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本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
摘要
本文主要介紹了臺式鉆床的改造和設(shè)計(jì)，通過導(dǎo)入液壓進(jìn)給系統(tǒng)和PLC控制
系統(tǒng)將臺式鉆床改造為自動鉆床，并可通過PLC實(shí)現(xiàn)自動控制。
設(shè)計(jì)過程按照機(jī)床的一般設(shè)計(jì)步驟先進(jìn)行總體方案的確定，然后再分別對進(jìn)給系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。
設(shè)計(jì)的目標(biāo)在于通過導(dǎo)入液壓進(jìn)給系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)，改造后的鉆床能實(shí)現(xiàn)自動化連續(xù)生產(chǎn)、改善產(chǎn)品的加工質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)效率；降低工作人員勞動強(qiáng)度和工作量；鉆床系統(tǒng)能夠工作平穩(wěn)，滿足工作要求；經(jīng)濟(jì)因素合理。
本文設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于進(jìn)給系統(tǒng)液壓缸的設(shè)計(jì)和PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。進(jìn)給液壓缸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制油路的設(shè)計(jì)；PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是根據(jù)工作要求和控制需要，選擇電氣元件和編寫控制程序來實(shí)現(xiàn)對自動鉆床的控制。
改造后的鉆床，能實(shí)現(xiàn)自動化控制，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。
關(guān) 鍵詞：自動鉆孔；液壓進(jìn)給系統(tǒng)；PLC控制：自動裝夾
Abstract
This paper mainly introduces the desin and modification of the drilling machine,through the introduction of hydraulic feed system and PLC control.The bench type drilling machine to automatic drilling machine,and use the PLC to achieve automatic control.
The process of degsin in accordance with the general machine design steps todetermine the overall plan, then the feed system, drive system and control system for the specific design.The control system through the introduction of hydraulic feed system and PLCdesign aims, drilling machine after transformation can achieve automatic continuous production, improve the product processing quality, improve production efficiency and reduce the labor intensity; and workload; drilling system can work stably, meet the job requirements; economic factors.
The focus of this design is the design of feed system of the design of the hydraulic cylinder and the PLC control system. Design the design of feed hydraulic system mainly includes the hydraulic cylinder structure design andcontrol circuit; the design of PLC control system is based on the control and the job requirements, selection of electrical components and programming control program to realize the control of the automatic drilling machine.Drilling machine after transformation, to achieve automatic control, is the typical integration of machinery product.
Key words: Automatic drilling; hydraulic feed system; PLC control: Automatic clamp.
II
目 錄
第1章 緒論 1
1.1 題目的來源及意義 1
1.2 本文研究的內(nèi)容 3
第2章 自動鉆床的總體方案設(shè)計(jì) 4
2.1 自動專用鉆床已知條件和設(shè)計(jì)要求概述 4
2.2 自動鉆床的工藝路線分析與確定 5
2.3 執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 5
2.3.1 執(zhí)行系統(tǒng)的功能原理設(shè)計(jì) 6
2.3.2 執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)動規(guī)律 6
2.3.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的形式設(shè)計(jì) 7
2.3.4 執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì) 7
2.4 傳動系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和原動機(jī)選擇 8
2.4.1 原動機(jī)選擇 8
2.4.2 傳動系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 9
2.5 控制方案設(shè)計(jì) 9
2.6 總體布局設(shè)計(jì) 10
第3章 螺母自動鉆孔機(jī)的機(jī)械傳動部分設(shè)計(jì) 11
3.1 進(jìn)給系統(tǒng)概述與分析 11
3.2 進(jìn)給系統(tǒng)方案圖的確定 12
3.3 工況分析 12
3.4 切削力的計(jì)算 13
3.4.1 切削刀具及相關(guān)參數(shù)的選擇 13
3.4.2 主軸轉(zhuǎn)速及鉆孔時間的計(jì)算 13
3.4.3 切削力的計(jì)算 14
3.5 鉆床主軸設(shè)計(jì) 15
3.5.1 主軸材料的選擇 15
3.5.2 軸徑的計(jì)算 15
3.5.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 16
3.5.4 軸強(qiáng)度的校核 17
3.6 進(jìn)給液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18
3.6.1 負(fù)載分析 18
3.6.2 液壓缸執(zhí)行元件主要參數(shù)的確定 20
3.6.3 活塞桿及活塞材料的選擇 28
3.6.4 活塞桿與活塞的連接方式及活塞密封裝置的選擇 28
3.7 主軸傳動系統(tǒng)的分析 29
3.8 主軸花鍵的設(shè)計(jì) 29
3.9 主軸電機(jī)的選擇 30
3.10 V帶傳動功率設(shè)計(jì) 30
3.10.1 設(shè)計(jì)功率的計(jì)算 30
3.10.2 選擇帶型 30
3.10.3 選取帶輪基準(zhǔn)直徑和 31
3.10.4 驗(yàn)算帶速V 31
3.10.5 確定中心距和帶的基準(zhǔn)長度 31
3.10.6 驗(yàn)算小帶輪包角 32
3.11 轉(zhuǎn)盤的設(shè)計(jì) 32
3.12 轉(zhuǎn)盤步進(jìn)主軸電機(jī)選擇 32
3.13 轉(zhuǎn)盤電機(jī)聯(lián)軸器的選擇 38
3.14 轉(zhuǎn)盤液壓缸的選擇 39
第4章 自動鉆孔控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 42
4.1 自動鉆孔機(jī)的自動化控制要求 42
4.2 可編程控制器PLC的簡述 42
4.3 自動鉆孔機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)控制流程 43
4.4 自動鉆孔機(jī)進(jìn)給電器原理圖 45
4.5 自動鉆孔機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)控制元件的選擇 46
4.5.1 輸入與輸出分配 46
4.5.2 可編程控制器PLC的選擇 47
4.5.3 刀開關(guān)的選擇 47
4.5.4 熔斷器的選擇 47
4.5.5 交流接觸器的選擇 47
4.5.6 行程開關(guān)與開關(guān)的選擇 47
4.5.7 繼電器的選擇 48
4.6 控制系統(tǒng)的程序編寫 48
第5章 結(jié)論 49
致 謝 51
參考文獻(xiàn) 52
附 錄 52
59
第1章 緒論
1.1 題目的來源及意義
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目是螺母自動鉆孔機(jī)，?題目來源于生產(chǎn)實(shí)踐。螺母自動鉆孔機(jī)是全自動機(jī)器，屬于機(jī)電一體化產(chǎn)品。
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(shí)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)展做出新的要求。
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距。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(jì)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距也很明顯，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制造工作量中占有很大的比重。鉆床為孔加工機(jī)床，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)；
（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(fèi)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(jì)，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，實(shí)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(shí)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。
為了解決問題和便于設(shè)計(jì)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，在做出相應(yīng)的計(jì)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(yùn)動，也要作軸向的進(jìn)給運(yùn)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(yùn)動由花鍵傳入，而進(jìn)給運(yùn)動則由齒輪通過齒條帶動套筒在鑲套內(nèi)運(yùn)動。為了實(shí)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(yùn)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(shí)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(shí)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(shí)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(jì)需求，動力源可由電機(jī)或液壓系統(tǒng)傳入，二者均可實(shí)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(jì)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(jì)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(shí)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 設(shè)計(jì)內(nèi)容
文主要是通過應(yīng)用機(jī)床設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)、進(jìn)給系統(tǒng)液壓缸的設(shè)計(jì)和PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等四個方面。其中重點(diǎn)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(jì)。進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)；進(jìn)給系統(tǒng)液壓缸設(shè)計(jì)包括液壓缸的設(shè)計(jì)、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(jì)主要是通過應(yīng)用PLC控制程序來實(shí)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(jì)，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(shí)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；
第2章 自動鉆床的總體方案設(shè)計(jì)
總體方案設(shè)計(jì)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(jì)思想，保證產(chǎn)品的功能、經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用性能?！?
總體方案設(shè)計(jì)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(jì) ；
（2）原動機(jī)類型的選擇和傳動系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)；
（3）控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)；
（4）總體布局設(shè)計(jì)；
（5）輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；
為了完成普通臺式鉆床的改造及進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我們依循機(jī)床設(shè)計(jì)的一般步驟，確定自動鉆床的總體方案設(shè)計(jì)。
2.1 螺母自動鉆孔機(jī)已知條件和設(shè)計(jì)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(jì)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?yàn)樵阡摻z鉗上削鉆直徑為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(jì)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(jì)應(yīng)包含切削力計(jì)算、電動機(jī)選擇、傳動裝置設(shè)計(jì)、床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等；
（4） 設(shè)計(jì)重點(diǎn)為鉆床液壓進(jìn)給系統(tǒng)之進(jìn)給油缸設(shè)計(jì)；
（5） 自動控制系統(tǒng)應(yīng)以PLC與手動相結(jié)合的方式實(shí)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(jì)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
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(jì)
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(jì)是機(jī)械系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)的核心，是整個機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)
功能原理設(shè)計(jì)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、制造成本等。因此在進(jìn)行鉆床的功能原理設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)自動化功能。改造后全自動鉆床能實(shí)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(yùn)動規(guī)律
本文設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于鉆床液壓進(jìn)給系統(tǒng)之進(jìn)給油缸設(shè)計(jì)，也就是用液壓缸驅(qū)動來替代手動進(jìn)給。根據(jù)設(shè)計(jì)，我們要分析的運(yùn)動規(guī)律包括鉆頭切削運(yùn)動和進(jìn)給液壓缸驅(qū)動進(jìn)給運(yùn)動。
鉆頭加工運(yùn)動包括旋轉(zhuǎn)切削運(yùn)動和鉆頭直線進(jìn)給運(yùn)動。
進(jìn)給液壓缸驅(qū)動進(jìn)給運(yùn)動要完成驅(qū)動主軸進(jìn)給，為直線運(yùn)動。
·鉆床執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)動規(guī)律如下圖示（圖2-2）：
主軸直線進(jìn)給運(yùn)動
主軸旋轉(zhuǎn)切削運(yùn)動
圖2-2 自動鉆床運(yùn)動規(guī)律簡圖
1-液壓缸 2-鉆套 3-轉(zhuǎn)盤 4-壓塊 5-螺母
圖2-3 轉(zhuǎn)盤運(yùn)動規(guī)律簡圖
轉(zhuǎn)盤部分的運(yùn)動為：轉(zhuǎn)盤的順時針旋轉(zhuǎn)，工件從傳送帶送入轉(zhuǎn)盤的工件孔，通
過轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)到了2 位置，在通過1液壓缸的夾緊來固定工件在鉆孔的過程中
不旋轉(zhuǎn)，加工過后工件隨著轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行卸料過程。
2.3.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)的形式設(shè)計(jì)
在進(jìn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)的形式設(shè)計(jì)時，要遵循以下原則：滿足執(zhí)行構(gòu)件的工藝動作和運(yùn)動要求、盡量簡化和縮短運(yùn)動鏈、盡量減小機(jī)構(gòu)尺寸、選擇合適的運(yùn)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(yùn)動參數(shù)的能力和保證機(jī)械的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。
考慮以上設(shè)計(jì)原則，在實(shí)現(xiàn)鉆頭的旋轉(zhuǎn)切削運(yùn)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(shí)現(xiàn)鉆頭的直線進(jìn)給運(yùn)動時，我們選擇能夠往復(fù)運(yùn)動的液壓缸。
2.3.4 執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)
執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)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)的布置要有利于系統(tǒng)的能量協(xié)調(diào)和效率的提高。
2.4 傳動系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)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(yùn)動規(guī)律我們可以選擇原動機(jī)。主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)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(jì)算后選擇）。
2.4.2 傳動系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
(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(jì)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(jì)中經(jīng)計(jì)算后確定）。
（二）繪制傳動系統(tǒng)運(yùn)動簡圖
根據(jù)以上分析，確定傳動系統(tǒng)的運(yùn)動簡圖如下（圖2-3）：
花鍵傳動
V帶傳動傳動
液壓缸進(jìn)給傳動
圖2-3 傳動系統(tǒng)運(yùn)動簡圖
2.5 控制方案設(shè)計(jì)
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(jì)算機(jī)。PLC不僅充分利用微處理器的優(yōu)點(diǎn)來滿足各種工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)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(jì)算機(jī)的編程語言，獨(dú)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(yùn)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(jì)算機(jī)，其具有以下特點(diǎn)：
（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；
（6）設(shè)計(jì)施工和調(diào)試的周期短；
結(jié)合以上PLC的特點(diǎn)，我們在控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時選擇PLC作為主要的控制方式，另外根據(jù)實(shí)際的工作要求，配合適當(dāng)?shù)氖謩涌刂圃?
2.6 總體布局設(shè)計(jì)
機(jī)床總布局的設(shè)計(jì)任務(wù)是解決機(jī)床各部件間的相對運(yùn)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(jì)，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。
第3章 螺母自動鉆孔機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
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(yùn)動，也要作軸向的進(jìn)給運(yùn)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(yùn)動由花鍵傳入，而進(jìn)給運(yùn)動則由齒輪通過齒條帶動套筒在鑲套內(nèi)運(yùn)動。由總體方案可知，自動鉆床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)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(yùn)動和直線的進(jìn)給運(yùn)動。導(dǎo)入液壓缸進(jìn)給系統(tǒng)后，因此，我們要結(jié)合合適的軸承和結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)主軸的高速旋轉(zhuǎn)。往復(fù)進(jìn)給運(yùn)動由液壓缸來完成動作。
4
5
3
6
7
2
1
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
圖3-1 普通臺式鉆床進(jìn)給系統(tǒng)簡圖
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(jì)的，所以，我們首先要對普通臺式鉆床的進(jìn)給系統(tǒng)仔細(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(jì)特點(diǎn)，綜合考慮本文設(shè)計(jì)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：
6
5
7
8
4
4
3
2
1
9
1、深溝球軸承2、主軸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
圖3-2自動鉆床的進(jìn)給系統(tǒng)簡圖
3.3 工況分析
根據(jù)設(shè)計(jì)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(shí)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。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(jì)時，我們要以最大受力作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
3.4 切削力的計(jì)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，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(jì)算
查《金屬切削手冊》，由切削速度計(jì)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(jì)算公式如下：
(3-1)
式中，——選定的切削速度（m/min）
——刀具或工件的直徑（mm）
將V=32m/min，d=12mm代入公式中，計(jì)算得出n=850r/min.
查《金屬切削手冊》,鉆孔時間T的計(jì)算公式為：
(3-2)
式中，l——被鉆孔厚度（mm）
f——切削進(jìn)給量（mm/r）
——刀具或工件的直徑（mm）
n——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(jì)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(jì)算
鉆床切削力的計(jì)算包括鉆床主軸轉(zhuǎn)矩計(jì)算和主軸軸向切削力的計(jì)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(jì)手冊》得：
鉆床轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式如下：
(3-3)
式中，—— 切削力矩（N·M）
—— 鉆頭直徑（mm）
—— 每轉(zhuǎn)進(jìn)給量（mm）
—— 修正系數(shù)
軸向切削力的計(jì)算公式如下：
(3-4)
式中，—— 軸向切削力（N）
—— 鉆頭直徑（mm）
—— 每轉(zhuǎn)進(jìn)給量(mm)
—— 修正系數(shù)
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(jì)算出切削轉(zhuǎn)矩和軸向切削為：
=13.5 N·M
=2595 N
3.5 鉆床主軸設(shè)計(jì)
3.5.1 主軸材料的選擇
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(jì)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：δb=650MPa；δs=360MPa；δ-1=300MPa；τ-1=155MPa；[δ-1]b=60MPa；[τT]=35MPa。
3.5.2 軸徑的計(jì)算
由金屬切削原理可知，主軸切削功率的計(jì)算公式為：
(3-5)
式中：—— 軸向切削力（N）
—— 每轉(zhuǎn)進(jìn)給量(mm)
n——主軸固定轉(zhuǎn)速（r/min）
—— 切削力矩（N·M）
將以上數(shù)值代入公式中可計(jì)算出功率=1.2KW
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(jì)算出鉆床主軸要傳遞的功率P為：
P=/(0.99×0.99×0.98)=1.25KW
由工況分析可知，鉆床主軸為僅受轉(zhuǎn)矩作用的軸類。查《機(jī)械設(shè)計(jì)》得鉆床最小直徑的計(jì)算公式如下：
(3-6)
選C=110，計(jì)算出dmin=13mm
由計(jì)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(jì)
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得花鍵連接。根據(jù)鉆床軸徑選用軸承及花鍵尺寸如下（表3-1）表示：
根據(jù)主軸的行程，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
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(yàn)。
扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度約束條件： (3-7)
式中：τT—— 軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（MPa）
M——軸的傳遞轉(zhuǎn)矩(N.mm)
WT——軸的抗扭截面模量（mm3）
[τT]——軸的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（）
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》得花鍵的抗扭截面模量WT的計(jì)算公式為：、
(3-8)
式中：d1——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(jì)算出WT=5739，所以可以計(jì)算出鉆床主軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力=2.44。
由于[]=35，顯然≤[]，所以，軸滿足強(qiáng)度要求。
3.6 進(jìn)給液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.6.1 負(fù)載分析
一般情況下，作往復(fù)直線運(yùn)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，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）、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 N
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(jì)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(jì)算：
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》鋼材密度取7.85 ，主軸體積V為：
(3-9)
式中： V——主軸體積（m3）
d——主軸直徑 (mm)，取40mm
——主軸長度（mm），取550mm
所以主軸重力為：
= (3-10)
式中： V——主軸體積（m3）
ρ——主軸材料密度（）
g——重力加速度（），取10
——主軸重力（N）
計(jì)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)要承受的重力=200N。
慣性力Fm指運(yùn)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(jì)算公式為：
(3-11)
式中，——系統(tǒng)重力
——重力加速度
——時間內(nèi)的速度變化量
——加速或減速時間
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、減速時間一般取Δt=0.2s；所以可以計(jì)算出慣性力：
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。
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(jì)的可行性，使得液壓缸有足夠的液壓作用力，計(jì)算中我們?nèi)∠到y(tǒng)重力的一半代入到式中，F(xiàn)=2742N。
快退時，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(jì)算時取0.89，所以計(jì)算出此時F=225N。
列出主軸系統(tǒng)各運(yùn)動階段的液壓負(fù)載計(jì)算公式及大小如下表（表3-2）：
表3-2 液壓缸各運(yùn)動階段負(fù)載表
運(yùn)動階段
計(jì)算公式
負(fù)載大?。∟）
主軸快進(jìn)
F=G×η
182
主軸工進(jìn)
F=（-G）/η
2742
主軸快退
F=G/η
225
根據(jù)液壓缸各運(yùn)動階段負(fù)載計(jì)算結(jié)果和已知各階段的運(yùn)動速度，我們可以畫出負(fù)載圖（F-）和速度圖(V-)如下（圖3-6）：
-3
0
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
設(shè)備類型
機(jī)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(yùn)輸機(jī)械
磨床
組合機(jī) 床
龍門刨床
L拉床
工作壓力P1/（MPa）
0.8～2.0
3～5
2～8
88～10
10～16
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，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。
(二)確定液壓缸的類型及主要結(jié)構(gòu)尺寸
根據(jù)設(shè)計(jì)的要求和鉆床主軸的運(yùn)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。
表3-4液壓缸參考背壓
系統(tǒng)類型
背壓（）
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。
表3-5 活塞桿直徑系列（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，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(jì)算出液壓缸的有效面積A為： (3-9)
式中：——液壓缸內(nèi)徑（）
——液壓缸活塞桿直徑（）, =100mm
——液壓缸負(fù)載（）, F=2742
——液壓缸工作壓力（）, =3
——回油路背壓力（）, ==0.8
所以可計(jì)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3-6對液壓缸內(nèi)徑進(jìn)行圓整。圓整后取=125。
表3-5液壓缸內(nèi)徑尺寸系列（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
液壓缸基本尺寸確定后，要按最低工進(jìn)速度驗(yàn)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。
即： (3-10)
式中，——流量閥的最小穩(wěn)定流量，=0.05
——液壓缸的最低速度, =0.17
由計(jì)算可得A=2767≥=294,因此，液壓系統(tǒng)基本尺寸滿足最低速度的要求。
（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：
（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，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(jì)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(jì)算數(shù)值，可以計(jì)算出液壓缸工作各階段的壓力、流量和功率。在計(jì)算時工進(jìn)時背壓按=0.8代入，快退快進(jìn)時背壓按=0.5代入計(jì)算。計(jì)算公式及計(jì)算結(jié)果列于表3-5中。
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(jì)算液壓缸工作各階段的壓力、流量和功率如下表示（表3-6）：
表3-6 液壓缸所需的實(shí)際流量、壓力和功率
工作循環(huán)
計(jì)算公式
進(jìn)油壓力
回油壓力
所需流量
輸入功率
（）
（）
（）
P（）
主軸快進(jìn)
=-
=
P=
0.43
0.5
8.3
0.06
主軸工進(jìn)
=+
=
P=
1.8
0.8
0.47
0.02
主軸快退
=+
=
P=
0.6
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(jì)算
液壓缸的壁厚由液壓缸的強(qiáng)度條件來計(jì)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(jì)算：
(3-11)
式中 δ—液壓缸壁厚（m）；
D—液壓缸的內(nèi)徑（m）；
—試驗(yàn)壓力，一般取最大工作壓力的（1.25～1.50）倍；
[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]= 100～110；高強(qiáng)度鑄鐵：[σ]=60；灰鑄鐵：[σ]=25。
根據(jù)表3-6中計(jì)算的結(jié)果，代入計(jì)算公式中，可計(jì)算出液壓缸壁厚δ=4mm?？紤]到與缸蓋的聯(lián)接，所以設(shè)計(jì)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(diǎn)到缸蓋滑動支撐面中點(diǎn)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
(3-12)
式中 —液壓缸的最大行程；
—液壓缸的內(nèi)徑。
本設(shè)計(jì)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(jì)算得出H≥67.5mm,設(shè)計(jì)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)。快進(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(yùn)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。
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。
快退時，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3-7）：
表3-7 電磁鐵動作表
工作階段
1Y
2Y
3Y
4Y
快進(jìn)
+
-
-
-
工進(jìn)
+
-
+
+
停留
-
-
+
+
快退
-
+
-
-
（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(jì)算：
式中，——液壓泵的最高工作壓力
——液壓缸的最大工作壓力；查表3-5 =1.8
——進(jìn)油管路總壓力損失；初算時簡單系統(tǒng)可取～，復(fù)雜系統(tǒng)可取～。取=
根據(jù)上式及數(shù)據(jù)值，可計(jì)算出=2.3。計(jì)算出的是系統(tǒng)的靜態(tài)壓力，因?yàn)橄到y(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=2.9
液壓泵的最大流量應(yīng)滿足下面公式：
式中，——液壓泵的最大流量
——同時動作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值。如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=8.3；
——系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取～，式中??；
所以計(jì)算出≥9.96。
根據(jù)上面計(jì)算的壓力和流量，查《機(jī)械設(shè)計(jì)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2。
2、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。
3、液壓系統(tǒng)液壓閥的選擇
根據(jù)表3-5液壓系統(tǒng)各工作階段所需的實(shí)際流量、壓力和設(shè)計(jì)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3-8）。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3-8 液壓系統(tǒng)液元件明細(xì)表
序號
元件名稱
最大通過流量（）
型號
1
三位四通電磁換向閥
15
WE5E5/AW220-50
2
二位二通電磁換向閥
15
3WE5E5/AW220-50
3
調(diào)速閥
0.6
31-2FRM5/0.6
5
二位三通電磁換向閥
15
4WE5E5/AW220-50
6
溢流閥
100
BT-03-L-32
7
溢流閥
100
BT-03-L-32
8
溢流閥
100
BT-03-L-32
9
定量葉片泵
11.52
YB1-12
10
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6.4
4、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(jì)的要求和工作環(huán)境的不同選擇相應(yīng)的材料。本設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)中取液壓泵額定流量的7倍，故油箱容積為：
=7×11.52=80.64
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。
（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(yùn)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(yùn)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(jì)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.
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)連接和錐削連接，我們采用的是卡環(huán)連接，它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便?；钊盎钊麠U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(yùn)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(shí)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）
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：
3.7 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(jì)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(jì)。液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)已在第三章中介紹并作出了設(shè)計(jì)，所以本章介紹帶輪傳動和主軸花鍵傳動的設(shè)計(jì)。
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(yùn)動。在主軸花鍵設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，設(shè)計(jì)包括V帶的選擇和帶輪尺寸的設(shè)計(jì)。
3.8 主軸花鍵的設(shè)計(jì)
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(shí)現(xiàn)滑動聯(lián)接；對軸的削弱也較小。
設(shè)計(jì)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（為齒數(shù)×內(nèi)徑×外徑×齒寬）。主軸的行程為100mm，查表4-1可確花鍵的長度為=160mm。
表3-9 花鍵長度系列表 （mm）
10
12
15
18
22
25
28
30
32
36
38
42
45