适用于台式钻床的转动移动复合机构设计

丁允贺 李书环 王冉

摘 要：台式钻床工作，需要的是互不干涉的转动和移动，就目前而言，台式钻床移动部件和转动部件相互独立且可以配合完成钻孔工作，但结构复杂；本文通过设计一种转动移动复合机构，保证台式钻床能正常工作且结构简单，易于实现。

关键词：台式钻床；复合运动；机构设计

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.004

1 机构应满足的条件

转动移动复合机构应该能够快速高效精准地满足转动和移动同时进行的要求，并且移动和转动独立进行不能存在约束[1]，相比于现有钻床，该机构还应结构简单、易于实现。

2 机构方案设计

如图1所示，旋转移动复合装置包括立轴1、导向平键3、齿轮4、齿轮6、齿轮7、轴承2以及轴承5等。工作时，齿轮7通过电机驱动并与立轴上的齿条啮合，用于带动主轴做轴向移动。齿轮4由主动齿轮6驱动并通过导向平键3与立轴1连接，从而带动主轴做周向转动；轴承2和轴承5用于支承立轴且与立轴之间能够相对滑动与转动。

3 零部件设计与选型

零部件的设计及选型主要解决以下几个关键性问题。

3.1 立轴设计

立轴1的端部安装夹爪，夹爪用来安装钻头，钻头打孔过程需要转动和进给运动，因此立轴1应能够做相互独立的转动和移动，是钻床中转动移动复合机构的核心构件。在立轴1上加工键槽以安装导向平键3，齿轮4通过导向平键3与立轴1联结，实现立轴1的转动。立轴1上还加工有齿条，通过齿轮7与齿条的啮合可以实现立轴1的移动。立轴上的齿条设计为圆周形齿条，圆周形齿条可以认为是由传统齿条绕轴线旋转而成。圆周形齿条看似与蜗杆形状相似，但其实完全不同；蜗杆结构为一个或几个齿绕轴呈螺旋状，圆周形齿条却是每个齿都绕轴一周且沿轴等间距排列；之所以如此设计，第一是使立轴1在齿轮7带动下能够轴向移动，第二是不对立轴1的转动产生干涉。立轴上导向平键的作用则是，在带动立轴转动的同时，对立轴的移动不产生干涉。为保证工作的可靠性，安装的导向平键长度与圆柱形齿条长度一致。

3.2 轴承选型

立轴1既要转动又要移动，因此，支承立轴1的部件应该能够同时满足立轴转动和移动精准无摩擦。常见的径向轴承以及角接触轴承如滚针轴承、圆柱滚子轴承、深沟球轴承、圆锥滚子轴承等，只能允许轴做转动，不允许轴做移动或者仅允许做微量移动，因此不能作为此处轴的支承[2-3]。通过查阅材料，最终选择滑动旋转衬套作为立轴1的支承。滑动旋转衬套的结构基本有两种，一种是在其两端，钢球沿周向排列，在中部，钢球以U字形排列；另一种则是将钢球以Z字形排列。它们均是通过保持器将钢球插入精密研磨加工的外轮内部。钢球进入的是各个独立分离的孔，因此，不仅可以使被支承立轴畅通无阻地做直线运动，也允许立轴精准无摩擦地做旋转运动且精度高、刚性好。

3.3 轮选型

齿轮传动是机械传动中最重要、应用最广泛的一种传动。其主要优点是：工作可靠，寿命长，传动比精确，传动效率高，结构紧凑，功率及速度适用范围广。而人字形齿轮使用于此，完全因为其结构特点，人字形齿轮是一种轮齿沿两条对称的螺旋旋向相反的螺旋线排列在圆柱体表面上的齿轮[4]，亦可视为由螺旋角相同但旋向相反的两个斜齿轮所组成[5]。人字齿轮的结构，使得主从动齿轮不可能做轴向的相对移动。立轴1在工作过程中有相对于齿轮4的移动，为避免齿轮4受立轴1影响而产生相对于齿轮6的轴向移动，齿轮4和齿轮6均选用人字齿轮。由于立轴1采用滑动旋转衬套游动支承，人字齿轮传动不会发生干涉。

立轴1工作过程中还有绕轴的转动，为避免干涉，齿条与齿轮7均选用直齿，直齿结构简单，易于加工。齿轮7及其轴系则由角接触轴承支承，以保证齿轮7不因为立轴1的转动而产生移动。

4 结束语

根据台式钻床的工作要求，对台式钻床的主体进行了方案设计。确定选用圆周形齿条和直齿齿轮啮合传动实现立轴沿轴方向的进给运动；选用人字形齿轮啮合传动实现立轴的轴向转动；并采用滑动旋转衬套对立轴进行支承。此种组合大大简化了钻床主體结构，对钻床的改进设计有一定的参考作用。

参考文献：

[1]卢秉恒.机械制造技术基础[M].3版.北京：机械工业出版社，

2007.

[2]濮良贵，纪名刚.机械设计[M].8版.北京：高等教育出版社，2006.

[3]吴宗泽，刘莹.机械设计教程[M].北京：机械工业出版社，2003.

[4]范顺成.机械设计基础[M].北京：机械工业出版社，2007.

[5]孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理[M].8版.北京：高等教育出版社，2013.

作者简介：丁允贺（1994-），男，安徽泗县人，学士在读，主要从事农业机械方面的学习与研究。