四轴头多工位同步钻床设计修改打印.docx

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第1章机床的地位及其发展简史

1.1机床在国民经济的地位及其发展简史

现代社会中，人们为了高效、经济地生产各种高质量产品，日益广泛的使用各种机器、仪器和工具等技术设备与装备。

为制造这些技术设备与装备，又必须具备各种加工金属零件的设备，诸如铸造、锻造、焊接、冲压和切削加工设备等。

由于机械零件的形状精度、尺寸精度和表面粗糙度，目前主要靠切削加工的方法来达到，特别是形状复杂、精度要求高和表面粗糙度要求小的零件，往往需要在机床上经过几道甚至几十道切削加工工艺才能完成。

因此，机床是现代机械制造业中最重要的加工设备。

如果没有机床的发展，如果不具备今天这样品种繁多、结构完善和性能精良的各种机床，现代社会目前所达到的高度物质文明将是不可想象的。

机床是人类在长期生产实践中，不断改进生产工具的基础上生产的，至19世纪末，车床、钻床、镗床、刨床、拉床、铣床、磨床、齿轮加工机床等基本类型的机床已先后形成。

上世纪初以来，由于高速钢和硬质合金等新型刀具材料相继出现，刀具切削性能不断提高，促使机床沿着提高主轴转速、加大驱动功率和增强结构刚度的方向发展。

与此同时，由于电动机、齿轮、轴承、电气和液压等技术有了很大的发展，使机床的转动、结构和控制等方面也得到相应的改进，加工精度和生产率显著提高。

此外，为了满足机械制造业日益广阔的各种使用要求，机床品种的发展也与日俱增。

1.2组合机床的国内、外现状

世界上第一台组合机床于1908年在美国问世，30年代后组合机床在世界各国得到迅速发展。

至今，它已成为现代制造工程（尤其是箱体零件加工）的关键设备之一。

现代制造工程从各个角度对组合机床提出了愈来愈高的要求，而组合机床也在不断吸取新技术成果而完善和发展。

1.2.1国内组合机床现状

我国加入WTO以后，制造业所面临的机遇与挑战并存、组合机床行业企业适时调整战略，采取了积极的应对策略，出现了产、销两旺的良好势头，截至2005年4月份，组合机床行业企业仅组合机床一项，据不完全统计产量已达1000余台，产值达3.9个亿以上，较2004年同比增长了10%以上，可见行业企业运营状况良好。

（1）行业企业产品结构的变化

组合机床行业企业主要针对汽车、摩托车、内燃机、农机、工程机械、化工机械、军工、能源、轻工及家电行业提供专用设备，随着我国加入WTO后与世界机床进一步接轨，组合机床行业企业产品开始向数控化、柔性化转变。

（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于一体是综合自动化度较高的制造技术和成套工艺装备。

它的特征是高效、高质、经济实用，因而被广泛应用与工程机械、交通、能源、军工、轻工、家电行业。

我国的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的箱体类和轴类零件（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、镗孔等。

组合机床的分类繁多，随着技术的不断是进步，一种新型的组合机床——柔性组合机床越来越受人们是亲昧，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，并能灵活适应多种加工的可调可变的组合机床。

1.2.2国外组合机床现状

80年代以来，国外组合机床技术在满足精度和效率要求的基础上，正朝着综合成套和具备柔性的方向发展。

组合机床的加工精度、多品种加工的柔性以及机床配置的灵活多样方面均有新的突破性进展，实现了机床工作程序软件化、工序高度集中、高效短节拍和多功能知道监控。

组合机床技术的发展趋势是：

（1）发展柔性技术

80年代以来,国外对中大批量生产,多品种加工装备采取了一系列的可调、可变、可换措施,使加工装备具有了一定的柔性。

如先后发展了转塔动力头、可换主轴箱等组成的组合机床;这种结构的变化,既可以实现多品种加工要求的调整变化快速灵敏,又可以使机床配置更加灵活多样。

（2）发展综合自动化技术

汽车工业的大发展,对自动化制造技术提出了许多新的需求,大批量生产的高效率,要求制造系统不仅能完成一般的机械加工工序,而且能完成零件从毛坯进线到成品下线的全部工序,以及下线后的自动码垛、装箱等。

（3）进一步提高工序集中程度

国外为了减少机床数量,节省占地面积,对组合机床这种工序集中程度高的产品,继续采取各种措施,进一步提高工序集中程度。

如采用十字滑台、多坐标通用部件、移动主轴箱、双头镗孔车端面头等组成机床或在夹具部位设置刀库,通过换刀加工实现工序集中,从而可最大限度地发挥设备的效能,获取更好的经济效益。

1.3机床设计的目的、内容、要求

1.3.1设计的目的

机床设计毕业设计，其目的在于通过机床主运动机械变速传动系统的结构设计，使我们在拟定传动和变速的结构方案过程中，得到设计构思、方案的分析、结构工艺性、机械制图、零件计算、编写技术文件和查阅资料等方面的综合训练，树立正确的设计思想，掌握基本的设计方法，培养基本的设计方法，并培养了自己具有初步的结构分析、结构设计和计算能力。

1.3.2设计内容

1、运动设计根据给定的被加工零件，确定机床的切削用量，通过分析比较拟定传动方案和传动系统图，确定传动副的传动比及齿轮的齿数，并计算主轴的实际转速与标准的相对误差。

2、动力设计根据给定的工件，初算传动轴的直径、齿轮的模数；确定动力箱；计算多轴箱尺寸及设计传动路线。

完成装配草图后，要验算传动轴的直径，齿轮模数否在允许范围内。

还要验算主轴主件的静刚度。

3、结构设计进行主运动传动轴系、变速机构、主轴主件、箱体、润滑与密封等的布置和机构设计。

即绘制装配图和零件工作图。

4、编写设计说明书

1.3.3设计要求

评价机床性能的优劣，主要是根据技术—经济指标来判定的。

技术先进合理，亦即“质优价廉”才会受到用户的欢迎，在国内和国际市场上才有竞争力。

机床设计的技术—经济指标可以从满足性能要求、经济效益和人机关系等方面进行分析。

第2章钻攻柴油机箱体端面螺纹孔专用机床总体设计

2.1组合机床方案的制定

2.1.1制定工艺方案

零件加工工艺将决定组合机床的加工质量、生产率、总体布局和夹具结构等。

所以，在制定工艺方案时，必须计算分析被加工零件图，并深入现场了解零件的形状、大小、材料、硬度、刚度，加工部位的结构特点加工精度，表面粗糙度，以及定位，夹紧方法，工艺过程，所采用的刀具及切削用量，生产率要求，现场所采用的环境和条件等等。

并收集国内外有关技术资料，制定出合理的工艺方案。

根据被加工被零件（减速箱箱盖）的零件图，加工八个螺栓孔的工艺过程。

1．加工孔的主要技术要求。

加工8个M10的螺纹孔。

表面粗糙度Ra3.2um.

孔的位置度公差为Φ0.3mm

工件材料为HT200，HB175～255

2．工艺分析

加工该孔时，除粗糙度要求外（Ra3.2um），孔的位置度公差为0.3mm

根据组合机床用的工艺方法及能达到的经济精度，可采用如下的加工方案。

钻攻螺纹返丝

3．定位基准及夹紧点的选择

加工此箱盖的孔，以底面的三个支承点限制

和

、

三个自由度，位于右边上的两个支承点限制了

和

自由度，位于前面上的一个支承点限制

一个自由度。

这样工件的6个自由度被完全限制了。

在保证加工精度的情况下，提高生产效率减轻工人劳动量，而工件也是大批量生产，由于夹具在本设计中没有考虑，因此在设计时就认为是人工夹紧。

2.1.2确定组合机床的配置形式和结构方案。

1．被加工零件的加工精度

被加工零件需要在组合机床上完成的加工工序及应保证的加工精度，是制造机床方案的主要依据。

箱盖加工孔的精度要求不高，可采用多工位组合机床，工件各孔间的位置精度为0.3mm,它的位置精度要求不是很高，安排加工时可以在下一个安装工位上对所有孔进行最终精加工。

为了加工出表面粗糙度为Ra3.2um的孔。

采取提高机床原始制造精度和工件定位基准精度并减少夹压变形等措施就可以了。

为此，机床通常采用尾置式齿轮动力置进给采用液压系统，人工夹紧。

2.被加工零件的特点

这主要指零件的材料、硬度加工部位的结构形状，工件刚度定位基准面的特点，它们对机床工艺方案制度有着重要的影响。

此箱盖的材料是HT200、硬度HB175-255、孔在长度方向的距离是100mm、在宽度方向的距离是190mm、孔的直径为Φ10mm。

采用多孔同步加工，零件的刚度足够，工件受力不大，振动，及发热变形对工件影响可以不计。

此零件的加工特点是中心线与定位基准平面是垂直的，并且定位基准面是水平的。

孔的分布范围是直线形状，工件比较长，一次钻完，多轴箱体积较大，采用两工位以减小多轴箱的体积，使整个钻床瘦身，因而适合选择立式多工位钻床。

3.机床使用条件

通过对箱盖零件的结构特点、加工部位、尺寸精度、表面粗糙度和技术要求、定位、夹紧方式、工艺方法，并定出影响机床的总体布局和技术性能等方面的考虑，最终决定设计四轴头多工位同步钻床。

2.2确定切削用量及选择刀具

2.2.1确定工序间余量

为使加工过程顺利进行并稳定的保证加工精度，必须合理地确定工序余量。

生产中常用查表给出的组合机床对孔加工的工序余量，由于在本钻床上钻孔后重新安装或在其他多工位机床上加工下道工序，应适当加大余量，以消除转、定位误差的影响。

Φ10mm的孔在钻孔后攻螺纹，直径上工序间余量1.0～1.5mm。

2.2.2选择切削用量

确定了在组合机床上完成的工艺内容了，就可以着手选择切削用量了。

多轴主轴箱上所有刀具共用一个进给系统，通常为标准动力滑台，工作时，要求所有刀具的每分钟进给量相同，且等于动力滑台的每分钟进给量（mm/min）应是适合有刀具的平均值。

因此，同一主轴箱上的刀具主轴可设计成不同转速和不同的每转进给量（mm/r）与其适应。

以满足不同直径的加需要，即：

=…=

式中：

…

——各主轴转速（r/min）

…

——各主轴进给量（mm/r）

——动力滑台每分钟进给量（mm/min）

由于箱盖孔的加工精度、工件材料、工作条件、技术要求都是相同的。

按照经济地选择满足加工要求的原则，采用查表的方法查得：

钻头直径D=Φ9mm,铸铁HB175～255、进给量f=0.1mm/r、切削速度v=15m/min.

2.2.3确定切削力、切削扭矩、切削功率

根据选定的切削用量（主要指切削速度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，用以确定主轴及其它传动件（齿轮，传动轴等）的尺寸；确定切削功率，用以选择主传动电动（一般指动力箱）功率，通过查表计算如下：

布氏硬度：

HB=HBmin－

（HBmax－HBmin）

=255－

（255－175）

=228.33

切削力：

=26

=26×9×

=1071.79N

切削扭矩：

=10

=10×91.9×

=3274.45N·mm

切削功率：

=3274.45×15/（9740×3.14×9）

=0.164kw

式中：

HB——布氏硬度

F——切削力（N）

D——钻头直径（mm）

f——每转进给量（mm/r）

T——切削扭矩（N·mm）

V——切削速度（m/min）

P——切削功率（kw）

2.2.4选择刀具结构

箱盖的布氏硬度在HB175～255，孔径D为10mm，刀具的材料选择高速钢钻头（W18Cr4V），为了使工作可靠、结构简单、刃磨简单，选择标准Φ9的麻花钻。

孔加工刀具的长度应保证加工终了时刀具螺旋槽尾端与导向套之间有30～50mm的距离，以便排出切屑和刀具磨损后有一定的向前的调整量。

2.3四轴头多工位同步钻床总设计“三图一卡”的编制

“三图一卡”设计，其内容包括：

绘制被加工零件工序图、加工示意图、机床联系尺寸图、编制生产率卡。

2.3.1被加工零件工序图

1、被加工零件工序图的作用及内容

被加工零件工序图是根据选定的工艺方案，表示一台组合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，加工用的定位基准、夹具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成品状况的图纸，它不能用用户提供的图纸代替，而是在原零件图基础上，突出本机床的加工的内容，加上必要的说明绘制成的。

它是组合机床设计的主要依据，也是制造、使用、检验和调整机床的重要技术文件。

箱盖用四轴头多工位组合机床的被加工零件工序图如2－2所示。

图上主要内容：

（1）被加工零件的形状，主要外廓尺寸和本机床要加工部位的尺寸、精度、表面粗糙度、形位精度等技术要求，以及对上道工序的技术要求等。

（2）本工序所选定的定位基准、夹紧部位及夹紧方向。

（3）加工时如需要中间向导，应表示出工件与中间向导有关部位结构和尺寸，以便检查工件、夹具、刀具之间是否相互干涉。

（4）被加工零件的名称、编号、材料、硬度及被加工部位的加上余量等。

2.3.2加工示意图

1、加工示意图的作用和内容

加工示意图是被加工零件工艺方案在图样上的反映，表示被加工零件在机床上的加工过程，刀具的布置以及工件、夹具、刀具的相对位置关系，机床的工作行程及工作循环等，是刀具、夹具、多轴箱、电气和液压系统设计选择动力部件的主要依据。

图2－3为箱盖上8孔立式钻床加工示意图。

在图上应标注的内容：

（1）机床的加工方法，切削用量，工作循环和工作行程。

（2）工件、夹具、刀具及多轴箱端面之间的距离等。

（3）主轴的结构类型，尺寸及外伸长度；刀具类型，数量和结构尺寸、接杆、导向装置的结构尺寸；刀具与导向置的配合，刀具、接杆、主轴之间的连接方式，刀具应按加工终了位置绘制。

2.3.3机床联系尺寸图

1、联系尺寸图的作用和内容

一般来说，组合机床是由标准的通用部件——动力箱、动力滑台、立柱、立柱底座加上专用部件——多轴箱、刀、辅具系统、夹具、液、电、冷却、润滑、排屑系统组合而成。

联系尺寸图用来表示机床各组成部件的相互装配和运动关系，以检验机床各部件的相对位置及尺寸联系是否满足要求，联系尺寸图也可以看成是简化的机床总图，它表示机床的配置型式及总体布局。

机床联系尺寸图的内容包括机床的布局形式，通用部件的型号、规格、动力部件的运动尺寸和所用电动机的主要参数、工件与各部件间的主要联系尺寸，专用部件的轮廓尺寸等。

2、选用动力部件

选用动力部件主要选择型号、规格合适的动力滑台、动力箱。

（1）滑台的选用通常，根据滑台的驱动方式、所需进给力、进给速度、最大行程长度和加工精度等因素来选用合适的滑台。

1）驱动形式的确定根据对液压滑台和机械滑台的性能特点比较，并结合具体的加工要求，使用条件选择HY系列液压滑台。

2）确定轴向进给力滑台所需的进给力

∑

=4×1071.79=4287.16N

式中：

——各主轴加工时所产生的轴向力

由于滑台工作时，除了克服各主轴的轴的向力外，还要克服滑台移动时所产生的摩擦力。

因而选择滑台的最大进给力应大于

＝4.29KN。

3）确定进给速度液压滑台的工作进给速度规定一定范围内无级调速，对液压滑台确定切削用量时所规定的工作进给速度应大于滑台最小工作进给速度的0.5～1倍;液压进给系统中采用应力继电器时，实际进给速度应更大一些。

本系统中进给速度

=n·f=47.8mm/min。

所以选择HY25IA液压滑台，工作进给速度范围32～800mm/min，快速速度12m/min。

4）确定滑台行程滑台的行程除保证足够的工作行程外，还应留有前备量和后备量。

前备量的作用是动力部件有一定的向前移动的余地，以弥补机床的制造误差以及刀具磨损后能向前调整。

本系统前备量为20mm，后备量的作用是使动力部件有一定的向后移动的余地，为方便装卸刀具，这是取40mm,所以滑台总行程应大于工作行程，前备量，后备量之和。

即：

行程L＞156+20+40=236mm，取L＝250mm。

综合上述条件，确定液压动力滑台型号HY25IA。

（2）由下式估动力箱的选用动力箱主要依据多轴所需的电动机功率来选用，在多轴箱没有设计之前，

可算

＝

／η

＝4×0.164／0.8

＝0.82KW

式中：

η——多轴箱传动效率，加工黑色金属时η＝0.8～0.9；有色金属时η＝0.7～0.8，本系统加工HT200，取η＝0.8．

动力箱的电动机功率应大于计算功率，并结合主轴要求的转速大小选择。

因此，选用电动机型号为Y100L—6B5的1TD25IA型动力箱，电动机功率1.5KW，驱动轴转速为520r/min,动力箱输出轴至箱底面高度为125mm。

（3）Y轴液压滑台的选用

工件质量计算V=420×240×10＋（2×160＋2×340）×10×30

=1.308×10-3m3

m=ρv=7.0×103×1.308×10-3

=9.156kg

磨擦系数：

f=0.07～0.12取f=0.1

F=f·N=0.1mg=0.1×9.156×10=9.156N

由于工作台和夹具还未设计，初选滑台时进给力大于9.156N，由于工件长×宽为420×240mm,选择液压滑台HY32IA型．

2、配套支承部件的选用

立柱1CL25型，立柱底座1CD25

3、确定装料高度

装料高度指工件安装基面至机床底面的垂直距离，在现阶段设计组合机床时，装料高度可视具体情况在H＝580～1060mm之间选取，本系统取装料高度为976mm。

4、中间底座轮廓尺寸

中间底座的轮廓尺寸要满足Y轴滑台在其上面联接安装的需要，又考虑到与立柱底座相连接。

因此，中间底座采用侧底座1CC32。

5、确定多轴箱轮廓尺寸

本机床配置的多轴箱总厚度为301mm，宽度和高度按标准尺寸中选取。

计算时，多轴箱的宽度B和高度H可按下式确定：

B=b+2b1=190+2×100=390mm

H=h+h1+b1=100+100+100=300mm

式中：

b——工件在宽度方向相距最远的两孔的距离

b1——最边缘主轴中心距箱外壁的距离，一般取b1

70～100mm

h——工件在高度方向相距最远的两孔距离

h1——最低主轴高度h1>85～140mm。

取h1=100mm

根据上述计算值，按主轴箱轮廓尺寸系列标准，最后确定主轴箱轮廓尺寸B×H=400×320mm。

2.3.4生产率计算

生产率计算卡是反映所设计机床的工作循环过程、动作时间、切削用量、生产率、负荷率等技术文件，通过生产率计算卡，可以分析拟定的方案是否满足用户对生产率及负荷率的要求。

计算如下：

切削时间：

T切=L/vf+t停

=2×26/47.8＋2×15/478

=1.151min

式中：

T切——机加工时间（min）

L——工进行程长度（mm）

vf——刀具进给量（mm/min）

t停——死挡铁停留时间。

一般为在动力部件进给停止状态下，刀具旋转5～15r所需要时间。

这里取15r

辅助时间T辅=

+t移+t装

=（150＋176）×2/12000+0.1+1.5

=1.654min

式中：

L3、L4——分别为动力部件快进、快退长度（mm）

vfk——快速移动速度（mm/min）

t移——工作台移动时间（min）,一般为0.05～0.13min,取0.1min

t装——装卸工件时间（min）一般为0.5～1.5min,取1.5min

机床生产率Q1=60/T单

=60/（T切+T辅）

=60/（1.151+1.654）

=21.39件/h

机床负荷率按下式计算η=Q1/Q×100%

=Q1tk/A×100%

=21.39×1950/60000×100%

=70%

式中：

Q——机床的理想生产率（件/h）

A——年生产纲领（件）

tk——年工作时间，单班制工作时间tk=1950h

2.4多轴箱的设计

2.4.1绘制多轴箱设计原始依据图

多轴箱设计原始依据图是根据“三图一卡”绘制的如图2－7所示

图中多轴箱的两定位销孔中心连线为横坐标，工件加工孔对称，选择箱体中垂线为纵坐标，在建立的坐标系中标注轮廓尺寸及动力箱驱动轴的相对位置尺寸。

主轴部为逆时针旋转（面对主轴看）。

主轴的工序内容，切削用量及主轴尺寸及动力部件的型号和性能参数如表2－6所示

表2－6主轴外尺寸及切削用量

轴号

主轴外伸尺寸

工序

内容

切削用量

D/d

（r/min）

（m/min）

（mm/r）

（mm/min）

1、2、3、4

32/20

115

钻Φ9

478

0.1

47.8

2.4.2主轴、齿轮模数的选择

本组合机床主要用于钻孔，因此采用滚珠轴承主轴。

齿轮模数m可按下式估算：

m=（30～32）

=32×

=1.76

式中：

m——估算齿轮模数

P——齿轮所传递率（kw）

Z——对啮合齿中的小齿轮数

N——小齿轮的转速（r/min）

多轴箱输入齿轮模数取m1=3，其余齿轮模数取m2=2

2.4.3多轴箱的传动设计

（1）拟定传动路线将主轴1、4作为一组，看成直线分布，在两主轴中心连线的垂直平分线上布置中心传动轴5,同样把主轴2、3作为一组,由转动轴6带动。

油泵轴7用中心传动轴5驱动。

然后，将传动轴6、7与驱动轴O连接起来，形成多轴箱的传动系统如图2－10所示。

（2）画出驱动轴、主轴坐标位置。

如下表：

表2—7驱动轴、主轴坐标值

坐标

销O1

驱动轴O

主轴1

主轴2

主轴3

主轴4

－175

－95

94.5

180

（3）确定传动轴位置及齿轮齿数

1）最小齿数的确定

为保证齿轮齿根强度，应使齿根到孔壁或键槽的厚度a

2m,驱动轴的直径为d=30mm,有《机械零件设计手册》知，齿轮t=33.3mm,当m1=3时。

驱动轴上最小齿轮齿数为：

2（t/m1+2+1.25）－d0/m1

=2×（33.3/3+2+1.25）－30/3

=18.9

所以驱动轴齿数要大于等于19。

为减小传动轴的种类，所有传动轴的直径取30mm.

当m2=2，d=20时，齿轮t=23.3mm。

主轴上最小齿轮齿数为：

2（t/m2+2+1.25）－d0/m2

=2×（23.3/2+2+1.25）－20/2

=19.8

所以主轴齿数要大于等于20。

2）确定传动轴5、6与主轴1、4；2、3间的齿轮副齿数

在设计齿轮传动装置时，常采用的传动比分配原则有：

等效传动惯量最小原则、质量最小原则和输出轴转角误差最小原则三种。

对于钻床要求运转平稳、启动频繁和动态性能好的降速传动链，可按等效传动惯量最小原则设计。

由于主轴1、4；2、3关于Y轴对称，传动轴在主轴1、4的连线的中垂线上，取传动轴5的坐标为（－65，130），则驱动轴与传动轴5的轴心距为A0-5=A0-6=

=74.062mm,传动轴5与主轴1、2的轴心距为A5-1=A5-2=

=58.31mm，A6-2=A6-3=A5-1。

总传动比：

i总=520/478=1.088

根据等效传动惯量最小原则

则：

A0-5=m1/2×（Z0+Z5）

Z5/Z0=1.19

解得：

Z0=23

Z5=27

又因为Z从=2A/m2-Z主，m2=2，所以传动轴5

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