陈志豪,说明书数控平面钻床液压进给钻削动力头设计.doc

1 51 毕业论文 设计 任务书 院 系 机 械 工 程 学 院 专业班级 机自 055 学生姓名 陈志豪 一 毕业论文 设计 题目 数控平面钻床液压进给钻削动力头设计 二 毕业论文 设计 工作自 2008 年 3 月 9 日 起至 2008 年 6 月 20 日止 三 毕业论文 设计 进行地点 校 内 四 毕业论文 设计 的内容要求 钢结构在工业与民用建筑中的应用广泛 H 钢的钻孔加工已成为钢结构行业中的关键技术之一 采用数控平面钻床液压进给钻削动力头实现 H 钢的孔加工是较为理想的加工方式之一 采用模块化 的设计思路 设计一种数控平面钻床自控行程钻削动力头 要求运动行程可控 结构简单 紧凑 合理 制造成本低 钻削过程简单 可使钻头快速接近工件 钻完快速自动返回 设计要求及任务 设计要求及任务 1 查阅资料 熟悉数控平面钻床液压进给钻削动力头国内外研究概况 2 完成数控平面钻床液压进给钻削动力头的总体方案设计 3 完成传动系统 进给系统设计计算 4 完成主要零件 主轴及其相关安装零部件的设计计算及校核 5 完成液压进给控制系统设计 6 绘制动力头装配图及主轴零件图 7 绘制进给系统控制原理图 8 按要求编写详细设计说明书一份 指 导 教 师 陈玉玲 系 教研室 系 教研室 主任签名 批准日期 接受论文 设计 任务开始执行日期 2008 3 9 学生签名 2 51 数控平面钻床液压进给钻削动力头设计数控平面钻床液压进给钻削动力头设计 姓名 陈志豪 机械设计制造及其自动化专业 055 班 指导教师 陈玉玲 摘要摘要 数控平面钻床液压进给钻削动力头是一种将动力头的主运动与进给运动集为一体的设备 具有结 构紧凑 体积小 重量轻 刚性好等特点 又由于动力头的进给运动采用液压驱动 因此具有钻进平稳 无极调速 辅助时间少 钻进效率高等优点 本论文采用模块化的设计思路 将动力头的设计分为主运动传动系统 液压进给系统 控制系统和机械结构设 计等四个方面的主要内容 主运动传动系统主要是选择主运动的传动方式和进行与主运动相关零件的设计计算 进 给系统主要对液压缸的设计计算与轴向进给的驱动设计 控制系统主要是液压控油回路与 PLC 控制系统的设计 机械结构设计主要是进行整体零部件的布置和主轴及相关零件的设计计算 通过以上各模块的设计 使主轴在自控 行程进给时能达到 快进 工进 停留 快退 停止 的功能 本课题所设计的数控平面钻床液压进给钻削动力头主要用于 H 钢的钻孔加工 钻孔范围 10 30mm 最大工作 形成 200mm 关键词关键词 钻削动力头 液压进给 设计计算 主轴 3 51 The Design of NC flat surface Drilling Machine for Hydraulic Feed drilling driving head Yongfu FU Grade05 Class5 Machine Design Manufacture and Automation School of Mechanical Engineering Shanxi University of Technology Hanzhong 723003 Shanxi Tutor Li Yuling Abstract The Hydraulic Feed drivlling driving Heed of NC flat surface is a equipment which integrate the main motion and feed motion so it will be compact light and rigid Because of it s Hydraulic Feed driving Head it can achieve classless speed little auxiliary time and great efficiency This paper cuts the design for driving head into main motion hydraulic feed motion control system and feature of mechanical structure under the moduling ideology The main movement system mainly selects the way of main motion transmission and finishes the computation of interrelated spare parts feed system design is formed by the design and calculation of hydraulic equipment and axial motion it is the hydraulic return circuit and PLC control system design that compose the control system feature design of mechanical structure is made up of the arranging of all spare parts and design and calculation of sprindle and interrelated parts As done the motion of sprindle can achieve Fast Forward Implementation Suspended Rewind Stop The driving head designed above applying mainly in the drilling of H type structural steel with cutting range intensively 10 30mm and maximal working stroke 200mm Key words drilling driving head hydraulic feed motion design and calculation spindle 4 51 目目 录录 目 录 4 引 言 1 1 数控平面钻床液压进给钻削动力头概况 2 1 1 研究现状 2 1 2 应用领域 3 2 数控平面钻床液压进给钻削动力头总体方案设计 4 2 1 钻削动力头系统运动方案要求 4 2 2 总体方案的确定 5 2 2 1 方案的选择 5 2 2 2 方案的确定 7 3 主要参数设计计算 8 3 1 切削力计算 8 3 2 钻削扭矩计算 9 3 3 切削功率计算 10 3 4 预计工作时间 10 4 主运动传动系统的设计 11 4 1 电动机的选择 11 4 2 带传动的设计 13 4 2 1 传动方式 13 4 2 2 同步带与同步带轮的设计计算 14 4 2 3 同步带轮的张紧和带轮的安装 17 4 2 4 同步带轮轴承的选用 18 5 进给系统的设计 21 5 1 进给系统的方案确定 21 5 2 液压缸的选用 22 5 2 1 主要尺寸的确定 22 5 2 2 液压缸最低速度验算 24 5 2 3 缸筒壁厚 24 5 3 弹簧的设计计算 25 5 3 1 弹簧工作条件的确定 25 5 51 5 3 2 弹簧的参数计算 26 5 3 3 弹簧的设计验算 27 5 4 液压进给控制系统设计 27 5 4 1 液压进给控制系统的方案确定 27 5 4 2 液压进给系统工作状态及工作循环设计 28 5 4 3 液压进给系统工作原理 28 6 PLC 电气控制系统设计 32 6 1 PLC 控制系统分析 32 6 2 PLC 控制系统设计 32 7 主轴及其相关零部件的设计计算与校核 36 7 1 拟定主轴上零件的装配方案 36 7 2 主轴的材料与热处理 37 7 3 确定主轴的最小直径 38 7 4 主轴的结构尺寸设计 38 7 5 主轴的校核 39 7 5 1 主轴的扭转强度 39 7 5 2 主轴的扭转刚度校核计算 39 7 5 3 主轴的花键校核 40 7 6 主轴轴承 41 7 6 1 主轴轴承的选用 41 7 6 2 主轴轴承的寿命计算 41 8 综合评价 43 设计总结 44 致 谢 45 参考文献 46 附录 1 51 引 言 本毕业设计课题是数控平面钻床液压进给钻削动力头 目的是通过在数控平面钻 床液压进给钻削动力头设计的基础上 学习机床主轴及其相关的轴承 传动等部件的 设计计算 了解机电控制 PLC 等知识 以便更好的将机械专业所学知识运用到实际生 产中 为以后的工作打下基础 巩固所学知识 机械加工行业中 孔加工占重要的地位 钻床加工的自动化和生产效率要求越来 越高 钻床的发展急需改进 本课题的目的在于以自控行程钻削动力头为研究目标 主要解决当前 H 钢的钻孔加工专用钻削动力头 随着钢结构在工业与民用建筑中的广 泛应用 H 钢的钻孔加工已成为钢结构行业中的关键技术之一 因此对 H 钢的钻孔加工 通过数控平面钻床液压进给钻削动力头实现是钻孔加工是较为理想的加工方式 数控 平面钻床液压进给钻削动力头一种集动力头的主运动 进给运动和控制装置于一体 具有体积小 重量轻 结构紧凑 钻削过程简单 可使钻头快速接近工件 立即自动 转换好的工进速度开始钻孔 钻完快速自动返回 它可用于 H 钢结构 汽车工业 摩 托车制造业 燃气器具制造业 电梯制造业等行业的钻 扩 铰加工 具有广泛的应用 前景 数控平面钻床自控行程的钻削动力头 这不仅有助于提高钻床加工的自动化 而且对于满足生产效率要求越来越高也具有重要意义 在现代机械制造行业中 随着加工零件方式多样化及工艺合理化发展的要求 加 工零件的方法也呈现出多样化 金属切削加工是利用刀具切除被加工零件多余材料的 方法 是机械制造行业中最基本的加工方法 金属切削加工过程是由金属切削机床来 实现的 金属切削机床是用切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器 除切削加 工外 还有铸造 锻造 焊接 冲压 挤压和辊轧等 在这其中机床切削加工的工作 量约占总制造工作量的 40 60 其中钻床占 11 2 所以在目前的机械制造行业中金 属切削机床是主要的加工设备 而机床的技术性能又直接影响机械制造行业的产品质 量和劳动生产率 所以为了提高国家的工业生产能力和科学技术水准 必须对机床的 发展作出新的要求 当前传统钻床问题的存在主要在于自动化程度 生产效率 工作环境及产品质量 在生产过程中 手动的操作 繁锁的装夹 大量生产力的投入和单一的生产流程导致 了钻床加工的自动化程度低 生产效率低 工作环境恶劣和产品质量不高 因此 我 们要解决的问题在于如何实现钻床加工的自动化 减少生产力的投入生产和与其它工 艺流程相结合 同时也要考虑经济问题 2 51 1 数控平面钻床液压进给钻削动力头概况 1 11 1 研究现状研究现状 金属切削机床是用刀具或磨具对金属工件进行切削加工的机器 在制造业中 尤 其是机械行业 机床有着非常广泛的应用 然而钻削加工仍然在零件加工中占有相当 的比例 据统计在零件加工中钻孔加工占 11 2 以上 钻床是切削加工的主要设备之一 尤其是作为传统的老产品摇臂钻床 有数百年的发展历史 其产品都在不断地更新 功能也越来越齐全 性能也不断地完善 在机床加工中钻床的加工工作量在总制造工作量中占有很大的比重 钻床为孔加 工机床 按其结构形式不同可以分为摇臂钻床 立式钻床 卧式钻床 深孔钻床 数 控平面钻床等 而数控平面钻床的钻削动力头是数控平面钻床的核心部件 钻削动力 头是将进给运动与主运动集于一体 目前钻削动力头大多数靠液压滑台实现进给 由 于采用了滑台使动力头结构复杂 在 随着钢结构的不大发展应用 数控平面钻床的钻 削动力头是加工钢结构联结孔的理想部件 必将得到大发展 随着机械工业的扩大和科学技术的进步 尤其是计算机的出现和数控技术的发展 我国的机械制造行业正朝着高精度 高效率 高智能发展 高精度 机床针对钢结构行业加工设计 采用微机控制 在钻孔加工时其最关键 的孔位定位由微机控制进行自动 准确 快速定位 其高速 精确的定位是人工无法 达到的 同时避免了因人工定位与钻孔的误差而造成工件反修或报废的可能 高效率 数控平面钻床由微机控制 按程序进行自动定位 根据不同的孔径自动 调整至最佳的钻孔进给量与旋转速度 人工只需上 下工件即可 减少了人工钻孔时 划线定位 辅助钻孔的人员 其钻孔速度是人工的 4 倍以上 可连续地进行加工 而 不需要在上下工件时使机器停止运行 100 的合格率又节省了人工钻孔可能发生的返 工工时 高智能 数控平面钻床在人机交流即传统的编程上作了更突出的设计 使用户操 作非常简单 迅速 不具备电脑操作经验者也可在很短的时间内完成编程 程序简短 通常只需 2 3 条指令即可 对于机床的一些参数用户不需处理 同时具有自检 可以 全自动地完成所有工作 高性价比 因机床采用微机数值控制系统装置 有精度高 效率高等优越性 其 3 51 低价格在于仅针对钢结构加工之特点与精度要求进行设计 相对其它数控机床 如数 控铣床 车床 钻床 的设备结构较为简单 加工精度要求较低 因此优越性能与低 价格便使该机床具有很高的性能价格比 1 21 2 应用领域应用领域 H 钢结构在工业与民用建筑中的应用广泛 主要用于建筑钢结构中的梁 柱构件 工业构筑物的钢结构承重支架 地下工程的钢桩及支护结构 石油化工及电力等工业 设备结构 大跨度钢桥构件 船舶 机械制造框架结构 火车 汽车 拖拉机大梁支 架 由于 H 型钢的大量使用 H 钢的钻孔加工已成为钢结构行业中的关键技术之一 采 用数控平面钻床钻削动力头实现 H 钢的孔加工是较为理想的加工方式之一 数控平面钻床液压进给钻削动力头除了用于 H 钢结构孔加工 它还可以用于机床 零件加工 汽车工业 摩托车制造业 电梯制造业等行业的钻 扩 铰加工具有广泛 的应用前景 数控平面钻床自控行程的钻削动力头可以像组合机床那样实现多动力头 在一台机床上使用 大大的提供加工效率 这不仅有助于提高钻床加工的自动化 而 且对于满足生产效率要求越来越高也具有重要意义 4 51 2 数控平面钻床液压进给钻削动力头总体方案设计 2 12 1 钻削动力头钻削动力头系统运动方案要求系统运动方案要求 由于设计的多解性和复杂性 满足某种功能要求的机械系统运动方案可能会有多 种 因此 在考虑机械系统运动方案时 除满足基本的功能要求外 还应遵循以下原 则 机械系统尽可能简单 机构运动链尽量简短 在保证实现功能要求的前提下 应尽量采用构建数和运动 副数少的机构 这样可以简化机器的构造 从而减轻重量 降低成本 此外 也可以 减少由零件的制造误差形成的运动链的累计误差 选择运动副 高副机构可减少构建数的运动副数 设计简单 但低副机构的运动 副元素加工方便 容易保证配合精度以及有较高的承载能力 究竟选用何种机构 应 根据具体设计要求全面衡量得失 尽可能做到扬长避短 在一般情况下 应优先考虑 低副机构 而且尽量少用移动副 选择原动机 机械系统的运动与原动机的形式密切相关 目前 电动机 内燃机 使用最广泛 但是应结合具体情况灵活选择 尽量缩小装备的尺寸 机械的尺寸和重量随所选择的机构类型不同而有很大差别 该设计中选用变频三 相电动机提供主运动动力 省去了齿轮传动部分 使钻削动力头尺寸减小 制造成本 也降低 机构应具有较好的动力特性 机构在机械系统中不仅传递动力 同时还要传动动力 因此要选择有较好动力学 特性的机构 采用对称布置的机构 对于高速运转的机构 其往复运动和平面一般运动的构建 以及偏心的回转构建的惯性力和惯性力矩较大 在选择机构时 应尽可能考虑机构的 对称性 以减少运转过程中的动载荷和振动 该钻削动力头采用双液压对称布置在主轴两侧 为主轴提供对称的轴向力 避免 了主轴受到侧向颠覆力 5 51 机械系统应具有良好的人机性能 任何机械系统都是由人类设计 并用来为人类服务的 而且大多数机械系统都要 由人来操作和使用 因此在进行机械设计时 必须考虑人的人理特点 以求得人与机 械系统的和谐统一 该钻削动力头采用了 PLC 控制系统 控制相应的液压回路系统 能使动力头工作 时进给行程可控 并能自控形成 很大程度上降低了工人的劳动强度 2 2 总体方案的确定总体方案的确定 2 2 12 2 1 方案的选择方案的选择 本论文的数控平面液压进给钻削动力头 采用模块化的设计思路 把钻削动力头 分为三个主要部分 主运动传动系统部分 进给系统部分 控制系统部分 然后再把 这三个部分集为一体 1 主运动方案选择 主运动 即旋转运动 其动力源使用电动机和内燃机比较广泛 传统的钻床一般 都用电动机作为主运动的动力源 然后再通过齿轮传动 把电动机的运动与动力传递 给主轴 本论文的数控平面钻床液压进给钻削动力头的主运动采用电动机作为动力源 但 不是经过齿轮把运动与动力传递给主轴 而是使用变频器作为电动机的电源 通过变 频调速来改变提供给主轴的运动转速 然后经过带轮把变频电机的运动与动力传递给 主轴 由于没有齿轮的传动 为了避免带轮打滑而影响运动传递 在此采用同步带轮 传动 这样就使动力头的体积减小 加工简单 成本降低 2 进给运动方案选择 6 51 图2 1 外置液压缸钻削动力头 数控平面钻床液压进给钻削动力头的方案设计 主要在于确定动力头的液压进给 方式 传统的液压进给钻削动力头分为外置和内置两种 外置 是指为钻削动力头提供轴向进给运动的液压缸置于主轴座外边 然后通过与 之相配套的机械滑台来实现进给运动的移动副 这种钻削动力头体积比较大 结构复 杂 制造困难 但工作行程比较大 可以钻削深孔 一般用于矿业 石油业的钻孔 如图2 1所示 为液压缸外置钻削动力头 内置 是指为钻削动力头提供轴向进给运动的液压缸置于动力头内部 与主轴套 筒合为一个整体 这种钻削动力头体积小 钻削平稳 精度高 但工作行程没有外置 液压缸的钻削动力头的工作行程大 一般用于机加工 如图2 2所示 为主轴套与液压 缸合为一体的液压缸内置钻削动力头 图2 2 内置液压缸钻削动力头 结合液压缸外置和内置这两种传统钻削动力头的优缺点 设计第三种方案 第三 种方案采用内外结合的方式 即液压缸置于主轴座外部 推动内部的主轴套筒带动主 轴作进给运动 主轴座和箱体不动 通过以上的三种液压进给方案的分析 第三种方案扬长避短 既能减小钻削动力 头的体积 又能提高其工作行程 所以本论文采用第三种液压缸内外结合的方式 为 主轴进给提供动力 3 控制系统的方案选择 钻床的控制系统有计算机控制系统 电气控制系统 DCS 与 PIC 控制系统等 7 51 本设计中采用 PLC 控制系统 PLC 控制系统的可靠性高 抗干扰能力强 维护方便 容易改造 体积小 重量轻 能耗低等特点 2 2 22 2 2 方案的确定方案的确定 根据以上三个方案的选择 确定数控平面钻床液压进给钻削动力头的设计方案为 如图 2 3 所示 主运动采用变频电机作为动力源 通过变频调速改变主运动的转速 变频电机输 出的运动与动力直接通过同步带轮传递给主轴 进给运动是由两个液压缸驱动 两个 液压缸对称置于主轴座外边 然后通过弹簧缓冲装置 起减小液压缸受震动 冲击作 用 与主轴活塞套筒联接 液压缸在推动主轴活塞套筒轴向移动的同时 也带动主轴 作轴向进给运动 此方案使主运动和进给运动两个运动副同时实现 数控平面钻削液压进给钻削动力头的进给行程采用 PLC 控制 液压缸进给的时候 通过弹簧缓冲装置内的感应信号器判断弹簧受力压缩的范围来发出相应的信号给 PLC 系统 PLC 系统收到信号后可控制液压回路系统 使主轴座工作进给运动 主轴进给的 工进行程由安装在主轴尾部的端子板行程开关来控制 由端子板行程开关从主轴工进 开始时通过判定主轴的工进距离 当钻头钻透或者钻到一定距离的时候 主轴暂停预 定时间后快速退回 由此达到钻削动力头的行程可控 并自控行程 即钻削动力头的 进给为 快进 工进 碰到工件时 缓冲弹簧压缩 感应器发出信号给 PLC 控制液 压回路 暂停 由端子板行程开关控制 当钻透或钻到一定深度 暂停 快 退 暂停预定时间后 延时开关合闭 主轴快速退回 原始停止 退到原始位置 碰到位置挡块 使主轴停止进给或进入下一工作循环 图 2 3 数控平面钻床液压进给钻削动力头的总体方案 8 51 3 主要参数设计计算 本论文所研究的钻削动力头 主要针对 H 钢的钻孔加工 采用该数控平面钻床液 压进给钻削动力头实现 H 钢的孔加工是较为理想的方式 因为该钻削动力头具有较高 的加工精度 高自动化 钻削力大 所以它不但能加工出 H 钢较高精度的孔 还能用 于机械制造 汽车 航天 石油化工等其它各行业的钻 扩 铰加工 本论文设计的钻削动力头的钻孔范围是10 30mm 最大工作行程是 200mm 主 要加工 H 钢 一般为和 20 号钢 硬度HB230 650MPa 可实现进给时自控行 215 Q b 程 且行程可控 其钻削动力头工作时 主轴先根据所需要的切削速度开始旋转 然 后钻头快速进给 钻头接触到工件后变为工进 当刀具钻至所需深度时暂停进给 最 后快速退回原始位置后停止 该钻削动力头设计所需要的主要参数有切削力 钻削扭矩 切削功率等 为了计 算出所需的主要参数 本论文中选用整体麻花钻作为计算评估刀具 麻花钻材料为 且钻削加工时有冷却液 184 WCrV 设计参数主要是由规定的工件最大孔径钻削参数来确定的 当钻孔直径 时 选择最大进给量为 切削速度 主轴转速 0 30dmm 0 75 fmm r 22 minvm 230 minnr 3 13 1 切削力计算切削力计算 由公式 0 XFYF FF FCdfK 得最大切削力为 max0 FF XY FF FCdfK 10 7 600 4 300 751 14726 68N 该公式中 钻削最大孔径时所需要的力 即钻削过程中所需要的最大钻削力 N max F 材料系数 根据材料查表得 600 4 F C F C 钻削孔径 此式中 30mm 0 d 0 d 等于 1 F X 9 51 等于 0 7 F Y 进给量 此式中 0 75mm r ff 工件的硬度系数 取 1 0 F K F K 同理 得最小切削力为 min0 FF XY FF FCdfK 10 8 304 11 100 181 771 34N 该公式中 钻削最小孔径时所需要的力 即钻削过程中所需要的最小钻削力 N max F 材料系数 根据材料查表得 304 114 F C F C 钻削孔径 此式中 10mm 0 d 0 d 等于 1 F X 等于 0 8 F Y 进给量 此式中 0 18mm r ff 工件的硬度系数 取 1 0 F K F K 3 23 2 钻削扭矩计算钻削扭矩计算 钻削扭矩是动力头的钻削刀具工作时所需要的扭矩 由公式 3 0 10 MM XY MM MCdfK 式中 M 钻削过程中所需要的扭矩 N m 材料系数 取为 304 M C M C 工件加工的孔径 30mm 0 d 0 d 等于 2 M X 等于 0 8 M Y 进给量 0 75mm r ff 10 51 工件的硬度系数 1 0 M K M K 得钻削动力头的钻削扭矩为 3 0 10 MM XY MM MCdfK 20 83 304 300 751 0 10 217 35N m 3 33 3 切削功率计算切削功率计算 切削功率指的是动力头在钻削工作时所需要的功率 由切削功率公式 3 210 60 M n M P 式中 钻削过程中所需要的功率 KW M P n 钻头的转速 n 230r min M 钻削扭矩 M 217 35 N m 得动力头的切削功率为 3 210 60 M n M P 3 2 3 14 230 217 35 10 60 5 23KW 3 43 4 预计工作时间预计工作时间 大修年限为 8 年 每年工作 300 天 每天 2 班制 每班工作 8 小时 那么大修间 隔期工作时间为 8 300 2 838400 h Lh 11 51 4 主运动传动系统的设计 由总体方案设计 已知主运动由变频调速三相异步电动机作为动力源 经过皮带 轮的传动 再经过滑移花键把运动和动力传递给主轴 那么主运动系统包括变频调速 三相异步电动机 带轮传动系统 主轴零部件等 4 14 1 电动机的选择电动机的选择 一般传统的钻床 都是通过齿轮传动把电动机的运动传递给主轴 使主轴的主运 动速度改变 本论文在钻削动力头的设计中 选用变频调速三相异步电机作为主运动 的动力源 使用变频调速电机作为主运动动力源 不但省去了齿轮传动机构的繁琐设计 使 动力头结构变得简单 同时满足了主轴转动的无极调速 从整体上看 减小了动力头 的体积 降低成本 提高了生产力 变频三相异步电机 主要是靠调节供电频率来控制电机转速的 由于采用变频器 供电后 电动机可以在很低的频率和电压下以无冲击电流的方式启动 并可利用变频 器所供的各种制动方式进行快速制动 为实现频率启动和制动创造了条件 如图 4 1 所示 12 51 图 4 1 主运动系统框图 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制 装置 变频器实际作为三相电机的电源 可将频率固定的交流电变成频率连续可调的 三相交流电源 提供给电机 使电机能按不同速度转动 调频调速公式为 1 60 s f n P 式中 f 供电频率 s 转差率 p 电机磁极对数 从这个公式就可以看出 要想改变电动机的转速 可以改变 f s p 这三个量中 的任意一个 就能够实现调速 其中改变电源频率 f 是比较方便和有效的方法 所以 只要改变了电源频率 f 就能够改变电动机的转速 根据钻削动力头切削功率的计算已知 5 23kw 由传动效率公式 M P 1234 式中 总传动效率 主轴轴承的传动效率 0 98 1 1 主轴花键的传动效率 0 99 2 2 带传动效率 0 96 3 3 带轮轴承的传动效率 0 98 4 4 得 1234 0 98 0 99 0 96 0 98 0 91 那么由公式 M P P D 13 51 式中 电动机的功率 KW PD 切削功率 KW M P 总传动效率 得电动机的功率为 5 23 5 75 0 91 M P Pkwkw D 根据钻削动力头的工作要求 选择 日立牌 YVF 0OL 8 变频调速三相异步电动机 额定功率为 6 0kw 该变频电机是日立有限公司自造的 是由 Y 系列三相交流异步电机 与之相配套的变频器组合在一起的整体 如图 4 2 所示 图 4 2 日立牌 YVF 0OL 8 变频调速三相异步电动机 4 24 2 带传动的设计带传动的设计 4 2 14 2 1 传动方式传动方式 带传动是一种挠性传动 带传动的基本组成零件为带轮 主动带轮和从动带轮 和传动带 当主动带轮转动时 利用带轮和传动带间的摩擦或啮合作用 将运动和动 力通过传动带传递给从动带轮 带传动具有结构简单 传动平稳 价格低廉和缓冲吸 振等特点 在近代机械中应用广泛 根据总体方案设计 确定主传动采用同步带传动 同步带 又称为同步齿形带 以钢丝绳为抗拉层 外面包覆聚氨醋或氯丁橡胶而组成 它的横截面为矩形 带面具 有等距横向齿的环形传动带 带轮轮面也制成相应的齿形 工作时靠带齿与轮齿啮合 传动 由于带与带轮无相对滑动 能保持两轮的圆周速度同步 故称为同步带传动 同步带的特点有 不会打滑 传动比准确 架构紧凑 传动效率较高等 同步带的缺 14 51 点是 制造 安装精度要求较高 中心距要求严格 从整体上看 该传动方案满足本 论文所设计的钻削动力头 齿形带传动 带速可达 50m s 传动比可达 10 传递功率可达 200kw 4 2 24 2 2 同步带与同步带轮的设计计算同步带与同步带轮的设计计算 本论文所选用同步带 按周节制公式设计计算 GB T11616 1989 已知同步带和同步带轮齿形为梯形 按周节制公式计算 如图 4 3 所示 图中 Pb 为同步轮结圆或同步带上测得的相连两齿的距离 d 为同步带轮的节圆直径 为同 0 d 步带轮齿顶圆直径 图 4 3 同步带及同步带轮 1 设计功率 d p 由公式 dA PK P 式中 为工况系数 按每天运转时间为 10 18h 查表 GB T11362 A K 1989 JB T7512 3 1994 得 1 7 A K P 传动电机功率 已知 P 6 0kw 得 1 7x6 0 10 2kw dA PK P 2 带型节距 b P 根据和周节制 查图 取标准值 12 7mm H 型同步带 b P 1 n b P 3 小带轮齿数 1 z 15 51 按电机转速和 H 型同步带查表得 min 18z 由于 取 20 1min zz 1 z 4 小带轮节圆直径 1 d 1 1 12 7 20 80 89 3 14 b p z dmm 5 带轮v 1 1 80 89 900 3 18 60 100060 1000 d n vm s 6 传动比 i 初取传动比 i 3 7 打带轮齿数 2 z 21 3 2060zi z 查表得 60 为标准值 8 大带轮节圆直径 2 d 21 3 80 89242 67di dmmmm 查标准表取 242 55 mm 2 d 9 初定中心距 0 a 由公式 12012 0 7 2 ddadd 得 226 49mm647 12mm 0 a 为使结构紧凑 减小体积 尽量缩小中心距 初选中心距 300mm 0 a 10 初定带的节线长度及其齿数 OP L b z 2 21 021 0 2 24 OP dd Ladd a 2 242 6780 89 2 300242 6780 89 24 300 600 507 99 21 8 1129 8mm 查标准表 取带的实际节线长度 带的齿数 1219 2 OP Lmm 96 b z 16 51 11 实际中心距 a 0 2 pop LL aa 1219 2 1129 8 300 2 304 47mm 12 小带轮啮合齿数 m z 11 21 2 22 b m p ZZ zentZZ a 2 2014 20 6020 22304 ent 10 1 82 ent 8 18ent 7 查标准 可知小带轮与同步带的啮合齿数为 7 大于 6 个 满足要求 13 小带轮包角 1 0 121 18060 dda 0 18060 242 6780 89 304 0 148 06 14 基准额定功率 0 p 2 0 1000 a TmvV p 2 2100 850 4484 233 81 1000 8 03kw 15 带宽 s b 查表知道 H 型同步带的基准宽度 0 76 2 S bmm 0 1 41 1 41 0 10 2 76 238 82 1 8 03 d sS Z P bb KP 式中 小带轮啮合齿数系数 由查表 得 1 Z K m zb Z K 17 51 根据 H 型同步带查表 取 50 8mm s b 16 作用在轴上的力 p F 带上的圆周力 33 10 2 1010267717 3 81 d r P FN V 压轴力 0 1 145 6 2sin2 2677 17 sin5114 89 22 pr FFN 综合上述 选择同步带型号为 H160 带轮的各参数 如表 4 1 所示 表 4 1 同步带轮的各尺寸参数 项目大带轮小带轮 齿轮z6020 节径d242 55mm80 85 mm 外径 0 d241 18 mm79 48 mm 齿高 0 05 0r h 2 59 mm2 59 mm 齿顶厚 0 5 0g b 4 24 mm4 24 mm 节距0 003 b P 12 7 mm12 7 mm 齿半角 0 0 12A 0 20 0 20 齿顶圆角半径 1 0 03r 1 47 mm1 47 mm 齿根圆角半径 2 0 03r 1 47 mm1 47 mm 两倍节跟距2 1 372 mm1 372 mm 带轮宽度 f b57 3 mm57 3 mm 注 表中各尺寸详见附图 5 4 2 34 2 3 同步带轮的张紧和带轮的安装同步带轮的张紧和带轮的安装 1 同步带轮的张紧 18 51 同步带传动运转一段时间以后 会因为带的塑性变形和磨损而松弛 为了保证带 传动正常工作 应定期检查带的松弛程度 采取相应的不就措施 同步带的张紧 要考虑的主要因素是预紧力 只有预紧力在适合范围内 才能使 同步带工作可靠 如果预紧力不足 会使同步带松弛 传动效率降低 带的工作面不 能按正常啮合而导致磨损 有时还导致同步带在传递运动时发生震动 甚至会因啮合 不良而跳齿而从带轮上脱落 预紧力过大 会使同步到绷得太紧 轴所受到的压轴力 也会增大 轴承和同步带的寿命都会降低 传动带的张紧有定期张紧装置 自动张紧装置 张紧轮张紧装置等 3 大类 由于大小同步带轮的中心距不能调节 因此采用张紧轮的方式定期将带轮张紧 安装时 张紧轮安在松边的内测 使带轮只受单向弯曲 张紧轮还应尽量靠近大带轮 以免减小在小带轮上的包角 张紧轮的轮齿与带轮相同 且直径小于带轮的直径 张 紧效果如图 4 4 所示 图 4 4 同步带的张紧轮装置 2 同步带轮的安装 在安装大小同步带轮时 两带轮的轴线应相互平行 两带轮的齿轮带道的对称平 面应重合 误差不得超过 20 为了防止外界异物沾污在带轮上 导致齿轮损坏 故同步带和带轮均内置于箱体 里面 4 2 44 2 4 同步带轮轴承的选用同步带轮轴承的选用 1 大带轮轴承设计计算 大带轮的内孔为花键孔 主要给主轴传递运动与动力 那么大带轮转动过程中 19 51 就需要轴承作为支撑 减小带轮磨损 使工作可靠 根据总体方案设计 分析大带轮工作状况 可知大带轮既受径向力又受轴向力 径向力主要是同步带的预紧力 轴向力主要是花键的摩擦力 所以选用圆锥滚子轴承 比较适合 圆锥滚子轴承可同时承受载荷及轴向载荷 根据大带轮的尺寸 选用一对 30124 型圆锥滚子轴承 根据大带轮工作时的受力 情况 采用正装 即口对口 的方式进行装配 已知大带轮选用了 30124 型圆锥滚子轴承 且采用正装 下面对大带轮的轴承寿 命进行计算 已知大带轮外径为 主轴在钻孔直径为 30mm 钻速 230r min 时 241 18dmm 大 切削功率为 5 23 M pkw 那么大带轮传递功率为 124 M PP 大 5 23 0 98 0 99 0 98 5 5kw 大带轮受到的扭矩 9550000 P T n 大 大 5 5 9550000 230 2283695 6N m 大带轮所受的圆周力 22283695 6 2 1893 76 241 18 t FTdN 大大 径向力 0 0 tantan15 1893 765125 coscos8 6 34 n rt FFNN 轴向力 0 tan1893 76 tan8 6 342661 at FFNN 20 51 因为 2661 0 5190 42 5125 ar FFe 所以 当量动载荷 0 41 4 rra PFF 0 4 5125 1 4 2661 20503726 57765 776NKN 那么 轴承寿命 66 3 1010120 64980 6060 2305 776 h C Lh nP 大 满足要求 hh L L 2 小带轮的轴承设计 小带轮是由的轴支撑的 主要受到径向力 20dmm 小 根据工作状况 小带轮选用 6004 型深沟球轴承 深沟球轴承可同时承受径向载荷 及轴向载荷 也可以单独承受轴向载荷 能在高速下正常工作 21 51 5 进给系统的设计 5 15 1 进给系统的方案确定进给系统的方案确定 由整体方案已知 进给运动采用双液压缸对称外置作为动力源 通过推动主轴的 活塞套筒在主轴座内滑移 带动主轴作轴向直线运动 主轴在活塞套筒内转动 然后跟随着活塞套筒作轴向进给运动 那么进给运动的 设计过程中主要考虑怎么样把液压缸的动力传递给活塞套筒 两个液压缸是对称安装在主轴座外面的 同时工作 使主轴活塞受力对称均匀 按传动机构来分析 液压缸的活塞杆可以直接与主轴活塞链接 直接推动主轴活塞运 动的了 但是从工作受力条件来看 由于进给运动是可实现无极变速进给的 且液压 缸驱动力很大 所以在液压活塞杆与主轴活塞套筒之间连接一个缓冲装置 可以减小 液压缸受到较大的冲击 如图 5 1 所示 图 5 1 液压缸及缓冲装置 本论文选用的缓冲装置为弹簧缓冲装置 主要作用是进给时减弱液压缸受到的冲 22 51 击振荡 保护液压缸稳定工作 由于进给运动要实现 快进 工进 暂停 快退 原位停止 的动作 而且自控行程 那么 这套动作在执行过程中就需要相应的信号传递给控制系统 才 能让控制系统控制液压系统进行相应的动作 使其实现自控行程 已知 在进给过程中 做不同动作时主轴 活塞套筒 液压缸所受的轴向力也不 同 通过分析进给系统的结构 把发送进给动作的信号装置安装在弹簧缓冲装置内 因为弹簧可以变形 当缓冲弹簧受到不同的轴向力时 弹簧的压缩变形程度也不一样 信号装置可通过弹簧受到不同的力时的压缩量不同而发出相应的信号 控制系统受到 信号 控制液压缸的工作 为了判断准确 在两个弹簧缓冲装置内都装有感应信号器 进给工作时 必须两 个感应信号器都发出动作信号才算有效 这样就避免的某个液压缸失效时 主轴进给 受力不平衡而产生颠覆力 进给运动开始时 液压缸提供动力 使主轴作快速进给运动 当钻头接触到工件 时 弹簧会缓冲压缩 弹簧压缩变形到一定的范围时感应信号器发出的信号传送给控 制系统 控制液压缸所提供的进给速度 使主轴做工作进给运动 当钻头钻削到指定 深度或钻透时 同一道理 由控制系统接收信号控制主轴暂停一定的时间 然后快速 退回 主轴退到原始位置时 停止或进行下一个进给循环 由此 可实现进给运动的 行程自动控制 5 25 2 液压缸的选用液压缸的选用 根据动力头的进给情况 选择单杠活塞式液压缸作为轴向进给运动的动力源 单 杠活塞式液压缸具有结构紧凑 性能可靠 工作输出压力高等特点 但它对组件的强 度 刚度及密封性的要求也高 根据工作要求计算液压缸的直径 D 和活塞杆的直径 d 要计算 D 和 d 首先要确 定工作压力 5 2 15 2 1 主要尺寸的确定主要尺寸的确定 根据主要参数计算的切削力 确定液压缸提供的最大推力为 那么每16000FN 个液压缸的最大推力为 由此来计算液压缸的有效面积 由液压缸输出 max 8000FN 推力公式 22 4 FPDd 23 51 化简 22 4 F PDd F PA 得 max AFP 式中 A 液压缸有效面积 2 m 液压缸最大推力 N max F P 液压缸的工作压力 查表 5 1 取 P 2 5MP 液压缸总效率 0 85 将相关数据代入公式 得 62 8000 2 5 100 850 00376Am 由于液压缸的工作压力 P 2 5MPa5MPa 查表 5 2 得 那么 0 5 d 活塞杆直径 D 液压缸直径 0 5dDD 由公式 为液压缸内径横截面积 为活塞杆横 21 AAA 2 2 4 D A 2 1 4 d A 截面积 得 222 0 5 444 DdD AA 化简计算得 D 113mm d 0 5D 56 5mm 表 5 1 液压缸的工作压力 负载 KN 10 1020 2030 3050 50 工作压力 MPa 0 81 2 1 52 5 3 04 0 4 05 0 50 表 5 2 机床液压缸活塞杆直径推荐值 受压缩 活塞杆受力情况受拉伸 1 5P 1 57P 1 7P 活塞杆直径 0 3 0 5 D 0 5 0 55 D 0 6 0 7 D0 7D 24 51 5 2 25 2 2 液压缸最低速度验算液压缸最低速度验算 对获得的液压缸直径还必须进行是否满足最低速度的验算 根据工艺要求 当钻孔直径时 选择最小进给量为 0 30dmm min 0 1 fmm r 由 minmin Aqv 式中 调速阀的最小稳定流量 0 05L min min q min q 液压缸的最低速度 min v minmin 0 1 230 min23 minvfnmm rrmm 得 2 minmin 0 00217Aqvm 满足低速要求 5 2 35 2 3 缸筒壁厚缸筒壁厚 缸筒壁厚往往由结构工艺要求决定 0 4 1 21 3 y y P D P 式中 D 缸筒直径 试验压力 由缸的额定压力 P 2 5Mp16Mp 故取 1 5P 3 75MPa y P y P 缸筒材料的许用应力 其中 650MPa 为安全系数 b n b n 一般取 5 n 代入式中算得 0 4 1 21 3 y y P D P 3 113 101300 43 75 1 21301 3 3 75 3 2 879 10m 25 51 故可取壁厚为 3mm 5 35 3 弹簧的设计计算弹簧的设计计算 5 3 15 3 1 弹簧工作条件的确定弹簧工作条件的确定 根据弹簧的工作情况 选用碳素钢丝作为弹簧材料 因为在工作过程中弹簧受有 冲击 振动 所以选用 II 类弹簧 按弹簧工作条件 钻削动力头的加工最小孔为 10mm 那么弹簧变形所受的最小力 等于加工孔为 10mm 的轴向力 即 min 771 34F 钻削动力头在进给时花键轴与内花键的摩擦力作为弹簧不压缩的最小载荷 f F fj FN fT df 217 35 0 0340 046 294 06N 式中 为花键传递的转矩 T M 217 35 TN m 花键的平均直径 j d 3236 234 j dmm 为花键副的动摩擦系数 0 046 ff 由于主轴进给时使用双液压缸作为动力源 那么就使用了两个弹簧缓冲装置 每 个弹簧所受的压力也降为一半 即 弹簧变形所受的最小力 min 2385 67FFN c 弹簧不压缩的最小载荷 2147 03 ff FFN 根据结构和以上分析 可知压缩弹簧工作条件为 最小工作载荷 150N 弹簧高度 55mm 1 P 1 H 最大工作载荷 350N 弹簧高度 35mm n P 2 H 工作行程 h 20mm 26 51 弹簧小径 2 70Dmm 5 3 25 3 2 弹簧的参数计算弹簧的参数计算 因为选用了 II 类弹簧 工作极限载荷 1 25 1 25 350 437 5N j P n P 由弹簧中径和工作极限载荷查表得 D j P 弹簧丝的直径d 8mm d 中径D 85mm D 工作极限下的单圈载荷变形量 j f 9 156mm j f 单圈刚度 65 9N m d P 初步计算弹簧刚度 1n pp P h 350 150 10 20 N mm 计算有效圈数 n d P P 65 9 6 59 10 查表取标准值 6 5n 总圈数 压缩弹簧端部并紧 磨平 2 5 6 5 2 5 9 1 nn 弹簧刚度 65 9 10 1 6 5 d p pN mm n 工作极限载荷下的变形量 6 5 9 15659 560 jj Fnfmm 节距 t 60 6 5817 23 j F tdmm n 27