机械设计钻孔组合机床毕业设计.docx

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机械设计钻孔组合机床毕业设计

机械设计钻孔组合机床毕业设计

目录

摘要及关键词1

1引言1

1.1机床设计的目的、内容、要求1

2组合机床的总体设计2

2.1组合机床工艺方案的制定2

2.2确定切削用量及选择刀具3

2.3组合机床的总体方案设计3

2.4钻孔组合机床总设计“二图一卡”的编制4

2.5多轴箱的设计11

3夹具设计15

3.1机床夹具的概述15

3.2工件结构特点分析16

3.3工件定位方案和定位元件的设计16

3.4夹紧方案16

3.5组合机床的夹具设计特点16

3.6夹具体的设计17

3.7误差的分析与计算17

3.8夹具精度分析计算17

3.9夹具视图18

4结论18

参考文献20

谢辞21

钻孔组合机床设计

摘要：

钻孔组合机床是根据工件加工需要，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。

它能从多面，多工位，多轴对一个或几个工件同时进行加工，和一般的机床相比，具有设计周期短，成本低，自动化程度高，加工质量稳定，减轻工人劳动程度等优点。

设计内容包括：

确定机床的切削用量，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，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。

并绘制装配图和零件工作图。

关键词：

钻孔组合机床；主轴；齿轮

1引言

机械加工工艺是实现产品设计，保证产品质量，节约能源，降低消耗的重要手段，是企业进行生产准备，计划调度，加工操作，安全生产，技术检测和健全劳动组织的重要依据，也是企业中品种，上质量，上水平，加速产品更新，提高经济效益的技术保证。

在实际生产中，由于零件的生产的生产类型，材料，结构，形状，尺寸，和技术要求等不不同，针对某一零件，往往不是单独在一种机床上，用某一种加工方法就能完成的，而是要经过一定的工艺过程才能完成其加工，因此，不仅要根据零件的具体要求，结合现场的具体条件，对零件的各组合表面而选择合适的加工方法，还要合理地安排加工顺序，逐步地把零件加工出来[1]。

1.1机床设计的目的、内容、要求

1.1.1设计的目的

机床设计毕业设计，其目的在于通过机床主运动机械变速传动系统的结构设计，使我们在拟定传动和变速的结构方案过程中，得到设计构思、方案的分析、结构工艺性、机械制图、零件计算、编写技术文件和查阅资料等方面的综合训练，树立正确的设计思想，掌握基本的设计方法，培养基本的设计方法，并培养了自己具有初步的结构分析、结构设计和计算能力。

1.1.2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，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。

1.1.3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[2]。

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。

1.2机床的设计步骤

1.2.1调查研究

调查研究的主要内容有：

认真阅读被加工零件图样，研究其尺寸、形状、材料、硬度、重量、加工部位的结构及加工精度和表面粗糙度要求等内容。

通过对产品装配图和有关工艺资料的分析，认识被加工零件在产品中的地位和作用。

1.2.2总体方案设计

总体方案的设计主要包括制定工艺方案（确定零件在组合机床上完成的工艺内容及加工方法，选择定位基准和夹紧部位，决定工步和刀具种类及其结构形式，选择切削用量等）、确定机床配置形式、制定影响机床总体布局和技术性能的主要部件的结构方案。

总体方案设计的具体工作是编制“二图一卡”，即绘制加工示意图、机床联系尺寸图、生产率计算卡。

1.2.3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。

这些图纸包括：

加工示意图、机床联系尺寸图和生产率计算卡，统称“二图一卡”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[3]。

2组合机床的总体设计

2.1组合机床工艺方案的制定

组合机床用于钻削变速箱上端面的8个孔，并且要达到其加工精度。

为了满足其加工精度的要求，我们首先要对加工的零件做工艺方案的分析，制定组合机床工艺方案是设计组合机床最重要的步骤之一。

工艺方案制定的正确与否，将决定机床能否达到“重量轻、结构简单、效率高、质量好”的要求。

（1）加工工序和加工精度

被加工零件需要在组合机床上完成的工序及加工精度，是制定机床工艺方案的主要依据。

本组合机床为钻孔：

8个孔

孔的精度：

Φ10H6（）

（2）被加工零件特点

工件硬度：

HB170～220

材料：

HT150

铸件

（3）工件生产方式

被加工零件的生产批量的大小，对机床工艺方案制定也有影响。

变速箱的粗加工、半精加工、精加工分别在不同的机床上进行。

这样，机床虽然多一些，但由于生产批量很大，从提高生产率、稳定保证加工精度的角度来讲仍然是合理的。

（4）工艺基面的分析

采用“一面二孔”定位方法；夹紧面为顶面非加工侧的边缘部分。

2.2确定切削用量及选择刀具

组合机床的正常工作与合理地选用切削用量，即确定合理的切削速度、工作进给量和切削深度，有很大关系。

切削用量选择适当，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，也就是多快多省地进行生产。

组合机床钻孔时的切削用量的选择与加工精度及刀具的材料有很大关系。

在确定切削用量时应注意的问题如下：

（1）尽量做到合理利用所有刀具，充分发挥其性能；

（2）复合刀具切削用量选择，应考虑刀具的使用寿命；

（3）选择切削用量时，应注意零件生产批量的影响；

（4）切削用量选择应有利于多轴箱设计；

（5）选择切削用量时，还必须考虑所选动力滑台的性能。

2.3组合机床的总体方案设计

2.3.1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，由于在本钻床上钻孔后重新安装或在其他多工位机床上加工下道工序，应适当加大余量，以消除转、定位误差的影响。

2.3.2组合机床配置型式的选择

我们在选择机床配置方案时，反对贪大求全，应正确处理先进性和可靠性的关系，选择符合多快好省的机床方案。

现有立式和卧式两种方案，比较如下：

主要比较指标：

（1）加工精度：

立式加工精度较卧式高；

（2）排除铁屑的方便性：

卧式较好；

（3）夹具形式的影响：

考虑到加工工艺要求，应选用立式；

（4）占地面积：

立式较好。

其余指标，如：

机床生产率，机床使用方便性和自动化程度，机床结构的复杂程度和通用化程度等，两种方案之间相差不大。

综合考虑，应选用立式单工位组合机床。

2.3.3选择刀具结构

离合器压盘的布氏硬度在HB170～241，孔径D为6.5mm，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Φ6.5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[6]。

2.4钻孔组合机床总设计“二图一卡”的编制

前面对四轴头多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。

下面就以钻床加工箱盖总体设计的另一个问题，既总体设计方案的图纸表达形式——“二图一卡”设计，其内容包括：

加工示意图、机床联系尺寸图、编制生产率卡。

2.4.1加工示意图

图1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1为箱盖上4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、导向装置的结构尺寸；刀具与导向置的配合，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[7]。

（2）绘制加工示意图之前的有关计算

导向套的参数根据刀具的直径选择固定导向装置，如图2所示：

图2固定导向装置

固定导向装置的标准尺寸如下表：

表1固定导向装置的标准尺

D

D

D1

D2

L

l1

m

R

d1

d2

l0

6.5

12

22

30

28

38

13

18

M8

16

16

固定装置的配合如下表：

表2固定装置的配合

导向

类别

工艺

方法

D

D

D1

刀具导向

部分外径

固定

导向

钻孔

G7（或F8）

g6

固定导向装置的布置如图3所示

导向装置的布置如表3所示：

表3导向装置的参数（mm）

尺寸

项目

l1

l2

l3

与直径d的关系

（2～3）d

加工铸铁

d

d/3+（3～8）

计算值

3×d=30

25．4

25.4/3+8=16.5

图3固定导向装置的布置

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,所以B取2.316，

根据刚性条件计算主轴的直径为：

d

B

=2.316×

=17.52mm

式中：

d——轴直径（mm）

T——轴所承受的转矩（N·mm）

B——系数

本设计中所有主轴直径皆取d=20mm,主轴外伸长度为：

L=115mm，D/

为32/20，内孔长度为：

L1=77mm。

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4所示；

图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4所示：

表4可调接杆的尺寸

d（h6）

D1（h6）

d2

d3

L

l1

l2

l3

螺母

厚度

20

Tr20×6

莫氏1号

12.061

17

188

46

40

100

12

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5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（图中的尺寸333mm）,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。

图5工作进给长度

2.4.2机床联系尺寸图

图6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。

如图6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。

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。

=

∑

=4×1071.79=4287.16N

式中：

——各主轴加工时所产生的轴向力。

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

＝4×0.123／0.8

＝0.615KW

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HT21-40JB307-62，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Y100L—6B5的1TD25IA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：

表5主要技术参数

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

Y100L-6B5

1430

706

1.5

1TA32、1TA32M、1TZ32~1TG32

Y轴液压滑台的选用

工件质量计算V=420×240×10＋（2×160＋2×340）×10×30

=1.308×10-3m3

m=ρv=7.0×103×1.308×10-3

=9.156kg

磨擦系数：

f=0.07～0.12取f=0.1

F=f·N=0.1mg=0.1×9.156×10=9.156N

（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976mm。

（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1CC32。

（5）确定多轴箱轮廓尺寸

本机床配置的多轴箱总厚度为301mm，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=500H=500

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=500X500mm[9]。

2.4.3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

=2×26/47.8＋2×15/478

=1.151min

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5～15r所需要时间。

这里取15r

辅助时间T辅=

+t移+t装

=（150＋176）×2/12000+0.1+1.5

=1.654min

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0.1min

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/（1.151+1.654）

=21.39件/h

机床负荷率按下式计算：

η=Q1/Q×100%

=Q1tk/A×100%

=21.39×1950/60000×100%

=70%

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6生产率计算卡

被加工

零件

图号

1601A-093

毛坯种类

铸件

名称

离合器压盘

毛坯重量

材料

HT21-40JB297-62

硬度

HB170-241

工序名称

钻压盘连接孔

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）

进给量/（mm·min-1）

工进时间

辅助时间

1

按装工件

0.5

2

工件定位夹紧

0.25

3

Z轴快下

150

12000

0.013

4

Z轴工进

26

32

0.1

47.8

0.544

5

Z轴暂停

0.03

6

Z轴快上

176

12000

0.015

7

Y轴前进

100

10000

0.01

8

Y轴暂停

0.09

9

Z轴快下

150

12000

0.013

10

Z轴工进

26

47.8

0.544

11

Z轴暂停

0.03

12

快退

176

12000

0.015

13

工件松开

0.25

14

卸下工件

0.5

备注

1、主轴转速706r/min

2、一次安装加工完一个工件

累计

1.088

1.716

单件总工时

2.804

机床生产率

21.39件/h

理论生产率

30.77件/h

负荷率

70%

2.5多轴箱的设计

2.5.1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“二图一卡”绘制的如图7所示:

图7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[10]。

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6所示：

表6主轴外尺寸及切削用量

轴号

主轴外伸尺寸

工序

内容

切削用量

D/d

L

N

（r/min）

V

（m/min）

f

（mm/r）

Vf

（mm/min）

1、2、3、4

20/12

115

钻Φ6.5

478

15

0.1

47.8

2.5.2齿轮模数选择

本组合机床主要用于钻孔，因此采用滚珠轴承主轴。

齿轮模数m可按下式估算：

m=（30～32）

=32×

=1.76

式中：

m——估算齿轮模数

P——齿轮所传递率（kw）

Z——对啮合齿中的小齿轮数

N——小齿轮的转速（r/min）

多轴箱输入齿轮模数取m1=3，其余齿轮模数取m2=2。

2.5.3多轴箱的传动设计

（1）根据原始依据图（图8），画出驱动轴、主轴坐标位置。

如下表：

表7驱动轴、主轴坐标值

坐标

销O1

驱动轴O

主轴1

主轴2

主轴3

主轴4

X

－175

0

－95

95

95

－95

Y

0

94.5

180

180

80

80

（2）确定传动轴位置及齿轮齿数

图8齿轮的最小壁厚

为保证齿轮齿根强度，应使齿根到孔壁或键槽的厚度a

2m,驱动轴的直径为d=30mm,查表知，如图8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30mm.

当m2=2，d=20时，齿轮t=23.3mm。

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。

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:

m≥

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=45，传动齿轮采用z=45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30mm，查表得知：

t=33.3mm,当m=3时，驱动轴上的齿数为：

Zmin≥

去驱动齿轮齿数Z=45。

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

表8齿轮参数

齿轮种类

宽度（mm）

齿数

模数（mm）

孔径（mm）

驱动轴齿轮

24

32

16～50连续

16～70

2、2.5、3

2、2.5、3、4

15、20、30、35、40

25、30、35、40、50

传动轴齿轮

44（B型）

45

2

25、30、40、50

输出轴齿轮

32

37

3

18、22、28、32、36

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：

图9钻孔组合机床装备草图

3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。

3.1机床夹具的概述

3.1.1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[10]。

（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。

3.1.2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。

3.2工件结构特点分析

在对离合器压盘结构分析及所要求加工的4个M8螺纹底孔孔所处的特殊位置，要达到了要求的精度并不困难，可以采用支承板以底面为主定位面，保证两端面与底面之间的垂直度要求。

3.3工件定位方案和定位元件的设计

工件在夹具中的定位就是要确定工件与夹具定位元件的相对位置，并通过到向元件或对刀装置来保证工件与刀具之间的相