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，采用专用装备组合成现代化高速流水线和多功能高效组合机床，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先进技术的基础上，研制设计了一种新型的电、气动自动进给钻削动力头，如图1所示。气动控制与液压阻尼系统如图2所示。

1.液压调速器　2.同步带轮　3.轴承　4.密封圈　
5.花键轴　6.密封圈　7.轴承　8.钻夹头　
9.活塞杆　10.主轴　11.气缸体　12.轴承　
13.托架　14.电机　15.同步带　16.后盖
图1

图2

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最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；
　　C_F——材料系数；
　　d_O——工件加工的孔径，mm；
　　X_F——等于1；
　　Y_F——等于0.7；
　　f——进给量，mm/r；
　　K_F——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；
　　C_M——材料系数；
　　d_O——工件加工的孔径，mm；
　　X_M——等于1.9；
　　Y_M——等于0.8；
　　f——进给量，mm／r;
　　K_M——工件的硬度系数。
　　(3)钻削功率的计算公式

P_M=2πMn.10^-3(3)

式中：
　　P_M——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)η_v^.10^-9/(4t)　(5)

式中：Q——在工作压力下的耗气量，m³/s；
　　S——最大行程，mm；
　　t——往返时间，s；
　　η_v——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
　　最大推动力：F=1800N
　　最大行程：s=100mm
　　加工件最大孔径：d_o=4.5mm(钢)
　　　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
　　将以上数据分别代入式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)中，得到：

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高新技术产品，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。