3.5.4 轴强度的校核

由工况分析可知，钻床主轴的受力图如下（图3-4）：

Mk

F液压力 Ff

M

图3-4钻床主轴受力简图

图3-5钻床主轴转矩简图

考虑到传动效率，钻床主轴要传递的转矩M=Mk/（0.99×0.99×0.98）=14 N·M,液压力为对称受为，合力方向沿钻床主轴方向，大小与进给切削力Ff相互抵消。所以，绘制主轴所受转矩图如图3-5。

根据轴上零件的布置，轴的危险截面为轴端花键处，所以应对该处进行轴的强度校验。

扭转强度约束条件：

M?[?T] WT?T?式中：τ

T—— 轴的扭转应力（MPa）

M——轴的传递转矩(N·mm) WT——轴的抗扭截面模量（mm3）

[τT]——轴的许用扭转应力（MPa）

查《机械设计》得花键的抗扭截面模量WT的计算公式为：

WT??d14?bz(D?d1)(D?d1)16D

式中：d1——花键内径（mm）

b——花键齿宽(mm) z——花键的齿数 D——花键的外径（mm）

将选用花键的基本参数代入公式中可计算出WT=5739mm，所以可以计算出钻床主轴的扭转应力?T=2.44MPa。

由于[?T]=35MPa，显然?T≤[?T]，所以，轴满足强度要求。

33.6 进给液压系统设计

3.6.1 负载分析

一般情况下，作往复直线运动的液压缸的负载由六部分组成，即工作阻力、摩擦阻力、惯性力、重力、密封阻力和背压力。

负载分析中，我们暂不考虑回油腔的背时压力，液压缸的密封装置产生的摩擦阻力在机械效率中加以考虑。因改造后的自动钻床和普通台式钻床一样竖直放置，所以需要考虑的力有：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。

负载中工作阻力为钻床的轴向切削力，其大小Ff=2595 N

系统摩擦阻力在机械效率中考虑，轴承传动效率取0.99，花键传动效率取0.98，液压传动效率取0.95，所以计算出整下系统的机械效率η为：

η=0.99×0.99×0.98×0.95=0.91

系统要克服的重力有钻床主轴重力和液压缸活塞杆重力，钻床主轴重力可按下式计算：

?3查《机械设计手册》钢材密度取7.85 t?m，主轴体积V为：

V??d2l4?109

式中： V——主轴体积（m3）

d——主轴直径 (mm)，取40mm

l——主轴长度（mm），取550mm

所以主轴重力G主轴为：

G主轴=mg???V?g

式中： V——主轴体积（m3）

ρ——主轴材料密度（kg?m?3） g——重力加速度（ms?2），取10ms?2

G主轴——主轴重力（N）

计算出主轴重量G主轴=55N.考虑到轴上零件和液压缸活塞杆重力，现取整个系统要承受的重力G=200N。

惯性力Fm指运动部件在启动或制动过程中的惯性力，查《液压与气压传动》得其计算公式为：

式中，G——系统重力

g——重力加速度

Fm?G?vg?t ?v——?t时间内的速度变化量

?t——加速或减速时间

已知主轴系统重力G=200N；快进行程70mm；工进行程为20mm；根据工时安排可确定主轴快进快退速度为3m/min；工进速度为0.17m/min；加速、减速时间一般取Δt=0.2s；所以可以计算出惯性力：

Fm?2003=5N

100.2?60快进时，在不考虑背压的情况下，主轴会在重力的作用下自动下移，且加速度大约为9.8ms?2，因此，液压缸在快进时受到的最大作用力F=G×η=182N。

工进时，液压缸要克服工作阻力（主轴轴向切削力）和系统摩擦力，此时系统重力起到动力作用。所以F=（Ff-G）/η，为了设计的可行性，使得液压缸有足够的液压作用力，计算中我们取系统重力的一半代入到式中，F=2742N。

快退时，液压缸要克服重力和系统摩擦力，所以F=G/η考虑到钻头退出工件时的摩擦力，η在计算时取0.89，所以计算出此时F=225N。

列出主轴系统各运动阶段的液压负载计算公式及大小如下表（表3-2）：

表3-2 液压缸各运动阶段负载表

运动阶段 主轴快进 主轴工进 主轴快退

计算公式 F=G×η F=（Ff-G）/η

F=G/η

负载大小（N）

182 2742 225

根据液压缸各运动阶段负载计算结果和已知各阶段的运动速度，我们可以画出负载图（F-l）和速度图(V-l)如下（图3-6）：

V（m/min）

F（N） 182 0 2742 3 0.17 72 70 225 l(mm) 70 -3 72 l(mm)

图3-6 液压系统负载及速度简图

3.6.2 液压缸执行元件主要参数的确定

(一)初选液压缸的工作压力

表3-3液压设备常用的工作压力表 设备类型 磨床 机床 组合机 龙门拉床 刨床 床 工作压力0.8～3～5 P1/（MPa） 2.0 农业机械或中型工程机械 2～8 8～10～16 10 液压机、重型机械起重运输机械 20～32 液压缸的工作压力主要根据液压设备的类型来确定，对不同的液压设备，由于工作条件的不同，通常采用的压力范围也不同。根据钻床的工作条件和加工要求，参考液压设备常用的工作压力表（表3-3）和同类机床的液压工作压力，初选液压缸的工作压力P1=3MPa。

(二)确定液压缸的类型及主要结构尺寸

根据设计的要求和钻床主轴的运动规律，选择双杆活塞缸，活塞杆为中空杆，以便主轴穿过；活塞杆两端装有轴承，以固定主轴。

双杆活塞缸的活塞杆两侧都可伸出，根据工作需要，选用活塞缸采用缸筒固定式。 缸筒固定式双杆活塞缸简图如下（图3-7）：

图3-7 缸筒固定式双杆活塞缸结构简图