组合机床动力箱及其夹具设计.doc

1、洛阳理工学院毕业设计（论文）1前 言组合机床是以通用部件为基础，配以按工件特定形状和加工工艺设计的专用部件和夹具，组成的半自动或自动专用机床。组合机床一般采用多轴、多刀、多序、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。组合机床在汽车、摩托车和压缩机等制造部门有广阔的发展前景。夹具是组合机床的重要级成部件是保证加工精度的关键部件，其设计工作是整个组合机床设计的重要部分之一。编者2012 年 4 月洛阳理工学院

2、毕业设计（论文）2第 1 章 组合机床总体设计1.1 组合机床的概述组合机床（transfer and unit machine）是以系列化和标准化的通用部件为基础，配以少量专用部件对一种或多种工件按预先确定的工序进行切削加工的机床。兼有万能机床和专用机床的优点。通用零部件通常占整个机床零部件的7090，只需要根据被加工零件的形状及工艺改变极少量的专用部件就可以部分或全部进行改装，从而组成适应新的加工要求的设备。由于在组合机床上可以同时从几上方向采用多把刀具对一个或数个工件进行加工，所以可减少物料的搬运和占地面积，实现工序集中，改善劳动条件，提高生产效率和降低成本。将多台组合机床联在一起，就成

3、为自动生产线。组合机床广泛应用于需大批量生产的零部件，如汽车等行业中的箱体等。另外在中小批量生产中也可应用成组技术将结构和工艺相似的零件归并在一起，以便集中在组合机床上进行加工。组合机床一般可完成的工艺范围有：铣平面、刮平面、车端面、车锥面、钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、倒角、切槽、以及加工螺纹、滚压、拉削、磨削、抛光工序。组合机床一般采用多轴、多刀、多序、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

4、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。组合机床的通用部件按功能分为动力部件、支承部件、输送部件、控制部件和辅助部件 5 类。动力部件为机床提供主运动和进给运动，主要有动力箱（将电动机的旋转运动传递给主轴箱） 、切削头（装在各个主轴上，用于各单一工序的加工） 、动力滑台（用于安装动力箱或切削头，以实现进给运动） ；支承部件用以安装动力

5、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；输运部件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；控制部件用以控制机床的自动工作循环的部件，有液压站、电气柜和洛阳理工学院毕业设计（论文）3操纵台等；辅助部件包括润滑、冷却和排屑装置等。根据配置型式，组合机床可分为单工位和多工位两大类。其中单工位组合机床按被加工面的数量又有单面、双面、三面和四面 4 种，通常只能对各个加工部位同时进行一次加工；多工位组合机床则有回转工作台式、往复工作台式、中长立柱式和回转鼓轮式 4 种，能对加工部位进

6、行多次加工。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。1.2 组合机床的技术发展趋势最早的组合机床于 1911 年在美国制成，用于加工汽车零件。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。1973 年，国际标准化组织（ISO）公布了第一批组合机床通用部件标准。1975 年，中国第一机械工业部颁布了中国的第一批组合机床通用部件标准。组合机床现代发展的方向主要有以下几个特点：a、组合机床品种的发展重点。在组合机床这类专用机床中，回转式多工位组合机床和自动线占有很重要的地位。因为这两类机床可以把工件的许多加工工

7、序分配到多个加工工位上，并同时能从多个方向对工件的几个面进行加工，此外，还可以通过转位夹具(在回转工作台机床上)或通过转位、翻转装置(在自动线上)实现工件的五面加工或全部加工，因而具有很高的自动化程度和生产效率，被汽车、摩托车和压缩机等工业部门所采用。b、自动线节拍时间进一步缩短。目前，以大批量生产为特征的轿车和轻型载货车，其发动机的年产量通常为 60 万台左右，实现这样大的批量生产，回转式多工位组合机床和自动线在三班运行的情况下，其节拍时间一般为 2030 秒，当零件生产批量更大时，机床的节拍时间还要更短些。自动线的短节拍，主要是通过缩短基本时间和辅助时间来实现的。缩短基本时间的主要途径是采

8、用新的刀具材料和新颖刀具，以通过提高切削速度和进给速度来缩短基本时间。缩短辅助时间主要是缩短包括工件输送、加工模块快速引进以及加工模块由快进转换为工进后至刀具切入工件所花的时间。为缩短这部分空行程时间，普遍采用提高工件(工件直接输送)或随行夹具的输送速度和加工模块的快速移动速度。目前，随行夹具的输送速度可达 60m/min 或更高些，加工模块快速移动速度达 40m/min。c、组合机床柔性化进展迅速。十多年来，作为组合机床重要用户的汽车工业，为迎合人们个性化需求，汽车变型品种日益增多，以多品种展开竞争已成为汽车市场竞争的特点之一，这使组合机床制造业面临着变型多品种生产的挑战。为适应多品种生产，

9、传统以加工单一品种的刚性组合机床和自动线必须提高其柔性。组合机床的柔性化主要是通过采用数控技术来实现的。开发柔性组合机床和洛阳理工学院毕业设计（论文）4柔性自动线的重要前提是开发数控加工模块，而有着较长发展历史的加工中心技术为开发数控加工模块提供了成熟的经验。由数控加工模块组成的柔性组合机床和柔性自动线，可通过应用和改变数控程序来实现自动换刀、自动更换多轴箱和改变加工行程、工作循环、切削参数以及加工位置等，以适应变型品种的加工。组合机床自动线柔性化的迅速发展和节拍时间的日益缩短，充分显示了 CNC技术和刀具技术给组合机床自动线带来的巨大技术进步，使柔性自动线在多品种、大批量生产中成为重要的技术

10、装备。但在这里必须指出，在组合机床和自动线实现柔性化发展的同时，加工中心高速化发展异常迅速。加工中心与组合机床的竞争日趋激烈。d、加工精度日益提高。特别自 80 年代中期以来，汽车制造业为增强其汽车的竞争力，不断地加严其发动机的关键件的制造公差，并通过计算机辅助测量和分析方法，以及通过设备能力检验来提高其产品的质量。这无疑是对组合机床和自动线提出了更高的要求。组合机床制造厂为了满足用户对工件加工精度的高要求，除了进一步提高主轴部件、镗杆、夹具(包括镗模)的精度，采用新的专用刀具，优化切削工艺过程，采用刀具尺寸测量控制系统和控制机床及工件的热变形等一系列措施外，目前，空心工具锥柄(HSK)和过程

11、统计质量控制(SPC)的应用已成为自动线提高和监控加工精度的新的重要技术手段。e、综合自动化程度日益提高。近十年来，为进一步提高工件的加工精度和减少工件在生产过程中的中间储存、搬运以及缩短生产流程时间，将工件加工流程中的一些非切削加工工序(如工序间的清洗、测量、装配和试漏等)集成到自动线或自动线组成的生产系统中，以实现工件加工、表面处理、测量和装配等工序的综合自动化。f、其它技术的应用动向。在工业发达国家的组合机床行业中，下列技术得到了较为广泛的应用。组合机床设计普及 CAD 技术在国外许多公司中，组合机床设计已普遍采用 CAD 工作站，在设计室几乎很难见到传统的绘图板。CAD 除应用于绘图工

12、作外，并在构件的刚度分析(有限元方法)、组合机床及自动线设计方案比较和选择，以及方案报价等方面均已得到广泛应用，从而显著地提高了设计质量和缩短了设计周期。加之国外许多公司在组合机床和自动线组成模块方面的系列化和通用化程度很高(一般达 90%以上)，使组合机床和自动线的交货期进一步缩短。1.3 拖拉机变速箱体毛坯及工艺特点由拖拉机变速箱体装配图可知，变速箱体内装有输入轴、输出轴以及其它传洛阳理工学院毕业设计（论文）5动轴和齿轮等。通过改变安装在这些轴上的滑移齿轮和固定齿轮的传动比，来改变拖拉机的行进速度。从而可知，变速箱体的主要功用就是支承各传动轴，保证各轴之间的中心距及平行度，并且保证拖拉机变

13、速箱体部件与其相连接的其它部件的正确安装。变速箱的零件图所示，从结构工艺特点来看，它是一个薄壁壳体腔形零件，形状复杂，铸造困难，刚度差，易变形，加工精度要求较高。它的外表面有多个联接平面需要加工，支承孔系分布在前、后端面上，为了更好的满足加工要求，特别加工出了四个定位平面为辅助基准，除支承孔外，在各联接面上还有一系列螺纹孔。1.4 拖拉机变速箱体的主要技术要求轴承孔的尺寸精度及几何形状精度 它是用来安装轴承的，其尺寸误差和几何形状误差造成轴承与孔的配合不良，使轴承滚道变形，回转精度下降和轴承工作温度升高。其孔径公差等级为 IT7，形状公差未作特殊规定，其数值应在孔径公差范围内。轴承孔孔距公差

14、它由齿轮传动中心距偏差标准规定。它影响齿轮副的侧隙，过大时造成传动时非工作面的撞击，过小时不能保证齿轮正常润滑甚至收起传动卡死。拖拉机变速箱体孔中心距公差为 0.12mm 约为 IT9 级。轴承孔中心线间的平行度公差 它与齿轮的传动精度及齿宽等因素有关。其误差大小影响齿的载荷分布均匀，导致传动冲击、噪音及齿轮寿命下降等不良影响。该变速箱体轴承孔中心线间平行度公差未单独列出。应在孔距公差范围之内，其公差等级约为 10-11 级。端面对轴承孔的垂直度公差 变速箱体后端面与后桥壳体相联接，它们之间有一对中央齿轮传动副传动，后端面是安装基面，所以它与160-120 轴承孔有垂直度要求，否则造成中央传动

15、齿轮啮合不良，承负荷增加，磨损加剧，工作温度升高等不良影响，其垂直度公差为 100：0.05mm 其公差等级约为 7-8 级。轴承孔的同轴度公差 为保证箱体内各齿轮的啮合精度和载荷分布的均匀性，对变速箱四对轴承孔规定了同轴度公差，其公差为0.015mm。装配基面的平面度公差 为保证装配基面间的贴合度和相关表面间的位置精度，规定了后端面的平面度公差为 0.1mm，公差等级约为 9 级。各主要加工表面的粗糙度 主要轴承孔表面的粗糙度为 Ra3.2um,上平面和前、后平面粗糙度为 Ra6.3 。m各螺纹孔的位置度 一般作联接用的螺纹孔的位置度公差为 0.2mm 时即可保证联接精度的要求。洛阳理工学院

16、毕业设计（论文）61.5 变速箱体的材料和毛坯由于灰铸铁具有良好的铸造性和切削性以及较好的耐磨性和减振性，同时价格低廉，因此箱体的毛坯通常采用铸铁件，本东方红75 拖拉机箱体材料选用HT150。东方红75 变速箱体毛坯如附图所示。图中表示了分型面的分芯面的位置。前后平面拔模斜度为 020。上平面余量为 5mm，前、后平面余量3.23.6mm，最大余量为 4.5mm，除80mm 轴承孔直径余量为 10mm 外，全部轴承孔的直径余量为 9mm。定位凸台和检查窗口的余量为 34mm，溅油齿轮孔及拔叉轴孔直径在 30mm 以下均不铸出。未注明的圆角半径为 35mm，未注明的拔模斜度为 1130。分型面

17、错移允许至 1mm，铸件壁厚公差为 2mm。铸件非加工表面上允许有单个孔眼深至 2mm，最大尺寸至 5mm，总数不超过 10 个。所有肋条上孔眼深不超过 3mm。铸件加工表面上允许有深达加工余量三分之二范围以内的铸造缺陷。超出上述范围的铸造缺陷可根据铸铁件焊补工艺规程进行焊补。铸件表面涂以醇酸底漆。1.6 组合机床的总体设计组合机床的总体设计，就是针对具体的被加工零件，在先定的工艺和结构方案的基础上，进行方案设计、图纸绘制。这些图纸包括被加工零件工序图、加工示意图、机床尺寸联系图和产率计算卡。1.6.1 被加工零件工序图被加工零件工序图是根据选定的工艺方案，在一台机床上或一条自动线上完成的工艺

18、内容。加工部分的尺寸及精度、技术要求。加工用定位基准，夹具部位及被加工零件的材料、硬度和在本机床加工前毛坯情况的图纸。它是在原有的工件图的基础上，以突出机床或自动线的加工内容，加上必要的说明绘制的。它是机床设计的主要依据，也是制造和使用时调整机床，检查精度的重要条件。被加工零件工序图包括如下内容：1) 在图上应表示出被加工零件的形状，尤其是要设置中间导向时，应表示出内部箱的位置和尺寸，以检查工件进夹具是否相碰，以及也具通过时的可能性。2) 在图上应表示出加工基面和夹压的方向及位置以便以此进行夹具的支承洛阳理工学院毕业设计（论文）7和夹压系统的设计；3) 在图上应该表示被加工零件表面尺寸，精度，

19、光洁度，位置尺寸及精度和技术条件（包括对上道工序的要求及本床的保证部分）4) 为了使被加工零件工序图清晰明了，能突出机床的加工内容，绘制时，对本机床加工部位使用粗实线表示，定位基面用符号V,表示,夹压位置用符号表示。通过调查，我们得知铣削东方红75 拖拉机的工序为以下：a、铣四个定位平面（图 1-1） 加 工 面图 1-1 铣四个定位平面的工序简图b、铣前后平面c、铣上平面d、粗镗孔并钻孔e、粗镗孔f、在三个平面上钻孔g、倒角h、铰孔及锪沉孔i、三面攻螺纹j、钻孔及攻螺纹k、钻孔攻螺纹锪球面l、锪内平面m、去毛刺、刻线打号洛阳理工学院毕业设计（论文）8n、检验o、清洗吹净我以下将要对第一道工序

20、铣四个定位平面中的组合机床及其夹具进行设计。1.6.2 加工示意图零件加工的工艺方案通过加工示意图 1-2 反映出来，加工示意图是组合机床设计的重要图纸之一，在机床总体设计中占重要地位，它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其夹具、刀具等机床各个部件的相对位置关系，机床的工作行程等，它也是设计夹具，主轴箱及选择刀具动力部件的主要依据，同时也是调整机床刀具的依据。其内容为：a反映机床的加工方法，加工条件及加工过程。b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） ，c决定主轴的结构类型，规格尺寸及外伸长度。d选择标准或设计专用的接杆，浮动卡头，导向

21、装置。e决定机床动力部件的工作行程及工作循环。 工 作 台 进 给 方 向快 进 370工 进 快 进 50工 进快 退 4图 1-2 机床加工示意图洛阳理工学院毕业设计（论文）91.7 机床联系尺寸图的绘制机床联系尺寸是决定各部件的轮廓尺寸及相互间联系关系的，是开展各专用部件设计和确定机床最大占地面积的指导图纸。以检查各部件相对位置及尺寸联系是否满足加工要求，通用部件的选择是否合理，并进一步开展主轴箱，夹具等专用部件，零件的设计提供依据。组合机床是由一些通用部件和专用部件组成的。为了使设计的组合机床既能够满足预期的性能要求，又能做到配置上匀称合理，符合多快好省的精神，必须对所设计的组合机床各

22、个部件之间的关系进行全面的分析研究。这是通过绘制机床联系尺寸图来达到的。机床联系尺寸图是在被加工零件工序图与加工示意图绘制之后，根据初步选定的主要的通用部件（动力部件及配套的滑座，床身或立柱等） ，以及确定的专用部件的结构原理而绘制的。绘制机床联系尺寸图应考虑的主要问题1.7.1 机床装料高度的确定在确定机床装料高度时，要考虑车间运送工件的滚道的高度，工件最底孔的位置主轴箱最底主轴高度和通用部件高度的尺寸的限制。根据我国具体情况，为便于操作和省力，对于本卧式双面组合铣床，装料高度为 850 毫米。1.7.2 夹具轮廓尺寸的确定夹具是用来定位和加紧工件的，所以工件的轮廓尺寸和性质是确定夹具轮廓尺

23、寸的依据在加工示意图中对工件和铣刀都有了规定。在掌握了工件宽度，工件和夹具距离和夹具本体厚度后，即可确定夹具底座的总长尺寸。夹具底座的高度应视夹具的大小而定，即要保证有足够的刚性，又要考虑工件装料高度。为了便于布置定位元件，一般夹具底座高度不小于 240 毫米。中间底座轮廓尺寸的确定。中间底座的轮廓尺寸要满足夹具在其上安装连接的需要。其长度方向尺寸要根据所选动力部件（滑台和滑座）及其配套部件（侧底座）的位置关系，照顾各个部件联系尺寸的合理性来确定。非常重要的是，一定要保证在加工终了位置时，工件端面至主轴箱端面的距离不少于加工示意图上要求的距离。同时，要考虑动力部件处于加工终了位置时，主轴箱与夹

24、具外轮廓间应有便于机床维修的距离。以及便于切屑及冷却液回收，中间底座周边须有足够宽度的沟漕。尺寸 a 要足够。通常，当机床不采用冷却液时，a 尺寸最小可取洛阳理工学院毕业设计（论文）10为 1015 毫米，当机床采用冷却液时，要考虑中间底座周边应有一定宽度的回收泠却液及排屑沟槽，a 尺寸一般不少余 70100 毫米。对于一些结构复杂的组合机床，为调整，维修和对刀方便，a 尺寸还须根据具体情况加大。中间底座轮廓尺寸的长度方向尺寸可按下式确定： L=(L +L +2L +L )2（l + l +l ）左1右 3123式中：L 加工终了位置，主轴箱端面至工件端面)的距离，L 主轴箱厚度，2L 工件沿

25、机床长度方向的尺寸，3l 机床长度方向上，主轴箱动力滑台的重合长度，1l 加工终了位置，滑台前端面至滑座前端面前的距离，2l 滑座前端面至册底座前端面的距离，3如果计算出的中间底座长度 L 值不能满足 A 和 a 尺寸的要求，可采取改变加工终了位置时主轴端面到工件端面的距离 L1 尺寸进行调节，此时须同时修改加工示意图，以达到 L 和 a 尺寸加大，或者减少 l 尺寸，但必须保证滑台有足够的2前备量 1520 毫米。1.7.3 动力滑台的选用滑台在滑座导轨上移动，实现机床的进给运动。滑台上可以安装各种功用的单轴工艺头或安装动力箱和主轴箱。滑台的主要参数规定为台面宽度尺寸。组合机床各种通用部件的品种，规格及其配套关系也滑台宽度尺寸为标准，其理由是：1) 滑台上安装工艺切削头的能力，在安装主轴箱时，可以反映出被加工零件加工位置的分布面积等。2) 面宽是一个主要结合尺寸，结合面尺寸的标准化能使组合机床外型协调。3) 宽作为通用部件配套标准，使机床受力合理，提高机床的刚度。对于本机床工作行程长度=快速快退回=快速引进+工作进给740=740=370+80+50+240所确定的动力部件总行程应小于所选滑台的最大行程动力部件用以实现切削刀具的旋转和进给运动（动力头）或只用于进给运动（动力滑台） （图 1-3）是组合机床最主要的通用部件。设计一台机床，选用何种动力部件，应当根据具体的