Z3040摇臂钻床进给箱三维设计Word文档格式.docx
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1.5Z3040摇臂钻床的简介7
1.5.1钻床及特点7
1.5.2Z3040摇臂钻床的主要结构和运动形式8
1.5.3摇臂钻床的主要参数及设计要求10
2机械传动设计方案和传动系统图的拟定与比较12
2.1主运动的设计12
2.1.1原动机的选择12
2.1.2运动参数的确定15
2.1.3绘制主轴进给箱转速图17
2.2传动过程17
2.3传动设计方案评价的目的18
2.4机械传动设计方案评价的原则18
2.5系统设计方案的比较与确定19
3主要零件设计21
3.1齿轮材料的选择21
3.1.1齿轮材料的基本要求21
3.2齿式离合器的设计23
3.3齿轮模数初步计算23
3.4传动轴及其组件结构设计25
3.4.1传动轴直径的估算及轴间中心距的确定25
3.4.2齿轮强度验算27
3.5过渡轴的设计29
3.5.1轴的失效形式29
3.5.2轴的材料29
3.5.3过渡轴的强度校核30
4轴承的选择与校核34
4.1轴承的分类34
4.2滚动轴承及类型34
4.3滚动轴承的失效形式35
4.4轴承的选择计算36
5.润滑与密封37
5.1润滑及冷却系统37
5.2润滑系统的要求38
5.3润滑剂的选择38
5.4润滑方式39
6.基于Pro/E的三维设计建模41
6.1零件三维建模41
6.1.1轴承的三维建模41
6.1.2双联滑移齿轮三维建模42
6.2三维装配49
结论52
致谢53
参考文献54
1.概述
1.1本论文研究的目的及意义
1.1.1研究的目的
本课题的主要任务是对Z3040钻床进给箱设计。
首先，我要了解Z3040钻床，Z3040，大写字母Z是钻床的简称，30为摇臂、后面40为钻孔直径，Z3040摇臂钻床适用于在中、大型零件的钻孔、扩孔、铰孔、平面及攻螺纹等工作，在具有工艺装备的条件下可以进行镗孔。
Z3040摇臂钻床是一种立式钻床，在各类钻床中，它具有性能完善、适用范围广、操作方便、灵活等优点，它适用于单件或批量生产带有多孔的大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常用高的机床。
让我了解并掌握Z3040型摇臂钻床进给箱的工作原理及其结构特点。
其次，通过这次的设计对我来说在各个方面的收获。
根据这年来在学校的专业课程知识的学习与掌握情况，选择这个课题就是为了掌握一种设计的方法，从而提高自身对以前所学知识的一个系统的运用能力，如巩固和强化了我对CAD，PRO/E软件实际运用能力，同时也充分加深了我的设计能力和对以后我的机械生涯做好了准备。
通过该课题的设计，能够掌握里面的一些设计环节，充分理解里面的工程实际问题，如钻床夹具设计及机床的数控plc控制等，从而有助于深刻认识设计该课题的思路，锻炼自己的工程实践能力。
该课题是一个涉及知识面比较全面的设计，精密车床设计里面具有复杂的传动系统，不但要求设计者能够对传统的机床设备要很好的掌握理解，还要能够对新型机床设备能够理解，所以该课程的设计具有一定的难度。
1.1.2研究的意义
通过对此号摇臂钻床的研究开发，随着科学技术水平和人类生活水平的提高，对机械产品的质量要求越来越高，产品品种越来越多，中大批量的产品需求越来越少，而单件小批量生产模式迅速增加，作为实现单件小批量加工自动化的数控摇臂钻床，由于其突出的优点而得到广泛应用：
（1）可以加工出传统摇臂钻床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。
这是由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴应该运动的运动量，这就可以加工复杂的曲线和曲面。
（2）可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，效率可比以往摇臂钻床提高3到7倍。
（3）加工的零件精度高，尺寸分散度小，装配容易，不再需要”修配”。
这是由于加工过程自动化，不受人的情绪和疲劳影响的结果。
计算机还可以自动进行刀具寿命管理，不会因刀具磨损而影响工件精度和其一致性。
最近，数控系统中增加了摇臂钻床误差、加工误差修正补偿的功能，使加工精度得到进一步提高。
（4）可实现多工序的集中，减少零件在摇臂钻床间的频繁搬运。
这是自动化带来的效果（可以自动更换刀具），如加工中心，在工件装夹好后，可实现钻、铣、攻丝、扩孔等多工序的加工。
这些多工序是在同一基面、同一次装夹下实现的，提高了相关的加工精度。
现已出现其他工序集中的摇臂钻床，如车削中心、车铣中心、磨削中心等。
1.2摇臂钻床的国内发展动态及应用领域
1.2.1研究现状及发展趋势
随着经济的飞速发展和工业现代化的需要，各种自动化生产设备应用而生，钻床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、机床制造等行业有关零件的钻孔加工得到应用。
目前国内摇臂钻床生产厂家有许多家，但是在这个行业做的较好的厂家不是很多。
其中沈阳机床股份有限公司中捷摇臂钻床厂的产品国内市场占有率高达70％，出口产品遍及中东、北美、西欧等86个国家和地区。
进入市场经济后，国内机床行业竞争日趋激烈，与中捷摇臂钻厂生产相同型号产品的企业有40多家，中捷摇臂钻厂产品领先优势受到挑战。
为了应对挑战，中捷摇臂钻厂在产品卖得正火的时候，提出了进行跨越产品结构调整。
第一，用先进技术改造传统产品。
如普通摇臂钻床实现了五轴联动，价格由几万元上升到几十万元，达到中国摇臂钻床最高水平。
第二，向国际先进水平靠拢，不断扩大产品领先优势。
ZK系列、桥式和动桥系列产品，十几项技术居国内领先地位。
高速高精度PCB数控钻床伺服进给系统的控制研究。
专用钻床结构设计中的若干关键技术研究。
精密微小孔加工技术的现状、应用和发展方向,并列举了多种加工方法,包括传统机械加工、特种加工和复合加工。
基于PLC技术的Z3040摇臂钻床控制系统设计，针对Z3040摇臂钻床的工作特点,设计了摇臂钻床的PLC新式控制系统,给出了钻床控制改造方案和控制程序。
本文详细论述了系统的设计方案,各部分硬件的构成,完成了软硬件及外围电路的设计开发,并结合实际运行情况对系统做了进一步的改进和扩展,减少了系统布线,投资少,控制稳定,具有较好的推广价值。
该控制方法简单易行、动态响应快、系统控制效果好。
实际应用表明,该系统具有加工精度高、抗干扰性好、自动化程度高、实用性强的特点。
基于Pro/E4.0的钻床夹具的三维仿真设计等。
摇臂钻床和大多数机床一样，将向数控自动化、机电一体化和智能化方向发展。
摇臂钻床未来的发展趋势是：
应用电子计算机技术，简化机械结构，提高和扩大自动化工作的功能，使机床适应于纳入柔性制造系统工作；
提高功率主运动和进给运动的速度，相应提高结构的动、静刚度以适应采用新型刀具的需要，提高切削效率；
提高加工精度并发展超精密加工机床，以适应电子机械、航天等新兴工业的需要。
1.2.2应用领域
Z3040摇臂钻床利用旋转的钻头对工件进行加工，在机械行业中得到了广泛应用。
可广泛应用于机械加工中的钻孔、扩孔、铰孔、攻螺纹及锪平面等。
钻削加工时，通过夹紧装置，主轴箱紧固在摇臂上，可以沿摇臂径向运动，摇臂紧固在外立柱上，外立柱紧固在内立柱上。
摇臂借助于丝杠，可以作升降运动，也可以与外立柱固定在一起，沿内立柱旋转。
机械加工机床的加工运动往往是机械与电气配合实现的。
Z3040摇臂钻床设有4台电动机，即主轴电动机、冷却泵电动机、摇臂升降电动机及液压泵电动机。
主轴电动机提供主轴转动的动力，是钻床加工主运动的动力源，但主轴电动机只有正转工作模式，反转由机械方法实现。
冷却泵电动机用于提供冷却液，只需正转。
摇臂升降电动机提供摇臂升降的动力，需正反转。
液压泵电动机提供液压油，用于摇臂、立柱和主轴箱的夹紧和松开，也需要正反转。
Z3040摇臂钻床的操作主要通过手轮及按钮实现，手轮用于主轴箱在摇臂上的移动，这是手动的。
按钮用于主轴的启动停止、摇臂的上升下降、立柱主轴箱的放松及夹紧等操作，再配合限位开关完成机床调节的各种动作。
1.3将要解决的主要问题及解决问题思路
（1）传动系统为满足改进后的加工及工作要求，在做出相应的计算后对传动系统进行改进和调整。
（2）进给系统传统的钻床主轴进给系统主要由主轴、主轴套筒、主轴套筒镶套、齿轮齿条和轴承等组成。
主轴在加工时即要作旋转运动，也要作轴向的进给运动。
机床主轴被装置在主轴套筒内，套筒放置在主轴箱体孔的镶套内，主轴上侧由花键连接。
机床加工时，旋转运动由花键传入，而进给运动则由齿轮通过齿条带动套筒在镶套内运动。
为了实现自动化控制的要求，主轴进给机构改进主要有：
主轴旋转运动依然由电动机传入，而进给则由液压传动替代手动的齿条传动，通过液压控制系统来实现进给动作。
（3）夹紧系统传统钻床的夹紧主要是手工操作，由夹具夹紧工件。
为了便于实现自动化控制，工件夹紧由夹具完成，动力源由夹紧液压缸导入，通过液压控制系统来实现夹紧动作的自动化。
（4）送料系统在生产过程中，钻床的送料主要由人工输入，这使得投入了大量的生产力，消耗了大量的工时，使的生产率不高，为此我们通过导入自动送料系统来减少生产力的投入和工时的消耗。
自动送料系统机构传动要根据生产的需求作出相应的设计需求，动力源可由电机或液压系统传入，二者均可实现自动化控制。
（5）控制系统当前机床控制系统主要由计算机数控、继电器电气控制和PLC控制等，由于继电器电气控制系统，其联动关系复杂，维修困难，故障率高，经常影响正常生产，计算机数控造价高、系统复杂，而PLC控制系统可靠性好、造价低、抗干扰能力强、柔性好、编程简单、使用方便、扩充灵活、功能完善，所以我们利用PLC控制技术来实现对进给系统、夹紧系统和送料系统的液压控制系统的控制。
（6）三维建模本次设计最终是要通过各种三维软件如Pro/e进行三维建模然后装配最后再导成二维工程图。
在工程实际中也是一样，设计人员要正确的建立三维模型导出二维图，然后工人们才能加工出合格的工件。
所以要求我们在三维建模方面，要熟练掌握三维软件的实际运用能力，另外还有读图能力看图能力，最后就是画图能力。
1.4拟定技术路线及设计方案
1、参数拟定：
根据机床类型、规格和其他特点，了解典型工艺的切削用量，结合实际条件和情况，并与同类型机床对比分析后确定：
极限转速和公比（或级数），主传动电机功率。
钻床的选型钻床选择Z3040型摇臂钻床
1）、钻床的设计
2）、Z3040型摇臂钻床结构与运动形式
摇臂钻床一般由底座、内外立柱、摇臂、主轴箱和工作台等部件组成，如果3-3所示。
内立柱固定在底座的一端，外立柱套在内柱上，并可绕内立柱回转360°
。
摇臂的一端为套筒，塔套在外立柱上，借助于升降丝杆的正反向旋转，摇臂可沿外立柱上下移动。
由于升降螺母固定在摇臂上，所以摇臂只能与外立柱一起绕内立柱回转。
主轴箱式一个复合的部件，它由主电动机、主轴和主轴传动机构、进给和变速机构以及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，通过手轮操作可是主轴箱沿摇臂水平导轨作径向运动。
这样，主轴5可通过主轴箱在摇臂上的水平移动及摇臂的回转可方便的调整至机床尺寸范围内的任意位置。
为适应加工不同高度工件的需要，可调节摇臂在立柱上的位置。
Z3040钻床中，主轴箱沿摇臂的径向运动和摇臂的回转运动为手动调整。
钻削加工时，主轴旋转为主运动，主轴的纵向运动为进给运动，即转头一面旋转一面作纵向进给。
此时主轴箱夹紧在摇臂的水平导轨上，摇臂与外立柱加紧在内立柱上。
辅助运动有：
摇臂沿外立柱的上下垂直移动；
主轴箱沿摇臂水平导轨的径向移动；
摇臂的回转运动。
2进给系统概述与分析
传统的台式钻床主轴进给系统主要由主轴、主轴套筒、主轴套筒镶套、齿轮齿条和轴承等组成。
由总体方案可知，自动钻床进给系统设计导入了液压缸进给系统，由液压缸驱动替代齿轮齿条的手动进给，来实现主轴的快进、工进和快退动作。
钻床在加工时，主轴要作高速的旋转运动和直线的进给运动。
导入液压缸进给系统后，因此，我们要结合合适的轴承和结构来实现主轴的高速旋转。
往复进给运动由液压缸来完成动作。
进给系统方案图的确定。
3切削力的计算
切削刀具及相关参数的选择
目前在钻孔加工中，由于高速钢麻花钻在采用物理沉积法TiN涂层处理后，其耐用度和钻孔精度有了较大提高，所以该钻头应用极广。
所以，在本文的钻削加工过程中，选择高速钢麻花钻头。
查《金属切削手册》选择标准圆柱锥柄麻花钻中等长度第一系列，刀具直径为12mm,钻头与主轴用莫氏锥孔连接，莫氏锥孔为1号莫氏锥孔。
由于被加工材料为Q235钢，其切削性能较好，所以查《金属切削手册》选择加工时进给量f为：
f=0.2mm/r；
其对应的切削速度V=32m/min。
4、动力计算和结构草图设计：
估算齿轮模数和直径；
将各传动件及其它零件在展开图和剖面图上做初步的安排、布置和设计。
5、轴和轴承的验算：
在结构草图的基础上，对一根传动轴的刚度和该轴的轴承寿命进行验算。
6进给箱装配设计：
进给想装配图是以结构草图为“底稿”，进行设计和绘制的。
图上各零件要表达清楚，并标注尺寸和配合。
并应用Pro/E软件进行三维建模以及生成三维装配图。
1.5Z3040摇臂钻床的简介
1.5.1钻床及特点
钻床是一种孔加工设备，可以用来钻孔、扩孔、铰孔、攻丝及修刮端面等多种形式的加工。
钻床的结构形式很多，有立式钻床、卧式钻床、台式钻床、深孔钻床、多轴钻床、摇臂钻床及其他专用钻床等。
Z3040摇臂钻床是一种立式钻床，在各类钻床中，它具有性能完善、适用范围广、操作方便、灵活等优点，它适用于单件或批量生产带有多孔的大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常用高的机床。
Z3040，大写字母Z是钻床的简称，30为摇臂、后面40为钻孔直径，Z3040摇臂钻床适用于在中、大型零件的钻孔、扩孔、铰孔、平面及攻螺纹等工作，在具有工艺装备的条件下可以进行镗孔。
钻床的特点
1.双立柱设计，使摇臂更轻巧，便捷！
工作效率大大起高
2.操纵系统集中在主轴箱上，变速灵活、方便、
3.进给机械电器双保险，安全。
避免误操作
4.基础大件采用优质材料成型铸造，经时效处理后，用高精度机床加工，具有极高精度
5.各导轨面均经淬硬处理，主轴采用氮化处理，延长使用寿命。
6.主轴正反转采用手把控制，钻孔，攻丝更加方便快捷！
7.臂长1.3米，加工范围更大，更便捷
8.摇臂导轨加宽未定性更好
9.进给涡轮自动润滑
1.5.2Z3040摇臂钻床的主要结构和运动形式
1、主要结构
图1.1Z3040摇臂钻床结构示意图
1底座2内立柱3、4外立柱
5摇臂6主轴箱7主轴8工作台
Z3040摇臂钻床是一种用途广泛的万能机床，适用于加工中小零件，可以进行钻孔、扩孔、铰孔、刮平面及改螺纹等多种形式的加工，增加适当的工艺装备还可以进行镗孔。
主要有底座、内外立柱、摇臂、主轴箱、主轴及工作台等部分组成。
最大钻孔直径为40mm，跨距最大1200mm,最小300mm。
2、摇臂钻床主要运动形式为：
摇臂的一端为套筒，套装在外立柱上，并借助丝杠的正、反转可沿外立柱作上下移动。
主轴箱安装在摇臂的水平导轨上,可通过手轮操作使其在水平导轨上沿摇臂移动。
加工时，根据工件的高度的不同，摇臂借助于丝杠可带着主轴箱沿外立柱上下升降。
在升降之前，应自动将摇臂松开，再进行升降，当达到所需的位置时，摇臂自动夹紧在外立柱上。
摇臂钻床钻削加工分为工作运动和辅助运动。
工作运动包括：
主运动（主轴的旋转运动）和进给运动（主轴轴向运动）；
辅助运动包括：
主轴箱沿摇臂的横向移动，摇臂的回转和升降运动。
钻削加工时，钻头一面旋转一面作纵向进给。
钻床的主运动是主轴带着钻头作旋转运动。
进给运动是钻头的上下移动。
辅助运动是主轴箱沿摇臂水平移动，摇臂沿外立柱上下移动和摇臂与外立柱一起绕内立柱的回转运动。
（1）主轴带刀具的旋转与进给运动
主轴的转动与进给运动有一台三相交流异步电动机（3kw）驱动，主轴的转动方向由机械及液压装置控制。
（2）各运动部分的移位运动
主轴在三维空间的移位运动有主轴箱沿摇臂方向的水平移动（平动）；
摇臂沿外立柱的升降运动（摇臂的升降运动由一台1.1kw笼型三相异步电动机拖动）；
外立柱带动摇臂沿内立柱的回转运动（手动）等三种，各运动部件的移位运动用于实现主轴的对刀移位。
3）移位运动部件的夹紧与放松
摇臂钻床的三种对刀移位装置对应三套夹紧与放松装置，对刀移动时，需要将装置放松，机加工过程中，需要将装置夹紧。
三套夹紧装置分别为摇臂夹紧（摇臂与外立柱之间）；
主轴箱夹紧（主轴箱与摇臂导轨之间）；
立柱夹紧（外立柱和内立柱之间）。
通常主轴箱和立柱的夹紧与放松同时进行。
摇臂的夹紧与放松则要与摇臂升降运动结合进行。
Z3040摇臂钻床夹紧与放松机构液压原理如下图所示。
图中液压泵采用双向定量泵。
液压泵电动机在正反转时，驱动液压缸中活塞的左右移动，实现夹紧装置的夹紧与放松运动。
电磁换向阀HF的电磁铁YA用于选择夹紧与放松的现象，电磁铁YA的线圈不通电时电磁换向阀工作在左工位，接触器KM4、KM5控制液压泵电动机的正反转，实现主轴箱和立柱（同时）的夹紧与放松；
电磁铁YA线圈通电时，电磁换向阀工作在右工位，接触器KM4、KM5控制液压泵电动机的正反转，实现摇臂的夹紧与放松。
图1.2Z3040摇臂钻床夹紧与放松机构液压原理图
1.5.3摇臂钻床的主要参数及设计要求
1.主要技术参数见下表
表1主要技术参数
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
液压系统电机
功率0.6千瓦
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
2、对电气控制的要求
（1）根据工件的大小、位置及夹紧，为了减少辅助工作时间，要求配备一台主轴运动电动机、一台摇臂升降电动机和一台液压泵电动机。
（2）钻孔时产生的高温，可有一台普通冷却泵电动机加以控制。
（3）根据整个生产线状况，要求配备一套局部照明装置及必要的工作状态指示灯。
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