机械毕业设计（论文）-钻床主轴进给机构改造--变速机构设计【全套图纸】

编编 号号 无锡太湖学院 毕毕业业设设计计（论论文文） 题目：题目： 钻床主轴进给机构改造钻床主轴进给机构改造 变速机构设计变速机构设计 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业 学 号： 学生姓名： 指导教师： （职称：副教授 ） （职称： ） 2013 年 5 月 25 日 无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 钻床主轴进给机构改 造变速机构设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成 果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的 内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写 的成果作品。 班 级： 机械 97 学 号： 0923822 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 无锡太湖学院 信机信机 系系 机械工程及自动化机械工程及自动化 专业专业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一一、题目及专题题目及专题： 1、题目 钻床主轴进给机构改造 、专题 变速机构设计 二二、课题来源及选题依据课题来源及选题依据 课题来源为无锡某机械有限公司。通过毕业设计是为了培养学生 开发和创新机械产品的能力，要求学生能够结合普通钻床加工特性， 针对实际使用过程中存在的问题，综合所学的机械理论设计与方法， 对单轴普通钻床根据多工位加工要求进行改进，从而达到提高生产效 率的目的。 在设计传动件时，在满足产品工作要求的情况下，应尽可能多的 采用标准件，提高其互换性要求，以减少产品的设计生产成本。 三三、本设计（论文或其他）应达到的要求本设计（论文或其他）应达到的要求： 该部件工作时，能运转正常； 拟定工作机构和传动系统的运动方案，并进行多方案对比分 析； II 当电动机输入功率时，对主要工作机构进行运动和动力分析； 设计基于多工位加工的传动系统结构图 1 张； 设计绘制零件工作图若干； 编制设计说明书 1 份。 四、接受任务学生四、接受任务学生： 机 械97 班班 姓名姓名 沈 宇 五、开始及完成日期五、开始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 7 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师指导教师 签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长 签名签名 系主任系主任 签名签名 年年 月月 日日 III 摘摘 要要 随着先进制造技术的发展和进步，数控加工已成为机加工过程中的一种主 流技术。这一技术的运用提高了机加工过程中工作效率和加工精度。数控多工 位钻床就是提高钻削加工精度和效率的一种很好的机加工工具。本文对数控多 工位钻床进行了设计，采用了普通车床设计的步骤和方法，综合考虑数控机床 的特点。从切削力入手确定主轴及电机，到整个机床的结构设计和机床的控制。 最后到对机床初始化程序设计。本文完成数控多工位钻床的资料收集与国、内 外现状的调查比较，提出较为可行的方案;完成机床的机械结构设计计算与电气 控制系统设计，初步完成控制系统的软硬件设计。本设计是关于将普通钻床改 造为多工位加工钻床的结构设计。普通钻床为单轴机床，且工件安装后需要进 行反复调整，工件上有相互位置要求的各表面间的位置精度就会受到很多因素 的影响，通过设计改造成快速主轴、移动工作台和具有一定回转精度的能实现 多工位加工的钻床后，能大大地缩短加工时间，提高生产效率。因此本设计主 要从钻床的主轴箱设计、移动工作台设计及工作台的回转设计几个方面，对普 通钻床进行一定的结构改进，实现多工位加工，以符合现代机械加工的要求。 关键词关键词：多工位钻床；生产效率；主轴箱 IV Abstract With the manufacturing development, numerical control manufacturing has become one of the major advanced technologies. efficiency and accuracy has been improved in application of the technology. Numerical control auto-drilling machine is a kind of the new machine tools that can improve the machining accuracy and efficiency. The paner has designed for Numerical control auto-drilling machine, using design method of the ordinary lathe, and considering the characteristic of the numerical control machine tools synthetically. cutting force has been calculated, the structural and the control system has been designed. Finally, the software routine has been explored.This paner has finished completed a investigation of internal and external of current situation for numerical control multistage-drilling machine, and compared it, put forward a feasible scheme; completed the mechanical structural design an calculated and designed the electric control system, and finished the software and hardware of the control system tentatively.The design is about reconstructing the ordinary drill to carry out multiple position drill. The ordinary drill is a single drill. The machining accuracy of the work-piece will be affected by the mount. Because the exact position of work-piece will be affected by the adjustment. It will promote its productive efficiency, shorten its processing time through the design of the rapid spindle, moving and evolution worktable. Hereby, the keystone of this design paper is how to design the rapid spindle, moving and evolution worktable. Key words: multiple drill; productive efficiency; multiple spindle heads V 目录目录 摘 要III AbstractIV 目录.V 1 绪论1 1.1 钻床的工艺范围1 1.2 钻床的类型.1 1.2.1 台式钻床1 1.2.2 立式钻床1 1.2.3 摇臂钻床2 1.3 钻削加工的特点2 1.3.1 多轴加工的特点3 1.3.1 多工位加工的特点3 1.4 论文研究的内容及意义3 1.5 本文所做的工作3 2 机械传动方案确定4 2.1 设计内容分析4 2.2 机械传动方案的选择4 2.2.1 总体传动方案选择4 2.2.2 总体传动方案确定5 3 主轴传动部件设计7 3.1 切削力的计算7 3.1.1 机床工况要求7 3.1.2 切削力和切削扭矩的计算7 3.2 主轴齿轮传动方案确定9 3.2.1 设定齿轮传动方案9 3.2.2 主轴传动设计和计算10 4 工作台纵向进给机构的设计18 4.1 工作台纵向进给负载分析及计算18 4.1.1 摩擦阻力计算18 4.1.2 等效转动惯量计算18 4.1.3 丝杠摩擦阻力矩的计算19 4.1.4 等效负载转矩的计算19 4.1.5 起动惯性阻力矩的计算19 4.1.6 步进电机输出轴总的负载转矩的计算19 4.2 纵向进给步进电机选择19 4.3 纵向进给滚珠丝杠的选择与校核19 4.3.1 承载能力的校核19 VI 4.3.2 压杆稳定性验算20 4.3.3 刚度验算20 4.4 滑动导轨的结构设计21 4.4.1 移动导轨的分析21 4.4.2 移动导轨的预选21 4.4.3 移动导轨的验算22 4.5 纵向进给轴承的选择25 5 横向进给运动机构的设计25 5.1 横向进给负载分析及计算.25 5.1.1 摩擦阻力的计算25 5.1.2 等效转动惯量计算25 5.1.3 丝杠摩擦阻力矩的计算26 5.1.4 等效负载转矩的计算26 5.1.5 起动惯性阻力矩的计算27 5.1.6 步进电机输出轴总的负载转矩的计算27 5.2 横向进给步进电机选择27 5.3 横向进给滚珠丝杠的选择与校核27 5.3.1 承载能力的校核27 5.3.2 压杆稳定性验算27 5.3.3 刚度验算28 5.4 滑动导轨的结构设计28 5.4.1 移动导轨的分析28 5.4.2 移动导轨的预选29 5.4.3 移动导轨的验算29 5.5 横向进给机构轴承的选择.31 6 回转工作台的结构设计31 6.1 蜗轮蜗杆的设计计算31 6.1.1 初选d1/a值31 6.1.2 中心距计算31 6.2 传动基本尺寸的确定32 6.3 传动机构的校核计算32 6.3.1 蜗轮按齿面接触疲劳强度验算32 6.3.2 轮齿弯曲疲劳强度验算34 6.3.3 蜗杆轴绕度验算34 6.3.4 温度计算35 6.3.5 润滑油粘度和润滑方法35 6.3.6 花键的选择35 结论与展望36 毕业设计小结37 VII 致 谢38 参考文献39 VIII 钻床主轴进给机构改造变速机构设计 1 1 绪论绪论 随着时代的发展，作为现代科学技术发展的重要标志之一的金属切削机床 得到了更多的研究和发展，而随着在机加工中广泛投入使用这种机床，更是促 进了传统的机械加工行业的高速发展。由于多工位加工机床极大地提高了加工 精度、生产率和自动化程度，受到了生产商的广泛欢迎。而多工位机床则因其 一次装夹能进行多工位的加工。在某种程度上，更是大大的提高了机加工的加 工效率，很适合工件的批量生产。 1.1 钻床的工艺范围钻床的工艺范围 钻床类机床属孔加工机床，一般用于加工直径不大、精度要求不高的孔。 其主要加工方法是用钻头在实心材料上钻孔，此外还可在原有孔的基础上扩孔、 铰孔、锪平面、攻螺纹等加工。如图 1.1 所示。 1.2 钻床的类型钻床的类型 钻床的主要类型有台式钻床、立式钻床、摇 臂钻床、深孔钻床等。在钻床上加工时，工件固 定不动，主运动是刀具（主轴）旋转，刀具沿轴 向的移动为进给运动。 1.2.1 台式钻床台式钻床 台式钻床实质上是加工小孔的立式钻床，简 称台钻，其钻孔直径一般在 16mm 以下。主要用 于小型零件上各种小孔的加工。台钻的自动化程 度较低，通常采用手动进给，但其结构简单，小 巧灵活，使用方便。其结构图见图 1.2 所示。 1.2.2 立式钻床立式钻床 图 1.3 所示是立式钻床的外形。其特点为主轴轴线垂直布置，且位置固定。 主轴箱 3 中装有主运动和进给运动的变速传动机构、主轴部件以及操纵机构等。 主轴箱固定不动，用移动工件的方法使刀具旋转中心线与被加工孔的中心线重 图 1.1 钻床的加工 方法 1-工作台 2-进给手柄 3-主轴 4-皮带罩 5-电 动机 6-主轴箱 7-立柱 8-底座 图 1.2 台式钻床 无锡太湖学院学士学位论文 2 合，进给运动由主轴随主轴套筒在主轴箱中作直线移动来实现。利用装在主轴 箱上的进给操纵机构 5，可以使主轴实现手动快速升降、手动进给以及接通或 断开机动进给。被加工工件可直接或通过夹具安装在工作台 2 上。工作台和主 轴箱都装在方形立柱 4 的垂直导轨上，可上下调整位置，以适应加工不同高度 的工件。适用于中小型工件孔的加工，且加工孔数不宜过多。 1.2.3 摇臂钻床摇臂钻床 对于一些大而重的工件，因移动费力，找正困难，不便于在立式钻床上进 行加工，这时希望工件固定不动而移动主轴，使主轴中心对准被加工孔的中心， 这样便产生了摇臂钻床，如图 1.4 所示为摇臂钻床的外形。它的主轴箱装在摇 臂 3 上，可沿摇臂的导轨水平移动，而摇臂 3 又可绕立柱 2 的轴线转动，因而 可以方便地调整主轴的坐标位置，使主轴旋转轴线与被加工孔的中心线重合， 此外，摇臂 3 还可沿立柱升降，以便于加工不同高度的工件。为保证机床在加 工时有足够的刚度，并使主轴在钻孔时保持准确的位置，摇臂钻床具有立柱、 摇臂及主轴箱的夹紧机构，当主轴位置调整完毕后，可以迅速地将它们夹紧。 底座 1 上的工作台 5 可用于安装尺寸不大的工件，如果工件尺寸很大，可将其 直接安装在底座上，甚至就放在地面上进行加工。摇臂钻床适用于单件和中、 小批量生产中加工大、中型零件。 1.3 钻削加工的特点钻削加工的特点 据统计，一般在车间中普通机床的平均切削时间很少超过全部工作时间的 15%。其余时间是看图、装卸工件、调换刀具、操作机床、测量 以及清除铁 屑等等。使用数控机床虽然能提高 85%，但购置费用大。某些情况下，即使生 产率高，但加工相同的零件，其成本不一定比普通机床低。故必须更多地缩短 1-底座 2-立柱 3-摇臂 4-主轴箱 5-工作台 图 1.4 摇臂钻床 1-底座 2-工作台 3-主轴箱 4-立柱 5-进给操纵机构 图 1.3 立式钻床 钻床主轴进给机构改造变速机构设计 3 加工时间。不同的加工方法有不同的特点，就钻削加工而言，多工位加工是一 种通过少量投资来提高生产率的有效措施。 1.3.1 多轴加工的特点多轴加工的特点 多轴加工是在一次进给中同时加工许多孔或同时在许多相同或不同工件上 各加工一个孔。这不仅缩短切削时间，提高精度，减少装夹或定位时间，并且 在数控机床中不必计算坐标，减少字块数而简化编程。它可以采用以下一些设 备进行加工：立钻或摇臂钻上装多轴头、多轴钻床、多轴组合机床心及自动更 换主轴箱机床。甚至可以通过二个能自动调节轴距的主轴或多轴箱，结合数控 工作台纵横二个方向的运动，加工各种圆形或椭圆形孔组的一个或几个工序。 1.3.1 多工位加工的特点多工位加工的特点 多工位加工示意图如图 1.5 所示。 它利用机床的回转工作台，使工 在六个工位上依次进行装卸工件、预钻孔、钻孔、扩孔、粗铰和精铰工作。 它实现了减少工件的安装次数、提高零件各表面间相互位置精度及提高生产效 率等目的，相对普通钻床而言，它具有高速、高效、高精度等特点。这种加工 方式常采用多工位夹具或多轴（或多工位）机床，使工件在一次安装后先后经 过若干个不同位置顺次进行加工。 1.4 论文研究的内容及意义论文研究的内容及意义 本文根据设计老师的要求，主要设计出基于齿轮传动的单轴、快速移动回 转式工作台以实现不同位置的顺次加工，达到高效、降低工人劳动强度等目的， 并可通过后期的改进设计能使钻削加工实现自动化的数控加工。同时采用多工 位加工则更为缩短了装夹时间等辅助时间，使生产率得到更大的提高等。后期 还可以在此基础上进行多主轴的结构设计，再通过 PLC 控制，达到高效率、高 精度、低成本等特点。对机械加工行业的长远发展具有现实的意义。 1.5 本文所做的工作本文所做的工作 1）完成数控多工位钻床的资料收集与国、内外现状的调查比较，提出较为 可行的方案； 2）完成钻床的机械结构设计计算及装配与关键零部件的相应图纸； 工位 1装卸工件 工位 2预钻孔 工位 3钻 孔 工位 4扩孔 工位 5粗铰 工位 6精 铰 图 1.5 多工位加工 无锡太湖学院学士学位论文 4 2 机械机械传动方案确定传动方案确定 经过毕业设计给出的题目要求和数据:要设计加工工件的最大直径为 10mm，工作行程为 30030070 的数孔多工位钻床。根据这一特点表明要设 计的机床是一台中小型的钻床，而且是用于一般的机加工中。所以设计这样的 机床考虑其经济性、合理性应该是最为重要的和成为设计的主导思想！ 2.1 设计内容分析设计内容分析 阅读相关机床资料和机床的市场调查，选择合理的机床结构很重要。传统 的机床结构包括立式、卧式两大类。立式机床的主轴定位多数是相同的，它的 优点在于：机床小巧、占地空间小、经济实惠。适合于工作单一加工工件较小 及加工尺寸小的场合。而卧式机床的主轴结构及主轴箱布局可为单面悬挂主轴 箱和主轴箱位于立柱对面内。后者的优点在于：主轴箱的自重不会使立柱产生 弯曲变形，相同的切削力所引起的立柱的弯曲和扭转变形均大为减小。这样就 相当于提高了机床的刚度。故要是采用对机床结构设计成为卧式结构的话就应 该选用主轴箱位于立柱内的布局形式。然而一般的卧式机床的加工尺寸都很大， 对于我们要设计的机床加工零件的尺寸是很小的：仅为最大加工为 10mm 的 孔。从经济的角度上来说：我们设计的机床采用立式的结构更为节省空间，节 省材料。同时机床看上去更为小巧，然而完全可以达到要求加工范围的要求。 包括此类机床的其它特点都很满足我们要设计机床的要求。 而另一个问题则为，机床是否采用多轴，多轴钻床可分为可调式和固定式 两种规格，可调式多轴钻床在其加工范围内，其主轴的数量、主轴间的距离， 相对可以任意调整，一次进给同时加工数孔。在其配合液压机床工作时，可 自动进行快进、工进（工退）、快退、停止 .同单轴钻（攻丝）比较，工件加 工精度高、工效快，可有效的节约投资方的人力、物力、财力。尤其机床的 自动化大大减轻操作者的劳动强度。固定式多轴钻床采用单件（加工件）专 机的设计方案，根据其加工件加工频率高、量大之原因，专门量身定制一件 一机的设备，在其工作中勿须担心尺寸跑偏而伤脑筋，更是可以针对客户的 要求进行专项设计。而对于大多数金属加工机床来说，数控进给复合运动的 加工，是以直线轴加上回转轴的联动来实现的，而数控回转轴的设计与制造， 更是衍生了数控回转工作台，这种既能作为数控回转轴，同时也起着承载工 件重量、夹持工件的功能，有着进给分度和实现工作台圆周方向的进给运动 的作用。相比于前者，这种机床无疑比较经济实惠。 2.2 机械传动方案的选择机械传动方案的选择 2.2.1 总体传动方案选择总体传动方案选择 通过对几种钻床结构的了解和认识，结合论文题目的要求，确定设计一种 基于机械传动的立式多工位加工的钻床。该机构应能达到达到高效、提高工件 钻床主轴进给机构改造变速机构设计 5 加工精度、降低工人劳动强度等目的。 机械传动方式种类很多，由于在加工中需要机床具有一定的移动精度和回 转精度，因此，本文进行多工位钻床的设计主要是采用封闭的齿轮传动方式。 在所有的机械传动中，齿轮传动应用最广，可用来传递相对位置不远的两 轴之间的运动和动力。齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动 的机械传动。按齿轮轴线的相对位置分平行轴圆柱齿轮传动、相交轴圆锥齿轮 传动和交错轴螺旋齿轮传动。其具有结构紧凑、效率高、寿命长等特点。 1）根据两轴的相对位置和轮齿的方向，可分为以下类型： 直齿圆柱齿轮传动、斜齿圆柱齿轮传动、人字齿轮传动、锥齿轮传动、交错 轴斜齿轮传动等。 2）根据齿轮的工作条件，可分为： 开式齿轮传动式齿轮传动、半开式齿轮传动、闭式齿轮传动等。 齿轮传动部分方式如图 2.1 所示。 2.2.2 总体传动方案确定总体传动方案确定 由上面分析可知，本文传动方式主要在如图 2-1 中所列几种方式中进行选 择。现对以上几种齿轮传动方式进行分析比较，最终确定适合于多工位加工的 齿轮传动方式。 1）圆柱齿轮传动 用于平行轴间的传动，一般传动比单级可到 8，最大 20，两级可到 45，最 大 60，三级可到 200，最大 300。传递功率可到 10 万千瓦，转速可到 10 万转 分，圆周速度可到 300 米/秒。单级效率为 0.960.99。直齿轮传动适用于中、 低速传动。斜齿轮传动运转平稳，适用于中、高速传动。人字齿轮传动适用于 传递大功率和大转矩的传动。圆柱齿轮传动的啮合形式有 3 种：外啮合齿轮传 动，由两个外齿轮相啮合，两轮的转向相反；内啮合齿轮传动，由一个内齿轮 和一个小的外齿轮相啮合，两轮的转向相同；齿轮齿条传动，可将齿轮的转动 变为齿条的直线移动，或者相反。 2）蜗轮蜗杆传动 交错轴传动的主要形式，轴线交错角一般为 90。蜗杆传动可获得很大的 传动比，通常单级为 880，用于传递运动时可达 1500；传递功率可达 4500 千 瓦；蜗杆的转速可到 3 万转分；圆周速度可到 70 米秒。蜗杆传动工作平稳， 传动比准确，可以自锁，但自锁时传动效率低于 0.5。蜗杆传动齿面间滑动较大,发 热量较多，传动效率低，通常为 0.450.97。 图 2.1 齿轮传动方式简图 无锡太湖学院学士学位论文 6 3）行星齿轮传动 具有动轴线的齿轮传动。行星齿轮传动类型很多，不同类型的性能相差很 大，根据工作条件合理地选择类型是非常重要的。常用的是由太阳轮、行星轮、 内齿轮和行星架组成的普通行星传动、少齿差行星齿轮传动、摆线针轮传动和 谐波传动等。行星齿轮传动一般是由平行轴齿轮组合而成，具有尺寸小、重量 轻的特点，输入轴和输出轴可在同一直线上。其应用愈来愈广泛。 通过以上分析，结合机床实际加工要求，现确定机床传动方案为：工作台 的回转运动采用蜗轮蜗杆传动，而工作台纵向和横向运动采用滚球丝杆进行传 动。 钻床主轴进给机构改造变速机构设计 7 3 主轴传动部件设计主轴传动部件设计 由于电机工作时，其负载阻力有切削力、摩察阻力、惯性力，所以只有在 这些阻力被克服，才能正常启动及运行。因此要对进给系统进行必要的设计及 计算。 3.1 切削力的计算切削力的计算 3.1.1 机床工况要求机床工况要求 要求加工的最大孔为 d0=10mm,刀具为高速钢麻花钻（以磨损） 。工件材料 为 45 井钢（b=0.638GPa） ；灰铸铁 190HBS。加工精度为：IT8IT10 级以下孔 粗加工。 3.1.2 切削力和切削扭矩的计算切削力和切削扭矩的计算 1）当工件材料为 45 井钢 根据已知条件查机械加工工艺手册表 2.4-38 高速钢钻头钻孔时的进给 量知：10mm 钻头粗加工的进给量为 0.220.28。由表 2.4-41 高速钢钻头切削时 切削速度、扭矩及轴向力可选取进给量的两极限值 f=0.08mm/r0.30mm/r，对 应的它们的切削速度为 V=0.99m/s0.43m/s,则由得 1000 0n d v 0 1000 d v n 钻头或工件的转速 sr d n/53.31 99 . 0 1000 0 1 sr d n/69.13 43 . 0 1000 0 2 由机械制造工程原理计算钻头轴向力 F 和扭矩 T 的经验公式及麻花钻 轴向力和扭矩表达式中的系数、指数及修正系数可知： F yXF F KfdCF F 0 81 . 9 （3.1） M yXM M KfdCT M 0 81 . 9 （3.2） 3 102 nm TP （3.3） 式中：b=0.638GPa CF=61.2 XF=1.0 YF=0.7 CM=0.0311 XM=2.0 YM=0.8 KF=KFmKFw KM=KMmKMw 对于已磨损钻头 KMw=1 KFw=1 无锡太湖学院学士学位论文 8 工件材料 KMm=KFm= =0.98938 75 . 0 637 . 0 b 则最小进给量 f=0.08mm/r F1=9.8161.2100.080.70.989381=1013.79N T1=9.810.03111020.080.80.989381=4.0Nm PM1=23.144.031.5310-3=0.79Kw 最大进给量 f=0.30mm/r F2=9.8161.2100.300.70.989381=2557.22N T2=9.810.03111020.300.80.989381 =11.52Nm PM2=23.1411.5213.6910-3=0.99Kw 2）当工件材料为灰铸铁时 根据已知条件查机械加工工艺手册表 2.4-41 高速钢钻头钻孔时的进给 量知：10mm 钻头初加工的进给量为 0.220.28。由表 2.4-41 高速钢钻头切削时 切削速度、扭矩及轴向力可迭取进给量的两极限值 f=0.12mm/r0.70mm/r，对 应的它们的切削速度为 V=0.79m/s0.33m/s, 则由可得： 1000 0n d v 钻头或工件的转速 0 1000 d v n sr d V n/16.25 10 79 . 0 10001000 0 3 3 sr d V n/51.10 10 33 . 0 10001000 0 4 4 由金属切削刀具计算钻头轴向力 F 和扭矩 T 的经验公式及表 3-1 麻花 钻轴向力和扭矩表达式中的系数、指数及修正系数可知： F yXF F KfdCF F 0 81 . 9 （3.4） M yXM M KfdCT M 0 81. 9 （3.5） 3 102 nm TP （3.6） 式中： CF=42.7 XF=1.0 YF=0.8 CM=0.021 XM=2.0 YM=0.8 KF=KFmKFw KM=KMmKMw 钻床主轴进给机构改造变速机构设计 9 对于已磨损钻头 KMw=1 KFw=1 工件材料 KMm=KFm=（HB/190）0.6=1 则最小进给量 f=0.12mm/r F3=9.8142.7100.120.811=768.14N T3=9.810.0211020.120.811=3.78Nm PM3=23.143.7825.1610-3=0.597Kw 最大进给量 f=0.70mm/r F4=9.8142.7100.700.811=3149.02N T4=9.810.0211020.700.811=15.49Nm PM4=23.1410.5115.4910-3=1.02Kw 由此可得钻头的最大转矩 Tmax=15.49Nm 最大转矩 Fmax=3149.02N 最大切削功率 PMmax=1.02Kw 则钻头主轴所需要的功率为：P1= PMmax/总 其中 总=花键轴轴承 深沟球轴承 =0.99 （取 3 个） 角接触推力轴承 =0.98 （取 2 个） 花键轴 =0.970.98 由金属切削机床查得： 总= 花键轴 轴承=0.970.9930.982=0.904 则 P1=1.02/0.904=1.03Kw 对于主轴电机的选择，查机械设计手册 ，对于中小功率的电机，一般额 定转矩只有 2.1-4，而主轴所需要的最大扭矩为 15.49Nm，故必须采用齿轮组进 行减速以提供大的转矩达到符合相应电机的额定转矩。 在多工位钻床的设计过程中，要求机床能够进行多级变速。在这种情况下， 可以采用一个变速器来解决。无级变速器就是能使主轴达到相应转矩和使主轴 传递的转矩符合要求。 同时，根据主轴特点设计钻床主轴的特点是主轴在轴向方向上有移动，就 是说上端的花键轴外面必须套有内花键的齿轮或其它才能将电动机的运动传递 给主轴，使主轴转动。在本次设计中我们就选用花键的齿轮作为传动件，把电 机的转动传给主轴，则从主轴来的传动方式为： 主轴（花键轴）内花键齿轮啮合齿轮（一组或多组）联轴器 无级变速器主轴电动机 3.2 主轴齿轮传动方案确定主轴齿轮传动方案确定 3.2.1 设定齿轮传动方案设定齿轮传动方案 主轴齿轮传动方案如图 3.1 所示： 轴为机床主轴，设计为齿轮花键轴。由前面知齿轮花键轴的功率为 P1。 无锡太湖学院学士学位论文 10 I 主轴电机 机床主轴 图 3.1 主轴传动示意图 即轴 P= P1=1.13Kw 轴 P= P/齿轮=1.13/0.97=1.16KwKw P P I II 16 . 1 97 . 0 13 . 1 （取 齿轮=0.97，精度等级为 8 级） 则主轴电机输出功率 P2 P2= P/联轴器=1.16/0.99=1.18Kw 根据机械设计手册选择电机可用 YCP802-2，1.1Kw 额定功率和 YCP90S-2，1.5Kw 额定功率最为接近功率要求。而前者略小于最大输出功率， 而加一个无级变速器相对于电机来说其传递功率也不会消耗太多，粗略估算则 选用后者 YCP90S-2，额定功率为 1.5Kw，额定电压为 380V，额定电流为 3.4A，转速为 2840r/min，最大额定转矩为 2.3Nm。 选择了电动机就可根据所选择电动机确定相应的无级变速器。根据电动机 功率和转矩及主轴所必须达到的最小转矩，可确定变速器，查机械设计手册 第四卷可选择的无级变速器为：HZXD1500L。 根据无级变速器的相关数据和主轴所需要的相关数据，无级变速器提供的 转矩已经可以达到主轴要求的转矩，同时转速也能达到要求。故在接下来设计 的齿轮组中，主要达到的目的为将电动机的转动传递给主轴使主轴完成转动， 并不影响轴向的进给运动。 对于齿轮组的设计就是要完成传动。为了设计需要，可以仅设计一组齿轮 即可。又因为转矩完全达到要求，转矩要求的差又不是太大，从对主轴箱结构 设计入手（对主轴箱的总体布局和结构合理、比例合适） ，可将这对齿轮设计成 一组惰轮，即不改变变速器传递出来的转矩和转速，仅将转动传给主轴，达到 了设计要求和目的。 3.2.2 主轴传动设计和计算主轴传动设计和计算 1）齿轮的设计计算 在齿轮设计中，取转矩最大时设计用到最大转矩 15.49,切削速度 nI=631r/min。 首先小齿轮（主动齿轮）用 40Cr，调质处理，硬度 241HB286HB，平均 取为 260HB，大齿轮（从动齿轮）用 45 钢，调质处理，硬度 229HB286HB， 平均取为 240HB。 钻床主轴进给机构改造变速机构设计 11 关于主轴传动中的第一组齿轮按齿面接触疲劳强度计算。 （1）初步计算： 转矩:TII= 5.49Nm=5490Nmm 齿宽系数:d 由表 12-13（该节中所指的表均指机械设计一书中的表） 取 d1.0 接触疲劳极限：Hlim 由图 12.17c 可取 Hlim1=710MPa Hlim2=580MPa 初步计算的许用接触硬力: H1=0.9Hlim1=0.9710=639MPa Ad 值由表 12-16，取 Ad85 初步计算的小齿轮直径： d1=29.14 3 1 1 U UT Ad Hd 3 2 1 11 5221 5490 85 (其中 u=I=1, T=5490Nmm) 取 d190mm 初取齿宽：b=bd1=190=90mm （2）校核计算： 圆周速度: sm nd V/8 . 2 100060 6318514 . 3 100060 11 精度等级：由表 12-6 选 8 级精度 齿数 Z 和模数 m:取齿数 Z1=60,Z2=iZ1=160=60 模数由表 12-3 取 m=1.5 5 . 1 60 90 1 1 Z d m 则 Z2= iZ1=6060 1 1 m d Z 使用系数 KA:由表 12-9 取 KA1.5 动载系数 KV:由表 12-9 取 KV1.1 齿间载荷分配系数 KH:由表 12-10 先求： mmNmmN b FK d T F TA III t /100/033 . 2 90 1225 . 1 122 90 549022 1 端面重合度： cos 11 2 . 388 . 1 21 ZZ 无锡太湖学院学士学位论文 12 77 . 1 60 1 60 1 2 . 388 . 1 重合度系数:Z=0.74 3/ )77 . 1 4( 由此得：81 . 1 74 . 0 11 22 Z KH 齿间载荷分布系数 KH: 28 . 1 109030 . 0 116 . 0 09 . 1 10 323 2 1 Cb d b BAKH 载荷系数：K=KAKVKHKH=1.51.11.811.28=3.82 弹性系数 ZE由表 12-12 取 ZE189.8MPa 节点区域系数 ZH:由图 12.16 可取 ZH2.5 接触最小安全系数 SHmin:由表 12-14 取 SHmin1.05 总工作时间：th=10300820%=4800h 应力循环次数 NL:由表 12-15 估计：107Tmax=15.49Nm 则花键轴能够达到所需传递的转矩。 对于花键轴传递转矩转动中产生的摩擦力为 F花：取 =0.1 F花=f=53380.1=533.8N 而N TT F1545 10 7 . 10 3 . 0 2 1922 2 19 3 则轴所受轴向力： F合= F花+ Fmax =154.5+3149.02=3304N 则轴向方向齿条受力 F合K=1.1F合=3635N（K=1.1） 3）轴向进给设计）轴向进给设计 （1）主轴结构形式确定 在主轴外设计一套筒：由长为 80mm 的齿条经齿轮带动。先设计用一级减 速接步进电机使主轴进给。其结构如图 3.3 所示。 无锡太湖学院学士学位论文 16 图 3.3 主轴进给示意图 （2）步进电机的选择及转矩的计算 由机电一体化系统设计： I=t0/3600 其中：步距角（deg） 脉冲当量（钻床取 0.02mm） t0齿距（t0=m） 根据机电一体化系统设计选步进电机 取 =0.1 m=1.25 2 . 3 02 . 0 360 25 . 1 1 . 0 I 取 =0.75 时44.23 02 . 0 360 25 . 1 75 . 0 I 取 I=3.2（=0.1 时）可取： Z1=20 Z2=64 m=1.25 b=20mm =200 df1=mZ1=25mm df2=mZ2=80mm de1=28 de2=83 齿轮设计成直齿圆柱齿轮，齿轮材料为 45 钢，则大小齿轮转动惯量分别为： 244 108 . 7KgmbdJ 2544 1 10959 . 0 1028 . 28 . 7KgmJZ 2544 2 1090.6310288 . 7KgmJZ 根据机电一体化系统设计 ，预选步进电机为 200BF001，查得电机转子 轴的转动惯量为： 23 1094.12KgmJm 折算到电动机轴上的转动惯量： 2 0 2 1 2 2 1 21 2 t Z Z m Z Z JJJJJ SZZm 25 22 553 1081.1300 2 25 . 1 64 20 25 . 1 64 20 10 9 . 6310959 . 0 1094.12 Kgm 钻床主轴进给机构改造变速机构设计 17 有效负载转矩 Tm 的计算：取 V=2m/min Tm=（F轴+F摩）V主轴进给/2nm min/111002 . 0 360 1 . 0 2 360 00 rVhm NmTm04 . 1 11102 36352 起动惯量矩的计算： 以最不利条件下的快速起动计算，设起动加速度或制动减速度的时间 t=0.3s，由于步进电机的角速度 1 18.116 60 1110 2 60 2 s n W m m 则： 2 27.387 3 . 0 18.1160 s t W W m n T惯= NmWJ m 038 . 5 3 . 3871013 3 则 J=Tm+T惯=1.04+5.038=6.08Nm 如考虑机械传动系统的效率为 n，安全数值为 K，则此时负载总转矩为： NmT n K T03.1308 . 6 7 . 0 5 . 1 由预选的步进电机型号 200BF001，五相十步，步距角 0.10/Step，其最大静 转矩 Tymax=14.7Nm，为保证正常的起动和停止，步进电机的起动转矩 Tg 必须 大于或等于 T，由表可知 Tg/Tymax的比值，取 Tg/Tymax=0.951， 则 Tg=14.70.951=13.98Nm13.03Nm 故选择合适。 无锡太湖学院学士学位论文 18 4 工作台纵向进给工作台纵向进给机构的设计机构的设计 4.1 工作台工作台纵向进给纵向进给负载分析及计算负载分析及计算 4.1.1 摩擦阻力计算摩擦阻力计算 摩擦阻力应等于正压力乘以摩擦系数。正压力应包括轴向力 F=1175N 及工 作台加纵向轨道之重力，设工作台重量为 400Kg，纵向轨道重量为 400Kg. =（400+400）1011750.1=917.5N 摩 F1 . 0 4.1.2 等效转动惯量计算等效转动惯量计算 根据要求粗选：=0.75 to=5 =0.005 0 0 360 t i 08 . 2 005 . 0 360 575 . 0 0 i 可取 =25 , =52 m=1.5 b=25mm =20o 1 Z 2 Z 则：df1=mZ1=1.525=37.5mm df2=mZ2=1.552=78mm de140.5mm de2=81mm 将齿轮看作近似的圆柱体，材料为钢，则大、小齿轮的转动惯量分别 # 45 为: J=7.8d4 b10-4 (kgm2) JZ1=7.83.7542.510-4=3.8610-5Kgm2 JZ2=7.88.1042.510-4=8.4010-4Kgm2 滚珠丝杆直径选择为 d0=25mm, L=700mm,材料钢，则丝杆的转动惯量 # 45 可近似的算出为： 钻床主轴进给机构改造变速机构设计 19 JS=7.82.547010-4=2.1310-4Kgm2 由机电一体化系统设计 ，预选步进电机为 110BF004，查得电机转子轴 的转动惯量为 Jm=3.4310-4Kgm2 折算到电机轴上的总转动惯量为： 2 2 12 21 4 1 m n SZZm n V mm i JJJJJ 24 2 2 2 4454 1026 . 6 4 33.833 2 400400 08. 2 1 1040 . 8 1013 . 2 1086. 31043. 3 Kgm 4.1.3 丝杠摩擦阻力矩的计算丝杠摩擦阻力矩的计算 由于用的是滚珠丝杠，摩擦阻力矩很小，可以忽略不计。 4.1.4 等效负载转矩的计算等效负载转矩的计算 Tm=(F纵+F摩) V工作/2nm NmTm35 . 0 33.8332 5 . 91702 由min/33.833 005 . 0 360 75 . 0 2 360 00 r V n n m 4.1.5 起动惯性阻力矩的计算起动惯性阻力矩的计算 以最不利条件下的快速起动计算，设起动加速式制动减速的时间 t=0.5s(一般在 0.11s 之间)，由于步进电机的角速度 2 22.87 60 33.8332 60 2 S n W m m 角加速度 2 44.174 5 . 0 22.870 S t Wm m T惯Jm=6.2610-4174.44=0.11Nm 4.1.6 步进电机输出轴总的负载转矩的计算步进电机输出轴总的负载转矩的计算 J=Tm +T惯=0.35+0.11=0.46Nm 4.2 纵向进给纵向进给步进电机选择步进电机选择 考虑机械传动系统的效率 为,安全系数为 K,则比时的负载总转矩应考虑为 NmT K T99 . 0 46 . 0 7 . 0 5 . 1 由预选的步进电机型号为 110BF004，三相六拍，步距角 0.75%step.其最大 无锡太湖学院学士学位论文 20 转矩 Tymax=4.9Nm 为保证正常的起动与停止，步进电机的起动转矩 Tg必须大于 或等于 T,由表查出 Tg/T=0.866 Tg=4.90.866=4.24Nm0.99Nm 故选择合适。 确定选用 110BF004 步进电机。 4.3 纵向进给纵向进给滚珠丝杠的滚珠丝杠的选择与校核选择与校核 初选丝杠型号为 CMD2504-3，因此必须进行以下几个项目的校核 4.3.1 承载能力的校核承载能力的校核 fHfWPmaxCO 式中 L滚珠丝杠寿命系数（） 3 L转 6 101 Pmax=F纵+F摩0+917.5917.5N fH=1 fW=1.2 T=15000 6 10 60 min/64.400 08 . 2 33.833 Nt L rnn s KNN8 . 745.7836 5 . 9172 . 10 . 110/150006064.400 36 选丝杆 CMD25043 查表得丝杆额定载荷为O=8.2KNQ 满足要求。 4.3.2 压杆稳定性验算压杆稳定性验算 max 2 2 P KD EIF P K K 取双推简支式支承，由 FK=2 E-钢的弹性模量 2.1105（Mpa） I-丝杠小径的截面惯性矩（） 4 44 1 80 . 0 32 69 . 1 32 cm d I 查手册可知，所用丝杠的最小径为：d1 =21.9mm 取压杆稳定安全系数 K=4 丝杠长度 L=LS=700mm NPPNPK 5 . 91749.3746 255 . 2 26 . 2 101 . 22 maxmax 2 52 故满足要求。 4.3.3 刚度验算刚度验算 丝杠的刚度是保证第一导程的变动量要在允许范围内 钻床主轴进给机构改造变速机构设计 21 IE MT ES PT L 2 00 丝杠最小截面积 2 2 1 76. 3 4 19. 2 4 cm d S 设 T0=0.5 I=2.26cm4 M= Tmaxi=4.92.08=10.20Nm=1020Ncm “”号用于拉伸， “一”号用于压缩，都取“”号，则: mcmL 618 . 0 1081 . 6 101 . 226 . 2 2 5 . 01020 67 . 3 101 . 2 5 . 0 5 . 917 4 5 2 5 由于选择要求滚珠丝杠精度等级为 C 级，L0=4m0.681m 所以满足要求。 4.4 滑动导轨的结构设计滑动导轨的结构设计 4.4.1 移动导轨的分析移动导轨的分析 对导轨的要求主要有：要有一定的导向精度；要有良好的耐磨性，足够的 刚度；要减少热变形影响；要使运动轻便平稳和一定的工艺性。因此，在考虑 到要求加工精度为 7 级，且钻床为一般机床，所以可以选用贴塑的矩形滑动导 轨。 由于机床上的运动部件都是沿导轨而作运动，则导轨的磨损就非常大，所 以要采用一系列措施来提高导轨耐磨性。其中除了选用合适材料、热处理、润 滑外，还应该采用保护装置，即采用防护罩，使机床导轨不外露，这样直接能 防止切屑及灰尘等落到导轨上。 由金属切削机床设计 ，导轨的截面形状与组合选择为双矩形导轨（数控 钻床用滑动导轨贴塑就可以了，可不用滚动导轨） 。 这种导轨的刚度高，当量摩擦系数比三角形导轨低，承载能力高，加工、 检验和维修都方便，特别是数控机床双矩形、动导轨贴塑料软带，是滑动导轨 的主要形式。矩形导轨存在侧向间隙，必须用镶条进行调整（采用窄式组合） 。 4.4.2 移动导轨的预选移动导轨的预选 根据以知条件和加工要求，预选导轨机床坐标如图 4.1 所示。 图 4.1 数控钻床坐标系 由机床设计手册新版（2）表 9.3-7，X 轴向移动导轨结构尺寸预选为： 无锡太湖学院学士学位论文 22 H=20 B=50 B1=12 A=400 h=12 h1=H-0.5 镶条 b=6（平） 其结构简图如图 4.2 所示。 图 4.2 T 型导轨剖面结构 4.4.3 移动导轨的验算移动导轨的验算 对于数控多工位的钻床的导轨受力分析如图 4.3 所示。 、分别为切削力、进给力和背向力。 图 4.3 导轨受力分析图 1）各外力对坐标轴取矩： 轴 QF QyfyCZFX FFFM 对于钻床 0 C F0 Q F 而（相对于轴的）0 F y 则0 ffX yFM 轴 XQfyy WFM F 2 2 2 2 B A e yF ：工件与工作台重估计； 钻床主轴进给机构改造变速机构设计 23 ：有两种极限情况（：工作台到最近处：.长度;：工 作台到最近处：(0.05+0.35)） NmM