自动钻孔机说明书2

摘 要

针对圆柱的孔进行专用钻机的设计与建模，通过电机高速旋转，带动钻头，实现旋

转运动，将电机安装在安装座上，气缸推动安装座，这样就可以实现直线运动，因为是通孔，因此气缸行程只要满足大于孔的最大深度即可，因此需要设计专用夹具进行夹持。本文设计利用气缸带动V型块对圆柱零件进行定位夹紧，结构简单易操作，本文重点对电机、气缸以及夹具进行分别计算与设计，包括电机的功率与选型、气缸的缸径与行程的计算、夹具的夹紧与定位等，然后对该钻孔机进行建模与装配，完成专用钻孔机的设计。

关键词：专用钻机；高速电机；气缸；三维建模

ABSTRACT

Design and modeling dedicated rig for cylindrical bore, high-speed rotary motor, drive

the drill to achieve rotational movement, the motor is mounted on the mount, pushing the

cylinder mount, so you can achieve linear motion, because it is a through hole, Therefore, as long as the cylinder stroke is greater than the maximum depth of the hole can be, and

therefore need to design special jig holding. This design driven by an air cylinder V-block clamp is positioned on cylindrical parts, simple structure, easy to operate, this article focuses on the motor, cylinder and fixture calculate and design, including the calculation and selection of electrical power, the cylinder bore and stroke etc., clamping fixture and positioning, and the drilling machine modeling and assembly, to complete special drilling machine design.

Keyword: Three-dimensional modeling; special rig; speed motor; cylinder

目录

第一章绪论 ........................................................................................................................ 1

1.1本课题的背景 ..................................................................................................... 1

1.2非标自动化设备的发展 ..................................................................................... 1

1.3设计和研究方法 ................................................................................................. 2

1.4本次设计的任务： ............................................................................................. 2

第二章 工艺及方案设计 .................................................................................................. 4

2.1 圆柱体钻孔机工作分析 .................................................................................... 4

2.2 整机方案的确定 ................................................................................................ 4

2.2.1直线进给方案确定 ................................................................................... 4

2.2.2 总体设计方案的确定 .............................................................................. 5

第三章 机械机构传动计算 .............................................................................................. 6

3.1电机功率的计算 ................................................................................................. 6

3.2进给气缸的设计 ................................................................................................. 7

3.3 导轨的选择 ...................................................................................................... 11

3.3.1 导轨的分类 .......................................................................................... 11

3.3.2导轨材料和类型选择 ........................................................................... 13

3.3.3导轨额定载荷的预算 ........................................................................... 14

3.3.4导轨参数选择 ....................................................................................... 14

3.3.5滑动导轨的计算 ................................................................................... 14

3.3.6导轨的润滑 ........................................................................................... 15

第四章 夹具的设计 .................................................................................................... 16

4.1 钻孔夹具 .......................................................................................................... 16

4.1.1 问题的指出 .......................................................................................... 16

4.1.2 夹具设计 .............................................................................................. 16

3) 切削力及夹紧力的计算 ............................................................................ 17

4.2夹紧气缸的计算 ............................................................................................... 17

第五章 钻孔机的三维建模 ............................................................................................ 21

5.1 PROE简介 ......................................................................................................... 21

5.2重要零件建模三维图 ....................................................................................... 22

5.2.1支撑架的设计 ....................................................................................... 22

5.2.2 气缸的建模 .......................................................................................... 22

5.3 三维装配图 ...................................................................................................... 23

结 论 .............................................................................................................................. 25

参考文献 .......................................................................................................................... 26

致 谢 ................................................................................................................................... 27

第一章绪论

1.1本课题的背景

随着社会的发展，科学的进步，社会从原始时代，经过半自动时代，然后辗转到了，

全自动时代。在这个科技迅速发展的时代中，自动化的普及化也迅速展开。当今工业生产中，用普通钻床钻孔已经是相当常用的方法了。在家电、手机、电脑、塑胶等古老劳动力居多的企业中，普通钻床钻孔做占用的时间占到至少八成【5】，当被钻孔的材料为硬度高的产品时所用掉是时间更多，况且，如今的产品设计都很复杂，钻孔的工位也是非常的多，因此普通钻床钻孔在如今这样的市场竞争环境中，在提高效率与利润的上明显占尽劣势。因此从生产效率与自动化生产水平减轻劳动强度等方面来看的设计与生产是时代与工业发展的必然产物。

1.2非标自动化设备的发展

非标设备是没有标准可依，根据企业生产现状量身订制的设备。A企业的设备往

往只能适用于A企业，不能批量生产复制到B企业。通常一台三十万人民币左右的设备从客户提供需求、非标设备厂提供方案设计、双方讨论确定方案、签订合同、出设计图、零部件加工、到设备组装验收需要两三个月的时间。因为投入产出比太低，大型企业面对如此琐碎长周期的小订单是不削一顾的。但是这样的项目，对于只有10几个人的小企业，却有相当的吸引力。一个销售和几个机械工程师、几个软件工程师的小规模企业疯狂成长。

国内的非标企业很少有新发明、新创造、新应用。国内企业风行去国内外看展、

参展的一个重要目的是发现新的应用、新的工艺、新的技术。这种做法从很多方面来看是具有非常正面的意义。他缩短了我国与发达国家的设备差距水平，提高了工业现代化、农业现代化的程度，从而降低了广大人们群众的劳动强度。然而毋庸置疑的是这种打着借鉴旗号的抄袭严重降低了企业开发新技术、新应用的热情；久而久之影响了我国自动化设备行业的技术能力，使得核心永远掌握在欧美企业的手中，落得我们靠污染环境、出卖体力、拆房建房来发展经济，这是非常可悲的一个事情。为了长远发展，我们必须高度重视知识产权的保护，让企业从研发当中得到长久的稳定的利益，非标设备行业尤其需要保护知识产权。

非标自动化市场将快速增长，自动化产品运用深度持续增加。在这个领域，与发

达国家相比国内整体水平上有10—20年的差距。新型非标自动化设备往往是机电一体化的设备，充分利用信息技术的最新成果。中国一些企业的设计人员却对电子产品不熟悉，不敢或不会选用，大大限制了水平的提高。但最近10年，非标自动化在江浙沪、珠三角、京津地区获得了很大的应用，国内企业正在迎头赶上。

尽管非标设备行业整体呈现一个显而易见的上升趋势，即非标设备市场空间广阔，

甚至某些传统产业将可能成为潜力最大的市场。但我国非标企业数量较多，规模较小，技术落后、竞争同质化也是明显的缺陷，而且在这个领域与发达国家至少有10-20年的差距。新型非标自动化设备往往是机电一体化的设备，充分利用信息技术的最新成果。中国一些企业的设计人员却对电子产品不熟悉，不敢或不会选用，大大限制了水平的提高，而许多核心技术上也并没有真正独立，依靠设备进口其成本显然难以下降。目前，高端产品依然主要由国外进口。

按市场逻辑来看，增长的市场空间可以提高企业的技术研发水平和壮大企业规模，

给企业提供良好的发展机遇。但客观情况却与之相反，国内的非标设备企业并没有走出低质低价的恶性循环，依旧在简单模仿，并没有研发出自己的特色产品、专利产品，没有积累更多的资金用于企业的发展。目前十几个人的小作坊生产依旧是非标设备业界的主流形态，因此非标自动化仍然有很大的发展空间，非标设计仍然有很大的市场。

1.3设计和研究方法

（1）本设计的自动钻孔机结构的设计框架

本钻孔机分为三大模块，第一，旋转运动模组，利用电机的高速旋转带动钻头，实

现切削；

第二，直线运动模组，利用气缸的直线运动带动钻头实现进给运动；第三，专用夹

具设计，通过夹具的定位和夹紧可以实现圆柱体的定位。

（2）三维建模的设计

通过PROE5.0三维软件对整个结构进行设计建模，并检查有没有干涉情况发生。

1.4本次设计的任务：

本设计以圆柱体锻件的直孔为研究对象，设计一种自动化钻孔机，需要满足的条件

是在给定的毛坯件直径为40mm，高为20mm的圆柱体上钻Φ10mm的通孔，需要1分钟内完成的数量为50个，孔的精度不高，而且是通孔。。

1、熟悉普通钻床的工作原理，并设计出自动钻孔装置。

2、熟悉气缸的工作原理，对本课题的伸缩气缸以及压紧气缸进行选型计算。

3、对高速电机转速和功率的计算，并计算切削力。

4、完成自动钻孔夹具的设计。

5、完成自动化钻孔机三维建模设计以及设计说明书。

第二章 工艺及方案设计

2.1 圆柱体钻孔机工作分析

圆柱体自动化钻孔机与一般的钻床有所不同，由于圆柱孔的精度较低，而且需要自动

钻孔，不需要手动下压手柄，为了提高效率不需要通过减速就可以实现钻削，因此电机直接带动钻头就可以实现：

（1）进给运动是钻头在钻削的过程中实现垂直方向的钻削，钻头一边旋转一边旋入孔内。

（2）定位夹紧机构是将工件固定并定位，这样可以使得钻孔准确和快速。

（3）旋转钻孔机构是通过电机的高速旋转带动钻头一起高速旋转。

2.2 整机方案的确定

2.2.1直线进给方案确定

能够上述运动的直线运动有很多种，主要有三种形式：

（1）滚珠丝杠螺母副

滚珠丝杠螺母副具有传动无间隙，传动精度高且平稳的优点。在非标行业中采用较

多，但是在Z向进给运动中有不能自锁的缺点[3]。

（2）静压丝杠螺母副

静压丝杠螺母副是通过油压在丝杠和螺母接触面之间，产生一层保持一定厚度，且

具有一定刚度的压力油膜，使丝杠和螺母由边界摩擦变为液体摩擦。静压丝杠螺母的优点是：摩擦系数很小，其起动力矩很小，传动灵敏，避免了爬行。油膜可以吸振，提高了运动的平稳性。机床的加工精度和光洁度高。缺点是：静压丝杠螺母副应有一套供油系统，而且对油的清洁度要求高，如果在运动中供油忽然中断，将造成不良后果。

（3）齿轮齿条副

重载荷不宜采用丝杠传动，因为制造长丝杠成本较大，而且容易下垂弯曲，影响

传动精度；同时也降低了扭转刚度与轴向刚度。 齿轮齿条副传动用于行程较长的设备上，可以得到较大的传动比，进行高速直线运动，刚度及机械效率也高。但其传动不够平稳，传动精度不高，而且还不能自锁。采用齿轮齿条副传动时，必须采取措施消除齿侧间隙，当传动负载小时，也可采用双片薄齿轮调整法，分别与齿条齿槽的左、右两侧贴紧，从而消除齿侧间隙。当传动负载大时，可采用双厚齿轮传动结构。

齿轮齿条优点是承载大，中等移动速度，但也有对安装的要求，需要为齿条预留间

隙，定位精度不高，需要弥补磨损，而滚珠丝杆传动的优点是承载小，移动速度快，安装结构，定位精度高，速度快，但磨损需要进行调整，且Z向不能自锁，由于是针对小零件钻削，切削力要求小而且允许进给速度大，因此为了简化设计，可以选择气缸作为进给执行机构。

2.2.2 总体设计方案的确定

1-进给气缸 2-导轨 3-高速旋转电机 4-动V型块 5-压紧气缸 6-底板7-静V型块

图2-1 整体方案图

如图2-1所示，先将零件放到夹具机构的V型块7的槽中，然后气缸5推动动V型

块移动，将零件压紧，在伸缩气缸1的推动下，安装在垫板上的电机在导轨的作用下被推动到钻孔位置，同时电机3高速旋转，通过钻头的旋入可以不断的钻削，由于是通孔，因此可以防止铁屑堵住孔。当孔钻穿后气缸1回程，导轨座在气缸的作用下上升，因此电机也跟着回程。，气缸5回程， V型块松掉，取下已加工好的零件然后放入待加工的圆柱零件。

第三章 机械机构传动计算

本设计的主要动力为高速旋转电机，电机轴需要承受切削时所产生的负载力矩以及

提供转速，下面对电机的功率与转速进行计算。

3.1电机功率的计算

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

为锻件，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（3-1）

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

轴向切削力的计算公式如下： kp=(δb736)0.75

Ff=667Df0.7Kp（3-2）

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

已知被加工材料为锻件，取δb=980MPa，D=10mm，f=0.5mm，所以可分别计算出切

削转矩和轴向切削为：

Mk=2.4N.m

Ff=765 N

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

由金属切削原理可知，主轴切削功率的计算公式为：

T]=35MPa。 -1=300MPa；τ-1=155MPa；

N=

Mn

(kw) 974

式中：n——主轴固定转速（r/min）,暂取n=1440r/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=3.66KW

考虑到螺纹连接的传动效率（查得为0.95），所以可计算出钻床主轴要传递的功率P为：

P=Pm/0.95=3KW

选择电机功率为4KW，转速为1400r/min电机。 3.2进给气缸的设计

为了提高加工效率，需要对钻头位置和工件的初始位置做一个设定，假定初始位置钻头与工件的垂直距离l=40mm。估算要驱动的负载大小为20KG（包括电机的重力以及钻孔时的反向轴向力之差），考虑到气缸未加载时实际所能输出的力，受气缸活塞和缸筒之间的摩擦、活塞杆与前气缸之间的摩擦力的影响。在研究气缸的性能和确定气缸的缸径时，常用到负载率β：

β=

气缸的实际负载

⨯100%

气缸的理论负载 （3-3）

表3-1 气缸的运动状态与负载率

由《液压与气压传动技术》可得下表3-1： 已知电机转速n=12000r/min,每转进给量f=0.5mm,可以计算出运动的速度v=100mm/s，因此取β=0.5，所以实际的气缸缸负载的大小为：

F=

F0

β

=400N （3-4）

（1）气缸内径的确定：

（2）表3-2为气缸内径的确定公式。

表3-2 气缸内径计算公式

计算D=38.89mm

式中：F为气缸的输出拉力； P 为气缸的工作压力P=0.4MPa。

按照GB/T2348-1993标准进行圆整，取D=40mm

（2）活塞杆直径的确定，由d=0.3D 估取活塞杆的直径 d=12mm。表3.3为活塞杆直径系列表。

表3.3活塞杆直径系列 （mm）

（3）缸筒长度的确定：

缸筒的长度S=L+B+30，L为活塞的行程，B为活塞厚度：

B=(0.6-1.0)D=32mm （3-5）

由于气缸的行程L=50mm ，所以有：

S=L+B+30=112mm （3-6）

导向套滑动面的长度A:

滑动面的长度A，在D80mm时， 可取A=(0.6-1.0)d。

所以A=32mm。

最小导向的长度H：

根据经验，当气缸最大的行程为L，缸筒的直径为D，最小导向的长度为：

H=

D

代入数据 即最小导向长度H为20 mm 2

活塞杆的长度：

l=L+B+A+H=50+32+32+20=134mm （3-7）

（4）气缸筒的壁厚的确定

由《液压气动技术手册》可查得气缸筒的壁厚能根据薄避筒计算公式进行计算：

δ=

pD

2[σ]

式中：

δ——缸筒的壁厚（m） D——缸筒的内径（m）

P——缸筒承受的最大工作压力（MPa）

[σ]——缸筒材料许用应力（MPa）。

实际缸筒壁厚的取值：对于一般用途气缸约取计算值的7倍；重型气缸约取计算值的20倍，再圆整到标准管材尺码。

参考《液压与气压传动》缸筒壁厚强度计算及校核，

[σ]=

σb

n

我们的缸体的材料选择45钢，

n为安全系数 一般取 n=5；

（MPa）P—缸筒承受的最大工作压力。（当工作压力p≤16MPa时，P=1.5p；当工作压力p>16MPa时，P=1.25p。

由此可知工作压力为0.4 MPa小于16 MPa， P=1.5p=1.5×0.4=0.6MPa

σb为缸筒材料的抗拉强度(Pa)σb=600MPa,[σ]=

600

=120MPa 5

δ=

pD0.6⨯40

==0.1mm2[σ]2⨯120

参照下表3.4，选取气缸筒的壁厚圆整取3 mm。

表3.4 气缸筒的壁厚 （mm）

（5）活塞杆的校核

由于所选活塞杆的长度L为10d，所以不但要校核强度校核，还要进行稳定性校核。综合考虑活塞杆的材料选择45钢。

参考《机械设计手册单行本》 ，由《液压气动技术手册》式中

FP0≤

FK

nk

Fp0— 活塞杆承受的最大轴向压力（N）； Fp0=400N；

FK — 纵向弯曲极限力（N）；

nK — 稳定性安全系数，一般取1.54。综合考虑选取2；计算得出 由于细长杆比

LmEJπ2

≥Fk= 2KL

K—活塞杆横截面回转半径，对于实心杆K=d/4； 代入数据 K =16/4=4mm；

m-末端系数，选择一端固定一端自由，取m=1/4 E— 材料弹性模量，钢材E=2.11⨯1011Pa；

3.14⨯124

==1.02⨯10-9； J— 活塞杆横截面惯性矩（m），J=6464

4

πd4

d— 活塞杆的直径（m）；

L— 气缸的安装长度为活塞杆的长度为134mm； 代入数据得FK=1.1⨯105N

因为Fp0 = 400N所以活塞杆的稳定性满足条件；

强度校核：

由公式d≥

由公式 d≥n为安全系数，一般取 n=5；

45钢的抗拉强度为600MPa，则0.92

图3-2 SMC双活塞杆气缸

气缸的选型参照（ISO6432标准），结合以上计算选用缸径为40mm，行程为50mm的SMC双活塞杆气缸气缸，代号为CDA WFN 40-50。 3.3 导轨的选择

此处导轨的作用主要用于支持和引导运动部件沿垂直方向滑行。机床上两个相对移动部件的配合面，组成一对相对运动副，当中没有运动的配合面称为固定导轨，配合面运动副被称为运动导轨。运动部件(如工作台面)和固定组件(如车床床身)之间只有一个自由度，因此，导游是必须限制五自由度的移动部件。

目前，导轨的大小参数的趋势是减少运动副的中心距，增大宽度。减少运动副的中心距，使机器尺寸减少，节约原材料，使平的、v型导轨的负载逐步趋于统一。由于缩小中心距等可以实现方便操作员装卸零件，而且导轨面宽度增加，可以减少导轨表面的压力，减少磨损，提高使用寿命。 3.3.1 导轨的分类

1.导轨根据受力分为： （1）开式导轨

通过外载荷和自重是导轨面贴合的导轨被称为开式导轨。 （2）闭式导轨

若导轨自重部件较小，而且有作用在部件上的颠覆力矩时，必须增加辅助的导轨面进行贴合，此类的为闭式导轨。

2. 导轨按运动轨迹分： （1）直线运动导轨

导轨副为直线相对运动，实际应用如车床床鞍、床身相对运动所用的导轨。 （2）圆周运动导轨

导轨副做圆周的相对运动，实际应用如立式车床工作台、底座间工作时所用导轨。 3. 导轨按摩擦性质可分为： （1）滑动导轨

滑动摩擦是这种滑动导轨两导轨工作面之间的作用性质，该类导轨主要有普通滑动、液体动压、液体静压导轨等几类。

①液体动压导轨的特点：

流体动压导轨是导轨面之间在相对运动时在两个运动副之间形成压力油楔而使运动部件浮起，因此两个运动副通过液体隔开形成液体摩擦，提高导轨的耐磨性。压力油楔形成条件是:相对速度要够，某种程度上油腔隙沿运动方向减少，速度越高，油楔的承载能力越大，所以动态压力导轨适用于主运动类型的导轨。但是，由于运动部件进油困难，因为移动部件，所以从一个固定的导轨油，油腔也可以用于固定导轨，可用于直线运动指导和圆周运动指南。

②液体静压导轨的特点：

静压导轨是有一定压力的油、通过节油器等装置到达运动副表面，表面承载油膜的形成，分离相互接触的表面，实现液体摩擦。导轨的摩擦系数小，机械效率高，导轨表面有一层油膜，保证导轨不相互接触，不磨损，不仅可以保持长导轨导向精度和良好的振动吸收，也不容易造成低速下导轨的爬行，并且可以减少对导轨材料的特殊要求。所以，静压导轨机床上得到越来越广泛的应用，导轨的特点是结构复杂，需要配置一个油液输送系统。

（2）滚动导轨

两个导面之间的为滚动摩擦，它是由导轨表面球、滚子、滚针等滚动部件来实现相对的滚动，被广泛应用在进给运动导轨。

滚动导轨的特点：

①高灵敏度：移动滚动导轨的摩擦系数为0.0025 ~ 0.005，远低于滑动导轨，静态和动态摩擦对于滚动导轨来讲差别很小，所以滚动导轨可以有效避免爬行现象的发生。

②定位精度高：一般滚动导轨的重复定位精度在0.2um左右，而普通滑动的导轨定位精度则要到10-20um之间了，当使用滚动直线导轨，导游作为一种不会有爬行现象，可以达到很高的定位精度。

③磨损小，能保持很长一段时间准确运行。

④适应高速运动和降低驱动功率，由于直线导轨，摩擦很小，只有一个小功率可以让机器运行，特别是在工作台频繁往复运行时，更可以显著降低能源浪费。由于摩擦产生的热量较小，可以应用于高速运行。

⑤可以加载来自多个方向的载荷，主要得益于其特殊的滚动导轨的结构设计，同时可承受左、右上下等方向的负荷。

⑥容易组装和可互换性能较好，根据需要，在组装过程中只要铣或研磨机床导轨装配图，根据建议的步骤将导轨、滑块分别在一个在特定的扭力作用下固定在机床上，就可以恢复高精密机械加工。滚动导轨是可以互换的，只要替换滚动直线导轨、滑块等，高精度机床可以恢复。

⑦润滑系统很简单，易于维护。

⑧滚动导抗振性较差，防护要求较高，因为缺乏导轨之间的油膜，和导辊点接触、线接触，这类的接触应力很大，所以一般的床身和滚动导轨必须使用硬化钢。此外，滚动元件在直径上的不一致或导辊表面不均匀，会带来一些如改变轧制部分倾斜或高度等的不同，最终影响制导精度，因此，滚动体的精度和导轨平面需求很高，相比普通滑动导轨，滚动导轨的结构复杂，制造困难，成本高。

根据以上分析，本文选择工作台导轨为滑动导轨，滑动导轨结构简单、容易制造、接触刚度大的优点。 3.3.2导轨材料和类型选择

导轨的类型主要有滑动和滚动，根据以上分析选用滑动矩形导轨。 导轨尺寸如表3-5所示，

表3-5矩形导轨尺寸表

（单位mm）

材料： 导轨材料要兼具耐磨性、摩擦因数小，良好的加工和热处理性质等各方面的优点。本文导轨用HT200材料，这种灰铸铁耐磨性好，灰铸铁ρ=7.0g/cm3。此灰铸铁导轨的硬度一般为180~200HBW。为提高表面硬度，热处理用表明淬火，表面硬度55HRC，使导轨在耐磨性能、硬度等方面提高到原来的1~3倍。 3.3.3导轨额定载荷的预算

由前面的可知需要推动负载所需力的大小F=200N。 3.3.4导轨参数选择

由表3-5可选用 H=16，h=10，h1=9.5， b=5，B=40mm。 导轨长度 L′=180mm 3.3.5滑动导轨的计算

根据实际设计的需要，确定导轨初步的大小和形状，和应力分布，以及导轨表面的压力分布，然后计算平均压力和最大压力表面的导轨，使用经验值低于推荐的许用比压值。

为了使导轨有较高的寿命和提高磨损的均匀性，使导轨的压力尽可能平均，应该尽量从表中选用，使导轨允许的最大压力是导轨许用平均压力的2倍，所以在实际的设计实验，通常只计算平均压力。

P′=[（P2+G）/BL]≤[P′](公斤/厘米2)

式中：P′——计算平均比压(公斤/厘米2)；

P2——垂直载荷（公斤）；

G——导轨面上最大总质量，工件、工作台的重量包含在内（公斤）； B——导轨的水平投影宽度（厘米）；

L——与工作台配合的导轨面总长（cm），对圆周运动形式的导轨，L=πD′，D′为导轨平均直径（cm）；

[p]——许用平均比压(公斤/厘米2)，

P′=20/(4╳18)=0.278(公斤/厘米2) 如下表3-6所示：

表3-6铸铁导轨许用比压 (kg/cm2)

注：

i. 对于固定切削专用机床，比压减小25%；

ii. 设计钢和铸铁可以参考本表中的允许值，钢和钢则要在表中允许比压基础上增加20~30%；

iii. 聚四氯乙烯（P.T.F.E）这一类材料在使用时平均比压小于3.5kg/cm2；再间断使用的条件下其允许达17.5kg/cm2；如果是短暂使用的情况下，则其最大平均比压要达到35kg/cm2；

iv. 锌合金ZnAl10-5这种材料的导轨平均比压可达2kg/cm2。

查表得[P′]=2~3

p′≤[p′]

则导轨尺寸设计合理 3.3.6导轨的润滑

为导轨确保有良好润滑，是减少导轨摩擦磨损的另一有效措施。为了达到很好的润滑效果，主要是为了乳化油分子能依附在导轨接触表面，第二年工程厚度0.005 ~ 0.005毫米另一层很薄的油膜，防止导轨之间直接接触产生较大的磨损。

选择导轨润滑油的主要原则是负荷、速度越低，原油粘度越大，而且应该更大。垂直导轨润滑油粘度，应该大于横向导轨润滑油粘度。当工作温度时，润滑油粘度的变化

要小。润滑油应具有良好的润滑性能和足够的油膜强度，不侵蚀轨道的机理，而且油的杂质应尽可能少。

在导轨应用于精密机械时，应根据使用条件和选择润滑油的性能特征，常用的润滑油主要有精密机床液压导轨油、变压器油、机油等。还有一些精密导轨，选择润滑脂作为润滑材料进行润滑。

机床导轨的润滑方法：

表3-7润滑方式

通过以上表格中分析，本次设计的导轨采用精密机床的导轨油润滑。

第四章 夹具的设计

4.1 钻孔夹具

由零件工作图可知，零件材料为锻件，成批生产。根据本钻孔机设计要求，需设计一套钻孔夹具对圆柱体夹紧定位。为了提高劳动生产率，保证加工质量，降低劳动强度，需要设计专用夹具。 4.1.1 问题的指出

本夹具主要用来钻 10的直通孔，由于本工序的孔精度不高，在加工本道工序时，主要应考虑如何提高劳动生产率，降低劳动强度。 4.1.2 夹具设计 1) 定位基准的选择

为了使定位误差为零，利用一对V型块进行定位，其中一个V

型块固定不动，另外

一个V型块是活动的，利用利用的作用将V型块压紧，可以实现完全定位。由于生产批量大，为了提高加工效率，缩短辅助时间，准备采用气缸自动压紧和松开，装卸工件方便、迅速。

2) 夹紧方案

由于所加工的零件比较小，夹具的夹紧力与加工零件时的轴向力方向相同，为了装卸工件方便，采用钻孔的种类较多，为了提高钻孔效率可以采用气缸推动压臂进行压紧或者松开。

3) 切削力及夹紧力的计算

由于本钻孔机主要是钻通孔，所以只对夹具的定位稳定性进行计算，及夹紧力和钻削力的计算。

钻孔时的轴向切削力由前面计算可以得出

p=765N 理论夹紧力的计算：

W=kp

在计算切削力时，必须考虑安全系数。 安全系数 K=K1K2K3K4

式中：K1—基本安全系数；取1.2

K2—加工性质系数；取1.1

K3—刀具钝化系数；取1.1 K4—断续切削系数；取1.1 则 F'=KF

=1.2⨯1.1⨯1.1⨯1.1⨯765 =1110 N 4.2夹紧气缸的计算

利用CAD软件得出气缸的最大位移A=80mm，由上节求出需要的理论夹紧力F=1110N。下面对压紧气缸进行计算。

在研究气缸的性能和确定气缸的缸径时，常用到负载率β：

β=

气缸的实际负载

⨯100%

气缸的理论负载 （4-1）

表4-1 气缸的运动状态与负载率

由《液压与气压传动技术》可得下表4-1： 小为：

假设气缸活塞的运动速度v=50mm/s，因此取β=0.8，所以实际的气缸缸负载的大

F=

F0

β

=1387N （4-2）

（3）气缸内径的确定：

（4）表4-2为气缸内径的确定公式。

表4-2 气缸内径计算公式

计算D=74.78mm

式中：F为气缸的输出拉力； P 为气缸的工作压力P=0.4MPa。

按照GB/T2348-1993标准进行圆整，取D=80mm

（2）活塞杆直径的确定，由d=0.3D 估取活塞杆的直径 d=25mm。表4.3为活塞杆直径系列表。

表4.3活塞杆直径系列

（mm）

（3）缸筒长度的确定：

缸筒的长度S=L+B+30，L为活塞的行程，B为活塞厚度：

B=(0.6-1.0)D=50mm （4-4）

由于气缸的行程L=80mm ，所以有：

S=L+B+30=160mm （4-5）

导向套滑动面的长度A:

滑动面的长度A，在D80mm时， 可取A=(0.6-1.0)d。

所以A=50mm。

最小导向的长度H：

根据经验，当气缸最大的行程为L，缸筒的直径为D，最小导向的长度为：

H=

D

代入数据 即最小导向长度H为40mm 2

活塞杆的长度：

（4）气缸筒的壁厚的确定

由《液压气动技术手册》可查得气缸筒的壁厚能根据薄避筒计算公式进行计算：

l=L+B+A+H=80+50+50+40=220mm （4-6）

δ=

pD

2[σ]

式中：

δ——缸筒的壁厚（m） D——缸筒的内径（m）

P——缸筒承受的最大工作压力（MPa）

[σ]——缸筒材料许用应力（MPa）。

实际缸筒壁厚的取值：对于一般用途气缸约取计算值的7倍；重型气缸约取计算值的20倍，再圆整到标准管材尺码。

参考《液压与气压传动》缸筒壁厚强度计算及校核，

[σ]=

σb

n

我们的缸体的材料选择45钢，

n为安全系数 一般取 n=5；

σb为缸筒材料的抗拉强度(Pa)σb=600MPa,[σ]=

600

=120MPa 5

（MPa）P—缸筒承受的最大工作压力。（当工作压力p≤16MPa时，P=1.5p；当工

作压力p>16MPa时，P=1.25p。

由此可知工作压力为0.4 MPa小于16 MPa， P=1.5p=1.5×0.4=0.6MPa

δ=

pD0.6⨯80

==0.2mm2[σ]2⨯120

参照下表3.4，选取气缸筒的壁厚圆整取4 mm。

表4.4 气缸筒的壁厚 （mm）

（5）活塞杆的校核

由于所选活塞杆的长度L为10d，所以不但要校核强度校核，还要进行稳定性校核。综合考虑活塞杆的材料选择45钢。

参考《机械设计手册单行本》 ，由《液压气动技术手册》式中

FP0≤

FK

nk

Fp0— 活塞杆承受的最大轴向压力（N）； Fp0=540N；

FK — 纵向弯曲极限力（N）；

nK — 稳定性安全系数，一般取1.54。综合考虑选取2；计算得出 由于细长杆比

LmEJπ2

≥Fk= 2KL

K—活塞杆横截面回转半径，对于实心杆K=d/4； m-末端系数，选择一端固定一端自由，取m=1/4 E— 材料弹性模量，钢材E=2.11⨯1011Pa；

3.14⨯154==2.48⨯10-9； J— 活塞杆横截面惯性矩（m），J=6464

4

πd4

d— 活塞杆的直径（m）；

L— 气缸的安装长度为活塞杆的长度为110mm； 代入数据得FK=1.06⨯105N

因为Fp0 = 540N所以活塞杆的稳定性满足条件；

强度校核：

由公式d≥

由公式 d≥n为安全系数，一般取 n=5；

45钢的抗拉强度为600MPa，则1

气缸的选型参照（ISO6432标准），结合以上计算选用缸径为80mm，行程为80mm的SMC标准气缸。

第五章 钻孔机的三维建模

5.1 PROE简介

1985年美国PTC公司开始建模软件的研究，1988年V1.0的Pro/ENGINEER诞生，随后美国通用汽车公司将该技术应用于各种类型的减速器设计与制造中。目前在基于Pro/E的减速器的模型设计、数据分析与生产制造方面美国、德国和日本处于领先地位，美国Alan-Newton公司研制的X-Y式精密减速器和日本住友重工研制的FA型减速器都是目前先进的高精密型齿轮减速器。

Pro/ENGINEER技术可以方便快捷的实现建立基于零件或子装配体的三维模型设计和装配，并且提供了丰富的约束条件完成可以满足的工程实践要求。建立三维模型在装配体环境下可以很好的对零件进行编辑和修改，在生产实际中便捷的把立体图转换为工程图，在生产应用中充分利用Pro/E软件进行几何造型设计，进一步利用数控加工设备进行技术加工，可以显著提高减速器的设计制造精密、设计制造质量、设计制造效率，从而缩短产品更新换代生产的整个周期。而我国在Pro/E的减速器三维模型设计方面还相对比较薄弱，因此，随着经济全球化的发展，在此技术上我国需要不断的突破创新，逐步提高“中国创造” 在国际市场的竞争力。本设计利用PROE5.0对整个检测仪的结构进行了设计。

5.2重要零件建模三维图 5.2.1支撑架的设计

支撑架是安装进给气缸和电机的主体，通过拉伸切除命令完成支撑架的建模。如图5-1所示。

图5-1 支撑架的三维建模

5.2.2 气缸的建模

气缸是进给运动的主要动力，通过气缸的推动作用将固定在滑块上的电机实现升降。通过拉伸、切除、剪切命令生成气缸的三维模型。

图5-2 双活塞杆气缸

5.3 三维装配图

对各个零件根据约束组装在一起，并对其干涉检查，然后再修改，完成的三维装配图如图5-4所示：

图5-4三维装配

结 论

本文以圆柱体孔的专用钻机的制造设备设计为研究目标，从其孔特征入手，对其传动机构进行设计，包括旋转机构、直线进给机构、定位夹紧机构，对所选用的气缸、电机、导轨等进行了设计计算。

通过此次设计得出以下结论：

（1）选用高速旋转电机为动力，对圆柱体进行钻孔设计。 （2）完成对气缸的选择、导轨的设计计算。

（3）完成了夹具的设计包括夹紧力以及夹紧气缸的设计。 （3）利用PROE软件对整个钻孔机进行建模设计。

通过对钻孔机机械结构的设计，让我熟悉了整个结构设计的流程，让我了解了简易钻孔机各个机械组成部分和工作原理。

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[15]ISO 5048 Continuous Mechanical Handling Equipment-Belt Conveyer with Camying Idlers—Calculation of Operating Power and Tensile Forces,1989

致 谢

经过几个月认真勤奋地去查询资料、整理材料、写作论文，今天终于顺利的完成本次设计的最后的辞谢了，想了很久，要写下这一段谢词，表示论文的结束，毕业答辩的开始。自己想想求学期间的点点滴滴，历历在目，时光匆匆飞逝，在金陵科技学院学习期间，努力与付出，随着论文的完成，四年的读书生活在这个毕业的季节即将划上一个句号，而于我的人生有的却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。四年的求学生涯在师长、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在论文即将付梓之际，思绪万千，心情久久不能平静。

论文得以完成，首先要感谢王珺老师，她宽以待人的高尚风范、有责任心、朴实无华、平易近人的人格魅力对我的影响非常深远。在我做毕业设计的每个阶段，从外出实习到查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，装配草图等整个过程中都给予了我悉心的指导。

另外，要感谢在大学期间所有传授我知识的老师，是你们的谆谆教导才是我有了良好的专业课知识，这也是我的论文完成的基础。接下来我要感谢我的实习单位的同事们，得益于同事们对我的帮助，让我极大地促进了我的工作进度，授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了基本的思考方式。

总之，此次论文的写作过程，我收获了很多，即为大学学习画上了一个完美的句号，也为人生之路做好了一个很好的铺垫。 再次感谢金陵科技学院的所有帮助过我，给我鼓励的老师、同学和朋友，谢谢你们！

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