皮套圈座多轴钻孔专机设计

摘 要 随着自动化 应用的逐步提高 ， 组合机床越来越多的出现在 现代工厂中 ，组合机床是以通用部件为基础，配以工件特定外形和加工工艺设计的专用部件和夹具，组成的半自动或自动专用机床。它一般采用多轴，多刀，多工序，多面或多工位同时加工的方式，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。由于通用部件已经标准化合系列化，可根据需要灵活配置，能缩短设计和制造周期。因此，组合机床兼有低成本和高效率的优点，在大批量生产中得到广泛应用，并可用以组成自动生产线。 本次设计为皮套圈座钻孔专用机床，同时完成 3 个孔的加工。 主要有以下几个方面： 1.方案的制定，根据提供的零件图，通过相关材料分析制定可行性方案并拟定加工工艺规程； 2.“三图一卡”：工序图、加工示意图、尺寸联系图的绘制以及生产率计算卡的计算，根据要求设计图纸； 3.主轴箱结构的设计，包括动力系统、传动系统的制定，轴的设计，齿轮的设计，轴承的选择，润滑系统的制定； 4.零件图的绘制，包括轴、齿轮； 5.说明书的撰写。 关键词： 组合机床；组合机床；三图一卡 II Abstract With increasing automation applications, combined machine tool more and more appear in modern factories, the combination of more occasions based on general parts, match with workpiece specific shape and process design of special components and fixtures, composed of semi-automatic or automatic special machine. It usually adopts the multiaxial, knife, processes, and multi-faceted or multistage and processing, production efficiency than general machine high several times or more. Due to the common parts have standard series, can according to the combined flexible configuration, can shorten the cycle of design and manufacture. Therefore, the combination machine has the advantages of low cost and high efficiency, in large, mass production is widely used, and the automatic production line can be used to composition. The design for the leather seat drilling machine, the processing at the same time to complete the 3 hole.This design mainly in the following aspects: 1. According to the formulation of programmes, providing the parts drawing through relevant material analysis, the feasibility plan and plan formulated processing procedures； 2. three graph one card : process graph, processing schemes, size contact drawing and productivity calculation according to requirements of calculation, card design drawings； 3. Spindle box structure design, including power system and transmission system, the design of the formulation of shaft, the gear design, bearing the formulation of choice, lubricating system； 4. Component drawing, including shaft, gear； 5. Written instructions. Key words: Unit built machine tool； Spindle box； Three diagram a card 目 录 摘 要 . I Abstract . II 目 录 . III 1 绪论 . 1 1.1 课题的来源及意义 . 1 1.2 组合机床及特点 . 1 1.3 国内外该研究技术现状 . 1 2 组合机床总体方案设计 . 2 2.1 组合机床的设计步骤 . 2 2.2 编制工艺规程的原始资料 . 2 2.2.1 被加工零件图一张 . 2 2.2.2 零件机械加工工艺路线的拟定 . 4 2.2.3 工序的加工余量及切削刀具的选择 . 4 2.2.4 切削刀具的选择 . 5 2.3 组合机床切削用量选择及计算 . 5 2.4 确定机床的配置形式 . 7 2.5 “三图”的编制 . 8 2.5.1 被加工零件工序图 . 8 2.5.2 加工示意图 . 8 2.5.3 机床联系尺寸总图 . 10 3 左多轴箱的设计 . 13 3.1 电动机的选择 . 13 3.2 绘制多轴箱设计原始依据图 . 13 3.3 确定主轴结构型式及齿轮模数 . 13 3.4 多轴箱传动系统设计 . 14 3.4.1 拟定传动路线 . 14 3.4.2 确定传动轴位置及齿轮齿数 . 15 3.4.3 绘制传动系统图 . 16 3.5 绘制多轴箱总图 . 16 4 右多轴箱设计 . 21 4.1 电动机的选择 . 21 4.2 绘制多轴箱设计原始依据图 . 21 4.3 确定主轴结构型式及齿轮 模数 . 21 4.4 多轴箱传动系统设计 . 22 4.4.1 拟定传动路线 . 22 4.4.2 确定传动轴位置及齿轮齿数 . 23 IV 4.4.3 绘制传动系统图 . 24 4.5 液压滑台结构的设计 . 25 5 夹具的设计 . 26 5.1 定位基准的选择 ： . 26 5.2 夹紧方案的确定 . 26 5.3 夹紧力的计算 . 26 5.4 定位误差分析 . 26 5.5 组合机床“一卡”的编制 . 27 6 结论 . 29 6.1 结论 . 29 6.2 不足之处及未来展望 . 29 致 谢 . 30 参考文献 ： . 31 皮套圈座多轴钻 孔专机设计 1 1 绪论 1.1 课题的来源及意义 无锡市江泰机械制造厂是一家专业从事外协件加工的企业，公司现采用加工 中心加工纺织机械零件 -皮圈架座上的三个孔，工装时间长，加工成本高，效率不高。因而需要设计一台专机达到提高工作效率，降低生产成本，同时保证加工质量的目的。 传统机床只能对一种零件进行单刀，单工位，单面，单轴加工，成产效率低而且加工精度不稳定，组合机床能够对一种或几种零件进行多刀、多面、多轴、多工位 加工。在组合机床上可以完成钻孔、扩孔、铣削磨削等工序，生产效率高，加工精度稳定。本课题针对皮套圈座设计专用多孔钻机，有利于提高大批量的生产效率，提高加工精度稳定性，节约资源。从而可以提高企业业内的竞争力与生产效率 1-3。 1.2 组合机床及特点 组合机床 是用按系列化标准设计的通用部件和被加工零件的形状及加工工艺要求设计的部件组成的高效率组合机床。 组合机床常用的通用部件有：床身、立柱、底座、动力箱、动力滑台、各种工艺切削头等。对于一些按顺序加工的多工位组合机床，还具有移动工作台或回转工作 台。 根据工件加工的需要，用这些通用部件配以部分专用部件就可组成组合机床。当工件改变了，还是用这些通用部件，只将部分部件改装，又可以组成加工新工件的机床 4。 普通机床加工零件时，不仅工人劳动强度很大，效率也不高，而且不利于保证产品加工精度。组合机床是按高度工序集中原则设计的，即在一台机床上可以同时完成许多同一种工序或多种不同工序的加工，它可以同时用多个刀具进行切削，机床的辅助动作实现了自动化，结构比普通机床简单，提高了生产效率。 1.3 国内外该研究技术现状 组合机床自 1911年在美国研制成功后 便广泛应用于大批量生产的汽车工业中，并且随着汽车工业的发展而逐步完善。组合机床是根据被加工件的工艺要求，按照工序高度集中的原则而设计的，并以系列化 、标准化的通用部件为基础，配以少量专用部件而组成的专用设备，并配以专用夹具，采用多把刀具同时进行加工。 随着国家对世贸承诺的逐步实现，价格的竞争优势也逐渐减少，在机构件方面，厦工、临工、宜工、龙工纷纷采用组合机床对动臂、前车架、后车架，前后铰接架的孔系进行加工，零件一次装夹，多头同时加工，比通用机床单孔逐个加工，效率提高了 3 6 倍，而且避免了工件调头而产生的二次 定位误差。运用组合机床加工结构件与通用机床相比各孔系坐标精度可以由 1mm 提高到 0.2mm，同轴度 0.5mm 提高到 0 08mm,孔系平行度由 0.7mm 提高到 0.1mm,而且 所有精度均靠机床本身的装配精度保证，为提高整车的质量奠定了基础。组合机床与通用机床组合生产线使适当的投资能迅速扩大生产规模，解决通用机床加工效率低，同一工序需要多台机床加工的难题。 无锡太湖学院学士学位论文 2 2 组合机床总体方案设计 2.1 组合机床的设计步骤 拟定方案阶段 制定工艺方案，这是设计组合机床最重要一步，所以必须认真分析被加工零件图纸，全面了解其结构特点、加工部位、尺寸精度、定位、夹紧方式、工艺方法和加工过程所用的刀具、辅具，切削用量等，分析总结后确定工艺方案； 确定机床配置形式及结构方案； 总体设计 -三图一卡； 在选好工艺方案并确定机床配置形式及结构方案的基础上，进行 方案图纸设计：被加工零件工序图，加工示意图，机床尺寸联系图和生产率计算卡，统称“三图一卡”。 技术设计阶段 根据确定的工艺和结构方案，按照加工示意图和机床联系尺寸图等展开部件设计，绘制夹具、主轴箱等的装配图。 工作设计阶段 绘制零件图； 编 制机床说明书，制定机床精度检验、调整试车规范等相关验收标准。 制定工艺方案 组合机床是针对被加工零件的特点及工艺要求，按高度集中工序原则设计的一种高效率专用机床。组合机床方案制定的主要内容：经过分析比较，确定可行的加工方法确定工序间加工余量、选择合适的切削用量、相应的刀具结构，确定机床配置形式等。 2.2 编制工艺规程的原始资料 2.2.1 被加工零件图一张 皮圈架座是纺机卷绕机构中安装皮圈架的一个重要零件，材料为 ZL101，硬度为 50HBS。分析图纸可知，三个待加工孔之间的位置精度要求不是很高，而单个孔的尺寸精度和粗糙度要求比较高，分别为 12U6（ -0.033/-0.044mm） ， 11H7（ +0.018/0mm） ， 10H7（ +0.015/0mm） ，粗糙度 Ra 都为 1.6m。另外 12 孔的轴线和底面的平行度要求为 0.1mm，因而 12 孔 的要求最高。 在本道工序前，底面已经过铣削加工，平面度为 0.1mm。三个待加工孔为铸孔，毛坯上孔尺寸为： 9.4-9.0mm, 10.4-10.0mm, 11.4-11.0mm。 皮套圈座多轴钻孔专机设计 3 图 2.1 皮套圈座零件三维图 图 2.2 皮套圈座机加工图 零件图上的技术要求： 材料为 ZL101； 零件硬度 50HBS； 生产纲领的计算 要求：批量生产 10000 件 /年，备品率 1%，废品率 2% )/% ) (1% ) (1( 年件banQN （ 2.1） 式中： N：零件的年生产纲领（件 /年） Q：产品的年产量（台 /年） n：每台产品中，该零件的数量（件 /台） a%： 备品率 b%：废品率 无锡太湖学院学士学位论文 4 零件年生产纲领的计算： 年件年件 /5000)/(10302%)21(%)11(110000 N 故该零件的生产属于大量生产。 2.2.2 零件机械加工工艺路线的拟定 通过图纸的要求，对该零件进行加工工艺分析如下： 该零件为皮套圈座，材料为铸铝，其毛坯为铸造出来的，所以需要安排人工时效，进行热处理以改善性材料性能和消除内应力。该工件的主要加工为钻孔，铰孔，考虑加工零件的结构特点、加工部位、尺寸精度、表面粗糙度和技术要求，按照先粗后精，先主后次，先基面后其他，先面后孔的工序安排原则，生产效率要求制定初步的设计方案、零件加工的工艺过程，初步确定了工艺路线 5。 工艺规 程的初步制定： 工序 0：热处理 工序 5：车底端面 工序 10：铣底端面 工序 15：加工底端两孔（钻，铰） 工序 20：钻孔，铰孔 工序 25：尺寸检验 工序 30：零件要求检验 对该工艺分析：先加工下端面，然后再加工下端部两孔，再加工剩下的三个孔，这样就可以保证孔的位置精度，并且可以为后的加工提供定位基准；而且最大程度地采取了工序集中得原则，以便提高每一台机床的利用率，该规程经老师指导后将工艺路线制定为表2-1： 表 2-1 机械加工工艺规程 工序号 工步名称 工步名称 工艺设备 0 热处理 退火 退火设备 5 车底端面 以毛坯预留孔为粗基准，粗车下端面 车床 10 铣底端面 以达到零件所要平面度误差 0.05 铣床 15 钻孔 钻 7 的孔 钻床 20 铰孔 铰 7，达 7H7 铰刀 25 钻孔 钻 10，达图要求 组合机床 30 钻 11，达图要求 铣铰刀具 35 钻 12，达图要求 40 终检 按图纸要求检验 2.2.3 工序的加工余量及切削刀具的选择 加工余量的确定 钻孔加工不留余量一次加工完成。 皮套圈座多轴钻孔专机设计 5 2.2.4 切削刀具的选择 刀具用厂方提供 的硬质合金铣铰复合刀具。 2.3 组合机床切削用量选择及计算 查 1表 6-14 并结合其它参数，确定主轴转速的确定 n=1000r min， f=0.6mm r 切削力 F，切削转矩 M，切削功率 P 的计算公式 由 1可知计算公式如下： DTF /6.0 （ 2.1） 6.068.083.0 79.06.80 HBafDT p （ 2.2） DMvP 9740 （ 2.3） 式中： F 切削轴向力（ N）； D 钻头直径（ mm）； f 每转进给量（ mm r）； T 切削转矩（ N.mm）； P 切削功率（ KW）； pa 切削深度（ mm）； v 切削速度（ m min）； HB 零件的布氏硬度值，通常给出一个范围。 对于公式（ 2.1） （ 2.3）取最大值，对于（ 2.4）取最大值减去硬度偏差值的三分之一。 用直径 D=12mm 的硬质合金铣铰复合刀具钻 22.2mm 深的孔，根据刀具直径和工件，刀具材料，查 1可知 : D=12mm， n=1000r min， f=0.6mm r。 硬度 HB 50 由公式 2.2 得 mmNT .2709505.06.0126.80 6.079.068.083.01 由公式 2.1 得 mmNF .45.135122 7 0 96.0 由公式 2.3 得 KWD DP 28.01000 19740 n2709 滑台每分钟进给量的计算 由 3 知 fvfn 式中： n 主轴转速（ r min） f 主轴进给量（ mm r） fv 滑台每分钟进给量（ mm min） m in/6006.01 0 0 0 mmv f 无锡太湖学院学士学位论文 6 主轴直径的确定 由 1表 3-4，轴能承受的转矩计算： 41)100( MBd 式中： d 轴的直径（ mm）； M 轴所传递的转矩（ N.mm）； B 系数。 B 与扭矩角 有关，当为刚性主轴时， B=7.3 mmMBd 7.16)100( 25.0 取 d=20mm 用直径 D=10mm 的硬质合金铣铰复合刀具钻 19mm 深的孔，根据刀具直径和工件，刀具材料 ，查 1可知 : D=10mm， n=1000r min， f=0.6mm r。 硬度 HB 50 由公式 2.2 得 mmNT .4.2 3 2 8505.06.0106.80 6.079.068.083.02 由公式 2.1 得 mmNF .140104.23286.0 由公式 2.3 得 KWD DP 24.01000 19740 n4.2328 滑台每分钟进给量的计算 由 3 知 fvfn 式中： n 主轴转速（ r min） f 主轴进给量（ mm r） fv 滑台每分钟进给量（ mm min） m i n/6006.01 0 0 0 mmv f 主轴直径的确定 由 1表 3-4 轴能承受的转矩计算： 41)100( MBd 式中： d 轴的直径（ mm）； M 轴所传递的转矩（ N.mm）； B 系数。 B 与扭矩角 有关，当为刚性主轴时， B=7.3 mmMBd 1.16)100( 25.0 取 d=20mm 用直径 D=11mm 的硬质合金铣铰复合刀具钻 19mm 深的孔，根据刀具直径和工件，皮套圈座多轴钻孔专机设计 7 刀具材料，查 1可知 : D=11mm， n=1000r min， f=0.6mm r。 硬度 HB 50 v= nd 由公式 2.2 得 mmNT .2520505.06.0116.80 6.079.068.083.03 由公式 2.1 得 mmNF .138112 5 2 06.0 由公式 2.3 得 KWD DP 26.01000 19740 n2520 滑台每分钟进给量的计算 由 3 知 fvfn 式中： n 主轴转速（ r min） f 主轴进给量（ mm r） fv 滑台每分钟 进给量（ mm min） m i n/6006.01 0 0 0 mmv f 主轴直径的确定 由 1表 3-4 轴能承受的转矩计算： 41)100( MBd 式中： d 轴的直径（ mm）； M 轴所传递的转矩（ N.mm）； B 系数。 B 与扭矩角 有关，当为刚性主轴时， B=7.3 mmMBd 4.16)100( 25.0 取 d=20mm 2.4 确定机床的配置形式 由前文中的工艺可知，可采取单面或双面单工序配置形式，一次进给，不留余量，其配置形式如下： 图 2.3 单面配置 无锡太湖学院学士学位论文 8 图 2.4 双面配置 采用图 2.3 单面配置可实现三个孔的位置精度与技术要求，但由于孔 12 与孔 10位置较为靠近，主轴的轴承须采用滚针轴承，无保持架的滚针轴承在使用过程中可靠性差，易发生抱轴、过 热，稳定性能较差。同时，孔 12 的精度要求最高和相对底平面要有一定的平行度要求，则采用图 2.4 双面配置。一面加工孔 12，另一面同时加工孔 10 与孔 11，故机床为单工位双面卧式组合机床 5-6。 2.5 “三图”的编制 组合机床的三图的编制，也就是为皮套圈座钻孔进行设计，提供总体方案图样以及设计，为机床的设计提供依据。 2.5.1 被加工零件工序图 由零件的工艺流程为基础来确定零件的工序图，图如下： 图 2.5 皮套圈座工序图 2.5.2 加工示意图 2.5.2.1 主轴外伸直径的确定 由“ 2.5组合机床切削用量选择及计算 ”可知，钻 12 孔的主轴直径选取为 20mm，皮套圈座多轴钻孔专机设计 9 钻 11 孔的主轴直径选取为 20mm， 钻 10 孔的主轴直径选取为 20mm，则查组合机床简明手册表 3-6 通用主轴的系列参数，又由于主轴为刚性主轴，则主轴参数如下： 表 2-1 各主轴尺寸参数 2.5.2.2 刀柄的选择 现有的铣铰刀为圆柱刀柄，三轴均采用 ER20 弹簧夹头直接装在主轴孔中，刚性好，加工零件精度高。查阅资料，刀柄采用 BT30-ER20-060 系列。 2.5.2.3 动力部件工作循环及行程的确定 动力部件的工作循环是指：加工时动力部件从原始位置开始运动到加工终了位置又返回原始位置的动作过程。一般包括快速引进，工作进给，快速退回等动作。有时还有中间停止，多次往复进给，跳跃进给，死 挡铁停留等特殊要求，这是根据具体的加工工艺需要确定的 。 由工艺方案可得到两个动力部件的工作循环均为： 快进 -工进 -快退 工作进给长度 工L 的确定 图 2.6 工作进给长度 21 LLLL 工 其中 L1切入长度，一般取 5 10mm L加工孔长度（ mm） L2 切出长度（ mm） 钻孔 （ mm） 直径 d （ mm） 外伸长度 L（ mm） 外伸部分的直径 d 外（ mm） 10 20 115 32 11 20 115 32 12 20 115 32 无锡太湖学院学士学位论文 10 查 1表 3-7，从而确定切出长度 2L 钻 10 孔与 11 孔处的工作行程均为： mmLLLL 371219621 工 钻 12 孔处的工作行程为： mmLLLL 40122.228.521 工 动力部件总行程的确定：取两头动力部件的前备量都为 10mm； 后备量左头为 58，右头为 55。则总行程都为 150mm。 2.5.2.4 确定联系尺寸 工件端面到双轴动力箱端面的距离为： 115+60+70-19-12=214mm 工件另一端面到单轴动力头端面的距离为： 115+60+70-22.2-12=210.8mm 其它注意问题 加工示意图上应有足够的联系尺寸，并标注恰当。尤其是从多轴箱端面到刀尖的轴向尺寸应齐全，以 备检查行程和调整机床使用。图上应标注各主轴的切削用量及必要说明。 加工示意图应按加工终了状态绘制。 加工示意图上应有表示加工过程的工作循环图及各行程长度。 由上可知加工示意图如下： B T 3 0 - E R 2 0 - 0 6 0右钻削头箱端