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梨刀变速箱凸台铣削组合机床设计,变速箱,铣削,组合,机床,设计
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无锡职业技术学院继续教育学院毕业设计说明书 前 言机械制造业在国民经济中占有重要的地位，是国民经济各部门赖以发展的基础，是国民经济的重要支柱，是生产力的重要组成部分。机械制造业不仅为工业、农业、交通运输业、科研和国防等部门提供各种生产设备、仪器仪表和工具，而且为制造业包括机械制造业本身提供机械制造装备。机械制造业的生产能力和制造水平标志着一个国家或地区的科学技术水平、经济实力。机械制造业的生产能力和制造水平，主要取决于机械制造装备的先进程度。机械制造装备的核心是金属切削机床，精密零件的加工，主要依赖切削加工来达到所需要的精度。金属切削机床所担负的工作量约占机器制造总工作量的40%60%，金属切削机床的技术水平直接影响到机械制造业的产品质量和劳动生产率。换言之，一个国家的机床工业水平在很大程度上代表着这个国家的工业生产能力和科学技术水平。显然，金属切削机床在国民经济现代化建设中起着不可替代的作用。纵观几十年来的历史，机械制造业从早期降低成本的竞争，经过20世纪70年代、80年代发展到20世纪90年代乃至21世纪初的新的产品的竞争。目前，我国已加入世界贸易组织，经济全球化时代已经到来，我国机械制造业面临严峻的挑战，也面临着新的形势：知识技术产品的更新周期越来越短，产品的批量越来越小，产品的性能和质量的要求越来越高，环境保护意识和绿色制造的呼声越来越强，因而以敏捷制造为代表的先进制造技术将是制造业快速响应市场需要、不断推出新产品、赢得竞争、求得生存和发展的主要手段。金属切削机床中的组合机床，是根据工件加工需要，以大量通用部件为基础，配以少量专用部件组成的一种高效专用机床。它具有：生产率高；加工精度稳定；研制周期短，便于设计、制造和使用维护，成本低；配置灵活等。正是由于这些特点的存在，决定了组合机床在当今新形势下仍能被广泛应用于汽车、拖拉机、柴油机、电机、仪器仪表、军工及自行车等轻工行业和机床、机车、工程机械等制造业中。此次设计的是犁刀变速箱铣削组合机床及夹具设计。首先，对机床进行总体设计，确定总体方案后得到机床总体布局图；再着重进行夹具的设计，其中包括定位的设计、夹紧力 的设计，夹紧和定位原件的选。由于能力所限，设计尚有许多不足之处，恳请各位老师给予指导。第一章 机床总体设计设计机床的第一步，是确定总体方案。总体方案是机床部件和零件的设计依据，对整个设计的影响较大。因此，在拟定总体方案的过程中，必须全面地、周密地考虑，使所定方案技术先进、经济合理。1.1机床总体方案设计的依据1.1.1 工件工件是机床总体方案设计的重要依据之一，设计者必须明确工件的特点和加工要求。本次毕业设计要求设计一台组合机床，用于加工犁刀变速箱凸台面，工件材料为HT200，硬度为190210HB,生产批量为大批量，铸造毛坯。加工部位的加工要求如下：(1)被加工表面的粗糙度均为R12.5；图1-1 机床工件方案设计图1.1.2刀具 硬质合金端铣刀，刀齿材料为YG6，铣刀盘直径为75110，刀具齿数Z=4。1.2工艺分析1.2.1 工艺方法的确定机床的工艺方法是多种多样的，按工种可分为车、铣、刨、钻、镗、磨、研磨、电加工、振动加工、激光加工等；每一种还可再分，如车削加工有车外圆、车端面、车槽、车球面等之分；按加工精度各表面粗糙度可分为粗加工、半精加工、光整加工等；按工序集中程度可分为单刀、多刀、单工件、多工件、单工位、多工位等；按作业形式可分平行作业、顺序作业、平行-顺序作业等。工艺方法对机床的结构和性能的影响很大，工艺方法的改变常导致机床的运动、传动、布局、结构、性能以及经济效果等方面的一系列变化。加工平面的方法有很多，比如说车削，铣削，刨削。对于对犁刀变速箱箱体凸台，用车床进行车削加工时，由于犁刀变速箱比较复杂，且为壳类零件，不宜装夹在车床主轴上进行加工，装夹稳定性也不高；用刨床进行刨削加工时，机床需要两个运动，机床和刀具结构简单，装夹在工件台上快速，稳固，但生产率低，加工精度也达不到工件要求；用端铣刀进行铣削加工时，生产率不仅提高了，也能满足工件所要求的加工精度，且装夹快速，方便。与普通机床相比，组合机床具有生产率高，加工精度稳定，研制周期短，便于设计、制造和使用维护、成本低、自动化程度高、劳动强度低，配置灵活等特点，因此，当生产量很大时，用组合机床进行加工更合理。1.2.2 机床总体布局机床的总体布局指确定机床的组成部件之间的相对位置及相对运动关系。合理的总体布局的基本要求有：(1)保证工艺方法所要求的工件与刀具的相对运动关系；(2)保证机床具有足够的加工精度和相适应的刚度和抗振性；(3)便于操纵、调整、维修，便于输送、装卸工件和排屑等；(4)节省材料，占地面积小，即经济效果好；(5)造型美观。根据犁刀变速箱箱体加工要求，机床总体布局图如图1-2所示:1.机座 2.动力滑台 3.工件 4.端铣刀 5.电动机 6.变速箱 7.主轴箱图1-2 机床总体布局图减荷阀体安装在工作台上，铣削动力头带动铣刀作旋转主运动，工作台作纵向进给运动，完成对工件的切削加工。此方案的优点是各部件均是针对减荷阀体设计的，因此，结构紧凑，刚性好，生产率高，加工质量稳定。1.2.3 机床运动的确定确定机床运动，指确定机床运动的数目，运动类型以及运动的执行件。本次毕业设计的组合机床的工艺方法是，用一把端铣刀直接进行加工。相应的表面成形运动为：单主轴的回转运动，工作台纵向进给运动；辅助运动为：主轴轴向调整运动。1.3机床主要技术参数的确定机床主要技术参数包括主参数和基本参数，基本参数又包括尺寸参数，运动参数，动力参数。1.3.1 确定工件余量犁刀变速箱箱体，零件材料为HT200，硬度190210HB，生产类型为大批量，铸造毛坯。查机械制造工艺设计简明手册表2.22.5,取加工余量为2.5mm(此为双边加工)。1.3.2 选择切削用量由于被加工零件的铣削宽度为44mm,需进行二次走刀，故一次走刀即可完成根据组合机床设计简明手册第132133页，选择铣削切削用量。铣削用量的选择与要求的加工表面粗糙度值及其生产率有关系。当铣削表面粗糙度数值要求较低时，铣削速度应选高一些，每齿走刀量应小些。若生产率要求不高，可以取很小的每齿走刀量，一次铣削45mm的余量达到R=1.6m的表面粗糙度。这时每齿的进给量一般为0.020.03mm。根据本次设计所加工的零件要求，其表面粗糙度数值较高，加工材料为铸铁，查表6-16得：a=0.20.4mm/z,V=5080m/min,取a=0.2mm/z。1.3.3 运动参数机床的运动参数包括主运动转速和转速范围、进给量范围、进给量数列以及空行程速度等。此次设计主要确定主运动的运动参数。 ( 1 )主轴最高，最低转速按照典型工序的切削速度和刀具(或工件)直径、计算主轴最高转速n、最低转速n。计算公式如下：n= ， n=式中：n、n主轴最高、最低转速(r/min)V、V最高、最低切削速度(m/min)d、d最大、最小计算直径(mm)根据机械制造工艺金属切削机床设计指导第6970页，可查出以下数据： 查表2.2-3 取最大，最小切削速度：V=200300m/min， 取V=250m/minV=1520m/min, 取V=20m/min铣床的d、d可取使用的刀具最大、最小直径，即：d=110mm, d=75mm则主轴最高转速为n= =1061.6r/min 取标准数列值：n=1000r/min 最低转速为：n= =57.9r/min取标准数列值：n=56r/min( 2 )主轴转速的合理排列最高、最低转速确定后，还需确定中间转速，选择公比，转速级数Z，则转速数列为：n= n=56r/min, n= n, n= n, n= n查标准数列，取公比=1.78 (12)转速范围： R=17.8转速级数： Z=+1=5.99 取Z=6由于本次设计的要求，主轴转速级数只需设计四级就能满足要求，故取Z=4。即：n=56， n=100, n=180, n=315 (r/min)1.3.4动力参数主运动驱动电动机功率的确定( 1 ) 切削力的计算由前面已知，本次设计的组合机床的最高转速为n=315r/min，则此时的切削速度为： V=108.8m/min200m/min由此可见，切削速度满足要求。计算铣削工件时的切削力F=9.1854.5aaaZd式中：a铣削宽度，a=90mma铣削深度，由于是一次铣削就能达到设计尺寸，则铣削深度为工件加工余量，即a=2.5mm。a每齿进给量，a=0.2mm/rZ转数级数，取Z=4则铣削力的大小为： F=9.1854.5900.22.54110=1213.1N( 2 ) 切削功率的计算根据机械制造工艺金属机床设计指导第72页，可得切削功率公式为：P=2.2KW( 3 )估算电动机功率根据机械制造工艺金属机床设计指导第72页，有：P=3.14KW 式中：主传动系统的机械效率，回转运动的机床=0.70.85。( 4 ) 选择主电机查机械设计课程设计手册第155页表12-1，选Y112-4电机，主要参数有：额定功率P=4KW，满载转速 n=1440r/min，同步转速n=1500r/min，级数P=4，质量m=43kg。1.4 进给驱动电动机功率的确定查金属切削机床设计第41页，可知：进给驱动电动机功率取决于进给的有效功率和传动件的机械效率，即：N=式中：N进给驱动电动机功率(KW) Q 进给抗力(N) V进给速度(m/min)进给传动系统的总机械效率(一般取0.150.2)粗略计算时，可根据进给传动与主传动所需功率之比值来估算进给驱动电机功率。对于铣床： N=0.2N=0.24=0.8KW查机械设计课程设计手册第155页表12-1，选Y90S-4电机，主要参数有：额定功率P=1.1KW，满载转速n=1440r/min，同步转速n=1500r/min，级数P=4，质量m=22kg。第二章 主轴组件设计主轴组件是机床的执行件，它的功用是支承并带动工件或刀具旋转，完成表面成形运动，同时还起传递运动和扭矩、承受切削力和驱动力等载荷的作用。由于主轴组件的工作性能直接影响到机床的加工质量和生产率，因此它是机床中的一个关键组件。主轴和一般传动轴的相同点是，两者都传递运动、扭矩并承受传动力，都要保证传动件和支承的正常工件条件，但主轴直接承受切削力，还要带动工件或刀具，实现表面成形运动，因此对主轴有较高的要求。2.1 主轴的基本要求2.1.1 旋转精度主轴的旋转精度是指主轴在手动或低速、空载时，主轴前端定位面的径向跳动r、端面跳动a和轴向窜动值o。如图2-1所示：图中实线表示理想的旋转轴线，虚线表示实际的旋转轴线。当主轴以工作转速旋转时，主轴回转轴线在空间的漂移量即为运动精度。图2-1 主轴的旋转精度主轴组件的旋转精度取决于部件中各主要件（如主轴、轴承及支承座孔等）的制造精度和装配、调整精度；运动精度还取决于主轴的转速、轴承的性能和润滑以及主轴部件的动态特性。各类通用机床主轴部件的旋转精度已在机床精度标准中作了规定，专用机床主轴部件的旋转精度则根据工件精度要求确定。2.1.2 刚度主轴组件的刚度K是指其在承受外载荷时抵抗变形的能力，如图2-2所示，即K=F/y（单位为N/m），刚度的倒数y/F称为柔度。主轴组件的刚度，是主轴、轴承和支承座的刚度的综合反映，它直接影响主轴组件的旋转精度。显然，主轴组件的刚度越高，主轴受力后的变形就越小，如若刚度不足，在加工精度方面，主轴前端弹性变形直接影响着工件的精度；在传动质量方面，主轴的弯曲变形将恶化传动齿轮的啮合状况，并使轴承产生侧边压力，从而使这些零件的磨损加剧，寿命缩短；在工件平稳性方面，将使主轴在变化的切削力和传动力等作用下，产生过大的受迫振动，并容易引起切削自激振动，降低了工件的平稳性。图2-2 主轴组件静刚度主轴组件的刚度是综合刚度，影响主轴组件刚度的因素很多，主要有：主轴的结构尺寸、轴承的类型及其配置型式、轴承的间隙大小、传动件的布置方式、主轴组件的制造与装配质量等。2.1.3 抗振性主轴组件的抗振性是指其抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳运转的能力。在切削过程中，主轴组件不仅受静载荷的作用，同时也受冲击载荷和交变载荷的作用，使主轴产生振动。如果主轴组件的抗振性差，工作时容易产生振动，从而影响工件的表面质量，降低刀具的耐用度和主轴轴承的寿命，还会产生噪声影响工作环境。随着机床向高精度、高效率方向发展，对抗振性要求越来越高。评价主轴组件的抗振性，主要考虑其抵抗受迫振动和自激振动能力的大小。( 1 ) 抵抗受迫振动的能力主轴组件受迫振动的干扰力，主要包括由于主轴上旋转零件（主轴、传动件和所装的工件或刀具等）的偏心质量而产生的离心力，传动件运动速度不均匀而产生的惯性力，以及断续切削产生的周期性变化的切削力。由于这些干扰力，引起主轴并带着刀具或工件一起振动，而在加工表面上留下振纹，使工件表面粗糙度提高。根据所设计的机床加工表面粗糙度的要求，确定主轴前端的允许振幅，然后计算或测定主轴组件在各种动态干扰力的作用下，其前端的振幅，并同允许值比较，评价是否满足要求。在单独分析主轴组件时，只能求得主轴前端在切削部位的绝对振幅，它只能部分地反映刀具和工件之间的相对振幅。两者关系与激振频率有关，目前主要由试验来确定。此外，主轴组件的低阶固有频率与振型也是其抗振性的评价指标。一般来说，低阶固有频率应高些，并远离激振频率；主轴振型的节点应靠近切削部位。( 2 ) 抵抗切削自激振动的能力金属切削加工时，虽然没有外界动态干扰力的作用，但由于机床工件刀具弹性系统振动对切削过程的反馈作用，刀具与工件之间发生了周期性的强烈的相对振动，称为切削自激振动，简称为颤振。颤振将使加工表面质量恶化，甚至使切削过程无法继续下去，从而不得不降低切削用量来避免之，所以机床的切削用量极限往往不是由机床的功率来决定，而是由加工时发生颤振的条件来决定。机床切削时，从没有颤振到颤振的产生之间存在着明显的界限，这个界限即是稳定性的极限，或称为机床稳定性的条件。对现有机床的试验表明，切削自振频率往往接近于主轴组件弯曲振动的低阶固有频率。即主轴组件是颤振的主振部分，它的低阶弯曲振动模态是决定机床抵抗切削自振能力的主要模态。因此，在单独分析主轴组件时，可以认为主轴前端在切削部位激振点动柔度（在主振方向）的最大负实部，反映了主轴组件抵抗切削自振的能力。对于粗加工机床，切削宽度大，切削自振的可能性大，但加工表面质量要求不高，可主要考虑不产生颤振的条件。对于精密机床，切削用量小，切削自振的可能性小，但允许的振幅小，可主要考虑抵抗受迫振动的能力。对于高速机床，因为激振力的频率和幅值均随着转速提高而剧增，受迫振动和自激振动都比较突出。因此，在设计和评价高速机床时，自激和受迫振动均应考虑。2.1.4 温升和热变形主轴组件工作时因各种相对运动处的摩擦和搅油等而发热，产生了温升，温升使主轴组件的形状和位置发生畸变，称为热变形。热变形应以主轴组件运转一定时间后各部分位置的变化来度量。主轴组件温升和热变形，使机床各部件间相对位置精度遭到破坏，影响工件加工精度，高精度机床尤为严重；热变形造成主轴弯曲，使传动齿轮和轴承的工作状态变坏；热变形还使主轴和轴承，轴承与支承座之间已调整好的间隙和配合发生变化，影响轴承正常工作，间隙过小将加速齿轮和轴承等零件的磨损，严重时甚至会发生轴承抱轴现象。影响主轴组件温升、热变形的主要因素有：轴承的类型和布置方式，轴承间隙及预紧力的大小，润滑方式和散热条件等。目前，对各种类型机床连续运转下的允许温升都有一定的规定。2.1.5 耐磨性主轴组件的耐磨性是指长期保持其原始精度的能力，即精度的保持性。因此，主轴组件各个滑动表面，包括主轴端部定位面、锥孔，与滑动轴承配合的轴颈表面，移动式主轴套筒外圆表面等，都必须具有很高的硬度，以保证其耐磨性。为了提高主轴组件的耐磨性，应该正确地选用主轴和滑动轴承的材料及热处理方法、润滑方式，合理调整轴承间隙，良好的润滑和可靠的密封。2.1.6 其他主轴组件除应保证上述基本要求外，还应满足下列要求：（1）主轴的定位可靠。主轴在切削力和传动力的作用下，应有可靠的径向和轴向定位，使主轴在工作时受到的切削力和传动力通过轴承可靠地传至箱体等基础零件上。（2）主轴前端结构应保证工件或刀具装卡可靠，并有足够的定位精度。（3）结构工艺好。在保证好用的基础上，尽可能地做到好造、好装、好拆及好修，并尽可能降低主轴组件的成本。2.2 主轴组件的布局主轴组件的设计，必须保证满足上述的基本要求，从而从全局出发，考虑主轴组件的布局。机床主轴有前、后两个支承和前、中、后三个支承两种，以前者较多见。两支承主轴轴承的配置型式，包括主轴轴承的选型、组合以及布置，主要根据对所设计主轴组件在转速、承载能力、刚度以及精度等方面的要求，并考虑轴承的供应、经济性等具体情况，加以确定。在选择时，具体有以下要求：2.2.1 适应刚度和承载能力的要求主轴轴承选型应满足所要求的刚度和承载能力。径向载荷较大时，可选用滚子轴承；较小时，可选用球轴承。双列滚动轴承的径向刚度和承载能力，比单列的大。同一支承中采用多个轴承的支承刚度和承载能力，比采用单个轴承的大。表2-1 滚动轴承和滑动轴承的比较基本要求滚动轴承滑 动 轴 承动压轴承静压轴承旋转精度精度一般或较差。可在无隙或预加载荷下工作。精度也可以很高，但制造困难单油楔轴承一般，多油楔轴承较高可以很高刚 度仅与轴承型号有关，与转速、载荷无关，预紧后可提高一些随转速和载荷升高而增大与节流形式有关，与载荷转速无关承载能力一般为恒定值，高速时受材料疲劳强度限制随转速增加而增加，高速时受温升限制与油腔相对压差有关，不计动压效应时与速度无关抗振性能不好，阻尼系数D=0.029较好，阻尼系数D=0.055很好，阻尼系数D=0.4速度性能高速受疲劳强度和离心力限制，低中速性能较好中高速性能较好。低速时形不成油漠，无承载能力适应于各种转速摩擦功耗一般较小，润滑调整不当时则较大f=0.0020.008较小f=0.0010.008本身功耗小，但有相当大的泵功耗f=0.00050.001噪 声较大无噪声本身无噪声，泵有噪声寿 命受疲劳强度限制在不频繁启动时，寿命较长本身寿命无限，但供油系统的寿命有限一般来说，前支承的刚度，应比后支承的大。因为前支承刚度对主轴组件刚度的影响要比后后支承的大。2.2.2 适应转速要求由于结构和制造方面的原因，不同型号和规格的轴承所允许的最高转速是不同的。轴承的规格越大，精度等级越低，允许的最高转速越低。在承受径向载荷的轴承当中，圆柱滚子轴承的极限转速，比圆锥滚子轴承的高。在承受轴向载荷的轴承当中，向心推力轴承的极限转速最高；推力球轴承的次之；圆锥滚子轴承的最低，但承载能力与上述次序相反。因此，应综合考虑转速和承载能力两方面要求来选择轴承型式。例如，当轴向载荷较大，而转速不高时，可采用推力球轴承；反之，当转速较高，而轴向载荷不大时，可采用角接触球轴承；如果转速较高，轴向载荷又较大，则可采用双列推力向心球轴承；如果径向和轴向载荷都较小，而转速较高，则可采用向心推力球轴承。2.2.3 适应精度的要求起止推作用的轴承的布置有三种方式：前端定位止推轴承集中布置在前支承；后端定位集中布置在后支承；两端定位分别布置在前、后支承。采用前端定位时，主轴受热变形向后延伸，不影响轴向定位精度，但前支承结构复杂，调整轴承间隙较不便，前支承处发热量较大；后端定位的特点与前述的相反；两端定位时，主轴受热伸长后，轴承轴向间隙的改变较大，若止推轴承布置在径向轴承内侧，主轴可能因热膨胀而弯曲。2.2.4 适应结构的要求当要求主轴组件在性能上有较高的刚度和一定的承载能力，而在结构上径向尺寸要紧凑时，则可在一个支承（尤其是前支承）中配置两个或两个以上的轴承。对于轴间距很小的多主轴机床，由于结构限制，宜采用滚针轴承来承受径向载荷，用推力球轴承来承受轴向载荷，并使两轴承错开排列。2.2.5 适应经济性要求确定主轴轴承配置型式，除应考虑满足性能和结构方面要求外，还应作经济性分析，使经济效果好。例如，在能够满足要求的情况下，一般采用已经标准化、系列化，且大批量生产的滚动轴承较为经济，但对于一些大型、重型机床的主轴组件，当没有标准的大型号滚动轴承时，可采用动压轴承或静压轴承。在中速和大载荷情况下，采用圆锥滚子轴承要比采用向心轴承和推力轴承组合的配置型式成本低，因为前者节省了两个轴承，而且箱体工艺性较好。综合考虑以上因素，本设计的主轴采用前、后支承的两支承主轴，前支承采用双列向心短圆柱滚子轴承和推力球轴承的组合，D级精度；后支承采用圆柱滚子轴承，E级精度。其中前支承的双列圆柱滚子轴承，滚子直径小，数量多（5060个），具有较高的刚度；两列滚子交错布置，减少了刚度的变化量；外圈无挡边，加工方便；轴承内孔为锥孔，锥度为1：12，轴向移动内圈使之径向变形，调整径向间隙和预紧；黄铜实体保持架，利于轴承散热。前支承的总体特点是：主轴静刚度好，回转精度高，温升小，径向间隙可以调整，易保持主轴精度，但由于前支承结构比较复杂，前、后支承的温升不同，热变形较大，此外，装配、调整比较麻烦。2.3 主轴结构的初步拟定主轴的结构主要决定于主轴上所安装的刀具、夹具、传动件、轴承和密封装置等的类型、数目、位置和安装定位的方法，同时还要考虑主轴加工和装配的工艺性，一般在机床主轴上装有较多的零件，为了满足刚度要求和能得到足够的止推面以及便于装配，常把主轴设计成阶梯轴，即轴径从前轴颈起向后依次递减。主轴是空心的或者是实心的，主要取决于机床的类型。此次设计的主轴，也设计成阶梯形，同时，在满足刚度要求的前提下，设计成空心轴，以便通过刀具拉杆。主轴端部系指主轴前端。它的形状决定于机床的类型、安装夹具或刀具的形式，并应保证夹具或刀具安装可靠、定位准确，装卸方便和能传递一定的扭矩。查金属切削机床设计第135页中通用机床主轴端部的形状图，选短圆锥法兰盘式主轴端部结构形式。其特点是：主轴端面上有四个螺孔，用来固定和传递扭矩给刀具。主轴是空心的，前端有锥度为7:24的锥孔，结构如下所示：图2-3 短圆锥法兰盘式主轴端部结构2.4 主轴的材料与热处理主轴材料主要根据刚度、载荷特点、耐磨性和热处理变形大小等因素选择。主轴的刚度与材料的弹性模量E值有关，钢的E值较大（2.110N/cm左右），所以，主轴材料首先考虑用钢料。钢的弹性模量E的数值和钢的种类和热处理方式无关，即不论是普通钢或合金钢，其弹性模量E基本相同。因此在选择钢料时应首先选用价格便宜的中碳钢（如45钢），只有在载荷特别重和有较大的冲击时，或者精密机床主轴需要减少热处理后的变形时，或者轴向移动的主轴需要保证其耐磨性时，才考虑选用合金钢。当主轴轴承采用滚动轴承时，轴颈可不淬硬，但为了提高接触刚度，防止敲碰损伤轴颈的配合表面，不少45钢主轴轴颈仍进行高频淬火（HRC4854）.有关45钢主轴热处理情况如下表2-2所列：此次设计的机床主轴，考虑到主轴材料的选择原则，选用价格便宜的中碳钢（45钢）。查表2-2中，因工作中承受轻、中负荷，且要求局部高硬度，故热处理采用高频淬火，HRC5258。表2-2 使用滚动轴承的45钢主轴热处理等参数工 作 条 件使用机床材 料 牌 号热处理硬 度常 用代 用轻中负载车、钻、铣、磨床主轴4550调质HB220250轻中负载局部要求高硬度磨床的砂轮轴4550高频淬火HRC5258轻中负载PV400（Nm/cms）车、钻、铣、磨床的主轴4550淬火回火高频淬火HRC4250HRC52582.5 主轴的技术要求主轴的精度直接影响到主轴组件的旋转精度。主轴和轴承、齿轮等零件相连接处的表面几何形状误差和表面粗糙度，关系到接触刚度，零件接触表面形状愈准确、表面粗糙度愈低，则受力后的接触变形愈小，亦即接触刚度愈高。因此，对主轴设计必须提出一定的技术要求。2.5.1 轴颈此次设计的主轴，应首先考虑轴颈。支承轴颈是主轴的工作基面、工艺基面和测量基面。主轴工作时，以轴颈作为工作基面进行旋转运动；加工主轴时，为了保证锥孔中心和轴颈中心同轴，一般都以轴颈作为工艺基面来最后精磨锥孔；在检查主轴精度时，以轴颈作为测量基面来检查各部分的同轴度和垂直度。采用滚动轴承时，轴颈的精度必须与轴承的精度相适应。轴颈的表面粗糙度和硬度，将影响其与滚动轴承的配合质量。对于普通精度级机床的主轴，其支承轴颈的尺寸精度为IT5，轴颈的几何形状允差（圆度、圆柱度等）通常应小于直径公差的1/41/2。2.5.2 内锥孔内锥孔是安装刀具或顶尖的定位基面。在检验机床精度时，它是代表主轴中心线的基准，用来检查主轴与其他部件的相互位置精度，如主轴与导轨的平行度等。由于刀具和顶尖要经常装拆，故内锥孔必须耐磨。锥孔与轴承轴颈的同轴度，一般以锥孔端部及其相距100300毫米处对轴颈的径向跳动表示；其形状误差用标准检验锥着色检查的接触面积大小来检验，此乃综合指标；还要求一定的表面粗糙度和硬度等。2.6 主轴组件的计算主轴组件的结构参数主要包括：主轴的平均直径D（初选时常用主轴前轴颈的直径D来表示）；主轴内孔直径d；主轴前端部的悬伸量a；以及主轴支承跨距L等。一般步骤是：首先根据机床主电机功率或机床的主参数来选取D，在满足主轴本身刚度的前提下，按照工艺要求来确定d，根据主轴前端部结构形状和前支承的结构型式来确定a,最后根据D、a和主轴前支承的支承刚度来确定L。主轴轴承的配置型式，对主要结构参数的确定很有关系，故在设计过程中常需交叉进行，最终以主轴组件刚度等性能来衡量其设计的合理性。2.6.1 主轴直径的选择主轴直径对主轴组件刚度的影响很大，直径越大，主轴本身的变形和轴承变形引起的主轴前端位移越小，即主轴组件的刚度越高。但主轴前端轴颈直径D越大，与之相配的轴承等零件的尺寸越大，要达到相同的公差则制造越困难，重量也增加。同时，加大直径还受到轴承所允许的极限转速的限制，甚至为机床结构所不允许。通常，主轴前轴颈直径D可根据传递功率，并参考现有同类机床的主轴轴颈尺寸确定。查金属切削机床设计第157页表5-12中，几种常见的通用机床钢质主轴前轴颈的直径D，可供参考，如下表2-3所示：已知主电机功率P=4KW，机床类型是铣床，查上表中对应项，初取D=80。主轴后轴颈直径D和前轴颈直径D的关系，可根据下列经验公式来定：D=（0.70.85）D因此，有D=（0.70.85）D=（0.70.85）80=5668，取D=65。表2-3 主轴前轴颈直径D的选择机床机 床 功 率 （千瓦）1.472.52.63.63.75.55.67.37.4111114.7车床608070907010595130110145140165铣床5090609060957510090105100115外圆磨床5090557070807590751002.6.2 主轴前后支承轴承的选择( 1 )主轴前支承轴承的选择根据前述关于轴承的选择原则，查金属切削机床设计简明手册第375页，选取主轴前支承的双列向心短圆柱滚子轴承型号为3182116。其中，d=80，D=125，B=34，D=91，D=117，D=117，r=1。具体结构参数如图2-4所示：图2-4 双列向心短圆柱滚子轴承（GB285-87）结构参数及安装尺寸再查金属切削机床设计简明手册第365页，选取主轴前支承的推力球轴轴承型号为8215。其中，d=75，d=75.2，D=110，H=27, D=86, D=99，r=1。具体结构参数如图2-5所示： 图2-5 推力球轴承（GB301-84）结构参数及安装尺寸（ 2 ）主轴后支承轴承的选择查金属切削机床设计简明手册第368页，选取主轴后支承的圆柱滚子轴承型号为2213。其中：d=65，D=120，B=23，D=77，D=110，r=1.5。具体结构参数如图2-6所示： 图2-6 圆柱滚子轴承（GB283-87）结构参数及安装尺寸2.6.3 主轴内孔直径该组合机床用于铣削加工，其主轴需有一通过铣刀拉杆的孔，该主轴内孔直径应取在一定范围内，才不致影响主轴刚度。一般，主轴内孔直径受到主轴后轴颈的直径所限制。由材料力学可知，刚度K正比于截面惯性矩I，它与直径之间有下列关系：=1-（）=1-根据此式可得：当0.3时，空心与实心截面主轴的刚度很接近；当=0.5时，空心主轴的刚度为实心主轴刚度的90%，对刚度影响不大；0.7时，则主轴刚度急剧下降，故一般应使0.7，即d0.7D。由以上分析可得：d0.7 D=0.765=45.5考虑到此组合机床主轴为铣削主轴，铣刀拉杆的直径比较小，故可将取小些，即取=0.5，即：d2.5根据上表所列，所设计的组合机床属于型，所以取a/ D为1.252.5，即：a=（1.252.5）D=（1.252.5）80=100200初取a=1202.6.5 主轴支承跨距主轴支承跨距L是指主轴前、后支承支承反力作用点之间的距离。合理确定主轴支承跨距，可提高主轴部件的静刚度。可以证明，支承跨距越小，主轴自身的刚度越大，弯曲变形越小，但支承的变形引起的主轴前端的位移量将增大；支承跨距大，支承的变形引起的主轴前端的位移量较小，但主轴本身的弯曲变形将增大。可见，支承跨距过大或过小都会降低主轴部件的刚度。有关资料对合理跨距选择的推荐值可作参考：（1） L=（45）D；（2） L=（35）a，用于悬伸长度较小时；（3） L=（12）a，用于悬伸长度较大时。根据此次设计的组合机床刚性主轴的悬伸量较大，取L2.5a为宜。即此次设计的主轴两支承的合理跨距L2.5a=2.5120=300初取L=280。2.7 主轴结构图根据以上的分析计算，可初步得出主轴的结构如图2-7所示：2.8 主轴组件的验算主轴在工作中的受力情况严重，而允许的变形则很微小，决定主轴尺寸的基本因素是所允许的变形的大小，因此主轴的计算主要是刚度的验算，与一般轴着重于强度的情况不一样。通常能满足刚度要求的主轴也能满足强度的要求。刚度乃是载荷与弹性变形的比值。当载荷一定时，刚度与弹性变形成反比。因此，算出弹性变形量后，很容易得到静刚度。主轴组件的弹性变形计算包括：主轴端部挠度和主轴倾角的计算。2.8.1 主轴端部挠度主轴端部挠度直接影响加工精度和表面粗糙度，因此必须加以限制，一般计算主轴端部最大挠度。（1）支承的简化对于两支承主轴，若每个支承中仅有一个单列或双列滚动轴承，或者有两个单列球轴承，则可将主轴组件简化为简支梁，如下图2-8所示；图2-8 主轴组件简化为简支梁若前支承有两个以上滚动轴承，可认为主轴在前支承处无弯曲变形，可简化为固定端梁，如下图2-9所示：图2-9 主轴组件简化为固定端梁此次设计的主轴，前支承选用了一个双列向心短圆柱滚子轴承和两个推力球轴承作为支承，即可认为主轴在前支承处无弯曲变形，可简化为上图2-9所示。（2） 主轴的挠度查材料力学I第188页的表6.1，对图2-9作更进一步的分析，如下图2-10所示：根据图2-10，可得此时的最大挠度=-其中，F主轴前端受力。此处，F=F=1213.1NlA、B之间的距离。此处，l=a=12cm图2-10 固定端梁在载荷作用下的变形E主轴材料的弹性模量。45钢的E=2.110N/cmI主轴截面的平均惯性矩。当主轴平均直径为D，内孔直径为d时，I=。此处，D=133故可计算出，主轴端部的最大挠度：=-1.8710 mm(3) 主轴倾角主轴上安装主轴和安装传动齿轮处的倾角，称为主轴的倾角。此次设计的主轴主要考虑主轴前支承处的倾角。若安装轴承处的倾角太大，会破坏轴承的正常工作，缩短轴承的使用寿命。根据图2-10，可得此时的最大倾角=-其中，F主轴前端受力。此处，F=F=1213.1NlA、B之间的距离。此处，l=a=12cmE主轴材料的弹性模量。45钢的E=2.110N/cmI主轴截面的平均惯性矩。当主轴平均直径为D，内孔直径为d时，I=。此处，D=133故可计算出，主轴倾角为：=-2.310 rad查组合机床设计第一册中机械部分的第670页，可知：当x0.0002L mm0.001 rad时，刚性主轴的刚度满足要求。此处的x，即为最大挠度和最大倾角，L为主轴支承跨距。将已知数据和代入，即可得：初步设计的主轴满足刚度要求。2.9 主轴组件的润滑和密封2.9.1 主轴轴承的润滑润滑的作用是降低摩擦，减小温升，并与密封装置在一起，保护轴承不受外物的磨损和防止腐蚀。润滑剂和润滑方式决定于轴承的类型、速度和工作负荷。如果选择得合适，可以降低轴承的工作温度和延长使用期限。滚动轴承可以用润滑油或润滑脂来润滑。试验证明，在速度较低时，用润滑脂比用润滑油温升低。所以，此次设计的主轴支承均采用润滑脂。同时，主轴是装在主轴套筒内的，为防止使用润滑油时泄漏，也应采用润滑脂润滑。加润滑脂时，应该注意润滑脂的充填量不能过多，不能把轴承的空间填满，否则会引起过高的发热，并使润滑脂熔化流出而恶化润滑效果。2.9.2 主轴组件的密封密封对主轴组件的工作性能与润滑影响也较大。机床主轴密封不好，将使润滑剂外流，造成浪费，加速零件的磨损，还会严重地影响到工作环境及机床的外观。（1）主轴组件密封装置的功用密封装置的功用是：防止润滑剂从主轴组件及传动部件中泄漏，从而避免浪费，保护工作环境，防止冷却液及杂物（如灰尘、脏物、水气和切屑等）从外面进入部件内，以减少机床零件的腐蚀及磨损，延长其使用寿命。（2） 对主轴组件密封装置的要求对主轴组件密封装置的要求是：在一定的压力、温度范围内具有良好的密封性能；由密封装置所形成的摩擦力应尽量小，摩擦系数应尽量稳定；耐腐蚀、磨损小、工作寿命长，磨损后，在一定程度上能自动补偿；结构简单、装卸方便。对具体的主轴组件及传动部件，应根据实际情况选择有效而又经济密封装置。（3）主轴组件密封装置的类型主轴组件密封装置的类型，主要有以下几种：具有弹性元件的接触式密封装置；皮碗（油封）式密封装置；具有金属和石墨元件的接触式密封装置；挡油圈式和螺旋沟式密封装置；圈形间隙式、油沟式和迷宫式密封装置；立式主轴的密封装置等。（4） 主轴组件密封装置的选择选用密封装置时，应考虑到主轴组件的下列具体工作条件：密封处主轴颈的线速度；所用润滑剂的种类及其物理化学性质；主轴组件的工作温度；周围介质的情况；主轴组件的结构特点；密封装置的主要用途等。综合考虑上述因素，主轴前支承处，为了更好地防止外界的灰尘屑末等杂物进入，故考虑选用迷宫式密封，形成一条长而曲曲折折的通道，径向尺寸不超过0.3mm，中填润滑脂，轴向尺寸不超过1.5mm。查机械设计课程设计手册第87页表7-17，可得此次选用的迷宫式密封装置的结构参数如下图2-11所示：图2-11 迷宫式密封装置的结构参数其中，d=80，D=130，e=12.10 主轴组件中相关部件2.10.1轴肩挡圈前支承双列向心短圆柱滚子轴承和推力球轴承之间所用的挡圈，可查机械设计课程设计手册第56页表5-1，可得此次选用的挡圈的结构参数如下图2-12所示：图2-12 轴肩挡圈的结构参数其中，D=95，d=80，H=62.10.2 挡圈两推力球之间用的挡圈为非标准件，径向尺寸依主轴套筒尺寸而定，轴向尺寸可初取为6mm。2.10.3 圆螺母锁紧靠主轴后支承一边的推力球轴承以及锁紧两推力球轴承内的套筒，分别采用两个圆螺母，为了增加可靠性，再加一止动螺钉。圆螺母具体的参数可查机械设计课程设计手册第60页表5-6，结构如下图2-13所示：图2-13 圆螺母（GB812-88）其中，锁紧靠主轴后支承一边的推力球轴承用的圆螺母，Dp=M802，d=115，d=103，m=15，h=10.36，h=10，t=4.75，t=4，C=1.5，C=1锁紧两推力球轴承内的套筒用的圆螺母，Dp=M722，d=105，d=93，m=15，h=10.36，h=10，t=4.75，t=4，C=1.5，C=12.10.4 套筒两推力球轴承之间用的套筒，根据以上计算，可知，轴向尺寸取为92，径向厚度取为2.5mm，一端加工出长为26的外螺纹M801.5，一端用一紧定螺钉锁紧在主轴上，套筒结构如图2-14所示；紧定螺钉的结构参数可查机械设计课程设计手册第43页表3-17，如图2-15所示；主轴上的小孔的结构参数可查机械设计课程设计手册第61页表5-8，如图2-16所示：其中，紧定螺钉的参数有：M81.25，l=10，d=5.5，n=1.2 , t=2图2-14 两推力球轴承内用套筒结构参数轴上固定螺钉用的孔的参数有：d=6，c=5，h5图2-15 开槽平端紧定螺钉图2-16 轴上固定螺钉用的孔2.10.5 前、后支承的轴承盖为了保证轴承的正常运转，防止外界杂物进入影响轴承的使用寿命，前、后轴承应安装上轴承盖，并将其固定在套筒上，与主轴配合处采用间隙配合，初步设计如下图2-17、2-18所示：图2-17 前支承用轴承盖其中，d=124，D=153图2-18 后支承用轴承盖其中，d=64，D=153，a=5，b=552.10.6 主轴用套筒及其锁紧部分根据前面的计算和设计，可以直接得到主轴用套筒的结构及参数如图2-19所示：套筒的锁紧部分采用弹性套，当调节螺栓时，弹性套就会随之变形，从而锁紧或松开套筒。主轴需要轴向移动（调节）时，便松开螺栓，弹性套也随之松开套筒，调节完主轴轴向位置后，应拧紧螺栓以锁紧主轴。同时，弹性套和螺栓固定在主轴组件的箱体上，弹性套的结构及其参数如下图2-20所示：锁紧螺栓的结构及其参数可查简明机械设计手册第102页表6-9，取M24螺栓，图2-19 主轴用套筒的结构及参数结构如下图2-21所示，参数有：l=100，b=54，c=0.2，d=26.4，d=24，d=33.6，e=40，f=4，k=15，k=10.3，r=0.8，s=36，l=31，l=46图2-20 弹性套结构及参数2.10.7 主轴尾部的内花键组合铣床的主轴组件和传动装置采用花键连接，查金属切削机床设计简明手册第468页表8-6，花键采用外径定心方式，其特点是：定心精度高，加工方便，外花键的外径可在普通机床上加工至所需的精度。内花键的硬度不高时，可由拉刀保证其外径精度。结构如图2-22所示，参数可查金属切削机床设计简明手册第468页表8-7，有：d=42，N=8，D=46，B=8图2-21 锁紧螺栓的结构及参数图2-22 主轴尾部的内花键结构及参数2.11 主轴组件轴向调节机构主轴组件的轴向调节机构采用一对圆锥齿轮并经丝杠螺母手动调节。它具有传动比小，传动精度高，运动平稳，能自锁等特点。丝杠主要承受轴向力，故采用两推力球轴承作为丝杠的支承，螺母支承的轴和主轴套筒上的孔相配合，实现主轴的轴向调节。该丝杠螺母支承简图如图2-23所示：图2-23 丝杠螺母支承简图2.11.1 丝杠螺纹丝杠采用梯形螺纹，其牙根强度高，螺纹副对中性好，加工时可以铣和磨，工艺简单。查金属切削机床设计简明手册第413页，取螺纹直径为36，其余参数有：P=6，d=36，d=33，d=29，l=702.11.2 丝杠轴承的选择丝杠的调节精度直接影响主轴轴向移动精度，而丝杠的精度除靠梯形螺纹自身保证外，还靠支承的精度保持，故需考虑支承精度。该丝杠采用两相同推力球轴承承受轴向力，其精度应选用常用的D级精度轴承，查金属切削机床设计简明手册第365页，选用推力球轴承的型号为8209，其结构如下图2-24所示，相关参数有：d=45，d=45.2，D=73，H=20，D=55，D=63 图2-24 推力球轴承（GB301-84）结构参数及安装尺寸2.11.3 丝杠螺母将丝杠的螺母制成一端具有螺纹孔的短轴，其内螺纹为M366的梯形螺纹，与丝杠配合，轴径取为20，从螺母中心到轴端距离取为75，轴端与套筒采用过盈配合，以保证轴向位置的调节精度。2.11.4 丝杠中段螺纹丝杠中段制成三角螺纹，直径为M42，螺距P=1.5，与之相配合的轴承挡圈仍为M421.5，d=40.917，d=41.35，l=10，D=55。2.11.5 丝杠上的内隔套丝杠大端直径为45，所以内隔套的内径也为45，相关结构及参数可查金属切削机床设计简明手册第385页，结构如下图2-25所示，参数有：d=45，D=55，l=20图2-25 内隔套的结构及其参数2.11.6 丝杠上调节用锥齿轮调节主轴轴向位置的手柄与丝杠垂直，故采用交角为90（正交）的直齿圆锥齿轮。为了保证轴向调节的可靠，取该啮合的两锥齿轮传动比为 i=1，既不用减速，也不用增速。查机械设计第207页表12.5中，可知其精度等级范围取810级即可。为了更好地保证轴向调节精度，故取8级精度最佳。查机械设计通用手册第1032页图19-5，初取齿数Z=18，分度圆直径d=60，则有：m=3.33再查机械设计第206页表12.3，取其相近值3.25，即m=3.25，有：d=mz=3.2518=58.5根据以上数据，查机械设计通用手册第1030页表19-2，可计算出：分度圆直径d d=d=58.5齿数z z= z=18大端模数m m= d/z= d/z=3.25节锥角 =arc tgz/z=45，=90-=45锥距R R= d/2sin= d/2sin=41.37齿宽b b=bR0.3341.3713.65(0.33，齿宽系数)变位系数x x=-x=0.461-(z/z)=0齿顶高h h=m(1+ x)=3.25，h=m(1- x)=3.25齿根高h h=m(1.2- x)=3.9，h=m(1.2+ x)=3.9齿顶间隙c c=0.2m=0.65齿根角 =arc tg h/R5.4，=arc tg h/R5.4齿顶角 =arc tg h/R4.49,=arc tg h/R4.49齿顶圆锥角 =+=45+4.49=49.49，=+=49.49齿根圆锥角 =-=39.6，=-=39.6齿顶圆直径d d= d+2hcos=63.10，d= d+2hcos=63.10节锥顶点到轮冠距离A A= d/2- hsin=26.95，A=d/2- hsin=26.952.12 箱体设计根据机床总体设计方案图可知，箱体的大致结构为长方体。但是，为了满足体积小、重量轻、结构简单、使用方便、效率高及质量好的要求，需对箱体做进一步的分析和设计：第一，箱体的顶部，为了安装、调试和维修轴向调节机构方便，需设置一箱体盖，用四颗螺钉联接在箱体上。示意图如图2-26所示；为了安装轴向移动机构，箱盖下面需留出图2-26 箱体盖一定量的空间，其中包括留出轴向70mm的空间供轴向移动机构轴向调节，这就减小了箱体的刚度和强度。为此，此处箱体的最小径向尺寸不得小于15mm。第二，主轴尾端，采用花键传递动力，故此处箱体还应与变速箱相连，应设计出相应的螺纹孔。第三，夹紧套筒用的弹性套，安装在箱体与套筒间，此处箱体应设计出足够的空间；弹性套外面的锁紧螺栓仍与箱体联接，为了拧紧螺栓方便，此处箱体应设计出供操作螺栓用工具的合理空间。第三章 组合机床夹具设计3.1组合机床夹具概述夹具是组合机床的重要组成部件，是根据机床的工艺和结构方案的具体要求而设计的。它是用于实现被加工零件的准确定位，夹压，刀具的导向，以及装卸工件时限位等等作用的。组合机床夹具很一般夹具所起的作用看起来好像很接近，但其结构和设计要求却有着很显著的甚至是根本的区别。组合机床夹具的结构和性能，对组合机床配置方案的选择，有很大的影响。下面介绍一下组合机床夹具的一些主要特点。关于自动线机床夹具设计特点将在第六章“组合机床自动线”中专门叙述。机械制造过程中用来固定加工对象，使之占有正确的位置，以接受施工或检测的装置。又称卡具。从广义上说，在工艺过程中的任何工序，用来迅速、方便、安全地安装工件的装置，都可称为夹具。例如焊接夹具、检验夹具、装配夹具、机床夹具等。其中机床夹具最为常见，常简称为夹具。在机床上加工工件时，为使工件的表面能达到图纸规定的尺寸、几何形状以及与其他表面的相互位置精度等技术要求，加工前必须将工件装好（定位）、夹牢（夹紧）。夹具通常由定位元件（确定工件在夹具中的正确位置）、夹紧装置、对刀引导元件(确定刀具与工件的相对位置或导引刀具方向)、分度装置（使工件在一次安装中能完成数个工位的加工，有回转分度装置和直线移动分度装置两类）、连接元件以及夹具体（夹具底座）等组成。夹具种类按使用特点可分为：万能通用夹具。如机用虎钳、卡盘、分度头和回转工作台等，有很大的通用性，能较好地适应加工工序和加工对象的变换，其结构已定型，尺寸、规格已系列化，其中大多数已成为机床的一种标准附件。专用性夹具。为某种产品零件在某道工序上的装夹需要而专门设计制造，服务对象专一，针对性很强，一般由产品制造厂自行设计。常用的有车床夹具、铣床夹具、钻模(引导刀具在工件上钻孔或铰孔用的机床夹具)、镗模(引导镗刀杆在工件上镗孔用的机床夹具)和随行夹具（用于组合机床自动线上的移动式夹具）。可调夹具。可以更换或调整元件的专用夹具。组合夹具。由不同形状、规格和用途的标准化元件组成的夹具，适用于新产品试制和产品经常更换的单件、小批生产以及临时任务。除虎钳、卡盘、分度头和回转工作台之类，还有一个更普遍的叫刀柄，一般说来，刀具夹具这个词同时出现时，大多这个夹具指的就是刀柄！一般的机床夹具是作为机床的辅助机构设计的，而组合机床夹具是机床的主要组成部分，其设计工作是整个组合机床设计的重要部分之一。组合机床夹具和机床其他部件有极其密切的联系：如回转或移动工作台，回转鼓轮，主轴箱，刀具和辅具，钻模板和托架，以及支承部件等等。正确地解决它们之间的关系，是保证组合机床的工作可靠和使用性能良好的重要条件之一。而且夹具的结构也要按这些部件的具体要求来确定。如在液压驱动的立式回转工作台机床上的夹具，其夹压系统就可采用液压作为动力；而在卧式鼓轮机床上的夹具，则多采用电气机械的夹紧方法。由于组合机床常常是多、多面和多工序同时加工，会产生很大的切削力和振动。因此组合机床夹具必须具有很好的刚性和足够的夹压力，以保证在整个加工过程中工件不产生任何位移。同时，也不应使工件产生不容许的变形。组合机床夹具是保证加工精度（尺寸精度、几何精度和位置精度等）的关键部件，其实设计、制造和调整都必须有严格的要求，使其能持久地保持精度。组合机床夹具应便于实现定位和夹压的自动化，并有动作完成的检查信号；保证切屑从加工空间自动排除；便于观察和检查，以及在不从机床上拆下夹具的情况下，能够更换易损件和维护调整。组合机床夹具是组合机床的组成部件，其设计应按如下的程序进行：（1）认真研究分析所要设计夹具的原始数据和要求 因为在拟订组合机床的工艺和结构方案时，对夹具的结构型式和主要性能已提出了原则要求。（2）拟订夹具结构方案和进行必要的计算 根据机床总体设计中确定的工件定位基面、夹压位置、加工方法和刀具导向方式等，制定夹具的总体方案。（3）组合机床夹具设计的总图和零件 在已确定的夹具结构方案基础上，设计生产用的夹具总图和零件图。按照组合机床夹具的主要功能，其结构可以分为三大部分，即定位支承系统，夹紧机构和刀具导向装置。3.2定位支承系统概述在组合机床上加工时,必须使用权被加工零件对刀具及其导向体质正确的相对位置,这是靠夹具的定位支承系统来实现的,定位支承系统除用以确定被加工零件的位置外,还要承受被加工零件的生量和夹压力,有时还要取受切削力。定位支承系统主要由定位支承、辅助支了和一些限位元件组成。定位支承是指在加工过程中维持被子加工零件有一定位置的元件。辅助支承是公用作增加被加工零件在加工过程中的刚度及稳定性的一种活动式支承元件。由于定位支承元件直接与被加工零件接触，因此其尺寸、结构、精度和布置都直接影响被子加工零件的精度。为了避免产生废品以及经常修理定位支承元件的麻烦，设计时必须注意以下的问题：（a）合理布置支承元件，力求使其组成较大的定位支承平面。最好使夹压力的位置对准定位支承元件。当受工件结构限制不能实现时，也应使定位支承元件尽量接近夹压力的作用线，并使夹压力的合力中心处于定位支承平面内。（b）提高刚性，减少定位支承系统的变形。应力求使定位元件（如定位销）不要受力。（c）提高定位支承系统的精度及其元件的耐磨性，以便长期保持夹具的定位精度。（d）可靠地热电厂除定位支承部位的切屑。使用权切屑不堵塞和粘创刊在定位支承系统上，对保证定位的准确性和工作可靠性有很大的影响。因此设计时应尽可能不使用权切屑落到定位支承系统上。当切屑有可能落在其上时，必须采取有效的热电厂屑和清理措施。3.3定位支承系统定位支承系统主要由定位支承，辅助支承和一些限位元件组成。1.定位支承元件及其布置组合机床常用的定位支承元件有：支承板，支承块，支承销。支承板是本设计中采用的支承件。在组合机床夹具上采用支承板定位时，工件通常用四个或理多一些的支承板定位，这样可增加定位系统的刚度，心防止当夹紧力和切削力不是对支承板时瑞士引起工件的变形。为了减小支承板的不共面度的误差，可装配后合磨。通常不共面度误差为0。010。03mm。对于采用毛坯面定位夹具，从理论上讲是应当采用三点支承的，并采用带圆头的支承销定位，但当采用三个以上的压板而不能确保同时动作时（实际上是达不到同时动作），常常会把工件夹歪，因此需要采用四点支承的方法。在布置支承点时，应按工件定位而后情况，使支承点之间的距离尽量远一些，以增加定位的稳定性。支承板应该放在切屑不易落到的地方。当工件在夹具上以侧面及其上面的定位孔定位时，定位块就放在加工部位的上方或是切屑易落到的地方，且在布置上应保证支承块之间有较大的距离，不应连续排列。2.定位销在组合机床及其自动线上加工箱体类零件时，多采用“一面两销”的定位方法，以消除工件在空间的六个自由度，实现工件在夹具中的准确定位。为了能以最简单的运动形式装卸工件（如单机夹具上的推进和拉出，流水线和自动线上工件在夹具上的送进和推出），多采用伸缩式定位销。除此以外，还可采用固定式定位销。3固定式定位销 当要求被加工孔与定位销孔之间的位置精度高与+0。05或是-0。05mm。或是受结构的限制不能采用伸缩式定位销，以及加工装卸比较容易的轻小零件时，为了简化夹具的结构均采用固定式定位销。采用固定式定位销时，为了使工件的定位基面能很好地与支承元件相接触，除采用圆柱销和削边销相结合的定位方法以补偿孔间距的误差外，定位销还必须有适当的高度，以补偿定位孔与定位基面的垂直度误差。对于削边销，要采用可靠的防转措施，对于定位销，还应考虑拆装方便。定位销与安装孔的配合，定位销的尺寸及公差等，详见机床夹具设计手册。3.4夹紧机构夹紧机构通常由以下三个部分组成：夹紧动力部分，中间传动机构，夹紧元件。夹紧机构可公为手动夹紧和自动夹紧两种。本设计采用受动夹紧的气动夹紧机构。1)气动夹紧机构气动夹紧机构是利用气压作为夹紧动力，再通过中间传动机构，使夹具的夹紧元件执行夹紧动作的机构。在组合机床夹具上，常采用气动夹紧机构。2）联动夹紧机构采用联动夹紧机构时应注意以下问题：（1）应保证夹紧机构的刚性，为此给合机床夹具的夹紧螺杆杆径，压板厚度和传动杠杆径通常应设计得大些，应避免采用细长杆件。（2）在联动夹紧机构中，就设置必要的浮动环节，并使它们有足够的浮动量，以便保证各压均能压紧工件现时不相互干涉。此设计夹具联动夹紧机构的浮动五一节，采用了球面垫圈。（3）采用联动夹紧，要保证松夹时，所有压板都能松开工件。（4）犁刀变速箱工艺工程铸造时效涂底漆粗铣 N 面钻扩铰孔至, 孔口倒角 1 45 , 钻孔粗铣 R 面及 Q 面铣凸台面粗镗孔, 孔口倒角 1 45 精铣 N 面精铰孔 至（工艺要求）精铣 R 面及 Q 面精铰孔钻孔, 扩铰球形孔, 钻4 - M6螺纹底孔, 孔口倒角1 45 , 攻螺纹4 -M6 - 6H锪平面 钻8 -M12螺纹底孔, 孔口倒角 1 45 , 钻铰孔 , 孔口倒角1 45 攻螺纹 8-M12-6H检验入库消除内应力防止生锈先加工基准面留精扩铰余量先加工面后加工孔粗加工结束精加工开始提高工艺基准精度先加工面后加工孔次要表面在后面加工工序分散，平衡节拍犁刀变速箱组合机床及夹具总图结 论组合机床是以系列化、标准化的通用部件为基础，配以少量的专用部件组成的一种高生产率机床。它具有自动化程度较高，加工质量稳定，工序高度集中等特点，因此，组合机床在大批、大量生产中得到广泛应用。目前，组合机床的研制正向高效、高精度、高自动化和柔性化方向发展。六周左右的时间，我综合运用专业课程和技术基础课程的基本知识，结合生产实际来进行分析，解决实际工程中的问题，完成了犁刀变速箱铣削组合机床及夹具的设计。这次设计，让我掌握了设计金属切削机床的基本程序和方法；巩固、深化和扩展了我对所学的专业课程和技术基础课程的知识，树立了我正确的工程设计思想；培养了我查阅和使用标准、规范、手册、图册及相关技术资料的能力以及计算、绘图、数据处理、计算机辅助设计等方面的能力。这次毕业设计，得到了系领导、教研室老师以及同班同学的大力帮助，并在老师认真、细致的指导下，完成了设计。在此，向他们致以忠心的感谢。致 谢六周的机械毕业设计即将结束，在这次毕业设计作业的过程中，由于自己在设计方面没什么经验，理论基础知识把握的不牢固，再设计中难免会出现这样那样的困难，如：在选择计算标准件的时候可能会出现误差，假如是联系紧密或者循序渐进的误差更大，在查表和计算上精度不够正确；其次：在确定设计方案，选择课题方面就托了很久，同学们在这方面的知识比较缺乏，幸好得到了封老师的指点，找到了方法，把题目解决了；再次，在画图设计方面也比较薄弱，在同学，老师的帮助下逐步解决了，这些都暴露出了我在这方面知识的欠缺和不足。对于我来说，收获最大的方法和能力，那些分析和解决题目的能力。在整个课程设计的过程中，我发现我们学生在经验方面十分缺乏，空有理论知识。总体来说，我觉得像课程设计这种类型的作业对我们的帮助还是很大的，它需要我们将学过的知识相互联系起来，从中暴露出自身的不足，以待改进。本次的课程设计，培养了我综合应用机械设计课程及其他课程的理论知识和理论联系实际，应用生产实际知识解决工程实际题目的能力；在设计的过程中还培养出了我们的团队精神，同学们共同协作，解决了很多个人无法解决的题目，在今后的学习过程中我们会更加努力和团结。但是由于水平有限，难免会有错误，还忘老师批评指正。参 考 文 献1 大连组合机床研究所.组合机床设计第一册（第一版，机械部分）M.北京：机械工业出版社，1975年2 沈阳工业大学，大连铁道学院，吉林工学院.组合机床设计（第1版）M.上海：上海科学技术出版社，1985年3 组合机床编写组.组合机床讲义(第1版)M.北京：国防工业出版社，1972年4 谢家瀛.组合机床设计简明手册(第1版)M.北京：机械工业出版社，1994年5 大连组合机床研究所.组合机床设计参考图册(第1版)M.机械工业出版社，北京：1975年6 中国农业机械化科学研究院.实用机械设计手册上、下册(第1版)M.北京：中国农业机械出版社，1985年7 张展.机械设计通用手册(第1版)M.北京：中国劳动出版社，1984年8 金属切削机床设计编写组.金属切削机床设计（修订本，第1版）M. 上海：上海科学技术出版社，1985年5月9 金属切削机床设计编写组，吉林工业大学，吉林工学院，东北工学院.金属切削机床设计上、下册(第1版).上海：上海科学技术出版社，1979年10 大连工学院戴曙.金属切削机床设计M.北京：机械工业出版社，1981年11 范云涨，陈兆年.金属切削机床设计简明手册(第1版)M.北京：机械工业出版社，1994年12 李洪.机械制造工艺金属切削机床设计指导(第1版)M.沈阳：东北工学院出版社，1989年13 唐金松.简明机械设计手册(第1版)M.上海：上海科学技术出版社，1992年14 刘鸿文.材料力学I(第4版)M.高等教育出版社，2004年15 邱宣怀等.机械设计(第4版)M.北京：高等教育出版社，1997年16 清华大学吴宗泽，北京科技大学罗圣国.机械设计课程设计手册(第2版)M.北京：高等教育出版社，1999年17 黄鹤汀.机械制造装备(第1版)M.北京：机械工业出版社，2004年18 哈尔滨工业大学李益民.机械制造工艺设计简明手册(第1版)M.北京：机械工业出版社，1994年附录一：英文原文Application and developmentOf case based reasoning in fixture designAbstract: Based on the case based designing (CBD) methodology, the fixture similarity is in two respects: the function and the structure information. Then, the computer aided fixture design system is created on case based reasoning (CBR),in which the attributes of the main features of workpiece and structure of fixture as case index code are designed for the retrieve of the similar cases, and the structure and hierarchical relation of case library are set up for store. Meanwhile, the algorithm based on the knowledge guided in the retrieve of the similar cases, the strategy of case adapt at ion and case storage in which the case ident if cat ion number is used to distinguish from similar cases are presented. The application of the system in some projects improves the design efficiency and gets a good result .Keywords: case based reasoning ;fixture design; computer aided design(CAD)Fixtures are devices that serve as the purpose of holding the workpiece securely and accurately, and maintaining a consistent relationship with respect to the tools while machining. Because the fixture structure depends on the feature of the product and the status of the process planning in the enterprise, its design is the bottleneck during manufacturing, which restrains to improve the efficiency and leadtime. And fixture design is a complicated process, based on experience that needs comprehensive qualitative knowledge about a number of design issues including workpiece configuration, manufacturing processes involved, and machining environment. This is also a very time consuming work when using traditional CAD tools (such as Unigraphics, CATIA or Pro/E), which are good at performing detailed design tasks, but provide few benefits for taking advantage of the previous design experience and resources, which are precisely the key factors in improving the efficiency. The methodology of case based reasoning (CBR) adapts the solution of a previously solved case to build a solution for a new problem with the following four steps: retrieve, reuse, revise, and retain 1. This is a more useful method than the use of an expert system to simulate human thought because proposing a similar case and applying a few modifications seems to be self explanatory and more intuitive to humans .So various case based design support tools have been developed for numerous areas2-4, such as in injection molding and design, architectural design, die casting die design, process planning, and also in fixture design. Sun used six digitals to compose the index code that included workpiece shape, machine portion, bushing, the 1st locating device, the 2nd locating device and clamping device5. But the system cannot be used for other fixture types except for drill fixtures, and cannot solve the problem of storage of the same index code that needs to be retained, which is very important in CBR6.1. Construction of a Case Index and Case Library1.1 Case index The case index should be composed of all features of the workpiece, which are distinguished from different fixtures. Using all of them would make the operation in convenient. Because the forms of the parts are diverse, and the technology requirements of manufacture in the enterprise also develop continuously, lots of features used as the case index will make the search rate slow, and the main feature unimportant, for the reason that the relative weight which is allotted to every feature must diminish. And on the other hand, it is hard to include all the features in the case index.Therefore, considering the practicality and the demand of rapid design, the case index includes both the major feature of the workpiece and the structure of fixture. The case index code is made up of 16 digits: 13 digits for case features and 3 digits for case identification number.The first 13 digits represent 13 features. Each digit is corresponding to an attribute of the feature, which may be one of“*”, “？”, “1”, “2”,“A”,“B”, “Z”, etc. In which, “*” means anyone, “?” uncertain, “0” nothing.The system rules: fixture type, workpiece shape, locating model cannot be “*”or“?”. When the system is designed, the attribute information of the three items does not have these options, which means the certain attribute must be selected. The last three digits are the case identification number, which means the 13 digits of the case feature are the same, and the number of these three digits is used for distinguishing them.The system also rules: “000” is a prototype case, which is used for retrieval, and other cases are “001”,“002”, which are used for reference cases to be searched by designers. If occasionally one of them needs to be changed as the prototype case, first it must be required to apply to change the one to “000”, and the former is changed to referential case automatically.The construction of the case index code is shown in Fig.1.1.2 Case libraryThe case library consists of lots of predefined cases. Case representation is one of the most important issues in case based reasoning. So compounding with the index code,.1.3 Hierarchical form of CaseThe structure similarity of the fixture is represented as the whole fixture similarity, components similarity and component similarity. So the whole fixture case library, components case library, component case library of fixture are formed correspondingly. Usually design information of the whole fixture is composed of workpiece information and workpiece procedure information, which represent the fixture satisfying the specifically designing function demand. The whole fixture case is made up of function components, which are described by the function components names and numbers. The components case represents the members. (function component and other structure components， main driven parameter, the number, and their constrain relations.) The component case (the lowest layer of the fixture) is the structure of function component and other components. In the modern fixture design there are lots of parametric standard parts and common non standard parts. So the component case library should record the specification parameter and the way in which it keeps them. 2. Strategy of Case RetrievalIn the case based design of fixtures ,the most important thing is the retrieval of the similarity, which can help to obtain the most similar case, and to cut down the time of adaptation. According to the requirement of fixture design, the strategy of case retrieval combines the way of the nearest neighbor and knowledge guided. That is, first search on depth, then on breadth; the knowledge guided strategy means to search on the knowledge rule from root to the object, which is firstly searched by the fixture type, then by the shape of the workpiece, thirdly by the locating method. For example, if the case index code includes the milling fixture of fixture type, the search is just for all milling fixtures, then for box of workpiece shape, the third for 1plane+ 2pine of locating method. If there is no match of it, then the search stops on depth, and returns to the upper layer, and retrieves all the relative cases on breadth.Retrieval algorithms:1)According to the case index information of fixture case library, search the relevant case library;2)Match the case index code with the code of each case of the case library, and calculate the value of the similarity measure;3)Sort the order of similarity measure, the biggest value, which is the most analogical case.Similarity between two cases is based on the similarity between the two cases. features. The calculation of similarity measure depends on the type of the feature. The value of similarity can be calculated for numerical values, for example, compareWorkpiece with the weight of 50kg and 20kg. The value can also be calculated between non numerical values, for example, now the first 13 digits index code is all non numerical values. The similarity measure of a fixture is calculated as follows:where S is the similarity measure of current fixture, n is the number of the index feature, is the weight of each feature, is the similarity measure of the attribute of the i2th feature with the attributeof relative feature of the j-th case in the case library. At the same time, , the value counts as follows:.Where is the value of the index attribute of the i-th feature, and is the value of attribute of the relative i-th feature of the j-th case in case library.So there are two methods to select the analogical fixture. One is to set the value. If the values of similarity measure of current cases were less than a given value, those cases would not be selected as analogical cases. When the case library is initially set up, and there are only a few cases, the value can be set smaller. If there are lots of analogical cases, the value should get larger. The other is just to set the number of the analogical cases (such as10), which is the largest value of similarity measure from the sorted order.3.Case adaptation and Case Storage3.1 Case adaptationThe modification of the analogical case in the fixture design includes the following three cases:1) The substitution of components and the component;2) Adjusting the dimension of components and the component while the form remains; 3) The redesign of the model.If the components and component of the fixture are common objects, they can be edited, substituted and deleted with tools, which have been designed.3.2 Case storageBefore saving a new fixture case in the case library, the designer must consider whether the saving is valuable. If the case does not increase the knowledge of the system, it is not necessary to store it in the case library. If it is valuable, then the designer must analyze it before saving it to see whether the case is stored as a prototype case or as reference case. A prototype case is a representation that can describe the main features of a case family. A case family consists of those cases whose index codes have the same first 13 digits and different last three digits in the case library. The last three digits of a prototype case are always “000”. A reference case belongs to the same family as the prototype case and is distinguished by the different last three digits.From the concept that has been explained, the following strategies are adopted:1) If a new case matches any existing case family, it has the same first 13 digits as an existing prototype case, so the case is not saved because it is represented well by the prototype case. Or is just saved as a reference case (the last 3 digits are not “000”, and not the same with others) in the case library.2) If a new case matches any existing case family and is thought to be better at representing this case family than the previous prototype case, then the prototype case is substituted by this new case, and the previous prototype case is saved as a reference case.3) If a new case does not match any existing case family, a new case family will be generated automatically and the case is stored as the prototype case in the case library.4. Process of CBR in Fixture DesignAccording to the characteristics of fixture design, the basic information of the fixture design such as the name of fixture, part, product and the designer, etc. must be input first. Then the fixture file is set up automatically, in which all components of the fixture are put together. Then the model of the workpiece is input or designed. The detailed information about the workpiece is input, the case index code is set up, and then the CBR begins to search the analogical cases, relying on the similarity measure, and the most analogical case is selected out. If needed, the case is adapted to satisfy the current design, and restored into the case library. The flowchart of the process is shown in Fig.3.5 Illustrating for Fixture Design by CBRThis is a workpiece (seeFig.4). Its material is 45# steel. Its name is seat. Its shape is block, and the product batch size is middle, etc. A fixture is turning fixture that serves to turn the hole, which needs to be designed.The value of feature, attribute, case index code and weight of the workpiece is show n in Tab.2.Through searching, and calculating the similarity, the case index code of the most similar case is 19325513321402000, and the detailed information is show n in Tab. 3.The similarity is calculated as follows:So the value of similarity measure of the fixture which needs to be designed with the most analogical case in case library is 0.806, and the structure of the most analogical case is shown in Fig.5.After having been substituted the component, modified the locating model and clamp model, and adjusted the relative dimension, the new fixture is designed, and the figure is show n in Fig.6.As there is not the analogical fixture in the case library, the new fixture is restored in to the case library. The case index code is 19325513311402000.6. ConclusionCBR, as a problem solving methodology, is a more efficient method than an expert system to simulate human thought, and has been developed in many domains where knowledge is difficult to acquire. The advantages of the CBR are as follows: it resembles human thought more closely; the building of a case library which has self learning ability by saving new cases is easier and faster than the building of a rule library; and it supports a better transfer and explanation of new knowledge that is more different than the rule library. A proposed fixture design framework on the CBR has been implemented by using Visual C +, UG/Open API in U n graphics with Oracle as database support, which also has been integrated with the 32D parametric common component library, common components library and typical fixture library. The prototype system, developed here, is used for the aviation project, and aids the fixture designers to improve the design efficiency and reuse previous design resources.附录二：英文翻译基于事例推理的夹具设计研究与应用摘要:根据基于事例的设计方法,提出采用工序件的特征信息和夹具的结构特征信息来描述夹具的相似性,并建立了包括这2方面主要特征信息为基础的事例索引码,设计了事例库的结构形式,创建了层次化的事例组织方式;同时,提出了基于知识引导的夹具事例检索算法,以及事例的修改和采用同族事例码进
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