摘要

应用组合机床加工大批量零件，快捷高效，生产效率高是机械加工的发展方向。本次毕业设计的题目是“钻曲轴箱前端面的孔”。本组合机床要求能实现同时钻四孔。在工艺制定过程中，通过批量的进行钻前端面的加工方案，并寻求最佳的工艺方案，借此说明了工艺在生产过程中的重要性。本人的设计的主要内容是：进行了机床总体布局设计；对机床的进给和传动部分进行了设计；结合实例，介绍了夹具设计方法；通过此设计，本机床完全能满足设计要求，与传统的机床相比，本机床具有自动化程度高，生产率高，精度高等优点。

关键词：组合机床；钻头；夹具设计；液压定位,手动夹紧.

Abstract

Application of combined high-volume machining parts, high efficiency, high productivity is the development direction of machining. The graduation project is entitled " Crankcase front end of drill hole." The combined machine tool needs to be achieved while drilling four holes. Making process in the process, conducted by volume ends face milling processing program, and to seek the best technology solutions, which illustrates the process in the importance of the production process. The main elements of my design are: the general layout for a machine tool design; on the machine feed and transmission parts of the design; Integration for the fixture design; With this design, this machine can meet the design requirements, and the traditional compared to the machine, this machine has high automation, high productivity and high precision.

Keywords: milling head; Bit;fixture design; Hydraulic, manual clamping.

第一章 绪论………………………………………………………………………………4

1.1组合机床的概论……………………………………………………………………4

1.2组合机床的发展现状与趋势………………………………………………………4

1.3机床设计的目的、内容、要求……………………………………………………5

1.3.1 设计的目的………………………………………………………………………5

1.3.2 设计内容…………………………………………………………………………5

1.3.3 设计要求…………………………………………………………………………6

1.4机床的设计步骤……………………………………………………………………6

1.4.1 调查研究…………………………………………………………………………6

1.4.2 拟定方案…………………………………………………………………………6

1.4.3 工作图设计………………………………………………………………………7

第二章 零件分析

2.1 零件的结构特点及其技术要求…………………………………………………7

2.1.1零件结构特点……………………………………………………………………7

2.1.2技术要求…………………………………………………………………………8

2.2零件的生产批量及其机床的使用…………………………………………………8

2.2.1零件的生产批量…………………………………………………………………8

2.2.2机床的使用条件…………………………………………………………………8

2.3 零件工艺方案………………………………………………………………………9

2.3.1 生产工艺方案……………………………………………………………………9

第三章 组合机床的总体设计…………………………………………………………9

3.1组合机床方案的制定………………………………………………………………9

3.1.1制定工艺方案……………………………………………………………………9

3.1.2确定组合机床的配置形式和结构方案…………………………………………10

3.2确定切削用量及选择刀具…………………………………………………………11

3.2.1确定工序间余量…………………………………………………………………11

3.2.2选择切削用量…………………………………………………………………11

3.2.3确定切削力、切削扭矩、切削功率…………………………………………12

3.2.4选择刀具结构…………………………………………………………………13

3.3钻孔组合机床总设计“三图一卡”的编制……………………………………13

3.3.1被加工零件工序图……………………………………………………………13

3.3.2加工示意图……………………………………………………………………15

3.3.3机床联系尺寸图………………………………………………………………18

3.3.4生产率计算卡…………………………………………………………………20

3.4 多轴箱的设计…………………………………………………………………23

3.4.1 绘制多轴箱设计原始依据图………………………………………………23

3.4.2 齿轮模数选择………………………………………………………………24

3.4.3 绘制传动系统图……………………………………………………………25

3.4.5 传动零件的校核……………………………………………………………26

第四章 夹具设计……………………………………………………………………30

4.1 机床夹具的概述……………………………………………………………30

4.1.1机床夹具的组成……………………………………………………………30

4.1.2机床夹具的类型……………………………………………………………31

4.2夹紧方案和夹紧元件的设计…………………………………………………31

4.3夹具的性能及优点……………………………………………………………31

4.4夹具体的设计…………………………………………………………………32

4.5夹具精度分析计算……………………………………………………………32

4.6 夹具操作的简要说明…………………………………………………………33

结论……………………………………………………………………………………33

参考文献………………………………………………………………………………34

致谢……………………………………………………………………………………35

1 绪论

1.1 组合机床的概论

组合机床是以系列化、标准化的通用部件为基础，配以少量的专用部件组成的专用机床。它适宜于在大批、大量生产中对一种或几种类似零件的一道或几道工序进行加工。这种机床既有专用机床的结构简单、生产率和自动程度较高的特点，又具有一定的重新调整能力，以适应工件变化的需要。组合机床广泛应用于大批量生产的行业，如；汽车、拖拉机、电动机、内燃机、阀门、缝纫机等制造业。

1.2 组合机床的发展现状与趋势

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。

近年来，随着数控技术，电子技术，计算机技术的发展，组合机床的服务对象已经由过去的农用机械，载货汽车向以轿车工业为重点的转移，组合机床行业开展了针对轿车零件关键工艺研究开发的科研攻关，采取引进技术，合作生产和自行开发相结合；组合机床也由过去的刚性组合机床向具有一定柔性，可实现多品种加工方向的变化,同时又应用数控技术发展了三坐标加工单元等数控组合机床,把纯刚性的设备变为可变可调的装备；组合机床的加工精度由半精加工向精加工方向转化,还开发了针对汽车发动机五大件加工的关键工艺设备，使行业在精加工机床的品种上有了较大扩充，为提供成套设备创造了条件；组合机床制造技术由过去的以机加工为主的单机及自动化向综合成套方向转换，加强了相应配套技术与产品的研究开发；组合机床的控制技术由传统的程序控制技术向数控，计算机管理与监控方向发展；组合机床行业企业生产的组合机床的控制技术，已完成了由接触继电器控制向可编程控制的转变，大大的提高了组合机床的可靠性，故障率大为降低；组合机床的开发已经又过去的人工设计转向计算机辅助设计，大力推行CAD，为提高设计速度，保证设计质量，缩短供货周期创造了有利的条件。 现代制造工程从各个角度对组合机床提出了愈来愈高的要求，而组合机床也在不断吸取新技术成果而完善和发展。 (1) 高速化：由于机构各组件分工的专业化，在专业主轴厂的开发下，主轴高速化日益普及。过去只用于汽车工业高速化的机种（每分钟1.5万转以上的机种），现在已成为必备的机械产品要件。

(2) 精密化：由于各组件加工的精密化，微米的误差已不是问题。以电脑辅助生产（CAM）系统的发展带动数控控制器的功能越来越多。 (3) 高效能：对机床高速及精密化要求的提高导致了对加工工件制造速度的要求提高。同时，由于产品竞争激烈，产品生命周期缩短，模具的快速加工已成为缩短产品开发时间所必须具备的条件。对制造速度的要求致使加工模具的机床向着高效能专业化机种发展。 (4) 系统化：机床已逐渐发展成为系统化产品。现在可以用一台电脑控制一条生产线的作业，不但可缩短产品的开发时间，还可以提高产品的加工精度和产品质量。 (5) 复合化：产品外观曲线的复杂化致使模具加工技术必须不断升级，机床五轴加工、六轴加工已日益普及，机床加工的复合化已是不可避免的发展趋势。

1.3 机床设计的目的、内容、要求

1.3.1设计的目的

机床工业是现代工业特别是现代制造业的基础，在国民经济中占有重要的战略地位。机床工业与一个国家的工业竞争力、制造业发展水平紧密相关，本国的机床工业水平越高，工业和制造业竞争力越强。对我国而言，机床工业不仅仅具有重要的经济意义，而且还具有重要的国防战略意义。研究机床工业的特点，有助于我们了解机床工业的特殊规律，从而找到适合我国国情的机床工业发展之路。我国工业竞争力和制造业发展水平不高，一定程度上是与我国机床工业发展水平不高相联系的，加快我国机床工业的发展，提高我国机床工业技术和管理水平，将有利于我国工业和制造业发展。所以对机床的研究设计意义是极其重大的。 毕业设计是高等教育体系中非常重要的环节，它可以检验自己对专业知识理解与掌握的程度，也可以提高自己综合运用所学知识的能力，也能在分析问题和解决问题的过程中学到更多新的知识。

1.3.2 设计内容

(1)运动设计 根据给定的被加工零件，确定机床的切削用量，通过分析比较拟定传动方案和传动系统图，确定传动副的传动比及齿轮的齿数，并计算主轴的实际转速与标准的相对误差。

(2)动力设计 根据给定的工件，初算传动轴的直径、齿轮的模数；确定动力箱；计算多轴箱尺寸及设计传动路线。完成装配草图后，要验算传动轴的直径，齿轮模数否在允许范围内。还要验算主轴主件的静刚度。

(3)结构设计 进行主运动传动轴系、变速机构、主轴主件、箱体、润滑与密封等的布置和机构设计。即绘制装配图和零件工作图。

(4)编写设计说明书

1.3.3 设计要求

评价机床性能的优劣，主要是根据技术—经济指标来判定的。技术先进合理，亦即“质优价廉”才会受到用户的欢迎，在国内和国际市场上才有竞争力。机床设计的技术—经济指标可以从满足性能要求、经济效益和人机关系等方面进行分析。

1.4 机床的设计步骤

1.4.1调查研究

研究市场和用户对设计机床的要求，然后检索有关资料。其中包括情报、预测、实验研究成果、发展趋势、新技术应用以及相应的图纸资料等。甚至还可以通过网络检索技术查阅先进国家的有关资料和专利等。通过对上述资料的分析研究，拟订适当的方案，以保证机床的质量和提高生产率，使用户有较好的经济效益。

1.4.2 拟定方案

通常可以拟定出几个方案进行分析比较。每个方案包括的内容有：工艺分析、主要技术参数、总布局、传动系统主要部件的结构草图等。

在制定方案时应注意以下几个方面：

（1） 当使用和制造出现矛盾时，应先满足使用要求，其次才是尽可能便于制造。要尽量用先进的工艺和创新的结构；

（2） 设计必须以生产实践和科学实验为依据，凡是未经实践考验的方案，必须经过实验证明可靠后才能用于设计；

（3） 继承与创造相结合，尽量采用先进工艺，迅速提高生产力，为实现四个现代化服务。注意吸取前人和国外的先进经验，并在此基础上有所创造和发展。

1.4.3 工作图设计

首先，在选定工艺方案并确定机床配置形式、结构方案基础上，进行方案图纸的设计。这些图子包括：被加工零件工序图、加工示意图、机床联系尺寸图和生产率计算卡，统称“三图一卡”设计。并初定出主轴箱轮廓尺寸，才能确定机床各部件间的相互关系。

其次，绘制机床的总装图、部分部件装配图。

然后，整理机床有关部件与主要零件的设计计算书，编制各类零件明细表，编写机床说明书等技术文件。

最后，对有关图纸进行工艺审查和标准化审查。

2 零件分析

2.1 零件的结构特点及其技术要求

2.1.1 零件结构特点

设计中所给定曲轴箱,从零件图上分析，大体作用为： 起到支撑主轴的作用，曲轴箱承载受力，箱体内有润滑油保证润滑散热.要求加工的钻孔有2组6-M10-7H的孔,1组8-M8-7H的孔,2组8-M12-7H的孔,1组4-M13的孔.我要做的是曲轴箱前端面的1组8-M8-7H的孔中的1,2,3,4号孔。此组孔深为12mm.此工件采用一面两销定位法定位。

图（1）

2.1.2 技术要求

根据本次加工零件的零件图,技术要求有以下几点:

1.铸件的型砂，夹砂，浇口，冒口，多肉，诘疤和粘砂应清除干净。

2.两端面和轴承座孔的圆柱面不应有裂纹，缩松，缩孔，亦不允许修补。

3.铸造公差±1.2mm，未注铸造圆角R4-6，拔模斜度<=15°。

4.铸件要进行热处理，硬度RHB170-220。

5.倒模去毛刺。

2.2. 零件的生产批量及其机床的使用

2.2.1 零件的生产批量

本次课题要求，零件的生产批量以年产量为6万件。

2.2.2 机床的使用条件

本次课题要求生产纲领为年产6万件,而机床的使用设备为：大部分工艺采用通用机床,部分采用专用机床,机床按流水线生产布置,也可以广泛使用专用夹具,采用部分专用刀具,部分采用专用量具.

2.3 零件工艺方案

2.3.1 生产工艺方案

3 组合机床的总体设计

3.1 组合机床方案的制定

3.1.1制定工艺方案

零件加工工艺将决定组合机床的加工质量、生产率、总体布局和夹具结构等。所以，在制定工艺方案时，必须计算分析被加工零件图，并深入现场了解零件的形状、大小、材料、硬度、刚度，加工部位的结构特点加工精度，表面粗糙度，以及定位，夹紧方法，工艺过程，所采用的刀具及切削用量，生产率要求，现场所采用的环境和条件等等。并收集国内外有关技术资料，制定出合理的工艺方案。

根据被加工被零件的零件图，加工8个前端面M8螺纹孔的工艺过程。

(1) 加工孔的主要技术要求。

加工8个M8孔。

工件材料为HT200

要求生产纲领为（考虑废品及备品率）年产量6万件，单班制生产

(2) 工艺分析

加工该孔时，孔的表面粗糙度为Ra6.3

根据组合机床用的工艺方法及能达到的经济精度，可采用如下的加工方案。

一次性加工孔，孔径为Φ6.7,然后攻丝M8。

(3) 定位基准的选择

加工此箱体的孔时，通过以底平面和2个￠13孔来定位并通过夹具压紧来限制六个自由度。

在保证加工精度的情况下，提高生产效率减轻工人劳动量，而工件也是大批量生产，夹具的具体设计见装配图。

3.1.2 确定组合机床的配置形式和结构方案。

(1)被加工零件的加工精度

被加工零件需要在组合机床上完成的加工工序及应保证的加工精度，是制造机床 方案的主要依据。箱体顶面加工孔的精度要求不高，可采用钻孔组合机床,它的位置精度要求不是很高，安排加工时可以直接通过夹具定位、加紧，并对所有孔进行最终精加工。为了加工出表面粗糙度为Ra6.3um的孔。采取提高机床原始制造精度和工件定位基准精度并减少夹压变形等措施就可以了。

(2) 被加工零件的特点

这主要指零件的材料、硬度加工部位的结构形状，工件刚度定位基准面的特点，它们对机床工艺方案制度有着重要的影响。此箱体的材料是HT200、孔在前端面上的分布有一定的规律，螺纹孔为M8。采用多孔同步加工，零件的刚度足够，工件受力不大，振动，及发热变形对工件影响可以不计。

一般来说，孔中心线与定位基准面平行且需由一面或几面加工的工件宜用卧式机床，立式机床适宜加工定基准面是水平的且被加工孔与基准面垂直的工件，而不适宜加工安装不方便或高度较大的细长工件。对大型工件采用单工位机床加工较适宜，而中小型零件则多采用多工位机床加工。

此零件的加工特点是中心线与定位基准平面是垂直的，并且定位基准面是水平的。孔的分布范围是非直线形状，工件比较长，只能一次钻完，多轴箱体积较大，因而适合选择卧式单工位钻床。

(3) 零件的生产批量

零件的生产批量是决定采用单工位、多工位、自动线或按大批量生产特点设计组合机床的重要因素。按设计要求生产纲领为年生产量为6万件，从工件外形及轮廓尺寸，为了减少加工时间，采用多轴头，为了减少机床台数，此工序尽量在一台机床上完成，以提高利用率。

(4) 机床使用条件

使用组合机床对对车间布置情况、工序间的联系、使用厂的技术能力和自然条件等一定的要求。在根据使用户实际情况来选择什么样的组合机床。

综合以上所述：通过对壳体零件的结构特点、加工部位、尺寸精度、表面粗糙度和技术要求、定位、夹紧方式、工艺方法，并定出影响机床的总体布局和技术性能等方面的考虑，最终决定设计三轴头单工位同步钻床。

3.2 确定切削用量及选择刀具

3.2.1 确定工序间余量

为使加工过程顺利进行并稳定的保证加工精度，必须合理地确定工序余量。生产中常用查表给出的组合机床对孔加工的工序余量，以消除转、定位误差的影响。但箱体顶面上8-M8mm的螺纹孔为最后一道工序，不会影响到其他工序的加工，M8的底孔为￠6.7，孔径较小，因此可以一次性钻孔到位，然后攻丝。

3.2.2 选择切削用量

确定了在组合机床上完成的工艺内容了，就可以着手选择切削用量了。因为所设计的组合机床为多轴同步加工在大多数情况下，所选切削用量，根据经验比一般通用机床单刀加工要低30%左右．多轴主轴箱上所有刀具共用一个进给系统，通常为标准动力滑台，工作时，要求所有刀具的每分钟进给量相同，且等于动力滑台的每分钟进给量（mm/min）应是适合有刀具的平均值。因此，同一主轴箱上的刀具主轴可设计成不同转速和不同的每转进给量（mm/r）与其适应。以满足不同直径的加需要，即：·=·=…=·=

式中： …——各主轴转速（r/min）

…——各主轴进给量（mm/r）

——动力滑台每分钟进给量（mm/min）

由于壳体顶面孔的加工精度、工件材料、工作条件、技术要求都是相同的。按照经济地选择满足加工要求的原则，采用查表的方法查得：钻头直径D=6.7mm,铸铁HB50～100、进给量f=0.15mm/r、切削速度v=10.5m/min。

3.2.3 确定切削力、切削扭矩、切削功率

根据选定的切削用量（主要指切削速度v及进给量f）确定切削力，作为选择动力部件（滑台）及夹具设计的依据；确定切削扭矩，用以确定主轴及其它传动件（齿轮，传动轴等）的尺寸；确定切削功率，用以选择主传动电动（一般指动力箱）功率，通过查表计算如下：

布氏硬度：HB =HBmin－(HBmax－HBmin)

=50－(100－50)

=33.3

切削力： =26

=26×6.7××33.3

=312.9N

切削扭矩： =4

=4×××33.3

=266.7N·mm

切削功率： =

=266.7×10.5/(9740×3.14×6.7)

=0.014kw

式中：HB——布氏硬度

F——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)

3.2.4 选择刀具结构

变速器箱体的布氏硬度在HB50～100，孔径D为6.7mm，刀具的材料选择高速钢钻头（W18Cr4V），为了使工作可靠、结构简单、刃磨简单，选择标准Φ6.7的麻花钻。孔加工刀具的长度应保证加工终了时刀具螺旋槽尾端与导向套之间有30～50mm的距离，以便排出切屑和刀具磨损后有一定的向前的调整量。

3.3钻孔组合机床总设计“三图一卡”的编制

前面对三轴头单工位同步钻床工艺方案及配置型式、结构方案确定的有关问题，它是钻床总体设计的重要内容。下面就以钻床加工变速箱体总体设计的另一个问题，既总体设计方案的图纸表达形式——“三图一卡”设计，其内容包括：

绘制被加工零件工序图、加工示意图、机床联系尺寸图、编制生产率卡。

3.3.1 被加工零件工序图

1、被加工零件工序图的作用及内容

被加工零件工序图是根据选定的工艺方案，表示一台组合机床完成的工艺内容，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、夹具部位及被加工零件的材料、硬度、重量和在本道工序加工前毛坯或成品状况的图纸，它不能用用户提供的图纸代替，而是在原零件图基础上，突出本机床的加工的内容，加上必要的说明绘制成的。它是组合机床设计的主要依据，也是制造、使用、检验和调整机床的重要技术文件。壳体用钻孔组合机床的被加工零件工序图如2－2所示。

图上主要内容：

（1）被加工零件的形状，主要外廓尺寸和本机床要加工部位的尺寸、精度、表面粗糙度、形位精度等技术要求，以及对上道工序的技术要求等。

（2）本工序所选定的定位基准、夹紧部位及夹紧方向。

（3）被加工零件的名称、编号、材料、硬度及被加工部位的加上余量等。

2、绘制被加工零件工序图的注意事项

为了使被加工零件工序图清晰明了，一定要图出被本机床的加工内容。绘制时，应按一定的比例，选择足够的视图及剖视图，突出加工部位（用粗实线），并把零件轮廓

及与机床、夹具设计有关部位（用细实线）表清楚，凡本道工序保证的尺寸、角度等，均应在尺寸数值下方面用粗实线标记。

图2－2 被加工零件工序图

附注：1.被加工零件：曲轴箱；

2.材料及硬度：HT200 HB50~100；

3.3.2 加工示意图

图2－3加工示意图

1、加工示意图的作用和内容

加工示意图是被加工零件工艺方案在图样上的反映，表示被加工零件在机床上的加工过程，刀具的布置以及工件、夹具、刀具的相对位置关系，机床的工作行程及工作循环等，是刀具、夹具、多轴箱、电气和液压系统设计选择动力部件的主要依据，是整台组合机床布局形式的原始要求，也是调整机床和刀具所必需的重要文件。图2－3为变速箱体上8个孔立式钻床加工示意图。

在图上应标注的内容：

（1）机床的加工方法，切削用量，工作循环和工作行程。

（2）工件、夹具、刀具及多轴箱端面之间的距离等。

（3）主轴的结构类型，尺寸及外伸长度；刀具类型，数量和结构尺寸、接杆的结构尺寸；刀具、接杆、主轴之间的连接方式，刀具应按加工终了位置绘制。

2、绘制加工示意图之前的有关计算

（1）刀具的选择 刀具选择考虑加工尺寸精度、表面粗糙度、切削的排除及生产率要求等因素。

（2）初定主轴类型、尺寸、外伸长度

因为轴的材料为40Cr，剪切弹性模量G=81.0GPa,刚性主轴取ψ＝1／4（0）／m,所以B取2.316，

根据刚性条件计算主轴的直径为：

dB=2.316×=9.4mm

式中：d——轴直径（mm）

T——轴所承受的转矩（N·mm）

B——系数

内孔长度为：l1 =24mm. 本设计中所有主轴直径皆取d=30mm,主轴外伸长度为：L=115mm，D/为30/8.5，

（3）选择刀具接杆 由以上可知，多轴箱各主轴的外伸长度为一定值，而刀具的长度也是一定值，因此，为保证多轴箱上各刀具能同时到达加工终了位置，就需要在主轴与刀具之间设置可调环节，这个可调节在组合机床上是通过可调整的刀具接杆来解决的,连接杆如图3-3所示

图3-3 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2－4所示：

表2－4 可调接杆的尺寸

（4）确定加工示意图的联系尺寸

从保证加工终了时主轴箱端面到工件端面间距离最小来确定全部联系尺寸，加工示意图联系尺寸的标注如图3-3所示。其中最重要的联系尺寸即工件端面到多轴箱端面之间的距离,它等于刀具悬伸长度、螺母厚度、主轴外伸长度与接杆伸出长度（可调）之和，再减去加工孔深度和切出值。

（5）工作进给长度的确定 如图3-4工作进给长度应等于工件加工部位长度L与刀具切入长度和切出长度之和。切入长应应根据工件端面误差情况在5～10mm之间选择，误差大时取大值，因此取=5mm，切出长度=1/3d+(3～8)= +8 8mm,所以=24+5+8=37mm.

（6）快进长度的确定 考虑实际加工情况，在未加工之前，保证工件表面与刀尖之间有足够的工作空间，也就是快速退回行程须保证所有刀具均退至夹具导套内而不影响工件装卸。这里取快速退回行程为156mm，快退长度等于快速引进与工作工进之和，因此快进长度107－37=70mm.

图2－7 工作进给长度

3.3.3 机床联系尺寸图

图2-8机床联系尺寸图

1、联系尺寸图的作用和内容

一般来说，组合机床是由标准的通用部件——动力箱、动力滑台、立柱、立柱底座加上专用部件——多轴箱、刀、辅具系统、夹具、液、电、冷却、润滑、排屑系统组合而成。联系尺寸图用来表示机床各组成部件的相互装配和运动关

系，以检验机床各部件的相对位置及尺寸联系是否满足要求，通用部件的选择是否合适，并为进一步开展主轴箱、夹具等专用部件、零件的设计提供依据。联系尺寸图也可以看成是简化的机床总图，它表示机床的配置型式及总体布局。

如图2－8所示，机床联系尺寸图的内容包括机床的布局形式，通用部件的型号、规格、动力部件的运动尺寸和所用电动机的主要参数、工件与各部件间的主要联系尺寸，专用部件的轮廓尺寸等。

2、选用动力部件

选用动力部件主要选择型号、规格合适的动力滑台、动力箱。

（1）滑台的选用 通常，根据滑台的驱动方式、所需进给力、进给速度、最大行程长度和加工精度等因素来选用合适的滑台。

1）驱动形式的确定 根据对液压滑台和机械滑台的性能特点比较，并结合具体的加工要求，使用条件选择HY系列液压滑台。

2）确定轴向进给力 滑台所需的进给力

=∑=6×1313=7878N

式中：——各主轴加工时所产生的轴向力

由于滑台工作时，除了克服各主轴的轴的向力外，还要克服滑台移动时所产生的摩擦力。因而选择滑台的最大进给力应大于＝8KN。

3）确定进给速度 液压滑台的工作进给速度规定一定范围内无级调速，对液压滑台确定切削用量时所规定的工作进给速度应大于滑台最小工作进给速度的0.5～1倍;液压进给系统中采用应力继电器时，实际进给速度应更大一些。本系统中进给速度=n·f=37.5mm/min。所以选择HY25IA液压滑台，工作进给速度范围32～800mm/min，快速速度12m/min。

4）确定滑台行程 滑台的行程除保证足够的工作行程外，还应留有前备量和后备量。前备量的作用是动力部件有一定的向前移动的余地，以弥补机床的制造误差以及刀具磨损后能向前调整。本系统前备量为20mm，后备量的作用是使动力部件有一定的向后移动的余地，为方便装卸刀具，这是取40mm,所以滑台总行程应大于工作行程，前、后备量，后备量之和。

即：行程L＞70+20+37=137mm，取L＝250mm。综合上述条件，确定液压动力滑台型号HY25IA。

（2）由下式估动力箱的选用 动力箱主要依据多轴所需的电动机功率来选用，在多轴箱没有设计之前，可算

＝／η

＝6×0.21／0.7

＝1.8KW

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ZL102 JB307-62，取η＝0.7．

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Y11M4的1TD32IA型动力箱，动力箱输出轴至箱底面高度为125mm。主要技术参数如下表：

（3）Y轴液压滑台的选用

工件质量计算

m = ρv=7.0×103×1.48×10-3

=10.36kg

磨擦系数：f=0.07～0.12取f=0.1

F=f·N=fmg=0.1×10.36×10=10.36N

2、配套支承部件的选用

床身1CC251型，底座1CD251型

3、确定装料高度

装料高度指工件安装基面至机床底面的垂直距离，在现阶段设计组合机床时，装料高度可视具体情况在H＝580～1060mm之间选取，本系统取装料高度为900mm。

4、中间底座轮廓尺寸

中间底座的轮廓尺寸要满足Y轴滑台在其上面联接安装的需要，又考虑到与立柱底座相连接。因此，中间底座采用侧底座1CC251。

5、确定多轴箱轮廓尺寸

本机床配置的多轴箱总厚度为325mm，宽度和高度按标准尺寸中选取。计算时，多轴箱的宽度B和高度H可确定为：B=400 H=400

根据上述计算值，按主轴箱轮廓尺寸系列标准，最后确定主轴箱轮廓尺寸B×H=400X400mm。

3.3.4 生产率计算卡

生产率计算卡是反映所设计机床的工作循环过程、动作时间、切削用量、生产率、负荷率等技术文件，通过生产率计算卡，可以分析拟定的方案是否满足用户对生产率及负荷率的要求。计算如下：

切削时间： T切= L/vf+t停

= 37/37.5＋2×15/250

=1.107 min

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5～15 r所需要时间。这里取15r

辅助时间 T辅 = +t移+t装

= （70＋107）×2/12000+0.1+0.5

= 0.63min

式中：L3、L4 ——分别为动力部件快进、快退长度（mm）

vfk ——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0.5min

机床生产率 Q1 = 60/T单

= 60/（T切+T辅）

= 60/（1.107+0.63）

= 35 件/h

机床负荷率按下式计算 η= Q1/Q×100%

= A/ Q1tk×100%

= 60000/(35×1950)×100%

= 88%

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 =1950h

表2－5 生产率计算卡

3.4 多轴箱的设计

3.4.1 绘制多轴箱设计原始依据图

多轴箱设计原始依据图是根据“三图一卡”绘制的如图2－9所示:

如图2－9 钻孔组合机床多轴箱原始依据图

图中多轴箱的两定位销孔中心连线为横坐标，工件加工孔对称，选择箱体中垂线为纵坐标，在建立的坐标系中标注轮廓尺寸及动力箱驱动轴的相对位置尺寸。主轴部为逆时针旋转（面对主轴看）。

主轴的工序内容，切削用量及主轴尺寸及动力部件的型号和性能参数如表 2－6所示：

表2－6 主轴外尺寸及切削用量

注：1．被加工零件：曲轴箱；材料：HT200

2．动力部件型号：1TD32IA动力箱，电动机型号Y100L1-4；功率P＝2.2kw。

3.4.2 多轴箱的传动设计

（1）根据原始依据图（图2－9），画出驱动轴、主轴坐标位置。如下表：

表2—7 驱动轴、主轴坐标值

1）最小齿数的确定

为保证齿轮齿根强度，应使齿根到孔壁或键槽的厚度a2m,驱动轴的直径为d=30mm,有《机械零件设计手册》知，如图2－10所示齿轮t=33.3mm,当m1=3时。驱动轴上最小齿轮齿数为：

2（t/m1+2+1.25）－d0/m1

=2×(33.3/3+2+1.25)－30/3

=18.9

所以驱动轴齿数要大于等于19。

为减小传动轴的种类，所有传动轴的直径取20mm.

当m2=3，d=20时，齿轮t=22mm。主轴上最小齿轮齿数为：

2（t/m2+2+1.25）－d0/m2

=2×（23.3/2+2+1.25）－20/2

=19.8

所以主轴齿数要大于等于20。

2）传动轴11为主轴1，2，3 ，4都各自在同一同心圆上。

多轴箱的齿轮模数按驱动轴出轮估算

=32x=1.71

多轴箱输入出轮模数取m1=3，其余齿轮模数取m2=2。主轴1，2，3,4要求的转速一致且较高，所以采用升速传动。主轴齿数选取Z=27，传动齿轮采用z=22齿的齿轮，变位系数。传动轴的转速为:

由于前面选取了主轴直径为30，显然传动轴直径都选取20，这样为了减少传动轴种类和设计题目需要由于传动轴转速是，则驱动轴至传动轴的传动比为:

所以选择两级传动，且传动比分配为：一级为1.2×1.2;二级为1.4×1.0。

驱动轴的直径为20mm，由《机械零件设计手册》查得知：t=33.3mm,当m=3时，驱动轴上的齿数为：

Zmin≥

去驱动齿轮齿数Z=22。

通用的齿轮有三种，即传动齿轮、动力箱齿轮和电机齿轮。材料均为45钢，热处理为齿部高频淬火G54。本机床齿轮的选用按照下表选用

计算各主轴转速

使各主轴转速的相对转速损失在5%以内。由公式：V= 知：

3.4.3 绘制传动系统图

传动系统图是表示传动关系是示意图，即用以确定的传动轴将驱动轴和各主轴连接起来，绘制在多轴箱轮廓内的传动示意图（见多轴箱装配图）

图中多轴箱箱体内只排放一排37mm宽的齿轮，离箱体前壁4.5mm，离箱体后壁9.5mm，传动轴齿轮和驱动轴齿轮为第Ⅱ、Ⅲ排。在图中标出齿轮的齿数、模数、变位系数，以校核驱动轴是否正确。另外，应检查同排的非啮合齿轮是否齿顶干涉；还画出主轴直径和轴套直径，以避免齿轮和相邻的主轴轴套相碰。

3.4.4 传动零件的校核

（1）验算传动轴的直径

校核传动轴以承受的总扭矩最大传动轴15，由它驱动的有主轴6、7、8和液压泵轴10。

主轴扭矩：T6=T7=T8= 3024.25N·mm

液压泵轴的扭矩：查得R12-1A液压泵的最高压力为0.3MPa、排量为5.88ml/r。假设在理想无泄漏状态，

即：P·q=T·ω

式中：P——液压泵的压力N/㎡

q——液压泵的排量m3/s

T——输入扭矩N·m

ω——输入角速度rad/s

单位换算：P=0.3MPa=0.3×106Pa

n =655.338r/min=10.9223r/s

q=5.88×10.9223=64.22ml/r=64.22×10-6m3/s

ω=2πn/60=2×3.14×655.338/60

=68.56rad/s

代入公式：P·q=T·ω

64.22×10-6×0.3×106=68.56T7

解得：T7=280N·mm

T5=T1/i5-1+T4/i5-4+T7/i5-7

=2×3274.45/0.914+280/0.667

=7584.89N·mm

根据 d=B=2.316×=21.6mm<30mm

因此传动轴12,13,14,15是符合要求的。

（2）齿轮模数的验算

对多轴箱中承受载荷最大、最薄弱的轴9上的齿轮进行接触疲劳强度和弯曲疲劳强度的验算。

齿轮的材料为45钢，表面淬火，布氏硬度HB=229～286，平均值240HB。设使用寿命10年。齿轮Z5=23、Z1=23、宽度B=37mm，传动比i5-1=1,工作时间比1.088/2.804=0.39。

注：在校核计算的过程中所要见的表和图在《机械设计》一书中，邱宣怀等编著，2003年高等教育出版社。

校核计算：

接触疲劳极限бHlim 由图12.17c得 бHlim =410MPa

齿轮5的圆周速度v5 v5===1.37m/s

精度等级 选9级精度

使用系数KA 由表12.9 KA=1.1

动载系数KV 由图12.9 KV=1.24

齿间载荷分配系数KHα 由表12.10先求

Ft=2T5/d5=2×7584.89/60=252.83N

KAFt/b=1.1×252.83/37=7.52N/mm<100N/mm

εα=[1.88－3.2×(+)]cosβ (β=0)

=1.88－3.2×(+)

=1.67

Zε===0.88

由此得KHα===1.29

齿向载荷分布系数KHβ 由表12.11知

KBβ=A+B[1+0.6·（）·2]（）·2+C·10-3b

=1.17+0.16×[1+0.6×(37/60)×2] ×(37/60)×2+0.61×10-3×37

=1.28

载荷系数K K=KAKVKHαKHβ

=1.1×1.24×1.29×1.28

=2.25

弹性系数ZE 由表12.12 ZE=189.8

节点区域系数ZH 由图12.16 （X1X2）/(Z1Z2)=0.005

ZH=2.62

接触最小安全系数SHmin 由表12.14 SHmin=1.25

总工作时间th th=10×365×8×0.39=11481.6h

应力循环次数NL1=60γn5th

= 60×3×436.892×11481.6

=9.03×108

NL2=60γn1th

=60×1×478×11481.6

=3.2×108

接触寿命系数ZN 由图12.18 ZN1=1.14

ZN2=1.24

许用接触应力[σH] [σH1]= ==373.92MPa

[σH2]= ==406.7MPa

验算 σH=ZE·ZH·Zε

=189.8×2.62×0.88×

=301.95MPa<373.92 MPa

计算表明：接触疲劳强度是合适是，齿轮尺寸无须调整。

齿根弯曲疲劳强度验算

重合度系数Yε Yε= 0.25+0.75/εα=0.25+0.75/1.67=0.7

齿间载荷分配系数KFα 由表12.10 KFα=1/Yε=1/0.7=1.43

齿向载荷分配系数KFβ b/h=37/(2.25×2)=8.22

由图12.14 KFβ =1.2

载荷系数K K=KAKVKFαKFβ

=1.1×1.24×1.43×1.2

=2.34

齿形系数YFα 由图12.21 YFα1=2.37

YFα2=2.56

应力修正系数YSα 由图12.22 YSα1=1.68

YSα2=1.62

弯曲疲劳极限σFlim 由图12.23c σFlim=380MPa

弯曲最小安全系数SFmin 由表12.14 SFmin=1.25

应力循环系数NL NL1=60γn5th=9.03×108

NL2=60γn1th =3.2×108

弯曲寿命系数YN 由图12.24 YN1=0.98

YN2=1.0

尺寸系数Yx 由图12.25 Yx=0.85

许用弯曲应力[σF] [σF1] =

=380×0.98×0.85/1.25

=253.25MPa

[σF2]=

=380×1×0.85/1.25

=258.4MPa

验算 σf1=YFα1 YSα1Yε

=×2.37×1.63×0.7

=21.62MPa<[σf1]

σf2=σf1

=21.62×

=22.52MPa<[σf2]

传动无严重过载，故不做静强度校核。

4 夹具设计

机床夹具设计在组合机床设计中占有重要的地位。它的好坏将直接影响工件加工表面的位置精度。

本夹具主要是用来钻变速箱体上端八个M10螺纹孔底孔，整个需要加工的孔的位置尺寸用机床和夹具就能直接保证。因此，在本道工序加工时，主要应考虑如何保证垂直度要求的前题下，提高劳动生产率，降低劳动强度。为了很好利用工厂实际设备和提高生产率，设计专用夹具进行加工。

4.1 机床夹具的概述

4.1.1机床夹具的组成

(1)定位元件和定位装置 用于确定工件正确位置的元件或装置，如V形块，定位销，凡是夹具都有定位元件，它是实现夹具基本功能的元件。

(2)夹紧元件和夹紧装置 用于固定工件以获得的正确位置的元件或装置。工件在夹具定位之后引进加工之前必须将工件夹紧，使其在加工时在切削力的作用下不离开已获得的定位，有时同一个元件既能定位，也具有夹紧的双重功效。

(3)导向元件 确定刀具的位置并引导刀具的元件，它也可以供钻镗类夹具在机床上安装时做基准找正用。

(4)夹具体 夹具体也称为夹具本体，用于将各种元件，装置连于一体，并通过它将整个夹具安装在机床上，一般采用铸铁制造，它是保证夹具的刚度和改善夹具动力学特性的重要部分。如果夹具体的刚性不好，加工时将要引起较大的变形和震动，产生较大的加工误差。

4.1.2机床夹具的类型

机床夹具的种类很多，形状千差万别，为了设计和制造方便，一般按某一属性进行分类，如按所使用的机床分：车床夹具，铣床夹具，镗床夹具，磨床夹具和钻床夹具。

4.2夹紧方案和夹紧元件的设计

工件在切削过程中会受到切削力、惯性力等作用，因此必须夹紧以保证定位，典型的夹紧装置是由夹紧元件、中间传力机构和动力源装置所组成。夹紧元件是执行夹紧的最终元件，是直接与零件接触来完成夹紧的。中间传力机构是传传递动力源装置的力到夹紧元件来完成夹紧，它可以改变夹紧力的大小、方向和使夹紧具有自锁性能。动力装置是产生夹紧力的动力源，所产生的力称为原始力。

夹紧装置在夹紧过程中有一定的要求：

(1)夹紧装置应保证工件定位，而不能破坏工件的定位。

(2)夹紧力的大小应能保证工件在加工时的位置不变，同时又不能使工件产生变形。

(3)夹紧力的方向应和切削力方向相应，使夹紧力减小。

(4)夹紧装置的动作应迅速、方便、安全。

(5)夹紧装置的结构应简单、合理、制造方便。

由于该道工序是钻φ6.7孔，此零件属于大批量生产，并且切削力较小，所以力求夹具设计简单，降低成本的原则。则本夹具采用压板夹紧。

4.3夹具的性能及优点

（1）刚性好

该夹具在高转速的情况下不会产生振动，。套筒用铸铁件制造，无薄弱环节。整个机构不存在刚性不足、偏载和偏心现象。

（2）应用范围广

此夹具更换不同直径的弹簧套筒，可以加工不同直径的同类产品，通用性好。

（3）精度保证较高

使用可胀心轴定位，消除了工件的定位间隙，有效地保证了被加工零件的位置精度。经实验证明其定位精度可达0.01mm。

4.4夹具体的设计

夹具体的设计是整个夹具的基础零件，定位元件、夹紧装置、连接元件、导向元件或对刀装置等都要求装在它上面，因此夹具体是一个复杂而又重要的零件，而且必须满足一定的要求：

1）夹具体要有足够的刚度，承受夹紧力及加工时的切削力，一般夹具体为铸件，但也可是焊接件。

2）夹具体一般应考虑搬运的吊装问题，以方便夹具的安装对于小规模当然可以不考虑吊装，但也应该考虑搬运的问题。

3）夹具体上应考虑排屑和清理切屑方便。

4）夹具体的结构尺寸应考虑夹具体的稳定性，夹具底面可以做的稍大些。

5）由于夹具体一般都比较复杂，故要考虑结构工艺性，对加工和安装都应该合理、方便。则该夹具体的基本要求为：894600。

4.5夹具精度分析计算

夹具精度计算是一个非常重要的环节，它是检验夹具是否合乎零件加工要求。利用夹具在机床上加工工件时，机床、夹具、工件、刀具等形成一个封闭的加工系统，它们之间相互联系，最后形成工件和刀具之间的正确位置关系，从而保证工序尺寸的要求。这些联系环节中的任何误差，都将以加工误差的形式直接影响工件的加工精度，这些误差主要有：

1）因工件在夹具中定位不准确，使工件的原始基准偏离规定位置而产生工件定位误差Δdw。

2）因夹具在机床上安装不准确，使夹具的安装面偏离规定位置而产生夹具安装误差Δa。

3）因刀具相对夹具位置不准确，或刀具与导向、对刀元件之间的配合间隙引起的导向或对刀误差Δt。

4）因机床精度、刀具制造精度和磨损，加工调整、加工变形等因素引起的与加工方法有关的加工方法误差Δg。

为了使夹具能加工出合格的工件，上述各项误差的总和应不超过工序尺寸（或位置要求）的公差Δk。即

Δdw+Δa+Δt+Δg〈Δk

上式称为误差计算不等式，其中各项误差都是在工序尺寸方向上的分量，如果工序尺寸（包括位置精度要求）不止一个，则只有在每个工序尺寸的误差计算不等式都能满足要求时，所设计的夹具才能保证加工要求。

对夹具而言，

1） 工件在夹具中的定位误差在前面已经分析。即Δdw=0.07mm。

2） 夹具的安装误差Δa，夹具的安装误差是夹具在机床上安装时，因夹具的安装面偏离了规定的位置，从而使原始基准发生移动而在工序尺寸产生的偏差，采用定位键进行定位，则安装误差Δa=0.005mm。

3） 刀具位置误差Δt的确定，刀具位置误差是刀具相对于夹具位置不准确引起的误差，或刀具与导向、对刀元件间的配合间隙引起的导向或对刀误差，这项误差又称刀具调整误差，则Δt=0.07mm。

4） 加工方法误差Δg，因为加工方法误差具有很大的偶然性，很难进行精确的计算，因此常取（1/3~1/2）Δk作为加工方法和精度储备之用，则Δg=0.62=0.3m。

所以,按概率法相加得：

经过计算则这个定位方式是可行的，满足夹具精度要求，整个夹具设计合理。

4.6 夹具操作的简要说明

如前所述，在设计夹具时，应该请注意在保证加工要求的前题下，尽量提高劳动生产率。

为此，根据本夹具的特点，应采用手动夹紧与液压结合的方式较为方便。所以基本的操作为：

将工件放在夹具体上，并保证定位销穿过工件，工件与右挡板接触，拎紧螺母，从而达到夹紧的要求。加工完后取工件时，则和前面的步骤刚好相反。

5 结论

本课题设计的钻孔组合机床机械系统用于加工变速器箱体的八个孔。在开发过程中，针对加工过程中存在的难点进行了钻研。在钻床的设计上采取了一系列的措施，保证了被加工孔的加工精度。主要完成了以下工作：

1、对变速器箱体孔的加工工艺进行了分析研究，明确了八个孔加工的技术要求和工艺要点。

2、恰当地选择了机床的切削参数，动力头及液压滑台驱动机构的结构参数。

3、采用X轴液压滑台驱动动力头和多轴箱实现进给。

4、设计了稳定可靠的多轴箱和钻模板，从而保证了被加工孔的精度要求。

5、根据通用、经济的原则，选择了刀具，满足了工艺的需要。

设计的钻孔组合机床，保证了加工孔的生产质量，提高工效3倍以上，加工成本大幅下降。

本项工作还有许多值得完善的地方，例如：装夹、定位由人工完成，效率较低；自动化程度有待提高等问题。这些问题通过改进设计、完善工艺、现场的不断实践、总结，必将会得到进步的提高。

参考文献

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[17] 李名望主编 《机床夹具设计实例教程》化学工业出版社 2009

[18] 上海机械专科学校 《机床夹具图》 机械工业出版社 1991

致 谢

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/756a42b4e009581b6bd9eb89.html