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钻床主轴进给机构改造--变速机构设计论文.doc

钻床主轴进给机构改造--变速机构设计【7张图纸】【优秀】

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摘要

　　　随着先进制造技术的发展和进步，数控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。数控多工位钻床就是提高钻削加工精度和效率的一种很好的机加工工具。本文对数控多工位钻床进行了设计，采用了普通车床设计的步骤和方法，综合考虑数控机床的特点。从切削力入手确定主轴及电机，到整个机床的结构设计和机床的控制。最后到对机床初始化程序设计。本文完成数控多工位钻床的资料收集与国、内外现状的调查比较，提出较为可行的方案;完成机床的机械结构设计计算与电气控制系统设计，初步完成控制系统的软硬件设计。本设计是关于将普通钻床改造为多工位加工钻床的结构设计。普通钻床为单轴机床，且工件安装后需要进行反复调整，工件上有相互位置要求的各表面间的位置精度就会受到很多因素的影响，通过设计改造成快速主轴、移动工作台和具有一定回转精度的能实现多工位加工的钻床后，能大大地缩短加工时间，提高生产效率。因此本设计主要从钻床的主轴箱设计、移动工作台设计及工作台的回转设计几个方面，对普通钻床进行一定的结构改进，实现多工位加工，以符合现代机械加工的要求。

关键词：多工位钻床；生产效率；主轴箱

摘要III

AbstractIV

目录V

1 绪论1

1.1 钻床的工艺范围1

1.2 钻床的类型1

1.2.1 台式钻床1

1.2.2 立式钻床1

1.2.3 摇臂钻床2

1.3 钻削加工的特点2

1.3.1 多轴加工的特点3

1.3.1 多工位加工的特点3

1.4 论文研究的内容及意义3

1.5 本文所做的工作3

2 机械传动方案确定4

2.1 设计内容分析4

2.2机械传动方案的选择4

2.2.1 总体传动方案选择4

2.2.2 总体传动方案确定5

3 主轴传动部件设计7

3.1 切削力的计算7

3.1.1 机床工况要求7

3.1.2 切削力和切削扭矩的计算7

3.2 主轴齿轮传动方案确定9

3.2.1 设定齿轮传动方案9

3.2.2 主轴传动设计和计算10

4 工作台纵向进给机构的设计18

4.1 工作台纵向进给负载分析及计算18

4.1.1 摩擦阻力计算18

4.1.2 等效转动惯量计算18

4.1.3 丝杠摩擦阻力矩的计算19

4.1.4 等效负载转矩的计算19

4.1.5 起动惯性阻力矩的计算19

4.1.6 步进电机输出轴总的负载转矩的计算19

4.2 纵向进给步进电机选择19

4.3 纵向进给滚珠丝杠的选择与校核19

4.3.1 承载能力的校核19

4.3.2 压杆稳定性验算20

4.3.3 刚度验算20

4.4 滑动导轨的结构设计21

4.4.1 移动导轨的分析21

4.4.2 移动导轨的预选21

4.4.3 移动导轨的验算22

4.5 纵向进给轴承的选择25

5 横向进给运动机构的设计25

5.1 横向进给负载分析及计算25

5.1.1 摩擦阻力的计算25

5.1.2 等效转动惯量计算25

5.1.3 丝杠摩擦阻力矩的计算26

5.1.4 等效负载转矩的计算26

5.1.5 起动惯性阻力矩的计算27

5.1.6 步进电机输出轴总的负载转矩的计算27

5.2 横向进给步进电机选择27

5.3 横向进给滚珠丝杠的选择与校核27

5.3.1 承载能力的校核27

5.3.2 压杆稳定性验算27

5.3.3 刚度验算28

5.4 滑动导轨的结构设计28

5.4.1 移动导轨的分析28

5.4.2 移动导轨的预选29

5.4.3 移动导轨的验算29

5.5 横向进给机构轴承的选择31

6 回转工作台的结构设计31

6.1 蜗轮蜗杆的设计计算31

6.1.1 初选[d1/a]值31

6.1.2 中心距计算31

6.2 传动基本尺寸的确定32

6.3 传动机构的校核计算32

6.3.1 蜗轮按齿面接触疲劳强度验算32

6.3.2 轮齿弯曲疲劳强度验算34

6.3.3 蜗杆轴绕度验算34

6.3.4 温度计算35

6.3.5 润滑油粘度和润滑方法35

6.3.6 花键的选择35

结论与展望36

毕业设计小结37

致谢38

参考文献39

1 绪论

　　　随着时代的发展，作为现代科学技术发展的重要标志之一的金属切削机床得到了更多的研究和发展，而随着在机加工中广泛投入使用这种机床，更是促进了传统的机械加工行业的高速发展。由于多工位加工机床极大地提高了加工精度、生产率和自动化程度，受到了生产商的广泛欢迎。而多工位机床则因其一次装夹能进行多工位的加工。在某种程度上，更是大大的提高了机加工的加工效率，很适合工件的批量生产。

1.1 钻床的工艺范围

　　　钻床类机床属孔加工机床，一般用于加工直径不大、精度要求不高的孔。其主要加工方法是用钻头在实心材料上钻孔，此外还可在原有孔的基础上扩孔、铰孔、锪平面、攻螺纹等加工。如图1.1所示。1.3 钻削加工的特点

　　　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，多工位加工是一种通过少量投资来提高生产率的有效措施。

1.3.1 多轴加工的特点

多轴加工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。　　　　2 机械传动方案确定

　　　经过毕业设计给出的题目要求和数据:要设计加工工件的最大直径为Φ10mm，工作行程为300×300×70的数孔多工位钻床。根据这一特点表明要设计的机床是一台中小型的钻床，而且是用于一般的机加工中。所以设计这样的机床考虑其经济性、合理性应该是最为重要的和成为设计的主导思想！

2.1 设计内容分析

　　　阅读相关机床资料和机床的市场调查，选择合理的机床结构很重要。传统的机床结构包括立式、卧式两大类。立式机床的主轴定位多数是相同的，它的优点在于：机床小巧、占地空间小、经济实惠。适合于工作单一加工工件较小及加工尺寸小的场合。而卧式机床的主轴结构及主轴箱布局可为单面悬挂主轴箱和主轴箱位于立柱对面内。后者的优点在于：主轴箱的自重不会使立柱产生弯曲变形，相同的切削力所引起的立柱的弯曲和扭转变形均大为减小。这样就相当于提高了机床的刚度。故要是采用对机床结构设计成为卧式结构的话就应该选用主轴箱位于立柱内的布局形式。然而一般的卧式机床的加工尺寸都很大，对于我们要设计的机床加工零件的尺寸是很小的：仅为最大加工为Φ10mm的孔。从经济的角度上来说：我们设计的机床采用立式的结构更为节省空间，节省材料。同时机床看上去更为小巧，然而完全可以达到要求加工范围的要求。包括此类机床的其它特点都很满足我们要设计机床的要求。

　　　而另一个问题则为，机床是否采用多轴，多轴钻床可分为可调式和固定式两种规格，可调式多轴钻床在其加工范围内，其主轴的数量、主轴间的距离，相对可以任意调整，一次进给同时加工数孔。在其配合液压机床工作时，可自动进行快进、工进（工退）、快退、停止.同单轴钻（攻丝）比较，工件加工精度高、工效快，可有效的节约投资方的人力、物力、财力。尤其机床的自动化大大减轻操作者的劳动强度。固定式多轴钻床采用单件（加工件）专机的设计方案，根据其加工件加工频率高、量大之原因，专门量身定制一件一机的设备，在其工作中勿须担心尺寸跑偏而伤脑筋，更是可以针对客户的要求进行专项设计。而对于大多数金属加工机床来说，数控进给复合运动的加工，是以直线轴加上回转轴的联动来实现的，而数控回转轴的设计与制造，更是衍生了数控回转工作台，这种既能作为数控回转轴，同时也起着承载工件重量、夹持工件的功能，有着进给分度和实现工作台圆周方向的进给运动的作用。相比于前者，这种机床无疑比较经济实惠。

2.2机械传动方案的选择

2.2.1 总体传动方案选择

　　　通过对几种钻床结构的了解和认识，结合论文题目的要求，确定设计一种基于机械传动的立式多工位加工的钻床。该机构应能达到达到高效、提高工件加工精度、降低工人劳动强度等目的。

　　　机械传动方式种类很多，由于在加工中需要机床具有一定的移动精度和回转精度，因此，本文进行多工位钻床的设计主要是采用封闭的齿轮传动方式。

　在所有的机械传动中，齿轮传动应用最广，可用来传递相对位置不远的两轴之间的运动和动力。齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动。按齿轮轴线的相对位置分平行轴圆柱齿轮传动、相交轴圆锥齿轮传动和交错轴螺旋齿轮传动。其具有结构紧凑、效率高、寿命长等特点。

　1）根据两轴的相对位置和轮齿的方向，可分为以下类型：

　直齿圆柱齿轮传动、斜齿圆柱齿轮传动、人字齿轮传动、锥齿轮传动、交错轴斜齿轮传动等。

　2）根据齿轮的工作条件，可分为：

　开式齿轮传动式齿轮传动、半开式齿轮传动、闭式齿轮传动等。

　　齿轮传动部分方式如图2.1所示。

QQ截图20131202225303.gif

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内容简介：: 无锡太湖学院信机系机械工程及自动化专业毕业设计论文任务书一、题目及专题：1、题目钻床主轴进给机构改造、专题变速机构设计二、课题来源及选题依据课题来源为无锡某机械有限公司。通过毕业设计是为了培养学生开发和创新机械产品的能力，要求学生能够结合普通钻床加工特性，针对实际使用过程中存在的问题，综合所学的机械理论设计与方法，对单轴普通钻床根据多工位加工要求进行改进，从而达到提高生产效率的目的。在设计传动件时，在满足产品工作要求的情况下，应尽可能多的采用标准件，提高其互换性要求，以减少产品的设计生产成本。三、本设计（论文或其他）应达到的要求：该部件工作时，能运转正常；拟定工作机构和传动系统的运动方案，并进行多方案对比分析；当电动机输入功率时，对主要工作机构进行运动和动力分析；设计基于多工位加工的传动系统结构图1张；设计绘制零件工作图若干；编制设计说明书1份。四、接受任务学生：机械97 班姓名沈宇五、开始及完成日期：自 2012 年 11 月 7日至 2013 年5 月 25 日六、设计（论文）指导（或顾问）：指导教师签名签名签名教研室主任学科组组长签名系主任签名年月日无无锡锡太太湖湖学学院院 20092009 届届毕毕业业作作业业周周次次进进度度计计划划、检检查查落落实实表表系别：信机系班级：机械97 学生姓名：沈宇周次起止日期工作计划、进度每周主要完成内容1-32012年11月12日-2012年12月 2日老师下达毕业设计任务，学生初步阅读资料，完成毕业设计开题报告。按照任务书要求查阅论文相关参考资料，填写毕业设计开题报告书4-102012年12月3日-2013年1月20日指导专业实训通过实习了解熟悉部门的工作情况11-122013年1月21日-3月1日指导毕业实习和指导老师的交流完成毕业实习报告132013年3月4日-3月8日钻床变速机构设计方案确定分析产品图、分析设计工艺，优选确定设计工艺方案142013年3月11日-3月15日设计方案分析与计算确定设计结构，计算所需各种尺寸152013年3月18日-3月22日装配图初步绘制钻床装配图162013年3月25日-3月29日装配图完善钻床装配图172013年4月1日-4月5日各相关零件的设计及计算查阅相关资料，计算选择出重要零件的尺寸182013年4月8日-4月12日变速机构的设计计算查阅相关资料完成变速机构的计算192013年4月15日-4月19日绘制CAD零件图根据最终确定尺寸绘制CAD零件图202013年4月22日-4月26日说明书、摘要、小结绘制装置零件图212013年4月29日-5月3日检查、指导设计说明书、摘要和小结编写完成设计说明书、摘要和小结222013年5月6日-5月10日修改论文格式通过老师检查发现格式不正确之处回去修改系别：信机系班级：机械97 学生姓名：沈宇说明： 1、“工作计划、进度”、“指导教师意见并签字”由指导教师填写，“每周主要完成内容”，“存在问题、改进方法”由学生填写。 2、本表由各系妥善归档，保存备查。存档编码：课题（设计）名称：钻床主轴进给机构改造变速机构设计开始日期:2012年11月12日存在问题、改进方法指导教师意见并签字备注所学知识有限，只能完成一些零碎的东西,询问指导老师经验的不足，需要时间的积累和与人的沟通对相关课题的了解不深，需查阅相关资料存在问题：缺乏实际操作经验，制定的设计方案不合理。改进方法：多去咨询老师了解实际生产过程，重新确立合理的设计方案。存在问题：结构设计不合理，尺寸计算有误差，对变速机构组成不是很清楚改进方法：查阅多种参考资料，改进设计结构，提高计算正确率。存在问题：对CAD运用不熟悉，画图速度较慢改进方法：重新确定合理的表达视图，多加运用绘图软件，提高画图速度存在问题：2D装配图中部分标准件画法不正确，尺寸不精确。改进方法：按机械制图要求改正不正确的画法，修改尺寸。有些细节方面不懂的地方，需向老师请教有些细节方面不懂的地方，需向老师请教请老师检查图纸，修改细节问题存在问题：零件图的表达方案不合理，尺寸不符合实际需要，技术要求不规范。改进方法：修改零件图的表达方案，完善尺寸标注和技术要求。存在问题：说明书的格式不规范，摘要不合理，关键词不恰当。改进方法：根据说明书规范要求更改，重新按要求编写摘要。按照学校给的样板自习修改格式无无锡锡太太湖湖学学院院 20092009 届届毕毕业业作作业业周周次次进进度度计计划划、检检查查落落实实表表课题（设计）名称：钻床主轴进给机构改造变速机构设计开始日期:2012年11月12日说明： 1、“工作计划、进度”、“指导教师意见并签字”由指导教师填写，“每周主要完成内容”，“存在问题、改进方法”由学生填写。 2、本表由各系妥善归档，保存备查。The Features and Development History and Application of Hydraulic and Pneumatic Transmutation 1.The advantages of hydraulic transmission 1) A hydraulic system can produce higher power than electrical equipment under the same volume . The hydraulic equipment system has smaller volume , light , high power consistency and compact configuration at a given power . The volume and weight of a hydraulic motor are about 12% of an electric motor .2) Hydraulic equipment has a good working stability . It is because of light , less inertia , quick response : the hydraulic equipment can realize celerity start-up , brake and frequent change in motion direction .3) The hydraulic transmission can reach a wide range of speed regulation (with the range of 1:2000), and the speed can also be regulated during the work processing .4) The hydraulic transmission can easily realize automation and the pressure , flow rate and the flow direction can be regulated and controlled . If we combine it with electric , electron or pneumatic control systems , a more complex transmission system with remote control can be realized .5) The hydraulic system can protect from over-load easily , which cannot be done by electricity or machine equipment .6) Because of standardization , series , and all-purpose application ; the hydraulic system is easier in design , fabrication and application .7) The hydraulic system is easier than machine equipment in doing line motion .2.The shortages of hydraulic transmission 1) Leak . Oil leaks are inevitable because of the loss in fluid flow resistance . So more energy loss exists in a hydraulic transmission .2) Working temperature . The working temperature has strong effect on the working property of a hydraulic system because of the viscosity-temperature character of hydraulic oil . It is suitable for working in a proper temperature .3) Cost . The cost is high because of the needs in high precision fabricate for hydraulic elements .4) It is difficult to find the reasons of fault .3. The advantages of pneumatic transmission .1) The air can be obtained and expelled from the atmosphere . It cannot bring pollution to the environment .2) It is of low viscosity and lower pressure loss in pipes . The pressure air is convenient for convergence supply and remote transportation .3) It is of low working pressure ( usually 0.3-0.8MP a ). Avowers material and fabricate precision is required for the pneumatic transmission elements .4) The pneumatic transmission has a simple servicing .The air pipe is not easy to be jammed .5) Safety . The pneumatic system can protect from over-load easily .4. The shortcomes of pneumatic transmission 1) It is because of air compressibility . The working stabilities for pneumatic transmission system are poorer than those of hydraulic transmission system .2) Because of lower working pressure and small size in configuration , the push force of pneumatic transmission is usually very lower .3) Lower transmission efficiency .To sum up , the strong-points of hydraulic and pneumatic transmission have taken the main advantages , and the shortages have been overcome and improved by technical renovation .The fundamental law underlying the whole science of hydraulics was discovered by Blasie Pascal ,a French physicist ,in the seventeenth century .But it was not until the end of the 18 century that man found ways to make the snugly fitting parts required in hydraulic systems and other modern equipment .Since then progress has been rapid .Hydraulic transmission has been experiencing the process as below .The 17th and 18th centuries were a productive period in the development of hydraulic theory . Torricelli studied fluid motion in the early 17th century .Late in that century ,Sir Isaac Newton conducted studies on viscosity and the resistance of submerged bodies in a moving fluid .The key achievements of the period occurred in the middle of the 18th century when Daniel Bullion developed the theory of transmission of energy in fluid streams and Blas Pascal ,at about the same time ,established the principle of hydrostatic pressure transmission .This principle was first used in the latter part of the 18th century .The first hydraulic pressure machine was manufactured by England in the late 18th century .The fundamentals of fluid theory were established by the above work and refinements were added by Navier who derived the mathematics of motion in liquids including equations for fluid flow with friction .This was early in the 19th century .It was followed by the work of Stokes ,who independently discovered the same equations and further extended the work of Navicert .Recently hydraulic and pneumatic pressure transmission technology has been developed with a large scale petrolic industry in the 19th century ,and the barbette displace was the first one successful using hydraulic equipment ,and then hydraulic machine tool .In World War I many new machines based on the principles of hydraulics had been used .The great automotive industy introduced hydraulic brakes in the early thirties and hydraulic transmissions in the late thirties .The tractor industry began using hydraulics in 1940 to increase the flexibility and utility of farm equipment .In World War II because of the demand transmission and control equipments in fast reaction ,precision action and high output powers boosted development in hydraulic theology .After the War ,the hydraulic development turned into civil industry ,such as machine tool ,engineering ,metallurgy ,plastic machine ,farm machine ,vehicle and watercraft .In more recent years ,the role of leadership in hydraulic power application has been taken over largely by some of the large earthmoving and construction equipment manufacturers .The total power involved is often greater than that required in even the largest aircraft systems .With the development of higher automation of hydraulic machines and increasing use of hydraulic and pneumatic elements ,the scaled elements and integrated hydraulic system with miniaturization is inevitable .Especially in recent years hydraulic and pneumatic transmission is combined closely with the sensor and micro-electricity technology .It has been emerging amounts of new valves such as hydraulic-electricity proportional valves ,digital valves ,hydraulic and electro-hydraulic servo cylinders and the integrative elements ,which will lead the hydraulic and pneumatic technology to the development of higher pressure ,higher speed ,larger power ,lower energy wastage and noise ,longevity and high integration .Computer aided design (CAD ) and test (CAT ) and practical control technology used in hydraulic and pneumatic system will be the trend .Nowadays the application of hydraulic transmission system has become one of the important indications of industry level for a country .In developed countries ,95%of engineering machine ,90%of numerical control center and more than 95%of automation assembly lines use the hydraulic transmission system .液压与气压传动的特点及发展应用概况1. 液压传动有以下优点1）在同等体积下，液压装置毕电气装置产生更高的动力。再同等功率下，液压装置体积小，重量轻，功率密度大，结构紧凑。液压马达的体积和重量只有同等功率电动机的12%左右。2）液压装置工作比较平稳。由于重量轻、惯性小、反应快，液压装置易于实现快速启动、制动和频繁的换向。3）液压装置能在大范围内实现无级调速（调速范围可达2000），它还可以在运行过程中进行调速。4）液压传动易于自动化，它对液体压力、流量或流动方向易于进行调节或控制。当将液压控制和电气控制、电子控制或气动控制结合起来使用时，整个传动装置能实现复杂的顺序动作，也能方便的实现远程控制。5）液压装置易于实现过载保护，这是电气传动装置和机械传动装置无法办到的。6）由于液压元件已经实现了标准化、系列化和通用化，液压系统的设计、制造和使用都比较方便。7）用液压传动实现直线运动远比用机械传动简单。2.液压传动的缺点1）由于流体流动的阻力损失和泄露是不可避免的，所以液压传动在工作过程中常有较多的能量损失。2）工作性能易受温度变化的影响，因此不宜在很高或很低的温度下工作。3）为了减少泄漏，液压元件的制造精度要求较高，因而价格较贵。4）液压传动出现故障时不易找出原因。3.气压传动的优点1）空气可以从大气中取得，同时，用过的空气可直接排放到大气中去，处理方便，万一空气管路有泄漏，除引起部分功率损失外，不知产生不利于工作的严重影响，也不会污染环境。2）空气粘度很小，在管道中的压力损失较小，因此压缩空气便于集中供应和远距离输送。3）因压缩空气的工作压力较低（一般为0.30.8Mpa），因此，对气动元件的材料和制造精度上的要求较低。4）气动系统维护简单，管道不易堵塞。5）使用安全，并且便于实现过载保护。4.气压传动的缺点1）由于空气具有可压缩的特性，因此运动速度的平稳性不如液压传动。2）因为工作压力较低和结构尺寸不宜过大，因而气压传动装置的总推力一般不可能很大。3）传动效率低。总的说来，液压与气压传动的优点是主要的，而它们的缺点通过技术进步和多年的不懈努力，已得到克服或得到了很大的改善。虽然在17世纪中叶法国物理学家伯雷斯.帕斯卡提出了静压传递原理，但在18世纪末才开始找到应用在液压系统和其他现代装备中合适的元件。从那以后，液压技术得到迅速发展。17、18世纪是液压基础理论的建立最兴旺的时期。其中在17世纪初期，意大利数学和物理学家托里切利研究流体运动原理；17世纪后期艾沙克牛顿研究物体在流动的液体中的粘性和阻力问题；18世纪中叶是最关键的时期，主要的成就有丹莱尔.箔某里发展了流体能量传递原理，同时伯雷斯.帕斯卡建立并提出了静压传递原理。从此静压传递原理奠定了流体传动（液压、气压传动）的理论基础。静压传递原理在18 世纪后期得到广泛运用。世界上第一台水压机是在18 世纪末由英国制造的。在上述理论基础上，纳维推倒流体运动方程，到了19世纪初期斯托克斯叶独立发现相同的方程并进一步发展了纳维的流体运动方程。近代液压气压传动是有19 世纪崛起并蓬勃发展的石油工业推动起来的，最早实践成功的液压传动装置是舰艇上的炮塔转位器，其后才在机床上应用。第一次世界大战引入基于液压原理的新武器。在20 世纪30 年代初期和后期在大型工业自动化中引入液压制动。1940年代开始使用拖拉机以增强农机设备的机动性和效率。第二次世界大战期间，由于军事工业和装备迫切需要反应迅速、动作准确、输出功率大的液压传动及控制装置，促使液压技术迅速发展；战后，液压技术很快转入民用工业。在机床、工程机械、冶金机械、塑料机械。农林机械、汽车、船舶等行业得到大幅度的应用和发展。近几年液压传动应用到大型挖掘机和建筑施工的设备中，所涉及的总的动力常常比最大型的航空系统所需的动力还高。随着液压机械自动化程度的不断提高，液压、气动元件应用数量急剧增加，元件小型化、系统集成化是必然的发展趋势。特别是近十年来，液压和气动技术与传感技术、微电子技术密切结合，出现了许多诸如电液比例控制阀、数字阀、电液伺服液压缸等机（液）电一体化元器件，使液压技术在高压高速大功率节能高低噪声使用寿命长高度集成化等方面取得了重大进展。无疑，液压元件和液压系统的计算机辅助设计（CAD）计算机辅助试验（CAT）和计算机实时控制也是当前液压和气动技术的发展方向。现今采用液压传动的程度已成为衡量一个国家工业水平的重要标志之一。如发达国家生产的95%的工程机械、90%的数控加工中心、95%以上的自动生产线都采用了液压传动。编号无锡太湖学院毕业设计（论文）相关资料题目：钻床主轴进给机构改造变速机构设计信机系机械工程及自动化专业学号： 0923822学生姓名：沈宇指导教师：韩邦华（职称：副教授）（职称：）2013年5月25日目录一、毕业设计（论文）开题报告二、毕业设计（论文）外文资料翻译及原文三、学生“毕业论文（论文）计划、进度、检查及落实表”四、实习鉴定表无锡太湖学院毕业设计（论文）开题报告题目：钻床主轴进给机构改造变速机构设计信机系机械工程及自动化专业学号：学生姓名：指导教师：（职称：副教授）（职称：）科学依据（包括课题的科学意义；国内外研究概况、水平和发展趋势；应用前景等）本课题为基于多工位加工的普通钻床结构设计，由于生产纲领为大批大量生产，故将涉及大批量加工的工艺规程设计、专用机床和专用夹具设计等，尤其随着工业的发展，快速进给及多工位加工更是引人注目。实现多工位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，完成该课题可对我们大学期间所学知识进行一次全面的专业训练，可以培养我们掌握如何运用过去所学知识去解决生产中实际问题的方法，增强从事本专业实际工作所必需的基本能力和开发研究能力，可以提高我们的专业素质，为今后走上工作岗位打下一个良好的基础。研究内容本课题的专题是基于多工位加工的普通钻床改造设计。钻床被广泛用于大、中批量零件如：汽车、拖拉机、摩托车等行业的汽缸体、变速箱壳体、杠杆拨叉等加工领域。为了适应大批量生产，专用多工位钻削加工具有较大的优势，它按照孔的分布位置，通过PLC控制可实现一次装夹，多工位加工，从而保证了各孔间的位置及尺寸精度。对于在大批量生产模式下的金属切削加工应保证快速并且稳定，必需设计出高效率的专用加工设备，并要做到最合理，这样才能保证加工质量和提高生产率。拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析在毕业实习调研以及查阅有关资料的基础上，结合钻削加工的特点，设计出基于多工位加工的快速主轴、移动工作台及回转工作台，实现在普通钻床一次装夹多工位加工的高效机床，经反复对各方案对比分析，采用以专用机床与专用夹具为主组成生产流水线，提高机械加工效率以节省劳动时间。通过实验分析回转加工的特点，改进专用机床的结构设计，并采用动作迅速并安全可靠的机构。研究计划及预期成果通过现场调研、模拟、建模、实验和机器调试，根据加工对象的具体工艺要求来合理地改进多工位加工钻床的结构形式，提高机械加工效率以节省劳动时间，并降低工人的劳动强度和企业的生产成本。特色或创新之处适用于本厂的某加工生产线的优化设计，力求在不影响加工的前提下最大限度的减少成本，并降低工人的劳动强度和生产成本。已具备的条件和尚需解决的问题针对实际机械加工过程中存在的工时定额问题，综合所学的机械理论设计、方法及工艺装备，提高机械零件加工的精度及工艺成本，进而提升学生开发和创新机械产品的能力。指导教师意见指导教师签名：年月日教研室（学科组、研究所）意见教研室主任签名：年月日系意见主管领导签名：年月日钻床主轴进给机构改造变速机构设计编号无锡太湖学院毕业设计（论文）题目：钻床主轴进给机构改造变速机构设计信机系机械工程及自动化专业学号：学生姓名：指导教师：（职称：副教授）（职称：）2013年5月25日无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）钻床主轴进给机构改造变速机构设计是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。班级：机械97 学号： 0923822 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日摘要随着先进制造技术的发展和进步，数控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。数控多工位钻床就是提高钻削加工精度和效率的一种很好的机加工工具。本文对数控多工位钻床进行了设计，采用了普通车床设计的步骤和方法，综合考虑数控机床的特点。从切削力入手确定主轴及电机，到整个机床的结构设计和机床的控制。最后到对机床初始化程序设计。本文完成数控多工位钻床的资料收集与国、内外现状的调查比较，提出较为可行的方案;完成机床的机械结构设计计算与电气控制系统设计，初步完成控制系统的软硬件设计。本设计是关于将普通钻床改造为多工位加工钻床的结构设计。普通钻床为单轴机床，且工件安装后需要进行反复调整，工件上有相互位置要求的各表面间的位置精度就会受到很多因素的影响，通过设计改造成快速主轴、移动工作台和具有一定回转精度的能实现多工位加工的钻床后，能大大地缩短加工时间，提高生产效率。因此本设计主要从钻床的主轴箱设计、移动工作台设计及工作台的回转设计几个方面，对普通钻床进行一定的结构改进，实现多工位加工，以符合现代机械加工的要求。关键词：多工位钻床；生产效率；主轴箱AbstractWith the manufacturing development, numerical control manufacturing has become one of the major advanced technologies. efficiency and accuracy has been improved in application of the technology. Numerical control auto-drilling machine is a kind of the new machine tools that can improve the machining accuracy and efficiency. The paner has designed for Numerical control auto-drilling machine, using design method of the ordinary lathe, and considering the characteristic of the numerical control machine tools synthetically. cutting force has been calculated, the structural and the control system has been designed. Finally, the software routine has been explored.This paner has finished completed a investigation of internal and external of current situation for numerical control multistage-drilling machine, and compared it, put forward a feasible scheme; completed the mechanical structural design an calculated and designed the electric control system, and finished the software and hardware of the control system tentatively.The design is about reconstructing the ordinary drill to carry out multiple position drill. The ordinary drill is a single drill. The machining accuracy of the work-piece will be affected by the mount. Because the exact position of work-piece will be affected by the adjustment. It will promote its productive efficiency, shorten its processing time through the design of the rapid spindle, moving and evolution worktable. Hereby, the keystone of this design paper is how to design the rapid spindle, moving and evolution worktable.Key words: multiple drill; productive efficiency; multiple spindle heads目录摘要IIIAbstractIV目录V1 绪论11.1 钻床的工艺范围11.2 钻床的类型11.2.1 台式钻床11.2.2 立式钻床11.2.3 摇臂钻床21.3 钻削加工的特点21.3.1 多轴加工的特点31.3.1 多工位加工的特点31.4 论文研究的内容及意义31.5 本文所做的工作32 机械传动方案确定42.1 设计内容分析42.2机械传动方案的选择42.2.1 总体传动方案选择42.2.2 总体传动方案确定53 主轴传动部件设计73.1 切削力的计算73.1.1 机床工况要求73.1.2 切削力和切削扭矩的计算73.2 主轴齿轮传动方案确定93.2.1 设定齿轮传动方案93.2.2 主轴传动设计和计算104 工作台纵向进给机构的设计184.1 工作台纵向进给负载分析及计算184.1.1 摩擦阻力计算184.1.2 等效转动惯量计算184.1.3 丝杠摩擦阻力矩的计算194.1.4 等效负载转矩的计算194.1.5 起动惯性阻力矩的计算194.1.6 步进电机输出轴总的负载转矩的计算194.2 纵向进给步进电机选择194.3 纵向进给滚珠丝杠的选择与校核194.3.1 承载能力的校核194.3.2 压杆稳定性验算204.3.3 刚度验算204.4 滑动导轨的结构设计214.4.1 移动导轨的分析214.4.2 移动导轨的预选214.4.3 移动导轨的验算224.5 纵向进给轴承的选择255 横向进给运动机构的设计255.1 横向进给负载分析及计算255.1.1 摩擦阻力的计算255.1.2 等效转动惯量计算255.1.3 丝杠摩擦阻力矩的计算265.1.4 等效负载转矩的计算265.1.5 起动惯性阻力矩的计算275.1.6 步进电机输出轴总的负载转矩的计算275.2 横向进给步进电机选择275.3 横向进给滚珠丝杠的选择与校核275.3.1 承载能力的校核275.3.2 压杆稳定性验算275.3.3 刚度验算285.4 滑动导轨的结构设计285.4.1 移动导轨的分析285.4.2 移动导轨的预选295.4.3 移动导轨的验算295.5 横向进给机构轴承的选择316 回转工作台的结构设计316.1 蜗轮蜗杆的设计计算316.1.1 初选d1/a值316.1.2 中心距计算316.2 传动基本尺寸的确定326.3 传动机构的校核计算326.3.1 蜗轮按齿面接触疲劳强度验算326.3.2 轮齿弯曲疲劳强度验算346.3.3 蜗杆轴绕度验算346.3.4 温度计算356.3.5 润滑油粘度和润滑方法356.3.6 花键的选择35结论与展望36毕业设计小结37致谢38参考文献391 绪论随着时代的发展，作为现代科学技术发展的重要标志之一的金属切削机床得到了更多的研究和发展，而随着在机加工中广泛投入使用这种机床，更是促进了传统的机械加工行业的高速发展。由于多工位加工机床极大地提高了加工精度、生产率和自动化程度，受到了生产商的广泛欢迎。而多工位机床则因其一次装夹能进行多工位的加工。在某种程度上，更是大大的提高了机加工的加工效率，很适合工件的批量生产。1.1 钻床的工艺范围图1.1钻床的加工方法钻床类机床属孔加工机床，一般用于加工直径不大、精度要求不高的孔。其主要加工方法是用钻头在实心材料上钻孔，此外还可在原有孔的基础上扩孔、铰孔、锪平面、攻螺纹等加工。如图1.1所示。1-工作台 2-进给手柄 3-主轴 4-皮带罩 5-电动机 6-主轴箱 7-立柱 8-底座图1.2台式钻床1.2 钻床的类型钻床的主要类型有台式钻床、立式钻床、摇臂钻床、深孔钻床等。在钻床上加工时，工件固定不动，主运动是刀具（主轴）旋转，刀具沿轴向的移动为进给运动。 1.2.1 台式钻床台式钻床实质上是加工小孔的立式钻床，简称台钻，其钻孔直径一般在16mm以下。主要用于小型零件上各种小孔的加工。台钻的自动化程度较低，通常采用手动进给，但其结构简单，小巧灵活，使用方便。其结构图见图1.2所示。1.2.2 立式钻床图1.3所示是立式钻床的外形。其特点为主轴轴线垂直布置，且位置固定。主轴箱3 中装有主运动和进给运动的变速传动机构、主轴部件以及操纵机构等。主轴箱固定不动，用移动工件的方法使刀具旋转中心线与被加工孔的中心线重合，进给运动由主轴随主轴套筒在主轴箱中作直线移动来实现。利用装在主轴箱上的进给操纵机构5，可以使主轴实现手动快速升降、手动进给以及接通或断开机动进给。被加工工件可直接或通过夹具安装在工作台2上。工作台和主轴箱都装在方形立柱4的垂直导轨上，可上下调整位置，以适应加工不同高度的工件。适用于中小型工件孔的加工，且加工孔数不宜过多。1-底座 2-立柱 3-摇臂 4-主轴箱5-工作台图1.4 摇臂钻床1-底座 2-工作台 3-主轴箱4-立柱 5-进给操纵机构图1.3立式钻床1.2.3 摇臂钻床对于一些大而重的工件，因移动费力，找正困难，不便于在立式钻床上进行加工，这时希望工件固定不动而移动主轴，使主轴中心对准被加工孔的中心，这样便产生了摇臂钻床，如图1.4所示为摇臂钻床的外形。它的主轴箱装在摇臂3上，可沿摇臂的导轨水平移动，而摇臂3又可绕立柱2 的轴线转动，因而可以方便地调整主轴的坐标位置，使主轴旋转轴线与被加工孔的中心线重合，此外，摇臂3还可沿立柱升降，以便于加工不同高度的工件。为保证机床在加工时有足够的刚度，并使主轴在钻孔时保持准确的位置，摇臂钻床具有立柱、摇臂及主轴箱的夹紧机构，当主轴位置调整完毕后，可以迅速地将它们夹紧。底座1上的工作台5可用于安装尺寸不大的工件，如果工件尺寸很大，可将其直接安装在底座上，甚至就放在地面上进行加工。摇臂钻床适用于单件和中、小批量生产中加工大、中型零件。1.3 钻削加工的特点据统计，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，多工位加工是一种通过少量投资来提高生产率的有效措施。1.3.1 多轴加工的特点多轴加工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。1.3.1 多工位加工的特点多工位加工示意图如图1.5所示。工位1装卸工件工位2预钻孔工位3钻孔工位4扩孔工位5粗铰工位6精铰图1.5 多工位加工它利用机床的回转工作台，使工在六个工位上依次进行装卸工件、预钻孔、钻孔、扩孔、粗铰和精铰工作。它实现了减少工件的安装次数、提高零件各表面间相互位置精度及提高生产效率等目的，相对普通钻床而言，它具有高速、高效、高精度等特点。这种加工方式常采用多工位夹具或多轴（或多工位）机床，使工件在一次安装后先后经过若干个不同位置顺次进行加工。1.4 论文研究的内容及意义本文根据设计老师的要求，主要设计出基于齿轮传动的单轴、快速移动回转式工作台以实现不同位置的顺次加工，达到高效、降低工人劳动强度等目的，并可通过后期的改进设计能使钻削加工实现自动化的数控加工。同时采用多工位加工则更为缩短了装夹时间等辅助时间，使生产率得到更大的提高等。后期还可以在此基础上进行多主轴的结构设计，再通过PLC控制，达到高效率、高精度、低成本等特点。对机械加工行业的长远发展具有现实的意义。1.5 本文所做的工作1）完成数控多工位钻床的资料收集与国、内外现状的调查比较，提出较为可行的方案；2）完成钻床的机械结构设计计算及装配与关键零部件的相应图纸；2 机械传动方案确定经过毕业设计给出的题目要求和数据:要设计加工工件的最大直径为10mm，工作行程为30030070的数孔多工位钻床。根据这一特点表明要设计的机床是一台中小型的钻床，而且是用于一般的机加工中。所以设计这样的机床考虑其经济性、合理性应该是最为重要的和成为设计的主导思想！2.1 设计内容分析阅读相关机床资料和机床的市场调查，选择合理的机床结构很重要。传统的机床结构包括立式、卧式两大类。立式机床的主轴定位多数是相同的，它的优点在于：机床小巧、占地空间小、经济实惠。适合于工作单一加工工件较小及加工尺寸小的场合。而卧式机床的主轴结构及主轴箱布局可为单面悬挂主轴箱和主轴箱位于立柱对面内。后者的优点在于：主轴箱的自重不会使立柱产生弯曲变形，相同的切削力所引起的立柱的弯曲和扭转变形均大为减小。这样就相当于提高了机床的刚度。故要是采用对机床结构设计成为卧式结构的话就应该选用主轴箱位于立柱内的布局形式。然而一般的卧式机床的加工尺寸都很大，对于我们要设计的机床加工零件的尺寸是很小的：仅为最大加工为10mm的孔。从经济的角度上来说：我们设计的机床采用立式的结构更为节省空间，节省材料。同时机床看上去更为小巧，然而完全可以达到要求加工范围的要求。包括此类机床的其它特点都很满足我们要设计机床的要求。而另一个问题则为，机床是否采用多轴，多轴钻床可分为可调式和固定式两种规格，可调式多轴钻床在其加工范围内，其主轴的数量、主轴间的距离，相对可以任意调整，一次进给同时加工数孔。在其配合液压机床工作时，可自动进行快进、工进（工退）、快退、停止.同单轴钻（攻丝）比较，工件加工精度高、工效快，可有效的节约投资方的人力、物力、财力。尤其机床的自动化大大减轻操作者的劳动强度。固定式多轴钻床采用单件（加工件）专机的设计方案，根据其加工件加工频率高、量大之原因，专门量身定制一件一机的设备，在其工作中勿须担心尺寸跑偏而伤脑筋，更是可以针对客户的要求进行专项设计。而对于大多数金属加工机床来说，数控进给复合运动的加工，是以直线轴加上回转轴的联动来实现的，而数控回转轴的设计与制造，更是衍生了数控回转工作台，这种既能作为数控回转轴，同时也起着承载工件重量、夹持工件的功能，有着进给分度和实现工作台圆周方向的进给运动的作用。相比于前者，这种机床无疑比较经济实惠。2.2机械传动方案的选择2.2.1 总体传动方案选择通过对几种钻床结构的了解和认识，结合论文题目的要求，确定设计一种基于机械传动的立式多工位加工的钻床。该机构应能达到达到高效、提高工件加工精度、降低工人劳动强度等目的。机械传动方式种类很多，由于在加工中需要机床具有一定的移动精度和回转精度，因此，本文进行多工位钻床的设计主要是采用封闭的齿轮传动方式。在所有的机械传动中，齿轮传动应用最广，可用来传递相对位置不远的两轴之间的运动和动力。齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动。按齿轮轴线的相对位置分平行轴圆柱齿轮传动、相交轴圆锥齿轮传动和交错轴螺旋齿轮传动。其具有结构紧凑、效率高、寿命长等特点。 1）根据两轴的相对位置和轮齿的方向，可分为以下类型：直齿圆柱齿轮传动、斜齿圆柱齿轮传动、人字齿轮传动、锥齿轮传动、交错轴斜齿轮传动等。 2）根据齿轮的工作条件，可分为：开式齿轮传动式齿轮传动、半开式齿轮传动、闭式齿轮传动等。齿轮传动部分方式如图2.1所示。图2.1 齿轮传动方式简图2.2.2 总体传动方案确定由上面分析可知，本文传动方式主要在如图2-1中所列几种方式中进行选择。现对以上几种齿轮传动方式进行分析比较，最终确定适合于多工位加工的齿轮传动方式。1）圆柱齿轮传动用于平行轴间的传动，一般传动比单级可到8，最大20，两级可到45，最大60，三级可到200，最大300。传递功率可到10万千瓦，转速可到10万转分，圆周速度可到300米/秒。单级效率为0.960.99。直齿轮传动适用于中、低速传动。斜齿轮传动运转平稳，适用于中、高速传动。人字齿轮传动适用于传递大功率和大转矩的传动。圆柱齿轮传动的啮合形式有3种：外啮合齿轮传动，由两个外齿轮相啮合，两轮的转向相反；内啮合齿轮传动，由一个内齿轮和一个小的外齿轮相啮合，两轮的转向相同；齿轮齿条传动，可将齿轮的转动变为齿条的直线移动，或者相反。 2）蜗轮蜗杆传动交错轴传动的主要形式，轴线交错角一般为90。蜗杆传动可获得很大的传动比，通常单级为880，用于传递运动时可达1500；传递功率可达4500千瓦；蜗杆的转速可到3万转分；圆周速度可到70米秒。蜗杆传动工作平稳，传动比准确，可以自锁，但自锁时传动效率低于0.5。蜗杆传动齿面间滑动较大,发热量较多，传动效率低，通常为0.450.97。 3）行星齿轮传动具有动轴线的齿轮传动。行星齿轮传动类型很多，不同类型的性能相差很大，根据工作条件合理地选择类型是非常重要的。常用的是由太阳轮、行星轮、内齿轮和行星架组成的普通行星传动、少齿差行星齿轮传动、摆线针轮传动和谐波传动等。行星齿轮传动一般是由平行轴齿轮组合而成，具有尺寸小、重量轻的特点，输入轴和输出轴可在同一直线上。其应用愈来愈广泛。通过以上分析，结合机床实际加工要求，现确定机床传动方案为：工作台的回转运动采用蜗轮蜗杆传动，而工作台纵向和横向运动采用滚球丝杆进行传动。3 主轴传动部件设计由于电机工作时，其负载阻力有切削力、摩察阻力、惯性力，所以只有在这些阻力被克服，才能正常启动及运行。因此要对进给系统进行必要的设计及计算。3.1 切削力的计算3.1.1 机床工况要求要求加工的最大孔为d0=10mm,刀具为高速钢麻花钻（以磨损）。工件材料为45井钢（b=0.638GPa）；灰铸铁190HBS。加工精度为：IT8IT10级以下孔粗加工。3.1.2 切削力和切削扭矩的计算1）当工件材料为 45井钢根据已知条件查机械加工工艺手册表2.4-38高速钢钻头钻孔时的进给量知：10mm钻头粗加工的进给量为0.220.28。由表2.4-41高速钢钻头切削时切削速度、扭矩及轴向力可选取进给量的两极限值f=0.08mm/r0.30mm/r，对应的它们的切削速度为V=0.99m/s0.43m/s,则由得钻头或工件的转速由机械制造工程原理计算钻头轴向力F和扭矩T的经验公式及麻花钻轴向力和扭矩表达式中的系数、指数及修正系数可知：（3.1）（3.2）（3.3）式中：b=0.638GPa CF=61.2 XF=1.0 YF=0.7 CM=0.0311 XM=2.0 YM=0.8 KF=KFmKFw KM=KMmKMw对于已磨损钻头KMw=1 KFw=1工件材料KMm=KFm= =0.98938则最小进给量f=0.08mm/rF1=9.8161.2100.080.70.989381=1013.79NT1=9.810.03111020.080.80.989381=4.0NmPM1=23.144.031.5310-3=0.79Kw最大进给量f=0.30mm/rF2=9.8161.2100.300.70.989381=2557.22NT2=9.810.03111020.300.80.989381=11.52NmPM2=23.1411.5213.6910-3=0.99Kw2）当工件材料为灰铸铁时根据已知条件查机械加工工艺手册表2.4-41高速钢钻头钻孔时的进给量知：10mm钻头初加工的进给量为0.220.28。由表2.4-41高速钢钻头切削时切削速度、扭矩及轴向力可迭取进给量的两极限值f=0.12mm/r0.70mm/r，对应的它们的切削速度为V=0.79m/s0.33m/s,则由可得：钻头或工件的转速由金属切削刀具计算钻头轴向力F和扭矩T的经验公式及表3-1麻花钻轴向力和扭矩表达式中的系数、指数及修正系数可知：（3.4）（3.5）（3.6）式中： CF=42.7 XF=1.0 YF=0.8 CM=0.021 XM=2.0 YM=0.8 KF=KFmKFw KM=KMmKMw对于已磨损钻头KMw=1 KFw=1工件材料KMm=KFm=（HB/190）0.6=1则最小进给量f=0.12mm/rF3=9.8142.7100.120.811=768.14NT3=9.810.0211020.120.811=3.78NmPM3=23.143.7825.1610-3=0.597Kw最大进给量f=0.70mm/rF4=9.8142.7100.700.811=3149.02NT4=9.810.0211020.700.811=15.49NmPM4=23.1410.5115.4910-3=1.02Kw由此可得钻头的最大转矩Tmax=15.49Nm 最大转矩Fmax=3149.02N 最大切削功率PMmax=1.02Kw则钻头主轴所需要的功率为：P1= PMmax/总其中总=花键轴轴承深沟球轴承=0.99 （取3个）角接触推力轴承=0.98 （取2个）花键轴=0.970.98 由金属切削机床查得：总=花键轴轴承=0.970.9930.982=0.904则P1=1.02/0.904=1.03Kw对于主轴电机的选择，查机械设计手册，对于中小功率的电机，一般额定转矩只有2.1-4，而主轴所需要的最大扭矩为15.49Nm，故必须采用齿轮组进行减速以提供大的转矩达到符合相应电机的额定转矩。在多工位钻床的设计过程中，要求机床能够进行多级变速。在这种情况下，可以采用一个变速器来解决。无级变速器就是能使主轴达到相应转矩和使主轴传递的转矩符合要求。同时，根据主轴特点设计钻床主轴的特点是主轴在轴向方向上有移动，就是说上端的花键轴外面必须套有内花键的齿轮或其它才能将电动机的运动传递给主轴，使主轴转动。在本次设计中我们就选用花键的齿轮作为传动件，把电机的转动传给主轴，则从主轴来的传动方式为：主轴（花键轴）内花键齿轮啮合齿轮（一组或多组）联轴器无级变速器主轴电动机3.2 主轴齿轮传动方案确定3.2.1 设定齿轮传动方案主轴齿轮传动方案如图3.1所示：轴为机床主轴，设计为齿轮花键轴。由前面知齿轮花键轴的功率为P1。图3.1 主轴传动示意图即轴 P= P1=1.13Kw轴 P= P/齿轮=1.13/0.97=1.16Kw （取齿轮=0.97，精度等级为8级）则主轴电机输出功率P2P2= P/联轴器=1.16/0.99=1.18Kw根据机械设计手册选择电机可用YCP802-2，1.1Kw额定功率和YCP90S-2，1.5Kw额定功率最为接近功率要求。而前者略小于最大输出功率，而加一个无级变速器相对于电机来说其传递功率也不会消耗太多，粗略估算则选用后者YCP90S-2，额定功率为1.5Kw，额定电压为380V，额定电流为3.4A，转速为2840r/min，最大额定转矩为2.3Nm。选择了电动机就可根据所选择电动机确定相应的无级变速器。根据电动机功率和转矩及主轴所必须达到的最小转矩，可确定变速器，查机械设计手册第四卷可选择的无级变速器为：HZXD1500L。根据无级变速器的相关数据和主轴所需要的相关数据，无级变速器提供的转矩已经可以达到主轴要求的转矩，同时转速也能达到要求。故在接下来设计的齿轮组中，主要达到的目的为将电动机的转动传递给主轴使主轴完成转动，并不影响轴向的进给运动。对于齿轮组的设计就是要完成传动。为了设计需要，可以仅设计一组齿轮即可。又因为转矩完全达到要求，转矩要求的差又不是太大，从对主轴箱结构设计入手（对主轴箱的总体布局和结构合理、比例合适），可将这对齿轮设计成一组惰轮，即不改变变速器传递出来的转矩和转速，仅将转动传给主轴，达到了设计要求和目的。3.2.2 主轴传动设计和计算1）齿轮的设计计算在齿轮设计中，取转矩最大时设计用到最大转矩15.49,切削速度nI=631r/min。首先小齿轮（主动齿轮）用40Cr，调质处理，硬度241HB286HB，平均取为260HB，大齿轮（从动齿轮）用45钢，调质处理，硬度229HB286HB，平均取为240HB。关于主轴传动中的第一组齿轮按齿面接触疲劳强度计算。（1）初步计算：转矩:TII= 5.49Nm=5490Nmm齿宽系数:d 由表12-13（该节中所指的表均指机械设计一书中的表）取d1.0接触疲劳极限：Hlim 由图12.17c可取 Hlim1=710MPa Hlim2=580MPa初步计算的许用接触硬力:H1=0.9Hlim1=0.9710=639MPaAd值由表12-16，取Ad85初步计算的小齿轮直径：d1=29.14(其中u=I=1, T=5490Nmm)取d190mm 初取齿宽：b=bd1=190=90mm（2）校核计算：圆周速度: 精度等级：由表12-6选8级精度齿数Z和模数m:取齿数Z1=60,Z2=iZ1=160=60模数由表12-3取m=1.5 则 Z2= iZ1=60使用系数KA:由表12-9取KA1.5 动载系数KV:由表12-9取KV1.1 齿间载荷分配系数KH:由表12-10先求：端面重合度：重合度系数:Z=0.74 由此得：齿间载荷分布系数KH: 载荷系数：K=KAKVKHKH=11.28=3.82弹性系数ZE由表12-12取ZE189.8节点区域系数ZH:由图12.16可取ZH2.5 接触最小安全系数SHmin:由表12-14取SHmin1.05 总工作时间：th=10300820%=4800h 应力循环次数NL:由表12-15估计：107NL109 则指数：m=8.78NL1=NV1=60ithi(Ti/Tmax) =6016314800(18.780.2+0.58.780.5+0.28.78 0.3) =3.65107 原估计应力循环次数正确。接触寿命系数ZN:由图12.18可取ZN1=1.13 ZN2=1.18许用接触应力H：验算：H=ZEZHZ 503.4MPa计算结果表明,接触疲劳强度较为适合，齿轮齿寸无需调整。（3）确定传动主要尺寸：实际分度圆直径d,因模数取标准值时，齿数并未调整，故分度圆直径不会改变，即：d1=mZ1=90mm d2=mZ2=90mm 中心距齿宽b=bd1=90mm（4）齿根弯曲疲劳强度验算：重合度系数Y：齿间载荷分配系数KF: 由表12-10 齿向载荷分布系数KF:由表12-14 KF=1.25载荷系数K:K=KA KVKFKF=91.25=3.07齿形系数YF: 由图12.21 YF1=2.8 YF2=2.29应力修正系数YSa: 由图12.22Ysa1=1.54 Ysa2=1.74弯曲疲劳极限Flim:由图12.23CFlim1=60MPa Flim2=450Mpa弯曲最小安全系数SFmin:由表12-14 SFmin1.25应力循环次数NL:由表12-15，估计3106NLTmax=15.49Nm则花键轴能够达到所需传递的转矩。对于花键轴传递转矩转动中产生的摩擦力为F花：取=0.1F花=f=53380.1=533.8N而则轴所受轴向力：F合= F花+ Fmax =154.5+3149.02=3304N则轴向方向齿条受力F合K=1.1F合=3635N（K=1.1）3）轴向进给设计（1）主轴结构形式确定在主轴外设计一套筒：由长为80mm的齿条经齿轮带动。先设计用一级减速接步进电机使主轴进给。其结构如图3.3所示。图3.3主轴进给示意图（2）步进电机的选择及转矩的计算由机电一体化系统设计： I=t0/3600其中：步距角（deg）脉冲当量（钻床取0.02mm） t0齿距（t0=m）根据机电一体化系统设计选步进电机取=0.1 m=1.25 取=0.75时取I=3.2（=0.1时）可取：Z1=20 Z2=64 m=1.25 b=20mm =200df1=mZ1=25mm df2=mZ2=80mm de1=28 de2=83齿轮设计成直齿圆柱齿轮，齿轮材料为45钢，则大小齿轮转动惯量分别为：根据机电一体化系统设计，预选步进电机为200BF001，查得电机转子轴的转动惯量为：折算到电动机轴上的转动惯量：有效负载转矩Tm的计算：取V=2m/min Tm=（F轴+F摩）V主轴进给/2nm 起动惯量矩的计算：以最不利条件下的快速起动计算，设起动加速度或制动减速度的时间t=0.3s，由于步进电机的角速度则： T惯=则J=Tm+T惯=1.04+5.038=6.08Nm 如考虑机械传动系统的效率为n，安全数值为K，则此时负载总转矩为：由预选的步进电机型号200BF001，五相十步，步距角0.10/Step，其最大静转矩Tymax=14.7Nm，为保证正常的起动和停止，步进电机的起动转矩Tg必须大于或等于T，由表可知Tg/Tymax的比值，取Tg/Tymax=0.951，则Tg=14.70.951=13.98Nm13.03Nm故选择合适。4 工作台纵向进给机构的设计4.1 工作台纵向进给负载分析及计算4.1.1 摩擦阻力计算摩擦阻力应等于正压力乘以摩擦系数。正压力应包括轴向力F=1175N及工作台加纵向轨道之重力，设工作台重量为400Kg，纵向轨道重量为400Kg.=（400+400）1011750.1=917.5N 4.1.2 等效转动惯量计算根据要求粗选：=0.75 to=5 =0.005可取 =25 , =52 m=1.5 b=25mm =20o则：df1=mZ1=1.525=37.5mm df2=mZ2=1.552=78mm de140.5mm de2=81mm将齿轮看作近似的圆柱体，材料为钢，则大、小齿轮的转动惯量分别为:J=7.8d4 b10-4 (kgm2)JZ1=7.83.7542.510-4=3.8610-5Kgm2 JZ2=7.88.1042.510-4=8.4010-4Kgm2滚珠丝杆直径选择为d0=25mm, L=700mm,材料钢，则丝杆的转动惯量可近似的算出为：JS=7.82.547010-4=2.1310-4Kgm2由机电一体化系统设计，预选步进电机为110BF004，查得电机转子轴的转动惯量为 Jm=3.4310-4Kgm2折算到电机轴上的总转动惯量为： 4.1.3 丝杠摩擦阻力矩的计算由于用的是滚珠丝杠，摩擦阻力矩很小，可以忽略不计。4.1.4 等效负载转矩的计算Tm=(F纵+F摩) V工作/2nm由4.1.5 起动惯性阻力矩的计算以最不利条件下的快速起动计算，设起动加速式制动减速的时间t=0.5s(一般在0.11s之间)，由于步进电机的角速度角加速度T惯Jm=6.2610-4174.44=0.11Nm4.1.6 步进电机输出轴总的负载转矩的计算J=Tm +T惯=0.35+0.11=0.46Nm4.2 纵向进给步进电机选择考虑机械传动系统的效率为,安全系数为K,则比时的负载总转矩应考虑为由预选的步进电机型号为110BF004，三相六拍，步距角0.75%step.其最大转矩Tymax=4.9Nm为保证正常的起动与停止，步进电机的起动转矩Tg必须大于或等于T,由表查出Tg/T=0.866Tg=4.90.866=4.24Nm0.99Nm 故选择合适。确定选用110BF004步进电机。4.3 纵向进给滚珠丝杠的选择与校核初选丝杠型号为CMD2504-3，因此必须进行以下几个项目的校核4.3.1 承载能力的校核 fHfWPmaxCO 式中L滚珠丝杠寿命系数（）Pmax=F纵+F摩0+917.5917.5NfH=1 fW=1.2 T=15000选丝杆CMD25043查表得丝杆额定载荷为O=8.2KNQ满足要求。4.3.2 压杆稳定性验算取双推简支式支承，由FK=2E-钢的弹性模量2.1105（Mpa）I-丝杠小径的截面惯性矩（）查手册可知，所用丝杠的最小径为：d1 =21.9mm取压杆稳定安全系数K=4丝杠长度L=LS=700mm故满足要求。4.3.3 刚度验算丝杠的刚度是保证第一导程的变动量要在允许范围内丝杠最小截面积设T0=0.5I=2.26cm4 M= Tmaxi=4.92.08=10.20Nm=1020Ncm“”号用于拉伸，“一”号用于压缩，都取“”号，则:由于选择要求滚珠丝杠精度等级为C级，L0=4m0.681m所以满足要求。4.4 滑动导轨的结构设计4.4.1 移动导轨的分析对导轨的要求主要有：要有一定的导向精度；要有良好的耐磨性，足够的刚度；要减少热变形影响；要使运动轻便平稳和一定的工艺性。因此，在考虑到要求加工精度为7级，且钻床为一般机床，所以可以选用贴塑的矩形滑动导轨。由于机床上的运动部件都是沿导轨而作运动，则导轨的磨损就非常大，所以要采用一系列措施来提高导轨耐磨性。其中除了选用合适材料、热处理、润滑外，还应该采用保护装置，即采用防护罩，使机床导轨不外露，这样直接能防止切屑及灰尘等落到导轨上。由金属切削机床设计，导轨的截面形状与组合选择为双矩形导轨（数控钻床用滑动导轨贴塑就可以了，可不用滚动导轨）。这种导轨的刚度高，当量摩擦系数比三角形导轨低，承载能力高，加工、检验和维修都方便，特别是数控机床双矩形、动导轨贴塑料软带，是滑动导轨的主要形式。矩形导轨存在侧向间隙，必须用镶条进行调整（采用窄式组合）。4.4.2 移动导轨的预选根据以知条件和加工要求，预选导轨机床坐标如图4.1所示。图4.1 数控钻床坐标系由机床设计手册新版（2）表9.3-7，X轴向移动导轨结构尺寸预选为：H=20 B=50 B1=12 A=400 h=12 h1=H-0.5 镶条b=6（平）其结构简图如图4.2所示。图4.2 T型导轨剖面结构4.4.3 移动导轨的验算对于数控多工位的钻床的导轨受力分析如图4.3所示。、分别为切削力、进给力和背向力。图4.3 导轨受力分析图1）各外力对坐标轴取矩：轴对于钻床而（相对于轴的）则轴：工件与工作台重估计；：有两种极限情况（：工作台到最近处：.长度;：工作台到最近处：(0.05+0.35)） Z轴：由分析知2）支反力计算：各导轨面的支反力分别为RA、RB、RC要增大，则有：或：（对于钻床）3）各导轨面的支反力矩：4）牵引力：对于钻床来说，Ff进给力很小或为0。5）导轨压强：按线形分布的导轨压强：a=B值=0.05 L=0.3m（接触强度）（根据工作台大小和导轨长度初步确定）或或或对于滑动导轨速度较低的进给运动导规，平均许用压1.21.5Mpa，最大许用压强2.53.0Mpa，动导轨上镶有以聚四氟乙烯为基体的塑料板时，如滑动速度V1m/min时PV值不得超过0.2Mpam/min，如滑动速度V1m/min 时，则许用压强取0.2Mpa。对于所选导轨在不加塑料板时，平均压强和最大许用压强都能满足要求，而当要镶入塑料板时许用压强则Pav有0.25Mpa，而设计滑行速度为2m/min时Pav=0.2Mpa，则不能符合要求，则必须对导轨参数进行重新选择。但是对于数控钻床来讲，工件进给过程中并不受切削力，则加上镶入塑料导轨板时的平均压力可以适当的增加，取这种情况下的许用平均压强在0.60.8Mpa，故导轨的平均许用压强Pav=0.35Mpa0.49Nm。所以选择合适。确定选用90BF006步进电机。5.3 横向进给滚珠丝杠的选择与校核初选丝杠型号为CMD2005-3，因此必须进行以下几个项目的校核5.3.1 承载能力的校核 fHfWPmaxCO 式中L滚珠丝杠寿命系数（）Pmax=F横+F摩0+517.5517.5NfH=1 fW=2 T=15000 选丝杆CMD20053查表得丝杆额定载荷为O=9KNQ满足要求5.3.2 压杆稳定性验算取双推简支式支承，由FK=2E-钢的弹性模量2.1105（Mpa）I-丝杠小径的截面惯性矩（）查手册可知，所用丝杠的最小径为：d1 =1.69mm取压杆稳定安全系数K=2.5丝杠长度L=LS=700mm故满足要求。5.3.3 刚度验算丝杠的刚度是保证第一导程的变动量要在允许范围内丝杠最小截面积设T0=0.5I=0.80cm4 M= Tmaxi=0.8822.5=2.21Nm=221Ncm“”号用于拉伸，“一”号用于压缩，都取“”号，则由于选择要求滚珠丝杠精度等级为C级，L0=4m0.602m所以满足要求。5.4 滑动导轨的结构设计5.4.1 移动导轨的分析对导轨的要求主要有：要有一定的导向精度；要有良好的耐磨性，足够的刚度；要减少热变形影响；要使运动轻便平稳和一定的工艺性。因此，在考虑到要求加工精度为7级，且钻床为一般机床，所以可以选用贴塑的矩形滑动导轨。由于机床上的运动部件都是沿导轨而作运动，则导轨的磨损就非常大，所以要采用一系列措施来提高导轨耐磨性。其中除了选用合适材料、热处理、润滑外，还应该采用保护装置，即采用防护罩，使机床导轨不外露，这样直接能防止切屑及灰尘等落到导轨上。由金属切削机床设计，导轨的截面形状与组合选择为双矩形导轨（数控钻床用滑动导轨贴塑就可以了，可不用滚动导轨）。这种导轨的刚度高，当量摩擦系数比三角形导轨低，承载能力高，加工、检验和维修都方便，特别是数控机床双矩形、动导轨贴塑料软带，是滑动导轨的主要形式。矩形导轨存在侧向间隙，必须用镶条进行调整（采用窄式组合）。5.4.2 移动导轨的预选由机床设计手册新版（2）表9.3-7，移动导轨结构尺寸预选为下,其结构简图如图5.1所示。图5.1 T型导轨剖面结构H=20 B=70 B1=12 A=400h=12 h1=H-0.5 b=6（平）5.4.3 移动导轨的验算对于数控多工位的钻床的导轨受力分析如图5.2所示。图5.2 导轨分析图1）各外力对坐标轴取矩：轴其中 W取500Kg =519.585+250 =769.585Nm或 =2519.585NmMy=Mz=02）支反力计算：各导轨面的支反力分别为RA、RB、RC则有：或：3）牵引力：对于钻床来说，Ff进给力很小或为0。4）导轨压强：按线形分布的导轨压强：a=B值=0.07 L=0.35m（接触强度）上导轨的宽度基本上等于下导轨的接触长度。（根据工作台大小和导轨长度初步确定）或或或则各条件符合许用最大压强和许用平均压强的参数。5.5 横向进给机构轴承的选择推力球轴承：51304向心球轴承：62046 回转工作台的结构设计回转工作台是靠蜗杆蜗轮传递运动的，其传动比为i=30。6.1 蜗轮蜗杆的设计计算6.1.1 初选d1/a值当量摩擦系数：设VS=4m/s7m/s 查表13-6取大值 v=0.03选d1/a值：在图13.11的i=30线上选取A点，查得:d1/a0.25 r=130(Z1=2) 1=0.886.1.2 中心距计算蜗轮转矩： T2=T1i1=9.55106P1in11使用系数：按要求查表12-9 KA=1.0转速系数：弹性系数：根据蜗轮副材料查表13-2 ZE=147Mpa寿命系数：接触系数：由图13.12I线查出 Ze=3.35接触疲劳极限：查表13-2 Him=265MPa接触疲劳最小安全系数：SHmin=1.3中心距：取a125mm6.2 传动基本尺寸的确定蜗杆头数：由机械设计手册查得r=130 Z1=2蜗轮齿数： Z2=iZ1=302=60模数：取m3.15mm蜗杆分度圆直径：d1= d1/aa=0.25125=31.25查机械设计手册表13-4 取d135.5mm蜗轮分度圆直径：d2=mZ2=3.1560=189mm蜗杆导程角： r=10.060蜗轮宽度：取b2=26mm蜗杆圆周速度：相对滑动速度：当量摩擦系数：由机械设计手册表13-6查得v=0.043 v=2.40。6.3 传动机构的校核计算6.3.1 蜗轮按齿面接触疲劳强度验算转矩:T=252120Nmm齿宽系数:b 由机械设计手册表12-13取接触疲劳极限：Hlim 由图12.17c可取 Hlim1=710MPa Hlim2=580MPa初步计算的许用接触应力:H1=0.9Hlim1=0.9710=639MPaAd值由机械设计手册表12-16，取Ad85初步计算蜗轮直径：取d1189mm齿间载荷分配系数KH:由机械设计手册表12-10先求：端面重合度：重合度系数:Z=0.88由此得：齿间载荷分布系数KH:由表12-11（非对称支撑）载荷系数：K=KAKVKHKH=91.31=2.79 弹性系数ZE由机械设计手册表12-12取ZE189.8 节点区域系数ZH:由机械设计手册图12.16可取ZH2.5 接触最小安全系数SHmin:由机械设计手册表12-14取SHmin1.05 总工作时间：th=15000 应力循环次数NL:由表12-15估计：107NL109 则指数：m=8.78 NL1=NV1=60ithi(Ti/Tmax) =601100015000(18.780.2+0.58.780.5+0.28.780.3) =1.81108原估计应力循环次数正确。接触寿命系数ZN:由机械设计手册图12.18可取ZN1=1.12 ZN2=1.24许用接触应力H：验算：H=ZEZHZ 计算结果表明,蜗轮齿面接触疲劳强度较为适合，蜗轮尺寸无需调整。许用接触应力：最大接触应力：因此合格。 6.3.2 轮齿弯曲疲劳强度验算齿根弯曲疲劳极限：由机械设计手册表13-2查出Flim115Mpa 弯曲疲劳最小安全系数：SFmin=1.4许用弯曲疲劳应力：轮齿最大弯曲应力：因此校验合格。6.3.3 蜗杆轴绕度验算轴惯性矩：允许蜗杆绕度：=0.004m=0.0043.15=0.0126mm蜗杆轴绕度：此处取d2l，校验合格。6.3.4 温度计算传动啮合效率：焦油效率： 2=0.99轴承效率： 3=0.99总效率： 1=123=0.800.990.990.787散热面积估算：箱体工作温度：此处取,中等通风环境。校验合格。6.3

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