小型钻床设计

目 录摘要1关键词1Abstract1Key words1引言11钻床的总体方案12 关键问题的解决221 主轴确定222 主轴箱与机床的联结及进给方式323 机床固定33 钻床规格431 钻孔能力432 工件的材料433 钻床精度434 切削要素435 切削速度及进给率5351 切削速度5352 钻头进给量536 主轴转速637 钻削力与钻削功率638 电机选取839 磁性底座选取8310 钻床电气控制84 驱动部分的设计校核941 主轴校核942 小齿轮轴齿条的校核9421 模数9422 齿数 10423 手柄10424 小齿轮轴1043 涡线弹簧1044 键11致谢12参考文献13小型钻床设计摘要：为了解决在各类大型机械及不方便移动的大型零件上加工孔及螺纹等要素的问题。针对该问题，本文主要介绍了一种带有磁性底座的便于移动和加工的小型钻床的设计思路、方法。并列举解决有关实际设计中的各项关键技术问题。如总体方案的确定，主轴设计要领及顺序，机床不加工时主轴自动回复原位的解决方法，主轴箱与机体连接的问题以及磁性底座的选择设计布局等。关键词：钻床，磁力系统，移动加工，大型零件 引言在大型零件的制造和维修中,需要对其上的孔、螺纹等结构进行加工。如在锅炉等设备的维修中,常因拆卸问题导致原螺钉孔报废而需重新加工螺钉孔。由于零件外形尺寸大,普通机床无法加工。因此,需要设计一种能适应这种加工情况的多功能简易机床，能方便移动，又能够方便控制加工。其次，家庭使用拖拉机及辗米机等农业机械由于经常维修的需要，鉴于维修及运输成本考虑，也需要一种能够方便移动适应这种加工情况的简易机床，可方便对其进行加工维修。因此，这种机床就应该具备普通钻床的基本功能并能满足方便安装移动加工的特殊功能。1 钻床的总体方案 根据在大型零件上钻孔、加工螺纹的特点,要求所设计的机床应结构简单,外形尺寸小、功能多、主轴转速不宜太高，而且能够适应进行各个方向的加工。所以先要确定钻床的总体方案，本钻床设计的总体方案如图1所示，采用带有磁性底座的床身设计。由于主轴转速底，切削力及进给力小，电机功率重量体积小，采用电机与主轴一体同时进给的进给形式。如图1，z向为主轴进给方向。电机与主轴箱轴向通过上下支座与滑动块联结。主轴采用手动进给方式，通过连接手柄的小齿轮轴与滑动块上的齿条形成齿轮齿条副，转动手柄，提供主轴轴向进给力。这样可减少机床不必要结构，减小机床体积，降低重量，提高钻床便携性。由此，钻床就可分为固定和移动两部分：固定部分就是钻床的床身，包括机体架和磁性底座，用于机床的固定及支撑主轴；磁性底座被固定于机床的最下部，通过电磁力将床身固定在被加工件的不动部分。移动部分则主要实现进给，主要包括与钻床连接的滑动燕尾槽、主轴箱及与此轴向连接的电机。通过床身上的小齿轮与燕尾槽上的齿条配合可实现主轴的进给。通过更换装在主轴上的钻夹头来改变加工功能。图1 钻床总体方案结构示意图2 关键问题的解决21 主轴确定 本钻床主轴的结构如图2左图所示。钻床钻孔直径在13以下时，应装配标准钻夹头，使用小直径的标准直柄麻花钻。 图2 主轴结构示意图 主轴上端的螺纹用于主轴轴向预紧。键槽则通过一个刚性套筒与电机主轴联结，传递扭矩。套筒两侧的轴上都装有轴用弹性挡圈，防止套筒轴向移动。如图2左图预紧螺母及套筒出处。 如图2右图，主轴下端车有螺纹，其上配有螺母，作用是在钻削加工一段时间后方便拆卸钻夹头，拆卸时，只需用一只手握紧钻夹头，另一只手用扳手扳动螺目即可。主轴端应作拔锥轴，方便与钻夹头配合。 主轴材料为45号钢，轴上有轴承装配的部位应作表面硬化并使用磨削加工。22 主轴箱与机床的联结及进给方式 如图1所示，主轴箱通过支座及螺钉固定在滑动块上，而滑动块则通过燕尾槽与机体联结，这样主轴进给运动就转化为燕尾滑块与机身的滑动。 主轴的进给方式，通过手柄操作将旋转力变换为滑块的上下运动。如图3所示，转动手柄，带动齿轮轴旋转，齿轮轴带动滑块上的直齿条上下运动，形成主轴的进给运动。 如图4所示，钻孔后的手柄，由于已将涡线弹簧装配在齿轮轴上，可自动回复到原来位置，这是由于钻孔时小齿轮轴的转动将能量储存在弹簧所致。图3 滑块运动装置示意图 图4 主轴回复装置示意图23 钻床固定 钻床在进行钻孔加工时主要受到与进给方向反向的推力作用，如图1的-Z向。因此要将机床固定，就要克服这个方向上的力。经过对切削加工时的钻床进行受力分析，作出其受力分析示意图。如图5所示，以磁性底座的右下角直线为旋转中心线O,磁性底座受到3个力的作用。为钻头推力，支撑力，电磁吸力。他们对回转线O的转距和为0才能使钻床固定不动,即= (式1)图5 钻床受力示意图3 钻床规格31 钻孔能力根据任务说明书确定钻孔直径小于或等于12。钻孔深度调查各厂产品结果，如表1所示。表1 主轴最大上下移动距离钻孔能力 （）主轴最大上下移动距离 （）6.56013.08019.090-13019.0特殊由表1可选取主轴最大上下移动距离为80。32 工件的材料 由于此钻床主要由于大型设备维修及家庭使用，故假设其加工工件材料为钢及铸铁。33 钻床精度 关于钻床精度的检查，根据GB/T 4018.1-1997的规定检查其精度。一般以机体滑动面为基准，与主轴中心的平行度是否正确，主轴与机座的垂直度要求等为检查对象。34 切削要素 背吃刀量 =/2，单位。式中为钻头外径 每转进给率（每刃进给率） 钻头或工件每转一转，他们之间的轴向相对位移，用表示，单位为每转毫米。 每齿进给量 钻头或工件每转过一个齿，它们之间的轴向相对位移，用表示，单位为每齿毫米。 每秒进给量 每秒钟内钻头与工件之间的轴向相对位移，用表示，单位为每秒毫米。 三种进给率之间的关系为：=/60(/) （式-2） 式中 钻头的转速（/）。 生产中经常应用的进给量是每钻进给量。 切削速度 是钻头主切削刃外缘处的线速度，用来表示，单位为米/分。=（/） （式-3）式中 钻头的转速（/）。35 切削速度及进给率351 切削速度 由于钻头所加工的孔与钻头之间的间隙极为狭小，使切屑排除比较困难。所以切削速率选择要考虑多种情况。高速钢钻头由经验公式= （式-4）确定。式中 切削速度（/） 待削件的抗拉强度（/） 系数（表2） 当被切削件为钢 =0.95;铸铁=1.33表2 钻孔进给量钻头直径（）21112181925265020.523.727.328.8 设被加工件为钢，取抗拉强度为50（/），取=20.5，则切削速度= =2315 （/） 设被加工件为铸铁，取抗拉强度为20-30（/），取=20.5，则切削速度=17.5 （/）综上取=15（/）较为合适。也可以根据钻工工艺学表25选取合适切削速度。352 钻头进给量 钻头直径确定后，就要在允许的调件下尽量选大进给量。对于小直径孔，主要受钻头强度的限制； 未经过修磨的标准麻花钻的进给量可参考表3。表3 不同直径麻花钻进给量钻头直径（）25进给量（/）0.0250.050.050.100.100.180.180.380.380.62 由上表可选取钻削进给量=0.18（/）。36 主轴转速 钻头最大直径为时，其最低转速为= （式-5） 钻头最小直径为时，其最高转速为= （式-6） 根据对各厂商产品调查，同一台钻床经常使用的最大钻头直径与最小钻头直径有如下关系= （式-7） 根据钻床设计要求12，由此=2.12.7，取标准麻花钻=2.5，因此，当=2.5时，=1594.5（/）取=1600（/）。当=12时，=405 （/）取=400（/）。由上可确定主轴转速范围4001600（/）。37 钻削力与钻削功率 钻削中，钻头切削部分上的两个主切削刃，如图6所示，横刃和两个棱边都承受了切削力。为了便于观察与分析，我们可将作用于这五个部分的力都分成相互成的分力，即圆周切削力，径向力和轴向力。 图6绘出了这五个切削刃上的各个分力的情况。由于钻头结构上的对称性，两个基本上是互相抵消的；两个组成一力偶，构成扭矩；两个组成一轴向力。同理，可以找出作用于两个棱边的扭矩，轴向扭矩；作用于横刃上的扭矩，轴向力。经过合成可以认为各切削力最后构成一个扭矩和一个轴向力。=+ （式-8）=+ （式-9）图6 切削时的切削力 实验表明，未经修磨的标准麻花钻，轴向力主要由横刃产生，约占57%，扭矩主要由主切削上的两个圆周切削产生，约占80%。各切削刃上的轴向力及扭矩所占及的百分比大致如表4所示。表4 各刀刃轴向力与扭矩的比例轴向力和扭矩主切削刃横 刃棱 边轴向力(%) 扭矩（%）40 805710310钻削轴向力，扭矩，和切削功率，都可由实验测得；实际应用中利用经验公式(表5)计算或查表求得。(1)计算公式 钻头直径（） 进给量（/） 转速（/）表5 高速钢麻花钻切削力及功率的计算公式扭 矩 ()轴 向 力 ()切削功率 （）(2) 公式中系数与指数 钢 =735 扭 矩 =333.54 =1.9 =0.8 轴向力 =833.85 =1 =0.7 未磨损时 =0.87 磨损后 =1由以上经验公式可算出钻头未磨损切削钢时M=9.5 ()F=1266 ()当=1600（/）时=1590 （）当=400 （/） 时=397.7 （）38 电机选取 在确定切削功率后，可以确定电机功率。 电机的功率，应考虑由切削加工所产生的扭矩及摩擦损失的功率确定。 = (式-10) 传动装置的总效率应为组成传动装置的各部分运动副效率之成积 (式-11)式中 分别为每一传动副（齿轮 涡杆 带或链）每对轴承、每个连轴器及卷筒的效率。传动副的效率数值可按机械设计制造手册选取，轴承及连轴器效率的概略值为： 滚动轴承（每对） 0.980.995 滑动轴承（每对） 0.970.99 刚性连轴器 0.970.99由=1600时钻削功率=1590 ，可计算出电机所需功率=0.980.970.97=0.912所以=1742.27（）由于此钻床定位于大型零件维修及家庭使用，为方便使用，采用交流220V50HZ标准交流电源。由电机所需功率确定选取日立牌电容起动式单项电机，型号EFOU-KR(1800)，同步额定转速1500（/），最大同步额定转速1800（/）。电机尺寸为8080100()，重量约为3.6,结缘等级E级，防护等级IP-45。39 磁性底座选取 根据钻床尺寸244100417（）,调查部分厂家此类钻床重量，如德国百得机械钻床功率为950W时，其总重量为9.812，其钻床功率为1600W时，其重量为1318,因此估算钻床总重量为15。切削时轴向力F最大为1266,由式1可知，()/= (式-12)估算钻床尺寸，,=70时1800N进行单位换算180。可选用日本KANETEC （日本强力）牌公司生产的磁性底座，型号为MB-PG,磁性力大小为2200,长宽高分别为8012070（）。螺孔数及规格4M6。而且其带有磁性力调节旋钮，可方便钻床移动、固定。310 钻床电气控制 由于此钻床的形状结构的局限性，不可能实现机械变速箱式的有级变速或无极变速，只能通过调节钻床电机的电压改变其转速。钻床电器控制示意图如图9所示，电源开关控制总电源，在电压突变或加工到工件中的硬夹杂物时，电机转速下降，电流变大，可通过热融断体对电机进行过载保护。图9 钻床电气控制示意图4 驱动部分的设计校核41 主轴校核 钻床的主轴，应考虑由钻头切削所产生的扭矩及轴向力确定其轴的尺寸，轴端可使用钻夹头公称，拔锥度=1/19.286（莫氏锥度）。轴承为径向滚珠轴承。假设其扭矩为=9.5，轴向推力=1200,及主轴=18。则许用扭矩=19.2主轴直径由公式，已知=400=11.3由零件图上可知主轴最小截面直径12（），为因此主轴刚度符合要求。 42 小齿轮轴齿条的校核421 模数 已知轴向推力=120，速率系数=1，=26（45号钢），齿型系数=0.35，模数=1.27取=1.5.422 齿数 主轴最大偏移距离=80（），齿数=17.9所以=18。小齿轮直径= ()外径=30 ()423 手柄 钻床的手柄一般为3或4根。其端部配有把手以方便把握，另一端则固定旋紧于轮觳。手柄一般长150300。钻孔时手臂力为35（钻孔直径为6.5），1015（钻孔直径为13），1520（钻孔直径为19）。手柄的直径为如图9所示，当作用于手柄端部的力=8（），手柄长度=150（）时=12000（） 手柄直径，已知手柄材料为45号钢，许用应力=15/，=7.38（） 手柄直径取10。手柄端部要车削出M8的螺纹，深度=12。424 小齿轮轴 小齿轮轴与齿轮做为一体式，材料为45号钢，小齿轮轴齿轮外径=30（），切削推力负荷=1266()=18.9（） ，直径=8.7（）因此，小轴外径为10（）能满足需求。43 涡型弹簧 涡形弹簧用于主轴回复原位的操作，应考虑主轴可动部分的自重后在决定。已知涡线弹簧装配轴直径=10（），弹簧容纳箱内的直径=50()，弹簧厚度=0.8（），弹簧长度=1247（） 电机滑块全重=4.0，假设弹簧材料为65Si2Mn,最大抗弯应力90，宽度=10.8（） 如上所述，弹簧容纳直径=50()，涡线弹簧装配轴径=10，弹簧厚度=0.8，弹簧长度=1247，宽度=12。为分度圆直径，扭矩=2.16查表可知此涡线弹簧扭矩=1.8，符合需求。44 键 键根据电机轴上键槽尺寸使用平键尺寸为4416（），=2.5，=1.8，作用在主轴的扭矩=973=973=130（） 作用在轴外径的线切削力=16.25（） 对于键长度，应考虑键宽度，剪应力=4.8=0.845（） 键长为了配合电机主轴，确定其=16（），远大于0.85（），符合需求。致谢参考文献： 1 夏广岚，冯 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