立式钻床用轴均布多轴头设计

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1、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

2、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：立式 钻床 多轴头 可调 固定Abstrac

3、tThe design of multiple spindles heads for drilling machine whose drills spindles are adjustable or fixed are introducedThe adjustable spindles of the multiple spindles heads are located evenly in the circuit and can be adjusted synchronism on the diameters direction to meet the small scale producti

4、on 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 cant be used to manufacture another farts, because its spindle distance is designed for the only pa

5、rt.The design of multiple spindles heads include three parts : the total design, the transfer system design , and the constructive designBecause of the un-development in our manufacture industry ,most companys plant lack of the machine to drill multiple holes at the same time , and its a waste of fu

6、nding on the manufacturing facilities which will be laid after the parts are produced . so the economic multiple 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. Its the fact

7、 that the reequipped drilling machine can satisfy the process precision requirement .so the design is feasible.Based on the design of the multiple spindles heads , we can also design the others to the manufacture of the other flange plant parts.Key words: drilling machine ;adjustable; multiple spind

8、les heads;目录前言11 概述.21.1 问题的提出.21.2 同行业概况.21.3 课题的意义.22. 总体方案设计42.1 对工件进行工艺分析42.1.1 检查图纸的完整性和正确性.42.1.2 分析工件的结构特点.42.1.3 分析工件的材料及加工性能.52.1.4 工件的生产批量.52.2 确定工件的加工方法52.3 对被改装钻床的分析52.4 总体布局62.5 其他问题分析73. 齿轮可调式三轴头架的设计83.1 齿轮可调式三轴头架的传动原理及调整方法83.2 方案的工艺设计参数93.2.1 Z535钻床动力所允许的工况条件.93.2.2 确定用于钻削计算的极限值.133.3

9、 三轴头架的传动设计.163.3.1 齿轮的设计验算163.3.2 轴的设计与校核213.3.3 轴承的校核计算353.3.4 键的设计校核373.3.5 螺栓的设计校核383.3.6 夹头夹紧力的计算校核404. 润滑与密封435. 结束语446. 谢辞467. 参考文献.47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

10、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

11、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。1. 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

12、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

13、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。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2. 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 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

14、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 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。 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。 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

15、。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

16、。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

17、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h

18、175从主轴端面到工作台端面H0750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

19、头架的垂直尺寸应在400mm左右。3. 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 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

20、设计参数 Z535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，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）=1.33kw(1) 用高速钻头钻孔时 扭矩 抗弯截面系数 抗扭截面系数

21、 截面上的弯曲应力 截面上的弯曲应力 弯曲应力幅 弯曲平均应力 扭转剪应力的应力幅与平均应力幅相等 C 确定影响系数 轴的材料围45钢，调质处理，由表4-1查得 配合边缘有效应力集中系数、查表得、 尺寸系数、，根据轴截面为圆截面查图4-18得、 表面质量系数、，据，表面的加工反复法为磨削，查图4-19 材料弯曲、扭转的特性系数 、 取， 由上面结果可知 有查表4-4中许用安全系数值，则可知该轴安全。三根轴的工作图见零件图。 中心轴的受力简图 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 1） 轴承的派生轴向力 由式5-8，估计A（轴向力即头架重

22、力）为200N，取e=0.38 得 2） 轴承所承受的轴向载荷 因 由式5-10 4）轴承当量动载荷（1） 因 ，查表5-12 ， 式5-7 （2） 查表5-12 式5-7 5） 轴承的动载荷要求，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，按式5-6 =8912.5Cr=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，（硬质合金YG8钻削灰铸铁时）则 （查表5-16，旋转轴承的安全系数取1.2），合格。 键的校核计算 （1）小轴上的平键校核 选用的是6616，A型平键。由式2-49，得 查表2-

23、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10818A型平键，有 稍微有些危险，改为采用双键，成对称布置，考虑到制造误差使键上载荷分布不均，按1.5个键计算，安全。 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27选6.8级，（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=5.59.8=53.9N 螺栓工作拉力 由式2-15 F=

24、P/Z=53.9/1=53.9N残余预紧力 查表2-5选 螺栓总拉力 由式 2-26相对刚度系数 查表2-6 螺栓预紧力 由式2-27/0.3=70.07N （3）初定螺栓直径 选安全系数 查表2-11 许用拉应力 由式2-33 所需螺栓小径 由式2-29 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2-9 螺栓材料的疲劳极限 应力幅安全系数 查表2-11 应力集中系数 查表2-10 螺栓许用应力幅 由式2-36 螺栓应力幅 由式 2-30 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

25、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 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 夹爪与工件之间的磨檫角 R 夹爪的变形阻力 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 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 即 （2） 螺母的受力分析P 是螺母的总拉力相对刚度系数 查表2-6 =0.3螺母所需

26、预紧力 由式 2-27（3） 确定螺母直径选用安全系数 查表2-11 许用拉应力 由式2-33所需螺栓小径 由式 2-29 螺栓大径 查相关手册并根据轴的直径 取 d=48mm,其=42.588mm(4) 螺栓疲劳强度校核 螺栓尺寸系数 查表2-9 插值 螺栓材料的疲劳极限 应力幅安全系数 查表 2-10 螺栓许用应力幅 由式2-36 螺栓应力幅 由式2-30满足疲劳强度要求。 4.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，以减小磨檫，减轻磨损，降低工作表面温度，应对齿轮进行适当的润滑，润滑方式应该根据轮齿速度来选择。在可调式三轴头架中，最高转速在1000r/min左右，对于分

27、度圆最大的中心轮半径，它的最高齿轮速度是主轴在1100r/min工作时的速度，此时,查机械设计工程学表4-2应采用油浴润滑，但由于头架加工时位置摆放的特殊性竖直安装，采用油浴润滑很难实现，而压力喷油润滑又因为支架的尺寸太小也不好布置，所以 采用人工定期润滑，这是本次设计改进的地方之一。头架中轴孔连接的部位都必须密封防尘及防止漏油，由于齿轮在工作时相当于平放，头架下端的密封显得格外重要，而且属于动密封，加上轴与孔之间的配合的限制，只能采用接触式密封。5.结束语 本次毕业设计现已经接近尾声，共历时近两个多月。回顾整个设计过程，深觉的受益匪浅，通过这次毕业设计，不仅提高了我对四年来所学的各种知识的综

28、合运用能力，还使我学到了书本所不能获取的知识，在看待问题核处理问题方面有了新的认识与方法，让我学会了用不同的立场去思考问题。在本次设计中，我做的主要是立式钻床可调式多轴头架的设计，对于钻床来说，它是一中常用的机床设备，但是它的加工能力却只局限在单一孔的加工，如果能够在它的轴头部分加一种装备，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，而我这次的课题就是要设计这样的一种装备，经过查阅资料及指导老师的细心帮助，这次设计基本达到了预期的目的，我设计成了一种可调式的三轴头架，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

29、时进行孔距的调节，基本达到了预期的效果。通过本次的毕业设计，不仅锻炼了自己查阅资料的能力，让我熟悉了有关技术政策，熟练的运用国家标准、规范手册、图册等工具书进行设计计算、数据处理、编写技术文件的独立工作能力。还让我感到了团体的力量，遇到问题时，通过同学之间的讨论、分析和指导老师的指导，最终总能得到满意的结果。对于目前我们所掌握的知识、实际的实践经验以及设计的时间，设计一种机床装备一个人不可能独立完成，需要我们彼此通力合作，才能真正的发挥团体的力量。这次毕业设计使我建立了正确的设计思想，初步掌握了解决本专业工程技术问题的方法和手段，从而，让我受到了一次工程师般的训练，相信在以后的学习、工作中一定

30、会大有用处的。本次毕业设计，我得到了指导老师焦锋老师的精心指导，以及机制教研组其他老师的耐心指导和批评指正，给我提出了许多宝贵的意见和建议，在此表示由衷的感谢！还有在设计过程中，给予我莫大帮助的同学们也表示深深的谢意！ 6.谢辞此次毕业设计中，我所设计的题目是立式钻床的可调式的多轴头架，在整个设计过程中，指导教师焦锋老师付出了很大的心血，从开始制定设计日程表到去焦作博克液压件厂、焦作制动器厂和系实验室实地考察实习，从图纸的绘制到说明书的整理，都在指导老师的指导下有条不紊的进行。在平时的设计中，焦老师深入设计教室，到我们学生中间来，就设计过程中存在的问题及时提出改进方案和建议，同时针对设计中中存

31、在的问题给予详细而准确的解答，并且时时不忘督导我们按设计日程进行设计。正是由于有了焦老师的诸多帮助，我的毕业设计顺利进行直至结束。焦老师渊博的专业知识和丰富的生产时间经验，严谨务实的学术精神也在深深的感染着我，为我在以后的工作中树立了榜样，在此，我向焦老师表达我由衷的感谢。另外，在设计过程中，也得到了刘传绍老师、童景玲老师、李新老师等其他机制教研室老师的指导帮助，在此也表示由衷的感谢。同时在设计中和同教室的同学们进行了讨论，得到了他们的帮助，在此也表示感谢。谢谢你们！7.参考文献（1） 杨叔子 主编 机械加工工艺手册 机械工业出版社 2001（2） 吴相宪 王正为 黄玉堂 主编 实用机械设计手

32、册 中国矿大出版社1993（3） 王洪欣 李木 刘秉忠 主编 机械设计工程学中国矿大出版社、2001（4） 唐大放 冯小宁 杨现卿 主编 机械设计工程学 中国矿大出版社2001（5） 陈榕林 张磊 主编 巧改机床 中国农业机械出版社1985（6） 中国纺织大学工程图学教研室主编 画法几何及工程制图上海科学技术出版社 1997（7） 孔庆华 刘传绍 主编 极限配合与测量技术基础 同济大学出版社 2002（8） 史美堂 主编 金属材料及热处理 上海科学技术出版社 1983（9） 苏翼林 主编 材料力学 高等教育出版社 1980（10） 顾崇衔 主编 机械制造工艺学 陕西科学技术出版社 1999（11） 濮良鬼 纪名刚 主编 机械设计 高等教育出版社 1960