机械设计制造及其自动化专业毕业论文设计汽车后轮毂八轴钻孔头设计.docx

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机械设计制造及其自动化专业毕业论文设计汽车后轮毂八轴钻孔头设计

三江学院

本科生毕业设计（论文）

题目汽车后轮毂八轴钻孔头设计

高职院院（系部）机械制造及其自动化专业

学生姓名于朋学号G*********

指导老师刘凯职称助教

指导老师工作单位三江学院

起讫日期2012年12月17日—2013年4月5日

摘要

多轴头主要用于快速钻孔。

是目前国内刚兴起的一种提高生产效率、降低成本的工作母机。

随着国内汽配行的发展，各零部件供应商之间竞争激烈，选择一种高性能、高效率的机床是企业降低生产成本、提高企业竞争力的一种行之有效的途径。

所以，多轴头在轿车上中小型零件类孔系加工中心的应用。

即是值得推广的一项应用技术。

多轴钻床在生产中的应用，解决了普通钻床加工多孔工件时逐孔加工浪费时间和人工这两个重要问题。

本设计设计一台安装于立式钻床做535上的汽车轮毂八轴钻孔头，多轴头齿轮传动系统的设计，即保证工艺要求，又要考虑多轴头结构的紧凑型。

传动系统设计良好，可使多轴头的结构灵活，各个轴受力情况良好，从而能减小齿轮、轴和轴承的磨损，延长多轴头的寿命。

此外，我们对于传动部件进行了详细的参数和结构设计，并且对传动件进行了强度和刚度验算，使其达到设计技术精度。

其中特别对齿轮、轴、滚动轴承等进行了具体的计算和验证来确定已达到设计要求。

关键词：

多轴头；轮毂钻孔；设计。

Abstract

Multi-axisheadismainlyusedforfastdrilling.Isjusttheriseofadomesticincreaseproductivity,reducecostsofmachinetools.Withthedevelopmentofdomesticautopartsfirms,thefiercecompetitionamongpartssuppliers,selectahigh-performance.high-efficiencymachinesareenterprisestoreduceproductioncostsandimprovethecompetitivenessofenterprisesaneffectivemeans.Therefore,themulti-axisheadpartinthebridgeonthecategoryofsmallandmediumholesoftheapplication.Thatisaworthyapplicationoftechnology.Multi-axisdrillingapplicationinproductiontosolvethegeneralprocessingofporousworkpiecebydrillingholesawasteoftimeandmanualprocessingofthesetwoimportantissues.

ThedesignforthedesignofaverticaldrillingmachineinstalledintheZ535Wheel8onthedrillingheadaxis,multi-axisheadgeartransmissionsystemdesign,thatis,toensuretheprocessrequirements.Havetoconsiderfirstthestructureofmulti-axiscompact.Transmissionsystemdesignwell,makesmartmulti-axisheadstructure.theforceofeachaxisingoodcondition,sothatitcanreducethegear,shaftandbearingwear,extendingthelifeofmulti-axishead.Inaddition,wecarriedoutadetailedpartsofthetransmissionparametersandstructuredesign,andonthetransmissionpartsforcheckingthestrengthandstiffness,toachievedesignaccuracy.Inparticular,gear,shaft.Bearing,etc.ofthecalculationandvalidationtodeterminethedesignrequirementshavebeenachieved.

Keywords:

Multi-axishead,wheels,gears,bearings

第一章前言

1.1设计课题的背景和意义

当前，我国中小零部件机械产业正处于稳步发展的成熟期，国外进口设备一统天下的局面已经结束，国产零部件机械已经成为主力。

主要表现如下：

一、国产机械的技术水平已接近或达到世界先进水平，大规模靠引进技术发展的时代已经结束，吸收、学习国外先进技术的渠道和方法大力增强，自身开发能力大大提升，大型机械开发周期一般不超过一年。

二、行业格局发生很大变化。

一是国外著名的机械企业纷纷在中国建厂，改变了机械生产企业的结构。

它们在机械方面具有雄厚的技术和经济实力，代表着世界领先水平，今后将对中国机械行业的生产格局产生深远影响。

其在产品开发、制造及知识产权保护等许多方面给中国企业提供了学习机会。

二是国内著名大企业成功介入机械产品的生产，并向多品种方向发展，凭借大厂在经验、技术、经济、制造方面的实力，其机械产品在销售市场上已经占据了主导地位。

这些变化，极大增强了我国机械行业的实力，对中小企业的发展也有很大影响。

三、一批民营中小企业迅速成长壮大，规模和技术实力大增。

在看到我国零部件机械行业获得长足发展的同时，一些潜在的问题也不容忽视。

首先，我国多数机械企业规模偏小，抵抗风险能力有限，回款率低，流动资金不足。

其次，也如同其他产品一样，我国零部件机械存在着科技投入不足、创新能力偏低等问题。

对基本研发的

投入很少，采用挖人才、“偷”技术的方式很普遍。

所以各家的产品都是大同小异，很少有标志性的技术，原始创新很少。

第三，零部件机械厂家正面临着水、电、钢材等原材料持续上涨的压力，利润损失较大，不利于进一步扩大生产。

第四，对出口欧洲、美国等发达国家和地区的产品，由于不熟悉其市场准入和标准，经常遭遇“专利门槛”问题，对产品出口产生不利影响。

认清趋势促进发展。

针对上述问题，相关企业要重视创新，主动加大科技投入；树立尊重知识、保护知识产权的法律意识；企业对技术骨干要有留人和防挖办法；可在市场接受的范围内，适当进行涨价，以促进生产发展。

1.2设计课题的概况

多孔零件的加工一般用划线法或钻孔夹具在钻床上遂孔钻削而成。

为了提高功效，可在多轴钻孔专机上加工。

前者工效较低，后者一般机械厂无此设备，且费用较高。

把钻床的特殊附件——多轴头安装在普通钻床上，就可代替多轴钻孔专机，达到多孔同时钻削，大提高了生产效率。

多轴头主要用于快速钻孔。

是目前国内刚兴起的一种提高生产效率、降低成本的工作母机。

随着国内汽配行的发展，各零部件供应商之间竞争激烈，选择一种高性能、高效率的机床是企业降低生产成本、提高企业竞争力的一种行之有效的途径。

普通的钻床就能一次把几个乃至十几二十个孔或螺纹一次性加工出来。

如再配上专用多轴钻孔机就能把好几个面上的孔或螺纹一次性加工完成。

解决许多工件难以装夹、定位或定位不准的问题。

多轴头钻床设计结构，加工精度高，性能稳定，钻孔能力强。

适用于高精度钻孔，镗孔。

解决了高精度钻孔，镗孔上加工中心加工成本高的问题。

丝锥夹头夹持范围大，节省攻不同直径的螺纹需换芯的时间。

第二章多轴头的结构

2.1多轴头的分类

按照传动形式，多轴头可分为齿轮传动多轴头和偏心多轴头。

在一般情况下，多轴头工作轴的中心距做成不可调的，叫做一般多轴头。

只在特殊需要的情况下，将工作轴中心距做成可调整的，叫做可调多轴头。

目前，较为普遍采用的是一般齿轮传动多轴头。

利用一般齿轮传动多轴头（以下简称多轴头），可分别进行钻、扩、铰孔以及攻丝等加工，也可同时进行钻、扩、铰孔或钻、扩、攻丝等多工序加工。

此外，在钻床的功率、转速、进给量允许的情况下，攻丝多轴头也可以用来钻孔（钻孔时，重新调整机床的转速和进给量，以符合钻孔的转速利进给量要求）。

按其不同加工内容，多轴头可分为钻孔多轴头、攻丝多轴头以及多工序多轴头。

这三种多轴头，在设计原则与方法上大同小异。

对于攻丝多轴头，要特别注意使工作轴每转进给量必须与丝锥螺距相等这一特点。

目前，钻孔多轴头较为大量使用。

2.2多轴头的组成

多轴头由以下三个部分组成：

一、多轴头与机床的连接部件和传动部件，包括过渡法兰和传动杆等。

二、多轴头导向部件，包括导向套和导柱等。

三、齿轮传动箱，包括主动轴、惰轮轴、工作轴、齿轮、本体、中间板以及上盖等部件。

多轴头的改计特点是程序性强。

设计者应按照设计程序，逐步进行设计与计算。

多轴头设计可分为三大步骤：

设计前的准备工作，传动系统的设计，多轴头的结构设计。

2.3多轴头结构和作用

一、连接部件和传动部件主要起两个作用：

1、保证多轴头与机床主轴连成一体，并作上下运动；

2、保证多轴头的主动轴随机床主轴作旋转运动并传动扭矩。

二、导向部件的作用：

1、使多轴头工作平稳；

2、使多轴头与夹具保持正确位置

三、主动轴

主动轴部什共有五种结构，三种用于外啮合传动，两种用于内啮合传动。

四、本体

多轴头箱体由箱、中间板和本体组成。

箱体有圆形和长方形两种，内啮合传动多用圆形的箱体，外啮合传动多用长方形的箱体。

在空间允许的情况下，外啮合传动也可以用圆形的箱体。

中间扳有两种厚度尺寸，一种是23、一种是28。

按多轴头各工作轴所承受的轴向力的大小选用。

另外，中间板也要与箱体外形和尺寸相适应的规格配套。

本体的高度尺寸按允许传动层次为三层设计的。

为适应不同传动层次的需要，长方形的盖和本体分为高低两种，高盖的工作空间高度为58毫米，高本体的工作空间高度为83毫米，适用于多层传动。

低盖的工作空间高度为10毫米，低本体的工作空间高度为48毫米，

适用于单层传动。

圆形箱体中，高盖的工作空间为58毫米，低盖为10毫米。

本体只有一种，工作空间高度为48毫米。

五、惰轮轴

惰轮轴共有四种结构型式，每种都与传动的层次及选定的主动轴的结构型式相适应，两种为低本体用，两种为高本体用。

六、工作轴

工作轴共三种结构型式，一种用于单层传动，另两种用于多层传动。

 第三章设计前的准备工作

3.1机床

机床主轴的同转方向，机床主轴各级转速，机床主轴各级进给量，机床额定功率，机床允许最大轴向进给力，机床主轴端面至工作台的最大最小距离。

3.1.1概述

钻床系指主要用钻头在工件上加工孔的机床。

通常钻头旋转为主运动，钻头轴向移动为进给运动。

钻床结构简单，加工精度相对较低，可钻通孔、盲孔，更换特殊刀具，可扩、锪孔，铰孔或进行攻丝等加工。

钻床可分为下列类型：

一、台式钻床：

可安放在作业台上，主轴垂直布置的小型钻床。

二、立式钻床：

主轴箱和工作台安置在立柱上，主轴垂直布置的钻床。

三、摇臂钻床：

摇臂可绕立柱回转、升降，通常主轴箱可在摇臂上作水平移动的钻床。

它适用于大件和不同方位孔的加工。

四、铣钻床：

工作台可纵横向移动，钻轴垂直布置，能进行铣削的钻床。

五、深孔钻床：

使用特制深孔钻头，工件旋转，钻削深孔的钻床。

六、平端面中心孔钻床：

切削轴类端面和用中心钻加工的中心孔钻床。

七、卧式钻床：

主轴水平布置，主轴箱可垂直移动的钻床。

3.1.2设计选用的机床

我选用立式钻床Z535，规格尺寸如下表（表3-1）：

表3-1

产品名称

型号

最大钻孔直径（mm）

最大端至底面距离（mm）

主轴中心线至立柱表面距离（mm）

主轴转速

主轴行程（mm）

电机功率

级数

范围（r/min）

主电机

总容量

立式钻床

Z535

35

0.75

300

9

68-1100

225

4

4

重量

外包箱直径

长×宽×高（mm）

外形尺寸

长×宽×高（mm）

毛重

净重

1.6

1480×1042×2785

1280×842×2585

3.2刀具

刀具是机械制造中用于切削加工的工具，又称切削工具。

广义的切削工具既包括刀具，还包括磨具。

绝人多数的刀具是机用的，但也有手用的。

由于机械制造中使用的刀具基本上都用于切削金属材料，所以“刀具”一词一般就理解为金属切削刀具。

切削木材用的刀具则称为木工刀具。

刀具的发展在人类进步的历史上占有重要的地位。

中国早在公元前28—前20世纪，就已出现黄铜锥和紫铜的锥、钻、刀等铜质刀具。

战国后期（公元前三世纪），由于掌握了渗碳技术，制成了铜质刀具。

当时的钻头和锯，与现代的扁钻和锯已有些相似之处。

然而，刀具的快速发展是在18世纪后期，伴随蒸汽机等机器的发展而来的。

1783年，法国的勒内首先制出铣刀。

1792年，英国的莫兹利制出丝锥和板牙。

有关麻花钻的发明最早的文献记载是在1822年，但直到1864年才作为商品生产。

那时的刀具是用整体高碳工具钢制造的，许用的切削速度约为5米／分。

1868年，英国的穆舍特制成含钨的合金工具钢。

1898年，美国的泰勒和·怀特发明高速钢。

1923年，德国的施勒特尔发明硬质合金。

在采用合金刀具钢时，刀具的切削速度提高到约8米／分，采用高速钢时，又提高两倍以上，到采用硬质合金时，又比用高速钢提高两倍以上，切削加工出的工件表面质量和尺寸精度也大大提高。

由于高速钢和硬质合金的价格比较昂贵，刀具出现焊接和机械夹固式结构。

1949～1950年间，美国开始在车刀上采用可转位刀片，不久即应用在铣刀和其他刀具上。

1938年，德国德古萨公司取得关于陶瓷刀具的专利。

1972年，美国通用电气公司生产了聚晶人造金刚石

和聚晶立方氮化硼刀片。

这些非金属刀具材料可使刀具以更高的速度切削。

1969年，瑞典山特维克钢厂取得用化学气相沉积法，生产碳化钛涂层硬质合金刀片的专利。

1972年，美国的邦沙和拉古兰发展了物理气相沉积法，在硬质合金或高速钢刀具表面涂覆碳化钛或氮化钛硬质层。

表面涂层方法把基本材料的高强度和韧性，与表层的高硬度

和耐磨性结合起来，从而使这种复合材料具有更好的切削性能。

刀具按工件加工表面的形式可分为五类。

加工各种外表面的刀具，包括车刀、刨刀、铣刀、外表面拉刀和锉刀等；孔加工刀具，包括钻头、扩孔钻、镗刀、铰刀和内表面拉刀等；螺纹加工工具，包括丝锥、板牙、自动开合螺纹切头、螺纹车刀和螺纹铣刀等；齿轮加工刀具，包括滚刀、插齿刀、剃齿刀、锥齿轮加工刀具等；切断刀具，包括镶齿圆锯片、带锯、弓锯、切断车刀和锯片铣刀等等。

此外，还有组合刀具。

按切削运动方式和相应的刀刃形状，刀具又可分为三类。

通用刀具，如车刀、刨刀、铣刀（不包括成形的车刀、成形刨刀和成形铣刀）、镗刀、钻头、扩孔钻、铰和锯等；成形刀具，这类刀具的刀刃具有与被加工工件断面相同或接近相同的形状，如成形车刀、成形刨刀、成形铣刀、拉刀、圆锥铰刀和各种螺纹加工刀具等；展成刀具是用展成法加工齿轮的齿面或类似的工件，如滚刀、插齿刀、剃齿刀、锥齿轮刨刀和锥齿轮铣刀盘等。

各种刀具的结构都由装夹部分和工作部分组成。

整体结构刀具的装夹部分和工作部分都做在刀体上；镶齿结构刀具的工作部分（刀齿或刀片）则镶装在刀体上。

刀具的装夹部分有带孔和带柄两类。

带孔刀具依靠内孔套装在机床的主轴或心轴上，借助轴向键或端面键传递扭转力矩，如圆柱形铣刀、套式面铣刀等。

带柄的刀具通常有矩形柄、圆柱柄和圆锥柄三种。

车刀、刨刀等一般为矩形柄；圆锥柄靠锥度承受轴向推力，并借助摩擦力传递扭矩；圆柱柄一般适用于较小的麻花钻、立铣刀等刀具，切削时借助夹紧时所产生的摩擦力传递扭转力矩。

很多带柄的刀具的柄部用低合金

钢制成，而工作部分则用高速钢把两部分对焊而成。

刀具的工作部分就是产生和处理切屑的部分，包括刀刃、使切屑断碎或卷拢的结构、排屑或容储切屑的空间、切削液的通道等结构要素。

有的刀具的工作部分就是切削部分，如车刀、刨刀、镗刀和铣刀等；有的刀具的工作部分则包含切削部分和校准部分，如钻头、扩孔钻、铰刀、内表面拉刀和丝锥等。

切削部分的作用是用刀刃切除切屑，校准部分的作用是修光已切削的加工表面和引导刀具。

刀具工作部分的结构有整体式、焊接式和机械夹固式三种。

整体结构是在刀体上做出切削刃；焊接结构是把刀片钎焊到钢的刀体上；机械夹固结构又有两种，一种是把刀片夹固在刀体上，另一种是把钎焊好的刀头夹固在刀体上。

硬质合金刀具一般制成焊接结构或机械

夹固结构；瓷刀具都采用机械夹固结构。

刀具切削部分的儿何参数对切削效率的高低和加工质量的好坏有很大影响。

增大前角，可减小前刀面挤压切削层时的塑性变形，减小切屑流经前面的摩擦阻力，从而减小切削力和切削热。

但增大前角，同时会降低切削刃的强度，减小刀头的散热体积。

在选择刀具的角度时，需要考虑多种因素的影响，如工件材料、刀具材料、加工性质（粗、精加工）等，必须根据具体情况合理选择。

通常讲的刀具角度，是指制造和测量用的标注角度在实际工作时，由于刀具的安装位置不同和切削运动方向的改变，实际工作的角度和标注的角度有所不同，但通常相差很小。

制造刀具的材料必须具有很高的高温硬度和耐磨性，必要的抗弯强度、冲击韧性和化学惰性，良好的工艺性（切削加工、锻造和热处理等），并不易变形。

通常当材料硬度高时，耐磨性也高；抗弯强度高时，冲击韧性也高。

但材料硬度越高，其抗弯强度和冲击韧性就越低。

高速钢因具有很高的抗弯强度和冲击韧性，以及良好的可加工性，现代仍是应用最广的刀具材料，其次是硬质合金。

聚晶立方氮化硼适用于切削高硬度淬硬钢和硬铸铁等；聚晶金刚石适用于切削不含铁的金属，及合金、塑料和玻璃钢等；碳素工具钢和合金工具钢现在只用作锉刀、板牙和丝锥等工具。

硬质合金可转位刀片现在都已用化学气相沉积法涂覆碳化钛、氮化钛、氧化铝硬层或复合硬层。

正在发展的物理气相沉积法不仅可用于硬质合金刀具，也可用于高速钢刀具，如钻头、滚刀、丝锥和铣刀等。

硬质涂层作为阻碍化学扩散和热传导的障壁，使刀具在切削时的磨损速度减慢，涂层刀片的寿命与不涂层的相比大约提高1～3倍以上。

由于在高温、高压、高速下，和在腐蚀性流体介质中工作的零件，其应用的难加工材料越来越多，切削加工的自动化水平和对加工精度的要求越来越高。

为了适应这种情况，刀具的发展方向将是发展和应用新的刀具材料；进一步发展刀具的气相沉积涂层技术，在高韧性高强度的基体上沉积更高硬度的涂层，更好地解决刀具材料硬度与强度间的矛盾；进一步发展可转位刀具的结构：

提高刀具的制造精度，减小产品质量的差别，并使刀具的使用实现最佳化。

这里我选用硬质合金钻头，钻头直径为∅14.5，如下图（图3-1）：

图3-1

3.3夹具

机械制造过程中用来固定加工对象，使之占有正确的位置，以接受施工或检测的装置，又称卡具。

从广义上说，在工艺过程中的任何工序，用来迅速、方便、安全地安装工件的装置，都可成为夹具。

例如:

焊接夹具、检验夹具、装配夹具、机床夹具等。

其中机床夹具最为常见，常简称为夹具。

在机床上加工工件时，为使工件的表面能达到图纸规定的尺寸、几何形状以及其他表面的相互位置精度等技术要求，加工前必须将工件装好（定位）、夹牢（夹紧）。

夹具通常由定位元件（确定工件在夹具中的止确位置）、夹紧装置、对刀引导元件（确定刀具与工件的相对位置或导引刀具方向）、分度装置（使工件在一次安装中能完成数个工位的加工，有回转分度装置和直线移动分度装置两类）、连接元件以及夹具体（夹具底座）等组成。

夹具种类按使用特点可分为：

①万能通用夹具。

如机用虎钳、卡盘、分度头和回转工作台等，有很大的通用性，能较好地适应加工工序和加工对象的变换，其结构已定型，尺寸、规格已系列化，其中大多数已成为机床的一种标准附件。

②专用性夹具。

为某种产品零件在

某道工序上装夹需要而专门设计制造，服务对象专一，针对性很强，一般由产品制造厂自行设计。

常用的有车床夹具、铣床夹具、钻模（引导刀具在工件上钻孔或铰孔用的机床夹具）、镗模（引导镗刀杆在工件上镗孔用的机床夹具）和随行夹具（用于组合机床自动线上的移动式夹具）。

③可调夹具。

可以更换或调整元件的专用夹具。

④组合夹具。

由不同形状、规格和用途的标准化元件组成的夹具，适用于新产品试制和产品经常更换的单件、小批生产以及晒临时任务。

夹具是机械加工不可缺少的部件，在机床技术向高速、高效、精密、复合、智能、环保方向发展的带动下，夹具技术正朝着高精、高效、模块、组合、通用、经济方向发展。

一、高精

随着机床加工精度的提高，为了降低定位误差，提高加工精度，对夹具的制造精度要求更高。

二、高效

为了提高机床的生产效率，双面、四面和多件装夹的夹具产品越来越多。

为了减少工件的安装时间，各种自动定心夹紧、精密平口钳、杠杆夹紧、凸轮夹紧、气动和液压夹紧等，快速夹紧功能部件不断地推陈出新。

新型的电控永磁夹具，加紧和松开工件只用1～2秒，夹具结构简化，为机床进行多工位、多面和多件加工创造了条件。

三、模块、组合

夹具元件模块化是实现组合化的基础。

利用模块化设计的系列化、标准化夹具元件，快速组装成各种夹具，已成为夹具技术开发的基点。

省工、省时，节材、节能，体现在各种先进夹具系统的创新之中。

模块化设计为夹具的计算机辅助设计与组装打下基础，应用CAD

技术，可建立元件库、典型夹具库、标准和用户使用档案库，进行夹具优化设计，为用户三维实体组装夹具。

模拟仿真刀具的切削过程，既能为用户提供正确、合理的夹具与元件配套方案，又能积累使用经验，了解市场需求，不断地改进和完善夹具系统。

四、通用、经济

夹具的通用性直接影响其经济性。

采用模块、组合式的夹具系统，一次性投资比较大，只有夹具系统的可重组性、可重构性及可扩展性功能强，应用范围广，通用性好，夹具利用率高，收回投资快，才能体现出经济性好。

3.4设计产品

设计一台汽车轮毂八轴钻孔头，安装在立式2535钻床上，能同时加工汽车轮毂（正、反两面）在∅108mm的圆周上均布的八个Ml0×1.25的螺纹底孔8-∅8.7mm，轮毂材料：

QT450-10.

下图为产品工序图（图3-2）：

图3-2

3.5核算多轴头的总轴向力和消耗的总功率

要核算多轴头的总轴向力和消耗的总功率，使其不超过机床允许的最大轴向力和机床的额定功率。

核算公式如下：

式中：

N为多轴头各工作轴消耗的功率的总和；

、

、…

为多轴头每个工作轴消耗的功率

机为机床的额定功率

P为多轴头各工作轴轴向力的总和

、

、…

为各工作轴的轴向力

为机床允许的最大轴向力

查“齿轮传动多轴头设计”一书表4-2：

工件HB=190，钻孔∅8.7mm，走刀量s=0.19mm/r，每个工作轴的切削扭矩

和轴向力

：

因为每个工作轴的

和

相等，所以多轴头的总轴向力和消耗的总功率为：

查Z235机床说明书，机床主轴最大进给抗力

，主电机功率

。

核对可知