柴油机变速箱体钻组合床总体设计及夹具设计本科学位论文.docx
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柴油机变速箱体钻组合床总体设计及夹具设计本科学位论文
柴油机变速箱体钻组合床总体设计及夹具设计
摘要
组合机床就是半自动或自动专用机床，它是由以通用部件为基础，并且与按照工件的特定的外形和工件的加工工艺设计的专用部件和夹具组成。
组合机床的主要优点是低成本和高效率，而且广泛应用于大批、大量生产中，组合机床还可以组成自动生产线。
组合机床最早于1911年在美国制成，并用于加工汽车零件。
组合机床在国内的发展已有28年的历史，现今已是机械制造行业在技术改造、产品更新、提高生产效率等方面的必不可少的设备之一。
变速箱主指汽车的变速箱，主要用于变速变矩。
夹具就是在机械制造过程中固定加工工件，从而使工件处于正确的位置，而后得以进行施工或检测的装置。
本次设计主旨在于设计一加工R180柴油机变速箱体的组合机床，此次设计包括两部分，其一是组合机床的总体设计，其二是机床夹具设计。
关键词：
组合机床；变速箱；夹具
Dieselenginegearcasedrillcombinationmachinetoolsdesignandfixturedesign
Abstract
Applicationcombinationmachinetoolsmachininglargeparts,efficient,highproductionefficiencyisthedevelopmentdirectionofmechanicalprocessing.Thisdesigntaskis:
Keyword:
Gearcase;combinationmachinetools;fixtures
目录
第一章绪论3
1.1组合机床的概述3
1.2组合机床的发展史3
1.3该技术研究国内外现状3
1.4机床设计的目的、主要内容和基本要求3
第二章组合机床的总体设计3
2.1总体方案论证3
2.1.1被加工零件特点3
2.1.2工艺路线的确立3
2.1.3机床配置型式的选择3
2.1.4定位基准的选择3
2.1.5滑台型式的选择3
2.1.6影响机床工艺方案制定的主要因素3
2.2切削用量的确定及刀具选择3
2.2.1切削用量选择3
2.2.2切削力、切削扭矩及切削功率的计算3
2.2.3验证刀具耐用度3
2.3组合机床总体设计—三图一卡3
2.3.1被加工零件工序图3
2.3.2加工示意图3
2.3.3机床尺寸联系总图3
2.3.4机床生产率计算卡3
第三章夹具设计3
3.1夹具概论4
3.1.1夹具的分类4
3,1,2机床夹具的现状及其发展方向4
3.2夹具设计的主要任务和基本要求3.2.14
3.3定位机构确定4
3.4夹紧机构的确定4
3.5确定导向装置的选择4
第四章结论4
谢辞4
参考文献4
第1章绪论
1.1组合机床的概述
组合机床就是半自动或自动专用机床，一般用于加工特殊形状类或箱体类零件。
组合机床是由作为基础的通用部件、专用部件和夹具组成，其中专用部件和夹具是由工件形状和加工工艺要求所决定。
1.2组合机床的发展史
组合机床最早是于1911年在美国制成，最开始是用来加工汽车零件。
初期时候因为各个机床制造厂商的通用部件标准都由自己定，故而生产出的零件标准不同，不便于用户的维修和使用，所以于1953年，美国两大汽车公司和机床制造厂商协定组合机床通用部件标准化。
1.3该技术研究国内外现状
在国内，组合机床已发展28年，在其生产和科研方面都已经有了相当的基础。
并且，组合机床的应用现今也广泛深入到了各个行业，尤其在机械制造行业中的产品更新、技术改造、提高生产率和高速发展中已是必不能少的一种设备。
在国外，就如于2002年年底举办的第21届日本国际机床博览会上，来自世界各个国家和地区的制造商和制造团体所展示的最先进的机床中，最受欢迎的要数技工技术设备中的超高速和超高精度设备与控制设备中的复合、多轴化、多功能设备。
1.4机床设计的目的、主要内容和基本要求
本次毕业设计组合机床，最主要的目的在于通过这次的设计，首先让我们对大学四年中所学到的各种理论知识做一个完整的总结，其次就是让学生结合在大学期间的各个实践内容，运用自身学到的知识和能力独自完成一项完整的设计，从而锻炼我们以后在机械行业岗位上的工作能力。
本次设计的主要内容是设计单工位三面卧式变速箱体的钻组合机床的总体设计和其夹具的设计。
设计的基本要求是根据所给的主要技术参数绘制正确、合理、符合标准的机械装配图，且论文应该简明扼要计算准确和条理清楚。
第二章组合机床的总体设计
2.1总体方案论证
2.1.1被加工零件特点
被加工零件名称是R180柴油机变速箱体（图号：
15-37-101），材料为；HT200。
此工件主要表面和主要孔已加工完毕。
其加工内容如下；
左面：
螺纹底孔7×M12—6H、M12—6H、2×M8—6H;孔2×φ10H7。
右面：
螺纹底孔8×M12—6H。
后面：
螺纹底孔8×M8—6H、M10—6H、3×M10—6H。
2.1.2工艺路线的确立
被加工零件的加工工序，钻左面、右面、后面三面的32个孔，由柴油机变速箱钻组合机床加工。
2.1.3机床配置型式的选择
机床的配置型式是根据工艺方案的确定而选定的，既要考虑工艺方案的实现、零件精度、和技术要求，还要对机床的操作、维修、润滑、冷却、排屑等情况进行仔细的分析。
加工一个零件，可以制定多种不同机床配置方案，提出几种方案后进行比较，选出最优方案即可，组合机床的通用部件分为大型和小型这两种，其大、小型又可分为多种配置形式，因柴油机变速箱加工一般都由卧式单面组合机床加工，故根据分析被加工零件的结构特点等，最终本次设计的配置形式确定为单工位卧式三面钻组合机床。
2.1.4定位基准的选择
定位是指确定工件在机床（或工作台）上或夹具中占有正确的位置的过程，通常可以理解为工件相对于切削刀具或磨具的一定位置，来保证加工尺寸和形位精度的要求。
工件的定位由工件的装夹和定位原理来确定，而组合机床一般为工序集中的多刀加工，因为不仅承受的切削负荷大，而且工件受力存在方向变化，故而正确选择定位基准和夹压部位是保证加工精度的必要条件，所以在本次设计中装夹方式选择夹具中装夹，夹具中装夹的方式好处在于容易保证加工精度的要求，操作方便简单，效率高。
定位基准就是在加工时用于工件定位的基准，定位基准是获得零件尺寸、形状、和位置的直接基准，占有很重要的地位。
而本次设计运用的定位方式叫做“一面两孔”，所谓一面两孔就是指定位基准采用一个大平面和该平面上与之垂直的两个孔来进行定位。
如果该平面上没有合适的孔，常把连接用的螺钉孔的精度提高或专门做出两个工艺孔以备定位用。
工件以一面两孔定位所采用的定位元件是“一面两销”，所以也叫做一面两销定位。
为了避免采用两短圆销所产生的过定位干涉，可以将一个圆销削边。
这样，可以既保证没有过定位，又不增大定位时工件的转角误差。
如图所示，夹具上的支承面限制Z轴移动、X轴旋转和Y轴旋转三个自由度，两圆柱销则限制X轴移动和Y轴移动两个移动自由度和Z轴旋转自由度。
2.1.5滑台型式的选择
动力滑台是由滑座、滑鞍和驱动装置等组成，实现直线进给运动的动力部件。
根据被加工零件的工艺要求，在滑鞍上安装动力箱（用以配多轴箱）或切削头（如钻削头、镗削头、铣削头、攻螺纹头等主轴部件配以传动装置），可以完成钻、扩、铰、镗孔、倒角、刮端面、铣削及攻螺纹等工序；台面宽320mm以下的滑台配有分给进给装置，可以完成深孔加工。
此外，滑台还可以当移动工件台用，装上检测装置也可以完成检测等工序。
滑台本身可以安装在侧底座上、立柱上或倾斜的底座上，以便配置成卧式、立式或倾斜式等形式的组合机床。
根据驱动和控制方式的不同，滑台可分为液压滑台、机械滑台和数控滑台三种类型，以下表格为液压滑台和机械滑台的优缺点比较，根据分析此次设计，最终选择机械滑台作为最终动力滑台。
2.1.6影响机床工艺方案制定的主要因素
影响机床工艺方案制定的主要因素主要包括如下：
（1）加工的工序内容和加工精度是制定机床工艺方案的主要依据。
面加工和孔加工、不同尺寸的平面和孔径加工以及不同的加工精度要求都直接影响工艺方法的选择（铣、镗钻、铰等）和工步数及工艺路线的确定。
（2）被加工零件的特点：
如公尖的材料及硬度、加工部位的结构形状、工件刚性、定位基准面的特点等，对组合机床工艺方案的制定都有着重要的影响。
（3）零件的生产批量：
零件的生产批量大时，工序安排一般趋向分散，而且粗加工、半精加工及精加工也最好分开。
（4）使用厂后方车间制造能力：
如工具制造能力。
如若使用厂没有制造、刃磨复杂的复合型刀具或特殊刀具能力，制定工艺方案时就应尽可能采用简单或标准刀具。
2.2切削用量的确定及刀具选择
2.2.1切削用量选择
切削用量的确定主要由其特点、方法和注意问题这三个方面来确定。
（1）特点：
因为一般的组合机床大多都采用的是多刀多刃同时切削，所以为了尽量减少刀具的消耗跟换刀的时间，组合机床所选用的切削用量一般应该低于普通机床单刀加工的百分之三十上下。
而且组合机床一般是由动力滑台提供驱动来带动刀具进给的。
所以同一个动力滑台上的多轴箱上的刀具的进给量一般都是一个值，而且和滑台的工进速度相同。
（2）方法：
现今常用的切削用量的选择的方法是首先对生产现场的同类工艺进行参照，然后结合查表法确定其切削用量的准确值（必要时还需要通过一些工艺试验才能确定准确的切削用量）。
（3）应注意的各种问题：
首先，需要尽量做到合理使用所有刀具，充分利用并发挥其使用性能。
而且刀具种类上的不同，也使得其切削用量不同，比如铰孔时需要的是低的切削速度和较大的进给量，而钻孔时则刚好相反。
锪端面时所需的切削速度则更低且进给量比钻孔还小。
但又因同一个多轴箱的所有刀具的每分钟的进给量必须都等于承载多轴箱的滑台的工进速度vf（mm/mim），因此让每一把刀都有适当的切削用量是很难做到的，这时就需要从所有刀具中选出工作时间最长，负荷最大且刃磨困难的刀具（此刀具被称为限制性刀具）来确定并调整每转进给量和转速，结合“试凑法”来确定各刀具的具体切削用量。
试凑法所用公式为
其次，在选择切削用量时还应该考虑到刀具的使用寿命，为了保证刀具的使用寿命，一般从复合刀具中选出最小直径的刀具来确定进给量，从复合刀具中选出最大直径的刀具来确定切削速度。
再有，就是选择切削用量时不仅要确保其生产批量的要求，还要确保刀具的耐用度足够。
在生产率不是很高时，切削用量不必选的很高，来防止刀具耐用度过低。
最后，切削用量的选择还和之前所确定的动力滑台的性能挂钩，比如采用液压滑台时选择每分钟进给量fm应比该滑台最小工进速度大百分之五十，否则会因温度或其他原因导致进给不稳定。
本次设计中各孔的切削用量的确定：
查参考文献【1】表6-11、表6-12得以下数据（工件材料：
HT200）。
1）左面：
钻1、2、3、4、5、6、7、8、9、10这10个M12的螺纹底孔时
切削速度v（m/min）的取值范围是10~18，进给量f（mm/r）的取值范围是大于0.1~0.18，综合考虑M12时取v=，f=。
又由公式
得n=
钻11、12这两个M8的螺纹底孔时取值范围与M12一致，综合考虑M8时取v=，f=。
又由公式
得n=
2）右面：
钻1＇、2＇、3＇、4＇、5＇、6＇、7＇、8＇这8个M12的螺纹底孔时由1）可知取v=，f=。
且得到n=
3）后面：
钻1＂、2＂、3＂、4＂、5＂、6＂、7＂、8＂这8个M8的螺纹底孔时根据查表得知M8的切削用量与M12一致，由1）可知M8时取v=，f=。
且得到n=
钻9＂、10＂、11＂、12＂这4个M10的螺纹底孔时根据查表得知M10的切削用量与M12一致，综合考虑M10时取v=，f=。
又有公式得n=
2.2.2确定切削力、切削扭矩和切削功率
由参考文献【1】表6-20可得确定切削力F（N）、切削转矩T（N·mm）、和切削功率P（kW）的公式分别为如下：
（N）
（N·mm）
【式中：
F—切削力（N）；T—切削转矩（N·mm）；P—切削功率（kW）；D—加工或钻头直径（mm）；v—切削速度（m/min）；HB—布氏硬度
】
左面，对单根M12的孔的轴由以上公式可得：
=
=
=
=
对单根M8的孔的轴由以上公式可得：
F=；T=；P=；
右面，对单根M12的孔的轴同左面得：
F=；T=；P=；
后面，对单根M12的孔的轴同上得：
F=；T=；P=；
对单根M10的孔的轴由以上公式可得：
F=；T=；P=；
2.2.3确定刀具耐用度
因只有刀具耐用度大于4X60=240min时间时才合理，又根据公式
验证M12、M10、M8分别的耐用度为
综上可得刀具耐用度足够满足。
2.3组合机床总体设计—三图一卡
2.3.1被加工零件的工序图
（1）绘制被加工零件的工序图的目的和具体的要求：
被加工零件的工序图就是根据之前制定的工艺方案综合各种要求而绘制的图纸，绘制工序图的目的是为了表示出在一台机床上或一条自动线上完成的工艺内容、技术要求、夹压部位、加工部位的尺寸及精度、加工定位基准、以及被加工零件的材料硬度和在本机床加工前毛坯的情况等。
工序图不仅是组合机床设计的主要的根据，还是制造使用时调整机床、检查精度的重要技术图纸。
绘制工序图的具体要求有四点，一、工序图上要表示出被加工零件的具体形状，还要为了便于检查工件装夹时是否会与夹具发生碰撞和刀具能否顺利通过而表示出工件内部筋的布置方位与其尺寸大小。
二、夹压系统和夹具的定位，支撑等的设计都要根据图纸上加工基准面和夹压的方向和位置来确定。
三、工序图中还要绘制出被加工工件的表面尺寸、表面精度、表面光洁度和具体加工孔的位置尺寸与精度和技术要求。
四、工序图中还应表示出被加工工件的各个零件的名称、编号、硬度、材料和被加工部位的余量等等。
（2）绘制工序图时必须注意的各个事项：
一、标注被加工部位的具体位置和尺寸时，首先要从定位基准面开始标注，当选定的定位基准面和设计基准面不同的时候就必须得进行各孔位置尺寸精度的分析和换算（就是把部队称的公差尺寸换算为对称公差尺寸，例如需要将
换算为
），以此换算来方便夹具钻模孔的设计和主轴箱的设计时其加工位置的具体尺寸的确定。
二、仔细分析与验证被加工孔的加工余量。
三、对精镗机床还必须标注出有没有退刀痕迹。
最后，为了让图纸清晰明了，且更容易找出所要已加工的内容，故绘制工序图时需要用粗实线表示所要加工部位。
2.3.2加工示意图
（1）绘制被加工零件的工序图的目的和具体的要求：
加工示意图是根据机床总体方案和工艺方案的确定而绘制的。
加工示意图是刀具、夹具、动力部件主轴箱和绘制机床总尺寸联系图等的主要依据，还是调整机床和刀具的必要的重要技术图纸文件。
加工示意图绘制的具体要求有：
一、应该表示出刀具的数量、种类和其尺寸（刀具的长度和直径）。
二、应该表示出机床的加工方法和简略的加工过程。
三、应该表示出刀具、导向、工件、托架和多轴箱等的联系尺寸和具体的相对位置。
四、应表示出合理的切削用量。
五、应该表示出刀具、接杆和主轴间的连接方式和其具体的配合尺寸。
（2）绘制加工示意图时必须注意的各个事项：
加工示意图要绘制成展开图。
1）选择刀具：
选择刀具时一般需要考虑到被加工工件的材料、加工精度、表面粗糙度、排屑和生产率等等，而且，如果条件允许，那最好的选择是标准刀具，如果对提高工序集中程度与精度要求较高，则最好选择复合刀具。
2）确定工序间余量：
要合理的确定工序间余量，可由参考文献【1】查得下表
孔加工常用工序间余量
加工工序
加工孔径
工序特点
直径上工序间余量
扩孔
Φ10～Φ20
钻孔后扩孔
1.5～2.0
粗扩后精扩
0.5～1.0
Φ20～Φ50
钻孔后扩孔
2.0～2.5
粗扩后精扩
1.0～1.5
3）选择导向结构：
一般情况组合机床采用刚性主轴加工方案来进行孔加工，而这时零件上孔的位置精度主要是由导向装置来确定的，因为导向装置就是为了保证刀具相对工件的正确位置、各刀具相互间的正确位置和提高刀具系统的支承刚性，组合机床上的刀具导向装置分为固定式导向与旋转式导向两类，综合考虑本次设计中导向装置选择固定式导向。
下图是一种固定式导套的机构图
导向套配置的选择见下表
固定式导套配合的选择
导向类别
工艺方法
d
D
刀具导向部分外径
固定导向
钻孔
G7（或F8）
固定式导套的布置选择见下表
固定式导套的布置
尺寸
项目
导向长度l1
导套至工件端面的距离l2
推荐的应用直径
与直径d的关系
（1～2.5）d
钻铸铁
≈d
≤40
刀具布置简图如下图所示
4）主轴的类型、尺寸和外伸长度的确定：
主轴类型主要是由工艺方法和刀杆与主轴的联系结构进行确定，尺寸则是由进给抗力和主轴来确定，主轴轴颈尺寸规格则是由切削转矩T选择，查参考文献【1】表3-4与表3-5先初定各主轴的直径d，
式中：
d—轴的直径（mm）
T—轴所传递的转矩（N·m）
B—系数，刚性主轴时，取7.3
则M12主轴直径
查参考文献【1】表3—6和表4—1选定主轴的外伸长度L、外径D和内径
及配套的刀具接杆莫氏锥度号。
最终根据加工孔径
镗杆直径
浮动卡头规格
主轴直径的顺序推出主轴直径。
5）选择接杆和浮动卡头：
为使工件端面至多轴箱端面为最小距离，首先应按加工部位在外壁、孔深最浅、孔径最大的主轴选定接杆，然后再选择其他接杆，接杆可根据查参考文献【1】表8-1和8-2选择。
6）确定动力头工作循环和其行程：
a.确定工进长度
：
如图所示工进长度
应该等于加工部位长度L与刀具切入长度
和切出长度
的和，如下公式
切入长度一般取5-10（mm）
切出长度由下表查得
工序名称
钻孔
扩孔
铰孔
镗孔
攻螺纹
切出长度
10～15
10～15
5～10
5～
注：
1.d为钻头直径（mm）。
2.表中数值，当刀具切出平面为已加工表面时取最小值，反之取最大。
b.确定快速引进长度：
长度按具体情况确定。
c.确定快速退回长度：
等于快进与工进长度之和。
d.确定动力部件总行程：
动力部件的总行程是快退行程与前后备量之和。
2.3.3绘制机床尺寸联系总图
（1）绘制被加工零件的工序图的目的和具体的要求：
尺寸联系图主要是用来表示机床的配置型式、主要构成及各部件安装位置、相互联系、运动关系和操作方位的总体布局图，还可以用来检测各部件相对位置，而且多轴箱和夹具等部件的设计就是根据尺寸联系图来设计，尺寸联系图是在被加工零件工序图与加工示意图绘制之后，由初定的主要通用部件和确定的专用部件绘制的。
（2）绘制加工示意图时必须注意的主要问题
1）选择动力部件：
主要是确定动力箱和动力滑台的型号，动力箱驱动功率是根据多轴箱所需传递的切削功率来选用，初选可查参考文献【1】得以下公式估算
式中：
——消耗于各主轴的切削功率的总和（kW）；
——多轴箱的传动效率，加工铸铁时取0.8～0.9
左面：
右面：
后面：
最终综合选定动力箱和电动机的型号如下。
动力箱型号
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
1TD40I
Y132S-4
5.5
1440
720
右主轴箱
1TD40I
Y132S-4
5.5
1440
720
后主轴箱
2）确定机床的装料高度H：
装料高度指的是从地面到工件安装基准面的距离。
本次设计中装量高度取1060（mm）。
3）夹具廓形尺寸的确定：
主要确定长宽，一般夹具底座高度都大于240（mm），夹具是用于装夹工件，所以夹具廓形尺寸是根据工件的廓形和工件与钻模板之间的距离确定的，由工件工序图初定的工件尺寸已知最终选择夹具廓形
长为，宽为高为。
4）中间底座尺寸的确定：
中间底座的尺寸得满足夹具长宽方向的安装长度
根据下图可知
则中间底座的长度尺寸可由下面公式算得
式中：
——动力头支承凸台尺寸；
——滑座前端面到床身前端面的距离；
——动力头支承凸台端面到滑座端面在加工完了时的距离。
5）主轴箱轮廓尺寸的确定：
根据参考文献【1】图3-5确定多轴箱的宽度B和高度H以及最低主轴高度
的尺寸。
具体尺寸根据以下公式确定
式中：
b——工件宽度方向距离最远两孔距离（mm）；
——最边缘主轴中心到主轴箱体外壁距离（mm），推荐
；h——工件高度方向距离最远两孔距离（mm）；
——最低主轴高度（mm），推荐
。
最终确定主轴箱尺寸
左面：
右面：
后面：
（3）机床分组
A.第10~19组——支承部件。
B.第20~29组——夹具和传输设备。
C.第30~39组——电气设备。
D.第40~49组——传动装置。
E.第50~59组——液压和气动装置。
F.第60~69组——刀具、工具和辅助工具等。
G.第70~79组——多轴箱和其附属部件。
H.第80~89组——冷却、排屑和润滑装置。
I.第90~99组——电气、液压、气动等各种挡铁。
2.3.4机床生产率计算卡
第3章
夹具设计
3.1夹具概论
3.1.1夹具在机械加工制造中的作用
在机械制造的机械加工、焊接、热处理、检验、装配等工艺过程中，为了安装加工工件，使加工工件占有正确的位置，来保证零件和产品的质量，并提高生产效率，所采用的工艺装备叫做夹具。
主要作用主要表现在以下几个方面：
（1）缩短辅助时间，提高劳动生产率，降低加工成本。
（2）保证加工精度，稳定加工质量。
（3）降低对工人的技术要求，减轻公认的劳动强度，保证安全生产。
（4）扩大机床的工艺范围，实现“一机多能”。
（5）在自动化生产和流水线生产中，便于平衡生产节拍。
3.1.2机床夹具的分类和组成
（1）机床夹具的分类
1）按夹具的通用特性分类：
一、通用夹具，指的是结构、尺寸已标准化且具有一定的通用性的夹具；二、专用夹具，是指针对某一工件的某一工序的加工要求而专门设计和制造的夹具；三、可调夹具，是指针对通用夹具和专用夹具的缺陷而发展起来的一类新型夹具；四、成组夹具，是指在成组加工技术基础上发展起来的一类家具；五、组合夹具，是指一种模块化的夹具，并已商品化；六、自动线夹具。
2）按夹具使用的机床分类：
车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、磨床夹具、齿轮机床夹具、数控机床夹具等。
3）按夹具动力源分类：
可分为手动夹具和机动夹具两大类，其中机动夹具还包含气动夹具、液压夹具、气液夹具、电动夹具、电磁夹具、真空夹具和离心力夹具等。
（2）机床夹具的组成
1）定位支撑元件：
主要作用是确定工件在夹具中的正确位置并支承工件。
2）夹紧装置：
主要作用是将工件压紧夹牢，并保证在加工过程中工件的正确位置不变。
3）连接定向元件：
主要作用是将夹具与机床连接并确定家具对机床主轴、工作台或导轨的相互位置。
4）夹具体：
夹具体是夹具的基体骨架，用来配置、安装各夹具元件，是指组成一整体。
3.1.2机床夹具的现状及其发展方向
（1）机床夹具的现状：
在批量生产中，制造商一般采用传统专用夹具，一般在具有中等的生产能力的工厂中，大都会有成千上万套的专用
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