钻床的自动化改造及进给系统设计另外有完整图纸

钻床的自动化改造及进给系统设计另外有完整图纸内容摘要：

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。 本科毕业设计说明书（论文） 第 10 页 共 41 页 3 专用钻床进给系统的设计 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 [4]。 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，由于液压缸结构和性能的限制，液压缸活塞杆不宜作高速的旋转运动，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。 往复进给运动由液压缸来完成动作。 如图 所示。 图 普通台式钻床进给系统简图 主轴套筒镶套 推力球轴承 主轴套筒 主轴 深沟球轴承 齿轮齿条手动进给系统 主轴箱 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 做 出 详细的研究。 1 1 2 3 4 5 6 7 本科毕业设计说明书（论文） 第 11 页 共 41 页 台式钻床主轴进给系统主要部件有主轴、主轴套筒、主轴套筒镶套、齿轮齿条和轴承等 [4]。 其结构图如图 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 所示： 图 自动钻床的进给系统简图 主轴 深沟球轴承 活塞杆 液压缸筒 油路口 液压缸盖 锁紧螺钉 推力球轴承 密封圈 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， 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） l≈ 15mm。 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。 轴向进给力是沿主轴轴向的，在主轴保持其与工作台的垂直度的情况下，轴向力作用产1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 1 本科毕业设计说明书（论文） 第 12 页 共 41 页 生的弯矩基本为零，可忽略不计。 所以，钻床主轴为仅受转矩作用的轴类 [6]。 主轴进给液压缸在工作中受到作用力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。 切削力的计算 切削刀具及相关参数的选择 目前在钻孔加工中，麻花钻主要有高速钢麻花钻和硬质合金麻花钻两类。 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 [13]。 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》 [17]选择标准圆柱锥柄麻花钻中等长度第一系列，刀具直径为 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》 [17]选择加工时进给量 f为： f=；其对应的切削速度 V=32m/min。 主轴转速及钻孔时间的计算 查《金属切削手册》 [17]，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》 [17],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） d —— 刀具或工件的直径（ mm） n—— 主轴固定转速（ r/min） 将 l =15mm， f =， d=12mm， n=850r/min 代入公式中，计算得出 T=。 dvn 1000分fn 30min/r 本科毕业设计说明书（论文） 第 13 页 共 41 页 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，达到了加工效率的要求。 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》 [16]得： 钻床转矩计算公式如下： pk 082340 （ ） 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： KDfF 70667 （ ） 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 =，所以可分别计算出切削转矩和轴向切削为： kM = N M fF =2595 N 钻床主轴设计 主轴材料的选择 在轴的设计过程中，轴类的材料选择要考虑如下因素： (1)轴的强度、刚度和耐磨性要求； (2)轴的热处理方式和机加工工艺性要求； 750736 .bp )(k  本科毕业设计说明书（论文） 第 14 页 共 41 页 (3)轴的材料来源和经济性； 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。 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 [19]。 综合以上设计要求及因素，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： δ b=650MPa； δ s=360MPa； δ 1=300MPa； τ 1=155MPa；[δ 1]b=60MPa； [τ T]=35MPa。 轴径的计算 由金属切削原理 [14]可知，主轴切削功率的计算公式为： MK （ ） 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（ N M） 将以上数值代入公式中可计算出功率 mP = 考虑到轴承传动效率（查得为 ）和花键传动效率 [5]（查得为 ），所以可计算出钻床主轴要传递的功率 P 为： P= mP /( )= （ ） 由工况分析可知，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。 轴向进给力是沿主轴轴向的，在主轴保持其与工作台的垂直度的情况下，轴向力作用产生的弯矩基本为零，可忽略不计。 所以，钻床主轴为仅受转矩作用的轴类。 查《机械设计》 [6]得钻床最小直径的计算公式如下： 3 npCdmin  （ ） 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。 轴的结构设计 310602601 0 0 0  )nMfnF(P kfm  本科毕业设计说明书（论文） 第 15 页 共 41 页 由图 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的花键连接。 根据钻床轴径选用轴承及花键尺寸如表 所示。 根据主轴的的行程，可确定钻床主轴的基本长度尺寸如图 所示。 表 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 2761994 推力球轴承 滚动轴承 51308 GB/T 3011995 花键 8 32 36 6 GB/T 11441987 图 钻床主轴基本尺寸简图 轴强度的校核 由工况分析可知，钻床主轴的受力图如图 所示。 图 钻床主轴受力简图 图 钻床主轴转矩简图 fF 液压力F M Mk 本科毕业设计说明书（论文） 第 16 页 共 41 页 考虑到传动效率，钻床主轴要传递的转矩 M=Mk/（ ） =14 N M,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。 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： ][WM TTT  （ ） 式中： τ T—— 轴的扭转应力（ MPa） M—— 轴的传递转矩 (N mm) WT— — 轴的抗扭截面模量（ mm3） [τ T]—— 轴的许用扭转应力（ aMP ） 查《机械设计》 [6]得花键的抗扭截面模量 WT的计算公式为： D )dD)(dD(bzdWT 16 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=5739 3mm ，所以可以计 算出钻床主轴的扭转应力 T = aMP。 由于 [ T ]=35 aMP ，显然 T ≤ [T ]，所以，轴满足强度要求。 进给液压系统设计 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、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，液压缸的密封装置产生的摩擦阻力在机械效率中加以考虑。 因改造后的自动钻床和普通台式钻床一样竖直放置，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）、 本科毕业设计说明书（论文） 第 17 页 共 41 页 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 ，花键传动效率取 ，液压传动效率取 ，所以计算出整下系统的机械效率 η 为 [6]： η = = （ ） 系统要克服的重力有钻床主轴重力和液压缸活。