拖拉机变速箱体双面钻孔组合机床总体设计及左主轴箱设计.doc

拖拉机变速箱体双面钻孔组合机床总体及左主轴箱设计
摘 要：拖拉机生产是大批量生产。为了提高加工精度和生产效率，需要设计一台组合机床来改善拖拉机变速箱的加工情况。本课题设计的是金马300拖拉机变速箱箱体双面钻孔组合机床。用于加工箱体的左、右两个面上的36个M10的螺纹底孔、16个M8的螺纹底孔、2个∅20的光孔、2个∅12的光孔和一个M16的螺纹底孔，一次装夹同时完成55个孔的加工。该机床设计的重点是总体设计和部件设计两部分。总体设计包括机床配置型式的确定、结构方案的选择以及“三图一卡”的绘制。部件设计包括确定主轴和齿轮、完成动力计算、设计传动系统。该组合机床采用卧式单工位两面加工的方案，加工和装配的工艺性好，零件装夹方便。采用机械滑台实现刀具进给，借助导套引导刀具实现精度稳定的加工。主轴采用标准主轴，刀具选用复合麻花钻，使得工序集中。本组合机床效率高，成本低，加工精度高，操作使用方便，减轻了工人的劳动强度，提高了劳动生产率。

关键词：变速箱；钻孔；组合机床；主轴箱

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Design of General and Left Headstock of Modular Machine Tool for Drilling Holes on Two-Side of Tractor Gear Box
Abstract: The tractor is a product which needs massive production. In order to improve the precision and the production efficiency, it is necessary to design a high effective modular machine tool to make the tractor gear box. This task is to design the overall scheme and left headstock of modular machine tool for drilling holes on two-side of JM300 tractor gear box. The modular machine tool is used to drill 36 basic holes of M10 screw, 16 basic holes of M8 screw, 2 holes of ∅20, 2 holes of ∅12, and a basic hole of M16 screw, which are on the left and right. The focuses of this topic is the system design and the left headstock design. The system design includes the definition of the modular machine tool, the selection of the structure plan and the completion of the technological drawings of part which need to be manufactured, the general drawings of modular machine tool, drawings of cutter display and the efficiency cards of manufacture. The left headstock design includes determining the spindle and the gears, completing the power computation, designing the transmission system. The modular machine tool uses the horizontal-type single location three-side processing plan, the processing and assembly technology capability is good, and it clamps conveniently. Using mechanical sliding unit, with the aid of precisely leads, the set of guidance cutting tool can complete dispositional process. The spindle uses standard one, the cutting tool is the compound twist drill, making the working procedure to be centralized. This modular mechanical tool has such advantages which is high efficiency, the cost is low, the processing precision is high, it is easy to operate, it reduces the worker’s labor intensity, and it enhanced the productivity.

Key word: Gear box; Drill hole; Modular machine tool; 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 被加工零件的特点 3
2.1.2 工艺路线的确立 3
2.1.2 机床配置型式的选择 4
2.1.3 定位基准的选择 5
2.2 确定切削用量及选择刀具 5
2.2.1 选择切削用量 5
2.2.2 计算切削力、切削扭矩及切削功率 7
2.3 组合机床总体设计—三图一卡 8
2.3.1 被加工零件工序图 8
2.3.2 加工示意图 8

2.3.3 机床联系尺寸图 10
2.3.4 机床生产率计算卡 12
3 左主轴箱设计 14
3.1 绘制多轴箱设计原始依据图 14
3.2 主轴结构型式的选择及动力计算 15
3.2.1 主轴型式的选择 15
3.2.2 主轴直径和齿轮模数的初步确定 15
3.3 主轴箱的传动设计和计算 15
3.4 传动系统设计 16
3.4.1 拟定传动路线 16
3.4.2 确定各轴间传动比 17
3.4.3 确定各轴齿轮齿数及传动轴位置 20
3.4.4 各传动轴直径的确定 21
3.5 左主轴箱坐标计算、绘制坐标检查图 22
3.5.1 计算传动轴的坐标 22
3.5.2 绘制坐标检查图 23
3.6 轴、齿轮的校核 24
3.6.1 齿轮的校核 24
3.6.2 轴的刚度、强度校核 26
4 左主轴箱体及其附件的选择设计 30
4.1左主轴箱的选择设计 30
4.2 左主轴箱上的附件材料的设计 30
5结论 31
参 考 文 献 32
致　谢 33
附 录 34

1 前言
组合机床是根据工件加工要求，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[1]。通用零部件通常占整个机床零部件的70％～90％，只需要根据被加工零件的形状及工艺改变极少量的专用部件就可以部分或全部进行改装从而组成适应新的加工要求的设备。由于在组合机床上可以同时从几上方向采用多把刀具对一个或数个工件进行加工，所以可减少物料的搬运和占地面积，实现工序集中，改善劳动条件 ， 提高生产效率和降低成本 。将多台组合机床联在一起，就成为自动生产线。组合机床广泛应用于需大批量生产的零部件，如汽车等行业中的箱体等。另外在中小批量生产中也可应用成组技术将结构和工艺相似的零件归并在一起，以便集中在组合机床上进行加工。
组合机床的通用 部件 按功能分为动力部件 、支承部件、输送部件、控制部件和辅助部件5类 。动力部件为机床提供主运动和进给运动，主要有动力箱（将电动机的旋转运动传递给主轴箱）、切削头（装在各个主轴上，用于各单一工序的加工）、动力滑台（用于安装动力箱或切削头，以实现进给运动）；支承部件用以安装动力滑台，包括各种底座和支架；输运部件用以输送工件或主轴箱至加工工位；控制部件用以控制机床的自动工作循环；辅助部件包括润滑、冷却和排屑装置等。根据配置型式，组合机床可分为单工位和多工位两大类。其中单工位组合机床按被加工面的数量又有单面、双面、三面和四面 4种 ，通常只能对各个加工部位同时进行一次加工；多工位组合机床则有回转工作台式、往复工作台式、中长立柱式和回转鼓轮式 4种，能对加工部位进行多次加工[2]。
    组合机床一般可完成的工艺范围有：铣平面 、 刮平面、车端面、车锥面、钻孔、扩孔铰孔、镗孔 、倒角、 切槽、以及加工螺纹、滚压、拉削、磨削、抛光等。组合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。有的组合机床采用车削头夹持工件使之旋转，由刀具作进给运动，也可实现某些回转体类零件(如飞轮、汽车后桥半轴等)的外圆和端面加工[3]。
本次毕业设计的课题是拖拉机变速箱体双面钻孔组合机床总体及左主轴箱设计。根据拖拉机变速箱体两面的孔的位置、加工精度等主要的设计原始数据，设计出技术上先进，经济上合理和工作上可靠的双面钻孔的组合机床而多轴箱是组合机床的重要组成部件，它是选用通用部件，按专用要求进行设计的。多轴箱的用途是根据被加工零件的加工要求用于布置机床主轴及其传动零件和相应的附加机构，通过按一定速比排布传动齿轮，把动力和运动从动力箱传给各工作主轴，使之得到所要求的转速和转向。
课题来源于悦达拖拉机厂，金马300型是该厂新开发的四轮拖拉机。为了扩大生产规模，提高效率，并进一步提高加工精度，该厂需要设计出对拖拉机变速箱体钻孔的组合机床来弥补原有机床的不足。本设计的基本思路是，首先对拖拉机变速箱体结构进行工艺性分析,确定整体的设计方案，提出一种可行性比较高的设计方案；再进行组合机床方案图样文件设计：被加工零件加工工序图，加工示意图，机床联系尺寸图以及生产率计算卡。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、轴径以齿轮模数；然后根据被加工孔的位置，拟定传动系统，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；然后是计算主轴、传动轴坐标、绘制坐标检查图；最后绘制多轴箱总图，零件图及编制组件明细表。
本次设计的组合机床能同时加工两个端面，大大提高了生产效率，降低了劳动强度，从而降低了零件的加工成本，使产品的合格率上升，增加产量，适应市场竞争的需要，提高经济效益。

2 组合机床总体设计
组合机床是按高度集中工序原则，针对被加工零件的特点及工艺要求设计的一种高效率专用机床。
2.1 总体方案论证
2.1.1 被加工零件的特点
本次设计的组合机床的加工对象为金马300拖拉机变速箱体，材料是HT200,硬度HB170-241，重量36.5Kg。
2.1.2 工艺路线的确立
根据先粗加工后精加工、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，对JM300拖拉机变速箱体的工艺路线作如下设计：
1、粗铣基准面及向搭子面、Y向、W向搭子面；
2、精铣基准面；
3、钻基准面孔；
4、粗铣两侧面
5、精铣两侧面；
6、粗镗孔；
7、半精镗孔；
8、精镗孔；
9、钻左右侧面孔；
10、钻两端面孔；
11、攻两侧面孔；
12、攻三面孔；
13、攻螺纹；
14、最终检验。
本道工序（工序9）：钻左右侧面的孔，由本设备“JM300机体双面钻组合机床”完成，因此，本设备的主要功能是完成拖拉机变速箱体左、右两个面上55个孔的加工。具体加工内容及加工精度是：
A. 钻左侧面上29个孔：钻12个M10的螺纹底孔，钻至Φ8.5 mm，深23 mm，表面粗糙度Ra12.5，各孔位置度公差为φ0.4mm；钻6个M10的螺纹底孔，钻至Φ8.5 mm，深20 mm，表面粗糙度Ra125，各孔位置度公差为φ0.2mm；钻4个M8螺纹底孔，钻至Φ6.7 mm，深18 mm，表面粗糙度Ra12.5，各孔位置度公差为φ0.4mm；钻2个M8的螺纹底孔，钻至Φ6.7 mm，钻通，表面粗糙度Ra12.5，各孔位置度公差为φ0.4mm；钻2个M8的螺纹底孔，钻至Φ6.7 mm，深18 mm，表面粗糙度Ra12.5，各孔位置度公差为φ0.2mm；钻2个M20光孔，钻至Φ19.8 mm，深24 mm，表面粗糙度Ra12.5，保证尺寸；钻M12光孔，钻至Φ11.8 mm，深18 mm，表面粗糙度Ra12.5，保证尺寸R159。
B.钻右侧面上26个孔：钻12个M10螺纹底孔，钻至Φ8.5 mm，深23 mm，表面粗糙度Ra12.5，各孔位置度公差为φ0.4mm；钻6个M10螺纹底孔，钻至Φ8.5 mm，深20 mm，表面粗糙度Ra12.5，各孔位置度公差为φ0.2mm；钻2个M8螺纹底孔，钻至Φ6.7 mm，深24 mm, 表面粗糙度Ra12.5，各孔位置度公差为φ0.4mm；钻2个M8螺纹底孔，钻至Φ6.7 mm，深21 mm，表面粗糙度Ra12.5，各孔位置度公差为φ0.5mm；钻2个M8螺纹底孔，钻至Φ6.7 mm，深21 mm，表面粗糙度Ra12.5，各孔位置度公差为φ0.2mm；钻M16螺纹底孔，钻至Φ14.5 mm，深24 mm，表面粗糙度Ra12.5；钻M12光孔至Φ11.8 mm，深18 mm，表面粗糙度Ra12.5，各孔位置度公差为φ0.05mm, 保证尺寸R159。
2.1.2 机床配置型式的选择
机床的配置型式主要有卧式和立式两种。卧式组合机床床身由滑座、侧底座及中间底座组合而成。其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。立式组合机床床身由滑座、立柱及立柱底座组成。其优点是占地面积小，自由度大，操作方便。其缺点是机床重心高，振动大。
根据工作要求，选用卧式组合机床如图2-1所示。

图2-1 卧式组合机床结构

图2-2 立式组合机床结构
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集中工序。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；再用削边销限制剩下的一个自由度。

图2-3 零件定位图
2.2 确定切削用量及选择刀具
2.2.1 选择切削用量
对于55个被加工孔，采用查表法选择切削用量，从文献[4]的第130表6-11中选取。由于钻孔的切削用量还与钻孔深度有关，随孔深的增加而逐渐递减，其递减值按合机文献[4]第131表6-12选取。降低进给量的目的是为了减小轴向切削力，以避免钻头折段。钻孔深度较大时，由于冷却排屑条件都较差，使刀具寿命有所降低。降低切削速度主要是为了提高刀具寿命，并使加工较深孔时钻头的寿命与加工其他浅孔时钻头的寿命比较接近。
A．左侧面上29个孔的切削用量的选择
a)孔1～孔12 12个M10的螺纹底孔，钻至Φ8.5 mm，盲孔，l=23mm
由d＞6～12，硬度大于170～241HBS，选择v=10～18m/min,f＞0.1～0.18mm/r,又d=8.5mm,初选v=11.74 m/min,f=0.14mm/r,则由[1]P43公式
(2-1)
得：
b)孔13～孔18 6个M10的螺纹底孔，钻至Φ8.5 mm，深20，l=20mm，
由d＞6～12，硬度大于170～241HBS，选择v=10～18m/min,f＞0.1～0.18mm/r, 又d=8.5mm, 初选v=11.74 m/min,f=0.14mm/r,则由公式(2-1)
得：
c)孔19～孔22，孔25孔26， 6个M8的螺纹底孔，钻至Φ6.7 mm，深18，l=18mm，
由d＞6～12，硬度大于170～241HBS，选择v=10～18m/min,f＞0.1～0.18mm/r, 又d=6.7mm, 初选v=11.8m/min,f=0.11mm/r,则由公式(2-1)
得：
d)孔23和孔24，2个M8的螺纹底孔，钻至Φ6.7 mm，钻通，l=24mm，计算同c，得n=560r/min。
e)孔27和孔28,2个Φ20的光孔，钻至Φ19.8 mm，盲孔，l=24mm，
由d＞6～12，硬度大于190～240HBS，选择v=10～18m/min,f＞0.1～0.18mm/r, 又d=19.8mm, 初选v=15m/min,f=0.26mm/r,则由公式(2-1)
得：。
f)孔29,1个Φ2的光孔，钻至Φ11.8 mm，盲孔，l=18mm，
由d＞6～12，硬度大于190～240HBS，选择v=10～18m/min,f＞0.1～0.18mm/r, 又d=11.8mm, 初选v=17m/min,f=0.13mm/r,则由公式(2-1)
得：。
B．右侧面上26个孔的切削用量的选择
a)孔30～孔41，12个M10的螺纹底孔，钻至Φ8.5 mm，盲孔，l=23mm
由d＞6～12，硬度大于190～240HBS，选择v=10～18m/min,f＞0.1～0.18mm/r,又d=8.5mm,初选v=11.74 m/min,f=0.14mm/r,则由公式（2-1）
得：
b)孔42～孔47，6个M10的螺纹底孔，钻至Φ8.5 mm，盲孔，l=20mm
由d＞6～12，硬度大于170～241HBS，选择v=10～18m/min,f＞0.1～0.18mm/r,又d=8.5mm,初选v=11.74 m/min,f=0.14mm/r,则由公式（2-1）
得：
c)孔48，孔49，2个M8的螺纹底孔，钻至Φ6.7 mm，钻通，l=24mm，
由d＞6～12，硬度大于170～241HBS，选择v=10～18m/min,f＞0.1～0.18mm/r, 又d=6.7mm, 初选v=11.8m/min,f=0.11mm/r,则由公式(2-1)
得：。
d)孔50～孔53，4个M8的螺纹底孔，钻至Φ6.7 mm，盲孔，l=21mm，
由d＞6～12，硬度大于170～241HBS，选择v=10～18m/min,f＞0.1～0.18mm/r, 又d=6.7mm, 初选v=11.8m/min,f=0.11mm/r,则由公式(2-1)
得：。
e)孔54，1个M16的螺纹底孔，钻至Φ14.5 mm，钻通，l=24mm，
由d＞12～22，硬度大于190～240HBS，选择v=10～18m/min,f＞0.18～0.25mm/r, 又d=14.5mm, 初选v=12m/min,f=0.23mm/r,则由公式(2-1)
得：。
f)孔55，1个Φ12的光孔，钻至Φ11.8 mm，钻通，l=18mm，
由d＞6～12，硬度大于190～240HBS，选择v=10～18m/min,f＞0.18～0.25mm/r, 又d=14.5mm, 初选v=17m/min,f=0.13mm/r,则由公式(2-1)
得：。
2.2.2 计算切削力、切削扭矩及切削功率
根据文献[5]第134表6-20中公式
(2-2)
(2-3)
(2-4)
式中，—切削力（N）；—切削转矩（N·㎜）；—切削功率（kW）；
—切削速度（m/min）；—进给量（mm/r）；D—加工（或钻头）直径（mm）；
HB—布氏硬度，，在本设计中，，，得HB=217。
由以上公式可得：
左面 单根 轴1～轴12 F =1173.1N T =3096.3N·mm P =0.14kW
轴13～轴18 F =1173.1N T =3096.3N·mm P =0.14kW
轴19～轴22，轴24～轴25 F =763.9N T=1627.3N·mm P =0.094kW
轴23和轴26 F =763.9N T =1627.3N·mm P =0.094kW
轴27～轴28 F =4211.3N T =23792.6N·mm P =0.589kW
轴29 F =1903.9N T =6751.3N·mm P =0.318kW
右面 单根 轴30～41轴 F =1173.1N T =3096.3N·mm P =0.14kW
轴42～47轴 F =1173.1N T =3096.3N·mm P =0.14kW
轴48～50轴 F =763.9N T =1627.3N·mm P =0.094kW
轴51～53轴 F =7639N T =1627.3N·mm P =0.094kW
轴54 F =2561.9N T =10935.5N·mm P =0.296kW
轴55 F =1903.9N T =6751.3N·mm P =0.318kW
(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 =18×0.14+9×0.094+2×0.589+0.318=4.862kW
右面 =18×0.14+7×0.094+0.296+0.318=3.792kW
实际切削功率
根据文献[4]，P=(1.5～2.5),因为是多轴加工，故取定P=2Pw
则 =2×=9.724kW
=2×=7.584kW
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
被加工零件工序图表示所设计的组合机床上完成的工艺内容，包括加工部位的尺寸、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。
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。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。
2.3.2.1 刀具的选择
刀具直径的选择应与加工部位尺寸、精度相适应。加工孔Φ6.8，孔Φ8.5，Φ14.5选择莫氏锥柄阶梯麻花钻，加工孔Φ11.8，孔Φ19.8选择直柄长麻花钻。孔Φ6.8选择刀具Φ6.8G7；孔Φ8.5选择刀具Φ8.5G7；孔Φ14.5选择刀具Φ14.5G7；孔Φ11.8选择刀具Φ11.8G7；孔Φ19.8选择刀具Φ19.8。
2.3.2.2 导向结构的选择
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。导向装置的作用是：保证刀具相互间的正确位置；保证刀具相对工件的正确位置；提高刀具系统的支承刚性。
本课题中加工55个孔时，考虑到当导套磨损时，便于更换，导向装置选用可换导套。主要参数查文献[5]第408页表5-8。