组合专机-气缸体钻削加工组合机床总体及多轴箱设计

目录1 概述11.1 组合机床的特点11.2 组合机床的分类和组成11.3 组合机床的发展史21.4 组合机床的CAD发展概况22 组合机床总体设计42.1 制定组合机床工艺方案42.2 选择刀具及切削用量42.3 切削力、切削功率的确定52.4 组合机床的总体分析三图一卡62.4.1 被加工零件工序图62.4.2 加工示意图62.4.3 组合机床联系尺寸图102.4.4 生产率计算卡143 组合机床多轴箱设计163.1 主轴箱设计的原始依据163.2 主轴结构型式的选择173.3 多轴箱传动设计173.3.1 对多轴箱传动系统的一般要求173.3.2 传动系统拟定183.3.3 多轴箱坐标计算、绘制坐标检查图213.4 绘制多轴箱总图23结论24参考文献251 概述1.1 组合机床的特点组合机床是由大量的通用部件和少量专用部件组成的工序集中的高效率专用机床。它能够对一种（或几种）零件进行多刀、多轴、多面、多工位加工。在组合机床上可以完成钻孔、扩孔、锪孔、铰孔、镗孔、铣削平面、切削内外螺纹以及加工外圆和端面等工序，生产效率比通用机床高几倍至几十倍，且加工精度十分稳定。组合机床一般用于加工箱体类或特殊形状的零件。加工时，工件一般不旋转，由刀具的旋转运动和刀具与工件的相对进给运动，来实现。有的组合机床采用车削头夹持工件使之旋转，由刀具作进给运动，也可实现某些回转体类零件(如飞轮、汽车后桥半轴等)的外圆和端面加工。组合机床与通用机床、其他专用机床比较，具有以下特点：1）组合机床上的通用部件和标准零件约占全部机床零、部件总量的7080%，因此设计和制造的周期短，投资少，高效率，经济效果好。2）由于组合机床采用多刀加工，并且自动化程度高，因此比通用机床生产效率高，产品质量稳定，劳动强度低。3）组合机床的通用部件是经过周密设计和长期生产实践考验的，又有厂成批制造，因此结构稳定、工作可靠，使用和维修方便。4）在组合机床上加工零件时，由于采用专用夹具、刀具和导向装置等，加工质量靠工艺装备保证，对操作工人水平要求不高。5）当被加工产品更新时，采用其他类型的专用机床时，其大部分件要报废。用组合机床时，其通用部件和标准零件可以重复利用，不必另行设计和制造。6）组合机床易于联成组合机床自动线，以适应大规模的生产需要。组合机床常用的通用部件有：机身、底座、立柱、动力箱、动力滑台，各种工艺切削头等。对于一些按循序加工的多工位组合机床，还具有移动工作台或回转工作台。动力箱、各种工艺切削头和动力滑台是组合机床完成切削主运动或进给运动的动力部件。其中还有能同时完成切削主运动和进给运动的动力头。机身、立柱、中间底座等是组合机床的支承部件，起着机床的基础骨架作用。组合机床的刚度和部件之间的精度保持性，主要是由这些部件保证。1.2 组合机床的分类和组成组合机床的通用部件分大型和小型两大类。大型通用部件是指电机功率为1.5-30千瓦的动力部件及其配套部件。这类动力部件多为箱体移动的结构形式。小型通用部件是指电机功率为1.1-2.2千瓦的动力部件及其配套部件。这类动力部件多为套筒移动的结构形式。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。按设计的要求本次设计的机床为大型通用机床。组合机床除分为大型和小型外，按配置形式又分为单工为和多工位机床两大类。单工位机床又有单面、双面、三面和四面几种，多工位机床则有移动工作台式、回转工作台式、中央立柱式和回转鼓轮式等配置形式。本次设计的机床为单工位双面钻床。组合机床部件分类通用部件按功能可分为动力部件、支承部件、输送部件、控制部件和辅助部件五类。动力部件是为组合机床提供主运动和进给运动的部件。主要有动力箱、切削头和动力滑台。支承部件是用以安装动力滑台、带有进给机构的切削头或夹具等的部件，有侧底座、中间底座、支架、可调支架、立柱和立柱底座等。输送部件是用以输送工件或主轴箱至加工工位的部件，主要有分度回转工作台、环形分度回转工作台、分度鼓轮和往复移动工作台等。控制部件是用以控制机床的自动工作循环的部件，有液压站、电气柜和操纵台等。辅助部件有润滑装置、冷却装置和排屑装置等。1.3 组合机床的发展史组合机床是随着汽车工业的兴起而发展起来的。在专用机床中某些部件因重复使用，逐步发展成为通用部件，因而产生了组合机床。最早的组合机床是1911年在美国制成的，用于加工汽车零件。初期，各机床制造厂都有各自的通用部件标准。为了提高不同制造厂的通用部件的互换性，便于用户使用和维修，1953年美国福特汽车公司和通用汽车公司与美国机床制造厂协商，确定了组合机床通用部件标准化的原则，即严格规定各部件间的联系尺寸，但对部件结构未作规定。二十世纪70年代以来，随着可转位刀具、密齿铣刀、镗孔尺寸自动检测和刀具自动补偿技术的发展，组合机床的加工精度也有所提高。铣削平面的平面度可达0.05毫米1000毫米，表面粗糙度可低达2.50.63微米；镗孔精度可达IT76级，孔距精度可达0.030.02微米。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。1.4 组合机床的CAD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。国外组合机床CAD技术研究开始比较早。70年代初，一些工业发达国家首先多轴箱CAD方面开始研究。尤其是进入90年代以来，计算机技术发展，交互式绘图和数据库管理系统等发展和应用，使组合机床CAD技术日益实用且使用范围不断扩大，发达国家组合机床设计中已普遍采用了CAD技术。目前，正向CAD/CAM集成系统发展。近年来，美国几个主要机床厂家(BURGMAST、KINGSBURY、INGERSOLL LAMB、CINCINNATI、MILACRON、CROSS等公司)，其CAD技术已到普遍应用。其中最引人注目是INGERSOLL公司具有50个交互式CAD工作站组成软、硬件环境，使其实现了几乎百分之百CAD化。国内对组合机床设计采用CAD认识也比较早。70年代初，大连组合机床研究所就开始了这方面研究工作。1978年国家把组合机床CAD列为机械工业重点项目，并责成上海交通大学、大连组合机床研究所、机械部自动化研究所负责，大连理工大学、清华大学、北京工业大学、上海机电产品研究院等单位参加，对钻孔组合机床CAD进行了研究，从此揭开了我国组合机床CAD技术序幕。2 组合机床总体设计2.1 制定组合机床工艺方案1被加工零件特点被加工零件是一气缸体。该零件外形复杂，尺寸较大。本工序所要加工孔的数量较多，而且是不同位置处的不同形状的孔。同时，各孔又有一定的位置度要求。但各孔没有尺寸精度要求，孔内表面粗糙度要求为Ra6.3、Rz50。因此，直接钻孔即可满足次精度要求。该零件材料为铜铬钼合金铸铁25-47，其硬度为212285HBS，其质量为15kg，其生产类型为中型零件大量生产（生产纲领：70000件/年）。2确定工件的定位基准加工时，工件以底面（限制三个自由度）、H面（限制二个自由度）和L面（限制一个自由度）定位；并以顶面上的四点夹压（见工序图）。3本工序内容从工序图中可以看出：在顶面上钻6个f 8.7mm孔(图上编号为12-17)，在底面上钻2个f 6.7mm孔(图上编号为1-2)、钻2个f 8.2mm通孔(图上编号为3-4)、钻3个f 5mm孔(图上编号为5-7)和钻4个f 5mm通孔(图上编号为8-11)。各孔没有尺寸精度要求，但相对2个基准面有一定的位置度要求。根据以上工艺特点，若选用普通机床加工，难以保证各孔的位置度，同时效率也不高。因此，选用单工位的双面卧式组合钻床进行加工。这样不仅提高了加工效率，而且多个孔一次走刀即加工成形，能够较好的保证其位置精度。此外，在组合机床上加工零件时，由于采用专用夹具、刀具和导向装置等，加工质量靠工艺装备保证，对操作工人水平要求也不高。2.2 选择刀具及切削用量本工序加工所需刀具为钻头。选择刀具首先是选择刀具材料，对于钻头来说，常见材料有高速钢和硬质合金两种。高速钢钻头主要用于切削硬度在250-280HBS的部分结构钢和铸铁；硬质合金钻头则主要用于加工硬度较高的钢件。被加工零件的材料为铸铁，硬度为212-285HBS。所以，选用高速钢钻头。查机械加工工艺手册(GB/T6135.3-1996) 选择刀具类型为锥柄麻花钻，同时查组合机床设计简明手册表6-11选择切削用量并计算主轴转速进给速度，汇总于表2-1。表2-1刀具类型刀具标准切削速度v(m/min)进给量f(mm/r)主轴转速n(r/min)进给速度vf(mm/min)f 6.7mm锥柄麻花钻GB/T6135.3-199610.10.10048048f 8.2mm锥柄麻花钻GB/T6135.3-199611.60.10745048f 5mm锥柄麻花钻GB/T6135.3-19969.420.08060048f 8.7mm锥柄麻花钻GB/T6135.3-199612.30.107450482.3 切削力、切削功率的确定根据选定的切削用量（组要指切削速度v及进给量f），确定切削力，作为选择动力部件（滑台）及夹具设计的依据；确定切削扭矩，用以确定主轴及其他传动件（齿轮、传动轴等）的尺寸；确定切削功率，用以选择主传动电机功率。查组合机床设计简明手册表6-20，得：切削力(N):式中，。切削扭矩(N.mm): 切削功率(kw): 2.4 组合机床的总体分析三图一卡2.4.1 被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，表示设计的组合机床所完成的工艺内容，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。被加工零件工序图是在被加工零件图的基础上，突出本机床或自动线的加工内容，并作必要的说明而绘制的。其主要内容包括:1）被加工零件的形状和主要轮廓尺寸以及与本工序机床设计有关部位结构形状和尺寸。尤其是当需要设置中间导向套时，应表示出零件内部的肋、壁布置及有关结构的形状及尺寸。以便检查工件、夹具、刀具是否发生干涉。2）加工用定位基准、夹压部位及夹压方向。以便依此进行夹具的定位支承（包括辅助定位支承）、限位、夹紧、导向系统的设计。3）本道工序加工部位的尺寸、精度、表面粗糙度、形状位置尺寸精度及技术要求，还包括本道工序对前道工序提出的要求（主要指定位基准）。4）必要的文字说明。如被加工零件编号、名称、材料、硬度、重量及加工部位的余量等。为了使被加工零件工序图清晰明了，一定要突出本机床的加工内容。绘制时，应按一定比例，选择足够的视图及剖视图，突出加工部位（用粗实线），并把零件轮廓及与机床、夹具设计有关的部位（用细实线）表示清楚。凡本道工序保证的尺寸、角度等，均应在尺寸数值下方画粗实线标记。加工用定位基准、机械夹压位置及方向、辅助支承均须使用规定的符号表示出来。加工部位的位置尺寸应由定位基准注起。为便于加工及检查，尺寸应采用直角坐标系标注，而不采用极坐标系。但有时因所选定位基准与设计基准不重合,则需对加工部位要求的位置尺寸精度进行分析换算。此外，应将零件图上的不对称位置尺寸公差应换算成对称尺寸公差，其公差数值的决定要考虑两方面，一是要能达到产品图纸要求的精度，二是采用组合机床能够加工出来。2.4.2 加工示意图1加工示意图的作用和内容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。因此，加工示意图是组合机床设计的主要图纸之一，在总体设计中占据重要地位。它是刀具、辅具、主轴箱、液压电气装置设计及通用部件选择的主要原始资料，也是整台组合机床布局和性能的原始要求，同时还是调整机床、刀具及试车的依据。其内容为：1）应反映机床的加工方法、加工条件及加工过程。2）根据加工部位特点及加工要求，决定刀具类型、数量、结构、尺寸（直径和长度）。3）决定主轴的结构类型、规格尺寸及外伸长度。4）选择标准的或设计专用的接杆、浮动卡头、导向装置、攻丝靠模装置、刀杆托架等，并决定它们的结构、参数及尺寸。5）标明主轴、接杆（卡头）、夹具（导向）与工件之间的联系尺寸、配合及精度。6）根据机床要求的生产率及刀具、被加工零件材料特点等，合理确定并标注各主轴的切削用量。7）决定机床动力部件的工作行程及工作循环。本设计中，工件的底面是朝左安装的，距离机床中心线向左100mm处是工件的底面，向右101.15mm处是工件的顶面，加工部位的分布情况参照加工时意图中的M、N向视图所示。工件的两面布置刀具，左多轴箱有11根主轴，右多轴箱有6根主轴，每根主轴上均有相应的钻头，用来加工与其相对应的孔。2加工示意图的画法及注意事项1）加工示意图的绘制顺序是：先按比例用细实线绘出工件加工部位和局部结构的展开图，加工表面用粗实线画。为简化设计，相同加工部位的加工示意（指对同一规格的孔加工，所用刀具、导向、主轴、接杆等的规格尺寸、精度完全相同），允许只表示其中之一，亦即同一主轴箱上结构尺寸相同的主轴可只画一根。但必须在主轴上标注轴号（与工件孔号相对应）。2）一般情况下，在加工示意图上，主轴分布可不按真实距离绘制。当被加工孔间距很小或需设置径向结构尺寸较大的导向装置时，相邻主轴必须严格按比例绘制，以便检查相邻主轴、刀具、辅具、导向是否干涉。3）主轴应从主轴箱端面画起。刀具画加工终了位置（攻丝加工则应画开始位置）。标准的通用结构只画外形轮廓，但须加注规格代号。对一些专用结构，为显示其结构而必须剖视，并标注尺寸、精度及配合。4)当轴数较多时，加工示意图可缩小比例，用细实线画出工件加工部位分布情况简图（向视图），并在孔旁标注相应号码，以便于设计和调整机床。3导向结构的选择组合机床加工孔时，零件上孔的位置精度主要是靠刀具的导向装置来保证的。由于要加工的孔径较小且其线速度（切削速度）12.3m/min0.009时，实际中心距不符合啮合要求，此时需采用变位齿轮凑中心距来满足测量正常啮合要求。因此，轴9与轴8、轴7与轴2-6间的齿轮均需采用变位齿轮，变位量、（其数值用标记在图3-4中）。3绘制坐标检查图（图3-4）在坐标计算完成后，要绘制坐标及传动关系检查图，用以全面检查传动系统的正确性。（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；检查纵轴转速及转向。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适合。（2）坐标检查图绘制的顺序及要求坐标检查图好按1:1比例绘制，其绘制顺序及要求是：1）绘出多轴箱轮廓尺寸和坐标系XOY。2）绘制个主轴、传动轴轴心位置及外伸部分尺直径，并注明轴号及主轴、驱动轴、液压泵轴的转速及转向等。3）用点划线绘制出各齿轮的分度圆，注明各齿轮齿数、模数、所在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。检查图绘好后，根据各零件在空间的相对位置逐排（轴）检查有无碰撞干涉现象，并再次复查主轴与被加工孔的位置是否一致。若相邻非啮合齿轮间、齿轮及轴套间间隙很小似碰非碰时，须画出齿顶圆作细致检查，甚至作必要的计算，以检验是否发生干涉现象。当某一轴上的齿轮或位置修改后，须对有关联的轴作相应的修改，并再次检查主轴位置、工件尺寸与钻模板孔的位置是否一致。图3-4 坐标检查图3.4 绘制多轴箱总图多轴箱总图包括主视图、展开图及局部剖视图（表示动力箱与后盖及前后盖与箱体间的定位结构）。（1） 主视图主要表明多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。因此，绘制主视图就是在设计的传动系统图上标出个轴号，画出润滑系统，标注主轴、油泵轴、驱动轴的转速、油泵轴转向、驱动轴转向机坐标尺寸、最低主轴高度尺寸及箱体轮廓尺寸等。并标注部分件号。（2） 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，表明多轴箱各轴组件的装配结构。结论本次设计所作的主要工作是组合钻床的总体设计及其多轴箱设计。在这二个月的设计过程中，主要进行了资料收集、零件工艺分析确定加工方案、组合机床总体设计即“三图一卡”部分、多轴箱设计、论文撰写等工作。在设计的过程中，遇到了不少困难。但在老师和各位同学的积极帮助下，许多问题都得以顺利解决。以下是本设计的一些优缺点：优点：本组合机床类型为单工位双面卧式钻孔组合机床，加工效率较高，且多个孔一次走刀即加工成形，能够较好的保证其位置精度。主轴箱、滑台侧底座、中间底座等均为标准件，可反复多次利用。缺点：因没有进行过实地的工厂参观，各类通用部件也因没见过实物而没有一个整体的印象，所以在进行中间底座、侧底座等方面的选择时，有选择型号过大而造成浪费的现象出现。希望在以后的工作中，能多加改进，以设计出更合理、更实用、更简便的产品。参考文献1谢家瀛进组合机床设计简明手册北京：机械工业出版社，1998年10月2劳动社会保障部和中国就业培训技术指导中心组合机床操作工（基础知识 初级技能）北京：中国劳动社会保障出版社，2001年7月3吴国华金属切削机床北京：机械工业出版社，1999年9月4于骏一机械制造技术基础北京：机械工业出版社，2004年1月5王伯平互换性与测量技术基础北京：机械工业出版社，2004年4 月6王美兰机械制图北京：高等教育出版社，2005年4月25