立式鉆銑床動力頭設計與三維造型

宗蒙

(榆林康耐雅新材料技術有限公司, 陜西 榆林 718100)

回轉式多工位組合機床，特別適合于加工輪廓尺寸在250 mm以內的中小零件[1]。這類機床的應用主要集中于汽車、閥門、氣動、液壓、制鎖、輕工儀表和電氣等工業部門[2]。組成回轉式多工位組合機床的主要部件有回轉分度裝置、中間底座、鼓輪支架、定位裝置和動力頭等[3]。這些部件的結構和技術性能，在很大程度上決定了回轉式多工位組合機床的結構型式及其技術水平。

回轉式多工位組合機床的回轉分度驅動一般采用電氣機械、液壓和氣動等方式[4]。應用液壓和電氣機械驅動的較多(鼓輪的回轉分度一般為液壓驅動)而使用氣動驅動的較少[5]。液壓由于可采用較高的工作壓力，故其結構空間比氣動的小。目前，由于電液比例閥的應用，而大大提高了工作臺的分度轉位速度，縮短了分度轉位時間[6]。同時，由于電液比例閥可改善機床的起動和緩沖性能，故也可改善工作臺定位時的工作條件[7]。電氣機械驅動主要有馬氏槽盤和圓柱凸輪間歇運動機構。

據估計目前我國回轉式多工位組合機床約占整個組合機床的4%，與機床工業發達的國家相比，無論在數量上還是在技術上均存在一定差距。本機床為8工位鉆銑床，其結構簡單、占空間少、操作方便、精度高，是實際生產中非常有用的一種機床。

1 結構設計

1.1 總體結構設計

本機床主要分為動力系統和定位升降系統，在此主要闡述動力系統的結構組成。在對機床進行布局時，應能兼顧機床有良好的精度、剛度、熱穩定性和抗震性等特點。首先根據查閱資料，結合機械設計等知識，再結合機床的加工原理，結合工件的形狀、尺寸和重量，還要考慮機床的操作維修、外觀形狀、生產管理和人機關系等因素。對機床的動力頭系統總體結構尺寸形狀進行設計，結構主要由電機、電機座、頂蓋、支承座、軸套、機架盤、立柱、鉆頭等組成，各個部件通過如六角螺釘、開槽沉頭螺釘、內六角圓柱頭螺釘、螺釘等緊固件進行固定、連接，其尺寸的確定主要根據所選電機，所計算齒輪、軸、同步皮帶輪的尺寸和電機的轉速、載荷所確定，其結構及主要尺寸如圖1所示。

1.2 鉆頭設計

鉆頭主要由定位頭，各個螺母，絕緣軸套，導向桿，支座，主軸套，壓腳，等部件構成，鉆頭的外形形狀尺寸應根據機架盤調整裝置的尺寸來設計計算，內部的軸和軸承根據通過同步齒形帶的傳來的轉速，載荷等數據來設計計算，應保證有足夠的剛度、定位精度和抗震性，因為這是直接用于工件加工的部件，所以其各個特性直接決定了加工的好壞，尤其是在各個零部件連接后，運轉時的的震動問題，所以用尼龍做的絕緣軸套在支座與主軸套間連接，可以解決這個問題。其結構組成如圖2所示。

圖1 總體結構

圖2 鉆頭結構

1.3 機架盤布局

機架盤主要由7個位置的軸向、徑向調節螺母組成，它們是均勻分布在機架盤上的，這樣的結構設計主要是為了提高定位精度，這在后文中會有詳細論述。其結構組成如圖3所示。

圖3 機架盤布局

1.4 重要零部件的結構設計

這里列舉了機架盤、大齒輪、小齒輪、主軸，其尺寸的設計計算會在后文中給出，結構如圖4所示。

圖4 主要零部件

2 多工位鉆銑床的傳動原理

多工位鉆銑床由兩個電機提供動力，1號電機提供鉆頭的旋轉運動動力，2號電機負責提供主軸的升降運動和轉盤的間歇旋轉運動。

1號電機軸經過一對齒輪加速，旋轉速度達4 320 r/min，由于考慮到鉆頭的固定，提高加工及定位精度不采用萬向軸聯接齒輪軸和鉆頭軸,而采用同步齒形帶將動力傳遞到鉆頭主軸，這樣鉆頭的位置固定，且夾緊可靠，提高了加工精度，減少了誤差，同時在同步齒形帶中設備張緊輪可以調整鉆頭位置，使適應多種零件的加工。動力原理圖如圖5所示。

2號電機提供主軸作升降運動和多工位轉盤的旋轉運動，上升有上升凸輪，下降有下降凸輪，電機軸傳遞動力給凸輪分配軸，分配軸按運動要求，和下降凸輪或上升凸輪配合工作從而控制了主軸的上升下降滾動,轉盤的旋轉運動由凸輪分配軸經齒輪傳遞運動。

圖5 傳動原理簡圖

3 各結構部件設計計算及校核

由于設計機構側重于夾板機床的動力頭系統上，因而不對主軸的升降運動零件和轉盤旋轉部件做詳盡論述，而是只對動力頭的設計及其動力傳遞所需的部件做詳細介紹。

3.1 電機的選擇

電機分為直流和交流兩大類，直流電機需要直流電源，結構復雜，價格高，無特殊情況時不采用，鉆銑床為普通機床，選用一般籠型異步交流電動機。

本鉆銑床選用J0242-4電機，功率為5.5 kW，同步轉速為1 440 r/min。

3.2 齒輪的設計

該設備動力頭系統為閉式齒輪傳動，因此先按照解除疲勞強度求出直徑和齒寬，再校核其彎曲疲勞強度，因此傳動尺寸無嚴格限制，大小齒輪均用45鋼，小齒輪調質處理，平均硬度260HB，大齒輪正火處理，平均硬度200HB，設計步驟如下。

3.2.1 齒面解除疲勞強度計算

齒數取Z1=20，Z2=iZ=60；估計圓周速度，v=4 m/s，選8級精度。載荷系數k，使用系數kA，動載荷系數kv，齒間載荷分配系數kα，齒向載荷分布系數kβ，kA=1.75，kv=1.15，kβ=1.06，kα=1.17。

端面重合度：

載荷系數：

k=kAkvkαkβ=1.75×1.15×1.17×1.06=2.496。

轉矩：T1=9.55×106p/n1=9.55×106×0.126 7/1 440/3=280 N.m。彈 性 系 數：ZE=189.8 MPa；重合 度 系 數：Zε=(4-εα)1/2/3=0.87。接 觸 疲 勞 強 度：δHlim1=600 MPa，δHlim2=540 MPa；接 觸 安 全 系 數S:SH=1.0；總 工 作 時 間：Ln=8×300×10=24 000 h；指 數：n=6.6；應 力 循 環 次 數：N1=60×24 000×1 300×8×15=3.11×109，N2=N1/n=7.49×108。

則接觸壽命系數：

小齒輪直徑：

驗算圓周速度：

v=3.14×14.9×3×1 440/60/1 000=3.39

修正小齒輪直徑：

確定傳動尺寸：

m=d1/Z1=13.8/20=0.69

取m=2。

實際分度圓直徑：d1=m×Z1=2×20=40，d2=m×Z2=2×83=166；中心 距：d=1/2(d1+d2)=103；齒寬b：b=Φdd1=40。取b1=20 mm，b2=15 mm。

3.2.2 齒根彎曲疲勞強度驗算

（1）齒形系數Yfa

（2）應力修正系數

（3）重合度系數

（4）許用彎曲應力[σ]F

彎曲疲勞極限：σFlim1=440 MPa，σFlim2=400 MPa；彎曲安全系數：SF=1；指數m=6.25，N1=8.96×1011；彎曲壽命系數：YN1=YN2=1.0；尺寸系數Yx=1.0；則許用彎曲應力：

（5）驗算

經驗算說明所選模數偏大，由于機構需要，取m=2較好。雖說浪費，但可以滿足工作需要，成本也增加不多。最后結果為：

Z1=20，Z2=83，m=2 mm，d1=40 mm，d2=166 mm，da1=22 mm，da2=166+4=170 mm，df1=35 mm，df2=161 mm。

3.3 同步齒形帶設計計算

其中KA為工作情況系數，KA=1.6，Kε為速比系數Kε=0.1，p為傳遞功率，P=0.126 9。

初選m=1.5；小帶輪齒數Z1≥Zmin，Z1=24；小帶輪節圓直徑d1=mZ1=1.5×24=36 mm；帶 速vv=3.14×36× 6 480/60/1 000=12.25＜vmax；傳動比i=1.5；大齒輪齒數：Z2=iZ1=36；初定中心距a0=90。

初定膠帶節線長及其齒數：

選取接近Lp值及Z，Lp=329.9，Z=65。

中心距可調：

小齒輪嚙合齒數：

單位帶寬的離心拉力Fc：

Fc=18×104×12.252/9.81=0.027 5

式中：

q-單位帶寬，單位長度的重量；g-重力加速度。

二是關于列寧生平的介紹。《文陣》中專設《列寧逝世紀念特輯》專欄，包括左琴科的《列寧的故事》、羅曼·羅蘭、蕭伯納、高爾基、巴比賽等人的《關于列寧》（靖華譯），這兩篇紀念文章分別介紹列寧童年中玻璃水瓶的故事、學習情況、在監獄吃墨水壺、戒煙、巧計勝憲兵、給小孩買玩具、遇刺、在理發室、與爐匠、打獵等故事，還認為“列寧是一個行動的大師，深入社會法則的本質，和以生命的創造力浸淫著自己”。[3]顯然是通過蘇聯社會主義導師列寧的偉大事跡，動員民眾盡快行動起來，積極加入中國革命的隊伍，早日取得民族解放的勝利。

帶寬：

式中：

Kz—嚙合齒數系數；

[F]—單位齒寬的許用拉力。

有效圓周力：

F=102p0/v=102×0.215 4/12.25=1.79

3.4 鍵的選擇和校核

在動力頭系統中應用3個平鍵。齒輪軸的鍵，其零件號為59，此鍵為平鍵，b=7，L=18。此鍵聯接所能傳遞的扭矩：

840為齒輪傳遞的扭矩，T＞840 N.mm，說明此選用的鍵可以滿足工作需要，符合運動條件。

同步齒形帶上的鍵，其零件號為70，平鍵b=5，h=5，t=24。此鍵聯接勢能傳遞的扭矩：

鉆頭動力頭上同步帶輪上的鍵，由于此鍵是根據帶輪直徑選配，是按標準選用，因而可以肯定能符合要求，不再校核。

3.5 軸承的選用

主軸48所用軸承，零件51和43的校核。本設計選用向心球軸承，其主要受徑向負荷，也能承受一定軸向載荷，它結構緊湊，有足夠的負荷和壽命，價格低廉，高速裝置中可以代替推力軸承，主軸48主要是配有一個齒輪，其受力為圓周力，徑向力均為徑向負載，軸向力很小，因此選用向心球軸承是適合的，型號204，GB=76-82，求得圓柱齒輪圓周力FT=14 N，徑向力FR=5.1N，軸向力FA=0，FT=2×840/120=14N，FR=FT×tanα=14×tan20°=5.1N。

作用力如圖6。

圖6 受力圖

則軸承徑向負荷：

以下驗算軸承是否合用：

204軸承的主要性能參數為：Cr=10.00 kN，Cor=6.30 kN，脂 潤 滑，nlim=14 000 r/min，Y0=0.5，Y=0。

內部軸向力：

S1=1.25×Fr1×tanα=1.25×7.45×tan20°=3.389 NS2=1.25×Fr×tanα=3.389N

軸承軸向力：

Fa1=S1=3.39N，Fa2=S2=3.39NX，Y值：

有輕度沖擊的傳動裝置：

軸承壽命：因Pr1=Pr2，只計算一個軸承即可。

靜負荷計算：由于X0=0.6，Y0=0.5，Fr2=Fr1=7.45 N，Fa1=Fa2=3.39，都是極小的數值，而Cor=6.3 N，所以絕對符合安全要求，在此不詳細校核。

極限工作轉速nmin=14 000 r/min，也絕對滿足。整個機床用了不止一對軸承。其中受力較大，最危險的就是上面校核過的軸承，驗算后說明合用，別的軸承均根據經驗數據選用了安全系數較大的軸承，不再驗算是否合用。

3.6 各螺釘螺母的選用

在鉆床動力頭系統中，鉆頭轉盤的固定，及軸承端蓋等的固定均采用螺釘夾緊，螺釘的尺寸和標準均根據結構需要而定，符合機械設計一般要求，在此不再進行說明。

3.7 其他結構說明

本機床鉆頭固定由一端帶有錐度，一端為螺紋的拉緊螺桿固定，螺桿外圈套有旋轉主軸，主軸由同步齒形帶帶動旋轉，在主軸外有軸套，將高速旋轉的主軸密封在軸套中，軸套外配有支撐架 為防止鉆頭高速旋轉時碰到硬物從而損傷刀口，鉆頭的直徑依據夾板上所需加工的孔或槽而定，主軸上軸承為向心角接觸軸承，其能承受較大的單向軸向負荷，極限轉軸轉速較高，運轉精度高對鉆頭主軸很適用。

3.8 主軸上離合處的梯形牙校核

該離合處是根據嵌合式的離合器的形狀進行的，是為方便裝配而設計，首先對梯形牙整體造型設計如圖7所示。其牙形如圖8所示。

圖7 梯形牙造型

圖8 梯形牙尺寸

這種梯形牙強度高，能傳遞較大的轉矩，且又能自行補償牙的磨損和牙側間隙，從而可避免在載荷和速度變化時因間隙而產生的沖擊，所以方便于裝配和工作，牙數有3個單位牙面上的壓力p和壓根處的彎曲應力σb：

說明此設計的結構，選擇的參數一般滿足要求，該連接處的設計主要是為克服電機的安裝困難的，形狀仿照嵌合離合器，可以獨立的把電機安裝。

4 鉆銑頭的調整機構

4.1 刀具的折損

原鉆銑床的鉆銑頭定位是經過樣本來進行的，在擰緊的過程中，可能因擰緊轉矩作用而使鉆銑頭彎曲變形，以致加工精度不高，只有30級精度，這對于精度要較高的手表加工是非常不利的，如圖9所示，當人工用扳手調節鉆頭定位螺母時，用力不平衡，可能產生平行于機架盤或者垂直于機架盤的彎矩，使鉆頭壓彎、折損。

4.2 優化方案

為了消除這種因彎曲變形而產生的誤差，本機構采用調整機構，只要調整到要求的位置，就可以定位，從而根本上消除了由于擰緊轉矩影響而產生的彎曲變形，原來的機構還存在著第二個缺陷，就是用樣本來定位很麻煩，影響精度和生產率，因為要用肉眼來測量鉆銑頭和樣本孔的位置是否一致是很有誤差的，而且每加工一種型號的夾板，工廠必須停機重新用新的樣本安裝鉆銑頭。浪費了很多時間，降低了生產率，本設計的機構是為了解決以上的兩個缺陷而產生，只要知道新加工的孔的徑向坐標和軸向坐標就可以了，設計的機構如圖10所示。

圖9 道具損壞情況

圖10 調節螺母布局

其中，軸向坐標調整機構的螺母中心點與徑向坐標調整螺母中心點角度為25°。

4.3 定位原理及計算說明

徑向坐標調整機構是由螺旋螺母等組成，和其他的螺旋調整機構一樣，螺母每旋轉一周，其螺桿的徑向進給是1 mm，因此螺距為1 mm，如果要進給0.05 mm，2.5個刻度就可以，因為在螺母上每周有50個刻度，在軸向坐標上，必須先知道軸向坐標的度數，再把度數轉變為進給量，解決方式如圖11所示。

圖11 計算示意圖

其中70°為固定度數，如果要將度數從20°調整到40°，設y為轉動支點到螺桿頂尖處的距離，x為螺桿2的固定點到螺桿2的距離。

得方程：y2=x2+502-2×50×x×cos70°

x2=y2+502-2×50×y×cos70°

聯立解就可得x值。

解出x值后，再把x值與原來的20°對應值相比，就可求出要旋轉的刻度數，所以，只要知道任意一個軸向度數，就可以求出要螺旋的刻度。本調整機構的缺點是要求加工零件和裝配精度要高，提高了成本，且裝配上有困難，不過其優點很大，就是對夾板的加工精度明顯提高，而且在加工過程中節省了很多裝配樣本的時間，因為對夾板加工的鉆銑床的改進，主要是提高其加工精度和簡便其裝配。本機構大膽設想，為提高加工精度，且其制造工藝是可行的，所以整體是可行的。

5 裝配圖設計

5.1 二維圖設計

經過前面的設計計算，以及最初對機床總體的設計，在cad中劃出裝配圖，這樣可以更直觀的表現出機器的裝配關系、工作原理和傳動路線，以及零件的主要結構形狀以及裝配、檢驗、安裝時所需要的尺寸數據和技術要求。整體裝配圖如圖12所示，鉆頭裝配圖如圖13所示。

5.2 三維造型

在對全部結構完全了解，以及對運動傳動結構掌握后，用solidworks軟件，對所設計機構進行三維造型，增加立體感，更直觀地了解機床內外部的構造、形狀和運轉情況。

5.2.1 總體造型

圖12 整體裝配圖

圖13 鉆頭裝配圖

總體三維造型如圖14所示。接下來再對設計中一些關鍵、復雜的零部件或結構進行三維造型的詳細構造，包括鉆頭的外形構造、支承座的結構和調節螺母的造型轉配過程。

圖14 總體造型

5.2.2 鉆頭外殼的造型

先選定前視基準面作為草圖繪制平面，接下來繪制草圖并使用旋轉命令，如圖15、圖16所示。設置如圖所示基準面，如圖17所示。在基準面1上繪制如圖的草圖并拉伸，如圖18、圖19所示。設置如圖基準面，如圖20所示。在上面繪制如圖所示圖形并拉伸，如圖21、圖22所示。設置如圖基準面，如圖23所示。繪制如圖所示草圖并拉伸，如圖24、圖25所示。在如圖所示平面上繪制，如圖26所示。繪制如圖圖形并拉伸切除，如圖27、圖28所示。

5.2.3 調整機構造型

（1）調節螺栓

在前視基準面繪制如圖草圖并旋轉實體，如圖29、圖30所示。再繪制如圖所示草圖，并拉伸切除，如圖31、圖32所示。繪制螺紋線，如圖33所示。制定基準面并繪制如圖草圖并設定與螺旋線關系為穿透，如圖34、圖35、圖36所示。最后掃描切除，如圖37所示。

（2）調節螺母

在前視基準面繪制如圖所示圖形并旋轉，如圖38、圖39所示。在如圖所示平面繪圖，并拉伸切除，如圖40、圖41、圖42所示。在上圖中草圖的基礎上仿照之前繪制螺紋線的方法，畫螺紋線，如圖43所示。設置基準面，如圖44所示。畫出與調節螺栓一樣的三角形，并掃描切除，如圖45、圖46所示。類推陣列出其他后，轉配到機架盤上，總體如圖47所示。

6 總結

多工位鉆銑床實現了一臺機床對一個零件做不同加工的功能，節省了機床，也縮小了占地面積，同時提高了加工精度和生產率，使工人勞動強度也降低很多，其不足之處就是沒能實現自動上料，必須人工操作，且工作很機械，影響自動化程度的提高。

就鉆頭的固定來說，采用拉桿式楔形固定，用手動的螺旋運動可調整鉆頭的高度，方便省力，鉆頭采用套筒及主軸軸面為拉桿的結構，使得主軸不易磨損，更換方便，套筒外側用絕緣膠固定了一個支撐架，當鉆頭高速旋轉時不會碰到硬物，受到損害，鉆頭的動力由同步齒形帶傳遞到鉆頭，比起萬向軸傳遞動力要準確且剛性好。

動力采用行星輪的傳遞方式，保證了各工位的同步工作，節省空間，齒輪傳動較其他傳動件的優點是，不論兩軸在空間的相對位置如何，只要軸向距離不太大，都可用齒輪傳動，本結構采用齒輪傳動，且兩軸都是垂直軸，所以很方便用齒輪傳動，又因齒輪傳動其傳動比準確，這樣對鉆頭的轉速也有個穩定值，使得機構工作震動減少，減少噪音，延長鉆頭的工作壽命，同時對成批的零件進行生產，系統誤差在某一個區域內，廢品率降低。齒輪傳動能傳遞較大的扭矩，本機構由于需要傳遞的扭矩不大，所以用齒輪傳動足可以保證工作順利進行，另外齒輪傳動也有缺點，例如傳動不夠平穩，在高速加工和要求加工光潔度高的場合不宜使用，由于本零件加工要求不太高，這個缺點不影響工；齒輪傳動不宜用于軸線距離較大的地方，這點也沒有影響，從裝配圖中可以知道，本機構緊湊，各嚙合齒輪之間中心距不超過100 mm。因而，用齒輪傳動可以滿足要求，這樣可以用標準件，對機床的快速裝配完工、縮短加工周期有很大好處。

支撐件是機床的基礎構件，切削過程中，刀具與工件間相互作用力沿著大部分支撐件逐個傳遞并使之變形，支撐件的震動和變形將直接影響加工精度和光潔度，總之支撐件是機床十分重要的構件。在本臺機床上，支撐件的數目占很大比例，在動力頭系統中，除了動力傳遞部件和鉆頭工作部件，別的幾乎是支撐部件，本機床上的支撐件有：床身、立柱、橫梁、底座、工作臺和鉆頭搖臂。對于工作臺，床身，底座一般滿足要求，工作臺作升降為圓形盤，由于加工的零件直徑為20 mm，且鉆孔的直徑不超過5 mm，對工作臺震動較小，滿足設計要求。

立柱是動力系統中主要的部件，截面形狀為圓截面，環形截面，其中裝有主軸，升降運動在立柱實現，立柱上方負載著裝滿鉆頭的圓盤及電動機，電機和齒輪都是有一定的自重，本機構已考慮到自重，選取的圓截面直徑和厚度都較大，提供足夠的剛度，能夠滿足工作要求，環形立柱鑄造，加工都很方便，安裝也簡便。

搖臂為懸臂梁，轉盤圓周上分布著7根橫梁，用兩個螺釘固定，一端安裝鉆頭，橫梁的長度，僅有20 mm因而不影響剛度。

綜上所述，本機床達到一般要求規定的指標。

另外，本文所的鉆銑床具有以下優勢：

本機床為專用設備，可以同時完成鉆銑兩種功能，若需要對類似零件進行加工，只需略加改動，即可實現功能，其加工零件類型為圓形，若改變工作臺形狀，即加工別的類型零件，其材料除特硬金屬外，一般材料均可適用，其尺寸范圍也由工作臺做了限制，總的來說，其為加工夾板專用機床，因而通用性有所降低，仍不失為一臺性能優異的機床。

本機床零件定位采用三點定位的過定位方式，在加工過程中，在8個工位上都始終位置不會出現誤差，因而加工精度很高，另外鉆頭動力采用齒輪傳遞，采用結構固定的鉆頭，都使得加工精度得到保證。

本機床為7工位同時加工，因而生產率明顯高于單工位機床的切削加工，其分度和轉位時間均由機械來控制，采用蝸行凸輪和盤行凸輪實現，因而生產率穩定，可以估算出完工日期，不足之處是人工上料，浪費人力，但也減少了許多可能發生的故障。

本機床參考進口機床，分度轉位皆有機械控制，除上料為人工外，別的加工一律自己進行，相對國內其他機床，自動化程度高，但仍不能達到最完美境界，需要加以改進。

零部件均為通用件，標準化零件，制造與維修都簡便，本機床操作工人按自己配置鍵盤操作板，即可啟動和關閉機床，工人只需按節奏將零件放入相應的工位，即可自動進行加工，安全方便，工作可靠性好。

使用年限和成本均符合國家規定，其最大缺點是噪聲很大，整個車間環境嘈雜，主要由于傳動系統部分凸輪之間的碰擊產生，有待改進，還有就是半自動上料，可以改進為全自動上料，另外，本機構忽略了安全保險裝置，當機器出現故障時，無法自動斷電，這些都是需要改進的地方。