1、柴油机齿轮室盖钻镗专机总体及主轴箱设计摘 要：本课题设计一台加工柴油机齿轮室盖的钻镗组合机床，主要完成机床总体和右主轴箱的设计工作。根据柴油机齿轮室盖的结构特点、加工部位、尺寸精度、表面粗糙度及生产率等要求，确定该机床为单工位卧式组合机床；为确保加工精度，采用“一面两销”的定位方案；为实现无级调速，安全可靠，选择液压滑台；根据零件的大小及被加工孔的位置确定主轴箱的轮廓尺寸；由加工工艺选择滚珠轴承主轴，通过计算扭矩确定主轴和传动轴的直径；齿轮的模数是通过类比法确定； 齿轮齿数和中间传动轴的位置是由“计算、作图和多次试凑”相结合的办法确定；计算主轴、传动轴的坐标并进行中心距验算，确定部分轴上需采用
2、变位齿轮；轴上的齿轮套、键等零件按轴号选取相应的标准件。本课题设计的组合机床采用“一面两销”定位、液动夹紧，一次装夹加工柴油机齿轮室盖三个面上的孔，保证了加工精度，提高了生产效率，减少了工人的劳动强度。而且在设计之中，尽量选用通用件，减少了制造成本，增加了经济效益。关键词：组合机床 主轴箱 主轴 传动轴 齿轮室盖1The overall and headstock design of drilling and boring modular machine for diesel engine geal chamber manufactureAbstract: This project is to
3、 design a modular machine tool for manufacturing the gear chamber cap of diesel engine. Mainly work is the design of overall and the right headstock. According to the request of construction features, processing spot, size precision, surface roughness and productivity that diesel engine gear chamber
4、 cap, sets the machine tool for single location horizontal type modular machine tool. In order to guarantee the processing precision, the localization plan use “two sells and a surface“. In order to implement the stepless speed regulation, safe is reliable, therefore choice hydraulic pressure slidin
5、g table. According the size of components and the position of the hole that is processed to set the overall size of the headstock. Choicing ball bearing spindle by processing craft. The spindle and drive shaft diameter is decided through computation torque. The gear modulus is decided through the co
6、rrelation method. The gear mentions and the position of intermediate propeller shaft is decided by the means “ computation, mapping and tries to collect many times“. Calculates the coordinates of the spindle and drive shaft and checking the center distance, determined department spindle must use dis
7、lodges the gear. The components of tooth wheel cover, key and so on that in axis select standard letter by the corresponding number. The modular machine tool of this project design use “two sells and one surface” to locate , hydraulic press and clamps. In the situation of one clamp, the holes three
8、surface of the diesel engine gear chamber cap, are guaranteed the processing precision, is enhanced the production efficiency, is increased workers labor intensity. Moreover during the design, the standard parts are selected as far as possible, reduced the production cost and increased the economic
9、efficiency.柴油机齿轮室盖钻镗专机总体及主轴箱设计2Key words: modular machine tool headstock spindle drive shaft gear chamber cap1 前言组合机床是根据工件加工需要，以大量通用部件为基础，配以少量专用部件组成的一种高效率专用机床。目前，组合机床主要用于平面加工和孔加工两类工序。平面加工包括铣平面、锪（刮）平面、车平面；孔加工包括钻、扩、铰、镗孔以及倒角、切槽、攻螺纹、锪沉孔滚压孔等。随着综合自动化的发展，其工艺范围正扩大到车外圆、行星铣削、拉削、推削、磨削、珩磨及抛光、冲压等工序。此外，还可以完成焊接、热处
10、理、自动装配和检测、清洗和零件分类及打印等非切削工作。 组合机床在汽车、拖拉机、柴油机、电机、仪器仪表、军工及缝纫机、自行车等轻工行业大批大量生产中已经获得广泛的应用；一些中小批量生产是企业，如机床、机车、工程制造业中也已推广应用。组合机床最适宜于加工各种大中型箱体类零件，如汽缸盖、汽缸体、变速箱体、电机座及仪表壳等零件；也可用来完成轴套类、轮盘类、叉架类和盖板类零件的部分或全部工序的加工。组合机床的设计，目前基本上有两种情况：其一，是根据具体加工对象的具体情况进行专门设计，这是当前最普遍的做法。其二，随着组合机床在我国机械行业的广泛使用，广大工人总结自己生产和使用组合机床的经验，发现组合机床
11、不仅在其组成部件方面有共性，可设计成通用部件，而且一些行业在完成一定工艺范围内组合机床是极其相似的，有可能设计为通用机床，这种机床称为“专能组合机床” 。这种组合机床就不需要每次按具体加工对象进行专门设计和生产，而是可以设计成通用品种，组织成批生产，然后按被加工的零件的具体需要，配以简单的夹具及刀具，即可组成加工一定对象的高效率设备。本次毕业设计课题来源于生产实际，具体的课题是柴油机齿轮室盖钻镗专机总体及主轴箱设计。在设计前认真研究被加工零件的图样，研究其尺寸、形状、材料、硬度、重量、加工部位的结构及加工精度和表面粗糙度要求等内容，为设计提供大量的数据、资料，作好充分的、全面的技术准备。在准备
12、了充足的资料之后进行总体及零部件的设计工作，总体的设计的主要工作是完成“三图一卡” ，即绘制机床的总体尺寸联系图、加工示意图、零件的工序图及编制生产率计算卡；主轴箱设计的方法是：绘制主轴箱设计的原始依据图；确定主轴3的结构、轴颈及齿轮模数；拟订传动系统；计算主轴、传动轴坐标，绘制坐标检查图；绘制多轴箱总图，零件图及编制组件明细表。在此次的设计中采用“一面两销”定位，液压夹紧，提高了生产效率，降低了劳动强度，同时在设计中采用了大量的通用零部件，降低了产品的成本。在设计过程中，得到了刘道标老师的大力指导和同课题组同学的热情帮助，在此谨致谢意。限于本人水平和经验，本设计中一定有错误和不妥之处，敬请批
13、评指正。2 组合机床总体设计组合机床总体设计，通常是根据与用户签定的合同和技术协议书,针对具体加工零件，拟订工艺和结构方案，并进行方案图样和有关技术文件的设计。21 组合机床工艺方案的制定工艺方案的拟订是组合机床设计的关键一步。因为工艺方案在很大程度上决定了组合机床的结构配置和使用性能。因此，应根据工件的加工要求和特点，按一定的原则、结合组合机床常用的工艺方法、充分考虑各种因素，并经技术经济分析后拟订出先进、合理、经济、可靠的工艺方案。此次设计的组合机床是用于加工柴油机齿轮室盖的钻镗专用组合机床，其工艺方案为钻孔和镗孔，其具体的加工工艺如下:a. 钻 6M66H 孔至 5， 左侧面；b. 钻
14、69 孔（深 38） ， 右侧面；c. 钻 39 孔（深 78） ， 右侧面；d. 镗 45H8 孔至 43.5， 后侧面；e. 倒孔口角至 46.6， 后侧面；正确选择组合机床加工工件采用的基准定位，是确保加工精度的重要条件。本设计的柴油机齿轮室盖是箱体类零件，箱体类零件一般都有较高精度的孔和面需要加工，又常常要在几次安装下进行。因此，定位基准选择“一面双孔”是最常用的方法， 因此该被加工零件采用 “一面两销”的定位方案，定位基准和夹压点见零件的工序图。该定位方案限制的自由度叙述如下：以工件的右侧面为定位基准面，约束了 y、z 向的转动和 x 向的移动 3 个自由度。短定位销约束了 y、z
15、向的移动 2 个自由度。长定位销约束了 x 向的转动 1 个自由度。这样工件的 6 个自由度被完全约束了也就得到了完全的定位。22 组合机床配置型式及结构方案的确定根据选定的工艺方案确定机床的配置型式，并定出影响机床总体布局和技柴油机齿轮室盖钻镗专机总体及主轴箱设计4术性能的主要部件的结构方案。既要考虑能实现工艺方案，以确保零件的精度、技术要求及生产率，又要考虑机床操作方便可靠，易于维修，且润滑、冷却、排屑情况良好。对同一个零件的加工，可能会有各种不同的工艺方案和机床配置方案，在最后决定采取哪种方案时，绝不能草率，要全面地看问题，综合分析各方面的情况，进行多种方案的对比，从中选择最佳方案。各种
16、形式的单工位组合机床，具有固定式夹具，通常可安装一个工件，特别适用于大、中型箱体类零件的加工。根据配置动力部件的型式和数量，这种机床可分为单面、多面复合式。利用多轴想同时从几个方面对工件进行加工。但其机动时间不能与辅助时间重合，因而生产率比多工位机床低。在认真分析了被加工零件的结构特点及所选择的加工工艺方案，又由单工位组合机床的特点及适应性，确定设计的组合机床的配置型式为单工位卧式组合机床。23 各侧具体零部件的设计、计算及选择2.3.1 刀具的选择考虑到工件加工尺寸精度，表面粗糙度，切削的排除及生产率要求等因素，所以加工 15 个孔的刀具均采用标准锥柄长麻花钻和单导向悬臂镗刀。2.3.2 右
17、侧面钻 9-9a. 切削用量的选择右侧是钻削 6-9（深 38）及 3-9（深 78） 根据孔径的大小和深径比，以及被加工材料的硬度查参考文献9表 2.17知：主轴的进给量 f 为 0.10.18mm/r，切削速度 vc=1018m/min。钻孔的切削用量还与钻孔的深度有关，当加工铸铁件孔深为钻头直径的68 倍时，在组合机床上通常都是和其他浅孔一样采取一次走刀的办法加工出来的，不过加工这种较深孔的切削用量要适当降低些，因此选择切削速度vc=13m/min 进给量 f=0.13mm/r，由此主轴转速 n 由公式(2-1)01dvn计算出 r/min，将主轴转速圆整为 470 r/min。4.69
18、14.30n实际切削速度 vc、工进速度 vf、工进时间 tf 分别由下列公式求得(2-2) 10Dnc(2-3) f(2-4) ffvht计算出实际切削速度 vc=13.282m/min，工进速度 vf=61.1mm/min，工进时间 tf=1.26min5b. 切削功率，切削力，转矩以及刀具耐用度的选择由参考文献9表 6-20 计算公式切削力 (2-5)6.08.2HBDfF切削转矩 (2-6).9.1T切削功率 (2-7)VP740刀具耐用度 (2-8)8.035.02. )/96(HBvfDn计算出切削力 F=1144.5N，切削转矩 T=3.18Nm，切削功率 P=0.153kw，刀
19、具耐用度 Tn=768.799minc. 动力部件的选择由上述计算每根轴的输出功率 P=0.153kw，右侧共 9 根输出轴，且每一根轴都钻 9 直径，所以总切削功率 P 切削 =0.1539=1.377kw。则多轴箱的功率：kw，其中 =0.8，所以 kw。72.18.03切 削多 轴 P 72.1多 轴因电机输出经动力箱时还有功率损耗，所以选择功率为 2.2kw 的电机，其型号为：Y 100L1-4,由参考文献9表 5-39 选取 1TD32-I 型动力箱，动力箱的主轴转速 715r/min 。d. 确定主轴类型，尺寸，外伸长度滚珠轴承主轴：前支承为推力球轴承和向心球轴承，后支承为向心球轴
20、承或圆锥滚子轴承。因为推力轴承设置在前端，能承受单方向的轴向力，适用于钻孔主轴。在右侧面，主轴用于钻孔，因此选用滚珠轴承主轴。又因为浮动卡头与刀具刚性连接，所以该主轴属于长主轴。所以主轴均为滚珠轴承长主轴。根据主轴转矩 T=3.18 Nm，由参考文献9表 3-4 可知(2-9)410TBd其中 B= 7.3，则计算出 d=17.335mm，选取 d=20mm。 由参考文献9表 3-6 查得主轴直径 d=20mm， D/d 1=30/20 mm, 主轴外伸尺寸 L=115mm,接杆莫氏圆锥号 1，2。e. 导向装置的选择组合机床钻孔时，零件上孔的位置精度主要是靠刀具的导向装置来保证的。导向装置的
21、作用是：保证刀具相对工件的正确位置；保证刀具相互间的正确位置；提高刀具系统的支承刚性。固定式导套：刀具或刀杆本身在导套内既有相对转动又有相对移动，由于这部分表面润滑困难；工作时有粉尘侵入，当刀杆相对导套的线速度超过柴油机齿轮室盖钻镗专机总体及主轴箱设计620m/min 时就会有研着的危险，因此选用导套前计算一下导套与刀具的线速度。由上述内容知导套与刀具的线速度 vc=13.282m/min20m/min,所以该导套选用通用短导套由参考文献9表 8-4 查得导套的具体数值如下：D=15mm，D 1=22mm，D 2=26mm，D 3=M6，L 取 16mm， （短型导套）l=8mm,l1=3mm
22、，l 3=12mm， e=18.5mmf. 连杆的选择在钻、扩、铰孔及倒角等加工小孔时，通常都采用接杆（刚性接杆） 。因为主轴箱各主轴的外伸长度和刀具均为定值，为保证主轴箱上各刀具能同时到达加工终了位置，须采用轴向可调整的接杆来协调各轴的轴向长度，以满足同时加工完成孔的要求。为了获得终了时多轴箱前端面到工件端面之间所需要的最小距离，应尽量减少接杆的长度。因为 9-9 孔的钻削面是同一面且主轴内径是 20mm,由参考文献9表 8-1选取 A 型可调接杆 d=16mm，d 1=Tr161.5 mm， d2=9mm， L=85mm， l4=110135mm。g. 动力部件工作循环及行程的确定切入长度
23、一般为 5-10mm， 取 L1=7mm，切出长度由参考文献9表 3-7 公式 （2-)83(2d10） 通过计算 L2=8mm，加工时加工部位长度 L(多轴加工时按最长孔算)L=78mm.由公式（2-L21工11）求出 L 工 =93mm。为排屑要求必须钻口套与工件之间保留一点的距离，根据麻花钻直径9，由参考文献9表 3-4 得导套口至工件尺寸 l2=(1+1.5d)(参考钻钢) 取l2=10mm，又根据钻套用导套的长度确定钻模架的厚度为 16mm。附带得出底面定位元件的厚度 l4=38mm。快退长度的确定:一般在固定式夹具钻孔或扩孔的机床上动力头快速退回的行程只要把所有的刀具都退回至导套内
24、,不影响工件装卸即可。快退距离 L 快退 =l2+L 工 -L1=10+93-7=96mm快进距离 L 快进 =l2-L1=10-7=3mm因快进距离太短，故将快进距离改为工进，则工进距离 L 工 =93+3=96 mm。选择刀具：根据钻口套至工进行程末端的距离 L 快退 =96mm，及钻口套长度L 套 =8+3+16=27mm,由参考文献5表 3-1 查得选择：矩形柄麻花钻 GB1435-789250mm(切削长度部分 145mm)。7h. 滑台及底座的选择由于液压驱动，零件损失小，使用寿命长，所以选择液压滑台。已知工进Vf=61.1mm/min,单根主轴的切削力 F 单 =1144.5 N
25、，则 9 根轴总的切削力 F 切削=9F 单 =1144.59=10300.5N，又因为 ITD32-型动力箱滑鞍长度 L=630mm，由参考文献9表 5-1 选择 1HY32-型滑台及配套的侧底座选择 ICC321 i. 多轴箱轮廓尺寸的设计确定机床的装料高度，新颁国家标准装料高度为 1060mm，实际设计时常在8501060mm 之间选取，选取装料高度为 950mm。多轴箱的宽度与高度的大小与被加工零件的加工部位有关，可按下列关系式确定：B=b+2b1 （2-12）H=h+h1+b1 （2-13）b-工件在宽度方向相距最远两孔距离，b=340mm。b1-最边缘主轴中心距箱体外壁的距离，推荐
26、 b170100mm，取b1=100。h-工件在高度方向相距最远的两孔距离，h=277mm。h1-最低主轴高度。因为滑台与底座的型号都已经选择，所以侧底座的高度为已知值 650mm，滑台滑座总高 280mm；滑座与侧底座的调整垫厚度一般取 5mm，多轴箱底与滑台滑座台面间的间隙取 0.5mm。故 h1=11+950-(0.5+5+280+560)=115.5mm，通常推荐 h185140mm，所以h1=115.5mm 符合通常推荐值。所以 B=b+2b 1=340+2100=540mm，H=h+h1+b1=277+115.5+100=492.5mm由此数据查参考文献15表 8.22 选取多轴箱
27、尺寸 BH=630mm500mm, 台面宽度为 320mm。2.3.3 左侧面钻 6-5a. 切削用量的选择根据参考文献9查表 6-11 高速钢钻头切削用量，加工材料铸铁，孔径d=16mm，切削速度 1018m/min，进给量 f=0.050.1mm/r。取切削速度vc=16m/min，进给量 f=0.08mm/r，主轴的转速、实际切削速度、工进速度、工进时间分别由公式（2-1） 、 （2-2） 、 （2-3） 、 （2-4）求得转速 r/min， 将其圆整为 1100r/min。1.09514.36n实际切削速度 m/min2.cv柴油机齿轮室盖钻镗专机总体及主轴箱设计8工进速度 mm/mi
28、n810.fv工进时间 其中 h 为 6-5 的深度。min286ftb. 切削功率，切削力，转矩以及刀具耐用度的选择刀具的切削力、切削转矩、切削功率及刀具耐用度分别由公式(2-5)、(2-6)、(2-7)、(2-8)求得切削力 N879.4302108.5266.F切削转矩 Nm51.9.T切削功率 kw.54.370P刀具耐用度 min10894.3)21408.271/96( 2.05. c. 动力部件的选择由上述计算每根轴的输出功率 P=0.0797kw，左侧共 6 根输出轴，且每一根轴都钻 5 直径，所以总切削功率 P 切削 =0.07976=0.598kw。则多轴箱的功率：kw，其
29、中 =0.8， 所598.0.472切 削多 轴以 kw598.0多 轴P因电机输出经动力箱时还有功率损耗，所以选择功率为 1.5kw 的电机，其型号为：Y100L-6，由参考文献9表 5-39 选取 1TD25-IA 型动力箱，动力箱的主轴转速为 520r/min 。d. 确定主轴类型、尺寸、外伸长度根据主轴转矩 T=0.70593 Nm，由公式(2-9)求出满足条件的最小直径mm （B= 7.3）89.17053.13.4d选取 d=15mm， 由参考文献9表 3-6 查得主轴直径=15mm，D/d 1=25/16mm,主轴外伸尺寸 L=85mm,接杆莫氏圆锥号 1。e. 导向装置的选择查
30、参考文献9表 8-4 选用通用短型导套，具体参数的数值：D=10mm, D1=15mm, D2=18mm, D3=M6,L 取 12mm，l=8mm，l 1=3mm，l 3=12mm，e=14.5mm 选用通用导套。f. 连杆的选择为了获得终了时多轴箱前端面到工件端面之间所需要的最小距离，应尽量减少接杆的长度。因为 6-5 孔的钻削面是同一面且主轴内径是 15mm,查参考文献9表 8-1 选取 A 型可调接杆 d=10mm，d 1=Tr101.5mm, d2=6mm, L=62mm, l4=7282mm。9g. 动力部件工作循环及行程的确定切入长度一般为 5-10mm， 取 L1=8mm；因为
31、该 6-5 孔为盲孔，所以刀具没有切出长度，所以切出长度 L2=0mm。加工时加工部位长度 L(多轴加工时按最长孔计算)L=16mm，由公式（2-11）求出 L 工 =24mm为排屑要求必须钻口套与工件之间保留一点的距离，根据麻花钻直径5，由参考文献9表 3-4 知导套口至工件尺寸 l2=(1+1.5d)及综合考虑装卸工件的空间要求取 l2=50mm，又根据钻套用导套的长度确定钻模架的厚度为12mm。快退长度的确定:一般在固定式夹具钻孔或扩孔的机床上动力头快速退回的行程只要把所有的刀具都退回至导套内,不影响工件装卸即可。快退距离 L 快退 =l2+L 工 -L1=50+24-8=66mm 快进
32、距离 L 快进 =l2-L1=50-8=42mm h. 滑台及底座的选择 已知工进 vf=88mm/min, 单根主轴的切削力 F 单 =430.879 N，则 6 根轴总的切削力 F 切削 =6F 单 =6430.879=2585.274N，又因为 1TD25-IA 型动力箱滑鞍长度 L=500mm,由参考文献9表 5-1 选择 1HY25-型滑台及它的侧底座选择ICC251,其相应的数值查表 5-3 可得：台面宽度 250mm，台面长度 500mm，行程400mm， 最大进给力 8000N，工进速度 32800mm/min，快速移动速度12m/min。i. 多轴箱轮廓尺寸的设计多轴箱的宽度
33、与高度的大小与被加工零件的加工部位有关，计算方法同确定右侧钻九孔的主轴箱轮廓的方法一致，取 b1=100mm,工件在高度方向相距最远的两孔距离 h=209mm。装料高度取 950mm，工件最低孔距定位基准面的距离为11mm，因为滑台与底座的型号都已经选择，所以侧底座的高度为已知值：650mm，滑台滑座总高：280mm；滑座与侧底座的调整垫厚度一般取 5mm，多轴箱底与滑台滑座台面间的间隙取 0.5mm。故 h1=11+950-(0.5+5+280+560)=115.5mm，通常推荐 h185140mm，所以h1=115.5mm 符合通常推荐值。所以 B=b+2b 1=264.2+2100=464.2mm，H=h+h1+b1=209+115.5+100=424.5mm。由此数据查参考文献15表 8.22 选取多轴箱尺寸 BH=500mm500mm, 台面宽度为 320mm。2.3.4 后侧镗 45H8 孔至 43.5，倒孔角 46.6a. 切削用量的选择由参考文献9表 6-15 查得用高速纲刀具粗镗铸铁的切削用量：v=20 25m/min，f 转 =0.250.8mm/r,则选取 v=20mm/min, f 转 =0.4mm/min, 由
