水钻切割范围扩展装置设计

张桐瑜　周兆年　徐洪彪　张静峰　邹红亮

摘 要：随着现代技术的发展，制造业的快速更新，水钻切割技术将会被应用在更广阔的领域，但其效率低、精度差等技术问题也越来越明显。本文基于水钻切割技术的基本原理，设计了水钻切割范围扩展装置，并通过对参数的优化进而提出了技术要求。通过对水钻切割范围扩展装置的结构设计，实现了水钻切割工作过程简单化、人性化，进而提高了工作效率和切割精度。

关键词：水钻切割范围扩展装置；人性化；高效率；高精度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.002

0 前言

目前，水鉆在家庭装修和工程施工的钻孔工作中，发挥着重要的作用，是人们施工过程中必不可少的电动工具中之一[1]。但是由于我国钻机行业起步较晚，很多方面还不够完善，一般情况下，水钻钻孔主要是由人工固定，且一次固定只能钻一个孔，若需要钻多个孔，则需多次固定。而且钻孔时要适当来回抽插钻杆，速度不能过快，否则会使较大的粉末颗粒通过时卡钻。还需要保证钻头的平稳，切忌左右晃动，否则会增加钻头的摩擦和卡钻的概率。这种由人工固定操纵的过程效率低，精度差，对工人的技术要求高[2]。针对当前存在问题设计了水钻切割范围扩展装置，可以克服这些问题[3]。水钻切割范围扩展装置不但可实现一次固定钻多孔，同时钻头可替换的直径范围大，能够实现一个装置多个要求的使用。还可精确调节工作钻孔的位置和距离，进而降低对工人的技术要求、可提高工人的工作效率，间接的降低了成本。

1 水钻切割范围扩展装置的结构设计

1.1 总体结构

如图1所示为水钻切割范围扩展装置的基本结构图，主要组成部分以及功能如下：

（1）丝杠：利用丝杠的运动原理进行水钻的移动；

（2）摇把：转动摇把使丝杠上的丝杠和丝母配合运动；

（3）水钻平台：固定水钻机的位置；

（4）滑杆：利用滑杆和滑块的随动，配合丝杠的运动，减少运动阻力；

（5）主支架；主支撑装置；

（6）副支架：副支撑装置。

1.2 基本原理

由于丝杠具有优秀的传动性能，降速比大、传动平稳、便于保证和提高传动精度，在机械传动系统中得到了广泛的应用。因此水钻切割范围扩展装置主要利用丝杠和滑杆的组合使安装在其上的水钻机可以在一定的范围内左右前后平稳的移动，实现装置整体的稳定。

如图2所示为水钻切割范围扩展装置的运动原理图，①为纵向运动方向，②为横向运动方向。两个运动方向组合成面，使固定在装置上的水钻机在此平面自由移动。

水钻机在此运动平面的自由运动，主要依靠装置中丝杠和滑杆的运动原理。（丝杠、丝母的配合运动和滑杆、滑块的随动。）

2 参数的选择与校验

2.1 参数的选择

在查找GB5796.1-86的基本牙型尺寸表（由国家标准局1986.01.21发布后）选择的丝杠基本参数信息如下：

公称直径是20mm、导程是4mm、外径是19.3mm，内径是17.5mm，动载荷是5.3，静载荷是12.1，负载：F=G=mg=24*9.8=235.2N。

通过计算运动速度（经合理测算）即可得出相应的推力。

①匀速运动的速度：

v=S/t=40mm/5s=8mm/s

②匀加速运动时受到的作用力：

v12-v22=2a1S1

a1=6mm/s2

F2=a1*m=6*2.5=15N

③匀减速运动时受到的作用力：

v32-v42=2a2S2

a2=-5mm/s2

F3=a2*m=5*2.5=12.5N

假定丝杆的受力模型可以看成一个简支梁，如下图3所示。

当载荷作用在丝杠的中点时：

Fay=Fby=235.2/2=117.6N

且在丝杠的中间的截面处，取左段为研究对象，如图4所示。

则在该对象上合力为F1（F1为丝杠内部相应的阻力），作用方向在梁的中点。

F1=117.6/2=58.8N

根据平衡方程可以得出Fs为剪力M为弯矩l为丝杆长度的1/4。

Fs=Fay-F1=117.6-58.8=58.8N

M=Fay*2l-F1*l=117.6*0.04-58.8*0.02=3.528N·m

由于摇动丝杠时有人为推力，所以Tr20x4的梯形螺杆，外径D=20mm，导程P=4mm，梯形丝杆传动存在很大的摩擦损耗（滚珠丝杆传动这种损耗很小），一般取n=40%作为有效输出。

①由旋转运动转化为直线运动的扭矩T和推力F关系为（不计损耗，不计加速）：

T=F*P/（2*Pi）=F*P/（2*3.14）

②计入损耗时：

T*40%=F*P/（2*Pi）=F*P/（2*3.14）

T*40%=0.1124 N·m

得：

T=0.1124/40%=0.281 N·m

③如果计入启动或停止时的加速度，假设启动加速度a为0.1G （即0.1*9.8=0.98） ，那么启动时附加的力F2=ma （m为物体重量，a为启动加速度），F2产生的扭矩。

T2*40%=F2*P/（2*3.14）=ma*P/（2*3.14）=0.0468N·m

T2=0.0468/40%=0.117N·m

所以计入损耗和计入加速时的扭矩：

T=0.0281+0.117=1.287N·m

总扭矩：

M总=3.528+1.287=4.815N·m

经过对丝杠在不同运动情况下的受力分析以及计算，在水钻正常工作范围内，丝杠能够承受足够大的外载荷。

2.2 丝杠的技术要求

丝杠是水钻切割范围扩展装置的主要移动元件，属于细长柔性轴，它的长度L与直径d的比值很大，一般为20～50，因此刚性较差。同时丝杠的结构形状复杂，有很高的螺纹表面要求，还有阶梯、沟槽等结构，所以在加工过程中易出现变形，因此丝杠的加工必须满足以下几个方面的要求：

（1）精度等级；

（2）表面粗糙度；

（3）单个螺距允许误差和定长上的累积允许误差；

（4）中径圆度允许误差；

（5）外径相等性允许误差；

（6）外徑圆跳动允许误差；

（7）牙形半角允许误差；

（8）中、外、内径允差等项。

2.3 水钻的选取

水钻的选取首先要看功率，功率大小直接决定了最大钻孔尺寸；其次看是否带安全离合或电子保护功能；选择钻头时，不同型号的钻头用途不同，不同钻头直径的型号及用途如下所示：

（1）Φ25mm、Φ32mm：四分管、六分管（一般用作自来水管和热水器）；

（2）Φ56-76mm：1P-5P空调管道、卫生间管道和空调柜机管道；

（3）Φ120mm：排污水管道和消防通道；

（4）Φ168mm-180mm：家庭通用油烟机管道和进口油烟机管道。

选取水钻机不仅要考虑其寿命、工作效率和工作精度，还要考虑其安全性，根据现有钻头的参数以及功能，本设计装置选择了博深品牌的水钻机，其中选择Φ180mm的钻头，具体信息如表1所示。

3 结语

本文从水钻机的发展前景考虑，针对当前存在的效率低、精度差、操作不便等问题，主要对其切割范围进行设计并计算，设计了利用丝杠滑杆等结构配合组成的水钻切割范围扩展装置，本装置可以实现一次安装多次切割，具有结构简单、成本低、应用范围广等优点。

参考文献：

[1]莫文辉，张敏树.滑动丝杠螺母机构的可靠性设计[J].机械科学与技术，2000.

[2]冯定，唐海雄等.模块钻机的现状及发展趋势[J].石油机械，2008（09）.

[3]李岚，邹煜时.浅谈工程钻机自动化技术问题及发展建议[J].工业设计，2016（08）.

项目名称：吉林省大学生科技创新创业训练项目（2018060）

作者简介：张桐瑜（1998-），女，吉林通化人，本科，研究方向：机械设计制造及其自动化。

通讯作者：于振文