三孔轴承盖加工工艺及Z525钻床夹具设计

三孔轴承盖加工工艺及Z525钻床夹具设计 【摘要】本设计主要是关于普通钻床改造为多轴钻床的设计及其夹具设计。普通钻床为单轴机床，但安装上多轴箱就会成为多轴的钻床，改造成多轴钻床后，能大大地缩短加工时间，提高生产效率。因此本设计的重点是多轴箱的设计，设计内容包括齿轮分布与选用、轴的设计、多轴箱的选用、导向装置设计等。本次设计所选定的夹具方案为采用圆柱面定心夹具（三个点确定一个圆），定位准确，采用压板进行压紧，进行各种机械加工，夹紧力稳定，能满足普通精度机床的要求。【关键词】： 多轴钻床；立式；钻床；多轴头；固定；夹具 Three-ring bearing cover machining technology and Z525 drilling fixture design Abstract: The design is about reconstructing the ordinary drill to a multiple drill and fixture design. The ordinary drill is a single drill. It will improve its productive efficiency, shorten its processing time if assembled a multiple spindle case on. That so calls a multiple drill. Hereby, the keystone of this design paper is how to design a multiple spindle heads. The design subjects include the selection and distribution of gear wheel, the design of spindle, and the guiding equipment and selection of the multiple spindle heads, etc. This design of fixture scheme selected for using cylinder centralizer(There points define a circle) .With clamp pressure，all kinds of mechanical processing，clamping force is stable and can meet the requirement of general precision machine tools.Key words: multiple drill; drilling machine；multiple spindles heads; fixture；目 录1 概述21.1 多轴头的加工应用和组成21.2 多轴头的发展现状31.3 设计多轴头的技术思路31.4 多轴头加工趋势32 工艺设计421 零件的技术要求分析42.1.1轴承盖的结构特点42.1.2零件的技术要求表42.1.3轴承盖的作用42.1.4毛坯的选择42. 2 各表面加工方法确定523 工艺路线确定52.3.1各表面加工方法的选择52.3.2加工阶段的划分52.3.2加工顺序的安排524 加工余量和工序尺寸确定725 设备及工、卡、量具确定726 工时定额计算72.6.1 工序1 粗车轴承盖两端面72.6.2 工序2粗车轴承盖和外圆表面82.6.3 工序3 钻孔92.6.4 工序4 扩孔102.6.5 工序5 粗镗孔102.6.6 工序6 半精镗孔102.6.7 工序7 半精车轴承盖和外圆表面102.6.8 工序8 去毛刺，倒角112.6.9 工序9 检验，装箱113 多轴头总体设计123.1多轴头总体布局123.2对多轴头的要求123.3多轴头传动方案的确定133.4 定位、导引方案确定153.5 主要参数确定153.5.1 运动参数确定163.5.2 动力参数确定172.5.3 尺寸参数确定184 传动系统设计194.1 齿轮模数确定194.2 工作轴直径的确定194.3 传动方式选择204.4 主动轴中心位置的确定204.5 齿轮齿数确定214.5.1 确定传动比214.5.2 确定各轴上齿轮的齿数234.5.3 主动轮与工作轴齿轮参数的确定234.5.4 惰轮参数的确定244.6 结构干涉检查255 多轴头结构设计275.1 连接部件结构设计275.2 主动轴结构设计275.3 工作轴结构设计285.4 惰轮轴结构设计285.5 导向部件结构设计295.6 箱体结构设计296 有关零件校核306.1 齿轮的校核306.2 轴的验算316.3 轴承的校核337 夹具设计357.1 定位装置设计367.1.1 夹具的定位367.1.2 工件的定位367.2 夹紧装置设计367.3 导引装置设计367.3.1 钻模结构型式的选择377.3.2 钻套型式的选择39结论40致谢41参考文献43III引 言当前，我国中小零部件机械产业正处于稳步发展的成熟期，国产零部件机械国产机械的技术水平已经接近或达到世界先进水平，大规模靠引进技术发展的时代已经结束。吸收、学习国外先进技术的渠道和方法大为增加，自身开发能力大大提升，大型机械开发周期一般不超过一年。行业格局发生很大的变化。一是国外著名的机械企业纷纷在中国建厂，改变了机械生产企业的结构 。它们的机械方面具有雄厚的技术和经济实力，代表着世界先进水平，今后将会对中国机械行业的生产格局产生深远影响。其在产品开发、制造及知识产权保护等许多方面给中国企业提供了学习的好机会。二是国已经逐渐取代进口设备成为主力。主要表现如下：国内著名大企业成功介入机械产品的生产，并向多种方向发展，凭借大厂在经验、技术 、经济、制造方面的实力，其机械产品在销售市场上已经占据了主导地位。这些变化，极大的增强了我国机械行业的实力，对中小企业的发展也有很大的影响。多轴头主要用于快速钻孔。是目前国内刚刚兴起的一种提高生产效率、降低成本的工作母机。随着国内汽配行的发展，个零部件供应商之间竞争激烈，选择一种高性能、高效率的机床是企业降低生产成本、提高企业竞争力的一种行之有效的途径。一台普通的多轴头加一台普通的钻床就能一次把几个乃至十几二十个孔或螺纹一次性加工出来。如再配上专用多轴钻孔机就能把好几个面上的孔或者螺纹一次性加工完成。解决许多工件难以装夹、定位或者定位不准的问题。多轴钻床设计结构简单，加工精度高，性能稳定，钻孔能力强，适用于高精度钻孔，镗孔。解决了高精度钻孔，镗孔上加工中心加工成本高的问题。丝锥夹头夹持范围大节省攻不同直径的螺纹需换芯的时间。齿轮传动多轴头设计是一个传统的机械课题，对设计者的机械基础知识要求较高。多轴头的设计特点是程序性强。我们应按照设计程序，逐步进行设计与计算。1 概述1.1 多轴头的加工应用和组成据统计，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，多轴加工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，大型复杂的多轴加工更是引人注目。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，结合多轴加工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多轴加工的使用愈来愈多这一趋势。多轴头由下列三个部分组成：（1）多轴头与机床的连接部件和传动部件，包括法兰盘和传动杆等。（2）多轴头导向部件，如导向套和导柱等。（3）齿轮传动箱，包括主动轴、惰轮轴、工作轴、齿轮、本体、中间板以及上盖等。这套多轴动力头装置与机床连接是由莫氏3#套锥与立钻主轴连接，钻床主轴通过莫氏3#锥套将动力传递给动力头的主传动轴7然后通过惰轮轴4、5、6将驱动力传递给工作轴1、2、3带动钻头完成三孔加工。1.2 多轴头的发展现状多轴头主要用于快速钻孔。是目前国内刚兴起的一种提高生产效率、降低成本的工作母机。目前我国东北、华北、华南等重工业较为发达地区已经出现了大批的有竞争力的钻床生产企业，该项技术已经投放市场。近十年来，以计算机为工具，以有限元为方法，利用现代设计方法，形成了现代机械设计方法。从国际范围来说，现代机械设计方法在近十年来才开始重视起来并得到迅速的发展。现代机械设计方法虽然发展历史很短，但进展很快，在各种专用机械设计和工艺设计方面都很快得到应用，并取得了一定的成果。一批民营中小企业迅速成长起来，壮大起来，规模和技术实力大增。我国多轴头设计及制造技术虽然取得了一定的成就，但与西方机械产业发达国家相比较还是有不小的差距，如美国、日本、德国等传统机械产业强国在钻床方面的发展已经极为成熟。在工业生产中多轴头这种技术也已普遍利用。此外，在钻床发展方向上，国外先进技术也已经朝着采用超硬刀具，发展高效、高速、高精度铣钻新工艺，装备CNC数控铣钻床的方向发展。1.3 设计多轴头的技术思路齿轮传动多轴头设计是一个传统的机械课程，对设计者的机械基础知识要求较高。多轴头的涉及特点是程序性强，我们应按照设计程序，逐步进行设计与计算。传统的钻孔加工一次只加工一个孔，也就只需要一根主工作轴，以主轴带动钻头完成孔加工。但这次的课题是Z525立式钻床钻三孔多轴头设计，多轴头上要装三把刀，能够一次完成三个孔的加工，就要求有三根工作轴。所以要将这套多轴动力头装置与机床以莫氏3#锥套与立钻主轴连接，钻床主轴通过莫氏3#锥套将动力传递动力头的主传动齿轮，然后通过传动轴将驱动力传递给输出轴带动钻头完成多孔加工。在进行钻三孔多轴头的设计时，首先应确定被加工工件的尺寸，确定要加工的三个孔的尺寸和相对位置，从而确定主轴和各传动轴的中心距，确定各轴的最小直径，之后 再相继确定各传动齿轮的模数、齿数、齿顶、齿根圆直径等齿轮的详细参数，进行轴承的选择等。最后并对各轴，各齿轮，轴承等各零部件进行校核，从而完善设计。1.4 多轴头加工趋势多轴加工生产效率高，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，多轴加工的范围一定会愈来愈广，加工效率也会不断提高。2 工艺设计21 零件的技术要求分析:2.1.1轴承盖的结构特点尺寸较小，外形复杂的壳体零件。还有半圆孔表面，里面同时有回油环，回油孔，还有两个螺栓连接孔，其位置精度要求较高，两个侧面的垂直精度和尺寸精度都高，还需钻螺纹孔，攻螺纹，虽然外形复杂，不过加工的面积少。2.1.2零件的技术要求表：加工表面尺寸及偏差mm公差等级粗糙度 m形位公差mm轴承盖端面IT1212.5轴承盖外圆表面IT106.3IT106.3轴承盖孔内表面IT106.3IT1212.5打孔IT1112.5扩孔IT106.32.1.3轴承盖的作用：安装轴承，承受交变应力。禁止灰尘等异物侵入转动体的滚道；保证润滑剂（润滑脂）仅对转动体和滚道起作用而不溢出。一定程度上避免曲轴受外力作用而破坏。2.1.4毛坯的选择：（1）选择毛坯由于该轴承盖在工作过程中要承受冲击载荷，为增强强度和冲击韧度，获得纤维组织，毛坯选用铸件。该轴承盖的轮廓尺寸大，且生产类型属大批生产，为提高生产率和铸件精度，宜采用模铸方法制造毛坯，毛坯拔模斜度为5。（2）确定毛坯的尺寸公差1公差等级：由轴承盖的功能和技术要求，确定该零件的公差等级为普通级。2铸件件材质系数：由于该轴承盖材料为HT200。 3锻件分模线形状：根据该轴承盖的形位特点，选择零件方向的对称平面为分模面，属于平直分模线。4零件表面粗糙度：由零件图可知，该轴承盖的各加工表面粗糙度Ra均大于等于6.3m。2. 2 各表面加工方法确定车，铣，钻，镗，扩23 工艺路线确定2.3.1各表面加工方法的选择加工表面公差mm及精度等级表面粗糙度 m加工方案轴承盖两端面IT1212.5粗车轴承盖外圆表面IT106.3粗车-半精车轴承盖孔内表面IT106.3粗镗-半精镗IT1212.5粗镗打孔IT1112.5钻扩孔IT106.3扩2.3.2加工阶段的划分该辊筒体加工质量要求较高，可将加工阶段划分为粗加工、半精加工和精加工几个阶段。2.3.2加工顺序的安排1机械加工工序：（1）遵循“先基准后其它”原则，首先加工精基准-轴承盖左堵头内孔100f8。（2）遵循“先粗后精”原则，先安排粗加工工序，后安排精加工工序。2具体方案：方案一：（1）铸造（2）粗车两端面 （3）镗孔 （4）钻孔 （5）扩孔（6）粗车外圆端面 （7）粗车外圆端面 （8）半精车外圆端面 （9）半精车外圆端面 （10）粗镗内圆端面 （11）粗镗内圆端面 （12）半精镗内圆端面 （13）检验，装箱方案二：（1）铸造（2）粗车两端面 （3）粗车外圆端面 （4）粗车外圆端面 （5）镗孔 （6）钻孔 （7）扩孔 （8）粗镗内圆端面 （9）粗镗内圆端面 （10）半精镗内圆端面（11）半精车外圆端面 （12）半精车外圆端面 （13）去毛刺，倒角 （14）检验，装箱论证：为使加工出一个符合零件的技术要求和装配要求选取一个最为合适的方案作出下列论证：方案一：为了使零件在加工后不发生应力变形，先对零件进行钻孔，然后对其整个零件进行粗加工、精加工，但这样在对零件整体进行加工时，由于零件体积较大，使加工变得更加复杂化，且浪费时间。因此，此方案设计不合理。方案二：此方案在同时进行粗加工后，进行钻孔，在焊接后对零件各表面进行精加工，即满足了设计要求又节省了时间。因此，此方案为最佳方案。3工序的集中与分散：该辊筒体的生产类型为大批生产，可以采用万用型机床配以专用工、夹具，以提高生产率；而且运用工序集中原则使工件的装夹次数少，不但可缩短辅助时间，而且由于在一次装夹中加工了许多表面，有利于保证各加工表面之间的相对位置精度要求。24 加工余量和工序尺寸确定加工表面加工方案加工余量精度等级尺寸及精度轴承盖两端面 粗车2IT12 轴承盖外圆表面 半精车1.8IT10 粗车2.5IT12轴承盖 f10外圆表面 半精车1.5IT10 粗车2.5IT12轴承盖孔内表面 半精镗1.0IT10 粗镗2.0IT12轴承盖孔内表面 粗镗2.0IT12打孔 钻10IT11扩孔 扩10IT1025 设备及工、卡、量具确定：1、设备：车床 镗床 铣床 钻床2、工艺装备：通用、专用车刀、专用镗刀、专用夹具，YG6镗刀，YG6硬质合金端车刀，扩刀，钳工锉刀，塞规（检测孔的大小），游标卡尺等等26 工时定额计算2.6.1 工序1 粗车轴承盖两端面工步一1. 加工条件工件材料：HT200,b =170240MPa，铸造;工件尺寸： l=25mm加工要求：粗车轴两端面，加工余量2mm; 机床：C6140车床刀具：YG6硬质合金端车刀。车削宽度ae90,深度ap6, ,故根据机械制造工艺设计简明手册（后简称简明手册）表3.1，取刀具直径d0=125mm。根据切削用量手册（后简称切削手册）表3.16，选择刀具前角00后角08，副后角0=10，刃倾角s=10,主偏角Kr=60,过渡刃Kr=30,副偏角Kr=5。2. 切削用量（1）确定切削深度ap 因为余量较小，故选择ap=2mm一次走刀即可完成。（2）确定每次进给量fz 由于本工序为粗加工，尺寸精度和表面质量可不考虑，从而可采用不对称端车，以提高进给量提高加工效率。根据切削手册表3.5，使用YG6硬质合金端车刀加工，机床功率为4.5kw（据简明手册表4.2-35，C6140车床） fz=0.60.9mm/z 故选择：fz=0.66mm/z。（3）确定刀具寿命及磨钝标准 根据切削手册表3.7，车刀刀齿后刀面最大磨损量为1.5mm；由于车刀直径d0=125mm，故刀具使用寿命T=180min（据简明手册表3.8）。（4）计算切削速度vc根据切削用量简明手册表1.11查取：V=100m/minNs=1000v/3.14d=1000100/3.14130=245.0r/min根据切削用量简明手册实际转速为250r/min故实际切削速度Vc=3.14d N实/1000=3.14130250/1000=102.1m/min工步一粗车上端面的切削用量为：a =2mm，f =0.66mm, n =250r/min, V =102.1m/min。tmL/ nf=(65+1.6)/2500.66=0.40min工步二粗车下端面的切削用量为：a =2mm，f =0.66mm, n =250r/min, V =102.1m/min。tm =0.2min2.6.2 工序2粗车轴承盖外圆表面1选择刀具：与粗车端面刀具相同2确定切削用量（1）确定背吃刀量半精车外圆，加工余量为2.5mm,一次走刀，asp=2.5/2=1.25mm。(2)确定进给量由切削用量简明手册表314得f=1.01.4mm/r。再由简明手册表412查取f =1.02mm/r。（3）选择刀具磨钝标准及耐用度：后刀面磨钝标准为0.81.0,耐用度为T=60min。根据切削用量简明手册表1.11查取：V=100m/minNs=1000v/3.14d=1000100/3.14130=245.0r/min根据切削用量简明手册实际转速为250r/min.故实际切削速度:Vc=3.14d N实/1000=3.14130250/1000=102.1m/min工步一：粗车外圆表面，此工步的切削用量为：a =1.25mm，f =1.02mm/r, n =250r/min, V =102.1m/min。tmL/ nf=(15+2.7)/2501.02=0.12min工步二：粗车外圆表面，此工步的切削用量为：a =1.25mm，f =0.76, n =320r/min, V =100.5m/min。tmL/ nf=(10+2.7)/1600.67=0.07min2.6.3 工序3 钻孔1刀具选择 高速钢麻花钻头，其直径10mm，双维修磨横刃。2选择切削用量(1)决定进给量f 按加工要求决定进给量：据简明手册铸铁的强度小于等于200HBS，d=10mm时，f=0.470.57mm/r由于l/d=12/9=1.33,所以不用乘孔深修正系数。 按钻头强度决定进给量：据简明手册钻头强度为640Mpa，d=10mm钻头强度允许的进给量f=1.0mm/r 按机床进给机构强度决定进给量：据简明手册强度小于等于640MPA，d小于等于10.2mm，f=2.25mm/r。比较可以看出加工要求进给量是工艺要求，f=0.470.57mm/r，根据钻床说明书f=0.48mm/r。由于是加工通孔，为了避免孔即将通是钻头容易断，故在即将通时改为手动进给。(2）决定钻头磨钝标准和寿命 据简明手册，d=10mm，最大磨损量取0.6mm，寿命为35min(3）决定切削速度 强度为200MPA的铸铁5类当为5类f=0.27mm/r，双维修磨横刃，d=10mm时据简明手册Vt =16m/min修正系数为ktv=1.0,kcv=1.0,k1v=0.85,k0v=1.0 V=vtkv=16110.851=13.6m/minn =1000VC/3.14D =100013.6/3.149=481.2r/min 据简明手册转床最接近481.2r/min的转数为545r/min(4）计算基本工时 tmL/ vf，L=l+ y+，l=15mm.查切削手册表3. 26，入切量及超切量为：y+=6mm，则：tmL/ nf=(15+6)/0.48545=0.08min。2.6.4 工序4 扩孔1，刀具选择 扩刀，其直径为112，选择切削用量2.6.5 工序5 粗镗孔工步一：粗镗孔 机床：T68卧式镗床 单边余量由简明手册4.2-20查得取由简明手册4.2-21查得取VC= 3.14Dn /1000=3.1470200/1000=43.96m/min计算切削工时tmL/ nf=(6+2.0)/2000.52=0.08min工步二：粗镗孔 机床：T68卧式镗床 单边余量由简明手册4.2-20查得取由简明手册4.2-21查得取VC= 3.14Dn /1000=3.1485200/1000=53.4m/min计算切削工时tmL/ nf=(10+2.0)/2000.52=0.12min2.6.6 工序6 半精镗孔机床：T68卧式镗床 单边余量z=0.5mm 由简明手册4.2-20查得取由简明手册4.2-21查得取VC=3.14Dn /1000=3.1470200/1000=43.96m/min计算切削工时Tm=L/fm=6+2/2000.52=0.082.6.7 工序 7 半精车轴承盖外圆表面：1. 加工条件工件材料：HT200,b =170240MPa，铸造;工件尺寸： l=25mm;加工要求：半精车外圆表面，加工余量1.8mm;刀具：车刀形状，刀杆尺寸都与粗车相同。刀牌型号为YT15, KR =45, KR =5, Y0 = 90, a0 =82.确定切削用量（1）确定背吃刀量 半精车外圆，加工余量为1.8mm,一次走刀，asp=1.8/2=0.9mm。(2)确定进给量由切削用量简明手册表314得f=1.01.4mm/r。再由简明手册表412查取f =1.02mm/r。（3）选择刀具磨钝标准及耐用度：后刀面磨钝标准为0.81.0,耐用度为T=60min。 (4)确定切削速度VC根据切削用量简明手册表1.11查取：V=100m/minNs=1000v/3.14d=1000100/3.14130=245r/min根据切削用量简明手册实际转速为250r/min故实际切削速度Vc=3.14d N实/1000=3.14130250/1000=102.1m/min工步一：半精车外圆，此工步的切削用量为：a =0.9mm，f =1.02mm/r, n =250r/min, V =102.1m/min。tmL/ nf=(15+2.0)/2501.02=0.07min工步二：半精车外圆，此工步的切削用量为：a =1.25mm，f =0.76, n =320r/min, V =100.5m/min。tmL/ nf=(10+2.7)/1600.67=0.12min2.6.8 工序 8 去毛刺，倒角2.6.9 工序 9 检验，装箱第 43 页 共 43 页3 多轴头总体设计3.1多轴头总体布局在进行多轴头总体布局时，要遵循简化传动系统，使多轴头结构紧凑的原则，进行多轴头的结构设计。多轴头的总体布局如下所述：一个结构完整的多轴头，主要包括连接部件、传动部件、箱体、主动轴、惰轮轴、工作轴、箱体和导向部件等。在多轴头箱体的上部，是多轴头与机床的连接部件和传动部件；多轴头箱体是齿轮传动箱，其中主要包括主动轴、惰轮轴、工作轴、齿轮、本体、中间板及上盖等；而多轴头的导向部件，主要由导向套和导柱组成，导柱装在钻模板上；装夹被加工工件的夹具地盘与导柱的底座以螺栓相连接。3.2对多轴头的要求1、产品方面应明确：工件上被加工孔的直径、数目、分布情况、位置精度及工作的材料等。如本次加工的轴承端盖（产品图见图纸），本产品毛坯为铸造件，材料为HT190，生产批量：中等批量，要求同时钻扩三个孔，这三个孔均匀分布在半直径为115mm的圆上。2、工艺方面应明确：工序内容（钻、扩）铰或攻丝），切削用量（刀具转速、切削速度及刀具每转进给量），单件工时及生产批量等。本次加工的轴承端盖生产批量：中等批量。本工艺卡为产品的工艺过程，本产品的重点工序是三个直径为11mm的孔的加工，从产品图我们可以知道，产品毛坯为铸造件。但在铸造时，产品是否要留余量，以及留多少，产品是否需要留有铸造盲孔，都是需要考虑的问题。我根据【8】中的表39.3-7查得铸造余量为4mm，再根据【9】中的表1-166查得，当孔的直径小于等于20mm，不需铸造孔。所以本产品不需铸造孔。3、机床方面应明确：机床主轴的回转方向，机床主轴各级转速，机床主轴各级进给量，机床额定功率，机床允许最大轴向进给力，机床主轴端面至工作台面的最大及最小距离等。钻床系指主要用钻头在工件上加工孔的机床。通常钻头旋转为主运动，钻头轴向移动为进给运动。钻床结构简单，加工精度相对较低，可钻通孔、盲孔，更换特殊刀具，可扩、锪孔、铰孔或进行攻丝等加工。立式钻床的主轴箱和工作台安置在立柱上，是主轴垂直布置的钻床。本次设计选用Z525立式钻床，规格尺寸如下：表3.1 Z525立式钻床相关规格尺寸技术规格型号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(mm2)500375主电动机功率(kw)2.83.3多轴头传动方案的确定多轴头架的传动原理是通过齿轮啮合增加钻削轴的轴数，以满足多孔加工的要求。通过二级齿轮啮合，输入轴和输出轴的转向没变，但由于齿轮分支传动，变成多根输出轴。本次设计的是钻三孔多轴头，要求能够同时加工轴承端盖上的三个孔。因此一根机床主轴要能同时带动三个工作轴进行三孔的加工，又因为反向无进给力，因此要在主动轮和工作轮之间加个惰轮以改变方向。根据该设计思路初步确定了如下图所示的两种传动方案：方案一： 图3.1 传动方式一该方案是一个主传动齿轮同时带动三个惰轮，每一惰轮都同时与主传动齿轮和一工作齿轮相啮合，主动轮、惰轮、工作齿轮三者的圆心不在同一条直线上。每根惰轮轴带动一根工作轴，三根惰轮轴带动三根工作轴进行三孔的同时加工。方案二： 图3.2 传动方式二该方案中，主传动齿轮与一个惰轮啮合，该惰轮与中心位置另一个惰轮是固连在一起的，中心惰轮与三个工作齿轮相啮合，主传动轴通过两个固连惰轮轴带动三根工作轴同时进行三孔的加工。经分析比较后，由于被加工的工件的三个孔之间的距离尺寸较小，发现方案二无法实现单层传动，采用多层传动则浪费空间；而方案一可以实现单层传动，比较节省空间，因此最终选定方案一。3.4 定位、导引方案确定 多轴头定位在机床的工作台上，将导柱衬套和衬套底板铸为一体，将底板表面粗糙度加工到可以和工作台表面配合，然后用螺钉紧固在工作台上。多轴头的导引部件主要由导柱和导柱衬套组成，还有其他一些零部件。它的作用是使多轴头工作平稳，并与夹具保持正确位置。导向套一般装在多轴头的中间板上，导柱的安装形式较多，现列出以下两种方案进行分析比较：方案一：在多轴头中间板上安装四根导柱，在多轴头的两侧和前后各一根，用四根导柱来保证多轴头的导向性良好。但由于四根导柱占用的空间较大，位于多轴头后方的一根可能受机床立柱的影响而不方便安装，而且不方便钻模板的安装（旋转式和翻转式都要占用较大的空间，在此只能选用悬浮式钻模板）。因此若多轴头本身体积不大，尽量不采用四根导柱的型式。方案二：在中间板上安装两根导柱，分别位于多轴头的两侧。为使在钻削加工孔时机床的导向性良好，应设计钻模板，使钻削孔时孔的位置精度得到良好的保证。将导柱装在钻模板上。当多轴头工作时，导柱插入装于夹具上的导向套内，这种结构型式使钻模板成为悬浮式，可用来向下压紧工件。除此之外，钻模板还分为旋转式和翻转式，但因为这两种钻模板的型式都比悬浮式所占用的空间大，而且每次更换工件时，都需要手动操作将钻模板移开，操作不够简便，而悬浮式的钻模板可随多轴头导柱一起上下移动，节省空间且操作简便，因此最终选定的导向部件的设计方案为第二种。3.5 主要参数确定在齿轮传动多轴头设计中，要确定一系列的参数，其中主要包括运动参数的确定，动力参数的确定以及尺寸参数的确定。多轴头各主要参数的确定详细步骤如下所述。3.5.1 运动参数确定切削速度的计算公式（m/min） 式31查机械工艺师手册，得上式中各参数值，如下：切削速度影响因数； 刀具直径； 转矩标准切削深度；机床进给量；.切削速度修正系数；、切削速度影响系数转矩计算公式： 式32查机械工艺师手册，得出上式中各参数的值，如下转矩影响因数；转矩修正系数；、转矩影响系数；，功率计算公式： 式33轴向力计算公式： 式34式中：轴向力影响因数轴向力修正系数、轴向力影响系数因此： （m/min） （r/min） 根据Z525机床说明书，取 （kw） （N）3.5.2 动力参数确定核算多轴头的总轴向力（）和消耗的总功率（）要核算多轴头的总轴向力和消耗的总功率，使其不超过机床允许的最大轴向力和机床的额定功率。核算公式如下： 式35 式36式中：P多轴头各工作轴消耗的功率的总和； 、多轴头每个工作轴消耗的功率 机床的额定功率多轴头各工作轴轴向力的总和、各工作轴的轴向力机床允许的最大轴向力6首先，计算每个工作轴的轴向力（）： (N)因为每个工作轴的和相等，所以多轴头的总轴向力和消耗的总功率为：（N）(kW)查Z525机床说明书，机床主轴最大进给抗力为=9000(N)，主电机功率=2.8(kw)。核对可知：，满足设计要求。2.5.3 尺寸参数确定由于被加工工件的尺寸较小，因此在确定多轴头尺寸参数时，初步选定尺寸最小的长方形箱体 300240 mm。但是否可以采用，需经过后面传动系统方案的确定，齿轮参数的计算，以及坐标计算等来确定该类箱体是否可用。4 传动系统设计 齿轮传动系统的设计是多轴头设计的核心部分。齿轮传动系统设计得好，可使多轴头的结构紧凑，各个轴的受力情况良好，从而减小齿轮、轴和轴承的磨损，延长多轴头的使用寿命。多轴头的齿轮传动系统一般是定轴轮系，多轴头齿轮传动系统的设计既要保证工艺要求，又要保证多轴头的结构的紧凑性。齿轮传动系统的设计与计算，其内容包括：齿轮模数和工作轴直径的确定，传动方式的选择，主动轴中心位置的确定，传动比及齿轮齿数的确定，布置惰轮，检查结构上的干涉现象，传动系统图的坐标计算与绘制等。4.1 齿轮模数确定在一般齿轮传动设计中，齿轮模数是按齿轮的抗弯强度和齿面疲劳强度计算的，然后经过试验确定。但是由于齿轮传动多轴头在生产中早已广泛应用，在使用和制造方面已有一定的经验，在齿轮传动多轴头设计中，有关多轴头齿轮的结构和规格参数，以及齿轮的材料、热处理、齿宽及工作条件都作了规定，所以当利用齿轮传动多轴头设计所介绍的齿轮进行设计时，可根据加工孔径，按表1查得齿轮模数，此表查得的模数为主动轮的模数，每个主动齿轮可带动四根工作轴。表4.1 加工孔径与模数加工孔径88151520模数1.5222.52.53从中查得：主动轮的模数m24.2 工作轴直径的确定因为所选定的Z525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3-2确定工作轴直径表4.2 加工孔径与工作轴直径加工孔径1212161620工作轴直径152025因为加工孔径为10mm，工作轴直径为15mm4.3 传动方式选择齿轮传动系统图应按照所规定的符号绘制。齿轮中心及分度圆应尽可能画得准确（精度在0.20.3mm），这样便于用图解法核对所计算的坐标尺寸。在齿轮传动系统图中应清晰的表明：齿轮的传动方式，各齿轮的齿数及模数，主动轴及工作轴的旋转方向，齿轮层数（对两层以上）。同时在图旁注明：工作轴每分钟转速、工作轴每分钟进给量及传动比等。下面列出各种传动类型，以供参考。（1）按齿轮组合形式分按齿轮组合形式分有如下两种形式：A、单式传动，即每个轴上只有一个齿轮与其他齿轮啮合传动。B、复式传动，即每个轴櫖上有两个、三个或多个齿轮与其他齿轮啮合，分成两层、三层及多层传动，称为二级、三级及多级传动。（2）按齿轮传动方式分A、外啮合传动。外啮合传动有如下几种传动分布形式：工作轴成长方形分布的；工作轴成“一”字形分布的；工作轴成框形分布的；工作轴成“八”字形分布的；工作轴成圆形分布的；工作轴成环形分布的。B、内啮合传动。C、内啮合与外啮合联合传动。（3）按工作轴布置情况分按工作轴布置情况可分为规则分布和不规则分布的。而根据本次设计要求，最终确定的方案为单级外啮合传动，且工作轴呈环形均匀分布。4.4 主动轴中心位置的确定 从多轴头平稳性方面考虑，主动轴中心应与各工作轴所受轴向力的合力作用点重合。此时，机床主轴与多轴头本身均不受弯曲力矩。 对于加工孔对称分布的多轴头，使主动轴中心既与压力中心重合，又与多轴头本体的几何心中重合，是比较容易做到的。 对于加工孔不对称分布的，或同时加工不同孔径的，或同时进行钻、扩，铰等多工序加工的多轴头，压力中心往往偏向某些孔。此时，若只是考虑主动轴与力中心重合，将会造成齿轮传动系统布置困难，及多轴头本体对主动轴中心不对称等缺点。所以在传动系统设计中，通常采取如下处理办法：如果多轴头与机床的连接是法兰盘式的，则压力中心不应超出法兰盘的半径。但由于结构要求，主动轴的中心不得不远离压力中心时，应采用较粗的导柱，或使多轴头与机床主轴箱作固定式的连接。 本次设计的是加工孔对称分布的多轴头，所以主动轴中心既与压力中心重合，又与多轴头本体的几何中心重合。4.5 齿轮齿数确定4.5.1确定传动比（1） 确定传动比的原则要保证工艺对工作轴所提出的转速、切削速度及每转进给量的要求。本设计的齿轮，外啮合传动比一般应不大于2.5，最好等于1。应尽可能不选最高一级或最低一级的机床转速，以便给工艺上的更改留有余地。攻丝多轴头的工作轴的每转进给量必须与丝锥的螺距相等。（2）传动比的计算公式及其确定方法传动比的计算公式单式传动： 式41复式二级传动： 式42复式三级传动： 式43式中：主动轴对第N根对工作轴的传动比第N根对工作轴的转速（r/min）主动轴的转速（r/min）主动轴上齿轮的齿数、 、 、 惰轮的齿数第N根对工作轴上齿轮的齿数钻孔多轴头传动比的确定方法钻孔多轴头是按对工作轴转速初步确定的，然后验算对工作轴每转进给量，最后确定可行的传动比。工作轴转速是按工艺要求确定的。主动轴转速即为机床主轴转速，我们可以从机床主轴各级转速中，选择与对工作轴转速相接近的作为主动轴的转速，然后计算传动比。当传动比初步确定后，可按照工艺规定的对工作轴每转进给量得出主动轴每转进给量。再以机床主轴各级进给量中选取与计算值相近的一级作为主动轴每转进给量。然后，再按所选取的主轴每转进给量得出对工作轴每转进给量。这时，比较计算后的每转进给量与工艺规定的每转进给量之值是否相近，此外，还要从工艺方面考虑，按计算后的对工作轴每转进给量进行加工是否可行，若不行，还要重新确定传动比。上述所确定的传动比是理论值，当主动轴与对工作轴齿轮的齿数确定之后，按此数计算出来的传动比是实际值。传动比的理论值与实际理论值相差很小，钻孔多轴头可忽略不计。在本次设计中，工艺确定工作轴的转速n=960（r/min），Z525机床主轴的各级转速中与其相接近的转速为(r/min)：(mm)从机床主轴各级进给量中选取相接近的一级，即为0.12(mm/r)。与工艺给定的工作轴每转进给量0.12mm/r相近似，所以，传动比确定为1。4.5.2确定各轴上齿轮的齿数在多轴头传动系统设计中，各轴上齿轮的齿数一般不是按照中心距、模数等已知条件计算出来的，因为多轴头的对工作轴相互位置往往距离较近，有的分布还不规则，为保持对工作轴与主动轴旋转方向相同，要通过惰轮，而惰轮的位置一般不是已经确定的，通常是通过反复作图与计算相结合的方法来确定。各轴上齿轮的齿数确定方法介绍如下：主动轴和工作轴上齿轮的齿数可按传动比进行分配。首先给定较小齿轮的齿数，即：当时，现给定工作轴上齿轮的齿数；当时，现给定主动轴上齿轮的齿数。然后按传动比求出另一个齿轮的齿数。初步确定齿数时，还必须检查主动轴上齿轮的尺寸是否足够大，因为主动轮的直径比较大，如果主动轮上齿轮的齿数过少，就保证不了厚度。4.5.3主动轮与工作轴齿轮参数的确定取主动轮分度圆的直径为：（mm）选工作轴齿轮齿数和主动轮齿数为：齿顶高：齿根高：齿全高：齿顶圆直径：齿根圆直径：基圆直径：齿距： 基圆齿距：齿厚：齿槽宽：顶隙：4.5.4惰轮参数的确定根据传动系统图确定了惰轮的位置，惰轮轴与工作轴的中心距均为：选定惰轮轴的直径为：因此取惰轮轴的齿数为：分度圆直径为：齿顶高：齿根高：齿全高：齿顶圆直径：齿根圆直径：基圆直径：齿距：基圆齿距：齿厚：齿槽宽：顶隙：4.6 结构干涉检查齿轮传动系统图主要表示了各轴上齿轮之间的传动关系。同时也表示了个齿轮之间的径向位置关系。但由于在传动系统图中，齿轮是以分度圆表示的，不能完全反映出结构上的互相位置关系。所以，当传动系统初步设计完后，应检查结构上是否会发生干涉。如有干涉现象发生，应修改传动系统的设计或订出结构上的处理方法，以免在总图设计中发现问题过晚，造成设计上的返工现象。在传动系统中，有的由于轴距较近，使两个互不相啮合的齿轮的齿顶圆可能发生干涉。这种干涉现象很容易检查，只要计算出齿顶圆直径，通过作图就可以检查出来。在本次设计中，齿顶圆是否干涉的检查如下图所示：图4.1 传动系统干涉图如图所示，该结构齿轮齿顶圆均未发生干涉，此方案可行。5 多轴头结构设计5.1 连接部件结构设计连接部件和传动部件起两个作用：一是保证多轴头与机床主轴连成一体，并作上下运动；而是保证多轴头的主动轴随机床主轴作旋转运动并传递扭矩。连接部件和传动部件的结构式较多，常用的有以下几种：第一种结构是利用法兰盘连接的，它的一端与多轴头本体连接，另一端通过圆环夹固在机床主轴套上，主轴套带动多轴头上下运动。主轴旋转运动经传动杆传递给多轴头主动轴。这种结构型式装拆较为方便，结构简单，已广为采用。但其缺点是高度较高。第二种结构也是利用法兰盘连接的，但机床主轴的旋转运动不是利用传动杆传递的，而是键传递的，所以减小了高度方向的尺寸，其缺点是比前一种装卸较为复杂。第三种结构是利用一个吊架与多轴头上盖连接，固定在吊架上的法兰盘用螺栓紧固在机床主轴箱上。主轴的旋转运动通过键传递给多轴头的主动轴。这种连接形式一般用在大型立式钻床上。第四种结构是利用主动轴上的莫氏锥柄与机床主轴孔连接，由楔铁带动。这种连接型式装拆多轴头方便，适用于一台机床上使用几种多轴头，经常更换的情况。本次设计的多轴头的接部件和传动部件：连接部件由连接法兰盘、定心环组成；传动部件是传动杆。选定的为上述方案中的方案一。这套多轴动力头装置与机床连接是由莫氏3 #锥套与立钻主轴连接，钻床主轴通过莫氏3 #锥套将动力传递给动力头的主传动齿轮。然后通过传动轴将驱动力传递给输出轴带动钻头完成多孔加工。5.2 主动轴结构设计主动轴的结构按单层工作轴来选取处的轴颈装配齿轮，和轴颈处装配深沟球轴承，主轴顶端35mm处装配莫氏锥柄，后以法兰、连接管、连接环等与机床主轴连接。5.3 工作轴结构设计用于单层传动的工作轴结构如下图所示：图5.1 工作轴其中，轴颈为20mm处装配工作轴齿轮止推轴承、止推轴承衬套及深沟球轴承， 轴颈为18mm处为M18的螺纹，M18的螺母装配以固定工作轴的位置。5.4 惰轮轴结构设计惰轮轴的结构型式，按主动轴和工作轴的结构型式选取，其结构如下图所示：图5.2 惰轮轴其中，轴的中心轴颈为12 mm处与惰轮装配，轴颈为10 mm处与轴承装配。5.5 导向部件结构设计多轴头的导向部件主要由导柱和导柱衬套组成，还有其他一些零部件。它的作用是使多轴头工作平稳，并与夹具保持正确位置。导向套一般装在多轴头的中间板上，导柱的安装形式较多，常见的有以下几种结构型式： 导柱装在固定于机床上的导柱支架上。当利用几个多轴头，在同一机床上加工几种产品时，采用这种导向型式较为方便。同时，还能使夹具结构紧凑，工作台面整洁，便于操作和清屑等。因此应用较广泛。 导柱装在钻模板上。当多轴头工作时，导柱插入装于夹具上的导向套内，这种结构型式使钻模板成为悬浮式，可用来向下压紧工件。在本次设计中，由于只加工轴承端盖这一种工件，因此最终选定的导向部件的设计方案为第二种。5.6 箱体结构设计多轴头箱体由盖、中间板和本体组成。箱体有圆形和长方形两种，内啮合传动多用圆形的箱体，外啮合传动多用长方形的箱体。在空间允许的情况下，外啮合传动也可以用圆形的。圆形箱体最大为 480 mm，最小为190 mm。长方形箱体最大为600480 mm，最小为240190mm。中间板也有与箱体外形和尺寸相适应的规格配套。本体的高度尺寸是按允许传动层数为三层设计的。为适应不同传动层数的需要，长方形的盖和本体分为高低两种，高盖得工作空间高度为58 mm，低本体的工作空间高度为48 mm。使用与单层传动。圆形箱体中，高盖的工作空间高度为58 mm，底盖为10 mm。本体只有一种，工作空间高度为48 mm。内啮合传动多用高盖。外啮合传动中，单层的用底盖与低本体组合；双层的用底盖与高本体组合；三层的用高盖与高本体组合。中间板有两种厚度尺寸，一种是23 mm，一种是28 mm。按多轴头各工作轴所承受的总轴向力的大小选用。在本次设计中，由于确定的传动方式是单层外啮合传动，因此选定的多轴头箱体为长方形箱体，用底盖与低本体组合，采用厚度为23 mm 的中间板。6 有关零件校核在多轴头设计中，齿轮、轴和轴承均需要进行验算，以下为各零部件的分析验算的详细步骤。6.1 齿轮的校核（1）多轴头齿轮的受力分析：圆周力：（N）径向力：（N）法向载荷：（N）单位长度上的平均载荷：（N/mm）计算载荷： 式61载荷系数： 式62式中：使用系数动载系数齿间载荷分配系数齿向载荷分配系数查表可得：则计算载荷为： ( N/mm)（2）按齿根弯曲疲劳强度计算：MPaMpa满足设计要求。