ZH1130柴油机机体钻挺杆孔组合机床总体及主轴箱设计

ZH1130柴油机机体钻挺杆孔组合机床总体及主轴箱设计摘要：本组合机床是针对ZH1130柴油机机体两个挺杆孔同时进行加工而设计的。本文介绍了该组合机床总体方案论证和主轴箱设计步骤和方法。在设计过程中借鉴了国内一些现有组合机床的设计资料，结合被加工零件的结构特征，在江淮动力集团现有的ZH1130柴油机机体钻挺杆孔的组合机床的基础上改进而成。设计中所用标准均按最新的国家标准。本文就组合机床总体设计、主轴箱设计、电气控制系统设计等方面问题进行了比较系统的说明。采用机械滑台实现刀具进给，借助导套引导刀具实现精度稳定的加工。主轴采用标准主轴，刀具选用复合麻花钻，使得工序集中。本组合机床效率高，成本低，加工精度高，操作使用方便，提高了劳动生产率。在主轴箱设计方面，原有机床采用多工序加工，加工效率低，加工尺寸不容易保证，而且位置精度也不高，改进后不仅提高了加工效率，还保证了孔的加工尺寸，同时也解决了位置精度问题，降低了工人的劳动强度。关键词：组合机床；总体设计；主轴箱设计本设计来自：完美毕业设计网登陆网站联系客服远程截图或者远程控观看完整全套论文图纸设计客服QQ：8191040DesignofGeneralandHeadstockofModularMachineToolforDrillingJibHolesontheZH1130DieselEngineBodyAbstract：Aimatdrilling2jibholesintheZH1130dieselenginebodyatthesametime,thismodularmachinetoolisdesigned.Theapproachandmethodofdesignonprojectandheadstockareintroducedinthisthesis.Thedesigninformationofsomeexistingdomesticmodularmachinetoolshasbeenreferredinthedesignprocess.CombinedthestructuralfeatureofelementinJianghuaiPowerGroup,someimprovementhavebeendonebasedontheexistingmodularmachinetoolofZH1130cylinderbody.Thenewstandardsofmodularmachinetoolhavebeenadoptedinthisdesign.Theapproachondesigningofwholeproject,headstockandtheelectriccontrolsystemhasbeensystematicillustrated.Usingmechanicalslidingunit,withtheaidofpreciselyleadsthesetofguidancecuttingtooltocompletedispositionalprocess.Thestandardspindleshavebeenused.Thecuttingtoolisthecompoundtwistdrill,makingtheworkingproceduretobecentralized.Thismodularmechanicaltoolhassuchadvantages:itishighefficiency,thecostislow,theprocessingprecisionishigh,itiseasytooperate,itenhancedtheproductivity.Inheadstockdesignaspect,theoriginalmachineadoptsmuchprocessandtheefficiencyislow,processingsizesarenotguaranteedeasilytoo;alsolocationprecisionisnothigh.Aftertheimproving,2jibholescanbedrilledatthesametime,thusnotonlyhaveraisedprocessingefficiency,guaranteedtheprocessingsizeofhole,solvedlocationprecisionproblem,butalsoreducedthelaborstrengthofworker.Keyword：Modularmachinetool;Designofgeneral;Designofheadstock.目录TOC\o"1-3"\u1前言 11.1课题来源 11.2国内外发展趋势 11.3设计总体思路 12总体方案论证 32.1被加工零件工艺方案的制定 32.1.1被加工零件的加工工序及加工精度 32.1.2工艺基准加工零件的选择 32.1.3加工工艺的分析 32.2确定机床配置型式及结构方案 32.3组合机床的总体设计 52.4被加工零件工序图 52.5被加工零件的加工示意图 62.5.1刀具的选择 62.5.2组合机床切削用量的选择 62.5.3确定切削扭矩、切削功率及刀具耐用度 72.5.4导向结构的确定 82.5.5初定主轴类型、尺寸、外伸长度和选择接杆 92.5.6确定动力部件的工作循环及工作行程 102.6机床联系尺寸图 112.6.1机床床身的选择 112.6.2电动机功率的选择 122.6.3装料高度H的确定 13TOC\o"1-3"\u2.6.4主轴箱轮廓尺寸的确定 132.7生产率计算卡 132.7.1理想生产率 132.7.2实际生产率 142.7.3机床负荷率计算 152.7.4机床的生产率计算卡 153主轴箱设计 173.1绘制主轴箱设计原始依据图 173.2确定主轴、齿轮及动力计算 183主轴结构型式和直径、齿轮模数的确定 183.2.2主轴箱所需动力的计算 193.3主轴箱传动系统的设计 193对主轴箱传动系统的一般要求 193拟定主轴箱系统的基本方法 203确定传动轴的位置及齿轮齿数 203.3.4拟订主轴箱传动路线 223.4各零件的设计选用与校核 233主轴箱中轴的强度校核 233主轴箱中齿轮的校核计算 263主轴箱中轴承的校核计算 28TOC\o"1-3"\u3.5多轴箱坐标计算 303.6绘制轴坐标检查图 333坐标检查图的主要内容 333坐标检查图绘制的顺序及要求 334电气控制系统设计 345结论 36参考文献 37致谢 38附录 391.2国内外发展趋势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专用机床。组合机床是随着生产的发展，由万能机床和专用机床发展来的。这种机床既具有专用机床的结构简单、生产率和自动化程度较高的特点，又具有一定的重新调整能力，以适应工件变化的需要，组合机床可以对工件进行多面、多主轴加工，一般是半自动的。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。我国组合机床及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。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。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。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。组合机床未来的发展将更多的采用调速电动机和滚珠丝杠等传动，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。1.3设计总体思路组合机床是由大量的通用部件和少量专用部件组成的工序集中的高效率的专用机床。它能从多面、多工位、多轴对一个或几个工件同时进行加工，它和通用机床相比除具有能使工序集中，能在很大程度上提高效率、加工精度等优点外，它还有以下的特点：(1)设计和制造周期短、投资少、自动化程度高、劳动强度低、经济效率高；(2)结构稳定、工作可靠、使用维修方便；(3)采用专用夹具、刀具和导向装备，对工人的技术水平要求不高；(4)当产品更新的时候，通用部件、标准件还可以重新利用，不需要重新制造；(5)易于联成组合机床自动线进行大规模的生产。由于组合机床具有上述诸多优点，在分析解决实际问题时，为我们指出了明确的思考问题的方法。在组合机床设计过程中，为了降低组合机床的制造成本，应尽可能地使用通用件和标准件。目前，我国设计制造的组合机床，其通用部件和标准件约占部件总数的70～80%，其它20～30%是专用零部件。考虑到近年来，各种通用件和标准件都出台了新的标准及标注方法，为了方便以后组合机床的维修，我们整个组合机床设计中尽量采用新标准的通用件和标准件配置。本次设计组合机床的目的就是用来提高其生产效率和加工精度。此次设计的课题为ZH1130柴油机机体钻挺杆孔组合机床总体及主轴箱设计，要加工的机体是箱体类薄壁零件，夹紧易变形。本工序是要先钻产品零件图上两个挺杆孔，以提高产品质量。此次设计中我负责的是组合机床总体及主轴箱的设计，通过认真分析ZH1130柴油机机体的零件图，得出其材料为HT250，硬度为HB190～240，重量为40kg×179×3进行加工的孔是：气门挺杆孔2×Ф16H8，深41mm。我依据加工柴油机机体零件的要求，制定初步的设计方案和步骤。再根据任务书上的要求，我选择了切削速度，进给速度等，以满足生产的要求。主轴箱设计是本次设计中一个重要环节。首先，在完成对组合机床的总体设计并绘制出“三图一卡”的基础上，绘制主轴箱设计的原始依据图；接着确定主轴结构，轴径以齿轮模数；然后根据被加工孔的位置，拟定传动系统，应注意轴与轴的最小间距应符合规定要求，避免产生干涉，这一步是主轴箱设计的核心部分；第四步是计算主轴、传动轴坐标、绘制坐标检查图；第五步，绘制多轴箱总图，零件图及编制组件明细表。2总体方案论证2.1被加工零件工艺方案的制定工艺方案的拟定是组合机床设计的关键一步。因为工艺方案在很大程度上决定了组合机床的结构配置和使用性能。因此，应根据被加工零件的加工要求和特点，按一定的原则、结合组合机床常用工艺方法、充分考虑各种因素，并经技术经济分析后拟定出先进、合理、经济、可靠的工艺方案。被加工零件的加工工序及加工精度被加工零件在本组合机床上完成的工序及加工精度，是制订机床工艺方案的主要依据。（1）本机床加工零件的工序内容钻气门挺杆孔2×Ф16G7，深为41mm倒角为2×45°μm，各孔垂直度要求为0.04（2）被加工零件特点该被加工零件为ZH1130柴油机机体；材料HT250，硬度HB190～240；生产纲领为年产量11万件，两班制；在本工序前六个主要表面已加工完毕。工艺基准加工零件的选择遵循“基准统一”原则，即选用设计基准作为定位基准，这样有助于减小设计基准与定位基准不重合所带来的误差，有助于保证加工精度。气门挺杆孔加工过程中，为保证被加工零件正确位置，限制与加工精度有关的自由度，因此，将机体的底面、侧面和后面作为定位基面，其限制6个自由度，即“三面定位”。选择定位基准同时，要相应决定夹紧位置。夹紧位置应使夹紧合力落在定位平面之内，具体定位夹紧位置参考加工工序图ZH1130CT03。加工工艺的分析在组合机床上对铸铁工件钻孔，其精度可达IT10～IT11，表面粗糙度Ra50微米。钻孔的位置精度主要取决于导向精度，要减少导面和钻头之间的间隙，应严格控制钻头、切削刃的摆差，使导向套适当靠近被加工零件以及严格要求主轴与导向套之间的同心度，被加工零件的钻孔零件的尺寸，精度均为自由公差，位置度为Ф，粗糙度为。本工序中挺杆孔的直径为Φ16<Ф40，因此，用本组合机床来加工机体能保证其加工要求。根据选定的工艺方案，确定机床的配置型式时，既要考虑能实现工艺方案，以确保零件的加工精度、技术要求及生产率，又要考虑机床的操作方便可靠，易于维修，且冷却、排屑情况良好。组合机床有大型和小型两种，大、小型组合机床，虽有共性，但又都有其特殊性。无论是适用范围、配置型式，通用部件和驱动方式各有特点。大型组合机床的配置型式，主要有单工位组合机床和多工位组合机床两大类。单工位组合机床通常是用于加工一个或两个工件，特别适用于大中型箱体件的加工。据配置动力部件的数量，这类机床可以从单面或同时从几个面对工件进行加工。其主要配置型式有：卧式单面组合机床、立式单工位组合机床、卧式双面组合机床、复合式双面组合机床、卧式三面组合机床、复合式三面组合机床卧式四面组合机床、复合式四面组合机床。毕业实习时，我们看到柴油机机体加工在卧式单面组合机床上进行，由于我们任务中的被加工零件与上述变速箱较相似，因而我们采用卧式单工位加工组合机床。据工件的结构特点、加工要求、生产率和工艺过程方案等，大体上就可以确定应采取那种基本型式的组合机床。但在基本型式的基础上，由于工艺的组织，动力头的不同配置方法，零件安装数目和工位数多少等具体安排不同，而具有多种配置方法。它们对机床的结构复杂程度，通用化程度，结构工艺性能，重新调整的可能性以及经济效益，还有维修操作是否方便等，都具有不同的影响。另外，还必须看到，就是在有些情况下，对工艺过程方案作不大的更改或重新安排，往往会使机床简单，工作可靠，结构紧凑，更符合多快好省的要求。因此，在最后决定机床配置型式和结构方案时，必须注意以下问题：A加工零件的特点对配置型式和结构方案的影响(a)加工要求的影响在选择某台组合机床的方案上，首先必须注意到加工精度能否确切保证，而且这里所指的是稳定的加工精度。为了弄清所选组合机床结构方案能否可靠保证要求的加工精度，就必须确定各种配置型式组合机床的最大加工误差。在组合机床上影响加工精度的因素很多，一般分与负荷无关的误差和与切削负荷有关的误差。组合机床加工精度通常是靠夹具来保证的，我们也可以把影响加工精度的因素分为加工误差和夹具误差两大类。(b)机床生产率的影响机床要求的生产率对机床配置型式和结构方案有很大的影响，它是决定采用单工位机床、多任务机床或自动线，还是按中小批生产所需组合机床的特点进行设计的重要因素。有时从工件外形及轮廓尺寸来看，完全可以采用单工位固定夹具的机床型式。但由于生产率要求很高，就不得不采用多任务的方案，使装卸时间与机动时间相重合。(c)被加工零件的大小、形状、加工部位特点的影响这些特点在很大程度上决定了采取卧式、立式或者倾斜式机床。一般地说，卧式机床多用于加工孔中心线与定位基准面平行，又需由一面或几面同时加工的箱体件。对一些大型箱体件，较适于采用单工位机床加工。B机床使用条件的影响(a)车间布置情况工件输送滚道的高度就直接影响机床的装料高度。当工件输送滚道穿过机床时，机床就得设计为通过式，配置面数就不能超过三面，同时装卸工件只能推进拉出，机床通常不能安置中间导向。如果车间面积有限，常常机床的轮廓尺寸受到限制。(b)工艺间的联系情况工件在到组合机床加工之前，工件的毛坯或半成品必须达到一定的要求，否则将使工件在机床夹具上定位夹紧不可靠，以至造成刀具的损坏或者不能保证要求的加工精度。如果在组合机床上加工之后，还要在其他机床上进行加工，而工件须先没有加工出保证精度的有关工艺基面，那么组合机床应考虑为下一道工序加工出工艺基面。(c)使用厂的技术后方和自然条件如果使用厂没有相当能力的工具车间，对于制造刃磨复杂的整体复合刀具有困难，拟订方案时，应当避免采用这类刀具。必要时可增加机床工位，以便采用一般刀具分散加工。若工厂所处地方气候过于炎热，车间温度过高，使用液压传动机床工作性能不稳定时，则可选用机械通用部件配置机床。2.3组合机床的总体设计组合机床的总体设计，就是针对具体的被加工零件，在选定的工艺和结构方案的基础上，进行方案图纸设计。其内容包括：绘制被加工零件工序图、加工示意图、机床联系尺寸图和编制生产率计算卡等。2.4被加工零件工序图被加工零件的工序图是根据既定的工艺方案，表示在一台机床上或一条自动线上完成的工艺内容，加工部位和尺寸及精度要求，技术要求，加工的定位基准，夹压部位以及被加工零件的材料、硬度和在机床加工前的毛坯要求（或者是上道工序的要求等）。(1)被加工零件工序图应满足下列要求：(a)表示出工件的形状和尺寸，可据以检查出工件装入夹具以及刀具通过的可能性；(b)表示工件的基准面和夹压点，可据以设计夹具和检查夹具支承板，定位销及夹压部位设计的正确性；(c)注出被加工零件的加工余量，被加工零件的材料、硬度和重量等。(d)表示被加工表面位置尺寸及各种精度要求，这是设计验收机床的依据之一。(2)本道工序的加工内容钻气门挺杆孔2×Ф16G7，深为41mm。倒角为2×45°μm，各孔垂直度要求为。其加工部位见图2-1：（a）俯视图（b）左视图图2-1加工部位示意图加工示意图是表示刀具主轴箱、工件夹具的联系尺寸图它应满足以下的要求：(1)表示出主轴箱上主轴端部和刀具的联系尺寸以及刀具、工件夹具和拖架的联系尺寸；(2)表示出刀具的形状及其主要的尺寸、切削用量和加工余量；(3)表示被加工的材料和硬度；(4)表示出刀具上的钻模板套的位置和钻套直径；(5)表示出动力头的行程及其工作循环。刀具的选择根据工艺要求及加工精度不同，组合机床采用的刀具有一般简单刀具（标准刀具）、复合刀具及特种刀具。选择刀具时应考虑工件材质、排屑及生产率等要求，只要条件允许，应尽量选用标准刀具。孔加工刀具（钻、扩等）的直径应与加工部位尺寸、精度相适应，其长度应保证加工终了时刀具螺旋槽尾端离导向套外端面30～50mm，以利排屑和刀具磨损有一定的向前调整量。刀具锥柄插入接杆孔内长度，在绘制加工示意图时应注意从刀具总长中减去。因此，本工序加工2×Ф16mm的孔，倒角2×45°，可选用Ф16的高速钢复合麻花钻头，具体结构可参考加工示意图ZH1130CT02。组合机床切削用量的选择切削用量选择是否合理，对组合机床的加工精度、生产率、刀具耐用度、机床的布局形式及正常工作均有很大影响。组合机床多轴箱上所以的刀具共用一个进给系统。通常为标准动力滑台，即nf1=nf2=……nfi=Vf。其中，n1……nn为各主轴转速（转/分）；f1……fi为各主轴进给量（毫米/转）；Vf为动力滑台每分进给量（毫米/分）。根据文献[2]表2-7和表2-14钻孔的切削用量为硬度HB190～240时，加工孔直径与刀具线速度V、进给量f之间关系如附表2-1及表2-2所示：表2-1用高速钢钻头加工铸铁件的切削用量加工直径d（mm）V(m/min)F(mm/r)12～2210～18钻16孔的切削用量取f=/转，切削速度取v=/分;切削速度取v=9米/分。硬度取HB190。确定切削扭矩、切削功率及刀具耐用度根据选定的切削用量(主要指切削速度及进给量f)，确定进给力，作为选择动力滑台及设计夹具的依据;确定切削转矩，用以确定主轴及其他传动件(齿轮、传动轴)的尺寸;确定切削功率，用作选择主传动电机(一般指动力箱电机)功率;确定刀具耐用度，用以验证所选用量或刀具是否合理。根据文献[6]表6-20组合机床切削用量计算图中推荐的切削力、转矩及功率公式(刀具材料为高速钢，工件材料为灰铸铁)切削力F(N)F=26DfHB（2-1）切削转矩T(Nmm)T=10DfHB（2-2）切削功率P(kw)P=TV/9740D（2-3）刀具耐用度T=(9600D/VfHB)（2-4）式中，F—轴向切削力；V—切削速度；f—进给量；D—加工(或钻头)直径(mm)；HB—布氏硬度。(1)加工孔径ø16时轴向切削力F=26×D×fHB=26×16××190切削转矩T=10DfHB=10×16××190m切削功率P=TV/9740π××π×16=0.253kw刀具耐用度T=(9600D/VfHB)=(9600×16××190)(2)主轴箱加工总的轴向力…主轴箱N(3)主轴箱总切削功率计算…主轴箱=2×P=2×实际切削功率根据文献[6]公式，=(1.5～2.5)Pw，因为是多轴加工，故取定则×导向结构的确定(1)导向的选择组合机床加工孔时，除采用刚性主轴加工方案外，零件上孔的位置精度主要是刀具的导向装置来保证的。因此，正确选择导向结构和确定导向类型、参数、精度是组合机床设计的重要内容，也是绘制加工示意图时必须解决的问题。导向通常分为两类：一类是刀具导向部分与夹具导套之间既有相对转动又有相对滑动的第一类导向，或称为固定式导向。另一类是刀具导向部分与夹具导套之间只有相对移动而无相对转动的第二类导向，或称旋转式导向。依据刀具导向部分直径d和刀具转速n计算出导向的线速度v。第一类导向的允许线速度v<20米/分，第二类导向的允许线速度v>20米/分。一般用于孔径Ф25毫米以上的孔加工，尤以大直径孔应用较多。根据文献[6]表6-20刀具转速公式可得导向的线速度v。（2-6）钻Ф16孔时:导向部分直径d=20+4.5==/分导向部分直径d=16+4.5==/分满足导向线速度<20m/min的条件，所以选择第一类导向。2）导向数量、参数的确定导向数量应根据工件形状、内部结构、刀具刚性、加工精度及具体加工情况决定。通常钻、扩单层壁小孔时选单个导向加工，当在工件铸孔上扩孔时，为加强刀具导向刚性，通常采取双导向加工。导向的主要参数包括：导套的直径及公差配合，导套的长度，导套离工件端面的距离等。如图2-2所示：（a）刀具布置简图（b）固定式导套配合图2-2固定式导套布置及配合根据文献[2]表3-17和表3-18结合本设计得出导套参数如附表2-3：工序导向长度L1(mm)导向至端面的距离L2(mm)速度范围导向装置配合dDD1钻孔4020中、低速G7表2-3固定式导套布置及配合参数初定主轴类型、尺寸、外伸长度和选择接杆（1）主轴类型、尺寸、外伸长度的选