变速器前壳体专用卧式镗床设计

装订线长 春 大 学 毕业设计（论文）纸引言孔加工在金属切削加工中占有重要地位，一般约占机械加工量的1/3。为保证孔及孔系间的相互位置精度一般采用镗削加工，对大孔径孔的加工更是如此。1775年威尔斯发明了一种能够精密加工大炮炮筒的工具，这就是最古老的镗床。经过两个多世纪的发展，镗床和其它现代机械加工设备一样，不再是单一的纯机械产品，融入了更多的微电技术、信息技术和控制技术，准确的说，现代的机床设备是一种机电一体化产品。机电一体化技术就是机械技术、电子技术和信息技术有机结合的产物。通过微电控制技术在机械领域的应用，现代机床有加工精度高，效率高，工人劳动强度低，有利于实现生产自动化等的特点。目前，国内外机床正朝着高精化、高速化、高效化、柔性化、智能化和集成化方向发展，并注重工艺适用性和经济性。本次设计就是本着在保证加工精度的前提下，尽量提高生产效率，减轻工人劳动强度，降低生产成本的原则进行的。由于时间仓促，本人水平有限，难免会有错误和纰漏之处，万望海涵！ 共 60 页 第 62 页第1章概述金属切削机床是用切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器，它是制造机器的机器，所以又称之为“工作母机”或“工具机”，习惯上简称机床。现代机械制造中加工机械零件的方法很多：除切削加工外，还有铸造、锻造、焊接、冲压、挤压等，但凡属精度要求较高和表面粗糙度要求较细的零件，一般都需在机床上用切削的方法进行最终加工。在一般的机器制造中，机床所担负的加工工作量占机器总制造工作量的40-60，机床在国民经济现代化的建设中起着重大作用。1.1 镗床及镗削加工镗床主要是用镗刀在工件上镗孔的机床。通常，镗刀旋转为主运动，镗刀或工件的移动为进给运动，它的加工精度和表面质量要高于钻床，镗床是大型箱体零件加工的主要设备。 镗削一般在镗床、加工中心和组合机床上进行，主要用于加工箱体、支架和机座等工件上的圆柱孔、螺纹孔、孔内沟槽和端面；当采用特殊附件时，也可加工内外球面、锥孔等。对钢铁材料的镗孔精度一般可达IT9IT7，表面粗糙度为Ra2.50.16m。1.2 机床的发展历程公元前二千多年出现的树木车床是机床最早的雏形。工作时，脚踏绳索下端的套圈，利用树枝的弹性使工件由绳索带动旋转，手拿贝壳或石片等作为刀具，沿板条移动工具切削工件。中世纪的弹性杆棒车床运用的仍是这一原理。 十五世纪由于制造钟表和武器的需要，出现了钟表匠用的螺纹车床和齿轮加工机床，以及水力驱动的炮筒镗床。1500年左右，意大利人列奥纳多达芬奇曾绘制过车床、镗床、螺纹加工机床和内圆磨床的构想草图，其中已有曲柄、飞轮、项尖和轴承等新机构。中国明朝出版的天工开物中也载有磨床的结构，用脚踏的方法使铁盘旋转，加上沙子和水剖切玉石。十八世纪的工业革命推动了机床的发展。1774年，英国人威尔金森发明了较精密的炮筒镗床。次年，他用这台炮筒镗床镗出的汽缸，满足了瓦特蒸汽机的要求。为了镗制更大的汽缸，他又于1776年制造了一台水轮驱动的汽缸镗床，促进了蒸汽机的发展。从此，机床开始用蒸汽机通过天轴驱动。1797年，英国人莫兹利创制成的车床由丝杠传动刀架，能实现机动进给和车削螺纹，这是机床结构的一次重大变革。莫兹利也因此被称为“英国机床工业之父”。19世纪，由于纺织、动力、交通运输机械和军火生产的推动，各种类型的机床相继出现。1817年，英国人罗伯茨创制龙门刨床；1818年美国人惠特尼制成卧式铣床；1876年，美国制成万能外圆磨床；1835和1897年又先后发明滚齿机和插齿机。随着电动机的发明，机床开始先采用电动机集中驱动，后又广泛使用单独电动机驱动。二十世纪初，为了加工精度更高的工件、夹具和螺纹加工工具，相继创制出坐标镗床和螺纹磨床。同时为了适应汽车和轴承等工业大量生产的需要，又研制出各种自动机床、仿形机床、组合机床和自动生产线。 随着电子技术的发展，美国于1952年研制成第一台数字控制机床；1958年研制成能自动更换刀具，以进行多工序加工的加工中心。从此，随着电子技术和计算机技术的发展和应用，使机床在驱动方式、控制系统和结构功能等方面都发生显著的变革。1.3 数控机床的发展1、高速化 随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用，对数控机床加工的高速化要求越来越高。 2、高精度化 数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度，机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。 提高CNC系统控制精度：采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化，并采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度，位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法；采用误差补偿技术：采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术，对设备的热变形误差和空间误差进行综合补偿。研究结果表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60%80%；采用网格解码器检查和提高加工中心的运动轨迹精度，并通过仿真预测机床的加工精度，以保证机床的定位精度和重复定位精度，使其性能长期稳定，能够在不同运行条件下完成多种加工任务，并保证零件的加工质量。3、功能复合化 复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的多种要素加工。根据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型两类。工艺复合型机床如镗铣钻复合加工中心、车铣复合车削中心、铣镗钻车复合复合加工中心等；工序复合型机床如多面多轴联动加工的复合机床和双主轴车削中心等。采用复合机床进行加工，减少了工件装卸、更换和调整刀具的辅助时间以及中间过程中产生的误差，提高了零件加工精度，缩短了产品制造周期，提高了生产效率和制造商的市场反应能力，相对于传统的工序分散的生产方法具有明显的优势。加工过程的复合化也导致了机床向模块化、多轴化发展。德国Index公司最新推出的车削加工中心是模块化结构，该加工中心能够完成车削、铣削、钻削、滚齿、磨削、激光热处理等多种工序，可完成复杂零件的全部加工。随着现代机械加工要求的不断提高，大量的多轴联动数控机床越来越受到各大企业的欢迎。在2005年中国国际机床展览会(CIMT2005)上，国内外制造商展出了形式各异的多轴加工机床(包括双主轴、双刀架、9轴控制等)以及可实现45轴联动的五轴高速门式加工中心、五轴联动高速铣削中心等。 4、控制智能化 随着人工智能技术的发展，为了满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求，数控机床的智能化程度在不断提高。具体体现在以下几个方面： 加工过程自适应控制技术：通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法进行识别，以辩识出刀具的受力、磨损、破损状态及机床加工的稳定性状态，并根据这些状态实时调整加工参数(主轴转速、进给速度)和加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度、降低加工表面粗糙度并提高设备运行的安全性； 加工参数的智能优化与选择：将工艺专家或技师的经验、零件加工的一般与特殊规律，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的“加工参数的智能优化与选择器”，利用它获得优化的加工参数，从而达到提高编程效率和加工工艺水平、缩短生产准备时间的目的；智能故障自诊断与自修复技术：根据已有的故障信息，应用现代智能方法实现故障的快速准确定位；智能故障回放和故障仿真技术：能够完整记录系统的各种信息，对数控机床发生的各种错误和事故进行回放和仿真，用以确定错误引起的原因，找出解决问题的办法，积累生产经验；智能化交流伺服驱动装置：能自动识别负载，并自动调整参数的智能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置。这种驱动装置能自动识别电机及负载的转动惯量，并自动对控制系统参数进行优化和调整，使驱动系统获得最佳运行；智能4M数控系统：在制造过程中，加工、检测一体化是实现快速制造、快速检测和快速响应的有效途径，将测量、建模、加工、机器操作四者(即4M)融合在一个系统中，实现信息共享，促进测量、建模、加工、装夹、操作的一体化。5、体系开放化 向未来技术开放：由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期；向用户特殊要求开放：更新产品、扩充功能、提供硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求；数控标准的建立：国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649(STEP-NC)，以提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程乃至各个工业领域产品信息的标准化。标准化的编程语言，既方便用户使用，又降低了和操作效率直接有关的劳动消耗。6、驱动并联化 并联运动机床克服了传统机床串联机构移动部件质量大、系统刚度低、刀具只能沿固定导轨进给、作业自由度偏低、设备加工灵活性和机动性不够等固有缺陷，在机床主轴(一般为动平台)与机座(一般为静平台)之间采用多杆并联联接机构驱动，通过控制杆系中杆的长度使杆系支撑的平台获得相应自由度的运动，可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能，更能满足复杂特种零件的加工，具有现代机器人的模块化程度高、重量轻和速度快等优点。 并联机床作为一种新型的加工设备，已成为当前机床技术的一个重要研究方向，受到了国际机床行业的高度重视，被认为是“自发明数控技术以来在机床行业中最有意义的进步”和“21世纪新一代数控加工设备”。Page 极端化(大型化和微型化) 7、信息交互网络化 对于面临激烈竞争的企业来说，使数控机床具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在车间各个部门间畅通无阻是非常重要的。既可以实现网络资源共享，又能实现数控机床的远程监视、控制、培训、教学、管理，还可实现数控装备的数字化服务(数控机床故障的远程诊断、维护等)。8、新型功能部件 为了提高数控机床各方面的性能，具有高精度和高可靠性的新型功能部件的应用成为必然。具有代表性的新型功能部件包括： 高频电主轴：高频电主轴是高频电动机与主轴部件的集成，具有体积小、转速高、可无级调速等一系列优点，在各种新型数控机床中已经获得广泛的应用； 直线电动机：近年来，直线电动机的应用日益广泛，虽然其价格高于传统的伺服系统，但由于负载变化扰动、热变形补偿、隔磁和防护等关键技术的应用，机械传动结构得到简化，机床的动态性能有了提高。如：西门子公司生产的1FN1系列三相交流永磁式同步直线电动机已开始广泛应用于高速铣床、加工中心、磨床、并联机床以及动态性能和运动精度要求高的机床等；德国EX-CELL-O公司的XHC卧式加工中心三向驱动均采用两个直线电动机；电滚珠丝杆：电滚珠丝杆是伺服电动机与滚珠丝杆的集成，可以大大简化数控机床的结构，具有传动环节少、结构紧凑等一系列优点。9、高可靠性 数控机床与传统机床相比，增加了数控系统和相应的监控装置等，应用了大量的电气、液压和机电装置，易于导致出现失效的概率增大；工业电网电压的波动和干扰对数控机床的可靠性极为不利，而数控机床加工的零件型面较为复杂，加工周期长，要求平均无故障时间在2万小时以上。为了保证数控机床有高的可靠性，就要精心设计系统、严格制造和明确可靠性目标以及通过维修分析故障模式并找出薄弱环节。国外数控系统平均无故障时间在710万小时以上，国产数控系统平均无故障时间仅为10000小时左右，国外整机平均无故障工作时间达800小时以上，而国内最高只有300小时。 10、加工过程绿色化 随着日趋严格的环境与资源约束，制造加工的绿色化越来越重要，而中国的资源、环境问题尤为突出。因此，近年来不用或少用冷却液、实现干切削、半干切削节能环保的机床不断出现，并在不断发展当中。在21世纪，绿色制造的大趋势将使各种节能环保机床加速发展，占领更多的世界市场。 11、多媒体技术的应用 多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力，因此也对用户界面提出了图形化的要求。合理的人性化的用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。除此以外，在数控技术领域应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，应用于实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等，因此有着重大的应用价值。1.4 我国数控机床发展现状我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，19982004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%，34.9%。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2002年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004年中国机床主机消费高达94.6亿美元，但进出口逆差严重，国产机床市场占有率连年下降，1999年是33.6%，2003年仅占 27.7%。1999年机床进口额为8.78亿美元(7624台)，2003年达27.1亿美元(23320台)，相当于同年国内数控机床产值的2.7 倍。国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。1.5 研究意义世界工业发展的规律表明，工业的基础和命脉，关键在工作母机。一个国家鼎盛的时期，同时也是机床工业最发达的阶段。机床工业，特别是数控机床对国民经济的影响，具有举足轻重地位和作用第2章 总体方案拟定金属切削机床又称之为工作母机，是机械制造业的基础装备，其设计质量的高低，直接影响到被加工件的质量好坏，生产率及其成本的高低等。随着社会的需求和行业日趋激烈的竞争，对机床的设计提出越来越高的要求。金属切削机床按不同的特征可分为不同的类型，其中按机床的使用范围可以分为：通用机床、专门化机床和专用机床。专用机床用于特定零件的特定表面、特定尺寸和特定工序的加工，所以需要根据特定的工艺要求进行设计、制造，其工艺范围窄，但生产率高，常用于对大批量零件的生产加工。2.1工件加工要求分析图2.1为变速器前壳体零件的三维图样。图2.1前壳体零件三维图样题目要求设计一种专用机床，用于加工变速器前壳体上的孔。工件材料为灰铸铁，牌号HT200，硬度HB170210，加工部位是：75，52，25的孔。毛坯重14。其加工要求如下：（1） 保证尺寸精度75，52，25。（2） 粗糙度要求：75、52孔粗糙度为Ra1.6，25粗糙度为Ra3.2。（3） 被加工表面位置精度为：1）保证 75与52中心距85； 2）保证 75与25中心距85；3）保证各孔轴线与端面A的垂直度0.04；4）尺寸90和63。（4） 生产纲领为10万辆/年。2.2工艺方案制定分析零件加工要求，其精度要求较高，根据尺寸、位置精度的要求，查组合机床设计简明手册书的表713铸铁件不同精度孔的典型工艺方法及表714组合机床孔加工精度和表面粗糙度数据10，选用精镗加工方法。2.3 切削用量的确定切削用量的选择，对生产率、加工成本和加工质量均有重要的影响。合理选择切削用量就是要在保证加工质量的前提下，尽可能取得较高的生产率和较低的生产成本。我们知道，切削用量三要素ap、f、vc对金属切削率的影响是相同的，但它们对刀具寿命的影响是不同的，其中vc最大，f次之，ap最小。所以，我们应首先选择较大的ap，其次是f，最后根据ap、f由“切削用量手册”或相关公式计算出vc。2.3.1 切削用量的选择刀具选为刀尖圆角半径r 1mm，主偏角r 30，截面 10 X 10 mm的YG6硬质合金镗刀。1、背吃刀量ap一般背吃刀量根据加工余量确定，查组合机床设计简明手册表3-1孔加工常用工序间的余量知：精镗时，对于孔25mm，直径上的工序余量为0.200.25mm,对于孔52mm、75mm，直径上的工序余量为0.250.40mm.我们取：ap25 = 0.125mm,ap52 = ap75 = 0.15mm.2、进给量f精加工时，f主要由加工后的表面粗糙度和加工精度决定。查机械制造技术基础表2-5按表面粗糙度选择进给量的参考值，取进给量：f25 = 0.38mm/r, f52 = f75 = 0.16mm/r。3、切削速度vc切削速度对刀具的寿命影响甚大，根据组合机床设计简明手册表6-15 镗孔切削用量， 切削速度vcmax取80m/min。2.3.2 切削力、切削转矩及切削功率的确定根据组合机床设计简明手册表6-20 组合机床切削用量计算图中推荐的切削力、转矩及功率公式，计算如下：1、孔25mm布氏硬度HB = HBmax (HBmax HBmin)/3= 210 (210 170)/3 196.667轴向切削力FX = 0.51ap1.2f0.65HB1.1= 0.51 X 0.1251.2 X 0.360.65 X 196.6671.1 7.34(N) 圆周力 FZ = 51.4apf0.75HB0.55= 51.4 X 0.125 X 0.360.75 X 196.6670.55 54.54(N)切削转矩T = 25.7Dapf0.75HB0.55= 25.7 X 25 X 0.125 X 0.360.75 X 196.6670.55= 681.75(Nmm)切削功率P = FZV/61200= (54.54 X 11.85)/61200= 0.0108(KW)2、孔52mm布氏硬度HB = HBmax (HBmax HBmin)/3= 210 (210 170)/3 196.667轴向切削力FX = 0.51ap1.2f0.65HB1.1= 0.51 X 0.151.2 X 0.160.65 X 196.6671.1 5.31(N) 圆周力 FZ = 51.4apf0.75HB0.55= 51.4 X 0.15 X 0.160.75 X 196.6670.55 35.62(N)切削转矩T = 25.7Dapf0.75HB0.55= 25.7 X 52 X 0.15 X 0.160.75 X 196.6670.55= 926.12(Nmm)切削功率P = FZV/61200 = (35.62 X 55.47)/61200 = 0.0329(KW)3、孔75mm布氏硬度HB = HBmax (HBmax HBmin)/3= 210 (210 170)/3 196.667轴向切削力FX = 0.51ap1.2f0.65HB1.1 = 0.51 X 0.151.2 X 0.160.65 X 196.6671.1 5.31(N) 圆周力 FZ = 51.4apf0.75HB0.55= 51.4 X 0.15 X 0.160.75 X 196.6670.55 35.62(N)切削转矩T = 25.7Dapf0.75HB0.55= 25.7 X 75 X 0.15 X 0.160.75 X 196.6670.55= 1335.75(Nmm)切削功率P = FZV/61200= (35.62 X 80)/61200= 0.0475(KW)2.4电机的选用电动机具有体积小、功率大、噪音低、工作稳定，易于控制等特点，被作为动力装置广泛用于各个领域。目前在机床伺服系统中常采用的驱动电机有步进电机、电液脉冲马达、直流伺服系统和交流伺服系统等。本次设计的专用卧式镗床的多轴箱要求动力装置提供408r/min的转速，并同时输出约0.16KW的功率。由于步进电机具有转速易于控制，既可以开环控制也可以闭环控制，且用于开环控制时不需要位置或速度的检测元件等优点，这里就选用步进电机作为多轴箱的动力部件。正常工作时步进电机的输出转矩T：T = 9549P/n = 9549 X 0.16/408 = 3.75Nm正常工作时步进电机的运行频率 f:f = 60n/b （2-1）其中：n是转速（r/min）, 是步进电机的步距角（）这里选用五相十拍异步电机130BF001，其运行频率f = 60 X 408/0.75 = 32640(HZ)。对比于130BF001步进电机的运行矩频特性曲线，知能够满足需求。2.5 专用机床总体设计“三图一卡”专用机床的总体设计，就是针对具体被加工零件，在选定工艺和结构方案的基础上，进行方案图纸设计。这些图纸包括：被加工零件工序图、加工示意图、机床联系尺寸总图、生产率计算卡。2.5.1 被加工件工序图被加工零件工序图是根据选定的工艺方案，表示一台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、加工用定位基准、夹压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半成品状况的图纸。它是组合机床设计的组要依据，也是制造使用时调整机床，检查精度的重要技术文件。在本道工序中，采用一面两孔定位，定位结合面和2个8销孔（固定式定位销和削边销），共限制6个自由度。汽车变速器壳体的加工工序图如下：图2.2被加工零件工序图注：1、被加工零件名称：汽车变速器壳体； 2、材料：HT200；硬度： HB170210； 3、粗实线上尺寸为本工序保证尺寸；2.5.2 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、辅助装置的布置状况及工件、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。是设计刀具、夹具、主轴箱以及选择动力部件的主要资料，同时也是调整机床及刀具的依据。加工示意图，要反映机床的加工过程和加工方法，并决定浮动夹头式接杆的尺寸，镗杆长度，刀具种类及数量，刀具长度及加工尺寸，主轴尺寸及伸出长度，主轴、刀具、导向与工件间的联系尺寸等。根据机床要求的生产率及刀具特点，合理地选择切削用量，决定动力头的工作循环。1、刀具的选择刀具选择前已经叙述，要考虑加工工件尺寸精度、表面粗糙度、生产率要求等因素。根据前面工艺分析采用镗削。2、工序间余量的确定本工序为精加工，一道工序，工序余量前面已经确定。3、导向结构的选择导向装置作用在于：保证刀具对工件的正确位置；保证各刀具间的正确位置和提高刀具系统的支撑刚性。导向装置通常分为两大类：一类是刀具导向部分与夹具导套之间既有相对移动又有相对转动，或称固定式导向；另一类是刀具导向部分与夹具导套之间只有相对移动而无相对转动，或称旋转式导向。其相对转动部分通常以各种形式设置在刀杆上则称内滚式旋转导向；若相对转动部分设置在夹具上则称外滚式旋转导向。在本次设计中采用第二类导向。由于镗削通孔厚度不大，为保证刀杆刚性，3根轴均用前导，导向的主要参数如：导套的直径及公差配合、导套的长度等由组合机床设计简明手册书表726和727列出的常用导向数据参数使用选择。具体数据见加工示意图。4、初定主轴类型、尺寸、外伸长度和选择接杆、浮动卡头精镗类精加工主轴，由于镗孔时余量很小，扭矩也很小，因此不能按切削扭矩来初选主轴直径，主轴尺寸应参照：被加工部件尺寸镗杆直径浮动卡头规格尺寸主轴直径。根据组合机床设计简明手册表 731通用主轴的系列参数，及前面已经选定的镗杆直径确定浮动卡头及主轴尺寸。由于加工过程中刀杆伸出部分较长，为减小主轴位置误差及主轴径向跳动对加工精度的影响，避免主轴与导向套不同轴而产生“别劲”现象，采用浮动卡头连接主轴与刀杆。由组合机床设计简明手册中表731通用主轴系列参数选定主轴直径及外伸长度，即D=30mm， L=43mm。5、切削用量的确定每把刀的切削用量按照前面分析选用数值。6、确定动力部件的工作循环即工作行程动力部件的工作循环是指：加工时动力部件从原始位置开始运动到加工终了位置又返回到初始位置的动作过程。在该加工装置中工作循环为：快进工进快退。（1）工作进给长度L应等于工件加工部位长度L与刀具切入长度L和切出长度L之和。动力头工作进给长度是按加工长度最大的孔来选取。L21mm,切入长度应根据工件端面的误差情况来确定，切入长度L取20mm, 切出长度L取18mm。考虑刀具在刀杆上的安装位置后L=60mm。（2）快速退回长度等于快速引进与工作进给长度之和，快速引进是指动力部件主轴箱连同刀具从原始位置移动到工作进给开始位置，快速退回行程长度须保证刀具均退至夹具导套内而不影响工件拆卸。快速引进长度为95mm，则快速退回长度为155mm。图2.3动力头工作循环（3）动力部件总行程长度应保证要求的工作循环（快速引进+工作进给快速退回）外，还要考虑和调整道具的方便性，即考虑前、后备量。装卸刀具的理想情况是：刀具退离导向套外端面的距离，要大于刀杆插入主轴孔内的长度。前备量取50mm，后备量95mm,总行程长度300mm。加工示意图如下所示：图2.4加工示意图2.5.3 机床联系尺寸图机床联系尺寸图是决定各部件的轮廓尺寸及相互间联系关系的，是开展各专用部件设计和确定机床最大占地面积的指导图纸。为了使设计的机床既能满足预期的性能要求，又能做到配置上的均匀合理，必须对所设计的机床各个部件之间的关系进行全面的分析研究。这是通过机床联系尺寸图来达到的。一般来说，组合机床是由标准的通用部件动力滑台，动力箱，各种工艺切削头，侧底座，立柱，立柱底座及中间底座加上专用部件主轴箱、刀具、辅具系统、夹具、液、电、冷却、润滑、排屑系统组合装配而成。联系尺寸图用来表示机床各组成部件的相互装配联系和运动关系，以检验机床各部件相对位置及尺寸联系是否满足加工要求，通用部件的选择是否合理，并为进一步开展主轴箱，夹具等专用部件，零件的设计提供依据1、夹具轮廓尺寸的确定夹具是保证零件加工精度的重要专用部件。夹具的轮廓尺寸主要是指夹具底座的长、宽、高。确定这些尺寸时要考虑工件的轮廓尺寸、形状、具体结构，还要考虑能够布置下保证加工要求的定位、夹紧机构、导向机构（镗模），并要考虑夹具底座与机床中间底座的连接固定所需要的尺寸。本例中夹具轮廓尺寸初步定位长857mm、宽767mm、高529mm。2、机床装料高度H的确定装料高度是指机床上工件的定位基准面到地面的垂直距离。我国现行标准H=8301045mm。选取装料高度要主要考虑的因素是，应与车间里运送工件的滚道高度相适应，由于受工件的最低孔的位置（h=67mm）、主轴箱最低主轴高度（h150mm）和所选通用部件、中间底座、夹具高度等尺寸限制（设计中所选滑台与滑座总高h=78mm,侧底座高h=673mm,夹具底座高度h=96mm,中间底座高度h=673mm）则机床装料高度取H=840mm。3、中间底座轮廓尺寸中间底座的轮廓尺寸要满足夹具在其上面安装连接的需要。其长度方向尺寸要根据所选动力部件（滑台和滑座）及其配套部件（侧底座）的位置关系，照顾各部件联系尺寸的合理性来确定。一定要保证加工终了位置时，工件端面至主轴箱前端面的距离不小于加工示意图上的要求的距离,同时，要考虑动力部件处于加工终了位置时，主轴箱与夹具外轮廓间应有便于机床调整、维修的距离。为便于排屑及冷却液回收，中间底座周边应有足够宽度的沟槽，取为10mm。初定中间底座的尺寸长宽高1080mm840mm673mm。4、主轴箱轮廓尺寸主轴箱尺寸的确定着重在于确定主轴箱的宽度B和高度H及最低主轴高度h。主轴箱宽度B和高度H的大小主要与被加工零件孔的位置分布有关。根据公式：B=b+2b H=h+h+b式中b工件在宽度方向相距最远的两孔距离（mm）； b最边缘主轴中心距箱外壁的距离（mm）； h工件高度方向相距最远的两孔距离（mm）； h最低主轴高度（mm）。根据b=170mm, 取b100mm, 工件的最低孔的位置h=72mm,H=960mm，滑台滑座高度h=250mm、侧底座高h=560mm、滑座与侧底座之间调整高度h=5mm则hh+H-(0.5+ h+ h+ h)=72+900-(0.5+560+5+250)=156.5mmB=b+2b=170+2100=370mm H=h+h+ b=100+156.5=256.5mm根据计算值，按主轴箱轮廓尺寸系列标准并为了保证主轴箱内有足够的空间排布齿轮，最后确定主轴箱轮廓尺寸为长宽高=403318330mm。依据以上选定的有关滑台与底座及多轴箱的相关尺寸绘制机床联系尺寸图。图2.5 机床联系尺寸图2.5.4 机床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、切削用量、动作时间、生产纲领及负荷绿灯关系的技术文件。是用户验收机床生产率的重要依据。1、理想生产率Q理想生产率Q指完成年生产纲领A所要求的机床生产率，与全年生产工时总数t有关。Q = A/t = 100000/4600 21.74(件/h)2、实际生产率Q1实际生产率Q1指所设计机床每小时实际可生产的零件数量。Q1 = 60/t单 = 60/2.35 25.58（件/h）3、机床负荷率= Q/Q1 = 21.74/25.58 = 0.96生产率计算卡：表2.1生产率计算第3章 多轴箱的设计多轴箱是专用机床的重要专用零部件，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设计的传递各主轴运动的动力部件。多轴箱是由箱体、主轴、传动轴和齿轮等零件组成的，其基本结构设计如下：图3.1多轴箱展开图图3.2多轴箱外观图3.1 齿轮的设计计算齿轮传动是机械传动中最要的传动之一，有传递功率高，结构紧凑，传动比稳定及工作稳定、寿命长等优点。多轴箱齿轮传动属于闭式齿轮传动，密封良好，润滑条件也较良好。根据齿轮副的具体工作条件及所学知识，本次齿轮设计计算依据目前较常用的两大设计准则保证齿根弯曲疲劳强度及保证齿面接触疲劳强度准则进行设计计算。3.1.1 第一对齿轮传动设计设计参数： 小齿轮转速n = 181.2r/min；传递功率P = 0.018KW；传动比u = 1.2 1、齿轮类型、精度等级、材料及齿数选择 齿轮类型：直齿圆柱齿轮传动。 精度等级：根据机械设计表10-8 各类机器所用齿轮传动的精度等级范围，选用6级精度8。材料：根据机械设计表10-1 常用齿轮材料及力学特性，选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度280HBS，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS。齿数：小齿轮齿数Z1初选为20，则大齿轮齿数Z2 = iZ1 = 1.2 X 20 =242、按齿面接触强度设计设计计算公式： d1t 2.32 （3-1）1）、确定公式中各计算数值（1）载荷系数Kt初选为1.2（2）小齿轮传递的转矩T1 = 95.5 X 105 P1/n1 = 95.5 x 105 X 0.018/181.2 = 948.68(Nmm)（3）查机械设计表10-7圆柱齿轮齿宽系数d，取齿宽系数d 为0.9（4）查机械设计表10-6弹性影响系数ZE，取弹性影响系数ZE为189.8MPa1/2（5）接触疲劳许用应力 由机械设计图10-21d查的小齿轮的接触疲劳极限Hlim1 为600MPa，大齿轮的接触疲劳极限Hlim2为550MPa； 由工作应力循环次数N = 60njLh 计算得：N1 = 60n1jLh = 60 X 408 X 1 X（8 X 330 X 10） 2.87 X 108N2 = N1/u = 2.87 X 108/1.2 2.37 X 108； 由机械设计图10-19接触疲劳寿命系数KHN，查得小齿轮的接触疲劳寿命系数KHN1 = 0.96，大齿轮的接触疲劳寿命系数KHN2 = 0.97； 计算大、小齿轮的接触疲劳许用应力H1、H2取失效概率为1，疲劳强度安全系数S为1，则由式 = KNlim/S得：H1 = KHN1Hlim1/S = 0.96 X 600/1 = 576(MPa)H2 = KHN2Hlim2/S = 0.97 X 550/1 = 533.5(MPa)因为H1 H2 ,所以取H = H2 = 533.5（MPa）2）、计算（1）将各值代入公式，经计算得d1t 15.42(mm)（2）计算圆周速度vv = = 0.15（m/s）（3）计算齿宽bb = dd1t = 0.9 X 15.42 = 13.878(mm)（4）计算齿宽与齿高比b/h模数 mt = d1t/z1 = 15.42/20 0.771mm齿高 h = 2.25mt = 2.25 X 0.771 1.735mm 则 b/h = 13.878/1.735 8.00（5）计算载荷系数K、使用系数KA查机械设计表10-2 使用系数KA，使用系数取1.25 、动载系数KV根据机械设计图10-8 动载系数KV，动载系数取1.01、齿间载荷分配系数Ka查表10-2 齿间载荷分配系数KHa、KFa，取齿间载荷分配系数KHa = KFa = 1.2、齿向载荷分配系数K查机械设计表10-4 接触疲劳强度计算用齿向载荷分布系数KH的简化计算公式，得：KH= 1.11 + 0.18（1 + 0.6d2 ）d2 + 0.15 X 10-3b = 1.11 + 0.18（1 + 0.6 X 0.92 ）X 0.92 + 0.15 X 10-3 X 13.878 = 1.744由齿宽比b/h = 8.0，KH = 1.744，查机械设计图10-13 弯曲强度计算的齿向载荷分布系数KF，得KF = 1.58载荷系数K = KAKVKHaKH，将各值代入，经计算得K = 2.642（6）按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径， = 15.42 X = 20.06（mm）（7）计算模数mm = d1/Z1 = 20.06/20 = 1.003(mm)3、按齿根弯曲强度设计设计计算公式： m （3-2）1）确定公式中各计算数值 (1)计算载荷系数K K = KAKVKFaKF = 2.394 （2）计算 、由机械设计图10-20c，查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 FE1 = 500MPa ；大齿轮的弯曲疲劳强度极限FE2 = 380MPa；、由机械设计图10-18 弯曲疲劳寿命系数KFN，查得小齿轮的弯曲疲劳寿命系数KFN1 = 0.88，大齿轮的弯曲疲劳寿命系数KFN2 = 0.89、计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 S = 1.4，由式 = KNlim/SF1 = KFN1FE1/S = 0.88 X 500/1.4 = 314.29(MPa)F2 = KFN2FE2/S = 0.89 X 380/1.4 = 241.57(MPa)、齿形系数YFa、应力校正系数YSa由机械设计表10-5齿形系数YFa及应力校正系数YSa，查得大、小齿轮的齿形系数分别为：YFa2 = 2.65，YFa1 = 2.80；应力校正系数分别为：YSa2 = 1.58，YSa1 = 1.55 = 0.01381 = 0.017330.01381 0.01733，即大齿轮的数值大 取 = 0.017332）设计计算将各数代入公式得：m 0.6(mm)对比“按齿面接触强度设计”和“按齿根弯曲强度设计“两者的计算结果，及考虑到齿轮副在多轴箱中的安装情况等诸多因素，模数m取3mm,小齿轮分度圆直径d1取60mm，算出小齿轮的齿数Z1 = d1/m = 20，则，大齿轮的齿数Z2 = uZ1 = 1.2 X 20 = 244、几何尺寸计算1）齿轮分度圆直径d1 = mZ1 = 3 X 20 = 60(mm),d2 = mZ2 = 3 X 24 = 72(mm)2) 中心距a = (d1 + d2)/2 = （60 + 72）/2 = 66(mm)3) 齿轮宽度b =dd1 = 0.5 x 60 = 30(mm)小齿轮的齿宽B1取35mm，大齿轮的齿宽B2取30mm。5、验算Ft = 2T1/d1 = 2 X 948.68/60 31.623(N)KA Ft/b = 1.25 X 31.623/30 1.32(N/mm) 100(N/m)，合适。3.1.2 第二对齿轮传动设计设计参数： 小齿轮转速n = 271.8r/min；传递功率P = 0.024KW；传动比u = 1.5 1、齿轮类型、精度等级、材料及齿数选择 齿轮类型：直齿圆柱齿轮传动。 精度等级：根据机械设计表10-8 各类机器所用齿轮传动的精度等级范围，选用6级精度。材料：根据机械设计表10-1 常用齿轮材料及力学特性，选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度280HBS，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS。齿数：小齿轮齿数Z1初选为20，则大齿轮齿数Z2 = iZ1 = 1.5 X 20 =302、按齿面接触强度设计设计计算公式(3-1) ： d1t 2.321）、确定公式中各计算数值（1）载荷系数Kt初选为1.2（2）小齿轮传递的转矩T1 = 95.5 X 105 P1/n1 = 95.5 x 105 X 0.024/271.8 = 843.27(Nmm)（3）查机械设计表10-7圆柱齿轮齿宽系数d，取齿宽系数d 为0.9（4）查机械设计表10-6弹性影响系数ZE，取弹性影响系数ZE为189.8MPa1/2（5）接触疲劳许用应力 由机械设计图10-21d查的小齿轮的接触疲劳极限Hlim1 为600MPa，大齿轮的接触疲劳极限Hlim2为550MPa； 由工作应力循环次数N = 60njLh 计算得：N1 = 60n1jLh = 60 X 271.8 X 1 X（8 X 330 X 10） 4.31 X 108N2 = N1/u = 4.31 X 108/1.5 2.87 X 108； 由机械设计图10-19接触疲劳寿命系数KHN，查得小齿轮的接触疲劳寿命系数KHN1 = 0.94，大齿轮的接触疲劳寿命系数KHN2 = 0.95； 计算大、小齿轮的接触疲劳许用应力H1、H2取失效概率为1，疲劳强度安全系数S为1，则由式 = KNlim/S得：H1 = KHN1Hlim1/S = 0.94 X 600/1 = 564(MPa)H2 = KHN2Hlim2/S = 0.95 X 550/1 = 522.5(MPa)因为H1 H2 ,所以取H = H2 = 522.5（MPa）2）、计算（1）将各值代入公式，经计算得d1t 14.56(mm)（2）计算圆周速度vv = = 0.2（m/s）（3）计算齿宽bb = dd1t = 0.9 X 14.56 = 13.104(mm)（4）计算齿宽与齿高比b/h模数 mt = d1t/z1 = 14.56/20 0.728mm齿高 h = 2.25mt = 2.25 X 0.728 1.638mm 则 b/h = 13.104/1.638 = 8（5）计算载荷系数K、使用系数KA查机械设计表10-2 使用系数KA，使用系数取1.25 、动载系数KV根据机械设计图10-8 动载系数KV，动载系数取1.1、齿间载荷分配系数Ka查表10-2 齿间载荷分配系数KHa、KFa，取齿间载荷分配系数KHa = KFa = 1.2、齿向载荷分配系数K查机械设计表10-4 接触疲劳强度计算用齿向载荷分布系数KH的简化计算公式，得：KH= 1.11 + 0.18（1 + 0.6d2 ）d2 + 0.15 X 10-3b = 1.11 + 0.18（1 + 0.6 X 0.92 ）X 0.92 + 0.15 X 10-3 X 13.104 = 1.38由齿宽比b/h = 7.98，KH = 1.258，查机械设计图10-13 弯曲强度计算的齿向载荷分布系数KF，得KF = 1.3载荷系数K = KAKVKHaKH，将各值代入，经计算得K = 2.277（6）按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径， = 14.56 X = 18.03（mm）（7）计算模数mm = d1/Z1 = 18.03/20 = 0.9015(mm)3、按齿根弯曲强度设计设计计算公式（3-2） ： m 1）确定公式中各计算数值 (1)计算载荷系数K K = KAKVKFaKF = 2.145 （2）计算 、由机械设计图10-20c，查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 FE1 = 500MPa ；大齿轮的弯曲疲劳强度极限FE2 = 380MPa；、由机械设计图10-18 弯曲疲劳寿命系数KFN，查得小齿轮的弯曲疲劳寿命系数KFN1 = 0.83，大齿轮的弯曲疲劳寿命系数KFN2 = 0.88、计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 S = 1.4，由式 = KNlim/SF1 = KFN1FE1/S = 0.83 X 500/1.4 = 296.43(MPa)F2 = KFN2FE2/S = 0.88 X 380/1.4 = 238.86(MPa)、齿形系数YFa、应力校正系数YSa由机械设计表10-5齿形系数YFa及应力校正系数YSa，查得大、小齿轮的齿形系数分别为：YFa2 = 2.52，YFa1 = 2.80；应力校正系数分别为：YSa2 = 1.625，YSa1 = 1.55 = 0.01464 = 0.017140.01464 0.01714，即大齿轮的数值大 取 = 0.017142）设计计算将各数代入公式得：m 0.56(mm)对比“按齿面接触强度设计”和“按齿根弯曲强度设计“两者的计算结果，及考虑到齿轮副在多轴箱中的安装情况等诸多因素，模数m取2.5mm,小齿轮分度圆直径d1取60mm，算出小齿轮的齿数Z1 = d1/m = 24，则，大齿轮的齿数Z2 = uZ1 = 1.5 X 24 = 364、几何尺寸计算1）齿轮分度圆直径d1 = mZ1 = 2.5 X 24 = 60(mm),d2 = mZ2 = 2.5 X 36 = 90(mm)2) 中心距a = (d1 + d2)/2 = （60 + 90）/2 = 75 (mm)3) 齿轮宽度b =dd1 = 0.5 x 60 = 30(mm)小齿轮的齿宽B1取30mm，大齿轮的齿宽B2取25mm。5、验算Ft = 2T1/d1 = 2 X 843.27/60 28.12(N)KA Ft/b = 1.25 X 28.12/30 1.172(N/mm) 100(N/m)，合适。3.1.3 第三对齿轮传动设计设计参数： 小齿轮转速n = 408r/min；传递功率P = 0.028KW；传动比u = 1.2 1、齿轮类型、精度等级、材料及齿数选择 齿轮类型：直齿圆柱齿轮传动。 精度等级：根据机械设计表10-8 各类机器所用齿轮传动的精度等级范围，选用6级精度。材料：根据机械设计表10-1 常用齿轮材料及力学特性，选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度280HBS，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS。齿数：小齿轮齿数Z1初选为20，则大齿轮齿数Z2 = iZ1 = 1.2 X 20 =242、按齿面接触强度设计设计计算公式（3-1）： d1t 2.321）、确定公式中各计算数值（1）载荷系数Kt初选为1.2（2）小齿轮传递的转矩T1 = 95.5 X 105 P1/n1 = 95.5 x 105 X 0.028/408 655.39(Nmm)（3）查机械设计表10-7圆柱齿轮齿宽系数d，取齿宽系数d 为0.9（4）查机械设计表10-6弹性影响系数ZE，取弹性影响系数ZE为189.8MPa1/2（5）接触疲劳许用应力 由机械设计图10-