钻床的自动化改造及进给系统设计样本.doc

目 录

1 引言 1
1.1 问题分析及其对策 1
1.2 本文研究内容及目的 3
1.3 本章小结 3
2 自动钻床总体方案设计 4
2.1 自动专用钻床已知条件和设计规定概述 4
2.2 自动钻床工艺路线分析与拟定 4
2.3 执行系统方案设计 5
2.4 传动系统方案设计和原动机选取 7
2.5 控制方案设计 8
2.6 总体布局设计 9
2.7 辅助系统设计 9
2.8 本章小结 9
3 专用钻床进给系统设计 10
3.1 进给系统概述与分析 10
3.2 进给系统方案图拟定 10
3.3 工况分析 11
3.4 切削力计算 12
3.5 钻床主轴设计 13
3.6 进给液压系统设计 16
3.7 本章小结 28
4 专用钻床主轴传动系统设计 29
4.1 主轴传动系统分析 29
4.2 主轴花键设计 29
4.3 主轴电机选取 29
4.4 V带传动设计 30
4.5 本章小结 31
5 自动钻床控制系统设计 32
5.1 自动钻床自动化控制规定 32
5.2 可编程控制器PLC简述 32
5.3 自动钻床进给系统控制流程 33
5.4 自动钻床进给系统电气原理图 35
5.5 自动钻床进给系统控制元件选取 35
5.6 控制系统程序编写 38
5.7 本章小结 38
结束语 39
道谢 40
参照文献 41

1 引言亲，由于某些因素，没有上传完整毕业设计（完整应涉及毕业设计阐明书、有关图纸CAD/PROE、中英文文献及翻译等），此文档也稍微删除了一某些内容（目录及某些核心内容）如需要朋友，请联系我叩扣:，数万篇现成设计及另有高品位团队绝对可满足您需要
1.1 问题分析及其对策
1.1.1 当代制造业发展状况
金属切削加工是指运用刀具切除被加工零件多余材料办法，是机械制造行业中最基本加工办法，金属切削加工过程是由金属切削机床来实现[1]。金属切削机床是用切削办法将金属毛坯加工成机器零件机器。
在当代机械制造行业中，随着加工零件方式多样化及工艺合理化发展规定，加工零件办法也呈现出多样化，如：除切削加工外，尚有锻造、锻造、焊接、冲压、挤压和辊轧等，在这其中机床切削加工工作量约占总制造工作量40%～60%(其中钻床占11.2%),因此在当前机械制造行业中金属切削机床是重要加工设备。而机床技术性能又直接影响机械制造行业产品质量和劳动生产率，所觉得了提高国家工业生产能力和科学技术水平，必要对机床发展作出新规定[5]。
随着机械工业扩大和科学技术进步，特别是计算机浮现和数控技术发展，国内机械制造行业正朝着自动化、精密化、高效率和多样化方向发展。
国内机床工业自1949年建立以来，虽然在短短时间内获得了很大成就，但与世界先进水平相比尚有较大差距。就现状看，重要体当前：国内机床工业起步晚、技术不成熟；大某些高精度和超精度机床性能还不能满足规定，精度保持度也差，特别是高效自动化和数控机床产量、技术水平和质量等方面都明显落后[8]。据关于部门记录国内数控机床产量仅是所有机床产量1.5%，产值数控化仅为8.7%（至1990年终）；国内数控机床基本上是中档规格车床、铣床和加工中心等，而精密、大型、重型或小型数控机床还远远不能满足规定；此外国内机床在技术水平和性能方面差距也很明显，机床理论和应用技术研究也明显落后。因此咱们要不断学习和引进国外先进科学技术，大力发展研究，推动国内机床工业发展[4]。
1.1.2 问题提出
由以上现状分析咱们可以看出，在机床加工中钻床加工工作量在总制造工作量中占有很大比重。钻床为孔加工机床，按其构造形式不同可以分为摇臂钻床、立式钻床、卧式钻床、深孔钻床、多轴钻床等[1]。重要用来进行钻孔、扩孔、绞孔、攻丝等。长期以来国内机械制造工业中孔类加工多数由老式钻床来完毕，但是老式钻床在大批量生产时存在许多局限性之处：
(1)自动化限度不高，难以进行大批量生产；
(2)工作效率低，且工人工作环境恶劣；
(3)占用人力较多，操作固定不易出错；
(4)精度不高，工件装夹费时；
(5)加工产品质量不高；
针对以上老式钻床局限性之处及生产中存在问题，咱们有必要对老式钻床进行构造改进。通过对老式钻床手动进给系统、夹紧系统及人工送料系统改进和设计，从而提高产品质量和生产效率，实现自动化，减少劳动强度及工作量。
1.1.3 问题分析以及解决方案
当前老式钻床问题存在重要在于自动化限度、生产效率、工作环境及产品质量。在生产过程中，手动操作、繁锁装夹、大量生产力投入和单毕生产流程导致了钻床加工自动化限度低、生产效率低、工作环境恶劣和产品质量不高，因而，咱们要解决问题在于如何实现钻床加工自动化、减少生产力投入生产和与其他工艺流程相结合，同步也要考虑经济问题[4]。
通过度析，咱们可以从机构设计和控制系统两方面去考虑。通过对钻床机构改造来实现自动化控制规定，提高产品加工精度及质量；通过导入先进控制系统来进行自动操控，从而实现自动化，便于导入到其他生产流程中去。为理解决问题和便于设计改造，咱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某些，下面分别对各某些问题提出解决方案：
(1)传动系统 为满足改进后加工及工作规定，在做出相应计算后对传动系统进行改进和调节。
(2)进给系统 老式钻床主轴进给系统重要由主轴、主轴套筒、主轴套筒镶套、齿轮齿条和轴承等构成。主轴在加工时即要作旋转运动，也要作轴向进给运动。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规定，主轴进给机构改进重要有：主轴旋转运动依然由电动机传入，而进给则由液压传动代替手动齿条传动，通过液压控制系统来实现进给动作。
(3)夹紧系统 老式钻床夹紧重要是手工操作，由夹具夹紧工件。为了便于实现自动化控制，工件夹紧由夹具完毕，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自动化。
(4)送料系统 在生产过程中，钻床送料重要由人工输入，这使得投入了大量生产力，消耗了大量工时，使生产率不高，为此咱们通过导入自动送料系统来减少生产力投入和工时消耗。自动送料系统机构传动要依照生产需求作出相应设计需求，动力源可由电机或液压系统传入，两者均可实现自动化控制。
(5)控制系统 当前机床控制系统重要由计算机数控、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、编程简朴、使用以便、扩充灵活、功能完善，因此咱们运用PLC控制技术来实现对进给系统、夹紧系统和送料系统液压控制系统控制[3]。
1.2 本文研究内容及目的
本文重要是通过应用机床设计普通办法对老式钻床机构和控制系统进行设计及改进。研究重要内容是普通台式钻床传动系统改进、进给系统设计、进给系统液压缸设计和PLC控制系统设计等四个方面。其中重点在于进给系统、进给系统液压缸和PLC控制系统设计。进给系统设计重要是解决主轴高速旋转与轴向进给两个自由度实现；进给系统液压缸设计涉及液压缸设计、液压缸与主轴配合和液压缸油路控制； PLC控制系统设计重要是通过应用PLC控制程序来实现对液压油路动作控制及钻床加工过程动作控制[3]。咱们通过对老式台式钻床改进及设计，要达到目的在于通过改进钻床可以实现工作自动化，最后能满足如下规定：
(1)能实现自动化持续生产，改进产品加工质量，提高生产效率；
(2)减少工作人员劳动强度和工作量；
(3)钻床系统工作平稳，满足工作规定；
(4)经济因素合理[3]；
1.3 本章小结
本章节重要对当代机械制造业作了简朴总概括，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某些问题，以及针对钻床加工现存缺陷做出剖析，提出对老式钻床改造必要性和可行性，并对改造任务和目的作出简述。通过对改造任务和目的简述，为设计方案拟定了设计对象。

2 自动钻床总体方案设计
总体方案设计构思和方案拟定关系到产品功能与否齐全、性能与否优良、经济效益与否明显，因而，咱们要拟定良好总体方案设计思想，保证产品功能、经济效益和实用性能。　
总体方案设计内容重要涉及如下几种方面：
(1)执行系统方案设计；
(2)原动机类型选取和传动系统方案设计；
(3)控制系统方案设计；
(4)总体布局设计；
(5)辅助系统设计；
为了完毕普通台式钻床改造及进给系统设计，咱们依循机床设计普通环节拟定自动钻床总体方案设计。
2.1 自动专用钻床已知条件和设计规定概述
本文对普通台式钻床自动化改造及进给系统设计是以某五金工具厂钢丝钳生产线自动化改造为背景。
已知：加工对象为钢丝钳，加工工序为在钢丝钳上钻削直径为φ12mm（钻床最大钻削直径）通孔，钢丝钳材料为Q235。
改造后全自动钻床应满足如下设计规定：
(1)满足自动持续生产，且生产率为3把/分钟；
(2)自动化改造应是机械、电气和液压有机结合；
(3)传动系统设计应包括切削力计算、电动机选取、传动装置设计、床身构造设计等；
(4)设计重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与手动相结合方式实现；
2.2 自动钻床工艺路线分析与拟定
与老式台式钻床加工工艺路线相比较，改造后全自动钻床基本动作有很大调节，这其中重要是导入了自动化加工动作。结合设计及生产规定，拟定工艺路线如下：

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→
为了完毕自动化加工，自动钻床按照上述工艺路线进循环行动作来完毕成批工件加工过程。依照工艺流程，可拟定自动钻床动作流程图如图2.1所示。

图2.1 自动钻床动作流程图
2.3 执行系统方案设计
执行系统是机械系统中重要构成某些，直接完毕机械系统预期工作任务。
机械执行系统方案设计是机械系统总体方案设计核心，是整个机械设计工作基本。
本文自动钻床执行系统重要涉及钻头加工和进给液压缸驱动进给。
2.3.1 执行系统功能原理设计
功能原理设计决定产品技术水平、工作质量、传动方案、构造型式、制导致本等。因而在进行钻床功能原理设计时，咱们应当考虑钻床功能可行性、先进性和经济性。
普通台式钻床改造重要是实现自动化功能。改造后全自动钻床能实现自动化持续生产，提高了生产率，符合了工厂生产需求，适应了当代机械加工业发展规定。
2.3.2 执行系统运动规律
本文设计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代替手动进给。依照设计，咱们要分析运动规律涉及钻头切削运动和进给液压缸驱动进给运动。钻头加工运动涉及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毕驱动主轴进给，为直线运动。
钻床执行系统运动规律如图2.2所示。

主轴直线进给运动

主轴旋转切削运动

图2.2 自动钻床运动规律简图
2.3.3 执行机构形式设计
在进行执行机构形式设计时，要遵循如下原则：满足执行构件工艺动作和运动规定、尽量简化和缩短运动链、尽量减小机构尺寸、选取适当运动副形式、考虑动力源形式、使执行系统具备良好传力和动力特性、使机械具备调节某些运动参数能力和保证机械安全运转[5]。
考虑以上设计原则，在实现钻头旋转切削运动时，动力源与主轴之间执行机构咱们选取带轮传动；在实现钻头直线进给运动时，咱们选取可以往复运动液压缸。
2.3.4 执行系统协调设计
执行系统协调设计原则：满足各执行机构动作先后顺序性规定、满足各执行机构动作在时间上同步性规定、满足各执行机构在空间布置上协调性规定、满足各执行机构在操作上协同性规定、各执行机构动作安排要有助于提高劳动生产率、各执行机构布置要有助于系统能量协调和效率提高[5]。
自动钻床主轴带轮传动减少了传动链，且可过载保护；液压缸驱动进给不需要变化运动形式，且易于实现自动化控制。
2.3.5 执行系统方案评价与决策
自动钻床执行系统在功能上能满足钻床加工工作规定，主轴带轮传动能起到过载保护作用。液压缸执行系统能实现钻床切削加工进给运动，易于控制，是实现自动化控制首选机构[3]。
2.4 传动系统方案设计和原动机选取
2.4.1 原动机选取
由自动钻床执行部件运动规律咱们可以选取原动机。主轴旋转运动原动机选取电动机，进给液压缸原动力选取电动机驱动液压泵 （详细型号在下面章节中计算后选取）。
2.4.2 传动系统方案设计
(1)拟定传动系统总传动比
全自动钻床总传动比拟定要建立在计算切削力和传动效率基本上，当拟定自动钻床工作功率后，查表选取电动机，对照钻床工作参数拟定总传动比（主轴系统总传动比在传动系统设计中经计算后拟定）[4]。
(2)选取传动类型
根据老式台式钻床构造特点，主轴旋转运动选取带轮V带传动，此传动类型可实现过载保护；
钻头直线进给运动选取液压传动，此类型传动有如下长处：
(a)在输出功率相似条件下，体积小、重量轻；
(b)运动平稳，吸振能力强；
(c)易于实现迅速启动、制动、频繁换向以及无级调速；
(d)布局安装比较灵活，液压元件易于实现系列化、原则化、通用化；
(e)与机构相结合易实现自动化控制；

(3)绘制传动系统运动简图
依照以上分析，拟定传动系统运动简图如2.3所示。
花键传动
V带传动

液压缸进给传动

图2.3 传动系统运动简图
2.5 控制方案设计
综合考虑全自动钻床改造规定、功能规定、控制规定及经济因素，控制系统采用PLC与手动相结合办法进行控制。
PLC即可编程控制器，其英文全称为 Programmable Controller。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产物。通过30近年发展，可编程控制器已经成为最重要、最可靠、应用场合最广泛工业控制微型计算机。PLC不但充分运用微解决器长处来满足各种工业领域实时控制规定，同步也照顾到操作维护人员技能和习惯，摒弃了微机惯用计算机编程语言，独具风格地使用以继电器梯型图为基本形象编程语言和模块化软件构造，使顾客编制程序清晰直观、调试和查错容易，且编程以便易学[3]。
PLC重要功能有：顺序控制、数据解决、逻辑控制、运营状态监控、记数控制、通讯与联网、定期控制。在自动钻床控制系统中，咱们重要应用PLC顺序控制和定期控制。
此外PLC作为当代最重要、最可靠、应用场合最广泛工业控制微型计算机，其具备如下特点：
(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以便；
(5)通用性好、体积小、使用灵活；
(6)设计施工和调试周期短；
结合以上PLC特点，咱们在控制系统方案设计时选取PLC作为重要控制方式，此外依照实际工作规定，配合恰当手动控制元件[3]。
2.6 总体布局设计
机床总布局设计任务是解决机床各部件间相对运动和相对位置关系，并使机床具备一种协调完美造型。工艺分析和工件形状、尺寸及重量，在很大限度上左右着机床布局形式。
普通台式钻床自动化改造及进给系统设计，是在原有机构基本上导入了液压进给驱动系统：主轴箱要做变动。同步还导入了液压夹紧系统：考虑到台式钻床固定不动，可变动工作台构造以实现总体布局协调[7]。
2.7 辅助系统设计
辅助系统设计重要涉及润滑系统设计、冷却系统设计、故障检测系统设计、安全保障系统设计和照明系统设计[6]。
设计过程中可依照设计规定和实际钻床工作需求进行辅助系统设计。
2.8 本章小结
本章重要简介了通过对已知设计条件分析如何拟定自动钻床总体方案问题。章节中重要对自动钻床总体方案中工艺路线、执行系统方案、传动系统方案和控制系统方案作了详细简介和分析。
通过本章节论述和图文表达，我对自动钻床总体设计有了一种清晰概念，拟定了下面章节中设计环节和设计重点。

3 专用钻床进给系统设计
3.1 进给系统概述与分析
老式台式钻床主轴进给系统重要由主轴、主轴套筒、主轴套筒镶套、齿轮齿条和轴承等构成。主轴在加工时即要作旋转运动，也要作轴向进给运动。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，由液压缸驱动代替齿轮齿条手动进给，来实现主轴快进、工进和快退动作。
钻床在加工时，主轴要作高速旋转运动和直线进给运动。导入液压缸进给系统后，由于液压缸构造和性能限制，液压缸活塞杆不适当作高速旋转运动，因而，咱们要结合适当轴承和构造来实现主轴高速旋转。往复进给运动由液压缸来完毕动作。如图3.1所示。

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图3.1 普通台式钻床进给系统简图
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 进给系统方案图拟定
全自动钻床是在原有台式钻床构造基本上进行改造设计，因此，咱们一方面要对普通台式钻床进给系统做出详细研究。
台式钻床主轴进给系统重要部件有主轴、主轴套筒、主轴套筒镶套、齿轮齿条和轴承等[4]。其构造图如图3.1示：
依照普通台式钻床进给系统设计特点，综合考虑本文设计规定、改造后自动钻床工作条件和液压缸工作特性，拟定自动钻床进给系统如图3.2所示：

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图3.2 自动钻床进给系统简图
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
依照设计任务可知，生产工件时，规定生产率为3把/分钟，即规定在20秒内要完毕一件工件送料、夹紧、钻削加工和出料。
已知件材料为Q235钢，工件厚度大概为15mm，查《机械工程材料实用手册》可知，Q235为碳素构造钢，其韧性良好，有一定强度和伸长率，在普通机械制造中应用广泛，是普通机械制造中重要材料，其切削加工性能较好。钻削直径为12mm通孔，钻削行程（孔长度）l≈15mm。由此可拟定钻床主轴行程为100mm，也就是液压缸行程为100mm。
在钻床切削加工过程中，钻床主轴重要受到切削扭矩和轴向进给力作用。轴向进给力是沿主轴轴向，在主轴保持其与工作台垂直度状况下，轴向力作用产生弯矩基本为零，可忽视不计。因此，钻床主轴为仅受转矩作用轴类[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摩擦力作用；在主轴工进工序中，液压缸受到钻床主轴组件重力、轴向切削力和液压缸系统摩擦力作用；在主轴快退工序中，液压缸受到主轴组件重力、退刀阻力和液压缸系统摩擦力。因而，在进给液压缸设计时，咱们要以最大受力作为设计原则。
3.4 切削力计算
3.4.1 切削刀具及有关参数选取
当前在钻孔加工中，麻花钻重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涂层解决后，其耐用度和钻孔精度有了较大提高，因此该钻头应用极广[13]。因此，在本文钻削加工过程中，选取高速钢麻花钻头。查《金属切削手册》[17]选取原则圆柱锥柄麻花钻中档长度第一系列，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，因此查《金属切削手册》[17]选取加工时进给量f为：f=0.2mm/r；其相应切削速度V=32m/min。
3.4.2 主轴转速及钻孔时间计算
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期固定转速n计算公式如下：
（3.1）
式中，——选定切削速度（m/min）
——刀具或工件直径（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计算公式为：

（3.2）
式中，l——被钻孔厚度（mm）
f——切削进给量（mm/r）
——刀具或工件直径（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，拟定一件工件加工工时为：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，达到了加工效率规定。
3.4.3 切削力计算
钻床切削力计算涉及钻床主轴转矩计算和主轴轴向切削力计算。由于加工材料为Q235钢，其属于碳素构造钢，钻头为高速钢麻花钻，加工方式为钻孔，因此查《机床夹具设计手册》[16]得：
钻床转矩计算公式如下：
（3.3）
式中，—— 切削力矩（N·M）
—— 钻头直径（mm）
—— 每转进给量（mm）
—— 修正系数
（3.4）
轴向切削力计算公式如下：
（3.5）
式中，—— 轴向切削力（N）
—— 钻头直径（mm）
—— 每转进给量(mm)
—— 修正系数
已知被加工材料为Q235构造钢，构造钢和铸钢取=736MPa，=12mm，=0.2mm，因此可分别计算出切削转矩和轴向切削为：
=13.5 N·M =2595 N
3.5 钻床主轴设计
3.5.1 主轴材料选取
在轴设计过程中，轴类材料选取要考虑如下因素：
(1)轴强度、刚度和耐磨性规定；
(2)轴热解决方式和机加工工艺性规定；
(3)轴材料来源和经济性；
轴惯用材料有碳钢和合金钢。普通来说碳钢比合金钢价格低廉，相应力集中敏感性低，可通过热解决改进其综合性能，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，普通用于强度和耐磨性规定高场合[19]。
综合以上设计规定及因素，钻床主轴材料选用45号钢，经调质解决后HB要达到240左右。其机械性能参数如下：δb=650MPa；δs=360MPa；δ-1=300MPa；τ-1=155MPa；[δ-1]b=60MPa；[τT]=35MPa。
3.5.2 轴径计算
由金属切削原理[14]可知，主轴切削功率计算公式为：

（3.6）
式中：—— 轴向切削力（N）
—— 每转进给量(mm)
n——主轴固定转速（r/min）
—— 切削力矩（N·M）
将以上数值代入公式中可计算出功率=1.2KW
考虑到轴承传动效率（查得为0.99）和花键传动效率[5]（查得为0.98），因此可计算出钻床主轴要传递功率P为：
P=/(0.99×0.99×0.98)=1.25KW （3.7）
由工况分析可知，在钻床切削加工过程中，钻床主轴重要受到切削扭矩和轴向进给力作用。轴向进给力是沿主轴轴向，在主轴保持其与工作台垂直度状况下，轴向力作用产生弯矩基本为零，可忽视不计。因此，钻床主轴为仅受转矩作用轴类。查《机械设计》[6]得钻床最小直径计算公式如下：
（3.8）
选C=110，计算出dmin=13mm
由计算成果可知，在满足加工条件状况下，钻床主轴最小直径不能不大于13mm，依照普通台式钻床主轴构造，现选自动钻床直径为40mm。
3.5.3 轴构造设计
由图3.2进给系统构造简图可知，钻床主轴上重要安装有一对深沟球轴承、一对推力球轴承、一种轴承挡环、一种锁紧螺栓和轴端花键连接。依照钻床轴径选用轴承及花键尺寸如表3.1所示。
依照主轴行程，可拟定钻床主轴基本长度尺寸如图3.3所示。
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
8×32×36×6 GB/T 1144-1987

图3.3 钻床主轴基本尺寸简图
3.5.4 轴强度校核
由工况分析可知，钻床主轴受力图如图3.4所示。
Mk
M

图3.4 钻床主轴受力简图

图3.5 钻床主轴转矩简图
考虑到传动效率，钻床主轴要传递转矩M=Mk/（0.99×0.99×0.98）=14 N·M,液压力为对称受为，合力方向沿钻床主轴方向，大小与进给切削力互相抵消。因此，绘制主轴所受转矩图如图3.5。
依照轴上零件布置，轴危险截面为轴端花键处，因此应对该处进行轴强度校验。
扭转强度约束条件：
（3.9）
式中：τT—— 轴扭转应力（MPa）
M——轴传递转矩(N·mm)
WT——轴抗扭截面模量（mm3）
[τT]——轴许用扭转应力（）
查《机械设计》[6]得花键抗扭截面模量WT计算公式为：
（3.10）
式中：d1——花键内径（mm）
b——花键齿宽(mm)
z——花键齿数
D——花键外径（mm）
将选用花键基本参数代入公式中可计算出WT=5739，因此可以计算出钻床主轴扭转应力=2.44。
由于[]=35，显然≤[]，因此，轴满足强度规定。
3.6 进给液压系统设计
3.6.1 负载分析
普通状况下，作往复直线运动液压缸负载由六某些构成，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，咱们暂不考虑回油腔背时压力，液压缸密封装置产生摩擦阻力在机械效率中加以考虑。因改造后自动钻床和普通台式钻床同样竖直放置，因此需要考虑力有：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轴向切削力，其大小=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，因此计算出整下系统机械效率η为[6]：
η=0.99×0.99×0.98×0.95=0.91 （3.11）
系统要克服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》[1]钢材密度取7.85 ，主轴体积V为：
（3.12）
式中： V——主轴体积（m3）
d——主轴直径 (mm)，取40mm
——主轴长度（mm），取550mm
因此主轴重力为：= （3.13）
式中： V——主轴体积（m3）
ρ——主轴材料密度（）
g——重力加速度（），取10
——主轴重力（N）
计算出主轴重量=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重力=200N。
惯性力Fm指运动部件在启动或制动过程中惯性力，查《液压与气压传动》[3]得其计算公式为：
（3.14）
式中，——系统重力
——重力加速度
——时间内速度变化量
——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；依照工时安排可拟定主轴快进快退速度为3m/min；工进速度为0.17m/min；加速、减速时间普通取Δt=0.2s；因此可以计算出惯性力：
=5N （3.15）
快进时，在不考虑背压状况下，主轴会在重力作用下自动下移，且加速度大概为9.8，因而，液压缸在快进时受到最大作用力F=G×η=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。因此F=（-G）/η，为了设计可行性，使得液压缸有足够液压作用力，计算中咱们取系统重力一半代入到式中，F=2742N。
快退时，液压缸要克服重力和系统摩擦力，因此F=G/η考虑到钻头退出工件时摩擦力，η在计算时取0.89，因此计算出此时F=225N。
列出主轴系统各运动阶段液压负载计算公式及大小如表3.2所示。
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=G×η
182
主轴工进
F=（-G）/η
2742
主轴快退
F=G/η
225
依照液压缸各运动阶段负载计算成果和已知各阶段运动速度，咱们可以画出负载图（F-）和速度图(V-)如图3.6所示。
V（m/min）
0.17
3
-3
72
70

72
70
2742
225
182
0
F（N）

图3.6 液压系统负载及速度简图

3.6.2 液压缸执行元件重要参数确
(1)初选液压缸工作压力
表3.3 液压设备惯用工作压力表

设备类型
机床
农业机械或中型工程机械
液压机、重型机械起重运送机械
磨床
组合机 床
龙门刨床
拉床
工作压力P1/（MPa）
0.8～2.0
3～5
2～8
8～10
10～16
20～32
液压缸工作压力重要依照液压设备类型来拟定，对不同液压设备，由于工作条件不同，普通采用压力范畴也不同。依照钻床工作条件和加工规定，参照液压设备惯用工作压力表3.3和同类机床液压工作压力，初选液压缸工作压力=3。
(2)拟定液压缸类型及重要构造尺寸
依照设计规定和钻床主轴运动规律，选取双杆活塞缸，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。双杆活塞缸活塞杆两侧都可伸出，依照工作需要，选用活塞缸采用缸筒固定式。缸筒固定式双杆活塞缸简图如图3.7所示。

图3.7 缸筒固定式双杆活塞缸构造简图
自动钻床在完毕工进后，为了防止在钻通要加工孔后主轴突然前冲，咱们要在回油路上安装背压阀。查表3.4液压缸参照背压表，回油路背压选取=0.8。

表3.4 液压缸参照背压
系统类型
背压（）
回油路上有节流阀调速系统
0.2～0.5
回油路上有调速阀调速系统
0.5～0.8
回油路上装有背压阀
0.5～1.5
带补油泵闭式回路
0.8～1.5
由表3.1 主轴零件选用表可知，活塞杆两端要装轴承。深沟球轴承选用滚动轴承 6208 GB/T 276-1994，其外径为80mm，查表3.5活塞杆直径系列表，活塞杆直径选用=100mm。
表3.5 活塞杆直径系列（GB2348-80）（mm）
4
5
6
8
10
12
14
16
18
20
22
25
28
32
36
40
45
50
56
63
70
80
90
100
110
125
140
160
180
200
220
250
280
320
360
400
由表3.2可知，当主轴工进时液压系统负载最大F=2742N，由此可计算出液压缸有效面积A为：
（3.16）
式中：——液压缸内径（）
——液压缸活塞杆直径（），=100mm
——液压缸负载（），F=2742
——液压缸工作压力（），=3
——回油路背压力（），==0.8
因此可计算也液压缸内径=117。为了便于采用原则密封式元件，查表3.6对液压缸内径进行圆整。圆整后取=125。

表3.6 液压缸内径尺寸系列（GB2348-80）(mm)
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
（90）
100
（110）
125
（140）
160
（180）
200
220
250
320
400
500
630

液压缸基本尺寸拟定后，要按最低工进速度验算液压缸尺寸。即保证液压缸有效工作面积要不不大于或等于保证最小稳定速度时最小有效面积。
即： ≥ （3.17）
式中，——流量阀最小稳定流量，=0.05
——液压缸最低速度，=0.17
由计算可得A=2767≥=294,因而，液压系统基本尺寸满足最低速度规定。
(3)液压缸材料选取
液压缸材料选取重要受如下几种因素制约：
（a）液压缸要有足够强度；
（b）液压缸要有足够刚度；
（c）液压缸要有较好耐磨性能；
因而，基于以上因素及国内既有液压缸材料，液压缸材料选取45号无缝钢管[3]。
(4)液压缸各工作阶段工作压力、流量和功率计算
依照液压缸负载图和速度图以及上述液压缸计算数值，可以计算出液压缸工作各阶段压力、流量和功率。在计算时工进时背压按=0.8代入，快退快进时背压按=0.5代入计算。计算公式及计算成果列于表3-5中。
自动钻床快进和工进时，液压缸上油缸进油下油缸回油；快退时液压缸下油缸进油上油缸回油。
因而计算液压缸工作各阶段压力、流量和功率如表3.7所示。

表3.7 液压缸所需实际流量、压力和功率
工作循环
计算公式
进油压力
回油压力
所需流量
输入功率
（）
（）
（）
P（）

主轴快进
=-
=
P=
0.43
0.5
8.3
0.06
主轴工进
=+
=
P=
1.8
0.8
0.47
0.02
主轴快退
=+
=
P=
0.6
0.5
8.3
0.08
注：表中A为液压缸有效面积，V为各阶段稳定速度。
(5)液压缸壁厚和最小导向长度计算
液压缸壁厚由液压缸强度条件来计算。
液压缸壁厚普通是指缸筒构造中最薄处厚度。因壁厚不同可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。
液压缸内径D与其壁厚δ比值圆筒称为薄壁圆筒。工程机械液压缸大多属于薄壁圆筒