z3040摇臂钻床进给箱三维设计

毕业设计论文 毕 业 论 文 设 计 说 明 书 题 目 Z3040 摇臂钻床进给箱三维设计 学生姓名 学号 所 在 院 (系 ) 机 械 工 程 学 院 专业班级 指导教师 毕业设计论文 年 5 月 30 日 毕 业 设 计 论 文 任 务 书 院(系) 机械工程学院 专业班级 机自 学生姓名 一、毕业论文设计题目 Z3040 型摇 臂钻床进给箱三维设计 二、毕业论文设计工作自_ 三、毕业论文设计进行地点: 校 内 四、毕业论文设计的内容要求： 1、设计课题简介： 制造技术已经是生产、国际经济竞争、 产品革新的一种重要手段，它已被看作是 现代国家经济上获得成功的关键因数。机床是机械加工中的主要加工设备，在生产实 践中有着十分重要的作用，机床的加工精度、加工效率直接反映着加工水平。机床设 计有着很重要的现实意义， 对于培养和锻炼学生的工程素质和工程实践能力有着不 可替代的作用。本课题拟应 用 Pro/E 三维设计平台 对 Z3040 型摇臂钻床进给箱三维设 计，使学生掌握机床设计的一般方法，从而达到培养目标。 2、设计内容及要求： 1). 搜集有关资料，撰写开题报告； 2). 了解并熟悉 Z3040 型摇臂钻床进给箱的工作原理及其 结构组成； 3). 分析 Z3040 型摇臂钻床进给箱的结构特点，熟悉其设计的要点和技术指标； 4). 基于 Pro/E 对 Z3040 型摇臂钻床进给箱三维虚拟设计； 5). 撰写设计说明书：1 份，生成三维装配图（A2）和二维工程图样（2A0） 3、设计说明书格式要求： 设计说明书应包括：序言、目录、摘要（中英文）、关 键词（中英文）、中图分类号、 正文（含设计方案论证、设计 及其它说明等）、 结束语 和参考文献等内容，并按照封 页、 设计任务书、序言、目录、摘要、关键词、正文、 结束语、参考文献和封底的顺序装订。 指 导 教 师 系 (教 研 室 ) 机械设计系 系(教研室) 主任签名 批 准 日 期 毕业设计论文 接 受 论 文 (设 计 )任 务 开 始 执 行 日 期 学 生 签 名 毕业设计论文 Z3040 摇臂钻床进给箱三维设计 指导老师： 【摘要】：本设计的主要任务是对 Z3040 摇臂钻床进给箱三维设计。 Z3040 摇臂钻床主要用于加工中小型零 件。可以进行钻孔、扩孔、绞孔及攻螺纹等工作。设计重点在于了解 Z3040 钻床并掌握 Z3040 型摇臂钻床进给箱 的工作原理及其结构特点；对各主要零件进行设计计算，从而掌握一种设计的方法；对整个进给系统进行三维建模 及导出工程图。同 时此次设计， 使我了解 实际产品设计过程，将大学四年所学的各项专业知识进行汇总和展示，学 会将理论知识运用于实际情况中。加深、巩固和扩大所学基本理论、基本知识和基本技能。 【关键词】：摇臂钻床 钻孔 进给传动系统 建模 毕业设计论文 Z3040 Radial drilling feed box three-dimensional design 【Abstract】: The design of the main task is to feed drilling machine Z3040 rocker box three-dimensio nal design. Z3040 Radial drilling machine mainly used for processing small parts. Drilling, reaming, reaming an d tapping. The design focus is to understand the Z3040 drilling and master Z3040 radial drilling machine work ing principle and structural characteristics of the feed box; major parts designed so as to equip a design approa ch; built the entire feed system for three-dimensional mold and export drawings. The design, so I understand th e actual product design process, the expertise learned in four years of college are summarized and presented, le arn to apply theoretical knowledge to actual situation. Deepen, consolidate and expand the basic theory, basic k nowledge and basic skills. 【Key words】: radial drilling machine drilling feed drive system modeling 毕业设计论文 I 目 录 1.概述 .1 1.1 本论文研究的目的及意义 .1 1.1.1 研究的目的 .1 1.1.2 研究的意义 .1 1.2 摇臂钻床的国内发展动态及应用领域 .2 1.2.1 研究现状及发展趋势 .2 1.2.2 应用领域 .3 1.3 将要解决的主要问题及解决问题思路 .4 1.4 拟定技术路线及设计方案 .5 1.5 Z3040 摇臂钻床的简介 .7 1.5.1 钻床及特点 .7 1.5.2 Z3040 摇臂钻床的主要结构和运动形式 .8 1.5.3 摇臂钻床的主要参数及设计要求 .10 2 机械传动设计方案和传动系统图的拟定与比较 .12 2.1 主运动的设计 .12 2.1.1 原动机的选择 .12 2.1.2 运动参数的确定 .15 2.1.3 绘制主轴进给箱转速图 .17 2.2 传动过程 .17 毕业设计论文 II 2.3 传动设计方案评价的目的 .18 2.4 机械传动设计方案评价的原则 .18 2.5 系统设计方案的比较与确定 .19 3 主要零件设计 .21 3.1 齿轮材料的选择 .21 3.1.1 齿轮材料的基本要求 .21 3.2 齿式离合器的设计 .23 3.3 齿轮模数初步计算 .23 3.4 传动轴及其组件结构设计 .25 3.4.1 传动轴直径的估算及轴间中心距的确定 .25 3.4.2 齿轮强度验算 .27 3.5 过渡轴的设计 .29 3.5.1 轴的失效形式 .29 3.5.2 轴的材料 .29 3.5.3 过渡轴的强度校核 .30 4 轴承的选择与校核 .34 4.1 轴承的分类 .34 4.2 滚动轴承及类型 .34 4.3 滚动轴承的失效形式 .35 4.4 轴承的选择计算 .36 5.润滑与密封 .37 毕业设计论文 III 5.1 润滑及冷却系统 .37 5.2 润滑系统的要求 .38 5.3 润滑剂的选择 .38 5.4 润滑方式 .39 6.基于 PRO/E 的三维设计建模 .41 6.1 零件三维建模 .41 6.1.1 轴承的三维建模 .41 6.1.2 双联滑移齿轮三维建模 .42 6.2 三维装配 .49 结论 .52 致谢 .53 参考文献 .54 毕业设计论文 第 1 页 共 55 页 1.概述 1.1 本论文研究的目的及意义 1.1.1 研究的目的 本课题的主要任务是对 Z3040 钻床进给箱设计。首先，我要了解 Z3040 钻床， Z3040， 大 写 字 母 Z 是 钻 床 的 简 称 ， 30 为 摇 臂 、 后 面 40 为 钻 孔 直 径 ， Z3040 摇 臂 钻 床 适 用 于 在 中 、 大 型 零 件 的 钻 孔 、 扩 孔 、 铰 孔 、 平 面 及 攻 螺 纹 等 工 作 ， 在 具 有 工 艺 装 备 的 条 件 下 可 以 进 行 镗 孔 。 Z3040 摇臂钻床是一种立式钻床，在各类钻床中，它 具有性能完善、适用范围广、操作方便、灵活等优点，它适用于单件或批量生产带有 多孔的大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常用高的机床。让我了解并掌握 Z3040 型摇臂钻床进给箱的工作原理及其结构特点。其次，通过这次的设计对我来说在各个 方面的收获。根据这年来在学校的专业课程知识的学习与掌握情况，选择这个课题就 是为了掌握一种设计的方法，从而提高自身对以前所学知识的一个系统的运用能力， 如巩固和强化了我对 CAD，PRO/E 软件实际运用能力，同时也充分加深了我的设计能力 和对以后我的机械生涯做好了准备。通过该课题的设计，能够掌握里面的一些设计环 节，充分理解里面的工程实际问题，如钻床夹具设计及机床的数控 plc 控制等，从而 有助于深刻认识设计该课题的思路，锻炼自己的工程实践能力。该课题是一个涉及知 识面比较全面的设计，精密车床设计里面具有复杂的传动系统，不但要求设计者能够 对传统的机床设备要很好的掌握理解，还要能够对新型机床设备能够理解，所以该课 程的设计具有一定的难度。 毕业设计论文 第 2 页 共 55 页 1.1.2 研究的意义 通过对此号摇臂钻床的研究开发，随着科学技术水平和人类生活水平的提高，对 机械产品的质量要求越来越高，产品品种越来越多，中大批量的产品需求越来越少， 而单件小批量生产模式迅速增加，作为实现单件小批量加工自动化的数控摇臂钻床， 由于其突出的优点而得到广泛应用： (1)可以加工出传统摇臂钻床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。这是由于计 算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴应该运动的运动量，这就 可以加工复杂的曲线和曲面。 (2)可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，效率可比以往摇臂钻床提高 3 到 7 倍。 (3)加工的零件精度高，尺寸分散度小，装配容易，不再需要”修配” 。这是由于 加工过程自动化，不受人的情绪和疲劳影响的结果。计算机还可以自动进行刀具寿命 管理，不会因刀具磨损而影响工件精度和其一致性。最近，数控系统中增加了摇臂钻 床误差、加工误差修正补偿的功能，使加工精度得到进一步提高。 (4)可实现多工序的集中，减少零件在摇臂钻床间的频繁搬运。这是自动化带来的 效果(可以自动更换刀具)，如加工中心，在工件装夹好后，可实现钻、铣、攻丝、扩 孔等多工序的加工。这些多工序是在同一基面、同一次装夹下实现的，提高了相关的 加工精度。现已出现其他工序集中的摇臂钻床，如车削中心、车铣中心、磨削中心等。 1.2 摇臂钻床的国内发展动态及应用领域 1.2.1 研究现状及发展趋势 随着经济的飞速发展和工业现代化的需要，各种自动化生产设备应用而生，钻床 广泛地在我国纺织机械、石油机械、印刷机械、包装机械、医疗器械、航空航天、汽 车拖拉机、橡塑模具以及发电机制造、机床制造等行业有关零件的钻孔加工得到应用。 毕业设计论文 第 3 页 共 55 页 目前国内摇臂钻床生产厂家有许多家，但是在这个行业做的较好的厂家不是很多。 其中沈阳机床股份有限公司中捷摇臂钻床厂的产品国内市场占有率高达 70，出口产 品遍及中东、北美、西欧等 86 个国家和地区。进入市场经济后，国内机床行业竞争日 趋激烈，与中捷摇臂钻厂生产相同型号产品的企业有 40 多家，中捷摇臂钻厂产品领先 优势受到挑战。为了应对挑战，中捷摇臂钻厂在产品卖得正火的时候，提出了进行跨 越产品结构调整。第一，用先进技术改造传统产品。如普通摇臂钻床实现了五轴联动， 价格由几万元上升到几十万元，达到中国摇臂钻床最高水平。第二，向国际先进水平 靠拢，不断扩大产品领先优势。ZK 系列、桥式和动桥系列产品，十几项技术居国内领 先地位。 高速高精度 PCB 数控钻床伺服进给系统的控制研究。专用钻床结构设计中的若干 关键技术研究。精密微小孔加工技术的现状、应用和发展方向,并列举了多种加工方法,包 括传统机械加工、特种加工和复合加工。基于 PLC 技术的 Z3040 摇臂钻床控制系统设 计，针对 Z3040 摇臂钻床的工作特点,设计了摇臂钻床的 PLC 新式控制系统,给出了钻 床控制改造方案和控制程序。本文详细论述了系统的设计方案,各部分硬件的构成,完 成了软硬件及外围电路的设计开发,并结合实际运行情况对系统做了进一步的改进和扩 展,减少了系统布线,投资少,控制稳定,具有较好的推广价值。该控制方法简单易行、 动态响应快、系统控制效果好。实际应用表明,该系统具有加工精度高、抗干扰性好、 自动化程度高、实用性强的特点。 基于 Pro/E4.0 的钻床夹具的三维仿真设计等。 摇臂钻床和大多数机床一样，将向数控自动化、机电一体化和智能化方向发展。 摇臂钻床未来的发展趋势是：应用电子计算机技术，简化机械结构，提高和扩大自动 化工作的功能，使机床适应于纳入柔性制造系统工作；提高功率主运动和进给运动的 速度，相应提高结构的动、静刚度以适应采用新型刀具的需要，提高切削效率；提高 加工精度并发展超精密加工机床，以适应电子机械、航天等新兴工业的需要。 毕业设计论文 第 4 页 共 55 页 1.2.2 应用领域 Z3040 摇臂钻床利用旋转的钻头对工件进行加工，在机械行业中得到了广泛应用。 可广泛应用于机械加工中的钻孔、扩孔、铰孔、攻螺纹及锪平面等。钻削加工时，通 过夹紧装置，主轴箱紧固在摇臂上，可以沿摇臂径向运动，摇臂紧固在外立柱上，外 立柱紧固在内立柱上。摇臂借助于丝杠，可以作升降运动，也可以与外立柱固定在一 起，沿内立柱旋转。机械加工机床的加工运动往往是机械与电气配合实现的。Z3040 摇 臂钻床设有 4 台电动机，即主轴电动机、冷却泵电动机、摇臂升降电动机及液压泵电 动机。主轴电动机提供主轴转动的动力，是钻床加工主运动的动力源，但主轴电动机 只有正转工作模式，反转由机械方法实现。冷却泵电动机用于提供冷却液，只需正转。 摇臂升降电动机提供摇臂升降的动力，需正反转。液压泵电动机提供液压油，用于摇 臂、立柱和主轴箱的夹紧和松开，也需要正反转。 Z3040 摇臂钻床的操作主要通过手轮及按钮实现，手轮用于主轴箱在摇臂上的移动， 这是手动的。按钮用于主轴的启动停止、摇臂的上升下降、立柱主轴箱的放松及夹紧 等操作，再配合限位开关完成机床调节的各种动作。 1.3 将要解决的主要问题及解决问题思路 （1）传动系统 为满足改进后的加工及工作要求，在做出相应的计算后对传动系 统进行改进和调整。 （2）进给系统 传统的钻床主轴进给系统主要由主轴、主轴套筒、主轴套筒镶套、 齿轮齿条和轴承等组成。主轴在加工时即要作旋转运动，也要作轴向的进给运动。机 床主轴被装置在主轴套筒内，套筒放置在主轴箱体孔的镶套内，主轴上侧由花键连接。 机床加工时，旋转运动由花键传入，而进给运动则由齿轮通过齿条带动套筒在镶套内 运动。为了实现自动化控制的要求，主轴进给机构改进主要有：主轴旋转运动依然由 电动机传入，而进给则由液压传动替代手动的齿条传动，通过液压控制系统来实现进 给动作。 毕业设计论文 第 5 页 共 55 页 （3）夹紧系统 传统钻床的夹紧主要是手工操作，由夹具夹紧工件。为了便于实 现自动化控制，工件夹紧由夹具完成，动力源由夹紧液压缸导入，通过液压控制系统 来实现夹紧动作的自动化。 （4）送料系统 在生产过程中，钻床的送料主要由人工输入，这使得投入了大量 的生产力，消耗了大量的工时，使的生产率不高，为此我们通过导入自动送料系统来 减少生产力的投入和工时的消耗。自动送料系统机构传动要根据生产的需求作出相应 的设计需求，动力源可由电机或液压系统传入，二者均可实现自动化控制。 （5）控制系统 当前机床控制系统主要由计算机数控、继电器电气控制和 PLC 控 制等，由于继电器电气控制系统，其联动关系复杂，维修困难，故障率高，经常影响 正常生产，计算机数控造价高、系统复杂，而 PLC 控制系统可靠性好、造价低、抗干 扰能力强、柔性好、编程简单、使用方便、扩充灵活、功能完善，所以我们利用 PLC 控制技术来实现对进给系统、夹紧系统和送料系统的液压控制系统的控制。 （6）三维建模本次设计最终是要通过各种三维软件如 Pro/e 进行三维建模然后装 配最后再导成二维工程图。在工程实际中也是一样，设计人员要正确的建立三维模型 导出二维图，然后工人们才能加工出合格的工件。所以要求我们在三维建模方面，要 熟练掌握三维软件的实际运用能力，另外还有读图能力看图能力，最后就是画图能力。 1.4 拟定技术路线及设计方案 1、参数拟定：根据机床类型、规格和其他特点，了解典型工艺的切削用量，结合 实际条件和情况，并与同类型机床对比分析后确定：极限转速和公比(或级数)，主传 动电机功率。 钻床的选型 钻床选择 Z3040 型摇臂钻床 1）、 钻床的设计 2）、Z3040 型摇臂钻床结构与运动形式 毕业设计论文 第 6 页 共 55 页 摇臂钻床一般由底座、内外立柱、摇臂、主轴箱和工作台等部件组成，如果 3-3 所示。内立柱固定在底座的一端，外立柱套在内柱上，并可绕内立柱回转 360。摇臂 的一端为套筒，塔套在外立柱上，借助于升降丝杆的正反向旋转，摇臂可沿外立柱上 下移动。由于升降螺母固定在摇臂上，所以摇臂只能与外立柱一起绕内立柱回转。主 轴箱式一个复合的部件，它由主电动机、主轴和主轴传动机构、进给和变速机构以及 机床的操作机构等部分组成。主轴箱安装在摇臂的水平导轨上，通过手轮操作可是主 轴箱沿摇臂水平导轨作径向运动。这样，主轴 5 可通过主轴箱在摇臂上的水平移动及 摇臂的回转可方便的调整至机床尺寸范围内的任意位置。为适应加工不同高度工件的 需要，可调节摇臂在立柱上的位置。Z3040 钻床中，主轴箱沿摇臂的径向运动和摇臂的 回转运动为手动调整。 钻削加工时，主轴旋转为主运动，主轴的纵向运动为进给运动， 即转头一面旋转一面作纵向进给。此时主轴箱夹紧在摇臂的水平导轨上，摇臂与外立 柱加紧在内立柱上。辅助运动有：摇臂沿外立柱的上下垂直移动；主轴箱沿摇臂水平 导轨的径向移动；摇臂的回转运动。 2 进给系统概述与分析 传统的台式钻床主轴进给系统主要由主轴、主轴套筒、主轴套筒镶套、齿轮齿条 和轴承等组成。主轴在加工时即要作旋转运动，也要作轴向的进给运动。机床主轴被 装置在主轴套筒内，套筒放置在主轴箱体孔的镶套内，主轴上侧由花键连接。机床加 工时，旋转运动由花键传入，而进给运动则由齿轮通过齿条带动套筒在镶套内运动。 由总体方案可知，自动钻床进给系统设计导入了液压缸进给系统，由液压缸驱动替代 齿轮齿条的手动进给，来实现主轴的快进、工进和快退动作。钻床在加工时，主轴要 作高速的旋转运动和直线的进给运动。导入液压缸进给系统后，因此，我们要结合合 适的轴承和结构来实现主轴的高速旋转。往复进给运动由液压缸来完成动作。进给系 统方案图的确定。 毕业设计论文 第 7 页 共 55 页 3 切削力的计算 切削刀具及相关参数的选择 目前在钻孔加工中，由于高速钢麻花钻在采用物理沉积法 TiN 涂层处理后，其耐 用度和钻孔精度有了较大提高，所以该钻头应用极广。所以，在本文的钻削加工过程 中，选择高速钢麻花钻头。查金属切削手册选择标准圆柱锥柄麻花钻中等长度第 一系列，刀具直径为 12mm,钻头与主轴用莫氏锥孔连接，莫氏锥孔为 1 号莫氏锥孔。 由于被加工材料为 Q235 钢，其切削性能较好，所以查金属切削手册选择加工 时进给量 f 为： f=0.2mm/r；其对应的切削速度 V=32m/min。 4、动力计算和结构草图设计：估算齿轮模数和直径；将各传动件及其它零件在展 开图和剖面图上做初步的安排、布置和设计。 5、轴和轴承的验算：在结构草图的基础上，对一根传动轴的刚度和该轴的轴承寿 命进行验算。 6 进给箱装配设计：进给想装配图是以结构草图为“底稿”，进行设计和绘制的。 图上各零件要表达清楚，并标注尺寸和配合。并应用 Pro/E 软件进行三维建模以及生 成三维装配图。 1.5 Z3040 摇臂钻床的简介 1.5.1 钻床及特点 钻床是一种孔加工设备，可以用来钻孔、扩孔、铰孔、攻丝及修刮端面等多种形 式的加工。钻床的结构形式很多，有立式钻床、卧式钻床、台式钻床、深孔钻床、多 轴钻床、摇臂钻床及其他专用钻床等。 Z3040 摇臂钻床是一种立式钻床，在各类钻床中，它具有性能完善、适用范围广、 操作方便、灵活等优点，它适用于单件或批量生产带有多孔的大型零件的孔加工，是 毕业设计论文 第 8 页 共 55 页 一般机械加工车间常用高的机床。Z3040，大写字母 Z 是钻床的简称，30 为摇臂、后面 40 为钻孔直径，Z3040 摇臂钻床适用于在中、大型零件的钻孔、扩孔、铰孔、平面及 攻螺纹等工作，在具有工艺装备的条件下可以进行镗孔。钻床是一种孔加工设备，可 以用来钻孔、扩孔、铰孔、攻丝及修刮端面等多种形式的加工。 钻床的特点 1.双立柱设计，使摇臂更轻巧，便捷！工作效率大大起高 2.操纵系统集中在主轴箱上，变速灵活、方便、 3.进给机械电器双保险，安全。避免误操作 4.基础大件采用优质材料成型铸造，经时效处理后，用高精度机床加工，具有极高精 度 5.各导轨面均经淬硬处理，主轴采用氮化处理，延长使用寿命。 6.主轴正反转采用手把控制，钻孔，攻丝更加方便快捷！ 7.臂长 1.3 米，加工范围更大，更便捷 8.摇臂导轨加宽未定性更好 9.进给涡轮自动润滑 1.5.2 Z3040 摇臂钻床的主要结构和运动形式 1、主要结构 Z3040 摇臂钻床是一种用途广泛的万能机床， 适用于加工中小零件，可以进行钻孔、扩孔、铰孔、 刮平面及改螺纹等多种形式的加工，增加适当的工 艺装备还可以进行镗孔。主要有底座、内外立柱、 摇臂、主轴箱、主轴及工作台等部分组成。最大钻 孔直径为 40mm，跨距最大 1200mm,最小 300mm。 图 1.1 Z3040 摇臂钻床结构示意图 1 底座 2 内立柱 3、4 外立柱 5 摇臂 6 主轴箱 7 主轴 8 工作台 毕业设计论文 第 9 页 共 55 页 2、摇臂钻床主要运动形式为： 摇臂的一端为套筒，套装在外立柱上，并借助丝杠的正、反转可沿外立柱作上下 移动。主轴箱安装在摇臂的水平导轨上,可通过手轮操作使其在水平导轨上沿摇臂移动。 加工时，根据工件的高度的不同，摇臂借助于丝杠可带着主轴箱沿外立柱上下升降。 在升降之前，应自动将摇臂松开，再进行升降，当达到所需的位置时，摇臂自动夹紧 在外立柱上。摇臂钻床钻削加工分为工作运动和辅助运动。工作运动包括：主运动 （主轴的旋转运动）和进给运动（主轴轴向运动） ；辅助运动包括：主轴箱沿摇臂的横 向移动，摇臂的回转和升降运动。钻削加工时，钻头一面旋转一面作纵向进给。钻床 的主运动是主轴带着钻头作旋转运动。进给运动是钻头的上下移动。辅助运动是主轴 箱沿摇臂水平移动，摇臂沿外立柱上下移动和摇臂与外立柱一起绕内立柱的回转运动。 （1）主轴带刀具的旋转与进给运动 主轴的转动与进给运动有一台三相交流异步电动机（3kw）驱动，主轴的转动方向 由机械及液压装置控制。 （2）各运动部分的移位运动 主轴在三维空间的移位运动有主轴箱沿摇臂方向的水平移动（平动） ；摇臂沿外立 柱的升降运动（摇臂的升降运动由一台 1.1kw 笼型三相异步电动机拖动） ；外立柱带动 摇臂沿内立柱的回转运动（手动）等三种，各运动部件的移位运动用于实现主轴的对 刀移位。 3）移位运动部件的夹紧与放松 摇臂钻床的三种对刀移位装置对应三套夹紧与放松装置，对刀移动时，需要将装 置放松，机加工过程中，需要将装置夹紧。三套夹紧装置分别为摇臂夹紧（摇臂与外 立柱之间） ；主轴箱夹紧（主轴箱与摇臂导轨之间） ；立柱夹紧（外立柱和内立柱之间） 。 毕业设计论文 第 10 页 共 55 页 通常主轴箱和立柱的夹紧与放松同时进行。摇臂的夹紧与放松则要与摇臂升降运动结 合进行。 Z3040 摇臂钻床夹紧与放松机构液压原理如下图所示。图中液压泵采用双向定量泵。 液压泵电动机在正反转时，驱动液压缸中活塞的左右移动，实现夹紧装置的夹紧与放 松运动。电磁换向阀 HF 的电磁铁 YA 用于选择夹紧与放松的现象，电磁铁 YA 的线圈不 通电时电磁换向阀工作在左工位，接触器 KM4、KM5 控制液压泵电动机的正反转，实现 主轴箱和立柱（同时）的夹紧与放松；电磁铁 YA 线圈通电时，电磁换向阀工作在右工 位，接触器 KM4、KM5 控制液压泵电动机的正反转，实现摇臂的夹紧与放松。 图 1.2 Z3040 摇臂钻床夹紧与放松机构液压原理图 1.5.3 摇臂钻床的主要参数及设计要求 1.主要技术参数见下表 表 1 主要技术参数 主要技术参数 最大钻孔直径 40 毫米 主轴中心线到立柱母线距离 350-1250 毫米 主轴箱水平移动距离 900 毫米 主轴端面到底座面间距离 350-1250 毫米 毕业设计论文 第 11 页 共 55 页 摇臂升降距离 600 毫米 摇臂升降速度 1.2 米/分 摇臂回转角度 360 度 主轴前端孔锥度 莫氏 4 号 主轴转速范围（16 级） 25-2000 转/分 进给量范围（16 级） 0.04-3.2 毫米/转 主轴行程 315 毫米 刻度盘每转钻孔深度 122.5 毫米 主轴允许最大扭矩 40 公斤力*米 主轴允许最大进给抗力 1600 公斤力 功率 3 千瓦主电机 转速 1430 转/分 功率 1.1 千瓦摇臂升降电机 转速 1500 转/分 功率 0.6 千瓦液压系统电机 转速 1500 转/分 功率 0.125 千瓦冷却泵电机 转速 3000 转/分 机床重量 3200 公斤 机床外形尺寸 2170*1013*2625 毫米 2、对电气控制的要求 （1）根据工件的大小、位置及夹紧，为了减少辅助工作时间，要求配备一台 主轴运动电动机、一台摇臂升降电动机和一台液压泵电动机。 （2）钻孔时产生的高温，可有一台普通冷却泵电动机加以控制。 （3）根据整个生产线状况，要求配备一套局部照明装置及必要的工作状态指示灯。 毕业设计论文 第 12 页 共 55 页 2 机械传动设计方案和传动系统图的拟定与比较 机械系统设计中的首要环节就是拟定传动设计方案。其拟定的合理与否，在很大 程度上决定了机械产品的合理、先进和具备市场竞争力的程度。在机械系统设计中， 为了达到预定的运动和动力要求。可以采用不同的传动方案。 2.1 主运动的设计 2.1.1 原动机的选择 1 常用原动机的运动形式 常用原动机有以下三种运动形式，具体见表 2.1 表 2.1 原动机运动形式 运动形式 实例 连续运动 电动机、液压马达、气压马达、柴油机、汽油机 毕业设计论文 第 13 页 共 55 页 往复运动 直线电动机、汽缸、液压缸 往复摆动 摆动油缸、摆动汽缸 2 原动机的驱动方式 原动机的驱动方式分为单机集中驱动和多机分别驱动。由一台原动机通过传动装 置驱动执行机构工作，叫做单机集中驱动。而多机分别驱动自然而然是用多台原动机 来驱动各执行机构工作。两种驱动方式中，单机集中驱动传动装置复杂，操作麻烦， 功率大，但价格便宜。而多机分别驱动传动装置简单，电动机功率小，但成本比较高。 3 原动机选择应考虑的因素 1）必须考虑到现场能源的供应情况及工作环境因素； 2）必须考虑原动机的机械特性与工作机的匹配情况； 3）必须考虑到维修是否方便，操作是否简单，工作是否可靠； 4）必须考虑到工作机对原动机所提出的起动、过载、运转平稳性等方面的要求； 5）必须考虑到其经济效益及其成本，这也是非常重要的一项。 4 原动机的性能比较 表 2.2 原动机性能比较 类别 电动机 气缸马达 液压马达 柴油机 尺寸 较大 较小 较小 较大 功率及取范 围 功率大； 0.31000KW ，范围广 功率比电动 机大；一般 在 2.2KW 以 下，尤其适 用于 0.75KW 功率最大； 受实际油压 和马达尺寸 的限制 功率大； 538000KW 毕业设计论文 第 14 页 共 55 页 以下的高速 传动 重量 大 比电动机大 最大 大 输出刚度 硬 软 较硬 较硬 运行温度控 制 温度应低 于许应值 排气时空气 膨胀，噪声 较大，排气 处应安装消 声器 对油箱进行 风冷或水冷 调整方法和 性能 直流电动 机用改变电 枢电阻、电 压或改变磁 通的方法； 交流电动机 用变频、变 极或变转差 率的方法 用气阀控制， 简单，迅速， 但不够精确 通过阀或泵 控制改变流 量，调速范 围大 较难 噪声 小 较大 较大 较大 维护要求 较少 少 较多 较多 初始成本 低 较高 高 高 运转费用 最低 最高 高 高 应用 很广，需 小功率高速 较广 很广，如各 毕业设计论文 第 15 页 共 55 页 要动力电源 场合 种车辆，船舶、 农用机械、工 程机械和压缩 机等等 5 确定原动机的选择 考虑到摇臂钻床的现场工作环境及工作需求，摇臂钻床的起动力矩和调速范围等 要求，我选择电动机作为其原动机。由于生产机械装置及工作机所处的工作环境各不 相同，电动机的 工作环境也自然而然就各不一样。在绝大多数情况下，电动机工作的 周围大气中有不同分量的灰尘和水分，有的处于潮湿之处甚至水下工作，有的周围含 有腐蚀性气体甚至爆炸物，为了保证电动机能在不同的工作环境中顺利地安全运行， 电动机的外壳也就有多种型式，其型式有：开启式、防护式、封闭式、防爆式。由于 摇臂钻床工作常处于灰尘较多的场合，其外壳选用封闭式，电动机型号为 Y 系列， Y90L-4，额定功率 1.5KW，满载转速 1430r/min，额定转矩 2.2Nm，质量 27Kg。 2.1.2 运动参数的确定 1 主轴转速的确定 摇臂钻床的主运动为旋转运动，主运动的运动参数为主轴转速 dvn10 其中：n主轴转速（ ）mir V切削速度（ ）n d工件或刀具直径（mm） 通用机床是为适应多种工件加工而设计的，工艺范围广，工件尺寸变化大，主轴 需要变速，因此需要确定变速范围。 毕业设计论文 第 16 页 共 55 页 2 最高转速和最低转速的确定和变速范围的确定 = = minaxin10dvmaxinax10dvminax1Rzn 其中： 、 主轴最高、最低转速（r/min） ；maxnin 、 典型工序的最大、最小切削速度（m/min） ；vi 、 最大、最小计算直径。maxdin （1）切削速度与刀具和工件材料有关，根据摇臂钻床某些特征，采用高速钢刀具 钻削的 Vc一般为 2032 。mi （2）在实际使用情况下，通用机床的经济加工直径，一般取 dmax=KD D机床加工的最大直径（摇臂钻床的最大钻孔直径为 40mm） K指指数（摇臂钻床 K=1） dmax=KD=40mm dmin=（0.20.25） dmax=810 mm 取 8mm = = =1273.24maxninax10v8320minr = = =159.15inaxmid4i = =8min1Rznin15.9273r 由于设计的转速范围为（0.04-3.2） mm/r 比计算出的 nmax、 nmin范围大，满足要求。 3 实际转速范围 = =80minax1znr/04.23 4 确定公比及主轴转速数列 根据机械制造装备设计公式（3-2）因为已知 = 80minax1Rzn 毕业设计论文 第 17 页 共 55 页 Z= +1 lgnR = = =1.24 )1(Zn208 根据机械制造装备设计和金属切削机床手册标准公比 ，对于通用机床， 为了转速损失不大，机床结构不过于复杂，取 =1.26。 因为 =1.26= ，根据 机械制造装备设计 表 3-6 标准数列。首先找到406.17P 0.04mm/r,然后每隔 3 个数取一个值（1.261.06 ） ，即可得到公比为 1.26 的转速数 列为 0.04mm/r、0.06 mm/r、 0.10mm/r、 0.13 mm/r、 0.16mm/r、 0.20mm/r、 0.25mm/r、 0.32mm/r、 0.40mm/r、 0.50mm/r、 0.63mm/r 、 0.80mm/r、 1.00mm/r、 1.25mm/r、 2.00mm/r、 3.20mm/r 共 16 级。 2.1.3 绘制主轴进给箱转速图 3.2(m/r)015864.320164 x927主 轴 XI7:482136 :0 图 2.1 轴进给量转速图 分配各传动比，转速图如下： 基本组：25，R 1=1.265=3.188 第一扩大组：22，R 2=1.262=1.588 第二扩大组：24，R 3=1.264=2.58 毕业设计论文 第 18 页 共 55 页 第三扩大组：28，R 4=1.268=6.351,外啮合为“+”号，内啮合为“-”号； Z小齿轮齿数； m齿宽系数， m=B/m=610，B 为齿宽，m 为模数； 许用接触应力（MPa） 。j 查机械设计基础表 6-11 选 7 级齿轮，查表 6-12 选择中速中载，查表 6-6 选 择小齿轮材料为 钢，调质，硬度为 240260HBS。查金属切削机床设计指导rC40 表 37 可得 大齿轮选用 45 钢，调质，硬度为 217255HBS.其接触应力，ajMP56 查得 取 。由公式来确定各对齿轮的模数：j8m 变速组 b 齿轮模数： ； ； ；in015rn1Z5.2u mm6.20156.863063 221211 uPmjm 查机械设计基础表 6-1 第一系列，取标准值 2.5mm 为了便于设计和制造，主传动系统中所采用齿轮模数种类尽可能少一些，所以一般 情况变速组中各齿轮的模数取相同值。 标准齿轮参数： *20h1c0.25度 ， ， 从机械设计基础表 6-2 查得以下公式 齿顶圆直径 ； mzdaa)(*1 齿根圆直径 ；chf 2 分度圆直径 ；z= 毕业设计论文 第 26 页 共 55 页 齿顶高 ；mha*= 齿根高 ； cf)+( 齿轮的具体值如表 3.2 所示 表 3.2 齿轮尺寸 （单位：mm） 齿轮 齿数 z 模数 nm分度圆直 径 d 齿顶圆直 径 a 齿根圆直 径 fd 齿顶高 ah齿根高 f 40 2.5 100 104 97 2 1.5 2. 39 2.5 97.5 101.5 93.5 2 1.5 3. 24 2.5 60 63 56 1.5 2 4. 48 2.5 120 124 117 2 1.5 5. 35 2.5 87.5 91.5 84.5 2 1.5 6. 18 2.5 45 48 41 1.5 2 7. 41 2.5 102.5 106.5 99.5 2 1.5 8. 37 2 74 78 70 1.5 2 9. 22 2.5 55 58 51 1.5 2 10. 36 2.5 90 94 87 2 1.5 11 16 2.5 40 37 44 1.5 2 3.4 传动轴及其组件结构设计 3.4.1 传动轴直径的估算及轴间中心距的确定 （1）传动轴直径的估算 传动轴除应满足强度要求外，还应满足刚度的要求，强度要求保证轴在反复载 荷和扭载荷作用下不发生疲劳破坏。机床主传动系统精度要求较高，不允许有较大变 形。因此疲劳强度一般不失是主要矛盾，除了载荷很大的情况外，可以不必验算轴的 强度。刚度要求保证轴在载荷下不至发生过大的变形。因此，必须保证传动轴有足够 的刚度。 毕业设计论文 第 27 页 共 55 页 根据金属切削机床设计指导p56 公式 ，mnPcdj491 其中： -电动机额定功率（kW） ；cp -从电机到该传动轴之间传动件的传动效率的乘积； -该传动轴的计算转速（ ） ；jninr -传动轴允许的扭转角（ ） ，并查表 21 得到 取 1.mo VII 轴轴颈：查机械设计基础公式 10-2 可得估算轴的输出端直径公式为： 31dnPC 其中：C 为常数，查表 10-2 得 C 取 318 P：轴传递的功率 n：轴的转速 所以 =318 =60mm ，31dnC37501 则可取 =25mm 作为该轴的最小轴颈，同理可以计算其它轴径的最小值。 VIII 轴轴颈： =24mm ；2d IX、X、XI、XII、XIII 轴轴颈均 =32mm 当轴上有键槽时，d 值应相应增大 45%;所有安装滑移齿轮的轴都为花键轴，当 轴为花键轴时，可将估算的 d 值减小 7%为花键轴的小径。因为矩形花键定心精度高， 定心稳定性好，能用磨削的方法消除热处理变形，定心直径尺寸公差和位置公差都能 获得较高的精度，故采用矩形花键连接。按 规定，矩形花键的定心方19874TGB 式为小径定心。查金属切削机床设计简明手册 表 8-7 可得矩形花键的基本尺6p 寸系列，每个轴上的轴花键轴的规格 nxdxDxb 为 6x32x28x8 （2）轴间的中心距的确定： 毕业设计论文 第 28 页 共 55 页 VII-VIII 轴：a=(37+48)22/2=85mm VIII-IX 轴：b=(2241)2.5/2=78.75mm IX-X 轴：c=(30+24) 2.5/2=67.5mm X-XI 轴：d=(22+35) 2.5/2=71.25mm XI-XII 轴：e=(16+40) 2.5/2=70mm XII-XIII 轴：f=(1641)2.5/2=71.25mm 3.4.2 齿轮强度验算 通过齿轮传动强度的计算，只能确定出齿轮的主要尺寸，如齿数、模数、齿宽、 螺旋角、分度圆直径等，而齿圈、轮辐、轮毂等的结构形式及尺寸大小，通常都由结 构设计而定。当齿顶圆直径 时，可以做成实心式结构的齿轮。mda160 当 时，可做成腹板式结构。因为所有齿轮的齿顶圆直径都小16050am 于 160，所以该变速相中的所有齿轮都做成实心式结构。 在验算变速箱中的齿轮应力时，选相同模数中承受载荷最大，齿数最小的齿轮进 接触应力和弯曲应力的验算。所以要验算的是 a 变速组的齿数为 40 的齿轮，b 变速组 齿数为 18 的齿轮，c 变速组齿数为 26 的齿轮。 计算公式：弯曲疲劳强度 ;FSaFtbmYK 接触疲劳强度 HtEHudZ15.2 a 变速组齿轮的验算 弯曲疲劳强度 ；FSaFtFbmYK 校核齿数为 40 的齿轮，确定各项参数 ,n=1500r/minkWP8.496.05. 毕业设计论文 第 29 页 共 55 页 )(30561/8.405.9/105.9616 mNnPT 则 =T/(d/2)=30560/（ 100/2）=611.2N tF 其中：d 为 40 齿轮分度圆直径。 查机械设计基础表 6-7 确定载荷系数: K=1.3 查机械设计基础表 6-9 齿形系数及应力校正系数 ；4.2FaY67.1Sa 计算弯曲疲劳许用应力 由机械设计基础图 6-35(c)查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 =280Mpa，flim 应力循环系数 =60nrt，查 金属切削机床设计指导 表 30 知 t=15000h20000hlN 则 Nl=601500118000= N81062. 机械设计基础图 6-36 查得 寿命系数 =0.9ntY 按一般可靠度选安全系数 =1.25fs 试验齿轮应力