鏈軌節(jié)孔加工組合機床設計及主軸箱設計

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鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2010　　　 1 前言　 本課題來源于恒力集團，為保證被加工零件左右鏈軌節(jié)的加工面的加工精度及保證相應的位置精度,需要設計一臺組合機床。本課題總體設計包括對鏈軌節(jié)孔加工組合機床總體設計，確定組合機床的總體結構方案，包括定位方案、傳動方案、潤滑方案，完成被加工零件工序圖，組合機床的加工示意圖，組合機床聯系尺寸圖。根據總體設計要求對主軸箱進行設計，包括主軸箱傳動系統(tǒng)，裝配圖和零件圖的設計?！? 1.1 課題擬解決的問題　　 a)組合機床工藝方案的擬定。　　 b)三圖一卡設計，其主要內容包括：被加工零件工序圖；加工示意圖；機床聯系尺寸總圖；生產率計算卡?！? c)主軸箱的設計，其內容包括：主軸箱裝配圖；箱體補充加工圖；零件圖；有關計算、校核等?！? 1.2 解決方案　　 a)機床的配置形式　 為了加工方便，提高效率，采用立式放置。　　　 b)加工方案的確定　　　 對左右鏈軌節(jié)一面的兩孔同時加工。保證孔徑為φ24 0.2mm, 兩孔之間的縱向距離為250.25mm，兩孔之間的橫向距離為760.25mm，表面粗糙度為3.2,孔深度為32mm。　　　 c)工件的定位和夾緊的確定　　　 采用三面（底面、側面和端面）定位，限制工件六個自由度；夾緊用液壓夾緊?！　? d)主軸箱的設計　 為方便夾具的設計和組合機床的設計美觀性，主軸箱中齒輪的排布以主軸箱中心線為基準對稱排布。　 1.3 國內外現狀　　 組合機床及其自動線是集機電于一體的綜合自動化程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，因而被廣泛應用于工程機械、交通、能源、軍工、輕工、家電等行業(yè)。我國傳統(tǒng)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，以及銑削平面和成形面等。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，還有多工位回轉臺式組合機床等；隨著技術的不斷進步，一種新型的組合機床——柔性組合機床越來越受到人們的青睞，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(tǒng)，并能靈活適應多品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（清洗機、裝配機、綜合測量機、試驗機、輸送線）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。我國組合機床及組合機床自動線總體技術水平比發(fā)達國家要相對落后，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，滿足用戶需求，真正成為剛柔兼?zhèn)涞淖詣踊b備?！　? 　　 　　 　 　 　 　 　　 　　 　　　 　 　 　　　 　 2組合機床總體設計　 組合機床是按照高度集中工序原則，針對被加工零件的特點及工藝要求設計的一種高效率專用機床?！　? 2.1 零件加工工序圖　 2.1.1被加工工序的作用和要求　　 被加工工序圖表示所設計的組合機床上完成的工藝內容、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、夾壓部位及被加工零件的材料、硬度和本機床加工前的加工余量、毛坯或半成品情況的圖樣。除了設計研制合同外，它是組合機床設計的具體依據，也是制造、使用、調整和檢驗機床精度的重要文件。被加工零件工序圖是在被加工零件圖基礎上，突出本機床或自動線的加工內容，并作必要的說明而繪制的。其主要內容包括：　 a)被加工零件的形狀和主要輪廓尺寸以及與本工序機床設計有關部位結構形狀尺寸?！　　? b)本工序所選用的定位基準、加壓部位及加緊方向。以便據此進行夾具的支承、定位、夾緊和導向機構設計。　　 c)本工序加工表面的尺寸、精度、表面粗糙度、形位公差等技術要求以及對上道工序的技術要求?！? d)注明被加工零件的名稱、編號、材料、硬度以及加工部位的余量?！? 2.1.2 工序方案的擬定　 本工序的加工內容是鏈軌節(jié)上的孔。要求在立式組合機床上加工，要求孔的加工精度較高，所以應該先鉆孔再擴孔以滿足要求，以鏈軌節(jié)的一個端面及需加工的直徑為φ=24mm的孔以及其側面作為定位基準，夾緊點位于鏈軌節(jié)的另一個端面上?！? 因為兩個孔是對稱分布的，兩孔的中心距離是80.34mm，所以加工時為了提高生產效率，縮短輔助工作時間，減少設備，用一臺組合機床同時加工兩個孔，該立式組合機床有兩根主軸?！　　? 對左右鏈軌節(jié)一面的兩孔同時加工。保證孔徑為φ24 0.2mm, 兩孔之間的縱向距離為250.25mm，兩孔之間的橫向距離為760.25mm，表面粗糙度為3.2 ，孔深度為32mm?！? 2.1.3 機床配置型式的選擇　 機床的配置形式分為臥式和立式兩種。臥式機床的的優(yōu)點是加工和裝配工藝性好，振動小，運作平穩(wěn)，缺點是削弱了床身的剛性，占地面積大；立式機床的優(yōu)點是占地面積小，自由度大，操作方便，其缺點是機床重心高，振動大?！　? 立式機床適用于加工定位表面是水平的，加工的孔與基面相垂直的工件；臥式機床多用于加工孔中心線與定位基準面平行的情況。綜上比較，考慮鏈軌節(jié)的位置形狀，選用立式機床比較方便?！　? 2.1.4 切削扭矩及切削功率的計算　 參照文獻[1]，關于切削用量的確定按表2-7推薦數值選取。本課題中加工直徑d=24mm,確定切削速度v=15（m/min），進給量S=0.25mm/r?！　　? 根據已選定的切削用量（主要指切削速度及進給量），確定進給力，作為選擇動力滑臺及設計夾具的依據；確定切削扭矩，用以確定主軸；確定切削功率，用作選擇主傳動電機（一般指動力箱電機）功率；確定刀具耐用度，用以驗證所選用的刀具是否合理?！? 切削力：　 （2-1）　　 式中—刀具直徑，單位；　 —進給量，單位mm/r；　　 —布氏硬度，單位HBS?！　　? 代入公式（2-1）得：　　 切削扭矩: （2-2）　 式中—刀具直徑，單位；　　　 —進給量，單位mm/r；　　 —布氏硬度，單位HBS?！　? 則 　 切削功率計算　　　 （2-3） 　　　 2.2加工示意圖　 2.2.1加工示意圖的作用和內容　 加工示意圖是表達工藝方案具體內容的機床工藝方案圖，它是設計刀具、輔具、夾具、多軸箱和液壓、電氣系統(tǒng)以及選擇動力部件、繪制機床聯系尺寸總圖的主要依據，是對機床總體布局和性能的原始要求，也是調整機床和刀具所需要的重要技術文件?！　? 加工示意圖應表達和標注的內容有：機床的加工方法、切削用量、工作循環(huán)和工作行程；工件、刀具及導向、托架和多軸箱之間的相對位置及其聯系尺寸；主軸結構類型、尺寸及外伸長度；刀具類型、數量、和結構尺寸；接桿（包括鏜桿）、浮動卡頭、導向裝置等結構尺寸；刀具、導向套間的配合；刀具、接桿、主軸之間的聯系方式及配合尺寸等?！? 2.2.2 繪制加工示意圖的注意事項　　 加工示意圖應繪制成展開圖，按比例用細實線畫出工件外形，加工表面畫粗實線，必須使工件的加工方位和機床布局相吻合。為簡化設計，同一多軸箱上結構尺寸完全相同的主軸（即指加工表面，所用刀具及導向、主軸及接桿的規(guī)格尺寸、精度完全相同時）只畫一根，但必須在主軸上標注與工件孔號相對應的軸號。一般主軸的分布不受真實距離的限制，當主軸彼此間很近或需要設置結構尺寸較大的導向裝置時，必須以實際中心距嚴格按比例畫，以便檢查相鄰主軸、刀具、輔具、導向等是否干涉。采用標準通用結構（刀具、接桿、浮動卡頭、攻螺紋靠模及絲錐卡頭、通用多軸箱外伸出部分等）只畫外輪廓，但必須加注規(guī)格代號；對一些專用結構，如專用的刀具、導線向、刀桿托架、專用接桿或浮動卡頭等，需用剖視圖表示其結構，并標注尺寸、配合及精度。多面多工位機床的加工示意圖一定要分開工位，按每個工位的加工內容順序進行繪制。并應畫出工件的回轉工作臺或鼓輪上的位置示意圖，以便清楚的看出工件及不同工位與相應多軸箱主軸的相對位置。　 2.2.3選擇刀具、導向及有關計算　　 A.刀具的選擇　　 選擇刀具應考慮工件的材質、加工精度、表面粗糙度、排屑及生產率等要求?！　? 選擇刀具的原則：　 a)只要條件允許，為使工作可靠，結構簡單、刃磨容易，應盡量選擇標準刀具和簡單刀具。　 b)為使工序集中或保證加工精度，可采用先后加工或同時加工兩個或兩個以上表面的復合刀具?！? c)選擇刀具結構時，還須認真分析被加工零件材料特點?！? 該加工零件材料為35CrMo，大批大量生產，加工精度要求高，先通過鉆孔再進行擴孔，根據所要鉆的孔的直徑選擇使用φ=24的錐柄麻花鉆鉆頭?！　? B.切削用量的選擇　　 參照文獻[1]，關于切削用量的確定按表2-7推薦數值選取。本課題中加工直徑d=24mm,確定切削速度v=15（m/min），進給量S=0.25mm/r。　 C.導向結構的選擇　　　 組合機床加工孔時，除采用剛性主軸加工方案外，零件上孔的位置精度主要靠刀具的導向裝置來保證的。在加工小孔時，如鉆孔導向部分直徑較小，旋轉線速度一般不小于20米 /分，通常使用固定式導向，刀具或刀桿在導套內既轉動又移動，這種導向方法精度較好，但容易磨損，不利于持久保持精度。因此，正確選擇導向結構和確定導向類型、參數精度是設計組合機床的重要內容?！? 根據零件的結構查閱文獻[3]，導向長度為45mm的長型快換鉆套。　 查閱文獻[3]附表4確定：　　　 d用G6　　　 D用H7/g6　　　 D1用H7/n6　　　 　　 圖2-2 導套　 D.確定主軸類型、尺寸、外伸長度　 主軸類型主要依據工藝方法和刀桿與主軸的聯結結構進行確定。主軸軸頸及軸端尺寸主要取決于進給抗力和主軸—刀具系統(tǒng)結構。主軸軸頸尺寸規(guī)格應依據選定的切削用量計算出切削轉矩T。查文獻[4]表3-4和表3-5初定主軸直徑d，并考慮便于生產管理，適量簡化規(guī)格。綜合考慮加工精度和具體工作條件，按表3-6和表4-1選定主軸外伸長度L、外徑D和內徑d1及配套的刀具接桿的莫氏錐度號。具體計算如下：　 查文獻[1]表5-10，可取主軸直徑d=30mm　　　 由文獻[4]表3-4和4-1差得　　 外伸長度L=100mm　　　 外徑 D=50mm　 內徑 d=36mm　　 E.動力部件工作循環(huán)及行程的確定　 a）工作進給長度的確定　　 圖2-3 刀具　 工作進給長度LI如圖所示，它應等于加工部位長度L與刀具的切入長度L1和切出長度L2之和，即 　　 （2-4）　　　 式中 L1—刀具的切入長度，單位mm；　　　 L2—刀具的切出長度，單位mm?！　? 切入長度一般取5～10mm，本設計L1=7mm　　 切出長度查表得　　 mm （2-5）　 注—d為鉆頭直徑。　 取L2=11mm，則　　　 　　 b）快速進給長度的確定　　　 快速進給量是指動力部件把刀具送到工作進給位置，其長度按具體情況確定。本設計快速進給長度l=250mm　　 c）快速退回長度的確定　 快速退回的長度等于快進給和工作進給長度之和。一般在固定式夾具鉆、擴孔的機床上，動力部件快速退回的行程只要把所有刀具都退至導套內，不影響工件裝卸即可?！　? (2-6)　　 d）動力部件總行程的確定　 動力部件的總行程除了滿足工作循環(huán)向前和向后所需要的行程外，還要考慮因刀具磨損或補償制造，安裝誤差，動力部件能夠向前調節(jié)的距離（即前備量）和刀具裝卸以及刀具從接桿中或接桿連同刀具一起從主軸中取出時，動力部件需后退的距離（刀具退離夾具導套外端面的距離應大于接桿插入主軸孔內或刀具插入接桿孔內的長度，即后備量）。因此，動力部件的總行程為快退行程與前后備量之和?！　? F.選擇接桿　　　 出剛性主軸外，組合機床主軸與刀具件常用接桿連接（稱剛性連接），在鉆、絞、锪孔及倒角等加工小孔時通常用接桿。因為主軸箱各主軸的外伸長度都為定值，為保證主軸箱上各刀具能同時到達加工終了位置，須采用軸向可調整的接桿來協調各軸的軸向長度，以滿足同時加工完各孔的要求。為了使工件端面至主軸箱端面為最小距離，首先應按加工部位在外壁、加工孔深最淺、孔徑又最大的主軸選定接桿（通常先按最小長度選?。纱诉x用其他接桿。接桿已標準化，通用標準接桿號可根據刀具尾部結構（莫氏號）和主軸頭部內孔直徑d1,按文獻選取B型。　　 G.標注聯系尺寸　　 首先從同一主軸箱上所有刀具中找出影響聯系尺寸的關鍵刀具，使其接桿最短，以獲得加工終了時主軸箱前端面到工件端面之間所需要的最短距離。本設計中由于主軸較少且結構相同，故只需考慮最短接桿即可。并據此確定全部刀具、接桿、導向托架及工件之間的聯系尺寸。主軸端部須標注外徑和孔徑（D/d），外伸長度L；刀具結構尺寸須標注直徑和長度；導向結構尺寸應標注直徑、長度、配合；工件至夾具之間的尺寸須標注，工件離導套端面的距離；還須標注托架與家具之間的尺寸，工件本身以及加工部位的尺寸和精度等?！? 主軸箱端面到工件端面之間的距離是加工示意圖上最重要的聯系尺寸。為使所設計的機床結構緊湊，應盡量縮小這一距離。這一距離取決于兩方面：一是主軸箱上刀具、接桿、主軸等結構和相互聯系所需的最小尺寸；二是機床總布局所要求的聯系尺寸，這兩方面是相互制約的?！? H.其它需注意的問題　 a)加工示意圖應與機床實際加工狀態(tài)一致，表示出工件安裝狀態(tài)及主軸加工方　 法?！　? b)圖中尺寸應標注完整，尤其是從多軸箱端面至刀尖的軸向尺寸鏈應齊全，以便檢查行程和調整機床。圖中應表示出機床動力部件的工作循環(huán)圖及各行程長度。　　　 c)加工示意圖應有必要的說明。如被加工零件的名稱、圖號、材料、硬度、加工余量、毛坯要求、是否加冷卻液及其它特殊的工藝要求。　 2.3 機床聯系尺寸總圖　　 機床聯系尺寸總圖的作用與內容：　　　 機床聯系尺寸圖是以被加工零件工序圖和加工示意圖為依據，并初步選定主要通用部件以及確定的專用的總體結構而繪制的。是用來表示機床的配置形式，主要構成及各部件安裝位置、相互聯系、運動關系和操作方位的總體布局圖。用以檢驗各部件相對位置及尺寸聯系能否滿足加工要求和通用部件選擇是否合適，它為多軸箱、夾具等專用部件設計提供重要依據?！? 機床聯系尺寸總圖的內容：　　 a）表明機床的配置形式和總布局。以適當數量的視圖，用同一比例畫出個主要部件的外輪廓形狀和相關位置，表明機床基本形式及操作者位置等。　 b）完整齊全地反映各部件間的主要裝配關系和聯系尺寸、專用部件的主要輪廓尺寸、運動部件的運動極限位置及各滑臺工作循環(huán)總的工作行程和前后行程備量尺寸?！? c）標注主要通用部件的規(guī)格代號和電動機的型號、功率及轉速，并標出機床分組編號及組件名稱，全部組件包括機床全部通用及專用零件?！? d）表明機床驗收標準及安裝規(guī)程?！? 2.3.1主軸箱輪廓尺寸的確定　 需確定的主要尺寸是主軸箱的寬度和高度及最低主軸高度。主軸箱寬度、高度的大小主要與被加工零件孔的分布位置有關，可按下式計算：　 (3-11) 　　　 (3-12)　　 式中 —工件在寬度方向相距最遠的兩孔距離（）； 　　　 —最邊緣主軸中心距箱外壁的距離（）；　　 —工件在高度方向相距最遠的兩孔距離（）；　　　 —最低主軸高度（）?！? 其中，還與工件最低孔位置（）、機床裝料高度（）、滑臺滑座總高（）、側底座高度（）、滑座與側底座之間的調整墊高度（）等尺寸有關?！? 本組合機床按式　 　 計算得：　　　 ,,,取，則求出主軸箱輪廓尺寸：　 　　　 　 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為　　　 。　 2.3.2 選擇動力部件　 動力部件的功率選擇是根據所選的切削用量計算出切削功率及進給功率之需要，并考慮提高切削用量的可能性（一般提高30%），選擇相應的動力部件?！　　? 有前面計算得切削功率為 　　 取　 　 所以選電動機功率P=3.0　 2.3.3 動力箱的選擇　　　 表2-1 動力箱的參數　 型號　　 型式　　 電動機型號　　 電動機的功率　 電動機的轉速　 輸出軸轉速　 1TD40　　　 III　 Y132S-6　 3.0　 960　 480　 2.3.4 其它配套部件的選擇　 由文獻[4] P95查得1HY40型液壓滑臺立式配置配套的其它部件為：　　 立柱，型號CL50B　　　 立柱底座，型號CD50　　　 機床尺寸聯系圖的繪制見附圖3　　 2.4 機床生產率計算卡　　　 根據加工示意圖所選定的工作循環(huán)，工作行程及切削用量等，就可以計算并編制生產率計算卡，這樣就反映出機床的加工過程動作時間切削用量及機床生產率與負荷率的關系等?！　　? a)機床理想生產率的計算（Q）　　　 機床理想生產率是指完成年生產綱領A（包括備品及廢品率）所要求的機床的生產率。它與全年工時總數tk有關，一般情況下，單班制tk=2350h,由設計原始數據可知：單班制，年生產綱領A為8萬件,則　　 （件/小時） (2-7) 　　　 b)機床實際生產率的計算（Q1）　　　 機床實際生產率Q1（單位為件/小時）指所設計的機床每小時實際可生產的零件數量。　 Q1=60/ (2-8)　　　 式中：—生產一個零件所需時間（min），可按下式計算：　 (2-9)　　 —分別為刀具第I、第II工作進給長度，單位為mm；　 —分別為刀具第I、第II工作進給量，單位為mm/min；　　 —當加工沉孔、止口、锪窩、倒角、光整表面時，滑臺在死擋鐵上的停留時間，通常指刀具在加工終了時無進給狀態(tài)下旋轉5～10轉所需的時間，單位為min；　 —分別為動力部件快進、快退行程長度，單位為mm；　 —動力部件快速行程速度。用機械動力部件時取5～6m/min；用液壓動力部件時取3～10m/min；　 —直線移動或回轉工作臺進行一次工位轉換時間，一般取0.1min；　　 —工件裝、卸（包括定位或撤消定位、夾緊或松開、清理基面或切屑及吊運工件等）時間。它取決于裝卸自動化程度、工件重量大小、裝卸是否方便及工人的熟練程度，通常取0.5～1.5min。　　 根據時間額定的計算公式：　　　 mm/min；　　　 L=50mm,取10轉所需的時間，即　　 　　 ；　　 ；　　 ；　 由公式（2-9）計算得：　　 　　 則 Q1=60/1.892=31.71（件/小時）　　 c)機床的負荷率（）　　 機床負荷率為理想生差率與實際生產率之比?！? =Q/Q1100%=29.78/31.71≈93.93%，生產率計算卡見附表?！? 　　　 　　　 　 　　 　 　　 　　 　 　　 　 　　　 　　　 　 　 　　　 　　　 　　　 　 　 3 主軸箱的設計　　　 3.1 主軸箱設計的原始依據圖　　 主軸箱是組合機床的重要組成部件，它是選用通用零件，按專用要求進行設計的，其主要功能是根據被加工零件的加工要求，安排各主軸位置，將電動機和動力箱部件的功率和運動，通過一定速比排布的傳動齒輪傳遞給各軸，使其能獲得所需要的轉速和轉向，并帶動刀具進行切削?！　　? 由于本次畢業(yè)設計要求本人設計該立式組合機床的主軸箱，故此說明書只對主軸箱的設計、計算作詳細的論述，而對其總體設計部分只作一般性的論述?！　　? 主軸箱的原始依據圖是根據組合機床總體設計中的“三圖一卡”整理編繪出來的,其主要包括主軸箱設計的原始要求和已知條件.　 在編制此圖時從“三圖一卡”中已知：主軸箱外圍輪廓尺寸500x500x340mm 、　 工件輪廓尺寸139x335mm及各孔的輪廓尺寸、工件和主軸箱的相對位置尺寸。根據以上數據可編繪出該立式組合機床的主軸箱設計原始依據圖　　 a)被加工零件　　 名稱：左右鏈軌節(jié)　　　 材料：35CrMo　　 硬度：HB240　 b)主軸外伸尺寸及切削用量以上已經說明　　 c)動力部件　　　 1TD40III動力箱,Y132S-6型動力箱電動機型號,功率P=3.0KW,電動機轉速n=960r/min,輸出軸轉速n=480r/min?！? 3.2主軸結構型式的選擇及加工計算　 3.2.1 主軸結構型式的選擇　　 主軸結構型式由零件加工工藝決定，并考慮主軸的工件和受力情況?！　? 因為本工序是對鏈軌節(jié)進行鉆孔,采用的是立式組合機床，根據結構需要，選用前支承為推力滾珠軸承承受軸向力，用向心球軸承承受徑向力，反支撐為徑向推力滾子軸承的主軸結構，這種結構能承受較大的軸向力，其缺點是軸承較多，密封麻煩，裝卸不方便?！　　? 本主軸是屬于外伸長度為100mm的長主軸，它與刀具剛性連接，加工時單向鉆孔。　　　 3.2.2 主軸直徑和齒輪模數的初步確定　　　 主軸直徑已在編制“三圖一卡”時確定，主軸箱中的齒輪模數m常有2，2.5，3，3.5，4等幾種，根據經驗，估算初選模數，再通過類比法，從通用系列中選取各齒輪的模數，對于本次設計的主軸箱中，由于主要傳動鏈中的齒輪只和手柄軸嚙合，受力不是太大，通過計算取主軸、傳動軸、手柄軸、葉片泵齒輪模數均取3符合要求?！　? 3.2.3 主軸箱動力計算　 因所有主軸均用于鉆孔，所以有止推力軸承的主軸，各主軸直徑和主軸所需動力如下：鉆直徑φ24mm的孔，鉆頭直徑φ=24mm，V=15m/s，n=196r/min，f=0.25mm/r，相應主軸1、2的轉矩T=37.942N.m，d1=d2=30mm ，　 P1=P2=0.0.763kw　　 　　 F1=F2=5585.45N　　　 根據公式：　 （3-1）　 式中，η為組合機床主軸箱的傳動功效率，在加工黑色金屬是?=0.8-0.9，本設計中為了保險起見取η=0.8，則由公式（3-1）得=1.526/0.8=1.9075kw.所以選取電動機功率為3kw，主軸所需總切削力為： =5585.452=11170.9N?！? 3.3 傳動系統(tǒng)的設計和計算　　 傳動系統(tǒng)的設計是主軸箱中最關鍵的一環(huán)。所謂傳動系統(tǒng)的設計，就是通過一定的傳動鏈，按要求把動力從主力部件的驅動軸傳遞到主軸上去，同時，滿足主軸箱其它結構和傳動的要求?！? 一般來說，同一個主軸箱的傳動系統(tǒng)可以設計出幾套方案來，因此，設計時必須對各種傳動方案進行分析比較，從中選出最佳方案。傳動方案設計的好與不好，將直接影響主軸箱的質量，通用化程度，設計和制造工作量的大小，以及其成本的高低等。下面就來討論一下主軸箱傳動系統(tǒng)的設計。　 3.3.1 傳動系統(tǒng)設計的一般要求：　 a)在保證主軸的強度、剛度、轉速和轉向的前提下，力求使傳動軸和齒輪為最少；　　　 b)在保證有足夠強度的前提下，主軸、傳動軸和齒輪的規(guī)格要求盡可能少，以減少各零件的品種；　　 c)通常應避免通過主軸帶動主軸，否則將增加主動軸的負荷；　　　 d)最佳的傳動比為1—1.5，但允許采用到3—3.5；　　　 e)粗加工主軸上的齒輪，應盡可能靠近前支承，以減少軸的扭轉變形；　 f)剛性鏜削主軸上的齒輪，其分度圓直徑要大于被加工孔的直徑，以減輕振動，提高傳動的平穩(wěn)性；　　　 g)盡可能避免升速傳動，必要的升速最好放在傳動鏈的最末一、二級，以減輕功率損失?！　? 3.3.2 設計原則及傳動比的分配　 在設計傳遞系統(tǒng)時，要盡可能用較少的傳動件，及較多的主軸獲得預定的轉速和轉向，因此，在本設計時，采用“計算、作圖和試湊”想結合的方法來設計計算。其具體步驟如下：　 A.設計原則　　　 本主軸箱內的傳動系統(tǒng)的設計是按照計算、作圖和試湊的一般方法來確定齒輪齒數，中間傳動軸位置和轉速，設計過程本著以下原則：　　 a)在保證主軸強度、剛度、轉速和轉向的前提下，應使傳動軸和齒輪數量少，規(guī)格少，盡量用一根中間軸帶動多根主軸，當嚙合中心距不符合標準時可采用變位齒輪或改變傳動比的方法來解決?！? b)鉆孔負荷大，在結構上盡量使主軸上齒輪靠近前支承減少主軸的扭轉變形?！　　? c)主軸齒輪尺寸受結構限制，如：孔與孔中心距小，不允許齒輪尺寸過大，否則齒輪與齒輪，齒輪與軸套就會發(fā)生干涉，不能太大，傳動系統(tǒng)開始采用較大的降速傳動比，這樣就會使齒輪尺寸減小?！? B.各軸的位置分析　　 組合機床所加工的零件是多種多樣的，結構也各不相同，但零件上孔的分布大體可歸納為以下幾種類型：同心圓分布、直線分布、任意分布。該主軸箱中，軸1和軸2由手柄軸3帶動，屬于直線分布，由于該主軸箱中只有兩根主軸，所以從上面可以看出，該主軸箱中的主軸分布屬于直線分布?！　? C.傳動比的選擇　 為了結構緊湊，主軸箱內齒輪的最佳傳動比一般為1—1.5，但在立式主軸箱后蓋內第Ⅳ排齒輪，根據需要，其傳動比可以取大些，但一般不超過3—3.5，據此，在本主軸箱中只有兩根主軸，為了使主軸的轉速不要過大，同時傳動比也不要過大，可以設計用手柄來先減速再獲得所需的主軸轉速，這樣結構較為合理緊湊?！　　? D.已知各主軸轉速及驅動軸到主軸之間的傳動比　　 主軸：n1=n2=196r/min　　 驅動軸轉速:n=480r/min　　 各主軸總的傳動比：　　　 E.各傳動比的分配　 因為要求主軸上齒輪不過大，要滿足兩孔之間的中心距要求，而且主軸轉速也不要過大，所以傳動采用逐級降速，其手柄軸的傳動比由試湊法確定。　　　 i=n從/n主　　　 F.確定傳動軸、手柄軸、葉片泵、驅動軸的位置并配對各齒輪。　 根據計算、作圖和試湊的方法，計算出各傳動齒輪齒數、模數為：　 驅動軸0: IV排：m=3 z=23　 主 軸1： I排：m=3 z=23　　 主 軸2： II排：m=3 z=23　　 傳動軸3： III排：m=3 z=24　　　 IV排：m=3 z=37　　 傳動軸4： I排：m=3 z=27　　　 II排：m=3 z=27　　　 III排：m=3 z=37　 手柄軸6： III排：m=3 z=30　 油泵軸5： Ⅰ排：m=3 z=35　　 G.驗算各主軸轉速：　 　　　 　 n0=480r/min　　 　 　　　 　　　 手柄軸3轉速較高，操作時省力，位置適當，可滿足要求?！　? 3.3.3 擬定主軸箱傳動路線　　　 路線敘述如下：　　 在實際設定傳動路線的過程中，如將較近的兩主軸視為直線分布或較近的三個主軸視為同心圓分布，那么，由于被加工零件的孔分布過于密集，不管怎么設計分布轉動軸上的齒輪，都將出現干涉；所以，放棄直線或者同心圓法進行排列。為了保證每根主軸的轉動方向一致，只能在主軸之間選用一個傳動軸或三個轉動軸進行傳動。把主軸1、2和手柄軸5視為一組同心圓軸，在其圓心（即三主軸軸心組成的三角形外接圓圓心）處設中心傳動軸4，再用傳動軸3進行傳動4軸和泵軸，將軸3和驅動軸0連接起來，形成多軸箱傳動樹形圖。　　 　 圖3-1 多軸箱傳動樹形圖　 3.3.4 主軸箱的潤滑和手柄軸的設置　　　 a)潤滑　　 由于葉片泵使用可靠，性能良好，故該主軸箱中采用ZIR12-1型葉片泵進行潤滑，把油從前蓋油池打到頂部由D-ZIR31-2型分油器把油路通到齒輪集中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ排齒輪直接進行潤滑。　 該葉片泵裝在箱體的前壁上，采用齒輪帶動葉片泵傳動的方式，工作時轉速為196.07r/min.　 b)手柄軸的位置　　 主軸箱一般設有手柄軸，用于對刀、調整或裝配檢修時檢查主軸精度。手柄軸轉速應盡量高些，其周圍應有較大的空間，方便扳手的操作。其設置的位置要靠近操作者一邊，在該主軸箱中，把手柄軸設置在5軸位置上是比較合理的?！? 3.3.5 確定主軸尺寸、外伸尺寸　　 查文獻[17]第43頁表3-4　　 （3-7）　　　 式中：d—軸的直徑；　　 T—軸所傳遞的轉矩（NM）；　 B—系數（取B=6.2）?！? 主軸箱：軸1、2、3、4 　　　 　 考慮到安裝過程中軸的互換性、安裝方便等因素，則主軸中：主軸的直徑都取?！? 根據主軸類型及初定的主軸軸徑，得到主軸外伸尺寸及接桿莫氏圓錐號。主軸軸徑d=30mm時，主軸外伸尺寸為：D/=50/36,L=115mm,接桿莫氏圓錐號為1?！　? 3.4 主軸箱坐標計算　　 坐標計算是主軸箱設計的重要環(huán)節(jié)之一，它包括計算主軸和傳動軸的坐標位置。為了保證組合機床的加工精度（被加工孔的位置精度）和確保齒輪的正確嚙合關系，主軸箱坐標計算必須確保正確，否則，將給生產造成損失，輕則返工，重則使主軸箱報廢?！　? 3.4.1坐標計算的順序和方法　 a)主軸箱坐標系原點的確定　　 為了計算主軸箱的各軸坐標，對于每個主軸箱都必須選擇一個坐標原點。當主軸箱是直接安裝在動力滑臺或床身上時，一般選取主軸箱體底平面與通過其定位銷孔的垂直線交點為坐標原點。對于安裝在動力頭或動力箱上的主軸箱，一律選取主軸箱體的定位銷孔為坐標原點?！　? b)坐標計算的順序　　 主軸箱坐標的計算順序是：首先計算主軸的坐標，然后計算與這些主軸有直接嚙合關系的傳動軸坐標，再按順序計算其余軸的坐標?！? 在計算過程中，要隨時把計算出來的各軸坐標數據填入專門格式的坐標表中，以供計算其它軸和將來畫檢查圖和箱體圖時使用?！　　? c)主軸坐標的計算　　　 主軸坐標的計算是按主軸箱設計的原始依據或被加工零件工序圖進行的，為了確保主軸坐標的正確性，一般應再按被加工零件圖進行一次驗算。主軸坐標的計算精度，要求精確到小數點后第三位數字。為了減少計算誤差，對于角度關系的主軸坐標，應采用七位或七位以上的三角函數進行計算。當被加工零件的孔距尺寸帶有公差或雙向不等公差計算進去時，應使主軸的名義坐標尺寸位于公差帶的中央?！　? d)傳動軸的坐標計算　 傳動軸坐標計算是主軸箱坐標計算中工作量最大和較復雜的一步。它可分為與一軸定距的傳動軸坐標計算，與三軸定距的傳動軸坐標的計算及二軸等距的傳動軸坐標的計算等三種情況?！? 3.4.2繪制坐標演算表　 a)這個主軸箱是安裝在動力頭上的，坐標原點選擇在主軸箱左側的定位銷孔上，其尺寸距主軸箱側邊E=25，底邊H=30，直角坐標系XOY。具體見附錄13　 b)坐標原點確定后，可根據原始依據圖在基準坐標架上注出各個主軸的坐標　　 主軸1：X1=237.500 Y1=262.500　 主軸2：X2=314.000 Y2=237.500　 c)計算中間傳動軸的坐標　　　 驅動軸0： X0=225.000 Y0=129.500　 傳動軸3： X3=165.000 Y3=196.500　 　　 傳動軸4： X4=256.000 Y4=190.000　 　 　　　 　　 葉片泵軸5：X5=228.375 Y5=147.731　　 　　　 手柄軸6： X6=120.730 Y6=119.500　　 　　 主軸及傳動主軸的坐標驗算是按齒輪布置圖的齒輪嚙合關系驗算中心距，下表3-1中A實是按坐標算出的中心距，A是按傳動齒輪分度圓算出的中心距，△A是兩者之差值。 　 　 　 　　　 　　 　　　 　　　 　 　 表3-1坐標驗算表　 N-N　　　 X　 Y　　 A實　　 A　 △A　 3-0　　　 60.000　　 67.000　　　 89.938　 89.938　 0　 4-3　　 91.000　　　 6.500　　　 91.231　 91.231　 0　 4-2　　 58.000　　 47.500　 74.98　 74.98　 0　　　 4-1　 18.500　 72.500　 74.98　 74.98　　　 0　　　 5-3　　 63.375　 48.769　 88.46　　　 88.46　　　 0　　　 4-6　　 135.270　　 70.500　 152.539　　 152.539　　　 0　　　 3.5 主軸箱中軸的校核計算　　 主軸箱中，不管是主軸還是傳動軸，它們的直徑都是按照扭轉剛度條件，根據其所受的扭矩，查文獻選取的，故它的剛度是完全滿足使用要求的，這里只對那些相對強度比較弱的軸進行危險截面的強度校核。　　　 在本主軸箱中，由前面計算主軸箱中的軸的直徑可知，軸1、2受到的力相對較大，所以只要在校核計算中選1、2之中的任一根滿足強度要求，則主軸箱中所有的軸都能滿足要求，所以選取軸1作為校核計算?！? a)軸上零件的載荷　 切削扭矩T=37942.913N.mm 軸上的齒輪齒數z=23，m=3 ,則d=69mm。載荷分布如下圖3-2中的（a）所示，可求出圓周力和徑向力如下： ， 　　　 軸的材料為40Cr，調質處理?！　? b)軸承支反力　　　 水平面上的支反力如圖3-2中的（b）所示：　 　　 　　 垂直面上的支反力如圖3-2中的（d）所示：　 　　　 　　 c)彎矩的計算　 水平面上的彎矩的計算，如圖3-2中的（c）所示：　 　　　 垂直面上的彎矩的計算，如圖3-2中的（e）所示：　 　　　 那么，截面處合成的彎矩的大小為　　 　　　 如圖3-2中的（f）所示。　　 d)作出扭矩圖　 考慮到開始切削和終了切削軸所受的切削扭矩可看成是脈動的，如圖3-2中的（g）所示。由文獻(4)表10-1查得=70Mpa ,=120Mpa , 則 　　 則0.5937942.913=22386.318N.mm　　 e)求截面處的計算彎矩:　　　 　　 f)截面處的計算應力： 　　　 =18.98Mpa<[-1]b=70Mpa 　　 所以此軸滿足強度要求。　　　 g)軸的疲勞強度安全系數校核公式：　 （3-2）　　 （3-3）　 （3-4）　 式中: —彎扭聯合作用時的計算安全系數；　 —僅有彎曲正應力時的安全系數；　 —螺旋角；　 、—疲勞強度綜合影響系數；　 —僅有扭轉切應力時的安全系數；　 、、—絕對尺寸系數　　　 根據文獻查=1.89 , =1.71 , =350Mpa ,=200Mpa ， =0.2 , =0.1 ,=0.77 ， =0.81。其中彎曲應力計算如下：　　 =46098.785/[0.1303－166(30－6)2/(230)]=25.921Mpa　　 應力幅 平均應力　　　 切應力 　　 　 通過公式（3-2），（3-3），（3-4）可得：　　 　　 　 　　　 　 查文獻[3]表10-6得許用安全系數[S]為1.5～1.8 。顯然Sca >[S],所以軸的疲勞強度合格。　　　 　　 圖3-2 軸的力分析圖　　　 3.6 齒輪強度校核計算　　 在初步確定主軸箱傳動系統(tǒng)后，還要對危險齒輪進行校核計算，尤其對低速級齒輪或齒根到齒槽距離較低的齒輪及受轉矩較大的齒輪更應該進行強度校核，以保證傳動系統(tǒng)運轉平穩(wěn)、準確，由一定的使用壽命。通過比較可以發(fā)現，在本設計的主軸箱中最薄弱的齒輪是驅動軸齒輪，因為它傳遞的功率比較大，只要它滿足強度要求，則其余的傳動軸上齒輪均滿足強度要求?！? 驅動軸0上的齒輪齒數Z=23，模數m=3，齒寬b=32mm，與它嚙合的一對齒輪齒數z=37,模數m=3,齒寬b=32mm,齒輪材料為45鋼，鍛造毛坯，大齒輪正火處理，小齒輪調質處理，均用軟齒面，齒輪精度用8級，輪齒表面粗糙度為Ra1.6，軟齒面閉式傳動，失效形式為點蝕。則分度圓直徑為d=mz=323=69mm ,u=Z2/Z1=37/23=1.608　　　 a)根據文獻(6)P133查得齒面接觸疲勞強度校核公式：　 （3-5）　 （3-6）　 式中: —節(jié)點區(qū)域系數；　 —材料系數；　　 —重合度系數；　　　 —載荷系數；　　　 —使用系數；　　　 —動載系數；　　　 —齒向載荷分布系數；　 —齒間載荷分配系數?！? 由文獻[3]圖7-15查得ZH=2.48,文獻(3)表7-5查得ZE=189.8，　 Zε=0.85—0.92 ，本設計中取 Zε=0.88，Zβ=0.984 ，由文獻[3]表7-3查得使用系數KA=1.25，根據文獻[3]圖7-10查得動載系數KV=1.05,表7-4查得齒向載荷分布不均勻系數Kβ=1.015，Kα=1。通過公式（3-6），（3-5）算得:K=1.33。查圖可得　 　 　 因為<[] 所以齒面接觸疲勞強度滿足要求　　 b)齒根彎曲疲勞強度校核公式:　　　 (3-7)　　　 式中:—載荷作用于齒頂時的齒形系數；　 —應力修正系數；　 通過公式（3-7）及查圖可得　　　 　　 　　　 <[]　　 所以，齒根的彎曲強度符合要求?！　　? 3.7 軸承的校核計算　　 主軸所承受的力有軸向力和徑向力，所以選擇圓錐滾子軸承和深溝球軸承來承受徑向力，選擇推力球軸承傳遞軸向力。由于主軸軸向力較大，圓錐滾子軸承承受軸向和徑向載荷相對于深溝球軸承較大，故校核時只需驗證圓錐滾子軸承即可?！? a)計算派生軸向力　　　 軸承的水平和垂直方向所受的力的計算請參照2.5章節(jié)：軸的強度校核部分 　　　 垂直面上的支反力 RAV=401.099N RBV=698.691N　 水平面上的支反力 RAH=145.988N RBH=254.301N　 所以圓錐滾子軸承所受的徑向力大小為　　 　　 深溝球軸承所受的徑向力大小為　 　 由[3]表11-9查得: 對30206型軸承來說其派生軸向力公式為：FS1=FR/2Y 由[4]表8-145查得30206軸承Y=1.7,可算得：　　 =1051.508/(21.7)=309.267N 　　 b)計算軸承所受的軸向載荷　　　 =667.4+309.267=976.667N> FS2=0N　　　 所以軸承1有被“壓緊”的趨勢，軸承2有被“放松”的趨勢。所以FA1=976.667N FA2=0N　　　 c)計算當量動載荷　　　 由[4]表8-145查得30206軸承的判斷系數e=0.36　　 =976.667/309.267=3.15> e=0.36　 由[3]表11-7查得X1=0.4,表11-8查得fp=1.2～1.8,取fp=1.5 所以，30206型軸承的當量動載荷為：　　 =1.5(0.4309.267＋1.7667.4)=1887.43N　　 對30206型軸承的當量動載荷為：由[4]表8-140查得：額定靜載荷C0=10.2KN=10200N,所以=0N ,查得e=0.22 ,Y=2.0,所以　　　 =0< e=0.22　　　 當量動載荷為：　　 =1.5743.529=1115.293N 　 d)計算軸承的壽命　 由[3]表10-9查得ft=0.95, [4]表8-140查得30206型軸承的額定動載荷Cr=15.20KN。又1=10/3；2=3　　　 (3-8) (3-9) 　　 　 　 滾動軸承的壽命為30638.7h>30000h　　　 綜上滾動軸承符合要求?！　? 3.8 其它　 3.8.1 軸上零件的固定與防松　　　 主軸箱內軸上齒輪是通過鍵來實現軸向固定，軸套和軸端螺母用來進行軸向壓緊，且采用了防松墊來防止螺母的松動?！? 3.8.2主軸箱體及其附件的選擇設計　 A.主軸箱體的選擇設計　 該立式組合機床主軸箱選用400400mm的通用主軸箱體，主軸箱體材料為HT200，前后蓋的材料是HT150，雖然主軸箱是通用的，但是為了滿足具體的使用要求，故在此基礎上進行了一系列的補充加工或修模后補充加工，其補充加工的情況可參見相應的箱體，前蓋的補充加工圖?！　　? B.主軸箱上的附件材料的設計　　　 a)分油器　 本主軸箱中分油器選用D-ZIR31-2型分油器，其作用是把油分成幾路，分別潤滑不同排數的齒輪及軸承，以便保證軸承、齒輪有一定的使用壽命，減少摩擦和磨損，降低振動，消耗發(fā)熱。　 b)側板　 該主軸箱由于結構上的特殊，沒有側板?！　? c)油標、油塞、油杯　　　 油杯是用來給箱體注油用的，以保證箱體內油液滿足使用要求，該主軸箱的油杯放置在前蓋上?！? 油塞是用來放油用的，應該置在箱體的底部，由于該主軸箱是立式組合機床上的，故油塞放置在蓋上，放油孔螺母與凸臺之間應加封油圈密封?！　? 油標是用來指示油的高度的，應該放置在便于檢查及油面較穩(wěn)定處，該主軸箱選用管狀油標（GB1162-79）放置在前蓋側面上?！? 3.8.3潤滑油與密封件的選擇　　 由[2]表139頁查得，本立式組合機床主軸箱的潤滑油采用30號機油，注油4L?！? 組合機床的密封有多種形式，適用于本設計的有兩種形式，一種是用DT0721-71型防油套密封。一種是用DT0722-72型防油套和DT0721-73型防油罩結合進行密封，該設計的立式組合機床上的密封選用后者，能保證密封效果。　　 3.8.4 主軸箱的安裝、定位　 該主軸箱是采用圓柱銷進行定位后，安裝在動力頭上，其密封是采用紙墊圈密封?！　　? 4 結論　　　 本畢業(yè)設計的課題是鏈軌節(jié)孔加工組合機床及主軸箱設計。通過對零件部位結構尺寸與結構工藝要求的研究，確定組合機床的總體設計方案。根據鏈軌節(jié)的工藝性分析，確定工藝路線，再進行機床總體布局、定位基準的選擇、滑臺型式和切削參數的確定。在完成“三圖一卡”之后進行主軸箱的設計，根據切削用量的計算進行主軸、齒輪、軸承和軸套的設計，然后再進行主軸等零件強度、剛度的校核。這次所設計的組合機床精度比較高、操作比較簡單、工作平穩(wěn)。但是仍然存在很多不足之處，比如自動化程度比較低等有待改進的地方。本人設計的機床可同時加工孔，節(jié)省了時間，提高加工效率。所選的通用零部件都符合規(guī)定的要求?！? 由于設計的經驗不足，考慮的難免有不夠周到合理的地方，有許多不合理的地方，敬請老師同學批評指正，提出寶貴的意見，以便及時糾正。在今后的工作中我會總結經驗教訓，不斷的完善自己，提高設計水平。　　　 　　 　　 　 　　　 　　　 　　　 　　　 　 　　 　 　　　 　　　 　 　 　 　 　　　 　　 　 　 　　 　　　 　　　 　　　 　 參考文獻　 [1] 謝家瀛.組合機床設計簡明手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1994.　 [2] 大連組合機床研究所.組合機床設計參考圖冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1975.　　 [3] 大連組合機床研究所.組合機床設計（機械部分）[M]. 北京：機械工業(yè)出版社,1975.　 [4] 趙如福.金屬機械加工工藝人員手冊（第三版）[M].上海：上?？茖W技術出版社，1990.　　　 [5] 王旭，王積森．機械設計課程設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1995．　 [6] 徐錦康．機械設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.　 [7] 沈世德.機械原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.　 [8] 錢志峰，劉蘇.工程圖學基礎教程（第三版）[M]. 北京：科學技術出版社,2003.　　　 [9