多孔单工位组合钻床主轴箱传动系统设计.pdf

多孔单工位组合钻床主轴箱传动系统设计孟俊焕,冯瑞宁,王会(德州学院机电系,山东德州253015)摘要:从企业实际需求出发,在全面分析被加工零件的基础上,指出现有设备的不足,不仅工人劳动强度大,而且生产效率低,不利于保证零件加工精度,采用16孔单工位组合钻床主轴箱的创新设计可解决上述问题。关键词:组合钻床；主轴箱；传动设计中图分类号:TG502文献标识码:B文章编号:167125276(2005)03200014202DesignofTransmissionSystemonMulti2holeCombinationDrillingMachineMENGJun2huan,FENGRui2ning,WANGHui(DepartmentofElectromechanic,DezhouUniversity,SDDezhou253015,China)Abstract:Inviewoftheactualenterprisesconditionsandonthebasisofoverallanalyzingworkpiecestructurefeatures,accuracyofsize,surfaceroughness,accuracyofdistancebetweendrilledholesandothertechnicalre2quirements,thisarticlepointsoutthattheexistingequipmentsusedtomanufactureworkpiecesmayresultinlowerproductivity,greaterlabourintensityandworseworkingaccuracy.Theinnovativedesignofspindleboxfor16holecombinationdrillingmachinehassolvedaboveproblems.Keywords:combinationdrillingmachine；spindlebox；designoffixture0前言如图1所示的小型拖拉机零件(12.54.101前盖),采用普通钻床逐孔加工法时,工人频繁地装夹工件、起动机床、进刀、退刀、停车和卸工件,不仅劳动强度大,而且生产效率和加工精度低。在全面了解被加工零件的加工情况和影响方案而制定的各种因素的基础上,重新制定机械加工工艺方案,将被加工零件的16孔集中于一台组合钻床上加工就能有效地解决上述问题。图1被加工的零件实物图1组合机床总体设计根据被加工件的加工精度、加工材料、工作条件和刀具耐用度,初选动力滑台的进给速度为40mm/min,初定切削速度15m/min。根据选定参数,针对被加工零件特点,机床各部分配制关系如图2所示。2主轴箱设计依据总体设计图,对主轴箱进行结构创新设计。由于在本机床上需同时加工16个孔,不仅孔多、间距小,而且孔的排列分散,采用通常方案排箱无法实现16孔的工序集中。因此本钻床的主轴箱传动系统在对被加工零件进行了深入细致地分析计算的基础上,通过采用变位齿轮和滚针轴承,将常规状况下不能完成的排箱得以实现,而且所设计的主轴箱结构紧凑。2.1绘制主轴箱设计原始依据图依据组合钻床总体设计绘制出主轴箱设计原始依据图(图3)。其内容包括主轴箱设计的原始要求和已知条件:1)主轴箱轮廓尺寸(长600mm,宽500mm)；2)工件轮廓尺寸及各孔位置尺寸；3)工件与主轴箱相对位置尺寸。2.216孔单工位组合钻床主轴箱传动系统设计2.2.116孔单工位组合钻床主轴箱传动系统设计原则机械制造与研究孟俊焕,等多孔单工位组合钻床主轴箱传动系统设计14http:/ZZHD.E2mail:ZZHD机械制造与自动化图2机床各部分配置关系为使主轴箱结构紧凑,同时确保工件加工品质,在设计时采取以下措施:a)从面对主轴的方位看去,所有主轴均采用逆时针方向旋转；b)保证转速和转向的前提下,力求用最少的传动轴和齿轮(数量和规格),以减少各类零件的品种。具体措施采用一根传动轴同时带动多根主轴,并将齿轮布置在同一排位置上。当齿轮啮合中心距不符合标准时,采用了变位齿轮；图3主轴箱设计原始依据图c)避开了用主轴带主轴的方案,这样避免了增加主轴负荷,不会影响加工品质；d)为使主轴箱结构紧凑,主轴箱内齿轮传动副的传动比都在11.5之间；e)为了使主轴上的齿轮不太大,有的在最后一级采用升速传动；f)因钻削加工切削力大,为了减少主轴的扭曲变形,主轴上的齿轮尽量安排靠近前支承。按上述原则所设计的传动系统树形图如图4所示。图4主轴箱传动系统的传动树形图按所设计的传动系统图合理分配各级传动比,初定传动轴位置,确定齿轮齿数。2.2.2传动轴的坐标计算在拟定主轴箱传动系统时,传动轴位置已作了初步确定。为了保证齿轮副的正常啮合和加工主轴箱上传动轴支承孔的孔距精度,需要精确计算各传动轴的坐标尺寸(计算结果精确到小数点后三位数)。2.2.3验算验算根据坐标计算确定的两轴坐标中心距A是否符合两轴间啮合齿轮要求的中心距R,R与A的差值为,即=R-A验算标准为:0.0010.009mm由计算结果可知:轴39与轴12、13和14之间的0.009mm,故采用变位修正齿轮。将轴12、13、14和39设计为变位齿轮,再进行变位齿轮参数的设计计算。2.3主轴及通用传动轴结构型式的选择方案主轴结构形式考虑零件的加工工艺、主轴的工(下转第19页)机械制造与研究孟俊焕,等多孔单工位组合钻床主轴箱传动系统设计MachineBuilding&Automation,Jun2005,34(3):1415,1915决可以调用fmincon函数来实现。须编写目标函数和非线性约束条件的M文件。首先在MatLab编辑器中建立目标函数的M文件,并保存为m1.m文件:functionf=myfun(x),f=pi237.839.83x(2)23x(1)3x(3)/4；非线性约束条件的M文件为:functionc,ceq=SpringNonLcon(x)c(1)=x(2)3x(3)+6.67+x(2)-2.63x(1)然后在MatLab命令窗口输入如下命令:x0=15；2.5；2.5；A=010；0-10；1-80；-160；001；00-1；b=2.6；-2.1；0；0；3.2；-1.7；lb=0；0；0；ub=20.8；2.6；3.2；x,fval=fmincon(m1,x0,A,b,lb,ub,SpringNonLcon)运行以上命令得到的显示结果如下:Optimizationterminatedsuccessfully:Searchdirectionlessthan23options.TolXandmaximumconstraintviolationislessthanoptions.TolConActiveConstraints:246x=12.60002.10001.7000fval=1.7816e+004即x1,x2,x3T=D,d,nT=12.6,2.1,1.7T,以上结果只是优化后的数值,须对结果进行圆整后方可使用。查机械设计手册得弹簧丝直径d取为2.2(第二系列),外径D15,圈数2。表1给出了优化前后的对照结果:表1优化前后结果对比参数D外/mmd/mmn质量/mg优化前233.2223000优化后152.2217816变化量/%34.831.3-22.55结论采用模糊数学与可靠性优化设计相结合的方法,消除一些在实际中无法精确定义的量的限制,使可靠性优化设计同时考虑了参量的随机性及模糊性,在更接近实际的同时,使所设计零件最大化符合现实情况。并用MatLab进行了优化设计,给出了源代码并计算出了优化结果。表明基于Mat2Lab的圆柱螺旋压缩弹簧模糊可靠性优化设计方法是非常有效的。参考文献:1刘惟信1机械可靠性设计M1北京:清华大学出版社,200012陈胜军1模糊集合论在机械可靠性设计中的应用J1机械设计与研究,1997(2)13张葛祥,李娜1MatLab仿真技术与应用M1北京:清华大学出版社,20031收稿日期:2004211219(上接第15页)作条件和受力情况,采用长主轴。因是钻削加工主轴,需承受较大的单向轴向力,所以优选向心球轴承和推力球轴承组合的支承结构,且推力球轴承配置在主轴前端。传动轴的转速较低,但载荷较大,因此用圆锥滚子轴承。按上述方案配置的主轴和传动轴,按所选的轴承类型绘制轴承孔检查图,发现有些部位采用此配置因孔间距较小,箱体上的轴承座孔太大,导致箱体强度不够。例如轴9、10、11与轴19之间,轴31与32之间,轴38与39之间,轴25、6、16之间,轴24、26、27之间,轴承孔相距太近,特别是在轴9、10、11与轴19之间的轴承孔壁厚仅为0.5mm,因此这些部位都由原方案改为推力球轴承与滚针轴承组合的支承结构.以减小径向尺寸,满足强度要求,实现合理排箱。3结束语按以上原则设计的传动系统,保证了主轴箱的品质,提高了主轴箱的通用化程度,使得设计和制造工作量及成本都大大降低。为实现本机床“体积小,质量轻,结构简单,使用方便,效率高,品质好”的设计目标奠定了基础。参考文献:1李秀敏.组合