第一章
绪论
外表淬火是热处理的一种工艺，仅对零件的外表进行处理，以到达零件外表的性能，而保持心部的性能不变。正确选择外表淬火工艺必须了解工件的工作情况和服役条件，零件的结构、形状以及使用的材料等各个方面，从生产和实用角度去考虑解决方案。原那么是从实际出发且经济有效。
在许多情况下，采用外表淬火处理能够较理想地解决外表和心部性能要求不一致的矛盾，即既能改善外表强度、硬度和耐磨性，又能保持心部大塑性和韧性，使材料的潜力得到充分的发挥，满足生产技术要求。
1.2国内外研究现状
(1)
电源
国外IGBT、MOSFET和SIT全固态晶体管电源技术逐步成熟，并已商品化、系列化，目前有1200kW、50kHz；50~100kHz、30~600kW；100kW、80kHz；低频段有取代晶闸管电源趋势；MOSFET多采用并联振荡电路，SIT多采用串联谐振电路，功率高达1000
kW、频率200kHz和400kW、400kHz。它们都是电子管式高频电源的理想替代产品。当输出功率与电子管电源相同时，节电35%～40%，节省安装面积50%，节约冷却水40%～50%。随着科技的进步，在高频感应淬火领域，MOSFET有望取代SIT。
(2)
淬火机床
感应淬火机床更加趋向自动化，CNC控制逐渐增多，自动分检零件与自动识别进机零件功能的机床增多。
1〕通用淬火机床
通用淬火机床朝柔性化方向开展，一台淬火机床可以对不同性能要求的不同零件感应加热淬火。德国研制的一种曲轴淬火机床，法兰件感应淬火柔性加工系统略加调整能处理不同尺寸的相似工件；对于轴类零件在一定直径范围内〔如30mm〕与长度300～800
mm范围内，对于相似淬火要求的轴类零件，淬火机能自动编制14种程序，自动识别进机零件；最近推出了双主轴立式淬火机，在一个紧凑的工艺单元内进行工件的淬火与回火，能处理轮轴、三槽套及其他万向节件，转换工件只需2～5min，用计算机编程，根据工件号在2
min内就可调出有关工艺数据；一汽引进的GH公司数控淬火设备通用性强、自动化程度，在复杂零件上可实现多段变功变速，编程容易、操作方便。图1是GH公司的数控淬火机床。
图1
GH公司的数控淬火机床
2〕专用淬火机床
专用淬火机床更加专用化，采用机械手上下零件，加热、淬火、回火、校直、检查完全自动进行。先进的计算机控制技术可以监控并屏幕显示淬火过程和工艺参数，跟踪全部操作过程，如发现故障或工艺参数偏离给定值，便自动修正或自动列出不合格零件，使控制系统暂停工作并报警，同时屏幕上显示故障性质和所要修正的动作。更先进的控制系统还适应材料化学成分的波动，并自动调整比功率或加热时间，以保证感应淬火零件的质量。例如日本高周波热炼株式会社川崎工厂的卧式半轴淬火机床，上尾厂可同时淬三根半轴，群马厂可同时淬两根半轴，机床实际上是感应热处理生产线，全过程除校直、荧光探伤检查需一名工人外，其余全部自动进行。
3〕机器人的应用
日本高周波热炼株式会社制造的一台立式通用淬火机床上配置一台机器人，机器人将一个二匝的感应器进行依次平面扫描，使一块塑料板变色，虽然使用电源功率只3
kW，但也可以看出机器人在感应热处理中的应用趋势。
4〕机电一体化
将电源、淬火机床、冷却系统组成成套装置，具有占地面积小、生产效率高、一次安装调试容易等优点。国外最近问世的曲轴固定加热淬火装置占地面积仅为组合式成套装置的1/4。
(3)
淬火工艺
1〕静止式曲轴感应淬火
采用静止式曲轴感应淬火新技术的最初的两台装置在福特公司V6和V8曲轴淬火和回火工艺中得以应用，表现出了良好的市场前景。其特点是：加热时间短，一般仅为～4s，传统工艺是7～12s；电效率高、本钱低；感应器与工件之间允许有较大间隙，调整方便；操作简单、重复性好、易于维护；占地面积小，仅为原来的20%左右。
2〕低淬透性钢齿轮淬火
现在俄罗斯许多汽车工厂广泛采用低淬透性钢进行整体感应加热外表淬火，已大量应用于汽车、拖拉机后桥齿轮、挖掘机齿轮、传动十字轴、火车车厢用滚动轴承、汽车板簧、铁路螺旋弹簧等，取得了较大的经济效益。
3〕双频感应加热淬火
国外双频淬火主要用于齿轮。20世纪90年代，美国用10kHz中频和150kHz高频电源，先让齿轮在中频感应器中加热，然后迅速降到高频感应器中加热，最后落入油中淬火。进入21世纪，此工艺又有新进展，如GH公司采用电力电子开关转换频率，使齿轮的齿顶和齿跟的加热更加均匀，更好地保证了齿轮的淬火质量。
电源
电源是感应加热的关键设备之一，随着感应加热技术的开展，经历了机械式中频发电机组和真空管式高频电源、晶闸管中频电源及全晶体管电源三个开展阶段。在20世纪80年代后期，在工业兴旺国家，晶闸管中频电源已完全取代了中频发电机组，我国自90年代中期也已逐步取代。
同机械式中频发电机组相比，晶闸管〔SCR〕中频电源具有以下优点：体积小、重量轻、材料消耗少；电效率高，逆变停止时几乎不消耗电能，逆变效率可达90%以上；无机械运动、噪音小、运行可靠、负载匹配容易，可以根据负载情况确定电源的频率；启动停止方便，频率能自动跟踪以保持最正确运行状态；产品设计简单、制造周期短；安装容易，不需要特殊的根底；维修方便等。
我国的晶闸管中频电源的共同特点是全集成化控制线路数字化程度高于90%、启动成功率几乎到达100%、除具有常规的水压缺乏、快熔熔断、过流、过压等保护功能外，还具有限流、限压等保护功能、功能较齐全的晶闸管电源还配置逆变失败、水温监视等可选功能，其频率最高可以作到8kHz，额定功率可以作到1000kW左右，如果在装配工艺上再进一步改良的话，可以接近世界先进水平。
随着技术的进步，跟踪80年代国际感应加热技术水平，我国于90年代中期开发出第一台电效率较高的50kW/50kHz
IGBT电流型超音频感应加热电源(图2)。目前可做到频率～50kHz、最大功率可到达800
kW，频率到达100kHz时功率到达100
kW。
图2
IGBT电流型超音频感应加热电源
IGBT应用同期，我国还成功研制出20
kW/300kHz
MOSFET高频电源，缩小了同国际先进水平的差距，随着大功率MOSFET器件的问世，大功率的晶体管高频电源有望年内在感应淬火中应用。
淬火工艺
随着汽车工业的迅速开展，我国采用感应淬火的零件的种类和品种不断增加。目前我国汽车零件感应淬火用材料包括：45#、40Cr、55MnVS、40MnB、42CrMo、35#、ZG45、球铁、合金铸铁等。感应加热淬火介质包括：水、聚乙烯醇、聚迷水溶性淬火介质、UCON、豪富顿251等。所采用的加热方式及应用主要包括：横向磁场静止一次加热淬火〔销轴类零件、凸轮轴〕；横向磁场连续加热淬火〔减振器杆、变速叉轴、扭杆等〕；横向磁场多段连续加热淬火〔起动机轴、空压机轴等〕；纵向磁场整体一次加热淬火〔半轴等〕；仿形感应器零件旋转加热淬火〔球头销〕；感应接触加热淬火〔转向齿条〕；内孔的一次及连续加热淬火〔输出法兰、钟型壳内腔〕；阶梯轴类零件的旋转加热淬火〔小红旗后轮毂轴、转向节〕；平面类零件的一次及连续加热淬火〔钢板弹簧横向限位板〕；薄壁类复杂零件一次及连续加热淬火〔前轮毂、滑动轴叉〕；复杂形状零件的一次加热淬火〔钟型壳变截面轴〕；槽口一次淬火〔变速叉〕；复杂回线工件旋转一次加热淬火〔曲轴〕等。
淬火机床
为了适应多品种的批量生产，在汽车生产应用中，我国引进的感应淬火机床种类由传统的专用设备逐步向柔性化程度较高的通用设备和专用淬火自动生产线开展。
通用淬火机床方面，一汽技术中心开发的卧式数控淬火机床〔图3〕主驱动采用交流伺服电机拖动，移动速度稳定均匀、定位准确、重复精度高；零件旋转采用变频调速，能适应多方面工艺要求；采用能量和数控技术对不同性能要求的不同零件感应加热淬火，甚至在同一零件上实现多段变功变速，编程容易可操作性强。
图3
通用数控淬火机床
专用淬火机床方面，二汽和天舒机电科技经过多年努力，攻克一个个难关，采用功率脉冲分配技术、尾座自由顶尖技术、薄型淬火变压器技术、独立悬挂技术、悬挂平衡技术等分别研制成功曲轴全自动淬火机床〔图4〕，与电源、水冷系统组成成套淬火设备可对车用内燃机曲轴进行各轴径的圆角+轴径淬火、轴径淬火自回火，采用计算机控制，通过显示屏对设备的加热、淬火工艺参数诸如电压、电流、频率、时间、压力、流量温度等进行监控和显示，目前国内多家采用。
第2章
汽车后桥半轴淬火机机体结构确定
总体设计，是确定所设计机床的工艺方法、运动及其分配、传动和控制、结构和性能，最后画出机床总体布局图等机床设计工作。
2.2.1
工艺方案确实定
上的工艺方法多种多样，其对机床的结构和性能影响很大。工艺方法的改革常导致机床的运动、传动、布局、结构、性能以及经济效果等方面的一系列变化。本机床是用来加工汽车后桥半轴淬火专用组合机床，具体工艺见工艺过程卡片和工序卡片，此机床设计的是专用淬火的组合机床。
2.2.2
夹具方案的拟定
机床，夹具是针对某特定工件而设计的，它是专用机床的一个重要部件，夹具方案的拟定是专用机床总体方案设计的组成局部，本机床夹具用专用液压夹具，用限位装置，V
形块定位，来夹紧汽车后桥半轴进行旋转，淬火。
2.2.3
机床运动确实定
运动确实定
是要确定机床运动的数目、运动的类型以及运动的执行件。
来说，工艺方法决定机床运动，上述专用组合机床的工艺方法是先将未淬火的汽车后桥半轴至于V形块上，然后升降台升起，将工件的中心线与主传动的顶尖中心线位置在同一水平线上，然后尾座气缸工作，尾座气缸驱动顶尖，与主传动的顶尖共同顶住汽车后桥半轴，然后底座气缸工作，使得导轮在导轨上向上有一个滑动的过程，使工件顺利的进入到感应线圈中。导轨为有一定上升角度的导轨，因为主传动的顶尖后端有一法兰盘，为了防止该法兰盘进入到感应线圈中应选用此导轨。
总体布局是确定机床的组成部件以及各个部件和操纵。机床共包括，主传动机构，工作台升降局部，机床整体升降局部，尾座气缸加紧机构，V形块安装在工作台上，工作台由进给气缸驱动，沿床身导轨作纵向进给运动，行程开关等分别设在机床中适当部位。
2.3.1
运动的分配
上的工艺方法确定后，在加工时的相对运动亦随着被规定了，机床运动的合理分配是由多方面因素决定的，对于一般旋转均由完成比拟方便，为了提高被加工孔中心线的直线度，须将回转主运动分配给工件，不过此设计的组合机床即是一般情况即可。
配置型式及结构方案确实定
根据上述工艺方案确定机床的型式和总体布局。在选择机床配置型式时，既考虑到实现工艺方案，保证加工精度、技术要求及生产率;又考虑到机床操作、维护、修理、排屑的方便性，还注意到被加工零件的生产批量。
影响组合钻床配置型式和结构方案的主要因素有:
①加工精度
根据工件的生产类型，完全可以采用单工位固定夹具的机床型式。被加工件的尺寸、形状、加工部位的特征根据被加工零件的特点，适于采用卧式机床，卧式机床可使定位基面与设计基面重合。
②操作的方便性
合理确定装料高度以使操作方便。在现阶段，设计组合机床时，装料高度可视具体情况在850～1180mm
之间选取，由于被加工件较小，装料高度可稍高些。
③夹具形式对机床方案的影响
从工件形状看，似乎可采用立式机床加工，但是考虑从装配结合面钻孔的必要性，主定位基面又是选用装配结合面，不能改为相对面，这样立式淬火夹具设计比拟难，因而采用卧式加工方案。
④
使用厂的技术能力和工作环境
为使钻床在温度过高时工作性能稳定，而且由于被加工件不需屡次进给，应选用机械通用部件配置专用淬火机床。
第3章
汽车后桥半轴淬火机的参数确定
3.1电动机的选择
按工作条件和要求，送料所用电动机选择Y系列一般用途的三相交流异步电动机；控制回转台所用的电动机选择伺服电动机，泵站所用电动机选择Y系列的三相交流异步电动机。
电动机的额定功率为Ped,电动机所需功率为Pd，选择要求为Ped≥Pd，而：
上式中：
Pw－工作机的传动功率〔KW〕;
η－由电动机至工作机的总效率；
F
－工作机的阻力〔N〕；
V
－工作机的线速度〔m/s〕；
Tw－工作机的阻力矩〔N/m〕；
nw－工作机的转速〔r/min〕；
ηw－工作机的效率；,滚动轴承效率ηr=0.97，取7级精度齿轮传动〔稀油润滑〕效率ηg=0.98，联轴器效率为ηv=0.98，那么总效率为：
故
因为载荷平稳，电动机的额定功率略大于或者等于Pd即可，查?机械设计?中表10-2中Y系列电动机技术数据，选交流电动机的额定功率Ped为1.5kw。
3.1.3
确定电动机的转速
工作机转速为,按?机械设计课程设计?中表2-4和表2-5推荐的各级传动比范围：二级展开式圆柱减速器传动比范围,，总传动比,Y系列异步交流电动机符合这一范围的同步转速有，三种，伺服电动机可选MHM502,同步转速,额定转速；三相交流异步电动机可选同步转速的Y系列异步电动机Y90S-2,额定功率1.5KW,满载转速为2840r/min。
所以电机选用Y90S-2型电机
联轴器是机械传动中常用的部件。它们主要用来连接轴或轴与其它回转部件，以传递运动与转矩，有时也可用作平安装置。
联轴器所连接的两轴，由于制造及安装误差，承载后的变形及温度变化的影响等，往往不能保证严格的对中，而存在着某种程度的相对位移，这就是说在设计联轴器时，要从结构上采取不同的措施，使之具有适应一定范围的相对位移的功能。
根据对各种相对位移有无补偿能力〔即能否再发生相对位移的情况下保持连接的功能〕，联轴器分为刚性联轴器和挠性联轴器两大类。
绝大多数联轴器已经标准化或规格化，所以我们一般只是选用补用设计。根据传递载荷的大小，轴转速的上下，被连接两部件的安装精度等，参考各类联轴器的特性，选择一种适宜的联轴器类型。具体选择时可考虑一下几点：
〔1〕所需传递的转矩大小和性质以及对缓冲减震功能的要求。例如，对大功率的重载转矩传动。可选用齿式联轴器，对严重冲击载荷或要求消除轴系扭转震动的传动，可选用轮胎式联轴器等具有高弹性的联轴器。
〔2〕联轴器的工作转速上下和引起的离心力大小。对于高速传动轴，应选用平衡精度高的联轴器，例如膜片联轴器等，而不宜选用存在偏心的滑块联轴器等等。
〔3〕
两轴相对位移的大小和方向。当安装调整后，难以保持两轴严格精确对中，或工作过程中两轴将产生较大的附加相对位移时，应选用挠性联轴器。例如当径向位移较大时，可选滑块联轴器，角位移较大或相交两轴的连接可选用万向联轴器。
〔4〕
联轴器的可靠性和工作环境。通常由金属原件制成的不需润滑的联轴器比拟可靠，需要润滑的联轴器，其性能易受到润滑完善程度的影响，且可能污染环境。含橡胶等非金属元件的联轴器对温度，腐蚀性介质及强光等比拟敏感，而且容易老化。
(5)
联轴器的制造，安装，维护和本钱。在满足使用性能的前提下，因选用拆装方便，维护简单，本钱低的联轴器。例如刚性联轴器不但结构简单，而且拆装方便，可用于低速，刚性大的传动轴。一般的非金属弹性元件联轴器，由于具有良好的综合性能，广泛用于中小功率传动.联轴器的选择
根据选择要求和使用条件选用YL8型联轴器，它的尺寸及标准如下列图所示：
联轴器参数
型号
公称扭矩
许用转速
周孔直径(H7)
轴孔长度L
D
GYH2
10000
130
表续
联轴器的标准
D1
螺栓
L0
重量
转动惯量
4O
数量4
直径
M8
3.3
计算传动装置的运动和动力参数
3.3.1
各级传动比确实定
上式中：
nw
--
工作机的转速；
所以
采用一级同步带传动，二级齿轮传动，三级齿轮传动〔带传动的传动比一般为,推荐值为,二级齿轮减速器的传动比范围为8～40，最大值不超过60〕。
3.3.2
各轴转速
伺服电动机轴转速：；
一轴的转速:；
二轴的转速:；
三轴〔即输出轴〕转速：
3.3.3
各轴功率
一轴功率：
二轴功率：
三轴〔即工作机轴〕
第四章导轨的选择
4.1导轨的功用与分类
导轨的功用是承受载荷和导向。它承受安装在导轨上的运动部件及工件的质量和切削力，运动部件可以沿着导轨运动。运动的导轨称为动导轨，不动的导轨称为静导轨或者支承导轨。动导轨相对于静导轨可以作直线运动或者回转运动。有用于保证主运动轨迹的，也有用于调整部件之间的相对位置的，后者在加工时没有相对运动。动导轨相对于支承导轨只有一个自由度的运动，以保证单一方向的导向性。通常动导轨相对于支承导轨只能作直线运动或圆周轨迹运动。实现直线运动的称为直线运动导轨；实现圆周运动的称为圆周运动导轨。
导轨按结构形式可以分为开式导轨和闭式导轨。开式导轨是指在部件自重和载荷的作用下，运动导轨和支承导轨的工作面始终保持接触、贴合，其特点是结构简单，但不能承受较大颠覆力矩的作用，而闭式导轨借助于压板使导轨能承受较大的颠覆力矩作用。本设计中，由于导轨必须承受较大的颠覆力矩作用，经过综合考虑选用闭式导轨。
根据导轨面的磨擦性质，导轨又可分为滑动导轨和滚动导轨。滑动导轨的结构简单，便于制造，精度和刚度易于保证，故在通用机床上得到广泛的应用；但其摩擦因素较大，易磨损，低速运动平稳性较差。而滚动导轨的优点是摩擦系数小，动静摩擦系数很近，因此摩擦阻力小，运动轻便灵活，灵敏度高；运动所需功率小，摩擦生热少，磨损也小，精度保持性高；低速运动平稳性好，不易产生爬行，移动精度和定位精度都较高；滚动导轨的润滑简单，以及高速运动时不会像滑动导轨那样因动压效应而使导轨浮起等优点。但由于滚动体与导轨面之间的接触面积较小，不易形成油膜阻尼，因而刚度较低，抗振性也较差。如果对它进行预紧，可在原有刚度的根底上提高数倍。滚动导轨的结构比拟复杂，往往需要淬火的镶钢导轨，再加上滚动导轨的平直度和粗糙度比拟敏感，导轨对脏物也比拟敏感，因此制造精度也要求较高，而且需要有较好的导轨防护装置，故其制造本钱较高。因此选用滑动导轨。又由于实现的是斜向上线运动，因此本设计中选用带有一定弧度的导轨。
4.2
导轨应满足的要求
机床导轨的质量，在很大程度上决定了机床的加工精度、工作能力及使用寿命。导轨一般情况下应满足精度高、承载能力大、刚度好、摩擦阻力小、运动平稳、精度保持性好、寿命长、结构简单、工艺性好、便于加工、装配、调整和维修、本钱低等要求。下面3个要求更为突出：
导轨在空载运动和切削条件下运动，都应具有足够的导向精度。保证导轨运动的准确度，这是保证导轨工作质量的前提。影响导向精度的主要因素有：导轨的结构形式，导轨的几何精度和接触精度，导轨和根底件的刚度，导轨的油膜厚度和油膜刚度，导轨和根底件的热变形等。
考虑到上面种种因素选择如下导轨
导轨图4-1
第5章
机床升降局部设计计算
机床的升降局部主要由一个气缸〔动力源〕、两根导柱〔起导向作用〕、升降台以及V形块来组成的。
其中工件重量约为14KG，工作台重量约为26KG。工厂气压站提供的气压为0.6~0.8MPa。
升降台气缸
气缸为非标准件所以需要从新校核设计
1.本气缸采用单作用气缸，单活塞杆单作用气缸是使用最广泛的一种普通气缸，见图
因其只在活塞一侧有活塞杆，所以压缩空气作用在活塞两侧的有效面积不等，活塞左行时活塞杆产生推力F1，活塞右行时活塞杆产生拉力为F2
F1=D²p-Fz
〔5-1〕
F2=(D²-d²)P-Fz
〔5-2〕
式中F1——
——活塞杆推力〔N〕
F2——
——活塞杆的拉力〔N〕
D——
——活塞直径〔m〕
d——
——活塞杆的直径〔m〕
p——
——气缸工作压力〔Pa〕
Fz——
——气缸工作时的总阻力〔N〕
气缸工作时的总阻力Fz与众多因素有关，如运动部件惯性力、背压阻力、密封处摩擦力等。以上因素可以用载荷率记入公式。那么气缸的静推力F1和静拉力F2为
F1=D²p
〔5-3〕
F2=(D²-d²)p
〔5-4〕
计入载荷率就能保证气缸工作时的动态特性。假设气缸动态参数要求较高；且工作频率高，其载荷率一般取，速度高时取小值，速度低时取大值。假设气缸动态参数要求一般，且工作频率低，根本是匀速，其载荷率可取η。
由式〔1〕〔2〕可求得气缸直径D
当推力作用时
D=
D=98
(5-5)
当拉力作功时
D=
D=97
(5-6)
用式〔5-6〕计算时，活塞杆直径d可根据气缸拉力预先固定，详细计算见活塞杆的计算。估定活塞杆直径可按代入式〔6〕，那么可得
D=〔1.01~1.09〕
D=98
(5-7)
式中系数在缸径较大时取小值，缸径较小时取大值。
以上公式计算出的气缸内径D应圆整为标准值〔1〕
综合上值对D取整100mm
〔2〕活塞杆的计算
1.按强度条件计算。当活塞杆的长度L较小时〔L10d〕，可以只按强度条件计算活塞杆直径d
d
d30
(5-8)
综合考虑d取42
式中
F1——气缸的推力〔N〕
——活塞杆材料的许用应力〔pa〕，=/S；
——材料的抗拉强度〔pa〕；
S—
—平安系数，S1.4。
2.按纵向弯曲极限力计算。气缸承受向压力以后，会产生轴向弯曲，当纵向力到达极限力F1以后，活塞杆会产生永久性弯曲变形，出现不稳定现象。该极限力与缸的安装方式、活塞杆直径及行程有关。
当长细比85时
Fi=
〔5-9〕
当长细比85时
Fi=
〔5-10〕
式中
L——活塞杆计算长度〔m〕见表
i——活塞杆横截面惯性半径
实心杆i==
空心杆i=；
(5-11)
I——活塞杆横截面惯性距
实心杆I=
空心杆I=；
(5-12)
——空心活塞杆内孔直径〔m〕；
A1——活塞杆截面积
实心杆A1=d²
空心杆A1=〔d²-d²0〕;
(5-13)
n——系数，见上表
E——材料弹性模量，对钢取E1011Pa
f——材料强度实验值，对钢取f=49107Pa
a——系数，对钢取a=1/5000。
假设纵向推力载荷〔总载荷〕超过极限力Fi，就应采取相应措施。在其他条件不变的前提下，多以加大活塞杆直径d来解决
〔3〕缸筒壁厚的计算
缸筒直接承受压力，需有一定厚度。由于一般气缸缸筒壁厚与内径之比δ／D≤1／10,所以通常可按薄壁筒公式计算
=
=8
(5-14)
综合考虑壁厚取10mm
式中
——气缸筒的壁厚；
D——气缸筒内径〔缸径〕〔m〕；
通常计算出的缸筒壁厚相当薄，但考虑到机械加工，缸筒两端要安装缸盖等需要，往往将气缸气缸壁筒作适当加厚，且尽量选用标准内径和壁厚的钢管和铝合金管，详情见表
所以气缸D=100mm，d=43mm，壁厚为10mm
因为工件长度1070mm，采用V形块支承，工作台选用600mm长的，材料选用铸铁。
第6章
尾座局部的设计
尾座是卧式淬火机床的重要附件，其主要作用是为轴类零件定心，同时具有辅助支撑和夹紧的功能。汽车后桥半轴淬火机床的尾座采用的是整体式结构，整体式结构尾座由尾座体、芯轴结构、套筒、气压测力装置、尾座和套筒移动机构、尾座和气压装置等组成，芯轴结构选用高精度的进口轴承支承，动、静刚度好，精度高。套筒和尾座的移动均为机动，套筒和尾座的夹紧。气压放松的机动夹紧、放松结构，夹紧力足够大，平安可靠，工人操作简单、方便、效率高。其优点在于：(1)刚度高、抗震性能好，精度高，精度保持性好，整体式尾座，将分体式尾座上、下体合为一个尾座整体，采用整体式箱形结构设计，经有限元分析、计算，通过对尾座内部筋板的合理布置，提高了尾座的刚度和固有频率，尾座采用高强度低应力铸铁铸造，经良好的时效处理，热变形小，在承受最大工件重量和最大额定切削力的情况下。尾座整体变形小，抗振性能好，满足汽车后桥半轴淬火机床精度检验标准的要求。(2)结构更加简单、优化、合理，整体式尾座将分体式尾座上、下体合为一个尾座整体，取消了分体式尾座联结的定位键和把合螺钉，总零件数和标准件数更少，取消了分体式尾座上、下体的配合加工面，取消了分体式尾座上、下体的装配环节，加工、装配工艺性更好，节约了加工、装配总费用，降低了尾座的总重量和总本钱。
汽车后桥半轴淬火机的尾座套筒的主要尺寸是根据尾座体的尺寸选择的。套筒的作用就是安装尾座活塞轴和顶尖，利用气压缸提供的压力和莫氏锥度本身的结构特性顶紧顶尖，使顶尖在顶着工件加工时不会随工件一起转动。为了使套筒不随工件一起转动在套筒上部设计了滑键槽，在尾座体上设计有滑键。尾座工作时滑键在滑键槽中滑动，这样套筒就不会跟着转了，同时，顶尖在顶着工件加工时也不会随工件一起转动了。从而提高了套筒的使用寿命。由于顶尖是利用氏锥度本身的结构特性卡紧的，但是在工作中需要拆卸顶尖，因此需要在尾座套筒上设计顶尖退套孔，用于拆卸顶尖。当需要拆卸顶尖时，把退套楔插入顶尖退套孔，用小锤敲击退套楔使顶尖松动并可以取出。退套楔的规格是S79-1
4。
汽车后桥半轴淬火机的尾座体是尾座的主要的机械局部，设计时主要参看其他机床的尾座体和根据制造业在生产中所积累的经验，稍加改造而成的。尾座体的壁厚要尽量均匀，拐角处要设计成圆角以减少集中应力。尾座体的材料采用HT250，铸造加工而成。在尾座体的设计过程中考虑到加工工艺，需要设计出工艺凸台和工艺孔。
机床的位元件，它可以帮助主轴一起限制的工件的自由度，并起到定心的作用，因此要求具有较高的精度，在使用中要使尾座的轴心线与机床主轴的轴心线保证较高的同轴度在进行工件的加工过程中多采用前后顶尖来支承工件，来确定工件的旋转中心并承受作用在工件上的扭转力。顶尖是机械加工中的机床的重要部件，它可对端面复杂的零件和不允许打中心孔的零件进行支承。顶尖的一端可顶中心孔或管料的内孔，另一端那么放入到尾座套筒内。顶尖的锁紧主要是靠顶紧力和气压缸提供的压力，加工时一般紧缩在尾座套筒内。顶尖一般由专门的工厂生产，我们只要根据自己的需要买产品。由于汽车后桥半轴淬火机是中小型机械加工设备，尾座总体尺寸并不是很大所以选择莫氏4号的顶尖。莫氏锥度是一个锥度的国际标准，用于静配合以精确定位。由于锥度很小，可以传递一定的扭距，又因为有锥度，又便于拆卸。利用的就是摩擦力的原理，在一定的锥度范围内，工件可以自由的拆装，同时在工作时又不会影响到使用效果，比方钻孔的锥柄钻。在锥柄上好后，钻头可以将工件钻出需要的孔，而锥柄处不会出现转动现象。又比方钻孔的锥柄钻，如果使用中需要拆卸钻头磨削，拆卸后重新装上不会影响钻头的中心位置。
尾座气缸，气缸为非标准件所以需要从新校核设计
气缸类型的选择
因为气缸所需要提供的支撑力不大所以本气缸采用单作用气缸，单活塞杆单作用气缸是使用最广泛的一种普通气缸，见图
因其只在活塞一侧有活塞杆，所以压缩空气作用在活塞两侧的有效面积不等，活塞左行时活塞杆产生推力F1，活塞右行时活塞杆产生拉力为F2
F1=D²p-Fz
〔6-1〕
F2=(D²-d²)P-Fz
〔6-2〕
式中F1——
——活塞杆推力〔N〕
F2——
——活塞杆的拉力〔N〕
D——
——活塞直径〔m〕
d——
——活塞杆的直径〔m〕
p——
——气缸工作压力〔Pa〕
Fz——
——气缸工作时的总阻力〔N〕
气缸工作时的总阻力Fz与众多因素有关，如运动部件惯性力、背压阻力、密封处摩擦力等。以上因素可以用载荷率记入公式。那么气缸的静推力F1和静拉力F2为
F1=D²p
〔6-3〕
F2=(D²-d²)p
〔6-4〕
计入载荷率就能保证气缸工作时的动态特性。假设气缸动态参数要求较高；且工作频率高，其载荷率一般取，速度高时取小值，速度低时取大值。假设气缸动态参数要求一般，且工作频率低，根本是匀速，其载荷率可取。
由式〔6-1〕〔6-2〕可求得气缸直径D
当推力作用时
D=
D=76
(6-5)
当拉力作功时
D=
D=77
(6-6)
用式〔6-6〕计算时，活塞杆直径d可根据气缸拉力预先固定，详细计算见活塞杆的计算。估定活塞杆直径可按d/D=0.16~0.4代入式〔6-6〕，那么可得
D=〔1.01~1.09〕
D=76
(6-7)
式中系数在缸径较大时取小值，缸径较小时取大值。
以上公式计算出的气缸内径D应圆整为标准值〔6-1〕
综合上值对D取整80mm
〔2〕活塞杆的计算
1.按强度条件计算。当活塞杆的长度L较小时〔L10d〕，可以只按强度条件计算活塞杆直径d
d
d26
(6-8)
综合考虑d取34
式中
F1——气缸的推力〔N〕
——活塞杆材料的许用应力〔pa〕，=/S；
——材料的抗拉强度〔pa〕；
S——平安系数，S。
1.按纵向弯曲极限力计算。气缸承受向压力以后，会产生轴向弯曲，当纵向力到达极限力F1以后，活塞杆会产生永久性弯曲变形，出现不稳定现象。该极限力与缸的安装方式、活塞杆直径及行程有关。
当长细比85时
Fi=
〔6-9〕
当长细比85时
Fi=
〔6-10〕
式中
L——活塞杆计算长度〔m〕见表
i——活塞杆横截面惯性半径
实心杆i==
空心杆i=
;
(6-11)
I——活塞杆横截面惯性距
实心杆I=
空心杆I=
;
(6-12)
——空心活塞杆内孔直径〔m〕；
A1——活塞杆截面积
实心杆A1=d²
空心杆A1=〔d²-d²0〕;
(6-13)
n——系数，见上表
E——材料弹性模量，对钢取1011Pa
f——材料强度实验值，对钢取f=49107Pa
a——系数，对钢取a=1/5000。
假设纵向推力载荷〔总载荷〕超过极限力Fi，就应采取相应措施。在其他条件不变的前提下，多以加大活塞杆直径d来解决
〔3〕缸筒壁厚的计算
缸筒直接承受压力，需有一定厚度。由于一般气缸缸筒壁厚与内径之比δ／D≤1／10,所以通常可按薄壁筒公式计算
=
(6-14)
综合考虑壁厚取8mm
式中
——气缸筒的壁厚；
D——气缸筒内径〔缸径〕〔m〕；
通常计算出的缸筒壁厚相当薄，但考虑到机械加工，缸筒两端要安装缸盖等需要，往往将气缸气缸壁筒作适当加厚，且尽量选用标准内径和壁厚的钢管和铝合金管，详情见表
所以气缸D=80mm，d=34mm，壁厚为8mm
挠度、转角、锁紧力的计算及校核
机床尾座的尾座受力简图:
图6
尾座受力图
根据工件最大长度和最大旋转外径假设工件最大重量
Q=2760N
顶尖和三爪卡盘支撑工件可简化为简支梁，因此尾座负重
Q/2=1380N
尾座主轴伸出尾座体最大长度
130mm
尾座套筒直径
80mm
钢的弹性模量
E
=
2.1×106kgf/cm2
断面惯性矩
I=201×104mm4
顶尖伸出套筒长
109mm
根据公式
(6-15)
查表可知单位切削力
=
2305N/mm2
=
/r
=
故切削力
=
2370N
机床加工如此重的工件时，尾座主轴一般紧缩在尾座体内，现在假设尾座主轴伸出为尾座主轴伸出尾座体最大长度的1/2，即伸出65mm，悬臂65mm+109mm=174mm。
.1挠度的计算
(6-16)
许用挠度［］～,[],在范围之内。
6.5.2转角的计算
(6-17)
许用转角[]
～，在[]范围内。
6.5.3压板处螺栓直径的校核
在机床尾座上通过一组两个相同的螺栓连接尾座和导轨的，并用压板固定。压板的作用是连接尾座和导轨，并通过连接螺栓的紧固或松开来确定尾座在导轨上的位置。下面我们来确定连接螺栓的直径。
选用螺栓的材料为35号钢，那么许用抗拉强度〔σ〕=540Mpa，由作用力与反作用力定理可知尾座的上部和下部之间的摩擦力等于通过顶尖作用在尾座上的轴向力，即，旋转时产生的轴向分力。
~0.6)。为了满足加工后的工件的精度要求，在工件重量较大和扭转力较大的情况下机床不发生共振，取轴向力。,取摩擦系数为
由可知作用在下箱体上的压力
(6-18)，那么作用在每个螺栓上的力为
(6-19)
因为压板与导轨之间的连接形式为松连接，由公式
：
(6-20)
于是可得：
现螺栓直径为，故螺栓选择合理。其长度可以根据尾座体和螺栓所在尾座体来确定，取。
6尾座锁紧力的验算
由于尾座芯轴的顶紧力为20，故压板和床身的摩擦力F要大于20，取：
由公式
(6-21)
得：
——
摩擦系数，导轨材料为铸铁，活塞材料为铜，取0.15，——
尾座重量，取250,尾座轴向力主要由尾座顶杆承当，锁紧压板主要承受的是倾覆力矩，故应完全能够满足要求。
第七章机床底座设计
机床底座材料设计
机床底座整体采用方钢，结构如下列图
因其只在活塞一侧有活塞杆，所以压缩空气作用在活塞两侧的有效面积不等，活塞左行时活塞杆产生推力F1，活塞右行时活塞杆产生拉力为F2
F1=D²p-Fz
〔7-1〕
F2=(D²-d²)P-Fz
〔7-2〕
式中F1——
——活塞杆推力〔N〕
F2——
——活塞杆的拉力〔N〕
D——
——活塞直径〔m〕
d——
——活塞杆的直径〔m〕
p——
——气缸工作压力〔Pa〕
Fz——
——气缸工作时的总阻力〔N〕
气缸工作时的总阻力Fz与众多因素有关，如运动部件惯性力、背压阻力、密封处摩擦力等。以上因素可以用载荷率记入公式。那么气缸的静推力F1和静拉力F2为
F1=D²p
〔7-3〕
F2=(D²-d²)p
〔7-4〕
计入载荷率就能保证气缸工作时的动态特性。假设气缸动态参数要求较高；且工作频率高，其载荷率一般取，速度高时取小值，速度低时取大值。假设气缸动态参数要求一般，且工作频率低，根本是匀速，其载荷率可取。
由式〔1〕〔2〕可求得气缸直径D
当推力作用时
D=
D=98
(7-5)
当拉力作功时
D=
D=105
(7-6)
用式〔6〕计算时，活塞杆直径d可根据气缸拉力预先固定，详细计算见活塞杆的计算。估定活塞杆直径可按代入式〔6〕，那么可得
D=〔1.01~1.09〕
D=98
(7-7)
式中系数在缸径较大时取小值，缸径较小时取大值。
以上公式计算出的气缸内径D应圆整为标准值〔1〕
综合上值对D取整110mm
〔2〕活塞杆的计算
1.按强度条件计算。当活塞杆的长度L较小时〔L10d〕，可以只按强度条件计算活塞杆直径d
d
d30
(7-8)
综合考虑d取40
式中
F1——气缸的推力〔N〕
——活塞杆材料的许用应力〔pa〕，=/S；
——材料的抗拉强度〔pa〕；
S——平安系数，S1.4。
2.按纵向弯曲极限力计算。气缸承受向压力以后，会产生轴向弯曲，当纵向力到达极限力F1以后，活塞杆会产生永久性弯曲变形，出现不稳定现象。该极限力与缸的安装方式、活塞杆直径及行程有关。
当长细比85时
Fi=
〔7-9〕
当长细比85时
Fi=
〔7-10〕
式中
L——活塞杆计算长度〔m〕见表
i——活塞杆横截面惯性半径
实心杆i==
空心杆i=；
I——活塞杆横截面惯性距
实心杆I=
空心杆I=；
——空心活塞杆内孔直径〔m〕；
A1——活塞杆截面积
实心杆A1=d²
空心杆A1=〔d²-d²0〕;
n——系数，见上表
E——材料弹性模量，对钢取1011Pa
f——材料强度实验值，对钢取f=49107Pa
a——系数，对钢取a=1/5000。
假设纵向推力载荷〔总载荷〕超过极限力Fi，就应采取相应措施。在其他条件不变的前提下，多以加大活塞杆直径d来解决
〔3〕缸筒壁厚的计算
缸筒直接承受压力，需有一定厚度。由于一般气缸缸筒壁厚与内径之比δ／D≤1／10,所以通常可按薄壁筒公式计算
=
=10
(7-11)
综合考虑壁厚取10mm
式中
——气缸筒的壁厚；
D——气缸筒内径〔缸径〕〔m〕；
通常计算出的缸筒壁厚相当薄，但考虑到机械加工，缸筒两端要安装缸盖等需要，往往将气缸气缸壁筒作适当加厚，且尽量选用标准内径和壁厚的钢管和铝合金管，详情见表
所以气缸D=110mm，d=40mm，壁厚为10mm
结论
汽车后桥半轴淬火机的设计具有广泛的应用前景和社会需求，它不仅可以加工汽车半轴，还可以加工其他圆柱形外外表，本文主要介绍了汽车后桥半轴淬火机升降局部以及尾座局部的设计结构和应用特点，并对加工工件长度在600mm~1070mm的淬火机结构做出相机的设计及计算，送过结构仿真和结构改良机床各局部零件的合理尺寸，汽车后桥半轴淬火机机械性可靠高，系统平安性好。
致谢
本次毕业设计是对以前所学的所有知识的总结，本次设计的研究工作是在导师曲守平教授的悉心指导下完成的。在本科学习和设计研究期间，导师严谨的治学态度、细致的工作作风、深刻的洞察力、忘我的科研精神和对学生的高标准、严要求使我在学术和思想等方面得到很大的锻炼提高，终生难忘。借此毕业设计论文完成之际，谨向导师表示崇高的敬意和感谢。
在此次毕业设计的撰写和课题的研究中，得到了诸多人的帮助，特别感谢龚秀亮同学对我的帮助，在此对各位老师、同学以及学习期间曾经对我的学习和生活给予帮助过的领导、老师、同学、朋友们表示最真挚的谢意。
感谢我的父母及亲人多年来对我学业上默默鼓励和对我生活上无微不至的关心，使我能够顺利地完成学业，在这里我衷心地祝愿他们身体健康，万事如意。
谨以此文献给我的家人及所有老师、同学和朋友们。
感谢评审本文的各位老师在百忙之中抽出珍贵的时间来翻阅我的论文。
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实现数控车床尾座的自动化
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李健
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黄艳
机床与液压
新型数控车床液压尾座设计
2021年12月第39卷24期
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