台式钻床主轴套筒设计

台式钻床主轴套筒设计

摘要：台式钻床主轴套筒是钻床主轴实现轴向进给运动的传动元件，作为台式钻床的主要部件，本文将根据所需要的各项技术指标自己设计一款实用型的台式钻床主轴套筒。我将在主轴套筒的材料选择、主轴套筒的几何形状尺寸设计及原理，等相应方面分析和设计。现将其各部分的组成、原理、设计和安装的方法逐一介绍。 关键词：台式钻床，主轴套筒，设计，原理 前言：

随着我国现代化建设的发展，各个方面机械化程度的逐步加深，机械加工与制造领域也越来越重要起来，台式钻床作为机械加工中的重要手段，更是应用广泛。虽然现在数控技术的不断发展，但台式钻床却不会被完全取代。台式钻床简称台钻，是一种体积小巧，操作简便，通常安装在专用工作台上使用的小型孔加工机床。台式钻床主轴套筒作为台式钻床的主要部件，其主要作用：一是传递钻孔所需的旋转运动，带动主轴的上下移动；二是承受并传递钻孔时的作用力；三是安装定位钻套。为了适应应用和发展需求，下面主要介绍适用于JB／T 8647-1997标准型台式钻床的主轴套筒的原理分析和设计。

1 台式钻床的工作原理： 台式钻床是由电机力输出，通过塔式皮带轮和三角带的变速传递给主轴，再由主轴套筒和手柄齿轮配合组成纵向进给机构，经过钻床夹具和刀具的旋转配合完成零件的加工。 2 台式钻床的主要特点：

台式钻床主要作用于中小型零件钻孔、扩孔、绞孔、攻螺纹、刮平面等技工车间和机床修配车间使用，与国内外同类型机床比较，具有马力小、刚度高、精度高，刚性好，操作方便，易于维护的特点，标准型台式钻床的外形简略图，如图1-1所示。

图1-1 标准型台式钻床简略图

3 台式钻床主轴套筒的主要作用

台式钻床主轴套筒的主要作用有：一是传递钻孔所需的旋转运动，带动主轴的上下移动；二是承受并传递钻孔时的作用力；三是安装定位钻套。 4 台式钻床主轴套筒的设计原理和技术要求

台式钻床主轴套筒的技术要求主要分为两大部分，分别是外部形状尺寸的设计原理和零件材料选择的技术要求。

4.1 钻床主轴套筒的材料选择及外部形状尺寸的设计

钻床主轴套筒的作用在于传递加工零件的旋转动作的同时带动主轴即刀具的上下移动，考虑以上原因及特点，下面将分别按照主轴套筒的材料选择、外部形状的尺寸设计两个方面进行设计和介绍。

4.1.1 钻床主轴套筒的材料选择

由于考虑到主轴套筒的性质和工作特点，分析如下：主轴套筒作为钻床的主要部件之一，必需保证其的耐用性，而主轴套筒的主要失效形式为疲劳破坏，所以其选用的材料应具有较好的强度、韧性及耐磨性。所以常选用优质碳素结构钢，如35、45、50牌号的钢材。

根据传动轴的强度计算公式：?max=T≤［τ］

WT?max为最大扭转切应力，单位为MPa ［τ］为许用扭转切应力，单位为MPa P6

T 为轴传递的转矩，单位为N·mm，T=9.55×10n

WT为抗扭截面系数（mm），WT =0.2d

33

P为传递的功率，单位为kW n为主轴的转速，单位为r／min d为轴的直径，单位为mm ?max=

9.55?106Pn0.2d3

根据JB／T 8647-1997标准型台式钻床的技术标准，主轴转速最大为3000转，即n=3000r／min，最大功率为300kW，即P=300kW，主轴套筒最大直径为51mm。 带入公式得出：?max=38.2MPa

根据主轴的材料与载荷的有关因数，可查表4-1查取

主轴套筒的材料 ［τ］／MPa C Q235，20 12～20 35 20～30 45 30～40 118～106 40Cr，35SiMn 40～52 106～97 160～135 135～118 表4-1 许应力［τ］及C值

根据查表得出，JB／T 8647-1997标准型台式钻床的主轴套筒材料应选择45号钢材。 由于主轴套筒需承受弯扭组合作用，同时轴上零件的位置与轴承和轴承支撑间的距离还没确定，所以对主轴套筒的设计，只能先按照扭转强度初步估算出主轴套筒的最小直径，待轴系结构确定后，轴上所承受的载荷大小、方向、作用点及支撑跨距已确定，再按弯扭组合强度校核。

M强度校核公式为：σe=e=

WM?(?T)0.1d322≤［σ－1］bb

公式中，σe为当量应力，单位为MPa；Me为当量弯矩，单位为N·mm；M为合成弯矩，单位

为N·mm；T为轴传递的扭矩，单位为N·mm；W为轴危险截面的抗弯截面系数，W=0.1d；

3

?为由转矩性质而定的折合因数，转矩不变时??0.3，转矩为脉动循环变化时??0.6，对频

繁正反转的轴，转矩可认为对称循环变化??1；［σ－1］bb为对称循环状态下的许用弯曲应

力，见表4-2。 材料 ?b ［σ－1］bb 40 45 55 65 75 80 ［σ+1］bb 130 170 200 230 270 300 ［σ0］bb 70 75 95 110 130 140 400 碳钢 500 600 700 合金钢 800 900

1000 1200 90 110 330 400 150 180 表4-2 主轴套筒的许用弯曲应力 （单位：MPa）

根据公式校核及查表核对，主轴套筒的材料（即45号钢材）选用合理，能满总正常的加工和生产需求。由此确定了钻床主轴套筒的材料为45号钢材。

4.1.2 钻床主轴套筒的外部形状尺寸设计及原理

根据实践证明，套筒类零件交变应力作用下的破坏形式与静应力下全然不同。 其主要特点是：

⑴零件破坏时，交变应力的最大值远小于材料的静强度极限，甚至低于屈服点。

⑵零件破坏时呈脆弱性断裂，即使对于塑性较好的材料，断裂时也无明显的塑形变形。因此这种断裂事先不易察觉，这就表现出此类破坏的危险性。

⑶破坏在断口上，呈现出两个区域，光滑区和粗糙区。在光滑区内，有时可以看见到以微裂纹为起始点（裂纹源）逐渐扩展的弧形曲线。

实验表明，材料的持久极限不仅与材料种类、受力形式和循环特征有关，而且还受到零件的形状、外形尺寸和表明加工质量的影响。因此我根据以上情况来设计合理的尺寸，以满足强度需要，还必须满足主轴套筒上零件的可靠定位和紧固，同时便于加工制造、拆装和调整。 下面我将钻床主轴套筒的外部形状分成主轴套筒最大直径尺寸、主轴套筒的轴肩和轴环的倒角尺寸设定、主轴套筒的内径尺寸设定、主轴套筒外部的梯形牙设计、主轴套筒外部梯形牙弯曲疲劳强度计算及校核等几大方面来进行分析和设计。 4.1.2.1 钻床主轴套筒的最大直径尺寸设计

为了检验和论证JB／T 8647-1997标准型台式钻床的主轴套筒最大外径尺寸和设计原理，我将重新带入一遍轴类零件外径尺寸公式中。

6pp公式为：d≥39.55?10n=C3n

0.2[?]在公式中，［τ］为许用扭转切应力，单位为MPa P为传递的功率，单位为kW n为主轴的转速，单位为r／min d为轴的直径，单位为mm C为与轴的材料和载荷有关的因数，可由表4-3查取。 轴的材料 Q235，20 12～20 160～135 35 20～30 135～118 45 30～40 118～106 40Cr，35SiMn 40～52 106～97 ???／MPa C 表4-3 许用切应力???及C值

根据公式得出d≥50.2mm，由此进一步验证了JB／T 8647-1997标准型台式钻床的主轴套筒最大外径尺寸为大于或等于50.2mm即标准型台式钻床主轴套筒的最大直径51设置合理，符合相应的技术要求。

4.1.2.2 钻床主轴套筒的轴肩和轴环的倒角尺寸设定

根据主轴套筒的最大直径，所以我把轴设计成了最为普遍的阶梯型模式，目的是为了增加套筒的强度和刚度，便于拆卸，易于套筒与主轴和台钻本身机体的安装配合；区别不同轴段的精度及表面光洁度等满足不同的需求。