1、2217Z32K型摇臂钻床变速箱的改进设计2Z32K 型摇臂钻床变速箱的改进设计摘要本次设计课题为“ Z32K型摇臂钻床变速箱的改进设计”。主要是对Z32K型 摇臂钻床的升降系统进行了改进、 分析与设计，并对其主要传动零件进行设计及 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单手柄集中操作，操 作起来比较麻烦，摇臂钻床体架太重，费力又费时，将其手动改进为自动升降， 并提出了具体可行的解决方案。关键词 ：摇臂钻床；手动、自动升降系统；电动机；齿轮；强度校核该论文己通过答辩，如需全套图纸请联系扣扣九七一九二零八
2、零零。1概述1.1摇臂钻床的简介机床的品种和规格繁多，为了便于区别、使用和管理，将各种机床都进行了 分类和和编制型号。分类方法也有多种。主要是按照加工的性质和所用的刀具进 行分类。根据国家规定的机床型号的编制方法， 目前将机床分为12大类：车床、 钻床、镗床、磨床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、铣床、刨插床、拉床、特种 加工机床、锯床及其他机床。在每一类机床中，又可以按照工艺范围、步型型式 和结构等等，可以分为若干组，每一组又可以分为若干系列。如钻床又包括：坐 标镗钻床、深孔钻床、摇臂钻床、台式钻床、立式钻床、卧式钻床、中心孔钻床 及其他钻床。在上述的基本分类方法的基础上，还可以根据机床的其他特
3、征进一 步进行分类。同类型机床按照应用范围（通用性程度），可以分为通用机床（或 者称万能机床）、专门化机床和专用机床三大类。其中通用机床是可以加工多种 工件，完成多种多样工序的加工范围较广的机床，如卧式车床、摇臂钻床等等。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。摇臂钻床主要由立柱，摇臂，主轴箱，和底座等部分组成。主轴箱装在摇臂 上，可沿立柱上下移动，以适应加工不同高度工件的要求。此外，摇臂还可以随 外立柱在360
4、范围回转，因此主轴很容易调整到所需要的加工位置。为了使主 轴在加工时保持确定的位置，摇臂钻床还具有内立柱，摇臂及主轴箱的夹紧机构， 当主轴的位置调整确定后，可以快速将它们夹紧。 摇臂钻床的其他变形如万向摇臂钻床摇臂和主轴箱可以回转或倾斜，使主轴可在空间任意方向都可以进行钻 削，适用于重型机器，机车车辆，船舶和锅炉等制造业中加工大型工件。车式摇 臂钻床的底座有车轮，可以在轨道上移动，适用于桥梁和机床等行业窄长形工件 的孔加工。1.2摇臂钻床的国内发展动态及趋势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7
5、0，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。 ZK3050获得自主知识产权，并成为国家重点新产品；Z3580A万向摇臂钻，在任何空间、任意方向
6、、 任意位置上实现钻削功能， 不仅填补了国内空白， 在国外也不多见。 在国际著名 的芝加哥机床展览会上，中捷摇臂钻厂参展产品被一位美籍华商相中并当场拉 走。德国、意大利、西腊、瑞典、伊朗等国家和地区纷纷提出做中捷牌摇臂钻的 代理经销商。 在上海国际机床展览会上， 沈阳机床股份有限公司参展的数控钻铣 床，同时被国内三家企业看好。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
7、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。2原动机的选择机械系统通常是由原动机、传动装置、工作机和控制操纵部件及其它辅助部 件组成。工作机是机械系统中的执行部分，原动机是机械系统的中的驱动部分， 传动装置则是把原动机和工作机有机地联系起来，实现能量传递和运动形式转换 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）把自然界的能 源变成机械能；（2）把发电机等变能机所产生的各种形态的能量转换为机械能。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
8、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、汽缸、液压缸往复摆动摆动油缸、摆动汽缸2.2原动机的驱动方式原动机的驱动方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而然是用多 台原动机来驱动各执行机构工作。两种驱动方式中，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, 但成本比较咼。2.3原动机选择应考虑的因素1） 必须考虑到现场能源的供应情况及工作环境因素；2） 必须考虑原动机的机械特性与工作机的匹配情况；3） 必须考虑到维修是否方便，操作是否简单
9、，工作是否可靠；4） 必须考虑到工作机对原动机所提出的起动、过载、运转平稳性等方面的 要求；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；0.31000KW，范围广功率比电动机 大；一般在2.2KW以下，尤其适用于0.75KW以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；538000KW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时空气膨胀，噪声较大，排气处应安装消声器对油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
10、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成本低较咼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，Z32K型摇臂钻床的 起动力矩和调速范围等要求，我选择电动机作为其原动机。由于生产机械装置及 工作机所处的工作环境各不相同，电动机的 工作环境也自然而然就各不一样。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，
11、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、圭寸闭式、防爆式。由于 Z32K型摇臂钻床工作常处于灰 尘较多的场合，其外壳选用封闭式，电动机型号为 丫系列，丫90L-4，额定功率1.5KW，满载转速1400r/min,额定转矩2.2N m,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
12、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能够方案的评价来确定。 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个动作， 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指标是多方面的。 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态， 进行全面的， 综合性的评价。由此可以得
13、出整个最优机械传动运动方案。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，就会影响决策是否正确。为了保证评价的客观性， 要求评价资料的全面性和可靠性， 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，更不能掩盖其它方面的不足。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。这种主观偏面的做法。 显然不利于评选最优方
14、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r锥齿轮轴r锥齿轮r螺母方案二：自动升降
15、系统 新增电动机 齿轮1 齿轮2锥齿轮1 锥齿轮2 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万案一万案一万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：升降时费力又费时，再加上手柄长度较长，在实际操作过程中，当拖板接近变速箱时，进给手柄与升降手柄容易打在一
16、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。很多机床都用的上。但是针对Z32K型摇臂钻床来说，虽然弥补了自动升降的缺点，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以解决。 （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，把动力传到螺母上， 使螺母转动，从而实现自动升降。方
17、案的优点：（1）利用原电动机作为动力源， 成本低。（2）附加零件部件结构简单、容易生产。（3）充分利用了变速箱的有限 空间，使原机床的各部分结构和机床外观不受影响。（4）控制电路部分保持不变， 操作简单、方便。（5）升降平稳、快捷、工作效率高。根据以上的评价比较和分析，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大相同。 组 成机械（机器）的各种机构及各个机构和形状也是很复杂的。但各构件间的运动 是由原动件的运动规律及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
18、动和整个机构的运动状态与机构中所包含的运动副数量、 类型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
19、成分析， 弄懂动作原理等等，则称这种简 图为机构示意图或者机构简图。绘制机构运动简图的步骤与方法：1）为了将机构运动简图表示清楚，在绘 制时应该恰当地选择投影面。2）认清机架、输出机构和输入机构。3）搞清楚机 构运动传递路线。4） 了解两构件间的相对运动关系。5）选用适当的比例。6） 原动件标箭头表示运动方向根据以上步骤，初步绘制出了 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升降系统运动机构简图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
20、动连接设计由Z32K型摇臂钻床变速箱装配图和升降系统机构运动简图可以知道，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。为了设计和加工方便，机-6锥齿轮轴的各部分参数大部分上与 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，采用平键与机-4齿轮连接。机-3过度齿轮的产生，因为固定机-6圆锥齿 轮轴径向位置的箱体孔中心高度受原有带动螺母及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齿轮的分度圆直径受到限制，而 固定在花键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
21、齿轮连接，从而这样产生了机 -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：原有丝杆螺距P=6,原有带动螺母及丝杆运动的圆锥齿轮齿数 Z=36,机-6圆锥齿轮齿数Z=20b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齿数 Z=18（为了方便下 面的计算，又 将其写成Z51V8），四联滑移齿轮的小齿数Z70=28,假如机-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一致 m=2则 机-6的齿轮分度圆直径为108mm而箱体孔内壁
22、限于机-6的齿轮的分度圆直径 为72mm所以必须将机-3过渡齿轮设计为双联齿轮，以减少齿轮和分度圆直径， 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双联齿轮的分度圆直径在设计上能作适当的调整。5.2传动比、各轴转速、功率及转矩的计算已知假定了升降系统速度为 800mm/mir，又已知：Z51=18， Z69 = 55， Z70 =59、66、4828，Z? =36，Z机上=20，电动机转速 N=1400r/min，电动机功 率为P=1500KW圆锥齿轮的传递效率为 95%，圆柱齿轮传递效率为2 =98%，联轴器的传递效率为 3 =99.5%，电动
23、机的转速n。=1400r/min，所以:P机2 = P4轴 2 = 1.46265 0.98 = 1.433KW36 9 n 机 2 11 ,i 机 2 机 6 , n 机 6 200.375 244.9r / min44 11 i机2机6 9P机6 二 P机2 2 =1.433 0.98 二 1.405KWn7 二匹=244.9 20 =136.11r/mini 36P P机6 I =1.405 0.95 = 1.335KW各参数确定之后，重新计算的升降速度为： 136.11 6=816.66r/mi n各轴转矩为:电动机轴PT电=9550 10.23N mN2轴T2轴二 T电 3 =10.
24、23 0.995 = 10.179N m4轴55T4轴=T2轴 2i210.179 0.98 30.48N m18机-2轴64T机2 =丁4轴 2i4轴机2=30.48 0.98 60.275N m2836机-6 锥齿轮轴 T机6 =T机2 2i 机2机6 = 60.275 0.98 55.75N m447 锥齿轮 TTa6 ) =55.75 0.95 36 = 95.33N m20各参数值列表如下：表5-2各轴参数轴号功率KW转矩N m转速r/min传动比效率电动机1.5010.231400/2轴1.4910.181400/0.9954轴1.4630.484583.060.975机-2轴1.
25、4368.28200.3752.290.956机-61.40555.75244.910.820.937Z71.33595.33136.111.80.895.3齿轮材料的选择5.3.1、 齿轮材料的基本要求从对齿轮的失效分析可知，为了使齿轮能够正常工作，应对齿轮的材料提出 如下基本要求：（1） 齿面应有足够的硬度和耐磨性，以防止齿面磨损、点蚀、胶合以及塑性 变形等失效。（2） 轮齿心部应有足够的强度和较好的韧性， 以防止齿根折断忽然抵抗冲击 载荷。（3） 应有良好的加工工艺性能及热处理性能，以便加工和提高力学性能。5.3.2、 常用材料及热处理适合制造齿轮的材料有很多，最常用的是钢、铸铁，有些场
26、合也采用非金属 材料。1、钢钢具有强度高、韧性好、便于制造和热处理等优点。大多数齿轮毛坯都采用 优质碳素钢和合金钢通过锻造而成，并通过热处理改善和提高力学性能。按热处 理后齿面硬度的不同，钢制齿轮分为软齿面齿轮和硬齿面齿轮两种。软齿面齿轮的齿面硬度小于或等于 350HBS通常适用于一般用途、中小功 率以及精度要求不高的场合，例如一般用途的减速器。由于齿面硬度不高，这种 齿轮的毛坯在进行调质或正火的热处理之后再进行精加工， 一般采用插齿或滚齿 等方法。对于一对软齿面的齿轮来说，在传动的过程中，小齿轮的轮齿啮合次数比大 齿轮的多，同时小齿轮的齿根较薄，使得小齿轮的轮齿弯曲强度较弱。因此，通 常使小
27、齿轮的齿面硬度要比大齿轮的齿面硬度高 3050HBS或更多，以保证大、 小齿轮的使用寿命相接近。在一般情况下，通常选用不同的材料或不同的热处理 可以实现这个要求。硬齿面齿轮的齿面硬度大于350HBS常用于高速重载及受有冲击载荷的或 要求结构紧凑的重要机械传动中，例如机床、汽车变速箱等。这种齿轮的毛坯在 进行调质或正火后，进行精切齿，然后再进行表面淬火处理，使得齿轮的耐磨性 提高，承载能力增大。硬齿面齿轮与软齿面齿轮比较，其综合承载能力可提高 23倍。或者说，在相同的承载能力下，硬齿面的齿轮传动要比软齿面的结构尺寸小得多。所以， 除非受到工艺或生产等条件的限制，一般情况下应尽可能采用硬齿面齿轮。
28、2、 铸钢对于齿轮的直径尺寸较大（大于400600mm,或结构复杂不易锻造的齿轮 毛坯，可用铸钢来制造。例如低速、重载的矿山机械中的大齿轮。3、 铸铁灰铸铁具有较好的减磨性和加工性能， 而且价格低廉，但它的强度较低，抗 冲击性能差，因此，常用于开式、低速轻载、功率不大及冲击振动的齿轮的传动 中。球墨铸铁的力学性能和抗冲击能力较灰铸铁咼，可代替灰铸铁、铸钢和调质 钢铸造大直径齿轮。4、 非金属材料非金属材料的弹性好，耐磨性好，可注塑成型，成本低，但承载能力小，适用高 速轻载以及精度要求不高场合。例如食品机械、家电产品以及办公设备等。常用齿轮的材料见下表5-3 :表5-3常用齿轮的材料及其力学性能
29、材料牌号热处理方法齿面硬度强度极限 B/MPa屈服极限J /MPa主要应用优质45正火160 217HBS580290低速轻载碳调质217 255HBS650360低速中载冈 素n1中 重 亠咼低O5O26O23小 艮 冲金 合40cr质 调7O55钢淬 面 表9O56亠咼火质 调亠咼淬 面 表-770O74火6 o2淬 碳 渗650O火载 中 速 高淬 碳 渗OO11O58击 中 承火钢 铸5O23o淬 面 表火 中 迹 中650O53径 直 大O质 调7O83墨 球65铸 灰时 工 人2铁效3根据上述齿轮材料的介绍，我设计改进后新增的齿轮中，机 -6锥齿轮材料选用40Cr,直齿轮机-4的材料选用20CrMnTi,机-3双联齿轮选用20CrMnT。5.4
