变速箱体卧式钻孔专用机床设计说明书

一 前言组合机床及其自动线是集机电于一体的综合自动化程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、家电等行业。我国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,以及铣削平面和成形面等。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、三面、卧式、立式、倾斜式、复合式,还有多工位回转台式组合机床等;随着技术的不断进步,一种新型的组合机床柔性组合机床越来越受到人们的青睐,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,并能灵活适应多品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(清洗机、装配机、综合测量机、试验机、输送线) 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。我国组合机床组合机床自动线总体技术水平比发达国家要相对落后,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,满足用户需求,真正成为刚柔兼备的自动化装备。随着市场竞争的加剧和对产品需求的提高,高精度、高生产率、柔性化、多品种、短周期、数控组合机床及其自动线正在冲击着传统的组合机床行业企业,因此组合机床装备的发展思路必须是以提高组合机床加工精度、组合机床柔性、组合机床工作可靠性和组合机床技术的成套性为主攻方向。一方面,加强数控技术的应用,提高组合机床产品数控化率;另一方面,进一步发展新型部件,尤其是多坐标部件,使其模块化、柔性化,适应可调可变、多品种加工的市场需求。从2002 年年底第21 届日本国际机床博览会上获悉,在来自世界10 多个国家和地区的500 多家机床制造商和团体展示的最先进机床设备中,超高速和超高精度加工技术装备与复合、多功能、多轴化控制设备等深受欢迎。据专家分析,机床装备的高速和超高速加工技术的关键是提高机床的主轴转速和进给速度。该届博览会上展出的加工中心,主轴转速10 00020 000 r/ min ,最高进给速度可达2060 m/ 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,加工的形状却日益复杂。多轴化控制的机床装备适合加工形状复杂的工件。另外,产品周期的缩短也要求加工机床能够随时调整和适应新的变化,满足各种各样产品的加工需求。然而更关键的是现代通信技术在机床装备中的应用,信息通信技术的引进使得现代机床的自动化程度进一步提高,操作者可以通过网络或手机对机床的程序进行远程修改,对运转状况进行监控并积累有关数据;通过网络对远程的设备进行维修和检查、提供售后服务等。在这些方面我国组合机床装备还有相当大的差距,因此我国组合机床技术装备高速度、高精度、柔性化、模块化、可调可变、任意加工性以及通信技术的应用将是今后的发展方向。二 组合机床总体设计1. 概述组合机床是以通用部件为基础，配以少量专用部件，对一种或若干种工件按预先确定的工序进行加工的机床。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。在组合机床自动线上可以完成钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、攻丝、车削、铣削、磨削及滚压等工序。随着组合机床技术的发展，他能完成的工艺范围日益扩大。组合机床同通用机床和其他专用机床比较，具有以下特点:1.机床上通用部件和标准零件约占全部机床零。部件的7080，因此设计和制造周期短，经济效益好。2.合机床采用多刀加工，机床自动化程度高，比通用机床生产效率高，产品质量稳定，劳动强度低。3.合机床的通用部件是经过周密设计和长期生产实践考验的，又有专门厂家成批生产。它与一般专用机床比较，其结构稳定，工作可靠，使用与维修方便。4.机床加工工件由于采用专用夹具、组合刀具和导向装置等，产品加工质量由工艺装备保证，对操作工人的技术水平要求不高。5.机床被加工的产品更新时，专用机床的大部分部件都要报废。组合机床的通用部件是根据国家标准设计的，因此通用部件可以重复使用，不必另行设计制造。6.机床易于联成组合机床自动生产线，以适应大规模和自动化生产需要。目前我国组合机床在许多大规模，大批量生产的企业中得到广泛应用。本课题是设计减速机箱体右端面钻孔组合机床。零件图如下：2.总体结构及工作循环本机床采用多工位卧式组合机床,变速箱体装在工作台的夹具上,这样便于上、下料。机床机械部分主要有:底座、侧底座、多轴箱、刀具、夹具、冷却系统;控制部分为PLC 控制系统及液压传动系统。机床的工作循环为:人工装上一工件,定位销插销定位夹紧油缸夹紧I 滑台开始工作循环:快进(冷却供、主轴转) 工进(死档铁停留) 快退至原位(主轴停) 滑台开始工作循环:快进(冷却供、主轴转) 工进(死档铁停留) 快退至原位(主轴停、冷却停) ,定位销拔出,夹紧油缸松开,防护门自动打开,油缸推出工件,工件到位后油缸退回.(快退缓退) ,死档铁停留,工作循环结束3. 三图一卡设计1. 被加工零件工序图被加工零件为变速箱体，材料为HT250，工序为箱体两端面钻孔，左端面为5个10加工孔，右端面为5个10和2个14加工孔。采用一面两孔定位，一面为箱体底面，两孔为底面上的长边上的两孔。采用箱体顶面夹紧。2. 加工示意图加工8.5的孔：锥柄长麻花钻 硬质合金 d=8.5mm L=190 mm l=109mm依据公式 M= ， 选刚性主轴，直径为30/20mm 外伸长度为115 mm 切削用量 n=500 r/min v=13.35 m/min f=0.1 mm/r =50 mm/min加工13.9的孔：锥柄麻花钻 高速钢 d=13.9mm L=189 mm l=108mm依据公式 M= 选刚性主轴，直径为38/26mm 外伸长度为115 mm 切削用量 n=500r/min v=21.8m/min f=0.13 mm/r =50 mm/min箱体右端面工进长度41 mm 快进75 mm 快退116 mm3. 机床联系尺寸图右端面：7根主轴多轴箱轮廓尺寸 H=180+103.5+100=383.5 mm B=120+2100=320 mm 厚度取325 mm长宽取400400 mm 最低孔位置19 mm 最低主轴高度103.5 mm轴向力=1697.3N转矩 =6.9Nm功率 =0.8kw总=0.5+20.8=2.1kw总=3546+21697=6943 N根据以上计算所得 选取液压动力滑台1HY25-IA 动力箱1TD32（2.2kw） 电机 Y100L1-4侧底座 1CC251中间底座L=（）=295+325+326-(100+40+105) =701 mm采用固定钻摸板4. 机床生产效率计算卡1. 理想生产率 =23 件/h2. 实际生产率 =31件/h3. 机床负荷率 =0.75 三 组合机床多轴箱设计1.简述组合机床多轴箱的设计计算是组合机床设计工程中的重要环节，是主轴箱零部件设计的理论基础，计算稍有不慎，便会导致后期的设计制造前功尽弃。依据总体设计图， 对主轴箱进行结构创新设计。由于在本机床上需同时加工7个孔，不仅孔多、间距小，而且孔的排列分散，采用通常方案排箱无法实现12孔的工序集中。因此，本钻床的主轴箱传动系统在对被加工零件进行了深入、细致分析计算的基础上，通过采用滚针轴承，将常规状况下不能完成的排箱得以实现，而且所设计的主轴箱结构紧凑。依据组合钻床总体设计绘制主轴箱设计原始依据图其内容为主轴箱设计的原始要求和已知条件：1. 主轴箱轮廓尺寸400mm400mm；2. 工件轮廓尺寸及各孔位置尺寸3. 工件与主轴箱相对位置尺寸。2.设计原则1) 从面对主轴的方位看去，所有主轴均采用逆时针方向旋转。2) 在保证转速和转向的前提下，力求用最少的传动轴和齿轮（数量和规格），以减少各类零件的品种。具体措施：采用一根传动轴同时带动多根主轴，并将齿轮布置在同一排位置上，当齿轮啮合中心距不符合标准时，采用了变位齿轮。3) 放弃了用主轴带主轴的方案，这样避免了增加主轴负荷，不会影响加工质量。4) 因钻削加工切削力大，为了减少主轴的扭曲变形，主轴上的齿轮尽量靠近前支承。3.按上述设计原则设计传动系统按所设计的传动系统图合理分配各级传动比、初定传动轴位置和确定齿轮齿数主轴r/min驱动轴=715 r/min总传动比 i=各轴传动比分配：=1/1.43=1/1.43=1/1.43=1/1.43=1=1确定中间轴8以及中间轴8与1.2轴联接的=43 m=2 确定中间轴18以及中间轴18与3.4轴联接的=43 m=2 确定中间轴14以及中间轴14与5轴联接的=43 m=2 =18=25确定中间轴13以及中间轴13与36轴联接的=43 m=2 确定中间轴9以及中间轴9与7轴联接的=50 m=2 确定中间轴17以及中间轴17与15.16轴联接并配相关的齿轮取 =21 =21 m=3 =6317-15，16 =36 m=2 =18 =28 验算转速 ：=514 r/min转速相对损失在5%以内，符合设计要求。采用R12-L型叶片泵有中间传动轴19经一对齿轮=30/24=536 r/min 在400-800 r/min范围内满足要求。在拟定主轴箱传动系统时，传动轴位置已做了初步确定。为了保证齿轮副的正常啮合和加工主轴箱上传动轴支承孔的孔距精度，需要精确计算各传动轴的坐标尺寸（计算结果精确到小数点后3位数）。4 验算验算根据坐标计算确定的两轴坐标中心距A 是否符合两轴间啮合齿轮要求的中心距R ， R 与A 的差值为 ，即 = R A验算标准为 0.001 0.009mm经验算均符合。5 主轴及通用传动轴结构型式的选择方案主轴结构型式由零件的加工工艺决定，并考虑主轴的工作条件和受力情况，采用长主轴。由于采用钻削加工主轴，需承受较大的单向轴向力，所以优选向心球轴承和推力球轴承组合的支承结构，且推力球轴承配置在主轴前端。传动轴的转速较低，但载荷较大，因此用圆锥滚子轴承。按上述方案配置的主轴和传动轴，按所选的轴承类型绘制轴承孔检查图，发现有些部位采用此配置因孔间距较小，箱体上的轴承座孔太大，导致箱体强度不够。因此，这些部位都将原方案改为推力球轴承与滚针轴承组合的支承结构，以减小径向尺寸，满足强度要求，实现合理排箱。 按以上原则设计的传动系统，保证了主轴箱的质量，提高了主轴箱的通用化程度，使得设计和制造工作量及成本都大大降低。为实现本机床“体积小、质量轻、结构简单、使用方便、效率高、质量好”的设计目标奠定了基础。 四 专用夹具结构设计专用夹具结构设计是为加工某些几何形状相似、工艺过程和定位夹紧相似的零件而设计的。设计时需要选择合理的定位基准、定位元件；选择合适的夹紧夹紧元件；设计好合理的基体件。1.定位基准与定位元件的选择制定设计方案时需选择合理的定位基准、定位元件。该零件采用一面两孔定位，定位基准为零件底面，定位元件为定位销。2.夹紧元件与夹紧力的选择夹紧力的选择，除夹紧力方向和作用点外，还要使工件产生尽可能小的夹紧变形，这是选择夹紧元件和夹紧力的主要因素。本设计采用压板液压压紧， ，夹紧牢靠，工件保持正确位置，既防止了薄壁零件装夹变形，又满足了加工的要求。3.夹具基体的设计夹具基体是夹具的基础，在设计夹具基体时，除应保证结构合理外，还应保证夹具基体有足够的刚度，而且在可能的范围内，力求能加工零件组的全部。对其基体件还应根据相似件形状、尺寸、精度、毛坯种类及其工艺方法来确定基体件形状、尺寸，以满足加工所有相似件的要求。该基体件与其它夹具元件组成的夹具结构紧凑，操作方便，更换元件容易，可以加工不同产品的相似件. 具体设计见附图。 五 PLC控制设计1 工作原理及电气控制要求钻孔组合机床是在工件表面上进行钻孔的一种高效自动化专用加工设备,基本结构如图1 所示。动力滑台安装在标 图1 钻孔组合机床结构简图准侧底座上,刀具电动机M2 ,固定在左动力滑台上,中间底座上装有工件定位夹紧装置。 该机床采用电动机和液压系统(未画出) 相结合的驱动方式,其中电动机M2带动主轴箱的刀具主轴提供切削主运动,而动力滑台和工件定位夹紧装置则由液压系统驱动,M1 为液压泵的驱动电动机,M4 为冷却泵电动机。机床的电气控制要求为M1 先启动,只有系统正常供油后,其它控制电路才能通电工作; M2在滑台进给循环开始时启动,滑台退回原位后停机;M4 可手动控制启停,也可在滑台工作进给时自动提供油液。其控制过程是典型的顺序控制,当把工件装入夹具后,按下启动按钮SB3 ,机床便开始自动循环的工作过程,见图2 图2 钻孔组合机床工作循环图2 电气控制系统硬件设计钻孔组合机床的电气控制属单机控制, 输入输出均为开关量。根据实际控制要求,并考虑系统改造成本,在准确计算I/ O 总点数的基础上,采用抗干扰强、稳定性和可靠性较高的三菱公司生产的FX1N260MR 可编程控制器。该控制系统中所有输入触发信号采用常开触点接法,所需的24 V 直流电源由PLC 内部提供;输出负载中的所有直流电磁换向阀同样采用由PLC 内部提供的24 V 直流电源,输出负载中的4 个交流接触器线圈则需外接220 V 交流电源.由于钻孔组合机床中转换开关、按钮及行开关较多,为了减少输入点数,降低费用,对输入信号作了适当处理,如3 台电动机的过载保护不作为输入信号,而直接接入输出线圈回路中。另外,电磁阀为感性负载并且通断频繁,为了保护PLC 的输出触点,在每个电磁阀两端各并上1 个续流二极管,来吸收反向过电压。3.电气控制系统软件设计由钻孔组合机床的控制要求可知,该控制系统需要实现3 个控制功能: 动力滑台的点动、复位控制; 动力滑台的单机自动循环控制; 整机全自动工作循环控制。具体T型图见附图4.PLC 与PC 的通信系统工作时,PC 与生产现场的PLC 之间处于实时的交互通状态。如果生产规模大,可采用1 : n 上位链接通信方式,用一台计算机管理多台机床。上位计算机与PLC 之间有一个RS - 232C/ RS - 485 转换器,用于链接计算机的RS - 232C 串行口和PLC 的RS - 485 通信适配器,可增大通信距离。操作人员根据生产现场的需要,在不中断生产的情况下,可在上位机上实时地对现场参数进行调整,使控制系统工作于最佳状态。还可在上位机上编程、监测设备运行情况、显示故障等,对系统进行管理和调度,使设备潜力得到充分发挥。本程序经模拟调试,完全符合钻孔组合机床的电气控制要求,使用效果良好。在使用过程中,还可根据不同的控制要求,在不改动接线或改动很少的情况下,通过改变程序来实现不同要求,大大节省了安装调试时间,提高了效率。5 结语本系统经过PLC 融入后,运行良好,故障率低。而且组合机床控制系统具有很好的柔性,能适应产品的变化,当工艺程序变更时,只需修改程序,就可满足新的加工要求。可见传统的机械设备融入PLC技术 后,既能使之成为机电一体化的新产品,适用生产过程的自动控制,又能发挥原组合机床的效能,而且投资较小,可见,灵活应用PLC 是实现组合机床电气自动化的有效途径。 六 结束语本组合机床较好地解决了大批量变速箱端面孔的问题。不但保正加工质量,而且大为提高了工效,具有良好的经济效益和应用价值。七 参考资料1、组合机床设计沈阳工业大学、吉林工业大学、大连铁道学院主编上海出版社出版1985年9月2、组合机床设计大连组合机研究所编机械工业出版社1975年6月3、金属切削加工工艺人员手册上海科学技术出版社