ZH1130柴油机机体钻挺杆孔组合机床总体及主轴箱设计

论文39页，16000余字，CAD图纸12张
ZH1130柴油机机体钻挺杆孔组合机床总体及主轴箱设计
摘要：本组合机床是针对ZH1130柴油机机体两个挺杆孔同时进行加工而设计的。本文介绍了该组合机床总体方案论证和主轴箱设计步骤和方法。在设计过程中借鉴了国内一些现有组合机床的设计资料，结合被加工零件的结构特征，在江淮动力集团现有的ZH1130柴油机机体钻挺杆孔的组合机床的基础上改进而成。
设计中所用标准均按最新的国家标准。本文就组合机床总体设计、主轴箱设计、电气控制系统设计等方面问题进行了比较系统的说明。采用机械滑台实现刀具进给，借助导套引导刀具实现精度稳定的加工。主轴采用标准主轴，刀具选用复合麻花钻，使得工序集中。本组合机床效率高，成本低，加工精度高，操作使用方便，提高了劳动生产率。在主轴箱设计方面，原有机床采用多工序加工，加工效率低，加工尺寸不容易保证，而且位置精度也不高，改进后不仅提高了加工效率，还保证了孔的加工尺寸，同时也解决了位置精度问题，降低了工人的劳动强度。

关键词：组合机床；总体设计；主轴箱设计

Design of General and Headstock of Modular Machine Tool for Drilling Jib Holes on the ZH1130 Diesel Engine Body
Abstract：Aim at drilling 2 jib holes in the ZH1130 diesel engine body at the same time, this modular machine tool is designed. The approach and method of design on project and headstock are introduced in this thesis. The design information of some existing domestic modular machine tools has been referred in the design process. Combined the structural feature of element in Jianghuai Power Group, some improvement have been done based on the existing modular machine tool of ZH1130 cylinder body.
The new standards of modular machine tool have been adopted in this design. The approach on designing of whole project, headstock and the electric control system has been systematic illustrated. Using mechanical sliding unit, with the aid of precisely leads the set of guidance cutting tool to complete dispositional process. The standard spindles have been used. The cutting tool is the compound twist drill, making the working procedure to be centralized. This modular mechanical tool has such advantages: it is high efficiency, the cost is low, the processing precision is high, it is easy to operate, it enhanced the productivity. In headstock design aspect, the original machine adopts much process and the efficiency is low, processing sizes are not guaranteed easily too; also location precision is not high. After the improving, 2 jib holes can be drilled at the same time, thus not only have raised processing efficiency, guaranteed the processing size of hole, solved location precision problem, but also reduced the labor strength of worker.

Key word：Modular machine tool ; Design of general; Design of headstock.

目  录
1 前言 1
1.1 课题来源 1
1.2 国内外发展趋势 1
1.3 设计总体思路 1
2 总体方案论证 3
2.1 被加工零件工艺方案的制定 3
2.1.1 被加工零件的加工工序及加工精度 3
2.1.2 工艺基准加工零件的选择 3
2.1.3 加工工艺的分析 3
2.2 确定机床配置型式及结构方案 3
2.3 组合机床的总体设计 5
2.4 被加工零件工序图 5
2.5 被加工零件的加工示意图 6
2.5.1 刀具的选择 6
2.5.2 组合机床切削用量的选择 6
2.5.3 确定切削扭矩、切削功率及刀具耐用度 7
2.5.4 导向结构的确定 8
2.5.5 初定主轴类型、尺寸、外伸长度和选择接杆 9
2.5.6 确定动力部件的工作循环及工作行程 10
2.6 机床联系尺寸图 11
2.6.1 机床床身的选择 11
2.6.2 电动机功率的选择 12
2.6.3 装料高度H的确定 13
2.6.4 主轴箱轮廓尺寸的确定 13
2.7 生产率计算卡 13
2.7.1 理想生产率 13
2.7.2 实际生产率 14
2.7.3 机床负荷率计算 15
2.7.4 机床的生产率计算卡 15
3 主轴箱设计 17
3.1 绘制主轴箱设计原始依据图 17
3.2 确定主轴、齿轮及动力计算 18
3.2.1 主轴结构型式和直径、齿轮模数的确定 18
3.2.2 主轴箱所需动力的计算 19
3.3 主轴箱传动系统的设计 19
3.3.1 对主轴箱传动系统的一般要求 19
3.3.2 拟定主轴箱系统的基本方法 20
3.3.3 确定传动轴的位置及齿轮齿数 20
3.3.4 拟订主轴箱传动路线 22
3.4 各零件的设计选用与校核 23
3.4.1 主轴箱中轴的强度校核 23
3.4.2 主轴箱中齿轮的校核计算 26
3.4.3 主轴箱中轴承的校核计算 28
3.5 多轴箱坐标计算 30
3.6 绘制轴坐标检查图 33
3.6.1 坐标检查图的主要内容 33
3.6.2 坐标检查图绘制的顺序及要求 33
4 电气控制系统设计 34
5 结论 36
参考文献 37
致谢 38
附录 39

1.2 国内外发展趋势
组合机床是以系列化、标准化的通用部件为基础，配以少量的专用部件组成的专用机床。组合机床是随着生产的发展，由万能机床和专用机床发展来的。这种机床既具有专用机床的结构简单、生产率和自动化程度较高的特点，又具有一定的重新调整能力，以适应工件变化的需要，组合机床可以对工件进行多面、多主轴加工，一般是半自动的。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。
我国组合机床及组合机床自动线总体技术水平比发达国家要相对落后，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，满足用户需求，真正成为刚柔兼备的自动化装备。
组合机床装备的发展思路必须是以提高组合机床加工精度、组合机床柔性、组合机床工作可靠性和组合机床技术的成套性为主攻方向。一方面，加强数控技术的应用，提高组合机床产品数控化率;另一方面，进一步发展新型部件，尤其是多坐标部件，使其模块化、柔性化，适应可调可变、多品种加工的市场需求。据专家分析，机床装备的高速和超高速加工技术的关键是提高机床的主轴转速和进给速度。在零部件一体化程度不断提高、数量减少的同时，加工的形状却日益复杂。多轴化控制的机床装备适合加工形状复杂的工件。另外，产品周期的缩短也要求加工机床能够随时调整和适应新的变化，满足各种各样产品的加工需求。然而更关键的是现代通信技术在机床装备中的应用，信息通信技术的引进使得现代机床的自动化程度进一步提高，操作者可以通过网络或手机对机床的程序进行远程修改，对运转状况进行监控并积累有关数据;通过网络对远程的设备进行维修和检查、提供售后服务等。在这些方面我国组合机床装备还有相当大的差距，因此我国组合机床技术装备高速度、高精度、柔性化、模块化、可调可变、任意加工性以及通信技术的应用将是今后的发展方向。
组合机床未来的发展将更多的采用调速电动机和滚珠丝杠等传动，以简化结构、缩短生产节拍；采用数字控制系统和主轴箱、夹具自动更换系统，以提高工艺可调性；以及纳入柔性制造系统等。
1.3 设计总体思路
组合机床是由大量的通用部件和少量专用部件组成的工序集中的高效率的专用机床。它能从多面、多工位、多轴对一个或几个工件同时进行加工，它和通用机床相比除具有能使工序集中，能在很大程度上提高效率、加工精度等优点外，它还有以下的特点：
(1)设计和制造周期短、投资少、自动化程度高、劳动强度低、经济效率高；
(2)结构稳定、工作可靠、使用维修方便；
(3)采用专用夹具、刀具和导向装备，对工人的技术水平要求不高；
(4)当产品更新的时候，通用部件、标准件还可以重新利用，不需要重新制造；
(5)易于联成组合机床自动线进行大规模的生产。
由于组合机床具有上述诸多优点，在分析解决实际问题时，为我们指出了明确的思考问题的方法。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70～80%，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，我们整个组合机床设计中尽量采用新标准的通用件和标准件配置。本次设计组合机床的目的就是用来提高其生产效率和加工精度。
此次设计的课题为ZH1130柴油机机体钻挺杆孔组合机床总体及主轴箱设计，要加工的机体是箱体类薄壁零件，夹紧易变形。本工序是要先钻产品零件图上两个挺杆孔，以提高产品质量。此次设计中我负责的是组合机床总体及主轴箱的设计，通过认真分析ZH1130柴油机机体的零件图，得出其材料为HT250，硬度为HB190～240，重量为40kg，外型尺寸为495.7×179×334.5。
进行加工的孔是：气门挺杆孔2×Ф16H8，深41mm。我依据加工柴油机机体零件的要求，制定初步的设计方案和步骤。再根据任务书上的要求，我选择了切削速度，进给速度等，以满足生产的要求。
主轴箱设计是本次设计中一个重要环节。首先，在完成对组合机床的总体设计并绘制出“三图一卡”的基础上，绘制主轴箱设计的原始依据图；接着确定主轴结构，轴径以齿轮模数；然后根据被加工孔的位置，拟定传动系统，应注意轴与轴的最小间距应符合规定要求，避免产生干涉，这一步是主轴箱设计的核心部分；第四步是计算主轴、传动轴坐标、绘制坐标检查图；第五步，绘制多轴箱总图，零件图及编制组件明细表。

2总体方案论证
2.1被加工零件工艺方案的制定
工艺方案的拟定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，应根据被加工零件的加工要求和特点，按一定的原则、结合组合机床常用工艺方法、充分考虑各种因素，并经技术经济分析后拟定出先进、合理、经济、可靠的工艺方案。
2.1.1被加工零件的加工工序及加工精度
被加工零件在本组合机床上完成的工序及加工精度，是制订机床工艺方案的主要依据。
（1）本机床加工零件的工序内容
钻气门挺杆孔2×Ф16G7，深为41mm。
倒角为2×45°，粗糙度为0.8μm，各孔垂直度要求为0.04mm。
（2）被加工零件特点
该被加工零件为ZH1130柴油机机体；材料HT250，硬度HB190～240；生产纲领为年产量11万件，两班制；在本工序前六个主要表面已加工完毕。
2.1.2工艺基准加工零件的选择
遵循“基准统一”原则，即选用设计基准作为定位基准，这样有助于减小设计基准与定位基准不重合所带来的误差，有助于保证加工精度。
气门挺杆孔加工过程中，为保证被加工零件正确位置，限制与加工精度有关的自由度，因此，将机体的底面、侧面和后面作为定位基面，其限制6个自由度，即“三面定位”。
选择定位基准同时，要相应决定夹紧位置。夹紧位置应使夹紧合力落在定位平面之内，具体定位夹紧位置参考加工工序图ZH1130CT03。
2.1.3加工工艺的分析
在组合机床上对铸铁工件钻孔，其精度可达IT10～IT11，表面粗糙度Ra50微米。钻孔的位置精度主要取决于导向精度，要减少导面和钻头之间的间隙，应严格控制钻头、切削刃的摆差，使导向套适当靠近被加工零件以及严格要求主轴与导向套之间的同心度，被加工零件的钻孔零件的尺寸，精度均为自由公差，位置度为Ф0.20mm，粗糙度为Ra12.5。本工序中挺杆孔的直径为Φ16<Ф40，因此，用本组合机床来加工机体能保证其加工要求。 
2.2确定机床配置型式及结构方案
根据选定的工艺方案，确定机床的配置型式时，既要考虑能实现工艺方案，以确保零件的加工精度、技术要求及生产率，又要考虑机床的操作方便可靠，易于维修，且冷却、排屑情况良好。
组合机床有大型和小型两种，大、小型组合机床，虽有共性，但又都有其特殊性。无论是适用范围、配置型式，通用部件和驱动方式各有特点。大型组合机床的配置型式，主要有单工位组合机床和多工位组合机床两大类。
单工位组合机床通常是用于加工一个或两个工件，特别适用于大中型箱体件的加工。据配置动力部件的数量，这类机床可以从单面或同时从几个面对工件进行加工。其主要配置型式有：卧式单面组合机床、立式单工位组合机床、卧式双面组合机床、复合式双面组合机床、卧式三面组合机床、复合式三面组合机床卧式四面组合机床、复合式四面组合机床。毕业实习时，我们看到柴油机机体加工在卧式单面组合机床上进行，由于我们任务中的被加工零件与上述变速箱较相似，因而我们采用卧式单工位加工组合机床。
据工件的结构特点、加工要求、生产率和工艺过程方案等，大体上就可以确定应采取那种基本型式的组合机床。但在基本型式的基础上，由于工艺的组织，动力头的不同配置方法，零件安装数目和工位数多少等具体安排不同，而具有多种配置方法。它们对机床的结构复杂程度，通用化程度，结构工艺性能，重新调整的可能性以及经济效益，还有维修操作是否方便等，都具有不同的影响。另外，还必须看到，就是在有些情况下，对工艺过程方案作不大的更改或重新安排，往往会使机床简单，工作可靠，结构紧凑，更符合多快好省的要求。因此，在最后决定机床配置型式和结构方案时，必须注意以下问题：
A 加工零件的特点对配置型式和结构方案的影响
(a)加工要求的影响
在选择某台组合机床的方案上，首先必须注意到加工精度能否确切保证，而且这里所指的是稳定的加工精度。为了弄清所选组合机床结构方案能否可靠保证要求的加工精度，就必须确定各种配置型式组合机床的最大加工误差。在组合机床上影响加工精度的因素很多，一般分与负荷无关的误差和与切削负荷有关的误差。组合机床加工精度通常是靠夹具来保证的，我们也可以把影响加工精度的因素分为加工误差和夹具误差两大类。