发布时间 : 星期四 文章基于PLC的全自动气动钻床毕业设计更新完毕开始阅读
1-锁紧螺母 2-垫圈 3-气压缸盖 4-深沟球轴承 5-垫圈
6-推力球轴承 7-主轴 8-活塞杆 9-气压缸筒
图3.3 自动钻床的进给系统结构简图
3.3.2 工况的分析
根据设计要求可知，生产工件时，要求生产率为3个/分钟，即要求在20S内完成一个工件的送料、夹紧、钻削加工和出料。
已知工件的材料为Q235，工件厚度大约为10mm，查《机械工程材料实用手册》可知，Q235为碳素结构钢，其韧性好，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[2]。钻削直径为14mm的孔，钻削行程（孔的深度）L=10mm，由此可确定钻床主轴行程为100 mm，也就是气压缸的行程为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。所以钻床主轴为仅受扭矩作用的轴类。
主轴进给气压缸在工件中受到的作用力分为三个阶段分析。在主轴快进工序中，气缸受到钻床主轴组件重力和气压缸系统的摩擦力作用；在主轴工进工序中，气缸受到钻床主轴组件的重力、轴向切削力和气压缸系统的摩擦力作用；在主轴快退阶段，
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气压缸受到主轴组件的重力、退刀阻力和气压缸系统摩擦力。因此，在进给气压缸的设计时，要以最大受力为设计标准。 3.3.3 切削力的计算
（1） 切削刀具及相关参数的选择
目前在钻孔加工中，由于高速钢麻花钻采用物理沉积法TiN涂层处理后，其耐用度和钻孔精度有了较大提高，所以该钻头应用广泛。所以，在本文的钻削加工中选择高速麻花钻头。查《金属切削手册》选择标准圆柱锥柄麻花钻中等长度第一系列，刀具直径为14mm，钻孔与主轴用莫氏锥孔连接，莫氏锥孔为1号莫氏锥孔[3]。
由于被加工的材料为Q235，其切削性能较好，所以查《金属切削手册》选择加工时的进给量f=0.2mm/r和对应的切削速度V=32m/min[3] （2） 主轴转速及钻孔时间的计算
根据工件材料查《金属切削手册》由切削速度计算公式可得主轴在工艺长期稳定时的固定转速n的计算公式如下：
n?（3.1）
1000vr/min ?d式中,v-选定的切削速度（m/min） d-刀具或工件的直径（mm）[3] 将V=32m/min，d=14mm代入公式中，计算得出n=728r/min 查《金属切削手册》，钻孔时间T的计算公式为： T?（3.2）
l?0.3d分 fn式中,l-被钻孔的厚度（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=10mm，f=0.2mm/r,d=14mm,n=728r/min代入公式中，计算得出T=6.3s 由此，确定一个工件的加工工时为：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，加工一个工件用时17s，达到了加工效率的要求。 （3） 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，抗拉强度?b?430MPa，其属于结构碳素钢，钻头为高速钢麻花钻，
加工方式为钻孔，所以查《机械加工工艺手册》得钻床转矩、轴向切削力计算公式如下：
M?CMdZMfword文档 可自由复制编辑
yMkM (3.3)
Ff?CFdzFfyFkF (3.4)
查《机械加工工艺手册》表1.6-8可知：
CM?0.305,ZM?2.0,yF?0.8;CF?600,ZF?1.0,yF?0.7;KM?KF?0.75
[4]
将这些代入式中可得：M?12.4N?m ，Ff?2042N 3.3.4 主轴的设计 （1） 轴径的计算
综合考虑，钻床主轴材料选用45号钢，经调质处理后HB达到240左右，由金属切削原理可知，主轴切削功率的计算公式为：
M?f?n KW （3.5）
30d PC?将M?12.4N?m,f?0.2mm/r,n?728r/min,d?14mm代入，可得PC?1.1KW。
考虑到轴承传动功率（查的为0.99）和花键传动效率（查的为0.98），所以可计算出钻床主轴要传递的功率为：
P?PC/(0.99?0.99?0.98)?1.15KW (3.6)
由上可知钻床主轴为仅受转矩作用的轴类。查《机械设计》得钻床最小直径的计算公式如下：
dmin?A?3P （3.7） n查《机械设计》表15-3，取A=140[5],于是dmin?16mm。
由计算结果可知，钻床主轴的最小直径为16mm，根据主轴结构要求，现选自动钻床前轴颈直径为40mm，后轴颈的直径为35mm。 （2） 轴的结构设计
由图3-3进给系统结构简图可知，钻床主轴上主要安装一对深沟球轴承、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的尺寸如下：
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表3.2 主轴零件的选用表
主轴零件 深沟球轴承 推力球轴承 花键 型号 滚动轴承6208 滚动轴承51308 8?32?36?6(mm) （资料来源：罗圣国：《机械设计课程设计手册第三版》，高等教育出版社，2006）[6]
根据主轴的行程，可确定钻床主轴的基本长度尺寸如图：
图3.4 钻床主轴基本尺寸简图
限于篇幅，轴强度的校核在这里不再叙述。 3.3.5 进给气缸的设计 （1） 负载的分析
一般情况下，做往复运动的气缸的负载由六部分组成，即工作阻力、摩擦力、惯性力、重力、密封阻力和背压力。
负载分析中，暂不考虑回气腔的背压力，所以需要考虑：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。
负载阻力即轴向切削力Ff?2042N。系统摩擦阻力在机械效率中考虑，轴承传动效率0.99，花键传动效率0.98，气压传动效率取0.9。所以计算出整个系统的机械效率为：??0.99?0.99?0.98?0.90?0.86
系统要克服的重力有钻床主轴重力和气缸活塞杆的重力。查《机械设计手册》钢材密度取7.85t?m（3.8）
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?3[7]
，主轴体积为：V??d2l4?10?9