钻床主轴进给机构改造——变速机构设计【含CAD图纸+PDF图】
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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： 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 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3941钻床主轴进给机构改造变速机构设计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=1.51.11.811.28=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=1.51.11.491.25=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=1.51.11.291.31=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。6.3.5 润滑油粘度和润滑方法润滑油粘度： 根据Vs=6.19m/s由表机械设计手册13-7选取V40度=220mm2/s。润滑方法： 由机械设计手册表13-7，可采用侵油或喷油润滑。6.3.6 花键的选择 ZdDb=626326结论与展望作为大学期间最后一个作业，毕业设计为我们提供一个很好的锻炼机会。通过本次设计，我们更加巩固了我们的专业知识。本论文主要通过一般机床的结构设计步骤完成了：1、从普通钻床的结构认识开始，确定出多工位钻床的大体结构。解决了以前普通钻床进行加工时反复对工件进行定位调整而带来的各孔系相互间的位置精度问题及有效降低了工人的劳动强度和零件的加工成本。2、钻床的主轴转动是采用三相异步电动机提供动力，由一个无级变速器（能够提供多种转速）经过一级齿轮传动给主轴，而钻床主轴的特点是要能够实现轴向进给。故从动轮与主轴之间采用花键形式联接，这一过程便实现了主轴的传动。主轴的传动附件的定位都包括在整个主轴箱的设计中。3、多工位钻床结构设计实现了多工位的加工，避免了工件在工作台上进行找正的步骤，同时为了减小工作台进给对零件加工精度所带来的影响，在多工位钻床的设计时采用了步进电机带动滚珠丝杠转动实现滑动导轨的移动，通过步进电机经蜗杠蜗轮传动实现工作台的旋转达到多工位的效果。这些最终的控制都可由单片机控制步进电机来实现的。4、对于多工位钻床的主体结构，选用了一根型号为：CL25的立柱及相应的立柱底座和一个通用机床的床身实现机床的定位和总体结构。5、基本完成了经济型多工位钻床的结构设计，按此设计的钻床可以满足生产的实际需要。并可在此基础上进行多主轴的结构设计以及增加PLC等各种控制方式以实现整个钻床的智能化和高效化。毕业设计小结两个多月的毕业设计在忙碌中就快要结束了,在这两个多月的时间里,在毕业设计之余还要兼顾找工作,因此,在这段时间里我觉得生活非常的充实.不但在毕业设计中巩固了以前的知识,而且在人生道路上学到在校园学不到的社会交际.毕业设计是大学四年所学知识的一个考察,它兼顾了四年中所学的基础和专业知识,因此不同于以前的课程设计,毕业设计是课程设计一个质的飞越.认识到这点,我对待毕业设计的态度也不敢懒散,一直抱以认真谨慎的学习态度.在接到毕业设计课题后首先要做的就是搜集各方面的资料，以前的课程设计都是老师给出的，不用自己去烦恼。但是毕业设计就不同了，它是一个综合设计，很多资料，数据都需要自己通过各种途径搜集得到。因此经常跑图书馆。但是组合机床设计找遍整个图书馆都找不到。然而我的设计是根据这本书上所讲的设计方法来做的，找不到绝对是一个沉重的打击。幸好，在指导老师的指引和帮助下在机械系资料室找到了。在以后的设计中，组合机床设计起到了很大的作用，是我毕业设计能顺利按时完成的法宝。 接下来的工作
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