毕业设计（论文）-轮毂专用立式钻床.doc

济南大学毕业设计毕业设计题 目 轮毂专用立式钻床 学 院 机械工程学院 专 业 机械工程及自动化 班 级 机自0707 学 生 学 号 20070403162 指导教师 二一 一 年 五 月 三十一 日271前言本次课程设计，设计的是轮毂专用立式钻床，实现对对均布在轮毂上的六个孔进行加工。对于六个孔的加工，可以使用一个钻头的钻床对工件进行加工，就需要六个工步。设计成一个多轴钻床，使六个孔同时加工，将大大的提高生产效率，所以本次设计的是一个多轴钻床。在本次设计的多轴钻床，采用组合机床的方式，部分部件为标准件，部分为自己所设计。为了实现机床的进给要求，采用液压滑台的形式，相关的部件，如液压滑台、滑座、以及立柱都是选用相应的标准件，对于主轴箱的设计，主要是根据加工要求，确定传动比和各个轴转速，然后确定各个轴的直径以及相应的传动齿轮。在对主轴箱设计是还必须考虑到其与滑台的配合，所以还要选择合适的主轴箱的宽度。为了节省材料和提高各个轴刚度，各个轴的设计在满足相应的要求之下越短越好。在电机与主轴箱的连接上，采用在主轴箱上安装一个上箱盖，在这上面安装电机。对于多轴器的设计，以及其与主轴箱的连接，多轴器的作用就是将主轴的运动分给六根钻轴，使他们实现相应的运动。在设计的过程中要保证各个钻轴的轴向定位以及周向定位。同时在设计多轴器时要考虑其与主轴箱提的连接。毕业设计过程中，要综合运用在大学里所学的专业课的基础知识，在进行传动系统设计时，主要用的使机床方面的知识，而对齿轮和轴的设计时主要用的是机械设计和机械原理方面的知识，对于公差配合方面用的是互换性上的知识，等等涉及到所学的专业基础知识的方方面面。所以在设计时需要对这方面的知识有一定的掌握。本次毕业设计的题目是轮毂专用立式钻床的设计，设计机床应满足的基本要求有以下几点：1） 所设计的工艺可能性。所谓机床的工艺可能性是指机床适应不同生产要求，可以分为下列内容：机床所能够完成的工序种类，所能够加工零件的类型、以及工件材料和所能加工的尺寸范围，和毛坯的种类。2） 机床所能加工的精度和相应的表面粗糙度。3） 要使设计的机床有较高的生产率。4） 要有比较高的自动化水平。5）便于工人操作方便，保证工人安全方便，确保加工产品可靠性高。5） 综合考虑机床的寿命和成本等。在设计的时必须得注意使机床体积尽量小，使其重量轻，同时其占地面积也就小，此外保持机床的外形美观以及避免环境污染。在设计机床时应该综合考虑以上各个技术指标。因为此次设计的主要任务是对整个立式钻床的设计，这就包括钻床的各个的部件设计，所以需要考虑的因素比较多。关于各个部分的设计将在下面的各个章节中将进行详细叙述。 2轮毂专用立式钻床总体设计对于该种多轴立式钻床，其总体设计对机床的经济性能和其所能达到的加工精度都会产生很大的影响。对于机床的总体设计，一般分为两种类型：其一：根据所要加工的工件对象，设计专门的机床来满足加工要求，这种机床叫做专用机床；其二：伴随着我国的机械行业里机床的广泛使用，工人们在平时的工作中，总结出了日常的工作经验，根据各个机床在所组成部件方面上的共性，可设计成相应的通用部件，利用通用部件组合成各种机床，即为组合机床。所谓组合机床是指用已经系列化、标准化的通用部件和少量的专用部件组和而成的多轴、多刀、多工序、多面或多工位的同时加工的高效专用机床，生产效率特别高。这次课程设计主要采用第二种方案，即设计成以组合机床为主的专用钻床。在进行机床的总体设计时应考虑下列各项因素：（1）选择比较合适的加工工艺方案；（2）使机床尽量工序集中，但要考虑其经济性能；（3）对机床的各个部分的部件选择要合适，做到不浪费的同时要满足加工要求；（4）机床的配置形式做出好的选择；（5）选择合适的刀具，对主轴箱的传动进行合理的设计。2.1加工工件的工艺性分析本次所做的毕业设计，轮毂专用立式钻床在工作时刀具旋转并进给，工件固定不动。所使用的工件材料为铝合金，由于铝合金硬度不是很高，所以在选择刀具的时候可以选择高速钢麻花钻。所要加工的工件的六个孔分布在同一平面内，且均布在160的圆周上，若采用单根轴进行加工，将需要分多个工步完成，花费时间而且能量损耗也多。于是设计一个多轴钻床，多轴钻床一次性同时加工六个孔，所加工的各个孔的位置可以通过多轴器来实现，保证多轴器的输出轴与所加工的孔的位置相一致。这样会使生产率得到提高，而且可以用机床的精度来保证所钻削的各个孔轴线之间的相对位置精度。既能够提高生产率又可以减轻工人的劳动强度。2.2多轴钻床的钻削方式的设计确定加工轮毂的钻床后，就需确定轴和工件之间的相对运动的实现，我们可以使工作台向上移动，而使主轴保持其在竖直方向上不变，来保证他们之间的相对运动。另一种是让工作台保持不动，通过主轴的轴向移动来实现他们之间的相对运动。相比之下后者更优，因为后者在进给时主轴箱的重力做正功，而前者工作台向上移动时，重力做负功，相比之下所消耗的功更多。所以本次设计将使刀具的移动来实现进给运动。所设计的轮毂专用立式钻床，通过刀具的旋转运动来实现钻孔时的主运动，而刀具的进给运动可以通过以下几个方案实现。1） 通过电机和丝杠螺母副，来实现轴向进给运动，因为在加工过程中必须考虑到加工时的快进，工进，以及快退。若用一个电机来实现可以设计一对滑移齿轮来实现，通过齿轮的变速来实现工进和快进。2） 通过一个机械滑台来实现加工的轴向进给要求。具有组装机床灵活的特的优点，其性能主要取决于安装在滑台座尾端的驱动装置。它包括滑台、滑台体、丝杆螺母副。3） 通过一个液压滑台来实现加工过程中的轴向进给要求。液压缸固定在滑座上，工作他时保持不动。油的压力带动活塞杆移动，从而带动滑台沿滑座的导轨向上或向下移动。通过控制液压油的压力来实现快进或快退，通过设计液压油的通入方向来实现进刀或者是退刀。液压滑台相对来说占有优势，因为其工作平稳性好，噪声要小一些，动作也迅速，并且液压滑台的布置和结构都比较典型，规格都已经标准化，由于以上的各个特点，所以本次设计选择液压滑台来实现刀具的进给运动。2.3多轴钻床总体布局设计2.3.1.机床总体布局的基本要求在对机床的总体布局进行设计时，需要要全面的考虑以下几点：1）保证机床外形要符合人机学原理。2）尽可能使所设计的机床的占地面积要小。3）能够满足相应的工艺过程；4）要有较好的加工工艺性能，这样会有利于所设计的机床加工和装配。5）要能够安全生产，以便于机床的调整以及操作，要便于维修。6）确保机床的零件精度、抗震性能、刚度性和稳定性，力求最大可能的减少所设计机床的重量。7）确保所设计的机床要结构简单，且尽量用较短的传动链，以减少传动误差，从而可以提高机床的传动精度和工作效率。）2.3.2决定多轴钻床总体布局因素的分析1)所需要的加工精度对机床的总体布局有一定的影响。所设计的多轴钻床所能加工的孔的表面粗糙度和其相应的加工精度与机床的总体布局有一定的关系，因为机床总体的刚度及其抗震性能对加工精度有一定的影响。一般采用封闭的框架来支撑时，拥有较高的刚度，其在生产中有广泛的应用，如刨床、坐标镗床、大型车床等。机床的刚度不高时，在加工时可能使机床容易变形，比如使刀具轴线偏离孔的轴线，这样会导致所加工的孔的分布位置不能满足要求。震动对加工的精度影响也很大，机床在加工过程中所产生的震动一方面会产生很大的噪声，这严重影响了加工环境，对工人的工作也将产生影响，同时由于加工时的震动，会使得所加工的孔产生较大的圆度误差，表面粗糙度也会因此而变大，可能超出误差范围，主轴的轴向振动，对所加工孔的深度也会产生影响。在设计机床时要保证机床有较高的刚度。2）所选择加工的工艺方法对钻床的设计也有一定的影响。 对一个工件进行加工的工艺方法具有多种选择，在设计多轴钻床时，首先得确定工艺方法，随着工艺方法的改变，组合机床的各种部件的选择，以及各种传动件的配置也可能发生相应的变化。所以分析和选择合理的加工工艺，是在确定该多轴钻床的总体布局时必需得考虑的因素。3）机床的总体布局的设计在很大程度上也受制于加工的生产效率，本次设计的多轴钻床为一次性加工六个孔，生产效率很高，在总体布局时要充分考虑这种情况。4）总体方案的制定要尽量使工人操作方便。 使机床的总体布局方便于工人的操作，应充分下面几个方面：.由于在加工过程中，主要是靠工人的指挥来完成加工的，所以机床的设计要考虑到人体的四肢活动范围和身体的基本尺寸，在加工过程中，应尽量使工件和刀具与地面具有适当的距离，以便于工人的操作和观察机床的工作情况。.为了方便对机床的调整、测量以及对刀，在设计机床时，我们要对布置立柱的位置做出好的选择，通常是使其符合我们的操作习惯。.经常需要使用的操纵手柄和控制按钮应设计在工人方便触及的地方，这样有利于工人的操作，而且对生产效率产生影响。根据以上的叙述，对机床总体布局的影响的因素包含有多个方面。其中，起决定性作用的因素是加工过程中相应的工艺方法的选择，；加工工件的精度、尺寸、形状等也是需要考虑的比较重要因素。在这次设计中，对这些因素做好充分的考虑。3多轴钻床的各个部件机床主要组成部件包括动力滑台、底座、工作台、立柱以及立柱侧底座、定位加紧机构、主轴箱、动力箱、上台板等几部分组成，以下是对机床的各个部件的作用进行简要的分析和说明：3.1动力滑台 动力滑台是由滑座、滑鞍和驱动装置等组成，实现直线进给运动的动力部件。根据被加工零件的工艺要求，在滑鞍上安装动力箱或切削头，可以完成各种加工。滑台可以安装在侧底座上、立柱上或倾斜的底座上。按照驱动和控制方式不同，滑台分为液压滑台、机械滑台和数控滑台三种类型。3.2底座 机床底座使机床的一个重要组成部分，其主要作用是用来承受整个立式钻床的重量，要设计好机床的底座使其具有一定的抗弯强度，同时底座抗震的作用，这对加工精度有一定的影响。同时要选择好底座与地面的接触形式，为使接触平稳，使底座与地面为点接触。3.3工作台机床工作台是用来安放工件的部件，他也是所设计的机床的重要部件。这部分固定在底座上。对工作台设计时应考虑到其与钻削头的垂直度，用来保证加工精度。3.4立柱及立柱侧底座 立柱用于安装立式布置的动力部件。可以用于液压滑台和机械滑台。立柱安装在立柱侧底座上，组成立式组合机床。根据主轴与工件间的距离要求，也可以在立柱及其底座之间增加调整垫。因为工件在导轨上实现进刀和退刀，所以导轨的平行度对工件孔的中心线相对于刀具轴线的同轴度有着很大的影响，因此在安装导轨时对平行度需要有严格的要求。同时立柱上也影响刀具与水平面的垂直度，因此在安装时必须要使每个都能够零件达到规定的精度。3.5定位夹紧机构孔的加工是一道很难的工序，如果不能很好的使加工的零件定位和加紧，则可能使加工的零件的孔根本不能满足要求的技术要求，通常情况下有可能加工成斜孔，零件的内部不是圆柱形，而可能变成椭圆形，严重的影响了零件的质量，从而产生报废零件，大大提高了加工的成本。在装配的过程中，定位加紧装置的中心线和主轴上的主轴中心线保持同轴度，来共同完成零件的定位，这样就提高了定位的精度。3.6主轴箱主轴箱的作用是带动各主轴按照加工示意图所规定的转速及旋转方向。主轴箱上主轴的数量和位置与被加工工件孔数量和位置相一致，它通过按照一定的转速比布置各个传动齿轮，将动力从动力箱传递给各个工作主轴，使其获得所需要的转速和转向，从而达到加工要求。4立式钻床的参数设计对于多轴钻床的运动参数的设计，主要包括对主运动参数进行参数设计和对进给运动进行参数设计。主运动和进给运动之间具有一定的联系，主运动为主轴的旋转运动，由电机经变速箱来带动；进给运动主要是通过液压滑台来完成，通过控制通油方向来实现进刀和退刀，通过控制油的流量来实现快进和工进，从而实现所要求的进给运动。在本次对多轴立式钻床进行参数设计时，首先确定所要加工的零件的相应要求。4.1工件的尺寸参数钻孔的直径6-12，孔中心的分布圆160工件材料：铝合金，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=32m/min4.2钻床的运动参数做回转运动的多轴钻床，其主运动参数是主轴的转速，由于加工轮毂的专用钻床，其切削速度一定，所以设计该多轴钻床时，使其主运动转速为定值。首先确定主轴所要求的转速。转速与切削速度的关系如下： (4-1)该公式中各个参数定义： v切削速度（m/min）n主轴转速（r/min ）d工件或刀具直径（mm）则代入数据后有：4.3动力参数各种传动件大的参数都是根据动力参数设计计算的。如果所选的动力参数过大，将使机床过于笨重，浪费材料和电力；如果所选参数过小，钻床的性能将会受到影响。其中动力参数可以通过调查、实验和计算的方法进行确定。以下通过计算的方法进行确定钻床的功率。机床主电动机的功率为： (4.2)式中各参数的含义： 空载功率（KW） 消耗于切削时的功率，又称为有效功率（KW） 载荷附加功率（KW）（1）（KW）的计算：先求轴向力和扭矩： (4.3) (4.4)查表得： =320.8 ,=0.842 ，=1.046 ，=0.082 =0.161，=32.07(N)(N)则由公式: (4.5) 式中各参数含义： 切削功率 V切削速度代入数值得： (w)则钻床的总的切削功率: （2）（KW）的计算空转功率包括传动件摩擦、搅油、克服空气阻力等消耗的功率。它与载荷无关，只随传动件的速度和数量增加而增加，机床主传动链的空载功率损失可由下列公式估算： (4.6)式中各参数含义：主传动链中除主轴外，所有传动轴轴颈的平均值(mm);当主轴为时，在传动链内除主轴外各传动轴的转速之和（);主轴转速；主轴前后轴颈的平均值（mm）；润滑油粘度影响系数;系数，主轴用两支撑的滚动支撑的滚动轴承或滑动轴承时=8.5，三支撑的滚动轴承时=10。式中各个系数的相应的值: (mm) =283.73() =40（mm）代入数值得： （kw）（3）的计算。 载荷的附加功率是指机床切削时，传动件的正压力将加大，则其摩擦也增大造成比切削功率多出来一部分机械摩擦功损耗，切削功率越大，所以损失功也就就大。 (4.7)式中 0.960.990.99=0.94把数据带入公式得: 所以： 1.9840.350.1272.461(kw) (4.8)根据以上计算，选取主运动电动机。查取机械设计手册，选取型号为Y160L8。Y系列电动机为全封闭自扇冷式结构，用于空气中不含易燃，易炸或腐蚀性气体的场所，也适用于无特殊要求的机械上，如金属切削机床。本章将对机床的总体布局的设计做了一些简单的分析，在下一章将会对多轴钻床的主轴箱的结构进行具体的设计。5主轴箱的设计多轴箱的功用是带动个主轴按照加工示意图中所规定的转速及转动方向旋转，主轴的数量和位置与被加工工件孔数量和位置相一致，它通过按照一定的转速比布置各个传动齿轮，将动力从动力箱传递给各个工作主轴，使其获得所需要的转速和转向，从而达到加工要求。下图是多轴箱的布局图：图5.1主轴箱5.1确定各个轴的功率、转速以及各个轴的平均直径 电机的功率为3kw，查表取电机轴到第一根轴的之间的效率=0,96，齿轮传动的效率为：则有： 第一根轴的功率：=30.96=2.88（KW） 第二根轴的功率：=2.880.98=2.8224（KW) 第三根轴的功率：=2.82240.98=2.766（KW) 确定传动比：第一根轴传至第二根轴的传动比定为：=2.52，第二根轴传至第三根轴的传动比定为=2，根据刀具的转速为849.25，确定多轴器的转速比为：=。根据传动比确定各个齿轮的齿数，选第一根轴上的齿轮30，第二根轴上的大齿轮76，第二根轴上的小齿轮40，第三根轴上的齿轮齿数80，按扭转刚度算传动轴平均轴径;第一根轴的平均轴径;=（mm） (5.1) 第二第二根根轴的平均轴径;=（mm） (5.2)第三根轴的平均轴径;=（mm） (5.3)计算各个传动轴的转速： 第一根轴的转速：=1430() 第二根轴的转速：=1430=546.46（)第三根轴的转速：=546.46=283.73（) 5.2确定齿轮圆周力和径向力1轴的转矩（Nmm） (5.4)圆周力:轴向力：641233.4（N）3轴的转矩 (5.5)圆周力：轴向力：1165.6424.23（N） 5.3对齿轮的校核1.对输入轴的强度进行校核：由机械设计表102查得使用系数：该齿轮的速度：所以由机械设计图108可得动载荷系数：由于相啮合的齿轮是直齿圆柱齿轮，所以其齿间载荷分配系数选择齿间载荷分布系数：其齿宽系数和齿宽与齿高比计算如下：齿向载荷分布系数： 则有：查机械设计图1013有1）由齿根弯曲疲劳强度进行校核：应满足： （5.6）=由机械设计表105当齿数为30时，其对应的齿形系数和应力正系数分别如下：=2.52，=1.625 则有：由机械设计图1020c查得齿轮的弯曲疲劳强度极限为：73MPa380MPa, 所以该齿轮齿根弯曲疲劳强度符合要求。2） 由齿面接触疲劳强度进行校核： （5.7） 查机械设计表106，可以得齿轮弹性影响系数为：189.8，载荷系数：=u=2.52, b=0.032m, d=0.06m, =660N; 则有：查机械设计图1021d按齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限为：550MPa因为：432.31MPa550MPa，该齿轮的接触疲劳强度也符合要求。2.对主轴的齿轮进行校核：由机械设计表102可以查得使用系数：该齿轮的速度：所以由机械设计图108可得动载荷系数：由于相啮合的齿轮是直齿圆柱齿轮，所以其齿间载荷分配系数选择齿间载荷分布系数：其齿宽系数和齿宽与齿高比计算如下：齿向载荷分布系数： （5.8）则有：=1.136查机械设计图1013有=1.131）由齿根弯曲疲劳强度进行校核：应满足：=由机械设计表105当齿数为80时，其对应的齿形系数和应力校正系数分别如下：=2.22，=1.77 则有：由机械设计图1020c查得齿轮的弯曲疲劳强度极限为：103.8MPa380MPa, 所以该齿轮齿根弯曲疲劳强度符合要求。2）由齿面接触疲劳强度进行校核：查机械设计表106，可以得齿轮弹性影响系数为：189.8，载荷系数：=u=2, b=0.032m, d=0.16m, =641N;则有：查机械设计图1021d按齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限为：550MPa因为：411.2MPa550MPa，该齿轮的接触疲劳强度也符合要求。 5.4对轴的校核1输入轴校核。输入轴的功率：=2.88kw，输入轴的转速：=输入轴的转矩：T=19234N齿轮上的圆周力：齿轮上的径向力：233.4N图5.2由,得：则有：320.5N同理得：641N320.5N=320.5N则有弯矩图如右图所示;由，得：0则有：116.7N同理得;233.4N-120N=116.7N则有弯矩图如右图所示所以有： 轴所受的扭矩:T=64130=19230Nmm按弯扭合成应力校核轴的强度： （5.9）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Nmm； 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。由于主轴扭转切应力为脉动循环应力，则=0.6。45号钢的许用弯曲应力由机械设计表151查得60。W的确定：由于装齿轮处开有键槽，则按机械设计表154查得： （5.10）由所选键槽参数表格由b=8,t=4.0则： 因为20.79MPa60MPa所以所设计的轴符合要求。2输出轴的校核：输入轴的功率：kw输入轴的转速：=输入轴的转矩：=齿轮上的圆周力：齿轮上的径向力：（N）图5.3相应的长度 70 =140由,得：则有： 同理得：388.52=776.8(N)则有弯矩图如右图所示;由，得：0则有：141.41(N)同理得;282.82(N)则有弯矩图如右图所示 轴所受的扭矩:T=1165.6160=186496(Nmm)按弯扭合成应力校核轴的强度：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Nmm;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。由于主轴扭转切应力为脉动循环应力，则=0.6。45号钢的许用弯曲应力由机械设计表151查得60。W的确定：由于装齿轮处开有键槽，则按机械设计表154查得： 由所选键槽参数表格由b=8,t=4.0则： 因为24.25MPa3844128120.0180.0615.00.203.30.200.400.25因为齿轮宽度为32mm，所以选用标准键长L=28mm,由上表可知公称尺寸为=键、轴和轮毂的材料都是钢，查机械设计表62查得在载荷性质为轻微冲击的情况下，其许用挤压应力，取其平均值。所选择的键的工作长度=L-b=28-12=16(mm)。 K=0.5h=4（mm）；d=45（mm）； T=9.3245（Nm）键联接的强度的条件为： （5.1）把相应的k,l,d代入得：=（Mpa）因为72Mpa22308780.0150.0514.00.203.30.200.250.16因为齿轮宽度为32mm，所以选用标准键长L=28mm,由上表可知公称尺寸为=键、轴和轮毂的材料都是钢，查机械设计表62查得在载荷性质为轻微冲击的情况下，其许用挤压应力，取其平均值。所选择的键的工作长度=L-b=28-12=16mm。 K=0.5h=3.5（mm）；d=30（mm）； T=19.234（Nm）键联接的强度处条件为： （5.2）把相应的K,l,d代入得：=（MPa）因为18.32Mpa3038108100.0150.0515.00.203.30.200.400.25因为齿轮宽度为32mm，所以选用标准键长L=28mm,由上表可知公称尺寸为=键、轴和轮毂的材料都是钢，查机械设计表62查得在载荷性质为轻微冲击的情况下，其许用挤压应力，取其平均值。所选择的键的工作长度=L-b=28-10=18mm。 K=0.5h=4（mm）；d=35（mm）； 所对应的 T=19.234（Nm）键联接的强度处条件为： (5.3) 把相应的 k,l,d代入得：=（Mpa）因为18.32Mpa110Mpa,所以强度足够，满足要求。6结 论本次设计的是轮毂专用立式钻床，经过对其各个部分的设计以及查阅相关方面的资料，设计出的轮毂专用立式钻床，基本上可以实现所要求的各项功能，同是在设计过程中出现了一些问题有待进一步探讨。（1）关于箱体的设计，所设计的多轴箱可以去掉上箱盖和下箱盖，这样既可以减少空间，有减少材料和质量，不失为一种好的方法。 关于和液压滑台的配合，组合机床一般是通过动力箱与滑台相连，我们也可以将箱座直接与液压滑台相连，在这过程中必须使箱座与液压滑台的配合尺寸要