小型钻床设计

1、摘要1关键词1Abstract1Keywords1引言11钻床的总体方案12关键问题的解决22. 1主轴确定23. 2主轴箱与机床的联结及进给方式34. 3机床固定33钻床规格43. 1钻孔能力43. 2工件的材料43. 3钻床精度43. 4切削要素43. 5切削速度及进给率53. 5.1切削速度53. 5.2钻头进给量53. 6主轴转速63. 7钻削力与钻削功率63. 8电机选取83. 9磁性底座选取85. 10钻床电气控制84驱动部分的设计校核94. 1主轴校核94. 2小齿轮轴齿条的校核94. 2.1模数94. 2.2齿数104. 2.3手柄104. 2.4小齿轮轴104. 3涡线弹簧1

2、06. 4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

3、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

4、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

5、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。图一1钻床总体方案结构示意图2关键问题的解决2.1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13mm以下时，应装配标准钻夹头，使用小直径的标准直柄麻花钻。深沟球轴承推力£轴承钻夹H螺纹拨锥轴图一2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，具上配有螺母，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。

6、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。2. 2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。图一3滑块运动装置示意图图一4主轴回复装置示意图2.

7、3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F,支撑力F2,电磁吸力Fi。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)FLF2L1=F1LoIf匚T简7中心0图一5钻床受力示意图3钻床规格3. 1钻孔能力根据任务说明书确定钻孔直径小于或等于12mm。钻孔深度调查各厂产品结果，如表1所小。表一1主轴最大上下移动距离l钻孔能力d(mm)主轴最大上下移动距离l(mm)6.

8、56013.08019.090-130>19.0特殊由表1可选取主轴最大上下移动距离为80mm3. 2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。3. 3钻床精度关于钻床精度的检查，根据GB/T4018.1-1997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。3. 4切削要素背吃刀量ap=d0/2,单位mm。式中d0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f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af表示,

9、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Vf表示，单位为每秒毫米。三种进给率之间的关系为:vf=nf=2naf/60(mm/s)式中n钻头的转速（r/min）。生产中经常应用的进给量是每钻进给量f。切削速度是钻头主切削刃外缘处的线速度，用v来表示，单位为米/分v=唯n(mm/min)100060(式-3)式中n钻头的转速（r/min）。3.5切削速度及进给率3.5.1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v由经验公式v=Cd(式-4)确定式中v一切削速度（m/min）%一待削件的抗拉强度（Kg

10、/mm2）Cd一系数（表一2）当被切削件为钢X=0.95;铸铁X=1.33钻头直径d0（mm）Cd21120.5121823.7192527.3265028.8表一2钻孔进给量设被加工件为钢，取抗拉强度为50（Kg/mm2）,取Cd=20.5,则切削速度(m/min)设被加工件为铸铁，取抗拉强度为20-30（/mm2Kg）,取Cd=20.5,则切削速度v=Cd60!=17.5(m/min)综上取v=15（m/min）较为合适。也可以根据钻工工艺学P49表25选取合适切削速度。3.5.2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f对于小直径孔，主要受钻头强度的限制；未经过修磨的标

11、准麻花钻的进给量可参考表3。表一3不同直径麻花钻进给量钻头直径d0(mm)<33-66-1212-25>25进给量(mm/r)0.025-0.050.05-0.100.10-0.180.18-0.380.38-0.62由上表可选取钻削进给量f=0.18(mm/r)3.6主轴转速钻头最大直径为dmax时，其最低转速为(式-5)(式-6)1000Vnmindmax钻头最小直径为dmin时，其最高转速为1000Vn_=max-Tdmin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min0.3,0.4max(式-7)根据钻床设计要求dmax<12mm

12、,由此dmin=2.12.7,取标准麻花钻dmin=2.5mm,因此，当dmin=2.5mm时，=1594.5(r/min)1000V100015nmax=二dmin3.142.5取nmax=1600(r/min)。当dmax=12mm时,nmin_1000V=405dmax(r/min)取nmin=400(r/min)。由上可确定主轴转速范围nminnmax定4001600(r/min)。3.7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90口的分力，即圆周切削力Fz,径向力和Fy

13、轴向力Fx。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Fy基本上是互相抵消的；两个Fz组成一力偶，构成扭矩M主；两个Fx组成一轴向力F主。同理，可以找出作用于两个棱边的扭矩M棱，轴向扭矩F棱；作用于横刃上的扭矩M横，轴向力F横。经过合成可以认为各切削力最后构成一个扭矩M和一个轴向力F。M=M主+M棱+M横(式-8)图一6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M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F及M的百分比大致如表4所示。表一4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

14、F(%)扭矩M(%)40805710310钻削轴向力F,扭矩M，和切削功率巳，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。计算公式钻头直径d0(mm)进给量f(mm/r)转速n(r/min)表一5高速钢麻花钻切削力及功率的计算公式扭矢巨M=CMd0XMfyMKm10(Nm)轴向力F=CFd°xFf(N)切削功率Pm=2"Mn/60(W)(2)公式中系数与指数钢0b=735MPa扭矩MCm=333.54Xm=1.9Ym=0.8轴向力FCf=833.85xF=1yF=0.7未磨损时Km=Kf=0.87磨损后Km=Kf=1由以上经验公式可算出钻头未磨损切削钢时M

15、=9.5(Nm)F=1266(N)当n=1600(r/min)时Pm=1590(W)当n=400(r/min)时Pm=397.7(W)3.8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）P=_PmP=a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n%，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n=1600时钻

16、削功率Pm=1590W,可计算出电机所需功率a=0.980.970.97=0.912所以P1590P=m=1742.27（W）a0.912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220V50H本准交流电源。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(180W),同步额定转速1500(r/min),最大同步额定转速1800(r/min)。电机尺寸为80x80x100(mm),重量约为3.6Kg,结缘等级E级，防护等级IP-45。3. 9磁性底座选取根据钻床尺寸244M100M417(mm),调查部分厂家此类钻床重量，如德国百得机械钻床功率为950WM,

17、其总重量为9.812Kg,其钻床功率为1600WM,其重量为1318Kg，因此估算钻床总重量为15Kg。切削时轴向力F最大为1266N,由式1可知，(FLF2L1)/Lo=Fi(式-12)估算钻床尺寸，L=200mm,L0=160mm,L二70mm时F1：1800N进行单位换算Fi电180Kg。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2200KGf，长宽高分别为80M120M70(mm)。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。3.10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

18、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。N电熊鞭中体指示灯电磁铁及调节开关图一9钻床电气控制示意图4驱动部分的设计校核4.1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1使用钻夹头公称21，拔锥度=1/19.286(莫氏锥度)。轴承为径向滚珠轴承。假设其扭2矩为T=9.5N，m,轴向推力F=1200N,及主轴d=18mm。则许用扭矩MktT2229.5=19.2Nm19父2000、Ix8J主轴直径由公式，已知.=400K

19、g/cm2.316Me31619.2_d=3、=3=11.3mm'二.3.14400由零件图上可知主轴最小截面直径12(mm),为因此主轴刚度符合要求。4. 2小齿轮轴齿条的校核4. 2.1模数已知轴向推力F=120Kg,速率系数fu=1,0b=26Kg/mm2(45号钢),齿型系数y=0.35,模数:8二=:120.81260.35=1.27取m=1.5.4. 2.2齿数主轴最大偏移距离l=80(mm),齿数803.141.5=17.9所以Z=18,小齿轮直径D=mZ=27(mm)外径Do=mz2=30(mm)4 .2.3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

20、则固定旋紧于轮般。手柄一般长150300mm。钻孔时手臂力为35Kg(钻孔直径为5 .5mm),1015Kg(钻孔直径为13mm),1520Kg(钻孔直径为19mm)。手柄的直径d为如图一9所示，当作用于手柄端部的力F=8(Kg),手柄长度l=150(mm)时M=Fl=8150=12000(Kgmm)手柄直径d,已知手柄材料为45号钢，许用应力CTb=15Kg/mm2,-10-32M33212003.1415=7.38(mm)手柄直径取10mm。手柄端部要车削出M8的螺纹，深度l=12mm。4. 2.4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D0=30(mm),切削推

21、力负荷F=1266(N)FDo126630=18.9(Nm)b=4Kg/mm2,直径d,32M.32M18.9d=3=3i=8.7(mm)二b3.144因此，小轴外径为10(mm)能满足需求。4. 3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Ws后在决定。已知涡线弹簧装配轴直径d=10(mm),弹簧容纳箱内的直径DR=50(mm),弹簧厚度h=0.8(mm),弹簧长度l,Dr2-d2l二2.55h502-1022.550.8=1247(mm)电机滑块全重=4Wi.0Kg,假设弹簧材料为65Si2Mn,最大抗弯应力9=90Kg/mm2,宽度b6rWi二h2=10.8(mm)

22、650/242900.82如上所述，弹簧容纳直径D=50(mm),涡线弹簧装配轴径d=10mm,弹簧厚度h=0.8mm,弹簧长度l=1247mm,宽度b=12mm。D为分度圆直径，扭矩MM=FD/2=(40027)/2=2.16Nm查表可知此涡线弹簧扭矩M=1.8Nm,符合需求。4. 4键键根据电机轴上键槽尺寸使用平键尺寸为4M4M16(mm),t=2.5,t1=1.8,作用在主轴的扭矩Ts3N302Ts=973M103=973父103父=130(Kgmm)n1500作用在轴外径的线切削力P=2TL=2-130=16.25(Kg)d12对于键长度l,应考虑键宽度b=4mm,剪应力=4.8Kg/mm2-11-l=_P_=1625=0.845(mm)b.44.8键长为了配合电机主轴，确定其l=16(mm),远大于0.85(mm),符合需求致谢参考文献:1夏广岚，冯凭.金属切削机床M.北京：北京大学出版社，2008.2 邱宣怀，主编.机械设计(第四版)M.北京：高等教育出版社.2008.3 冯辛安.机械制造装备设计M.北京：机械工业出版社，2001.4 王先