第一章 零件工艺的分析及加工工艺

中文摘要

组合机床的研制和推广，是加速机械工业技术革命的有效途径之一，是机械工业，特别是汽车、拖拉机、电机、仪表等生产部门进行机床革新，推动生产发展的重要设备。而多轴箱是组合机床的重要部件之一。钻Φ12孔的组合机床多轴箱是根据485柴油机缸体具体零件设计。设计此机床可以大大提高生产效率和加工质量。在此设计中大量使用了机械设计方面的知识，并且参考了许多资料。

关键词：多轴箱；485柴油机缸体；主轴；传动轴；齿轮

Abstract

目录

摘要-----------------------------------------------------------1 第一章零件工艺的分析及加工工艺

1.1 工艺路线卡片-------------------------------------------5

1.2 组合机床工艺分析---------------------------------------6

1.3 影响工艺方案的主要因素---------------------------------

1.4 工序间余量的确定---------------------------------------

1.5 刀具结构的选择----------------------------------------- 第二章钻Φ12孔专用组合机床的整体配置形式及各主要部件的选择

2.1 原理部分-----------------------------------------------

2.2 计算部分-----------------------------------------------

2.2.1 主轴、齿轮的确定和动力计算-----------------------

2.2.2 多轴箱传动设计-----------------------------------

2.2.3 多轴箱坐标计算、绘制坐标检查图------------------- 第三章传动系统的设计及校核

3.1 齿轮的计算---------------------------------------------

3.1.1 组合机床切削用量选择的特点、方法及注意问题-------

3.1.2 确定切削力、切削转矩、切削功率及刀具耐用度-------

3.1.3 选择切削用量、刀具-------------------------------

3.1.4 选择动力部件-------------------------------------

3.2 齿轮的校核--------------------------------------------- 第四章钻Φ12孔专用组合机床的主要组成零件及其选择依据

4.1 多轴箱总图设计-----------------------------------------

4.2 加工示意图设计-----------------------------------------

4.3 机床联系尺寸图设计------------------------------------- 致谢------------------------------------------------------- 参考文献--------------------------------------------------- 附录-------------------------------------------------------

第一章零件工艺的分析及加工工艺

本次课程设计的题目是“485柴油机缸体螺栓底孔加工组合机床设计(多轴箱)”，需要设计的多轴箱是用来生产汽缸体的。

1.1 工艺路线卡片

通过查阅有关资料和参考其他工件的工艺分析过程，制定了该支撑座的机械加工的工艺过程。具体工艺过程如下：

1.2 组合机床工艺分析

通过对加工工件的分析和研究，在参阅了有关的组合机床资料后，可以初步拟订组合机床工艺方案的一般步骤如下：

（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。色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，所采用的设备，刀具及切削用量，生产率情况及工作条件等方面的先行工艺资料，以便制定出切合实际的合理工艺方案。

（2）定位基准和夹压部位的选择

组合机床一般为工序集中的多刀加工，不但切削负荷大，而且工件受力方向变化。因此，正确选择定位基准和压夹部位是保证加工精度的重要条件。对于毛坯基准选择要考虑加工余量的均匀性；对于光面定位基准的选择要考虑基面与加工部位间位置尺寸关系，使它利于保证加工精度。定位夹压部位的选择应在有足够夹紧力下工件生产的变形最小，并且夹具易于设置导向和

通过刀具的部位。

组合机床常用工艺方法及所能获得的加工精度、表面粗糙度和形位精度推荐数据参见《组合机床简明手册》。

1.3 影响工艺方案的主要因素

（1）加工的工序内容和加工精度

这是制定机床工艺方案的主要依据。面加工和孔加工、不同尺寸的平面和孔径不同的加工精度要求，直接影响着工艺方法的选择（镗、钻、铰等）和加工步数及工艺路线的确定。

（2）被加工零件的特点

如工件的材料及硬度、加工部位的结构形状、工件刚性、定位基准面的特点等，对组合机床工艺方案的拟定都有着重要影响。

①工件材料及硬度工件材料及硬度不同时，加工方法和效果也有所不同。例如加工较软的金属件或有色金属件时，比加工铸铁件或钢件采用的切削用量高，加工小孔时工步比较少，加工精度较好。

②加工部位的结构形状当工件内壁孔径大于外壁孔径时，只能采用单刀镗削，加工时工件（或镗刀）要让刀，使镗刀定向送进工件以后方能加工。

③工件的刚性当工件刚性不足时，工序不能太集中。必要时，某些工序需错开加工以免工件变形和振动影响加工精度。当工件薄壁件时，要采用多点夹压或塑性夹具及其他工艺措施防止夹压变形和加工时共振。

④零件的生产批量零件的生产批量大时，工序安排一般趋向分散，而且粗加工、半精及精加工也宜分开。中小批量生产时，工序安排应尽量集中，减少机床台数，提高机床利用率。以上需要根据节拍要求对限制性工序选择工艺方法及切削用量，作必要计算分析。

⑤使用厂房车间制造能力如工具制造能力。若使用厂没有制造、刃磨

复杂的复合刀具或特殊刀具能力，制定工艺方案时应尽量采用简单或标准刀具。

1.4 工序间余量的确定

通过对机械加工工序间余量有关资料的查阅和对工件的工艺的分析可以确定零件的毛坯尺寸和形状。示意图如下：

图1.1

为可靠的保证加工质量，必须合理的确定工序间的余量。组合机床孔加工的常用工序间余量参见下表，其他工艺方法的工序间余量可参考相关工艺设计资料。

确定工序间余量应注意以下问题：

（1）粗镗时应考虑到工件的冷硬层、铸造里皮和孔偏心，孔径余量一般应大于或等于6—7mm。

（2）工件经重新安装或用多工位机床加工，定位误差较大时，余量应适当加大。当工件在一次安装下半精加工和精加工时，精加工余量可小些。精镗H6—H7孔时，直径上余量一般不超过0.4—0.5mm。

表1.2 各工序加工余量

（3）在确定镗孔余量时，应注意余量对镗杆直径的影响。尤其是需要让刀时，加工余量和让刀量决定了镗杆直径需要的削偏的程度。

1.5 刀具结构的选择

正确的选择刀具结构，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）为提高工序集中程度或保证加工精度，可采用先后加工或同时两个或两个以上表面的复合刀具。但应尽量采用组装式结构，如装几把镗刀的镗杆，几把扩孔钻或铰刀的镗杆，同时加工孔及端面的镗刀头等。整体式复合刀具制造刃磨较困难，刀体不能重复使用，成本高，只有为了节省工位或机床台数和为保证加工精度所必须时才能采用。

选择和设计复合刀具，应注意刀具加工形成和导向位置的变化；刀具制造、刃磨和排屑是否方便；还应使复合刀具各切削部分的耐用度大致相同。

（3）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100mm以内（常在40mm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40mm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。

组合机床大多采用装在镗杆上的硬质合金镗刀头进行镗孔。镗杆直径和镗刀截面尺寸一般可根据镗孔直径按表选取镗孔、镗杆直径和镗刀截面。

表1.3

（4）选择刀具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头。当能解决切屑缠绕问题时，可采用单刀镗削，以利于提高加工精度和表面粗糙度。

第二章钻Φ12孔专用组合机床的整体配置形式

及各主要部件的选择

2.1 原理部分

（1）经过上面对零件的工艺分析和对加工余量、刀具进刀量的分析，可以初步拟定组合机床的整体配置形式：.

表2.1 液压滑台配套表

表2.2 液压滑台主要技术性能

（2）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。其主要内容及注意事项如下：

①根据机床联系尺寸图，绘制多轴箱外形图，并标注轮廓尺寸与动力箱驱动轴的位置尺寸。

②根据联系尺寸图和加工示意图，标注所有主轴位置尺寸及工件与主轴、主轴与驱动轴的相对位置尺寸。在绘制主轴位置时，要特别注意：主轴和被加工零件在机床上是面对面安放的，因此，多轴箱，主视图上的水平方向尺寸与零件工序上的水平方向尺寸正好相反；其次，多轴箱上的坐标尺寸基准和零件工序图上的基准经常不重合，应根据多轴箱与加工零件的相对位置找出统一基准，并标出其相对位置关系尺寸。然后根据零件工序图各孔位置尺寸，计算多轴箱上各主轴坐标。

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）可不标，只注顺时针转向。

④列表标明各主轴的工序内容、切削用量及主轴外伸尺寸等。

⑤标明动力部件型号及其性能参数。

表2.3

2.2 计算部分

2.2.1 主轴、齿轮的确定和动力计算

（1）主轴形式和直径、齿轮模数的确定

主轴形式和直径，主要取决于工艺方法、刀具主轴连接结构、刀具的进给抗力切削转矩。如钻孔时常采用滚珠轴承主轴。

主轴直径按加工示意图所示主轴类型及外伸尺寸可初步确定。传动轴的直径也可参考主轴直径大小初步选定。待齿轮传动系统设计完毕后再验算某些关键轴径。

齿轮模数m （单位：mm ）一般用类比法确定，也可按公式估算，即：

3

)32~30(zn

P m ≥ 式中 P —齿轮所传递的功率，单位为kW ； z —一对啮合齿轮中的小齿轮齿数； n —小齿轮的转速，单位为r/min 。

多轴箱中的齿轮模数常用2、2.5、3、3.5、4几种。 （2）多轴箱所需动力的计算

多轴箱的动力计算包括多轴箱所需要的功率和进给力两项。传动系统确定之后多轴箱所需功率

多轴箱

P 按下列公式计算：

∑∑∑++=++=i i i P

P P P P P P 损失空转切削损失空转切削多轴箱

2.2.2 多轴箱传动设计

多轴箱传动设计，是根据动力箱驱动轴位置和转速，各主轴位置及其转速要求，设计传动链，把驱动轴与各主轴连接起来，使各主轴获得预定的转速和转向。

（1）多轴箱传动系统的一般要求

①在保证主轴的强度、刚度、转速和转向的条件下，力求使传动轴和齿轮的规格、数量为最少。当中心距不符合标准时，可采用变位齿轮或略微改

变传动比的方法解决。

②尽量不用主轴带动主轴的方案，以免增加主轴的负荷，影响加工质量。也可用一根强度较高的主轴带动1~2根主轴的传动方案。

③为使结构紧凑，多轴箱内齿轮的传动比一般要大于0.5（最佳传动比为1~1/1.5），后盖内齿轮传动比允许取至1/3~1/3.5；尽量避免用升速传动。

当驱动轴转速较低时，允许先升速后再降一些，是传动链前面的轴，齿轮转矩较小，结构紧凑，但空转功率损失随之增加，故经常采用升速传动。

④用于粗加工主轴的齿轮，应尽量可能设置在第一排，以减少主轴的扭转变形；

⑤精加工主轴上的齿轮，应设置在第三排，以减少轴端的弯曲变形。

⑥多轴箱内具有粗精加工主轴时，最好从动力箱驱动轴齿轮传动开始，就分两条传动路线，以免影响加工精度。

⑦驱动轴直接带动的转动主轴数不能超过两根，以免给装配带来困难。

（2）拟定多轴箱传动系统的基本方法

拟定多轴箱传动系统的基本方法是：先把全部只周中心尽可能的分布在几个同心圆上，在各个同心圆的圆心上分别设置中心传动轴；非同心圆分布的一些主轴，也宜设置中间传动轴（如一根传动轴带两跟或三根主轴）；然后根据已选顶的各中心传动轴再选取同心圆，并用最少的传动轴带动这些中心传动轴；然后通过合拢传动轴与动力箱连接起来。

①将主轴划分为各种分布类型被加工零件上加工孔位置分布是多种多样的，但大致可归纳为：同心圆分布、直线分布和任意分布三种类型。因此，多周详上主轴分布响应分为三种。

②直线分布对这类主轴，可分别用一根中间传动轴带动两根主轴。

③确定驱动轴转速转向及其在多轴箱上的位置驱动轴的转速按动力箱型号选定；当采用动力滑台时，驱动轴旋转方向可任意选择；动力箱与多

轴箱连接时，应注意驱动轴中心一般设置于多轴箱体宽度的中心线上，其中心高度则决定于所选动力箱的型号规格。驱动轴中心位置在机床联系尺寸图中已经确定。

④用最少的传动轴及齿轮把驱动轴和各主轴连接起来在多轴箱设计原始依据图中确定了各个主轴的位置、转速和转向的基础上，首先分析主轴位置，拟定传动方案，选定齿轮模数（估算或类比），再通过“计算、作图或多次试凑”相结合的方法，确定齿轮齿数和中间传动轴的位置及转速。

2.2.3 多轴箱坐标计算、绘制坐标检查图

坐标计算就是根据已知的驱动轴和主轴位置及传动关系，精确计算各中间传动轴的坐标。其目的是为多轴箱箱体零件补充加工图提供孔的坐标尺寸，并用于绘制坐标检查图来检查齿轮排列、结构布置是否合理。多轴箱坐标计算步骤、要求如下：

（1）选择加工基准坐标XOY，计算主轴、驱动轴坐标

加工基准坐标系的选择为便于加工多轴箱体，设计是必须选择基准坐标系。通常采用直角坐标系XOY。根据多轴箱的安装位置及加工条件，常有下述两种方法：

①坐标原点在定位销孔上：这种方法适用于多轴箱安装在动力箱上。通常用立式坐标镗床加工箱体孔系比较方便。

②坐标系的X轴选在箱体底面，Y轴通过定位销孔。这种方法适用于多轴箱以底面为基准直接安装在滑台上。通常用卧式坐标镗床加工多轴箱体孔系，这样使工艺与设计基准一致，易于保证加工精度。

③计算主轴及驱动轴的坐标根据多轴箱设计原始依据图，按选定的基准坐标系，计算或标出各主轴及驱动轴的坐标（计算精度要求到小数点后三位）。如果零件上孔距尺寸带有单向或双向不等公差，则在标注坐标时，应

把公差考虑进去，使孔距的的名义坐标尺寸恰好位于公差带的中央。

图2.1 图2.2

（2）计算传动轴坐标

计算传动轴坐标时，先算出与主轴有直接传动关系的传动轴坐标，然后计算其他传动轴坐标。传动轴的传动形式很多，一般可分为三类：与一轴定距，与二轴定距，与三轴定距。其计算方法如下：

①与一轴定距的传动轴坐标计算图为与一轴定距的传动轴坐标计算图。为计算方便，通常以已知轴的中心作为O’建立小坐标系xo’y，设所求传动轴的坐标为B（x,y），啮合中心距为R。由B点向x轴作辅助垂线交x

图2.3 图2.4

轴于A 点，组成直角三角形O ’AB 。如果从传动图上量得x （即O ’A ），则

22x R y -=

或量出y （即AB ），则

22y R x -=

然后将求得的x ，y 换算到大坐标中去。

②与二轴定距的传动轴坐标计算 传动轴与二轴定距，即在一传动轴上用两对齿轮分别带动两根已知轴，其坐标可根据已知两轴坐标和两对齿轮中心距计算求得，计算方法如图2.5所示，图中a （A A Y X ,）和b （B B Y X ,）为两已知轴坐标，21,R R 为2两已知轴与传动轴间齿轮中心距，即ac 为1R ，bc 为2R c （X ，Y ）为所需计算的传动轴坐标。为便于计算，选取小坐标中的坐标（I ，J ）为正值，a 、b 、c 按逆时针顺序定出，作辅助线并标号如图，由此可导出c 点坐标公式，即： 设A B X X A -=

A B Y Y B -=

则22B A L +=

L R L R I 22

2221-+=

2

21I R J -=

因为

L B

c ==00sin sin α L A c =

=00cos cos α

所以

L BL AL c J I A A A -=-=-=00231sin cos α

L AJ BI c J I B B B +=

+=+=00231cos sin α

还原到XOY 坐标系中去，则c 点坐标为：

图2.5 图2.6

传动轴坐标计算可利用计算机完成，即先按上述公式画出流程图

图2.7

由上述公式及流程图编制BASIC 程序： 10 DEFDBL A-Y

20 INPUT “N$=”;N$ 30 INPUT XA,YA,R1 40 INPUT XB,YB,R2 50 A=XB-XA 60 B=YB-YA 70 L=SQR(A^2+B^2) 80 I=(R1^2+L^2-r2^2)/(2*L) 90 J=SQR(R1^2-I^2) 100 X=XA+(A*I-B*J)/L 110 Y=YA+(B*I+A*J)/L

120 W1=R1-SQR((X-XA)^2+(Y-YA)^2) 130 W2=R2-SQR((X-XB)^2+(Y-YB)^2) 140 LPRINT ”XA=”;XA.”YA=”;YA 150 LPRINT ”XB=”;XB.”YB=”;YB 160 LPRINT ”R1=”;R1.”R2=”;R2 170 LPRINT

180 LPRINT N$,”X=”;X,”Y=”;Y 190 LPRINT ”W1=”;W1,”W2=”;W2 200 END

③与三轴等距的传动轴坐标计算 在一根传动轴上用三对相同中心距的齿轮副分别带动三根已知轴，该传动轴就是图10所示的轴D （即ΔABC 外接圆圆心）。其坐标可根据三已知轴ABC 的坐标及中心距R 求出。为简化计算取消坐标系XAY ，小坐标系原点选取应使所计算的轴D 坐标为正值，轴D 坐标算式为：

2

1

2121L b a =+

222222L b a =+

)**(2**21122

1

2221b a b a L b L b x --=

)

**(2**211222

12

12b a b a L a L a y --=

还原到XOY 坐标中，则

A B X X a -=1

A C X X a -=2 A

B Y Y b -=1

A C Y Y b -=2

2)](*)()(*)[(*]*)(*)[(2

122A B A C A C A C A C A B A X X Y Y Y Y X X L Y Y L Y Y X X ------+-+=

2

)](*)()(*)[(*]*)(*)[(222

1A B A C A b A C A B A B A X X Y Y Y Y X X L X X L X X Y Y ------+-+=

图2.8 图2.9