（机械制造及其自动化专业论文）轴类零件专用机床的研究与设计.pdf

南京理丁丈学硕卜学位论文轴类零件专用机廉的研究b 设计 摘要 专用机床是一种专门适用于特定零件和特定工序加工的机床，是组成自动化生 产线不可缺少的机床品种。随着生产技术的不断发展，我国大、中、小企业所拥有 的大量机械设备，其中一部分已经落后于当前技术发展的需要而处于闲置状态；为发 挥闲置机床潜在的效能，对其进行技术改造，使其改造成专用机床具有很大的现实 意义。 本论文课题轴类零件专用机床的研究与设计来源于江苏南通星维油嘴油泵 厂的实际工程项目。论文在分析轴类零件加工工艺需求的基础上，针对普通车床在 加工轴类零件的端面和中心孔时存在着生产效率低、孔深尺寸同一性差、工人技术 水平要求高的现实问题，对原普通车床的机械传动装置、加工工艺、夹具、刀具、 电气控制系统等进行了改进设计：只保留机床的主传动系统，前端连接中心孔钻头， 增加一套铣刀轴结构，实现钻头和铣刀的同时旋转；同时，采用p l c 控制两台步迸 电机驱动工件实现自动进给，使其成为一台适用于轴类零件中心孔和端面加工的专 用机床。 基于本文研究设计改装的轴类零件加工专用机床有效地提高了零件的加工精 度、自动化程度和生产效率，并具有投资小、见效快、改装工作量少、制作和调试 周期短、旧设备利用率高、且将来不加工此类零件时可较容易恢复机床原有的工作 性能等特点，将具有很好的市场应用推广价值。 关键词：专用机床机床改造车床p l c夹具 南京理t 大学颂 学位论文轴类零件专用机床韵研究与设计 a b s t r a c t s p e c i a lm a c h i n et o o l sa r ed e s i g n e df o rs p e c i a lp a r t sa n ds p e c i a lw o r k i n g p r o c e d u r e s t h e ya r ei n d i s p e n s a b l yi na u t o m a t i cp r o d u c tl i n e w i t ht h e d e v e l o p m e n to fp r o d u c et e c h n o l o g y ，s o m eo ft h em e c h a n i c a le q u i p m e n t s ，w h i c h b e l o n gt ot h ee n t e r p r i s e si no u rn a t i o n 。a r ef e l lb e h i n dt h ec u r r e n t t e c h n i q u e i ti sm e a n i n g f u lt or e c o n s t r u c tt h el e i s u r em a c h i n e si n t os p e c i a l m a c h i n e s t h es p e c i a lm a c h i n et o o l sf o rs h a f tp a r t s r e s e a r c ha n dd e s i g ni si nt h e f i e l do f “r e c o n s t r u c t i o no fm a c h i n et e c h n i q u e ”t h i st o p i cc a m ef r o mt h e p r o j e c to fx i n w e io iln o z z l e o ilp u m pc o p ，n a n t o n g ，j i a n g s u ，w h i c hi s a l s oar e s e a r c hp r o j e c to fo u ru n i v e r s i t y i nt h ep r o d u c t i o no fe n dp l a n e a n dc e n t e rh o l eo fs h a f tf r o mg e n e r a lm a c h i n et o o l ，t h e r ea r et h r e ep r o b l e m s ： l o we f f i c i e n c y ，b a di d e n t i t yo fh o l ed e p t ha n dn e c e s s i t yo fh i g hl e v e l t e c h n o l o g yf o ro p e r a t o r t h r o u g ht h et e c h n i c a lr e f o r mo nm e c h a n i c a ld r i v e s y s t e ma n de l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mo fac o m m o nl a t h e ，t h el a t h em a i nd r i v e s y s t e mb r i n g sa l o n gt w ot o o l st or e a li z em a i nb o d ym o v e m e n t p l cc o n t r o l s t h et w os t e p p i n gm o t o r st od r i v ew o r k p i e c e sd o u b l ef e e d 。a ni d l e so l dc o m m o n l a t h ei sr e f i ti n t oas p e c i a le q u i p m e n tt op r o c e s se n df a c ea n dc e n t e rh o l e b yu s i n gn u m e r i c a lc o n t r o l l e dt e c h n i q u e t h es p e c i a lm a c h i n eo fr e c o n s t r u c t i o ni m p r o v e dt h ep r e c i s i o no fp r o d u c i n g p a r t sa n dt h ed e g r e eo fa u t o m a t i z a t i o n ，w h i c hg o tah i g hp r o d u c t i v i t y i t h a sm o r e a d v a n t a g e s ， s u c ha s l o w i n v e s t m e n t ，q u i c kr e t u r n ，l e s s r e c o n s t r u c t i o n s ，l e s st i m e t h a tn e e dt oa s s e m b l i n ga n dd e b u g g i n g ，h i g h u t i l i z a t i o nr a t i oo fo l dm a c h i n ea n de a s yr e c o v e r yt oo r i g i n a 1 lo ft h e s e a r ev e r yi m p o r t a n tt om a c h i n i n ge q u i p m e n t s k e yw o r d s ：s p e c i a lm a c h i n et o o l s ，r e c o n s t r u c t i o n ，l a t h em a c h i n e ，p l c ， c l a m pa p p a r a t u s 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：刀口6 年年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 南京理t 大学碗卜学位论文 轴类零件专用机床的研究l j 设计 1 绪论 1 1 专用机床的应用及特点 专用机床是一种专门适用于特定零件和特定工序加工的机床，而且往往是组 成自动生产线式生产制造系统中，不可缺少的机床品种。由于专用机床是一种“量 体裁衣”产品，具有高效自动化的优点，是大批量生产企业的理想装备。随着制 造技术的进步，数控技术的普及，专用机床的数控化发展也很快，专用机床在生 产实践中占有一定的比重。据有关资料介绍，日本2 0 0 1 年专用机床产值占机床 产值的比达到8 8 ；我国台湾省这一数字达到6 9 ：而我国仅为o 6 7 。o “所以， 在当前产品结构调整中，发展专用机床是行业发展中的一个值得注意的问题。 专用机床具有两个极其鲜明的特征；一是集成性。用户订购专用机床都是要 求交钥匙工程，它集加工工艺( 含工艺方法及工艺参数) ，机床、夹具、工具( 包 含辅助) 的开发设计与选择，检验测量( 包括进入机床前的毛坯检验、加工中及 成品的检验测量) 物流的输送，切屑和冷却液的防护与处理等于一体。它不仅仅 解决其中的某一问题，而是要解决好涉及较宽的技术领域可能遇到的每一个问 题。二是单一性。恤专用机床几乎都是单台性生产，要根据用户提出的要求，进 行一次性开发，一次性制造，而且还要保证次性成功。 专用机床制造有以下八个特点： 一是技术难度大。由于它是集加工工艺、机床、夹具、辅具、刀具、检验测 量、物流等于一体，实现交钥匙工程，从而涉及技术领域宽且复杂，又是一次性 制造，要保证一次成功，所以技术难度大。柚1 二是经营风险率高。专用机床( 或自动线) 根据用户订单“量体裁农”制造 的，不可能有试制探索过程，要确保一次成功，有相当大的技术风险。由于技术 方案不当，造成局部或整体报废的情况屡见不鲜：由于一次性制造，在制造调试 过程中难保不出现问题，解决这些总是需要时间，从而按期交货也有一定的风险； 由于装备是专门为某一用户订做的，当该用户因种种原因不能如期付款、甚至无 力付款时，势必造成制造企业的损失；在现行的金融制造还无法约束对方，产品 无法转让他人的情况下，经营风险显而易见。眺1 三是协作困难大。由于是一次性制造，它不像汽车零部件那样大量生产，也 不像通用设备那样批量生产，找协作厂家很困难。条件般的企业，很难保证一 次性制造出合格的产品；条件好的企业，又不愿当配角，对这种委托协作看不上。 四是技术依赖性强。专用机床及其自动线从设计，工艺编制、生产制造到装 配调试的全过程，都需要一批有经验的技术人员、管理人员和技术工人。 五是利润空间小。在国外不同的生产模式的企业( 指大量生产、批量生产或 南京理t 大学硕十学位论支轴类零件专用机床的研究与设计 单件小批生产) ，其生产产品的效益相差不会太大，但国内这几种生产模式的企 业效益却相差悬殊。如果做一比较，就很能说明问题。假如国外的某种产品价格 为l ，相对国内轿车价格则为1 1 5 一1 2 5 ，对通用机床国内的价格为0 7 左右， 而国内专用机床的价格仅为0 3 一o 4 。 六是技术成长期长。专用机床的设计制造涉及专业面广，要具备较丰富的 工艺知识，要比较熟悉用户的制造工艺，要保证一次成功，培养一名熟练的主管 设计师，要花几年时间，才能做出好的产品设计、好的制造工艺，生产出好的产 品，技术成长期要长。 七是人员流动困难。由于订单不均衡，会引起生产的不均衡，国外除了零部 件外协条件优越外，还有成熟的技术劳动力市场，企业可以根据订单情况输出或 吸收有关劳动力，使这与企业生产相适应。国内则无法做到这一点，有时可以招 些临时工，但多数只能承担一些辅助性工作，熟练技工则难以寻求。 八是技术引进困难，与国外合作难。由于专用机床是一次性设计制造，引进 技术若仅供一次使用，则成本太高，很难实现。到目前为止，我国专用机床制造 业没有一家谈成合资，虽有接触，但都仅限于具体项目的合作。 八个特点，八种原因，既相互关联，又各具特性，但确实是影响我国专用机 床制造业发展的重要方面。”1 随着生产技术的不断发展，我国大，中、小企业所拥有的大量机械设备，其 中一部分已经落后于当前技术发展的需要，有必要采取一定的措施，以便进步 发挥它们潜在的效能，为生产继续服务。对原有机械设备改造，是其中最为有力 的措施之一。 对原有闲置机床进行技术改造，使其改造成专用机床是很有意义的。 1 2 机械设备改造的意义 所谓机床的技术改造是指应用现代的数控成熟技术和经验，以适应生产的具 体要求为目的，改变现有机床的结构，给旧机床换上新部件、新装置和新附件， 提高现有机床的技术性指标，使之全部或局部达到新数控机床的水平。 机床数控化改造大体上分两类：一类是在现有的普通机床上加数控装置或可 编程控制器；另一类是采用更先进的数控系统替代现有数控机床的控制装置。我 国现有机床大约四百多万台，其中4 0 以上是车床，多数机床役龄都很长，尤 其是大型和重型机床的役龄更长，这些机床结构一般陈旧，操作部分复杂，测量 系统、控制系统落后。把这些性能落后、生产率低的机床全部闲置或淘汰，用新 的机床去取代是不现实的。重型机床，特别是现代化的数控机床价格都非常昂贵， 我国是一个发展中国家，国家财力薄弱，资金短缺，不可能花大量的资金添置新 的数控机床，把旧机床改造成效控机床的意义就更加明显了。对普通机床和旧机 2 南京理工大学碗卜学位论文 轴类零件专用机廉的研究设计 床进行数控化改造是可行的。 1 3 机械设备改造的基本要求 1 3 1 满足生产上的需要 企业提高生产能力可采用以下途径：一是增加企业设备的拥有量；二是对老设 备进行更新；三是进行技术改造。其中，技术改造具有投资少、见效快，容易实 现等特点。因此，在需要提高企业生产能力时。首先要考虑通过技术改造的方法， 满足生产的需求。 设备改造的目的是要从根本上提高企业的加工能力。在确定设备改造任务时， 必须首先了解产品的结构特点、工艺要求的基本情况。在此基础上再找出影响生 产的关键环节，针对需要扩大加工范围或提高生产率与加工精度的关键设备所存 在的问题进行改造，或采用新技术制造简易设备，就可以获得新的加工手段。 1 3 2 先进性与实用性相结合 在设备改造中，如采用先进技术，首先要明确先进是有条件的，并非越先进 越好。从实际出发，能解决生产中关键问题的技术，就应当优先采用，如果不能 发挥作用，再先进的技术也应放弃。例如：本课题要研究的内容，能通过增加机 构和改变结构就能解决问题，就没有必要采购专用机床。所以，在设备改造中， 应遵循经济实用的基本原则。 在设备改造中，要结合本企业的实际，选用合适的先进技术。企业的技术进 步往往会受到其财力、劳动者素质及管理水平的约束。一般，设备经过改造以后， 如果在一年之内就能得到补偿和收益，就表明此项先进技术其有适合本企业使用 的特点。 在设备改造中，要重视推广成熟的新技术。新技术不一定都成熟，成熟的新 技术，具有可靠性好和维修方便的特点。对于中，小企业，应重视推广成熟的新 技术，这样可以少走弯路，减少人力、财力的投入，较快获取投资收益，也有利 于增强推动技术改造的信心。但是，需要明确的是：每项新技术无论怎样成熟， 都存在特定的使用范围和应用条件。 1 。3 3 重视设备改造的可行性分析和效益分析 在设备改造前，应充分进行可行性分析和经济效益的调查。可行性分析的主 要内容是：需要改造的设备在发挥经济效益中存在的问题与自身有利于改造的条 件，以及改造技术的成熟程度与在其它企业中的使用情况等。对于需要自行设计 制造的简易设备与工艺装备，应调查是否有成功的把握及克服技术困难的有利条 件。对于可能产生的经济效益进行调查时，既要作出改造成本的预测，对增添必 要功能或改善有关功能所需的材料和工时费用迸行估算，又要进行改造后的功能 分析，作出与新购类似设备的功能价值比较。另外，还要进行生产需要迫切性的 南京理t 大学硕士学位论文 轴类零件专用机床的研究垃计 调查，从产品的外协费用，生产周期、任务的饱满程序、改造后设备的利用率和 可能为企业带来的经济效益与各种好处等方面入手，收集情况进行综合分析。 1 3 4 设备改造与维修相结合 设备改造与维修相结合，有利于提高技术改造的实用性。把设备改造与维修 工作相结合，可以比较切合实际地提出设备改造方案，在维修前，通过故障分析 和对设备结构特点的研究，适时地把改造方案纳入维修方案中，是提高技术改造 实用性的最有效措施。 1 4 我国机床改造的现状及发展方向 我国在对机床进行技术改造这一领域起步较晚，从上世纪八、九十年代起经 历了普通车床改装成液压仿形车床、外圆磨床增加自动测量装置、应用数显技术 提高机床加工精度、增加数控系统改装普通机床等，均取得了较好的经济效益和 社会效益。 随着科学技术的发展及生产上的需求，机械设备改造的内容将越来越丰富。总 的归纳起来有如下几个方面： ( 1 ) 通过改造提高设备的适应能力 现代产品的格局朝着小批量多品种发展，这就需要设备有较强的适应能力， 通过改造使设备达到一机多用或经简单调整就能适应新产品的生产。 ( 2 ) 通过改造提高设备生产率 通过减少单件生产时间和缩短产品的制造周期来提商生产率，降低成本，增 强市场竞争能力。 ( 3 ) 通过改造改善设备的使用性能 通过改造提高设各的加工精度；延长设备的使用寿命；方便设备的操作和调 整；使生产更安全可靠。 ( 4 ) 通过改造不断提高设备的自动化水平咖“” 广泛采用现代控制技术改造设备。如利用数控技术改造旧机床，利用可编程 序控制器改造生产线等。另外，泪数控机床的再生改造，也将是设备改造的一个 重要内容。总之，设备自动化水平的提高有利于提高生产率，保证加工质量，减 轻劳动强度。 1 5 本论文的主要研究内容 轴类零件专用机床的研究与设计属“机床技术改造”研究领域，课题源 于江苏南通星维油嘴油泵厂实际项目，也是校课题研究项目。 此课题就是把普通车床经机械、电气方面的改造，而成为一台专用机床此 改造涉及机床、工艺、夹具、刀具、零件及自动控制等多个领域，是一个具有较 4 南京理工大学颂十学位论文 轴类零件专用机床的研究勺设计 好应用价值的课题。该课题针对在普通车床上加工轴类零件的端面和中心孔时存 在着生产效率低、孔深尺寸同一性差、要求工人技术水平较高这三个问题，经过 对普通车床机械传动装置和电气自动控制系统的技术改造：即只保留原机床的主 传动系统( 前端连接中心孔钻头) ，增加一套铣刀轴结构，通过齿轮啮合将主轴的 运动传递到铣刀上，实现两把刀具同时旋转( 主体运动) ：同时采用p l c 控制两台 步进电机驱动工件实现双工位进给) ，将一台闲置的旧普通车床改装成数控加工 端面及中心孔专用机床。经改装的机床提高了零件的加工精度和自动化程度，使 生产效率有了很大的改观，具有投资小、见效快、改装工作量少、制作和调试周 期短、旧设备利用率高、且将来不加工此类零件时可较容易恢复机床原有的工作 性能等特点，对生产企业的加工具有一定的实际意义。 1 6 论文的组织结构 本论文一共六章。 第一章绪论，介绍了专用机床的现状及应用，机床改造的意义、现状及发 展方向，并说明了课题研究的目的与意义。 第二章轴类零件专用机床的总体设计方案，对轴类零件的加工工艺进行了 分析，并介绍了轴类零件专用机床的机械及电气的改进设计总体方案。 第三章轴类零件专用机床的机械设计，针对改造前机床的情况，提出了机 械改进设计方案，并设计了机床的夹具，最后给出了改造后的机床性能参数。 第四章轴类零件专用机床的电气设计，介绍了电机及驱动系统设计及p l c 机床控制系统设计。 第五章加工误差的统计分析，能过对轴类零件中心孔深度的测量，进行加 工误差的统计分析，得出此专用机床的加工工艺能力。 第六章总结与展望，通过对研究工作的总结，提出了本文研究的主要成果； 针对研究中的技术不足，提出了课题进一步研究的方向和内容。 南京理工大学硕士学位论文 轴类零件专用机床的研究j 设计 2 轴类零件专用机床的总体设计方案 2 1 轴类零件加工工艺分析 2 1 1 零件图分析 图2 1 1 轴零件图 尺寸分析：0 8 5 m m 、d = 4 m m 、6 0 0 m a x 靠中心孔刀具保证。如图2 1 1 所示。 中，i i , 孔深尺寸a 、中心距l 靠工件进给装置保证。虽然中心孔的加工精度要 求并不高( 包括孔深a ) ，但同一批零件该尺寸应严格保持一致，否则，下道工 序以中心孔定位加工轴外圆的轴向尺寸时，其轴向定位基准尺寸b 势必不相同， 使轴上其他零件装配时的位置发生偏离，影响装配精度，影响整机的工作性能。 改装后的机床由于刀具安装在主轴上，工件定位夹紧在中拖板上，通过导轨 上的行程开关发出信号给p l c ，经所编程序指令控制步进电机动作，驱动工件纵 向、横向进给，严格保证其进给距离，所以改装后的机床加工孔深尺寸a 保持 较好的一致性。 2 1 2 工艺分析 轴类零件的定位基准面，最常用的是两中心孔。因为轴类零件各外圆表面、 锥孔、螺纹表面的同轴度以及端面对主轴轴线的垂直度是其相互位置精度的主要 因素，而这些表面的设计基准一般都是轴的中心线，如果用两中心孔定位，就能 符合基准重合的原则。而且，由于多数工序采用中心孔作为定位基准面，能够最 大限度地在一次安装中加工出多个外圆和端面，这也符合基准统一原则。故轴类 零件的加工一般采用中心孔作为轴加工的定位基准面。因此，中，i i , 孔需要有良好 的精度要求： ( 1 ) 中心孔应有足够大的尺寸和准确的锥角； ( 2 ) 轴两端中心孔应在同一轴线上： ( 3 ) 对同批工件中，i i , 孔的深度尺寸a 和两端中心孔间的距离l 应保持一致。 普通车床在加工轴类零件的两端面和中心孔时，加工工艺路线为：车端面、 钻中心孔( 车床) 掉头、车端面、钻中心孔( 车床) 车全部外圆与倒角 6 南京理丁大学硕t 学位论文 轴类零件专用机床的研究与设计 ( 车床) 。 这种端面中心孔加工方法，存在着两个问题不容易解决： ( 1 ) 由于是两次安装，两次定位夹紧，生产效率低。同时为保证中心孔的孔 深尺寸精度对工人的技术水平要求比较高。 ( 2 ) 中心孔的精度难以保证。中心孔的尺寸有l ，a 、t 、形位公差及表面粗 糙度等，其中要求最高的尺寸为中心孔的深度尺寸a ，如图2 1 1 所示。如果一 批工件其尺寸a 大小不一，在后续工序中，以中心孔定位加工各外圆表面时， 装配基准尺寸b 、c 必有偏离，降低轴类零件将来装配时的轴向装配精度，直接 影响机器或产品的工作性能。 要想解决上述两个问题，比较简单的方法就是通过车床改造来实现嘲“1 。 本课题采用通州三余油嘴油泵厂的仪表车床，对它的机械部分进行改造，并 装了自动控制部分，研究设计了铣端面、钻中心孔的专用机床，采用这台机床解 决了轴类零件的端面中心孔加工过程中存在的两个问题： ( 1 ) 解决了工件定位基准不统一、生产效率低的问题。改进后的机床一次装 夹，由一个动力驱动两把刀具同时旋转( 主体运动) ，实现工件双工位进给，提 高了生产效率。 ( 2 ) 为解决工件中心孔深度尺寸统一性问题，采用脱开车床主轴与刀架之间 的传动链关系，工件进给直接由可编程序控制器p l c 发信号给两台纵、横向步 进电机控制工件纵、横向自动进给的方法，由步进电机的步进角度来严格控制工 件进给量，保证中心孔深度尺寸保持一致。 2 2 轴类零件专用机床的总体改进设计方案 本课题以普通车床c 0 6 1 8 b 为例进行改造，通过对其机械传动部分和电气控 制装置进行技术改造，实现工件的自动控制加i 。在考虑具体方案时，基本原则 是在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能少，以降低成本。 2 2 1 机械改进设计思路 根据改造车床的有关资料以及对机床改造的经验，确定具体改装方案( 参见 图2 2 1 ) ： ( 1 ) 去掉机床原有的三爪卡盘、方刀架、小溜板和后尾座。增加一套铣刀轴、 盘铣刀传动装置，利用车床原有的主传动系统使安装在主轴上的中心孔钻头和与 之相啮合的铣刀同时旋转，实现主体运动“”t a l l * ( 2 ) 在中拖板上安装上专门设计的央具，该夹具可通过调高垫片，解决不同 直径工件的中心高度不同的问题该夹具可旋转1 8 0 0 ，当加工完一面的端面和中 心孔后，可旋转1 8 0 0 ，加工另一端面和中心孔。 2 2 2 电气改进设计思路 7 南京理1 = 大学颂 学位论文 轴类零件专用机床的研究设计 利用可编程序控制器控制两台步进电机带动机床的进给丝杠使大、中拖板纵、 横向运动，实现工件的双工位进给运动( 此时车床主体运动和迸给运动之间的离 合器是脱离的) 。增加接触开关给可编程序控制器p l c 发出进、停信号，严格控 制工件的纵、横向迸给距离m 。 本课题实质上是把普通车床改造成铣端面、钻中心孔的轴类零件专用机床。 图2 2 1 具体改造方案 1 、主轴电机2 、皮带传动3 ，小齿轮4 、大齿轮5 、钻头6 、铣刀盘 7 、夹具8 、丝杆传动9 、横向电机1 0 、纵向电机1 l 、齿轮齿条传动 8 南京理- 大学硕士学位论文 轴类零件专用机床的研究与设计 3 轴类零件专用机床的机械设计 根据零件的技术要求及生产批量的大小确定加工工艺方案后，为满足生产需要， 结合实际的生产条件需要将普通车床改造成轴类零件专用机床。不仅要考虑机床结构 的改造，还要考虑刀具、夹具及其它辅具的选用与改进。因此，应首先了解被改造的 机床原结构及其工作性能。 3 1 改造前机床的概况 本课题对c 0 6 1 8 b 普通仪表车床进行改装。 3 1 1c 0 6 1 8 b 车床规格性能参数 c 0 6 1 8 b 普通仪表车床属于小型精密普通卧式车床，结构简单，主要加工直径 1 8 0 m m 左右的轴、盘类零件，是仪器仪表、航空雷达、无线电、钟表等行业小型零件 车削加工的主要设备。其规格性能参数如表3 1 1 啪。 表3 1 1c 0 6 1 8 b 车床规格性能参数 主要规格参数 最大工件 q 1 8 0 x 2 4 0m m 加工直径床身上 1 8 0 t o n i 刀架上 9 0m m 柱轴孔 l lm m 加工长度2 0 0 m m 刀架行程 小刀架4 0 m m 纵向2 1 0 m m 横向6 0 m m 主轴转速( 4 级) 4 0 0 6 5 0 9 8 0 1 3 8 0 r m i n 工作精度圆度 o 0 i m m 圆柱度 0 0 2 m m 平面度 0 0 2 m m 粗糙度 1 6 1 u n 电机功率 0 3 7 k w 外形尺寸 9 8 0 x 3 9 0 x l l 0 0 9 南京理工大学硕士学位论文 轴类零件专用机床的研究与设计 3 1 2 车床结构分析 3 1 2 1 主传动系统 主传动链分析：该机床主传动系统由三相异步鼠笼式电机( 可正反转) 3 7 0 w ，经4 级塔式皮带轮传动到主轴。其传动链表达式如下“1 ： 0 5 0 1 5 0 13 8 0 r m i n 1 3 8 0 r m i n - 一m 3 8 5 5 。9 8 0r m i n 0 3 0 6 4 6 5 0r m i n 0 2 0 7 0 一一4 0 0r m i n 主轴结构：与常见普通车床相比，其主传动系统没有离合器变向、制动及各级传 动，结构相对简单，只是通过4 级塔式带轮，传递主轴四级低高速转动。主轴为空 心阶梯轴，两点滚动轴承支承，前端为莫氏6 号内锥孔、圆锥台及端面，连接前顶 尖和用螺纹相连的圆形过渡盘，过渡盘与三爪卡盘用三道m 6 螺栓固定连接。主传动 系统图见图3 1 2 1 。 图3 1 2 1 传动系统图 3 1 2 2 进给传动系统 主轴后端通过2 级挂轮啮合将主运动传递到丝杠( t = 3 硼) ，经开合螺母控制刀架 纵向自动进给，刀架通过丝杠螺母啮合实现手动横向进给，手动进给没有自动进给装 置，旋转手动手柄通过齿轮齿条啮合操控纵向手动进给( 手动齿条齿距为t = 4 m m ) 。 进给系统图见图3 1 2 i 。 3 1 2 3 刀架与小溜板结构 小溜板结构与普通车床相似，可回转并有刻度值，刀架可安装4 把尺寸为 1 0 南京理t 大学颂七学位论文 轴类零件专用机廉的研究畸设计 l o * l o m m 车刀。 3 2 改进设计方案 如前所述，在普通车床上用传统方法加工中心孔时，存在两个问题，考虑仪表车 床原有结构和传动关系，并分析改装的可能性，提出下列改装方案，如图3 2 所示： 3 2 1 工件定位夹紧装置 去掉机床原有方刀架、小溜板及后尾座，在中拖板上安装上专门设计的夹具，该 夹具可通过调高垫片，解决不同直径工件的中心高度不同的问题。该夹具可旋转1 8 0 0 ， 当加工完一面的端面和中心孔后，可旋转1 8 0 0 ，加工另一端面和中心孔。将车床传统 的工件定位在主轴上实现主体运动方式改为安装在导轨上实现进给运动方式，可以在 工件进给时，严格控制其进给距离，保证中心孔深度尺寸a 的一致性。同时，与普 通钻孔方式( 工件不动，刀具既旋转又进给) 相比，提高了孔的加工精度和表面质量。 3 2 2 主传动部分的改造 本课题利用莫氏6 号内锥孔连接三爪钻夹头，过度盘与法兰盘连接小齿轮，通过 齿轮啮合将运动传递到铣刀轴实现铣刀的转动。机床主传动系统改装原结构利用率 高，改装结构非常简单。 主轴箱是本机床改造中较重要的组成部分。把由车床主轴传来的动力分别传给铣 端面的铣刀轴和钻中心孔的钻削轴。为此，设计了两套实现此功能的方案。 方案一：如图3 2 所示。去掉三爪卡盘，利用主轴前端奠氏6 号内锥孔连接公 称尺寸为l o m 的三爪钻夹头，实现中心钻刀具的旋转。在导轨上增加一套铣刀轴结 构，经过连接在主轴前端过度盘上的小齿轮( m 1 5 z = 3 0n l = 9 8 0 r m i n ) 与铣刀轴 上的大齿轮( m _ 1 5z = 4 2n 2 = 7 0 0 r m i n ) 啮合，实现铣刀的旋转。此装置的改装是 本例改装的一个突出点，即在普通车床上由一个动力驱动两把刀具同时旋转( 主体运 动) ，实现工件双工位进给，减少定位夹紧及辅助加工时间，提高生产效率。本改装 方案本着结构简单、方案合理的改装原则，较大限度地利用并且没有破坏机床原有的 主要结构，体现了机床改装投资小、见效快、安装调试时间短且能较容易恢复原有工 作性能的特点。同时由于p l c 程序控制工件双工位进给，提高了生产效率、孔深尺 寸 的一致性、中心位置精度。达到了机床改装的目的和要求。为利用机床原有结 构，达到改装工作量小、投资少、见效快的要求，仍使用原主电机、三爪钻夹头等。 南京理t 大学硕士学位论文 轴类零件专用机床的研究l i 设计 1 、主轴2 、过渡盘3 、法兰盘4 ，齿轮5 ，三爪钻夹头6 、中一i i , 孔钻头7 、工件 8 、中拖板9 、专用夹具1 0 ，螺钉、垫片1 1 、盘铣刀 1 2 、轴承、轴承座、端盖 1 3 、大齿轮1 4 、铣刀轴 图3 2 主传动部分改造方案一 方案二：如图3 2 2 所示。把由车床主轴传来的动力分别传给主轴箱内主轴i6 、 主轴i i3 1 。主轴i 为钻孔轴，主轴i i 为铣削轴。主轴部件的前支承处正、反并列安装 两个圆锥滚子轴承，后支承也采用圆锥滚子轴承；在前支承处还采用了推力球轴承， 以便承受轴向载荷。主轴与刀具为刚性联接，靠圆柱孔和端面定位，用螺钉紧固，以 端面键传递扭矩。三个传动齿轮均为相同的标准直齿圆柱齿轮，三个齿轮排列设计不 1 2 南京理工大学硕士学位论文轴类零件专用机床的研究卜j 设计 是直线排列，而是呈等腰三角形排列，这样排列可以使主轴箱结构紧凑。另外，齿轮 置于靠近主轴的前支承处，可以提高主轴的旋转精度。 综合比较了二种方案，第二种方案的结构比第一种稍显复杂，成本也高，故选择 第一种方案作为本课题的主传动系统的改造方案。 1 ，3 3 、3 6 - - 后盖2 、1 6 、3 0 - - 螺母3 、1 0 ，i i 、1 5 、2 4 、2 5 、3 2 ，3 4 一圊锥滚子轴承4 一箱体5 、1 7 、2 9 、3 5 一隔套6 一主轴i 7 、2 l 、2 7 一齿轮 8 、1 4 、1 9 、2 8 键9 2 卜推力球轴承 1 2 ，1 8 ，2 3 一前盖 1 3 钻头 2 0 - - - 驱动轴2 2 铣刀3 1 - - 主轴u 图3 2 2 主传动部分改造方案二 3 2 3 迸给传动部分的改造 本课题进给装置的改装是将手动手轮去掉。纵向进给步进电机轴与手动齿轮轴连 接在一起，通过齿轮齿条啮合控制工件纵向自动进给，在中拖板的前端固定一个联结 板，横向进给步进电机放在其上与中拖板丝杠相连，经螺母丝杠传动控制工件横向自 动进给。另外，将刀架、小溜板与尾座去掉，在中拖板上安装上专门设计的夹具，该 夹具可通过调高垫片，解决不同直径工件的中心高度不同的问题。该夹具可旋转1 8 0 0 ， 当加工完一面的端面和中心孔后，可旋转1 8 0 0 ，加工另一端面和中心孔。该机械传动 装置改装方案完全能够实现，而且具有结构简单、投资小、原结构利用率高、改装工 1 3 南京理工夫学颂士学位论丈轴类零件专用机床的研究与设计 作量小、经济实用等特点。特别是在车床主轴上增加的铣刀轴结构，由一个动力驱动 两把刀具同时旋转，实现工件双工位加工，想法新颖，别具特色。见图2 2 1 。 3 3 机床夹具的设计 夹具是一种装夹工件的工艺装备，它广泛地应用于机械制造过程的切削加工，热 处理、装配、焊接和检测等工艺过程中。 在金属切削机床上使用的夹具统称为机床央具。在现代生产中，机床夹具是一种 不可缺少的工艺装备，它直接影响着n i 的精度、劳动生产率和产品的制造成本等”1 。 故机床夹具设计在企业的产品设计和制造以及生产技术准备中占有极其重要的地位。 3 3 1 机床夹具的功能及组成 3 3 i 1 机床夹具的功能 机床夹具的主要功能是装夹工件，使工件在夹具中定位和夹紧。 ( 1 ) 定位确定工件在夹具中占有正确位置的过程。定位是通过工件定位基准面与 夹具定位面接触或配合实现的。正确的定位可以保证工件加工面的尺寸和位置精度要 求。 ( 2 ) 夹紧工件定位后将其固定，使其在加工过程中保持定位位置不变的操作。由 于工件在加工中，受到各种力的作用，若不将工件固定，则工件会松动、脱落。因此， 夹紧为工件提供了安全、可靠的加工条件。 3 3 1 2 机床夹具在机械加工中的作用 在机械加工中，使用机床夹具主要有以下六点作用： ( 1 ) 保证加工精度用夹具装夹工件时，能稳定地保证加工精度，并减少对其它生 产条件的依赖性，故在精密加工中广泛地使用夹具。 ( 2 ) 提高劳动生产率使用夹具后，能使工件迅速地定位和夹紧，并能够显著地缩 短辅助时间和基本时间提高劳动生产率。 ( 3 ) 降低生产成本在批量生产中使用夹具时，由于劳动生产率的提高和允许使用 技术等级较低的工人操作，故明显地降低了生产成本。 ( 4 ) 改善工人的劳动条件用夹具装夹工件方便、省力、安全。当采用气压、液压 等夹紧装置时，可减轻工人的劳动强度，保证安全生产 ( 5 ) 保证工艺纪律在生产过程中使用夹具，可确保生产周期、生产调度等工艺秩 序。 ( 6 ) 扩大机床工艺范围这是在生产条件有限的企业中常用的一种技术改造措施。 3 3 1 3 机床夹具的组成 机床夹具的组成部分有：定位元件、夹紧装置、夹具体，连接元件、对刀与导向 装置、其它元件或装置。 南京理1 = 大学硕士学位论文 轴类零件专用机廉的研究与设计 ( 一) 机床夹具的基本组成部分 机床夹具的基本组成部分是定位元件、夹紧装置和夹具体三部分，这也是夹具设 计的主要内容。 ( 1 ) 定位元件 定位元件是夹具的主要功能元件之一通常，当工件定位基准面的形状确定后， 定位元件的结构也就基本确定了。 ( 2 ) 夹紧装置 夹紧装置也是夹具的主要功能元件之一。通常，夹紧装置的结构会影响夹具的复 杂程序和性能。 ( 3 ) 夹具体 夹具体是夹具的基体骨架，通过它将夹具所有元件构成一个整体。定位元件，夹 紧装置等分布在夹具体不同的位置上。 ( 二) 机床夹具的其它组成部分 ( 1 ) 连接元件 连接元件用以确定夹具本身在机床上的位置。夹具在机床上的安装连接常有两种 形式：一种是安装在机床工作台上，另一种是安装在机床主轴上。 ( 2 ) 对刀与导向装置 对刀与导向装置的功能是确定刀具的位置。 ( 3 ) 其它元件或装置 根据n t 需要，有些夹具分别采用分度装置、靠模装置、上下料装置、工业机器 人等。 3 3 2 机床夹具的分类及设计要求 3 3 2 1 机床夹具的分类 目前常用的机床夹具分为通用夹具、专用夹具、可调夹具、组合夹具和自动化生 产用夹具等五大类。 ( 1 ) 通用夹具通用夹具是指结构、尺寸已规格化，且具有一定通用性的夹具。其 特点是适应性强、不需调整或稍加调整即可装夹一定形状和尺寸范围内的各种工件。 采用这类夹具可缩短生产准备周期，减少夹具品种，从而降低生产成本其缺点是夹 具的加工精度不高，生产率也较低，且较难装夹形状复杂的工件，故适用于单件小批 量生产陶。 ( 2 ) 专用夹具专用央具是针对某一工件某一工序的加工要求而专门设计和制造 的夹具。其特点是针对性较强。没有通用性。在产品相对稳定、批量较大的生产中， 常用各种专用夹具，可获得较高的生产率和加工精度，但专用夹具的设计制造周期较 长。 南京理工大学顾十学位论史轴类零件专用机床的研究与设计 ( 3 ) 可调夹具可调夹具是针对通用夹具和专用夹具的缺陷而发展起来的一类新 型夹具。对不同类型和尺寸的工件，只需调整或更换原来夹具上的个别定位元件和夹 紧元件便可使用。在多品种，中、小批生产中使用有较好的经济效果。 ( 4 ) 组合夹具组合夹具是一种模块化的夹具。标准的模块元件有较高的精度和耐 磨性，可组装成各种夹具，夹具用毕即可拆卸，留待组装新的夹具。它的优点是：生 产准备周期短，元件能重复使用，并可减少专用夹具数量。 ( 5 ) 自动化生产用夹具自动化生产用夹具主要分自动线夹具和数控机床用夹具 两大类。 3 3 2 2 机床夹具的设计特点及设计要求 ( 一) 机床夹具的设计特点 ( 1 ) 要有较短的设计和制造周期。 ( 2 ) 夹具的精度一般比工件的精度高2 3 倍。 ( 3 ) 夹具和操作工人的关系特别密切，要求夹具与生产条件和操作习惯密切结合。 ( 4 ) 夹具在一般情况下是单件制造的，没有重复制造的机会。通常要求夹具在投产 时一次成功。 ( 5 ) 夹具的社会协作制造条件较差，特别是商品化的元件较少。设计者要熟悉夹具 的制造方法，以满足设计的工艺性要求。 ( 二) 机床夹具的设计要求 ( 1 ) 保证工件的加工精度要求。即工件在夹具中的正确定位；夹具在机床上的正确 位置；刀具的正确位置。 ( 2 ) 保证工人的操作方便、安全。 ( 3 ) 达到加工的生产效率要求 ( 4 ) 满足夹具一定的使用寿命和经济性要求。 3 3 3 本课题的夹具设计方案 本课题设计的夹具图见图3 3 3 。下面分别对此夹具的定位和夹紧部分做具体说 明 3 3 3 1 定位部分： 夹具定位部分的功能是使同一批工件在夹具中占据正确的位置。定位基准的选择 是定位设计的一个关键问题。工件的定位基准一旦确定，则其定位方案也就随之确定。 由于本夹具是用来装夹圆钢类材料的，且最终用于加工端部的中心孔，因此，根据基 准统一的原则，即定位基准应与工艺基准重合，本夹具采用下v 型块定位，工件外圆 与v 型块呈两直线接触，限制了工件的x 和y 两个方向的移动和转动四个自由度，由 此可知，本夹具的定位特点是以工件的几何中心定位的，用两条素线接触作“四点定 位”，以确定轴线的空间位置。 1 6 南京理工大学硕士学位论文 轴类零件专用机床的研究与设计 用v 型块定心定位时，由于v 型块的对中性好，沿x 轴方向的位移误差为零，若 不计v 型块的误差而仅有工件基准面的圆度误差时，其工件的定位中心会沿y 轴方向 发生偏移，产生基准位移误差y ，由于t 。的影响，使工件中心沿y 向从0 移至0 。 见图3 3 3 1 。 。o o 。 堡一垡二墨墨 既 2 潍a 122s m 口，22 s = , - 1 2 式中：y 基准位移误差 t 广一工件定位基准的直径公差 a 2 v 型块的半角( 本夹具a = 9 0 。) 本夹具通常用来装夹型材圆钢，最适合直径范围在2 0 6 0 咖之间的圆钢，查有 关资料可知，此直径范围直径允许偏差为0 4 0 8 衄，则可以计算出基准位移误 个 差a y 。即y = 奠一 2 s i n 兰 2 = ( o 4 o 8 ) 2 s i n 4 5 。 = 0 2 8 0 5 6 舢 毛坯工件的加工余量一般为= 1 5 2 衄，y ，因此可知：夹具所引起的基 准位移误差小于毛坯工件的加工余量，不会对零件的后序加工工序造成不利影响。 南京理t 大学颂十学位论文轴类零件专用机床的研究b 设计 一 葡“磺 筠 蠡囊薰兰嚣要 襻 - 二奇 露 占苎 爿= “。 一 2 i 。 、j 雏t 、罗 、f 霹呵q套b n 。 诎。 p 一 一 ：争呻 一 一1 n_ _ ，_ 一 一 一 7弱一l - ：囊l - 1 8 赶 趔 倒 ， 2 匝 晾 1 j f w g m “ 说明本夹具所能提供的夹紧力大于工件夹紧所需的夹紧力，而且有一定的储备余 量，可以充分保证对工件的夹紧要求，达到了我们的预期目的。 转动手柄1 3 通过螺纹传动，使上v 型压扳1 0 、下v 型压板9 夹紧工件，上v 型压板通过导块1 6 来保持正确的位置，然后用锁紧螺母1 5 锁定。夹具体1 8 通过联 结底板3 与机床中拖板连结。 转动夹具体，依靠