水鉆切割范圍擴(kuò)展裝置設(shè)計(jì)

張桐瑜　周兆年　徐洪彪　張靜峰　鄒紅亮

摘 要：隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，制造業(yè)的快速更新，水鉆切割技術(shù)將會(huì)被應(yīng)用在更廣闊的領(lǐng)域，但其效率低、精度差等技術(shù)問題也越來越明顯。本文基于水鉆切割技術(shù)的基本原理，設(shè)計(jì)了水鉆切割范圍擴(kuò)展裝置，并通過對(duì)參數(shù)的優(yōu)化進(jìn)而提出了技術(shù)要求。通過對(duì)水鉆切割范圍擴(kuò)展裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了水鉆切割工作過程簡(jiǎn)單化、人性化，進(jìn)而提高了工作效率和切割精度。

關(guān)鍵詞：水鉆切割范圍擴(kuò)展裝置；人性化；高效率；高精度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.002

0 前言

目前，水鉆在家庭裝修和工程施工的鉆孔工作中，發(fā)揮著重要的作用，是人們施工過程中必不可少的電動(dòng)工具中之一[1]。但是由于我國(guó)鉆機(jī)行業(yè)起步較晚，很多方面還不夠完善，一般情況下，水鉆鉆孔主要是由人工固定，且一次固定只能鉆一個(gè)孔，若需要鉆多個(gè)孔，則需多次固定。而且鉆孔時(shí)要適當(dāng)來回抽插鉆桿，速度不能過快，否則會(huì)使較大的粉末顆粒通過時(shí)卡鉆。還需要保證鉆頭的平穩(wěn)，切忌左右晃動(dòng)，否則會(huì)增加鉆頭的摩擦和卡鉆的概率。這種由人工固定操縱的過程效率低，精度差，對(duì)工人的技術(shù)要求高[2]。針對(duì)當(dāng)前存在問題設(shè)計(jì)了水鉆切割范圍擴(kuò)展裝置，可以克服這些問題[3]。水鉆切割范圍擴(kuò)展裝置不但可實(shí)現(xiàn)一次固定鉆多孔，同時(shí)鉆頭可替換的直徑范圍大，能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)裝置多個(gè)要求的使用。還可精確調(diào)節(jié)工作鉆孔的位置和距離，進(jìn)而降低對(duì)工人的技術(shù)要求、可提高工人的工作效率，間接的降低了成本。

1 水鉆切割范圍擴(kuò)展裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示為水鉆切割范圍擴(kuò)展裝置的基本結(jié)構(gòu)圖，主要組成部分以及功能如下：

（1）絲杠：利用絲杠的運(yùn)動(dòng)原理進(jìn)行水鉆的移動(dòng)；

（2）搖把：轉(zhuǎn)動(dòng)搖把使絲杠上的絲杠和絲母配合運(yùn)動(dòng)；

（3）水鉆平臺(tái)：固定水鉆機(jī)的位置；

（4）滑桿：利用滑桿和滑塊的隨動(dòng)，配合絲杠的運(yùn)動(dòng)，減少運(yùn)動(dòng)阻力；

（5）主支架；主支撐裝置；

（6）副支架：副支撐裝置。

1.2 基本原理

由于絲杠具有優(yōu)秀的傳動(dòng)性能，降速比大、傳動(dòng)平穩(wěn)、便于保證和提高傳動(dòng)精度，在機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。因此水鉆切割范圍擴(kuò)展裝置主要利用絲杠和滑桿的組合使安裝在其上的水鉆機(jī)可以在一定的范圍內(nèi)左右前后平穩(wěn)的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)裝置整體的穩(wěn)定。

如圖2所示為水鉆切割范圍擴(kuò)展裝置的運(yùn)動(dòng)原理圖，①為縱向運(yùn)動(dòng)方向，②為橫向運(yùn)動(dòng)方向。兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向組合成面，使固定在裝置上的水鉆機(jī)在此平面自由移動(dòng)。

水鉆機(jī)在此運(yùn)動(dòng)平面的自由運(yùn)動(dòng)，主要依靠裝置中絲杠和滑桿的運(yùn)動(dòng)原理。（絲杠、絲母的配合運(yùn)動(dòng)和滑桿、滑塊的隨動(dòng)。）

2 參數(shù)的選擇與校驗(yàn)

2.1 參數(shù)的選擇

在查找GB5796.1-86的基本牙型尺寸表（由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局1986.01.21發(fā)布后）選擇的絲杠基本參數(shù)信息如下：

公稱直徑是20mm、導(dǎo)程是4mm、外徑是19.3mm，內(nèi)徑是17.5mm，動(dòng)載荷是5.3，靜載荷是12.1，負(fù)載：F=G=mg=24*9.8=235.2N。

通過計(jì)算運(yùn)動(dòng)速度（經(jīng)合理測(cè)算）即可得出相應(yīng)的推力。

①勻速運(yùn)動(dòng)的速度：

v=S/t=40mm/5s=8mm/s

②勻加速運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的作用力：

v12-v22=2a1S1

a1=6mm/s2

F2=a1*m=6*2.5=15N

③勻減速運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的作用力：

v32-v42=2a2S2

a2=-5mm/s2

F3=a2*m=5*2.5=12.5N

假定絲桿的受力模型可以看成一個(gè)簡(jiǎn)支梁，如下圖3所示。

當(dāng)載荷作用在絲杠的中點(diǎn)時(shí)：

Fay=Fby=235.2/2=117.6N

且在絲杠的中間的截面處，取左段為研究對(duì)象，如圖4所示。

則在該對(duì)象上合力為F1（F1為絲杠內(nèi)部相應(yīng)的阻力），作用方向在梁的中點(diǎn)。

F1=117.6/2=58.8N

根據(jù)平衡方程可以得出Fs為剪力M為彎矩l為絲桿長(zhǎng)度的1/4。

Fs=Fay-F1=117.6-58.8=58.8N

M=Fay*2l-F1*l=117.6*0.04-58.8*0.02=3.528N·m

由于搖動(dòng)絲杠時(shí)有人為推力，所以Tr20x4的梯形螺桿，外徑D=20mm，導(dǎo)程P=4mm，梯形絲桿傳動(dòng)存在很大的摩擦損耗（滾珠絲桿傳動(dòng)這種損耗很小），一般取n=40%作為有效輸出。

①由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的扭矩T和推力F關(guān)系為（不計(jì)損耗，不計(jì)加速）：

T=F*P/（2*Pi）=F*P/（2*3.14）

②計(jì)入損耗時(shí)：

T*40%=F*P/（2*Pi）=F*P/（2*3.14）

T*40%=0.1124 N·m

得：

T=0.1124/40%=0.281 N·m

③如果計(jì)入啟動(dòng)或停止時(shí)的加速度，假設(shè)啟動(dòng)加速度a為0.1G （即0.1*9.8=0.98） ，那么啟動(dòng)時(shí)附加的力F2=ma （m為物體重量，a為啟動(dòng)加速度），F(xiàn)2產(chǎn)生的扭矩。

T2*40%=F2*P/（2*3.14）=ma*P/（2*3.14）=0.0468N·m

T2=0.0468/40%=0.117N·m

所以計(jì)入損耗和計(jì)入加速時(shí)的扭矩：

T=0.0281+0.117=1.287N·m

總扭矩：

M總=3.528+1.287=4.815N·m

經(jīng)過對(duì)絲杠在不同運(yùn)動(dòng)情況下的受力分析以及計(jì)算，在水鉆正常工作范圍內(nèi)，絲杠能夠承受足夠大的外載荷。

2.2 絲杠的技術(shù)要求

絲杠是水鉆切割范圍擴(kuò)展裝置的主要移動(dòng)元件，屬于細(xì)長(zhǎng)柔性軸，它的長(zhǎng)度L與直徑d的比值很大，一般為20～50，因此剛性較差。同時(shí)絲杠的結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，有很高的螺紋表面要求，還有階梯、溝槽等結(jié)構(gòu)，所以在加工過程中易出現(xiàn)變形，因此絲杠的加工必須滿足以下幾個(gè)方面的要求：

（1）精度等級(jí)；

（2）表面粗糙度；

（3）單個(gè)螺距允許誤差和定長(zhǎng)上的累積允許誤差；

（4）中徑圓度允許誤差；

（5）外徑相等性允許誤差；

（6）外徑圓跳動(dòng)允許誤差；

（7）牙形半角允許誤差；

（8）中、外、內(nèi)徑允差等項(xiàng)。

2.3 水鉆的選取

水鉆的選取首先要看功率，功率大小直接決定了最大鉆孔尺寸；其次看是否帶安全離合或電子保護(hù)功能；選擇鉆頭時(shí)，不同型號(hào)的鉆頭用途不同，不同鉆頭直徑的型號(hào)及用途如下所示：

（1）Φ25mm、Φ32mm：四分管、六分管（一般用作自來水管和熱水器）；

（2）Φ56-76mm：1P-5P空調(diào)管道、衛(wèi)生間管道和空調(diào)柜機(jī)管道；

（3）Φ120mm：排污水管道和消防通道；

（4）Φ168mm-180mm：家庭通用油煙機(jī)管道和進(jìn)口油煙機(jī)管道。

選取水鉆機(jī)不僅要考慮其壽命、工作效率和工作精度，還要考慮其安全性，根據(jù)現(xiàn)有鉆頭的參數(shù)以及功能，本設(shè)計(jì)裝置選擇了博深品牌的水鉆機(jī)，其中選擇Φ180mm的鉆頭，具體信息如表1所示。

3 結(jié)語(yǔ)

本文從水鉆機(jī)的發(fā)展前景考慮，針對(duì)當(dāng)前存在的效率低、精度差、操作不便等問題，主要對(duì)其切割范圍進(jìn)行設(shè)計(jì)并計(jì)算，設(shè)計(jì)了利用絲杠滑桿等結(jié)構(gòu)配合組成的水鉆切割范圍擴(kuò)展裝置，本裝置可以實(shí)現(xiàn)一次安裝多次切割，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]莫文輝，張敏樹.滑動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)的可靠性設(shè)計(jì)[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2000.

[2]馮定，唐海雄等.模塊鉆機(jī)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].石油機(jī)械，2008（09）.

[3]李嵐，鄒煜時(shí).淺談工程鉆機(jī)自動(dòng)化技術(shù)問題及發(fā)展建議[J].工業(yè)設(shè)計(jì)，2016（08）.

項(xiàng)目名稱：吉林省大學(xué)生科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（2018060）

作者簡(jiǎn)介：張桐瑜（1998-），女，吉林通化人，本科，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。

通訊作者：于振文