文章編號100426410(2005)S320109204Z3012540大型搖臂鉆床的設(shè)計主軸箱主傳動部分的設(shè)計與計算機(jī)械工程及自動化011班2001011118韋宗源指導(dǎo)教師:李寶靈徐武彬肖學(xué)勤等摘要:本設(shè)計Z3012540型搖臂鉆床是在原系列搖臂鉆床的基礎(chǔ)上,參照國際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計制造成功的多功能新系列產(chǎn)品,結(jié)合現(xiàn)代企業(yè)實(shí)際需要而開發(fā)的新產(chǎn)品。在設(shè)計過程中,運(yùn)用了先進(jìn)的設(shè)計理念和大的安全系數(shù),并在符合國家標(biāo)準(zhǔn)的前提下,兼顧使用高效、美觀大方、安全、操作性能高等特點(diǎn)。在設(shè)計過程中,主軸箱部分是整臺機(jī)床的核心部分,它由主軸變速部分、主軸進(jìn)給部分、主軸及操作部分、主軸夾緊部分、主軸平衡部分等組成,其中主軸變速部分是設(shè)計的核心部分。在設(shè)計主傳動時,采用了22級主軸變速,參照原來的Z30100型搖臂鉆床的主傳動系統(tǒng),在原來的基礎(chǔ)上采用了九軸傳動方案。設(shè)計過程中在Z30100的基礎(chǔ)上有所創(chuàng)新,就是在主傳動變速機(jī)構(gòu)中增加了過載保護(hù),以及正反轉(zhuǎn)、停車(制動)的設(shè)計,主傳動部分采用液壓預(yù)選調(diào)速。本機(jī)床的主要用途:大中型零件上鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、攻螺紋、璁平面等工作,在具有工藝裝備的條件下可以進(jìn)行鏜孔,完成管板、大法蘭等加工和非標(biāo)準(zhǔn)的鉆孔作業(yè)。Z3012540型搖臂鉆床,最大的鉆孔直徑125毫米。關(guān)鍵詞:搖臂鉆床；主軸箱；主軸；主軸平衡；鉆孔Abstract:ThisdesignoftheRadialDringModelZ3012540isanewseriesofmulti2functionproductwhichhasbeendesignedandaccomplishedbyreferringtotheInternationalStandards(ISO).Indesignprocess,weusetheadvanceddesignprinciplewiththebigandsafecoefficienttomatchthenationalstandardpremise,andlookafterbothsidesusage,efficiently,beautifulgenerous,safety,operationhigh,etc.TheheadstockisthecorepartofpedestalRadialDringModelwhichiscomposedofprincipalaxis,theclamporganizationofprincipalaxispart,principalaxisandoperationpart,theprincipalaxisclipstightpart,equilibriumpartofprincipalaxis,etc.Itisthemostimportantcoreofdesign.Spindleturnadoptedis22grade.AccordingtothearmoftheoriginalRadialDrillingModelZ30100speedtomovethesystem,ninthaxisspeedmovingprojectisadoptedinoriginalfoundationtop.Indesignprocess,thefoundationofZ30100iscreative,thatistoaddtheprotectioninlordspeedmovingorganization,hydraulicpreselectionspeedandfeedchangingmechanism.Inthemachine,itisuseddring,counterboring,spotfacing,reaming,tappingandboringwhichcandrilldiameterof125millimetersahole.Keywords:radialdring；headstock；spindle；equilibrium；dring一、緒論課題背景:金屬切削機(jī)床是用刀具或磨具對金屬工件進(jìn)行切削加工的機(jī)器,在制造業(yè)中,尤其是機(jī)械行業(yè)機(jī)床有著非常廣泛的應(yīng)用。然而鉆削加工仍然在零件加工中占有相當(dāng)?shù)谋壤?據(jù)統(tǒng)計在零件加工中鉆孔加工占25%以上。搖臂鉆床仍然是鉆削加工的主要設(shè)備之一。作為傳統(tǒng)的老產(chǎn)品搖臂鉆床,有數(shù)百年的發(fā)展歷史,其產(chǎn)品都在不斷地更新,功能也越來越齊全、性能也不斷地完善。在經(jīng)濟(jì)全球化的今天,機(jī)械行業(yè)國際競爭日趨激烈,給企業(yè)帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。企業(yè)對加工中占有相當(dāng)?shù)匚坏你@床也提出了更高的要求。為了適應(yīng)競爭環(huán)境,鉆孔效率提高自然成了節(jié)省生產(chǎn)時間、降低第16卷增刊3廣西工學(xué)院學(xué)報Vol116Sup32005年10月JOURNALOFGUANGXIUNIVERSITYOFTECHNOLOGYOct12005生產(chǎn)成本的途徑之一。目前國內(nèi)外制造企業(yè),趨向中、大孔鉆孔加工,而我們開發(fā)的Z3012540型搖臂鉆床,就是高效率的鉆孔工藝設(shè)備。它主要用于中大型零件上鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、攻螺紋、璁平面用等工作,在具有工藝裝備的條件下可以進(jìn)行鏜孔,完成管板、大法蘭等加工和非標(biāo)準(zhǔn)的鉆孔作業(yè)。Z3012540型搖臂鉆床,最大的鉆孔直徑125mm,在機(jī)加工孔直徑小于125mm時可以直接一次鉆出,大大地縮短加工時間,孔尺寸精度由鉆頭保證。Z3012540型搖臂鉆床出現(xiàn),避免了小型鉆床加工中、大孔的煩瑣工序,毫無疑問減少了成本。現(xiàn)代企業(yè)要求快速生產(chǎn),而大型搖臂鉆床Z3012540型搖臂鉆床就是針對孔加工的高效率設(shè)備,所以發(fā)展Z3012540型搖臂鉆床是現(xiàn)在之所需,將來也有廣闊前景。本設(shè)計是為桂林正菱第二機(jī)床有限責(zé)任公司研制開發(fā)的新產(chǎn)品Z30125型號的搖臂鉆床。二、方案設(shè)計(一)搖臂鉆床的機(jī)床原理及其基本要求Z3012540型搖臂鉆床由主軸箱、搖臂、立柱、工作臺等組成。主軸箱是搖臂鉆床的核心部分,由主軸變速機(jī)構(gòu)、主軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)、主軸及操作機(jī)構(gòu)、主軸夾緊機(jī)構(gòu)、主軸平衡機(jī)構(gòu)等組成；本設(shè)計的主軸變速部分,變速時用液壓控制調(diào)速,液壓油進(jìn)入油缸通過拉桿撥動滑移齒輪改變嚙合狀態(tài)實(shí)現(xiàn)主軸變速,而通過一個操作手柄可以實(shí)現(xiàn)主軸正、反轉(zhuǎn)及剎車。本機(jī)床是在原系列機(jī)床的基礎(chǔ)之上,在設(shè)計過程中運(yùn)用先進(jìn)的設(shè)計理念和大的安全系數(shù),增加外柱自動潤滑裝置,更改電器箱翻蓋方式、電器布線和電器操作按鈕等,并在符合國家標(biāo)準(zhǔn)的前提下,以CE標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo),兼顧實(shí)用、高效、美觀、易操作、易維修和安全性能高等特點(diǎn)。主要技術(shù)參數(shù)如表1。表1主要技術(shù)參數(shù)項(xiàng)目數(shù)值單位項(xiàng)目數(shù)值單位最大鉆孔直徑125mm主軸轉(zhuǎn)速級數(shù)22級跨距4000mm主軸進(jìn)給量范圍0106312mmn主軸軸線至立柱母線最小距離600mm主軸進(jìn)給量級數(shù)16級主軸行程560mm主軸箱水平移動距離3400mm主軸允許最大扭矩312kN.m主軸端面至底座工作距離最大2500mm最小700mm主軸最大進(jìn)給抗力50kN搖臂升降距離1250mm主電機(jī)功率1815kw搖臂升降速度01017ms主軸行程米制80搖臂回轉(zhuǎn)角度360主軸轉(zhuǎn)速范圍613800nmin(二)主軸變速機(jī)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)型式主軸的變速機(jī)構(gòu)廠家要求22級主軸的變速,采用32級主軸變速,通過重復(fù)10級變速得到22級主軸變速。其中重復(fù)的10級轉(zhuǎn)速中,通過液壓控制軸及軸(或軸)上的滑移齒輪實(shí)現(xiàn)鎖住傳動扭矩較大的級速。在設(shè)計時考慮了兩種設(shè)計方案:方案一通過8根軸實(shí)現(xiàn)22級主軸變速；方案二通過9軸實(shí)現(xiàn)軸實(shí)現(xiàn)22級主軸變速。方案一主軸變速部分軸向尺寸比方案二稍小,可以減小主軸箱的高度但傳動比較大,齒輪大小懸殊很大,特別是主軸上的齒輪顯得很大,這樣在采購齒輪材料時就很繁瑣,而且主軸上有兩個主軸變速齒輪與之相對應(yīng)的嚙合齒輪為滑移齒輪,這樣影響運(yùn)動傳遞的平穩(wěn)性；方案二增加了主軸過載保護(hù)裝置,當(dāng)主軸過載時通過主軸過載保護(hù)裝置起到過載保護(hù)作用。9根軸傳動減小了傳動比,有利于傳遞運(yùn)動的平穩(wěn)性,使得大小齒輪懸殊不至于過大,其主軸上傳動齒輪只有一對固定齒輪,且采用斜齒輪,其好處是斜齒輪傳遞運(yùn)動比直齒輪平穩(wěn)且承受力比直齒輪大,能減小齒輪的部分徑向力和主軸承受的徑向力,有利于主軸的旋轉(zhuǎn)精度。其不足之處是該結(jié)構(gòu)增加了主軸箱的高度和軸的長度,使得整個箱體尺寸要比8根軸傳動要稍大些。011廣西工學(xué)院2005屆優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(論文)摘要選編2005年10月圖1主軸轉(zhuǎn)速圖鑒于提高機(jī)床的安全系數(shù)及采集齒輪材料的便利,最后采用了9根軸傳動的方案。三、主軸轉(zhuǎn)速計算主軸轉(zhuǎn)速圖如圖1。四、主傳動構(gòu)件及零件計算(一)主電機(jī)功率的計算根據(jù)Z3012540搖臂鉆床技術(shù)要求的規(guī)定,初步選取電機(jī)的型號為Y160224,功率1815KW。通過計算效核結(jié)果可知,Y160224型電機(jī)能滿足工作要求。(二)各軸扭矩及主軸功率轉(zhuǎn)矩圖的確定根據(jù)資料3得知,大型機(jī)床如果已先確定了主軸最大扭矩和主電機(jī)的功率,則主軸計算轉(zhuǎn)速nj由下式子求得:Tn=974Nn式中Tn主軸傳遞的最大扭矩(kgfm)；n主軸轉(zhuǎn)速(rmin)；N主軸傳遞的功率(kW),N=N電G。因此nj=9741815018320=45105rmin按圖1轉(zhuǎn)速圖可確定主軸的計算轉(zhuǎn)速為nj=50rmin(計算轉(zhuǎn)速nj是主軸能傳遞全功率的最低轉(zhuǎn)速)根據(jù)主軸的計算轉(zhuǎn)速為nj=50rmin,通過以下式子確定各軸的扭矩:T=T主軸gn主軸ng1G式中,G各軸到主軸間的傳動效率；n各軸相應(yīng)n主軸轉(zhuǎn)速(rmin)；各軸的轉(zhuǎn)動效率為:G=Ga1gGb2由資料3第2冊表5125可查出齒輪副傳動效率G1=019850199,滾珠軸承的傳動效率G2=019901995；a嚙合齒輪副數(shù)；b滾珠軸承數(shù)。圖2主軸變速簡圖111增刊3韋宗源:Z3012540大型搖臂鉆床的設(shè)計主軸箱主傳動部分的設(shè)計與計算(三)估算各軸軸徑的大小(四)齒輪校核計算在兩根軸間取傳動扭矩最大且齒數(shù)較少的一對齒輪中的小齒輪進(jìn)行彎曲和接觸強(qiáng)度的校核。(五)軸的校核計算選擇受扭矩較大幾根軸進(jìn)行校核。(六)繪制主軸箱裝配圖根據(jù)主軸變速簡圖(傳動系統(tǒng)圖)和必要的設(shè)計計算五、創(chuàng)新(一)主軸箱平衡機(jī)構(gòu)中凸輪的快速、精確設(shè)計方法主軸箱平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵是凸輪的設(shè)計。在此次設(shè)計中推理得出主軸箱平衡機(jī)構(gòu)中凸輪輪廓曲線是一條:y=KV的冪曲線。Y是所求的曲率半徑；x平衡彈簧的壓縮量；K常數(shù),與主軸重力G、彈簧剛度J有關(guān)以及相對應(yīng)的齒輪半徑有關(guān),可以很容易的求出K。得出的凸輪曲線方程:y=KV,可以計算機(jī)上輕松作出主軸平衡機(jī)構(gòu)中凸輪形狀的設(shè)計。(二)關(guān)于主軸平移時,齒輪齒條嚙合傳動的模數(shù)的選擇對加工精度的影響簡單論述主軸箱在搖臂上平移時,齒輪齒條是模數(shù)315mm為好,原因如下:大模數(shù)齒輪傳動,在傳動時影響運(yùn)動的平穩(wěn)性。當(dāng)主軸移動到要轉(zhuǎn)孔的位置時,這時候主軸箱移動非常慢,用手調(diào)節(jié)手輪移動主軸箱。由于鉆孔定位要求,主軸箱移動的速度慢,這時候容易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象,再加上齒輪模數(shù)大傳動的不平穩(wěn)性,從而造成鉆孔時定位困難,影響加工精度,再加上笨重的主軸箱,加大了工人操作難度。而針對本機(jī)床Z30125型大型搖臂鉆床設(shè)計,我們認(rèn)為移動主軸箱的齒輪齒條傳動,其模數(shù)應(yīng)3mm為宜。(三)搖臂升降機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計傳統(tǒng)的搖臂升降機(jī)構(gòu)采用單螺母絲杠機(jī)構(gòu)提升搖臂。這種機(jī)構(gòu)在搖臂鉆床中長期應(yīng)用,但以往的搖臂鉆床都是比較小型,使用小型的升降電機(jī)就可以滿足工作要求,而且所用的絲杠較小。而對于重型機(jī)床搖臂鉆Z30125型機(jī)床,搖臂加上主軸箱的重量有8000kg(8噸),用單螺母絲杠機(jī)構(gòu)在重型的搖臂鉆中要得到更合理的應(yīng)用是較為困難的,因此開發(fā)新的搖臂升降機(jī)構(gòu)是必要的。在雙螺母的原理基礎(chǔ)上,可以采用雙螺母絲杠機(jī)構(gòu)提升搖臂,這種可以降低螺距,降低提升時搖臂的摩擦力,從而降低電動機(jī)功率,同時由于螺母絲杠機(jī)構(gòu)中螺母的強(qiáng)度相對絲杠較低,傳統(tǒng)的做法是以螺母校核強(qiáng)度。而這一做法則是以螺母絲杠機(jī)構(gòu)中絲杠強(qiáng)度校核該機(jī)構(gòu)強(qiáng)度。這樣做顯然提高了螺母絲杠的利用率?？商峁﹨⒖嫉纳禉C(jī)構(gòu)設(shè)計方案有以下幾種:1、在雙螺母之間加圓柱彈簧,減少單圈螺紋承受力；2、在雙螺母之間加圓板彈簧,通過調(diào)節(jié)圓板彈簧變形量來分配兩螺母承受能力；3、扭緊雙螺母在絲杠上,兩螺母相互壓緊,使得各絲杠螺母分別承受絲杠拉力。選擇合理的螺母