机械毕业设计（论文）-双孔支架镗铰组合机床刚性镗削头及主轴箱设计【全套图纸】

盐城工学院毕业设计说明书 2009 1 目目 录录 1 前言 .1 1.1 总体设计 .1 1.2 本课题拟解决的问题 .1 1.3 解决方案及预期效果决方案 .2 1.3.1解决方案 2 1.3.2预期效果 3 2 总体概述 .4 2.1工艺路线的确定 4 2.2机床配置型式的选择 5 2.3定位基准的选择 5 2.4滑台型式的选择 5 2.5刀具的选择 6 2.6 切削用量 .6 2.6.1切削用量的选择 6 2.6.2计算切削力、切削扭矩及切削功率 6 2.6.3确定主轴类型、尺寸、外伸长度 8 2.7 动力部件工作循环及行程的确定 .8 2.8 动力部件的选择 .9 2.9 三图一卡 .9 2.9.1被加工零件工序图 9 2.9.2加工示意图 .10 2.9.3机床尺寸联系图 .11 3 组合机床主轴箱设计 12 3.1 概述 14 3.2 绘制主轴箱设计原始依据图 14 3.3 主轴结构形式选择及动力计算 16 3.3.1 主轴结构型式选择 16 3.3.2 主轴材料的选择确定 16 3.3.3 主轴的大致尺寸和形状的确定 17 3.3.4 主轴箱的动力计算 17 3.4 主轴箱传动系统的设计与计算 .18 3.4.1 主轴的位置分析 18 3.4.2 花键套的确定 18 3.5 主轴前端密封装置的选用 19 3.6 主轴的强度校核计算 19 3.7 主轴支承轴承的选用 20 3.8 主轴轴承 21 3.9 主轴箱润滑系统的设计 21 4 组合机床传动设计 22 4.1 传动方案拟订 22 4.2 同步带类型的确定 23 4.3带轮的设计 .24 双孔支架镗铰组合机床刚性镗削头及主轴箱设计 2 4.4带轮挡圈选择 .25 5结论 .27 参考文献 28 致 谢 .29 附 录 .30 全套图纸，加153893706 双孔支架镗铰组合机床刚性镗削头及主轴箱设计双孔支架镗铰组合机床刚性镗削头及主轴箱设计 摘要：摘要：随着生产的发展和专业化程度的提高，很多企业的产品产量越来越大 ，精度也越来越高。首先，加工时，同时参加工作的刀具少，限制了机床生产率的 提高；其次，在加工多孔的工件时，需要对工件进行多次的定位和夹紧，使零件的 加工精度和生产率降低；第三，因为在一台机床上总是加工一种工件，使通用机床 的部件和机构造成冗余。因此，为了提高生产效率，满足加工要求，本课题设计了 用于加工双筋蹄零件的镗铰组合机床之镗削主轴箱。根据被加工零件确定加工孔的 数量、位置、切削用量及主轴类型，拟订了主轴箱的传动方式，应用最优化方法传 递功率，削减振动，确定传动参数，设计轴的结构，进行如轴、轴承等相关零件的 强度校核计算。通过以上设计，实现了两个双筋蹄零件一次加工完成，较好地达到 了设计要求。 关键词：关键词：组合机床；镗床；主轴箱 盐城工学院毕业设计说明书 2009 3 The design of the modular machine tool for double rebar and feet parts boring and drilling Abstract: With the development of industry and improvement of the specialization, the products output of enterprise, is growing, the precision is increased precise high. First, fewer tool in the work at the same time that limiting machine tool productivity; Secondly, it is needed to clamp and position many times in processing that reduce the accuracy and productivity; Third, parts and body of lead to machine tool will lead to redundant if process only one work in some machine tool. Therefore, to improve the machining efficiency and satisfy the processing requirements, the boring headstocks are designed which are used for the unit machine tool, which is used to roughly bore the holes of the double rebar and feet parts. Based on the processed accessory, the number, the position and the machining data of the holes and the form of the principal axis are determined; The driving way of the headstocks are drawn, the power is transmits by the methods of optimization, the driving parameter are determined, the structure of the principal axis are designed and the strength of the parts, such as the strength and the bears, are checked. Trough the design, the four holes of two parts can be finished at one time, and can fulfill the design requirements better. Key words: unit machine tool; boring machine tool; headstock 1 1 前言 随着生产的发展和专业化程度的提高，很多企业的产品产量越来越大，精度也 越来越高。如汽车、拖拉机行业的汽缸体、气缸盖、变速箱体等零件，采用通用机 床加工就不能很好的满足要求。首先，通用机床加工时，同时参加工作的刀具少， 限制了机床生产率的提高；其次，如果工件需要多个表面时，则需要对工件进行多 次的定位和夹紧，这就会使零件的加工精度和生产率降低；第三，因为在某一台机 床上总是加工一种工件，使通用机床的很多部件和机构变得毫无作用，造成设计功 能的浪费。 为了改善通用机床这些不利的加工条件，在生产实践中就出现了专业机床。专 业机床是相对通用机床而言的，它是为完成工件的某一工序而设计、制造的。所以 专用机床的结构要比通用机床简单，加工精度稳定，生产率和自动化程度有所提高 。但专用机床也有其固定的缺点，如设计和制造的周期长，不能适应工件的变化， 双孔支架镗铰组合机床刚性镗削头及主轴箱设计 4 一旦被加工工件尺寸、形状和结构有所变化，就必须重新设计制造与工件相适应的 新的专用机床。所以专用机床成本高，不利于产品的更新。 为了消除上述两种机床（通用机床和专用机床）的弊病，在生产实践中有发展 了一种新型的技工机床组合机床。 组合机床的设计，目前基本上有两种情况：其一，使根据具体加工对象的具体 情况进行专业设计，这是当前最普遍的做法。其二，随着组合机床在我国机械行业 的广泛使用，广大工人总结自己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 组合机床是极其相似的，有可能设计为通用机床，这种机床称为“专用组合机床 ”。这种组合机床就不需要每次按具体加工对象进行专门设计和生产，而是可以设 计成通用品种，组织成批生产，然后按被加工的零件的具体需要，配以简单的夹具 及刀具，即可组成加工一定对象的高效率设备。 在组合机床设计过程中，为了降低组合机床的制造成本，应尽可能地使用通用 件和标准件。目前，我国设计制造的组合机床，其通用部件和标准件约占部件总数 的7080%，其它20- 30%是专用零部件。考虑到近年来，各种通用件和标准件都出台了新的标准及标注 方法，为了方便以后组合机床的维修，整个组合机床的通用件和标准件配置，都尽 量采用了新标准。 1.11.1 总体设计总体设计 1）、制定工艺方案，确定机床的配置型式及结构方案； 2）、三图一卡设计，包括：a)被加工零件工序图；(b) 加工示意图；(c) 机床联系尺寸图；(d) 生产率计算卡。 1.21.2 本课题拟解决的问题本课题拟解决的问题 本人的课题是GJ359双筋蹄镗铰机床镗削主轴箱设计，需要解决的问题主要有 ：合理选择主轴箱的规格、型号，切削用量的选择，切削功率的计算，确定各轴的 结构、排布、配合关系，轴的强度、刚度校核等，尤其是传动系统的设计尤为重要 ，在满足主轴箱其他结构和传动要求下，通过一定的传动链，按要求把动力从动力 部件的驱动轴传递到主轴上去。 1.31.3 解决方案及预期效果 1.3.11.3.1 解决方案：解决方案： 针对被加工零件，在确定加工工艺的基础上进行总体方案对比论证。设计组合 机床“三图一卡”，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等。 组合机床是针对被加工零件的特点及工艺要求，按高度集中工序原则设计的一 种高效率专用机床。在进行设计组合机床时，首先应根据被加工零件上两个孔的位 盐城工学院毕业设计说明书 2009 5 置精度、表面粗糙度及其他技术要求，确定被加工零件是否可以利用组合机床加工 以及采用组合机床加工是否合理的问题。如果确定可以利用组合机床加工，那么， 为使加工过程顺利进行，并达到要求的生产率，在分析被加工零件加工工艺资料的 基础上，通常考虑影响制定零件工艺方案、机床配置型式、结构方案以及应注意的 问题。经过分析比较，以确定被加工零件在组合机床上合理可行的加工方法、确定 工序间加工余量、选择合适的切削用量、相应的刀具结构、确定机床配置型式等等 。 组合机床总体设计的一般顺序为：工艺方案的拟订,切削用量的确定,组合机床 总体设计“三图一卡”。技术路线： 首先，主轴的结构型式的选择及动力计算。主轴结构型式由零件加工工艺决定 ，并应考虑主轴的工件条件和受力情况。主轴直径在设计加工示意图时已确定。主 轴箱所需的动力由动力箱提供，在组合机床总联系尺寸图设计时已根据估算的功率 初选了动力箱，传动结构确定后应进行功率验算。 其次，传动系统的设计与计算。传动系统的设计是主轴箱设计中最关键的一环 。所谓传动系统的设计，就是通过一定的传动链，按要求把动力从动力部件的驱动 轴传递到主轴上。同时满足主轴箱其他结构和传动的要求。 第三，主轴箱坐标设计。坐标设计是主轴箱设计的重要环节之一。它包括计算 主轴和传动轴的坐标位置。为了保证组合机床的加工精度和确保齿轮正确的啮合关 系，主轴箱坐标设计计算必须确保正确。 第四，检查图的绘制。绘制坐标及传动关系的检查图也是主轴箱设计中重要的 一步，它是在坐标计算完毕进行的。 第五，总图和零件的设计。总图包括正视图部分、按装配型式归类的主轴和传 动轴的截视图。主轴和传动轴的装配表、技术要求等。主轴箱的大部分的零件都是 通用的，根据需要合理选择。 1.3.21.3.2 预期效果预期效果： 产品的制造工艺性好；产品外形美观；产品的制造成本降低；提高设计的一次 成功率、减少设计返工；交货期缩短；产品使用中的维护成本降低；设计的产品工 作更稳定、可靠；产品结构合理，符合工作现场的需要，更易于操作和使用；产品 的使用效果达到什么样的指标；产品拆卸方便、更易于维护；所设计的部分符合整 个工艺流程的要求。 本次毕业设计历时四个多月，在指导老师的细心指导下，在本组设计人员的共 同努力下，我们的毕业设计得以按时圆满地完成。在此向所有支持我这次毕业设计 的老师和同学表示深深的感谢！ 双孔支架镗铰组合机床刚性镗削头及主轴箱设计 6 2 2 总体概述 组合机床的总体设计就是针对具体的被加工工件，在选定的工艺和方案的基础 上，进行方案设计。其中包括：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。 A 图2-1 双筋蹄零件 根据所提供双筋蹄零件的工序图，分析被加工零件的精度、表面粗糙度、技术 要求、加工部位尺寸、形状、结构、特点材料硬度、共建刚性及零件的批量大小的 不同，涉及的组合机床，必须采用不同的工艺方法和工艺过程。 加工孔为：20、34。被加工零件材料为A3钢，硬度HB156。 根据各种要求，分析其优缺点，确定设计的组合机床、采用机械卧式组合机床 。根据所需加工孔的尺寸精度和表面粗糙度，确定这些孔的加工采用镗刀和铰刀可 以满足要求，为了保证孔的加工刀具的直径和加工部位尺寸相适应，需要专门设计 制造。 2.12.1 工艺路线的确定 根据先粗后精，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，对双筋蹄零件的工艺路线作如下设计： 工序1 半精镗孔19.8 半精樘孔33.7 盐城工学院毕业设计说明书 2009 7 刮零件孔33.7端面,表面粗糙度为6.3 零件孔33.7一端倒角145 工序2 铰20孔表面粗糙度为1.6 精铰34孔表面粗糙度为1.6 锪34孔的另一端面, 表面粗糙度为6.3 工序3 最终检验. 各孔的位置精度及具体要求详见双筋蹄零件的零件图。 2.22.2 机床配置型式的选择 根据选定的工艺方案，确定机床的配置型式，并定出影响机床总体布局和技术 性能的主要部件的结构方案。 组合机床是根据工件加工需要的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，工艺方案已确定改组和机床是双面镗铰卧式组合机床，该机 床是由镗削主轴箱、铰削主轴箱、机械滑台、底座和夹具等组成。 组合机床装配图如下： 1底座 2夹具 3四轴刚性镗削头 4四轴刚性铰削头 图2-2 组合机床装配 2.32.3 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工序集中。本机床加工时采用 三面定位，底面为主要定位基准面，限制3个自由度；右侧面以两个支承钉限制两 个自由度；后侧面有一个支承钉，限制剩下的一个自由度。 2.42.4 滑台型式的选择 本组合机床采用的是机械滑台。与液压滑台相比较，机械滑台具有如下优点： 进给量稳定，慢速无爬行，高速无振动，可以降低加工工件的表面粗糙度；具有较 好的抗冲击能力，不会因冲击而损坏刀具；运行安全可靠，易发现故障，调整维修 方便；没有液压驱动的管路、泄露、噪声和液压站占地的问题。但采用机械滑台也 有其弊端，如：只能有级变速，变速比较麻烦；一般没有可靠的过载保护；快进转 双孔支架镗铰组合机床刚性镗削头及主轴箱设计 8 工进时，转换位置精度较低。本课题的加工对象是双筋蹄零件的两个孔，采用机械 滑台能够满足孔的位置精度和尺寸精度的要求，并且考虑到机床的维修方便性，故 采用机械滑台。 2.52.5 刀具的选择 在编制加工示意图的过程中，首先遇到刀具的选择。根据加工示意图，工件材 料、加工条件、技术要求等进行分析，按照经济的满足加工要求的原则，合理的选 择刀具。 当被加工直径在以上时，组合机床多采用镗削加工，其加工精度可达1 mm40 2级。选择镗刀，其材料为硬质合金，采用复合镗刀。由于此干同时装有多把刀 ，也就是加工多层孔壁，承受扭矩较大，所以要使用强度较好的刀杆材料：40Cr钢 。 2.62.6 切削用量 镗孔切削孔至（通孔） 镗孔切削孔至（通孔） 20 8 . 1934 7 . 33 2.6.12.6.1 切削用量的选择切削用量的选择 （2-1） d v n 1000 对于镗孔的切削用量，由于刀具均采用硬质合金，加工材料为Q235，从P1321 表6-15查得 m/minv13595mm/rfr0.450.15 A. 镗孔 通孔 硬度为156HBS,取 8 . 19m/minv99.5rmmfr/23 . 0 )(1600 8 . 1914 . 3 5 .991000 1 r/minn B.镗孔 通孔 硬度为156HBS, 7 . 33 考虑到刀具寿命以及进给速度的一致性，取 m/minv 6 . 101mm/minfr39 . 0 min)/(960 7 .3314 . 3 6 . 1011000 2 rn 2.6.22.6.2 计算切削力、切削扭矩及切削功率：计算切削力、切削扭矩及切削功率： 从表6-20 参考文献1P134查得公式： 切削力F (2-2） 75 . 0 75 . 0 7 .35HBfaF pz (2-3） 5 . 165. 0 2 . 1 212 . 0 HBfaF px 切削扭矩T(Nmm) （2-4） 75 . 0 75 . 0 9 . 17HBfaDT p 切削功率P(Kw) 盐城工学院毕业设计说明书 2009 9 （2-5） 61200 vFz P F切削力 T切削功率 v切削速度 f进给量 Fx轴向切削力 Fz圆周力 D加工直径 HB布氏硬度 ap切削深度 由以上公式可得： A. 镗孔 ap=2mm HB=156 D=19.8mm 8 . 19m/minv99.5rmmfr/23 . 0 Fz1= 75. 075. 0 7 . 35HBfap =35.720.230.751560.75 =1080.7(N) Fx1= 5 . 165 . 0 2 . 1 212 . 0 HBfap =0.21221.20.230.651561.5 =375.3(N) T1= 75 . 0 75 . 0 9 . 17HBfaD p =17.919.820.230.751561.5 =10728.8(Nmm) P1= 61200 vFz =1080.799.5/61200 =1.757(Kw) B. 镗孔 ap=2mm HB=156 D=33.7mm 7 . 33m/minv 6 . 101mm/minfr39 . 0 Fz2= 75. 075. 0 7 . 35HBfap =35.720.390.751560.75 =1555.4(N) Fx2= 5 . 165 . 0 2 . 1 212 . 0 HBfap =0.21221.20.390.651561.5 双孔支架镗铰组合机床刚性镗削头及主轴箱设计 10 =514.6(N) T2= 75 . 0 75 . 0 9 . 17HBfaD p =17.933.720.390.751560.75 =26281.8(Nmm) P2= 61200 6 .1014 .1555 61200 vFz =2.58(Kw) 2.6.32.6.3 确定主轴类型确定主轴类型、尺寸尺寸、外伸长度外伸长度 主轴与刀具采用刚性连接，主轴采用刚性主轴 （2-6） 4 100 T d 式中：d轴的直径 T轴所传递的转矩 系数，由于为刚性主轴，取=7.3 孔19.8mm =23.5mm 4 1 100 8 . 10728 d 孔33.7mm =29.4mm 4 2 100 8 . 26281 d 考虑到安装过程中轴的互换性、安装方便等因素，主轴轴径均取为50mm。 根据主轴类型及初定的主轴轴径，查1P44表3- 6可得到主轴外伸尺寸及接杆莫氏圆锥号。主轴轴径d=50mm时，主轴外伸尺寸为： ,L=115mm；20/32/ 2 dD 由P321表3-4选取主轴为滚珠主轴，则外伸尺寸为85mm。 2.72.7 动力部件工作循环及行程的确定 工作进给长度L工，应等于加工部位长度L（多轴加工时按最长孔计算）与刀具 切入长度L1和切出长度L2之和。切入长度一般为5- 10mm，根据工件端面的误差情况确定；镗孔时，切出长度一般为5-10mm。 即 L工= L1+L+l2 镗削： 其中L1一般是取510mm现取10mm L2切出长度一般取510mm现取5mm 盐城工学院毕业设计说明书 2009 11 L加工部位长度为50mm 所以L=10+50+5=65mm 快退长度的确定，一般在固定式夹具钻孔或扩孔的机床上，动力头快退的行程 ，只要把所有的刀具退出加工范围，不影响工件装卸就行。故快退行程由以下尺寸 链可知： 双孔支架镗铰组合机床刚性镗削头及主轴箱设计 12 表表2-12-1 进给长度表进给长度表 L/(mm) /(mm) 1 L d/(mm) /(mm) 2 L/(mm) 工 L 右主轴箱 501033.7565 2.82.8 动力部件的选择 已由1.5.2计算出两根输出轴的功率，则总的切削功率为 )(16 . 5 258 . 2 KwPw 多轴箱的功率： )(45. 6 8 . 0 16. 5 Kw P P w 主主主 其中当加工有色金属时，=0.8 根据多轴箱功率，由P1151表5-38选用Y132M- )(45 . 6 KwP 主主主 4电机。（P=7.5Kw v=1440r/min） 2.92.9 三图一卡 被加工零件为双筋蹄零件，其材料为A3钢，加工的孔为：和，通孔2034 。其他技术要求见零件图。 2.9.12.9.1 被加工零件工序图被加工零件工序图 被加工零件工序图是根据选定的工艺方案：表示在一台机床上或一条自动线上 完成的工艺内容、加工部位的尺寸及精度、技术要求、加工用定位基准、夹压部位 以及被加工零件的材料、硬度和在本机床加工前毛坯情况的图纸。它是在原有零件 基础上，以突出本机床或自动线加工内容，加上必要的说明绘制的。它是组合机床 设计的主要依据，也是检验、制造使用时调整机床，检查机床的重要技术文件。被 加工零件的形状和轮廓尺寸及本机床有关的部位的结构尺寸，根据零件图来确定加 工部位的尺寸精度、表面粗糙度、形状位置尺寸精度及技术要求也根据零件图确定 。 被加工零件工序图包括下列内容： 其原始依据：半精镗： 孔mm 8 . 15 精铰 ： 孔mm7 .29 盐城工学院毕业设计说明书 2009 13 图2-3被加工零件工序图 2.9.22.9.2 加工示意图加工示意图 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、辅具的布置状况及工件、夹具、刀具等机床各部件的 相对位置关系，机床的工作行程及工作循环等。因此，加工示意图是组合机床设计 的主要图纸之一。在总体设计中占据重要地位，它是刀具、辅具、夹具、主轴箱、 液压、电气装置、设计及通用部件选择的主要原始材料，也是整台组合机床布置和 性能的原始要求，同时也是调整机床刀具及试车的依据。 由于被加工零件的高度不同，所设计的各类孔加工的刀具头长度也不同，但各 类孔加工的主轴较长，根据切削用量和刀具的选择画出加工示意图。 加工示意图要反映机床的加工过程和加工方法，并决定浮动夹头或接杆的尺寸 ，刀具种类及数量，刀具长度及加工尺寸，主轴尺寸伸出长度，主轴、刀具、导向 与工件间的联系尺寸等。根据机床要求的生产率及道具特点，合理地选择切削用量 ，决定动力头的工件循环。 加工示意图如下图： 双孔支架镗铰组合机床刚性镗削头及主轴箱设计 14 图2-4 加工示意图 2.9.32.9.3 机床尺寸联系图机床尺寸联系图 机床联系尺寸图是用来表示机床各组成部件的相互装配关系，以检验各部件相 对关系及尺寸联系是否满足加工要求，机床联系尺寸图是以被加工零件工序图和加 工示意图为依据的，并按初步使用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，它可看成是简化的机床总图，也可表示机床的配置型式及总体布局。 A.动力箱型号的选择 由切削用量计算得到的各主轴的切削功率的总和，根据参考文献1的47 切削 P 页公式计算： (2-7) P P 式中, 消耗于各主轴的切削功率的总和（Kw）； 切削 P 多轴箱的传动效率,加工黑色金属时取0.80.9，加工有色金属时取0.70.8；主 轴数多、传动复杂时取小值，反之取大值。本课题中，被加工零件材料为Q235，属 黑色金属，又主轴数量较多、传动复杂，故取。85 . 0 (2-8)1.757 23.514PN 主主 则 (2-9) 3.514 4.13 0.85 PKW 主主主 动力箱取为1TD50I型。 B. 多轴箱轮廓尺寸的设计 主要需确定的尺寸是主轴箱的宽度B和高度H及最低主轴高度h1。主轴箱宽度B 、高度H的大小主要与被加工零件孔的分布位置有关，可按参考文献9的49页公式 计算： 盐城工学院毕业设计说明书 2009 15 B=b+2b1 (2-10) H=h+h1+b1 (2-11) 式中，b工件在宽度方向相距最远的两孔距离（mm）； b1最边缘主轴中心距箱外壁的距离（mm）； h工件在高度方向相距最远的两孔距离（mm）； h1最低主轴高度（mm）。 其中，h1还与工件最低孔位置（h2=70.52mm）、机床装料高度（H=1005mm）、 滑台滑座总高（h3=320mm）、侧底座高度（h4=560mm）等尺寸有关。对于卧式组合 机床， h1要保证润滑油不致从主轴衬套处泄漏箱外，通常推荐h185- 140mm，本组合机床按的P509公式 h1=h2+H-(0.5+h3+h4) (2-12) 其中 h2 与夹具的尺寸有关。夹具总高度为h=360 取h2 = 50 机床装料高度由上面可知 H =1000mm 滑台总高由上面可知 h3 =360 底座高度由上面可知 h4 =560 夹具体底座高 h6 =165 所以 h1 =66.34+1130-（360+560） =260 计算，得： h1=260mm。 两轴孔的中心间距h 在零件图上已知的是x轴向的距离和y轴向的偏差 及 h2=x2+y2 =2272+122 算得 h =227.317 mm b=304mm，h=227.317mm,取b1=100mm，则求出主轴箱轮廓尺寸： B=b+2b1=212.33+2100=504mm H=h+h1+b1=227.317+260+100=587.317mm 根据上述计算值,按主轴箱轮廓尺寸系列标准，左、右主轴箱轮廓尺寸都预定 为BH=530mm750mm。 双孔支架镗铰组合机床刚性镗削头及主轴箱设计 16 3 3 组合机床主轴箱设计 3.13.1 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 箱设计原始依据图，是根据“三图一卡”整理编出来的，其主要内容包括主轴箱设 计的原始要求和已知条件。 组合机床的设计，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。 通用主轴箱设计的顺序是：绘制主轴箱设计原始依据图；确定主轴结构、轴径 与模数；拟定传动系统；计算主轴、传动轴坐标，绘制坐标检查图；绘制主轴箱总 图，零间图及编制组件明细表。 3.23.2 绘制主轴箱设计原始依据图 在编制此图时，从“三图一卡”中已知 a. 主轴箱轮廓尺寸550750mm b. 工件轮廓尺寸及两孔位置尺寸 c. 工件与主轴箱相对位置尺寸 根据这些数据可编出主轴箱设计原始图依据，图如下： 图3-1 原始图依据 盐城工学院毕业设计说明书 2009 17 A 被加工零件 名称：双筋蹄零件 材料：A3钢 硬度：HBS156 特点： 1）. 为焊接件，零件刚性差，特别是20孔要特别注意防止两板弯曲，造成两孔平行度 低。 2）. 高温焊接件，易造成两孔偏心，所以加工余量大，对后道工序要有保证。 3）. 双筋蹄零件两端有孔，杆体长，厚度薄，总体刚性差，加工中很容易受夹紧力、切 削力后变形。 B 主轴箱的外伸尺寸及切削用量 表表3-13-1 主轴箱的外伸尺寸及切削用量主轴箱的外伸尺寸及切削用量 轴号 工序内容 加工直径 （直径） 主轴外伸尺寸 b/d(mm),L=85mm v (m/min) n （转/分） f (mm/r) vf (mm/min) 1,2半精镗19.885/4099.516000.23120 3,4半精镗33.785/40101.69600.39120 确定主轴箱及销孔的位置： 表表3-23-2 主轴箱及销孔的位置主轴箱及销孔的位置 销轴1轴2轴3轴4 x0,y0x1,y1x2,y2x3,y3x4,y4 0,0402,247.6898,247.6898,474.997402,475.00 已知各轴的坐标，可以得出： 轴1到轴2的距离 mmR304 12 轴2到轴3的距离 mmR317.227 23 轴3到轴4的距离 mmR304 34 轴1到轴4的距离 mmR317.227 41 轴1到轴3的距离=轴2到轴4的距 mmyyxxRR59.379)()( 2 13 2 132413 根据表5-401可以知道驱动轴到箱底的距离，在前总体设计已定。 C 动力部件 其功率、转速、驱动轴转速、驱动轴到滑台表面的距离，其他尺寸可查主轴箱 双孔支架镗铰组合机床刚性镗削头及主轴箱设计 18 装配图。 综上所述，改图包括下列内容： a）所有主轴的位置尺寸及工件与主轴箱的相关尺寸 在标注主轴的位置及相关尺寸时，首先要注意主轴箱和被加工零件在机床上时 是面对面摆放的。因此主轴箱横截面上的水平尺寸应与被加工零件将图的水平尺寸 方向相反；其次，主轴箱上的坐标尺寸基准和被加工零件工序图的尺寸基准经常不 相重合。应根据主轴箱和被加工零件图的相对位置找出统一基准，并标出其相对位 置尺寸。 b）在图中标注主轴转向 c）图中应标注主轴箱的外形尺寸及其他部件的相关尺寸。 d）列表标注工件材料、加工表面要求；并注出各主轴的工序内容。主轴外伸 部分尺寸和切削用量等。 e）注明动力部件型号、功率N（千瓦）转速n（转/分）和其他主要参数 3.33.3 主轴结构形式选择及动力计算 3.3.13.3.1 主轴结构型式选择主轴结构型式选择 主轴结构型式由零件加工工艺决定，并应考虑主轴的条件和受力情况，轴承型 式是主轴结构的主要特征。进行镗削加工的主轴，有刮端面的工序，轴向切削力较 大，最好用轴向止推轴承受轴向力，如双列向心球轴承，而用径向滚珠轴承承受径 向力。又因加工时轴向力是单向的，因此止推轴承在主轴前端即可。 主轴结构型式的选择，除了轴承之外应考虑轴头结构。根据轴头外伸长度，分 为短主轴和长主轴两种。虽然，一般镗削均推荐用短主轴，但是长主轴优点是轴头 内的轴孔长，可增大刀具尾部连接的接触面，因而可增强刀具与主轴的连接刚度， 减少刀具前端下垂。因此在本次设计中用长主轴，轴头用圆柱孔和刀具连接，用单 键传递扭矩。固定螺钉做轴向定位。 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，只得直径变化应尽量少，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。 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。且各轴段的轴端应制成45度。 加工时，需要切制螺纹的轴端应留有螺纹退刀槽，需要磨削加工的轴端应留有 砂轮越程槽。 3.3.23.3.2 主轴材料的选择确定主轴材料的选择确定 材料：40Cr合金钢 热处理：热处理：T215 局部热处理5处 毛坯直径：小于100mm 盐城工学院毕业设计说明书 2009 19 抗拉强度极限：725Mpa 屈服强度极限：540Mpa 弯曲疲劳极限：355Mpa 剪切疲劳强度：200Mpa 许用弯曲应力：70Mpa 适用场合：用于载荷较大且无很大冲击的重要轴。 3.3.33.3.3 主轴的大致尺寸和形状的确定主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： 配合性质不同的表面，直径应有所不同。 加工精度、粗糙度不同的表面，一般直径亦有所不同。 应便于轴上零件的拆装。 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。 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P1071 L+L1+L2=858mm （3-1） （3-2）mmL450 （3-3）mmL140 1 （3-4）mmL220 2 根据主轴前端轴承轴径r，可得轴的大致尺寸和形状为： 图3-2 主轴 3.3.43.3.4 主轴箱的动力计算主轴箱的动力计算 各主轴直径和主轴所需动力在绘制“三图一卡”时已计算出 (3-5) 主 主 N N 式中，N切各主轴切削功率总和； 组合机床主轴箱传动效率，加工黑色金属时取=0.9 双孔支架镗铰组合机床刚性镗削头及主轴箱设计 20 主轴箱所需的进给力，确定的说，是动力滑台所需的进给力P进可按下式计算 ： KwN73 . 5 9 . 0 16 . 5 主 (3-6) ni PPPPP 21主 NP8906 .5143 .375 主 3.43.4 主轴箱传动系统的设计与计算 具体设计步骤如下： 3.4.13.4.1 主轴的位置分析主轴的位置分析 组合机床所加工的零件是多种多样的，结构也各不相同，在设计该主轴时，因 为轴1和轴2、轴3和轴4的转速相同，为了简化结构，轴1和轴2由同一个电机驱动； 轴3和轴4由另一个电机驱动。基于被加工孔位置的考量，带动轴1和轴2的电机放在 轴1和轴2的上方，轴3和轴4的电机放在轴3和轴4的下方。 3.4.23.4.2 花键套的确定花键套的确定 主轴轴端与同步带轮的连接方式采用矩形花键连接。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（见下图），才将带轮安装 在上。 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，因此应用广泛。 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。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dm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 m zFdT 2 1 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： 静连接： (3-8) 2 PP m T Kzhld 动连接： (3-9) 2 m T PP Kzhld 式中：T花键传递的转矩，单位为Nmm； l花键的工作长度，单位为mm； 盐城工学院毕业设计说明书 2009 21 z花键的齿数； K载荷不均匀系数，取决于齿数，一般取K=0.70.8，齿数多时取较小值； h花键齿侧面的工作高度，单位为mm，矩形花键； CdDh2)( 2 1 dm花键的平均直径，单位为mm，矩形花键； )( 2 1 dDdm 花键连接的许用挤压应力，单位为Mpa，取=150 p p 花键的许用压强，单位为Mpa，取=30 PP 花键连接的零件多用强度极限不低于600Mpa的钢制造，一般需要热处理，特别是在 载荷作用下需要频繁移动的花键齿，应通过热处理获得足够的硬度以抵抗磨损。 图3-3 花键套 3.53.5 主轴前端密封装置的选用： 主轴前端密封装置选用迷宫式密封装置。迷宫式密封装置利用转动元件与固定 元件间所构成的曲折而狭小的缝隙及缝隙内充填的油脂达到密封目的，与其他密封 配合使用，则密封效果会更好。迷宫式密封对油润滑及脂润滑都适用，对防尘和防 漏也有较好的效果。 图3-4 主轴前端密封装置 双孔支架镗铰组合机床刚性镗削头及主轴箱设计 22 3.63.6 主轴的强度校核计算 在主轴箱中，主轴的直径是按照扭转刚度条件，根据其所受的扭矩，由从参考 文献8表5- 10。可知，他们的刚度是完全满足使用要求的，这里只对那些相对强度比较弱的轴 进行危险截面的强度校核。 按疲劳强度进行轴的校核计算 根据变应力的强度理论和实验研究轴的疲劳强度安全系数S的校核。公式如下： 延性金属材料（碳素钢和一般合金钢）制造的轴。 (3-10) 22 S S SS SS 式中：只考虑正应力作用时的安全系数；S 只考虑扭转剪应力作用时的安全系数。S 许用安全系数 ，其值根据实践经验确定。对于延性材料，当载荷确定精确，对材料性能有把 S 握时，取；当载荷确定不够精确，材料性能不够均匀时，取 5 . 13 . 1S ；当载荷确定不够精确、材料性能均匀性差时，取。 8 . 15 . 1S5 . 28 . 1S 确定危险截面的确定： 危险截面应为主轴前轴承支承部分。 截面的强度校核： 该主轴为空心轴，抗弯、抗扭截面系数计算公式见参考文献5表14-11 (3-11) 34 0.1(1)Wdr 0 14 0.175 80 d r d 343 0.1 80 (1 0.175 )51152Wmm 343 0.2(1)102304 T Wdrmm 截面扭转剪应力、弯曲正应力的应力幅 对于一般转轴，弯曲正应力按对称循环规律变化，故弯曲应力幅、平均应力分 别为，。 / a M W0 m 在多数情况下，对于经常正反转，且扭矩轴相等的轴，当作对称循环变化，即 ，。 / at T W0 m 6 9.55 10 26 a tt TP Mpa WW 52 a MT Mpa WW 平均应力 盐城工学院毕业设计说明书 2009 23 0 m 0 m 弯曲、扭转极限疲劳强度由轴的材料特性所定。 1 350Mpa 1 200Mpa 弯曲、扭转时的有效应力集中系数，参见参考文献5表14-5。 2.50K 1.90K 弯曲、扭转时将平均应力折算成应力幅的等效系数（其值与材料有关，可从参 考文献514-1中查出） 0.25 0.15 仅有弯曲正应力时的计算安全系数 1 350 2.69 2.5 520.25 0 am S K 仅有扭转剪应力时的计算安全系数 1 200 3.76 1.90 280.15 0 am S K 弯扭联合作用下的计算安全系数 2222 2.69 3.7610.11 2.2 4.62 2.693.76 ca S S S SS 设计安全系数 5 . 13 . 1S 疲劳强度安全系数校核 ca SS 所以疲劳强度合格，该主轴符合要求。 3.73.7 主轴支承轴承的选用 主轴支承系统的刚度直接影响刚性主轴的工作。 主轴本身引起的变形占2/3以上，而支承部分引起的变形也占到了将近1/3，因 双孔支架镗铰组合机床刚性镗削头及主轴箱设计 24 此对支承系统的刚度应引起重视。主轴的支承通常采用：滑动轴承和滚动轴承两种 。 鉴于有以上两种情况，我们对它们进行比较，选用有效、合理的支承方式。 滑动轴承特点：抗振性好、工作平稳、径向尺寸小，装配、润滑、密封等技术 要求严格。而滚动轴承特点：轴承尺寸小、转速高、寿命长，装配密封和润滑比较 简单,并可以直接选用。 轴承选用和配置形式对主轴刚度也有较大的影响。轴承本身的刚度除取决于轴 承内部结构、滚动体的数量与尺寸外,还取决于轴承的安装精度以及轴承的轴向间 隙与径向间隙的调整。 本主轴支承轴承选用深沟球轴承。 所以在此镗削头主轴支承轴承的安装方式为： 主轴前端轴承：两向心推力球轴承的“平行”安装。 3.83.8 主轴轴承 在前面已经选定轴承的类型，在安装时，用普通螺母作主轴轴承轴向限位，通 常难以保证螺母端面与轴心线有较高的垂直度(如图3- 5a)，锁紧后易使轴承偏斜，甚至有可能使轴弯曲(如图3- 5b)，这都将影响轴的旋转精度。 a) b) 图3-5 轴承预紧 3.93.9 主轴箱润滑系统的设计 主轴箱润滑系统的设计主要是针对主轴支承的润滑。 主轴轴承的密封和润滑：由于高速机床主轴转速较高，在目前的设计中多数采 用集中定量定时油雾或滴油润滑方式。由于该主轴较长，所以采用两个主支承加一 个辅助支承的结构。前、中支承采用两组背靠背组配的高速精密角接触球轴承，以 提高承载能力，轴承的预紧力在轴承厂已成对配磨好，属通用组配型。后支承采用 盐城工学院毕业设计说明书 2009 25 两个轻系列深沟球轴承，轴承外圈浮动，保留游隙，防止轴向干涉。由于三个轴承 孔的同轴度很难保证，所以后轴承与箱体孔的配合较松，前、中轴承用长效润滑脂 润滑。 双孔支架镗铰组合机床刚性镗削头及主轴箱设计 26 4 组合机床传动设计 多轴箱传动设计，是根据动力箱驱动装轴位置和转速、各主轴位置及其转速要 求，设计传动链，把驱动轴和各主轴连接起来，使各主轴获得预定的转速和转向。 传动系统设计的好坏，将直接影响主轴箱的质量及成本。 多轴箱传动系统的一般要求： A. 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。应尽量用一根传动轴带动多根主轴；当齿轮啮合中心矩不符合 标准时可采用齿轮变位的方法来凑中心矩。 B. 为使结构紧凑，多轴箱内齿轮副的传动比一般要大于(最佳传动比1) 2 1 5 . 1 1 ，后盖内传动比允许取至 ，避免用升速传动。 3 1 5 . 3 1 C. 用于粗加工主轴上的齿轮，应尽可能设置在第一排，以减少主轴的扭转变 形；精加工主轴上的齿轮，应设在第三排，以减少主轴端的弯曲变形。 D. 多轴箱内具有粗加工主轴时，最好从动力箱驱动轴齿轮传动开始，就分两 条传动路线，以避免影响加工精度。 E. 刚性镗孔上的齿轮，其分度圆直径应尽可能大于被加工孔的孔径，以减少 振动，提高运动平稳性。 F. 驱动轴直接带动的转动轴数不可能超过两根，以避免给装配带来困难。 4.14.1 传动方案拟订 镗削头的传动方式通常有两种：带传动和齿轮传动。带传动的主要优点是：缓 冲和吸振，传动平稳，噪声小；传动靠摩擦力传动，过载时与轮接触发生打滑，可