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摘 要
本次設(shè)計從企業(yè)實際需求出發(fā)，在全面分析被加工零件的結(jié)構(gòu)特點、尺寸精度、被加工孔相互之間位置精度、表面粗糙度和技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，指出采用現(xiàn)有設(shè)備不僅工人勞動強度大，生產(chǎn)率低，而且零件加工精度難以保證。根據(jù)實際需要，研制出了臥式三面單工位組合鉆床。
本文首先通過分析比較，確定了臥式三面單工位組合鉆床的配置型式及結(jié)構(gòu)的最佳方案，遵循機械設(shè)計中標準化、通用化、系列化原則，給出機床的總體設(shè)計，按照設(shè)計組合機床“三圖一卡”的原則繪制出代表機床總體設(shè)計的被加工零件工序圖、加工示意圖、機床聯(lián)系尺寸圖和生產(chǎn)率計算卡。由于在本臺組合鉆床上需同時加工三個部位共24個孔，不僅孔多、間距小，采用常規(guī)方法排箱無法實現(xiàn)三個加工部位孔的工序集中的加工方案。本鉆床的主軸箱傳動系統(tǒng)通過采用變位齒輪和滾珠軸承等結(jié)構(gòu)方面的創(chuàng)新設(shè)計，將常規(guī)方法下不能完成的排箱成為可能。
關(guān)鍵詞： 組合鉆床、主軸箱、夾具設(shè)計、傳動設(shè)計
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Abstract
In view of the actual conditions of enterprises and on the basis of
overall analysingworkPiece structure features，accuracy of size，surface roughness，accuracy of distance between drilled holes and other technical requirements，this article Points out that the existing equipments used to manufacture work Pieces may result in lower Productivity，greater intensity of labor and worse working accuracy. Therefore，it 15 necessary to develop a new type of 24hole single working Position combination drilling machine.
Through analysis and comparison，the article has determined the best
Project ofthestructure and the disposition of the 24 holes combination drilling machine. According to the Principle of standardization，generalization and serialization in machine design，the article offers the master design of the drilling machine，the Process drawing of
work Piece，the working diagram，the connection dimensional drawing of
The drilling machine and the calculating card of Productivity. In some key Parts of the drilling machine，there are certain new designs on the structure of the spindle box and the fixture .With 24hole drilled simultaneously on the drilling machine，in addition to small Spacing between holes and dispersive arrangement of hole Position，the 24 holes drilling Program cannot be completed in conventional way. In the transmission system of 24 hole drilling machine are used some new structural designs such as Pin bearings and Position一changeable gears，50 that the arrangement of hole Position，which cannot be finished in conventional way，can be accolllPlished.The combination drilling machine 15 applied a fast spiral Pinch machinery whose features are not only shortens the time consumed in loading and unloading work Piece but also enhances Productivity.
Key words：Combination drilling machine Spindle box
Design of fixture Design of transmission system
目 錄
摘 要……………………………………………………………………………I
Abstract …………………………………………………………………………II
第1章 緒論 ……………………………………………………………………1
1.1 論文背景及研究意義 ………………………………………………1
1.2 組合機床發(fā)展概況 …………………………………………………1
1.2.1 組合機床的由來 ……………………………………………1
1.2.2 組合機床技術(shù)裝備現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 ………………………2
1.3 設(shè)計研究的主要內(nèi)容 ………………………………………………3
第2章 臥式三面組合鉆床總體設(shè)計 …………………………………………4
2.1 組合鉆床工藝方案的制定 …………………………………………4
2.1.1 工藝過程和加工精度的要求 ………………………………4
2.1.2 加工零件的特點 ……………………………………………4
2.1.3 定位基準及加壓部位的選擇 ………………………………4
2.1.4 孔間中心距的影響 …………………………………………4
2.1.5 工件的生產(chǎn)方式 ……………………………………………5
2.2 組合鉆床配置形式及結(jié)構(gòu)方案的確定 ……………………………5
2.2.1 加工精度 ……………………………………………………5
2.2.2 機床生產(chǎn)率 …………………………………………………5
2.2.3 被加工件的尺寸、形狀、加工部位的特征 ………………5
2.2.4 操作的方便性 ………………………………………………5
2.2.5 夾具形式對機床方案的影響 ………………………………5
2.3 主要參數(shù)的計算 ……………………………………………………5
2.3.1 確定切削用量、計算各主軸轉(zhuǎn)速 …………………………5
2.3.2 確定切削三要素 ……………………………………………7
2.4 組合機床總體設(shè)計 …………………………………………………8
2.4.1 被加工零件工序圖 …………………………………………8
2.4.2 加工示意圖的設(shè)計 …………………………………………8
2.4.3 機床聯(lián)系尺寸圖的繪制……………………………………13
2.4.4 經(jīng)濟性分析…………………………………………………17
第3章 主軸箱設(shè)計……………………………………………………………21
3.1 主軸箱設(shè)計的原始依據(jù)……………………………………………21
3.2 主軸箱傳動系統(tǒng)的設(shè)計及計算……………………………………21
3.2.1 傳動路線擬定思路…………………………………………23
3.2.2 分配傳動比、初定傳動軸位置、確定齒輪齒數(shù)…………24
3.2.3 修正各主軸轉(zhuǎn)速、切削速度、主軸每轉(zhuǎn)進給量…………27
3.3 主軸箱通用軸類零件選擇…………………………………………28
3.3.1 確定傳動軸的直徑及選材…………………………………28
3.3.2 主軸及通用傳動軸結(jié)構(gòu)型式的選擇方案…………………29
3.3.3 通用齒輪及其他通用件……………………………………29
3.4 軸和齒輪的校核……………………………………………………29
3.4.1 主軸的力學(xué)計算模型………………………………………29
3.4.2 齒輪模數(shù)的驗算……………………………………………36
3.5 主軸箱坐標的計算…………………………………………………38
3.5.1 主軸箱坐標系原點的確定…………………………………38
3.6 變位齒輪設(shè)計………………………………………………………45
第4章 夾具設(shè)計………………………………………………………………47
4.1 定位支承系統(tǒng)設(shè)計…………………………………………………47
4.1.1 定位支承系統(tǒng)的設(shè)計原則…………………………………47
4.1.2 定位支承元件及其布置……………………………………47
4.2 導(dǎo)向裝置設(shè)計………………………………………………………48
4.2.1 導(dǎo)向裝置的作用……………………………………………48
4.2.2 導(dǎo)向裝置的類型選擇………………………………………48
4.2.3 固定式導(dǎo)套的設(shè)計…………………………………………48
4.3 夾緊機構(gòu)設(shè)計………………………………………………………49
4.3.1 夾緊方案的確定……………………………………………49
4.3.2 夾緊力的計算………………………………………………49
第5章 專題……………………………………………………………………52
5.1 確定毛坯的制造形式………………………………………………52
5.1.1 車橋焊接工藝………………………………………………52
5.1.2 汽車后橋焊接設(shè)備…………………………………………52
5.1.3 基準的選擇…………………………………………………52
5.2 工藝路線的擬定……………………………………………………52
5.3 機械加工余量，工序尺寸及毛坯尺寸的確定……………………53
結(jié)束語 …………………………………………………………………………62
致 謝 …………………………………………………………………………63
參考文獻 ………………………………………………………………………64
附錄1外文譯文 ………………………………………………………………65
附錄2外文原文 ………………………………………………………………72
第1章 緒論
1.1論文背景及研究意義
目前，我國中、小型企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率都需要有一個新的提高。但是加工手段卻遠遠不能滿足要求。有遠見的企業(yè)家根據(jù)國情、廠情，都認為只有走技術(shù)改造的道路，按照實際情況對現(xiàn)有設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)進行改造，通過強化自身，以求自我發(fā)展，才是一條捷徑。許多中小型企業(yè)都結(jié)合自己的實際，設(shè)計、改裝適合自身特點的機床，以提高工作效率，降低設(shè)備占用率和人力占用率，降低工人勞動強度。衡量對機床進行技術(shù)改造是否合理，唯一的標準是看能否滿足企業(yè)的實際需要。滿足企業(yè)的實際需要，既包含著通過改造以提高機床的使用性能和精度，以滿足生產(chǎn)的需要，也包含著技術(shù)上的先進性與企業(yè)投入的可能性相一致。一般來說，企業(yè)加工能力的提高有三條途徑。其一是增加企業(yè)設(shè)備的擁有量：其二是對老設(shè)備進行更新;其三是進行技術(shù)改造。其中，技術(shù)改造具有投資最少、見效最快、容易實現(xiàn)等特點。
汽車后橋上需加工的孔數(shù)量多，間距小。采用普通方法排箱無法完成對后橋琵琶孔上的12個螺紋底孔同時加工。采用變位齒輪和滾珠軸承等創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)設(shè)計，把常規(guī)狀況下不能完成的排箱成為可能，使需在多工序完成的鉆削加工在同一工步完成。每輛汽車上使用后橋一件，目前隨著經(jīng)濟的發(fā)展，汽車的銷量大大提高了，應(yīng)用這臺三面組合鉆床不僅能提高生產(chǎn)效率和加工精度，降低設(shè)備占用率，減輕工人勞動強度，而且還會為廠家?guī)砜捎^的經(jīng)濟效益。
1.2組合機床發(fā)展概況
1.2.1組合機床的由來
組合機床是按系列化標準化設(shè)計的通用部件和按被加工零件的形狀及工藝要求設(shè)計的專用部件組成的專用機床。組合機床是隨著生產(chǎn)的發(fā)展，由萬能機床和專用機床發(fā)展來的。它既有專用機床效率高結(jié)構(gòu)簡單的特點，又有萬能機床能夠重新調(diào)整，以適應(yīng)新工件加工的特點。為此，將機床上帶動刀具對工件進行切削運動的部分以及床身、立柱、工作臺等設(shè)計制造成通用的獨立部件，稱為“通用部件”。根據(jù)工件加工的需要，用這些通用部件配以部分專用部件就可組成機床，這就是組合機床。當加工對象改變了，用這些通用部件，只將部分專用部件改造，又可以組成加工新工件的機床。 組合機床是按工序集中原則設(shè)計的，即在一臺機床上可以同時完成許多同種工序或多種不同工序的加工。
1.2.2組合機床技術(shù)裝備現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
組合機床及其自動線是集機電于一體的綜合自動化程度較高的制造技術(shù)和成套工藝裝備。它的特征是高效、高質(zhì)、經(jīng)濟實用，因而被廣泛應(yīng)用于工程機械、交通、能源、軍工、輕工、家電等行業(yè)。我國傳統(tǒng)的組合機床及組合機床自動線主要采用機、電、氣、液壓控制，它的加工對象主要是生產(chǎn)批量比較大的大中型箱體類和軸類零件(近年研制的組合機床加工連桿、板件等也占一定份額)，完成鉆孔、擴孔、鉸孔，加工各種螺紋、銼孔、車端面和凸臺，在孔內(nèi)銼各種形狀槽，以及銑削平面和成形面等。組合機床的分類繁多，有大型組合機床和小型組合機床，有單面、雙面、三面、臥式、立式、傾斜式、復(fù)合式，還有多工位回轉(zhuǎn)臺式組合機床等；隨著技術(shù)的不斷進步，一種新型的組合機床—柔性組合機床越來越受到人們的青睞，它應(yīng)用多位主軸箱、可換主軸箱、編碼隨行夾具和刀具的自動更換，配以可編程序控制器(PLC)、數(shù)字控制(NC)等，能任意改變工作循環(huán)控制和驅(qū)動系統(tǒng)，并能靈活適應(yīng)多品種加工的可調(diào)可變的組合機床。另外，近年來組合機床加工中心、數(shù)控組合機床、機床輔機(清洗機、裝配機、綜合測量數(shù)控組合機床、試驗機、輸送線)等在組合機床行業(yè)中所占份額也越來越大。
由于組合機床及其自動線是一種技術(shù)綜合性很高的高技術(shù)專用產(chǎn)品，是根據(jù)用戶特殊要求而設(shè)計的，它涉及到加工工藝、刀具、測量、控制、診斷監(jiān)控、清洗、裝配和試漏等技術(shù)。我國組合機床及組合機床自動線總體技術(shù)水平比發(fā)達國家要相對落后，國內(nèi)所需的一些高水平組合機床及自動線幾乎都從國外進口。工藝裝備的大量進口勢必導(dǎo)致投資規(guī)模的擴大，并使產(chǎn)品生產(chǎn)成本提高。因此，市場要求我們不斷開發(fā)新技術(shù)、新工藝，研制新產(chǎn)品，由過去的“剛性”機床結(jié)構(gòu)，向“柔性”化方向發(fā)展，滿足用戶需求，真正成為剛?cè)峒鎮(zhèn)涞淖詣踊b備。
隨著市場競爭的加劇和對產(chǎn)品需求的提高，高精度、高生產(chǎn)率、柔性化、多品種、短周期、數(shù)控組合機床及其自動線正在沖擊著傳統(tǒng)的組合機床行業(yè)企業(yè)，因此組合機床裝備的發(fā)展思路必須是以提高組合機床加工精度、組合機床柔性、組合機床工作可靠性和組合機床技術(shù)的成套性為主攻方向。一方面，加強數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用，提高組合機床產(chǎn)品數(shù)控化率;另一方面，進一步發(fā)展新型部件，尤其是多坐標部件，使其模塊化、柔性化，適應(yīng)可調(diào)可變、多品種加工的市場需求。從2002年年底第21屆日本國際機床博覽會上獲悉，在來自世界10多個國家和地區(qū)的500多家機床制造商和團體展示的最先進機床設(shè)備中，超高速和超高精度加工技術(shù)裝備與復(fù)合、多功能、多軸化控制設(shè)備等深受歡迎。據(jù)專家分析，機床裝備的高速和超高速加工技術(shù)的關(guān)鍵是提高機床的主軸轉(zhuǎn)速和進給速度。該屆博覽會上展出的加工中心，主軸轉(zhuǎn)速10000～20000r/min，最高進給速度可達20～60m/min；復(fù)合、多功能、多軸化控制裝備的前景亦被看好。在零部件一體化程度不斷提高、數(shù)量減少的同時，加工的形狀卻日益復(fù)雜。多軸化控制的機床裝備適合加工形狀復(fù)雜的工件。另外，產(chǎn)品周期的縮短也要求加工機床能夠隨時調(diào)整和適應(yīng)新的變化，滿足各種各樣產(chǎn)品的加工需求。然而更關(guān)鍵的是現(xiàn)代通信技術(shù)在機床裝備中的應(yīng)用，信息通信技術(shù)的引進使得現(xiàn)代機床的自動化程度進一步提高，操作者可以通過網(wǎng)絡(luò)或手機對機床的程序進行遠程修改，對運轉(zhuǎn)狀況進行監(jiān)控并積累有關(guān)數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)對遠程的設(shè)備進行維修和檢查、提供售后服務(wù)等。在這些方面我國組合機床裝備還有相當大的差距，因此我國組合機床技術(shù)裝備高速度、高精度、柔性化、模塊化、可調(diào)可變、任意加工性以及通信技術(shù)的應(yīng)用將是今后的發(fā)展方向。
1.3 設(shè)計研究的主要內(nèi)容
該機床是用來鉆削汽車后橋殼體的兩端對稱的6—φ11.5和φ257圓周上的12—φ8孔。相比原來在普通鉆床上逐孔加工，工人頻繁忙于裝夾工件、啟動機床、進刀、退刀、停車及卸工件等，不僅工人勞動強度降低了，而且生產(chǎn)率也提高了，有利于保證產(chǎn)品加工精度。
底座、滑臺、動力頭等通用部件的合理選用；主軸箱結(jié)構(gòu)緊湊；夾具部分定位合理可靠；工件裝夾方便靈活；刀具更換簡便；機械化程度高；減輕工人的勞動強度是本文研究的主要內(nèi)容。
第2章 臥式三面組合鉆床總體設(shè)計
2.1 組合鉆床工藝方案的制定
制定組合鉆床工藝方案是設(shè)計組合鉆床最重要的內(nèi)容之一。工藝方案制定的正確與否，將決定機床能否達到“重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、效率高、質(zhì)量好”的要求。為了該機床方案制定的合理、先進，在方案設(shè)計時，密切聯(lián)系實際，總結(jié)實踐經(jīng)驗，全面了解被加工零件的加工情況和影響方案制定的各種因素。
主要考慮以下因素:
2.1.1工藝過程和加工精度的要求
被加工零件共有24孔待加工，將24孔集中在一個工位上可確保相互之間的位置精度，對大量生產(chǎn)及順利裝配創(chuàng)造了條件。組合鉆床上鉆孔工序大多是擴孔工序前加工底孔及加工螺紋孔，在鑄件上鉆孔精度一般可達6級，表面粗糙度為6.3，鉆孔位置精度達0.2Om。而被加工零件的表面粗糙度和位置精度要求均在此范圍內(nèi)。故選用組合鉆床滿足被加工零件的要求。
2.1.2加工零件的特點
被加工件材料為16Mn鋼，工件剛度足夠。由于被加工件為汽車后橋殼體，成品要與其它重要汽車零件裝配。鉆孔時，從裝配結(jié)合面鉆起，這樣能夠更好地保證孔的位置精度。因為鉆孔過程中，中心線可能偏斜，在鉆頭進口處的位置精度比出口處的好，有利于兩個零件的獎配。
2.1.3定位基準及加壓部位的選擇
被加工件裝配結(jié)合面為設(shè)計平面，選用設(shè)計基面為主定位基準，這樣減少了累積誤差，使加工精度得到有利保證，用它定位能使切削力均落在定位平面之內(nèi)。選用汽車后橋殼體的半軸套管上的固定環(huán)上的外圓表面作為定位面鉆孔，采用兩個短V型塊作為兩端加工部位的定位元件。兩個短V型塊起到的作用相當于一個長V型塊。在φ235內(nèi)孔用定位法蘭定位，夾壓部位為φ235的圓周和固定環(huán)外圓。
2.1.4孔間中心距的影響
在確定組合機床完成工藝時，由于主軸箱的主軸結(jié)構(gòu)和設(shè)置導(dǎo)向的需要，以及保證必須的加工精度和工作可靠性的要求，組合機床鉆孔時，對于通用的主軸箱，其主軸最小中心距為24mm，這時主軸能鉆φ10mm以下的孔。經(jīng)計算，被加工件上最小孔間距為66.5mm，大于24mm。
2.1.5工件的生產(chǎn)方式
由于被加工件屬于中批量生產(chǎn)，將加工24孔工序集中于一臺鉆床，可提高組合機床的利用率。
2.2 組合鉆床配置形式及結(jié)構(gòu)方案的確定
根據(jù)上述工藝方案確定機床的型式和總體布局。在選擇機床配置型式時，既考慮到實現(xiàn)工藝方案，保證加工精度、技術(shù)要求及生產(chǎn)率;又考慮到機床操作、維護、修理、排屑的方便性，還注意到被加工零件的生產(chǎn)批量。影響組合鉆床配置型式和結(jié)構(gòu)方案的主要因素有:
2.2.1加工精度
在選擇組合鉆床的結(jié)構(gòu)方案時，首先必須注意到能否保證穩(wěn)定的加工精度。通常根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行機床配置型式的選擇。固定式夾具組合鉆床能達到的鉆孔位置精度最高，采用固定導(dǎo)套一般能達0.20mm，當嚴格要求主軸與導(dǎo)向的同軸度，減少鉆頭與導(dǎo)套間的間隙，導(dǎo)向裝置靠近工件時，可達到0.15mm。
2.2.2機床生產(chǎn)率
根據(jù)工件的生產(chǎn)類型，完全可以采用單工位固定夾具的機床型式。
2.2.3被加工件的尺寸、形狀、加工部位的特征
被加工工件有三面共24孔需要進行鉆削，根據(jù)被加工零件的特點，適于采用單工位三面組合機床。
2.2.4操作的方便性
合理確定裝料高度以使操作方便。在現(xiàn)階段，設(shè)計組合機床時，裝料高度可視具體情況在850～l060mm之間選取。
2.2.5夾具形式對機床方案的影響
從工件形狀看，似乎可采用復(fù)合式三面組合機床加工，但是考慮從裝配結(jié)合面鉆孔的必要性，主定位基面又是選用裝配結(jié)合面，不能改為相對面，這樣立式鉆床夾具設(shè)計比較難，因而采用臥式加工方案。
2.3主要參數(shù)的計算
2.3.1確定切削用量，計算各主軸轉(zhuǎn)速
組合機床能否達到預(yù)定要求與正確的選擇切削用量有很大關(guān)系。切削用量選用適當，能使機床以最少的停車時間，最高的生產(chǎn)效率，最長的刀具壽命和最好的加工質(zhì)量進行生產(chǎn)。
目前，組合機床切削用量的選則，因是多軸加工不宜采用最大的切削速度和進給量。主要是參照實際生產(chǎn)中采用切削用量的情況，并根據(jù)多年來積累起來的一些經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行。組合機床切削用量的選則另外一個特點，就是動力頭工作時每分鐘的進給量只有一種，這樣所有刀具每分鐘的進給量是相同的。這個進給量是適合所有刀具的平均值。但同一動力頭每個刀具的轉(zhuǎn)速可以不一樣，以便選擇合理的刀具的進給量。被加工工件的兩端均為φ11.5孔，所以每分鐘的進給量是相同的。
為使所有刀具的性能得到充分發(fā)揮，鉆孔時采用較高的速度和較小的每轉(zhuǎn)進給量；在現(xiàn)有生產(chǎn)率要求下沒必要把切削用量定的太高，以免增加刀具損耗，也可減少所需的切削功率。
綜合被加工件的加工精度、加工材料、工作條件、刀具耐用度等因素，初選動力滑臺的進給速度為4Omm/min，初定切削速度15m/min.
由計算公式 (2-1)
=40 (2-2)
式中: n—為各主軸轉(zhuǎn)速，單位r/min.
V—為主軸切削速度，單位m/min.
S—為每轉(zhuǎn)進給量，單位mm/r.
d—為各鉆頭直徑，單位mm.
計算得各主軸轉(zhuǎn)速和每轉(zhuǎn)進給量如表2-1所示。
加工工件兩端6—φ11.5孔的主軸箱內(nèi)主軸為。
加工后橋中間琵琶孔12—φ8孔的主軸箱內(nèi)主軸為。
表2-1初步計算的各主軸轉(zhuǎn)速和每轉(zhuǎn)進給量
各主軸轉(zhuǎn)速n(r/min)
各主軸刀具進給量s(mm/r)
備注
415.4
0.2
初選切削速度
為15m/min
577
0.18
n
2.3.2確定切削力F、切削轉(zhuǎn)矩M、切削功率P
根據(jù)選擇的切削用量，確定切削力，作為選擇動力部件及夾具設(shè)計的依據(jù)。確定切削轉(zhuǎn)矩，用以確定主軸及其他傳動件(齒輪、傳動軸等)的尺寸；確定切率，用以選擇動力箱電機功率。
參考?組合機床設(shè)計參考圖冊?（大連組合機床研究所編）。
高速鋼鉆頭在灰鑄鐵上鉆孔的計算公式為:
(1)F=7.1dsHB (2-3)
(2)M=0.263dsHB (2-4)
(3)P= (2-5)
式中: F—軸向切削力(N)
d—鉆頭直徑(mm)
s—每轉(zhuǎn)進給量(mm/r)
P—切削功率(kw)
M—扭矩(Nmm)
HB—零件的布氏硬度 HB 180～220
計算結(jié)果如表2-2所示。
表2-2各主軸切削力、切削扭矩、切削功率計算值
鉆頭直徑d(mm)
軸孔號
軸向切削力F(N)
扭矩M(Nmm)
切削功率P(kw)
φ11.5
1～6
1130.92
3792
0.5
φ8
1～12
735.5
1888
0.3
由上表，總切削力為:F總=6785.52N，F(xiàn)總=8826N
總切削功率為:P總=3kw，P總=3.6kw
總切削扭距:M總=22752Nmm，M總=22656Nmm
2.4組合機床總體設(shè)計
組合機床總體設(shè)計就是針對被加工零件，在選定的結(jié)構(gòu)方案基礎(chǔ)上，進行方案圖紙設(shè)計，這些圖紙包括:被加工零件工序圖，加工示意圖，機床聯(lián)系尺寸圖。生產(chǎn)率計算卡。
2.4.1被加工零件工序圖
被加工零件工序圖是根據(jù)選定的工藝方案，表明零件形狀、尺寸、硬度、以及在所設(shè)計的組合機床上完成的工藝內(nèi)容和所采用的定位基準、夾壓點的圖紙。它是組合機床設(shè)計的主要依據(jù)，也是制造、驗收和調(diào)整機床的重要技術(shù)條件。被加工零件的加工工序圖見附圖1。
2.4.2加工示意圖的設(shè)計
零件的加工方案要通過加工示意圖反映出來。加工示意圖表示被加工零件在機床上的加工過程，刀具、輔具的布置狀況以及工件、夾具、刀具等機床各部件間的相對位置關(guān)系、機床的工作行程及工作循環(huán)等。因此，加工示意圖是組合機床設(shè)計的主要圖紙之一，它是刀具、輔具、夾具、主軸箱、電氣裝置設(shè)計及通用部件選擇的主要原始資料，也是整臺組合機床布局和性能的原始要求，同時還是調(diào)整機床、刀具及試車的依據(jù)。其內(nèi)容包括以下幾方面:
(l)刀具的選擇
根據(jù)被加工工件24個孔的大小，選用2種規(guī)格的刀具如表2-3所示。
表2-4刀具名稱、標準尺寸及數(shù)量
刀具名稱
鉆頭
直徑
鉆刀懸伸長度
數(shù)量
備注
刀具總長L
刀具懸伸長L
直柄麻
花鉆
莫式1號
φ11.5
206
125
6
GB14
39-85
φ8
240
160
12
GB14
40-85
(2)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的選擇
①導(dǎo)向類型的確定
根據(jù)刀具導(dǎo)向線速度v=15m/min，故采用固定式導(dǎo)向，刀具在導(dǎo)套內(nèi)既轉(zhuǎn)動又移動，這種導(dǎo)向方法精度好。
②導(dǎo)向數(shù)量的確定
根據(jù)工件形狀、刀具剛度及工作情況采用單導(dǎo)向。
③導(dǎo)向參數(shù)的確定
導(dǎo)套長度L:由經(jīng)驗公式L=(2～4)d，小直徑時取大值，大直徑時取小值。
具體尺寸及配合見表2-5。
d(F7)
D(k6)
D1
D2(n6)
L
L1
m
GB2268-80
數(shù)量
11.5
18
30
26
18
28
11
M822
6
8
15
26
22
14
24
9
M618
12
表2-5固定導(dǎo)向裝置的尺寸及配合
(3)導(dǎo)向到工件端面距離
以不妨礙排屑為原則，兩端選為15mm，中間選為8mm。以四個定位塊保證間距，實現(xiàn)主定位。
(4)確定主軸直徑及各主軸外伸長度
主軸直徑: d=B (2-6)
式中: d—軸的直徑(mm)
M—主軸承受的轉(zhuǎn)矩(Nmm)
B—系數(shù)，當材料的剪切彈性模量G=8.1104N/mm時，非剛性主軸取11，傳動軸為9.2。
為使軸的強度足夠，主軸材料均采用合金鋼。結(jié)果如表2-6。
表2-6主軸選材及參數(shù)選擇結(jié)果
軸號
材料
主軸直徑
主軸外伸尺寸
備注
D/d1
L
1～6
20Gr
20
30/20
115
非剛性
主軸
1～12
40Gr
20
30/20
115
(5)接桿的選擇
主軸箱各主軸的外伸長度為一定值，而且刀具長度也為一定值。因此，為保證主軸箱上各刀具能同時到達加工極限位置，就需要在主軸與刀具之間設(shè)置一中間可調(diào)環(huán)節(jié)—刀具接桿。
由于接桿上的尺寸D與主軸外伸長度上的內(nèi)孔dl配合，可根據(jù)dl尺寸及刀具分別為莫氏1號和莫氏2號，選用接桿T0635-01。查得:d=20mm的主軸用3號接桿、A型、長度范圍215～500mm。
(6)確定加工示意圖的聯(lián)系尺寸
最重要的尺寸是主軸箱端面到工件端面之間的距離。如圖2-1所示
。
圖2一1加工示意圖的聯(lián)系尺寸計算圖
該尺寸為: L=L十L+L+B-(L+L) (2-7)
式中各符號意義: L—主軸外伸長度
L—鉆刀懸伸長度
L—接桿伸出長度(可調(diào))
L—加工孔深
L—刀具的切出值
B—螺母及墊總厚度
經(jīng)計算調(diào)整后，選擇接桿標記如表2-7所示。
表2-7與主軸刀具配合的接桿號
刀具直徑
接桿號
φ11.5
3-250-T0635-41
φ8
3-215-T0635-41
(7)動力頭工作循環(huán)及其行程的確定
此臺組合鉆床根據(jù)被加工件為淺孔，循環(huán)過程包括:快速引進、工作進給和快速退回。
①工作進給長度的確定
工進長度L:等于被加工孔深L與刀具的切入長度L與切出長度L之和。如圖2-2所示。
圖2-2工作進給長度
即:L=L+L+L (2-8)
加工部位孔深L分別為11mm和13mm，L一般取為5-10mm，
L取0.3d(+3～8)，據(jù)此，工進長度L定為為32mm。
②快速引進長度L的確定
快速引進是動力頭把刀具送到工作進給的位置，為了不影響裝卸工件，兩端加工快速引進長度定為L=250mm。中間加工快速引進長度L=150mm
③快速退回長度L
其為工進與快進之和。即: L= L+ L (2-9)
L分別選取282mm和182mm.
因為是固定式夾具鉆孔的機床，動力頭快退的行程，只要把所有刀具都退到導(dǎo)套內(nèi)，不影響工件的裝卸即可。根據(jù)以上分析計算確定的數(shù)據(jù)，汽車加工示意圖見附圖2。
快進250（150）
工進32
快退282(182)
工作循環(huán)圖
2.4.3機床聯(lián)系尺寸圖的繪制
機床聯(lián)系尺寸圖是用來表示機床的配置型式、機床各部件之間相對位置關(guān)系和運動關(guān)系的總體布局圖。它是進行主軸箱、夾具等專用部件設(shè)計的重要依據(jù)。
(1)選用動力部件
主要指選擇型號、規(guī)格合適的滑臺和動力箱。
①滑臺的選用
滑臺滑臺選用主要取決于驅(qū)動方式、所需進給力、進給速度、最大行程長度和加工精度等因素。
A.驅(qū)動方式的確定
根據(jù)具體的加工要求、使用條件，選用機械滑臺。
B.確定軸向進給力
由表2-2知總切削力為: F總=4293N，F(xiàn)總=13571.04N由于滑臺工作時，除了克服各主軸的軸向力外，還要克服滑臺移動時產(chǎn)生的摩擦阻力，因而所選滑臺的最大進給力應(yīng)大于F總+F總。
C.滑臺進給速度的確定
據(jù)被加工件的實際要求，考慮刀具的耐用度，選滑臺的進給速度為40mm/min。
D.確定滑臺行程
滑臺行程除保證足夠的工作行程外，還應(yīng)留有前備量和后備量。前備量的作用是使動力部件有一定的向前移動的余地，以彌補機床的制造誤差以及刀具磨損后能向前調(diào)整，前備量取為40mm。后備量的作用是使動力部件有一定的向后移動的余地，以方便裝卸刀具，取為50mm.工作行程為分別為282mm和182mm，故滑臺的總行程長度為372mm和272mm。
E.精度的選擇
根據(jù)加工要求，選用普通精度級。
結(jié)合以上因素，在滿足設(shè)計要求前提下，以減少組合機床通用部件規(guī)格的選用。均選用HJ4OB機械滑臺。其主要性能指標:臺面寬400mm，滑臺臺面長800mm，行程長400mm，滑臺及滑座總高為320mm。允許最大進給力20000N，工作進給電動機O.75KW，轉(zhuǎn)速1390r/min，工作進給速度范圍9.62～425.8mm/min，快速行程電動機1.5KW，轉(zhuǎn)速1400r/min，快速移動速度6.3m/min，機械滑臺支承總長1240mm。
滑臺確定后，與之配套的支承部件選為ICC631-Ⅱ側(cè)底座。總長1370mm，高56Omm?？倢?O0mm?；_與側(cè)底座之間用調(diào)整墊，這樣可以保證最低主軸中心與最低被加工孔在垂直方向上等高。
②動力箱的選用
動力箱主要依據(jù)主軸箱所需的電動機功率來選用。
根據(jù)公式: P=P(1+30%)/ (2-10)
式中: P為切削用總功率，由表2-2得P=3kw
P=3.6kw。
為主軸箱傳動效率，取0.9。
計算得P主分別為3.3kw和4kw。
當動力箱適配大型組合機床時，其規(guī)格為ITD32～ITD80,選用ITD40Ⅱ。電動機功7.5kw，電動機型號為Y132M-4，轉(zhuǎn)速1440r/min，輸出軸轉(zhuǎn)速720r/min。動力箱與機械動力滑臺結(jié)合面尺寸:長500mm，寬400mm;動力箱與主軸箱結(jié)合面尺寸:寬500mm，高400mm，動力箱輸出軸距離主軸箱底面高度為160mm。
(2)確定裝料高度H
裝料高度H指工件安裝基面至機床底面的距離。一般在850-1060mm之間選取。具體尺寸取決于最低主軸中心至主軸箱底面的高度h1，滑臺與側(cè)底座之間的調(diào)整墊h，滑臺高度h，側(cè)底座高度h。即
H=h+h+h+h (2-11)
式中: HJ40B機械滑臺h=32Omm，
ICC4OI-Ⅱ側(cè)底座高度h=560mm。
為求h1，需先確定主軸箱輪廓尺寸。
標準中規(guī)定臥式主軸箱總厚度為325mm，寬度和高度按標準尺寸系列選取主軸箱的寬度B和高H按下式計算:
B=b+2b (2-12)
H=h+h+b (2-13)
式中: b—邊緣主軸中心到主軸箱外壁之間距離，一般取b1≥70～100mm,
b、h—分別為工件在寬度和高度方向上相距最遠兩加工孔的中心距，
h—最低主軸中心到主軸箱底面之間的距離。
由被加工零件知： 兩端主軸箱b=133mm，h=115mm,
中間主軸箱b=257mm，h=248mm,
經(jīng)計算根據(jù)標準，及零件加工部位的特點兩端的主軸箱及中間的主軸箱均應(yīng)取BH=500500mm。厚度由主軸箱箱體、前蓋、后蓋、三層尺寸構(gòu)成，主軸箱體厚180mm，前蓋臥式為55mm，后蓋厚90mm，因此主軸箱總厚度為325mm.
因為主軸箱是安裝在動力箱上的，故選擇主軸箱上左定位銷中心孔為坐標原點，取左定位銷孔中心至箱體左側(cè)面間距離E=25mm,距下底面距離h=30mm.
經(jīng)計算最低主軸位置h=170mm.
由以上計算分析可得出裝料高度H=h+h+h+h=170+5+320+560=1055(mm)
(3)初定夾具輪廓尺寸
繪制機床聯(lián)系尺寸圖時，應(yīng)先初步確定夾具輪廓尺寸。工件輪廓尺寸、形狀以及導(dǎo)向結(jié)構(gòu)是確定夾具輪廓尺寸的依據(jù)。
夾具是用于定位和夾緊工件的，所以應(yīng)以工件的輪廓尺寸和形狀確定夾具的輪廓尺寸，在掌握了工件寬度，工件和鉆模架間的距離以及鉆模架的厚度尺寸后，就可以確定夾具體的總長尺寸。夾具體長度選為1450mm。根據(jù)工件的大小和占用面積夾具的寬度定為400mm.夾具底座的高度應(yīng)視夾具大小而定，既要保證有足夠的剛度，又要考慮工件的裝料高度，本夾具選400mm.
(4)中間底座尺寸的確定
中間底座的輪廓尺寸要滿足夾具在其上面聯(lián)接安裝的需要。中間底座長度尺寸根據(jù)所選的動力部件（滑臺、滑座）及配套部件（側(cè)底座）的位置關(guān)系確定。同時應(yīng)考慮多軸箱處于終了位置時，多軸箱于夾具體之間應(yīng)有的適當距離，以便于機床調(diào)整、維修：另外中間底座周邊應(yīng)有不小于70～100mm的排屑或冷卻液回流槽。中間底座長度方向尺寸L，要根據(jù)所選動力部件和夾具安裝要求來確定。
一般可按下式計算：
L= (2-14)
式中： —加工終了位置時，主軸箱端面到工件端面的距離（mm）
—主軸箱厚度（mm）
—工件長度（mm）
—滑臺與主軸箱重合長度（mm）
—加工終了位置時，滑臺前端到滑座端面間的距離和前備量
之和（mm）
—滑座前端與側(cè)底座端面距離（mm）
經(jīng)計算，中間底座長度L=1780(mm)
總上所述，所設(shè)計的組合鉆床聯(lián)系尺寸圖見附圖3
2.4.4生產(chǎn)率計算卡
生產(chǎn)率計算卡是反映所設(shè)計機床的工作循環(huán)過程、動作時間、切削用量、生產(chǎn)率、負荷率等的技術(shù)文件。通過生產(chǎn)率計算卡，可以分析所擬訂的方案能否滿足用戶對生產(chǎn)率的要求。
機床的理想生產(chǎn)率按下式計算:
(2-15)
式中： —單件工時（min）
—機加工時間（min）,包括動力部件工作進給死擋鐵停留時間。即
(2-16)
、—分別為刀具的第Ⅰ、第Ⅱ工作進給行程長度（mm）
、—分別為刀具的第Ⅰ、第Ⅱ工作進給量（mm/min）
—死擋鐵停留時間，一般為在動力部件進給停止狀態(tài)下，刀具旋
轉(zhuǎn)5～10轉(zhuǎn)所需的時間（min）
—輔助時間（mm），包括快進時間、快退時間、工作臺移動或轉(zhuǎn)位
時間，裝卸工件時間。即
(2-17)
、—分別為動力部件快進行程長度、快退行程長度（mm）
—動力部件的快速移動速度（mm/min）
—工作臺移動或轉(zhuǎn)位時間(min)，一般為0.05～0.13min
—裝卸工件時間（min），一般為0.5～1.5min
機床負荷率按下式計算：
(2-18)
式中： —機床理想生產(chǎn)率（件/h）
—年生產(chǎn)綱領(lǐng)（件）
—年工作時間（h），單班制工作時間=1950h，兩班制=3900h
機床負荷率一般以65％～75％為宜。機床復(fù)雜時取小值，反之取大值。
生產(chǎn)率計算卡列于表2-9
表2-9生產(chǎn)率計算卡
被加工
零件
圖號
毛坯種類
焊接件
名稱
汽車后橋殼體
毛坯重量
材料
16Mn Q235
硬度
HB180～220
工序名稱
三面鉆削
工序號
序號
工步
名稱
加工直徑
（mm）
加工長度
（mm）
工作
行程
（mm）
切削速度（m/min）
進給量（mm/r）
工時（min）
機動
時間
輔助
時間
1
安裝工件
0.5
2
工件定位夾緊
0.05
3
左右鉆頭快進
250
0.031
4
左右鉆頭工進
11.5
11
32
15
0.2
0.5
5
死擋鐵停留
0.01
6
左右鉆頭快退
282
0.05
7
中間鉆頭快進
150
0.031
8
中間鉆頭工進
8.5
13
32
15
0.18
0.5
9
死擋鐵停留
0.01
10
中間鉆頭快退
182
0.05
11
工件松開
0.05
12
卸下工件
0.5
備
注
本機床裝夾一次，同時進行兩面鉆削，
然后進行第三面鉆削
累計
1.126
1.12
單件工時
2.246
機床生產(chǎn)率
26.71件/h
理論生產(chǎn)率
23.23件/h
負荷率
87.2％
根據(jù)機床使用經(jīng)驗，最適宜的機床負荷率為0.75-0.90，由生產(chǎn)率計算卡可見計算出的機床實際生產(chǎn)率能夠滿足理想生產(chǎn)率要求，故方案制定的合理可行。
第3章 主軸箱設(shè)計
主軸箱是組合機床的重要組成部件，它是選用通用零件，按專用要求進行設(shè)計的。在本組合鉆床設(shè)計過程中，是工作量最大的部件。由于在本機床上需要加工三個部位共24個孔，因此本鉆床的主軸箱傳動系統(tǒng)在對被加工零件進行了深入分析計算的基礎(chǔ)上，通過采用滾珠軸承主軸，對主軸箱的結(jié)構(gòu)進行了創(chuàng)新設(shè)計。使所設(shè)計的主軸箱結(jié)構(gòu)緊湊，實現(xiàn)了需在多工序完成的鉆削加工，現(xiàn)用同一工步完成的設(shè)計構(gòu)思。為實現(xiàn)本機床“結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，效率高，質(zhì)量好”的設(shè)計目標奠定了基礎(chǔ)。
3.1 主軸箱設(shè)計的原始依據(jù)
依據(jù)第二章組合鉆床總體設(shè)計繪制主軸箱設(shè)計原始依據(jù)圖。其內(nèi)容包括主軸箱設(shè)計的原始要求和已知條件。
(1)主軸箱輪廓尺寸500500mm
(2)工件輪廓尺寸及各孔位置尺寸。
(3)工件與主軸箱相對位置尺寸
根據(jù)這些數(shù)據(jù)，同時由總體設(shè)計，編制出表3-1。并繪出主軸箱設(shè)計原始依據(jù)圖3-1。
表3-1各主軸外伸尺寸及切削用量
主
軸
主軸外伸尺寸
切削用量
D/d
L
工序
轉(zhuǎn)速
切削
速度
切削
用量
1～6
30/20
115
鉆φ11.5
415
15
0.2
1～12
30/20
115
鉆φ8
577
15
0.18
3.2主軸箱傳動系統(tǒng)的設(shè)計及計算
主軸箱傳動系統(tǒng)的設(shè)計就是通過一定的傳動鏈把動力箱輸出軸(即主軸箱驅(qū)動軸)傳來的動力和轉(zhuǎn)速按要求分配到各主軸。三面臥式組合鉆床兩端的主軸箱傳動系統(tǒng)設(shè)計過程中采取以下措施：
(1)從面對主軸的方位看去，所有主軸均采用逆時針方向旋轉(zhuǎn)。
(2)保證轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的前提下，力求用最少的傳動軸和齒輪(數(shù)量和規(guī)格)，以減少各類零件的品種。具體措施采用一根傳動軸同時帶動多根主軸，并將齒輪布置在同一排位置上。當齒輪嚙合中心距不符和標準時，采用了變位齒輪。
(3)避開了用主軸帶主軸的方案，這樣避免了增加主軸負荷，不會影響加工質(zhì)量。
(4)為使主軸箱結(jié)構(gòu)緊湊，主軸箱內(nèi)齒輪傳動副的傳動比都在1~1.5之間。
(5)由于加工部位的孔均勻分布在同一圓周上，所以按照主軸箱設(shè)計原則在
圓周的圓心位置設(shè)置一根傳動軸帶動六根主軸，中間加工部位也按相同
原則設(shè)計。
(6)因鉆削加工切削力大，為了減少主軸的扭曲變形，主軸上的齒輪盡量安
排靠前支承。
采取上述方法設(shè)計的傳動系統(tǒng)，不僅實現(xiàn)了對加工部位的工序集中，而且保證了主軸箱的質(zhì)量，提高了主軸箱的通用化程度，使得設(shè)計和制造工作量及成本都大大降低。
圖3-1兩端主軸箱設(shè)計原始依據(jù)圖
圖3-2中間主軸箱設(shè)計原始依據(jù)圖
3.2.1傳動路線擬定思路
通過對加工部位的相對位置進行分析，為保證主軸箱結(jié)構(gòu)緊湊，擬定以下傳動路線：
兩端加工部位孔的分布相同，均是分布在φ133圓周上的六個孔，所以在φ133的圓心處設(shè)置一根傳動軸，動力箱輸出軸帶動此傳動軸以及油泵軸，傳動軸帶動6根主軸，其中一根主軸帶動手柄軸（用于停機是調(diào)整主軸）。
中間加工部位孔的分布和兩端加工部位孔的分布相似，均是分布在φ257圓周上的12個孔，所以在φ257圓心處設(shè)置一根傳動軸，動力箱輸出軸帶動此傳動軸以及油泵軸，傳動軸帶動12根主軸，其中一根主軸帶動手柄軸。具體傳動方案由傳動樹形圖表示。
傳動樹形圖是一種用簡單線條來描述主軸箱傳動系統(tǒng)的圖形。傳動樹形圖中的“樹梢”表示各個主軸，“樹根”表示驅(qū)動軸，各分叉點為傳動“樹枝”，以定向邊表示各軸之間的傳動副，并以箭頭表示傳動順序。根據(jù)定向邊的箭頭，就可以清楚地看出系統(tǒng)的傳動路線。由于中間主軸箱內(nèi)傳動系統(tǒng)和兩端主軸箱的傳動系統(tǒng)相似，只是孔分布的圓周直徑有所區(qū)別，所以用一個傳動系統(tǒng)樹形圖表示。擬定的系統(tǒng)傳動樹形圖如圖3-3所示。
圖3-3傳動樹形圖
3.2.2合理分配各級傳動比、初定傳動軸位置、確定齒輪齒數(shù)
傳動基本公式： ， （3-1）
式中： —主動輪齒數(shù)
—從動輪齒數(shù)
—主動輪轉(zhuǎn)速
—從動輪轉(zhuǎn)速
—中心距
—齒輪模數(shù)
初選模數(shù)由下式估算，再通過類比法確定。
(3-2)
式中： —齒輪模數(shù)（mm）
—齒輪傳遞功率（kw）
—小齒輪的齒數(shù)
—小齒輪的轉(zhuǎn)速（r/min）
兩端主軸箱內(nèi)主軸轉(zhuǎn)速均相同，由第二章計算得知, =415r/min，電機輸出軸轉(zhuǎn)速n=720r/min。主軸齒輪模數(shù)用類比法取m=2，電機輸出軸齒輪模數(shù)標準為m=3~4，取m=3。主軸與傳動軸的中心距A=66.5mm。電機輸出軸與傳動軸中心距A=90mm。總傳動比i=1.75。經(jīng)查組合機床主軸箱設(shè)計準則：主軸箱內(nèi)最佳傳動比為1~1.5。后蓋內(nèi)最大傳動比為2，最小為1/2。并且盡量避免升速傳動，以減少功率損失。分配傳動比及確定齒輪齒數(shù)如下：
Ⅰ/Ⅱ=1.75，Ⅱ/Ⅲ=1
由 (,
得
所以兩端主軸箱內(nèi)主軸上的齒輪齒數(shù)為33，于其嚙合的傳動軸上的齒輪上的齒數(shù)也為33。
由
得
所以兩端主軸箱后蓋內(nèi)電機輸出軸上的齒輪齒數(shù)為22，符合組合機床主軸箱設(shè)計準則電機輸出軸齒輪為21~24的標準。于其嚙合的傳動軸上的齒輪齒數(shù)為38。
中間主軸箱內(nèi)主軸轉(zhuǎn)速均相同，由第二章計算得知, =577r/min，電機輸出軸轉(zhuǎn)速n=720r/min。主軸齒輪模數(shù)用類比法取m=2，電機輸出軸齒輪模數(shù)標準為m=3~4，取m=3。主軸與傳動軸的中心距A=128.5mm。電機輸出軸與傳動軸中心距A=75mm。總傳動比i=1.27。分配傳動比及確定齒輪齒數(shù)如下：
Ⅰ/Ⅱ=1.27,Ⅱ/Ⅲ=1
由 (,
得
所以中間主軸箱內(nèi)主軸上的齒輪齒數(shù)為64，于其嚙合的傳動軸上的齒輪上的齒數(shù)也為64。
由