项目一、电钻结构

项目一 电钻结构设计 项目一 电钻结构设计 任务一 电动工具结构设计综述 1 1 电动工具用途和分类电动工具用途和分类 1 1 1 电动工具用途电动工具用途 电动工具是一种运用小容量电动机或电磁铁 通过传动机构驱动工作头的手持式或可 移式的机械化工具 电动工具品种繁多 目前世界上的电动工具已经有近 500 多个品种 他们共同的特点 是 结构轻巧 携带使用方便 比手动工具可提高劳动生产率数倍到数十倍 比风动工具 效率高 费用低 振动小并且易于控制 1 1 2 电动工具分类电动工具分类 一 电动工具按照不同的应用领域 有如下几个类型 3 1 机械工业中 禁锢或拆卸螺丝的电动扳手 去除金属工件上的披锋毛刺以及锈蚀 的角向磨光机 钻孔和攻丝的电钻 切割金属板的电剪 电锯等等 2 建筑及矿山开采中 凿岩开石的重型电锤 混凝土捣实的振动机 云石切割机 墙壁开槽机等等 3 木材加工中 曲线锯 台锯 斜切锯 电刨 开榫机 修边机 电木铣 砂光机 等等 4 农牧业中 电动羊毛剪 5 林业中 伐木用的电链锯 6 工艺美术中 雕刻机 二 从电力来源区分电动工具有 有绳电动工具 图 1 2 和充电 无绳 图 1 3 电动工具两类 从电力来源区分电动工具有充电电动工具和有绳电动工具两类 通过外接电缆线提供电 力到工具内部电机的电动工具称为有绳电动工具 通常这类工具采用交流马达 体型较大 项目一 电钻结构设计 动力强劲 可持续长时间工作 但是电源线和插头的规格在不同的国家和地区会有所区别 并且操作的灵活性会受电源线长度和电源所在位置的影响 通过工具自身配备的电池提供 电力到工具内部电机的电动工具称为充电电动工具或无绳电动工具 通常这类工具采用直 流马达 体型较小 动力性有限 可持续工作时间视电池容量而定 由于没有电源线 所 以充电器是必不可少的 但操作的灵活性不会受电源线长度和电源所在位置的影响 三 从产品使用者的角度讲专业工具和家用工具从产品使用对象的角度讲 电动工具通 常可分为专业电动工具和家用电动工具 图 1 2 图 1 34 这两种工具最明显区别在于使用寿命 专业电动工具可能每一天被使用 4 6 个小时 并且每天都可能被使用 而家用工具可能一个月才使用一次 甚至一年一次 更为重要的 是 专业人员依靠专业工具谋生 工具的失效就意味着时间或金钱的损失 在欧洲市场上 博世公司有两个系列产品 博世篮为专业电动工具 博世绿为家用电 动工具 从下图 图 1 4 可以看出 这个去除硬质表面污物的电铲有两个不同版本 尽 管从造型上没有区别 但是 在专业版电铲的整个背部覆盖有软胶 长期使用会感觉更舒 适 考虑到工具的跌落是经常发生的 尤其专业电动工具 专业电铲的整个前端为金属结 构 使工具更加结实耐用 四 电动工具的另外一些分类方式 1 金工工具和木工工具 从产品操作对象的角度讲 电动工具又可分为金工电动工具和木工电动工具 如打磨金属 的角向磨光机 图 1 5 切割铁板的电剪 图 1 6 以及往复锯 图 1 7 图 1 4 图 1 5 图 1 6 图 1 7 打磨木器的砂光机 图 1 8 修整边缘或雕刻木器的电木铣 图 1 9 等等 都属于木工机械 这种分类方式并不严谨 一些工具在设计时可以更换不同的工作部件实现一机多用 上图为百得手电据 当安装了木工锯片时 图 1 10 可以切割木材 当安装了金工锯片 时 图 1 11 就可以切割金属了 2 园林工具 除了上述几种分类以外 还有不同种类的园林工具也叫户外工具 如割草机 图 1 12 剪枝机 图 1 13 电链锯 图 1 14 碎枝机等等 图 1 8 图 1 9 图 1 10 图 1 11 项目一 电钻结构设计 大类 与代号 品种代号功能与特点实物示例 电钻 多速电钻 角向电钻适合狭窄空间作业 万向电钻 磁座钻 电绞刀 电动刮刀 电剪刀 电冲剪 电动往复锯 电动锯管机 电动攻丝机 电动型材切割机 电动斜切割机 电动焊缝坡口机 金属切削 电动工具 J 多功能电动工具 1 1 3 电动工具型号电动工具型号 例 1 最大钻孔直径为 26MM 的电锤 使用电源为单相交流 50HZ 该产品由上海日立电动工具 代 号 SD 有限公司第 41 次设计 型号为 回 Z 1 C SD 41 26 回 双重绝缘代号 1 大类代号 Z 建筑道路类 2 电源类别代号 1 单相交流 50HZ 3 品名代号 C 电锤 4 设计单位代号 SD 上海日立电动工具有限公司 5 设计序号 以阿拉伯数字表示 第 41 次设计 6 规格代号 以阿拉伯数字表示 最大钻孔直径为 26MM 例 2 最大钻孔直径为 6mm 的 C 型 轻型 电钻 使用电源为单相交流 50HZ 该产品由上海日立 电动工具 代号 SD 有限公司第 6 次设计 型号为 回 J 1 Z SD 06 6C 回 双重绝缘代号 1 大类代号 J 金属切削类 2 电源类别代号 1 单相交流 50HZ 3 品名代号 C 电钻 4 设计单位代号 SD 上海日立电动工具有限公司 5 设计序号 以阿拉伯数字表示 第 06 次设计 6 规格代号 以阿拉伯数字表示 最大钻孔直径为 06MM 例 3 砂盘直径为 100MM 的角向磨光机 使用电源为单相交流 50HZ 该产品由上海锋利电动工具厂 项目一 电钻结构设计 代号 SF 第 1 次设计 型号为 回 S 1 M SF 1 100 回 双重绝缘代号 1 大类代号 J 砂磨类 2 电源类别代号 1 单相交流 50HZ 3 品名代号 C 角向磨光机 4 设计单位代号 SF 上海锋利电动工具厂 5 设计序号 以阿拉伯数字表示 第 1 次设计 6 规格代号 以阿拉伯数字表示 砂盘直径为 100MM 例 4 刨刀宽度为 80MM 最大刨削深度为 2MM 的电刨 使用电源为单相交流 50HZ 由 公司 自行设计 该规格是该单位第三次设计的产品 型号为 M 1 B 03 80 2 1 大类代号 M 林木类 2 电源类别代号 1 单相交流 50HZ 3 品名代号 B 电刨 4 设计单位代号 设计单位 5 设计序号 以阿拉伯数字表示 03 第 3 次设计 6 规格代号 以阿拉伯数字表示 80 2 刨刀宽度为 80MM 最大刨削深度为 2MM 1 2 电动工具基本结构组成电动工具基本结构组成 电动工具由电动机 传动机构 工作头 电源开关等电器组件 机壳组成 1 钻夹头 2 传动机构 3 开关 4 机壳 5 电缆线 6 内部导线 7 电动机 1 3 电动工具发展情况电动工具发展情况 项目一 电钻结构设计 近5 年电动工具产品的年进出口数量和金额 近5 年各种类电动工具产品的出口数量和金额 项目一 电钻结构设计 近5 年电动工具产品出口区域及数量 金额 我国电动工具的出口量已占世界电动工具销售量的70 80 已成为世界上主要的电动工具制造国 和产品出口国 1 4 电动工具质量保证电动工具质量保证 电动工具不同与一般的电器产品 电动工具是一种电气器具 使用的特点是 电力驱动 手持操作 电动工具的使用不当会给操作者带来了生命 健康 财产安全的危险隐患 电动工具中带换向器电动机 的运行火花发射的杂散 有害的电磁波对环境带来污染 国际上 尤其是工业国家对电动工具比较早就 采用制定技术标准来控制危险隐患和电磁环境污染 1 4 1 电动工具的标准电动工具的标准 1 4 2 电动工具的产品认证电动工具的产品认证 1 4 3 电动工具的检验电动工具的检验 1 5 本课程的学习本课程的学习 项目一 电钻结构设计 任务二任务二 J1Z 100A J1Z 100A电钻设计开发计划书电钻设计开发计划书 制订制订 电动工具的产品开发来源于市场需求与技术进步 其流程如下图所示 公司销售部门 技术部门 生产部门可根据市场反馈 技术创新 生产工艺革新 为满足市场需求 提高电动工具质量 降低成本 亦可应客户要求或接受 OEM 订单 通过上述渠道 各部门向公司总经理提出 电动工具开发项目建议 书 总经理批准后下达 设计开发任务书 给技术部门 而总经理亦可综合各方面信息直接下达 设 计开发任务书 设计部接受 设计开发任务书 技术部长根据上述项目来源与特点 确定项目负责人 并将 设计开 发任务书 及时转化为 设计开发计划书 计划书内容包括 a 设计开发的输入 输出 评审 验证 确认等各阶段的划分和主要工作内容 b 各阶段人员职责和权限 进度要求和配合单位 c 资源配置需求 如人员 信息 设备 资金保证等及其他相关内容 2 1 J1Z 100A 电钻设计开发任务书电钻设计开发任务书 本项目的为 J1Z 100A 电钻设计的开发 其项目来自市场客户要求 由销售部门提供的项目建议如 下表所示 项 目 建 议 书 提出部门销售部建议人 项目名称电钻型号规格J1Z 100A 销售对象欧洲建议日期2008 年 5 月 5 日至 2008 年 8 月 25 日 基本要求 包括主要功能 性能 结构 外观包装 技术参数说明等 230 50Hz 600W 11000 min 10 M14 外观根据客人要求 达到欧洲 GS 标准 取得 GS 证书 项目一 电钻结构设计 市场预测分析 包括市场需求 用户期望 竞争对手情况 产品质量现状 预期首 批销量 交货期限 出厂价格等 客人包销产品 出厂价格按与客人签订的协议 预期首批销量为 2000 台 交货期限 为 2008 年 10 月 25 日 产品必须取得 GS 证书 FFU 测试 very good 级别报告 环保测试 Rohs PAHs Phth NP 等四项测试 可引用的原有技术 可行性分析 包括技术 采购 工艺 成本等方面 项目所需费用 参加人员 总经理批示 签名 日期 所列各项 可另加页叙述 设计开发任务书 序号 2 2 确定确定 J1Z 100A 电钻设计开发计划书电钻设计开发计划书 2 2 1 电钻结构与性能电钻结构与性能 电钻是一种在金属 塑料及类似材料上钻孔的工具 是电动工具中较早开发的产品 品种多 规格齐 产量大的广泛使用的工具 项目名称起止日期 型号规格预算日期 依据的标准 法律法规及技术协议的主要内容 设计内容 包括产品主要功能 性能 技术指标 主要结构等 设计部门及项目负责人 备注 总经理 日期 项目一 电钻结构设计 电钻换上专用砂轮可切割砖 石等建筑材料 换上圆盘钢丝刷可砂光金属表面并除锈 换上抛轮可抛光 各种材料的表面 电钻的基本结构组成如下图所示 由电机 减速箱 手柄 电源开关 夹头装置等组成 2 2 2 电钻的技术要求电钻的技术要求 1 电钻的规格 电钻的规格 电钻规格是指电钻钻销钢材时所用允许的最大外头直径 同一直径 可分 A B C 型 A 型电钻 主要用于普通钢材的钻孔 具有较高的切销效率 通用性强 适用于一般负载下使用 规格 齐全 B 型电钻主要用于优质钢材的钻孔 适用长时间连续使用与较高的切销容量 额定输出功率与转 矩比 A 型的大 C 型电钻主要用于有色金属 塑料等材料的钻孔 具有轻便 结构简单的特点 钻孔时 不能施加强力 额定输出功率小 以一级变速为玉 转速高 下面是单相串励电钻与三相工频电钻系列的性能参数 2 电钻的标准电钻的标准 额定空载转速 制造厂对工具规定的在额定电压或额定电压范围上限时的空载转速 基本绝缘 用来对带电部分提供防止触电的基本保护的绝缘 附加绝缘 为了在基本绝缘损坏时防止触电而在基本绝缘之外又设置的独立绝缘 双重绝缘 由基本绝缘和附加绝缘组成的绝缘 加强绝缘 指用于带电部分的单一绝缘系统 它在本标准规定的条件下 对防止触电具有双重绝缘相当 的防护程度 爬电距离 指两个导电零件之间或导电零件与工具界面之间 沿绝缘材料表面量得的最短路径 电气间隙 指两个导电零件之间或导电零件与工具界面之间穿过空气量得的最短距离 引用标准 规范性引用文件 GB T7442 2007 EN60745 1 EN60745 2 3 GB 3883 1 GB 3883 3 电钻的型号按 GB T9088 规定 本项目设计的型号 J1Z 10A 2 2 4 确定设计开发计划书确定设计开发计划书 1 J1Z 10A 型电钻主要技术参数的确定型电钻主要技术参数的确定 根据串激电钻钻削试验得知 一般钻 4 毫米孔 需要施加压力 20 25 公斤左右 钻 6 毫米孔 需 压力 30 公斤左右 钻 10 毫米孔 需压力 45 50 公斤左右 从实际操作测得 一般轻体力劳动者施加 20 公斤压力是轻易的 施加 30 公斤的压力是一般的 施加 40 45 公斤压力则往往要全力以赴 从提 高钻削生产效率情况看 当电钻钻速较低时 增加轴向压力对提高劳动生产率并不显著 但劳动强度却 项目一 电钻结构设计 要大大增加 而电钻由低速提高到高速时 效果就较显著 如 6 毫米电钻有 850 转 分提高到 1400 转 分时 施加压力为 30 公斤不变 劳动生产率则提高 50 但是高转速又受到钻头寿命的限制 根据上 海工具厂 1972 年 11 月制定的钻头切削规范看 在施加冷却液情况下 钻头的极限线速度为 35 米 分 由于串激电钻使用时是不加冷却液的 根据上海工具厂的建议 钻头的线速度应控制在 27 米 分以下为 佳 其次考虑到由于大规格电钻的转矩大 在操作使用时转速高难以扶持 应适当降低转速 故电钻系 列转速选用表 1 数据 规格 毫米 转速 转 分 钻头线速度 米 分 4 6 10 13 16 19 23 2200 1200 700 500 500 330 250 27 6 22 6 22 20 4 25 1 19 7 18 从电钻使用实测数据看 电钻进给量在 0 05 毫米 转左右较为合理 钻头寿命较长 当进给量小于 0 01 毫米 转时 即使转速较低 也会使钻头很快磨损 一般钻头进给量以小规格偏小 大规格偏大为 好 根据所作试验来看 取 4 毫米电钻施加 20 25 公斤压力 6 毫米电钻施加 30 35 公斤压力 10 毫米电钻施加约 50 公斤压力 13 毫米及以上电钻需两个人操作 并要用杠杆来施加压力 现取 13 毫 米电钻施加 90 公斤压力 16 毫米电钻施加 120 公斤压力 19 毫米电钻施加 170 公斤压力 23 毫米 电钻施加 225 公斤压力 根据公式 S 轴压 57D 1 43 毫米 转 按上述钻头直径和所定的轴向压力值 便可算得钻头每转进给量 S 如表 2 所示 参照上述资料 根据国内已有电钻的技术参数 确定串激电钻基本系列的技术参数如表 5 所示 项目一 电钻结构设计 2 J1Z 10A 型电钻整机概念设计型电钻整机概念设计 J1Z 10A 电钻参数确定 220V 50HZ 230W 0 2600r min 3 确定 确定 J1Z 10A 型电钻的开发计划书型电钻的开发计划书 项目名称起止日期 型号规格预算费用 职 责 设计开发人员职 责设计开发人员 资源配置 包括人员 生产及检测设备 设计经费预算分配及信息交流手段等 要求 设计开发阶段的划分及主要内容设计开发人员负责人配合部门完成期限 备注 编制 日期 审核 日期 批准 日期 2 3 本项目实训内容本项目实训内容 为掌握电钻的工作特点 结构组成 制订合理的开发计划书 实训项目安排如下 2 3 1 折装某一型号电钻 画出结构简图 2 3 2 对照判断该型号电钻技术参数与技术标准符合情况 2 3 3 明确 J1Z 10A 型电钻的设计要求 任务三 任务三 J1Z 10A 电钻电机与电器组件设计电钻电机与电器组件设计 本课程主要学习掌握的是电动工具结构设计 电机设计与电器组件设计选用的学习由 电动工具电气设计 课程承担 但电机与电器是电动工具结构的非常重要组成部分 为再现一个完整的电动工具结构设计流 程 不应弱化该任务 只是其中的电磁设计不作为讲述重点 3 1 电机设计 根据 J1Z 10A 型角磨的技术参数标准 项目一 电钻结构设计 3 1 1 电磁设计 简要介绍 以结果为主 3 1 2 定转子冲片设计 定转子冲片的类型 按冲片的槽形分有深槽 半深槽 普通三种 冲片的按材料分有冷轧片和热轧片 冲片按冲压成形工艺方式分有普通冲和高速冲 常用的冲片外径大小有 50 56 58 5 62 66 5 72 80 86 90 95 98 等 98 定子冲片 98 转子冲片 本电机冲片设计 图纸如下 项目一 电钻结构设计 58 5 定子冲片 58 5 转子冲片 3 1 3 换向器的选用 换向器按材质分有银铜换向器 电解铜换向器 按结构分有钩型换向器 槽型换向器 按强度分有加固 型换向器 普通换向器 槽型换向器 槽型加固换向器 钩型换向器 钩型加固换向器 换向器的型号表达如下图 项目一 电钻结构设计 换向器的主要尺寸 换向器外径 D 换向器内孔 d 换向器片长 L1 换向器片数 所有一般电动工具厂 对换向器的尺寸标注为 23 5 10 13 24 外径 内孔 片长 片数 换向器的选用 根据功率 电机转速 冲片结构和生产工艺 选择此电机的换向器为槽型加固银铜换向器 尺寸为 24 5 10 13 24 3 1 4 电机轴芯设计 1 电机轴与转子的一次绝缘的方法 包轴 接轴分析 芯轴的结构有包轴 一次成型 接轴等 包轴的优点 表面金加工 压入冲片后 冲片的表面跳动会很小 可以考虑在后加工时对冲片档不进行 加工 冲片档不加工对电机的性能有一定的提高作用 缺点 成本高 加工工艺复杂 这要用在精品机 上面比较多 一次成型的优点 和包轴相比较少了磨冲片档 磨换向器档 压冲片这几道工艺 降低了成本 操作方 便 是现在电动工具使用最多的方式 缺点是 冲片表面的跳动比较大 必须再次加工 接轴 主要用于小冲片上面 由于冲片内孔太小 导致电机芯轴太小 为了保证芯轴的强度 而使用接 轴 缺点是 成本高 工艺多 现在由于工艺的改进 接轴已经基本不使用 图 包轴结构 项目一 电钻结构设计 图 接轴结构 2 电机的轴颈各段设计 轴承选用 3 强度与刚度的校核 芯轴的技术参数 1 毛坯调质 HB 240 270 注 轴进行调质后 能增加轴的强度 在做成转子后 能减少振动 2 13 11 7 和 10 三档车正反二条螺旋槽 槽宽 1 0 槽深 0 3 螺距为 8 9 注 正反 八 字槽是能让绝缘材料能更好地与轴芯捏合 防止松动现象 并去净毛刺 注 去毛刺是为防止在加工过程中 毛刺进入绝缘层 而导致高压击穿 3 齿轮档和轴承档高频淬火 硬度为 HRC38 45 注 齿轮档和轴承档在动转过程中会和齿轮和轴承产 生轻微的相对运动 必须增加强度 不然转子轴的寿命会很低 4 未注倒角为 0 5 45 d 5 未注退刀槽为 1 2 0 5 6 未注公差尺寸的极限偏差按 GB T1804 m 7 未注形位公差的极限偏差按 GB T1184 K 项目一 电钻结构设计 3 1 5 转子总成设计 3 1 6 定子总成设计 定子的技术要求 1 定子采用自动绕线机绕线 宽度方向不得超出 两铣扁平面 高度方向保证图示尺寸 2 冷态绝缘电阻不小于 50M 3 绕组与铁芯间应能承受 50Hz 5mA 实际正弦波电压 1250V 历时 1 分钟 或 1500V 历时 3S 不被击穿或发生闪络 4 滴漆按 定子工艺手则 进行 定子铁芯内壁的漆瘤要清除干净 5 未注线性尺寸的极限偏差按 GB T1804 m 项目一 电钻结构设计 6 未注形位公差的极限偏差按 GB T1184 K 3 2 刷架和碳刷的设计 碳刷 根据最大电流密度计算碳刷的尺寸 要求碳刷磨损的要求计算并验证碳刷的长度 一般现在碳刷电流密度不得大于 10A cm2 但在设计过程中一般会设计成 8A cm2左右 碳刷与换向器的 接触宽度一般不超过换向器的二片云母片 项目一 电钻结构设计 碳刷的长度 1 外形尺寸允许 碳刷不得碰到壳体 至少要求保留 1mm 的间隙 2 碳刷弹簧 或盘簧 的压力 主要防止由于碳刷由于磨损的情况而造成碳刷弹簧压力变小 造成火 花加大 而在碳刷磨损前 碳刷弹簧压力又不得太大 以防止磨损严重 碳刷主要结构有如图所示三种情况 分别针对不同的刷架结构 3 3 开关选用设计 3 4 控制电路设计 简要 项目一 电钻结构设计 3 5 结构数据表结构数据表 任务四 任务四 J1Z 10A 电钻传动设计计算电钻传动设计计算 4 1 传动机构设计 用齿轮减速根据电机转速和额定输出转速计算速比 电钻速比 1 7 83 采用圆柱斜齿轮传动 小模数齿轮 0 7 Z1 6 Z2 47 压力角 20 小齿变位系数取 0 4 螺旋角 B 23 大齿变位系数取 0 4 齿顶系数限 0 25 法向模数的估算 Mn 0 467 Pow 钻头最大额定扭矩 2 51N m 得 0 63 法向模数取 0 7 4 2 转子芯轴小齿轮设计转子芯轴小齿轮设计 项目一 电钻结构设计 4 3 输出轴系设计输出轴系设计 大齿轮 大齿轮由于内孔比较大 一般都是用半圆键联接 而在要求较高的产品中 为了减少大齿轮和 输出轴的相对运动 而装半圆键联接的间隙改为过盈配合 在一些工厂 过盈配合的装配工艺达不到要 求 就改为分段配合装配 前面半段为间隙配合 后半段为过盈配合 输出轴与大齿轮的间隙配合 输出轴公差为 12 0 005 0 014 大齿轮的公差为 12 0 018 0 他们的 配合间隙是 0 005 0 032 输出轴与大齿轮的间隙配合 输出轴公差为 12 0 0055 大齿轮的公差为 12 0 018 0 他们的配合 间隙是 0 0055 0 0235 为了半圆键好装配 在输出轴的前端 大概输出轴与大齿轮配合长度的 1 3 位置 左右 的配合为间隙配合 而等到半圆键已经导入后 输出轴和大齿轮才真正起到配合作用 输出轴与大齿轮的间隙配合 输出轴公差为 12 0 051 0 04 大齿轮的公差为 12 0 018 0 他们的 配合过盈量是 0 022 0 051 输出轴主要起到输出的作用 相对应的侧重点主要有 轴承档与轴承的配合为过度配合 如果太紧会造成压伤轴承 降低轴承寿命 太松易造成轴承走内圆 加速输出轴轴承档的磨损 如图 12 0 0055 滚针档与滚针或含油轴承