Z3040机械系统设计课程设计

目录

一．概述 (3)

1.1 摇臂钻床简介 (3)

1.2 摇臂钻床的主要结构 (3)

1.3 运动形式 (3)

1.4 摇臂钻床安全操作规程 (4)

1.5 Z3040型摇臂钻床总体结构图及使用要求 (5)

1.6 Z3040摇臂钻床运动功能原理图及传动原理图 (6)

1.7 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 (9)

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 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。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 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，不准用手拿着钻。

4．使用自动走刀时，要选好进给速度，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、用手拉，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，清理铁屑时勿用手直接抓取，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，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

摇臂升降距离 600毫米

摇臂升降速度 1.2米/分

摇臂回转角度 360度

主轴前端孔锥度莫氏4号

主轴转速范围（16级） 25---2000转/分

进给量范围（16级） 0.04---3.2毫米/转主轴行程 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 3千瓦

转速 1430转/分

摇臂升降电机

功率 1.1千瓦

转速 1500转/分

液压系统用电机

功率 0.6千瓦

转速 1500转/分

冷却泵电机

功率 0.125千瓦

转速 3000转/分

机床重量 3200公斤

机床外形尺寸 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，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=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.1250r/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。

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20~32r/m 经济加工最大、最小直径dmax 、dmin,对于通用机床，一般取：

dmax=K 3D,Rd=dmax/dmin

式中：D —床身上能加工的最大直径（单位：mm ）

K —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=（0.20~0.25） 故 dmax=K 3D=1340mm=40mm

Dmin= Rd 3dmax=（0.20~0.25）340mm=(8~10)mm.dmin 取8mm

n max=10003Vmax/л3dmin=1000332r/m/л38mm=1273.24r/min n min=10003Vmin/л3dmax= 1000320r/m/л340mm=159.15r/min Rn=

min

max N N =1273.24r/m/159.15r/m=8

由于设计的转速范围为（25~2000）r/min,比计算出的

n max 、n min

范围大，满足要求

4.1.2 根据nmax 、nmin 、dmax 、dmin 等值，初步确定钻削速度范围

即：Vcmax=л3dmin 3n max/1000=л3832000/1000=50.26r/min Vcmin=л3dmax 3n min/1000=л340325/1000=3.14r/min Vc=л3dmax 3n j/1000=л340380/1000=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/r

4.1.3 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=C Ff3d ZFf3 f yFf3k Ff

扭矩：Mc= C mc3d ZMc3 f yMc3k Mc

一般估计时，可取k Ff。k Mc为1；d取最大值

刀具材料：高速钢；加工材料：钢σb=650Mpa

查手册得：C Ff=600，Z Ff=1.0，y Ff=0.7,C Mc=0.305, Z Mc=2.0, y Mc=0.8 进给力：Ff=C Ff3d ZFf3 f yFf3k Ff=6003401.03 0.40.731=12637.27 主切削力：Fc=0.4Ff=0.4312637.27N=5055N

扭矩：Mc=C mc3d ZMc3f yMc3k Mc=0.3053402.030.40.831=234.46N2mm

故切削功率为：Pc=Fc2Vc/60000=5055N225m/min/60000=2.1kw

根据《实用金属切削加工工艺手册》知,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0.7~0.85，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/(0.7~0.85)kw=(2.47~3)kw

电机的额定功率Ped=3kw.

计算电机功率：

η总=η8轴承3η6齿轮=0.995830.986=0.85

实际计算电动机所需工作功率为：P0=P切/η总=2.1kw/0.85=2.47kw 选电机功率为3kw.

4.1.4 转速范围

Rn=

min

max N N =2000r/min/25r/min=80

4.1.5 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/min

63r/min 、80r/min 、100r/min 、125r/min 、160r/min 、200r/min 、250r/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=22325324328。

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=22325324328,易知第三扩大组的变速范围r=φ

(P3-1)x

=1.268

=6.35〈8满足要求，其结构网如图

结构网 Z=22325324328

4.1.8 画转速图

根据转速主轴最大转速为1120r/min确定电动机的同步转速为1430r/min。分配各传动比，转速图如下图

基本组：25，R1=1.265=3.18<8

第一扩大组：22，R2=1.262=1.58<8

第二扩大组：24，R3=1.264=2.5<8

第三扩大组：28，R4=1.268=6.35<8

所以满足直齿圆柱齿轮极限传动比要求

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m j =163383

2

21][)1(j

j m n u z P

u σ?±可得

各组的模数

式中 m j ——按接触疲劳强度计算的齿轮模数（mm ）；

d N ——驱动电动机功率（kW ）；

j n ——被计算齿轮的计算转速（r/min ）；

u ——大齿轮齿数与小齿轮齿数之比，外啮合取“+”，内啮合取“-”； 1z ——小齿轮的齿数（齿）

； m

?

——齿宽系数，B

m m

?=

（B 为齿宽，m 为模数），4~10m ?=；

j σ????

——材料的许用接触应力（M Pa ）。

2.5mj ===

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：

i 5-1=1.58,S Z =22280,82,83,85,86,88,90,91,93,95,96,98,99,100,101,103,104222

i 5-2=1/4, S Z =22284,89,94,97,100,103,104,105222 所以确定S Z =100，得到Z7=61,Z7’=39,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：

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*m n

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

4.4 齿轮模数的确定

齿轮模数的估算。

通常同一变速组内的齿轮取相同的模数，如齿轮材料相同时，选择

负荷最重的小齿轮，根据齿面接触疲劳强度和齿轮弯曲疲劳强度条件进行估算模数H m 和F m ，并按其中较大者选取相近的标准模数，为简化工艺变速传动系统内各变速组的齿轮模数最好一样，通常不超过2～3种模数。

先计算最小齿数齿轮的模数，齿轮选用直齿圆柱齿轮及斜齿轮传动，查手册齿轮精度选用7级精度，选择小齿轮材料为45钢 (调质)，硬度为220HBS 和260HBS ：

a 变速组：分别计算各齿轮模数，先计算最小齿数Z1=20,Z2=80的齿轮。 ⑴初步计算传动的主要尺寸

根据公式：

① 小齿轮传递转矩为64

239.5510 3.1510/910T N m ??=??=? ???

② 因v 值未知，

值不能确定，可初步选载荷系数,初选

。

③ 非对称安装，取齿宽系数=0.3。 ④ 查得弹性系数。

⑤ 齿数比u=80/20=4 ⑥ 按齿面硬度查图，的

,

⑦ 大齿轮和小齿轮的应力循环次数分别为：

假设该机床工作寿命10年，每年工作300天，两班制，工作平稳，齿轮转向不变

N1=60n 1j L h =6039103131.03300316=2.623108

N2=60n 1j L h =6038003131.03300316=2.33108

⑧查资料的

,

取安全系数

取

164.84t

d m m

≥=

⑵计算模数

① 计算载荷系数 查得使用系数

因11

64.841250

4.24/601000

601000

t d n v m s

ππ??=

=

=??

，查得动

载荷系数，由表查得齿向载荷分布系数

，则载荷系数为

1.28

②

对

进行修正 因K 与有较大的差异，故需对由

计算出的进行修

正，即：

1158.1d d mm ===

③ 确定模数：

11

58 2.920

n d m z =

=

=

取

④ 传动尺寸：

两分度圆直径 :

11 2.52050d m z m m

==?= 22 2.580200d m z m m

==?=

中心距()()1211 2.520801252

2

a m z z m m

=

+=

??+=

齿宽b =φd d 2 =0.3350=15mm 尽可能圆整为5的倍数，取

尺高

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

。

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

，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

、

——分别为两种模数；

、

——分别为

、

两传动副的齿数和。

则()()22.544342244m ?+=?+得

4.5 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241HB ～286HB ，平均取260HB ，大齿轮用45钢，调质处理，硬度229HB ～286HB ，平均取240HB 。计算如下：

① 齿面接触疲劳强度计算： 接触应力验算公式为

[]j

f

s j MPa uBn

N

K K K K u zm

σ

σ≤±?=

)()1(10

20883218

弯曲应力验算公式为： []w

s w MPa BYn

zm N

K K K K σ

σ≤?=

)(1019123215

式中 N----传递的额定功率（kW ），这里取N 为电动机功率，N=3kW; j n -----计算转速（r/min ）. j 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; s K -----寿命系数；

s K =T K n K N K q K T K ----工作期限系数；

m

T C T n K 0

160=

T------齿轮工作期限，这里取T=15000h.;

1n -----齿轮的最低转速（r/min ）, 1n =200（r/min ）

0C ----基准循环次数，接触载荷取0C =710，弯曲载荷取0C =6102? m----疲劳曲线指数，接触载荷取m=3；弯曲载荷取m=6; n K ----转速变化系数，取n K =0.60 N K ----功率利用系数，取N K =0.78 q K -----材料强化系数， q K =0.60