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寧XX大學
畢業(yè)設計(論文)
半軸套管-面鉆孔專用機床設計
所在學院
專 業(yè)
班 級
姓 名
學 號
指導老師
年 月 日
摘 要
組合機床組合機床是以通用部件為基礎，配以按工件特定形狀和加工工藝設計的專用部件和夾具，組成的半自動或自動專用機床。加工時，工件一般不旋轉，由刀具的旋轉運動和刀具與工件的相對進給運動，來實現鉆孔、擴孔、锪孔、鉸孔、鏜孔、銑削平面、切削內外螺紋以及加工外圓和端面 等。有的組合機床采用車削頭夾持工件使之旋轉，由刀具作進給運動，也可實現某些回轉體類零件(如飛輪、汽車后橋半軸等)的外圓和端面加工。
本文對半軸套管孔的加工工藝進行了詳細的分析，就其孔的加工提出了“一次裝夾，多工位加工，達到產品圖樣的精度要求”的思路。根據這一思路設計了鉆孔組合機床設計。
該組合機床由立柱、立柱底座、中間底座、液壓滑臺、動力箱、多軸箱等組成。本文對各部分的設計進行了詳細的計算和論證。
關鍵詞：組合機床,多軸箱,主軸箱,夾具
Abstract
Combination of machine tools is based on common components, according to the workpiece with a specific shape and design of the processing components and special fixture, the composition semiautomatic or automatic special machine. Processing, workpiece generally does not rotate, by movement of the rotatable cutter and tool and workpiece relative feed movement, to achieve the drilling, reaming, counterboring, reaming, boring, milling, cutting and processing of external thread face and etc.. Some combination machine adopts clamping workpiece machining head to rotate, by the tool for the feed movement, also can achieve some rotating parts ( such as car rear axle flywheel, etc.) of the face and processing.
The half shaft bushing hole machining process was analyzed in detail, its hole on the processing of "a fixture, multi-site processing, product design to achieve the required accuracy " train of thought. According to this design drill hole modular machine tool design.
The combination of machine tools by a column, column base, intermediate base, hydraulic slipway, the power box, box. In this paper, on the part of the design of the detailed calculation and verification.
Key words: modular machine tool, spindle, spindle box, fixture
目 錄
摘 要 2
Abstract 3
目 錄 4
1緒 論 6
1.1 組合機床的國內、外現狀 6
1.1.1 國內組合機床現狀 6
1.1.2 國外組合機床現狀 7
1.2 機床設計的目的、內容、要求 8
1.2.1 設計的目的 8
1.2.2 設計內容 8
1.2.3 設計要求 9
1.2.4 機床的設計步驟 9
1） 調查研究 9
2） 擬定方案 9
3） 工作圖設計 9
2 組合機床的總體設計 10
2.1 組合機床方案的制定 10
2.1.1 制定工藝方案 10
2.1.2 確定組合機床的配置形式和結構方案。 10
2.2 確定切削用量及選擇刀具 12
2.2.1 確定工序間余量 12
2.2.2 選擇切削用量 12
2.2.3 確定切削力、切削扭矩、切削功率 13
2.2.4 選擇刀具結構 14
2.3 鉆孔組合機床總設計“三圖一卡”的編制 14
2.3.1 被加工零件工序圖 14
2.3.2 加工示意圖 15
2.3.3 機床聯系尺寸圖 19
2.3.4 生產率計算卡 21
2.4 多軸箱的設計 23
2.4.1 繪制多軸箱設計原始依據圖 23
2.4.2 齒輪模數選擇 24
2.4.3 多軸箱的傳動設計 24
2.3.4 繪制傳動系統圖 26
2.3.5 傳動零件的校核 26
第3章 夾具設計 27
3.1 夾具概述 27
3.1.1 夾具分類 27
3.1.2 機床夾具的現狀 27
3.1.3 現代機床夾具的發(fā)展方向 28
3.2 夾具設計任務 28
3.3 零件分析 28
3.4 定位機構 28
3.5 夾緊機構 29
4 液壓系統方案設計 30
4.1調速回路的選擇 30
4.2油源及其壓力控制回路的選擇 31
4.3快速運動與換向回路 31
4.4速度換接回路 32
4.5壓力控制回路 32
4.6行程終點的控制方式 32
4.7組成液壓系統繪原理圖 32
第5章 電路設計 34
5.1繪制系統電器控制的結構框圖 34
5.2選擇中央處理器的類型 34
5.3存儲器擴展電路設計 34
5.4 I/O口接口電路設計 35
5.5 8031單片機的基本特性 35
5.6 8031芯片引腳及其功能 35
5.7 8031芯片內部的存儲器結構及地址分配 37
結 論 42
參考文獻 43
1緒 論
1.1 組合機床的國內、外現狀
世界上第一臺組合機床于1908年在美國問世，30年代后組合機床在世界各國得到迅速發(fā)展。至今，它已成為現代制造工程（尤其是箱體零件加工）的關鍵設備之一。
現代制造工程從各個角度對組合機床提出了愈來愈高的要求，而組合機床也在不斷吸取新技術成果而完善和發(fā)展。
1.1.1 國內組合機床現狀
我國加入WTO以后，制造業(yè)所面臨的機遇與挑戰(zhàn)并存、組合機床行業(yè)企業(yè)適時調整戰(zhàn)略，采取了積極的應對策略，出現了產、銷兩旺的良好勢頭，截至2005年4月份，組合機床行業(yè)企業(yè)僅組合機床一項，據不完全統計產量已達1000余臺，產值達3.9個億以上，較2004年同比增長了10%以上，另外組合機床行業(yè)增加值、產品銷售率、全員工資總額、出口交費值等經濟指標均有不同程度的增長，新產品、新技術較去年年均有大幅度提高，可見行業(yè)企業(yè)運營狀況良好。
（1）行業(yè)企業(yè)產品結構的變化
組合機床行業(yè)企業(yè)主要針對汽車、摩托車、內燃機、農機、工程機械、化工機械、軍工、能源、輕工及家電行業(yè)提供專用設備，隨著我國加入WTO后與世界機床進一步接軌，組合機床行業(yè)企業(yè)產品開始向數控化、柔性化轉變。從近兩年是企業(yè)生產情況來看，數控機床與加工中心的市場需求量在上升，而傳統的鉆、鏜、銑組合機床則有下降趨勢，中國機床工具工業(yè)學會的《機床工具行業(yè)企業(yè)主要經濟指標報表》是統計數據顯示，僅從幾個全國大型重點企業(yè)生產情況看，2003年生產數控機床890臺，產值16187萬元，生產加工中心178臺，產值5770萬元；2004年生產數控機床985臺，產值25838萬元，生產加工中心159臺，產值7099萬元；而2005年，截至4月份，數控機床、加工中心、產值已接近2003年全年水平，故市場在向數控、高精制造技術和成套工藝裝備方面發(fā)展。
（2）行業(yè)企業(yè)的快速轉變
“九五”后期，在組合機床行業(yè)企業(yè)的50多家組合機床分會會員中，僅有兩家企業(yè)實行了股份改造，一家企業(yè)退出國有轉為民營，其余的都是國有企業(yè)。而從2001至2002年，不到兩年的時間，就先后有十幾家企業(yè)實行股份制改造，一些小廠幾乎全部退出國有轉為民營，現在一些國家重點國有企業(yè)也在醞釀股份制改造，轉制已勢不可檔，“民營經濟在經歷了從被歧視，被藐視到不可小視和現在高度重視4個階段后，煥發(fā)勃勃生機。”組合機床行業(yè)企業(yè)正在以股份制、民營化等多種形式快速發(fā)展。
（3）組合機床技術裝備現狀與發(fā)展趨勢
組合機床及其自動線是集機電于一體是綜合自動化度較高的制造技術和成套工藝裝備。它的特征是高效、高質、經濟實用，因而被廣泛應用與工程機械、交通、能源、軍工、輕工、家電行業(yè)。我國的傳統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批量比較大的大中型的箱體類和軸類零件（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、鏜孔、車端面和凸臺，在孔內鏜各種形狀槽，以及銑削平面和成型面等。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、復合式，還有多工位回轉臺組合機床等；隨著技術的不斷是進步，一種新型的組合機床——柔性組合機床越來越受人們是親昧，它應用多位主軸箱、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）、數字控制（NC）等，能任意改變工作循環(huán)控制和驅動系統，并能靈活適應多種加工的可調可變的組合機床。另外，近年來組合機床加工中心、數控組合機床、機床輔機等在組合機床行業(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綜合性很高的高技術專用產品，是根據用戶特殊要求而設計的，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。我國組合機床及其組合機床自動線總體技術水平比發(fā)達國家相對落后，國內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致投資規(guī)模的擴大，并使產品生產成本提高。因此，市場要求我們不斷開發(fā)新技術、新工藝、研制新產品，由過去的“剛性”機床結構，向“柔性”化方向發(fā)展，滿足用戶需要，真正成為剛柔兼?zhèn)涞淖詣踊b備。
1.1.2 國外組合機床現狀
80年代以來，國外組合機床技術在滿足精度和效率要求的基礎上，正朝著綜合成套和具備柔性的方向發(fā)展。組合機床的加工精度、多品種加工的柔性以及機床配置的靈活多樣方面均有新的突破性進展，實現了機床工作程序軟件化、工序高度集中、高效短節(jié)拍和多功能知道監(jiān)控。組合機床技術的發(fā)展趨勢是：
（1）廣泛應用數控技術
國外主要的組合機床生產廠家都有自己的系列化完整的數控組合機床通用部件,在組合機床上不僅一般動力部件應用數控技術,而且夾具的轉位或轉角、換箱裝置的自動分度與定位也都應用數控技術,從而進一步提高了組合機床的工作可靠性和加工精度。廣州標致汽車公司由法國雷諾公司購置的缸蓋加工生產線,就是由三臺自動換箱組合機床組成的,其全部動作均為數控,包括自動上下料的交換工作臺、環(huán)形主軸箱庫、動力部件和夾具的運動,其節(jié)拍時間為58秒。
(2)發(fā)展柔性技術
80年代以來,國外對中大批量生產,多品種加工裝備采取了一系列的可調、可變、可換措施,使加工裝備具有了一定的柔性。如先后發(fā)展了轉塔動力頭、可換主軸箱等組成的組合機床;同時根據加工中心的發(fā)展,開發(fā)了二坐標、三坐標模塊化的加工單元,并以此為基礎組成了柔性加工自動線(FTL)。這種結構的變化,既可以實現多品種加工要求的調整變化快速靈敏,又可以使機床配置更加靈活多樣。
(3)發(fā)展綜合自動化技術
汽車工業(yè)的大發(fā)展,對自動化制造技術提出了許多新的需求,大批量生產的高效率,要求制造系統不僅能完成一般的機械加工工序,而且能完成零件從毛坯進線到成品下線的全部工序,以及下線后的自動碼垛、裝箱等。德國大眾汽車公司KASSEL變速箱廠1987年投入使用的造價9000萬馬克的齒輪箱和離合器殼生產線,就是這種綜合自動化制造系統的典范。該系統由兩條相似對稱布置的自動線組成,三班制工作,每條線日產2000件,節(jié)拍時間為40秒。全線由12臺雙面組合機床、18臺三坐標加工單元、空架機器人、線兩端的毛坯庫和三坐標測量機組成,可實現3種零件的加工?？占軝C器人完成工件下線的碼垛裝箱工作。隨著綜合自動化技術的發(fā)展,出現了一批專門從事裝配、試驗、檢測、清洗等裝備的專業(yè)生產廠家,進一步提高了制造系統的配套水平。
(4)進一步提高工序集中程度
國外為了減少機床數量,節(jié)省占地面積,對組合機床這種工序集中程度高的產品,繼續(xù)采取各種措施,進一步提高工序集中程度。如采用十字滑臺、多坐標通用部件、移動主軸箱、雙頭鏜孔車端面頭等組成機床或在夾具部位設置刀庫,通過換刀加工實現工序集中,從而可最大限度地發(fā)揮設備的效能,獲取更好的經濟效益。
1.2 機床設計的目的、內容、要求
1.2.1 設計的目的
通過機床主運動機械變速傳動系統的結構設計，使我們在擬定傳動和變速的結構方案過程中，得到設計構思、方案的分析、結構工藝性、機械制圖、零件計算、編寫技術文件和查閱資料等方面的綜合訓練，樹立正確的設計思想，掌握基本的設計方法，并培養(yǎng)自己具有初步的結構分析、結構設計和計算能力。
1.2.2 設計內容
(1)運動設計 根據給定的被加工零件，確定機床的切削用量，通過分析比較擬定傳動方案和傳動系統圖，確定傳動副的傳動比及齒輪的齒數，并計算主軸的實際轉速與標準的相對誤差。
(2)動力設計 根據給定的工件，初算傳動軸的直徑、齒輪的模數；確定動力箱；計算多軸箱尺寸及設計傳動路線。完成裝配草圖后，要驗算傳動軸的直徑，齒輪模數否在允許范圍內。還要驗算主軸主件的靜剛度。
(3)結構設計 進行主運動傳動軸系、變速機構、主軸主件、箱體、密封等的布置和機構設計。即繪制裝配圖和零件工作圖。
(4)編寫設計說明書
1.2.3 設計要求
評價機床性能的優(yōu)劣，主要是根據技術—經濟指標來判定的。技術先進合理，亦即“質優(yōu)價廉”才會受到用戶的歡迎，在國內和國際市場上才有競爭力。機床設計的技術—經濟指標可以從滿足性能要求、經濟效益和人機關系等方面進行分析。
1.2.4 機床的設計步驟
1） 調查研究
研究市場和用戶對設計機床的要求，然后檢索有關資料。其中包括情報、預測、實驗研究成果、發(fā)展趨勢、新技術應用以及相應的圖紙資料等。甚至還可以通過網絡檢索技術查閱先進國家的有關資料和專利等。通過對上述資料的分析研究，擬訂適當的方案，以保證機床的質量和提高生產率，使用戶有較好的經濟效益。
2） 擬定方案
通?？梢詳M定出幾個方案進行分析比較。每個方案包括的內容有：工藝分析、主要技術參數、總布局、傳動系統、液壓系統、控制操作系統、電系統、主要部件的結構草圖、實驗結果及技術經濟分析等。
在制定方案時應注意以下幾個方面：
（1） 當使用和制造出現矛盾時，應先滿足使用要求，其次才是盡可能便于制造。要盡量用先進的工藝和創(chuàng)新的結構；
（2） 設計必須以生產實踐和科學實驗為依據，凡是未經實踐考驗的方案，必須經過實驗證明可靠后才能用于設計；
（3） 繼承與創(chuàng)造相結合，盡量采用先進工藝，迅速提高生產力，為實現四個現代化服務。注意吸取前人和國外的先進經驗，并在此基礎上有所創(chuàng)造和發(fā)展。
3） 工作圖設計
首先，在選定工藝方案并確定機床配置形式、結構方案基礎上，進行方案圖紙的設計。這些圖子包括：被加工零件工序圖、加工示意圖、機床聯系尺寸圖和生產率計算卡，統稱“三圖一卡”設計。并初定出主軸箱輪廓尺寸，才能確定機床各部件間的相互關系。
然后，整理機床有關部件與主要零件的設計計算書，編制各類零件明細表，編寫機床說明書等技術文件。
最后，對有關圖紙進行工藝審查和標準化審查。
2 組合機床的總體設計
2.1 組合機床方案的制定
2.1.1 制定工藝方案
零件加工工藝將決定組合機床的加工質量、生產率、總體布局和夾具結構等。所以，在制定工藝方案時，必須計算分析被加工零件圖，并深入現場了解零件的形狀、大小、材料、硬度、剛度，加工部位的結構特點加工精度，表面粗糙度，以及定位，夾緊方法，工藝過程，所采用的刀具及切削用量，生產率要求，現場所采用的環(huán)境和條件等等。并收集國內外有關技術資料，制定出合理的工藝方案。
根據被加工被零件（半軸套管）的零件圖（圖2-1），加工四個通孔的工藝過程：
(1) 加工孔的主要技術要求。
4個孔通孔直徑Φ17。
孔的位置度公差為0.5mm。
工件材料為HT200。
要求生產綱領為（考慮廢品及備品率）年產量3萬件，大批量生產
(2) 工藝分析
加工該孔時，根據組合機床用的工藝方法及能達到的精度，可采用如下的加工方案：
一次性加工通孔，孔徑為Φ17。
(3) 定位基準及夾緊點的選擇
加工此零件上的孔，底面限制三個自由度，斷面限制三個自由度，位于中間的方孔起到了很好的定位作用。
在保證加工精度的情況下，提高生產效率減輕工人勞動量，由于工件是大批量生產，夾具在本設計中沒有考慮，因此在設計時就認為是人工夾緊。
2.1.2 確定組合機床的配置形式和結構方案。
(1)被加工零件的加工精度
被加工零件需要在組合機床上完成的加工工序及應保證的加工精度，是制造機床方案的主要依據。半軸套管鉆孔的精度要求不高，可采用鉆孔組合機床。為了加工出表面粗糙度為Ra3.2um的孔，采取提高機床原始制造精度和工件定位基準精度并減少夾壓變形等措施就可以了。為此，機床通常采用尾置式齒輪動力裝置，進給采用液壓系統，被加工零件圖如圖2.1所示
圖2.1 被加工零件圖
(2) 被加工零件的特點
這主要指零件的材料、硬度加工部位的結構形狀，工件剛度定位基準面的特點，它們對機床工藝方案制度有著重要的影響。此半軸套管的材料是HT200、硬度HB170～241、孔的直徑為Φ17。采用多孔同步加工，零件的剛度足夠，工件受力不大，振動，及發(fā)熱變形對工件影響可以不計。
一般來說，孔中心線與定位基準面平行且需由一面或幾面加工的箱體宜用臥式機床，立式機床適宜加工定基準面是水平的且被加工孔與基準面垂直的工件，而不適宜加工安裝不方便或高度較大的細長工件。對大型箱體件采用單工位機床加工較適宜，而中小型零件則多采用多工位機床加工。
此零件的加工特點是中心線與定位基準平面是平行的，并且定位基準面是水平的，工件較小，其孔分布較密集，多軸箱體積較大，所以分兩次鉆孔，選擇臥式鉆床。
(3) 零件的生產批量
零件的生產批量是決定采用單工位、多工位、自動線或按中小批量生產特點設計組合機床的重要因素。按設計要求生產綱領為年生產量為2萬件，從工件外形及輪廓尺寸，為了減少加工時間，采用多軸頭，為了減少機床臺數，此工序盡量在一臺機床上完成，以提高利用率。
(4) 機床使用條件
根據使用組合機床對對車間布置情況、工序間的聯系、技術能力和自然條件等的要求來選擇適合的組合機床。
綜合以上所述：通過對法蘭盤零件的結構特點、加工部位、尺寸精度、表面粗糙度和技術要求、定位、夾緊方式、工藝方法，并定出影響機床的總體布局和技術性能等方面的考慮，最終決定設計三軸頭多工位同步鉆床。
2.2 確定切削用量及選擇刀具
2.2.1 確定工序間余量
為使加工過程順利進行并穩(wěn)定的保證加工精度，必須合理地確定工序余量。生產中常用查表給出的組合機床對孔加工的工序余量，以消除轉、定位誤差的影響。Φ17mm的孔在鉆孔時，直徑上工序間余量均為0.2mm。
2.2.2 選擇切削用量
確定了在組合機床上完成的工藝內容了，就可以著手選擇切削用量了。因為所設計的組合機床為多軸同步加工在大多數情況下，所選切削用量，根據經驗比一般通用機床單刀加工低30%左右．多軸主軸箱上所有刀具共用一個進給系統，通常為標準動力滑臺，工作時，要求所有刀具的每分鐘進給量相同，且等于動力滑臺的每分鐘進給量（mm/min）應是適合有刀具的平均值。因此，同一主軸箱上的刀具主軸可設計成同轉速和同的每轉 進給量（mm/r）與其適應。以滿足直徑的加需要，即： …………………………………2.1
式中： … ——各主軸轉速（r/min）
——各主軸進給量（mm/r）
——動力滑臺每分鐘進給量（mm/min）
由于法蘭盤鉆孔的加工精度、工件材料、工作條件、技術要求等，按照經濟地選擇滿足加工要求的原則，采用查表的方法查得：孔鉆頭直徑D=5.8mm，進給量f=0.18mm/r、切削速度v=18m/min.
2.2.3 確定切削力、切削扭矩、切削功率
根據選定的切削用量（主要指切削速度v及進給量f）確定切削力，作為選擇動力部件（滑臺）；確定切削扭矩，用以確定主軸及其它傳動件（齒輪，傳動軸等）的尺寸；確定切削功率，用以選擇主傳動電動（一般指動力箱）功率，通過查表計算如下：
切削力： =26…………………………2.2
=26×17××
=2185.19 N
切削扭矩： =10………………………2.3
=10×××
=8924.96N·mm
切削功率： =……………………………2.4
=8924.96×18/(9740×3.17×17)
=0.38kw
式中： HB——布氏硬度
F——切削力（N）
D——鉆頭直徑（mm）
f——每轉進給量（mm/r）
T——切削扭矩(N·mm)
V——切削速度（m/min）
P——切削功率(kw)
2.2.4 選擇刀具結構
半軸套管的布氏硬度在HB170-241，孔徑D為17mm刀具的材料選擇高速鋼鉆頭（W18Cr4V），為了使工作可靠、結構簡單、刃磨簡單，選擇標準Φ17的麻花鉆。孔加工刀具的長度應保證加工終了時刀具螺旋槽尾端與導向套之間有30～50mm的距離，以便排出切屑和刀具磨損后有一定的向前的調整量。
2.3 鉆孔組合機床總設計“三圖一卡”的編制
總體設計方案的圖紙表達形式——“三圖一卡”設計，其內容包括：
繪制被加工零件工序圖、加工示意圖、機床聯系尺寸圖、編制生產率卡。
2.3.1 被加工零件工序圖
1、被加工零件工序圖的作用及內容
被加工零件工序圖是根據選定的工藝方案，表示一臺組合機床完成的工藝內容，加工部位的尺寸、精度、表面粗糙度及技術要求，加工用的定位基準、夾具部位及被加工零件的材料、硬度等狀況的圖紙。它是在原零件圖基礎上，突出本機床的加工的內容，加上必要的說明繪制成的，是組合機床設計的主要依據，也是制造、使用、檢驗和調整機床的重要技術文件。半軸套管鉆孔組合機床的被加工零件工序圖如2.2所示。
圖上主要內容：
（1）被加工零件的形狀，主要外廓尺寸和本機床要加工部位的尺寸、精度、表面粗糙度、形位精度等技術要求，以及對上道工序的技術要求等。
（2）本工序所選定的定位基準、夾緊部位及夾緊方向。
（3）被加工零件的名稱、編號、材料、硬度及被加工部位的加上余量等。
2、繪制被加工零件工序圖的注意事項
（1）為了使被加工零件工序圖清晰明了，一定要圖出被本機床的加工內容。繪制時，應按一定的比例，選擇足夠的視圖及剖視圖，突出加工部位（用粗實線），并把零件輪廓及與機床、夾具設計有關部位（用細實線）表清楚，凡本道工序保證的尺寸、角度等，均應在尺寸數值下方面用粗實線標記。如圖2.2中定位基準，機械夾壓位置及方向，輔助支承均須用規(guī)定的符號表示出來。
圖2.2 被加工零件工序圖
（2）加工部位的位置尺寸應由定位基準注起，為便于加工及檢查，有時因所選定位基準與設計基準不重合，則須對加工部位要求位置尺寸精度進行分析換算。
2.3.2 加工示意圖
1、加工示意圖的作用和內容
加工示意圖是被加工零件工藝方案在圖樣上的反映，表示被加工零件在機床上的加工過程，刀具的布置以及工件、夾具、刀具的相對位置關系，機床的工作行程及工作循環(huán)等，是刀具、夾具、多軸箱、電氣和液壓系統設計選擇動力部件的主要依據，是整臺組合機床布局形式的原始要求，也是調整機床和刀具所必需的重要文件。圖2.3為半軸套管鉆孔的加工示意圖
圖2.3加工示意圖
在圖上應標注的內容：
（1）機床的加工方法，切削用量，工作循環(huán)和工作行程。
（2）工件、夾具、刀具及多軸箱端面之間的距離等。
（3）主軸的結構類型，尺寸及外伸長度；刀具類型，數量和結構尺寸、接桿、導向裝置的結構尺寸；刀具與導向置的配合，刀具、接桿、主軸之間的連接方式，刀具應按加工終了位置繪制。
2、繪制加工示意圖之前的有關計算
（1）刀具的選擇
刀具選擇考慮加工尺寸精度、表面粗糙度、切削的排除及生產率要求等因素。刀具的選擇前已述及，此處就不在追述了。
（2）導向套的選擇
在組合機床上加工孔，除用剛性主軸的方案外，工件的尺寸、位置精度主要取決于夾具導向。因此正確選擇導向裝置的類型，合理確定其尺寸、精度，是設計組合機床的重要內容，也是繪制加工示意圖時必須解決的內容。
1）選擇導向類型 根據刀具導向部分直徑和刀具導向的線速度v=18m/min，選擇固定式導向。
2）導向套的參數 根據刀具的直徑選擇固定導向裝置
固定導向裝置的標準尺寸如下表：
表2.1 固定導向裝置的標準尺
d
d1
d2
d3
d4
l
l1
l2
l3
l4
L5
13.8
13.8
22
30
34
170
10
30
17
36
46
固定裝置的配合如下表：
表2.2 固定裝置的配合
導向
類別
工藝
方法
D
D
D1
刀具導向
部分外徑
固定
導向
鉆孔
G7（或F8）
H7/g6
H7/n6
g6
固定導向裝置的布置如圖2.4所示
圖2.4 固定導向裝置的布置
（3）初定主軸類型、尺寸、外伸長度
因為軸的材料為40Cr，剪切彈性模量G=81.0GPa,剛性主軸取ψ＝1／4（0）／m,所以B取2.316，
根據剛性條件計算主軸的直徑為：
dB……………………………………2.5
式中： d——軸直徑（mm）(22.51)
T——軸所承受的轉矩（N·mm）
B——系數
本設計中主軸直徑d=25mm,主軸外伸長度為：L=115mm，D/為40/28。
（4）選擇刀具接桿
由以上可知，多軸箱各主軸的外伸長度為一定值，而刀具的長度也是一定值，因此，為保證多軸箱上各刀具能同時到達加工終了位置，就需要在主軸與刀具之間設置可調環(huán)節(jié)，這個可調節(jié)在組合機床上是通過可調整的刀具接桿來解決的,連接桿如圖2.5所示，
圖2.5 可調連接桿
連接桿上的尺寸d與主軸外伸長度的內孔D配合，因此，根據接桿直徑d選擇刀具接桿參數如表2.3所示：
表2.3 可調接桿的尺寸
d
D1(h6)
d2
d3
L
l1
l2
l3
螺母
厚度
28
Tr28×2
莫氏1號
12.061
25
175
51
42
50
12
（5）確定加工示意圖的聯系尺寸
從保證加工終了時主軸箱端面到工件端面間距離最小來確定全部聯系尺寸，加工示意圖聯系尺寸的標注如圖2.3所示。其中最重要的聯系尺寸即工件端面到多軸箱端面之間的距離（圖中的尺寸380mm）,它等于刀具懸伸長度、螺母厚度、主軸外伸長度與接桿伸出長度（可調）之和，再減去加工孔深度和切出值。
（6）工作進給長度的確定
如圖2.6工作進給長度應等于工件加工部位長度L與刀具切入長度和切出長度之和。切入長應應根據工件端面誤差情況在5～10mm之間選擇，誤差大時取大值，因此取=5mm，切出長度=1/3d+(3～8)= x13.8 +610mm，所以=30+7+10=45mm.
（7）快進長度的確定
考慮實際加工情況，在未加工之前，保證工件表面與刀尖之間有足夠的工作空間，也就是快速退回行程須保證所有刀具均退至夾具導套內而不影響工件裝卸。這里取快速退回行程為120mm，快退長度等于快速引進與工作工進之和，因此快進長度120-45=75mm.
圖2.6 工作進給長度
2.3.3 機床聯系尺寸圖
圖2.7 機床聯系尺寸圖
1、聯系尺寸圖的作用和內容
一般來說，組合機床是由標準的通用部件——動力箱、動力滑臺、立柱、立柱底座加上專用部件組合而成。聯系尺寸圖用來表示機床各組成部件的相互裝配和運動關
系，以檢驗機床各部件的相對位置及尺寸聯系是否滿足要求，通用部件的選擇是否合適，并為進一步開展主軸箱、夾具等專用部件、零件的設計提供依據。聯系尺寸圖也可以看成是簡化的機床總圖，它表示機床的配置型式及總體布局。
如圖2.7所示，機床聯系尺寸圖的內容包括機床的布局形式，通用部件的型號、規(guī)格、動力部件的運動尺寸和所用電動機的主要參數、工件與各部件間的主要聯系尺寸，專用部件的輪廓尺寸等。
2、選用動力部件
選用動力部件主要選擇型號、規(guī)格合適的動力滑臺、動力箱。
（1）滑臺的選用 通常，根據滑臺的驅動方式、所需進給力、進給速度、最大行程長度和加工精度等因素來選用合適的滑臺。
1）驅動形式的確定 根據對液壓滑臺和機械滑臺的性能特點比較，并結合具體的加工要求，使用條件選擇HY系列液壓滑臺。
2）確定軸向進給力 滑臺所需的進給力
=∑=4×2185.19=8745N
式中： ——各主軸加工時所產生的軸向力
由于滑臺工作時，除了克服各主軸的軸的向力外，還要克服滑臺移動時所產生的摩擦力。因而選擇滑臺的最大進給力應大于＝8.745KN。
3）確定進給速度 液壓滑臺的工作進給速度規(guī)定一定范圍內無級調速，對液壓滑臺確定切削用量時所規(guī)定的工作進給速度應大于滑臺最小工作進給速度的0.5～1倍;液壓進給系統中采用應力繼電器時，實際進給速度應更大一些。本系統中進給速度=n·f=75mm/min。所以選擇1HY32ⅡA液壓滑臺，工作進給速度范圍20～650mm/min，快速速度10m/min。
4）確定滑臺行程 滑臺的行程除保證足夠的工作行程外，還應留有前備量和后備量。前備量的作用是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整。本系統前備量為20mm，后備量的作用是使動力部件有一定的向后移動的余地，為方便裝卸刀具，這是取110mm,所以滑臺總行程應大于工作行程，前備量，后備量之和。
即：行程L＞120+20+110=250mm，取L＝630mm。綜合上述條件，確定液壓動力滑臺型號1HY32ⅡA以及相配套的滑臺底座（1CC321型）。
（2）由下式確定動力箱的選用 動力箱主要依據多軸所需的電動機功率來選用，在多軸箱沒有設計之前，可算
＝／η……………………………2.6
＝4×0.38／0.8
＝1.9KW
式中：η——多軸箱傳動效率，加工黑色金屬時η＝0.8～0.9；有色金屬時η＝0.7～0.8，本系統加工Q235，取η＝0.8．
動力箱的電動機功率應大于計算功率，并結合主軸要求的轉速大小選擇。因此，選用電動機型號為Y112M-6的1TD Y112M-6I型動力箱，動力箱輸出軸至箱底面高度為125mm。主要技術參數如下表：
表2.4
主電機傳動型號
轉速范圍（r/min）
主電機功率（）
配套主軸部件型號
電機轉速
輸出轉速
D501TD32I
940
470
2.2
1HY32ⅡA,1CC321,1CD321
3、配套支承部件的選用
立柱底座1CD321。
4、確定裝料高度
裝料高度指工件安裝基面至機床底面的垂直距離，在現階段設計組合機床時，裝料高度可視具體情況在H＝580～1060mm之間選取，本系統取裝料高度為900mm。
5、中間底座輪廓尺寸
中間底座的輪廓尺寸要滿足滑臺在其上面聯接安裝的需要，又考慮到與立柱底座相連接。因此，中間底座采用側底座1CD321。
6、確定多軸箱輪廓尺寸
本機床配置的多軸箱總厚度為325mm，寬度和高度按標準尺寸中選取。計算時，多軸箱的寬度B和高度H可確定為：B=288 H=428.5
根據上述計算值，按主軸箱輪廓尺寸系列標準，最后確定主軸箱輪廓尺寸B×H=400×500mm。
2.3.4 生產率計算卡
生產率計算卡是反映所設計機床的工作循環(huán)過程、動作時間、切削用量、生產率、負荷率等技術文件，通過生產率計算卡，可以分析擬定的方案是否滿足用戶對生產率及負荷率的要求。計算如下：
切削時間： T切= L/vf+t停……………………………2.7
= 45/75＋10/415
=0.624 min
式中： T切——機加工時間（min）
L——工進行程長度（mm）
vf—— 刀具進給量（mm/min）
t?！罁蹊F停留時間。一般為在動力部件進給停止狀態(tài)下，刀具旋轉5～10 r所需要時間。這里取10r
輔助時間 T輔 = +t移+t裝……………………2.8
= （75＋120）/1000+0.1+2
= 2.295min
式中： L3、L4 ——分別為動力部件快進、快退長度（mm）
vfk ——快速移動速度（mm/min）
t移 ——工作臺移動時間（min）,一般為0.05～0.13min,取0.1 min
t裝 ——裝卸工件時間（min）一般為0.5～1.5min,取2min
機床生產率 Q1 = 60/T單…………………………………2.9
= 60/（T切+T輔）
=60/（0.624+2.295）
=14.76 件/h
機床負荷率按下式計算 η = Q1/Q×100%…………………………2.10
= Q1tk/A×100%
=14.12×1950/20000×100%
=64.08%
式中：Q——機床的理想生產率（件/h）
A——年生產綱領（件）
tk——年工作時間，單班制工作時間tk =1950h
表2.5 生產率計算卡
2.4 多軸箱的設計
2.4.1 繪制多軸箱設計原始依據圖
多軸箱設計原始依據圖是根據“三圖一卡”繪制的如圖2.8所示:
圖中多軸箱的兩定位銷孔中心連線為橫坐標，工件加工孔對稱，選擇箱體中垂線為縱坐標，在建立的坐標系中標注輪廓尺寸及動力箱驅動軸的相對位置尺寸。主軸部為逆時針旋轉（面對主軸看）。
主軸的工序內容，切削用量及主軸尺寸及動力部件的型號和性能參數如表 2.6所示：
表2.6 主軸外尺寸及切削用量
軸號
主軸外伸尺寸
工序
內容
切削用量
D/d
L
N
（r/min）
V
(m/min)
f
(mm/r)
Vf
(mm/min)
1、2
3、4
48/28
115
鉆Φ13.8
415
18
0.18
75
注：1．被加工零件編號及名稱：箱蓋；材料：HT200 JB297-62；硬度: HB170-241
2．動力部件型號：1TD32I動力箱，電動機型號Y112M-65；功率P＝2.2kw。
2.4.2 齒輪模數選擇
本組合機床主要用于鉆孔，因此采用滾珠軸承主軸。
齒輪模數m可按下式估算：
m=(30～32)=32×≈2.1……………2.11
式中：m——估算齒輪模數
P——齒輪所傳遞率（kw）
Z——對嚙合齒中的小齒輪數
N——小齒輪的轉速（r/min）
多軸箱輸入齒輪模數取m=2.5。
2.4.3 多軸箱的傳動設計
（1）根據原始依據圖（圖2.8），畫出驅動軸、主軸坐標位置。如下表：
表2.7 驅動軸、主軸坐標值
坐標
銷O1
驅動軸O
主軸1
主軸2
主軸3
主軸4
X
－175
0
37
37
-37
-37
Y
0
70.5
85.5
173.5
173.5
85.5
（2）確定傳動軸位置及齒輪齒數
圖2.9 齒輪的最小壁厚
1）最小齒數的確定
為保證齒輪齒根強度，有《組合機床簡明設計手冊》知，驅動所以驅動軸齒數要在21-24之間。
2）傳動軸2為主軸1，2，3，4都各自在同一同心圓上。
多軸箱的齒輪模數按驅動軸出輪估算
………………………2.17
多軸箱輸入出輪模數取m=2.5。主軸1，2，3，4要求的轉速一致且較高，所以采用降速傳動。主軸齒數選取Z=21，傳動齒輪采用z=22齒的齒輪，變位系數。傳動軸的轉速為:
…………………………2.15
由于前面選取了主軸直徑為48，顯然傳動軸直徑都選取40，這樣為了減少傳動軸種類和設計題目需要由于傳動軸轉速是，則驅動軸至傳動軸的傳動比為:
……………………………2.16
所以選擇兩級傳動，且傳動比分配為：一級為1.0×1.0;二級為1.4×1.0。
驅動軸的直徑為40mm，由《組合機床簡明設計手冊》查得知：t=33.3mm,當m=3時，驅動軸上的齒數為：
Zmin≥………2.17
去驅動齒輪齒數Z=24。
通用的齒輪有三種，即傳動齒輪、動力箱齒輪和電機齒輪。材料均為45鋼，熱處理為齒部高頻淬火G54。本機床齒輪的選用按照下表選用
表2.8
齒輪種類
寬度（mm）
齒 數
模數（mm）
孔徑（mm）
驅動軸齒輪
24
32
17～50連續(xù)
17～70
2、2.5、3
2、2.5、3、4
15、20、30、35、40
25、30、35、40、50
傳動軸齒輪
44（B型）
21-24
3
25、30、35、40、50
輸出軸齒輪
32
21-24
3
18、22、28、32、36
計算各主軸轉速
使各主軸轉速的相對轉速損失在5%以內，由公式：V= 知：
n1=n2=n3=n4=18x1000/3.17/13.8=415r/min…………………2.18
2.3.4 繪制傳動系統圖
傳動系統圖是表示傳動關系是示意圖，即用以確定的傳動軸將驅動軸和各主軸連接起來，繪制在多軸箱輪廓內的傳動示意圖
圖中傳動軸齒輪和驅動軸齒輪為第Ⅰ排。在圖中標出齒輪的齒數、模數、變位系數，以校核驅動軸是否正確。另外，應檢查同排的非嚙合齒輪是否齒頂干涉；還畫出主軸直徑和軸套直徑，以避免齒輪和相鄰的主軸軸套相碰。
2.3.5 傳動零件的校核
（1）驗算傳動軸的直徑
校核傳動軸以承受的總扭矩最大傳動軸4，由它驅動的有主軸1、2、3、4和油泵軸6。
主軸扭矩：T1=T2=8924.96N·mm
油泵軸的扭矩：查得R12-1A油泵的最高壓力為0.3MPa、排量為4.88ml/r。假設在理想無泄漏狀態(tài)，
即： P·q=T·ω
式中：P——油泵的壓力N/㎡
q——油泵的排量m3/s
T——輸入扭矩N·m
ω——輸入角速度rad/s
單位換算： P=0.3MPa=0.3×106Pa
n =550r/min=9.17r/s…………………………………2.19
q=4.88×9.17=53.92ml/r=53.92×10-6m3/s…………………2.20
ω=2πn/60=2×3.17×550/60………………………………2.21
=57.57rad/s
代入公式： P·q=T·ω…………………………………………………2.22
53.92×10-6×0.3×106=57.57T6
解得：T6=281N·mm
T5=T1/i5-1+T4/i5-4+T7/i5-7………………………………………2.23
=2×3273.45/0.917+281/0.667
=44093.06N·mm
根據 d=B=2.316×=33.6mm<35mm
因此傳動軸4是符合要求的。
第3章 夾具設計
3.1 夾具概述
3.1.1 夾具分類
由機械制造工藝系統的組成—機床、工件、刀具和夾具可以看出夾具在機械加工中占有很重要的地位，是制造系統的重要組成部分。無論是傳統制造還是現代制造系統，夾具都是十分重要的。尤其在成批生產時更是大量的采用機床夾具，它們是機床和工件之間的連接裝置，使工件相對與機床或刀具獲得正確的位置。機床夾具的好壞將直接影響工件加工表面的位置精度，好的夾具設計可以提高產品勞動生產率，保證和提高加工精度，降低生產成本等，還可以擴大機床的使用范圍。
機床夾具按其通用特性劃分可分為：通用夾具、專用夾具、可調夾具、成組夾具、組合夾具、隨行夾具。按所使用的機床劃分可分為：車床夾具、鉆床夾具、銑床夾具、磨床夾具、鏜床夾具等。機床夾具的組成元件一般包括：定位元件及定位裝置，夾緊元件及夾緊裝置，導向元件，對刀元件及定向元件，夾具體，其它元件及裝置。
3.1.2 機床夾具的現狀
國際生產研究協會的統計表明，目前中、小批多品種生產的工件品種已占工件種類總數的85％左右?，F代生產要求企業(yè)所制造的產品品種經常更新換代，以適應市場的需求與競爭。然而，一般企業(yè)都仍習慣于大量采用傳統的專用夾具，一般在具有中等生產能力的工廠里，約擁有數千甚至近萬套專用夾具；另一方面，在多品種生產的企業(yè)中，每隔3～4年就要更新50～80％左右專用夾具，而夾具的實際磨損量僅為10～20％左右。特別是近年來，數控機床、加工中心、成組技術、柔性制造系統（FMS）等新加工技術的應用，對機床夾具提出了如下新的要求：
(1) 能迅速而方便地裝備新產品的投產，以縮短生產準備周期，降低生產成本；
(2) 能裝夾一組具有相似性特征的工件；
(3) 能適用于精密加工的高精度機床夾具；
(4) 能適用于各種現代化制造技術的新型機床夾具；
(5) 采用以液壓站等為動力源的高效夾緊裝置，以進一步減輕勞動強度和提高勞動生產率；
(6) 提高機床夾具的標準化程度。
3.1.3 現代機床夾具的發(fā)展方向
現代機床夾具的發(fā)展方向主要表現為標準化、精密化、高效化和柔性化等四個方面：
(1) 標準化：機床夾具的標準化與通用化是相互聯系的兩個方面。目前我國已有夾具零件及部件的國家標準以及各類通用夾具、組合夾具標準等。機床夾具的標準化，有利于夾具的商品化生產，有利于縮短生產準備周期，降低生產總成本。
(2) 精密化：隨著機械產品精度的日益提高，勢必相應提高了對夾具的精度要求。精密化夾具的結構類型很多，例如用于精密分度的多齒盤，其分度精度可達±0.1"；用于精密車削的高精度三爪自定心卡盤，其定心精度為5μm 。
(3) 高效化：高效化夾具主要用來減少工件加工的基本時間和輔助時間，以提高勞動生產率，減輕工人的勞動強度。常見的高效化夾具有自動化夾具、高速化夾具和具有夾緊力裝置的夾具等。例如，在銑床上使用電動虎鉗裝夾工件，效率可提高5倍左右；在車床上使用高速三爪自定心卡盤，可保證卡爪在試驗轉速為9000r/min的條件下仍能牢固地夾緊工件，從而使切削速度大幅度提高。
(4) 柔性化：具有高度柔性的夾具，能實現多種工藝要求的、具有一定相似性的不同零件的定位夾緊，縮短零件加工的準備時間和輔助時間，穩(wěn)定性好，可靠性強。
3.2 夾具設計任務
為提高勞動生產率，保證加工質量，降低勞動強度，故需設計專用夾具。根據設計任務書的要求為設計專用夾具。所用機床為前面章節(jié)所設計的雙面臥式組合機床，生產規(guī)模為大批生產，孔精度要求IT13。
3.3 零件分析
本設計是要為鉆孔的夾具，最終實現將工件定位，更加精確和方便的完成鉆孔工作，并保證能夾緊工件，夾緊力要適中，不要使工件變形，又能保證工件所要求的加工精度。
零件圖標出了工件的尺寸、形狀和位置、表面粗糙度等總體要求，它決定了工件在機床夾具中的放置方法，是設計機床夾具總體結構的依據,本工件放置方法應如圖4-1所示。裝配圖給出了零件本工序的定位、夾緊原理方案。工件的工序基準、已加工表面決定了機床夾具的方位方案，如選用平面定位、孔定位以及外圓面定位等；定位方案的選擇依據六點定位原理和采用的機床加工方法，定位方案不一定要定六個自由度，但要完全定位。工件的待加工表面是選擇機床、刀具的依據。確定夾緊機構要依據零件的外型尺寸，選擇合適的定位點，確保夾緊力安全、可靠同時夾緊機構不能與刀具的運動軌跡相沖突。
3.4 定位機構
定位支承系統主要由定位支承、輔助支承和一些限位元件組成。定位支承是指在加工過程中維持被加工零件有一定位置的元件，輔助支承是僅用作增加被加工零件在加工過程中剛度及穩(wěn)定性的一種活動式支承元件。
由于定位支承元件直接與被加工零件接觸，因此其尺寸、結構、精度和布置都直接影響被加工零件的精度。因此設計時應該注意以下幾點：
(1)合理布置定位支承元件，力求使其組成較大的定位支承平面。最好使夾壓力的位置對準定位支承元件。
(2) 提高剛性，減少定位支承系統的變形。
(3) 提高定位支承系統的精度及其元件的耐磨性，以便長期保持夾具的定位精度。
(4) 可靠地排除定位支承部件的切屑。
此外，選擇工藝基面應該遵循下面的原則：
1、應當盡量選用設計基面作為在組合機床上加工用的定位基面，這樣能減少累積誤差，