齿轮泵盖端面多孔同钻夹具及其主轴箱体设计

第 1 页 共 27 页毕 业 论 文 说 明 书加工齿轮油泵左端盖孔的专用夹具及主轴箱设计专 业 学生姓名 班 级 学 号 指导教师 完成日期 第 2 页 共 27 页目 录1 绪论41.1 组合机床的发展与现状41.2 组合机床的发展趋势41.3 组合机床工作方式及其机构51.4 组合机床的应用61.5 课题要求与研究方法62.组合机床总体方案分析62.1 齿轮泵端盖零件工艺分析72.2 方案对比72.3 总体设计思路82.4 工艺方案确定82.5 定位基准和夹紧部位的的选择83.多轴箱的设计与计算93.1 多轴箱的设计计算93.2 切削转距的计算：第 3 页 共 27 页93.2.1 钻 26 通的所需转矩的计算103.3 主轴直径的计算和主轴外伸尺寸的确定103.3.1 钻 2 67H 通的孔所需主轴直径的计算103.3.2 钻 687H 通的孔所需主轴直径的计算113.4 机床动力参数的计算123.5 主轴转速的计算133.6 生产率计算133.7 多轴箱传动系统设计133.7.1 孔的分布特点133.7.2 用作图法初定各轴的位置143.7.3 绘制多轴箱的传动树形图143.8 多轴箱中齿轮模数、齿数的计算153.8.1 多轴箱中齿轮模数的确定 163.8.2 确定传动轴 1 的位置及齿轮的齿数173.8.3 确定传动轴 2 的位置及齿轮齿数183.8.4 确定传动轴 5 的位置及齿轮齿数193.8.5 确定传动轴 8 的位置及齿轮齿数193.8.6 确定传动轴 7 的位置及齿轮齿数203.9 轴的校核203.9.1 轴的受力简图213.9.2 计算支承反第 4 页 共 27 页力213.9.3 判断危险剖面223.9.4 轴的弯矩合成强度校核223.10 齿轮的强度校核224 结构设计部分234.1 设计机床总图234.2 主轴箱的精度检查235、结论246、致谢25参考文献26第 5 页 共 27 页1.绪论1.1 组合机床的定义与应用组合机床是以通用部件为基础，配以按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和系列化，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、大量生产中得到广泛应用，并可用以组成自动生产线。组合机床一般用于加工箱体类或非凡外形的零件。加工时，工件一般不旋转，由刀具的旋转运动和刀具与工件的相对进给运动，来实现钻孔、扩孔、锪孔、铰孔、镗孔、铣削平面、切削内外螺纹以及加工外圆和端面等。有的组合机床采用车削头夹持工件使之旋转，由刀具作进给运动，也可实现某些回转体类零件( 如飞轮、汽车后桥半轴等)的外圆和端面加工。专用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。为了使组合机床能在中小批量生产中得到应用，往往需要应用成组技术，把结构和工艺相似的零件集中在一台组合机床上加工，以提高机床的利用率。这类机床常见的有两种，可换主轴箱式组合机床和转塔式组合机床1.2 组合机床的发展与研究现状组合机床初期，各机床制造厂都有各自的通用部件标准。为了提高通用部件的互换性节约成本，确定了组合机床通用部件标准化的原则，规定各部件间的联系尺寸。我国组合机床发展已有 28 年的历史，基础初具规模，行业应用面较广。是当前机械制造业实现产品更新，进行技术改造，提高生产效率和高速发展必不可少的设备之一。从 2002 年年底第 21 届日本国际机床博览会展出的加工中心，主轴转速1000020000r/min，最高进给速度可达 2060m/min ；复合、多功能、多轴化控制装备的前景亦被看好。在零部件一体化程度不断提高、数量减少的同时，第 6 页 共 27 页加工的形状却日益复杂。1.3 组合机床的发展方向我国制造业发展速度迅猛，速度很快，但是技术含量较低。其品质，稳定性，扩展性性上与国外产品差距明显，主要表现为可靠性差、产品稳定性、零件加工手段差。未来的发展方向主要是调速电动机和滚珠丝杠等的应用，以简化结构、缩短生产节拍；采用数字控制系统和主轴箱、夹具自动更换系统，以提高工艺可调性；以及纳入柔性制造系统等。1.4 组合机床的工作方式及其结构组合机床用于加工箱体类或特殊形状类别的零件。加工和工作特点是是多轴、多刀、多工序、多面或多工位机床的结构分为动力部件、支承部件、输送部件、控制部件和辅助部件五类。动力部件是为组合机床提供主运动和进给运动的部件。主要有动力箱、切削头和动力滑台。 1.5 设计要求与设计方法本次毕业设计的课题要求是对齿轮泵端盖面的四个孔进行同时钻削，孔的位置是在 R60 处，孔的尺寸分别是 2-6、2-8。为了减少工人的劳动强度、降低生产成本和提高加工效率用组合机床对四个对角分布的孔进行加工。设计本组合机床时尽能的采用通用件，以降低成本。第 7 页 共 27 页因此本组合机床应用通用多轴箱、通用主轴、传动件、齿轮和箱体以及其他紧固附件。根据功率、进给力、进给速度等来选取通用件。本次设计的主要的研究思路与设计方法是：分析我们所要设计的泵盖零件，并根据零件所要加工的工序特点制定对应的工艺方案，根据指定的工艺方案确定工序图；根据工艺方案绘制加工示意图；确定加工示意图上各个孔的位置尺寸，对主轴箱的齿轮分布进行设计计算，选择正确的零部件，绘制生产卡及其机床尺寸联系卡。最后通过三维软件 Solidworks 进行绘制工作模拟出正确的加工零部件之间的尺寸，进行总体的装配，最后利用软件 CAD 进行导出并修改为最终的工程图并打印。2.组合机床总体方案分析2.1 齿轮泵端盖零件工艺分析该组合机床的加工对象齿轮泵泵盖零件，材料是 HT200，硬度为HB190240.对零件尺寸结构进行分析可以知道本次工件采用的金属型铸造下料成型，零件主要尺寸是尺寸 44 左侧端面是接触面需要进行精加工粗糙杜要求为 3.2，而内孔尺寸直径 44 粗糙度为 1.6 需要以端面定位进行精加工。本端盖主要加工的孔是端面的 6 个直径为 8 的沉头孔，孔深 14 深 8 粗糙度为 6.3，侧面有 2 个直径为 6 的销钉孔与泵体同钻，粗糙度为 0.8，位置尺寸为 R60 处两个定位0.8与 泵 体 同 钻 绞2?6AA750.166?81453R?4H232第 8 页 共 27 页R60 的位置尺寸是 450.016。本次的加工要求是对角的 2 个直径 6 的销钉孔以及 2 个尺寸为 8 的沉头孔图 2.1 零件图2.2 方案对比根据卧式组合机床和立式组合机床的特点比较可知：为了保证我们孔的加工精度和结合零件本身的特点我们选择的是立式组合机床。2.3 总体设计的思路拟定工艺方案；根据任务书要求绘制加工工序图；根据确定的切削用量、工作循环和工作行程等绘制加工示意图；根据加工工序图、加工示意图和确定的专用部件及通用部件绘制机床联系尺寸总图。根据“三图一卡” 设机组合机床。2.4 工艺方案确定1.工艺方案影响因素：a) 被加工零件的加工精度和加工工序虽然齿轮泵泵盖的本道工序加工粗糙度要求不怎么高，但有一定的形状精第 9 页 共 27 页度和位置精度的要求，安排工艺应在一个工位上对这四个孔进行同时加工。为了保证机床在加工过程中的稳定性，滑台应选用液压矩型导轨型式。b) 被加工零件的特点被加工的齿轮泵泵盖材料为 HT200，孔分布特点是对称位置，孔的直径较小，考虑到重心、振动、壳体的形状及重量与安装方便等原因，宜用单工位、立式机床加工较为合适。c) 零件的生产批量为了适应泵盖的的大批量生产并保证连续生产机床，此时应尽量将工序集中到一台或少数几台机床进行加工，以提高机床的利用率。2.工艺方案的拟订是组合机床设计的关键一步，决定了组合机床的结构配置和使用性能。按一定的原则、结合组合机床常用工艺方法、充分考虑各种影响因素，并经技术经济分析后拟订出先进、合理、经济、可靠的工艺方案。对泵盖零件的工艺路线作如下设计：工序 1 铸造工序 2 时效工序 3 粗铣尺寸 44 左侧端面；工序 4 人工时效工序 5 精铣尺寸 44 左侧端面；工序 6 划线备钻、镗工序 7 钻孔 2-6，2-8工序 8 钻 4-8工序 9 粗镗内孔 2-44工序 10 半精镗孔 2-44工序 11 精镗内孔 2-44工序 12 最终检验。本道工序（工序 7）：钻孔 2-6，2-8 由本次所要设计的多轴箱进行加工达到。2.5 定位基准和夹紧部位的的选择组合机床设计加工之前需要正确选择定位基准，定位基准的准确选择可以第 10 页 共 27 页让加工精度得到保证，同时保证集中工序对齐进行加工完善。本机床加工时采用的定位方式是一面两销的定位方式，一面指的是尺寸 44 左侧精加工面，二两个定位销钉孔是指左右侧面两个直径为 8 的螺孔。顶部采用的压板进行压紧工件的毛胚表面进行定位，这样的定位方式限制工件的 6 个自由度。实现了零件的完全定位。图 2.2 夹具方案3.多轴箱的设计与计算3.1 多轴箱的设计计算多轴箱宽度 B、高度 H 的大小主要与泵盖需要加工的螺孔的分布有关。根据前面的孔位置尺寸分析可以知道注：b 工件在宽度方向相距最远的两孔距离、单位 mm;b1 最边缘主轴中心至箱体外壁距离、单位 mm；h 工件在高度方向相距最远的两孔距离、单位 mm;h1 最低主轴高度、单位 mm。公式：B = b + 2b1 公式：H = h + h1 +b1 已知：b =195mm第 11 页 共 27 页h = 84.85mm图 3.1查表 71：取：B H = 400400mm23.2 切削转距的计算：3.2.1 钻 26 通的所需转矩的计算1 钻孔（1）钻头选用 6 的标准高速钢麻花钻，磨出双锥和修磨横刀。（1） 确定切削用量1） 确定进给量 ，根据表 3.4-1 可查出 =0.310.37mm/r,由于孔深f f和孔径之比 不需要修正，取进给量为 =0.35mm/r.0/45/13ld根据表 3.4-3，钻头强度所允许的进给量 =1.22mm/r.根据表 3.4-4，允许f的进给量 1.5mm/r.f第 12 页 共 27 页由于所选择的进给量 远小于 及 ，故所选 可用fff2） 确定切削速度 v，轴向力 F，转矩 T 以及切削功率 用不同刀具mP材料进行钻，扩，铰空的 v,F,T, 均可以按表 3.4-8 及表 3.4-10 进行计算。根mP据所给条件，可直接在表 3.4-15 中用插入法计算得：V=16m/min,f=4610N,T=33.64 , =1.1kw,由于实际加工条件与上NAm表所给条件不完全相同，故应对结果进行修正.由表 3.4-9 知，切削速度的修正系数 =0.72， =1，故Mvk1vk019508.dn6/mi.72./in0159/mi6vnrd查取 n=230r/min.实际切削速度 v 为m/min012301.5v由表 3.4-11，切削力及转矩的修正系数 ，故0.75MFkN46.75348F302.TmA3） 校验机床功率 切削功率 为P1(/)mMPvk= kw.56.20.75.83机床的有效功率为kw 3.1.4EP由于 ，故所选的钻削用量可用，即m016,0.5/,20/min,1.56/indfrv相应地348,.3,.8mFNTPkw第 13 页 共 27 页3.3 主轴直径的计算和主轴外伸尺寸的确定公式：d = 6.2(10T) 1/4 注：d 主轴直径、单位 mm;T 转距、单位 mm;D 螺纹大径、单位 mm;P 螺距、单位 mm。3.3.1 钻 2 67H 通的孔所需主轴直径的计算由公式 24 得：d = 6.2(10T) 1/4 1 P44 = 6.2(105) 1/4 = 20.35mm 查 1 P44 表 35 取：d = 17mm3.3.2 钻 687H 通的孔所需主轴直径的计算由公式 24 得：d = 6.2(10T) 1/4=6.2(109) = 26.78mm为了减少更换攻螺纹接杆的时间、降低操作工人的劳动强度和提高工作效率等原因，所以取钻 2 67H 通的孔主轴的直径与攻钻 687H通的孔直径为 30mm（d = 30mm） 。主轴外伸尺寸的确定参考得：L=61 3.4 机床动力参数的计算1.电动机功率的计算公式：P = p / 1 P44 （ = 0.70.8） 26注：P 多轴箱所需功率、单位 Kw；p消耗于各主轴的切削功率总和、单位 Kw； 多轴箱的传动效率。由公式 26 得：P = p / 1 P44= 0.7962 /（0.70.8）= 0.9951.137 Kw参考1P 86 在确定电动机功率时，要考虑丝锥工作时钝化的影响，一般取计算功率的 1.52.5 倍。所以 Pd=P(1.52.5)=1.70552.8425 Kw，本次设计第 14 页 共 27 页中选取的是 2.43kw2.电动机的选择考虑到轴承与轴、齿轮与轴、齿轮与齿轮、轴与箱体、轴与轴套等之间的能量损耗所以选择功率稍大一些的电动机。参考IP 115 表 539：取：电动机的型号：Y132S4电动机转速：n d=1440r/min1 输出轴转速：n = 720r/min 1 3.5 主轴转速的计算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，要求所有刀具的每分钟进给量相同，且等于动力滑台的每分钟进给量。这个每分钟进给量（毫米/分）应是适合于所有刀具的平均值。因此，同一主轴箱上的刀具主轴可设计成不同转速和选择不同的每转进给量（毫米/转）与其相适应，以满足不同直径工件的加工需要，即（1-fivnfn211）式中： , , 各主轴转速（转/分） ；1n2i, , 各主轴进给量（毫米/转） ；fif动力滑台每分钟进给量（毫米/ 分） 。fv在选择了转速后就可以根据公式（1-2 ）10nd选择合理的切削速度。公式：n = (1000v)/(d) 1 P195 37注：v 切削速度、单位 m/min-1;d 主轴直径、单位 mm1.钻 2-6 7H 通主轴转速的计算第 15 页 共 27 页已知：v = 3.70m/min d = 8mm n=由公式 27 得：n = (1000v)/(d) 1 P195= (10003.7)/(3.7)150r/min2.钻 6-8 7H 通主轴转速的计算已知：v = 3.93m/min d = 10mm由公式 27 得：n = (1000v)/(d) 1 P195= （10003.93 ）/（10 ）125r/min3.6 生产率计算已知：工作行程为 37 进刀量为 150/min机动时间加紧 0.1min 机动时间攻入攻退 0.4min机动时间 1.5min 装料时间 1.5min单件工时 2min/件1.理想生产率计算公式： Q=A/tk 1 P51 =41400/4600=92.实际生产率计算 公式：Q 1=60/T 单 1 P51 =60/2=30min/件3.机床负荷率计算公式： 负 =Q/Q1 1P51 311 =9/30=30 3.7 多轴箱传动系统设计3.7.1 孔的分布特点仔细阅读被加工零件加工工序图，观察在本组合机床加工的螺孔位置具有以特点：第 16 页 共 27 页图 3.2a、孔 1、2 是在半径 R 为 60 的同心圆上；b、孔 3、4 是在半径为 60 的同心圆上；c、孔 1、2 与 3、4 的位置时处在对称位置处3.7.2 用作图法初定各轴的位置根据以上特点初步拟订轴的传动关系第 17 页 共 27 页图 3.3a、设置中间传动轴 5 带动主轴 1、2 转动；b、设置中间传动轴 6 带动主轴 3、4 转动；c、设置传动轴 8 带动中间轴 5、6 转动；d、设置中间传动轴 6 带动主轴 7 转动；3.7.3 绘制多轴箱的传动树形图第 18 页 共 27 页图 3.43.8 多轴箱中齿轮模数、齿数的计算图 3.5第 19 页 共 27 页3.8.1 多轴箱中齿轮模数的确定 因为多轴箱中齿轮模数常用 2、2.5、3、3.5、4 几种。为了便于生产，同一多轴箱中的模数规格最好不要多于两种。所以初步确定多轴箱内所有齿轮的模数取 2（m=2） 。3.8.2 确定传动轴 1 的位置及齿轮的齿数传动轴 1 的位置通过作图初定，若取 m=2 z1=18，则从图 24 量得中心距 A131=48mm,公式：Z 从 =2A/mZ 主 212 所以： Z1=2A/mZ 1=248/21830 II 排公式：n 从 n 主 （Z 主 /Z 从 ） 213所以： n1n 1（Z 1/Z1）150(30/18) 250r/min由公式 212：Z 从 =2A/m(1+ n 从 / n 主)所以： Z1248/2(1+250/150)18 II 排3.8.3 确定传动轴 2 的位置及齿轮齿数传动轴 2 的位置通过作图初定，若取 m=2 z1=18，则从图 24 量得中心距 A131=48mm,公式：Z 从 =2A/mZ 主 212 所以： Z2=2A/mZ 1=248/21830 II 排公式：n 从 n 主 （Z 主 /Z 从 ） 213所以： n2n 1（Z 2/Z2）150(30/18) 250r/min由公式 212：Z 从 =2A/m(1+ n 从 / n 主)所以： Z2248/2(1+250/150)18 II 排3.8.4 确定传动轴 5 的位置及齿轮齿数传动轴 17 的位置通过图 24 初定，若取 m=2 z5=18，则从图 24 量得中心距 A175=50.11第 20 页 共 27 页由公式 212：Z 从 =2A/mZ 主 1 P65所以： Z5=2A/mZ 1=250/21832 排由公式 213 得：n 从 n 主 （Z 主 /Z 从 ）所以： n5n 5（Z 5/Z17）150(32/18) 266r/min由公式 212：Z 从 =2A/m(1+ n 从 / n 主) 1 P65所以：Z 8250.11/2(1+150/260)32 排 3.8.5 确定传动轴 8 的位置及齿轮齿数传动轴 8 的位置通过图 24 初定，若取 m=2 z8=32，则从图 24 量得中心距 A188=50.11由公式 212：Z 从 =2A/mZ 主 1 P65所以：Z 8=2A/mZ 8=272/32721 II 排由公式 213：n 从 n 主 （Z 主 /Z 从 ） 1 P64所以： n6n 6（Z 8/Z6）150(32/18) 266.7r/min由公式 212：Z 从 =2A/m(1+ n 从 / n 主) 1 P65所以：Z 6250.11/2(1+150/266.7)18 II 排 3.8.6 确定传动轴 7 的位置及齿轮齿数传动轴 7 的位置通过图 24 初定，若取 m=2 z10=18，则从图 24 量得中心距=47.89 ，由公式 212：Z 从 =2A/mZ 主 1 P65所以：Z 6=2A/mZ 6=247.89/21830 排由公式 213：n 从 n 主 （Z 主 /Z 从 ） I P64所以：n 6n 7（Z 10/Z20）150(30/18) 250r/min3.9 轴的校核对轴进行分析和比较轴 8 相对受力较大，所以需对轴 8 进行强度校核。第 21 页 共 27 页3.9.1 轴的受力简图图 2-9轴 的 受 力 分 析 及 弯 矩 图3.9.2 计算支承反力公式：F t=2T/d 224=29103/（332 ）=187.5N公式：F r= Fttg =187.5tg20=60.90N在水平面上公式：F R1H=(FrL3)/( L2L 3) 225=(187.5110)/ ( 11058)=42.398N公式：F R2H= FrF R1H 4 P197 226=60.9042.398=18.502N在垂直面上公式：F R1V= FR2V= Ft/2 227=187.458/2=93.729N第 22 页 共 27 页3.9.3 画弯矩图在水平面上，a-a 剖面左侧公式：M aH= FR1HL2 228=42.398110=4663.78Nmm a-a 剖面右侧公式：M aH= FR2H L3 229=18.50258=1073.116 Nmm在垂直面上公式：M aV= FR1VL2 230=93.729110=10310.19 Nmm合成弯矩，a a 剖面左侧公式：M a=( M2aHM 2aV)1/2 231=(4663.78210310.19 2) 1/2 =4776.42 Nmma a 剖面右侧公式：M a=( M2aHM 2aV)1/2 232=(1073.116210310.19 2) 1/2=10365.886 Nmm画弯矩图转距:公式：T=F td/2 233=187.45896/2=8997.986 Nmm3.9.4 判断危险剖面 aa 截面左侧合成弯矩最大、扭矩为 8997.98 Nmm，该截面左侧可能是危险剖面；bb 截面处合成弯矩最大，也可能是危险剖面。3.9.5 轴的弯矩合成强度校核 查4表 101 得：= 1 b=60MPa第 23 页 共 27 页0b=100 MPa=1 b/0b=60/100=0.6aa 剖面左侧W=0.1d3bL(dt 2)/(2d) 4 P197 234 =0.1203166(20 6 2)/(220)=329.6 3e=M2 (t)21/2/W 4 P197 235=4776.422(0.68997.98) 2 1/2/329.6=21.87 MPabb 剖面左侧 W=0.1d3 4 P197 236 =0.1203=800 3bb 截面处合成弯矩 MbMb= Ma(L228)/L 2 4 P197 237=4776.42（110-28 ）110=3560.604 Nmme=M2 (t)21/2/W 4 P197= 3560.6042(0.68997.98) 2 1/2/800=8.084 MPa经以上计算表明：轴的弯扭合成强度是足够的，且弯扭合成强度有富余。所以选的轴径符合要求。3.10 齿轮的强度校核查4 表 718 查得：YFs1=4.2YFs2=4.0 取 Y=0.7F1=2kT YFs1Y/dZ2m3 4 P110 239=21.438997.9844.20.7/13232=87.5678 MPa F1第 24 页 共 27 页F2=F1 YFs2/ YFs1 4 P110 240=87.56784.0/4.2=83.397 F2经以上计算表明：所选齿轮合适。4 结构设计部分4.1 设计机床总图分别绘制机床的加工示意图以及工序图后，绘制的机床总图，其中包含的内容有：表明机床的配置形式和中布局；完整的反映各部件间的主要装配关系和联系尺寸、专用部件的主要轮廓尺寸、运动部件的运动极限位置及各滑台工作循总的工作行程和前后行程被量尺寸；标注主要部件规格代号核电动机的型号、功率及转速，并标出机床分组号，全部组件应包括机床全部通用及专用零部件。根据计算的动力部件、机床装料高度、夹具轮廓尺寸、中间底座尺寸、多轴箱的轮廓尺寸绘制机床尺寸联系总图。4.2 主轴箱的精度检查将主轴箱放在平板上，进行各项精度检验：所有主轴内定心直径的径向圆跳动的检验项目及精度标准按 JB304382 进行检验；所有主轴回转轴线相互间的平行度的检验项目及精度标准按 JB304382 进行检验。装机试车经检验各项指标均达到预期结果。第 25 页 共 27 页5 结论齿轮泵泵盖组合机床设计，设计的是泵盖与齿轮泵本体的端面进行相互接触的面处 4 个通孔的钻削任务，主要通过设计主轴箱传动系统设计来实现主轴箱的正常工作，根据前面设计可以看出本次的设计思路是明确的，首先制定工艺方案，确定机床结构与设计性能，根据设计的工艺方案确定本次准备加工零件的正确工序图，明确每道工序的任务内容；根据工艺方案绘制加工示意图，为后续刀具夹具等设计确定尺寸依据；后续绘制生产卡及其机床尺寸联