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鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2008 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 加工對象工藝性分析 ...............................................3 2.1.2 機床配置型式的選擇 ...............................................3 2.1.3 定位基準的選擇 ...................................................3 2.2 確定切削用量及選擇刀具 .............................................4 2.2.1 選擇切削用量 .....................................................4 2.2.2 計算切削力、切削扭矩及切削功率 ...................................5 2.2.3 刀具耐用度的計算 .................................................7 2.2.4 選擇刀具結構 .....................................................7 2.3 三圖一卡設計 .......................................................8 2.3.1 被加工零件工序圖 .................................................8 2.3.2 加工示意圖 .......................................................8 2.3.3 機床聯(lián)系尺寸圖 ...................................................9 2.3.4 機床生產(chǎn)率計算卡 ................................................12 3 組合機床后主軸箱設計 ................................................15 3.1. 繪制后主軸箱設計原始依據(jù)圖 .......................................15 3.2 主軸結構形式的選擇及動力計算 ......................................16 3.2.1 主軸結構形式的選擇 ..............................................16 3.2.2 主軸直徑和齒輪模數(shù)的初步確定 .....................................16 3.2.3 主軸箱動力計算 ..................................................17 3.3 主軸箱傳動系統(tǒng)的設計與計算 ........................................17 3.3.1 計算驅(qū)動軸、主軸的坐標尺寸 ......................................17 3.3.2 擬定主軸箱傳動路線 ...............................................17 3.3.3 傳動軸的位置和轉(zhuǎn)速及齒輪齒數(shù) .....................................18 3.4 主軸箱中傳動軸坐標的計算及傳動軸直徑的確定 .........................19 3.4.1 傳動軸坐標的計算 ................................................19 3.4.2 傳動軸軸徑的確定 ................................................20 3.5 軸的強度校核 ......................................................20 3.6 齒輪校核計算 ......................................................22 3.7 主軸箱中傳動軸坐標檢查圖的繪制 ....................................24 4 結論 ................................................................25 參考文獻 ..............................................................26 致 謝 ..............................................................27 附 錄 ..............................................................28 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2008 1 1 前言 組合機床是根據(jù)工件加工需要,以大量通用部件為基礎,配以少量專用部件 組成的一種高效的專用機床。組合機床一般采用多軸、多刀、多工序、多面或 多工位同時加工的方法，生產(chǎn)效率比通用機床高幾倍至幾十倍。由于通用部件 已標準化和系列化，可根據(jù)需要靈活配置，能縮短設計和制造周期。因此，組 合機床兼有低成本和高效率的優(yōu)點，在大批、大量生產(chǎn)中得到廣泛應用，并可 用來組成自動生產(chǎn)線。組合機床及其自動線是集機電于一體的綜合自動化程度 較高的制造技術和成套工藝裝備。它的特征是高效、高質(zhì)、經(jīng)濟實用,因而被廣 泛應用于工程機械、交通、能源、軍工、輕工、家電等行業(yè)。我國傳統(tǒng)的組合 機床及組合機床自動線主要采用機、電、氣、液壓控制,它的加工對象主要是生 產(chǎn)批量比較大的大中型箱體類和軸類零件(近年研制的組合機床加工連桿、板件 等也占一定份額),完成鉆孔、擴孔、鉸孔,加工各種螺紋、鏜孔、車端面和凸臺,在 孔內(nèi)鏜各種形狀槽,以及銑削平面和成形面等。組合機床的分類繁多,有大型組 合機床和小型組合機床,有單面、雙面、三面、臥式、立式、傾斜式、復合式, 還有多工位回轉(zhuǎn)臺式組合機床等;隨著技術的不斷進步,一種新型的組合機床— —柔性組合機床越來越受到人們的青睞,它應用多位主軸箱、可換主軸箱、編碼 隨行夾具和刀具的自動更換,配以可編程序控制器(ＰＬＣ)、數(shù)字控制(ＮＣ)等,能 任意改變工作循環(huán)控制和驅(qū)動系統(tǒng),并能靈活適應多品種加工的可調(diào)可變的組合 機床。另外,近年來組合機床加工中心、數(shù)控組合機床、機床輔機(清洗機、裝 配機、綜合測量機、試驗機、輸送線)等在組合機床行業(yè)中所占份額也越來越大。 二十世紀 70 年代以來，隨著可轉(zhuǎn)位刀具、密齒銑刀、鏜孔尺寸自動檢測和刀具 自動補償技術的發(fā)展，組合機床的加工精度也有所提高。組合機床未來的發(fā)展 將更多的采用調(diào)速電動機和滾珠絲杠等傳動，以簡化結構、縮短生產(chǎn)節(jié)拍；采 用數(shù)字控制系統(tǒng)和主軸箱、夾具自動更換系統(tǒng)，以提高工藝可調(diào)性；以及納入 柔性制造系統(tǒng)等。 國內(nèi)組合機床近幾年取得了長足的進步，但是與發(fā)達國家相比，在產(chǎn)業(yè)結 構、產(chǎn)品水平、開發(fā)能力、產(chǎn)業(yè)規(guī)模、制造技術水平、勞動生產(chǎn)率、國內(nèi)外市 場占有率等諸多方面尚存在不少差距。在組合機床方面，總體水平不高，國際 競爭力不強，不能充分滿足國內(nèi)建設需要，關鍵技術過分依賴國外，自主發(fā)展 能力薄弱，高技能人才的比較優(yōu)勢有弱化的危險，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，用戶服務 水平差距較大。 本次設計的課題是 ZH1105 柴油機氣缸蓋三面鉆擴組合機床總體及后主軸箱 設計。該課題來源于江淮動力集團。該集團生產(chǎn)的 S195 柴油機、ZH1105 柴油 機銷路十分走俏，市場需求量大，暢銷國內(nèi)外市場?，F(xiàn)在該集團迫切需要改善 現(xiàn)有的生產(chǎn)條件，進行提高生產(chǎn)率、改善產(chǎn)品質(zhì)量方面的技術改造，使產(chǎn)品的 合格率上升，增加產(chǎn)量，適應市場競爭的需要，提高經(jīng)濟效益。 基于三維的柴油機氣缸蓋組合鉆床總體及后主軸箱設計 2 本設計主要針對 ZH1105 氣缸蓋鉆排氣道面上 2×M10—7H 螺紋底孔至 φ8.376，深 19mm，Ra6.3，各孔位置度公差為 φ 0.20mm；鉆井氣道上 4×M10－7H 螺紋底孔至 φ8.376，深 19mm，Ra 6.3，各孔位置度公差為 φ0.30mm；鉆 G3/8"放置螺塞底孔至 φ15.2mm 通孔，以上倒角均 C1，Ra 12.5。前面，后面，左面三個面上 7 個孔同時加工、生產(chǎn)率低、位置精度誤差 大的問題而設計的，從而保證孔的位置精度、提高生產(chǎn)效率，降低工人勞動強 度。由于柴油機機體需大批量生產(chǎn)，為了提高加工精度，降低成本，有必要設 計一種組合機床來滿足柴油機機體前后左三面同時鉆孔的需要。本次設計分總 體設計、夾具設計、左軸箱設計、右軸箱設計及后主軸箱設計四部分。我主要 負責后主軸箱部分的設計，總體設計由我和另外三位同學共同完成。 設計該組合機床思路如下：仔細分析零件的特點，以確定零件合理可行的 加工方法（包括安排工序及工藝流程，確定工序中的工步數(shù)，選擇加工的定位 基準及夾壓方案等） ，確定工序間加工余量，選擇合適的切削用量，確定組合機 床的配制形式；根據(jù)被加工零件的工藝要求確定刀具，再由刀具直徑計算切削 力，切削扭矩，切削功率，然后選擇各通用部件，最后按裝配關系組裝成組合 機床。 本說明書以設計臥式三面鉆螺紋底孔組合機床為主線。在第 2 章中著重介 紹了組合機床的總體設計。在總體設計中，首先是被加工零件的工藝分析，然 后是總體方案的論證，在比較了許多方案之后，結合本道工序加工的特點最終 選擇臥式三面的機床配置型式。再結合本道工序的特點選擇刀具。根據(jù)選擇的 切削用量，計算刀具的切削力、切削扭矩、切削功率等，再確定刀具的大小和 型式。在確定這些設計計算后，然后是繪制組合機床的“三圖一卡”—被加工 零件工序圖、加工示意圖、機床聯(lián)系尺寸圖和生產(chǎn)率計算卡。在第 3 章中，主 要介紹了后主軸箱的設計，后主軸箱的設計是組合機床設計中的一個重要的組 成部分。后主軸箱設計時，首先確定繪制后主軸箱。設計原始依據(jù)圖，接著對 主軸結構型式選擇和動力計算，然后對主軸箱傳動系統(tǒng)進行設計和計算，最后 對軸和齒輪的強度進行校核，繪制出主軸箱中傳動軸坐標檢查圖。 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2008 3 2 組合機床總體設計 2.1 總體方案論證 2.1.1 加工對象工藝性的分析 A.本機床被加工零件特點 該加工零件為 ZH1105 柴油機氣缸蓋。材料 HT250，其硬度為 HB190—240， 重量 36.5Kg，在本工序之前各主要表面、主要孔已加工完畢。 B.本機床被加工零件的加工工序及加工精度 本道工序：鉆右面、左面、后面的孔，由本設備“ZH1105 氣缸蓋三面鉆組 合機床”完成，因此，本設備的主要功能是完成柴油機氣缸蓋右面、左面、后 面三個面上 7 個孔的加工。具體加工內(nèi)容及加工精度是： a. 鉆后面上 2 個孔鉆：鉆 2×M10—7H 螺紋底孔至 φ8.376，深 19mm，Ra6.3，各孔位置度公差為 φ0.20mm。 b.鉆右面上 4 個孔：4×M10－7H 螺紋底孔至 φ8.376，深 19mm，Ra 6.3，各孔位置度公差為 φ0.30mm。 c.鉆左面上 1 個孔： 鉆 G3/8"放置螺塞底孔至 φ15.2mm 通孔，Ra 6.3。 以上倒角均 C1，Ra 12.5。 2.1.2 機床配置型式的選擇 根據(jù)選定的工藝方案確定機床的配置型式，并定出影響機床總體布局和技 術性能的主要部件的結構方案。既要考慮能實現(xiàn)工藝方案，以確保零件的精度、 技術要求及生產(chǎn)率，又要考慮機床操作方便可靠，易于維修，且潤滑、冷卻、 排屑情況良好。對同一個零件的加工，可能會有各種不同的工藝方案和機床配 置方案，在最后決定采取哪種方案時，絕不能草率，要全面地看問題，綜合分 析各方面的情況，進行多種方案的對比，從中選擇最佳方案。 各種形式的單工位組合機床，具有固定式夾具，通?？砂惭b一個工件，特 別適用于大、中型箱體類零件的加工。根據(jù)配置動力部件的型式和數(shù)量，這種 機床可分為單面、多面復合式。利用多軸箱同時從幾個方面對工件進行加工。 但其機動時間不能與輔助時間重合，因而生產(chǎn)率比多工位機床低。 機床的配置型式主要有臥式和立式兩種。臥式組合機床床身由滑座、側(cè)底 座及中間底座組合而成。其優(yōu)點是加工和裝配工藝性好，無漏油現(xiàn)象；同時， 安裝、調(diào)試與運輸也都比較方便；而且，機床重心較低，有利于減小振動。其 缺點是削弱了床身的剛性，占地面積大。立式組合機床床身由滑座、立柱及立 柱底座組成。其優(yōu)點是占地面積小，自由度大，操作方便。其缺點是機床重心 高，振動大。 在認真分析了被加工零件的結構特點及所選擇的加工工藝方案，又由組合 基于三維的柴油機氣缸蓋組合鉆床總體及后主軸箱設計 4 機床的特點及適應性，確定設計的組合機床的配置型式為單工位臥式三面鉆組 合機床。 2.1.3 定位基準的選擇 被加工零件為 ZH1105 柴油機氣缸蓋屬箱體類零件，本工序加工為三面同時 鉆螺紋底孔，加工工序集中、精度要求高。由于箱體零件的定位方案一般有兩 種， “一面兩孔”和“三平面”定位方法。 A. “一面雙孔”的定位方法 它的特點是： a.可以簡便地消除工件的六個自由度，使工件獲得穩(wěn)定可靠定位。 b.有同時加工零件五個表面的可能，既能高度集中工序，又有利于提高各 面上孔的位置精度。 c.“一面雙孔”可作為零件從粗加工到精加工全部工序的定位基準，使零 件整個工藝過程基準統(tǒng)一，從而減少由基準轉(zhuǎn)換帶來的累積誤差，有利于保證 零件的加工精度。同時，使機床各個工序（工位）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。 d.易于實現(xiàn)自動化定位、夾緊，并有利于防止切削落于定位基面上。 B.“三平面”定位方法 它的特點是： a.可以簡便地消除工件的六個自由度，使工件獲得穩(wěn)定可靠定位。 b.有同時加工零件兩個表面的可能，能高度集中工序。 一般情況下， “一面雙孔”是最常用的定位方案，即零件在機床上放置的底 面及底面上的兩個孔作為定位基準，通過一個平面和兩個定位銷限制其六個自 由度。由于柴油機氣缸蓋底面有兩個孔，再通過底面這個平面就可限制氣缸蓋 六個自由度。初步擬定“一面雙孔”定位方法。 2.2 確定切削用量及選擇刀具 2.2.1 選擇切削用量 對于 7 個被加工孔，采用查表法選擇切削用量，從文獻[1]P.130 表 6-11 中選取。由于鉆孔的切削用量還與鉆孔深度有關，隨孔深的增加而逐漸遞減， 其遞減值按文獻[1]P.131 表 6-12 選取。降低進給量的目的是為了減小軸向切 削力，以避免鉆頭折段。鉆孔深度較大時，由于冷卻排屑條件都較差，是刀具 壽命有所降低。降低切削速度主要是為了提高刀具壽命，并使加工較深孔時鉆 頭的壽命與加工其他淺孔時鉆頭的壽命比較接近。 切削用量選擇是否合理，對組合機床的加工精度、生產(chǎn)率、刀具耐用度、 機床的布局形式及正常工作均有很大影響。組合機床多軸箱上所以的刀具共用 一個進給系統(tǒng)，通常為標準動力滑臺。查文獻[1]得硬度 HB190-240 時，高速鋼 鉆頭的切削用量如表 2-1： 表 2-1 高速鋼鉆頭切削用量 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2008 5 加工材料 加工直徑 （mm）1d切削速度 (m/min)v進給量 (mm/r)f 190～240HBS 6～12 0.1～0.18鑄鐵 >12～22 10～18 >0.18～0.25 在選擇切削速度時，要求同一多軸箱上各刀具每分鐘進給量必須相等并等 于滑臺的工進速度 （單位為 mm/min）,因此，一般先按各刀具選擇較合理的fv 轉(zhuǎn)速 (單位為 r/min)和每轉(zhuǎn)進給量 （單位為 mm/r） ，再根據(jù)其工作時間最長、inif 負荷最重、刃磨較困難的所謂“限制性刀具”來確定并調(diào)整每轉(zhuǎn)進給量和轉(zhuǎn)速， 通過“試湊法”來滿足每分鐘進給量相同的要求，即 （2-fivnfn???21 1） 在選擇了轉(zhuǎn)速后就可以根據(jù)公式 （2-10dv?? 2） 選擇合理的切削速度。 A 右側(cè)面上 4 個孔的切削用量的選擇 4×M10 鉆至 4×Φ8.376，深 19， l=19mm 由 d＞6～12，硬度大于 190～240 HBS，選擇 v=10～18m/min, f ＞0.1～0.18mm/r,又 d=8.376mm,初選 n=533r/min, f =0.13mm/r,則由（2-2） 得： v=π ×8.376×533/1000=14m/min B.后側(cè)面上 2 個孔的切削用量的選擇 2×M10 鉆至 2×Φ8.376，深 19， l=19mm 由 d＞6～12，硬度大于 190～240 HBS，選擇 v=10～18m/min, f ＞0.1～0.18mm/r, 又 d=8.376mm, 初選 n=536r/min, f =0.13mm/r,則由（2- 2） 得： v=π ×8.376×536/1000=14.1m/min C.左側(cè)面上一個孔的切削用量的選擇 鉆 G3/8"放置螺塞底孔至 φ15.2mm 通孔 由 d＞12～22，硬度大于 190～240 HBS，選擇 v=10～18m/min, f ＞0.18～0.25mm/r, 又 d=15.2mm, 初選 n=335r/min, f =0.20mm/r,則由（2- 2） 得： v=π ×15.2×335/1000=16m/min 表 2-2 加工各個孔的進給量，工進速度及切削速度 孔徑 切削用量 8.376 8.376 15.2 基于三維的柴油機氣缸蓋組合鉆床總體及后主軸箱設計 6 v (m/min) 14 14.1 16 f (mm/r) 0.13 0.13 0.20 n (r/min) 533 536 335 2.2.2 計算切削力、切削扭矩及切削功率 根據(jù)文獻[1]P.134 表 6-20 中公式 (2-3) 6.08.2HBDfF? (2-4)..91T (2-5)vP?740 式中， F ——切削力（N） ； T ——切削轉(zhuǎn)矩（Nmm） ； 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。 ，在本設計中，)(31minaxmaxHBHB?? ， ，得 HB=223。240maxHB90in 由以上公式可得： A 右側(cè)面上 4 個孔的切削用量的選擇 鉆 4×M10 鉆至 4×Φ8.376，深 19 由公式（2-3）得： 6.08.2HBDfF? =26×8.376×0.130.8×2230.6 = 1091.6 N 由公式（2-4）得： 6.08.9.1fM =10×8.3761.9×0.130.8×2230.6 = 2843.4 Nmm 由公式（2-5）得： DTvP???9740 = 283.176? =0.156 kW B.后側(cè)面上 2 個孔的切削用量的選擇 鉆 2×M10 鉆至 Φ8.376，深 19 由公式（2-3）得： 6.08.HBDfF? =26×8.376×0.130.8×2230.6 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2008 7 = 1091.6N 由公式（2-4）得： 6.08.9.1HBfDM? =10×8.3761.9×0.130.8×2230.6 =2843.4 Nmm 由公式（2-5）得： TvP??9740 = 283.16.? =0.157 kW C. 左側(cè)面上一個孔的切削用量的選擇 鉆 G3/8"放置螺塞底孔至 φ15.2mm 通孔 由公式（2-3）得： 6.08.2HBDfF? =26×15.2×0.200.8×2230.6 = 2796.1 N 由公式（2-4）得： 6.08.9.1fM =10×15.21.9×0.200.8×2230.6 =12452.2 Nmm 由公式（2-5）得： 9740TvPD??? = 125..731? =0.43 kW 表 2-3 加工各個孔的切削力、切削轉(zhuǎn)矩及切削功率 孔徑 F (N) M (Nmm) P (kW) 8.376 1091.6 2843.4 0.156 8.376 1096.6 2843.4 0.157 15.2 2796.1 12452.2 0.43 2.2.3 刀具耐用度的計算 確定刀具耐用度，用以驗證選用量或刀具是否合理，刀具的耐用度至少大 于 4 個小時。查閱文獻[2]中公式： （2-6） 83.15.0296???????HBvfDT 式中： —— 刀具耐用度，單位 min； —— 鉆頭直徑，單位 mm； 基于三維的柴油機氣缸蓋組合鉆床總體及后主軸箱設計 8 —— 切削速度，單位 m/min；v —— 每轉(zhuǎn)進給量，單位 mm/r；f —— 布氏硬度。HB 選擇 Φ8.376mm 的鉆頭進行計算： 80.250.25.13.1396968748.DTvf????????????????min 根據(jù)計算，所得刀具耐用度滿足要求。 2.2.4 選擇刀具結構 根據(jù)工藝要求及加工精度的要求，加工 7 個孔的刀具均采用標準錐柄長麻 花鉆。 2.3 三圖一卡設計 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，表示所設計的組合機床（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 計的具體依據(jù)，也是制造、使用、調(diào)整和檢驗機床精度的重要文件。 a.被加工零件 名稱及編號：氣缸蓋 ZH1105 材料及硬度：HT250 HB190—240 重量 12Kg。 b.定位基準及夾壓點的選擇 針對機體的結構特點，選用“一面雙孔”定位基準。 c.圖中符號 ↓夾緊點 定位基面 2.3.2 加工示意圖 加工示意圖是在工藝方案和機床總體方案初步確定的基礎上繪制的。是表 達工藝方案具體內(nèi)容的機床工藝方案圖。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.刀具的選擇 在編制加工示意圖的過程中，首先是對刀具進行選擇。一臺機床刀具的選 擇是否合理，直接影響到機床的加工精度、生產(chǎn)率和工作情況。因而正確選擇 刀具是一個相當重要的工作。刀具的選擇要考慮到工件加工尺寸精度、表面粗 糙度、切屑的排除及生產(chǎn)率要求等因素。鉆孔刀具其直徑應與加工終了時刀具 螺紋螺旋槽后端和導向套外端有一定的距離。 刀具直徑的選擇應與加工部位尺寸、精度相適應?？?Φ8.376 選擇刀具 Φ8.376G7；孔 Φ8.376 選擇刀具 Φ8.376G7；孔 Φ15.2 選擇刀具 Φ15.2G7。 B.導向結構的選擇 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2008 9 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。 本課題中加工 7 個孔時，由于是大批大量生產(chǎn)，考慮到當導套磨損時，便 于更換，避免使整個鉆模板報廢，以節(jié)約成本，所以導向裝置選用可換導套。 對于加工 Φ8.376 孔，選擇的導套尺寸為：D=18 mm，D1=25 mm，D2=30 mm，L=25 mm， 對于加工 Φ8.376 孔，選擇的導套尺寸為：D=18mm，D1=25 mm，D2=30 mm，L=25 mm， 對于加工 Φ15.2 孔，選擇的導套尺寸為：D=30 mm，D1=40 mm，D2=50 mm，L=35 mm， C.確定主軸、尺寸、外伸尺寸 在該課題中，主軸用于鉆孔，選用滾珠軸承主軸。又因為浮動卡頭與刀具 剛性連接，所以該主軸屬于長主軸。故本課題中的主軸均為滾珠軸承長主軸。 根據(jù)由選定的切削用量計算得到的切削轉(zhuǎn)矩 T，由[1]P.43 公式 (2-7)410dB? 式中， d—軸的直徑（㎜） ； T—軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩（Nm） ； B—系數(shù)，本課題中主軸為非剛性主軸，取 B=6.2。 由公式可得： 軸 1～4 d=30 mm 軸 5～6 d=30 mm 軸 7 d=38 mm 查[1]P.44 表 3-6 可得到主軸外伸尺寸及接桿莫氏圓錐號。主軸軸徑 d=30mm 時，主軸外伸尺寸為： L=115mm；接桿莫氏圓錐號為１。主軸軸徑 d=38mm 時，主軸外伸尺寸為： L=115mm；接桿莫氏圓錐號為 2。 D.動力部件工作循環(huán)及行程的確定 a.工作進給長度 的確定工 工作進給長度 ，應等于加工部位長度 L（多軸加工時按最長孔計算）與L工 刀具切入長度 和切出長度 之和。切入長度一般為 5～10mm，根據(jù)工件端面12 的誤差情況確定。由于加工的孔均為螺紋底孔，即盲孔，所以各個孔的切出長 度均為零。兩個面上鉆孔時的工作進給長度見下表： 表 2-4 工作進給長度 L 1d 2L工 左主軸箱 22 8 15.2 右主軸箱 19 8 8.376 基于三維的柴油機氣缸蓋組合鉆床總體及后主軸箱設計 10 后主軸箱 19 8 8.376 b.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。初步選定三個主軸箱上 刀具的快速進給長度都為 140mm。 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，三面快速退回長度為 170mm。 d.動力部件總行程的確定 動力部件的總行程為快退行程與前后備量之和。三面的前備量取 30mm，后 備量取 130mm，則總行程為 330mm。 2.3.3 機床聯(lián)系尺寸圖 機床聯(lián)系尺寸圖是用來表示機床的配置型式、主要構成及各部件安裝位置、 相互聯(lián)系、運動關系和操作方位的總體布局。用以檢驗各部件相對位置及尺寸 聯(lián)系是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 件設計提供重要依據(jù)；它可以看成是簡化的機床總圖。 1 選擇動力部件 A.動力滑臺形式的選擇 本組合機床采用的是液壓滑臺。與機械滑臺相比較，液壓滑臺具有如下優(yōu) 點：在相當大的范圍內(nèi)進給量可以無級調(diào)速；可以獲得較大的進給力；由于液 壓驅(qū)動，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；由行程調(diào)速閥來控制滑臺的快進轉(zhuǎn)工進，轉(zhuǎn) 換精度高，工作可靠。但采用液壓滑臺也有其弊端，如：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(diào)整維 修比較麻煩。本課題的加工對象是 ZH1105 柴油機氣缸蓋三個面上的 7 個孔，位 置精度和尺寸精度要求較高，因此采用液壓滑臺。 由此，根據(jù)已定的工藝方案和機床配置形式并結合使用及修理等因素，確 定機床為臥式雙面單工位液壓傳動組合機床，液壓滑臺實現(xiàn)工作進給運動，選 用配套的動力箱驅(qū)動主軸箱鉆孔主軸。 B.動力滑臺型號的選擇 a.根據(jù)選定的切削用量計算得到的單根主軸的進給力，按文獻[1] P.62 式 （2-8）?? niF1多 軸 箱 式中， —各主軸所需的 向切削力，單位為 N。則i 左主軸箱 .2796 右主軸箱 F4.36.104??多 軸 箱 后主軸箱 29多 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多 軸 箱 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2008 11 b.進給速度 V 左= n1xf=335x0.20=67 V 右= n2xf=533x0.13=69.3 V 后= n3xf=536x0.13=70 c.最大行程 L=400mm d.動力滑臺導軌型式 動力滑臺導軌組合有“矩—矩”和“矩—心”兩種型式。前者一般多用于 帶導向刀具進行加工的機床及其他粗加工機床，后者主要用于不帶導向的剛性 主軸加工及其它精加工機床。由此可知，本機床選用“矩—矩”式最合適。 考慮到所需的進給力、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]P.91 表 5-1，左、右兩面的液壓滑 臺均選用 1HY40IA 型。臺面寬 500mm，臺面長 1000mm,行程長 400mm，滑臺及滑 座總高 320mm,滑座長 1240mm，允許最大進給力 32000N，快速行程速度 6.3m/min，工進速度 10～350mm/min。 C.動力箱型號的選擇 由切削用量計算得到的各主軸的切削功率的總和 ，根據(jù)[1]P.47 頁公P切 削 式 （2-9）?切 削多 軸 箱 P? 式中, —消耗于各主軸的切削功率的總和（kW） ；P切 削 —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(shù)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(shù)量較多、傳動復雜，故取 。8.0?? 左主軸箱： P 切削=0.43140.736.10246.598kWniP?????切 削 則 P=0.43\0.8=054.598.kW多 軸 箱 右主軸箱： P 切削=0.156*4=0.624160.14.356.184kniP????切 削 則 P 多軸箱=0.624\0.8=0.783.8.9k多 軸 箱 基于三維的柴油機氣缸蓋組合鉆床總體及后主軸箱設計 12 根據(jù)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[1] P.114～115 表 5-38 得出動力箱及電動機的型號 表 2-5 動力箱及電動機的型號選擇 動力箱型號 電動機型號 電動機功率 (kW) 電動機轉(zhuǎn)速 (r/min) 輸出軸轉(zhuǎn)速 (r/min) 左主軸箱 1TD25 Y132S-4 5.5 1440 720 右主軸箱 1TD25 Y132S-4 5.5 1440 720 后主軸箱 1TD25 Y132S-4 5.5 1440 720 D.配套通用部件的選擇 側(cè)底座 1CC401，其高度 H=560mm，寬度 B=600mm，長度 L=1350mm。根據(jù)夾 具體的尺寸，自行設計中間底座。 2 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。本課題中，工 件最低孔位置 ，主軸箱最低主軸高度 ，所選滑臺與滑座總21mh?130mh? 高 ，側(cè)底座高度 ，夾具底座高度 ，中間底座304560h?58 高度 ，綜合以上因素，該組合機床裝料高度取 H=1000mm。65 3 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 。主軸箱1h 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，可按下式計算： （2-10）12b?? （2-11）h 式中， b—工件在寬度方向相距最遠的兩孔距離（mm） ； —最邊緣主軸中心距箱外壁的距離（mm） ；1 h—工件在高度方向相距最遠的兩孔距離（mm） ； —最低主軸高度（mm） 。1 其中， 還與工件最低孔位置（ ） 、機床裝料高度（ H=1000mm） 、21mh? 滑臺滑座總高（ ） 、側(cè)底座高度（ ） 、滑座與側(cè)底座之間320mh?4560 的調(diào)整墊高度（ ）等尺寸有關。對于臥式組合機床， 要保證潤滑油75 1h 不致從主軸襯套處泄漏箱外，通常推薦 ，本組合機床按式18~h? 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2008 13 （2-12）12374(0.5)hHh??? 計算，得： 。9.m ,取 ，則求出主軸箱輪廓尺寸：407,6b?1b B=398mm 1529.0385.mHh???? 根據(jù)上述計算值,按主軸箱輪廓尺寸系列標準，最后確定主軸箱輪廓尺寸為 B×H=400mm×400mm。 2.3.4 機床生產(chǎn)率計算卡 已知：工作行程為 180mm 進刀量為 7500mm /min 機動時間 3.05min 裝卸工件時間 0.8min 單件工時 3.894min/件 a.理想生產(chǎn)率 Q（件/h） 理想生產(chǎn)率是指完成年生產(chǎn)綱領（包括備品及廢品率）所要求的機床生產(chǎn) 率。用《組合機床設計簡明手冊》P.51 公式 （2-13）ktN? 計算，式中， N—年生產(chǎn)綱領（件） ，本課題中 N=30000 件； —全年工時總數(shù)，本課題以單班 7 小時計，則 。kt 2350kth? 則 htQk /7.12350件? b.實際生產(chǎn)率 Q1（件/ h） 實際生產(chǎn)率是指所設計的機床每小時實際可生產(chǎn)的零件數(shù)量。即公式[1] P.51 （2-14）單TQ601? 式中， —生產(chǎn)一個零件所需時間（min） 。T單 則 hQ/41.589.3601件單 ?? c.機床負荷率 ? 機床負荷率為理性生產(chǎn)率與實際生產(chǎn)率之比。即公式[1]P.52 基于三維的柴油機氣缸蓋組合鉆床總體及后主軸箱設計 14 （2-15） 1Q?? 則 %8.241.571?Q? 生產(chǎn)率計算卡見表 2-6。 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2008 15 表 2-6 生產(chǎn)率計算卡 圖號 --- 毛坯種類 鑄件 名稱 柴油機氣缸蓋 毛坯重量被加工零件 材料 HT250 硬度 190～240HBS 工序名稱 三面鉆孔 工序號 工時(min) 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 (m/ min) 每分 鐘轉(zhuǎn) 速 (r/ min) 進給 量 (mm/ r) 進給速 度 (mm /min) 機加工 時間 輔助 時間 共計 1 裝卸工件 1 0.8 0.8 右滑臺快進 150 左滑臺快進 140 7500 0.02 0.02 左軸箱工進 (鉆孔 15.2) 30 16 335 0.2 16.6 1.81 右多軸箱工進 30 14 533 0.13 13.1 2.29 2.29 后多軸箱工進 30 14.1 536 0.13 20 1.5 左右滑臺快 退 180 7500 0.024 0.024 總計 3.134min 單件工時 3.134min 機床生產(chǎn)率 19.14 件/h 備 注 裝卸工件時間取決于操作者熟練程度,本機床計算時取 0.8min 機床負荷率 83.5% 基于三維的柴油機氣缸蓋組合鉆床總體及后主軸箱設計 16 3 組合機床后主軸箱設計 主軸箱是組合機床的部件之一，它的功用是根據(jù)被加工零件的加工要求， 將電機和動力箱部件的功率和運動，通過按一定速比排布的傳動齒輪傳遞給各 主軸，使其能按要求的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向帶動刀具進行切削。 3.1 繪制后主軸箱設計原始依據(jù)圖 主軸箱的設計原始依據(jù)圖是根據(jù)“三圖一卡”整理編繪出來的，其內(nèi)容包 括主軸箱設計的原始要求和已知條件。 在編制此圖時從“三圖一卡”中已知 a) 主軸箱輪廓尺寸:400×400×400； b) 工件輪廓尺寸及各孔位置尺寸； c) 工件和主軸箱相對位置尺寸。 根據(jù)以上依據(jù)編制出的主軸箱設計原始依據(jù)圖 3-1： 附表： a) 被加工零件 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2008 17 名稱：氣缸蓋 材料：HT250 硬度：187～255HBS b) 主軸外伸長度及切削用量 表 3-1 主軸外伸長度及切削用量 主軸外伸尺 寸（mm） 軸號 加工直 徑 （mm） 主軸直 徑 （mm） D/d L 切削速度 v（m/min ） 轉(zhuǎn)速 n（r/min ） 每轉(zhuǎn)進 給量 f（mm/r ） 1～6 Ф30 Ф40 65/44 135 20 220 0.2 1TD50Ⅳ動力箱電動機功率 1.5kW，轉(zhuǎn)速 1460r/min,驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速 730r/min，驅(qū)動軸到滑臺表面距離為 159.5mm，其他尺寸可查動力箱裝配圖。 3.2 主軸結構型式的選擇及動力計算 3.2.1 主軸結構型式的選擇 主軸結構型式由零件加工工藝決定，并應考慮主軸的工作條件和受力情況。 因本工序是對氣缸蓋進行鉆孔，因此選用滾珠軸承主軸結構，這種結構前支承 為推力球軸承和向心球軸承,后支承為向心球軸承或圓錐滾子軸承.因推力球軸 承設置在前端,能承受單方向的軸向力,適用于鉆孔主軸。 本主軸是屬外伸長度為 135mm 長主軸與刀具剛性連接，配置的單導向用于 鉆孔。 3.2.2 主軸直徑和齒輪模數(shù)的初步確定 a) 主軸直徑 初步主軸直徑已在編制“三圖一卡”時完成，由此可知主軸直徑 d=40mm。 b) 齒輪的模數(shù) 主軸直徑已在總體設計部分初步確定 齒輪模數(shù) m（單位為 mm）一般用類比法確定，也可由查得的公式估算， 即 (3-1)3)2~0(znp? 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(shù)； n—小齒輪的轉(zhuǎn)速，單位為 r/min。 主軸箱中的齒輪模數(shù)常用 2、2.5、3、3.5、4 幾種。為了便于生產(chǎn)，同一 基于三維的柴油機氣缸蓋組合鉆床總體及后主軸箱設計 18 主軸箱中的模數(shù)規(guī)格不要多于兩種。由于本主軸箱為鉆孔主軸箱，主軸轉(zhuǎn)速誤 差較小，且加工孔的位置比較集中，可以根據(jù)實際需要選出齒輪模數(shù)為 3、4 兩 種。 該主軸箱中兩條主要傳動鏈中的齒輪，由于往往和多個齒輪同時嚙合，受 力較復雜，且往往速度較低，受力較大，所以選用大一點的模數(shù)，而對其它一 些齒輪可選小一些，如取 m=3,m=4, 具體各齒輪的模數(shù)如圖 4 所示。 3.2.3 主軸箱動力計算 因所有主軸均用于鉆孔，所以均選用有推力軸承的主軸，主軸箱所需動力 見機床的總體設計，此處不在贅述。 3.3 主軸箱傳動系統(tǒng)的設計與計算 3.3.1 計算驅(qū)動軸、主軸的坐標尺寸 根據(jù)原始依據(jù)圖 3-1，計算驅(qū)動軸、主軸的坐標尺寸，如表 4-2 所示： 表 3-2 驅(qū)動軸、主軸坐標值 坐標 驅(qū)動軸 O 主軸 1 主軸 2 主軸 3 X 135.000 111.000 165.000 108.000 Y 222.000 120.000 54.000 63.000 3.3.2 擬訂主軸箱傳動路線 在設計傳動系統(tǒng)時，要盡可能用較少的傳動件，使數(shù)量較多的主軸獲的預 定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，因此在設計時單一應用計算或作圖的方法就難以達到要求， 現(xiàn)在一般采用“計算、作圖和試湊”相結合的辦法來設計。 a) 分析主軸的位置 該主軸箱中的主軸 1 軸、2 軸、3 軸、可看成直線分布，用 4 軸和 5 軸來帶 動。 該主軸箱是用多根中間軸帶動主軸轉(zhuǎn)動，其傳動路線如下： 驅(qū)動軸 0→軸 5→軸 4→軸 1→軸 3→軸 2 b)傳動比的選擇 為了使結構緊湊，多軸箱內(nèi)齒輪傳動比一般選在 1～1.5，但在多軸箱后蓋 內(nèi)齒輪傳動比允許取至 ，盡量避免用升速傳動。當驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速較低時，5.31~ 允許先升速后在降一些，使傳動鏈前面的軸、齒輪轉(zhuǎn)矩較小，結構緊湊，但空 轉(zhuǎn)功率損失隨之增加，故要求升速傳動比小于等于 2；為使主軸上的齒輪不過 大，最后一級經(jīng)常采用升速傳動。 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2008 19 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(zhuǎn)變 形；精加工主軸上的齒輪，應設置在第Ⅲ排，以減少主軸端的彎曲變形。多軸 箱內(nèi)具有粗精加工主軸時，最好從動力箱驅(qū)動軸齒輪傳動開始，就分兩條傳動 路線，以免影響加工精度。 據(jù)此，本主軸箱為了使主軸上齒輪直徑小些，所以先由第Ⅱ、Ⅲ、IV 排齒 輪減速，然后再由箱體內(nèi)最后一級齒輪升速，獲的所需的主軸轉(zhuǎn)速，這樣結構 較為合理緊湊。 3.3.3 傳動軸的位置和轉(zhuǎn)速及齒輪齒數(shù) 本主軸箱內(nèi)傳動系統(tǒng)的設計是按“計算、作圖和試湊”的一般方法來確定 齒輪齒數(shù)、中間傳動軸的位置和轉(zhuǎn)速，在設計過程中通過反復試湊和畫圖，才 最后確定了齒輪的齒數(shù)和中間設計軸的位置。為滿足齒輪的嚙合關系，有些齒 輪采用了變位齒輪來保證中心距的要求。 3.3.3.1 由各主軸及驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速求驅(qū)動軸到各主軸之間的傳動比 主軸 n1=n2=n3=534r/min 驅(qū)動軸 n0=1400r/min 各主軸總傳動 i=534/1400=0.38 3.3.3.2 確定中間傳動軸的位置并配各對齒輪 傳動軸轉(zhuǎn)速的計算公式查得如下： （3-主從從主 nzu? 2） （3-）（ 從主mA?2 3） （3-主從從從主 znu? 4） （3-從主主主從 zn 5） （3-）（）（ 從主從主 umAnzmAz ????1212 6） 基于三維的柴油機氣缸蓋組合鉆床總體及后主軸箱設計 20 （3-）（）（ 主從主從 uAnmzAz ????122 7） 式中，u—嚙合齒輪副傳動比 ； —分別為主動和從動齒輪齒數(shù)；從主 、 z —分別為主動和從動齒輪轉(zhuǎn)速，單位為 r/mm；從主 、 n A—齒輪嚙合中心距，單位為 mm； m—齒輪模數(shù)，單位 mm； a) 確定傳動軸 4 的位置及與主軸 1、2 間的齒輪副齒數(shù)，傳動軸 4 的位置 在主軸 1 和 2 的垂直平分線上，垂直方向位置待齒數(shù)確定后便可確定。 由 ，取 ，則 ，取 m=3mm，則 A= '4, 20.65zi??216z?'230z?3()14?? mm，由 A= mm，則 。2.37()14mz??430z? b) 估算傳動軸 4 和傳動軸 5 的中心距 A=70mm，取 m=3mm，再由 ， '44551zi?? 可求得： 。'4538,z? c)估算主軸 1 和傳動軸 4 的中心距 A=60mm,取 m=3mm，再由 ，可求得： 。 44110.75iz??10,3z? d )用上述同樣的方法估算出主軸 3 上齒輪的齒數(shù) 。340z? 3.3.3.3 驗算各主軸轉(zhuǎn)速12340217./min83021.4/in86nrr??? 轉(zhuǎn)速相對損失在 5%以內(nèi)，符合設計要求。 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2008 21 3.4 主軸箱中傳動軸坐標的計算及傳動軸直徑的確定 3.4.1 傳動軸坐標的計算 軸（4）： 324296X???? 3tan8.90.85XYY?? 驗： ，4242()1mzA? 而 ???24241.36????實 圖 3-2 ,該中心距誤差很小在 0.001～0.009mm 之間，可1.03610.36A? 不用變位齒輪。 軸（5）： 545492X???? 4tan02.78YY? 驗： ，4545()17mzA? 而 ????22414.0X????-實 圖 3-3 ，該中心距誤差很小在 0.001～0.009mm 之間，17.0210.A? 可不用變位齒輪。 3.4.2 傳動軸軸徑的確定 （3-nUTT???21總 8） 軸（4）： ，查表 3-4，得 。416.30.7896.i Nm??? 40dm? 軸（5）： ，查表 3-4，得 。5245203T? 5 3.5 軸的強度校核 在主軸箱中不管是主軸還是傳動軸，它們的直徑都是按照扭轉(zhuǎn)剛度條件， 根據(jù)其所受扭矩，由表 3-4 選取的，所以它們的剛度都滿足要求。這里只對相 對較為危險的軸進行強度的校核計算。 基于三維的柴油機氣缸蓋組合鉆床總體及后主軸箱設計 22 由于 1～6 軸鉆孔直徑最大為 Ф30，所受的切削力較大，相對來說比較危 險，又因為 1～6 軸徑一樣，鉆孔直徑一樣。故任選 1 軸進行校核。 軸（6）：T=46423N·m，軸上齒輪 z=40，模數(shù) m=3，則 d=mz=3×40=120mm， N， N。2437.210tTFd???tan2073.tan2081.63rF????? 軸的支點位置：參見機械設計圖 11.18，由 32208 圓錐滾子軸承查手冊，得9am 齒寬中心距左支點距離： 23(8.519).Lm?? 齒寬中點距右支點距離： 34045?? 左支點水平面的支反力： 312.73.2, 5.81tDNHLFMN???? 右支點水平面的支反力： 2385..0, 0.9tB?? 左支點垂直面的支反力： 31241..692.37rNVLFN?? 右支點垂直面的支反力： 2385..18.rV?? 截面 C 處水平面彎距： 12..267HNMFLN? 截面 C 處垂直面彎距： 239085.5.41V m??? 截面 C 處合成彎距： 22211267.6304.89HV N??? 截面 C 處計算彎距：考慮啟動、停機影響，扭矩為脈動循環(huán)變應力，a=0.6， 221()304.5(.643)615.caMT m????? 截面 C 處計算應力： 3232().1(0), .436125..78cacadbtWNPa??????其 中 強度校核：45 鋼調(diào)質(zhì)處理，由機械設計表 11.2 查得 ，??160MPa?????1c??? 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2008 23 彎扭合成強度滿足要求。 以下為軸的受力簡圖、受力彎矩圖及扭矩圖： 圖 3-8 軸的受力圖 3.6 齒輪校核計算 在初步擬訂多軸箱傳動系統(tǒng)后，還要對危險齒輪進行校核計算，尤其是對 低速級齒輪或齒根到鍵槽距離較低的齒輪以及轉(zhuǎn)矩較大的齒輪。通過比較發(fā)現(xiàn) 12 軸上的齒輪較危險，故對其進行校核。 已選定齒輪采用 45 鋼，齒輪精度用 8 級，表面粗糙度為 ，對于需校2.3aR 核的一對 1、4 軸上的齒輪，齒數(shù)分別為 ， ，模數(shù)為 3，傳動比246z?70z 基于三維的柴油機氣缸蓋組合鉆床總體及后主軸箱設計 24 ，扭矩 T=60.536N·m。30.654i? a) 設計準則 按齒面接觸疲勞強度設計，在按齒根彎曲疲勞強度校核。 b) 按齒面接觸疲勞強度計算 （3-?? 2131()HEt dZKTud??????????? 9） 式中： —節(jié)點區(qū)域系數(shù)，用來考慮節(jié)點齒廓形狀對接觸應力的影響，其值查H 圖 7-15，取 =2.5；HZ —材料系數(shù)，單位為 ，查表 7-5，取 189.8 ；EMPaMPa —重合度系數(shù)，取 =0.90；? ? —齒寬系數(shù)，其值可查表 7-7，取 =0.9；d?d? u—齒數(shù)比，其值為大齒輪齒數(shù)與小齒輪齒數(shù)之比