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河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
摘 要
在現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中，企業(yè)對專用機(jī)床有著廣泛的需求。一般鉆床勞動(dòng)強(qiáng)度大，專用性能低。生產(chǎn)率不高且不能保證精度；而多軸鉆床操控方便、省力、容易掌握，不易發(fā)生操作錯(cuò)誤和故障，不僅能減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證工人和鉆床的安全，還能提高鉆床的生產(chǎn)率。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，專用鉆床廣泛應(yīng)用于制造業(yè)。換句話說，專業(yè)化越強(qiáng)，企業(yè)越能保證其產(chǎn)品質(zhì)量。因此，專用機(jī)床的使用對企業(yè)競爭力的提升有著十分重要的作用。
本設(shè)計(jì)主要解決了兩大問題：多軸鉆床的總體設(shè)計(jì)和夾具設(shè)計(jì)。為了解決上述兩大難題，首先分析了鉆床總體設(shè)計(jì)，其中包括加工工藝分析、鉆床的鉆削方式的設(shè)計(jì)等，從而解決了鉆床的總體設(shè)計(jì)的難題；在夾具設(shè)計(jì)中采用合理的鉆模板和定位裝置對工件合理定位，從而完成孔的擴(kuò)鉸工序，解決了多軸鉆床夾具設(shè)計(jì)中的另一難題，同時(shí)也討論了多軸鉆床的夾具設(shè)計(jì)問題，給出了夾具設(shè)計(jì)方案，其中包括工件的定位分析，誤差分析，從而使工件被加工后達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：多軸鉆床、總體設(shè)計(jì)、夾具
Abstract
The special-purpose lathe is extensively demanded by enterprises in the modern mechanical manufacturing industry. The ordinary lathe not only need a large number of man-power but also has a low performance. In addition, its productivity is low and the accuracy can’t be ensured. However, the special-purpose lathe can not merely help enterprises to boost productivity great, saving a large number of manpower and material resource, still can improve the quality of the products. Meanwhile, it is easily maneuvered and guarantees workers’ safety. With the development of technology, multi-axles drilling machines are used in manufacturing frequently. Hence, the use of the special-purpose lathe plays an important part in the competitiveness of enterprises.
This design mainly solved two big problems: the multi-axles drilling over-all design and fixture design. In order to solve these two problems, first of all, we analyzed drilling total design project, including processing technology analysis, drilling machine of the design of drilling way, which solved the problem of the overall design of drilling; Then we adopt the fixture design reasonable drill template and positioning device on the reasonable positioning, thus completing hole enlargement hinge process, solved the multi-axles drilling fixture design of another problem, also discusses the multi-axles drilling fixture design problem, this paper presents fixture design scheme, including the workplace positioning analysis, thus make error analysis is processed workplace to meet the design requirements.
Key words: multi-axles drilling machine total design project fixture design
目 錄
摘 要 1
1、前 言 7
2、多軸鉆床總體設(shè)計(jì) 9
2.1 概論 9
2.2 多軸鉆床總體布局分析 10
2.2.1零件的加工工藝方法對總體布局的影響 10
2.2.2機(jī)床的運(yùn)動(dòng)分配對總體布局的影響 10
2.2.3 精度等級對總體布局的影響 12
2.2.4 生產(chǎn)率對總體布局的影響 12
2.2.5 傳動(dòng)形式對總體布局的影響 13
2.2.6 操作方便性對總體布局的影響 13
2.3 組合機(jī)床配置形式及結(jié)構(gòu) 14
2.3.1 影響組合機(jī)床配置形式及結(jié)構(gòu)方案的因素 14
2.3.2 多軸鉆床的工藝方案的制定 15
3、多軸鉆床部件設(shè)計(jì) 17
3.1動(dòng)力部件分析 17
3.1.1 切削用量的選擇 17
3.1.2 主運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇 18
3.2 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 20
3.3 主軸箱齒輪齒數(shù)的設(shè)計(jì) 21
3.3.1 鉆頭工作部分齒輪設(shè)計(jì) 22
3.3.2 高速檔部分齒輪設(shè)計(jì)及校核 23
3.3.3 中速檔部分齒輪設(shè)計(jì) 30
3.3.4 低速檔部分齒輪設(shè)計(jì) 32
3.4 軸的計(jì)算和校核 34
3.4.1主軸箱高速軸II的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 35
3.4.2 主軸箱低速軸III的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 36
3.4.3 鉆頭工作端Ⅳ軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 39
3.5 軸的強(qiáng)度校核 41
3.5.1 Ⅱ軸的強(qiáng)度校核 41
3.5.2 Ⅲ軸的強(qiáng)度校核 42
3.5.3 Ⅳ軸的強(qiáng)度校核 44
3.6軸承 46
3.6.1軸承的選用 46
3.6.2軸承的校核 49
4、輪輻五軸鉆床的夾具設(shè)計(jì) 54
4.1概述 54
4.2 夾具的條件、設(shè)計(jì)原則及要求 55
4.2.1 工作條件 55
4.2.2 夾緊力作用點(diǎn)選擇原則及夾緊過程 55
4.3定位元件的設(shè)計(jì) 56
4.4加緊元件的設(shè)計(jì) 57
4.5夾緊機(jī)構(gòu) 57
4.6對零件輪輻擴(kuò)孔所用夾具的整體設(shè)計(jì) 58
4.7主軸箱體的設(shè)計(jì) 59
5、液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 62
5.1 概論 62
5.2 液壓執(zhí)行元件的負(fù)載分析 63
5.3 確定液壓缸的參數(shù) 64
5.3.1 確定液壓缸尺寸 64
5.3.2 液壓缸工作循環(huán)中各階段的壓力，流量和功率 65
6、支承件的設(shè)計(jì) 66
6.1 概述 66
6.1.1 支承件的功能 66
6.1.2 支撐件的靜剛度和形狀選擇原則 67
6.1.3 支撐件的動(dòng)態(tài)特性 67
6.2 導(dǎo)軌（立柱）的設(shè)計(jì) 68
6.2.1 概述 68
6.2.2 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì) 68
6.3 底座的設(shè)計(jì) 70
7、總結(jié) 72
致 謝 74
參考文獻(xiàn) 75
前 言
多軸鉆床是伴隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和工業(yè)現(xiàn)代化的需要而產(chǎn)生的。其被應(yīng)用與許多方面，像汽車零部件的加工、農(nóng)用機(jī)械的零部件的加工以及其它大批量生產(chǎn)加工生產(chǎn)多孔零件的地方。多軸鉆床在加工業(yè)中有著很大的優(yōu)勢。它的使用使加工速度提高，因?yàn)楫?dāng)一個(gè)工件在同一個(gè)方向上有數(shù)個(gè)孔時(shí)，用普通鉆床加工時(shí)就要加工一個(gè)孔后又挪動(dòng)工件加工另一個(gè)孔，這樣就需要專人搬動(dòng)工件，對于小型工件可以采用這種方法，但當(dāng)工件很大時(shí)再采用這種方法就很落后，生產(chǎn)率很低，成本增加。所以，我們在批量生產(chǎn)多孔工件時(shí)就需要一種專門的機(jī)床來加工，所以就產(chǎn)生了由單臂鉆床衍生而來的多軸鉆床。
多軸鉆床與普通鉆床的不同是多軸鉆床的主軸箱是像太陽系一樣，繞中間軸均布排列的主軸被中間軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸帶動(dòng)刀具轉(zhuǎn)動(dòng)，完成切削工作。這樣多孔工件被一次加工成形，從而使勞動(dòng)強(qiáng)度大大減小，加工時(shí)間大大縮短，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低了產(chǎn)品成本。
使用多軸鉆床加工輪輻，表現(xiàn)出以下優(yōu)越性：
1、加工速度快。使用多軸鉆床加工輪輻，較之采用普通搖臂鉆床，平均功效提高30％。
2、加工質(zhì)量好。采用該鉆床加工的孔組，孔的位置尺寸誤差小，工件互換性好，從未出現(xiàn)過因孔位置尺寸部隊(duì)而反攻報(bào)廢的情況。
3、多軸鉆造價(jià)低廉，維修方便，技術(shù)難度不高。
多軸鉆的形式也是多種多樣的，根據(jù)多軸鉆的結(jié)構(gòu)可把多軸鉆分為內(nèi)嚙合多軸鉆和為嚙合多軸鉆。內(nèi)嚙合多軸鉆是指齒輪傳動(dòng)為內(nèi)嚙合式，外嚙合多軸鉆是指齒輪傳動(dòng)為外嚙合式。根據(jù)鉆頭形式可分為臥式和立式兩種。在本設(shè)計(jì)中，我們采用內(nèi)嚙合齒輪傳動(dòng)。
總之，多軸鉆床在我們的工業(yè)生產(chǎn)中有著重要的意義。它大大的提高了我們的勞動(dòng)生產(chǎn)率，提高了多孔工件加工的精度，減少了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，也推動(dòng)了我國生產(chǎn)行業(yè)的迅速發(fā)展。我們應(yīng)該加強(qiáng)對多軸鉆床領(lǐng)域的開發(fā)。
本設(shè)計(jì)為專用多軸鉆床設(shè)計(jì)，主體部分共分四部分：第一部分、多軸鉆床總體設(shè)計(jì)；第二部分、多軸鉆床部件設(shè)計(jì)；第三部分、支承件的設(shè)計(jì)；第四部分、液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。多軸鉆床的具體設(shè)計(jì)步驟見本文正文。
2、多軸鉆床總體設(shè)計(jì)
2.1 概論
多軸鉆床的總體設(shè)計(jì)是機(jī)床設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它對機(jī)床所達(dá)到的技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性能往往起著決定性的作用。 機(jī)床總體設(shè)計(jì)目前基本上有兩種情況：其一，是根據(jù)具體加工對象的具體情況進(jìn)行專門設(shè)計(jì)；其二，因機(jī)床在組成部件方面有共性，可設(shè)計(jì)成通用部件，可以利用通用部件來進(jìn)行機(jī)床設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)屬于第一種情況，即設(shè)計(jì)用于輪輻加工的多軸鉆床，其屬于專用機(jī)床，這也是當(dāng)前最普遍的做法。
一般來說，機(jī)床總體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮下列幾點(diǎn)：
（1） 合理的確定工序集中程度，選擇合適的機(jī)床通用部件，選擇當(dāng)前機(jī)床的配置形式；
（2） 合理選擇切削用量；
（3） 設(shè)計(jì)高效率的夾具、刀具及主軸箱；
（4） 要保證給定的工藝過程；
（5） 保證機(jī)床的剛度、剛度、抗振性和穩(wěn)定性，力求減輕機(jī)床重量，保證機(jī)床結(jié)構(gòu)簡單，盡量用較短的傳動(dòng)鏈，以提高傳動(dòng)精度和效率；
（6） 保證良好的加工工藝性，以便于機(jī)床的加工和裝配；
（7） 盡可能占地面積小，機(jī)床外形美觀大方，符合人機(jī)工程學(xué)原理。
評價(jià)機(jī)床性能的優(yōu)劣，主要是根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來判斷的。機(jī)床設(shè)計(jì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)可以從滿足性能要求，經(jīng)濟(jì)效益，人際關(guān)系等方面進(jìn)行分析。
2.2 多軸鉆床總體布局分析
機(jī)床布局的設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的全局性問題，它對機(jī)床的部件設(shè)計(jì)，制造和使用都有較大的影響，機(jī)床總體布局的任務(wù)是解決機(jī)床各部件的相對運(yùn)動(dòng)和相對位置的關(guān)系，并使機(jī)床具有一個(gè)協(xié)調(diào)美觀的造型。工藝分析和工件的形狀、尺寸及重量，在很大程度上左右著機(jī)床的布局形式。
2.2.1零件的加工工藝方法對總體布局的影響
專用機(jī)床上加工工件的工藝方法是多種多樣的。在我們設(shè)計(jì)多軸鉆床時(shí)，往往由于工藝方法的改變，導(dǎo)致機(jī)床運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)部件配置以及結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生一系列的變化，因此在確定專用多軸鉆床的總體布局時(shí)應(yīng)首先分析和選擇合理的加工工藝。輪輻多軸鉆床的主運(yùn)動(dòng)為鉆頭的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，它工作時(shí)將輪輻裝在鉆頭正下方的專用定位機(jī)構(gòu)上如圖2－1所示：
圖2－1 輪輻專用夾具圖
2.2.2機(jī)床的運(yùn)動(dòng)分配對總體布局的影響
鉆床的工藝方法確定后，刀具與工件在鉆削加工時(shí)的相對運(yùn)動(dòng)亦隨著被確定了。但此相對運(yùn)動(dòng)可以完全分配給刀具，也可以完全分配給工件，或由刀具和工工件共同完成。設(shè)計(jì)專用鉆床，我們應(yīng)分析比較不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇最佳的運(yùn)動(dòng)方案。下面是我們擬定的幾種分配方案。
第一種方案：鉆削加工的相對運(yùn)動(dòng)由刀具實(shí)現(xiàn)
在輪輻專用多軸鉆床上鉆孔時(shí)，主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)都有刀具完成，鉆頭的軸向移動(dòng)為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，鉆頭的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為主運(yùn)動(dòng)。主運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)形成了切削加工時(shí)的全部相對運(yùn)動(dòng)。采用該方法，把運(yùn)動(dòng)完全分配給刀具，可以順利完成重型工件的加工。
鉆頭在回轉(zhuǎn)過程中可同時(shí)實(shí)現(xiàn)進(jìn)給，從而實(shí)現(xiàn)對輪輻的擴(kuò)絞工序。機(jī)床部件配置形式與普通床相似。這種機(jī)床的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便，但在鉆削扭矩通過刀具本身傳遞，對于較長的鉆頭就會(huì)產(chǎn)生較大的扭矩變形而引起震動(dòng)。因此刀具選擇則為高速鋼。
第二種方案：鉆削加工時(shí)的相對運(yùn)動(dòng)由刀具和工件共同完成
在多軸鉆床設(shè)計(jì)中，擴(kuò)絞輪輻孔時(shí)主運(yùn)動(dòng)分配給鉆頭，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由工件完成，即鉆頭的向下運(yùn)動(dòng)和工件的向上移動(dòng)。該方案用于工件重量不大的設(shè)計(jì)中。
通過兩種方案比較：把運(yùn)動(dòng)完全分配給刀具的方案，一般用于重型工件的加工。由于多軸鉆床所加工的輪輻重量不是很大，故本設(shè)計(jì)采用第二種方案。具體方案如下圖2-2：
圖2-2 鉆削加工的第二種方案
2.2.3 精度等級對總體布局的影響
由于多軸鉆床的加工精度和光潔度與機(jī)床的剛度和抗震性有關(guān)，為了得到所要求得加工精度和光潔度，在機(jī)床總體布局上就應(yīng)該保證有足夠的剛度和抗震性。通常情況下，支承形式為封閉的框架時(shí)，其剛度較好，如大型立車、刨床、銑床、坐標(biāo)鏜床等都采用龍門式。當(dāng)收到工藝限制無法采用龍門式時(shí)，可采用輔助支承懸臂梁、活動(dòng)橫梁來加強(qiáng)機(jī)床的剛度和抗震性。機(jī)床加工過程中產(chǎn)生的震動(dòng)傳遞給工件和刀具，會(huì)使被加工表面產(chǎn)生震動(dòng)，降低表面光潔度。震動(dòng)也是刀具壽命縮短，使機(jī)床零件的磨損加快。震動(dòng)所造成的噪音，使工人疲勞。因此，設(shè)計(jì)機(jī)床應(yīng)采用措施來消除和減少震動(dòng)。減少機(jī)床震動(dòng)可從布局、結(jié)構(gòu)、剛度等方面來采取措施。
2.2.4 生產(chǎn)率對總體布局的影響
機(jī)床的生產(chǎn)批量不同，其結(jié)構(gòu)可能完全不同，該廠加工輪輻屬于大批量生產(chǎn)，因此制造調(diào)整用專門輪輻擴(kuò)絞專用機(jī)床，一次完成多孔加工。此方案效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度低，工作臺(tái)結(jié)構(gòu)簡單，但占地面積大。
2.2.5 傳動(dòng)形式對總體布局的影響
機(jī)床傳動(dòng)有機(jī)械傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、氣動(dòng)、電氣傳動(dòng)等多種形式以及上述形式的綜合。合理的機(jī)床傳動(dòng)形式應(yīng)滿足下列要求。
① 滿足運(yùn)動(dòng)功能要求 例如，所需運(yùn)動(dòng)是簡單運(yùn)動(dòng)，還是復(fù)合運(yùn)動(dòng)；所需運(yùn)動(dòng)是直線運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，還是其他軌跡的運(yùn)動(dòng)；運(yùn)動(dòng)對變速、換向、定程、制動(dòng)等功能的要求。
②滿足運(yùn)動(dòng)性能要求 例如，對運(yùn)動(dòng)速度、功率、傳動(dòng)力、行程的要求；對傳動(dòng)精度定位精度、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性等的要求。
③ 滿足經(jīng)濟(jì)性要求 例如，滿足用戶對傳動(dòng)裝置成本的要求；與制造，維護(hù)、修理傳動(dòng)裝置的水平相適應(yīng)等。
本次設(shè)計(jì)從以上幾個(gè)方面考慮，結(jié)合加工工件的特點(diǎn)，我們采用液壓傳動(dòng)作為本次設(shè)計(jì)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
2.2.6 操作方便性對總體布局的影響
機(jī)床的總體布局考慮人的重要性支配作用，應(yīng)該考慮以下幾點(diǎn)：
①.機(jī)床各部件相對位置的安排應(yīng)考慮便于操作觀察和測量，安裝工件的部位和高度，應(yīng)正好處于操作者手臂平伸的位置（較重件除外）。為適應(yīng)一般操作者的身高，對安裝工件位置較低的機(jī)床，應(yīng)將床腿或坐墊墊高。
②.合理選擇工人的操作操作位置。根據(jù)手臂所能到達(dá)指定位置的難易程度，有最大工作區(qū)、正常工作區(qū)和最佳工作區(qū)之分。為了便于檢修，要考慮人體蹲下時(shí)較適于工作的區(qū)域。還應(yīng)考慮操作者所能達(dá)到的最大視野和反應(yīng)敏銳的視野區(qū)。
③.合理選擇立柱的位置，使之符合通常的操作習(xí)慣，便于對刀.調(diào)整和測量。
綜上所述，影響機(jī)床總體布局的因素是多方面的。其中，工藝方法的選擇，對機(jī)床運(yùn)動(dòng)的要求及運(yùn)動(dòng)分配是其決定性作用的因素；工件的尺寸、精度、形狀等是應(yīng)考慮的重要因素。在我們設(shè)計(jì)中，考慮到這些因素，我們選擇如圖2－1所示多軸鉆床的具體外觀形狀。
2.3 組合機(jī)床配置形式及結(jié)構(gòu)
2.3.1 影響組合機(jī)床配置形式及結(jié)構(gòu)方案的因素
被加工零件需要在機(jī)床上完成的工序及加工精度，是制定機(jī)床工藝方案的主要依據(jù)，制定工藝方案時(shí)，首先需要全面分析工件的加工精度及技術(shù)要求，了解現(xiàn)場加工工藝及保證精度的有效措施。
1. 工件加工精度的影響
工件的加工精度要求，往往影響組合機(jī)床的配制形式和結(jié)構(gòu)方案，例如，加工精度要求高時(shí)，應(yīng)采用固定夾具的單工位組合機(jī)床，加工精度要求較低時(shí)，可采用移動(dòng)夾具的多工位組合機(jī)床；工件各孔之間的位置精度要求高時(shí)，應(yīng)采用在同一工位上對各孔同時(shí)精加工的方法；工件各孔間同軸度要求較高時(shí)，應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行精加工等等。
2. 工件結(jié)構(gòu)狀況的影響
工件的形狀、大小和加工部位的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對機(jī)床的結(jié)構(gòu)方案也有一定的影響。例如，對外形尺寸和重量較大的工件，一般采用固定夾具的單工位組合機(jī)床，對多工序的中小型零件，則宜采用移動(dòng)夾具的多工位組合機(jī)床；對大直徑的深孔加工，宜采用剛性主軸的立式組合機(jī)床等等。
3. 生產(chǎn)率的影響
生產(chǎn)率往往是決定采用單工位組合機(jī)床、多工位組合機(jī)床還是組合機(jī)床自動(dòng)線的重要因素。例如，從其他因素考慮應(yīng)采用單工位組合機(jī)床，但由于滿足不了生產(chǎn)率的要求時(shí)，應(yīng)選用移動(dòng)工作臺(tái)式的組合機(jī)床；工位數(shù)超過4個(gè)時(shí)才選用回轉(zhuǎn)工作臺(tái)或鼓輪式組合機(jī)床。
4. 現(xiàn)場條件的影響
使用組合機(jī)床的現(xiàn)場條件對組合機(jī)床的結(jié)構(gòu)方案也有一定的影響。例如，使用單位的氣候炎熱，車間溫度過高，使用液壓傳動(dòng)機(jī)床不夠穩(wěn)定，則宜采用機(jī)械傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式；使用單位刃磨刀具、維修、調(diào)整能力以及車間布置的情況，都將影響組合機(jī)床的結(jié)構(gòu)方案。
5. 工件的生產(chǎn)方式
對大批量生產(chǎn)的箱體零件，工序安排上一般趨于分散，例如加工輪輻螺栓孔，其粗加工，精加工分別在不同的機(jī)床上進(jìn)行。機(jī)床雖多一些，但由于生產(chǎn)批量很大，從提高生產(chǎn)率，穩(wěn)定的保證加工精度的角度來講仍然是合理的。在小批量生產(chǎn)情況下，完成同樣的工藝內(nèi)容，則力求減少機(jī)床臺(tái)數(shù)，此時(shí)應(yīng)盡可能將工序盡量集中在一臺(tái)或少數(shù)幾臺(tái)機(jī)床上進(jìn)行加工。
2.3.2 多軸鉆床的工藝方案的制定
工藝方案制定的正確與否，將決定機(jī)床能否達(dá)到“質(zhì)量輕，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，效率高，質(zhì)量好”的要求。故在確定專用機(jī)床總體布局方案時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)分析和選擇合理的工藝方案。
本次設(shè)計(jì)的機(jī)床是輪輻螺栓孔專用擴(kuò)鉸多軸鉆床。以下對加工工件外形及加工面位置作詳細(xì)分析。由零件圖可以看出，此步工序是輪輻面上五個(gè)直徑為15的孔進(jìn)行擴(kuò)鉸加工。如果采用一般鉆床，也可完成此步工序，但是一次只能加工一個(gè)孔，一個(gè)輪輻需要加工五次，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，且不能保證精度，為了為保證配合質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，可以使用多軸鉆床一次完成五個(gè)孔的擴(kuò)鉸工作從而節(jié)省人力和時(shí)間，所加工的工件在擴(kuò)孔后的零件圖如圖2-3所示：
圖2-3 加工輪轂零件圖
3、多軸鉆床部件設(shè)計(jì)
3.1動(dòng)力部件分析
動(dòng)力部件的選擇在整個(gè)多軸鉆床的設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。動(dòng)力部件的功率如果選取過大，電動(dòng)機(jī)經(jīng)常處于低負(fù)荷情況，造成電力浪費(fèi)，同時(shí)使轉(zhuǎn)動(dòng)件及相關(guān)尺寸選取過大，浪費(fèi)材料，且機(jī)床笨重，如果選取過小，則機(jī)床達(dá)不到設(shè)計(jì)提出的使用性能要求。本設(shè)計(jì)主運(yùn)動(dòng)采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)。
3.1.1 切削用量的選擇
多軸鉆床正常工作與合理的選用鉆削用量，即確定合理的切削速度和工作進(jìn)給量，有很大的關(guān)系。切削用量選用的恰當(dāng)，能使多軸機(jī)床以最少的停車損失，最高的生產(chǎn)效率，最長的刀具壽命和最好的加工質(zhì)量進(jìn)行生產(chǎn)。工作時(shí)，五軸鉆床的五把刀具同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，為了使鉆床能夠正常工作，不經(jīng)常停車換刀，而達(dá)到較高的生產(chǎn)率，所選的切削用量比一般的鉆床單刀加工要低一些?？偟膩碚f，在多軸鉆床上不宜采用較大的切削速度和進(jìn)給量，選用的切削用量應(yīng)比普通單刀加工時(shí)低30%左右。
查《金屬切削原理與刀具》第七章 鉆削與鉆頭，我們知道普通鉆頭進(jìn)給量可按以下經(jīng)驗(yàn)公式估算：f=(0.01~0.02)d 鉆頭直徑應(yīng)有工藝尺寸決定，盡可能一次鉆出所需要的孔，這里我選取d=15mm 。所以鉆頭進(jìn)給量范圍是0.15`0.3mm ,我們?nèi)∵M(jìn)給量f=0.2mm。
因?yàn)楦咚黉撱@頭的切削速度根據(jù)加工材料的不同而變化，主軸對應(yīng)的轉(zhuǎn)速可根據(jù)輪轂材料的切削速度而查表確定。一般汽車輪轂材料為鋁合金，因?yàn)樗哂兄亓枯p、散熱快、美觀等優(yōu)點(diǎn)。而我們設(shè)計(jì)這臺(tái)專用機(jī)床除了考慮加工鋁合金材質(zhì)的輪轂外，還考慮到加工鑄鐵材質(zhì)的輪轂，所以初步設(shè)定初定為三檔轉(zhuǎn)速，即此次設(shè)計(jì)的多軸鉆床傳動(dòng)系統(tǒng)（主軸箱）分高、中、低三檔轉(zhuǎn)速。查表得，加工材料為鋁合金時(shí)，鉆削速度范圍是40~105m/min 。這里我們選取高檔切削速度v1=70m/min，選取中檔切削速度為v2=40m/min，選取低檔切削速度為v3=25m/min 。
3.1.2 主運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇
初定此次設(shè)計(jì)內(nèi)嚙合多軸鉆總體布局如圖3-1所示：
圖3-1 傳動(dòng)系統(tǒng)總體布局圖
分析總體布局圖知，主運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇取決于主軸箱的減速部分和鉆頭處內(nèi)嚙合的加速部分。并以鉆頭高轉(zhuǎn)速依次遞推選擇出電動(dòng)機(jī)的型號(hào)。總體思路如下：
高速檔鉆頭切削速度為v1=70m/min切削扭矩MC=7.26,所以鉆頭處切削消耗功率為P=Mcvc30d ,計(jì)算得P=1.13KW,P電=5Pη總=6.57KW。同時(shí)，鉆床工作高速檔轉(zhuǎn)速nw1=1000vcπd=1485r/min 。分析知，鉆床工作時(shí)中速檔轉(zhuǎn)速為nw2=1000vcπd=848.8r/min 。同理，低速檔鉆頭切削速度為vc2=25m/min，鉆床的工作轉(zhuǎn)速nw3=1000vcπd=530.5r/min綜合以上計(jì)算，選取主運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》①，選取型號(hào)為Y132M—4。Y系列電動(dòng)機(jī)為全封閉自扇冷式，一般用于空氣中不含易燃，易炸或腐蝕性氣體的場所，也適用于無特殊要求的機(jī)械上，如金屬切削機(jī)床。
工作條件：環(huán)境溫度不超過+40℃；相對濕度不超過95％；海拔不超過1000m；額定電壓380V；頻率50Hz；
接法：3KW及以下Y接法，4KW以上三角型接法。本設(shè)計(jì)采用三角型接法。
工作方式為連續(xù)（S1）；
防護(hù)等級為IP44（GB1498—79）。
所選電動(dòng)機(jī)參數(shù)如下表3-1所示：
表3-1 電動(dòng)機(jī)參數(shù)表
型號(hào)
額定功率型號(hào)
滿載時(shí)
轉(zhuǎn)速
電流
效率
（％）
功率因素
Y132M-4
7.5
1420
17.7
86
0.75
型號(hào)
堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩
最大轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩
噪聲、dB(A)
重量
/kg
1級
2級
Y132S-4
2.0
2.0
67
72
45
電動(dòng)機(jī)的安裝尺寸如下表3-2：
表3-2 電機(jī)安裝尺寸
機(jī)座號(hào)
國際標(biāo)準(zhǔn)機(jī)座號(hào)
D
F
G
2極
4、6、8\10極
2極
4、6、8\10極
2極
4、6、8\10極
2極
4、6、8\10極
132S
160L42
42K6
12
37
E
K
A
B
C
L
2極
4、6、8\10極
2極
4、6、8\10極
110
15
254
254
108
650
3.2 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
主軸箱是多軸鉆床的重要組成部分，是用于布置機(jī)床工作主軸及其傳動(dòng)零件和附加機(jī)構(gòu)的。它通過按一定速比排布傳動(dòng)齒輪，把動(dòng)力部件上的動(dòng)力傳遞給各個(gè)工作主軸，使之獲得所需要的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向等。本設(shè)計(jì)主軸箱采用黃干油進(jìn)行潤滑。
傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是主軸箱設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的一環(huán)。所謂傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，就是通過一定的傳動(dòng)鏈，按要求把動(dòng)力從動(dòng)力部件的驅(qū)動(dòng)軸傳遞到主軸上去。同時(shí)，滿足主軸箱其他結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)的要求。傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般要求：
（1）在保證主軸的強(qiáng)度，剛度，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向要求的前提下，力求是傳動(dòng)軸和齒輪為最少。應(yīng)盡量用一根傳動(dòng)軸帶動(dòng)多根主軸；當(dāng)齒輪嚙合中心距不符合標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可采用齒輪變位的方法和湊中心距離。
（2）在保證有足夠強(qiáng)度的前提下，主軸，傳動(dòng)軸和齒輪的規(guī)格要盡可能少，以減少各類零件的品種。
（3）通常應(yīng)避免主軸帶動(dòng)主軸，否則將增加主動(dòng)主軸的負(fù)荷。
（4）粗加工主軸上的齒輪，應(yīng)盡可能靠近前支承，以減少主軸的扭轉(zhuǎn)變形。
（5）盡可能避免升速傳動(dòng)，必要的升速最好放在傳動(dòng)鏈的最末一，二級，以減少功率損失。
在我們設(shè)計(jì)的傳動(dòng)系統(tǒng)中，包括齒輪的設(shè)計(jì)、軸的設(shè)計(jì)以及附件設(shè)計(jì)三部分，下面我們進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)計(jì)算。
3.3 主軸箱齒輪齒數(shù)的設(shè)計(jì)
齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中最重要的傳動(dòng)之一，其主要特點(diǎn)有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、壽命長的優(yōu)點(diǎn)，并且改傳動(dòng)比較平穩(wěn)。齒輪傳動(dòng)可做成開式、半開式或閉式，在我們的設(shè)計(jì)中現(xiàn)場情況做成半開式。由于所設(shè)計(jì)的齒輪在具體情況下，必須具有足夠的、相應(yīng)的工作能力，以保證在整個(gè)工作壽命期間不致失效，因此我們在齒輪設(shè)計(jì)式通常按只保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度及齒面接觸疲勞強(qiáng)度兩個(gè)準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算?，F(xiàn)設(shè)計(jì)根據(jù)提供的零件圖進(jìn)行分析：
3.3.1 鉆頭工作部分齒輪設(shè)計(jì)
所加工零件的五個(gè)孔分布在直徑為120mm的圓周上。另外考慮到該廠操作人員操作水平有限， 因此要求主軸箱內(nèi)的齒輪足夠結(jié)實(shí)，故初選主軸軸箱齒輪模數(shù)為3mm。從鉆頭工作端開始考慮，每個(gè)鉆頭所連的小齒輪與主軸輸出端的大齒輪為內(nèi)嚙合，小齒輪的齒輪軸直徑即為所加工的五個(gè)孔的直徑15mm，該級為單級加速部分，由于五個(gè)小齒輪的齒輪軸所圍成的圓直徑為120mm,則內(nèi)嚙合的大齒輪與小齒輪的半徑差為60mm。即大小齒輪分度圓相切情況如下圖3-2所示：
圖3-2 鉆頭工作部分內(nèi)嚙合齒輪分布情況
根據(jù)分析可知：d1-d2=120m 即mz1-mz2=120 , 初定模數(shù)為2.5，小齒輪齒數(shù)為z1=23，大齒輪齒數(shù)為z2=71，則齒數(shù)比u＝z2z1=3。則鉆頭內(nèi)嚙合小齒輪的分度圓直徑為d1=52.9，大齒輪的分度圓直徑為d2=177.5
已知主軸傳動(dòng)位于高速檔時(shí)，鉆頭工作端轉(zhuǎn)速n1＝1485r/min,即小齒輪轉(zhuǎn)速為1485r/min, 則主軸箱輸出軸的轉(zhuǎn)速n2=14853=495r/min。同理，當(dāng)主軸傳動(dòng)位于中速檔時(shí)，鉆頭工作端小齒輪的轉(zhuǎn)速為n1'=848.8r/min,則主軸箱輸出軸轉(zhuǎn)速n2'=848.83=282.9r/min 。當(dāng)主軸傳動(dòng)位于低速檔時(shí)，鉆頭工作端小齒輪的轉(zhuǎn)速為n1''=530.5r/min,則主軸箱輸出軸轉(zhuǎn)速n2''=530.53=141.5r/min下面我們對主軸箱高速檔，中速檔和低速檔三個(gè)檔位齒輪進(jìn)行具體的計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
3.3.2 高速檔部分齒輪設(shè)計(jì)及校核
1．齒輪齒數(shù)：
從主運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸入到主軸箱輸出，相當(dāng)于一級減速，減速比i2=n3n2=1420495=2.87.則初選主軸箱中小齒輪的齒數(shù)為z3=23，則大齒輪齒數(shù)z4=66，模數(shù)為3.
2．選擇齒輪類型,精度等級及材料
(1).輪應(yīng)不受軸向載荷，故選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)
(2).因?yàn)槎噍S鉆床為一般工作機(jī)器，轉(zhuǎn)速不高，故選用7級精度（GB10095-88）.
(3).齒輪的材料選擇。由《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本（高等教育出版社編）表10－1選擇小齒輪材料為20CrMnTi,硬度為300HBS，齒面硬度60HRC;大齒輪材料為40Cr,硬度為280HBS.
齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與齒輪的幾何尺寸、材料、加工方法、使用要求及經(jīng)濟(jì)度等因素有關(guān)。因此進(jìn)行齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮上述各方面的因素。在這里我們按齒輪的直徑大小選定合適的形式。具體設(shè)計(jì)如下。齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有以下原則：
①當(dāng)齒頂圓直徑小于160mm時(shí)，可以做成實(shí)心結(jié)構(gòu)的齒輪。
②當(dāng)齒頂圓直徑在160～500mm可以做成腹板式結(jié)構(gòu)。
3.按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》（高等教育出版社）有如下設(shè)計(jì)計(jì)算公式：
1).確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
(1) 試選載荷系數(shù)： ＝1.3
(2) 計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩：
①由《實(shí)用機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》查的軸承效率為η＝99％，連軸器效率為95％。因?yàn)橹鬏S箱齒輪布置為五個(gè)小齒輪均勻分布在一個(gè)大齒輪的內(nèi)側(cè)邊沿，并被大齒輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，所以主軸箱輸出功率為P=P電η1，式中各參數(shù)含義： η1是聯(lián)軸器的傳遞效率
將P電=7.5KW，＝95％，代入得：P= 7.125KW
②小齒輪轉(zhuǎn)速的計(jì)算：此時(shí)，小齒輪的轉(zhuǎn)速即為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速
n電=1420r/min
所以： T1=95.5×105×7.125 KW1420r/min =4.79×104N/mm
(3)由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10－7選齒寬系數(shù)＝0.53。
(4）由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10－6查得材料得影響系數(shù)=189.8 。
(5)由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10－21d按齒面硬度差的小齒輪得接觸疲勞強(qiáng)度極限,.。
(6) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)系數(shù)
N1=60n1jLH=60×1420×1×(8×30×15)=3.06×108
N2=3.06×1083=1.02×108
(7)由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10－19查的接觸疲勞強(qiáng)度系數(shù)
(8)計(jì)算接觸許用應(yīng)力
取失效概率為1％，安全系數(shù)為s=1 ,
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式10－12得：
2)計(jì)算
（1） 試計(jì)算小齒輪分度圓直徑代入[]中較小的值：
=2.3231.3×4.79×1040.53×2.87+12.87×198.765882=60.9mm
（2）計(jì)算齒寬與齒高之比b/h：
模數(shù) mt=d1tz3=60.923=2.6
齒全高 h=2.25×mt=2.25×2.6=6mm
（3）計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù)v＝πd1tn160×1000=4.5m/s，7級精度，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10－8查的動(dòng)載系數(shù) ＝1.05。直齒輪假設(shè)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10－3查得 。
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10－2查得使用系數(shù)。
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10－4查得7級精度，小齒輪相對支承對稱布置時(shí)
將數(shù)據(jù)代入后得：
由 bh=5.8 查《機(jī)械設(shè)計(jì)》10－13得
故載荷系數(shù)。
（4） 載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑由《機(jī)械設(shè)計(jì)》公式10－10a得
d1=d1t3kkt=60.931.44271.3=63mm
由實(shí)際要求該設(shè)計(jì)選d=69mm>d1,其強(qiáng)度合格。
4.按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式10－5得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為：
確定公式內(nèi)的各個(gè)參數(shù)值
（1） 《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10－20d查得小齒輪得彎曲疲勞強(qiáng)度極限大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度
（2）由《機(jī)械設(shè)計(jì)》10－18查得彎曲疲勞壽命
（3）計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式10－12得
（4） 載荷系數(shù)。
（5）查取齒形系數(shù)由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10－5查得 ： 。
（6）校正系數(shù)由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10－5查得
計(jì)算大小齒輪的并比較大小：
顯然大齒輪數(shù)值大。
設(shè)計(jì)計(jì)算
對比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸強(qiáng)度的承載能力，僅與齒輪直徑有關(guān)，根據(jù)廠房要求d3＝69mm，m=3完全可靠。
5.幾何尺寸計(jì)算
1）計(jì)算分度圓直徑 d3=z3m=23×3=69mm
d4=z4m=66×3=198mm
2）計(jì)算中心距 a=d3+d42=69+1982=133.5mm
3）計(jì)算齒輪寬度 b=φdd3=0.53×69=36.57mm
由于齒寬計(jì)算原則：大齒輪寬度在計(jì)算之內(nèi)，小齒輪寬比大齒輪寬5～10mm，故將齒寬就近圓整為B3=40mm，B4=35mm符合廠方要求。
6.齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于本設(shè)計(jì)中小齒輪d3=mz3=3×23=69mm，則選用實(shí)心結(jié)構(gòu)即盤式齒輪，因?yàn)榇簖X輪分度圓直徑為d4=mz4=3×66=198mmmm,由齒輪設(shè)計(jì)原則可知大齒輪選腹板式結(jié)構(gòu)。大齒輪的腹板式結(jié)構(gòu)如下圖3-3所示：
圖3-3 大齒輪的腹板式結(jié)構(gòu)
腹板結(jié)構(gòu)尺寸可以參閱《機(jī)械設(shè)計(jì)》第十章第十節(jié)，具體尺寸詳見CAD零件圖第3張圖紙
7.大齒輪和小齒輪參數(shù)見表3-3
表3-3 高速檔大小齒輪參數(shù)表
名稱
參數(shù)代號(hào)
小齒輪參數(shù)
大齒輪參數(shù)
模數(shù)
m
3
3
齒數(shù)
z
23
66
壓力角
分度圓直徑
d
69
198
齒頂高系數(shù)
1
1
頂隙系數(shù)
c*
0.25
0.25
齒全高
h
6.75
6.75
齒頂圓直徑
75
204
齒根圓直徑
61.5
190.5
至此，高速檔齒輪的設(shè)計(jì)及校核工作已經(jīng)完成,下面進(jìn)行校核。
3.3.3 中速檔部分齒輪設(shè)計(jì)
1．齒輪齒數(shù)：
從鉆頭工作端開始考慮，已知鉆頭工作端轉(zhuǎn)速n1＝848.8r/min,即小齒輪轉(zhuǎn)速為848.8r/min,加速部分傳動(dòng)比i1＝3。所以主軸箱輸出端轉(zhuǎn)速n2=5313=282.9r/min .從主運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸入到主軸箱輸出，相當(dāng)于一級減速，減速比i2=n3n2=1420282.9=5由于主軸箱的三個(gè)檔速三對齒輪嚙合，三對齒輪中心距一樣均為133.5mm，所以對中速檔的一對齒輪而言，d5+d6=133.5×2=267mm 。即mz5+z6=267mm則初選主軸箱中小齒輪的齒數(shù)為z3=18，模數(shù)為2.5, 則大齒輪齒數(shù)z4=90，
2. 齒輪設(shè)計(jì)
小齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于本設(shè)計(jì)中小齒輪d5=mz5=2.5×18=45mm，則選用實(shí)心結(jié)構(gòu)即盤式齒輪，
大齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
因?yàn)榇簖X輪分度圓直徑為d6=mz6=2.5×90=225mm,由齒輪設(shè)計(jì)原則可知大齒輪選腹板式結(jié)構(gòu)。
3.大齒輪和小齒輪參數(shù)如表3-4所示
表3-4 中速檔大小齒輪參數(shù)表
名稱
參數(shù)代號(hào)
小齒輪參數(shù)
大齒輪參數(shù)
模數(shù)
m
2.5
2.5
齒數(shù)
z
18
90
壓力角
分度圓直徑
d
45
225
齒頂高系數(shù)
1
1
頂隙系數(shù)
c*
0.25
0.25
齒全高
h
5.625
5.625
齒頂圓直徑
50
230
齒根圓直徑
38.75
218.75
至此，中速檔齒輪的設(shè)計(jì)已經(jīng)完成
3.3.4 低速檔部分齒輪設(shè)計(jì)
1．齒輪齒數(shù)：
從鉆頭工作端開始考慮，已知鉆頭工作端轉(zhuǎn)速n1＝530.5r/min,即小齒輪轉(zhuǎn)速為530.5r/min,加速部分傳動(dòng)比i1＝3。所以主軸箱輸出端轉(zhuǎn)速n2=530.53=176.8r/min .而從主運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸入到主軸箱輸出，相當(dāng)于一級減速，減速比i2=n3n2=1420176.8=8. 由于主軸箱的三個(gè)檔速三對齒輪嚙合，三對齒輪中心距一樣均為133.5mm，所以對中速檔的一對齒輪而言，d7+d8=133.5×2=267mm 。即mz7+z8=267mm則初選主軸箱中小齒輪的齒數(shù)為z3=24，模數(shù)為1.25, 則大齒輪齒數(shù)z4=192，選擇齒輪類型,精度等級及材料與高速檔相同。
2. 齒輪設(shè)計(jì)
小齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于本設(shè)計(jì)中小齒輪d5=mz5=1.25×24=30，則選用實(shí)心結(jié)構(gòu)即盤式齒輪，大齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
因?yàn)榇簖X輪分度圓直徑為d4=mz4=1.25×192=240mm,由齒輪設(shè)計(jì)原則可知大齒輪選腹板式結(jié)構(gòu)。
3.大齒輪和小齒輪參數(shù)如表3-5所示
表3-5 低速檔大小齒輪參數(shù)表
名稱
參數(shù)代號(hào)
小齒輪參數(shù)
大齒輪參數(shù)
模數(shù)
m
1.25
1.25
齒數(shù)
z
24
192
壓力角
分度圓直徑
d
30
240
齒頂高系數(shù)
1
1
徑向間隙
c
0.75
0.75
齒全高
h
2.8
2.8
齒頂圓直徑
32.5
242.5
齒根圓直徑
25.625
236.875
至此，低速檔齒輪的設(shè)計(jì)已經(jīng)完成
3.4 軸的計(jì)算和校核
軸是組成機(jī)器的主要零件之一。一切作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)零件，都必須安裝在軸上才能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)即動(dòng)力的傳遞，因此軸的功用時(shí)支承回轉(zhuǎn)零件及傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。所以，軸的設(shè)計(jì)也和其它零件的設(shè)計(jì)一樣，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作能力兩方面的內(nèi)容。
軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就需要根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等方面的要求，合理的確定軸的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，會(huì)影響軸的工作能力和軸上零件的工作可靠性，還會(huì)增加軸的制造成本和軸上零件的裝配困難。因此，軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是我們這部分要做的主要工作。軸的工作能力計(jì)算是指周的強(qiáng)度、剛度和震動(dòng)穩(wěn)定性等方面的計(jì)算。因?yàn)槎鄶?shù)情況下，軸的結(jié)構(gòu)工作能力主要取決于軸的強(qiáng)度。在本設(shè)計(jì)中就是這種情況，因此在設(shè)計(jì)計(jì)算中我們只對軸的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，防止其斷裂或塑性變形。下面我們進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)計(jì)算。
3.4.1主軸箱高速軸II的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1、齒輪上作用力的計(jì)算
高速軸傳遞的扭矩為
TⅡ=9550PⅡ/nⅡ=9550×7.125/1420=47.92Nm
即，TII=47920Nmm, 轉(zhuǎn)速為nII=1420r/min ,最小的分度圓直徑為30mm 。分析該齒輪上的受力情況：
（1） 圓周力為：
Fti=2TIId1=2×4792030=9584030=3194.7N
其方向與力的作用點(diǎn)圓周速度方向相反
（2） 徑向力為：
Fr1=Ft1tanαn=3194.7×tan20=1162.8N
其方向由力的作用點(diǎn)指向齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)中心
從動(dòng)齒輪各個(gè)力與主動(dòng)齒輪上相應(yīng)的力大小相等，作用方向相反。
2．初步確定軸的最小直徑
初步估算軸的最小直徑。選擇軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。查表?。?=103，于是得
dmin≥A03PIInII=10337.1251420=17.6mm
軸Ⅱ的最小直徑的地方顯然是與聯(lián)軸器相連的地處軸的直徑見圖3-4
3．軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖3-4 主軸箱高速軸結(jié)構(gòu)圖
1）擬定軸上的零件裝配方案，如圖3-4
2）根據(jù)軸向定位要求確定軸的各段長度和直徑，Ⅰ－Ⅱ軸段右端需要制出一軸肩，左端用端蓋和螺栓定位。故Ⅰ－Ⅱ的直徑＝25ｍｍ，Ｌ＝36mm。
3）Ⅱ－Ⅲ段裝軸承和軸承端蓋，因軸承同時(shí)受有徑向力和軸向力作用，故選用單列圓錐滾子軸承，軸承參照工作要求并根據(jù)＝25mm，由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取０基本游隙組，標(biāo)準(zhǔn)精度等級的單列圓錐滾子軸承32006。其尺寸為D×d×T=30×55×17。故＝30mm，考慮到軸承蓋的裝卸方便＝130mm。
4）Ⅲ－Ⅳ段為花鍵軸，且又做軸承的軸向定位，選N×d×D×B=8×32×36×6，有考慮三聯(lián)滑移齒輪各自工作時(shí)，不產(chǎn)生干涉，（Ｂ為齒輪６的齒寬）故。
5） Ⅳ－Ⅴ段安裝軸承，因考慮軸承是成對安裝，故該軸段軸承也為32006，
＝30mm，=17mm。
3.4.2 主軸箱低速軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1、齒輪上作用力的計(jì)算
高速軸傳遞的扭矩為
TIII=9550PIII/nIII=9550×5.7/176.8=307.9 Nm
即，TIII=307900Nmm, 轉(zhuǎn)速取高低轉(zhuǎn)速nIII=495r/min ,最小的分度圓直徑為198mm 。分析該齒輪上的受力情況：
（3） 圓周力為：
Ft2=2TIIId4=2×307900198=3110N
其方向與力的作用點(diǎn)圓周速度方向相反
（4） 徑向力為：
Fr2=Ft2tanαn=3110×tan20=1132N
其方向由力的作用點(diǎn)指向齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)中心
從動(dòng)齒輪各個(gè)力與主動(dòng)齒輪上相應(yīng)的力大小相等，作用方向相反。
2．初步確定軸的最小直徑
先按初步估算軸的最小直徑，選擇軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，根據(jù)表15－3?。?=103，于是得
dmin≥A03PIIInIII=10335.7176.8=32.78mm
軸Ⅱ的最小直徑的地方顯然是安裝內(nèi)輪7處軸的直徑如圖3-5
3．軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖3-5 主軸箱低速軸結(jié)構(gòu)
（1）．?dāng)M定軸上零件的裝配方案，如圖3-5
（2）．根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度
1）為了滿足內(nèi)嚙合齒輪的軸向定位要求，Ⅶ－Ⅷ段左端需制出一軸肩，故Ⅶ－Ⅷ段的直徑＝45mm，Ⅶ－Ⅷ段右端需要擋板和螺栓定位，故。
2）Ⅵ－Ⅶ段安裝套筒，軸承和軸承端蓋，因軸承同時(shí)承受軸向力和徑向力，故選用單列圓錐滾子軸承，參照工作要求并根據(jù)＝45mm，由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取0基本游隙組，標(biāo)準(zhǔn)精度等級的單列圓錐滾子軸承32910x2，其尺寸為ｄ×Ｄ×Ｔ＝50×72×15，故=50mm，考慮軸承端蓋螺栓的安裝與拆卸的方便，。
３）Ⅴ－Ⅵ段安裝齒輪4和6及套筒,取dV-VI=54mm；齒輪4的右端和軸承之間用套筒定位。已知齒輪4和6 及套筒的總寬度為266mm，為了使套筒面可靠的壓緊齒輪，故。
4）－為軸肩定位，軸肩高度h>0.07d=0.07×55=3.85mm，故?。瑁?ｍｍ，則軸環(huán)處ｂ＞1.4h=8.4mm，則。
5）Ⅲ－Ⅳ段為自由段，
6）Ⅱ－Ⅲ段為軸肩定位，軸肩高度，故取h=6mm，軸環(huán)出的直徑=67mm，軸環(huán)的寬度b>1.4h=1.4×6=8.4mm，取。
7）Ⅰ－Ⅱ段安裝齒輪2和軸承套筒，軸承右端和齒輪的左端用套筒定位，
Ⅰ－Ⅱ段軸承為考慮軸承都是成對安裝，該軸段的軸承仍為32910x2，其尺寸為ｄ×Ｄ×Ｔ＝50×72×15，故=50mm，。
3.4.3 鉆頭工作端Ⅳ軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1.齒輪上作用力的計(jì)算
鉆頭工作端傳遞的扭矩為
TIV=9550PIV/nIV=9550×1.13/530.5=20.3 Nm
即，TIV=20300Nmm, 轉(zhuǎn)速取低轉(zhuǎn)速nIV=530.5r/min ,內(nèi)嚙合小齒輪分度圓直徑。分析該齒輪上的受力情況：
圓周力為：
Ft3=2TIVd1=2×2030052.9=767.5N
其方向與力的作用點(diǎn)圓周速度方向相反
徑向力為：
Fr3=Ft3tanαn=767.5×tan20=279.3N
其方向由力的作用點(diǎn)指向齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)中心
從動(dòng)齒輪各個(gè)力與主動(dòng)齒輪上相應(yīng)的力大小相等，作用方向相反。
2．初步確定軸的最小直徑
初步估算軸的最小直徑。選擇軸的材料為40Cr，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)查表知Ａ0=97，于是得
dmin≥A03PIVnIV=9731.13530.5=12.48mm
軸Ⅳ的最小直徑的地方顯然是安裝齒輪的處軸的直徑如圖3-6
3．軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖3-6 鉆鉆床工作端軸結(jié)構(gòu)圖
1）Ⅶ－Ⅷ段安裝軸承，該段軸承的右端安裝有鉆刀，左端安裝軸承，由于考慮軸的強(qiáng)度，該軸段直徑，鉆孔時(shí)，該軸有軸向力，故選用單列圓錐滾子軸承，０基本游隙組，標(biāo)準(zhǔn)等級的32209，尺寸為ｄ×Ｄ×Ｔ＝45×85×24.75，故，。
2）Ⅵ－Ⅶ段為軸肩定位。軸肩由軸承安裝尺寸可知軸肩高度ｈ＝0.07 =0.07×45=3.15mm，h=3.5mm，故，軸肩寬度ｂ＝1.4h=1.4×3.5=4.9mm，故。
3）Ⅴ－Ⅵ段為為自由段，，。
4）Ⅳ－Ⅴ段為左端軸承的軸肩定位軸肩由軸承安裝尺寸可知軸肩高度ｈ＝0.07 =0.07×45=3.15mm，h=3.5mm，故，軸肩寬度ｂ＝1.4h=1.4×3.5=4.9mm，故。
５）Ⅲ－Ⅳ段為安裝軸承，考慮軸承是成對安裝，該段軸承選用單列圓錐滾子軸承，０基本游隙組，標(biāo)準(zhǔn)等級的32209，尺寸為ｄ×Ｄ×Ｔ＝45×85×24.75，故，。
６）Ⅱ－Ⅲ段為自由段，，。
7）Ⅰ－Ⅱ段安裝齒輪８，由于齒輪的直徑太小，故考慮做成齒輪軸，故，。
3.5 軸的強(qiáng)度校核
3.5.1 Ⅱ軸的強(qiáng)度校核
1）Ⅱ軸受力示意圖如下圖3-7
由軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中算得圖3-7中Fr1、Ft1、Fa1：
圖3-7 主軸箱高速軸受力圖
1）圖3-7中ａ為軸的受力示意圖，軸的各段尺寸如下：
2）圖3-7中b為軸的水平受力分析圖，由計(jì)算得
3）圖3-7中c為軸的水平彎矩圖由計(jì)算得
4）圖3-7中ｄ為軸的豎直受力分析圖，由計(jì)算得
5）圖3-7中ｅ軸的豎直彎矩圖，由計(jì)算得
6）圖3-7中ｆ合成彎矩圖，由計(jì)算得
7）圖3-7中ｇ扭矩圖，由計(jì)算得
8）由圖3-7可知Ｂ點(diǎn)處為危險(xiǎn)截面，有公式校核
9）查文獻(xiàn)[2]由表15－1選得
10）
11）因此軸Ⅱ滿足強(qiáng)度條件。
3.5.2 Ⅲ軸的強(qiáng)度校核
1）Ⅲ軸受力示意圖如下圖3-8
由軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中算得齒輪2和齒輪7上的受力：
齒輪２上的受力如下：
Fr1=1649.337N Fa1=1311.906N Ft1=4921.518N
齒輪7上的受力如下：Ft2=88929.6N Fr2=32367.363N
圖3-8 主軸箱低速軸受力圖
1）圖3-8中ａ為軸的受力示意圖，軸的各段尺寸如下：
2）b為軸的水平受力分析圖，由計(jì)算得
3）c為軸的水平彎矩圖由計(jì)算得
4）ｄ為軸的豎直受力分析圖，由計(jì)算得
5）ｅ軸的豎直彎矩圖，由計(jì)算得
6）ｆ合成彎矩圖，由計(jì)算得
7）ｇ扭矩圖，由計(jì)算得
8）由圖3-8可知Ｂ點(diǎn)處為危險(xiǎn)截面，有公式校核
9）由表15－1選得
10）
11）因此軸Ⅲ滿足強(qiáng)度條件。
3.5.3 Ⅳ軸的強(qiáng)度校核
1）Ⅳ軸受力示意圖如下圖3-9
由軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)算得齒輪8上的受力如下：Ft１=88929.6N Fr1=32367.363N
圖3-9 鉆床工作端軸受力圖
1）圖3-9中ａ為軸的受力示意圖，軸的各段尺寸如下：
2）圖3-9中b為軸的水平受力分析圖，由計(jì)算得
3）圖3-9中c為軸的水平彎矩圖由計(jì)算得
4）圖3-9中ｄ為軸的豎直受力分析圖，由計(jì)算得
5）圖3-9中ｅ軸的豎直彎矩圖，由計(jì)算得
6）圖3-9中ｆ合成彎矩圖，由計(jì)算得
7）圖3-9中ｇ扭矩圖，由計(jì)算得
8）由圖3-9可知Ｂ點(diǎn)處為危險(xiǎn)截面，有公式校核
9）查文獻(xiàn)[2]由表15－1選得
10）
11）因此軸Ⅳ滿足強(qiáng)度條件。
3.6軸承
前面我們對主軸本身進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核，但是影響剛性主軸性能的因素很多，除與主軸本身的剛度有關(guān)外，與主軸支承系統(tǒng)的剛性也有很大關(guān)系，由于主軸本身剛性不足引起的變形，占總變形的50%~70%;因?yàn)橹С袆傂圆蛔?，引起的變形，占總變形?0%~50%。這不難看出支承系統(tǒng)的剛性，在剛性主軸設(shè)計(jì)中是不可忽視的一環(huán)。
3.6.1軸承的選用
剛性主軸的設(shè)計(jì)中對滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承都采用，但大多數(shù)情況下采用是采用滾動(dòng)軸承，因?yàn)闈L動(dòng)軸承具有尺寸小、轉(zhuǎn)速高、壽命長、裝配簡單、密封和潤滑也比較簡單，而且可以直接從樣本中選用等優(yōu)點(diǎn)。但是，因?yàn)榛瑒?dòng)軸承抗震性好，徑向尺寸較小，所以在剛性軸設(shè)計(jì)中經(jīng)常被采用。在該設(shè)計(jì)中，由于所設(shè)計(jì)的多軸鉆床屬于有較小震動(dòng)的機(jī)床，因此選用滾動(dòng)軸承作為支承。
（1）.軸承種類的選用：
在本次設(shè)計(jì)中，采用滾動(dòng)軸承的種類很多，根據(jù)主軸所受載荷的大小，方向和轉(zhuǎn)速的不同而不同，常采用的滾動(dòng)軸承有以下幾種：單列向心球軸承、單列圓錐滾子軸承，單列向心推力球軸承，雙列向心短圓柱滾子軸承、單列推力球軸承單列向心短圓柱滾子軸承等。其中向心軸承