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1、1 青岛黄海职业学院毕 业 设 计（论 文）设计 (论文 )题目：钻床的自动化改造及进给系统设计姓名李 宾 华学号029408302122系部机电工程系专业机电一体化年级07 级 6 班指导教师2010年 10 月 30 日名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 43 页 - - - - - - - - - 2 目录第一章绪论 . 71.1 问题分析及其对策 . 71.2 本文研究的内容及目标 . 81.3 本章小结. 9第二章自动钻床的总体方案设计. 92.1
2、自动专用钻床已知条件和设计要求的概述. 92.2 自动钻床的工艺路线分析与确定 . 102.3 执行系统的方案设计. 102.4 传动系统方案设计和原动机选择 . 122.5 控制方案设计 . 132.6 总体布局设计 . 132.7 本章小结. 13第三章专用钻床进给系统的设计. 143.1 进给系统概述与分析. 143.2 进给系统方案图的确定 . 153.3 工况分析. 15名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 43 页 - - - - - - - - -
3、 3 3.4 切削力的计算 . 163.5 钻床主轴设计 . 173.6 进给液压系统设计. 203.7 本章小结. 30第四章专用钻床主轴传动系统的设计. 314.1 主轴传动系统的分析. 314.2 主轴花键的设计. 314.3 主轴电机选择 . 334.4 V 带传动设计 . 324.5 本章小结. 33第五章自动钻出控制系统的设计.345.1 自动钻床的自动化控制要求. 345.2 可编程控制器 PLC的简述 . 345.3 自动钻床进给系统控制流程. 355.4 自动钻床进给系统电气原理图. 375.5 自动钻床进给系统控制元件的选择 . 385.7 本章小结. 40名师资料总结 -
4、 - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 43 页 - - - - - - - - - 4 第六章设计总结 . 41致谢 . 42参考文献 . 43名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 43 页 - - - - - - - - - 5 摘要本文主要介绍了台式钻床的改造和设计，通过导入液压进给系统和PLC控制系统将台式钻床改造为自动钻床，并可通过PLC
5、实现自动控制。设计过程按照机床的一般设计步骤先进行总体方案的确定，然后再分别对进给系统、传动系统和控制系统进行具体设计。设计的目标在于通过导入液压进给系统和PLC控制系统，改造后的钻床能实现自动化连续生产、改善产品的加工质量、提高劳动生产效率；降低工作人员劳动强度和工作量；钻床系统能够工作平稳，满足工作要求；经济因素合理。本文设计的重点在于进给系统液压缸的设计和PLC控制系统的设计。进给液压缸系统的设计主要包括液压缸结构设计和控制油路的设计；PLC 控制系统设计主要是根据工作要求和控制需要，选择电气元件和编写控制程序来实现对自动钻床的控制。改造后的钻床，能实现自动化控制，是典型的机电一体化产品
6、。关键词 ：自动钻床；液压进给系统；PLC 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 43 页 - - - - - - - - - 6 ABSTRACTThis thesis mainly illustrates the improving and design of Bench-type drilling machine. We change the Bench-type drilling machine to automatic drilling machine
7、 by transmitting into hydraulic system and PLC control system, the automatic drilling machine can be controlled by PLC. We ascertain the entire scheme by the general machine design steps in the design process, and then separately design the feed system、drives system and control system. The purpose o
8、f this design as below: By transmitting into hydraulic system and PLC control system, the automatic drilling machine c the system of the automatic drilling machine can work reposefully and satisfy the require; the spent of design is economic. The important parts of the thesis are the design of hydra
9、ulic feeds system and PLC control system. The design of feed hydraulic system includes the designs of hydraulic tanks structure and control; the design of PLC control system is choosing the electrical components and programming control program to controlling the automatic drilling machine according
10、to the requirements of work and control. The Bench-type drilling machine improved can be controlled automatically. It is a typical machine of Mechatronics. Key words: automatic drilling machine ； hydrauli ； PLC名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 43 页
11、 - - - - - - - - - 7 第一章绪论1.1 问题分析及其对策1.1.1 现代制造业的发展状况金属切削加工是指利用刀具切除被加工零件多余材料的方法，是机械制造行业中最基本的加工方法，金属切削加工过程是由金属切削机床来实现的。金属切削机床是用切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器。在现代机械制造行业中，随着加工零件方式多样化及工艺合理化的发展的要求，加工零件的方法也呈现出多样化，如：除切削加工外，还有铸造、锻造、焊接、冲压、挤压和辊轧等，在这其中机床切削加工的工作量约占总制造工作量的40% 60%(其中钻床占11.2%), 所以在目前的机械制造行业中金属切削机床是主要的加工设备。
12、而机床的技术性能又直接影响机械制造行业的产品质量和劳动生产率，所以为了提高国家的工业生产能力和科学技术水平，必须对机床的发展做出新的要求。我国机床工业自1949 年建立以来，虽然在短短的时间内取得了很大的成就，但与世界先进水平相比还有较大的差距。就现状看，主要表现在：我国机床工业起步晚、技术不成熟；大部分高精度和超精度机床的性能还不能满足要求，精度保持度也差，特别是高效自动化和数控机床的产量、技术水平和质量等方面都明显落后。据有关部门统计我国数控机床的产量仅是全部机床产量的1.5%，产值数控化仅为8.7%（至 1990 年底） ；我国数控机床基本上是中等规格的车床、铣床和加工中心等，而精密、大
13、型、重型或小型数控机床还远远不能满足要求；另外我国机床在技术水平和性能方面的差距也很明显，机床理论和应用技术的研究也明显落后。所以我们要不断学习和引进国外先进科学技术，大力发展研究，推动我国机床工业的发展。1.1.2 问题的提出由以上现状分析我们可以看出，在机床加工中钻床的加工工作量在制造工作量中占有很大的比重。钻床为孔加工机床，主要用来进行钻孔、扩孔、绞孔、攻丝等。长期以来我国的机械制造工业中孔类加工多数由传统钻床来完成，但是传统的钻床在大批量生产时存在许多的不足之处：（1）自动化程度不高 . ，难以进行大批量的生产；（2）工作效率低，且工人的工作环境恶劣；（3）占用人力较多，操作固定不变，
14、易出错；（4）精度不高，工件装夹费时；（5）加工产品质量不高；针对以上传统钻床的不足之处及生产中存在的问题，我们有必要对传名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 43 页 - - - - - - - - - 8 统钻床进行结构改进。通过对传统钻床手动的进给系统、夹紧系统及人工送料系统的改进和设计，从而提高产品质量和生产效率，实现自动化，降低劳动强度及工作量。1.1.3 问题的分析以及解决方案当前传统钻床问题的存在主要在于自动化程度、生产效率、工作环境及产品质量。在
15、生产过程中，手动的操作、繁锁的装夹、大量生产力的投入和单一的生产流程导致了钻床加工的自动化程度低、生产效率低、工作环境恶劣和产品质量不高，因此，我们要解决的问题在于如何实现钻床加工的自动化、减少生产力的投入生产和与其它工艺流程相结合，同时也要考虑经济问题。为了解决问题和便于设计改造，我们将钻床分为传动系统、进给系统、夹紧系统、送料系统和控制系统五个部分，下面分别对各部分的问题提出解决方案：（1）传动系统为满足改进后的加工及工作要求，在做出相应的计算后对传动系统进行改进和调整。（2）进给系统传统的钻床主轴进给系统主要由主轴、主轴套筒、主轴套筒镶套、齿轮齿条和轴承等组成。主轴在加工时即要作旋转运动
16、，也要作轴向的进给运动。机床主轴被装置在主轴套筒内，套筒放置在主轴箱体孔的镶套内，主轴上侧由花键连接。机床加工时，旋转运动由花键传入，而进给运动则由齿轮通过齿条带动套筒在镶套内运动。为了实现自动化控制的要求，主轴进给机构改进主要有：主轴旋转运动依然由电动机传入，而进给则由液压传动替代手动的齿条传动，通过液压控制系统来实现进给动作。（3）夹紧系统传统钻床的夹紧主要是手工操作，由夹具夹紧工件。为了便于实现自动化控制，工件夹紧由夹具完成，动力源由夹紧液压缸导入，通过液压控制系统来实现夹紧动作的自动化。（4）送料系统在生产过程中，钻床的送料主要由人工输入，这使得投入了大量的生产力，消耗了大量的工时，使
17、的生产率不高，为此我们通过导入自动送料系统来减少生产力的投入和工时的消耗。自动送料系统机构传动要根据生产的需求作出相应的设计需求，动力源可由电机或液压系统传入，二者均可实现自动化控制。（5） 控制系统当前机床控制系统主要由计算机数控、继电器电气控制和 PLC控制等，由于继电器电气控制系统，其联动关系复杂，维修困难，故障率高，经常影响正常生产，计算机数控造价高、系统复杂，而PLC控制系统可靠性好、造价低、抗干扰能力强、柔性好、编程简单、使用方便、扩充灵活、功能完善，所以我们利用PLC控制技术来实现对进给系统、夹紧系统和送料系统的液压控制系统的控制。1.2 本文研究的内容及目标本文主要是通过应用机
18、床设计的一般方法对传统钻床的机构和控制系统进行设计及改进。研究的主要内容是普通台式钻床传动系统的改进、进给系统的设计、进给系统液压缸的设计和 PLC控制系统的设计等四个方面。其中重点在于进给系统、进名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 43 页 - - - - - - - - - 9 给系统液压缸和 PLC控制系统的设计。进给系统设计主要是解决主轴高速旋转与轴向进给两个自由度的实现；进给系统液压缸设计包括液压缸的设计、液压缸与主轴的配合和液压缸油路控制； PLC
19、控制系统的设计主要是通过应用PLC控制程序来实现对液压油路的动作控制及钻床加工过程的动作控制。我们通过对传统台式钻床的改进及设计，要达到的目标在于通过改进钻床能够实现工作自动化，最终能满足以下要求：（1）能实现自动化连续生产，改善产品加工质量，提高生产效率；（2）降低工作人员劳动强度和工作量；（3）钻床系统工作平稳，满足工作要求；（4）经济因素合理；1.3 本章小结本章节主要对现代机械制造业作了简单的总概括，并对机床切削加工做出分析。提出当前金属切削加工中存在的一些问题，以及针对钻床加工现存的缺点做出剖析，提出对传统钻床改造的必要性和可行性，并对改造的任务和目标做出简述。通过对改造任务和目标简
20、述，为设计方案的确定了设计对象。第二章自动钻床的总体方案设计总体方案设计的构思和方案拟定关系到产品的功能是否齐全、性能是否优良、经济效益是否显著，因此，我们要确定良好的总体方案设计思想，保证产品的功能、经济效益和实用性能。总体方案设计的内容主要包括以下几个方面：（1）执行系统的方案设计；（2）原动机类型的选择和传动系统的方案设计；（3）控制系统的方案设计；（4）总体布局设计；（5）辅助系统的设计；为了完成普通台式钻床的改造及进给系统的设计，我们依循机床设计的一般步骤确定自动钻床的总体方案设计。2.1 自动专用钻床已知条件和设计要求的概述本文对普通台式钻床的自动化改造及进给系统设计是以某五金工具
21、厂钢丝钳生产线名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 43 页 - - - - - - - - - 10 的自动化改造为背景。已知：加工对象为钢丝钳，加工工序为在钢丝钳上削钻直径为12mm （钻床最大钻削直径）的通孔，钢丝钳材料为Q235 。改造后的全自动钻床应满足以下设计要求：（1）满足自动连续生产，且生产率为3 把/ 分钟；（2）自动化改造应是机械、电气和液压的有机结合；（3）传动系统设计应包含切削力计算、电动机选择、传动装置设计、床身结构设计等；（4）设计重
22、点为钻床液压进给系统之进给油缸设计；（5）自动控制系统应以PLC与手动相结合的方式实现；2.2 自动钻床的工艺路线分析与确定与传统台式钻床的加工工艺路线相比较，改造后的全自动钻床基本动作有很大的调整，这其中主要是导入了自动化加工动作。结合设计及生产要求，确定工艺路线如下：启动（电源及控制模块）自动送料自动夹紧主轴快进主轴工进主轴停留主轴快退夹具松开出料自动钻床的动作流程图如下（图2-1） ：图 2-1 自动钻床动作流程图2.3 执行系统的方案设计执行系统是机械系统中的重要组成部分，直接完成机械系统预期工作任务。机械执行系统的方案设计是机械系统总体方案设计的核心，是整个机名师资料总结 - - -
23、精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 43 页 - - - - - - - - - 11 械设计工作的基础。本文自动钻床的执行系统主要包括钻头加工和进给液压缸驱动进给。2.3.1 执行系统的功能原理设计功能原理设计决定产品的技术水平、工作质量、传动方案、结构型式、制造成本等。因此在进行钻床的功能原理设计时，我们应当考虑钻床功能的可行性、先进性和经济性。普通台式钻床的改造主要是实现自动化功能。改造后全自动钻床能实现自动化连续生产，提高了生产率，符合了工厂的生产需求，适应了现代机械加工业
24、的发展要求。2.3.2 执行系统的运动规律本文设计的重点在于钻床液压进给系统之进给油缸设计，也就是用液压缸驱动来替代手动进给。根据设计，我们要分析的运动规律包括钻头切削运动和进给液压缸驱动进给运动。钻头加工运动包括旋转切削运动和钻头直线进给运动。进给液压缸驱动进给运动要完成驱动主轴进给，为直线运动。钻床执行系统的运动规律如下图示（图2-2） ：图 2-2 自动钻床运动规律简图2.3.3 执行机构的形式设计在进行执行机构的形式设计时，要遵循以下原则：满足执行构件的工艺动作和运动要求、尽量简化和缩短运动链、尽量减小机构尺寸、选择合适的运动副形式、考虑动力源的形式、使执行系统具有良好的传力和动力特性
25、、使机械具有调节某些运动参数的能力和保证机械的安全运转。主轴直线进给运动主轴旋转切削运动名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 43 页 - - - - - - - - - 12 考虑以上设计原则，在实现钻头的旋转切削运动时，动力源与主轴之间的执行机构我们选择带轮传动；在实现钻头的直线进给运动时，我们选择能够往复运动的液压缸。2.3.4 执行系统的协调设计执行系统协调设计原则：满足各执行机构动作先后的顺序性要求、满足各执行机构动作在时间上的同步性要求、满足各执行
26、机构在空间布置上的协调性要求、满足各执行机构在操作上的协同性要求、各执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产率、各执行机构的布置要有利于系统的能量协调和效率的提高。2.4 传动系统方案设计和原动机选择2.4.1 原动机选择由自动钻床执行部件的运动规律我们可以选择原动机。主轴旋转运动的原动机选择电动机，进给液压缸原动力选择电动机驱动液压泵（具体型号在下面章节中计算后选择） 。2.4.2 传动系统方案设计( 一) 确定传动系统总传动比全自动钻床的总传动比的确定要建立在计算切削力和传动效率的基础上，当确定自动钻床的工作功率后，查表选择电动机，对照钻床的工作参数确定总传动比（主轴系统总传动比在传动系统设
27、计中经计算后确定） 。（二）绘制传动系统运动简图根据以上分析，确定传动系统的运动简图如下（图2-3） ：2-3 传动系统运动简图液压缸进给传动V 带传动花键传动名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 43 页 - - - - - - - - - 13 2.5 控制方案设计综合考虑全自动钻床的改造要求、 功能要求、控制要求及经济因素， 控制系统采用 PLC与手动相结合的方法进行控制。PLC即可编程控制器，其英文全称为 Programmable Controller
28、。PLC举起于 20 世纪70 年代，是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物。经过30 多年的发展，可编程控制器已经成为最重要、最可靠、应用场合最广泛的工业控制微型计算机。PLC 不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到操作维护人员的技能和习惯，摒弃了微机常用的计算机的编程语言，独具风格地使用以继电器梯型图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户编制的程序清晰直观、调试和查错容易，且编程方便易学。PLC的主要功能有：顺序控制、数据处理、逻辑控制、运行状态监控、记数控制、通讯与联网、定时控制。在自动钻床的控制系统中，我们主要应用PLC的顺序控制和定时控制
29、。另外 PLC作为现代最重要、最可靠、应用场合最广泛的工业控制微型计算机，其具有以下特点：（1）可靠性高；（2）编程容易，易于使用；（3）控制功能极强；（4）扩展及与外部连接极为方便；（5）通用性好、体积小、使用灵活；（6）设计施工和调试的周期短；结合以上 PLC的特点，我们在控制系统方案设计时选择PLC作为主要的控制方式，另外根据实际的工作要求，配合适当的手动控制元件。2.6 总体布局设计机床总布局的设计任务是解决机床各部件间的相对运动和相对位置的关系，并使机床具有一个协调完美的造型。工艺分析和工件的形状、尺寸及重量，在很大程度上左右着机床的布局形式。普通台式钻床的自动化改造及进给系统设计，
30、是在原有机构的基础上导入了液压进给驱动系统：主轴箱要做变动。2.7 本章小结本章主要介绍了通过对已知设计条件的分析如何确定自动钻床总体方案的问题。章节中主要对自动钻床总体方案中的工艺路线、执行系统方案、传动系统方案和控制系统方案作了详细介绍和分析。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 43 页 - - - - - - - - - 14 通过本章节的叙述和图文表达，我们对自动钻床的总体设计有了一个清晰的概念，确定了下面章节中设计的步骤和设计重点。第三章专用钻床进
31、给系统的设计3.1 进给系统概述与分析传统的台式钻床主轴进给系统主要由主轴、主轴套筒、主轴套筒镶套、齿轮齿条和轴承等组成。主轴在加工时即要作旋转运动，也要作轴向的进给运动。机床主轴被装置在主轴套筒内，套筒放置在主轴箱体孔的镶套内，主轴上侧由花键连接。机床加工时，旋转运动由花键传入，而进给运动则由齿轮通过齿条带动套筒在镶套内运动。由总体方案可知，自动钻床进给系统设计导入了液压缸进给系统，由液压缸驱动替代齿轮齿条的手动进给，来实现主轴的快进、工进和快退动作。钻床在加工时， 主轴要作高速的旋转运动和直线的进给运动。导入液压缸进给系统后，因此，我们要结合合适的轴承和结构来实现主轴的高速旋转。往复进给运
32、动由液压缸来完成动作。图 3-1 普通台式钻床进给系统简图12 3 4 5 6 7 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 43 页 - - - - - - - - - 15 1、主轴套筒镶套2、推力球轴承 3、主轴套筒 4、主轴 5、深沟球轴承6、齿轮齿条手动进给系统7、主轴箱3.2 进给系统方案图的确定全自动钻床是在原有台式钻床的结构基础上进行改造设计的，所以，我们首先要对普通台式钻床的进给系统仔细的研究。台式钻床主轴进给系统主要部件有主轴、主轴套筒、主轴套
33、筒镶套、齿轮齿条和轴承等。其结构图如图3-1 示：根据普通台式钻床的进给系统设计特点，综合考虑本文设计的要求、改造后自动钻床的工作条件和液压缸工作特性，确定自动钻床的进给系统如图3-2 所示：图 3-2 自动钻床的进给系统简图1、主轴 2、深沟球轴承 3、活塞杆 4、液压缸筒 5、油路口6、液压缸盖 7、锁紧螺钉 8、推力球轴承 9、密封圈3.3 工况分析根据设计任务可知，生产工件时，要求生产率为3 把/ 分钟，即要求在 20 秒内要完成一件工件的送料、夹紧、钻削加工和出料。已知件材料为 Q235钢，工件厚度大约为15mm ，查机械工程材料实用手册可知，123456789名师资料总结 - -
34、-精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 43 页 - - - - - - - - - 16 Q235为碳素结构钢，其韧性良好，有一定的强度和伸长率，在一般机械制造中应用广泛，是一般机械制造中的主要材料，其切削加工性能较好。钻削直径为12mm的通孔，钻削行程 （孔的长度）l15mm。 由此可确定钻床主轴行程为100mm， 也就是液压缸行程为100mm。在钻床的切削加工过程中，钻床主轴主要受到切削扭矩和轴向进给力的作用。所以，钻床主轴为仅受转矩作用的轴类。主轴进给液压缸在工作中受到作用力
35、可以分为三个阶段分析。在主轴快进工序中，液压缸受到钻床主轴组件重力和液压缸系统的摩擦力的作用；在主轴工进工序中，液压缸受到钻床主轴组件的重力、轴向切削力和液压缸系统的摩擦力作用；在主轴快退的工序中，液压缸受到主轴组件的重力、退刀阻力和液压缸系统摩擦力。因此，在进给液压缸设计时，我们要以最大受力作为设计标准。3.4 切削力的计算3.4.1 切削刀具及相关参数的选择目前在钻孔加工中，由于高速钢麻花钻在采用物理沉积法TiN 涂层处理后，其耐用度和钻孔精度有了较大提高，所以该钻头应用极广。所以，在本文的钻削加工过程中，选择高速钢麻花钻头。查金属切削手册选择标准圆柱锥柄麻花钻中等长度第一系列，刀具直径为
36、 12mm, 钻头与主轴用莫氏锥孔连接，莫氏锥孔为1 号莫氏锥孔。由于被加工材料为Q235 钢，其切削性能较好，所以查金属切削手册选择加工时进给量f 为：f=0.2mm/r ；其对应的切削速度V=32m/min 。3.4.2 主轴转速及钻孔时间的计算查金属切削手册，由切削速度计算公式可得出主轴在工艺长期稳定时的固定转速n的计算公式如下：式中， v选定的切削速度（ m/min）d刀具或工件的直径（ mm ）将 V=32m/min ，d=12mm 代入公式中，计算得出n=850r/min. 查金属切削手册 ,钻孔时间 T 的计算公式为：式中， l被钻孔厚度（ mm ）f切削进给量（ mm/r）mi
37、n/1000rdvn分fndlT3.0名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 43 页 - - - - - - - - - 17 d刀具或工件的直径（ mm ） n主轴固定转速（ r/min ）将 l =15mm ，f =0.2mm/r, d=12mm,n=850r/min代入公式中，计算得出T=6.6s. 由此，确定一件工件的加工工时为：送料1s，工件夹紧 2s，快进 2s，工进 7s，主轴停留 2s，快退 2s，出料 1s，加工一件工件用时17s，达到了加工
38、效率的要求。3.4.3 切削力的计算钻床切削力的计算包括钻床主轴转矩计算和主轴轴向切削力的计算。由于加工材料为Q235钢，其属于碳素结构钢，钻头为高速钢麻花钻，加工方式为钻孔，所以查机床夹具设计手册得：钻床转矩计算公式如下：pkkfDM08234.0式中，kM 切削力矩（ N M ）D 钻头直径（ mm ）f 每转进给量（ mm ）pk 修正系数轴向切削力的计算公式如下：pfKDfF7. 0667式中，fF 轴向切削力（ N）D 钻头直径（ mm ）f 每转进给量 (mm) pk 修正系数已知被加工材料为Q235结构钢，结构钢和铸钢取b=736MPa，D=12mm，f=0.2mm ，所以可分别
39、计算出切削转矩和轴向切削为：kM =13.5 NM fF =2595 N 3.5 钻床主轴设计3.5.1 主轴材料的选择轴的常用材料有碳钢和合金钢。一般来说碳钢比合金钢价格低廉，对75.0)736(bpk名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 43 页 - - - - - - - - - 18 应力集中的敏感性低，可通过热处理改善其综合性能，加工工艺性好，应用广泛。而合金钢虽然机械性能和淬火性能优于碳钢，但其价格较贵，一般用于强度和耐磨性要求高的场合。综合以上设
40、计要求及因素，钻床主轴材料选用45 号钢，经调质处理后HB要达到 240左右。其机械性能参数如下：b=650MPa；s=360MPa；-1=300MPa；-1=155MPa；-1b=60MPa；T=35MPa。3.5.2 轴径的计算由金属切削原理可知，主轴切削功率的计算公式为：式中：fF 轴向切削力（ N）f 每转进给量 (mm) n主轴固定转速（ r/min ）kM 切削力矩（ NM ）将以上数值代入公式中可计算出功率mP =1.2KW 考虑到轴承传动效率（查得为0.99）和花键传动效率（查得为0.98） ，所以可计算出钻床主轴要传递的功率P 为：P=mP /(0.990.990.98)=1
41、.25KW 由工况分析可知，钻床主轴为仅受转矩作用的轴类。查机械设计得钻床最小直径的计算公式如下：3minnpCd选 C=110，计算出 dmin=13mm 由计算结果可知，在满足加工条件的情况下，钻床主轴最小直径不能小于13mm ，根据普通台式钻床的主轴结构，现选自动钻床直径为40mm 。3.5.3 轴的结构设计由图 3-2 进给系统结构简图可知，钻床主轴上主要安装有一对深沟球轴承、一对推力球轴承、一个轴承挡环、一个锁紧螺栓和轴端得花键连接。根据钻床轴径选用轴承及花键尺寸如下（表 3-1）表示：KWnMfnFPkfm310)602601000(名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - -
42、 - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 43 页 - - - - - - - - - 19 根据主轴的行程，可确定钻床主轴的基本长度尺寸如下图示（图3-3 ） ：表 3-1 主轴零件选用表主轴零件型号深沟球轴承滚动轴承6208 GB/T 276-1994 推力球轴承滚动轴承51308 GB/T 301-1995 花键832366 GB/T 1144-1987 图 3-3 钻床主轴基本尺寸简图3.5.4 轴强度的校核由工况分析可知，钻床主轴的受力图如下（图3-4） ：图 3-4 钻床主轴受力简图fF液压力FM
43、Mk 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 19 页，共 43 页 - - - - - - - - - 20 图 3-5 钻床主轴转矩简图考虑到传动效率，钻床主轴要传递的转矩M=Mk/（0.990.990.98）=14 NM,液压力为对称受为，合力方向沿钻床主轴方向，大小与进给切削力fF 相互抵消。所以，绘制主轴所受转矩图如图3-5。根据轴上零件的布置， 轴的危险截面为轴端花键处， 所以应对该处进行轴的强度校验。扭转强度约束条件：TTTWM式中： T 轴的扭转应力（ MPa
44、 ）M 轴的传递转矩 (N.mm) WT轴的抗扭截面模量（ mm3）T轴的许用扭转应力（aMP ）查机械设计得花键的抗扭截面模量WT的计算公式为：DdDdDbzdWT16)(1141式中： d1花键内径（ mm ）b花键齿宽 (mm) z花键的齿数D花键的外径（ mm ）将选用花键的基本参数代入公式中可计算出WT=57393mm， 所以可以计算出钻床主轴的扭转应力T=2.44aMP 。由于T=35aMP ，显然TT，所以，轴满足强度要求。3.6 进给液压系统设计3.6.1 负载分析一般情况下， 作往复直线运动的液压缸的负载由六部分组成，即工作阻力、 摩擦阻力、名师资料总结 - - -精品资料欢
45、迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 20 页，共 43 页 - - - - - - - - - 21 惯性力、重力、密封阻力和背压力。负载分析中，我们暂不考虑回油腔的背时压力，所以需要考虑的力有：工作阻力（钻床轴向切削力）、系统摩擦阻力（在机械效率中考虑） 、重力和惯性力。负载中工作阻力为钻床的轴向切削力，其大小fF =2595 N 系统摩擦阻力在机械效率中考虑，轴承传动效率取0.99，花键传动效率取0.98，液压传动效率取 0.95，所以计算出整下系统的机械效率为：=0.990.990.980.95=0
46、.91 系统要克服的重力有钻床主轴重力和液压缸活塞杆重力，钻床主轴重力可按下式计算：查机械设计手册钢材密度取7.85 3mt，主轴体积 V 为：92104ldV式中： V主轴体积（ m3）d主轴直径 (mm)，取 40mm l主轴长度（ mm ） ，取 550mm 所以主轴重力主轴G为：主轴G=gVmg式中： V主轴体积（ m3）主轴材料密度（3mkg）g重力加速度（2ms） ，取 102ms主轴G主轴重力（ N）计算出主轴重量主轴G=55N.考虑到轴上零件和液压缸活塞杆重力，现取整个系统要承受的重力G=200N 。惯性力 Fm指运动部件在启动或制动过程中的惯性力，查液压与气压传动得其计算公式
47、为：式中，G系统重力g 重力加速度vt时间内的速度变化量t加速或减速时间已知主轴系统重力G=200N；快进行程 70mm；工进行程为 20mm；根据工时安排可确tvgGFm名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 21 页，共 43 页 - - - - - - - - - 22 定主轴快进快退速度为3m/min；工进速度为 0.17m/min；加速、减速时间一般取 t=0.2s；所以可以计算出惯性力：602.0310200mF=5N快进时，在不考虑背压的情况下，主轴会在重力的作
48、用下自动下移，且加速度大约为9.82ms，因此，液压缸在快进时受到的最大作用力F=G=182N。工进时，液压缸要克服工作阻力（主轴轴向切削力）和系统摩擦力，此时系统重力起到动力作用。所以 F=（fF -G）/，为了设计的可行性，使得液压缸有足够的液压作用力，计算中我们取系统重力的一半代入到式中，F=2742N。快退时，液压缸要克服重力和系统摩擦力，所以 F=G/考虑到钻头退出工件时的摩擦力，在计算时取 0.89，所以计算出此时F=225N。列出主轴系统各运动阶段的液压负载计算公式及大小如下表（表3-2） ：表 3-2 液压缸各运动阶段负载表运动阶段计算公式负载大小（ N）主轴快进F=G182
49、主轴工进F=（fF -G）/2742 主轴快退F=G/225 根据液压缸各运动阶段负载计算结果和已知各阶段的运动速度，我们可以画出负载图（F-l）和速度图 (V-l)如下（图 3-6） ：图 3-6 液压系统负载及速度简图3.6.2 液压缸执行元件主要参数的确定( 一) 初选液压缸的工作压力F（N）0 182 225 2742 70 72 )(mmlV（m/min ）)(mml70 72 -3 3 0.17 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 22 页，共 43 页 -
50、- - - - - - - - 23 表 3-3 液压设备常用的工作压力表设备类型机床农业机械或中型工程机械液压机、重型机械起重运输机械磨床组合机床龙门刨床拉床工作压 力P1/（MPa ）0.82.0 35 28 810 1016 2032 液压缸的工作压力主要根据液压设备的类型来确定，根据钻床的工作条件和加工要求，参考液压设备常用的工作压力表（表3-3）和同类机床的液压工作压力，初选液压缸的工作压力1P=3aMP 。( 二) 确定液压缸的类型及主要结构尺寸根据设计的要求和钻床主轴的运动规律，选择双杆活塞缸，活塞杆为中空杆，以便主轴穿过；活塞杆两端装有轴承，以固定主轴。双杆活塞缸的活塞杆两侧都