864 自動(dòng)鉆床的總體方案設(shè)計(jì),自動(dòng),鉆床,總體,整體,方案設(shè)計(jì) 揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告（?？?2009 屆）學(xué)院（系） 機(jī)械工程學(xué)院專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化題 目 鉆床的自動(dòng)化改造及進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名 何峰雷 學(xué)號(hào) 0601010309指導(dǎo)教師 職稱 2009 年 2 月 17 日1畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告一、結(jié)合課題任務(wù)情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，撰寫 1500～2000 字左右的文獻(xiàn)綜述。㈠、概述在現(xiàn)找機(jī)械制造工業(yè)中，加工機(jī)器零件的方法有很多種，如鑄造、鍛造、焊接、切削加工和各種特種加工等。其中切削加工所擔(dān)負(fù)的工作量約占總制造工作量 40%～60%。而在這其中鉆床所占的比例也已經(jīng)達(dá)到了 11.2%，從而可以看出鉆床在機(jī)械制造工業(yè)中起著非常重要的作用。[1]鉆床是孔加工用機(jī)床，主要是用來(lái)加工外形較復(fù)雜，沒(méi)有對(duì)稱回轉(zhuǎn)軸線的工件上的孔。鉆床的工作特點(diǎn)是，工作時(shí)工件固定不動(dòng)，刀具做旋轉(zhuǎn)主運(yùn)動(dòng)，同時(shí)沿主軸方向移動(dòng)而作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。主要用于鉆孔，也可用于擴(kuò)孔、鉸孔、刮平面以及攻螺紋等。鉆床可分為立式鉆床、臺(tái)式鉆床、搖臂鉆床和深孔鉆床等。我們結(jié)合課題任務(wù)書(shū)中的要求與設(shè)計(jì)任務(wù)，下面著重對(duì)臺(tái)式鉆床作下簡(jiǎn)要的說(shuō)明及介紹。臺(tái)式鉆床是鉆床中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種，主要由工作臺(tái)、主軸、主軸箱、立柱、底座、皮帶輪和電動(dòng)機(jī)等組成。用于加工工件上直徑小于 12mm 的小孔，加工孔時(shí)工件裝夾在工作臺(tái)上或虎鉗及夾具中，鉆頭由安裝在主軸上的鉆夾頭夾緊，由電動(dòng)機(jī)經(jīng)皮帶輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。立式鉆床是用與加工中小型工件上中 小孔的主要設(shè)備。主要由底座、立柱、主軸變速箱、電動(dòng)機(jī)、主軸、進(jìn)給變速箱及工作臺(tái)等組成。主軸變速箱和進(jìn)給變速箱是由電動(dòng)機(jī)經(jīng)皮帶輪傳動(dòng)的，鉆頭向工件的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，有機(jī)動(dòng)和手動(dòng)兩種裝置。加工孔時(shí)，工件裝夾與工作臺(tái)上或虎鉗及夾具中，主軸帶動(dòng)鉆頭邊旋轉(zhuǎn)，邊下降進(jìn)行加工。搖臂鉆床用于加工笨重工件或多孔工件上的中小型孔，主要由底座、立柱、搖臂、主軸箱、主軸工作臺(tái)等組成。搖臂鉆床等工作時(shí)，搖臂可繞立柱旋轉(zhuǎn)，主軸箱可在搖臂上做徑向移動(dòng)。這樣可使鉆頭對(duì)準(zhǔn)每一個(gè)加工孔的軸線，以便進(jìn)行孔加工，使用較靈活。一般工件鉆孔時(shí)常將工件裝夾在工作臺(tái)上。大型工件加工時(shí)，可將工件裝夾在鉆床底座上。根據(jù)工件高度的不同，在松開(kāi)鎖緊裝置后，搖臂可沿立柱做上、下移動(dòng)，使軸箱及鉆頭處于恰當(dāng)?shù)母叨任恢?。搖臂鉆床一般配置在機(jī)械產(chǎn)品單件、小批量2生產(chǎn)車間、產(chǎn)品裝配車間及機(jī)械修理車間等場(chǎng)合。另外，傳統(tǒng)的鉆床主軸進(jìn)給系統(tǒng)主要由主軸、主軸套筒、主軸套筒鑲套、齒輪齒條和軸承等組成。主軸在加工時(shí)即要作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也要作軸向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。機(jī)床主軸被裝置在主軸套筒內(nèi)，套筒放置在主軸箱體孔的鑲套內(nèi)，主軸上側(cè)由花鍵連接。機(jī)床加工時(shí)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由花鍵傳入，而進(jìn)給運(yùn)動(dòng)則由齒輪通過(guò)齒條帶動(dòng)套筒在鑲套內(nèi)運(yùn)動(dòng)。主軸的軸向力及重量由安裝在主軸上的上下兩個(gè)推力軸承承受，而徑向力由安裝在主軸上深溝球軸承承受。㈡、 優(yōu)缺點(diǎn)的論述從鉆床在機(jī)械切削工作中的重要地位，以及其長(zhǎng)時(shí)間普遍應(yīng)用的性能，我們不難發(fā)現(xiàn)作為傳統(tǒng)的孔類加工機(jī)床，傳統(tǒng)的鉆床有著其本身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)如下：（1） 較車床、鏜床等孔類加工方法方便而多用。（2） 操作流程簡(jiǎn)單，動(dòng)作單一化。（3） 加工對(duì)象多樣化。（4） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)過(guò)改進(jìn)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。另外其本身有著明顯的缺點(diǎn)： （1）精度不高，不利于各種工件的精加工。（2）占用人力較多，操作固定不變易出錯(cuò)。（3）自動(dòng)化程度不高.，難以進(jìn)行大批量的生產(chǎn)。（4）工作效率低，且工人的工作環(huán)境惡劣。結(jié)合以上鉆床的優(yōu)缺點(diǎn)，畢業(yè)設(shè)計(jì)老師給我們提出了本課題，即鉆床的自動(dòng)化改造。具體來(lái)說(shuō)就是改進(jìn)鉆床的進(jìn)給系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)和送料系統(tǒng)，并通過(guò) PLC來(lái)進(jìn)行順序控制，從而實(shí)現(xiàn)鉆床的自動(dòng)化。從目前的研究資料和方向來(lái)看，這方面的研究還不是很多，因此我們的設(shè)計(jì)是有重要意義的。針對(duì)我們的課題而對(duì)鉆床進(jìn)行改造，可以說(shuō)是專用鉆床的設(shè)計(jì)，它具有一定的針對(duì)性，即針對(duì)工件的加工要求和工作要素來(lái)具體考慮我們的設(shè)計(jì)。㈢、內(nèi)容及任務(wù)：以上簡(jiǎn)要敘述了整個(gè)課題（即鉆床的自動(dòng)化改造）的基本內(nèi)容及設(shè)計(jì)意義。下面針對(duì)個(gè)人的課題任務(wù)書(shū)，說(shuō)明本課題即鉆床的自動(dòng)化改造及進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)的3內(nèi)容及任務(wù)。為提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和降低勞動(dòng)強(qiáng)度及工作量，同時(shí)結(jié)合工廠實(shí)際需要和工作設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)一種自動(dòng)化專用鉆床，實(shí)現(xiàn)鉆床的全自動(dòng)作業(yè)。具體設(shè)計(jì)內(nèi)容及任務(wù)如下：（1）專用鉆床液壓進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)；（2）專用鉆床傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；（3）專用鉆床進(jìn)給控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；（4）專用鉆床的床身結(jié)構(gòu)及整體布局設(shè)計(jì)。鉆床的自動(dòng)化改造及進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于鉆床液壓進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)和專用鉆床傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，鉆床液壓進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)是利用液壓傳動(dòng)來(lái)代替人工進(jìn)給，其設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于液壓缸的設(shè)計(jì)；鉆床傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是針對(duì)鉆床的主軸傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 另外鉆床進(jìn)給控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是對(duì)整個(gè)傳動(dòng)和進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行控制設(shè)計(jì)，充分利用機(jī)械、液壓和電氣（PLC）控制元件來(lái)完成控制功能；鉆床的床身結(jié)構(gòu)及整體布局設(shè)計(jì)是要針對(duì)鉆床整體進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和總休布局，以達(dá)到應(yīng)用水平和外觀造型的優(yōu)化。二、要研究或解決的問(wèn)題、擬采用的方法或技術(shù)路線：要研究或解決的問(wèn)題：鉆床傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求：① 滿足傳動(dòng)和切削要求；② 滿足傳動(dòng)平穩(wěn)、傳遞功率要求；③ 盡可能地使用標(biāo)準(zhǔn)元件。液壓進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下使用要求：4①在進(jìn)給過(guò)程中應(yīng)有快進(jìn)、功進(jìn)和快退工作狀態(tài)；②要求液壓進(jìn)給系統(tǒng)工作穩(wěn)定、噪聲低；③液壓進(jìn)給系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)代替手動(dòng)進(jìn)給的功能；④控制易實(shí)現(xiàn)。為達(dá)到設(shè)計(jì)要求，我采用模塊化設(shè)計(jì)路線。把整個(gè)鉆床的自動(dòng)化改造及進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為傳動(dòng)系統(tǒng)塊、進(jìn)給系統(tǒng)塊、控制系統(tǒng)塊和整體設(shè)計(jì)和布局系統(tǒng)塊。首先通過(guò)對(duì)課題任務(wù)的分析，根據(jù)其要求計(jì)算出切削力，再根據(jù)所得結(jié)果和要求選用電機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)，而后設(shè)計(jì)進(jìn)給系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，最后是整體設(shè)計(jì)和布局系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及整個(gè)鉆床的校核。技術(shù)路線：任務(wù)分析→傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)→進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)→控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)→整體布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)→總體校核三、成果預(yù)測(cè)：（1）通過(guò)理論的設(shè)計(jì)與計(jì)算來(lái)確定各系統(tǒng)方案；（2）系統(tǒng)總裝圖及零件圖展示各主要零、部件和總體；（3）實(shí)驗(yàn)組裝后可進(jìn)行試生產(chǎn)。試生產(chǎn)后可達(dá)到的生產(chǎn)效果：（1）能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)，改善產(chǎn)品加工質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率；（2）降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度和工作量；（3）鉆床系統(tǒng)工作平穩(wěn)，滿足工作要求。5四、時(shí)間進(jìn)度計(jì)劃：第一周～第五周 （2.28～4.01）： 實(shí)習(xí)、調(diào)研、查閱文獻(xiàn)資料第六周～第八周 （4.02～4.23）： 完成方案設(shè)計(jì)第九周～第十三周 （4.23～5.28）： 完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)及施工圖設(shè)計(jì)第十四周～第十五周（5.29～6.10）： 完成畢業(yè)論文，進(jìn)行畢業(yè)答辯五、指導(dǎo)教師意見(jiàn)（對(duì)課題方案的可行性、深度、廣度及工作量的意見(jiàn)）：指導(dǎo)教師___________年 月 日6六、教研室意見(jiàn)：教研室主任___________年 月 日說(shuō)明：開(kāi)題報(bào)告作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一，此報(bào)告應(yīng)在導(dǎo)師指導(dǎo)下，由學(xué)生填寫，將作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）成績(jī)考查的重要依據(jù)，經(jīng)導(dǎo)師簽署意見(jiàn)及教研室審查后生效。備注：參考文獻(xiàn)：[1]《金屬切削機(jī)床》 主編：戴曙 機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 何峰雷 第 1 頁(yè) 緒論1.1 問(wèn)題分析及其對(duì)策1.1.1 現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r金屬切削加工是指利用刀具切除被加工零件多余材料的方法，是機(jī)械制造行業(yè)中最基本的加工方法，金屬切削加工過(guò)程是由金屬切削機(jī)床來(lái)實(shí)現(xiàn)的。金屬切削機(jī)床是用切削的方法將金屬毛坯加工成機(jī)器零件的機(jī)器。在現(xiàn)代機(jī)械制造行業(yè)中，隨著加工零件方式多樣化及工藝合理化的發(fā)展的要求，加工零件的方法也呈現(xiàn)出多樣化，如：除切削加工外，還有鑄造、鍛造、焊接、沖壓、擠壓和輥軋等，在這其中機(jī)床切削加工的工作量約占總制造工作量的 40%～60%(其中鉆床占 11.2%),所以在目前的機(jī)械制造行業(yè)中金屬切削機(jī)床是主要的加工設(shè)備。而機(jī)床的技術(shù)性能又直接影響機(jī)械制造行業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率，所以為了提高國(guó)家的工業(yè)生產(chǎn)能力和科學(xué)技術(shù)水平，必須對(duì)機(jī)床的發(fā)展作出新的要求。隨著機(jī)械工業(yè)的擴(kuò)大和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)的機(jī)械制造行業(yè)正朝著自動(dòng)化、精密化、高效率和多樣化的方向發(fā)展。我國(guó)機(jī)床工業(yè)自 1949 年建立以來(lái)，雖然在短短的時(shí)間內(nèi)取得了很大的成就，但與世界先進(jìn)水平相比還有較大的差矩。就現(xiàn)狀看，主要表現(xiàn)在：我國(guó)機(jī)床工業(yè)起步晚、技術(shù)不成熟；大部分高精度和超精度機(jī)床的性能還不能滿足要求，精度保持度也差，特別是高效自動(dòng)化和數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量、技術(shù)水平和質(zhì)量等方面都明顯落后。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)我國(guó)數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量?jī)H是全部機(jī)床產(chǎn)量的 1.5%，產(chǎn)值數(shù)控化僅為 8.7%（至1990 年底） ；我國(guó)數(shù)控機(jī)床基本上是中等規(guī)格的車床、銑床和加工中心等，而精密、大型、重型或小型數(shù)控機(jī)床還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求；另外我國(guó)機(jī)床在技術(shù)水平和性能方面的差矩也很明顯，機(jī)床理論和應(yīng)用技術(shù)的研究也明顯落后。所以我們要不斷學(xué)習(xí)和引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，大力發(fā)展研究，推動(dòng)我國(guó)機(jī)床工業(yè)的發(fā)展。1.1.2 問(wèn)題的提出由以上現(xiàn)狀分析我們可以看出，在機(jī)床加工中鉆床的加工工作量在總制造工作量中占有很大的比重。鉆床為孔加工機(jī)床，按其結(jié)構(gòu)形式不同可以分為搖臂鉆床、立式鉆床、臥式鉆床、深孔鉆床、多軸鉆床等。主要用來(lái)進(jìn)行鉆孔、擴(kuò)孔、絞孔、攻絲等。長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)的機(jī)械機(jī)械制造工業(yè)中孔類加工多數(shù)由傳統(tǒng)鉆床來(lái)完成，但是傳統(tǒng)的鉆床在大批量生產(chǎn)時(shí)存在許多的不足之處：（1）自動(dòng)化程度不高.，難以進(jìn)行大批量的生產(chǎn)；機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 何峰雷 第 2 頁(yè) （2）工作效率低，且工人的工作環(huán)境惡劣；（3）占用人力較多，操作固定不變易出錯(cuò)；（4）精度不高，工件裝夾費(fèi)時(shí)；（5）加工產(chǎn)品質(zhì)量不高；針對(duì)以上傳統(tǒng)鉆床的不足之處及生產(chǎn)中存在的問(wèn)題，我們有必要對(duì)傳統(tǒng)鉆床進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)鉆床手動(dòng)的進(jìn)給系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)及人工送料系統(tǒng)的改進(jìn)和設(shè)計(jì)，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，降低勞動(dòng)強(qiáng)度及工作量。1.1.3 問(wèn)題的分析以及解決方案當(dāng)前傳統(tǒng)鉆床問(wèn)題的存在主要在于自動(dòng)化程度、生產(chǎn)效率、工作環(huán)境及產(chǎn)品質(zhì)量。在生產(chǎn)過(guò)程中，手動(dòng)的操作、繁鎖的裝夾、大量生產(chǎn)力的投入和單一的生產(chǎn)流程導(dǎo)致了鉆床加工的自動(dòng)化程度低、生產(chǎn)效率低、工作環(huán)境惡劣和產(chǎn)品質(zhì)量不高，因此，我們要解決的問(wèn)題在于如何實(shí)現(xiàn)鉆床加工的自動(dòng)化、減少生產(chǎn)力的投入生產(chǎn)和與其它工藝流程相結(jié)合，同時(shí)也要考慮經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。經(jīng)過(guò)分析，我們可以從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)兩方面去考慮。通過(guò)對(duì)鉆床機(jī)構(gòu)的改造來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的要求，提高產(chǎn)品的加工精度及質(zhì)量；通過(guò)導(dǎo)入先進(jìn)的控制系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行自動(dòng)操控，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，便于導(dǎo)入到其它生產(chǎn)流程中去。為了解決問(wèn)題和便于設(shè)計(jì)改造，我們將鉆床分為傳動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)、送料系統(tǒng)和控制系統(tǒng)五個(gè)部分，下面分別對(duì)各部分的問(wèn)題提出解決方案：（1）傳動(dòng)系統(tǒng) 為滿足改進(jìn)后的加工及工作要求，在作出相應(yīng)的計(jì)算后對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和調(diào)整。（2）進(jìn)給系統(tǒng) 傳統(tǒng)的鉆床主軸進(jìn)給系統(tǒng)主要由主軸、主軸套筒、主軸套筒鑲套、齒輪齒條和軸承等組成。主軸在加工時(shí)即要作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也要作軸向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。機(jī)床主軸被裝置在主軸套筒內(nèi)，套筒放置在主軸箱體孔的鑲套內(nèi)，主軸上側(cè)由花鍵連接。機(jī)床加工時(shí)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由花鍵傳入，而進(jìn)給運(yùn)動(dòng)則由齒輪通過(guò)齒條帶動(dòng)套筒在鑲套內(nèi)運(yùn)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的要求，主軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)改進(jìn)主要有：主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)依然由電動(dòng)機(jī)傳入，而進(jìn)給則由液壓傳動(dòng)替代手動(dòng)的齒條傳動(dòng)，通過(guò)液壓控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)給動(dòng)作。（3）夾緊系統(tǒng) 傳統(tǒng)鉆床的夾緊主要是手工操作，由夾具夾緊工件。為了便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，工件夾緊由夾具完成，動(dòng)力源由夾緊液壓缸導(dǎo)入，通過(guò)液壓控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)夾緊動(dòng)作的自動(dòng)化。（4）送料系統(tǒng) 在生產(chǎn)過(guò)程中，鉆床的送料主要由人工輸入，這使得投入了大量的生產(chǎn)力，消耗了大量的工時(shí)，使的生產(chǎn)率不高，為此我們通過(guò)導(dǎo)入自動(dòng)送料系統(tǒng)來(lái)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 何峰雷 第 3 頁(yè) 減少生產(chǎn)力的投入和工時(shí)的消耗。自動(dòng)送料系統(tǒng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)要根據(jù)生產(chǎn)的需求作出相應(yīng)的設(shè)計(jì)需求，動(dòng)力源可由電機(jī)或液壓系統(tǒng)傳入，二者均可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。（5）控制系統(tǒng) 當(dāng)前機(jī)床控制系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)數(shù)控、繼電器電氣控制和 PLC 控制等，由于繼電器電氣控制系統(tǒng)，其聯(lián)動(dòng)關(guān)系復(fù)雜，維修困難，故障率高，經(jīng)常影響正常生產(chǎn)，計(jì)算機(jī)數(shù)控造價(jià)高、系統(tǒng)復(fù)雜，而 PLC 控制系統(tǒng)可靠性好、造價(jià)低、抗干擾能力強(qiáng)、柔性好、編程簡(jiǎn)單、使用方便、擴(kuò)充靈活、功能完善，所以我們利用 PLC控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)和送料系統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)的控制。1.2 本文研究的內(nèi)容及目標(biāo) 本文主要是通過(guò)應(yīng)用機(jī)床設(shè)計(jì)的一般方法對(duì)傳統(tǒng)鉆床的機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)及改進(jìn)。研究的主要內(nèi)容是普通臺(tái)式鉆床傳動(dòng)系統(tǒng)的改進(jìn)、進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、進(jìn)給系統(tǒng)液壓缸的設(shè)計(jì)和 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等四個(gè)方面。其中重點(diǎn)在于進(jìn)給系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)液壓缸和 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是解決主軸高速旋轉(zhuǎn)與軸向進(jìn)給兩個(gè)自由度的實(shí)現(xiàn)；進(jìn)給系統(tǒng)液壓缸設(shè)計(jì)包括液壓缸的設(shè)計(jì)、液壓缸與主軸的配合和液壓缸油路控制； PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是通過(guò)應(yīng)用 PLC 控制程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓油路的動(dòng)作控制及鉆床加工過(guò)程的動(dòng)作控制。我們通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)臺(tái)式鉆床的改進(jìn)及設(shè)計(jì)，要達(dá)到的目標(biāo)在于通過(guò)改進(jìn)鉆床能夠?qū)崿F(xiàn)工作自動(dòng)化，最終能滿足以下要求：（1）能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)，改善產(chǎn)品加工質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率；（2）降低工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度和工作量；（3）鉆床系統(tǒng)工作平穩(wěn)，滿足工作要求；（4）經(jīng)濟(jì)因素合理；1.3 本章小結(jié)本章節(jié)主要對(duì)現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)作了簡(jiǎn)單的總概括，并對(duì)機(jī)床切削加工作出分析。提出當(dāng)前金屬切削加工中存在的一些問(wèn)題，以及針對(duì)鉆床加工現(xiàn)存的缺點(diǎn)作出剖析，提出對(duì)傳統(tǒng)鉆床改造的必要性和可行性，并對(duì)改造的任務(wù)和目標(biāo)作出簡(jiǎn)述。通過(guò)對(duì)改造任務(wù)和目標(biāo)簡(jiǎn)述，為設(shè)計(jì)方案的確定了設(shè)計(jì)對(duì)象。機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 何峰雷 第 4 頁(yè) 2 自動(dòng)鉆床的總體方案設(shè)計(jì)總體方案設(shè)計(jì)的構(gòu)思和方案擬定關(guān)系到產(chǎn)品的功能是否齊全、性能是否優(yōu)良、經(jīng)濟(jì)效益是否顯著，因此，我們要確定良好的總體方案設(shè)計(jì)思想，保證產(chǎn)品的功能、經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用性能?！】傮w方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：（1） 執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) ；（2） 原動(dòng)機(jī)類型的選擇和傳動(dòng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)；（3） 控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)；（4） 總體布局設(shè)計(jì)；（5） 輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；為了完成普通臺(tái)式鉆床的改造及進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我們依循機(jī)床設(shè)計(jì)的一般步驟確定自動(dòng)鉆床的總體方案設(shè)計(jì)。2.1 自動(dòng)專用鉆床已知條件和設(shè)計(jì)要求的概述本文對(duì)普通臺(tái)式鉆床的自動(dòng)化改造及進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以某五金工具廠鋼絲鉗生產(chǎn)線的自動(dòng)化改造為背景。已知：加工對(duì)象為鋼絲鉗，加工工序?yàn)樵阡摻z鉗上鉆削直徑為 φ12mm（鉆床最大鉆削直徑）的通孔，鋼絲鉗材料為 Q235。 改造后的全自動(dòng)鉆床應(yīng)滿足以下設(shè)計(jì)要求：（1） 滿足自動(dòng)連續(xù)生產(chǎn)，且生產(chǎn)率為 3 把/分鐘；（2） 自動(dòng)化改造應(yīng)是機(jī)械、電氣和液壓的有機(jī)結(jié)合；（3） 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)包含切削力計(jì)算、電動(dòng)機(jī)選擇、傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)、床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等；（4） 設(shè)計(jì)重點(diǎn)為鉆床液壓進(jìn)給系統(tǒng)之進(jìn)給油缸設(shè)計(jì)；（5） 自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)以 PLC 與手動(dòng)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)；2.2 自動(dòng)鉆床的工藝路線分析與確定與傳統(tǒng)臺(tái)式鉆床的加工工藝路線相比較，改造后的全自動(dòng)鉆床基本動(dòng)作有很大的機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 何峰雷 第 5 頁(yè) 調(diào)整，這其中主要是導(dǎo)入了自動(dòng)化加工動(dòng)作。結(jié)合設(shè)計(jì)及生產(chǎn)要求，確定工藝路線如下：?jiǎn)?dòng)（電源及控制模塊）→自動(dòng)送料→自動(dòng)夾緊→主軸快進(jìn)→主軸工進(jìn)→主軸停留→主軸快退→夾具松開(kāi)→出料→為了完成自動(dòng)化加工，自動(dòng)鉆床按照上述工藝路線進(jìn)循環(huán)行動(dòng)作來(lái)完成成批工件的加工過(guò)程。根據(jù)工藝流程，可確定自動(dòng)鉆床的動(dòng)作流程圖如下（圖 2-1）：圖 2-1 自動(dòng)鉆床動(dòng)作流程圖2.3 執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)執(zhí)行系統(tǒng)是機(jī)械系統(tǒng)中的重要組成部分，直接完成機(jī)械系統(tǒng)預(yù)期工作任務(wù)。機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)是機(jī)械系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)的核心，是整個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)。本文自動(dòng)鉆床的執(zhí)行系統(tǒng)主要包括鉆頭加工和進(jìn)給液壓缸驅(qū)動(dòng)進(jìn)給。2.3.1 執(zhí)行系統(tǒng)的功能原理設(shè)計(jì)功能原理設(shè)計(jì)決定產(chǎn)品的技術(shù)水平、工作質(zhì)量、傳動(dòng)方案、結(jié)構(gòu)型式、制造成本機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 何峰雷 第 6 頁(yè) 等。因此在進(jìn)行鉆床的功能原理設(shè)計(jì)時(shí)，我們應(yīng)當(dāng)考慮鉆床功能的可行性、先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性。普通臺(tái)式鉆床的改造主要是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化功能。改造后全自動(dòng)鉆床能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)率，符合了工廠的生產(chǎn)需求，適應(yīng)了現(xiàn)代機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展要求。2.3.2 執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律本文設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于鉆床液壓進(jìn)給系統(tǒng)之進(jìn)給油缸設(shè)計(jì)，也就是用液壓缸驅(qū)動(dòng)來(lái)替代手動(dòng)進(jìn)給。根據(jù)設(shè)計(jì)，我們要分析的運(yùn)動(dòng)規(guī)律包括鉆頭切削運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給液壓缸驅(qū)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。鉆頭加工運(yùn)動(dòng)包括旋轉(zhuǎn)切削運(yùn)動(dòng)和鉆頭直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。進(jìn)給液壓缸驅(qū)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)要完成驅(qū)動(dòng)主軸進(jìn)給，為直線運(yùn)動(dòng)。鉆床執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如下圖示（圖 2-2）：圖 2-2 自動(dòng)鉆床運(yùn)動(dòng)規(guī)律簡(jiǎn)圖2.3.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的形式設(shè)計(jì)在進(jìn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)的形式設(shè)計(jì)時(shí)，要遵循以下原則：滿足執(zhí)行構(gòu)件的工藝動(dòng)作和運(yùn)動(dòng)要求、盡量簡(jiǎn)化和縮短運(yùn)動(dòng)鏈、盡量減小機(jī)構(gòu)尺寸、選擇合適的運(yùn)動(dòng)副形式、考慮動(dòng)力源的形式、使執(zhí)行系統(tǒng)具有良好的傳力和動(dòng)力特性、使機(jī)械具有調(diào)節(jié)某些運(yùn)動(dòng)參數(shù)的能力和保證機(jī)械的安全運(yùn)轉(zhuǎn)?？紤]以上設(shè)計(jì)原則，在實(shí)現(xiàn)鉆頭的旋轉(zhuǎn)切削運(yùn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)力源與主軸之間的執(zhí)行機(jī)構(gòu)我們選擇帶輪傳動(dòng)；在實(shí)現(xiàn)鉆頭的直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，我們選擇能夠往復(fù)運(yùn)動(dòng)的液壓缸。主軸直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)切削運(yùn)動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 何峰雷 第 7 頁(yè) 2.3.4 執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)原則：滿足各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作先后的順序性要求、滿足各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作在時(shí)間上的同步性要求、滿足各執(zhí)行機(jī)構(gòu)在空間布置上的協(xié)調(diào)性要求、 滿足各執(zhí)行機(jī)構(gòu)在操作上的協(xié)同性要求、各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作安排要有利于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的的布置要有利于系統(tǒng)的能量協(xié)調(diào)和效率的提高。自動(dòng)鉆床的主軸帶輪傳動(dòng)減少了傳動(dòng)鏈，且可過(guò)載保護(hù)；液壓缸驅(qū)動(dòng)進(jìn)給不需要改變運(yùn)動(dòng)形式，且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。2.3.5 執(zhí)行系統(tǒng)方案評(píng)價(jià)與決策自動(dòng)鉆床執(zhí)行系統(tǒng)在功能上能滿足鉆床加工的工作要求，主軸帶輪傳動(dòng)能起到過(guò)載保護(hù)作用。液壓缸執(zhí)行系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)鉆床切削加工的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，易于控制，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的首選機(jī)構(gòu)。2.4 傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和原動(dòng)機(jī)選擇 2.4.1 原動(dòng)機(jī)選擇由自動(dòng)鉆床執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律我們可以選擇原動(dòng)機(jī)。主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的原動(dòng)機(jī)選擇電動(dòng)機(jī)，進(jìn)給液壓缸原動(dòng)力選擇電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵 （具體型號(hào)在下面章節(jié)中計(jì)算后選擇） 。 2.4.2 傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)(一) 確定傳動(dòng)系統(tǒng)總傳動(dòng)比全自動(dòng)鉆床的總傳動(dòng)比的確定要建立在計(jì)算切削力和傳動(dòng)效率的基礎(chǔ)上，當(dāng)確定自動(dòng)鉆床的工作功率后，查表選擇電動(dòng)機(jī)，對(duì)照鉆床的工作參數(shù)確定總傳動(dòng)比（主軸系統(tǒng)總傳動(dòng)比在傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中經(jīng)計(jì)算后確定） 。（二）選擇傳動(dòng)類型依據(jù)傳統(tǒng)臺(tái)式鉆床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)選擇帶輪 V 帶傳動(dòng)，此傳動(dòng)類型可實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)；鉆頭直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)選擇液壓傳動(dòng)，此類型傳動(dòng)有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）在輸出功率相同的條件下，體積小、重量輕；（2）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，吸振能力強(qiáng)；（3）易于實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)、制動(dòng)、頻繁換向以及無(wú)級(jí)調(diào)速；（4）布局安裝比較靈活，液壓元件易于實(shí)現(xiàn)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化；（5）與機(jī)構(gòu)相結(jié)合易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制；（三）繪制傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 何峰雷 第 8 頁(yè) 根據(jù)以上分析，確定傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如下（圖 2-3）：圖 2-3 傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖2.5 控制方案設(shè)計(jì)綜合考慮全自動(dòng)鉆床的改造要求、功能要求、控制要求及經(jīng)濟(jì)因素，控制系統(tǒng)采用 PLC 與手動(dòng)相結(jié)合的方法進(jìn)行控制。PLC 即可編程控制器，其英文全稱為 Programmable Controller。PLC 舉起于 20世紀(jì) 70 年代，是微機(jī)技術(shù)與繼電器常規(guī)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。經(jīng)過(guò) 30 多年的發(fā)展，可編程控制器已經(jīng)成為最重要、最可靠、應(yīng)用場(chǎng)合最廣泛的工業(yè)控制微型計(jì)算機(jī)。PLC 不僅充分利用微處理器的優(yōu)點(diǎn)來(lái)滿足各種工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)時(shí)控制要求，同時(shí)也照顧到操作維護(hù)人員的技能和習(xí)慣，摒棄了微機(jī)常用的計(jì)算機(jī)的編程語(yǔ)言，獨(dú)具風(fēng)格地使用以繼電器梯型圖為基礎(chǔ)的形象編程語(yǔ)言和模塊化的軟件結(jié)構(gòu)，使用戶編制的程序清晰直觀、調(diào)試和查錯(cuò)容易，且編程方便易學(xué)。PLC 的主要功能有：順序控制、數(shù)據(jù)處理、邏輯控制、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、記數(shù)控制、通訊與聯(lián)網(wǎng)、定時(shí)控制。在自動(dòng)鉆床的控制系統(tǒng)中，我們主要應(yīng)用 PLC 的順序控制和定時(shí)控制。 另外 PLC 作為現(xiàn)代最重要、最可靠、應(yīng)用場(chǎng)合最廣泛的工業(yè)控制微型計(jì)算機(jī)，其具有以下特點(diǎn)：（1）可靠性高 ；（2）編程容易，易于使用；（3）控制功能極強(qiáng)；（4）擴(kuò)展及與外部連接極為方便；（5）通用性好、體積小、使用靈活；液壓缸進(jìn)給傳動(dòng)V 帶傳動(dòng) 花鍵傳動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 何峰雷 第 9 頁(yè) （6）設(shè)計(jì)施工和調(diào)試的周期短；結(jié)合以上 PLC 的特點(diǎn)，我們?cè)诳刂葡到y(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)選擇 PLC 作為主要的控制方式，另外根據(jù)實(shí)際的工作要求，配合適當(dāng)?shù)氖謩?dòng)控制元件。2.6 總體布局設(shè)計(jì)機(jī)床總布局的設(shè)計(jì)任務(wù)是解決機(jī)床各部件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和相對(duì)位置的關(guān)系，并使機(jī)床具有一個(gè)協(xié)調(diào)完美的造型。工藝分析和工件的形狀、尺寸及重量，在很大程度上左右著機(jī)床的布局形式。普通臺(tái)式鉆床的自動(dòng)化改造及進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是在原有機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上導(dǎo)入了液壓進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：主軸箱要做變動(dòng)。同時(shí)還導(dǎo)入了液壓夾緊系統(tǒng)：考慮到臺(tái)式鉆床固定不動(dòng)，可變動(dòng)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)總體布局的協(xié)調(diào)。2.7 輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)、故障檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安全保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)和照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過(guò)程中可根據(jù)設(shè)計(jì)的要求和實(shí)際的鉆床工作需求進(jìn)行輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。2.8 本章小結(jié)本章主要介紹了通過(guò)對(duì)已知設(shè)計(jì)條件的分析如何確定自動(dòng)鉆床總體方案的問(wèn)題。章節(jié)中主要對(duì)自動(dòng)鉆床總體方案中的工藝路線、執(zhí)行系統(tǒng)方案、傳動(dòng)系統(tǒng)方案和控制系統(tǒng)方案作了詳細(xì)介紹和分析。通過(guò)本章節(jié)的敘述和圖文表達(dá)，我們對(duì)自動(dòng)鉆床的總體設(shè)計(jì)有了一個(gè)清晰的概念，確定了下面章節(jié)中設(shè)計(jì)的步驟和設(shè)計(jì)重點(diǎn)。機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 何峰雷 第 10 頁(yè) 3 專用鉆床進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1 進(jìn)給系統(tǒng)概述與分析 傳統(tǒng)的臺(tái)式鉆床主軸進(jìn)給系統(tǒng)主要由主軸、主軸套筒、主軸套筒鑲套、齒輪齒條和軸承等組成。主軸在加工時(shí)即要作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也要作軸向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。機(jī)床主軸被裝置在主軸套筒內(nèi)，套筒放置在主軸箱體孔的鑲套內(nèi)，主軸上側(cè)由花鍵連接。機(jī)床加工時(shí)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由花鍵傳入，而進(jìn)給運(yùn)動(dòng)則由齒輪通過(guò)齒條帶動(dòng)套筒在鑲套內(nèi)運(yùn)動(dòng)。由總體方案可知，自動(dòng)鉆床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)導(dǎo)入了液壓缸進(jìn)給系統(tǒng)，由液壓缸驅(qū)動(dòng)替代齒輪齒條的手動(dòng)進(jìn)給，來(lái)實(shí)現(xiàn)主軸的快進(jìn)、工進(jìn)和快退動(dòng)作。鉆床在加工時(shí)，主軸要作高速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)入液壓缸進(jìn)給系統(tǒng)后，由于液壓缸結(jié)構(gòu)和性能的限制，液壓缸活塞桿不宜作高速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，我們要結(jié)合合適的軸承和結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)主軸的高速旋轉(zhuǎn)。往復(fù)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由液壓缸來(lái)完成動(dòng)作。圖 3-1 普通臺(tái)式鉆床進(jìn)給系統(tǒng)簡(jiǎn)圖1、主軸套筒鑲套 2、推力球軸承 3、主軸套筒 4、主軸 5、深溝球軸承6、齒輪齒條手動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng) 7、主軸箱1 1 234567機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 何峰雷 第 11 頁(yè) 3.2 進(jìn)給系統(tǒng)方案圖的確定全自動(dòng)鉆床是在原有臺(tái)式鉆床的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行改造設(shè)計(jì)的，所以，我們首先要對(duì)普通臺(tái)式鉆床的進(jìn)給系統(tǒng)作出詳細(xì)的研究。臺(tái)式鉆床主軸進(jìn)給系統(tǒng)主要部件有主軸、主軸套筒、主軸套筒鑲套、齒輪齒條和軸承等。其結(jié)構(gòu)圖如圖 3-1 示：根據(jù)普通臺(tái)式鉆床的進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，綜合考慮本文設(shè)計(jì)的要求、改造后自動(dòng)鉆床的工作條件和液壓缸工作特性，確定自動(dòng)鉆床的進(jìn)給系統(tǒng)如圖 3-2 所示：圖 3-2 自動(dòng)鉆床的進(jìn)給系統(tǒng)簡(jiǎn)圖1、主軸 2、深溝球軸承 3、活塞桿 4、液壓缸筒 5、油路口6、液壓缸蓋 7、鎖緊螺釘 8、推力球軸承 9、密封圈3.3 工況分析根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)可知，生產(chǎn)工件時(shí)，要求生產(chǎn)率為 3 把/分鐘，即要求在 20 秒內(nèi)要完成一件工件的送料、夾緊、鉆削加工和出料。已知件材料為 Q235 鋼，工件厚度大約為 15mm，查 《機(jī)械工程材料實(shí)用手冊(cè)》可知，Q235 為碳素結(jié)構(gòu)鋼，其韌性良好，有一定的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，在一般機(jī)械制造中應(yīng)用廣泛，是一般機(jī)械制造中的主要材料，其切削加工性能較好。鉆削直徑為12mm 的通孔，鉆削行程（孔的長(zhǎng)度）l≈15mm。由此可確定鉆床主軸行程為1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 1 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 何峰雷 第 12 頁(yè) 100mm，也就是液壓缸行程為 100mm。在鉆床的切削加工過(guò)程中，鉆床主軸主要受到切削扭矩和軸向進(jìn)給力的作用。軸向進(jìn)給力是沿主軸軸向的，在主軸保持其與工作臺(tái)的垂直度的情況下，軸向力作用產(chǎn)生的彎矩基本為零，可忽略不計(jì)。所以，鉆床主軸為僅受轉(zhuǎn)矩作用的軸類。主軸進(jìn)給液壓缸在工作中受到作用力可以分為三個(gè)階段分析。在主軸快進(jìn)工序中，液壓缸受到鉆床主軸組件重力和液壓缸系統(tǒng)的摩擦力的作用；在主軸工進(jìn)工序中，液壓缸受到鉆床主軸組件的重力、軸向切削力和液壓缸系統(tǒng)的摩擦力作用；在主軸快退的工序中，液壓缸受到主軸組件的重力、退刀阻力和液壓缸系統(tǒng)摩擦力。因此，在進(jìn)給液壓缸設(shè)計(jì)時(shí)，我們要以最大受力作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。3.4 切削力的計(jì)算3.4.1 切削刀具及相關(guān)參數(shù)的選擇目前在鉆孔加工中，麻花鉆主要有高速鋼麻花鉆和硬質(zhì)合金麻花鉆兩類。由于高速鋼麻花鉆在采用物理沉積法 TiN 涂層處理后，其耐用度和鉆孔精度有了較大提高，所以該鉆頭應(yīng)用極廣。所以，在本文的鉆削加工過(guò)程中，選擇高速鋼麻花鉆頭。查《金屬切削手冊(cè)》選擇標(biāo)準(zhǔn)圓柱錐柄麻花鉆中等長(zhǎng)度第一系列，刀具直徑為 12mm,鉆頭與主軸用莫氏錐孔連接，莫氏錐孔為 1 號(hào)莫氏錐孔。由于被加工材料為 Q235 鋼，其切削性能較好，所以查 《金屬切削手冊(cè)》選擇加工時(shí)進(jìn)給量 f 為：f=0.2mm/r ；其對(duì)應(yīng)的切削速度 V=32m/min。3.4.2 主軸轉(zhuǎn)速及鉆孔時(shí)間的計(jì)算查《金屬切削手冊(cè)》 ，由切削速度計(jì)算公式可得出主軸在工藝長(zhǎng)期穩(wěn)定時(shí)的固定轉(zhuǎn)速 n 的計(jì)算公式如下：式中， ——選定的切削速度（m/min）v——刀具或工件的直徑（mm）d將 V=32m/min，d=12mm 代入公式中，計(jì)算得出 n=850r/min.查《金屬切削手冊(cè)》,鉆孔時(shí)間 T 的計(jì)算公式為：式中，l——被鉆孔厚度（mm）f——切削進(jìn)給量（mm/r）min/10rdvn??分fndl3.0??機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 何峰雷 第 13 頁(yè) ——刀具或工件的直徑（mm）dn——主軸固定轉(zhuǎn)速（r/min）將 l =15mm，f =0.2mm/r, d=12mm,n=850r/min 代入公式中，計(jì)算得出 T=6.6s.由此，確定一件工件的加工工時(shí)為：送料 1s，工件夾緊 2s，快進(jìn) 2s，工進(jìn) 7s，主軸停留 2s，快退 2s，出料 1s，加工一件工件用時(shí) 17s，達(dá)到了加工效率的要求。3.4.3 切削力的計(jì)算鉆床切削力的計(jì)算包括鉆床主軸轉(zhuǎn)矩計(jì)算和主軸軸向切削力的計(jì)算。由于加工材料為 Q235 鋼，其屬于碳素結(jié)構(gòu)鋼，鉆頭為高速鋼麻花鉆，加工方式為鉆孔，所以查《機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)》得：鉆床轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式如下： pkkfDM08234.?式中， —— 切削力矩（N·M）k—— 鉆頭直徑（mm）D—— 每轉(zhuǎn)進(jìn)給量（mm）f—— 修正系數(shù)pk軸向切削力的計(jì)算公式如下： pfKDfF7.06?式中， —— 軸向切削力（N）f—— 鉆頭直徑（mm）D—— 每轉(zhuǎn)進(jìn)給量(mm)f—— 修正系數(shù)pk已知被加工材料為 Q235 結(jié)構(gòu)鋼，結(jié)構(gòu)鋼和鑄鋼取=736MPa， D=12mm， =0.2mm，所以可分別計(jì)算出切削轉(zhuǎn)矩和軸向切削為：b?f=13.5 N·MkM=2595 NfF3.5 鉆床主軸設(shè)計(jì)3.5.1 主軸材料的選擇在軸的設(shè)計(jì)過(guò)程中，軸類的材料選擇要考慮如下因素：（1） 軸的強(qiáng)度、剛度和耐磨性要求；（2） 軸的熱處理方式和機(jī)加工工藝性要求；75.0)3(bpk?機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 何峰雷 第 14 頁(yè) （3） 軸的材料來(lái)源和經(jīng)濟(jì)性；軸的常用材料有碳鋼和合金鋼。一般來(lái)說(shuō)碳鋼比合金鋼價(jià)格低廉，對(duì)應(yīng)力集中的敏感性低，可通過(guò)熱處理改善其綜合性能，加工工藝性好，應(yīng)用廣泛。而合金鋼雖然機(jī)械性能和淬火性能優(yōu)于碳鋼，但其價(jià)格較貴，一般用于強(qiáng)度和耐磨性要求高的場(chǎng)合。綜合以上設(shè)計(jì)要求及因素，鉆床主軸材料選用 45 號(hào)鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后 HB 要達(dá)到 240 左右。其機(jī)械性能參數(shù)如下：δ b=650MPa； δ s=360MPa；δ -1=300MPa；τ -1=155MPa；[δ -1]b=60MPa；[τ T]=35MPa。3.5.2 軸徑的計(jì)算由金屬切削原理可知，主軸切削功率的計(jì)算公式為：式中： —— 軸向切削力（N）fF—— 每轉(zhuǎn)進(jìn)給量(mm)n——主軸固定轉(zhuǎn)速（r/min）—— 切削力矩（N·M）kM將以上數(shù)值代入公式中可計(jì)算出功率 =1.2KWmP考慮到軸承傳動(dòng)效率（查得為 0.99）和花鍵傳動(dòng)效率（查得為 0.98） ，所以可計(jì)算出鉆床主軸要傳遞的功率 P 為：P= /(0.99×0.99×0.98)=1.25KWm由工況分析可知，在鉆床的切削加工過(guò)程中，鉆床主軸主要受到切削扭矩和軸向進(jìn)給力的作用。軸向進(jìn)給力是沿主軸軸向的，在主軸保持其與工作臺(tái)的垂直度的情況下，軸向力作用產(chǎn)生的彎矩基本為零，可忽略不計(jì)。所以，鉆床主軸為僅受轉(zhuǎn)矩作用的軸類。查《機(jī)械設(shè)計(jì)》得鉆床最小直徑的計(jì)算公式如下： 3minpCd??選 C=110，計(jì)算出 dmin=13mm由計(jì)算結(jié)果可知，在滿足加工條件的情況下，鉆床主軸最小直徑不能小于13mm，根據(jù)普通臺(tái)式鉆床的主軸結(jié)構(gòu)，現(xiàn)選自動(dòng)鉆床直徑為 40mm。3.5.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由圖 3-2 進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖可知，鉆床主軸上主要安裝有一對(duì)深溝球軸承、一對(duì)推力球軸承、一個(gè)軸承擋環(huán)、一個(gè)鎖緊螺栓和軸端的花鍵連接。根據(jù)鉆床軸徑選用軸KWnMfPkm310)6201(??????機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 何峰雷 第 15 頁(yè) 承及花鍵尺寸如下（表 3-1）表示：根據(jù)主軸的的行程，可確定鉆床主軸的基本長(zhǎng)度尺寸如下圖示（圖 3-3）：表 3-1 主軸零件選用表主軸零件 型號(hào)深溝球軸承 滾動(dòng)軸承 6208 GB/T 276-1994推力球軸承 滾動(dòng)軸承 51308 GB/T 301-1995花鍵 8×32×36×6 GB/T 1144-1987圖 3-3 鉆床主軸基本尺寸簡(jiǎn)圖3.5.4 軸強(qiáng)度的校核由工況分析可知，鉆床主軸的受力圖如下（圖 3-4）：圖 3-4 鉆床主軸受力簡(jiǎn)圖fF液 壓 力FMMk機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 何峰雷 第 16 頁(yè) 圖 3-5 鉆床主軸轉(zhuǎn)矩簡(jiǎn)圖考慮到傳動(dòng)效率，鉆床主軸要傳遞的轉(zhuǎn)矩 M=Mk/（ 0.99×0.99×0.98）=14 N·M,液壓力為對(duì)稱受為，合力方向沿鉆床主軸方向，大小與進(jìn)給切削力 相互抵消。所fF以，繪制主軸所受轉(zhuǎn)矩圖如圖 3-5。根據(jù)軸上零件的布置，軸的危險(xiǎn)截面為軸端花鍵處，所以應(yīng)對(duì)該處進(jìn)行軸的強(qiáng)度校驗(yàn)。扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度約束條件： ][TTWM????式中：τ T—— 軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（MP a）M——軸的傳遞轉(zhuǎn)矩(N·mm)WT——軸的抗扭截面模量（mm 3）[τ T]——軸的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（ ）aMP查《機(jī)械設(shè)計(jì)》得花鍵的抗扭截面模量 WT的計(jì)算公式為： DdbzdT16)(141?????式中：d 1——花鍵內(nèi)徑（mm）b——花鍵齒寬(mm)z——花鍵的齒數(shù)D——花鍵的外徑（mm）將選用花鍵的基本參數(shù)代入公式中可計(jì)算出 WT=5739 ，所以可以計(jì)算出鉆3m床主軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力 =2.44 。T?aMP由于[ ]=35 ，顯然 ≤[ ]，所以，軸滿足強(qiáng)度要求。TaT?3.6 進(jìn)給液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.6.1 負(fù)載分析一般情況下，作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的液壓缸的負(fù)載由六部分組成，即工作阻力、摩擦阻力、慣性力、重力、密封阻力和背壓力。負(fù)載分析中，我們暫不考慮回油腔的背時(shí)壓力，液壓缸的密封裝置產(chǎn)生的摩擦阻力在機(jī)械效率中加以考慮。因改造后的自動(dòng)鉆床和普通臺(tái)式鉆床一樣豎直放置，所以需要考慮的力有：工作阻力（鉆床軸向切削力） 、系統(tǒng)摩擦阻力（在機(jī)械效率中考慮） 、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 何峰雷 第 17 頁(yè) 重力和慣性力。負(fù)載中工作阻力為鉆床的軸向切削力，其大小 =2595 NfF系統(tǒng)摩擦阻力在機(jī)械效率中考慮，軸承傳動(dòng)效率取 0.99，花鍵傳動(dòng)效率取 0.98，液壓傳動(dòng)效率取 0.95，所以計(jì)算出整下系統(tǒng)的機(jī)械效率 η 為：η=0.99×0.99×0.98×0.95=0.91系統(tǒng)要克服的重力有鉆床主軸重力和液壓缸活塞桿重力，鉆床主軸重力可按下式計(jì)算：查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》鋼材密度取 7.85 ，主軸體積 V 為：3??mt92104?ldV?式中： V——主軸體積（m 3）d——主軸直徑 (mm)，取 40mm——主軸長(zhǎng)度（mm） ，取 550mml所以主軸重力 為：主 軸G=主 軸 gVm???式中： V——主軸體積（m 3）ρ——主軸材料密度（ ）3?kg——重力加速度（ ） ，取 102s2ms——主軸重力（N）主 軸G計(jì)算出主軸重量 =55N.考慮到軸上零件和液壓缸活塞桿重力，現(xiàn)取整個(gè)系統(tǒng)主 軸要承受的重力 =200N。慣性力 Fm 指運(yùn)動(dòng)部件在啟動(dòng)或制動(dòng)過(guò)程中的慣性力，查《液壓與氣壓傳動(dòng)》得其計(jì)算公式為：式中， ——系統(tǒng)重力G——重力加速度g—— 時(shí)間內(nèi)的速度變化量v?t——加速或減速時(shí)間t已知主軸系統(tǒng)重力 G=200N；快進(jìn)行程 70mm；工進(jìn)行程為 20mm；根據(jù)工時(shí)安排可確定主軸快進(jìn)快退速度為 3m/min；工進(jìn)速度為 0.17m/min；加速、減速時(shí)間一般tvgGFm??機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 何峰雷 第 18 頁(yè) 取 Δt=0.2s；所以可以計(jì)算出慣性力：=5N602.31??mF快進(jìn)時(shí)，在不考慮背壓的情況下，主軸會(huì)在重力的作用下自動(dòng)下移，且加速度大約為 9.8 ，因此，液壓缸在快進(jìn)時(shí)受到的最大作用力 F=G×η=182N。2?ms工進(jìn)時(shí)，液壓缸要克服工作阻力（主軸軸向切削力）和系統(tǒng)摩擦力，此時(shí)系統(tǒng)重力起到動(dòng)力作用。所以 F=（ -G）/η，為了設(shè)計(jì)的可行性，使得液壓缸有足夠的液fF壓作用力，計(jì)算中我們?nèi)∠到y(tǒng)重力的一半代入到式中，F(xiàn)=2742N?？焱藭r(shí)，液壓缸要克服重力和系統(tǒng)摩擦力，所以 F=G/η 考慮到鉆頭退出工件時(shí)的摩擦力，η 在計(jì)算時(shí)取 0.89，所以計(jì)算出此時(shí) F=225N。列出主軸系統(tǒng)各運(yùn)動(dòng)階段的液壓負(fù)載計(jì)算公式及大小如下表（表 3-2）：表 3-2 液壓缸各運(yùn)動(dòng)階段負(fù)載表運(yùn)動(dòng)階段 計(jì)算公式 負(fù)載大?。∟）主軸快進(jìn) F=G×η 182主軸工進(jìn) F=（ -G）/ηfF2742主軸快退 F=G/η 225根據(jù)液壓缸各運(yùn)動(dòng)階段負(fù)載計(jì)算結(jié)果和已知各階段的運(yùn)動(dòng)速度，我們可以畫出負(fù)載圖（F- ）和速度圖 (V- )如下（圖 3-6）：ll圖 3-6 液壓系統(tǒng)負(fù)載及速度簡(jiǎn)圖3.6.2 液壓缸執(zhí)行元件主要參數(shù)的確定(一)初選液壓缸的工作壓力表 3-3 液壓設(shè)備常用的工作壓力表機(jī)床設(shè)備類型 磨床 組合機(jī) 床龍門刨床拉床農(nóng)業(yè)機(jī)械或中型工程機(jī)械液壓機(jī)、重型機(jī)械起重運(yùn)輸機(jī)械工作壓力P1/（MPa0.8～2.03～5 2～8 8～1010～16 20～32F（N）0182225274270 72 )(mlV（m/min） )(ml70 72-330.17機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 何峰雷 第 19 頁(yè) ）液壓缸的工作壓力主要根據(jù)液壓設(shè)備的類型來(lái)確定，對(duì)不同的液壓設(shè)備，由于工作條件的不同，通常采用的壓力范圍也不同。根據(jù)鉆床的工作條件和加工要求，參考液壓設(shè)備常用的工作壓力表（表 3-3）和同類機(jī)床的液壓工作壓力，初選液壓缸的工作壓力 =3 。1PaM(二)確定液壓缸的類型及主要結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)設(shè)計(jì)的要求和鉆床主軸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，選擇雙桿活塞缸，活塞桿為中空桿，以便主軸穿過(guò)；活塞桿兩端裝有軸承，以固定主軸。雙桿活塞缸的活塞桿兩側(cè)都可伸出，根據(jù)工作需要，選用活塞缸采用缸筒固定式。缸筒固定式雙桿活塞缸簡(jiǎn)圖如下（圖 3-7）：圖 3-7 缸筒固定式雙桿活塞缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖自動(dòng)鉆床在完成工進(jìn)后，為了防止在鉆通要加工的孔后主軸突然前沖，我們要在回油路上安裝背壓閥。查表 3-4 液壓缸參考背壓表，回油路背壓選擇 =0.8 。2PaM表 3-4 液壓缸參考背壓系統(tǒng)類型 背壓 （ ）2a回油路上有節(jié)流閥的調(diào)速系統(tǒng) 0.2～0.5回油路上有調(diào)速閥的調(diào)速系統(tǒng) 0.5～0.8回油路上裝有背壓閥 0.5～1.5帶補(bǔ)油泵的閉式回路 0.8～1.5由表 3-1 主軸零件選用表可知，活塞桿兩端要裝軸承。深溝球軸承選用滾動(dòng)軸承 6208 GB/T 276-1994，其外徑為 80mm，查表 3-5 活塞桿直徑系列表，活塞桿直徑選用 =100mm。d表 3-5 活塞桿直徑系列（GB2348-80） （mm）機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 何峰雷 第 20 頁(yè) 4 5 6 8 10 12 14 16 1820 22 25 28 32 36 40 45 5056 63 70 80 90 100 110 125 140160 180 200 220 250 280 320 360 400由表 3-2 可知，當(dāng)主軸工進(jìn)時(shí)液壓系統(tǒng)的負(fù)載最大 F=2742N，由此可計(jì)算出液壓缸的有效面積 A 為： bPFdDA???124)(?式中： ——液壓缸內(nèi)徑（ ）m——液壓缸活塞桿直徑（ ）, =100mmdd——液壓缸負(fù)載（ ）, F=2742FN——液壓缸工作壓力（ ）, =31PaM1a——回油路背壓力（ ）, = =0.8b Pb2P所以可計(jì)算也液壓缸內(nèi)徑 =117 。為了便于采用標(biāo)準(zhǔn)的密封式元件，查表 3-Dm6 對(duì)液壓缸內(nèi)徑進(jìn)行圓整。圓整后取 =125 。表 3-4 液壓缸內(nèi)徑尺寸系列（GB2348-80）(mm)8 10 12 16 20 25 3240 50 63 80 （90） 100 （110）125 （140） 160 （180） 200 220 250320 400 500 630液壓缸基本尺寸確定后，要按最低工進(jìn)速度驗(yàn)算液壓缸的尺寸。即保證液壓缸的有效工作面積要大于或等于保證最小穩(wěn)定速度時(shí)的最小有效面積 。minA即： ≥4)(2dDA???miniVqA?式中， ——流量閥的最小穩(wěn)定流量， =0.05minqini/L——液壓缸的最低速度, =0.17V由計(jì)算可得 A=2767 ≥ =294 ,因此，液壓系統(tǒng)基本尺寸滿足最低速度2in2的要求。（三）液壓缸材料的選擇液壓缸材料的選擇主要受以下幾個(gè)因素的制約：（1）液壓缸要有足夠的強(qiáng)度；機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 何峰雷 第 21 頁(yè) （2）液壓缸要有足夠的剛度；（3）液壓缸要有很好的耐磨性能；因此，基于以上因素及國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的液壓缸材料，液壓缸材料選擇 45 號(hào)無(wú)縫鋼管。（四）液壓缸各工作階段的工作壓力、流量和功率計(jì)算根據(jù)液壓缸的負(fù)載圖和速度圖以及上述液壓缸的計(jì)算數(shù)值，可以計(jì)算出液壓缸工作各階段的壓力、流量和功率。在計(jì)算時(shí)工進(jìn)時(shí)背壓按 =0.8 代入，快退快進(jìn)bPaM時(shí)背壓按 =0.5 代入計(jì)算。計(jì)算公式及計(jì)算結(jié)果列于表 3-5 中。bPaM自動(dòng)鉆床快進(jìn)和工進(jìn)時(shí)，液壓缸上油缸進(jìn)油下油缸回油；快退時(shí)液壓缸下油缸進(jìn)油上油缸回油。因此計(jì)算液壓缸工作各階段的壓力、流量和功率如下表示（表 3-5）：表 3-5 液壓缸所需的實(shí)際流量、壓力和功率進(jìn)油壓力 回油壓力 所需流量 輸入功率工作循環(huán) 計(jì)算公式 jP（ ）aM（ ）naP（qmin/L）P（ ）kw主軸快進(jìn)j= -nAF=qVP= jP0.43 0.5 8.3 0.06主軸工進(jìn)j= +n=qAP= j1.8 0.8 0.47 0.02主軸快退jP= +nF=qVP= j0.6 0.5 8.3 0.08注：表中 A 為液壓缸有效面積，V 為各階段穩(wěn)定速度。（五）液壓缸壁厚和最小導(dǎo)向長(zhǎng)度的計(jì)算液壓缸的壁厚由液壓缸的強(qiáng)度條件來(lái)計(jì)算。液壓缸的壁厚一般是指缸筒結(jié)構(gòu)中最薄處的厚度。因壁厚不同可分為薄壁圓筒和厚壁圓筒。液壓缸的內(nèi)徑 D 與其壁厚 δ 的比值 圓筒稱為薄壁圓筒。工程機(jī)械的液10/??D壓缸大多屬于薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，其壁厚按薄壁圓筒公式計(jì)算：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 何峰雷 第 22 頁(yè) 式中 δ—液壓缸壁厚（m） ；D—液壓缸的內(nèi)徑（m） ；—試驗(yàn)壓力，一般取最大工作壓力的（1.25～1.50）倍；yp[σ]—缸筒材料的許用應(yīng)力。其值：鍛鋼：[σ]=110～120；鑄鋼：[σ]=100～110 ；無(wú)縫鋼管：[σ]= aMPaMP100～110 ；高強(qiáng)度鑄鐵：[σ]=60 ；灰鑄鐵：[σ]a a=25 。根據(jù)表 3-5 中計(jì)算的結(jié)果，代入計(jì)算公式中，可計(jì)算出液壓缸壁厚 δ=4mm?？紤]到與缸蓋的聯(lián)接，所以設(shè)計(jì)中取液壓缸的壁厚 δ=8mm。最小導(dǎo)向長(zhǎng)度是指當(dāng)活塞桿全部外伸時(shí)，從活塞支撐面中點(diǎn)到缸蓋滑動(dòng)支撐面中點(diǎn)的距離 H 稱為對(duì)一般的液壓缸，最小導(dǎo)向長(zhǎng)度 應(yīng)滿足以下要求H式中 —液壓缸的最大行程；L—液壓缸的內(nèi)徑。D本設(shè)計(jì)中液壓缸的最大行程為 100mm，液壓缸的內(nèi)徑為 125mm，代入上式可計(jì)算得出 H≥67.5mm,設(shè)計(jì)中取 H=70mm。（六）液壓系統(tǒng)原理圖自動(dòng)鉆床要完成快進(jìn)、工進(jìn)和快退的工作循環(huán)?？爝M(jìn)和工進(jìn)時(shí)進(jìn)給液壓缸上油缸進(jìn)油下油缸出油，而快退時(shí)進(jìn)給液壓缸下油缸進(jìn)油上油缸出油，因此液壓控制時(shí)只需一次換向?？紤]到系統(tǒng)工進(jìn)完后，需要定時(shí)停留，因此，換向閥選擇具有中位封閉功能的三位四通電磁換向閥。由于快進(jìn)快退和工進(jìn)時(shí)的速度不一樣，所以系統(tǒng)要有調(diào)整裝置。根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)可知，液壓系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)速度不是太大，負(fù)載也不大，因此，調(diào)整系統(tǒng)選擇進(jìn)口節(jié)流調(diào)整，該調(diào)整系統(tǒng)具有較好的低速穩(wěn)定性和速度負(fù)載特性；液壓泵選用單向定量液壓泵。自動(dòng)鉆床液壓進(jìn)給系統(tǒng)控制原理圖如圖 3-8 示。????2Dpy?20DL??機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 何峰雷 第 23 頁(yè) 快 退快 進(jìn)工 進(jìn)圖 3-8 自動(dòng)鉆床液壓進(jìn)給系統(tǒng)控制原理圖1、三位四通電磁換向閥 2、二位二通電磁換向閥 3、調(diào)速閥 4、液壓缸5、二位三通電磁換向閥 6、7、8、溢流閥（6、7 作背壓閥用）9、液壓泵 10、過(guò)濾器快進(jìn)時(shí)，液壓系統(tǒng)在 PLC 自動(dòng)控制下啟動(dòng)，電磁鐵 1Y 得電，三位四通電磁換向閥 1 接入左位，液壓泵 9 供油經(jīng)二位二通電磁換向閥 2 進(jìn)入液壓缸 4 上腔，回油經(jīng)三位四通電磁換向閥 1、二位三通電磁換向閥 5、溢流閥 6 回油箱。工進(jìn)時(shí)，電磁鐵 1Y、3Y 和 4Y 得電，三位四通電磁換向閥 1 接入左位，二位二通電磁換向閥 2 接入左位，二位三通電磁換向閥 5 位入左位，液壓泵 9 供油經(jīng)調(diào)整閥 3進(jìn)入液壓缸 4 上腔，回油經(jīng)三位四通電磁換向閥 1、二位三通電磁換向閥 5 和溢流閥7 回油箱。主軸停留，三位四通電磁換向閥 1 處于中位，液壓泵 9 供油在達(dá)到一定壓力的條件下回油箱，液壓系統(tǒng)處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。停留時(shí)間由 PLC 定時(shí)控制?？焱藭r(shí)，電磁鐵 2Y，三位四通電磁換向閥 1 接入右位，液壓泵 9 供油到液壓缸4 下腔，回油經(jīng)二位二通電磁換向閥 2、三位四通電磁換向閥 1、二位三通電磁換向閥 5 和溢流閥 6 回油箱。工作循環(huán)過(guò)程中電磁鐵動(dòng)作表（表 3-6）：表 3-6 電磁鐵動(dòng)作表工作階段 1Y 2Y 3Y 4Y快進(jìn) + - - -工進(jìn) + - + +停留 - - + +快退 - + - -機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 何峰雷 第 24 頁(yè) （七）液壓元件的選擇1、液壓泵的選擇液壓泵的最高工作壓力可按下式計(jì)算： ????Pp1式中， ——液壓泵的最高工作壓力pP——液壓缸的最大工作壓力；查表 3-5 =1.81 1aMP——進(jìn)油管路總壓力損失；初算時(shí)簡(jiǎn)單系統(tǒng)可取 ～? 0.2，復(fù)雜系統(tǒng)可取 ～ 。取 =0.5MPa0.5??根據(jù)上式及數(shù)據(jù)值，可計(jì)算出 =2.3 。計(jì)算出的 是系統(tǒng)的靜態(tài)壓力，因papP為系統(tǒng)在各種工況的過(guò)度階段出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)壓力往往超過(guò)靜態(tài)壓力。另外考慮到一定的壓力儲(chǔ)備量，并確保泵的壽命，因此選泵的額定壓力 應(yīng)滿足 ～ ，中n(1.25n?.6)pP低壓系統(tǒng)取小值，高壓系統(tǒng)取大值。所以泵的額定壓力 為：=1.25 =2.9nPpaMP液壓泵的最大流量 應(yīng)滿足下面公式：pq)(maxqKqL??式中， ——液壓泵的最大流量p——同時(shí)動(dòng)作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值。如max果這時(shí)溢流閥正在進(jìn)行工作，需加上溢流閥的最小溢流量 ～ ；查表 3-5 取 =8.323/inLmaxq；i/——系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取 ～ ，式中取 ；LK1.LK?31.2LK?所以計(jì)算出 ≥9.96 。pqmin/根據(jù)上面計(jì)算的壓力和流量，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》液壓泵產(chǎn)品樣本，選擇 YB1-12型，其額定壓力為 6.3 ，排量為 12 ,額定轉(zhuǎn)速為 960 ，驅(qū)動(dòng)功率為 2aMPrL/ min/r。其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、壓力流量脈動(dòng)小、噪聲低和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。KW2、液壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇根據(jù)已選擇的液壓泵的規(guī)格，我們可知已選液壓泵需要的驅(qū)動(dòng)功率 2 ，查電KW機(jī)樣本表可選液壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)為：Y132S-6。其額定功率為 3 ，滿載轉(zhuǎn)速為960 。min/r3、液壓系統(tǒng)液壓閥的選擇機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 何峰雷 第 25 頁(yè) 根據(jù)表 3-5 液壓系統(tǒng)各工作階段所需的實(shí)際流量、壓力和設(shè)計(jì)中所選的背壓大小，所選液壓閥見(jiàn)液壓系統(tǒng)液元件明細(xì)表（表 3-7） 。表中序號(hào)與自動(dòng)鉆床液壓進(jìn)給系統(tǒng)控制原理圖中序號(hào)一致。表 3-7 液壓系統(tǒng)液元件明細(xì)表序號(hào) 元件名稱 最大通過(guò)流量 （ ）min/L型號(hào)1 三位四通電磁換向閥 15 WE5E5/AW220-502 二位二通電磁換向閥 15 3WE5E5/AW220-503 調(diào)速閥 0.6 31-2FRM5/0.6 min/L5 二位三通電磁換向閥 15 4WE5E5/AW220-506 溢流閥 100 BT-03-L-327 溢流閥 100 BT-03-L-328 溢流閥 100 BT-03-L-329 定量葉片泵 11.52 YB1-1210 過(guò)濾器 25 XU-25×80J備注：溢流閥 6 壓力調(diào)至 0.5 ，溢流閥 7 壓力調(diào)至 0.8 ，溢流閥 8 壓力調(diào)至 6.4aMPaMPaMP4、液壓系統(tǒng)油管的選擇液壓傳動(dòng)中，常用的油管有鋼管、銅管、塑料管、尼龍管、橡膠軟管等。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求和工作環(huán)境的不同選擇相應(yīng)的材料。本設(shè)計(jì)中，考慮到自動(dòng)鉆床的工作環(huán)境，油路管道選用鋼管。油管尺寸參照選用的液壓元件接口尺寸決定。5、液壓系統(tǒng)油箱的選擇由以上計(jì)算可知，本液壓系統(tǒng)屬中低壓系統(tǒng)，所以在確定油箱容積時(shí)一般取液壓泵額定流量的 5～7 倍。設(shè)計(jì)中取液壓泵額定流量的 7 倍，故油箱容積為：=7×11.52=80.64VL查相關(guān)產(chǎn)品樣本油箱型號(hào)選擇：AB40-33-0100N。其公稱容積為 100 。L（八）液壓油的選擇液壓系統(tǒng)中的工作油液具有雙重作用，一是作為傳遞能量的介質(zhì)，二是作為潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑運(yùn)動(dòng)零件的工作表面。要選擇液壓油時(shí)，一般要考慮的因素有：液壓油的粘度、液壓系統(tǒng)的工作壓力、環(huán)境溫度、運(yùn)動(dòng)速度和液壓泵的類型。綜合以上因素液壓油選擇普通液壓油，牌號(hào)為 46。3.6.3 活塞桿及活塞材料的選擇活塞桿材料一般選用中碳鋼（如 45 號(hào)鋼） ，由于該設(shè)計(jì)為選用雙桿液壓缸，所以活塞桿材料選用 45 號(hào)鋼，需經(jīng)調(diào)質(zhì)和淬火處理，淬火深度為 0.5mm.機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 何峰雷 第 26 頁(yè) 活塞材料選用高強(qiáng)度的鑄鐵，選擇 HT200。3.6.4 活塞桿與活塞的連接方式及活塞密封裝置的選擇圖 3-9 活塞桿與活塞連接方式及活塞密封方式圖活塞和活塞桿的連接結(jié)構(gòu)有以下幾種，整體式結(jié)構(gòu)和組合式結(jié)構(gòu)。組合式結(jié)構(gòu)又分為螺紋連接、半環(huán)連接和錐銷連接，我們采用的是卡環(huán)連接，它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝拆方便。活塞及活塞桿處的密封圈的選用，應(yīng)根據(jù)密封的部位、使用的壓力、溫度、運(yùn)動(dòng)速度的范圍的不同而選擇不同類型的密封圈。我們選用 O 型密封圈密封。O 型密封圈密封原理是依靠 O 型密封圈預(yù)壓縮，消除間隙而實(shí)現(xiàn)密封。O 型密封能隨壓力的增加而自動(dòng)提高密封件與密封表面的接觸應(yīng)力，從而提高密封作用，并且 O 型密封圈可在磨損后自動(dòng)補(bǔ)償。 （見(jiàn)圖 3-9）3.6.5 液壓缸蓋與液壓缸連接方式及密封方式的選擇液壓缸蓋與液壓缸采用法蘭連接。法蘭連接結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，易加工，易裝卸。液壓缸蓋密封采用組合式密封，并且在缸蓋內(nèi)側(cè)加非金屬材料導(dǎo)向環(huán)。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 3-10 示：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 何峰雷 第 27 頁(yè) 圖 3-10 缸蓋與缸連接方式及缸蓋密封方式3.7 本章小結(jié)在本章節(jié)自動(dòng)鉆床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要包括機(jī)床主軸的設(shè)計(jì)的進(jìn)給液壓缸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是整個(gè)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重點(diǎn)。其中機(jī)床主軸設(shè)計(jì)中有關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)，為下面章節(jié)中的設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)，提供了方便；進(jìn)給液壓缸的設(shè)計(jì)是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提。4 專用鉆床主軸傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1 主軸傳動(dòng)系統(tǒng)的分析由圖 2-3 可知，主軸傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括帶輪傳動(dòng)、主軸花鍵傳動(dòng)和液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)已在第三章中介紹并作出了設(shè)計(jì)，所以本章介紹帶輪傳動(dòng)和主軸花鍵傳動(dòng)的設(shè)計(jì)。導(dǎo)向環(huán)U 型密封防塵圈機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 何峰雷 第 28 頁(yè) 主軸花鍵傳動(dòng)主要是滿足主軸在高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)還能夠作軸向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。在主軸花鍵設(shè)計(jì)中，主要是根據(jù)主軸的軸徑大小來(lái)選擇花鍵的尺寸。主軸系統(tǒng)帶輪傳動(dòng)可實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，設(shè)計(jì)包括 V 帶的選擇和帶輪尺寸的設(shè)計(jì)。4.2 主軸花鍵的設(shè)計(jì)花鍵聯(lián)接，由帶有多個(gè)鍵齒的軸和轂孔組成，齒側(cè)面為工作面，可用于靜聯(lián)接和動(dòng)聯(lián)接。與鍵聯(lián)接相比，花鍵聯(lián)接有更高的承載能力，較好的定心性和導(dǎo)向性；可實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)聯(lián)接；對(duì)軸的削弱也較小。設(shè)計(jì)中軸上花鍵主要傳遞轉(zhuǎn)矩，并起到軸端的導(dǎo)向定心作用。根據(jù)表 3-1 主軸零件的選用，選用花鍵規(guī)格為：（ ） 8×32×36×6 GB/T 1144-1987（BDdN?為齒數(shù)×內(nèi)徑×外徑×齒寬） 。主軸的行程為 100mm，查表 4-1 可確花BDdN?鍵的長(zhǎng)度為 =160mm。l表 4-1 花鍵長(zhǎng)度系列表 （mm）10 12 15 18 22 25 28 30 3236 38 42 45 8 50 56 60 6371 75 80 85 90 95 100 110 120130 140 160 180 200由于主軸材料為 45 鋼，加工后要調(diào)質(zhì)處理，主軸端花鍵與轂孔為滑動(dòng)聯(lián)接，所以花鍵尺寸公差選擇分別為：d 取 f7，D 取 a11，鍵寬 B 取 d10。鍵寬位置度公差取=0.015mm,鍵寬對(duì)稱度公差取 =0.012mm。1t 2t4.3 主軸電機(jī)選擇根據(jù) 3.5.2 章節(jié)的計(jì)算可知，主軸切削功率 =1.2KW。由于花鍵轂要與帶輪固mP定在機(jī)架上，取軸承傳動(dòng)效率為 0.99、花鍵傳動(dòng)效率為 0.98 和 V 帶傳動(dòng)效率為0.96，所以可計(jì)算出電機(jī)要傳遞的最小功率 為： 96.089.03??mP所以可計(jì)算出 =1.32 。查電機(jī)樣品選取電機(jī)型號(hào)為：Y90L-4。其額定功率KW為 1.5 ，滿載轉(zhuǎn)速為 1400 r/min。K4.4 V 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)4.4.1 設(shè)計(jì)功率 的計(jì)算cPPKAc?式中： ——工況系數(shù)；自動(dòng)鉆床一般為空載啟動(dòng)取 =1.2AKAK機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 何峰雷 第 29 頁(yè) ——傳遞功率；取電動(dòng)機(jī)額定功率 =1.5PPKW計(jì)算出 =1.8 。cKW4.4.2 選擇帶型根據(jù) =1.8 ， =1400 r/min，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》選用 Z 型 V 帶。cP1n4.4.