GS250汽缸头组合钻床的设计

1 前言1.1 组合机床发展史组合机床是随着汽车工业的兴起而发展起来的。在专用机床中某些部件因重复使用，逐步发展成为通用部件，因而产生了组合机床。最早的组合机床是 1911 年在美国制成的，用于加工汽车零件，30 年代后组合机床在世界各国得到迅速发展。初期，各机床制造厂都有各自的通用部件标准。为了提高不同制造厂的通用部件的互换性，便于用户使用和维修，1953 年美国福特汽车公司和通用汽车公司与美国机床制造厂协商，确定了组合机床通用部件标准化的原则，即严格规定各部件间的联系尺寸，但对部件结构未作规定。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。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、工序高度集中化、高效短节拍和多功能全面监控。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，组合机床行业企业但组合机床一项，不完全统计产量已达 1000 多余台，产值达 3.9 个多亿，较 2004 年同比增长了 10%，另外组合机床行业的增加值、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，前景光明。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，因而被广泛应用于工程机械、交通、能源、军工、轻工等行业。我国的传统的组合机床主要采用机、气、电、液压控制，它的加工对象是生产批量比较大的大中型的箱体类类零件，可完成钻孔、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；随着技术不断的进步，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。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、装配等技术。我国组合机床及其组合机床自动线的总体技术水平比发达国家的相对落后，国内所需的一些高水平组合机床及自动线几乎都需要从国外进口。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，要从过去的“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 选题背景及意义机械工业是一个国家的支柱产业，服务于其它各种行业，是一个国家现代化发展水平的主要标志之一，因此应该加快机械行业的发展，发现生产中的问题，改良淘汰落后产品，运用先进的技术努力提高加工效率、加工精度。另外还要根据实际情况，从我国的国情出发，不能只盲目的追求高精度与产品的先进性，而忽略了其经济性，要在满足精度的前提下，尽可能的降低生产成本，节约资源。钻床在机加工中被广泛应用，在生产过程中的很多零件，例如端盖、汽缸头或箱体类零件，其上需要钻许多孔。如果用普通单轴钻床进行加工，其效率很低，因为其只能在主轴上装一个钻头，进行单孔钻削加工，如果在大批量生产中不仅生产率低，而且劳动强度大，精度也无法保证。目前多轴组合钻床在生产中已得到广泛的应用，其不但能同时加工工件上的多个孔，可以大幅度的提高生产率，减轻工人的劳动强度，而且还能保证孔距、孔径的精度要求。汽缸头是汽车发动机的一个重要的零件，其上分布有许多的孔，图 1.1 是GS250 汽缸头的局部视图，此汽缸头的加工要求要钻 412 的通孔。原来该工序是在普通钻床上完成的，通过钻模板来保证孔径、孔距的精度，但是在大批量的生产中则生产率低，劳动强度大，需多次装夹孔与孔之见的位置精度难以保证。所以在这种情况下最适合用多轴组合钻床进行一次装夹，对工件表面的 4 个孔同时加工。图 1.1 GS250 汽缸头孔距因此根据以上分析，将设计课题定为 GS250 汽缸头组合钻床的设计。机床的性能主要是由设计质量决定的，任何一台机床的设计都分为方案设计和结构设计。所以本次设计首先要确定设计方案，画出设计方案示意图，其次就是对主轴箱进行总体结构设计，包括电机的选择、轴和齿轮的设计、箱体的设计、轴承的选择及其它附件的设计等。然后根据以上设计内容绘制装配图，通过装配图表达出主轴箱的设计思路、工作原理及各零件间的相互位置、尺寸、结构形式等。1.3 机床整体布局组合机床有很多配置形式，根据工件不同的加工要求，采用各种结构的通用部件和少量专用部件，可以灵活的组合成各种不同配置形式的组合机床。并且按照工位数的不同，组合机床可以分为单工位组合机床、多工位组合机床两类。为了提高加工效率及保证孔径、孔距的精度，本次设计中采用单面单工位组合钻床加工，保证了孔的同轴度。机床的整体布局为：床身为卧式，夹具及工件放置在床身右侧，工件夹紧由夹紧汽缸自动完成，多轴动力头沿导轨水平移动。1.4 机床主要结构(1)床身部分床身部分由床底座和滑台组成。伺服电机转动经同步带传动、齿轮传动至滚珠丝杠，使滑板直线做进给运动。将滚珠丝杠置于导轨面中间，以减少偏移力矩，改善丝杠受力状况，同时床身内裆还是油池，使滚珠丝杠及部分导轨面沉浸在润滑油中，减少床身及滚珠丝杠的磨损，提高了使用寿命。底座为整体铸造结构，铸造后时效处理，消除内应力，要求不得有气孔砂眼等缺陷，防止漏油，导轨滑动面为平面，淬火后精密磨削。（2）主轴箱部分主轴箱安装在滑板上面由定位销定位，电机经联轴器带动输入轴，再由齿轮传动带动四个钻削轴运动，箱体本身也是油箱，齿轮、轴承等均为甩油润滑。（3）夹具部分夹具部分由钻模板、导向柱、钻套等组成。汽缸杆伸出时可装入或取出工件，汽缸杆抽回可夹紧工件进行加工。2.总体结构设计2.1 方案选择多轴组合钻床主轴箱的工作原理是：电动机轴带动高速轴转动，通过齿轮传动达到降速的要求，并将运动传递到主轴，使主轴带动刀具转动完成加工过程。通过对以往经验的研究，钻床的布局主要有卧式钻床和立式钻床两类。立式钻床有节省机床安装空间的优点，但是由于电机装在立柱上面对立柱的刚度要求行高。并且由工件的大小、重量决定采用卧式钻床。采用组合机床可以大量的采用通用件，用以减少制作机床的时间，以及以后机床的可利用率。防止专用机床加工零件的单一性。合理的传动方案首先要满足机器的功能要求，比如传递功率的大小，转速和运动形式等。此外还要适应工作条件（工作环境、工作制度等） ，满足工作可靠、结构简单、尺寸紧凑、传动效率高、使用维护便利、工艺性和经济性合理等要求。当然，要同时满足这些要求是非常困难的，因此要通过分析比较多种方案，选择能保证重点要求的较好传动方案进行设计。由于以上要求所以决定采用：卧式单面多工位组合钻床加工。有电动机带动输入轴转动，将功率输入到主轴箱，由输入轴上的 4 对齿轮啮合，分别将功率传递给 4 个主轴（主轴编号 1.2.3.4） 。2.2 主传动系统设计2.2.1 多轴箱传动系统设计(1) 多轴箱传动系统的设计根据查阅各种资料，以及参阅多孔钻相关案例，拟采用多轴钻动力头的形式，将输出轴按所要加工孔的位置尺寸分布，动力从主轴输出直接通过齿轮传递给各个输出轴分布形式如图 2.1 所示：图 2.1 多孔钻动力轴传动系统示意图电机动力由联轴器出入主轴箱 0 号轴通过齿轮 Z01Z11 Z02Z22 Z03Z33 Z04Z44传递到输出轴.2.2.2 选择切削用量的注意事项选择切削用量是否合理对组合机床的加工精度，生产线，刀具耐用度，机床的形式及工作稳定性都有很大的影响。在大多数情况下，组合机床为多轴，多刀，多面同时加工。因此，所选用的切削用量，根据经验应比一般万能机床的单刀加工量低 30%左右。组合机床多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每分钟进给量相同，且等于动力滑台的每分钟进给量。这个每分钟进给量应是适合于所有刀具的平均值。因此，同一多轴箱上的刀具主轴可设计成不同转速和选择不同的每转进给量与其相适应，以满足不同直径的加工需要。参阅机械设计制造技术装备及设计可知选择切削用量的注意事项如下：（1）要尽量做到合理利用所有刀具，充分发挥其性能。由于本设计所加工孔工艺要求相同，所以选择同一数据即可。（2）复合刀具切削用量的选择，应考虑刀具的使用寿命。进给量通常按复合刀具最小直径选择，切削速度按复合刀具的最大直径选择。（3）选择切削用量时，应注意零件生产批量的影响。（4）切削用量选择应有利于多轴箱设计。（5）选择切削用量时，还应考虑所选动力滑台的性能尤其是当采用液压动力滑台时，所选择的每分钟进给量一般应比动力滑台可实现的最小进给量大 50%左右。否则，会由于温度和其他原因导致进给量不稳定，影响加工精度，甚至造成机床不能正常工作。2.2.3 组合机床切削用量选择及计算1.切削力 F，切削转矩 M，切削功率 P，刀具耐用度 T 的计算公式由组合机床设计手册6-20 可知计算公式如下：（2-1）0.6318fFD（2-2）20.6359fM（2-3）v47TPD（2-4）0.258.1396()vfHB式中：F切削轴向力（ N）; D钻头直径（mm）;f进给量（ mm/r）; M切削转矩（N*mm ）;P切削功率（ KW）; v切削速度（m/min）;T刀具耐用度（ min）;HB零件的布氏硬度值，通常给出一个范围。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 的高速钢钻头钻 79mm 深的孔，根据刀具直径和工件，刀具材料，由组合机床设计手册表 6-11 查得： v=30（m/min）： f=0.3（mm/r ）;由公式 2-1 得 0.630.6318f=182=7.4FD（ N）由公式 2-2 得 20.6320.6359f599.M（ ）由公式 2-3 得 v4.=0.329470971TPD（ KW）有公式 2-5 得 .250.25880.13.1366()()74.6minvfHBHB（ ）切削总功率 4.2.9PKW（ ）电机功率 （=0.9） （2-5）1.3kw电 （ ）初定主轴转速 00796min2.4vrn2.滑台每分钟进给量的计算由组合机床设计手册 得：（2-6 ）fvn式中：n主轴转速（rmin）f主轴进给量（mmr）滑台每分钟进给量（mmmin）fv由 n=796r/nim; f=0.3（mm/r）;3.主轴直径确定由组合机床设计手册空心轴轴能承受的扭矩计算： （2-7）1430()dMdB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=7.31430()=8.1mdd（ ）由空心轴轴孔不大于轴 70%取轴 d=25mm现在轴的内外径都已确定，为了使所选轴直径与轴承孔径相适应，同时选轴承的型号。初选：滚动轴承 6005 （GB/T 276-1994） 。2.2.4 齿轮齿数的确定齿轮传动是机械传动中最常用的一种传动形式，应用非常广泛。其优点主要有：传动效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定；但也有制造和安装精度高、不易远距离传动等缺点。齿轮传动的失效主要发生在轮齿，而轮缘、轮毂、轮辐等很少失效，这些部分通常按经验进行设计。两齿轮正确啮合的条件是两轮的模数和压力角应分别相等。确定齿轮齿数的原则和要求：（1）所设计齿轮的齿数和 SZ不应过大齿轮的齿数和 SZ过大会加大两轴之间的中心距，使机床的结构庞大。一般推荐齿数和 SZ 100。（2）最小齿轮的齿数要尽可能小，为了便于设计和制造，齿轮的模数取 m=2由于输入轴与主轴直接由齿轮啮合，所以中心距可从图中直接量取：a01=65.1156 a02=55.6390 a03=52.6077 ao4=56.8504有机械原理得：a=m（z0+z2）/2 （2-8）初选主轴上齿轮的齿数023z，模数 m=2，所以齿顶圆直径：（2-*023215madZhm（ ）9）分度圆直径： （2-10）齿根圆直径： （2-*022310.2541fdzhcmm（ ）11）因为传动轴与主轴之间的传动比为 ，所以主轴上与输入轴上齿轮相啮合的齿轮的齿1.8i数为 ，两齿轮正确啮合的条件为模数相同，所以该齿轮模数也为101i23.84Zm=2，所以 齿顶圆直径： *a124218dzhmm（ ）分度圆直径： 齿根圆直径： *124210.2579fdzhcmm（ ）当齿根圆到毂的距离小于2.5m 时，需要做成齿轮轴，因此有必要计算看看是否需要做成齿轮轴。由于轴径为25mm，所以查课程设计表可得键毂深为3.3mm，所以齿根圆到毂的距离为 012346dz（ ）1248dz（ ）231.57.2.5rm因此不需要做成齿轮轴。两齿轮的中心距为： 184652dam分 分 0（ ）经计算得如下表数据，由于实际中心距非整数所以采取变位齿轮 实际中心距 轴号 Z0 Z2 理论中心距 变位65.1156 1 23 42 65 0.115655.6390 2 20 36 56 -0.361052.6077 3 19 34 53 -0.392356.8504 4 20 37 57 -0.1496图中为变位齿轮的变位数2.2.5 电动机的选择电机选择的主要内容包括：电机的型号、额定功率、满载转速、堵转转矩、最大转矩。（1）电机的结构型式主轴箱通过独立电机来提供动力，无其它特殊要求，因此选用普通的交流电动机就可以满足要求。在 Y100L1-4 系列中电动机为一般用途全封闭自扇冷式笼型三相异步电动机，有防止灰尘、铁屑或其它杂物侵入电机内部的优点，额定电压 380V，频率 50Hz，相对湿度不超过 95，工作环境温度不超过 ，适用于无特殊要求Co40的机械上。主轴箱的工作条件符合以上情况，所以选用 Y100L1-4 系列电动机。（2）确定电动机的类型已知：钻头直径 ，钻削主轴转速 ，进给量 ，12Dm796/minrf0.3/mr钻削深度 ，端盖材料铸铝，硬度相当 85110HB。79L由公式 2-5 得电机所需功率为 1.43(KW)由以上计算得本次设计选取电机功率为 。kW5.1所以由电机功率 ，最终选同步转速为 1430 r/min，电机型号为 Y90L4B5,kW5.1电机的参数如表 2.1 所示：表 2.1 电机的参数2.2.6 轴承的选择滚动轴承是机械中广泛使用的支承件，工作时依靠主要元件间的滚动接触支承转动零件。滚动轴承的典型结构是由内圈、外圈、滚动题和保持架组成。内圈与轴装配在一起，外圈与轴承座装配在一起，通常是内圈随轴一起回转，外圈固定不动；但也有外圈回转，内圈不转或内、外圈分别按不同转速回转等工作情况。滑动轴承与滚动轴承相比，滚动轴承具有启动灵活、摩擦阻力小、效率高、润滑简便和易于互换、价格便宜等优点，故广泛使用；滚动轴承的缺点是承受冲击的最大转矩电机型号额定功率/kW满载转速/( )min/r额定转矩质量/kg基本安装类型同步转速/( )min/rY90L4 1.5 1400 2.3 27 B5 1500能力较差、高速重载时寿命较低、振动及噪声较大。为了确保被加工零件的精度要求，所以选择圆锥滚子轴承，它可以同时承受径向载荷及轴向载荷，外圈可分离，安装时可调整轴承的游隙。用径向滚珠轴承代替滚针轴承。为了使轴间距减小，传统上径向轴承都采取滚针轴承，由于在实际使用中， 滚针轴承工作性能不理想，这一直为设计部门感到为难。我们研究认为，目前国内外轴承工业通过近年来的努力发展，已经开发研制出高性能的超精系列结构轴承， 可以满足机床的需要。而在钻孔加工中，机床主轴主要承受轴向切削力，其径向力不大。我们通过对国内外轴承结构、性能、价格比较，选择了国产7005C（GB/T 292 1994）角接触球轴承，其外径 D47mm、宽度 B12mm，结构紧凑，工作性能好。而对于不承受径向载荷的输入轴则选用深沟球轴承 6004 （GB/T 292 1994） ，其外径 D=42mm、宽度 B=12mm。3.校核3.1 齿轮校核齿轮传动具有效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定等优点。本次设计中采用了多对齿轮传动，下面分别对齿轮进行结构设计与计算。由于齿轮在箱体内，因此主轴箱属于闭式齿轮传动，它能保证良好的润滑和较好的啮合精度。该齿轮属于软齿面齿轮，因此其主要失效形式是齿面点蚀，因此应按齿面接触疲劳强度进行设计，并校核计算齿根弯曲疲劳强度。a齿轮的设计与校核1.选择齿轮材料、热处理、精度等级及齿数（1）传动装置为一般的工作机器，低速级齿轮选择常用材料及热处理，7 级精度直齿轮传动。（2）小齿轮：小齿轮选用 40Cr，齿面硬度为 250HBS；大齿轮：45 钢（调质） ，齿面硬度为 220HBS。硬度相差为 30HBS。（3）选择小齿轮齿数为 z0=23,大齿轮齿数 z1=iz0=1.823=42b.按齿面接触疲劳强度设计1）确定计算参数（1）试选载荷系数 Kt=1.3（2）计算小齿轮传递的转矩 T155119.09.0.32=80n76P（ NM）（3）由机械设计表 10-7，选取齿宽系数 d=1（4）由机械设计表 10-6，查取弹性系数 Z E=189.8 Pa213012. EdHTZud（5）由图 10-21d 按齿面强度查取接触疲劳极限:小齿轮 Hlim1=600MPa, Hlim2=550MPa；（6）计算应力循环次数 NN1=60jn1Lh=601796 (1530016) =3.478 910N2=N1/u=3.478 /1.8=1.93210990由图 10-19 取接触疲劳寿命系数：小齿轮 K HN1=0.90,大齿轮 K HN2=0.95（8）计算接触疲劳强度安全系数H取接触疲劳强度安全系数 0.1HS2)计算设计参数(1) 试计算小齿轮分度圆直径 d0t，代入 中较小值H52.HMPa2 21330 1.894.1.82. 5.63tEtdHKTZud m(2) 计算圆周速度 v(3)计算齿宽 b d0t=125.6=m（ ）1lim1.96540NhHMPa2lim2.952.10NHHKaS0t125.6791.0/6dnv s (4)计算齿宽与齿高之比 bh模数 0tt1d25.6m=mz3（ ）齿高 th2.5.2.50（ ）（5）计算载荷系数根据 v=1.067m/s，7 及精度，由图 10-8 查的动载系数 kv=1.12：直齿轮， :1HFK由表 10-2 查的使用系数 A由表 10-4 用插值法查得 7 及精度、小齿轮相对支撑非对称布置时，.1423H由 ， .查图 10-13 得 故b56=0.4h.123HKf1.35K.42.9AV(6) 按实际的载荷系数校正所算得分度圆直径，由式（10-10a）得 3310t 1.594d=2.627.8TK(7)计算模数 m 1027.38=.19dmz所以取 m=2 符合要求3.2 轴的校核 根据经验所得对于轴的校核可只对轴所承受的转矩进行校核。有组合机床设计手册表 3-4 得： 4d=10BTW式中：d轴的直径（mm） ；T轴所传递的转矩（NM） ；轴的抗扭截面模数（m3）.实心轴的 =0.2d3；W 许用剪切力，45 钢的 =31MPa；B系数。当材料的剪切弹性模数 G=81.0Gpa，B 值如下：m（ *） /1/4 1/2 1B 7.3 6.2 5.2注：允许扭转角 的适用对象,推荐如下：刚性主轴去 =1/4,；非刚性主轴取 =1/2；传动轴，去 =1.所以 4d=1025aBT（ MP） 31()3.3 键的校核现以主轴大齿轮键连接为力校核所选键是否符合强度要求,其它键的校核方法与此类似。由公式（3.6）122iT式中：主轴传递的转矩 2T输入传递的转矩 1传动比i传动效率 12得中间轴的转矩 =3964.91.80.9=6423.13（ ）2TmN由键的校核公式（3.7）kldTp3102式中： 键与轮毂键槽的接触高度， k h5.0键的工作长度，圆头平键 l bLl 轴的直径d最终带入数值得 3264.106.40572p Mpa因键、轴和轮毂的材料都是钢，查表的许用挤压应力 =100120 Mpa,取其平p均值 110 Mpa，由 得键的连接强度符合要求。p其余键以同样步骤测得均符合标准4 结 论该毕业设计GS250 汽缸头组合机床设计实现了一次装甲同步钻削 4 个孔的加工。其主要由电动机、机械传动部分、夹紧装置以及底座等几部分组成。该机器结构比较简单，价格低廉，制造周期短生产效率高适合大批量加工零件的需求。在整个设计中，对机械传动传动部分采用了齿轮啮合，由动力输入轴直接带动主轴转动。在设计中，查阅了大量的专业书籍，如组合机床设计师手册 机械原理 机械设计对轴、齿轮和键的计算和校核用了大量的篇幅，以确保机床的可行性。在夹紧装置方面，则采用了比较简单的气动夹紧的形式，利用气缸推力作用使工件夹紧，效率高运行可高。5 致 谢在这将近一个学期的毕业设计中，通过指导老师王桂从及老师王文明和同学们的帮助使我在设计过程中受益匪浅。在这里非常感谢王桂从及王文明老师和同组的同学们的帮助。是老师与同学们在我遇到困难的时候伸出手来帮助我才能使我能够顺利的完成毕业设计。在设计过程中，我充分理解作为一名老师那甘于奉献的伟大、严谨的治学作风。感谢在我大学这四年时间里的每一位老师。使他们让我学有所成，掌握了许多的技能。能够独立解决专业中的问题。再次感谢帮助过我的老师和同学们。由于自己能力有限，在设计过程中可能让然有不足之处，恳请各位老师予以批评指正。参 考 文 献1 孟俊焕,冯瑞宁,王会. 多孔单工位组合钻床主轴箱传动系统设计 J. 机械制造与研究, 2005 （03）：14-152 韦宗源 , 李宝灵,徐