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1、第一章 绪论1.1设计题目：Z3063型摇臂钻床设计1.1.1设计参数机床型号：Z3063型。最大钻孔直径：63mm。被加工零件的材料：钢、铸铁。刀具材料：高速钢、硬质合金。机床精度：参考“GB4017-83 型摇臂钻床精度”标准确定。1.1.2设计任务Z3063型摇臂钻床传动系统图，1张A0图；Z3063型摇臂钻床主轴箱展开图，1张A0图；指定零部件图，折合1.5-2张A0图。编写说明书：按内蒙古科技大学毕业设计（论文）撰写与装订规范要求撰写说明书。翻译资料：按机械工程学院“毕业生设计工作细则”的要求，完成与设计题目相关或相近的英文资料翻译一篇。专题论文：参照内蒙古科技大学学报论文撰写基本要
2、求，撰写与题目相关的论文一篇，不少于3000字。1.2 Z3063型摇臂钻床的用途、特点及主要技术参数。1.2.1 Z3063型摇臂钻床的用途 该机床主轴箱可在摇臂上移动，并随摇臂绕立柱回转的钻床（见下图）。摇臂还可沿立柱上下移动，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、机车车辆和造船等行业。万向摇臂钻床的摇臂除可作垂直和回转运动外
3、,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。摇臂钻床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。按用途和结构分类，钻床可以分为立式钻床、台式钻床、多孔钻床、摇臂钻床及其他专用钻床等。在各类钻床中，摇臂钻床操作方便、灵活，适用范围广，具有典型性，特别适用于单件或批量生产带有多孔大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常见的机床。Z3063型摇臂钻床适用于加工中、小型零件。它可以进行钻孔、扩孔、铰孔、锪平面和攻螺纹等工作，装置其它工艺装备时，还可以进行镗孔。 该机床主轴转速和进给量变换时采用液压预选变速机构；主轴箱、摇臂、内外立柱夹紧是采用
4、液压-菱形块夹紧机构，夹紧力大，夹紧前后主轴偏心量小；摇臂升降有保险螺母和电器保险机构，进给有钢珠安全离合器等保护装置。1.2.2 z3063型摇臂钻床的特点（1）Z3063型摇臂钻床的主要结构 摇臂钻床主要由底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴箱及工作台等部分组成。 内立柱固定在底座的一端，在他的外面套有外立柱，外立柱可绕内立柱回转360度。摇臂的一端为套筒，它套装在外立柱做上下移动。由于丝杆与外立柱连成一体，而升降螺母固定在摇臂上，因此摇臂不能绕外立柱转动，只能与外立柱一起绕内立柱回转。主轴箱是一个复合部件，由主传动电动机、主轴和主轴传动机构、进给和变速机构、机床的操作机构等部分组成。主轴箱安
5、装在摇臂的水平导轨上，可以通过手轮操作，使其在水平导轨上沿摇臂移动。（2）z3063型摇臂钻床的运动形式 当进行加工时，由特殊的加紧装置将主轴箱紧固在摇臂导轨上，而外立柱紧固在内立柱上，摇臂紧固在外立柱上，然后进行钻削加工。钻削加工时，钻头一边进行旋转切削，一边进行纵向进给，其运动形式为：（1）摇臂钻床的主运动为主轴的旋转运动；（2）进给运动为主轴的纵向进给；（3）辅助运动有：摇臂沿外立柱垂直移动，主轴箱沿摇臂长度方向的移动，摇臂与外立柱一起绕内立柱的回转运动。（3）z3063型摇臂钻床电气拖动特点及控制 （1）摇臂钻床运动部件较多，为了简化传动装置，采用多台电动机拖动。例如Z3040型摇臂钻
6、床采用4台电动机拖动，他们分别是主轴电动机，摇臂升降电动机，液压泵电动机和冷却泵电动机，这些电动机都采用直接启动方式。（2）为了适应多种形式的加工要求，摇臂钻床主轴的旋转及进给运动有较大的调速范围，一般情况下多由机械变速机构实现。主轴变速机构与进给变速机构均装在主轴箱内。（3）摇臂钻床的主运动和进给运动均为主轴的运动，为此这两项运动有一台主轴电动机拖动，分别经主轴传动机构，进给传动机构实现主轴的旋转和进给。（4）在加工螺纹时，要求主轴能正反转。摇臂钻床主轴正反转一般采用机械方法实现。因此主轴电动机仅需要单向旋转。（5）摇臂升降电动机要求能正反向旋转。（6）内外主轴的夹紧与放松、主轴与摇臂的夹紧
7、与放松可用机械操作、电气机械装置，电气液压或电气液压机械等控制方法实现。若采用液压装置，则备有液压泵电机，拖动液压泵提供压力油来实现，液压泵电机要求能正反向旋转，并根据要求采用点动控制。（7）摇臂的移动严格按照摇臂松开移动摇臂夹紧的程序进行。因此摇臂的夹紧与摇臂升降按自动控制进行。（8）冷却泵电动机带动冷却泵提供冷却液，只要求单向旋转。（9）具有连锁与保护环节以及安全照明、信号指示电路。（4）z3063型摇臂钻床操作规则 （1）、操作者必须熟悉摇臂钻床操作顺序和性能，严禁超性能使用摇臂钻床。（2）操作者必须经过培训、考试或考核合格后，持证上岗。（3）开机前，按润滑图表注油，检查各手柄是否放在规
8、定的位置上。（4）开启鸿昌摇臂钻床总电源。（5）按压主轴箱与立柱松开按钮，按压摇臂升降按钮，并移动主轴或转动摇臂。（6）选择低速档，调好进给量，空转10分钟后，可试自动进给。（7）进给退出，主电机停止，按压总停按钮。（8）关闭摇臂钻床电控总开关，关闭电控柜空气开关。（9）清洁机床，按设备润滑图表注油，立柱、摇臂抹油。1.2.3 z3063型摇臂钻床的主要技术参数主要技术参数最大钻孔直径63mm主轴中心线到立柱母线的距离400-1150mm主轴箱水平移动距离500-2000mm主轴端面到底座面间的距离1600mm摇臂升降距离600mm摇臂升降速度1.2米/分摇臂回转角度360主轴前端孔锥度莫氏五
9、号主轴转速范围（16级）20-1600mm进给量范围（16级）0.04-3.2毫米/转主轴行程400mm第二章、机床的方案及结构的选择 我本次设计的题目要求是：用高速钢或硬质合金刀具在=52-60的钢材上最大钻孔直径为63毫米；在中型或大型箱体零件上钻孔、扩孔、铰孔、锪孔、攻丝等。机床除适用于单件或成批生产的机械加工车间，也应适用于工、农、和运输业的修配站。因此设计机床前应该掌握关于设计题目的大体相关资料：1. 被加工零件的生产规模；2. 零件加工的工艺过程；3. 所加工零件的技术要求，零件的材料，加工余量，刀具的材料等；4. 加工孔径范围的大小。产品系列化、零件通用化和标准化简称为“三化”，
10、其目的是便于机床设计、使用与维修；对机床产品的品种、规格、数量和生产效率等有着重要的意义，他是一项重要的技术-经济政策。机床品种系列化工作包括三部分的工作：制定机床的参数标准；编织机床的参数标准；编制机床的系列型谱；进行机床系列设计。摇臂钻床最大钻孔直径系列为25、40、63、80、100、125mm。其中63mm以下公比为1.58、大于63mm一段公比为1.26。如下表所示：摇臂钻床系列型谱最大钻孔直径/mm25406380100125主轴行程/mm250315400450500560主轴端面至底座工作面的最大距离/mm100012501600200025002500跨距/mm800/100
11、01250/16002000250031504000主轴圆锥孔莫氏三号莫氏四号莫氏五号莫氏六号莫氏六号公制部件通用化是把类似的机床的若干部件或零件相互通用起来，这样可以扩大零件的生产批量，充分发挥已有工艺装备的能力，因而可以明显地降低制造成本，是设计和制造周期大大缩短，此外，由于部件、零件都是经过生产考验的，因此，还可以提高机床的可靠性。下表是表示普通摇臂钻床的通用化情况。普通摇臂钻床的通用化情况机床型号通用零件种数通用零件总种数零件总种数通用化程度（）被通用机床Z304016Z306320Z308025Z30100031Z302510772772.5Z304016356Z3063201351
12、3538635.0Z30802511914126039466.0Z30100315718219644621.0Z301254058162229038645784.8将国内外所收集的资料加以整理后，就可以得到如下图表所示不同工厂制造的摇臂钻床技术规格综合表：不同工厂制造的摇臂钻床技术规格综合表型号Z302510Z302510Z304016Z304016Z306320Z306320最大钻孔直径（毫米）252540406363主轴端至底面距离（毫米）250-900250-1000350-1250350-1250400-1600400-1600主轴中心线至立柱表面距离（毫米）200-1000300-1
13、000350-1600350-1600450-2000450-2000主轴转速级数121216181616范围（转/分）50-250050-235025-200025-200020-160020-1600主轴行程（毫米）250250315315400400电机功率主电机1.51.53.03.05.55.5总容量42.66.2256.2257.9258.95重量毛重22.54.54.37.58净重1.51.63.53.577外包装箱直径 长宽高（毫米）200010602360210013502300210013502300300014002800346014803246334014503265外
14、形尺存 长宽高（毫米）12508402010175010001840249010352615249010352600309012503205308012503210生产厂家上海第五机床厂宁阳机床厂江西第六机床厂上海第五机床厂岳阳机床厂沈阳中捷友谊厂同样，各类型机床所采用的总体布置形式，部件的结构，采用的机构形式，亦可按其特性和优缺点进行相比较，以便选择，或在某种方案上进一步改进。综合现有摇臂钻床的总体布置形式，为了能够达到使用方便，满足生产要求，而采用图1所示型式，即采用具有内外立柱的型式，外立柱绕固定的内柱旋转，而摇臂则沿外立柱作垂直移动。在少数摇臂钻床上，还可以看到只有一个立柱的，摇臂旋转
15、是在摇臂与立柱松开时进行的，就不可避免的发生摇臂下垂的现象，以使旋转时必须要较大的力。摇臂的垂直移动，是通过丝杠的旋转来带动的。主轴箱则在摇臂上作左右的纵向移动，它自成为一个独立的部件，可用于各种不同形式的机床中。在某些国家（如美国）的部分摇臂钻床主轴箱的动源放在摇臂的延长部分上(如图2)。这种布置情况不仅主轴的旋转须经水平轴锥齿轮等较长的运动链传动；而且不利于部件通用化。这种形式的摇臂钻床看起来好像很合理，因为在机床停止工作的时候电机的重量可以平衡主轴箱的重量，改善由于悬臂和主轴箱的重量所引起的下垂。但由于机床在加工时钻轴受有向上的切削反力，可以抵消机床部件自重所引起的下垂，这样反而有助于提
16、高加工精度，因此没有必要由电动机在另端起平衡作用。机床工作台呈箱型能旋转及倾斜，以便于加工成一定角度平面上的孔。摇臂钻床上的夹紧装置十分重要，应该使机床在调整过程中，摇臂能轻便的旋转，主轴箱沿摇臂导轨能省力的移动，而在机床工作时又能保证各部分能够可靠的夹紧。在新式的机床中，常尽量使夹紧的过程机械化与自动化摇臂钻床现有的夹紧的组合可见下表：夹紧组合表格序号立柱的夹紧主轴箱在摇臂上的夹紧摇臂在立柱上的夹紧采用该组合的机床厂1手动操纵手动操纵手动操纵2用总的手把 手动操纵手动操纵3用总的手把 手动操纵自动操纵4电力及机械组合的夹紧手动操纵自动操纵5用总的机构中所产生的液压夹紧自动操纵6用总的按钮操纵
17、液压夹紧自动操纵7各部分均用电气及机械的组合夹紧由于液压夹紧具有可靠和操作简单的优点，这对立柱的夹紧更为重要，因此我在被本次设计中采用了液压的夹紧装置。属于表中的第六种方式。第三章 运动参数和动力参数的确定3.1主参数、尺寸参数和运动参数。机床总体的布置形式，主要尺寸决定以后，按已知的原始资料决定其运动特性，包括主运动和进给运动的参数（由于设计时间有限，此次设计只对机床的主传动部分进行设计），如变速范围，公比，转速级数Z，主运动的极限值，,等。主轴的极限转速和必须考虑到机床上所用的刀具材料，工件材料，最大和最小的加工孔径，加工工艺等。虽然，转速范围较大对万能机床来说是有利的，但是，也会使结构复
18、杂化。所以要适当的根据生产的实际需要来选择。同时，高速切削，硬质合金刀具的广泛应用，在设计新机床时必须给予充分的考虑，以便得到比现有机床更高的生产率。根据机械工业出版社出版金属切削机床P121，对于摇臂钻床，如用表示最大钻孔直径（即其主参数），通常可取=，=（0.20.25）。故可根据加工直径为63mm的摇臂钻床在钢料上加工孔径则定为：=14mm，=63mm由于铸铁比钢的强度极限低，故在铸铁上加工孔径为：=24mm，=90mm 根据上海科学技术出版社出版的金属机械加工工艺人员手册P798查得不同情况下的切削用量，列入下表：表1工件材料刀具材料钻头直径（毫米）进给量（毫米/转）转速（转/分）碳钢
19、=65高速钢140.30667碳钢=65高速钢630.70193铸铁=195高速钢240.40407铸铁=195高速钢900.6873在刚性工件上钻无公差或7级精度的孔；及钻孔后尚需用几个刀具来加工的孔。表2工件材料刀具材料钻头直径（毫米）进给量（毫米/转）转速（转/分）碳钢=65高速钢140.20818碳钢=65高速钢630.55218铸铁=195高速钢240.30472铸铁=195高速钢900.53841. 在刚度不足的工件上（箱形的薄壁工件，工件上薄弱的凸出部分等等） 钻无公差的或7级精度的孔；及钻孔以后尚需用几个刀具来加工的孔。2. 丝锥攻螺纹前钻孔。表3工件材料刀具材料钻头直径（毫米
20、）进给量（毫米/转）转速（转/分）碳钢=65高速钢140.141050碳钢=65高速钢630.35273铸铁=195高速钢240.20590铸铁=195高速钢900.331071、 精密钻孔（以后还需用一个扩孔钻或一个铰刀加工的）。2、 在刚度差和支撑面不稳定的工件上钻孔。3、 孔德轴线和平面部垂直的孔。从上表中可以找出主轴的极限转速为： =1050 转/分；=77 转/分，因此而得变速范围： =13.636当我们求出和以及之后，必须对此数据进行切合实际生产需要的分析。其中=77 转/分是在铸铁上加工孔径为90毫米，刀具材料为是出现的，而在其它情况下，转速还可能会降低，从考虑提高设备的使用效率
21、及简化结构的复杂程度上参考其它相同规格机床的性能参数取： =1600 转/分；=20 转/分，故 n=20-1600转/分 =80该机床的主轴变速采用有级变速的转速数列。下面再来确定公比。公比的大小直接影响转速级数z，在一定变速范围下愈大，则级数愈少，机构愈简单，但速度损失也愈大，影响到生产率。愈小，则级数z愈多，对选择合理的切削速度有利，可以提高生差率，但机构又变得复杂了。因此在选择公比时，根据机床的万能性要求，来解决其矛盾。就是使机床的速度损失不过大，也不致因公比过小而引起机床结构的过分复杂。为了使设计的机床的通用性广些，该机床的主轴转速数列采用混合公比。把常用的转速区域的公比取小些，不常
22、用的转速区域的公比取大一些，设计成混合公比的变速系统，可以简化变速机构，提高使用性能。机床的转速是按等比数列（几何级数）分级。其公比为，各级转速：最大相对转速损失为：两边取对数得：3.2标准公比和标准数列规定标准公比1，并且规定相对速度损失的最大值不大于50%，则相应不大于2，所以。为了简化机床的设计和使用，规定了几个标准值，这些数值是选取2或10的某次方根，见下表：标准公比1.061.121.261.411.581.7822A=5.7%11%21%29%37%44%50%下面再来确定公比。公比的大小直接影响转速级数z，在一定变速范围下愈大，则级数愈少，机构愈简单，但速度损失也愈大，影响到生产
23、率。愈小，则级数z愈多，对选择合理的切削速度有利，可以提高生差率，但机构又变得复杂了。因此在选择公比时，根据机床的万能性要求，来解决其矛盾。就是使机床的速度损失不过大，也不致因公比过小而引起机床结构的过分复杂。为了使设计的机床的通用性广些，该机床的主轴转速数列采用混合公比。把常用的转速区域的公比取小些，不常用的转速区域的公比取大一些，设计成混合公比的变速系统，可以简化变速机构，提高使用性能。故本次设计采用1.26和1.58两个 公比作为设计机床的公比。3.3动力参数的确定动力参数指主运动、进给运动和辅助运动的动力消耗，它主要有机床的切削载荷和驱动的工件重量等决定的。功率选择要满足机床生产率的要
24、求，有要考虑节约。还要考虑到通常电动机在70%的额定功率时运行，效率最高，节能效果好。对专用机床来说，机床的功率可根据特定工序的切削用量计算或测定。对通用机床，由于加工情况多变，切削用量的变化较大，况且对传动系统中的摩擦损失及其其它因素消耗的功率研究不够等，因此，目前单纯用计算方法来确定功率时有困难的，通常用类比法、测试法和计算法互相校核来确定功率。1、 近似计算法当主传动的结构方案尚未确定前，用下面公式估算主电动机功率 ： 在钢材上钻孔已知钻孔的最大直径D=63mm； 刀具材料-高速钢 工件材料-碳钢=65根据上述条件有上海工业出版社出版金属切削手册确定进给量的范围在0.27-0.54毫米/
25、转之内。63毫米的摇臂钻床最大进给力P=2250到此就可进给量如下： 从而 毫米/转又因 所以 毫米/转选S=0.80 毫米/转求 = =39973 公斤/毫米而切削速度： 式中 =245-决定材料机械性能的参数 T=35分-钻头的寿命所以 钻头每分钟的转数： 选n=110转/分钻头所消耗的功率按下式计算： =4.5 千瓦钻头的进给功率按下式计算： =0.109 千瓦有上述计算可以得到与相差非常大，所以不考虑的值，定=4.5 千瓦。有效功率确定以后就可以根据机床的效率求出电动机的功率了。 式中：-机床的总效率 -齿轮传动效率 -滚动轴承效率 a-传动齿轮对数 b-有电机到主轴的滚动轴承数有拟定
26、方案和查表得： =0.99； a=5； =0.995； b=17； K=0.96；所以 =0.84由于变速箱需在高速下工作，一次还会出现一些其它损失，故采用机床的总效率为： =0.8用高速钢在钢和铸铁上钻孔时主轴的最大功率为： 千瓦2、 调查统计类比法由机械工业出版社出版金属切削机床设计P20得下表：机床类型主轴转速（r/min）进给量主电动机功率 /kw摇臂钻床Z30401625-20000.04-3.2mm/r3Z30632020-16000.04-3.2mm/r5.5Z30802516-12500.04-3.2mm/r7.5综合以上两种情况决定取主动电机的功率为5.5kw。第四章 主传动
27、的设计4.1主传动方案的拟定已知本次设计的摇臂钻床的主轴转速级数为16.，如按正常的情况，遵守级比规律，则变速的结构式应为： 此时的结构网为：这时变速范围：如果把基本组的级比指数改为5，即x=5，结构式为： 改变扩大顺序，使结构式改为： 此时的结构网为：这时的变速范围：有以上两个结构网可以对比得出第一种情况下，出现了速度重复的现象，机床的通用性不好且机床的工作效率不高。第二种情况下，为了使设计的机床的通用性广些，主轴转速数列采用混合公比。把常用的转速区域的公比取小些，不常用的转速区域的公比取大一些，设计成混合公比的变速系统，可以简化变速机构，提高使用性能。故本次设计采用1.26和1.58两个
28、公比作为设计机床的公比。4.2转速图的拟定4.2.1主电机的选定中型机床上，一般都采用三相交流异步电机作为动力源，可以在系列中直接选用。下表为部分电机型号Y系列三相异步电动机（部分）同步转速3000 电动机型号额定功率（KW）满载转速（）重量（kg）Y100-232880Y112M-242890Y132S1-25.52920Y132S2-27.52920Y160M1-2112930同步转速1500 电动机型号额定功率（KW）满载转速（）重量（kg）Y100L2-431420Y112M-441440Y132S-45.51440Y132M-47.51440Y160M-4111440由以上计算可得此
29、时选择Y132S-4型号的电动机。4.2.2转速图的确定已知本次设计采用1.26和1.58两个 公比作为设计机床的公比。转速图中间的12级采用公比为1.26的数列，3级低速和3级高速采用公比为1.58的数列。故可以机床主轴各转速可以有机械工业出版社出版金属切削机床P123表7-1查的：标准数列表1.002.365.613.231.5751804251000236056001.062.56.01433.5801904501060250060001.122.656.31535.5852004751120265063001.182.86.71637.5902125001180280067001.25
30、3.07.11740952245301250300071001.323.157.51842.51002365601320315075001.43.358.019451062506001400335080001.53.558.52047.51122656301500355085001.63.759.021.2501182806701600375090001.74.09.522.4531253007101700400095001.84.251023.65613231575018004250100001.94.510.62560140335800190045002.04.7511.226.56315
31、0355850200047502.125.011.82867160375900212050002.245.312.5307117040095022405300由上表可以查的机床主轴转速各值为：=20 、 =31.5 、 =50 、 =63 、=80 、 =100 、 =125 、 =160 、=200 、 =250 、 =315 、 =400 、=500 、 =630 、 =1000 、 =1600 、从而可以确定机床的转速图为： 4.3传动齿轮齿数的确定机床转速图确定后，则各变速组的传动比也就确定了，就可以进一步确定各变速组中传动副的齿轮齿数，在确定齿数时要注意以下几点。1） 齿轮的齿数和不
32、能太大，以免齿轮尺寸古达而引起机床结构增大。一般推荐齿数和100-120，常选用在100之内。2） 同一变速组中的各对齿轮，其中心距必须保证相等。3） 最小齿轮的齿数应保证不产生根切。对于标准齿轮，其最小齿数17（变位齿数除外）。4） 应保证最小齿轮装到轴上或套筒上具有足够的强度。为保证轮齿受力后和热处理后，齿根部分不至于断裂，齿根到孔壁或键槽的壁厚a2m（m为齿轮的模数）。5） 保证主轴的转速误差在规定范围之内。按照ISO2291973规定，机床主轴的实际转速或每分钟双行程数对于优先数列的理论值的总误差应在-2%- +6%范围之内。为了便于设计和制造，主传动系统中所采用的齿数模数种类尽可能少
33、一些。在同一个变速组内一般采用相同的模数，这是因为各齿轮副的速度变化不大，受力情况差别也不大。我在确定齿轮齿数的时候采用查表法。可由机械工业出版社出版的金属切削机床设计P36查得。各种传动比的适用齿数（部分）u40414243444546474849505152535455565758591.00202122232425262728291.062021222327281.1219222324252627281.19202122232526271.2618192022232425261.331718192021222324251.41171920212223241.501618192021222
34、31.58161719202122231.68151618192021221.781517181920211.88141516171819202.001415161718192.111415161718192.241314151617182.3713141516172.5112131415162.661213141516162.821414152.991213143.16143.353.553.7660616263646566676869707172737475767778791.00303132333435363738391.06293031323334353637381.122929303132333435363637371.192829293031323334343535361.2627282929303132333334351.332627282930313233341.4125262728282930303132331.50242627272829293031311.58232425262728282930301.6
