基于绿色制造技术的数控小孔钻床设计

张秀艳，程 瑞

（大连科技学院，大连 116052）

0 引言

绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使的产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废的整个产品的生命周期中，对环境的负面影响最小，资源的使用效率最高。对工艺装备设计的正确性、合理性的绿色制造，目的是指导实际生产。采用绿色制造技术，可大量节约绿色产品的开发投资，缩短开发周期，减少能源和资源消耗，保证产品在整个生命周期中具有绿色特性。

数控小孔钻床常用的方法现在是利用常规的大中型钻床，加工成本高、周期长且精度不好控制。专用于数控小孔钻削的钻床很少。以准干式切削为例，设计一台以准干式切削为冷却方式的单轴数控小孔钻床，基于绿色制造技术进行数控小孔钻床的设计。

1 绿色制造结构体系

绿色制造是获得绿色产品的基础。绿色制造即在产品的设计阶段，就将环境因素和防止污染的措施纳入产品设计中，将产品的环境属性和资源属性，如可拆卸性、可回收性、可制造性等作为设计的目标，并行地考虑并保证产品的功能、质量、寿命和经济性。可采用并行工程技术，即并行绿色设计（如图1所示）。这种方法力求使产品开发人员从设计一开始就能考虑到产品从概念形成到产品报废处理的整个产品生命周期里的所有因素。

2 小孔数控钻床总体方案设计

2.1 设计任务及参数

设计任务：设计一台3mm数控小孔钻床；

图1 绿色制造设计图

设计参数：最大钻孔直径3mm，最大脉冲当量0.0025mm，进给速度15～100mm/min。

2.2 设计要求分析

小孔数控钻床的主运动方式应为钻头的旋转运动，进给运动则为钻头相对于加工工件的前进运动（主要为向下运动），所选用的方案在完成上述两个运动的同时，应要保证钻孔的形状精度。还应保证有较好的钻孔深度方向上的位置精度。工况方面，冷却技术为准干式，要求的进给速度较慢，同时小孔钻削的切削力较小，而由于钻头直径很小，所能承受的载荷有限，确定了机床工作的条件是低速、轻载的情况。

2.3 传动方案

利用螺旋机构与蜗轮蜗杆机构串联结构。螺旋机构传动经济性好，结构简单，加工方便，运行平稳。选用了蜗轮蜗杆减速机构与滑动螺旋传动串联。原动机能够保持较高的转速，避免处于步进状态，避免对钻头产生冲击。由于脉冲当量很小，采用消隙装置消除螺纹侧向间隙。避免蜗轮尺寸太大，确定蜗轮蜗杆减速机构在高速级。

2.4 冷却系统方案设计

直接将冷却液通过主轴和刀具送入切削区域，对其进行冷却和润滑。回转式管接头用于液流方向成直角的连接，可以随意调整布管方向，安装方便，占用空间小。回转式管接头的接头心靠台肩和弹簧卡圈与接头体的相对位置，两者之间的间隙可以移动，其密封由套在心子外圆的O型密封圈予以保证。电机主轴与冷却液输入管通过回转接头连接，实现转动的电机主轴与冷却液输入管顺利相连，保证冷却液成功到达刀具与工件接触处。具体机构原理如图2所示。

图2 准干式切削原理图

准干式技术只要使用得当，加工后的刀具、工件和切屑都是干燥的，避免了后期的处理，清洁和干净的切屑经过压缩还可以回收使用，完全不污染环境。

2.5 总体设计和装配图

蜗轮蜗杆的设计，动力装置的选择，完成了钻床的工作运动过程。通过对各转矩的计算、蜗杆轴、蜗轮轴的强度校核计算和轴承的使用寿命计算，证明了所设计的可行性。在保证个个零件正常工作的前提下，机床才能实现其功能。数控小孔钻床装配图如图3所示。

3 电气控制设计

3.1 控制原理图的设计

利用8031单片计算机构成功能强大、成本低廉的步进电动机控制电路，并且与辅助电路共同构建总体电气控制电路。通过电器控制电路的控制，使钻床能够正常并且安全的工作。控制原理如图4所示。

3.2 驱动电路设计

在驱动电路设计中包括ABCD向电源驱动电路、隔离电路、过载保护电路。

选取的57BYG007步进电动机额定电压为12V，电流为0.38A，属于小机座号步进电动机，本身的电阻为32Ω，采用电阻串联进绕组回路，该电路使励磁绕组在高电压作用下较快起动的问题，存在绕组断电时的惯性电流问题，在励磁电路中并联一个反向安装的二极管，用来释放断电后励磁绕组内部出现的惯性电流（续流电流）。为使励磁绕组在通电瞬间的工作电流建立得更加迅速，可在限流电阻的两端再并联上一个适当的大电容来减小回路的动态阻抗，而稳态工作时的阻抗仍然是仅为限流电阻本身。

图3 数控小孔钻床装配图

图4 控制原理图

隔离电路中由于单片机的脉冲控制信号与步进电动机的驱动电路相连接时，设置一个光电耦合隔离接口，防止外部驱动电路对计算机内部极敏感集成电路的干扰和损坏。

过流保护电路的作用是在相绕组电流或整个驱动级电流发生异常增大时发出的保护报警信号。

数控小孔钻床的驱动电路如图5所示。

图5 驱动电路

4 结论

绿色制造技术设计数控小孔钻床具有传动平稳、无间隙、高精度等特点。在绿色化机床结构的前提下，提高了机床性能。在很大程度上节约了成本及降低了对环境的污染，达到预期结果及意义。采用蜗轮蜗杆与丝杠螺母串联实现微小孔钻床的进给方案，冷却液通过电机主轴直接输送到刀具与工件接触处的设计，基于绿色制造技术进行以准干式切削为冷却方式的数控小孔钻床的设计在生产制造业的实际应用具有参考价值。

[1]储开宇,范孝良.21世纪绿色制造的生产模式及发展趋势[J].煤矿机械,2002,(11):1-2.

[2]胡蓉,胡如夫.产品开发的绿色制造技术与发展趋势[J].机床与液压,2003,(4):19-20,18.

[3]孙正烈,万希岭,孙利华.绿色制造在机电产品全生命周期中的实施探讨[J].安全与环境工程,2003,10(4):37-39.

[4]孙绍彬,李桂花.绿色制造技术在数控机床中的应用[J].机电产品开发与创新,2012,25(2):168-170.

[5]胥宏.数控卧式多工位深小孔钻床的开发设计[J].制造技术与机床.2008.(5):125-128.

[6]刘瑞军,史立伟,葛云勇,宋美玉,王维新.基于绿色制造技术的汽车部件设计初探[J].机械设计与制造.2009,(7):27-28.