Z3050摇臂钻床的设计【含10张CAD图纸、说明书】
UNIVERSITY本 科 毕 业 论 文设 计题目: Z3050 摇臂钻床的设计 学 院: 工学院 姓 名: XXX 学 号: XXX 专 业: 机械设计制造及自动化 年 级: 2008 级 指导教师: XXX 职 称:助教二一二2目录一 绪论 51.1 概述 51.2 钻床发展 5二 钻床的设计 92.1 运动参数的确定 92.1.1 决定传动级数 92.1.2 选择转速数列 .112.2 传动系统的设计 .132.2.1主运动系的设计 132.2.2 传动系统的扩大顺序的安排 .132.2.3 齿轮齿数的确定 .142.2.4 转速图的确定 .152.2.5 绘制传动系统图 .202.3 动力设计 .202.3.1 确定各轴转速 .202.4 齿轮的设计及其校核 .212.4.1 各传动组齿轮模数的确定 .212.4.2 各传动组齿轮的校核 .312.5 轴的设计及其校核 .322.5.1 确定各轴的最小直径 .332.5.2 轴的设计与校核 .402.5.3 主轴的设计与校核 .442.6 轴承的选择与校核 .442.6.1 轴承的选择 .452.6.2 轴承的校核 .452.7 键的选择与校核 .452.7.1 键的选择 .462.7.2 键的校核 .462.8 致谢 .47三 参考文献 .483摘要钻床是一种孔加工设备,可以用来钻孔、扩孔,铰孔。攻丝及修刮端面等多种形式的加工。在各类钻床中,摇臂钻床操作方便、灵活,适用范围广,具有典型性,特别适用于单件或批量生产带有多孔大型零件的孔加工,是一般机械加工车间常见的机床。本设计通过对动力参数和运动参数的计算,转速范围的确定,以拟定传动系统图和转速图。重点是要考虑结构、尺寸、体积、等综合因素,设计出正确的结构分析式,绘制出正确的传动系统图,从而完成机床整体布局的设计,然后通过齿轮设计、键及轴承的选择、轴的设计以及其他一些附件设计,最后校核轴设计和键轴承选择的正确性与合理性,完成钻床主轴箱体传动系统的设计。关键词:主轴的转速范围;齿轮模数设计;轴的设计;结构尺寸;机床功率;轴承设计4AbstractDrilling is a hole processing equipment, can be used for drilling, reaming, reaming holes. Tapping and face a variety of forms such as scraping the processing. In all kinds of drilling radial drill, convenient operation, flexible, and wide application scope, typical, especially suitable for single or batch production with large parts of the pore porosity is general machinery processing workshop of common tools.This design based on dynamic parameters and the movement parameters, speed limits, in transmission system and speed. Focus is to consider structure, size, volume, comprehensive factors, designed the correct structure analysis, draw out the correct transmission system, so as to complete the whole layout design of the machine, and then through the gears, bearings and design of the design, selection and other accessories, and finally checking shaft bearings choice of design and key correctness and rationality, complete drilling spindle box transmission system design.Keywords: spindle speed range, Gear module design, Axis designs, Structure size, Machine power, Bearing design5绪论1.1 概述摇臂钻床主轴箱可在摇臂上移动,并随摇臂绕立柱回转的钻床。摇臂还可沿立柱上下移动,以适应加工不同高度的工件。较小的工件可安装在工作台上,较大的工件可直接放在机床底座或地面上。摇臂钻床广泛应用于单件和中小批生产中,加工体积和重量较大的工件的孔。摇臂钻床的主要变型有滑座式和万向式两种。滑座式摇臂钻床是将基型摇臂钻床的底座改成滑座而成,滑座可沿床身导轨移动,以扩大加工范围,适用于锅炉、桥梁、机车车辆和造船等行业。万向摇臂钻床的摇臂除可作垂直和回转运动外,并可作水平移动,主轴箱可在摇臂上作倾斜调整,以适应工件各部位的加工。此外,还有车式、壁式和数字控制摇臂钻床等。 1.2 钻床发展随着国民经济的迅速发展,要求有更多、更新、更好的机床及时的满足各部门日益增长的需要。1956 年以来我国在机床事业上已进入自行设计的阶段。特别是 1958 年大跃进以来,自行设计的机床无论在品种和数量上都大大增加。随着祖国社会主义建设事业的继续发展,机床设计任务必将更加繁重,更好的理解党的方针政策,树立正确的设计思想,掌握多、快、好、省的设计方法从而更好的为社会主义建设服务,是每个从事机床设计工作者所应具备的条件。机床的设计是一个比较繁杂的过程,只要我们按照总路线的精神,在设计始终6走大群众路线,大搞三结合,一级综合国内外的先进技术和经验,就能够多、快、好、省的设计出质量较高的机床来。在生产中能达到上述要求的摇臂钻床是有的,我们可以在某些方面(如提高生产率、改善人工的劳动条件等)加以改进,从而能够多、快、好、省的满足身缠上的要求。为此,我们需要从下面几个方面广泛的收集资料:1、国内外同类机床的有关资料;2、机床用户、操作者的意见和希望,以及机床工作的特殊条件;3、机床的需要量;4、有关机床的国家标准;5、有关的书刊和杂志等资料。因此设计者必须掌握的有关原始资料大致包括如下几点:1.、被加工零件的生产规模;2、零件加工的工艺过程;3、所加工零件的技术要求,零件的材料,加工余量,刀具的材料等;4、加工孔径范围的大小。综合现有摇臂钻床的总体布置形式,为了能够达到使用方便;满足生产的要求,而采用如图 1 所示形式,即采用具有内外立柱的形式;外立柱绕固定的内立柱旋转,而摇臂则沿外立柱作垂直移动。在少数摇臂钻上,还可以看到只有一个立柱的,摇臂旋转是在摇臂与立柱松开时进行的,就不可避免的发生摇臂下垂的现象,以使旋转时需要较大的力。摇臂的垂直移动是通过丝杠的旋转来带动的。主轴箱则在摇臂上作左右的纵向移动;它自成为一个独立的部件,可用于各种不同型式的机床中。某些国家的部件摇臂钻主轴箱的动源放在摇臂的延长部分(如图 2) 。这种型式的摇臂钻看起来好像合理,因为在机床停止工作的时候点击的重量可以平衡主轴箱的重量,改善由于悬臂和主轴箱的重量所引起的下垂。但由于机床在技工时钻轴受到向上的切削反力,可以抵消机床部件自重所引起的下垂,这样反而有助于提高加工精度,因此没有必要由电动机在另端7起平衡作用。机床工作台呈箱形能旋转及倾斜,以便于加工成一定角度平面上的孔。摇臂钻上的夹紧装置十分重要,应该使机床在调整的过程中,摇臂能轻便的旋转,主轴箱沿摇臂导轨能省力的移动,而在机床工作时又能保证各部分可靠的夹紧。在新式的机床中,常尽量使夹紧的过程化与自动化。摇臂钻中现有的夹紧方式的组合可见表 2。由于液压夹紧具有稳固可靠和操作简单的优点,这对立柱的夹紧更为重要,因此我们采用了液压的夹紧装置。属于表 2 中的第 6 种方式。在设计摇臂钻床时,对于主运动和进给运动的操纵机构应该非常重要,因为它直接影响到操作者的劳动条件,机床的生产率和机构的复杂程度等。必须综合的考虑这些因素再来决定。如苏联的 257 型摇臂钻上采用了也懂的预选操纵机构。这在提高生产率和改善劳动条件上是有利的,但构造相当复杂。而在苏联 2A55 和 2A66 型摇臂钻床上采用了机械的预选机构,它可以在工作中预选变速;节省变速的辅助工时,所以在此采用机械预选机构在操纵主运动和进给运动。机床上的一些主要尺寸影响到机床的工艺可能性,生产率,经济性等方面。摇臂钻上的主要尺寸为:1、主轴中心线到立柱母线的最大距离;2、主轴端至底座的最大距离;3、摇臂垂直升降距离;84、内立柱直径;5、主轴行程;6、莫氏锥度号码;7、主轴直径。在上述的部分尺寸中有标准的规定。在标准中规定有最大钻孔直径 35 毫米摇臂钻的主轴中心线到立柱母线的最大距离为 800,1200,1500 毫米。最大钻孔直径 35 毫米的摇臂钻,苏联会涉及有 253 型和 2B53 型,前者主轴中心线到立柱母线的最大距离为 1000 毫米,不符合苏联国家标准,已停止生产,后者主轴中心线到立柱母线的最大距离为 1500 毫米,由于其摇臂是和加工最大孔径等于 50 毫米的 255 型通用,所以对 35 毫米来说未免过大,因此在设计中可以考虑采用 1200 毫米的,和其他国家相比也较为合适。按上述的理由从实际生产的需要出发,最后决定主轴中心线到立柱母线的最大距离为 1200 毫米。类似的可以确定如下的尺寸:主轴端至底座的最大距离1500 毫米主轴最大行程300 毫米主轴莫氏锥度4 号摇臂垂直移动的距离700 毫米内立柱直径300 毫米主轴直径35/70 毫米9钻床的设计2.1 运动参数的确定2.1.1 决定传动级数机床总的布置形式,主要尺寸等决定以后,我们再按已知的原始资料决定其运动特性,包括主运动和进给运动的参数,如变速范围 Rn,公比 ,转速级数 z,主运动和进给运动的极限值 n ,n ,S ,S 等。maxinmaxin主轴的极限转速 n 和 n 必须考虑到机床上所用刀具材料、工件材料、maxi最大和最小的加工孔径,加工工艺等。虽然,转速范围较大的对万能机床来说是有利的,但是,也会使机构复杂化。所以要适当的根据生产的实际需要来选择。同时,告诉切削,硬质合金刀具的广泛使用,在设计新机床时必须给予充分的考虑,以便得到比现有机床获得更高的生产率。钻床钻孔直径的范围在 d 46之间选择比较合适,故加工直径maxin为 35毫米的摇臂钻床在钢料上的加工孔径规定为d =6mm d =35mm。minmax由于铸铁比刚的强度极限较低,故在铸铁上的加工孔径为d =10mm d =50mm。inax不同情况下的切削用量,列入下列诸表(37) 。10从上列的表中科找出主轴的极限转速为:n =2000maxinrn =25i因此而得到变速范围R = n / n =2000/25=80maxi下面我们再来决定公比 。公比 的大小直接影响转速级数 z,在一定的变速范围 R 下 愈大;则级数 z愈少;机构愈简单,但速度损失也愈大,影响到n生产率。 愈小,则级数 z就愈多,对选择合理的切削速度有利,可以提高生产率,但机构又变的复杂了。因此在选择公比 时,根据机床的万能性要求,11来解决其矛盾。就是使机床的速度损失不过大,也不致因公比 过小而引起机床结构的过分复杂,采用 =1.26,同时也符合在机床设计中对于我们所设计的摇臂钻床是为加工 35孔用的,在系列尺寸( 25、35、50、70、100)中是属于较轻型的,结构尺寸不宜过大,故在本书第二章中所推荐的万能机床公比=1.26和 =1.41之中选择采用 =1.26有了变速范围 R 、公比 ,就可以按下式求出转速级数 z:nz=1+ =1+ 19.9log n26.1l80转速图中间的 12级转速采用公比为 1.26的数列,3 级低速和 3级高速转速采用公比为 1.58的数列,按正常情况下,遵守级比规律,变速系统的结构式应为: 16= 12482变速系统的变速范围 R = = = =80,而正常的结构式 16=n845916.这时变速范围 R = = = =32。二者变速范围相差841225倍,其中指数 4是基本组级比指数增加值,也是转速数列中的转速空缺的格4数。则齿数 z=19.9-4=15.9,则参考同类机床 z=16是合理的。2.1.2 选择转速数列从转速数列表中查出标准数值:25;40;63;80;100;125;160;200;250;300;400;500;600;800;1250;2000。同样,根据高速钢刀具切削用量手册和高速切削用量手册查得,在各种加工情况下,各种不同直径的刀具的进给量如下表(表 811) 。12由上列各表,可找出进给量的极限值是 0.082.8 ;考虑大于 1.2rm的进给量,仅在个别的情况系用到,为使机构不太复杂,采用进给量的极rm限值 0.061.2 ,同时参照同类机床进给范围也大致在 0.061.2 之r rm13间。按推荐的 =1.21.7,选公比 =1.58。ss则进给级数:5.7198.035.log621l ssRz取 =8。sz2.2 传动系统的设计2.2.1 主运动系的设计选择传动结构方案z=16,则有如下结构方案:2162.2.2 传动系统的扩大顺序的安排现拟定方案为如下:845216表达传动链的组成、传动顺序、扩大顺序及各轴的变速范围的结构式,也可用对应的结构网的形式表示 ,如图:14传动组的变速范围的极限值齿轮传动副最小传动比 ,最大传动比 ,决定了一个传动组41minu2maxu的最大变速范围 。8inaxmar2.2.3 齿轮齿数的确定2.2.3.1 对于电机和轴齿轮传动组查参考文献 2表 2-1有:1581,82,83,84,86,88,90,91,92,93,95,9756.1izS故 95是适用的,故zS5032i2.2.3.1 对于轴和轴齿轮传动组 a70,72,74,76,78,8013.aizS故 85是适用的,故zS438i2.2.3.2 对于轴和轴齿轮传动组 b70,72,73,75,77,7858.1bizS62,64,66,68,702z故 73是共同适用的,故 zS4281bi35bi2.2.3.3 对于轴和轴齿轮传动组 c40,47,49,51,53,5579.01cizS61,62,65,68,71,7242z故 70是共同适用的,故 zS3081ci4820ci2.2.3.4 对于轴和轴齿轮传动组 d100,101,102,104,1067.01dizS60,63,66,69,72,75,782z故 109是共同适用的,故 zS3541di327di2.2.3.5 对于轴和轴齿轮传动组 e80,81,83,84,86,8868.01eizS80,82,85,86,87,89,9042z故 90是共同适用的,故 zS4061ei8021ei2.2.4 转速图的确定2.2.4.1 选择电动机16这里包括主运动和进给运动电机功率的决定。在决定功率时必须考虑到机床上最严重的工作情况,因此就要在不同刀具,不同零件,不同加工方式的条件下比较得出在各种负荷(较轻、一般、最重)下所需的电机功率,再根据最常用的情况,既考虑能够在负荷最重的情况下进行加工,也要考虑充分的发挥电机的效率,比较经济合理的决定电机的功率。在刚才上钻孔已知钻孔的最大直径 D=35mm;刀具材料高速钢工件材料碳钢 265mkgB根据上述条件由手册中查到进给量的选择范围在 0.270.54 之内。r35毫米的摇臂钻床最大进给力 P=1250kg。到此我们就可决定进给量如下:kg75.0.pCPBDS从而 75.07.0Bprm由手册中查得r32.0653.12S707.选 S=0.30 。rm求 mkg1430.062.1DCM7.087.0B82振而切削速度inSTDCV9.0B52.4式中 决定材料机械性能的系数;245CVT=35分钻头的寿命。min2.1653.05249.04. 17钻头每分钟的转数min19354.32.10rDvn选 n=200 mir钻头所耗功率按下式求出:。kWn9.236.170MN振主钻头的进给功率按下式计算:ksp056进 给由此可见,N 与 N 相比相差非常悬殊,所以不考虑 N 之值,定进 给 主 进 给。kW9.2主有 效同理可求出在钢材上扩孔及在铸铁上钻孔所需的有效功率列入表 13:有效功率确定以后就可以根据机场的效率求出电动机的功率了。Kba21总式中 机床的总效率总齿轮传动效率1a传动齿轮对数滚动轴承效率2b由电机到滚动轴承数K考虑耗费在进给上功率系数由表中查出=0.99; a=5;118=0.995; b=17;2K=0.96。 84.096.5.09.17总由于变速箱须在高速情况下工作,因此还会出现一些其他损失,故采用机床的效率为: 。8.用高速钢在钢和铸铁上钻扩孔时的最大功率为:kWN75.380有 效最 大则选用电机kW3min142r所以采用电机型号为 Y100L2-4 , 的电动机 kN3in1420r。2.2.4.2 确定传动轴数参考 z3040并结合分析其传动轴数为 6。2.2.4.3 确定各级转速并绘制转速图各级转速为:25 40 63 80 100 125 160 200 250 300 400 500 600 800 1250 2000 这 6根轴按传动顺序依次设为、192540638125034560812电 14203:58432:0:484327:202.2.5 绘制传动系统图传动系统图2.3 动力设计2.3.1 确定各轴转速2.3.1.1 确定主轴的计算转速 min2513minrzj2.3.1.2 各传动轴的计算转速21I轴的计算转速: min9308420753218rII轴的计算转速: i75rIII轴的计算转速: min120485312rIV轴的计算转速: i97rV轴的计算转速: min52180rVI轴的计算转速: ir2.4 齿轮的设计及其校核2.4.1 各传动组齿轮模数的确定出论模数的计算是根据接触应力计算齿轮表面层的疲劳强度,或根据弯曲应力计算齿轮的疲劳强度。根据参考文献 可知,普通钻床齿轮的精度等级为 7级精度,材料为 45钢,8正火、调正和整体淬硬。对于直齿圆柱齿轮的模数可根据如下二式计算而选取区中较大者。mnizmm3221S3NK)(160接 触接 触 YwJs275132弯 曲式中: N计算齿轮传递的额定功率 ;kWNd计算齿轮(小齿轮)的计算转速 ;Jn minr尺宽系数 , 常取 610;mbmm22计算齿轮的齿数,一般取传动中最小齿轮的齿数;1z大齿轮与小齿轮的齿数比, ;“+”用于外啮合,i 12zi“-用于内啮合;寿命系数, ;sKqNnTSK工作期限系数, ;T moC60齿轮等传动件在接触和弯曲交变载荷下的疲劳曲线指数 m和基准循环次数 oC齿轮的最低转速 ;nminrT预定的齿轮工作期限,中型机床推荐:T=1500020000h;转速变化系数;nK功率利用系数N材料强化系数。幅值低的交变载荷可使金属材料的晶粒边q界强化,起着阻止疲劳隙缝扩展的作用(寿命系数)的极值 ,SKmaxSKinS当 时,则取 = ,当 时,取 = ;max minSKSminK2.4.1.1 a传动组分别计算齿轮的模数=1.13 384i in930rnj查参考文献 表得:805.1K423 62.410893607moTCnK2368.14.0598.624qNnTSK=8 mz=38 =600MPa JkW85.239.06dN则 mm89.13061.5.24.132 )(m取 m =2mm故轴 I上齿轮直径:mda76382故轴 II上齿轮直径:b412.4.1.2 b传动组分别计算齿轮的模数5.28i min79rnj查参考文献 表得:8.1K423 42.108795603moTCnK9.16.0.42qNnS=8 mz=28 24=600MPa JkW73.29.05.960dN则 mm46.2956.18.4.1322)(m故传动组 b的传动模数取 2.5mm故轴 II上齿轮直径为:mdb705.281mdb5.87.2312故轴 III上齿轮直径为:c1.41 c122.4.1.3 c传动组分别计算齿轮的模数=2.4 208i min5rnj查参考文献 表得:85.1K423 78.31056037moTCnK04.16.9.8qNnS=8 mz=20 =600MPa JkW59.23.095.60. dN则 mm67.14.28.1.132)(m故传动组 c的传动模数取 2.5mm25故轴 III上齿轮直径为:mdc95.23821mdc50.22故轴 IV上齿轮直径为:d7.01 d1.48122.4.1.4 d传动组分别计算齿轮的模数=1.96 2753i min95rj查参考文献 表得:8.1K423 78.210956037moTCnK6.082qNnS=8 mz=27 =600MPa JkW51.239.05.960.7dN则 mm7128.74.16302)(m故传动组 d的传动模数取 3mm故轴 IV上齿轮直径为:md813271md13542故轴 V上齿轮直径为:e591 e0122.4.1.5 e传动组分别计算齿轮的模数268.3210i min95rj查参考文献 表得:5.1K423 21.108956037moTCnK59.062qNnS=8 mz=21 =600MPa JkW46.239.05.960.798.0 dN则 mm.421245163)(m故传动轴的传动模数取 2.5mm故故轴 V上齿轮直径为:mde5.2.12 mde5.12.62故故轴 V上齿轮直径为:f 0.81 fe0.4122.4.2 各传动组齿轮的校核根据齿根弯曲强度校核齿轮有:式1FasFF32dkTYmZ(2.15)27其中 -齿宽系数 d-应力校正系数saY-齿形系数F为使用系数, 为动载系数, AvkkAvk齿轮间载荷系数, 为齿向载荷分布系数F F2.4.2.1 校核 a传动组该组只需校核齿数为 38的齿轮即可,确定各项参数kwp85.2 mNnpT 466 1097.2385.105.9109查参文献 表 10-5有: 4.FaY6.SaY2.1d表 10-2有: 2.AKsdnV6.310695743106根据图 10-8有:机床精度为 7级精度。故 13.VK根据表 10-3 2.Fk168mb5.4).0()2(*ch根据图 10-13有 5.34 07.1Fk即 : 8.7.12.1kMPaF .33.6.40982SkNlim.1s9108.029360hnjL查图 10-18有: 85.Nk28查图 10-20有: lim780FE即 MPa513.故 31.1MPa510MPa故 满足要求。2.4.2.2 校核 b传动组该组只需校核齿数为 28的齿轮即可,确定各项参数kwp73.2 mNnpT 466 1026.3795.10.91059查参文献 表 10-5有: .FaY.SaY2.1d表 10-2有: 2.AKsdnV93.1067543106根据图 10-8有:机床精度为 7级精度。故 13.VK根据表 10-3 2.Fk05.8mb625.).1()2(* ch根据图 10-13有 36.5.0 0.1Fk即 : 8.0.2kMPaF 35.168.234SkNlim.s910728.10279560hnjL查图 10-18有: 8.Nk查图 10-20有: limFE即 MPa5103.7029故 33MPa510MPa故 满足要求。2.4.2.3 校核 c传动组该组只需校核齿数为 20的齿轮即可,确定各项参数kwp59.2 mNnpT 466 10952105.910查参文献 表 10-5有: 9 8.FaY.SaY2.1d表 10-2有: 2.AKsdnV30.160514360根据图 10-8有:机床精度为 7级精度。故 13.VK根据表 10-3 2.Fk05.8mb625.).1()2(* ch根据图 10-13有 36.5.0 07.1Fk即 : 8.0.2kMPaF .35.15948.234SkNlim.s9108.102560hnjL查图 10-18有: 8.Nk查图 10-20有: lim7FE即 MPa5103.0故 103.7MPa510MPa故 满足要求。302.4.2.4 校核 d传动组该组只需校核齿数为 27的齿轮即可,确定各项参数kwp51.2 mNnpT 566 109.15.20.909查参文献 表 10-5有: 7.FaY7.SaY2.1d表 10-2有: 2.1AKsdnV83.06954306根据图 10-8有:机床精度为 7级精度。故 13.VK根据表 10-3 2.1Fk438mb75.63).0()2(*ch根据图 10-13有 56.7. 02.1Fk即 : 8.2.11kMPaF 5.773.098225SkNlim.1s81032.48029560hnjL查图 10-18有: .Nk查图 10-20有: lim7FE即 MPa5103.80故 117.5MPa510MPa故 满足要求。 UNIVERSITY本 科 毕 业 论 文设 计题目: Z3050 摇臂钻床的设计 学 院: 工学院 姓 名: XXX 学 号: XXX 专 业: 机械设计制造及自动化 年 级: 2008 级 指导教师: XXX 职 称:助教二一二2目录一 绪论 51.1 概述 51.2 钻床发展 5二 钻床的设计 92.1 运动参数的确定 92.1.1 决定传动级数 92.1.2 选择转速数列 .112.2 传动系统的设计 .132.2.1主运动系的设计 132.2.2 传动系统的扩大顺序的安排 .132.2.3 齿轮齿数的确定 .142.2.4 转速图的确定 .152.2.5 绘制传动系统图 .202.3 动力设计 .202.3.1 确定各轴转速 .202.4 齿轮的设计及其校核 .212.4.1 各传动组齿轮模数的确定 .212.4.2 各传动组齿轮的校核 .312.5 轴的设计及其校核 .322.5.1 确定各轴的最小直径 .332.5.2 轴的设计与校核 .402.5.3 主轴的设计与校核 .442.6 轴承的选择与校核 .442.6.1 轴承的选择 .452.6.2 轴承的校核 .452.7 键的选择与校核 .452.7.1 键的选择 .462.7.2 键的校核 .462.8 致谢 .47三 参考文献 .483摘要钻床是一种孔加工设备,可以用来钻孔、扩孔,铰孔。攻丝及修刮端面等多种形式的加工。在各类钻床中,摇臂钻床操作方便、灵活,适用范围广,具有典型性,特别适用于单件或批量生产带有多孔大型零件的孔加工,是一般机械加工车间常见的机床。本设计通过对动力参数和运动参数的计算,转速范围的确定,以拟定传动系统图和转速图。重点是要考虑结构、尺寸、体积、等综合因素,设计出正确的结构分析式,绘制出正确的传动系统图,从而完成机床整体布局的设计,然后通过齿轮设计、键及轴承的选择、轴的设计以及其他一些附件设计,最后校核轴设计和键轴承选择的正确性与合理性,完成钻床主轴箱体传动系统的设计。关键词:主轴的转速范围;齿轮模数设计;轴的设计;结构尺寸;机床功率;轴承设计4AbstractDrilling is a hole processing equipment, can be used for drilling, reaming, reaming holes. Tapping and face a variety of forms such as scraping the processing. In all kinds of drilling radial drill, convenient operation, flexible, and wide application scope, typical, especially suitable for single or batch production with large parts of the pore porosity is general machinery processing workshop of common tools.This design based on dynamic parameters and the movement parameters, speed limits, in transmission system and speed. Focus is to consider structure, size, volume, comprehensive factors, designed the correct structure analysis, draw out the correct transmission system, so as to complete the whole layout design of the machine, and then through the gears, bearings and design of the design, selection and other accessories, and finally checking shaft bearings choice of design and key correctness and rationality, complete drilling spindle box transmission system design.Keywords: spindle speed range, Gear module design, Axis designs, Structure size, Machine power, Bearing design5绪论1.1 概述摇臂钻床主轴箱可在摇臂上移动,并随摇臂绕立柱回转的钻床。摇臂还可沿立柱上下移动,以适应加工不同高度的工件。较小的工件可安装在工作台上,较大的工件可直接放在机床底座或地面上。摇臂钻床广泛应用于单件和中小批生产中,加工体积和重量较大的工件的孔。摇臂钻床的主要变型有滑座式和万向式两种。滑座式摇臂钻床是将基型摇臂钻床的底座改成滑座而成,滑座可沿床身导轨移动,以扩大加工范围,适用于锅炉、桥梁、机车车辆和造船等行业。万向摇臂钻床的摇臂除可作垂直和回转运动外,并可作水平移动,主轴箱可在摇臂上作倾斜调整,以适应工件各部位的加工。此外,还有车式、壁式和数字控制摇臂钻床等。 1.2 钻床发展随着国民经济的迅速发展,要求有更多、更新、更好的机床及时的满足各部门日益增长的需要。1956 年以来我国在机床事业上已进入自行设计的阶段。特别是 1958 年大跃进以来,自行设计的机床无论在品种和数量上都大大增加。随着祖国社会主义建设事业的继续发展,机床设计任务必将更加繁重,更好的理解党的方针政策,树立正确的设计思想,掌握多、快、好、省的设计方法从而更好的为社会主义建设服务,是每个从事机床设计工作者所应具备的条件。机床的设计是一个比较繁杂的过程,只要我们按照总路线的精神,在设计始终6走大群众路线,大搞三结合,一级综合国内外的先进技术和经验,就能够多、快、好、省的设计出质量较高的机床来。在生产中能达到上述要求的摇臂钻床是有的,我们可以在某些方面(如提高生产率、改善人工的劳动条件等)加以改进,从而能够多、快、好、省的满足身缠上的要求。为此,我们需要从下面几个方面广泛的收集资料:1、国内外同类机床的有关资料;2、机床用户、操作者的意见和希望,以及机床工作的特殊条件;3、机床的需要量;4、有关机床的国家标准;5、有关的书刊和杂志等资料。因此设计者必须掌握的有关原始资料大致包括如下几点:1.、被加工零件的生产规模;2、零件加工的工艺过程;3、所加工零件的技术要求,零件的材料,加工余量,刀具的材料等;4、加工孔径范围的大小。综合现有摇臂钻床的总体布置形式,为了能够达到使用方便;满足生产的要求,而采用如图 1 所示形式,即采用具有内外立柱的形式;外立柱绕固定的内立柱旋转,而摇臂则沿外立柱作垂直移动。在少数摇臂钻上,还可以看到只有一个立柱的,摇臂旋转是在摇臂与立柱松开时进行的,就不可避免的发生摇臂下垂的现象,以使旋转时需要较大的力。摇臂的垂直移动是通过丝杠的旋转来带动的。主轴箱则在摇臂上作左右的纵向移动;它自成为一个独立的部件,可用于各种不同型式的机床中。某些国家的部件摇臂钻主轴箱的动源放在摇臂的延长部分(如图 2) 。这种型式的摇臂钻看起来好像合理,因为在机床停止工作的时候点击的重量可以平衡主轴箱的重量,改善由于悬臂和主轴箱的重量所引起的下垂。但由于机床在技工时钻轴受到向上的切削反力,可以抵消机床部件自重所引起的下垂,这样反而有助于提高加工精度,因此没有必要由电动机在另端7起平衡作用。机床工作台呈箱形能旋转及倾斜,以便于加工成一定角度平面上的孔。摇臂钻上的夹紧装置十分重要,应该使机床在调整的过程中,摇臂能轻便的旋转,主轴箱沿摇臂导轨能省力的移动,而在机床工作时又能保证各部分可靠的夹紧。在新式的机床中,常尽量使夹紧的过程化与自动化。摇臂钻中现有的夹紧方式的组合可见表 2。由于液压夹紧具有稳固可靠和操作简单的优点,这对立柱的夹紧更为重要,因此我们采用了液压的夹紧装置。属于表 2 中的第 6 种方式。在设计摇臂钻床时,对于主运动和进给运动的操纵机构应该非常重要,因为它直接影响到操作者的劳动条件,机床的生产率和机构的复杂程度等。必须综合的考虑这些因素再来决定。如苏联的 257 型摇臂钻上采用了也懂的预选操纵机构。这在提高生产率和改善劳动条件上是有利的,但构造相当复杂。而在苏联 2A55 和 2A66 型摇臂钻床上采用了机械的预选机构,它可以在工作中预选变速;节省变速的辅助工时,所以在此采用机械预选机构在操纵主运动和进给运动。机床上的一些主要尺寸影响到机床的工艺可能性,生产率,经济性等方面。摇臂钻上的主要尺寸为:1、主轴中心线到立柱母线的最大距离;2、主轴端至底座的最大距离;3、摇臂垂直升降距离;84、内立柱直径;5、主轴行程;6、莫氏锥度号码;7、主轴直径。在上述的部分尺寸中有标准的规定。在标准中规定有最大钻孔直径 35 毫米摇臂钻的主轴中心线到立柱母线的最大距离为 800,1200,1500 毫米。最大钻孔直径 35 毫米的摇臂钻,苏联会涉及有 253 型和 2B53 型,前者主轴中心线到立柱母线的最大距离为 1000 毫米,不符合苏联国家标准,已停止生产,后者主轴中心线到立柱母线的最大距离为 1500 毫米,由于其摇臂是和加工最大孔径等于 50 毫米的 255 型通用,所以对 35 毫米来说未免过大,因此在设计中可以考虑采用 1200 毫米的,和其他国家相比也较为合适。按上述的理由从实际生产的需要出发,最后决定主轴中心线到立柱母线的最大距离为 1200 毫米。类似的可以确定如下的尺寸:主轴端至底座的最大距离1500 毫米主轴最大行程300 毫米主轴莫氏锥度4 号摇臂垂直移动的距离700 毫米内立柱直径300 毫米主轴直径35/70 毫米9钻床的设计2.1 运动参数的确定2.1.1 决定传动级数机床总的布置形式,主要尺寸等决定以后,我们再按已知的原始资料决定其运动特性,包括主运动和进给运动的参数,如变速范围 Rn,公比 ,转速级数 z,主运动和进给运动的极限值 n ,n ,S ,S 等。maxinmaxin主轴的极限转速 n 和 n 必须考虑到机床上所用刀具材料、工件材料、maxi最大和最小的加工孔径,加工工艺等。虽然,转速范围较大的对万能机床来说是有利的,但是,也会使机构复杂化。所以要适当的根据生产的实际需要来选择。同时,告诉切削,硬质合金刀具的广泛使用,在设计新机床时必须给予充分的考虑,以便得到比现有机床获得更高的生产率。钻床钻孔直径的范围在 d 46之间选择比较合适,故加工直径maxin为 35毫米的摇臂钻床在钢料上的加工孔径规定为d =6mm d =35mm。minmax由于铸铁比刚的强度极限较低,故在铸铁上的加工孔径为d =10mm d =50mm。inax不同情况下的切削用量,列入下列诸表(37) 。10从上列的表中科找出主轴的极限转速为:n =2000maxinrn =25i因此而得到变速范围R = n / n =2000/25=80maxi下面我们再来决定公比 。公比 的大小直接影响转速级数 z,在一定的变速范围 R 下 愈大;则级数 z愈少;机构愈简单,但速度损失也愈大,影响到n生产率。 愈小,则级数 z就愈多,对选择合理的切削速度有利,可以提高生产率,但机构又变的复杂了。因此在选择公比 时,根据机床的万能性要求,11来解决其矛盾。就是使机床的速度损失不过大,也不致因公比 过小而引起机床结构的过分复杂,采用 =1.26,同时也符合在机床设计中对于我们所设计的摇臂钻床是为加工 35孔用的,在系列尺寸( 25、35、50、70、100)中是属于较轻型的,结构尺寸不宜过大,故在本书第二章中所推荐的万能机床公比=1.26和 =1.41之中选择采用 =1.26有了变速范围 R 、公比 ,就可以按下式求出转速级数 z:nz=1+ =1+ 19.9log n26.1l80转速图中间的 12级转速采用公比为 1.26的数列,3 级低速和 3级高速转速采用公比为 1.58的数列,按正常情况下,遵守级比规律,变速系统的结构式应为: 16= 12482变速系统的变速范围 R = = = =80,而正常的结构式 16=n845916.这时变速范围 R = = = =32。二者变速范围相差841225倍,其中指数 4是基本组级比指数增加值,也是转速数列中的转速空缺的格4数。则齿数 z=19.9-4=15.9,则参考同类机床 z=16是合理的。2.1.2 选择转速数列从转速数列表中查出标准数值:25;40;63;80;100;125;160;200;250;300;400;500;600;800;1250;2000。同样,根据高速钢刀具切削用量手册和高速切削用量手册查得,在各种加工情况下,各种不同直径的刀具的进给量如下表(表 811) 。12由上列各表,可找出进给量的极限值是 0.082.8 ;考虑大于 1.2rm的进给量,仅在个别的情况系用到,为使机构不太复杂,采用进给量的极rm限值 0.061.2 ,同时参照同类机床进给范围也大致在 0.061.2 之r rm13间。按推荐的 =1.21.7,选公比 =1.58。ss则进给级数:5.7198.035.log621l ssRz取 =8。sz2.2 传动系统的设计2.2.1 主运动系的设计选择传动结构方案z=16,则有如下结构方案:2162.2.2 传动系统的扩大顺序的安排现拟定方案为如下:845216表达传动链的组成、传动顺序、扩大顺序及各轴的变速范围的结构式,也可用对应的结构网的形式表示 ,如图:14传动组的变速范围的极限值齿轮传动副最小传动比 ,最大传动比 ,决定了一个传动组41minu2maxu的最大变速范围 。8inaxmar2.2.3 齿轮齿数的确定2.2.3.1 对于电机和轴齿轮传动组查参考文献 2表 2-1有:1581,82,83,84,86,88,90,91,92,93,95,9756.1izS故 95是适用的,故zS5032i2.2.3.1 对于轴和轴齿轮传动组 a70,72,74,76,78,8013.aizS故 85是适用的,故zS438i2.2.3.2 对于轴和轴齿轮传动组 b70,72,73,75,77,7858.1bizS62,64,66,68,702z故 73是共同适用的,故 zS4281bi35bi2.2.3.3 对于轴和轴齿轮传动组 c40,47,49,51,53,5579.01cizS61,62,65,68,71,7242z故 70是共同适用的,故 zS3081ci4820ci2.2.3.4 对于轴和轴齿轮传动组 d100,101,102,104,1067.01dizS60,63,66,69,72,75,782z故 109是共同适用的,故 zS3541di327di2.2.3.5 对于轴和轴齿轮传动组 e80,81,83,84,86,8868.01eizS80,82,85,86,87,89,9042z故 90是共同适用的,故 zS4061ei8021ei2.2.4 转速图的确定2.2.4.1 选择电动机16这里包括主运动和进给运动电机功率的决定。在决定功率时必须考虑到机床上最严重的工作情况,因此就要在不同刀具,不同零件,不同加工方式的条件下比较得出在各种负荷(较轻、一般、最重)下所需的电机功率,再根据最常用的情况,既考虑能够在负荷最重的情况下进行加工,也要考虑充分的发挥电机的效率,比较经济合理的决定电机的功率。在刚才上钻孔已知钻孔的最大直径 D=35mm;刀具材料高速钢工件材料碳钢 265mkgB根据上述条件由手册中查到进给量的选择范围在 0.270.54 之内。r35毫米的摇臂钻床最大进给力 P=1250kg。到此我们就可决定进给量如下:kg75.0.pCPBDS从而 75.07.0Bprm由手册中查得r32.0653.12S707.选 S=0.30 。rm求 mkg1430.062.1DCM7.087.0B82振而切削速度inSTDCV9.0B52.4式中 决定材料机械性能的系数;245CVT=35分钻头的寿命。min2.1653.05249.04. 17钻头每分钟的转数min19354.32.10rDvn选 n=200 mir钻头所耗功率按下式求出:。kWn9.236.170MN振主钻头的进给功率按下式计算:ksp056进 给由此可见,N 与 N 相比相差非常悬殊,所以不考虑 N 之值,定进 给 主 进 给。kW9.2主有 效同理可求出在钢材上扩孔及在铸铁上钻孔所需的有效功率列入表 13:有效功率确定以后就可以根据机场的效率求出电动机的功率了。Kba21总式中 机床的总效率总齿轮传动效率1a传动齿轮对数滚动轴承效率2b由电机到滚动轴承数K考虑耗费在进给上功率系数由表中查出=0.99; a=5;118=0.995; b=17;2K=0.96。 84.096.5.09.17总由于变速箱须在高速情况下工作,因此还会出现一些其他损失,故采用机床的效率为: 。8.用高速钢在钢和铸铁上钻扩孔时的最大功率为:kWN75.380有 效最 大则选用电机kW3min142r所以采用电机型号为 Y100L2-4 , 的电动机 kN3in1420r。2.2.4.2 确定传动轴数参考 z3040并结合分析其传动轴数为 6。2.2.4.3 确定各级转速并绘制转速图各级转速为:25 40 63 80 100 125 160 200 250 300 400 500 600 800 1250 2000 这 6根轴按传动顺序依次设为、192540638125034560812电 14203:58432:0:484327:202.2.5 绘制传动系统图传动系统图2.3 动力设计2.3.1 确定各轴转速2.3.1.1 确定主轴的计算转速 min2513minrzj2.3.1.2 各传动轴的计算转速21I轴的计算转速: min9308420753218rII轴的计算转速: i75rIII轴的计算转速: min120485312rIV轴的计算转速: i97rV轴的计算转速: min52180rVI轴的计算转速: ir2.4 齿轮的设计及其校核2.4.1 各传动组齿轮模数的确定出论模数的计算是根据接触应力计算齿轮表面层的疲劳强度,或根据弯曲应力计算齿轮的疲劳强度。根据参考文献 可知,普通钻床齿轮的精度等级为 7级精度,材料为 45钢,8正火、调正和整体淬硬。对于直齿圆柱齿轮的模数可根据如下二式计算而选取区中较大者。mnizmm3221S3NK)(160接 触接 触 YwJs275132弯 曲式中: N计算齿轮传递的额定功率 ;kWNd计算齿轮(小齿轮)的计算转速 ;Jn minr尺宽系数 , 常取 610;mbmm22计算齿轮的齿数,一般取传动中最小齿轮的齿数;1z大齿轮与小齿轮的齿数比, ;“+”用于外啮合,i 12zi“-用于内啮合;寿命系数, ;sKqNnTSK工作期限系数, ;T moC60齿轮等传动件在接触和弯曲交变载荷下的疲劳曲线指数 m和基准循环次数 oC齿轮的最低转速 ;nminrT预定的齿轮工作期限,中型机床推荐:T=1500020000h;转速变化系数;nK功率利用系数N材料强化系数。幅值低的交变载荷可使金属材料的晶粒边q界强化,起着阻止疲劳隙缝扩展的作用(寿命系数)的极值 ,SKmaxSKinS当 时,则取 = ,当 时,取 = ;max minSKSminK2.4.1.1 a传动组分别计算齿轮的模数=1.13 384i in930rnj查参考文献 表得:805.1K423 62.410893607moTCnK2368.14.0598.624qNnTSK=8 mz=38 =600MPa JkW85.239.06dN则 mm89.13061.5.24.132 )(m取 m =2mm故轴 I上齿轮直径:mda76382故轴 II上齿轮直径:b412.4.1.2 b传动组分别计算齿轮的模数5.28i min79rnj查参考文献 表得:8.1K423 42.108795603moTCnK9.16.0.42qNnS=8 mz=28 24=600MPa JkW73.29.05.960dN则 mm46.2956.18.4.1322)(m故传动组 b的传动模数取 2.5mm故轴 II上齿轮直径为:mdb705.281mdb5.87.2312故轴 III上齿轮直径为:c1.41 c122.4.1.3 c传动组分别计算齿轮的模数=2.4 208i min5rnj查参考文献 表得:85.1K423 78.31056037moTCnK04.16.9.8qNnS=8 mz=20 =600MPa JkW59.23.095.60. dN则 mm67.14.28.1.132)(m故传动组 c的传动模数取 2.5mm25故轴 III上齿轮直径为:mdc95.23821mdc50.22故轴 IV上齿轮直径为:d7.01 d1.48122.4.1.4 d传动组分别计算齿轮的模数=1.96 2753i min95rj查参考文献 表得:8.1K423 78.210956037moTCnK6.082qNnS=8 mz=27 =600MPa JkW51.239.05.960.7dN则 mm7128.74.16302)(m故传动组 d的传动模数取 3mm故轴 IV上齿轮直径为:md813271md13542故轴 V上齿轮直径为:e591 e0122.4.1.5 e传动组分别计算齿轮的模数268.3210i min95rj查参考文献 表得:5.1K423 21.108956037moTCnK59.062qNnS=8 mz=21 =600MPa JkW46.239.05.960.798.0 dN则 mm.421245163)(m故传动轴的传动模数取 2.5mm故故轴 V上齿轮直径为:mde5.2.12 mde5.12.62故故轴 V上齿轮直径为:f 0.81 fe0.4122.4.2 各传动组齿轮的校核根据齿根弯曲强度校核齿轮有:式1FasFF32dkTYmZ(2.15)27其中 -齿宽系数 d-应力校正系数saY-齿形系数F为使用系数, 为动载系数, AvkkAvk齿轮间载荷系数, 为齿向载荷分布系数F F2.4.2.1 校核 a传动组该组只需校核齿数为 38的齿轮即可,确定各项参数kwp85.2 mNnpT 466 1097.2385.105.9109查参文献 表 10-5有: 4.FaY6.SaY2.1d表 10-2有: 2.AKsdnV6.310695743106根据图 10-8有:机床精度为 7级精度。故 13.VK根据表 10-3 2.Fk168mb5.4).0()2(*ch根据图 10-13有 5.34 07.1Fk即 : 8.7.12.1kMPaF .33.6.40982SkNlim.1s9108.029360hnjL查图 10-18有: 85.Nk28查图 10-20有: lim780FE即 MPa513.故 31.1MPa510MPa故 满足要求。2.4.2.2 校核 b传动组该组只需校核齿数为 28的齿轮即可,确定各项参数kwp73.2 mNnpT 466 1026.3795.10.91059查参文献 表 10-5有: .FaY.SaY2.1d表 10-2有: 2.AKsdnV93.1067543106根据图 10-8有:机床精度为 7级精度。故 13.VK根据表 10-3 2.Fk05.8mb625.).1()2(* ch根据图 10-13有 36.5.0 0.1Fk即 : 8.0.2kMPaF 35.168.234SkNlim.s910728.10279560hnjL查图 10-18有: 8.Nk查图 10-20有: limFE即 MPa5103.7029故 33MPa510MPa故 满足要求。2.4.2.3 校核 c传动组该组只需校核齿数为 20的齿轮即可,确定各项参数kwp59.2 mNnpT 466 10952105.910查参文献 表 10-5有: 9 8.FaY.SaY2.1d表 10-2有: 2.AKsdnV30.160514360根据图 10-8有:机床精度为 7级精度。故 13.VK根据表 10-3 2.Fk05.8mb625.).1()2(* ch根据图 10-13有 36.5.0 07.1Fk即 : 8.0.2kMPaF .35.15948.234SkNlim.s9108.102560hnjL查图 10-18有: 8.Nk查图 10-20有: lim7FE即 MPa5103.0故 103.7MPa510MPa故 满足要求。302.4.2.4 校核 d传动组该组只需校核齿数为 27的齿轮即可,确定各项参数kwp51.2 mNnpT 566 109.15.20.909查参文献 表 10-5有: 7.FaY7.SaY2.1d表 10-2有: 2.1AKsdnV83.06954306根据图 10-8有:机床精度为 7级精度。故 13.VK根据表 10-3 2.1Fk438mb75.63).0()2(*ch根据图 10-13有 56.7. 02.1Fk即 : 8.2.11kMPaF 5.773.098225SkNlim.1s81032.48029560hnjL查图 10-18有: .Nk查图 10-20有: lim7FE即 MPa5103.80故 117.5MPa510MPa故 满足要求。
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