立式八轴组合钻床总体方案及主轴箱设计

摘要
专用机床是专门用于加工一种工件或工件的一定工序的机床，它可以同时用许多刀具进行切削，机床的辅助动作部分地实现了自动化，生产效率高。

本篇论文所设计的多轴钻床属于专用机床的范畴，即八轴扩—铰专用机床，它是根据工件（车轮）的特点，采用多把刀具同时加工出多个孔（八个孔），其所要完成的工艺范围是扩—铰，操作方便，效率高。

全文共分四章：第一章为总体设计；第二章为机床总体布局；第三章为主轴箱及传动件的设计；第四章为主轴箱体的设计。

其中主轴箱及传动件的设计，特别是主轴箱的设计是本文的主要部分。

多轴钻床的部件设计就是在总体设计的基础上，开展机床各部件的设计，然后进行零件的设计。

关键词：专用机床多轴钻床主轴箱
目录
前言 (1)
1 总体设计 (2)
1.1概述 (2)
1.2工艺方案的制定 (2)
1.2.1 制定工艺方案的原始条件分析 (3)
1.2.2 工艺基准的选择——定位基准 (3)
1.2.3 工艺定路线的制定 (5)
1.3刀具的选择及切削用量的确定 (7)
1.3.1 刀具的选择 (7)
2 机床总体布局 (9)
2.1机床总体布局的基本要求 (9)
2.2机床总体布局方案分析 (9)
2.2.1 同类机床总体布局方案分析 (9)
2.2.2 汽车轮辐钻孔及扩孔加工专用机床总体布局方案分析. 9
3 主轴箱及传动件的设计 (12)
3.1主轴箱传动系统设计的一般要求 (12)
3.2动力部件的选择 (12)
3.3电动机的选择计算 (13)
3.3.1 电动机功率的估算 (13)
3.3.2 选择电动机的型号 (14)
3.4传动方案的选择 (14)
3.5主轴箱齿轮的分布..................... 错误!未定义书签。

3.6.1高速级齿轮的设计 (15)
3.6.2中间传动齿轮的设计 (15)
3.7初步估算各轴径....................... 错误!未定义书签。

3.8轴的设计............................. 错误!未定义书签。

3.8.1中间传动轴（Ⅱ轴）的设计计算... 错误!未定义书签。

3.8.2主轴（Ⅳ轴）的设计计算......... 错误!未定义书签。

3.9滚动轴承的选择与寿命计算 (15)
3.9.1 传动（Ⅱ轴）轴上的轴承......... 错误!未定义书签。

3.9.2 主轴（Ⅳ轴）上的轴承........... 错误!未定义书签。

3.10键联接的选择和验算.................. 错误!未定义书签。

3.10.1 传动轴（Ⅱ轴）与大齿轮的键联接错误!未定义书签。

3.10.2 主轴（Ⅳ轴）与的联接.......... 错误!未定义书签。

4 主轴箱体的设计 (15)
4.1主轴箱体设计的依据 (15)
4.2主轴箱体的设计 (16)
4.3上台板的设计 (16)
4.3.1 材料的选取 (17)
4.3.2 尺寸的确定 (17)
4.3.3 结构设计 (17)
结束语...................................... 错误!未定义书签。

致谢....................................... 错误!未定义书签。

参考文献. (58)
前言
本次设计的课题是八孔立式组合钻床的部件设计，即多轴组合机床的部件设计。

多轴组合钻床是用来加工同一方向上有数个孔的工件，具有良好的加工精度，能够达到很好的加工质量。

其所加工的零件在汽车中应用十分广泛，应该属于大批量生产项目，所以在设计时应注意到尽量使加工简单，但又不影响加工质量。

此次设计的主要内容有：问题的提出、总体方案的构思、可行性设计、结构设计及对未知问题的探索和解决方案的初步设计、装配图、零件图等一系列图纸的设计与绘制，最后包括毕业设计说明书的完成。

本次设计的题目是八孔立式组合钻床的设计，设计机床应满足的基本要求有以下几点：
1、工艺可能性。

机床的工艺可能性是指机床适应不同生产要求，大致包
括下列内容——机床可完成的工序种类、加工零件的类型、材料和尺寸范围、毛坯的种类等。

2、加工精度和表面粗糙度。

3、生产率。

机床的生产率通常指单位时间内机床所加工的工件数量。

4、自动化程度。

5、操作安全方便和工作可靠。

6、效率、使用期限和成本等等。

设计时还应注意使机床体积小，重量轻，
占地面积小，外形美观以及注意防止污染环境。

1 总体设计
1.1 概述
机床的总体设计，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，进行方案和图纸的设计。

这些图纸包括：被加工零件工序图、加工示意图、生产率计算卡片、机床联系尺寸图等。

专用机床区别于普通机床的基本特点就是它是专为某一固定工序服务的。

因此，专用机床又可广义的称为工艺装备，它包括具有通用部件的组合机床。

由于专用机床是为某一固定的程序服务的，所以专用机床的先进程度、种类、型式和规格都取决于工艺需要。

只有定出先进合理的工艺，才能设计出合理的专用机床。

本次设计的题目为八孔立式组合钻床，八孔组合机床是为加工汽车轮辐外侧的扩孔而专门设计的专用机床，由底座、液压立式滑台、立体床身、动力头以及多轴箱、专用夹具等有关部件组成。

1.2 工艺方案的制定
在生产中用机械加工方法直接改变毛坯的形状、尺寸和材料性能，使之成为零件的过程，叫做机械加工工艺过程。

设计时，工艺方案的制定是否合理，对生产效率和产品质量有着极其大的影响。

制定工艺方案时，首先应分析生产类型。

生产类型是衡量生产规模的标志。

生产类型、生产组织、生产管理、车间布置以及毛坯、设备、工具、加工方法和工人熟练程度等方面的要求程度均有所不同。

在大量生产下，每个工序任务比较稳定，因此，有条件采用高效率专用机床和工件夹具，劳动效率可大大提高，产品成本也可降低。

但产量小的情况下，如果仍
使用这些高效率的专用机床和工夹具，由于加工对象经常改变，势必造成机床调整的复杂化，降低机床利用率，提高加工成本。

所以制定的工艺过程应与生产类型相适应，以取得合理的经济效果。

1.2.1 制定工艺方案的原始条件分析
在制定工艺方案时，首先对产品的装配图进行研究分析，熟悉该产品的用途性能及工作条件，明确该工件在产品中的地位和作用，然后对工件的工作图进行分析和工艺审查。

从零件图，图1-1中可见，图纸比较完整，技术要求也一般，没什么难加工的结构。

根据机床所要完成的工序，对轮辐外侧均布的八个孔进行扩孔，而这八个孔位于同一平面上沿圆周均匀分布。

扩孔后，只需保证其位置精度，其他没有特殊要求，采用一般的扩孔钻进行扩孔就可以达到要求。

工件的材料为碳结构钢（Q235B），无特殊要求，在进行加工前无热处理，没有硬度要求。

1.2.2 工艺基准的选择——定位基准
在选择基准时尽量选择设计基准作为定位基准，这样可避免由于设计基准和定位基准不重合所引起的定位误差。

如图1-1所示：
图1－1扩孔前的零件图
由于八个孔均匀分布，则选择任意两对称孔做为定位基准用浮动销定位，则只剩下Z↑向的一个自由度，选择N面均匀支撑。

当工件不断向上进给时，压向G面的压料半板和N面的均匀支撑便限制了Z↑的自由度，随着进给的继续进行钻头下钻，浮动销被钻头下压，钻头变成为新的定位装置。

1.2.3 工艺定路线的制定
1. 制定工艺过程
由于本道工序仅需一次扩孔可完成，故工艺过程比较简单，其工艺过程如下：
(1)钻（扩孔）：按图纸要求对8ⅹф29.5进行扩孔至8ⅹф32+0.6（精度无特别要求）；
（2）检验：按图纸要求，检查各孔的位置精度。

2. 绘制工序简图
(1) 被加工零件工序图的作用和要求
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流水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形状的图纸。

它是在原有的工件图基础上，以突出本机床或自动线加工内容，加上必要说明绘制的。

它是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。

(2) 被加工零件的工序图
被加工零件的工序图是在被加工零件图的基础上突出本机床的加工内容，并作必要的说明而绘制的。

其主要内容包括：
1）在图上表示出被加工零件的形状，尤其要设置中间导向时，应表示出工件内部筋的布置和尺寸，以便检查工件、夹具、刀具之间是否相互干涉；
2）在图上表示出被加工零件的定位基准、夹压部位及夹紧方向，以便据此进行夹具的支承、定位及夹压机构的设计；
3）在图上表示出被加工零件其加工表面的尺寸、精度、光洁度、位
置尺寸及精度等技术条件（包括对上道工序的要求及本机床保证的部分）；
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；
5）为了使工序图清晰明了和突出本机床的加工内容，绘制时对本机床的加工部位用粗实线表示，其尺寸打上方框，其余部位用细实线表示。

(3) 如图1-2所示：被加工零件加工示意图：扩圆柱孔
图1-2 扩孔示意图
备注：
（1）被加工零件
名称及编号：汽车轮辐，STR扩孔。

材料及硬度：碳结构钢Q235
重量：20～25kg
（2）加工余量
ф32-ф29.5=2.5mm
则每个孔的直径上加工余量为2.5mm
（3）技术条件
1）本机床加工前应保证零件图上的所有尺寸；
2）本机床保证：
a 、加工后各对称孔的中心距不变；
b 、加工后的孔的尺寸为￠32+0.6；
c 、其余尺寸不变。

1.3 刀具的选择及切削用量的确定
1.3.1 刀具的选择
1. 刀具与工艺方案的关系
专用机床刀具，是专用机床主要组成部分之一。

刀具的选用、设计、制造正确与否，对机床的加工精度和效率有着重要影响。

在专用机床上常采用多刀，复合刀具及特种刀具，从而使工序集中，机床结构简化，提高产品质量和生产效率。

2. 刀具的选择原则
（1）如果条件允许，应该首先选取标准刀具；
（2）为提高工序集中程度，或达到更高的精度，可采用复合刀具。

但在确定复合刀具结构时，应尽可能采用组装式复合刀具。

(3)孔加工刀具应（钻、扩、铰等）的直径与加工部位尺寸、精度相适应。

3. 切削用量的确定
（1）切削速度
()min /1000m Dn
V π=
式中： D —工件或刀具的外径（mm ）；
n —工件或刀具的每分钟转速（转/每分）。

（2）吃刀深度
mm d D t 25.12
5.29322=-=-= 式中： D —待加工表面直径（mm ）
d—已加工表面直径（mm）
2 机床总体布局
2.1 机床总体布局的基本要求
1. 保证给定的工艺过程要求（对于组合机床，还应满足参数标准所规定的要求）。

最大限度地考虑机床部件的通用化；
2. 保证机床的刚度、精度、抗振性和稳定性，力求减轻机床的重量；
3.保证机床结构简单，且尽量采用较短的传动链，以提高传动精度和传动效率；
4.保证良好的加工工艺性，以便于机床的加工和装配；
5.保证生产安全，便于操作、调整和维修；
6.纳入自动线，并便于排除铁屑；
7.尽可能减小机床的占地面积；
8.机床外形美观，大方。

2.2 机床总体布局方案分析
在方案的拟订当中，起决定作用的是正确分析与确定机床的总体布局方案。

上面叙述了各种因素对机床总体布局的影响，然而就同一类机床来说，尚需对专用机床的支承部件、传动部件和执行部件等三大部分的布局进行方案分析。

2.2.1 同类机床总体布局方案分析
2.2.2 汽车轮辐钻孔及扩孔加工专用机床总体布局方案分析
1.单位提出的设计任务：
（1）设计用于加工汽车轮辐上六个均布螺栓孔的专用机床；
（2）在该机床上完成对零件图上六个螺栓空的钻孔及扩孔加工；
（3）各孔的精度、光洁度无特殊要求，只需保证各孔的位置精度；（4）毛坯的材料是碳素结构钢Q235B；
（5）要求大批量生产。

2.工艺分析：（见上）
3.机床总体布局方案的确定（三方案）
（1）卧式机床：考虑到零件的夹具设计，采用卧式机床将导致零件的装夹难度增加；
（2）悬臂式机床：考虑到零件的横向尺寸不大，所以没有必要采用这种形式的机床；
（3）立式机床：立式机床运动自由度大，操作方便，足以满足该零件的加工。

占地面积小，运动自由度大，操作方便，操作者可站在机床的前面、左面、右面进行操作。

综上所述，决定采用立式机床这一结构形式：
图2-1 立式钻床简图
3 主轴箱及传动件的设计
3.1 主轴箱传动系统设计的一般要求
1.在保证主轴的强度、刚度、转速和转向要求的前提下，力求是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要求时，可采用齿轮变位的方法来凑中心距；
当 15.02
21≤∆=⋅+-m z z A ）（时，采用正常齿轮； 15.0221≤∆=⋅+-
m z z A ）（时，采用修正齿轮。

式中：A ——实际中心矩；
m ——为模数；
1z 、2z ——分别为两啮合齿轮齿数。

2.在保证有足够强度的前提下，主轴、传动轴和齿轮的规格要尽可能少，以减少各类零件的品种；
3.通常应避免通过主动主轴带动主轴，否则将增加主动主轴的负荷，影响加工质量；
4.最佳传动比为1～1.5，但允许采用到3～3.5；
5.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，以减少功率损失。

3.2 动力部件的选择
动力部件是用于传递动力，实现工作运动的通用部件。

它为刀具提供主运动和进给运动，用以实现切削刀具的旋转和进给运动（动力头）
只用于进给运动（动力滑台），是组合机床最主要的通用部件。

选用何种动力部件，应当根据具体的加工工艺、机床型式、使用条件、生产条件来确定。

例如：对于一般的多轴钻床和镗孔机床，可用机械或液压动力头，对于铣削、镗端面孔机床、精镗等机床，应用动力滑台配以相应的铣头、镗孔、车端面头、精镗等；立式机床宜采用动力滑台或机械动力头等。

总之，选用合适的动力部件，使机床具有先进的工艺水平和技术水平，以及良好的工艺效果。

3.3 电动机的选择计算
3.3.1 电动机功率的估算
1. 钻头扩孔时的扭矩及轴向力的估算
2.切削功率的计算：则8根钻头的总功率为：
3.求主轴箱的输出功率
η总主N P =
其中：η--主轴箱的传动效率。

加工黑色金属零件时，可取η=0.8～0.9；加工轻金属件时，可取
η=0.7～0.8，
主轴数多时取小值；主轴数少时取大值。

（《组合机床设计》大连机床研究所编 1973）
4.计算所需电动机的输出功率
所需电动机的输出功率为：
K P P r ⋅=电 （取工况系数1.1=K ）
3.3.2 选择电动机的型号
3.4 传动方案的选择
一、传动方案的设计
考虑到降速比不宜过大，这样功率损失比较严重。

另外如果降速比过小，减速器输出的转速将会比较高，这样会使主轴箱的速比加大， 从而使大小齿轮的齿数比加大，这样的话工作轴的转速就会升高。

综合考虑后，传动方案如下：
z 4
z 2
z 6z 5z 3
z 1传动方案图
1－－电动机 2－－中间传动轴 3－－传动系统
4－－惰轮轴 5－－主轴
二、电动机输出功率及工作机构上最大作用力的计算：
三、传动装置的运动参数计算:
从主轴箱的高速轴开始各轴命名为Ⅰ轴、Ⅱ轴、Ⅲ轴、Ⅳ轴。

（一） 各轴转速的计算：
第Ⅰ轴转速：m in /7201r n =
第Ⅱ轴转速：min /2885
.2720/112r i n n ==
= 第Ⅲ轴转速：min /2881288/223r i n n ===
第Ⅳ轴转速：min /20044
.1288/334r i n n === 式中: 1i 、2i 、3i ——第Ⅰ轴至第Ⅱ轴，第Ⅱ轴至第Ⅲ轴，
第Ⅲ轴至第Ⅳ轴传动比。

1n 、2n 、3n 、4n ――第Ⅰ轴，第Ⅱ轴，第Ⅲ轴，第Ⅳ轴转速。

3.6.1高速级齿轮的设计
3.6.2中间传动齿轮的设计
3.9 滚动轴承的选择与寿命计算
4 主轴箱体的设计
4.1 主轴箱体设计的依据
主轴箱体是机床的重要组成部分，是按专门要求或需要来进行设计的。

它在机床设计过程中，是工作量较大的部件之一。

主轴箱体是用于布置（按所要求的坐标位置）机床工作主轴及传动零件和相应的附加机构。

它通过按一定速比排布传动齿轮，把动力从动力部件－动力箱、电动机等，传递给各工作主轴，使之获得所需求的转速和转向，并防止润滑油外流和灰尘污物侵入，主轴箱体应有足够的精度和刚度，有良好的散热性和密封性，具有美观大方且与总体布局协调一致的外型，具有良好的工艺性，便于加工和装配。

对于该主轴箱体的设计，采用一般设计法，即根据主轴的分布、转速、转向以及尺寸要求等，由设计者进行全部设计工作。

这也是当前主轴箱体设计中最常用的方法。

主轴箱体设计的原始依据，包括下述的全
部或部分内容：
1．所有主轴的位置关系；
2．要求的主轴转速和转向（这是指左旋转转向，对右旋转转向一般不需要注明）；
3．主轴的工序内容和主轴外伸部分尺寸；
4．主轴箱的外型尺寸与其他部件的联系尺寸；
5．动力部件（包括主电机）的型号；
6．托架或钻模板的支柱在主轴箱上的安装位置及有关要求；
7．工艺上的要求；
8．其他要求；
4.2 主轴箱体的设计
1．材料的选择
因为该多轴钻床主轴箱体尺寸较小，为了便于制造，故选用45钢。

2．结构设计
本设计采用联结在立柱上的两圆形钢板围成主轴箱上下箱盖，考虑到齿轮的安装，套筒的固定，侧壁应适当加厚。

(1) 主轴箱体的壁厚
（2）主轴箱体内壁之间的高度
（3）主轴箱体内壁的圆半径确定
（4）结构形状如下
4.3上台板的设计
本设计中上台板的主要作用是安装主电动机和箱体，用来承受电动机和主轴箱体的重量，并吸收电动机工作时产生的一部分振动。

4.3.1 材料的选取
为了更好的吸收电动机和主轴箱工作时产生的振动，上台板的材料选用铸铁HT200。

4.3.2 尺寸的确定
4.3.3 结构设计
参考文献
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