摇臂钻床的研究与设计毕业设计Word格式文档下载.docx
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Abstract
Normaldrillingmachinecanprocessisverysmall，Simplestructure。
Forthespecialprocessingconditions，Suchasthevolumeandweight，Fixedcannotmove,etc。
Normaldrillinganddifficultprocess，Onlyuseappropriativedrill。
Specialdrillmachineisinthecommonbasisformachining,accordingtothespecificprocessingormanufacturingconditionsanddesign.Thuscansatisfythespecificrequirementsoftheprocessing.Hydraulicgeneratorsinordertomeettherequirementsofthelargevolumeofusuallydoislarger,Theweightofseveraltonsofevenafewtons.Themountingholesdonotfacilitateintheworkshop,onlyatthesite,Soweneedtodesignatallywiththeactualsituationofspecialdrill.Ourhydropowerinstallationholemachiningstandbygeneratorisalwaysrelyonimportsofradialdrillingmachine,expensivecostishigher.Designofhydropowerstationinradialdrillholespecialgeneratorinstallationisofgreatsignificance.
Imajorinspecialradialdrillrockercomponentsresearchanddesign.Accordingtothespecialrequirementsoftheradialdrillingmachinedesign.Therockertoaroundthemastswing（360）,Straight-linemovement（1000mm）,Linearmotorcanmove,Afterputtinginplacetoclamp.
Accordingtothecharacteristicsanddesignrequirements,designbelow:
Thestructuredesignintotherockerwillbilateraltype,Soongearboxandspindleboxinstalledinthesideoftherockerrespectively.Thepowertransmissionthroughhollowrockertorotaryparts,Finallytospindlebox.Theswingthroughradialinstallationguideinthepost,Withtheguideoftheballscrewcomponentballscrewnutpair,Ballscrewrotation,Candrivetherockermovealongthepillar.Willswingtoguidetheblockplacedswingwith,throughthethrustbearingconnectionbetweenblocks.Therockerdesignintoleftandright,locatedintwosidesofswingingblock,Andinthebottomrockerandswingingblocksguide.Still,bushingswingingblockcanthesetoffree-swings.Movealongthepillarbushingafterputtinginplace,Swingmatedswingblock,Adoptshydraulicharvardinstitutionswillinte.Leftrockerinternalthroughwirerodnutwormandwormgeartransmissionoftheradialmovearound,Rightradialshafttransmissionthroughtheinternalmotivationtobeturningparts.Aftermovingthroughtherockerlevelpositionontheblockupswingingcolumnwillrockerhydraulicintensify.
Keywords：
Radialdrillingmachine,Gearbox,Ballscrew,Theworm
1绪论
1.1研究目的和意义
钻床主要用来加工工件上的孔,其应用在各方面都广泛。
常见的钻床，钻头的旋转为主运动，钻头的轴向移动为进给运动。
钻床可加工通孔、盲孔等，如果更换特殊的刀具，则加工范围变大，可进行扩、锪、铰或进行攻丝等加工。
钻床的结构相对较为简单，加工精度较低。
常见的钻床有立式钻床、深孔钻床和摇臂钻床，全属于普通机床普通钻床可以加工常见的体积重量都较小的工件，可是对于在特殊的加工条件下，如工件体积和重量都较大、固定不能移动等，普通钻床便很难加工，所以普通钻床的加工范围不大，而需要专用钻床。
专用钻床是在普通机床的基础上，根据待加工工件或加工所处的特殊条件而设计制造出的钻床。
专用钻床现已广泛地在我国纺织机械、石油机械、印刷机械、包装机械、医疗器械、航空航天、汽车拖拉机、橡塑模具以及发电机制造、机床制造等行业。
近年来专用钻床的发展速度很快，其中主要发展方向为：
①钻削孔径向小方向延伸，说明技术含量高，质量要求严格；
②主轴向多轴发展,可以同时加工多件工件，提高加工效率；
③主轴转速高，应用先进的电主轴，运转平稳、精度提高；
④进给速度范围广且大，因此专用钻床这些年来由于先进技术的应用，水平提高很快。
国外发达国家由于发展较早，用于此加工的专用钻床早已研发出来。
我国的在此方面的研究起步晚，与国外发达国家有一定的差距，但随着我国经济的迅猛发展，此方面的研究也取得了很大的突破，与国外的先进设备和技术的差距将越来越小。
水力发电机为了满足大发电量的要求一般都做的体积都比较大，重量可达几吨或几十吨，甚至更大。
因此水力发电机的制造比较难。
其承受巨大的水力冲击，发电机的稳定性和安全性是很重要的，因此其机座必须深埋在地下，并用混凝土浇筑、加固后，才将发电机装在机座上。
发电机与机座的联接方式采用最常用的螺栓—螺孔。
发电机机座体积、重量大、深埋于地下、形成一个圆形地坑。
其安装孔的加工不便于在车间里进行，只能在工地现场加工，而常用的钻床是安装在固定的车间里的，工件运动而机床不动。
所以需要设计出符合实际情况的专用钻床。
因此设计出我国的水电站发电机安装孔专用钻床具有重大意义。
通过设计此专用钻床，巩固了我们大学四年的所学知识，并且将所学的知识进行一次实战应用，培养我们分析问题，解决问题的能力，并为我以后的学习和工作积累宝贵的经验和提供指导。
1.2研究的主要内容
此专用钻床的总体设计主要内容为：
钻床的3个方向的行程是X=1000mm，W=1500mm，Z=300；
钻床的主轴箱要求可以摆动，以补偿大型钻床底座的水平度，因此要求钻床的主轴箱在水平面内在X和Y两个方向上实现±
5°
的摆动；
钻床的的最大设计钻孔攻丝直径是￠80mm；
我所设计的摇臂部件的设计要求如下：
要求摇臂能摆动（360°
2基本内容和技术方案
此摇臂的总体设计改变普通摇臂钻床的结构形式，即摇臂呈现单边悬梁式，而是采用双边式，即采用将主轴与变速箱分开安装在摇臂的两头，即变速箱在摇臂的一边，主轴在摇臂的另一边。
摇臂改变为分为左右两个。
要实现摇臂的360°
摆动，则可以先设计出一个导套，导套与立柱配合，在导套上加工有一个通孔，且加工有全螺纹，与立柱上的丝杠组成丝杠螺母副，丝杠转动带动导套沿丝杠上下移动，在导套上有一径向的通孔，在孔中安装夹紧块，当导套移动到预定位置，采用液压力压紧夹紧块，夹紧块顶紧立柱，考夹紧块与立柱的摩擦力使上下运动定位夹紧。
摆动块安装在导套上，导套与摆动块的通过推力轴承连接,摆动块上开有摇臂移动的导轨槽,还开有能在导套上加紧的哈弗机构和能将移动到位的摇臂加紧的液压机构。
摇臂分为两个横臂分别悬挂在摆动块的左右两边，左横臂主要实现带动摇臂沿水平面左右移动，右横臂实现将变速箱的动力传递给回转部件。
为了实现摇臂的移动，左横臂除了承受变速箱、回转部件、主轴的部分重量外，还要能够移动。
通过多种方案的比较，最终采用在左横臂里面安装丝杠螺母机构来实现，即丝杠安装在左横臂内部，螺母固定在摆动块上，由单独的电机带动丝杠转动，则摇臂则相对于摆动块左右移动。
由于在横臂的端部安装电机较为困难，则将电机安装在左横臂的侧面，这时电机的输出轴与丝杠垂直，且电机的额定转速一般较高，需要变速装置，为了减小机床的重量和体积，减小材料的消耗，降低成本，综合分析，确定采用蜗杆—蜗轮传动机构。
将蜗轮装在丝杠上，蜗杆垂直装在横臂上，蜗杆一端与电机通过联轴器连接。
这样来既解决了电机输出轴与丝杠垂直的动力传递，又凭借蜗轮蜗杆可实现大传动比的特点省去了变速装置，实现结构紧凑、减小机床的重量和体积，减小材料的消耗，降低成本。
右横臂只用来传递变速箱到回摆部件的动力，故在右横臂内部只需安装一根传动轴即可。
由于左右横臂内部都得要实现传递动力的要求，则左右摇臂都设计成空心的。
整个方案如下：
3摇臂的回转设计
3.1导套的设计
导套主要实现4个功能。
1、承载摆动块和左、右横臂的重量；
2、能够使摆动块在其上进行360°
的旋转；
3、提供与立柱上的丝杠配合的螺纹，组成丝杠螺母副，以带动摇臂能够沿立柱上下移动；
4、摇臂上下移动到位后能在立柱上加紧。
根据设计思路，确定设计如下：
3.2导套加紧块的设计
导套加紧块用液压力来将上下移动到位的导套加紧在立柱上，立柱的外表面是圆柱面，故采用哈弗机构的形式来实现加紧。
结构如下：
3.3摆动块的设计
摆动块通过推力轴承安装在导套上，其必须实现4个功能。
1、与导套通过轴承连接，围绕导套实现任意角度的旋转；
2、摆动块旋转到位后能够在导套上加紧定位；
3、为左右横臂的移动提供导轨面；
4、能对左右移动到位的横臂进行加紧。
其次在摆动块上要设计出摇臂的压板安装位置和与左摇臂中的丝杠相配合的螺母安装位置。
为了避免摇臂与摆动块有大接触面，还设计出间隙槽。
最后还有两种加紧机构和液压缸安装位置。
3.4推力轴承的选择
轴承按其所能承受的载荷方向可分为：
①径向轴承，又称向心轴承，承受径向载荷。
②止推轴承，又称推力轴承，承受轴向载荷。
③径向止推轴承，又称向心推力轴承，同时承受径向载荷和轴向载荷。
按轴承工作的摩擦性质不同可分为滑动摩擦轴承（简称滑动轴承）和滚动摩擦轴承（简称滚动轴承）两大类。
摆动块安装在导套上,导套要承受包括摆动块、左右横臂、变速箱、回转部件和主轴箱的所有重量。
为了避免摆动块与导套之间的大接触面，为了使导套上的摆动块旋转灵活，需要使用能够承受巨大的轴向力的轴承来连接导套和摆动块。
推力圆柱滚子轴承属分离型轴承。
可承受单向轴向负荷，不能限制轴的径向位移。
轴承刚性大，占用空间小，轴向负荷能力大，对冲击负荷的敏感度低。
适用于低转速，常用于推力球轴承无法适用的工作场合。
安装时不允许轴与外壳的轴线有倾斜。
假设立柱的外径为600mm，则需选用下层内径为600mm的推力轴承。
查标准得知，只有推力圆柱滚子轴承有600mm的型号，故选用的滚动轴承为推力圆柱滚子轴承，代号为：
滚动轴承51811GB/T301-199
推力圆柱滚子轴承
3.5旋转模型图
总体图
加紧导套原理图
加紧摆动块原理图
4.左摇臂部件设计
4.1左横臂设计
左横臂主要用来实现驱动横臂在水平面内移动，且驱动机构适宜安装在横臂的内部，所以横臂应设计成空心的，又为了便于在摇臂中安装其他传动机构，则将横臂做成一面挖空的盒状结构，又为了提高横臂的刚度和强度，最后还要设计一个摇臂盖板，使摇臂成为一个相对封闭的整体。
这样即满足了传动要求和结构要求，也减轻了这个钻床的重量。
左横臂内部的传动的机构有丝杠-螺母传动和蜗杆-蜗轮传动。
主要包含的零部件有丝杠、安装丝杠的轴承、轴承端盖、蜗轮、蜗杆、蜗杆安装轴承和轴承端盖。
所以横臂的结构设计应充分满足其内部的零部件的安装要求。
其次，横臂与分列与其两边的变速箱和回摆部件有连接关系，需要设计出连接结构。
最后由于丝杠-螺母副中的螺母除了与其内部的丝杠配合,还需要安装在摇臂外的摆动块上，故需要在横臂上留出螺母的运动空间。
驱动蜗杆的电机的也需要设计出安装位置。
设计如下图所示：
4.2导轨的设计
导轨是金属或其它材料制成的槽或脊，可承受、固定、引导移动装置或设备并减少其摩擦的一种装置。
导轨表面上的纵向槽或脊，用于导引、固定机器部件、专用设备、仪器等。
导轨又称滑轨、线性导轨、线性滑轨，用于直线往复运动场合，拥有比直线轴承更高的额定负载，同时可以承担一定的扭矩，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动
摇臂在水平面内左右移动，需要设计出相应的导向和承载导轨。
导轨副中运动的一方为动导轨，不动的一方为支撑导轨。
动导轨相对于支撑导轨只能有一个自由度的运动，以保证单一方向的导向性。
一般的动导轨相对于支撑导轨作直线运动。
按摩擦性质分，常用的导轨可分成滑动导轨和滚动导轨。
导轨的设计应满足导向精度、精度保持性、低速运动平稳性、结构简单、工艺性好的要求。
导轨材料应耐磨性好、工艺好、成本低。
直线移动导轨的的截面基本形式主要有三角形、矩形、燕尾形和圆柱形。
在此横臂导轨的设计中根据横臂与摆动块的结构特点和导轨的设计要求，巧妙的以横臂的下矩形底面为动导轨，以摆动块两侧开的矩形槽为支撑导轨，采用摩擦滑动导轨的形式，构成矩形导轨。
导轨的材料的就使用摆动块的材料和横臂的材料，即支撑导轨采用铸铁，横臂采用淬火钢。
这样既满足导向精度，又使运动平稳，工艺简单，制造方便，调整和维修方便，成本低廉。
铸铁与钢之间的动摩擦系数n=0.05~0.15之间。
4.3丝杠螺母传动设计
丝杠螺母机构又称螺旋传动机构。
当丝杠作为主动体时，螺母就会随丝杠的转动角度按照对应规格的导程转化成直线运动，被动工件可以通过螺母座和螺母连接，从而实现对应的直线运动。
丝杠螺母机构的最大特点是利用了斜面原理，将斜面卷曲变形，从而形成罗纹。
将转动变成平动。
丝杠转一圈，螺母位移一个螺距。
这样省力不省功
它主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。
有以传递能量为主的（如螺旋压力机、千斤顶等）；
也有以传递运动为主的如机床工作台的进给丝杠）；
还有调整零件之间相对位置的螺旋传动机构等。
丝杠螺母机构有滑动摩擦机构和滚动摩擦机构之分。
滑动丝杠螺母机构结构简单，加工方便，制造成本低，具有自锁功能，但其摩擦阻力矩大、传动效率低（30％～40％）。
滚珠丝杠螺母机构虽然结构复杂、制造成本高，不能自锁，但其最大优点是摩擦阻力矩小、传动效率高（92％～98％），精度高，系统刚度好，运动具有可逆性，使用寿命长，因此在机电一体化系统中得到大量广泛应用
4.3.1丝杠的设计
假设这个移动的横臂加上变速箱，回摆部件，主轴箱等部件总体的质量为8吨，则轴向的驱动力F=mgu=8*1000*10*0.05=4000（N）.
丝杆的轴向位移L=1040mm,假设丝杠的转速为n=125r/min,所设计的螺纹线升角为
20°
则丝杠的轴向移动速度（摇臂的移动速度）
v=
丝杠和螺母的材料都选用45钢，则螺纹传动之间的当量摩擦系数f’=0.15,则当量摩擦角
则丝杠与螺母传动的螺纹摩擦力矩
M=
63（N/m）
丝杠的驱动功率
P=
（kw）
丝杠上除了螺纹的设计外，丝杠也是轴类结构，也需要按轴的设计方法。
由于丝杠上还需要安装蜗轮-蜗杆传动中的蜗轮，所以需要设计出键槽等结构。
丝杠的加工适宜车削，故丝杠的上需要设计出退刀槽，丝杠的安装还需要设计出轴承的安装结构。
丝杠的耐磨性校核
本螺纹矩形，轴向载荷F=4000N，许用比压【
】=7.5N/mm
，采用整体式螺母，所以
mm
而d
>
d
所以耐磨性足以满足强度。
丝杠强度校核
45钢的许用应力[
]=220MPa，外螺纹小径d
=55mm,
当量应力
172MPa<
[
]=220MPa
则强度满足。
螺纹强度校核
矩形螺纹牙根部的宽度b=0.5P=2mm，45钢的【
】=598MPa，【
】=353MPa,[
]=220MPa,[
]=180MPa。
剪切强度
=
MPa<
]=180MPa
弯曲强度
MPa＜【
】=598MPa．
故螺纹强度足够。
4.3.2 螺母的设计
螺母与丝杠配合组成螺纹传动副,螺母的螺纹的设计与丝杠的设计是一样的,螺母采用与丝杠相同的材料,则不需要在进行强度校核.
4.4丝杠安装轴承的选用和校核
丝杠驱动横臂左右移动，根据力的作用原理，丝杠也受到横臂对丝杠的在轴向的反作用力，由于在丝杠上安装有蜗轮，蜗轮受到蜗杆的径向力，但径向力不是很大。
安装丝杠的轴承就主要受轴向载荷，故适宜选用推力滚动轴承，结合丝杆的设计，选用圆锥滚子轴承较为合适，代号为：
滚动轴承30308GB/T297-1994.安装方式为面对面安装.预期寿命为4000h,即Lh’=4000h。
轴承的校核
轴承受到的径向力大概有Fr=1000N，则受到的轴向力Fa=4000N,
所以当量动载荷P=0.4Fr+1.6Fa=6800N,轴承的工作温度小于120℃，f
=1,圆锥滚子轴承
Cr’=
13KN<
KN
故轴承的寿命满足要求。
4.5蜗杆蜗轮传动设计
蜗轮蜗杆机构常用来传递两交错轴之间的运动和动力。
蜗轮与蜗杆在其中间平面内相当于齿轮与齿条,蜗杆又与螺杆形状相似。
可以得到很大的传动比，比交错轴斜齿轮机构紧凑
两轮啮合齿面间为线接触，其承载能力大大高于交错轴斜齿轮机构
蜗杆传动相当于螺旋传动，为多齿啮合传动，故传动平稳、噪音很小
具有自锁性。
当蜗杆的导程角小于啮合轮齿间的当量摩擦角时，机构具有自锁性，可实现反向自锁，
即只能由蜗杆带动蜗轮，而不能由蜗轮带动蜗杆。
上海减速机厂在其重机械中使用的自锁蜗杆机构，其反向自锁性可起安全保护作用
传动效率较低，磨损较严重。
蜗轮蜗杆啮合传动时，啮合轮齿间的相对滑动速度大，故摩擦损耗大、效率低。
另一方面，相对滑动速度大使齿面磨损严重、发热严重，为了散热和减小磨损，常采用价格较为昂贵的减摩性与抗磨性较好的材料及良好的润滑装置，因而成本较高
蜗杆轴向力较大
蜗轮蜗杆机构常被用于减速机两轴交错、传动比大、传动功率不大或间歇工作的场合。
蜗杆传动具有结构紧凑，传动比大，传动平稳。
振动、冲击和噪声均很小，适宜用于中小功率的场合。
根据此摇臂的设计要求的，需要根据摇臂的移动参数确定丝杠螺母的设计参数，有丝杠螺母传动的参数确定蜗杆蜗轮的设计动力参数，再由蜗轮蜗杆的传动动力参数确定驱动横臂移动的电机参数。
假设丝杠轴承的效率
=0.9，
丝杠螺母传动的效率
=0.92，
开式蜗杆蜗轮传动的效率
=0.8，
蜗杆安装轴承的效率
则蜗杆的头数Z
=1，
蜗轮的齿数Z
=30
则传动比i=
模数m=5,压力角
=20°
，
蜗杆直径系数q=
mm，
蜗杆分度圆柱导程角
=12.7°
蜗杆的转速为n=125x20=2500r/min
开式蜗杆蜗轮的润滑采用喷油润滑。
蜗杆的材料选用碳素钢，蜗轮的材料选用铸锡磷青铜（ZcuSn10P1）
蜗杆也是轴类部件,所以蜗杆的结构设计跟轴的结构设计是一样的。
蜗杆安装在做横臂上，两端需要用轴承来支撑定位，其次，蜗杆上要设计出与输入电机相连接的键槽等结构。
蜗轮是盘类部件，安装在丝杠上，需要在设计出与丝杠通过键连接的轮毂结构。
蜗杆蜗轮的具体结构如下：
4.6蜗杆安装轴承的选用和校核
蜗杆横向安装在左横臂上，主要受电机的驱动力矩和蜗轮的反作用力，由于蜗轮安装在丝杠上，由蜗轮带动丝杠转动，故蜗轮受到丝杠上的转矩作用，蜗轮与蜗杆的轴向方向垂直，所以蜗杆上的轴向力与蜗轮上的圆周力、蜗杆上的圆周力与蜗轮上的的轴向力、蜗杆上的径向力与蜗轮上的径向力，分别大小相等而方向相反。
根据蜗杆的
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