基于多轴加工的普通钻床改造

摘 要 随着先进制造技术的发展和进步，数控加工已成为机加工过程中的一种主流技术。这一技术的运用提高了机加工过程中工作效率和加工精度。数控 多工位钻床就是提高钻削加工精度和效率的一种很好的机加工工具。数控多工位钻床 的 设计，采用了普通车床设计的步骤和方法，综合考虑数控机床的特点 。从切削力入手确定主轴及电机，到整个机床的结构设计和机床的控制 ， 最后到对机床初始化程序设计。 本设计是基于多轴加工的普通钻床改造。为了实现复合工位的加工，现需要对普通钻床进行多轴头的设计。普通钻床为单轴机床，但安装上多轴箱就会成为多轴的钻床， 改造成多轴钻床后，能大大地缩短加工时间，提高生产效率。因此本设计的重点是多轴箱的设计，设计内容包括齿轮分布与选用、轴的设计、多轴箱的选用、导向装置设计等。 关键词： 复合工位；多轴钻床；生产效率；多轴箱 Abstract With the manufacturing development, numerical control manufacturing has become one of the major advanced technologies. efficiency and accuracy has been improved in application of the technology. Numerical control auto-drilling machine is a kind of the new machine tools that can improve the machining accuracy and efficiency. The paner has designed for Numerical control auto-drilling machine, using design method of the ordinary lathe, and considering the characteristic of the numerical control machine tools synthetically. cutting force has been calculated, the structural and the control system has been designed. Finally, the software routine has been explored.This paner has finished completed a investigation of internal and external of current situation for numerical control multistage-drilling machine, and compared it, put forward a feasible scheme； completed the mechanical structural design an calculated and designed the electric control system, and finished the software and hardware of the control system tentatively.The design is based on the multi-axis machining of common drilling machine. To accomplish the manufacture of multi-hole, redesigned the drive mechanism of the ordinary drill press. Mono-spindle be changed into a multiple spindle. It will improve its productive efficiency, shorten its processing time if assembled a multiple spindle case on. That so calls a multiple drill. Hereby, the keystone of this design paper is how to design a multiple spindle heads. The design subjects include the selection and distribution of gear wheel, the design of spindle, and the guiding equipment and selection of the multiple spindle heads, etc. Key words: multi-position manufacture； multiple drill press； productive efficiency； multiple spindle heads 目 录 摘 要 . III ABSTRACT . IV 目 录 . V 1 绪论 . 1 1.1 本课题的研究内容和意义 . 1 1.2 国内外的发展概况 . 2 1.2.1 多轴头 . 2 1.2.2 多轴箱 . 2 1.2.3 多轴钻 床 . 3 1.2.4 自动更换主轴箱机床 . 3 1.2.5 多轴加工趋势 . 3 1.3 本课题应达到的要求 . 4 2 单工位钻床改为多工位钻床 . 5 2.1 设计任务 . 5 2.2 普通立式钻床的选型 . 5 2.2.1 计算所需电机功率 . 5 2.2.2 立式钻床的确定 . 6 3 主传动齿轮传动箱的设计 . 7 3.1 设计前的准备 . 7 3.2 传动系统的设计与计算 . 7 4 多轴箱的结构与零部件的设计 . 13 4.1 箱盖、箱体和中间板结构 . 13 4.2 多轴箱轴的设计 . 13 5 导向装置的设计 . 28 5.1 导向装置组成 . 28 5.2 导向装置选择与设计 . 28 6 接杆刀具 . 30 7 结论与展望 . 31 7.1 结论 . 31 7.2 不足之处及未来展望 . 31 致 谢 . 32 参考文献 . 33 1 绪论 1.1 本课题的研究内容 和 意义 毕业设计是在完成了大学的全部课程之后，进行的一次理论联系实际的综合运用，使我对专业知识、技能有了进一步的提高，为以后从事专业技术的工作打下基础。专用机床的结构设计和改进是实现产品设计，保证产品质量、节约能源、降低成本的重要手段，合理的专用机床是企业进行生产准备、计划调度、加工操作、生产安全、技术检测和健全劳动组织的重要依据，也是企业上品种、上质量、上水平，加速产品更新，提高经济效 益的技术保证。 本课题为基于复合工位加工机床结构设计，由于零件的生产纲领为大批大量生产，故将涉及大批量加工的工艺规程设计、专用机床和专用夹具设计等，尤其随着工业的发展，大型复杂的多轴、多工位加工更是引人注目。结合多轴、多工位加工不但可以扩大加工范围，而且在提高精度的基础上还能大大地提高工效。完成该课题是对我们大学期间所学知识进行一次全面的专业训练，可以培养我们掌握如何运用过去所学知识去解决生产中实际问题的方法，增强从事本专业实际工作所必需的基本能力和开发研究能力，可以提高我们的专业素质，为今后走上工作岗位打 下一个良好的基础，因而，其对我们实践能力的提高和进行企业专用机床的技术改造均具有十分重要的意义。 组合机床上的通用部件和标准零件约点全部机床零部件总量的 70 -80，因此设计和制造周期短，经济效益好。由于组合机床目的通用部件和标准零件自动化程度高，因而比通用机床生产效率高，产品质量稳定劳动强度低。组合机床的通用部件是经过周密设计和长期生产实践考验的，又有专门厂家成批生产，它与一般专用机床比较，其结构稳定，工作可靠，使用和维修方便。组合机床加工工件，由于采用专用夹具组合刀具和导向装置等，产品加工质量靠工艺 装备保证，对操作工人的技术水平要求不高。当机床被加工的产品更新时，专用机床的大部件要报废。组合机床的通用部件是根据国家标准设计的，并等效于国际标准，因此，其通用部件可以重复使用。不必加行设计和制造。组合机床易于联成结合机床自动线，以适应大规模和自动化生产需要。 据统计，一般在车间中普通机床的平均切削时间很少超过全部工作时间的 15%。其余时间是看图、装卸工件、调换刀具、操作机床、测量 以及清除铁屑等等。使用数控机床虽然能提高 85%，但购置费用大。某些情况下，即使生产率高，但加工相同的零件，其成本不一定比普通机 床低。故必须更多地缩短加工时间。不同的加工方法有不同的特点，就钻削加工而言，多轴加工是一种通过少量投资来提高生产率的有效措施。 专用 机床总体设计 -三图一卡 “被加工零件工序图 ”-它是组合机床的设计的主要依据，它是制造使用，检修和调整机床的重要技术条件 绘制加工示意图 -它是刀具夹具，多轴箱，液压电器装置设计及通用部件选择主要原始资料，它是调整机床，刀具及试车依据。 绘制联系和运动关系及检验机床各部件相对位置及联系 -是满足加工要求 、 进一步开展主轴箱 及 夹具等专用部件 和 零件设计的 主要 依据。 相对生产率计 算卡 -它用来反映机床的加工过程，完成这一动作所需要的时间，切削用量，机床生产率及机床负荷率。 专用 机床主轴箱设计，按专用要求进行设计，由通用零件组成，其主要作用是根据 被加工零件的要求，安排各主轴位置并将动力和运动由电机或动力部件传给各主轴，使之得到要求的转速，机床主轴箱选用 400*400， 中间传动轴带动主轴传动。 专用 机床设计 是 按系列化标准化设计的由大量的通用部件和少量的专用部件组合的工序集中的高效率专用机床。它能对工件进行多刀，多轴，多面，多工位，同时加工。随着组合机床技术的发展，它以工艺范围日益扩大 。 1.2 国内外的发展概况 虽然不可调式多轴头在自动线中早有应用，但只局限于大批量生产。即使采用可调式多轴头扩大了使用范围，仍然远不能满足批量小、孔型复杂的要求。尤其随着工业的发展，大型复杂的多轴加工更是引人注目。例如原子能发电站中大型冷凝器水冷壁管板有 15000个 20 孔，若以摇臂钻床加工，单单钻孔与锪沉头孔就要 842.5 小时，另外还要划线工时151.1 小时。但若以数控八轴落地钻床加工，钻锪孔只要 171.6 小时，划线也简单，只要1.9 小时。因此，利用数控控制的二个坐标轴，使刀具正确地对准加工位置，结合多轴 加工不但可以扩大加工范围，而且在提高精度的基础上还能大大地提高工效，迅速地制造出原来不易加工的零件。有人分析大型高速柴油机 30 种箱形与杆形零件的 2000 多个钻孔操作中，有 40%可以在自动更换主轴箱机床中用二轴、三轴或四轴多轴头加工，平均可减少20%的加工时间。 1975年法国巴黎机床展览会也反映了多轴加工的使用愈来愈多这一趋势。 多 工位 加工是在一次进给中同时加工许多孔或同时在许多相同或不同工件上各加工一个孔。这不仅缩短切削时间，提高 零件加工 精度，减少 零件的 装夹或定位时间，并且在数控机床 加工程序的编制中 不必计算 坐标，减少 了 字块数而简化编程。它可以采用以下一些设备进行加工：立 式 钻 床 或摇臂钻 床 上装多轴头、多轴钻床、多轴组合机床 以 及自动更换主轴箱机床 等 。甚至可以通过二个能自动调节轴距的主轴或多轴箱，结合数控工作台纵横二个方向的运动，加工各种圆形或椭圆形孔组的一个或几个工序。现在就这方面的现状作一简介。 1.2.1 多轴头 从传动方式来说主要有齿轮传动与万向联轴节传动二种。这是大家所熟悉的。前者效率较高，结构简单，后者易于调整轴距。从结构来说有不可调式与可调式二种。前者 主、从动轴间 轴距不能改变，多采用齿轮传动，仅适用于大批 量生产。为了扩大其 加工 适应性，发展了可调式多轴头， 其 在一定范围内可调整轴距。它主要 结构形式有两 种 ： （ 1）具有对准装置的主轴。主轴装在可调支架中，而可调支架能在壳体的 T 形槽中移动，并能在对准的位置以螺栓固定。（ 2）具有 较小 公差的圆柱形主轴。主轴 通过衬套 固定在与 零件 孔型相同的模板中。前一种适用于批量 较 小且孔 系 是规则分布的工件（如孔 系 分布在不同直径的圆周上）。后一种适用于批量较大 的机械加工 中， 其 刚性较好，孔距精度亦高，但不同孔型需要不同的模板。 多轴头可以装在立 式 钻 床或 摇臂钻床上，按钻床本身所具有的各种功能进行工 作。这种多轴加工方法，由于钻孔效率、加工范围及精度的关系，使用范围有限。 1.2.2 多轴箱 也 像 多轴头那样作为标准部件生产。美国 Secto 公司标准齿轮箱、多轴箱等设计的不可调式多轴箱。有 32 种规格，加工面积从 300 300 毫米到 600 1050 毫米，工作轴达 60 根，动力达 22.5 千瓦。 Romai 工厂生产的可调多轴箱调整方便，只要先把齿轮调整到接近孔型的位置，然后把与它联接的可调轴移动到正确的位置。因此，这种结构只要改变 模板，就能在一定范围内容易地改变孔型，并且可以达到比普通多轴箱更小的孔距。 根据成组加工原理使用多轴箱或多轴头的组合机床很适用于大中批量生产。为了在加工中获得良好的效果，必需考虑以下数点：（ 1）工件装夹简单，有足够的冷却液冲走铁屑。（ 2）夹具刚性好，加工时不形变，分度定位正确。（ 3）使用二组刀具的可能性，以便一组使用，另一组刃磨与调整，从而缩短换刀停机时间。（ 4）使用优质刀具，监视刀具是否变钝，钻头要机磨。（ 5）尺寸超差时能立即发现。 1.2.3 多轴钻床 这是一种能满足多轴加工要求的钻床。诸如导向、功率、进 给、转速与加工范围等。巴黎展览会中展出的多轴钻床多具液压进给。其整个工作循 环 如快进、工进与清除铁屑等都是自动进行。值得注意的是，多数具有单独的变速机构，这样可以适应某一组孔中不同孔径的加工需要。 1.2.4 自动更换主轴箱机床 为了中小批量生产合理化的需要，最近几年发展了自动更换主轴箱组合机床。 自动更换主轴机床 自动更换主轴机床顶部是回转式主轴箱库，挂有多个不可调主轴箱。纵横配线盘予先编好工作程序，使相应的主轴箱进入加工工位，定位紧并与动力联接，然后装有工件的工作台转 动到主轴箱下面，向上移动进行加工。当变更加工对象时，只要调换悬挂的主轴箱，就能适应不同孔型与不同工序的需要。 多轴转塔机床 转塔上装置多个不可调或万向联轴节主轴箱，转塔能自动转位，并对夹紧在回转工作台的工件作进给运动。通过工作台回转，可以加工工件的多个面。因为转塔不宜过大，故它的工位数一般不超过 46 个。且主轴箱也不宜过大。当加工对象的工序较多、尺寸较大时，就不如自动更换主轴箱机床合适，但它的结构简单。 自动更换主轴箱组合机床 它由自动线或组 合机床中的标准部件组成。不可调多轴箱与动力箱按置在水平底座上，主轴箱库转动时整个装置紧固在进给系统的溜板上。主轴箱库转动与进给动作都按标准子程序工作。换主轴箱时间为几秒钟。工件夹紧于液压分度回转工作台，以便加工工件的各个面。好果回转工作台配以卸料装置，就能合流水生产自动化。在可变生产系统中采用这种装置，并配以相应的控制器可以获得完整的加工系统。 数控八轴落地钻床 大型冷凝器的水冷壁管板的孔多达 15000 个，它与支撑板联接在一起加工。孔径为 20毫米，孔深 180 毫米。采用具有内冷 却管道的麻花钻， 5 7MPa 压力的冷却液可直接进入切削区，有利于排屑。钻尖磨成 90供自动 定心。它比普通麻花钻耐用，且进给量大。为了缩短加工时间，以 8 轴数控落地加工。 1.2.5 多轴加工趋势 多轴加工生产效率高，投资少，生产准备周期短，产品改型时设备损失少。而且随着 我国数控技术的发展，多轴加工的范围一定会愈来愈广，加工效率也会不断提高。 1.3 本课题应 达到的要求 通过实际调研和采集相应的设计数据、阅读相关资料相结合，在对金属切削加工、金属切削机床、机械设计与理论及液压与气动传动等相关知识充分掌握后，分析钻削 加工的特点，设计多工位加工的多轴钻床，经反复对各方案对比分析，采用以专用机床与专用夹具为主组成生产流水线，提高机械加工效率以节省劳动时间。通过实验分析多轴加工的特点，改进专用机床的结构设计，并采用动作迅速并安全可靠的机构。 金属切削加工过程中的机床工作台驱动、工件夹紧等方面的相关数据，结合液压与气动传动的相关理论知识，完成液压传动方案分析及液压原理图的拟定，设计液压专用夹具的驱动、夹紧装置，并进行主要液压元件的设计与选择及传动系统的验算校核等，来达到产品的最优化设计。 针对实际使用过程中存在的金属加工工艺文 件编制、工件夹紧及工艺参数确定及计算问题，综合所学的机械理论设计与方法、机械加工工艺文件编制及实施等方面的知识，设计出一套适合于实际的零件加工工艺路线，从而实现适合于现代加工制造业、夹紧装置的优化设计。 适用某厂的复合工位专用加工生产线的优化设计，根据加工对象的具体工艺要求来合理地改进多轴钻床的结构形式，力求在不影响加工的前提下最大限度的提高机械加工效率以节省劳动时间，并降低工人的劳动强度和企业的生产成本。 2 单工位 钻床改为多 工位 钻床 2.1 设计 任务 在一批铸铁连接件上 ，其 同一个 表 面上有多个孔 需要进行 加工。在普通立式钻床上进行孔 系的 加工，通常是一个孔一个孔的钻削，生产效率低，用非标设备，即组合机床加工，生产效率高，但设备投资大。 但把一批普通立式普通单轴钻床改造为立式多轴钻床，改造后的多轴钻床，可以同时完成多个孔的钻、扩、铰、等工序。设计程序介绍如下： 2.2 普通立式钻床的选型 2.2.1 计算所需电机功率 待加工的 零件图如图 2.1 所示： 图 2.1 为工件零件图， 其技术要求和生产批量如下： 材料：铸铁 HT200；料厚： 40mm；硬度： HBS170-240HBS； 年产量： 1000 万件； 4-6.7 尺寸精度 IT13。 确定四个孔同时加工 时所需 的轴向力， 根据机械加工工艺手册表 2.3 可知： FFF ZYXF VfdCF 0 式 2-1 图 2.1 待加工零件 式中： FC-切削力系数， 查表得： 738.7/457.1=1.62； 0d-麻花钻钻头直径，单位为 mm， 根据已知条件为 7mm； FX-背吃刀量影响指数，查表得： 0.667/0.716=0.93； f -进给量 ,单位为 mm/r，计算得： 0.14mm； FY-进给量影响指数，查表得： 1.233/1.231=1； V -切削速度，单位为 m/min，查表得： 8.3m/min； FZ-切削速度影响指数，查表得： 0.248/0.258=0.96； 则 0 . 9 3 1 0 . 9 60 . 1 41 . 6 2 7 8 . 3F =1.055N 所需电机功率： 8765.083.0055.1 FVP kW 2.2.2 立式钻床的确定 根据上面计算所需电机的功率，现选用 Z525 立式钻床，其主要技术参数如表 2-1所示： 表 2-1 Z525 立式钻床主要技术参数 技 术 规 格 型号 Z525 最大钻孔直径 （ mm） 25 主轴端面至工作台距离 (mm) 0-700 主轴端面至底面距离 (mm) 750-110 主轴中心至导轨距离 (mm) 250 主轴行距 (mm) 175 主轴孔莫氏解锥度 3 号 主轴最大扭转 力矩 (N m) 245.25 主轴进给力 (N) 8829 主轴 速 (r/mm 转 ) 97-1360 主轴箱行程 (mm) 200 进给量 (mm/r) 0.1-0.8 工作台行程 (mm) 325 工作台工作面积 (mm2) 500 375 主电动机功率 (kw) 2.8 3 主传动 齿轮传动箱的设计 3.1 设计前的准备 （ 1） 大致了解工件上被加工孔为 4 个 7 的孔。毛坯种类为灰铸铁的铸件，由于石墨的润滑及割裂作用，使灰铸铁很易切削加工，屑片易断，刀具磨损少，故 可选用硬质合金锥柄麻花钻（ GB10946-89） 。 （ 2） 切削用量的确定 根据 金属切削加工手册 表 2 7 可知 ： 切削速度 21cVm/min,进给量 07.0f mm/r 则切削转速 9 9 87.614.3 211 0 0 01 0 0 0 d Vn s r/min 根据 Z525 机床说明书 ，取 960snr/min 故实际切削速度为： 2.201 0 0 0 9 6 07.614.31 0 0 0 wc dnV m/min （ 3）确定加工时的单件工时 一般切入L为 5-10mm， 取 10mm 2.1083 7.68331 dL 切出 mm 40加工L mm 加工一个孔所需时间： 14 0 . 2 0 . 5 9 8 m i n9 6 0 0 . 0 7m wL L Ltnf 切 入 切 出加 工 单件时工时： 14 4 0 . 5 9 8 2 . 3 9 2 m i nmt t m 3.2 传 动系统的设计与计算 根据零件的技术要求及结构特点，主传动的传动方式 选定 为 齿轮传动 ，齿轮结构的布局 初定为外啮合。 （ 1） 齿轮分布方案确定： 根据零件图 的 分析 ，多轴箱齿轮分布初定有以下两种形式 ，分别如 图 3.1 和 图 3.2所示。 根据通常采用的经济而又有效的传动是：用一根传动轴带支多根主轴。因此，本设计中采用了图 3.2 所示的齿轮分布方案。 （ 2） 明确主动轴、工作轴和惰轮轴的旋转方向，并计算或选定其轴径大小。 因为所选定的 Z535 立式钻床主轴是左旋，所以工作轴也为左旋，而惰轮轴则为右 旋。 根据表 3-1 确定工作轴直径 ,其由 机械 设计 表 8/97 可得 : 表 3-1 加工孔径与工作轴直径对应表 （ mm） 因为加工孔径 为 7mm， 所以工作轴直径选 15mm。 主动轴和惰轮轴的直径在以后的轴设计中确定。 排出齿轮传动的层次，设计各个齿轮。 本设计的齿轮传动为单层次的齿轮外啮合传动，传动分布图如图 3.2 所示。 在设计各个齿轮前首先明确已知条件：电机输入功率 8.21P kW,齿轮 转速13601 n r/min, 齿轮转速 9603 n r/min， 假设齿轮 、 、 的传动比均为 i=0.84，即齿轮比 u=1.2， 工作寿命 15 年（每年工 作 300 天）， 两班制。 选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数 ： 选用直齿轮圆柱齿轮传动； 多轴箱为一般工作机器，速度不高，故选用 7 级精度 （ GB10095-88） ； 材料选择 由表 10-1文献 4选择齿轮材料为 40Cr（调质），硬度为 280HBS，齿轮材料为45（调质），硬度为 240HBS，齿轮材料为 45（常化），硬度 210HBS； 选齿轮齿数 241 Z ， 齿轮齿数 8.282.12412 uZZ ， 取 292 Z 。 按齿面接触强度设计 ， 由设计计算公式进行试算： 3211 132.2 HEdttZuuTKd 确定公式内的各计算数值 加工孔径 12 12 16 16 20 工作轴直径 15 20 25 图 3.1 齿轮布置 方案一 图 3.2 齿轮布置方案二 1)试选载荷系数 3.1tK； 2)计算齿轮传递的转矩 ： 451151 10966.11360/8.2105.95/105.95 nPT Nmm 3)由表 10-7文献 4选取齿宽系数 ： d=0.5 4)由表 10-6文献 4 查得材料的弹性影响系数 ： 8.189EZ MPa 5)由表 10-21d文献 4 按齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限 ： 6001lim H MPa 齿轮的接触疲劳强度极限 ： 5502lim H MPa 6)由表 10-13文献 4 计算应力循环次数： 911 10875.51530082113606060 hjLnN 992 10896.42.1/10875.5 N 7)由表 10-19文献 4 查得接触疲劳寿命系数 90.01 HNK， 95.02 HNK； 8)计算接触疲劳许用应力 : 取失效 概率为 1%，安全系数 1S ， 由式 (10-12) 文献 4 得： 5 4 01 6 0 09.0 1l i m1l i m1 SK HHH MPa M P a5.5221 55095.0 2l i m22 SK HHNH 计算 1)试算小齿轮分度圆直径td1，代入 H 中较小的值 : 243211 5.5228.1892.12.2110966.13.132.2132.2 HEdttZuuTKd mm649.53 2)计算圆周速度 V: 81.3100060 1360649.5314.3100060 11 ndV t m/s 3)计算齿 b mm82.26649.535.0 Hd db 4)计算齿宽与齿高之比 hb/ 模数： mm235.224/649.53/ 11 zdm tt 齿高： 029.5235.225.225.2 tmh mm 3.5029.5/649.53/ hb 5)计算载荷系数 根据 v=3.81m/s， 7 级精度，由图 10-8文献 4 查得动载系数 Kv=1.14, 直齿轮，假设 mm/N100/ bFKta， 由表 10-3文献 4 查得 2.1 FH KK； 由表 10-2文献 4 查得使用系数 1AK ； 由表 10-4文献 4 查得 7 级精度齿轮相对支承非对称布置时， bK ddH 322 1023.06.0118.012.1 将数据代入后得： 182.1649.531023.0116.0118.012.1 322 HK ； 由 182.1,3.5/ HKhb,查图 10-13文献 4得， 15.1FK； 故载荷系数 ： 574.1182.12.111.11 HHVA KKKKK 6)按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式 （ 10-10a） 文献 4 得， tdd 11 3 /KtK=53.649 3 3.1/574.1 =57.18mm 7)计算模数 m m= 11/Zd =57.18/24=2.4mm 圆整为 m=2.5mm 按齿根弯曲强度设计 由式 （ 10-5） 文献 4 得弯曲强度 的设计公式为 m3 2112 FSaFadYYzkT 确定公式内的各计算数值 由图 10-20文献 4 查得齿轮的弯曲疲劳极限 1FE =500Mpa； 齿轮的弯曲疲劳强度极限 2FE =380Mpa 2)由图 10-18文献 4 查得弯曲疲劳寿命系数 88.0,85.021 FNFN KK； 3)计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数 S=1.4,由式 （ 10-12） 文献 4 得： 1 F = SK FEFN 11 = 4.1 50085.0 =303.57Mpa 2 F = SK FEFN 22 = 4.1 38088.0 =238.86MPa 4)计算载荷系数 532.115.12.111.11 FFVA KKKKK 5) 查取齿形系数 由表 10-5文献 4 查得 53.2,65.221 F