水鉆切割范圍擴展裝置設計

張桐瑜　周兆年　徐洪彪　張靜峰　鄒紅亮

摘 要：隨著現代技術的發展，制造業的快速更新，水鉆切割技術將會被應用在更廣闊的領域，但其效率低、精度差等技術問題也越來越明顯。本文基于水鉆切割技術的基本原理，設計了水鉆切割范圍擴展裝置，并通過對參數的優化進而提出了技術要求。通過對水鉆切割范圍擴展裝置的結構設計，實現了水鉆切割工作過程簡單化、人性化，進而提高了工作效率和切割精度。

關鍵詞：水鉆切割范圍擴展裝置；人性化；高效率；高精度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.002

0 前言

目前，水鉆在家庭裝修和工程施工的鉆孔工作中，發揮著重要的作用，是人們施工過程中必不可少的電動工具中之一[1]。但是由于我國鉆機行業起步較晚，很多方面還不夠完善，一般情況下，水鉆鉆孔主要是由人工固定，且一次固定只能鉆一個孔，若需要鉆多個孔，則需多次固定。而且鉆孔時要適當來回抽插鉆桿，速度不能過快，否則會使較大的粉末顆粒通過時卡鉆。還需要保證鉆頭的平穩，切忌左右晃動，否則會增加鉆頭的摩擦和卡鉆的概率。這種由人工固定操縱的過程效率低，精度差，對工人的技術要求高[2]。針對當前存在問題設計了水鉆切割范圍擴展裝置，可以克服這些問題[3]。水鉆切割范圍擴展裝置不但可實現一次固定鉆多孔，同時鉆頭可替換的直徑范圍大，能夠實現一個裝置多個要求的使用。還可精確調節工作鉆孔的位置和距離，進而降低對工人的技術要求、可提高工人的工作效率，間接的降低了成本。

1 水鉆切割范圍擴展裝置的結構設計

1.1 總體結構

如圖1所示為水鉆切割范圍擴展裝置的基本結構圖，主要組成部分以及功能如下：

（1）絲杠：利用絲杠的運動原理進行水鉆的移動；

（2）搖把：轉動搖把使絲杠上的絲杠和絲母配合運動；

（3）水鉆平臺：固定水鉆機的位置；

（4）滑桿：利用滑桿和滑塊的隨動，配合絲杠的運動，減少運動阻力；

（5）主支架；主支撐裝置；

（6）副支架：副支撐裝置。

1.2 基本原理

由于絲杠具有優秀的傳動性能，降速比大、傳動平穩、便于保證和提高傳動精度，在機械傳動系統中得到了廣泛的應用。因此水鉆切割范圍擴展裝置主要利用絲杠和滑桿的組合使安裝在其上的水鉆機可以在一定的范圍內左右前后平穩的移動，實現裝置整體的穩定。

如圖2所示為水鉆切割范圍擴展裝置的運動原理圖，①為縱向運動方向，②為橫向運動方向。兩個運動方向組合成面，使固定在裝置上的水鉆機在此平面自由移動。

水鉆機在此運動平面的自由運動，主要依靠裝置中絲杠和滑桿的運動原理。（絲杠、絲母的配合運動和滑桿、滑塊的隨動。）

2 參數的選擇與校驗

2.1 參數的選擇

在查找GB5796.1-86的基本牙型尺寸表（由國家標準局1986.01.21發布后）選擇的絲杠基本參數信息如下：

公稱直徑是20mm、導程是4mm、外徑是19.3mm，內徑是17.5mm，動載荷是5.3，靜載荷是12.1，負載：F=G=mg=24*9.8=235.2N。

通過計算運動速度（經合理測算）即可得出相應的推力。

①勻速運動的速度：

v=S/t=40mm/5s=8mm/s

②勻加速運動時受到的作用力：

v12-v22=2a1S1

a1=6mm/s2

F2=a1*m=6*2.5=15N

③勻減速運動時受到的作用力：

v32-v42=2a2S2

a2=-5mm/s2

F3=a2*m=5*2.5=12.5N

假定絲桿的受力模型可以看成一個簡支梁，如下圖3所示。

當載荷作用在絲杠的中點時：

Fay=Fby=235.2/2=117.6N

且在絲杠的中間的截面處，取左段為研究對象，如圖4所示。

則在該對象上合力為F1（F1為絲杠內部相應的阻力），作用方向在梁的中點。

F1=117.6/2=58.8N

根據平衡方程可以得出Fs為剪力M為彎矩l為絲桿長度的1/4。

Fs=Fay-F1=117.6-58.8=58.8N

M=Fay*2l-F1*l=117.6*0.04-58.8*0.02=3.528N·m

由于搖動絲杠時有人為推力，所以Tr20x4的梯形螺桿，外徑D=20mm，導程P=4mm，梯形絲桿傳動存在很大的摩擦損耗（滾珠絲桿傳動這種損耗很小），一般取n=40%作為有效輸出。

①由旋轉運動轉化為直線運動的扭矩T和推力F關系為（不計損耗，不計加速）：

T=F*P/（2*Pi）=F*P/（2*3.14）

②計入損耗時：

T*40%=F*P/（2*Pi）=F*P/（2*3.14）

T*40%=0.1124 N·m

得：

T=0.1124/40%=0.281 N·m

③如果計入啟動或停止時的加速度，假設啟動加速度a為0.1G （即0.1*9.8=0.98） ，那么啟動時附加的力F2=ma （m為物體重量，a為啟動加速度），F2產生的扭矩。

T2*40%=F2*P/（2*3.14）=ma*P/（2*3.14）=0.0468N·m

T2=0.0468/40%=0.117N·m

所以計入損耗和計入加速時的扭矩：

T=0.0281+0.117=1.287N·m

總扭矩：

M總=3.528+1.287=4.815N·m

經過對絲杠在不同運動情況下的受力分析以及計算，在水鉆正常工作范圍內，絲杠能夠承受足夠大的外載荷。

2.2 絲杠的技術要求

絲杠是水鉆切割范圍擴展裝置的主要移動元件，屬于細長柔性軸，它的長度L與直徑d的比值很大，一般為20～50，因此剛性較差。同時絲杠的結構形狀復雜，有很高的螺紋表面要求，還有階梯、溝槽等結構，所以在加工過程中易出現變形，因此絲杠的加工必須滿足以下幾個方面的要求：

（1）精度等級；

（2）表面粗糙度；

（3）單個螺距允許誤差和定長上的累積允許誤差；

（4）中徑圓度允許誤差；

（5）外徑相等性允許誤差；

（6）外徑圓跳動允許誤差；

（7）牙形半角允許誤差；

（8）中、外、內徑允差等項。

2.3 水鉆的選取

水鉆的選取首先要看功率，功率大小直接決定了最大鉆孔尺寸；其次看是否帶安全離合或電子保護功能；選擇鉆頭時，不同型號的鉆頭用途不同，不同鉆頭直徑的型號及用途如下所示：

（1）Φ25mm、Φ32mm：四分管、六分管（一般用作自來水管和熱水器）；

（2）Φ56-76mm：1P-5P空調管道、衛生間管道和空調柜機管道；

（3）Φ120mm：排污水管道和消防通道；

（4）Φ168mm-180mm：家庭通用油煙機管道和進口油煙機管道。

選取水鉆機不僅要考慮其壽命、工作效率和工作精度，還要考慮其安全性，根據現有鉆頭的參數以及功能，本設計裝置選擇了博深品牌的水鉆機，其中選擇Φ180mm的鉆頭，具體信息如表1所示。

3 結語

本文從水鉆機的發展前景考慮，針對當前存在的效率低、精度差、操作不便等問題，主要對其切割范圍進行設計并計算，設計了利用絲杠滑桿等結構配合組成的水鉆切割范圍擴展裝置，本裝置可以實現一次安裝多次切割，具有結構簡單、成本低、應用范圍廣等優點。

參考文獻：

[1]莫文輝，張敏樹.滑動絲杠螺母機構的可靠性設計[J].機械科學與技術，2000.

[2]馮定，唐海雄等.模塊鉆機的現狀及發展趨勢[J].石油機械，2008（09）.

[3]李嵐，鄒煜時.淺談工程鉆機自動化技術問題及發展建議[J].工業設計，2016（08）.

項目名稱：吉林省大學生科技創新創業訓練項目（2018060）

作者簡介：張桐瑜（1998-），女，吉林通化人，本科，研究方向：機械設計制造及其自動化。

通訊作者：于振文