学位论文自动化专业正文汽车桥壳十二轴钻孔组合机床主轴箱设计文档格式.docx
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1.2组合机床技术装备现状与发展趋势5
1.3组合机床的方案选择6
第二章组合机床的总体描述7
2.2组合机床的优点7
2.3组合机床的加工方式7
2.4组合机床的发展史8
2.5组合机床部件分类8
第三章组合机床主轴箱设计9
3.1主轴箱的用途9
3.2主轴箱的种类及结构9
3.2.1大型标准主轴箱9
3.2.2小型标准主轴箱9
3.3总图和零件的设计10
3.3.1大型标准主轴箱总图的设计10
3.3.2大型标准主轴箱零件的设计10
3.4主轴箱坐标计算10
3.5主轴的型式与直径的确定和主轴箱所需动力的计算11
3.6传动系统的设计与计算11
第四章汽车桥壳12轴组合钻床主轴箱设计13
4.1被加工产品13
4.2设计任务13
4.3十二轴主轴箱设计13
4.4机床所需的轴向力、功率校验15
4.5镗孔坐标的计算15
4.6主轴箱的润滑、变速和手柄轴的位置15
4.7总结17
第一章绪论
1.1组合机床的特点
在组合机床上可以完成钻孔、扩孔、铣削磨削等工序，生产效率高，加工精度稳定。
组合机床对多孔钻削加工具有较大的优势，它按孔的坐标分布位置实行一次加工，保证了孔的坐标位置尺寸精度。
作为组合机床专用部件的主轴箱，有成熟固定的设计模式：
标准的主轴箱体、前后侧盖、主轴、传动轴、齿轴、轴承等，以及成熟的传动、布局、结构设计方法可供选用。
这是组合机床设计制造的长处。
但是，如何根据制造工艺技术及组配件的要求，在设计上灵活应用并有所创新，以更好地适应加工工件的需要，是摆在我们组合机床设计人员面前的一个课题。
[8]
1.2组合机床技术装备现状与发展趋势
组合机床及其自动线是集机电一体的综合自动化程度较高的制造技术和成套工艺装备。
它的特征是搞笑、高质、经济实用，因而被广泛应用于工程机械、交通、能源、军工、轻工、家电等行业。
我国传统的组合机床及组合机床自动线主要采用机、电、气、液压控制，它的加工对象主要是生产批量比较大的大中型箱体类和轴类零件（近年研制的组合机床加工连杆、板件等也占一定份额），完成钻孔、扩孔、铰孔，加工各种螺纹、镗孔、车端面和凸台，在孔内镗各种形状槽，以及铣削平面和成形面等。
组合机床的分类繁多，有大型组合机床和小型组合机床，有单面、双面、三面、卧式、立式、倾斜式、复合式，还有多工位回转台式组合机床等；
随着技术的不断进步，一种新型的组合机床——柔性组合机床越来越受到人们的青睐，它应用多位主轴箱、可换主轴箱、编码随行夹具和刀具的自动更换，配以可编程序控制器（PLC）、数字控制（NC）等，能任意改变工作循环控制和驱动系统，并能灵活适应多品种加工的可调可变的组合机床。
另外，近年来组合机床加工中心、数控组合机床、机床辅机（清洗机、装配机、综合测量机、试验机、输送线）等在组合机床行业中所占份额也越来越大。
由于组合机床及其自动线是一种技术综合性很高的高技术专用产品，是根据用户特殊要求而设计的，它涉及到加工工艺、刀具、测量、控制、诊断监控、清洗、装配和试漏等技术。
我国组合机床及组合机床自动线总体技术水平比发达国家要相对落后，国内所需的一些高水平组合机床及自动线几乎都从国外进口。
工艺装备的大量进口势必导致投资规模的扩大，并使产品生产成本提高。
因此，市场要求我们不断开发新技术、新工艺，研制新产品，由过去的“刚性”机床结构，向“柔性”化方向发展，满足用户需求，真正成为刚柔兼备的自动化装备。
[9]
1.3组合机床的方案选择
（1）制定工艺方案要深入现场了解被加工零件的加工特点、精度和技术要求、定位夹压情况以及生产率的要求等。
确定在组合机床上完成的工艺内容及其加工方法。
这里要确定加工工步数，决定刀具的种类和型式。
（2）机床结构方案的分析和确定根据工艺方案确定机床的型式和总体布局。
在选择机床配置型式时，既要考虑实现工艺方案，保证加工精度，技术要求及生产效率；
又要考虑机床操作、维护、修理是否良好；
还要注意被加工零件的生产批量，以便使设计的组合机床符合多块好省的要求。
（3）组合机床总体方案这里要确定机床各部件间的相互关系，选择通用部件的刀具的导向，计算切削用量及机床生产率。
给制机床的总联系尺寸图及加工示意图等。
（4）组合机床的部分方案和施工方案制定组合机床流水线的方案时，与一般单个的组合机床方案有所不同。
流水线上由于工序的组合不同，机床的型式和数量都会有较大的变化。
因此，这时应按流水线进行全面考虑，制定方案时也应综合研究，才能将工序组合的更为合理，更可靠地满足工件的加工要求，用较多的工作，也为进一步发展创造了有利条件。
[5]
第二章组合机床的总体描述
2.1组合机床的分类和组成
组合机床的通用部件分为大型和小型两大类。
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0.1-2.2千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。
用小型通用部件真诚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。
组合机床除了分为大型和小型外，按配置形式又分为单工位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型式。
本次设计的机床为单工位双面铣床。
2.2组合机床的优点
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70~80%，因此设计和制造的周期短，投资少，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。
[3]
2.3组合机床的加工方式
组合机床一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方式，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。
由于通用部件已经标准化和系列化，可根据需要灵活配置，能缩短设计和制造周期。
因此，组合机床兼有低成本和高效率的优点，在大批、大量生产中得到广泛应用，并可用以组成自动生产线。
组合机床一般用于加工箱体类或非凡外形的零件。
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。
有的组合机床采用车削头夹持工件使之旋转，由刀具进给运动，也可以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。
2.4组合机床的发展史
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2.5~0.63微米；
镗孔精度可达IT7~6级，孔距精度可达0.03~0.02微米。
专用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。
2.5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、电器柜和操纵台等。
辅助部件有润滑装置、冷却装置和排屑装置等。
为了使组合机床能在中小批量生产中得到应用，往往需要应用成组技术，把结构和工艺相似的零件集中在一台组合机床上加工，以提高机床的利用率。
这类机床常见的有两种，可换主轴箱式组合机床和转塔式组合机床。
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。
[12]
第三章组合机床主轴箱设计
3.1主轴箱的用途
主轴箱是工序集中的、高效的组合机床的重要的专用部件之一，是用于布置（按所要求的坐标位置）机床工作主轴及其传动零件磨合相应的附加机构的。
由于机床是根据不同加工对象而制定总体结构方案，故有的主轴箱是安装在动力头或动力箱上；
有的则是安装在动力滑台或床身上的。
[1]
3.2主轴箱的种类及结构
组合机床主轴箱，按其组成和用途分为：
大型标准主轴箱、小型标准主轴箱和专用主轴箱三大类。
3.2.1大型标准主轴箱
由通用零件和部件（通用的箱体类零件、主轴、传动轴、齿轮和通用或专用的附加机构等）组成的“标准结构”主轴箱，称为大型标准主轴箱。
大型标准主轴箱刚性不是很高的，因为这种标准主轴箱，主轴的前后支承距离平均只有150毫米左右，而刀具的悬伸长度往往是主轴支承距的好几倍。
在这种悬伸比之下单靠主轴本身是不能保证孔加工的位置精度的，而主要有夹具的导向装置来保证。
因此，对刚性主轴箱来说，可以把大型标准主轴箱称为非刚性主轴箱。
按加工性质，它可分为下列三种：
a.大型标准钻削类主轴箱。
一般用于完成镗孔、钻孔、扩孔、铰孔、倒角等单一的或混合工序的主轴箱；
b.大型标准攻丝主轴箱；
c.大型标准钻攻复合主轴箱。
大型标准主轴箱的后盖有四种厚度，设计时，若主轴箱内只有动力头输出轴与另一传动轴上有4或5排齿轮，并且这一对4或5排齿轮的轮廓又不超出后盖与动力头的结合法兰的范围时，可以分别选用厚度为50和100毫米的后盖。
此时，后盖窗孔要按齿轮轮廓加以扩大。
否则，就要分别选用厚度为90毫米的基型后盖和厚度为125毫米的加厚后盖。
3.2.2小型标准主轴箱
小型标准主轴箱是由主轴箱及其导向部分所组成。
主轴箱的内部结构是标准的，但箱体的外形按具体需要可有多种形式。
它和大型标准主轴箱一样，主轴也是非刚性的，刀具工作时须由导向来引导。
按用途分，可分为钻孔类主轴箱和攻丝类主轴箱。
主轴箱部分主要由专用的箱体类零件盒通用的传动类零件组成。
属于箱体类零件的有：
铸铝的主轴箱体、前盖和后盖，以及钢制的上盖等。
属于通用传动类零件的有：
主轴、传动轴、传动齿轮等。
动力头齿轮室专用的[12]
3.3总图和零件的设计
3.3.1大型标准主轴箱总图的设计
大型标准主轴箱的总图，包括下述部分：
正视图部分、按装配型式归类的主轴和传动轴的截面图。
正规图部分主要表示：
主轴箱联系尺寸、动力部件的型号、主轴位置、传动关系、件号、润滑油管的型号，以及必要的零件尺寸。
主轴和传动轴的截面图表示：
主轴和传动轴的装配型式，轴承、齿轮、隔套等零件的安装位置，主轴防油套的型号，以及必要的零件尺寸等。
3.3.2大型标准主轴箱零件的设计
大型标准主轴箱的大部分零件都是通用的，根据需要进行合理选用就行了。
其箱体类零件（前盖，后盖，主轴箱体）虽然也是按比列化和通用化原则设计的，但并不是完全通用的。
这些箱体类零件的模型，甚至铸件都可以事先做好，但需要根据每个主轴箱的具体需要进行补充加工或修改模型急补充加工。
1、补充加工图和修改模型及补充加工图
所谓补充加工图和修改模型及补充加工图，则是对基本零件图——主要是通用箱体零件图的补充图或对已成型零件提出补充加工要求的图纸。
进补充机械加工内容的补充图，叫做“补充加工图”；
除了补充机械加工内容外，同时还要求改动原有模型的补充图，叫做“修改模型及补充加工图”。
对于那些标准的或外购零、部件，当其局部不适用本主轴箱时，也可以采取补充加工的方法。
这时也要绘制补充加工图。
用细实线把基本零件图上的主要图形画出，次要的图形。
投影和一般的尺寸原则上可以不画和不标注。
但是，为了表明零件的轮廓及补充内容有关的位置尺寸关系，通常要把轮廓尺寸和有关位置尺寸注上。
需要补充加工和修改模型的部位，要用粗实线画出，并注上要求的尺寸、粗糙度、技术要求等。
如需要取消基本零件图上原有的图形和尺寸，则需要特别加以注明。
2、变位齿轮
在主轴箱传动系统中，常采用一轴带动多轴的传动方法。
在这种情况下，往往出现两轴的中心距一定，而这个已定的中心距又不符合齿轮的标准啮合中心距的情况，为了凑中心距离，就必须把啮合副中的一个或两个齿轮作成角度变位齿轮。
3.4主轴箱坐标计算
1、主轴箱坐标系远点的确定
为了计算主轴箱的各轴坐标，对于每个主轴箱都必须选择一个坐标原点。
当主轴箱是直接安装在动力滑台或床身上时，一般选取主轴箱底平面与通过其他定位销孔的垂直线交点为坐标原点。
对于安装在动力头或动力箱上的主轴箱，一律选取主轴箱体的定位销孔为坐标原点。
2、坐标计算的顺序
主轴箱坐标的计算顺序是：
首先计算主轴的坐标，然后计算与这些主轴有直接啮合关系的传动轴坐标，再按顺序计算其余轴的坐标。
在计算过程中，药随时把计算出来的各轴坐标数据填入专门格式的坐标集中，以供计算其他轴和将来面检查图与箱体图时使用。
3、主轴坐标的计算
主轴坐标的计算是按主轴箱设计的原始依据或被加工零件工序图进行的。
为了确保主轴坐标的正确性，一般应再按被加工零件图进行一次验算。
主轴坐标的计算精度，要求精确到小数点后第三位数字。
为了减少计算误差，对于角度关系的主轴坐标，应采用七位或七位以上的三角函数进行计算。
当被加工零件的孔距尺寸带有公差时，在计算坐标时应考虑公差的影响。
主要是那些带有单向公差或双向不等公差的尺寸，应当把公差计算进去，使主轴的名义坐标尺寸位于公差带的中央。
3.5主轴的型式与直径的确定和主轴箱所需动力的计算
主轴的型式和直径，主要取决于刀具的进给抗力和切削扭矩或主轴一刀具系统结构上的需要。
通常，钻孔时采用前支承有止推轴承的主轴；
钻孔以外的其他工序，主轴前支承有没有止推轴承都可以，这要视具体情况而定。
设计时，尽可能不选用15毫米直径的主轴和滚针主轴，因为这种主轴的精度低，既不便于制造装配，也不便于使用和维修。
确定主轴直径时，首先要根据切削用量，按有关公式计算出主轴的切削扭矩。
然后根据表“轴能承受的扭矩”，确定钻削类主轴的直径。
主轴箱所需的动力有两项：
一项是主运动系统所需的动力，也就是主轴箱所需要的功率，它等于切削功率、空转功率和负荷成正比的功率损失之和；
另一项是进给力。
3.6传动系统的设计与计算
所谓传动系统的设计，就是通过一定的传动链，按要求把动力从动力部件的驱动轴传递到主轴上去。
同时满足主轴箱其他结构和传动的要求。
一般来说，同一个主轴箱可以设计出几种方案来。
因此，设计时必须对各种传动方案进行分析比较，从中选出最佳方案。
主轴的分布尽管有各种各样类型，但通常采用的经济而又有效的传动是：
用一根传动轴带动多根主轴。
因此，设计传动系统时，首先把所有主轴分成尽可能少的若干组同心圆，然后把在各组同心圆放置一根传动轴，来带动各自一组的主轴。
接着再用尽可能少的传动轴把各组轴与动力部件驱动轴连接起来。
这就是通常的传动布置次序，即由主轴处布置起，最后再引到动力部件的驱动轴上。
对于一些简单的、主轴数量较少或其他特殊情况，亦可采用别的布置次序。
设计传动系统时，除了运用传动的基本公式，设计出几种方案进行分析比较，从中选出最佳方案以外，还必须充分注意和检查所选定的方案中，齿轮和周径之间、轴承与轴承之间是否发生干涉。
大功率的传递主轴箱上的主轴数量较多或加工工艺所致的切削负荷较大时，所选动力部件的功率亦较大。
此时设计传动系统，要特别注意传动链中大负荷传递环节各零件（主要是齿轮）的强度问题。
对于那些传递负荷较大的齿轮——尤其是传递低模数小的齿轮，或者虽非转速低模数小，但齿根距键槽处尺寸大小的齿轮。
因此，对于大功率标准主轴箱传动系统的设计，最好采用合理分散的传动方法。
这就是使动力不是通过一条，而是几条传动链，反别带动各个主轴。
第四章汽车桥壳12轴组合钻床主轴箱设计
4.1被加工产品
136型汽车后桥壳，材料：
09SIVLσb=70~90kg/mm2
221型汽车前桥壳，材料：
4.2设计任务
设计一台12轴组合钻床上的主轴箱，该12轴卧式组合钻床可安装12根8.5mm钻头或12根10.5mm钻头，一次可同时加工上述桥壳12个8.5mm的孔。
加工前桥壳或后桥壳不需要更换夹具和钻头。
附：
桥壳工序图
4.3十二轴主轴箱设计
（1）确定钻头的切削速度v（米/分）：
1、根据桥壳的材料09SIVLσb=70~90kg/mm2
查得钻头允许的切削速度v=12~20（米/分）
（2）根据切削速度v求钻头的转速n—即主轴箱工作轴的转速n：
1、按产品设计及工艺要求：
前、后桥壳分别钻12—8.5mm的螺纹（M10）的底孔：
①当v=12m/min时，n1=1000v/D=1000×
12/3.14×
8.5=450（r/min）
②当v=20m/min时，n1=1000v/D=1000×
20/3.14×
8.5=749（r/min）
即在桥壳上钻8.5mm的孔，钻头的转速（即工作轴的转速）n=450~749（r/min）
（3）齿轮传动主轴箱设计：
1、齿轮传动主轴箱设计如图
图一.齿轮传动主轴箱
2、根据图一，求工作轴转速（即钻头转速）n1：
n主/n1=z2/z1×
z4/z3=59/21×
38/91=2242/1911
所以n1=1911×
z主/2242=1911×
720/2242=614（r/min）
可见，实际工作轴转速614（r/min）在加工桥壳12—8.5mm孔要求的转速
450~749（r/min）之间，故此设计方案可行。
3、油泵转速的验算：
n主/n油=z2/z1×
z8/z7=59/21×
21/41=59/42
所以n油=720×
42/59=51
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