机械工业肩负着为国民经济各个部门提供技术装备的重要任务。机械工业的生产水平是一个国家现代化建设水平的主要标志之一。国家的工业、农业、国防和科学技术的现代化程度都与机械工业的发展程度相关。因此，大量设计制造和广泛使用各种各样先进的机械是促进国民经济发展，加速我国社会主义现代化建设的一个重要内容[1-2]。
钻床主要用在工件上孔的加工。通常钻头的旋转为主运动，钻头的轴向移动为进给运动。普通钻床的结构比较简单，加工精度较低，可钻通孔、盲孔。在钻床上配有工艺装备时，还可以进行镗孔,在钻床上配万能工作台还能进行分割钻孔、扩孔、铰孔。钻床的特点是工件固定不动，刀具做旋转运动。加工过程中工件不动，让刀具移动，将刀具中心对正孔中心，并使刀具转动(主运动) [3-4]。
钻床主要分为立式钻床、卧式钻床、摇臂钻床、台式钻床、深孔钻床和中心孔钻床等。为了满足模具制造业发展的需要，又开发了除钻削深孔以外，还可以进行铣削、攻丝等的多功能钻床。
20世纪70年代初，钻床还是普遍采用普通继电器控制的。如70年代-80年代进入中国的美国ELDORADO公司的MEGA50，日本神崎高级精工制作所的DEG型，德国TBT公司的T30-3-250等。
80年代后期数控技术逐渐开始在深孔钻床上应用，特别是90年代以后这种先进的技术才迅速推广。如TBT公司90年代初上市的ML系列深孔钻床，进给系统由机械无级变速器改为采用交流伺服电机驱动的滚珠丝杠副，进给用滑台导轨也改为采用滚动直线导轨。钻杆箱传动为了保证高速旋转、精度平稳，由交换皮带轮及皮带，和双速电机驱动的有级传动变为无级调速的变频电机到电主轴驱动，为钻削小孔深孔和提高深孔钻床的水平质量提供了有利条件[5-8]。
长期以在我国的机械制造业中钻床加工的工作量在总的制造工作量中占有很大的比重。制造业中孔类加工多数由传统钻床来完成。单头钻床是机械行业最通用的设备，主要用于工件上孔的加工。但是传统的单孔钻床在大批量生产时存在许多的不足之处。由于单头钻床只有一根主轴，因此，一次只能加工一个孔。如果要加工多孔的工件， 只有通过移动夹具多次对刀来实现，工人的劳动强度大,生产效率低，很难进行大批量的生产，而且孔的位置精度较低。随着工业的发展，对产品质量、加工效率、加工零件方式多样性以及工艺发展的要求的不断提升，生产效率低、操作工人劳动强度大、加工精度较低的传统单头钻床已不适用于大批量的产品生产。随着中国经济的快速发展，进入21世纪，我国机床制造业既面临着提升机械制造业水平的需求而引发的制作装备发展的良机，也遭遇到加入WTO后市场激烈的竞争压力。随着工业的发展，产品质量和加工效率的不断提升，数控机床的大量应用也日趋广泛。但将数控机床作为加工孔的专用设备与多轴钻床相比，投入资金就有点得不偿失了。单孔摇臂钻床作为加工孔的通用机床，生产效率低、操作工劳动强度大，已不适用于大批量的成线生产。于是，多轴钻床加工成为一种提高生产率的有效措施。而多轴加工逐渐成为一种新的加工趋势。
多轴钻床俗称多轴器、多孔钻或多轴钻孔器。是一种运用于机械领域钻孔、攻牙的机床设备。可以两轴或两轴以上同时钻孔或攻牙，故称多轴钻床。一台普通的多轴钻床一次能把几个乃至十几个孔或螺纹同时加工出来。如果配上液压或气压装置，可以方便的自动进行快进、工进（工退）、快退、停止等动作，加工效率更高。多轴钻床也称群钻床，一般型号的可以同时钻2-16个孔，而且很多机种都没有轴数限制，钻头主轴形式、尺寸大小也可以依客户之需进行设计加工[9-13]。
如今多轴钻床在生产中的应用已经十分广泛，主要用于工件上多孔的加工。由于普通单轴钻床只有一根主轴， 一次只能加工一个孔，如果要加工多孔的工件，只有通过移动夹具并多次对刀来实现，不仅工人的劳动强度大，而且孔的位置精度低。而多轴钻床不仅效率高，在加工成角度的孔时，角度精确，再与数控相结合更可以保证距离精度[4]。多轴钻床广泛应用于机械行业多孔零部件的钻孔及攻丝加工。如汽车、摩托车多孔零部件、发动机箱体、铝铸件壳体、制动鼓、刹车盘、转向器、轮毂、差速壳、轴头、半轴、车桥等，泵类、阀类、液压元件、太阳能配件等等。多轴加工生产效率高，投资少，生产准备周期短，产品改型时设备损失少。而且随着我国数控技术的发展，多轴加工的范围变的愈来愈广，加工效率也在不断提高。
多轴钻床大体分为两种类型：可调式和固定式。
可调式：适合加工多样不定性孔件，使用范围较广。缺点是精度方面控制有所欠缺，长期使用跑位率相比略高。适合单件加工量不大，长年更换加工件的企业。
固定式：适合加工单种大批量的工件，缺点是加工范围小，只能加工多孔之间位置固定的工件。适合大批量加工的工件。
本次设计主要研究可调立式双轴钻床，也可以称为可调立式双头钻床，有两个主轴配两把钻头，同时加工同一零件上的两个孔。若要用一台电动机实现两个钻头的同时转动，需要在设计时着重注意传动系统与减速系统的设计。
1.2 本课题解决的问题和设计时主要的工作
单头钻床是机械行业最通用的设备，主要用于工件上孔的加工。但是传统的单孔钻床在大批量生产时存在许多的不足之处。由于单头钻床只有一根主轴，因此，一次只能加工一个孔。如果要加工多孔的工件， 只有通过移动夹具多次对刀来实现，工人的劳动强度大,生产效率低，很难进行大批量的生产，而且孔的位置精度较低。随着工业的发展，对产品质量、加工效率、加工零件方式多样性以及工艺发展的要求的不断提升，生产效率低、操作工人劳动强度大、加工精度较低的传统单头钻床已不适用于大批量的产品生产，而多轴加工逐渐成为一种新的加工趋势。
本课题就设计了这么一种双头钻床，这种钻床价格相对低廉，体积小、重量轻、操作方便、可靠性高，且可以同时钻两孔的工作方式大大提高了工作效率，减轻了工作量，提高了工作效率和加工精度。
本课题的主要工作包括以下几个方面：
1. 广泛查阅国内外关于多轴钻床的研究资料，阐述了课题的研究意义，在综述了国内外研究资料和研究目的之后，给出了本文研究的主要内容。
2. 深入研究双头钻床的设计原理，提出多种双头钻床的总体设计方案，进行各功能的求解，通过分析各个方案的优缺点，确定了最优方案。
3.设计双头钻床的整体结构。
4.对钻床整体及各个零件进行尺寸设计并进行校核，合理调整各零件的相对位置，并绘制钻床的装配图和主要零件的零件图。
2 双头钻床结构设计的总体方案
2.1钻床总体结构
可调式立式双头钻床主要由床身、工作台、钻头、主传动系统、电机等部分组成。可调式立式双头钻床的设计需要完成以下几个步骤：
1.可调式双头钻头的结构设计：
通过齿轮间的位置转动实现两钻头间距离的可调性。
2.传动系统变速箱的设计：
双轴钻床的主运动为旋转，由主电动机驱动，动力通过皮带轮传递给主轴箱,主轴箱是双轴钻床的主要驱动装置。主运动（旋转）及进给运动同时进行。主轴箱驱动轴的运转由主电机经过交换齿轮来驱动。
3.传动系统驱动电机的选型;
通过将加工工件时所需的转矩折算到电机主轴上，通过电机主轴上的转矩和电机转速算出功率，然后进行电机的筛选。
4.钻头轴向进给系统的设计：
采用滚珠丝杠轴向进给。
5.工作台的横向、纵向的进给系统的设计：
工作台横向、纵向进给：采用滚珠丝杠进给。
本设计根据可调钻头实现可调功能的原理不同可有两种可调式钻孔头的结构设计方案。
<方案一>：通过可伸缩式万向联轴器调节
本结构用齿轮箱配合万向节头所组成，由于万向节头是可活动轴件，股在限定范围内可左右移动。
万向联轴器的共同特点是角向补偿量较大，不同结构型式万向联轴器两轴线夹角不相同，一般≤5°-45°之间。万向联轴器利用其机构的特点，使两轴不在同一轴线，存在轴线夹角的情况下能实现所联接的两轴连续回转，并可靠地传递转矩和运动。万向联轴器最大的特点是具有较大的角向补偿能力，结构紧凑，传动效率高。
图2.1 可伸缩焊接方式万向联轴器
工作原理：多轴钻床的实现主要是由于有多轴器的存在才得以实现的。主轴旋转带到多轴器中的其他轴转动。多轴器结构由齿轮箱配合万向节头所组成，由于万向节是可活动轴件，故在限定范围内可左右移动。在调整加多轴头箱内有一个主动轮和多个从动轮，主动轮与电机联结，将动力传给多个从动轮，从动轮再驱动钻头对工件进行加工。多轴钻床广泛应用于机械行业多孔零部件的钻孔及攻丝加工。
优点：在调整加工孔距时不受齿轮所限制，适合加工不定性孔件，使用范围较广可调式多轴钻床在其加工范围内，其主轴的数量、主轴间的距离，相对可以任意调整，一次进给同时加工数 孔。在其配合液压机床工作时，可自动进行快进、工进（工退）、快退、停止同单轴钻（攻丝）比较，工件加工精度高、工效快，可有效的节约投资方的人力、物力、财力。尤其机床的自动化大大减轻操作者的劳动强度 。
缺点：精度方面控制有所欠缺，长期使用跑位率相比略高。适合单件加工量不大，长年更换加工件的企业。
<方案二>：通过齿轮调节
该多轴钻孔头是根据太阳系中太阳、行星及卫星的运动规律设计的，即：行星绕太阳转动，卫星绕行星转动，利用这个运动规律，还可实现钻孔轴相对位置的调整。
此可调式双头钻床原理如图：
图2.2 可调式两轴钻孔动力头结构调整图
此次设计主要目的在于改造单头钻床为可调式多头钻床。使其可以在较大的范围和多个工位上同时加工两个孔，很大程度上扩大了钻床加工范围，提高了机床适用性，并保证两孔的相对位置精度。钻头可加工的范围为：Lmin-Lmax之间的圆环范围，并可通过调整钻头的位置在一个圆上进行等分圆的加工。
可调式钻孔头的结构设计：
以可调式两轴钻孔头为例进行说明，图2.3所示可调式两轴钻孔头的结构图，钻孔头通过连接体1 与钻床主轴的不回转部分连接，连接体1 是一个开口套，用螺钉锁紧在主轴上；太阳齿轮3通过锥孔套在主轴回转部分的锥体上，靠摩擦传递扭矩。通过行星齿轮6，太阳齿轮把动力传给钻孔主轴17，行星齿轮6 在这里是惰轮（过桥齿轮），在调整时它只能和整个钻孔头一起绕太阳齿轮公转。主轴端部靠弹簧卡头21，夹紧钻头。为了使该钻头结构尽量紧凑，我们尽量选用小尺寸齿轮，卫星齿轮8 与钻孔主轴17靠过盈配合传递扭矩，所采用的轴承均为无内外圈滚针轴承。调整时，行星齿轮轴14，距离调整块13可带动卫星齿轮8，滚针轴承9、18，隔离块10，衬套15，止推轴承16，钻孔主轴17，紧定螺钉19，钻孔主轴套20 及弹簧卡头21 等绕行星轮轴14 自由转动，调整角度α。松开连接体1 的锁紧螺钉，整个钻孔头可以绕太阳齿轮3，自由转动，调整回补转角θ。
图2.3 可调式两轴钻孔头结构图
1.连接体 2.钻床主轴 3.太阳齿轮 4、9、18.滚针轴承 5.隔套 6.行星齿轮 7.隔垫 8.卫星齿轮 10.隔离块 11.壳体 12.前端法兰 13.距离调整块 14.行星齿轮轴 15.衬套 16.止推轴承 17.钻 孔主轴 19.紧定螺钉 20.钻孔主轴套 21.弹簧卡头
优点：该系列钻孔头，结构紧凑，调整方便，使用可靠，加工效率高，可以在中小批量生产中推广使用。
缺点：由于钻孔主轴相对位置固定，大大限制了调整钻孔主轴位置的灵活性，使得该系列钻孔头，在同时加工3个或4个孔时，孔分布比较规则时，可以比较方便地调整钻孔位置，而且不会使钻床主轴的受力情况恶化；但当孔分布不规则时，调整比较麻烦，多数情况，根本调不出来，即使可以调整到位，加工时也会使钻床主轴受力恶化。
选用该系列钻孔头时，要考虑钻床的最大加工能力和待加工孔大小相匹配[12]。
<方案三>：通过滑块机构调节
图2.4中：1为电动机, 用快卸夹具( 图中未画) 夹在钢轨上; 经二级带传动( Ⅰ- Ⅱ, Ⅱ- Ⅲ) 和一级链传动( Ⅲ- Ⅳ) 将动力传至钻机上的Ⅳ轴, 再经一级齿轮( Ⅳ-Ⅴ) 传至钻头主轴Ⅴ, 手轮控制钻头进给。旋紧螺栓4 可将钻机夹紧在钢轨上, 拆卸时利用四杆快卸机构(图中未画) 只需几秒钟即可使钻机整体脱离钢轨。钻机的移动部分5 可在导轨7 上左右移动，移动到孔位时有定位装置保证定位精度, 再用锁紧螺栓6 锁紧。
图2.4 通过曲柄滑块实现钻头可调原理图
优点：结构原理简单，易于实现，采用三点铰接的两根可调杆件作为传动机架, 使钻机与动源可分别装夹, 解决了钻头主轴与动力源相对移动、降速、隔振、传动副中心距可调等一系列问题。装夹方便, 拆卸迅速，操作方便，实用可靠。
缺点：传动效率低，占用空间多[17]。
综上，经过比较后选定方案二为设计方案
图3.1 双头钻头装配图
3.1 预选加工材料，加工直径
查表3-10[1]得，钢
选用单个钻头直径d=12(mm)，设定钻头转速960(r/min)
查表3-11[1]在d=12(mm)时，取
3.2 计算高速钢麻花钻轴向切削力及扭矩
3.2.1 计算单个钻头轴向切削力
查表3-10[1]得，轴向切削力公式
（3.1）
查表3-10[1]得，加工钢（
）时：
(1) 当钻头未磨损时
(2) 当钻头未磨损时
3.2.2 计算单个钻头扭矩
查表3-10[1]得
扭矩公式
（3.2）
查表3-10[1]得
（1）钻头未磨损
（2）钻头磨钝后
图3.2 双头钻头及传动系统中各齿轮和轴所受转矩简图
