Z32K型摇臂钻床升降系统设计 毕业设计.docx
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Z32K型摇臂钻床升降系统设计毕业设计
Z32K型摇臂钻床升降系统设计
摘要：
主要是对Z32K型摇臂钻床的升降系统进行了分析、设计与改进，并对其主要传动零件进行设计计算及强度校核。
了解和掌握Z32K型摇臂钻床在实际使用过程中出现的问题，在理论分析、计算的基础上，针对Z32K型摇臂钻床的升降系统是手动集中操作，操作起来比较麻烦，摇臂钻床体架太重，费力又费时，将其手动升降改为自动升降，并提出了具体可行的方案。
关键词：
摇臂钻床；手动、自动升降系统；电动机；齿轮；强度校核
Z32Ktyperadialdrillingmachine
Abstraction:
ThisdesignMainlywashasmadetheimprovement,theanalysisandthedesigntotheZ32Kradialdrilldrillingmachinejackingsystem,andcarriedonthedesignandtheintensityexaminationtoitsmaintransmissioncomponents.UnderstoodandgraspstheZ32Kradialdrilldrillingmachinethequestionwhichappearsintheactualuseprocess,inthetheoreticalanalysis,inthecomputationfoundation,inviewoftheZ32Kradialdrilldrillingmachinejackingsystemisthesinglehandlecentralismoperation,operatesquitetroubletotaketime,itsmanualimprovementisthepowerelevationandproposedspecificallythefeasiblesolution.
Keyword:
universalradialdrillingmachine；manualoperatingandautomaticflutuationsystem；electricmotor；gear；strengthcheeks.
1概述
1.1摇臂钻床的简介
摇臂钻床,也可以称为横臂钻。
主轴箱可在摇臂上左右移动，并随摇臂绕立柱
范围回转的钻床。
摇臂还可沿外柱上下升降，以适应加工不同高度的工件。
较小的工件可安装在工作台上，较大的工件可直接放在机床底座或地面上。
摇臂钻床广泛应用于单件和中小批生产中，加工体积和重量较大的工件的孔。
摇臂钻床加工范围广，可用来钻削大型工件的各种螺钉孔、螺纹底孔和油孔等。
摇臂钻床的主要变型有滑座式和万向式两种。
滑座式摇臂钻床是将基型摇臂钻床的底座改成滑座而成，滑座可沿床身导轨移动，以扩大加工范围，适用于锅炉、桥梁、机车车辆和造船，机械加工，等行业。
万向摇臂钻床的摇臂除可作垂直和回转运动外，并可作水平移动，主轴箱可在摇臂上作倾斜调整，以适应工件各部位的加工。
此外，还有车式、壁式和数字控制摇臂钻床等。
摇臂钻床是摇臂绕立柱回转和升降的，主轴箱在摇臂上作水平运动的钻床。
对于大中型工件上的孔，通常采用摇臂钻床加工，加工时工件固定不动，移动主轴（刀具）可以方便地对准被加工孔的位置。
摇臂钻床广泛用于大中型零件的多孔加工。
1.2摇臂钻床的国内发展动态及趋势
近年来，中国整体宏观经济形势发生了巨大变化，拥有庞大制造业的中国经济也面临着前所未有的危机。
在原材料、劳动力价格上涨、央行加息的经济大背景下，对于摇臂钻床行业的众多企业来说，“生存还是毁灭，确实是一个问题”。
企业的未来发展方向，也是一个不得不思考的问题。
改革开放以来，国内摇臂钻床市场经历了一个从无到有，从无序到规模的过程，持续发展的机械加工行业同时为机床企业的成长提供了强有力的基础和保障。
目前，中国已经成为了世界上最大的机床生产国和消费国，与此同时，一些具有品牌影响力和号召力的国产品牌也在国际市场上崭露头角。
不断的整合和挑战
生产高端产品对企业来说本身就是一场价值创新的较量，这种整合的局面对于摇臂钻床企业来说，是机遇也是挑战，如何在整合中做大做强，是每一个企业应该考虑的头等大事。
当然，做到这一点并非容易。
除了企业本身，政府、社会、机械加工行业也应该给予国产品牌公平竞争的市场环境，应该以更开放的市场换取企业的发展和进步。
人性化设计
对于未来摇臂钻床产品的变化，众多生产厂商都表示，随着机械加工行业操作者水平的提高，未来的产品要满足操作者更高的需求。
现代机床产品的竞争越来越激烈，人性化设计必将成为未来产品的趋势和卖点。
无论是哪一个摇臂钻床企业，要想做强做大，都离不开品牌、渠道的创新。
目前的机床行业，低端的竞争已经开始消退，即将迎来一个创新、高端的时代。
2原动机的选择
机械系统通常是由原动机、传动装置、控制操纵部件和工作机及其它辅助部件组成。
工作机是机械系统中的执行部分，原动机是机械系统中的驱动部分，传动装置则是把工作机和原动机有机地联系起来，是实现运动形式转换和能量传递不可缺少的部分，而其中原动机在机械系统中所起的作用是：
（1）把发电机等变能机所产生的各种形态能量转换为机械能；
（2）把自然界的能源变成机械能。
2.1常用原动机的运动形式
常用原动机有以下三种运动形式，具体见表2-1：
表2-1原动机运动形式
运动形式
实例
连续运动
电动机、液压马达、气压马达、柴油机、汽油机
往复运动
直线电动机、气缸、液压缸
往复摆动
摆动油缸、摆动气缸
2.2原动机的驱动形式
原动机的驱动形式分为单机集中驱动和多机分别驱动，由一台原动机通过传动装置驱动执行机构工作，叫做单机集中驱动。
而多机分别驱动自然是用多台原动机来驱动动各执行机构工作。
两种运动形式中，单机集中驱动传动装置复杂，操作麻烦，功率大，但价格便宜。
而多机分别驱动传动装置简单，电动机功率小，大成本比较高。
2.3原动机选择应考虑的因素
1）必须考虑到维修是否方便，操作是否简单，工作是否可靠；
2）必须考虑到工作及队员冬季所提出得起动、过载、运转平稳性等方面的要求；
3）必须考虑到现场能源的供应情况及工作环境因素；
4）必须考虑原动机的机械特性与工作机的匹配情况；
5）必须考虑到其经济效益及其成本，这也是非常重要的一项。
2.4原动机的性能比较
表2-2原动机性能比较
类别
电动机
气缸马达
液压马达
柴油机
尺寸
较大
较小
较小
较大
功率及取范围
功率大；0.3-1000kw范围广
功率比电动机大；一般在2.2kw以下，尤其适用于0.75kw一下的高速传动
功率最大，受实际油压和马达尺寸的限制
功率大；5-38000kw
重量
大
比电动机大
最大
大
输出刚度
硬
软
较硬
较硬
运行温度控制
温度应低于许应值
排气式空气膨胀，噪声较大，排气处应安装消声器
对邮箱进行风冷或水冷
调整方法和性能
直流电动机用改变电枢电阻、电压或改变磁通的方法；交流电动机用变频、变极或变转差率的方法
用气阀控制，简单，迅速，但不够精确
通过阀或泵控制改变流量，调速范围大
较难
噪声
小
较大
较大
较大
维护要求
较少
少
较多
较多
初始要求
低
较高
高
高
运转费用
最低
最高
高
高
应用
很广，需要动力电源
小功率高速场合
较广
很广，如各种车辆、船舶、农用机械、工程机械和压缩机等等
2.5确定原动机的选择
考虑到Z32K型摇臂钻床的现场工作环境及工作需求，32k型摇臂钻床的起动矩和调速范围等要求，我选择电动机作为原动机。
由于生产机械装置及工作机所处的工作环境不相同，电动机的工作环境也自然就各不一样。
在绝大多数情况下，电动机工作的周围大气中有不同分量的灰尘和水分，有的处于潮湿之处甚至水下工作，有的周围含有腐蚀性气体甚至爆炸物，为了保证电动机能在不同的工作环境中顺利地安全运行，电动机的外壳也就有多种型式，其型式有：
开启式、防护式、封闭式、防爆式，由于Z32K型摇臂钻床工作处于灰尘较多的场合，其外壳选用封闭式，电动机型号为Y系列，Y90L-4，额定功率1.5kw，满载转速1400r/min，额定转矩2.2Nm，质量27kg。
3机械传动设计方案的拟定与比较
机械系统设计中的首要环节就是拟定传动设计方案，其拟定的合理与否，在很大程度上决定了机械产品的合理、先进和具备市场竞争力的程度，在机械系统设计中，为了达到预定的运动和动力要求，可以采用不同的传动方案。
3.1传动设计方案评价的目的
机械运动方案的拟定和设计，最终要求通过分析比较提供最优的方案。
一个方案的优劣只有通过系统方案的评价来确定，从工作机系统设计的全过程来看，评价工作不仅在整个机械传动方案设计完成后是需要的，而且评价工作在设计全过程中的每一个阶段也是需要的。
一个机械传动运动方案要求某一工艺动作过程，这一工艺动作过程又可以分解成若干份动作，采用一些执行机构来加以实现。
由于机械系统传动方案评价是多方面的。
选用某一机构型式时往往对各评价指标反应不一，有时也会相互矛盾。
因此，需要建立一个评价体系，进行全面的、综合性的评价，因此可以得出整个最有机械传动运动方案。
3.2机械传动设计方案评价的原则
机械传动设计方案评价的原则有：
（1）保证评价的客观性评价的目的是为了决策，因此评价是否客观，就会影响决策的正确。
为了保证评价的客观性，要求评价资料的全面和可靠性，要求防止评价人员的倾向性，评价人员组成要有代表性等等。
（2）保证方案的可比性各个方案要求在实现基本功能上要有可比性和一致性，有的方案个别功能突出或有新颖之处，只能表明它在这个方面的优越之处，不能代替其他方面的要求，更不能掩盖其他方面的不足。
否则，会失去综合评价的作用。
陷入“突出一点，不顾其余”的错误。
这种主观片面的做法，显然不利于评选最优方案。
（3）要有评价指标体系评价指标体系是全面反映系统目标要求的一种评价模式。
因此，评价体系应主要考虑机械传动运动方案总功能所涉及到的对机构系统的各方面要求和指标。
不考虑或少考虑其他方面的要求建立的评价指标体系，不仅是定性的要求，而且应该将各个评价的指标进行量化。
评价指标体系的建立要求依据科学知识和专家的经验，要体现评价指标体系的科学性、全面性、格外是专家经验性。
3.3系统设计方案的比较与确定
根据Z32K型摇臂钻床的工作情况，以及结合毕业设计课题，我现对摇臂钻床的升降系统进行改进，现拟定以下三种传动方案供选择：
方案一：
手动升降系统手柄⃗锥齿轮轴⃗锥齿轮⃗螺母
方案二：
自动升降系统新增电动机⃗齿轮1⃗齿轮2⃗锥齿轮1⃗锥齿轮2⃗螺母
方案三：
原电动机⃗齿轮⃗四联滑移齿轮⃗双联齿轮⃗齿轮⃗锥齿轮轴⃗锥齿轮⃗螺母
表3.1系统传动方案性能的比较
性能指标
具体项目
方案一
方案二
方案三
功能
传动精度
高
高
高
升降速度
慢
快
快
工作
性能
可调性
好
好
较好
运转速度
慢
快
快
承载能力
大
较大
较大
动力
性能
加速度峰值
小
较大
较大
噪声
较小
小
小
耐磨性
耐磨
耐磨
耐磨
可靠性
可靠
可靠
可靠
经济性
制造性
易
难
易
调整方便性
方便
不方便
方便
能耗大小
一般
一般
一般
制造费用
便宜
贵
便宜
结构紧凑
尺寸
小
小
小
重量
轻
重
较轻
结构复杂性
简单
一般
一般
方案一：
升降式费力又费时，再加上手柄长度较长，在实际操作过程中，党拖板接近变速箱时，进给手柄与升降手柄容易打在一起，操作者易受伤。
方案二：
在丝杆的端头装上小型电动机和减速器，使丝杆转动，螺母固定实现自动升降。
那是一种传动的自动升降系统。
很多机床都用得上。
但是针对Z632K型摇臂钻床来说，虽然弥补了手动升降的缺点，但又派生出另外的缺点：
（1）钻床立柱的顶端面积是有限的，而附加的电动机和减速器体积较大，结构复杂，安装困难，也增加了成本，再说提重吊环的安装问题也难解决。
（2）增加一个动力源、减速器和一组控制电路，使成本增加。
方案三：
直接利用原有电动机作为升降系统的动力源。
在变速箱内附加若干齿轮，在原有的主运动传动系统中，通过齿轮的变化啮合，把动力传到落幕上，使螺母转动，从而实现自动升降。
方案的优点：
（1）充分利用了变速箱的有限空间，使原动机的各部分结构和机床外观不受影响。
（2）把原电动机作为动力源，成本低。
（3）附加零件部件结构简单、容易生产。
（4）升降平稳、快捷、方便、工作效率高。
（5）控制电路部分保持不变，操作简单、方便。
根据以上的的评价比较和分析，最终选择方案三作为升降系统的传动方案。
图3.1变速箱传动示意图
4绘制变速箱中升降系统的传动机构运动简图
在生产中实际使用的各种机械在外形、构造和用途等各方面各不相同。
组成机械的各种机构及各个机构的形状也是很复杂的。
但各构件间的运动是由远东见的运动规律及各个运动副的类型和机构的运动尺寸来决定的，与各构件之间的相对运动和整个机构的运动状态与机构中所包含的类型、运动副数量以及运动副之间的相对位置（也即机构的运动尺寸）有关。
而与组成构件的零件形状和数量、构件的外形及其截面积的形状和尺寸以及运动副的具体构造等等因素都无关。
因此，在研究机构的运动时，为了便于分析，常常不计或者是略去那些与机构运动无关的因素，而是用规定的运动副符号及代表构件的线条来表示机构的运动特性，并根据运动学尺寸按比例画出各运动副之间的相对位置。
如转动副中心间的距离和移动副导路中心位置等等。
这种简单的运动图形是机构分析和设计的模型。
如果仅仅以机构和运动副组成的符号表示机构，其图形若不按照精确比例绘制，目的是为了进行初步的结构组成分析，弄懂动作原理等，则称这种简图为机构简图或者机构示意图。
绘制机构运动简图的步骤与方法：
1）认清机架、输出机构和输入机构。
2）为了将机构简图表示清楚，在绘制时应该恰当地选择投影面。
3）了解两机构间的相对运动关系。
4）选用适当的比例。
5）高清楚机构运动传递路线。
6）原动机标箭头表示运动方向。
根据以上步骤，初步绘制了Z32K型摇臂钻床改进后的变速箱升降系统的传动机构运动简图。
图4.1升降系统运动机简图
1━电动机；2、机-2━轴；4━花键轴；3、5、机-4━直齿轮；机-3━双联齿轮；6━四联滑移齿轮；机-6━锥齿轮轴；7-锥齿轮；机-1、机-5━轴承
5传动部分运动及动力分析
5.1部分传动连接设计
由Z32K型摇臂钻床升降系统机构运动简图与变速箱装配图可知，升降系统的传动路线为：
电动机→2轴→4轴→机-2过度轴→机-6锥齿轮轴→锥齿轮7→螺母。
为了加工与设计方便，机-6锥齿轮轴的各部分参数大部分和原来手动系统中与升降手柄相连接的圆锥齿轮轴相同，而在末端又将方头改为平键槽，采用平键和机-4齿轮连接。
机-3过度齿轮的产生，是因为固定机-6圆锥齿轮轴径向位置的箱体孔中心高度受到原有带动螺母和丝杆运动的圆锥齿轮位置的限制，其箱体孔较接近箱体孔内壁，使得机-4齿轮分度圆直径受到限制，而固定在花键轴径向位置的箱体孔的距离较远，所以必须在四联滑移齿轮和机-4齿轮之间加上过渡齿轮联接，从而这样就产生了机-3齿轮。
我将机-3齿轮设计为双联齿轮，那是因为：
为了提高工作效率，初定升降速度为800mm/min，已知原有的丝杆螺距p=6，原有的带动螺母及丝杆运动的圆锥齿轮数z=36，机-6圆锥齿轮齿数Z=20.通过计算得出：
要求机-6圆锥齿轮轴的转速N=240r/min。
又已知电动机的转速N=1400r/min，与电动机轴相连最近的齿轮的齿数z=18（为了方便下面的计算，又将其写成
），四联滑移齿轮的小齿数
，例如机-3过渡齿轮为单联齿轮，那么机-6的齿数Z=54，为了能让传动的模数是一致的m=2，则机-6的齿轮分度圆直径为108mm，而箱体孔内壁限于机-6的齿轮分度圆直径，为72mm，所以必须将机-3过渡齿轮设计为双联齿轮，以减少分度圆直径和齿轮，由于花键轴、机-2过渡轴与机-6圆锥齿轮轴径向位置的各箱体孔之间呈三角形分布，因此机-3双联齿轮分度圆直径在设计上能作适当调整。
5.2传动比、各轴转速、功率及转矩的计算
已知假定升降系统速度为800mm/min，又已知
，
、66、48、28，
，
，电机转速N=1400r/min，电动机功率为P=1500kw，圆锥齿轮传递效率为
，圆柱齿轮的传递效率为
，联轴器的传递效率为
，电动机的转速
，所以：
==1400r/min,=P=1.50.995=1.4925KW，
===1400=458r/min==1.49250.98=1.46265KW
为了使4轴转速经过过渡轴机-2而传到机-6锥齿轮轴上，
===240r/min,初步确定各齿轮
的参数值列表如下：
表5.1齿轮参数
名称
齿数
分度圆
模数
机-3Ⅰ
64
128
2
机-3Ⅱ
44
88
2
机-4
36
72
2
所以：
====458=200.375r/min
==1.462650.98=1.433KW
==，==200.375=244.9r/min，
==1.4330.98=1.405KW
==244.9=136.11r/min
各参数确定之后，重新计算的升降速度是：
136.11
各轴转矩是：
电动机
2轴
4轴
机-2轴
机-6锥齿轮轴
7锥齿轮
各参数值列表如下：
表5.2各轴的参数
轴号
功率KW
转矩N.m
转速r/min
传动机
效率
电动机
1.50
10.23
1400
/
/
2轴
1.49
10.18
1400
/
0.995
4轴
1.46
30.48
458
3.06
0.975
机-2轴
1.43
68.28
200.375
2.29
0.956
机-6
1.405
55.75
244.91
0.82
0.937
Z
1.335
95.33
136.11
1.8
0.89
5.3齿轮材料的选择
齿轮是现代机械中应用最广泛的一种机械传动零件。
齿轮传动通过轮齿互相啮合来传递空间任意两轴间的动力和运动，并可以改变运动的速度和形式。
齿轮传动传动比恒定，使用范围广，使用寿命长，效率较高。
在机械零件产品的设计和制造过程中，不仅要考虑材料的性能能够适应零件工作条件，使零件经久而耐用，而且要求材料有较好的加工工艺性能和经济性，以便提高零件的生产率，减少消耗，降低成本。
如果齿轮材料选择得不当，则会出现零件的过早损伤，甚至会失效。
因此如何合理选择与使用金属材料是一项十分重要的工作。
5.3.1齿轮材料的机械性能
材料的机械性能包括硬度、强度、韧性及塑性等，反映材料在使用的过程中所表现出来的特性。
齿轮在啮合时齿面接触处有接触应力，齿根部有最大的弯曲应力，可能产生齿面或齿体强度失效。
齿面各点都有相对滑动，会产生磨损。
齿轮主要的失效形式有齿面点蚀、齿面塑性变形、齿面胶合和轮齿折断等。
因此要求齿轮材料有高的弯曲疲劳强度与接触疲劳强度，齿面需有足够的硬度和耐磨性，芯部得有一定的强度和韧性。
例如，在确定大、小齿轮硬度时应注意使小齿轮的齿面硬度比大齿轮的齿面硬度高30-50HBS，这是因为小齿轮受载荷次数比大齿轮多，且小齿轮齿根较薄，强度低于大齿轮。
为使两齿轮的轮齿接近等强度，小齿轮的齿面要比大齿轮的齿面硬一些。
另一方面，根据材料的使用性能确定了材料牌号后，要明确材料的机械性能或者材料硬度，然后我们可以通过不同热处理工艺达到所要求的硬度范围，从而赋予材料不同的机械性能。
如材料为40Cr合金钢的齿轮，当840-860℃油淬，540-620℃回火时，调质硬度可达28-32HRC，可改善组织、提高综合机械性能；当860-880℃油淬，240—280℃回火时，硬度可达46-51HRC，则钢的表面耐磨性能好，芯部韧性好，变形小；当500-560℃氮化处理，氮化层0.15-0.6mm时，硬度可达52-54HRC，则钢具有高的表面硬度、高的耐磨性、高的疲劳强度，较高的抗蚀性和抗胶合性能且变形极小；当通过电镀或表面合金化处里后，则可改善齿轮工作表面摩擦性能，提高抗腐蚀性能。
5.3.2满足材料的工艺性能
材料的工艺性能是指材料本身能适应各种加工工艺要求的能力。
齿轮的制造要经过锻造、热处理和切削加工等几种加工，因此选材时必须对材料的工艺性能加以注意。
一般来说，碳钢的锻造、切削加工等工艺性能较好，其机械性能可以满足一般工作条件的要求。
但淬透性较差，强度不够高。
而合金钢淬透性好、强度高，但锻造、切削加工性能较差。
我们可以通过热处理方法、改变工艺规程等途经来改善材料的工艺性能。
例如汽车变速箱中齿轮选择20CrMnTi钢，该钢具有比较高的机械性能，在渗碳淬火低温回火后，表面硬度为58-62HRC，芯部硬度为30-45HRC。
20CrMnTi的工艺性能较好，锻造后以正火来改善其切削加工性。
此外，20CrMnTi还具有较好的淬透性，由于合金元素钛的影响，对过热不敏感，故在渗碳后可直接降温淬火。
且渗碳速度较快，过渡层较均匀，渗碳淬火后变形小。
适合于制造承受高速中载及冲击、摩擦的重要零件，因此根据齿轮的工作条件选用20CrMnTi钢是比较合适的。
5.3.3材料的经济性要求
所谓经济性是指以最小的耗费取得最大的经济效益。
在满足使用性能的前提下，选用齿轮材料还应注意尽量降低零件总成本。
我们可以从以下几方面考虑：
从材料本身价格来考虑。
碳钢和铸铁的价格是比较低廉的，因此在满足零件机械性能的前提下选用碳钢和铸铁，不仅具有较好的加工工艺性能，而且可降低成本。
从金属资源和供应情况来看，应尽可能减少材料的进口量及价格昂贵材料的使用量。
从齿轮生产过程的耗费来考虑。
首先，采用不同的热处理方法相对加工费用也不一样，如12CrNi3A钢渗碳表面淬火的费用要比氮化处理的费用少得多，而碳氮共渗又具有生产周期短和成本低的特点。
其次，通过改进热处理工艺也可以降低成本。
如某齿轮工作时在高速、中载且承受中等冲击条件下，原选用中合金高级渗碳钢18cr2Ni4WA材料，其经过910-940℃渗碳，850℃淬火，180-200℃回火后机械性能的抗拉强度≥1177Mpa、屈服强度≥834Mpa、延伸率≥10％、断面收缩率≥45％，冲击韧性≥980kJ／m2，硬度为58-62HRC。
虽能满足齿轮的使用性能和工艺性能，但零件的价格高。
现选用价格相对便宜的低碳中合金、中淬透性渗碳钢20CrMnTi。
经过910-940℃渗碳，870℃淬火，180-200℃回火后机械性能的抗拉强度≥1100Mpa、屈服强度≥850Mpa、延伸率≥10％、断面收缩率≥45％，冲击韧性≥680，硬度为58-62HRC。
仅此一项改进，材料费用不仅大大降低，而且满足了其使用性能和工艺性能。
第三，所选钢种应尽量少而集中，以便采购和管理。
随着齿轮形状、尺寸和材料向着多品种、多系列和个性化的方向发展，尤其是在型号多、产量小时，在齿轮锻造、机加工和热处理等生产工艺方面，存在着设计量大，生产周期长、效率低、成本高、能耗大
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