鉆床的三維設(shè)計(jì)與仿真

朱慧明+王安+徐成峰+谷峰

摘 要：近年來，隨著數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床、加工中心、車削中心以及加工單元等高科技機(jī)床的出現(xiàn)，工件的鉆孔，鉸孔，攻絲變得更加精確、高效。因而工業(yè)生產(chǎn)、加工也得到了巨大的改善。與此同時(shí)，傳統(tǒng)機(jī)床的存在因?yàn)榭萍嫉倪M(jìn)步也受到了沖擊甚至被替代。但是，出于經(jīng)濟(jì)成本的考慮一般精度的條件下，微型機(jī)床的使用，能很大程度地方便人們的生活。本次設(shè)計(jì)以能加工小孔的微型立式鉆床為例。我們進(jìn)行立式鉆床的設(shè)計(jì)與在CATIA的基礎(chǔ)上進(jìn)行零部件的建模與裝配。從鉆床的簡介、設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)方案與參數(shù)要求，用CATIA的建模與裝配三個(gè)角度闡明微型鉆床的設(shè)計(jì)與仿真。

關(guān)鍵詞：微型；立式鉆床；設(shè)計(jì)；仿真

1 鉆床簡介

鉆床指主要用鉆頭在工件上加工孔的機(jī)床。通常鉆頭旋轉(zhuǎn)為主運(yùn)動(dòng)，鉆頭軸向移動(dòng)為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。鉆床結(jié)構(gòu)很簡單，加工精度相對較低，可鉆通孔、盲孔，更換特殊刀具，可擴(kuò)，锪孔，鉸孔或進(jìn)行攻絲等加工。

鉆床種類：立式，臺(tái)式，搖臂式等。

鉆床的發(fā)展與趨勢：國外主要的深孔鉆床都系列化完整的數(shù)控深孔鉆床通用部件，在深孔鉆床上不僅一般動(dòng)力部件應(yīng)用數(shù)控技術(shù)，而且夾具的轉(zhuǎn)位或轉(zhuǎn)角、換箱裝置的自動(dòng)分度與定位也都應(yīng)用數(shù)控技術(shù)，從而進(jìn)一步提高了深孔鉆床的工作可靠性和加工精度。多品種加工裝備采取了一系列的可調(diào)、可變、可換措施，使得加工裝備獲得一定的柔性，增加機(jī)床配置的靈活性和靈敏度。自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用也使得深孔鉆床的制造有了質(zhì)的飛躍。

鉆床的工作原理：臺(tái)式鉆床的工作原理是以電機(jī)為動(dòng)力進(jìn)行輸出，其動(dòng)力通過塔式皮帶輪和三角帶的變速傳遞給主軸，主軸套在套筒里，套筒上具有齒條結(jié)構(gòu)，與配合手柄的齒輪嚙合組成縱向進(jìn)給系統(tǒng)，因而套筒的上下移動(dòng)帶動(dòng)主軸的上下移動(dòng)，主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)以及手柄的進(jìn)給完成加工。

本課題設(shè)計(jì)要求及內(nèi)容：

（1）微型立式鉆床的設(shè)計(jì)，要求結(jié)構(gòu)簡單，輕便靈活，外形尺寸控制在300×200×600（mm）之間。

（2）單軸設(shè)計(jì)。

（3）孔直徑在13mm以內(nèi)。

（4）主軸轉(zhuǎn)速在4100rpm以內(nèi)。

（5）立式操作。

（6）由于并沒有太大精度要求，夾具以及導(dǎo)軌設(shè)計(jì)不做太多設(shè)計(jì)。

2 微型立式鉆床的設(shè)計(jì)

2.1 立式鉆床設(shè)計(jì)方案

鉆頭選用高速鋼麻花鉆，結(jié)構(gòu)鋼和鑄鋼選取δ=736MPa，由《機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊》得：

鉆床扭矩Mk=0.34D2f0.8Kp=13.5N·M

Mk為切削力矩

D為鉆頭直徑

f為每轉(zhuǎn)進(jìn)給量

Kp=（δ/736）0.75 為修正系數(shù)

其中D=13mm，f=0.2mm

計(jì)算軸向切削力

Ff=667Df0.7Kp=2595N

Ff為軸向切削力（N）

D為鉆頭直徑（mm）

f為每轉(zhuǎn)進(jìn)給量（mm）

Kp為修正系數(shù)

主軸切削功率公式為：

Pm=（Fffn/1000×60+2πMkn/60）×10-3kW=0.25kW

Ff為軸向切削力（N）

f為每轉(zhuǎn)進(jìn)給量（mm）

n為主軸固定轉(zhuǎn)速（r/min）

Mf為切削力矩（N·M）

查找得知，軸承傳動(dòng)效率為0.99，鍵傳動(dòng)效率為0.98，主軸傳遞功率為：

P=Pm/（0.99×0.99×0.98）=0.37kW

2.2 立式鉆床具體參數(shù)和機(jī)構(gòu)

2.2.1 加工工藝參數(shù)

工藝方法：鉆削，一個(gè)麻花鉆工作

刀具： 最大加工直徑13mm

加工材料：木材，軟金屬

最大鉆孔能力：工具鋼3.2mm，非金屬6mm，軟金屬5mm

切削用量：切削速度8-11m/min，進(jìn)給量0.04-0.15mm/r

主軸轉(zhuǎn)速：4100rpm；進(jìn)給速度：手動(dòng)；主軸行程：25mm

2.2.2 尺寸參數(shù)

機(jī)床外形尺寸：290×190×590（mm）工作臺(tái)尺寸：160×160（mm）

鉆頭夾持范圍：0.6～6.5mm

主要聯(lián)系尺寸：主軸端至工作臺(tái)距離200mm；主軸中心線至外部立柱距離105mm

立柱外壁直徑46mm；立柱高度300mm；底座高25mm

2.2.3 動(dòng)力參數(shù)

電機(jī)參數(shù)：5158A；額定功率：340W；空載轉(zhuǎn)速：16000rpm；電機(jī)尺寸：中間軸直徑6mm；電機(jī)總長105mm，直徑65mm；2個(gè)安裝螺絲距離53mm。

3 Catia簡介及零部件建模

模塊化的CATIA系列產(chǎn)品提供產(chǎn)品的風(fēng)格和外型設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、設(shè)備與系統(tǒng)工程、管理數(shù)字樣機(jī)、機(jī)械加工、分析和模擬。CATIA產(chǎn)品基于開放式可擴(kuò)展的V5架構(gòu)。通過使企業(yè)能夠重用產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)，縮短開發(fā)周期，CATIA解決方案加快企業(yè)對市場的需求的反應(yīng)。CATIA系列產(chǎn)品在八大領(lǐng)域里提供3D設(shè)計(jì)和模擬解決方案：汽車、航空航天、船舶制造、廠房設(shè)計(jì)（主要是鋼構(gòu)廠房）、建筑、電力與電子、消費(fèi)品和通用機(jī)械制造。

零部件建模（如下圖）