一种改装后的微型台钻的研究

陈 琪，阚广智，徐 程，张 延

（苏州市职业大学机电工程学院，江苏 苏州 215104）

台钻在生产生活中随处可见，职业院校大多也使用台钻在钳工实训中钻孔，这类台钻加工精度要求不高，操作简单，台钻外形尺寸约为600 mm×310 mm×860 mm，转速范围480～4 080 r/min，这类台钻能满足加工生产中直径16 mm 以下孔的要求。但是在家庭使用中却不适合，因为家庭中钻孔直径一般在10 mm 以下，孔加工范围较小。且这类台钻尺寸太大放置在家中占据空间多，成本高，利用率低。针对这些缺点，本文将台钻改制成微小型台钻，使其适应家庭使用。

1 现有台钻结构和工作原理

1.1 现有台钻结构

现有台钻的主要零部件有电机、皮带轮、钻夹头、工作台、立柱、底座，如图1 所示。底座支撑台钻所有零部件。电机为台钻提供动力，然后通过皮带和皮带轮将动力传递给主轴，从而使安装在钻夹头上的钻头工作。手柄杆旋转带动钻头上下运动，控制钻孔深度。工作台安装在立柱上，通过支架夹紧手柄可上下调整。

图1 台钻结构图

1.2 现有台钻工作原理

1.2.1 台钻调速原理

国内大多的台钻主要靠皮带轮传递扭矩和改变转速，一般台钻具有5 种转速。调速时先将台钻停止工作，松开电机和皮带轮，将空心塔式皮带从一个槽移到另一个槽，然后固定好电机，张紧皮带，安装在全封闭罩壳内。这种调速方式效率低，有重大的安全隐患。

1.2.2 台钻机械升降原理

机械升降部分是台钻的重要部件，直接影响台钻的实用性，机械升降部分通过齿轮啮合实现。手旋转手柄，带动小锥齿轮旋转，小锥齿轮带动大锥齿轮旋转，从而使与大锥齿轮连接的丝杆和丝杆螺母上下移动，完成升降运动。台钻钻孔时，需要根据实际情况调节进给速度。钻头未接触工件时，加工空行程需要钻头快速进给；钻孔时钻头速度较慢；快要穿透工件时，速度最慢，以防进给力太大使钻头折断。

1.2.3 工作台

工作台用于放置工件，可将工件直接放在工作台上；也可在工作台上安装平口钳或者其他专用夹具，工件安装在夹具上，扩大加工零件范围。

2 改制后微型台钻

2.1 改制后微型台钻结构和工作原理

改制后台钻结构简单，外形尺寸只有约200 mm×100 mm×130 mm，如图2 所示。由电机提供动力，通过齿轮将动力传递给主轴夹头，台钻无机械调速功能。主轴夹头运动行程由手柄和弹簧控制，达到钻孔所需孔深。

1.PVAR回归分析。本文采用Abrigo and Love提供的PVAR程序对土地综合承载力、人均GDP、地均第二、第三产业增加值3个内生变量进行面板向量自回归分析。[24]根据MBIC,MAIC与MQIC最小化准则和系统内生变量面板数据的实际情况，综合考虑面板脉冲响应函数的收敛性，确定最优滞后阶数为2阶。[24][25]然后，采用广义矩估计GMM法，充分考虑土地综合承载力、人均GDP、地均第二、第三产业增加值3个内生变量先后顺序对面板脉冲响应函数和面板方差分解技术产生的可能影响，对京津冀城市群土地综合承载力与区域经济发展系统的PVAR模型进行参数估计，GMM估计结果见表3。[26]

图2 改制后微型台钻结构图

2.2 改制后微型台钻零部件的设计

2.2.1 电机与齿轮

改制后微型台钻电机安装在支架侧面，体积小。采用直流电机，电机可实现正反转，与调速电源配合使用，达到调速的作用。电机的上方安装了轴承和小齿轮，小齿轮向大齿轮传递扭矩和动力，并降低旋转速度，增加扭矩。电机额定电压为12/24 V，电流为10～15 A。当电压为12 V 时，电机转速3 000～6 000 r/min，扭矩为0.63 N·m ；当电压为24 V时，电机转速6 000～9 000 r/min，扭矩为0.53 N·m。

2.2.2 传动比计算

改制后的微型台钻使用齿轮传递扭矩，该方法结构紧凑，工作性能稳定，传动效率高，降低主轴转速，增加扭矩使用寿命。小齿轮Z1 有12 个齿，大齿轮Z2 有24 个齿。两齿轮的传动比i为2∶1。

输出扭矩T2=输入扭矩T1×传动比i。

当电压为12 V 时，电机输出最高转速为6 000 r/min，经齿轮传输后，主轴转速降为3 000 r/min；电机输出扭矩0.63 N·m，输入到主轴的扭矩为1.26 N·m。

当电压为24 V 时，电机输出最高转速为9 000 r/min，经齿轮传输后，主轴转速降为4 500 r/min；电机输出扭矩0.53 N·m，输入到主轴的扭矩为1.06 N·m。

当使用者向下压手柄时，手柄通过联动机构带动整个钻头部分一起向下运动。

2.2.4 钻夹头

钻夹头为三瓣瓦卡结构，由连接块、钻夹套、松紧拨环等组成。使用时，通过拨动圆周上的孔，使松紧拨环内的连接块向下移动，精确定心并自动夹紧钻头。钻夹头的加持范围一般为：1～13 mm、1～16 mm、3～16 mm、5～25 mm等。按照使用途径可分为轻型钻夹头，一般用于手持电钻；中型钻夹头，主要用于台钻；重型钻夹头。本文中的微型台钻钻夹头采用轻型钻夹头，采用标准件，这样能减少加工成本，且互换性好，可装夹1.5～10 mm 的钻头。

2.2.5 弹簧

弹簧在台钻上有两个作用：①减小振动。台钻在打孔时，会产生振动，振动对孔的定位精度和几何精度都有影响，容易使孔偏心，加工粗糙度不高。弹簧在台钻上可当阻尼器使用，减小振动，从而提高孔的加工质量。②限位。当台钻向下钻孔深度达到弹簧压缩极限时，孔深就到达极限了。③复位。钻孔完成后，通过弹簧回弹，可使钻头自动回位。

弹簧在受到手柄传递的外力后，向下压缩，外力消失后，受本身弹性力恢复原状，弹簧弹力公式为：F=KX（虎克定律），其中K为劲度系数，是由弹簧本身的材料性能决定的，X为弹簧的变形长度。

2.2.6 轴承的选用

滚动轴承是一种精密的机械支撑原件，在生产中广泛使用，选用合适的轴承不仅能获得良好的工作性能，还能减少维修成本。若轴承选用不当或者超过本身额定载荷运行，会引起轴承非正常损坏，造成事故。一般来说，轴承的选用考虑以下几个因素：载荷方向、转速、润滑方式、同轴度要求、定位、公差。台钻的轴承安装在齿轮孔内，主要承受径向力，轴承所受力属于中等载荷，因此选用深沟球轴承即可。

2.3 改制后微型台钻主要零部件的加工

微型台钻电机、齿轮、轴承、夹头、弹簧都是标准件，按照加工要求，选取相应的型号即可。主要加工零件有齿轮的轴承座、手柄、支架导轨，其中支架导轨和轴承座加工要求较高。轴承座和支架导轨均为轴类零件，因此主要在数控车床上加工。轴承座为轴承运转提供定位、支撑，其与轴承的配合精度极大地影响轴承的使用寿命。本文所研究的轴承座加工精度为IT6 级，表面粗糙度为0.8，需要经过钻—车—铰三道工序。整个台钻头部上下运动是在支架导轨上实现的，这要求支架导轨具有良好的光洁度和耐磨性，其加工精度选用IT8 级，表面光洁度为1.6，需要经过粗车—半精车—精车三道工序。

3 总结

将现有台钻与改制后家庭简易版微型台钻对比可见，外形尺寸明显减小；加工范围变窄，但是能基本满足使用需求；选用零部件价格低，加工成本明显下降，如表1 所示。由此可见，改制后的台钻能够在家庭使用中大力推广。

表1 改制前后台钻性能对比表

综上所述，针对家庭使用的微型台钻，保留了一些现有台钻的结构和工作性能，简化的结构满足了使用，完全可行，也为以后类似产品的改制提供了借鉴。