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濟南大學畢業(yè)設(shè)計
摘 要
此次設(shè)計為可調(diào)立式雙頭鉆床的機械設(shè)計。設(shè)計主要介紹了可調(diào)立式雙頭鉆床的設(shè)計原理、調(diào)整方法及設(shè)計計算過程。通過預先給定的加工要求可確定所需的計算參數(shù)，進而依據(jù)可調(diào)立式雙頭鉆床的設(shè)計原理來設(shè)計計算并校核各個部位的零件，然后進行組裝。本次設(shè)計可從五大方面進行設(shè)計。通過預先給定的加工要求計算并進行了可調(diào)式雙頭鉆頭的設(shè)計、傳動系統(tǒng)減速箱的設(shè)計、傳動系統(tǒng)電機的選用、 X-Y工作臺的設(shè)計、鉆頭軸向進給系統(tǒng)的設(shè)計共五部的設(shè)計。通過設(shè)計并組裝后的鉆床可以一次加工兩孔，且兩鉆頭間的距離可調(diào)，從而實現(xiàn)可以在一個工件上加工多對兩兩間距不同的孔。在人力和設(shè)備不增加的情況下使用可調(diào)立式雙頭鉆床可以成倍提高鉆床的加工效率，并可以保證較高的加工精度和孔間相對位置精度。
關(guān)鍵詞：滾珠絲杠；電動機；變速箱；可調(diào)式雙頭鉆頭
ABSTRACT
The machine design is to devise an adjustable vertical double-headed drilling machine. The design mainly introduced the design principle, adjusting and design calculation process for devise a adjustable vertical double-headed drilling machine. Through the processing requirements given in advance can determine the computation parameters, then based on the design principle, which is about adjustable vertical double-headed drilling machine, to design ,calculate and check each place parts, and then to assemble all the parts. The design can be devised from five aspects. Through the processing requirements given in advance，five parts of the design, the adjustable double transmission system, design of the reducer drive system for the motor selection, design of X-Y workbench, design of axial feeding system for drill bits, can be calculated and devised. Through design and assembly of the drilling machine, two holes can be formed after one processing, and the distance between the two holes can be adjusted. So as to realize processing some groups of holes with different space between two holes. Adjustable vertical two-headed drilling machine can multiply processing efficiency without increase human and equipment, and can guarantee a high machining accuracy and precision of the relative position between holes.
Key words：Ball screw；motor；gearbox；Adjustable two-headed drill bit.
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 前言 1
1.1 本課題的背景和研究意義 1
1.2 本課題解決的問題和設(shè)計時主要的工作 2
2 雙頭鉆床結(jié)構(gòu)設(shè)計的總體方案 4
2.1鉆床總體結(jié)構(gòu) 4
2.2設(shè)計方案選擇 4
3 可調(diào)式雙頭鉆頭的設(shè)計 9
3.1 預選加工材料，加工直徑 9
3.2 計算高速鋼麻花鉆軸向切削力及扭矩 10
3.2.1 計算單個鉆頭軸向切削力 10
3.2.2 計算單個鉆頭扭矩 10
3.3 鉆頭中各軸及齒輪的計算 12
3.3.1 齒輪8、9、10、11的計算 12
3.3.2 齒輪5、6、7的計算 17
3.4 雙頭鉆頭內(nèi)各軸的設(shè)計 19
3.4.1 計算軸I、VIII的最小直徑 19
3.4.2 計算軸II、VII的最小直徑 20
3.4.3 計算軸III的最小直徑 20
4傳動系統(tǒng)減速箱設(shè)計 21
4.1減速箱內(nèi)各齒輪設(shè)計 21
4.1.1傳動系統(tǒng)減速箱齒輪、的設(shè)計 22
4.1.2傳動系統(tǒng)減速箱齒輪、的設(shè)計 23
4.2 雙頭鉆頭內(nèi)各軸的設(shè)計 23
4.2.1 計算軸III的最小直徑 24
4.2.2 計算軸IV的最小直徑 24
4.2.3 計算軸V的最小直徑 24
4.2.4 計算軸VI的最小直徑 25
5 傳動系統(tǒng)電機的選用 26
5.1計算折算到電機主軸上的轉(zhuǎn)矩 26
6鉆頭軸向進給系統(tǒng)的設(shè)計 27
6.1 鉆頭軸向進給絲杠螺母副的計算和選型 27
6.1.1工作臺基本參數(shù) 27
6.1.2計算進給牽引力 27
6.1.3計算最大動載荷C 27
6.1.4滾珠絲杠螺母副的選型 28
6.1.5 傳動效率計算 28
6.1.6剛度檢驗 29
6.1.7穩(wěn)定性校核 31
6.2齒輪傳動比計算 31
6.3步進電機的計算和選型 32
6.3.1初選電機型號 32
6.3.2電機校核計算 32
7 X-Y工作臺的設(shè)計 36
7.1工作臺滾珠絲杠螺母副的計算和選型 36
7.1.1工作臺基本參數(shù) 36
7.1.2計算進給牽引力 36
7.2軌道的選擇 37
8結(jié) 論 38
參 考 文 獻 39
致 謝 40
39
1 前言
1.1 本課題的背景和研究意義
機械工業(yè)肩負著為國民經(jīng)濟各個部門提供技術(shù)裝備的重要任務。機械工業(yè)的生產(chǎn)水平是一個國家現(xiàn)代化建設(shè)水平的主要標志之一。國家的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科學技術(shù)的現(xiàn)代化程度都與機械工業(yè)的發(fā)展程度相關(guān)。因此，大量設(shè)計制造和廣泛使用各種各樣先進的機械是促進國民經(jīng)濟發(fā)展，加速我國社會主義現(xiàn)代化建設(shè)的一個重要內(nèi)容[1-2]。
鉆床主要用在工件上孔的加工。通常鉆頭的旋轉(zhuǎn)為主運動，鉆頭的軸向移動為進給運動。普通鉆床的結(jié)構(gòu)比較簡單，加工精度較低，可鉆通孔、盲孔。在鉆床上配有工藝裝備時，還可以進行鏜孔,在鉆床上配萬能工作臺還能進行分割鉆孔、擴孔、鉸孔。鉆床的特點是工件固定不動，刀具做旋轉(zhuǎn)運動。加工過程中工件不動，讓刀具移動，將刀具中心對正孔中心，并使刀具轉(zhuǎn)動(主運動) [3-4]。
鉆床主要分為立式鉆床、臥式鉆床、搖臂鉆床、臺式鉆床、深孔鉆床和中心孔鉆床等。為了滿足模具制造業(yè)發(fā)展的需要，又開發(fā)了除鉆削深孔以外，還可以進行銑削、攻絲等的多功能鉆床。
20世紀70年代初，鉆床還是普遍采用普通繼電器控制的。如70年代-80年代進入中國的美國ELDORADO公司的MEGA50，日本神崎高級精工制作所的DEG型，德國TBT公司的T30-3-250等。
80年代后期數(shù)控技術(shù)逐漸開始在深孔鉆床上應用，特別是90年代以后這種先進的技術(shù)才迅速推廣。如TBT公司90年代初上市的ML系列深孔鉆床，進給系統(tǒng)由機械無級變速器改為采用交流伺服電機驅(qū)動的滾珠絲杠副，進給用滑臺導軌也改為采用滾動直線導軌。鉆桿箱傳動為了保證高速旋轉(zhuǎn)、精度平穩(wěn)，由交換皮帶輪及皮帶，和雙速電機驅(qū)動的有級傳動變?yōu)闊o級調(diào)速的變頻電機到電主軸驅(qū)動，為鉆削小孔深孔和提高深孔鉆床的水平質(zhì)量提供了有利條件[5-8]。
長期以在我國的機械制造業(yè)中鉆床加工的工作量在總的制造工作量中占有很大的比重。制造業(yè)中孔類加工多數(shù)由傳統(tǒng)鉆床來完成。單頭鉆床是機械行業(yè)最通用的設(shè)備，主要用于工件上孔的加工。但是傳統(tǒng)的單孔鉆床在大批量生產(chǎn)時存在許多的不足之處。由于單頭鉆床只有一根主軸，因此，一次只能加工一個孔。如果要加工多孔的工件， 只有通過移動夾具多次對刀來實現(xiàn)，工人的勞動強度大,生產(chǎn)效率低，很難進行大批量的生產(chǎn)，而且孔的位置精度較低。隨著工業(yè)的發(fā)展，對產(chǎn)品質(zhì)量、加工效率、加工零件方式多樣性以及工藝發(fā)展的要求的不斷提升，生產(chǎn)效率低、操作工人勞動強度大、加工精度較低的傳統(tǒng)單頭鉆床已不適用于大批量的產(chǎn)品生產(chǎn)。隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，進入21世紀，我國機床制造業(yè)既面臨著提升機械制造業(yè)水平的需求而引發(fā)的制作裝備發(fā)展的良機，也遭遇到加入WTO后市場激烈的競爭壓力。隨著工業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)品質(zhì)量和加工效率的不斷提升，數(shù)控機床的大量應用也日趨廣泛。但將數(shù)控機床作為加工孔的專用設(shè)備與多軸鉆床相比，投入資金就有點得不償失了。單孔搖臂鉆床作為加工孔的通用機床，生產(chǎn)效率低、操作工勞動強度大，已不適用于大批量的成線生產(chǎn)。于是，多軸鉆床加工成為一種提高生產(chǎn)率的有效措施。而多軸加工逐漸成為一種新的加工趨勢。
多軸鉆床俗稱多軸器、多孔鉆或多軸鉆孔器。是一種運用于機械領(lǐng)域鉆孔、攻牙的機床設(shè)備。可以兩軸或兩軸以上同時鉆孔或攻牙，故稱多軸鉆床。一臺普通的多軸鉆床一次能把幾個乃至十幾個孔或螺紋同時加工出來。如果配上液壓或氣壓裝置，可以方便的自動進行快進、工進（工退）、快退、停止等動作，加工效率更高。多軸鉆床也稱群鉆床，一般型號的可以同時鉆2-16個孔，而且很多機種都沒有軸數(shù)限制，鉆頭主軸形式、尺寸大小也可以依客戶之需進行設(shè)計加工[9-13]。
如今多軸鉆床在生產(chǎn)中的應用已經(jīng)十分廣泛，主要用于工件上多孔的加工。由于普通單軸鉆床只有一根主軸， 一次只能加工一個孔，如果要加工多孔的工件，只有通過移動夾具并多次對刀來實現(xiàn)，不僅工人的勞動強度大，而且孔的位置精度低。而多軸鉆床不僅效率高，在加工成角度的孔時，角度精確，再與數(shù)控相結(jié)合更可以保證距離精度[4]。多軸鉆床廣泛應用于機械行業(yè)多孔零部件的鉆孔及攻絲加工。如汽車、摩托車多孔零部件、發(fā)動機箱體、鋁鑄件殼體、制動鼓、剎車盤、轉(zhuǎn)向器、輪轂、差速殼、軸頭、半軸、車橋等，泵類、閥類、液壓元件、太陽能配件等等。多軸加工生產(chǎn)效率高，投資少，生產(chǎn)準備周期短，產(chǎn)品改型時設(shè)備損失少。而且隨著我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，多軸加工的范圍變的愈來愈廣，加工效率也在不斷提高。
多軸鉆床大體分為兩種類型：可調(diào)式和固定式。
可調(diào)式：適合加工多樣不定性孔件，使用范圍較廣。缺點是精度方面控制有所欠缺，長期使用跑位率相比略高。適合單件加工量不大，長年更換加工件的企業(yè)。
固定式：適合加工單種大批量的工件，缺點是加工范圍小，只能加工多孔之間位置固定的工件。適合大批量加工的工件。
本次設(shè)計主要研究可調(diào)立式雙軸鉆床，也可以稱為可調(diào)立式雙頭鉆床，有兩個主軸配兩把鉆頭，同時加工同一零件上的兩個孔。若要用一臺電動機實現(xiàn)兩個鉆頭的同時轉(zhuǎn)動，需要在設(shè)計時著重注意傳動系統(tǒng)與減速系統(tǒng)的設(shè)計。
1.2 本課題解決的問題和設(shè)計時主要的工作
單頭鉆床是機械行業(yè)最通用的設(shè)備，主要用于工件上孔的加工。但是傳統(tǒng)的單孔鉆床在大批量生產(chǎn)時存在許多的不足之處。由于單頭鉆床只有一根主軸，因此，一次只能加工一個孔。如果要加工多孔的工件， 只有通過移動夾具多次對刀來實現(xiàn)，工人的勞動強度大,生產(chǎn)效率低，很難進行大批量的生產(chǎn)，而且孔的位置精度較低。隨著工業(yè)的發(fā)展，對產(chǎn)品質(zhì)量、加工效率、加工零件方式多樣性以及工藝發(fā)展的要求的不斷提升，生產(chǎn)效率低、操作工人勞動強度大、加工精度較低的傳統(tǒng)單頭鉆床已不適用于大批量的產(chǎn)品生產(chǎn)，而多軸加工逐漸成為一種新的加工趨勢。
本課題就設(shè)計了這么一種雙頭鉆床，這種鉆床價格相對低廉，體積小、重量輕、操作方便、可靠性高，且可以同時鉆兩孔的工作方式大大提高了工作效率，減輕了工作量，提高了工作效率和加工精度。
本課題的主要工作包括以下幾個方面：
1. 廣泛查閱國內(nèi)外關(guān)于多軸鉆床的研究資料，闡述了課題的研究意義，在綜述了國內(nèi)外研究資料和研究目的之后，給出了本文研究的主要內(nèi)容。
2. 深入研究雙頭鉆床的設(shè)計原理，提出多種雙頭鉆床的總體設(shè)計方案，進行各功能的求解，通過分析各個方案的優(yōu)缺點，確定了最優(yōu)方案。
3.設(shè)計雙頭鉆床的整體結(jié)構(gòu)。
4.對鉆床整體及各個零件進行尺寸設(shè)計并進行校核，合理調(diào)整各零件的相對位置，并繪制鉆床的裝配圖和主要零件的零件圖。
2 雙頭鉆床結(jié)構(gòu)設(shè)計的總體方案
2.1鉆床總體結(jié)構(gòu)
可調(diào)式立式雙頭鉆床主要由床身、工作臺、鉆頭、主傳動系統(tǒng)、電機等部分組成。可調(diào)式立式雙頭鉆床的設(shè)計需要完成以下幾個步驟：
1.可調(diào)式雙頭鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計：
通過齒輪間的位置轉(zhuǎn)動實現(xiàn)兩鉆頭間距離的可調(diào)性。
2.傳動系統(tǒng)變速箱的設(shè)計：
雙軸鉆床的主運動為旋轉(zhuǎn)，由主電動機驅(qū)動，動力通過皮帶輪傳遞給主軸箱,主軸箱是雙軸鉆床的主要驅(qū)動裝置。主運動（旋轉(zhuǎn)）及進給運動同時進行。主軸箱驅(qū)動軸的運轉(zhuǎn)由主電機經(jīng)過交換齒輪來驅(qū)動。
3.傳動系統(tǒng)驅(qū)動電機的選型;
通過將加工工件時所需的轉(zhuǎn)矩折算到電機主軸上，通過電機主軸上的轉(zhuǎn)矩和電機轉(zhuǎn)速算出功率，然后進行電機的篩選。
4.鉆頭軸向進給系統(tǒng)的設(shè)計：
采用滾珠絲杠軸向進給。
5.工作臺的橫向、縱向的進給系統(tǒng)的設(shè)計：
工作臺橫向、縱向進給：采用滾珠絲杠進給。
2.2設(shè)計方案選擇
本設(shè)計根據(jù)可調(diào)鉆頭實現(xiàn)可調(diào)功能的原理不同可有兩種可調(diào)式鉆孔頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。
<方案一>：通過可伸縮式萬向聯(lián)軸器調(diào)節(jié)
本結(jié)構(gòu)用齒輪箱配合萬向節(jié)頭所組成，由于萬向節(jié)頭是可活動軸件，股在限定范圍內(nèi)可左右移動。
萬向聯(lián)軸器的共同特點是角向補償量較大，不同結(jié)構(gòu)型式萬向聯(lián)軸器兩軸線夾角不相同，一般≤5°-45°之間。萬向聯(lián)軸器利用其機構(gòu)的特點，使兩軸不在同一軸線，存在軸線夾角的情況下能實現(xiàn)所聯(lián)接的兩軸連續(xù)回轉(zhuǎn)，并可靠地傳遞轉(zhuǎn)矩和運動。萬向聯(lián)軸器最大的特點是具有較大的角向補償能力，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動效率高。
圖2.1 可伸縮焊接方式萬向聯(lián)軸器
工作原理：多軸鉆床的實現(xiàn)主要是由于有多軸器的存在才得以實現(xiàn)的。主軸旋轉(zhuǎn)帶到多軸器中的其他軸轉(zhuǎn)動。多軸器結(jié)構(gòu)由齒輪箱配合萬向節(jié)頭所組成，由于萬向節(jié)是可活動軸件，故在限定范圍內(nèi)可左右移動。在調(diào)整加多軸頭箱內(nèi)有一個主動輪和多個從動輪，主動輪與電機聯(lián)結(jié)，將動力傳給多個從動輪，從動輪再驅(qū)動鉆頭對工件進行加工。多軸鉆床廣泛應用于機械行業(yè)多孔零部件的鉆孔及攻絲加工。
優(yōu)點：在調(diào)整加工孔距時不受齒輪所限制，適合加工不定性孔件，使用范圍較廣可調(diào)式多軸鉆床在其加工范圍內(nèi)，其主軸的數(shù)量、主軸間的距離，相對可以任意調(diào)整，一次進給同時加工數(shù) 孔。在其配合液壓機床工作時，可自動進行快進、工進（工退）、快退、停止同單軸鉆（攻絲）比較，工件加工精度高、工效快，可有效的節(jié)約投資方的人力、物力、財力。尤其機床的自動化大大減輕操作者的勞動強度 。
缺點：精度方面控制有所欠缺，長期使用跑位率相比略高。適合單件加工量不大，長年更換加工件的企業(yè)。
<方案二>：通過齒輪調(diào)節(jié)
該多軸鉆孔頭是根據(jù)太陽系中太陽、行星及衛(wèi)星的運動規(guī)律設(shè)計的，即：行星繞太陽轉(zhuǎn)動，衛(wèi)星繞行星轉(zhuǎn)動，利用這個運動規(guī)律，還可實現(xiàn)鉆孔軸相對位置的調(diào)整。
此可調(diào)式雙頭鉆床原理如圖：
圖2.2 可調(diào)式兩軸鉆孔動力頭結(jié)構(gòu)調(diào)整圖
此次設(shè)計主要目的在于改造單頭鉆床為可調(diào)式多頭鉆床。使其可以在較大的范圍和多個工位上同時加工兩個孔，很大程度上擴大了鉆床加工范圍，提高了機床適用性，并保證兩孔的相對位置精度。鉆頭可加工的范圍為：Lmin-Lmax之間的圓環(huán)范圍，并可通過調(diào)整鉆頭的位置在一個圓上進行等分圓的加工。
可調(diào)式鉆孔頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計：
以可調(diào)式兩軸鉆孔頭為例進行說明，圖2.3所示可調(diào)式兩軸鉆孔頭的結(jié)構(gòu)圖，鉆孔頭通過連接體1 與鉆床主軸的不回轉(zhuǎn)部分連接，連接體1 是一個開口套，用螺釘鎖緊在主軸上；太陽齒輪3通過錐孔套在主軸回轉(zhuǎn)部分的錐體上，靠摩擦傳遞扭矩。通過行星齒輪6，太陽齒輪把動力傳給鉆孔主軸17，行星齒輪6 在這里是惰輪（過橋齒輪），在調(diào)整時它只能和整個鉆孔頭一起繞太陽齒輪公轉(zhuǎn)。主軸端部靠彈簧卡頭21，夾緊鉆頭。為了使該鉆頭結(jié)構(gòu)盡量緊湊，我們盡量選用小尺寸齒輪，衛(wèi)星齒輪8 與鉆孔主軸17靠過盈配合傳遞扭矩，所采用的軸承均為無內(nèi)外圈滾針軸承。調(diào)整時，行星齒輪軸14，距離調(diào)整塊13可帶動衛(wèi)星齒輪8，滾針軸承9、18，隔離塊10，襯套15，止推軸承16，鉆孔主軸17，緊定螺釘19，鉆孔主軸套20 及彈簧卡頭21 等繞行星輪軸14 自由轉(zhuǎn)動，調(diào)整角度α。松開連接體1 的鎖緊螺釘，整個鉆孔頭可以繞太陽齒輪3，自由轉(zhuǎn)動，調(diào)整回補轉(zhuǎn)角θ。
圖2.3 可調(diào)式兩軸鉆孔頭結(jié)構(gòu)圖
1.連接體 2.鉆床主軸 3.太陽齒輪 4、9、18.滾針軸承 5.隔套 6.行星齒輪 7.隔墊 8.衛(wèi)星齒輪 10.隔離塊 11.殼體 12.前端法蘭 13.距離調(diào)整塊 14.行星齒輪軸 15.襯套 16.止推軸承 17.鉆 孔主軸 19.緊定螺釘 20.鉆孔主軸套 21.彈簧卡頭
優(yōu)點：該系列鉆孔頭，結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)整方便，使用可靠，加工效率高，可以在中小批量生產(chǎn)中推廣使用。
缺點：由于鉆孔主軸相對位置固定，大大限制了調(diào)整鉆孔主軸位置的靈活性，使得該系列鉆孔頭，在同時加工3個或4個孔時，孔分布比較規(guī)則時，可以比較方便地調(diào)整鉆孔位置，而且不會使鉆床主軸的受力情況惡化；但當孔分布不規(guī)則時，調(diào)整比較麻煩，多數(shù)情況，根本調(diào)不出來，即使可以調(diào)整到位，加工時也會使鉆床主軸受力惡化。
選用該系列鉆孔頭時，要考慮鉆床的最大加工能力和待加工孔大小相匹配[12]。
<方案三>：通過滑塊機構(gòu)調(diào)節(jié)
圖2.4中：1為電動機, 用快卸夾具( 圖中未畫) 夾在鋼軌上; 經(jīng)二級帶傳動( Ⅰ- Ⅱ, Ⅱ- Ⅲ) 和一級鏈傳動( Ⅲ- Ⅳ) 將動力傳至鉆機上的Ⅳ軸, 再經(jīng)一級齒輪( Ⅳ-Ⅴ) 傳至鉆頭主軸Ⅴ, 手輪控制鉆頭進給。旋緊螺栓4 可將鉆機夾緊在鋼軌上, 拆卸時利用四桿快卸機構(gòu)(圖中未畫) 只需幾秒鐘即可使鉆機整體脫離鋼軌。鉆機的移動部分5 可在導軌7 上左右移動，移動到孔位時有定位裝置保證定位精度, 再用鎖緊螺栓6 鎖緊。
圖2.4 通過曲柄滑塊實現(xiàn)鉆頭可調(diào)原理圖
優(yōu)點：結(jié)構(gòu)原理簡單，易于實現(xiàn)，采用三點鉸接的兩根可調(diào)桿件作為傳動機架, 使鉆機與動源可分別裝夾, 解決了鉆頭主軸與動力源相對移動、降速、隔振、傳動副中心距可調(diào)等一系列問題。裝夾方便, 拆卸迅速，操作方便，實用可靠。
缺點：傳動效率低，占用空間多[17]。
綜上，經(jīng)過比較后選定方案二為設(shè)計方案
3 可調(diào)式雙頭鉆頭的設(shè)計
圖3.1 雙頭鉆頭裝配圖
3.1 預選加工材料，加工直徑
查表3-10[1]得，鋼
選用單個鉆頭直徑d=12(mm)，設(shè)定鉆頭轉(zhuǎn)速960(r/min)
查表3-11[1]在d=12(mm)時，取
3.2 計算高速鋼麻花鉆軸向切削力及扭矩
3.2.1 計算單個鉆頭軸向切削力
查表3-10[1]得，軸向切削力公式
（3.1）
查表3-10[1]得，加工鋼（）時：
(1) 當鉆頭未磨損時
(2) 當鉆頭未磨損時
3.2.2 計算單個鉆頭扭矩
查表3-10[1]得
扭矩公式
（3.2）
查表3-10[1]得
（1） 鉆頭未磨損
（2） 鉆頭磨鈍后
圖3.2 雙頭鉆頭及傳動系統(tǒng)中各齒輪和軸所受轉(zhuǎn)矩簡圖
3.3 鉆頭中各軸及齒輪的計算
3.3.1 齒輪8、9、10、11的計算
1.選用直齒圓柱齒輪傳動。選定齒輪8，齒輪11為配對齒輪副中的小齒輪。齒輪9，齒輪10為配對齒輪副中的大齒輪。且兩對齒輪副完全相同，故計算時只計算一對齒輪副8、11即可。小齒輪8轉(zhuǎn)速，設(shè)計工作壽命15年，每年工作300天，兩班制，每班8小時。
初選：小齒輪材料（調(diào)制）硬度280(HBs)；齒數(shù)
大齒輪材料45鋼（調(diào)制）硬度240(HBs)；齒數(shù)
2.按齒面接觸強度計算
由設(shè)計計算公式進行計算，即
（3.3）
（1）確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值
1)試選載荷系數(shù)
2）小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
由2.2.2計算所得的鉆頭扭矩即為小齒輪傳遞扭矩
3）由表10-7[2]選取齒寬系數(shù)。
4）由表10-6[2]查的材料的彈性影響系數(shù)
5）由圖10-21d[2]按齒面硬度查的小齒輪的接觸疲勞強度極限，大齒輪的接觸疲勞強度極限
6）由式 （3.4）
計算應力循環(huán)次數(shù)
式中
n—齒輪轉(zhuǎn)速
j—齒輪每轉(zhuǎn)一圈，同一齒面嚙合次數(shù)
Lh—齒輪工作壽命（h）
u—齒輪傳動比
7）由圖10-19[2]取接觸疲勞壽命系數(shù),；。
8) 計算接觸疲勞許用應力，取失效概率為，安全系數(shù)S=1，由式
（3.5）得
（2）計算
1）計算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值。
故，取整
2）計算圓周速度v。
3）計算齒寬b
4）計算齒寬與齒高之比
5）計算載荷系數(shù)
根據(jù)，7級精度，由圖10-8[2]查得動載系數(shù)
直齒輪，
由表10-2[2]查得使用系數(shù)；
由表10-4[2]用插值法查得7級精度、小齒輪相對支撐非對稱布置時，
由，,查圖10-13[2]得；故載荷系數(shù)
6）按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑
7)計算模數(shù)
3.按齒根彎曲強度設(shè)計
按齒根彎曲強度設(shè)計公式為
（3.6）
（1）確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值
1）由圖10-20c[2]查得小齒輪8的彎曲疲勞強度極限；大齒輪9的彎曲疲勞強度極限；
2）由圖10-18[2]取彎曲疲勞壽命系數(shù)，；
3）計算彎曲疲勞許用應力。
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由下式得
4）計算載荷系數(shù)
5)查取齒形系數(shù)。
由表10-5[2]查得 ，。
6）查取應力校正系數(shù)。
由表10-5[2]查得 ，
7）計算大、小齒輪并加以比較
大齒輪的數(shù)值大
（2）設(shè)計計算
對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲疲勞強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可以取由彎曲疲勞強度算得的模數(shù)1.131并就近圓整為標準值，按接觸疲勞強度計算得的分度圓直徑，算出小齒輪齒數(shù)
大齒輪齒數(shù)
這樣計算出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強，并做到了結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費。
4.幾何尺寸計算
(1)計算分度圓直徑
（2）計算中心距
（3）計算齒輪寬度
圓柱齒輪的實用齒寬在按計算后適當圓整，且常將小齒輪的齒寬在整值的基礎(chǔ)上人為的加寬，以防大小齒輪因裝配誤差產(chǎn)生軸向錯位，導致嚙合齒寬減小而增大齒輪單位齒寬的工作載荷。
故取，
3.3.2 齒輪5、6、7的計算
<1>.選用直齒圓柱齒輪傳動。選定齒輪5，齒輪6，齒輪7為相同的齒輪。并設(shè)計齒輪6與齒輪9合為雙聯(lián)齒輪，并設(shè)計齒輪7與齒輪10合為雙聯(lián)齒輪。又因為已算出齒輪9、10的模數(shù)為1.5，所以給定齒輪5、6、7模數(shù)為1.5。工作壽命15年，每年工作300天，兩班制，每班工作8小時。
初選： 齒輪材料45鋼（調(diào)制）硬度240(HBs)；齒數(shù)
故得
<2>齒輪的校核
因為齒輪5,6,7為相同材料、相同模數(shù)、相同齒數(shù)的材料，且齒輪5受到的轉(zhuǎn)矩為齒輪6、7的兩倍。故，只需分析校核齒輪5即可
1．齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
計算齒輪6、7的扭矩
式中
—傳動效率，
計算齒輪5的轉(zhuǎn)矩
2.計算過程參照齒輪8、9、10、11的計算過程
計算后的
2.幾何尺寸計算
(1)計算分度圓直徑
(2)計算中心距
(3)計算齒輪寬度
圓柱齒輪的實用齒寬在按計算后適當圓整，且常將齒輪6、7的齒寬在整值的基礎(chǔ)上人為的加寬，以防齒輪因裝配誤差產(chǎn)生軸向錯位，導致嚙合齒寬減小而增6、7齒輪單位齒寬的工作載荷。
故取，
3.4 雙頭鉆頭內(nèi)各軸的設(shè)計
設(shè)定軸的材料為45鋼
3.4.1 計算軸I、VIII的最小直徑
由3.2.2知單個鉆頭扭矩
（3.7）
式中
— 軸1最細處直徑，。
— 軸1傳遞的扭矩，。
— 許用扭轉(zhuǎn)切應力，。
由于
又查表15-3[2]的為25
當軸截面上開有鍵槽時，應增大軸徑以考慮鍵槽對軸強度的削弱。對于直徑的軸，有一個鍵槽時，軸徑增大；有兩個鍵槽時，應增大
故，；取整值
3.4.2 計算軸II、VII的最小直徑
軸2、7不轉(zhuǎn)動，故不受扭矩
故給定軸2、7直徑為，
齒輪，的轉(zhuǎn)矩為：
3.4.3 計算軸III的最小直徑
查表15-3[2]的為25
軸截面上開有鍵槽，應增大軸徑以考慮鍵槽對軸強度的削弱。對于直徑的軸，有一個鍵槽時，軸徑增大；有兩個鍵槽時，應增大
故，；取整數(shù)值
4傳動系統(tǒng)減速箱設(shè)計
4.1減速箱內(nèi)各齒輪設(shè)計
設(shè)定齒輪箱中兩對齒輪與；與有相同的齒數(shù)比 1.5
4.1.1傳動系統(tǒng)減速箱齒輪、的設(shè)計
工作壽命15年，每年工作300天，兩班制，每班工作8小時。
初選： 齒輪4材料45鋼（調(diào)制）硬度240HBs；齒輪3材料（調(diào)制）硬度280HBs。齒數(shù)，。
1.計算齒輪3的扭矩
小齒輪傳遞扭矩
式中
—傳動效率，
2.計算過程參照齒輪8、9、10、11的計算過程
計算的
（1）
大齒輪齒數(shù)
（2）幾何尺寸計算
1)計算分度圓直徑
2）計算中心距
3）計算齒輪寬度
圓柱齒輪的實用齒寬在按計算后適當圓整，且常將小齒輪的齒寬在整值的基礎(chǔ)上人為的加寬，以防大小齒輪因裝配誤差產(chǎn)生軸向錯位，導致嚙合齒寬減小而增大齒輪單位齒寬的工作載荷。
故取，
4.1.2傳動系統(tǒng)減速箱齒輪、的設(shè)計
由于齒輪副、與齒輪副、有相同的傳動比，又因為齒輪副、比齒輪副、傳遞的轉(zhuǎn)矩大，故齒輪副、可選用與齒輪副、完全相同的齒輪
，
4.2 雙頭鉆頭內(nèi)各軸的設(shè)計
設(shè)定軸的材料為45鋼
4.2.1 計算軸III的最小直徑
查表15-3[2]的為25
軸截面上開有鍵槽，應增大軸徑以考慮鍵槽對軸強度的削弱。對于直徑的軸，有一個鍵槽時，軸徑增大；有兩個鍵槽時，應增大
故，；取整數(shù)值
4.2.2 計算軸IV的最小直徑
查表15-3[2]的為25
軸截面上開有鍵槽，應增大軸徑以考慮鍵槽對軸強度的削弱。對于直徑的軸，有一個鍵槽時，軸徑增大；有兩個鍵槽時，應增大
故，；取整數(shù)值
4.2.3 計算軸V的最小直徑
查表15-3[2]的為25
軸截面上開有鍵槽，應增大軸徑以考慮鍵槽對軸強度的削弱。對于直徑的軸，有一個鍵槽時，軸徑增大；有兩個鍵槽時，應增大
故，；取整數(shù)值
4.2.4 計算軸VI的最小直徑
查表15-3[2]的為25
軸截面上開有鍵槽，應增大軸徑以考慮鍵槽對軸強度的削弱。對于直徑的軸，有一個鍵槽時，軸徑增大；有兩個鍵槽時，應增大
故，；取整數(shù)值
5 傳動系統(tǒng)電機的選用
5.1計算折算到電機主軸上的轉(zhuǎn)矩
由3.2.2知單個鉆頭扭矩：
故，
所需電機功率
式中
—軸6的轉(zhuǎn)速， 注：（為齒輪1的轉(zhuǎn)速）
—軸6的轉(zhuǎn)矩，
—所需電機功率，
綜上，由表12-1[3]得，選用型電機，電機額定功率2.2kW,同步轉(zhuǎn)速1500r/min,滿載轉(zhuǎn)速1430r/min,電機質(zhì)量34kg。
6鉆頭軸向進給系統(tǒng)的設(shè)計
6.1 鉆頭軸向進給絲杠螺母副的計算和選型
6.1.1工作臺基本參數(shù)
經(jīng)估算雙頭鉆頭、減速箱、電機三項總重量約為：80kg
故
由3.2.1知當單個鉆頭鉆削時，受到軸向切削力為
6.1.2計算進給牽引力
作用在工作臺滾珠絲杠上的進給牽引力主要包括工作臺自身重量和工件重量作用在導軌上的摩擦力。因而其數(shù)值大小和導軌的型式有關(guān)。
選定進給為矩形導軌
故， （6.1）
—考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，
故得，
6.1.3計算最大動載荷C
（6.2）
式中：
—滾珠絲杠導程，初選
—最大切削力下進給速度，等于鉆床鉆削時鉆頭進給速度。取最高進給速
度的1/3。
，故，
式中：
—使用壽命，按15000（h）；
—壽命、以轉(zhuǎn)為1單位。
—運轉(zhuǎn)系數(shù)，取
6.1.4滾珠絲杠螺母副的選型
查閱附錄A表2[1]，可采用外循環(huán)調(diào)整預緊的不帶襯套的雙螺母滾珠絲杠，1列2.5圈，其額定動負載為13100（N），精度等級按表3-15[1]選為3級
6.1.5 傳動效率計算
（6.3）
—螺旋升角，
—摩擦角?。粷L動摩擦系數(shù)
6.1.6剛度檢驗
先畫出此進給滾珠絲杠支撐方式草圖如圖6.1所示。最大牽引力為3538（N），支撐間距L=400（mm），需預緊絲杠，螺母及軸承進行預緊。
圖6.1 鉆頭軸向進給系統(tǒng)
（1） 絲杠的拉伸或壓縮變形量
查圖3-6[1]，根據(jù)，，查出可算出：
（6.4）
兩端均采用推力球軸承52205，且絲杠進行了預拉伸，故其拉壓剛度可以提高四倍，其實際變形量為：
（2） 滾珠與螺紋軌道間接觸變形
查圖3-7[1]，W系列1列2.5圈滾珠和螺紋軌道接觸變形量：
因為進行了預緊，故
（3）支撐滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形
推力球軸承52205，滾動體直徑，滾動體數(shù)量
（6.5）
注意，此公式中單位應為
因施加預緊力，故
根據(jù)以上計算：
<定位精度
6.1.7穩(wěn)定性校核
滾珠絲杠兩端推力軸承，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象不需作穩(wěn)定性校核。
6.2齒輪傳動比計算
(1)進給齒輪箱傳動比計算
已確定進給脈沖當量，滾珠絲杠導程：，初選步進電機步距角為0.75度。可計算出傳動比i
（6.6）
考慮到結(jié)構(gòu)上的原因，不使大齒輪直徑過大，以免影響溜板的有效行程，故此處可采用兩級齒輪降速。
可選定齒輪齒數(shù)為
，，
因進給運動齒輪受力不大，模數(shù)m取2。有關(guān)參數(shù)參照表6.1
表6.1 傳動齒輪幾何參數(shù)
齒數(shù)
20
25
分度圓(mm)
40
50
齒頂圓(mm)
44
54
齒根圓(mm)
35
45
齒寬(mm)
20
20
中心距(mm)
45
6.3步進電機的計算和選型
6.3.1初選電機型號
計算步進電機空載啟動頻率和切削時的工作頻率
（6.7）
由于計算齒輪傳動比時選步距角。故，初選電機型號110BF004，其最高空載啟動頻率為500(Hz)。
6.3.2電機校核計算
1.等效轉(zhuǎn)動慣量計算
計算簡圖見圖3-1。傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的傳動慣量可由下式計算：
（6.8）
式中：
—步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量
、—齒輪、的轉(zhuǎn)動慣量
—滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量
參考同類型機床，初選反應步進電機110BF003，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量
查表3-20[1]圓柱體（材料為鋼）轉(zhuǎn)動慣量：()
(1)
（2）
式中
、—齒輪、的分度圓直徑。
、—齒輪、的齒寬。
（3）
式中
—滾珠絲桿公稱直徑
—滾珠絲杠支撐間距
代入上式：
2.電機力矩計算
機床在不同的工況下，其所需的轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計算：（1）快速空載啟動力矩，（2）快速移動時所需力矩，（3）最大切削負載時所需力矩。
（1）快速空載啟動力矩
（6.9）
（6.10）
將前面數(shù)據(jù)代入，式中各符號意義同前。
設(shè)定啟動加速時間
附加摩擦力矩
空載啟動時，絲杠不受軸向切削力，但會受雙頭鉆頭、變速箱及主驅(qū)動電機的重力之和G。又因為絲杠未進行預緊，故絲杠此時的預加載荷即為KG。
（6.11）
式中
—考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，
—絲杠受雙頭鉆頭、變速箱及主驅(qū)動電機的重力之和。
—傳動鏈總效率，一般取，此處取0.8
—滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，一般取
以上兩項合計：
（4） 快速移動時所需力矩
（5） 最大切削負載時所需力矩
（6.12）
式中：
—進給方向最大切削力
（6） 從上面計算可以看出，、、三種工況下，以最大切削負載時所需力
矩最大，以此項作為校核電機的依據(jù)。
從表3-22[1]查出，當步進電機為五相十拍時
最大靜力矩
查表3-23[1]，110BF004型步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩為7.84。大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號，但還必須進一步考核步進電動機的啟動矩頻特性。
3.查表3-23[1]得，110BF004型步進電機允許的最高空載啟動頻率為500()
再從圖3-17(o) [1]、圖3-18(e) [1]查出110BF004步進電機啟動矩頻特性和運行矩頻特性曲線。從圖3-17(n) [1]看出，當步進電機啟動時，時，。能夠滿足所需空載啟動力矩（）直接使用不會出現(xiàn)失步現(xiàn)象可直接使用。
由6.2知于傳動比過小可將減速箱去除，且不影響電機的選擇。
6.4軌道的選擇
根據(jù)額定載荷查附錄C[1]選定導軌為JSA-LG15
7 X-Y工作臺的設(shè)計
工作臺縱橫向進給結(jié)構(gòu)完全相同
7.1工作臺滾珠絲杠螺母副的計算和選型
7.1.1工作臺基本參數(shù)
工作臺材料：碳鋼;查表1-5[3]得碳鋼密度
工作臺大?。╩m）：
工作臺重量：
初選工件重：
7.1.2計算進給牽引力
作用在工作臺滾珠絲杠上的進給牽引力主要包括工作臺自身重量和工件重量作用在導軌上的摩擦力。因而其數(shù)值大小和導軌的型式有關(guān)。
選定進給為矩形導軌。故，
（6.1）
矩形滑動導軌摩擦系數(shù)：
故得，，絲杠長400mm。
圖7.1 工作臺進給系統(tǒng)計算簡圖
計算過程參照主進給系統(tǒng)的計算過程
由計算可得絲杠型號為外循環(huán)調(diào)整預緊的不帶襯套的雙螺母滾珠絲杠；電機為90BF002型步進電機。
7.2軌道的選擇
根據(jù)額定載荷查附錄C[1]選定導軌為JSA-LG15
8結(jié) 論
本文在研究了眾多國內(nèi)外先進機床技術(shù)、查閱了眾多研究資料的基礎(chǔ)上，完成了可調(diào)立式雙頭鉆床的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并繪制了裝配圖與非標準零件的零件圖，較好的完成了本課題的任務與目的。本方案借鑒了很多國內(nèi)外先進的鉆床方面的書籍、文章，從幾個方面全面的介紹了本課題的雙頭鉆床：
(1)進行了結(jié)構(gòu)上的設(shè)計研究，設(shè)計提出多種反感，通過對比多種方案，最終確定最優(yōu)方案。
(2)進行了非標準零件，如齒輪、軸、皮帶輪等的尺寸計算與校核，并用繪圖軟件繪制了零件圖。
(3) 進行了標準零件，如絲杠、軸承、電機等的計算及型號選用與校核。
(4)從各個零件的選型，整體選材等方面詳細的介紹了這方面的研究方向與先進技術(shù)。
由于設(shè)計時間較短而且內(nèi)容很多，所以還有很多的缺陷與不足之處，還有一些設(shè)計方面的不合理，不過總體來說，本文介紹的雙頭鉆床想法是有新意的，還有很大的研究空間，所以在今后的研究中，本方案還會更加的發(fā)展與完善。
參 考 文 獻
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致 謝
本課題在選題及研究過程中得到潘永智老師的親切關(guān)懷和悉心指導。在歷時半年的過程中，從論文選題到搜集資料，從寫設(shè)計方案到寫初稿、繪制圖紙再到反復修改，潘老師都始終給予我細心的指導和不懈的支持。從課題的選擇到項目的最終完成，他嚴肅的教學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。在此謹向老潘師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。
同時，我要感謝在設(shè)計過程中給予我?guī)椭耐瑢W和所有其他老師。他們在設(shè)計過程中給予了很大的幫助。在相互討論設(shè)計方案、檢查設(shè)計內(nèi)容、交流設(shè)計心得過程中我們對知識的掌握和運用程度得到了極大的提高。
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