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2008-12-31
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摘要：本文介绍了电、气动自动进给钻削动力头的工作原理和基本结构，并详细进行了动力头运动分析和设计计算。
关键词：钻削动力头 工作原理 设计计算
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
随着科学技术的迅速发展和规模化工业生产的需要，采用装备组合成现代化高速流水线和多功能组合机床，在许多行业中已成为保证产品的加工精度、降低生产成本、提高劳动生产率和企业竞争力的关键措施之一。动力头是组合机床的重要动力部件，其质量和性能的优劣直接影响到整台机床性能的好坏，但在一般的组合机床设计中，动力头只能提供主运动，其进给运动是由与之相配套的液压或机械滑台来实现的，这就给组合机床的设计和制造带来了较大的困难。为此，笔者在消化吸收国外*技术的基础上，研制设计了一种新型的电、气动自动进给钻削动力头，
2 电、气动自动进给动力头的主要结构特点
电、气动自动进给钻削动力头由主运动、进给运动和控制系统三部分组成。
(1)主运动
电、气动自动进给钻削动力头的主运动采用三相异步电机驱动，经同步齿形带及花键轴将电机的转矩传递给主轴，不同的主轴转速可由更换不同的同步齿形带轮来实现。由于动力头的主运动采用电机驱动，主轴的转速特性好，输出功率和转矩大，能适应于多轴钻削和较大孔径的加工工况。
(2)进给运动
由于气压传动具有动作反应快、环境的适应性好、结构简单、体积小等优点，并能实现无级调速，工作寿命长，动力源来源方便，因此，动力头的进给运动采用压缩空气作为动力源。考虑到空气的可压缩性，载荷变化时动力头的运动的平稳性较差，工进速度的调整和控制采用液压调速器来实现，动力头的快进和快退速度分别用排气节流阀来调整。
(3)控制系统
电、气动自动进给钻削动力头的进给运动采用了压缩空气为动力源，其进给运动的控制也采用了气动控制系统，由一个二位五通气控阀、一个机动阀、二个手动阀，若干个节流阀和两个外部控制气源口组成，结构紧凑，具有手动和远距离控制操作功能及原位、前位信号和复位信号保护功能。动力头快进行程和工进行程可通过挡铁连续可调。
(4)机械结构特点
电、气动自动进给钻削动力头是一个集动力头的主运动、进给运动和控制装置于一体的钻削动力头，为了实现其外形的紧凑，本动力头采用主轴嵌入气缸结构，主轴与活塞杆同心，活塞杆是空心的。里面装有进口的滚动轴承，以提高主轴的回转精度，主轴安装在轴承上，由同步带通过花键与电机连接，气缸体固定在托架上，活塞杆上装有液压调速器和行程调整螺钉，通过调整螺钉碰撞限位开关，实现动力头主轴的复位。
3 参数计算
电、气动自动进给钻削动力头设计参数主要是由规定的工件zui大孔径钻削参数来确定。故电、气动自动进给钻削动力头的参数计算，必须由钻削工艺参数计算开始。
(1)钻削力的计算公式
(1)
式中：
F??钻削过程中所需要的钻削力，N；
CF??材料系数；
dO??工件加工的孔径，mm；
XF??等于1；
YF??等于0.7；
f??进给量，mm/r；
KF??工件的硬度系数。
(2)钻削扭矩计算公式
(2)
式中：
M??钻削过程中所需要的扭矩，N.m；
CM??材料系数；
dO??工件加工的孔径，mm；
XM??等于1.9；
YM??等于0.8；
f??进给量，mm／r;
KM??工件的硬度系数。
(3)钻削功率的计算公式
PM=2πMn.10-3 (3)
式中：
PM??钻削过程中所需要的功率；
n??钻头的转速，r／s。
(4)动力头推进力的计算公式
F=π(D2-d2)pη/4 (4)
式中：
F??动力头的推动力，N；
D??活塞直径，mm；
d??活塞杆直径，mm；
p??供气压力，MPa；
η??效率系数(0.85)
(5)耗气量的计算公式
Q=πS(2D2-d2)ηv.10-9/(4t) (5)
式中：Q??在工作压力下的耗气量，m3/s；
S??zui大行程，mm；
t??往返时间，s；
ηv??气容效率(0.9)
(6)主要参数计算结果
已知设计参数为：
主轴转速：n=2050r/min
电机功率：P=0.55kW
zui大推动力：F=1800N
zui大行程：s=100mm
加工件zui大孔径：do=4.5mm(钢)
CF=833.85 XF=1.0 YF=0.7
KF=1.0 CM=333.54 XM=1.9
YM=0.8 KM=1.0 f=0.17
p=0.5 η=0.85 ηv=0.9
d=35mm D=80mm t=10
将以上数据分别代入式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)中，得到：
钻削力F=1085N
钻削扭矩M=1.4N.m
钻削功率PM=0.3kW推进力F=1692N
耗气量Q=0.001m3/s
4 应用实例
电、气动自动进给钻削动力头作为组合机床的重要动力部件之一，在汽车工业、家电工业和摩托车制造业应用中所带来的巨大经济效益，已被国内外许多生产厂家的实践所证明。该动力头由广州机床研究所研制并生产出来之后，深得广大用户的青睐。已在轻工业、电梯制造业及其他机械加工行业得到了广泛的应用，并获得可观的经济效益。
5 结束语
(1)电、气动自动进给钻削动力头是一种集动力头的主运动、进给运动和控制系统于一体的*产品，是机、电、气、液多项技术综合应用的结果。
(2)作为组合机床的重要动力部件之一，电、气动自动进给钻削动力头具有体积小、重量轻、结构紧凑、实用面广、组合多变等优点，能够根据用户的需要组合成多种形式的组合机床。
(3)电、气动自动进给钻削动力头的的旋转运动(主运动)采用电机通过同步带直接驱动，进给运动采用压缩空气作为动力源，实现主轴“快进?工进?快退”的自动循环，进给运动采用液压阻尼，进给速度无级可调，进给行程连续可调，钻削功率大，能同时驱动多根钻轴工作。
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