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多工位變速鉆床設(shè)計(jì)
第1章 緒 論
1.1 機(jī)床的發(fā)展與現(xiàn)狀
金屬切削機(jī)床是人類(lèi)在改造自然的長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐中，不斷改進(jìn)生產(chǎn)工具的基礎(chǔ)上產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的。最原始的機(jī)床是依靠雙手的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在工件上鉆孔。隨著加工對(duì)象材料的變化和社會(huì)的進(jìn)步，機(jī)床的種類(lèi)也隨著增加，功能也越來(lái)越多。近年來(lái)，由于新技術(shù)的發(fā)展并在機(jī)床領(lǐng)域得到應(yīng)用，使機(jī)床的發(fā)展更加迅猛。多樣化、精密化、高效化、自動(dòng)化是這一時(shí)代機(jī)床發(fā)展的基本特征。也就是說(shuō)，機(jī)床的發(fā)展緊密迎合社會(huì)生產(chǎn)的多種多樣和越來(lái)越高的要求。
我國(guó)的機(jī)床工業(yè)是在新中國(guó)成立后建立起來(lái)的。50多年來(lái)，我國(guó)的機(jī)床工業(yè)獲得了高速發(fā)展。目前我國(guó)已經(jīng)形成了布局比較合理、比較完善的機(jī)床工業(yè)體系。機(jī)床的性能也在逐漸提高，有些機(jī)床的性能已經(jīng)接近世界先進(jìn)水平。但與世界水平相比，還是有較大的差距。因此，要想縮短與先進(jìn)國(guó)家的差距，我們必須開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出我國(guó)自己的高性能機(jī)床。
現(xiàn)代金屬切削機(jī)床的主要發(fā)展趨勢(shì)是：提高機(jī)床的加工效率，提高機(jī)床的自動(dòng)化程度以及進(jìn)一步提高機(jī)床的加工精度和減小表面粗糙度值。
1.2 機(jī)床的用途及分類(lèi)
鉆床是孔加工用機(jī)床，主要用來(lái)加工外形較復(fù)雜，沒(méi)有對(duì)稱(chēng)回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的工件上的孔。在鉆床上加工時(shí)，工件不動(dòng)，刀具作回轉(zhuǎn)主運(yùn)動(dòng)，同時(shí)沿軸向移動(dòng)，完成進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。鉆床可完成鉆孔、擴(kuò)孔 、鉸孔等工作。
鉆床可分為：立式鉆床、臥式鉆床、臺(tái)式鉆床、搖臂鉆床，深孔鉆床及其它鉆床等。
本次設(shè)計(jì)的四工位專(zhuān)用鉆孔機(jī)床是臥式鉆床，四工位專(zhuān)用機(jī)床是在四個(gè)工位上分別完成相應(yīng)的裝卸工件、鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔工作，如圖1.1所示。它的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有兩個(gè)：一是裝有四工位工件的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，二是裝有專(zhuān)用電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)的三把刀具的主軸箱。主軸箱每向左移動(dòng)送進(jìn)一次，在四
個(gè)工位上分別完成相應(yīng)的裝卸工件、鉆孔、
擴(kuò)孔、鉸孔工作。當(dāng)主軸箱右移退回到刀
具離開(kāi)工件后，工作臺(tái)回轉(zhuǎn)90度，然后主
軸箱再次左移。很明顯 ，對(duì)某一個(gè)工件來(lái) 圖1.1 四工位專(zhuān)用機(jī)床執(zhí)行動(dòng)作圖
說(shuō)，要在四次工作循環(huán)后完成裝 、鉆、擴(kuò)、鉸、卸等工序。但對(duì)于專(zhuān)用機(jī)床來(lái)說(shuō)，一個(gè)循環(huán)就有一個(gè)工件完成上述全部工序。
四工位專(zhuān)用機(jī)床可以大批量加工零件，大大提高了工作效率和自動(dòng)化程度。
1.3 設(shè)計(jì)要求
1）刀具頂端離開(kāi)工作表面65mm,快速移動(dòng)送進(jìn)60mm后，再勻速送進(jìn)60mm（包括5mm刀具切入量，45mm工件孔深，10mm刀具切出量).然后快速返回?；爻毯凸ぷ餍谐痰钠骄俣缺菿=2；
2）刀具勻速進(jìn)給速度為2mm/s；工件裝、卸時(shí)間不超過(guò)10s；
3）生產(chǎn)率為75件/h；
4）執(zhí)行機(jī)構(gòu)能裝入機(jī)體內(nèi)。
1.4 四工位專(zhuān)用機(jī)床的總體方案設(shè)計(jì)
1.4.1工藝動(dòng)作分解和機(jī)械運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖
本機(jī)床主要有兩個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)件—回轉(zhuǎn)工作臺(tái)和主機(jī)箱。它可分解為下列幾個(gè)工藝動(dòng)作：
1） 安置工件的工作臺(tái)要求進(jìn)給間歇轉(zhuǎn)動(dòng)的速度為n2（r/min）。
2） 安裝刀具的主軸箱能實(shí)現(xiàn)靜止、快進(jìn)、進(jìn)給、快退的動(dòng)作。
3） 刀具以速度n1（r/min）轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)切削工件。
根據(jù)上述要求可畫(huà)出樹(shù)狀功能圖，如圖1.2所示。
四工位專(zhuān)用機(jī)床機(jī)床
工作臺(tái)間歇轉(zhuǎn)動(dòng)的速度為n2
主軸箱進(jìn)、退刀運(yùn)動(dòng)
刀具轉(zhuǎn)動(dòng)速度為n1（r/min）
靜止
快進(jìn)
進(jìn)給
快退
圖1.2 四工位專(zhuān)用機(jī)床樹(shù)狀功能圖
由生產(chǎn)率可求出一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)所需時(shí)間T=3600/75 s = 48s,刀具勻速送進(jìn)60mm所需時(shí)間t勻=60/2 s=30 s，刀具其余移動(dòng)（包括快速送進(jìn)60mm，快速返回120mm）共需18s，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)靜止時(shí)間為36s，因此足夠工件的裝、卸所需時(shí)間。其機(jī)運(yùn)動(dòng)循環(huán)情況如表1.1所示。
表1.1 機(jī)械運(yùn)動(dòng)循環(huán)情況
執(zhí)行構(gòu)件
運(yùn) 動(dòng) 情 況
刀具（主軸箱）
工 作 行 程
空 回 行 程
刀具在工件外
刀具在工件內(nèi)
刀具在工件外
回轉(zhuǎn)工作臺(tái)
轉(zhuǎn) 位
靜 止
轉(zhuǎn) 位
1.4.2 四工位專(zhuān)用機(jī)床的機(jī)構(gòu)選型和機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案的評(píng)定
圖1.3為四工位專(zhuān)用機(jī)床的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換功能圖。選用兩個(gè)電動(dòng)機(jī)，由三條傳動(dòng)來(lái)實(shí)施運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換（其符號(hào)含義見(jiàn)圖1.2及有關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)），以滿(mǎn)足三種工藝動(dòng)作的需要。
電動(dòng)機(jī)1，n電1
刀具轉(zhuǎn)動(dòng)
a)
電動(dòng)機(jī)2 ,n電2
工作臺(tái)間歇轉(zhuǎn)動(dòng)
主軸箱往復(fù)移動(dòng)s=s(t)
b)
圖1.3 四工位專(zhuān)用機(jī)床運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換功能圖
表1.2 四工位專(zhuān)用機(jī)床形態(tài)學(xué)矩陣
分功能
分 功 能 解 （功能載體）
1
2
3
4
5
減速A
帶傳動(dòng)
鏈傳動(dòng)
蝸桿傳動(dòng)
齒輪傳動(dòng)
擺線(xiàn)針輪傳動(dòng)
減速B
帶傳動(dòng)
鏈傳動(dòng)
蝸桿傳動(dòng)
齒輪傳動(dòng)
行星傳動(dòng)
工作臺(tái)間歇轉(zhuǎn)動(dòng)C
圓柱凸輪間歇機(jī)構(gòu)
弧面間歇
機(jī)構(gòu)
曲柄搖桿棘輪機(jī)構(gòu)
不完全齒輪機(jī)構(gòu)
槽輪機(jī)構(gòu)
工作臺(tái)間歇轉(zhuǎn)動(dòng)D
移動(dòng)推桿圓柱凸輪機(jī)構(gòu)
擺動(dòng)推桿盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)
擺動(dòng)推桿盤(pán)形凸輪與滑塊機(jī)構(gòu)
曲柄滑塊
機(jī)構(gòu)
六桿機(jī)構(gòu)
下面有兩種總統(tǒng)布局方案可供選擇：見(jiàn)圖1.4、1.5
1－電動(dòng)機(jī) 2－擺線(xiàn)針輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 3－小帶輪 4－V帶 5－減速帶輪 6，7－齒輪 8－槽輪機(jī)構(gòu) 9－回轉(zhuǎn)工作臺(tái) 10－移動(dòng)推桿圓柱凸輪機(jī)構(gòu) 11－刀具主軸箱
圖1.4 四工位專(zhuān)用機(jī)床總體布局方案Ⅰ
1－電動(dòng)機(jī) 2－小帶輪 3－V帶 4－減速帶輪 5－減速軸承 6，7－齒輪 8，9－齒輪 10－不完全齒輪機(jī)構(gòu) 11－回轉(zhuǎn)工作臺(tái) 12－主軸箱 13－移動(dòng)推桿圓柱凸輪機(jī)構(gòu)
圖1.5 四工位專(zhuān)用機(jī)床總體布局方案Ⅱ
方案Ⅰ采用擺線(xiàn)針輪傳動(dòng)系統(tǒng)直接和電動(dòng)機(jī)1相連來(lái)實(shí)現(xiàn)減速，導(dǎo)致小帶輪轉(zhuǎn)速特別低，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的帶輪無(wú)法滿(mǎn)足要求，擺線(xiàn)針輪減速比過(guò)大，使機(jī)床結(jié)構(gòu)變大，又其電動(dòng)機(jī)和V帶傳動(dòng)都在機(jī)體內(nèi)部，使系統(tǒng)產(chǎn)生震動(dòng)，使機(jī)器的精度降低。方案Ⅱ?qū)㈦妱?dòng)機(jī)和V帶傳動(dòng)設(shè)在機(jī)體外部，可減小機(jī)床的震動(dòng)；使用減速帶輪和減速軸承結(jié)合的減速方式可使機(jī)床的結(jié)構(gòu)變?。粶p速帶輪節(jié)約空間，減速軸承傳動(dòng)效率高，節(jié)約能源；采用的不完全齒輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，制造容易，比槽輪機(jī)構(gòu)等其他間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)用廣泛。
綜上，選擇方案Ⅱ
1.5 本章小節(jié)
本章簡(jiǎn)單介紹了機(jī)床的發(fā)展、現(xiàn)狀、用途、分類(lèi)以及四工位專(zhuān)用機(jī)床的設(shè)計(jì)要求，最后詳細(xì)介紹了四工位專(zhuān)用機(jī)床的總體方案的選擇、評(píng)定與確定。
第2章 四工位專(zhuān)用機(jī)床的技術(shù)設(shè)計(jì)
2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)
2.1.1 電動(dòng)機(jī)1的選擇
1. 電動(dòng)機(jī)參數(shù)的確定
電動(dòng)機(jī)的功率消耗主要有兩部分：一部分是工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，估計(jì)P轉(zhuǎn)盤(pán) =0.8 KW ；一部分是移動(dòng)推桿圓柱凸輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)工作臺(tái)左右移動(dòng)所消耗的功率約為P進(jìn)=1.6 KW。則總功率為P總=P轉(zhuǎn)盤(pán) ＋ P進(jìn) =0.8 KW＋ 1.6 KW = 2.4 KW。估計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)總機(jī)械效率η總為0.85，則電動(dòng)機(jī)的功率至少應(yīng)為P電= P總/η總=2.4/0.85=2.82 KW.由此選擇Y100L2－4型Y系列鼠籠三相異步電動(dòng)機(jī)。P額=3 KW。其主要技術(shù)數(shù)據(jù)、外形和安裝尺寸見(jiàn)表2.1：
表2.1 電動(dòng)機(jī)主要技術(shù)數(shù)據(jù)、外形和安裝尺寸表
型號(hào)
額定功率/ KW
滿(mǎn)載轉(zhuǎn)速r/min
最大轉(zhuǎn)矩（額定轉(zhuǎn)矩）
Y801－4
3
1420
2.2
外形尺寸/ mm×mm×mm
L×(AC/2+AD)×HD
中心高/mm
H
安裝尺寸/mm
A×B
軸伸尺寸/ mm×mm×mm
D×E
380×282.5×245
100
190×140
28×60
2. 確定各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比
因n電=1420r/min，n工作機(jī)=1.25 r/min 則外總傳動(dòng)比為i總=n電/ n工作機(jī)=1420/1.25=1136由帶傳動(dòng)比不易太大,故取帶傳動(dòng)比i帶=4,減速帶輪傳動(dòng)比i帶減=12.636,減速軸承的傳動(dòng)比i減軸承=10,齒輪6、7的傳動(dòng)比i6，7=2.2, 齒輪8、9的傳動(dòng)比i8,9=1。
3. 計(jì)算各軸的轉(zhuǎn)速和功率
（1）各軸的轉(zhuǎn)速
n1= n電=1420 r/min
n3 =
n4 =
（2）各軸的功率
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，效率取 η帶=0.96，η齒=0.98，η軸承=0.99，η聯(lián)軸器=0.992，η減軸承=0.94，η帶減=0.94。電動(dòng)機(jī)的輸出功率估計(jì)為2.8KW.
I 軸 P1=P0= 2.8KW.
II 軸 P2= P1η帶η帶減=2.8 ×0.96 ×0.94=2.527KW
III軸 P3= P2η減軸承η聯(lián)軸器η軸承=2.527×0.94×0.992×0.99=2.333 KW
IV軸 P4= P3η齒η軸承=2.333×0.98×0.99=2.263 KW
V 軸 P5=P4η齒η軸承=2.263×0.98×0.99=2.196KW
VI 軸 P6= P5η齒η軸承=2.196×0.98×0.99=2.130 KW
VII軸 P7= P4η聯(lián)軸器η軸承=2.130×0.992×0.99=2.092 KW
2.1.2 V帶及帶輪的設(shè)計(jì)
1.確定計(jì)算功率Pca(KW)
（2.1）
由此電機(jī)每天工作16個(gè)小時(shí)，載荷變動(dòng)小。由參考文獻(xiàn)[6]查表選取KA=1.1，又P=3KW,則 Pca=1.1×3KW=3.3 KW。
2.選擇帶型
根據(jù)計(jì)算的功率Pca =3.3 KW和小帶輪的轉(zhuǎn)速n1=1420r/min,選用普通V帶A型。
3.確定帶輪的基準(zhǔn)直徑D1和D2
（1）初選小帶輪的基準(zhǔn)直徑D1。根據(jù)V帶截面型，參考文獻(xiàn)[6]查表選取。D1≥Dmin ，Dmin=75mm,取D1 =75mm。
（2）驗(yàn)算帶的速度v（m/s）
m/s
（3）計(jì)算D2 D2= i帶D1=4×75=300mm
4. 確定中心距a和帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度ld
由下式初選a0
0.7（D1＋D2）
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