箱体双面粗镗床总体设计及右主轴箱设计

1 1 前言 机床设计和制造的发展速度是很快的。由原先的只为满足加工成形而要求 刀具与工件间的某些相对运动关系和零件的一定强度和刚度，发展至今日的高 度科学技术成果综合应用的现代机床的设计，也包括计算机辅助设计（CAD） 的应用。但目前机床主轴变速箱的设计还是以经验或类比为基础的传统（经验） 设计方法。因此，探索科学理论的应用，科学地分析的处理经验，数据和资料， 既能提高机床设计和制造水平，也将促进设计方法的改进。车床的分类：万能 型车床、普通型车床、轻型车床三个品种。车床主要用于加工常用公制、英制 模数螺纹、端面等。在现代大中型机械制造业大批或成批生产车间、一般机械 制造业、科研所的工具车间、机修车间和单件、成批机加工车间、轻、纺、仪 表、农机维修、教学实习等都有使用。 1.1 本课题来源 XX 市宝利来精密机械制造有限公司。 1.2 课题研究的主要内容 此次课题，有关变速箱体的加工，需设计一个专用机床，目的就是通过设 计有关机械设计，机械加工的相关知识进行全面的复习和掌握，学习并掌握有 关机械相关软件，能够自己独立设计，此次课题的重要性不言而喻。 1产品名称：变速箱体双面粗镗床。 2被加工零件：变速箱箱体。 3工件材料：HT200。 4加工内容：按图要求钻 11.65,14.7,18 孔，粗镗 71，77、79、81、87、89 孔。 5机床设计为双面卧式结构，夹具装在中心底座上，两侧为钢性镗头装在 HY40B 液压滑台上，此滑台装在 CC40 侧底座上。 6生产纲领：大批大量。 7批量：本机床设计、制造一台。 1.3 国内外现状综述 近年来，随着我国的机床工业的迅速发展，人们开始越来越广泛地重视机 床的工作效率，加工精度，并要求机床设计合理、结构简单、性能可靠、操作 简单，调整维修方便。新型的试样加工设备对传统的试样加工方式提出了挑战。 试样加工面临着多种选择。认识专用设备， 研制专用设备， 开发专用设备尤 其对批量试样加工是今后重要的发展方向。加工工艺落后、机床设备老化、加 工速度缓慢是当前我国试样加工行业的现状。存在这种状况，是因为有很多的 先进技术没有引进到试样加工行业中。通过与使用两种专用设备对比可以看出 箱体双面粗镗床总体设计及右主轴箱设计 2 新旧加工方式的差别。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 。 3 2 组合机床总体设计 组合机床的通用部件分大型和小型两大类。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。 机床带有一套固定的夹具，根据所需加工面数布置动力部件。动力部件可 以是立式，卧式或斜式安装。工件安装在机床的固定夹具里，夹具和工件固定 不动。动力滑台上的动力箱连同多轴箱或单轴切削头实现切削运动。 根据加工零件的要求，本机床采用单工位组合机床。刀具对零件的加工为 平行加工，动力部件采用卧式安装，品字型结构。 2.1 工艺方案的设计 组合机床的总体设计要注重工件及其加工的工艺分析，只有制定出先进合 理的工艺方案,才能设计出先进合理的组合机床。根据指定的加工要求,提出若 干个工艺方案,择其佳者。工艺方案确定了,组合机床的结构、性能、运动、传 动、布局等一系列问题也就解决了。所以，工艺方案设计是组合机床设计的重 要环节。 2.1.1 工艺路线的确立 加工孔为 14.7、18、11.65、78、70H9、60H9、60H9、60H9, 71H9、77H9、79H9、81H9、87H9、89mm 被加工零件需要在组合机 床上完成的加工工序及应保证的加工精度是制定机床方案的主要依据。确定主 要的加工工序如下： 工序： 钻 14.7，左侧面 钻 18，右侧面 钻 11.5，右侧面 镗 78、70H9、60H9，左侧面 镗 60H9，左侧面 镗 71H9、77H9、79H9，右侧面 镗 81H9、87H9、89，右侧面 被加工材料为 HT200,为了保证孔在同一中心轴上，提高零件的加工效率， 所以采用卧式双面组合机床，两侧孔同时进行加工。组合机床是针对某种零件 或零件某道工序设计的，正确选择定位基准，是确保加工精度的重要条件，同 时也有利于实现最大限度的工序集中。本机床加工时采用一面两销的定位基准 方式，这样总共限制工件六个自由度，其中基准面限制了 y、z 向的转动和 x 向 的移动 3 个自由度，菱形销限制了 y、z 向的移动 2 个自由度，圆柱销限制了 x 向的转动 1 个自由度，达到定位效果，而且比较好的保证了加工精度。 2.1.2 技术要求 箱体双面粗镗床总体设计及右主轴箱设计 4 a. 机床应能满足加工要求，保证加工精度。 b. 机床应运转平稳，工作可靠，结构简单，装卸方便，便于维修、调整。 c. 保证各动力头分别由电机拖动，并且可单独控制。 d. 机床尽量能用通用件，以便降低制造成本。 e. 夹具要求定位可靠，装夹方便，保证零件加工精度。 2.1.3 确定机床的配置模式 机床的配置型式主要有卧式和立式两种。卧式组合机床床身由滑座、侧底 座及中间底座组合而成。其优点是加工和装配工艺性好，无漏油现象；同时， 安装、调试与运输也都比较方便；而且，机床重心较低，有利于减小振动。其 缺点是削弱了床身的刚性，占地面积大。立式组合机床床身由滑座、立柱及立 柱底座组成。其优点是占地面积小，自由度大，操作方便。其缺点是机床重心 高，振动大。此外，ZH1105 柴油机气缸体的结构为卧式长方体，从装夹的角度 来看，卧式平放比较方便，也减轻了工人的劳动强度。 通过以上的比较，考虑到卧式床身振动小，装夹方便等优点，选用卧式组 合机床 2.1.4 滑台型式的选择 本组合机床采用的是液压滑台。与机械滑台相比较，液压滑台具有如下优 点：在相当大的范围内进给量可以无级调速；可以获得较大的进给力；由于液 压驱动，零件磨损小，使用寿命长；工艺上要求多次进给时，通过液压换向阀， 很容易实现；过载保护简单可靠；由行程调速阀来控制滑台的快进转工进，转 换精度高，工作可靠。但采用液压滑台也有其弊端，如：进给量由于载荷的变 化和温度的影响而不够稳定；液压系统漏油影响工作环境，浪费能源；调整维 修比较麻烦。本课题的加工对象是变速箱壳体左、右两个面上的 14 个孔，位置 精度和尺寸精度要求较高，因此采用液压滑台。 2.2 组合机床总体设计三图一卡 2.2.1 加工零件工序图 被加工零件工序图是根据制定的工艺方案，表示所设计的组合机床（或自 动线）上完成的工艺内容，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、夹压部位以及被加工零件的材料、硬度和在本机床加工前 加工余量、毛坯或半成品情况的图样。除了设计研制合同外，它是组合机床设 计的具体依据，也是制造、使用、调整和检验机床精度的重要文件。 箱体的被加工零件工序图如图 2-1 所示： 5 图 2-1 被加工零件工序图 2.2.2 加工示意图 零件加工的工艺方案要通过加工示意图反映出来。加工示意图表示被加工 零件在机床上的加工过程，刀具、辅具的布置状况以及工件、夹具、刀具等机 床各部件间的相对位置关系，机床的工作行程及工作循环等。 A 刀具的选择 选择刀具应考虑工件材料、加工精度、表面粗糙度、排屑及生产率等要求， 只要条件允许应尽量选用标准刀具。由于钻孔、镗孔的切削用量还与孔深度有 关，随孔深的增加而逐渐递减，其递减值按9P131 表 6-12 选取。降低进给量 的目的是为了减小轴向切削力，以避免钻头、镗头折断。孔深度较大时，由于 冷却排屑条件都较差，是刀具寿命有所降低。降低切削速度主要是为了提高刀 具寿命，并使加工较深孔时钻头、镗头的寿命与加工其他浅孔时钻头、镗头的 寿命比较接近。 本次设计中需要加工 14.7、18、11.65、78、70H9、60H9、60H9、60H9, 71H9、77H9、79H9、81H9、87H9、89mm 的孔，具体视图可参照加 工示意图。采用的是复合镗刀及加长麻花钻。 B 计算切削力、切削扭矩及切削功率 考虑到工件尺寸，加工精度，表面粗糙度，切削的排除及生产率要求等因 素，所以加工孔的刀具采用加长麻花钻和复合粗镗刀。 钻孔：根据 表 6-20 中公式9134P 箱体双面粗镗床总体设计及右主轴箱设计 6 (2-1)6.08.2HBDfF .91T (2-2) (2-3)D vP9740 式中， F切削力（N） ； T切削转矩（N） ； P切削功率（kW） ； v切削速度（m/min） ； f进给量（mm/r） ； D加工（或钻头）直径（mm） ； HB布氏硬度, ，在本设计中，)(31minaxmaxHBHB ， ,得 HB=217.3。max241HBmin170 由以上公式得右侧钻削 18（深 22）实际切削速度 vc=19.3m/min，工进速 度 vf=50mm/min，工进时间 tf=2.27min。 计算出切削力 F=2123.2N，切削转矩 T=11009.4Nmm，切削功率 P=0.386kw，刀具耐用度 Tn=1270.032min。 确定主轴类型、尺寸、外伸长度 根据主轴转矩 T=11.0094Nm，由公式 (2-4)410TBd 式中 B-材料系数，由参考文献1表 3-4 查得 B=7.3。 求出满足条件的最小直径 mm641.239.3.74 由参考文献9表 3-6 查得主轴直径=25mm，D/d 1=40/28mm,主轴外伸尺寸 L=115mm,接杆莫氏圆锥号 1。 左侧面钻 14.7 孔 转速 r/min， 将其圆整为 410r/min。6.47.390n 实际切削速度 m/min。924.1810cv 工进速度 mm/min。5.f 工进时间 其中 h 为 14.7 的深度。min87.654ft 切削力 N。173451.02.0.F 7 切削转矩 Nmm。913.742156.07.14.08.9T 切削功率 kw。3.32P 刀具耐用度 。min10894.)156.0918/7.4960( 2.03.250 T 根据主轴转矩 T=7.4929 Nm，由公式(2-9)求出满足条件的最小直径 mm （B= 7.3）47.3.4d 选取 d=25mm， 由参考文献9表 3-6 查得主轴直径=25mm，D/d 1=40/28mm, 主轴外伸尺寸 L=115mm,接杆莫氏圆锥号 1。 左侧面镗孔 78, 70, 60 刀具材料采用硬质合金，加工材料为 HT200，选切削速度为 7090m/min, 进给量 0.141.5m/r，考虑到刀具寿命以及进给速度的一致性，取 v=85.7m/min 主轴转速 (2-5)01dvn 计算出 ，将主轴转速圆整为 350r/min。mi/68.3497.510rn 由参考文献1表 6-20 计算公式 切削力 (2-6)5.07.1HBfaFpz 切削力 (2-7)1.6.2.x 切削转矩 (2-8)5.07.5fDTap 切削功率 (2-9)612VFPz 刀具耐用度 (2-10)8.035.0. )/9(HBvfTn 计算出切削力 Fz=669.9N ,Fx=138.5N;切削转矩 T=26128.6N.mm，切削功率 P=0.938KW 滚针轴承主轴：前后支承均为圆锥滚子轴承。这种轴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。因此选用滚针轴承主轴。 由公式(2-9)求出满足条件的最小直径 mm，3.29186.03.74d 再由参考文献9表 3-6 查取 d=30mm,D/d1=50/36mm，主轴的外伸尺寸为 115mm。 箱体双面粗镗床总体设计及右主轴箱设计 8 由镗孔直径为 78mm，参考参考文献5表 2.5-4 选取镗杆的直径为 50mm,镗刀方截面直径为 1010。 C 导向的选择 组合机床钻孔时，零件上孔的位置精度主要是靠刀具、接杆的导向装置来 保证的。导向装置的作用是：保证刀具相对工件的正确位置；保证刀具相互间 的正确位置；提高刀具系统的支承刚性。 D 动力部件工作行程 部件的工作循环是加工时，动力部件从原始位置开始运动到加工终了的位 置，又返回到原始位置的动作过程。本机床的工作循环包括快进-攻进-快退等 动作。 （1） 工作进给长度 的确定工L 工作进给长度 ，应等于加工部位长度 L（多轴加工时按最长孔计算）工 与刀具切入长度 和切出长度 之和。切入长度一般为 510，根据工件端12 面的误差情况确定。 切出长度 式中，d 为钻头直径。2(38)L （2） 快速进给长度的确定 快速进给是指动力部件把刀具送到工作进给位置，初步选定左右两个主轴 箱上刀具的快速进给分别为 100mm 和 230mm。 （3） 快速退回长度的确定 快速退回的长度等于快速进给和工作进给长度之和。由已确定的快速进给 和工作进给长度可得出，两面快速退回长度为 300mm 和 560mm。 （4） 动力部件总行程的确定 动力部件的总行程在满足工作循环向前和向后所需的行程外，还要考虑因 刀具磨损、安装误差，动力部件能够向前调节的距离（即前备量）和刀具装卸 或者刀杆连同刀具一起从主轴孔中取出来时，动力部件需后退的距离（即后备 量） 。所以，动力部件的总行程为快退行程与前后备量的之和。其中，前备量取 前=50mm,后备量取 后=50mm。LL 总= 攻进+ 前+ 后=200+50+50=300mm 综合以上内容可得加工示意图如下： 9 图 2-2 加工示意图 箱体双面粗镗床总体设计及右主轴箱设计 10 2.2.3 机床尺寸联系总图 A 选择动力部件 （1） 动力滑台型号的选择 动力箱规格要与滑台匹配，其驱动功率的选择主要是确定动力箱（或各种 工艺切削头）和动力滑台，由前面计算知工进 Vf=60mm/min,进给力 Fz=669.9N, 又因左侧刚性镗头箱体的滑鞍长 L=1240mm, 由参考文献9表 5-1 选择 1HY40B 型滑台及配套后底座 1CC40。 （2） 动力箱型号的选择 由切削用量计算得到的各主轴的切削功率的总和 ，根据公式切 削P847P (2-11)P主主 式中, 消耗于各主轴的切削功率的总和（ kW） ； 多轴箱的传动效切 削P 率,加工黑色金属时取 0.80.9，加工有色金属时取 0.70.8；主轴数多、传 动复杂时取小值，反之取大值。本课题中，被加工零件材料为灰铸铁，属黑色 金属，又主轴数量较多、传动复杂，故取 。由参考文献1表 5-3 取 Pc8.0 左=6kW ，Pc 右=6kW。 所以 kW67.508P左 c左 kW .右 c右 根据所算出的功率，查文献1表 5-20 我们可选用 1TA40 型号的动力头， 根据动力头尺寸选定滑台与其配合，由于是采用的专用刚性镗头，查 表 5-38 得宽 B=500mm，选用滑台型号为 HY40B,滑台宽 400mm，长9154P 1240 mm,最大行程 400mm。 表 2-1 动力电动机型号 根据动力头尺寸选定滑台与其配合，由于是采用的专用刚性镗头，根据文 电动机型号 电动机功率 (Kw) 电动机转速 (r/min) 输出轴转速 (r/min) 左主轴箱 Y160L-8B5 7.5 720 350,450,400 右主轴箱 Y160L-8B5 7.5 720 280,305,410 500,500,340 11 献15-21 得宽 B=500mm，选用滑台型号为 HY40B,滑台宽 400mm，长 1240 mm, 最大行程 400mm。 B 确定机床装料高度 H 装料高度一般是指工件安装基面至地面的垂直距离。在确定机床装料高度 时，首先要考虑工人操作的方便性；对于流水线要考虑车间运送工件的滚道高 度；对于自动线要考虑中间底座的足够高度，以便允许内腔通过随行夹具返回 系统或冷却排屑系统。其次是机床内部结构尺寸限制和刚度要求。如工件最低 孔位置、多轴箱的最低主轴高度和通用部件、中间底座及夹具底座基本尺寸的 限制等。工件最低孔径 h2=16mm，滑台高度为 320mm，底座高度为 560mm，镗削 头高为 480mm，综合以上因素，该组合机床装料高度为 1376mm。 C 确定夹具轮廓 主要确定夹具底座的长、宽、高尺寸。工件的轮廓尺寸和形状是确定夹具 底座轮廓尺寸的基本依据。具体要考虑布置工件的定位、限位、夹紧机构、刀 具导向装置以及夹具底座排屑和安装等方面的空间和面积需要。 夹具底座的高度尺寸，一方面要保证其有足够的刚度，同时要考虑机床的 装料高度、中间底座的刚度、排屑的方便性和便于设置定位、夹紧机构。 D 确定中间底座尺寸 中间底座的轮廓尺寸，在长宽方向应满足夹具的安装需要。它在加工方向 的尺寸，实际已由加工示意图所确定，图中已规定了机床在加工终了时工件端 面至主轴箱前端面的距离。由此，根据选定的主轴箱、滑台、侧底座等标准的 位置关系，并考虑前备量，通过尺寸链就可以计算确定中间底座加工方向的尺 寸，在本次设计中取前备量 50mm，计算长度为 1340mm。 确定中间底座的高度方向时，应注意机床的刚性要求、冷却排屑系统要求 以及侧底座连接尺寸要求。装料高度和夹具底座高度确定后，中间底座高度就 已确定，选取 650mm。 E 主轴箱轮廓尺寸 主要需确定的尺寸是主轴箱的宽度 B 和高度 H 及最低主轴高度 。主轴箱1h 宽度 B、高度 H 的大小主要与被加工零件孔的分布位置有关，可按下式计算： (2-9)12b (2-10)h 式中，b工件在宽度方向相距最远的两孔距离（） ； 最边缘主轴中心距箱外壁的距离（） ；1 h工件在高度方向相距最远的两孔距离（） ； 最低主轴高度（） 。 主轴箱轮廓尺寸由改进的 1TA40 镗削头而来，中心高 H 取 260 mm，左边传 动箱 H2=480mm,右传动箱 H2=480mm。 由此得出机床联系尺寸总图： 箱体双面粗镗床总体设计及右主轴箱设计 12 图 2-3 机床联系尺寸总图 13 2.2.4 生产率计算卡 根据加工示意图所确定的工作循环及切削用量等，就可以计算机床生产率 并编制生产率计算卡。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、生产纲领及负荷等关系的技术文件。它是用户验收机床生产 效率的重要依据。 a. 理想生产率 (单位为件/h)是指完成年生产纲领 A(包括备品及废品率)Q 所要求的机床生产率。它与全年工时总数 tk有关,这里两班制 A 取 8000 件，t k 取 4600h,由文献1的 51 页公式 （2-11）ktA 得出： =80000/4600=17.39 件/时Q b. 实际生产率 (单位为件/h)是指所设计机床每小时实际可生产的零件1 （2-12）单T601 式中: 生产一个零件所需时间(min)，可按下式计算：单T （2-13） 装移快 退快 进停辅切单 tVLtVLt kfff21 式中: 分别为刀具第、工作进给长度 ,单位为 mm；21L、 分别为刀具第、工作进给量,单位为 mm/min；ffV、 当加工沉孔、止口、锪窝、倒角、光整表面时，滑台在死挡铁上的停t 停留时间，通常指刀具在加工终了时无进给状态下旋转 510 转所需的时间， 单位为 min； 分别为动力部件快进、快退行程长度，单位为 mm； 快 退快 进 、 L 动力部件快速行程速度。用机械动力部件时取 56m/min;用液压kfV 动力部件时取 310m/min； 直线移动或回转工作台进行一次工位转换时间，一般取 0.1min；移t 工件装、卸（包括定位或撤销定位、夹紧或松开、清理基面或切屑及 吊运工件）时间。它取决于装卸自动化程度、工件重量大小、装卸是否方便及 工人的熟练程度。通常取 0.51.5min。如果计算出的机床实际生产率不能满 足理想生产率要求,即 Q Q 时候，机床负荷率为二者之比。1 组合机床负荷率一般为 0.750.90,自动线负荷率为 0.60.7。典型的钻、 镗、攻螺纹类组合机床，按其复杂程度确定；对于精度较高、自动化程度高或 加工多品种组合机床，宜适当降低负荷率。 （2-15）1Q 则 18.735.2%9 具体请见生产率计算卡： 15 表 2-2 生产率计算卡 生产率计算卡 图号 YGZJ003 毛坯种类 铸件 名称 减速箱体 毛坯重量 材料 HT200 硬度 HBS180-220 工序名称 变速箱体双面卧式钻镗组合机床 工序号 进刀量 工时(min) 序号 工步名称 被加工 零件数 量 加工直 径 mm 工作行 程 mm 切削 速度 m/m in 转速 r/ min 进给 量 (mm/r) 进给速度 (mm/min) 机加 工时 间 辅 助 时 间 共计 1 安装工件及夹紧工件 1 1.5 1.5 2 左滑台快进 100 100 6000 0.016 0.016 3 左多轴箱工进（镗孔 1） 60 15 65.9 350 0.15 60 0.25 0.25 镗孔 2 70 13.5 76.9 350 0.15 60 0.225 0.225 镗孔 3 78 11.5 85.7 350 0.15 60 0.192 0.192 钻孔 14.7 58 18.6 410 0.15 60 0.97 0.97 4 左滑台快退 300 300 6000 0.05 0.05 总计 3.203 单件工时 3.203 分/件 机床生产率 18.73 件/时备注 左右同时加工 机床负荷率 85.2% 箱体双面粗镗床总体设计及右主轴箱设计 16 2.3 机床分组 为了便于设计和组织生产，组合机床各部件和装置按不同的功能划分编组。 组号划分如下： a. 第 1019 组支承部件。 b. 第 2029 组夹具及输送设备。 c. 第 3039 组电气设备。 d. 第 4049 组传动装置。 e. 第 5059 组液压和气动装置。 f. 第 6069 组刀具、工具、量具和辅助工具等。 g. 第 7079 组主轴箱及其附属部件。 h. 第 8099 组冷却、排屑及润滑装置。 i. 第 9099 组电气、液压、气动等各种控制挡铁。 17 3 右主轴箱设计 主轴箱是组合机床的重要部件之一，按专用要求进行设计，由通用零件组 成，靠夹具的导向装置来保证孔的加工位置精度。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 主轴，使之得到要求的转速和转向。 3.1 绘制主轴箱设计原始依据图 主轴箱原始依据图，是根据“三图一卡”整理编绘出来的，其内容包括主 轴箱设计的原始要求和已知条件。 在编制此图时从“三图一卡”中已知： A.主轴箱轮廓尺寸 525480mm； B.工件轮廓尺寸及各孔位置尺寸； C.工件与主轴箱相对位置尺寸。 根据这些数据可编制出主轴箱设计原始依据图(图 4-1)。 D.加工零件 名称：减速器箱体； 材料：HT200； 硬度：HB170241。 3.2 主轴结构型式的选择及动力计算 3.2.1 主轴型式的选择 主轴结构型式由零件加工工艺决定，并应考虑主轴的工作条件和受力情况。 轴承型式是主轴部件结构的主要特征，在加工减速器箱体端面孔时，主轴大都 采用的是滚珠主轴，前支承为推力球轴承和向心球轴承，后支承为向心球轴承。 因推力球轴承设置在前端，能承受单方面的轴向力。 3.2.2 主轴直径和齿轮模数的初步确定 初定主轴直径一般在编制“三图一卡”时进行。初选模数可由下式估算， 再通过类比确定，参照文献1.： （3-3)20(nZPm 1） 式中： 齿轮可传递的功率，单位为 kw；P 对啮合齿轮中小齿轮齿数；Z 小齿轮的转速，单位为 r/min。n 主轴箱中齿轮模数常用 2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm 几种。由于主 箱体双面粗镗床总体设计及右主轴箱设计 18 轴箱为钻孔主轴箱。主轴转速误差较小，且加工孔的位置比较密集，可以根据 实际需要选取齿轮模数为 2mm 和 3mm。 3.3 主轴箱的传动设计和计算 主轴箱的传动设计，是根据动力箱驱动轴位置和转速、各主轴位置及其转 速要求，设计传动链，把驱动轴与各主轴连接起来，使各主轴获得预定的转速 和转向。拟定传动系统的基本方法如下 A.主轴分布类型： a）同心圆分布； b）直线分布； c）任意分布。 B.传动系统的设计方法： a)将主轴划分为各种分布类型，尽可能使之形成同心圆分布，用一根中间 传动轴带动多根主轴； b)确定驱动轴的转速，转向及主轴箱体上的位置； C.用最少数量的齿轮和中间传动轴把驱动轴和各主轴连接起来。其方法如 下： a)当主轴数量不多，分布又比较分散时，可以从驱动轴开始，分几路单独 和各主轴联系。 b)当主轴数量较多且分散时，可先将比较接近的主轴分成几组，然后从主 轴布置起，最后连到驱动轴上。排列齿轮时，要注意先满足转速最低及主轴间 距最小的那些主轴的要求； D.手柄轴和润滑油泵的安排： a)大型主轴箱一般都有一个调整手柄轴，用于对刀、调整或装配维修时检 修主轴精度等。为了扳动省力轻便，手柄轴转速尽量高些，手柄轴位置应靠近 工人操作位置，其周围应有较大空间，保证回转时手柄不碰主轴。 b)主轴箱常采用叶片油泵润滑，油泵轴的位置要尽可能靠近油池，离油面 高度不大于 400500mm；为了便于维修，油泵齿轮最好布置在第排，如受 结构限制，也可放在第排。 3.3.1 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。 （3-2）PP切 削 损 失主 轴 箱 空 转 式中， 切削功率，单位为 kw；切 削 空转功率，单位为 kw；空 转 与负荷成正比的功率损失，单位为 kw。损 失 根据文献6表 4-6 得 19 =0.0116kw空 转P w 759切 削 w 1%.损 失 所以可得到 = 0.0116 +0.759+0.00759=0.778kwP主 轴 箱 主轴箱所需进给力 （单位 N）可按下式计算F主 轴 箱 （3-3）1 ni主 轴 箱 式中， 各主轴所需的轴向切削力，单位为 N；iF =4768.8N（由前面 2.2.3 的计算出） 。主 轴 箱 3.3.2 确定传动轴的位置及齿轮齿数 传动方案拟订之后，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。 A 由各主轴几驱动轴转速求驱动轴到各主轴之间的传动比 主轴 min)/(2801rn35i/4)( 5rin/06n37 驱动轴 mi)/(20r 各主轴总传动比 571.81i36.202i75.143i.065i18.2347i 为使结构紧凑，主轴箱体内的齿轮传动副的最佳传动比为 11.5；另 外，主轴与驱动轴转向相同时，经过偶数个传动副。 箱体双面粗镗床总体设计及右主轴箱设计 20 B 各轴传动比分配 1 轴： 84.10i 870.9i 28.109i 25.10i 2 轴： .80i .98i .109i 6.210i 3 轴： 4.180i 148i 5.14i 315i 4 轴： .80i 148i 92.0154i 415i 5 轴： 4.180i 70.98i 8.109i 706.510i 6 轴： .10i 61i 7 轴： 4.10i 5.012i 8.132i 458.173i C 确定中间传动轴的位置并配各对齿轮 根据文献6第 65 页传动轴转速的计算公式： (3-4) 主从从主 nzu (3-5)zSmA2)(2从主 (3-6)主从从从主 znu (3-7)从主主主从 z (3-8)1(2)(2umAnmAz 从主从主 (3-9)unzz12)(2主从主从 21 式中， 啮合齿轮副传动比；u 啮合齿轮副齿数和；zS 分别为主动和从动齿轮齿数；从主 、 分别为主动和从动齿轮转速，单位为 r/min；从主 、 n 齿轮啮合中心距，单位为 mm；A 齿轮模数，单位为 mm。m A.各轴上齿轮齿数的确定： a)驱动轴齿轮参数： 规定为 ， 。取 ， 。1926Z驱 43或m25驱Z3m b)主轴 1、2、5 及中间传动轴上齿轮齿数的确定： 中间轴 8 直接由驱动轴 0 带动，且 ，则 ， 。同84.10i 6813 样， ， ，则 ， ， ， 。 70.98i.19i91920 已知 ， ， ，则取 ，56.20i 76.5i 42Z ， ， ， 。41Z3245Z3 c)主轴 3、4 和中间传动轴齿轮齿数的确定： 轴 3、4 由同一个传动轴 15 带动，根据转速比, 取 ，m=2 。可043 得 ，m=2。同时计算得 ， ，m=2。 0152614142Z d)主轴 6、7 及中间传动轴齿轮齿数的确定： 中间轴 8 直接由驱动轴 0 带动， ， ， .0i61i56.12i ， ，计算得 ， ， ，m=2，.132i45.173i 1324 ，m=3， ， ， ， m=2。0Z2Z3527Z B.验算各主轴转速 min)/(.8.187.410rn0345622 i)/(.9.0.43 rn7981781 5nmin)/(54.26ri)/(3.42.607 r 转速相对损失在 5%以内，符合设计要求。 3.3.3 各传动轴直径的确定 在设计主轴箱传动系统是，往往为了凑合齿轮的中心或由于受空间的限制， 根据可能，初步地选定了轴径。 确定某一传动轴轴径时，首先要算出它所传递的扭矩，再根据此扭矩查 箱体双面粗镗床总体设计及右主轴箱设计 22 “轴能承受的扭矩”表，确定轴的直径。 传动轴的扭矩计算： (3-10)niMiiMi 321 式中 作用在轴上的总扭矩（ Nmm） 第 n 个轴上的扭矩（N mm）n 第 n 对轴上齿轮的传动比i 3.4 各零件的设计选用与校核 主轴箱零件校核： （1）轴承校核：设计中所用的所有重要轴承都要经过寿命校核。在满足尺 寸和强度要求的情况下，尽可能地选用国产轴承。 （2）轴的校核：设计中所用的所有较重要的轴都要经过强度校核和刚度校 核。 （3）齿轮校核：设计中所用的所有齿轮都要经过强度校核。 （4）键及花键：设计中所用的所有较重要的键及花键都要经过强度校核。 （5）销与螺钉：设计中所用的所有较重要的销与螺钉都要经过强度校核。 3.4.1 主轴箱中轴的强度校核 a.轴系零件的轴向固定 为使轴和轴上零件在机器中有正确的位置，防止轴系轴向窜动和正确传递 轴向力，轴系零件应予轴向固定。常见的轴向固定方式有三种： (1)两端单向固定的支承结构； (2)一端双向固定，一端游动的支承结构； (3)两端游动的支承结构。 轴系零件不论采取哪种固定方式，都是根据具体情况通过选择轴承的内圈 与轴，外圈与轴承座孔的固定方式来实现的。轴承内外圈的周向固定主要由配 合来保证，轴承内圈和轴的轴向固定，其原则及方法与一般轴系的轴向固定方 式基本相同，外圈与轴承座孔的轴向固定形式主要是利用轴承盖、孔用弹性垫 圈、套孔的凸肩以及轴承座孔的凸肩。具体选择时要考虑轴向载荷的大小，方 向，转速高低，轴承的类型，支承的固定型式等情况。根据上面的要求，结合 本设计情况，主轴箱内的轴系零件的轴向固定方式采用两端单向固定的支承结 构。 b.轴的结构 轴的结构主要取决于：轴在机器中的安装位置及形式；轴上零件的类型， 尺寸及配置，定位和固定方式；载荷的性质，大小，方向及分布情况；轴的加 工和装配工艺性等。由于影响轴结构的因素较多，其结构随具体条件不同而灵 活变化，所以轴一般并无标准的结构形式。但不论何种具体条件，轴的结构均 须满足：足够的强度和刚度；轴和装在轴上的零件应有准确的工作位置；轴上 23 的零件应便于装拆和调整；轴应该具有良好的制作工艺性。 c.轴的校核 根据装配图上各轴的受载情况知，轴 3 由于承受主轴 1 和 2 所传递的转矩， 在所有轴种受到的载荷最大，所以校核轴 3。作出轴的弯扭矩如图 3-1 所示: 图 3-1 轴的弯扭矩图 根据文献8公式 7-6 轮齿的受力大小可算得：3207.8.5tTFNd总 tg =708.8tg20=257.98Nrt /cos =708.8/cos20=754.29Nnt 箱体双面粗镗床总体设计及右主轴箱设计 24 mm708.5203782tHFDMN mm149.165.nV2.49r m128.VVN =HM2203716.87.9NWcacP1 根据文献8表 10-5 抗弯截面系数 (3-11)31.0d 根据文献8表 10-1 轴的许用弯曲应力表可得 45 号正火钢的 。15MPa1c 该轴的强度满足设计要求。 3.4.2 主轴箱中齿轮的校核计算 已选定齿轮采用 45 钢，锻造毛坯，硬齿面，齿轮渗碳淬火 HRC5662，齿 轮精度用 8 级，轮齿表面粗糙度为 Ra3.2 以传动轴 8 及驱动轴 O 上的一对啮合为例进行齿轮的强度校核，大、小齿 轮齿数分别为 ，传动比 。25,46oz 54.0624zio a. 设计准则 按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。 b. 按齿面接触疲劳强度设计 由 (3-12)31 21uKTZddHEt MPaca 249)(1.024876 25 其中， ， ，3.0d84.12564ozu ， ， 4，9.ZaEMP.98.1HZmNnT .79720.1105661 选择材料的接触疲劳极根应力为： MPaH8lim1 PaH5lim2 选择材料的接触疲劳极根应力为： F230li1 MF10li2 应力循环次数 N 由公式 (3-13)hnjL6 计算可得 91 107.263017206 atn 则 9 92 5.24.uN 查参考文献12表 6.3 得接触疲劳寿命系数 ,1.NZ02.N 查参考文献12图 6.7 得弯曲疲劳寿命系数 2Y 查参考文献12图 6.6 得接触疲劳安全系数 ，弯曲疲劳安全系数minHS ,又 ，试选 。5.1minFS0.2STY3.1tK 求许用接触应力和许用弯曲应力： MPaYSaZSPNFTFNH28015.2067.3.3.591.806.1minl21il12minl2il1 箱体双面粗镗床总体设计及右主轴箱设计 26 将有关值代入公式(3-2) 得： mmuTKZddtHEt34.69 8.13.079412.5108.3121 则 smndvt /6.07.10szo /5./.2 查参考文献12图 6.7 得 ， ， ；取 ，则0.1KvA02.1K1a32.01aKvAH 修正 mdtHt 16.4.34.6931 mzo.25.1 取标准模数 ，与前面选定的模数相同，所以 符合要求。3 m3 c. 计算几何尺寸 mdbzmado95.310.6287465121 取 32 d. 校核齿根弯曲疲劳强度 查参考文献12图 6.7 得 ， 1.4FSY8.32FS 取 7.0Y 由参考文献12P110 式（7-12）校核两齿轮的弯曲强度 MPamzKTFSodF 7.014325.0.9782131 27 102.1FMPa 212 97.10.483. FFSF MPaaY 所以齿轮完全达到要求。传动轴 4 上其余齿轮均用此方法进行校核，其结 果均符合要求。其他轴及轴上的齿轮均按以上方法校核，结果均符合强度要求 3.5 多轴箱坐标计算 坐标计算就是根据以知的驱动轴和主轴的位置及传动关系，精确计算各中 间传动轴的坐标。其目的是为多轴箱箱体零件补充加工图提供孔的坐标尺寸， 并用于绘制坐标检查图来检查齿轮排列、结构布置是否正确合理。 （1） 选择加工基准坐标系 X0Y 图 3-2 加工基准坐标系 X0Y 图 （2） 计算每根轴的坐标 由图的各伸出轴及驱动轴的坐标，如表 3-1 箱体双面粗镗床总体设计及右主轴箱设计 28 表 3-1 各伸出轴及驱动轴的坐标 坐 标 X（mm） Y(mm) 轴 1 0 0 轴 2 0 -92 轴 3 -22 -162 轴 4 -86 -162 轴 5 34 -81 轴 6 81 -116 轴 7 59.511 -61.7627 轴 0 0 -152 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。根据文献6第 71 页图 4-25，其计算方法如下，结合图 3- 3: YXjiA123B 1JC0ILabc(,)R 图 3-3 主轴和传动轴坐标关系 设 ABXY 则 2L 29 212IRJLI 因为 00siniaBcLAo 所以 LBJAIcJI00231 sincoBasin 还原到 X0Y 坐标系中去，则 c 点坐标：LAJBIYXA1 传动轴 10 位于轴 1 和 2 的中心连线的垂直平分线上，已知轴 1 和 2 的坐标， 计算出 10（95.11，-51） 传动轴 8 位于轴 3 和 4 的中心连线的垂直平分线上，已知轴 3 和 4 的坐标， 计算出 8（44，-249.13） 传动轴 9 的位置在传动轴 8 和 10 之间，考虑各方面的情况，依据多轴箱传 动系统的基本方法，初定其坐标为(52,125)。 下面依据坐标计算公式算出传动轴 9 的坐标： 将坐标值代入公式得： =104mmABX =49.499mmY 则 mL630.1549.5.10222IRJ mI .728.6.9 28.617.121 2 因 4015.3asini00 LBc96oA 所以 箱体双面粗镗床总体设计及右主轴箱设计 30 mLBJAIcJIA 294.663.155.74928.04sinco00231 IIB .8.9.sasin00231 还原到 X0Y 坐标系中去，则 4 轴坐标： mLAJBIYYXXA 73.15642.8.50.09.714 其余轴的计算过程类似，经计算得各轴坐标列于表 3-3。 表 3-2 各传动轴的坐标 坐 标 X（mm） Y(mm) 轴 8 44 -249.13 轴 9 56.10-135.73 轴 10 95.11 -51 轴 11 -90.84 -162.98 轴 12 -126.49 -86.92 轴 13 -90.01 -11.26 轴 14 7.75 -211.85 轴 15 45 -194.73 3.6 绘制轴坐标检查图 3.6.1 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)查润滑油泵、分油器等附加机构的位置是否合适。 3.6.2 坐标检查图绘制的顺序及要求 绘出多轴箱轮廓尺寸和坐标系 XOY。 按计算出的坐标值绘制各主轴、传动轴轴心位置及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。 31 用点划线绘制各齿轮的分度圆、注明各齿轮齿数、模数、所处排数及变位 齿轮的变位量。 3.7 主轴箱上附件的设计 A.分油器 本主轴箱中分油器选用 B-ZIR31-2-36 型分油器,其作用是把油分成几路 ,分 别润滑不同排数的齿轮及轴承,以便于保证轴承,齿轮有一定的使用寿命,减少摩 擦和磨损,降低振动,消耗发热。 B.油杯 油杯是用来给箱体注油用的,以保证箱体内油量满足使用要求。 C.油塞 油塞是用来放油用的,应该置在箱体的底部,由于该主轴箱是卧式组合机床, 故活塞放置在箱体上,放油孔螺母与凸台之间应加封油圈密封。 箱体双面粗镗床总体设计及右主轴箱设计 32 4 结论 本次毕业设计的课题是“ 变速箱体双面粗镗床 ”。为了在设计中更好的解决 问题，同时为了增长见识，使理论更好地联系实际，我们进行了毕业实习。在 实习的过程中，我门深入一线和工人师傅探讨有关问题，向工人师傅取经，收 集了一些技术资料。本次设计的课题来源于盐城市宝利来精密机械制造有限公 司，在领队老师的讲解下，我们对组合机床有了较深刻的认识，为我们更好地 提高设计的质量奠定了基础。本次设计的时间总共为三个多月，设计的内容包 含了本专业的全部课程，是专业知识的一次较高质量的巩固和提高。 通过这次设计，我基本上掌握了工程设计的一般方法和步骤，培养了自己 的独立思考分析问题的能力。通过掌握的知识，结合参考大量的文献资料解决 了所面对的问题。最大的设计体会是：在开始设计前首先一定要有个设计的方 案，考虑的东西一定要全面，不能简单的罗列出来就行，要综合地考虑它的合 理性、经济性、工艺性、实用性等要求。其次是要有扎实的专业基础知识，只 有扎实的基础知识，才不至于出现很多错误。此次毕业设计几乎涉及到我所学 的所有知识，而且还有许多的新知识。最后要有丰富的实践经验，如果没有指 导老师的认真指导和自己在工厂中毕业实习，我想在设计的时候会遇到更多的 困难，甚至说都不可能按时完成设计任务。在此次的毕业设计中，我也学到了 以前很多没有学到的东西，加强了自己的动手能力，巩固了自己的专业知识， 特别是学会了如何从众多的文献资料中选择自己所需要的知识，这所有的一切 对我以后的工作都有很好的帮助。 总之，通过这次设计，使我在基本理论的综合运用以及正确解决实际问题 等方面得到了一次较好的锻炼，提高了我独立思考问题、解决问题以及创新设 计的能力，缩短了我与工厂工程技术人员的差距，为我以后从事实际工程技术 工作奠定了一个坚实的基础。 本次设计任务已顺利完成，但由于本人水平有限，缺乏经验，难免会留下 一些错误，在此恳请各位专家、老师及同学们不吝赐教。 33 参考文献 1谢家瀛. 组合机床设计简明手册M.机械工业出版社，1992. 2范云涨等.金属切削机床设计简明手册J.机械工业出版社，1993. 3叶伟昌.机械工程及自动化简明设计手册(上册)M.机械工业出版社，2001. 4叶伟昌.机械工程及自动化简明设计手册(下册)M.机械工业出版社，2001. 5艾兴.金属切削用量手册M.机械工业出版社，1996. 6李益民.机械制造工艺设计手册M.机械工业出版社，1995. 7孟宪椅等.机床夹具图册M.机械工业出版社，1991. 8韩敬礼等.机械电气设计简明手册M.机械工业出版社，1994. 9胡家秀.机械零件设计实用手册M.机械工业出版社，1999. 10杨培元等.液压系统设计手册M.机械工业出版社，1995. 11大连组合机床研究所.组合机床设计M.机械工业出版社,1995. 12大连组合机床研究所.组合机床设计参考图册M.机械工业出版社，1986. 13徐锦康.机械设计M.机械工业出版社，2001. 14陈秀宁、施高义机械设计课程设计M.浙江大学出版社，1995. 箱体双面粗镗床总体设计及右主轴箱设计 34 致 谢 本次毕业设计是对我大学四年所学知识的一次全面考验，它也是对即将走 向社会的我们的进行的一次有效的训练。回顾这场毕业设计，我觉得我获益菲 浅。我的课题是一个研究类的课题，它让我体会到做研究的艰难，从苦心设计 出零件，到东奔西走去买材料加工零件，加工出零件又要日以继夜的对零件进 行测量，采集数据，然后又要考虑的对数据进行分析研究，分析工艺系统中加 工因素与之对应关系，这对像我这样基础不扎实的学生是多么困难，只有本人 经历过才知道。所以我认为这次毕业设计锻炼了我很多方面的能力，它使我面 对困难不退缩，勇于克服困难。 在本次毕业设计的开始到结束一直得到老师的指导和帮助，使我能得以顺 利完成并学到了很多知识，我想这对我以后走上社会工作岗位会有很大帮助。 35 附 录 序号 名 称 图样大小 张 数 备注 1 加工示意图 A1 1 2 工序图 A1 1 3 尺寸联系图 A2 1 4 生产力计算卡 A4 1 5 右主轴装配图 A0 1 6 零件图 A3 6 7 零件图 A4 1