钻床的三维设计与仿真

摘 要：近年来，随着数控机床、M合机床、加工中心、车削中心以及加工单元等高科技机床的出现，工件的钻孔，铰孔，攻丝变得更加精确、高效。因而工业生产、加工也得到了巨大的改善。与此同时，传统机床的存在因为科技的进步也受到了冲击甚至被替代。但是，出于经济成本的考虑一般精度的条件下，微型机床的使用，能很大程度地方便人们的生活。本次设计以能加工小孔的微型立式钻床为例。我们进行立式钻床的设计与在CATIA的基础上进行零部件的建模与装配。从钻床的简介、设计要求，设计方案与参数要求，用CATIA的建模与装配三个角度阐明微型钻床的设计与仿真。

关键词：微型；立式钻床；设计；仿真

1 钻床简介

钻床指主要用钻头在工件上加工孔的机床。通常钻头旋转为主运动，钻头轴向移动为进给运动。钻床结构很简单，加工精度相对较低，可钻通孔、盲孔，更换特殊刀具，可扩，锪孔，铰孔或进行攻丝等加工。

钻床种类：立式，台式，摇臂式等。

钻床的发展与趋势：国外主要的深孔钻床都系列化完整的数控深孔钻床通用部件，在深孔钻床上不仅一般动力部件应用数控技术，而且夹具的转位或转角、换箱装置的自动分度与定位也都应用数控技术，从而进一步提高了深孔钻床的工作可靠性和加工精度。多品种加工装备采取了一系列的可调、可变、可换措施，使得加工装备获得一定的柔性，增加机床配置的灵活性和灵敏度。自动化技术的发展与应用也使得深孔钻床的制造有了质的飞跃。

钻床的工作原理：台式钻床的工作原理是以电机为动力进行输出，其动力通过塔式皮带轮和三角带的变速传递给主轴，主轴套在套筒里，套筒上具有齿条结构，与配合手柄的齿轮啮合组成纵向进给系统，因而套筒的上下移动带动主轴的上下移动，主轴的转动以及手柄的进给完成加工。

本课题设计要求及内容：

（1）微型立式钻床的设计，要求结构简单，轻便灵活，外形尺寸控制在300×200×600（mm）之间。

（2）单轴设计。

（3）孔直径在13mm以内。

（4）主轴转速在4100rpm以内。

（5）立式操作。

（6）由于并没有太大精度要求，夹具以及导轨设计不做太多设计。

2 微型立式钻床的设计

2.1 立式钻床设计方案

钻头选用高速钢麻花钻，结构钢和铸钢选取δ=736MPa，由《机床夹具设计手册》得：

钻床扭矩Mk=0.34D2f0.8Kp=13.5N・M

Mk为切削力矩

D为钻头直径

f为每转进给量

Kp=（δ/736）0.75 为修正系数

其中D=13mm，f=0.2mm

计算轴向切削力

Ff=667Df0.7Kp=2595N

Ff为轴向切削力（N）

D为钻头直径（mm）

f为每转进给量（mm）

Kp为修正系数

主轴切削功率公式为：

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

Ff为轴向切削力（N）

f为每转进给量（mm）

n为主轴固定转速（r/min）

Mf为切削力矩（N・M）

查找得知，轴承传动效率为0.99，键传动效率为0.98，主轴传递功率为：

P=Pm/（0.99×0.99×0.98）=0.37kW

2.2 立式钻床具体参数和机构

2.2.1 加工工艺参数

工艺方法：钻削，一个麻花钻工作

刀具： 最大加工直径13mm

加工材料：木材，软金属

最大钻孔能力：工具钢3.2mm，非金属6mm，软金属5mm

切削用量：切削速度8-11m/min，进给量0.04-0.15mm/r

主轴转速：4100rpm；进给速度：手动；主轴行程：25mm

2.2.2 尺寸参数

机床外形尺寸：290×190×590（mm）工作台尺寸：160×160（mm）

钻头夹持范围：0.6～6.5mm

主要联系尺寸：主轴端至工作台距离200mm；主轴中心线至外部立柱距离105mm

立柱外壁直径46mm；立柱高度300mm；底座高25mm

2.2.3 动力参数

电机参数：5158A；额定功率：340W；空载转速：16000rpm；电机尺寸：中间轴直径6mm；电机总长105mm，直径65mm；2个安装螺丝距离53mm。

3 Catia简介及零部件建模

模块化的CATIA系列产品提品的风格和外型设计、机械设计、设备与系统工程、管理数字样机、机械加工、分析和模拟。CATIA产品基于开放式可扩展的V5架构。通过使企业能够重用产品设计知识，缩短开发周期，CATIA解决方案加快企业对市场的需求的反应。CATIA系列产品在领域里提供3D设计和模拟解决方案：汽车、航空航天、船舶制造、厂房设计（主要是钢构厂房）、建筑、电力与电子、消费品和通用机械制造。

零部件建模（如下图）