叉架上座和上座盖端面铣床设计

1、叉架上座和上座盖端面专用机床设计目 录目录1第一章 概述 2第二章 零件及加工工艺分析 3第三章 机床总体设计 5第四章 零部件设计 13结论21致谢22参考文献22第一章 概述专用机床是一种适用于特定零件和特定工序加工的专用机床，而且往往是组成自动生产线式生产制造系统中不可缺的机床品种。由于专用机床具有高效自动化的优点，是大批量生产企业的理想装备。随着制造技术的进步，数控技术的普及，专用机床的数控化发展也很快，专用机床在生产实践中占有一定的比重。据有关资料介绍，日本2008年专用机床产值占机床产值的比达到8.8%；我国台湾省这一数字达到6.9%;而我国仅为0.67% 。所以，在当前产品结构调

2、整中，发展专用机床是行业发展中的一个值得注意的问题。专用机床适用于单件中、大批量生产的小型零件的加工。它是由已经系列化、标准化的通用部件和少量专用部件组成的高效专用机床，便于更换受损部件，因此提高了工件加工的整体效率和减少机床设计周期。目前，在汽车、拖拉机、柴油机、电机、仪表、军工等重、轻工业大批、大量生产中获得了广泛应用。一些中小批量生产的企业，如机床，机车，工程机械等制造业中业已广泛应用。目前，专用机床主要用于平面加工和孔加工两类工序。专用机床主要由调整机构、动力头、夹具、动力箱、底座以及控制部件和辅助部件等组成。专用机床及其自动化生产线的制造，与大量生产汽车等性质不一样，也与普通机床的制

3、造性质不一样，它具有两个鲜明特征：一是集成性。用户订购专用机床都是要求交钥匙工程，它集加工工艺（含工艺方法及工艺参数）、机床、夹具、工具（包含辅具）的开发设计与选择、检验测量（包括进入机床前的毛坯检验、加工中及成品的检验测量）、物流的输送、切屑、冷却液的处理等于一体，它不仅仅解决其中的某一问题，而是要解决涉及较宽技术领域内可能遇到的每一个问题。二是单一性。专用机床几乎都是单台生产，要根据用户提出的要求，进行一次性开发，一次性制造，而且还要保证一次性成功 。 根据对专用机床及其自动生产线等相关资料的研读，将专用机床制造业的工作归纳为以下五个特点： 一、技术难度大。由于它是集中加工工艺、机床、夹具

4、、辅具、刀具、检验测量、物流等于一体，实现交钥匙工程，从而涉及技术领域宽且复杂，又是一次性制造，要保证一次成功，所以技术难度大。 二、经营风险率高。专用机床（或自动线）根据用户订单“量体裁衣”制造的，不可能有试制探索过程，要确保一次成功，有相当大的技术风险。由于技术方案不当，造成局部或整体报废的情况屡见不鲜；由于一次性制造，在制造调试过程中难保不出现问题，解决这些问题总是需要时间，从而按期交货也有一定的风险；由于装备是专门为某一用户订做的，当该用户因种种原因不能如期付款、甚至无力付款时，势必造成制造企业的损失；在现行的金融制造还无法约束对方，产品无法转让他人的情况下，经营显而易见。 三、协作困

5、难大。由于是一次性制造，它不像汽车零部件那样大量生产，也不像通用设备那样批量生产，找协作厂家很困难。条件一般的企业，很难保证一次性制造出合格的产品；条件好的企业，又不愿当配角，对这种委托协作看不上。 四、技术依赖性强。专用机床及其自动线从设计、工艺编制、生产制造到装配调试的全过程，都需要一批有经验的技术人员、管理人员和技术工人。 五、技术成长期长。专用机床的设计制造涉及专业面广，要具备较丰富的工艺知识，要比较熟悉用户的制造工艺，要保证一次成功，培养一名熟练的主管设计师，要花几年时间，才能做出好的产品设计、好的制造工艺，生产出好的产品，技术成长期要长。以上特点既相互关联，又各具特性，是影响我国专

6、用机床制造业发展的重要方面。要调整机床工业的产业结构，发展专用机床是一项十分重要的工作。第二章 零件及加工工艺分析本章主要进行零件的分析、加工工艺分析。从零件入手，根据加工要求，作出加工工艺，画出加工示意图，为后续工作提供条件。2.1零件简介右叉架上座是拖拉机推土叉架部件中的重要零件，是上轴、叉架直撑杆、叉架斜撑杆三种零件的联结件，其加工质量对推土叉架部件的安装、使用以及承载能力等有重要影响。叉架上座生产批量为属于大量生产（生产纲领为30000件），零件毛坯均是材质为铸钢件，其长、宽和厚分别为 158mm、134mm和106mm。毛坯图如图2-1所示。图2-1 毛坯图其加工后零件图如图2-2所

7、示。图2-2 零件图2.2零件工艺分析叉架上座零件加工精度低（表面粗糙度为Ra12.5），加工余量小，以粗加工就能达到精度要求。叉架上座的工艺过程如下： 铸造 时效 工序：粗铣宽度为158mm的带凸台面 工序：粗铣宽度为87.5mm端面 工序：扩钻2-43.5+0.64孔 工序：粗镗49+0.62孔 工序：粗精镗550.14孔 工序：切槽 工序：钻3-22.2+0.52通孔 工序：铣断 工序：钻右叉架上盖4-21通孔 工序：钻右叉架上座4-17.3孔 工序：4-17.3孔攻丝成M202.5-2级，倒边角 工序：清洗 工序：刷漆 工序：检验入库由于零件较大、重量较重，装卸不便，造成生产率低，劳动

8、强度大，特别是对于大量生产来说显得更为突出。为提高生产效率，降低操作人员的劳动强度，生产单位提出针对该零件的端面铣削专用机床设计的任务要求。加工工序图如下图2-3所示：图2-3 铣端面加工工序图 第三章 机床总体设计本章主要进行方案分析、铣削用量的制定、铣削力的计算、总体配置形式的选择、动力传动方案的确定、电机的选择等，从整体上进行设计，并为零部件设计做好准备。3.1 方案分析机床总体方案一：将闲置的旧车床，加以改装成专用右叉架上座端面机床。拆去原有的主轴部件、工作台、立柱等，在叉座上装上机械滑台，并设计主轴，甚至立柱等。机床总体方案二：重新设计一个机床，机床总体结构包括主轴部件、底座、立柱等

9、。刀具装在主轴箱上，并随着主轴旋转，主轴箱装在立柱上，并把立柱连接到侧底座上，侧底座上安装机械滑台。上述两种方案都可以满足加工要求。方案一虽然利用闲置的机床能节约费用，但是把机床上原有的部件拆除再组装，既费时又费力，同时可以利用部分较少。方案二，结构结构简单，部分组件可以选用，制作方便，费用低。所以方案二较好。3.2确定切削用量加工条件工件材料：铸钢,有外皮。加工要求：粗铣47 mm的两端面，表面精度为Ra12.5。 加工余量：每侧3mm.由于加工余量小，要求表面粗糙度低，故采用一次走刀完成加工。（1） 选用刀具 根据机械加工工艺设计手册表9.2-1：选用端面镶齿铣刀，硬质合金刀片,刀片牌号为

10、YT15。铣削宽度为94mm,对称加工，根据表9.2-14:选用6齿D=125mm的端铣刀（GB5342-85）。铣刀角度为： （2） 选用粗铣铣削余量1）确定铣削深度ap=3 mm。2）确定进给量：根据表9.4-12：在ap3 mm时，暂取af=0.1 mmz。因为工序为非强力重负铣削，故对刀片的强度、刀杆强度和机床进给机构强度等可不进行校验。3）确定铣刀磨钝标准及耐用度根据表9.4-6：铣刀后刀面最大磨损限度取为1.0 mm，刀具耐用度取T=180min。4）初定切削速度 可根据表9.4-12，推荐值: ,。 5） 确定主轴转速 由标准铣削宽度为，实际铣削宽度，有外皮，查表9.4-11可知

11、=0.75，又=1.25，故=0.96, =1.28，故 ，可得主轴转速：所以实际切削速度为：进而查9.4-11，得=0.75。3.3切削力与切削功率计算根据机械加工工艺手册铣削力、扭矩和铣削功率的基本公式：）) ) 由上述公式计算出： 1) 铣削力：查表9.4-10，将=7550，=1.0，=0.75，=1.1，=1.3，=0.2,以及在第二节得到的铣削力修正系数=0.750.96，将其，代入）式中由铣削力可求的主轴扭矩: 2）铣削时消耗的功率:3.4机床布局设计根据加工工序图，所要求设计的机床需要完成对叉架上座的两端面进行铣削。参考组合机床设计，宜采用立式铣床，工件整体不大，铣削力也不大，

12、可以采用单立柱形式叉撑。主轴部件经由立柱连接到底座上，在底座上安置滑台以完成进给运动。其整体布局形式示意图如图3-1所示。图3-1布局示意图1-侧底座 2-滑台 3-夹具 4主轴部件5-立柱在示意图中，主轴完成铣削加工的主运动，铣刀旋转运动，滑台带动工件完成进给运动。最终的总体装配图如图3-2所示。图3-2 专用机床总装图1-侧底座 2-滑台 3-夹具 4-控制盒 5-主轴部件 6-立柱 7-V型带 8-调整螺钉 9-带轮 10-防护罩 11-电机3.5电动机选择电动机的类型和结构形式的选择，工业上一般使用三相交流电源，无特殊要求一般选用三相交流电机，最常用是Y系列笼型三相异步交流电动机。其效

13、率高，工作可靠、结构简单、维护方便、价格低，适宜于不易燃、不易爆、无腐蚀性气体和无特殊要求的场合。电动机的结构形式，按位置的不同，有卧式和立式两种，可根据安装要求和防护要求选择电动机的结构形式。常有的是卧式封闭性电动机。选择电动机的功率，选择电动机的功率要考虑三方面的因素：电动机的发热、过载能力和启动能力。但在一般情况下电动机的功率主要有发热条件而定。电动机的发热情况与其工作情况有关。对于变化不大，且常温下长期连续运转的电动机，只要其所需输出功率不超过其额定功率，工作时就不会过热，可不进行发热计算。此电动机按以下确定1） 由上知切削率Pw=3.1 kw 2） 电动机的输出功率考虑到传动功率的损

14、耗，电动机输出的功率=式中的为从电动机至工作机主轴之间-的总效率查表2-4，V带、轴承机械传递效率分别为0.95，0.98。所以3） 选择电动机的速度经过对成本，重量、价格等多方面的比较分析得出同步转速为750 r/min最合适。查5表20-3得出电动机的型号为Y160M1-8，额定功率为4 kW。3.6 V型带设计1)确定带轮的直径查表8-7选=1.2 3.11.2=3.72 kw，根据3.72 kw，720 r/min，由图8-10确定选B型，由表8-6,8-8取小带轮=315 mm,则带速v:，带速合适。大带轮直径： 代入数据（720/275）1250.98320 mm，选取315 mm

15、 此时 ，从而铣削速度 2） 依据上述计算所得主轴实际转速和铣削功率，重新计算铣削力、铣削功率以及电机输出功率 电机输出功率 电机选择Y160M2-8,功率为5.5kw，仍然选用B型带。3）确定V带长度初选中心距=850 mm，符合0.72。由=得带长=1700+691.15+10.62=2401.72 mm。所以选基准长度2500 mm。实际中心距：小带轮包角：180（）/5716890=0.0152500=37.5(mm) =0.0302500=75(mm)4) V带根数Z由d1=125mm和n=720 rmin,查表8-4a得P0=1.32 kw。根据n=720 rmin, i=2.52

16、和B型带。查表8-4b得P0=0.22 kw。查表8-5得K=0.975,表8-2得KL=1.03。于是=4.731.2=5.68（kw）。 以所以取Z=4。5) 计算单根V带的初拉力的最小值:由表8-3得B型带的单位长度质量=0.108kgm，所以应使带的实际初拉力。6) 计算压轴力:3.6 生产率计算机床理想生产率是指机床在百分之百负荷的情况下每小时的生产能力。这里仅考虑加工一个工件所需的机动时间(t机)和辅助时间(t辅)。辅助时间是指机床空行程（机械滑台快进和快退）和工件的装卸、定位、夹压及清除定位面上切屑所需的时间。(1) 理想生产率理想生产率(单位为件/h)是指完成年生产纲领A(包括

17、备品及废品率)所要求的机床生产率。它与全年工时总额tA有关，一般情况下，单班制tA取2350 h,两班制tA取4600 h。单班制生产tA=2350 h A=30000则：(2) 实际生产率实际生产率 (单位为件/h)是指所设计机床每小时实际可以生产的零件数量，即：其中：单生产一个零件所需时间，可按下式计算:图3-3工作循环图因为该工件两端都需加工，但一次放两个工件，所以式中： 工件切削部分长度，单位为mm； 切入量，,取l1=10mm；（表9.4-33） 切出量，取15 mm； 进给次数； 主轴转速； 每齿进给量；、 分别为机械滑台快进、快退行程长度，单位为mm； 机械滑台快速移动速度。 工

18、件装、卸(包括定位或撤消定位、夹紧或松开、清理基面或切屑及吊运工件等)时间。本次设计取 1 min则：满足要求第四章 零部件设计本章在前两章的加工工艺分析以及总体设计的基础上，对机床的零部件设计和选用，包括主轴部分、侧底座、夹具和立柱的设计和机械滑台的选用等。使主轴带动刀具旋转完成铣削主运动，滑台带动工件移动完成铣削进给运动。主轴可以进行最大为70mm的轴向调整，实现准确对刀；大带轮的卸荷机构用于提高主轴的旋转精度4.1主轴部件设计轴的结构设计包括轴的定位和结构尺寸，主要取决于轴的安装，轴上零件的类型、尺寸、数量以及联接的方法，载荷的性质、大小及分布情况，轴的加工工艺等。不论何种条件，轴的结构

19、都应满足：轴和装在轴上的零件准确的准确定位、便于装拆和调整、具有良好的制造工艺性等。主轴结构如图4-1所示。图4-1 主轴结构1-主轴 2-圆锥滚子轴承 3-调整锥齿轮 4-主轴套筒5-深沟球轴承 6-锁紧螺母 7-大带轮主轴通过轴肩、轴承、锁紧螺母等进行轴向定位。轴上选用的深沟球轴承只受径向载荷，其刚度和承载能力很高，经济成本较低。单列圆锥滚子轴承可同时承受径向和轴向载荷，刚度和承载能力高，抗振性好，发热大，极限转速较低，可调整径向间隙，是高精度、高刚度、低转速的径向轴承。并把圆锥滚子轴承进行反装，不仅拥有较好的刚度，还可以预防轴受热伸长时致使轴承卡死。电机经带轮把扭矩传递给主轴是通过花键实

20、现的。设计的带轮与花键之间是间隙配合，使主轴不承受来自带轮的径向力，这对主轴的精度和受力情况有极大的改善。而带轮是连接在主轴箱体上，由箱体承受径向力，属于卸荷机构。同时，也能够完成主轴的轴向调整运动。主轴套筒与箱体之间是可以滑动的。导向有安装在主轴套筒上的滑键完成，调整有安装在箱体上的圆锥齿轮等实现，在调整完后有图4-2所示的锁紧装置锁紧，使主轴套筒与箱体之间无相对运动，保证加工精度。主轴套筒与箱体之间的配合为，查几何精度规范学，选用。 图4-2 锁紧装置 1-箱体 2-主轴套筒 3-锁紧块 4-锁紧螺柱4.1.1主轴设计主轴是主轴结构的核心，其余相应的构件都是围绕主轴展开的。要求主轴有足够的

21、刚度，以保证加工精度，同时主轴在轴向有一定的调整量，以便于对刀。鉴于此，带轮与主轴之间不能用普通平键固定连接，须使用滑键。考虑到键仅起到传递扭矩的作用，采用矩形花键。同时，主轴与大带轮之间需要调整主轴的轴向位置，采用间隙配合。考虑到刚度要求以及主轴内需要安装25mm的拉杆，选取主体为90mm。查设计手册表3-3-16，选取矩形花键的规格为10727812，长度为255mm。轴承在主轴上由轴肩、套筒、和锁紧螺母定位，其中查表3-2-73，选取M852的锁紧螺母，相应的主轴上应加工M852的螺纹。如图4-3所示：轴是专用铣床中结构性较强的部件，其他部件均通过装配在其上，实现可靠的工作，除了满足结构

22、上的需要，轴要具有足够的强度、刚度。因此对轴的危险区域要进行校核。由于轴所受的力不大，不会存在刚度不足的情况。如上图4-3中，最危险截面应出现在主轴安装圆锥滚子轴承的轴肩处，所以应对其校核。其计算步骤如下：1. 作出轴的计算简图2. 作出弯矩图3. 作出扭矩图4. 校核轴的强度其中铣刀对主轴的各个方向铣削力按车削端面计算，查加工工艺手册表8.4-10有下面的公式： 其中， 查表8.4-12，刀具几何参数改变时，修正系数： 将铣削参数 代入公式计算得， 铣刀所受的轴向力和径向力分别为： 在3.6中，计算得： 故径向力 由于铣刀对轴的轴向力是沿主轴中心均匀分布，可以不考虑，而铣削力可以看作沿圆周分

23、，简化为以主轴为中心的扭矩。其结构如下图4-4所示：图4-4 主轴结构简化图主轴载荷分析如图4-5所示：图4-5 主轴载荷分析分析计算：图4-5中由得： 又有 弯矩： 扭矩： B处为危险截面，轴的应力为：根据轴的材料为45钢，调质处理，查表15-1得许用弯曲应力。因为，故安全。4.1.3带轮设计在主轴结构中，大带轮是通过安装在叉座上的，而叉座通过止口定位和螺栓联结到主轴箱体上，其中大带轮安装如图4-6中所示。图中可知，带轮叉撑属于悬臂叉撑，危险截面发生在靠上轴承的安装处，按照轴的校核过程进行校核。图4-6大带轮安装结构大带轮受力分析如图4-7所示：所以可得危险截面弯矩： 同时还受到扭矩：图4-

24、7 大带轮载荷分析图对空心轴，查理论力学，抗弯截面系数和抗扭截面系数分别为： 则按第三强度理论，大带轮的弯扭合成强度条件：远小于许用应力，可以用。4.2滑台选用查组合机床讲义对液压滑台与机械滑台的特点进行了比较，如表4-1。液压滑台和机械滑台都是组合机床的重要通用部件之一，也用于实现进给运动。液压滑台的主要元件有液压泵、电液换向阀、顺序阀、背压阀、液压缸。液压滑台以压力油为动力，推动液压缸活塞杆，带动滑台体实现进给运动。液压滑台组成的组合机床需要单独的液压站，液压站供给的压力油虽然能驱动滑台运动、实现被加工工件的定位、夹紧、输送等动作，实现整台机床的自动化。现在由于没有单独的液压站，所以不易使

25、用液压滑台。而机械滑台有两个电机，一个用来快速移动，一个用以工作进给。其结构设计合理、刚性好、精度高、性能可靠、外形美观、配置是组合机床及其自动线不可缺少的基础动力部件。使用机械滑台可以节约加工的辅助时间，提高机械效率。因此，机床选用的是机械滑台。选用的滑台型号是1HJ40，该滑台最大行程为400 mm，最大进给力为20000 N，工作进给电机功率为0.75 KW，速度范围9.62425.8 mmmin，快速移动电机功率是1.5 KW，速度是6.3 mmin。滑台高度为320mm。通过螺栓固定在侧底座上。表4-1 液压滑台与机械滑台的优缺点液压滑台机械滑台优点1. 在相当大的范围内进给量可以无

26、级调速2. 可以获得较大的进给力3. 由于液压驱动,零件磨损小,使用寿命长4. 工艺上要求多次进给时,通过液压换向阀,很容易实现5. 过载保护简单可靠6. 由行程调速阀来控制滑台的快进转工进,转换精度高,工作可靠1. 进给量稳定,慢速五爬行,高速无振动,可以降低加工工件的表面粗糙度2. 具有较好的抗冲击能力,断续铣削,钻头钻通孔将要出口时,不会因冲击而损坏刀具3. 运行安全可靠,易发现故障,调整维修方便4. 没有液压驱动的管路,泄漏,噪声和液压站占地的问题缺点1. 进给量载荷的变化和温度的影响而不够稳定2. 液压系统漏油影响工作环境,浪费能源3. 调整维修比较麻烦1. 只能有级调速,变速比较麻

27、烦2. 一般没有可靠的过载保护3. 快进转工进,转换位置精度较低4.3侧底座设计基于机械滑台的选择，可以选择配套的滑台侧底座1CC401，高560mm，再算上机械滑台的高度320mm，则夹具的底面水平高度至少为880mm(还要再加上调整垫片等)，则安装工件的高度在1000mm以上，这对于工人操作是不合适的，故需要自己设计侧底座。如图4-8所示。该底座高度为280mm，算上机械滑台320mm,和在夹具上工件的底面高度225mm,装料高度为825mm,适合一般高度的工人。图4-8 侧底座图中，主视图的6个M20螺纹孔是用来联接立柱的，并通过圆锥销定位，便于拆卸和安装。而俯视图的16个M16的螺纹孔

28、是用来固定机械滑台的，并通过定位销定位，便于多次安装。底座主要起叉撑作用，查机械工程材料可以用HT150铸造，机械加工性能也较好。4.5立柱设计由于侧底座是自己设计的，在通用部件当中无法找到合适高度的的立柱，需自己设计。如图4-10。在左视图下端有六个22mm的通孔，经M20螺栓与底座联接，并通过定位销定定。上端，有八个M20的螺纹孔，通过M20的螺栓把主轴部件固定在立柱上。立柱内部有纵横的加强筋来增加立柱的刚度，以保证加工质量。通过铸造得到毛坯，再进行加工，材料为HT150。图4-10立柱结 论本次设计的课题来源是实际加工设计，主要是针对右叉架上座及上座盖铣端面而设计的专用机床。根据零件的生

29、产批量及精度要求，完成该专用机床的设计。具体如下：（1） 完成了对专用机床的总体设计。根据零件加工要求，制定零件的加工工艺，明确铣端面工序的机械加工余量、工序尺寸以及毛坯尺寸，确定该工序的所需的机床、刀具和夹具。从而对专用机床的设计有了基本的认识和方向。（2）进行了专用机床零部件设计。根据切削力的拟定传动方案，计算选择电机以及传动装置的设计及校核。之后进行主轴部件和机械滑台的选用，以及侧底座和立柱的设计，最后进行气动夹紧夹具的设计。该右叉架上座及上座盖铣端面专用机床的设计不仅满足加工要求，保证加工质量，提高加工效率，降低劳动强度，而且主轴能够轴向手动调整便于对刀，带传动采用卸荷机构，减轻主轴载荷，提其旋转精度从而提高加工质量。致 谢本论文是在陈超英老师的悉心教诲、指导下完成的，在整个毕业设计期间，得到了导师的认真指导和帮助，导师的严谨学风和渊博学识使本人受益匪浅，在此表示诚挚的敬意和由衷的感谢。同时要感谢本单位的领导和老师傅们给我提供了良好的学习环境和热心指导。在此也同样表示感谢。 最后感谢浙江机电学院给与本人深造的机会。经三个月的紧张工作，在陈老师的不知疲倦的精心指导下和同组同学的大力帮助下，我完成了此次的毕业设计叉架上座和上座盖端