Development of electrical-pneumatic automatic feed drilling head

　　Abstract：In this paper, the working principles and basic structure of the electrical & pneumatic automatic feed drilling head are introduced, motional analysis and design calculation on drilling head are made in detail.
　　Keywords：Drilling head; Working principle; Design calculation

1　概述

隨著科學技術的迅速發展和規模化工業生產的需要，采用專用裝備組合成現代化高速流水線和多功能高效組合機床，在許多行業中已成為保證產品的加工精度、降低生產成本、提高勞動生產率和企業競爭力的關鍵措施之一。動力頭是組合機床的重要動力部件，其質量和性能的優劣直接影響到整臺機床性能的好壞，但在一般的組合機床設計中，動力頭只能提供主運動，其進給運動是由與之相配套的液壓或機械滑臺來實現的，這就給組合機床的設計和制造帶來了較大的困難。為此，筆者在消化吸收國外先進技術的基礎上，研制設計了一種新型的電、氣動自動進給鉆削動力頭，如圖1所示。氣動控制與液壓阻尼系統如圖2所示。

1.液壓調速器　2.同步帶輪　3.軸承　4.密封圈　
5.花鍵軸　6.密封圈　7.軸承　8.鉆夾頭　
9.活塞桿　10.主軸　11.氣缸體　12.軸承　
13.托架　14.電機　15.同步帶　16.后蓋
圖1

圖2

2　電、氣動自動進給動力頭的主要結構特點

電、氣動自動進給鉆削動力頭由主運動、進給運動和控制系統三部分組成。
　　(1)主運動
　　電、氣動自動進給鉆削動力頭的主運動采用三相異步電機驅動，經同步齒形帶及花鍵軸將電機的轉矩傳遞給主軸，不同的主軸轉速可由更換不同的同步齒形帶輪來實現。由于動力頭的主運動采用電機驅動，主軸的轉速特性好，輸出功率和轉矩大，能適應于多軸鉆削和較大孔徑的加工工況。
　　(2)進給運動
　　由于氣壓傳動具有動作反應快、環境的適應性好、結構簡單、體積小等優點，并能實現無級調速，工作壽命長，動力源來源方便，因此，動力頭的進給運動采用壓縮空氣作為動力源。考慮到空氣的可壓縮性，載荷變化時動力頭的運動的平穩性較差，工進速度的調整和控制采用液壓調速器來實現，動力頭的快進和快退速度分別用排氣節流閥來調整。
　　(3)控制系統
　　電、氣動自動進給鉆削動力頭的進給運動采用了壓縮空氣為動力源，其進給運動的控制也采用了氣動控制系統，由一個二位五通氣控閥、一個機動閥、二個手動閥，若干個節流閥和兩個外部控制氣源口組成，結構緊湊，具有手動和遠距離控制操作功能及原位、前位信號和復位信號保護功能。動力頭快進行程和工進行程可通過擋鐵連續可調。
　　(4)機械結構特點
　　電、氣動自動進給鉆削動力頭是一個集動力頭的主運動、進給運動和控制裝置于一體的鉆削動力頭，為了實現其外形的緊湊，本動力頭采用主軸嵌入氣缸結構，主軸與活塞桿同心，活塞桿是空心的。里面裝有進口的滾動軸承，以提高主軸的回轉精度，主軸安裝在軸承上，由同步帶通過花鍵與電機連接，氣缸體固定在托架上，活塞桿上裝有液壓調速器和行程調整螺釘，通過調整螺釘碰撞限位開關，實現動力頭主軸的復位。

3　參數計算

電、氣動自動進給鉆削動力頭設計參數主要是由規定的工件最大孔徑鉆削參數來確定。故電、氣動自動進給鉆削動力頭的參數計算，必須由鉆削工藝參數計算開始。
　　(1)鉆削力的計算公式

   (1)

式中：
　　F——鉆削過程中所需要的鉆削力，N；
　　C_F——材料系數；
　　d_O——工件加工的孔徑，mm；
　　X_F——等于1；
　　Y_F——等于0.7；
　　f——進給量，mm/r；
　　K_F——工件的硬度系數。
　　(2)鉆削扭矩計算公式

 　(2)

式中：
　　M——鉆削過程中所需要的扭矩，N.m；
　　C_M——材料系數；
　　d_O——工件加工的孔徑，mm；
　　X_M——等于1.9；
　　Y_M——等于0.8；
　　f——進給量，mm／r;
　　K_M——工件的硬度系數。
　　(3)鉆削功率的計算公式

P_M=2πMn.10^-3(3)

式中：
　　P_M——鉆削過程中所需要的功率；
　　n——鉆頭的轉速，r／s。
　　(4)動力頭推進力的計算公式

F=π(D²-d²)pη/4　(4)

式中：
　　F——動力頭的推動力，N；
　　D——活塞直徑，mm；
　　d——活塞桿直徑，mm；
　　p——供氣壓力，MPa；
　　η——效率系數(0.85)
　　(5)耗氣量的計算公式

Q=πS(2D²-d²)η_v^.10^-9/(4t)　(5)

式中：Q——在工作壓力下的耗氣量，m³/s；
　　S——最大行程，mm；
　　t——往返時間，s；
　　η_v——氣容效率(0.9)
　　(6)主要參數計算結果
　　已知設計參數為：
　　主軸轉速：n=2050r/min
　　電機功率：P=0.55kW
　　最大推動力：F=1800N
　　最大行程：s=100mm
　　加工件最大孔徑：d_o=4.5mm(鋼)
　　　C_F=833.85　　X_F=1.0　　　　Y_F=0.7
　　　K_F=1.0　　　C_M=333.54　　　X_M=1.9
　　　Y_M=0.8　　　K_M=1.0　　　　f=0.17
　　　p=0.5　　　η=0.85　　　　η_v=0.9
　　　d=35mm　　　D=80mm　　　　t=10
　　將以上數據分別代入式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)中，得到：

4　應用實例

電、氣動自動進給鉆削動力頭作為組合機床的重要動力部件之一，在汽車工業、家電工業和摩托車制造業應用中所帶來的巨大經濟效益，已被國內外許多生產廠家的實踐所證明。該動力頭由廣州機床研究所研制并生產出來之后，深得廣大用戶的青睞。已在輕工業、電梯制造業及其他機械加工行業得到了廣泛的應用，并獲得可觀的經濟效益。

5　結束語

(1)電、氣動自動進給鉆削動力頭是一種集動力頭的主運動、進給運動和控制系統于一體的高新技術產品，是機、電、氣、液多項技術綜合應用的結果。
　　(2)作為組合機床的重要動力部件之一，電、氣動自動進給鉆削動力頭具有體積小、重量輕、結構緊湊、實用面廣、組合多變等優點，能夠根據用戶的需要組合成多種形式的組合機床。
　　(3)電、氣動自動進給鉆削動力頭的的旋轉運動(主運動)采用電機通過同步帶直接驅動，進給運動采用壓縮空氣作為動力源，實現主軸“快進—工進—快退”的自動循環，進給運動采用液壓阻尼，進給速度無級可調，進給行程連續可調，鉆削功率大，能同時驅動多根鉆軸工作。