双面卧式组合钻床
双面卧式组合钻床,双面,卧式,组合,钻床
摘 要本课题需要设计一台加工箱体零件的两侧孔的卧式组合钻床,主要完成机床总体和主轴箱的设计及主轴轴承的设计。根据课题要求,本文先拟定一个两侧需要钻孔的箱体零件,根据加工工件的结构特点、加工部位、尺寸精度、表面粗糙度及生产率等要求,确定该机床为双面卧式组合机床;根据零件的大小及被加工孔的位置确定主轴箱的轮廓尺寸,通过计算扭矩确定主轴和传动轴的直径;根据受力情况,选择主轴轴承,并验算轴承的寿命。设计过程中,在满足设计要求的同时,应该注意相互间的合理配合,这样才能从整体上把握组合机床的性能和结构。关键词:组合钻床 传动系统 多轴箱 箱体目 录1前言11.1 机床在国民经济的地位及其发展简史21.2 组合机床的国内、外现状41.2.1 国内组合机床现状41.2.2 国外组合机床现状52 组合机床总体设计621 组合机床工艺方案的制定722 组合机床配置型式及结构方案的确定723 各侧具体零部件的设计、计算及选择73 组合机床多轴箱设计(两边主轴箱对称布置)113.1绘制右多轴箱设计原始依据图113.2 主轴、齿轮的确定及动力计算123.2.2 主轴箱的动力计算123.3主轴箱传动系统的设计与计算123.3.1 驱动轴、主轴的坐标计算123.3.2 拟订主轴箱传动路线133.3.3 确定传动轴位置和齿轮齿数143.4 多轴箱坐标计算、绘制坐标检查图183.4.1 选择加工基准坐标系XOY,计算主轴、驱动轴坐标183.4.2 计算传动轴的坐标183.4.3 验算中心距误差203.4.4 绘制坐标检查图203.5 多轴箱中变位齿轮的计算213.6 变位齿轮的设计213.6.1 轴13与轴7、8、9上的变位齿轮的设计:223.6.2 轴16与轴15上的变位齿轮设计:223.6.3 变位齿轮重合度的校核233.7 齿轮强度校核233.7.1 校核齿根弯曲疲劳强度233.7.2 校核接触疲劳强度243.8 传动轴直径的确定和轴的强度校核253.8.1 轴的直径的确定253.8.2 轴的强度校核253.9 主轴箱轴承及其它件设计283.9.1 主轴轴承设计283.9.2 主轴箱的选择293.9.3主轴箱上的附件材料的设计291前言组合机床是以通用部件为基础,配以按工件特定形状和加工工艺设计的专用部件和夹具,组成的半自动或自动专用机床。组合机床一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方式,生产效率比通用机床高几倍至几十倍。由于通用部件已经标准化和系列化,可根据需要灵活配置,能缩短设计和制造周期。因此,组合机床兼有低成本和高效率的优点,在大批、大量生产中得到广泛应用,并可用以组成自动生产线。组合机床一般用于加工箱体类或特殊形状的零件。加工时,工件一般不旋转,由刀具的旋转运动和刀具与工件的相对进给运动,来实现钻孔、扩孔、锪孔、铰孔、镗孔、铣削平面、切削内外螺纹以及加工外圆和端面等。有的组合机床采用车削头夹持工件使之旋转,由刀具作进给运动,也可实现某些回转体类零件(如飞轮、汽车后桥半轴等)的外圆和端面加工。1.1 机床在国民经济的地位及其发展简史现代社会中,人们为了高效、经济地生产各种高质量产品,日益广泛的使用各种机器、仪器和工具等技术设备与装备。为制造这些技术设备与装备,又必须具备各种加工金属零件的设备,诸如铸造、锻造、焊接、冲压和切削加工设备等。由于机械零件的形状精度、尺寸精度和表面粗糙度,目前主要靠切削加工的方法来达到,特别是形状复杂、精度要求高和表面粗糙度要求小的零件,往往需要在机床上经过几道甚至几十道切削加工工艺才能完成。因此,机床是现代机械制造业中最重要的加工设备。在一般机械制造厂中,机床所担负的加工工作量,约占机械制造总工作量的40%60%,机床的技术性能直接影响机械产品的质量及其制造的经济性,进而决定着国民经济的发展水平。可以这样说,如果没有机床的发展,如果不具备今天这样品种繁多、结构完善和性能精良的各种机床,现代社会目前所达到的高度物质文明将是不可想象的。一个国家要繁荣富强,必须实现工业、农业、国防和科学技术的现代化,这就需要一个强大的机械制造业为国民经济各部门提供现代化的先进技术设备与装备,即各种机器、仪器和工具等。然而,一个现代化的机械制造业必须要有一个现代化的机床制造业做后盾。机床工业是机械制造业的“装备部”、“总工艺师”,对国民经济发展起着重大作用。因此,许多国家都十分重视本国机床工业的发展和机床技术水平的提高,使本国国民经济的发展建立在坚实可靠的基础上。机床是人类在长期生产实践中,不断改进生产工具的基础上生产的,并随着社会生产的发展和科学技术的进步而渐趋完善。最原始的机床是木制的,所有运动都是由人力或畜力驱动,主要用于加工木料、石料和陶瓷制品的泥坯,它们实际上并不是一种完整的机器。现代意义上的用于加工金属机械零件的机床,是在18世纪中叶才开始发展起来的。当时,欧美一些工业最发达的国家,开始了从工场手工业向资本主义机器大工业生产方式的过度,需要越来越多的各种机器,这就推动了机床的迅速发展。为使蒸汽机的发明付诸实用,1770年前后创制了镗削蒸汽机汽缸内孔用的镗床。1797年发明了带有机动刀架的车床,开创了用机械代替人手控制刀具运动的先声,不仅解放了人的双手,并使机床的加工精度和工效起了一个飞跃,初步形成了现代机床的雏型。续车床之后,随着机械制造业的发展,其他各种机床也陆续被创制出来。至19世纪末,车床、钻床、镗床、刨床、拉床、铣床、磨床、齿轮加工机床等基本类型的机床已先后形成。上世纪初以来,由于高速钢和硬质合金等新型刀具材料相继出现,刀具切削性能不断提高,促使机床沿着提高主轴转速、加大驱动功率和增强结构刚度的方向发展。与此同时,由于电动机、齿轮、轴承、电气和液压等技术有了很大的发展,使机床的转动、结构和控制等方面也得到相应的改进,加工精度和生产率显著提高。此外,为了满足机械制造业日益广阔的各种使用要求,机床品种的发展也与日俱增,例如,各种高效率自动化机床、重型机床、精密机床以及适应加工特殊形状和特殊材料需要的特种加工机床相继问世。50年代,在综合应用电子技术、检测技术、计算技术、自动控制和机床设计等各个领域最新成就的基础上发展起来的数控机床,使机床自动化进入了一个崭新的阶段,与早期发展的仅适用于大批大量生产的纯机械控制和继电器接触器控制的自动化相比,它具有很高柔性,即使在单件和小批生产中也能得到经济的使用。综观机床的发展史,它总是随着机械工业的扩大和科学技术的进步而发展,并始终围绕着不断提高生产效率、加工精度、自动化程度和扩大产品品种而进行的,现代机床总的趋势仍然是继续沿着这一方向发展。我国的机床工业是在1949年新中国成立后才开始建立起来的。解放前,由于长期的封锁统治和19世纪中叶以后帝国主义的侵略和掠夺,我国的工农业生产非常落后,既没有独立的机械制造业,更谈不上机床制造业。至解放前夕,全国只有少数城市的一些规模很小的机械厂,制造少量简单的皮带车间、牛头刨床和砂轮等;1949年全国机床产量仅1000多台,品种不到10个。解放后,党和人民政府十分重视机床工业的发展。在解放初期的三年经济恢复时期,就把一些原来的机械修配厂改建为专业厂;在随后开始的几个五年计划期间,又陆续扩建、新建了一系列机床厂。经过50多年的建设,我国机床工业从无到有,从小到大,现在已经成门类比较齐全,具有一定实力的机床工业体系,能生产5000多种机床通用品种,数控机床1500多种;不仅装备了国内的工业,而且每年还有一定数量的机床出口。我国机床行业的发展是迅速的,成就是巨大的。但由于起步晚、底子薄,与世界先进水平相比,还有较大差距。为了适应我国工业、农业、国防和科学技术现代化的需要,为了提高机床产品在国际市场上的竞争能力,必须深入开展机床基础理论研究,加强工艺试验研究,大力开发精密、重型和数控机床,使我国的机床工业尽早跻身于世界先进行列。1.2 组合机床的国内、外现状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。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。1.2.1 国内组合机床现状我国加入WTO以后,制造业所面临的机遇与挑战并存、组合机床行业企业适时调整战略,采取了积极的应对策略,出现了产、销两旺的良好势头,截至2005年4月份,组合机床行业企业仅组合机床一项,据不完全统计产量已达1000余台,产值达3.9个亿以上,较2004年同比增长了10%以上,另外组合机床行业增加值、产品销售率、全员工资总额、出口交费值等经济指标均有不同程度的增长,新产品、新技术较去年年均有大幅度提高,可见行业企业运营状况良好。(1)行业企业产品结构的变化组合机床行业企业主要针对汽车、摩托车、内燃机、农机、工程机械、化工机械、军工、能源、轻工及家电行业提供专用设备,随着我国加入WTO后与世界机床进一步接轨,组合机床行业企业产品开始向数控化、柔性化转变。从近两年是企业生产情况来看,数控机床与加工中心的市场需求量在上升,而传统的钻、镗、铣组合机床则有下降趋势,中国机床工具工业学会的机床工具行业企业主要经济指标报表是统计数据显示,仅从几个全国大型重点企业生产情况看,2003年生产数控机床890台,产值16187万元,生产加工中心148台,产值5770万元;2004年生产数控机床985台,产值25838万元,生产加工中心159台,产值7099万元;而2005年,截至4月份,数控机床、加工中心、产值已接近2003年全年水平,故市场在向数控、高精制造技术和成套工艺装备方面发展。(2)行业企业的快速转变“九五”后期,在组合机床行业企业的50多家组合机床分会会员中,仅有两家企业实行了股份改造,一家企业退出国有转为民营,其余的都是国有企业。而从2001至2002年,不到两年的时间,就先后有十几家企业实行股份制改造,一些小厂几乎全部退出国有转为民营,现在一些国家重点国有企业也在酝酿股份制改造,转制已势不可档,“民营经济在经历了从被歧视,被藐视到不可小视和现在高度重视4个阶段后,焕发勃勃生机。”组合机床行业企业正在以股份制、民营化等多种形式快速发展。(3)组合机床技术装备现状与发展趋势组合机床及其自动线是集机电于一体是综合自动化度较高的制造技术和成套工艺装备。它的特征是高效、高质、经济实用,因而被广泛应用与工程机械、交通、能源、军工、轻工、家电行业。我国的传统的组合机床及组合机床自动线主要采用机、电、气、液压控制,它的加工对象主要是生产批量比较大的大中型的箱体类和轴类零件(近年研制的组合机床加工连杆、板件等也占一定份额),完成钻孔、扩孔、铰孔,加工各种螺纹、镗孔、车端面和凸台,在孔内镗各种形状槽,以及铣削平面和成型面等。组合机床的分类繁多,有大型组合机床和小型组合机床,有单面、双面、三面、卧式、立式、倾斜式、复合式,还有多工位回转台组合机床等;随着技术的不断是进步,一种新型的组合机床柔性组合机床越来越受人们是亲昧,它应用多位主轴箱、可换主轴箱、编码随行夹具和刀具的自动更换,配以可编程序控制器(PLC)、数字控制(NC)等,能任意改变工作循环控制和驱动系统,并能灵活适应多种加工的可调可变的组合机床。另外,近年来组合机床加工中心、数控组合机床、机床辅机等在组合机床行业中所占份额也越来越大。由于组合机床及其自动线是一种技术综合性很高的高技术专用产品,是根据用户特殊要求而设计的,它涉及到加工工艺、刀具、测量、控制、诊断监控、清洗、装配和试漏等技术。我国组合机床及其组合机床自动线总体技术水平比发达国家相对落后,国内所需的一些高水平组合机床及自动线几乎都从国外进口。工艺装备的大量进口势必导致投资规模的扩大,并使产品生产成本提高。因此,市场要求我们不断开发新技术、新工艺、研制新产品,由过去的“刚性”机床结构,向“柔性”化方向发展,满足用户需要,真正成为刚柔兼备的自动化装备。1.2.2 国外组合机床现状80年代以来,国外组合机床技术在满足精度和效率要求的基础上,正朝着综合成套和具备柔性的方向发展。组合机床的加工精度、多品种加工的柔性以及机床配置的灵活多样方面均有新的突破性进展,实现了机床工作程序软件化、工序高度集中、高效短节拍和多功能知道监控。组合机床技术的发展趋势是:(1)广泛应用数控技术国外主要的组合机床生产厂家都有自己的系列化完整的数控组合机床通用部件,在组合机床上不仅一般动力部件应用数控技术,而且夹具的转位或转角、换箱装置的自动分度与定位也都应用数控技术,从而进一步提高了组合机床的工作可靠性和加工精度。广州标致汽车公司由法国雷诺公司购置的缸盖加工生产线,就是由三台自动换箱组合机床组成的,其全部动作均为数控,包括自动上下料的交换工作台、环形主轴箱库、动力部件和夹具的运动,其节拍时间为58秒。(2)发展柔性技术80年代以来,国外对中大批量生产,多品种加工装备采取了一系列的可调、可变、可换措施,使加工装备具有了一定的柔性。如先后发展了转塔动力头、可换主轴箱等组成的组合机床;同时根据加工中心的发展,开发了二坐标、三坐标模块化的加工单元,并以此为基础组成了柔性加工自动线(FTL)。这种结构的变化,既可以实现多品种加工要求的调整变化快速灵敏,又可以使机床配置更加灵活多样。(3)发展综合自动化技术汽车工业的大发展,对自动化制造技术提出了许多新的需求,大批量生产的高效率,要求制造系统不仅能完成一般的机械加工工序,而且能完成零件从毛坯进线到成品下线的全部工序,以及下线后的自动码垛、装箱等。德国大众汽车公司KASSEL变速箱厂1987年投入使用的造价9000万马克的齿轮箱和离合器壳生产线,就是这种综合自动化制造系统的典范。该系统由两条相似对称布置的自动线组成,三班制工作,每条线日产2000件,节拍时间为40秒。全线由12台双面组合机床、18台三坐标加工单元、空架机器人、线两端的毛坯库和三坐标测量机组成,可实现3种零件的加工。空架机器人完成工件下线的码垛装箱工作。随着综合自动化技术的发展,出现了一批专门从事装配、试验、检测、清洗等装备的专业生产厂家,进一步提高了制造系统的配套水平。(4)进一步提高工序集中程度国外为了减少机床数量,节省占地面积,对组合机床这种工序集中程度高的产品,继续采取各种措施,进一步提高工序集中程度。如采用十字滑台、多坐标通用部件、移动主轴箱、双头镗孔车端面头等组成机床或在夹具部位设置刀库,通过换刀加工实现工序集中,从而可最大限度地发挥设备的效能,获取更好的经济效益。2 组合机床总体设计组合机床总体设计,通常是根据与用户签定的合同和技术协议书,针对具体加工零件,拟订工艺和结构方案,并进行方案图样和有关技术文件的设计。21 组合机床工艺方案的制定 工艺方案的拟订是组合机床设计的关键一步。因为工艺方案在很大程度上决定了组合机床的结构配置和使用性能。因此,应根据工件的加工要求和特点,按一定的原则、结合组合机床常用的工艺方法、充分考虑各种因素,并经技术经济分析后拟订出先进、合理、经济、可靠的工艺方案。此次设计的组合机床是用于加工某零件两侧孔专用组合钻床,其具体的加工工艺如下:a. 钻69孔(深38), 右侧面;b. 钻39孔(深78), 右侧面;c. 钻69孔(深38), 左侧面;d. 钻39孔(深78), 左侧面;正确选择组合机床加工工件采用的基准定位,是确保加工精度的重要条件。本设计的某零件是箱体类零件,箱体类零件一般都有较高精度的孔和面需要加工,又常常要在几次安装下进行。22 组合机床配置型式及结构方案的确定 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。既要考虑能实现工艺方案,以确保零件的精度、技术要求及生产率,又要考虑机床操作方便可靠,易于维修,且润滑、冷却、排屑情况良好。对同一个零件的加工,可能会有各种不同的工艺方案和机床配置方案,在最后决定采取哪种方案时,绝不能草率,要全面地看问题,综合分析各方面的情况,进行多种方案的对比,从中选择最佳方案。各种形式的单工位组合机床,具有固定式夹具,通常可安装一个工件,特别适用于大、中型箱体类零件的加工。根据配置动力部件的型式和数量,这种机床可分为单面、多面复合式。利用多轴想同时从几个方面对工件进行加工。但其机动时间不能与辅助时间重合,因而生产率比多工位机床低。在认真分析了被加工零件的结构特点及所选择的加工工艺方案,又由单工位组合机床的特点及适应性,确定设计的组合机床的配置型式为单工位卧式组合机床。23 各侧具体零部件的设计、计算及选择2.3.1刀具的选择考虑到工件加工尺寸精度,表面粗糙度,切削的排除及生产率要求等因素,所以加工18个孔的刀具均采用标准锥柄长麻花钻。2.3.2 两侧面钻9-9a. 切削用量的选择右侧是钻削6-9(深38)及3-9(深78) 根据孔径的大小和深径比,以及被加工材料的硬度查参考文献9表2.17知:主轴的进给量f为0.10.18mm/r,切削速度vc=1018m/min。钻孔的切削用量还与钻孔的深度有关,当加工铸铁件孔深为钻头直径的68倍时,在组合机床上通常都是和其他浅孔一样采取一次走刀的办法加工出来的,不过加工这种较深孔的切削用量要适当降低些,因此选择切削速度vc=13m/min 进给量f=0.13mm/r,由此主轴转速n由公式 (2-1)计算出 r/min,将主轴转速圆整为470 r/min。实际切削速度vc、工进速度vf、工进时间tf 分别由下列公式求得 (2-2) (2-3) (2-4) 计算出实际切削速度vc=13.282m/min,工进速度vf=61.1mm/min,工进时间tf=1.26minb. 切削功率,切削力,转矩以及刀具耐用度的选择由参考文献9表6-20计算公式切削力 (2-5)切削转矩 (2-6)切削功率 (2-7)刀具耐用度 (2-8)计算出切削力F=1144.5N,切削转矩T=3.18Nm,切削功率P=0.153kw,刀具耐用度Tn=768.799minc. 动力部件的选择由上述计算每根轴的输出功率P=0.153kw,右侧共9根输出轴,且每一根轴都钻9直径,所以总切削功率P切削=0.1539=1.377kw。则多轴箱的功率: kw,其中=0.8,所以 kw。因电机输出经动力箱时还有功率损耗,所以选择功率为2.2kw的电机,其型号为:Y100L1-4,由参考文献9表5-39选取1TD32-I型动力箱,动力箱的主轴转速715r/min 。d. 确定主轴类型,尺寸,外伸长度滚珠轴承主轴:前支承为推力球轴承和向心球轴承,后支承为向心球轴承或圆锥滚子轴承。因为推力轴承设置在前端,能承受单方向的轴向力,适用于钻孔主轴。在右侧面,主轴用于钻孔,因此选用滚珠轴承主轴。又因为浮动卡头与刀具刚性连接,所以该主轴属于长主轴。所以主轴均为滚珠轴承长主轴。根据主轴转矩T=3.18 Nm,由参考文献9表3-4可知 (2-9)其中B= 7.3,则计算出d=17.335mm,选取d=20mm。 由参考文献9表3-6查得主轴直径d=20mm, D/d1=30/20 mm, 主轴外伸尺寸L=115mm,接杆莫氏圆锥号1,2。e. 导向装置的选择组合机床钻孔时,零件上孔的位置精度主要是靠刀具的导向装置来保证的。导向装置的作用是:保证刀具相对工件的正确位置;保证刀具相互间的正确位置;提高刀具系统的支承刚性。固定式导套:刀具或刀杆本身在导套内既有相对转动又有相对移动,由于这部分表面润滑困难;工作时有粉尘侵入,当刀杆相对导套的线速度超过20m/min时就会有研着的危险,因此选用导套前计算一下导套与刀具的线速度。由上述内容知导套与刀具的线速度vc=13.282m/min20m/min,所以该导套选用通用短导套由参考文献9表8-4查得导套的具体数值如下:D=15mm,D1=22mm,D2=26mm,D3=M6,L取16mm,(短型导套)l=8mm,l1=3mm,l3=12mm, e=18.5mmf. 连杆的选择在钻、扩、铰孔及倒角等加工小孔时,通常都采用接杆(刚性接杆)。因为主轴箱各主轴的外伸长度和刀具均为定值,为保证主轴箱上各刀具能同时到达加工终了位置,须采用轴向可调整的接杆来协调各轴的轴向长度,以满足同时加工完成孔的要求。为了获得终了时多轴箱前端面到工件端面之间所需要的最小距离,应尽量减少接杆的长度。因为9-9孔的钻削面是同一面且主轴内径是20mm,由参考文献9表8-1选取A型可调接杆 d=16mm,d1=Tr161.5 mm, d2=9mm, L=85mm, l4=110135mm。g. 动力部件工作循环及行程的确定切入长度一般为5-10mm, 取L1=7mm,切出长度由参考文献9表3-7公式 (2-10) 通过计算L2=8mm,加工时加工部位长度L(多轴加工时按最长孔算)L=78mm.由公式 (2-11)求出L工=93mm。为排屑要求必须钻口套与工件之间保留一点的距离,根据麻花钻直径9,由参考文献9表3-4得导套口至工件尺寸l2=(1+1.5d)(参考钻钢) 取l2=10mm,又根据钻套用导套的长度确定钻模架的厚度为16mm。附带得出底面定位元件的厚度l4=38mm。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速退回的行程只要把所有的刀具都退回至导套内,不影响工件装卸即可。快退距离 L快退=l2+L工-L1=10+93-7=96mm快进距离 L快进=l2-L1=10-7=3mm因快进距离太短,故将快进距离改为工进,则工进距离L工=93+3=96 mm。选择刀具:根据钻口套至工进行程末端的距离L快退=96mm,及钻口套长度L套=8+3+16=27mm,由参考文献5表3-1查得选择:矩形柄麻花钻GB1435-789250mm(切削长度部分145mm)。h. 滑台及底座的选择由于液压驱动,零件损失小,使用寿命长,所以选择液压滑台。已知工进Vf=61.1mm/min,单根主轴的切削力F单=1144.5 N,则9根轴总的切削力F切削=9F单=1144.59=10300.5N,又因为ITD32-型动力箱滑鞍长度L=630mm,由参考文献9表5-1选择1HY32-型滑台及配套的侧底座选择ICC321 i. 多轴箱轮廓尺寸的设计确定机床的装料高度,新颁国家标准装料高度为1060mm,实际设计时常在8501060mm之间选取,选取装料高度为950mm。多轴箱的宽度与高度的大小与被加工零件的加工部位有关,可按下列关系式确定:B=b+2b1 (2-12)H=h+h1+b1 (2-13)b-工件在宽度方向相距最远两孔距离,b=340mm。b1-最边缘主轴中心距箱体外壁的距离,推荐b170100mm,取b1=100。h-工件在高度方向相距最远的两孔距离,h=277mm。h1-最低主轴高度。因为滑台与底座的型号都已经选择,所以侧底座的高度为已知值650mm,滑台滑座总高280mm;滑座与侧底座的调整垫厚度一般取5mm,多轴箱底与滑台滑座台面间的间隙取0.5mm。故h1=11+950-(0.5+5+280+560)=115.5mm,通常推荐h185140mm,所以h1=115.5mm符合通常推荐值。所以 B=b+2b1=340+2100=540mm,H=h+h1+b1=277+115.5+100=492.5mm由此数据查参考文献15表8.22选取多轴箱尺寸BH=630mm500mm, 台面宽度为320mm。3 组合机床多轴箱设计(两边主轴箱对称布置)多轴箱是组合机床的重要专用部件。它是根据加工示意图所确定的工件加工孔的数量和位置、切削用量和主轴类型设计的传递个主轴运动的动力部件。其动力来自通用的动力箱,与动力箱一起安装于进给滑台,可完成钻、扩、铰等加工工序。多轴箱一般具有多根主轴同时对一列孔系进行加工。但也有单轴的,用于钻孔居多,此次本设计的两侧钻就是属于此类型。目前多轴箱设计有一般设计法和电子计算机辅助设计法两种。计算机设计多轴箱,由人工输入原始数据,按事先编制好的程序,通过人机交互方式,可迅速、准确地设计传动系统,绘制多轴箱总图、零件图和箱体补充加工图,打印出轴孔坐标及组件明细表。一般设计法的顺序是:绘制多轴箱设计原始依据图;确定主轴结构、轴颈及模数;拟订传动系统;计算主轴、传动轴,绘制坐标检查图;绘制多轴箱总图,零件图及编制组件明细表。在此用一般设计方法设计多轴箱。3.1绘制右多轴箱设计原始依据图 主轴箱设计的原始要求和已知条件:a. 多轴箱轮廓尺寸630500;b. 工件轮廓尺寸及各孔的位置尺寸;c. 工件和主轴箱相对位置尺寸。根据以上依据编制出的主轴箱设计原始依据图如下图所示:图3-1组合机床设计原始依据图注:1.被加工零件编号及名称:某箱体零件。材料及硬度:灰铸铁;160-250HBS2.主轴外伸尺寸及切削用量:(表3-1)表3-1主轴外伸尺寸及切削用量轴号主轴外伸尺寸(mm)切削用量备注D/dL工序内容n(r/min)v(m/min)f(mm/r)1-932/20115钻947013.280.133.动力部件1TD32I,1HY32IA,N主=2.2KW,n=1430T/min。3.2 主轴、齿轮的确定及动力计算3.2.1 主轴型式和直径、齿轮模数的确定主轴结构型式和直径主要取决于工艺方法、刀具主轴联接结构、刀具的进给抗力和切削转矩。如钻孔是常采用滚珠轴承主轴;扩、镗、铰孔等工序常采用滚锥轴承主轴;主轴间距较小时常选用滚针轴承主轴。因本主轴箱的主轴都是用来钻孔,所以采用滚珠轴承主轴。主轴直径已经确定好了。(d=20mm)齿轮模数m一般采用类比法确定,多轴箱中齿轮常用的模数有2、2.5、3、3.5、4等几种。根据经验采用类比法从通用系列中选取各齿轮模数。为便于生产同一多轴箱中的模数规格最好不要多于两种。3.2.2 主轴箱的动力计算因所有主轴均用于钻孔,所以均选用滚珠轴承主轴,主轴箱所需动力见机床的总体设计,此处不在赘述。3.3主轴箱传动系统的设计与计算3.3.1 驱动轴、主轴的坐标计算根据主轴箱设计原始依据图3-1,计算驱动轴、主轴的坐标尺寸,如表2-2所示:表3-2 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4X0.000265.000435.000343.000223.00095.000Y0.00095.000125.50082.50082.50082.500坐标主轴5主轴6主轴7主轴8主轴9X95.000209.000315.000435.000435.000Y207.500253.500357.500357.500219.5003.3.2 拟订主轴箱传动路线在设计传动系统时,要尽可能用较少的传动件,使数量较多的主轴获得预定的转速和转向,因此在设计时单一的计算或作图的方法是难以达到要求的,现在一般采用“计算、作图和试凑” 相结合的办法来设计。该零件上的被加工孔的位置分布是多种多样的,但可将其归纳为:同心圆分布、直线分布和任意分布三种类型。根据需加工孔的位置情况设计主轴箱的传动路线叙述如下:将主轴1和2视为一组直线分布轴,在两轴中心连线的垂直平分线上设中心传动轴10;同样将主轴3和4视为一组直线分布轴,在两轴中心连线的垂直平分线上设中心传动轴11;同样将主轴5和6视为一组直线分布轴,在两轴中心连线的垂直平分线上设中心传动轴12;将主轴7、8、9视为一组同心圆主轴,在它们圆心(即三主轴轴心组成的三角形的外接圆圆心)处设中心传动轴13;油泵轴由传动轴13带动;将中间传动轴11、12视为一组直线分布轴,在两轴中心连线的垂直平分线上设中心传动轴14;将中间传动轴10、13视为一组直线分布轴,在两轴中心连线的垂直平分线上设中心传动轴15;将中间传动轴14、15视为一组直线分布轴,在两轴中心连线的垂直平分线上设中心传动轴16(按理论上讲轴16设在轴14和16的中心连线的垂直平分线上,但考虑到传动比和变位齿轮的问题,因此轴16的位置有所调整)。为直观起见将传动路线用树形图表达出,如下图所示:图3-2 九孔钻削多轴箱传动树形图3.3.3 确定传动轴位置和齿轮齿数本主轴箱内传动系统的设计是按“计算、作图和试凑”的一般方法来确定齿轮齿数、中间传动轴的位置和转速,在设计过程中通过反复试凑及画图,才最后确定了齿轮的齿数和中间轴的位置。为满足齿轮的啮合关系,有些齿轮采用了变位齿轮来保证中心距的要求。a. 求各主轴及驱动轴转速求驱动轴到各主轴之间的传动比主 轴: n1-9=470r/min驱动轴: nO=715r/min因各主轴的转速相同所以各主轴的总传动比相同:iO-1,29=b. 传动轴位置、各轴之间的传动比、及啮合齿轮齿数的确定1.确定传动轴10的位置及其与主轴1,2间的齿轮副齿数传动轴10设在轴1、2中心;连线的垂直平分线上,取传动轴10与主轴1之间的传动比i10-1=0.7;主轴1上的齿轮齿数z1=29;(设在第排),齿轮模数m=2。由i10-1=求出z10=41.42 取z10=41(设在第排),实际传动比i10-1=0.707;则两轴的中心距 A10-1=mm 传动轴的转速 n10=n1i10-1=4700.707=332.29r/min因轴设在两轴的中心连线的垂直平分线上,所以轴10与轴2的中心距等于轴10主轴1的中心距A10-1,求得z2=29(设在第排)。i10-2= i10-1=0.7072.确定传动轴11的位置及其与主轴3,4间的齿轮副齿数传动轴11设在轴3、4中心连线的垂直平分线上,取传动轴11与主轴3之间的传动比i11-3=0.75;主轴3上的齿轮齿数z3=30;(设在第排),齿轮模数m=2。由i11-3=求出z11=40 (设在第排)则两轴的中心距A11-3=mm因轴设在两轴的中心连线的垂直平分线上,所以轴11与轴4的中心距等于轴11主轴3的中心距A11-3,求得z4=30(设在第排)。i11-4= i11-3=0.753.确定传动轴12的位置及其与主轴5,6间的齿轮副齿数传动轴12设在轴5、6中心连线的垂直平分线上,取传动轴12与主轴5之间的传动比i12-5=0.75;主轴5上的齿轮齿数z5=30;(设在第排),齿轮模数m=2。由i12-5=求出z12=40 (设在第排),实际传动比i12-5=0.75;则两轴的中心距A12-5=mm因轴设在两轴的中心连线的垂直平分线上,所以轴12与轴6的中心距等于轴12主轴5的中心距A12-5,求得z6=30(设在第排)。i12-6= i12-5=0.754.确定传动轴13的位置及其与主轴7,8,9间的齿轮副齿数传动轴13的位置设在主轴7、8、9同心圆圆心上,可通过作图初定。若取m=2,z7=41(设在第排),测量出A13-7=91mm由A13-7=mm求得=50(设在第排),则传动轴13与主轴7之间的传动比:i13-7=传动轴13的转速:n13=n7i13-7=4700.82=385.4r/min因主轴8,9和主轴7的转速相同,所以i13-8= i13-9= i13-7=0.82,z8= z9 =z7=41(设在第排)。5.确定中间传动轴14的位置及其与中间传动轴11,12间的齿轮副齿数传动轴14设在轴11、12中心连线的垂直平分线上,取传动轴14与主轴11之间的传动比i14-11=1.25;齿轮模数m=2;设计主轴箱主要考虑齿轮排布是否干涉问题,在此考虑的基础上,设计时将传动轴11与传动轴14相啮合的一对齿轮排布在第一排,又因为上文已经将传动轴11与主轴4相啮合的一对齿轮排布在第一排,所以传动轴11与传动轴14相啮合的轴11上的齿轮齿数z11=40;(设在第排)由i14-11=求出z14=32 (设在第排),实际传动比i14-11=1.25;则两轴的中心距A14-11=mm因轴设在两轴的中心连线的垂直平分线上,所以轴14与轴12的中心距等于轴14主轴1的中心距A14-11,求得z12=40(设在第排)。i14-12= i14-11=1.256.确定中间传动轴15的位置及其与中间传动轴10,13间的齿轮副齿数传动轴15设在轴10、13中心连线的垂直平分线上,取传动轴15与主轴13之间的传动比i15-13=1.67;齿轮模数m=2;传动轴13上的齿轮的齿数z13=50由i15-13=求出z15=29.94,选取z15=30(设在第排),实际传动比i15-13=1.67;则两轴的中心距: A15-13=mm传动轴15的转速: n15=n13i15-13=385.41.67=643.618r/min因轴设在两轴的中心连线的垂直平分线上,所以轴15与轴10的中心距等于轴15轴13的中心距A15-13,即A15-10=80mm ,又因为传动轴10,15的转速n10,n15由上文算出,因此可得到传动轴15与10之间的传动比:i15-10=由公式A15-10=和i15-10=联合计算出z10=53 z15=27 (设在第排)实际传动比i15-10=1.967.确定合拢轴16的位置及其与中间传动轴14,15间的齿轮副齿数合拢轴16按原则上讲其应在传动轴14,15的中心连线的垂直平分线上,但考虑到齿轮传动的传动比和齿轮排布的排数,合拢轴16的位置不在传动轴14,15的中心连线的垂直平分线上。取驱动轴O与合拢轴的传动比:iO-16=1.5,则由总传动比i总=1.52求得i16-14=1.08,i16-15=0.74,选取驱动轴上的齿轮齿数zO=24,模数m=3 则轴16上的齿轮齿数z16,轴16的转速n16及中心距AO-16分别计算得到:z16=zOiO-16=241.5=36 n16=r/min AO-16=mm求轴14与16相啮合齿轮的齿数及中心距:取模数m=2,设计时将轴14与16相啮合齿轮排布在第一排,因为轴14上的第一排已有齿轮,因此轴14与16相啮合齿轮的14轴的齿数为以知的,即z14=32,z16=,选取z16=30,实际传动比i16-14=1.07中心距A16-14=mm 因为传动轴16与驱动轴O,中间传动轴14之间的距离已经确定,因此可通过作图确定传动轴16的位置。求轴15与16相啮合齿轮的齿数:因为轴15与16之间的传动比已经确定,又因为轴16的位置确定,所以轴16与轴15之间的距离也可确定,由传动树形图测量出轴15与16的中心距:A16-15=72 由公式:i16-15=和A16-15= 联合求得:z15=31,z16=41(设在第排)8.确定油泵轴17的位置及其与中间传动轴13间的齿轮副齿数油泵轴由传动轴13带动,将其安放在与传动轴同一水平线上,取油泵轴与传动轴13相啮合的一对齿轮传动比:i13-17=0.7,因为z13=50,由i13-17=计算出z17=35(设在第排),由A13-17=计算出中心距A13-17=85mmc. 验算各主轴转速n1=n2=r/minn3=n4=n5=n6=r/minn7=n8=n9=r/min转速相对损失在5%之内,符合设计要求。d. 叶片泵的设置由于叶片泵使用可靠,所以该主轴箱决定采用叶片泵进行润滑。油泵打出的油经分油器分向各个需润滑的部位,主轴箱体前后壁之间的齿轮用油盘润滑,箱体和后盖以及前盖的齿轮用油管润滑。该叶片润滑泵安装在箱体的前表壁上,采用油泵传动轴带动叶片转动的传动方式,计算出:n泵=r/min , n泵z在400-800r/min范围内,满足要求。3.4 多轴箱坐标计算、绘制坐标检查图坐标计算就是根据以知的驱动轴和主轴的位置及传动关系,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、结构布置是否正确合理。3.4.1 选择加工基准坐标系XOY,计算主轴、驱动轴坐标加工基准坐标系在前文已经选择好了(请见图3-1),驱动轴及主轴的坐标在3.3.1这一节也计算好了(请见表3-2)3.4.2 计算传动轴的坐标图3-3坐标计算图ojia. 传动轴12的坐标计算:为便于计算,选取小坐标系ioj(图3-3)已知轴5和6的坐标:5(95,207.5),6(209,253),计算出A=114,L=122.930,I=61.465,J=33.469 cosa=tana= 算出x=13.505, Y=13.505+61.465=74.97cosa= 算出A1=69.534,所以还原到坐标系XOY中轴12的横坐标为:95+69.534=164.534。cosa= 算出K=36.104m=(A-A1)tana=44.476tana=17.945, A2=m+k=54.063所以还原到坐标系XOY中轴12的纵坐标为:253.5-54.063=199.437,即轴12坐标 (164.534,199.437)b. 传动轴11的坐标计算:已知轴3和4的坐标:3(223,82.5),4(95,82.5)因为轴11在主轴3和4 中心连线的垂直平分线上,且主轴3和4 在同一水平线上,所以传动轴11的横坐标为:95+0.5(223-95)=159,利用勾股定理求出轴11相对于主轴3和4中心连线的距离A=,所以传动轴11的纵坐标为:82.5+28.355=110.854,即轴11的坐标(159,110.855)c. 传动轴14的坐标计算:为便于计算,选取小坐标系ioj(图3-4),已知轴12和11的坐标:轴12(164.534,199.437),轴11(159,110.855)计算出oiL=A11-12=jA=88.582I=56.698J=43.377由cosa= 计算出X=56.808tana= 计算出Y=3.542cosa= 计算出A1=47.825则轴14的纵坐标为:199.437-47.825=151.611图3-4坐标计算图由sina= 计算出m=2.546A2=m+x=2.546+56.808=59.354则传动轴14的横坐标为:59.354+159=218.354即轴14的坐标(218.354,151.611)d. 传动轴13的坐标计算:图3-5坐标计算图已知主轴7和8的坐标:7(315,357.5),8(435,357.5),测量R=91,计算出L=120,则I=60,因R=91是通过手工测量出的值,不够准确,通过计算机作图并测量出R=91.33,J=69,则轴13的横坐标为:315+60=375,纵坐标为:357.5-69=289.083即轴13的坐标(375,288.5)e. 传动轴10的坐标计算:为便于计算,选取小坐标系ioj(图3-6),已知主轴1和2的坐标:1(435,125.5),2(343,82.5), R=70,计算出L=101.553,图3-6坐标计算图oijA=92,I=50.776,J=48.185由cosa= 求出 a=25otana= 计算出K=22.521cosa= 计算出A1=66.403所以还原到坐标系XOY中传动轴的横坐标为:435-66.407=368.597m= 计算出m=53.188, tana= 计算出B=11.964所以还原到坐标系XOY中传动轴10的纵坐标为:82.5+11.964+53.188=147.652ioRj即轴10的坐标(368.597,147.652)f. 动轴15的坐标计算:为便于计算,选取小坐标系ioj(图3-7),已知轴10和13的坐标:10(368.597,147.652),13(375,289.083),R=80,计算出: L=140.994,A=140.848,I=70.497,J=37.818由cosa= 计算出m=37.857,sina= 计算出k=1.719,cosa= 计算出A1=68.707图3-7坐标计算图所以还原到坐标系XOY中传动轴15的纵坐标为:288.5-68.707=219.793由tana= 计算出B=3.123,所以还原到坐标系XOY中传动轴15的横坐标为:375-37.857+3.123=334.020即轴15的坐标(334.020,219.793)g. 传动轴16的坐标计算:已知传动轴14和驱动轴O坐标:14(218.354,151.611),O(265,95),传动轴16与轴14,驱动轴O之间的中心距:A16-14=62,A16-O=90设传动轴16的坐标为(X,Y) 所以轴16的坐标为(270.7111,184.819)h. 油泵轴17的坐标计算:油泵轴与传动轴13在同一水平线内,所以其两的纵坐标相同,其两在横坐标方向相距85mm,所以油泵轴17的坐标为(360,288.5)综上所述,则得到中间传动轴与油泵轴的坐标如下表所示:表3-3 中间传动轴与油泵轴的坐标坐标传动轴10传动轴11传动轴12传动轴13传动轴14传动轴15传动轴16油泵轴17X368.597159.000164.534375.000218.354334.020270.711360.000Y147.652110.855199.467288.500151.611219.793184.819288.5003.4.3 验算中心距误差经验算只有轴16与轴15之间以及轴13与轴7、8、9之间的误差大于0.009mm,其余的都满足啮合要求,因此轴16与轴15以及轴13与轴7、8、9相啮合的齿轮均需采用变位齿轮。 3.4.4 绘制坐标检查图在坐标计算完成后,要绘制坐标及传动关系检查图,用以全面检查传动系统的正确性。图3-8九孔钻削多轴箱坐标检查图3.5 多轴箱中变位齿轮的计算a. 13与轴7、8、9相啮合的齿轮需采用变位齿轮轴13上的齿轮齿数z13=50,轴7、8、9上的齿轮齿数z7-9=41,模数m=2,理论中心距A理=91.44,实际中心距A实=91根据公式: (3-1) (3-2)其中。则可求得变位后的压力角,变位系数之和x16+x7-9=0.223。b. 轴16与15相啮合的一对齿轮需采用变位齿轮轴16上的齿轮齿数z16=41,轴15上的齿轮齿数z15=31,模数m=2,理论中心距A理=72.33,实际中心距A实=72,根据公式(3-1), (3-2)则可求得变位后的压力角,变位系数之和x15+x16=0.1493.6 变位齿轮的设计切制变位齿轮和标准齿轮所用的刀具及展成运动完全,故用同一把刀具切制出的变位齿轮和标准齿轮,其模数和压力角相同,分度圆和基圆也相同。变位齿轮的齿廓线与标准齿轮的齿廓线是同一个基圆上展出的渐开线,只不过是所截取的部位不同而已。3.6.1 轴13与轴7、8、9上的变位齿轮的设计:由上述知轴13与7、8、9轴上的变位齿轮分度圆半径分别为:r13=mmr7-9=mm求变位齿轮的齿根圆半径:因相啮合的齿轮需变位必须成对设计,由上文计算出该对齿轮的变位系数之和x1+x2=0.223,以及该对齿轮的最小变位系数 z13min=z7-9min=则可取x13=0.1,x7-9=0.123,则该对齿轮的齿根圆半径分别由以下公式求得: (3-3) (3-4)rf13=50-(1+0.25)2+0.12=47.7mmrf7-9=41-(1+0.25)2+0.1232=38.746mm求变位齿轮的齿顶圆半径分别由以下公式求得: (3-5) (3-6)ra13=91.44-38.746-0.252=52.194mmra7-9=91.44-47.7-0.252=43.24mm3.6.2 轴16与轴15上的变位齿轮设计:该对啮合的齿轮的分度圆半径分别为 r16=mm r15=mm求变位齿轮的齿根圆半径:因相啮合的齿轮需变位必须成对设计,由上文计算出该对齿轮的变位系数之和x1+x2=0.149,以及该对齿轮的最小变位系数 z16min= z15min=则可取x15=0,x16=0.149,则该对齿轮的齿根圆半径分别由公式(3-3)、(
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