本章主要介绍了通过对已知设计条件的分析如何确定自动钻床总体方案的问题。章节中主要对自动钻床总体方案中的工艺路线、执行系统方案、传动系统方案和控制系统方案作了详细介绍和分析。
通过本章节的叙述和图文表达，我们对自动钻床的总体设计有了一个清晰的概念，确定了下面章节中设计的步骤和设计重点。
3 专用钻床进给系统的设计
3.1 进给系统概述与分析
传统的台式钻床主轴进给系统主要由主轴、主轴套筒、主轴套筒镶套、齿轮齿条和轴承等组成。主轴在加工时即要作旋转运动，也要作轴向的进给运动。机床主轴被装置在主轴套筒内，套筒放置在主轴箱体孔的镶套内，主轴上侧由花键连接。机床加工时，旋转运动由花键传入，而进给运动则由齿轮通过齿条带动套筒在镶套内运动。由总体方案可知，自动钻床进给系统设计导入了液压缸进给系统，由液压缸驱动替代齿轮齿条的手动进给，来实现主轴的快进、工进和快退动作。
钻床在加工时，主轴要作高速的旋转运动和直线的进给运动。导入液压缸进给系统后，由于液压缸结构和性能的限制，液压缸活塞杆不宜作高速的旋转运动，因此，我们要结合合适的轴承和结构来实现主轴的高速旋转。往复进给运动由液压缸来完成动作。
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图3-1 普通台式钻床进给系统简图
1、主轴套筒镶套2、推力球轴承3、主轴套筒4、主轴5、深沟球轴承
6、齿轮齿条手动进给系统7、主轴箱 2 14 5 3 6
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3.2 进给系统方案图的确定
全自动钻床是在原有台式钻床的结构基础上进行改造设计的，所以，我们首先要对普通台式钻床的进给系统作出详细的研究。
台式钻床主轴进给系统主要部件有主轴、主轴套筒、主轴套筒镶套、齿轮齿条和轴承等。其结构图如图3-1示：
根据普通台式钻床的进给系统设计特点，综合考虑本文设计的要求、改造后自动钻床的工作条件和液压缸工作特性，确定自动钻床的进给系统如图3-2所示：
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图3-2自动钻床的进给系统简图
1、主轴2、深沟球轴承3、活塞杆4、液压缸筒5、油路口 6、液压缸盖7、锁紧螺钉8、推力球轴承9、密封圈
3.3 工况分析
根据设计任务可知，生产工件时，要求生产率为3把/分钟，即要求在20秒内要完成一件工件的送料、夹紧、钻削加工和出料。
已知件材料为Q235钢，工件厚度大约为15mm，查《机械工程材料实用手册》可知，Q235为碳素结构钢，其韧性良好，有一定的强度和伸长率，在一般机械制造中应用广泛，是一般机械制造中的主要材料，其切削加工性能较好。钻削直径为12mm的通孔，钻削行程（孔的长度）l≈15mm。由此可确定钻床主轴行程为100mm，也就是液压缸行程为100mm。
在钻床的切削加工过程中，钻床主轴主要受到切削扭矩和轴向进给力的作用。轴向进给力是沿主轴轴向的，在主轴保持其与工作台的垂直度的情况下，轴向力作用产生的弯矩基本为零，可忽略不计。所以，钻床主轴为仅受转矩作用的轴类。
主轴进给液压缸在工作中受到作用力可以分为三个阶段分析。在主轴快进工序中，液压缸受到钻床主轴组件重力和液压缸系统的摩擦力的作用；在主轴工进工序中，液压缸受到钻床主轴组件的重力、轴向切削力和液压缸系统的摩擦力作用；在主轴快退的工序中，液压缸受到主轴组件的重力、退刀阻力和液压缸系统摩擦力。因此，在进给液压缸设计时，我们要以最大受力作为设计标准。
3.4 切削力的计算
3.4.1 切削刀具及相关参数的选择
目前在钻孔加工中，麻花钻主要有高速钢麻花钻和硬质合金麻花钻两类。由于高速钢麻花钻在采用物理沉积法TiN涂层处理后，其耐用度和钻孔精度有了较大提高，所以该钻头应用极广。所以，在本文的钻削加工过程中，选择高速钢麻花钻头。查《金属切削手册》选择标准圆柱锥柄麻花钻中等长度第一系列，刀具直径为12mm,钻头与主轴用莫氏锥孔连接，莫氏锥孔为1号莫氏锥孔。
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由于被加工材料为Q235钢，其切削性能较好，所以查《金属切削手册》选择加工时进给量f为：f=0.2mm/r；其对应的切削速度V=32m/min。
3.4.2 主轴转速及钻孔时间的计算
查《金属切削手册》，由切削速度计算公式可得出主轴在工艺长期稳定时的固定转速n的计算公式如下：
n?1000vr /min?d
式中，v——选定的切削速度（m/min） d——刀具或工件的直径（mm）
将V=32m/min，d=12mm代入公式中，计算得出n=850r/min. 查《金属切削手册》,钻孔时间T的计算公式为：
T?l?0.3dfn 分
式中，l——被钻孔厚度（mm）
f——切削进给量（mm/r） d——刀具或工件的直径（mm） n——主轴固定转速（r/min）
将l =15mm，f =0.2mm/r, d=12mm,n=850r/min代入公式中，计算得出T=6.6s. 由此，确定一件工件的加工工时为：送料1s，工件夹紧2s，快进2s，工进7s，主轴停留2s，快退2s，出料1s，加工一件工件用时17s，达到了加工效率的要求。
3.4.3 切削力的计算
钻床切削力的计算包括钻床主轴转矩计算和主轴轴向切削力的计算。由于加工材料为Q235钢，其属于碳素结构钢，钻头为高速钢麻花钻，加工方式为钻孔，所以查《机床夹具设计手册》得：
钻床转矩计算公式如下：
Mk?0.34Df208kp
式中，Mk—— 切削力矩（N·M）
D—— 钻头直径（mm） —— 每转进给量（mm） —— 修正系数
kp?(fkp
?b736)0.75机械设计制造及其自动化 何峰雷 第 14 页
轴向切削力的计算公式如下：
Ff?667Df0.7Kp
式中，Ff—— 轴向切削力（N）
D—— 钻头直径（mm） —— 每转进给量(mm) —— 修正系数
fkp已知被加工材料为Q235结构钢，结构钢和铸钢取?b=736MPa，D=12mm，f=0.2mm，所以可分别计算出切削转矩和轴向切削为：
Mk=13.5 N·M =2595 N
Ff3.5 钻床主轴设计
3.5.1 主轴材料的选择
在轴的设计过程中，轴类的材料选择要考虑如下因素： （1） 轴的强度、刚度和耐磨性要求； （2） 轴的热处理方式和机加工工艺性要求； （3） 轴的材料来源和经济性；
轴的常用材料有碳钢和合金钢。一般来说碳钢比合金钢价格低廉，对应力集中的敏感性低，可通过热处理改善其综合性能，加工工艺性好，应用广泛。而合金钢虽然
机械性能和淬火性能优于碳钢，但其价格较贵，一般用于强度和耐磨性要求高的场合。
综合以上设计要求及因素，钻床主轴材料选用45号钢，经调质处理后HB要达到240左右。其机械性能参数如下：δb=650MPa；δs=360MPa；δ[δ
-1]b=60MPa；[τT]=35MPa。
τ-1=155MPa；-1=300MPa；
3.5.2 轴径的计算
由金属切削原理可知，主轴切削功率的计算公式为：
Pm?(f
Fffn1000?60?2?Mkn60)?10?3KW 式中：F—— 轴向切削力（N）
f—— 每转进给量(mm)
n——主轴固定转速（r/min）
Mk—— 切削力矩（N·M）
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