)本文虽对全自动珍珠钻孔机整机做了详细设计,并对气动控制回路进行了设计和仿真,但由于时间有限,工作量巨大,未能实现整机制造装配和实机加工实验。(2)本文只对特定的珍珠样本做了钻削实验,且样本数量有限,所得出的结论存在一定的局限性。(3)未研究通过改进加工方法对珍珠钻孔加工质量的影响,没有对珍珠钻孔质量进行评估。参考文献1 王瑶.中国玉的美学鉴赏EB/OL.雅昌收藏频道.2013-05-23.2 我国珠宝行业的2014 和2015EB/OL.中国珠宝行业网.2013-02-04.3 郭昉,田欣利,张保国,杨俊飞,刘超. 超声振动在非金属硬脆材料加工中的应用J. 新技术新工艺,2009,09:14-19.4 曾伟民. 旋转超声钻削先进陶瓷的基础研究D.华侨大学,2006.5 张欢唱. 难加工材料微小孔超声振动钻削技术的研究D.西安石油大学,2013.6 季凌飞, 闫胤洲, 鲍勇, 蒋毅坚. 陶瓷激光切割技术的研究现状与思考J. 中国激光,2008,11:1686-1692.7 袁根福,曾晓雁. 硬脆性无机材料激光成形加工研究与应用现状J. 激光与光电子学进展,2002,06:47-51.8 陈志华, 林有希, 高诚辉. 树脂基纤维增强复合材料的激光钻削研究J. 机械制造,2005,10:53-55.9 陈沛.激光加热辅助切削Al2O3 工程陶瓷材料的研究D.湖南大学,2006.10 高升晖.微细及小孔电火花加工的关键技术研究D.大连理工大学,2008.11 李立青,郭艳玲,白基成,郭永丰.电火花加工技术研究的发展趋势预测J. 机床与液压,2008,02:174-178.12 靳晓丽,袁军堂,肖冰.工程陶瓷材料孔加工技术的试验J. 工具技术,2004,05:22-24.13 李泽印. 钎焊金刚石磨粒钻削脆性材料的实验研究D.华侨大学,2006.14 王传留,孙友宏,刘宝昌,王银霞. 仿生耦合孕镶金刚石钻头的试验及碎岩机理分析J. 中南大学学报:自然科学版,2011,05:1321-1325.15 段隆臣,汤凤林. 高转速钻进时金刚石钻头磨损的试验研究进展J. 地质科技情报,2000,01:109-112.16 张泽洋,郑镇丰. 小口径金刚石钻进规程参数及优化组合的探讨J. 西部探矿工程,2006,07:198-199.17 徐良,孙友宏,高科.仿生孕镶金刚石钻头高效碎岩机理J. 吉林大学学报(地球科学版),2008,06:1015-1019.18 林志远,张春辉,张雷. 影响孕镶金刚石钻进效率的参数的选择J. 黑龙江科技信息,2010,09:31.19 张凤海,于彦民,尤春峰. 小口径金刚石钻进技术参数优化选择机理初探J. 黑龙江水
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