一种多钻头台式钻床的设计设计论文.doc

湖 南 科 技 大 学

毕 业 设 计（ 论 文 ）

题目
一种多钻头台式钻床的设计
作者
刘良军
学院
机电工程学院
专业
机械设计制造及其自动化
学号
1103010113
指导教师
黄东兆

二〇一五 年 五 月 三十 日

湖 南 科 技 大 学 机 电 工 程 学 院
毕业设计（论文）任务书
机械设计制造及其自动化 系（教研室）
系（教研室）主任: （签名） 年 月 日
学生姓名: 刘良军 学号: 1103010113 专业: 机械设计制造及其自动化
1 设计（论文）题目及专题： 一种多钻头台式钻床的设计
2 学生设计（论文）时间：自 2014 年 12 月 20 日开始至 2015 年 5 月 27 日止
3 设计（论文）所用资源和参考资料：
(1) 黄志、黄纯颖主编。机械创新设计，高等教育出版社，2010年。
(2) 孙恒、陈作模、葛文杰主编。机械原理，高等教育出版社，2010年。
(3) 濮良贵、纪名刚主编。机械设计，高等教育出版社，2011年。
(4) 廖念钊、古莹庵、李硕根编。互换性与技术测量，北京：中国计量出版社，2000。
(5) 顾峰、左晓明编著。AutoCAD2005中文版基础教程，机械工业出版社，2006年。
(6) 胡仁喜，刘昌丽，康士廷等。Pro/E NGINEER Wildfire 4.0中文版从入门到精通。北京：机械工业出版社，2008。
4 设计（论文）应完成的主要内容：
(1) 多钻头台式机床的设计及图纸
(2) 设计说明书
(3) 英文翻译
5 提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求：
(1) 总装图1张；绘制所有零件图（图全用计算机绘制），毕业答辩图纸总量不少于2.5张A0图。
(2) 设计说明书按湖南科技大学毕业设计（论文）说明书的要求进行排版（打印）正文不少于40页。
(3) 不少于1500字汉字的英文翻译一份。
6 发题时间： 2014 年 12 月 20 日

指导教师： （签名）

学 生： （签名）

湖 南 科 技 大 学
毕业设计（论文）指导人评语
[主要对学生毕业设计（论文）的工作态度，研究内容与方法，工作量，文献应用，创新性，实用性，科学性，文本（图纸）规范程度，存在的不足等进行综合评价]

指导人： （签名）

年 月 日

指导人评定成绩：
湖 南 科 技 大 学
毕业设计（论文）评阅人评语
[主要对学生毕业设计（论文）的文本格式、图纸规范程度，工作量，研究内容与方法，实用性与科学性，结论和存在的不足等进行综合评价]

评阅人： （签名）

年 月 日

评阅人评定成绩：

湖 南 科 技 大 学
毕业设计（论文）答辩记录
日期：
学生： 学号： 班级：
题目：
提交毕业设计（论文）答辩委员会下列材料：
1 设计（论文）说明书 共 页
2 设计（论文）图 纸 共 页
3 指导人、评阅人评语 共 页
毕业设计（论文）答辩委员会评语：
[主要对学生毕业设计（论文）的研究思路，设计（论文）质量，文本图纸规范程度和对设计（论文）的介绍，回答问题情况等进行综合评价]

答辩委员会主任： （签名）
委员： （签名）
（签名）
（签名）
（签名）

答辩成绩：

总评成绩：

摘要
当前国际间的竞争主要是生产力的竞争，如果要想在未来激烈的竞争中生存下去，就必须不断的加快生产力的发展,归根结底是要不断地提高生产率，对现有的钻床进行改进设计，以多轴多钻头的形式进行工件的加工。改进后的钻床不仅可以实现一次性加工多个孔，而且可以在不更换钻头的情况下加工不同尺寸的孔。多轴多钻头钻床在生产中的应用，会解决普通钻床加工多孔工件时逐孔加工浪费时间和人工这两个重要问题。据统计，一般在车间中普通机床的平均钻削时间很少超过全部工作时间的15% 。大部分时间用来看图，装卸工件，调换刀具，操作机床，测量，以及清除费屑等等。使用数控机床虽然能提高85%的工作效率，但购置费用大。某些情况下，即使生产效率高，但加工相同的零件，其成本不一定比普通机床低。所以必须有更多的方法去减少加工时间，提高加工效率。不同的加工方法有不同的特点，就钻削加工而言，多钻头钻床加工是一种通过少量投资来提高生产效率的有效措施。多钻头钻床的出现势必会提高钻削加工的工作效率，具有一定的研究价值。
关键词：多钻头钻床 主轴箱 轴 齿轮 轴承 键

Abstract
The international competition is mainly the competition of productivity, if you want to survive in the future fierce competition, we must continue to accelerate productivity development, in the final analysis, is to continue to raise productivity, improve design of existing drilling machine, the workpiece in the form of multi axis and multi bit processing. The improved drilling machine can not only realize the one-time machining multiple holes, but also can not change the drill case to process different size hole. The application of multi - axis and multi - bit drilling machine in production will solve the problem of hole - hole machining waste time and manual machining of porous workpiece in ordinary drilling machine. According to statistics, the average cutting time of ordinary machine tools in the workshop rarely exceeds the total working time of 15%. Most of the time to look at the pictures, exchange tool, workpiece handling, machine operation, measurement, and chip clearance fees etc..Although the use of numerical control machine tool can improve the work efficiency of 85%, but purchase cost is big.In some cases, even though the production efficiency is high, but the same parts, the cost is not necessarily lower than the ordinary machine tool. So there must be more ways to reduce the processing time, improve the processing efficiency.Different processing methods have different characteristics, drilling and machining, drilling machine drilling is a kind of effective measures to improve production efficiency through a few investment.. The emergence of multi drill press will inevitably improve the efficiency of drilling, and has some research value..
Keywords: multi drill press, spindle box, shaft, gear, bearing, key

.目录.
第一章 概论 ......................................................1
第二章 钻床的总体设计..............................................2
2.1 概述 ............................................................2
2.2主动参数的确定 ...................................................4
2.3转速图的拟定 ...................................................5
2.4绘制传动系统图 ..................................................7
2.5结构的设计 ....9
2.6齿轮的设计与校核 ............................................... 10
2.7主轴的设计与校核 ..............................................15
2.8主轴与齿轮的连接 ...............................................18
第三章 多钻头方案的设计................................20
3.1主轴的分布方式...................................................20
3.2对输出轴的控制...............................................20
第四章 钻削加工的确定...............................................23
4.1钻削加工的工艺特点..........................................23
4.2 钻削加工的工艺范围.....23
第五章 轴承的选用与校核...........................................25
5.1主轴轴承常用的类型...............................................25

I

5.2轴承的配置.......................................................25
5.3轴承的精度与配合...............................................25
5.4轴承间隙的调整.................................................26
5.5轴承的寿命计算..........................................26
第六章 钻头的选择...................................................29
6.1硬质合金钻头的类型.................29
6.2用硬质合金钻头的考虑因素.......................................30
第七章 底座的设计...................................................32
7.1机床底座的作用...................................................32
7.2材料的选择..................................................32
7.3结构设计.....................................................32
7.4尺寸的确定.......................................................32
第八章 润滑与密封问题..............................................34
8.1润滑与密封.......................................................34
8.2其他问题........................34
第九章 机床总体布局分析与使用说明.................................35
9.1同类机床总体布局分析.............................................35
9.2传动部件的布局...................................................36
9.3机床设备操作注意事项与规程....................................36
参考文献.........39
谢辞..............................................................40

II

湖南科技大学本科生毕业设计

第一章 概论
多钻头钻床是伴随着经济的飞速发展和工业现代化的需要而产生的。其被应用于许多方面，像汽车零部件的加工、农用机械的零部件的加工以及其它大批量生产加工生产多孔零件的地方。多钻头钻床在加工业中有着很大的优势。它的使用使加工速度提高，因为当一个工件在同一个方向上有数个孔时，用普通钻床加工时就要加工一个孔后又挪动工件加工另一个孔，这样就需要专人搬动工件，对于小型工件可以采用这种方法，但当工件很大时，再采用这种方法就很落后，生产率很低，成本增加。所以，我们在批量生产多孔工件时，就需要一种专门的机床来加工，所以就生产了由单臂钻床衍生而来的多钻头钻床。
多钻头钻床是一种孔加工的机床，它被广泛用于加工多孔工件。多钻头钻床在生产中的应用解决了普通钻床加工多孔工件时逐孔加工浪费时间和人工这两个重要问题。与一般机床相比，具有设计制造周期短、成本低，自动化程度高，加工效率高，加工质量稳定可靠，能减轻工人劳动强度等优点。
用机床区别于普通机床的基本特点就是它是专为某一固定工序服务的。因此，多钻头钻床机床又属于工艺装备。由于专用机床是为某一固定的，所以专用机床的先进程度、种类、型式和规格都取决于工艺需要。只有定出先进合理的工艺，才能设计出合理的专用机床。
在生产中用机械加工方法直接改变毛坯的形状，尺寸和材料性能，使之成为零件的过程，叫做机械加工工艺过程。设计时，工艺方案的制定是否合理，对生产效率和产品质量有着极大的影响。制定工艺方案时，应首先分析生产类型。生产类型是衡量生产规模的标志。
多钻头钻床与普通钻床相比具有以下优越性：
加工速度快。使用多钻头钻床加工轮辐，较之采用普通摇臂钻床，平均功效提高30％。
加工质量好。采用该钻床加工的孔，孔的位置尺寸误差小，工件互换性好，从未出现过因孔位置尺寸不对而反攻报废的情况。多钻头钻造价低廉，维修方便，技术难度不高。
多钻头钻的形式也是多种多样的。根据多钻头钻的结构可把多钻头钻分为内啮合多钻头钻和外啮合多钻头钻。内啮合多钻头钻是指齿轮传动为内啮合式，外啮合多钻头钻式指齿轮传动为外啮合式。
近年来，钻床主要有以下几个发展趋势：
①高速度、高精度
②高可靠性、设备故障概率低
③集成化、柔性化程度高
④系统智能化程度高
另外机床控制体系结构越来越开放。数控钻床的应用，数控功能部件配套越来越专业化。市场个性化和敏捷性越来越高。多钻头钻在加工多孔零件时，具有良好的加工精度，能够达到很好的加工质量。但在设计机床时也有两个重要的问题需要重点讨论即工件的定位和加紧。在多钻头钻床加工时工件与刀具之间占有相对正确的位置时非常重要的，因此夹具的设计是一个非常重要的任务，我们要依靠合理的夹具设计来保证我们的加工精度合乎要求。另外多钻头钻床的刀具导向也是一个重要问题就是刀具在钻孔时会变形，从而加工的孔会倾斜，出现废品。所以我们在设计中采用钻套来进行导向，并且钻套在刀具热变形时起到固定刀具的作用，使刀具的变形不会对加工的工件有很大的影响。这样我们就解决了多钻头钻的定位和刀具导向问题。
总之，多钻头钻床在我们的工业生产中有着重要的意义。它大大的提高了我们的劳动生产率，提高了多孔工件加工的精度，减少了工人的劳动强度，也推动了我国生产行业的迅速发展。我们应该加强对多钻头钻床领域的开发。

第二章 钻床的总体设计
2.1 概述
机床总布局的任务是解决机床各部件间的相对运动和相对位置关系，并使机床具有一个协调完善的造型。工艺分析和工件的形状、尺寸和重量，在很大程度上左右着机床的布局形式，工艺需求决定了机床所需的运动，每个运动均由相应的执行部件来完成。通过传动解决各部件间的相对运动关系。机床的布局受多方因素的影响，例如机床的性能、操作、观察与调整等。机床总布局的设计是带有全局性的一重要问题，它对机床的部件设计制造使用都有较大的影响。
机床总体布局的目的，是按照简单经济，合理的原则，制定一种实现加工要求的方案。它基本上由工艺方法、运动分配、工件尺寸、重量、精度、表面光洁度及生产效率等因素所决定。

机床总体布局的基本要求：保证机床的刚度，精度，抗振性和稳定性，力求减轻机床的重量；
1）确保实现既定工艺方法所要求的工件和刀具的相对运动，保证机床结构简单，且尽量采用较短的传动链，以提高传动精度和传动效率；
2）保证良好的加工工艺性，以便于机床的加工和装配；
3）保证生产安全，便于操作、调整和维修；
4）对于生产效率和自动化程度较高的机床和专用机床，应力求便于自动上、下料或纳入自动线，并便于排除铁屑；
5）保证给定的工艺过程要求（对于组合机床，还应满足参数标准所规定的要求）。最大限度地考虑机床部件的通用化；
6）尽可能减小机床的战地面积；
7）机床外形美观，大方。
在分配机床的运动时，一般应注意一下几点：
1）移动部件的重量应尽量轻。在其他条件相同的情况下，移动部件 （包括刀具或工件）的重量越小，所需电动机 的功率和传动件尺寸也越小。为简化传动，应将运动分配给重量小的执行件。
2)应利于提高加工精度。如钻一般的孔时，应将主运动和进给运动都分配给刀具。但在钻削深孔时，为提高被加工孔的直线度，常采用工件做旋转运动，钻头做轴向进给运动的布局形式。
3)应利于提高机床刚度，缩小占地面积。
本次设计选择钻削加工的相对运动由刀具和工件共同完成，在多钻头钻床的设计中，扩轮辐孔时主运动分配给钻头，进给运动由工件完成，即钻头的向下运动和工件的向上移动，由于运动分散给刀具和工件共同完成，运动简单了，相应的机构也简单了，且容易实现，所以目前这种分配形式应用较广。
2.2 主动参数的设计
1.选定公比
中型通用机床，常用的公比为1.26或1.41，考虑到适当减小本钻床的相对速度损
失，选定=1.41。
（2.1）
,取Z=12 （2.2）
按标准转速数列为：31，45，63，90，125，180，1250，355，500，710，1000，1450r/min。
2 .主电机的选定
①电动机选择时要考虑的问题：由于一般生产单位多采用三相交流电源，故无特殊要求时均应选用三相交流电动机。其中以三相异步带能动机应用最多，常用为Y系列三相异步电动机。
②电动机的功率选择是否合适，对电动机的正常工作和经济性都有影响。功率选的过小不能保证工作机的正常工作，或使电动机因超载而过早损坏；功率选的过大则电动机的价格高，能力又得不到充分的发挥，而且由于电动机经常不在满载下运转，其效率和功率因数都较低而造成能源的浪费
③电动机的同步转速愈高，磁极对数愈少，外廓尺寸愈小，价格愈低。但是电动机转速相对于工作机转速过高势必使总传动比加大，致使传动装置结构复杂，外廓尺寸增加，制造成本提高。而选用较低转速的电动机，其优缺点刚好相反。因此，在确定电动机的转速时，应进行分析比较，权衡利弊，按最佳方案选择。
b．电动机功率的选择
查资料知钻床的总功率为4kW,主轴转速范围为31.5-1400 r/min，根据机械设计手选取电机为JO2-32。
2.3转速图的拟定
拟定台式钻床的主传动系统的转速图，主轴的转速范围为31.5～1400 r/min，异步电动机的转速为1450 r/min。
1.选择结构式
1）确定变速组的数目和各变速组中传动副的数目
大多数的机床广泛应用滑移齿轮的变速方式，为了满足结构设计和操纵方便的要求，通常采用双联或三联滑移齿轮。该机床的变速范围较大，必须经过较长的传动链减速才能把电动机的转速降到主轴所需的转速，故主轴转速为12级的变速系统需要2个或3个变速组，即Z=12=4×3，或Z=12=4×2×2-4,或Z=12=3×2×2。为了结构紧凑和主轴箱不过分的大，故选取Z=12=4×2×2-4.
2）确定不同传动副数的各变速组的排列次序
按着传动顺序，各变速组排列方案有：
12=4×2×2-4
12=2×2×4-4
12=2×4×2-4
因本钻床在结构上有特殊要求，根据设计要点，应遵守“前多后少”的原则，选择12=4×2×2-4的方案。
3）确定变速组的扩大顺序
根据“前密后疏”的原则，选择12=的结构式。
4）验算变速组的变速范围
最后扩大组的变速范围 （2.3）
在允许的变速范围之内。
2.确定是否需要增加降速的定比传动副
该铣床的主传动系统的总降速比为30/1450=1/48，三个变速组的最小降速比都为1/4，则总降速比为1/64，这样是无需增加降速的定比传动副，为使中间的二个变速组降速缓慢，有利于变型机床的设计，改变降速齿轮副的传动比，就可以将主轴12级转速一起提高或降低。
3.分配各变速组的最小传动比，拟定转速图
钻床的电机和输入轴之间齿轮传动， 运动由电机经弹性联轴节和一对齿轮传动轴I，再由传动变速机构中的传动齿轮传至轴IV，使主轴获得12级转速。画出转速图的格线如图所示。
① 在轴IⅤ上标出12级转速：30～1500r/min,在第Ⅰ轴上用A点代表电动机转速；最低转速用E点标出，因此A、E两点连线相距约17格，即代表总的降速传动比。
② 决定III轴和Ⅳ轴之间的最小降速传动比：为了提高主轴运转的平稳性，主轴上齿轮应大一些，能起到飞轮的作用，所以最后一个变速组的降速传动比取1/3。按公比=1.41，查表可知，，即从E点向上数3.5格（3lg），在III轴上找出D点，DE传动线表示Ⅳ-Ⅴ轴间变速组（第二扩大组）的降速传动比如图2.1所示。

图2.1 降速传动比图
③ 决定其余变速组的最小传动比：根据降速前慢后快的原则，Ⅲ-Ⅳ轴间变速组（第一扩速前慢后快的原则，II-Ⅲ轴间变速组（第一扩大组），取u=,即从D点向上数四格（3lg）,在II轴上找出C点，用CD传动线表示；同理，I-Ⅱ轴见取u=，用BC传动线表示；0-Ⅰ轴间取u=,用AB线表示。如图2.2所示。
④画出各变速组其他传动线，-I轴间有一对齿轮传动，转速图上为一条AB传动线。

图2.2 降速传动比图
I-Ⅱ轴间为基本组，有四对齿轮传动，级比指数，故四条传动线在转速图上各相距一格，从C点向上每隔一格取、、点，连结、B和B得基本组四条传动线，它们的传动比分别为、，，。II-Ⅲ轴间为第一扩大组也有二对齿轮传动，级比指数=2，二条传动线转速图上各相距一格，即和CD,它们的传比分别为，，。III-Ⅳ轴间为第二扩大组，有三对齿轮传动，级比指数，两条传动线在转速图上应相距4格，即D,DE,它们的传动比分别为和，如图2.3所示。
2.4绘制传动系统图
齿轮的齿数和不应过大；齿轮的齿数和过大会加大两轴之间的中心距，使机床结构庞大，一般推荐≤100～200.
最小齿轮的齿数要尽可能少；但同时要考虑：
图2.3 转速图

※最小齿轮不产生根切，机床变速箱中标准直圆柱齿轮，一般最小齿数≥18；
※受结构限制的最小齿轮最小齿数应大于18～20；
※齿轮齿数应符合转速图上传动比的要求：实际传动比（齿数之比）与理论传动比（转速图上要求的传动比）之间又误差，但不能过大，确定齿轮数所造成的转速误差，一般不应超过10%（-1即
% （2.4）
-要求的主轴转速；
-齿轮传动实现的主轴转速；
齿轮齿数的确定，当各变速组的传动比确定以后，可确定齿轮齿数。对于定比传动的齿轮齿数可依据机械设计手册推荐的方法确定。对于变速组内齿轮的齿数，如传动比是标准公比的整数次方时，变速组内每对齿轮的齿数和及小齿轮的齿数可以从《机械制造装备设计》表3-9中选取。一般在主传动中，最小齿数应大于18～20。采用三联滑移齿轮时，应检查滑移齿轮之间的齿数关系：三联滑移齿轮的最大齿轮之间的齿数差应大于或等于4，以保证滑移是齿轮外圆不相碰。
根据《机械制造装备设计》,查表3-9各种常用变速比的使用齿数。
电机和Ⅰ轴之间传动为皮带定比传动，所需数据由《机械制造装备设计》中表2-7得到：
电动机—Ⅰ轴：
⑴变速组a的齿数确定:
Ⅰ轴—Ⅱ轴：

由于两个传动比均小于1，故取其倒数，即按，，则查表2-7，存在这二个传动比的（齿数和）分别有：
，=…109,111,112,113,114,116,117,118,…
，=…109,110,111,113,114,116,117，…
传动系统图如图2.4所示：
2.5结构设计
1.结构设计的内容、技术要求和方案
设计主轴变速箱的结构包括传动件（传动轴、轴承、带轮、齿轮、离合器和制动器等）、主轴组件、操纵机构、润滑密封系统和箱体及其联结件的结构设计与布置，用一张展开图和若干张横截面图表示。
主轴变速箱是机床的重要部件。设计时除考虑一般机械传动的有关要求外，着重考虑以下几个方面的问题：精度方面的要求，刚度和抗震性的要求，传动效率要求，主轴前轴承处温度和温升的控制，结构工艺性，操作方便、安全、可靠原则，遵循标准化和通用化的原则。

图 2.4 传动系统图
主轴变速箱结构设计时整个机床设计的重点，由于结构复杂，设计中不可避免要经过反复思考和多次修改。在正式画图前应该先画草图。目的是：
a.布置传动件及选择结构方案。
b.检验传动设计的结果中有无干涉、碰撞或其他不合理的情况，以便及时改正。确定传动轴的支承跨距、齿轮在轴上的位置以及各轴的相对位置，以确定各轴的受力点和受力方向，为轴和轴承的验算提供必要的数据。
2 .展开图及其布置
展开图就是按照传动轴传递运动的先后顺序，假想将各轴沿其轴线剖开并将这些剖切面平整展开在同一个平面上，（如图2.5所示）。
2.6齿轮的设计与校核
1．齿轮设计应注意的问题：
1）.不产生根切。一般要求～20。
2）.保证强度和防止热处理变形过大，齿轮齿根圆到键槽的厚度，一般取

图2.5 主轴的布置图
，则 （2.5）
3）.同一传动组的各对齿轮副的中心距应当相等。若模数相等时，则齿数和亦应当相等。但由于传动比的要求，尤其是在传动中使用了公用齿轮后，常常满足不了上述要求。机床上可用修正齿轮，在一定范围内调整中心距使其相等。但修正量不能太大，一般齿数差不能超过3～4个齿。
4）.防止各种碰撞和干涉。
5）.应保证最小齿轮装到轴上或套筒上具有足够的强度。
6保证主轴的转速误差在规定范围之内。
2．齿数的计算
1）.同一变速组内模数相同的齿数的确定
为了便于设计和制造，主传动系统中所采用的齿轮模数的种类尽可能少一些。在同一个变速组内一般都采用相同的模数，这是因为各齿轮副的速度变化不一样，受力情况差别不大。
当各对齿轮模数相同，且不采用变位齿轮时，则各对齿轮的齿数和也必须相等，其间的关系是：
（2.6）
式中 —主动齿轮的齿数
—被动齿轮的齿数
—一对齿轮的传动比
—一对齿轮的齿数和
为了保证不产生根切，必须先找出具有最少齿数的传动副（一般出现在最高升速或最低降速的传动副上），确定最小齿数，然后确定最合适的齿数和，再根据传动比确定其它齿轮的齿数。
由上面两个公式得：
（2.7）
以轴III为例：一般取=17到30,初选=18,参考有关资料选取m为标准模数m=3。由a=()和选取的=1.41，查表2-1《金属钻削机床》，得=76
故Z=-=76-18=58　
所以=(18+58)=114=0.31
==0.31
=31.5÷0.31=101.6r/min
III轴的最高转速 =×=101.6×1.41=1125.r/min
U=1400÷1125.7=1.24
Z=×S==42
Z=S-Z=76-42=34
3.齿轮参数的确定
分度圆直径∶ d=mZ=3×42=126mm
d=mZ=3×34=102mm
齿顶高∶ h=m=3mm
齿根高∶ h=1.25m
全齿高∶ h= h+ h
顶隙∶ C= h- h=0.25m=0.75mm
齿顶圆直径∶ d= d+2 h=1