鑿巖機(jī)缸體橫孔鉆的設(shè)計(jì)

李紅梅，薛宏榮

（天水風(fēng)動(dòng)機(jī)械有限公司，甘肅 天水 741020）

鑿巖機(jī)缸體橫孔鉆的設(shè)計(jì)

李紅梅，薛宏榮

（天水風(fēng)動(dòng)機(jī)械有限公司，甘肅 天水 741020）

介紹了專(zhuān)用橫孔鉆床的設(shè)計(jì)原理、參數(shù)確定及使用情況,為提高機(jī)械加工的效率和產(chǎn)品質(zhì)量提供了一條新的途徑。

專(zhuān)用橫孔鉆；主軸箱減速；鉆削鉆頭

1 引言

鑿巖機(jī)是我公司的主導(dǎo)產(chǎn)品，鑿巖機(jī)缸體是該產(chǎn)品的關(guān)鍵件,其加工質(zhì)量直接影響到產(chǎn)品的整機(jī)性能,某型號(hào)鑿巖機(jī)零件中φ98與φ90孔各有兩個(gè)φ13的橫孔,加工后要與已加工好的長(zhǎng)100 mm的φ13軸向孔相通（見(jiàn)圖1）。因4個(gè)φ13的橫孔位于大孔內(nèi)，用一般的鉆床配專(zhuān)用夾具是無(wú)法加工的,必須從內(nèi)孔用專(zhuān)用橫孔鉆(埋頭鉆)加工,又因橫孔直徑達(dá)φ13,孔徑較大,徑向抗力大,鉆通時(shí)是突然貫通,且與其相通的軸向孔已加工,橫孔周?chē)诤癫灰恢?導(dǎo)致加工時(shí)極易夾鉆,造成鉆頭崩刃,為此我們從鉆床與刀具這兩方面設(shè)計(jì)了一種新的鉆床,使用后效果良好。

圖1

2 橫孔鉆床的設(shè)計(jì)原理

橫孔鉆床的運(yùn)動(dòng)分為鉆頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和工件徑向進(jìn)給同時(shí)進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)。

圖2中，橫孔鉆床工作時(shí)鉆頭運(yùn)動(dòng),鉆頭動(dòng)力來(lái)自主電動(dòng)機(jī)，主電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)大小皮帶輪（Z1、Z2）傳遞給錐齒輪（Z3、Z4），被動(dòng)錐齒輪將動(dòng)力傳遞給鉆頭，滿(mǎn)足加工要求轉(zhuǎn)速。

橫孔鉆床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)即工作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，工件的進(jìn)給動(dòng)力來(lái)自于液壓油缸的推力，是由液壓系統(tǒng)來(lái)帶動(dòng)的。加工時(shí)開(kāi)動(dòng)主電機(jī)與液壓系統(tǒng)電機(jī),鉆頭旋轉(zhuǎn),液壓系統(tǒng)提供壓力油,再按工作按鈕,油缸推動(dòng)工件到達(dá)固定行程后自動(dòng)停止,由操作者手動(dòng)控制電磁換向閥換向并退回,卸下工件,完成一次加工循環(huán)。

圖2 橫孔鉆傳動(dòng)系統(tǒng)

3 橫孔鉆床的部件設(shè)計(jì)

橫孔鉆床總體分為六個(gè)部分:主軸箱、工件推進(jìn)系統(tǒng)、工件定位夾具、床身固定、液壓系統(tǒng)、刀具。除床身、液壓系統(tǒng)外其余部分如圖3所示。

圖3

3.1 主軸箱的設(shè)計(jì)

橫孔鉆床的主軸箱是橫孔鉆床變速和鉆頭動(dòng)力傳送裝置，由電機(jī)輸出的動(dòng)力經(jīng)大小皮帶輪進(jìn)行一級(jí)減速,再經(jīng)主軸同軸傳送至另一端經(jīng)一對(duì)大小錐齒輪進(jìn)行二次減速，同時(shí)改變動(dòng)力運(yùn)動(dòng)的方向,使得與大錐齒輪同速轉(zhuǎn)動(dòng)的鉆頭實(shí)現(xiàn)與主軸箱軸線相垂直的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),從而完成工件的加工。

3.2 推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單,主要包括一個(gè)單桿雙向運(yùn)動(dòng)活塞及液壓油缸及其附件，通過(guò)控制壓力油在油缸中的進(jìn)出方向,實(shí)現(xiàn)對(duì)定位夾具的升降控制,進(jìn)而完成鉆孔和退回循環(huán)動(dòng)作。

3.3 夾具的設(shè)計(jì)

鉆床夾具是工件裝夾專(zhuān)用工裝，考慮到定位軸維修與更換的方便，采用一個(gè)定位軸和一個(gè)棱形定位銷(xiāo)定位,相當(dāng)于一面二銷(xiāo)定位,保證了夾具工件的定位軸φ90中心線與橫孔鉆鉆頭中心線相垂直（見(jiàn)圖4）。

3.4 床身的設(shè)計(jì)

橫孔鉆床整個(gè)鉆床本身長(zhǎng)355 mm，寬300 mm，高415 mm，因?yàn)槌叽巛^小,為操作方便,又減小占地面積，床身全部采用板料及角鐵焊接結(jié)構(gòu)，床面大小800 mm×1000 mm,床高760mm，鉆床主體用四個(gè)螺栓固定于工作臺(tái)面,推進(jìn)油缸置于臺(tái)面下,電機(jī)固定于臺(tái)面下的側(cè)板上,臺(tái)面上開(kāi)一橫槽,傳動(dòng)皮帶可以通過(guò),臺(tái)面較大可以臨時(shí)放置工件,因?yàn)楣ぷ鲿r(shí)震動(dòng)較小,鉆床及臺(tái)面本身的重量足以保證工作時(shí)的穩(wěn)定,不需要與地面固定（見(jiàn)圖5）。

圖4

圖5

3.5 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖6中，液壓系統(tǒng)包括電機(jī)、油箱、濾油器、齒輪油泵、溢流閥、壓力計(jì)、三位四通電磁換向閥、節(jié)流閥、輸油管、接頭、螺栓、墊圈、螺母等，兩臺(tái)鉆床共用一套液壓系統(tǒng),采用一個(gè)電機(jī)和一個(gè)油泵,其余部分并聯(lián)而成,油路設(shè)計(jì)如圖6所示，因同時(shí)傳動(dòng)兩個(gè)液壓系統(tǒng),在管路分支系統(tǒng)中安置了節(jié)流調(diào)速裝置,并采用出油節(jié)流回路,特點(diǎn)是調(diào)速范圍大,反壓力較大,有較大的阻尼力,運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),泵油缸及換向閥等泄漏對(duì)速度影響較小。液壓電機(jī)選擇Y2系列(IP54)的三相異步電動(dòng)機(jī),型號(hào) Y2-100S2-4,功率 3kW,轉(zhuǎn)速1430 轉(zhuǎn)/分。

圖6

3.6 刀具設(shè)計(jì)

因鉆孔時(shí)壁厚較薄,且不均勻,為此采用圖7所示的刀具,該刀具最前面直徑φ9,后部直徑φ13,相當(dāng)于先鉆出一個(gè)小孔,然后再擴(kuò)孔，完鉆之前有一個(gè)小孔導(dǎo)向,這樣鉆削起來(lái)較平穩(wěn)。

圖7

4 橫孔鉆床的參數(shù)及計(jì)算

4.1 主電機(jī)選擇

主電機(jī)選擇Y2系列(IP54)的三相異步電動(dòng)機(jī)，型號(hào)Y2-90S-4,功率1.1 kW,額定電壓380V，轉(zhuǎn)速1400轉(zhuǎn)/分。

4.2 橫孔鉆床傳動(dòng)鏈計(jì)算

（1）主軸箱輸入轉(zhuǎn)速

n主=主電機(jī)轉(zhuǎn)速×小皮帶輪直徑/大皮帶輪直徑

=1400×85/160

=744（轉(zhuǎn)/分 )

（2）鉆頭轉(zhuǎn)速(主軸箱輸出轉(zhuǎn)速)

n=Z主/Z驅(qū)×n主

=15÷24×744

=465(轉(zhuǎn)/分)

（3）主軸箱輸出功率

取機(jī)械效率η=0.75

P=ηP額=0.75×1.1=0.825（kW）

所加工的工件為鑿巖機(jī)缸體,材質(zhì)為20Cr，鉆頭切削直經(jīng)13 mm。查《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》[1]，在此工作情況下鉆頭轉(zhuǎn)速465轉(zhuǎn)/分與設(shè)計(jì)值相一致。

4.3 鉆削時(shí)主軸扭矩、切削速度、功率、軸向切削力的計(jì)算

圖2中,主軸扭矩、切削速度、功率、軸向切削力的計(jì)算依據(jù)《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》[1]。

（1）切削速度

（2）切削扭矩

Nm=CM×d0×fn×km

式中d0——鉆頭直徑

f——進(jìn)給量

CM——系數(shù)

km——工況系數(shù)

取 d0=13，工況系數(shù)km取為 1，n=0.8,CM=0.305，查《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》[1]，高速鋼鉆頭鉆缸體（硬度HB=200-230）時(shí)的進(jìn)給量f=0.18

Nm=0.305×132×0.180.8×1

=0.305×169×0.25364×1

=13.07（N·m）

（3）切削功率

切削功率0.63 kW，選定的電機(jī)有用功率0.825kW，故機(jī)床功率足夠。

（4）鉆頭所受軸向切削力

F=CF×d0×fn1×km

=600×13×0.180.7×1

=2348（N）

鉆頭所受軸向切削力F的計(jì)算中n1取0.7。

4.4 橫孔鉆床推進(jìn)力的計(jì)算

鉆床推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)力與鉆頭所受的軸向力在同一條直線上且方向相同，油缸的推進(jìn)力就是鉆頭所受的軸向力及自重、摩擦力的合力。

油缸直徑φ80 mm，工作油壓0.5MPa，推進(jìn)力

P=0.5πr2=0.5×3.14×402

=2513（N）

考慮到滑板與導(dǎo)軌的摩擦力及工件、夾具、滑板、活塞等自重（大約120N），推進(jìn)力2513N＞2348N+120N，故切削加工可行。

橫孔鉆床接觸疲勞強(qiáng)度校核及液壓系統(tǒng)計(jì)算，略。

5 使用效果

設(shè)備制造后，經(jīng)過(guò)安裝、調(diào)試，從實(shí)際的加工情況來(lái)看，采用原來(lái)機(jī)床加工時(shí),加工效率低，既影響產(chǎn)品質(zhì)量，又耽誤生產(chǎn)進(jìn)度?，F(xiàn)使用新的專(zhuān)用橫孔鉆床，進(jìn)給采用液壓推進(jìn)，加工平穩(wěn)，操作輕快省力，加工工效比原來(lái)提高2倍以上。

[1]孟少農(nóng).機(jī)械加工工藝手冊(cè)(第二卷)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.137-156.

TG52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

2010-07-02）