半精镗及精镗气缸盖导管孔组合机床设计（.doc

盐城工学院毕业设计说明书2006QQ251133408有图纸
1前 言
在机械制造中，对单件或小批量生产的工件，许多工厂采用通用机床加工。由于通用机床要适应被加工零件形状和尺寸的要求，故机床结构一般比较复杂。不仅如此，在实际加工中，由于只能单人单机操作，一道一道工序地完成，所以工人的劳动强度大、生产率低，工件的加工质量也不稳定。
针对以上的问题，组合机床便出现并逐步发展起来。组合机床是根据加工需要，以大量通用部件为基础，配以少量专用部件组成一种高效组合机床。组合机床一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方法，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。
组合机床一般用于加工箱体类或特殊形式的零件。加工时，工件一般不旋转，有刀具的旋转运动和刀具与工件的相对进给运动来实现各种加工。组合机床的设计，目前基本上有两种方式：第一，是根据具体加工对象的特征进行专门设计，这是当前最普遍也是最实用的做法。第二，随着组合机床在我国机械行业的广泛使用，广大工人和技术人员总结出生产和使用组合机床的经验，发现组合机床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的组合机床是极其相似的，有可能设计成通用部件，这种机床称为“专用组合机床”。这种组合机床不需要每次按具体对象进行专门设计和生产，而是设计成通用品种，组织成批量生产，然后按被加工零件的具体需要，配以简单的夹具和刀具，即可组成加工一定对象的高效率设备。
为了使组合机床能在中小批量生产中得到应用，往往需要应用成组技术，把结构和工艺相似的零件集中在一台组合机床上加工，以提高机床的利用率。
该课题是数控气缸盖导管孔组合机床的主轴箱设计。该课题来源于高精公司。这次设计任务是组合机床主轴箱部分的设计。主轴箱设计是该次设计中一个重要的传动部分的设计。首先，在同组同学完成对组合机床的总体设计并绘制出“三图一卡”的基础上，绘制主轴箱设计的原始依据图；接着确定主轴结构；然后根据被加工孔的位置，拟定传动系统。这里应注意轴与轴的最小间距应符合规定要求，避免产生干涉，这一步是主轴箱设计的核心部分；第四步，计算并校核主轴是否符强度要求，其中包括对主轴配套轴承的校核；第五步，设计计算同步带传动装置；最后，绘制出相应的主轴箱图和同步带图以及它们的一些零件图。
整个毕业设计，需要查阅大量的资料作为参考，在设计过程中必须考虑各个方面的问题，要从机床的合理性、经济性、工艺性、实用性以及被加工零件的具体要求出发，确立合理的设计方案。要不断地检查目标的完成情况，这样才能发现自己存在的不足，遇到的问题也要及时请教指导老师，研究坚决的方法，得到进步。最终在老师的耐心和认真负责的指导下，顺利完成了这个毕业设计。

2组合机床总体设计
2.1工艺方案的拟订
工艺方案制定的正确与否是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。选择工艺基面和定位方式是制定工艺方案的关键所在。
确定组合机床工艺方案的基本原则：
a.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、较大佳压力引起的工件变形以及切削振动等，对精加工十分不利，影响加工尺寸精度和表面粗糙度。因此，在拟订工件一个连续的多工艺过程时，应选择粗精加工分开的原则。
b.工序集中原则：
适当考虑相同类型工序的集中，在条件允许时，把相同的工序集中在仪态机床或同一工位上进行加工能简化循环和结构；有相对位置要求的工序集中，加工对于相互间有严格的位置精度的孔的精加工应集中在一台机床上一次安装下完成，并且孔的粗精加工最好集中在一台机床上完成，这样可以使精加工余量分布均匀，更利于保证加工精度。
2.2切削用量的确定
进给量按复合刀具中最小直径的单个刀具选择。在选择进给量时， 除了考虑被加工工件要求的表面粗糙度外， 还应考虑直径最小或切削深度最大的那把单个刀具的强度。切削速度按复合刀具中最大直径的单个刀具选择。可按刀具预定的耐用度选取或计算。切削用量的选择要保证最高精度孔或外圆的精度以及表面粗糙度的要求，并考虑各单个刀具的特点。
合理地选择切削用量，即确定合理的切削速度和工作进给量，能使组合机床以最少的停车损失，最高的生产效率，最长的刀具寿命和最好的加工质量也就是多、快、好、省地进行生产。
查文献资料[6]得：
表2-1孔加工常用工序间余量
加工工序
加工孔径
直径上工序间余量
铰孔
10-20
0.10-0.20
半精镗
10-20
0.07-0.12
精镗
30-130
0.25-0.40

半精加工：阀座孔，导管孔；
精加工：阀座孔，导管孔；
查文献资料[6]得：
表2-2镗孔切削用量
工序
刀具材料
铸铁

半精镗
硬质合金
50-70
0.15-0.45
精镗
硬质合金
70-90
0.12-0.15

为了便于数据的统一，半精加工和精加工中均取。
切削速度的计算：
粗加工：
A.半精加工(排气)
a.枪铰导管孔
根据以上的查表，选择，。
由 （2-1）
—切削速度，单位为。
=3.14×14.8×1500/1000=69.7
b.镗阀座孔
根据以上的查表，选择，
由
—切削速度，单位为m/min。
=3.14×47.8×466/1000=70
B.半精加工(进气)
a.枪铰导管孔
根据以上的查表，选择，
由
—切削速度，单位为。
=3.14×14.8×1500/1000=69.7
b.镗阀座孔
根据以上的查表，选择，
由
—切削速度，单位为。
=3.14×44.8×466/1000=65.6
C.精加工(排气)
a.枪铰导管孔
根据以上的查表，选择，
由
—切削速度，单位为。
=3.14×15×1500/1000=70.7
b.镗阀座孔
根据以上的查表，选择，
由
—切削速度，单位为。
=3.14×48×1500/1000=70.2
D.精加工(进气)
a.枪铰导管孔
根据以上的查表，选择，
由
—切削速度，单位为。
=3.14×15×1500/1000=70.7
b.镗阀座孔
根据以上的查表，选择，
由
—切削速度，单位为。
=3.14×45×466/1000=65.8
计算切削力、切削扭矩及切削功率：
根据选定的切削用量（主要指切削速度及进给量），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，用以确定主轴及其传动部件的尺寸；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。
根据[6]表6-20组合机床切削用量计算图中推荐的切削力、转矩及功率公式查出采用硬质合金刀具镗孔的切削力、切削转矩和功率（缸体材料为灰铸铁）的计算公式如下：
切削力 （2-2）
（2-3）
转矩 （2-4）
功率 （2-5）
公式中：—切削速度（）；—进给量（）； —切削深度（）；
—加工直径（）；—圆周力（N）；—轴向切削力（N）；
—布氏硬度：； （2-6）
在本设计中，，，代入公式（2-6）得。
半精加工：（排气）
枪铰导管孔： ；；
；；
镗阀座孔： ；；
；；
半精加工：（进气）
枪铰导管孔： ；；
；；
镗阀座孔： ；；
；；
精加工：（排气）
枪铰导管孔： ；；
；；
镗阀座孔： ；；
；；
精加工：（进气）
枪铰导管孔: ；；
；；
镗阀座孔： ；；
；；
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（多轴加工时应按最长孔计算）与刀具切入长度和切出长度之和。即，切入长度一般为，根据工件端面的误差情况确定。
镗孔的切入长度为；
镗孔的切入长度为。
排气孔的工进长度的确定：本设计中枪铰导管孔切入长度取，切出长度为，所以；镗阀座孔切入长度取5，切出长度为0，所以。
进气孔的工进长度的确定：本设计中枪铰导管孔切入长度取，切出长度为，所以；镗阀座孔切入长度取，切出长度为0，所以。
半精加工中和精加工中的进、排气孔的工进长度相同。
b.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，其长度按具体情况确定。本设计快速引进长度为。
c.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。由已确定的快速引进和
工作进给长度可知，快速退回长度分别为。
d.动力部件总行程的确定。
本设计中采用两数控机械滑台的前备量取，后备量取；总行程为。

图2-1 动力部件行程图
2.3组合机床总体设计——“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：绘制被加工零件工序图、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
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,夹压部件以及被加工零件的材料，硬度和本机床的前加工余量,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，是在被加工零件图基础上，突出本机床的加工内容，并作必要的说明而绘制的。
A.被加工零件工序图主要内容包括：
a.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。
b.本工序所选用的定位基准、夹压部位及夹紧方向。
c.本工序加工表面尺寸、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。
d.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2-2半精镗加工零件工序图

图2-3精镗加工零件工序图

B.绘制被加工零件工序图的规定及注意事项：
a.绘制被加工零件工序图应按一定的比例，绘制足够的视图以及剖面；本工序加工部位用粗实线表示；定位用定位基准符号表示，并用下标数表明消除自由度符号；夹紧用夹紧符号表示；辅助支撑用支撑符号表示。
b.绘制被加工零件图应注意本工序加工部位的位置尺寸应与定位基准直接发生关系。
对工件毛坯应有要求，对孔的加工余量要认真分析。
当本工序有特殊要求时必须注明。被加工零件工序图如图2-2、2-3所示。
名称及编号:气缸盖世无双150440081
材料及硬度:HT250 ，150-225HBS
重量：小于30KGB
图中符号： ---夹紧位置 --定位基准
2.3.2加工示意图

图2-4 半精镗加工零件示意图

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，是表示被零件在机床上的加工过程，刀具、辅助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。加工示意图是绘制机床总体联系尺寸图的主要依据；是对机床总体布局和性能的原始要求；也是调整机床和刀具所必须的重要技术文件。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，它是设计刀具、辅具、夹具、多轴箱、电气系统以及选择动力部件，绘制机床总体联系尺寸图的主要依据；
是对机床总体布局和性能的原始要求；也是调整机床和刀具所必需的重要技术文件。加工示意图应表达和标注的内容有：机床的加工方法，切削用量，联系尺寸；主轴结构类型、尺寸及外伸长度；刀具类型、数量和结构尺寸(直径和长度)；接杆(包括镗杆)、浮动卡头、导向装置等结构尺寸；刀具、导向套之间的配合，刀具、接杆、主轴之间的连接方式及配合尺寸等。零件加工的工艺方案要通过加工示意图反映出来。

图2-5 精镗加工零件示意图
2.3.3机床联系尺寸图
机床联系尺寸图是以被加工零件工序图和加工示意图为依据，并按初步选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型式和布局。用以检验各主要部件相对位置几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重要依据；它可以看成是机床总体外观简图。
机床联系尺寸图表示的内容：
a.表明机床的配置型式和总布局。
b.完整齐全地反映各部件间的主要装配关系和联系尺寸、专用部件的主要轮廓
尺寸、运动部件的运动极限位置及各滑台工作循环总的工作行程和前后行程备量尺寸。
c.标注主要通用部件的规格代号和电动机的型号、功率及转速，并标注机床分组编号及组件名称。

图2-6机床联系尺寸图

2.3.4机床生产率计算卡
生产率计算卡是反映机床生产节拍或实际生产率和切削量、动作时间、生产纲领及负荷率等关系的技术文件。它是用户验收机床生产效率的重要依据。
a.理想生产率Q
理想生产率Q是指完成年生产纲领A所要求的机床生产率。它与全年工时总数有关。根据文献资料[6]P51得：
（2-6）
公式中：A—年生产纲领（件），本课题中为50000件；
—全年工时总数，本课题以单班制计算，
则
c.实际生产率
实际生产率是指所设计的机床每小时实际可生产才零件数量。即公式
（2-7）
公式中：—生产一个零件所需时间
则
c.机床负荷率
机床负荷率为理想生产率与实际生产率之比。即文献资料[6]P52公式[3]
（2-8）
当时，机床负荷率为二者之比。组合机床负荷率一般为，自动线负荷率为。对于精密度较高、自动化程度高或多品种组合机床，宜适当降低负荷率。
生产率计算卡如表2-3、2-4所示

表2-3 半精加工机床生产率计算卡
表2-4精加工机床生产率计算卡
3 组合机床主轴箱设计
3.1概述
主轴箱是组合机床的重要部件之一，它关系到整台组合机床质量的好坏。主轴箱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，与动力箱一起安装在进给滑台，可完成钻、铰、扩、镗等加工工序。
组合机床的设计，目前最普遍采用的方式是根据具体加工对象的特征进行专门设计，这是当前最实用的做法。
3.2 主轴箱的设计步骤与内容
本人的设计任务是气缸盖专用镗孔组合机床主轴箱部分的设计。设计的依据是“三图一卡”。
主轴箱箱体材料：HT200
铸件须经过人工时效，铸件不得砂眼、气孔、裂纹、缩松等情况。人工时效要在粗加工后进行。
3.2.1绘置主轴箱原始依据图
主轴箱设计原始依据图就是根据“三图一卡”整编绘出主轴箱设计的原始要求和已知条件。
在设计此图时，从“三图一卡”中已知：
a.两孔的位置关系尺寸。
b.工件放置在主轴箱对面气缸盖被加工孔1中心线与主轴箱中心线重合。
c.主轴孔高度为100毫米。
d.箱体轮廓尺寸：宽×高为300×250毫米。
根据这些数据，可编制出主轴箱设计原始依据图如图3-1和附表3-1所示。

1） 2）
图3-1原始依据图
1、2—主轴孔 3、4—主轴孔
图中双点划线为被加工零件轮廓。
表3-1主轴外伸尺寸及切削用
轴号
工序内容
加工孔直径
主轴直径
主轴外伸尺寸

镗杆直径

1
半精镗

60-80
30
69.7
1500
80
半精镗

60-80
30
70
466
80
2
半精镗

60-80
30

69.7
1500
80
半精镗

60-80
30
65.6
466
80
3
精镗

60-80
30
70.7
1500
80
精镗

60-80
30
70.2
466
80
4
精镗

60-80
30
70.7
1500
80
精镗

60-80
30
70.2
466
80
3.2.2轴的结构工艺
为了主轴的结构便于加工、装配、拆卸、测量和维修等，使其生产率高、成本低，所以应尽量使主轴的结构简单，工艺性好，轴的直径变化应尽量少，应尽量限制轴的最大直径及各轴段间的直径差。这样既能简化轴的结构、节省材料，又可减少切削量。
各轴段的轴端应制成45度的倒角；为便于拆卸轴承，其定位轴肩应低于轴承内圈高度。如果轴肩高度无法降低，则应在轴上开槽；需要切制螺纹的轴段应留有螺纹退刀槽，需要磨削加工的轴段应留有砂轮越程槽。
3.2.3传动系统的设计与计算
主轴箱的传动系统设计，就是通过一定的传动链把驱动轴传来的动力和转速要求分配到各主轴。传动设计的好坏，将直接影响到主轴箱的质量，通用化程度、设计和制造工作量的大小以及成本的高低。因此，应十分重视这一设计环节，对各种传动方案要充分讨论，分析比较，从中选出最佳方案。
此主轴箱传动系统的设计比较的复杂，在第4部分我作了详细的叙述，即镗削头的传动方式的设计计算。

3.2.4主轴的确定及动力计算
A.主轴材料的选择
材料：合金钢
牌号：
热处理：调质
毛坯直径：小于
抗拉强度极限：725
屈服强度极限：540
弯曲疲劳极限：355
剪切疲劳强度：200
许用弯曲应力：70
适用场合：用于载荷较大且无很大冲击的重要轴。
B.轴的设计计算
轴的最小直径估算
由材料力学可知，轴的扭转强度条件为：
（3-1）
公式中： —轴的扭转切应力（）
T—轴传递的转矩（）
P—轴传递的功率（）
n—轴的转速（）
—轴的抗扭截面系数（）
—许用扭转切应力（）
由此推得实心圆轴的最小直径 （）为：
（3-2）
公式中：C—计算常数，取决于轴的材料和受载情况。
， （3-3）
查参考资料[5]表11-3 取
则
=
所以轴的最小直径为：
根据参考资料[6] 表5-19，主轴前轴承轴径（）取。
C.轴的大致尺寸和形状的确定
阶梯轴的设计应注意以下问题：
a.配合性质不同的表面，直径应有所不同。
b.加工精度、粗糙度不同的表面，一般直径亦有所不同。
c.与轴承配合的轴颈，其直径必须符合滚动轴承内径的标准系列。
d.各轴段的长度决定于轴上零件的宽度和零件固定的可靠性。轴颈的长度
通常与轴承的宽度相同。
根据参考资料[6]来设定主轴各轴段的长度尺寸：

根据以上要求得出轴的大致尺寸和形状为：

图3-2主轴
D.轴端连接方式
主轴轴端与同步带轮的连接方式采用矩形花键连接（见图3-3所示）。然而，带轮与花键不采用直接的连接方式，而是在花键上配上一个特制的花键套（见图3-4所示），并将带轮安装在花键套上。

图3-3矩形花键连接

图3-4花键套
矩形花键连接：图3-3所示为矩形花键连接。键齿的两侧面为平面，形状较为简单，加工方便。花键通常要进行热处理，表面硬度应高于40HRC。矩形花键连接的定心方式为小径定心，外花键和内花键的小径为配合面。由于制造时轴和毂上的接合面都要经过磨削，因此能消除热处理引起的变形，具有定心精度高、定心稳定性好、应力集中较小、承载能力较大的特点，故应用广泛。
花键连接的强度计算：
花键连接的失效形式和强度计算的依据及方法，与平键连接基本相同。花键连接的受力如图3-5所示。假设载荷在键齿的工作面上均匀分布，每个键齿的工作表面上的压力的合力F作用在平均直径处，则花键传递的转矩。引入载荷不均匀系数K考虑实际载荷在各花键齿上分配不均的影响。由此可得花键连接的强度条件为：

图3-5 花键连接受力图
（3-4）

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（4-10）
—矢量相加修正系数，见[1]图12-1-12

此力对轴的影响很小。

5设计小结
本机床运行平稳，工作可靠，结构简单，设计合理，能够满足加工要求，且大部分采用通用件和标准件，制造成本低，设备维修方便。
本设计的主要任务是对该组合机床主轴箱部分的设计。主轴箱是本机床设计中的一个重要的传动部分。在本设计过程为 ：首先，在完成组合机床的总体设计并绘制出“三图一卡”的基础上，绘制出主轴箱设计的原始依据图，再以通用主轴箱的联系尺寸作为参考，绘制出主轴箱的初始图样；其次，参照一定的标准并结合本设计中的具体情况来确定主轴的结构；然后根据被加工孔的位置，拟定本组合机床主轴箱的传动系统。传动设计的好坏，将直接影响到主轴箱的质量，因此，应十分重视这一设计环节；接着，计算并校核主轴的强度，其中包括对主轴配套轴承的校核，并设计计算同步带传动装置；最后，绘制出合理的主轴箱总图和同步带总图以及与它们相应的一些零件图。

参 考 文 献
[1] 成大先主编.机械设计手册单行本机械传动[M].北京：化学工业出版社，2004.
[2] 徐锦康主编.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2004.
[3] 王旭，王积森主编.机械设计[M].北京：机械工业出版社，2003.
[4] 王大康，卢颂峰主编. 机械设计课程设计[M].北京：北京工业大学出版社， 2000.
[5] 谈嘉祯主编.新编机械设计师手册[M].北京：中国标准出版社，2001.
[6]谢家瀛主编.组合机床设计简明手册[M].北京：机械工业出版社，1999
[7] 吉林工业大学，吉林工学院，东北工学院主编.金属切削机床设计[M]. 上海：上海科学技术出版社， 1980.
[8] 沈世德主编.机械原理[M].北京：机械工业出版社， 2002.
[9] 王章忠主编.机械工程材料[M]. 北京：机械工业出版社，2001.
[10] 王伯平主编.互换性与测量技术基础[M]. 北京：机械工业出版社，2003.

致　谢
本次毕业设计是气缸盖导管孔组合机床。在设计开始前，我们做了大量的准备工作，到高精公司收集和整理了很多宝贵资料。在设计中，我们查阅的大量专业文献，丰富了我们理论知识。通过这次设计，我基本上掌握了专用组合机床设计的方法和步骤，以及在设计时应注意的问题，同时还培养了我查阅资料的能力。
本次设计任务业已顺利完成，但由于是第一搞这么正规的设计，缺乏经验，难免有些地方考虑不周，在此恳请各位专家、老师及同学批评指正。
在设计期间，得到了指导老师吴进的热心指导及同学们的大力支持，在此，我忠心地向他们表示诚挚的感谢和敬意。

附 录
图名 图号 图幅 张数
1 半精加工零件工序图 QGGZT-C1-0001 A3 1
2 精加工零件工序图 QGGZT-C2-0001 A3 1
3 半精加工零件示意图 QGGZT-C1-0002 A3 1
4 精加工零件示意图 QGGZT-C2-0002 A3 1
5 精密镗削头 YG-02-7000 A0 1
6 主轴 YG-02-C1-7001 A2 1
7 主轴 YG-02-C2-7001 A2 1
8 盖 YG-02-7004 A4 1
9 垫 YG-02-7005 A4 1
10 箱体 YG-02-7006 A1 1
11 法兰盘 YG-02-7010 A4 1
12 隔垫 YG-02-7011 A4 1
13 隔垫 YG-02-7013 A4 1
14 隔套 YG-02-7014 A4 1
15 隔套 YG-02-7015 A3 1
16 法兰盘 YG-02-7017 A4 1
17 隔离环 YG-02-7018 A4 1
18 法兰盘 YG-02-7019 A3 1
19 皮带传动装置 YG-02-7200 A0 1
20 电机轴 YG-02-7205 A3 1
21 箱体 YG-02-7209 A2 1
22 花键套 YG-02-7215 A2 1
23 圆弧齿同步带轮组件Ⅰ JB/T2512.2-1994-1 A3 1
24 圆弧齿同步带轮组件Ⅱ JB/T2512.2-1994-2 A3 1
23