双头钻床的结构设计.doc

济南大学泉城学院毕业设计

济南大学泉城学院
毕 业 设 计

题 目 双头钻床的结构设计
专 业 机械设计制造及其自动化
班 级 机设07Q2
学 生 张昆
学 号 20073006136
指导教师 潘永智

二〇一一 年 五 月 三十 日
- 1 -

济南大学泉城学院毕业设计

目 录
摘要………………………………………………..…….….…………….. .I
ABSTRACT…………….…………………………………………..…………….II
1 前言……….…………………………………………………………….….……………..1
1.1本课题的背景和研究意义..........................………………….………….………..1
1.2本课题解决的问题和主要工作...........................…………….………….………..2
2 双头钻床结构设计的总体方案......................……..….…………….…..….………….4
2.1双头钻床的总体结构设计….……………………………………………………..4
2.2双头钻床的总体设计流程…….……………….………………...………………..5
2.3双头钻床的工作原理…….…………………….………………...………………..8
3 双头钻床主要零件的设计计算及校核…………………………………………..………10
3.1 主要零件的选择及校核……………….……………………….……………..……10
3.1.1 电机的选择……………………………………………………………..……10
3.1.2 带传动的选择…………………………………………………..…………...10
3.1.3 齿轮的设计计算…………………………………………………………….14
3.1.4 轴的设计…………………………………………………………………….19
3.2 其他零件的设计与选择…………………………………………………………...22
3.2.1 丝杠的选择………………………………………………………………….22
3.2.2 机架的设计………………………………………………………………….24
3.2.3 夹具的选择………………………………………………………………….25
3.2.4 轴承的选择…………………………………………………….……………26
4 结论......................……….………….……………………..….……...…..….………...29
参考文献......................…………….…………………..….…..……………….………….30
致谢......................………………….……………………..…….…………...…………….31

- 33 -
1 前言
1.1 本课题的背景和研究意义
机械工业肩负着为国民经济各个部门提供技术装备的重要任务。机械工业的生产水平是一个国家现代化建设水平的主要标志之一。制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国家或地区的经济实力、科技水平、生活水准和国防实力。而制造业的生产能力主要取决于制造装备——机床的先进程度。
钻床指主要用钻头在工件上加工孔的机床。通常钻头的旋转为主运动，钻头的轴向移动为进给运动。钻床的结构比较简单，加工精度较低，可钻通孔、盲孔。在钻床上配有工艺装备时，还可以进行镗孔,在钻床上配万能工作台还能进行分割钻孔、扩孔、铰孔。钻床的特点是工件固定不动，刀具做旋转运动。加工过程中工件不动，让刀具移动，将刀具中心对正孔中心，并使刀具转动(主运动)。[1]
钻床主要分为立式钻床、卧式钻床、摇臂钻床、台式钻床、深孔钻床和中心孔钻床等。为了满足模具制造业发展的需要，又开发了除钻削深孔以外，还可以进行铣削、攻丝等的多功能钻床。
20世纪70年代初，钻床还是普遍采用普通继电器控制的。如70年代-80年代进入中国的美国ELDORADO公司的MEGA50，日本神崎高级精工制作所的DEG型，德国TBT公司的T30-3-250等。
　　80年代后期数控技术逐渐开始在深孔钻床上应用，特别是90年代以后这种先进的技术才迅速推广。如TBT公司90年代初上市的ML系列深孔钻床，进给系统由机械无级变速器改为采用交流伺服电机驱动的滚珠丝杠副，进给用滑台导轨也改为采用滚动直线导轨。钻杆箱传动为了保证高速旋转、精度平稳，由交换皮带轮及皮带，和双速电机驱动的有级传动变为无级调速的变频电机到电主轴驱动，为钻削小孔深孔和提高深孔钻床的水平质量提供了有利条件。
为了加工某些零件上的相互交叉或任意角度、或与加工零件中心线成一定角度的斜孔，垂直孔或平行孔等需要，各个国家而专门开发研制多种专用深孔钻床。例如加工曲轴油孔，连杆斜油孔，平行孔等的专用钻床，还有特别适用于加工大中型卡车曲轴油孔的BW250-KW深孔钻床，它们均具有X、Y、Z、W四轴数控。于2000年设计制造的第一台柔性曲轴加工中心，可以加工2～12缸不同曲轴上所有的油孔。MOLLART公司为加工颗粒挤出模具而开发生产制造了一种专用深孔钻床，这种钻床具有六等分六根主轴，可以同时加工同一工件上六个孔。该工件孔数量多达36000个。全都是数控系统控制的[2-3]。
多轴钻床俗称多轴器、多孔钻或多轴钻孔器。是一种运用于机械领域钻孔、攻牙的机床设备。可以两轴或两轴以上同时钻孔或攻牙，故称多轴钻床。一台普通的多轴钻床一次能把几个乃至十几个孔或螺纹同时加工出来。如果配上液压或气压装置，可以方便的自动进行快进、工进（工退）、快退、停止等动作，加工效率更高。多轴钻床也称群钻床，一般型号的可以同时钻2-16个孔，而且很多机种都没有轴数限制，钻轴形式，尺寸大小也可以依客户之需进行设计加工。
如今多轴钻床在生产中的应用已经十分广泛，主要用于工件上多孔的加工。由于普通单轴钻床只有一根主轴， 一次只能加工一个孔，如果要加工多孔的工件，只有通过移动夹具并多次对刀来实现，不仅工人的劳动强度大，而且孔的位置精度低。而多轴钻床不仅效率高，在加工成角度的孔时，角度精确，再与数控相结合更可以保证距离精度[4]。
多轴钻床大体分为两种类型：可调式和固定式。
　　可调式：本体结构得用齿轮箱配合万向节头所组成，由于万向节是可活动轴件，故在限定范围内可左右移动。在调整加工孔距时不受齿轮所限制，适合加工多样不定性孔件，使用范围较广。缺点是精度方面控制有所欠缺，长期使用跑位率相比略高。适合单件加工量不大，长年更换加工件的企业。
　　固定式：根据单件加工件量身定制多轴器，即依照零件的间距、排布，定死动轴。从而达到单品单轴，一件一台的多轴器标准方案。这是使用多轴器最终的模式，是提高生产效率最快的钻床设备。固定式加导孔板多轴器准确耐用，在更换式件时，有很多空间取付方便，不会受到治具之妨碍。所加工出来的产品更精确，多轴钻床也更耐用。
多轴钻床按其加工件的硬度来划分，可分为中切削型、重切削型和强力超重切削型三类。中切削适用于铝、镁、铜等HB≤150以下的工件。重切削适用于孔数大于10个的软质件或7孔以下的钢、铁等HB≤265以下的工件。强力超重切削型试用于265≤HB≤330钢、铁等强硬度工件[5]。
本次设计主要研究两轴钻床，两轴钻床也可以称为双头钻床，有两个主轴配两把相同或不同型号大小的钻头，同时加工同一零件上的两个孔。这两个孔可以具有不同尺寸，若要用一台电动机实现两个钻头的同时转动，需要在设计时着重注意传动系统与减速系统的设计。
1.2 本课题解决的问题和主要工作
单柱台式钻床是机械行业最通用的设备，主要用于工件上孔的加工，由于立式钻床只有一根主轴，因此一次只能对一个孔进行加工，如果要加工多孔的工件，只有通过移动夹具多次对刀实现，不仅工人的劳动强度大，而且孔的位置精度低。所以，一种可以同时加工两个孔的双头钻床应运而生。
本课题就设计了这么一种双头钻床，这种钻床价格相对低廉，体积小、重量轻、操作方便、可靠性高，且同时钻两孔的工作方式大大提高了工作效率，减轻了工作量，提高了工作效率。
本课题的主要工作包括以下几个方面：
1. 广泛收集和分析国内外先进钻床和多轴钻床的研究资料，阐述了课题的研究意义，在综述了国内外研究资料之后，给出了本文研究的主要内容。
2.提出双头钻床的总体设计方案，进行了各功能的求解，并提出了几个方案，通过分析各个方案的优缺点，确定了最终方案。
3.介绍了双头钻床的结构设计，探讨了双头钻床的设计原理，并设计了一套减速、传动系统及夹具。
4.对钻床整体及各个零件进行尺寸设计并进行校核，合理调整各零件的相对位置，.并绘制钻床的装配图和主要零件的零件图。

2 双头钻床结构设计的总体方案
总体方案设计包含功能设计、结构设计和性能分析三部分。
功能设计，即在调研分析，确定了所设计机床的工作参数（运动、动力、尺寸）之后，通过功能分解，创新出或类比出可以实现加工要求的各种总体布局方案。
结构设计是在总体布局方案基本确定后，对机械结构件进行主要形状和尺寸的设计，这同样有类比和创成设计两类。
性能分析是根据机床的总体性能要求对各部件的精度、刚度等进行设计分配，并比较各种可能方案的优劣。[6]
本课题所设计的机床也可以基本分成以上三个方面进行设计，具体设计方案下面具体介绍。
2.1 双头钻床的总体结构设计
按照本课题的具体要求，这种双头钻床要实现同时钻两个孔的要求，而若要用一个电动机实现这种功能，则需要设计一套特殊的传动系统。本方案采用的是齿轮传动来解决这个问题，用一个齿轮同时带动两个齿轮做旋转运动，从而带动两个钻头转动，实现两个钻头同时转动的目的。减速方面，本方案采用带传动减速。机床总体设计方案如下图所示：
机床总体设计方案
功能设计
钻床主运动
进给运动
驱动系统
夹具定位系统
控制系统
结构设计
齿轮箱
减速装置
机架
性能分析
齿轮选择
轴的校核
减速系统的选择
钻床装配

图2.1 方案

1.功能设计
（1）钻床主运动：钻床的主运动为钻头的转动
（2）进给运动：钻头对工件进行加工时的运动，钻床的特点就是工件不动而钻头移动。
（3）驱动系统：电动机。
（4）夹具定位系统：多点定位，利用夹具装夹工件。
（5）控制系统：人工手动控制。
2.结构设计
（1）齿轮箱：利用一根中轴和两边的齿轮配合组成齿轮箱，中轴上套有两个大小不同的齿轮，分别驱动两边两个齿轮，达到两个钻头转速不同的目的。考虑到普通情况的加工，即若要求两齿轮转速相同，可将两边两个齿轮换成规格相同的，然后与中轴上同一齿轮配合即可使两钻头转速相同。
（2）减速装置：考虑到所设计的钻床较小，故采用一级带传送减速。
（3）机架：使各部件合体分布在上面。
3.性能分析
（1）齿轮选择：根据要求的转速不同合理选择齿轮。
（2）轴的校核：需要校核的主要是齿轮箱中的三根轴。
（3）减速系统的选择：带传动。
（4）钻床装配：合理分配。
2.2 双头钻床的总体设计流程
机器的发展经历了一个由简单到复杂的过程，最初的简单机器主要由三部分组成：原动机部分，执行部分，传动部分。
（1）原动机部分：原动机部分是驱动整部机器完成预定功能的动力源。通常一部机器只有一个动力源，但一些复杂的机器可以有多个动力源。动力源一般来所就是把其他形式的能量转换为可以利用的机械能。最初的动力源是人力和水力等，但电动机的出现使得绝大多数的机器都是用电动机作为动力源。本方案中的动力源就是电动机，而电动机的选型等在后面的章节中有介绍。
（2）执行部分：执行部分是用来完成机器预定功能的组成部分。和原动机部分一样，一台机器中可以有一个也可以有多个，比如本方案中，钻头即为执行部件，而且有两个，但是原动机只有一个，所以就需要设计特殊的传动部分。
（3）传动部分：把原动机的运动形式、运动及动力参数转变为执行部分所需的运动形式、运动及运动参数的问题。本方案的传动部分由带传动和齿轮传动两部分组成，带传动主要用来减速，而齿轮则主要用来分配运动。
简单的机器只由上述三个部分组成。随着科技的不断发展，机器的功能也越来越复杂，所以如果机器还是以上三个部分的话是很难达到加工要求的，而且使用起来也会遇到较大的麻烦。所以机器除了以上三个部分外，还会不同程度的增加其他部分，例如控制系统和辅助系统。

图2.2 机器的组成
一部机器的质量最主要的决定于设计质量。制造过程对机器质量所起的作用，本质上就在于实现设计时所规定的质量。因此，机器的设计阶段是决定机器好坏的关键。
在设计一台机床时，一般的设计流程是：计划阶段，方案设计阶段，技术设计阶段，技术文件编制阶段，计算机在机械设计中的应用。
同样的，在设计机床时，还应该注意一些主要的要求：使用功能要求，经济性要求，劳动保护和环境保护要求，寿命与可靠性的要求和其他专业要求等。在设计机床时，必须注意以上的这些要求。

图2.3 设计机床时的一般流程
（1）计划阶段：这一阶段主要包括提出任务，分析对机器的需求和确定任务要求。本方案就是要设计一种特殊的钻床，可以同时加工两个孔。
（2）方案设计：这一阶段主要包括机器功能分析，提出可能的解决方案，组合几种可能的方案，评价并决策最终方案。本方案最终方案就是卧式双头钻床，这种方案相比立式钻床，可以更方便的装夹工件，有开阔的视野，结构简单稳定性高等优点。相比较普通单轴卧式钻床，本方案可以同时加工两个孔，提高了效率，减小了劳动强度。
（3）技术设计：这一阶段主要包括明确构型要求，结构化，选择材料，确定尺寸，零件、部件、总体设计。这一部分主要用图纸的形式呈现。
（4）技术文件的编制：编制设计计算说明书、使用说明书、标准明细表、其他技术文件等。
2.3 双头钻床的工作原理
机床最终方案如下图所示：

图2.4 双头钻床最终方案
电动机带动传送带，传送带又带动齿轮箱中的齿轮转动，齿轮箱中一个主动轮带动两侧两个从动轮转动，从而实现了一台电动机带动两个钻头转动的目的。以上这一套机构为本机床的核心部分。
图中左侧支架与立柱相连，支架上放置齿轮箱、电动机等部分。为了保证稳定性，立柱上开有两个T型槽，后方还有滑动丝杠连接。图中右侧为工作台，上面放置夹具。
为使机床可以X、Y、Z轴移动，本机床分别用了三根滑动丝杠，滑动丝杠有自锁性，可以保证位置的精度。

3 双头钻床主要零件的设计计算及校核
3.1 主要零件的选择及校核
3.1.1 电机的选择
电动机是本机床中的主要的动力装置，电动机的选择应根据负载的性质，综合考虑电动机的起动、反转、调速、负载转矩、转速变化范围和起、制动频繁程度等要求，还应考虑电动机的温升限制、过载能力、起动转矩及起动电流的限制，以及工作环境条件等诸多因素，合理选择电动机[7]。
电机通过减速、传动机构带动主轴。主运动和进给运动均为不可调速。本课题钻头转速设计为200r/min。首先计算钻头的切削力，根据公式计算出一个钻头的扭矩T=51.86N·m。
计算负载功率：根据公式
(3.1)
计算出一个钻头的负载功率为1.086Kw。机床传动部分包括一个带传送，一套齿轮传动，其中包含3个球轴承，其中，V带的效率为0.96，圆柱齿轮的效率为0.98，球轴承的效率为0.99。所以，可计算出电动机所需的功率为2.356Kw。

所以，电动机功率选3Kw。又根据钻头转速为200r/min。从机械设计手册查表选出电动机。选Y系列：Y100L2-4。满载转速1430r/min。堵转转矩：额定转矩2.2N·m。最大转矩：额定转矩2.3N·m。质量38kg。
3.1.2 带传动的选择
带传动是一种挠性传动。带传动的基本组成零件为带轮（主动带轮和从动带轮）和传送带。带传动具有结构简单、传动平稳、价格低廉和缓冲吸振等特点，在近代机械中应用广泛。
带传动的主要失效形式是打滑和疲劳破坏。所以，带传动的设计准则是：在保证不打滑的条件下，具有一定的疲劳强度和寿命。本课题的带传动主要用来减速与传递扭矩，根据所给的条件，本课题选择的是普通V带传动。
V形胶带简称V带或三角带，是断面为梯形的环形传动带的统称。与平型传动带相比，具有安装容易、占地面积小、传动效率高和噪音小等优点，在整个传动领域中占有重要地位[8]。
1）确定计算功率
由《机械设计》表8-7查得工作情况系数，故
(3.2)
2）选择V带的带型
根据、由图8-11选用A型。
3）确定带轮的基准直径并验算带速v
①初选小带轮的基准直径。由表8-6和表8-8，取小带轮的基准直径=90mm。
②验算带速v。按式（8-13）验算带的速度
(3.3)
因为5m/s<v<30m/s，故带速合适。
③计算大带轮的基准直径。带传动传动比确定为3。根据式（8-15a），计算大带轮的基准直径

根据表8-8，圆整为280mm。
4）确定V带的中心距a和基准长度
①一般带传动的中心距为：
(3.4)
初选中心距
②由式（8-22）计算带所需的基准长度
（3.5）
由表8-2选带的基准长度。
③按式（8-23）计算实际中心距a。
（3.6）
5）验算小带轮上的包角
（3.7）
6）计算带的根数z
①计算单根V带的额定功率。
由和，查表8-4a得。
根据，=3和A型带，查表8-4b得。
查表8-5得，表8-2得，于是
（3.8）
②计算V带的根数z。
（3.9）
取4根。
7）计算单根V带的初拉力的最小值
由表8-3得A型带的单位长度质量q=0.10kg/m，所以
（3.10）
应使带的实际初拉力。
8）计算压轴力
压轴力的最小值为
（3.11）
9）带轮结构设计
①小带轮如图3.1所示：

图3.1 小带轮
②大带轮如图3.2所示：

图3.2 大带轮
3.1.3 齿轮的设计计算
双轴头系统是本设备的核心部件，是被加工零件的执行机构。
双轴头系统主要由3个齿轮组成，分别安装在三根轴上，其中中间一根轴由电动机经由V带带动，中轴上的齿轮为主动轮，另外两个尺寸完全相同齿轮分布在主动轮两侧，分别于主动轮啮合。这样，就实现了一个电动机带动两个钻头转动的目的。
主动轮和从动轮安装在齿轮箱中，都采用分离式安装（即齿轮和轴分离的结构），可以方便齿轮的安装与调试。另外，本机床对齿轮之间的中心距有特殊的要求，所以在设计齿轮及齿轮箱时应注意这一方面的问题。
主、从动轮的运动直接与加工有关，所以主从动轮的结构是非常重要的。下面分别对主动轮和从动轮的结构和受力情况进行分析。
在确定齿轮的尺寸之前，首先确定电机的功率，这里选用是3KW的电机。
1）选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数
①确定传动方式，选用直齿圆柱齿轮传动。
①本专用钻机为一般工作机器，速度不高，故选用7级精度。
③材料选择。由《机械设计》表10-1选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为28，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。
④选择传动比i=2.38。选小齿轮齿数=24，大齿轮齿数=2.3824=57.12，取=57。
2）按齿面接触强度设计
由设计计算公式进行试算，即
(3.12)
①确定公式内的各计算数值
a．试选载荷系数。
　b．计算小齿轮的转矩。
(3.13)
其中，，
所以：

c．由表10-7选取齿宽系数。
d．由表10-6查得材料的弹性影响系数。
e．由图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度极限。
f．由式10-13计算应力循环次数。
设计寿命15年，一年工作日300天，每天工作两次，一次8个小时。所以：
(3.14)

g．由图10-19取接触疲劳寿命系数；。
h．计算接触疲劳许用应力。
取失效概率为1%，安全系数S=1，由式（10-12）得
　　　　　　　 　　　 (3.15)
　　　　　　　　 (3.16)
②计算
a．试用小齿轮分度圆直径，代入中较小的值。
(3.17)
b．计算圆周速度v。
(3.18)
c．计算齿宽b。
（3.19）
d．计算齿宽与齿高之比。
模数
齿高

e．计算载荷系数
根据v=1.443m/s，7级精度，由图10-8查得动载系数；
直齿轮，；
由表10-2查得使用系数；
由表10-4用插值法查得7级精度、小齿轮相对支承非对称布置时，。
由，查图10-13得；故载荷系数
（3.20）
f．按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式（10-10a）得
（3.21）
g．计算模数m。
（3.22）
3）按齿根弯曲强度设计
由式（10-5）得弯曲强度的设计公式为
（3.23）
①确定公式内的各计算数值
a．由图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限；大齿轮的弯曲疲劳强度极限；
b．由图10-18取弯曲疲劳寿命系数， ；
c．计算弯曲疲劳许用应力。
取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由式（10-12）得
(3.24)
(3.25)
d．计算载荷系数K。
(3.26)
e．查取齿形系数。
由表10-5查得 ；。
f．查取应力校正系数。
由表10-5查得 ；
g．计算大、小齿轮的并加以比较。

大齿轮的数值大
②设计计算

对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，二齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数1.724并就近圆整为标准值m=2，按接触强度算得的分度圆直径，算出小齿轮齿数

大齿轮齿数
，取
这样计算的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。
4）几何尺寸计算
①计算分度圆直径

②计算中心距

③计算齿轮宽度

取， 。
5）齿轮结构设计
　①主动轮如图3.3所示：

图3.3 主动轮
②从动轮如图3.4所示：

图3.4 从动轮
3.1.4 轴的设计
轴是组成机器的主要零件之一，一切做回转运动的传动零件都必须安装在轴上才能进行运动和传递动力。因此，轴的主要功用是支承回传零件及传递运动和动力。
按照承受载荷的不同，轴可以分成以下三类：
1）转轴：工作中及承受弯矩又承受扭矩的轴。
2）心轴：只承受弯矩而不承受扭矩的轴。
3）传动轴：只承受扭矩而不承受弯矩（或弯矩很小）的轴。
本课题中的轴虽然都应属于转轴，但受到的弯矩较小。
在设计轴类零件时，应该从结构设计和工作能力两方面入手进行分析。
轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理的确定轴的结构形式和尺寸。
轴的工作能力计算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的计算。
进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况，采取相应的计算方法，并恰当的选取需用应力。对于传动轴，应按扭转强度条件进行计算；对于心轴，应按弯曲强度进行计算；对于转轴，应按弯矩合成强度条件进行设计计算，需要时，还应按疲劳强度条件进行精确校核。此外，对于瞬时过载很大获应力循环不对称性较为严重的轴，还应按峰尖在和校核其静强度，以免产生过量的塑性变形。[9-10]
按钮转强度条件计算，这种方法是只按轴所受的扭矩来计算轴的强度；如果还受有不大的弯矩时，则用降低许用扭转切应力的办法予以考虑。在做轴的结构设计是，通常用这种方法初步估算轴径。对于不大重要的轴，也可作为最后计算结果。轴的扭转强度条件为：
(3.27)
式中：——扭转切应力，MPa；
T——轴所受的扭矩，；
WT——轴的抗扭截面系数，；
n——轴的转速，；
P——轴传递的功率，Kw；
d——计算截面处轴的直径，mm；
由上式可得轴的直径
(3.28)
式中，，查《机械设计》表15-3。
对于空心轴，则
(3.29)
应当指出，当轴截面上开有键槽是，应增大轴径以考虑键槽对周的强度的削弱。对于直径d>100mm的轴，有一个键槽时，轴径增大3%；有两个键槽时，应增大7%。对于直径的轴，有一个键槽时，轴径增大5%~7%；有两个键槽时，应增大10%~15%。然后将轴径圆整为标准直径。应当注意，这样求出的直径，只能作为承受扭矩作用的轴段的最小直径dmin。[11]
1）零号轴的设计计算
零号轴是齿轮箱中的承载主动轮的轴，又电动机通过传送带带动，其上开两个键槽；材料：45钢； =30MPa， =120。
(3.30)

故取轴径不小于23.955~25.044mm，其尺寸如图3-5所示：

图3.5 零号轴
2）一号轴的设计计算
1号轴轴端与钻夹头相联，其上开一个键槽；材料：45钢； =40MPa， =105。

故取轴径不小于26.374~26.876mm，其尺寸如图3-6所示：

图3.6 一号轴
在设计轴的过程中，由于尺寸的限制，轴应设计的较长，故本方案将轴进行一定的加粗。
零号轴的轴承选用30207圆锥滚子轴承，一号轴选用30206圆锥滚子轴承。

3.2 其他零件的设计与选择
3.2.1 丝杠的选择
螺旋传动一般是将旋转运动变成直线运动，或反过来将直线运动变为旋转运动，并同时进行能量和力的传递。
螺旋传动按用途不同可分为：
1）传力螺旋：它以传递动力为主，要求以较小的转矩产生较大的轴向推力，用以克服工件阻力，如各种起重或加压装置的螺旋。
2）传导螺旋：它以传递运动为主，有时也承受较大的轴向载荷，如机床进给运动的螺旋等。
3）调整螺旋：他用以调整、固定零件的相对位置，如机床、仪器及测试装置中的微调机构螺旋。
螺旋传动按其螺旋副的摩擦性质不同，又可分为滑动螺旋（滑动摩擦）、滚动螺旋（滚动摩擦）和静压螺旋（流体摩擦），所以，丝杠也可分为这三类。[12]
1）滑动丝杠：
①结构简单，加工方便，成本低廉。
②当螺纹升角小于摩擦角时，能自锁。
③传动平稳
④摩擦阻力大，效率较低。
⑤磨损快
⑥低速及微调时可能出现爬行
2）滚动丝杠（滚珠丝杠）：

图3.7 滚珠丝杠

①传动效率高
②摩擦力矩小，接触刚度高，使温升及热变形减小，有利于改善主机的动态特性和提高工作精度。
③工作寿命长。
④传动无间隙，无爬行，运转平稳，传动精度高。
⑤具有很好的高速性能。
⑥不能自锁。
⑦抗冲击振动性较差。
⑧承受径向载荷的能力差。
⑨结构较复杂，成本较高。
3）静压丝杠：

图3.8 静压丝杠
①摩擦阻力小，传动效率高。
②承载能力大，刚度大，抗振性好，传动平稳。
③磨损小，寿命长。
④定位精度高。
⑤传动具有可逆性。
⑥结构复杂，加工困难，安装调整较困难。
⑦不能自锁。
⑧需要一套压力稳定、温度恒定、过滤要求较高的供油系统。
本方案的丝杠主要用来控制机床的X、Y、Z的轴向运动，速度低，承载力较小，需要自锁，所以本方案选择的丝杠为滑动丝杠。
滑动螺旋工作时，主要承受扭矩及轴向拉力（或压力）的作用，同时在螺杆和螺母的旋合螺纹间有较大的相对滑动。其失效形式主要是螺纹磨损，所以在选择丝杆时应从耐磨性条件入手进行计算。对于受力较大的传力螺旋，还应该校核螺杆危险截面以及螺母螺纹牙的强度，以防止塑性变形或断裂；对于要求自锁的螺杆应该校核其自锁性。
本方案需要三根丝杠控制齿轮箱上下移动的丝杠受到较大的轴向力，而另外两根几乎不受轴向力，故主要设计计算竖直丝杠。
螺纹工作面上的耐磨性条件为：
(3.31)
上式可作为校核计算用。为了导出设计计算式，令，则，整理后得：
(3.32)
对于矩形和梯形螺纹，h=0.5P，则
(3.33)
对于30°锯齿形螺纹，h=0.75P，则
(3.34)
本方案选用的是梯形螺纹，由于螺母需要支承重量，所以φ取3。设计螺杆的轴向力为10KN，根据表5-12选择[p]=10Mpa。所以：

根据国标，公称直径d=20mm，螺距P=2。
自锁性演算：
由于为单头螺纹，导程S=P=2。
=arctan=arctan=1.919° (3.35)
查表5-12得f=0.11~0.17，取0.15。可得：
(3.36)
故自锁可靠。
3.2.2 机架的设计
机架是机床的承载部件，机架的大小直接决定了机床总体尺寸的大小，故在设计时应注意各部分的尺寸，还应留够扳手空间。
本方案的机架主要分为三个部分，立柱，床身和齿轮箱承载部件。
其中，立柱与齿轮箱承载部件通过T型槽相互配合，又通过竖直的丝杠控制承载部件的上下移动。立柱放置在平台上，也是通过T型槽和丝杠与平台相连，控制机床的进给运动。
3.2.3 夹具的选择
本方案夹具可以有很多种选择，推荐使用可以调整角度的机用虎钳。
虎钳，是利用螺杆或其他机构使两钳口作相对移动而夹持工件的工具。一般由底座、钳身、固定钳口和活动钳口，以及使活动钳口移动的传动机构组成。

图3.8 机用虎钳
虎钳按照使用的场合不同，可以分为钳工虎钳和机用虎钳等。钳工虎钳是钳工在进行锯、锉等加工时固定在工作台上，供夹持工件用的夹具。钳工虎钳一般钳口较高，呈拱形，钳身可在底座上任意转动并紧固。机用虎钳有多种类型，按精度可分为普通型和精密型。机用虎钳是一种机床附件，一般安装在铣床、钻床、牛头刨床和平面磨床等机床的工作台上使用。机用虎钳钳口宽而低，夹紧力大，精度要求高。[13]
这里推荐使用的可调角度式虎钳可以很好的与本方案的卧式双头钻床相互配合，通过调整角度，本机床可以在斜坡上加工孔或螺纹，大大扩展了本钻床的使用范围。

图3.9 可调角度的机用虎钳
3.2.4 轴承的选择
轴承是用于确定旋转轴与其他零件相对运动位置，起支承或导向作用的零部件。
根据轴承中摩擦性质的不同，可把轴承分为滑动摩擦轴承（简称滑动轴承）和滚动摩擦轴承（简称滚动轴承）两大类。
滚动轴承由于摩擦系数小，起动阻力小，而且它已标准化，选用、润滑、维护都很方便，因此在一般机器中应用较为广泛。
滚动轴承按照承受的外载荷不同，可概括的分为向心轴承、推力轴承、和向心推力轴承三大类。
向心轴承指主要承受径向载荷的轴承，推力轴承只能承受轴向载荷，而向心推力轴承可以同时承受径向载荷和轴向载荷。

图3-9 向心轴承

图3-10 推力轴承

图3-11 向心推力轴承
深沟球轴承主要用于承受纯径向载荷，也可同时承受径向载荷和轴向载荷。当其仅承受纯径向载荷时，接触角为零。当深沟球轴承具有较大的径向游隙时，具有角接触轴承的性能，可承受较大的轴向载荷。深沟球轴承的摩擦系数很小，极限转速也很高，特别是在轴向载荷很大的高速运转工况下，深沟球轴承比推力球轴承更有优越性。
深沟球轴承结构简单，与别的类型相比易于达到较高的制造精度，所以便于成系列大批量生产，制造成本也较低，使用极为普遍。
但是深沟球轴承并不能承受较大的轴向力，本方案中的轴承需要承受一定的轴向力，所以圆锥滚子轴承的优点就体现出来了。
圆锥滚子轴承主要承受以径向为主的径、轴向联合载荷。轴承承载能力取决于外圈的滚道角度，角度越大承载能力越大。该类轴承属分离型轴承，根据轴承中滚动体的列数分为单列、双列和四列圆锥滚子轴承。圆锥滚子轴承有圆锥形内圈和外圈滚道，圆锥滚子排列在两者之间。所有圆锥表面的投影线都在轴承轴线的同一点相聚。这种设计使圆锥滚子轴承特别适合承受复合（径向与轴向）负荷。轴承的轴向负荷能力大部分是由接触角α决定的；α角度越大，轴向负荷能力就越高。
圆锥滚子轴承广泛用于汽车、轧机、矿山、冶金、塑料机械等行业。[14-15]

5 结 论
本文在研究了众多国内外先进机床技术、查阅了众多研究资料的基础上，完成了双头钻床的结构设计，并绘制了装配图与主要零件的零件图，较好的完成了本课题的任务与目的。本方案借鉴了很多国内外先进的钻床方面的书籍、文章与发明专利，从几个方面全面的介绍了本课题的双头钻床：
（1）进行了结构上的设计研究，通过对比多种方案，最终确定了这种最优方案。
（2）进行了各个零件，如齿轮、皮带轮等的尺寸计算与校核，并用绘图软件绘制了零件图。
（3）从各个零件的选型，整体选材等方面详细的介绍了这方面的研究方向与先进技术。
（4）介绍了一些绘图软件的先进功能与使用方法等。
由于设计时间较短而且内容很多，所以还有很多的缺陷与不足之处，还有一些设计方面的不合理，不过总体来说，本文介绍的双头钻床想法是有新意的，还有很大的研究空间，所以在今后的研究中，本方案还会更加的发展与完善。

参 考 文 献
[1] 孙靖民等主编．现代机械设计方法选讲[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2005.8:50-58
[2] M. Mangra, S. Gheorghe, C. Teisanu. Study on Wear Guiding Bushes of Drills [M]. Craiova Univ