柴油機齒輪室上蓋鉆鏜專機總體及主軸箱設計

目 錄 1 前言………………………………………………………………………………1 2 組合機床總體設計………………………………………………………………2 2.1 組合機床工藝方案的制定……………………………………………………2 2.2 組合機床配置型式及結構方案的確定………………………………………2 2.3 各側具體零部件的設計、計算及選擇………………………………………3 2.4 機床生產(chǎn)率計算卡………………………………………………………… 10 3 組合機床多軸箱設計（右主軸箱）………………………………………… 12 3.1 繪制右主軸箱設計原始依據(jù)圖…………………………………………… 12 3.2 主軸、齒輪的確定及動力計算…………………………………………… 13 3.3 主軸箱傳動系統(tǒng)的設計與計算…………………………………………… 13 3.4 多軸箱坐標計算、繪制坐標檢查圖……………………………………… 18 3.5 主軸箱中變位齒輪的計算………………………………………………… 22 3.6 變位齒輪的設計…………………………………………………………… 22 3.7 齒輪強度校核……………………………………………………………… 23 3.8 傳動軸直徑的確定和軸的強度校核……………………………………… 25 3.9 主軸箱體及其附件的選擇設計…………………………………………… 28 4 結論…………………………………………………………………………… 30 參考文獻……………………………………………………………………………31 致謝…………………………………………………………………………………32 附錄…………………………………………………………………………………33 1 前言 組合機床是根據(jù)工件加工需要，以大量通用部件為基礎，配以少量專用部件組成的一種高效率專用機床。目前，組合機床主要用于平面加工和孔加工兩類工序。平面加工包括銑平面、锪（刮）平面、車平面；孔加工包括鉆、擴、鉸、鏜孔以及倒角、切槽、攻螺紋、锪沉孔滾壓孔等。隨著綜合自動化的發(fā)展，其工藝范圍正擴大到車外圓、行星銑削、拉削、推削、磨削、珩磨及拋光、沖壓等工序。此外，還可以完成焊接、熱處理、自動裝配和檢測、清洗和零件分類及打印等非切削工作。 組合機床在汽車、拖拉機、柴油機、電機、儀器儀表、軍工及縫紉機、自行車等輕工行業(yè)大批大量生產(chǎn)中已經(jīng)獲得廣泛的應用；一些中小批量生產(chǎn)是企業(yè)，如機床、機車、工程制造業(yè)中也已推廣應用。組合機床最適宜于加工各種大中型箱體類零件，如汽缸蓋、汽缸體、變速箱體、電機座及儀表殼等零件；也可用來完成軸套類、輪盤類、叉架類和蓋板類零件的部分或全部工序的加工。 組合機床的設計，目前基本上有兩種情況：其一，是根據(jù)具體加工對象的具體情況進行專門設計，這是當前最普遍的做法。其二，隨著組合機床在我國機械行業(yè)的廣泛使用，廣大工人總結自己生產(chǎn)和使用組合機床的經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)組合機床不僅在其組成部件方面有共性，可設計成通用部件，而且一些行業(yè)在完成一定工藝范圍內組合機床是極其相似的，有可能設計為通用機床，這種機床稱為“專能組合機床”。這種組合機床就不需要每次按具體加工對象進行專門設計和生產(chǎn)，而是可以設計成通用品種，組織成批生產(chǎn)，然后按被加工的零件的具體需要，配以簡單的夾具及刀具，即可組成加工一定對象的高效率設備。 本次畢業(yè)設計課題來源于生產(chǎn)實際，具體的課題是柴油機齒輪室蓋鉆鏜專機總體及主軸箱設計。在設計前認真研究被加工零件的圖樣，研究其尺寸、形狀、材料、硬度、重量、加工部位的結構及加工精度和表面粗糙度要求等內容，為設計提供大量的數(shù)據(jù)、資料，作好充分的、全面的技術準備。在準備了充足的資料之后進行總體及零部件的設計工作，總體的設計的主要工作是完成“三圖一卡”，即繪制機床的總體尺寸聯(lián)系圖、加工示意圖、零件的工序圖及編制生產(chǎn)率計算卡；主軸箱設計的方法是：繪制主軸箱設計的原始依據(jù)圖；確定主軸的結構、軸頸及齒輪模數(shù)；擬訂傳動系統(tǒng)；計算主軸、傳動軸坐標，繪制坐標檢查圖；繪制多軸箱總圖，零件圖及編制組件明細表。在此次的設計中采用“一面兩銷”定位，液壓夾緊，提高了生產(chǎn)效率，降低了勞動強度，同時在設計中采用了大量的通用零部件，降低了產(chǎn)品的成本。 在設計過程中，得到了劉道標老師的大力指導和同課題組同學的熱情幫助，在此謹致謝意。 限于本人水平和經(jīng)驗，本設計中一定有錯誤和不妥之處，敬請批評指正。 2 組合機床總體設計 組合機床總體設計，通常是根據(jù)與用戶簽定的合同和技術協(xié)議書,針對具體加工零件，擬訂工藝和結構方案，并進行方案圖樣和有關技術文件的設計。 2．1 組合機床工藝方案的制定 工藝方案的擬訂是組合機床設計的關鍵一步。因為工藝方案在很大程度上決定了組合機床的結構配置和使用性能。因此，應根據(jù)工件的加工要求和特點，按一定的原則、結合組合機床常用的工藝方法、充分考慮各種因素，并經(jīng)技術經(jīng)濟分析后擬訂出先進、合理、經(jīng)濟、可靠的工藝方案。 此次設計的組合機床是用于加工柴油機齒輪室蓋的鉆鏜專用組合機床，其工藝方案為鉆孔和鏜孔，其具體的加工工藝如下: a. 鉆6－M6－6H孔至Φ5， 左側面； b. 鉆6－Φ9孔（深38）， 右側面； c. 鉆3－Φ9孔（深78）， 右側面； d. 鏜Φ45H8孔至Φ43.5， 后側面； e. 倒孔口角至Φ46.6， 后側面； 正確選擇組合機床加工工件采用的基準定位，是確保加工精度的重要條件。 本設計的柴油機齒輪室蓋是箱體類零件，箱體類零件一般都有較高精度的孔和面需要加工，又常常要在幾次安裝下進行。因此，定位基準選擇“一面雙孔”是最常用的方法， 因此該被加工零件采用 “一面兩銷”的定位方案，定位基準和夾壓點見零件的工序圖。該定位方案限制的自由度敘述如下：以工件的右側面為定位基準面，約束了y、z向的轉動和x向的移動 3個自由度。短定位銷約束了y、z向的移動2個自由度。長定位銷約束了x向的轉動1個自由度。這樣工件的6個自由度被完全約束了也就得到了完全的定位。 2．2 組合機床配置型式及結構方案的確定 根據(jù)選定的工藝方案確定機床的配置型式，并定出影響機床總體布局和技術性能的主要部件的結構方案。既要考慮能實現(xiàn)工藝方案，以確保零件的精度、技術要求及生產(chǎn)率，又要考慮機床操作方便可靠，易于維修，且潤滑、冷卻、排屑情況良好。對同一個零件的加工，可能會有各種不同的工藝方案和機床配置方案，在最后決定采取哪種方案時，絕不能草率，要全面地看問題，綜合分析各方面的情況，進行多種方案的對比，從中選擇最佳方案。 各種形式的單工位組合機床，具有固定式夾具，通?？砂惭b一個工件，特別適用于大、中型箱體類零件的加工。根據(jù)配置動力部件的型式和數(shù)量，這種機床可分為單面、多面復合式。利用多軸想同時從幾個方面對工件進行加工。但其機動時間不能與輔助時間重合，因而生產(chǎn)率比多工位機床低。 在認真分析了被加工零件的結構特點及所選擇的加工工藝方案，又由單工位組合機床的特點及適應性，確定設計的組合機床的配置型式為單工位臥式組合機床。 2．3 各側具體零部件的設計、計算及選擇 2.3.1刀具的選擇 考慮到工件加工尺寸精度，表面粗糙度，切削的排除及生產(chǎn)率要求等因素，所以加工15個孔的刀具均采用標準錐柄長麻花鉆和單導向懸臂鏜刀。 2.3.2 右側面鉆9-Φ9 a. 切削用量的選擇 右側是鉆削6-Φ9（深38）及3-Φ9（深78） 根據(jù)孔徑的大小和深徑比，以及被加工材料的硬度查參考文獻[9]表2.17知：主軸的進給量f為0.1～0.18mm/r，切削速度vc=10～18m/min。 鉆孔的切削用量還與鉆孔的深度有關，當加工鑄鐵件孔深為鉆頭直徑的6～8倍時，在組合機床上通常都是和其他淺孔一樣采取一次走刀的辦法加工出來的，不過加工這種較深孔的切削用量要適當降低些，因此選擇切削速度vc=13m/min 進給量f=0.13mm/r，由此主軸轉速n由公式 (2-1) 計算出 r/min，將主軸轉速圓整為470 r/min。 實際切削速度vc、工進速度vf、工進時間tf 分別由下列公式求得 (2-2) (2-3) (2-4) 計算出實際切削速度vc=13.282m/min，工進速度vf=61.1mm/min，工進時間tf=1.26min b. 切削功率，切削力，轉矩以及刀具耐用度的選擇 由參考文獻[9]表6-20計算公式 切削力 (2-5) 切削轉矩 (2-6) 切削功率 (2-7) 刀具耐用度 (2-8) 計算出切削力F=1144.5N，切削轉矩T=3.18Nm，切削功率P=0.153kw，刀具耐用度Tn=768.799min c. 動力部件的選擇 由上述計算每根軸的輸出功率P=0.153kw，右側共9根輸出軸，且每一根軸都鉆Φ9直徑，所以總切削功率P切削=0.1539=1.377kw。則多軸箱的功率： kw，其中η=0.8，所以 kw。 因電機輸出經(jīng)動力箱時還有功率損耗，所以選擇功率為2.2kw的電機，其型號為：Y100L1-4,由參考文獻[9]表5-39選取1TD32-I型動力箱，動力箱的主軸轉速715r/min 。 d. 確定主軸類型，尺寸，外伸長度 滾珠軸承主軸：前支承為推力球軸承和向心球軸承，后支承為向心球軸承或圓錐滾子軸承。因為推力軸承設置在前端，能承受單方向的軸向力，適用于鉆孔主軸。 在右側面，主軸用于鉆孔，因此選用滾珠軸承主軸。又因為浮動卡頭與刀具剛性連接，所以該主軸屬于長主軸。所以主軸均為滾珠軸承長主軸。 根據(jù)主軸轉矩T=3.18 Nm，由參考文獻[9]表3-4可知 (2-9) 其中B= 7.3，則計算出d=17.335mm，選取d=20mm。 由參考文獻[9]表3-6查得主軸直徑d=20mm， D/d1=30/20 mm, 主軸外伸尺寸L=115mm,接桿莫氏圓錐號1，2。 e. 導向裝置的選擇 組合機床鉆孔時，零件上孔的位置精度主要是靠刀具的導向裝置來保證的。導向裝置的作用是：保證刀具相對工件的正確位置；保證刀具相互間的正確位置；提高刀具系統(tǒng)的支承剛性。 固定式導套：刀具或刀桿本身在導套內既有相對轉動又有相對移動，由于這部分表面潤滑困難；工作時有粉塵侵入，當?shù)稐U相對導套的線速度超過20m/min時就會有研著的危險，因此選用導套前計算一下導套與刀具的線速度。由上述內容知導套與刀具的線速度vc=13.282m/min<20m/min,所以該導套選用通用短導套 由參考文獻[9]表8-4查得導套的具體數(shù)值如下： D=15mm，D1=22mm，D2=26mm，D3=M6，L取16mm，（短型導套）l=8mm,l1=3mm，l3=12mm， e=18.5mm f. 連桿的選擇 在鉆、擴、鉸孔及倒角等加工小孔時，通常都采用接桿（剛性接桿）。因為主軸箱各主軸的外伸長度和刀具均為定值，為保證主軸箱上各刀具能同時到達加工終了位置，須采用軸向可調整的接桿來協(xié)調各軸的軸向長度，以滿足同時加工完成孔的要求。 為了獲得終了時多軸箱前端面到工件端面之間所需要的最小距離，應盡量減少接桿的長度。 因為9-Φ9孔的鉆削面是同一面且主軸內徑是20mm,由參考文獻[9]表8-1選取A型可調接桿 d=16mm，d1=Tr161.5 mm， d2=9mm， L=85mm， l4=110～135mm。 g. 動力部件工作循環(huán)及行程的確定 切入長度一般為5-10mm， 取L1=7mm，切出長度由參考文獻[9]表3-7公式 （2-10） 通過計算L2=8mm，加工時加工部位長度L(多軸加工時按最長孔算)L=78mm.由公式 （2-11） 求出L工=93mm。 為排屑要求必須鉆口套與工件之間保留一點的距離，根據(jù)麻花鉆直徑Φ9，由參考文獻[9]表3-4得導套口至工件尺寸l2=(1+1.5d)(參考鉆鋼) 取l2=10mm，又根據(jù)鉆套用導套的長度確定鉆模架的厚度為16mm。附帶得出底面定位元件的厚度l4=38mm。 快退長度的確定:一般在固定式夾具鉆孔或擴孔的機床上動力頭快速退回的行程只要把所有的刀具都退回至導套內,不影響工件裝卸即可。 快退距離 L快退=l2+L工-L1=10+93-7=96mm 快進距離 L快進=l2-L1=10-7=3mm 因快進距離太短，故將快進距離改為工進，則工進距離L工=93+3=96 mm。 選擇刀具：根據(jù)鉆口套至工進行程末端的距離L快退=96mm，及鉆口套長度L套=8+3+16=27mm,由參考文獻[5]表3-1查得選擇：矩形柄麻花鉆GB1435-78Φ9250mm(切削長度部分145mm)。 h. 滑臺及底座的選擇 由于液壓驅動，零件損失小，使用壽命長，所以選擇液壓滑臺。已知工進Vf=61.1mm/min,單根主軸的切削力F單=1144.5 N，則9根軸總的切削力F切削=9F單=1144.59=10300.5N，又因為ITD32-Ⅰ型動力箱滑鞍長度L=630mm，由參考文獻[9]表5-1選擇1HY32-Ⅰ型滑臺及配套的側底座選擇ICC321 i. 多軸箱輪廓尺寸的設計 確定機床的裝料高度，新頒國家標準裝料高度為1060mm，實際設計時常在850～1060mm之間選取，選取裝料高度為950mm。 多軸箱的寬度與高度的大小與被加工零件的加工部位有關，可按下列關系式確定： B=b+2b1 （2-12） H=h+h1+b1 （2-13） b-工件在寬度方向相距最遠兩孔距離，b=340mm。 b1-最邊緣主軸中心距箱體外壁的距離，推薦b1≥70～100mm，取b1=100。 h-工件在高度方向相距最遠的兩孔距離，h=277mm。 h1-最低主軸高度。 因為滑臺與底座的型號都已經(jīng)選擇，所以側底座的高度為已知值650mm， 滑臺滑座總高280mm；滑座與側底座的調整墊厚度一般取5mm，多軸箱底與滑臺滑座臺面間的間隙取0.5mm。 故h1=11+950-(0.5+5+280+560)=115.5mm，通常推薦h1〉85～140mm，所以h1=115.5mm符合通常推薦值。 所以 B=b+2b1=340+2100=540mm， H=h+h1+b1=277+115.5+100=492.5mm 由此數(shù)據(jù)查參考文獻[15]表8.22選取多軸箱尺寸BH=630mm500mm, 臺面寬度為320mm。 2.3.3 左側面鉆6-Φ5 a. 切削用量的選擇 根據(jù)參考文獻[9]查表6-11高速鋼鉆頭切削用量，加工材料鑄鐵，孔徑d=1～6mm，切削速度10～18m/min，進給量f=0.05～0.1mm/r。取切削速度vc=16m/min，進給量f=0.08mm/r，主軸的轉速、實際切削速度、工進速度、工進時間分別由公式（2-1）、（2-2）、（2-3）、（2-4）求得 轉速 r/min， 將其圓整為1100r/min。 實際切削速度 m/min 工進速度 mm/min 工進時間 其中h為6-Φ5的深度。 b. 切削功率，切削力，轉矩以及刀具耐用度的選擇 刀具的切削力、切削轉矩、切削功率及刀具耐用度分別由公式(2-5)、(2-6)、(2-7)、(2-8)求得 切削力 N 切削轉矩 Nm 切削功率 kw 刀具耐用度 c. 動力部件的選擇 由上述計算每根軸的輸出功率P=0.0797kw，左側共6根輸出軸，且每一根軸都鉆Φ5直徑，所以總切削功率P切削=0.07976=0.598kw。則多軸箱的功率： kw，其中η=0.8， 所以 kw 因電機輸出經(jīng)動力箱時還有功率損耗，所以選擇功率為1.5kw的電機，其型號為：Y100L-6，由參考文獻[9]表5-39選取1TD25-IA型動力箱，動力箱的主軸轉速為520r/min 。 d. 確定主軸類型、尺寸、外伸長度 根據(jù)主軸轉矩T=0.70593 Nm，由公式(2-9)求出滿足條件的最小直徑 mm （B= 7.3） 選取d=15mm， 由參考文獻[9]表3-6查得主軸直徑=15mm，D/d1=25/16mm,主軸外伸尺寸L=85mm,接桿莫氏圓錐號1。 e. 導向裝置的選擇 查參考文獻[9]表8-4 選用通用短型導套，具體參數(shù)的數(shù)值：D=10mm, D1=15mm, D2=18mm, D3=M6,L取12mm，l=8mm，l1=3mm，l3=12mm，e=14.5mm選用通用導套。 f. 連桿的選擇 為了獲得終了時多軸箱前端面到工件端面之間所需要的最小距離，應盡量減少接桿的長度。因為6-Φ5孔的鉆削面是同一面且主軸內徑是15mm,查參考文獻[9]表8-1 選取A型可調接桿 d=10mm，d1=Tr101.5mm, d2=6mm, L=62mm, l4=72～82mm。 g. 動力部件工作循環(huán)及行程的確定 切入長度一般為5-10mm， 取L1=8mm；因為該6-Φ5孔為盲孔，所以刀具沒有切出長度，所以切出長度L2=0mm。 加工時加工部位長度L(多軸加工時按最長孔計算)L=16mm，由公式（2-11）求出L工=24mm 為排屑要求必須鉆口套與工件之間保留一點的距離，根據(jù)麻花鉆直徑Φ5，由參考文獻[9]表3-4知導套口至工件尺寸l2=(1+1.5d)及綜合考慮裝卸工件的空間要求取l2=50mm，又根據(jù)鉆套用導套的長度確定鉆模架的厚度為12mm。 快退長度的確定:一般在固定式夾具鉆孔或擴孔的機床上動力頭快速退回的行程只要把所有的刀具都退回至導套內,不影響工件裝卸即可。 快退距離 L快退=l2+L工-L1=50+24-8=66mm 快進距離 L快進=l2-L1=50-8=42mm h. 滑臺及底座的選擇 已知工進vf=88mm/min, 單根主軸的切削力F單=430.879 N，則6根軸總的切削力F切削=6F單=6430.879=2585.274N，又因為1TD25-IA型動力箱滑鞍長度L=500mm,由參考文獻[9]表5-1選擇1HY25-Ⅱ型滑臺及它的側底座選擇ICC251,其相應的數(shù)值查表5-3可得：臺面寬度250mm，臺面長度500mm，行程400mm， 最大進給力8000N，工進速度32～800mm/min，快速移動速度12m/min。 i. 多軸箱輪廓尺寸的設計 多軸箱的寬度與高度的大小與被加工零件的加工部位有關，計算方法同確定右側鉆九孔的主軸箱輪廓的方法一致，取b1=100mm,工件在高度方向相距最遠的兩孔距離h=209mm。裝料高度取950mm，工件最低孔距定位基準面的距離為11mm， 因為滑臺與底座的型號都已經(jīng)選擇，所以側底座的高度為已知值：650mm， 滑臺滑座總高：280mm；滑座與側底座的調整墊厚度一般取5mm，多軸箱底與滑臺滑座臺面間的間隙取0.5mm。 故h1=11+950-(0.5+5+280+560)=115.5mm，通常推薦h1〉85～140mm，所以h1=115.5mm符合通常推薦值。 所以 B=b+2b1=264.2+2100=464.2mm， H=h+h1+b1=209+115.5+100=424.5mm。 由此數(shù)據(jù)查參考文獻[15]表8.22選取多軸箱尺寸BH=500mm500mm,, 臺面寬度為320mm。 2.3.4 后側鏜Φ45H8孔至Φ43.5，倒孔角Φ46.6 a. 切削用量的選擇 由參考文獻[9]表6-15 查得用高速綱刀具粗鏜鑄鐵的切削用量：v=20～25m/min，f轉=0.25～0.8mm/r,則選取v=20mm/min, f轉=0.4mm/min, 由此由公式(2-1)求出鏜刀的轉速：n=146.35 r/min，圓整為n=150r/min,則實際切削速度vc由公式(2-2)求得vc=20.5m/min，工進速度vf=nf=1500.4=60mm/min b. 切削力，切削轉矩，切削功率及刀具耐用度的計算 刀具的切削力、切削轉矩、切削功率及刀具耐用度分別由以下公式求出 Fz=51.4apf0.75HB0.55 (2-14) Fx=0.51ap1.2f0.65HB1.1 (2-15) T=25.7Dapf0.75HB0.55 (2-16) (2-17) Fz =51.410.40.752140.55=494.58 N Fx=0.5111.20.40.652141.1=102.89 N T=25.743.50.40.752140.55=10757 Nmm kw c. 確定主軸類型、尺寸、外伸長度 滾錐軸承主軸：前后支承均為圓錐滾子軸承。這種軸承可承受較大的徑向和軸向力，且結構簡單、裝配調整方便，廣泛用于擴、鏜、鉸孔和攻螺紋等加工。因此選用滾錐軸承主軸。 由公式(2-9)求出滿足條件的最小直徑mm 再由參考文獻[9]表3-6查取d=25mm,D/d1=40/28mm，主軸的外伸尺寸為75mm d. 確定鏜桿直徑 9