机械Z3035摇臂钻床设计【全套图纸】doc

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  内蒙古科技大学机械 本科生毕业设计说明（毕业论文） 题 目：Z3035摇臂钻床设计 学生姓名： 学 号：0604103121 专 业：机械设计制造及其自动化 班 级：机06-1班 指导教师： Z3035型钻床设计摘要 钻床是一种孔加工设施，可拿来钻孔、扩孔，铰孔。攻丝及修刮端面等多种形式的加工。在各类钻床中，摇臂钻床操作便捷、灵活，适合使用的范围广，具有典型性，非常适合于单件或批量生产带有多孔大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常见的机床。 本设计通过对动力参数和运动参数的计算，转速范围的确定，以拟定传动系统图和转速图。重点是要考虑结构、尺寸、体积、等综合因素，设计出正确的结构分析式，绘制出正确的传动系统图，从而完成机床整体布局的设计，然后通过齿轮设计、键及轴承的选择、轴的设计以及其他一些附件设计，最后校核轴设计和键轴承选择的正确性与合理性，完成钻床主轴箱体传动系统的设计。 关键词：主轴的转速范围；齿轮模数设计；轴的设计；结构尺寸；机床功率；轴承设计 Z3035 type design the drill Drilling is a hole processing equipment, can be used for drilling, reaming, reaming holes. Tapping and face a variety of forms such as scraping the processing. In all kinds of drilling radial drill, convenient operation, flexible, and wide application scope, typical, especially suitable for single or batch production with large parts of the pore porosity is general machinery processing workshop of common tools. This design based on dynamic parameters and the movement parameters, speed limits, in transmission system and speed. Focus is to consider structure, size, volume, comprehensive factors, designed the correct structure analysis, draw out the correct transmission system, so as to complete the whole layout design of the machine, and then through the gears, bearings and design of the design, selection and other accessories, and finally checking shaft bearings choice of design and key correctness and rationality, complete drilling spindle box transmission system design. Keywords: spindle speed range, Gear module design, Axis designs, Structure size, Machine power, Bearing design 目录 第一章 绪论 4 1.1 概述 4 1.2 钻床发展 5 第二章 钻床的设计 11 2.1 运动参数的确定 11 2.1.1 决定传动级数 11 2.1.2 选择转速数列 13 2.2 传动系统的设计 15 2.2.1主运动系的设计 15 2.2.2 传动系统的扩大顺序的安排 15 2.2.3 齿轮齿数的确定 16 2.2.4 转速图的确定 17 2.2.5 绘制传动系统图 22 2.3 动力设计 22 2.3.1 确定各轴转速 22 2.4 齿轮的设计及其校核 23 2.4.1 各传动组齿轮模数的确定 23 2.4.2 各传动组齿轮的校核 28 2.5 轴的设计及其校核 33 2.5.1 确定各轴的最小直径 34 2.5.2 Ⅰ轴的设计与校核 35 2.5.3 主轴的设计与校核 42 2.6 轴承的选择与校核 46 2.6.1 轴承的选择 46 2.6.2 轴承的校核 47 2.7 键的选择与校核 47 2.7.1 键的选择 48 2.7.2 键的校核 48 2.8 设计总结 49 第三章 参考文献 50 第一章 绪论 1.1 概述 摇臂钻床主轴箱可在摇臂上移动，并随摇臂绕立柱回转的钻床。摇臂还可沿立柱上下移动，以适应加工不同高度的工件。较小的工件可安装在工作台上，较大的工件可直接放置在机床底座或地面上。摇臂钻床大范围的应用于单件和中小批生产中，加工体积和重量较大的工件的孔。摇臂钻床的主要变型有滑座式和万向式两种。滑座式摇臂钻床是将基型摇臂钻床的底座改成滑座而成，滑座可沿床身导轨移动，以扩大加工范围，适用于锅炉、桥梁、机车车辆和造船等行业。万向摇臂钻床的摇臂除可作垂直和回转运动外,并可作水平移动,主轴箱可在摇臂上作倾斜调整，以适应工件各部位的加工。此外，还有车式、壁式和数字控制摇臂钻床等。 1.2 钻床发展 随国民经济发展的迅速发展，要求有更多、更新、更好的机床及时的满足各部门日渐增长的需要。1956年以来我国在机床事业上已进入自行设计的阶段。特别是1958年以来，自行设计的机床无论在品种和数量上都大幅度提升。随着祖国社会主义建设事业的继续发展，机床设计任务必将更加繁重，更好的理解党的方针政策，树立正确的设计思想，掌握多、快、好、省的设计方法从而更好的为社会主义建设服务，是每个从事机床设计工作者所应具备的条件。机床的设计是一个比较繁杂的过程，只要我们按照总路线的精神，在设计始终走大群众路线，大搞三结合，一级综合国内外的先进的技术和经验，就能够多、快、好、省的设计出质量较高的机床来。 在生产中能达到上述要求的摇臂钻床是有的，我们大家可以在某些方面（如提高生产率、改善人工的劳动条件……等）加以改进，从而能够多、快、好、省的满足身缠上的要求。 为此，我们应该从下面几个维度广泛的收集资料： 1、国内外同类机床的有关联的资料； 机床用户、操作者的意见和希望，以及机床工作的特殊条件； 机床的需要量； 有关机床的国家标准； 有关的书刊和杂志等资料。 根据收集的资料首先加以整理，接着进行深入的分析；本着去粗取精的精神，结合我们的详细情况，对机床的总体布置、技术特性、部件的结构……等各方面，提出设计的初步方案，画出工作草图，提请上级批准后，便可开始技术设计。 收集资料的过程，是一个贯彻群众路线的过程，是一个大搞三结合的过程，爷是一个深入生产实际的过程，因此是一个十分重要的过程。 将国内外所收集的资料加以整理后，就能够获得表1所示不同工厂制造的摇臂钻床技术规格综合表。 表1 不同工厂制造的摇臂钻床技术规格综合表 同样，很多类型机床所采用的总体布置形式，部件的结构，采用的机构形式，亦可按期特性和优缺点列成表，以便选择，或在某种方案上进一步改善。 所设计的机床应满足生产上的要求是：用高速钢或硬质合金刀具在公斤/毫米的钢材上最大钻孔直径为35毫米；在中型或大型箱体零件上钻孔、扩孔、铰孔……等。机床除应用于单件或成批生产的机械加工车间，也应应用于、农和运输业的修配站。 因此设计者必须掌握的有关原始资料大致包括如下几点： 1.、被加工零件的生产规模； 2、零件加工的工艺过程； 3、所加工零件的技术方面的要求，零件的材料，加工余量，刀具的材料等； 4、加工孔径范围的大小。 综合现有摇臂钻床的总体布置形式，为了可以达到使用起来更便捷；满足生产的要求，而采用如图1所示形式，即采用具有内外立柱的形式；外立柱绕固定的内立柱旋转，而摇臂则沿外立柱作垂直移动。在少数摇臂钻上，还能够正常的看到只有一个立柱的，摇臂旋转是在摇臂与立柱松开时进行的，就不可避免的发生摇臂下垂的现象，以使旋转时需要较大的力。 摇臂的垂直移动是通过丝杠的旋转来带动的。 主轴箱则在摇臂上作左右的纵向移动；它自成为一个独立的部件，可用在所有不同型式的机床中。某些国家的部件摇臂钻主轴箱的动源放在摇臂的延长部分（如图2）。这种型式的摇臂钻看起来好像合理，因为在机床停止工作的时候点击的重量可以平衡主轴箱的重量，改善由于悬臂和主轴箱的重量所引起的下垂。但由于机床在技工时钻轴受到向上的切削反力，可以抵消机床部件自重所引起的下垂，这样反而有助于提高加工精度，因此没有必要由电动机在另端起平衡作用。 机床工作台呈箱形能旋转及倾斜，以便于加工成一定角度平面上的孔。 摇臂钻上的夹紧装置十分重要，应该使机床在调整的过程中，摇臂能轻便的旋转，主轴箱沿摇臂导轨能省力的移动，而在机床工作时又能保证各部分可靠的夹紧。在新式的机床中，常尽量使夹紧的过程化与自动化。摇臂钻中现有的夹紧方式的组合可见表2。 由于液压夹紧具有稳固可靠和简单易操作的优点，这对立柱的夹紧更重要，因此我们采用了液压的夹紧装置。属于表2中的第6种方式。 在设计摇臂钻床时，对于主运动和进给运动的操纵机构应该很重要，因为它直接影响到操作者的劳动条件，机床的生产率和机构的复杂程度等。必须综合的考虑这一些因素再来决定。如苏联的257型摇臂钻上采用了也懂的预选操纵机构。这在提高生产率和改善劳动条件上是有利的，但构造相当复杂。而在苏联2A55和2A66型摇臂钻床上采用了机械的预选机构，它可以在工作中预选变速；节省变速的辅助工时，所以在此采用机械预选机构在操纵主运动和进给运动。 机床上的一些主要尺寸影响到机床的工艺可能性，生产率，经济性……等方面。摇臂钻上的主要尺寸为： 主轴中心线到立柱母线的最大距离； 主轴端至底座的最大距离； 摇臂垂直升降距离； 内立柱直径； 主轴行程； 莫氏锥度号码； 主轴直径。 在上述的部分尺寸中有标准的规定。 在标准中规定有最大钻孔直径35毫米摇臂钻的主轴中心线毫米的摇臂钻，苏联会涉及有253型和2B53型，前者主轴中心线到立柱母线毫米，不符合苏联国家标准，已停止生产，后者主轴中心线到立柱母线毫米，由于其摇臂是和加工最大孔径等于50毫米的255型通用，所以对35毫米来说未免过大，因此在设计中可优先考虑采用1200毫米的，和其他几个国家相比也较为合适。 按上述的理由从实际生产的需要出发，最后决定主轴中心线到立柱母线毫米。 类似的能确定如下的尺寸： 主轴端至底座的最大距离………………………………1500毫米 主轴最大行程………………………………………………300毫米 主轴莫氏锥度………………………………………………4号 摇臂垂直移动的距离……………………………………700毫米 内立柱直径………………………………………………300毫米 主轴直径…………………………………………………35/70毫米 第二章 钻床的设计 2.1 运动参数的确定 2.1.1 决定传动级数 机床总的布置形式，主要尺寸等决定以后，我们再按已知的原始资料决定其运动特性，包括主运动和进给运动的参数，如变速范围Rn，公比，转速级数z，主运动和进给运动的极限值n,n,S,S……等。 主轴的极限转速n和n一定要考虑到机床上所用刀具材料、工件材料、最大和最小的加工孔径，加工工艺等。虽然，转速范围较大的对万能机床来说是有利的，但是，也会使机构复杂化。所以要适当的根据相关生产的实际需要来选择。同时，告诉切削，硬质合金刀具的广泛使用，在设计新机床时必须给予充分的考虑，以便得到比现有机床获得更高的生产率。 钻床钻孔直径的范围在d4—6之间选择较为贴切，故加工直径为35毫米的摇臂钻床在钢料上的加工孔径规定为 d=6mm d=35mm。 由于铸铁比刚的强度极限较低，故在铸铁上的加工孔径为 d=10mm d=50mm。 不一样的情况下的切削用量，列入下列诸表（3—7）。 从上列的表中科找出主轴的极限转速为： n=2000 n=25 因此而得到变速范围 R= n/ n=2000/25=80 下面我们再来决定公比。公比的大小直接影响转速级数z，在一定的变速范围R下愈大；则级数z愈少；机构愈简单，但速度损失也愈大，影响到生产率。愈小，则级数z就愈多，对选择合理的切削速度有利，能大大的提升生产率，但机构又变的复杂了。因此在选择公比时，根据机床的万能性要求，来解决其矛盾。就是使机床的速度损失不过大，也不致因公比过小而引起机床结构的过分复杂，采用=1.26，同时也符合在机床设计中对我们所设计的摇臂钻床是为加工35孔用的，在系列尺寸（25、35、50、70、100）中是属于较轻型的，结构尺寸不宜过大，故在本书第二章中所推荐的万能机床公比=1.26和=1.41之中选择采用=1.26 有了变速范围R、公比，就可以按下式求出转速级数z： z=1+=1+19.9 转速图中间的12级转速采用公比为1.26的数列，3级低速和3级高速转速采用公比为1.58的数列，按一般的情况下，遵守级比规律，变速系统的结构式应为： 16= 变速系统的变速范围R====80，而正常的结构式16=这时变速范围R====32。二者变速范围相差倍，其中指数4是基本组级比指数增加值，也是转速数列中的转速空缺的格数。则齿数z=19.9-4=15.9，则参考同类机床z=16是合理的。 2.1.2 选择转速数列 从转速数列表中查出标准数值： 25；40；63；80；100；125；160；200； 250；300；400；500；600；800；1250；2000。 同样，根据高速钢刀具切削用量手册和高速切削用量手册查得，在各种加工情况下，各种不同直径的刀具的进给量如下表（表8—11）。 由上列各表，可找出进给量的极限值是0.08—2.8；考虑大于1.2的进给量，仅在个别的情况系用到，为使机构不太复杂，采用进给量的极限值0.06—1.2，同时参照同类机床进给范围也大致在0.06—1.2之间。 按推荐的=1.2—1.7，选公比=1.58。 则进给级数： 取=8。 2.2 传动系统的设计 2.2.1主运动系的设计 选择传动结构方案 z=16，则有如下结构方案： 2.2.2 传动系统的扩大顺序的安排 现拟定方案为如下： 表达传动链的组成、传动顺序、扩大顺序及各轴的变速范围的结构式，也可用对应的结构网的形式表示 ，如图： 传动组的变速范围的极限值 齿轮传动副最小传动比，最大传动比，决定了一个传动组的最大变速范围。 2.2.3 齿轮齿数的确定 2.2.3.1 对于电机和Ⅰ轴齿轮传动组 查参考文献[2]表2-1有： 81，82，83，84,86,88,90，91,92,93,95,97…… 故95是适用的，故 2.2.3.1 对于Ⅰ轴和Ⅱ轴齿轮传动组a 70,72,74,76,78,80…… 故85是适用的，故 2.2.3.2 对于Ⅱ轴和Ⅲ轴齿轮传动组b 70,72,73,75,77,78…… 62,64,66,68，70…… 故73是共同适用的，故 2.2.3.3 对于Ⅲ轴和Ⅳ轴齿轮传动组c 40,47,49,51,53,55…… 61,62,65,68,71,72…… 故70是共同适用的，故 2.2.3.4 对于Ⅳ轴和Ⅴ轴齿轮传动组d 100,101,102,104,106…… 60,63,66,69,72,75,78…… 故109是共同适用的，故 2.2.3.5 对于Ⅳ轴和Ⅴ轴齿轮传动组e 80,,81,83,84,86,88…… 80,82,85,86,87,89,90…… 故90是共同适用的，故 2.2.4 转速图的确定 2.2.4.1 选择电动机 这里包括主运动和进给运动电机功率的决定。在决定功率时一定要考虑到机床上最严重的工作情况，因此就要在不同刀具，不同零件，不同加工方式的条件下比较得出在各种负荷（较轻、一般、最重）下所需的电机功率，再根据最常用的情况，既考虑能够在负荷最重的情况下来加工，也要考虑充分的发挥电机的效率，比较经济合理的决定电机的功率。 在刚才上钻孔 已知钻孔的最大直径D=35mm； 刀具材料——高速钢 工件材料——碳钢 根据上述条件由手册中查到进给量的选择范围在0.27—0.54之内。 35毫米的摇臂钻床最大进给力P=1250kg。 到此我们就可决定进给量如下： kg 从而 由手册中查得 选S=0.30。 求 而切削速度 式中 ——决定材料机械性能的系数； T=35分——钻头的寿命。 钻头每分钟的转数 选n=200 钻头所耗功率按下式求出： 。 钻头的进给功率按下式计算： 由此可见，N与N相比相差非常悬殊，所以不考虑N之值，定。 同理可求出在钢材上扩孔及在铸铁上钻孔所需的有效功率列入表13： 有效功率确定以后就能够准确的通过机场的效率求出电动机的功率了。 式中 ——机床的总效率 ——齿轮传动效率 a——传动齿轮对数 ——滚动轴承效率 b——由电机到滚动轴承数 K——考虑耗费在进给上功率系数 由表中查出 =0.99; a=5; =0.995; b=17; K=0.96。 由于变速箱须在高速情况下工作，因此还会出现一些别的损失，故采用机床的效率为：。 用高速钢在钢和铸铁上钻扩孔时的上限功率为： 则选用电机 所以采用电机型号为Y100L2-4 ， 的电动机 。 2.2.4.2 确定传动轴数 参考z3040并结合分析其传动轴数为6。 2.2.4.3 确定各级转速并绘制转速图 各级转速为： 25 40 63 80 100 125 160 200 250 300 400 500 600 800 1250 2000 这6根轴按传动顺序依次设为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ 2.2.5 绘制传动系统图 传动系统图 2.3 动力设计 2.3.1 确定各轴转速 2.3.1.1 确定主轴的计算转速 2.3.1.2 各传动轴的计算转速 I轴的计算转速： II轴的计算转速： III轴的计算转速： IV轴的计算转速： V轴的计算转速： VI轴的计算转速： 2.4 齿轮的设计及其校核 2.4.1 各传动组齿轮模数的确定 出论模数的计算是根据接触应力计算齿轮表面层的疲劳强度，或根据弯曲应力计算齿轮的疲劳强度。 根据参考文献可知，普通钻床齿轮的精度等级为7级精度，材料为45钢，正火、调正和整体淬硬。 对于直齿圆柱齿轮的模数可根据如下二式计算而选取区中较大者。 式中： N——计算齿轮传递的额定功率； ——计算齿轮（小齿轮）的计算转速； ——尺宽系数，常取6——10； ——计算齿轮的齿数，一般取传动中最小齿轮的齿数； ——大齿轮与小齿轮的齿数比，；“+”用于外啮合，“-‘用于内啮合； ——寿命系数，； ——工作期限系数，； 齿轮等传动件在接触和弯曲交变载荷下的疲劳曲线指数m和基准循环次数 ——齿轮的最低转速； T——预定的齿轮工作期限，中型机床推荐：T=15000—20000h； ——转速变化系数； ——功率利用系数 ——材料强化系数。幅值低的交变载荷可使金属材料的晶粒边界强化，起着阻止疲劳隙缝扩展的作用 （寿命系数）的极值， 当时，则取=，当时，取=； 2.4.1.1 a传动组分别计算齿轮的模数 =1.13 查参考文献表得： 0 =8 z=38 =600MPa kW 则 mm 取m=2mm 故轴I上齿轮直径： 故轴II上齿轮直径： 2.4.1.2 b传动组分别计算齿轮的模数 查参考文献表得： =8 z=28 =600MPa kW 则 mm 故传动组b的传动模数取2.5mm 故轴II上齿轮直径为： 故轴III上齿轮直径为： 2.4.1.3 c传动组分别计算齿轮的模数 =2.4 查参考文献表得： =8 z=20 =600MPa kW 则 mm 故传动组c的传动模数取2.5mm 故轴III上齿轮直径为： 故轴IV上齿轮直径为： 2.4.1.4 d传动组分别计算齿轮的模数 =1.96 查参考文献表得： =8 z=27 =600MPa kW 则 mm 故传动组d的传动模数取3mm 故轴IV上齿轮直径为： 故轴V上齿轮直径为： 2.4.1.5 e传动组分别计算齿轮的模数 查参考文献表得： =8 z=21 =600MPa kW 则 mm 故传动轴Ⅴ的传动模数取2.5mm 故故轴V上齿轮直径为： 故故轴V上齿轮直径为： 2.4.2 各传动组齿轮的校核 根据齿根弯曲强度校核齿轮有： 式（2.15） 其中----齿宽系数 -----应力校正系数 -----齿形系数 为使用系数， 为动载系数， 齿轮间载荷系数， 为齿向载荷分布系数 2.4.2.1 校核a传动组 该组只需校核齿数为38的齿轮即可，确定各项参数 查参文献表10-5有： 表10-2有： 根据图10-8有：机床精度为7级精度。故 根据表10-3 根据图10-13有 即 ： 查图10-18有： 查图10-20有： 即 故31.1MPa510MPa故 满足规定的要求。 2.4.2.2 校核b传动组 该组只需校核齿数为28的齿轮即可，确定各项参数 查参文献表10-5有： 表10-2有： 根据图10-8有：机床精度为7级精度。故 根据表10-3 根据图10-13有 即 ： 查图10-18有： 查图10-20有： 即 故33MPa510MPa故 满足规定的要求。 2.4.2.3 校核c传动组 该组只需校核齿数为20的齿轮即可，确定各项参数 查参文献表10-5有： 表10-2有： 根据图10-8有：机床精度为7级精度。故 根据表10-3 根据图10-13有 即 ： 查图10-18有： 查图10-20有： 即 故103.7MPa510MPa故 满足规定的要求。 2.4.2.4 校核d传动组 该组只需校核齿数为27的齿轮即可，确定各项参数 查参文献表10-5有： 表10-2有： 根据图10-8有：机床精度为7级精度。故 根据表10-3 根据图10-13有 即 ： 查图10-18有： 查图10-20有： 即 故117.5MPa510MPa故 满足规定的要求。 2.4.2.5 校核e传动组 该组只需校核齿数为21的齿轮即可，确定各项参数 查参文献表10-5有： 表10-2有： 根据图10-8有：机床精度为7级精度。故 根据表10-3 根据图10-13有 即 ： 查图10-18有： 查图10-20有： 即 故440.5MPa510MPa故 满足规定的要求。 2.5 轴的设计及其校核 2.5.1 确定各轴的最小直径 式（2.16） P——轴传递的功率kw n——轴的转速 轴的材料为45钢，调质处理,特殊部位高频淬硬处理。 2.5.1.1 Ⅰ轴的最小直径 根据参考文献表15-3有： 即： 2.5.1.2 Ⅱ轴的最小直径 根据参考文献表15-3有： 即： 2.5.1.3

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