机械系统课程设计摇臂钻床z3040设计说明.doc

目录
一．概述……………………………………………………………………3
1.1 Z3040摇臂钻床运动功能原理图及传动原理图………………3
1.2 Z3040摇臂钻床适用范围及主要技术参数……………………4
二. 课程设计的目的…………………………………………………………5
三. 课程设计题目，主要设计参数和技术要求……………………………6
3.1 课程设计题目和主要技术参数…………………………………9
3.2 技术要求…………………………………………………………9
四. 运动设计 ………………………………………………………………10
4.1 运动参数及转速图的确定………………………………………10
4.1.1 按典型工序，最高最低转速的确定……………………..10
4.1.2根据nmax、nmin、dmax、dmin等值，初步确定钻削速度范围………………………………………………………………………………10
4.1.3 计算主切削力、切削功率和初步估计电机功率…………11
4.1.4 转速范围……………………………………………………11
4.1.5 转速数列……………………………………………………12
4.1.6 定传动组数…………………………………………………12
4.1.7 写传动结构式，画结构图…………………………………12
4.1.8 转速图………………………………………………………13
4.1.9 传动系统图…………………………………………………14
4.2 齿轮模数初步估算…………………………………………………14
4.2.1 模数计算……………………………………………………14
4.2.2 齿轮齿数的确定……………………………………………15
4.3 基本组齿轮计算……………………………………………………16
4.4 齿轮模数的确定……………………………………………………17
4.5 齿轮模数的验算……………………………………………………19
4.6 主轴转速误差………………………………………………………21
五. 动力计算…………………………………………………………………25
5.1 计算转速计算………………………………………………………25
5.2 扩大组齿轮计算……………………………………………………26
5.3 传动轴最小轴径的确定……………………………………………28
六. 主要零部件的选择………………………………………………………31
6.1 摆动式操纵机构的设计……………………………………………31
6.2 电动机的选择……………………………………………………31
七. 校核……………………………………………………………………32
7.1 组轴组件刚度的验算……………………………………………32
7.1.1 主轴弯曲刚度的验算………………………………………33
7.1.2 主轴扭转度的验算…………………………………………33
7.2 Ⅱ轴组件的刚度验算……………………………………………33
7.2.1 Ⅱ轴刚度校核………………………………………………34
7.2.2 Ⅱ轴扭转的校核……………………………………………34
7.3 轴承寿命校核……………………………………………………34
八．结论与致谢………………………………………………………………35
九．参考文献……………………………………………………………….36

一． 概述
1.1 Z3040摇臂钻床运动功能原理图及传动原理图

摇臂钻床钻削加工的传动原理
1.7 Z3040摇臂钻床适用范围及主要技术参数
该机床适用于加工中、小型零件。它可以进行钻孔、扩孔、铰孔和攻螺纹等工作。装置其他工艺装备时，还可以进行镗孔。
该机床主轴转速和进给量变换时采用液压预选变速机构；主轴箱、 摇臂内外立柱夹紧是采用液压-菱形块夹紧机构，夹紧力大，夹紧前后主轴偏心量小；摇臂升降有保险螺母和电器保险机构，进给有钢珠安全离合器等保护装置。

主要技术参数
最大钻孔直径 40毫米
主轴中心线到立柱母线距离 350---1250毫米
主轴箱水平移动距离 900毫米
主轴端面到底座面间距离 350---1250毫米
主轴前端孔锥度 莫氏4号
主轴转速范围（16级） 25---2000转/分
主轴行程 315毫米
刻度盘每转钻孔深度 122.5毫米
主轴允许最大扭矩 40公斤力*米
主轴允许最大进给抗力 1600公斤力
主电机
功率 7.5千瓦
转速 1450转/分

二．课程设计目的
《机械系统设计》课程设计是在学生学完机械系统设计及其它先行课程之后进行的实践性教学环节，即进行一次学习设计的综合性练习。是我校机械设计及其自动化品牌专业高级应用型工程技术人才培养的重要环节，使学生能够运用所学过的基础课、技术基础课和专业课的有关理论知识，及生产实习等实践技能，达到巩固、加深和拓展所学知识的目的。通过典型机械系统如通用机床的主轴变速传动系统的计算与设计、或者是通过数控机床进给传动系统的选型与设计，使学生在拟定传动结构方案、结构设计，和数字控制等先进制造技术，以及设计计算说明书等技术文件编写等方面的基本技能和实际运用能力得到比较系统的训练。通过设计，掌握查阅相关工程设计手册、设计标准和资料的方法，达到积累设计知识和设计技巧，提高学生设计能力的目的。通过设计，使学生获得机械系统基本设计技能的训练，提高分析和解决工程技术问题的能力，并为进行机械系统设计创造一定的条件。

三．课程设计题目，主要设计参数和技术要求
3.1 课程设计题目和主要技术参数
题目：摇臂钻床主轴变速箱设计
主参数：最大钻削直径Dmax=40mm,刀具材料：高速钢或硬质合金，工件材料：钢或铸
技术参数：Nmin=40r/min；Nmax=2000r/min；Z=16级；公比为1.26（混合公比为1.41）；电动机功率P=7.5KW；电机转速n=1450r/min
为满足使用性能要求，可采用混合公比，求出的各级转速有：40r/min.56r/min.80r/min.100r/min125r/min.160r/min.200r/min.250r/min.315r/min.400r/min.500r/min.630r/min.800r/min.1000r/min.1400r/min.2000r/min
3.2 技术要求
1. 利用电动机完成换向和制动。
2. 各滑移齿轮块采用单独操纵机构。

四．运动设计
4.1 运动参数及转速图的确定
4.1.1 按典型工序，最高最低转速的确定
Rd—计算直径范围Rd=（0.20~0.25）
故 dmax=K×D=1×40mm=40mm
dmin= Rd×dmax=（0.20~0.25）×40mm=(8~10)mm.dmin取8mm
nmax=1000×Vmax/л×dmin=1000×32r/m/л×8mm=1273.24r/min
nmin=1000×Vmin/л×dmax= 1000×20r/m/л×40mm=159.15r/min
Rn==1273.24r/m/159.15r/m=8
由于设计的转速范围为（40~2000）r/min,比计算出的nmax、nmin范围大，满足要求
4.1.3 转速范围
Rn==2000r/min/40r/min=50
4.1.4 转速数列
首先找到40r/min、首先采用混合公比1.41，然后每隔2个数取一个值（1.26=1.064）,，得出主轴的转速数列为40r/min
56r/min、80r/min、100r/min、125r/min、160r/min、200r/min、250r/min、315r/min、400r/min、500r/min、630r/min、800r/min、1000r/min、1400r/min、2000r/min共16级。
4.1.5 定传动组数
对于Z=16可分解为：Z=22×25×24×28。
4.1.6写传动结构式,画结构图
根据“前多后少” , “先降后升” , “前密后疏”,“结构紧凑”的原则,选取传动方案 Z=22×25×24×28,易知第三扩大组的变速范围r=φ(P3-1)x=1.268=6.35〈8
结构网 Z=22×25×24×28
4.1.8 画转速图
根据转速主轴最大转速为2000r/min确定电动机的同步转速为1450r/min。分配各传动比，转速图如下图
4.1.9 画主传动系统图
根据系统转速图及已知的技术参数，画主传动系统图如图：

主传动系统图
4.2齿轮模数初步估算
4.2.1模数计算
一般同一变速组内的齿轮取同一模数，选取负荷最重的小齿轮，按简化的接触疲劳强度公式进行计算，即mj=16338可得各组的模数

式中 mj——按接触疲劳强度计算的齿轮模数（mm）；
——驱动电动机功率（kW）；
——被计算齿轮的计算转速（r/min）；
——大齿轮齿数与小齿轮齿数之比，外啮合取“+”，内啮合取“-”；
——小齿轮的齿数（齿）；
——齿宽系数，（B为齿宽，m为模数），；
——材料的许用接触应力（）。

得：基本组的模数mj=2.5
以同样的方法计算其它几组的模数，如下：
第一扩大组的模数mj=2.5
第二扩大组mj=3
第三扩大组mj=2.5
4.2.2 齿轮齿数的确定
根据摇臂钻床的某些特征，传动中 轴2采用特殊齿轮机构，所以模数不一样；据设计要求Zmin≥17,齿数和Sz≤100～120，根据各变速组公比，可得各传动比和齿轮齿数：
i5-1=1.41,SZ=···8,82,83,84,86,88,90,91,92,93,95,97,99,100,101,102,104,106,107,108,109···
i5-2=1/4, SZ=···80,8485,89,90,94,95,99,100,104,105,109···
所以确定SZ=100，得到Z7=60,Z7’=40,Z8=20,Z8’=80
同上分别计算其它齿轮齿数，除轴2查资料得出来，得到的各齿轮齿数如下表：

传动比
第一扩大组
基本组
1
1：1.41
1.26:1
1:2.5
代号
Z1
Z1’
Z2
Z2’
Z3
Z3’
Z4
Z4’
齿数
38
38
29
47
49
39
63
25

传动比
第二扩大组
第三扩大组
1.26：1
1：2
1.41：1
1：4
代号
Z5
Z5’
Z6
Z6’
Z7
Z7’
Z8
Z8’
齿数
50
40
30
60
60
40
20
80

4.3基本组齿轮计算。
根据公式：分度圆直径 d=mz
齿顶高 ha=ha*m
齿根高 hf=(ha*+c*)m
全齿高 h=ha+hf
顶隙 c=c*mn
齿顶圆直径da=d+2ha
齿根圆直径df=d-2hf
其中ha*=1,c*=0.25
得基本组齿轮尺寸如下表
齿轮
Z1
Z1`
Z2
Z2`
齿数
49
39
63
25
分度圆直径
97.5
77.5
50
125
齿顶圆直径
102.5
82.5
55
130
齿根圆直径
91.25
71.375
43.875
118.875
齿宽
13.5
13.5
13.5
13.5

五．动力计算
5.1计算转速的计算
（1）由于是混合公比，且设计的是摇臂钻床，查公式得：nj=Nmin()0.25
故nj=113r/min
（2）确定各传动轴的计算转速。
并由此知道80r/min向上各级转速都将传递全部功率，所以得到的各传动轴的计算转速为nⅥj=228r/min,nⅤj=374r/min,nⅣj=707r/min,nⅢj=800r/min, nⅡj=910r/min

各计算转速入表。
各轴计算转速
轴 号
Ⅵ轴
Ⅴ 轴
Ⅳ 轴
计算转速 r/min
228
374
707

所以各轴功率：
N0=N电=2.47kw
N1=N电·η轴承=2.47×0.995=2.46kw
N2=N1·η轴承·η齿轮=2.47×0.995×0.98=2.40kw
N3=N2·η轴承·η齿轮=2.40×0.995×0.98=2.34kw
N4=N3·η轴承·η齿轮=2.34×0.995×0.98=2.28kw
N5=N4·η轴承·η齿轮=2.28×0.995×0.98=2.23kw
N6=N5·η轴承·η齿轮=2.23×0.995×0.98=2.16kw
N7=N6·η轴承·η齿轮=2.16×0.995×0.98=2.11kw
各轴转矩：根据：知：

5.2扩大组齿轮计算。
根据接触应力验算公式：

弯曲应力验算公式：

可求得：
=619 Mpa
=135Mpa
5.3传动轴最小轴径的初定
传动轴直径按扭转刚度用下式计算：

以上进行概算后，圆整值如下表：

各轴轴径
轴号
Ι轴
Ⅱ轴
Ⅲ轴
Ⅳ轴
Ⅴ轴
Ⅵ轴
Ⅶ轴
轴径
25mm
25mm
30mm
30mm
35mm
45mm
45mm

根据轴径选取轴承：由于Z3040摇臂钻床的传动轴及主轴基本上采用花键轴，
所以有村套，故查表的各轴轴承的型号为：
轴承
轴号
Ι轴
Ⅱ轴
Ⅲ轴
Ⅳ轴
Ⅴ轴
Ⅵ轴
Ⅶ轴
轴承
7209C
7209C
7206C
7206C
7206C
7206C
7210C

5.4 计算主轴的结构参数
摇臂钻床属孔加工机床，专用加工细长深孔的机床，由于技术决定，需要有长的悬伸刀杆或主轴可移动，因切削较重而不适用于有高精度要求的机床
所以：
所以：
初定:

主轴最大输出转矩：
切削力：
背向力：
总作用力：
此力作用于顶在顶尖的工件上，主轴和尾架各承受一半，故主轴端受力为
在估计时，先假设初值
前支承的支反力:

根据点接触的球轴承知：
所以得出=331.48N/um;=213.36N/um
所以
初步计算时，可假定主轴的当量外径de（与实际主轴具有相同抗弯刚度的等值径轴的直径）为前、后轴颈的平均值，de=40mm,故惯性矩为：

查线图,计算出的与原假定不符。可根据=1.3在计算支反力和支承刚度，再求最佳跨距。这时计算出的=350.1N/um,=225.81N/um, ,,仍接近于1.2.可以看出，这是一个迭代过程，很快收敛于正确值。最佳跨距。

六．主要零部件的选择
6.1 摆杆式操作机构的设计
（1）几何条件；
（2）不自锁条件。
七．校核
7.1主轴组件刚度验算
. 7.1.1主轴弯曲刚度的验算
Z3040摇臂钻床弯曲刚度为
、——主轴轴承之间的当量外径和主轴内孔直径。

那么，对于Z3040摇臂钻床，要求，那么主轴的弯曲刚度满足要求。

7.1.2主轴扭转刚度的验算

式中：——扭矩N·cm；
G——剪切弹性模量N/cm2 ，取；
——截面极惯性矩，实心轴；
D、L——轴的直径和工作长度，D=45mm=4.5cm，L=329mm=32.9cm；
N——主轴传递功率，N=3KW；
——主轴计算转速，=。
则

按要求，主轴扭转角不超过,而，则满足要求。
7.2 Ⅱ轴组件刚度验算
7.2.1 Ⅱ轴刚度校核
单一载荷下，轴中心处的挠度采用文献【5】中的公式计算：:

L-----两支承的跨距；
D-----轴的平均直径；
X=/L；-----齿轮工作位置处距较近支承点的距离；
N-----轴传递的全功率；
校核合成挠度

-----输入扭距齿轮挠度；
-------输出扭距齿轮挠度
；
---被演算轴与前后轴连心线夹角；=144°
啮合角=20°，齿面摩擦角=5.72°。
代入数据计算得：=0.025；=0.082；=0.130；
=0.206；=0.098；=0.045。
合成挠度 =0.248
查文献6，带齿轮轴的许用挠度=5/10000*L
即=0.268。
因合成挠度小于许用挠度，故轴的挠度满足要求。
7.2.2 П轴扭转角的校核
传动轴在支承点A，B处的倾角可按下式近似计算：

将上式计算的结果代入得：

由文献6，查得支承处的=0.001
因〈0.001，故轴的转角也满足要求。
7.3轴承寿命校核
由П轴最小轴径可取轴承为6208深沟球轴承,ε=3；P=XFr+YFa
X=1，Y=0。
对Ⅱ轴受力分析
得：前支承的径向力Fr=2238.38N。
由轴承寿命的计算公式：预期的使用寿命 [L10h]=15000h
L10h=×=×=97872.6h≥[L10h]=15000h
轴承寿命满足要求。

八．结论与致谢
两周的课程设计结束了，经过这次课程设计，使我对金属切削机床这门课当中许多原理公式有了进一步的了解，并且对设计工作有了更深入的认识。懂得了理论和实践同等重要。理论能指导实践，使你能事半功倍，实践能上升成为理论，为以后的设计打下基础从校门走出后,一定要重视实践经验的积累,要多学多问。把学校学习的专业知识综合的应用起来，这非常重要。体会到把技术搞好就必须安心的学习，虚心向别人请教，耐心的对待每一个问题，不放过任何一个自己遇到的问题，要善于发现问题。在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．
在此感谢我们的房晓东、赵庆志老师.，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次机械系统设计的每个图，都离不开老师您的细心指导。而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。
同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。
由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教,我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。

九．参考文献
1.机械系统设计课程设计指导书，机械制造及其自动化系主编
2.机床设计图册，上海工学院等主编，1979.6
3金属切削机床设计简明手册，范云涨主编
4.金属切削机床设计指导，翁世修主编
5.实用机床设计手册，李洪主编
6.机械工程自动化简明设计手册，叶伟昌主编
7.切削用量手册，艾兴等编
8《金属切削机床概论》教材，第二版，吉林大学 贾亚洲主编 2010.9
9.《金属切削机床设计》教材
10.《机械设计》教材，徐锦康主编，2004.4
11.《机械系统设计》教材，哈尔滨工业大学 侯珍秀主编 2003.4
12.《金属切削原理与刀具》教材，上海理工大学陆剑中、孙家宁主编 2005.1
13.同类型机床说明书、图纸样本等有关资料
14.《金属切削手册》第二版，上海市金属切削技术协会编，1984.1
15.《机床设计手册》3，1986.12
16.《实用金属切削加工工艺手册》第二版，陈家芳主编 2005.1

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