组合机床总体及主轴箱的设计

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1、毕业设计 - 1 - 1 前言 1.1 研究的目的和意义 主轴箱是选用通用零件，按专业要求进行设计的。它通过按一定速比排布传动齿轮，把动力从动力部件动力头、动力箱、电动机等传递给各工作主轴，使之获得所要求的转速和转向。主轴箱主轴前端外伸部分和机床刀具装置连接，从而完成被加工零件。目的是熟练利用 CAD绘图软件进行绘图，掌握基本的设计方法和能力，为以后的学习和工作打下良好的基础。 研究汽缸盖钻铰组合机床不但有助于汽缸盖的加工水平提高， 从而提高我国的汽车生产水平， 而且对我国组合机床的发展也有重要意义。 1.2 国内外研究现状 我国的组合机床产业发展比较晚， 原因之一是我国整体的工业发展就比较晚

2、，其次我国的工业水平已经落后了一大截。组合机床的发展是由汽车产业的带动，由专用机床发展而来的。改革开放后，我国的组合机床产业得到了很大的发展，特别是民营企业对发展组合机床起到了很大的作用， 他们的设计和改良使得组合机床的效率和加工水平得到了极大的提高。我国的组合机床主要优势在于劳动力密集，缺点是精度不高，没有什么科技水平。 工业革命后，国外的工业发展很快，组合机床的发展更是如此。由于他们的起步早，发展到现在，组合机床的种类繁多，可以满足用户和生产的各种需求。国外的组合机床自动化程度高，广泛使用了数控技术，不仅提高了生产效率，而且对操作人员的安全有保障。 1.3 研究内容和方法 组合机床总体设计

3、是针对具体的被加工零件， 在选定工艺方案和结构方案的基础上，进行方案图纸设计，本设计要求完成机床联系尺寸图、被加工零件工序图、加工示意图。主轴箱传动系统是多轴、多齿轮、多排次的复杂齿轮传动系统。在完成组合机床总体设计之后，利用 CAD 绘图软件设计有四根主轴的主轴箱，主轴的转速分别为 200r/min。根据所提供的技术数据，选择主要通用部件，然后按照组合机床设计步骤进行：绘制机床总图、加工工序图、计算切削用量及绘制加工示意图、主轴箱传动系统设计（4 轴 n=200r/min） ，最后绘制主轴箱装配图和主要零件图，并写出设计说明书。 毕业设计 - 2 - 2 组合机床的设计 2.1 组合机床概述

4、 2.1 .1 组合机床概述 组合机床既有专用机床效率高机构简单的特点，又有万能机床能够重新调整，以适应新工件加工的特点。为此，将机床上带动刀具对工件产生切削运动的部分以及床身、立柱、工作台等设计制造成通用的独立部件，称为“通用部件” ，根据工件加工的需要，用这些通用部件配以部分专用部件就可组成机床，这就是组合机床。当工件改变了，还是用这些通用部件，只将部分专用部件改装，又可以组成加工新工件的机床。 组合机床是按高度工序集中原则设计的， 即在一台机床上可以同时完成许多同一种工序或多种不同工序的加工。通用部件包括： （1）动力部件：动力头、动力滑台和动力箱。 （2）工件运送部分：回转工作台、移动

5、工作台。 （3）支撑部件：立柱、床身、底座和滑座等。 （4）控制系统：液压传动装置、电器柜、操纵台。 组合机床通用部件的一般要求： （1）在小的外形尺寸的条件下能获得大的进给力和功率。这是实现集中工序的重要条件。 （2）动力部件的结构必须有高的刚度，以便能采用合理的切削用量。 （3）动力部件的主运动和进给运动适应具有较大的变速范围，以便能充分发挥切削刀具的性能。 （4）动力部件是带动刀具实现切削运动的部件。其进给机构必须保证进给的稳定性。 （5）动力部件应有较高的空行程速度，一般大于 6-8m/min，并保证较高的从快进到工作进给的转换精度，一般应在 1mm 以内。 （6）通用部件应该有统一的

6、联系尺寸，应能适应不同状态下的安装。 2.1.2 组合机床设计步骤 （1）制定工艺方案 了解被加工零件的加工特点， 精度和技术要求，定位夹压情况以及生产率的要求等。确定在组合机床上完成的工艺内容及其加工方法，这里要确定加工工步数，决定刀具的种类和形式。 毕业设计 - 3 - （2）机床结构方案的分析和确定 根据工艺方案确定机床的型式和总体布局。 （3）组合机床总体设计 确定机床各部件间的相互关系，选择通用部件和刀具的导向，计算切削用量及机床生产率。绘制机床的总联系尺寸图及加工示意图等。 （4）组合机床的部件设计 在流水线上由于工序的组合不同，机床的型式和数量都会有较大的变化。因此，这时应按流水

7、线进行全面考虑，而不应将某一台或几台机床分裂开来设计。 2.2 组合机床的总体设计 2.2.1 组合机床工艺方案的制定 此次组合机床的设计，是根据具体加工对象的具体情况进行专门的设计，这是当前最普遍的做法。 一般的说，组合机床设计时应考虑下列各点： （1）采用先进的加工工艺，制定最佳的工艺方案。 （2）合适的确定机床工序集中程度。 （3）合理的选择组合机床的通用部件。 （4）选择恰当的组合机床的配置型式。 （5）合理的选择切削用量。 （6）设计高效率的夹具、工具、刀具及主轴箱等。 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“质量轻、体积小、

8、结构简单、使用方便、效率高、质量好”的要求。 影响机床工艺方案制定的主要因素有： （1）加工的工序和加工精度的要求 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。制定工艺方案时，首先需要全面分析工件的加工精度及技术要求，了解现场加工工艺及保证精度的有效措施。 当孔间的位置精度要求很高时， 工艺安排上应使所有孔的精加工在同一个工位上进行。 如果同一轴线上的几个孔同心度要求较高， 则应尽可能考虑从一面进行加工。 （2）被加工零件的特点 如工件材料及硬度，加工部位的结构形式，工件的刚性，工艺基面等，对于机床工艺方案的制定都有重要的影响。 加工同样精度的孔， 加工钢件比

9、加工铸铁件的工步数就多一些。加工薄壁易振的工件，安排工序时就要防止共振，否则，将严重影响加工精度。 毕业设计 - 4 - 工件的刚性不足，加工时工序就不能太集中。有时为了减少机床台数，必须采取高度集中工序时，从安排上，也必须把一些工序从时间上错开加工，以免同时加工时因工件受力变形、发热变形以及振动而影响加工精度。 （3）工件的生产方式 被加工零件的生产批量的大小，对机床工艺方案的制定也有影响。 对大批生产的箱体零件，工序安排上，一般趋于分散。在中小批生产情况下，完成同样工艺内容，则要力求减少机床台数，此时应当将工序尽量集中在一台或少台机床上进行加工，以提高组合机床的利用率。 组合机床的总体设计

10、，就是针对具体的被加工零件，在选定的工艺和结构方案的基础上，进行方案图纸设计。 图纸包括：被加工零件工序图，加工示意图，机床联系尺寸图等 。 2.2.2 被加工零件工序图 被加工零件工序图如图 2.1 所示，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。它是组合机床设计的主要依据，也是制造使用时调整机床、检查精度的重要技术文件。被加工零件工序图应包括下列内容： （1）在图上应表示出被加工零件的形状，尤其是要设置中间导向时，应表示出工件内部筋

11、的布置和尺寸， 以便检查工件装进夹具是否相碰， 以及刀具通过的可能性。 （2）在图上应表示出加工用基面和夹压的方向及位置，以便依次进行夹具的支撑，定位及夹压系统的设计。 （3）在图上应表示出加工表面的尺寸、精度、光洁度、位置尺寸及精度和技术条件。 （4）图中还应注明被加工零件的名称、编号、材料、硬度以及被加工部位的余量。 本机床加工部位的位置尺寸应由定位基面标起， 尤其是当机床加工所选用的定位基面与设计基面不一致时， 还必须对各孔要求的位置尺寸精度进行分析和换算， 即把不对称公差的尺寸换算为对称公差尺寸以便在进行夹具镗模孔设计和主轴箱设计时，确定镗模孔位置尺寸和主轴位置尺寸， 并把各孔位置尺寸

12、改为定位基面标注。 有时也可以将工件的某一主要孔的位置尺寸从定位基面标注， 其余各孔的位置尺寸以该孔为基准进行标注，以免由于尺寸链的影响，而不能保证要求的精度。 毕业设计 - 5 - 图 2.1 被加工零件工序图 在精加工组合机床上， 为了尽量消除被加工零件定位基面的不平面度对定位精度的影响，其定位支承元件接触工件的支承面应尽量小。并采用三点定位原理，以提高定位准确性。在布置定位支承点时，应按工件定位基面情况，使支承点间距离尽量远一些，以增加定位的稳定性，提高定位精度。 被加工零件采用“一面两销”定位。即平面作为定位基准，以两个工艺孔作为角向限位。 这种定位方法简单、可靠， 并可广泛的使用通用

13、零件。 若有的箱体不具备 “一面两销”的定位条件，建议以三个平面进行定位，其中主要定位面最好采用箱体的主要安装面。 2.2.3 加工示意图 加工示意图是组合机床设计的重要图纸之一， 在机床设计中占有重要的地位。 它是设计刀具、夹具、主轴箱以及选择动力的主要资料，同时也是调整机床和刀具的依据。 加工示意图如图 2.2 所示，它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镗杆长度，刀具种类及数量，刀具长度及加工尺寸，主轴尺寸及外伸长度，主轴、刀具、导向与工件间的联系尺寸等。 本主轴箱主要工作是扩孔，扩孔是将以有的孔扩大加工，既可以作为孔加工的最后工序，也可以用为铰孔前的准备工序。 毕

14、业设计 - 6 - 图 2.2 加工示意图 加工示意图应绘制成展开图，其绘制顺序是：首先按比例绘制工件的外形及加工部位的展开图。特别注意将那些距离很近的孔严格按比例相邻绘制，以便清晰的看出相邻刀具、导向、及工具、主轴等是否相碰。然后，根据工件加工要求及选定的加工方法绘制刀具，并确定导向形式、位置及尺寸，选择主轴和接杆。从这些刀具中找出影响其联系尺寸的关键刀具，按其中最长的一根刀具，从主轴箱到工件间的最小距离来确定全部刀具、导向及工件之间的尺寸关系。对于采用浮动夹头的镗孔刀杆，必须考虑并解决刀杆退出导向时防止下垂的问题， 一般是用托架来托住退出的刀杆。 因此，在绘制加工示意图时，必须将托架联系尺

15、寸标出。 加工示意图还要绘制出工件加工部位的图形，在轴数多时，必须在孔旁边标上号码，以便于设计和调整机床。 加工示意图还要考虑一些特殊要求，决定动力头的工作循环及行程。最后，选择切削用量及附加必要的说明。 2.3 机床联系尺寸图应考虑的主要问题 在知道了工件宽度、工件和镗模架间的距离和镗模架的厚度尺寸后，就可确定夹具底座的总长。为了补偿铸件的铸造误差，它应比上述三项尺寸的总和稍大一些，一般大 10-20mm。此外，还要考虑夹具底座往中间底座上固定用的凸台尺寸，每边为 45-50mm。 夹具底座的高度应视夹具大小而定，既要保证有足够的刚性，又要考虑工件的装料高度。为了便于布置定位元件，一般夹具底

16、座的高度不小于 240mm。 在加工示意图中，已确定了工件端面至主轴箱端面在加工终了时的距离，根据选定的动力部件及其配套部件的位置关系，并考虑动力头的向前备量等因素，就可以确定中间底座长度尺寸。 当计算出 L 值后， 还必须检查尺寸 a 是否合适。 当机床无冷却液时， a=10-15mm，有冷却液时，a=70-100mm。当 L 值不满足夹具底座宽度 A 及尺寸 a 的需要时，应改毕业设计 - 7 - 变工件端面到主轴箱端面在加工终了时的距离尺寸，以便获得合适的中间底座的长度。 标准主轴箱的厚度由主轴箱体、前盖和后盖三层尺寸构成。主轴箱体厚度为 180 mm。前盖有两种尺寸，卧式厚为 55mm

17、；立式厚为 70mm。后盖后有 90mm 和 50mm两种尺寸，通常采用 90mm 的后盖。因此，主轴箱总厚度卧式通常为 325mm；立式主轴箱通常为 340mm。 2.4 组合机床零部件及零件设计 在组合机床设计中，拟定机床的工艺方案，确定机床的配置型式，以及进行机床的总体设计等是重要的环节，它在很大程度上决定了机床是否能质量轻、体积小、结构简单、效率高、使用方便、性能好，因此需要首先解决。但是把组合机床设计出来，还须解决大量的图纸设计工作，就是要根据确定的机床工艺和结构方案， 按照加工示意图及机床联系尺寸图等，开展机床各个部件设计，然后再进行零件设计。 根据机床总体设计可以确定一台机床有多

18、少部件， 并设计这些部件。通常一台组合机床分为下列部件，如图 2.4 所示： 图 2.4 组合机床部件图 (1) 第 10-19 组由中间底座等组成。床身 是指机床的支撑部件，通常由通用的卧式床身、立柱、滑座及专用中间底座等组成。 (2) 第 20 组 夹具 这是组合机床重要的专用部件，用于实现工件的定位、支承、夹压以及刀具的导向。为了设计制造方便，还将辅助部分如钻模板、攻丝模板、移动工作台、回转台、自动夹压机构等等单独编组，顺序编为 21、2229 组等。 (3) 第 30 组 电气设备 需要时可分编为 31、3239 组等。 毕业设计 - 8 - (4) 第 40 组 传动装置 需要时可分

19、编为 31、3239 组等。包括机床上的全部动力部件，如动力头，动力头传动装置等，需要时可分编为 41、4249 组等。 (5) 第 5059 组 组合机床气动液压设备。 (6) 第 60 组刀具， 第 61 组 工具， 第 62 组量具， 其辅助工具可编为 6369 组。 (7) 第 7079 组 主轴箱。 (8) 第 8089 组 冷却、排屑及润滑装置。 (9) 第 9099 组 挡铁。 毕业设计 - 9 - 3 主轴箱的设计与计算 3.1 主轴箱的总体设计 组合机床对多孔钻削加工具有较大的优势，它按孔的坐标分布位置实行一次加工，保证了孔的坐标位置尺 寸精度。作为组合机床专用部件的主轴箱，

20、有成熟固定的设计模式：标准的主轴箱体、前后侧盖、主轴、传动轴、齿轴、轴承等，以及成熟的传动、布局、结构设计 方法可供选用。这是组合机床设计制造的长处。但是，如何根据制造工艺技术及组配件的要求，在设计上灵活应用并有所创新，以更好地适应加工工件的需要，是本设计主要解决的问题。 主轴箱是组合机床的重要组成部件。 它是选用通用零件， 按专用要求进行设计的，在组合机床设计过程中，是工作量较大的部件之一。图 3.1 为主轴箱的示意图： 图 3.1 主轴箱示意图 主轴箱是用于布置机床工作主轴及其传动零件和相应的附加机构的。 它通过按一定的速比排布传动齿轮，把动力从动力部件：动力头、动力箱、电动机等，传递给工

21、作主轴，使之获得所要求的转速和转向等。 组合机床主轴箱按其组成和用途分为：大型标准主轴箱、小型标准主轴箱和专用主轴箱三大类。这里只研究大型标准主轴箱。 大型标准主轴箱由通用零件和部件（通用的箱体类零件、主轴、传动轴、齿轮和通用或专用的附加机构等）组成的“标准结构”主轴箱，称为大型标准主轴箱。大型标准主轴箱的主轴刚性不是很高的，主轴的前后支撑距离平均只有 150mm 左右，而刀具的悬深长度往往是主轴支撑距的好几倍。在这种悬伸比之下，单靠主轴本身是不能毕业设计 - 10 - 保证孔加工的位置精度的，而主要由夹具的导向装置来保证。因此，相对刚性主轴箱来说，可以把大型标准主轴箱成为非刚性主轴箱。按其加

22、工性质，它可以分为下列三种： (1) 大型标准钻削类主轴箱。一般用于完成镗孔、钻孔、扩孔、铰孔、倒角、锪孔等单一的或混合工序的主轴箱； (2) 大型标准攻丝主轴箱； (3) 大型标准钻攻复合主轴箱。 主轴箱的通用零件，是构成标准主轴箱的基础。 (1)通用箱体 铸铁的通用主轴箱体（材料为 HT20-40） 、前盖和后盖（材料为 HT15-33） ，由于宽度和高度的不同，各有 14 种规格。卧式主轴箱的箱体厚度为 180mm；基型后盖的厚度为 90mm；基型前盖的厚度为 55mm。 （2） 通用主轴和传动轴 通用主轴按其用途不同，分为钻削类主轴和攻丝类主轴两大类。 而通用钻削类主轴，按支撑类型的不

23、同，又分为下述三种： 1）前后支撑均为滚锥轴承的主轴简称滚锥主轴； 2）前支撑为止推和滚珠轴承、后支撑为滚珠或滚锥轴承的主轴，简称滚珠主轴； 3）前后支撑均为止推轴承和无内环滚针轴承的主轴，简称滚针主轴。 外伸长为 75(60)mm 的滚锥主轴即所谓短主轴，采用浮动卡头与刀具浮动连接，用于镗、扩、铰等工序；外伸长度较长的滚锥主轴即外伸大于 75(60)mm 的所谓长主轴，与刀具刚性连接，并采用标准长度导向，用于钻、扩、铰、倒角、锪平面等工序或攻丝工序。 主轴的材料， 除了滚针主轴采用 20Cr 钢， 并进行渗碳淬火外， 其余主轴均为 40Cr 钢，进行淬火。 通用传动轴，按其用途和支撑型式的不

24、同，分为滚锥传动轴，滚针传动轴，埋头传动轴，手柄轴，油泵传动轴和攻丝用蜗杆轴六种。 通用传动轴材料一律为 45 号钢，进行调质处理。 （3） 通用齿轮 主轴箱用的通用齿轮，有传动齿轮、动力头齿轮和电机齿轮三种。三种齿轮的材料均为 45 号钢，齿部进行高周波淬火。 动力头齿轮有 A、B 两种类型，宽度分别为 84mm 和 44mm。当采用 90mm 厚的后盖时，动力头齿轮要选用 A 型；而采用 50mm 厚的后盖时，动力头齿轮要选用 B 型。对于后一种情况，由于主轴箱后盖厚度只有 50mm，动力头输出轴轴端，可能与主轴箱体后壁相干涉。若在对应位置上没有其他轴时，可在主轴箱体后壁的对应位置开洞，

25、否则， 需将动力头输出轴截短； 当采用厚度为 100mm 或 125mm 的加厚后盖时，则一律要选用 B 型动力头齿轮。至于选用 100mm 厚的后盖时，动力头输出轴是否需毕业设计 - 11 - 要截短，应视其是否与其他轴干涉而定。 由于主轴的转速不快，因此选用软齿面齿轮，软齿面可在热处理后切齿，精度一般为 8 级，精切可达 7 级。这类齿轮传动中由于小齿轮齿面易于磨损，为了使大、小齿轮使用寿命比较接近，应使小齿轮齿面硬度较大齿轮硬度高出 30-50HBS，甚至更多，可以通过选用不同材料或热处理来实现。齿轮副之间材料的性质差异和硬度差利于提高其抗胶合能力。大型标准主轴箱采用叶片润滑油泵进行润滑

26、，油泵打出的油经分油器分向各润滑部位。对于卧式标准主轴箱，主轴箱体前后壁间的齿轮和壁上的轴承用油盘润滑，箱体和后盖以及前盖间的齿轮用油管润滑。 泵轴是利用第四排齿轮带动油泵工作，其外形如图 3.2 所示； 图 3.2 油泵轴 3.2 主轴箱的设计程序和方法 我们不但要熟悉主轴箱的设计规律外， 而且还要熟悉主轴箱与机床其他部分和被加工零件的关系，尤其要了解被加工零件的工艺要求。因此，开展主轴箱设计工作的依据是三图一卡，即机床总图或机床联系尺寸图、被加工零件工序图、加工示意图和生产率计算卡。 主轴箱设计的原始依据图，要包括下述的全部或部分内容： （1）所有主轴的位置关系尺寸； （2）主轴转速和转向

27、（这是指左旋方向，对右旋向一般不需要注明） ； （3）主轴的工序内容和主轴外伸部分尺寸； （4）主轴箱的外型尺寸以及与其他相关部件的联系尺寸； （5）动力部件的型号； （6）托架或钻模板的支杆在主轴箱上的安装位置及有关要求； （7）工艺上的要求 （8）其它要求。 主轴的型式主要取决于刀具的进给抗力和切削矩或主轴刀具系统结构上的需要。通常，钻孔时采用前支承有止推轴承的；钻孔以外的其他工序，主轴前支承有没有止毕业设计 - 12 - 推轴承都可以，这要视具体情况而定。其外形尺寸如图 3.3 所示： 图3.3 主轴 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去，同

28、时，满足主轴箱其他结构和传动的要求，它是主轴箱、特别是大型标准主轴箱设计中最关键的一环。如图 3.4 所示： 图 3.4 传动轴 一般来说，同一个主轴箱的传动系统，可以设计出几种方案，因此，设计时要对各种传动方案进行比较，从中选出最佳方案。因为，传动系统设计的好与不好，将直接影响到主轴箱的质量、通用化程度、设计和制造工作量的大小，以及其成本的高低等等。传动系统设计的一般要求是： 在保证主轴的强度、刚度、转速和转向要求的前提下，力求使传动轴和齿轮为最少。应尽量用一根传动轴带动多根主轴；当齿轮啮合中心距不符合标准时，可采用齿轮变位的方法来凑中心距离； 在保证有足够强度的前提下，主轴、传动轴和齿轮的

29、规格要尽可能少，以减少各类零件的品种； 在通常应避免通过主轴带动主轴，否则将增加主动主轴的负荷； 最佳传动比为 11.5，但允许采用到 33.5； 毕业设计 - 13 - 粗加工主轴上的齿轮，应尽可能靠近前支承，以减少主轴的扭转变形； 刚性镗削主轴上的齿轮，其分度圆直径要尽可能大于被加工孔的直径，以减轻震动，提高传动的平稳性； 尽可能避免升速传动，必要的升速最好放在传动链的最末一、二级，以减少功率的损失。 3.3 轴的设计与校核 3.3.1 轴径的设计 轴是机器中的主要支承零件之一。它主要用来支承旋转零件，如齿轮、带轮等，并传递运动和动力。由于轴的主要用途是支承旋转零件，所以对轴的设计初了考虑

30、轴的强度和刚度外，还必须考虑轴 传动件和支承件的固定、拆装以及轴本身的加工工艺等问题。这就需要进行轴的结构设计，如果轴的结构设计不合理，会直接影响轴的工作能力和轴上零件的工作可靠性， 因此轴的结构设计是轴设计过程中的一个重要组成部分。轴的基准制包括基孔制和基轴制两种，这两种基准制都可以实现同样的配合要求。选择基孔制或基轴制，应从产品结构特点、加工工艺性和经济性等方面综合考虑。工作时有相对运动或虽无相对运动而要求装拆方便的孔、轴配合，应该选用间隙配合。要求装拆方便的而无相对运动的孔轴配合，可以选用由基本偏差 h 与 H 组成的最小间隙为零的间隙配合， 例如低精度配合 H9/h9 以及具有一定对中

31、性的高精度配合 H7/h6。 本轴设计的周向定位采用键定位，径向定位采用套筒定位。套筒定位简单可靠，简化了轴的结构且不削弱轴的强度，常用于轴上两个近距离零件间的相对固定。 轴端固定采用圆螺母，圆螺母固定可靠，可承受较大轴向力，能实现轴上零件的间隙调整，常用于轴上两零件间距较大处，为了防松，我采用了止动垫圈。 主轴的材料为 40Cr 钢，进行淬火。传动轴采用 45 钢，热处理为 T235，齿轮均采用 45 钢，热处理为齿部 G54。 由于我所设计的主轴箱主轴的转速已知，为 200r/min，扩孔钻的直径为 Dd= 12.8mm ，所以切削速度 v 为： v=min)/(04.81000mnDd

32、(3.1) 由被加工零件工序图可知，被加工零件材料为铸铁，需要扩孔的直径为 13.5mm，而主轴的切削速度为 8.04m/min， 因此查表可得， 扩孔钻每转前进的距离为S=0.3mm/r，由此可得扩孔钻每分钟前进的距离为： Sm=Sn=2000.3=60(mm/min) (3.2) 毕业设计 - 14 - 根据被加工示意图可知，如图 3.1，我所设计的主轴箱共有四根主轴，因此只需要二级传动就可以将动力轴的动力传递到主轴上，而主轴要求转速为 200r/min，传动系统最佳传动比为 11.5，因此初选传动轴到主轴的传动比为 i1=1.5 ，动力轴到传动轴的传动比为 i2=1.6，所以传动轴的转速

33、为： min)/(3005.120011rnin (3.3) 动力轴的转速为： min)/(3206.120022rnin (3.4) 金属切除率为： min)/(72.7400608.12400cmDSQ (3.5) 功率为： )(56.0073.072.7KWQpP (3.6) p 单位功率可查表得到。 按扭转强度估算输入端最小轴径，由机械设计表 11-3，取 C=100 , 所以主轴的最小直径为： )(1.1420056.010033minmmnPCd (3.7) 但为了提高主轴的刚度，取主轴直径为 30mm。传动轴直径也为 30mm。 3.3.2 轴的强度校核 由于该主轴箱主要用于扩孔

34、，一共同时扩 4 个孔，扩孔钻的直径为 12.8mm，速度为 v=8.04m/min，t=1，s转= 0.3mm/r，所以扭矩为： 毕业设计 - 15 - )(7801)g(79622013.08.1272.62.1t72.62.16.079.068.083.06.079.068.083.0mmNmmKHBSDT (3.8) 又因为该主轴上的齿轮分度圆直径为：d=90mm 圆周力为： )(1739078012d2NTFt (3.9) 径向力为： )(871735.05.0)tan(rNFFFrt (3.10) (1) 垂直面上轴承的支反力及主要截面的弯矩 (2) )(2938735010050

35、NFFFrrBV (3.11) )(582987NFFFBVrDV (3.12) 截面 C 处的弯矩： )(290010029100左mmNFMBVCV (3.13) )(2900505850右mmNFMDVCV (3.14) （2）水平面上轴承的支反力及主要截面的弯矩： )(5831735010050NFFtBH (3.15) 毕业设计 - 16 - )(11558173NFFFBHtDH (3.16) 截面 C 处的弯矩： )(580010058100NFMBHCH (3.17) （3）截面 C 处垂直面和水平面的合成弯矩 )(6485580029002222左左NMMMCHCVC (3.

36、18) )(6485580029002222右右NMMMCHCVC (3.19) (4) 按弯扭合成应力校核的强度 进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面的强度， 根据以上的载荷数值，并取=0.6 ，该截面上的计算应力： )(96.21.0)70816.0(6485)(32222vMPadWTM (3.20) 前面以选定轴的材料为 40Cr， 调质处理， 由机械设计表 11-1 查得 MPa701，由于 1v，故安全。 （5）危险截面安全系数的校核 确定 C 为危险截面 C 截面：d=30mm、r=2.5mm 弯矩 )(64851001006485NM (3.21) 扭矩 )(78

37、01NT (3.22) 取许用安全系数 8.1S，其校核如下： 毕业设计 - 17 - )(2649323014.332333mmdW (3.23) 抗扭截面系数 )(5298163014.316333mmdWT (3.24) 弯曲应力幅 MPaWM4.226946485 (3.25) 弯曲平均应力 0m （6）扭剪应力幅和平均应力 C 截面： ）（74.05298278102maMPaWTT (3.26) 弯曲疲劳极限 MPa3551 扭切疲劳极限 MPa2001 弯曲等效系数 2.0 扭转等效系数 1.0 绝对尺寸系数 91.0，78.0 表面质量系数 95.0 有效应力集中系数 配合边缘

38、处 89.1，71.1 寿命系数 40Cr 钢调质（ S，该轴的疲劳强度安全。 3.4 齿轮的设计与校核 3.4.1 齿轮的设计 齿轮传动是机械传动中最常用的一种传动形式，应用非常广泛。其优点主要有：传动效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定；但也有制造和安装精度高、不易远距离传动等缺点。齿轮传动的失效主要发生在轮齿，而轮缘、轮毂、轮辐等很少失效，这些部分通常按经验进行设计。 两齿轮正确啮合的条件是两轮的模数和压力角应分别相等。 初选主轴上齿轮的齿数 z1=45，模数 m=2，所以 齿顶圆直径： )(942)1245()2(*11mmmhzda (3.30) 分度圆直径： )(9045211m

39、mmzd (3.31) 毕业设计 - 19 - 齿根圆直径： )(852)25.021245()22(*11mmmchzdf (3.32 ) 因为传动轴与主轴之间的传动比为 i1= 1.5，所以传动轴上与主轴齿轮相啮合的齿轮的齿数为305.145112izz，两齿轮正确啮合的条件为模数相同，所以该齿轮模数也为 m=2，所以 齿顶圆直径： )(642)1230()2(*22mmmhzda (3.33) 分度圆直径： )(6030222mmmzd (3.34) 齿根圆直径： )(552)25.021230()22(*22mmmchzdf (3.35) 当齿根圆到毂的距离小于 2.5m 时，需要做成

40、齿轮轴，由于齿根圆直径与传动轴直径比较接近，因此有必要计算看看是否需要做成齿轮轴。 由于轴径为 30mm，所以查课程设计表可得键毂深为 3.3mm，所以齿根圆到毂的距离为 r=27.5-(15+3.3)=9.2mm2.5mm=5mm 因此不需要做成齿轮轴。 两齿轮的中心距为： )(752906022分1分1mmdda (3.36) 初选动力轴上的齿轮为 z3=30，根据规定，动力轴上的齿轮的模数必须为 m=3，所以动力轴上齿轮的齿顶圆直径： 毕业设计 - 20 - )(963)1230()2(*33mmmhzda (3.37) 分度圆直径： )(9030333mmmzd (3.38) 齿根圆直

41、径： )(5.823)25.021230()22(*33mmmchzdf (3.39) 动力轴与传动轴之间的传动比为 i2= 1.6，所以传动轴上的齿轮的齿数为： z4=z3i2=301.6=48 由于两齿轮相啮合的条件为模数相同， 所以该齿轮模数也为 m=3， 所以传动轴上与动力轴上齿轮相啮合的齿顶圆直径： )(1503)1248()2(*44mmmhzda (3.40) 分度圆直径： )(14448344mmmzd (3.41) 齿根圆直径： )(5.1363)25.021248()22(*44mmmchzdf (3.42) 两齿轮的中心距为： )(1172144902432mmdda (

42、3.43) 选取齿轮宽度：大小齿轮均按组合机床通用部件选取，齿宽 b=24mm。在强度足够的情况下，不仅结构紧凑，而且经济，节省材料。由于大小齿轮的直径都小于200mm，所以可选用实心式结构。 毕业设计 - 21 - 3.4.2 齿轮的强度校核 由于齿轮在箱体内，因此主轴箱属于闭式齿轮传动，它能保证良好的润滑和较好的啮合精度。该齿轮属于软齿面齿轮，因此其主要失效形式是齿面点蚀，因此应按齿面接触疲劳强度进行设计，并校核计算齿根弯曲疲劳强度。 （1）齿轮的设计与校核 选择齿轮材料、热处理、精度等级及齿数 1）传动装置为一般的工作机器，低速级齿轮选择常用材料及热处理，8 级精度。 2）小齿轮：45

43、钢( 调质) ，齿面硬度为 250HBS；大齿轮：45 钢（调质） ，齿面硬度为 220HBS。硬度相差为 30HBS。 3）选择小齿轮齿数为 z1=30, 大齿轮齿数 z2=uz1=1.630=48 (2)按齿面接触疲劳强度设计 321112HHEdZZZuuKTd (3.44) 确定计算参数 1）试选载荷系数 Kt=1.9 2）计算小齿轮传递的转矩 T1 )(7801)(79622013.08.1272.62.172.62.16.068.083.06.079.068.083.01mmNmmKgHBtSDT (3.45) 3）由机械设计表 812，选取齿宽系数8.0d 4）由机械设计表 81

44、9，查取弹性系数MPaZE8.189 5）按齿面强度查取接触疲劳极限 : 小齿轮MPaH5901lim，MPaH5602lim 6）计算应力循环次数 N 811104.5)1030015(20016060hLjnN 8812106.35.1/104.5/uNN 由应力循环次数查得疲劳寿命系数：小齿轮KHN1=1.0,大齿轮 KHN2=1.1 7）计算接触疲劳强度安全系数 H 毕业设计 - 22 - 取接触疲劳强度安全系数 0.1HS )(6160.15601.1)(5900.15900.12lim221lim11MPaSKMPaSKHHHNHHHHNh (3)计算设计参数 1) 试计算小齿轮分

45、度圆直径 d1t，代入 H中较小值 H=590MPa ）（6.25)60343.218.189(5.115.172.1178019.12122211mmZZZuuTKdHHEdtt (3.46) 2) 小齿轮 m=2, 分度圆直径 d1=mz1=245=90mm 3) 计算圆周速度 v ）/（94.01000602009010006011smndv (3.47) 4) 计算载荷系数 K 由机械设计表 85 查得使用系数 KA=1.25 圆周力 ）（4.17390/78012/211NdTFt (3.48) mmNbFKtA/10003.924/780125.1/ 由机械设计图 87 查取动载系

46、数 Kv=1.12； 由机械设计表 87 查取齿间载荷分配系数2.1HK，2.1FK； 由机械设计表 8 8 根据齿面热处理的不同查取齿向载荷分配系数 K=1.32 ；取KH=KF=1.2； 计算载荷系数 K=KAKVKHKH=1.251.121.21.2=2.02，与试取值有一定差异，毕业设计 - 23 - 需修正计算。 5）轴的修正计算 已取 d1=90mm26.1mm；符合接触疲劳强度条件。 (3) 按齿根弯曲疲劳强度校核 (4) FSaFaFYYmbdKT112 (3.49) 1） 载荷系数 K=KAKVKFKF=1.251.121.21.2=2.02 2） 大齿轮传递的转矩 T1=7

47、801 Nmm 3）由机械设计表 810 查齿形系数 YFa 以及应力修正系数 YSa ：YFa1=2.35，YSa1=1.68 ；YFa2=2.52 ，YSa2=1.63； 4）由机械设计图 816 根据应力循环次数查取弯曲疲劳寿命系数：大齿轮 KFN1= 0.90，小齿轮 KFN1=0.95； 5）由机械设计图 814c，按齿面硬度查取弯曲疲劳极限 Flim ：大齿轮 Flim1=420MPa ；小齿轮 Flim2=430MPa； 6）计算弯曲疲劳许用应力 F 取弯曲疲劳强度安全系数 FS=1.4 )(8.2914.143095.0)(2704.142090.02lim221lim11MP

48、aSKMPaSKFFFNFFFFNF(3.50) 7）齿根弯曲应力 111111)(8.2868.135.229024780102.222FSaFaFMPaYYmbdKT 222112)(0.3063.152.229024780102.222FSaFaFMPaYYmbdKT 故弯曲疲劳强度足够。 3.5 轴承的选择 滚动轴承是机械中广泛使用的支承件， 工作时依靠主要元件间的滚动接触支承转毕业设计 - 24 - 动零件。滚动轴承的典型结构是由内圈、外圈、滚动题和保持架组成。内圈与轴装配在一起，外圈与轴承座装配在一起，通常是内圈随轴一起回转，外圈固定不动；但也有外圈回转，内圈不转或内、外圈分别按不

49、同转速回转等工作情况。 滑动轴承与滚动轴承相比，滚动轴承具有启动灵活、摩擦阻力小、效率高、润滑简便和易于互换、价格便宜等优点，故广泛使用；滚动轴承的缺点是承受冲击的能力较差、高速重载时寿命较低、振动及噪声较大。 为了确保被加工零件的精度要求，所以选择圆锥滚子轴承，它可以同时承受径向载荷及轴向载荷，外圈可分离，安装时可调整轴承的游隙。用径向滚珠轴承代替滚针轴承。为了使轴间距减小，传统上径向轴承都采取滚针轴承，由于在实际使用中， 滚针轴承工作性能不理想，这一直为设计部门感到为难。我们研究认为，目前国内外轴承工业通过近年来的努力发展，已经开发研制出高性能的超精系列结构轴承， 可以满足机床的需要。而在

50、钻孔加工中，机床主轴主要承受轴向切削力，其径向力不大。我们通过对国内外轴承结构、性能、价格比较，选择了国产 1000902 超轻系列径向滚珠轴承，其外径 D28、宽度 B7，结构紧凑，工作性能好。为了保证主轴箱较小的轴间距布置，一般采用滚针轴承。这种无保持架的滚针轴承，在使用过程中可靠性差，容易产生抱轴和发热，工作稳定性较差。 3.6 主轴箱的设计 根据被加工零件工序图被扩孔的位置以及夹具的位置， 将主轴的位置定于距主轴箱底面距离为 154.5mm，相邻两主轴的间距为 106mm。 我所采用的传动方式为：用一个动力轴带动两根传动轴，再由每根传动轴带动两根主轴，这样就可以用两根传动轴带动四根主轴

51、，传动示意图如图 3.5 所示: 毕业设计 - 25 - 图3.5 主轴箱 因为要用一根传动轴带动两根主轴， 所以该传动轴的圆心在 x 轴方向上的位置一定在两主轴中心距的垂直平分线上，而 y 方向上的距离则需要计算才能将其定位。 假设两主轴的圆心分别为 A、D，线段 AD 的中点为 C，传动轴的圆心为 B, 有题意可知 BC 必垂直平分 AD，主轴上的齿轮分度圆半径 r1=45mm，传动轴上的齿轮分度圆半径 r2=30mm ，由被加工零件工序图可知，AD=106mm，所以， )(5321062mmADAC )(75304521mmrrAB 因为三角形 ABC 为直角三角形，所以由勾股定理可求出

52、 BC 的长度为： )(066.5353752222mmBCACBC (3.51) 但是为了减小制造难度及误差，需要将传动轴圆心到主轴的距离调整为整数， 即为 BC=53mm，此时，主轴与传动轴的圆心距也相应的改变，所以 AB 的长度为： )(953.7453532222mmBCACAB (3.52) 两轴的实际圆心距为 A实=74.953mm，两齿轮的标准圆心距为 a1=75mm ，虽然可以安装，但会产生很大的齿侧间隙，而且其重合度也会降低，影响传动的平稳性，所以需要将齿轮进行变位，以确保两齿轮能够准确的啮合。 变位齿轮的计算 总变位量为： )(057.075953.74-实总总mmAAmA

53、 (3.53) 因为 m=2，所以，变位系数总= -0.029mm 由于传动轴上的齿轮的直径比较小，因此将主轴上的齿轮制成变位齿轮 变位齿轮齿顶圆直径为： )(886.93057.0224522)2(总1mmAzmda (3.54) 毕业设计 - 26 - 齿顶圆半径为： )(943.462886.932mmdraa (3.55) 变位前后齿全高不变，齿全高为 )(5.4225.0122*mmmchh (3.56) 所以齿根圆半径为 )(443.425.4943.46mmhrraf (3.57) 毕业设计 - 27 - 4 结论 组合机床是工业的一部分， 而工业是一个国家的根本。 我国机床产品

54、的总体设计制造水平与工业发达国家相比，还有很大差距。为了跟上发达国家机床的发展水平，我觉得应该采用一些措施。 通过改善机床的结构和刀具来提高生产率。 使用自动生产线，并在其中多加入工序，提高精度。 发展可调的多工序多刀具的组合机床及其自动线自动换刀和自动控制切削用量的组合机床。 提高中小批生产的生产效率， 还发展了自动换刀和自动控制切削用量的组合机床。 除了发展大型的机床外， 还可以研究体积小， 效率高，并能达到高的加工精度的组合机床，这类机床主要为了适应仪器仪表工业小箱体加工需要。 组合机床的发展越来贴近用户的需求， 并且可以为用户配备唯一的生产线， 做到容易安装和拆卸。 毕业设计 - 28

55、 - 参考文献 1 Ching YuanLin, JuiPinHung, TzuoLiangLo, Effect of preload of linear guides on dynamic characteristics of a vertical columnspindle system, International Journal of Machine Tools & Manufacture ，2010，741746. 2 Daisuke Kono, Thomas Lorenzer, Sascha Weikert, Konrad Wegener, Evaluation of modell

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