机械毕业设计（论文）-涡轮减速箱体左侧面3×M10钻孔组合机床设计【全套图纸】.pdf

1 1 绪论绪论 1.1 机床在国民经济的地位及其发展简史机床在国民经济的地位及其发展简史 现代社会中，人们为了高效、经济地生产各种高质量产品，日益广泛的使用 各种机器、仪器和工具等技术设备与装备。为制造这些技术设备与装备，又必须 具备各种加工金属零件的设备， 诸如铸造、 锻造、 焊接、 冲压和切削加工设备等。 由于机械零件的形状精度、尺寸精度和表面粗糙度，目前主要靠切削加工的方法 来达到，特别是形状复杂、精度要求高和表面粗糙度要求小的零件，往往需要在 机床上经过几道甚至几十道切削加工工艺才能完成。因此，机床是现代机械制造 业中最重要的加工设备。在一般机械制造厂中，机床所担负的加工工作量，约占 机械制造总工作量的 40%60%， 机床的技术性能直接影响机械产品的质量及其 制造的经济性，进而决定着国民经济的发展水平。可以这样说，如果没有机床的 发展，如果不具备今天这样品种繁多、结构完善和性能精良的各种机床，现代社 会目前所达到的高度物质文明将是不可想象的。 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 一个国家要繁荣富强，必须实现工业、农业、国防和科学技术的现代化，这 就需要一个强大的机械制造业为国民经济各部门提供现代化的先进技术设备与 装备，即各种机器、仪器和工具等。然而，一个现代化的机械制造业必须要有一 个现代化的机床制造业做后盾。 机床工业是机械制造业的 “装备部” 、“总工艺师” ， 对国民经济发展起着重大作用。因此，许多国家都十分重视本国机床工业的发展 和机床技术水平的提高，使本国国民经济的发展建立在坚实可靠的基础上。 机床是人类在长期生产实践中，不断改进生产工具的基础上生产的，并随着 社会生产的发展和科学技术的进步而渐趋完善。最原始的机床是木制的，所有运 动都是由人力或畜力驱动，主要用于加工木料、石料和陶瓷制品的泥坯，它们实 际上并不是一种完整的机器。现代意义上的用于加工金属机械零件的机床，是在 2 18 世纪中叶才开始发展起来的。当时，欧美一些工业最发达的国家，开始了从 工场手工业向资本主义机器大工业生产方式的过度，需要越来越多的各种机器， 这就推动了机床的迅速发展。为使蒸汽机的发明付诸实用，1770 年前后创制了 镗削蒸汽机汽缸内孔用的镗床。1797 年发明了带有机动刀架的车床，开创了用 机械代替人手控制刀具运动的先声，不仅解放了人的双手，并使机床的加工精度 和工效起了一个飞跃，初步形成了现代机床的雏型。续车床之后，随着机械制造 业的发展，其他各种机床也陆续被创制出来。至 19 世纪末，车床、钻床、镗床、 刨床、拉床、铣床、磨床、齿轮加工机床等基本类型的机床已先后形成。 上世纪初以来，由于高速钢和硬质合金等新型刀具材料相继出现，刀具切削 性能不断提高，促使机床沿着提高主轴转速、加大驱动功率和增强结构刚度的方 向发展。与此同时，由于电动机、齿轮、轴承、电气和液压等技术有了很大的发 展，使机床的转动、结构和控制等方面也得到相应的改进，加工精度和生产率显 著提高。此外，为了满足机械制造业日益广阔的各种使用要求，机床品种的发展 也与日俱增，例如，各种高效率自动化机床、重型机床、精密机床以及适应加工 特殊形状和特殊材料需要的特种加工机床相继问世。50 年代，在综合应用电子 技术、检测技术、计算技术、自动控制和机床设计等各个领域最新成就的基础上 发展起来的数控机床，使机床自动化进入了一个崭新的阶段，与早期发展的仅适 用于大批大量生产的纯机械控制和继电器接触器控制的自动化相比， 它具有很高 柔性，即使在单件和小批生产中也能得到经济的使用。 综观机床的发展史，它总是随着机械工业的扩大和科学技术的进步而发展， 并始终围绕着不断提高生产效率、加工精度、自动化程度和扩大产品品种而进行 的，现代机床总的趋势仍然是继续沿着这一方向发展。 我国的机床工业是在 1949 年新中国成立后才开始建立起来的。解放前，由 于长期的封锁统治和 19 世纪中叶以后帝国主义的侵略和掠夺，我国的工农业生 产非常落后，既没有独立的机械制造业，更谈不上机床制造业。至解放前夕，全 国只有少数城市的一些规模很小的机械厂，制造少量简单的皮带车间、牛头刨床 和砂轮等；1949 年全国机床产量仅 1000 多台，品种不到 10 个。 解放后，党和人民政府十分重视机床工业的发展。在解放初期的三年经济恢 复时期，就把一些原来的机械修配厂改建为专业厂；在随后开始的几个五年计划 期间，又陆续扩建、新建了一系列机床厂。经过 50 多年的建设，我国机床工业 从无到有， 从小到大， 现在已经成门类比较齐全， 具有一定实力的机床工业体系， 能生产 5000 多种机床通用品种，数控机床 1500 多种；不仅装备了国内的工业， 而且每年还有一定数量的机床出口。 我国机床行业的发展是迅速的，成就是巨大的。但由于起步晚、底子薄，与 3 世界先进水平相比，还有较大差距。为了适应我国工业、农业、国防和科学技术 现代化的需要，为了提高机床产品在国际市场上的竞争能力，必须深入开展机床 基础理论研究，加强工艺试验研究，大力开发精密、重型和数控机床，使我国的 机床工业尽早跻身于世界先进行列。 1.2 组合机床的国内、外现状组合机床的国内、外现状 世界上第一台组合机床于 1908 年在美国问世，30 年代后组合机床在世界各 国得到迅速发展。至今，它已成为现代制造工程（尤其是箱体零件加工）的关键 设备之一。 现代制造工程从各个角度对组合机床提出了愈来愈高的要求， 而组合机床也 在不断吸取新技术成果而完善和发展。 1 1.2.1 国内组合机床现状 我国加入 WTO 以后，制造业所面临的机遇与挑战并存、组合机床行业企业 适时调整战略，采取了积极的应对策略，出现了产、销两旺的良好势头，截至 2005 年 4 月份， 组合机床行业企业仅组合机床一项， 据不完全统计产量已达 1000 余台，产值达 3.9 个亿以上，较 2004 年同比增长了 10%以上，另外组合机床行 业增加值、产品销售率、全员工资总额、出口交费值等经济指标均有不同程度的 增长，新产品、新技术较去年年均有大幅度提高，可见行业企业运营状况良好。 （1）行业企业产品结构的变化 组合机床行业企业主要针对汽车、摩托车、内燃机、农机、工程机械、化工 机械、军工、能源、轻工及家电行业提供专用设备，随着我国加入 WTO 后与世 界机床进一步接轨，组合机床行业企业产品开始向数控化、柔性化转变。从近两 年是企业生产情况来看， 数控机床与加工中心的市场需求量在上升， 而传统的钻、 镗、铣组合机床则有下降趋势，中国机床工具工业学会的机床工具行业企业主 要经济指标报表 是统计数据显示， 仅从几个全国大型重点企业生产情况看， 2003 年生产数控机床 890 台，产值 16187 万元，生产加工中心 148 台，产值 5770 万 元；2004 年生产数控机床 985 台，产值 25838 万元，生产加工中心 159 台，产 值 7099 万元；而 2005 年，截至 4 月份，数控机床、加工中心、产值已接近 2003 年全年水平，故市场在向数控、高精制造技术和成套工艺装备方面发展。 （2）行业企业的快速转变 “九五”后期，在组合机床行业企业的 50 多家组合机床分会会员中，仅有 两家企业实行了股份改造，一家企业退出国有转为民营，其余的都是国有企业。 而从 2001 至 2002 年，不到两年的时间，就先后有十几家企业实行股份制改造， 4 一些小厂几乎全部退出国有转为民营， 现在一些国家重点国有企业也在酝酿股份 制改造，转制已势不可档， “民营经济在经历了从被歧视，被藐视到不可小视和 现在高度重视 4 个阶段后，焕发勃勃生机。 ”组合机床行业企业正在以股份制、 民营化等多种形式快速发展。 （3）组合机床技术装备现状与发展趋势 组合机床及其自动线是集机电于一体是综合自动化度较高的制造技术和成 套工艺装备。它的特征是高效、高质、经济实用，因而被广泛应用与工程机械、 交通、能源、军工、轻工、家电行业。我国的传统的组合机床及组合机床自动线 主要采用机、电、气、液压控制，它的加工对象主要是生产批量比较大的大中型 的箱体类和轴类零件（近年研制的组合机床加工连杆、板件等也占一定份额） ， 完成钻孔、扩孔、铰孔，加工各种螺纹、镗孔、车端面和凸台，在孔内镗各种形 状槽，以及铣削平面和成型面等。组合机床的分类繁多，有大型组合机床和小型 组合机床，有单面、双面、三面、卧式、立式、倾斜式、复合式，还有多工位回 转台组合机床等；随着技术的不断是进步，一种新型的组合机床柔性组合机 床越来越受人们是亲昧，它应用多位主轴箱、可换主轴箱、编码随行夹具和刀具 的自动更换，配以可编程序控制器（PLC） 、数字控制（NC）等，能任意改变工 作循环控制和驱动系统，并能灵活适应多种加工的可调可变的组合机床。另外， 近年来组合机床加工中心、数控组合机床、机床辅机等在组合机床行业中所占份 额也越来越大。 由于组合机床及其自动线是一种技术综合性很高的高技术专用产品， 是根据 用户特殊要求而设计的，它涉及到加工工艺、刀具、测量、控制、诊断监控、清 洗、 装配和试漏等技术。我国组合机床及其组合机床自动线总体技术水平比发达 国家相对落后，国内所需的一些高水平组合机床及自动线几乎都从国外进口。工 艺装备的大量进口势必导致投资规模的扩大，并使产品生产成本提高。因此，市 场要求我们不断开发新技术、新工艺、研制新产品，由过去的“刚性”机床结构， 向“柔性”化方向发展，满足用户需要，真正成为刚柔兼备的自动化装备。 1.2.2 国外组合机床现状 2 80 年代以来，国外组合机床技术在满足精度和效率要求的基础上，正朝着 综合成套和具备柔性的方向发展。组合机床的加工精度、多品种加工的柔性以及 机床配置的灵活多样方面均有新的突破性进展，实现了机床工作程序软件化、工 序高度集中、高效短节拍和多功能知道监控。组合机床技术的发展趋势是： （1）广泛应用数控技术 国外主要的组合机床生产厂家都有自己的系列化完整的数控组合机床通用 部件,在组合机床上不仅一般动力部件应用数控技术,而且夹具的转位或转角、换 5 箱装置的自动分度与定位也都应用数控技术,从而进一步提高了组合机床的工作 可靠性和加工精度。广州标致汽车公司由法国雷诺公司购置的缸盖加工生产线, 就是由三台自动换箱组合机床组成的,其全部动作均为数控,包括自动上下料的交 换工作台、环形主轴箱库、动力部件和夹具的运动,其节拍时间为 58 秒。 (2)发展柔性技术 80 年代以来,国外对中大批量生产,多品种加工装备采取了一系列的可调、可 变、可换措施,使加工装备具有了一定的柔性。如先后发展了转塔动力头、可换 主轴箱等组成的组合机床;同时根据加工中心的发展,开发了二坐标、三坐标模块 化的加工单元,并以此为基础组成了柔性加工自动线(FTL)。 这种结构的变化,既可 以实现多品种加工要求的调整变化快速灵敏,又可以使机床配置更加灵活多样。 (3)发展综合自动化技术 汽车工业的大发展,对自动化制造技术提出了许多新的需求,大批量生产的高 效率,要求制造系统不仅能完成一般的机械加工工序,而且能完成零件从毛坯进线 到成品下线的全部工序,以及下线后的自动码垛、装箱等。德国大众汽车公司 KASSEL变速箱厂1987年投入使用的造价9000万马克的齿轮箱和离合器壳生产 线,就是这种综合自动化制造系统的典范。该系统由两条相似对称布置的自动线 组成,三班制工作,每条线日产 2000 件,节拍时间为 40 秒。全线由 12 台双面组合 机床、18 台三坐标加工单元、空架机器人、线两端的毛坯库和三坐标测量机组 成,可实现 3 种零件的加工。空架机器人完成工件下线的码垛装箱工作。随着综 合自动化技术的发展,出现了一批专门从事装配、试验、检测、清洗等装备的专 业生产厂家,进一步提高了制造系统的配套水平。 (4)进一步提高工序集中程度 国外为了减少机床数量,节省占地面积,对组合机床这种工序集中程度高的产 品,继续采取各种措施,进一步提高工序集中程度。如采用十字滑台、多坐标通用 部件、移动主轴箱、双头镗孔车端面头等组成机床或在夹具部位设置刀库,通过 换刀加工实现工序集中,从而可最大限度地发挥设备的效能,获取更好的经济效 益。 1.3 机床设计的目的、内容、要求机床设计的目的、内容、要求 1.3.1 设计的目的 机床设计毕业设计， 其目的在于通过机床主运动机械变速传动系统的结构设 计，使我们在拟定传动和变速的结构方案过程中，得到设计构思、方案的分析、 结构工艺性、 机械制图、 零件计算、 编写技术文件和查阅资料等方面的综合训练， 树立正确的设计思想，掌握基本的设计方法，培养基本的设计方法，并培养了自 6 己具有初步的结构分析、结构设计和计算能力。 1.3.2 设计内容 (1)运动设计 根据给定的被加工零件，确定机床的切削用量，通过分析比 较拟定传动方案和传动系统图，确定传动副的传动比及齿轮的齿数，并计算主轴 的实际转速与标准的相对误差。 (2)动力设计 根据给定的工件，初算传动轴的直径、齿轮的模数；确定动 力箱； 计算多轴箱尺寸及设计传动路线。 完成装配草图后， 要验算传动轴的直径， 齿轮模数否在允许范围内。还要验算主轴主件的静刚度。 (3)结构设计 进行主运动传动轴系、变速机构、主轴主件、箱体、润滑与 密封等的布置和机构设计。即绘制装配图和零件工作图。 (4)编写设计说明书 1.3.3 设计要求 评价机床性能的优劣， 主要是根据技术经济指标来判定的。 技术先进合理， 亦即“质优价廉”才会受到用户的欢迎，在国内和国际市场上才有竞争力。机床 设计的技术经济指标可以从满足性能要求、 经济效益和人机关系等方面进行分 析。 1.4 机床的设计步骤机床的设计步骤 1.4.1 调查研究 研究市场和用户对设计机床的要求，然后检索有关资料。其中包括情报、预 测、实验研究成果、发展趋势、新技术应用以及相应的图纸资料等。甚至还可以 通过网络检索技术查阅先进国家的有关资料和专利等。 通过对上述资料的分析研 究，拟订适当的方案，以保证机床的质量和提高生产率，使用户有较好的经济效 益。 1.4.2 拟定方案 通常可以拟定出几个方案进行分析比较。 每个方案包括的内容有： 工艺分析、 主要技术参数、总布局、传动系统、液压系统、控制操作系统、电系统、主要部 件的结构草图、实验结果及技术经济分析等。 在制定方案时应注意以下几个方面： （1） 当使用和制造出现矛盾时，应先满足使用要求，其次才是尽可能便 于制造。要尽量用先进的工艺和创新的结构； （2） 设计必须以生产实践和科学实验为依据，凡是未经实践考验的方案， 必须经过实验证明可靠后才能用于设计； 7 （3） 继承与创造相结合，尽量采用先进工艺，迅速提高生产力，为实现 四个现代化服务。注意吸取前人和国外的先进经验，并在此基础上有所创造和发 展。 1.4.3 工作图设计 首先，在选定工艺方案并确定机床配置形式、结构方案基础上，进行方案图 纸的设计。这些图子包括：被加工零件工序图、加工示意图、机床联系尺寸图和 生产率计算卡，统称“三图一卡”设计。并初定出主轴箱轮廓尺寸，才能确定机 床各部件间的相互关系。 然后，整理机床有关部件与主要零件的设计计算书，编制各类零件明细表， 编写机床说明书等技术文件。 最后，对有关图纸进行工艺审查和标准化审查。 2 组合机床的总体设计组合机床的总体设计 2.1 组合机床方案的制定组合机床方案的制定 2.1.1 制定工艺方案 零件加工工艺将决定组合机床的加工质量、 生产率、 总体布局和夹具结构等。 所以，在制定工艺方案时，必须计算分析被加工零件图，并深入现场了解零件的 形状、大小、材料、硬度、刚度，加工部位的结构特点加工精度，表面粗糙度， 以及定位，夹紧方法，工艺过程，所采用的刀具及切削用量，生产率要求，现场 所采用的环境和条件等等。 并收集国内外有关技术资料， 制定出合理的工艺方案。 根据被加工被零件（涡轮减速箱）的零件图（图 2- 1） ，加工三个孔的工艺过 程。 (1) 加工孔的主要技术要求。 加工 3 个 M10 的孔。 孔的位置度公差为 0.1mm 。 工件材料为 HT200，HB200241 8 要求生产纲领为（考虑废品及备品率）年产量 2 万件，单班制生产 (2) 工艺分析 加工该孔时，孔的位置度公差为 0.1mm (3) 定位基准及夹紧点的选择 加工零件底座为定位基准。 在保证加工精度的情况下，提高生产效率减轻工人劳动量，而工件也是大批 量生产，由于夹具在本设计中没有考虑，因此在设计时就认为是人工夹紧。 2.1.2 确定组合机床的配置形式和结构方案。 (1)被加工零件的加工精度 被加工零件需要在组合机床上完成的加工工序及应保证的加工精度， 是制造 机床方案的主要依据。离合器压盘加工孔的精度要求不高，可采用钻孔组合机 床，工件各孔间的位置精度为 0.1mm,它的位置精度要求不是很高，安排加工时 可以在下一个安装工位上对所有孔进行最终精加工。为了加工出表面粗糙度为 图 21 被加工零件图 Ra3.2um 的孔。 采取提高机床原始制造精度和工件定位基准精度并减少夹压变形 等措施就可以了。 为此， 机床通常采用尾置式齿轮动力装置， 进给采用液压系统， 人工夹紧。被加工零件图如图 2- 1 所示。 (2) 被加工零件的特点 9 这主要指零件的材料、硬度加工部位的结构形状，工件刚度定位基准面的特 点， 它们对机床工艺方案制度有着重要的影响。 此涡轮减速箱体的材料是 HT200、 硬度 HB200- 241、孔在整个压盘上均度分配，孔的直径为 10mm。采用多孔同 步加工，零件的刚度足够，工件受力不大，振动，及发热变形对工件影响可以不 计。 一般来说， 孔中心线与定位基准面平行且需由一面或几面加工的箱体宜用卧 式机床，立式机床适宜加工定基准面是水平的且被加工孔与基准面垂直的工件， 而不适宜加工安装不方便或高度较大的细长工件。 对大型箱体件采用单工位机床 加工较适宜，而中小型零件则多采用多工位机床加工。 (3) 零件的生产批量 零件的生产批量是决定采用单工位、多工位、自动线或按中小批量生产特点 设计组合机床的重要因素。按设计要求生产纲领为年生产量为 2 万件，从工件外 形及轮廓尺寸，为了减少加工时间，采用多轴头，为了减少机床台数，此工序尽 量在一台机床上完成，以提高利用率。 (4) 机床使用条件 使用组合机床对对车间布置情况、工序间的联系、使用厂的技术能力和自然 条件等一定的要求。在根据使用户实际情况来选择什么样的组合机床。 综合以上所述：通过对箱盖零件的结构特点、加工部位、尺寸精度、表面粗 糙度和技术要求、定位、夹紧方式、工艺方法，并定出影响机床的总体布局和技 术性能等方面的考虑，最终决定设计三轴头多工位同步钻床。 2.2 确定切削用量及选择刀具确定切削用量及选择刀具 2.2.1 确定工序间余量 为使加工过程顺利进行并稳定的保证加工精度，必须合理地确定工序余量。 生产中常用查表给出的组合机床对孔加工的工序余量， 由于在本钻床上钻孔后重 新安装或在其他多工位机床上加工下道工序，应适当加大余量，以消除转、定位 误差的影响，直径上工序间余量 0.51mm。 2.2.2 选择切削用量 确定了在组合机床上完成的工艺内容了，就可以着手选择切削用量了。因为 所设计的组合机床为多轴同步加工在大多数情况下，所选切削用量，根据经验比 一般通用机床单刀加工低 30%左右多轴主轴箱上所有刀具共用一个进给系统， 通常为标准动力滑台，工作时，要求所有刀具的每分钟进给量相同，且等于动力 滑台的每分钟进给量（mm/min）应是适合有刀具的平均值。因此，同一主轴箱 上的刀具主轴可设计成不同转速和不同的每转进给量（mm/r）与其适应。以满 10 足不同直径的加需要，即：n1f 1 =n2f 2 = nif i =v f 式中：n1 、n2、ni 各主轴转速（r/min） f 1 、f 2 、 f i 各主轴进给量（mm/r） v f 动力滑台每分钟进给量（mm/min） 由于离合器压盘孔的加工精度、 工件材料、 工作条件、 技术要求都是相同的。 按照经济地选择满足加工要求的原则， 采用查表的方法查得： 钻头直径 D=10mm, 铸铁 HB200241、进给量 f=0.12mm/r、切削速度 v=15m/min. 2.2.3 确定切削力、切削扭矩、切削功率 根据选定的切削用量（主要指切削速度 v 及进给量 f）确定切削力，作为选 择动力部件（滑台）及夹具设计的依据；确定切削扭矩，用以确定主轴及其它传 动件（齿轮，传动轴等）的尺寸；确定切削功率，用以选择主传动电动（一般指 动力箱）功率，通过查表计算如下： 布氏硬度：HB =HBmin 3 1 (HBmaxHBmin) =200 3 1 (241200) =186.33 切削力：F =26D 8 . 0 f 6 . 0 HB =2610 8 . 0 12. 0 6 . 0 33.186 =1097.71 N 切削扭矩：T =10 9 . 1 D 8 . 0 f 6 . 0 HB =10 9 . 1 10 8 . 0 12. 0 6 . 0 33.186 =3353.63Nmm 切削功率：P = D9740 Tv p =3353.6315/(97403.1410) =0.164kw 式中：HB布氏硬度 F切削力（N） D钻头直径（mm） 11 f每转进给量（mm/r） T切削扭矩(Nmm) V切削速度（m/min） P切削功率(kw) 2.2.4 选择刀具结构 涡轮减速箱的布氏硬度在 HB200241，孔径 D 为 10mm，刀具的材料选择 高速钢钻头（W18Cr4V） ，为了使工作可靠、结构简单、刃磨简单，选择标准 10 的麻花钻。孔加工刀具的长度应保证加工终了时刀具螺旋槽尾端与导向套之 间有 3050mm 的距离，以便排出切屑和刀具磨损后有一定的向前的调整量。 2.3 钻孔组合机床总设计“三图一卡”的编制钻孔组合机床总设计“三图一卡”的编制 前面对四轴头多工位同步钻床工艺方案及配置型式、 结构方案确定的有关问 题， 它是钻床总体设计的重要内容。下面就以钻床加工箱盖总体设计的另一个问 题，既总体设计方案的图纸表达形式“三图一卡”设计，其内容包括： 绘制被加工零件工序图、加工示意图、机床联系尺寸图、编制生产率卡。 2.3.1 被加工零件工序图 1、被加工零件工序图的作用及内容 被加工零件工序图是根据选定的工艺方案， 表示一台组合机床完成的工艺内 容，加工部位的尺寸、精度、表面粗糙度及技术要求，加工用的定位基准、夹具 部位及被加工零件的材料、硬度、重量和在本道工序加工前毛坯或成品状况的图 纸，它不能用用户提供的图纸代替，而是在原零件图基础上，突出本机床的加工 的内容，加上必要的说明绘制成的。它是组合机床设计的主要依据，也是制造、 使用、 检验和调整机床的重要技术文件。涡轮减速箱钻孔组合机床的被加工零件 工序图如 22 所示。 图上主要内容： （1）被加工零件的形状，主要外廓尺寸和本机床要加工部位的尺寸、精度、 表面粗糙度、形位精度等技术要求，以及对上道工序的技术要求等。 （2）本工序所选定的定位基准、夹紧部位及夹紧方向。 （3）加工时如需要中间向导，应表示出工件与中间向导有关部位结构和尺 寸，以便检查工件、夹具、刀具之间是否相互干涉。 （4）被加工零件的名称、编号、材料、硬度及被加工部位的加上余量等。 2、绘制被加工零件工序图的注意事项 （1）为了使被加工零件工序图清晰明了，一定要画出被本机床的加工内容。 绘制时， 应按一定的比例， 选择足够的视图及剖视图， 突出加工部位 （用粗实线） ， 12 并把零件轮廓及与机床、夹具设计有关部位（用细实线）表清楚，凡本道工序保 证的尺寸、角度等，均应在尺寸数值下方面用粗实线标记。 图 22 被加工零件工序图 附注：1.被加工零件名称及编号：涡轮减速箱； 2.材料及硬度：灰铸铁 HT200 HB200241； （2）加工部位的位置尺寸应由定位基准注起，为便于加工及检查，尺寸应 采用直角坐标系标出，而不采用极坐标，但有时因所选定位基准与设计基准不重 合，则须对加工部位要求位置尺寸精度进行分析换算。 13 2.3.2 加工示意图 图 23 加工示意图 1、加工示意图的作用和内容 加工示意图是被加工零件工艺方案在图样上的反映， 表示被加工零件在机床 上的加工过程，刀具的布置以及工件、夹具、刀具的相对位置关系，机床的工作 行程及工作循环等，是刀具、夹具、多轴箱、电气和液压系统设计选择动力部件 的主要依据，是整台组合机床布局形式的原始要求，也是调整机床和刀具所必需 的重要文件。图 23 为箱盖上 3 孔卧式钻床加工示意图。 在图上应标注的内容： （1）机床的加工方法，切削用量，工作循环和工作行程。 （2）工件、夹具、刀具及多轴箱端面之间的距离等。 （3）主轴的结构类型，尺寸及外伸长度；刀具类型，数量和结构尺寸、接 杆、导向装置的结构尺寸；刀具与导向置的配合，刀具、接杆、主轴之间的连接 方式，刀具应按加工终了位置绘制。 2、绘制加工示意图之前的有关计算 （1）刀具的选择 刀具选择考虑加工尺寸精度、表面粗糙度、切削的排除 及生产率要求等因素。刀具的选择前已述及，此处就不在追述了。 （2）导向套的选择 在组合机床上加工孔，除用刚性主轴的方案外，工件 的尺寸、位置精度主要取决于夹具导向。因此正确选择导向装置的类型，合理确 定其尺寸、精度，是设计组合机床的重要内容，也是绘制加工示意图时必须解决 的内容。 1）选择导向类型 根据刀具导向部分直径 d=10mm 和刀具导向的线速度 v=15m/min，选择固定式导向。 14 2）导向套的参数 根据刀具的直径选择固定导向装置，如图 24 所示： 图 24 固定导向装置 固定导向装置的标准尺寸如下表： 表 21 固定导向装置的标准尺 d D D1 D2 L l1 m R d1 d2 l0 10 15 22 26 28 36 13 18.5 M6 16 12 固定装置的配合如下表： 表 22 固定装置的配合 导向 类别 工艺 方法 D D D1 刀具导向 部分外径 固定 导向 钻孔 G7（或 F8） 6 7 g H 6 7 n H 钻头本身导向 g6 固定导向装置的布置如图 25 所示 导向装置的布置如表 23 所示： 表 23 导向装置的参数(mm) 尺寸 项目 l1 l2 l3 与直径 d 的关系 (23)d 加工铸铁 d d/3+(38) 计算值 3d=30 10 10/3+8=11 15 图 25 固定导向装置的布置 （3）初定主轴类型、尺寸、外伸长度 刚性主轴取14,所以 B 取 7.3。根据刚性条件计算主轴的直径为： dB 4 T =7.3 43 1063.335310 - =17.56mm 式中：d轴直径（mm） T轴所承受的转矩（Nmm） B系数 本设计中所有主轴直径皆取 d=20mm,主轴外伸长度为：L=115mm，D/ 1 d 为 32/20，接杆莫氏圆锥号：1，2。 （4）选择刀具接杆 由以上可知，多轴箱各主轴的外伸长度为一定值，而 刀具的长度也是一定值， 因此， 为保证多轴箱上各刀具能同时到达加工终了位置， 就需要在主轴与刀具之间设置可调环节， 这个可调节在组合机床上是通过可调整 的刀具接杆来解决的,连接杆如图 26 所示， 图 26 可调连接杆 连接杆上的尺寸 d 与主轴外伸长度的内孔 D 配合，因此，根据接杆直径 d 16 选择刀具接杆参数如表 24 所示： 表 24 可调接杆的尺寸 d(h6) D1(h6) d2 L l1 l2 l3 螺母 厚度 20 Tr202 莫氏 1 号 12.065 163 46 40 75 10， 12 （5）确定加工示意图的联系尺寸 从保证加工终了时主轴箱端面到工件端面间距离最小来确定全部联系尺寸， 加工示意图联系尺寸的标注如图 23 所示。其中最重要的联系尺寸即工件端面 到多轴箱端面之间的距离,它等于刀具悬伸长度、螺母厚度、主轴外伸长度与接 杆伸出长度（可调）之和，再减去加工孔深度和切出值。 （6） 工作进给长度的确定 如图 27 工作进给长度 工 L 应等于工件加工部 位长度 L 与刀具切入长度 1 L 和切出长度 2 L 之和。切入长应 1 L 应根据工件端面误 差情况在 510mm 之间选择，误差大时取大值，因此取 1 L =10mm，切出长度 2 L =3/d+(38)=3/10+8 11mm,所以 工 L =10+32+11=53mm. （7）快进长度的确定 考虑实际加工情况，在未加工之前，保证工件表面 与刀尖之间有足够的工作空间， 也就是快速退回行程须保证所有刀具均退至夹具 导套内而不影响工件装卸。这里取快速退回行程为 156mm，快退长度等于快速 引进与工作工进之和，因此快进长度 15653=103mm. 图 27 工作进给长度 17 2.3.3 机床联系尺寸图 图 28 机床联系尺寸图 1、联系尺寸图的作用和内容 一般来说，组合机床是由标准的通用部件动力箱、动力滑台、立柱、立 柱底座加上专用部件多轴箱、刀、辅具系统、夹具、液、电、冷却、润滑、 排屑系统组合而成。联系尺寸图用来表示机床各组成部件的相互装配和运动关 系， 以检验机床各部件的相对位置及尺寸联系是否满足要求，通用部件的选择是 否合适，并为进一步开展主轴箱、夹具等专用部件、零件的设计提供依据。联系 尺寸图也可以看成是简化的机床总图，它表示机床的配置型式及总体布局。 如图 28 所示，机床联系尺寸图的内容包括机床的布局形式，通用部件的 型号、规格、动力部件的运动尺寸和所用电动机的主要参数、工件与各部件间的 主要联系尺寸，专用部件的轮廓尺寸等。 2、选用动力部件 选用动力部件主要选择型号、规格合适的动力滑台、动力箱。 （1）滑台的选用 通常，根据滑台的驱动方式、所需进给力、进给速度、 最大行程长度和加工精度等因素来选用合适的滑台。 1）驱动形式的确定 根据对液压滑台和机械滑台的性能特点比较，并结合 具体的加工要求，使用条件选择 HY 系列液压滑台。 2）确定轴向进给力 滑台所需的进给力 进 F = i F =41097.71=3293.13N 式中： i F 各主轴加工时所产生的轴向力 由于滑台工作时，除了克服各主轴的轴的向力外，还要克服滑台移动时所产 18 生的摩擦力。因而选择滑台的最大进给力应大于 进 F 3.29KN。所以，选择液压 滑台型号确定为：1HY25IA 型。 3）确定滑台行程 滑台的行程除保证足够的工作行程外，还应留有前备量 和后备量。前备量的作用是动力部件有一定的向前移动的余地，以弥补机床的制 造误差以及刀具磨损后能向前调整。本系统前备量为 20mm，后备量的作用是使 动力部件有一定的向后移动的余地， 为方便装卸刀具， 这是取 40mm,所以滑台总 行程应大于工作行程，前备量，后备量之和。 即：行程 L156+20+40=236mm，取 L250mm。综合上述条件，确定液压 动力滑台型号 1HY25IA。 （2） 由下式估动力箱的选用 动力箱主要依据多轴所需的电动机功率来选 用，在多轴箱没有设计之前， 主 P 可算 多轴箱 P 切 P 30.1640.8 0.615KW 式中：多轴箱传动效率，加工黑色金属时0.80.9；有色金属时 0.70.8，此处取0.8 动力箱的电动机功率应大于计算功率，并结合主轴要求的转速大小选择。因 此，选用电动机型号为 Y100L6 的 1TD25IA 型动力箱。主要技术参数如下表： 主电机传动型号 转速范围（r/min） 主电机功率 （kw） 配套主轴部件型号 电机转速 输出转速 Y100L-6B5 940 520 1.5 1TA32、 1TA32M、 1TZ321TG32 2、配套支承部件的选用 立柱 1CL251 型，立柱底座 1CD251 3、确定装料高度 装料高度指工件安装基面至机床底面的垂直距离，在现阶段设计组合机床 时，装料高度可视具体情况在 H5801060mm 之间选取，本系统取装料高度 为 800mm。 4、确定多轴箱轮廓尺寸 本机床配置的多轴箱总厚度为 325mm，宽度和高度按标准尺寸中选取。计 算时，多轴箱的宽度 B 和高度 H 可确定为：B=69.28+2*100=269.28mm， H=69.28+124.5+100=293.78mm。 19 根据上述计算值，按主轴箱轮廓尺寸系列标准，最后确定主轴箱轮廓尺寸 B H=400X400mm。 2.3.4 生产率计算卡 生产率计算卡是反映所设计机床的工作循环过程、动作时间、切削用量、生 产率、负荷率等技术文件，通过生产率计算卡，可以分析拟定的方案是否满足用 户对生产率及负荷率的要求。计算如下： 切削时间： T切 切= L/vf+t停 = 53/57.410/520 =0.943 min 式中：T切机加工时间（min） L工进行程长度（mm） vf 刀具进给量（mm/min） t停死挡铁停留时间。 辅助时间 T辅 = fk v LL 快退快进 + +t移+t装 = (103+156)/10000+0.1+1.5 = 1.626min 式 中 vfk 快 速 移 动 速 度 （ mm/min ） 取 10* 3 10 mm/min t移 工作台移动时间（min）,一般为 0.050.13min,取 0.1 min t装 装卸工件时间（min）一般为 0.51.5min,取 1.5min 机床生产率 Q1 = 60/T单 单 = 60/（T切+T辅） =60/（0.943+1.626） =23.36 件/h 机床负荷率按下式计算 = Q1/Q100% = A/ k t /Q100% =20000/2350/23.36100% =36.43% 式中：Q机床的理想生产率（件/h） A年生产纲领（件） tk年工作时间，单班制工作时间 tk =1950h 20 表 25 生产率计算卡 2.4 多轴箱的设计多轴箱的设计 2.4.1 绘制多轴箱设计原始依据图 多轴箱设计原始依据图是根据“三图一卡”绘制的如图 29 所示: 如图 29 钻孔组合机床多轴箱原始依据图 21 主轴的工序内容，切削用量及主轴尺寸及动力部件的型号和性能参数如表 26 所示： 表 26 主轴外尺寸及切削用量 轴号 主轴外伸尺寸 工序 内容 切削用量 D/d L N （r/min） V (m/min) f (mm/r) Vf (mm/min) 1、2、 3 30/20 115 钻10 478 15 0.12 62.4 注：1被加工零件编号及名称：箱盖；材料：HT200 ；硬度: HB200- 241 2动力部件型号：1TD25IA 动力箱，电动机型号 Y100L- 6；功率 P1.5kw。 2.4.2 齿轮模数选择 本组合机床主要用于钻孔，因此采用滚珠轴承主轴。 齿轮模数 m 可按下式估算： m= FP FS bZ KTY 2 =1.32 式中：K载荷系数，取 1.5939 FS Y负荷齿形系数，取 4.37 Z对啮合齿中的小齿轮数，取 20 FP 许用弯曲应力，为 476MPa T扭矩，为 3.35363n*m B齿轮宽度，为 24mm 所以，多轴箱输入齿轮模数取 m1=3，其余齿轮模数取 m2=2。 多轴箱所需的轴向切削力 多轴箱 F= = n i i F 1 =3*1097.71=3293.13N 多轴箱 P=3*0.164+3*0.046+3*0.01*0.164=0.635kw 2.4.3 多轴箱的传动设计 （1）根据原始依据图（图 29） ，画出驱动轴、主轴坐标位置。如下表： 22 表 27 驱动轴、主轴坐标值 坐标 销 O1 驱动轴 主轴 1 主轴 2 主轴 3 传动轴 X 0 175 215 155 155 175 Y 0 94.5 170 204.64 135.35 170 （2）确定传动轴位置及齿轮齿数 图 210 齿轮的最小壁厚 1）齿数的确定 A= 2 )( 431 ZZM+ =40,M=2.则 21 ZZ + =40 取 1 Z =19, 2 Z =21.其中主轴齿数为 21，传动轴齿数为 19. A= 2 )( 431 ZZM+ =78， 1 M=3,则 43 ZZ + =52 取 3 Z = 4 Z =26. 根据 u= 从 主 Z Z = 从 主 n n ， 求得: 主轴 n=478r/min, 传动轴 n=520r/min, 油泵轴 n=590r/min, 驱动轴 n=520r/min 2.4.4 绘制传动系统图 传动系统图是表示传动关系是示意图， 即用以确定的传动轴将驱动轴和各主 轴连接起来，绘制在多轴箱轮廓内的传动示意图，如图 211 所示 23 图 211 钻孔多轴箱系统图 在图中标出齿轮的齿数、模数、变位系数，以校核驱动轴是否正确。另外， 应检查同排的非啮合齿轮是否齿顶干涉；还画出主轴直径和轴套直径，以避免齿 轮和相邻的主轴轴套相碰。 2.4.5 传动零件的校核 （1）验算传动轴的直径 校核传动轴以承受的总扭矩最大传动轴 11，由它驱动的有主轴 1、4 和液压 泵轴 7。 主轴扭矩：T1=T2=T3=3353.63Nmm 液压泵轴的扭矩：查得 R12- 1A 液压泵的最高压力为 0.3MPa、排量为 5.88ml/r。假设在理想无泄漏状态， 即：Pq=T 式中：P液压泵的压力 N/ q液压泵的排量 m3/s T输入扭矩 Nm 输入角速度 rad/s 单位换算：P=0.3MPa=0.3106Pa n =478r/min=7.9667r/s q=5.88n=46.844ml/r=46.84410- 6m3/s =2n/60=23.14478/60=50.03rad/s 代入公式：Pq=T 24 46.84410- 60.3106=50.03 液 T 解得： 液 T =281Nmm T5=T1+T2+T3+ 液 T =33353.63+281 =10341.89Nmm 根据 d=B 4 T =5.2 43 10*89.10341*10 - =16.58mm30mm 因此传动轴是符合要求的。 （2）齿轮模数的验算 对多轴箱中承受载荷最大、 最薄弱的轴上的齿轮进行接触疲劳强度和弯曲疲 劳强度的验算。 注：在校核计算的过程中所要见的表和图在机械设计一书中，邱宣怀等编著，2003 年高等教育出版社。 校核计算： 接触疲劳极限Hlim 据图 Hlim =400MPa =1.883.2( 5 1 Z + 1 1 Z )cos (=0) Z= 3 4 e a - = 3 67 . 1 4- =1.5 载荷系数 K K=KAKVKHKH =1.1*1*1.05*1.2*1.15 =1.5939 弹性系数 ZE 由表 ZE=145 节点区域系数 ZH 由图 ZH=2.0 许用接触应力H H= 0.9Hlim =360MPa 验算 H=ZEZHZ u u bd kT12 2 5 5 + =355.576MPa=3 2 1d aa * *2 F SF Z YYYTK =1.3712 验算 传动无严重过载，故不做静强度校核,齿根弯曲疲劳强度适合。 3 夹具设计夹具设计 机床夹具设计在组合机床设计中占有重要的地位。 它的好坏将直接影响工件 加工表面的位置精度。 本夹具主要是用来钻沿305圆周方向性四等分平均分四个M8螺纹底孔孔， 整个需要加工的孔的位置尺寸用机床和夹具就能直接保证。因此，在本道工序加 工时，主要应考虑如何保证垂直度要求的前题下，提高劳动生产率，降低劳动强 度。为了很好利用工厂实际设备和提高生产率，设计专用夹具进行加工。 3.1 机床夹具的概述机床夹具的概述 3.1.1 机床夹具的组成 (1)定位元件和定位装置 用于确定工件正确位置的元件或装置，如 V 形块，定 位销，凡是夹具都有定位元件，它是实现夹具基本功能的元件。 (2)夹紧元件和夹紧装置 用于固定工件以获得的正确位置的元件或装置。工件 在夹具定位之后引进加工之前必须将工件夹紧，使其在加工时在切削力的作 用下不离开已获得的定位，有时同一个元件既能定位，也具有夹紧的双重功 效。 (3)导向元件 确定刀具的位置并引导刀具的元件，它也可以供钻镗类夹具在机 床上安装时做基准找正用。 26 (4)夹具体 夹具体也称为夹具本体，用于将各种元件，装置连于一体，并通过 它将整个夹具安装在机床上，一般采用铸铁制造，它是保证夹具的刚度和改 善夹具动力学特性的重要部分。如果夹具体的刚性不好，加工时将要引起较 大的变形和震动，产生较大的加工误差。 3.1.2 机床夹具的类型 机床夹具的种类很多，形状千差万别，为了设计和制造方便，一般按某一属性 进行分类，如按所使用的机床分：车床夹具，铣床夹具，镗床夹具，磨床夹具和 钻床夹具。 3.2 工件结构特点分析工件结构特点分析 在对涡轮减速箱结构分析及所要求加工的 3 个 M10 孔所处的特殊位置， 要达 到了要求的精度并不困难，可以采用支承板以底面为主定位面，保证两端面与底 面之间的垂直度要求。 3.3 工件定位方案和定位元件的设计工件定位方案和定位元件的设计 工件在夹具中的定位就是要确定工件与夹具定位元件的相对位置， 并通过到 向元件或对刀装置来保证工件与刀具之间的相对位置，从而满足加工精度的要 求， 工件在夹具中的定位一定要通过定位元件，并以六点定位原理分析所限制工 件的自由度。本夹具采用了大平面、挡销、心轴定位，其中大平面限制了三个自 由度分别是 X、Y、Z 方向的移动；挡销限制了一个旋转自由度；心轴限制了两 个自由度。 3.4 夹紧方案和夹紧元件的设计夹紧方案和夹紧元件的设计 工件在切削过程中会受到切削力、 惯性力等作用， 因此必须夹紧以保证定位， 典型的夹紧装置是由夹紧元件、中间传力机构和动力源装置所组成。夹紧元件是 执行夹紧的最终元件，是直接与零件接触来完成夹紧的。中间传力机构是传传递 动力源装置的力到夹紧元件来完成夹紧，它可以改变夹紧力的大小、方向和使夹 紧具有自锁性能。动力装置是产生夹紧力的动力源，所产生的力称为原始力。 夹紧装置在夹紧过程中有一定的要求： (1)夹紧装置应保证工件定位，而不能破坏工件的定位。 (2)夹紧力的大小应能保证工件在加工时的位置不变，同时又不能使工件产 生变形。 (3)夹紧力的方向应和切削力方