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图3-2自动钻床的进给系统简图

1、主轴2、深沟球轴承3、活塞杆4、液压缸筒5、油路口 6、液压缸盖7、锁紧螺钉8、推力球轴承9、密封圈

3.3 工况分析

根据设计任务可知，生产工件时，要求生产率为3把/分钟，即要求在20秒内要完成一件工件的送料、夹紧、钻削加工和出料。

已知件材料为Q235钢，工件厚度大约为15mm，查《机械工程材料实用手册》可知，Q235为碳素结构钢，其韧性良好，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。钻削直径为12mm的通孔，钻削行程（孔的长度）l≈15mm。由此可确定钻床主轴行程为100mm，也就是液压缸行程为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。轴向进给力是沿主轴轴向的，在主轴保持其与工作台的垂直度的情况下，轴向力作用产生的弯矩基本为零，可忽略不计。所以，钻床主轴为仅受转矩作用的轴类。

主轴进给液压缸在工作中受到作用力可以分为三个阶段分析。在主轴快进工序中，液压缸受到钻床主轴组件重力和液压缸系统的摩擦力的作用；在主轴工进工序中，液压缸受到钻床主轴组件的重力、轴向切削力和液压缸系统的摩擦力作用；在主轴快退的工序中，液压缸受到主轴组件的重力、退刀阻力和液压缸系统摩擦力。因此，在进给液压缸设计时，我们要以最大受力作为设计标准。

3.4 切削力的计算

3.4.1 切削刀具及相关参数的选择

目前在钻孔加工中，麻花钻主要有高速钢麻花钻和硬质合金麻花钻两类。由于高速钢麻花钻在采用物理沉积法TiN涂层处理后，其耐用度和钻孔精度有了较大提高，所以该钻头应用极广。所以，在本文的钻削加工过程中，选择高速钢麻花钻头。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12mm,钻头与主轴用莫氏锥孔连接，莫氏锥孔为1号莫氏锥孔。

由于被加工材料为Q235钢，其切削性能较好，所以查《金属切削手册》选择加工时进给量f为：f=0.2mm/r；其对应的切削速度V=32m/min。

3.4.2 主轴转速及钻孔时间的计算

查《金属切削手册》，由切削速度计算公式可得出主轴在工艺长期稳定时的固定转速n的计算公式如下：

n?1000v /min r?d式中，v——选定的切削速度（m/min） d——刀具或工件的直径（mm）

将V=32m/min，d=12mm代入公式中，计算得出n=850r/min. 查《金属切削手册》,钻孔时间T的计算公式为：

T?l?0.3d 分fn

式中，l——被钻孔厚度（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 =15mm，f =0.2mm/r, d=12mm,n=850r/min代入公式中，计算得出T=6.6s. 由此，确定一件工件的加工工时为：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，加工一件工件用时17s，达到了加工效率的要求。

3.4.3 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，其属于碳素结构钢，钻头为高速钢麻花钻，加工方式为钻孔，所以查《机床夹具设计手册》得：

钻床转矩计算公式如下：

Mk?0.34D2f08kp

式中，Mk—— 切削力矩（N·M）

D—— 钻头直径（mm）

f—— 每转进给量（mm）

kp—— 修正系数

kp?(?b736)0.75

轴向切削力的计算公式如下：

Ff?667Df0.7Kp

式中，Ff—— 轴向切削力（N）

D—— 钻头直径（mm）

f—— 每转进给量(mm)

kp—— 修正系数

已知被加工材料为Q235结构钢，结构钢和铸钢取?b=736MPa，D=12mm，f=0.2mm，所以可分别计算出切削转矩和轴向切削为：

Mk=13.5 N·M

Ff=2595 N

3.5 钻床主轴设计

3.5.1 主轴材料的选择

在轴的设计过程中，轴类的材料选择要考虑如下因素： （1） 轴的强度、刚度和耐磨性要求； （2） 轴的热处理方式和机加工工艺性要求； （3） 轴的材料来源和经济性；

轴的常用材料有碳钢和合金钢。一般来说碳钢比合金钢价格低廉，对应力集中的敏感性低，可通过热处理改善其综合性能，加工工艺性好，应用广泛。而合金钢虽然

机械性能和淬火性能优于碳钢，但其价格较贵，一般用于强度和耐磨性要求高的场合。

综合以上设计要求及因素，钻床主轴材料选用45号钢，经调质处理后HB要达到240左右。其机械性能参数如下：δb=650MPa；δs=360MPa；δ[δ-1]b=60MPa；[τ

T]=35MPa。

τ-1=155MPa；-1=300MPa；

3.5.2 轴径的计算

由金属切削原理可知，主轴切削功率的计算公式为：

Fffn2?MknPm?(?)?10?3KW1000?6060f—— 每转进给量(mm)

式中：Ff—— 轴向切削力（N）

n——主轴固定转速（r/min）

Mk—— 切削力矩（N·M）

将以上数值代入公式中可计算出功率Pm=1.2KW

考虑到轴承传动效率（查得为0.99）和花键传动效率（查得为0.98），所以可计算出钻床主轴要传递的功率P为：

P=Pm/(0.99×0.99×0.98)=1.25KW

由工况分析可知，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。轴向进给力是沿主轴轴向的，在主轴保持其与工作台的垂直度的情况下，轴向力作用产生的弯矩基本为零，可忽略不计。所以，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?C?3选C=110，计算出dmin=13mm

p n由计算结果可知，在满足加工条件的情况下，钻床主轴最小直径不能小于13mm，根据普通台式钻床的主轴结构，现选自动钻床直径为40mm。

3.5.3 轴的结构设计

由图3-2进给系统结构简图可知，钻床主轴上主要安装有一对深沟球轴承、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尺寸如下（表3-1）表示：

根据主轴的的行程，可确定钻床主轴的基本长度尺寸如下图示（图3-3）：

表3-1 主轴零件选用表

主轴零件 深沟球轴承 推力球轴承 花键

型号

滚动轴承 6208 GB/T 276-1994 滚动轴承 51308 GB/T 301-1995 8×32×36×6 GB/T 1144-1987

图3-3 钻床主轴基本尺寸简图