ZH1105柴油机齿轮室盖多孔钻组合机床总体及右主轴箱设计.doc

ZH1105柴油机齿轮室盖多孔钻组合机床
总体及右主轴箱设计
摘 要：组合机床通常采用多刀（多轴）、多面、多工位同时对工件进行加工的方法。加工时，装在机床主轴上的刀具作旋转主运动，工件作进给运动，或者刀具既作旋转主运动又做进给运动，以完成工件循环。本课题设计了一台用于ZH1105柴油机齿轮室盖多孔钻的组合机床。设计内容主要分为总体设计和右主轴箱设计两部分。总体设计包括总体方案论证、切削用量的确定和刀具选择以及“三图一卡”的绘制。右主轴箱设计主要包括绘制多轴箱设计原始依据图、确定主轴和齿轮、设计传动系统；根据主轴箱的大小以及设计和装配要求选择主轴箱的其他零部件。本组合机床有高精度、高刚性、高效率、高灵活性等优点；使用方便，提高了劳动生产率。

关键词：组合机床；齿轮室盖；多孔钻；主轴箱

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Design the total and the right spindle box of Modular machine Tool for ZH1105 diesel gear room covered with Porous drilling
Abstract: The Modular machine tool usually processes workpieces by a Multi-knife (multi-axis), multi-faceted and multi–station method when processed,the cutter installed in the spindle of machine tool rotates the main movement.The workpieces take a feed motion or take a combine motion of rotate and feed. The topic designed a Modular machine tool for the ZH1105 diesel gear room covered with Porous drilling.Two parts of design are total design and ight headstock design.Total design contains overall program feasibility studies, the determination of cutting parameters and select of cutter and "three plans a card" drawing. Right headstock design including the design of the original based map of multi-axle box diagram, determining the spindle and gears, the design of transmission system and choosing the other parts of headstock according to the size of the headstock, as well as design and assembly requirements. The Modular machine tool is high precision and high rigidity, high efficiency, high flexibility and easy to use,so improve the labor productivity

Key words: Modular machine tool; Gear room covered; Porous drilling; Headstock

目 录
1 前言 1
2 组合机床总体设计 3
2.1 总体方案论证 3
2.1.1 工艺路线的确立 3
2.1.2 机床配置型式的选择 3
2.1.3 定位基准的选择 3
2.1.4 滑台型式的选择 3
2.2 切削用量的确定及刀具选择 4
2.2.1 选择切削用量 4
2.2.2切削力、切削扭矩及切削功率的计算 5
2.2.3 选结择刀具构 6
2.3 组合机床总体设计—三图一卡 6
2.3.1 被加工零件工序图 6
2.3.2 加工示意图 7
2.3.3机床联系尺寸总图 9
2.3.4 机床生产率计算卡 12
3 组合机床右主轴箱设计 14
3.1 主轴箱原始依据图 14
3.2 主轴结构型式的选择和动力计算 15
3.2.1 主轴结构型式的选择 15
3.2.2 主轴直径和齿轮模数的确定 15
3.3 主轴箱传动系统的设计与计算 15
3.3.1 根据原始依据图计算坐标尺寸 16
3.3.2 拟订主轴箱传动路线 16
3.3.3 确定传动轴位置及齿轮齿数 17
3.3.4传动轴的坐标计算与校核 20
3.3.5 齿轮的校核 21
3.3.6 轴承的寿命校核 22
3.3.7平键的选择 23
3.3.8 坐标检查图 24
4 零部件的设计 25
4.1 主轴箱的装配图及零件图 25
4.2 主轴箱的选择设计 25
4.3 润滑系统的设计 25
5 结论 26
参 考 文 献 27
致 谢 28
附 录 29

1 前言
组合机床是用按系列化标准化设计的通用部件和按被加工零件的形状及加工工艺要求设计的专用部件组成的专用机床。组合机床是由万能机床和专用机床发展来的，它既有专用机床结构简单的特点，又有万能机床能够重新调整，能适应新工件加工的特性。组合机床是集机电于一体的综合自动化程度较高的制造技术和成套工艺装备。它的基本组成是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专用机床。它的特征是高效、高质、经济实用，因而被广泛应用于工程机械、交通、能源、军工、轻工、家电等行业。组成组合机床的通用部件有如下几类：动力部件——动力头、动力滑台和动力箱；工件运送部件——回转工作台、移动工作台和回转鼓轮；支承部件——立柱、床身、底座和滑座等。控制系统有通用的液压传动装置、电气柜、操纵台等。
组合机床自诞生以来就一直在不断地发展，其发展方向为：提高生产率；扩大工艺范围；提高加工精度；提高自动化程度；提高组合机床及其自动线的可调性；创造小型组合机床；发展专能组合机床及自动线。发展组合机床及其自动线，广泛地推广使用组合机床，对于机械制造业，特别是汽车、拖拉机、柴油机、电动机、仪器、仪表、阀门、矿山机械、冶金、航空、纺织机械以及军工部门等生产的发展，有着很重要的意义。
我的课题是ZH1105柴油机齿轮室盖多孔钻组合机床总体及右主轴箱设计，来源于江淮动力集团。总体设计由我们四个人完成，本人主要设计右主轴箱，主轴箱设计是组合机床设计中的一个重要组成部分。在主轴箱体设计中；首先根据已知条件和被加工零件的具体结构特征，确定各轴的排布方案、结构、材料、转向、配合关系等，保证各轴互不干涉。轴的排布方案是多种多样的，通过比较选择一种最佳的方案，然后选择主轴箱体的规格、型号。确定好轴的排布方案及各种技术参数后，再选择其它各种零件，编制各零件的明细表。尽可能选用标准件和通用件，降低制造成本。需对被加工零件孔的分布情况及所要达到的要求进行分析，如各部件尺寸、材料、形状、硬度及加工精度和表面粗糙度等。
首先是总体方案的设计，组合机床的总体设计必须要制定工艺方案，在工艺制定过程中，通过生产批量的分析确定组合机床箱体结合件的加工方案，并寻求最佳的工艺方案。总体方案设计的主要成果是“三图一卡”，即绘制被加工零件图、加工示意图、机床联系尺寸图，编制生产率计算卡。
最后是技术设计和工作设计。技术设计是根据总体设计已经确定的“三图一卡”，设计主轴箱等专用部件的正式总图；工作设计即绘制各个专用部件的施工图样，编制各部件明细表。
这次毕业设计是熟悉和运用有关手册、图表等技术资料及编写技术文件等基本技能的一次实践机会，它能让我综合运用机械设计的基本理论，并结合生产实习和课程设计中学到的实践知识，独立地分析和解决工艺问题，初步具备了设计一个中等复杂程度零件的工艺规程的能力和运用主轴箱设计的基本原理和方法，拟订夹具设计方案，完成主轴箱结构设计的能力，为未来从事的工作打下良好的基础。
在设计过程中，在指导老师和同学的帮助下和通过自身的努力，理论联系实际，从合理性、经济性、工艺性、实用性及对被加工零件的具体要求对现有机床进行研究和分析，找出可以进行改进的地方，通过反复推敲对比，确定了设计方案，并最终完成本课题的设计。

2 组合机床总体设计
2.1 总体方案论证
本设计的加工对象为ZH1105柴油机齿轮室盖，材料是HT200，硬度HB190-240。
2.1.1 工艺路线的确立
工艺方案的拟订是组合机床设计的关键一步。工艺方案制定的正确与否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，应根据工件的形状和加工要求的特点，按一定的原则，结合组合机床常用的工艺方法，充分考虑到各种因素，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。选择工艺基准和定位方式是制定工艺方案的关键所在。根据先粗后精、先基准面后其它表面、先主要表面后次要表面的机械加工工序安排的设计原则。
2.1.2 机床配置型式的选择
确定机床的配置型式，定出影响机床总体布局和技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。
ZH1105柴油机的结构为卧式长方体，卧式组合机床的优点是加工和装配工艺性好，无漏油现象；同时，安装、调试与运输也都比较方便；而且，机床重心较低，有利于减小振动。其缺点是削弱了床身的刚性，占地面积大。立式组合机床的优点是占地面积小，自由度大，操作方便。其缺点是机床重心高，振动大。从装夹的角度来看，卧式平放比较方便，也减轻了工人的劳动强度。考虑到机床运行的平稳性，选用卧式组合机床。
2.1.3 定位基准的选择
组合机床是针对某种零件或零件某道工序设计的。正确选择定位基准，是确保加工精度的重要条件，同时也有利于实现最大限度的工序集中。组合机床一般为工序集中的多刀加工，不但切削负荷大，而且工件受力方向变化。一般常采用一面两孔定位和三面定位。本机床加工时采用的定位方式是一面两孔定位，以底面为定位基准面，限制三个自由度；用圆柱定位销，限制两个自由度；用削边销限制剩下的一个转动自由度，符合六点定位规律，满足相容条件。针对ZH1105柴油机我们采用了液压夹紧，以减少齿轮室盖夹紧变形误差。
2.1.4 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。根据驱动和控制方式不同，滑台分为液压滑台、机械滑台和数控滑台三种类型。
液压滑台采用双轨结构型式，以单导轨两侧面导向，导向的长宽比较大，导向性好;在相当大的范围内可以无级调速；可以获得较大的进给力；由于液压驱动，零件磨损小，使用寿命长；工艺上要求多次进给时，通过液压换向阀，很容易实现；过载保护简单可靠；由行程调速阀来控制的快进转工进，转换精度高，工作可靠。机械滑台采用滚珠丝杠传动，进给量稳定，慢速无爬行，高速无振动，可以降低加工工件的表面粗糙度；但是只能有级变速，变速比较麻烦；一般没有可靠的过载保护；快进转工进时，转换位置精度较低。故选择液压滑台。
2.2 切削用量的确定及刀具选择
2.2.1 选择切削用量
对于27个被加工孔，采用查表法选择切削用量，从文献[1]第130页表6-11中选取。由于钻孔的切削用量与钻孔深度有关，随孔深的增加而逐渐递减，其递减值按文献[1]表6-12选取。钻孔时，降低进给量的目的是为了减小轴向切削力，以避免钻头折断，降低切削速度主要是为了提高刀具寿命。所有刀具都采用硬质合金。
A.左侧面上12个孔的切削用量的选择
a.孔1～孔6 6×M6钻至6×Φ5，深15，l=15mm。
加工材料为铸铁，由d＞1～6，硬度大于190～240HBS，选择v=10～18m/min,f＞0.05～0.1mm/r,又d=5mm,初选v=12.8112 m/min,f=0.058mm/r,则由文献[1]第43页公式
(2-1)
得：n=1000×12.8112/5π=816r/min。
b.孔7～孔12 锪6×Φ20，深2，l=2mm。
加工材料为铸铁，由d＞12～22，硬度大于190～240HBS，选择v=10～18m/min,f＞0.18～0.25mm/r,又d=20mm,初选v=13.6904 m/min,f=0.22mm/r,则由公式(2-1)
得：n=1000×13.6904/20π=218r/min。
B.右侧面上8个孔的切削用量的选择
a.孔13～孔18 加工6×φ10，钻孔至尺寸6×φ9.6，深38（通），Ra12.5， l=38mm。
加工材料为铸铁，由d＞6～12，硬度大于190～240HBS，选择v=10～18m/min,f＞0.1～0.18mm/r,又d=9.6mm,初选v=15.78m/min,f=0.18mm/r,则由公式(2-1)
得：n=1000×15.78/10π=523.6r/min。
b.孔19 M14*1.5-6H，钻孔至尺寸φ12.5，Ra12.5，深15，l=15mm。
加工材料为铸铁，由d＞12～22，硬度大于190～240HBS，选择v=10～18m/min,f＞0.18～0.25mm/r,又d=12.5mm,初选v=14.8m/min,f=0.25mm/r,则由公式(2-1)
得：n=1000×14.8/12.5π=377r/min。
c.孔20 M8-6H钻至尺寸Φ6.7，深15，l=15mm。
加工材料为铸铁，由d＞6～12，硬度大于190～240HBS，选择v=10～18m/min,f＞0.1～0.18mm/r, 又d=6.7mm, 初选v=11.2m/min,f=0.18mm/r,则由公式(2-1)
得：n=1000×11.2/6.7π=523.6r/min。
d.孔21～孔23 3×Φ10钻至3×Φ9.6，深78（通孔），l=78mm。
加工材料为铸铁，由d＞6～12，硬度大于190～240HBS，选择v=10～18m/min,f＞0.1～0.18mm/r, 又d=9.6mm, 初选v=15.78m/min,f=0.18mm/r,则由公式(2-1)
得：n=1000×15.78/9.6π=523.6r/min。
B.后侧面上4个孔的切削用量的选择
a.孔24～孔26 加工3×φ9，钻孔至尺寸3×φ8.7，深16，Ra12.5， l=16mm。
加工材料为铸铁，由d＞6～12，硬度大于190～240HBS，选择v=10～18m/min,f＞0.1～0.18mm/r,又d=8.7mm,初选v=11.49m/min,f=0.12mm/r,则由公式(2-1)
得：n=1000×11.49/8.7π=420r/min。
b.孔27 M12*1.5-6H，钻孔至尺寸φ10.75，Ra12.5，深12，l=12mm。
加工材料为铸铁，由d＞12～22，硬度大于190～240HBS，选择v=10～18m/min,f＞0.18～0.25mm/r,又d=10.75mm,初选v=10m/min,f=0.18mm/r,则由公式(2-1)
得：n=1000×10/10.75π=296r/min。
2.2.2切削力、切削扭矩及切削功率的计算
根据公式计算钻孔
（2-2）
（2-3）
（2-4）
式中， F --切削力（N）；T--切削转矩（N·㎜）；P--切削功率（Kw）；v--切削速度（m/min）；f--进给量（mm/r）；--切削深度（mm）； D--加工（或钻头）直径（mm）；HB—布氏硬度，，在本设计中，，，得。
由以上公式可得：
左面 1～6轴 F=770.4N T=574.87N·mm P=0.05kW
7～12轴 F=4080.6N T=23263.6N·mm P=0.52kW
右面 13～18轴 F=1688.2N T=4912.65N·mm P=0.26kW
19轴 F=2825.0N T=10550.27N·mm P=0.41kW
20轴 F=1164.3N T=3226.10N·mm P=0.18kW
21～23轴 F=1688.2N T=4912.65N·mm P=0.26kW
右面 24～26轴 F=1093.0N T=2945.87N·mm P=0.13kW
27轴 F=1868.0N T=6090.83N·mm P=0.19kW
轴编号与孔编号相对应。
总的切削功率：即求各面上所有轴的切削功率之和
左面 因为钻孔和锪孔不在同一时间进行，故取钻、锪功率之间的较大者
=6×0.52=3.12kW
右面 =6×0.26+0.41+0.18+3×0.26=2.57kW
后面 =3×0.13+0.19=0.58kW
实际切削功率：
根据文献[1]，P=(1.5～2.5)Pw,因为是多轴加工，故取定P=2Pw。
则 P左=1.5×3.42=4.68kW
P右=2×2.57=5.14kW
P后=2×0.58=1.16kW。
2.2.3 选结择刀具构
根据工艺的要求及加工精度不同，组合机床采用的刀具一般有简单刀具（标准刀具）、复合刀具及特种刀具。
选择刀具的原则：
a）只要条件允许，为使工作可靠，结构简单、刃磨容易，应尽量选择标准刀具和简单刀具。
b）为使工序集中程度或保证加工精度，可采用先后加工或同时加工两个或两个以上表面的复合刀具。
c）选择刀具结构时，还须认真分析被加工零件材料特点。
根据工艺要求及加工精度的要求，加工55个孔的刀具均采用标准锥柄复合式麻花钻。
刀具直径的选择应与加工部位尺寸、精度相适应。孔Φ5选择刀具Φ5；孔Φ20选择刀具Φ20；孔Φ9.6选择刀具Φ9.6；孔Φ12.5选择刀具Φ12.5；孔Φ6.7选择刀具Φ6.7；孔Φ8.7选择刀具Φ8.7；孔Φ10.75选择刀具Φ10.75。
2.3 组合机床总体设计—三图一卡
2.3.1 被加工零件工序图
被加工零件工序图是根据制定的工艺方案，表示所设计的组合机床（或自动线）上完成的工艺内容，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、夹压部位以及被加工零件的材料、硬度和在本机床加工前加工余量、毛坯或半成品情况的图样。除了设计研制合同外，它是组合机床设计的具体依据，也是制造、使用、调整和检验机床精度的重要文件。（见附图ZH1105-00-01）
图2-1所示为被加工零件工序图。

图2-1 被加工零件工序图
2.3.2 加工示意图
加工示意图是在工艺方案和机床总体方案初步确定的基础上绘制的。是表达工艺方案具体内容的机床工艺方案图。零件加工的工艺方案要通过加工示意图反映出来。加工示意图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工件、夹具、刀具等机床各部件间的相对位置关系，机床的工作行程及工作循环等。(见附图ZH1105-00-02)
A.确定主轴、尺寸、外伸尺寸
在该课题中，主轴用于钻孔，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。故本课题中的主轴均为滚珠轴承长主轴。
根据由选定的切削用量计算得到的切削转矩T，由文献[1]第43页公式
(2-5)
式中，—轴的直径（mm）；T—轴所传递的转矩（N·m）；
—系数，本课题中主轴为非刚性主轴，取。
由公式(2-5)可得：
轴1～6
轴7～12
轴13～18
轴19
轴20
轴21～23
轴24～26
轴27
考虑到安装过程中轴的互换性、安装方便等因素，1～6，20，24～26主轴轴径均取为15mm，13～18，19，21～23，27主轴轴径取为20mm，7～12主轴轴径取为25mm。
根据主轴类型及初定的主轴轴径，查[1]第44页表3-6可得到主轴外伸尺寸及接杆莫氏圆锥号。主轴轴径d=15mm时，主轴外伸尺寸为：D/d=25/16,L=85mm；主轴轴径d=20mm时，主轴外伸尺寸为：D/d=32/20mm、L=115mm；主轴轴径d=25mm时，主轴外伸尺寸为：D/d=40/28mm、L=115mm；接杆莫氏圆锥号为１。
B.动力部件工作循环及行程的确定
a 工作进给长度的确定
工作进给长度，应等于加工部位长度L（多轴加工时按最长孔计算）与刀具切入长度和切出长度之和。切入长度一般为5～10mm，根据工件端面的误差情况确定。两个面上钻孔时的工作进给长度见表2-1：
表2-1 工作进给长度

左主轴箱
15
8
15
5
28

2
26
25
0
28
右主轴箱
38
42
20
15
95

15
64
20
16
95

15
64
15
16
95

78
7
20
10
95
后主轴箱
16
3
20
8
27

12
3
25
12
27
b 进给长度的确定
快速进给是指动力部件把刀具送到工作进给位置。初步选定主轴箱上刀具的快速进给长度分别为252mm、185mm和143mm。
c 快速退回长度的确定
快速退回长度等于快速进给和工作进给长度之和。由已确定的快速进给和工作进给长度可知，三面快速退回长度为280mm、280mm和170mm。
d 动力部件总行程的确定
动力部件的总行程为快退行程与前后备量之和。左右面的前备量取40mm，后备量取80mm；后面的前备量去100mm，后备量取130mm，则总行程为400mm、400mm和400mm。
图2-2 加工示意图
2.3.3机床联系尺寸总图
A.选择动力部件
a.动力滑台的选择
a) 动力滑台形式的选择
选用了液压滑台，安全可靠，转换精度高。由于液压驱动，零件损失较小，使用寿命长，过载保护简单可靠。
b) 动力滑台型号的选择
根据选定的切削用量计算得到的单根主轴的进给力，查文献[1]第62页公式
（2-6）
式中，—各主轴所需的轴向切削力，单位为N。
则
左主轴箱
右主轴箱
后主轴箱
实际上,为克服滑台移动引起的摩擦阻力，动力滑台的进给力应大于。又考虑到所需的最小进给速度、切削功率、行程、主轴箱轮廓尺寸等因素，为了保证工作的稳定性，由文献[1]第91页表5-1，左、右两面的液压滑台均选用1HY40IA型。台面宽400mm，台面长800mm,最大行程长400mm，滑台及滑座总高320mm,滑座长1240mm（），允许最大进给力20000N，工作进给电机型号为，功率为5.5KW,转速960 r/min，左、右主轴工作进给速度为47.36mm/min、94.25mm/min。后主轴箱电机型号为，功率为3.0KW,转速960 r/min，后主轴工作进给速度为53.28r/min。
b.动力箱型号的选择
由切削用量计算得到的各主轴的切削功率的总和，根据文献[1]第47页公式
（2-7）
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,加工黑色金属时取0.8～0.9，加工有色金属时取
0.7～0.8；主轴数多、传动复杂时取小值，反之取大值。本课题中，被加工零件
材料为灰铸铁，属黑色金属，又主轴数量较多、传动复杂，故取。
左主轴箱：
则
右主轴箱：
则
后主轴箱：