机械毕业设计（论文）-Z3063型摇臂钻床设计【全套图纸】
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
⑴机床型号：Z3063型。
⑵最大钻孔直径：φ63mm。
⑶被加工零件的材料：钢、铸铁。
⑷刀具材料：高速钢、硬质合金。
⑸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
图；
⑴Z3063型摇臂钻床传动系统图，1张A
⑵Z3063型摇臂钻床主轴箱展开图，1张A
图；
图。
⑶指定零部件图，折合1.5-2张A
⑷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。
1
⑸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。
⑹专题论文：参照内蒙古科技大学《学报论文撰写基本要求》，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,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。
1
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
1
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。
1
（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
1
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
b
=52-602
公斤毫米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”，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
25 40 63 80 100 125 直径/mm
250 315 400 450 500 560 主轴行程
/mm
主轴端面
1000 1250 1600 2000 2500 2500 至底座工
作面的最
大距离/mm
跨距/mm 800/1000 1250/1600 2000 2500 3150 4000 莫氏三号莫氏四号莫氏五号莫氏六号莫氏六号公制主轴圆锥
孔
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
机床型通用零件种数通用零零件总通用化
1
号被通用机床件总种
数种数程度
（℅）
Z3040×
16 Z3063×
20
Z3080×
25
Z301000
×31
Z3025×
10
7 7 277 2.5
Z3040×
16
356
Z3063×
20
135 135 386 35.0 Z3080×
25
119 141 260 394 66.0 Z30100
×31
57 18 21 96 446 21.0
Z30125
×40
58 16 22 290 386 457 84.8
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Z3025×10 Z3025×10 Z3040×16 Z3040×16 Z3063×20 Z3063×20 最大钻孔
直径（毫
米）
25 25 40 40 63 63
主轴端至
底面距离
（毫米）
250-900 250-1000 350-1250 350-1250 400-1600 400-1600 主轴中心200-1000 300-1000 350-1600 350-1600 450-2000 450-2000
1
线至立柱表面距离（毫米）
主轴转速级数12 12 16 18 16 16
范围
（转
/分）
50-2500 50-2350 25-2000 25-2000 20-1600 20-1600
主轴行程
（毫米）
250 250 315 315 400 400
电机功率主
电
机
1.5 1.5 3.0 3.0 5.5 5.5
总
容
量
4 2.6 6.22
5 6.225 7.925 8.95
重量毛
重
2 2.5 4.5 4.
3 7.5 8 净
重
1.5 1.6 3.5 3.5 7 7
外包装箱直径长×宽×高（毫米）2000×
1060×
2360
2100×
1350×
2300
2100×
1350×
2300
3000×
1400×
2800
3460×1480
×3246
3340×1450
×3265
外形尺存长×宽×高（毫米）1250×840
×2010
1750×
1000×
1840
2490×
1035×
2615
2490×
1035×
2600
3090×1250
×3205
3080×1250
×3210
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。
1
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
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······
手动操纵自动操纵······
4 电力及机械组
合的夹紧
5 用总的机构中所产生的液压夹
自动操纵······
紧
6 用总的按钮操纵液压夹紧自动操纵······
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
1
1
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n R ，公比 ，转速级数Z ，主运动的极限值max n ，
min n ，max S ,min S ······等。
主轴的极限转速max n 和min n 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max
D 表示最大钻孔直径（即其主参数），通常可取max d =max D ，min d =（0.2—0.25）max d 。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：
min d =14mm ，
max d =63mm
由于铸铁比钢的强度极限低，故在铸铁上加工孔径为：
min d =24mm ，
max d =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）
1
碳钢b
σ=65公斤毫米
高速钢
14 0.30 667
碳钢b
σ
=65公斤
毫米
高速钢
63
0.70
193
铸铁B H =195 高速钢 24 0.40 407 铸铁B H =195
高速钢
90 0.68
73
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b
σ=65公斤毫米
高速钢
14 0.20 818
碳钢b
σ
=65公斤
毫米
高速钢
63
0.55
218
铸铁B H =195 高速钢 24 0.30 472 铸铁B H =195
高速钢
90
0.53
84
1. 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
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b
σ=65公斤毫米
高速钢
14 0.14 1050
碳钢b
σ
=65公斤
毫米
高速钢
63
0.35
273
铸铁B H =195 高速钢 24 0.20 590 铸铁B H =195 高速钢
90
0.33
107
1、 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： max n =1050 转/分；
min n =77 转/分，
因此而得变速范围：
n
R =max min
n n =1050
77
=13.636 当我们求出max n 和min n 以及n R 之后，必须对此数据进行切合实际生产需要的分析。其中min n =77 转/分是在铸铁上加工孔径为90毫米，刀具材料为184V W Cr 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：
max n =1600 转/分；
min n =20 转/分，
故 n=20-1600转/分 n
R =max min
n n =1600
50
=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
1
n
R
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：
1
min 2
1
2
3
2
1
n n
n n n n n ?
??
==== · · ·
1
11max
z z z n n n n ??
--===
最大相对转速损失为：
max 111100%100%A ?????-=-?=? ???
1
1
1max
min
1
z z n n n n n R ??
--=
==
两边取对数得：
1
lg 1lg n
R Z ?
=+
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max A 不大于50%，则相应?不大于2，所以12?<≤。
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
?
1.06
1.12
1.26
1.41
1.58
1.78
2
2
2 A=1
1?
-
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
n
R
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
1
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
s
σ
=652
公斤
毫米
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/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： 0.75
0.70P=C p B DS σ
从而 0.70.75
P B
P S C D σ=
毫米/转
又因 3.3P C = 所以
0.79S == 毫米/转
选S=0.80 毫米/转
求 0.7
20.8M B
M D S C σ=
=2
0.8
0.7
1.62630.8
65???
1
=39973 公斤/毫米
而切削速度：
0.4
0.20.50.9
V B
C D V T S σ=
米
分
式中 V C =245----决定材料机械性能的参数 T=35分----钻头的寿命
所以 0.4
0.20.5
0.92453521.2350.365
V =?=?米分 钻头每分钟的转数： 1000100021.2
1043.1465
V n D π?===?转
分
选n=110转/分
钻头所消耗的功率按下式计算：
Mn
716200 1.36
N =
?主
39973110716200 1.36
?=
?
=4.5 千瓦
钻头的进给功率按下式计算： P S n
60751000 1.36
N ??=
???进给
22500.820060751000 1.36
??=
???
=0.109 千瓦
有上述计算可以得到N 主
与N
进给
相差非常大，所以不考虑N 进给的值，
定N 主=N 进给=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。
12
a b
K ηηη=??总 式中：η总----机床的总效率 1η----齿轮传动效率
1
2η----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
有拟定方案和查表得：
1η=0.99； a=5； 2η=0.995； b=17； K=0.96；
所以 η=总5170990.9950.96??=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： η=0.8
用高速钢在钢和铸铁上钻孔时主轴的最大功率为： N N η
=
有效
最大
4.50.8
=
5.625
= 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
Z3040?16 25-2000 0.04-3.2mm/r 3 Z3063?20 20-1600 0.04-3.2mm/r 5.5 Z3080?25
16-1250
0.04-3.2mm/r
7.5
综合以上两种情况决定取主动电机的功率为5.5kw 。