Z30125_40大型摇臂钻床的设计_主轴箱主传动部分的设计与计算.pdf

文章编号100426410(2005)S320109204Z3012540大型摇臂钻床的设计主轴箱主传动部分的设计与计算机械工程及自动化011班2001011118韦宗源指导教师:李宝灵徐武彬肖学勤等摘要:本设计Z3012540型摇臂钻床是在原系列摇臂钻床的基础上,参照国际标准设计制造成功的多功能新系列产品,结合现代企业实际需要而开发的新产品。在设计过程中,运用了先进的设计理念和大的安全系数,并在符合国家标准的前提下,兼顾使用高效、美观大方、安全、操作性能高等特点。在设计过程中,主轴箱部分是整台机床的核心部分,它由主轴变速部分、主轴进给部分、主轴及操作部分、主轴夹紧部分、主轴平衡部分等组成,其中主轴变速部分是设计的核心部分。在设计主传动时,采用了22级主轴变速,参照原来的Z30100型摇臂钻床的主传动系统,在原来的基础上采用了九轴传动方案。设计过程中在Z30100的基础上有所创新,就是在主传动变速机构中增加了过载保护,以及正反转、停车(制动)的设计,主传动部分采用液压预选调速。本机床的主要用途:大中型零件上钻孔、扩孔、铰孔、攻螺纹、璁平面等工作,在具有工艺装备的条件下可以进行镗孔,完成管板、大法兰等加工和非标准的钻孔作业。Z3012540型摇臂钻床,最大的钻孔直径125毫米。关键词:摇臂钻床；主轴箱；主轴；主轴平衡；钻孔Abstract:ThisdesignoftheRadialDringModelZ3012540isanewseriesofmulti2functionproductwhichhasbeendesignedandaccomplishedbyreferringtotheInternationalStandards(ISO).Indesignprocess,weusetheadvanceddesignprinciplewiththebigandsafecoefficienttomatchthenationalstandardpremise,andlookafterbothsidesusage,efficiently,beautifulgenerous,safety,operationhigh,etc.TheheadstockisthecorepartofpedestalRadialDringModelwhichiscomposedofprincipalaxis,theclamporganizationofprincipalaxispart,principalaxisandoperationpart,theprincipalaxisclipstightpart,equilibriumpartofprincipalaxis,etc.Itisthemostimportantcoreofdesign.Spindleturnadoptedis22grade.AccordingtothearmoftheoriginalRadialDrillingModelZ30100speedtomovethesystem,ninthaxisspeedmovingprojectisadoptedinoriginalfoundationtop.Indesignprocess,thefoundationofZ30100iscreative,thatistoaddtheprotectioninlordspeedmovingorganization,hydraulicpreselectionspeedandfeedchangingmechanism.Inthemachine,itisuseddring,counterboring,spotfacing,reaming,tappingandboringwhichcandrilldiameterof125millimetersahole.Keywords:radialdring；headstock；spindle；equilibrium；dring一、绪论课题背景:金属切削机床是用刀具或磨具对金属工件进行切削加工的机器,在制造业中,尤其是机械行业机床有着非常广泛的应用。然而钻削加工仍然在零件加工中占有相当的比例,据统计在零件加工中钻孔加工占25%以上。摇臂钻床仍然是钻削加工的主要设备之一。作为传统的老产品摇臂钻床,有数百年的发展历史,其产品都在不断地更新,功能也越来越齐全、性能也不断地完善。在经济全球化的今天,机械行业国际竞争日趋激烈,给企业带来了严峻的挑战。企业对加工中占有相当地位的钻床也提出了更高的要求。为了适应竞争环境,钻孔效率提高自然成了节省生产时间、降低第16卷增刊3广西工学院学报Vol116Sup32005年10月JOURNALOFGUANGXIUNIVERSITYOFTECHNOLOGYOct12005生产成本的途径之一。目前国内外制造企业,趋向中、大孔钻孔加工,而我们开发的Z3012540型摇臂钻床,就是高效率的钻孔工艺设备。它主要用于中大型零件上钻孔、扩孔、铰孔、攻螺纹、璁平面用等工作,在具有工艺装备的条件下可以进行镗孔,完成管板、大法兰等加工和非标准的钻孔作业。Z3012540型摇臂钻床,最大的钻孔直径125mm,在机加工孔直径小于125mm时可以直接一次钻出,大大地缩短加工时间,孔尺寸精度由钻头保证。Z3012540型摇臂钻床出现,避免了小型钻床加工中、大孔的烦琐工序,毫无疑问减少了成本。现代企业要求快速生产,而大型摇臂钻床Z3012540型摇臂钻床就是针对孔加工的高效率设备,所以发展Z3012540型摇臂钻床是现在之所需,将来也有广阔前景。本设计是为桂林正菱第二机床有限责任公司研制开发的新产品Z30125型号的摇臂钻床。二、方案设计(一)摇臂钻床的机床原理及其基本要求Z3012540型摇臂钻床由主轴箱、摇臂、立柱、工作台等组成。主轴箱是摇臂钻床的核心部分,由主轴变速机构、主轴进给机构、主轴及操作机构、主轴夹紧机构、主轴平衡机构等组成；本设计的主轴变速部分,变速时用液压控制调速,液压油进入油缸通过拉杆拨动滑移齿轮改变啮合状态实现主轴变速,而通过一个操作手柄可以实现主轴正、反转及刹车。本机床是在原系列机床的基础之上,在设计过程中运用先进的设计理念和大的安全系数,增加外柱自动润滑装置,更改电器箱翻盖方式、电器布线和电器操作按钮等,并在符合国家标准的前提下,以CE标准为目标,兼顾实用、高效、美观、易操作、易维修和安全性能高等特点。主要技术参数如表1。表1主要技术参数项目数值单位项目数值单位最大钻孔直径125mm主轴转速级数22级跨距4000mm主轴进给量范围0106312mmn主轴轴线至立柱母线最小距离600mm主轴进给量级数16级主轴行程560mm主轴箱水平移动距离3400mm主轴允许最大扭矩312kN.m主轴端面至底座工作距离最大2500mm最小700mm主轴最大进给抗力50kN摇臂升降距离1250mm主电机功率1815kw摇臂升降速度01017ms主轴行程米制80摇臂回转角度360主轴转速范围613800nmin(二)主轴变速机构的主要结构型式主轴的变速机构厂家要求22级主轴的变速,采用32级主轴变速,通过重复10级变速得到22级主轴变速。其中重复的10级转速中,通过液压控制轴及轴(或轴)上的滑移齿轮实现锁住传动扭矩较大的级速。在设计时考虑了两种设计方案:方案一通过8根轴实现22级主轴变速；方案二通过9轴实现轴实现22级主轴变速。方案一主轴变速部分轴向尺寸比方案二稍小,可以减小主轴箱的高度但传动比较大,齿轮大小悬殊很大,特别是主轴上的齿轮显得很大,这样在采购齿轮材料时就很繁琐,而且主轴上有两个主轴变速齿轮与之相对应的啮合齿轮为滑移齿轮,这样影响运动传递的平稳性；方案二增加了主轴过载保护装置,当主轴过载时通过主轴过载保护装置起到过载保护作用。9根轴传动减小了传动比,有利于传递运动的平稳性,使得大小齿轮悬殊不至于过大,其主轴上传动齿轮只有一对固定齿轮,且采用斜齿轮,其好处是斜齿轮传递运动比直齿轮平稳且承受力比直齿轮大,能减小齿轮的部分径向力和主轴承受的径向力,有利于主轴的旋转精度。其不足之处是该结构增加了主轴箱的高度和轴的长度,使得整个箱体尺寸要比8根轴传动要稍大些。011广西工学院2005届优秀毕业设计(论文)摘要选编2005年10月图1主轴转速图鉴于提高机床的安全系数及采集齿轮材料的便利,最后采用了9根轴传动的方案。三、主轴转速计算主轴转速图如图1。四、主传动构件及零件计算(一)主电机功率的计算根据Z3012540摇臂钻床技术要求的规定,初步选取电机的型号为Y160224,功率1815KW。通过计算效核结果可知,Y160224型电机能满足工作要求。(二)各轴扭矩及主轴功率转矩图的确定根据资料3得知,大型机床如果已先确定了主轴最大扭矩和主电机的功率,则主轴计算转速nj由下式子求得:Tn=974Nn式中Tn主轴传递的最大扭矩(kgfm)；n主轴转速(rmin)；N主轴传递的功率(kW),N=N电G。因此nj=9741815018320=45105rmin按图1转速图可确定主轴的计算转速为nj=50rmin(计算转速nj是主轴能传递全功率的最低转速)根据主轴的计算转速为nj=50rmin,通过以下式子确定各轴的扭矩:T=T主轴gn主轴ng1G式中,G各轴到主轴间的传动效率；n各轴相应n主轴转速(rmin)；各轴的转动效率为:G=Ga1gGb2由资料3第2册表5125可查出齿轮副传动效率G1=019850199,滚珠轴承的传动效率G2=019901995；a啮合齿轮副数；b滚珠轴承数。图2主轴变速简图111增刊3韦宗源:Z3012540大型摇臂钻床的设计主轴箱主传动部分的设计与计算(三)估算各轴轴径的大小(四)齿轮校核计算在两根轴间取传动扭矩最大且齿数较少的一对齿轮中的小齿轮进行弯曲和接触强度的校核。(五)轴的校核计算选择受扭矩较大几根轴进行校核。(六)绘制主轴箱装配图根据主轴变速简图(传动系统图)和必要的设计计算五、创新(一)主轴箱平衡机构中凸轮的快速、精确设计方法主轴箱平衡机构设计的关键是凸轮的设计。在此次设计中推理得出主轴箱平衡机构中凸轮轮廓曲线是一条:y=KV的幂曲线。Y是所求的曲率半径；x平衡弹簧的压缩量；K常数,与主轴重力G、弹簧刚度J有关以及相对应的齿轮半径有关,可以很容易的求出K。得出的凸轮曲线方程:y=KV,可以计算机上轻松作出主轴平衡机构中凸轮形状的设计。(二)关于主轴平移时,齿轮齿条啮合传动的模数的选择对加工精度的影响简单论述主轴箱在摇臂上平移时,齿轮齿条是模数315mm为好,原因如下:大模数齿轮传动,在传动时影响运动的平稳性。当主轴移动到要转孔的位置时,这时候主轴箱移动非常慢,用手调节手轮移动主轴箱。由于钻孔定位要求,主轴箱移动的速度慢,这时候容易产生爬行现象,再加上齿轮模数大传动的不平稳性,从而造成钻孔时定位困难,影响加工精度,再加上笨重的主轴箱,加大了工人操作难度。而针对本机床Z30125型大型摇臂钻床设计,我们认为移动主轴箱的齿轮齿条传动,其模数应3mm为宜。(三)摇臂升降机构的创新设计传统的摇臂升降机构采用单螺母丝杠机构提升摇臂。这种机构在摇臂钻床中长期应用,但以往的摇臂钻床都是比较小型,使用小型的升降电机就可以满足工作要求,而且所用的丝杠较小。而对于重型机床摇臂钻Z30125型机床,摇臂加上主轴箱的重量有8000kg(8吨),用单螺母丝杠机构在重型的摇臂钻中要得到更合理的应用是较为困难的,因此开发新的摇臂升降机构是必要的。在双螺母的原理基础上,可以采用双螺母丝杠机构提升摇臂,这种可以降低螺距,降低提升时摇臂的摩擦力,从而降低电动机功率,同时由于螺母丝杠机构中螺母的强度相对丝杠较低,传统的做法是以螺母校核强度。而这一做法则是以螺母丝杠机构中丝杠强度校核该机构强度。这样做显然提高了螺母丝杠的利用率。可提供参考的升降机构设计方案有以下几种:1、在双螺母之间加圆柱弹簧,减少单圈螺纹承受力；2、在双螺母之间加圆板弹簧,通过调节圆板弹簧变形量来分配两螺母承受能力；3、扭紧双螺母在丝杠上,两螺母相互压紧,使得各丝杠螺母分别承受丝杠拉力。选择合理的螺母