立式钻床可调式多轴头架的设计（有全套图纸） .pdf

本科毕业设计 论文 通过答辩 1 摘要摘要 本文是立式钻床用轴均布多轴头设计 可调式多轴头各轴在圆周方向均 布且方向可方便地沿直径方向同步调整 以适应多种小批量生产条件下法兰 盘类零件的螺孔加工 固定试式多轴头是根据一个典型法兰盘类零件而设计 的 用于零件中大批量生产要求 多轴头架的设计参数来源于一般的加工工艺条件 以适应更广阔的加 工范围 针对工厂里多孔钻削时 孔径一般较小 多在 10cm 左右 而且大 部分是箱体 法兰盘等 箱体 法兰盘多为铸造件 材料是铸铁 也有个别 的被加工零件的材料是低碳钢 根据这些工件的切削条件 可以确定多轴头 架的工艺主参数 主参数确定后便可以进行多轴头架的总体设计 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 为了保证加工生产条件的安全 加上多轴头工作时装隔离装置比较困 难 所以必须严格校核轴头架的强度 以免发生事故或达不到加工要求 可以看出 改装后的多轴钻床 可以同时完成多个孔的钻 扩 铰等 工序 工艺范围可以满足一般加工情况的孔类钻削要求 可调多轴头架可以 起到提高生产效率 降低成本 提高孔系加工精度等作用 参照该调节原理 可进行其他任意孔系加工装置的设计 还可以用于攻丝 扩 锪孔等加工装 置 此外该装置具有结构简单 操作方便 应用范围广等特点 值得推广 关键词 关键词 立式钻床多轴头可调固定 2 3 abstract the design of multiple spindles heads for drilling machine whose drills spindles are adjustable or fixed are introduced the adjustable spindles of the multiple spindles heads are located evenly in the circuit and can be adjusted synchronism on the diameter s direction to meet the small scale production needs of the screw hole manufacture for flange plate parts and the fixed multiple spindles heads is design for the big scale production needs of the screw hole manufacture for flange plate parts it can t be used to manufacture another farts because it s spindle distance is designed for the only part the design of multiple spindles heads include three parts the total design the transfer system design and the constructive design because of the un development in our manufacture industry most company s plant lack of the machine to drill multiple holes at the same time and it s a waste of funding on the manufacturing facilities which will be laid after the parts are produced so the economicmultiple spindles heads enable the normal company to drill the multiple holes in a fast way and same company gained the economic performance by the way of reequips the machine tools it s the fact that the reequipped drilling machine can satisfy the process precision requirement so the design is feasible based on the design of themultiple spindles heads we can also design the others to the manufacture of the other flange plant parts key words drilling machine adjustable multiple spindles heads 4 目录目录 前言 1 1 概述 2 1 1 问题的提出 2 1 2 同行业概况 2 1 3 课题的意义 2 2 总体方案设计 4 2 1 对工件进行工艺分析 4 2 1 1检查图纸的完整性和正确性 4 2 1 2分析工件的结构特点 4 2 1 3分析工件的材料及加工性能 5 2 1 4工件的生产批量 5 2 2 确定工件的加工方法 5 2 3 对被改装钻床的分析 5 2 4 总体布局 6 2 5 其他问题分析 7 3 齿轮可调式三轴头架的设计 8 3 1 齿轮可调式三轴头架的传动原理及调整方法 8 3 2 方案的工艺设计参数 9 3 2 1z535 钻床动力所允许的工况条件 9 3 2 2确定用于钻削计算的极限值 13 3 3 三轴头架的传动设计 16 3 3 1齿轮的设计验算 16 3 3 2轴的设计与校核 21 3 3 3轴承的校核计算 35 3 3 4键的设计校核 37 3 3 5螺栓的设计校核 38 3 3 6夹头夹紧力的计算校核 40 4 润滑与密封 43 5 结束语 44 6 谢辞 46 7 参考文献 47 5 前言前言 我的毕业设计的题目是 立式钻床可调式多轴头架的设计 在现阶段 我国制造也的发展状况 一方面零件精度 复杂度越来越高 另一方面我国 的制造业中普遍存在社别老化的问题 虽然设备老化在现代工业中是不可避 免的事情 现在设备的设计更新实在太快了 而且 随着现代产品的小批 量生产趋势 为了加工某个零件去购置一台新机床是不合适的 怎样利用现 有设备高效快速地加工出新零件是一件很有实际应用价值的课题 在现代设计中 箱体类 钣金类的零件被广泛应用 在上面进行设计 一系列孔是很多时候必须的工作 进行多孔钻削是现代加工中一个不可缺少 的加工工序 但是在我国的大部分中小企业目前还不能很好的适应多孔钻削 的生产要求 为了某个批量不是很大的零件购置响应的排钻甚至专用机床是 取不了多大的经济效益的 针对各个企业里的钻床进行改装不失为一个经济 易行同时能满足大部分精度要求的好方法 目前国内已有一些厂家通过改造现有的钻床设备使之具备加工多孔钻 削的能力 一般情况下 都是采用加装多轴头架的方法 并学用适当的夹具 便于多轴头架的装夹 由于改造机床多为了某个特定的零件 各种多轴头架 各有各的特点 一改改装机床的工艺对象普遍狭窄的缺点 我这里设计了一 个可调式的多轴头架 它的切削周向直径可调节 大大的扩大了它的加工范 围 6 1 概述概述 1 1 问题的提出 本次毕业设计任务的提出 是为适应目前我国大部分制造厂的实际生 产状况 当前制造业设备更新特别快 大部分企业遇到同一端面的多孔钻削 的零件时 为此购置专用设备又往往不经济的条件下 可以通过改造现有普 通单轴钻床使之具有多轴钻削的能力 既解决了加工要求与现有设备的矛 盾 又有效的利用了闲置机床 极大的提高了设备利用率 给企业带来了巨 大的经济效益 1 2 同行业概况 在国内的相关企业中已经有一部分企业开始原有设备的改造以适应新 的加工生产 其中有一些结构相对比较复杂 当然这与白加工零件的相关工 艺参数有关 在法兰盘周向均布孔的加工上应用已经相当广泛 比如在郑州 的一个汽车制造车间上 运用了改造后的钻床进行加工 取得了良好的经济 效果 由于这些厂家的生产对象的特殊性 他们加工的孔径一般较大 改造 后的钻床 除了加装多轴头架外 还需设计额外的夹具以减轻头架的重量对 钻床的作用力影响及保证头架进给的精度 1 3 课题的意义 为了使广大的一般小型生产厂家具有同一端面的多孔加工能力 我设 计了重量较轻 钻削轴均布的三轴头架 可以实现同时三孔位的加工 而且 如果孔之间的距离有变化 可以随时进行孔距的调节 使它能够实现多孔位 的加工 那样不仅可以节省时间 改善工人的劳动强度 提高劳动效率 而 且对于机械行业也是一种革新 齿轮可调式三轴头架 因为它是一种可换的 而且是可以调节孔距的 设备 所以适应生产过程中的小批量的生产 7 根据多孔的加工要求 确定机床的主要参数如下 最大钻孔深度 单侧钻 50mm 主轴数目3 主轴中心线至工作台面高750mm 主轴转速1000r min 左右 8 2 总体方案设计总体方案设计 总体方案是部件和零件的设计依据 对整个机床的设计影响较大 因 此 在拟定总体方案的过程中 必须综合的考虑 使所定方案技术上先进 经济效果好 确定总体方案 包括下列内容 2 1 对工件进行工艺分析 2 1 1 检查图纸的完整性和正确性 工件的图纸应能清晰的表达工件的形状结构 标注全部尺寸及技术要 求 说明工件的材料和所需要的工件数量等 加工零件为典型的盘类零件 砂轮机端盖 如图 图 1 砂轮机端盖 2 1 2 分析工件的结构特点 工件的结构决定了它的安装方式和加工厂方法 要求用多轴头架加工 的孔为精度要求不甚高的9mm 螺栓孔 在加工时 以大端面为基准装夹 根据批量的要求需另外设计专用夹具 以适应中批量的生产要求 9 2 1 3 分析工件的材料及加工性能 工件的材料对加工方法有很大的影响 如材料的软硬对刀具进给量 走刀量都有较大的影响 砂轮机端盖的毛坯为铸件 材料是球墨铸铁 可根 据相关手册计算加工时的加工参数 以此来确定多轴头架的设计参数 2 1 4 工件的生产批量 被加工工件的生产批量的大小对改装方案的制定也有较大的影响 工 件的批量大 改装后的机床的生产效率则要求高 若工件的批量小 则对机 床的效率要求不高 工件批量大时要求要考虑机床的专用性 工件批量小时 要求要考虑机床的通用性 砂轮机端盖的生产为中批量生产 设计周期短 经济的三轴头架十分适合它的生产批量加工条件 2 2 确定工件的加工方法 不同的加工方法可带来不同的经济效益 故工件加工工厂方法选择 的是否合适 对钻床改装来说是非常重要的 他不仅关系到改装形式 还直 接影响改装后机床加工质量的优劣 生产效率的高低等 所以确定工件加工 方法时 应考虑以下主要问题 1 加工表面要求的精度和粗糙度 2 工 件的生产批量 3 工件的结构形状和尺寸 4 钻床改装的实际可能性 2 3 对被改装钻床的分析 分析被改装钻床时包括的主要内容有 1 分析机床能否适应改装 要求 2 调查和了解机床的使用情况 3 考虑机床的动力情况 4 分 析改装后机床的强度和刚度问题 z535 型立式钻床是一种传统的立式钻床 在机械制造和维修中的单件 小批量生产中 对中小型零件进行钻孔 扩孔 铰孔 锪孔及攻螺纹等加工 工艺上得到了普遍的应用 但由于其为单孔钻床 对多孔钻削的加工比较麻 烦 很费工时 给操作者增加了劳动强度 为此 为了挖掘设备潜力 将其 10 改装成多头钻床 根据在实际加工中的要求 同一加工平面三孔或四孔加工 比较常见 设计了齿轮十多轴头架 以便于更高效的使用 z535 立式钻床 在完成一批生产任务后 三轴头架可以从钻床上拆下来 立式钻床恢复原貌 不会影响钻床原来的参数 当参数发生改变 被加工工件尺寸发生变化时 可调式头架的钻削主轴轴距可以调节 适应被加工工件上孔距在一范围内的 变化 从而扩大了三轴头架的使用范围 有关 z535 钻床的动力参数将在以下内容进行详尽的分析计算 2 4 总体布局 一般包括 分配运动 选择传动形式和支承形式的位置 拟定从布局 上改善机床性能和技术经济指标的措施等 最后 绘制多轴头架与机床的总 联系尺寸图 以表达所才用的总体布局 规定联系尺寸 并确定主要的技术 参数 查相关的机床手册 得到 z535 的相关联系尺寸 列于下表 单位 mm 最大钻孔直径 d35 最大钻孔深度 h175 从主轴端面到工作台端面 h0 750 从主轴中心到导轨距离 a175 从工作台 t 型槽中心到凸肩距离 b160 凸肩高度 h0 3 工作台最大升高325 主轴箱最大垂直移动量200 主轴最大行程225 主轴外径尺寸40d4 锥孔莫式号数4 号 11 2 5 其他问题分析 在制定改装方案时 除了以上各因素外 还要注意维护要方便 制造 和装陪要简单 结构要紧凑 通用化程度要高 外型要平整协调等 同时也 要考虑因地制宜的改装问题 考虑到在钻床上安装了三轴头架之后 再装上 钻头 钻头前端到被加工工件之间必须留有一定的高度用于进刀用 在加上 工件孔的深度 钻头架的垂直尺寸必须满足一定的范围 根据钻床外的联系 尺寸 钻头长度和一般被加工工件的尺寸 钻头架的垂直尺寸应在 400mm 左右 12 3 齿轮可调式三轴头架的设计齿轮可调式三轴头架的设计 3 1 齿轮可调式三轴头架的传动原理及调整方法 可调式三轴头架的传动原理如图 1 所示 主轴 1 由钻床主轴来带动 旋转 经齿轮副 2 与 3 和 3 与 5 使小轴 4 即钻削主轴 得到动力旋转 于是带动钻头进行钻削 钻削孔径的调整通过改变两小轴 4 的中心距来实现 即使两小轴 4 的中心距等于被加工孔的孔径 在调整时 参见图 1 首先松开六角螺母 然后转动支架使之带动介轮轴一起在本体中转动 直至三小轴的中心距调整 到 所 要 求 的 尺 寸 为 止 再 将 六 角 螺 母 拧 紧 图 1 三轴头架传动原理图 13 图 2传动原理简图 1 主轴2 中心轮3 介轮4 小轴 5 小齿轮 3 2 方案的工艺设计参数 3 2 1z535 钻床动力所允许的工况条件 多轴头架是根据加工工件的需要进行设计的 与之相配套的立钻动力 是否够用 设计前必须验证 常用的验证方法有两种 一是类比法 即加工 同类零件机床动力进行比较 以此决定所选用的动力是否能满足要求 另一 种是计算法 将计算所得的切削功率与配套机床的动力进行比较 以此决定 配套机床的动力是否够用 应用公式计算切削速度 切削力和切削功率 根据设计儿女物说明书 的要求 最大孔径为12mm 此时在各种工况条件下的 v f p 考虑到 齿轮传动有功率损失 单根钻削轴能承受的最大功率 z535 的额定功率围 4 5kw 14 66 4 5 3 0 98 3 p p 1 33kw 1 用高速钻头钻孔时 查 机械加工工艺师手册 以下简称 工艺师 表 28 14 高速钢 钻头钻削结构钢 650 b mpa 当 d 10mm 时 最大进给速 度为 f 0 25mm r 对应的 切削速度v 15m min 轴向力f 3010n 转矩t 10 03n m 功率p 0 51kw p 1 33kw 查 工艺师 表28 15高速钢钻头钻削灰铸铁 190hbs 当d 10mm 时 最大的进给速度为 f 0 60mm r 对应的 切削速度v 12m min 轴向力f 3765n 转矩t 13 93n m 功率p 0 52kw170hbs 100 250 4 dmmfmm r 这里按 f 0 25mm r 计算 查表得22 2 v c 0 45 v z 0 v x 0 4 v y 0 2m 410 f c 1 2 f z 0 75 f y 0 117 t c 2 2 t z 0 8 t y 有 17 0 45 0 20 3 1 20 75 2 20 8 0 22 2 10 147 4 min 350 25 410 100 2512274 5 0 117 100 2516 1 6 1 47 4 0 961 33 3030 10 vm fn tn m tv pkwpkw d 满足功率要求 则用硬质合金钻头 yg8 钻削时 max 0 25 fmm r 3 2 2 确定用于钻削计算的极限值 由于以上所计算的进给量是在机床功率允许的最大值 此时转速为最小值 而在多轴头架中从主轴到钻削主轴是升速运动 可以充分发挥 z535 的各级 转速对比各种工况下的钻削速度 小轴钻削速度为 1 高速钢钻头钻削加工碳素结构钢 650 b mpa 时 v 16 1m min n v d 16 1 0 010 512 7r min 2 高速钢钻头加工灰铸铁 190hbs 时 v 13 4m min n v d 13 4 0 010 426 8r min 3 用硬质合金钻头 yg8 加工灰铸铁 190hbs 时 v 47 4m min n v d 47 4 0 010 1509 6r min 对比可以看出在钻床所允许的功率下 工作最低转速为 426 8 r min 根据有关手册查得 z535 钻床的各级转速为 68 100 140 190 275 400 530 750 1100r min 为了减小轴头架的尺寸 防止头架过重 应尽量缩小 头架的传动比 取主轴最低转速为 140r min 进行升速 此时钻削轴转速为 18 426 8r min 则总的传动比为 426 8 3 049 140 n i n 钻 主 考虑钻头都有一定的转向 一般为右旋 为了使钻削主轴与机床主轴的转动 方向一致 都为右旋 采用两级齿轮传动 如果把传动比分配的合理 传 动系统结构紧凑 重量轻 对机床的作用力就小 润滑条件也好 若分配不 合理 可能会造成种种不便 因此分配传动比时要考虑以下原则 1 各级传动比应在每一级传动的范围内 各类传动比允许的推荐 值可参见 实用机械设计手册 以下简称 实用手册 表 1 3 2 各级传动尺寸要协调合理 取 21 1 4ii 总传动比 22 121 1 4ii iii 1 3 049 1 5 1 4 i 2 3 049 2 0 1 5 i 为保证头架总体尺寸不至于过大 取小齿轮的齿数取 z3 20 根据有关 资料的设计经验 取模数 m 2 则个齿轮的尺寸为 小齿轮z3 20 33 20 240dzm mm 介轮 2 2 20 1 5 30 30 2 60 z d mm 19 中心轮 1 2 30 260 60 2120 z dmm 齿轮齿数确定后 算得传动比误差 总齿数比为 2 1 23 60 30 3 30 20 z z u zz 传动比误差为 3 0493 1 6 3 049 uuu uu 误差在5 内 满足误差要求 图 3 三轴头架的俯视图 则轴头架的工艺尺寸 见图 3 1 进行正式的三孔加工时 312 min 1206040 2 2 20 222222 ddd dmm 31 max2 40120 2 2 60 280 2222 dd ddmm 20 但由于支架的尺寸影响 不可能达到理论最小均布直径 根据支架的外 型尺寸 头架能够加工的最小均布直径为 50mm 20 作双轴头架使用 钻削双孔时 0 maxmax 00 1223 min cos30242 5 120606040 2cos302cos3039 6 22222222 ldmm dddd lmm 但是 作用轴头架使用时算的 min l是达不到的 因为钻削主轴支架的 厚度限制 具体尺寸在装配图完全确定后才能确定 约为 50mm 3 3 三轴头架的传动设计 3 3 1齿轮的设计演算 参考 机械设计工程学 i 选择齿轮的材料 查表 8 17小齿轮选用 40cr 调制处理 介轮选用 45 调质处理 中心轮选用 45 正火处理 2 对中心轮进行齿根弯曲强度校核计算 由式 8 66 1 1 2 aa ffsf kt y y y bd m 确定齿轮传动精度等级 小齿轮的转速算得为 426 8r min 以上 最 高达 1000r min 左右 小齿轮的圆周速度 1 426 8 0 0453 6 minvndm 2 1100 0 04138 2 minvndm 21 参考表 8 14 8 15 选取 齿宽系数0 4 b 查表 8 23 按齿轮相对轴承为悬臂布置 小齿轮转矩 按最大值计算为 t3 13 1nm 高速钢钻头钻削灰铸铁 时 根据介轮受力分析 3 22 3 13 1 6019 65 40 t tdnm d 载荷系数 k由式 8 54 得 av kk k k k 使用系数1 25 a k 查表 8 20 动载荷系数1 07 v k 查表 8 57 齿向载荷分布系数1 11k 查表 8 60 齿间载荷分布系数1 15k 查表 8 55 及 0 得 查表 8 21 并查值 则动载荷系数 k 1 25 1 07 1 11 1 15 1 71 齿型动载荷系数 a f y查图 8 67 得 中心轮 1 2 28 a f y 介轮 2 2 52 a f y 应力修正系数 1 a s y查图 8 68 中心轮 1 1 73 a s y 介轮 2 1 625 a s y 22 重合度系数y 由式 8 67 y 0 25 0 75 0 25 0 75 1 72 0 69 许用弯曲应力 f 由式 8 71 f limf 222 lim2 ffnxf y ys f s 弯曲疲劳极限 limf 查图 8 72 应力循环次数由式 8 70得 8 1 6060 140 1 8 200 8 3 2 10 h nnjl 2 n 8 60 140 2 8 200 8 2 2 10 弯曲寿命系数1 n y 查图 8 73 尺寸系数1 x y 查图 8 74 安全系数1 3 f s 查图 8 27 则 111 lim1 ffnxf y ys 390 1 1 1 3 300n mm 222 lim2 ffnxf y ys 460 1 1 1 3 354n mm 又因为中心轮齿宽 3 2 0 4 6016 16 d bdmm bbmm 介轮齿宽较大 在计算时按 32 510 20bbmm 已经取得比实际值大 若校核安全 则肯定安全 故 23 2 1 71 19650 2 28 1 73 0 6976 2 20 60 2 f 2 1 71 19650 2 28 1 73 0 6958 6 26 60 2 f 3 对小齿轮进行齿面接触疲劳强度校核计算由式 8 63 得 1 2 1 21 heh kt u z z z bdu 齿宽系数查表 8 23 按齿轮相对轴承为悬臂布置 取齿宽 3 0 4 6016 d bdmm 介轮齿宽暂取 2 16bbmm 实际不止这尺寸 则按照他校核安全 则介轮肯定安全 小齿齿宽 32 510 20bbmm 小齿轮转矩 3 13 1tn m 注 为极大值 载荷系数 k由式 8 54 得 av kk k k k 使用系数1 25 a k 查表 8 20 动载荷系数1 07 v k 查表 8 57 齿向载荷分布系数1 11k 查表 8 60 齿间载荷分布系数1 10k 查表 8 55 及 0 得 23 1111 1 883 2 cos1 883 2 1 62 3020 v zz 查表 8 21 并查值 24 则载荷系数 1 25 1 07 1 11 1 101 63k 弹性系数 lim2h 189 8 e z 查表 8 22 节点影响系数2 5 h z 查表 8 64 重合度系数0 9z 查表 8 65 0 许用接触应力 h 式 8 69 得 2 lim3 hhnwh zzz 接触疲劳极限应力 lim2 570 h n mm lim3 1480 h n mm 查 图 8 69 应力循环次数由式 8 70得 8 2 2 2 10n 已算得 8 1 6060 426 8 1 8 200 8 3 28 10 h nnjl 则查图 8 70 得接触强度的寿命系数 2 n z 3 n z 不允许有点蚀 硬化系数 w z查图 8 71 及说明 接触强度安全系数 h s查表 8 27 按一般可靠度查得 min 1 01 1 h s 取 3 h 570 1 1 1 1 518n mm 3 h 1480 1 1 1 1 1345n mm 25 齿数比 2 3 30 1 5 20 z u z 故 2 2 2 1 63 13100 1 5 1 189 8 2 5 0 9581 4 24 401 5 h n mm 3 2 2 1 63 13100 1 5 1 189 8 2 5 0 9649 6 20 401 5 h n mm 3 3 2 轴的设计与校核 1 小轴的设计校核 1 小轴最大转矩 3 13 1 tn m 2 作用在齿轮的力 圆周力 3 3 13 1 22655 0 04 t t fn d 径向力 0 tan20238 4 rt ffn 3 确定轴的最小直径 选取轴的材料为45钢调质处理 按式4 2初估轴的最小直径 查表 4 2 取 a 115 可得 高速钢钻头钻削碳素钢时 3 min1 0 54 11511 7 512 7 dmm 高速钢钻头钻削灰铸铁时 26 3 min2 0 59 11513 5 426 8 dmm 硬质合金钻头钻削灰铸铁时 3 min3 0 96 1159 9 1509 6 dmm 当轴上开有键槽时会削弱轴的强度 要适当增大轴的直径 轴 段上有一个键槽时 轴径增大 3 5 故 minmin2 1 5 14 5 1 5 14 175ddmm 4 轴的结构设计 a拟定轴上零件的装配方案 见图 4 b按轴向定位要求确定各轴段直径和长度 轴段 1 齿轮左端用弹簧挡圈定位 按轴段 1 的直径 1 20dmm 取 挡圈直径 d 18 5mm gb894 1 86 取 1 19 9dmm 轴段 2 该轴段安装滚动轴承 此轴承主要承受切削力 即轴向力 选 用单向推力轴承 取轴段直径 2 25dmm 选用 8205 型单向推力轴承 尺 寸 d d t 25 47 15 取齿轮垫圈的厚度为 2mm 铜套的长度取为 45mm 3 245 1562lmm 轴段 3 该轴段为夹头 起加紧钻头的作用 其具体尺寸有相关标准 此处不再详细分析 27 夹头 图 4 小轴的装配简图 5 轴上零件的周向定位 齿 轮 与 轴 的 周 向 定 位 采 用 a 型 普 通 平 键 尺 寸 为 6 6 16b h l 为了保证齿轮与轴有良好的对中性 取齿轮与轴的配 合为7 6hr 滚动轴承与轴的周向定位是采用过渡配合保证的 此轴段公差取 为6j 6 确定轴上零件圆角和倒角尺寸 各轴肩处的圆角半径见图 3 轴端倒角取 0 1 45 7 轴的强度校核 a 求轴的载荷 首先根据轴的结构图作出计算简图 在确定轴承支点位置时 因其只承受轴向力 对轴的强度无影响 而铜套与轴的配合段可视为墙壁 根据轴的计算简图作出轴的弯矩图 扭矩图和当量弯矩图 从轴的结构图和弯矩图可以看出 a 截面的当量弯矩最大 是轴的危险截面 a 截面处的 m及 2 60 n mm 的数值如下 28 弯矩 h m和 v m 水平面26200 h mn mm 垂直面9536 v mn mm 合成弯矩m 2222 262009536 27881 5 hv mmmn mm 扭矩t 13100 tn mm 当量弯矩 2 222 8364 4 0 6 13100 11477 9 ca mmtn mm b 校核轴的强度 轴的材料为 45 钢 调质处理 由表 4 1 查得 2 650 b n mm 则 0 090 1 b 即 58 65n mm 取 2 60 n mm 轴的计算应 力为 2 3 27811 5 47 860 1 18 ca ca m n mm w 根据计算结果可知 该轴满足强度要求 29 小轴的受力分析简图 30 3 介轮轴的设计校核 1 求轴上的转矩 1 t 2 22 60 655196500 22 d tfn mm 2 求作用在齿轮上的力 圆周力 13 655 tt ffn 径向力 13 238 4 rr ffn 3 确定轴的最小直径 选取轴的材料为 45 钢调质处理 按式 4 2 初估轴的最小直径 查 表 4 2 取 a 115 可得 3 3 min1 1 0 59 0 98 11511514 8 426 8 1 5 p dmm n i 4 轴的结构设计 拟定轴上零件的装配繁方案 见图 5 a 按轴向定位要求确定各轴段直径和长度 轴段 1 左端用螺母定位 螺纹选用 m20 配合螺母选用 m20 规格 为 gb6172 86 m 10 螺纹长度为 l 18mm l 18 4 22mm 轴段 2 固定介轮轴用 为保证其垂直度 同轴度不受影响齿轮齿 轮啮合 选 l 24mm d 22mm 轴肩 3与螺母拧紧相互作用 另外 由于 2 4 段的表面粗糙度 有要求 留有退刀槽 轴肩取 l 4mm 则 l 4 2 2 8mm d 38mm 轴段 4轴段长度为齿轮长度与小轴铜套长度及垫圈之和 l 66 2 2 39 6 111mm 直径取 d 22mm 31 图 5 介轮轴的装配简图 b 轴上零件的周向定位 与小轴架用的销联接 选取 d 4mm l 22 2 20 62mm 而铜套与 轴之间用间隙配合 功能相当于滑动轴承 配合取 h7 h6 轴段 2 取 h7 g6 c 确定轴上零件圆角和倒角尺寸 各轴肩处的圆角半径见图 3 轴端倒角取 0 1 45 5 轴的强度校核 a求轴的载荷 首先根据轴的结构图作出计算简图 因为各力均是由齿轮上传 递 过 来 的 所 以 对 只 论 受 力 分 析 时 13 655 tt ffn 13 238 4 rr ffn 根据轴的计算简图作出弯矩图 不承受扭矩 从结构图和弯矩图中看出在退刀槽处的弯矩最大 是轴的危险截 面 水平面26200 h mn mm 垂直面9536 v mn mm 合成弯矩m 32 2222 262009536 27881 5 hv mmmn mm b 校核轴的强度 轴 的 材 料 为 45 钢 调 质 处 理 由 表 4 1 查 得 2 650 b n mm 则 0 090 1 b 即58 65n mm 取 2 60 n mm 轴的计算应力为 2 3 27811 5 47 860 1 18 ca m n mm w 根据计算结果可知 该轴满足强度要求 33 介轮轴的受力分析简图 4 中心轴的设计校核 1 求轴上的转矩 2 t 1 21 120 65539300 22 d tfn mm 2 求作用在齿轮上的力 圆周力 3 655 tt ffn 34 径向力 0 tan655 tan20238 4 rt ffn 3 确定轴的最小直径 选取轴的材料为 45 钢调质处理 按式 4 2 初估轴的最小直径 查 表 4 2 取 a 115 可得 66 33 min1 3 3 0 59 0 98 11511527 9 140 p dmm n 当轴上开有键槽时会削弱轴的强度 要适当增大轴的直径 轴上有 一个键槽时 轴径增大 3 5 故 minmin1 1 5 27 9 1 5 29 3ddmm 4 a 拟定轴上零件的装配繁方案 见图 6 b 按轴向定位要求确定各轴段直径和长度 轴段 1 跟机床主轴的 4 号莫氏锥度配合 锥度长 103mm 加 上过渡部分总长 l 103 7 120mm 大端直径为 31 926mm 轴段 2 对轴承进行密封防尘 选用毡圈 55jb zq4606 86 1 minmin 1 5 27 9 1 5 29 3ddmm min 15mm 取 min 16mm 即 l 16mm 70dmm 外 比轴承外圈略小 51dmm 内 比毡圈内径略大 有助于紧固零件 轴段 3 该轴段安装滚动轴承 考虑轴承承受径向力之外还 要承受头架的重量 选择角接触球轴承 取轴段直径 d 35mm 选用 36207 型角接触球轴承 尺寸35 72 17dd tmm 为了安 装轴承 左端用轴肩定位 取 m 3mm 则 l 3 17 20 17 4 61mm 轴段 4 该轴段安装齿轮 左端用轴肩定位 右端用弹性挡 圈定位 取轴段直径 d 32mm 已知齿宽 20mm 为了更好地压紧齿轮 35 按挡圈的配合要求 l 19 9mm l 20 1 3 24mm 图 6 中心轴的装配简图 c 轴上零件的周向定位 齿 轮 与 轴 的 周 向 定 位 采 用 a 型 普 通 平 键 尺 寸 为 10 8 18b h lmm 为了保证齿轮与轴有良好的对中性 取齿 轮与轴的配合为7 6hr 滚动轴承与轴的周向定位是采用过渡配合保证的 因此轴段直径 尺寸公差取为6k d 确定轴上圆角和倒角尺寸 各轴肩处的圆角半径见图 3 轴端倒角取 0 1 45 5 轴的强度校核 a 求轴的载荷 首先根据轴的结构图作出计算简图 在确定轴承支点 位置时 从手册中查取 a值 轴承的支反力作用点与轴承的距离 对于36207 型角接触球轴承 查得15 7amm 因此 轴的支承跨矩l 15 7 20 15 7 51 4mm 36 轴的悬臂距l 17 15 7 4 10 15 3mm 中心轮与三个介轮啮合 而且介轮均布 0000 1 cos30 sin30 655 cos30sin30 894 7 tt ffn 0000 1 cos30 sin30 238 4 cos30sin30 325 7 rr ffn 水平面以 a 为支点 51 4 15 3 1161 51 4 t bt f fn 以 b 为支点 15 3 266 3 51 4 t at f fn 垂直面以 a 为支点 51 4 15 3 422 6 51 4 r br f fn 以 b 为支点 15 3 96 6 51 4 r ar f fn 根据轴的计算简图作出轴的弯矩图 扭矩图和当量弯矩图 从轴的结 构图和弯矩图可以看出 右轴承右侧的当量弯矩较大 虽然 b 处弯矩最大 但在轴承内孔内 应力集中不明显 故校核 c 处 b 计算危险截面应力 c 处弯矩 r cc 37 15 3 1 3 21020 619234 5 15 3 mn mm 扭矩141750 tn mm 抗弯截面系数 333 0 10 1 354287 5wdmm 抗扭截面系数 333 0 20 2 358575 t wdmm 截面上的弯曲应力 2 19234 5 4 49 4287 5 b m n mm w 截面上的弯曲应力 2 141750 16 53 8575 t t n mm w 弯曲应力幅 2 4 49 ab n mm 弯曲平均应力0 m 扭转剪应力的应力幅与平均应力幅相等 2 16 53 8 27 22 am n mm c 确定影响系数 轴的材料围 45 钢 调质处理 由表 4 1 查得 2 600 b n mm 2 1 275 n mm 2 1 140 n mm 配合边缘有效应力集中系数k k 查表得2 2k 1 72k 尺寸系数 根据轴截面为圆截面查图 4 18 得0 8 0 88 表面质量系数 据 2 600 b n mm 表面的加工反复法 为磨削 查图 4 190 94 材 料 弯 曲 扭 转 的 特 性 系 数 取0 1 38 0 50 5 0 10 05 由上面结果可知 1 275 20 9 2 2 4 490 1 0 0 8 0 94 m s k 1 140 7 95 1 72 8 720 05 0 8 27 0 88 0 94 m s k 有 2222 20 9 7 95 7 431 51 8 20 97 95 ca s s ss ss 查表 4 4 中许用安全系数 s值 则可知该轴安全 三根轴的工作图见零件图 39 中心轴的受力简图 3 3 3 轴承的校核计算 1 中心轴上 36207 型角接触球轴承的校核 1 计算轴承支反力 合成支反力 2222 1 266 396 9283 4 atar rffn 40 2222 2 1161422 61235 5 btbr rffn 2 轴承的派生轴向力 由 式 5 8 估 计 a 轴 向 力 即 头 架 重 力 为 200n 200 175000 011 or a c 取 e 0 38 得 11 0 38 283 4107 7ser 22 0 38 1235 5469 5ser 3 轴承所承受的轴向载荷 因 22 200469 5669 5ksass 由式 5 10 12 22 669 5 469 5 aas as 4 轴承当量动载荷 1 因 11 2 36are 查表 5 12 1 0 44x 1 1 47y 式 5 7 11111 0 44 283 4 1 47 699 5 r px ry a 2 22 0 38are 查表 5 12 2 1x 2 0y 式 5 7 22222 1 1235 50 469 5 r px ry a 5 轴承的动载荷要求 21rr pp 接受力要求轴承应当具有的当量动载荷 由表 5 9 表 5 10 得1 5 p f 1 t f 按式 5 6 41 33 66 60 1408 200 8601 5 1235 5 10110 p h t f p nl c f 8912 5 cr 23500 36207 型角接触球轴承校核安全 2 小轴上 8205 型单向推力轴承的校核 由 于 单 向 推 力 轴 承 只 承 受 轴 向 力 在 钻 削 时 max 2274 5fn 硬质合金 yg8 钻削灰铸铁时 则 max 2274 5 r pfn 00 1 2 2274 52729 427500 rr s pncn 0 s查表 5 16 旋转轴承的安全系数 0 s取 1 2 合格 3 3 4 键的校核计算 1 小轴上的平键校核 选 用 的 是 6 6 16 a 型 平 键 由 式 2 49 2 pp t dkl 得 2 13100 32 75100120 20 63 5 16 pp p 查表 2 21 轴联接的许用挤压应力 按有轻微冲 击载荷取 校核合格 3 中心轴上的平键校核 选用的是 10 8 18a 型平键 有 2 141750 98 4100120 30 105 18 pp 稍微有些危险 改为采用双键 成 0 180对称布置 考虑 42 到制造误差使键上载荷分布不均 按 1 5 个键计算 98 4 65 6100120 1 5 pp 安全 3 3 5 螺栓的设计校核计算 参考 机械设计工程学 在多轴头架中 只有介轮周上的螺纹比较重要 需要进行校核 1 螺栓材料及其性能等级 螺栓材料45 钢 性能等级查表 2 7 选 6 8 级 2 600 b m mm 2 600 s m mm 2 螺栓受力分析计算 螺栓在头架中只承受介轮轴往下的零件 介轮轴 介 轮 支架 小齿轮 小轴及钻头 的重力 经过估算 承 受的重量约为 5 5kg 受力为 p 5 5 9 8 53 9n 螺栓工作拉力 由式 2 15f p z 53 9 1 53 9n 残余预紧力查表2 5选 0 0 60 6 53 932 34ffn 螺栓总拉力由式 2 26 0 32 3453 986 24fffn 相对刚度系数查表 2 6 0 3 bmb ccc 螺栓预紧力由式 2 27 0 fff bmb ccc 86 24 53 9 0 3 70 07n 3 初定螺栓直径 43 选安全系数查表 2 111 5s 许用拉应力由式 2 33 2 480 1 5320 s sn mm 所需螺栓小径由式 2 29 1 4 1 34 1 3 86 24 0 67 320 f d cm 螺栓大径查有关手册并根据轴的直径取 d 20mm 其 d1 17 294mm 4 螺栓疲劳强度校核 螺栓尺寸系数查表 2 90 8 螺栓材料的疲劳极限 2 1 0 340 34 600204 b n mm 应力幅安全系数查表 2 111 6 a s 应力集中系数查表 2 103 9k 螺栓许用应力幅由式 2 36 2 1 0 8 204 26 3 9 1 6 a a n mm k s 螺栓应力幅由式 2 30 2 22 1 22 53 9 0 30 03 17 294 b aa mb cf n mm dcc 44 3 3 6 夹头夹紧力的计算校核 在小轴上的夹头必须能够夹紧转头 避免钻削时打滑二无法进 行加工 满足的条件的是弹簧夹头与钻头柄部产生的磨檫力能与钻 削时的扭矩平衡 由于螺母的拧紧力是夹紧的主要作用力 通过反 向计算螺母的拧紧力来校核螺母的疲劳强度 1 弹簧夹头夹紧力的计算 查相关手册 弹簧夹头的夹紧力 w 在无轴向定位时 1 tan p wr 式中w总的径向夹紧力 p轴向作用力 这里是由螺母产生的拧 紧力 弹簧夹爪锥角之半 1 夹 爪 与 工 件 之 间 的 磨 檫 角 0 1 arctanarctan0 526 56 2 1 0 567 204 18 5 3 9 1 6 a a n mm k s r夹爪的变形阻力 33 33 2 410 5 2009202 12 hd rkn l k系数 当夹爪的瓣数为 4 时 k 200 h夹头弯曲部分的壁厚 d夹头弯曲部分的外径 45 夹爪与工件间的直径间隙 l夹爪根部至锥面中点的距离 必须满足dwm 即 13100 198 7 21 m wn d 00 1 9202 198 7 1526 56 8334 6prw tgtgn 2 螺母的受力分析 p 是螺母的总拉力 0 8334 60 81 8fpfffff 1 84630 3ffn 相对刚度系数查表 2 6 b mb c cc 0 3 螺母所需预紧力由式 2 27 0 8334 64630 3 0 36945 5 b mb c fffn cc 3 确定螺母直径 选用安全系数查表 2 111 5s 许用拉应力由式 2 33 2 480 1 5320 s sn mm 所需螺栓小径由式 2 29 1 4 1 34 1 3 8334 6 20 7 320 f d 螺栓大径查相关手册并根据轴的直径 取 d 48mm 46 其 1 d 42 588mm 4 螺栓疲劳强度校核 螺栓尺寸系数查表 2 9插值0 567 螺栓材料的疲劳极限 2 1 0 340 34 600204 b n mm 应力幅安全系数查表 2 103 9k 螺栓许用应力幅由式 2 36 2 1 0 567 204 18 5 3 9 1 6 a a n mm k s 螺栓应力幅由式 2 30 2 22 1 22 4630 3 0 30 48 42 588 b aa mb cf n mm dcc 满足疲劳强度要求 47 4 润滑与密封润滑与密封 作为一个齿轮传动机构 为避免齿轮表面直接接触 以减