Z3040搖臂鉆床進給箱三維設計

ee ee 畢 業(yè) 論 文 設計 說 明 書 題 目 Z3040 搖臂鉆床進給箱三維設計 學生姓名 ee 學號 ee 所在院 (系) 機械工程學院 專業(yè)班級 ee 指導教師 ee 2011 年 6 月 13 日 ee Z3040 搖臂鉆床進給箱三維設計 ee （ee） 指導老師：ee 【摘要】：本設計的主要任務是對 Z3040 搖臂鉆床進給箱三維設計。Z3040 搖臂鉆床主要用于加工中小 型零件。可以進行鉆孔、擴孔、絞孔及攻螺紋等工作。設計重點在于了解 Z3040 鉆床并掌握 Z3040 型搖臂鉆 床進給箱的工作原理及其結構特點；對各主要零件進行設計計算，從而掌握一種設計的方法；對整個進給系統(tǒng) 進行三維建模及導出工程圖。同時此次設計，使我了解實際產(chǎn)品設計過程，將大學四年所學的各項專業(yè)知識進 行匯總和展示，學會將理論知識運用于實際情況中。加深、鞏固和擴大所學基本理論、基本知識和基本技能。 【關鍵詞】：搖臂鉆床 鉆孔 進給傳動系統(tǒng) 建模 ee Z3040 Radial drilling feed box three-dimensional design Ee (ee) Tutor: ee 【Abstract】: The design of the main task is to feed drilling machine Z3040 rocker box three-dimensio nal design. Z3040 Radial drilling machine mainly used for processing small parts. Drilling, reaming, reaming an d tapping. The design focus is to understand the Z3040 drilling and master Z3040 radial drilling machine work ing principle and structural characteristics of the feed box; major parts designed so as to equip a design approa ch; built the entire feed system for three-dimensional mold and export drawings. The design, so I understand th e actual product design process, the expertise learned in four years of college are summarized and presented, le arn to apply theoretical knowledge to actual situation. Deepen, consolidate and expand the basic theory, basic k nowledge and basic skills. 【Key words】: radial drilling machine drilling feed drive system modeling ee I 目 錄 1.1.概述概述 1 1 1.1 本論文研究的目的及意義 1 1.1.1 研究的目的.1 1.1.2 研究的意義 1 1.2 搖臂鉆床的國內(nèi)發(fā)展動態(tài)及應用領域 2 1.2.1 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.2 1.2.2 應用領域.3 1.3 將要解決的主要問題及解決問題思路 4 1.4 擬定技術路線及設計方案 5 1.5 Z3040 搖臂鉆床的簡介 7 1.5.1 鉆床及特點 7 1.5.2 Z3040 搖臂鉆床的主要結構和運動形式.8 1.5.3 搖臂鉆床的主要參數(shù)及設計要求10 2 2 機械傳動設計方案和傳動系統(tǒng)圖的擬定與比較機械傳動設計方案和傳動系統(tǒng)圖的擬定與比較1212 2.1 主運動的設計 .12 2.1.1 原動機的選擇 .12 2.1.2 運動參數(shù)的確定15 2.1.3 繪制主軸進給箱轉速圖17 2.2 傳動過程 .17 ee II 2.3 傳動設計方案評價的目的 .18 2.4 機械傳動設計方案評價的原則 .18 2.5 系統(tǒng)設計方案的比較與確定 .19 3 3 主要零件設計主要零件設計2121 3.1 齒輪材料的選擇 21 3.1.1 齒輪材料的基本要求21 3.2 齒式離合器的設計 23 3.3 齒輪模數(shù)初步計算 .23 3.4 傳動軸及其組件結構設計 .25 3.4.1 傳動軸直徑的估算及軸間中心距的確定25 3.4.2 齒輪強度驗算27 3.5 過渡軸的設計 .29 3.5.1 軸的失效形式29 3.5.2 軸的材料29 3.5.3 過渡軸的強度校核30 4 4 軸承的選擇與校核軸承的選擇與校核3434 4.1 軸承的分類 .34 4.2 滾動軸承及類型 .34 4.3 滾動軸承的失效形式 35 4.4 軸承的選擇計算 .36 5.5.潤滑與密封潤滑與密封 3737 ee III 5.1 潤滑及冷卻系統(tǒng) .37 5.2 潤滑系統(tǒng)的要求 .38 5.3 潤滑劑的選擇 .38 5.4 潤滑方式 .39 6.6.基于基于 PRO/EPRO/E 的三維設計建模的三維設計建模 4141 6.1 零件三維建模 .41 6.1.1 軸承的三維建模41 6.1.2 雙聯(lián)滑移齒輪三維建模42 6.2 三維裝配 .49 結論結論 5252 致謝致謝 5353 參考文獻參考文獻 5454 ee I 1.概述 1.1 本論文研究的目的及意義本論文研究的目的及意義 1.1.1 研究的目的 本課題的主要任務是對 Z3040 鉆床進給箱設計。首先，我要了解 Z3040 鉆床， Z3040，大寫字母 Z 是鉆床的簡稱， 30 為搖臂、后面 40 為鉆孔直徑， Z3040 搖臂 鉆床適用于在中、大型零件的鉆孔、擴孔、鉸孔、平面及攻螺紋等工作，在具有工 藝裝備的條件下可以進行鏜孔。 Z3040 搖臂鉆床是一種立式鉆床，在各類鉆床中，它 具有性能完善、適用范圍廣、操作方便、靈活等優(yōu)點，它適用于單件或批量生產(chǎn)帶有 多孔的大型零件的孔加工，是一般機械加工車間常用高的機床。讓我了解并掌握 Z3040 型搖臂鉆床進給箱的工作原理及其結構特點。其次，通過這次的設計對我來說在各個 方面的收獲。根據(jù)這年來在學校的專業(yè)課程知識的學習與掌握情況，選擇這個課題就 是為了掌握一種設計的方法，從而提高自身對以前所學知識的一個系統(tǒng)的運用能力， 如鞏固和強化了我對 CAD，PRO/E 軟件實際運用能力，同時也充分加深了我的設計能力 和對以后我的機械生涯做好了準備。通過該課題的設計，能夠掌握里面的一些設計環(huán) 節(jié)，充分理解里面的工程實際問題，如鉆床夾具設計及機床的數(shù)控 plc 控制等，從而 有助于深刻認識設計該課題的思路，鍛煉自己的工程實踐能力。該課題是一個涉及知 識面比較全面的設計，精密車床設計里面具有復雜的傳動系統(tǒng)，不但要求設計者能夠 對傳統(tǒng)的機床設備要很好的掌握理解，還要能夠對新型機床設備能夠理解，所以該課 程的設計具有一定的難度。 1.1.2 研究的意義 通過對此號搖臂鉆床的研究開發(fā)，隨著科學技術水平和人類生活水平的提高，對 機械產(chǎn)品的質量要求越來越高，產(chǎn)品品種越來越多，中大批量的產(chǎn)品需求越來越少， 而單件小批量生產(chǎn)模式迅速增加，作為實現(xiàn)單件小批量加工自動化的數(shù)控搖臂鉆床， 由于其突出的優(yōu)點而得到廣泛應用： (1)可以加工出傳統(tǒng)搖臂鉆床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。這是由于計 算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸應該運動的運動量，這就 可以加工復雜的曲線和曲面。 (2)可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，效率可比以往搖臂鉆床提高 3 到 ee II 7 倍。 (3)加工的零件精度高，尺寸分散度小，裝配容易，不再需要”修配” 。這是由于 加工過程自動化，不受人的情緒和疲勞影響的結果。計算機還可以自動進行刀具壽命 管理，不會因刀具磨損而影響工件精度和其一致性。最近，數(shù)控系統(tǒng)中增加了搖臂鉆 床誤差、加工誤差修正補償?shù)墓δ?，使加工精度得到進一步提高。 (4)可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在搖臂鉆床間的頻繁搬運。這是自動化帶來的 效果(可以自動更換刀具)，如加工中心，在工件裝夾好后，可實現(xiàn)鉆、銑、攻絲、擴 孔等多工序的加工。這些多工序是在同一基面、同一次裝夾下實現(xiàn)的，提高了相關的 加工精度?，F(xiàn)已出現(xiàn)其他工序集中的搖臂鉆床，如車削中心、車銑中心、磨削中心等。 1.2 搖臂鉆床的國內(nèi)發(fā)展動態(tài)及應用領域搖臂鉆床的國內(nèi)發(fā)展動態(tài)及應用領域 1.2.1 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展和工業(yè)現(xiàn)代化的需要，各種自動化生產(chǎn)設備應用而生，鉆床 廣泛地在我國紡織機械、石油機械、印刷機械、包裝機械、醫(yī)療器械、航空航天、汽 車拖拉機、橡塑模具以及發(fā)電機制造、機床制造等行業(yè)有關零件的鉆孔加工得到應用。 目前國內(nèi)搖臂鉆床生產(chǎn)廠家有許多家，但是在這個行業(yè)做的較好的廠家不是很多。 其中沈陽機床股份有限公司中捷搖臂鉆床廠的產(chǎn)品國內(nèi)市場占有率高達 70，出口產(chǎn) 品遍及中東、北美、西歐等 86 個國家和地區(qū)。進入市場經(jīng)濟后，國內(nèi)機床行業(yè)競爭日 趨激烈，與中捷搖臂鉆廠生產(chǎn)相同型號產(chǎn)品的企業(yè)有 40 多家，中捷搖臂鉆廠產(chǎn)品領先 優(yōu)勢受到挑戰(zhàn)。為了應對挑戰(zhàn)，中捷搖臂鉆廠在產(chǎn)品賣得正火的時候，提出了進行跨 越產(chǎn)品結構調(diào)整。第一，用先進技術改造傳統(tǒng)產(chǎn)品。如普通搖臂鉆床實現(xiàn)了五軸聯(lián)動， 價格由幾萬元上升到幾十萬元，達到中國搖臂鉆床最高水平。第二，向國際先進水平 靠攏，不斷擴大產(chǎn)品領先優(yōu)勢。ZK 系列、橋式和動橋系列產(chǎn)品，十幾項技術居國內(nèi)領 先地位。 高速高精度 PCB 數(shù)控鉆床伺服進給系統(tǒng)的控制研究。專用鉆床結構設計中的若干 關鍵技術研究。精密微小孔加工技術的現(xiàn)狀、應用和發(fā)展方向,并列舉了多種加工方法,包 括傳統(tǒng)機械加工、特種加工和復合加工。基于 PLC 技術的 Z3040 搖臂鉆床控制系統(tǒng)設 計，針對 Z3040 搖臂鉆床的工作特點,設計了搖臂鉆床的 PLC 新式控制系統(tǒng),給出了鉆 ee III 床控制改造方案和控制程序。本文詳細論述了系統(tǒng)的設計方案,各部分硬件的構成,完 成了軟硬件及外圍電路的設計開發(fā),并結合實際運行情況對系統(tǒng)做了進一步的改進和擴 展,減少了系統(tǒng)布線,投資少,控制穩(wěn)定,具有較好的推廣價值。該控制方法簡單易行、 動態(tài)響應快、系統(tǒng)控制效果好。實際應用表明,該系統(tǒng)具有加工精度高、抗干擾性好、 自動化程度高、實用性強的特點。基于 Pro/E4.0 的鉆床夾具的三維仿真設計等。 搖臂鉆床和大多數(shù)機床一樣，將向數(shù)控自動化、機電一體化和智能化方向發(fā)展。 搖臂鉆床未來的發(fā)展趨勢是：應用電子計算機技術，簡化機械結構，提高和擴大自動 化工作的功能，使機床適應于納入柔性制造系統(tǒng)工作；提高功率主運動和進給運動的 速度，相應提高結構的動、靜剛度以適應采用新型刀具的需要，提高切削效率；提高 加工精度并發(fā)展超精密加工機床，以適應電子機械、航天等新興工業(yè)的需要。 1.2.2 應用領域 Z3040 搖臂鉆床利用旋轉的鉆頭對工件進行加工，在機械行業(yè)中得到了廣泛應用。 可廣泛應用于機械加工中的鉆孔、擴孔、鉸孔、攻螺紋及锪平面等。鉆削加工時，通 過夾緊裝置，主軸箱緊固在搖臂上，可以沿搖臂徑向運動，搖臂緊固在外立柱上，外 立柱緊固在內(nèi)立柱上。搖臂借助于絲杠，可以作升降運動，也可以與外立柱固定在一 起，沿內(nèi)立柱旋轉。機械加工機床的加工運動往往是機械與電氣配合實現(xiàn)的。Z3040 搖 臂鉆床設有 4 臺電動機，即主軸電動機、冷卻泵電動機、搖臂升降電動機及液壓泵電 動機。主軸電動機提供主軸轉動的動力，是鉆床加工主運動的動力源，但主軸電動機 只有正轉工作模式，反轉由機械方法實現(xiàn)。冷卻泵電動機用于提供冷卻液，只需正轉。 搖臂升降電動機提供搖臂升降的動力，需正反轉。液壓泵電動機提供液壓油，用于搖 臂、立柱和主軸箱的夾緊和松開，也需要正反轉。 Z3040 搖臂鉆床的操作主要通過手輪及按鈕實現(xiàn)，手輪用于主軸箱在搖臂上的移動， 這是手動的。按鈕用于主軸的啟動停止、搖臂的上升下降、立柱主軸箱的放松及夾緊 等操作，再配合限位開關完成機床調(diào)節(jié)的各種動作。 1.3 將要解決的主要問題及解決問題思路將要解決的主要問題及解決問題思路 （1）傳動系統(tǒng) 為滿足改進后的加工及工作要求，在做出相應的計算后對傳動系 統(tǒng)進行改進和調(diào)整。 （2）進給系統(tǒng) 傳統(tǒng)的鉆床主軸進給系統(tǒng)主要由主軸、主軸套筒、主軸套筒鑲套、 齒輪齒條和軸承等組成。主軸在加工時即要作旋轉運動，也要作軸向的進給運動。機 ee IV 床主軸被裝置在主軸套筒內(nèi)，套筒放置在主軸箱體孔的鑲套內(nèi)，主軸上側由花鍵連接。 機床加工時，旋轉運動由花鍵傳入，而進給運動則由齒輪通過齒條帶動套筒在鑲套內(nèi) 運動。為了實現(xiàn)自動化控制的要求，主軸進給機構改進主要有：主軸旋轉運動依然由 電動機傳入，而進給則由液壓傳動替代手動的齒條傳動，通過液壓控制系統(tǒng)來實現(xiàn)進 給動作。 （3）夾緊系統(tǒng) 傳統(tǒng)鉆床的夾緊主要是手工操作，由夾具夾緊工件。為了便于實 現(xiàn)自動化控制，工件夾緊由夾具完成，動力源由夾緊液壓缸導入，通過液壓控制系統(tǒng) 來實現(xiàn)夾緊動作的自動化。 （4）送料系統(tǒng) 在生產(chǎn)過程中，鉆床的送料主要由人工輸入，這使得投入了大量 的生產(chǎn)力，消耗了大量的工時，使的生產(chǎn)率不高，為此我們通過導入自動送料系統(tǒng)來 減少生產(chǎn)力的投入和工時的消耗。自動送料系統(tǒng)機構傳動要根據(jù)生產(chǎn)的需求作出相應 的設計需求，動力源可由電機或液壓系統(tǒng)傳入，二者均可實現(xiàn)自動化控制。 （5）控制系統(tǒng) 當前機床控制系統(tǒng)主要由計算機數(shù)控、繼電器電氣控制和 PLC 控 制等，由于繼電器電氣控制系統(tǒng)，其聯(lián)動關系復雜，維修困難，故障率高，經(jīng)常影響 正常生產(chǎn)，計算機數(shù)控造價高、系統(tǒng)復雜，而 PLC 控制系統(tǒng)可靠性好、造價低、抗干 擾能力強、柔性好、編程簡單、使用方便、擴充靈活、功能完善，所以我們利用 PLC 控制技術來實現(xiàn)對進給系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)和送料系統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)的控制。 （6）三維建模本次設計最終是要通過各種三維軟件如 Pro/e 進行三維建模然后裝 配最后再導成二維工程圖。在工程實際中也是一樣，設計人員要正確的建立三維模型 導出二維圖，然后工人們才能加工出合格的工件。所以要求我們在三維建模方面，要 熟練掌握三維軟件的實際運用能力，另外還有讀圖能力看圖能力，最后就是畫圖能力。 1.4 擬定技術路線及設計方案擬定技術路線及設計方案 1、參數(shù)擬定：根據(jù)機床類型、規(guī)格和其他特點，了解典型工藝的切削用量，結合 實際條件和情況，并與同類型機床對比分析后確定：極限轉速和公比(或級數(shù))，主傳 動電機功率。 鉆床的選型 鉆床選擇 Z3040 型搖臂鉆床 1）、 鉆床的設計 2）、Z3040 型搖臂鉆床結構與運動形式 ee V 搖臂鉆床一般由底座、內(nèi)外立柱、搖臂、主軸箱和工作臺等部件組成，如果 3-3 所示。內(nèi)立柱固定在底座的一端，外立柱套在內(nèi)柱上，并可繞內(nèi)立柱回轉 360。搖臂 的一端為套筒，塔套在外立柱上，借助于升降絲桿的正反向旋轉，搖臂可沿外立柱上 下移動。由于升降螺母固定在搖臂上，所以搖臂只能與外立柱一起繞內(nèi)立柱回轉。主 軸箱式一個復合的部件，它由主電動機、主軸和主軸傳動機構、進給和變速機構以及 機床的操作機構等部分組成。主軸箱安裝在搖臂的水平導軌上，通過手輪操作可是主 軸箱沿搖臂水平導軌作徑向運動。這樣，主軸 5 可通過主軸箱在搖臂上的水平移動及 搖臂的回轉可方便的調(diào)整至機床尺寸范圍內(nèi)的任意位置。為適應加工不同高度工件的 需要，可調(diào)節(jié)搖臂在立柱上的位置。Z3040 鉆床中，主軸箱沿搖臂的徑向運動和搖臂的 回轉運動為手動調(diào)整。 鉆削加工時，主軸旋轉為主運動，主軸的縱向運動為進給運動， 即轉頭一面旋轉一面作縱向進給。此時主軸箱夾緊在搖臂的水平導軌上，搖臂與外立 柱加緊在內(nèi)立柱上。輔助運動有：搖臂沿外立柱的上下垂直移動；主軸箱沿搖臂水平 導軌的徑向移動；搖臂的回轉運動。 2 進給系統(tǒng)概述與分析 傳統(tǒng)的臺式鉆床主軸進給系統(tǒng)主要由主軸、主軸套筒、主軸套筒鑲套、齒輪齒條 和軸承等組成。主軸在加工時即要作旋轉運動，也要作軸向的進給運動。機床主軸被 裝置在主軸套筒內(nèi)，套筒放置在主軸箱體孔的鑲套內(nèi)，主軸上側由花鍵連接。機床加 工時，旋轉運動由花鍵傳入，而進給運動則由齒輪通過齒條帶動套筒在鑲套內(nèi)運動。 由總體方案可知，自動鉆床進給系統(tǒng)設計導入了液壓缸進給系統(tǒng)，由液壓缸驅動替代 齒輪齒條的手動進給，來實現(xiàn)主軸的快進、工進和快退動作。鉆床在加工時，主軸要 作高速的旋轉運動和直線的進給運動。導入液壓缸進給系統(tǒng)后，因此，我們要結合合 適的軸承和結構來實現(xiàn)主軸的高速旋轉。往復進給運動由液壓缸來完成動作。進給系 統(tǒng)方案圖的確定。 3 切削力的計算 切削刀具及相關參數(shù)的選擇 目前在鉆孔加工中，由于高速鋼麻花鉆在采用物理沉積法 TiN 涂層處理后，其耐 用度和鉆孔精度有了較大提高，所以該鉆頭應用極廣。所以，在本文的鉆削加工過程 中，選擇高速鋼麻花鉆頭。查金屬切削手冊選擇標準圓柱錐柄麻花鉆中等長度第 一系列，刀具直徑為 12mm,鉆頭與主軸用莫氏錐孔連接，莫氏錐孔為 1 號莫氏錐孔。 ee VI 由于被加工材料為 Q235 鋼，其切削性能較好，所以查金屬切削手冊選擇加工 時進給量f為：f=0.2mm/r；其對應的切削速度V=32m/min。 4、動力計算和結構草圖設計：估算齒輪模數(shù)和直徑；將各傳動件及其它零件在展 開圖和剖面圖上做初步的安排、布置和設計。 5、軸和軸承的驗算：在結構草圖的基礎上，對一根傳動軸的剛度和該軸的軸承壽 命進行驗算。 6 進給箱裝配設計：進給想裝配圖是以結構草圖為“底稿”，進行設計和繪制的。 圖上各零件要表達清楚，并標注尺寸和配合。并應用 Pro/E 軟件進行三維建模以及生 成三維裝配圖。 1.5 Z3040 搖臂鉆床的簡介搖臂鉆床的簡介 1.5.1 鉆床及特點 鉆床是一種孔加工設備，可以用來鉆孔、擴孔、鉸孔、攻絲及修刮端面等多種形 式的加工。鉆床的結構形式很多，有立式鉆床、臥式鉆床、臺式鉆床、深孔鉆床、多 軸鉆床、搖臂鉆床及其他專用鉆床等。 Z3040 搖臂鉆床是一種立式鉆床，在各類鉆床中，它具有性能完善、適用范圍廣、 操作方便、靈活等優(yōu)點，它適用于單件或批量生產(chǎn)帶有多孔的大型零件的孔加工，是 一般機械加工車間常用高的機床。Z3040，大寫字母 Z 是鉆床的簡稱，30 為搖臂、后面 40 為鉆孔直徑，Z3040 搖臂鉆床適用于在中、大型零件的鉆孔、擴孔、鉸孔、平面及 攻螺紋等工作，在具有工藝裝備的條件下可以進行鏜孔。鉆床是一種孔加工設備，可 以用來鉆孔、擴孔、鉸孔、攻絲及修刮端面等多種形式的加工。 鉆床的特點 1.雙立柱設計，使搖臂更輕巧，便捷！工作效率大大起高 2.操縱系統(tǒng)集中在主軸箱上，變速靈活、方便、 3.進給機械電器雙保險，安全。避免誤操作 4.基礎大件采用優(yōu)質材料成型鑄造，經(jīng)時效處理后，用高精度機床加工，具有極高精 度 5.各導軌面均經(jīng)淬硬處理，主軸采用氮化處理，延長使用壽命。 6.主軸正反轉采用手把控制，鉆孔，攻絲更加方便快捷！ 7.臂長 1.3 米，加工范圍更大，更便捷 ee VII 8.搖臂導軌加寬未定性更好 9.進給渦輪自動潤滑 1.5.2 Z3040 搖臂鉆床的主要結構和運動形式 1、主要結構 Z3040 搖臂鉆床是一種用途廣泛的萬能機床， 適用于加工中小零件，可以進行鉆孔、擴孔、鉸孔、 刮平面及改螺紋等多種形式的加工，增加適當?shù)墓?藝裝備還可以進行鏜孔。主要有底座、內(nèi)外立柱、 搖臂、主軸箱、主軸及工作臺等部分組成。最大鉆 孔直徑為 40mm，跨距最大 1200mm,最小 300mm。 2、搖臂鉆床主要運動形式為： 搖臂的一端為套筒，套裝在外立柱上，并借助絲杠的正、反轉可沿外立柱作上下 移動。主軸箱安裝在搖臂的水平導軌上,可通過手輪操作使其在水平導軌上沿搖臂移動。 加工時，根據(jù)工件的高度的不同，搖臂借助于絲杠可帶著主軸箱沿外立柱上下升降。 在升降之前，應自動將搖臂松開，再進行升降，當達到所需的位置時，搖臂自動夾緊 在外立柱上。搖臂鉆床鉆削加工分為工作運動和輔助運動。工作運動包括：主運動 （主軸的旋轉運動）和進給運動（主軸軸向運動） ；輔助運動包括：主軸箱沿搖臂的橫 向移動，搖臂的回轉和升降運動。鉆削加工時，鉆頭一面旋轉一面作縱向進給。鉆床 的主運動是主軸帶著鉆頭作旋轉運動。進給運動是鉆頭的上下移動。輔助運動是主軸 箱沿搖臂水平移動，搖臂沿外立柱上下移動和搖臂與外立柱一起繞內(nèi)立柱的回轉運動。 （1）主軸帶刀具的旋轉與進給運動 主軸的轉動與進給運動有一臺三相交流異步電動機（3kw）驅動，主軸的轉動方向 由機械及液壓裝置控制。 （2）各運動部分的移位運動 主軸在三維空間的移位運動有主軸箱沿搖臂方向的水平移動（平動） ；搖臂沿外立 柱的升降運動（搖臂的升降運動由一臺 1.1kw 籠型三相異步電動機拖動） ；外立柱帶動 搖臂沿內(nèi)立柱的回轉運動（手動）等三種，各運動部件的移位運動用于實現(xiàn)主軸的對 刀移位。 3）移位運動部件的夾緊與放松 圖 1.1 Z3040 搖臂鉆床結構示意圖 1 底座 2 內(nèi)立柱 3、4 外立柱 5 搖臂 6 主軸箱 7 主軸 8 工作臺 ee VIII 搖臂鉆床的三種對刀移位裝置對應三套夾緊與放松裝置，對刀移動時，需要將裝 置放松，機加工過程中，需要將裝置夾緊。三套夾緊裝置分別為搖臂夾緊（搖臂與外 立柱之間） ；主軸箱夾緊（主軸箱與搖臂導軌之間） ；立柱夾緊（外立柱和內(nèi)立柱之間） 。 通常主軸箱和立柱的夾緊與放松同時進行。搖臂的夾緊與放松則要與搖臂升降運動結 合進行。 Z3040 搖臂鉆床夾緊與放松機構液壓原理如下圖所示。圖中液壓泵采用雙向定量泵。 液壓泵電動機在正反轉時，驅動液壓缸中活塞的左右移動，實現(xiàn)夾緊裝置的夾緊與放 松運動。電磁換向閥 HF 的電磁鐵 YA 用于選擇夾緊與放松的現(xiàn)象，電磁鐵 YA 的線圈不 通電時電磁換向閥工作在左工位，接觸器 KM4、KM5 控制液壓泵電動機的正反轉，實現(xiàn) 主軸箱和立柱（同時）的夾緊與放松；電磁鐵 YA 線圈通電時，電磁換向閥工作在右工 位，接觸器 KM4、KM5 控制液壓泵電動機的正反轉，實現(xiàn)搖臂的夾緊與放松。 圖 1.2 Z3040 搖臂鉆床夾緊與放松機構液壓原理圖 1.5.3 搖臂鉆床的主要參數(shù)及設計要求 1.主要技術參數(shù)見下表 表 1 主要技術參數(shù) 主要技術參數(shù) 最大鉆孔直徑 40 毫米 主軸中心線到立柱母線距離350-1250 毫米 主軸箱水平移動距離900 毫米 主軸端面到底座面間距離 350-1250 毫米 ee IX 搖臂升降距離 600 毫米 搖臂升降速度1.2 米/分 搖臂回轉角度360 度 主軸前端孔錐度莫氏 4 號 主軸轉速范圍（16 級）25-2000 轉/分 進給量范圍（16 級）0.04-3.2 毫米/轉 主軸行程315 毫米 刻度盤每轉鉆孔深度122.5 毫米 主軸允許最大扭矩40 公斤力*米 主軸允許最大進給抗力1600 公斤力 功率 3 千瓦主電機 轉速 1430 轉/分 功率 1.1 千瓦搖臂升降電機 轉速 1500 轉/分 功率 0.6 千瓦液壓系統(tǒng)電機 轉速 1500 轉/分 功率 0.125 千瓦冷卻泵電機 轉速 3000 轉/分 機床重量3200 公斤 機床外形尺寸2170*1013*2625 毫米 2、對電氣控制的要求 （1）根據(jù)工件的大小、位置及夾緊，為了減少輔助工作時間，要求配備一臺 主軸運動電動機、一臺搖臂升降電動機和一臺液壓泵電動機。 （2）鉆孔時產(chǎn)生的高溫，可有一臺普通冷卻泵電動機加以控制。 （3）根據(jù)整個生產(chǎn)線狀況，要求配備一套局部照明裝置及必要的工作狀態(tài)指示燈。 ee X ee XI 2.電機選擇電機選擇 2.1 電動機選擇電動機選擇 2.1.1 選擇電動機類型選擇電動機類型 2.1.2 選擇電動機容量選擇電動機容量 電動機所需工作功率為： ； w d P P 工作機所需功率為： w P ； 1000 Fv Pw 傳動裝置的總效率為： ； 4321 傳動滾筒 96 . 0 1 滾動軸承效率 96 . 0 2 閉式齒輪傳動效率 97 . 0 3 聯(lián)軸器效率 99 . 0 4 代入數(shù)值得： 8 . 099. 097 . 0 99. 096 . 0 224 4321 所需電動機功率為： kWkW Fv Pd52.10 6010008 . 0 4010000 1000 略大于 即可。 d P d P 選用同步轉速 1460r/min ；4 級 ；型號 Y160M-4.功率為 11kW 2.1.3 確定電動機轉速確定電動機轉速 取滾筒直徑mmD500 min/ 6 . 125 500 100060 r v nw 1.分配傳動比 （1）總傳動比 62.11 6 . 125 1460 w m n n i (2)分配動裝置各級傳動比 ee XII 取兩級圓柱齒輪減速器高速級傳動比 03. 44 . 1 01 ii 則低速級的傳動比 88. 2 03 . 4 62.11 01 12 i i i 2.1.4 電機端蓋組裝電機端蓋組裝 CAD 截圖截圖 圖 2.1.4 電機端蓋 2.2 運動和動力參數(shù)計算運動和動力參數(shù)計算 2.2.1 電動機軸電動機軸 mN r kW n P T nn pp m d 81.689550 min/1460 52.10 0 0 0 0 0 2.2.2 高速軸高速軸 ee XIII mN r kW n p T nn pp m d 09.68 1460 41.10 95509550 min/1460 41.10 1 1 1 1 41 2.2.3 中間軸中間軸 mN rr kW n p T i n n ppp 6 . 263 2 . 362 10.10 95509550 min/ 2 . 362min/ 03 . 4 1460 10.1097. 099 . 0 52.10 2 2 2 01 1 2 3200112 2.2.4 低速軸低速軸 mN r kW n p T i n n ppp 8 .7359550 76.125 69 . 9 9550 min/76.125 88 . 2 2 .362 69 . 9 97. 099 . 0 10.10 3 3 3 12 2 3 3210223 2.2.5 滾筒軸滾筒軸 mN r kW n p T i n n ppp 720 76.125 49. 9 95509550 min/76.125 49 . 9 99 . 0 99. 069 . 9 4 4 4 23 3 4 4220334 ee XIV ee XV 3.齒輪計算齒輪計算 3.1 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) 1按傳動方案，選用斜齒圓柱齒輪傳動。 2絞車為一般工作機器，速度不高，故選用 7 級精度（GB 10095-88） 。 3材料選擇。由表 10-1 選擇小齒輪材料為 40Cr（調(diào)質） ，硬度為 280 HBS，大齒 輪材料為 45 鋼（調(diào)質）硬度為 240 HBS，二者材料硬度差為 40 HBS。 4選小齒輪齒數(shù)，大齒輪齒數(shù)。取24 1 z76.9603 . 4 24 2 z 97 2 z 5 初選螺旋角。初選螺旋角 14 3.2 按齒面接觸強度設計按齒面接觸強度設計 由機械設計設計計算公式（10-21）進行試算，即 3 0 1 12 H EH d t t ZZTK d 3.2.1 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 （1）試選載荷系數(shù)1。6 . 1 t k （2）由機械設計第八版圖 10-30 選取區(qū)域系數(shù)。433. 2 h z （3）由機械設計第八版圖 10-26 查得，則 78 . 0 1 87. 0 2 。 65. 1 21 （4）計算小齒輪傳遞的轉矩。 mmNmmN n p T.108 . 6. 1460 41.1010 5 . 9510 5 . 95 4 5 1 0 5 1 （5）由機械設計第八版表 10-7 選取齒寬系數(shù)1 d （6）由機械設計第八版表 10-6 查得材料的彈性影響系數(shù)MPaZe8 .189 （7）由機械設計第八版圖 10-21d 按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極 限 ；大齒輪的接觸疲勞強度極限 。MPa H 600 1lim MPa H 500 2lim 13 計算應力循環(huán)次數(shù)。 9 11 103 . 61530082114606060 h jLnN 91 2 1056 . 1 03. 4 N N （9）由機械設計第八版圖（10-19）取接觸疲勞壽命系數(shù);90 . 0 1 HN K 。95 . 0 2 HN K ee XVI （10）計算接觸疲勞許用應力。 取失效概率為 1%，安全系數(shù) S=1，由機械設計第八版式（10-12）得 MPaMPa S KHN H 5406009 . 0 1lim1 1 MPaMPa S KHN H 5 . 52255095. 0 2lim2 2 （11）許用接觸應力 MPa HH H 25.531 2 21 3.2.2 計算計算 （1）試算小齒輪分度圓直徑d t 1 =4 0 3 1 21 tHE t d H K TZ Z d 324 86 . 0 1046.16 34 1046.167396 . 0 10738.121 3 9.56mm （2）計算圓周速度v0 sm ndt /78 . 3 100060 56.491460 100060 11 （3）計算齒寬及模數(shù) 1 1 cos 49.56 t nt mm d m z =2mm z d m t nt 1 1 cos 24 14cos56.49 24 97. 056.49 h=2.252.25 2=4.5mm nt m 49.56/4.5=11.01 h b （4）計算縱向重合度 0.318 1 24 tan=20.73 tan318. 0 1z d 14 （5）計算載荷系數(shù) K。 已知使用系數(shù)根據(jù) v= 7.6 m/s,7 級精度，由機械設計第八版圖 10-8 , 1 KA 查得動載系數(shù) ;11. 1 Kv 由機械設計第八版表 10-4 查得的值與齒輪的相同，故 KH ;42. 1 KH 由機械設計第八版圖 10-13 查得 35 . 1 f K 由機械設計第八版表 10-3 查得.故載荷系數(shù)4 . 1 HH KK 1 1.11 1.4 1.42=2.2 HHVA KKKKK （6）按實際的載荷系數(shù)校正所算得分度圓直徑，由式（10-10a）得 ee XVII 3 11 K dd t t K mm11.55375 . 1 56.49 6 . 1 2 . 2 56.49 3 3 （7）計算模數(shù) z d mn 1 1cos mm22. 2 24 11.5597 . 0 24 14cos11.55 3.3 按齒根彎曲強度設計按齒根彎曲強度設計 由式（10-17） 3 2 2 1 1 2 cos F SaFa d n YY z YT m K 3.3.1 確定計算參確定計算參數(shù)數(shù) （1）計算載荷系數(shù)。 =2.09 ffVA KKKKK35 . 1 4 . 111. 1 （2）根據(jù)縱向重合度 ，從機械設計第八版圖 10-28 查得螺旋 903 . 1 角影響系數(shù) 88 . 0 Y （3）計算當量齒數(shù)。 37.26 91 . 0 2424 14 24 97 . 0 coscos 333 1 1 z zV 59.106 91 . 0 97 14 97 coscos 33 2 2 z zv （4）查齒形系數(shù)。 由表 10-5 查得 18 . 2 ;57 . 2 21 YYFaFa （5）查取應力校正系數(shù)。 由機械設計第八版表 10-5 查得 79. 1; 6 . 1 21 YYSaSa （6）由機械設計第八版圖 10-24c 查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限 ；大齒輪的彎曲強度極限 ； MPa FE 500 1 MPa FE 380 2 （7）由機械設計第八版圖 10-18 取彎曲疲勞壽命系數(shù) ， 85 . 0 1 KFN ； 88 . 0 2 KFN （8）計算彎曲疲勞許用應力。 取彎曲疲勞安全系數(shù) S1.4,由機械設計第八版式（10-12）得 ee XVIII MPaMPa S F MPaMPa S F FEFN FEFN K K 86.238 4 . 1 38088 . 0 57.303 4 . 1 85500 . 0 22 2 11 1 （9）計算大、小齒輪的 并加以比較。 F YYSaFa 13630 57.303 596 . 1 592 . 2 1 11 F YYSaFa = F YYSaFa 2 22 01642 . 0 86.238 774. 1211 . 2 由此可知大齒輪的數(shù)值大。 3.3.2 設計計算設計計算 mmmmmm mn 59 . 1 085 . 4 342 . 4 01642 . 0 65 . 1 * 88 . 0 8 . 610 . 2 2 3 3 2 3 2 2 4 97 . 0 24 )14(cos 10 對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的法面模數(shù) 大于由齒面齒根彎曲疲 mn 勞強度計算 的法面模數(shù)，取2，已可滿足彎曲強度。但為了同時滿足接觸疲勞強 mn 度，需按接觸疲勞強度得的分度圓直徑 100.677mm 來計算應有的齒數(shù)。于是由 73.26 2 14cos11.55 cos 1 1 m d z n 取 ，則 取 27 1 z 81.10803 . 4 27 2 z ;109 2 z 3.4 幾何尺寸計算幾何尺寸計算 3.4.1 計算中心距計算中心距 a= mm mzz n 2 . 140 97 . 0 136 14cos2 2)10927( cos2 21 將中以距圓整為 141mm. 3.4.2 按圓整后的中心距修正螺旋角按圓整后的中心距修正螺旋角 06.1497 . 0 arccos 2 .1402 2)10927( arccos 2 )( arccos 21 a mzz n 因值改變不多，故參數(shù)、等不必修正。 k ZH ee XIX 3.4.3 計算大、小齒輪的分度圓直徑計算大、小齒輪的分度圓直徑 mm mm mz d mz d n n 224 97. 0 218 14cos 2109 cos 55 97 . 0 54 14cos 227 cos 2 2 1 1 mma dd 5 .139 2 22455 2 21 3.4.4 計算齒輪寬度計算齒輪寬度 mmb d d 5567.551 1 圓整后取.mmmm BB 61;56 12 低速級 取 m=3;30 3 z 由88 . 2 3 4 12 z z i 取 4 2.88 3086.4 z 87 4 z mmm mm zd zd 261873 90303 44 33 mmmma dd 5 . 175 2 26190 2 43 mmmmb d d 90901 3 圓整后取mmmm BB 95,90 34 表表 1高速級齒輪： 計 算 公 式名 稱 代號 小齒輪大齒輪 模數(shù)m22 壓力角2020 分度圓 直徑 d =2 27=54 zd m 11 =2 109=218 zd m 22 齒頂高 ha 221 21 m hhh aaa 齒根高 hf 2)1 ()( 21 cm chhh aff 齒全高h m chhh a )2( * 21 齒頂圓 直徑 da * 11 (2) aa m dhz m hzd aa )2( * 22 ee XX 表表 2低速級齒輪： 計 算 公 式名 稱 代號 小齒輪大齒輪 模數(shù)m33 壓力角2020 分度圓 直徑 d =3 27=54 zd m 11 =2 109=218 zd m 22 齒頂高 ha 12 1 22 aaamhhh 齒根高 hf 2)1 ()( 21 cm chhh aff 齒全高h m chhh a )2( * 21 齒頂圓 直徑 da * 11 (2) aa m dhz m hzd aa )2( * 22 ee XXI 4. 軸的設計軸的設計 4.1 低速軸低速軸 4.1.1 求輸出軸上的功率求輸出軸上的功率轉速轉速和轉矩和轉矩 p3 n3T3 若取每級齒輪的傳動的效率,則 mN r kW n p T i n n ppp 842.7359550 76.125 69 . 9 9550 min/76.125 88 . 2 2 . 362 69 . 9 97.990 . 0 10.10 3 3 3 12 2 3 3210223 4.1.2 求作用在齒輪上的力求作用在齒輪上的力 因已知低速級大齒輪的分度圓直徑為 mmmz d 4041014 44 N N N FF FF d T F ta n tr t 90814tan3642tan 1366 97. 0 3639 . 0 3642 14cos 20tan 3642 cos tan 3642 404 10008 .7352 2 4 3 圓周力 ,徑向力 及軸向力 的 FtFrFa 4.1.3 初步確定軸的最小直徑初步確定軸的最小直徑 先按式初步估算軸的最小直徑.選取軸的材料為 45 鋼,調(diào)質處理.根據(jù)機械設計 第八版表 15-3,取 ,于是得 112 0 A mm n p Ad 64.47077 . 0 112 76.125 69 . 9 112 3 33 3 3 0min 輸出軸的最小直徑顯然是安裝聯(lián)軸器處軸的直徑.為了使所選的軸直徑與聯(lián)軸 d12 器的孔徑相適應,故需同時選取聯(lián)軸器型號. 聯(lián)軸器的計算轉矩, 查表考慮到轉矩變化很小,故取 ,則: TKTAca3 3 . 1 KA mmNmmN TKTAca 6 . 9565947358423 . 1 3 按照計算轉矩應小于聯(lián)軸器公稱轉矩的條件,查標準 GB/T 5014-2003 或手冊, Tca ee XXII 選用 LX4 型彈性柱銷聯(lián)軸器,其公稱轉矩為 2500000 .半聯(lián)軸器的孔徑 mmN ,故取 ,半聯(lián)軸器長度 L=112mm ,半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔 mm d 55 1 mm d 50 21 長度. mm L 84 1 4.1.4 軸的結構設計軸的結構設計 （1）擬定軸上零件的裝配方案 圖 4-1 （2）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 1)根據(jù)聯(lián)軸器為了滿足半聯(lián)軸器的軸向定位要示求,1-2 軸 ;84,50 1212 mmmml d 段右端需制出一軸肩,故取 2-3 段的直徑 ;左端用軸端擋圈,按軸端直徑取 mm d 62 32 擋圈直徑 D=65mm.半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長度,為了保證軸端擋圈只壓在 mm L 84 1 半聯(lián)軸器上而不壓在軸的端面上,故 1-2 段的長度應比 略短一些,現(xiàn)取. L1 mm l 82 21 2)初步選擇滾動軸承.因軸承同時受有徑向力和軸向力的作用,故選用單列圓錐滾 子軸承.參照工作要求并根據(jù),由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取 0 基本游子隙 mm d 62 32 組 、標準精度級的單列圓錐滾子軸承 30313。其尺寸為 d D T=65mm 140mm 36mm， 故 ；而。 mm dd 65 7643 mmmm dl 82,5 .54 6565 3）取安裝齒輪處的軸段 4-5 段的直徑 ；齒輪的右端與左軸承之間 mm d 70 54 采用套筒定位。已知齒輪輪轂的寬度為 90mm，為了使套筒端面可靠地壓緊齒輪，此軸 段應略短于輪轂寬度，故取 。齒輪的左端采用軸肩定位，軸肩高度 mm l 85 54 ，故取 h=6mm ，則軸環(huán)處的直徑 。軸環(huán)寬度 ， dh07. 0 mm d 82 65 hb4 . 1 取。 mm l 5 .60 65 ee XXIII 4）軸承端蓋的總寬度為 20mm（由減速器及軸承端蓋的結構設計而定） 。根據(jù)軸承 端蓋的裝拆及便于對軸承加潤滑脂的要求，取端蓋的外端面與半聯(lián)軸器右端面間的距 離 l=30mm，故取 mm l 57.40 32 低速軸的相關參數(shù)： 表 4-1 功率 p3 kW69 . 9 轉速 n3 min/76.125r 轉矩 T3 mN 842.735 1-2 段軸長 l 21 84mm 1-2 段直徑 d 21 50mm 2-3 段軸長 l 32 40.57mm 2-3 段直徑 d 32 62mm 3-4 段軸長 l 43 49.5mm 3-4 段直徑 d 43 65mm 4-5 段軸長 l 54 85mm 4-5 段直徑 d 54 70mm 5