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便携式 钻孔机 设计 说明书 CAD

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南京理工大学紫金学院毕业设计（论文）任务书系部：机械工程系专 业：机械工程及自动化学 生 姓 名：倪斌学 号：060104238设计(论文)题目：便携式钻孔机的设计起 迄 日 期: 2010 年 2 月 24日 6月5日设计(论文)地点:南京理工大学紫金学院指 导 教 师:胡小秋专业负责人:肖猛发任务书日期: 2010年 2 月 23 日任务书填写要求1毕业设计（论文）任务书由指导教师根据各课题的具体情况填写，经学生所在专业的负责人审查、系部领导签字后生效。此任务书应在第七学期结束前填好并发给学生；2任务书内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，不得随便涂改或潦草书写，禁止打印在其它纸上后剪贴；3任务书内填写的内容，必须和学生毕业设计（论文）完成的情况相一致，若有变更，应当经过所在专业及系部主管领导审批后方可重新填写；4任务书内有关“系部”、“专业”等名称的填写，应写中文全称，不能写数字代码。学生的“学号”要写全号；5任务书内“主要参考文献”的填写，应按照国标GB 77142005文后参考文献著录规则的要求书写，不能有随意性；6有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 74082005数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2009年3月15日”或“2009-03-15”。毕 业 设 计（论 文）任 务 书1本毕业设计（论文）课题应达到的目的： 通过本设计，使学生熟悉机械产品开发性设计的一般过程，培养学生综合运用所学基础理论、专业知识和各项技能，着重培养设计、计算、分析和解决问题的能力，进而总结、归纳和获得合理结论，进行较为系统的工程训练，初步锻炼科研能力，提高论文撰写和技术表述能力。为实际工作奠定基础，达到人才培养的目的与要求。2本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：原始数据：（1）工件材料材质为混凝土，板状（立式墙体），厚度1030mm。（2）加工孔直径815mm，圆孔。（3）所用设备为专用钻孔机，主轴速度2002000r/min，进给速度50mm/min。技术要求：（1） 所设计的刀具能够用于实际加工。（2） 刀具方便更换。（3） 进给速度和进给力满足加工的需要。工作任务：（1） 查阅资料30篇以上，翻译外文资料6000字，撰写文献综述和开题报告。（2） 分析材料的加工机理，选择孔加工的刀具材料及刀具结构，完成现有钻孔机的测绘，在此基础上完成钻孔机的改进设计，实现自动进给。（3） 绘制装配图 1 份 （0号图纸）；零件图若干。（其中，至少有1张图纸使用计算机绘制）（4） 设计说明书3万字左右。(打印) 毕 业 设 计（论 文）任 务 书3对本毕业设计（论文）课题成果的要求包括毕业设计论文、图表、实物样品等： 毕业设计成果以图纸和说明书形式交卷。要求图纸规范，符合国家标准；说明书层次分明、论据可靠、计算正确、图标规范、语句通顺。4主要参考文献：1 阿部弘. 工程陶瓷M.台北：复汉出版社，19842 符锡仁. 现代陶瓷M.上海：上海科学技术出版社，19803 邓世均. 高性能陶瓷M. 北京：化学工业出版社.，20044 龚振邦. 机器人机械设计M. 北京: 电子工业出版社, 19955 方子良. 机械制造基础M. 上海: 上海交通大学出版社, 20036 马香峰. 机器人机构学M. 北京: 机械工业出版社, 1991 7 靳小丽. 轻质特种防护材料加工技术研究D.南京理工大学学位论文,20038 李杰. 工程材料基础M.长沙：国防科技大学出版社，19969 吴瑞祥. 机器人技术及应用M. 北京：北京航空航天大学出版社，1994. 10 熊有伦.机器人技术基础M.武汉：华中理工大学出版社，199611 刘兴良.机器人基础知识M.北京：新时代出版社，198612 王乘义.机械手及其应用M.北京：机械工业出版社，198513 沈继飞.机械设计基础M.上海: 上海科学技术出版社, 1995毕 业 设 计（论 文）任 务 书5本毕业设计（论文）课题工作进度计划：起 迄 日 期工 作 内 容2010年2月 24日 3月 4日3月 5日 3月 15 日3月 16日 3月 19 日3月 20日 3月 31 日4月1日 4月 14日4月16 日 4月30日5月 1日 5月 14日5月15日 5月 22日5月 23日 5月 24日5月 25日6月 1日 6月 5日熟悉课题，查阅资料，外文翻译。围绕设计主题调研，关注混凝土墙体钻孔的一般方法与要求，机器的使用及构成撰写文献综述，完成开题报告原理方案设计，确定合理方案，绘制功能原理图，熟悉相关软件（教师审查开题报告，提交专业负责人）编制软件，计算相关结构参数，选择标准部件；（其中，4月30日进行中期检查）对设计方案进行评价与修改，使之完善完成总装图，绘制零件图整理相关资料，撰写设计说明书初步提交设计成果(包括图纸及论文)，整改正式提交设计成果，准备论文答辩论文答辩所在专业审查意见：负责人： 2010年2 月 22日系意见：系主任： 2010年 2 月23 日便携式钻孔机的设计,设计者：倪斌 辅导老师：胡小秋,1 引言,国内钻孔机械的现状 西方发达国家发展桩工机械已有近百年的历史，我国桩工机械则从五十年代开始研制，八十年代形成一定规模，九十年代得以迅速发展。特别是我国实施改革开放政策二十多年来的飞跃发展，我国的桩工行业，从小到大从测绘仿制直至自行设计与制造。我国原有的机械工业整体实力薄弱，基础较差，原材料工业落后，以及我国由长期计划经济所造成的小而全的生产格局，造成桩工机械整体水平远远落后于西方国家的同类产品，其性能处于国际九十年代初水平，布局和组织生产则更加落后。,钻孔机械的发展方向,大口径灌注桩钻孔机 长螺旋钻孔机 短螺旋钻孔机 全套管钻机 反冲击循环钻孔机 小型便携式钻孔机,课题主要研究内容和研究方法,在此次毕业设计过程中，首先我们要通过反求先掌握现有便携式钻孔机改进型设计的工作原理，分析其有的缺点：然后我们要通过反求设计的相关知识测量现有机型的尺寸，利用三维绘图软件绘制出该零件的三维实体造型图，并将各个零件组装在一起得到整个机构的三维实体装配图，通过模拟我们进一步研究该机构的原理特征；最后我们绘制出该机构的二维装配图及部分零件的零件图。,本次设计的主要任务如下：（1）测绘已有便携式钻孔机改进型的尺寸，并完成各个零件的三维实体造型及整体装配图；（2）分析现有设计的工作原理，分析其结构的优缺点，是否有原理上的优缺点，为我们的设计提供借鉴，避免现有设计缺点；（3）绘制二维装配图和部分零件的零件图；（4）对现有设计进行强度校核；（5）分析现有设计的不足，做进一步的改进设计。,小结,国内钻孔机械行业越来越接近世界的脚步，发展方向越来越合乎科学技术的发展，开发出对应行业的专用钻孔设备，实用性越来越强。日常生活常用的小型钻孔机操作方便、结构简单，主要是使用转动副和移动副来完成钻孔的机械，他原于实践、用于实践，使用方便，安全可靠，深受工作人员的喜爱。,2 混凝土及其切割,混凝土概述 1、混凝土定义 2、混凝土的分类 3、混凝土的特点 4、混凝土的组成及各组材料的作用,混凝土的主要技术性质,混凝土的主要技术性质包括混凝土拌和物的和易性、凝结特性、硬化混凝土的强度、变形及耐久性等。 1、混凝土拌和物的和易性 (1)流动性 (2)粘聚性 2、影响混凝土拌和物和易性的因素 3、强度 4、变形 5、耐久性,混凝土结构切割技术与应用,传统的混凝土结构拆除方式主要有人工锤凿、机械锤打、风镐、液压破碎锤破碎等。这些方法除会产生大量的粉尘、噪声污染外, 对须保留部分的混凝土结构也会引起一定程度的破坏。同时,破碎施工对施工人员以及周围环境的安全亦造成威胁。 近年, 我国在进行混凝土结构的拆除施工时, 引进投入专用的混凝土切割设备, 采用钢筋混凝土切割工艺, 在结构功能的保护、工作效率的提高、施工安全以及环境保护等方面, 均取得满意的效果。,钢筋混凝土切割设备,碟式切割机 钢线切割机 钢筋混凝土钻孔机,小结,混凝土是土木工程中用途最广、用量最大的一种建筑材料。按预定性能设计和制作混凝土，研制轻质，高强度，多功能的混凝土新品种。利用现代新技术、大力发展新工艺、新设备；广泛利用工业废渣作原材料等，都是今后需要不断解决的课题。,3 混凝土钻孔机,简介 工作原理主要是由电机(串激电机或异步电机)作动力带动金刚石簿壁钻头高速旋转，并由人工操纵进给钻入钢筋混凝土中，镶嵌(或热压)在钻头端部上的金刚石将混凝土或钢筋磨削成粉末状，并随玲却水不断排出。由于金刚石薄壁钻头仅齿部圆环与钢筋混凝土接触，圆环厚度很簿(2535mm)，故只需较小的动力就可以钻出较大的孔径和芯样。它不仅使孔壁光滑规则、无振动、不破坏结构，而且可以达到很高的钻进速率，大大减轻了人工凿孔所需的劳动强度，更能减少预留孔给施工造成的不便，其综合成本低于人工凿孔和预留孔。,钻孔原理,该机具采用的是盘刚石薄壁空心钻头，它的进结是利用高硬度的金刚百烧结在钻头体上做磨具的钻进方法。 金刚石钻头的钻进可分为两个同时作用的基本过程： 1、钻头端面金刚石在垂直压力作用下冲压被钻体; 2、在动力提供的旋转力矩作用下钻头转动，金刚石钻头前方的混凝土被剥离产生粉末，最后被强制冷却水冲出，实现钻进的目的。,由于金刚石簿壁空心钻头的刀刃很小。钻头硬度高，上述钻进过程主要是靠钻头与混凝土之间的摩擦作用磨削混凝土，钻进所需要的功主要是用来克服摩擦阻力。可采用简化方法计算，金刚石套料钻截面如图,混凝土钻孔机的结构特点,结构简图,主要结构特点,1、钻头：采用直切削刃薄壁空心金刚石钻头，具有高硬度及耐磨性，钻进效率高。 2、冷却装置：采用独特的强制冷却方式，由手动泵供给5公斤的冷却水经入水口进入立水腔，然后再进入钻头内对钻头冷却。 3、主机：采用市场上广泛销售的、适宜电动工具的单相电动机。 4、钻头连结：采用圆锥面自动定位的快速螺纹联接，拆装迅速。,常用的几种机型,1、手持式钻孔机 2、支架式钻孔机 3、金刚石簿壁钻头,小结,随着科技的不断进步发展，钻孔机的跟新换代也慢慢加快，新的科技手段不断的加入其中，人们也再实践中不停的完善其性能，各领域也都推出了适合自己的型号产品，许多专用型钻孔机孕育而生，加快了生产力的进步发展，我相信，随着时间的发展，通过人们的勤劳智慧，钻孔机的发展会越来越迅速。,4 钻孔机的反求设计,简介 反求工程亦称反向工程或逆向工程。应用系统工程学、产品设计方法学和计算机辅助设计的理论和方法，探索并掌握支持产品全生命周期设计、制造和管理的关键技术，进而开发出同类的或更先进的产品。作为一种逆向思维的工作方式，反求工程技术与传统的产品正向设计方法不同，它分局已存在的产品或零件原型来构造产品的工程设计模型或概念模型，在次基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造，是对已有设计的再设计。 反求工程的目的是根据设计的思维规律，研究反求对象的设计思想系统的组成、特点和内在联系。,反求工程主要分析以下几个方面的主要内容：,1、探索产品设计的指导思想，了解整个产品设计的前提； 2、对产品的原理方案进行分析，通过反求对象功能的实质理解，在再设计时得到更合理的原理方案； 3、分析产品结构，从保证功能、提高性能、降低成本、提高安全可靠度等方面分析反求对象的结构特点； 4、形体尺寸的反求，通过测绘与计算缺点零部件的形体尺寸，并用图纸及鸡舍文件方式表示。,机架原理和尺寸的反求,1、机构原理的反求 2、机架尺寸的反求 3、齿轮参数的反求,钻孔机主要技术参数的选择,1、钻头转速的选择 2、金刚石钻头直径的确定 3、钻机功率的选择 4、手动操作力的计算,小结,在本章中主要讨论了现有便携式钻孔机改进型设计的原理反求、尺寸反求等方面的内容，重点讨论了在数据采集中的尺寸基准的选择要点，如何根据零件尺寸的特点选择尺寸测量的基准;第二个着重讨论了齿轮相关参数的反求并简单说明了该机构的原理。,5 用于混凝土加工的套料钻设计,常用刀具材料及加工材料的选择 常用刀具材料有工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷和超硬刀具材料，目前用得最多的为高速钢和硬质合金。 设计选用烧结有金刚石颗粒的刀具对混凝土墙壁进行加工。,金刚石套料钻的定义 做切削刃的钻头称为金刚石套料钻。该钻头属一体式钻头，整个钻头没有活动的零部件，结构比较简单，具有高强度、高耐磨和抗冲击的能力，是20世纪80年代世界钻井三大新技术之一。现场使用证明，金刚石钻头在软-中硬地层中钻进时，有速度快、进尺多、寿命长、工作平稳、井下事故少、井身质量好等优点。,金刚石套料钻的概述 金刚石套料钻不但使用时间长，还可以重复利用，返厂修复的金刚石钻头使用起来和出厂的金刚石钻头使用效果差不多，能大量的节约钻井成本。 钻头质量的好坏、钻头类型与地层岩性是否适应，对加快钻井速度和提高单只钻头进尺起着重要的作用。钻一口油气井一般要使用不同尺寸的多只钻头，在钻上部地层时要使用直径较大的钻头，因钻头钻进的地层较软，单只钻头进尺多、使用的时间短，一个钻头一般可重复使用几口井；而在钻下部地层时要使用直径较小的钻头，因地层硬、单只钻头的进尺少，一般要使用多只钻头。一只下井新钻头钻井进尺的多少主要取决于钻头的尺寸、类型、地层的软硬和钻进参数的配合。一般来说，钻头尺寸越大、地层越硬，进尺越少；钻头尺寸越小、地层越软，钻头进尺就越多。,金刚石套料钻的特点 （1） 力平衡设计使钻头具有良好的导向性，适应配合井下马达应用于定向钻井，具有较小的径向震动； （2） 不同结构的专利PDC复合片在钻头不同位置的合理布置使钻头具有较强的攻击性和抗研磨性； （3） 强攻击性设计使钻头可获得高的机械钻速； （4） 动态流场模拟技术应用于水力设计，使井底流场最优化，有利于提高排屑速度和防泥包。 因为PDC钻头的材料主要为铸造碳化钨和金刚石符复合片，所以它寿命长，价值高。,金刚石套料钻由基体、金刚石层和过渡层组成,金刚石套料钻,（1）金刚石层由金刚石磨粒和结合剂共同组成的压制层，是磨具的工作部分，起磨削作用钻头底部镶嵌的小颗粒就是金刚石。,各组成部分的作用,（2）过渡层由结合剂粉末构成的压制层，不含金刚石磨料，是工作层与基体之间的过渡部分，其作用是牢固联结工作层与基体，并保证工作层被充分利用。 （3）基体起着支撑压制层的作用，并便于装卡磨具。在使用时用装夹头通过基体把金刚石工具装夹在机床主轴上。基体材质有多种，金属结合剂磨具一般选用钢材作为基体，经机械加工而成。,钻孔机钻头加工简图,小结,通过对金刚石钻头的了解，我们更加认识到金刚石颗粒对钻头的影响，对不同的钻孔直径，我们要选用不同的钻头加以加工，从而达到设计要求，满足加工需要。,6 关键零件及钻孔机三维造型图,底座 因为是以底座底面为基准测量机构的尺寸，所以底座的尺寸都是直接测量出来的，对于与支柱连接的螺纹孔的位置要多次测量取平均值，最后确定位置。,支柱 支柱为一长块形中空的零件，绘图是确定各个孔的位置是绘图的关键。,前移动部 前移动部造型较为复杂，因此在测量尺寸与绘制时要注意各个面的特征跟结合特征。,后移动部 后移动部的造型相对前移动部简单，造型、尺寸比较简单，在尺寸测量时要做到尽量精确，曲面要反复测量，各个螺纹孔的位置也要多次测量取平均值确定其位置。,三维实体装配图,总结,通过零件的三维造型图的绘制，对各个零件的特征有了更详细的了解，对各个零件间的相互位置关系跟连接、配合关系也有了细致的了解，这对于后面绘制CAD装配图有很大的帮助。 将各个零件的三维造型图，按照一定的装配关系组合起来就形成了该机构的装配图模型，机构的装配图模型可以完全的显示各个零件之间的位置关系、连接关系、配合关系，也能表达出各个移动零件之间的相对运动关系，可以很大程度的帮助我们分析该机构的运动原理，进行动力学分析。,谢谢观赏,南 京 理 工 大 学 紫 金 学 院毕业设计(论文)前期工作材料学生姓名:倪斌学 号：060104238系：机械工程系专 业:机械工程及自动化设计(论文)题目:便携式钻孔机的设计指导教师:胡小秋副教授 (姓 名) (专业技术职务)材 料 目 录序号名 称数量备 注1毕业设计(论文)选题、审题表12毕业设计(论文)任务书13毕业设计(论文)开题报告含文献综述14毕业设计(论文)外文资料翻译含原文15毕业设计（论文）中期检查表12010年 3 月注：毕业设计（论文）中期检查工作结束后，请将该封面与目录中各材料合订成册，并统一存放在学生“毕业设计（论文）资料袋”中（打印件一律用A4纸型）。 南 京 理 工 大 学 紫 金 学 院毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名：倪 斌学 号：060104238专 业：机械工程及自动化设计(论文)题目：便携式钻孔机的设计指 导 教 师:胡小秋 2010年 3 月 19 日开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册）；4有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 74082005数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2007年3月15日”或“2007-03-15”。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述摘要 小型钻孔机操作方便、结构简单，主要是使用转动副和移动副来完成钻孔的机械。介绍了国内外钻孔机械的发展现状，讨论了钻孔机械的类型及其用途，分析了常用的几种机型、工作原理和优缺点。对手持式钻孔机和支架式钻孔机进行详细讨论，最后讨论了金刚石簿壁钻头。关键词 钻孔机 便携式 混泥土 空心钻 0 前言在基础工程建设中，基础施工是很重要的一环，从悬空寺的木桩到南京长江二桥的混凝土大口径灌注桩，千百年来人类对桩基探索始终没有停止，努力寻找着一种低公害的施工工艺，随着经济的高速发展，建筑物向大型化发展，要求桩基的承载力也越来越大，因此，钻孔机械的要求也越来越高。l 国内钻孔机械的现状西方发达国家发展桩工机械已有近百年的历史，我国桩工机械则从五十年代开始研制，八十年代形成一定规模，九十年代得以迅速发展。特别是我国实施改革开放政策二十多年来的飞跃发展，我国的桩工行业，从小到大从测绘仿制直至自行设计与制造。我国原有的机械工业整体实力薄弱，基础较差，原材料工业落后，以及我国由长期计划经济所造成的小而全的生产格局，造成桩工机械整体水平远远落后于西方国家的同类产品，其性能处于国际九十年代初水平，布局和组织生产则更加落后。国内钻孔机械制造者主要是地矿部下属企业，且建设部、铁道部、核工业、有色等行业都有自己的制造企业，行业布局极不合格，重复生产。高科技、高附加值的产品少，技术含量低的产品多；打入国际市场的产品少，国内急需的产品又研制不出来， 占用外汇依赖进口的多 国内桩工机械制造企业近百家，年产值5000万元以下居多，上亿元产值的企业寥寥无几，全国桩工机械的产值没有意大利土力公司一家的年产值高。2 钻孔机械的发展方向2.1 大口径灌注桩钻孔机国家早在 七五”期间，就提出“重点推广钻孔灌注桩”，随着“八五”、“九五”期问建桥高潮，大口径钻孔灌注桩钻机得以高速发展，在我国目前钻孔机械产品中，大口径钻孔机的开发、研制比较成功，市场份额大，有较强的竞争力。2.2 长螺旋钻孔机长螺旋钻机在基础施工领域，以其高效率成孔、成桩、低震动、低噪声、低污染文明施工的独特优点，得以迅速发展。1996年诞生的长螺旋钻机泵送混凝土CFG桩成桩工艺，它是以长螺旋钻机为主，再配合泵送混凝土一次成桩的工艺，施工速度快，污染小，适应地层能力强，它一出现就得到了市场的认可，发展迅速。CFG桩的迅速发展，也给长螺旋钻机发展带来了商机，用于CFG桩的长螺旋以步履钻机为主，深度1825m。今后长螺旋钻机的发展应注意以下几点：(1)采用履带底盘；(2)开发液压无级变速动力头；(3)满足钻深30m；(4)引入自动控制技术等。2.3 短螺旋钻孔机短螺旋钻孔机(回转斗钻孔机)是三十年代末有美国卡尔特公司研制的，一般适用于粘土、粉土、淤泥质土和砂土等土层，直径一般在8003000ram，钻孔深度50m；6070年代意大利土力公司和德国宝峨公司发展了短螺旋钻机，扩大了钻机的性能，一般都可配摇管，成为灌注桩施工的主流产品。2.4 全套管钻机全套管钻机又称“贝诺特钻孔机”，是法国贝诺特公司1954年开发研制并首先应用于桩基施工，随后德国、日本相继推出了自己的产品，90年代中期昆明捷程公司和徐州工程机械厂开始生产摇动式全套管钻机。2.5 反冲击循环钻孔机反冲击循环钻孔机在70年代先后由意大利，日本，法国相继研制成功。冲击反循环钻机是将冲击无循环钻进工艺改成先进的冲击反循环钻进工艺，克服了无循环钻进造成孔底重复破碎的致命弱点，效率提高数倍，对孤石等传统钻进难处理的地层，效率显著提高。2.5 小型便携式钻孔机2.5.1 容易操作小型钻孔机体积小、重量轻、结构简单、操作方便，在对道轨打孔时，只需要扳动手柄，安装上钻头即可，特别省力。2.5.2 使用安全由于钻孔机打孔时，速度慢，冲击小，使用相对比较安全。2.5.3 使用方便 小型钻孔机重量轻，体积小，不需要占用很打的空间，易搬动，容易存放。2.5.4 准确性高 由于重量轻，固定后，容易找准位置，钻出孔来，孔壁也较为光滑。小型钻孔机操作方便、结构简单，主要是使用转动副和移动副来完成钻孔的机械，他原于实践、用于实践，使用方便，安全可靠，深受工作人员的喜爱。3. 混泥土钻孔机3.1 钻孔原理该机具采用的是盘刚石薄壁空心钻头，它的进结是利用高硬度的金刚百烧结在钻头体上做磨具的钻进方法。金刚石钻头的钻进可分为两个同时作用的基本过程：I钻头端面金刚石在垂直压力作用下冲压被钻体，在动力提供的旋转力矩作用下钻头转动，金刚石钻头前方的混凝土被剥离产生粉末，最后被强制玲却水冲出，实现钻进的目的。由于金刖石簿壁空心钻头的刀刃很小。钻头硬度高，上述钻进过程主要是靠钻头与混凝土之间的摩擦作用磨削混凝土，钻进所需要的功主要是用来克服摩擦阻力。3.2 简介混凝土钻孔机适用于各种水、暖、电、气管道的安装钻孔，在直径20-250mm、厚度小于500mm的范围内可准确、快速地将钢筋混凝土钻透。工作原理主要是由电机(串激电机或异步电机)作动力带动金刚石簿壁钻头高速旋转，并由人工操纵进给钻入钢筋混凝土中，镶嵌(或热压)在钻头端部上的金刚石将混凝土或钢筋磨削成粉末状，并随玲却水不断排出。由于金刚石薄壁钻头仅齿部圆环与钢筋混凝土接触，圆环厚度很簿(2535mm)，故只需较小的动力就可以钻出较大的孔径和芯样。它不仅使孔壁光滑规则、无振动、不破坏结构，而且可以达到很高的钻进速率，大大减轻了人工凿孔所需的劳动强度，更能减少预留孔给施工造成的不便，其综合成本低于人工凿孔和预留孔。3.3 常用的几种机型3.3.1 手持式钻孔机手持式钻孔机有两种类型，一种是以串激电机作动力，直接带动金刚石簿壁钻头进行钻孔，另一种是以异步电机作动力通过软轴传动带动金刚石簿壁钻头进行钻孔。3.3.2 支架式钻孔机 目前国外钢筋混凝土钻孔机均属支架式，操作过程中整机固定，操作者只需控制操作杆(轮)进行进给，较好地解决了手持式摆动大、不易操作、钻孔直径较小的问题。作为支架式钻孔机的固定方式有顶杆、膨胀螺栓、真空吸盘三种。采用顶杆固定，操作简便、较为普遍，适用于室内空问位置在35m以内的地方；用膨胀螺栓固定适用于室外，不便采用顶杆的地方；真空吸盘则可用在室内外较为平整的墙壁和地面上适应性强，但辅助操作时间较长、设备成本相应较高。3.3.3 金刚石簿壁钻头国内目前采用的金刚石簿壁钻头有热压、钎焊、低温电镀三种类型，其刀头部分由高强度大颗粒金刚石单晶作磨料，碳化钨及其它有色金属粉末作粘合剂组成。钻头外径在20到250mm 之间，国外最大直径可达到500mm。在旋工中，对钻头的主要要求是效率、寿命和可靠性。在不含钢筋的实心混凝土板上钻孔时，效率一般为50mmmin，寿命为30m。但在实际应用中，影响钻头效率和寿命的因素是相当多的，混凝土标号、石质、钢筋含量、孔洞和操作方法等都对效率和寿命影响较大。对质量不高的钻头还常常发生金刚石刀头脱落、钻杆体变形等故障，使钻头过早报废。4 总结随着科技的不断进步发展，钻孔机的跟新换代也慢慢加快，新的科技手段不断的加入其中，人们也再实践中不停的完善其性能，各领域也都推出了适合自己的型号产品，许多专用型钻孔机孕育而生，加快了生产力的进步发展，我相信，随着时间的发展，通过人们的勤劳智慧，钻孔机的发展会越来越迅速。参 考 文 献1 阿部弘. 工程陶瓷M.台北：复汉出版社，19842 符锡仁. 现代陶瓷M.上海：上海科学技术出版社，19803 邓世均. 高性能陶瓷M. 北京：化学工业出版社，20044 龚振邦. 机器人机械设计M. 北京: 电子工业出版社, 19955 方子良. 机械制造基础M. 上海: 上海交通大学出版社, 20036 马香峰. 机器人机构学M. 北京: 机械工业出版社, 19917 靳小丽. 轻质特种防护材料加工技术研究D.南京理工大学学位论文,20038 李杰. 工程材料基础M.长沙：国防科技大学出版社，19969 吴瑞祥. 机器人技术及应用M. 北京：北京航空航天大学出版社，199410 熊有伦.机器人技术基础M.武汉：华中理工大学出版社，199611 刘兴良.机器人基础知识M.北京：新时代出版社，198612 王乘义.机械手及其应用M.北京：机械工业出版社，198513 沈继飞.机械设计基础M.上海: 上海科学技术出版社, 199514 王华坤谐波传动齿啮式输出啮合参散的优化设计J南京航空航天大学学报，2000，32(6)：71772215 许毓搠.机械没计与制造工艺手册M北京：水利电力出版社,198416 曹永禄，张霞. 我国钻孔机发展方向的探讨J. 建设机械技术与管理，2001,4（6）：41-4217 贾枝花，张振东，孙中杰.小型钻孔机的设计与应用J. 煤炭技术杂志，2008，27（5）：1008-872518 陈辉，赵忠俭.混泥土钻孔机J. 机械设计与制造，2000，（3）：74-7519 张凯.混泥土钻孔机在工程中的应用J. 建筑机械：上半年，1995，(6) ：38-3920 李兵，柯尊忠混泥土钻孔机传动装置优化设计J.合肥工业大学学报，2003，26（5）：1003-5050 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：一、 本课题要研究或解决的问题对现有的钻孔机进行改进设计，在不改变钻孔机主要结构的前提下，增加机和运动自由度，代替人力，实现立体墙面的钻孔，为自动化加工提供条件。 二、采用的研究手段（1）选用合适型号的混凝土钻孔机这类产品的传动装置主要采用的是一般齿轮传动，需要二级以上齿轮传动，减速器的质量和体积都较大，另外混凝土钻孔机转速高，采用一般齿轮传动产生的噪音很大，传动不平稳。（2）采用谐波齿轮传动方案。谐波齿轮传动是一种依靠柔性齿轮(即柔轮)所产生的可控弹性变形波来传递运动和力的新型机械传动。图1 谐波齿轮传动结构示意图（3）手动驱动机构，提供进給力，满足便携式的需要。准备采用手轮、齿轮齿条结构满足驱动需要。 （4）空心钻头是一种较适合便携式工具使用的孔加工刀具。空心钻头应同时满足以下几方面要求：便于制造，能采用普通机床和通用刀具加工；便于重新刃磨，可利用普通砂轮机进行刃磨；生产效率高，使用寿命长；价格低廉。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：该生通过调研，查阅了一定数量的资料，并进行了消化整理，撰写了“文献综述”。所用资料较为丰富，有一定的综合性，语言较为流利。对课题有一定的认识，思路较为清楚，初步方案基本合理，研究方法与手段基本可行。2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：课题涉及机械、电子、计算机等方面知识，综合性强，具有一定的深度和广度，工作量适中，但难度一般。依据前期工作来看，根据学生现有的理论和能力，通过努力，可以按时完成此项设计任务书规定的各项任务，达到毕业设计的目的与要求。 指导教师： 年 月 日所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日 南京理工大学紫金学院毕业设计说明书(论文)作 者:倪斌学 号：060104238系：机械系专 业:机械工程及自动化题 目:便携式钻孔机的设计副教授 胡小秋 指导者： (姓 名) (专业技术职务)郭钢副教授评阅者： (姓 名) (专业技术职务)2010 年 5 月毕业设计说明书（论文）中文摘要介绍了国内外钻孔机械的发展现状，叙述了混凝土特点及其加工技术，讨论了钻孔机械的类型及其用途，分析了常用的几种机型、工作原理和优缺点。对手持式钻孔机和支架式钻孔机进行详细讨论。基于反求原理，设计了钻孔机支架的底座、移动部和连接件；选择合适的传动方式、驱动方式，搭建支撑的结构平台；在此基础上，设计加工选用的电动机，重点实现钻孔机的人工控制及便携要求和操作的安全性，最终实现了操作方便、结构简单的目标。通过手柄实现钻孔机的上下移动和前后进给；运用三维软件Pro/E对整机进行了三维造型；最后讨论了金刚石套料钻，设计了加工混凝土墙壁的刀具。关键词 钻孔机 便携式 金刚石套料钻 混凝土毕业设计说明书（论文）外文摘要Title The design of portable drilling machine AbstractIntroduced the drilling of the present development at home and abroad, describes the characteristics and processing technology of concrete to discuss the type of drilling machinery and the use of several commonly used models, working principle, advantages and disadvantages.On hand-held drilling machine and drilling machine Scaffolding discussed in detail. Based on the principle of reverse engineering, designed the drilling machine support base, mobile and the Department of connectors; select the appropriate transmission mode, drive mode, the structure that supported platform; On this basis, the design of the motor selection process, focusing on achieving drilling machines manual control and operation of portable security requirements and, finally realized the machine easy to operate, simple goal. Achieved through the handle up and down movement and drilling machines before and after feeding; the use of 3D software, Pro / E on the machine for a three-dimensional modeling; Finally the diamond drill,Keywords Drilling machine, portable, Diamond-drill, concrete 本科毕业设计说明书（论文） 第 2 页 共 2 页目 录1 绪论11.1 国内钻孔机械的现状11.2 钻孔机械的发展方向11.2.1 大口径灌注桩钻孔机11.2.2 长螺旋钻孔机11.2.3 短螺旋钻孔机21.2.4 全套管钻机21.2.5 反冲击循环钻孔机21.2.6 小型便携式钻孔机21.3 课题主要研究内容和研究方法32 混凝土及其切割42.1 混凝土概述42.1.1 混凝土的定义42.1.2 混凝土的分类42.1.3 混凝土的特点42.1.4 混凝土的组成及各组材料的作用52.2 混凝土的主要技术性质52.2.1 混凝土拌和物的和易性52.2.2 影响混凝土拌和物和易性的因素52.2.3 强度62.2.4 变形62.2.5 耐久性62.3 混凝土结构切割技术与应用62.4 钢筋混凝土切割设备72.4.1 碟式切割机72.4.2 钢线切割机72.4.3 钢筋混凝土钻孔机73 混凝土钻孔机83.1 简介83.2 钻孔原理83.3 主要结构特点93.4 常用的几种机型104 钻孔机的反求设计124.1 反求工程简介124.2 机架原理和尺寸的反求134.2.1 机构原理的反求134.2.2 机架尺寸的反求144.3 钻孔机主要技术参数的选择184.3.1 钻头转速的选择184.3.2 金刚石钻头直径的确定194.3.3 钻机功率的选择194.3.4 手动操作力的计算195 用于混凝土加工的套料钻设计215.1 常用刀具材料及加工材料的选择215.2 金刚石套料钻的定义215.3 金刚石套料钻的概述215.4 金刚石套料钻的特点215.5 金刚石套料钻的破岩机理225.6 金刚石套料钻225.5.1 组成225.5.2 各组成部分的作用236 关键零件及钻孔机三维造型图256.1 底座256.2 支柱256.3 前移动部266.4 后移动部266.5 三维实体装配图276.6 本章小结30结 论31致 谢32参 考 文 献33 本科毕业设计说明书（论文） 第 36 页 共 36 页1 绪论在基础工程建设中，基础施工是很重要的一环，从悬空寺的木桩到南京长江二桥的混凝土大口径灌注桩，千百年来人类对桩基探索始终没有停止，努力寻找着一种低公害的施工工艺，随着经济的高速发展，建筑物向大型化发展，要求桩基的承载力也越来越大，因此，钻孔机械的要求也越来越高。1.1 国内钻孔机械的现状西方发达国家发展桩工机械已有近百年的历史，我国桩工机械则从五十年代开始研制，八十年代形成一定规模，九十年代得以迅速发展。特别是我国实施改革开放政策二十多年来的飞跃发展，我国的桩工行业，从小到大从测绘仿制直至自行设计与制造。我国原有的机械工业整体实力薄弱，基础较差，原材料工业落后，以及我国由长期计划经济所造成的小而全的生产格局，造成桩工机械整体水平远远落后于西方国家的同类产品，其性能处于国际九十年代初水平，布局和组织生产则更加落后。国内钻孔机械制造者主要是地矿部下属企业，且建设部、铁道部、核工业、有色等行业都有自己的制造企业，行业布局极不合格，重复生产。高科技、高附加值的产品少，技术含量低的产品多；打入国际市场的产品少，国内急需的产品又研制不出来， 占用外汇依赖进口的多 国内桩工机械制造企业近百家，年产值5000万元以下居多，上亿元产值的企业寥寥无几，全国桩工机械的产值没有意大利土力公司一家的年产值高。1.2 钻孔机械的发展方向1.2.1 大口径灌注桩钻孔机国家早在 七五”期间，就提出“重点推广钻孔灌注桩”，随着“八五”、“九五”期问建桥高潮，大口径钻孔灌注桩钻机得以高速发展，在我国目前钻孔机械产品中，大口径钻孔机的开发、研制比较成功，市场份额大，有较强的竞争力。1.2.2 长螺旋钻孔机长螺旋钻机在基础施工领域，以其高效率成孔、成桩、低震动、低噪声、低污染文明施工的独特优点，得以迅速发展。1996年诞生的长螺旋钻机泵送混凝土CFG桩成桩工艺，它是以长螺旋钻机为主，再配合泵送混凝土一次成桩的工艺，施工速度快，污染小，适应地层能力强，它一出现就得到了市场的认可，发展迅速。CFG桩的迅速发展，也给长螺旋钻机发展带来了商机，用于CFG桩的长螺旋以步履钻机为主，深度18m25m。今后长螺旋钻机的发展应注意以下几点：(1)采用履带底盘；(2)开发液压无级变速动力头；(3)满足钻深30m；(4)引入自动控制技术等。1.2.3 短螺旋钻孔机短螺旋钻孔机(回转斗钻孔机)是三十年代末有美国卡尔特公司研制的，一般适用于粘土、粉土、淤泥质土和砂土等土层，直径一般在800mm3000mm，钻孔深度50m；6070年代意大利土力公司和德国宝峨公司发展了短螺旋钻机，扩大了钻机的性能，一般都可配摇管，成为灌注桩施工的主流产品。1.2.4 全套管钻机全套管钻机又称“贝诺特钻孔机”，是法国贝诺特公司1954年开发研制并首先应用于桩基施工，随后德国、日本相继推出了自己的产品，90年代中期昆明捷程公司和徐州工程机械厂开始生产摇动式全套管钻机。1.2.5 反冲击循环钻孔机反冲击循环钻孔机在70年代先后由意大利，日本，法国相继研制成功。冲击反循环钻机是将冲击无循环钻进工艺改成先进的冲击反循环钻进工艺，克服了无循环钻进造成孔底重复破碎的致命弱点，效率提高数倍，对孤石等传统钻进难处理的地层，效率显著提高。1.2.6 小型便携式钻孔机（1）容易操作小型钻孔机体积小、重量轻、结构简单、操作方便，在对道轨打孔时，只需要扳动手柄，安装上钻头即可，特别省力。（2）使用安全由于钻孔机打孔时，速度慢，冲击小，使用相对比较安全。（3）使用方便 小型钻孔机重量轻，体积小，不需要占用很打的空间，易搬动，容易存放。（4）准确性高 由于重量轻，固定后，容易找准位置，钻出孔来，孔壁也较为光滑。小型钻孔机操作方便、结构简单，主要是使用转动副和移动副来完成钻孔的机械，他原于实践、用于实践，使用方便，安全可靠，深受工作人员的喜爱。1.3 课题主要研究内容和研究方法在此次毕业设计过程中，首先我们要通过反求先掌握现有便携式钻孔机改进型设计的工作原理，分析其有的缺点：然后我们要通过反求设计的相关知识测量现有机型的尺寸，利用三维绘图软件绘制出该零件的三维实体造型图，并将各个零件组装在一起得到整个机构的三维实体装配图，通过模拟我们进一步研究该机构的原理特征；最后我们绘制出该机构的二维装配图及部分零件的零件图。本次设计的主要任务如下：（1）测绘已有便携式钻孔机改进型的尺寸，并完成各个零件的三维实体造型及整体装配图；（2）分析现有设计的工作原理，分析其结构的优缺点，是否有原理上的优缺点，为我们的设计提供借鉴，避免现有设计缺点；（3）绘制二维装配图和部分零件的零件图；（4）对现有设计进行强度校核；（5）分析现有设计的不足，做进一步的改进设计。2 混凝土及其切割2.1 混凝土概述2.1.1 混凝土的定义水泥混凝土（以下简称混凝土）是以水泥（或水泥加适量活性掺合料）胶凝材料，与水和骨料等材料按适当比例配合拌制成拌合物，再经浇筑成硬化后得到的人造石材。新扮制的未硬化的混凝土，通常称为混凝土拌合物（或新鲜混凝土）。经硬化有一定强度的混凝土亦称硬化混凝土。2.1.2 混凝土的分类混凝土常按表现密度的大小分类：干表现密度大于2600kg/m3的称为重混凝土，是用密实得特殊骨料配制的，干表现密度在1950kg/m32600kg/m3的称为普通混凝土，是用天然（或人工）砂、石作骨料配制的。按混凝土性能和用途可以分为：结构混凝土、耐热混凝土、耐火混凝土、防水混凝土等等。按混凝土胶结材料可以分为：硅酸盐水泥混凝土、铝酸盐水泥混凝土、树脂混凝土、沥青混凝土、石膏混凝土等等。按混凝土的流动性可以分为：干硬性混凝土、塑性混凝土、流动性混凝土、大流动性混凝土等等。按混凝土的强度分为：普通混凝土，其抗压强度为10Mpa50Mpa；高强度混凝土，抗压强度60Mpa；超高强度混凝土，抗压强度100Mpa。按施工方法可以分为：泵送混凝土、离心混凝土、喷射混凝土、振实挤压混凝土等等。2.1.3 混凝土的特点混凝土是现代土建工程上应用最广、用量极大的建筑材料。其主要优点是具有较高的强度及耐久性，可以调整其配合成分，使其具有不同的物理力学性能，以满足各种工程的不同要求；混凝土拌合物具有可塑性，便于浇注成各种形状的构建或整体结构；能与钢筋牢固地结合成坚固、耐久、抗震且经济的钢筋混凝土结构。其主要缺点是：抗拉强度低，一般不用于承受拉力的结构；在温度、适度变化的影响下，容易产生裂缝。此外，混凝土原材料品质及混凝土配合成分的波动以及混凝土运输、浇筑、养护等施工工艺，对混凝土质量有很大的影响，因此，在我们生产过程中，需严格的质量控制。2.1.4 混凝土的组成及各组材料的作用 混凝土是由水泥、水、砂及石子四种基本材料所组成。为节约水泥或改善混凝土的某些性能，常摻入一些外加剂和摻合料。如摻加减水剂，磨细砂，矿粉，粉煤灰等。水泥和水构成水泥浆。水泥浆包裹在砂颗粒的周围并填充砂的空隙形成砂浆；砂浆包裹石子颗粒并填充石子的空隙组成混凝土。在混凝土拌合物中，水泥浆在砂、石颗粒之间起着润滑作用，使拌和混凝土便于离心成型。水泥浆硬化后形成水泥石，将砂、石胶结成为一个整体。混凝土中的黄砂称为细骨料（或细集料），石子称为粗骨料（或粗集料）。粗、细骨料一般不与水泥漆化学反应，其作用是构成混凝土的骨架，并对水泥石的体积变化有着一定的抑制作用。2.2 混凝土的主要技术性质混凝土的主要技术性质包括混凝土拌和物的和易性、凝结特性、硬化混凝土的强度、变形及耐久性等。2.2.1 混凝土拌和物的和易性和易性是指混凝土拌和物在一定的施工条件下，便于施工操作并能获得质量均匀、密实混凝土的性能。和易性包括流动性、粘聚性及保水性三方面的含义。（1） 流动性 流动性是指混凝土拌和物在自身质量或施工振捣的作用下产生流动，并均匀、密实地填满管模的性能。流动性的大小，反映拌和料的稀稠。它关系着离心的难易。（2） 粘聚性 粘聚性也叫抗离析性，是指混凝土拌和物有一定得粘聚力，在生产制作过程中不致出现分层离析，使混凝土拌和性是以混凝土拌和物中稀浆析出的程度评定。提起坍落度筒后，如有较多的稀浆从底部析出，拌和物锥体因失浆而骨料外露，表示拌和物的保水性不好。如提起坍落度筒后，无稀浆析出或仅有少量稀浆自底部析出，混凝土锥体含浆饱满，表示混凝土拌和物保水性良好。2.2.2 影响混凝土拌和物和易性的因素影响混凝土拌和物和易性的因素很多，主要有水泥浆含量、水泥浆的稀稠、砂率的大小、原材料的种类以及外加剂等。2.2.3 强度 混凝土硬化后的最重要的力学性能，是指混凝土抵抗压、拉、弯、剪等应力的能力。水灰比、水泥品种和用量、集料的品种和用量以及搅拌、成型、养护，都直接影响混凝土的强度。混凝土按标准抗压强度(以边长为150mm的立方体为标准试件,在标准养护条件下养护28天,按照标准试验方法测得的具有95%保证率的立方体抗压强度)划分的强度等级,称为标号,分为C10、C15、C20、C25等.混凝土的抗拉强度仅为其抗压强度的1/81/13。 提高混凝土抗拉、抗压强度的比值是混凝土改性的重要方面。2.2.4 变形 混凝土在荷载或温湿度作用下会产生变形，主要包括弹性变形、塑性变形、收缩和温度变形等。混凝土在短期荷载作用下的弹性变形主要用弹性模量表示。在长期荷载作用下,应力不变,应变持续增加的现象为徐变，应变不变,应力持续减少的现象为松弛。由于水泥水化、水泥石的碳化和失水等原因产生的体积变形，称为收缩。2.2.5 耐久性 在一般情况下，混凝土具有良好的耐久性。但在寒冷地区，特别是在水位变化的工程部位以及在饱水状态下受到频繁的冻融交替作用时，混凝土易于损坏。为此对混凝土要有一定的抗冻性要求。用于不透水的工程时，要求混凝土具有良好的抗渗性和耐蚀性。抗渗性 、抗冻性 、抗侵蚀性 为混凝土耐久性。2.3 混凝土结构切割技术与应用传统的混凝土结构拆除方式主要有人工锤凿、机械锤打、风镐、液压破碎锤破碎等。这些方法除会产生大量的粉尘、噪声污染外, 对须保留部分的混凝土结构也会引起一定程度的破坏。同时,破碎施工对施工人员以及周围环境的安全亦造成威胁。近年, 我国在进行混凝土结构的拆除施工时, 引进投入专用的混凝土切割设备, 采用钢筋混凝土切割工艺, 在结构功能的保护、工作效率的提高、施工安全以及环境保护等方面, 均取得满意的效果。图2-1 混凝土钻孔示意图2.4 钢筋混凝土切割设备2.4.1 碟式切割机碟式切割机由主机体、碟式切割刀片、行走导轨和液压油泵等组成, 工作口一般采用水冷却, 根据动力可分为内燃式和液压式。碟式切割可准确快捷地切出所需尺寸, 且混凝土内的钢筋无须另行切割和熔断, 被广泛用于各类大型建筑物的结构拆卸改建及门窗、楼梯、电梯等的墙体切割开口。一般最大切割厚度可达1 m, 地台切割可处理厚达0.5m的钢筋混凝土结构。切割后施工切口平直、整齐, 无须善后加工处理，施工作业过程噪声低、无振动、无粉尘废气污染。2.4.2 钢线切割机钢线切割机主要由机架、切割钢线、液压工作站等组成, 多用于墩柱、帽梁等大截面结构的横向切割。采用钢线切割技术, 具有快捷、宁静、无振动、切割口平直易修等优点。2.4.3 钢筋混凝土钻孔机钢筋混凝土钻孔机由机架、金钢钻筒、液压油泵等组成, 具有施工精度高、速度快、表面光洁, 施工过程噪声低、无振动、无粉尘污染等优点。真空盘钻孔机能牢固吸附在平整的建筑物上, 无须其他的固定装置, 所以对建筑物表面丝毫无损。3 混凝土钻孔机3.1 简介混凝土钻孔机适用于各种水、暖、电、气管道的安装钻孔，对于钻孔在直径20-250mm、厚度小于500mm的范围内可准确、快速地将钢筋混凝土钻透。工作原理主要是由电机(串激电机或异步电机)作动力带动金刚石簿壁钻头高速旋转，并由人工操纵进给钻入钢筋混凝土中，镶嵌(或热压)在钻头端部上的金刚石将混凝土或钢筋磨削成粉末状，并随冷却水不断排出。由于金刚石薄壁钻头仅齿部圆环与钢筋混凝土接触，圆环厚度很簿(25mm35mm)，故只需较小的动力就可以钻出较大的孔径和芯样。它不仅使孔壁光滑规则、无振动、不破坏结构，而且可以达到很高的钻进速率，大大减轻了人工凿孔所需的劳动强度，更能减少预留孔给施工造成的不便，其综合成本低于人工凿孔和预留孔。3.2 钻孔原理该机具采用的是盘刚石薄壁空心钻头，它的进结是利用高硬度的金刚百烧结在钻头体上做磨具的钻进方法。金刚石钻头的钻进可分为两个同时作用的基本过程：I、 钻头端面金刚石在垂直压力作用下冲压被钻体;II、 在动力提供的旋转力矩作用下钻头转动，金刚石钻头前方的混凝土被剥离产生粉末，最后被强制玲却水冲出，实现钻进的目的。由于金刚石簿壁空心钻头的刀刃很小。钻头硬度高，上述钻进过程主要是靠钻头与混凝土之间的摩擦作用磨削混凝土，钻进所需要的功主要是用来克服摩擦阻力。可采用简化方法计算，金刚石空心钻头截面如图3-1。图3-1 金刚石空心钻头截面图设外圆半径为R，内圆半径为r，在环状平面内取微单元 dA=dd （3-1）若单位面积摩擦力为，则单元面积摩擦力为：dF=dA=dd （3-2）dF对圆心的力矩为dM=dF=2dd （3-3）因此，整个环状面积上的摩擦力对圆心O形成的力矩M，就是在整个环状面积上的积分，即： M=AdM02rR2dd （3-4）=02drRd =1/3R3-r3 =2R3-r3/3若作用在整个环状面积上的正压力为G，摩擦系数为,则摩擦力为F=G单位面积上的摩擦力为：=FA=G/3R2-r2 （3-5）力矩在单位时间所作的功为W1=2nMNm,n为钻头转速（转/分） （3-6）若选用的电动机的功率为P，则电动机每分钟所作的功为：W2=60PNm （3-7）电动机提供的动力就是克服钻进过程中的摩擦阻力Wt=W2,即2nM=60P （3-8）所以M=9.55P/n。（M为功率，转速为n的电动机锁能输出的扭矩，即所能克服的最大摩擦阻力。）3.3 主要结构特点混凝土钻孔机的结构简图如下图3-2。图3-2 混凝土钻孔的结构简图1-主机 2-冷却水套 3-进水口 4-金刚石钻头主要结构特点：（1） 钻头：采用直切削刃薄壁空心金刚石钻头，具有高硬度及耐磨性，钻进效率高。（2） 冷却装置：采用独特的强制冷却方式，由手动泵供给5公斤的冷却水经入水口进入立水腔，然后再进入钻头内对钻头冷却。（3） 主机：采用市场上广泛销售的、适宜电动工具的单相电动机。（4） 钻头连结：采用圆锥面自动定位的快速螺纹联接，拆装迅速。3.4 常用的几种机型（1） 手持式钻孔机手持式钻孔机有两种类型，一种是以串激电机作动力，直接带动金刚石簿壁钻头进行钻孔，另一种是以异步电机作动力通过软轴传动带动金刚石簿壁钻头进行钻孔。（2） 支架式钻孔机 目前国外钢筋混凝土钻孔机均属支架式，操作过程中整机固定，操作者只需控制操作杆(轮)进行进给，较好地解决了手持式摆动大、不易操作、钻孔直径较小的问题。作为支架式钻孔机的固定方式有顶杆、膨胀螺栓、真空吸盘三种。采用顶杆固定，操作简便、较为普遍，适用于室内空问位置在35m 以内的地方；用膨胀螺栓固定适用于室外，不便采用顶杆的地方；真空吸盘则可用在室内外较为平整的墙壁和地面上适应性强，但辅助操作时间较长、设备成本相应较高。（3） 金刚石簿壁钻头国内目前采用的金刚石簿壁钻头有热压、钎焊、低温电镀三种类型，其刀头部分由高强度大颗粒金刚石单晶作磨料，碳化钨及其它有色金属粉末作粘合剂组成。钻头外径在20mm到250mm 之间，国外最大直径可达到500mm。在旋工中，对钻头的主要要求是效率、寿命和可靠性。在不含钢筋的实心混凝土板上钻孔时，效率一般为50mmmin，寿命为30m 但在实际应用中，影响钻头效率和寿命的因素是相当多的，混凝土标号、石质、钢筋含量、孔洞和操作方法等都对效率和寿命影响较大。对质量不高的钻头还常常发生金刚石刀头脱落、钻杆体变形等故障，使钻头过早报废。4 钻孔机的反求设计4.1 反求工程简介 反求工程亦称反向工程或逆向工程。应用系统工程学、产品设计方法学和计算机辅助设计的理论和方法，探索并掌握支持产品全生命周期设计、制造和管理的关键技术，进而开发出同类的或更先进的产品。作为一种逆向思维的工作方式，反求工程技术与传统的产品正向设计方法不同，它分局已存在的产品或零件原型来构造产品的工程设计模型或概念模型，在次基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造，是对已有设计的再设计。反求工程的目的是根据设计的思维规律，研究反求对象的设计思想系统的组成、特点和内在联系。反求工程主要有产品规划反求，原理方案反求和结构方案反求三个方面的内容组成如图所示。反求工程主要分析以下几个方面的主要内容：（1） 探索产品设计的指导思想，了解整个产品设计的前提；（2） 对产品的原理方案进行分析，通过反求对象功能的实质理解，在再设计时得到更合理的原理方案；（3） 分析产品结构，从保证功能、提高性能、降低成本、提高安全可靠度等方面分析反求对象的结构特点；（4） 形体尺寸的反求，通过测绘与计算缺点零部件的形体尺寸，并用图纸及鸡舍文件方式表示。反求工程一般分为：数据采集、数据预处理、数据分块与曲重构、CAD模型构造、反求模型后处理五个步骤（如图4-1）。确定反求对象产品规划反求软件反求设计产品对象的需求分析产品对象的可行性分析对产品对象设计要求反求分析分析反求产品设计的策略思想原理方案反求分析反求产品设计的设计原理分析反求产品功能实现原理的理论基础分心反求产品结构设计锁遵循的原理结构方案反求分析反求产品结构要素的组合变异方式图4-1 反求设计组成部分4.2 机架原理和尺寸的反求4.2.1 机构原理的反求通过拆分和实际操作该机构可以得出该便携式钻孔机改进型的原理如下：通过手柄带动齿轮转动，齿轮遇齿条的啮合将手柄和齿轮的回转运动转换成移动部件的直线运动（因为齿条固定在立柱上无法移动，所以是齿轮边转动边直线移动），最后移动部件带动钻孔机做直线运动的进给，实现材料钻孔加工。通过底座与代加工材料的固定代替了人的手工定位，提高了位置精度，避免了钻孔过程中剧烈的冲击在和，十分有效的避免了因为由于冲击载荷而出现的崩碎现象。4.2.2 机架尺寸的反求机架尺寸的反求就是一个数据采集的过程，但不仅仅是数据采集，因为我们反求的最终目的是简历机架的CAD模型，因此我们要完成一个完整的反求过程。所以机架尺寸的反求主要有以下几个步骤：a、数据采集 数据采集是反求过程CAD建模的首要环节。根据测量方式不同、数据采集的方法可分为接触式测量个非接触式测量两大类。接触式测量方法通过传感测头与样件的接触而记录样件表面点的坐标位置。非接触式测量方法主要是基于光学、声学、磁学等领域中的基本原理，将一定的物理模拟量通过适当的算法转换为样件表面的坐标点。数据采集中测量尺寸有以下原则：（1）测量零、部件尺寸要选好基准面，一般选择零件的底面、中心线、端面、轴线、对称面作为尺寸基准。（2）关键零件的尺寸和零件的重要尺寸要反复测量若干次，记录其平均值或各次测量值。整体尺寸不能用中间尺寸叠加的方法，应直接测量。（3）在测量较大的孔、轴、长度等尺寸时，应多取几个点取其平均数，以排除形状误差的影响。对于各点差异明显的，应记录其最大值与最小值。（4）对不能直接测到得尺寸，则应根据产品的性能、技术要求、工作范围，通过分析计算以得到所需的尺寸。（5）按原型产品测量的尺寸往往不成整数，他不等于该零件的原设计值，需要从每个尺寸的实测值推断其原始设计值，对测量的尺寸数据进行圆整。b、测量数据预处理 测量数据预处理是反求工程CAD建模的关键环节，它的结果将直接影响后期重建模型的质量。数据与预处理的任务就是将多次测量获得的测量数据融合到同意坐标系中，亦可称为坐标归一或坐标统一。为了减小测量中不可避免的误差，一定要将多次测量的数据综合取其平均值，来减小反求中可能出现的误差。c、数据分块与曲面重构 数据分块是将数据分割成属于不同曲面片的数据子集。在反求工程中，产品表面往往无法由一张曲面进行完整描述，而是有多张曲面片组成，因而必须将测量数据进行分块，然后对个数据分别构造曲面模型。曲面重构是反求工程的关键环节，其目的是要满足精度的光顺性的要求，并与相邻的曲面光滑拼接的曲面模型。d、CAD模型构造 构造完整一致的边界表示CAD模型，即用完整的面、边、点信息来表示模型的位置和形状，由于重构的曲面之间可能存在着裂缝，或者缺少曲面边界信息等因素，使得表示产品模型的几何信息和扩扑信息不完整。因此必须使用其它的手段，比如延伸、求交、裁剪、过渡、缝合等细心的高级计算功能，即那里模型完整的面、边、点信息。e、反求模型后处理 通常由于重建模型经受了起源于数据测量误差、以及重建过程中逼近和数字误差等若干不精确引述的影响，因此经过反求工程的各个环节，获得的是一个近似于物理对象的数字模型。下面具体分析机架的尺寸应该如何进行反求。想要得到机架的尺寸，先要选择一个适合的基准面，如端面、底面、对象面等，对于我们已经得到的机架实物（如图4-2），在测绘固定部分时，应该选择底面作为基准面，而不能选择上端面作为基准。如果选择上端面作为基准在测量尺寸时，底座的很多尺寸都是通过2次计算得出来的，因此会有一定的误差，测量不准确，所以不能选择上端面作为基准面，而要以底面作为基准面。具体分析如下：底面：竖直方向基准面水平方向基准面 图4-2 底座基准面的选择选择底面做基准面，其它平面都是根据其与底面的距离来确定高度，这样我们就只需要测出支柱上、下端面到底面的距离即可。因为水平方向上只有如图所示的一个面符合，所以选择该面作为水平方向上的基准面测量机构在水平方向上的尺寸。因为移动部分是由两个零件结合在一起的，因此不能将两个两件混合起来测量它们的尺寸，根据各个面的特点，选取基准面如下图所示： 竖直方向基准水平方向基准 图4-3 移动部分基准面的选择因为上表面为两个零件中最大的一个平面，所以应该选择该面作为竖直方向的基准面；连个零件的结合面也是两个零件在这个方向上最大的一个平面，所以选择其作为该方向上测量尺寸的基准面；又由于两个零件是对称的，所以选择它们的中心线作为另外一个水平方向上的基准面。在基准面选择好后，按照尺寸测量的各个要求测出我们锁需要的各个尺寸就完成了我们反求设计的数据采集工作了。3.3.3 齿轮参数的反求齿轮参数的反求：因为齿轮被封闭在移动部里面，无法直接测量尺寸，所以需要通过其与齿条的啮合关系来分析计算出齿轮的相关参数。具体方法如下：移动手柄一周，即带动齿轮转动一周，记录移动部的其实和终了位置，作为基准面，也就是分别测量两个部分的尺寸，测量出两个位置之间的距离，即为齿轮移动一周移动的距离。 起始位置 终了位置 起始位置 转动距离 图4-4 齿轮参数反求过程示意图以为齿轮以齿条啮合运动是其啮合点是在齿轮的分度圆上，因此，齿转一周的距离就是齿轮分度圆的周长，由圆的周长公式c=2r (4-1)其中r为分度圆半径，取3.14，有测量出的竖直可知C=57mm，计算出齿轮分度圆的半径r=9mm。因为齿轮是与齿条啮合的，所以齿轮转一周在齿条上转过的齿数即为齿轮的齿数。由齿轮魔术计算公式m=D/z (4-2)其中D为齿轮分度圆直径，z为齿轮齿数，计算可得齿轮模数m=2。由齿条可以直接测绘出齿轮与齿条的压力角为20。由于齿轮的齿数只有9，因此在加工时会繁盛根切，因此齿轮必须设计成变位齿轮，有齿轮变位系数公式x=ha*zmin-zzmin (4-3)ha*为齿顶高系数，取ha*=1；zmin为最小根切齿数，因为我们不计算最小的变位系数，我们取zmin=23；z为齿轮的齿数取9.经计算我们可以得出变位系数x=0.610。齿轮的齿顶高可由公式ha=ha*m+xm=ha*+xm (4-4)得到ha=3.22mm。齿轮的齿根高也可由公式hf=ha*m+c*m-xm=ha*+c*-xm (4-5) 得到hf=1.28mm。所以齿顶圆的直径为da=24.44mm，齿根圆的直径为df=15.44mm。分度圆齿厚为s=m2=3.14。综合上述得到的数据可以得到齿轮的参数如表4-1所示表4-1齿轮参数模数m2齿形角（压力角）20齿数z9分度圆直径d9mm齿顶高ha3.22mm齿根高hf1.28mm齿顶圆直径da24.44mm齿根圆直径df15.44mm分度圆齿厚3.14mm4.3 钻孔机主要技术参数的选择 4.3.1 钻头转速的选择根据实验及钻头制造厂商的建议，当金刚石钻头的外经尺寸在10毫米左右时，适宜的转速为600转/分-1500转/分，考虑到金刚石属脆性材料，另外钻头在钻进的过程中要有一定压力的水冷却，以及能过及时冲出钻屑，否则钻头容易烧毁和卡死，以此转速取1200转/分。4.3.2 金刚石钻头直径的确定根据设计的要求，用常用钻头，其外径为16mm，内径为12mm。4.3.3 钻机功率的选择作用在钻头上的压力取操作者的一般压力，即G=400N，摩擦系数=0.4。对于外经为16mm，内径为12mm的钻头，其摩擦力矩为： M=20.44000.0083-0.00630.0082-0.00623 =1.128Nm因为钻头在进给过程中与孔壁有一定的摩擦，考虑到其摩擦阻力，则在整个钻取过程中的最大摩擦力矩为： Mmax=M (为计算侧摩擦阻力的换算系数) （4-6）=1.11.4,取其上限1.4Mmax=1.41.128=1.580Nm故所选电动机的最小功率为：P=Mmaxn9.55=198.5W (4-7)根据以上的分析计算，我们选用功率为500W，额定电压为220V，频率为50Hz的单相电动机作为动力源，它携带方便，体积小，重量轻，适合现场的使用。4.3.4 手动操作力的计算由力的传递可知，作用在齿轮上的力F1=G=400N。由于是人力操作，所以人作用的力不能过大。受力简图如下图6-1。由公式：F1R1=F2R2 (4-8)其中F1=400N,R1=9mm，R2=100mm，则所求力F2=F1R1R2=36N。图4-5 受力简图5 用于混凝土加工的套料钻设计5.1 常用刀具材料及加工材料的选择常用刀具材料有工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷和超硬刀具材料，目前用得最多的为高速钢和硬质合金。设计选用烧结有金刚石颗粒的刀具对混凝土墙壁进行加工。5.2 金刚石套料钻的定义做切削刃的钻头称为金刚石钻头。该钻头属一体式钻头，整个钻头没有活动的零部件，结构比较简单，具有高强度、高耐磨和抗冲击的能力，是20世纪80年代世界钻井三大新技术之一。现场使用证明，金刚石钻头在软-中硬地层中钻进时，有速度快、进尺多、寿命长、工作平稳、井下事故少、井身质量好等优点。5.3 金刚石套料钻的概述金刚石钻头不但使用时间长，还可以重复利用，返厂修复的金刚石钻头使用起来和出厂的金刚石钻头使用效果差不多，能大量的节约钻井成本。钻头质量的好坏、钻头类型与地层岩性是否适应，对加快钻井速度和提高单只钻头进尺起着重要的作用。钻一口油气井一般要使用不同尺寸的多只钻头，在钻上部地层时要使用直径较大的钻头，因钻头钻进的地层较软，单只钻头进尺多、使用的时间短，一个钻头一般可重复使用几口井；而在钻下部地层时要使用直径较小的钻头，因地层硬、单只钻头的进尺少，一般要使用多只钻头。一只下井新钻头钻井进尺的多少主要取决于钻头的尺寸、类型、地层的软硬和钻进参数的配合。一般来说，钻头尺寸越大、地层越硬，进尺越少；钻头尺寸越小、地层越软，钻头进尺就越多。5.4 金刚石钻头的特点（1） 力平衡设计使钻头具有良好的导向性，适应配合井下马达应用于定向钻井，具有较小的径向震动； （2） 不同结构的专利PDC复合片在钻头不同位置的合理布置使钻头具有较强的攻击性和抗研磨性； （3） 强攻击性设计使钻头可获得高的机械钻速； （4） 动态流场模拟技术应用于水力设计，使井底流场最优化，有利于提高排屑速度和防泥包。 因为PDC钻头的材料主要为铸造碳化钨和金刚石符复合片，所以它寿命长，价值高。5.5 金刚石钻头的破岩机理 金刚石钻头的破岩作用是由金刚石颗粒完成的。要知道钻头的破岩作用，就须了解单粒金刚石的破岩作用。在坚硬地层中，单粒金刚石在钻压作用下使岩石处于极高的应力状态下（约4200-5700MPa，有的资料认为可达6300MPa），使岩石发生岩性转变，由脆性变为塑性。单粒金刚石吃入地层，在扭矩作用下切削破岩，切削深度基本上等于金刚石颗粒的吃入深度。这一过程如同“犁地”故称为金刚石钻头的犁式切削作用。在一些脆性较大的岩石里（如砂岩、石灰岩等），钻头上的金刚石颗粒在钻压扭矩的同时作用下，破碎岩石的体积远大于金刚石颗粒的吃入与旋转体积