4工位-组合机床-毕设论文正文.doc

学士学位论文
1 绪 论

1.1 机床在国民经济的地位及其发展简史
一个国家要繁荣富强，必须实现工业、农业、国防和科学技术的现代化，这就需要一个强大的机械制造业为国民经济各部门提供现代化的先进技术设备与装备，即各种机器、仪器和工具等。然而，一个现代化的机械制造业必须要有一个现代化的机床制造业做后盾。机床工业是机械制造业的“装备部”、“总工艺师”，对国民经济发展起着重大作用。因此，许多国家都十分重视本国机床工业的发展和机床技术水平的提高，使本国国民经济的发展建立在坚实可靠的基础上。
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，并随着社会生产的科学技术的进步而发展，并始终围绕着不断提高生产效率、加工精度、自动化程度和扩大产品品种而进行的，现代机床总的趋势仍然是继续沿着这一方向发展。
我国的机床工业是在1949年新中国成立后才开始建立起来的。解放前，由于长期的封锁统治和19世纪中叶以后帝国主义的侵略和掠夺，我国的工农业生产非常落后，既没有独立的机械制造业，更谈不上机床制造业。至解放前夕，全国只有少数城市的一些规模很小的机械厂，制造少量简单的皮带车间、牛头刨床和砂轮等；1949年全国机床产量仅1000多台，品种不到10个。
解放后，党和人民政府十分重视机床工业的发展。在解放初期的三年经济恢复时期，就把一些原来的机械修配厂改建为专业厂；在随后开始的几个五年计划期间，又陆续扩建、新建了一系列机床厂。经过50多年的建设，我国机床工业从无到有，从小到大，现在已经成门类比较齐全，具有一定实力的机床工业体系，能生产5000多种机床通用品种，数控机床1500多种；不仅装备了国内的工业，而且每年还有一定数量的机床出口。
我国机床行业的发展是迅速的，成就是巨大的。但由于起步晚、底子薄，与世界先进水平相比，还有较大差距。为了适应我国工业、农业、国防和科学技术现代化的需要，为了提高机床产品在国际市场上的竞争能力，必须深入开展机床基础理论研究，加强工艺试验研究，大力开发精密、重型和数控机床，使我国的机床工业尽早跻身于世界先进行列。
专用机床一般采用多轴、多刀、多工序、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。因此专用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。
专用机床一般用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。
本课题汽车导块4工位加工专用机床即采用4工位用于汽车导块钻、扩、铰加工。
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。
等，能任意改变工作循环控制和驱动系统,并能灵活适应多品种加工的可调可变的组合机床。另外，近年来组合机床加工中心、数控组合机床、机床辅机(清洗机、装配机、综合测量机、试验机、输送线) 等在组合机床行业中所占份额也越来越大。
由于组合机床及其自动线是一种技术综合性很高的高技术专用产品,是根据用户特殊要求而设计的,它涉及到加工工艺、刀具、测量、控制、诊断监控、清洗、装滚筒、托盘自动识别计算机生产调度等技术,可实现被输送零部件的定向、定位、升降、回转,通过编码识别及计算机的生产调度实现无序混流输送等。上述组合机床代表了目前我国组合机床装备较高的技术水平,但随着市场竞争的加剧和对产品需求的提高,高精度、高生产率、柔性化、多品种、短周期、数控组合机床及其自动线正在冲击着传统的组合机床行业企业,因此组合机床装备的发展思路必须是以提高组合机床加工精度、组合机床柔性、组合机床工作可靠性和组合机床技术的成套性为主攻方向。一方面,加强数控技术的应用,提高组合机床产品数控化率;另一方面,进一步发展新型部件,尤其是多坐标部件,使其模块化、柔性化,适应可调可变、多品种加工的市场需。
1.3 专用机床与组合机床
组合机床是工件加工需要，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专用机床。
组合机床是随着生产的发展，由万能机床和专用机床发展而来的。大家都知道，多少年来机械产品加工广泛地采用万能机床。但随着生产的发展，很多企业的产品产量越来越大，精度越来越高，如汽车行业的汽缸体、汽缸盖、变速箱、导块等零件，采用万能机床加工就不能很好的满足要求。因为在某一台机床上总是加工一种工件，使万能机床的很多部件和机构变得作用不大，工人整天忙于装夹工件、启动机床、起刀退刀、停车及卸工件等，不仅工人劳动强度很大，而且生产效率也不高，不利于保证产品加工精度。
在总结生产实践的基础上，提出创造这样的高效率机床：它既有专用机床效率高结构简单的特点，又有万能机床能够重新调整，以适应新工件的加工特点。为此，将机床上带动刀具对工件产生切削运动的部分以及床身、立柱、工作台等设计制造成通用的独立部件，称为“通用部件”。根据工件加工的需要，用这些通用部件配以部分专用部件就可以组成机床，这就是组合机床。当工件改变了，还是用这些通用部件，只将部分专用部件改装，又可以组成加工新工件的机床。

2 汽车导块4工位加工专用机床总体设计

专用组合机床总体设计，是根据已有加工零件图，拟定工艺和结构方案，并进行方案图样和有关技术文件的设计。
2.1 工艺方案的拟订
工艺方案的拟订是组合机床设计的关键一步，根据工件的加工要求和特点，按一定原则、结合组合机床常用工艺方法、充分考虑各种影响因素，并经技术经济分析后拟定出先进、合理、经济、可靠的工艺方案。
2.1.1 确定组合机床工艺方案的基本原则
1、粗精加工分开原则
粗加工时的切削负荷较大，切削产生的热变形、较大夹压力引起的工件变形以及切削震动等，对精加工工序十分不利，影响加工尺寸精度和表面粗糙度。因此，在拟定工件一个连续的多工序工艺过程时，应选择粗精加工工序分开原则。即在一台多工位机床上粗精加工工序分开在相隔工位数较多的两个位置上进行，使粗精加工切削热有足够的冷却时间，避免或减轻对精加工的影响，采用钻、扩、铰的加工顺序。
2、工序集中原则
工序集中是近代机械加工的主要发展方向之一。组合机床正是基于这一原则发展而来，即运用多刀（相同或不同刀具）集中在一台机床上完成一个或几个工件的不同表面的复杂工艺过程，从而提高生产率。本设计将钻、扩、铰三工序集于一台机床。
2.1.2 组合机床工艺方案的拟订
1、分析、研究加工要求和现场工艺
在制定组合机床工艺方案时，首先要分析 、研究被加工零件的用途及其结构特点，加工部位及其精度、表面粗糙度、技术要求及生产纲领。深入现场调查分析零件（或同类零件）的加工工艺方法，定位和夹紧方式，所采用设备、刀具及切削用量，生产率情况及工作条件等方面的现行工艺资料，以便制定出切合实际的合理工艺方案。
2、定位基准和夹紧部位的选择
3、工序间余量的确定
为可靠地保证加工质量，必须合理确定工序间余量。组合机床孔加工常用工序间余量参考有关工艺设计资，取钻Φ13mm孔、扩Φ13.75mm孔、铰Φ14mm孔。
4、刀具结构的选择
正确选择刀具结构，对保证组合机床正常工作极为重要。根据工艺要求和加工精度不同，常用刀具有一般刀具（标准）、复合刀具及特种刀具等。选择刀具结构应注意以下问题：
（1）只要条件许可，应尽量选用标准刀具和一般简单刀具。
（2）采用镗刀和铰刀的原则：由于大直径铰刀不易制成，一般铰刀使用直径在Φ100mm以内（常在Φ40mm以内）。下列情况选用铰刀较为有利：孔面不连续，镗削时易产生振动，影响孔的圆度；在机床上对刀不够方便；加工孔径小于Φ40 mm且要求较高的同心孔系；加工节拍短，要求不常调刀且尺寸精度较稳定。除上述情况外，应优先选用镗削工艺。因为镗刀制造、刃磨简便，特别对不通孔、高精度孔、孔中心线直线度和位置度要求严格的孔，采用精密镗削工艺是必要的。
（3）选择刀具结构必须考虑工件材料特点。
如加工硬度较高的铸铁，为提高刀具使用寿命，宜采用多刃铰刀或多刃镗头；加工钢件时，为避免切屑缠绕镗杆，也适宜用多刃铰刀或多刃镗刀头。当能可靠解决切屑缠绕镗杆问题时，可采用单刀镗削，以利于提高加工精度和表面粗糙度。
依据以上原则，选择锥柄Φ13mm麻花钻（GB/T1438.1-1996）、Φ13.75mm锥柄扩孔钻（GB/T4256-2004）、Φ14mm锥柄铰刀(GB/T1132-2004)。
2.1.3 组合机床配置型式及结构方案的确定
根据工件的结构特点、工艺要求、生产率要求及工艺方案等，可大体确定采用哪种基本配置形式的机床。配置方案不同对机床的复杂程度、通用化程度、结构工艺性、加工精度、机床重新调整的可能性以及经济性等都有不同的影响。因此，确定机床配置形式和结构方案时应考虑以下主要问题。
1、不同配置形式和结构方案对加工精度的影响
在确定机床配置形式和结构方案时，首先要考虑如何稳定的保证零件的加工精度。影响加工精度的主要原因有夹具误差和加工误差两方面。
夹具误差：一般精加工的夹具公差为零件公差的1/3~1/5；粗加工时，夹具精度可略低，但不能太低。夹具形式也有影响。
固定式夹具单工位组合机床可达到的加工精度最高；移动（或回转）式夹具多工位组合机床，因存在移（转）位、定位误差，其加工精度一般比固定式夹具低。
2、其他注意问题
（1）要注意排屑通畅
（2）注意相关联的机床夹具结构的统一性
（3）应注意机床使用条件：如车间的布置情况、毛坯或在制品的堆放和流向、装卸方位和操作方便性以及使用单位的后方车间技术水平和维修能力等。
综上所述，考虑各方面因素以及机床配置型式所应注意的问题，汽车导块4工位加工专用机床采用立式布局，四工位均布在Φ300（mm）圆周上，依次为装卸、钻、扩、铰加工工位，单面加工。
2.2 切削用量的确定
在组合机床工艺方案确定中，工艺方法和关键工序的切削用量选择十分重要。切削用量选择是否合理，对组合机床的加工精度、生产率、刀具耐用度、机床的结构型式及工作可靠性均有较大的影响。
2.2.1 组合机床切削用量选择的特点、方法及问题
1、 组合机床切削用量的选择特点
（1）组合机床常采用多刀多刃同时切削，为尽量减少换刀时间和刀具的损耗，保证机床的生产率及经济效果，选用的切削用量应比通用机床单刀加工时低30％左右。
（2）组合机床通常用动力滑台来带动刀具进给。因此，同一滑台带动的多轴箱上所有刀具（除丝锥外）的每分钟进给量相同，即等于滑台的工进速度。
2、 组合机床切削用量选择方法及应注意的问题
目前常用查表法，参照生产现场同类工艺，必要时经工艺试验确定切削用量。组合机床切削用量确定时应注意以下问题：
（1）应尽量做到合理使用所有刀具，充分发挥其使用性能。
由于多轴箱上同时工作的刀具种类不同且直径大小不等，其切削用量也各有特点。如钻孔要求高的切削速度和较小的进给量；铰孔则与之相反。但同一多轴箱上的各刀具每分钟进给量必须相等并等于滑台的工进速度Vf单位为(mm/min),所以要求同一多轴箱上各刀具均有较合理的切削用量是困难的。因此，一般先按各刀具选择较合理的转速ni(单位为r/min)和每转进给量fi(单位为mm/r)，再根据其中工作时间最长、负荷最重、刃磨较困难的所谓“限制性刀具”来确定并调整每转进给量和转速，通常用“试凑法”来满足每分钟进给量相同的要求。
即 n1f1=n2f2=…= nifi=Vf （2.1）
必要时可对少数难以协调的刀具采用附加（增或减速）机构加以解决。
（2）选择切削用量时要注意既要保证生产批量要求，又要保证刀具一定的耐用度。
在生产率要求不是很高时，切削用量就不必选得很高，以免降低刀具耐用度。即使是生产率要求很高的组合机床，也是在保证加工精度和刀具的耐用度的情况下，提高“限制性刀具”的切削用量；对于“非限制性刀具”，其耐用度只要求不低于某一极限值，这样可减少切削功率。组合机床切削用量选择通常要求刀具耐用度不低于一个工作班，最少不低于4h。
（3）确定切削用量时，还需考虑所选动力滑台的性能。
如采用液压滑台时，选择每分钟进给量 fM应比该滑台最小工进速度大50％，否则会受温度和其他原因导致进给不稳定。
根据以上原则并结合工件孔的加工精度、工件材料、工作条件、技术要求等。按照经济地选择满足加工要求，经过反复计算、试凑，最终选取：
钻孔：孔径d=Φ13mm 进给量f=0.13(mm/r) 转速n=407（r/min） 切削速度v=16.63（m/min） 每分钟进给量Vf =53（mm/min）
扩孔：孔径d=Φ13.75mm进给量f=0.15(mm/r) 转速n=356（r/min）切削速度v=14.54（m/min） 每分钟进给量Vf =53（mm/min）
铰孔：孔径d=Φ14mm 进给量f=0.46(mm/r) 转速n=114（r/min） 切削速度v=5.01（m/min）
每分钟进给量Vf =53（mm/min）
2.2.2 确定切削力、切削转矩、切削功率及刀具耐用度
根据选定的切削用量（主要指切削速度v 及进给量f），确定进给力，作为选择动力滑台及设计夹具的依据；确定切削转矩，用以确定主轴及其他传动件（齿轮、传动轴）的尺寸；确定切削功率，用作选择主传动电机（一般指动力箱电机）功率；确定刀具耐用度，用以验证所选用量或刀具是否合理。参考《组合机床设计简明手册》中不同刀具对不同工件材料完成不同工序（如钻孔、镗孔和攻螺纹等）时切削力、转矩及功率计算的计算公式；刀具耐用度计算参考有关手。
通过查表计算如下：
钢材号：40 布氏硬度：HB =207 抗拉强度=570MPa。
钻孔：
切削力：=33
= 11998.4073（N）
切削扭矩：=16.5

=46306.0341（N·mm）
切削功率：=

=2.0（kw）
扩孔：
切削力：=9.2

=80.7990（N）
切削扭矩：=31.6

=1162.9775（N·mm）
切削功率：=

=0.0446（kw）
铰孔：（取扩孔的30％）
切削力：=24.2397（N） 切削扭矩：=348.8932（N·mm） 切削功率：=0.0133（kw）
总切削力：F`=11998.4037+80.7990+24.2397=12106.1037（N）
总功率：=2.0+0.0446+0.0133=2.1（kw）
式中：HB——布氏硬度
F——切削力（N）
F`一一总切削力（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)
n一一钻头转速(r/min)
——切削深度（mm）,式中取=0.8（mm）
2.3 汽车导块4工位加工专用机床总体设计——“三图一卡”
绘制组合机床“三图一卡”，就是针对具体零件，在选定的工艺和结构方案的基础上，进行组合机床总体方案图样文件设计。其内容包括：绘制加工零件工序图、加工示意图、机床联系尺寸总图和编制生产率计算卡。
2.3.1 被加工零件工序图
1、被加工零件工序图的作用与内
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。
（1）被加工零件的形状和主要轮廓尺寸以及与本工序机床设计有关部位结构形状和尺寸。当需要设置中间导向时，则应把设置中间导向时，则应把设置中间导向临近的工件内部肋、壁布置及有关结构形状和尺寸表示清楚，以便检查工件、夹具、刀具之间是否相互干涉。
（2）本工序所选用的定位基准、夹压部位及加紧方向。以便据此进行夹具的支承、定位、夹紧和导向等机构设计。
（3）本工序加工表面的尺寸、精度、表面粗糙度、形位公差等技术要求以及对上道工序的技术要求。
（4）注明被加工零件的名称、编号、材料、硬度以及加工部位的余量。

图2.1 零件工序图1
2.3.2 加工示意图
1、加工示意图的作用和内容
2、选择刀具、导向及有关计算
（1） 刀具的选择
选择刀具应考虑工件的材质、加工精度、表面粗糙度、排屑及生产率等要求。只要条件允许，应尽量选用标准刀具。为提高工序集中程度或满足精度要求，可以采用复合刀具。孔加工刀具（钻、扩、铰等）的直径应与加工部位尺寸、精度相适应，其长度应保证加工终了时刀具螺旋槽尾端离导向套端面30~50mm,以利排屑和刀具磨损后有一定的向前调整量。刀具锥柄插入接杆孔内长度，在绘制加工示意图时应注意从刀具总长中减去。
（2）导向结构的选择
组合机床加工孔时，除采用刚性主轴加工方案外，零件上孔的位置精度主要是靠刀具的导向装置来保证的。因此，正确的选择导向结构和确定导向类型、参数、精度，是设计组合机床的重要内容，也是绘制加工示意图时必须解决的问题。导向类型及结构选择、导向主要参数及导向数量的确定，参考文献[2]。导向装置结构如下图：

图2.2 固定导向装置的布置
（3） 确定主轴类型、尺寸、外伸长度
主轴类型主要依据工艺方法和刀杆与主轴的连接结构进行确定。主轴轴颈及轴端尺寸主要取决于进给抗力和主轴——刀具结构系统。如图2.3所示：

图2.3 加工示意图
因为轴的材料为45，剪切弹性模量G=81.0Gpa，刚性主轴取ψ＝1／4（°）／m，所以B取7.3，
根据刚性条件计算主轴的直径为：
dB （2.2）
钻削主轴：dB=7.3×=33.86mm，取d=35mm
扩削主轴：dB=7.3×=13.48mm，取d=20mm
铰削主轴：dB=7.3×=9.97mm，取d=20mm
式中：d——轴直径（mm）
T——轴所承受的转矩（N·m）
B——系数
本设计中主轴直径分别为钻削D/=50/36，扩削D/=32/20，铰削D/=32/20，轴外伸长度均为：L=100mm。
（4） 选择接杆、浮动卡头
除刚性主轴外，组合机床主轴与刀具间常用接杆连接（称刚性连接）和浮动卡头连接（称浮动连接）。
在钻、扩、铰及倒角等加工小孔时，通常都采用接杆，如图2.4所示。因多轴箱各主轴的外伸长度和刀具长度都为定值，为保证多轴箱上各刀具能同时达到加工终了位置，须采用轴向可调整的接杆来协调各轴的轴向长度，以满足同时加工完各孔的要求。为使工件端面至多轴箱端面为最小距离，首先应按加工部位在外壁、加工孔深最浅、孔径又最大的主轴选定接杆（通常先按最小长度选取），由此选用其他接杆。接杆已标准化，通用标准接杆号可根据刀具尾部结构（莫氏号）和主轴头部内孔径直径参考相关手册选取。

图2.4 可调连接杆
连接杆上的尺寸d与主轴外伸长度的内孔D配合，因此，根据接杆直径d选择刀具接杆参数如表2.1所示：

表2.1 可调接杆的尺寸
d(h6)
D1(h6)
d2
L
l1
l2
l3
d3
螺母
厚度
36
Tr36×2
莫氏1号
17.780
118
65
50
—
—
14
20
Tr20×2
莫氏1号
12.065
88
46
40
25
17
12
20
Tr20×2
莫氏1号
12.065
88
46
40
25
17
12

为提高加工精度、减少主轴位置误差和主轴振摆对加工精度的影响，在采用长导向或双导向和多导向进行扩、铰孔时，一般孔的位置精度靠夹具保证。为避免主轴与夹具导套不同轴而引起的刀杆“别劲”现象影响加工精度，均可采用浮动卡头连接。
（5） 标注联系尺寸
首先从同一多轴箱上所有刀具中找出影响联系尺寸的关键刀具，使接杆最短，以获得加工终了时多轴箱前端面到工件端面之间所需的最小距离，并据此确定全部刀具、接杆（或卡头）、导向托架及工件之间的联系尺寸。主轴端部须标注外径和孔径（D/d）、外伸长度L；刀具结构尺寸须标注直径和长度；导向结构尺寸应标注直径、长度、配合；工件至夹具之间的尺寸须标注工件离导套端面的距离；还需标注托架与夹具之间的尺寸、工件本身以及加工部位的尺寸和精度等。
多轴箱端面到工件端面之间的距离是加工示意图上最重要的联系尺寸。为使所设计的机床结构紧凑，应尽量缩小这一距离。这一距离取决于两方面：一是多轴箱上刀具、接杆（卡头）、主轴等结构和互相联系所需的最小轴向尺寸；二是机床总布局所要求的联系尺寸。这两个方面是互相制约的。
（6） 标注切削用量
各主轴的切削用量应标注在相应的主轴后端。其内容包括：主轴转速ni、相应刀具的切削速度vi、每转进给量fi和每分钟进给量Fm.。同一多轴箱上各主轴的每分钟进给量是相等的，都等于动力滑台的工进速度，即Fm=vf。
（7） 动力部件工作循环及行程的确定
动力部件的工作循环是指加工时，动力部件从原始位置开始运动到加工终了位置，又返回到原位的动作过程。一般包括快速引进、工作进给和快速退回等动作。有时还有中间停止、多次往复进给、跳跃进给、死挡铁停留等特殊要求。
1) 工作进给长度LI的确定
组合机床上有第一工作进给和第二工作进给之分。前者用于钻、扩、铰等工序；后者用于钻或扩孔之后的倒大角等工序；工作进给长度LI，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L1和切出长度L2之和，如图2.5所示。
即: LI= L1+L+ L2 （2.3）
切入长度一般为5~10mm，根据工件端面的误差情况确定。切出长度一般按下述确定：
钻孔 1/3d+（3~8）
扩孔 10~15
铰孔 10~15
其中，d为钻头直径；
在取值时，当刀具切出平面为以加工表面时取小值，反之取大值。

图2.5 工作进给长度
本设计中，钻孔：1/3d+（3~8）=1/313+（3~8）=7.3~12.3，综合扩、铰尺寸范围，取切出长度L2=12mm。
根据端面情况，切入长度取L1=15.5mm，加工部位长度L=39.5mm，则
LI= L1+L+ L2=12+39.5+15.5=67（mm）
2) 快速引进长度的确定
快速引进是指动力部件把刀具送到工作进给位置，其长度按其具体情况确定。
3) 快速退回长度的确定
快速退回的长度等于快速引进和工作进给长度之和。一般在固定式夹具钻孔或扩孔的机床上，动力部件快速退回的行程，只要把所有刀具都退至导套内，不影响工作的装卸就行了。但对于夹具需要回转或移动的机床，动力部件快速退回行程必须把刀具、托架、活动钻模板及定位销都退至夹具运动可能碰到的范围外。
4) 动力部件总行程的确定
动力部件的总行程除了满足工作循环向前和向后所需的行程外，还要考虑因刀具磨损或补偿制造、安装误差，动力部件能够向前调节的距离（即前备量）和刀具装卸以及刀具从接杆中或接杆连同刀具一起从主轴孔中取出时，动力部件需退后的距离（刀具退离夹具导套外端面得距离应大于接杆插入主轴孔内或刀具插入接杆空没得长度，及后备量）。因此，动力部件的总行程为快退行程与前后备量之和。
2.3.3 机床联系尺寸总图
1、机床联系尺寸总图的作用和内容
机床联系尺寸总图，如图2.6所示，是以被加工零件工序图和加工示意图为依据，并按初步确定的主要通用部件以及确定的专用部件的总体结构而绘制的。是用来表示机床的配置形式、主要构成及各部件安装位置、互相联系、运动关系和操作方位的总体布局图。用以检验各部件相对位置及尺寸联系能否满足加工要求和通用部件选择是否合适；它为多轴箱、夹具等专用部件设计提供依据；它可以看成是机床总体外观简图。由其轮廓尺寸、占地面积、操作方式等可以检验是否适应用户现场使用环境。
2、绘制机床联系尺寸总图之前应确定的主要内容
（1）选择动力部件
动力部件的选择主要是确定动力箱（或各种工艺切削头）和动力滑台。
动力箱规格要与滑台匹配，其驱动功率主要依据多轴箱所需传递的切削功率来选用。再不需要精确计算多轴箱功率或多轴箱尚未设计出来之前，可按下列简化公式进行估算：
＝／η
＝2.1／0.8
＝2.625(KW)
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40钢材，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Y100 L2—4的1TD32II型动力箱，动力箱输出轴至箱底面高度为124.5mm。
主要技术参数如表2.2：
根据选定的切削用量，计算总的进给力，并据所需的最小进给速度、工作行程、结合多轴箱轮廓尺寸，考虑工作稳定性，选用1HY32型液压滑台，以及相配套的立柱1CL32 和侧底座1CD321M。
表2.2 电动机参数
主电机传动型号
转速范围（r/min）
主电机功率（）
配套主轴部件型号
电机转速
输出转速
Y100 L2—4
1430
715
3.0
—
（2）确定机床装料高度H
装料高度一般是指工件安装基面至地面的垂直距离。在确定机床装料高度时，首先要考虑工人操作的方便性；对于流水线要考虑车间运送工件的滚道高度。其次是机床内部结构尺寸限制和刚度要求。考虑上述刚度、结构功能和使用要求等因素，新颁国家标准装料高度为1060，与国际标准ISO一致。实际设计常在850~1060 mm之间选取，本设计取1040 mm。
（3）确定夹具轮廓尺寸
主要是夹具底座的长、宽、高尺寸。工件的轮廓尺寸和形状是确定夹具底座轮廓尺寸的基本依据。具体要考虑布置工件的定位、限位、夹紧机构、刀具导向装置以及夹具底座排屑和安装等方面的空间和面积需要。
（4）确定中间底座尺寸
（5）确定多轴箱轮廓尺寸
标准通用钻、镗类多轴箱的厚度是一定的，立式为340 mm。因此，确定多轴箱尺寸，主要是确定多轴箱的宽度B和高度H及最低主轴高度h1。按通用多轴箱系列尺寸标准，选定多轴箱轮廓尺寸，B×H=630 mm×500 mm。
2.3.4 机床生产率计算卡
根据加工示意图所确定的工作循环及切削用量等，就可以计算机床生产率并编制生

图2.6 机床联系尺寸图
产率计算卡,如表2.3。生产率计算卡是反映机床生产节拍或实际生产率和切削用量、动作时间、生产纲领及负荷率等关系的技术文件。
计算如下：
切削时间： T切= L/vf+t停
= 39.5/53＋10/53
=0.934min
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5～10 r所需要时间，这里取10r。
辅助时间： T辅 =（ +）/+t移+t装
= （220＋300）/10000+0.1+1.5
= 1.652min
式中：、——分别为动力部件快进、快退长度（mm）
——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0.1 min
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/（0.934+1.652）
=23.20 件/h
机床负荷率按下式计算 ：
η= Q/Q1×100%
= A/（Q1tk）×100%
=45000/（23.20×2350）×100%
=82%
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 =2350h

表2.3 生产率计算卡
被加工
零件
图号
01
毛坯种类
铸件
名称
变速箱导块
毛坯重量
—
材料
40
硬度
187-217HBS
工序名称
钻、扩、铰孔
工序号
工时/min
序号
工步
名称
工作行程/mm
切速/（m·min-1）
进给量/（mm·r-1）
进给速度/（mm·min-1）
工进时间
辅助时间
1
安装工件
—
—
—
—
—
0.5
2
工件定位夹紧
—
—
—
—
—
0.25
3
Z轴快下
220
—
—
10000
—
0.03
4
Z轴工进
80
16.63
14.54
5.01
0.13
0.15
0.46
53
1.509
—
5
Z轴暂停
—
—
—
—
—
0.03
6
快退
300
—
—
10000
—
0.03
7
工件松开
—
—
—
—
—
0.25
8
卸下工件
—
—
—
—
—
0.5
备注
1、主轴转速715r/min
2、一次安装加工完一个工件
累计
1.509
1.59
单件总工时
3.099min
机床生产率
19.36 件/h
理论生产率
23.20件/h
负荷率
82%

3 汽车导块4工位加工专用机床多轴箱设计

3.1 多轴箱的基本结构及表达方法
多轴箱是组合机床的重要专用部件。它是根据加工示意图所确定的工件加工孔的数量和位置、切削用量和主轴类型设计的传递各主轴运动的动力部件。其动力来自通用的动力箱，与动力箱一起安装于进给滑台，可完成钻、扩、铰、镗孔等加工工序。
多轴箱一般具有多根主轴同时对一系列孔系进行加工。
多轴箱按结构特点分为通用（即标准）多轴箱和专用多轴箱两大类。前者结构典型，能利用通用的箱体和传动件，采用标准主轴，借助导向套引导刀具来保证被加工孔的位置精度。本设计即采用通用多轴箱。
3.1.1 大型通用多轴箱的组成及表达方法
1、多轴箱的组成
大型通用多轴箱由通用零件如箱体、主轴、传动轴、齿轮和附加机构等组成，其基本结构包含箱体、前盖、后盖、上盖、侧盖等为箱体类零件；主轴、传动轴、手柄轴、传动齿轮、动力箱或电动机齿轮等为传动类零件；叶片泵、分油器、注油标、排油塞。油盘（立式多轴箱不用）和防油套等为润滑及防油元件。
在多轴箱箱体内腔，可安排两排32mm宽的齿轮或三排24mm宽的齿轮；箱体后壁与后盖之间可安排一排（后盖用90mm厚时）或两排（后盖用125mm厚时）24mm宽的齿轮。
3.1.2 多轴箱通用零件
1、通用箱体类零件
多轴箱的通用箱体类零件中，箱体材料为HT200，前、后、侧盖等材料为HT150。多轴箱基本尺寸系列标准(GB3668.1-83)规定，9种名义尺寸用相应滑台的滑鞍宽度表示，多轴箱箱体宽度和高度是根据配套滑台的规格按规定的系列尺寸选择；多轴箱的标准厚度为180mm；用于立式的因兼作油池用，故加厚到70mm；基型后盖的厚度为90mm，变形后盖厚度为50mm、100mm、和125mm三种，应根据多轴箱传动系统安排和动力部件与多轴箱的连接情况合理选用。
2、通用主轴
（1）通用钻削类主轴
按支承型式可分为三种：
1）滚锥轴承主轴：前后支承均为圆锥滚子轴承。这种支承可承受较大的径向和轴向力，且结构简单、装配调整方便，广泛用于扩、镗、铰孔和攻螺纹等加工；当主轴进退两个方向都有轴向切削力时常用此结构。
2）滚珠轴承主轴：前支承为推力球轴承和向心球轴承、后支承为向心球轴承或圆锥滚子轴承。因推力球轴承设置在前端，能承受单方向的轴向力，适用于钻孔主轴。
3）滚针轴承主轴：当主轴间距较小时采用。
按与刀具的连接是浮动还是刚性连接，又分为短主轴和长主轴：多轴箱前盖外伸长度为75（立式为60）mm的滚锥轴承主轴称为短主轴，采用浮动卡头与刀具浮动连接，配以加长导向或双导向，用于镗、铰、扩孔等工序；外伸长度大于75（立式为60）mm的主轴称为长主轴，因为轴内孔较长，与刀具尾部连接的接触面加长，增强了刀具与主轴的连接刚度、减少刀具前端下垂，采用标准导套导向或单导向，用于钻、扩、铰、倒角等工序。
（2）攻螺纹类主轴
3、通用传动轴
通用传动轴按用途和支承型式分为六种。六种传动轴结构，配套零件及联系尺寸，可参考文献[2]。
4、通用齿轮和套
多轴箱用通用齿轮有：传动齿轮、动力箱齿轮和电动机齿轮三种，其结构形式、尺寸参数及制造装配要求可参考文献[10、11、13、16]。
3.2 通用多轴箱设计
目前多轴箱设计有一般设计法和电子计算机辅助设计法两种。一般设计法的顺序是：绘制多轴箱设计原始依据图；确定主轴结构、轴颈及齿轮模数；拟定传动系统；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。
具体内容如下：
3.2.1 绘制多轴箱设计原始依据图
图3.1为多轴箱设计原始依据图，其是根据“三图一卡”绘制的，主要内容如下：
1、 根据机床联系尺寸图，绘制多轴箱外形图，并标注轮廓尺寸及与动力箱驱动轴的相对位置尺。
2、 根据联系尺寸图和加工示意图，标注所有轴的位置尺寸及工件与主轴、主轴与驱动轴的相关位置尺寸。

图3.1 组合机床多轴箱原始依据图
3、 根据加工示意图标注各主轴转速及转向主轴逆时针转向（面对主轴看）