R180柴油機氣缸體三面鉆削組合機床總體及后主軸箱設計
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R180柴油機氣缸體三面鉆削組合機床總體及后主軸箱設計
目錄
1 前言 1
2 組合機床總體設計 3
2.1 總體方案論證 3
2.1.1加工對象工藝性的分析 3
2.1.2機床總體布局的確定 3
2.1.3 定位基準的選擇 3
2.1.4 滑臺型式的選擇 4
2.2 切削用量的確定及刀具選擇 4
2.2.1 切削用量選擇 4
2.2.2 切削力、切削扭矩及切削功率的計算 6
2.3組合機床總體設計—三圖一卡 7
2.3.1被加工零件工序圖 7
2.3.2 加工示意圖 8
2.3.3機床尺寸聯(lián)系總圖 10
2.3.4 機床生產率計算卡 13
3 組合機床主軸箱設計 16
3.1 主軸箱原始依據圖的繪制 16
3.2主軸結構型式的選擇和動力計算 17
3.3 主軸箱傳動系統(tǒng)的設計與計算 17
3.3.1 根據原始依據圖對坐標尺寸的計算 18
3.3.2 主軸箱傳動路線的擬訂 18
3.3.3 傳動軸位置及齒輪齒數的確定 19
3.4 主軸箱坐標計算、坐標檢查圖的繪制 21
3.4.1傳動軸的坐標的計算 21
3.4.2坐標檢查圖的繪制 23
3.5 軸、齒輪、軸承、鍵的校核 23
3.5.1軸的校核 23
3.5.2齒輪的校核 24
3.5.3軸承的壽命校核 26
3.5.4鍵的強度計算 26
3.6 主軸箱前、后蓋及箱體設計 27
3.7附件的選擇 27
4 結論 29
參考文獻 30
致謝 31
附錄 32
1 前言
本小組的課題是R180柴油機氣缸體三面鉆削組合機床設計，課題來源于鹽城市江動集團。為了到達加工要求，在機床的精度、性能等方面有以下的要求：機床要求運轉平穩(wěn)，結構簡單，工作可靠，裝卸方便，維修及調整便利；加工精度應符合零件圖要求；主軸箱能滿足機床總體方案的要求。由于該課題比較大，且難度深，總體設計有我們四人合作完成，我主要負責后主軸箱的設計。
整個設計過程是比較辛苦的，在設計過程中必須考慮各方面的問題。由于所學知識只是一些最基本的機械常識。因此，在設計過程中，必須還要查閱大量的相關資料。
首先，要有豐富的實踐經驗。整個設計，僅靠一些參考資料是遠遠不夠的，這樣設計出來的組合機床只是結構完美，外形美觀，但實用性差，因此，在設計工作開始前，指導老師特地帶我們到江淮動力集團、鹽城恒力機床廠等企業(yè)進行了實地參觀考察，積累了一些寶貴的實踐經驗。其次，運用四年來所學的專業(yè)知識，針對現(xiàn)實中遇到的實際情況，做到舉一反三。整個設計過程不僅涉及到以前所學的知識，還涉及到一些新的概念，這就要求我們一面鞏固以前的知識，一面還要學習新的知識。最好，通過自身的努力，理論聯(lián)系實際，從合理性、經濟性、工藝性、實用性及對被加工零件的具體要求對現(xiàn)有機床進行研究和分析，找出可以進行改進的地方，通過反復推敲對比，擬訂合理的三面鉆削組合機床的總體方案。根據“三圖一卡” [1]，繪制主軸箱設計原始依據圖；確定主軸結構、軸頸及齒輪模數；擬定傳動系統(tǒng)；計算主軸、傳動軸坐標，繪制坐標檢查圖[2][3]；繪制主軸箱總體圖，零件圖及編制組件明細表[4][5]。最后完成主軸箱的設計。
組合機床的設計，目前基本上有兩種情況：其一，是根據具體加工對象的具體情況進行專門設計。其二，隨著組合機床在我國機械行業(yè)的廣泛使用，廣大工人總結自己生產和使用組合機床的經驗，發(fā)現(xiàn)組合機床不僅在其組成部件方面有共性，可設計成通用部件，而且一些行業(yè)在完成一定工藝范圍內組合機床是極其相似的，有可能設計為通用機床，這種機床稱為“專能組合機床”這種組合機床不需要每次按具體加工對象進行專門設計和生產，可以設計成通用品種，組織成批生產，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備。組合機床的發(fā)展思路是以提高組合機床加工精度、組合機床柔性、組合機床工作可靠性和組合機床技術的成套性為主攻方向。一方面，加強數控技術的應用，提高組合機床產品數控化率；另一方面，進一步發(fā)展新型部件，尤其是多坐標部件，使其模塊化、柔性化，適應可調可變、多品種加工的市場需求。復合、多功能、多軸化控制裝備的前景亦被看好。然而更關鍵的是現(xiàn)代通信技術在機床裝備中的應用，信息通信技術的引進使得現(xiàn)代機床的自動化程度進一步提高。在這些方面組合機床裝備還有相當大的差距，因此組合機床技術裝備高速度、高精度、柔性化、模塊化、可調可變、任意加工性以及通信技術的應用將是今后的發(fā)展方向。目前，我國組合機床的研究涉及機床設計研究、加工工藝 、加工質量改進[6][7]等，在機床自動化、柔性化等方面的研究與國際發(fā)展水平相比還有不小的差距。
當今世界機床發(fā)展的兩大趨勢是高速化和低價化。高速化是電子科技成果的推動和新刀具材料、新型刀具的開發(fā), 使機床以其切削高速、進給高速來滿足市場需求。低價化是市場的激烈競爭,為贏得市場,機床制造業(yè)所采取的營銷策略。組合機床行業(yè)適應機床技術發(fā)展趨勢必加大高效、低價位的新產品開發(fā)力度, 以提高組合機床的市場競爭力。在工序集中方面, 開發(fā)了回轉主軸箱、移動主軸箱結構,發(fā)展了十字滑臺, 開發(fā)了轉塔式組合機床在提高效率方面, 開發(fā)了高速加工組合機床, 如大連機床集團為朝陽柴油機廠制造的柴油機缸體缸孔正反鉆削組合機床,其鉆孔的切削速度達500m/min。目前,組合機床行業(yè)為汽車發(fā)動機主要零件加工開發(fā)的組合機床自動線的生產節(jié)拍時間已縮短至30~40s。組合機床及其生產線,是專用于大批量機械產品生產的高效自動化技術設備,是汽車、拖拉機、內燃機等工業(yè)不可替代的主要加工設備. 近年來隨著數控技術、電子技術、計算機技術等的發(fā)展,組合機床的機械結構和控制系統(tǒng)也發(fā)生了翻天覆地的變化。因此,研究組合機床及其生產線的技術現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢,使傳統(tǒng)的組合機床及其自動線具有柔性,是拖拉機和汽車生產企業(yè)為滿足市場需求所必須解決問題。由此可見組合機床向數控化、模塊化、高速化和精密化等特點發(fā)展。
2 組合機床總體設計
組合機床是針對被加工零件的特點及工藝要求，按工序集中的原則設計的一種高效率專用機床。在設計組合機床時，要采用先進的加工工藝，制定最佳的工藝方案。合適地確定機床工序集中程度。合理地選擇組合機床的通用部件。選擇恰當的組合機床的配置形式和合理的切削用量。設計高效率的夾具、工具、刀具及主軸箱。針對R180柴油機氣缸體，在確定加工工藝的基礎上進行總體方案對比論證。設計組合機床“三圖一卡”，其內容包括：繪制被加工零件工序圖、加工示意圖、機床聯(lián)系尺寸總圖和編制生產率計算卡等。
2.1 總體方案論證
2.1.1加工對象工藝性的分析
A.被加工零件特點
被加工零件材料是HT225,硬度HB190～250，共計有13個孔需要加工，在本工序之前各主要表面、主要孔已加工完畢。
B.本機床的加工內容及加工精度
本道工序：鉆左、右及后面共計13個孔，由本組合機床完成，具體加工內容及加工精度如下：
a)鉆氣缸體左面：鉆3×Φ8；鉆Φ5，標準公差等級為IT9。
b)鉆氣缸體右面：鉆5×Φ8；鉆Φ6，標準公差等級為IT9。
c)鉆氣缸體后面：鉆3×Φ7.5；鉆Φ6，標準公差等級為IT9。
各孔的具體位置精度及具體要求詳見R180柴油機氣缸體加工工序圖。
2.1.2機床總體布局的確定
根據任務書的要求：設計的組合機床要滿足加工要求、保證加工精度；盡可能用通用件、以降低成本；各動力部件用電氣控制、液壓驅動。因此根據任務書要求和汽缸體的特點初定兩種設計方案：
臥式組合機床 特點：臥式組合機床重心低、振動小運作平穩(wěn)、加工精度高、占地面積大。
立式組合機床 特點：立式組合機床重心高、振動大、加工精度低、占地面積小。
方案比較：根據被加工工件和兩種組合機床的特點比較可知：R180型柴油機汽缸體的結構為臥式長方體，從裝夾的角度來看，臥式平放比較方便，也減輕了工人的勞動強度。通過以上的比較，考慮到臥式振動小，裝夾方便等因素，選用臥式組合機床。
2.1.3 定位基準的選擇
組合機床是針對某一個零件或一個零件的某道工序而設計的。正確選擇定位基準，是保證加工精度的重要條件，同時也有利于實現(xiàn)最大限度的工序集中。
A.定位基準的選擇
本機床為工件一次安裝，同時對13進行加工，其定位基準選擇為：機體的底面定位限制3個自由度，側面定位限制2個自由度，端面定位限制1個自由度，這種定位方法的特點是：
a)可以簡便地消除工件的六個自由度，使工件獲得可靠的定位；
b)能夠同時加工工件三個端面上的孔，既能高度集中工序，又有利于提高三端面孔的位置精度；
c)本定位基準有利于保證柴油機氣缸體的加工精度，使機床的許多部件實現(xiàn)通用化，有利于縮短設計制造周期、降低成本。
B.確定夾緊位置
在選擇定位基準的同時，要有相應的夾緊位置。確定夾緊位置要考慮兩個因素：一是保證零件夾壓后的穩(wěn)定；二是盡量減少和避免零件夾壓后變形。針對R180柴油機氣缸體我們采用了液壓夾緊，夾緊部位為剛性較好的筋板上，即氣缸體的上表面，以減少氣缸體夾緊變形誤差。
2.1.4 滑臺型式的選擇
與機械滑臺相比較，液壓滑臺的進給量可以無級調速；可以獲得較大的進給力；零件磨損小，使用壽命長；工藝上要求多次進給時，通過液壓換向閥，很容易實現(xiàn)；過載保護簡單可靠；工作可靠。但采用液壓滑臺的不足之處在于進給量由于載荷的變化和溫度的影響而不夠穩(wěn)定；液壓系統(tǒng)漏油影響工作環(huán)境，浪費能源；調整維修比較麻煩。本課題的加工對象是R180柴油機氣缸體，為了提高加工效率，降低生產成本，所以選用了液壓滑臺。
2.2 切削用量的確定及刀具選擇
2.2.1 切削用量選擇
在被加工的13中，既有鉆孔加工又有鏜孔加工，所以選擇切削用量時應綜合考慮，鉆孔切削用量從文獻[1]表6-11中選取，鏜孔切削用量從文獻[1]表6-15中選取。由于鉆孔的切削用量與鉆孔深度有關，隨孔深的增加而逐漸遞減，其遞減值按文獻[1]表6-12選取。鉆孔時，降低進給量的目的是為了減小軸向切削力，以避免鉆頭折斷，降低切削速度主要是為了提高刀具壽命[8]。所有刀具都采用硬質合金。
A.對后面上4個孔的切削用量的選擇
a)鉆孔10 軸：Φ7.5通孔，h=7m
加工材料為鑄鐵，由d＞6-12,硬度大于190-240HBS，選擇v=10～18m/min,f＞0.1～0.18mm/r,取定v=10.597m/min,f=0.120mm/r,則由文獻[1]P43的公式，
（2-1）
得： n=1000×10.597/(7.5π)450r/min
b)鉆孔11軸：Φ7.5通孔，h=7m
加工材料為鑄鐵，由d＞6-12,硬度大于190-240HBS，選擇v=10～18m/min,f＞0.1～0.18mm/r,取定v=10.597m/min,f=0.120mm/r,則由文獻[1]P43的公式，
得： n=1000×10.597/(7.5π)450r/min
c)鉆孔12軸：Φ7.5通孔，h=7m
加工材料為鑄鐵，由d＞6-12,硬度大于190-240HBS，選擇v=10～18m/min,f＞0.1～0.18mm/r,取定v=10.597m/min,f=0.120mm/r,則由文獻[1]P43的公式，
得： n=1000×10.597/(7.5π)450r/min
d)鉆孔13軸：Φ6孔，h=14m
加工材料為鑄鐵，由d＞1-6,硬度大于190-240HBS，選擇v=10～18m/min,f＞0.05～0.1mm/r,取定v=11.304m/min,f=0.009mm/r,則由文獻[1]P43的公式，
得： n=1000×11.304/(6π)600r/min
B.對左面4孔的切削用量選擇：
a)鉆孔1軸：Φ8孔，h=12mm
加工材料為鑄鐵，由d＞6-12,硬度大于190-240HBS，選擇v=10～18m/min,f＞0.1～0.18mm/r,取定v=10.048m/min,f=0.104mm/r,
得： n=1000×10.048/(8π)400r/min
b)鉆孔2軸：Φ8孔，h=12mm
加工材料為鑄鐵，由d＞6-12,硬度大于190-240HBS，選擇v=10～18m/min,f＞0.1～0.18mm/r,取定v=10.048m/min,f=0.104mm/r,
得： n=1000×10.048/(8π)400r/min
c)鉆孔3軸：Φ8孔，h=12mm
加工材料為鑄鐵，由d＞6-12,硬度大于190-240HBS，選擇v=10～18m/min,f＞0.1～0.18mm/r,取定v=10.048m/min,f=0.104mm/r,
得： n=1000×10.048/(8π)400r/min
d)鉆孔4軸: Φ5孔，h=12mm
加工材料為鑄鐵，由d＞1-6,硬度大于190-240HBS，選擇v=10～18m/min,f＞0.05～0.1mm/r,取定v=10.048m/min,f=0.065mm/r,
得： n=1000×10.048/(5π)640r/min
C.對右側面上5個孔的切削用量的選擇：
a)鉆孔5，6，7，8軸：Φ8孔，h=10mm
加工材料為鑄鐵，由d＞6-12,硬度大于190-240HBS，選擇v=10～18m/min,f＞0.1～0.18mm/r,取定v=10.556m/min,f=0.107mm/r,
得： n=1000×10.556/(8π)420r/min
b)鉆孔9軸：Φ6孔，h=12m
加工材料為鑄鐵，由d＞1-6,硬度大于190-240HBS，選擇v=10～18m/min,f＞0.05～0.1mm/r,取定v=10.556m/min,f=0.080mm/r,
得： n=1000×10.556/(6π)560r/min
2.2.2 切削力、切削扭矩及切削功率的計算
根據文獻[1]表6-20中公式計算鉆孔
（2-2）
（2-3）
（2-4）
其中中：F -切削力（N）；T-切削轉矩（N·㎜）；P-切削功率（kW）；v-切削速度（m/min）；f-進給量（mm/r）；D-加工（或鉆頭）直徑（mm）； HB-布氏硬度， 得HB=225。
則根據上述公式可得：
A.左面： 鉆孔1,2,3軸 Φ8：
鉆孔4軸 Φ5：
B.右面： 鉆孔5，6，7，8軸 Φ8：
鉆孔9軸 Φ6：
C.后面： 鉆孔10,11,12軸 Φ7.5：
鉆孔13軸 Φ5：
2.3組合機床總體設計—三圖一卡
2.3.1被加工零件工序圖
A.被加工零件工序圖的作用和內容
被加工零件工序圖是根據制定的工藝方案，表示所設計的組合機床上完成的工藝內容，加工部位的尺寸、精度、表面粗糙度及技術要求，加工用的定位基準、夾壓部位以及被加工零件的材料、硬度和在本機床加工前加工余量、毛坯或半成品情況的圖樣。除了設計研制合同外，它是組合機床設計的重要依據，也是制造、使用、調整和檢驗機床精度的重要文件。被加工零件工序圖是在被加工零件的基礎上，突出本機床或自動線的加工內容，并作必要的說明而繪制的。其主要內容包括：
a)被加工零件的形狀和主要輪廓尺寸以及與本工序機床設計有關部位結構形狀和尺寸。當需要設置中間導向時，則應把設置中間導向臨近的工件內部肋、壁布置及有關結構形狀和尺寸表示清楚，以便檢查工件、夾具、刀具之間是否相互干涉。
b)本工序所選用的定位基準、夾壓部位及夾緊方向。以便據此進行夾具的支承、定位、夾緊和導向等機構設計。
c)本工序加工表面的尺寸、精度、表面粗糙度、形位公差等技術要求以及對上道工序的技術要求。
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。
B.繪制被加工零件工序圖的規(guī)定及注意事項
a)繪制被加工零件工序圖的規(guī)定：應按一定的比例，繪制足夠的視圖以及剖面；本工序加工部位用粗實線表示；定位用定位基準符號表示，并用下標數表明消除自由度符號；夾緊用夾緊符號表示，輔助支承用支承符號表示。
b)繪制被加工零件工序圖注意事項
本工序加工部位的位置尺寸應與定位基準直接發(fā)生關系。
對工件毛坯應有要求，對孔的加工余量要認真分析。在鉆孔時，其大孔單邊余量應小于相鄰兩孔半徑之差，以便鉆頭能通過。
當本工序有特殊要求時必須注明。如精鉆孔時，當不允許有退刀痕跡或者允許有某種形狀的刀痕時必須注明。有如薄壁或孔底部壁薄，加工螺紋時螺紋底孔深度不夠及能否鉆通等[1]。
圖2-1所示為被加工零件工序圖。
2.3.2 加工示意圖
零件加工的工藝方案要通過加工示意圖反映出來。加工示意圖表示被加工零件在機床上的加工過程，刀具、輔具的布置狀況以及工件、夾具、刀具等機床各部件間的相對位置關系，機床的工作行程及工作循環(huán)等。
A.導向結構的選擇
組合機床鉆孔時，零件上孔的位置精度主要是靠刀具的導向裝置來保證的。導向裝置的作用是：保證刀具相對工件的正確位置；保證刀具相互間的正確位置；提高刀具系統(tǒng)的支承剛性。
B.確定主軸、尺寸、外伸尺寸
在本課題中，主軸是用于鉆孔的，鉆孔選用滾珠軸承主軸。鉆孔時采用剛性連接，主軸采用長主軸。
根據由選定的切削用量計算得到的切削轉矩T，由文獻[1]P43頁公式
（2-9）
圖2-1 被加工零件工序圖
式中，d表示軸的直徑（㎜）；T表示軸所傳遞的轉矩（N·m）；B表示系數，本課題中鉆孔主軸為非剛性主軸，取B=6.2。
由公式可得：
左面 軸1 d>13.42mm 取定d=20㎜
軸2 d>13.42mm 取定d=20㎜
軸3 d>13.42mm 取定d=20㎜
軸4 d>9.77mm 取定d=15㎜
右面 軸5 d>13.47mm 取定d=20㎜
軸6 d>13.74mm 取定d=20㎜
軸7 d>13.74mm 取定d=20㎜
軸8 d>13.74mm 取定d=20㎜
軸9 d>11.10mm 取定d=15㎜
后面 軸10 d>13.39mm 取定d=20㎜
軸11 d>13.39mm 取定d=20㎜
軸12 d>13.39mm 取定d=20㎜
軸13 d>11.37mm 取定d=15㎜
根據主軸類型及初定的主軸軸徑，文獻[1]表3-6可得到主軸外伸尺寸及接桿莫氏圓錐號。滾珠長主軸軸徑d=20㎜時，主軸外伸尺寸為：D/d1=32/20,L=115㎜；接桿莫氏圓錐號為2。滾珠長主軸軸徑d=15㎜時，主軸外伸尺寸為：D/d1=25/16,L=1815㎜；接桿莫氏圓錐號為1。
C.選擇接桿、浮動卡頭
在鉆、擴、鉸、锪孔及倒角等加工小孔時，通常都采用接桿（剛性接桿）。各主軸的外伸長度和刀具均為定值，為保證主軸箱上各刀具能同時到達加工終了位置，須采用軸向可調整的接桿來協(xié)調各軸的軸向長度，以滿足同時加工完成孔的要求。
為提高加工精度、減少主軸位置誤差和主軸振擺對加工精度的影響，在采用長導向或雙導向進行鉆孔時，一般孔的位置精度靠夾具保證。為避免主軸與夾具導套不同而引起的刀桿“別勁”現(xiàn)象影響加工精度，均可采用浮動卡頭連接。
所以鉆孔一般采用剛性連接。
D.動力部件工作循環(huán)及行程的確定
a)工作進給長度L工的確定
工作進給長度L工，應等于加工部位長度L（多軸加工時按最長孔計算）與刀具切入長度L1和切出長度L2之和。切入長度一般為5～10㎜，根據工件端面的誤差情況確定。
鏜孔時，切出長度一般為5～10mm；鉆孔時，切出長度一般為。
當采用復合刀具時,應根據具體情況決定。所以得出以下結果:
左主軸箱：工進長度：
右主軸箱：工進長度：
后主軸箱：工進長度：
b)快速進給長度的確定
快速進給是指動力部件把刀具送到工作進給位置，其長度按具體情況確定。初步選定三個主軸箱上刀具的快速進給長度分別為210mm,210mm,210mm。
c)快速退回長度的確定
快速退回長度等于快速進給和工作進給長度之和。由已確定的快速進給和工作進給長度可知，三面快速退回長度分別為230mm,230mm,230mm。
d)動力部件總行程的確定
動力部件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或補償制造、安裝誤差，動力部件能夠向前調節(jié)的距離（即前備量）和刀具裝卸以及刀具從接桿中或接桿連同刀具一起從主軸孔中拿出時，動力部件需要后退的距離（刀具退離夾具導套外端面的距離應大于接桿插入主軸孔內或刀具插入接桿孔的長度，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。圖2-2為被加工零件的加工示意圖。
圖2-2 加工示意圖
2.3.3機床尺寸聯(lián)系總圖
機床聯(lián)系尺寸總圖是以被加工零件工序圖和加工示意圖為依據，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構而繪制的。
繪制機床聯(lián)系尺寸總圖之前應確定的主要內容
A.選擇動力部件
a)動力箱型號的選擇
動力箱規(guī)格要與滑臺匹配，其驅動功率主要依據多軸箱所需傳遞的切削功率來選用。由切削用量計算得到的各主軸的切削功率的總和，根據文獻[1]P47公式
（2-10）
式中, —消耗于各主軸的切削功率的總和（kW）；
—多軸箱的傳動效率,加工黑色金屬時取0.8～0.9，加工有色金屬時取0.7～0.8；主軸數多、傳動復雜時取小值，反之取大值。
本課題中，被加工零件材料為灰鑄鐵，屬黑色金屬，又主軸數量較多、傳動復雜，故取。
左主軸箱：
則
右主軸箱：
則
后主軸箱：
則
b)動力滑臺型號的選擇
根據選定的切削用量計算得到的單根主軸的進給力，按文獻[1]的62頁公式
(2-11)
計算。
式中，F(xiàn)i—各主軸所需的軸向切削力，單位為N。
則:
左主軸箱
右主軸箱
后主軸箱
實際上,為克服滑臺移動引起的摩擦阻力，動力滑臺的進給力應大于F。又考慮到所需的最小進給速度、切削功率、行程、主軸箱輪廓尺寸等因素，為了保證工作的穩(wěn)定性，由文獻[1]表5-1，左、右、后面都選用液壓滑臺1HY40IA型，臺面寬400mm，臺面長800mm，滑臺及滑座總高為320mm，允許最大進給力為20000N；其相應的側底座型號為1CC401I。
根據液壓滑臺的配套要求，滑臺額定功率應大于電機功率的原則，查文獻[1]表5-38得出動力箱及電動機的型號,見表2-1。
c)配套通用部件的選擇
側底座1CC401I型號，其高度H=560mm，寬度B=600mm，長度L=1350mm。
表 2-1 動力箱及電動機的型號
主軸箱
動力箱型號
電動機型號
電動機功率(KW)
電動機轉速(r/min)
輸出軸轉速(r/min)
后主軸箱
1TD16
Y90s-4
1.1
1400
920
右主軸箱
1TD16
Y90s-4
1.1
1400
920
左主軸箱
1TD16
Y90s-4
1.1
1400
920
B.確定機床裝料高度H
裝料高度是指機床上工件的定位基準面到地面的垂直距離。在確定之前，首先要考慮工人操作的方便性，還要考慮車間運送共建的滾到高度，工件最低孔的位置，主軸箱最低主軸高度和通用不見的高度尺寸的限制。本課題中，工件最低孔位置h2=103㎜，主軸箱最低主軸高度h1=142.95㎜，所選滑臺與滑座總高h3=320㎜，側底座高度h4=560㎜，夾具底座高度h5=330㎜，中間底座高度h6=560㎜，綜合上述因素，該組合機床裝料高度取H=940㎜。
C.確定夾具輪廓尺寸
主要確定夾具底座的長、寬、高尺寸。工件的輪廓尺寸和形狀是確定夾具底座輪廓尺寸的基本依據。具體要考慮布置工件的定位、限位、夾緊機構、刀具導向裝置以及夾具底座排屑和安裝等方面的空間和面積需要。夾具底座的高度尺寸，一方面要保證其有足夠的高度，同時考慮機床的裝料高度、排屑的方便性和便于設置定位、夾緊機構。一般不小于240 mm。本機床夾具的長度為750mm，寬度為700mm，高度為330mm。
D.確定中間底座尺寸
中間底座的頂面安裝夾具或輸送部件，側面與側底座或立柱底座相連接，并通過端面鍵或定位銷定位。根據機床配置形式不同，中間底座有多種形式，如：雙面臥式組合機床的中間底座，兩側面都安裝側底座；三面臥式組合機床的中間底座為三面安裝側底座；立式回狀工作臺式組合機床，除了安裝立柱外，還需安裝回轉工作臺?？傊?，中間底座的結構，尺寸需根據工件的大小、形狀以及組合機床的配置形式等來確定。因此，中間底座一般按專用部件進行設計，但為了不致使組合機床的外廓尺寸過分繁多，中間底座的主要尺寸應符合國家標準規(guī)定。
確定中間底高度尺寸時，應考慮鐵屑的儲存及排除電氣接線安排，中間底座高度一般不小于540mm。
本機床確定中間底座高度為560mm。
E.確定主軸箱輪廓尺寸
主要需確定的尺寸是主軸箱的寬度B和高度H及最低主軸高度h1。主軸箱寬度B、高度H的大小主要與被加工零件孔的分布位置有關，可按文獻[1]P49公式計算：
（2-12）
（2-13）
式中：b—工件在寬度方向相距最遠的兩孔距離（㎜）；
b1—最邊緣主軸中心距箱外壁的距離（㎜）；
h—工件在高度方向相距最遠的兩孔距離（㎜）；
h1—最低主軸高度（㎜）。
其中，h1還與工件最低孔位置（h2=142.95㎜）、機床裝料高度（H=940㎜）、滑臺滑座總高（h3=320㎜）、側底座高度（h4=560㎜）等尺寸有關。對于臥式組合機床， h1要保證潤滑油不致從主軸襯套處泄漏箱外，通常推薦h1＞85~140㎜，本組合機床按文獻[1]P50公式
（2-14）
計算，得： 。
b=110mm,h=82mm,取，則求出主軸箱輪廓尺寸：
根據上述計算值,按主軸箱輪廓尺寸系列標準，左,右主軸箱輪廓尺寸都預定為B×H=400mm×400mm，后主軸箱輪廓尺寸預定為B×H=400mm×400mm 。
2.3.4 機床生產率計算卡
A.理想生產率(單位為件/h)是指完成年生產綱領A(包括備品及廢品率)所要求的機床生產率。它與全年工時總數tk有關,一般情況下,單班制tk取2350h,兩班制tk取4600h,由文獻[1]的51頁公式
（2-15）
得：
B.實際生產率(單位為件/h)是指所設計機床每小時實際可生產的零件數 （2-16）
式中:——生產一個零件所需時間(min)，可按下式計算：
（2-17）
式中:——分別為刀具第、工作進給長度,單位為mm;
——分別為刀具第、工作進給量,單位為mm/min;
——當加工沉孔、止口、锪窩、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給狀態(tài)下旋轉 轉所需的時間，單位min;
——分別為動力部件快進、快退行程長度，單位為mm;
——動力部件快速行程速度。用機械動力部件時取5～6m/min;用液壓動力部件時取3～10m/min;
——直線移動或回轉工作臺進行一次工位轉換時間，一般取0.1min;
——工件裝、卸（包括定位或撤銷定位、夾緊或松開、清理基面或切屑及吊運工件）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。
如果計算出的機床實際生產率不能滿足理想生產率要求,即,則必須重新選擇切削用量或修改機床設計方案。
已知: 鉆左面孔
鉆右面孔 ;
鉆后面孔
左面孔
右面孔
后面孔
對多面和多工位加工機床，在計算時應以所有工件單件加工最長的時間作為單件工時，所以選擇，
實際生產率:
C.機床負荷率
a)當>時候，機床負荷率為二者之比。
組合機床負荷率一般為0.75～0.90,自動線負荷率為0.6～0.7。典型的鉆、鏜、攻螺紋類組合機床，按其復雜程度確定；對于精度較高、自動化程度高或加工多品種組合機床，宜適當降低負荷率。
b)由文獻[1]的51頁公式得機床負荷率:
（2-18）
3 組合機床主軸箱設計
本人的設計任務是R180柴油機氣缸體三面鉆孔組合機床總體及后主軸箱部分的設計。 后軸箱是組合機床的重要專用部件。它是根據加工示意圖和主軸類型設計的運動的動力部件，其動力來源于通用的動力箱。它與傳動箱一起安裝在進給滑臺上，可完成鉆孔鏜孔等加工工序。由總體設計部分可知，我所需要設計的主軸箱輪廓尺寸為400×400，屬于大型通用主軸箱，結構典型，能利用通用的箱體和傳動件；采用標準主軸，借助導向套引導刀具來保證被加工孔的位置精度。
通用主軸箱設計的順序是：繪制主軸箱設計原始依據圖；確定主軸結構、軸徑及齒輪 模數；擬訂傳動系統(tǒng)；計算主軸、傳動軸坐標，繪制坐標檢查圖；繪制主軸箱總圖，零件圖及編制組件明細表[1]。
3.1 主軸箱原始依據圖的繪制
主軸箱原始依據圖是根據“三圖一卡”繪制的。
圖3-1所示為R180柴油機氣缸體三面鉆鏜孔組合機床左主軸箱設計原始依據圖,表3-1所示為各主軸外伸尺寸及各孔的切削用量。
圖3-1 原始依據圖
注：1.被加工零件編號及名稱：R180柴油機
材料及硬度：HT225 190-240HBS。
2.動力部件1TD16 IA，Y90S-4，P主=1.1Kw,n=920r/min。
表3-1 主軸外伸尺寸及孔的切削用量
軸 號
D/d
L
工序內容
n(r/min)
v(m/min)
f(mm/r)
1
32/20
115
鉆Φ8
400
10.048
0.104
2
32/20
115
鉆Φ8
400
10.048
0.104
3
32/20
115
鉆Φ8
400
10.048
0.104
4
25/16
75
鉆Φ5
640
10.048
0.065
3.2主軸結構型式的選擇和動力計算
A.主軸結構型式的選擇
主軸結構的選擇包括軸承型式的選擇和軸頭結構的選擇。軸承型式是主軸部件結構的主要特征。主軸進行鉆削加工，軸向切削力較大，用推力球軸承承受軸向力，用深溝球軸承承受徑向力。又因鉆削時軸向力是單向的，因此推力球軸承應安排在主軸前端，主軸采用滾珠主軸,前支承為推力球軸承、深溝球軸承，后支承滾錐軸承，主軸進行鉆削時，前后支承均為滾錐軸承。
鉆孔采用滾珠軸承長主軸是因為長主軸其軸頭內孔較長，可增大與刀具尾部連接的接觸面，從而增強刀具與主軸的連接剛度，減少刀具前端下垂。
B.主軸直徑和齒輪模數的確定
主軸直徑已在總體設計部分初步確定，見2.3.2。
按同一主軸箱中的模數規(guī)格最好不多于兩種的原則，用類比法確定齒輪模數，也可按公式估算。據文獻[1]P62頁公式估算：
（3-1）
式中，P—齒輪所傳遞的功率，單位為kW；
z—一對嚙合齒輪中的小齒輪齒數；
n—小齒輪的轉速，單位為r/min。
主軸箱中的齒輪模數常用2、2.5、3、3.5、4幾種。為了便于生產，同一主軸箱中的模數規(guī)格不要多于兩種[1]。確定本次設計的模數均為2.5。
3.3 主軸箱傳動系統(tǒng)的設計與計算
主軸箱傳動設計，是根據動力箱驅動軸位置和轉速、各主軸位置及其轉速要求，設計傳動鏈，把驅動軸和各主軸連接起來，使各主軸獲得預定的轉速和轉向。
多軸箱傳動系統(tǒng)的一般要求：
a)在保證主軸的強度、剛度、轉速和轉向的條件下，力求使傳動軸和齒輪的規(guī)格、數量為最少。為此，應盡量用一根傳動軸帶動多根主軸，并將齒輪布置在同一排上。當中心距不符合標準時，可采用齒輪變位或略微改動傳動比的方法解決。
b)盡量不用主軸帶動主軸的方案，否則會增加主軸負荷，影響加工精度。
c)為使結構緊湊，多軸箱內齒輪副的傳動比一般要大于(最佳傳動比)，后蓋內傳動比允許取至；避免用升速傳動。
d)用于粗加工主軸上的齒輪，應盡可能設置在第Ⅰ排，以減少主軸的扭轉變形；精加工主軸上的齒輪，應設在第Ⅲ排，以減少主軸端的彎曲變形。
e)多軸箱內具有粗加工主軸時，最好從動力箱驅動軸齒輪傳動開始，就分兩條傳動路線，以免影響加工精度。
f)剛性鏜孔主軸上的齒輪，其分度圓直徑應盡可能大于被加工孔的孔徑，以減少振動，提高運動平穩(wěn)性。
g)驅動軸直接帶動的轉動軸數不能超過兩根，以免給裝配帶來困難。
3.3.1 根據原始依據圖對坐標尺寸的計算
根據原始依據圖3-1，計算驅動軸、主軸的坐標尺寸，如下表3-2所示：
表3-2 驅動軸、主軸坐標值
坐標
銷O1
驅動軸O
主軸1
主軸2
主軸3
主軸4
X
0.000
175.000
120.200
122.434
227.566
227.566
Y
0.000
80.000
219.000
175.488
175.488
224.512
3.3.2 主軸箱傳動路線的擬訂
主軸箱有4根主軸，這4根主軸分別為：1、2、3、4，傳動軸分別為5、6，油泵軸7由傳動軸6帶動。
具體傳動路線見圖3-2。
圖3-2 主軸箱傳動樹形圖
3.3.3 傳動軸位置及齒輪齒數的確定
傳動方案擬訂之后，通過“計算、作圖和多次試湊”相結合的方法，確定齒輪齒數和中間傳動軸的位置及轉速。
A.由各主軸和驅動軸轉速求驅動軸到各主軸之間的傳動比。各主軸轉速見表3-3所示。
表3-3 主軸箱主軸轉速（r/min）
主 軸
0
1
2
3
4
轉 速
920
600
450
450
450
主軸箱總傳動比 ：
B.各軸傳動比分配
主軸箱中軸的分布有同心圓分布及任意分布，同時為滿足主軸上齒輪不過大的要求，最后一級齒輪取升速。
a)后軸箱各軸傳動比分配：
軸1
軸2
軸3
軸4
b)確定中間傳動軸的位置并配對各對齒輪
傳動軸轉速的計算公式：文獻[1]P61～65
（3-2）
（3-3）
（3-4）
（3-5） （3-6）
（3-7）
式中， —嚙合齒輪副傳動比；
—嚙合齒輪副齒數和；
—分別為主動和從動齒輪齒數；
—分別為主動和從動齒輪轉速，單位為r/min；
—齒輪嚙合中心距，單位為mm；
—齒輪模數，單位為mm。
C.確定主軸箱內中間傳動軸的位置：
確定中間傳動軸5的位置，與傳動軸5相配對的有主軸1、2、3、4，與之相配對的齒輪有Z5/Z1,Z5/Z2,Z5/Z3,Z5/Z4，四對齒輪。
通過公式（2-2）及傳動比 i5-1=0.87、 i5-2=0.66 、i5-4=0.66、i5-4=0.66,取m=2.0，可得到齒輪齒數Z5=37,Z5=27 ,Z1=31,Z2=Z3=Z4=35,Z5=28。
后主軸箱：
轉速相對損失在5%以內，符合設計要求。
由于該主軸箱上有較多的刀具，為了便于更換和調整刀具，以及裝配和維修時檢查主軸精度，所以在主軸箱上設置一個以便于手動回轉主軸，為了扳動起來輕便，手動軸的轉速應盡可能高些，且其所處位置要靠近機床操作者的一側，并留有扳手作用位置活動空間，所以本主軸箱的手柄設置在緊靠驅動軸O的位置，即5軸為手柄軸。
D.采用B-ZIR12-2型葉片液壓泵，由軸2經一對齒輪傳動
葉片液壓泵轉速在400～800r/min范圍內，滿足要求。
3.4 主軸箱坐標計算、坐標檢查圖的繪制
坐標計算就是根據已知的驅動軸和主軸的位置及傳動關系，精確計算各中間傳動軸的坐標。其目的是為主軸箱箱體零件補充加工圖提供孔的坐標尺寸，并用于繪制坐標檢查圖來檢查齒輪排列、結構布置是否正確合理。
3.4.1傳動軸的坐標的計算
計算傳動軸坐標時，先算出與主軸有直接傳動關系的傳動軸坐標，然后計算其它傳動軸坐標。根據傳動軸的傳動形式，傳動軸的坐標計算可分為三種類型：與一軸定距的坐標計算；與兩軸定距的坐標計算；與三軸等距的坐標計算。
在本主軸箱2根傳動軸與1根油泵軸，傳動軸、油泵軸之間可按與一軸定距的坐標計算方法計算，在計算傳動軸5和傳動軸6的坐標時采用與三軸等距的方法求得。計算公式見文獻[1]P172
（3-8）
（3-9） （3-10）
（3-11）
（3-12）
傳動軸5的坐標計算：
圖3-3 與三軸等距傳動軸坐標計算圖
理論中心距
實際中心距
中心距在允差范圍內，所以此處要使用標準齒輪。
理論中心距
實際中心距
中心距在允差范圍內，所以此處要使用標準齒輪。
理論中心距
實際中心距
中心距在允差范圍內，所以此處要使用標準齒輪。
傳動軸6的坐標計算
理論中心距
實際中心距
中心距在允差范圍內，所以此處要使用標準齒輪。
表3-4 主軸箱傳動軸坐標計算結果
坐標
傳動軸5
傳動軸6
X
175.000
185.975
Y
200.000
134.926
3.4.2坐標檢查圖的繪制
在坐標計算完成后，繪制坐標及傳動關系檢查圖，用以全面檢查傳動系統(tǒng)的正確性。坐標檢查圖的主要內容有：通過齒輪嚙合，檢查坐標位置是否正確；檢查主軸轉速及轉向；；檢查液壓泵、分油器等附加機構的位置是否合適。
繪制出的坐標檢查圖，如圖3-4所示。
圖3-4左主軸箱坐標檢查圖
3.5 軸、齒輪、軸承、鍵的校核
因為傳動軸5受力最大，最容易受到破壞，所以對傳動軸5及其上面的齒輪和鍵為例，進行軸、齒輪、軸承和鍵的校核。
3.5.1軸的校核
由于傳動軸主軸1，2，3，4的轉矩為,
根據P66[8],
40調質，由表11.2可知許用剪切應力，抗扭截面模數
故可驗證傳動軸5滿足要求
受軸向力
得
材料為40調質,由表11.2查得
3.5.2齒輪的校核
已選定齒輪采用45鋼，鍛造毛坯，軟齒面，齒輪T調質HBS280～350，齒輪精度8級，輪齒表面粗糙度為1.6。
以傳動軸5及驅動軸O上的一對嚙合為例進行齒輪的強度校核，大、小齒輪齒數分別為，傳動比。
A.設計準則
按齒面接觸疲勞強度設計，再按齒根彎曲疲勞強度校核。
B.按齒面接觸疲勞強度設計
其中， ，
由文獻[9]的表6.5得，
由文獻[9]表6.3得
， (3-13)
由文獻[9]的圖6.8選擇材料的接觸疲勞極限應力為：
由文獻[9]的圖6.9選擇材料的彎曲疲勞極限應力為：
應力循環(huán)次數N由文獻[9]的公式（6.3）計算可得
(3-14)
則
由文獻[9]的圖6.6，查得接觸疲勞壽命系數,
由文獻[9]的圖6.7，查得彎曲疲勞壽命系數，彎曲疲勞安全系數,又，試選。
許用接觸應力：
(3-15)
B.校核齒根彎曲疲勞強度
由文獻[9]的圖6.7查得彎曲疲勞壽命系數，彎曲疲勞安全系數,又。。
(3-16)
由文獻[9]的表6-4查得， ，
由文獻[9]的公式（6.12）校核兩齒輪的彎曲強度
(3-17)
(3-18)
所以齒輪完全達到要求。傳動軸5上其余齒輪均用此方法進行校核，其結果均符合要求。
3.5.3軸承的壽命校核
a)確定30205軸承的主要性能參數
查[10]表18-4得: e=0.37 Y=1.6
b)計算并確定e值。
根據查參考文獻[9查表8.10，得
d)確定系數
查參考文獻[9]表8-10
e)計算當量動負荷
(3-10)
f)計算軸承壽命
查參考文獻[9]表8.7 、8.8 得 又知
所以該軸承合適。
3.5.4鍵的強度計算
校核主軸上的鍵B822，鍵的受力如圖3-6所示，該鍵的主要失效形式為工作面的壓潰，按工作面上的擠壓力進行強度校核計算。
圖3-6 鍵受力圖
(3-19)
式中: T——傳遞的轉距，單位；
K——鍵與輪轂的接觸高度，k=h/2,h為鍵的高度，單位為mm；
d——軸的直徑，單位為 mm；
l——鍵的工作長度，單位為mm。A型鍵l=L-b。
(3-20)
查文獻表12.1中選取
所以鍵的強度符合要求。
3.6 主軸箱前、后蓋及箱體設計
多軸箱設計中，大多數零零件工作圖應參照同類通用零件圖，結合專用要求設計繪圖。對于齒輪，專用軸等零件，應設計零件圖，對于多軸箱體類通用件，多軸箱體，前蓋，后蓋等通用零件，應根據多軸箱總圖要求，繪制出需要補充加工的部位，通常習慣用粗實線畫出補充加工部位的結構，其尺寸，形位公差，表面粗糙度等需按機械制圖國際規(guī)定格式標記；通用鑄件的原有部分的輪廓等一律用細實線表示。
箱體的補充加工圖坐標是由軸的坐標決定的，由于箱體的補充加工是由軸的位置確定而進行加工的，其直徑是由軸上所安裝軸承和軸承套的的外徑所決定的。在加工箱體時要注意以下問題：由于箱體上孔的特殊性、孔要求較高，為了保證孔的同軸度和平行度，所以要在一次定位中加工，因而，在加工箱體的上端面的孔時，是用普通鏜刀進行加工，而下端面的孔，是先卸下鏜桿上的原有鏜刀，然后鏜刀桿伸出下端面的孔后，再裝上鏜刀，反向鏜削而成，加工結束后先卸下刀具，然后鏜桿上移，如此往復，直至加工完畢。雖然生產效率很低，但對于這種單件加工，同軸度要求較高的也不失為一個好的加工方法。
3.7附件的選擇
A.潤滑系統(tǒng)的設計潤滑系統(tǒng)的設計
在設計潤滑系統(tǒng)時，應對機械設備各部分的潤滑要求作全面的分析，確定所使用潤滑劑的品種，盡量減少潤滑劑和潤滑裝置的類別．在保證主要總值件的良好潤滑條件下，綜合考慮其他潤滑點的潤滑，要保證潤滑質量．應使?jié)櫥到y(tǒng)既滿足設備運轉中對潤滑的需要，又應與設備的工況條件和使用環(huán)境相適應，以免產生不適當的摩擦、溫度、噪聲及過早的失效。
由于我們設計的是鏜床主軸箱，主軸、傳動軸、軸承和齒輪的潤滑用30號機
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