铝塑门窗型材仿形钻孔机—钻孔装置设计说明书

- 1 -1 前言1.1 铝塑门窗型材的概述及特点铝塑型材是新一代建筑门窗的主要材料之一，具有节能、环保、隔音等诸多优良特性，可替代金属和木材，适应当今人类对环保的要求并可进行大规模工业化生产，因而在世界范围内得到普及应用.生产塑料门窗的主体材料是经过配方改良的聚氯乙烯（P V C）挤出型材.随着国家大力推广塑料门窗，型材设备加工在我国经历了飞速成长期后，已渐渐步入了成熟阶段。铝塑型材产品具有较高尺寸、几何形状和相互位置精度、高的表面质量以及其他特殊性能。铝塑门窗为了安装各种五金件需要许多孔、槽，其形状多样。目前我国对铝塑型材的加工组装设备多为单机、手动或半自动机械，其生产效率和质量稳定性不高，在一定程度上制约了铝塑型材的发展。对铝塑型材的加工组装设备精度和加工性能受限，生产效率和质量稳定性不高，在一定程度上制约了铝塑型材的发展。因此，开发研制铝塑型材加工装备是提高铝塑型材制造和应用水平的技术要求。研发的装备可以满足各种尺寸、几何形状、位置精度、高的表面质量要求，与传统铝塑型材加工设备相比具有更好的性能和加工柔性。按照市经济场规律，一个行业的生命周期可分为起步阶段、成长阶段、成熟阶段、衰退阶段，我国铝塑门窗型材行业未来的市场情况是将长期保持在成熟阶段还是将进如衰退阶段是全行业关心的问题。从国外铝塑窗行业的发展经历来看，如德国的铝塑窗型材业已有 40 多年的历史，而我国只有不到 20 年，因此保持在成熟阶段的可能性还很大。由于我国整体经济正处于飞速发展时期，对铝塑门窗的需求量有持续增长的趋势，因此业内外人士普遍认为铝塑门窗及其型材行业的需求量在未来将长期保持较高的增长率。也就是说我国塑窗及型材行业将长期保持在成熟期的观点得到了普遍认可。经过多年的学习研究，我国铝塑型材加工设备的体系、规模、技术水平和自动化程度都有了很大的发展和提高。通过对国外相关装备的学习与研究，并根据装备使用商的需求，探索和掌握了设备的关键技术，进而开发研制出高性能、具有世界领先水平的设备，提高了我国装备制造业在国际上的地位和综合实力综上所述，我国的塑料门窗行业已成为一个具有相当规模和水平的新行业。目前，我国塑料门窗将完成产业规模化得过程。1.2 铝塑门窗型材设备的研究现状我国在铝塑门窗行业扩大的同时，铝塑门窗型材设备和产品的技术水平也在迅速的提高.- 2 -1.2.1 铝塑门窗型材设备的国内外现状铝塑门窗型材设备最早是在联邦德国开始生产和应用的，至今已经有几十年的历史，美国塑料门窗的应用量到 90 年代中期市场占有率达到了百分之 30 左右。在德国门窗型材设备也经历了一个逐步规范化的过程，到目前设备配套齐全，检测手段完备，可以全方位控制门窗产品质量。我国的塑料门窗型材设备是在 20 世纪 80 年代引进国外技术的基础上发展起来的。刚开始走了一段弯路，追求低造价，强调适应当时的经济水平。门窗制造性能很低，在工程应用中出现了许多的问题。此后，有关部门加强了对引进技术的消化吸收工作，产品水平有了大幅度的提高，达到工程使用的要求，并且在 80 年代后期开始生产塑料门窗的组装设备。90年代初期逐渐形成了塑料门窗异型挤出生产设备和模具的生产能力。92 年后，塑料门窗的应用量在不断的增长，行业也在快速发展。1.2.2 铝塑门窗型材设备的发展趋势目前我国的门窗型材设备发展得很快，产品品种齐全配套，基本可以满足生产各种类型档次门窗的要求。有些企业还开发出了数控双角锯，锯切加工中心，数控角缝清理机和数控四角焊接机等有较高自动化程度的设备。今年来铝塑我国门窗型材的检测设备同样发展的很快，已经可以满足型材，门窗生产中质量的需要。也可以说我国已经基本型材具有较高水平的从型材审查到门窗组装和质量控制所需要的各类设备的生产供应体系。在引进设备的同时，也引进了国外型材断面设计设备的最新成果，从各方面提高了我国整体铝塑门窗型材设备行业的技术水平。1.3 铝塑门窗型材仿形钻孔设备的组成及特点1.3.1 铝塑门窗型材仿形钻孔设备的组成铝塑门窗型材仿形钻孔机主要由三孔钻部分、仿形铣部分、型材压紧装置、定位导向机构、机身机械传动系统以及电气系统、气动系统等部分组成。（1）三孔钻部分的组成 三孔钻由一台电动机经过过齿轮箱带动三个位置相对固定的轴转动，进而带动安装在轴上的钻头进行旋转，通过进给手柄带动连接架在导轴上移动完成铝塑门窗执手或者门锁上三个锁孔的钻削加工。（2）仿形铣部分的组成 通过操作杆的移动，仿形触头沿着仿形模板的轮廓运动，同时滑块带动铣刀实现对型材关于仿形模板轮廓形状的仿形铣削。可以通过选择不同的仿形板轮廓进而实现不同的孔槽的加工，加工效率高，加工灵活。（3）压紧装置部分 压紧装置由两个气缸、气缸支架、压紧压头组成，用来实现- 3 -对型材的夹紧。（4）定位导向机构 定位机构由定位杆、导轴连接板、导轴以及定位尺组成，定位杆可调整铣削深度，导轴以及定位尺用来控制钻削尺寸。（5）机身部分 机身由底座、箱体、支座箱和调整水平座等部分组成。1.3.2 铝塑门窗型材仿形钻孔设备的特点铝塑门窗型材仿形钻孔机适用于各种铝塑型材类型的门窗安装孔、槽的加工，主要由三孔钻和仿形铣组成，可以实现水平方向的三个孔的钻削加工和垂直方向的长圆孔的仿形铣削，一次装夹可以完成两道工序钻削和铣削，保证了槽与孔的相对位置精度。铝塑门窗型材仿形钻孔机体积小，结构紧凑、型材的夹紧装置采用气动夹紧，效率高，操作简单且安全。1.4 选题的意义和目的在机械加工的程序中，钻孔是最主要的加工工序 1。无论后续的加工是镗孔，扩孔，以致于研磨，都是把钻孔当作第一工序。因此后续加工的精度及效率，和钻孔工序的结果是密切相关的。本次毕业设计即针对仿形钻孔机进行结构设计。这个题目综合性比较强，可以巩固加强所学的知识，提高本人的综合运用知识的能力和解决具有一定复杂程度的工程实际问题的能力。- 4 -2 总体方案的设计2.1 铝塑型材仿形钻孔机钻孔装置的参数要求铝塑门窗为了要安装各种五金件需要许多孔、槽，其形状多样。铝塑型材仿形钻孔机是一种自动化程度较高、控制准确方便且在铝塑型材加工中应用较多的加工设备，可以用来加工铝塑门窗型材的各类孔、槽，并可适用于流水口、榫槽等的加工，具有良好的柔性加工性能。该课题铝塑型材仿形钻孔机钻孔装置设计可实现多种规则及异性孔槽的加工，同时一次装夹还可完成锁孔加工。按照国家标准设计、绘制装配图及相关零件图。其中设计参数要求：1、设备三孔钻装置调整范围为 33085100；2、可以加工直径 1020mm 不同孔径的锁孔；3、要求设计方案合理，结构紧凑、工作可靠、质量达到行业标准。2.2 铝塑型材仿形钻孔机钻孔装置的设计预期结果此次设计的研究结果是经过方案论证选出最佳设计方案，得到加工中心进给系统和工作台装配图及其零件图。毕业设计完成的主要内容如下1、相关外文翻译资料一份（译文字数不少于 2000 汉字） ；2、毕业设计方案 1 份，且符合毕业设计规范；3、总设计图量不少于 3.0 张 A0，装配图有充分的零件图支撑；4、设计说明书 1 份（不少于 1.2 万字） ，查阅文献 15 篇以上，外文文献 2 篇以上。2.3 总体仿形钻孔机的设计方案确定通过查阅各方面关于铝塑型材仿形钻孔机钻孔装置设计的有关文献，包括书籍、期刊、论文、设计手册和设备技术参数，了解这些知识，对国内外的发展、生产制造技术条件、研究水平和未来发展趋势有一个具体详细的了解。再通过外出进厂实习对其有了感性认识，对钻孔机设计有一个初步的构思。具体总体仿形钻孔机如图 2。1 所示，该机主要由三孔钻部分、彷形铣部分、压紧装置、气动系统、电气系统、机身组成- 5 -1、 机身 2、气动系统 3、电气系统 4、仿形铣部分 5、压紧装置 6、三孔钻部分图 2.1 整体钻孔装置2.4 钻孔装置的设计方案确定方案经过设计对比之后 2 3钻孔装置采取如图 2.2 所示结构，由电机带动相互啮合的三个齿轮进行正反方向的旋转，进而带动与齿轮同轴安装的三个钻头旋转。利用操作手柄控制三个旋转的钻头相对于型材进行进给运动，完成门锁上的安装孔的钻削加工。加工结束后松开手动手柄，可以将三孔钻退回，停止电动机则令三孔钻停止旋转。1 辅助支架 2、导杆连接板 3、限位尺 4、进给手柄 5、电机 6、齿轮箱7、三孔钻 8、连接杆 9、连接架 10、导轴图 2 .2 三孔钻结构简图- 6 -2.5 型材定位结构的设计与气动装置的设计（1）型材定位导向装置的设计通过查阅相关资料 4，设计方案如图 2.3 所示，型材由两个水平固定汽缸带动水平固定滚轮 3、6，两对垂直固定汽缸 1、2 以及有关的压紧装置 5、支撑滚轮 4 引导入铣削机及锯切机。运动的汽缸采用了压差控制，它能在加工的时候产生高压夹紧型材而在输送型材时产生低压，以便于型材的输送。1、2 气缸 3、6 定位滚轮 4、支撑滚轮 5、压紧装置图 2.3 型材定位导向装置（2）气动装置设计如图 2.4 所示整个气动系统的汽缸全部采用节流阀调速；电磁阀采用二位五通阀。选用集装式电磁阀，将所有电磁阀由汇流板集装在一起，以减小占用空间。各汽缸的到位信号由磁性开关产生，控制系统检测到信号后控制电磁阀做下一步动作。本设计气缸等为标准件，不是设计重点内容。- 7 -图 2.4 气动装置 - 8 -3 钻孔装置的结构设计3.1 三孔钻孔装置设计钻孔装置的设计方案如图 3.1 所示1 2 3 4 51、电动机 2、联轴器 3、轴 4、轴承 5、钻头图 3.1 三孔钻装置简图三孔钻由电动机带动，通过联轴器和主轴传递到钻头上，使钻头旋转工作，工作寿命为 10 年（每年工作 360）天，工作平稳可靠，转向固定。3.2 齿轮的设计3.2.1 齿轮的选择（1）由齿轮的设计方案选择直齿圆柱齿轮传动。（2）齿轮材料的选择：经过选择齿轮材料为40Cr(调质)，由于强度、速度以及精度的要求都不是很高，故选用软齿面，其硬度为300HBS（3）由于三孔钻装置为一般钻孔装置，精度要求不是很高，因此选用 7 级精度（GB10095-88）（4）选择齿轮齿数为 203.2.2 齿轮的强度设计计算按齿面接触疲劳强度设计，由设计计算公式 3.1 进行试算，即- 9 -（3.1）32112. HEdt ZuKTd（1）确定公式内的各计算数值1）试选载荷系数 Kt =1.3。2）计算齿轮传递的转矩。（3.2）)(12.35285109.1 mNmNT3）由机械设计课本表 10-7 选取齿宽系数 。d4）由机械设计课本表 10-6 查的材料的弹性影响系数 218.9MPaZE5) 由图 10-21 按齿面硬度查的齿轮的接触疲劳极限为 H60lim6) 由公式计算应力循环次数（3.3）101 2.1530821560hjLnN7）由机械设计课本图 10-19 取接触疲劳寿命系数 9HNK8）计算接触疲劳需用应力取失效概率为 1%，安全系数 S=1，由公式得（3.4） )(54069.011 MPaSKLimHN（2）计算1）计算齿轮的分度圆直径 ，代入 的值。td1H（3.5） )(18.245409.182.3.2. 23211mmZuKTEdt2）计算圆周速度- 10 -（3.6）)(58.310628.4106 smsndvt 3）计算齿宽 b(3.7)(18.24.1mdt 4）计算齿宽与齿高之比 。h模数 （3.8）)(209.18.241zt 齿高 （3.9）7.5. mmht（3.10）89.72.4b5）计算载荷系数根据 v=3.58m/s，7 级精度，由机械设计课本图 10-8 查得动载荷系数 12.vK直齿轮， 1FHK由机械设计课本表 10-2 查得使用系数 1AK由机械设计课本表 10-4 用插值法查得 7 级精度、小齿轮相对支承对称布置时，。423.1HK由 查机械设计课本图 10-13 得 ；故载荷系数423.1,89.HKhb 35.1H(3.11)942.1.HVAK6）按实际的载荷系数校正所算的的分度圆直径，由机械设计课本得（3.12）)(8.53.1948.231 mdtt 7）计算模数（3.13）)(29.0.51zm按齿根弯曲弯曲强度设计由机械设计课本得到弯曲强度的设计公式为- 11 -（3.14321FSadYzKTm）（1）确定公式内的各计算数值1）由机械设计课本图 10-20c 查得齿轮的弯曲疲劳强度极限 。MpaFE502）由机械设计课本图 10-18 取弯曲疲劳寿命系数 。8.FNK3) 计算弯曲疲劳许用应力。取弯曲疲劳安全系数 S=1.4，得到，（3.15） )(57.304.1580MpapaSKFENF 4）计算载荷系数 K。（3.16）12.2.FVA5）查取齿形系数。由机械设计课本表 10-5 查得 80.FaY6）查取应力校正系数。由机械设计课本表 10-5 查得 5.1sa7）计算齿轮的 FSaY（3.17）01429.57.382FSa（2）设计计算（3.18）724.0149.021.3mm对比计算结果，由齿面接触疲劳强度的计算模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数 m 的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅仅和齿轮的直径有关系，所以可以取模数为m=1。 5，按接触强度算得的分度圆直径大于 24。 18，由于考虑到钻头之间的间距，轴上的零件，如轴承等其他零件，取齿轮的分度圆直径为 45mm，由此可以算出齿- 12 -轮的齿数（3.19）305.14mdz这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并且做到结构紧凑，避免浪费。3.2.3 齿轮的外形尺寸设计（1） 计算分度圆直径 (3.20)(45.130mzd（2） 计算中心距（3.21）)(a（3） 计算齿轮宽度（3.22）)(451mdB3.3 轴的结构设计及校核轴的设计和其他零件的设计相类似，包括结构设计和工作能力计算两方面的主要内容。轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。轴的结构不合理，会影响轴的工作能力和轴上零件的工作可靠性，还会增加轴的制造成本和轴上零件的装配的困难。所以，轴的结构设计是轴设计中的重要内容。轴的工作能力计算是指轴的强度计算、刚度的和震动稳定性的计算。大多数情况下，轴的工作能力主要取决于轴的强度。这个时候只需要对轴进行强度计算，用来防止断裂或者塑性变形。而对于刚度要求较高的轴和受力较大的细长轴，还应该进行刚度计算，用以防止工作的时候产生过大的弹性变形。对于高速度运转的轴，还应该进行振动稳定性的计算，用以防止共振而产生破坏。轴的结构主要取决于以下的因素：轴在机器中的安装位置和安装形式；轴上安装的零件的类型、尺寸、数量以及和轴的连接方法；载荷的性质、大小、方向以及分布情况；轴的加工工艺等。由于影响轴的结构的因素很多，而且其结构形式又要随着具体情况的不同而异，所以轴没有标准的结构形式。设计的时候必须针对不同情况进行具体的分析。但是，不论何种具体条件，轴的结构都必须满足：轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；轴上的零件应该便于装拆和调整；轴还应该具有良好的制造工艺性等。 - 13 -3.3.1 轴的强度计算及校核（1）求与电动机连接的轴的功率 P，转速 n 和转矩 T若取联轴器与齿轮传动的效率为 ，则有97.0(3.23)(61.kWPW又 )min(285rn（3.24）于是有(3.25)(02.367285.1950950NnPT （2）求作用在齿轮上的力 因为已经知道齿轮分度圆的直径为 45mm，而 (3.26)(2.163450.72NdTF)(4.590tantanr （3.27）（3.28)(8.17320cos.6NFta）（3）初步确定轴的最小直径选取轴为 45 钢，调质处理。根据机械设计课本取 ，于是得到120A（3.29)(28.15067.12330min mPAd）故主动轴的最小直径显然是按照联轴器初轴的直径 （图 3.1） ，为了使得左BAd旋的轴直径 和联轴器的孔径相适应，所以必须同时选取适合的联轴器型号。BAd联轴器的计算转矩。考虑到转矩变化很小，取 ，则有3.1AK)(6.473672.1mNNTKAca - 14 -（3.30）按照计算转矩 应该小于联轴器公称转矩的条件，查标准 GB/T5014-2003 或手caT册，选用 GY2 凸缘联轴器，其公称转矩为 。半联轴器的孔径为mN63016mm，故取 ，半联轴器与轴的配合长度为 26mm。mdHG163.3.2 轴的结构设计（1）拟定轴上零件的装配方案轴的设计方案如图 3.2 所示，其中 G-H 段连接联轴器，B-C 和 E-F 段装轴承，C-D 段安装齿轮。图 3.2 主动轴设计方案图（2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 1）由于 A-B 段内有内螺纹，用于安装钻头，根据钻头的尺寸来选择 A-B 段的直径为 ，长度为 40mm，考虑到轴的转动方向，由于中间轴为主动轴右旋，两端6是两根从动轴左旋。选择合适的轴径才能使钻头和轴的连接更加紧凑，钻头工作时更加可靠安全。2）轴承的选型由于主轴既承受轴向作用力又承受径向作用力，故根据工作环境以及工作要求和直径，参考 GB/292-1994 选择角接触球轴承 7003AC，轴承的尺寸为，d=17mm，D=35mm，B=10mm。3）选取 D-E 段的直径为 22mm，B-C 段轴承和齿轮之间采用套筒定位。已经知道齿轮的齿宽 B=45mm，取 C-D 段的长度为 43mm。- 15 -4）选取齿轮距离齿轮箱体内壁的距离为 5mm。5）轴承端盖的总体宽度为 10mm，由齿轮箱和轴承端盖的设计来定的。综上所述，轴的各段长度已经初步的确定主轴上的办联轴器与轴的轴向定位采用平键连接，从动轴和主轴上齿轮的周向定位均采用平键连接。3.4 键的强度计算与选型（1）平键的选型主轴上 G-H 段的平键类型由 GB/T1096-2003 查取得到平键的尺寸为bhL=5518，主轴和从动轴上 C-D 段平键尺寸为 bhL=6636，故由此也可得到键槽的尺寸，而滚动轴承的周向定位是和轴承与轴的过渡配合来实现的，故经选择，此处轴的直径尺寸公差为 m6。（2）平键连接强度的计算平键连接传递转矩是，其主要的失效形式是工作面被压溃。除非出现严重的过载，一般不会出现键的剪断。因此，通常只按工作面上的挤压应力来进行强度校核计算，假设载荷在键的工作面上均匀分布，普通平键连接的强度条件为（3.31）PTkld2式中：T传递的转矩k键与轮毂键槽的接触高度，k=0。5h，h 为键的高度l键的工作长度d轴的直径键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力P由于轴上与半联轴器连接的平键强度较大，只需要计算他的挤压强度。- 16 -（3.32）78.9165.2.3kldTP故 (3.33)MpaP0P因此，经过计算验证平键的连接符合强度的要求。4 其他典型零件的设计与选型4.1 电动机的选型根据对钻孔装置设备的动力参数的研究，选用一般用 Y 系列三相异步电动机，电动机可以防止尘土，铁屑或者其他的杂物进入其内部，可以较好的满足设备性能需求。通过对加工材料，钻头速度，以及对同类铝塑型材钻孔机的参数设计的参考，选用 Y802-2 型三相异步电动机，各项参数如表 4.1 所示：表 4.1 电动机参数堵转转矩 最大转矩电动机型号 额定功率/kW 满载转速（r/min） 额定转矩 额定转矩质量/kg同步转速 3000r/min，2 级Y802-2 1.1 2825 2.2 2.3 174.2 导轨的设计和选型导轨的主要作用是用来导向和承载，因此导轨只有一个自由度，主要的技术要求是其导向精度，刚度以及精度的保持性。好的导轨要有高的导向精度，良好的耐磨性，足够的刚度，具有低速运动的平稳性，便于制造和装配，还便于调整和维修。根据钻孔装置的形状设计和调整范围选择直线型圆柱导轨。- 17 -4.3 轴承的设计和选型由于两个从动轴与主动轴的结构相似，故轴承与主动轴取相同为角接触球轴承7003AC 型。三孔钻钻孔装置根据钻孔的切削性能，钻孔装置通过滚动直线运动球轴承在圆形导轨轴上运动，实现进给钻削，参考滚动直线运动球轴承的标准及钻孔装置的要求选择 3 系列 LB106280 轴承，可以满足钻孔设备的性能要求。5 结 论通过此次的毕业设计，让我对铝塑型材仿形钻孔机钻孔装置设计由了进一步的了解，大大地巩固了我四年来所学的理论知识，对于我即将开始踏入社会从事工作起了一个良好的开头。通过毕业设计我拓宽了我的知识面，掌握了如下的知识：（1）由于钻孔装置的设计是通过计算，选型以及校核比较来制定的，不仅仅要考虑设计方案是否可行，还必须考虑到制造的可行性，这在课题研究中轴承，导轨以及各类零件的选择中都可以体现出来，进一步提高了我的大局观。（2）在整个设计中，除了整体方案的制定以及各种零件的选型之外，我认为比较重要和难的地方在于零件图以及装配图的制定绘画，转配图的装配关系以及零件图的各类标注都是比较难以处理的问题。（3）经过本次设计，以前所学的各类专业基础课都有了用武之地，机械设计学，互换性，公差制图，零件的选材都在设计所用的范围之内，这是一种主动学习的过程，也是复习所学知识的过程。整个设计过程，我在不断的摸索中前进，对机械设计有了跟深刻更全面的理解，让我以后可以在这个行业走得更远。- 18 -参 考 文 献1 熊良山，师汉民，陈永浩 钻头与钻削研究的历史、现状和发展趋势 J，2005，(8)：0392 李曙生气动盘式自动钻孔机的设计 J 泰州职业技术学院机电系， 2006，(4)：1463 丁国全，储晓猛，杨建新飞锤四轴钻加工装置的设计与应用J 江苏大学 2010，(9)：1494 孙杰 钻削壳体类零件轴向孔系的成组夹具设计J 机械工人冷加工期刊，2007，(6)：0315张平宽，王贵成 振动钻削台设计及实验J 农业机械学报， 2005，(11)：0366左晓明，刘海涛，王文志 数字化钻孔装置的研究J 淮阴工学院，2010，(8)：0317 王金金 一种立式回转台钻孔专机设计J 南京工程学院学报， 2001，(1)：0018 王银保 立式轴承座钻孔组合机床设计J 湖北工业