机械制造装备设计第四章组合机床主轴箱设计

第四章第四章 组合机床主轴箱设计组合机床主轴箱设计第一节第一节 概述概述 一一 主轴箱的用途及分类主轴箱的用途及分类 主轴箱是组合机床的主要部件之一。按专用要求进行设计，由通用零部件组成。其主要作用是，根据被加工零件的加工要求，安排各主轴位置，并将动力和运动由电机或动力部件传给各工作主轴，使之得到要求的转速和转向。主轴箱是根据加工示意图所确定的工件加工孔的数量、位置，切削用量和主轴类型设计的传递各主轴运动的动力部件。其动力来源于通用的动力箱，与动力箱一起安装在进给滑台上，将动力和运动传给主轴，使 之得到要求的转速和转速，可完成钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、铣削等加工工序。1 主主轴箱一般具有多根主轴，同时对一列孔系进行加工。但也有单轴的，用于镗孔居多。2 主主轴箱按结构大小，可分为大型主轴箱和小型主轴箱两大类。大型主轴箱又分为通用（即标准）主轴箱和专用主轴箱两种。3 通通用主轴箱结构典型，能利用通用的箱体和传动件。4 专专用主轴箱结构特殊，往往需要加强主轴系统刚性，而使主轴及某些传动件必须专门设计，故专用主轴箱通常指“刚性主轴箱”，即采用不需刀具导向装置的刚性主轴和用精密滑台导 轨来保证加工孔的位置精度。5 大大型主轴箱和小型主轴箱，这两种主轴箱的设计方 法基本相同。下面仅介绍大型通用主轴箱的设计。二、通用主轴箱的组成二、通用主轴箱的组成1主轴箱的组成主轴箱的组成 大型通用主轴箱在生产中应用甚广，常见的有：通用主轴箱由通用零件，如箱体、主轴、传动轴、传动齿轮、轴套和附加机构等组成。1 钻削类主轴箱；2 攻丝类主轴箱；3 钻、攻复合主轴箱。其基本结构如图41所示。图中主轴箱体17、前盖20、后盖15、上盖18、侧盖14等为箱体类零件箱体类零件；通常卧式主轴箱的厚度为325 mm，立式主轴箱的厚度为340 mm。主轴4、传动轴6、手柄轴7、传动齿轮11、动力箱或电动机齿轮13等为传动类零件传动类零件。叶片泵12、分油器16、注油杯22、排油塞21、油盘19（立式主轴箱不用）和防油套10等为润滑及防油元件润滑及防油元件。在主轴箱箱体内腔，可安排两排32mm宽的齿轮或三排24mm宽的齿轮；箱体后壁与后盖之间可安排一排（后盖用90 mm厚时）或两排（后盖用125 mm厚时）24 mm宽的齿轮。通用主轴箱基型后盖厚度为90 mm，如只有电机轴安排第排齿轮，可选用厚度为50 mm的后盖，此时后盖窗孔应加以扩大，如图42所示（1 1）主视图）主视图用点划线表示齿轮节圆，标注齿轮齿数和模数，两啮合齿轮相切处标注罗马数字表示齿轮所在排数。标注各轴轴号及主轴、驱动轴、液压泵轴的转速和转向。（2 2）展开图）展开图每根轴、轴承、齿轮等组件可只画轴线上边或下边（左边或右边）一半，对于结构尺寸完全相同的轴组件只画一根，但必须在轴端注明相应的轴号；齿轮可不按比例绘制，在图形一侧用数码箭头标明齿轮所在排数。2主轴箱总图绘制方法及特点主轴箱总图绘制方法及特点二、主轴箱通用零件二、主轴箱通用零件 主轴箱通用零件的编号方法如下：口 T 07 零件顺序号 顺 序 号 小 组 号 类 别 号 字 头规 格T07或1T07系指与TD或1TD系列动力箱配套的主轴箱通用零件。小组号：1主轴箱体类零件；2主轴类零件；3传动轴类零件；4齿轮类零件。顺序号和零件顺序号表示的内容随类别号和小组号的不同而不同。如 500400T071111，表示宽500 mm、高400 mm的主轴箱体；30T072141,表示用圆锥滚子轴承、直径为40 mm的传动轴；32520T074191，表示模数为3 mm、齿数为25、孔径为20mm、宽度为32mm的齿轮。与1TD系列动力箱配套的主轴箱通用零件标记时，原T07改标为1T07，通用零件规格与1T07间用“”分开；如 6304001T071111，表示宽为630 mm、高400 mm的主轴箱体；251T072241，表示用球轴承，直径为25 mm的 钻削类主轴。1.通用箱体类零件通用箱体类零件 主轴箱的通用箱体类零件采用灰铸铁材料，箱体材料为HT200，前盖、后盖、侧盖等材料为HT150。主轴箱基本尺寸系列标准（GB3668.183）规定，名义尺寸用相应滑台的宽度表示，主轴箱体宽度和高度根据配套滑台的规格按 表41进行选择。主轴箱的标准厚度为180 mm；用于卧式主轴箱的前盖厚度为55 mm，用于立式主轴箱的前盖，因兼作油池用，故加厚到70 mm；基型后盖的厚度为90 mm，变形后盖厚度为50 mm、100 mm和125 mm三种，应根据主轴箱传动系统安排和动力部件与主轴箱的连接情况合理选用。如只有电机轴安排或排齿轮，可选用厚度为50 mm或100 mm的后盖，此时，后盖窗口应按齿轮外廓加以扩大，如图42所示。2.通用主轴通用主轴（1）通用钻削类主轴按支承型式可分为三种 圆锥滚子轴承主轴圆锥滚子轴承主轴球轴承主轴球轴承主轴滚针轴承主轴滚针轴承主轴前后支承均为圆锥滚子轴承。这种支承可承受较大的径向和轴向力，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；当主轴进退两个方向都有轴向切削力时常用此种结构。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。因推力球轴承设置在前端，能承受单方向的轴向力，适用于钻孔主轴。前后支承均为无内环滚针轴承和推力球轴承。当主轴间距较小时采用。按与刀具的连接是浮动还是刚性连接，又分为短主轴和长主轴；主轴箱前盖外伸长度为75（立式为60）mm的圆锥滚子轴承主轴，采用浮动卡头与刀具浮动连接配以加长导向或双导向，用于镗、扩、铰孔等工序；外伸长度大于75（立式为60）mm的主轴，因主轴内孔较长，与刀具尾部连接的接触面加长，增强了刀具与主轴的连接刚度、减少刀具前端下垂，采用标准导套导向或单导向，用于钻孔、扩孔、倒角、锪平面等工序。通用钻削类主轴参数见表42所示。短主轴长主轴（2）攻螺纹类主轴（见图45）按支承型式分两种：通用攻螺纹主轴系列参数见表43所示。1）前后支承均为圆锥滚子轴承主轴。）前后支承均为圆锥滚子轴承主轴。2）前后支承均为推力球轴承和无内环滚针轴承的主轴。）前后支承均为推力球轴承和无内环滚针轴承的主轴。主轴材料一般采用40Cr钢，热处理C42；滚针轴承主轴用20Cr钢，热处理S0.5 C59。表44所示为通用主轴的最小轴间距。2.通用传动轴通用传动轴通用传动轴按用途和支承型式分为图45所示六种；表45所示为通用传动轴的系列参数。通用传动轴一般用45钢，调质T235；滚针轴承传动轴用20Cr钢，热处理S0.5 C59。3.通用齿轮通用齿轮 主轴箱用通用齿轮有：传动齿轮、动力箱齿轮和电动机齿轮三种，材料均采用45钢，热处理为齿部高频淬火G54。通用齿轮的系列参数见表46。采用50 mm厚盖和100 mm、125 mm厚的加厚后盖时使用采用90 mm厚的基型后盖时使用A型（宽度为84 mm）B型（宽度为44 mm）动力箱齿轮第二节第二节 主轴箱设计的步骤和内容主轴箱设计的步骤和内容 主轴箱是组合机床的重要部件之一，它关系到整台机床质量的好坏。目前主轴箱设计有一般设计法一般设计法和电子计算机辅助设计法电子计算机辅助设计法两种。由人工输入原始数据，按事先编制的程序，通过人机交互方式，可迅速、准确地设计传动系统，绘制主轴箱总图、零件图和箱体补充加工图，打印出轴孔坐标及组件明细表。计算机设计主轴箱计算机设计主轴箱 具体内容和方法简述如下：一般设计法的顺序一般设计法的顺序 绘制主轴箱设计原始依据图；确定主轴结构、轴颈尺寸及齿轮模数；拟定传动系统；计算主轴、传动轴坐标（也可用计算机计算和验算箱体轴孔的坐标尺寸）；绘制坐标检查图；绘制主轴箱总图、零件图及编制组件明细表。图46所示为双面卧式钻孔组合机床右主轴箱设计原始依据图。较简单的主轴箱可不画原始依据图。一、绘制主轴箱设计原始依据图一、绘制主轴箱设计原始依据图主轴箱设计原始依据图是根据“三图一卡”绘制的。3）根据加工示意图标注各主轴转速及转向，主轴逆时针转向（面对主轴看）可不标，只注顺时针转向。2）根据联系尺寸图和加工示意图，标注所有主轴位置尺寸及工件与主轴、主轴与驱动轴的相关位置尺寸。1）根据机床联系尺寸图，绘制主轴箱外形图，并标注轮廓尺寸及动力箱驱动轴的相对位置尺寸。4）列表标明工件材料、加工表面要求，并注明各主轴的工序内容、切削用量及主轴外伸尺寸等。5）标明动力部件型号及性能参数等。二、主轴、齿轮的确定及动力计算二、主轴、齿轮的确定及动力计算如 钻孔时常采用 球轴承主轴；球轴承主轴；扩、镗、铰孔等工序常采用 圆锥滚子轴承主轴圆锥滚子轴承主轴；主轴间距较小时常选用 滚针轴承主轴滚针轴承主轴。滚针轴承精度较低、结构刚度及装配工艺性能都较差，除非轴距限制，一般不选用。攻螺纹主轴因靠模杆在主轴孔内作轴向移动，为获得良好的导向性，一般采用双键结构，不用轴向定位（见图44）。1.主轴型式和直径及齿轮模数的确定主轴型式和直径及齿轮模数的确定主轴的型式和直径主要取决于工艺方法、刀具主轴联接结构、刀具的进给抗力和切削扭矩。主轴直径按加工示意图所示主轴类型及外伸尺寸可初步确定。传动轴的直径也可参考主轴直径大小初步选定。待齿轮传动系统设计完后再验算某些关键轴颈。齿轮模数m(单位为mm)一般用类比法确定，也可按公式估算，即即 式中：P齿轮所传递的功率，单位为kW；z一对啮合齿轮中的小齿轮齿数；n小齿轮的转速，单位为r/min。主轴箱中的齿轮模数常用2、2.5、3、3.5、4几种。为便于生产，同一主轴箱中的模数规格最好不要多于两种。znP)3230(m2.主轴箱所需动力的计算主轴箱所需动力的计算主轴箱的动力计算包括主轴箱所需要的功率和进给力两项。传动系统确定之后，主轴箱所需功率P主轴箱按下列公式计算：式中：P切削切削功率，单位为kW；P空转空转功率，单位为kW；P损失与负荷成正比的功率损失，单位为kW；（kW）niniiniiPPPPPPP111损失空转切削损失空转切削主轴箱每根主轴的切削功率，由选定的切削用量按公式计算或查图表获得；每根轴的空转功率按表47确定；每根轴上的功率损失，一般可取所传递功率的1%。主轴箱所需的进给力F主轴箱可按下式计算：式中：Fi各主轴所需的轴向切削力，单位为N。实际上，为克服滑台移动引起的摩擦阻力，动力滑台的进给力应大于F主轴箱 niiFF1主轴箱三、主轴箱传动设计三、主轴箱传动设计【1 1】在保证主轴的强度、刚度、转速和转向的条件下，力求使传动轴和齿在保证主轴的强度、刚度、转速和转向的条件下，力求使传动轴和齿轮的规格、数量为最少。轮的规格、数量为最少。【2 2】尽量不用主轴带动主轴的方案，以免增加主轴负荷，影响加工质量。尽量不用主轴带动主轴的方案，以免增加主轴负荷，影响加工质量。【3 3】为使结构紧凑，主轴箱内齿轮副的传动比一般要大于为使结构紧凑，主轴箱内齿轮副的传动比一般要大于1212（最佳传动（最佳传动比为比为1 11.51 11.5），后盖内齿轮传动比允许取至），后盖内齿轮传动比允许取至13 13.5 13 13.5；尽量避；尽量避免用升速传动。免用升速传动。【4 4】用于粗加工主轴的齿轮，应尽可能设置在第用于粗加工主轴的齿轮，应尽可能设置在第排，以减少主轴的扭转排，以减少主轴的扭转变形；精加工主轴上的齿轮，应设置在第变形；精加工主轴上的齿轮，应设置在第排，以减少主轴端的弯曲变形。排，以减少主轴端的弯曲变形。【5 5】主轴箱内具有粗精加工主轴时，最好从动力箱驱动轴齿轮传动开始就主轴箱内具有粗精加工主轴时，最好从动力箱驱动轴齿轮传动开始就分两条传动路线，以免影响加工精度。分两条传动路线，以免影响加工精度。【6 6】刚性镗孔主轴上的齿轮，其分度圆直径要尽可能大于被加工孔的孔径，刚性镗孔主轴上的齿轮，其分度圆直径要尽可能大于被加工孔的孔径，以减少振动，提高运动平稳性。以减少振动，提高运动平稳性。【7 7】驱动轴直接带动的转动轴数不能超过两根，以免给装配带来困难。驱动轴直接带动的转动轴数不能超过两根，以免给装配带来困难。1.对主轴箱传动系统的一般要求对主轴箱传动系统的一般要求基本方法最后通过合拢传动轴与动力箱驱动轴连接起来。然后根据已选定的各中心传动轴再取同心圆，并用最少的传动轴带动这些中心传动轴；主轴箱传动设计过程中，当齿轮排数排不够用时，可以增加排数，如在原来排齿轮的位置上排两排薄齿轮（其强度应满足要求）或在箱体与前盖之间增设0排齿轮。2.拟定主轴箱传动系统的基本方法拟定主轴箱传动系统的基本方法先把全部主轴中心尽可能分布在几个同心圆上，在各个同心圆的圆心上分别设置中心传动轴；非同心圆分布一些主轴，也宜设置中间传动轴（如一根传动轴带二根或三根主轴）；1）将主轴划分为各种分布类型）将主轴划分为各种分布类型（1）同心圆分布）同心圆分布 图47中主轴群1 4的各轴心在同心圆上均布，主轴群5 11在同心圆上不均匀分布。对这类主轴，可在同心圆处分别设置中心传动轴，由其上的一个或几个（不同排数）齿轮来带动各主轴。被加工零件上加工孔的位置分布是多种多样的，但大致可归纳为：同心圆分布同心圆分布、直线分布直线分布和任意分布任意分布三种类型。因此，主轴箱上主轴分布相应分为这三种类型。（2）直线分布）直线分布 图48所示主轴按直线分布。对此类主轴，可在两主轴中心连线的垂直平分线上设传动轴，由其上一个或几个齿轮带动各主轴（如图49a、b两种传动方案）。（3）任意分布）任意分布 图410所示为任意分布主轴及传动方案。对此类主轴可根据“三点共圆”原理，将主轴1、2、3和主轴4、5、6的轴心分别分布在两个同心圆上；主轴7、8可按直线分布方法处置。可见，任意分布可以看作是同心圆和直线的混合分布形式。2）确定驱动轴转速转向及其在主轴箱上的位置 驱动轴的转速按动力箱型号选定；当采用动力滑台时，驱动轴旋转方向可任意选择；动力箱与主轴箱连接时，应注意驱动轴中心一般设置于主轴箱箱体宽度的中心线上，其中心高度则决定于所选动力箱的型号规格。驱动轴中心位置在机床联系尺寸图中已经确定。3）用最少的传动轴及齿轮副把驱动轴和各主轴连接起来。在主轴箱设计原始依据图中确定了各主轴的位置、转速和转向的基础上，首先分析主轴位置，拟订传动方案，选定齿轮模数（估算或类比），再通过“计算、作图和多次试凑”相结合的方法，确定齿轮齿数和中间传动轴的位置及转速。（1）齿轮齿数 传动轴转速的计算公式：（41）（42）（43）（44）主从从主nnzzuZSmzzmA2)(2从主主从从从主zznunn从主主主从zznunn 式中：u啮合齿轮副传动比；Sz啮合齿轮副齿数和；z主、z从分别为主动和从动齿轮齿数；n主、n从分别为主动和从动齿轮转速，单位为r/min；A齿轮啮合中心距，单位为mm；m齿轮模数，单位为mm。)1(2)1(22umAunnmAzmAz从主从主)1(2)1(22uAmnnmAzmAz主从主从（45）（46）（2）传动路线设计方法）传动路线设计方法mmmmAA14.1985.65187220201 当主轴数少且分散时，如图411所示，主轴1、2转速均为320r/min，驱动轴O转速为470r/min（顺、逆转向均可）。由图中已知尺寸可算出驱动轴O1到主轴1或2的中心距A1-0、A2-0和总传动比u总。即：47.11470320驱主总nnu 根据式（41）式（46）及齿轮参数系列（表46），便可进行齿轮的排列及传动比分配。单纯从u总的值看，理论上用一对齿轮就能满足要求，但因中心距较大，且驱动轴上的齿轮参数规定为：z驱=2126，m=3或4。若取m=4，z驱=26，按A=198.14 代入式（46）计算可得主轴上齿轮齿数z 主轴=73，则相应的传动比u总为：81.217326总u 显然u总=u总，即用一对齿轮传动满足了轴间距A的要求，却不能满足的要求。此时，可用增设中间轴的方法解决，如图412所示，若取m=4，z驱=21，根据 则47.11总u3147.1121总驱主轴uzz 考虑结构紧凑，惰轮齿数取z惰=25，中间轴及齿轮位置由作图或计算确定，图412中所设中间轴及z惰在主轴与驱动轴心连接之下，也可设在连线之上，但可能要用不同排数的齿轮传动两主轴。当主轴数量较主且分散时 可将比较接近的主轴分成几组，然后从各组主轴开始选取不同的中间传动轴，分别带动各组主轴，再通过合拢轴将中间轴和驱动轴联系起来。在排列齿轮时，要注意先满足转速最低及主轴间距最小的那组主轴的要求。还应注意中间轴转速尽量高些，这些扭矩小，且使驱动轴和其它传动轴连接的传动比不至太大。4）润滑泵轴和手柄轴的安置 主轴箱常采用叶片油泵润滑，油泵供油至分油器经油管分送各润滑点（如第排齿轮、轴承、油盘等）。箱体较大、主轴超过30根时用两个润滑泵。油泵安装在箱体前壁上，泵轴尽量靠近油池。（吸油高度不超过400500 mm）；通常油泵齿轮放在第排；以便于维修，如结构限制，可放在第排；当泵体或管接头与传动轴端相碰时，可改用埋头传动轴。主轴箱一般设手柄轴用于对刀、调整或装配检修时检查主轴精度。手柄轴转速尽量高些，其周围应有较大空间。3.传动零件的校核传动零件的校核 传动系统拟定后，应对总体设计和传动设计中选定的传动轴颈和齿轮模数进行验算，校核是否满足工作要求。1）验算传动轴的直径 按下式计算传动轴所承受的总转矩T总；T总=T1U1+T2U2+TnUn式中：Tn作用在第n个主轴上的转矩，单位为Nm。Un-传动轴至第n个主轴之间的传动比。2）齿轮模数的验算 一般只对主轴箱中承受载荷最大、最薄弱的齿轮进行接触强度和弯曲强度的验算。把主轴4、5、6视为一组同心圆主轴，在其圆心处设中心传动轴9；4.主轴箱传动系统拟定实例主轴箱传动系统拟定实例 主轴2和泵轴11用中心传动轴10转动。将轴9、7、10作为一组同心圆，圆心处设合拢轴8，将轴8与驱动轴O连接起来，形成主轴箱传动树形图 把主轴1、3视为一组直线分布主轴，在两轴中心连线的垂直平分线上设中心传动轴7；1）拟定传动路线现以图4-6为例，对主轴箱传动设计的步骤和方法作简要分析。图中主轴1 6为“树梢”，驱动轴O为“树根”，各分叉点为传动轴7、8、9、10，其中轴7、9、10为中心传动轴，轴8为合拢传动轴；各轴间的传动副为“树枝”，箭头表示运动传递方向（路线）。显然，运用传动树形图对主轴箱进行传动方案设计较为清晰、简便。2）根据原始依据图46、算出驱动轴、主轴坐标尺寸，如表48所示。3）确定传动轴位置及齿轮齿数（1）确定传动轴9的位置及各齿轮的齿数传动轴9的位置为主轴4、5、6同心圆圆心（尚需略加调整，详见图4-15及说明），可通过作图 （图4-14）初定。先确定转速较低的主轴4与轴9之间齿轮齿数 （即z4和z4）。为保证齿轮齿根强度，应使齿根到孔壁或键槽的壁厚a 2m（m为齿轮模数）。若取m=2,z4=22,则从图4-14中量得中心距A9-4-=62 mm，并按公式（43）、式（45）、（46）依次求得齿数z4和转速n9、齿轮副齿数z5或z5、z6和z6。（设在第排）40222622244zmAzmin/498min/22402744449rrzznn3249846112622)1(26965umAzzz5=z6=62 32=30 （设在第排）根据z5、z6和n5、n6求得n9=493 r/min（与498 r/min很接近）。（2）确定传动轴7的位置及其与主轴1、3间的齿轮副齿数 传动轴7中心取在箱体中心线上，垂直方向位置待齿数确定后便可确定。轴7与主轴3之间传动比取 则轴7转速 轴7与主轴1之间传动比为：。5.1137umin/411min/5.112743737rrunu4.14115777117nnu取最小齿轮（主轴1上）齿数 则 据此作图即可确定轴7在垂直方向的位置（图414），并量得轴7与轴3间中心距 z3=32，z3=22（第排）。同样方法可确定传动轴10的位置及其与主轴2、油泵轴11间齿轮副齿轮（见图415所示）。211u294.1211z（设在第排）所以，轴7与主轴1间中心距 mmA5017mmA5437（3）确定合拢传动轴8的位置 驱动轴0与中心传动轴7、9、10之间总传动比分别为：根据总传动比，考虑驱动轴0与轴7、9、10间的距离及排列齿轮等因素，宜设置合拢轴8将驱动轴0与轴7、9、10连接起来。74.117154110770nnu46.117154930990nnu105.1715790010100nnu经计算和作图，取 。则：19.1180u46.11807078uuu23.11809098uuu23.180100108uuu 驱动轴上齿轮齿数取z0=21,m=3,则轴8上的齿轮齿数z8、轴8转速n8及中心距A0-8分别计算得到：2519.11218008uzzmin/600min/2521715808rrzznu驱mmmmzzMA69)2521(23)(28080 轴8的位置应兼顾轴7、9、10的距离，可取轴8与7间的中心距A8-7=52 mm，则从图中量得轴8与轴9、10间距离分别为：A8-9=51 mm、A8-10=66 mm。此时，主轴4、5、6同心圆的圆心需略加变动。考虑利用轴8上第排齿轮z8（作公用齿轮）带动轴10，便可算出轴8与轴7、9、10之间 中心距及各齿轮副齿数、模数（详见图415）。将传动设计的全部齿轮齿数、模数及所在排数，按规定格式在传动系统图415中。最后计算各主轴的实际转速如表49所示（与原始依据图的要求基本一致，转速相对损失在5%以内符合设计要求）；润滑泵转速n11=625 r/min也符合要求。根据各主轴实际转速，对加工示意图中的切削用量进行修正。四、主轴箱坐标计算、绘制坐标检查图四、主轴箱坐标计算、绘制坐标检查图1.选择加工基准坐标系选择加工基准坐标系XOY，计算主轴、驱动轴坐标，计算主轴、驱动轴坐标1）加工基准坐标系的选择 为便于加工主轴箱体，设计时必须选择基准坐标系。通常采用直角坐标系XOY。（1）坐标原点选在定位销孔上（图416a）；这种方法适用于主轴箱安装在动力箱上。（2）坐标系的横轴（X轴）选在箱体底面，纵轴（Y轴）通过定位销孔（图416b）这种方法适用于主轴箱以底面为基准直接安装在滑台上。2)计算主轴及驱动轴的坐标 根据主轴箱设计原始依据图，按选定的基准坐标系XOY，计算或标出各主轴及驱动轴的坐标(计算精度要求精确到小数点后三位数)。如果零件上孔距尺寸带有单向或双向不等公差，则在标注坐标时，应把公差考虑进去，使孔距的名义坐标尺寸恰好位于公差带的中央。如孔距为 时，应标注为100.05；又如孔距为 时，应标注为99.95。六轴钻孔主轴箱各主轴、驱动轴坐标值见 表48。1.0010001.01002.计算传动轴的坐标计算传动轴的坐标 计算传动轴坐标时，先算出与主轴有直接传动关系的传动轴坐标，然后计算其它传动轴坐标。传动轴的传动形式很多，一般可分为三类：与一轴等距；与二轴等距；与三轴等距。其计算方法分述如下：1)与一轴等距的传动轴坐标计算 图417为与一轴等距的传动轴坐标计算图。为计算方便，通常以已知轴中心作为原点O，建立小坐标系XOY，设所求传动轴的 坐标为B(x,y)，啮合中心距 为R.由B点向x轴作一辅助垂线 交x轴于A点，组成直角三角形OAB。如果从传动图上量得x(即)，则：22xRy 或量出y(即)，则：然后将求得的x、y换算到大坐标中去。如图415所示，已知轴10坐标(96.207,183.695)及其与油泵轴11间的传动齿轮参数 则轴11的坐标可按图 418所示方法选小坐标(应使x标、y值为正)，根据 (与实测尺寸相符),y=0，计算可得 22yRy191z2411 z2mmmzzmR43)(211111110mmxXX207.531011mmyYY685.1831011),(AAYXa),(BBYXb1R2)与二轴等距的传动轴坐标计算 传动轴与二轴等距，即在一传动轴上用两对齿轮分别带动两根已知轴，其坐标可根据已知两轴坐标和两对齿轮中心距计算求得。计算方法如图419所示，图中 和 为两已知轴坐标，为两已知轴与传动轴间的齿轮中心距，即，为 为 c(X，Y)为所需计算的传动轴坐标。为便于计算，选取小坐标系iaj（图420),a点为其原点，使c点在小坐标中的坐标 (I，J)为正值，a、b、c按逆时针顺序定出，作辅助线并标号如图所示，由此可导出c点坐 标计算公式。即:2Rac1Rbc2RABXXAABYXA22BAL)(2122221RLRLI221IRJLBac00sinsinLAac00coscos所以还原到XOY坐标系中去，则c点坐标：传动轴坐标计算可利用计算机完成，即先按上述计算公式画出流程图(图421)。由此编制程序，然后存入软盘。使用时由软盘转入内存即可进行计算，无须每次计算前从键盘输入程序。由上述公式及流程图编制BASlC程序如下。LBJAIcJaIAAA00231sincosLAJBIcJaIBBB00231cossinLBJALXAXXAA1LAJBIYBYYAA1 lO DEFDBL AY 2O INPUT N$=;N$3O INPUT XA，YA，Rl 40 INPUT XB，YB，R2 5O A=XB-XA 60 B=YB-YA 70 L=SQR(A2+B2)80 I=(R12+L2-R22)/(2*L)9O J=SQR(R12-I2)lOO X=XA+(A*I-B*J)/L 11O Y=YA+(B*I+A*J)/L 12O Wl=Rl-SQR(X-XA)2+(Y-YA)2)130 W2=R2-SQR(X-XB)2+(Y-YB)2)140 LPRINT XA=;XA，YA=;YA 15O LPRINT XB=;XB，YB=;YB 16O LPRINT Rl=;Rl，R2=;R2 17O LPRINT 18O LPRINT N$，X=;X，Y=;Y 19O LPRINT W1=;W1，W2=;W2 2OO END 3)与三轴等距的传动轴坐标计算 在一根传动轴上用三对相同中心距的齿轮副分别带动三根已知轴，该传动轴就是图422所示的轴D(即ABC外接圆圆心)。其坐标可根据已知轴A、B、C的坐标及中心距R求出。为简化计算，取小坐标系xAy（图423），小坐标原点选取应使所计算的轴D坐标为正值，轴D坐标算式为:还原到XOY坐标中去，则：212121Lba222222Lba)(22112212221babaLbLbx)(22112221212babaLaLayABXXa1ACXXa2AByYb1ACYYb2)()(2)()(2122ABACABACACABAXXYYYYXXLYYLYYXX)()(2)()(2221ABACABACABACAXXYYYYXXLXXLXXYY根据上述公式画流程图(与图421类同)，并编制程序(BASIC)如下：10 DEFDBL A一Y20 lNPUT N$；N$30 INPUT XA，YA=；XA，YA40 lNPUT XB，YB；XB，Y85D lNPUT XC，YC=;XC，YC6D lNPUT Rl，R2，R3=;Rl，R2，R370 G=(XB-XA)2+(YB-YA)280 H=(XC-XA)2+(YC-YA)29O X=XA+(YB-YA)*H-(YC-YA)*G)/(2*(XC-XA)*(YB-YA)-(XB一XA)*(YC-YA)100 Y=YA+(XC-XA)*G-(XB-XA)*H)/(2*(XC-XA)*(YB-YA)-XA)*(YC-YA)11O Wl=Rl-SQR(X-XA)2+(Y-YA)2)12O W2=R2-SQR(X-XB)2+(Y-YB)2)13O W3=R3-SQR(X-XC)2+(Y-YC)2)140 LPRlNT XA=;XA;YA=;YA15O LPRINT XR=;XB;YB=;YB16O LPRlNT XC=;XC;YC=;YC17O LPRlNT Rl=;Rl,R2=,R3=;R318O LPRlNT19O LPRlNT N$;X=;X，Y=Y2OO LPRlNT Wl=;Wl，W2=;W2,W3=;W3210 END图415所示六轴钻削主轴箱各传动轴、定位销孔O1，O2坐标计算结果见表410。3.验算中心距误差验算中心距误差 主轴箱体上的孔系是按计算的坐标加工的，而装配要求两轴间齿轮能顺利啮合。因此，必须验算根据坐标计算确定的实际中心距A 是否符合两轴间齿轮啮合要求的标准中心距R，R与A的差值(注意上述两电算程序中用W表示)为，=R A 验算标谁:中心距允差（0.0010.009）mm。三种传动轴的验算公式如下:2)传动轴与二轴等距(图419)验算公式:3)传动轴与三轴等距(图422)验算公式:验算公式中各坐标值是带正负号代入算式运算的。当验算不合格，即 0.009时，在检查运算确无错误后，方可按坐标计算的A值，采用变位齿轮凑中心距来满足齿轮正常啮合要求。221111)()(AAYYXXRAR222222)()(BBYYXXRAR22YXRAR1)传动轴与一轴等距(图417)验算公式:22yxRAR例如 验算轴9与轴4、5、6间的中心距误差9-4、9-5、9-6。即:轴9与轴4、5、6之间的标准中心距分别为R9-4、R9-5、R9-6。即：轴9与轴4、5、6间的实际中心距分别为A9-4 、A9-5 、A9-6。即：mmmmzzmR62)4022(2224449mmmmzzmR62)3230(2225559mmmmzzmR62)3230(2226669mmYYXXA63246198.62)()(24924949mmYYXXA80319808.61)()(25925959mmYYXXA99988173.61)()(26926969则中心距误差分别为，显然，能满足该齿轮副啮合要求；而 的值都超过 值，因此，轴9与轴4、轴9与轴5间的齿轮均需采用变位齿轮，变位量 mmmmAR632.0)63246198.6262(494949mmmmAR197.0)80319808.6162(595959mmmmAR00012.0)99988173.6162(696969009.06949 59 632.049A197.059A 4.绘制坐标检查图绘制坐标检查图(图图424)1)坐标检查图的主要内容坐标检查图的主要内容 （1）通过齿轮啮合，检查坐标位置是否正确;检查主轴转速及转向。（2）进一步检查各零件间有无干涉现象。（3）检查液压泵、分油器等附加机构的位置是否合适。2)坐标检查图绘制的顺序及要求坐标检查图绘制的顺序及要求（1）绘出主轴箱轮廓尺寸和坐标系XOY。（2）按计算出的坐标值绘制各主轴、传动轴轴心位置及主轴外伸部分直径，并注明轴号及主轴、驱动轴、液压泵轴的转速和转向等。（3）用点划线绘制出各齿轮的分度圆，注明各齿轮齿数、模数、所处排数及变位齿轮的变位量。（4）为了醒目和易于检查，可用不同颜色细线条画出轴承、隔套、主轴防油套的外径、附加机构的外廓及其相邻轴的螺母外径。【坐标检查图最好按1:1比例绘制，其绘制顺序及要求是】五、绘制主轴箱总图及零件图五、绘制主轴箱总图及零件图 1.主轴箱总图没计主轴箱总图没计 u1）主视图主视图 主要表明主轴箱主轴位置及齿轮传动系统，齿轮齿数、模数及所在排数，润滑系统等。u 2）展开图展开图 其特点是轴的结构图形多。各主轴和传动轴及轴上的零件大多是通用化的，且是有规则排列的。一般采用简化的展开图并以装配表相配合，表明主轴箱各轴组件的装配结构。u绘制的具体要求如下:展开图主要表示各轴及轴上零件的装配关系。对结构相同的同类型主轴、传动轴可只画一根，在 轴端注明相同轴的轴号即可.展开图上应完整标注主轴箱的三大箱体厚度尺寸及箱壁和内腔有关联系尺寸，主轴外伸长度等。总图上还应有局部剖视表明动力箱与后盖及前后盖与箱体间的定位结构。u3）主轴和传动轴装配表）主轴和传动轴装配表(表411)把主轴箱中每根轴(主轴、传动轴、油泵轴)和齿轮套等基本零件的型号规格、尺寸参数和数量及标谁件、外购件等按轴号配套，用装配表表示。u4）主轴箱技术条件）主轴箱技术条件 主轴箱总图上应注明主轴箱部装要求。2.主轴箱零件设计主轴箱零件设计u1）专用零件工作图）专用零件工作图 如变位齿轮、专用轴和隔套等零件，可按一般零件工作图规定。u2）补充加工图）补充加工图 主轴箱体、前盖、后盖等通用零件。第三节第三节 攻螺纹主轴箱的设计特点攻螺纹主轴箱的设计特点一、攻螺纹靠模机构及攻螺纹卡头一、攻螺纹靠模机构及攻螺纹卡头1.第第类攻螺纹靠模类攻螺纹靠模 图426所示为第类攻螺纹靠机构。它由靠横杆1、靠模螺母7及支承套筒2等元件组成。丝锥通过心杆和攻螺纹卡头8装在靠模杆1的前端。靠模杆的中部支承在衬套4上，并与靠模螺母7相啮合。靠模杆的尾部与攻螺纹主轴相连接。攻螺纹主轴借助双键将主运动传给靠模杆，靠模杆随着转动可在主轴孔内移动一段距离，即攻螺纹靠模的工作行程。套筒装在靠模头前壁上，并用两个压板3固定，两个压板之间的布置角度决定于主轴箱的主轴数和主轴的分布情况。靠模螺母借助结合子6与套筒相连接，当靠模杆回转时，因靠模螺母固定不动而迫使靠模杆向前进给，并推动丝锥切入工件。带丝锥遇故障使靠模杆不能前进时，转矩增大导致压板打滑，靠模螺母跟随靠横杆同步回转而停止进给，避免机构或丝锥损坏。所以装配时压板的压力要适当。为了保证丝锥稳定可靠地攻入工件，又不干扰丝锥的自行引进，应使靠模杆每转进给量与丝锥的自行引进量一致，即保证靠模杆螺距P杆与丝锥螺距P丝尺寸相同。而靠模螺距和丝锥螺距的制造误差，可以通过套筒2内压簧5和配用攻螺纹卡头的方法进行补偿。第类攻螺纹靠模必须与攻螺纹卡头配套使用，组成“压簧式攻螺纹靠模”。攻螺纹卡头的结构如图427所示。较矩由攻螺纹靠模经键传给卡头体1，经销3和心杆4传给涨套（弹簧卡头）和丝锥。由于卡头中有弹簧2，心杆4可以在卡头体1中相对滑动，因而在丝锥开始工作时，丝锥通过心杆4将弹簧2稍微压缩后进人孔内。在攻螺纹过程中，若靠模螺距与丝锥螺距有误差，不论二者谁大，攻螺纹卡头均可自动补偿。丝丝锥在心杆上的夹持方式有用弹簧涨套夹紧或丝锥直接插人心杆孔中后用紧定螺钉轴向定位两种。弹簧套夹弹簧套夹 紧定螺钉轴向定位紧定螺钉轴向定位可获得较高的同轴度，但结构复杂、装卸不便；结构简单，装卸方便，但同轴度较低。2、第、第类攻螺纹靠模类攻螺纹靠模 图428所示为用于活动攻螺纹模板的第类攻螺纹靠模。它由靠模杆7、靠模螺母5、弹簧6等组成。主运动主运动由主轴通过弹簧9顶起弹簧键8、靠模杆7、销3传给心杆2和丝锥1。靠模螺母5(不能反方向安装)以定位销10防转和压板4(其厚度常取2.5 3.5 mm)固定。攻螺纹时靠模杆边转动边向前进给，靠模杆的尾部(其结构可与一般钻孔主轴相配合)在主轴孔内相对滑动。丝锥与靠模杆螺距制造误差由弹簧6补偿。这这类靠模不需用攻螺纹卡头，丝锥直接装入心杆(用涨套或紧定螺钉夹持），轴向尺寸较小。使用时尽量选择较小的L和较大的L0值，以减小丝锥与工件螺纹底孔间的同轴度误差。还还应计算靠横杆尾部伸入主轴孔内的最大重合长度L1(其值不能使靠模杆和主轴孔底相碰)和最小重合长度(核算此值应能保证弹簧键的工作部分不脱开主轴)。当靠模杆退回原位当靠模杆退回原位，而滑台工作进给到终点时，靠模杆的尾柄与主轴孔的重合长度为最大。当单独活动攻螺纹模板进行攻螺纹当单独活动攻螺纹模板进行攻螺纹时，因在攻螺纹模板与夹具定位的同时起动攻螺纹电机，则L3=0;当钻孔和攻螺纹同用一个钻模板时，轴孔的工作行程不大，为使在钻孔加工完成之前结束攻螺纹工序，通常在滑台转工进，模板在夹具上定位的同时起动攻螺纹电机，则L3=0，L2为滑台工作进给行程.有时，靠模杆尾柄与主轴孔的最小重合长度并不出现在靠模杆攻螺纹至前端，而是出现在滑台退到原位时，则需验算在原位时靠模杆在主轴孔内的重合长度能否保证机构的正常工作。表412所示为第、第类攻螺纹靠模常用规格。表413所示为采用第、第类攻螺纹靠模时的最小轴间距。第、第类攻螺纹靠模中的弹簧(压簧)起补偿靠模和丝锥螺距误差的作用。攻螺纹开始时丝锥与工件底孔处易发生“打滑”，弹簧被压缩一段距离后丝锥才能进入，攻螺纹深度尺寸不准确。为此，攻螺纹前底孔应先倒角，以利于减少“打滑”，保证螺纹精度和攻螺纹深度。当攻螺纹深度要求较准确时(如要求攻螺纹深度误差在一个螺距以内)，两类靠模都可以采用拉簧式攻螺纹靠模，使攻螺纹开始时丝锥强制性攻入并且不“打滑”。加工较高精度的螺孔时，除选用高精度的丝锥和保证底孔质量外，还须注意螺纹底孔轴线与攻螺纹系统轴线的不同轴度对攻螺纹过程的影响。如图429所示，由于底孔与攻螺纹接杆偏心，丝锥涨套攻螺纹接杆以偏斜的轴线AB工作，当向前攻螺纹时，B点移至B1，而丝锥仍按原方向进给致使丝锥弯曲，易造成螺孔中径扩大，螺纹精度下降，若偏心过大，其至使丝锥折断。二、攻螺纹装置二、攻螺纹装置 攻螺纹装置的结构如图430所示。它由攻螺纹主轴箱7和攻螺纹靠模头5组成。攻螺纹靠模头5实际上是一个加厚的主轴箱前盖，其上装有第类攻螺纹靠模。工作时，由电机经齿轮带动主轴6及靠模杆4（其前端装有攻螺纹卡头3、心杆2和丝锥1）旋转并按自身的螺距P引进。电机反转，靠模杆即退回。其最大行程为600 mm。攻螺纹装置在组合机床上有固定式、装在手动滑板上和装在移动滑台上三种安装方式。固定式固定式装在手动滑板上装在手动滑板上装在移动滑台上装在移动滑台上攻螺纹靠模的行程能满足加工要求，工件的装卸和丝锥的更换又很方便，则可将攻螺纹装置安装在固定的侧底座上靠模行程能满足工件装卸的要求，但更换丝锥的行程尚不够，则可将攻螺纹装置安装在手动滑板上，更换丝锥时将滑板退后一段距离。靠模行程不能满足装卸工件的需要时，则应将攻螺纹装置安装在动力滑台上 对于“固定式”的立式攻螺纹机床，可不必采用立柱，只要采用四根支杆将攻螺纹装置支承在机床夹具的上方，以便简化机床的结构。图431所示为卧式攻螺纹靠模头的典型结构。整个靠模头（其厚度为L=300 mm）安装在主轴箱前面，定位由两个柱销与销套保证，用螺钉紧定。各靠模螺纹由主轴箱内润滑泵经铜管2和油盘1供油润滑。图432所示为立式攻螺纹靠模头，攻螺靠头用四根柱子支承在机床夹具的上方。由攻螺纹装置组成的攻螺纹组合机床，适用于整台机床或机床某一面上全部是攻螺纹工序。如果机床上要同时完成攻螺纹工作和钻孔等工作时，需采用由第类攻螺纹靠模组成的活动攻螺纹模板进行攻螺纹。活动攻螺纹模板和活动钻模板的结构形式基本相同，所不同的是钻模板上装有导向装置，而攻螺纹模板上装攻螺纹靠模。三、攻螺纹行程的控制三、攻螺纹行程的控制 攻螺纹行程控制机构是组合机床的一个通用组件，用于控制攻螺纹工作循环。常用的有回转式回转式或直线式直线式两种形式。u回转式攻螺纹行程控制机构。w一般用于主轴攻螺纹。它可以设置在主轴的左侧或右侧。w其工作原理其工作原理是：攻螺纹主轴作正向切削回转时，通过齿轮z1和z2传动（主轴与蜗杆之间可能不止一对齿轮），使蜗杆传 动蜗轮引带动档铁盘43回转。当丝锥攻到全深时，盘43相应地转过一定的角度，盘43上的权向挡我 压下反向行程开关，攻螺纹电机反转，丝锥反转 退回至原位，盘43上的原位挡铁重新压下原位开 关，使电动机及主轴停转，至此一个攻螺纹循环 结束。若原位或反向开关失灵，互锁挡铁随即压 下互锁开关（越位保护开关），使攻螺纹电动机 断电，实现过载保护。u直线式攻螺行程控制机构。w适用于单轴或主轴攻螺纹。w攻螺纹主轴向前或向后运动时，通过带叉口的杠杆带动在主轴箱体侧面的装有挡铁的轴一起移动，挡铁压下组合开关，使电动机反转或停止。在此机构中可设置原位和反向互锁开关起安全保护作用。四、攻螺纹电动机选择及攻螺纹主轴的制动四、攻螺纹电动机选择及攻螺纹主轴的制动u大型标准攻螺纹主轴箱一般都是由电动机直接驱动。在确定电动机功率时，要考虑丝锥工作时钝化的影响，一般取为计算功率的1.5 2.5倍倍(轴数少时取大值，轴数主时取小值)。由于攻螺纹主轴的转速较低，为了便于设计并简化传动系统，常采用同步转速为n=1000 r/min的电动机。u常用的制动方式有制动电功机制动电功机和电磁抱闸电磁抱闸两种。u直接制动电机可使攻螺纹主轴箱结构简单，制动效果较好；u电磁抱闸制动器结构较复杂，其制动效果与制动轮转速有关，即制动轮转速越高，其制动效果越好。第四节第四节 主轴箱计算机辅助设计（主轴箱计算机辅助设计（CAD）简介）简介一、主轴箱一、主轴箱CAD发展概况发展概况 计算机辅助设计简称CAD，即利用电子计算机及其外部设备进行工程设计计算。下面简要介绍应用PC微机(IBM、XT、AT、386及其兼容机)对组合机床主轴箱辅助设计(即BOXCAD)系统。二、二、BOXCAD系统简介系统简介1.系统的功用系统的功用 BOXCAD系统适用于钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、攻螺纹及钻攻复合的主轴箱设计。椐据组合机床总体没计（三图一卡）所提供的原始数据，可完成以下各项工作:1）主轴箱传动系统设计）主轴箱传动系统设计 包括完成：（1）交互式选择传动模型及齿轮排列。（2）坐标计算。（3）各种几何干涉校核。（4）各种传动零件的强度校核等工作。2）绘图及打印明细表）绘图及打印明细表 包括完成：（1）绘制主轴箱装配图及列出装配表。（2）绘制各类通附件(箱体、前盖、后盖等)补充加工图。（3）绘制专用件(如变位齿轮)零件图。（4）整理打印零件明细表。此外，为使系统适应性强，特设一专用模块，以便 对人工设计的主轴箱进行各种校核。如对已由人工 设计而将投产制作的主轴箱或用户来图加工的组合 机床主轴箱的校核等。2.系统的组成系统的组成为便于调试和应用，系统采用模块化结构，它由一个主模块和五个子模块组成(图4-33)，各子模块均为各自独立的可执行文件，通过菜单提示、人机对话的形式实现各模块的调用，主模块将各子模块连成一个整体系统。各模块之间的数据调用转换是通过公共的数据库文件实现的。3.传动系统设计传动系统设计 1）齿轮）齿轮(轴轴)传动基本模型传动基本模型 根据传动系统中 齿轮之间的不同啮合形式，可归纳为如图434所示的六种基本传动模型。其中有一带一、一带二、一带三形式，也有同心圆分布形式，有一级传动结构（如模型1、3、5、6），也有两级传动结构(如模型2、4)。在每个传动模型中，被动轴可以是主轴或中间传动轴。分别将这六种基本模型编写成程序功能块，供设计者选取，能方便迅速地设计传动系统。2）传动系统设计框图）传动系统设计框图 将六种基本传动模型编写成子程序，加上液压泵设计、蜗杆设计、校核计算等，传动系统设计共含11个子模块。通过对话形式选取所需模块。然后经过坐标计算，几何干涉校核等计算处理，屏幕上便示出设计的中间结果图形(即齿轮节圆、齿轮层次以颜色表示并区分、各轴轴号)。3）传动系统树状结构）传动系统树状结构 采用树状结构树状结构来描述由驱动轴到各主轴之间的运动连接、传递的关系。根据传动系统图4-15，可画出相应的树状图，如图436所示，图中的圆圈(也可画成矩形框）表示各轴，其中，底面一排圆圈中号码代表主轴（即为“树梢”)号，中间两层是中间轴(即为“树枝”)号，最上层是驱动轴(即为“树根”)号，轴与轴之间连线表示传动关系，连线旁的数字（或用颜色）表示啮合平面(即齿轮所在排数)。总之，传动树状结构图高度概括了整个传动系统的组成及传动关系。4）传动系统的校核计算）传动系统的校核计算 （1）传动件强度校核 包括轴、齿轮的强度和轴承的寿命校核计算。（2）几何干涉校核 目的是检查传动系统中各传动件、支承件等之间是否有碰撞现象确保系统正常传动。检查的项目有：齿轮与非啮合齿轮的碰撞(同一排或不同排的齿轮之间)。齿轮与轴、套的碰撞。齿轮与箱体四周壁（或盖）的碰撞。第排齿轮与螺纹凸台的碰撞。轴承与轴承的干涉。液压泵体及其接头等与传动轴端的碰撞等。4.绘制图形绘制图形 传动系统设计的结果是以数据形式存储在计算机内，它不能直接供人们使用，应通过绘图模块、打印模块，将其整理成图形和表格，即给出所设计的主轴箱装配总图、装配表，箱体、箱盖等补充加工图，变位齿轮等零件图，有打印出零件明细表。