机械毕业设计（论文）-激光珩磨表面研磨机床床身设计【全套图纸】 .pdf

j i a ngsu university 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 激光珩磨表面研磨机床床身设计激光珩磨表面研磨机床床身设计 design on the machine body of grinding laser honing surface 学院名称： 机械工程学院 专业班级： 机械 0903 班 学生姓名： 指导教师姓名： 指导教师职称： 2013 年 6 月 1 激光珩磨表面研磨机床床身设计激光珩磨表面研磨机床床身设计 专业班级：机械 0903 学生姓名： 指导老师： 职称：教授 摘要摘要 随着时代的发展，消费者对于发动机性能要求与日俱增，同时各个国家对汽油及柴 油发动机排放的相关法律法规也越来越严格。而使用激光珩磨工艺，可以轻松的达到欧 5 和欧 6 的排放标准。所以，在今后的日子里，激光珩磨技术将得到越来越广泛的应用。本 文就去除激光珩磨加工后发动机气缸孔产生的毛刺、熔渣及抛光处理的机械珩磨加工机床 机构进行设计。 关键词关键词：激光 珩磨 结构 床身 夹具 输送 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 design on the machine body of grinding laser honing surface abstract with the development of the times, consumers are increased for engine performance, while the laws and regulations of imany countries on gasoline and diesel engine emissions have become increasingly stringent. the use of laser honing process, you can easily meet euro 5 and euro 6 emission standards. so, in the coming days, the laser honing technology will be more widely used. in this paper, design one mechanical honing machine body which is used for removing burrs, slag 2 and polishing on engine cylinder bore produced by laser honing. keywords：laser honing structure body fixture delivery 目录 第一章 绪论 . 1 1.1 课题背景及研究的意义 . 1 1.2 珩磨技术介绍及发展概况 . 2 1.3 珩磨机的发展趋势 4 1.4 课题来源和主要任务 5 第二章 珩磨机结构设计 . 6 2.1 床身 . 6 2.2.1 立柱及底座 . 7 2.2.2 移动工作台 . 8 2.1 夹具 . 8 2.1.1 夹具概述 . 8 2.1.2 夹具设计 . 9 2.3 运输装置 . 11 2.3.1 辊子运输机 11 2.3.2 推拉机构 13 2.4 珩磨机主要技术参数确定 6 . 13 2.5 运动设计 14 第三章 结论 15 4.1 总结 15 4.2 展望 16 致谢 . 16 参考文献 . 17 1 第一章 绪论 1.1 课题背景及研究的意义 汽车发动机缸体的缸孔与缸盖、活塞组成燃烧室，承受燃气燃烧的爆发压力 和冲击， 既要耐高温、 高压和高温冲击负荷， 又要为活塞高速往复运动提供基准， 良好定位，准确导向。因此缸孔与活塞之间，配合间隙要合理，摩擦力要小。为 此，要求缸孔表面粗糙度要低，缸孔尺寸精度要高，形状精度和位置精度要好。 为保证缸孔能满足上述要求，具备必要的性能，需要更为良好可靠的缸孔精加工 手段。 传统的机械珩磨加工方法,在工件表面留下的珩磨痕迹具有一定的贮存和输 送润滑油,进而起到一定的润滑、抗磨性能的作用。但是由于珩磨痕迹紊乱无序, 因而作用十分有限。 到 90 年代后期,德国格林公司率先将激光珩磨技术应用到气 缸孔表面处理,以改善其表面磨损润滑状态1。 所谓激光珩磨技术,就是利用具有一定能量密度的激光束，在工件工作表面 上,按发动机的润滑性能需求进行表面微观几何结构造型, 加工出珩磨网纹， 可以 提高汽缸内壁的硬度和耐磨性, 并改善汽缸和活塞之间的润滑效果,从而达到减 磨延寿、提高密封性、降低耗油量、减少颗粒排放的效果。随着时代的发展，消 费者对于发动机性能要求与日俱增， 同时各个国家对汽油及柴油发动机排放的相 关法律法规也越来越严格。而使用激光珩磨工艺，可以轻松的达到欧 5 和欧 6 的排放标准。所以，在今后的日子里，激光珩磨技术将得到越来越广泛的应用。 用激光珩磨加工，由于高温，气缸孔表面的沟槽周围会马上产生硬化的熔积 堆，如图 1.1 就是激光珩磨加工后零件表面产生的熔渣。所以在激光珩磨之后还 有一道后续处理工序即机械珩磨抛光进行熔渣清除，而图 1.2 为机械珩磨处理后 的零件表面。 本次课题研究的便是关于去除激光珩磨加工后发动机气缸孔产生的 毛刺、熔渣及抛光处理的机械珩磨加工处理。 2 图 1.1 图 1.2 1.2 珩磨技术介绍及发展概况 珩磨是磨削加工的特殊形式，又是一种高效率的加工方法。它不仅能去除预 留的加工余量，而且是一种提高工作尺寸、几何形状精度和表面光洁度（珩磨作 用）的有效加工方法。 珩磨的加工特点是： （1）加工精度高，工件经珩磨后，尺寸精度、形位精度 均能提高，表面粗糙度可打 ra0.8ra0.2 m m，有的甚至低于 ra0.025 m m.(2)表 面质量好，珩磨加工面具有交叉网纹，有利于润滑油的贮存及油膜的保持，并有 较高的表面支撑率（孔与轴的实际接触面积与两者间的配合面积之比） ，因而能 承受较大的载荷，耐磨损，从而延长了受用寿命等。 （3）加工范围较广，珩磨主 要用于加工各种圆柱形孔（包括光孔、轴向或径向间断表面孔、通孔、盲孔和多 台阶孔） ，还能加工圆锥孔、椭圆形孔等。 珩磨的加工原理是利用安装与珩磨头圆周上的若干条油石，由涨开机构将油 石径向涨开，使其压向工件孔壁以便产生一定的面接触，同时使磨头作旋转和往 复运动（工件不动） 由此而实现对孔的低速磨削2。 影响工件珩磨精度的因素很多，但主要有三种：珩磨头旋转速度，油石的膨 胀压力，珩磨头往复运动速度。这三种因素合理的配合可以极大的提高工件的加 工质量，而以往珩磨件的加工精度主要取决于操作工人的技术水平，存在着很大 的不确定性，这就限制了珩磨技术在更广泛的场合应用。 3 我国生产珩磨机的历史还不太长，过去主要是仿照国外的样机设计制造，从 六十年代起，开始独立设计自己的珩磨机床。现在自己设计的珩磨机床从数量和 品种上已占国产珩磨机床的绝大多数，其经济技术指标已显著增高，其主要性能 （如加工精度，生产效率等）已达到或接近世界先进水平3。 随着珩磨技术的发展，生产珩磨机床的公司和厂家也日趋增多，珩磨理论的 研究也越来越深人。我国珩磨加工在汽车、拖拉机气缸内表和齿轮表面加工中应 用较早，但主要作为一种光饰加工使用，对精密小孔，珩磨的研究则起步较晚， 经过多年的生产实践，越来越多的人认识到珩磨是一种有效而经济的加工方法， 已引起机械制造行业的重视。 伴随国民经济的飞速发展和科学技术的日益提高，我国的五金工具、医疗器 械、餐具等行业的发展日新月异。汽车、火车、拖拉机 、航空等交通行业的机 械锻造工艺对设备的吨位、精度、可靠性及自动化程度提出了更高的要求，所以 现代生产的珩磨机应具有主轴旋转和往复运动变速机构、珩磨头向进给机构、短 程区段磨削机构和强制冷却系统。至于实现上述机构的传动方式，应由生产厂家 自行确定，以保证标准的最大自由度原则。但是，根据汽车保修机械的特点和汽 车维修行业对保修机械的特殊要求， 以及珩磨机的工作特点和珩磨工艺的发展趋 势，实现主轴旋转和往复运动的无级调速，更能满足现代珩磨业的需要，从而还 可以提高珩磨质量和生产效率。近年来，电子技术、计算机技术与机床技术相结 合，强烈要求分析设计内容完善化、目标最优化、使机床加工高速化、加工过程 自动化和柔性化，并且具有高可靠性和良好的经济效益。因此，研究高精度、高 质量、高效率、自动化程度高、安全可靠的珩磨机对现代的机械加工行业具有重 要的现实意义。 传统的珩磨，即早期的珩磨实际上是采用一种摩擦工艺，最初生产珩磨头装 于钻床上进行珩磨，来处理各种类型气缸套的机械加工，以原孔中心为导向，砂 条与工件间相对运动来切削工件，即用来作最后光整加工，其切削量非常小，切 削量最大 0.15mm。因此对机床本身的精度要求较低，对控制系统、液压系统、 冷却系统要求不是很高。 现代珩磨可定义为一种切削金属的方法，实现尺寸、圆度、直线度、位置度、 表面粗糙度的要求。珩磨作为一种万能的孔加工方法，在粗珩工序采用大切削量 4 的粗珩，最大切削量可达 0.700.10mm。并可取消传统的精镗、精磨工序，具有 安全、经济、可靠、耐用、高效等优点，被广泛地应用于加工气缸套、油缸、齿 轮内孔、活塞销孔、连杆孔、泵体缸孔、液压阀孔、轴承孔、轴瓦等。 现代生产的珩磨机大量采用新的技术， 如控制技术、 双膨胀珩磨头制造技术、 多种材质的珩磨条的制造和使用、 现代测量技术的使用等使得珩磨机的生产日新 月异。 特别是随着现代珩磨工件的要求，对与之配套的刀具材料也提出了越来越高 的要求，总体来说是由单一的油石向金刚石、刚玉、cbn、氮化物、碳化硅发展， 从而实现大加工余量的切削。 而在测量系统上，由传统的手动量缸表测量到用机械塞规、空气塞规、内擂 式测表，自动定时器、千分表设定头、机械步进头 amis 测盘系统、电机步进 头 mfsa 测量系统等多种测量系统，实现珩磨过程的自动循环。 由上可知珩磨是一种高效、精密的加工工艺，它具有加工精度高，表面质量 好，加工范围广，切削余量小，纠孔能力强等特点，而且随着珩磨工艺的技术成 熟， 可以预感到珩磨工艺将会与计算机系统结合起来，通过科学的推理和准确的 判断，引导人们采用先进科学的珩磨工艺，排除人工操作的不利影响因素，获得 理想的珩磨网纹结构，实现珩磨技术的飞跃。 由于珩磨工作压力和加工质量的要求， 必须保证珩磨条的粒度准确和硬度均 匀，不但磨粒要均匀分布，不允许含有杂质和混有个别粗磨粒，并要让珩磨条切 削部分具有一定硬度、弹性和耐磨性，使其保证具备较好的加工效益、获得较高 的加工精度。 国外珩磨技术的飞速发展对中国的珩磨机制造业和珩磨工艺的使用行业提 出了挑战。我们应该抓住历史机遇，吸收、消化从国外引进的先进技术，把我国 的珩磨机科研、制造业提高一个档次，在保住我们自己的市场的基础上，把我们 的产品打进国际市场。 1.3 珩磨机的发展趋势 1.高速化、高效化、低能耗。提高柴油机磨缸机的工作效率，降低生产成本。 5 2.机电液一体化。充分合理利用机械和电子方面的先进技术促进整个液压系统的 完善。 3.自动化、智能化。微电子技术的高速发展为液压珩磨机的自动化和智能化提供 了充分的条件。自动化不仅仅体现的在加工，应能够实现对系统的自动诊断和调 整，具有故障预处理的功能。 4.液压元件集成化、标准化。集成的液压系统减少了管路连接，有效地防止泄漏 和污染。标准化的元件为机器的维修带来方便。 1.4 课题来源和主要任务 课题来源：国家重大课题转化项目 本课题主要针对长安汽车某型号发动机设计专用的激光珩磨表面专用抛光 机床，要求达到合理结构，性能优良，精度稳定可靠，达到年产量 5 万台。 6 第二章 珩磨机结构设计 2.1 床身 机身结构设计应满足下列要求： 机身在满足强度、刚度的条件下，力求质量轻、节约金属。 结构力求简单，并使装于其上的所有部件、零件容易安装、调整、修理 和更换。 结构设计应便于铸造或焊接和机加工。 必须有足够的底面积，保证压力机的稳定性。 结构设计应力求减少振动和噪声。 机构设计力求外形美观。 机身结构分为铸造结构和焊接结构两种。铸造结构的材料比较容易供应，消 震性能较好，但质量较重，刚度较差。焊接结构与之相反，质量较轻，刚度较好， 外形比较美观，但消震性能较差。铸造结构尽量使壁厚不要有突然的变化，适当 加大过渡圆角，减少应力集中。结构设计需使铸造和加工方便。 床身大多为铸铁材料，满足刚度、强度条件，有利于减振降噪，保证珩磨 机的工作稳定性。机座用于支承其他零件并承受工作载荷，故首先要求其具有一 定的强度和刚度，以保证整台机械的正常工作；其次要求机座的尺寸具有一定的 稳定性，即热变形小，磨损小。机座应具有良好的工艺性和经济性，最后还要求 起外型美观，操作方便等。 床身布局形式对机床整体结构和使用性能有较大影响，设计时，必须充分 考虑机床的调整、 工件的装卸、机床操作的方便性，以及机床的加工精度，并 考虑到排屑性和抗震性， 选择适合的布局形式。机械珩磨机的床身布局主要有 水平床身、立式床身。一般的机械珩磨机都采用立式床身和水平床身布局。采用 立式床身布局的珩磨机，可以在同等条件下，改善受力情况，提高床身的刚度， 7 特别是珩磨头的布置比较方便。因此，在此设计中采用了立式床身布局。床身主 要由立柱、底座、工作台等组成。 2.2.1 立柱及底座 立柱用于安装立式布置的动力部件，体内装有平衡机构，用来平衡滑台、动 力箱等运动部件的总重，平衡重量应等于移动部件总重的 75%到 85%，其余未 平衡的 15%到 25%的重量是由导轨的摩擦阻力和滑轮轴承以及绕在滑轮上的钢 绳（或链条）的阻力来补偿的4。 底座用于安装工作台，与立柱之间通过法兰盘的螺钉联接，共同构成机床 的支撑件。支撑件需与滑台结构相配套，滑台的滑座尺寸为 1350x630mm，故底 座尺寸设计为 1500x700mm。 图 2- 1 为底座与立柱通过法兰盘的螺钉联接的装配图。 图 2.1 底座和立柱 图 2.2 滑台 8 2.2.2 移动工作台 多工位移动工作台是用于安装夹具和工件， 并将其直线输送到预定工位的输 送部件。实际上它就是滑台，它不仅具有按要求位置移位和准确定位的功能，并 在准确定位之后将工作台牢固夹紧， 以防止因切削力的作用使工作台位置发生变 化，而且还具有普通滑台的移动功能，但其进给力略低于同规格的滑台。因此这 种滑台主要用于移送工件并更换工件（夹具）的加工位置，也可用于完成进给运 动。 根据被加工要求，即单轴珩磨发动机气缸的四个孔，采用移动工作台。由移 动工作台在加工过程中，实现快进和工进。根据工件图纸，气缸孔之间距离为 81.66mm，共有四孔，总行程为 244.98mm，故设计行程为 250mm 的四工位移动 工作台。夹具总体尺寸为 550x550mm，工作台需与夹具结构相配套，故设计滑 鞍尺寸为 1000x630mm，滑座与底座之间的安装接合面用螺钉连接。如图 2- 2 所 示。 2.1 夹具 2.1.1 夹具概述 在发动机气缸体零件的机械加工过程中，为了完成需要的加工工序、装配工 序及检验工序等，首先要将工件固定，使之占有确定的位置。为了保证工件占有 确定位置，就需要专用的装置。气缸零件结构复杂、不易定位；尺寸公差、形状 公差、位置公差要求很严，内孔的精度要求又高，这就需要设计气缸专用的夹具 来满足加工要求。 专用的夹具对保证零件的质量、 提高加工效率、 降低生产成本、 改善劳动条件、保证生产安全、扩大机床的使用范围、缩短产品的使用周期等方 面有着极明显的经济效益。 机床夹具的种类和结构虽然繁多，但它们的组成均可概括为以下几个部分， 这些组成部分既相互独立又相互联系。 （1） 定位元件 定位元件与工件的 9 定位基准相接触，保证工件在夹具中处于正确的位置。其结构与所定位工件的基 准面有关。夹具上的圆柱销、菱形销和定位支承板都是定位元件，通过它们使工 件在夹具中占据正确的位置。 （2）夹紧装置 夹紧装置的作用 是将工件压紧夹牢，保证工件在加工过程中受到外力(切削力等)作用时不离开已 经占据的正确位置。其结构和位置与所夹紧工件的部位有关。 （3）升降机构 升降机构的作用是将工件以一定的高度平稳置入两销之中定位。图 2.3 为 升降机构三维模型，由两个气缸通过顶板支撑实现升降台的抬升和下降。 图 2.3 升降机构 （4）夹具体 夹具体是机床夹具的基础件，通过它将夹具的所有元件连 接成一个整体。它与工作台相联接。 2.1.2 夹具设计 （1）定位方案的确定 根据提供资料，此道工序已经通过激光珩磨缸孔，考虑到本道工序内容，经 过分析决定工件采用一面两销定位。这样限制工件的六个自由度，完全定位。气 缸底面用四个定位支撑板限制三个自由度，圆柱销限制两个自由度，菱形销限制 一个自由度。 （2）夹紧方案的确定 10 工件在夹具上获得正确的位置后，还需要设置夹紧机构将其夹紧，以保证工 件在加工过程中不会产生位移和振动。正确定位和夹紧后才算完成了装夹。设计 夹紧机构时，要根据工件加工要求、定位元件的的结构和合理布置、加工过程的 受力状况等来合理确定夹紧力的三要素反向、作用点和大小。夹紧力应朝向主 要限制面，根据夹具结构和工件加工形式可知，夹紧力主要作用方向应垂直于工 件底面。压紧点应选在零件对应支撑面的地方，即支撑和压紧应该是对应的。考 虑到此零件的支撑面对应的零件表面可压的地方， 所以压紧位置选在了支撑面靠 两边的两点。 夹紧机构的种类有很多， 分类方法也不一定完全一样， 就其夹紧特性可分为： 直接夹紧机构和自锁夹紧机构。在此设计中，采用直接夹紧机构气动夹紧。 （3）气缸选用 根据夹具的动作要求，确定气缸的种类。 实现夹紧动作。压紧应尽量的靠近加工位置，考虑到压紧要可靠，且在松开 时不影响工件的装夹，选择两个压紧力较大的旋转气缸，这样当松开工件后，压 板可以自动旋转 90，让开工件的装夹位置。故选用 qghj 系列缸径为 32mm 实 际行程为 15mm、回转行程为 15mm 的带横臂式旋转夹紧气缸。如图 2.4。 实现升降动作。抬升点选在工件中心，为了不使工件在升降过程中旋转， 所以选用两个气缸进行抬升，升降行程应大于定位销伸入工件尺寸，即 10mm， 故设计行程为 15mm。 故选用 dqgi系列缸径为 32mm 行程为 15mm 的薄型气缸。 如图 2.5。 （4）夹具结构确定 分析工件图纸，根据工件的尺寸以及工件在夹具上的摆放位置，确定定位销 的位置和尺寸以及加紧装置的位置。 根据以上的设计要求，综合考虑机床主轴的行程和气压件的尺寸，可以确定 夹具的结构。图 2.6 为本次设计的珩磨机抛光研磨气缸孔夹具的三维模型。 11 图 2.4 薄型气缸 图 2.5 带横臂式旋转气缸 图 2.6 夹具 2.3 运输装置 2.3.1 辊子运输机 辊子运输机是一种用途广泛的连续运输设备。在工业发达国家，辊子输送机 的结构形式及规格品种多达数十种， 并已系列化， 可以满足不同行业的使用要求。 在国内，近年来出现了大量的以辊子输送机组成的各种生产线和装配线，显示出 辊子输送机在组织流水线中的优越性，引起了广泛的重视5。 （1）确定辊子运输机有效输送宽度 本次设计采用无动力定轴辊子输送机，一般情况按公式（2.1）计算 b=w+b （2.1） 12 式中 b辊子输送机有效输送宽度，mm w物件宽度，mm b宽度裕量，可取 50 到 150mm 由图纸得工件宽 337mm，为使宽度符合标准，取b=63mm，得 b=400mm 即取辊子长 400mm （2）确定辊子间距 物件在输送机上的可输送性的主要条件是硬而平的底面和底面尺寸至少由 3 个 辊子支撑。物件在辊子上的输送情况如图 2.7。 辊子间距 p=(1/41/5)l (2.2) l 为工件长度 由零件图纸得，l=359mm，计算所得要圆整为标准值，故取 p=80mm 图 2.7.辊子运输机 1.辊子 2.工件 （3）选择辊子直径 辊子主要取决于物件对单个辊子的作用力f和单个辊子自身的承载能力fc， 即需满足： f=fc (2.3) 13 各种规格棍子的承载能力 fc 与辊子心轴直径和长度有关，可以直接查取。 而作用力 f 与物件的质量、地面特性和承载辊子数有关。得到 fc 和 f 后，通过 标准即可得到辊子直径。 经过计算，辊子直径取 40mm。 （4）输送机高度与前道工序运输高度一致。 综合以上计算数据，设计的辊子输送机见图 2.8 的三维模型。 图 2.8 辊子运输机 图 2.9 推拉机构 2.3.2 推拉机构 为了将流水线上的工件转移到珩磨加工装夹位置， 本次还设计了一个推拉机 构，采用双层导轨设计，使得推拉行程加倍。每个导轨上放置两个滑块，起支撑 导向作用，导轨的两端设计成凸起结构，托盘与滑块、滑块与导轨、导轨与支架 均用螺钉连接。具体结构见图 2.9。 2.4 珩磨机主要技术参数确定6 珩孔直径：73mm 最大珩孔深度：320mm 14 主轴往复最大行程：450mm 主轴往复速度：325m/min 主轴旋转转速速度：100350r/min 工作台面尺寸：660x630mm 工作台面距机床底面高度：940mm 工作台运动特征：工位间为水平横移 工作台最大行程：244.98mm 机床外形尺寸（主机） ：1500x2101x2254mm 主轴数：单轴 2.5 运动设计 结合以上设计和计算的结果，建立各零件的三维模型，在此基础上， 按照 各零件之间的相对位置， 即配合关系， 装配得珩磨机床床身三维模型， 如图 2.10。 图 2.10 本次设计机床加工工序受前后两道工序的牵制， 当激光珩磨气缸孔工序结束 之后， 气缸体通过辊子运输机到达本道工序的流水线上，通过推拉机构推至抛光 机床配置的升降台上，升降台通过气缸拉动平稳下降，气缸体的两个定位孔与夹 具上的圆销和菱形销配合，同时气缸体底面与四个支撑板相接触，完成一面两销 的定位，随后两个旋转气缸横臂摆过 90，对气缸进行夹紧。 加工过程中，气缸孔四个工位的变换由移动工作台实现，每次进给行程为 15 81.66mm。加工完成后，旋转气缸横臂再次摆过 90，松开气缸，升降台将气缸 抬升，离开加工工位，随后推拉机构将气缸拉回流水线，进入下道工序。 具体运动参考下图 2.11。 图 2.11 第三章 结论 4.1 总结 本次设计首先查阅了相关资料，分别了解机械和激光两种珩磨加工工艺过 16 程和特点，以及国内一些珩磨机设备。 参照组合机床设计，结合要实现的工作和运动，分别设计了流水线上的辊 子运输机、将工件推至机床的推拉机构、将工件置入夹具的升降机构、一面两销 气动加紧夹具、实现四工位加工的移动工作台，等等。 由于时间所迫，本次设计尚有许多不足之处。 （1） 机床自动化程度不高， 运输机和推拉机构都是手动操作， 不利于生产效率， 也不便于工人操作。 （2） 机床外形有些笨重