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(gè)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(biāo)是使的產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、制造、包裝、運(yùn)輸、使用到報(bào)廢的整個(gè)產(chǎn)品的生命周期中，對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響最小，資源的使用效率最高。對(duì)工藝裝備設(shè)計(jì)的正確性、合理性的綠色制造，目的是指導(dǎo)實(shí)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(kāi)發(fā)投資，縮短開(kāi)發(fā)周期，減少能源和資源消耗，保證產(chǎn)品在整個(gè)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(zhǎng)且精度不好控制。專用于數(shù)控小孔鉆削的鉆床很少。以準(zhǔn)干式切削為例，設(shè)計(jì)一臺(tái)以準(zhǔn)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(jìn)行數(shù)控小孔鉆床的設(shè)計(jì)。

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(jì)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(jì)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(jì)的目標(biāo)，并行地考慮并保證產(chǎn)品的功能、質(zhì)量、壽命和經(jīng)濟(jì)性?？刹捎貌⑿泄こ碳夹g(shù)，即并行綠色設(shè)計(jì)（如圖1所示）。這種方法力求使產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員從設(shè)計(jì)一開(kāi)始就能考慮到產(chǎn)品從概念形成到產(chǎn)品報(bào)廢處理的整個(gè)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(jì)

2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)及參數(shù)

設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)一臺(tái)3mm數(shù)控小孔鉆床；

圖1 綠色制造設(shè)計(jì)圖

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

2.2 設(shè)計(jì)要求分析

小孔數(shù)控鉆床的主運(yùn)動(dòng)方式應(yīng)為鉆頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)則為鉆頭相對(duì)于加工工件的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)（主要為向下運(yùn)動(dòng)），所選用的方案在完成上述兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，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(zhǔn)干式，要求的進(jìn)給速度較慢，同時(shí)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(jī)床工作的條件是低速、輕載的情況。

2.3 傳動(dòng)方案

利用螺旋機(jī)構(gòu)與蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)串聯(lián)結(jié)構(gòu)。螺旋機(jī)構(gòu)傳動(dòng)經(jīng)濟(jì)性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，運(yùn)行平穩(wěn)。選用了蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)與滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)串聯(lián)。原動(dòng)機(jī)能夠保持較高的轉(zhuǎn)速，避免處于步進(jìn)狀態(tài)，避免對(duì)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(jī)構(gòu)在高速級(jí)。

2.4 冷卻系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

直接將冷卻液通過(guò)主軸和刀具送入切削區(qū)域，對(duì)其進(jìn)行冷卻和潤(rùn)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(tái)肩和彈簧卡圈與接頭體的相對(duì)位置，兩者之間的間隙可以移動(dòng)，其密封由套在心子外圓的O型密封圈予以保證。電機(jī)主軸與冷卻液輸入管通過(guò)回轉(zhuǎn)接頭連接，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)主軸與冷卻液輸入管順利相連，保證冷卻液成功到達(dá)刀具與工件接觸處。具體機(jī)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 準(zhǔn)干式切削原理圖

準(zhǔn)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(guò)壓縮還可以回收使用，完全不污染環(huán)境。

2.5 總體設(shè)計(jì)和裝配圖

蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)，動(dòng)力裝置的選擇，完成了鉆床的工作運(yùn)動(dòng)過(guò)程。通過(guò)對(duì)各轉(zhuǎn)矩的計(jì)算、蝸桿軸、蝸輪軸的強(qiáng)度校核計(jì)算和軸承的使用壽命計(jì)算，證明了所設(shè)計(jì)的可行性。在保證個(gè)個(gè)零件正常工作的前提下，機(jī)床才能實(shí)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(jì)

3.1 控制原理圖的設(shè)計(jì)

利用8031單片計(jì)算機(jī)構(gòu)成功能強(qiáng)大、成本低廉的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(guò)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(dòng)電路設(shè)計(jì)

在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中包括ABCD向電源驅(qū)動(dòng)電路、隔離電路、過(guò)載保護(hù)電路。

選取的57BYG007步進(jìn)電動(dòng)機(jī)額定電壓為12V，電流為0.38A，屬于小機(jī)座號(hào)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，本身的電阻為32?，采用電阻串聯(lián)進(jìn)繞組回路，該電路使勵(lì)磁繞組在高電壓作用下較快起動(dòng)的問(wèn)題，存在繞組斷電時(shí)的慣性電流問(wèn)題，在勵(lì)磁電路中并聯(lián)一個(gè)反向安裝的二極管，用來(lái)釋放斷電后勵(lì)磁繞組內(nèi)部出現(xiàn)的慣性電流（續(xù)流電流）。為使勵(lì)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(gè)適當(dāng)?shù)拇箅娙輥?lái)減小回路的動(dòng)態(tài)阻抗，而穩(wěn)態(tài)工作時(shí)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(jī)的脈沖控制信號(hào)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路相連接時(shí)，設(shè)置一個(gè)光電耦合隔離接口，防止外部驅(qū)動(dòng)電路對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)部極敏感集成電路的干擾和損壞。

過(guò)流保護(hù)電路的作用是在相繞組電流或整個(gè)驅(qū)動(dòng)級(jí)電流發(fā)生異常增大時(shí)發(fā)出的保護(hù)報(bào)警信號(hào)。

數(shù)控小孔鉆床的驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)電路

4 結(jié)論

綠色制造技術(shù)設(shè)計(jì)數(shù)控小孔鉆床具有傳動(dòng)平穩(wěn)、無(wú)間隙、高精度等特點(diǎn)。在綠色化機(jī)床結(jié)構(gòu)的前提下，提高了機(jī)床性能。在很大程度上節(jié)約了成本及降低了對(duì)環(huán)境的污染，達(dá)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(shí)現(xiàn)微小孔鉆床的進(jìn)給方案，冷卻液通過(guò)電機(jī)主軸直接輸送到刀具與工件接觸處的設(shè)計(jì)，基于綠色制造技術(shù)進(jìn)行以準(zhǔn)干式切削為冷卻方式的數(shù)控小孔鉆床的設(shè)計(jì)在生產(chǎn)制造業(yè)的實(shí)際應(yīng)用具有參考價(jià)值。

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