毕业论文定稿-连杆盖钻孔专用设备的设计

原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763丽 水 学 院毕业设计（论文）（20 13 届）题 目 连杆盖钻孔专用设备的设计 指导教师 朱晓虹 院 别 工学院 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 机自 091 学 号 09105010125 姓 名 王磊 2013 年 3 月 25 日至 2013 年 5 月 19 日共 8 周I摘 要根据设计任务书的要求, 某厂需在连杆盖加工 13 通孔，由于批量大，为提高效率和保证孔距质量，改造立钻（Z525） ，设计该装置。本设计说明书针对连杆盖同时加工分孔装置的设计设计进行说明。主要内容包括装置工艺方案的制定、装置配置型式的选择、装置总体设计以及主轴箱设计。全文主要包括装置的总体设计和主轴箱设计两部分。机床总体设计主要是在选定工艺方案并确定机床配置形式、结构方案基础上确定“三图一卡” ，主轴箱设计根据“三图一卡” ，整理编绘出主轴箱原始依据图，重点分析传动系统，经过各种方案的比较，最后确定最优方案。关键词：主轴箱；机构设计，连杆盖1AbstractAccording to the requirements of the mission design, a plant in the connecting rod cap processing 13 through hole, as large quantities, to improve efficiency and ensure the quality of drill hole distance, transformation (Z525 ), the design of the device.The design specifications for the connecting rod lid while processing hole device design description. The main contents include device craft plan formulation, device configuration choice, device design and the headstock design.The full text mainly includes system design and the headstock design in two parts. Machine tool design is mainly in the selected process scheme and determine the form of machine configuration, structure scheme is determined on the basis of the “ three drawings and one card “, the headstock design according to the “ three drawings and one card “, reorganizes the compilation to the headstock primitive basis chart, the key analysis transmission system, through the comparison of the various programs, and finally determine the optimal scheme.KeyWords: spindle box; mechanism design, the connecting rod cap2目 录摘 要 IAbstract1目 录2第 1 章 绪论11.1 课题研究意义 11.2 钻孔专用设备应用 .11.3 钻孔专用设备 21.3.1 多轴头 21.3.2 多轴箱 .21.3.3 多轴钻床 31.3.4 自动更换主轴箱机床 .31.4 钻孔专用设备趋势 4第 2 章 连杆盖钻孔专用设备装置总体方案42.1 生产任务 .42.2 普通立式钻床的选型 42.2.1 计算所需电机功率 .42.2.2 立式钻床的确定 6第 3 章 传动箱的设计73.1 设计前的计算 .73.2 传动系统的设计与计算 8第 4 章 多轴箱的结构设计与零部件的绘制134.1 箱盖、箱体和中间板结构 .134.2 多轴箱轴的设计 .134.3 轴坐标计算 32第 5 章 导向装置的设计33第 6 章 接杆刀具33第 7 章 装置夹具设计347.1 夹具概述 3437.2 定位支承系统概述 367.2.1 定位支承系统 367.2.2 夹紧机构 37总 结39参考文献42致 谢431第 1 章 绪论1.1 课题研究意义市场的开放性和全球化使产品的竞争日趋激烈。而决定产品竞争力的指标是产品的开发时间(Time ) ， 产品(Quality) ，成本 (Cost)，创新能力(Creation)和服务(Service)。用户在追求高质量产品的同时，会更多的追求较低的价格和较短的交货周期。美国制造业在 20 世纪 50 至 40 年代主要以扩大生产规模作为企业竞争力的第一要素，而在 70 年代竞争力的第一要素为降低生产成本，80 年代为提高产品质量，90 年代为市场响应速度。所以现代企业都期望通过提高自身的科技含量，增强竞争力。制造业是国家重要的基础工业之一，制造业的基础是。是众多机械制造的母机，它的发展水平，与制造业的生产能力和制造精度有着直接关系，关系到国家机械工业以至整个制造业的发展水平.是先进制造技术的基本单元载体，机械产品的质量、更新速度、对市场的应变能力、生产效率等在很大程度上取决于的效能。因此，制造业对于一个国家经济发展起着举足轻重的作用我国是世界上产量最多的国家.根据德国工业协会(VD W )2000 年统计资料，在主要的生产国家中，中国排名为世界第五位。但是在国际市场竞争中仍处于较低水平:即使在国内市场也面临着严峻的形势 :一方面国内市场对各类产品有着大量的需求，而另一方面却有不少国产滞销积压，国外产品充斥市场。1.2 钻孔专用设备应用据统计，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。故必须更多地缩短加工时间。不同的加工方法有不同的特点，就钻削加工而言，钻孔专用设备是一种通过少量投资来提高生产率的有效措施。虽然不可调式多轴头在自动线中早有应用，但只局限于大批量生产。即使采用可调式多轴头扩大了使用范围，仍然远不能满足批量小、孔型复杂的要求。尤其随着工业的发展，大型复杂的钻孔专用设备更是引人注目。例如原子能发电站中大型冷凝器水冷壁管板有 15000 个 20 孔，若以摇臂钻床加工，单单2钻孔与锪沉头孔就要 842.5 小时，另外还要划线工时 151.1 小时。但若以数控八轴落地钻床加工，钻锪孔只要 171.6 小时，划线也简单，只要 1.9 小时。因此，利用数控控制的二个坐标轴，使刀具正确地对准加工位置，结合钻孔专用设备不但可以扩大加工范围，而且在提高精度的基础上还能大大地提高工效，迅速地制造出原来不易加工的零件。有人分析大型高速柴油机 30 种箱形与杆形零件的 2000 多个钻孔操作中，有 40%可以在自动更换主轴箱机床中用二轴、三轴或四轴多轴头加工，平均可减少 20%的加工时间。1975 年法国巴黎机床展览会也反映了钻孔专用设备的使用愈来愈多这一趋势。1.3 钻孔专用设备钻孔专用设备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。现在就这方面的现状作一简介。1.3.1 多轴头从传动方式来说主要有带传动、齿轮传动与万向联轴节传动三种。这是大家所熟悉的。前者效率较高，结构简单，后者易于调整轴距。从结构来说有不可调式与可调式二种。前者轴距不能改变，多采用齿轮传动，仅适用于大批量生产。为了扩大其赞许适应性，发展了可调式多轴头，在一定范围内可调整轴距。它主要装在有万向.二种。 （1）万向轴式也有二种:具有对准装置的主轴。主轴装在可调支架中，而可调支架能在壳体的 T 形槽中移动，并能在对准的位置以螺栓固定。 （2）具有公差的圆柱形主轴套。主轴套固定在与式件孔型相同的模板中。前一种适用于批量小且孔组是规则分布的工件（如孔组分布在不同直径的圆周上） 。后一种适用于批量较大式中小批量的轮番生产中，刚性较好，孔距精度亦高，但不同孔型需要不同的模板。多轴头可以装在立钻式摇臂钻床上，按钻床本身所具有的各种功能进行工作。这种钻孔专用设备方法，由于钻孔效率、加工范围及精度的关系，使用范围有限。31.3.2 多轴箱也象多轴头那样作为标准部件生产。美国 Secto 公司标准齿轮箱、多轴箱等设计的不可调式多轴箱。有 32 种规格，加工面积从 300300 毫米到 6001050 毫米，工作轴达 60 根，动力达 22.5 千瓦。Romai 工厂生产的可调多轴箱调整方便，只要先把齿轮调整到接近孔型的位置，然后把与它联接的可调轴移动到正确的位置。因此，这种结构只要改变模板，就能在一定范围内容易地改变孔型，并且可以达到比普通多轴箱更小的孔距。根据成组加工原理使用多轴箱或多轴头的组合机床很适用于大中批量生产。为了在加工中获得良好的效果，必需考虑以下数点：（1）工件装夹简单，有足够的冷却液冲走铁屑。 （2）夹具刚性好，加工时不形变，分度定位正确。 （3）使用二组刀具的可能性，以便一组使用，另一组刃磨与调整，从而缩短换刀停机时间。 （4）使用优质刀具，监视刀具是否变钝，钻头要机磨。 （5）尺寸超差时能立即发现。1.3.3 多轴钻床这是一种能满足钻孔专用设备要求的钻床。诸如导向、功率、进给、转速与加工范围等。巴黎展览会中展出的多轴钻床多具液压进给。其整个工作循坏如快进、工进与清除铁屑等都是自动进行。值得注意的是，多数具有单独的变速机构，这样可以适应某一组孔中不同孔径的加工需要。1.3.4 自动更换主轴箱机床为了中小批量生产合理化的需要，最近几年发展了自动更换主轴箱组合机床。(1) 自动更换主轴机床自动更换主轴机床顶部是回转式主轴箱库，挂有多个不可调主轴箱。纵横配线盘予先编好工作程序，使相应的主轴箱进入加工工位，定位紧并与动力联接，然后装有工件的工作台转动到主轴箱下面，向上移动进行加工。当变更加工对象时，只要调换悬挂的主轴箱，就能适应不同孔型与不同工序的需要。(2)多轴转塔机床转塔上装置多个不可调或万向联轴节主轴箱，转塔能自动转位，并对夹紧在回转工作台的工件作进给运动。通过工作台回转，可以加工工件的多个面。因为转塔不宜过大，故它的工位数一般不超过 46 个。且主轴箱也不宜过大。当加工对象的4工序较多、尺寸较大时，就不如自动更换主轴箱机床合适，但它的结构简单。(3)自动更换主轴箱组合机床它由自动线或组合机床中的标准部件组成。不可调多轴箱与动力箱按置在水平底座上，主轴箱库转动时整个装置紧固在进给系统的溜板上。主轴箱库转动与进给动作都按标准子程序工作。换主轴箱时间为几秒钟。工件夹紧于液压分度回转工作台，以便加工工件的各个面。好果回转工作台配以卸料装置，就能合流水生产自动化。在可变生产系统中采用这种装置，并配以相应的控制器可以获得完整的加工系统。(4) 数控八轴落地钻床大型冷凝器的水冷壁管板的孔多达 15000 个，它与支撑板联接在一起加工。孔径为 20 毫米，孔深 180 毫米。采用具有内冷却管道的麻花钻，57 巴压力的冷却液可直接进入切削区，有利于排屑。钻尖磨成 90供自动定心。它比普通麻花钻耐用，且进给量大。为了缩短加工时间，以 8 轴数控落地加工。1.4 钻孔专用设备趋势钻孔专用设备生产效率高，投资少，生产准备周期短，产品改型时设备损失少。而且随着我国数控技术的发展，钻孔专用设备的范围一定会愈来愈广，加工效率也会不断提高。第 2 章 连杆盖钻孔专用设备装置总体方案2.1 生产任务在一批连杆盖上有同一个面上有 2 个孔加工。在普通立式钻床上进行孔加工，通常是一个孔一个孔的钻削，生产效率低，用非标设备，即组合机床加工，生产效率高，但设备投资大。但把一批普通立式普通单轴钻床改造为立式多轴钻床，改造后的多轴钻床，可以同时完成多个孔的钻、扩、铰等工序。52.2 普通立式钻床的选型2.2.1 计算所需电机功率零件图如图 1 所示：图 1 为工件零件图，材料：45；料厚：27mm；硬度：HBS170-240HBS；年产量：1000 万件；2- 13 尺寸精度 IT13.(1) 确定 2 个孔同时加工的轴向力，公式： FFFknVYZdC0式中： =365.9, = , =0.661, =1.217, =0.361, =1.1,FC0d31FZFYn=0.35m/s（表 15-37） 文献 1V则 N09.4136.05217.6.019.3653 所需电机功率： KWVFP9462.2.2 立式钻床的确定根据上面计算所需电机的功率，现选用 Z525 立式钻床，其主要技术参数如表 1 所示：表 1 Z525 立式钻床主要技术参数型 号技 术 规 格Z525最大钻孔直径（mm） 25主轴端面至工作台距离(mm) 0-700主轴端面至底面距离(mm) 750-110主轴中心至导轨距离(mm) 250主轴行距(mm) 175主轴孔莫氏解锥度 3 号主轴最大扭转力矩(Nm) 245.25主轴进给力(N) 8829主轴转速(r/mm) 97-1360主轴箱行程(mm) 200进给量(mm/r) 0.1-0.8工作台行程(mm) 325工作台工作面积(mm 2) 500375主电动机功率(kw) 2.87第 3 章 传动箱的设计 3.1 设计前的计算（1）大致了解工件上被加工孔为 2 个 13 的孔。毛坯种类为灰铸铁的铸件，由于石墨的润滑及割裂作用，使灰铸铁很易切削加工，屑片易断，刀具磨损少，故可选用硬质合金锥柄麻花钻（GB10946-89） 文献 2（2）切削用量的确定根据表 27文献？，切削速度 ,进给量 .min/21Vcrmf/17.0则切削转速 i/9834.10rdns根据 Z525 机床说明书，取 in/6ns故实际切削速度为： min/2.01934.0dVwc （3）确定加工时的单件工时图 2 为钻头工作进给长度，8一般 为 5-10mm,取 10mm，切 入L文献 3 md2.10837.631切 出 mL5加 工加工一个孔所需时间： min15.07.9621 fnLtwm切 出加 工切 入单件时工时： i3.05.21t3.2 传动系统的设计与计算(1)选定齿轮的传动方式齿轮分布方案确定：根据分析零件图，多轴箱齿轮分布初定有以下形式根据通常采用的经济而又有效的传动是。因此，本设计中采用了图 3 所示的齿轮分布方案。9（3）明确主动轴、工作轴和惰轮轴的旋转方向，并计算或选定其轴径大小。因为所选定的 Z535 立式钻床主轴是左旋，所以工作轴也为左旋，而惰轮轴则为右旋。根据表 2 确定工作轴直径机械制造.8/97：43表 2 加工孔径与工作轴直径对应表（mm）加工孔径 12 1216 1620工作轴直径 15 20 25因为加工孔径为 13mm,所以工作轴直径选 20mm.本设计的齿轮传动为单层次的齿轮外啮合传动，传动分布图如图 4 所示。主动轴和惰轮轴的直径在以后的轴设计中确定。（4） 排出齿轮传动的层次，设计各个齿轮。 本设计的齿轮传动为单层次的齿轮外啮合传动，传动分布图如图 4 所示。 在设计各个齿轮前首先明确已知条件：电机输入功率 ,齿轮转速KWP8.21, 齿轮转速 ,假设齿轮、的传动比均为 i=0.84,min/1360rnmin/9603rn即齿轮比 u=1.2,工作寿命 15 年（每年工作 300 天） ，两班制。 选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数选用直齿轮圆柱齿轮传动；多轴箱为一般工作机器，速度不高，故选用 7 级精度（GB10095-88）;材料选择由表 10-1文献 4选择齿轮材料为 40Cr（调质） ，硬度为 280HBS，齿轮材料为 45（调质） ，硬度为 240HBS，齿轮材料为 45（常化） ，硬度 210HBS;选齿轮齿数 ,齿轮齿数 ,取 .201Z20112uZZ 按齿面接触强度设计 由设计计算公式进行试算， 3211 . HEdtt uTKd10 确定公式内的各计算数值1)试选载荷系数 ;3.1tK2)计算齿轮传递的转矩 mNnPT 45151 1096.13/8.20.9/0.93)由表 10-7文献 4选取齿宽系数 =0.5d4)由表 10-6文献 4 查得材料的弹性影响系数 2/18.MPaZE5)由表 10-21d文献 4 按齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限？ ;齿MPaH601lim轮的接触疲劳强度极限？ ;aH502lim6)由表 10-13文献 4 计算应力循环次数： 91 10875.38136060 hjLnN992.42/875.7)由表 10-19文献 4 查得接触疲劳寿命系数 , ;.1HNK.2HN8)计算接触疲劳许用应力:取失效概率为 1%，安全系数 ,由式(10-12) 文献 4 得：1SMPaSKHH54069.01limli1;N.2.2li2计算1)试算小齿轮分度圆直径 ，代入 中较小的值:td1H243211 5.819.21096.3.2. Edtt ZuTKdm649.52)计算圆周速度 V: smndVt /81.310649.53.103)计算齿 bHd 24)计算齿宽与齿高之比 h/模数： mzmtt 35.469.53/111齿高： 029.53.25. tmh5)计算载荷系数根据 v=3.81m/s,7 级精度，由图 10-8文献 4 查得动载系数 Kv=1.14,直齿轮，假设 ,由表 10-3文献 4 查得 ;NbFKta/10/ 2.1FHK由表 10-2文献 4 查得使用系数 ;A由表 10-4文献 4 查得 7 级精度齿轮相对支承非对称布置时，bdH 3210.6.018.2.1 将数据代入后得：;182.649.5 32K由 ,查图 10-13文献 4得， ;18,35/Hhb FK故载荷系数 721.HVAK6)按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式（10-10a） 文献 4 得，=53.649x =57.18mmtd13/t3./574.17)计算模数 mm=2mm.按齿根弯曲强度设计由式（10-5） 文献 4 得弯曲强度的设计公式为 m 321FSadYzkT确定公式内的各计算数值1） 由图 10-20文献 4 查得齿轮的弯曲疲劳极限 =500Mpa;1FE齿轮的弯曲疲劳强度极限 =380Mpa;2FE2)由图 10-18文献 4 查得弯曲疲劳寿命系数 ;8.0,5.21FNFNK3)计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 S=1.4,由式（10-12） 文献 4 得： 1= = =303.57MpaFSKFEN14.508= =238.86MPa22.34)计算载荷系数 532.1.21.FVAKK125) 查取齿形系数由表 10-5文献 4 查得 53.2,6.1FaFaY6)查取应力校正系数由表 10-5文献 4 查得 .1,8.21sasa7）计算齿轮、的 并加以比较FSY= =0.013791FSaY57.30862= =0.017162FSa.齿轮的数值大。设计计算m 3240176.5.096125.m对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数 m 大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数 m 的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数 2。在零件图中可知，主动轴与惰轮轴的中心距为 40mm，即齿轮、完全啮合的中心距，得：几何尺寸计算计算分度圆直径：d1=Z1m=20x2=40mmd2=Z2m=20x2=40mm计算中心中距a =40mm,a =40mm计算齿轮齿宽 mdb2045.1取 B,2验算13Ft= = =819.2N12dT0.481964= =35.66N/mmS=1.5 故安全2226.351.7截面 E 右侧面校核：抗弯截面系数 W 为：W=0.1d 3=0.1x203=800mm3抗扭截面系数 WT为：W T=0.2d3=0.2x203=1600mm3弯矩 M 及弯曲应力为:M=39300x =35496.85.7mN= = =44.4Mpab80.35496扭矩 T3及扭转应力 为：T 3=19700 mN= = =12.3MpaTW316097截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数 a 及 a 按附表 3-2 查取 文献 4 ，因 = =0.05, = =1.25,经插值后可查得:a ,adr20.1dD2053.26.1又由附图 3-1文献？可得轴提材料的敏性系数为：q ,q75.08.故有效应力集中系数按式（附 3-4） 文献 4 为：k 213.75.011aqk 5.6.8.由附图 3-2文献 4 得尺寸系数 1由附图 3-3文献 4 得扭转尺寸系数 97.019轴按磨削加工，由附图 3-4文献 4 得表面质量系数为 = =0.92轴未经表面强化处理，即 ，则按式（3-12）及（3-12） 文献 4 ，得综合1q系数值为：K = - -1= + =2.091219.0K = + -1= + =1.677.532.计算安全系数：S = = =2.96maK1 01.409.275S = = =14.7ma1 23.5.67.Sca= = =2.9S=1.52227.1496.故该轴在截面右侧面是安全的，又因为轴无大的瞬时过载及严重的应力循环不对称性，故可略去静强度校核。轴承的校核机床一般传动轴的滚动轴承失效形式，主要是疲劳破坏，故应进行疲劳寿命计算。滚动轴承疲劳寿命计算公式：（10-5） 文献 4PCnLh60120式中： )(hLh额 定 寿 命min/(rn转 速，表 3.8-50文献 6)C额 定 动 载 荷动 载 荷P3因为所受的轴向力太小，所以忽略不计,Fa=0所受径向力 Fr=945.6/2=472.8N 表 3.8-50文献 6 P=0.41Fr+0.87Pa=0.41x472.8=193.8 =30000h(表 13-3) 文献 6 hLh 641098.193560L轴承安全(2)惰轴的设计轴材料的选择表 15-3文献 4 轴材料选用 45 钢，调质处理。轴径的确定根据公式 dA 0 (15-2) 文献 4 3nP=110 ，取 d=20mm8.14.0136%98221轴的结构设计：选择滚动轴承因为轴承同时受有径向载荷及轴向载荷，选用单列向心球轴承，由表 1-14文献 3,选用 7002c 轴承。轴上各段直径，长度如图 8 所示。键的确定因为齿轮宽为 30mm,所以选用 6x6x18 平键，表 6-1文献 4 轴上圆角和倒角尺寸参考表 15-2文献 4 ，取轴端倒角 2x450,各轴肩的圆角半径为 R=1.0mm.扭合成校核轴的强度作出轴的计算简图22轴上扭转力矩为M=9549x =9549x =23.2nP84.0136%92mN周向力为Py= = =2320NdM2310.径向力为 Pz=0.48 Py=0.48x2320=1113.6N根据轴的计算简图，分别作出轴的扭矩图、垂直图的弯矩 My 图和水平平面内的弯矩 Mz 图，如图 10 所示。从图中可知，截面 E 为危险截面，在截面 E 上，扭矩 T 和合成弯矩 M 分别为T=23.2 ;mNM= = =32.82zy22.34.15mN按第三强度理论进行强度校核 文献 5:公式 ，W12TM