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半自动
钻床
传动系统
设计
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半自动钻床传动系统设计,半自动,钻床,传动系统,设计
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前言随着先进制造技术的发展和进步，半自动化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。半自动化多工位钻床就是提高钻削加工精度和效率的一种很好的加工工具。由于科学技术、工业生产水平的不断发展和人们生活条件的不断改善，消费者的价值观念变化很快。在注重经济效益的市场需求下，机械的通用性渐渐变为专用性。企业为了赢得市场，必须不断开发符合市场需求的产品。新产品的设计与制造，其中设计是产品开发的第一步，是决定产品的性能、质量、水平、市场竞争力和经济效益的最主要因素。机械产品的设计是对产品的功能、工作原理、系统运动方案、机构的运动与动力设计、机构的结构尺寸、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算，并将其转化为具体的描述以作为制造的工作过程。其中机械产品的功能、工作原理、系统运动方案、机构的运动与动力设计、机构的结构尺寸、力和能量的传递方式等内容是机械原理课程的教学内容。做为机电一体化专业的学生，在两年半的学习中 了解了机械工作原理.制图. 力和能量的传递方式、机构的运动与动力设计。这次半自动钻床传动系统设计培养了学生的机械综合设计能力及创新意识与能力方面，起着重要的作用。目录前言2第一章 概述及设计要求31.1 设计要求及工艺动作流程图3第二章 传动方案42.1 拟定传动方案52.2 初步选择电动机和传动比的分配5第三章 传动机构的选择83.1 各传动机构的搭配8第四章 传动机构设计数据处理8 4.1 带传动8 42 计算传动装置的动力和运动参数10 4.3 齿轮传动11 4.4 蜗轮蜗杆传动13 4.5 凸轮传动 16结束语19参考文献19零件图20 第一章 概述及其设计要求 1.1 设计要求及工艺动作流程功能要求：本产品是半自动卧式钻床，能实现自动送料、辅助定位、固定和钻孔的一体化机械。机械主参数表：机床尺寸（长宽高）1000600800(mm)电动机转速1440r/min工作节拍1件/min进料机构工作行程（mm）40mm凸轮轴转角10-304560-90105-360送料机构快进休止快退休止半自动钻床是由电动机、皮带机构、齿轮机构、蜗轮蜗杆机构和凸轮机构组成。由凸轮机构负责送料，电动机通过皮带班把动力传到齿轮和钻头，经过齿轮机构的减速在把动力传给蜗轮蜗杆。通过调节凸轮直动杆距离来钻不同厚度的孔。凸轮机构的旋转带动工件的进退，从而实现钻孔的半自动加工。减少了加工流程提高了工作效率。如图1-1所示。半自动钻床主要是加工直径为12mm的钢材孔。钻头是固定不动的，工件固定在夹具中。送料机构沿着轨道把加工工件推向钻头，由凸轮的直动杆距离来控制钻孔的深度。图1-1设计要求： 1、半自动钻床至少包括凸轮机构、齿轮机构在内的三种机构。2、设计传动系统并确定其传动比分配。3、图纸上画出半自动钻床的机构运动方案简图和运动循环图。4、凸轮机构的设计计算。按各凸轮机构的工作要求，自选从动件的运动规律，确定基圆半径，校核最大压力角与最小曲率半径。对盘状凸轮要用电算法计算出理论廓线、实际廓线值。画出从动件运动规律图及凸轮廓线图。第二章 传动方案 21拟定传动方案 22 初步选择电动机和传动比的分配钻削力和钻削功率钻削时，钻头每个刀刃都受到Fx、Fy、Fz三个分力作用。理想情况下Fx是基本平衡了。综合以后，可以为各刀刃上的切削力最后构成一个扭矩M和一个轴向力F。 M=Mo+Mz+Mq F=Fo+Fz+Fq(其中Mo、Fo是作用在凌边的扭矩和轴向力Mz、Fz是横刃上的扭矩和轴向力Mq 、Fq是作用在主切削刃上的扭矩和轴向力)各切削部位受力比主切削刃横切削刃凌边轴向力40%57%3%扭矩30%10%10%（数据来自1中）我们一般用的麻花钻都是高速钢材料的，所以查1中有专对高速钢麻花钻削力的简便公式：扭矩M=CmDXm fXmKMc10-3 (N.M)轴向力F=CFDxKFfyF (N)切削功率Pm=2MN (W) （其中钻头直径D的单位是mm 进给量f的单位是mm/r 钻头转速n的单位是r/s）根据加工材料钢来选公式中的系数和指数：Cm=333.54Xm=1.9ym=0.8CF=833.85XF=1yF=0.7根据加工直径12mm和加工材料钢材，选出切削速度V和进给量f：V=14-36m/min f=0.12-0.4mm/r 取V=30m/min=30/60m/s=0.03m/s f=0.25mm/r已知d=12mm根据公式 (m/s)可以转换出(r/min)=1433r/min转速取整数得 n=1400r/min=23.3r/s已知Cm=333.54 Xm=1.9 ym=0.8 KMc=1根据扭矩公式M=CmDXm fXmKMc10-3代入已知数得M=333.54121.90.250.8110-3（N.M） 得M=12.357 N.M把M代入切削功率公式Pm=2MN Pm=23.1412.35723.3=1808.1W=1.81KW 钻头工作所需功率为Pw=1.81KW 则电动机所需功率Po: Po = 查5中V带的传动效率是0.96 Po = 1.81/0.96= 1.9KW 已知电动机的转速是1440r/min所以选择Y112M-4型Y系列电动机，额定功率为4kw，电动机轴的直径是28mm轴伸出60mm。该系列电机能防止水滴、灰尘、铁屑或其他杂物浸入电机内部，它是我国近年来研制成功的Y型电动机。传动比的分配： 传动比公式 各类传功比推荐表传动类型传动比推荐值圆柱齿轮传动3-4一级闭式蜗杆传动7-40V带传动2-4 V带传功比计算Iv=1.8齿轮、蜗杆传动比分配已知 凸轮转速N3=1r/min d = 1440/1=1440根据传动比推荐表取： 齿轮传功比为45（齿轮传动为两级传动，一级取4二级取5。） 蜗轮蜗杆传功比为40 第三章 传动机构的选择31各传动机构的搭配凸轮机构-蜗轮蜗杆机构：凸轮是一种具有曲线轮廓或凹槽的构件，主动件的连续运转控制从动件按预定的运动规律做连续或间歇的往复移动或摆动。结构简单、容易实现自动化操作。由于凸轮轴的转矩变化相当大，因而输入轴的回转变化也随之变大。因此，不宜采用易受影响的直齿轮。最理想的是对回转变化适应性强的蜗轮蜗杆减速装置。同时根据运动传动方向，选择左旋蜗杆。V带传动机构-齿轮机构： V带传动可以在钻头因钻削力太大时产生打滑，从而起到过载保护。齿轮传动平稳，冲击、震动和噪声较小，适用一般机械的传动要求。第四章 传动机构设计数据处理41 带传动1选择V带型号根据机床性能：空载或轻载启动、金属切削机床、每天工作10-16个小时、载荷变化小查表37-8取工况系数KA=1.2 设计功率Pd=KAP（式中，P为所需传递的功率（KW）；Pd=KAP=41.2=4.8kw根据Pd和N1查表37-11，选择用A型V带。2.确定带轮的基准直径dd1 、dd2(1).选取小带轮的基准直径dd1 根据表37-11可以确定小带轮的基准直径dd1=112mm 8(2).验算带的速度V V=m/s带速在5-25m/s之间，速度没有超出范围。（3）.确定大带轮的基准直径dd2取带的滑动率=0.02 dd2=idd1(1-)=1.8112(1-0.02)=197.568mm查表37-4，圆整取标准值dd2=200mm3.确定中心距a和带的基准长度Ld 初步确定中心距ao根据公式ao=0.7(dd1+ dd2)2(dd1+ dd2) 计算中心距ao=2312=624mm 确定带的基准长度Ld 先初步计算LdoLdo =2 a+=1740.94mm查表37-2，取基准长度Ld=1800mm 长度系数KL=1.01(3).确定中心距aa a+=653.53mm安装时所需的最小中心距 a=a-0.015L=597mm安装时所需最大中心距a= a+0.015L=651mm4校验小带轮的包角=180-=172.281205确定V带的根数Z查表37-5、7-7 、7-6、7-2得单根V带基本额定功率Po=1.62 ,包角系数Ka=0.98，额定功率的增量Po=0.08，长度系数KL=1.01代入公式中：由公式Z=2.85取Z=3根6计算初拉力由表3 由表37-1，A型q=0.10kg/m。保证传动机构正常工作的单根V带和适的初拉力F0为：F0=其中A型q=0.10kg/m, 小带轮包角系数Ka=0.98, V带条数Z=3, 带速V=8.44m/s,设计功率Pd=4.8kw.F0=1047.248N7计算带作用在轴上的力FQFQ=1017.68N8带轮结构设计 带轮直径都蛮小，所以选择实心式带轮。节宽11mm，顶宽13 mm，高度8 mm， 取大带轮孔直径为30 mm，小带轮的孔径为28mm，ha=3mm,e=15,轮缘外径为dd2+2 ha,取轮宽厚度6 mm，其他尺寸查表37-3.42各传动装置的动力和运动参数查表42-2各传动装置效率（1）各轴的转速计算 电动机转速N1=1440r/min高速轴转速 800r/min中速轴转速 =200 r/min低速轴转速 =40 r/min蜗轮轴转速 n5=40/30=1.3r/min（2）各轴的功率计算带传动效率v=0.96 齿轮传动效率按8级精度c=0.97钻头主轴用滚子轴承效率z1=0.98 其他用球轴承效率z2=0.99单头自锁蜗杆（油润滑）效率w=0.4 电动机额定功率Pd=4kw 高速轴功率 P2=Pdv=40.96=3.84 kw 因为高速轴上有钻头，所以功率要减少钻头的功率1.07 kwPz=3.84-1.07=2.77 kw中速轴功率 P3= Pz cz1=2.770.970.98=2.63 kw低速轴功率 P4= P3z2c =2.525kw蜗轮轴功率 P5= P4wz2=1.0 kw(3)计算各轴的转矩 电动机转矩 Td=9550=95504/1440=26.53 NM高速轴转矩 T2=955045.84 NM中速轴转矩 T3=9550=125.58 NM低速轴转矩 T4=9550=602.84 NM蜗轮轴转矩 T5=9550=7449NM(4)综合表轴号电动机高速轴中速轴低速轴蜗轮轴功率（kw）43.842.632.5251.0转矩（Nm）26.5345.84125.585737449转速（r/min）144080020030143齿轮的设计（1）齿轮材料的选择，确定应力 由表38-3，选择小齿轮用45钢调质热处理。硬度220HBS。大齿轮用45钢正火热处理。硬度为190HBS。因为是金属切削机床。由表38-6选8级精度，要求齿面粗糙度Ra3.26.3m。查图38-37c 、8-41c分别查得：hlim1=555 mpa hlim2=530 mpaFlim1=190 mpa Fhlim2=180 mpa查表38-8因硬度小于350 HBS，属于软齿面。取安全系数SH=1.1 和SF=1.4 (取最大值比较耐用)。555/1.1=504.5 mpa 530/1.1=481.8mpa190/1.4=135.7mpa 180/1.4=128.5mpa因为是软齿面，所以要按接触强度设计，再校核弯曲强度。（2）按接触强度设计 计算中心距离a mm取=480mpa; 小齿轮转矩 T2=45.84NM=4.584104 Nmm; 齿宽系数=0.4; i=u=4; 查表38-7取载荷因数K=1.5,把已知数代入公式中得： a137.5mm(3)确定基本参数，计算主要尺寸 选择小齿轮的齿数 Z1=20 大齿轮的齿数 Z2=Z1i=204=80 确定模数 根据公式a=m(z1+z2)/2 可以求出M=2.75mm 查表38-1取标准模数M=3mm 确定中心距 =3100/=150 mm 计算齿宽 b=a=0.4150=60 mm 为补偿两齿轮轴向尺寸误差取 小齿轮齿宽b1=65mm 大齿轮齿宽b2=60mm 弯曲强度校核查图38-40，根据Z1=20 Z2=80.取外齿轮复合齿形因数YFS1=4.34 YFS2=3.9=55.26mpa =49.66mpa校核得到是安全的还有一对齿轮的设计。在满足工作要求又便制造方便。把大小齿轮的材料与上一组的相同。小齿轮齿数d21=20,传动比i=5,大齿轮齿数d22= d21i2=205=100, 小齿轮转矩T3=125.58 NM，模数M=4mm,中心距 =240mm,齿轮宽度b=a=0.4240=96mm，小齿轮宽度b21=100mm ，大齿轮宽度b22=96mm ，YFS1=4.34 YFS2=3.9 通过弯曲校核都是安全的。尺寸计算具体尺寸可以查下表：取齿顶高系数ha*=1,顶隙系数C*=0.25，第一组齿轮：Z1=20,Z2=80M1=3mm ；第二组齿轮：Z3=20 ，Z4=100， M2=4mm。 （单位是mm）类型/齿轮号Z1Z2Z3Z4齿距9.429.4212.5612.56齿厚4.714.716.286.28槽宽4.714.716.286.28齿顶高3344齿根高3.753.7555全齿高6.756.7599齿根圆直径5423472392齿顶圆直径66246884084.4蜗轮蜗杆传动目前蜗轮蜗杆传动的强度计算是仿照圆柱齿轮作齿面接触和齿根弯曲强度的条件计算，并在选取许用应力时适当考虑胶合和磨损失效因素的影响。蜗杆的强度高于蜗轮的强度。所以，蜗杆传动的强度计算主要针对蜗轮进行。闭式蜗杆传动通常按齿面接触疲劳强度进行设计，而按齿根疲劳强度进行校核，同时进行热平衡计算。蜗杆采用单线螺纹，蜗轮蜗杆的传动比iw=40。从而蜗轮齿数为40。已知蜗杆输入功率P1=1.03kw，转速n1=40r/min,蜗轮转速n2=1r/min，载荷平稳。要求使用寿命5年，每年工作300天，每天工作8小时，蜗杆布置在下方。（1）材料的选择考虑到传递的功率不大，速度不快，采用渐开线蜗杆。蜗杆采用45钢，表面淬火，硬度45HRC，表面粗糙度Ra1.6m 蜗轮采用HT200，砂模铸造。（2）按齿面接触疲劳强度设计确定许用接触应力由表215-2查得拉伸强度=200mpa应力循环次数（其中蜗轮转矩T2i-N.mm;长期作用的最大转矩T2max-N.mm; 蜗轮转速n2-r/min; 工作时间ti-h）把T2i=T2max=9836.5N.m ; n2=1r/min带入公式：=60130058=7.2105查表215-7得： =260mpa确定载荷系数K查表215-3，取使用系数KA=1载荷平稳，取=1。假设V23m/s,取动载荷系数Kv=1.1。代入公式中 K=KAKv=1.411.1= 1.5确定模数m及蜗轮分度圆直径d 已知T5=9.83105N.mm 查表215-4取弹性系数ZE=162,且取9.5cos=9.45, 的取值范围3-8则M2d19.5cosKT5=9.451.59.55105=13080mm2根据M2d113080mm2，查表215-5取M2d1=28670mm2时模数M=16mm,蜗轮的分度圆直径d2=112mm。（3）验算蜗轮的圆周速度V2 V2=0.034m/s假设V23m/s，取Kv=1.5是合适的（4）传动基本尺寸计算蜗轮分度圆直径d2=mn1=1630=480mm传动中心距a=(d1+d2)/2=(112+480)/2=296mm蜗杆导程角=8.35蜗杆螺纹部分长度b1(11+0.06Z2)m=(11+0.0630)16=204.8mm取b1=218mm蜗杆齿顶圆直径da1=d1+2h*m=112+21.516=160mm蜗轮轮宽b20.75d1=0.75160=120mm（5）确定精度等级Vs=1.13m/s根据Vs，查表215-8确定采用9级精度（6）按齿面弯曲疲劳强度校核 确定需用弯曲应力 应力循环次数NF=7.2105 h,又由表215-2，查得拉伸强度=200mpa，拉伸强度=0 mpa。由表217-7，因为与涡轮相配的蜗杆表面强度45HRC，故值允许提高25，所以=160.6 mpa计算当量齿量ZvZv=40.3计算齿形系数YF 查表215-6，用内插法求得YF=1.74计算螺旋角系数 =0.94计算弯曲应力 =14.74 mpa所以弯曲强度足够(7)计算蜗杆传动的效率取轴承效率z2=0.99/对，搅油、溅油损耗是的效率=0.98.又据Vs=0.23 m/s，查表215-9取蜗杆传动的当量摩擦角=5.716=0.61故蜗杆传动的总效率为：0.591（8）热平衡计算估算箱体面积AA=3.35m3计算工作油温t1取散热率k=15t1=28.138545凸轮机构凸轮工作角度表10-304560-90105-360快进休止快退休止（1）决定凸轮曲线 通过查表53-1，选择简谐曲线，取无量纲最大速度Vm=1.571。（2）因为选择直动式滚子凸轮机构，选择最大压力角30。(3)计算容许滚子中心轨迹的最小有效半径Rc 已知行程h=30mm,行程角=（30-10）=20（行程角是对应凸轮升程h=40mm时的凸轮轴的转角）代入公式中 Rc=135mm 滚子中心轨迹半径 ro=Rc-h/2=180.11-40/2=135mm （凸轮实际曲线基圆加滚子半径的距离）外半径 Rh=Rc+h/2=180.11-40/2=200.11mm （凸轮实际曲线最大半径）（4）确定端面凸轮的最小曲率半径Pmin 根据凸轮的简谐曲线，查表5B-19简谐曲线有效半径为100mm的凸轮最小曲率半径线图。 在查表前要把有效半径转化成100mm的。已知行程角=20，行程h=30mm，有效半径Rc=135mm转化成有效半径100mm的行程h10018.7524.98mm查表5B-19，的最小曲率半径Pmin=10mm（如下表绿线所标注）转化为有效半径135mm最小曲率半径Pmin=13.5mm（5）确定滚子直径rT滚子直径要比最小曲率半径小。根据经验公式：rTPmin-3=113.5-3=10.5mm (6)凸轮主要尺寸计算 凸轮轴的大小计算已知凸轮轴的功率P5=1.43 kw，转速n5=1.5r/min。代入公式d119-109mm因为考虑到有键槽，取d=120 mm 键的选择 因为凸轮的放置在轴的中间，选用A型圆头平键。轴的直径d=120 mm。采用用正常连接。查表47-42，长宽高为1002516mm。在图凸轮的高度为6.4 mm。作图法设计凸轮轮廓曲线对于凸轮轮廓曲线设计。我们一般用反转法在求凸轮曲线。根据直动杆的位移距离和凸轮的转角数，建立一个位移-转角坐标系。选择几个特殊的坐标，用光滑连贯的曲线把这几点连接起来。在通过曲线的点，在基圆的画出凸轮的实际轮廓。具体尺寸见A4零件图。平面凸轮机构的加工随着数控技术的迅速发展，凸轮加工技术也取得了飞跃进步。在加工凸轮时，根据凸轮的使用目的和寿命要求来选择制造工艺。一般来说，多采用加工中心和数控铣床来加工。下面是数控铣床加工
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