《机械制造装备设计》-第５ 章

５.１概述组合机床是按系列化、标准化设计的通用部件和按被加工零件的形状及加工工艺要求设计的专用部件组成的一种高效专用机床，由万能机床和专用机床发展而来。组合机床是专门用于加工一种工件或另一种工件的特定工序的机床，可同时用许多刀具进行切削。机床的设计既要确保专用机床的高效性，又要具有万能机床的重调性和重组性。５.１.１组合机床的组成及其特点１．组合机床的组成在组合机床中，将机床上带动刀具对工件产生切削运动的部分及床身、立柱、工作台等设计成通用的独立部分，称为通用部件。下一页返回５.１概述根据工件加工的需要，用这些通用部件配以部分专用部件就可组成机床，称为组合机床。当工件改变时，还是用这些通用部件，只将部分专用部件改变，又可组装成加工新工件的机床。组合机床是按工序高度集中原则设计的，即在一台机床上可以同时完成多个同一工序或多种不同工序的加工。我国制造的一整套通用部件，大致可分为如下几部分：动力部分———动力头、动力滑台、动力箱；工件运送部件———回转工作台、移动工作台、回转鼓轮；支承部件———立柱、床身、底座、滑座等；控制系统———液压传动装置、电气柜、操纵台等。上一页下一页返回５.１概述如图５.１所示，单工位双面复合式组合机床由滑台１、镗削头２、夹具３、多轴箱４、动力箱５、立柱６、立柱底座７、中间底座８和侧底座９组成。组合机床通用部件的一般要求如下：１）在较小的外形尺寸条件下能获得较大的进给力和功率，这是实现工序集中的重要条件。２）动力部分的结构必须具有高的刚度，以便采用较大的切削用量。３）动力部分的主运动和进给运动应具有较大的变速范围，以便能充分发挥切削刀具的性能。上一页下一页返回５.１概述４）动力部分是带动刀具实现切削运动（主运动和进给运动）的部件，其进给机构必须保证进给运动的稳定性。５）动力部件应该有较高的空行程速度，一般在６～８ｍ／ｍｉｎ，并保证较高的从快进到工作进给的转换精度，一般在１ｍｍ以内。６）通用部件应该有统一的联系尺寸，以适应不同状态的安装。对通用部件不应盲目地追求高指标，使其结构复杂，不易制造，应针对不同行业的特点，制造出最适用的通用部件，并要注意提高各通用部件间的通用化程度。２．组合机床的特点上一页下一页返回５.１概述组合机床的特点如下：１）由于机床是由７０％～９０％的通用零部件组成的，在需要的时候它可以进行部分或全部的改装，以组成适应新的加工要求的设备，即组合机床具有重组的优越性，其通用零部件可以多次重复使用。２）组合机床是按具体加工对象专门设计的，故可按其最合理的加工工艺过程进行加工。３）在组合机床上可以同时从几个方向采用多把刀具对几个工件进行加工，是实现工序集中的最好途径，也是提高生产率的最好途径。上一页下一页返回５.１概述４）组合机床常常采用多轴对箱体零件一个面上的多个孔或多面上的孔同时进行加工。这样可较好地保证各个孔的位置精度要求，提高产品质量，减少工序间的辅助时间，改善劳动条件，减少机床占地面积。５)由于组合机床的大多数零部件是同类的通用部件，因而减少了机床的维护和修理次数。必要时可更换整个部件，以提高维修速度。６）组合机床的通用部件可由专门工厂集中生产，这样可用专用高效设备进行加工，有利于提高通用部件的性能，降低制造成本。５.１.２组合机床的分类组合机床的通用部件分大型和小型两大类。上一页下一页返回５.１概述大型通用部件是指功率为１.５～３０ｋＷ的动力部件及其配套部件，这类动力部件多为箱体移动的结构形式。小型通用部件是指电机功率为０.１～２.２ｋＷ的动力部件及其配套部件，这类动力部件多为套筒移动的结构形式。用大型通用部件组成的机床称为大型组合机床，用小型通用部件组成的机床称为小型组合机床。组合机床除分为大型和小型外，按配置形式又可分为单工位机床和多工位机床。单工位机床有单面、双面、三面、四面等几种，多工位机床有移动工作台式、回转工作台式、中央立柱式、回转鼓轮式等配置形式。１．基本配置形式上一页下一页返回５.１概述（１）单工位组合机床单工位组合机床通常用于加工一个或两个工件，特别适用于大中型工件的加工。根据配置动力部件的数量，这类机床可以从单面或从几个面对工件进行加工。１）卧式单面组合机床。图５.２所示为卧式单面组合机床。２）立式单工位组合机床。图５.３所示为加工拖拉机气缸盖孔的立式单工位组合机床。３）卧式双面组合机床。图５.４所示为同时对工件两面进行加工的卧式双面镗孔车端面组合机床，用于对转向节球形支承进行精镗孔和车端面。上一页下一页返回５.１概述４）复合式双面组合机床。图５.５所示为加工气缸体顶面和侧面的复合式双面组合机床。５）卧式三面组合机床。图５.６所示为从三面加工拖拉机变速箱的卧式三面组合机床。６）复合式三面组合机床。图５.７所示为对拖拉机后桥壳顶面及左右两侧面同时钻螺纹底孔的复合式三面组合机床。７）卧式四面组合机床。这种机床主要用于某些需要从四面同时加工以便保证加工精度的工件，例如差速器壳总体、传动箱等工件。图５.８所示为四面加工小型拖拉机主变速箱体的组合机床。８）复合式四面组合机床。图５.９所示为对工件从四面加工的复合式组合机床，后动力头是在立式机床“跨式”立柱下工作的。上一页下一页返回５.１概述（２）多工位组合机床很多组合机床是按工件能否变位来配置的，工件的变位有手动和机动两种方式。这种机床有下列几种形式：１）固定式多工位夹具组合机床。这类机床工件的变位是手动进行的，可分为下列几种配置形式：①单面双工位组合机床。图５.１０所示为单面双工位组合机床，它用换装方法同时加工两个工件不同面上的孔。②双面双工位组合机床。图５.１１所示为用换装方法同时从两面对两个工件进行加工的双面双工位组合机床。③卧式三面双工位组合机床。上一页下一页返回５.１概述图５.１２所示为用换装方法同时从三面加工两个拖拉机后桥变速箱的卧式三面双工位组合机床。④复合式四面双工位组合机床。图５.１３所示为用换装方法同时加工工件的四个面，以提高机床工序集中程度的复合式四面双工位组合机床。２）移动工作台组合机床。这类机床可分为下列几种配置形式：①卧式单面双工位移动工作台组合机床，如图５.１４所示，这种机床通常用于安装一个工件后在两个工位上完成不同工序的加工。②立式单面双工位移动工作台组合机床。上一页下一页返回５.１概述图５.１５所示为立式单面双工位移动工作台组合机床的配置方案，这种机床通常用于安装一个工件后在两个工位上完成不同工序的加工。图５.１６所示为用两个动力头组成的立式三工位移动工作台组合机床，用于粗或精加工气缸体的缸孔和止口。③卧式双面双工位移动工作台组合机床，如图５.１７所示，这种机床用于从两面对工件进行多工序加工，具有较高的工序集中程度，从配置上划分也包括集中和分散两种。④复合式双工位移动工作台组合机床。图５.１８所示为按分散配置原则组成的复合式双工位移动工作台组合机床，这种机床用于从顶面及两侧面对工件进行加工。上一页下一页返回５.１概述（３）回转工作台组合机床１）卧式单面回转工作台组合机床。这类机床的特点是没有专门的装卸工位，使机床的辅助时间和机动时间相重合，减轻了工人装卸工件的紧张程度，提高了机床的生产率，如图５.１９所示。２）立式回转工作台组合机床。这类机床适用于从一个方向对工件进行多工序加工，在采用两次安装的情况下，也可以同时加工完成工件两个面上的工序，如图５.２０所示。３）卧式多面回转工作台组合机床。这类大型卧式多工位回转工作台组合机床主要适用于从多面加工的零件。上一页下一页返回５.１概述这种机床工艺可能性较小，布局较大，占地面积很大，所以一般不采用。图５.２１（ａ）所示为卧式三面四工位组合机床，图５.２１（ｂ）所示为卧式四面六工位组合机床，图５.２１（ｃ）所示为卧式五面六工位组合机床，用于对１６种阀盖小端孔及填料孔进行钻、铰和攻螺纹。图５.２１（ｄ）采用换装的方法。加工工件两个面上的工序，即将在第一个工位上加工好的工件换装在第二个工位上，而在第一个工位上装上新的毛坯。这样既可以增大机床的工艺可能性，还可将粗、精加工分别在不同的工位上进行，有利于保证加工精度。４）复合式多工位回转工作台组合机床。上一页下一页返回５.１概述这种机床能同时完成两个方向工件的加工，其工艺可能性较大，使用范围较广，如图５.２２所示。２．组合机床的工艺范围及加工精度（１）组合机床的工艺范围随着组合机床在机械加工中的广泛应用，其工艺范围也日益扩大。过去组合机床主要用于钻孔、铰孔、镗孔及攻丝，现在组合机床也常用于精密镗孔、铣面、车削、磨削、拉削及滚压等工序。组合机床从完成工艺方面可分为组合铣床、组合钻床、组合镗床、镗孔车端面组合机床及组合攻丝机床等。１）平面铣削。上一页下一页返回５.１概述目前，为了在大批量生产中提高平面的加工效率，在加工中普遍采用组合铣床。这种铣床由通用铣头和动力滑台等部件组成。图５.２３所示为加工铸铁齿轮箱平面的三面组合铣床，加工时铣头不做进给运动，进给运动由动力滑台带动工件实现。也可以采用工件不动，铣头做进给运动的方式实现平面的铣削，如图５.２４所示。显然，后一种加工方法的可靠性差，也不经济，这是因为立式铣头的悬臂大，加工时易引起振动。在组合机床上有时采用普通的钻削动力头，再装上专门的铣削主轴箱来加工平面，多用于铣削平面与其他孔加工工序同时进行的情况，但其结构刚性差，只适用于负荷较轻及精度较低的铣削工序。上一页下一页返回５.１概述２）钻孔。钻孔包括一般钻孔和钻深孔两种情况。钻深孔时为了防止切屑阻塞而引起钻头折断，需采用分级进给的方法，即加工过程中钻头定期退出以排除切屑。钻直径较小深孔时的常见问题有：①切屑排除困难。由于阻塞使扭矩增大，造成钻头折断。②刀具冷却困难。由于孔径较小，切屑不易进入加工空间，钻头发热严重，降低了钻头的使用寿命。③钻头轴线容易歪斜。由于钻头细长，其强度和刚度很弱，特别是钻头刃磨不对称时，钻孔容易偏斜。上一页下一页返回５.１概述组合钻床采用分级进给加工深孔时，每次钻削的深度参照表５.１进行选择。若加工的孔为通孔，则可采用两面钻孔的方法。改善深孔加工条件的措施有如下几项：①为排屑方便，小径深孔应采用卧式机床加工。孔径较大时，加工可不用分级进给。②利用刀具结构形式对排屑的影响。如增大钻孔螺旋槽角度，可使排屑方便。③孔径较大时，可采用“中空”钻头，加工时冷却液通过钻头进入加工空间，即可达到冷却的目的，且有利于排屑。上一页下一页返回５.１概述④精度很高的工件，如曲轴，应采用浸入式加工，即把工件浸在冷却液中加工。⑤钻头轴线的对中性主要取决于切削刃的对称性及钻头的导向条件，故提高钻头切削刃的对称性及采用较长的导向件、缩小导向件距工件的距离是提高孔直线度的主要措施。３）扩孔。在组合机床上可以扩圆柱孔、锥孔、锪窝、锪平台及扩成形面等。在薄壁件上扩孔多采用悬臂加工。当位置精度要求较高或扩孔前的底孔质量较差及条件限制导向不能靠近工件时，应采用前后导向进行扩孔。上一页下一页返回５.１概述４）铰孔。在组合机床上可铰圆柱孔、阶梯孔及锥孔，铰孔直径多在ϕ４０ｍｍ以下。为提高孔的位置精度，须严格控制铰刀导向部分和导套的径向间隙，而且使导向部分接近工件，当导向较长时，可采用铰刀与主轴浮动连接，还可以采用前后双导向的方法。５）镗孔。当被加工孔径大于ϕ４０ｍｍ时，组合机床多采用镗削的方法加工，有时小孔径的孔也采用镗削。组合机床镗孔采用导向加工和不导向的刚性加工两种方式。大径深孔（如气缸的缸孔）多用刚性主轴加工，一些中等孔径的光孔或阶梯孔一般采用导向加工。上一页下一页返回５.１概述６）螺纹加工。组合机床可以加工紧固螺纹孔、锥螺纹、外螺纹及大直径螺纹。在铸件上螺纹孔加工精度为５Ｈ～６Ｈ。（２）加工精度一般组合铣床加工平面的平面度为（０.０４～０.１０）／（５００～８００），表面粗糙度Ｒａ为３.２～６.３μｍ。为达到上述精度，必须选择合适的切削用量。精铣时每次进给量要小，一般在０.０５～０.２０ｍｍ，铣削速度应该高一些，对铸铁零件来说，一般在８０～１３０ｍ／ｍｉｎ。上一页下一页返回５.１概述组合机床上钻孔工序大多是扩铰工序前加工底孔及加工螺纹底孔；在铸铁上钻孔精度一般可达ＩＴ１０～ＩＴ１１级，表面粗糙度Ｒａ为１２.５μｍ，位置精度为０.２ｍｍ；钻孔孔径及位置精度主要取决于导向精度及刃磨情况。为此要减小导向孔和钻头间的间隙，严格控制钻头的摆动，使导向装置靠向工件及要求主轴与导向孔之间的同轴度。扩孔是精铰或精镗前的粗加工工序，因扩孔钻有导向刃带，故加工精度比钻削高。在铸铁上扩孔，孔的精度可达ＩＴ９～ＩＴ１０级，表面粗糙度可达Ｒａ３.２μｍ，位置精度达到０.１ｍｍ。加工铸铁时，在铰刀设计制造合理，冷却润滑良好的情况下，表面粗糙度可达到Ｒａ１.６μｍ，但铰钢件时粗糙度一般为Ｒａ３.２μｍ，孔的位置精度一般为０.０３～０.０５ｍｍ。上一页下一页返回５.１概述组合机床上镗孔可达ＩＴ７～ＩＴ６级精度，表面粗糙度为Ｒａ０.８～３.２μｍ；加工有色金属表面粗糙度为Ｒａ１.６～３.２μｍ，位置精度为０.０２５～０.０５０ｍｍ，用一根镗杆镗削同轴孔时，同轴度保证在ϕ０.０１５～０.０２０ｍｍ，若用两根镗杆两边加工时，孔的同轴度可达到ϕ（０.０３～０.０５）ｍｍ。组合机床的加工精度与其配置形式有关，不同的配置形式，其加工精度不同，具体情况如下：１）固定式夹具组合机床的加工精度。这类夹具的加工精度最高。上一页下一页返回５.１概述对精加工的夹具，其公差一般取被加工零件公差的１／３。使用这类夹具的机床加工时能达到的精度如下。①钻孔位置精度。采用固定导向时，其位置精度一般能达到０.２ｍｍ；采用活动钻模板时，其位置精度为０.２０～０.２５ｍｍ。②镗、铰孔位置精度。采用固定精度导向时，孔间距离及孔的轴线与基面的位置精度可达０.０２５～０.０５０ｍｍ。③镗孔的同轴度与孔轴线间的平行度。上一页下一页返回５.１概述当只有一面镗孔时，镗杆采用前后或多层精密导向，同轴度可达ϕ０.０１５～ϕ０.０３０ｍｍ；若两面镗孔且是单轴，便于调整主轴位置精度时，同轴度为０.０１５～０.０３０ｍｍ；两面多轴加工时，孔的同轴度一般为０.０５ｍｍ。孔轴线的平行度保持在轴线间距离公差范围内，可达（０.０２～０.０５）／（８００～１０００）。２）带移动式夹具组合机床的加工精度。在多工位机床上，由于回转工作台或回转鼓轮转位时有误差，因而影响加工精度。立式多工位机床的夹具固定于同一工作台面上，用一个活动钻模板，加工时与夹具定位，其工作台的转位误差会增大主轴相对导向的轴心偏移和相邻工位加工孔的误差。上一页下一页返回５.１概述鼓轮机床经常是导向套设在两侧支架上，由于鼓轮分度误差、轴承振动、各工位夹具与支架上导向不同心等原因，加工精度较低。①钻孔位置精度。在立式多工位机床上，采用统一活动钻模板，钻孔位置精度可达到ϕ０.０５ｍｍ；在鼓轮机床上，当导向设在支架上时，钻孔位置精度可达ϕ０.２５ｍｍ。②精加工孔的位置精度。当在一个工位进行孔的加工时，其位置精度可达到ϕ０.０５ｍｍ。在不同工位上分别进行孔加工时，立式回转工作台的位置精度可达到ϕ０.１ｍｍ；回转鼓轮机床的位置精度只能达到ϕ０.１ｍｍ以上。上一页下一页返回５.１概述在立式多工位机床上，为了达到更高的加工精度，通常在精加工工位上采用独立的钻模板，并和夹具很好的定位，有条件时可利用工件前道工序精加工的孔定位，则更有利。在鼓轮机床上使用导向设计能在鼓轮夹具上也获得较高的精度，或按照分散配置形式设计鼓轮机床，在每个工位上则采用各自的小动力头，带导向或不带导向按刚性主轴进行加工，这样可分别精确调整各动力头的位置，从而达到较高的精度。上一页返回５.２组合机床总体设计５.２.１组合机床的设计步骤１．制定工艺方案分析被加工零件的图纸，根据组合机床各种工艺方法能达到的加工精度和技术要求，解决零件是否可以利用组合机床加工以及采用组合机床加工是否合理等问题。综合考虑影响制定零件工艺方案、机床配置形式和工艺装备的各种因素。确定零件在组合机床上合理可行的加工方法（安排工序及流程，选择加工的定位基准及夹压方案），确定工序间的加工余量，确定刀具的结构型式、数量及切削用量等。（１）选择合适、可靠的工艺方法下一页返回５.２组合机床总体设计１）考虑被加工零件的加工精度和加工工序。①精度为Ｈ７的孔加工，工步数应设为３～４个，对于不同尺寸的孔径须采用不同的工艺方法（如镗孔或铰孔）。②当孔与孔间有较高的位置精度要求（误差≤０.０５ｍｍ）时，应在一个安装工位对所有孔同时进行最终精加工。③如果箱体件的同一轴线上几个孔的同轴度要求较高（同轴度误差≤０.０５ｍｍ），则最后精加工应从一面进行。④加工精度为Ｈ６、表面粗糙度为Ｒａ０.４μｍ的孔时，机床须采取主轴高速、低进给量（ｆ≤０.０１ｍｍ／ｒ）的加工方法，以尽量减小切削力和消除主轴振动。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计机床常采用皮带转动的精镗头，且主轴设有卸载装置，进给采用液压增稳系统。⑤加工精度为Ｈ６～Ｈ７、直径为ϕ８０～ϕ１５０ｍｍ的气缸孔时，由于气缸孔间距小，不便安装导向，且需进行立式加工，切屑容易落入下导向套，造成导向精度变差。此时，应采用立式刚性主轴结构，不宜采用结构复杂的浮动主轴带导向加工。２）考虑被加工零件的材料、硬度、加工部位的结构和形状、零件刚性及定位基准面。①同样精度的孔，加工钢件一般比加工铸铁件的工步数多。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计②加工薄壁易振动或刚性不足的工件，其工序安排不能过于集中，以免因为加工表面多而造成工件受力大、共振及发热变形影响其加工精度。③加工箱体多层壁同轴线的等直径孔，应在一根镗杆上安装多个镗刀进行镗削，退刀时，要求工件（夹具）“让刀”，镗刀头周向定位。３）考虑被加工零件的生产批量及生产效率。零件生产批量是决定按单工位、多工位、自动线，还是按中小批量生产特点设计组合机床的重要因素。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计①零件的生产批量越大，工序安排一般越趋于分散，且粗、半精、精加工分别在不同的机床上完成。②中小批量生产则力求减少机床台数，尽量将工序集中在一台（多工位）或少数几台机床上加工。４）考虑组合机床的工艺范围所能达到的加工精度。组合机床加工铸铁或钢件的主要工序能达到的精度和表面粗糙度可查阅设计手册。（２）合理安排粗、精加工首先分析零件的生产批量、加工精度和技术要求，再合理安排粗、精加工工序。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计１）零件批量大或加工精度要求较高时，粗、精加工工序应分开。①工件能得到较好的冷却，有利于减少热变形和内应变的影响。②避免粗加工振动对加工精度、表面粗糙度的影响。③利于精加工机床保持持久稳定的精度。④机床结构简单，便于维修、调整。２）零件批量不大，如能保证加工质量，粗、精加工可集中。零件的粗、精加工集中在一台机床上，可减少机床台数，提高其负荷效率，但最大切除余量和最后精加工工序应分开。（３）合理实施工序集中上一页下一页返回５.２组合机床总体设计工序集中是指运用多种刀具，采用多面、多工位和复合刀具的方法，在一台机床上对一个或几个零件完成多个工序过程，以提高其生产率。１）注意工序集中带来的如下问题：①工序集中可导致机床结构复杂、刀具数量增加、调整不方便、可靠性降低，影响生产率的提高。②工序集中可导致切削负荷加大，造成工件刚性不足、工件变形而影响加工精度。２）合理考虑工序集中。①将相同工艺内容的工序集中在同一台机床或同一工位上加工。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计②加工箱体零件上有相互位置精度要求的孔时，孔加工应集中在一台机床上一次安装并完成加工（粗、精加工）。③工序集中要保证零件能在较大的切削力、夹紧力作用下不变形，即在提高生产率的同时保证加工精度。④大量的钻、粗镗工序应分开。钻孔、镗孔直径相差很大，会使主轴转速相差较大，导致多轴箱传动链复杂；钻孔产生很大的轴向力，会使工件变形而影响镗孔精度；粗镗孔振动较大，会影响钻孔加工，易造成小钻头折断。⑤铰孔、镗孔工序应分开。铰孔是低速大进给量切削，镗孔是高速小进给量切削。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计这两种工序如不分开，会影响切削用量的合理选择和多轴箱传动结构的简化。⑥工序集中应考虑多轴箱轴承结构、设置导向需要，否则会造成机床、刀具调整不便，工作性能、生产率降低。（４）合理选择定位基准及夹压点合理的加工定位基准是确保加工精度的重要条件，有利于最大限度地集中工序和提高生产率。１）箱体类零件定位基准的选择。箱体类零件是机械加工工序较多且精度要求高的零件。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计特别是这类零件上有较多高精度的孔需要加工，其通常采用“一面两孔”作定位基准，如图５.２５所示。①“一面两孔”定位基准的优点。其优点是可消除工件的６个自由度，使工件得到可靠的定位；“一面两孔”可同时加工工件的５个表面，有利于提高各面上孔的位置精度；“一面两孔”可作为粗、精全部工序的定位基准，达到整个工艺过程的基准统一，并实现夹具通用化；“一面两孔”易实现自动化定位、夹紧。②“一面两孔”定位基准的要求。定位平面的平面度允差一般为０.０５～０.０８ｍｍ，表面粗糙度一般为Ｒａ１.６～３.２μｍ。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计定位销孔为Ｈ７精度，两销孔中心距Ｌ尽量大一些，其公差为±（０.０３～０.０６）ｍｍ（或为工件公差的１／３～１／５）。不可选择零件上直径太小的孔作为定位销孔。如果定位销孔太细，输送工件时，易受工件碰撞变形而破坏其定位。销孔的直径可根据箱体的大小及质量来选择。２）非箱体类零件定位基准的选择。①对于曲轴、连杆、转向器壳、拨叉等零件，采用外圆柱体作为定位基准，Ｖ形块作为定位元件。Ｖ形块夹角取９０°～１２０°，如图５.２６所示。②对于法兰类零件，采用一个孔（或外圆）及一个平面作为定位基准，如图５.２７所示。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计３）定位基准的选择原则。①基准重合原则。即尽量选择零件的设计基准作为组合机床加工的定位基准。但有时必须改用其他面作为定位基准，零件设计以顶面Ａ为设计基准。为方便加工曲轴孔、凸轮轴孔需安装中间导向时，常改用底面Ｃ作为加工基准，如图５.２８所示。②基准统一原则。即尽量在各加工机床上采取共同的定位基准来加工零件不同表面的孔或对同一孔完成不同的工序。但有时个别工序不采用统一基准也为合理。例如：在图５.２９～

图５.３１所示的三种方案中，图５.３０所示的定位基准由底面改为顶面后，夹紧力方向与工件重力方向一致，而且钻头对工件还有向下的压力，从而减小了夹压力，使夹具结构简单，提高了加工稳定性。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计③定位稳定原则。即尽量选择已加工的较大平面作为定位基准，且定位基准不可选在铸件或锻件的分型面。④辅助支承。辅助支承是为不具备理想定位基准的零件而专门设置的支承，以防止工件加工时变形和振动，增加定位稳定性，以承受较大的切削力。４）确定夹压位置时应注意的问题包括以下几方面：①保证零件夹压后定位稳定，即夹压力要足够，夹压点的布置应使夹压合力落在定位平面内。②尽量减少和避免零件夹压后的变形。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计加工刚性差或高度较高的箱体零件时，应使夹压力尽可能沿着箱体墙壁和肋板，并直接对准定位支承。对局部刚性差的零件，应适当增加辅助支承或采用多点夹压方法，使夹压力分布均匀，减少夹压变形。２．确定组合机床的配置形式和结构方案在确定工艺方案的基础上确定机床的配置形式。影响机床配置形式的因素有加工精度、工件结构及机床使用条件等。（１）加工精度的影响１）根据零件的加工精度，考虑采用固定夹具的单工位还是移动夹具的多工位组合机床。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计２）根据工件各孔的位置精度高低，考虑采用在同一工位上（即一次安装）对工件上的各孔同时进行精加工的方法。（２）工件结构的影响工件结构的影响是指工作的形状、大小和加工部位特点等的影响。１）外形尺寸和重量较大的工件一般应采用固定夹具的单工位组合机床。２）多工序的中小型零件一般应采用移动夹具的多工位组合机床。３）箱体孔中心线与水平定位基面平行，且需由一面或几面加工的零件，应采用卧式组合机床。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计４）工件孔深且直径大，且孔中心线与水平定位基面垂直的零件，应采用立式组合机床。（３）机床使用条件的影响１）车间内零件输送线的高度直接影响机床的装料高度。当工件输送穿过机床时，机床应设计成通过式，且配置不能超过三面。２）生产线的工艺流程方向及机床在车间的安装位置都会影响机床的配置方案。３）加工厂缺乏制造、刃磨复合刀具的能力，制定方案时应避免采用复合刀具，并考虑增加机床工位以及采用普通刀具进行分散加工。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计４）地区炎热会影响液压油的性能，在这种情况下使用液压传动滑台可能会造成机床进给运动不够稳定，应考虑采用机械传动的滑台进给机床。５.２.２确定切削用量及选择刀具１．确定切削用量（１）钻、扩、铰切削用量（见表５.２）钻孔的切削用量还与钻孔深度有关。当加工铸铁孔深为孔径的３～６倍时，在组合机床上采用一次走刀完成，但切削用量要小一些，如表５.３所示。降低切削用量的目的是减少轴向切削力，避免钻头折断。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计钻孔深度较大时，由于冷却较差，使刀具寿命降低，降低切削速度主要是为了提高刀具寿命。若孔深与孔径比较大，则其每转进给量与每次吃刀量都很小，如切削速度较低则生产率很低，此时应提高切削速度。加工孔深与孔径的比为１０倍左右的小孔铸铁时，在组合机床上应采用分级进给的方法，通常是用单独的工位或专门的机床加工。选择切削用量时不能全部随孔深增加而减小，有时反而要适当地提高切削用量，如竖直或倾斜钻孔时，适当提高切削速度和切削用量有助于向上方排屑。高速钢扩孔的切削用量，如表５.４所示。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计对钢件铰孔要获得较低的表面粗糙度，除了铰刀需保证合理的几何形状及充分冷却的条件外，最重要的是要合理选择切削用量。一般切削速度较低，进给量较大，如表５.５所示。（２）镗孔切削用量（见表５.６）镗孔切削用量的值与加工精度有很大关系。当精镗孔的精度为ＩＴ７、孔径为６０～１００ｍｍ时，孔径公差为０.０３～０.０３５ｍｍ；当孔的精度为ＩＴ６，孔径公差为０.０１９～０.０２２ｍｍ时，在刀具质量不高，且切削速度较高时，镗刀容易磨钝，导致孔径超差，从而必须经常刃磨刀具、调刀，因此效率较低。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计（３）铣削用量铣削用量与加工精度和生产效率紧密联系。如果要保证高的加工精度和生产效率，铣削速度应该设置得高一些，但每齿进给量就要小一些，如表５.７～表５.９所示。（４）攻螺纹切削用量攻螺纹切削用量如表５.１０所示。２．刀具的选择（１）组合机床刀具的特点１）耐用度和可靠性要求较高，方便装卸和调整。２）复合程度要求高。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计３）导向良好。４）通用性强。（２）常用刀具在组合机床上的使用１）组合机床常用钻头。①钻头。常选用标准的高速钢锥柄或直柄麻花钻，由于其加工孔的位置精度只有ϕ０.２ｍｍ左右，所以为了提高经济效益，除了导向套到工件距离及导向套长度要适当外，还应减小钻头与导向套的间隙以及倒锥度。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计根据工件材料的性质，如在铸铁上钻较浅的孔时，为了提高钻头刚度，可采用硬质合金锥柄或直柄麻花钻，选择比高速钢钻头高的切削速度及较低的背吃刀量；如在钢件上钻孔，常采用内冷却麻花钻，其能将切削液通向切削区，提高冷却润滑效果，从而有利于切屑排出和提高钻头耐用度。可采用扭制式或采用在钻背上铣槽嵌焊铜管式，但是后者强度和刚度较差，切削用量大的时候可能产生振动，甚至折断钻头。此外，组合机床也可采用专用高速钢麻花钻，但是尽量不采用特别细的麻花钻，因其制造和热处理均比较困难。组合机床上常采用扁钻钻孔，虽然其前角小、不易排屑，但其刚性好、轴向尺寸小，所以一般复合加工时常用扁钻。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计对于大直径扁钻，常采用装配式，主要依靠其两侧面和后面的沟槽与刀杆配合，并用螺钉紧固。扁钻的材料也可是高速钢或硬质合金。②深孔钻和套料钻常用于深径比很大的孔。２）组合机床常用扩孔钻。组合机床在铸件上扩孔，表面粗糙度能够达到Ｒａ６.３μｍ，最高可达Ｒａ３.２μｍ。①在铸铁上扩孔（见表５.１１），如果孔的直径小于等于１５ｍｍ，则扩孔钻一般选用高速钢四齿；如果孔的余量大且较深，则为了加大容屑量，可选用高速钢三齿。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计对于大直径孔（Ｄ＞６０ｍｍ），一般选择硬质合金锥柄或套装扩孔钻，常常做成装齿扩孔钻。②钢件上扩孔。由于硬质合金扩孔钻加工钢件仍存在诸多问题，故目前主要还是使用高速钢扩孔钻来加工钢件。在钢件上扩孔，切削力较大，必须加强刀刃，所以通常在扩孔钻上磨出过渡刃，甚至如果钢件的强度较高，还要在主切削刃上磨出负倒棱。３）组合机床常用铰刀。在组合机床上常常采用铰刀进行孔的精加工，铰刀骑在铸铁和铝件上均能加工出尺寸精度为ＩＴ７、粗糙度为Ｒａ１.６～０.８μｍ的孔。但是在组合机床上使用的铰刀大多为专门设计制造的专用铰刀。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计①铸铁上的铰孔加工。对于铸铁类的脆性零件，多采用硬质合金铰刀，刀齿材质通常为ＹＧ类合金，刀体则为４０Ｃｒ（淬硬至ＨＲＣ３５～４０）；如铰刀有导向部分时，刀体为９ＳｉＣｒ，并且淬硬至ＨＲＣ５９～６２。这种加工铸铁的硬质合金铰刀的主要几何参数为：ａ．齿数：加工铸铁的硬质合金铰刀，刀齿齿数应满足相邻刀齿在圆周上的距离不超过１０ｍｍ。具体如表５.１２所示。ｂ．铰刀切削部分的角度：主偏角通常为５°，后角取８°～１２°，前角取０°，即铰刀前面沿半径方向分布。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计ｃ．铰刀的校准部分一般取１０ｍｍ长，刃带宽度随直径不同取值为０.１～０.３ｍｍ，其宽度如表５.１３所示。②钢或铝上的铰孔加工。对于钢类韧性材料的铰刀，其材质一般为高速钢，也可以是硬质合金。如果是硬质合金，一般采用ＹＴ类合金。但是当加工韧性、塑性、机械强度及耐热性较高的钢种时，如加工低碳镍铬合金，则应采用ＹＷ类和ＹＧ类合金。加工钢件铰刀的主偏角通常为１５°，有时取４５°，为使切削部分与校准部分过渡平滑并有一定的挤压作用，以提高表面粗糙度，可磨出１.０～１.５ｍｍ、偏角为１°～２°的过渡刃，前角增大到５°～１０°。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计加工铝件也可选用硬质合金铰刀，通常选用ＹＧ类合金。铰刀校准部分的前角可达１０°，后角可达１５°。４）组合机床常用镗刀。在组合机床上，粗镗、半精镗和精镗是常用的工艺方法，精镗可达到尺寸精度ＩＴ７，表面粗糙度为Ｒａ３.２μｍ。组合机床上的镗孔分为两类。第一类为刚性主轴镗孔，此类镗孔的镗杆与主轴刚性连接，一般不用导向，设计时只需选取恰当的镗杆和镗刀尺寸以及几何参数即可。第二类是有导向的镗孔，其镗杆与主轴经各级浮动卡头浮动连接，具体分为单导向悬臂镗孔、前后双导向镗孔和多导向镗孔三种。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计由于镗孔的速度较高，故这三种镗孔的导向结构通常做成第二类导向，即做成镗杆与夹具导套只有相对移动无相对转动的导向。单导向悬臂镗孔的导向分为外滚式和内滚式；前后双导向镗孔一般前导向为外滚式，后导向为内滚式；多导向镗孔一般均为外滚式导向。①镗刀在镗杆上的安装。镗刀在镗杆上一般倾斜一个角度，以便镗刀刀尖稍高于孔中心，还能增大镗刀的支撑面，对于镗小直径孔很有利。对于中等直径的孔，组合机床上的镗刀一般高出中心的尺寸约为被加工孔径的１／２０，即镗刀前、后角在垂直于镗杆轴心线的截面内变化为５°～６°。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计镗刀也不宜悬伸太长，以免造成刚性不足。镗刀直径Ｄ、镗杆直径ｄ、镗刀截面Ｂ×Ｂ之间的关系通常为（Ｄ－ｄ）／２＝（１.０～１.５Ｂ），如表５.１４所示。表５.１４中所列镗杆直径范围在加工小孔时取大值；在加工大径孔时，如果导向良好，切削负荷轻可取小值，一般取中值，如果导向差，负荷重，则取大值。如果孔直径Ｄ大于１００ｍｍ，镗杆直径不必太大。为避免镗刀悬伸太长，可采用刀夹，刀夹与镗杆的配合在宽度上为Ｄ／ｄ，用小于８°的楔紧固。刀夹、镗杆与楔研配，以保证其配合良好，以后换刀时不再拆卸。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计镗刀在镗杆上一般采用螺钉压紧，为方便调整，在镗刀后面设有调节螺钉，为加大压紧力及避免扭坏，采用内四方螺钉。②镗刀可做成方截面或圆截面。方截面的镗刀弯曲刚性较好，制造也简单，但上面的方孔制造较复杂；而圆截面镗刀正好相反，孔制造简单，刀杆的刚性及热处理工艺较好。精镗铸铁时，镗刀参数如表５.１５所示。当镗孔系统刚度不够时，应该增大镗刀主偏角，减小刀尖圆角半径，以减小径向力。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计多导向镗孔时，镗刀需要通过夹具导向套中的槽，故需要保证镗刀与槽之间的相互位置，不仅在主轴箱上采用主轴定位机构，还要在镗杆上采用加工螺旋导引及长槽，并在夹具导套上安装相应的键。为了使夹具导向套上的键能顺利进入镗杆上的长槽，螺旋导引的螺旋角不能太大，一般为４５°，同时其应该在镗杆不回转时进入导套。设计的时候注意只有当键进入镗杆上长槽的完整部分之后，镗刀才能进入导向套的槽，以免损坏镗刀和导向套。③镗孔导向系统的结构设计。镗孔导向系统的结构影响孔的精度和表面粗糙度。一般悬臂镗孔导向长度与导向直径之比应为２～３。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计如果是双导向或多导向，这个比例可相应小一点，但开始加工时该比例不能小于１；此外，镗杆导向套内的两轴承距离的选取也会对孔的精度和表面粗糙度产生很大影响。④镗孔导向系统的精度设计。根据孔的精度要求及导向系统精度对镗孔精度的影响确定导向系统的精度。双导向镗孔导向系统的精度不仅对加工孔和轴承尺寸及形状精度、位置精度和装配精度有要求，还对镗杆的前导向和后导向以及两轴颈相互间的跳动都有严格的要求，以保证两导向有较高的同轴度。对于多导向精镗，一般镗杆直径公差是椭圆度、锥度允许误差的１／４，整个镗杆的垂直度根据工件孔的同轴度要求减去ϕ０.０１０～ϕ０.０１５ｍｍ。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计５）组合机床攻螺纹一般用丝锥、攻丝卡头和攻丝靠模。①加工铸铁件的丝锥，一般选择标准丝锥，通常选用其中的加工不通孔的丝锥，在组合机床上攻较小的螺纹（Ｍ１６以下）都是一次攻出，故选用单锥。常用的冷却液为煤油或煤油和机油的混合液。②加工钢件的丝锥。在组合机床上攻钢件的螺纹，常常会出现丝锥崩刃、折断现象。其中以丝锥折断危害最为严重，其实质是丝锥的强度不足及丝锥承受的力太大。目前，机用丝锥攻公制螺纹时的切削扭矩如下式：上一页下一页返回５.２组合机床总体设计６）组合机床常用端铣刀和圆柱铣刀铣平面，也可采用立铣刀或其他铣刀，如切口铣刀切槽。由于大直径端铣刀制造困难，因而尽量选择标准铣刀。（３）常用复合刀具在组合机床上广泛采用各种复合刀具，它能同时或按先后顺序完成两个或两个以上工序(或工步)。它不仅能够减少机动和辅助试件，而且能够减少工件的装夹次数，提高加工表面间的位置精度。此外采用复合刀具可使工序集中，减少机床的工位数或台数，节约投资。复合刀具从结构上分为整体式和装配式两种，从工艺上分为同工艺的复合刀具和不同工艺的复合刀具。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计１）同工艺的复合刀具。①复合扩孔钻。在组合机床上，复合扩孔钻采用最多，结构形式也较多，它可以扩一层壁上的两阶或三阶孔。其直径不大时，可以做成高速钢或硬质合金整体锥柄的形式。②复合铰刀。在组合机床上常用复合铰刀来铰阶梯孔或对孔进行粗、精铰。小直径的复合铰刀一般为整体式的，直径差较大的复合铰刀常做成装配式的，大直径的复合铰刀可用刀杆将套装铰刀串联在一起或者做成装齿式的。③复合镗刀。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计它在组合机床上应用很普遍，主要分为两种：一种是长镗杆上安装几把镗刀加工两层或两层以上的同轴孔；另一种是在刚性主轴前的镗杆上安装几把镗刀镗同轴孔或阶梯孔。④复合铣刀。在组合机床上常在铣刀刀杆上对装两把铣刀（一把左切，另一把右切）同时铣工件的两侧面，有时也可在铣刀杆上装多把铣刀铣工件多层壁的侧面或多个工件侧面。２）不同工艺的复合刀具。①钻—扩复合刀具，使用较多，通常加工阶梯孔或对孔进行钻—扩加工，设计时要注意为使钻出的大量切屑能够顺利排出，最好钻头部分的长度大于工件壁厚，并将钻槽与扩孔钻槽铣通。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计②钻—铰复合刀具，主要用来加工直径不大的孔，一般设计成高速钢材质的。钻铰复合刀具的钻头部分应适当加长以利于排屑。③钻—镗复合刀具，其在铸铁上加工不大的孔时，精度可达ＩＴ７级，表面粗糙度可达Ｒａ３.２μｍ。④扩—铰复合刀具，一般用于孔的半精—精加工，在铸铁上经钻孔之后，可用扩—铰复合刀具加工直径不大的孔，精度可达ＩＴ７级，表面粗糙度可达Ｒａ３.２μｍ。当多轴箱不能变速时，其切削速度应选铰孔或高于铰孔的切削速度，进给量按扩孔的选用，扩孔后用加速进给机构加大铰刀的进给量。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计⑤扩—镗复合刀具，一般用于镗孔—锪沉孔，也可加工同一轴线两层壁上的孔。前者还可安装一个倒角刀在孔口倒角，成为镗孔—倒角—锪沉孔复合刀具。５.２.３三图一卡编制“三图一卡”是指被加工零件的工序图、加工示意图、机床联系尺寸图和生产率计算卡，它们是机床设计的依据，也是验收机床的依据。１．被加工零件的工序图上一页下一页返回５.２组合机床总体设计被加工零件的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，而应该在原零件图的基础上，突出本机床的加工内容，再加上必要的说明。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，如图５.３２所示。（１）被加工零件工序图的主要内容１）被加工零件的形状,主要外廓尺寸和本机床要加工的部位尺寸、精度、表面粗糙度、几何精度等,以及对上道工序的技术要求等。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计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的结构和尺寸，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工余量等。（２）绘制被加工零件工序图的相关规定和注意事项１）被加工零件工序图的相关绘制规定。被加工零件工序图要求按一定的比例绘制，且要有足够的视图和剖面;用粗实线表示本道工序加工部位；在定位面上标注定位符号,用表示,并在下面标注限制的自由度数;在夹紧位置用符号↓标注。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计２）被加工零件工序图绘制的注意事项。①本工序加工部位的位置尺寸应该与定位基准直接相关。②对工件毛坯应标注要求，认真分析空的加工余量。③对本工序的特殊要求一定要注明。２．加工示意图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。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计加工示意图是根据生产率要求和工序图的要求而拟订的机床工艺方案。它是刀具、辅具的布置图，是组合机床部件设计的重要依据，是机床布局和机床性能的原始要求，也是机床试车前对刀和调整机床的技术资料，如图５.３３所示。（１）加工示意图的主要内容加工示意图应表达和标注机床的加工方案、切削用量、工作循环和工作过程；工件、刀具及导向、托架及多轴箱之间的相对位置及其联系尺寸；主轴结构类型、尺寸及外伸长度；刀具类型、数量和结构尺寸（直径和长度）；接杆（镗杆）、浮动卡头、导向装置、攻螺纹靠模装置等的结构尺寸；刀具、导向套间的配合；刀具、接杆、主轴之间的连接方式和配合尺寸等。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计（２）加工示意图的绘制注意事项１）加工示意图的绘制顺序：先按比例用细实线绘出工件加工部位和局部结构的展开图，加工表面用粗实线画。为简化设计，相同加工部位的加工示意图（指对同一规格的孔加工，所用刀具、导向、主轴、接杆等的规格尺寸、精度完全相同），允许只表示其中一个，亦即同一多轴箱上结构尺寸相同的主轴可只画一根，但必须在主轴上标注轴号（与工件孔号相对应）。２）一般情况下，在加工示意图上，主轴分布可不按真实距离绘制。当被加工孔间距很小或需设置径向结构尺寸较大的导向装置时，相邻主轴必须严格按比例绘制，以便检查相邻主轴、刀具、辅具和导向是否干涉。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计３）主轴应从多轴箱端面画起。刀具应画加工终了位置（攻丝加工则应画开始位置）。标准的通用结构只画外形轮廓，但须加注规格代号。对一些专用结构，为显示其结构而必须画出剖视图，并标注尺寸、精度及配合。４）当轴数较多时，加工示意图可缩小比例，用细实线画出工件加工部位分布情况简图（向视图），并在孔旁标注相应号码，以便于设计和调整机床。３．机床联系尺寸图上一页下一页返回５.２组合机床总体设计机床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，并为进一步开展多轴箱、夹具等专用部件、零件的设计提供依据。机床联系尺寸图也可以看成是简化的机床总图，它表示机床的配置形式及总体布局。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，如图５.３４所示。绘制机床联系尺寸图之前，应进行下列计算。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计（１）选用动力部件选用动力部件主要是选择型号、规格合适的动力滑台和动力箱。１）选用滑台，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驱动形式的确定是通过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和使用条件选择ＨＹ系列液压滑台。②确定轴向进给力和滑台所需的进给力。由于滑台工作时，除了克服各主轴的轴向力外，还要克服滑台移动时所产生的摩擦力，所以需确定轴向进给力和滑台所需进给力。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计③确定进给速度。液压滑台的工作进给速度规定一定范围内无级调速，对液压滑台确定切削用量时所规定的工作进给速度应大于滑台最小工作进给速度的０.５～１.０倍；液压进给系统中采用应力继电器时，实际进给速度应更大一些。（２）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Ｈ＝５８０～１３００ｍｍ选取。（３）确定夹具轮廓尺寸主要根据工件的轮廓尺寸和形状确定夹具底座轮廓尺寸，即夹具底座的长、宽、高和形状。上一页下一页返回５.２组合机床总体设计（４）确定中间底座轮廓尺寸中间底座的轮廓尺寸要满足滑台在其上面连接安装的需要，同时也要在长、宽、高三个方向上满足夹具的安装要求。（５）确定多轴箱轮廓尺寸对于通用的钻、镗类多轴箱，卧式的厚度为３２５ｍｍ，立式为３４０ｍｍ。这里主要是计算多轴箱的宽度Ｂ和高度Ｈ以及最低主轴高度ｈ１。４．组合机床生产率计算卡上一页下一页返回５.２组合机床总体设计机床生产率计算卡是反映机床生产节拍或实际生产率和切削用量、动作时间、生产纲领及负荷率等的关键技术文件，它是用户验收机床生产率的重要依据。可以根据选定的机床工作循环所要求的工作行程长度、切削用量、动力部件的快进及工进速度等来计算机床的生产率并编制生产率计算卡，如表５.１６所示。（１）理想生产率Ｑ理想生产率Ｑ（件／ｈ）是指完成年生产纲领Ａ（包括备品和废品）所要求的机床生产率，它与全年工时总数ｔｋ有关，一般情况下，单班制ｔｋ取２３５０ｈ，两班制ｔｋ取４６００ｈ，则上一页下一页返回５.２组合机床总体设计（２）实际生产率Ｑ１实际生产率Ｑ１（件／ｈ）是指所设计的机床每小时实际可生产的零件数量，即（３）机床负荷率η负当Ｑ１＞Ｑ时，机床负荷率为二者之比，即组合机床的负荷率一般为０.７５～０.９０，自动线的负荷率为０.６～０.７。典型的钻、镗、攻螺纹类组合机床的负荷率，按其复杂程度参照表５.１７确定；对于精密度较高、自动化程度高或加工多品种的组合机床，应适当降低负荷率。上一页返回５.３组合机床多轴箱设计５.３.１多轴箱概述多轴箱是组合机床的重要专用部件。它是根据加工示意图所确定的工件加工孔的数量和位置、切削用量和主轴类型而设计的传递各主轴运动的动力部件。其动力来自通用的动力箱，并与动力箱一起安装于进给滑台上，可完成钻、扩、铰、镗孔等加工工序。多轴箱一般具有多根主轴，可同时对一列孔系进行加工。但也有单轴的，多用于镗孔。多轴箱按结构特点分为通用多轴箱和专用多轴箱两大类。下一页返回５.３组合机床多轴箱设计前者结构典型，能利用通用的箱体和传动件；后者结构特殊，往往需要加强主轴系统刚性，而且主轴及某些传动件必须进行专门设计，故专用多轴箱通常指“刚性多轴箱”，即采用无须刀具导向装置的刚性主轴和精密滑台导轨来保证加工孔的位置精度。通用多轴箱则采用标准主轴，借助导向套引导刀具来保证加工孔的位置精度。通用多轴箱又可分为大型多轴箱和小型多轴箱，这两种多轴箱的设计方法基本相同。５.３.２多轴箱的种类和结构组合机床多轴箱按其组成和用途可分为大型通用多轴箱、小型通用多轴箱和专用多轴箱三种。上一页下一页返回５.３组合机床多轴箱设计大型通用多轴箱由通用零件如箱体、主轴、传动轴、齿轮和通用或专用附加机构等组成。它的主轴刚性不是很高，主要是因为这种标准主轴的前后支承距离平均约为１５０ｍｍ，而刀具的悬伸长度通常是该支承距离的几倍。因此，靠主轴本身并不能保证加工孔的位置精度，而主要应靠夹具上的导向装置来保证加工孔的位置精度。１．大型通用多轴箱大型通用多轴箱按其机构性质可分为大型标准攻丝多轴箱、大型标准复合钻攻多轴箱和大型钻削多轴箱三种，其中大型钻削多轴箱是主要完成镗孔、钻孔、扩孔、铰孔、倒角、锪孔等单一的混合工序的多轴箱。上一页下一页返回５.３组合机床多轴箱设计图５.３５所示为大型标准多轴箱的基本结构，它主要由通用的箱体类零件、通用的传动类零件以及润滑和防油元件等组成。大型标准多轴箱的后盖有四种厚度。设计时，如果箱内只有动力头输出轴与另一传动轴，轴上有Ⅳ或Ⅴ排齿轮，且这一对Ⅳ或Ⅴ排齿轮的轮廓又不超出后盖与动力头的结合法兰的范围时，可分别选用厚度为５０ｍｍ和１００ｍｍ的后盖。此时，后盖窗孔要按齿轮轮廓扩大，否则就要分别选用厚度为９０ｍｍ的基型后盖和厚度为１２５ｍｍ的加厚后盖。此外，多轴箱内如果没有Ⅳ和Ⅴ排齿轮，动力部件的动力是由动力轴联轴器直接传入多轴箱内，也可选用５０ｍｍ厚的后盖。上一页下一页返回５.３组合机床多轴箱设计２．小型通用多轴箱小型通用多轴箱是由多轴箱及其导向部分组成的。多轴箱内部结构是标准的，但箱体的外形按具体需要可采用多种形式。它和大型通用多轴箱的相同之处是主轴均为非刚性，且刀具导向主要靠导向套引导。小型通用多轴箱按用途可分为钻孔类多轴箱和攻丝类多轴箱，但这两种多轴箱的结构是一样的。多轴箱部分———多轴箱主要由专用的箱体类零件和通用的传动类零件组成。其中箱体类零件主要包括多轴箱体、前盖、后盖和上盖等。由于主轴结构不同，多轴箱体和前盖的厚度也不同，但三者（多轴箱体、前盖和后盖）合起来厚度均为１４０ｍｍ。上一页下一页返回５.３组合机床多轴箱设计通用传动类零件主要包括主轴、传动轴、传动齿轮等，其中动力头齿轮是专用的。导向部分———小型标准多轴箱固定在滑套式动力头的套筒法兰上。在工作过程中，多轴箱相对动力头体（动力头体是固定的）的悬伸量随动力头套筒的进给而逐渐增大。为了使多轴箱工作平稳，减轻切削力作用的影响，或在卧式布置时，使多轴箱不随悬伸量的增加而显著下垂，保证主轴与被加工零件间的相对位置精度，除了箱体应采用铸铝合金以减轻重量外，多轴箱还要设置导向部分。３．专用多轴箱上一页下一页返回５.３组合机床多轴箱设计专用多轴箱主要包括刚性镗削多轴箱、铣削多轴箱、可调多轴箱、辐射式传动多轴箱、主轴可伸缩多轴箱和曲轴传动多轴箱。（１）刚性主轴设计刚性镗削多轴箱、精镗头、镗孔车端面头、铣削头的共同特点是刀具不需要借助导向进行加工，主轴和刀杆（刀盘）采用刚性连接。因此要求主轴具有较高的刚度，如果刚度不够，在加工中容易产生振动（崩刃），会造成被加工零件难以达到要求的精度和表面粗糙度，甚至损坏刀具。因此，在设计时最主要的是主轴系统本身的设计，所以主要设计工作也放在主轴系统的设计上，确保主轴系统的精度和足够的刚性。上一页下一页返回５.３组合机床多轴箱设计（２）主轴支承系统设计除了主轴本身的刚度以外，影响刚性主轴工作性能的因素还有很多，其中主轴支承系统的刚性对其影响很大，若支承刚性不足，会严重影响主轴的工作性能。５.３.３多轴箱的通用零部件１．多轴箱的通用零件（１）通用箱体铸铁的通用多轴箱体（材料为ＨＴ２００）、前盖和后盖（材料均为ＨＴ１５０），由于其宽度和高度的不同，多轴箱体的标准厚度为１８０ｍｍ，基型后盖的厚度为９０ｍｍ；基型前盖的厚度为５５ｍｍ（卧式）；变型前盖的厚度为７０ｍｍ（立式）。上一页下一页返回５.３组合机床多轴箱设计（２）通用主轴１）通用钻削类主轴。①圆锥滚子轴承＋主轴：前后支承皆为圆锥滚子轴承。该支承可承受较大的径向力和轴向力，且结构简单、装配调整方便，广泛用于扩、镗、铰孔和攻螺纹等加工。当在主轴进、退两个方向上都有轴向切削力时常用此种结构。②滚珠轴承＋主轴：前支承为推力球轴承和向心球轴承，后支承为向心球轴承或圆锥滚子轴承。由于推力球轴承设置在前端，能承受单方向的轴向力，故适用于钻孔主轴。③滚针轴承＋主轴：前后支承皆为无内环滚针轴承和推力球轴承。当主轴间距较小时采用此种结构。上一页下一页返回５.３组合机床多轴箱设计２）攻螺纹主轴。①前后支承皆为圆锥滚子轴承。②前后支承皆为无内环滚针轴承和推力球轴承。３）通用传动轴。根据用途和支承形式不同，通用传动轴分为滚锥传动轴、滚针传动轴、埋头传动轴、手柄轴、油泵传动轴和攻丝用蜗杆轴。４）通用齿轮。多轴箱所用的通用齿轮有传动齿轮、动力头齿轮和电动机齿轮三种，其材料为４５号钢，齿部进行高频淬火。动力头齿轮有Ａ、Ｂ两型，宽度分别为８４ｍｍ和４４ｍｍ。上一页下一页返回５.３组合机床多轴箱设计当采用９０ｍｍ厚的后盖时，动力头齿轮应选Ａ型；而采用５０ｍｍ厚的后盖时，动力头齿轮应选Ｂ型。对于后者，由于多轴箱后盖厚度只有５０ｍｍ，动力头输出轴端可能与多轴箱体后壁相干涉。此时，可在多轴箱体后壁的对应位置处开洞，否则需要将动力头输出轴截短；当采用厚度为１００ｍｍ或１２５ｍｍ的加厚后盖时，则一律选用Ｂ型动力头齿轮。至于选用１００ｍｍ厚的后盖时，动力头输出轴是否需要截短，应视其是否与其他轴干涉而定。２．多轴箱的通用部件根据组合机床加工工艺的需要设计主轴定位减速机构、定位钩、攻丝行程控制机构等多轴箱的通用部件。上一页下一页返回５.３组合机床多轴箱设计在组合机床上用导向装置进行镗孔，当镗孔直径大于导向套孔直径，用多导向镗削一系列同轴孔、用镗刀排镗削同一轴线上相同直径的几个孔，以及镗孔在加工面上不允许有刀具划痕等情况时，为了使镗刀能够顺利地进入引刀槽或工件中而不发生碰撞，要求镗杆在引进或退出时必须停止旋转运动，使镗刀按规定的方位进入（退出）导向套或工件。５.３.４多轴箱的设计步骤和内容多轴箱的设计一般根据主轴的分布、转速、转向以及尺寸要求等，并由设计者进行全部的设计工作。上一页下一页返回５.３组合机床多轴箱设计１．多轴箱设计的原始依据多轴箱的设计者除了要熟悉多轴箱本身的设计规律外，还要熟悉多轴箱与其他常见部分和被加工零件的关系，尤其要了解加工零件的工艺要求。因此，开展多轴箱设计工作的依据是“三图一卡”。多轴箱设计的原始依据主要包括如下几个方面的内容：１）所有主轴的位置关系尺寸。２）要求的主轴转速和转向（此处指的是左旋，对于右旋的情况一般不注明）。３）主轴的工序内容和主轴外伸部分尺寸。４）多轴箱的外形尺寸以及与其他相关部件的联系尺寸。上一页下一页返回５.３组合机床多轴箱设计５）动力部分（包括主电动机）的型号。６）托架或钻模板的支杆在多轴箱上的安装位置及有关要求。７）工艺上的要求。２．主轴的形式与直径的确定主轴的形式和直径主要取决于工艺方法、刀具与主轴的连接结构、刀具的进给抗力和切削扭矩。通常，钻孔主轴采用滚珠支承；钻孔以外的其他工序，主轴前支承可视具体情况确定有或没有止推轴承。在设计中，一般不选用直径为１５ｍｍ的主轴和滚针主轴，因其主轴精度低，既不方便制造装配，也不方便使用和维修。３．传动系统的设计和计算上一页下一页返回５.３组合机床多轴箱设计传动系统的设计是多轴箱设计中重要的环节，尤其是大型标准多轴箱设计中是最关键的一环。传动系统的设计主要是通过一定的传动链，按要求把动力从动力部件的驱动轴传递到主轴上，同时满足多轴箱的其他构件和传动的要求。通常，同一个多轴箱的传动系统可设计出几种方案，通过对各传动方案进行比较分析，从中选出最佳方案。这样做主要是因为传动系统的设计将直接关系到多轴箱的质量、通用化程度、设计和制造工作量的大小及其成本的高低等。（１）传动系统设计的一般要求上一页下一页返回５.３组合机床多轴箱设计１）在保证主轴的强度、刚度、转速和转向要求的前提下，力求使传动轴和齿轮个数最少。尽量使用一根传动轴带动多根主轴，当齿轮啮合中心距不符合标准时，可采用齿轮变位的方法来凑中心距离。２）在保证有足够强度的前提下，主轴、传动轴和齿轮的规格要尽可能减少，从而减少零件的品种。３）为了减少主动主轴的负荷，一般避免在多根主轴之间相互传动。４）最佳传动比为１.０～１.５，但允许达到３.０～３.５。５）粗加工主轴上的齿轮应该尽可能靠近前支承，以减少主轴的扭转变形。上一页下一页返回５.３组合机床多轴箱设计６）刚性镗削主轴上的齿轮的分度圆直径要尽可能大于被加工孔的直径，以减少振动，提高传动的平稳性。７）尽可能避免升速传动，必要的升速最好放在传动链的最后１～２级，以减少功率损失。（２）主轴分布类型及传动系统的设计方法１）主轴分布类型。虽然组合机床所加工的零件和结构各不相同，但被加工零件上孔的分布主要有以下几种，如图５－３６所示。①单组或多组圆周分布；②等距或不等距直线分布；上一页下一页返回５.３组合机床多轴箱设计③圆周和直线混合分布；④任意分布。２）传动系统的设计方法。通常，经济有效的传动是用一根传动轴带动多根主轴。因此，在设计传动系统时，首先要把所有主轴分布成数量尽可能少的若干组同心圆，然后在各组同心圆上放置一根传动轴，带动各组主轴。接着再用数量尽可能少的传动轴把各主轴与动力部件驱动轴连接起来。通常，传动布置次序从主轴处开始布置，最后再引到动力部件的驱动轴上。上一页下一页返回５.３组合机床多轴箱设计当采用液压自驱式动力头时，其驱动轴的转速、转向和相对多轴箱的位置是固定的（特殊情况下，多轴箱对称中心线相对动力头驱动轴中心线也可有偏移）；而动力部件为电动机时，其转速、转向和在多轴箱上的安装位置要视具体情况而定。（３）多轴箱的润滑、变速和手柄轴的设置１）润滑。大型标准多轴箱采用叶片润滑油泵进行润滑，油泵供出的油经分油器分向各润滑部位。对于卧式标准多轴箱，其前后壁之间的齿轮和壁上的轴承用油盘润滑，箱体和后盖以及前盖间的齿轮用油管润滑；对于立式多轴箱，则将油管分散引至最高排齿轮上面，从而使多轴箱内的传动件得到润滑。上一页下一页返回５.３组合机床多轴箱设计当动力部件导轨采用自动润滑时，仍需由分油器的径向分油口向导轨润滑装置引润滑油管。对于中等尺寸以下的多轴箱，通常用一个润滑泵即可；对于尺寸较大而且轴数较多的多轴箱，可使用两个润滑泵。叶片润滑油泵的使用转速为４００～８００ｒ／ｍｉｎ，其安放位置应尽可能靠近油池，使其易于泵油。该泵的传动方式分为两种，一种是借助油泵传动轴传动，另一种是通过装在泵轴上的齿轮直接传动。叶片润滑泵的使用可靠，对一般前盖易于拆卸的多轴箱而言，可不设置专供拆修油泵的油泵盖。上一页下一页返回５.３组合机床多轴箱设计设计多轴箱的传动系统时，在主要传动环节没排好之前，可不考虑油泵的位置，主要传动环节排好之后，再试着给油泵确定合适的位置，并按比例画出油泵外廓。当泵体或管接头与传动轴端相碰时，传动轴需采用埋头形式。小型多轴箱主要采用黄干油润滑，也可采用其他润滑脂，如二硫化钼等。对于专用多轴箱，可用叶片泵或润滑脂进行润滑，也可用柱塞泵、齿轮油泵、飞溅润滑和喷雾润滑等方式。２）变速上一页下一页返回５.３组合机床多轴箱设计大型组合机床主轴的转速一般是不变的，可不必特意留出变速环节。但从长远考虑，在设计时可有意识地使用一对或两对能起到交换齿轮作用的齿轮，使主轴转速能有一定的调整范围。大型标准多轴箱通常选择分路传动线上的一对或两对处于Ⅳ、Ⅴ排的齿轮作为交换齿轮，以获得一定的变速范围。小型多轴箱的传动系统设计是不用考虑变速齿轮的，因为小型动力头的传动系统中已设有变速环节（减速器）。３）手柄轴的设置上一页下一页返回５.３组合机床多轴箱设计组合机床的多轴箱上一般都有较多的刀具，为了便于变换和调整刀具，或在装配和维修时便于检查主轴精度，一般每个多轴箱上都要设置一个手柄轴，以便手动回转主轴。为了扳动方便，手柄轴的转速应该尽可能高一些，其所处位置要靠近机床操作人员的一侧，并便