小型钻床设计

目录摘要…………………………………………………………………………………………1关键词…………………………………………………………………………………………1Abstract…………………………………………………………………………………1Keywords……………………………………………………………………………………1引言……………………………………………………………………………………………11钻床的总体方案……………………………………………………………………………12关键问题的解决……………………………………………………………………………22．1主轴确定………………………………………………………………………………22．2主轴箱与机床的联结及进给方式……………………………………………………32．3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…………………………………………………………………………83．10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………………………………………………………………………………104．4键………………………………………………………………………………………11致谢………………………………………………………………………………………12参考文献……………………………………………………………………………………13-1-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。-2-图—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。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-3-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。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—3滑块运动装置示意图图—4主轴回复装置示意图2．3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2F，电磁吸力1F。他们对回转线O的转距和为0才能使钻床固定不动,即-4-FL12LF=01LF(式—1)图—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所示。表—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）6.56013.08019.090-13019.0特殊由表1可选取主轴最大上下移动距离为80mm。3．2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pa=0d/2，单位mm。式中0d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fa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fv表示，单位为每秒毫米。-5-三种进给率之间的关系为：fv=nf=fna2/60(mm/s)（式-2）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=6010000nd（mm/min）（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=XbdC60（式-4）确定。式中v—切削速度（m/min）b—待削件的抗拉强度（Kg/2mm）dC—系数（表—2）当被切削件为钢X=0.95;铸铁X=1.33表—2钻孔进给量钻头直径0d（mm）dC2~1112~1819~2526~5020.523.727.328.8设被加工件为钢，取抗拉强度为50（Kg/2mm），取dC=20.5，则切削速度v=XbdC60=2395.060b15（m/min）设被加工件为铸铁，取抗拉强度为20-30（/2mmKg），取dC=20.5，则切削速度v=XbdC60=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》49P表2—5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。-6-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0d（mm）33~66~1212~2525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maxd时，其最低转速为minn=max1000dv（式-5）钻头最小直径为mind时，其最高转速为maxn=min1000dv（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mind=4.03.0maxd（式-7）根据钻床设计要求maxd12mm，由此mind=2.1~2.7，取标准麻花钻mind=2.5mm，因此，当mind=2.5mm时，maxn=min1000dv=5.214.3151000=1594.5（r/min）取maxn=1600（r/min）。当maxd=12mm时，minn=max1000dv=405（r/min）取minn=400（r/min）。由上可确定主轴转速范围minn~maxn400~1600（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的分力，即圆周切削力zF，径向力和yF轴向力xF。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yF基本上是互相抵消的；两个zF组成一力偶，构成扭矩主M；两个xF组成一轴向力主F。-7-同理，可以找出作用于两个棱边的扭矩棱M，轴向扭矩棱F；作用于横刃上的扭矩横M，轴向力横F。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=主M+棱M+横M（式-8）F=主F+棱F+横F（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—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F(%)扭矩M（%）~40~80~57~10~3~10