内啮合多轴钻床设计

河南理工大学万方科技学院毕业设计说明书摘 要在现代机械制造业中，企业对专用机床有着广泛的需求。一般钻床劳动强度大，专用性能低。生产率不高且不能保证精度；而多轴钻床操控方便、省力、容易掌握，不易发生操作错误和故障，不仅能减少工人的劳动强度，保证工人和钻床的安全，还能提高钻床的生产率。随着科学技术的不断发展，专用钻床广泛应用于制造业。换句话说，专业化越强，企业越能保证其产品质量。因此，专用机床的使用对企业竞争力的提升有着十分重要的作用。本设计主要解决了两大问题：多轴钻床的总体设计和夹具设计。为了解决上述两大难题，首先分析了钻床总体设计，其中包括加工工艺分析、钻床的钻削方式的设计等，从而解决了钻床的总体设计的难题；在夹具设计中采用合理的钻模板和定位装置对工件合理定位，从而完成孔的扩铰工序，解决了多轴钻床夹具设计中的另一难题，同时也讨论了多轴钻床的夹具设计问题，给出了夹具设计方案，其中包括工件的定位分析，误差分析，从而使工件被加工后达到设计要求。关键词：多轴钻床、总体设计、夹具AbstractThe special-purpose lathe is extensively demanded by enterprises in the modern mechanical manufacturing industry. The ordinary lathe not only need a large number of man-power but also has a low performance. In addition, its productivity is low and the accuracy cant be ensured. However, the special-purpose lathe can not merely help enterprises to boost productivity great, saving a large number of manpower and material resource, still can improve the quality of the products. Meanwhile, it is easily maneuvered and guarantees workers safety. With the development of technology, multi-axles drilling machines are used in manufacturing frequently. Hence, the use of the special-purpose lathe plays an important part in the competitiveness of enterprises.This design mainly solved two big problems: the multi-axles drilling over-all design and fixture design. In order to solve these two problems, first of all, we analyzed drilling total design project, including processing technology analysis, drilling machine of the design of drilling way, which solved the problem of the overall design of drilling; Then we adopt the fixture design reasonable drill template and positioning device on the reasonable positioning, thus completing hole enlargement hinge process, solved the multi-axles drilling fixture design of another problem, also discusses the multi-axles drilling fixture design problem, this paper presents fixture design scheme, including the workplace positioning analysis, thus make error analysis is processed workplace to meet the design requirements.Key words: multi-axles drilling machine total design project fixture design目 录摘 要11、前 言72、多轴钻床总体设计92.1 概论92.2 多轴钻床总体布局分析102.2.1零件的加工工艺方法对总体布局的影响102.2.2机床的运动分配对总体布局的影响102.2.3 精度等级对总体布局的影响122.2.4 生产率对总体布局的影响122.2.5 传动形式对总体布局的影响132.2.6 操作方便性对总体布局的影响132.3 组合机床配置形式及结构142.3.1 影响组合机床配置形式及结构方案的因素142.3.2 多轴钻床的工艺方案的制定153、多轴钻床部件设计173.1动力部件分析173.1.1 切削用量的选择173.1.2 主运动电动机的选择183.2 传动系统的设计203.3 主轴箱齿轮齿数的设计213.3.1 钻头工作部分齿轮设计223.3.2 高速档部分齿轮设计及校核233.3.3 中速档部分齿轮设计303.3.4 低速档部分齿轮设计323.4 轴的计算和校核343.4.1主轴箱高速轴II的结构设计353.4.2 主轴箱低速轴III的结构设计363.4.3 钻头工作端轴的结构设计393.5 轴的强度校核413.5.1 轴的强度校核413.5.2 轴的强度校核423.5.3 轴的强度校核443.6轴承463.6.1轴承的选用463.6.2轴承的校核494、轮辐五轴钻床的夹具设计544.1概述544.2 夹具的条件、设计原则及要求554.2.1 工作条件554.2.2 夹紧力作用点选择原则及夹紧过程554.3定位元件的设计564.4加紧元件的设计574.5夹紧机构574.6对零件轮辐扩孔所用夹具的整体设计584.7主轴箱体的设计595、液压控制系统的设计625.1 概论625.2 液压执行元件的负载分析635.3 确定液压缸的参数645.3.1 确定液压缸尺寸645.3.2 液压缸工作循环中各阶段的压力，流量和功率656、支承件的设计666.1 概述666.1.1 支承件的功能666.1.2 支撑件的静刚度和形状选择原则676.1.3 支撑件的动态特性676.2 导轨（立柱）的设计686.2.1 概述686.2.2 导轨的设计686.3 底座的设计707、总结72致 谢74参考文献75 前 言多轴钻床是伴随着经济的飞速发展和工业现代化的需要而产生的。其被应用与许多方面，像汽车零部件的加工、农用机械的零部件的加工以及其它大批量生产加工生产多孔零件的地方。多轴钻床在加工业中有着很大的优势。它的使用使加工速度提高，因为当一个工件在同一个方向上有数个孔时，用普通钻床加工时就要加工一个孔后又挪动工件加工另一个孔，这样就需要专人搬动工件，对于小型工件可以采用这种方法，但当工件很大时再采用这种方法就很落后，生产率很低，成本增加。所以，我们在批量生产多孔工件时就需要一种专门的机床来加工，所以就产生了由单臂钻床衍生而来的多轴钻床。多轴钻床与普通钻床的不同是多轴钻床的主轴箱是像太阳系一样，绕中间轴均布排列的主轴被中间轴带动转动，主轴带动刀具转动，完成切削工作。这样多孔工件被一次加工成形，从而使劳动强度大大减小，加工时间大大缩短，提高了劳动生产率，降低了产品成本。使用多轴钻床加工轮辐，表现出以下优越性：1、加工速度快。使用多轴钻床加工轮辐，较之采用普通摇臂钻床，平均功效提高30。2、加工质量好。采用该钻床加工的孔组，孔的位置尺寸误差小，工件互换性好，从未出现过因孔位置尺寸部队而反攻报废的情况。3、多轴钻造价低廉，维修方便，技术难度不高。多轴钻的形式也是多种多样的，根据多轴钻的结构可把多轴钻分为内啮合多轴钻和为啮合多轴钻。内啮合多轴钻是指齿轮传动为内啮合式，外啮合多轴钻是指齿轮传动为外啮合式。根据钻头形式可分为卧式和立式两种。在本设计中，我们采用内啮合齿轮传动。 总之，多轴钻床在我们的工业生产中有着重要的意义。它大大的提高了我们的劳动生产率，提高了多孔工件加工的精度，减少了工人的劳动强度，也推动了我国生产行业的迅速发展。我们应该加强对多轴钻床领域的开发。本设计为专用多轴钻床设计，主体部分共分四部分：第一部分、多轴钻床总体设计；第二部分、多轴钻床部件设计；第三部分、支承件的设计；第四部分、液压控制系统的设计。多轴钻床的具体设计步骤见本文正文。2、多轴钻床总体设计2.1 概论多轴钻床的总体设计是机床设计的关键环节，它对机床所达到的技术性能和经济性能往往起着决定性的作用。 机床总体设计目前基本上有两种情况：其一，是根据具体加工对象的具体情况进行专门设计；其二，因机床在组成部件方面有共性，可设计成通用部件，可以利用通用部件来进行机床设计。本设计属于第一种情况，即设计用于轮辐加工的多轴钻床，其属于专用机床，这也是当前最普遍的做法。一般来说，机床总体设计时应考虑下列几点：（1） 合理的确定工序集中程度，选择合适的机床通用部件，选择当前机床的配置形式；（2） 合理选择切削用量；（3） 设计高效率的夹具、刀具及主轴箱；（4） 要保证给定的工艺过程；（5） 保证机床的刚度、刚度、抗振性和稳定性，力求减轻机床重量，保证机床结构简单，尽量用较短的传动链，以提高传动精度和效率；（6） 保证良好的加工工艺性，以便于机床的加工和装配；（7） 尽可能占地面积小，机床外形美观大方，符合人机工程学原理。 评价机床性能的优劣，主要是根据技术经济指标来判断的。机床设计的技术经济指标可以从满足性能要求，经济效益，人际关系等方面进行分析。2.2 多轴钻床总体布局分析机床布局的设计是一个重要的全局性问题，它对机床的部件设计，制造和使用都有较大的影响，机床总体布局的任务是解决机床各部件的相对运动和相对位置的关系，并使机床具有一个协调美观的造型。工艺分析和工件的形状、尺寸及重量，在很大程度上左右着机床的布局形式。2.2.1零件的加工工艺方法对总体布局的影响专用机床上加工工件的工艺方法是多种多样的。在我们设计多轴钻床时，往往由于工艺方法的改变，导致机床运动的传动部件配置以及结构等产生一系列的变化，因此在确定专用多轴钻床的总体布局时应首先分析和选择合理的加工工艺。轮辐多轴钻床的主运动为钻头的回转运动，它工作时将轮辐装在钻头正下方的专用定位机构上如图21所示：图21 轮辐专用夹具图2.2.2机床的运动分配对总体布局的影响钻床的工艺方法确定后，刀具与工件在钻削加工时的相对运动亦随着被确定了。但此相对运动可以完全分配给刀具，也可以完全分配给工件，或由刀具和工工件共同完成。设计专用钻床，我们应分析比较不同方案的优缺点，选择最佳的运动方案。下面是我们拟定的几种分配方案。第一种方案：钻削加工的相对运动由刀具实现在轮辐专用多轴钻床上钻孔时，主运动和进给运动都有刀具完成，钻头的轴向移动为进给运动，钻头的回转运动为主运动。主运动与进给运动形成了切削加工时的全部相对运动。采用该方法，把运动完全分配给刀具，可以顺利完成重型工件的加工。钻头在回转过程中可同时实现进给，从而实现对轮辐的扩绞工序。机床部件配置形式与普通床相似。这种机床的特点是结构简单，调整方便，但在钻削扭矩通过刀具本身传递，对于较长的钻头就会产生较大的扭矩变形而引起震动。因此刀具选择则为高速钢。第二种方案：钻削加工时的相对运动由刀具和工件共同完成在多轴钻床设计中，扩绞轮辐孔时主运动分配给钻头，进给运动由工件完成，即钻头的向下运动和工件的向上移动。该方案用于工件重量不大的设计中。 通过两种方案比较：把运动完全分配给刀具的方案，一般用于重型工件的加工。由于多轴钻床所加工的轮辐重量不是很大，故本设计采用第二种方案。具体方案如下图2-2： 图2-2 钻削加工的第二种方案2.2.3 精度等级对总体布局的影响由于多轴钻床的加工精度和光洁度与机床的刚度和抗震性有关，为了得到所要求得加工精度和光洁度，在机床总体布局上就应该保证有足够的刚度和抗震性。通常情况下，支承形式为封闭的框架时，其刚度较好，如大型立车、刨床、铣床、坐标镗床等都采用龙门式。当收到工艺限制无法采用龙门式时，可采用辅助支承悬臂梁、活动横梁来加强机床的刚度和抗震性。机床加工过程中产生的震动传递给工件和刀具，会使被加工表面产生震动，降低表面光洁度。震动也是刀具寿命缩短，使机床零件的磨损加快。震动所造成的噪音，使工人疲劳。因此，设计机床应采用措施来消除和减少震动。减少机床震动可从布局、结构、刚度等方面来采取措施。2.2.4 生产率对总体布局的影响机床的生产批量不同，其结构可能完全不同，该厂加工轮辐属于大批量生产，因此制造调整用专门轮辐扩绞专用机床，一次完成多孔加工。此方案效率高，劳动强度低，工作台结构简单，但占地面积大。2.2.5 传动形式对总体布局的影响 机床传动有机械传动、液压传动、气动、电气传动等多种形式以及上述形式的综合。合理的机床传动形式应满足下列要求。 满足运动功能要求 例如，所需运动是简单运动，还是复合运动；所需运动是直线运动，回转运动，还是其他轨迹的运动；运动对变速、换向、定程、制动等功能的要求。满足运动性能要求 例如，对运动速度、功率、传动力、行程的要求；对传动精度定位精度、运动平稳性等的要求。 满足经济性要求 例如，满足用户对传动装置成本的要求；与制造，维护、修理传动装置的水平相适应等。本次设计从以上几个方面考虑，结合加工工件的特点，我们采用液压传动作为本次设计的进给运动。2.2.6 操作方便性对总体布局的影响机床的总体布局考虑人的重要性支配作用，应该考虑以下几点：.机床各部件相对位置的安排应考虑便于操作观察和测量，安装工件的部位和高度，应正好处于操作者手臂平伸的位置（较重件除外）。为适应一般操作者的身高，对安装工件位置较低的机床，应将床腿或坐垫垫高。 .合理选择工人的操作操作位置。根据手臂所能到达指定位置的难易程度，有最大工作区、正常工作区和最佳工作区之分。为了便于检修，要考虑人体蹲下时较适于工作的区域。还应考虑操作者所能达到的最大视野和反应敏锐的视野区。.合理选择立柱的位置，使之符合通常的操作习惯，便于对刀.调整和测量。综上所述，影响机床总体布局的因素是多方面的。其中，工艺方法的选择，对机床运动的要求及运动分配是其决定性作用的因素；工件的尺寸、精度、形状等是应考虑的重要因素。在我们设计中，考虑到这些因素，我们选择如图21所示多轴钻床的具体外观形状。2.3 组合机床配置形式及结构2.3.1 影响组合机床配置形式及结构方案的因素被加工零件需要在机床上完成的工序及加工精度，是制定机床工艺方案的主要依据，制定工艺方案时，首先需要全面分析工件的加工精度及技术要求，了解现场加工工艺及保证精度的有效措施。1. 工件加工精度的影响 工件的加工精度要求，往往影响组合机床的配制形式和结构方案，例如，加工精度要求高时，应采用固定夹具的单工位组合机床，加工精度要求较低时，可采用移动夹具的多工位组合机床；工件各孔之间的位置精度要求高时，应采用在同一工位上对各孔同时精加工的方法；工件各孔间同轴度要求较高时，应单独进行精加工等等。2. 工件结构状况的影响 工件的形状、大小和加工部位的结构特点，对机床的结构方案也有一定的影响。例如，对外形尺寸和重量较大的工件，一般采用固定夹具的单工位组合机床，对多工序的中小型零件，则宜采用移动夹具的多工位组合机床；对大直径的深孔加工，宜采用刚性主轴的立式组合机床等等。3. 生产率的影响 生产率往往是决定采用单工位组合机床、多工位组合机床还是组合机床自动线的重要因素。例如，从其他因素考虑应采用单工位组合机床，但由于满足不了生产率的要求时，应选用移动工作台式的组合机床；工位数超过4个时才选用回转工作台或鼓轮式组合机床。4. 现场条件的影响 使用组合机床的现场条件对组合机床的结构方案也有一定的影响。例如，使用单位的气候炎热，车间温度过高，使用液压传动机床不够稳定，则宜采用机械传动的结构形式；使用单位刃磨刀具、维修、调整能力以及车间布置的情况，都将影响组合机床的结构方案。5. 工件的生产方式 对大批量生产的箱体零件，工序安排上一般趋于分散，例如加工轮辐螺栓孔，其粗加工，精加工分别在不同的机床上进行。机床虽多一些，但由于生产批量很大，从提高生产率，稳定的保证加工精度的角度来讲仍然是合理的。在小批量生产情况下，完成同样的工艺内容，则力求减少机床台数，此时应尽可能将工序尽量集中在一台或少数几台机床上进行加工。2.3.2 多轴钻床的工艺方案的制定工艺方案制定的正确与否，将决定机床能否达到“质量轻，体积小，结构简单，使用方便，效率高，质量好”的要求。故在确定专用机床总体布局方案时，应重点分析和选择合理的工艺方案。本次设计的机床是轮辐螺栓孔专用扩铰多轴钻床。以下对加工工件外形及加工面位置作详细分析。由零件图可以看出，此步工序是轮辐面上五个直径为15的孔进行扩铰加工。如果采用一般钻床，也可完成此步工序，但是一次只能加工一个孔，一个轮辐需要加工五次，劳动强度大，生产效率低，且不能保证精度，为了为保证配合质量，提高生产效率，减轻劳动强度，可以使用多轴钻床一次完成五个孔的扩铰工作从而节省人力和时间，所加工的工件在扩孔后的零件图如图2-3所示：图2-3 加工轮毂零件图3、多轴钻床部件设计3.1动力部件分析动力部件的选择在整个多轴钻床的设计中至关重要。动力部件的功率如果选取过大，电动机经常处于低负荷情况，造成电力浪费，同时使转动件及相关尺寸选取过大，浪费材料，且机床笨重，如果选取过小，则机床达不到设计提出的使用性能要求。本设计主运动采用电动机带动，进给运动采用电动机带动液压系统运动。3.1.1 切削用量的选择多轴钻床正常工作与合理的选用钻削用量，即确定合理的切削速度和工作进给量，有很大的关系。切削用量选用的恰当，能使多轴机床以最少的停车损失，最高的生产效率，最长的刀具寿命和最好的加工质量进行生产。工作时，五轴钻床的五把刀具同时运转，为了使钻床能够正常工作，不经常停车换刀，而达到较高的生产率，所选的切削用量比一般的钻床单刀加工要低一些。总的来说，在多轴钻床上不宜采用较大的切削速度和进给量，选用的切削用量应比普通单刀加工时低30%左右。查金属切削原理与刀具第七章 钻削与钻头，我们知道普通钻头进给量可按以下经验公式估算：f=(0.010.02)d 钻头直径应有工艺尺寸决定，尽可能一次钻出所需要的孔，这里我选取d=15mm 。所以钻头进给量范围是0.150.3mm ,我们取进给量f=0.2mm。 因为高速钢钻头的切削速度根据加工材料的不同而变化，主轴对应的转速可根据轮毂材料的切削速度而查表确定。一般汽车轮毂材料为铝合金，因为它具有重量轻、散热快、美观等优点。而我们设计这台专用机床除了考虑加工铝合金材质的轮毂外，还考虑到加工铸铁材质的轮毂，所以初步设定初定为三档转速，即此次设计的多轴钻床传动系统（主轴箱）分高、中、低三档转速。查表得，加工材料为铝合金时，钻削速度范围是40105m/min 。这里我们选取高档切削速度v1=70m/min，选取中档切削速度为v2=40m/min，选取低档切削速度为v3=25m/min 。3.1.2 主运动电动机的选择初定此次设计内啮合多轴钻总体布局如图3-1所示：图3-1 传动系统总体布局图分析总体布局图知，主运动电动机的选择取决于主轴箱的减速部分和钻头处内啮合的加速部分。并以钻头高转速依次递推选择出电动机的型号。总体思路如下： 高速档钻头切削速度为v1=70m/min切削扭矩MC=7.26,所以钻头处切削消耗功率为P=Mcvc30d ,计算得P=1.13KW,P电=5P总=6.57KW。同时，钻床工作高速档转速nw1=1000vcd=1485r/min 。分析知，钻床工作时中速档转速为nw2=1000vcd=848.8r/min 。同理，低速档钻头切削速度为vc2=25m/min，钻床的工作转速nw3=1000vcd=530.5r/min综合以上计算，选取主运动电动机。查机械设计手册，选取型号为Y132M4。Y系列电动机为全封闭自扇冷式，一般用于空气中不含易燃，易炸或腐蚀性气体的场所，也适用于无特殊要求的机械上，如金属切削机床。工作条件：环境温度不超过+40；相对湿度不超过95；海拔不超过1000m；额定电压380V；频率50Hz；接法：3KW及以下Y接法，4KW以上三角型接法。本设计采用三角型接法。工作方式为连续（S1）；防护等级为IP44（GB149879）。所选电动机参数如下表3-1所示：表3-1 电动机参数表型号额定功率型号满载时转速电流效率（）功率因素Y132M-47.5142017.7860.75型号堵转转矩额定转矩最大转矩额定转矩噪声、dB(A)重量/kg1级2级Y132S-42.02.0677245电动机的安装尺寸如下表3-2：表3-2 电机安装尺寸机座号国际标准机座号DFG2极4、6、810极2极4、6、810极2极4、6、810极2极4、6、810极132S160L4242K61237EKABCL2极4、6、810极2极4、6、810极110152542541086503.2 传动系统的设计 主轴箱是多轴钻床的重要组成部分，是用于布置机床工作主轴及其传动零件和附加机构的。它通过按一定速比排布传动齿轮，把动力部件上的动力传递给各个工作主轴，使之获得所需要的转速和转向等。本设计主轴箱采用黄干油进行润滑。传动系统的设计是主轴箱设计中关键的一环。所谓传动系统的设计，就是通过一定的传动链，按要求把动力从动力部件的驱动轴传递到主轴上去。同时，满足主轴箱其他结构和传动的要求。传动系统设计的一般要求：（1）在保证主轴的强度，刚度，转速和转向要求的前提下，力求是传动轴和齿轮为最少。应尽量用一根传动轴带动多根主轴；当齿轮啮合中心距不符合标准时，可采用齿轮变位的方法和凑中心距离。（2）在保证有足够强度的前提下，主轴，传动轴和齿轮的规格要尽可能少，以减少各类零件的品种。（3）通常应避免主轴带动主轴，否则将增加主动主轴的负荷。（4）粗加工主轴上的齿轮，应尽可能靠近前支承，以减少主轴的扭转变形。（5）尽可能避免升速传动，必要的升速最好放在传动链的最末一，二级，以减少功率损失。在我们设计的传动系统中，包括齿轮的设计、轴的设计以及附件设计三部分，下面我们进行具体的设计计算。3.3 主轴箱齿轮齿数的设计 齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，其主要特点有效率高、结构紧凑、工作可靠、寿命长的优点，并且改传动比较平稳。齿轮传动可做成开式、半开式或闭式，在我们的设计中现场情况做成半开式。由于所设计的齿轮在具体情况下，必须具有足够的、相应的工作能力，以保证在整个工作寿命期间不致失效，因此我们在齿轮设计式通常按只保证齿根弯曲疲劳强度及齿面接触疲劳强度两个准则进行计算。现设计根据提供的零件图进行分析：3.3.1 钻头工作部分齿轮设计所加工零件的五个孔分布在直径为120mm的圆周上。另外考虑到该厂操作人员操作水平有限， 因此要求主轴箱内的齿轮足够结实，故初选主轴轴箱齿轮模数为3mm。从钻头工作端开始考虑，每个钻头所连的小齿轮与主轴输出端的大齿轮为内啮合，小齿轮的齿轮轴直径即为所加工的五个孔的直径15mm，该级为单级加速部分，由于五个小齿轮的齿轮轴所围成的圆直径为120mm,则内啮合的大齿轮与小齿轮的半径差为60mm。即大小齿轮分度圆相切情况如下图3-2所示：图3-2 钻头工作部分内啮合齿轮分布情况 根据分析可知：d1-d2=120m 即mz1-mz2=120 , 初定模数为2.5，小齿轮齿数为z1=23，大齿轮齿数为z2=71，则齿数比uz2z1=3。则钻头内啮合小齿轮的分度圆直径为d1=52.9，大齿轮的分度圆直径为d2=177.5已知主轴传动位于高速档时，钻头工作端转速n11485r/min,即小齿轮转速为1485r/min, 则主轴箱输出轴的转速n2=14853=495r/min。同理，当主轴传动位于中速档时，钻头工作端小齿轮的转速为n1=848.8r/min,则主轴箱输出轴转速n2=848.83=282.9r/min 。当主轴传动位于低速档时，钻头工作端小齿轮的转速为n1=530.5r/min,则主轴箱输出轴转速n2=530.53=141.5r/min下面我们对主轴箱高速档，中速档和低速档三个档位齿轮进行具体的计算和结构设计。3.3.2 高速档部分齿轮设计及校核1齿轮齿数：从主运动电动机输入到主轴箱输出，相当于一级减速，减速比i2=n3n2=1420495=2.87.则初选主轴箱中小齿轮的齿数为z3=23，则大齿轮齿数z4=66，模数为3.2选择齿轮类型,精度等级及材料(1).轮应不受轴向载荷，故选用直齿圆柱齿轮传动(2).因为多轴钻床为一般工作机器，转速不高，故选用7级精度（GB10095-88）.(3).齿轮的材料选择。由机械设计课本（高等教育出版社编）表101选择小齿轮材料为20CrMnTi,硬度为300HBS，齿面硬度60HRC;大齿轮材料为40Cr,硬度为280HBS.齿轮的结构设计与齿轮的几何尺寸、材料、加工方法、使用要求及经济度等因素有关。因此进行齿轮结构设计时，必须考虑上述各方面的因素。在这里我们按齿轮的直径大小选定合适的形式。具体设计如下。齿轮结构设计有以下原则：当齿顶圆直径小于160mm时，可以做成实心结构的齿轮。当齿顶圆直径在160500mm可以做成腹板式结构。3.按齿面接触疲劳强度设计查机械设计（高等教育出版社）有如下设计计算公式： 1).确定公式内的各计算数值(1) 试选载荷系数： 1.3(2) 计算小齿轮传递的转矩：由实用机械设计手册查的轴承效率为99，连轴器效率为95。因为主轴箱齿轮布置为五个小齿轮均匀分布在一个大齿轮的内侧边沿，并被大齿轮带动转动，所以主轴箱输出功率为P=P电1，式中各参数含义： 1是联轴器的传递效率将P电=7.5KW，95，代入得：P= 7.125KW小齿轮转速的计算：此时，小齿轮的转速即为电动机的转速n电=1420r/min所以： T1=95.51057.125 KW1420r/min =4.79104N/mm(3)由机械设计表107选齿宽系数0.53。(4）由机械设计表106查得材料得影响系数=189.8 。(5)由机械设计表1021d按齿面硬度差的小齿轮得接触疲劳强度极限,.。(6) 由机械设计表10-13计算应力循环系数 N1=60n1jLH=6014201(83015)=3.06108 N2=3.061083=1.02108(7)由机械设计表1019查的接触疲劳强度系数 (8)计算接触许用应力取失效概率为1，安全系数为s=1 ,由机械设计式1012得：2)计算（1） 试计算小齿轮分度圆直径代入中较小的值：=2.3231.34.791040.532.87+12.87198.765882=60.9mm （2）计算齿宽与齿高之比b/h：模数 mt=d1tz3=60.923=2.6齿全高 h=2.25mt=2.252.6=6mm（3）计算载荷系数根据vd1tn1601000=4.5m/s，7级精度，由机械设计图108查的动载系数 1.05。直齿轮假设由机械设计表103查得 。由机械设计表102查得使用系数。由机械设计表104查得7级精度，小齿轮相对支承对称布置时将数据代入后得：由 bh=5.8 查机械设计1013得 故载荷系数。 （4） 载荷系数校正所算得的分度圆直径由机械设计公式1010a得d1=d1t3kkt=60.931.44271.3=63mm由实际要求该设计选d=69mmd1,其强度合格。4.按齿根弯曲强度设计由机械设计式105得弯曲强度的设计公式为：确定公式内的各个参数值 （1） 机械设计图1020d查得小齿轮得弯曲疲劳强度极限大齿轮的弯曲疲劳强度（2）由机械设计1018查得弯曲疲劳寿命 （3）计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数，由机械设计式1012得 （4） 载荷系数。（5）查取齿形系数由机械设计表105查得 ： 。（6）校正系数由机械设计表105查得 计算大小齿轮的并比较大小：显然大齿轮数值大。设计计算 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲疲劳强度所决定的承载能力，而齿面接触强度的承载能力，仅与齿轮直径有关，根据厂房要求d369mm，m=3完全可靠。5.几何尺寸计算1）计算分度圆直径 d3=z3m=233=69mm d4=z4m=663=198mm2）计算中心距 a=d3+d42=69+1982=133.5mm3）计算齿轮宽度 b=dd3=0.5369=36.57mm由于齿宽计算原则：大齿轮宽度在计算之内，小齿轮宽比大齿轮宽510mm，故将齿宽就近圆整为B3=40mm，B4=35mm符合厂方要求。 6.齿轮结构设计由于本设计中小齿轮d3=mz3=323=69mm，则选用实心结构即盘式齿轮，因为大齿轮分度圆直径为d4=mz4=366=198mmmm,由齿轮设计原则可知大齿轮选腹板式结构。大齿轮的腹板式结构如下图3-3所示： 图3-3 大齿轮的腹板式结构腹板结构尺寸可以参阅机械设计第十章第十节，具体尺寸详见CAD零件图第3张图纸7.大齿轮和小齿轮参数见表3-3表3-3 高速档大小齿轮参数表名称参数代号小齿轮参数大齿轮参数模数m33齿数z2366压力角分度圆直径d69198齿顶高系数11顶隙系数c*0.250.25齿全高h6.756.75齿顶圆直径75204齿根圆直径61.5190.5至此，高速档齿轮的设计及校核工作已经完成,下面进行校核。3.3.3 中速档部分齿轮设计 1齿轮齿数：从钻头工作端开始考虑，已知钻头工作端转速n1848.8r/min,即小齿轮转速为848.8r/min,加速部分传动比i13。所以主轴箱输出端转速n2=5313=282.9r/min .从主运动电动机输入到主轴箱输出，相当于一级减速，减速比i2=n3n2=1420282.9=5由于主轴箱的三个档速三对齿轮啮合，三对齿轮中心距一样均为133.5mm，所以对中速档的一对齿轮而言，d5+d6=133.52=267mm 。即mz5+z6=267mm则初选主轴箱中小齿轮的齿数为z3=18，模数为2.5, 则大齿轮齿数z4=90，2. 齿轮设计小齿轮结构设计由于本设计中小齿轮d5=mz5=2.518=45mm，则选用实心结构即盘式齿轮，大齿轮结构设计因为大齿轮分度圆直径为d6=mz6=2.590=225mm,由齿轮设计原则可知大齿轮选腹板式结构。3.大齿轮和小齿轮参数如表3-4所示表3-4 中速档大小齿轮参数表名称参数代号小齿轮参数大齿轮参数模数m2.52.5齿数z1890压力角分度圆直径d45225齿顶高系数11顶隙系数c*0.250.25齿全高h5.6255.625齿顶圆直径50230齿根圆直径38.75218.75至此，中速档齿轮的设计已经完成3.3.4 低速档部分齿轮设计 1齿轮齿数：从钻头工作端开始考虑，已知钻头工作端转速n1530.5r/min,即小齿轮转速为530.5r/min,加速部分传动比i13。所以主轴箱输出端转速n2=530.53=176.8r/min .而从主运动电动机输入到主轴箱输出，相当于一级减速，减速比i2=n3n2=1420176.8=8. 由于主轴箱的三个档速三对齿轮啮合，三对齿轮中心距一样均为133.5mm，所以对中速档的一对齿轮而言，d7+d8=133.52=267mm 。即mz7+z8=267mm则初选主轴箱中小齿轮的齿数为z3=24，模数为1.25, 则大齿轮齿数z4=192，选择齿轮类型,精度等级及材料与高速档相同。2. 齿轮设计小齿轮结构设计由于本设计中小齿轮d5=mz5=1.2524=30，则选用实心结构即盘式齿轮，大齿轮结构设计因为大齿轮分度圆直径为d4=mz4=1.25192=240mm,由齿轮设计原则可知大齿轮选腹板式结构。3.大齿轮和小齿轮参数如表3-5所示表3-5 低速档大小齿轮参数表名称参数代号小齿轮参数大齿轮参数模数m1.251.25齿数z24192压力角分度圆直径d30240齿顶高系数11径向间隙c0.750.75齿全高h2.82.8齿顶圆直径32.5242.5齿根圆直径25.625236.875至此，低速档齿轮的设计已经完成3.4 轴的计算和校核轴是组成机器的主要零件之一。一切作回转运动的传动零件，都必须安装在轴上才能进行运动即动力的传递，因此轴的功用时支承回转零件及传递运动和动力。所以，轴的设计也和其它零件的设计一样，包括结构设计和工作能力两方面的内容。轴的结构设计就需要根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理的确定轴的结构形式和尺寸。轴的结构设计不合理，会影响轴的工作能力和轴上零件的工作可靠性，还会增加轴的制造成本和轴上零件的装配困难。因此，轴的结构设计也是我们这部分要做的主要工作。轴的工作能力计算是指周的强度、刚度和震动稳定性等方面的计算。因为多数情况下，轴的结构工作能力主要取决于轴的强度。在本设计中就是这种情况，因此在设计计算中我们只对轴的强度进行计算，防止其断裂或塑性变形。下面我们进行具体的设计计算。3.4.1主轴箱高速轴II的结构设计1、齿轮上作用力的计算高速轴传递的扭矩为T=9550P/n=95507.125/1420=47.92Nm 即，TII=47920Nmm, 转速为nII=1420r/min ,最小的分度圆直径为30mm 。分析该齿轮上的受力情况：（1） 圆周力为：Fti=2TIId1=24792030=9584030=3194.7N其方向与力的作用点圆周速度方向相反（2） 径向力为：Fr1=Ft1tann=3194.7tan20=1162.8N 其方向由力的作用点指向齿轮的转动中心 从动齿轮各个力与主动齿轮上相应的力大小相等，作用方向相反。2初步确定轴的最小直径初步估算轴的最小直径。选择轴的材料为45钢，调质处理。查表取0=103，于是得dminA03PIInII=10337.1251420=17.6mm轴的最小直径的地方显然是与联轴器相连的地处轴的直径见图3-43轴的结构设计图3-4 主轴箱高速轴结构图1）拟定轴上的零件装配方案，如图3-42）根据轴向定位要求确定轴的各段长度和直径，轴段右端需要制出一轴肩，左端用端盖和螺栓定位。故的直径25，36mm。3）段装轴承和轴承端盖，因轴承同时受有径向力和轴向力作用，故选用单列圆锥滚子轴承，轴承参照工作要求并根据25mm，由轴承产品目录中初步选取基本游隙组，标准精度等级的单列圆锥滚子轴承32006。其尺寸为DdT=305517。故30mm，考虑到轴承盖的装卸方便130mm。4）段为花键轴，且又做轴承的轴向定位，选NdDB=832366，有考虑三联滑移齿轮各自工作时，不产生干涉，（为齿轮的齿宽）故。5） 段安装轴承，因考虑轴承是成对安装，故该轴段轴承也为32006，30mm，=17mm。3.4.2 主轴箱低速轴的结构设计1、齿轮上作用力的计算高速轴传递的扭矩为TIII=9550PIII/nIII=95505.7/176.8=307.9 Nm 即，TIII=307900Nmm, 转速取高低转速nIII=495r/min ,最小的分度圆直径为198mm 。分析该齿轮上的受力情况：（3） 圆周力为：Ft2=2TIIId4=2307900198=3110N其方向与力的作用点圆周速度方向相反（4） 径向力为：Fr2=Ft2tann=3110tan20=1132N 其方向由力的作用点指向齿轮的转动中心 从动齿轮各个力与主动齿轮上相应的力大小相等，作用方向相反。2初步确定轴的最小直径先按初步估算轴的最小直径，选择轴的材料为45钢，调质处理，根据表153取0=103，于是得dminA03PIIInIII=10335.7176.8=32.78mm轴的最小直径的地方显然是安装内轮7处轴的直径如图3-53轴的结构设计图3-5 主轴箱低速轴结构（1）拟定轴上零件的装配方案，如图3-5（2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度1）为了满足内啮合齿轮的轴向定位要求，段左端需制出一轴肩，故段的直径45mm，段右端需要挡板和螺栓定位，故。2）段安装套筒，轴承和轴承端盖，因轴承同时承受轴向力和径向力，故选用单列圆锥滚子轴承，参照工作要求并根据45mm，由轴承产品目录中初步选取0基本游隙组，标准精度等级的单列圆锥滚子轴承32910x2，其尺寸为507215，故=50mm，考虑轴承端盖螺栓的安装与拆卸的方便，。）段安装齿轮4和6及套筒,取dV-VI=54mm；齿轮4的右端和轴承之间用套筒定位。已知齿轮4和6 及套筒的总宽度为266mm，为了使套筒面可靠的压紧齿轮，故。4）为轴肩定位，轴肩高度h0.07d=0.0755=3.85mm，故取6，则轴环处1.4h=8.4mm，则。5）段为自由段， 6）段为轴肩定位，轴肩高度，故取h=6mm，轴环出的直径=67mm，轴环的宽度b1.4h=1.46=8.4mm，取。7）段安装齿轮2和轴承套筒，轴承右端和齿轮的左端用套筒定位，段轴承为考虑轴承都是成对安装，该轴段的轴承仍为32910x2，其尺寸为507215，故=50mm，。3.4.3 钻头工作端轴的结构设计1.齿轮上作用力的计算钻头工作端传递的扭矩为TIV=9550PIV/nIV=95501.13/530.5=20.3 Nm 即，TIV=20300Nmm, 转速取低转速nIV=530.5r/min ,内啮合小齿轮分度圆直径。分析该齿轮上的受力情况：圆周力为：Ft3=2TIVd1=22030052.9=767.5N其方向与力的作用点圆周速度方向相反径向力为：Fr3=Ft3tann=767.5tan20=279.3N 其方向由力的作用点指向齿轮的转动中心 从动齿轮各个力与主动齿轮上相应的力大小相等，作用方向相反。2初步确定轴的最小直径初步估算轴的最小直径。选择轴的材料为40Cr，调质处理。根据查表知0=97，于是得d