基于綠色制造技術(shù)的數(shù)控小孔鉆床設(shè)計

張秀艷，程 瑞

（大連科技學(xué)院，大連 116052）

0 引言

綠色制造是一個綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造模式，其目標是使的產(chǎn)品從設(shè)計、制造、包裝、運輸、使用到報廢的整個產(chǎn)品的生命周期中，對環(huán)境的負面影響最小，資源的使用效率最高。對工藝裝備設(shè)計的正確性、合理性的綠色制造，目的是指導(dǎo)實際生產(chǎn)。采用綠色制造技術(shù)，可大量節(jié)約綠色產(chǎn)品的開發(fā)投資，縮短開發(fā)周期，減少能源和資源消耗，保證產(chǎn)品在整個生命周期中具有綠色特性。

數(shù)控小孔鉆床常用的方法現(xiàn)在是利用常規(guī)的大中型鉆床，加工成本高、周期長且精度不好控制。專用于數(shù)控小孔鉆削的鉆床很少。以準干式切削為例，設(shè)計一臺以準干式切削為冷卻方式的單軸數(shù)控小孔鉆床，基于綠色制造技術(shù)進行數(shù)控小孔鉆床的設(shè)計。

1 綠色制造結(jié)構(gòu)體系

綠色制造是獲得綠色產(chǎn)品的基礎(chǔ)。綠色制造即在產(chǎn)品的設(shè)計階段，就將環(huán)境因素和防止污染的措施納入產(chǎn)品設(shè)計中，將產(chǎn)品的環(huán)境屬性和資源屬性，如可拆卸性、可回收性、可制造性等作為設(shè)計的目標，并行地考慮并保證產(chǎn)品的功能、質(zhì)量、壽命和經(jīng)濟性?？刹捎貌⑿泄こ碳夹g(shù)，即并行綠色設(shè)計（如圖1所示）。這種方法力求使產(chǎn)品開發(fā)人員從設(shè)計一開始就能考慮到產(chǎn)品從概念形成到產(chǎn)品報廢處理的整個產(chǎn)品生命周期里的所有因素。

2 小孔數(shù)控鉆床總體方案設(shè)計

2.1 設(shè)計任務(wù)及參數(shù)

設(shè)計任務(wù)：設(shè)計一臺3mm數(shù)控小孔鉆床；

圖1 綠色制造設(shè)計圖

設(shè)計參數(shù)：最大鉆孔直徑3mm，最大脈沖當(dāng)量0.0025mm，進給速度15～100mm/min。

2.2 設(shè)計要求分析

小孔數(shù)控鉆床的主運動方式應(yīng)為鉆頭的旋轉(zhuǎn)運動，進給運動則為鉆頭相對于加工工件的前進運動（主要為向下運動），所選用的方案在完成上述兩個運動的同時，應(yīng)要保證鉆孔的形狀精度。還應(yīng)保證有較好的鉆孔深度方向上的位置精度。工況方面，冷卻技術(shù)為準干式，要求的進給速度較慢，同時小孔鉆削的切削力較小，而由于鉆頭直徑很小，所能承受的載荷有限，確定了機床工作的條件是低速、輕載的情況。

2.3 傳動方案

利用螺旋機構(gòu)與蝸輪蝸桿機構(gòu)串聯(lián)結(jié)構(gòu)。螺旋機構(gòu)傳動經(jīng)濟性好，結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，運行平穩(wěn)。選用了蝸輪蝸桿減速機構(gòu)與滑動螺旋傳動串聯(lián)。原動機能夠保持較高的轉(zhuǎn)速，避免處于步進狀態(tài)，避免對鉆頭產(chǎn)生沖擊。由于脈沖當(dāng)量很小，采用消隙裝置消除螺紋側(cè)向間隙。避免蝸輪尺寸太大，確定蝸輪蝸桿減速機構(gòu)在高速級。

2.4 冷卻系統(tǒng)方案設(shè)計

直接將冷卻液通過主軸和刀具送入切削區(qū)域，對其進行冷卻和潤滑?；剞D(zhuǎn)式管接頭用于液流方向成直角的連接，可以隨意調(diào)整布管方向，安裝方便，占用空間小?；剞D(zhuǎn)式管接頭的接頭心靠臺肩和彈簧卡圈與接頭體的相對位置，兩者之間的間隙可以移動，其密封由套在心子外圓的O型密封圈予以保證。電機主軸與冷卻液輸入管通過回轉(zhuǎn)接頭連接，實現(xiàn)轉(zhuǎn)動的電機主軸與冷卻液輸入管順利相連，保證冷卻液成功到達刀具與工件接觸處。具體機構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 準干式切削原理圖

準干式技術(shù)只要使用得當(dāng)，加工后的刀具、工件和切屑都是干燥的，避免了后期的處理，清潔和干凈的切屑經(jīng)過壓縮還可以回收使用，完全不污染環(huán)境。

2.5 總體設(shè)計和裝配圖

蝸輪蝸桿的設(shè)計，動力裝置的選擇，完成了鉆床的工作運動過程。通過對各轉(zhuǎn)矩的計算、蝸桿軸、蝸輪軸的強度校核計算和軸承的使用壽命計算，證明了所設(shè)計的可行性。在保證個個零件正常工作的前提下，機床才能實現(xiàn)其功能。數(shù)控小孔鉆床裝配圖如圖3所示。

3 電氣控制設(shè)計

3.1 控制原理圖的設(shè)計

利用8031單片計算機構(gòu)成功能強大、成本低廉的步進電動機控制電路，并且與輔助電路共同構(gòu)建總體電氣控制電路。通過電器控制電路的控制，使鉆床能夠正常并且安全的工作。控制原理如圖4所示。

3.2 驅(qū)動電路設(shè)計

在驅(qū)動電路設(shè)計中包括ABCD向電源驅(qū)動電路、隔離電路、過載保護電路。

選取的57BYG007步進電動機額定電壓為12V，電流為0.38A，屬于小機座號步進電動機，本身的電阻為32?，采用電阻串聯(lián)進繞組回路，該電路使勵磁繞組在高電壓作用下較快起動的問題，存在繞組斷電時的慣性電流問題，在勵磁電路中并聯(lián)一個反向安裝的二極管，用來釋放斷電后勵磁繞組內(nèi)部出現(xiàn)的慣性電流（續(xù)流電流）。為使勵磁繞組在通電瞬間的工作電流建立得更加迅速，可在限流電阻的兩端再并聯(lián)上一個適當(dāng)?shù)拇箅娙輥頊p小回路的動態(tài)阻抗，而穩(wěn)態(tài)工作時的阻抗仍然是僅為限流電阻本身。

圖3 數(shù)控小孔鉆床裝配圖

圖4 控制原理圖

隔離電路中由于單片機的脈沖控制信號與步進電動機的驅(qū)動電路相連接時，設(shè)置一個光電耦合隔離接口，防止外部驅(qū)動電路對計算機內(nèi)部極敏感集成電路的干擾和損壞。

過流保護電路的作用是在相繞組電流或整個驅(qū)動級電流發(fā)生異常增大時發(fā)出的保護報警信號。

數(shù)控小孔鉆床的驅(qū)動電路如圖5所示。

圖5 驅(qū)動電路

4 結(jié)論

綠色制造技術(shù)設(shè)計數(shù)控小孔鉆床具有傳動平穩(wěn)、無間隙、高精度等特點。在綠色化機床結(jié)構(gòu)的前提下，提高了機床性能。在很大程度上節(jié)約了成本及降低了對環(huán)境的污染，達到預(yù)期結(jié)果及意義。采用蝸輪蝸桿與絲杠螺母串聯(lián)實現(xiàn)微小孔鉆床的進給方案，冷卻液通過電機主軸直接輸送到刀具與工件接觸處的設(shè)計，基于綠色制造技術(shù)進行以準干式切削為冷卻方式的數(shù)控小孔鉆床的設(shè)計在生產(chǎn)制造業(yè)的實際應(yīng)用具有參考價值。

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