柴油机气缸体三面钻削组合机床总体及左主轴箱设计

论文43页，18000余字，CAD图纸14张
柴油机气缸体三面钻削组合机床总体及左主轴箱设计
摘 要：本课题设计了ZH1105W柴油机气缸体卧式三面钻削组合机床。课题来源于江动集团。该组合机床是针对ZH1105W柴油机体左、右、后三个面上31个孔多工序加工，生产率低，位置精度误差大的问题而设计的。ZH1105W气缸体三面钻床的设计，主要是为了提高加工效率和质量、降低加工成本。根据被加工工件的特点以及加工工艺的要求，进行了总体设计。选定了定位基准，确定了机床的配置形式以及工件的定位夹紧方案，选择了合适的切削用量、刀具及动力部件。总体设计主要是绘制被加工零件工序图、加工示意图、机床联系尺寸总图和编制生产率计算卡。在完成总体设计的基础上，绘制左主轴箱设计的原始依据图，拟订传动系统，确定传动参数，设计轴的结构，并进行齿轮、轴等相关零件的强度校核计算。
本设计结构合理，为使组合机床能够尽快投入生产应用，配置结构中充分使用了标准及通用部件。工艺性良好、方案可行、有实际使用价值。该机床能满足孔的加工要求，提高生产效率、降低工人劳动强度。
关键词：组合机床；总体设计；左主轴箱设计

The Design of General and Left-side Spindle Box  Three-side Drilling Modular Machine for the Engine      Cylinder Body
Abstract: This subject is to design the ZH1105W diesel engine cylinder body which drills and expands and makes the lathe up horizontally and three-sidedly. The subject comes from the Jiangdong Group. It makes up lathe to ZH1105W diesel oil organism Left deviation, Right deviation, Behind deviation 31 hole large processes process to it's time, the productivity is low, the problem and designing of the precision of position with great error. Thus guarantee the precision of position of the hole, improve production efficiency, and reduce worker's labor intensity. In order to improve the working efficiency and product’s quality and make the machining cost lower, the three-side drilling machine for the ZH1105W cylinder body. Based on the character and the process analysis of the workpiece, the designing system is made. After the location datum are designated, the disposition of machine and the mechanism clamping system being determined, the reasonable cutting data, the cutter and the power part are chosen. Overall it is process into part process picture, process sketch map, lathe contact size general drawing and work out productivity calculating the card to draw mainly to design. The primitive basis charts of the left-side spindle box were drawn; the transmission system and the parameter are drafted. Then, the structure of the axis is designed and the intensity checks of the components of the gear, axis and so on are carried on. The project organization reasonable, for it makes up lathe drop the production application into as soon as possible to make, have disposed and fully used the standard part in common use in the structure. The craft is good, the scheme is feasible, and actual use value. This machine can satisfy the requirement of high precision of the hole. Production efficiency and labor strength are improved by this process.
Keywords：Modular machine tool; The Design of General; The Design of Left-side Spindle Box
目    录
1 前言 1
1.1 课题内容 1
1.2 课题来由 1
1.2.1 课题背景 1
1.2.2 课题要求 1
1.3 组合机床国内外发展概况 1
1.4 本课题主要解决的问题和总体设计思路 2
2 组合机床总体设计 3
2.1 工艺方案的拟定 3
2.1.1 被加工零件的特点 3
2.1.2 工艺路线的确定 3
2.1.3 定位基准和夹紧部位的选择 4
2.1.4 影响机床工艺方案制定的主要因素 4
2.2 三图一卡设计 5
2.2.1 被加工零件工序图 5
2.2.2 加工示意图 5
2.2.3 机床尺寸联系总图 9
2.2.4 机床生产率计算卡 12
3 组合机床左主轴箱设计 16
3.1 绘制左主轴箱设计原始依据图 16
3.2 主轴结构型式的选择及动力计算 18
3.2.1 主轴结构型式的选择 18
3.2.2 主轴直径和齿轮模数的初步确定 18
3.2.3 主轴箱动力计算 19
3.3 主轴箱传动系统的设计与计算 19
3.3.1 计算驱动轴、主轴的坐标尺寸 19
3.3.2 拟定主轴箱传动路线 19
3.3.3 传动轴位置和转速及齿轮齿数 20
3.4 主轴箱中传动轴坐标的计算及坐标检查图的绘制 26
3.4.1 传动轴坐标的计算 26
3.4.2 坐标检查图的绘制 32
3.5 左主轴箱中变位齿轮的计算 33
3.6 传动轴直径的确定和轴强度的校核 34
3.6.1 轴径的确定 34
3.6.2 轴的校核 34
3.7 齿轮校核计算 36
4 结论 39
参考文献 40
致    谢 41
附    录 42

1 前言
1.1 课题内容
本课题是设计一台三面钻削的组合机床，来对ZH1105W柴油机气缸体三面31个孔进行加工，并且保证相应的位置精度。在完成“三图一卡”，即机床尺寸联系总图、工序图、加工示意图和生产率计算卡之后，我主要完成左主轴箱的设计。
1.2 课题来由
1.2.1 课题背景
本课题主要来源于盐城市江动集团。设计这个课题主要是为了在一台组合机床上能同时进行三个面的31个孔的钻孔加工。在完成这一目的的同时，还应保证这31个孔的加工精度和位置精度。因此在钻削过程中，机床是以通用部件为基础，配以少量的专用部件组成的，刀具是靠钻模板来保证其位置精度的，并且利用一次装夹减少加工时间，从而达到精度高、成本低、效率高的要求。
1.2.2 课题要求
本工序加工内容为：左端：钻螺纹底孔14×φ6.7、φ12.4，表面粗糙度均为Ra12.5；右端：钻螺纹底孔9×φ6.7、φ8.5，表面粗糙度均为Ra12.5；后端：钻螺纹底孔6×φ12.4，表面粗糙度均为Ra12.5。
为了保证零件的加工精度，在整个设计过程中应满足以下几点要求：
a) 机床应能满足加工要求，保证加工精度，被加工孔的表面粗糙度为Ra12.5；
b) 机床应运转平稳，工作可靠，结构简单，装卸方便，便于维修、调整；
c) 主轴箱能满足机床总体方案的要求（转速，转向，功率，坐标要求）；
d) 机床应尽量选用通用件，以便降低制造成本。
1.3 组合机床国内外发展概况
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。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。
组合机床装备的发展思路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。复合、多功能、多轴化控制装备的前景亦被看好。在被加工零件的形状日益复杂的情况下，多轴化控制的机床装备适合能够加工形状复杂的零件。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。在这些方面组合机床装备还有相当大的差距，因此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，以提高工艺可调性等。
1.4 本课题主要解决的问题和总体设计思路
组合机床的设计思路如下：首先制定了合理的工艺方案，然后按照工艺方案的需求来确定机床的配置型式，选择通用部件，设计专用部件和工作循环的控制系统，最后在总体设计完成的基础上进行左主轴箱的设计。为了表达该组合机床设计的总体方案，在设计时要绘制“三图一卡”，即ZH1105W柴油机气缸体的加工工序图、加工示意图，机床联系尺寸总图和编制生产率计算卡等。然后根据“三图一卡”进行组合机床的设计、调整和验收。为了表达左主轴箱设计，在设计时要绘制主轴箱设计原始依据图，选择主轴结构型式及进行动力计算，设计和计算主轴箱传动系统，计算传动轴坐标，校核轴和齿轮的强度等。
在组合机床诸多零件中，主轴箱与组合机床密切相关，是组合机床的重要组成部件。主轴箱是选用通用零件，按专用要求设计的，所以是组合机床设计过程中工作量较大的零部件之一。就主轴箱设计来说，主要问题集中在传动系统的设计上。由于通常采用一根动力轴带动多根主轴的工作方式，因此各传动轴必须设法在有限的标准箱体空间中找到适宜的分布位置。轴的分布设计必须保证各轴的转速、旋向、强度和刚度。

2 组合机床总体设计
2.1 工艺方案的拟定
2.1.1 被加工零件的特点
本设计是为钻削ZH1105W柴油机气缸体的三面31个轴孔的工序而专门设计的，为了能到达质量好、效率高，我们采用了工序集中的原则进行设计。
机床的配置型式主要有卧式和立式两种。卧式组合机床床身由滑座、侧底座及中间底座组合而成，其优点是加工和装配工艺性好，无漏油现象；同时安装、调试与运输也都比较方便；而且机床重心较低，有利于减小振动。其缺点是削弱了床身的刚性，占地面积大。立式组合机床床身由滑座、立柱及立柱底座组成。其优点是占地面积小、自由度大、操作方便。其缺点是机床重心高、振动大。
由于被加工的零件为ZH1105W柴油机气缸体的三面31个孔，该柴油机的体积小、重量较重，且为三面加工。根据零件的特点及生产纲领，应选用卧式床身，通过左右后三个动力头驱动三个主轴箱对零件三端面的31个孔进行加工较为妥当。
通过以上分析，初定本次设计方案为卧式三面组合钻床，三个动力头左右后布置。
2.1.2 工艺路线的确定
工艺路线如下：
工序1    铸造
工序2    时效
工序3    粗铣底面、顶面
工序4    粗铣左面、右面
工序5    粗铣前面、后面
工序6    精铣底面、顶面
工序7    精铣左面、右面
工序8    精铣前面、后面
工序9    三面粗镗孔
工序10   三面半精镗孔
工序11   三面精镗孔
工序12   钻左面、右面、后面孔
工序13   钻顶面、底面、前面孔
工序14   攻丝
工序15   钻、扩、铰顶杆孔
工序16   最终检验
工序12的加工内容为：
a) 左端，钻螺纹底孔14×φ6.7、φ12.4，表面粗糙度均为Ra12.5；
b) 右端，钻螺纹底孔9×φ6.7、φ8.5，表面粗糙度均为Ra12.5；
c) 后端，钻螺纹底孔6×φ12.4，表面粗糙度均为Ra12.5。
各孔的位置精度及具体要求详见ZH1105W气缸体的工序图。
2.1.3 定位基准和夹紧部位的选择
组合机床是针对某个零件或零件的某道工序而设计的，正确选择加工用的定位基准是确保加工精度的重要条件，同时也有利于最大限度的集中工序，从而获得减少机床台数的效果。
A．定位基准的选择
实际生产中经常遇到的不是单一表面定位，而是几个表面的组合定位。这时，按限制自由度的多少来区分每一定位面的性能，限制自由度最多的定位面成为第一定位基准面或主要基准，次之的为第二定位基准面或导向基准，限制一个自由度的称为第三定位基准面或定程基准。
常见的定位表面组合有平面与平面的组合，平面与孔的组合，平面与外圆表面的组合等。本机床加工为单工位加工，也就是一次安装下进行31个孔的加工，箱体零件时机械制造业中工序多、劳动量大、精度要求高的关键零件。采用三面定位即底面、侧面、端面这三面定位，底面为第一基准，侧面为第二基准，而端面为第三基准，同时限制了六个自由度（x方向，y方向，z方向，x的旋转方向，y的旋转方向，z的旋转方向这六个自由度）。
B．确定夹紧位置应注意的问题
在选择定位基准的同时，要相应地决定夹紧位置，此时应注意的问题是：
a) 保证零件夹压后稳定；
b) 尽量减少和避免零件夹压后的变形；
c) 尽量靠近切削部位，以提高工件切削部位的刚度和抗振性；
d) 应尽量使各支承处的接触变形均匀，以减小加工误差。
本机床中确定的三面定位能基本上满足以上两条件，因此本方案可行。另在选三面定位后，可选随行夹具，这样可减少装夹时间、提高生产率，对随行夹具可采用液压自动加紧。
2.1.4 影响机床工艺方案制定的主要因素
a) 被加工零件的加工精度和加工工序
虽然气缸体的本道工序加工粗糙度要求不怎么高，但有一定的形状精度和位置精度的要求，安排工艺应在一个工位上对31个孔同时进行加工，因为气缸体有些孔的间距很小，采用立式加工时，不利于切屑落下导向，造成导向精度早期走失，不利于保证加工精度，所以应选用卧式床身。