864 自動鉆床的總體方案設(shè)計

864 自動鉆床的總體方案設(shè)計,自動,鉆床,總體,整體,方案設(shè)計 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 曹井一 第 1 頁 1= 緒論1.1 問題分析及其對策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，金屬切削加工過程是由金屬切削機(jī)床來實現(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)量和勞動生產(chǎn)率，所以為了提高國家的工業(yè)生產(chǎn)能力和科學(xué)技術(shù)水平，必須對機(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，尤其是計算機(jī)的出現(xiàn)和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，我國的機(jī)械制造行業(yè)正朝著自動化、精密化、高效率和多樣化的方向發(fā)展。我國機(jī)床工業(yè)自 1949 年建立以來，雖然在短短的時間內(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)計我國數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量僅是全部機(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)國外先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，大力發(fā)展研究，推動我國機(jī)床工業(yè)的發(fā)展。1.1.2 問題的提出由以上現(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。主要用來進(jìn)行鉆孔、擴(kuò)孔、絞孔、攻絲等。長期以來我國的機(jī)械機(jī)械制造工業(yè)中孔類加工多數(shù)由傳統(tǒng)鉆床來完成，但是傳統(tǒng)的鉆床在大批量生產(chǎn)時存在許多的不足之處：（1）自動化程度不高.，難以進(jìn)行大批量的生產(chǎn)；機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 曹井一 第 2 頁 （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；（4）精度不高，工件裝夾費時；（5）加工產(chǎn)品質(zhì)量不高；針對以上傳統(tǒng)鉆床的不足之處及生產(chǎn)中存在的問題，我們有必要對傳統(tǒng)鉆床進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。通過對傳統(tǒng)鉆床手動的進(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，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，實現(xiàn)自動化，降低勞動強(qiáng)度及工作量。1.1.3 問題的分析以及解決方案當(dāng)前傳統(tǒng)鉆床問題的存在主要在于自動化程度、生產(chǎn)效率、工作環(huán)境及產(chǎn)品質(zhì)量。在生產(chǎn)過程中，手動的操作、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，我們要解決的問題在于如何實現(xiàn)鉆床加工的自動化、減少生產(chǎn)力的投入生產(chǎn)和與其它工藝流程相結(jié)合，同時也要考慮經(jīng)濟(jì)問題。經(jīng)過分析，我們可以從機(jī)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)兩方面去考慮。通過對鉆床機(jī)構(gòu)的改造來實現(xiàn)自動化控制的要求，提高產(chǎn)品的加工精度及質(zhì)量；通過導(dǎo)入先進(jìn)的控制系統(tǒng)來進(jìn)行自動操控，從而實現(xiàn)自動化，便于導(dǎo)入到其它生產(chǎn)流程中去。為了解決問題和便于設(shè)計改造，我們將鉆床分為傳動系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)、送料系統(tǒng)和控制系統(tǒng)五個部分，下面分別對各部分的問題提出解決方案：（1）傳動系統(tǒng) 為滿足改進(jìn)后的加工及工作要求，在作出相應(yīng)的計算后對傳動系統(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。主軸在加工時即要作旋轉(zhuǎn)運動，也要作軸向的進(jìn)給運動。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，旋轉(zhuǎn)運動由花鍵傳入，而進(jìn)給運動則由齒輪通過齒條帶動套筒在鑲套內(nèi)運動。為了實現(xiàn)自動化控制的要求，主軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)改進(jìn)主要有：主軸旋轉(zhuǎn)運動依然由電動機(jī)傳入，而進(jìn)給則由液壓傳動替代手動的齒條傳動，通過液壓控制系統(tǒng)來實現(xiàn)進(jìn)給動作。（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。為了便于實現(xiàn)自動化控制，工件夾緊由夾具完成，動力源由夾緊液壓缸導(dǎo)入，通過液壓控制系統(tǒng)來實現(xiàn)夾緊動作的自動化。（4）送料系統(tǒng) 在生產(chǎn)過程中，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，使的生產(chǎn)率不高，為此我們通過導(dǎo)入自動送料系統(tǒng)來機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 曹井一 第 3 頁 減少生產(chǎn)力的投入和工時的消耗。自動送料系統(tǒng)機(jī)構(gòu)傳動要根據(jù)生產(chǎn)的需求作出相應(yīng)的設(shè)計需求，動力源可由電機(jī)或液壓系統(tǒng)傳入，二者均可實現(xiàn)自動化控制。（5）控制系統(tǒng) 當(dāng)前機(jī)床控制系統(tǒng)主要由計算機(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)，計算機(jī)數(shù)控造價高、系統(tǒng)復(fù)雜，而 PLC 控制系統(tǒng)可靠性好、造價低、抗干擾能力強(qiáng)、柔性好、編程簡單、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)來實現(xiàn)對進(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) 本文主要是通過應(yīng)用機(jī)床設(shè)計的一般方法對傳統(tǒng)鉆床的機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計及改進(jìn)。研究的主要內(nèi)容是普通臺式鉆床傳動系統(tǒng)的改進(jìn)、進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計、進(jìn)給系統(tǒng)液壓缸的設(shè)計和 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計等四個方面。其中重點在于進(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。進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計主要是解決主軸高速旋轉(zhuǎn)與軸向進(jìn)給兩個自由度的實現(xiàn)；進(jìn)給系統(tǒng)液壓缸設(shè)計包括液壓缸的設(shè)計、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)計主要是通過應(yīng)用 PLC 控制程序來實現(xiàn)對液壓油路的動作控制及鉆床加工過程的動作控制。我們通過對傳統(tǒng)臺式鉆床的改進(jìn)及設(shè)計，要達(dá)到的目標(biāo)在于通過改進(jìn)鉆床能夠?qū)崿F(xiàn)工作自動化，最終能滿足以下要求：（1）能實現(xiàn)自動化連續(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)主要對現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)作了簡單的總概括，并對機(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題，以及針對鉆床加工現(xiàn)存的缺點作出剖析，提出對傳統(tǒng)鉆床改造的必要性和可行性，并對改造的任務(wù)和目標(biāo)作出簡述。通過對改造任務(wù)和目標(biāo)簡述，為設(shè)計方案的確定了設(shè)計對象。機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 曹井一 第 4 頁 2 自動鉆床的總體方案設(shè)計總體方案設(shè)計的構(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)計思想，保證產(chǎn)品的功能、經(jīng)濟(jì)效益和實用性能?！】傮w方案設(shè)計的內(nèi)容主要包括以下幾個方面：（1） 執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計 ；（2） 原動機(jī)類型的選擇和傳動系統(tǒng)的方案設(shè)計；（3） 控制系統(tǒng)的方案設(shè)計；（4） 總體布局設(shè)計；（5） 輔助系統(tǒng)的設(shè)計；為了完成普通臺式鉆床的改造及進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計，我們依循機(jī)床設(shè)計的一般步驟確定自動鉆床的總體方案設(shè)計。2.1 自動專用鉆床已知條件和設(shè)計要求的概述本文對普通臺式鉆床的自動化改造及進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計是以某五金工具廠鋼絲鉗生產(chǎn)線的自動化改造為背景。已知：加工對象為鋼絲鉗，加工工序為在鋼絲鉗上鉆削直徑為 φ12mm（鉆床最大鉆削直徑）的通孔，鋼絲鉗材料為 Q235。 改造后的全自動鉆床應(yīng)滿足以下設(shè)計要求：（1） 滿足自動連續(xù)生產(chǎn)，且生產(chǎn)率為 3 把/分鐘；（2） 自動化改造應(yīng)是機(jī)械、電氣和液壓的有機(jī)結(jié)合；（3） 傳動系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)包含切削力計算、電動機(jī)選擇、傳動裝置設(shè)計、床身結(jié)構(gòu)設(shè)計等；（4） 設(shè)計重點為鉆床液壓進(jìn)給系統(tǒng)之進(jìn)給油缸設(shè)計；（5） 自動控制系統(tǒng)應(yīng)以 PLC 與手動相結(jié)合的方式實現(xiàn)；2.2 自動鉆床的工藝路線分析與確定與傳統(tǒng)臺式鉆床的加工工藝路線相比較，改造后的全自動鉆床基本動作有很大的機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 曹井一 第 5 頁 調(diào)整，這其中主要是導(dǎo)入了自動化加工動作。結(jié)合設(shè)計及生產(chǎn)要求，確定工藝路線如下：啟動（電源及控制模塊）→自動送料→自動夾緊→主軸快進(jìn)→主軸工進(jìn)→主軸停留→主軸快退→夾具松開→出料→為了完成自動化加工，自動鉆床按照上述工藝路線進(jìn)循環(huán)行動作來完成成批工件的加工過程。根據(jù)工藝流程，可確定自動鉆床的動作流程圖如下（圖 2-1）：圖 2-1 自動鉆床動作流程圖2.3 執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計執(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)計是機(jī)械系統(tǒng)總體方案設(shè)計的核心，是整個機(jī)械設(shè)計工作的基礎(chǔ)。本文自動鉆床的執(zhí)行系統(tǒng)主要包括鉆頭加工和進(jìn)給液壓缸驅(qū)動進(jìn)給。2.3.1 執(zhí)行系統(tǒng)的功能原理設(shè)計功能原理設(shè)計決定產(chǎn)品的技術(shù)水平、工作質(zhì)量、傳動方案、結(jié)構(gòu)型式、制造成本機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 曹井一 第 6 頁 等。因此在進(jìn)行鉆床的功能原理設(shè)計時，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。普通臺式鉆床的改造主要是實現(xiàn)自動化功能。改造后全自動鉆床能實現(xiàn)自動化連續(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)的運動規(guī)律本文設(shè)計的重點在于鉆床液壓進(jìn)給系統(tǒng)之進(jìn)給油缸設(shè)計，也就是用液壓缸驅(qū)動來替代手動進(jìn)給。根據(jù)設(shè)計，我們要分析的運動規(guī)律包括鉆頭切削運動和進(jìn)給液壓缸驅(qū)動進(jìn)給運動。鉆頭加工運動包括旋轉(zhuǎn)切削運動和鉆頭直線進(jìn)給運動。進(jìn)給液壓缸驅(qū)動進(jìn)給運動要完成驅(qū)動主軸進(jìn)給，為直線運動。鉆床執(zhí)行系統(tǒng)的運動規(guī)律如下圖示（圖 2-2）：圖 2-2 自動鉆床運動規(guī)律簡圖2.3.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的形式設(shè)計在進(jìn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)的形式設(shè)計時，要遵循以下原則：滿足執(zhí)行構(gòu)件的工藝動作和運動要求、盡量簡化和縮短運動鏈、盡量減小機(jī)構(gòu)尺寸、選擇合適的運動副形式、考慮動力源的形式、使執(zhí)行系統(tǒng)具有良好的傳力和動力特性、使機(jī)械具有調(diào)節(jié)某些運動參數(shù)的能力和保證機(jī)械的安全運轉(zhuǎn)?？紤]以上設(shè)計原則，在實現(xiàn)鉆頭的旋轉(zhuǎn)切削運動時，動力源與主軸之間的執(zhí)行機(jī)構(gòu)我們選擇帶輪傳動；在實現(xiàn)鉆頭的直線進(jìn)給運動時，我們選擇能夠往復(fù)運動的液壓缸。主軸直線進(jìn)給運動主軸旋轉(zhuǎn)切削運動機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 曹井一 第 7 頁 2.3.4 執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)計執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)調(diào)設(shè)計原則：滿足各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作先后的順序性要求、滿足各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作在時間上的同步性要求、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)的動作安排要有利于提高勞動生產(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。自動鉆床的主軸帶輪傳動減少了傳動鏈，且可過載保護(hù)；液壓缸驅(qū)動進(jìn)給不需要改變運動形式，且易于實現(xiàn)自動化控制。2.3.5 執(zhí)行系統(tǒng)方案評價與決策自動鉆床執(zhí)行系統(tǒng)在功能上能滿足鉆床加工的工作要求，主軸帶輪傳動能起到過載保護(hù)作用。液壓缸執(zhí)行系統(tǒng)能實現(xiàn)鉆床切削加工的進(jìn)給運動，易于控制，是實現(xiàn)自動化控制的首選機(jī)構(gòu)。2.4 傳動系統(tǒng)方案設(shè)計和原動機(jī)選擇 2.4.1 原動機(jī)選擇由自動鉆床執(zhí)行部件的運動規(guī)律我們可以選擇原動機(jī)。主軸旋轉(zhuǎn)運動的原動機(jī)選擇電動機(jī)，進(jìn)給液壓缸原動力選擇電動機(jī)驅(qū)動液壓泵 （具體型號在下面章節(jié)中計算后選擇） 。 2.4.2 傳動系統(tǒng)方案設(shè)計(一) 確定傳動系統(tǒng)總傳動比全自動鉆床的總傳動比的確定要建立在計算切削力和傳動效率的基礎(chǔ)上，當(dāng)確定自動鉆床的工作功率后，查表選擇電動機(jī)，對照鉆床的工作參數(shù)確定總傳動比（主軸系統(tǒng)總傳動比在傳動系統(tǒng)設(shè)計中經(jīng)計算后確定） 。（二）選擇傳動類型依據(jù)傳統(tǒng)臺式鉆床的結(jié)構(gòu)特點，主軸旋轉(zhuǎn)運動選擇帶輪 V 帶傳動，此傳動類型可實現(xiàn)過載保護(hù)；鉆頭直線進(jìn)給運動選擇液壓傳動，此類型傳動有以下優(yōu)點：（1）在輸出功率相同的條件下，體積小、重量輕；（2）運動平穩(wěn)，吸振能力強(qiáng)；（3）易于實現(xiàn)快速啟動、制動、頻繁換向以及無級調(diào)速；（4）布局安裝比較靈活，液壓元件易于實現(xiàn)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化；（5）與機(jī)構(gòu)相結(jié)合易實現(xiàn)自動化控制；（三）繪制傳動系統(tǒng)運動簡圖機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 曹井一 第 8 頁 根據(jù)以上分析，確定傳動系統(tǒng)的運動簡圖如下（圖 2-3）：圖 2-3 傳動系統(tǒng)運動簡圖2.5 控制方案設(shè)計綜合考慮全自動鉆床的改造要求、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 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)用場合最廣泛的工業(yè)控制微型計算機(jī)。PLC 不僅充分利用微處理器的優(yōu)點來滿足各種工業(yè)領(lǐng)域的實時控制要求，同時也照顧到操作維護(hù)人員的技能和習(xí)慣，摒棄了微機(jī)常用的計算機(jī)的編程語言，獨具風(fēng)格地使用以繼電器梯型圖為基礎(chǔ)的形象編程語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、運行狀態(tài)監(jiān)控、記數(shù)控制、通訊與聯(lián)網(wǎng)、定時控制。在自動鉆床的控制系統(tǒng)中，我們主要應(yīng)用 PLC 的順序控制和定時控制。 另外 PLC 作為現(xiàn)代最重要、最可靠、應(yīng)用場合最廣泛的工業(yè)控制微型計算機(jī)，其具有以下特點：（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V 帶傳動 花鍵傳動機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 曹井一 第 9 頁 （6）設(shè)計施工和調(diào)試的周期短；結(jié)合以上 PLC 的特點，我們在控制系統(tǒng)方案設(shè)計時選擇 PLC 作為主要的控制方式，另外根據(jù)實際的工作要求，配合適當(dāng)?shù)氖謩涌刂圃?.6 總體布局設(shè)計機(jī)床總布局的設(shè)計任務(wù)是解決機(jī)床各部件間的相對運動和相對位置的關(guān)系，并使機(jī)床具有一個協(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。普通臺式鉆床的自動化改造及進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計，是在原有機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上導(dǎo)入了液壓進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)：主軸箱要做變動。同時還導(dǎo)入了液壓夾緊系統(tǒng)：考慮到臺式鉆床固定不動，可變動工作臺的結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)總體布局的協(xié)調(diào)。2.7 輔助系統(tǒng)的設(shè)計輔助系統(tǒng)的設(shè)計主要包括潤滑系統(tǒng)設(shè)計、冷卻系統(tǒng)設(shè)計、故障檢測系統(tǒng)設(shè)計、安全保障系統(tǒng)設(shè)計和照明系統(tǒng)設(shè)計。設(shè)計過程中可根據(jù)設(shè)計的要求和實際的鉆床工作需求進(jìn)行輔助系統(tǒng)的設(shè)計。2.8 本章小結(jié)本章主要介紹了通過對已知設(shè)計條件的分析如何確定自動鉆床總體方案的問題。章節(jié)中主要對自動鉆床總體方案中的工藝路線、執(zhí)行系統(tǒng)方案、傳動系統(tǒng)方案和控制系統(tǒng)方案作了詳細(xì)介紹和分析。通過本章節(jié)的敘述和圖文表達(dá)，我們對自動鉆床的總體設(shè)計有了一個清晰的概念，確定了下面章節(jié)中設(shè)計的步驟和設(shè)計重點。機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 曹井一 第 10 頁 3 專用鉆床進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計3.1 進(jìn)給系統(tǒng)概述與分析 傳統(tǒng)的臺式鉆床主軸進(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。主軸在加工時即要作旋轉(zhuǎn)運動，也要作軸向的進(jìn)給運動。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，旋轉(zhuǎn)運動由花鍵傳入，而進(jìn)給運動則由齒輪通過齒條帶動套筒在鑲套內(nèi)運動。由總體方案可知，自動鉆床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計導(dǎo)入了液壓缸進(jìn)給系統(tǒng)，由液壓缸驅(qū)動替代齒輪齒條的手動進(jìn)給，來實現(xiàn)主軸的快進(jìn)、工進(jìn)和快退動作。鉆床在加工時，主軸要作高速的旋轉(zhuǎn)運動和直線的進(jìn)給運動。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)運動，因此，我們要結(jié)合合適的軸承和結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)主軸的高速旋轉(zhuǎn)。往復(fù)進(jìn)給運動由液壓缸來完成動作。圖 3-1 普通臺式鉆床進(jìn)給系統(tǒng)簡圖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、齒輪齒條手動進(jìn)給系統(tǒng) 7、主軸箱1 1 234567機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 曹井一 第 11 頁 3.2 進(jìn)給系統(tǒng)方案圖的確定全自動鉆床是在原有臺式鉆床的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行改造設(shè)計的，所以，我們首先要對普通臺式鉆床的進(jìn)給系統(tǒng)作出詳細(xì)的研究。臺式鉆床主軸進(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)普通臺式鉆床的進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計特點，綜合考慮本文設(shè)計的要求、改造后自動鉆床的工作條件和液壓缸工作特性，確定自動鉆床的進(jìn)給系統(tǒng)如圖 3-2 所示：圖 3-2 自動鉆床的進(jìn)給系統(tǒng)簡圖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)計任務(wù)可知，生產(chǎn)工件時，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)械工程材料實用手冊》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)計制造及其自動化 曹井一 第 12 頁 100mm，也就是液壓缸行程為 100mm。在鉆床的切削加工過程中，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。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)計時，我們要以最大受力作為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。3.4 切削力的計算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程中，選擇高速鋼麻花鉆頭。查《金屬切削手冊》選擇標(biāo)準(zhǔn)圓柱錐柄麻花鉆中等長度第一系列，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》選擇加工時進(jìn)給量 f 為：f=0.2mm/r ；其對應(yīng)的切削速度 V=32m/min。3.4.2 主軸轉(zhuǎn)速及鉆孔時間的計算查《金屬切削手冊》 ，由切削速度計算公式可得出主軸在工藝長期穩(wěn)定時的固定轉(zhuǎn)速 n 的計算公式如下：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，計算得出 n=850r/min.查《金屬切削手冊》,鉆孔時間 T 的計算公式為：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)計制造及其自動化 曹井一 第 13 頁 ——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，計算得出 T=6.6s.由此，確定一件工件的加工工時為：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 17s，達(dá)到了加工效率的要求。3.4.3 切削力的計算鉆床切削力的計算包括鉆床主軸轉(zhuǎn)矩計算和主軸軸向切削力的計算。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)計手冊》得：鉆床轉(zhuǎn)矩計算公式如下： 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3.5.1 主軸材料的選擇在軸的設(shè)計過程中，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)計制造及其自動化 曹井一 第 14 頁 （3） 軸的材料來源和經(jīng)濟(jì)性；軸的常用材料有碳鋼和合金鋼。一般來說碳鋼比合金鋼價格低廉，對應(yīng)力集中的敏感性低，可通過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，但其價格較貴，一般用于強(qiáng)度和耐磨性要求高的場合。綜合以上設(shè)計要求及因素，鉆床主軸材料選用 45 號鋼，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 軸徑的計算由金屬切削原理可知，主軸切削功率的計算公式為：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)值代入公式中可計算出功率 =1.2KWmP考慮到軸承傳動效率（查得為 0.99）和花鍵傳動效率（查得為 0.98） ，所以可計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。所以，鉆床主軸為僅受轉(zhuǎn)矩作用的軸類。查《機(jī)械設(shè)計》得鉆床最小直徑的計算公式如下： 3minpCd??選 C=110，計算出 dmin=13mm由計算結(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)普通臺式鉆床的主軸結(jié)構(gòu)，現(xiàn)選自動鉆床直徑為 40mm。3.5.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計由圖 3-2 進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖可知，鉆床主軸上主要安裝有一對深溝球軸承、一對推力球軸承、一個軸承擋環(huán)、一個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)計制造及其自動化 曹井一 第 15 頁 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 型號深溝球軸承 滾動軸承 6208 GB/T 276-1994推力球軸承 滾動軸承 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 鉆床主軸受力簡圖fF液 壓 力FMMk機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 曹井一 第 16 頁 圖 3-5 鉆床主軸轉(zhuǎn)矩簡圖考慮到傳動效率，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，軸的危險截面為軸端花鍵處，所以應(yīng)對該處進(jìn)行軸的強(qiáng)度校驗。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》得花鍵的抗扭截面模量 WT的計算公式為： 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)代入公式中可計算出 WT=5739 ，所以可以計算出鉆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3.6.1 負(fù)載分析一般情況下，作往復(fù)直線運動的液壓缸的負(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。因改造后的自動鉆床和普通臺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)計制造及其自動化 曹井一 第 17 頁 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，軸承傳動效率取 0.99，花鍵傳動效率取 0.98，液壓傳動效率取 0.95，所以計算出整下系統(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算：查《機(jī)械設(shè)計手冊》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)取整個系統(tǒng)主 軸要承受的重力 =200N。慣性力 Fm 指運動部件在啟動或制動過程中的慣性力，查《液壓與氣壓傳動》得其計算公式為：式中， ——系統(tǒng)重力G——重力加速度g—— 時間內(nèi)的速度變化量v?t——加速或減速時間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、減速時間一般tvgGFm??機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 曹井一 第 18 頁 取 Δt=0.2s；所以可以計算出慣性力：=5N602.31??mF快進(jìn)時，在不考慮背壓的情況下，主軸會在重力的作用下自動下移，且加速度大約為 9.8 ，因此，液壓缸在快進(jìn)時受到的最大作用力 F=G×η=182N。2?ms工進(jìn)時，液壓缸要克服工作阻力（主軸軸向切削力）和系統(tǒng)摩擦力，此時系統(tǒng)重力起到動力作用。所以 F=（ -G）/η，為了設(shè)計的可行性，使得液壓缸有足夠的液fF壓作用力，計算中我們?nèi)∠到y(tǒng)重力的一半代入到式中，F(xiàn)=2742N?？焱藭r，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的摩擦力，η 在計算時取 0.89，所以計算出此時 F=225N。列出主軸系統(tǒng)各運動階段的液壓負(fù)載計算公式及大小如下表（表 3-2）：表 3-2 液壓缸各運動階段負(fù)載表運動階段 計算公式 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)液壓缸各運動階段負(fù)載計算結(jié)果和已知各階段的運動速度，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)械起重運輸機(jī)械F（N）0182225274270 72 )(mlV（m/min） )(ml70 72-330.17機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 曹井一 第 19 頁 工作壓力P1/（MPa）0.8～2.03～5 2～8 8～1010～16 20～32液壓缸的工作壓力主要根據(jù)液壓設(shè)備的類型來確定，對不同的液壓設(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)計的要求和鉆床主軸的運動規(guī)律，選擇雙桿活塞缸，活塞桿為中空桿，以便主軸穿過；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圖如下（圖 3-7）：圖 3-7 缸筒固定式雙桿活塞缸結(jié)構(gòu)簡圖自動鉆床在完成工進(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機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 曹井一 第 20 頁 表 3-5 活塞桿直徑系列（GB2348-80） （mm）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)時液壓系統(tǒng)的負(fù)載最大 F=2742N，由此可計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因素的制約：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 曹井一 第 21 頁 （1）液壓缸要有足夠的強(qiáng)度；（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，基于以上因素及國內(nèi)現(xiàn)有的液壓缸材料，液壓缸材料選擇 45 號無縫鋼管。（四）液壓缸各工作階段的工作壓力、流量和功率計算根據(jù)液壓缸的負(fù)載圖和速度圖以及上述液壓缸的計算數(shù)值，可以計算出液壓缸工作各階段的壓力、流量和功率。在計算時工進(jìn)時背壓按 =0.8 代入，快退快進(jìn)bPaM時背壓按 =0.5 代入計算。計算公式及計算結(jié)果列于表 3-5 中。bPaM自動鉆床快進(jìn)和工進(jìn)時，液壓缸上油缸進(jìn)油下油缸回油；快退時液壓缸下油缸進(jìn)油上油缸回油。因此計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)向長度的計算液壓缸的壁厚由液壓缸的強(qiáng)度條件來計算。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算：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 曹井一 第 22 頁 式中 δ—液壓缸壁厚（m） ；D—液壓缸的內(nèi)徑（m） ；—試驗壓力，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 中計算的結(jié)果，代入計算公式中，可計算出液壓缸壁厚 δ=4mm?？紤]到與缸蓋的聯(lián)接，所以設(shè)計中取液壓缸的壁厚 δ=8mm。最小導(dǎo)向長度是指當(dāng)活塞桿全部外伸時，從活塞支撐面中點到缸蓋滑動支撐面中點的距離 H 稱為對一般的液壓缸，最小導(dǎo)向長度 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，代入上式可計算得出 H≥67.5mm,設(shè)計中取 H=70mm。（六）液壓系統(tǒng)原理圖自動鉆床要完成快進(jìn)、工進(jìn)和快退的工作循環(huán)?？爝M(jìn)和工進(jìn)時進(jìn)給液壓缸上油缸進(jìn)油下油缸出油，而快退時進(jìn)給液壓缸下油缸進(jìn)油上油缸出油，因此液壓控制時只需一次換向?？紤]到系統(tǒng)工進(jìn)完后，需要定時停留，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)運動速度不是太大，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)計制造及其自動化 曹井一 第 23 頁 快 退快 進(jìn)工 進(jìn)圖 3-8 自動鉆床液壓進(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、過濾器快進(jìn)時，液壓系統(tǒng)在 PLC 自動控制下啟動，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，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)。停留時間由 PLC 定時控制?？焱藭r，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)過程中電磁鐵動作表（表 3-6）：表 3-6 電磁鐵動作表工作階段 1Y 2Y 3Y 4Y快進(jìn) + - - -工進(jìn) + - + +停留 - - + +快退 - + - -機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 曹井一 第 24 頁 （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；初算時簡單系統(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，可計算出 =2.3 。計算出的 是系統(tǒng)的靜態(tài)壓力，因papP為系統(tǒng)在各種工況的過度階段出現(xiàn)的動態(tài)壓力往往超過靜態(tài)壓力。另外考慮到一定的壓力儲備量，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——同時動作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值。如max果這時溢流閥正在進(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?所以計算出 ≥9.96 。pqmin/根據(jù)上面計算的壓力和流量，查《機(jī)械設(shè)計手冊》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)動功率為 2aMPrL/ min/r。其具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、壓力流量脈動小、噪聲低和壽命長等優(yōu)點。KW2、液壓泵驅(qū)動電機(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)動功率 2 ，查電KW機(jī)樣本表可選液壓泵驅(qū)動電機(jī)型號為：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)計制造及其自動化 曹井一 第 25 頁 根據(jù)表 3-5 液壓系統(tǒng)各工作階段所需的實際流量、壓力和設(shè)計中所選的背壓大小，所選液壓閥見液壓系統(tǒng)液元件明細(xì)表（表 3-7） 。表中序號與自動鉆床液壓進(jìn)給系統(tǒng)控制原理圖中序號一致。表 3-7 液壓系統(tǒng)液元件明細(xì)表序號 元件名稱 最大通過流量 （ ）min/L型號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)計的要求和工作環(huán)境的不同選擇相應(yīng)的材料。本設(shè)計中，考慮到自動鉆床的工作環(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一般取液壓泵額定流量的 5～7 倍。設(shè)計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)，二是作為潤滑劑潤滑運動零件的工作表面。要選擇液壓油時，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、運動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 號鋼） ，由于該設(shè)計為選用雙桿液壓缸，所以活塞桿材料選用 45 號鋼，需經(jīng)調(diào)質(zhì)和淬火處理，淬火深度為 0.5mm.機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 曹井一 第 26 頁 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)點是結(jié)構(gòu)簡單，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、運動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，消除間隙而實現(xiàn)密封。O 型密封能隨壓力的增加而自動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補(bǔ)償。 （見圖 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)見圖 3-10 示：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 曹井一 第 27 頁 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)自動鉆床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計中，主要包括機(jī)床主軸的設(shè)計的進(jìn)給液壓缸系統(tǒng)的設(shè)計，是整個設(shè)計中的一個重點。其中機(jī)床主軸設(shè)計中有關(guān)數(shù)據(jù)的計算貫穿整個設(shè)計，為下面章節(jié)中的設(shè)計打下了基礎(chǔ)，提供了方便；進(jìn)給液壓缸的設(shè)計是控制系統(tǒng)設(shè)計的前提。4 專用鉆床主軸傳動系統(tǒng)的設(shè)計4.1 主軸傳動系統(tǒng)的分析由圖 2-3 可知，主軸傳動系統(tǒng)的設(shè)計主要包括帶輪傳動、主軸花鍵傳動和液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計。液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計已在第三章中介紹并作出了設(shè)計，所以本章介紹帶輪傳動和主軸花鍵傳動的設(shè)計。導(dǎo)向環(huán)U 型密封防塵圈機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 曹井一 第 28 頁 主軸花鍵傳動主要是滿足主軸在高速旋轉(zhuǎn)的同時還能夠作軸向的進(jìn)給運動。在主軸花鍵設(shè)計中，主要是根據(jù)主軸的軸徑大小來選擇花鍵的尺寸。主軸系統(tǒng)帶輪傳動可實現(xiàn)過載保護(hù)，設(shè)計包括 V 帶的選擇和帶輪尺寸的設(shè)計。4.2 主軸花鍵的設(shè)計花鍵聯(lián)接，由帶有多個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；可實現(xiàn)滑動聯(lián)接；對軸的削弱也較小。設(shè)計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?鍵的長度為 =160mm。l表 4-1 花鍵長度系列表 （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，取軸承傳動效率為 0.99、花鍵傳動效率為 0.98 和 V 帶傳動效率為0.96，所以可計算出電機(jī)要傳遞的最小功率 為： 96.089.03??mP所以可計算出 =1.32 。查電機(jī)樣品選取電機(jī)型號為：Y90L-4。其額定功率KW為 1.5 ，滿載轉(zhuǎn)速為 1400 r/min。K4.4 V 帶傳動設(shè)計4.4.1 設(shè)計功率 的計算cPPKAc?式中： ——工況系數(shù)；自動鉆床一般為空載啟動取 =1.2AKAK機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 曹井一 第 29 頁 ——傳遞功率；取電動機(jī)額定功率 =1.5PPKW計算出 =1.8