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本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2007
目 錄
1 前 言 1
2 總體設(shè)計(jì) 3
2.1工藝方案的擬訂 3
2.2 切削用量的確定 3
2.3計(jì)算切削力、切削扭矩及切削功率 4
2.3“三圖一卡”的設(shè)計(jì) 6
2.3.1被加工零件工序圖 6
2.3.2 加工示意圖 8
2.3.3 機(jī)床聯(lián)系尺寸圖 9
2.3.4 機(jī)床生產(chǎn)率計(jì)算卡 9
3 專用鏜削頭設(shè)計(jì) 13
3.1鏜刀的選用 13
3.2 軸的設(shè)計(jì) 13
3.2.1軸的結(jié)構(gòu)工藝 13
3.2.2主軸的選用 14
3.2.3 主軸的強(qiáng)度校核計(jì)算 17
3.3主軸密封裝置的選用 18
3.4 軸端連接方式 19
3.5 主軸支承軸承的選用 20
3.5.1主軸支承軸承選用 20
3.5.2 主軸軸承的壽命計(jì)算 21
4 設(shè)計(jì)小結(jié) 24
參 考 文 獻(xiàn) 25
致 謝 26
附 錄 27
1 前 言
在機(jī)械制造中，對單件或小批量生產(chǎn)的工件，許多工廠采用通用機(jī)床加工。由于通用機(jī)床要適應(yīng)被加工零件形狀和尺寸的要求，故機(jī)床結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜。不僅如此，在實(shí)際加工中，由于只能單人單機(jī)操作，一道一道工序地完成，所以工人的勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)率低，工件的加工質(zhì)量也不穩(wěn)定。
針對以上的問題，組合機(jī)床便出現(xiàn)并逐步發(fā)展起來。組合機(jī)床是根據(jù)加工需要，以大量通用部件為基礎(chǔ)，配以少量專用部件組成一種高效組合機(jī)床。組合機(jī)床一般采用多軸、多刀、多工序、多面或多工位同時加工的方法，生產(chǎn)效率比通用機(jī)床高幾倍至幾十倍。
組合機(jī)床一般用于加工箱體類或特殊形式的零件。加工時，工件一般不旋轉(zhuǎn)，由刀具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和刀具與工件的相對進(jìn)給運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)各種加工。組合機(jī)床的設(shè)計(jì)，目前基本上有兩種方式：第一，是根據(jù)具體加工對象的特征進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，這是當(dāng)前最普遍也是最實(shí)用的做法。第二，隨著組合機(jī)床在我國機(jī)械行業(yè)的廣泛使用，廣大工人和技術(shù)人員總結(jié)出生產(chǎn)和使用組合機(jī)床的經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)組合機(jī)床不僅在其組成部件方面有共性，可設(shè)計(jì)成通用部件，而且一些行業(yè)在完成一定工藝范圍內(nèi)的組合機(jī)床是極其相似的，有可能設(shè)計(jì)成通用部件，這種機(jī)床稱為“專用組合機(jī)床”。這種組合機(jī)床不需要每次按具體對象進(jìn)行專門設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，而是設(shè)計(jì)成通用品種，組織成批量生產(chǎn)，然后按被加工零件的具體需要，配以簡單的夾具和刀具，即可組成加工一定對象的高效率設(shè)備。
該課題是粗鏜連桿大頭孔專用鏜床總體及鏜削頭設(shè)計(jì)。該課題來源于高精公司。在進(jìn)行組合機(jī)床的鏜削頭設(shè)計(jì)時，首先需要對被加工零件的分布情況及所要達(dá)到的要求進(jìn)行分析，如各加工部件尺寸、材料、形狀、硬度及加工精度和表面粗糙度等內(nèi)容。然后還要深入基層進(jìn)行實(shí)地觀察，弄清鏜削頭的工作原理，體會組合機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)。接下來是總體方案的設(shè)計(jì)，總體方案設(shè)計(jì)的具體工作是編制“三圖一卡”，即繪制被加工零件工序圖，加工的示意圖，機(jī)床聯(lián)系尺寸圖，編制生產(chǎn)率計(jì)算卡；設(shè)計(jì)出的鏜床要在確保加工效率和精度的情況下大批量的生產(chǎn)。最后，就是部件設(shè)計(jì)。部件設(shè)計(jì)就是根據(jù)總體設(shè)計(jì)已經(jīng)確定的“三圖一卡”，設(shè)計(jì)夾具、鏜削頭等專用部件正式總圖；設(shè)計(jì)并繪制各個專用部件的圖樣，編制各零件的明細(xì)表。按要求設(shè)計(jì)出的鏜床要在確保加工效率和精度的情況下大批量的生產(chǎn)。
設(shè)計(jì)的整個過程是艱辛的，在設(shè)計(jì)過程中必須要考慮到方方面面的問題。由于所學(xué)知識有限，因此在設(shè)計(jì)過程中查閱了大量的相關(guān)資料，以補(bǔ)充自己的不足之處。
首先，要有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。整個設(shè)計(jì)，僅靠一些參考資料是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此，在設(shè)計(jì)工作開始前，特地到江淮動力股份有限公司、鹽城市恒力集團(tuán)、高精機(jī)電裝備有限公司等進(jìn)行了實(shí)地的參觀考察，積累了一些寶貴經(jīng)驗(yàn)。其次，運(yùn)用四年來所學(xué)的專業(yè)知識，針對現(xiàn)實(shí)中遇到的實(shí)際情況，做到舉一反三，觸類旁通。整個設(shè)計(jì)過程不僅涉及到以前所學(xué)的知識，而且還設(shè)計(jì)到新的理念，所以我在設(shè)計(jì)過程中一邊溫習(xí)以前所學(xué)的知識，一邊學(xué)習(xí)新的知識，這樣拓寬了我的視眼。
第三，通過自身的努力，結(jié)合理論和實(shí)際，從合理性、經(jīng)濟(jì)性、工藝性、實(shí)用性及其對被加工零件的具體要求對現(xiàn)有機(jī)床進(jìn)行研究分析，找出可以進(jìn)行改進(jìn)的地方，通過相互對比，確定一個新的，周全的設(shè)計(jì)方案。在邢青松老師的悉心指導(dǎo)下，在同課題組三位同學(xué)相互討論學(xué)習(xí)和幫助下，經(jīng)過三個多月的艱辛勞動，終于完成了這一設(shè)計(jì)課題。
2 總體設(shè)計(jì)
2.1工藝方案的擬訂
工藝方案的擬訂是組合機(jī)床設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一步。因?yàn)楣に嚪桨冈诤艽蟪潭壬辖鉀Q了組合機(jī)床的結(jié)構(gòu)配置和使用性能。因此，應(yīng)根據(jù)工件的加工要求和特點(diǎn)，按一定的原則、結(jié)合組合機(jī)床常用工藝方法、充分考慮各種影響因素，并經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析后擬訂出先進(jìn)、合理、經(jīng)濟(jì)、可靠的工藝方案。
確定組合機(jī)床工藝方案的基本原則：
a).粗精加工分開原則
粗加工時的切削負(fù)荷較大，切削產(chǎn)生的熱變形、切削力引起的工件變形以及切削振動等，對加工十分不利，影響加工尺寸精度和表面粗糙度。因此，在擬定工件一個連續(xù)的多工序過程時，應(yīng)選擇粗精加工分開的原則。
b).工序集中原則
適當(dāng)考慮相同類型工序的集中，在條件允許時，把相同的工序集中在一臺機(jī)床或同一工位上進(jìn)行加工能簡化循環(huán)和結(jié)構(gòu)；有相對位置要求的工序應(yīng)集中加工，對于相互間有嚴(yán)格的位置精度的孔的精加工應(yīng)集中在一臺機(jī)床上一次安裝下完成，并且孔的粗精加工最好集中在一臺機(jī)床上完成，這樣可以使精加工余量分布均勻，更利于保證加工精度。
2.2 切削用量的確定
在組合機(jī)床工藝方案確定過程中，工藝方法和關(guān)鍵工藝的切削用量選擇十分重要。切削用量選擇是否合理，對組合機(jī)床的加工精度、生產(chǎn)率、刀具耐用度、機(jī)床的結(jié)構(gòu)型式及工作可靠性均有較大的影響。
進(jìn)給量按復(fù)合刀具中最小直徑的單個刀具選擇。在選擇進(jìn)給量時，除了考慮被加工工件要求的表面粗糙度外，還應(yīng)考慮直徑最小或切削深度最大的那把單個刀具的強(qiáng)度。切削速度按復(fù)合刀具中最大直徑的單個刀具選擇?？砂吹毒哳A(yù)定的耐用度選取或計(jì)算。切削用量的選擇要保證最高精度孔或外圓的精度以及表面粗糙度的要求，并考慮各單個刀具的特點(diǎn)。
合理地選擇切削用量，即確定合理的切削速度和工作進(jìn)給量，能使組合機(jī)床以最少的停車損失，最高的生產(chǎn)效率，最長的刀具壽命和最好的加工質(zhì)量也就是多、快、好、省地進(jìn)行生產(chǎn)。
查文獻(xiàn)資料[1]第35頁得：
表2-1孔加工常用工序間余量
加工工序
加工孔徑
直徑上工序間余量
鉸孔
10-20
0.10-0.20
半精鏜
10-20
0.07-0.12
精鏜
30-130
0.25-0.40
本工序?yàn)椋捍昼M連桿大頭孔（）
采用硬質(zhì)合金刀具, 。
切削速度的確定：
根據(jù)以上的查表，選擇， 由公式
(2-1)
Vc：為切削速度，單位m/min。
得：
2.3計(jì)算切削力、切削扭矩及切削功率
根據(jù)選定的切削用量（主要指切削速度及進(jìn)給量），確定進(jìn)給力，作為選擇動力滑臺及設(shè)計(jì)夾具的依據(jù)；確定切削轉(zhuǎn)矩，用以確定主軸及其傳動部件的尺寸；確定切削功率，用作選擇主傳動電機(jī)（指動力箱電機(jī)）功率。
根據(jù)[1]表6-20組合機(jī)床切削用量計(jì)算圖中推薦的切削力、轉(zhuǎn)矩及功P(KW)率公式查出采用硬質(zhì)合金刀具鏜孔的切削力、切削轉(zhuǎn)矩T(N/mm)和功率（缸體材料為灰鑄鐵）的計(jì)算公式如下：
切削力 （2-2）
（2-3）
轉(zhuǎn)矩 （2-4）
功率 （2-5）
公式中：—切削速度（）；—進(jìn)給量（）； —切削深度（）；
—加工直徑（）；—圓周力（N）；—軸向切削力（N）；
—布氏硬度：； （2-6）
在本設(shè)計(jì)中，，，代入公式（2-6）得
D=φ60， 所以取
4
根據(jù)此轉(zhuǎn)速及主電機(jī)功率可以選取1NGb25A-ITB 傳動裝置。
A.工作進(jìn)給長度LI的確定
工作進(jìn)給長度LI應(yīng)等于加工部位長度L（多軸加工時應(yīng)按最長孔計(jì)算）與刀具切入長度L1和切出長度L2之和。
（2-7）
切入長度一般為5～10mm，根據(jù)工件端面的誤差情況確定。
根據(jù)文獻(xiàn)資料[1]切出長度由表1-2查得，如下表所示
表2-2 切出長度L2的確定
工序名稱
鉸孔
鏜孔
切出長度
10～15
5～10
排氣孔的工進(jìn)長度的確定：本設(shè)計(jì)中鏜孔切入長度L1取5mm，切出長度為7mm，所以；
B.快速引進(jìn)長度的確定
快速引進(jìn)是指動力部件把刀具送到工作進(jìn)給位置，其長度按具體情況確定。本設(shè)計(jì)快速引進(jìn)長度為253mm。
C.快速退回長度的確定
快速退回的長度等于快速引進(jìn)和工作進(jìn)給長度之和。由已確定的快速引 進(jìn)和工作進(jìn)給長度可知，快速退回長度分別為300mm。
D.動力部件總行程的確定
動力部件的總行程除了滿足工作循環(huán)向前和向后所需的行程外，還要考慮因刀具磨損（即前備量）和刀具裝卸以及刀具從接桿連同刀具一起從主軸中取出時，動力部件需后退的距離（刀具退離夾具導(dǎo)套外端面的距離應(yīng)大于接桿接入主軸孔或刀具接入接桿孔內(nèi)的長度即后備量）。因此，動力部件的總行程為快退行程與前后備量之和。
本設(shè)計(jì)中采用兩機(jī)械滑臺的前備量取40mm，后備量取60mm。即總行程：
（2-8）
圖2-1動力部件切削循環(huán)行程
2.3“三圖一卡”的設(shè)計(jì)
繪制組合機(jī)床“三圖一卡”，就是針對具體零件，在選定的工藝和結(jié)構(gòu)方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)行組合機(jī)床總體方案圖樣文件設(shè)計(jì)。其內(nèi)容包括：繪制被加工零件工序圖、加工示意圖、機(jī)床聯(lián)系尺寸總圖和編制生產(chǎn)率計(jì)算卡。
2.3.1被加工零件工序圖
被加工零件工序圖是根據(jù)制定的工藝方案，表示所設(shè)計(jì)的組合機(jī)床(或自動線)上完成的工藝內(nèi)容,加工部位的尺寸精度，表面粗糙度及技術(shù)要求，加工用的定位基準(zhǔn),夾壓部件以及被加工零件的材料，硬度和本機(jī)床的前加工余量,毛坯或半成品情況的圖樣。除了設(shè)計(jì)研制合同外，它是組合機(jī)床設(shè)計(jì)的具體依據(jù)，也是制造、使用,調(diào)整和檢驗(yàn)機(jī)床精度的重要文件，是在被加工零件圖基礎(chǔ)上，突出本機(jī)床的加工內(nèi)容，并作必要的說明而繪制的。
被加工零件工序圖主要內(nèi)容包括：
a) 被加工零件的形狀和主要輪廓尺寸以及與本工序機(jī)床設(shè)計(jì)有關(guān)部位結(jié)構(gòu)形狀和尺寸。
b) 本工序所選用的定位基準(zhǔn)、夾壓部位及夾緊方向。
c) 本工序加工表面尺寸、精度、表面粗糙度、形位公差等技術(shù)要求以及對上道工序的技術(shù)要求。
d) 注明被加工零件的名稱、編號、材料、硬度以及加工部位的余量。
被加工工序圖如圖所示：
圖2-2被加工零件工序圖
繪制被加工零件工序圖的規(guī)定及注意事項(xiàng)：
A. 繪制被加工零件工序圖應(yīng)按一定的比例，繪制足夠的視圖以及剖面；本工序加工部位用粗實(shí)線表示；定位用定位基準(zhǔn)符號表示，并用下標(biāo)數(shù)表明消除自由度符號；夾緊用夾緊符號表示；輔助支撐用支撐符號表示。
B.繪制被加工零件圖應(yīng)注意事項(xiàng)：
a．本工序加工部位的位置尺寸應(yīng)與定位基準(zhǔn)直接發(fā)生關(guān)系。
b．對工件毛坯應(yīng)有要求，對孔的加工余量要認(rèn)真分析。
c．當(dāng)本工序有特殊要求時必須注明。被加工零件工序圖如圖2-2所示。
名稱及編號:連桿YSD90Q 04201-4
材料及硬度: 42CrMo 223-280HBS
圖中符號：
—夾緊方向 —定位基準(zhǔn)
2.3.2 加工示意圖
圖2-3被加工零件示意圖
加工示意圖是在工藝方案和機(jī)床總體方案初步確定的基礎(chǔ)上繪制的。是表示表達(dá)工藝方案具體內(nèi)容的機(jī)床工藝方案圖。它是設(shè)計(jì)刀具、輔具、夾具、多軸箱和液壓、電氣系統(tǒng)以及選擇動力部件、繪制機(jī)床總聯(lián)系尺寸圖的主要依據(jù)；是對機(jī)床總體布局和性能的原始要求；也是調(diào)整機(jī)床和刀具所必需的重要技術(shù)文件。
加工示意圖應(yīng)表達(dá)和標(biāo)注的內(nèi)容有：機(jī)床的加工方法，切削用量。工作循環(huán)和工作行程；工件、刀具及向?qū)?、托架及多軸箱之間的相對位置及其聯(lián)系尺寸；主軸結(jié)構(gòu)類型、尺寸及外伸長度；刀具類型、數(shù)量和結(jié)構(gòu)尺寸（直徑和長度）；接桿（包括鏜桿）、浮動卡頭、導(dǎo)向裝置、攻螺紋靠模裝置等結(jié)構(gòu)尺寸；刀具、導(dǎo)向套間的配合，大局、連桿、主軸之間的連接方式及配合尺寸等。如上圖的機(jī)床加工示意圖。
加工示意圖應(yīng)繪制成展開圖。按比例用細(xì)實(shí)線畫出工件外形。加工部位、加工表面畫粗實(shí)線。必需使工件和加工方位與機(jī)床布局相吻合。為簡化設(shè)計(jì)，同一多軸箱上結(jié)構(gòu)于尺寸完全相同的主軸（即加工表面，所用刀具及導(dǎo)向、主軸及連桿等規(guī)格尺寸、精度完全相同時）只畫一根，但必須在主軸上標(biāo)注于工件孔號相對應(yīng)的軸號。一般主軸的分布不受真實(shí)距離的限制。當(dāng)主軸彼此間很近或需設(shè)置結(jié)構(gòu)尺寸較大的導(dǎo)向裝置時，必須以實(shí)際中心距嚴(yán)格按比例畫，以便檢查相鄰主軸、刀具、輔具、導(dǎo)向等是否相互干涉。主軸應(yīng)從多軸箱端面畫起；刀具畫加工終了位置（攻螺紋應(yīng)畫在加工開始位置）。對采用浮動卡頭的鏜孔刀桿，為避免刀桿退出導(dǎo)向后下垂，應(yīng)選用托架支撐退出的刀桿。這時必須畫出托架并標(biāo)出聯(lián)系尺寸。采用標(biāo)準(zhǔn)通用結(jié)構(gòu)（刀具、接桿、浮動卡頭、攻螺紋靠模及絲錐卡頭、通用多軸箱外伸出部分等）只畫外輪廓，但須加注規(guī)格代號；對一些專用結(jié)構(gòu)，如專用的刀具、導(dǎo)向、刀桿托架、專用接桿或浮動卡頭等，必須用剖視圖表示其結(jié)構(gòu)，并標(biāo)注尺寸、配合精度。
2.3.3 機(jī)床聯(lián)系尺寸圖
機(jī)床聯(lián)系尺寸圖是以被加工零件工序圖和加工示意圖為依據(jù)，并按初步選定的主要通用部件以及確定的專用部件的總體結(jié)構(gòu)而繪制的。它是用來表示機(jī)床的配置型式和布局，用以檢驗(yàn)各主要部件相對位置聯(lián)系尺寸能否滿足加工要求和通用部件選擇是否合適；它為多軸箱、夾具等專用部件設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)；它可以看成是機(jī)床總體外觀簡圖。
機(jī)床聯(lián)系尺寸圖表示的內(nèi)容：
a）表明機(jī)床的配置型式和總布局。
b）完整齊全地反映各部件間的主要裝配關(guān)系和聯(lián)系尺寸、專用部件的主要輪廓尺寸、運(yùn)動部件的運(yùn)動極限位置及各滑臺工作循環(huán)總的工作行程和前后行程備量尺寸。
c）標(biāo)注主要通用部件的規(guī)格代號和電動機(jī)的型號、功率及轉(zhuǎn)速，并標(biāo)注機(jī)床分組編號及組件名稱。
d）標(biāo)明機(jī)床驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)及安裝規(guī)程。
圖2-4機(jī)床聯(lián)系尺寸圖
2.3.4 機(jī)床生產(chǎn)率計(jì)算卡
生產(chǎn)率計(jì)算卡是反映機(jī)床生產(chǎn)節(jié)拍或?qū)嶋H生產(chǎn)率和切削量、動作時間、生產(chǎn)綱領(lǐng)及負(fù)荷率等關(guān)系的技術(shù)文件。它是用戶驗(yàn)收機(jī)床生產(chǎn)效率的重要依據(jù)。
a) 理想生產(chǎn)率Q
理想生產(chǎn)率Q是指完成年生產(chǎn)綱領(lǐng)A所要求的機(jī)床生產(chǎn)率。它與全年工時總數(shù)有關(guān)。根據(jù)文獻(xiàn)資料[1]第51頁得：
（2-9）
公式中：A—年生產(chǎn)綱領(lǐng)（件），本課題中為280000件；
—全年工時總數(shù)，本課題以單班制計(jì)算，
則
b) 實(shí)際生產(chǎn)率
實(shí)際生產(chǎn)率是指所設(shè)計(jì)的機(jī)床每小時實(shí)際可生產(chǎn)的零件數(shù)量。
即公式：
（2-10） （2-11）
本設(shè)計(jì)中，，，，，，，
則=7.5+2.53+28.2+3+7.5=48.73s =24.4s
因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)是雙刀2個工件同時加工
則
式中：
L1、L2——分別為刀具第Ⅰ、第Ⅱ工作進(jìn)給長度，單位為mm；
Vf1 、Vf2——分別為刀具第Ⅰ、第Ⅱ工作進(jìn)給量，單位為mm/min；
——當(dāng)加工沉孔、止口、倒角、光整表面時，滑臺在死擋鐵上的停留時間，通常指刀具在加工終了時無進(jìn)給狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)5～10轉(zhuǎn)所需的時間，單位為min；
——分別為動力部件快進(jìn)、快退行程長度，單位為mm；
Vfk——動力部件快速行程長度用機(jī)械動力部件時取5～6m/min；用液壓動力部件時取3～10m/min；
—直線移動或回轉(zhuǎn)工作臺進(jìn)行一次工位轉(zhuǎn)換時間，一般取0.1min；
——工件裝、卸（包括定位或撤消定位、夾緊或松開、清理基面或切屑及吊運(yùn)工件等）時間它取決于裝卸自動化程度、工件重量大小、裝卸是否方便及工人的熟練程度。通常取0.5～1.5min。
c) 機(jī)床負(fù)荷率
機(jī)床負(fù)荷率為理想生產(chǎn)率與實(shí)際生產(chǎn)率之比。即文獻(xiàn)資料[1] P52 公式
(2-12)
則 =119.15/147.5=0.808=80.8%
當(dāng)Q1>Q時，機(jī)床負(fù)荷率為二者之比。組合機(jī)床負(fù)荷率一般為0.75～0.90，自動線負(fù)荷率為0.6-0.7。對于精密度較高、自動化程度高或多品種組合機(jī)床，宜適當(dāng)降低負(fù)荷率。本機(jī)床負(fù)荷率適中。機(jī)床負(fù)荷率為理想生產(chǎn)率與實(shí)際生產(chǎn)率之比。
組合機(jī)床生產(chǎn)率計(jì)算卡如表3-1所示。
表2-3生產(chǎn)率計(jì)算卡
被加工零件
圖號
YSD490Q
毛坯種類
鑄件
名稱
連桿
毛坯重量
材料
42CrMo
硬度
223-280HB
工序名稱
粗鏜連桿大頭孔
工序號
序號
工步
名稱
被加工零件數(shù)量
加工直徑(mm)
加工長度(mm)
工作行程(mm)
切削速度(mm/min)
每分鐘轉(zhuǎn)速(r/min)
進(jìn)給量(mm/r)
進(jìn)給速度(mm/min)
工時(min)
1
安裝工件及夾緊工件
2
7.5
2
HJ59B機(jī)械滑臺快進(jìn)至工位1TA25鏜削頭啟動
253
6000
2.53
2.53
3
HJ50B機(jī)械滑臺工進(jìn)
47
100
28.2
28.2
4
HJ50B機(jī)械滑臺快退至原位1TA25鏜削頭停止
300
6000
3
3
5
卸工件
7.5
備注
裝卸工作時間取決于操作者熟練程度,本機(jī)床裝卸時間為15秒。
總計(jì)
48.73秒
單件工時
24.4秒
機(jī)床生產(chǎn)率
147.54件/h
機(jī)床負(fù)荷率
82.51%
3 專用鏜削頭設(shè)計(jì)
鏜削頭是組合機(jī)床通用的部件，其以良好的性能廣泛用于組合機(jī)床及自動線。鏜削頭可與同規(guī)格的機(jī)械或液壓滑臺配套使用，組成立式或臥式組合機(jī)床，具有靈活配置的特點(diǎn)：主要配置成頂置式，也可配置成尾置和側(cè)置式，有高、低兩組轉(zhuǎn)速，通過交換齒輪或皮帶輪變速。配置齒輪傳動裝置的鏜削頭適用于各種材料工件的粗、精鏜孔；配置皮帶傳動裝置的鏜削頭適用于各種材料工件的半精、精加工。為了保證粗鏜連桿大頭孔的尺寸精度和位置精度要求，而一般鏜削頭不能滿足要求，故需要設(shè)計(jì)一臺用專用鏜削頭的組合機(jī)床。
3.1鏜刀的選用
本課程是設(shè)計(jì)一臺雙面臥式專用鏜床，由于普通的鏜削頭不能很好地滿足加工的要求，故設(shè)計(jì)一臺專用的鏜削頭。根據(jù)設(shè)計(jì)要求要鏜的孔，根據(jù)[2]第86頁對鏜刀進(jìn)行加工具有以下特點(diǎn)：
a.刀具幾何參數(shù)和切削性能穩(wěn)定，定位精度和重復(fù)精度較高，保證刀尖位置變化在工件精度允范圍內(nèi)以及加工精度的一致性。
b.刀桿轉(zhuǎn)位方便、快捷，并可反復(fù)使用，使用壽命長，可減少庫存量，簡化刀具管理。
c．可轉(zhuǎn)位車刀片選用 刀片，可保證切削過程中自動卷屑及曲線加工的平穩(wěn)性，且易于實(shí)現(xiàn)刀具標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，適合自動化生產(chǎn)中的切削。
刀具設(shè)計(jì)考慮的問題：
a. 選用刀具的類型；
b. 刀具材料；
c. 刀具合理幾何角度；
d. 刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)；
e. 計(jì)算刀具的輪廓；
f. 制定合理的技術(shù)要求
g. 刀具的制造工藝和檢驗(yàn)方法
根據(jù)以上特點(diǎn)材料選用階梯式雙頭鏜刀。
3.2 軸的設(shè)計(jì)
3.2.1軸的結(jié)構(gòu)工藝
軸的結(jié)構(gòu)決定于受力情況、軸上零件的布置和固定方式、軸承的類型和尺寸、軸的毛坯、制造和裝配工藝、以及運(yùn)輸、安裝等條件。軸的結(jié)構(gòu)，應(yīng)使軸受力合理，避免或減輕應(yīng)力集中，良好的工藝性，并使軸上零件定位可靠、裝卸方便。對于要求剛度大的軸，還應(yīng)從結(jié)構(gòu)上考慮減小軸的變形。
軸上零件的周向固定，可采用鍵、花鍵、過盈配合、圓銷等。軸上零件的軸向固定，常用軸肩、軸環(huán)、螺母、軸端擋圈、套筒、圓錐面、鎖緊擋圈、緊定螺釘、彈性擋圈等。過盈配合和圓銷也可兼作軸向固定。
軸的截面變化處（如軸肩、鍵槽、環(huán)槽等），會產(chǎn)生應(yīng)力集中，使多數(shù)軸產(chǎn)生疲勞破壞部位。為了保證軸的疲勞強(qiáng)度，軸肩處的過渡圓角半徑不應(yīng)過小。如此圓角半徑受軸肩限制，則可改變凹切圓角或過渡肩環(huán)。
軸上不同部位的鍵槽應(yīng)開在同一母線上，以利加工。同時，應(yīng)注意不要開到圓角或過盈配合的邊緣處，以避免應(yīng)力集中過大。
3.2.2主軸的選用
本設(shè)計(jì)為剛性主軸。設(shè)計(jì)剛性主軸的主要內(nèi)容之一是選擇主軸參數(shù)。主軸參數(shù)確定的正確是否，對主軸的剛性將有很大的影響。
A.主軸的主要參數(shù)
參考[3]第86頁確定基本參數(shù)
圖3-1主軸大致結(jié)構(gòu)圖
D—主軸平均外徑；
L—主軸支承距；
a—主軸的懸伸長；
d—空心主軸的內(nèi)孔直徑；
L/a—主軸的懸伸比；
d/D—主軸直徑比。
B. 參數(shù)的確定
確定主軸的各個主要參數(shù)，通常是按照主軸的實(shí)際工作條件，參考有關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)從多方面進(jìn)行分析比較來確定的。也可以借助于公式進(jìn)行計(jì)算。
a) 主軸懸伸長a 在組合機(jī)床的剛性主軸設(shè)計(jì)中，主軸懸伸量的大小是由被加工零件的需要來確定的。
b) 支承距和主軸的懸伸比L/a 這個數(shù)值直接影響主軸的剛性，懸伸比選擇小，主軸受力后產(chǎn)生的撓度和支承處的傾角就會增大，影響主軸的工作性能。在一般結(jié)構(gòu)允許的情況下，應(yīng)適當(dāng)?shù)募哟髴疑毂取?
通常推薦主軸的懸伸比。
c) 主軸的平均直徑D 主軸直徑D是決定主軸剛度的重要因素。在剛性主軸的設(shè)計(jì)中，確定主軸的直徑，還沒有一個成熟的方法。有的是按主軸傳遞的扭矩做初步估算的：
cm (3-1)
為確保剛度，再將估算出的主軸平均直徑根據(jù)推薦選用的剛度系數(shù)，按下式進(jìn)行核算：
(千克/微米) (3-2)
式中 D—主軸平均外徑(cm)；
d—空心主軸內(nèi)孔直徑(cm)；
L—主軸支承間距離(cm)
剛度系數(shù)的值一般不低于25千克/微米，通常取。
d) 主軸內(nèi)孔直徑d 在有些剛性主軸的設(shè)計(jì)中，主軸常采用空心的，主軸內(nèi)孔直徑d應(yīng)選擇適當(dāng)，否則會影響主軸的剛度。通常推薦主軸的直徑比：
(3-3)
查[1]表3-4可得：
(3-4)
(3-5)
試中 d—軸的直徑（mm）
T—軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩（Nm）]
--軸的抗扭截面模數(shù)（）。實(shí)心軸的
--許用剪切應(yīng)力（）45鋼的
B—系數(shù)。當(dāng)材料的剪切彈性模數(shù)時，B值如下
1
B
7.3
6.2
5.2
注：允許扭轉(zhuǎn)角的適用對象，推薦如下：
剛性主軸，?。环莿傂灾鬏S，取；傳動軸，取。
本設(shè)計(jì)軸為剛性軸：
查[1]中表3-4可確定
根據(jù)上表，主軸前軸承軸徑(mm)，取階梯軸的設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下問題：
a) 配合性質(zhì)不同的表面，直徑應(yīng)有所不同。
b) 加工精度、粗糙度不同的表面，一般直徑亦有所不同。
c) 與軸承配合的軸頸必須符合滾動軸承內(nèi)徑的標(biāo)準(zhǔn)系列。
d) 各軸段的長度決定于軸上零件的寬度和零件固定的可靠性。軸頸的長度通常于軸承的寬度相同。
根據(jù)以上計(jì)算結(jié)合參考資料[1]第107頁可以確定主軸各段軸的長度尺寸：
根據(jù)以上要求得出軸的大致尺寸和形狀為：
圖3-2主軸外型
3.2.3 主軸的強(qiáng)度校核計(jì)算
按疲勞強(qiáng)度進(jìn)行軸的校核計(jì)算
根據(jù)變應(yīng)力的強(qiáng)度理論和實(shí)驗(yàn)研究周的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)S的校核。公式如下：
（3-6）
公式中：—只考慮正應(yīng)力作用時的安全系數(shù)；
—只考慮扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力作用時的安全系數(shù)。
許用安全系數(shù)，其值根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定。對于延性材料，當(dāng)載荷確定精確，對材料性能有把握時，取；當(dāng)載荷確定不夠精確，材料性能不夠均勻時，取；當(dāng)載荷確定不夠精確、材料性能均勻性差時，取。
確定危險截面：
危險截面應(yīng)為主軸前軸承支承部分。
截面的強(qiáng)度校核：
該主軸為空心軸，抗彎、抗扭截面系數(shù)計(jì)算公式見參考文獻(xiàn)[4]表14-11
（3-7）
（3-8）
（3-9）
截面扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力、彎曲正應(yīng)力的應(yīng)力幅
對于一般轉(zhuǎn)軸，彎曲正應(yīng)力按對稱循環(huán)規(guī)律變化，故彎曲應(yīng)力幅、平均應(yīng)力分別為，。
在多數(shù)情況下，對于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)，且扭矩軸相等的軸，當(dāng)作對稱循環(huán)變化，即，。
（3-10）
（3-11）
平均應(yīng)力
彎曲、扭轉(zhuǎn)極限疲勞強(qiáng)度由軸的材料特性所定。
彎曲、扭轉(zhuǎn)時的有效應(yīng)力集中系數(shù)，參見[4]表14-5。
彎曲、扭轉(zhuǎn)時將平均應(yīng)力折算成應(yīng)力幅的等效系數(shù)（其值與材料有關(guān)，可從表[4]14-1中查出）
僅有彎曲正應(yīng)力時的計(jì)算安全系數(shù)：
（3-12）
僅有扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力時的計(jì)算安全系數(shù)：
（3-13）
彎扭聯(lián)合作用下的計(jì)算安全系數(shù)：
（3-14）
設(shè)計(jì)安全系數(shù)
疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核
所以疲勞強(qiáng)度合格，該主軸符合要求。
3.3主軸密封裝置的選用
主軸前端密封裝置的選用
主軸前端密封裝置選用迷宮式密封裝置(見下表3-3)。迷宮式密封裝置利用轉(zhuǎn)動元件與固定元件間所構(gòu)成的曲折而狹小的縫隙及縫隙內(nèi)充填的油脂達(dá)到密封目的，與其他密封配合使用，則密封效果會更好。迷宮式密封對油潤滑及脂潤滑都適用，對防塵和防漏也有較好的效果。
表3-3迷宮密封
軸徑d
10-50
50-80
80-110
110-180
e
0.2
0.3
0.4
0.5
f
1
1.5
2
2.5
根據(jù)表3-3得: d＝83mm；e＝0.4mm；f=2mm。
3.4 軸端連接方式
主軸軸端于同步帶輪的連接方式采用矩形花鍵連接（圖3-3所示）。然后，帶輪與花鍵不采用直接的連接方式，而是在花鍵上配上一個特制的花鍵套，并將帶輪安裝在花鍵套上?；ㄦI連接既可用于靜連接，也可用于動連接?！?
圖3-3矩形花鍵連接
矩形花鍵連接：圖3-3所示為矩形花鍵連接。鍵齒的兩側(cè)面為平面，形狀較為簡單，加工方便?；ㄦI通常要進(jìn)行熱處理，表面硬度應(yīng)高于40HRC。矩形花鍵連接的定心方式為小徑定心，外花鍵和內(nèi)花鍵的小徑為配合面。由于制造時軸和轂上的接合面都要經(jīng)過磨削，因此能消除熱處理引起的變形，具有定心精度高、定心穩(wěn)定性好、應(yīng)力集中較小、承載能力較大的特點(diǎn)，故應(yīng)用廣泛。
花鍵連接的強(qiáng)度計(jì)算：
花鍵連接的失效形式和強(qiáng)度計(jì)算的依據(jù)及方法，與平鍵連接基本相同?；ㄦI連接的受力如圖4-4所示。假設(shè)載荷在鍵齒的工作面上均勻分布，每個鍵齒的工作表面上的壓力的合力F作用在平均直徑處，則花鍵傳遞的轉(zhuǎn)矩。引入載荷不均勻系數(shù)K考慮實(shí)際載荷在各花鍵齒上分配不均的影響。由此可得花鍵連接的強(qiáng)度條件為
圖3-4 花鍵連接受力圖
（3-15）
公式中：—花鍵傳遞的轉(zhuǎn)矩，單位為N/mm；
—花鍵的工作長度，單位為；
—花鍵的齒數(shù)；
—載荷不均勻系數(shù)，取決于齒數(shù)，一般取，齒數(shù)多時取較小值；
—花鍵齒側(cè)面的工作高度，單位為，矩形花鍵；
—花鍵的平均直徑，單位為，矩形花鍵；
—花鍵連接的許用擠壓應(yīng)力，單位為，（見表 3-4）；
—花鍵的許用壓強(qiáng)，單位為，（見表3-4）；
花鍵連接的零件多用強(qiáng)度極限不低于的鋼制造，一般需要熱處理，特別是在載荷作用下需要頻繁移動的花鍵齒，應(yīng)通過熱處理獲得足夠的硬度以抵抗磨損?；ㄦI的許用擠壓應(yīng)力、許用壓強(qiáng)見表
表3-4花鍵連接的許用擠壓應(yīng)力和許用壓強(qiáng)
連接工作方式
使用和制造情況
齒面未經(jīng)熱處理
齒面經(jīng)過熱處理
動連接
（載荷下移動）
不良
3-10
中等
5-10
良好
10-20
注：1.同一情況下，或的較小值用于工作時間長和較重要的場合。
2.使用和制造情況不良的情況是指受變載荷、有雙向沖擊、振動頻率高和振幅大、潤滑不良（對動連接）、材料硬度較低或精度不高等。
3.5 主軸支承軸承的選用
3.5.1主軸支承軸承選用
主軸支承系統(tǒng)的剛度直接影響剛性主軸的工作。
主軸本身引起的變形占2/3以上，而支承部分引起的變形也占到了將近1/3，因此對支承系統(tǒng)的剛度應(yīng)引起重視。主軸的支承通常采用：滑動軸承和滾動軸承兩種。
鑒于有以上兩種情況，我們對它們進(jìn)行比較，選用有效、合理的支承方式。
滑動軸承特點(diǎn)：抗振性好、工作平穩(wěn)、徑向尺寸小，裝配、潤滑、密封等技術(shù)要求嚴(yán)格。
滾動軸承特點(diǎn)：軸承尺寸小、轉(zhuǎn)速高、壽命長，裝配密封和潤滑比較簡單，并可以直接選用。
鑒于組合機(jī)床的大負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速和高精密的要求，主軸前端采用圓注滾子軸承和向心球軸承組合使用，后端為圓柱滾子軸承，前端固定，后端浮動。這樣可以承受兩個方面的軸向力。
軸承選用和配置形式對主軸剛度也有較大的影響。軸承本身的剛度除取決于軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)、滾動體的數(shù)量與尺寸外，還取決于軸承的安裝精度以及軸承的軸向間隙與徑向間隙的調(diào)整。向心球軸承外徑留有間隙。根據(jù)[4]軸承部分得出下表：
表3-5圓注滾子軸承的性能
允許偏位角：
極限轉(zhuǎn)速比：
高
性能特點(diǎn)：
有也承受較大的徑向載荷。
適用場合：
便于安裝、拆卸和調(diào)整間隙的場合。
主軸軸承的預(yù)緊：鎖緊螺母作主軸軸承軸向限位，來保證螺母端面與軸心線有較高的垂直度。
3.5.2 主軸軸承的壽命計(jì)算
一般機(jī)械中運(yùn)轉(zhuǎn)的滾動軸承的主要失效形式是滾動體和座圈滾道表面產(chǎn)生疲勞點(diǎn)蝕或疲勞剝落。所以，大多數(shù)滾動軸承的尺寸選擇應(yīng)以保證滾動軸承在規(guī)定的使用期限內(nèi)不發(fā)生疲勞點(diǎn)蝕或疲勞剝落為計(jì)算依據(jù)。按照接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算亦即根據(jù)動態(tài)承載能力來選擇軸承的尺寸（型號）。
滾動軸承的動態(tài)承載能力計(jì)算就是保證運(yùn)轉(zhuǎn)軸承在規(guī)定的使用壽命期限內(nèi)不發(fā)生超過規(guī)定概率的疲勞失效的前提下，通過計(jì)算，選擇出尺寸、型號合適的軸承；或在已知軸承尺寸、型號時，計(jì)算出不在發(fā)生超過允許疲勞失效概率的前提下軸承所具有的壽命（稱預(yù)測壽命）。因此，滾動軸承的動態(tài)承載能力計(jì)算是與軸承的壽命直接聯(lián)系的。
在機(jī)械設(shè)計(jì)時，滾動軸承的預(yù)期壽命可以根據(jù)機(jī)械的類型、工作條件等確定。一般要求軸承的使用壽命等于機(jī)械的使用壽命，這樣一來可以節(jié)省維修費(fèi)用；但有時會使軸承尺寸過大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不合理。為了解決這一矛盾，常把滾動軸承的預(yù)期壽命定為機(jī)械的大修或中修的間隔期限，在預(yù)期的使用壽命到達(dá)時，利用大修或中修的機(jī)會來更換軸承。但規(guī)定過短的使用壽命也是不合理的，這將使機(jī)械經(jīng)常更換軸承，影響機(jī)械的正常工作，并增加維修費(fèi)用。
參考[5]第193頁對圓柱滾子軸承進(jìn)行壽命計(jì)算：
滾動軸承載荷與壽命的關(guān)系曲線如圖：
圖3-5軸承的載荷----壽命曲線
圖3-5中軸承的負(fù)荷—壽命曲線滿足關(guān)系：
（3-16）
式中： P—軸承所受的當(dāng)量動負(fù)荷，單位為N；
--軸承的壽命指數(shù)，球軸承，滾子軸承
--軸承的基本額定壽命，單位為。
因時，P=C，故。同時考慮溫度及載荷特性對軸承壽命的影響，可推得
（3-17）
式中： --載荷系數(shù) --溫度系數(shù)
可參考[5]第194頁。
實(shí)際計(jì)算中習(xí)慣于用小時數(shù)表示壽命。設(shè)軸承的轉(zhuǎn)速為n，有可推得
（3-18）
如果當(dāng)量載荷和轉(zhuǎn)速已知，預(yù)期壽命也已確定，則軸承所應(yīng)具有的基本額定載荷根據(jù)上式得出
（3-19）
在本設(shè)計(jì)中向心球軸承所受的徑向力，軸向力，基本額定動載荷C=65000N,額定靜載荷= 200000N，徑向載荷系數(shù)=0.66,軸向載荷系數(shù)Y=1，，將這些數(shù)據(jù)代入公式得出，并根據(jù)參考資料[5]表14-6得連續(xù)8h工作的機(jī)器，滾動軸承的預(yù)期壽命大于100000h,所以此軸承合格。
其它滾動軸承壽命計(jì)算如上并經(jīng)過計(jì)算也都合格。
4 設(shè)計(jì)小結(jié)
通過這次設(shè)計(jì)，使我意識到做為一個設(shè)計(jì)人員需要付出多大的努力才能設(shè)計(jì)出一臺合格實(shí)用的機(jī)床，必須嚴(yán)肅認(rèn)真，一絲不茍，才能保證質(zhì)量。也為我即將踏上工作崗位奠定了吃苦、耐勞面對困難能迎面而上的良好的基礎(chǔ)。
本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是對該組合機(jī)床鏜削頭方面的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中我遇到了很多沒接觸過的東西，通過查閱大量的資料和在指導(dǎo)老師跟同組搭檔的配合下把這些難題都一一解決了。在完成組合機(jī)床的總體設(shè)計(jì)并繪制出“三圖一卡”的基礎(chǔ)上，參照一定的標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合本設(shè)計(jì)中的具體情況來確定主軸的結(jié)構(gòu)。計(jì)算并校核主軸的強(qiáng)度，其中包括對主軸配套軸承的選用并校核，并根據(jù)主軸的尺寸選出合理的花鍵，根據(jù)以上的選用設(shè)計(jì)并畫出專用鏜削頭總體裝賠圖、各零件的零件圖 。根據(jù)工序集中的原則，采用并列兩排的雙面刀對加工零件同時加工。
通過這么長時間的設(shè)計(jì)，在邢老師、同組搭檔的同力協(xié)助下終于完成了本設(shè)計(jì)任務(wù)，總體來說本設(shè)計(jì)還算圓滿的完成了。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] 謝家瀛主編. 組合機(jī)床設(shè)計(jì)簡明手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999
[2] 劉華明主編. 金屬切削刀具課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)資料[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000
[3] 王旭，王積森主編. 機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.
[4] 談嘉禎主編. 新編機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001
[5] 徐錦康主編. 機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2004.
[6] 王大康，盧頌峰主編. 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)[M].北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社， 2000.
[7] 成大先主編. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本機(jī)械傳動[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.
[8] 吉林工業(yè)大學(xué)，吉林工學(xué)院，東北工學(xué)院主編. 金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)[M]. 上海： 上海科學(xué)技術(shù)出版社， 1980.
附 錄
圖名 圖號 圖幅 張數(shù)
1 機(jī)床尺寸聯(lián)系圖 GJ486-0001 A0 1
2 加工零件工序圖 GJ486-0002 A3 1
3 加工零件示意圖 GJ486-0003 A3 1
4 生產(chǎn)率計(jì)算卡 GJ486-0004 A4 1
5 鏜削頭總裝配圖 1TAb25-01 A0 1
6 階梯雙頭鏜刀 1TAb25-03 A2 1
7 箱體 1TAb25-11 A0 1
8 法蘭盤1 1TAb25-12 A4 1
9 隔套1 1TAb25-40 A4 1
10主軸 1TAb25-41 A1 1
11 法蘭盤2 1TAb25-44 A4 1
12 法蘭盤3 1TAb25-45 A4 1
13 隔套2 1TAb25-49 A4 1
27