汽车发动机飞轮壳支架钻削多轴头及其夹具设计

湖北汽车工业学院毕业设计论文 摘要 多轴头夹具是配合立式钻床进行左右支臂的钻孔加工的工艺装备，利用钻床主轴 驱动多轴头各个工作轴，配套夹具进行夹紧和定位。在一次装夹过程中就可以完成若 干孔位的加工，很适合大型汽车厂内大批量加工零件上多个孔系的工序，可以显著提 高生产效率。 关键词：关键词： 钻床夹具；多轴头 湖北汽车工业学院毕业设计论文 Abstract Multiaxial head is one of type of technical euqipment that just can be used with driller. Multiaxial heads all axises can be drived by the chief axis of driller. Worker can make multi- hole only in one process with the corresponding fixture. So it much more adapt to large-scale manufacture in todays manufactory. Key words： driller; fixture; Multiaxial head 湖北汽车工业学院毕业设计论文 目录目录 第一章第一章 概论概论 1 1 1.1 课题的来源和目的1 1.2 可行性分析及系统设计方案2 1.3 钻削系统达到的功能要求和技术指标3 1.4 钻削系统研究的重点和难点4 1.5 预计课题的经济效益和社会效益4 第二章第二章 原始资料及设计要求原始资料及设计要求 5 5 2.1 原始资料5 2.1.1 工序卡5 2.1.2 机床相关参数6 2.2 设计要求7 第三章第三章 多轴头及夹具的总体设计多轴头及夹具的总体设计 8 8 3.1 多轴头与夹具导向结构选择8 3.2 导向套的选择9 3.3 工作轴直径的计算 .9 3.4 刀具接杆类型的选择10 3.5 确定多轴头箱体轮廓尺寸 .10 3.6 初定夹具轮廓尺寸10 第四章第四章 多轴头的设计多轴头的设计 1111 4.1 多轴头设计的原始依据图11 4.2 传动方案的选择及分析11 4.3 齿轮的设计及计算12 4.4 工作轴的结构形式选择14 4.5 工作轴的设计及计算15 4.6 轴承的选择及计算17 4.7 键联接的选择18 4.8 润滑与密封19 第五章第五章 夹具设计夹具设计 2020 5.1 夹具体上配合及公差的选择20 5.2 定位方案的选择及分析 .22 5.3 定位误差的分析及计算23 5.4 夹紧方案的选择 .26 湖北汽车工业学院毕业设计论文 5.5 夹紧力的计算26 5.5.1 夹紧力的大小的计算26 5.5.2 实际夹紧力的计算 .26 5.6 夹紧和定位方案的总体设计27 总结总结 2929 致谢致谢 3030 参考文献参考文献 3131 湖北汽车工业学院毕业设计论文 1 第一章 概论 1.1 课题的来源和目的 此课题来源于生产实际，汽车发动机飞轮壳左右支架系东风汽车 EQ140 上的零件， 而我所要设计的汽车发动机飞轮壳钻削多轴头及其夹具是用来辅助生产汽车发动机飞轮 壳左右支架的。 多轴头是附加在立式钻床上的一种装置。它通过传动杆与机床主轴相连，由传动杆 驱动多轴头箱体内部的各个齿轮和工作轴旋转，工作轴的位置按照设计与工件上孔位置 相对应，工作轴上装有刀具，例如钻头，锪刀，倒角钻，镗刀等，可以实现在一个工步 内对工件上的多个孔进行多个工艺内容的加工。基于发动机飞轮壳左右支架的结构特点 如图 1.1 所示，采用钻削多轴头进行辅助加工，四个孔可以同时加工，完成多个工步内 容，加工效率极高。 在采用多轴头的同时，还要有与之对应的夹具的辅助。机床夹具是在金属加工过程 中，用以准确的确定工件位置，并将其牢固的夹紧，以接受加工的工艺装备。其主要作 用是：可靠的保证工件的加工质量，提高加工效率，减轻劳动强度，充分发挥和扩大机 床的工艺性能。因此，机床夹具在机械制造中占有重要的地位。本课题为汽车发动机飞 轮壳支架 4-13 孔多轴头及其配套夹具的设计就是属于传统的机械加工工装设计，其主 要目的就是要解决在一般的机械加工过程中常见的多孔位加工问题。 通过多轴头配合夹具对零件同时进行一个平面内的多个孔的加工，从而可以显著的 提高加工效率。 图 1.1 右支架 湖北汽车工业学院毕业设计论文 2 1.2 可行性分析及系统设计方案 汽车工业是技术密集型产业，在生产中应用了各种加工工艺方法。从原材料进厂到 产品出厂的整个过程中，都离不开工艺。所以汽车生产的工艺工作十分复杂。汽车产品 具有诸如零件精度高、结构较为复杂、产量大、零部件的互换性要求高、安全性要求高 等特点。在汽车产品的生产制造过程中其中有大量的零部件产品需要经过机械加工，而 在零部件的机械加工过程中很多都需要使用专用的工装夹具来保证其加工的过程的顺利 进行。此外，汽车零件的结构大都很复杂，而且多孔，为了提高零件的生产效率，多轴 头的使用已经成为一种很常见的工艺手段。 多轴头分为通用多轴头和专用多轴头，在汽车零部件加工厂里，多使用专用多轴头， 它与通用多轴头的区别是工作轴不可调，适用于大量生产的工厂。专用多轴头的各工作 轴多采用悬挂式的钻模板进行刀具的导向定位。悬挂式钻模板是通过滑柱、弹簧和多轴 头等悬挂在钻床的主轴上，工件以支承块、销、限位件、定位压块为定位件，其中定位 压块兼为夹紧件。当钻模板上的定位件随钻床主轴下降到与工件接触时，则工件完成最 终定位，钻模板不再下降，但多轴头仍继续下降，此时滑柱上的两根弹簧产生越来越大 的压力通过钻模板上的定位压块将工件压牢。当工件上的孔加工透后，钻模板随钻床主 轴一起上升，直到便于装卸工件时，钻床主轴才停止上升。 多轴头虽然在多孔加工方面有很明显的优点，但是也有它自身的局限性，例如，一 旦多轴头箱体设计加工完毕，则其各个工作轴的轴间距就已经固定，不能改变，此多轴 头就只能用来加工单一产品。此外，由于多轴头的专业性较强，它也不适合用于新产品 的调试加工。多轴头的各个部件的要求精度较高，所以它的制造费用要比一般的工装夹 具要高。不仅如此，由于多轴头的工作轴前端需要有轴承支承，受支承轴承的外形尺寸 的限制，其加工孔的孔距也不可能很近，超出一定范围才可能使用多轴头加工。 该课题所涉及的加工零件的工序尺寸如图 1.2 所示： 由工序图可知被加工孔的最小孔距为 51，孔径为 13。根据以上已知条件，按5 表 5-5 通用主轴的最小轴间距可以查得多轴头的最小轴间距为 36。由于此轴间距大于所 规定的最小轴间距，所以对于汽车发动机飞轮壳左右支架底平面上的 4-13 孔是可以选 用多轴头进行加工的。 基于以上的资料和条件的分析可以对整个设计方案做出一个大体的框架即：多轴头 与 Z535 立式钻床相联接，而夹具安装在钻床的平台上，多轴头和夹具之间的定位靠多轴 湖北汽车工业学院毕业设计论文 3 头上的导杆和夹具上的导套配合完成。由于工件的尺寸较大，选择一次只加工一件。 图 1.2 工序图 1.3 钻削系统达到的功能要求和技术指标 本钻削多轴头及其配套夹具是用于加工零件发动机飞轮壳的 10.6B-01044/01042 左 右支架。其左右支架是通过支架将飞轮壳固定在发动机上。它主要承受飞轮壳的重量。 零件 10.6B-01044/01042 左/右支架系东风汽车 EQ140 上零件。每车用量两件，每种 年产量位 80，000 件属于大批量生产型。为了提高零件机械加工的效率，保证产品质量， 就需要采用先进的工艺装备，而本多轴头及其夹具的特点则能够满足上述要求。采用多 轴头同时加工零件底平面上的 4 的 13 通孔，可以大幅度提高加工精度和加工效率，能 够满足大批量生产的需要。同时，还应该满足如下几个要求： 1. 由于多轴头要配合夹具使用来完成对工件上 4 个通孔的加工，故在设计中要满足夹具 应便于装夹，排屑方便等要求。 2. 提高机械加工劳动生产率，满足生产要求。 3. 夹具操作方便，夹紧可靠安全，有较合理的装卸空间。 4. 保证工件的加工精度。 5. 结构合理，便于加工、装配和维修。 湖北汽车工业学院毕业设计论文 4 1.4 钻削系统研究的重点和难点 整个设计过程中的重点和难点主要有以下两点： 1.使多轴头和夹具能够协调一致的工作。在使用过程中既要满足工件的定位方便、 加工精度得以保证；还要满足装夹方便、操作安全的要求。在设计多轴头和夹具 时要考虑设备和工装之间的联系尺寸，例如机床的主轴运动极限距离，主轴的外 径，最大扭矩；工件的装卸空间要合理；工件如何定位才能满足加工精度的需要。 2.多轴头的传动系统的设计也是本课题设计中所需仔细考虑的地方。根据切削加工 时刀具所承受的扭矩来计算工作轴的直径，由此选择工作轴的类型、箱体的尺寸。 并根据孔位的分布情况来确定传动路线，并合理的设计和选择各个传动部件，避 免出现机械上的干涉；确保传动系统设计能保证工作轴的转速满足工艺要求的参 数，最后还要对选择的部件中的关键项进行必要的校验，以确保使用的安全和寿 命。 1.5 预计课题的经济效益和社会效益 在该零件底面孔加工工序中，使用多轴头有很多好处。在加工时，可以一次加工多 个孔，完成多个工步内容，加工效率极高，可以缩短切削加工的单位时间；可以缩短辅 助时间；由于是在一次装夹过程完成的切削，孔位的加工精度很高；同时可以使工人的 操作安全和方便，并能够减轻体力劳动强度；可以使技术等级较低的工人担任加工精度 教工的工件，并能够保证工件的加工精度。 湖北汽车工业学院毕业设计论文 5 湖北汽车工业学院毕业设计论文 6 第二章 原始资料及设计要求 2.1 原始资料 本多轴头及其夹具是为了加工零件 10.6B-01044/01042 设计的，用于加工 50 序钻底 平面 4-13 通孔，其原始资料如下： 零件为 EQ140 左支架和右支架，生产纲领 80，000 件。 每车数量：左支架和右支架各一件。 材料规格：QT400。 毛坯重量左右支臂均为 2.52kg。 零件净重左右支臂均为 2.17kg。 2.1.1 工序卡 机械加工工序卡：由于左支架、右支架的工艺过程基本相同，故只列出左支架的工 艺卡。 表 2.1 机械加工工序卡 工序工序内容单件工时加工设备 铣底平面 3.61 立式铣床 X5032 铣筋 2.7 立式铣床 X5032 铣 66 凸台两侧面 2.5 卧式铣床 X6132 钻孔 22 0.6 立式钻床 Z535 钻孔 4-13 通孔 1.45 立式钻床 Z535 铣凹面， 1.36 立式铣床 X5032 孔口倒角 1.0 立式钻床 Z535 清洗零件 0.5 清洗机 SQX-400 终检 0.35 湖北汽车工业学院毕业设计论文 7 50 序钻 4-13 孔，保证尺寸 39.5，4-13及位置尺寸 51，165，4-13 孔的 位置精度 0.30，粗糙度 12.5（同时加工 4 孔） 刀具：麻花钻 BD10-3 13；辅具：中间套筒、刀具接杆；钻夹头 015。 夹具：多轴头及其配套夹具 量具：游标卡尺 0200/0.02mm 切削用量：切削长度：L=25mm;切深 t=6.5mm; 进给量：S=0.32mm/r;主轴转速 n=290r/min; 切削速度：v=11.78m/min;t 单1.45min 切削液：乳化液设备：立式钻床 Z535 2.1.2 机床相关参数 要使多轴头与 Z535 配合使用，需要 Z535 钻床的机床相关尺寸，Z535 的尺寸如下: 最大钻孔直径 35 主轴中心线至导轨面距离 335mm 主轴端面至工作台距离 750mm 湖北汽车工业学院毕业设计论文 8 主轴行程 250mm 主轴箱行程 200mm 主轴转速范围 31.51400r/min 主轴转速级数 12 级 进给量范围 0.0561.8mm/r 进给量级数 9 级 主轴莫氏锥度号 4 号 主轴最大进给抗力 16000N 主轴最大扭矩 350N/m 主电机功率 3KW 工作台行程 300mm 工作台尺寸 560480mm 机床外形尺寸 10909052530mm 2.2 设计要求 1.夹具应便于装夹，排屑方便。 2.提高机械加工劳动生产率，满足生产需求。 3.夹具操作方便，夹紧可靠安全，有较合理的装卸空间。 4.稳定的保证工件的加工精度。 5.结构合理，便于加工、装配和维修。 湖北汽车工业学院毕业设计论文 9 第三章 多轴头及夹具的总体设计 多轴头是安装在机床上的一种附加装置，利用它可以完成多孔位同时加工。而工件 是装夹在夹具上，靠夹具定位来确定加工尺寸和位置的。所以在多轴头和夹具设计时需 要考虑其和机床以及他们相互之间的总体的配合，避免出现运动干涉和使用中可能出现 的不利情况。 3.1 多轴头与夹具导向结构选择 该工序由于时在立式钻床上进行加工，故选择导杆直径为 30mm，导杆数量取 2 根。 钻模板没有快速更换的要求，故采用固定时圆螺母锁紧即可。其具体结构如图 6.2 所示： 为保证加工时钻模板具有足够的稳定性，钻模板在夹具上必须维持足够的定位压力， 对于本多轴头，其总重量未超过 80kg，导杆上加装弹簧以利于压紧工件。 多轴头和夹具靠两根导杆进行定位套导向。导杆前端加工成锥度利于插入夹具上的 导套。导套座与夹具有确定的位置关系，故可以满足多轴头加工时的相对于工件的位置 精度。 湖北汽车工业学院毕业设计论文 10 图 3.1 立式钻床结构图 3.2 导向套的选择 对于钻孔加工过程中，由于钻头的强度和刚性较差容易出现加工的孔歪斜。故在钻 孔加工中为保证刀具相对于工件的正确位置和各刀具相互件的正确位置和提高刀具系统 的支撑刚性通常采用导向套对刀具进行引导。 由于该加工工序孔径较小，摩擦表面线速度 V11.78m/min，所以应取小齿轮的参数进行计算。 1 1 F F Y 2 2 F F Y 2. 按轮齿弯曲强度设计 设齿轮按 8 级精度制造，取载荷系数 K1.2（查9表 11-3 得） ，齿宽系数为 d0.3。 小齿轮上的转距从 5.4 的计算知为 T16.5103Nmm。由 7.2 计算知传动比 u2.91。 按轮齿的弯曲强度设计公式计算齿轮的模数为： m1.483 2 1a 1 z1u 4 F F YKT ）（ 3 2 3 1202219 . 23 . 0 83 . 2 10 5 . 162 . 14 ）（ 模数按标准模数选取 m2 此时应再重新计算各个齿轮的齿数和各轴间距如下： z1z286.351 m 2a 2 ) 2 51 () 2 165 (2 22 2 ) 5 . 25() 5 . 82(2 22 2 351.862 从 4.2 的计算数据可以知道初定的大小齿数分别为 z122，z264。两齿轮齿数和 为 86 与上述计算基本吻合，所以适合，无需再重新选择和计算齿数。 此时的工作轴和主轴的实际中心距为： a理论86mm 2 )( 21 zzm 2 )(2 21 zz 实际中心距和理论中心距有偏差 |a实际-a理论|0.351mm，此时为配凑中心距需 将齿轮做成变位齿轮。其变位参数的计算如下： y0.176 m a理论 实际 a 2 86351.86 湖北汽车工业学院毕业设计论文 15 变位后的啮合角 cos 0.934 实际 理论 cos a a cos20 86.351 86 arccosarccos0.93420.63 变位后的渐开线函数为： invtantan20.630.0164 63.20 180 标注啮合时的渐开线函数为： invtantan200.0149 20 180 总变位系数为： 0.177 x）（ invinv 2tan zz 21 ）（ inv20inv20.63 tan202 6422 因小齿轮的轮齿比大齿轮工作频率要高，所以将此变位系数全部分配给小齿轮。大 齿轮为标准齿轮。 大小齿轮的齿宽 b1b20.386.35124mma a 3. 验算轮齿的接触强度 505.03Mpa H 2 1 3 uba KT1u 335 ）（ 2 33 86.351242.91 10 5 . 161.2191 . 2 335 ）（ 查9图 11-7（d）知=1125Mpa，查表 11.4 知安全系数1.2。 Hlim F S 937.5Mpa H F Hlim S 1.2 1125 ,所以安全。 H H 4. 齿轮的圆周速度 v0.67m/s 100060 nd 11 100060 29122214 . 3 对照9表 11-2 可知所选的 8 级精度是合宜的。 4.4 工作轴的结构形式选择 钻削类主轴在工作时因为钻头在切削过程中横刃的切削条件很差，会产生严重的挤 压，轴向切削力较大，所以在工作轴的结构上通常采用滚动轴承或止推轴承作为支承。 在此多轴头中工作轴的结构中前支承采用滚动轴承，后支承采用止推轴承和滚动轴 湖北汽车工业学院毕业设计论文 16 承组合以承受轴向载荷。 工作轴的具体结构如图 4.3 所示。 图 4.3 工作轴结构图 4.5 工作轴的设计及计算 1. 轮齿上的作用力 小齿轮上的转距 T1=16080Nmm 1 6 n 1055 . 9 P 291 49 . 0 1055 . 9 6 圆周力 =730.91N t F 1 1 d 2T 222 160802 径向力 =266.03N r Ftan t F20tan91.730 法向力 Fn777.81N cos t F cos20 91.730 湖北汽车工业学院毕业设计论文 17 垂直面的支承反力(如图 4.4a 所示) 86.07N V F1 68 22 r F 68 2203.266 =266.03-86.07=179.96N V F2 Vr FF 1 2. 水平面的支承反力（如图 4.4b 所示） 236.47N H F1 68 22 T F 68 2291.730 =730.91-236.47=494.44N H F2 HT FF 1 3. 绘制垂直面的弯矩图（如图图 4.4c 所示） 3.96Nm aV M046 . 0 1 V F046 . 0 07.86 4. 绘制水平面的弯矩图（如图图 8.4d 所示） 10.88Nm aH M046 . 0 1 H F046 . 0 47.236 5. 求合成弯矩（如图 8.4e 所示） 11.58Nm a M 22 )()( aHaV MM 22 )88.10()96 . 3 ( 6. 求轴传递的扭矩（如图 8.4f 所示） M16.08 Nm 2 1 d Ft 2 022 . 0 2 91.730 7. 求危险截面的当量弯矩 从图可见，aa 截面最危险，其当量弯矩为：如认为轴的扭切应力是脉动循环应力， 取折合系数 a0.6 15.07 Nm e M 22 )(aTMa 22 )08.166 . 0(58.11 8. 计算危险截面处轴的直径 轴的材料采用 40Cr，调质处理，由9表 14-1 查得750Mpa，由表 14-3 查得许 B 用弯曲应力=70Mpa,则： 1b- d12.91mm3 b1 1 . 0 e M 3 3 701 . 0 1007.15 考虑到键槽对轴的削弱，实际的直径应比 d 大，由 3.2 可知初选轴径为 d20mm，合 适。 湖北汽车工业学院毕业设计论文 18 图 4.4 4.6 轴承的选择及计算 1. 轴承型号的确定 根据 4.5 计算确定的工作轴的直径 d20mm 和 4.4 所选择的轴承的类型，查手册可 以确定滚动轴承的型号为 6204，止推轴承的型号为 8205。 2. 轴承承受的轴向载荷 湖北汽车工业学院毕业设计论文 19 滚动轴承 1 所承受的径向载荷为： 251.65N 1r F 2 1 2 1HV FF 22 47.23607.86 滚动轴承 2 所承受的径向载荷为： 526.17N 2r F 2 2 2 2HV FF 22 44.49496.179 止推轴承所承受的轴向载荷为： 9790.66N a F 轴 F 3. 轴承所承受的当量动载荷 滚动轴承因只承受径向载荷，所以其当量动载荷 P2526.17N，P1251.65N 2r F 1r F 止推轴承因只承受轴向载荷，所以其当量动载荷 P39790.66N a F 4. 计算所需的基本额定动载荷 Cr 因轴的结构要求两端选择相同尺寸的轴承，今,故应以轴承 2 的径向当量动 2r F 1r F 载荷 P2为计算依据。因工作状况平稳无冲击，所以查9表 16-10 得 fp1.2；工作温度 正常，查表 16-9 得 ft1；查表 16-11 可得 Lh15000h。所以 4039.73N 2r C 3 1 6 2 ) 10 60 ( h t P L n f Pf 3 1 6 )15000 10 29160 ( 1 17.5262 . 1 75168.93N 3a C 3 1 6 3 ) 10 60 ( h t P L n f Pf 3 1 6 )15000 10 29160 ( 1 66.97902 . 1 5. 轴承的校核 由9附表 2 可以查得滚动轴承 6204 的径向基本额定动载荷 Cr9880N。因为F0所以该 夹紧机构可靠，如图 5.8 所示： 图 5.8 由于加工时工件的底面朝上，而底板的另一侧并没有加工，所以工件在夹具上安装 时为确保加工精度需要将底板的毛坯面用浮动机构支撑配合校平装置找平，然后再由悬 挂式钻模板下降将其压紧，同时工件的加工表面也处于水平状态。具体的机构如图 5.9 所示： 图 5.9 具体加工图 湖北汽车工业学院毕业设计论文 30 总结 这次所设计的汽车发动机飞轮壳支架钻削多轴头及其夹具，是将多轴头附加在立式 钻床上，它通过传动杆与机床主轴相连。而对应的夹具用以准确的确定工件位置，并将