一種改裝后的微型臺鉆的研究

陳 琪，闞廣智，徐 程，張 延

（蘇州市職業大學機電工程學院，江蘇 蘇州 215104）

臺鉆在生產生活中隨處可見，職業院校大多也使用臺鉆在鉗工實訓中鉆孔，這類臺鉆加工精度要求不高，操作簡單，臺鉆外形尺寸約為600 mm×310 mm×860 mm，轉速范圍480～4 080 r/min，這類臺鉆能滿足加工生產中直徑16 mm 以下孔的要求。但是在家庭使用中卻不適合，因為家庭中鉆孔直徑一般在10 mm 以下，孔加工范圍較小。且這類臺鉆尺寸太大放置在家中占據空間多，成本高，利用率低。針對這些缺點，本文將臺鉆改制成微小型臺鉆，使其適應家庭使用。

1 現有臺鉆結構和工作原理

1.1 現有臺鉆結構

現有臺鉆的主要零部件有電機、皮帶輪、鉆夾頭、工作臺、立柱、底座，如圖1 所示。底座支撐臺鉆所有零部件。電機為臺鉆提供動力，然后通過皮帶和皮帶輪將動力傳遞給主軸，從而使安裝在鉆夾頭上的鉆頭工作。手柄桿旋轉帶動鉆頭上下運動，控制鉆孔深度。工作臺安裝在立柱上，通過支架夾緊手柄可上下調整。

圖1 臺鉆結構圖

1.2 現有臺鉆工作原理

1.2.1 臺鉆調速原理

國內大多的臺鉆主要靠皮帶輪傳遞扭矩和改變轉速，一般臺鉆具有5 種轉速。調速時先將臺鉆停止工作，松開電機和皮帶輪，將空心塔式皮帶從一個槽移到另一個槽，然后固定好電機，張緊皮帶，安裝在全封閉罩殼內。這種調速方式效率低，有重大的安全隱患。

1.2.2 臺鉆機械升降原理

機械升降部分是臺鉆的重要部件，直接影響臺鉆的實用性，機械升降部分通過齒輪嚙合實現。手旋轉手柄，帶動小錐齒輪旋轉，小錐齒輪帶動大錐齒輪旋轉，從而使與大錐齒輪連接的絲桿和絲桿螺母上下移動，完成升降運動。臺鉆鉆孔時，需要根據實際情況調節進給速度。鉆頭未接觸工件時，加工空行程需要鉆頭快速進給；鉆孔時鉆頭速度較慢；快要穿透工件時，速度最慢，以防進給力太大使鉆頭折斷。

1.2.3 工作臺

工作臺用于放置工件，可將工件直接放在工作臺上；也可在工作臺上安裝平口鉗或者其他專用夾具，工件安裝在夾具上，擴大加工零件范圍。

2 改制后微型臺鉆

2.1 改制后微型臺鉆結構和工作原理

改制后臺鉆結構簡單，外形尺寸只有約200 mm×100 mm×130 mm，如圖2 所示。由電機提供動力，通過齒輪將動力傳遞給主軸夾頭，臺鉆無機械調速功能。主軸夾頭運動行程由手柄和彈簧控制，達到鉆孔所需孔深。

1.PVAR回歸分析。本文采用Abrigo and Love提供的PVAR程序對土地綜合承載力、人均GDP、地均第二、第三產業增加值3個內生變量進行面板向量自回歸分析。[24]根據MBIC,MAIC與MQIC最小化準則和系統內生變量面板數據的實際情況，綜合考慮面板脈沖響應函數的收斂性，確定最優滯后階數為2階。[24][25]然后，采用廣義矩估計GMM法，充分考慮土地綜合承載力、人均GDP、地均第二、第三產業增加值3個內生變量先后順序對面板脈沖響應函數和面板方差分解技術產生的可能影響，對京津冀城市群土地綜合承載力與區域經濟發展系統的PVAR模型進行參數估計，GMM估計結果見表3。[26]

圖2 改制后微型臺鉆結構圖

2.2 改制后微型臺鉆零部件的設計

2.2.1 電機與齒輪

改制后微型臺鉆電機安裝在支架側面，體積小。采用直流電機，電機可實現正反轉，與調速電源配合使用，達到調速的作用。電機的上方安裝了軸承和小齒輪，小齒輪向大齒輪傳遞扭矩和動力，并降低旋轉速度，增加扭矩。電機額定電壓為12/24 V，電流為10～15 A。當電壓為12 V 時，電機轉速3 000～6 000 r/min，扭矩為0.63 N·m ；當電壓為24 V時，電機轉速6 000～9 000 r/min，扭矩為0.53 N·m。

2.2.2 傳動比計算

改制后的微型臺鉆使用齒輪傳遞扭矩，該方法結構緊湊，工作性能穩定，傳動效率高，降低主軸轉速，增加扭矩使用壽命。小齒輪Z1 有12 個齒，大齒輪Z2 有24 個齒。兩齒輪的傳動比i為2∶1。

輸出扭矩T2=輸入扭矩T1×傳動比i。

當電壓為12 V 時，電機輸出最高轉速為6 000 r/min，經齒輪傳輸后，主軸轉速降為3 000 r/min；電機輸出扭矩0.63 N·m，輸入到主軸的扭矩為1.26 N·m。

當電壓為24 V 時，電機輸出最高轉速為9 000 r/min，經齒輪傳輸后，主軸轉速降為4 500 r/min；電機輸出扭矩0.53 N·m，輸入到主軸的扭矩為1.06 N·m。

當使用者向下壓手柄時，手柄通過聯動機構帶動整個鉆頭部分一起向下運動。

2.2.4 鉆夾頭

鉆夾頭為三瓣瓦卡結構，由連接塊、鉆夾套、松緊撥環等組成。使用時，通過撥動圓周上的孔，使松緊撥環內的連接塊向下移動，精確定心并自動夾緊鉆頭。鉆夾頭的加持范圍一般為：1～13 mm、1～16 mm、3～16 mm、5～25 mm等。按照使用途徑可分為輕型鉆夾頭，一般用于手持電鉆；中型鉆夾頭，主要用于臺鉆；重型鉆夾頭。本文中的微型臺鉆鉆夾頭采用輕型鉆夾頭，采用標準件，這樣能減少加工成本，且互換性好，可裝夾1.5～10 mm 的鉆頭。

2.2.5 彈簧

彈簧在臺鉆上有兩個作用：①減小振動。臺鉆在打孔時，會產生振動，振動對孔的定位精度和幾何精度都有影響，容易使孔偏心，加工粗糙度不高。彈簧在臺鉆上可當阻尼器使用，減小振動，從而提高孔的加工質量。②限位。當臺鉆向下鉆孔深度達到彈簧壓縮極限時，孔深就到達極限了。③復位。鉆孔完成后，通過彈簧回彈，可使鉆頭自動回位。

彈簧在受到手柄傳遞的外力后，向下壓縮，外力消失后，受本身彈性力恢復原狀，彈簧彈力公式為：F=KX（虎克定律），其中K為勁度系數，是由彈簧本身的材料性能決定的，X為彈簧的變形長度。

2.2.6 軸承的選用

滾動軸承是一種精密的機械支撐原件，在生產中廣泛使用，選用合適的軸承不僅能獲得良好的工作性能，還能減少維修成本。若軸承選用不當或者超過本身額定載荷運行，會引起軸承非正常損壞，造成事故。一般來說，軸承的選用考慮以下幾個因素：載荷方向、轉速、潤滑方式、同軸度要求、定位、公差。臺鉆的軸承安裝在齒輪孔內，主要承受徑向力，軸承所受力屬于中等載荷，因此選用深溝球軸承即可。

2.3 改制后微型臺鉆主要零部件的加工

微型臺鉆電機、齒輪、軸承、夾頭、彈簧都是標準件，按照加工要求，選取相應的型號即可。主要加工零件有齒輪的軸承座、手柄、支架導軌，其中支架導軌和軸承座加工要求較高。軸承座和支架導軌均為軸類零件，因此主要在數控車床上加工。軸承座為軸承運轉提供定位、支撐，其與軸承的配合精度極大地影響軸承的使用壽命。本文所研究的軸承座加工精度為IT6 級，表面粗糙度為0.8，需要經過鉆—車—鉸三道工序。整個臺鉆頭部上下運動是在支架導軌上實現的，這要求支架導軌具有良好的光潔度和耐磨性，其加工精度選用IT8 級，表面光潔度為1.6，需要經過粗車—半精車—精車三道工序。

3 總結

將現有臺鉆與改制后家庭簡易版微型臺鉆對比可見，外形尺寸明顯減?。患庸し秶冋悄芑緷M足使用需求；選用零部件價格低，加工成本明顯下降，如表1 所示。由此可見，改制后的臺鉆能夠在家庭使用中大力推廣。

表1 改制前后臺鉆性能對比表

綜上所述，針對家庭使用的微型臺鉆，保留了一些現有臺鉆的結構和工作性能，簡化的結構滿足了使用，完全可行，也為以后類似產品的改制提供了借鑒。