金属切削机床是用磨具或者刀具对金属工件进行切削加工的机器，在制造业中，尤其是机械行业机床有着广泛的应用。而且钻削加工仍然在零件加工中占有相当的比例，据统计在零件加工中钻孔加工占25%以上。摇臂钻床仍然是切削加工的主要设备之一。
作为传统的老产品摇臂钻床，有着数百年的发展历史，其产品都在不断地更新，功能也越来越齐全、性能也不断地完善。在经济全球化的今天，机械行业国际竞争日趋激烈，给企业带来严峻的挑战。对在企业加工中占有相当地位的钻床也提出了更高的要求。为了适应竞争环境，钻孔效率提高自然成了节省生产时间、降低生产成本的途径之一。
目前国内外制造企业，趋向中、大孔钻孔加工，而我们开发的Z30125X40型摇臂钻床，就是高效率的钻孔工艺设备。它主要用于中大型零件上钻孔、扩孔、铰孔、攻螺丝、璁平面等工作，在具有工艺装备的条件下可以进行镗孔，完成管板、大法兰等加工和非标准的钻孔作业。Z30125X40型摇臂钻床，最大的钻孔直径125mm，在机加工直径小于125mm时可以直接一次钻出，大大缩短了加工时间，孔尺寸精度由钻头保证。Z30125X40型摇臂钻床的出现，避免了小型钻床加工中、大孔的繁琐工艺，毫无疑问降低了成本。现代企业要求快速生产，而大型摇臂钻床Z30125X40型摇臂钻床就是针对孔加工的高效率设备，所以发展Z30125X40型摇臂钻床是现在之所需，将来也有广阔前景。随着组合机床、加工中心、车削中心和加工单元等机床的发展，使许多零件的孔加工工序被这些高性能、高效率机床在一次装夹工件中完成了。对此，生产立式钻床的厂家自然要考虑：立式钻床还有没有发展前途？值不值得再下功夫去提高？其实，分析一下用户需求情况就知道，继续发展立式钻床，不仅是值得的，而且还是很有前途的。这是因为孔加工是机械加工中非常广泛的工序。像加工中心这样的高档设备，从工艺角度看，完全可替代立式钻床完成孔加工工序；但从经济角度看，是不可能完全代替的。立式钻床具有结构简单，操作维修方便，价格低廉，占地面积小等优点。这是加工中心等高等机床无法相比的[2]。
目前国内生产的立式钻床，按最大钻孔直径分，有16、25、35、40、50和63mm
六种规格。近几年来出现的新一代立式钻床已开始向模块化和数控化等方面发展。但总的来看，不能适应机械制造业发展的要求。例如，模具加工行业的模架、标准块，要求同时加工两个孔、四个孔，孔距一致性达±0.005mm，并且规格多变,因此急需可调双轴钻、多轴钻或数控化钻床；冷冻机行业的孔盘上有坐标孔百余个，急需用数控机床或坐标钻床加工；拖拉机、柴油机、汽车和液压件行业，由于零件批量大，需要用自动立式钻床为其服务；冶金修造及矿山机械制造行业，由于得不到带有回转台、回转夹具的立式钻床、转塔式立钻以及珩磨、滚压附件，不得不自己改装专机。
近年来出现的ZH5120型钻削加工中心，其功能和性能都很先进，具有80年代水平，但是价格要20余万元。从经济上考虑，用户在多数情况下宁愿选用加工中心，而不选择用钻削中心。因为钻削中心的功能比不上加工中心。因此，从成本效益来看，立式钻床向高档的钻削中心方面发展是需要重视的。
2 钻床的概述
钻床指主要用钻头在工件上加工孔的机床。通常钻头旋转为主运动，钻头轴向运动为进给运动。钻床结构简单，加工精度相对较低，可钻通孔、盲孔，更换特殊道具，可扩孔、铰孔、攻螺丝、璁平面等加工。加工过程中工件不动，让道具移动，将刀具中心对正孔中心，并使刀具转动（主运动）。钻床的特点是工件固定不动，刀具做旋转运动。机床是制造及修理一切机器的机器，机床是对金属或其他材料进行加工（包括成行加工和切削加工或特种加工方法），使之获得所要求的几何形状、尺寸精度和表面质量的机器。机械新产品包括机床本身的几乎所有零件通常都是机床加工出来的，所以习惯称为工作母机或工具机。目前世界上已将机械制造技术与装备，其中以机床工具为主体通称为生产工程，包括毛坯成型、零件加工、材料改性及其防护、装配与包装、物流与储存、工艺过程检测与监控、自动控制元件与系统等主要技术环节的成套技术。机床工具产品的技术水平和使用性能对机械产品生产技术、质量和经济效益的不断提高起着决定性作用，机床工具产品的技术水平反映一个国家机械工业的技术水平，机床工具工业起着机械工业“总工艺师”的作用。而机床的发展历史也和机械的发展历史紧密相关，在机械技术发展的关键时刻，总会给机床的技术发展提出一系列新的课题。
摇臂钻床切削机床是人类在改造自然的长期生产实践中，不断改进生产工具的基础上产生和发展起来的。最原始的机床是依靠双手的往复运动，在工件上钻孔。最初的加工对象是木料。为加工回转体，出现了依靠人力使工件往复回转的原始车床。在原始加工阶段，人既是提供机床的动力，又是操纵者。当加工对象由木材逐步过渡到金属时，车圆、钻孔等都要求增大动力。于是就逐渐出现了水力、风力和畜力等驱动的机床。随着生产发展的需要，15~16世纪出现了铣床和磨床。我国明代宋应星所著《天工开物》中就已有对天文仪器进行铣削和磨削加工的记载。到18世纪，出现了刨床。机床工业则是机械制造工业的基础。一个国家机床工业的技术水平，在很大程度上标志着这个国家的工业生产能力和科学技术水平。显然，金属切削机床在国民经济现代化建设中起着重大的作用。摇臂钻床机床是人类在改造自然的长期生产实践中，不断改进生产工具的基础上产生和发展起来的。最原始的机床是依靠双手的往复运动，在工件上钻孔。最初的加工对象是木料。为加工回转体，出现了依靠人力使工件往复回转的原始车床。在原始加工阶段，人既是提供机床的动力，又是操纵者。当加工对象由木材逐步过渡到金属时，车圆、钻孔等都要求增大动力。于是就逐渐出现了水力、风力和畜力等驱动的机床。随着生产发展的需要，15~16世纪出现了铣床和磨床。我国明代宋应星所著《天工开物》中就已有对天文仪器进行铣削和磨削加工的记载。到18世纪，出现了摇臂钻床。
20世纪70年代初，钻床在世界上还是采用普通继电器控制的。80年代后期由于数控技术的出现才逐渐开始在深孔钻床上的得到应用，特别是90年以后这种先进技术才得到推广。
为了加工某些零件上的相互交叉或任意角度。或与加工零件中心线成一定角度的斜孔、垂直孔或平行孔等需要，各个国家而专门开发研制多种专用深孔钻床。
1.机床到位
按地基图在基础说 画出机床的中心线，检查各地脚孔中心位置和各平面的标高是否符合图纸要求，以便安装时能正确定位。
2.吊装机床
吊装钱江机床外表面擦净，并在地基上的适当位置安放临时垫铁。按说明书规定的调运方式将机床吊起来，挂在地脚螺栓，其螺纹应露出螺母5-6牙，然后将机床安放到基础上去。地脚螺栓与地基上预留孔壁的距离应大于20cm，且能自由晃动。然后用临时垫铁粗调机床安装水平。
3.灌注地脚孔混凝土，所用混凝土要比基础用混凝土高一个标号，石子尺寸要小于20cm，灌注时要仔细认真捣实，并检查地脚螺栓，如有歪斜要及时扶正。
4.安装垫铁
在地胶混凝土经养护达到要求强度后，把机床上的地脚螺母取下后将机床吊离基础放在一旁。取去临时垫铁，按地基图规定安装垫铁。再把机床吊装在地基上，并初步拧紧地脚螺母。
5.调整安装水平
目的是保持机床的稳定性，减少振动，防止变形和避免不合理的磨损，以确保加工密度。
6.在广泛的通用性机床，可对零件进行钻孔、扩孔、铰孔、攻螺丝和璁平面等加工配有工艺设备时，还可以进行镗孔，在钻床上配有万能工作台还能进行钻孔等。
钻床主要用钻头在工件上加工孔（钻孔、扩孔、铰孔、攻螺丝和璁平面）的机床。机械制造和各种修配工厂必不可少的设备。根据用途和结构主要分为以下几类：
1.立式：工作台和主轴箱可以在立柱上垂直运动，用于加工中小型工件
2.台式：简称台钻。一种小型立式台钻，最大钻孔直径为12~15毫米，安装在钳工台上使用，常用来加工小型工件的小孔等。
3.摇臂式：主轴箱能在摇臂上移动，摇臂能回转和升降，工件固定不动，适用于加工大而重和多孔的工件。
4.深孔钻床：用深孔钻钻削深度比直径大得多的孔（如枪筒、炮筒和机床主轴等零件的深孔）的专门化机床。
5.中心孔钻床：用于加工轴类零件俩端的中心孔
6.铣钻床：工作台可以横向移动，钻轴垂直布置，能进行铣削的机床。
7.卧式钻床：主轴水平布置，主轴箱可垂直移动的钻床。一般比立式钻床加工效率高，可多面同时加工。
3 钻床主传动方案设计
Z30125X40型摇臂钻床由主轴箱、摇臂、立柱、工作台等组成。主轴箱是摇臂钻床的核心部分，由主轴变速机构、主轴进给机构、主轴及操作机构、主轴夹紧机构、主轴平衡机构等组成；本设计的主轴变速部分，变速时用液压控制调速，液压油进入油缸通过拉杆拨动滑移齿轮改变啮合状态实现主轴变速，而通过一个操作手柄可以实现主轴正、反转及刹车[8]。
本机床是在原系列机床的基础之上，在设计过程中运用先进的设计理念和大的安全系数，增加外柱自动润滑装置，更改电器箱翻盖方式、电器布线和电器操作按钮等，并在符合国家标准的前提下，以CE标准为目标，兼顾实用、高效、美观、易操作和安全性能高等特点。主要技术参数如表3.1
表 3.1 主要技术参数
|
项目 |
数值 |
单位 |
项目 |
数值 |
单位 |
|
最大钻孔直径 |
125 |
mm |
主轴转速级数 |
22 |
级 |
|
跨距 |
4000 |
mm |
主轴进给量范围 |
0.06~3.2 |
mm/n |
|
主轴轴线至立柱母线最小距离 |
600 |
mm |
主轴进给量级数 |
16 |
级 |
|
主轴箱水平移动距离 |
3400 |
mm |
主轴行程 |
560 |
Mm |
|
主轴断面至底座工作距离最大 |
2500 |
mm |
主轴允许最大扭矩 |
3.2 |
Kn.m |
|
主轴断面至底座工作距离最小 |
700 |
mm |
主轴最大进给抗力 |
50 |
Kn |
|
摇臂升降距离 |
1250 |
mm |
主电机功率 |
18.5 |
Kw |
|
摇臂升降速度 |
0.017 |
m/s |
主轴行程 |
米制80 |
|
|
摇臂回转角度 |
360 |
度 |
主轴转速范围 |
6.3~800 |
n/min |
主轴的变速机构设计要求为22级主轴的的变速，采用32级主轴变速，通过重复10级变速得到22级主轴变速。其中重复的10级转速中，通过液压控制轴VIII及轴V（或轴IV）上的滑移齿轮实现锁住传动扭矩较大的级数。在设计时考虑了俩种设计方案：方案一通过8根轴实现22级主轴变速；变速二通过9轴实现22级主轴变速。方案一主轴变速部分轴向尺寸比方案二稍小，可以减少主轴箱的高度但传动比较大，齿轮大小悬殊很大，特别是主轴上的齿轮显得很大，这样在采购齿轮材料时就很繁琐，而且主轴上有两个主轴变速齿轮与之相对应的啮合齿轮为滑移齿轮，这样影响运动传递的平稳性；方案二增加了主轴过载保护装置，当主轴过载时通过主轴过载保护装置起到过载保护作用。9根轴传动减少了传动比，有利于传递运动的平稳性，使得大小齿轮悬殊不至于过大，其主轴上传动齿轮只有一对固定齿轮，且采用斜齿轮，其好处是斜齿轮传动运动比直齿轮平稳且承受力比直齿轮小，能减少齿轮的部分径向力和主轴承受的径向力，有利于主轴的旋转精度。其不足之处是该结构增加了主轴箱的高度和轴的长度，使得整个箱体尺寸要比8根轴传动稍大些。鉴于提高机床的安全系数及采集齿轮材料的便利，最后采用了9根轴传动的方案。
4 主轴转速计算
传动轴的计算转速
传动轴的计算转速应该取轴传递全部功率的最低转速，作为计算转速，由图4.1转速图找出[9]。
图 4.1 主轴转速图
传动轴的计算转速应该取轴传递全部功率的最低转速，各传动轴的计算转速如表4.1所示
表 4.1 各轴计算转速
|
轴序号 |
Ⅰ |
Ⅱ |
Ⅲ |
Ⅳ |
Ⅴ |
Ⅵ |
Ⅶ |
Ⅷ |
Ⅸ |
|
计算转速（r/min） |
1458 |
797 |
398 |
249 |
124 |
62 |
34 |
10 |
6 |
5 主传动构件及零件计算
根据Z30125X40摇臂钻床技术要求的规定，初步选取电机的型号为Y1602-4，功率18.5KW。通过计算效核结果可知，Y1602-4型电机能满足工作要求[10]。
根据资料[3]得知，大型机床如果已先确定了主轴最大扭矩和主电机的功率，则主轴计算转速nj由下式子求得：
式中Tn—主轴传递的最大扭矩(kgf*m)；n—主轴转速（r/min）；N—主轴传递的功率（KW），
N=N电η。因此
按图4.1转速图可确定主轴的计算转速为nj=50r/min(计算转速nj是主轴能传递全功率的最低转速）。根据主轴的计算转速为nj=50r/min，通过以下式子确定各轴的扭矩：
式中，η—各轴到主轴间的传动效率；n—各轴相应n主轴转速（r/min）；各轴的传动效率为：
由资料[3]第2册表5.1-5可查出齿轮副传动效率η1=0.985:0.99，滚珠轴承的传动效率η2=0.99:0.995；a—啮合齿轮副数；b—滚珠轴的承数。
图 5.1 主轴变速简图
通常，轴的最小径向尺寸，亦称为轴的基本直径，用dmin表示。在设计轴时，该尺寸是应首先确定的关键尺寸，其它尺寸的确定都是在此基础上进行的。而且，这个尺寸往往就是端轴头或轴径尺寸，轮毂、轴承尺寸的确定都直接与其相关。
轴的基本直径确定的方法很多，如按扭转强度进行初步计算、凭设计者的经验进行估计、类比设计等等。以上各种方法都不同程度地存在较大缺陷，如计算繁琐，经验可靠程度低等，使用起来多有不便。故按照图5.2选择，在实际设计中使用方便又可靠。
电动机是最常见的标准原动机，对它的设计制造生产都有严格的标准。对于原动机来讲，电动机的转速较高，因而电动主轴尺寸应是整个传动系统中尺寸最小的直径，故当传动系统中功率、转速相当的轴的基本直径均不应太小于相应电机主轴的尺寸，这是符合“等强度”原则的。
轴的基本直径dmin所示，常见电动机的主轴，一般采用45钢制成并经过适应热处理，其综合力学性能较好，在实际使用下图时，可根据选用材料与45钢性能的优劣在表中数值的（0.8~1.2）倍中选取[11]。
