0 前言
随着钢结构在工业与民用建筑中的广泛应用，H钢的钻孔加工已成为钢结构行业中的关键技术之一。笔者在《液压与气动》04年第2期《H钢的三维数控钻孔机床的液压系统》一文中通过H钢的钻孔工艺性以及加工过程的分析，提出了总体结构设计方案，本文不再赘述。根据总体结构设计要求机床应配置l台立式和2台卧式液压进给动力头。众所周知，动力头是机床的重要动力部件，在一般的机床设计中，动力头只能提供机床的主运动，其进给运动是由与之相配套的液压或机械滑台来实现的。这样势必会对机床结构设计与制造带来较大的困难。因此笔者在消化吸收国外先进技术的基础上，根据三维钻孔位置与机床结构特点，对立式与卧式动力头，分别采用不同的设计形式，满足了总体设计要求。图l所示为外置液压缸进给驱动的立式动力头结构示意图。从图中可以看出外置液压缸式动力头，结构较复杂、体积大，但可以实现较大的进给行程，立式钻孔正好满足了机床的要求。图2为内置液压缸进给驱动的卧式动力头示意图。内置液压缸式动力头结构紧凑、体积小，但进给行程小。
1．主轴2．端盖3．轴承4．主轴箱体5．箱体6．同步带轮7．同步带8．电
机9．液压缸1O．滑块11．滑座
图l 外置液压缸进给驱动的立式动头示意图
1 液压进给动力头的主要结构特点
本文以卧式液压进给钻削动力头为例来加以分析。该动力头由主运动、进给运动和控制系统三部分组成。结构见图2。
(1)主运动
主运动由三相异步电动机驱动，经同步齿形带通过花键轴将电机的转矩传递给主轴。主轴的转速通过变频调速来实现。
(2)进给运动
由于液压传动具有进给动力大、反应速度快、可以实现无级调速等优点，因此采用液压驱动来实现钻削进给运动。由于H钢在定位装夹时，左动力头随夹具的推进而随之推进，钻头已经逼近工件，因此不需要再作快速进给，动力头进给的作用即对工件进行切削进给(工进)，一般钢板最厚在30ram左右，我们设计行程为50mm，因此完全能满足加工需要。
(3)控制系统
采用2位4通电磁换向阀控制液压动力头的进给运动机床待机时，能保证动力头(液压缸)处于退回状态。采用单向调速阀调节进给速度，详细可参考文献[3]。液压缸的进退通过安装在动力头上的接近开关控制，图2中没有表达。
(4)机械结构特点
为了实现结构紧凑，设计中采取电动机与主轴同侧布置；液压缸活塞与活塞杆一体；活塞杆中心装有主轴，液压进给时，主轴随活塞杆的推进作直线运动；同时，电动机通过同步齿形带和花键套将转矩传递给主轴。由于花键套是通过一对轴承支承的，因此皮带的拉力不会传递给主轴，这样有利于保持主轴轴承精度和提高寿命。
图2 内置液压缸进给驱动的卧式动力头示意图
1．主轴2．轴承3．端盖4．液压缸体5．活塞6．电机7．同步带8．箱体9．同步带轮l0．花键套
2 主要参数计算
根据机床最大钻孔直径、钻削工艺参数和加工条件来确定动力头的主要参数。根据总体设计，机床的最大钻孔直径dn为30ram。加工材料主要是用于钢结构建筑，桥梁建筑和大跨度厂房中用到的H钢，一般为Q2l5和20号钢，硬度≤HIF230，ab=650MPa。钻削性能比较好，适合加工。
刀具选取整体麻花钻，材料为W。8Cr4V，钻削加工时有冷却液冷却。
切削工艺参数主要是选择进给量与切削速度。当钻孔直径do=30mm时，选择最大进给量 =0．8mm／r，切削速度 =22m／min，主轴转速，l=230r／min。
(1)切削力计算
由
式中：F— 轴向切削力(N)
do— 最大钻孔直径(mm)
fmin— 最大进给量(mm／r)
得到：F = 15400N
(2)钻削扭矩计算
由
式中：T--钻削扭矩(N·in)
得到：T=229N·m
(3)切削功率计算
由
式中：P— 切削功率(kW)
n—— 主轴转速(r／min)
得到：P=5．5kW
3 液压缸各部分尺寸计算
液压缸各部分尺寸主要指液压缸的直径D和活塞杆的直径d。
(1)液压缸直径计算
首先根据计算获得的切削力确定液压缸的最大推力为16000N，由此来计算液压缸的有效工作面积。
由A= F/pη
式中：A— 液压缸有效面积(rn2)
F— 液压缸最大推力(N)
p— 液压缸工作压力(MPa)，取P=2．5MPa
η— 液压缸总效率，η=0．85
将相关数据代入，得到：
A ： 0．006m2
根据结构设计确定活塞杆直径：d=140mm
活塞杆的面积：A．=0．015m2
液压缸的面积：A2=A+Al=0．021m2
得到液压缸直径：D=170mm
(2)液压缸最低速度验算
对获得的液压缸直径还必须进行是否满足最低速度的验算。根据工艺要求，当钻孔直径do=30ram时，选择最小进给量fmin=0.1mm/r，
由A>qmin/Vmin
式中：qmin— 调速阀的最小稳定流量，qmin =0．05L／min
Vmin— 液压缸的最低速度，Vmin=fmin×n =23mm／min
得到A>qmin／Vmin =0．O02m2，满足低速要求。
4 结束语
动力头是H钢三维数控钻孔机床的重要组成部件，动力头结构设计好坏将直接影响机床的总体结构与加工质量。本设计由于将动力头的主运动与进给运动高度集成，因此具有结构紧凑、重量轻、体积小，刚性好等特点，从而使H钢三维数控钻孔机床的结构简化，降低了制造成本。又由于动力头采用液压驱动，具有驱动力大、可以实现无级调速等特点。因此可以在较大范围内进行孔的加工，是H钢三维数控钻孔的理想部件。该动力头也可以在类似的其它机械加工设备中应用。
[参考文献】
[1]赵如福．金属机械加工工艺人员手册[M]．上海科学技术出版社，1990．
[2]雷天觉．新编液压工程手册[M]．北京：北京理工大学出版社，1998．
[3]钱荣芳．H钢三维数控钻孔机床的液压系统设计[J]．液压与气动，2OO4(2)．
[4]朱士友，等．电、气动自动进给钻削动力头的研制[J]．机床与液压，1999(4)． 汇荣流体（http://www.servo-valve.cn/） |
