Z3040机械系统设计课程设计.docx

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1、目录一. 概述31.1摇臂钻床简介31.2摇臂钻床的主要结构31.3运动形式31.4摇臂钻床安全操作规程41.5 Z3040型摇臂钻床总体结构图及使用要求51.6 Z3040摇臂钻床运动功能原理图及传动原理图61.7 Z3040摇臂钻床适用范围及主要技术参数7二. 课程设计的目的9三. 课程设计题目，主要设计参数和技术要求93.1课程设计题目和主要技术参数93.2技术要求9四. 运动设计104.1运动参数及转速图的确定104.1.1按典型工序，最高最低转速的确定104.1.2根据nmax、nmin、dmax、dmin等值，初步确定钻削 速度范 围104.1.3计算主切削力、切削功率和初步估计电

2、机功率114.1.4转速范围114.1.5转速数列124.1.6定传动组数124.1.7写传动结构式，画结构图124.1.8转速图134.1.9传动系统图144.2齿轮模数初步估算144.2.1模数计算144.2.2齿轮齿数的确定154.3基本组齿轮计算164.4齿轮模数的确定174.5齿轮模数的验算194.6主轴转速误差21五. 动力计算255.1计算转速计算255.2扩大组齿轮计算265.3传动轴最小轴径的确定28六. 主要零部件的选择316.1摆动式操纵机构的设计316.2电动机的选择31七. 校核327.1组轴组件刚度的验算327.1.1主轴弯曲刚度的验算337.1.2主轴扭转度的验算

3、337.2 II轴组件的刚度验算337.2.1 II轴刚度校核347.2.2 II轴扭转的校核347.3轴承寿命校核34八. 结论与致谢35九. 参考文献.36概述1.1摇臂钻床简介摇臂钻床，也可以称为横臂钻。主轴箱 可在摇臂上左右移动，并 随摇 臂绕立柱回转180º的钻床（见图）。摇臂还可沿外柱上下升降， 以适应加工不同高度的工件。较小的工件可安装在工作台上，较大的工 件可直接放在机床底座或地面上。摇臂钻床广泛应用于单件和中 小批生 产中，加工体积和重量较大的工件的孔。摇臂钻床加工范围广，可用来 钻削大型工件的各种螺钉孔、螺纹底孔和油孔等。摇臂钻床的主要变型 有滑座式和万向式两种。

4、滑座式摇臂钻床是将基型摇臂钻床的底 座改成 滑座而成，滑座可沿床身导轨移动，以 扩大加工范围，适用于锅炉、桥 梁、机车车辆和造船，机械加工，等 行业。万向摇臂钻床的摇臂 除可作 垂直和回转运动外，并可作水平移动，主轴箱可在摇臂上作倾斜调整， 以适应工件各部位的加工。此外，还有车式、壁式和数字控制摇 臂钻床 等。1.2摇臂钻床的主要结构及主要特点摇臂钻床主要由底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴箱及工作台等部分 组成。 内立柱固定在底座的一端，在他的外面套有外立柱，外立柱可绕内 立柱回转360度。摇臂的一端为套筒，它套装在外立柱做上下移动。由于丝 杆与外立柱连成一体，而升降螺母固定在摇臂上，因此摇臂

5、不能绕外立柱转 动，只能与外立柱一起绕内立柱回转。主轴箱是一个复合部件，由主传动电 动机、主轴和主轴传动机构、进给和变速机构、机床的操作机构等部分组成。 主轴箱安装在摇臂的水平导轨上，可以通过手轮操作，使其在水平导轨上沿 摇臂移动。液压摇臂钻主要特点：1. 采用液压预选变速机构，可节省辅助时间2. 主轴正反转、停车（制动）、变速、空挡等动作，用一个手柄控制，操纵轻便3. 主轴箱、摇臂、内外柱采用液压驱动的菱形块夹紧机构，夹紧可靠4. 摇臂上导轨、主轴套筒及内外柱回转滚道等处均进行淬火处理，可延长使用寿命5. 主轴箱的移动除手动外，还能机动6. 有完善的安全保护装置和外柱防护及自动润滑装置1.3

6、运动形式当进行加工时，由特殊的加紧装置将主轴箱紧固在摇臂导轨上，而外 立柱紧固在内立柱上，摇臂紧固在外立柱上，然后进行钻 削加工。钻削 加工时，钻头一边进行旋转切削，一边进行纵 向进给，其运动形式为：（1）摇臂钻床的主运动为主轴的旋转运动（2）进给运动为主轴的纵向 进给（3）辅助运动有：摇臂沿外立柱垂直移动，主轴箱沿摇臂长度方向的 移动，摇臂与外立柱一起绕内立柱的回转运动。设计机床得主传动变速系统时首先利用传动系统设计方法求出理想解 和多个合理解。根据数控机床主传动系统及主轴功率与转矩特性要求，分析 了机电关联分级调速主传动系统的设计原理和方法。从主传动系统结构网入 手，确定最佳机床主轴功率与

7、转矩特性匹配方案，计算和校核相关运动参数 和动力参数。本说明书着重研究机床主传动系统的设计步骤和设计方法，根 据已确定的运动参数以变速箱展开图的总中心距最小为目标，拟定变速系统 的变速方案，以获得最优方案以及较高的设计效率。在机床主传动系统中， 为减少齿轮数目，简化结构，缩短轴向尺寸，用齿轮齿数的设计方法是试算， 凑算法，计算麻烦且不易找出合理的设计方案。1.4摇臂钻床安全操作规程1 .工作前对所用钻床和工卡量进行全面检查，确认无误时方可工 作。2. 严禁戴手套操作，女生发 辫应挽在帽子内。3. 工件装夹必须牢固可靠。钻小件时，应用工具夹持，不准用于 拿着钻。4 .使用自动走刀时，要选好进给速

8、度，调整好行程限位块。手动 进刀时，一般按照逐渐增压和逐渐减压原则进行，以免用必过猛造成 事故。5.调整钻床速度、行程、装夹工具和工 件时，以及擦试机床时，要 停车进行。6 .钻头上绕有长铁屑时，要停车清除。禁止用风吹、用于拉，要 用刷子或铁钩清除。7. 精铰深孔时，拔取圆器和销棒，不可用力过猛，以免手撞在刀 具上。8 .不准在旋转的刀具下，翻转、卡压或测量工件。手不准触摸旋 转的刀具。9. 使用摇臂钻时，横臂回转范围内不准有障碍物。工作前，横臂 必须卡紧。10. 横臂和工作台上不准存放物件，被加工件必须按规定卡紧，以 防工件移位造成重大人身伤害事故和设备事故。11. 工作结束时，将横臂降到最

9、低位置，主轴 箱靠近立柱，并且都 要卡紧。1.5 Z3040型摇臂钻床总体结构图及使用要求本文设计的是Z3040型摇臂钻床的变速箱，Z3040摇臂钻床总体结构图 等及注意要求如下：一 ZQ3040摇臂钻床在使用过程中，应按说明说的各项规定进行润滑， 滤油网要定期清洗，保持油液的清洁。二、ZQ3040摇臂钻床摇臂和立柱的导轨应经常保持清洁，要经常注油， 保持有油，以免研伤。三、ZQ3040摇臂钻床要保持工作台、底座上的清洁，及时将铁屑清理干 净，清理铁屑时勿用于直接抓取，以免伤手。四、冷却液每月要更换一次，保持清洁，冷却液中沉淀在冷却箱入口处 的铁屑等杂志每天都要处理。五、ZQ3040摇臂钻床主

10、轴锥孔在装入刀具前擦拭干净。六、电器设备的保养：电器设备必须保持清洁，为此，必须定期清除灰 尘、赃物和油垢等，灰尘的清除可用压缩空气吹除。线圈不许用煤油、汽油 等清洗。电动机每用一年，要检查和清理轴承，检查换油至少每年一次。电 机轴承用含动物油钙皂及矿物油的润滑脂。所有触头应仔细清除其上的污 物，磨损触头的必须更换新件，不允许接触器上有油，烧损或氧化的接触点， 应用细锉刀轻轻恢复1.6 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

11、，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40毫米350-1250 毫米900毫米350-1250 毫米600毫米最大钻孔直径主轴中心线到立柱母线距离主轴箱水平移动距离主轴端面到底座面间距离摇臂升降距离摇臂升降速度摇臂回转角度主轴前端孔锥度主轴转速范围（16级）进给量范围（16级）主轴行程刻度盘每转钻孔深度 主轴允许最大扭矩 主轴允许最大进给抗力 主电机功率转速摇臂升降电机功率转速液压系统用电机功率转

12、速冷却泵电机功率转速机床重量机床外形尺寸1.2米/分360度莫氏4号25-2000 转/分0.043.2毫米/转315毫米122.5毫米40公斤力*米1600公斤力3千瓦1430转/分1.1千瓦1500转/分0.6千瓦1500转/分0.125千瓦3000转/分3200公斤2170*1013*2625 毫米二.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

13、，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

14、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=25r/min； Nmax=2000r/min； Z=16 级；公比为 1.26 （混 合公比为1.58）；电动机功率P=3KW；电机转速n=1430r/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： 25r/min.40r/min.63r/min.80r/min.100r/min125r/min.160r/min.200r/mi n.250r/min.320r/min.400r/min.500r/min.630r/min.800r/min.1250

15、r/min .2000r/min3.2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。3. 进给传动系统采用单独电动机驱动。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根据摇臂钻床某些特征，采用高速钢刀具钻削的Vc 一般为2032r/m经济加工最大、最小直径dmax、dmin，对于通用机床，一般取：dmax=KXD,Rd=dmax/dmin式中：D一床身上能加工的最大直径（单位：mm）K一系数，根据其对现有同类机床使用情况的调查确定（摇臂钻 床 K=1.0）Rd计算直径范围Rd= （0.200.25）故 dmax=K XD=1

16、X 40mm=40mmDmin= Rd X dmax= （0.200.25）X40mm=（810）mm.dmin 取 8mmnmax=1000 X Vmax/n X dmin=1000 X 32r/m/n X8mm=1273.24r/minnmin=1000X Vmin/n X dmax= 1000X20r/m/n X40mm=159.15r/minRn= N max =1273.24r/m/159.15r/m=8 N min由于设计的转速范围为（252000） r/min,比计算出的nmax、nmin 范围大，满足要求4.1.2根据nmax、nmin、dmax、dmin等值，初步确定钻削 速

17、度范围艮即 Vcmax=n XdminXnmax/1000=n X 8 X 2000/1000=50.26r/minVcmin=n X dmax X nmin/1000=n X40X25/1000=3.14r/minVc=n XdmaxXnj/1000=n X40X80/1000=10.05r/min故要使机床传递全部功率，则Vc大于10.05r/min即可，又根据加工材 料（钢或铸铁）、刀具材料（高速钢），查机械系统设计手册得：Vc=25r/min;a p=20mm;f=0.4mm/r4.1.3计算主切削力、切削功率和初步估计电机功率根据钻削力的实验公式：进给力：Ff=CFf XdZFf X

18、 fyFf 乂始扭矩：Mc= CmcXdZMc X fyMc XkMc一般估计时，可取kFf kMc为1； d取最大值刀具材料：高速钢；加工材料：钢。b=650Mpa查手册得：CFf=600, ZFf=1.0, yFf=0.7,C值0.305, Zmc=2.0, yMc=0.8进给力：Ff=CFf XdZFf X fyFf XkFf =600X401.0 X 0.40.7 X 1=12637.27主切削力：Fc=0.4Ff=0.4X 12637.27N=5055N扭矩：Mc=CmcXdZMc X fyMc XkMc=0.305X 402.0 X 0.40.8 X 1=234.46N - mm故

19、切削功率为：Pc=Fc - Vc/60000=5055N 25m/min/60000=2.1kw根据实用金属切削加工工艺手册矢口，切削功率只消耗在切削工件上， 但机床功率必须大于切削功率。因为电机功率除了提供切削用的动力外，动 力还要消耗在轴承导轨和齿轮等摩擦上，因此，切削功率只能占电动机功率 的70%85%，即0.70.85，这个数字称为效率。所以说，切削功率应该比电 动机功率小，否则就会超载故 P 电=Pc/(0.70.85)kw=(2.473)kw电机的额定功率Ped=3kw.计算电机功率：根据传动副效率表:传动机构传动效率传动机构传动效率三角皮带0.96滚动轴承0.995圆柱齿轮(磨齿

20、)0.99滑动轴承0.980.985圆柱齿轮(未磨 齿)0.98n 5 8 轴承Xn 6 齿轮=0.9958 x0.986=0.85实际计算电动机所需工作功率为：P0=P切/n总二2.1kw/0.85=2.47kw 选电机功率为3kw.4.1.4转速范围Rn= N max =2000r/min/25r/min=80N min4.1.5转速数列首先找到25r/min、首先采用混合公比1.58，然后每隔3个数取一个 值(1.26=1.064)，得出主轴的转速数列为25r/min、40r/min63r/min、80r/min、100r/min、125r/min、160r/min、200r/min、2

21、50r/min、 320r/min、400r/min、500r/min、630r/min、800r/min、1250r/min、2000r/min 共16级。4.1.6定传动组数对于 Z=16 可分解为：Z=22X25X24X28。4.1.7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 X 25 X 24 X 28,易知第三扩大组的变速范围r= cp(p3-1)x=1.268=6.358满足要求，其结构网如图结构网 Z=22 X 25X24X284.1.8画转速图基本组：25, R1=1.265=3.188第一扩大组：22, R

22、2=1.262=1.588第二扩大组：24, R3=1.264=2.58第三扩大组：28, R4=1.268=6.35 2.32h.5 X 3.15 X 10 4 x（4 土 1 ） 189.8 ）2v0顽0.3 X 4X 5 7 0 y=64.84 mm计算模数 计算载荷系数查得使用系数孔=二因v =卫4 =KX 64.84 X 1250 = 4.24 m / s，查得动载荷系数 60 x100060 x1000二=-,由表查得齿向载荷分布系数 = 1 15，则载荷系数为-K = ：-,_： ：-：=-:-5 =1.28 对二二进行修正 因K与土有较大的差异，故需对由土计算出的二二进行修 正

23、，即：d = d J = 64.84 3 = 58.1 mm11t 3 k1.5t 确定模数：d 58m = 1 = = 2.91取n】n =25 传动尺寸：两分度圆直径d = mz = 2.5 x 20 = 50mm d = mz = 2.5 x 80 = 200 mm中心距 a = m (z + z )=x 2.5 x(20 + 80 ) = 125 mm 2122齿宽 b =dd2 =0.3X50=15mm 七、二:尽可能圆整为5的倍数，取七=1沁】二、w =】5】二】二尺高二=2二沁=2 252 5 = 5 元沁】二为了便于设计和制造，同一传动组内的齿轮的模数常取相同，此时，各 传动齿

24、轮副的齿轮齿数和相同。则在变速箱职中，每根传动轴上各齿轮的模 数均为】二：.=2 Srnr：】。而在主轴箱中，用上述方法也取得第一对传动副齿轮的模数 仁二二如京二，而在传动链中，最后一个背轮机构中，变速范围较大，各传 动副对应传动的扭矩的差别也较大，为合理利用材料，常采用不同的模数， 且在同一传动组内正常只限用于用两种模数。由于传动副轴心线距离必须相等，即T-S_ =】二：完_】二】、】二：一一分别为两种模数；工、二二分别为】二、n】：两传动副的齿数和。则2.5 x(44 + 34)= m2x(22 + 44)得屿=34.5齿轮模数验算按基本组最小齿轮计算。小齿轮用40Cr，调质处理，硬度24

25、1HB286HB， 平均取260HB，大齿轮用45钢，调质处理，硬度229HB286HB，平均取240HB。 计算如下：齿面接触疲劳强度计算：接触应力验算公式为2088 x108u 土 DK1K 2 K 3 K N (MPa)九zmuBnf弯曲应力验算公式为:191 x 10 5 KKKKN MP 卜wzm2 BYnw式中N传递的额定功率（kW）,这里取N为电动机功率，N=3kW;n计算转速（r/min）. n =80 （r/min）m初算的齿轮模数（mm）, m=2.5 （mm）B齿宽（mm） ;B=15.5 （mm）;z 小齿轮齿数；z=20;u-小齿轮齿数与大齿轮齿数之比,u=4;寿命系

26、数;Kt 工作期限系数;齿轮工作期限，这里取T=15000h.;齿轮的最低转速（r/min）, n =200 （r/min）C 0 -基准循环次数，接触载荷取C 0 = 10 7，弯曲载荷取C 0 = 2 x 10 6 m疲劳曲线指数，接触载荷取m=3；弯曲载荷取m=6;K 转速变化系数，取K=0.60Kn 功率利用系数，取K广0.78K材料强化系数，K =0.60K3 工作状况系数，取K3 =1.1K动载荷系数，取K =1K齿向载荷分布系数，K =1Y齿形系数，Y=0.386；t 许用接触应力（MPa），取k =650 Mpa；JJIt -许用弯曲应力（MPa），取It =275 Mpa；根

27、据上述公式，可求得及查取值可求得:t =635 Mpa k t =78 Mpa 卜4.6算主轴转速误差实际传动比所造成的主轴转速误差，一般不应超过土 10（中-1）%,即I实际转速n标准转速n | 10（1）%标准转速n对于摇臂钻床Z3040的16级转速图知Nmax=2000r/min有，N = 1430 x 35x 丑x 竺x 39x 丝x 61 = 2041.44 r /min max554238313439则有2041.44 20002000=2.07%33 :x3729 39 44:61 = 1259.61 r /min15554247313439n =143033 37 383922

28、-61 = 788.74 r /min14554238314439n = 1430 33:一3738:一X2044:一X=611.98 r /min1355、4238503439n =143033 37 29 39 22:=458.86 r /min12554247314439n = 1430 x33:X3729:)2044 :):61 = 377.61r /min11554247503439n =143033 37 383944:一X:=307.65 r / min10554238313480n =1430x33X37一X38X20X22X61一 =236.45 r /min95542385

29、04439n =1430x33X37 X29X39 X44 X20一 =189.83 r /min8554247313480n =1430x33X37一X29一X20 一X22一X61一 =145.89 r /min7554247504439n =1430x33 一X37 一X38 一X39 一X22 一X20一 =118.86 r /min6554238314480n =1430x33 一X37 X38X20 一X44 X20一 =97.82 r /min5554238503480n =1430x33X37一X29一X39X22 一X20=73.34 r /min4554247314480n

30、 =1430x33 一X37 一X29 一X20 一X44 一X20=60.36 r / min3554247503480n = 1430 x33X37 一X38 X20一X22 一X20一 =37.79 r /min2554238504480n =1430x33X37 X29 X20 X22 X20一 =23.32 r /min15542475044801259.61 -1250=0.77% 2.6%1250800 - 788.74800=1.4% 2.6%630 611.98630= 2.56% 2.6%500 - 458.86500= 2.59% 2.6%400 - 377.6400=

31、0.56% 2.6%320 307.65320= 0.38% 2.6%250 - 236.45250= 0.54% 2.6%189.83 200200=0.51% 2.6%160 145 .89160= 0.88% 2.6%125 118.86125= 0.49% 2.6%100 - 97.82100=2.18% 2.6%73.34 - 8080= 0.83% 2.6%63 60.3663= 0.42% 2.6%40 37.7940= 0.55% 2.6%25 - 23.3225= 1.07% 2.6%同上计算各级转速误差，以表形式列出，如下图:各级转速误差n12508006305004003

32、00250n1259.61788.74611.98458.86377.61307.65236.45误差0.069%1.41%2.56%2.59%0.56%0.38%0.54%20016012510080634025189.83145.89118.8697.8273.3460.3637. 7923.320.51%0.88%0.49%2.18%0.83%0.42%0.55%1.07%各级转速误差都都小于2.6%，因此不需要修改齿数。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（宜土）025.N min故 nj=80r/min（2）确定各传动轴

33、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 n用j=100r/min,nv j=200r/min,nwj=500r/min,n田 j=800r/min, n j=910r/min各计算转速入表。各轴计算转速轴号丑轴v轴W轴计算转速 r/min100200500所以各轴转速：n0=1430r/minn1=1420r/minn2=910r/minn3=800r/minn4=500r/minn5=200r/minn6=100r/minn7=80r/min所以各轴功率：N0=N 电=2.47kwN1=N 电-n 轴承=2.47X0.995=2.

34、46kwN2=N1 - n 轴承-n 齿轮=2.47 X 0.995 X 0.98=2.40kwN3=N2 - n 轴承-n 齿轮=2.40X0.995X0.98=2.34kwN4=N3 - n 轴承-n 齿轮=2.34X0.995X0.98=2.28kwN5=N4 - n 轴承-n 齿轮=2.28X0.995X0.98=2.23kwN6=N5 . n 轴承 r| 齿轮二2. 23 X 0. 995 X 0. 98=2. 16kwN7=N6 q 轴承 q 齿轮=2. 16X0. 995X0. 98=2. llkw各轴转矩:根据：T = 955 x104也知:N2.47 T = 955 x 10

35、4 x= 16495.45 N Dnm。14302.46 T = 955 x 104 x= 16495.5 NDnm1 14302.4T = 955 x 104 x= 25186.81 N On m2 9102.34T = 955 x 104 x= 2793.375 NDnm3 8002.28T = 955 x 104 x= 43548 NHmm4 5002.23 T = 955 x 104 x= 106482 N On m5 2002.16T = 955 x 104 x= 206280 NVtnm6 1002.11T = 955 x 10 4 x= 251881.25 Nnm7 805. 2扩大组齿轮计算。根据公式：分度圆直径d=mz齿顶高ha二ha*m齿根高hf= (ha*+c*)m全齿高h=ha+hf顶隙C 二 C*nin齿顶圆直径da=d+2ha齿根圆直径df=d-2hf其中 ha*=1,c*=0.25扩大组齿轮几何尺寸见下表齿轮Z3Z3Z4Z4Z5Z5齿数38382 9474434分度圆 直径959572.5117.511085齿顶圆 直径10010077.5122.511590齿根圆 直径88.7588.7566.25111.25103.7578.75齿宽13.513.513.513.513.513.5齿轮Z6Z6Z7Z7Z8Z8齿数22