第1章 绪论
1.1 机床在国民经济的地位及其发展简史
现代社会中，人们为了高效、经济地生产各种高质量产品，日益广泛的使用各种机器、仪器和工具等技术设备与装备。为制造这些技术设备与装备，又必须具备各种加工金属零件的设备，诸如铸造、锻造、焊接、冲压和切削加工设备等。由于机械零件的形状精度、尺寸精度和表面粗糙度，目前主要靠切削加工的方法来达到，特别是形状复杂、精度要求高和表面粗糙度要求小的零件，往往需要在机床上经过几道甚至几十道切削加工工艺才能完成。因此，机床是现代机械制造业中最重要的加工设备。在一般机械制造厂中，机床所担负的加工工作量，约占机械制造总工作量的40%～60%，机床的技术性能直接影响机械产品的质量及其制造的经济性，进而决定着国民经济的发展水平。可以这样说，如果没有机床的发展，如果不具备今天这样品种繁多、结构完善和性能精良的各种机床，现代社会目前所达到的高度物质文明将是不可想象的。
一个国家要繁荣富强，必须实现工业、农业、国防和科学技术的现代化，这就需要一个强大的机械制造业为国民经济各部门提供现代化的先进技术设备与装备，即各种机器、仪器和工具等。然而，一个现代化的机械制造业必须要有一个现代化的机床制造业做后盾。机床工业是机械制造业的“装备部”、“总工艺师”，对国民经济发展起着重大作用。因此，许多国家都十分重视本国机床工业的发展和机床技术水平的提高，使本国国民经济的发展建立在坚实可靠的基础上。
机床是人类在长期生产实践中，不断改进生产工具的基础上生产的，并随着社会生产的发展和科学技术的进步而渐趋完善。最原始的机床是木制的，所有运动都是由人力或畜力驱动，主要用于加工木料、石料和陶瓷制品的泥坯，它们实际上并不是一种完整的机器。现代意义上的用于加工金属机械零件的机床，是在18世纪中叶才开始发展起来的。当时，欧美一些工业最发达的国家，开始了从工场手工业向资本主义机器大工业生产方式的过度，需要越来越多的各种机器，这就推动了机床的迅速发展。为使蒸汽机的发明付诸实用，1770年前后创制了镗削蒸汽机汽缸内孔用的镗床。1797年发明了带有机动刀架的车床，开创了用机械代替人手控制刀具运动的先声，不仅解放了人的双手，并使机床的加工精度和工效起了一个飞跃，初步形成了现代机床的雏型。续车床之后，随着机械制造业的发展，其他各种机床也陆续被创制出来。至19世纪末，车床、钻床、镗床、刨床、拉床、铣床、磨床、齿轮加工机床等基本类型的机床已先后形成。
上世纪初以来，由于高速钢和硬质合金等新型刀具材料相继出现，刀具切削
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性能不断提高，促使机床沿着提高主轴转速、加大驱动功率和增强结构刚度的方向发展。与此同时，由于电动机、齿轮、轴承、电气和液压等技术有了很大的发展，使机床的转动、结构和控制等方面也得到相应的改进，加工精度和生产率显著提高。此外，为了满足机械制造业日益广阔的各种使用要求，机床品种的发展也与日俱增，例如，各种高效率自动化机床、重型机床、精密机床以及适应加工特殊形状和特殊材料需要的特种加工机床相继问世。50年代，在综合应用电子技术、检测技术、计算技术、自动控制和机床设计等各个领域最新成就的基础上发展起来的数控机床，使机床自动化进入了一个崭新的阶段，与早期发展的仅适用于大批大量生产的纯机械控制和继电器接触器控制的自动化相比，它具有很高柔性，即使在单件和小批生产中也能得到经济的使用。
综观机床的发展史，它总是随着机械工业的扩大和科学技术的进步而发展，并始终围绕着不断提高生产效率、加工精度、自动化程度和扩大产品品种而进行的，现代机床总的趋势仍然是继续沿着这一方向发展。
我国的机床工业是在1949年新中国成立后才开始建立起来的。解放前，由于长期的封锁统治和19世纪中叶以后帝国主义的侵略和掠夺，我国的工农业生产非常落后，既没有独立的机械制造业，更谈不上机床制造业。至解放前夕，全国只有少数城市的一些规模很小的机械厂，制造少量简单的皮带车间、牛头刨床和砂轮等；1949年全国机床产量仅1000多台，品种不到10个。
解放后，党和人民政府十分重视机床工业的发展。在解放初期的三年经济恢复时期，就把一些原来的机械修配厂改建为专业厂；在随后开始的几个五年计划期间，又陆续扩建、新建了一系列机床厂。经过50多年的建设，我国机床工业从无到有，从小到大，现在已经成门类比较齐全，具有一定实力的机床工业体系，能生产5000多种机床通用品种，数控机床1500多种；不仅装备了国内的工业，而且每年还有一定数量的机床出口。
我国机床行业的发展是迅速的，成就是巨大的。但由于起步晚、底子薄，与世界先进水平相比，还有较大差距。为了适应我国工业、农业、国防和科学技术现代化的需要，为了提高机床产品在国际市场上的竞争能力，必须深入开展机床基础理论研究，加强工艺试验研究，大力开发精密、重型和数控机床，使我国的机床工业尽早跻身于世界先进行列。
1.2 组合机床的国内、外现状
世界上第一台组合机床于1908年在美国问世，30年代后组合机床在世界各国得到迅速发展。至今，它已成为现代制造工程（尤其是箱体零件加工）的关键设备之一。
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现代制造工程从各个角度对组合机床提出了愈来愈高的要求，而组合机床也在不断吸取新技术成果而完善和发展。[1]
[2]1.2.1 国内组合机床现状
我国加入WTO以后，制造业所面临的机遇与挑战并存、组合机床行业企业适时调整战略，采取了积极的应对策略，出现了产、销两旺的良好势头，截至2005年4月份，组合机床行业企业仅组合机床一项，据不完全统计产量已达1000余台，产值达3.9个亿以上，较2004年同比增长了10%以上，另外组合机床行业增加值、产品销售率、全员工资总额、出口交费值等经济指标均有不同程度的增长，新产品、新技术较去年年均有大幅度提高，可见行业企业运营状况良好。
（1）行业企业产品结构的变化
组合机床行业企业主要针对汽车、摩托车、内燃机、农机、工程机械、化工机械、军工、能源、轻工及家电行业提供专用设备，随着我国加入WTO后与世界机床进一步接轨，组合机床行业企业产品开始向数控化、柔性化转变。从近两年是企业生产情况来看，数控机床与加工中心的市场需求量在上升，而传统的钻、镗、铣组合机床则有下降趋势，中国机床工具工业学会的《机床工具行业企业主要经济指标报表》是统计数据显示，仅从几个全国大型重点企业生产情况看，2003年生产数控机床890台，产值16187万元，生产加工中心148台，产值5770万元；2004年生产数控机床985台，产值25838万元，生产加工中心159台，产值7099万元；而2005年，截至4月份，数控机床、加工中心、产值已接近2003年全年水平，故市场在向数控、高精制造技术和成套工艺装备方面发展。
（2）行业企业的快速转变
“九五”后期，在组合机床行业企业的50多家组合机床分会会员中，仅有两家企业实行了股份改造，一家企业退出国有转为民营，其余的都是国有企业。而从2001至2002年，不到两年的时间，就先后有十几家企业实行股份制改造，一些小厂几乎全部退出国有转为民营，现在一些国家重点国有企业也在酝酿股份制改造，转制已势不可档，“民营经济在经历了从被歧视，被藐视到不可小视和现在高度重视4个阶段后，焕发勃勃生机。”组合机床行业企业正在以股份制、民营化等多种形式快速发展。
（3）组合机床技术装备现状与发展趋势
组合机床及其自动线是集机电于一体是综合自动化度较高的制造技术和成套工艺装备。它的特征是高效、高质、经济实用，因而被广泛应用与工程机械、交通、能源、军工、轻工、家电行业。我国的传统的组合机床及组合机床自动线主要采用机、电、气、液压控制，它的加工对象主要是生产批量比较大的大中型
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的箱体类和轴类零件（近年研制的组合机床加工连杆、板件等也占一定份额），完成钻孔、扩孔、铰孔，加工各种螺纹、镗孔、车端面和凸台，在孔内镗各种形状槽，以及铣削平面和成型面等。组合机床的分类繁多，有大型组合机床和小型组合机床，有单面、双面、三面、卧式、立式、倾斜式、复合式，还有多工位回转台组合机床等；随着技术的不断是进步，一种新型的组合机床——柔性组合机床越来越受人们是亲昧，它应用多位主轴箱、可换主轴箱、编码随行夹具和刀具的自动更换，配以可编程序控制器（PLC）、数字控制（NC）等，能任意改变工作循环控制和驱动系统，并能灵活适应多种加工的可调可变的组合机床。另外，近年来组合机床加工中心、数控组合机床、机床辅机等在组合机床行业中所占份额也越来越大。
由于组合机床及其自动线是一种技术综合性很高的高技术专用产品，是根据用户特殊要求而设计的，它涉及到加工工艺、刀具、测量、控制、诊断监控、清洗、装配和试漏等技术。我国组合机床及其组合机床自动线总体技术水平比发达国家相对落后，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，满足用户需要，真正成为刚柔兼备的自动化装备。 1.2.2 国外组合机床现状
[2]
80年代以来，国外组合机床技术在满足精度和效率要求的基础上，正朝着综合成套和具备柔性的方向发展。组合机床的加工精度、多品种加工的柔性以及机床配置的灵活多样方面均有新的突破性进展，实现了机床工作程序软件化、工序高度集中、高效短节拍和多功能知道监控。组合机床技术的发展趋势是：
（1）广泛应用数控技术
国外主要的组合机床生产厂家都有自己的系列化完整的数控组合机床通用部件,在组合机床上不仅一般动力部件应用数控技术,而且夹具的转位或转角、换箱装置的自动分度与定位也都应用数控技术,从而进一步提高了组合机床的工作可靠性和加工精度。广州标致汽车公司由法国雷诺公司购置的缸盖加工生产线,就是由三台自动换箱组合机床组成的,其全部动作均为数控,包括自动上下料的交换工作台、环形主轴箱库、动力部件和夹具的运动,其节拍时间为58秒。
(2)发展柔性技术
80年代以来,国外对中大批量生产,多品种加工装备采取了一系列的可调、可变、可换措施,使加工装备具有了一定的柔性。如先后发展了转塔动力头、可换主轴箱等组成的组合机床;同时根据加工中心的发展,开发了二坐标、三坐标模块
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化的加工单元,并以此为基础组成了柔性加工自动线(FTL)。这种结构的变化,既可以实现多品种加工要求的调整变化快速灵敏,又可以使机床配置更加灵活多样。
(3)发展综合自动化技术
汽车工业的大发展,对自动化制造技术提出了许多新的需求,大批量生产的高效率,要求制造系统不仅能完成一般的机械加工工序,而且能完成零件从毛坯进线到成品下线的全部工序,以及下线后的自动码垛、装箱等。德国大众汽车公司KASSEL变速箱厂1987年投入使用的造价9000万马克的齿轮箱和离合器壳生产线,就是这种综合自动化制造系统的典范。该系统由两条相似对称布置的自动线组成,三班制工作,每条线日产2000件,节拍时间为40秒。全线由12台双面组合机床、18台三坐标加工单元、空架机器人、线两端的毛坯库和三坐标测量机组成,可实现3种零件的加工。空架机器人完成工件下线的码垛装箱工作。随着综合自动化技术的发展,出现了一批专门从事装配、试验、检测、清洗等装备的专业生产厂家,进一步提高了制造系统的配套水平。
(4)进一步提高工序集中程度
国外为了减少机床数量,节省占地面积,对组合机床这种工序集中程度高的产品,继续采取各种措施,进一步提高工序集中程度。如采用十字滑台、多坐标通用部件、移动主轴箱、双头镗孔车端面头等组成机床或在夹具部位设置刀库,通过换刀加工实现工序集中,从而可最大限度地发挥设备的效能,获取更好的经济效益。
1.3 机床设计的目的、内容、要求
1.3.1 设计的目的
机床设计毕业设计，其目的在于通过机床主运动机械变速传动系统的结构设计，使我们在拟定传动和变速的结构方案过程中，得到设计构思、方案的分析、结构工艺性、机械制图、零件计算、编写技术文件和查阅资料等方面的综合训练，树立正确的设计思想，掌握基本的设计方法，培养基本的设计方法，并培养了自己具有初步的结构分析、结构设计和计算能力。 1.3.2 设计内容
1、运动设计 根据给定的被加工零件，确定机床的切削用量，通过分析比较拟定传动方案和传动系统图，确定传动副的传动比及齿轮的齿数，并计算主轴的实际转速与标准的相对误差。
2、动力设计 根据给定的工件，初算传动轴的直径、齿轮的模数；确定动力箱；计算多轴箱尺寸及设计传动路线。完成装配草图后，要验算传动轴的直径，
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齿轮模数否在允许范围内。还要验算主轴主件的静刚度。
3、结构设计 进行主运动传动轴系、变速机构、主轴主件、箱体、润滑与密封等的布置和机构设计。即绘制装配图和零件工作图。
4、编写设计说明书 1.3.3 设计要求
评价机床性能的优劣，主要是根据技术—经济指标来判定的。技术先进合理，亦即“质优价廉”才会受到用户的欢迎，在国内和国际市场上才有竞争力。机床设计的技术—经济指标可以从满足性能要求、经济效益和人机关系等方面进行分析。
1.4 机床的设计步骤
1.4.1 调查研究
研究市场和用户对设计机床的要求，然后检索有关资料。其中包括情报、预测、实验研究成果、发展趋势、新技术应用以及相应的图纸资料等。甚至还可以通过网络检索技术查阅先进国家的有关资料和专利等。通过对上述资料的分析研究，拟订适当的方案，以保证机床的质量和提高生产率，使用户有较好的经济效益。
1.4.2 拟定方案
通常可以拟定出几个方案进行分析比较。每个方案包括的内容有：工艺分析、主要技术参数、总布局、传动系统、液压系统、控制操作系统、电系统、主要部件的结构草图、实验结果及技术经济分析等。
在制定方案时应注意以下几个方面：
（1） 当使用和制造出现矛盾时，应先满足使用要求，其次才是尽可能便于制造。要尽量用先进的工艺和创新的结构；
（2） 设计必须以生产实践和科学实验为依据，凡是未经实践考验的方案，必须经过实验证明可靠后才能用于设计；
（3） 继承与创造相结合，尽量采用先进工艺，迅速提高生产力，为实现四个现代化服务。注意吸取前人和国外的先进经验，并在此基础上有所创造和发展。
1.4.3 工作图设计
首先，在选定工艺方案并确定机床配置形式、结构方案基础上，进行方案图
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纸的设计。这些图子包括：被加工零件工序图、加工示意图、机床联系尺寸图和生产率计算卡，统称“三图一卡”设计。并初定出主轴箱轮廓尺寸，才能确定机床各部件间的相互关系。
其次，绘制机床的总装图、部分部件装配图、液压系统图、PLC接线图和梯形图。
然后，整理机床有关部件与主要零件的设计计算书，编制各类零件明细表，编写机床说明书等技术文件。
最后，对有关图纸进行工艺审查和标准化审查。
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第2章 四轴头多工位同步钻床总体设计
2.1 组合机床方案的制定
2.1.1 制定工艺方案
零件加工工艺将决定组合机床的加工质量、生产率、总体布局和夹具结构等。所以，在制定工艺方案时，必须计算分析被加工零件图，并深入现场了解零件的形状、大小、材料、硬度、刚度，加工部位的结构特点加工精度，表面粗糙度，以及定位，夹紧方法，工艺过程，所采用的刀具及切削用量，生产率要求，现场所采用的环境和条件等等。并收集国内外有关技术资料，制定出合理的工艺方案。
根据被加工被零件（减速箱箱盖）的零件图（图2-1），加工八个螺栓孔的工艺过程。
1．加工孔的主要技术要求。
加工8个Φ10的孔。表面粗糙度Ra3.2um. 孔的位置度公差为Φ0.3mm 工件材料为HT200，HB175～255
要求生产纲领为（考虑废品及备品率）年产量6万件，单班制生产 2．工艺分析
加工该孔时，除粗糙度要求外（Ra3.2um），孔的位置度公差为0.3mm 根据组合机床用的工艺方法及能达到的经济精度，可采用如下的加工方案。
钻 扩或钻 铰
3．定位基准及夹紧点的选择
加工此箱盖的孔，以底面的三个支承点限制Z和X、Y三个自由度，位于右边上的两个支承点限制了X和Z自由度，位于前面上的一个支承点限制Y一个自
由度。这样工件的6个自由度被完全限制了。
在保证加工精度的情况下，提高生产效率减轻工人劳动量，而工件也是大批量生产，由于夹具在本设计中没有考虑，因此在设计时就认为是人工夹紧。 2.1.2 确定组合机床的配置形式和结构方案。
1．被加工零件的加工精度
被加工零件需要在组合机床上完成的加工工序及应保证的加工精度，是制造机床方案的主要依据。箱盖加工孔的精度要求不高，可采用多工位组合机床，工
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图2－1 被加工零件图
件各孔间的位置精度为0.3mm,它的位置精度要求不是很高，安排加工时可以在下一个安装工位上对所有孔进行最终精加工。为了加工出表面粗糙度为Ra3.2um的孔。采取提高机床原始制造精度和工件定位基准精度并减少夹压变形等措施就可以了。为此，机床通常采用尾置式齿轮动力装置，进给采用液压系统，人工夹紧。
2.被加工零件的特点
这主要指零件的材料、硬度加工部位的结构形状，工件刚度定位基准面的特点，它们对机床工艺方案制度有着重要的影响。此箱盖的材料是HT200、硬度HB175-255、孔在长度方向的距离是100mm、在宽度方向的距离是190mm、孔的直径为Φ10mm。采用多孔同步加工，零件的刚度足够，工件受力不大，振动，及发热变形对工件影响可以不计。
一般来说，孔中心线与定位基准面平行且需由一面或几面加工的箱体宜用卧式机床，立式机床适宜加工定基准面是水平的且被加工孔与基准面垂直的工件，而不适宜加工安装不方便或高度较大的细长工件。对大型箱体件采用单工位机床加工较适宜，而中小型零件则多采用多工位机床加工。
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此零件的加工特点是中心线与定位基准平面是垂直的，并且定位基准面是水平的。孔的分布范围是直线形状，工件比较长，一次钻完，多轴箱体积较大，采用两工位以减小多轴箱的体积，使整个钻床瘦身，因而适合选择立式多工位钻床。
3.零件的生产批量
零件的生产批量是决定采用单工位、多工位、自动线或按中小批量生产特点设计组合机床的重要因素。按设计要求生产纲领为年生产量为6万件，从工件外形及轮廓尺寸，为了减少加工时间，采用多轴头，为了减少机床台数，此工序尽量在一台机床上完成，以提高利用率。
4.机床使用条件
使用组合机床对对车间布置情况、工序间的联系、使用厂的技术能力和自然条件等一定的要求。在根据使用户实际情况来选择什么样的组合机床。
综合以上所述：通过对箱盖零件的结构特点、加工部位、尺寸精度、表面粗糙度和技术要求、定位、夹紧方式、工艺方法，并定出影响机床的总体布局和技术性能等方面的考虑，最终决定设计四轴头多工位同步钻床。
2.2 确定切削用量及选择刀具
2.2.1 确定工序间余量
为使加工过程顺利进行并稳定的保证加工精度，必须合理地确定工序余量。生产中常用查表给出的组合机床对孔加工的工序余量，由于在本钻床上钻孔后重新安装或在其他多工位机床上加工下道工序，应适当加大余量，以消除转、定位误差的影响。Φ10mm的孔在钻孔后扩孔，直径上工序间余量1.5～2.0mm。 2.2.2 选择切削用量
确定了在组合机床上完成的工艺内容了，就可以着手选择切削用量了。因为所设计的组合机床为多轴同步加工在大多数情况下，所选切削用量，根据经验比一般通用机床单刀加工低30%左右．多轴主轴箱上所有刀具共用一个进给系统，通常为标准动力滑台，工作时，要求所有刀具的每分钟进给量相同，且等于动力滑台的每分钟进给量（mm/min）应是适合有刀具的平均值。因此，同一主轴箱上的刀具主轴可设计成不同转速和不同的每转进给量（mm/r）与其适应。以满足不同直径的加需要，即：n1·
式中：n1
、f=n·f122=…=
n·fii=vf
n2、…ni ——各主轴转速（r/min）
f、1f、2…
fi——各主轴进给量（mm/r）
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vf——动力滑台每分钟进给量（mm/min）
由于箱盖孔的加工精度、工件材料、工作条件、技术要求都是相同的。按照经济地选择满足加工要求的原则，采用查表的方法查得：钻头直径D=10mm,铸铁HB175～255、进给量f=0.1mm/r、切削速度v=15m/min. 2.2.3 确定切削力、切削扭矩、切削功率
根据选定的切削用量（主要指切削速度v及进给量f）确定切削力，作为选择动力部件（滑台）及夹具设计的依据；确定切削扭矩，用以确定主轴及其它传动件（齿轮，传动轴等）的尺寸；确定切削功率，用以选择主传动电动（一般指动力箱）功率，通过查表计算如下：
1布氏硬度：HB =HBmin－(HBmax－HBmin)
31 =255－(255－175)
3 =228.33
切削力：F=26Df0.8HB0.6
=26×10×0.10.8×228.330.6 =1071.79 N 切削扭矩：T=10D1.9f0.8HB0.6
=10×101.9×0.10.8×228.330.6 =3274.45 N·mm 切削功率：P=Tv9740D
=3274.45×15/(9740×3.14×10) =0.164 kw
式中：HB——布氏硬度 F——切削力（N） D——钻头直径（mm） f——每转进给量（mm/r） T——切削扭矩(N·mm) V——切削速度（m/min） P——切削功率(kw)
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2.2.4 选择刀具结构
箱盖的布氏硬度在HB175～255，孔径D为10mm，刀具的材料选择高速钢钻头（W18Cr4V），为了使工作可靠、结构简单、刃磨简单，选择标准Φ10的麻花钻。孔加工刀具的长度应保证加工终了时刀具螺旋槽尾端与导向套之间有30～50mm的距离，以便排出切屑和刀具磨损后有一定的向前的调整量。
2.3 四轴头多工位同步钻床总设计“三图一卡”的编制
前面对四轴头多工位同步钻床工艺方案及配置型式、结构方案确定的有关问题，它是钻床总体设计的重要内容。下面就以钻床加工箱盖总体设计的另一个问题，既总体设计方案的图纸表达形式——“三图一卡”设计，其内容包括：
绘制被加工零件工序图、加工示意图、机床联系尺寸图、编制生产率卡。 2.3.1 被加工零件工序图
1、被加工零件工序图的作用及内容
被加工零件工序图是根据选定的工艺方案，表示一台组合机床完成的工艺内容，加工部位的尺寸、精度、表面粗糙度及技术要求，加工用的定位基准、夹具部位及被加工零件的材料、硬度、重量和在本道工序加工前毛坯或成品状况的图纸，它不能用用户提供的图纸代替，而是在原零件图基础上，突出本机床的加工的内容，加上必要的说明绘制成的。它是组合机床设计的主要依据，也是制造、使用、检验和调整机床的重要技术文件。箱盖用四轴头多工位组合机床的被加工零件工序图如2－2所示。
图上主要内容：
（1）被加工零件的形状，主要外廓尺寸和本机床要加工部位的尺寸、精度、表面粗糙度、形位精度等技术要求，以及对上道工序的技术要求等。
（2）本工序所选定的定位基准、夹紧部位及夹紧方向。
（3）加工时如需要中间向导，应表示出工件与中间向导有关部位结构和尺寸，以便检查工件、夹具、刀具之间是否相互干涉。
（4）被加工零件的名称、编号、材料、硬度及被加工部位的加上余量等。 2、绘制被加工零件工序图的注意事项
（1）为了使被加工零件工序图清晰明了，一定要图出被本机床的加工内容。绘制时，应按一定的比例，选择足够的视图及剖视图，突出加工部位（用粗实线），并把零件轮廓及与机床、夹具设计有关部位（用细实线）表清楚，凡本道工序保证的尺寸、角度等，均应在尺寸数值下方面用粗实线标记。如图2－2中8－Φ
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图2－2 被加工零件工序图
附注：1.被加工零件名称及编号：箱盖；
2.材料及硬度：灰铸铁HT200，HB175~255； 3.\" \"上尺寸为本工序保证尺寸；
10加工用定位基准，机械夹压位置及方向，辅助支承均须用规定的符号表示出来。
（2）加工部位的位置尺寸应由定位基准注起，为便于加工及检查，尺寸应采用直角坐标系标出，而不采用极坐标，但有时因所选定位基准与设计基准不重合，则须对加工部位要求位置尺寸精度进行分析换算。此外，应将零件图的不对
0.1称位置尺寸公差换算成对称尺寸公差，如图2－1中的尺寸600.3应换算为图
2－2中的尺寸59.80.1，以便在进行夹具和主轴箱设计时，确定导向孔与主轴孔的位置坐标尺寸。 2.3.2 加工示意图
1、加工示意图的作用和内容
加工示意图是被加工零件工艺方案在图样上的反映，表示被加工零件在机床
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上的加工过程，刀具的布置以及工件、夹具、刀具的相对位置关系，机床的工作行程及工作循环等，是刀具、夹具、多轴箱、电气和液压系统设计选择动力部件的主要依据，是整台组合机床布局形式的原始要求，也是调整机床和刀具所必需的重要文件。图2－3为箱盖上8孔立式钻床加工示意图。
图2－3钻床加工示意图
在图上应标注的内容：
（1）机床的加工方法，切削用量，工作循环和工作行程。 （2）工件、夹具、刀具及多轴箱端面之间的距离等。
（3）主轴的结构类型，尺寸及外伸长度；刀具类型，数量和结构尺寸、接杆、导向装置的结构尺寸；刀具与导向置的配合，刀具、接杆、主轴之间的连接方式，刀具应按加工终了位置绘制。
2、绘制加工示意图之前的有关计算
（1）刀具的选择 刀具选择考虑加工尺寸精度、表面粗糙度、切削的排除及生产率要求等因素。刀具的选择前已述及，此处就不在追述了。
（2）导向套的选择 在组合机床上加工孔，除用刚性主轴的方案外，工件的尺寸、位置精度主要取决于夹具导向。因此正确选择导向装置的类型，合理确
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定其尺寸、精度，是设计组合机床的重要内容，也是绘制加工示意图时必须解决的内容。
1）选择导向类型 根据刀具导向部分直径d=10mm和刀具导向的线速度v=15m/min，选择固定式导向。
2）导向套的参数 根据刀具的直径选择固定导向装置，如图2－4所示：
图2－4 固定导向装置
固定导向装置的标准尺寸如下表： 表2－1 固定导向装置的标准尺 d 10 D 18 D1 26 D2 30 L 28 l1 38 m 13 R 22
d1 M8 d2 16 l0 16 固定装置的配合如下表： 表2－2 固定装置的配合 导向 类别 固定 导向 工艺 方法 钻孔 D D H7g6 D1 H7js6 刀具导向 部分外径 g6 G7（或F8） 固定导向装置的布置如图2－5所示 导向装置的布置如表2－3所示： 表2－3 导向装置的参数(mm)
尺寸 项目 与直径d的关系 计算值 l1 (2～3)d 3×d=30 l2 加工铸铁 10 d l3 d/3+(3～8) 10/3+8=12
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图2－5 固定导向装置的布置
（3）初定主轴类型、尺寸、外伸长度
因为轴的材料为40Cr，剪切弹性模量G=81.0GPa,刚性主轴取ψ＝1／4（0）／m,所以B取2.316，
根据刚性条件计算主轴的直径为：
dB4T=2.316×43274.45=17.52mm 式中：d——轴直径（mm）
T——轴所承受的转矩（N·mm）
B——系数
本设计中所有主轴直径皆取d=20mm,主轴外伸长度为：L=115mm，D/d1为32/20，内孔长度为：l1 =77mm.
（4）选择刀具接杆 由以上可知，多轴箱各主轴的外伸长度为一定值，而刀具的长度也是一定值，因此，为保证多轴箱上各刀具能同时到达加工终了位置，就需要在主轴与刀具之间设置可调环节，这个可调节在组合机床上是通过可调整的刀具接杆来解决的,连接杆如图2－6所示，
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图2－6 可调连接杆
连接杆上的尺寸d与主轴外伸长度的内孔D配合，因此，根据接杆直径d选择刀具接杆参数如表2－4所示：
表2－4 可调接杆的尺寸 d(h6) 20 D1(h6) Tr20×6 d2 莫氏1号 12.061 d3 17 L 188 l1 l2 l3 100 螺母 厚度 12 46 40 （5）确定加工示意图的联系尺寸
从保证加工终了时主轴箱端面到工件端面间距离最小来确定全部联系尺寸，加工示意图联系尺寸的标注如图2－3所示。其中最重要的联系尺寸即工件端面到多轴箱端面之间的距离（图中的尺寸333mm）,它等于刀具悬伸长度、螺母厚度、主轴外伸长度与接杆伸出长度（可调）之和，再减去加工孔深度和切出值。
（6）工作进给长度的确定 如图2－7工作进给长度L工应等于工件加工部位长度L与刀具切入长度L1和切出长度L2之和。切入长应L1应根据工件端面误差情况在5～10mm之间选择，误差大时取大值，因此取L1=7mm，切出长度
L2=1/3d+(3～8)=
1
+8 9mm,所以L工=10+7+9=26mm. 310
（7）快进长度的确定 考虑实际加工情况，在未加工之前，保证工件表面
与刀尖之间有足够的工作空间，也就是快速退回行程须保证所有刀具均退至夹具导套内而不影响工件装卸。这里取快速退回行程为156mm，快退长度等于快速引进与工作工进之和，因此快进长度156－26=130mm.
17
图2－7 工作进给长度
2.3.3 机床联系尺寸图
1、联系尺寸图的作用和内容
一般来说，组合机床是由标准的通用部件——动力箱、动力滑台、立柱、立柱底座加上专用部件——多轴箱、刀、辅具系统、夹具、液、电、冷却、润滑、排屑系统组合而成。联系尺寸图用来表示机床各组成部件的相互装配和运动关
图2－8 机床联系尺寸图
系，以检验机床各部件的相对位置及尺寸联系是否满足要求，通用部件的选择是
18
否合适，并为进一步开展主轴箱、夹具等专用部件、零件的设计提供依据。联系尺寸图也可以看成是简化的机床总图，它表示机床的配置型式及总体布局。
如图2－8所示，机床联系尺寸图的内容包括机床的布局形式，通用部件的型号、规格、动力部件的运动尺寸和所用电动机的主要参数、工件与各部件间的主要联系尺寸，专用部件的轮廓尺寸等。
2、选用动力部件
选用动力部件主要选择型号、规格合适的动力滑台、动力箱。
（1）滑台的选用 通常，根据滑台的驱动方式、所需进给力、进给速度、最大行程长度和加工精度等因素来选用合适的滑台。
1）驱动形式的确定 根据对液压滑台和机械滑台的性能特点比较，并结合具体的加工要求，使用条件选择HY系列液压滑台。
2）确定轴向进给力 滑台所需的进给力
F进=∑Fi=4×1071.79=4287.16N
式中：Fi——各主轴加工时所产生的轴向力
由于滑台工作时，除了克服各主轴的轴的向力外，还要克服滑台移动时所产生的摩擦力。因而选择滑台的最大进给力应大于F进＝4.29KN。
3）确定进给速度 液压滑台的工作进给速度规定一定范围内无级调速，对液压滑台确定切削用量时所规定的工作进给速度应大于滑台最小工作进给速度的0.5～1倍;液压进给系统中采用应力继电器时，实际进给速度应更大一些。本系统中进给速度vf=n·f=47.8mm/min。所以选择HY25IA液压滑台，工作进给速度范围32～800mm/min，快速速度12m/min。
4）确定滑台行程 滑台的行程除保证足够的工作行程外，还应留有前备量和后备量。前备量的作用是动力部件有一定的向前移动的余地，以弥补机床的制造误差以及刀具磨损后能向前调整。本系统前备量为20mm，后备量的作用是使动力部件有一定的向后移动的余地，为方便装卸刀具，这是取40mm,所以滑台总行程应大于工作行程，前备量，后备量之和。
即：行程L＞156+20+40=236mm，取L＝250mm。综合上述条件，确定液压动力滑台型号HY25IA。
（2）由下式估动力箱的选用 动力箱主要依据多轴所需的电动机功率来选用，在多轴箱没有设计之前，P主可算
P主＝P切／η
19
＝4×0.164／0.8 ＝0.82KW
式中：η——多轴箱传动效率，加工黑色金属时η＝0.8～0.9；有色金属时η＝0.7～0.8，本系统加工HT200，取η＝0.8．
动力箱的电动机功率应大于计算功率，并结合主轴要求的转速大小选择。因此，选用电动机型号为Y100L—6B5的1TD25IA型动力箱，电动机功率1.5KW，驱动轴转速为520r/min,动力箱输出轴至箱底面高度为125mm。
（3）Y轴液压滑台的选用
工件质量计算 V=420×240×10＋(2×160＋2×340)×10×30 =1.308×10-3m3
m = ρv=7.0×103×1.308×10-3 =9.156kg 磨擦系数：f=0.07～0.12取f=0.1
F=f·N=0.1mg=0.1×9.156×10=9.156N
由于工作台和夹具还未设计，初选滑台时进给力大于9.156N，由于工件长×宽为420×240mm,选择液压滑台HY32IA型．
2、配套支承部件的选用 立柱1CL25型，立柱底座1CD25 3、确定装料高度
装料高度指工件安装基面至机床底面的垂直距离，在现阶段设计组合机床时，装料高度可视具体情况在H＝580～1060mm之间选取，本系统取装料高度为976mm。
4、中间底座轮廓尺寸
中间底座的轮廓尺寸要满足Y轴滑台在其上面联接安装的需要，又考虑到与立柱底座相连接。因此，中间底座采用侧底座1CC32。
5、确定多轴箱轮廓尺寸
本机床配置的多轴箱总厚度为301mm，宽度和高度按标准尺寸中选取。计算时，多轴箱的宽度B和高度H可按下式确定：
B=b+2b1=190+2×100=390mm H=h+h1+b1=100+100+100=300mm
式中：b——工件在宽度方向相距最远的两孔的距离
b1——最边缘主轴中心距箱外壁的距离，一般取b170～100mm h——工件在高度方向相距最远的两孔距离 h1——最低主轴高度h1>85～140mm。取h1=100mm
根据上述计算值，按主轴箱轮廓尺寸系列标准，最后确定主轴箱轮廓尺寸B
20
×H=400×320mm。 2.3.4 生产率计算卡
生产率计算卡是反映所设计机床的工作循环过程、动作时间、切削用量、生产率、负荷率等技术文件，通过生产率计算卡，可以分析拟定的方案是否满足用户对生产率及负荷率的要求。计算如下：
切削时间： T切= L/vf+t停
= 2×26/47.8＋2×15/478 =1.151 min
式中：T切——机加工时间（min） L——工进行程长度（mm） vf—— 刀具进给量（mm/min）
t停——死挡铁停留时间。一般为在动力部件进给停止状态下，刀具旋转5～15 r所需要时间。这里取15r
辅助时间 T辅 =
L3L4+t移+t装 vfk = （150＋176）×2/12000+0.1+1.5 = 1.654min
式中：L3、L4 ——分别为动力部件快进、快退长度（mm） vfk ——快速移动速度（mm/min）
t移 ——工作台移动时间（min）,一般为0.05～0.13min,取0.1 min
t装 ——装卸工件时间（min）一般为0.5～1.5min,取1.5min 机床生产率 Q1 = 60/T单 = 60/（T切+T辅） =60/（1.151+1.654） =21.39 件/h
机床负荷率按下式计算 η= Q1/Q×100% = Q1tk/A×100%
=21.39×1950/60000×100% =70%
式中：Q——机床的理想生产率（件/h） A——年生产纲领（件）
tk——年工作时间，单班制工作时间tk =1950h
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表2－5 生产率计算卡
图号 被加工 名称 零件 材料 工序名称 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 工步 名称 按装工件 工件定位夹紧 Z轴快下 Z轴工进 Z轴暂停 Z轴快上 Y轴前进 Y轴暂停 Z轴快下 Z轴工进 Z轴暂停 快退 工件松开 卸下工件 HT200 钻箱盖连接孔 工作行切速/进给量/硬度 工序号 进给量/17～255HB 工时/min 工进辅助时间 0.5 0.25 0.013 0.03 0.015 0. 01 0.09 0.013 0.03 0.015 0.25 0.5 1.716 减速器箱盖 毛坯重量 毛坯种类 铸件 程/mm （m·min-1） （mm·r-1） （mm·min-1） 时间 150 26 176 100 150 26 176 15 0.1 12000 47.8 12000 10000 12000 47.8 12000 累计 单件总工时 0.544 0.544 1.088 2.804 备注 1、主轴转速47.8r/min 机床生产率 2、一次安装加工完一个工件 理论生产率 负荷率 21.39 件/h 30.77件/h 70%
22
2.4 多轴箱的设计
2.4.1 绘制多轴箱设计原始依据图
多轴箱设计原始依据图是根据“三图一卡”绘制的如图2－7所示 图中多轴箱的两定位销孔中心连线为横坐标，工件加工孔对称，选择箱体中垂线为纵坐标，在建立的坐标系中标注轮廓尺寸及动力箱驱动轴的相对位置尺寸。主轴部为逆时针旋转（面对主轴看）。
如图2－9 四轴头多工位同步钻床多轴箱原始依据图
主轴的工序内容，切削用量及主轴尺寸及动力部件的型号和性能参数如表 2－6所示
表2－6 主轴外尺寸及切削用量
主轴外伸尺寸 轴号 D/d L 工序 内容 切削用量 N V f Vf （r/min） (m/min) (mm/r) (mm/min) 478 15 0.1 47.8 1、2、3、4 32/20 115 钻Φ10
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注：1．被加工零件编号及名称：箱盖；材料：HT200；硬度:175～255HB
2．动力部件型号：1TD25IA动力箱，电动机型号Y100L-6；功率P＝1.5kw；转速n=940r/min;动力箱输出轴转速520r/min.
2.4.2 主轴、齿轮模数的选择
本组合机床主要用于钻孔，因此采用滚珠轴承主轴。 齿轮模数m可按下式估算：
m=(30～32)3P/(ZN)=32×31.5/(19478)=1.76
式中：m——估算齿轮模数
P——齿轮所传递率（kw）
Z——对啮合齿中的小齿轮数 N——小齿轮的转速（r/min） 多轴箱输入齿轮模数取m1=3，其余齿轮模数取m2=2 2.4.3 多轴箱的传动设计
图2－10箱盖上钻孔多轴箱传动系统的传动树形图
24
（1）拟定传动路线 将主轴1、4作为一组，看成直线分布，在两主轴中心连线的垂直平分线上布置中心传动轴5,同样把主轴2、3作为一组,由转动轴6带动。油泵轴7用中心传动轴5驱动。然后，将传动轴6、7与驱动轴O连接起来，形成多轴箱的传动系统如图2－10所示。
（2）根据原始依据图（图2－9），画出驱动轴、主轴坐标位置。如下表： 表2—7 驱动轴、主轴坐标值 坐标 X Y
（3）确定传动轴位置及齿轮齿数 1）最小齿数的确定
为保证齿轮齿根强度，应使齿根到孔壁或键槽的厚度a2m,驱动轴的直径为d=30mm,有《机械零件设计手册》知，如图2－11所示齿轮t=33.3mm,当m1=3时。驱动轴上最小齿轮齿数为：
销O1 －175 0 驱动轴O 0 94.5 主轴1 －95 180 主轴2 95 180 主轴3 95 80 主轴4 －95 80
图2－11 齿轮的最小壁厚
Zmin2（t/m1+2+1.25）－d0/m1
=2×(33.3/3+2+1.25)－30/3 =18.9 所以驱动轴齿数要大于等于19。
为减小传动轴的种类，所有传动轴的直径取30mm.
当m2=2，d=20时，齿轮t=23.3mm。主轴上最小齿轮齿数为：
Z
min2（t/m2+2+1.25）－d0/m2
25
=2×（23.3/2+2+1.25）－20/2 =19.8 所以主轴齿数要大于等于20。
2）确定传动轴5、6与主轴1、4；2、3间的齿轮副齿数
在设计齿轮传动装置时，常采用的传动比分配原则有：等效传动惯量最小原则、质量最小原则和输出轴转角误差最小原则三种。对于钻床要求运转平稳、启动频繁和动态性能好的降速传动链，可按等效传动惯量最小原则设计。
由于主轴1、4；2、3关于Y轴对称，传动轴在主轴1、4的连线的中垂线上，取传动轴5的坐标为（－65，130），则驱动轴与传动轴5的轴心距为A0-5=A0-6=652(13094.5)2=74.062mm,传动轴5与主轴1、2的轴心距为A5-1=A5-2=652(13094.5)2=58.31mm，A6-2=A6-3=A5-1。
总传动比：i总=520/478=1.088 根据等效传动惯量最小原则
13 io5(2i总)13（21.088）1.19则：
A0-5=m1/2×(Z0+Z5)
Z5/Z0=1.19 解得：
Z0=23 Z5=27
又因为Z从=2A/m2-Z主，m2=2，所以传动轴5与主轴1或4间传动轴副的齿数和为58，i5-1=i总/i0-5=1.088/1.19=0.914
Z5+Z1=58 Z1/Z5=0.914
解得：
Z1=28 Z5=30
3) 确定油泵轴7的确定
油泵轴7直接由传动轴5上的30齿的齿轮驱动。R12－1A液压泵推荐转速为n=550～800r/min,中心传动轴转速n5=i5-1·n1=0.914×478=436.892r/min.因此传动轴比i5-7=436.892/(550～800)=0.546～0.794.
则：油泵轴齿轮齿数为
Z7=Z5·i5-7=30×（0.546～0.794）=17～23 取Z7=20
26
油泵的理论转速为
n7=n5·Z5/Z7=436.892×30/20=655.338r/min
油泵轴7与传动轴5的轴距为
A5-7=m(Z5＋Z7)/2=2×(30+20)/2=50mm
液压泵轴也安排在中心轴1、4的连线的中垂线上，与传动轴5、6在同一截面，则液压泵轴7的坐标轴为（－15，130）。
各传动轴的坐标见表2－8所示 表2－8 传动轴的坐标值 传动轴编号 （Xi,Yi）
各传动副的中心距及其齿轮齿数见表2－9 表2－9 传动副的中心距（mm）及其齿轮齿数 轴距代号 中心距值 主动轮 Z ξ 从动轮
各传动齿轮的尺寸如表2－10所示 表2－10 各齿轮的尺寸(单位mm)
第Ⅰ排 第Ⅱ排 Z5、6 27 71.622 81 85.124 Z5、6 Z1、2、3、4 Z7 ZO 齿数Z 齿底圆直径df 30 28 20 23 55.62 51 35 61.5 分度圆直径d 60 56 40 69 齿顶圆直径da 64.62 60 44 75 Z ξ A0-5、A0-6 74.06 23 0 27 －0.313 A5-1、A5-4、A6-2、A6-3 58.31 30 0.155 28 0 A5-7 50 30 0.155 20 0 轴5 (－65,130) 轴6 (65,130) 轴7 (－15,130) 注：所有传动齿轮宽度为37mm
27
4）验算主轴的转速 使各主轴转速的相对转速损失在5%以内。
3023n1、2、3、4=520××=474.6r/min
28272.4.4 绘制传动系统图
传动系统图是表示传动关系是示意图，即用以确定的传动轴将驱动轴和各主轴连接起来，绘制在多轴箱轮廓内的传动示意图，如图2－12所示
图2－12 箱盖钻孔多轴箱传动系统图
图中多轴箱箱体内只排放一排37mm宽的齿轮，离箱体前壁4.5mm，离箱体后壁9.5mm，传动轴齿轮和驱动轴齿轮为第Ⅱ排。在图中标出齿轮的齿数、模数、变位系数，以校核驱动轴是否正确。另外，应检查同排的非啮合齿轮是否齿顶干涉；还画出主轴直径和轴套直径，以避免齿轮和相邻的主轴轴套相碰。 2.4.5 传动零件的校核
（1）验算传动轴的直径
28
校核传动轴以承受的总扭矩最大传动轴5，由它驱动的有主轴1、4和液压泵轴7。
主轴扭矩：T1=T4=3274.45N·mm
液压泵轴的扭矩：查得R12-1A液压泵的最高压力为0.3MPa、排量为5.88ml/r。假设在理想无泄漏状态，
即：P·q=T·ω
式中：P——液压泵的压力N/㎡ q——液压泵的排量m3/s T——输入扭矩N·m ω——输入角速度rad/s 单位换算：P=0.3MPa=0.3×106Pa n =655.338r/min=10.9223r/s
q=5.88×10.9223=64.22ml/r=64.22×10-6m3/s ω=2πn/60=2×3.14×655.338/60 =68.56rad/s 代入公式：P·q=T·ω
64.22×10-6×0.3×106=68.56T7 解得：T7=280N·mm
T5=T1/i5-1+T4/i5-4+T7/i5-7 =2×3274.45/0.914+280/0.667 =7584.89N·mm
根据 d=B4T=2.316×47584.89=21.6mm<30mm 因此传动轴5、6是符合要求的。 （2）齿轮模数的验算
对多轴箱中承受载荷最大、最薄弱的轴5上的齿轮进行接触疲劳强度和弯曲疲劳强度的验算。
齿轮的材料为45钢，表面淬火，布氏硬度HB=229～286，平均值240HB。设使用寿命10年。齿轮Z5=30、Z1=28、宽度B=37mm，传动比i5-1=0.914,工作时间比1.088/2.804=0.39。
注：在校核计算的过程中所要见的表和图在《机械设计》一书中，邱宣怀等编著，2003年高等教育出版社。
校核计算：
接触疲劳极限бHlim 由图12.17c得 бHlim =410MPa
29
齿轮5的圆周速度v5 v5=
3.1460436.892=1.37m/s
601000601000d5n5=
精度等级 选9级精度 使用系数KA 由表12.9 KA=1.1 动载系数KV 由图12.9 KV=1.24 齿间载荷分配系数KHα 由表12.10先求 Ft=2T5/d5=2×7584.89/60=252.83N
KAFt/b=1.1×252.83/37=7.52N/mm<100N/mm εα=[1.88－3.2×( =1.88－3.2×( =1.67 Zε=由此得KHα=
11+)]cosβ (β=0) Z5Z111+) 302843=
41.67=0.88 311==1.29 Z20.882齿向载荷分布系数KHβ 由表12.11知 KBβ=A+B[1+0.6·（
bb）·2]（）·2+C·10-3b d5d5 =1.17+0.16×[1+0.6×(37/60)×2] ×(37/60)×2+0.61×10-3×37 =1.28
载荷系数K K=KAKVKHαKHβ
=1.1×1.24×1.29×1.28 =2.25 弹性系数ZE 由表12.12 ZE=189.8MPa
节点区域系数ZH 由图12.16 （X1X2）/(Z1Z2)=0.005 ZH=2.62
接触最小安全系数SHmin 由表12.14 SHmin=1.25 总工作时间th th=10×365×8×0.39=11481.6h 应力循环次数NL1=60γn5th
= 60×3×436.892×11481.6 =9.03×108
30
NL2=60γn1th
=60×1×478×11481.6 =3.2×108
接触寿命系数ZN 由图12.18 ZN1=1.14 ZN2=1.24 许用接触应力[σH] [σH1]=
Hlim1ZN1SHmin =
4101.14=373.92MPa
1.254101.24=406.7MPa
1.25 [σH2]=
Hlim2ZN2SHmin =
验算 σH=ZE·ZH·Zε
2kT5u1 2ubd522.187584.891.071 21.073760 =189.8×2.62×0.88×
=301.95MPa<373.92 MPa
计算表明：接触疲劳强度是合适是，齿轮尺寸无须调整。 齿根弯曲疲劳强度验算
重合度系数Yε Yε= 0.25+0.75/εα=0.25+0.75/1.67=0.7 齿间载荷分配系数KFα 由表12.10 KFα=1/Yε=1/0.7=1.43 齿向载荷分配系数KFβ b/h=37/(2.25×2)=8.22 由图12.14 KFβ =1.2 载荷系数K K=KAKVKFαKFβ =1.1×1.24×1.43×1.2 =2.34
齿形系数YFα 由图12.21 YFα1=2.37 YFα2=2.56 应力修正系数YSα 由图12.22 YSα1=1.68 YSα2=1.62 弯曲疲劳极限σFlim 由图12.23c σFlim=380MPa 弯曲最小安全系数SFmin 由表12.14 SFmin=1.25 应力循环系数NL NL1=60γn5th=9.03×108 NL2=60γn1th =3.2×108 弯曲寿命系数YN 由图12.24 YN1=0.98 YN2=1.0 尺寸系数Yx 由图12.25 Yx=0.85
31
许用弯曲应力[σF] [σF1] =
Flim1YN1YXSFmin
=380×0.98×0.85/1.25 =253.25MPa
[σF2]=
Flim1YN2YXSFmin
=380×1×0.85/1.25 =258.4MPa
2kT5验算 σf1=YFα1 YSα1Yε
bd5m22.347584.89×2.37×1.63×0.7
37602 =21.62MPa<[σf1] = σf2=σf1
YF2YS2
YF1YS12.561.62
2.371.68 =22.52MPa<[σf2]
=21.62×
传动无严重过载，故不做静强度校核。
2.5 确定机械重块平衡机构
（1）计算Z轴液压滑台滑鞍的质量
V1=500×55.5×250×+2×500×44.68×40 =8.72×10-3m3
m1=ρV=7.8×103×8.27×10-3 =68.016Kg
（2）查得1TD25IA动力箱的质量m2=120Kg （3）计算多轴箱的质量 a、箱体的质量
Va=400×(90×320－57×264+141×320－51×260+70×320－5
×260)+(57×264×28+51×260×30+5×260×10) =26.685×10-3+1.61×10-3 =28.345×10-3m3
32
ma=ρVa=7×103×28.345×10-3 =198.415Kg
b、主轴的质量
3.142023.14(3220)2Vb=4×[115×+(141+70)×]
44 =0.32×10-3 m3
mb=ρVb=7.8×103×0.32×10-3 =2.5㎏ c、传动轴的质量
3.14202Vc=2×(141+57)×
4 =0.28×10-3 m3
mc=ρVc=7.8×103×0.28×10-3
=2.2㎏ d、齿轮的质量
Vd=32×(3.14×282×4+3.14×302×2+3.14×34.52+3.14×40.52
×2+3.14×202) =0.99×10-3m3
md=ρVd=7.8×103×0.24×10-3 =7.722㎏
e、查表R12-1A的质量 me=5.5㎏ f、连杆的质量
Vf=3.14×102×188×4 =0.24×10-3m3 mf=7.8×103×0.24×10-3 =1.9㎏ g、麻花钻的质量
Vg=4×3.14×52×128 =0.04×10-3m3
mg=7.8×103×0.04×10-3
=0.312㎏
m总=m1+m2+ma+mb+mc+md+me+mf+mg
=68.016+120+198.415+2.5+2.2+7.722+5.5+1.9+0.312 =406.57㎏
考虑到套筒和润滑油未计算，总质量就略取大些，取m总 =420㎏
33
平衡块的重量应等于移动部件总质量的75～85%，其余未平衡的15～25%重量是由导轨的摩擦力和滑轮轴承上的以及绕在滑轮的钢丝的阻力来补偿的。
则：平衡块的重量m块=m总85% =420×85% =357㎏
2.6 液压系统
根据工作情况选择液压泵，组合机床在负荷较大并有快速和慢速工作行程。因此选择限压式变量泵。 2.6.1 Z轴液压泵的确定
（1）液压泵的最大工作压力Pp(Pa)
液压缸的最高工作压力出现在工作工进阶段，此时液压力要克服切削力和摩擦力
F摩=G－F`
式中：F摩 ——滑台克服摩擦力（N）
G ——动力箱、多轴箱等移动部分总重量（N） F`——平衡块的拉力（N） 代入式中 F摩 =m总 g－m 平衡块g = 420×10－357×10
=630N
切削力： F切=1071.79N
F= F摩 + F切 =630+1071.79 =1701.79N
HY25IA液压滑台的油缸直径为63mm,活塞杆直径为35mm.
3.14(6335)2A===0.62×10-3㎡
44d2则：P1=F/A=1701.79/0.62×10-3=2.75MPa
此时液压缸的输入流量较小，且进油路元件较小，故泵至缸间的进油路压力损失估取为△P=0.5MPa,则液压泵最高工件压力Pp
PpP1+△P=2.75+0.5=3.25MPa
考虑压力储备，液压泵的最高压力为
Pp=3.25×（1+25%）=4.06MPa
34
（2）液压泵的最大流量
液压泵的最大供油量qPK(Σq)max 式中：K——系统的泄漏系数
(Σq)max ——同时动作时的液压执行器的最大流量（m3/s） 计算qP 按液压缸的最大流量（16L/min）进行估算，取泄漏系数K=1.1，则： qP 1.1×16=17.6L/min （3）液压泵的规格
查得：YBN-20N-JB型限压式变量叶片泵能满足上述估算得出的压力和流量要求：该泵的流量为18.75L/min,调压范围为2.0～7.0MPa,开始变量之压力为5.0 MPa,最大转速为1800r/min，最小转速为600r/min。
（4）液压泵的驱动功率计算与电动机的选取 叶片泵的总效率ηＰ＝0.75，则
ＮＰ＝
pPqPP
4.0610617.6106＝
0.7560＝1.59kw
式中：ＮＰ——液压泵的驱动功率（kw）
查得：Y100L2－4型封闭式三相异步电动机满足上述要求。其转速为1430r/min,额定功率3.0kw 2.6.2 Y轴液压动力的确定
（1）液压泵的最大工作压力Pp(Pa) Y轴液压缸要驱动工件、夹具、工作台等。 工作台的质量 V工＝630×320×45
＝9.072×10-3m3
m工 = ρV工=7.0×103×9.072×10-3 =63.504㎏
液压滑台滑块的质量V滑＝630×250×56+2×630×40×45
＝11.09×10-3m3
m滑 =7.1×103×11.09×10-3 =77.63㎏ 由于夹具未设计，估算m夹＝10㎏ 则总质量m总＝m+ m工 + m滑 +m夹
35
=9.156+63.504+77.63+10 =160.29㎏ 液压缸需要的力F＝fm总 g
式中：f——摩擦力f=0.1 g——重力加速度 代入式中：F＝fm总 g＝0.1×160.29×10
＝160.29N
HY32IA液压滑台油缸的压强在后退时最大，工作面积
A＝
(Dd)243.14(8055)2＝＝0.49×103m3
4则最高工作压力P2＝F/A＝160.29/0.49×10-3
＝0.33MPa
泵到缸间的进油路压力损失估取为△P＝0.5MPa 算得液压泵的最高工作压力PP为
PpP１＋△P＝0.33+0.5＝0.85MPa （2）液压泵的最大流量
液压泵的最大供油量按液压缸的最大输入流量（20L/min）进行估算，泄漏系数K＝1.1，则
qP 1.1×20＝22L/min
因为YBN-40N-JB型限压式变量泵的流量为37.5L/min，调压范围在2.0～7.0MPa，并且Y轴是流量22L/min小于37.5L/min，它的最小压强为0.85 MPa，而YBN-40N-JB调压范围在2.0～7.0MPa，因此设置了一个减压阀，使符合压力要求。
2.6.3 拟定液压系统图
根据机床动作顺序，拟定液压系统原理图（如2－13），系统的电磁铁动作顺序见（表2－11）
36
图2－13 四轴头多工位同步钻床液压系统原理图
表2－11 四轴头多工位同步钻床电液压系统磁铁动作顺序 工况 启动 Z轴快下 Z轴工进 Z轴死挡铁停留 Z轴快上 Y轴前进
1YA － ＋ ＋ ＋ － － 2YA － － － － ＋ － 37
3YA － ＋ － － － － 4YA － － － － － － 5YA － － － － － ＋ SP － － － － － －
（续表） Y轴死挡铁停留 Z轴快下 Z轴工进 Z轴死挡铁停留 Z轴快退 Y轴后退
－ ＋ ＋ ＋ － － － － － － ＋ － － ＋ － － － － － － － － － ＋ － － － － － － ＋ － － － － －
38
第3章 电气控制
3.1 运动分析
加工箱盖连接螺栓孔，先由工人把工件定位在工作台上并夹紧。从原位开始，顺序完成八个步骤。第一步是Z轴快下，压下行程开关ST2，第一步结束。第二步是Z轴工进，加工螺栓孔，压下行程开关ST3，并开始计时，2s后发出快上信号，第二步结束。第三步是Z轴快上，压下行程开关ST1，第三步结束。第四步是工作台液压滑台前进，压下行程开关ST4,压力继电器发出信号，第四步结束。第五步是Z轴液压滑台快下，压下行程开关ST2，第五步结束。第六步是Ｚ轴工进，加工另外四个螺栓孔，压下行程限位开关ST3，并开始计时，2s后出发出快上信号，第六步结束。第七步是Ｚ轴快上，压下行程开关ST4，第七步结束。第八步是Ｙ轴注压滑台后退，压下行程开关ST5，卸下工件，加工一个工件完成。
3.2 控制要求及功能分配
3.2.1 控制要求
工艺要求有两种控制方式：手动和自动。
（1）手动操作 工作方式选择了手动挡，在液压泵驱动电机打开后，就可用手动的完成主轴电机起停、Z轴快下快退和Y轴前进后退操作动作，来完成加工工件。
（2）自动操作 工作方式选择了自动档，在液压泵驱动电机打开后，按下启动按扭，自动的完成一个工件的加工。 3.2.2 功能分配
为了区分上述各种操作，可设置相应的开关，设计的面板如图3-1所示
3.3 PLC的选择及其I/O端子分配
3.3.1 PLC的选择
本控制系统中有16个输入点数，9个输出点数，所需内存不很多，且只要求开关量控制，考虑到以后有一定的扩展性，输入输出都有预留点数。因此可选用松下公司的C40系列AFP12416型PLC，该PLC的输入点数为24，输出点数为16，完全可以满足要求。
39
图3—1 面板布置图
3.3.2 I/O分配表
根据图2－10和图3－1所示，本系统的输入输出端子分配表如表2－1所示。 表2－1 I/O分配表
输入 X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 XA
输出 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 40
主轴电机启动按钮SB1 主轴电机停止按钮SB2 液压泵电机启动按钮SB3 液压泵电机停止按钮SB4 Z轴正向启动按钮SB5 Z轴负向启动按钮SB6 Y轴负向启动按钮SB7 Y轴正向启动按钮SB8 复位按钮SB9 Z轴原位行程开关ST1 Z轴工进行程开关ST2 主轴电机KM1 液压泵驱动电机KM2 1YA电磁阀 2YA电磁阀 3YA电磁阀 4YA电磁阀 5YA电磁阀 Y轴原位指示灯HL1 Z轴原位指示灯HL2
XB XC XD XE X10 Z轴终点行程开关ST3 Y轴原点行程开关ST5 Y轴终点行程开关ST4 Y轴终点压力继电器SP 手动/自动选择开关SA 3.3.3 PLC接线图
本系统PLC接线图如图3－2所示
3.4 应用程序的编制
3.4.1 整体程序结构
采用模块式程序结构，整体结构如图3－3所示。
图3-3 整体程序结构
41
主轴电机启动按钮主轴电机停止按钮液压泵驱动电机启动按钮液压泵驱动电机停止按钮Z轴正向启动按钮Z轴负向启动按钮X0Y0主轴电机X1Y1X2液压泵驱动电机X3Y2X41YA电磁阀X5Y32YA电磁阀Y轴负向启动按钮X6Y轴正向启动按钮复位按钮X7 PLCAFP12416Y43YA电磁阀X8Y54YA电磁阀Z轴原位行程开关X9Z轴工进行程开关Z轴终点行程开关XAY65YA电磁阀XBY7Y轴原位指示灯Y轴原位行程开关Y轴终点行程开关XCXDY8Z轴原位指示灯Y轴终点压力继电器手动/自动选择开关24VXEX10220VCOMCOM图3-2 PLC接线图
42
当系统处于原位时，XC和X9得电，Y、Z轴原位指示灯Y7和Y8亮，否则灭。按下液压泵驱动电机启动按钮X2，Y1得电并保持，液压泵驱动电机处于工作状态，当按下液压泵驱动电机停止按钮X3时，Y1复位，液压泵驱动电机停止工作。在开关打“手动”操作时，X10接通，执行MC ①到MCE ①中的手动程序模块，而不执行MC ②到MCE ②中的自动程序模块。同样，当开关打到“自动”操作时，也就是X10取非，就不执行MC ①到MCE ①中的手动程序模块，而执行MC ②到MCE ②中的自动程序模块。 3.4.2 手动操作模块
实现手动操作的控制程序如3－4所示。
当选挡开关选择“手动”时，X10接通，就执行手动模快程序。Y、Z轴液压滑台运动采用点动，并且复位设在手动挡中完成。
图3－4 手动操作程序
43
按下X0，主轴电机Y0得电；按下X1，主轴电机Y0断电。
再按下X8，使通用寄存器R0通电，产生自锁，Z轴液压滑台回原位后，Y轴再回原位。
接着按下X5，Z轴工进，压下XB停止运动；按下X4，Z轴快上，压下X9停止运动；按下X6，Y轴前进，压下XD停止运动；按下X7，Y轴后退，压下XC停止运动。这里同轴正负方向有互锁功能，Y、Z轴可以同时运动。 3.4.3 自动操作模块
自动操作程序控制的主要特点是Z轴有两次相同工作方式，此类程序可以调用子程序。工作状态如图3－5所示，梯形图如图3－6所示。
主程序控制功能：正常情况下，机床是停在原位的，Y、Z轴原位行程开关被压下，X9和XC常开接点接通，故Y、Z轴原位指示灯亮。在液压泵驱动电机打开后，方式选择开关打到自动档操作位时，按一下主轴电机启动按钮X0，主轴电机Y0起动，并开始计时5s。当T1计满后，调用子程序①，并使通用寄存器R1通电。执行子程序①时，压下Z轴原位行程开关X9，5YA电磁阀Y6通电，Y轴开始前进，当压下Y轴终点行程开关XD时，Y6断电，Y轴停止前进。当Y轴液压缸压力达到Y轴终点压力继电器XE的设定值时，XE接通，第二次调用子程序①，通用寄存器R1再次通电。执行子程序①时，压下Z轴原位行程开关X9，4YA电磁阀Y5通电，Y轴开始后退，并且主轴电机Y0复位，停止转动了，当压下Y轴终点行程开关XC时，Y8断电，Y轴停止后退。整个钻床处于原位，卸下工件，完成了一个工件的加工。
子程序控制功能：当R1通电时，1YA电磁阀Y2和3YA电磁阀Y4通电，Z轴开始快下，当压下Z轴工进行程开关XA时，Y4断电，Z轴工进，开始钻孔，当压下Z轴终点开关XB时，Y2断电，Z轴暂停，并开始计时。当计时器计满2s后，2YA电磁阀Y3通电，Z轴快上，当压下Z轴原位开关X9时，X9通电，Z轴停止，子程序结束，返回主程序。
44
a)主程序工作状态图
b）子程序工作状态图
图3-5 四轴头多工位同步钻床的工作状态图
45
X10(MC ②)X0Y0T1(CALL ①)R1[ ]X9Y6XDXE(CALL ①)R1[ ]X9Y5XCY5[ ]Y0< R >(MCE ②)( ED )(SUB ①)R1Y2XBY2[ ]XDY6[ ]X9XCY0< S >TXK ①50
46
图3-6 自动操作的梯形图
3.4.4 编制程序
ST X C OT Y 7 ST X 9 OT Y 8 ST X 2 ST X 3 KP Y 1 ST X 10 MC 1 ST X 0 OR Y 0 AN/ X 1 OT Y 0 ST X 8 OR R 0
47
PSHS OT R 0 RDS AN/ X 9 OT Y 3 POPS AN X 9 AN/ X C OT Y 5 ST X 5 AN/ X B AN/ Y 3 OT Y 2 ST X 4 AN/ X 9
AN/ Y 2 OT Y 3 ST X 6 AN/ X D AN/ Y 5 OT Y 6 ST X 7 AN/ X C AN/ Y 6 OT Y 5 MCE 1 ST/ X 10 MC 2 ST X 0 AN X 9 AN X C SET Y 0 ST Y 0 TM X 1 K 50 ST T 1 PSHS CALL 1 RDS OT R 1 ST X 9 OR Y 6 AN/ X D OT Y 6 ST X D AN X E
PSHS CALL 1 RDS OT R 1 ST X 9 OR Y 5 AN/ X C PSHS OT Y 5 RDS RST Y 0 MCE 2 ED SUB 1 ST R 1 OR Y 2 AN/ X B OT Y 2 ST R 1 OR Y 4 AN/ X A OT Y 4 ST X B TM X 2 K 20 ST T 2 OR Y 3 AN/ X 9 OT Y 3 RET
48
结论
本课题开发研制的四轴头多工位同步钻床，用于加工减速器箱盖八个螺栓连接孔。在开发过程中，针对加工过程中存在的难点进行了攻关。在钻床的设计上采取了一系列的措施，保证了被加工孔的加工精度。主要完成了以下工作：
1、对减速器箱盖八个螺栓连接孔的加工工艺进行了分析研究，明确了八个螺栓连接孔加工的技术要求和工艺要点。
2、恰当地选择了机床的切削参数，动力头及液压滑台驱动机构的结构参数。 3、采用Z轴液压滑台驱动动力头和多轴箱实现进给，Y轴驱动工件实现两工位运动。制定了Y、Z轴液压滑台的进给工作循环。经分析证明可以满足工艺要求。
4、设计了稳定可靠的多轴箱和钻模板，从而保证了被加工孔的精度要求。 5、根据通用、经济的原则，选择了刀具，满足了工艺的需要。
6、整机采用了PLC控制，使整个加工过程实现了半自动化。工作可靠持久，提高了工效，降低了操作强度，避免了操作过失引发的问题。
设计的四轴头多工位同步钻床，保证了加工孔的生产质量，提高工效3倍以上，加工成本大幅下降。
本项工作还有许多值得完善的地方，例如：夹具还未设计；装夹、定位由人工完成，效率较低；自动化程度有待提高等问题。这些问题通过改进设计、完善工艺、现场的不断实践、总结，必将会得到进步的提高。
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参考文献
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致谢
首先衷心感谢从四川大学来的黄呈祥、侯力两位教授，论文的选题、研究的方向和设计内容都得到两位教授的精心指导与热情的帮助。两位教授严谨细致的作风，丰富的理论知识给了我很深的启迪，使我受益匪浅。
感谢本院的张敬东、卢中彪老师，我的论文是在你们悉心指导和严格要求下完成的，我的每一点进步和提高都得益于两位老师的指导、鼓励、影响和支持；同时也使我在思维方法、工作作风以及学习态度方面得到进步。
感谢本院的乔水明老师对液压和PLC控制方面的指导和帮助。
感谢我们一组做毕业设计的周诚轶、丁祖国、王小军同学，我们一起度过一段十分珍贵而且愉快的时光。
感谢所有关心和帮助过我的老师们、同学们！
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附件1：
毕业设计(论文)任务书
机械设计制造及自动化 专业 2001 年级 2005年 3 月 28 日批准 专业负责人: 乔 水 明 发给学生: 王 永 贤
1.毕业设计(论文)题目: 四轴头多工位同步钻床设计 ________________________________________________ 2.学生完成全部任务期限: 2005年 6 月 17 日
3.任务要求:1)、完成四轴头多工位同步钻床设计资料收集与国、内外现状的调查比较，提出较为可行的方案； 2）、完成机床的机械结构设计与传动系统设计计算； 3）、完成机床总体装配图一张（0号）；机床总体方案图和多轴箱装配图各1张（1号）；其余零件图1－2张； 4）、论文15000字左右； 5）、图表原则上要求用CAD绘制。 4.实验(调验)部分内容要求:
52
5.文献查阅及翻译要求: 翻译有关机械制造方面1000个字符以上的外文资料，中文字数不得少于3000字。 6.发出日期:2005年 4 月 5 日
指导教师: (签名) 指导教师: (签名) 完成任务日期:2005年 6 月 17日 主管院领导： (签名)
学生: (签名)
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附件2：
毕业设计(论文)指导教师评语
学生: 王永贤 学号: 20010665703 专业: 机制 年级: 2001 指导教师评语:______________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
指导教师签名:________________
20__年____月____日
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附件3：
毕业设计(论文)评阅人评语
学生: 王永贤 学号: 20010665703 专业: 机制 年级: 2001 题目: 四轴头多工位同步钻床设计 评阅人评语:
评阅人签名:_____________
日期:20__年____月____日
55
附件4：
毕业设计(论文)答辩小组评语
学生: 王永贤 学号: 20010665703 专业: 机制 年级: 2001 题目: 四轴头多工位同步钻床设计 答辩小组评语:
答辩成绩:____________
组长签名:_____________
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