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本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 33 頁 共 33 頁
1 緒論
1.1 特點
1.1.1組合機床的特點
在現(xiàn)在高度發(fā)展的社會里企業(yè)生產(chǎn)效率的提高成為其生存之本，大批量的生產(chǎn)需要更高級的機械化設(shè)備來做保證，組合機床就是在這樣的背景下發(fā)展起來的。組合機床與通用機床、其他專用機床比較，具有以下特點[1]：
a）組合機床上的通用部件和標準零件約占全部機床零部件總量的70%-80%，因此設(shè)計和制造的周期短，投資少，經(jīng)濟效果好。
b）由于組合機床采用多刀加工，并且自動化程度高，因而比通用機床生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，使用和維修方便。
c）組合機床的通用部件是經(jīng)過周密設(shè)計和長期實踐考驗的，又有專門廠成批制造，因此結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、工作可靠，使用和維修方便。
d）在組合機床上加工零件時，由于采用專用夾具來保證刀具和工件相對位置，加工質(zhì)量靠工藝裝備保證，對操作工人的技術(shù)水平要求不是很高。
因此組合機床設(shè)備技術(shù)的提高對生產(chǎn)的發(fā)展社會的提高起到了舉足輕重的作用。
1.1.2組合機床專用夾具的特點
組合機床夾具和一般夾具所起的作用看起來好像很接近，但其結(jié)構(gòu)和設(shè)計要求卻有很顯著的，甚至是根本的區(qū)別。組合機床夾具的結(jié)構(gòu)和性能，對組合機床配置方案的選擇有很大的影響[2]。以下是組合機床專用夾具的主要特點。
a）一般的機床夾具是作為機床的輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計的，而組合機床夾具是機床的主要組成部分，其設(shè)計工作是整個組合機床設(shè)計的重要內(nèi)容之一。
b）組合機床夾具和機床其他部件有著緊密的聯(lián)系，如回轉(zhuǎn)或移動工作臺、回轉(zhuǎn)鼓輪、主軸箱、刀具和輔具、鉆模版和托架以及支撐部件等。正確地解決它們之間的關(guān)系是保證組合機床工作可靠和使用性能良好的重要條件之一，而且夾具的結(jié)構(gòu)也要按這些部件的具體要求了來確定。
c）由于組合機床常常是多刀、多面和多工序同時加工，會產(chǎn)生很大的切削力和振動，因此組合機床夾具必須具有很好的剛性和足夠的夾緊力，以保證在整個加工過程工件不產(chǎn)生任何變形[3]。
d）組合機床夾具是保證加工精度的關(guān)鍵部件，其設(shè)計、制造和調(diào)整都必須具有嚴格的要求，使其能持久地保持精度。
此外，不要把組合機床夾具和一般的夾具混淆起來。組合夾具是在萬能機床上為了完成某一道工序的加工，用一些標準的和通用的元件組裝成的定位加緊裝置。用完后可用這些元件重新組裝成新的夾緊裝置。而組合機床則是一部分的通用元件加上專用件組成的專用夾具，它不便于改裝。
按結(jié)構(gòu)特點，組合機床夾具分為單工位和多工位夾具兩大類。單工位夾具是指共件在一個工位上完成加工工序的機床夾具。按被加工零件的結(jié)構(gòu)和加工要求，單工位夾具有固定式的、帶滾道或浮動滾道的、和小車等形式[4]。
1.1.3曲軸的結(jié)構(gòu)特點
軸類零件的功用為支撐傳動零件、傳動扭矩和承受載荷以及保證裝在軸上的工件（刀具）具有一定的回轉(zhuǎn)精度。
曲軸在軸類零件分類中屬于異形軸，是發(fā)動機上的一個重要零件，承受由活塞通過連桿傳來的力，并將活塞的往復(fù)運動通過曲柄連桿機構(gòu)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動，將發(fā)動機所做的功傳遞出去。曲軸在工作時所承受的是很大的扭轉(zhuǎn)力矩以及大小和方向都變化的彎曲力。
曲軸有整體式和組合式兩種。汽車、拖拉機用的發(fā)動機和固定式高速發(fā)動機的曲軸常用整體式模鍛件，而重型和低速發(fā)動機的曲軸常用組合式的模鍛件。整體式曲軸具有強度高、剛性好、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，但是組合式曲軸毛坯制造和機械加工比整體式的簡單[5]。
1.2 發(fā)展趨勢
1.2.1 組合機床的發(fā)展趨勢
隨著技術(shù)的不斷進步，一種新型的組合機床——柔性組合機床越來越受到人們的青睞，它應(yīng)用多位主軸箱、可換主軸箱、編碼隨行夾具和刀具的自動更換，配以可編程序控制器（PLC）、數(shù)字控制（NC）等，能任意改變工作循環(huán)控制和驅(qū)動系統(tǒng)，并能靈活適應(yīng)多品種加工的可調(diào)可變的組合機床。因此，市場要求我們不斷開發(fā)新技術(shù)、新工藝，研制新產(chǎn)品，由過去的“剛性”機床結(jié)構(gòu)，向“柔性”化方向發(fā)展，滿足用戶需求，真正成為剛?cè)峒鎮(zhèn)涞淖詣踊b備[6]。
1.2.2 專用夾具的發(fā)展趨勢
現(xiàn)代機床夾具的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)為標準化、精密化、高效化和柔性化等四個方面：
（1）標準化 機床夾具的標準化與通用化是相互聯(lián)系的兩個方面。目前我國已有夾具零件及部件的國家標準：GB/T2148~T2259－91以及各類通用夾具、組合夾具標準等。機床夾具的標準化，有利于夾具的商品化生產(chǎn)，有利于縮短生產(chǎn)準備周期，降低生產(chǎn)總成本。
（2）精密化 隨著機械產(chǎn)品精度的日益提高，勢必相應(yīng)提高了對夾具的精度要求。精密化夾具的結(jié)構(gòu)類型很多，例如用于精密分度的多齒盤，其分度精度可達±0.1"；用于精密車削的高精度三爪自定心卡盤，其定心精度為5μm。 ?
（3）高效化 高效化夾具主要用來減少工件加工的基本時間和輔助時間，以提高勞動生產(chǎn)率，減輕工人的勞動強度。常見的高效化夾具有自動化夾具、高速化夾具和具有夾緊力裝置的夾具等。例如，在銑床上使用電動虎鉗裝夾工件，效率可提高5倍左右；在車床上使用高速三爪自定心卡盤，可保證卡爪在試驗轉(zhuǎn)速為9000r/min的條件下仍能牢固地夾緊工件，從而使切削速度大幅度提高。目前，除了在生產(chǎn)流水線、自動線配置相應(yīng)的高效、自動化夾具外，在數(shù)控機床上，尤其在加工中心上出現(xiàn)了各種自動裝夾工件的夾具以及自動更換夾具的裝置，充分發(fā)揮了數(shù)控機床的效率[7]。
2 工藝規(guī)程的制定
零件加工的工藝規(guī)程就是一系列不同工序的綜合。由于生產(chǎn)規(guī)模和具體情況的不同，對同一零件的加工工序可能有很多方案。應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體條件采用其中最完善和最經(jīng)濟的一種方案。工藝規(guī)程選擇主要考慮了以下基本因素：
a）生產(chǎn)規(guī)模 是決定生產(chǎn)類型的主要因素，即設(shè)備、用具、機械化、自動化程度等。由于曲軸大批量生產(chǎn)所以本次設(shè)計選用組合機床。
b）制造零件所用的坯料或型材的形狀、尺寸和精度，本次設(shè)計選用鑄件。
c）零件材料性質(zhì)。
d）零件制造的精度，包括尺寸公差、形位公差以及零件圖上所制定的要求。
e）零件表面粗糙度。
f）編制的加工規(guī)程要在生產(chǎn)規(guī)模與生產(chǎn)條件下達到最經(jīng)濟與安全的效果[8]。
2.1 曲軸材料及毛坯
曲軸材料為鑄鐵該材料強度高、耐磨，并有一定的韌性，用于制作部分機床的主軸，空壓機、冷凍機的曲軸、缸體，小水輪發(fā)電機主軸，中小型柴油機、汽油機曲軸，部分輕型柴油機、汽油機的凸輪軸、氣缸套，農(nóng)業(yè)機械小負荷齒輪等。
毛坯種類的確定是與零件的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸大小、材料的力學(xué)性能和零件的生產(chǎn)類型直接相關(guān)的，另外還和毛坯車間的具體生產(chǎn)條件相關(guān)。
鑄件：包括鑄鋼、鑄鐵、有色金屬及合金的鑄件等。鑄件毛坯的形狀可以相當(dāng)復(fù)雜，尺寸可以相當(dāng)大，且吸振性能好，但鑄件的力學(xué)性能差[10]。
在大批量生產(chǎn)中，常采用精度和生產(chǎn)率高的毛皮制造方法，如金屬型鑄造，可以使毛坯的形狀接近于零的形狀，因此可以減小切削加工用量，從而提高材料的利用率，降低了機械的加工成本。本零件選用的造型方法為砂型機器造型。
2.2 生產(chǎn)類型及工藝特征
零件的生產(chǎn)綱領(lǐng)[11]：
N=Qn（1+a）（1+b）
式中 N—零件的生產(chǎn)綱領(lǐng)，件/年；
Q—產(chǎn)品的年產(chǎn)量，臺/年；
n— 每臺產(chǎn)品中包含該零件的數(shù)量；
a—該零件備件的百分率，%；
b—該零件廢品的百分率，%。
劃分生產(chǎn)類型時，既要根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)，同時還要考慮零件的體積、質(zhì)量等因素。值得一提的是生產(chǎn)類型將直接影響工藝過程的內(nèi)容和生產(chǎn)的組織形式，并在一定程度上對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計也起著重要的作用。
由于本零件是大批量生產(chǎn)，零件的生產(chǎn)綱領(lǐng)N為15000件/年，它的主要工藝特征是廣泛采用專用機床、專用夾具及專用刀具、量具，機床按工藝路線排列組織流水生產(chǎn)。為減輕工人的勞動強度，留有進一步提高生產(chǎn)率的可能，該曲軸在工藝設(shè)計上采用了組合機床流水線加工的方式。
2.3 定位基準的選擇
工件在機床上用夾具進行夾緊加工時，用來決定工件相對于刀具的位置的工件上的這些表面稱為定位基準。定位基準分為粗基準和精基準。
曲軸和一般軸類零件的主要區(qū)別是：一般軸件的全部軸頸都位于同一軸線上，而曲軸的主軸頸雖然也位于同一軸線上，但是其連桿軸頸不與主軸頸同軸，而是離開一定距離而彼此平衡。
為保證各軸頸的同軸度要求，在基準選擇時采用基準統(tǒng)一的原則[12]。在粗、精加工各主軸頸時都采用頂尖孔作為定位基準。對于連桿軸頸的加工，為保證連桿軸頸軸線與主軸頸的軸線之間的平行，在基準選擇時應(yīng)采用定位基準和裝配基準重合的原則，即粗、精加工連桿軸頸時都采用兩個主軸頸作為定位基準。若有兩個或兩個以上連桿軸頸，還要多選一個基準作為加工連桿軸頸的角度定位面，通常是在曲柄上銑出兩個小平面作為輔助基準.根據(jù)本曲軸的特點，連桿軸頸只有一個，因此不存在與主軸頸的角度問題。在加工連桿軸頸是選擇主軸頸定位，加工主軸頸時則選擇頂尖孔定位。
2.4 工藝路線的擬定
擬定工藝路線的出發(fā)點是使零件的幾何形狀、尺寸精度以及位置精度要求能得到保證。工藝路線的擬定一般需要做兩個方面的工作：一是根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)確定加工工序和工藝內(nèi)容，根據(jù)工序的集中和分散程度化分工藝；二是選擇工藝基準，即主要選擇定位基準和檢驗基準[13]。在生產(chǎn)綱領(lǐng)已確定為批量生產(chǎn)的條件下，可以考慮采用萬能機床、組合機床和專用夾具，并盡量采用工序集中的原則，減少安裝的次數(shù)來提高生產(chǎn)率。除此之外，還應(yīng)盡量考慮經(jīng)濟精度以便使生產(chǎn)成本盡量下降，根據(jù)以上原則，擬定的工藝路線如下，機械加工過程卡可見附錄2。
10 鑄造
15 正火
20 銑端面，打中心孔
30 粗車扇形面外圓及側(cè)面
40 粗車長軸端外圓及側(cè)面
45 粗車錐面1：10
50 粗車短軸端外圓及側(cè)面
60 精車長軸端外圓及側(cè)面
70 精車短軸端外圓及側(cè)面
80 銑扇形側(cè)面
90 銑連桿軸頸
100 鉆19孔，擴孔25，攻2-G螺紋
110 鉆斜油孔6
115 鉆連桿軸頸30斜孔
120 檢驗
125 淬火
130 修整中心孔
140 粗磨主軸頸
150 銑鍵槽
160 磨錐面1：10
165 粗磨連桿軸頸
170 精磨主軸頸
175 精磨連桿軸頸
180 車退刀槽
190 車螺紋M42
200 拋光主軸頸及連桿軸頸
210 檢驗，探傷，退磁，清理去油孔
以下是參觀的南京依維柯發(fā)動機曲軸的工藝方案：
1）關(guān)鍵部位加工工藝簡述
主軸頸：車→磨→拋光。
連桿軸頸：外銑→磨→拋光。
止推面：精車。
油孔：槍鉆→人工去毛刺→高壓清洗。
前、后端：車→磨。
清洗：清洗2次，鉆油孔后清洗1次，最終清洗1次。
最后對曲軸進行綜合檢測。
借鑒以上方案對本次設(shè)計工藝流程做如下方案設(shè)計：
銑兩端面、鉆中心孔→車后端、2號～5號主軸頸→車前端、1號主軸頸及1號～5號主軸頸沉割槽→外銑1號～4號連桿軸頸及沉割槽→鉆油孔→清洗→主軸頸、連桿軸頸外圓淬火→磁粉探傷→滾壓主軸頸、連桿軸頸圓角→前后端孔系加工→精車止推面→磨主軸頸、連桿軸頸→磨法蘭外圓及端面→磨前端外圓及端面→動平衡去重→拋光主軸頸、連桿軸頸及油封外圓→磁粉探傷→清洗→曲軸綜合檢測[9]。
2.5 毛坯機械加工余量及工序尺寸確定
2.5.1 毛坯機械加工余量確定
因曲軸形狀較為復(fù)雜且生產(chǎn)量較大，故毛坯選用鑄件，造型方法為沙型機器造型。查《機械加工工藝手冊》，綜合得出鑄件機械加工余量見表2.1、表2.2，曲軸毛坯圖見圖2.1。
表2.1 零件圓柱面加工余量
基本尺寸/mm
加工余量/mm
附 注
基本尺寸/mm
加工余量/mm
附 注
30
3.0
雙側(cè)
50
3.0
雙側(cè)
70
3.0
雙側(cè)
30
3.0
雙側(cè)
R96
3.0
單側(cè)
G
3.0
雙側(cè)
65
3.0
雙側(cè)
表2.2 零件各端面加工余量
基本尺寸/mm
加工余量/mm
附 注
305(兩外端面)
5.0
單側(cè)
281（70左側(cè)面）
5.0
單側(cè)
203.5（70右側(cè)面）
5.0
單側(cè)
40（厚度為29的扇形面內(nèi)側(cè)）
4.5
單側(cè)
192（厚度為29的扇形面外側(cè)）
4.5
單側(cè)
圖2.1 曲軸毛坯圖
2.5.2 主要切削用量的確定
查《機械設(shè)計手冊》得硬質(zhì)合金端銑刀的銑削用量，如表2.3 所示。
表2.3 硬質(zhì)合金端銑刀的銑削用量
加工材料
工序名稱
銑削深度/mm
銑削速度/mm
每齒走刀量S/(mm/齒)
鑄鐵
粗銑
2~5
50~80
0.2~0.4
精銑
0.5~1
80~130
0.05~0.2
按設(shè)計手冊規(guī)定初選=62.8m/min，S=0.3mm/齒，銑削深度為5mm。
查《組合機床設(shè)計手冊》得高速鋼鉆頭加工鑄鐵件的切削用量，見表2.4。
表2.4 高速鋼鉆頭加工鑄鐵件的切削用量
加工直徑d/mm
160~200HB
200~141HB
300~400HB
/m·min
S/mm·r
/m·min
S/mm·r
/m·min
S/mm·r
22~50
16~24
0.4~0.8
10~18
0.25~0.4
5~12
0.2~0.3
按設(shè)計手冊規(guī)定初選=62.8m/min，S轉(zhuǎn)=0.2mm/r，查中心鉆刀具尺寸得：切深為15.5mm。
3 銑端面打中心孔組合機床的總體設(shè)計
3.1 組合機床結(jié)構(gòu)方案的確定
組合機床都是按系列化、標準化設(shè)計的通用部件和按被加工零件的形狀及加工工藝要求設(shè)計的專用部件組成的專用機床，組合機床是按具體加工對象專門設(shè)計，可以按最合理的工藝過程進行加工，也可以同時以幾個方面采用多把刀具多工件進行加工，它是實行工序集中的最佳途徑，是提高生產(chǎn)率的有效準備。
本題“銑端面打中心孔組合機床設(shè)計”是針對曲軸左右兩個端面進行設(shè)計的，工藝要求在工序20#中完成銑端面和打中心孔。該工序采用雙面銑和鉆的方法同時對兩個端面進行加工，該工序的機械加工工藝卡可見附錄2。該零件總體輪廓尺寸較小，屬于小型零件加工，零件的定位加緊原件也不會太大，設(shè)計時考慮到諸多因素后，決定選用臥式雙面銑削和鉆削組合機床。
3.2 銑端面打中心孔組合機床配置型式的選擇
3.2.1 組合機床配置型式
本次設(shè)計的組合機床為臥式機床，臥式機床在配置時候可將銑削頭安裝在專用臥式床身或滑臺上，而被加工零件放在移動工作臺上，以組成銑削頭固定的臥式組合機床；也可以將銑削頭安裝在水平配置的滑臺上，而被加工零件放在固定夾具上，以組成銑削頭移動的臥式組合機床；由于本道工序需要先銑再鉆，所以共件安裝在滑臺上；同時鉆頭也必須移動才能加工中心孔，所以本次設(shè)計的組合機床為刀具和工件都安裝在各自的滑臺上[14]。
在配置銑削頭固定的臥室的組合機床時，其傳動裝置的電機通常是采用頂置式，即電動機放在銑削頭上方。在配置銑削頭移動的組合機床時，其傳動裝置的電機通常是采用側(cè)置式，即電動機放在銑削頭側(cè)面。本設(shè)計采用的銑削頭飾安裝在滑臺上的，可隨滑臺一起移動，但是銑削頭調(diào)整倒適當(dāng)位置后便不再移動，所以采用電動機安裝銑削頭上方的配置型式。
3.3 被加工零件工序圖
3.3.1 被加工零件工序圖的作用和要求
被加工零件工序圖是根據(jù)選定的工藝方案來表示在一臺機床上或一天自動線上完成的工藝內(nèi)容，是包括加工部位尺寸精度、表面粗糙度及技術(shù)要求、加工用定位基準、夾壓部位以及被加工零件材料的硬度和本道工序加工前毛坯或半成品情況的圖紙。它不能用用戶提供的產(chǎn)品圖紙來代替，必須在原零件圖的基礎(chǔ)上突出機床或自動線的加工內(nèi)容，加上必要的說明而繪制的，它是組合機床設(shè)計的主要依據(jù)，也是制造、使用和調(diào)整機床，檢查精度等級的重要技術(shù)文件。
3.3.2 零件工序圖的內(nèi)容
a）在圖上標出被加工零件的形狀、輪廓尺寸及機床設(shè)計有關(guān)的部位的結(jié)構(gòu)形狀及尺寸，在需要設(shè)置中間導(dǎo)向套時，要表示出零件內(nèi)部的筋、壁布置及有關(guān)結(jié)構(gòu)的形狀及尺寸。
b）加工用定位基準、夾壓部位及夾壓方向，以便依此進行夾具的定位支撐（包括輔助定位支撐）、限位、夾緊、導(dǎo)向系統(tǒng)的設(shè)計。
c）本道工序加工部位的尺寸、精度、表面粗糙度、形狀、位置尺寸精度及技術(shù)要求，還包括本道工序?qū)η暗拦ば蛱岢龅囊蟆?
d）必要的說明文字，為被加工零件編號、名稱、材料、硬度、重量及加工部位的余量等。
圖3.1 曲軸銑端面打中心孔工序簡圖
3.4 被加工零件加工示意圖
3.4.1 加工示意圖的作用和內(nèi)容
加工示意圖是組合機床設(shè)計的主要圖紙之一，在總體設(shè)計中占據(jù)重要地位，它是刀具、輔具、夾具、主軸箱、液壓電器裝置設(shè)計及通用部件選擇的主要原始資料，也是整臺組合機床布局和性能的原始要求，同時還是調(diào)整機床、刀具及試車的依據(jù)。加工示意圖要反映機床的加工過程和加工方法，并決定浮動夾頭或接桿的尺寸，鏜桿長度，主軸、刀具、導(dǎo)向與工件間的聯(lián)系尺寸等，根據(jù)機床要求的生產(chǎn)率及刀具特點，合理地選擇切削用量，決定動力頭的工作循壞。
加工示意圖包括以下內(nèi)容。
a）反映機床的加工方法、加工條件及加工過程。
b）根據(jù)加工部位的特點及加工要求，決定刀具類型、數(shù)量、結(jié)構(gòu)、尺寸（直徑和長度），包括鏜削加工時決定鏜桿的直徑和長度，鉆、擴加工時決定鉆、擴桿的直徑和長度等。
c）決定主軸的結(jié)構(gòu)類型、規(guī)格尺寸及外伸長度。
d）選擇標準或設(shè)計專用的接桿、浮動卡頭、導(dǎo)向裝置，并決定它們結(jié)構(gòu)、參數(shù)及尺寸。
e）標明主軸及接桿、夾具與工件之間的聯(lián)系尺寸、配合及精度。
f）根據(jù)機床要求的生產(chǎn)率及刀具、材料特點等，合理確定并標注各主軸的切削用量。
決定機床動力部件的工作行程及工作循壞。
3.4.2 加工示意圖的編制
a）刀具的選擇 選擇刀具時可考慮工件加工尺寸精度、表面粗糙度、切削的排除及生產(chǎn)率要求等因素。根據(jù)本工序特點，應(yīng)選用硬質(zhì)合金端銑刀和高速鋼麻花鉆。
b）工序余量 查《機械設(shè)計手冊》得：
端面加工余量為4 mm ~5mm，選擇4.5mm；
孔加工余量為1.5 mm ~2.0mm，選擇1.5mm。
c）切削用量 本工序的切削用量在前面已經(jīng)敘述過，可見表2.3和2.4。
d）動力頭工作循壞及行程確定 動力頭工作循壞一般包括快進、工作進給、快退等動作。銑端面和打中心孔的工作循壞為：快進工作進給快退。
1）工作進給長度確定
銑：L=5mm，鉆：L=15.5mm。
2）快進長度確定
銑：L=20mm，鉆：L=20mm。
3）快退長度確定
快退長度等于快進長度和工作進給長度之和，即，銑：20+5=25；鉆：20+15.5=35.5mm。
銑端面打中心孔加工示意圖如圖3-2所示。其中，銑端面時，S=0.3mm/z，n=250mm/r；中心孔時，S=0.2mm/z，n=125mm/r。
圖3.2 銑端面打中心孔加工示意圖
3.5 組合機床聯(lián)系尺寸圖的繪制
機床聯(lián)系尺寸圖是決定各部件的輪廓尺寸及相互間聯(lián)系關(guān)系的，是開展各專用部件設(shè)計和確定機床最大占地面積的指導(dǎo)圖紙。
組合機床是由一些通用部件和專用部件組成的。為了使所設(shè)計的組合機床既能滿足預(yù)期的性能要求，又能做到配置上勻稱合理，符合多快好省的精神，必須對所設(shè)計的組合機床各個部件之間的關(guān)系進行全面的分析研究。組合機床聯(lián)系尺寸圖是在被加工零件工序圖與加工示意圖繪制之后，根據(jù)初步選定的主要通用部件，以及確定專用部件的結(jié)構(gòu)原理而繪制的。
3.5.1 機床裝料高度的確定
確定機床裝料高度需要考慮車間運送共件的滾道高度、工件最低孔的位置、主軸箱最低主軸高度和通用部件高度尺寸的限制。根據(jù)我國具體情況，為便于操作和省力，對于一般臥式組合機床、流水線和自動線，裝料高度定為850mm。對于加工中小工件的自動線，考慮自動排屑，特別是一些要從機床垂直下方返回隨行夾具的自動線，裝料高度可采用1000mm。鼓輪機床的裝料高度一般取1200 mm ~1300mm，本組合機床的裝料高度設(shè)計為900mm。
3.5.2 夾具外形輪廓尺寸的確定
夾具是用于定位和夾緊工作的，所以工件的輪廓尺寸和形狀是確定夾具輪廓尺寸的依據(jù)。在加工示意圖中對共件和鏜模間的距離，以及導(dǎo)套的尺寸，都有了規(guī)定。所以確定長度尺寸時，主要在于合理地選取鏜模架的厚度。對于高度不大的鏜模架，其厚度可取150 mm ~200mm；當(dāng)鏜模架較高（如鼓輪機床的鏜模架），為了保證有足夠的剛度和穩(wěn)定性，其厚度可取250 mm ~300mm。
在掌握了工件寬度、工件和鏜模架間的距離和鏜模架的厚度尺寸后，即可確定夾具底座的總長尺寸。為了補償鑄件的鑄造誤差，它應(yīng)比上述三項尺寸總和稍微大一些，一般大10 mm ~20mm。
夾具底座高度確定。夾具底座的高度應(yīng)視夾具大小而定，既要保證有足夠的剛性，又要考慮工件的裝料高度，為了便于布置定位元件，一般夾具底座的高度不少于240mm。本夾具的側(cè)底座和中間底座的尺寸可見表3.1。
3.5.3 機床通用部件的選擇
此次設(shè)計的專用組合機床所用的通用部件有：一個動力頭、一個滑臺、一個側(cè)底座、一個墊鐵、一個中間底座和一個電動機[15]。根據(jù)設(shè)計要求，本組合機床[25]通用部件選取見表3.1。
表3.1 通用部件尺寸
通用部件名稱
名義尺寸/mm
標記
動力箱
250
GB 3668.9—83
滑臺
250
790250250 GB 3668.4—83
側(cè)底座
250
900450630 GB 3668.6—83
中間底座
250
1250500560 GB 3668.6—83
a) 中間底座尺寸的確定 在加工示意圖中，已確定了工件端面至主軸箱端面在加工終了時的距離，根據(jù)選定的動力部件及其配套部件（滑座、床身等）的位置關(guān)系，并考慮動力頭的前備量等因素，就可以確定中間底座 長度尺寸。本道工序設(shè)計的組合機床中間底座長度為1250mm。
在確定中間底座高度尺寸時，應(yīng)考慮切削的貯存及排除、電器接線盒的安排以及冷卻液的貯存，其容量不小于3min~5min冷卻泵的流量。對于加工鑄鐵件的機床，為了使冷卻液有足夠的沉淀時間，容量還應(yīng)大一些，有時取10min~15min冷卻泵的流量。
當(dāng)裝料高度取850mm時，床身和中間底座之間結(jié)合面的高度，無論哪一型號的床身都是統(tǒng)一的，定為540mm，所以中間底座的高度一般總是大于540mm。本機床的中間底座高度設(shè)計為560mm。
b) 主軸箱輪廓尺寸的確定 標準主軸箱的厚度由主軸箱體、前蓋和后蓋三層尺寸構(gòu)成。主軸箱體厚度為180mm。前蓋有兩種尺寸，臥式為55mm，立式為70mm。后蓋厚度有90mm和50mm兩種尺寸，通常采用90mm的后蓋。因此，主軸箱總厚度臥式通常為325mm，立式主軸箱通常為340mm。
下面是主軸箱的寬度B、高度H和最低主軸高度尺寸的確定。
B=b+2b H=h+h+h
式中 b—最邊緣主軸中心至主軸箱外壁的距離；
b—工件上要加工的在寬度方向上相隔最遠的兩孔距離；
h—工件上要加工的在高度方向上相隔最遠的兩孔距離；
h—最低主軸中心至主軸箱底平民的距離，即最低主軸高度；
h—最上邊主軸中心至主軸箱外壁的距離。
為了保證主軸箱有足夠的空間安排傳動齒輪，推薦h= b70mm~100mm。
主軸箱的最低主軸高度h不能孤立地任意確定，必須考慮它與工件最低孔的位置、機床配置型式、裝料高度和動力部件、滑座、床身的關(guān)系，一般應(yīng)大于85mm~120mm，具體見表3.2。
表3.2 最低主軸高度簡化計算公式
動 力 部 件
代 號
h+5h+h
最低主軸高度
動力頭
2
754.5
95
3
754.5
95
4
724.5
115
5
769.5
80
動力滑臺
2
770
115
3
4
5
動力箱
3
770
115
4
5
以上介紹了繪制機床聯(lián)系尺寸圖時應(yīng)考慮的問題和主要聯(lián)系尺寸的確定。此外，在聯(lián)系尺寸圖上還必須明確標明運動部件的終點和原位狀態(tài)，以及運動過程中的情況。如對于動力頭必須標明其退回的最遠狀態(tài)，以便確定機床的最大輪廓尺寸。對于回轉(zhuǎn)工作臺、移動工作臺或回轉(zhuǎn)鼓輪機床，需要特別注意動力頭退回原位時，刀具、托架等必須處于家具移動或回轉(zhuǎn)的最大尺寸范圍以外。
在機床聯(lián)系尺寸圖上應(yīng)標明工件、夾具及動力頭的中心線之間的關(guān)系。特別當(dāng)工件上加工部位對于工件中心線不對稱時，動力部件對于夾具和中間底座也就不對稱，這時應(yīng)注明動力頭中心線相對夾具中心線的偏移距離。聯(lián)系尺寸圖繪制后，在進行機床各部件的具體設(shè)計過程中，可能發(fā)現(xiàn)某些尺寸定得不合理，甚至不能實現(xiàn)，則可按需要返回來修改聯(lián)系尺寸圖，加以調(diào)整。
機床所謂聯(lián)系尺寸圖主要應(yīng)針對各部件之間的聯(lián)系尺寸進行標注，各部件只畫出必要的輪廓形狀即可，盡量減少不必要的線條和尺寸。各部件應(yīng)嚴格按統(tǒng)一比例繪制。
至此，組合機床的各部件尺寸已確定，組合機床設(shè)計總圖見圖3-4。安裝時首先將側(cè)底座和中間底座的螺栓孔與銷孔連接好，再布置好方位，然后按照滑臺底下的螺栓孔與側(cè)底座上面孔將其連接好，最后安裝動力箱和主軸箱。
4 專用夾具設(shè)計
夾具是組合機床的重要組成部件，是根據(jù)機床的工藝結(jié)構(gòu)的具體要求而專門設(shè)計的，它是用于實現(xiàn)被加工零件的準確定位、夾緊、刀具的導(dǎo)向以及裝卸工件時的限位等作用的。
組合機床夾具和一般夾具所起的作用看起來好像很接近，但其結(jié)構(gòu)和設(shè)計要求卻又很顯著的，甚至是根本的區(qū)別。組合機床夾具的結(jié)構(gòu)和性能，對組合機床配置方案的選擇有很大的影響。以下是組合機床專用夾具的主要特點。
a）一般的機床夾具是作為機床的輔助機構(gòu)設(shè)計的，而組合機床夾具是機床的主要組成部分，其設(shè)計工作是整個組合機床設(shè)計的重要內(nèi)容之一。
b）組合機床夾具設(shè)計和機床其他部件有著密切的聯(lián)系，如回轉(zhuǎn)或移動工作臺、回轉(zhuǎn)鼓輪、主軸箱、刀具和輔具、鉆模板和托架以及支撐部件等。正確地 解決它們之間的關(guān)系是保證組合機床工作可靠和使用性能良好的重要條件之一，而且夾具的結(jié)構(gòu)也要按照這些部件的具體要求來確定。
c）由于組合機床常常是多刀、多面和多工序同時加工，會產(chǎn)生很大的切削力和振動，因此組合機床夾具必須具有很好的剛性和足夠的夾緊力，以保證在整個加工過程工件不產(chǎn)生任何和位移。同時，也不應(yīng)使工件產(chǎn)生不容許的變形。
d）組合機床夾具應(yīng)便于實現(xiàn)定位和夾緊的自動化，并有動作完成的檢查信號；保證切削從加工空間自動排除；便于觀察和檢查，以及在不從機床上拆下夾具的情況下，能夠更換易損件和維護調(diào)整[16]。
按結(jié)構(gòu)特點，組合機床夾具分為單工位和多工位夾具兩大類。為減少工序中的裝夾次數(shù)，常采用回轉(zhuǎn)工作臺或回轉(zhuǎn)夾具，使工件在一次安裝中，可先后在機床上占有不同的位置，每一個位置所完成的那部分工序，稱為一個工位。單工位夾具是指工件在一個工位上完成加工工序的機床夾具。本文采用移動工作臺又因做銑斷面打中心孔兩個工序所以在本次設(shè)計中所用的是多工位夾具[17]。
4.1 夾具定位支撐系統(tǒng)
定位支撐系統(tǒng)主要由定位系統(tǒng)、輔助支撐和一些限位元件組成。定位支撐是指在加工過程中維持被加工零件有一定位置的元件。輔助支撐是僅用作增加被加工零件在加工過程中穩(wěn)定性的一種活動式支撐元件。
由于定位支撐元件直接與被加工零件接觸，因此其尺寸、結(jié)構(gòu)、精度和布置都直接影響被加工零件的精度。為了避免產(chǎn)生廢品以及經(jīng)常修理定位支撐元件的麻煩，設(shè)計時必須注意以下問題。
a）合理布置定位支撐元件，力求使其組成較大的定位支撐平面。最好使夾緊力的位置對準定位支撐元件。當(dāng)受工件結(jié)構(gòu)限制不能實現(xiàn)時，也應(yīng)使定位支撐元件盡量接近夾緊力的作用線，并使夾緊力的合力中心處于定位支撐平面內(nèi)。
b）提高剛性，減少定位支撐系統(tǒng)的變形。
c）提高定位支撐系統(tǒng)的精度及其元件的耐磨性，以便長期保持夾具的定位精度。
d）可靠地排除定位支撐部位的切屑。使切屑不堵塞和粘附在定位支撐系統(tǒng)上，對定位的準確性和工作可靠性有很大的影響。因此設(shè)計時應(yīng)盡可能不使切屑落到定位支撐系統(tǒng)上。
4.1.1 工件定位方案
曲軸雖然屬于異形軸，但是它的定位與一般軸類零件基本相同，即：圓柱面定位。本道工序是加工3051處的兩個端面。根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點和加工部位確定其定位方案為：采用兩個V形塊分別在兩主軸頸處定位，限制四個自由度；為防止加工過程中工件的軸向移動，用一個定位銷在扇形處定位，限制一個自由度；工件沿軸向轉(zhuǎn)動不影響加工的準確性，此自由度可不限制。至此，工件的五個自由度全部被限制住了，可保證工件加工的準確性。曲軸銑端面打中心孔工序圖在坐標系中見圖4.1。在坐標系中，限制了、和、四個方向的自由度，在方向上用定位銷定位，限制了方向上的自由度，工件沿軸轉(zhuǎn)動的方向上的自由度可不限制。
圖4.1 坐標系中曲軸銑端面打中心孔工序簡圖
4.1.2 定位誤差分析
機械加工過程中，產(chǎn)生誤差的因素很多。在這些因素中，有一項因素與機床夾具有關(guān)。使用夾具時，加工表面的位置誤差與夾具在機床上的位置及工件在夾具中的定位密切相關(guān)。為滿足工序加工要求，必須使工序中各項加工誤差之總和等于或小于該工序所規(guī)定的工序誤差，即：
+
式中 —與機床夾具有關(guān)的加工誤差；
—與工序中除夾具外其他因素有關(guān)的誤差；
—工序誤差。
可見使用夾具加工工件時，應(yīng)盡量減少與夾具有關(guān)的加工誤差，在保證工序加工要求情況下，留給加工過程中其他誤差因素的比例大一些，以便較易控制加工誤差。
本工序的定位誤差計算如下。
=0，=，=
式中 —中心孔的定位誤差，mm；
，—左右兩主軸頸定位基準80的基準位置誤差，mm；
=++=+==0.02mm
+=+=0.02+0.01=0.03<0.05mm
由此可見定位誤差滿足零件的精度要求[18]。
4.2 夾緊機構(gòu)
在機械加工過程中，工件將受到切削力、離心力、慣性力等外力的作用。為保證在這些外力的作用下，工件仍能在夾具中保持由定位元件所確定的加工位置，而不致發(fā)生振動或位移，一般在夾具結(jié)構(gòu)中都必須設(shè)置一定的夾緊裝置，將工件可靠地夾緊。夾緊裝置有以下與各部分組成。
a）力源裝置 力源裝置是產(chǎn)生夾緊作用力的裝置。通常是指機構(gòu)夾緊時所用的氣動、液壓、電動等動力裝置。
b）中間遞力結(jié)構(gòu) 中加遞力結(jié)構(gòu)是將力源和夾緊作用力傳遞給加緊元件，然后由夾緊元件最終完成對工件的夾緊。
c）夾緊元件與夾緊機構(gòu) 夾緊元件是夾緊裝置的最終執(zhí)行元件，通過它和工件受壓面的直接接觸而完成夾緊動作，對夾緊裝置的基本要求如下。
1）在夾緊過程中，工件應(yīng)能保持在既定位置，即在夾緊力的作用下，工件不應(yīng)離開定位支撐。
2）夾緊力的大小要適當(dāng)、可靠，既要使工件在加工過程中不產(chǎn)生移動和振動，又不使工件產(chǎn)生不允許的變形和損傷。
3）夾緊裝置應(yīng)操作安全、方便、省力[19]。
4.2.1 夾緊元件的選擇
常用夾緊元件有：螺母、螺釘、螺栓、壓塊、壓板等。
組合機床夾具常用夾緊機構(gòu)為壓板，壓板分類為平壓板、鉤形壓板、浮動壓板三大類。其中平壓板在組合機床夾具中應(yīng)用最廣泛，平壓板常用形式有固定式壓板、移動式壓板、旋轉(zhuǎn)式壓板。根據(jù)本零件的結(jié)構(gòu)尺寸和本道工序的加工要求，固定式壓板不可用，旋轉(zhuǎn)式的可用，所以本次設(shè)計的夾具夾緊元件為旋轉(zhuǎn)式壓板[20]。
4.2.2 夾緊動力部件的確定
動力部件作為夾緊機構(gòu)的力源，可分為手動夾緊和自動夾緊，組合機床常用自動夾緊力源，氣動夾緊、液壓夾緊與夾緊扳手都屬自動夾緊力源。為提高生產(chǎn)自動化程度和生產(chǎn)率，本次夾具選用液壓夾緊。
液壓夾緊利用壓力油作為夾緊動力，通過中間傳動機構(gòu)，使夾具的加緊元件執(zhí)行夾緊動作。在組合機床上，采用液壓夾緊機構(gòu)較多。
液壓夾緊機構(gòu)具有操作簡單，動作迅速，易于集中控制、程序控制和實現(xiàn)自動化；工作壓力高，液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸小；便于實現(xiàn)過載自動保護和元件便于標準化等一系列優(yōu)點。此外，由于油液于油不可壓縮性，因此液壓夾緊能夠維持的剛性比氣動夾緊的剛性高。
由于液壓傳動易于實現(xiàn)復(fù)雜的自動工作循壞，并且可以采用同一的液壓系統(tǒng)來控制夾緊機構(gòu)，因此在組合機床自動線上廣泛采用液壓夾緊機構(gòu)。由于夾具底座 的輪廓尺寸已經(jīng)初定，先選擇后法蘭夾緊液壓缸。
4.2.3 夾緊力計算
確定夾緊力時應(yīng)注意的幾個問題。
a）組合機床通常都是多面多加工序同時加工，在一臺機床上往往有大量刀具同時工作，粗加工時切削力都很大，加工振動也很大，尤其在多軸粗鏜孔時。
b）由于工件材料硬度不均勻，加工余量不均勻和刀具磨鈍等因素的影響，往往使實際的切削力大大增加。
c）組合機床夾具是保證加工精度的主要部件，因此，要注意工件夾緊后產(chǎn)生的變形對加工精度的影響，尤其在工件剛性差、精度要求高的情況下，更應(yīng)特別注意。
d）為保證夾緊可靠，應(yīng)選擇機床工作過程中最不利的工作狀態(tài)來確定所需的夾緊力。
將夾緊力計算簡化后的力學(xué)模型如圖4.1所示。在設(shè)計夾緊裝置時可只考慮切削力（矩）對夾緊的影響，并假定工藝系統(tǒng)是剛性的，切削過程基本穩(wěn)定。
圖4.1 壓板受力圖
W=W··
M= W·[ r·tan+ r·tan(+) ]
M= W·[ r·tan+ r·tan(+) ] ··
得：
=950；=57.5mm，L=113
W===3726.14N
式中 W—單個螺旋夾緊時產(chǎn)生的夾緊力，N；
W—實際所需要的夾緊力，N；
—除螺旋機構(gòu)外的效率，其值為0.85~0.95；
M—動力矩，n·mm；
r—螺桿與工作間的當(dāng)量摩擦半徑，mm；
—螺桿與工作間的摩擦角；
—螺旋副當(dāng)量摩擦角；
r—螺紋中徑之半，mm；
—螺紋升角。
選用液壓—螺旋夾緊機構(gòu)，液壓缸為后法蘭式2號單作用液壓缸，當(dāng)壓縮液壓缸壓油時P=0.5MPa，液壓缸力為N=3900N，此時N大于所需的夾緊力3726.14N，本夾具可安全工作。
4.3 銑床夾具設(shè)計要點
a）為提高銑床夾具在銑床上安裝的穩(wěn)固性，除要求夾具有足夠的剛度和強度之外，還應(yīng)注意使工件的加工表面盡可能靠近工作臺面，以降低夾具重心。因此夾具的高度與寬度比應(yīng)限制在1~1.25的范圍內(nèi)。
b）對定位裝置的設(shè)計和布置，應(yīng)盡量使主要支撐面大一些；要盡量選取加工過的平面為定位基準；定位元件要用支撐板，且布置盡可能遠些，必要的時候可采用輔助支撐，以免加工時發(fā)生振動。
c）銑床夾具的夾緊裝置應(yīng)有足夠的夾緊力和良好的自鎖性能。夾緊力的作用點要盡量靠近加工表面，并夾緊在工件剛性較好的部位，以保證夾緊可靠，定位穩(wěn)定。必要時可采用浮動夾緊機構(gòu)，以提高夾緊剛度。
d）為了減少裝卸工件需用的輔助時間，改善工人的勞動條件，在于夾具的復(fù)雜程度、工作效率和生產(chǎn)規(guī)模相適應(yīng)的前提下，要注意采用快速夾緊、聯(lián)動夾緊、氣動液壓夾緊裝置和機械化傳動裝置等。
4.3.1 對刀裝置工作原理
對刀裝置用來確定刀具和夾具的相對位置[22]，它是由對刀塊和塞尺等所組成。利用它可迅速而準確的調(diào)整刀具和夾具的相對位置。對刀時，要使用對刀平塞尺或?qū)Φ秷A柱塞尺。
采用對刀塞尺的目的時為了防止刀具與對刀塊直接接觸而損壞刀刃和對刀塊的工作表面。使用時，將塞尺放在刀具和對刀塊之間，憑抽動塞尺的松緊感覺來判斷對刀精度。
對刀塊在夾具中的位置，應(yīng)設(shè)于刀具開始銑削或刨削得一端，以免在加工過程中因換刀而要卸下正在加工的工件。在實際生產(chǎn)中，如果由于工件的加工精度較高，用對刀塊對刀不能保證加工精度時，則采用試切對刀。即使采用對刀裝置對刀后，對加工的第一個工件也要進行測量，如其尺寸精度不能達到規(guī)定要求時，還必須調(diào)整刀具，直到加工合格為止。有時由于夾具結(jié)構(gòu)的限制，不便于設(shè)置對刀塊，則可以用標準試件對刀。
結(jié) 論
這次畢業(yè)設(shè)計是關(guān)于曲軸大中心孔組合機床及夾具的設(shè)計，組合機床可以滿足社會對生產(chǎn)率越來越高的要求。本次畢業(yè)設(shè)計使我們能綜合運用機械制造的基本理論，并結(jié)合生產(chǎn)實踐中學(xué)到的技能知識，獨立地分析和解決工藝問題，初步具備設(shè)計一個零件的工藝規(guī)程的能力和運用夾具設(shè)計的基本原理方法，擬定夾具設(shè)計方案，完成夾具設(shè)計的能力，也是熟悉河運用有關(guān)手冊、圖表等技術(shù)資料及編寫技術(shù)文件等基本技能的一次實踐機會。
具體而言，本次課題做了如下安排。
對曲軸打中心孔的加工余量及工序尺寸進行了思考。
進行組合機床的設(shè)計，根據(jù)曲軸打中心孔的尺寸來選擇組合機床的總體尺寸。
在夾具設(shè)計時，進行定位誤差分析及加緊力的計算。
在這個結(jié)構(gòu)設(shè)計中，難免有些結(jié)構(gòu)不太完善。而本人在設(shè)計中，為了保證夾緊力可靠，各個部件的尺寸的確定和材料選取都適度的放寬，所以在整個機構(gòu)的尺寸都還有進一步改進的余地。
致 謝
我謹向?qū)Ρ菊撐淖龀鲐暙I和幫助的老師和同學(xué)致以誠摯的謝意。感謝學(xué)院給我們的機會來展示四年來的學(xué)習(xí)成果，允許發(fā)揮自身設(shè)計才能的機會。
首先，十分感謝江琴老師。在本次畢業(yè)設(shè)計中，江老師耐心的從畢業(yè)設(shè)計的方案選擇到結(jié)構(gòu)設(shè)計都提出了指導(dǎo)性的建議和意見，并在圖紙繪制的過程中給予我很多的指正，幫助我改正了機構(gòu)中的不完善之處。
其次，我要感謝學(xué)校諸多的老師，正是因為四年間他們的教誨，這期間積累的知識讓我今天有機會完成設(shè)計。
最后，我還要感謝圖書館提供了大量的有價值的文獻參考資料以供參考，使得設(shè)計工作有了一定的理論，方法和標準。
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附錄1
附錄2