鉆床的三維設計與仿真

朱慧明+王安+徐成峰+谷峰

摘 要：近年來，隨著數控機床、組合機床、加工中心、車削中心以及加工單元等高科技機床的出現，工件的鉆孔，鉸孔，攻絲變得更加精確、高效。因而工業生產、加工也得到了巨大的改善。與此同時，傳統機床的存在因為科技的進步也受到了沖擊甚至被替代。但是，出于經濟成本的考慮一般精度的條件下，微型機床的使用，能很大程度地方便人們的生活。本次設計以能加工小孔的微型立式鉆床為例。我們進行立式鉆床的設計與在CATIA的基礎上進行零部件的建模與裝配。從鉆床的簡介、設計要求，設計方案與參數要求，用CATIA的建模與裝配三個角度闡明微型鉆床的設計與仿真。

關鍵詞：微型；立式鉆床；設計；仿真

1 鉆床簡介

鉆床指主要用鉆頭在工件上加工孔的機床。通常鉆頭旋轉為主運動，鉆頭軸向移動為進給運動。鉆床結構很簡單，加工精度相對較低，可鉆通孔、盲孔，更換特殊刀具，可擴，锪孔，鉸孔或進行攻絲等加工。

鉆床種類：立式，臺式，搖臂式等。

鉆床的發展與趨勢：國外主要的深孔鉆床都系列化完整的數控深孔鉆床通用部件，在深孔鉆床上不僅一般動力部件應用數控技術，而且夾具的轉位或轉角、換箱裝置的自動分度與定位也都應用數控技術，從而進一步提高了深孔鉆床的工作可靠性和加工精度。多品種加工裝備采取了一系列的可調、可變、可換措施，使得加工裝備獲得一定的柔性，增加機床配置的靈活性和靈敏度。自動化技術的發展與應用也使得深孔鉆床的制造有了質的飛躍。

鉆床的工作原理：臺式鉆床的工作原理是以電機為動力進行輸出，其動力通過塔式皮帶輪和三角帶的變速傳遞給主軸，主軸套在套筒里，套筒上具有齒條結構，與配合手柄的齒輪嚙合組成縱向進給系統，因而套筒的上下移動帶動主軸的上下移動，主軸的轉動以及手柄的進給完成加工。

本課題設計要求及內容：

（1）微型立式鉆床的設計，要求結構簡單，輕便靈活，外形尺寸控制在300×200×600（mm）之間。

（2）單軸設計。

（3）孔直徑在13mm以內。

（4）主軸轉速在4100rpm以內。

（5）立式操作。

（6）由于并沒有太大精度要求，夾具以及導軌設計不做太多設計。

2 微型立式鉆床的設計

2.1 立式鉆床設計方案

鉆頭選用高速鋼麻花鉆，結構鋼和鑄鋼選取δ=736MPa，由《機床夾具設計手冊》得：

鉆床扭矩Mk=0.34D2f0.8Kp=13.5N·M

Mk為切削力矩

D為鉆頭直徑

f為每轉進給量

Kp=（δ/736）0.75 為修正系數

其中D=13mm，f=0.2mm

計算軸向切削力

Ff=667Df0.7Kp=2595N

Ff為軸向切削力（N）

D為鉆頭直徑（mm）

f為每轉進給量（mm）

Kp為修正系數

主軸切削功率公式為：

Pm=（Fffn/1000×60+2πMkn/60）×10-3kW=0.25kW

Ff為軸向切削力（N）

f為每轉進給量（mm）

n為主軸固定轉速（r/min）

Mf為切削力矩（N·M）

查找得知，軸承傳動效率為0.99，鍵傳動效率為0.98，主軸傳遞功率為：

P=Pm/（0.99×0.99×0.98）=0.37kW

2.2 立式鉆床具體參數和機構

2.2.1 加工工藝參數

工藝方法：鉆削，一個麻花鉆工作

刀具： 最大加工直徑13mm

加工材料：木材，軟金屬

最大鉆孔能力：工具鋼3.2mm，非金屬6mm，軟金屬5mm

切削用量：切削速度8-11m/min，進給量0.04-0.15mm/r

主軸轉速：4100rpm；進給速度：手動；主軸行程：25mm

2.2.2 尺寸參數

機床外形尺寸：290×190×590（mm）工作臺尺寸：160×160（mm）

鉆頭夾持范圍：0.6～6.5mm

主要聯系尺寸：主軸端至工作臺距離200mm；主軸中心線至外部立柱距離105mm

立柱外壁直徑46mm；立柱高度300mm；底座高25mm

2.2.3 動力參數

電機參數：5158A；額定功率：340W；空載轉速：16000rpm；電機尺寸：中間軸直徑6mm；電機總長105mm，直徑65mm；2個安裝螺絲距離53mm。

3 Catia簡介及零部件建模

模塊化的CATIA系列產品提供產品的風格和外型設計、機械設計、設備與系統工程、管理數字樣機、機械加工、分析和模擬。CATIA產品基于開放式可擴展的V5架構。通過使企業能夠重用產品設計知識，縮短開發周期，CATIA解決方案加快企業對市場的需求的反應。CATIA系列產品在八大領域里提供3D設計和模擬解決方案：汽車、航空航天、船舶制造、廠房設計（主要是鋼構廠房）、建筑、電力與電子、消費品和通用機械制造。

零部件建模（如下圖）