毕业设计论文-主轴轴承座端面钻孔机床设计论文.doc

济南大学毕业设计

毕业设计

题 目 主轴轴承座端面
钻孔机床设计
学 院 机械工程学院
专 业 机械工程及自动化
班 级 机自0712
学 生 姜锦涛
学 号 20070405039
指导教师 宋强

二〇一 一 年 五 月 三十一日
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济南大学毕业设计
1 前言
随着经济的迅速发展和现代化工业的需求，多轴钻床应运而生。其被应用到汽车零部件加工，农用机械零部件的加工以及大批量生产多孔零件等许多地方。多轴钻床在机加工方面有很多优点。当一个工件再同一方向上有数个孔时，用普通钻床加工时就要加工一个孔后搬动零件加工另一个孔。这样，生产率会很低，成本会大大增加。
多轴钻床与普通的钻床的不同之处在于主轴箱的结构，多轴钻床的主轴箱中中间轴带动外围排列的若干个主轴转动，主轴带动刀具转动，完成切削加工，这样就可以实现一次装夹工件一次加工完成，从而减少加工工序，缩短加工时间，提高了生产率，降低了生产成本。
多轴钻床在加工主轴轴承座端面时，具有以下优越性：
1） 加工速度快,比普通钻床效率提高很多
2） 加工质量好，孔的位置尺寸误差小，具有良好的加工精度，互换性好
3） 多轴钻床造价低廉，维修方便
4） 配置灵活
总之，制造业是国民经济的主要支柱，而先进的制造技术则是增强新产品开发和提高企业竞争力的核心。因此，多轴钻床在现代化工业生产中具有很大的意义，它大大的提高了劳动生产率，提高了孔的加工精度，减少了工人的劳动强度，同时也推动了我国制造业的迅速发展，因此我们应该加强对多轴钻床的研发。

2多轴钻床总体设计
多轴钻床的总体设计是整个机床设计的重要环节，它直接影响着机床的技术性能和经济性能。
机床的总体设计基本上有两种情况：其一：是根据被加工零件的特征进行专门的设计；其二:随着机床行业的发展，广大设计人员总结工作经验，发展机床在组成部件方面的共性，将其设计成通用部件，当需要设计机床时，就可以利用通用部件进行设计。在本设计中属于第二种情况，即设计加工主轴轴承座端面孔的多轴钻床，其属于专用机床。一般来说，机床总体设计时应考虑下列几点：
（1） 用最佳的加工工艺，制定合理的方案；
（2） 合理的选择机床通用部件；
（3） 选择当前机床的配置形式；
（4） 设计最佳的夹具，选择合适的刀具及主轴箱；
其总体布局及其传动系统如图2-1所示。

图2-1

2.1加工工件的工艺分析
在本设计中，我设计的机床是加工主轴轴承座端面孔的专用钻床。下面是所要加工的工件在扩孔后的零件图：

图2-2

由于所加工工件的外形尺寸如图2-1所示，所要完成的加工工序是对左端面上的六个大小相同12的孔进行钻孔的工作，因此为了保证加工的质量、提高生产效率和减少劳动强度，我设计了一台同时加工六个孔的六轴组合机床，从而大大提高了劳动效率。
2.2多轴钻床钻削方式设计
在钻床的工艺方法确定后，刀具和工件在钻削加工时的相对运动也就相应确定下来了。对于此组合机床有两种运动方案：其一：钻削加工的相对运动由刀具实现;其二：钻削加工的相对运动由工件来实现。
由于本机床所要加工的工件比较笨重，我选用第二种方案，即选用钻头轴向移动为进给运动，钻头的回转运动为主运动。如图2-2所示。这样可以完成重型工件的加工。

图2-2

钻头在回转过程中同时实现进给，完成对轴承座的钻孔工序。这种机床结构简单，调整方便。
2.3多轴钻床的总体布局设计
2.3.1机床总体布局的基本要求
在进行机床的总体布局设计时，需要考虑以下几个方面：
（1）要保证机床的刚度，精度，抗振性和稳定性，尽量减轻机床重量
（2）要保证安全的生产，便于操作调整和维修
（3）要保证机床结构简单，力求用较短的传动链，以及提高传动精度和效率
（4）保证良好和先进的加工工艺，利于机床的装配和加工
（5）机床外形尽量大方美观，使其符合人机学原理
2.3.2决定多轴钻床总体布局因素的分析
（1）零件的工艺方法对钻床设计的影响
专用机床上加工工件的工艺方法有很多种。设计多轴钻床时，常常因为工艺方法的改变，导致机床运动的传动部件的配制和结构发生某些变化，从而产生一定的影响。因此在确定多轴钻床的总体布局时首先要分析和选择合理的加工工艺。
多轴钻床的主运动是钻头的回转运动，工作时将主轴轴承座装在钻头正下方的专用定位机构上
（2）生产效率对总体布局的影响
机床的生产批量不同，可能导致其结构完全不同。主轴轴承座属于大批量生产。因此使用专用机床一次完成多孔加工。此方案效率高，工作台结构简单，但占用空间较大。
（3）操作的方便性影响总体方案的制定
机床的总体布局应考虑人的支配作用，需考虑以下几点：
① 由于人在机床工作中起主导作用，因此要考虑人体四肢的活动范围，以减轻工人的劳动强度。
② 合理选择立柱的位置，使之符合人的操作习惯。
③ 要便于对刀、调整和测量。
3多轴钻床的部件
我们设计的机床是组合机床，该机床由底座、工作台、立柱、夹具、动力滑台、动力箱、主轴箱等组成，如下对各个部件的功能作具体分析：
3.1底座
底座是用来支撑其它元件的。在本机床设计中多轴钻床的底座要能够承受压力和足够的抗压强度，工作时稳定，并具有减震作用。
3.2工作台
工作台用于安放工件，它与底座相连，并国定在底座上。工作台设计时要考虑其与钻模板的平行度，这样钻孔才是垂直的，保证加工的精度。
3.3立柱
在本机床设计中，立柱对主轴箱和电机起支撑作用。由于刀具沿导轨作进给运动，因此要保证导轨的平行度。
3.4夹具
孔的加工需要一定的工序，要使被加工零件的孔达到技术要求，就要保证零件的定位和加紧。如果定位不好或加紧不好可能导致孔的内部不是圆柱形而是椭圆形，从而影响了零件的质量，增加了加工成本。
3.5动力滑台
动力滑台是由滑台与滑座配套组成一个独立的动力部件。滑台在滑座导轨上移动，实现机床的进给运动。滑台有液压滑台和机械滑台两种，本设计中采用液压滑台。
3.6动力箱
动力箱是为主轴箱的刀具提供切削主运动的驱动装置。它与动力滑台和主轴箱配套使用，动力箱上安装主轴箱实现切削主运动。标准中有齿轮传动的动力箱和联轴节传动的动力箱，本设计中采用齿轮传动的动力箱。
3.7主轴箱
主轴箱是用来布置机床主轴及相应传动件的机构，通过布置齿轮把动力从电动机传递给各个主轴，获得所需要的转速等。
4多轴钻床的参数设计
多轴钻床的运动主要有主运动参数和进给运动参数。主运动是主轴运动，进给运动是由液压支持的多轴箱来实现。在确定多轴钻床运动参数之前，先要确定被加工零件的有关参数。
4.1尺寸参数
钻孔的直径6-Φ12（扩孔至Φ16.5，不用设计），孔中心的分布圆Φ235
工件材料：HT20-40，刀具材料：高速钢
采用标准麻花钻，进给量f=0.3mm/r，切削速度v=16m/min
对称孔间的中心距a=117.5mm和a=108.8mm。
4.2运动参数
钻床的运动参数包括钻头转速和进给速度。多轴钻床主运动参数为主轴转速。由于该机床只加工一种零件，因此只有一种固定转速。

其中参数含义：n-主轴转速（r/min）
v-切削速度（m/min）
d-工件或刀具直径（mm）
代入数据得：（r/min）
4.3动力参数
多轴钻床的动力参数主要指驱动机床的各种电机的功率或扭矩。下面确定钻床的动力参数：
机床主电动机的功率为：

式中参数含义：-用于切削的功率（KW）
-空载功率（KW）
-随载荷增加的机械消耗功率（KW）
（1）（KW）的计算：
计算公式：
式中参数含义：T-转矩（N·m）
v-切削速度（m/s）
r-孔半径（mm）
其中：
查表代入数据得：
（N·m）
=（KW）
（2）（KW）的计算：
机床主传动链的空载功率损失估算：

式中：-主传动链中除主轴外，所有传动轴轴颈的平均值（mm）
-主轴前后轴颈的平均值(mm)
-主轴转速为时，传动链内除主轴外各传动轴的转速之和(r/min)
-主轴转速(r/min)
-1（润滑油粘度影响的修正系数）
-10（系数）
代入数值得：（KW）
（3）（KW）的计算:
机床钻削时，传动件正压力加大，摩擦损失加大。计算公式为：

代入数据得：（KW）
所以：=2.2+0.266+0.191=2.466（KW）
根据以上计算，选取主运动电动机。查《机械设计手册》，选用型号为Y-132S,
额定功率：3 KW，满载转速：960 r/min。

5主轴箱设计
主轴箱是多轴钻床的非常重要的组成部分，可用来布置机床主轴及传动零件。通过一定传动比把动力传递给主轴，获得所需要的转速等。主轴箱主要由箱体、主轴、传动轴、齿轮、轴套等零件和通用的附加机构组成。
5.1传动系统设计
主轴箱的传动系统设计，就是通过一定的传动链把动力箱输出轴传进来的动力和转速按要求分配给主轴。
5.1.1主传动方案的设计
设计传动系统，应在保证在轴强度，刚度，转速等情况下，尽量使传动轴和齿数
最少，以保证零件规格最少，数量少，体积少；因此，在设计传动系统时，要注意下面几点：
（1） 应避免主轴带动主轴，以减少主动轴的负荷。
（2） 齿轮传动副的传动比最好选用1～1.5，但也可采用3～3.5。
（3） 粗加工主轴上的齿轮，要尽量靠近前支撑，以减少主轴的变形。
5.1.2主轴箱齿轮齿数设计
齿轮在工作时必须要有一定的强度，防止其在工作寿命期间失效，因此在齿轮设计时，要按照齿根弯曲疲劳强度及齿面接触疲劳强度两个准则计算。
（1）齿轮模数
模数计算公式：
式中：-按接触疲劳强度估算模数（mm）
-大小齿轮齿数比
-电动机功率
-齿宽系数
-最小齿轮齿数
-许用接触应力（MPa）
-小齿轮转速（r/min）
代入数据得：
圆整取m=3
（2）齿轮齿数
两对称钻头中心距与齿数关系：
式中：-两对称孔中心距
-小齿轮分度圆直径
-大齿轮分度圆直径
-齿轮模数
-小齿轮模数
-大齿轮模数
-小齿轮与大齿轮中心距
将d=117.5，m=3代入得：=78.3
由于，为齿轮齿数，则为整数，将其圆整为78，所以=80。初定=46，=34，则齿数比==1.35。主轴转速n=424.63(r/min)，则小齿轮转速为424.63(r/min)，=1.35。
设与动力箱输出轴相连的轴为I轴，轴上齿轮齿数为，与之啮合的齿轮齿数为，其所在的轴为II轴，则第II轴转速：=(r/min)，减速部分的传动比=，取=23，=32。
（3）选择齿轮类型，精度等级及材料
①由于齿轮不受轴向载荷，因此选用直齿圆柱齿轮
②由于多钻床转速不高，故选用7级精度。
③齿轮材料选择。由《机械设计》（高等教育出版社）表10-1选择小齿轮材料为45钢，硬度为240HBS,齿面硬度45HRC;大齿轮材料选用45Cr，硬度为280HBS。
5.1.3齿轮结构设计
取尺宽系数。则尺宽B==83=24（mm）
在齿轮设计中有以下两条原则：
①当齿顶圆直径小于160mm时，加工的齿轮可为实心的。
②当齿顶圆直径在160～500mm时，一般加工成腹板式结构。
（1） 小齿轮结构设计
在本设计中小齿轮的分度圆直径=（mm）
其齿顶圆直径=102+2=104<160 (mm)
因此小齿轮选用实心结构。
（2） 大齿轮结构设计
大齿轮分度圆直径，
其齿顶圆直径=138+2=140<160 (mm)
因此大齿轮也选用实心结构。
（3） 大小齿轮参数表如下：

名称
参数代号
小齿轮参数
大齿轮参数
模数
m
3
3
齿数
z
34
46
分度圆直径
d
102
138
齿顶高系数

1
1
顶隙
0.25
0.25
0.25
齿顶圆直径

108
144
齿根圆直径

94.5
130.5
齿全高
h
6.75
6.75
5.2传动件的计算和校核
5.2.1齿轮的计算和校核
1.按齿面接触疲劳强度校核
由《机械设计》（高等教育出版社）知设计计算公式：
分度圆圆直径
（1）确定公式内各数值
1） 载荷系数：
2） 计算小齿轮传递扭矩：
①由《机械设计手册》查得齿轮传递效率=0.99，联轴器效率=0.97，轴承传递效率=0.97。由于主轴箱齿轮分布为六个小齿轮分布在一个大齿轮周边，并有大齿轮带动传动，因此主轴箱输出功率为，式中含义：=3KW(电机功率)
=0.99(齿轮传递效率)
=0.97(联轴器效率)
=0.97(轴承传递效率)
将其代入得：
（KW）
②由5.1.2知=424.03（r/min）
所以，=
则作用在大齿轮的力

3）查《机械设计》齿宽系数＝0.5 ，材料的强性影响系数=189.8 ，按齿面硬度差的小齿轮得接触疲劳强度极限,。
计算应力循环系数：

查图得接触疲劳寿命系数：
，
计算接触许用应力：
取失效概率为1％，安全系数为s=1 ,由《机械设计》知：

（2）计算小齿轮分度圆直径代入[]中较小的值：

(mm)
（3）计算圆周速度V：
=
（4）计算齿宽b：=
（5）计算齿宽与齿高之比b/h：
模数
齿高

（6）计算载荷系数
根据V＝0.686m/s，7级精度，由《机械设计》图10－8查的动载系数 ＝1.05。假设直齿轮
由《机械设计》查得 ，使用系数，小齿轮相对支承对称布置时
，由，查《机械设计》得,
故载荷系数。
（7）按实际的载荷系数校正算得的分度圆直径，由《机械设计》公式得

由实际要求设计所选,因此其强度完全合格。
2．按齿根弯曲强度校核
（1）确定公式内的各个参数值
由《机械设计》得弯曲强度的设计公式为：

《由机械设计》查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限，大齿轮的弯曲疲劳度，弯曲疲劳寿命系数 ,
取弯曲疲劳安全系数，由《机械设计》得弯曲疲劳许用应力：

载荷系数==1.387
由《机械设计》查取齿形系数，；校正系数，。
大齿轮：
小齿轮:
明显小齿轮数值大
（2）计算：

由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲疲劳强度，而齿面接触强度的承载能力，而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，因此，，m=3完全符合要求。
5.2.2轴的计算
轴是机床的重要零件之一，其他零件都要装在轴上才能进行工作。因此，轴跟其他零件设计一样，主要有结构设计和工作能力等内容。
轴的机构设计就是轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等要求，来确定轴的结构形式和尺寸。轴的工作能力是指轴的强度、刚度和震动稳定性等方面内容。多数情况下，轴的结构工作能力主要取决于轴的强度。因此，在设计计算中我们只对轴的强度进行计算，防止其断裂或塑性变形。
（1）轴的设计
①主轴分布类型及主动系统设计方法：
轴的分布类型机床所加工零件是多种多样的，结构各有不同，根据老师所提供的零件图，本设计采用单组圆周分布。
②传动系统设计
主轴的分布尽管有各种各样类型，但通常采用的经济而又有效的转动是：用一根传动轴带动多根主轴。在本设计中，把所有主轴（6轴）分成一组同心圆，然后在同心圆上放置一根传动轴，来带动这组主轴。再将此转动轴与动力部件驱动轴联结起来。
（2）轴的参数设计：
①驱动轴的功率： ，转速：
大齿轮轴的功率：，转速：
小齿轮轴的功率：，转速：
②确定轴的最小直径
驱动轴的最小直径：
选取轴的材料为45号钢（调质处理），设计中考虑到键槽削弱的影响，对于单键d增大4％～5％，则圆整为30mm。
大齿轮轴的最小直径：：
选取轴的材料为45号钢（调制处理），考虑到键槽削弱影响时，对于双键d增大7％～10％（见键的校核），则圆整为40mm.。
小齿轮轴的最小直径：：
选取轴的材料为45号钢（调制处理），考虑到键槽削弱影响时，对于单键d增大4％～5％，则圆整为30mm。
5.2.3轴的结构设计
（1）主轴的结构设计
根据箱体及设计手册的多轴主轴端部尺寸，将主轴结构设计如下：

图5-1

根据轴向定位要求来确定各段的直径和长度，各轴段的长度和轴径如图所示。轴上零件的轴向定位采用平键连接。
（2）传动轴的机构设计
根据箱体及设计手册的多轴主轴端部尺寸，将主轴结构设计如下：

图5-2

根据轴向定位要求来确定各段的直径和长度，各轴段的长度和轴径如图所示。轴上零件的轴向定位采用平键连接。
5.2.4轴的校核
（1）轴上的载荷
轴的计算简图如图5－3所示：
已知
1）根据图（b)得：

代入数据得：

计算得：

图5-3 轴的载荷分析图

同理根据图(c) 计算如下：

代入数据：
计算得：

总弯矩

则弯矩图如图5－3（d）所示。
（2）轴的校核
由《机械设计》查得轴的弯扭合成强度条件为 ：

式中各参数含义：－轴的计算应力，单位为MPa
M－轴所受的扭矩，单位为
W－轴的抗弯截面系数，单位为
－对称循环变应力时轴的许用应力
计算心轴的抗弯截面系数：

所以
轴的扭转强度条件为：

式中各参数的含义： — 扭转切应力，单位为
— 轴所承受的扭矩，单位
— 轴的抗扭截面系数，单位为
— 轴的速度，单位为
— 轴传递的功率，单位为
— 计算截面处轴的直径，单位为
— 许用扭转切应力，单位为
代入数据，得

进行弯扭强度应力计算：

已选定的材料为45钢，调质处理，由设计手册查得：
因此 ，可知轴安全.
5.3轴承选用
轴承一般可分为滑动轴承和滚动轴承两个大类。滚动轴承因为摩擦系数比较小，启动阻力小，而且已经标准化了，使用、润滑、维护都非常的方便，在一般机器中得到了广泛的应用。特别适用于工作的转速特高、特大冲击和震动、径向空间尺寸受到限制或者必须剖分安装时以及在水及腐蚀性介质中。本次设计的钻床，因为在轴上工作转速不是很高,是震动比较小的机床，因此选用滚动轴承作为支承。在传动轴上，考虑到中间轴由于有一定的预紧，即会承受一定的轴向力及考虑选用、润滑、维护等的方便，因此选择角接触轴承作为支撑。经过查表及对比轴的设计，选择传动轴两边的轴承为角接触轴承。主轴由于受轴向力，在主轴一侧加一推力球轴承。
驱动轴上的角接触轴承代号为7007C，主轴上的角接触轴承代号为7005C，推力球轴承代号为51205。
5.4键的选择
键的选择一般有类型选择和尺寸选择两个方面。键的类型通常是根据连接的结构特点、使用要求及工作的条件来进行选择的，键的尺寸是按着标准的规格和强度要求来确定。键的截面尺寸是按轴径d从标准中选定的。键的长度则是按轮毂的长度而定的，键的长度一般是等于或略短于轮毂的长度。
1.大齿轮键的选择
根据大齿轮与轴的周向定位结构特点以及其使用和工作条件的要求，宜采用圆头平键。查《实用机械设计手册》表3－1选择键的型号和参数。其选用标准键长L=28mm,同时为了保证齿轮和轴配合的良好，故选取齿轮与轴的配合为H7/n6。键的标记为10×8。
2.小齿轮键的选择
根据小齿轮与轴的周向定位结构特点以及其使用和工作条件的要求，宜采用圆头平键。查《实用机械设计手册》表3－1选择键的型号和参数。其选用标准键长L=28mm,同时为了保证齿轮和轴配合的良好，故选取齿轮与轴的配合为H7/n6。键的标记为10×8。
6结 论
通过这几个月的毕业设计，把大学四年所学到知识应用在此次设计中，而且培养了独立思考和团体协作的能力，拓展了思路和发展了思维。
本次毕业设计中，主要是多轴钻床通用部件选用和多轴箱内齿轮布局的设计。将通用部件整合在一起，使其发挥整体功能。通过动力箱将一定转速传递给主轴箱。通过被加工零件来布置主轴箱内齿轮的布局，并通过一定的降速使刀具获得相应的转速。本设计采用主轴箱做进给运动，通过液压滑台的快进—工进—快退实现进给。
通过大量分析计算及查阅大量参考文献的基础上来设计轴和齿轮及选用轴承、键等，使所设计的组合机床达到一定的精度，满足加工要求。
参 考 文 献
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