中心孔打孔机的设计项目说明指导书.doc

湘潭大学兴湘学院专业课程设计说明书 题 目 中心孔打孔机设计 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 机械6班 学 号 964406 姓 名 方海军 指导老师 陈睿 完成日期 年 01 月 22 日 摘 要中心打孔机,包含机壳、电机座、电机导轨和两个压杆,所述机壳内含有推块,机壳顶部含有螺母,螺杆一端经过螺母穿过机壳顶部和推块相连,电机导轨和机壳固定连接,电机座经过电机导轨和机壳滑动连接,电机座内含有电机,电机输出端连接有动力头;所述推块下端含有滚轮,推块中部两侧对称开有向上两个斜槽,每个压杆一端装有导向轮,导向轮在斜槽内滑动,每个压杆中部经过回转销和机壳转动连接,每个压杆另一端也均装有滚轮。本实用新型中心打孔机,不仅能快速夹紧工件,三点快速夹紧,自动定心,实现自动打中心孔目标。中、长圆钢工件，加工时圆跳动大，通常须预先钻好中心孔后，再用顶尖定位一端进行车削加工。本设计目标在于设计一个专用中心孔钻孔设备，可方便地对圆钢工件进行中心孔钻孔操作。关键字：中心钻孔； 中心定位； 带传动； 花键传动 AbstractCenter punch, including chassis, motor, rail, and two compressive bar inside the casing has stated push block, the top of the chassis with a nut, one end of the screw nut, through the top of the chassis and blocks are linked together, motor guide rail and the casing is fixed, the motor seat by machine guide rail and slide casing connection, motor seat is, the output of the motor connection power head; As described in the lower end of the block with a roller, block in the middle of the bilateral symmetry runs up two chute, each one end of the push rod is equipped with guide wheel, guide wheel sliding inside the chute, each lever through back to resellers and chassis rotation connection, in the middle of each lever and on the other side of the roller. Center punching machine of the utility model not only can fast clamping workpiece, three fast clamping, automatic centering, the purpose of realizing automatic centering.Round beat, in the long round steel workpiece, processing, generally after good center hole drill in advance, then using top positioning end cutting processing. The purpose of this design is to design a special center hole drilling equipment, easily on round steel workpiece center hole drilling operation.Key words: Center hole； Center positioning；Tape drive；Spline drive目录1 序言.12 中心孔打孔技术原理分析和方案选择.22.1 中心孔打孔技术要求分析.22.2 打孔机基础原理分析和方案选择.23 系统总体方案设计.43.1 系统总体方案设计.43.2 各功效模块方案设计.43.3 确定总体布局.43.4 实施机构分析及设计.54 系统能量流设计.64.1 系统能量流设计.64.2 动力机选型.65 系统（带传动）设计.85.1 确定传动比.85.2 计算功率.85.3 选择带型 .85.4 确定带轮基准直径.85.5 确定中心距和带基准长度.95.6 验算主动轮上包角.95.7 确定V带根数 .95.8计算初拉力.105.9计算作用在带轮轴上力.105.10带轮材料及结构.106 轴设计和校核.126.1带轮传动轴设计和校核.126.2花键轴设计和校.127 大带轮轴承校核.168 图例.189 结束语.2010参考文件.21 1 序言中、长圆钢工件，因其尺寸长，加工时圆跳动大，通常需要预先钻好中心孔后，再用顶尖定位一端进行车削加工。但受车床主轴内孔直径限制，当圆钢直径过大时，不能把其装入车床主轴内钻中心孔，对于这种情况通常钻中心孔方法是把圆钢压放在镗床工作台V型铁上定位，经过镗削加工而成。用镗床钻中心孔，每次全部需要装卸工件、找正中心和主轴镗削进给等操作，效率比较低，且镗床价格贵，用它钻中心孔经济上不合理，所以有必需寻求一个经济实用钻中心孔方法。其实钻中心孔过程比较简单，中心孔转速基础能够固定，通常为500-800/min，所以能够设计一个功效简单、转速固定设备钻中心孔。 2 中心孔打孔技术原理分析和方案选择2.1 中心孔打孔技术要求分析中心孔是轴类零件基准，又是轴类零件工艺基准，也是轴类零件测量基准，所以中心孔对轴类零件作用很关键。中心孔有：60,、75、90度，其基准是60、75、90度圆锥面。同时也是轴类零件加工工作面，所以，中心孔工作面质量好坏，直接影响轴类零件外圆质量。在中心孔加工时，工艺方法关键从提升圆锥面质量和加工效率两个方面进行编制，所以依据轴类零件不一样精度等级要求和企业生产现实状况，确定加工中心孔工艺方法以下：1（1） 零件标准公差等级要求为IT10IT12时，其标准公差值在0.040.012mm之间。中心孔工艺为：车外圆车端面钻中心孔。（2） 零件标准公差等级要求为IT8IT9时，其标准公差值在0.0140.036mm之间，中心孔工艺为：车外圆车端面钻中心孔车端面钻中心孔热处理研中心孔圆锥面。（3） 零件标准公差等级要求为IT6IT7时，其标准公差值在0.006-0.012mm之间。中心孔工艺为：粗车热处理（调质）车外圆车端面钻中心孔车端面钻中心孔粗研中心孔圆锥面热处理研中心孔圆锥面。以上加工中心工艺方法：首先确保零件两端中心孔轴线同轴度误差控制在公差要求范围之内，其次确保中心孔圆锥面几何形状误差和表面粗糙度控制在许可范围之内，达成提升加工效率，降低加工成本目标。加工中心孔圆锥面加工方法有很多，最常见加工方法为中心钻直接加工圆锥面。所以能够设计一个功效简单、转速固定设备钻中心孔。2.2 打孔机基础原理分析和方案选择加工中圆钢有三爪卡盘实现夹紧定位。圆钢工件成批地放在水平平台上，并能够在上面滚动。平台上表面水平，这么每个工件中心高度相对一致，每批工件在钻中心孔时水平平台高度只需要调整一次即可。又因工件成批放在水平平台上，更换工件只需要经过滚动实现，无须再使用吊装方法，装卸时间大为减低。机械传动过程为：电动机经过皮带轮把动力传输到装有钻头花键轴上，操作驱动花键轴前 后移动实现进给运动，完成中心孔钻削加工。进给运动采取结构简单且轻易实现拨叉方法，手柄带动拨叉运动，然后经过螺栓、轴承等把进给力传输到花键轴上。调整好钻夹头中心位置和三爪卡盘中心重合，当卡盘夹紧圆钢工件外圆后，中心钻中心和圆钢工件圆心就会一致，所以确保了工件中心孔位置尺寸。23 系统总体方案设计，各功效模块方案设计，确定总体布局3.1 系统总体方案设计此系统关键包含：工件夹持装置，动力系统，进给装置三部分。工件夹持装置关键为一般可调整高度水平平台和一个三爪自定心卡盘；动力装置为电动机及皮带轮机构、可实现轴向运动花键轴；进给装置为手柄带动拨叉拨动固定在花键轴上轴套带动轴实现轴向进给运动。3.2 各功效模块方案设计3.2.1 工件夹持装置初步选定卡盘为比较廉价段圆柱型三爪卡盘，因为此打孔机关键针对大直径工件，故依据GB/T 4346. 1表2内短圆柱卡盘参数选择卡盘直径最大D为630mm卡盘。3.2.2 动力装置因为工作制为断续周期工作制，载荷很小，故选择电动机为Y系列三相异步电动机，型号初定为Y8014。皮带传动为一般V带传动。3.2.3 进给装置轴向进给运动实现要考虑到主轴高速转动影响，需要特殊处理，是设计关键。初步设计为人工扳动手柄转动产生扭矩，经过销轴传输带动拨叉旋转，拨叉又拨动传动螺栓移动，传动螺栓和轴承套为螺纹连接，于是经过轴承套和轴承传输，花键轴能够实现进给运动。3.3 确定总体布局 图1 中心孔打孔机结构1. 卡盘 2. 钻夹头 3. 花键轴 4. 手柄5. 大皮带轮 6.小皮带轮 7.电动机 总体布局图图1所表示。包含定位夹紧部分和传动进给部分。定位加紧部分由卡盘1和设备架体等组成，实现工件定位夹紧。传动进给部分由钻夹头2、花键轴3、大手柄4、大皮带轮5、小皮带轮6和电动机7组成，能够实现钻夹头转动和轴向进给两种运动，完成钻中心孔加工。3.4 实施机构分析及设计 图2 进给结构示意图1.孔用弹性挡圈 2.深沟球轴承 3.轴承套 4.轴用弹性挡圈5.花键轴 6.传动螺栓 7.拨叉 8.手柄要让高速转动花键轴5能够产生轴向运动，需要经过轴承2来实现。因为钻中心孔进给力不是很大，轴承2能够采取深沟球轴承，它能承受一定轴向力，而且采取单个轴承传动能有效缩小结构体积，使设备简单轻便。轴承轴向定位利用两个弹性挡圈1和4，弹性挡圈承载性能不是很好，不过它们只是在中心钻头钻孔完成退出工件时才承受较小轴向力，工作进给力靠轴承套3和轴承2传输，所以不会因受力过大而受到损坏。整个结构中关键零件是轴承套3，它连接着轴承2和传动螺栓6，要把传动螺栓6径向力传给轴承2产生轴向力，起到转换器作用。为了使深沟球轴承能够长久稳定工作，不至于因为偏载而失效，拨叉7采取双拨叉结构，它们焊接在一个连接座上成为一体同时运动，共同推进轴承套3移动。拨叉7和手柄8连接结构为两个销轴座和两根销轴，它们全部安装在设备整体结构下部，能够有效节省空间及降低外界物品干扰。主轴进给运动过程为：人工扳动手柄8转动产生扭矩，经过销轴传输带动拨叉7旋转，拨叉7又拨动传动螺栓6移动，传动螺栓6和轴承套3为螺纹连接，于是经过轴承套3和轴承2传输，花键轴5能够实现进给运动。钻中心孔时中心孔钻孔深度基础固定，无须采取标尺标识，只需加一限位块限制拨叉前进位置即可，可将一个螺母焊接在设备架体上，旋入一个内六角螺钉并顶到拨叉上限位，螺钉伸出长度能够调整，能够满足多个规格尺寸中心孔加工要求。3 4 系统能量流设计，包含动力机选型，传动系统设计4.1 系统能量流设计电动机 带轮花键轴 图3 能量流布局框图4.2 动力机选型 按工作条件和工作要求，选择通常见途Y（IP44）系列三相异步电动机，它为卧式封闭结构。4.2.1 电动机容量因为工作制为断续周期工作制，载荷很小，对输出功率没有尤其要求，能够选择较小输出功率。所需电动机功率为 (1)总效率 (2) 式中0、1、2、3分别为联轴器效率、带传动效率、大带轮轴承效率、花键轴轴承效率。4.2.2 电动机转速 为了便于选择电动机转速，先推断电动机转速可选范围。V带传动比i1=24,输出转速要求为500800r/min,则电动机转速可选范围为 Nd=nwi1=10003200r/min 综合考虑经济原因、转速和工作条件，选定电动机型号为Y90S-4; 能够满足设计要求，技术参数见图表1。4表1 Y90S-4 电动机参数型号 额定功率 (Kw)满载转速 (r/min) 堵转电流 (A) 额定转矩堵转转矩Y90S-41.114001102.32.3 5系统（带传动）设计带传动中，带为中间绕性并靠摩擦力工作，所以能缓冲和吸振；运行平衡无噪声；过载时将引发带在带轮上打滑，所以可预防其它零件损坏；可增加带长以适应中心局较大工作条件，且结构简单，在近代机械中被广泛采取。在带传动中，常见有平带传送、V带传动和同时传动。不过，在通常机械传动中，应用最广是V带传动。V带截面呈等腰梯形，带轮上也作出轮糟。传动时，V带和轮糟两个侧面接触，即以两侧面为工作面。依据轮糟摩擦原理，在一样张紧力作用下，V带传动能产生更大摩擦力，这是V带传动性能上最关键优点。在传动功率相同时，V带张紧力和包角均较小，故可取得较大传动比和较小中心距。再加上V带传动许可传动比大，结构较紧凑，和V带已标准化并大量生产等优点，选择V带传动。一般V带有顶胶、抗拉体、底胶和包布组成。抗拉体能够是胶帘布或胶绳心。绳心结构柔韧性好，适用和转速较高，载荷不大和带轮直径较小场所，一般V带全部制成无接头环形。带轮设计时应满足要求：结构工艺性好；无过大铸造内应力；重量轻。带传动设计准则：因为带传动关键失效形式为打滑和疲惫破坏。所以带传动设计时在确保带传动不打滑条件下，含有一定疲惫强度和寿命。5依据电动机类型和轴径选择。已知电动机型号为Y90S-4，轴直径为24mm，电动机转速nw=1400r/min,电动机功率Pd=1.1kw。5.1 确定传动比,式中n为输出轴转速，其值n=500-800r/min,nw=1400r/min,带入式中求得 i=1.7-2.7,取i=2.1。5.2 计算功率Pca工作情况系数KA=1.1 ,Pca=KAPca=1.21kw (3)5.3 选择带型 依据PC=1.21kw,n1=1400r/min,选为Z型5.4 确定带轮基准直径D1和D2初步选定小带轮基准直径D1，取D1=63mm计算从动轮基准直径D2D2=iD2=132mm验算带速：带速太高，会因离心力太大而减低带和带轮之间正压力，从而减低摩擦力和传动工作能力，同时也减低带疲惫强度，带速太低，所需要效应力F大，要求带根数多，所以6 (4)5.5 确定中心距a和带基准长度Ld带传动中心距过小，虽使传动紧凑，带长就短，在一定速度下，单位时间内带应力改变次数就多，加速带疲惫破坏。当传动比较大时，短中心距将造成包角过小，带传动中心距不宜过大，在速度较高时轻易引发带颤动，所以：初步选定中心距a=1.5（d1+d2）=1.5195=292.5mm取a=300mm符合0.7（D1+D2）a2（D1+D2）依据带传动几何关系，按下式计算所需带基准长度Ld: (5)依据Ld查表选择Ld相近V带基准长度Ld=1000mm，则能够计算V带中心距 (6)考虑安装调整和补装预紧力（如带伸长而松弛后张紧）需要，中心距变动范围为 amin=a-0.015Ld=330m amax=a+0.03Ld=375mm 5.6 验算主动轮上包角1 小轮包角愈小，传动愈轻易产生打滑，带工作能力不能充足发挥，所以应确保 (7)5.7 确定V带根数 z 计算单根V带额定功率Pr 由D1=63mm和n1=1400r/min,查得p0=0.25kw, 依据n1=1400r/min，i=2.1和Z型带，可知p0=0.03kw。 另查得 于是 (8)计算V带根数z 取4根。5.8计算初拉力初拉力计算公式为： (9)式中q为V带每米长质量， q=0.10kg/m，应使带实际初拉力5.9计算作用在带轮轴上力 (10)式中是小带轮包角，z是V带根数。 max=1.5=1911Nmax考虑新带初预紧力为正常预紧力1.5倍5.10带轮材料及结构 V带轮材料关键采取铸铁HT150或HT200；转速较高时宜采取铸铁（或用钢板冲压，焊接而成）；小功率传动时可用铸铝或塑料等，依据本机械选择电动机功率大小和工作要求，选铸铁为带轮材料。铸铁V带轮经典结构有：1）实心式；2）腹板式；3）孔板式；4）椭圆轮辐式依据设计要求，带轮采取实心式，选择材料HT200。7依据查表查Z型带截面尺寸。带轮基准节宽(mm)基准线上槽深（mm）基准线下槽深（mm）槽间距为（mm）第一槽对称面至端面距 （mm）最小轮缘厚度（mm） 外径 （mm）带轮宽（mm） 8.52.0 7.0 120.3 71 5.5 67 50 外径: da=dha=6322=67mm带轮宽:，代入数据，得=50mm轮毂 L=（1.52）d=22键：3X3 长度：22因为多种材质V带全部不是完全弹性体，所以V带在张紧力作用下，经过一段时间运转后，就会因为塑性变形而松弛，使张紧力F0减小，传动动力能力降低。所以，带传动必需设计张紧装置。常见张紧装置有定时张紧和自动张紧两类。8 6轴设计和校核6.1带轮传动轴设计和校核6.1.1选择轴材料并确定许用应力（1） 选择45钢正火处理（2） 强度极限（3） 其许用弯曲应力6.1.2确定轴输出端直径（1） 按扭转强度估算输出端直径。（2） 取A=110 (11)(3)考虑有键槽，将直径增大5%，则取轴直径为整数=11mm此段轴经过联轴器和电动机轴相连，所选直径和长度应和连轴器相符(4)轴转矩 (12)联轴器计算转矩,，则查GB/T 5843-，GY3连轴器满足转速及转矩要求，孔径为20mm,和轴相配合部分长度为38mm。轴和小带轮相配合，小带轮宽度为50mm，取轴长为100mm,一端倒螺纹。6.2花键轴设计和校核6.2.1求输出轴上功率、转速和转矩系统传动总效率花键轴输出功率 花键轴转速 花键轴转矩 6.2.2求作用在轴上力 由带轮设计校核中知，花键轴所受力为1274N按扭转强度条件计算轴最小直径6.2.3材料45钢，正火处理；花键轴承受轴向载荷，A取较大值，故取A=120 (13)考虑有键槽，将直径增大10%，则取轴直径为整数=16mm6.2.4 轴结构设计首先确定轴上零件装配方案，然后逐步确定各段直径长度和大小。 图4 轴结构草图1段和钻夹头相连，基础确定长度为113mm，锥度为1:10，最小直径为24mm；2段套入轴套和深沟球轴承，初定为6016，长度为180mm，直径为48mm；3段长度初定为31mm，直径为59mm；4段配合轴承，初定为深沟球轴承6010并配合轴套，长度为91mm，直径为50mm；5段为花键连接大带轮，规格为842488mm,初定长度为187mm。然后计算轴承支反力确定简支梁轴支撑跨距L=36.4+45+34.9=116.3mm。依据图5列出平衡方程，求解支反力：H面：FNH1 + FNH2- Ft1-Ft2-Ft3=0 Ft1(L1+L)-FNH1L+Ft2(L3+L4)+Ft3L4=0V面：FNV1+FNV2-Fr1-Fr2-Fr3=0 Fa1-Fa2-Fa3-FNV2=0 Ma1+Ma2+Ma2+Fr2(L3+L4)+Fr3L4-Fr1(L1+L)-FNV1L=0经计算：FNH1=2915N; FNH2=-177N; FNV1=-399N; FNV2=213N; FNV2=123N轴上载荷已经求出，所以能够计算轴弯矩和扭矩。轴弯矩和扭矩图5所表示。从图5中，能够看出截面B是轴危险截面，计算截面B总弯矩： (14)6.2.5按弯矩合成应力校核轴强度 进行校核时通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩截面（即危险截面B）强度。依据机械设计式（15-5），取=0.6，轴计算应力： =63.2MPa (15) 图5 轴载荷分布图前已选定轴材料为45钢，正火处理，-1=60MPa。ca-1,故轴强度不够，应考虑加大轴直径大小。若取截面B处直径为35mm，经重新计算得出ca=23.04MPa, ca-1满足强度要求。 7. 大带轮轴承校核大带轮轴承采取6016型号深沟球轴承，大带轮轴负载最大，所以，只需校核该轴轴承寿命，如该对轴承满足寿命要求，那么其它轴承也应满足寿命要求。（1）6016型号轴承C=16200N，C0=11800N（2）轴承预期计算寿命Lh=0h（3）由上述求轴负载时已求得:FNH1=2915NFNH2=-177NFNV1=-399NFNV2=213NFNV2=123N则能够求得两轴承受到径向载荷Fr1和Fr2。计算过程以下：（4） 求两轴承计算轴向力Fa1和Fa2，轴承受力分析图4所表示。 图6 轴承受力分析 对于70000C型轴承，按机械设计表13-7，轴承派生轴向力Fd=eFr,e值由Fa/C0确定。但现轴承轴向力Fa未知，故取e=0,4，所以可估算：Fd1=0.4Fr1=0.42942=1177NFd2=0.4Fr2=0.4277=111NFae=FV2=123(方向和FNV2相反)按机械设计式（13-11）得：Fa1=Fd1=1177=1177NFa2=Fd1Fae=1177-123=1054NFa1/ C0=1177/26800=0.0439Fa2/ C0=1054/26800=0.0392进行插值计算，得e1=1.415,e2=0.411。再计算：Fd1=e1Fr1=0.4152942=1221NFd2=e2Fr2=0.411277=114NFa1=Fd1=1221NFa2=Fd1Fde=1221121=1098NFa1/C0=1221/26800=0.0456Fa2/C0=1098/26800=0.0410两次计算Fa/C0值相差不大，所以确定e1=1.415,e2=0.410，Fa1=1221N， Fa2=1098N。（5） 求轴承当量动载荷P1和P2。因为： 插值计算径向载荷系数和轴向载荷系数为：对轴承1：X1=1，Y1=0对轴承2:0.44，Y1=1.044因轴承运载中有中等冲击载荷，取fp=1.5.则：P1=fp(X1Fr1Y1Fa1)=1.5(1294201221)=4413NP2=fp(X2Fr2Y2Fa2)=1.5(0.442771.0041098)=1836N(6) 验算轴承寿命。因为P1P2，所以按轴承1受力大小验算： (16)轴承预期计算寿命Lh=283004=0h.因LhLh，故所选轴承满足要求。 8图例图1 打孔机三维实体模型图2 打孔机三维实体模型（正）图3 打孔机三维实体模型（侧）图4花键轴三维实体模型图5 箱体三维实体模型9结束语经过30天奋战我课程设计最终完成了。在没有做课程设计以前认为课程设计只是对本年所学知识单纯总结，不过经过这次课程设计发觉自己见解有点太片面。课程设计不仅是对前面所学知识一个检验，而且也是对自己能力一个提升。经过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习东西还太多，以前老是认为自己什么东西全部会，什么东西全部懂，有点眼高手低。经过这次中心孔打孔机课程设计，我明白学习是一个系统工程，是一个长久积累过程，在以后工作、生活中全部应该不停学习，努力提升自己知识和综合素质。在设计过程中，我经过查阅大量相关打孔机资料，和同学交流经验和自学，并经过网络和学习设计辅助软件等方法，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获一样巨大。在整个设计中我知道了很多东西，也培养了我独立工作能力，树立了对自己工作能力信心，相信会对以后学习工作生活有很关键影响。而且大大提升了动手能力，使我充足体会到了在发明过程中探索艰苦和成功时喜悦。即使这个设计做也不太好，不过在设计过程中所学到东西是这次课程设计最大收获和财富，使我终生受益。 10参考文件1 濮良贵，纪名刚主编. 机械设计M. 高等教育出版社. (65)2 成大先. 机械设计手册上海科学技术出版社M.1997 (66-75)3 杨晓清. 机械和设备M北京：国防工业出版社.3 (108-152)4 陈宏钧. 实用机械加工工艺手册J. (112) 5 吴玉华. 金属切削加工技术M.1995 (83)6 孙志礼，冷兴聚，魏延刚，曾海泉主编. 机械设计M. 东北大学出版社出版. (36)7 吴宗泽机械设计实用手册M北京：化学工业出版社，.3 (28-79)8 同济大学、上海交通大学等院校.机械设计制图手册M.上海：同济大学出版社，1991 (15)9 张世亮主编. 液压和气压传动M. 机械工业出版社. (32-43)10 孟宪源，姜琪编著机构构型和应用M北京：机械工业出版社. .7 (1-56)11 和江.3m长轴钻中心孔.机械工人冷加工. 1991（07）12 王慧红. 浅谈中心孔加工工艺 （09）13 邵立宏，梁启学. 钻中心孔夹具 1995（02）14 机械设计课程设计手册. 吴宗泽 ,罗圣国 （65）15 机械设计. 濮良贵 ,陈定国 （150）