單工位雙面臥式車方機床的主軸箱設計
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河南理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 車方機床的設計
摘 要
在普通機床上加工方頭軸類零件，工作效率低、勞動強度大。當其零件有一定的批量要求時，其生產(chǎn)就顯得力不從心了，為此設計了專用設備。車方機床用曲率半徑很大的橢圓短半軸曲線代替直線切削方形工件。生產(chǎn)率高,刀具成本低。選取適當?shù)能囶^行星輪的分度圓直徑,可以有效地控制車方原理的直線 度誤差。對實際工件進行了原理誤差的分析計算和行星輪系的設計計算。
本組合機床是針對單面雙工位臥式車削的組合機床，我主要完成主軸箱的設計。在設計過程中借鑒了國內一些現(xiàn)有組合機床的設計資料，結合被加工零件的結構特征，在指導老師的幫助下設計而成。進給部分采用液壓滑臺形式，主要是因為液壓系統(tǒng)具有工作比較平穩(wěn)，反應快、沖擊小，能高速啟動、制動和換向；能在運動過程中實現(xiàn)無級調速，調速方便，而且調速性能好；控制、調節(jié)比較簡單，操縱比較方便，易于實現(xiàn)自動化，如與電氣控制相配合，可方便地實現(xiàn)復雜的程序動作和遠程控制等優(yōu)點。
關鍵詞:車方；方形；行星輪系；橢圓；直線度。
49
注：
Abstract
Process the square shaft parts on the common machine tool, inefficient and labor-intensive. When a certain amount for their parts, their production becomes unable, for the design of specialized equipment.It illustrates a ellipse’s short semi - axial curved line with great cured radius , that can replace the straight line for cutting square work - pieces on the machine tool. The productivity of this rebuilt machine tool is higher and the cost of cutter is lower. The principle straightness error of cutting square in work - pieces can be controlled by choosing a suitable pitch diameter of the planetary gear in the machine tools. Analytic calculations of the error and design of this train have been given for a real work -piece.
This combination machine tools against unilateral double spaces horizontal turning combination machine tools, I mainly design the headstock. In the design process for some of the existing portfolio of domestic machine tool design data, the structural characteristics of the processed parts, with the help of teachers in guiding the design by. To the use of hydraulic slide into some form of Sliding workstations, mainly because of a hydraulic system work more stable, responsive, small shocks can speed up, brake and invert; And it can achieve infinitely variable speed control during the movement, speed control convenient, and the speed control performance is good; Controlling and regulating simpler, more convenient to manipulate, easy to automate, if compatible with the electrical control can easily achieve complex procedures, such as remote-control movements and strengths.
Key word : Square Cutting ; Square ; Planetary Gear Train ; Ellipse ; Straightness.
河南理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 目錄
目 錄
前 言 1
1 總體方案設計 3
1.1 設計任務 3
1.2 機床總體設計 3
1.2.1 概述 3
1.2.2 機床的總體布局 4
1.2.3 工件及工藝分析 5
1.3工件加工原理分析 6
1.4行星輪計算及原理誤差分析 10
2 機床配置形式的選擇 13
2.1機床配置形式概述 13
2.2機床支撐形式的選擇 19
2.3 車方主軸頭的結構方案 20
3 基本運動參數(shù)確定 22
3.1 切削力的計算及刀具的選擇 22
3.2 電動機的選擇 24
4 主軸箱及傳動件的設計 27
4.1 主軸箱傳動系統(tǒng)設計的一般要求 27
4.2 動力部件的選擇 27
4.3行星輪系齒輪設計 28
4.3.1 行星輪系傳動比計算 28
4.3.2 行星輪系的機構運動分析 29
4.4 齒輪和設計計算及校核 30
4.5 軸的結構設計 36
5 旋轉盤的設計 43
6 刀具的安裝和調整 44
結束語 45
致 謝 46
參考文獻 47
河南理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 臥式單工位雙面車方機床
前 言
大學生活是令人難忘的，不僅僅是因為大學活動的豐富多彩，更是由于大學那博愛、自由的人文精神。在大學里我們不僅學到了各種專業(yè)知識，更可貴的是我們學會了怎么去做人，懂得了去做一個什么樣的人。大學四年轉眼即逝！但是她卻化成我們一生最美好的記憶留在我們的內心深處。在即將結束大學生活時，還有一項重要任務就是畢業(yè)設計。畢業(yè)設計是工科專業(yè)學校教學計劃的一個重要組成部分，是教學環(huán)節(jié)的繼續(xù)深化和檢驗，是對大學生四年來所學的知識系統(tǒng)的總結和綜合應用，其實踐性和綜合性是其它教學環(huán)節(jié)所不能代替的。通過畢業(yè)設計使學生獲得綜合訓練，有利于培養(yǎng)學生獨立工作能力，鞏固和提高所學知識，全面提高畢業(yè)生的素質，使之能較快的適合工程實踐，對培養(yǎng)學生的實際工作能力具有十分重要的作用。
通過這一環(huán)節(jié)的訓練，提高了以下能力：
1、 綜合運用所學知識和技能，獨立分析和解決實際問題的能力；
2、 綜合運用基本技能，包括繪圖、計算機應用、翻譯、查閱及閱讀文獻等等的能力；
3、 調動實驗研究的積極性，技術經(jīng)濟分析和組織協(xié)作工作的能力，學習撰寫科技論文和技術報告，正確運用國家標準和技術語言闡述理論和技術問題的能力；
4、 學會收集加工各種信息的能力，以及獲取新知識的能力；
5、 培養(yǎng)創(chuàng)新意識和嚴肅認真的科學作風。
我們的設計題目是：臥式單工位雙面車方組合機床。我們知道，組合機床是用按系列化標準化設計的通用部件和按被加工零件的形狀及加工工藝要求設計的專用部件組成的專用機床。它專門用于加工一種工件或一種工件的一定工序，機床的輔助部件部分地實現(xiàn)了自動化，大大的提高了生產(chǎn)率。而車方機床，就是用曲率半徑很大的橢圓短半軸曲線代替直線切削方形工件。在機床中間底座上裝有固定夾具,用于安裝工件。機床工作時,裝兩把車刀的車頭主軸由單獨電機驅動作回轉主運動,同時車頭由側底座上的液壓滑臺帶動作進給運動。一次裝夾,一個工步完成了4 個平面的切削。與一般銑削相比，減少了工件的二次裝夾和調整分度的時間，提高了生產(chǎn)率，減輕了勞動強度，降低了生產(chǎn)成本。
車方機床只是眾多機床類型中的一種，其設計也應符合一般機床的設計準則，即：
（1）工藝可行性。指機床適應不同生產(chǎn)的需要。大致包括以下內容：機床可完成的工序種類，加工零件的類型、材料和尺寸范圍，毛坯的種類等。
（2）加工精度和表面粗糙度。
（3）生產(chǎn)率。
（4）自動化程度。
(5）操作安全方便和工作可靠。
（6）效率，使用期限和成本等等。
設計時還應該注意使機床體積小，重量輕，占地面積小，外形美觀以及注意防止環(huán)境污染，如減少噪音，防止漏油等等。
我們可以緊緊抓住這個機會認真學習并搞好畢業(yè)設計，眾所周知，它對我們即將走上工作崗位或者更進一步深造有非常重要的意義。它將把我們過去的理論學習引向一個更高的層次，也就是參加工作，可以說我們在做一次過渡性的嘗試。
在設計過程中，遇到了很多困難和問題，一方面我們自己不斷查閱相關資料盡力去解決，同時，還得到了許多老師的大力支持，他們有問必答，講解耐心詳細，誨人不倦，在此表示衷心的感謝。
1 總體方案設計
1.1 設計任務
設計任務：臥式單工位雙面車方組合機車
工件名稱：小型拖拉機操縱軸
生產(chǎn)批量：中批生產(chǎn)
材料：45鋼
產(chǎn)品圖如下
1.2 機床總體設計
1.2.1 概述
機床設計，是設計人員根據(jù)使用部門的要求和制造部門的可能，運用有關的科學技術知識，所進行的創(chuàng)造性勞動。而機床設計的第一步，就是整體方案的確定。即在調查和分析的基礎上，提出所設計機床的工藝方法、運動和布局、傳動和控制、結構和性能等的初步方案。
總體方案是部件和零件的設計依據(jù)，對整個機床設計的影響較大。因此，在擬定總體方案的過程中，必須綜合地考慮，使所定方案技術上先進，經(jīng)濟效果好。確定機床的總體方案，包括下列內容：
（1）調查研究 包括調查和分析工件、了解使用要求和制造條件、調查研究現(xiàn)有同類型機床等。
（2）工藝分析 包括確定機床上的工藝方法、運動等。
（3）機床總體布局 一般包括：分配運動、選擇傳動形式和支承形式、安排手柄等操作件的位置、擬定從布局上改善機床性能和技術經(jīng)濟指標的措施等。最后，繪制機床的總聯(lián)系尺寸圖，以表達所采用的總體布局，規(guī)定聯(lián)系尺寸，并確定主要技術參數(shù)。
另外，當機床的傳動和控制較復雜時，須擬定機床傳動系統(tǒng)的草圖。對于不同類型的機床，擬定總體方案的側重點也是不同的。通用機床的工藝比較定型，一般是側重于機床的系列化工作、對現(xiàn)有同類型機床的調查分析以及新技術、新結構的應用。
1.2.2 機床的總體布局
機床的總體布局是指確定機床的組成部件，以及各個部件和操縱、控制機構在整臺機床中的配置。
合理的總體布局的基本要求是：
（1）保證工藝方法所要求的工件和刀具的相對位置和相對運動。
（2）保證機床具有與所要求的加工精度相適應的剛度和抗振性。
（3）便于操作、調整、修理機床；便于輸送、裝卸工件、排除切屑。
（4）經(jīng)濟效果好，如節(jié)省材料、減少機床占地面積等。
（5）造型美觀。
機床總體布局設計的一般步驟是，首先根據(jù)工藝分析分配機床部件的運動，選擇傳動形式和支承形式；然后安排操作部位，并擬定在布局上改善機床性能和技術經(jīng)濟指標的措施。上述步驟之間有著密切聯(lián)系，必要時可互相穿插或并進。
此次畢業(yè)設計所設計的機床為一臺專用組合機床，組合機床是針對被加工零件的特點及工藝要求，按高度集中工序原則設計的一種高效率專用機床。設計組合機床前，首先應根據(jù)組合機床完成工藝的一些限制及組合機床各種工藝方法能達到的加工精度，表面粗糙度及技術要求、解決零件是否可以利用組合機床加工以及采用組合機床加工是否合理的問題。如果確定零件可以利用組合機床加工，那么，為使加工過程順利進行并達到要求的生產(chǎn)率，必須在掌握大量的零件加工工藝資料基礎上，全面考慮影響制定零件丁藝方案、機床配置型式、結構方案的各種因素反應注意的問題。經(jīng)過分析比較，以確定零件在組合機床上合理可行的加工方法(包括安排工序及工藝流程，確定工序中的工步數(shù)，選擇加工的定位基難及夾壓方案等)、確定工序(或工步)間加工余量、選擇合適的切削用量、相應的刀具結構、確定機床配置型式等等，這些便是組合機床方案制定的主要內容。
1.2.3 工件及工藝分析
工件是機床的工作對象，是機床總體方案設計的依據(jù)。因此，必須明確工件的特點和加工要求，諸如：被加工面的尺寸精度、相互位置精度、表面光潔度以及對生產(chǎn)率的要求等。
選擇典型工件進行分析：如圖1-1
圖1-1
加工拖拉機操縱軸方頭(見圖1-1) ，原工序為在已加工了外圓后,用銑床銑削方頭,由于需要分度轉位,輔助工時較長。改為專用臥式組合機床車削方頭,在機床中間底座上裝有固定夾具,用于安裝工件。機床工作時,裝兩把車刀的車頭主軸由單獨電機驅動作回轉主運動,同時車頭由側底座上的液壓滑臺帶動作進給運動。一次裝夾,一個工步完成了4 個平面的切削,提高了生產(chǎn)效率。
① 零件材料為45號鋼，零件工作中受力不很大，可以在車削之后做淬火處理，以提高起剛度強度，延長使用壽命。
② 此生產(chǎn)類型為中批生產(chǎn)，應盡量提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，采用專用機床生產(chǎn)比較合理。
1.3工件加工原理分析
通過理論上的定性分析，決定采用特殊機構的車床來實現(xiàn)，而且形成了兩套方案：
（1） 通過帶有凸輪機構的夾具和作圓周運動的刀具配合加工實現(xiàn)。
（2） 通過固定夾具和作行星運動的刀具配合加工實現(xiàn)。
下面我們從理論上定性地分析一下此兩種方案：
方案（1）原理：在車刀進行圓周運動的同時，工件由凸輪帶動向上運動，這兩種運動在空間內合成既可以形成一段近似的直線，同理可以連續(xù)加工出其他三條邊。
通過分析知道，做出需要的凸輪形狀，并設計幾處特殊的機構，是完全可行的。這種方案雖然使主軸箱的設計非常簡單，但卻使夾具的設計變得很困難，而且這種方案的最大弊端是通用性很差，如果工件的尺寸或形狀之一發(fā)生變化，將不得不重新去設計軸箱，這樣就使主軸箱的設計更加困難。于是就有了第2種方案。
方案（2）原理：見圖1-2
圖1-2 方案（2）原理圖
圖1-3車方機床車方原理圖
車方原理見圖1-3 ,齒輪與的傳動比為1∶2 ,當?shù)都獍惭b在比齒輪 的分度圓小的圓周上時,則刀尖的運動軌跡為橢圓。車頭的傳動和結構保證車刀刀尖的運動軌跡是扁橢圓（長軸遠遠大于短軸）。利用扁橢圓上近似于直線的一段曲線，形成被加工表面。車方機床由車頭行星輪系機構產(chǎn)生刀尖的橢圓曲線軌跡。
刀尖的運動軌跡呈橢圓的證明如下：
1）行星輪圓心點O的運動軌跡
由于行星輪的圓心點O同樣也是系桿上的點，因此無需證明，O點的運動軌跡是以中心輪的圓心點P為圓心，以PO線段為半徑所畫的圓。
2）行星輪節(jié)圓上各點的運動軌跡
當行星在固定的內齒中心輪上作嚙合滾動時，相當于輪的節(jié)圓在輪的節(jié)圓上作內切純滾動。所以行星輪節(jié)圓周上任一點的軌跡，應是典型的內擺線，其參數(shù)方程為
式中，r為輪節(jié)圓半徑，R為輪節(jié)圓半徑,θ為系桿帶著行星輪公轉的角度，代入后，得
顯然，當系桿H轉一周時，行星輪節(jié)圓周上各點的運動軌跡是過該點的一條內齒中心輪節(jié)徑的往復路程。
3）行星輪上其余各點的運動軌跡
設齒輪 的分度圓半徑為OA =R , O點為齒輪的分度圓中心,刀尖在分度圓內定點a處,且Oa/ OA = λ 。當?shù)姆侄葓A在上作純滾動時,圓心O點運動到O′,齒輪上a點運動至a′點( 坐標為x,y) ,而Oa = O′a′,由圖1-2 可知:
x = Pb + ca′= PO′cosθ+ O′a′cosθ = Rcosθ+Oa cosθ
= Rcosθ+λRcosθ = R (1 +λ) cosθ （1)
y = O′b - O′c = PO′sinθ- O′a′sinθ = Rsinθ- Oasinθ
=Rsinθ- λRsinθ = R (1 - λ) sinθ (2)
由式(1) 得
=
由式(2) 得
=
則/ (1 +λ) 2 +/(1 - λ) 2 = + = 1 (3) 式(3) 為橢圓方程,所以a 點的運動軌跡為一長軸為,短軸為值的橢圓。同理可以證明,和a 點對稱于中心O 點的另一刀尖的運動軌跡也是一個橢圓。同理可證，與a點對稱于輪中心點O的另一點b的運動軌跡，是與a點軌跡橢圓的長、短軸數(shù)值相等，但x軸與y軸數(shù)值對調、相互垂直的另一橢圓（見圖1-3中虛線部分）。
這就是說，當系桿H轉一周時，行星輪上除去圓心O和圓周上各點外所有點的運動軌跡，都是橢圓，所不同的是隨著描述橢圓軌跡的點a位置由行星輪圓心趨于圓周（即λ值由），輪上各點之軌跡橢圓的長、短半軸數(shù)值之差亦是。
當λ接近于1時，橢圓的短半軸比長半軸小得多，所以橢圓短半軸處的曲率半徑很大，接近于直線。這樣，用曲率半徑很大的橢圓曲線代替直線，誤差很小，可以滿足精度要求。
此車床最大的優(yōu)點是通用性很強，當對稱于O點裝兩把車刀可車四方頭，裝三把車刀可車六方車頭，裝四把車頭可以車八方，其余依次類推。
1.4行星輪計算及原理誤差分析
車方機床的車頭行星輪系如圖1-4 所示。
圖1-4
1.行星輪分度圓直徑D3 的設計計算
圖1.2 所示的E 點與F 點的y 坐標值之差為計算直線度誤差的初始值。根據(jù)工件精度要求,給出初始直線度公差0.09mm。由零件簡圖1 的方頭邊長 = 26.91 ±0.09和初始線度公差值,我們可以計算出圖2 中E點和F點的坐標在E點，零件的直線度誤差大到最大值則：
=2 6.91 2=13.455
在F點，零件的直線度誤差達到最小值，則：
=26.91 2-0.09=03.365
所以 E 點坐標為 (0 ,13.455) ,
F 點坐標為(13144 ,13144) ,顯然刀尖在E 點時,θ( ∠O′PO) = 90°。但必須注意的是,在F 點時,夾角θ不等于45°。
將E 點θ = 90°和y = 13.455代入式(2) 中,得
R (1 - λ) = 13.455 (4)
將F 點坐標代入式(1) 和(2) 中,得
R (1 +λ) cosθ = 13.365 (5)
R (1 - λ) sinθ = 13.365 (6)
聯(lián)立式(4) 、(5) 和(6) 解得R =64.59997mm ,圓整取R =65mm。
分度圓直徑 = 130mm。
將R = 65mm 代入式(4) 中得λ = 0.791 718 2
2.曲線近似直線的車方原理直線度誤差的分析計算
由于工件上有的圓角,橢圓曲線近似直線段的長度小于GF ,近似直線段的車方原理直線度誤差值小于計算給出的初始值。
一個橢圓曲線與圓有4 個交點,相鄰兩點在x 方向上的距離為近似直線段的長度。交點I 的y 值與中點E 的y值之差即為原理直線度誤差。
橢圓方程： +=1
圓的方程： + =
聯(lián)立解之得4 個交點,其中第一象限的交點I 的坐標值為
= （7）
= (8)
由變換為,工件倒圓直徑的基本尺寸d = 29.65mm ,半徑基本尺寸r = 14.825mm ,將R =65mm ,
λ = 0.791 718 2 , r = 14.825mm代入式(7) 和(8) 得
= 13.405mm, = 6.269mm
近似直線段的長度L′= 2= 2 ×6.104 = 12.538mm。
令PE = h ,按圖1 計算的直線段長度為
L = 2 = 2 = 12.448mm
兩者之差ΔL = L′- L = 12.538 – 12.448 = 0.09mm ,符合零件圖紙的要求。
近似直線段的車方原理的直線度誤差計算值Δ=h-= 13.455– 13.405 = 0.05mm ,即直線段的車方原理直線度誤差是0.05mm ,比初始值小的多,完全可以滿足一般方頭的精度要求。
2、機床配置形式的選擇
2.1機床配置形式概述
機床的配置形式通常根據(jù)工件的結構特點，加工要求，生產(chǎn)率和工藝過程方案等就可以確定。但在在基本形式的基礎上，由于工藝的組織，動力頭的不同配置方法，零件安裝數(shù)目和工位數(shù)多少等具體安排不同，而具有多種配置方案。他們對機床的結構復雜程度，通用化程度，結構工藝性能，重新調整的可能性以及經(jīng)濟效果，還有維修操作是否方便等，都具有不同的影響。另外，還必須看到，就是在有些情況下，多工藝過程方案不大的更改或重新安排，往往會使機車簡單，工作可靠，結構緊湊，更符合實際生產(chǎn)的要求。因此，在最后決定機床配置形式結構方案時，必須注意下面一些問題。
1）組合機床的配置型式
組合機床有大型和小型兩種，大、小型組合機床雖有其共性，但又都有其特殊性。無論是適用范圍，配置型式，通用部件和驅動方式都各有特點。
這里主要介紹一下大型組合機床的基本型式，大型組合機床的配置型式，主要有單工位組合機床和多工位組合機床兩類。
a． 單工位組合機床：
這類組合機床上的夾具和工件，在整個工作循環(huán)中始終固定不動，因此亦稱具有固定
具的單工位組合機床。單工位組合機床通常用于加工一個或兩個工件，每安裝一次，每個加工表面只能進行一次加工。這種配置型式的機床結構比較簡單，加工精度較高。當加工工序單一而集中并可用很多刀具同時進行加工時，生產(chǎn)效率很高，故特別適合于大型箱體零件的加工。這類組合機床的主要配置型式如下：
（1） 臥式單面組合機床：如加工汽車曲軸箱的臥式單面組合機床。
（2） 立式單面組合機床：如加工拖拉機氣缸體缸孔的立式組合機床。
（3） 臥式雙面組合機床：如同時對工件兩面進行加工的臥式雙面鏜孔車端面組合機床。用于對轉向節(jié)殼、轉向節(jié)球形支承進行精鏜孔和車端面。
（4） 復合式雙面組合機床：如加工氣缸體頂面和側面的復合式雙面組合機床。
（5） 臥式三面組合機床：如從三面加工拖拉機變速箱的臥式三面組合機床。
（6） 復合式三面組合機床：如對拖拉機后橋殼頂面及左右兩側同時鉆螺紋底孔的復合式三面組合機床。
（7） 臥式四面組合機床：這種機床主要用于某些需從四面同時加工以便保證加工精度的工件，例如從四面加工小型拖拉機主變速箱體的組合機床。
（8） 復合式四面組合機床：
b． 多工位組合機床
這類組合機床上的夾具和工件，在加工過程中可按預定的工作循環(huán)周期地移動或轉動以便用配置在不同工位上的動力頭對工件進行順序加工，因此亦稱具有移動夾具的多工位組合機床。工件的變位有手動和機動等方式。這類組合機床的工序集中程度高，輔助時間可與機動時間重合，適用于大批、大量生產(chǎn)中需要多部位加工的中、小零件。但這類組合機床的加工精度較單工位組合機床低。它的主要配置型式如下：
（1）固定式多工位夾具組合機床：這類機床工件的變位是手動進行的，可分為單面雙工位組合機床、雙面雙工位組合機床、臥式三面雙工位組合機床、復合式四面雙工位組合機床等四種型式。
（2）移動工作臺式組合機床：這類組合機床通常有2～3個工位，可分為臥式單面雙工位移動工作臺組合機床、立式單面雙工位移動工作臺組合機床、臥式雙面雙工位移動工作臺組合機床、復合式雙工位移動工作臺組合機床等四種。
（3）回轉工作臺組合機床：這類組合機床的特點是一般設有專門的裝卸工位，機床輔助時間與機動時間重合，能減輕裝卸工件的緊張程度，提高機床的生產(chǎn)效率?？煞譃榕P式單面回轉工作臺組合機床、立式回轉工作臺組合機床、臥式多面回轉工作臺組合機床、復合式多工位回轉工作臺組合機床等四種型式。
（4）回轉鼓輪組合機床：這種機床一般以臥式工序為主，可以同時從相對兩個方面進行加工。但也可以采取徑向輻射動力頭來加工第三方向的工序。回轉鼓輪機床的工序集中程度高，生產(chǎn)效率高，較立式回轉工作臺及中央；立柱式機床又具有結構比較簡單、重量較輕等優(yōu)點，因此獲得廣泛使用?；剞D鼓輪機床目前有分散和集中配置兩種型式?；剞D鼓輪機床有3、4、5、6、8等工位，需要時亦可增加到12個工位?；剞D鼓輪機床一般都設有專門的裝卸工位，從而機床的輔助時間和機動時間重合。
2）各種配置型式組合機床的加工精度
組合機床配置型式對加工工件的精度有一定的影響，也就是說，在選擇某臺組合機床的結構時，首先必須注意到加工精度能否確切保證，而且這里所指的是穩(wěn)定的加工精度。固定式夾具組合機床能達到的加工精度最高，帶移動式加具機床精度相對較差。
為了弄清所選組合機床結構方案能否可靠保證要求的加工精度，就必須確定各種配置型式組合機床的最大加工誤差。在組合機床上影響加工精度的因素很多，一般分與切削負荷無關的誤差（如機床原始誤差，工件安裝誤差，夾具與刀具的誤差，其它偶然誤差等）和與切削負荷有關的誤差（如夾壓變形、熱變形、刀具磨損所引起的誤差和其它偶然性誤差）。組合機床加工精度通常是靠夾具保證的，我們也可以把影響加工精度的因素分為加工誤差和夾具誤差兩大類。那么現(xiàn)在的問題在于確定夾具誤差和加工誤差之間應構成怎樣的比例，夾具公差應取被加工工件公差的百分之幾，各種不同結構的夾具又能達到怎樣的加工精度。
要解決這個問題，想從理論上進行計算，不僅計算復雜，勞動量很大，也沒有什么實際價值。通常是根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)來進行機床配置型式的選擇。下面就介紹一下各種配置型式機床的加工精度的情況。
a．固定式夾具組合機床的加工精度
這類機床可達到的加工精度最高。對于精加工機床的夾具，其公差一般取被加工零件公差的1/3。但對粗加工機床，由于其他因素的影響，精度要求也不能很低。這種機床加工時能達到的精度：
（1）鉆孔位置精度：采用固定導向一般能達mm。當嚴格要求主軸與導向的不同軸度，減少鉆頭與導套之間的間隙、導向靠近工件等，可達mm。當采用與夾具以定位銷定位的活動鉆模板時，鉆孔位置精度為mm。
（2）鏜、鉸孔位置精度：采用固定精度導向時，孔間距離和孔的軸線與基面的位置精度可達mm。
（3）鏜孔不同軸度及軸線間不平行度：若由一面鏜孔，鏜桿采用前后或多層精密導向，不同軸度可達0.015～0.03mm。若由兩面鏜孔而且是單軸，便于調整主軸位置精度時，不同軸度也可達0.015～0.03mm。但從二面多軸加工時，孔的不同軸度一般為0.05mm。鏜孔軸線間的不平行度，可保持在軸線間距離公差數(shù)值范圍之內，在調整精確時，也可達0.02～0.05/800～1000。
b．帶移動式夾具組合機床的加工精度
在多工位機床上，由于回轉工作臺或回轉鼓輪轉位時有誤差，而影響加工精度。立式多工位機床，夾具固定于同一臺面上，用一個大活動鉆模板，加工時與夾具定位，其工作臺轉位誤差，增大主軸相對導向的軸心偏移和相鄰工位加工孔的位置誤差。鼓輪機床經(jīng)常是導向套設在兩側支架上，由于鼓輪分度誤差、軸承振擺、各工位夾具與支架上導向不同心等原因，加工精度較低。
（1） 鉆孔位置精度：在立式多工位機床上，采用統(tǒng)一活動鉆模板能達到mm。在鼓輪機床上，當導向設在支架上時，鉆孔位置精度能達到。
（2） 精加工孔的位置精度：當在一個工位上同時進行孔的精加工時，其位置精度可達到。在不同工位上分別進行孔的精加工時，立式回轉工作臺機床可達到；回轉鼓輪機床只能達到以上。
在立式回轉工作臺機床上，為了達到更高精度，在精加工工位上采取獨自的鉆模板，并和夾具很好的定位，有條件時和工件前道工序精加工的孔定位，則更為有利。
在鼓輪機床上使導向設在鼓輪夾具上也能獲得較高的加工精度?；蛘甙捶稚⑴渲眯褪皆O計制造鼓輪機床，在每個工位上采用各自的小動力頭，帶導向或不帶導向按剛性主軸進行加工，這樣可以分別精確調整各動力頭的位置，從而可以達到高的精度。如按這種方法設計制造的加工縫紉機軸曲柄的8工位鼓輪機床，經(jīng)過鉆、擴、鉸、兩孔距17.4mm的位置精度達到。
3）中小批生產(chǎn)用組合機床的特點
實踐證明，組合機床在大批大量生產(chǎn)中，是提高生產(chǎn)率，保證加工質量最有效的設備。隨著生產(chǎn)發(fā)展的需要，發(fā)展了多種組合機床配置型式。但是在研究用于中小批生產(chǎn)的組合機床時，把適用于大批生產(chǎn)的組合機床配置型式，直接用于中小批生產(chǎn)，常常由于設備投資很大，而生產(chǎn)批量不大，使機床負荷不高，不能充分發(fā)揮組合機床的作用，因而不符合多快好省的原則。所以必須根據(jù)中小批生產(chǎn)中生產(chǎn)中生產(chǎn)批量不大的特點，研究最適合的組合機床的品種及其配置型式。
目前在擬定中小批生產(chǎn)用組合機床方案時，通常采用下列兩種方法來提高組合機床的利用率，使得在這些企業(yè)中采用組合機床能取得良好的經(jīng)濟效果。
（1） 增加批量 采取多品種加工方法，人為地增加批量，使之接近于大批生產(chǎn)，降低加工成本。同時機床具有較大的靈活性與可調性，能比較方便的實現(xiàn)多品種加工。
（2） 盡可能在一臺機床上集中完成更多的工序 在滿足生產(chǎn)率要求的前提下，延長單件工時，這樣就可以提高機床的利用率，減少機床臺數(shù)和設備投資。
4)組合機床不同方案分析比較的主要指標
對于同樣的工件，為了完成同樣的工藝內容，可以有各種不同的機床配置方案。在最后決定采取那種機床方案時，應堅持土洋并舉，反對貪大求全，正確處理先進性和可靠性的關系，選擇符合多快好省的機床方案。通?？梢园凑障旅嬷笜藖肀容^：
（1） 機床生產(chǎn)率：各種方案雖然都能滿足生產(chǎn)率的要求，但機床的負荷率是不同的，例如有的偏高，在95％以上；有的偏低，在30%左右。應當根據(jù)具體情況，采取負荷率適宜的機床方案。機床負荷率一般以在70%～90％為好。
（2） 加工的精度：在滿足工件加工精度要求的條件下，有的機床方案能持久保證精度，有的則差些。因此，要根據(jù)加工精度要求的高低具體選用合適的方案。
（3） 機床使用方便性和自動化程度：不應過分追求機床的自動化程度，應當使機床自動化程度與機床生產(chǎn)率相適應，并且考慮到經(jīng)濟效果和設計制造周期。
（4） 排除切屑的方便性：由于切屑排除不便，有時會影響機床加工精度及工作可靠性。這也是選擇方案應給予足夠重視的因素。
（5） 機床結構的復雜程度和通用化程度：機床結構簡單，通用化程度高，可以降低機床制造成本，提高機床工作可靠性。
（6） 刀具的復雜程度，刃磨、調整和更換的方便性。
（7） 機床的外形尺寸：應選擇體積小、重量輕的方案。
在對機床方案進行上述分析比較的基礎上，還應進行機床不同方案經(jīng)濟效果的分析，這主要包括：所需操作工人數(shù)，機床所需廠房面積，工藝設備總投資，單件工序成本以及采用組合機床后增加的投資的回收期等。
最后應當說及的，就是在有的情況下，例如為了解決關鍵工序穩(wěn)定的加工精度，雖然由于工件產(chǎn)量不大，經(jīng)濟效果并不很好，仍然有采用組合機床的必要。
總之，根據(jù)以上原則，通過對加工零件結構特點，加工要求的分析，知此為單工位加工，又因為零件的對稱性可采用雙面組合機床加工以進一步提高生產(chǎn)率。故選用單工位雙面組合機床配置方式。
機床的側底座和中間底座及液壓滑臺可選用通用部件。
2.2機床支撐形式的選擇
機床中常用的支承件有床身、底座、立柱、橫梁、橫臂、刀架及工作臺等。這些支承件，或單獨使用，或組合使用。
支承件應滿足的基本要求：
1.應具有足夠的剛度和較高的剛度——質量比。
2.應具有較好的動態(tài)特性，包括較大的位移阻抗和阻尼，整機的低階頻較高，若階頻不致引起結構共振，不會因薄壁振動而產(chǎn)生噪聲。
3.熱穩(wěn)定性好，熱變形對機床加工精度的影響較小。
排屑暢通，吊運安全，并具有良好的結構工藝性。
機床支承形式可歸納為下列5種：
（1）一字形（“一”形）支承 支承件是床身，或床身與底座的組合。具有這種支承形式的機床，稱為臥式機床。
（2）柱形（“┃”形）支承 支承件是立柱，或立柱與底座的組合。具有這種支承形式的機床，稱為立式機床。
（3）倒丁字形（“”形）支承 支承件是床身和立柱的組合。具有這種支承形式的機床，稱為復合式機床。
（4）槽形（“”形）支承 支承件是床身（或底座）、立柱、橫臂三者的組合。具有這種支承形式的機床，稱為單臂式機床。
（5）框形（“ ”形）支承 機床的支承件由床身、橫梁及雙立柱組合而成，形成封閉的框形結構。具有這種支承形式的機床，稱為龍門式機床。
由于支承件的結構形狀十分復雜，受力條件也很復雜，所以對支承件主要是進行近似的工程技術計算，用近似的技術計算結果，來和已有的經(jīng)過生產(chǎn)實踐考驗的同類型支承件的計算結果進行比較，進而評價所設計的支承件。
由工件的形狀及加工原理知，宜采用臥式形式（帶一固定式夾具）。
2.3 車方主軸頭的結構方案
機床上實現(xiàn)車方的主軸頭結構，如圖1-5所示：
圖1-5車方機床車頭結構圖
徑向對稱安裝兩把車刀1的刀桿軸2、法蘭盤3和主軸4，由銷和螺釘固聯(lián)在一起，經(jīng)滾動軸承安裝在裝配式曲軸（即系桿）7上。軸7接動力源為主動軸，帶動刀桿軸2作公轉。因與刀桿軸2固聯(lián)之主軸4上的齒輪Z3（行星輪6）和固定在箱體上的內齒輪Z4（中心輪5）嚙合，所以刀桿軸2在隨著系桿公轉的同時，還與齒輪Z3一起作自轉，這就保證了形成空間的行星運動，并使刀尖點描繪出滿足工件尺寸要求的橢圓曲線。當工件被固定在夾具中，并調整到與系桿回轉軸線同軸后靜止不動，而車刀在回轉的同時，又由滑臺帶著主軸頭作直線進給，便完成了車方的工作。
3 基本運動參數(shù)確定
3.1 切削力的計算及刀具的選擇
1. 刀具與工藝方案的關系
專用機床刀具，是專用機床主要組成部分之一。刀具的選用、設計、制造正確與否，對機床的加工精度和效率有著重要影響。在專用機床上常采用多刀，復合刀具及特種刀具，從而使工序集中，機床結構簡化，提高產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率。
2. 刀具的選擇原則
（1）如果條件允許，應該首先選取標準刀具；
（2）為提高工序集中程度，或達到更高的精度，可采用復合刀具。但在確定復合刀具結構時，應盡可能采用組裝式復合刀具。
3. 切削用量的確定
(1) 車方機床的主軸上對稱安裝了兩把車刀,但由圖2 可知,兩把刀不會同時切削,切削深度從F 點= 0 逐漸增大至E 點 == 1.5mm ,再逐漸減小至G 點= 0 。其它3個面的切削深度也依次作同樣改變。所以最大切深度 = 1.5mm .
(2)根據(jù)零件表面粗糙度的要求,選f =0.3mm/ r。
(3) 刀具材料選用YT15（適合加工鋼料及斷續(xù)切削） 。為了保證一定的刀具耐用度,選v = 90m/ min = 1.5m/ s。
4. 零件材料45 鋼,加工時的材料硬度為187HB ,查《機械加工工藝手冊》,得:單位切削力p = 1 962N/ mm2 ;切削力Fz = p f = 1 962 ×1.5 ×0.3 = 883N ;切削功率P = v ×= 883×1.5×=1.3245kW;取機床總效率η= 0.75 ,則電機功率= P/η = 1.3245/ 0.75 = 1.766kW。
附表1 硬質合金外圓車刀切削常用金屬材料時的單位切削力與單位切削功率
工件材料
單位切削力P
單位切削功率
實驗條件
類別
名稱
牌
號
制造、熱處理
硬度
刀具幾何參數(shù)
切削用量范圍
鋼
易切鋼
Y40Mn
熱軋
202
1668
碳素結構鋼合金結構鋼
熱軋或正火
134～137
1884
45
187
1962
40Cr
212
40MnB
207～212
38CrMoAlA
241～269
45
調質（淬火及回火
229
2305
40Cr
285
38CrSi
292
2197
45
淬硬
44
2649
工
具鋼
60Si2Mn
熱軋
269～277
1962
T10A
退
火
189
2060
9CrSi
223～228
Cr12
223～228
Cr12MoV
262
3.2 電動機的選擇
1.電動機選擇時要考慮的問題：
（1）由于一般生產(chǎn)單位多采用三相交流電源，故無特殊要求時均應選用三相交流電動機。其中以三相異步帶能動機應用最多，常用為Y系列三相異步電動機。
（2）電動機的功率選擇是否合適，對電動機的正常工作和經(jīng)濟性都有影響。功率選的過小不能保證工作機的正常工作，或使電動機因超載而過早損壞；功率選的過大則電動機的價格高，能力又得不到充分的發(fā)揮，而且由于電動機經(jīng)常不在滿載下運轉，其效率和功率因數(shù)都較低而造成能源的浪費
（3）電動機的同步轉速愈高，磁極對數(shù)愈少，外廓尺寸愈小，價格愈低。但是電動機轉速相對于工作機轉速過高勢必使總傳動比加大，致使傳動裝置結構復雜，外廓尺寸增加，制造成本提高。而選用較低轉速的電動機，其優(yōu)缺點剛好相反。因此，在確定電動機的轉速時，應進行分析比較，權衡利弊，按最佳方案選擇。
2.電動機功率的選擇
考慮到減速器的降速比不宜過大，所以初步選擇電動機的轉速
再根據(jù)所須電動機功率為。
查簡明機械設計手冊 續(xù)表
但是，考慮到機床可能調整加工其它尺寸、材料的方頭或六方頭工件,取電機功率為2.2kW。選用封閉式三相異步電動機，型號為Y132S-8，其輸出功率P=2.2kw。其主要性能參數(shù)如表3-1所示。
表3-1 電動機主要性能參數(shù)
電動機的功率P
2.2 kw
額定電流
5.5A
額定轉距
2.0
電動機滿載轉速n
710 r/min
堵轉轉矩 / 額定轉矩
2.0
電動機的效率
0.81
電動機的重量
63kg
3.電動機的安裝型式
選用基本結構型式，機座不帶底腳，端蓋有凸緣。安裝結構型式為
制造范圍（機座號）為80-315。其示意圖如圖3-1所示：
圖3-1 電動機的安裝示意圖
表3-2 電動機主要安裝尺寸
電動機軸伸直徑D
48mm
電動機軸伸長度E
110mm
軸伸上鍵槽的尺寸
14mm9mm
電動機法蘭外徑尺寸
350mm
電動機法蘭內徑尺寸
250mm`
電動機法蘭螺栓孔均不圓直徑
300mm
法蘭螺栓孔的數(shù)量和直徑
419
電動機的總高度L
710mm
河南理工大學本科畢業(yè)設計 臥式單工位雙面車方組合機床
4 主軸箱及傳動件的設計
4.1 主軸箱傳動系統(tǒng)設計的一般要求
1.在保證主軸的強度、剛度、轉速和轉向要求的前提下，力求是傳動軸和輪為最少。應盡量用一根傳動軸帶動多根主軸；當齒輪嚙合中心距不符合要求時，可采用齒輪變位的方法來湊中心距；
當 時，采用正常齒輪；
時，采用修正齒輪。
式中：A——實際中心矩；
M——為模數(shù)；
、——分別為兩嚙合齒輪齒數(shù)。
2.在保證有足夠強度的前提下，主軸、傳動軸和齒輪的規(guī)格要盡可能少，以減少各類零件的品種；
3.通常應避免通過主動主軸帶動主軸，否則將增加主動主軸的負荷；
4.最佳傳動比為11.5，但允許采用到3～3.5；
5.盡可能避免升速傳動，必要的升速最好放在傳動鏈的最末一、二級，以減少功率損失。
4.2 動力部件的選擇
動力部件是用以實現(xiàn)切削刀具的旋轉和進給運動（動力頭）只用于進給運動（動力滑臺），是組合機床最主要的通用部件。選用何種動力部件，應當根據(jù)具體的加工工藝，機床型式，使用條件，生產(chǎn)條件來確定。例如：對于一般的多軸鉆床和鏜孔機床，可用機械或液壓動力頭，對于銑削、鏜端面孔機床、精鏜等機床，應用動力滑臺配以相應的銑頭，鏜孔，車端面頭，精鏜等；立式機床宜采用動力滑臺或機械動力頭等?？傊?，選用合適的動力部件，使機床具有先進的工藝水平和技術水平，以及良好的工藝效果。
4.3行星輪系齒輪設計
由的分度圓直徑= 130mm ,并考慮齒數(shù)不宜過多,選取行星齒輪和固定齒輪的模數(shù)m =3mm,=130÷3 = 43.33 。選=45由∶= 1∶2 ,得 = 90。
選取齒輪材料40Cr ,硬齒面,齒寬B = 35mm。類比其它機床,本機床的齒輪模數(shù)和分度圓直徑較大,而切削力、切削功率較小,可以推斷齒輪的抗彎強度、接觸疲勞強度有很大的安全裕度,所以校核從略。
4.3.1 行星輪系傳動比計算
若將研究行星輪系的著眼點一改傳統(tǒng)的自由度和傳動比而為行星輪上各點的運動軌跡時，可發(fā)現(xiàn)行星機構能夠進一步擴大應用領域! 取一中心輪（齒數(shù)為）固定，且行星輪齒數(shù)
這種具有特定尺寸關系的行星輪系，如圖所示!
當系桿H, 主動輸入,，可由經(jīng)典的行星輪系傳動比計算公式，求得，說明在該輪系中，系桿帶著行星輪繞軸線作公轉一周的同時，行星輪也與公轉方向相反，自轉
一周!
4.3.2 行星輪系的機構運動分析
該行星機構的運動分析可以當成簡單的平面剛體運動，運用平面運動分析的知識，假設系桿H的角速度為，行星輪的角速度為，應用速度瞬心法，很明顯行星輪和固定的交點是速度瞬心，即上圖中A點，這樣就很容易算出刀具E點的線速度，用速度瞬心法算出刀尖速度的一般式：
對上式求導數(shù)，然后令的導數(shù)為零，得到v的的極值，當是速度最小，為
當是速度最大為
所以可以很明顯的看出：在E點時的刀尖速度最大，
有根據(jù)刀尖在E 點的速度和電機的轉速可以算出 和 的傳動比，前面我們選用的刀具材料用YT15 。為了保證一定的刀具耐用度,選v = 90 m/ min = 1.5 m/ s。
令刀具的最大速度即刀尖在E點的速度 =1.5m/s=1500mm/s 我們可以得到
系桿的角速度
rad/s
根據(jù)轉速的公式：
所以系桿的轉速 r/min
傳動結合我們已經(jīng)選定的電機的轉速可以算出 和
710/123.057=5.7697
4.4 齒輪和設計計算及校核
1.選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)
1） 按照工件的傳動方案，選用直齒圓柱齒輪傳動
2） 車方機床為一般的工作機器，速度不高，故選用7級精度（GB10095-88）
3） 材料選用。由《機械設計第七版》表10-1選擇小齒輪為40Cr（調質） 硬度為280HBS，大齒輪的材料為45鋼（調質）硬度為240HBS，二者的硬度差為40HBS。
附表3 常用齒輪材料及其力學特性
4）選小齒輪的齒數(shù)，大齒輪的齒數(shù)為=5.769 25=144.225
2.按齒面接觸強度計算
有《機械設計第七版》設計計算公式
1） 選用載荷系數(shù) =1.3
2） 計算小齒輪的傳遞轉矩
T= N.mm
3) 有《機械設計第七版》表10-7選用齒寬系數(shù)
4）有表10-6 查得材料的彈性影響系數(shù)
5） 由圖10-21d 按照齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度
=600 MPa ;大齒輪的接觸疲勞強度極限為 =550 MPa
6）由公式 計算應力循環(huán)次數(shù)
=60 1 8 300 15=1.53
7）由圖10-19查接觸疲勞壽命系數(shù)
=0.90 =0.90
8）計算接觸疲勞許用應力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1由《機械設計第七版》式（10-12）得：
2 .計算
1)試算小齒輪分度圓直徑，代入中的較小的值
=54.824 mm
2)計算圓周速度 v
mm
3) 齒寬b==0.554.824=27.41 mm
4) 齒寬與齒高之比 b/n
模數(shù) mm
齒高 h=2.25=2.252.19296=4.93416 mm
b/h=27.41/4.93416=5.56
5）計算載荷系數(shù)
根據(jù)v=2.037 m/s 7級精度 由〈〈機械設計第七版〉〉圖10-8查得動載荷系數(shù) ，直齒輪，假設 N/m
由表10-3查得
由表10-2查得 使用系數(shù) =1.25
有表10-4查得7級精度小齒輪相對支承非對稱布置時
1.493
由b/h=5.56 查圖10-13
所以載荷系數(shù) =
6）按實際的載荷校正所得分度圓直徑
=61.27 mm
7） 計算模數(shù)
mm
3.按齒根彎曲強度計算
有彎曲強度設計公式
1） 確定公式中各個計算數(shù)值
（1） 由《機械設計第七版》圖10-2c查得小齒輪彎曲疲勞強度極限 ；大齒輪的彎曲疲勞強度極限
（2）由圖10-19 查得彎曲疲勞壽命系數(shù)
（3）計算彎曲疲勞許用應力
取安全疲勞安全系數(shù) S=1.4
由《機械設計第七版》式（10-12）得：
（4）計算載荷系數(shù)
（5）查取齒形系數(shù)，應力校正系數(shù)
由《機械設計第七版》表10－5可查得：
； ；
； 。
（6）計算大小齒輪的 ，并加以比較。
大齒輪數(shù)值較大
mm
對于計算結果，由于齒面接觸強度計算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關，可取由彎曲疲勞強度算得的模數(shù)1.779并就近圓整為標準值m=2.0 mm，按接觸強度算得的分度圓直徑=61.27 mm，算出小齒輪的齒數(shù)
取
7）驗算圓周力
合適；
8）按照彎曲疲勞強度校核
故：按彎曲強度校核兩齒輪符合要求。
4. 大小齒輪的幾何尺寸計算
1.分度圓直徑：
2.齒頂高：
3.齒根高：
4.全齒高：
5.齒頂圓直徑：
6.齒根圓直徑：
7.齒寬 b=0.5 62=31
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