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柴油机摇臂深孔加工设备的设计研究 摘要 大连机车厂生产的柴油机用配气机构进排气摇臂，是柴油机关键件。其两个中7 m 油孔的最大深度为1 4 0 r a m ，长径比达2 0 ：1 ，属于深孔。摇臂深孔加工问题是多年来 困扰该厂的老大难问题。原来该工序是在立式加工中心上进行。这种加工方式存在一 些问题，主要有：由于加工方式、刀具耐用度等原因而造成的加工效率低下；夹具通 用性差，工件定位夹紧复杂；机床没有过载荷保护装置，钻头易打断：刀具几何参数 不合理，使用寿命短；工艺流程不合理，造成断续切削，容易钻偏等。 通过本文所叙述的研究和设计工作，达到以下几个主要目的：较大幅度提高加工 效率；提高夹具通用性，满足所有规格摇臂的钻深孔要求；实现机床有效过载保护， 解决打断钻头及停机问题；提高刀具耐用度：改进工艺流程，提高加工质量。 研究和设计工作中完成的主要工作有：设计专用组合机床，采用4 套动力头，可 同时加工2 个工件，具备过载保护功能：采用可更换、通用性强的夹具，液压定位夹 紧，快速方便：加大所用的麻花钻头螺旋角，减小切削力，减少切削热的产生，提高 耐用度；优化工艺流程，调整加工顺序，变断续切削为连续切削，提高加工精度e 通过对摇臂深孔加工设备的研究与应用，在机床、夹具、刀具、工艺流程等方面 进行合理设计和选择，有效提高了加工效率和产品质量，具备一定的先进性和经济性， 为解决此类深孔加工问题探索出了一条新路。首先，该成果设计制造的机床为四轴数 控钻孔双面斜卧式组合机床。机床钻削主轴为数字控制，而迸给系统为液压控制，使 在满足使用要求的前提下降低了成本。主运动和进给运动之间的联系采用花键联接， 以比较简单的方式完成旋转运动和直线运动的同步进行，新颖实用。其次，机床夹具 通过更换斜垫铁，来改变斜卧动力头的加工角度，实现不同规格的摇臂的加工。工件 的定位、夹紧采用液压控制，快速方便；刀具方面，没有采用专门的深孔钻头，而是 应用了加长的麻花钻头，价格便宜。适当加大了钻头螺旋角到3 24 ，在保证强度的前 提下，有效降低了切肖4 力和切削温度，提高了刀具使用寿命和生产效率；另外，完善 了工艺流程，变断续切削为连续切削，提高了加工精度。总之，通过这个项目的实施， 摇臂的深孔加工质量和生产效率得到较大幅度提高，取得了良好的经济和社会效益。 关键词：摇臂，深子l ，组合机床，刀具，工艺 鲞壁盟塑曼塑塾塑三堡鱼塑堡生堑塞一一 a b s t r a c t t h er o c k i n ga r n lo ft h ed i e s e le n g i n em a d ei nd l o c oi so n eo fk e yp a r t s t h eb i g g e s t d e p t ho f t w om 7n l mo i lh o l e si s1 4 0m m ，a n dt h er a t i oo fl e n g t ha n dd i a m e t e ra m o u n t st o 2 0 ：1 t h eo i lh o l eb e l o n g st ot h ed e e ph o l e s h a k i n gd e e ph o l ed r i l l i n gm e t h o di s a d i f f i c u l tp r o b l e mi nt h el a s ty e a r si nt h ef a c t o r y b e f o r et h ew o r k p i e c e sa r ed r i l l e di nt h e v e r t i c a lm a c h i n ec e n t e r b yt h i sk i n do fp r o c e s st h e r ea r es o m ep r o b l e m ss u c ha st h el o w e 瓶c i e n c yb y r e a s o no f p r o c e s sa n d t 0 0 1 t h et o n g sa r en o tg e n e r a l ，a n di t sc o m p l i c a t e dt o f i xt h ew o r k p i e c e t h em a c h i n eh a sn os a f e g u a r df o rd r i l l s ，s ot h ed r i l l sa r eb r o k e ne a s i l y t h et o o l sg e o m e t r yp a r a m e t e r sa r en o tr e a s o n a b l e ，t o o l sl i f ei ss h o r t t h ep r o c e s si sn o t r e a s o n a b l e 。i tc a u s e st oi n t e r m i t t e n td r i l la n dd e v i a t i o na n d s oo n b y t h er e s e a r c ha n dd e s i g ni nt h i sp a p e r , s e v e r a lm a i ng o a l sa r ea t t a i n e da sf o l l o w ： m a c h i n i n ge 伍c i e n c yi s i n c r e a s e d t h et o n g sa r em o r eg e n e r a la n dc a nm e e tt h ep r o c e s s d e m a n d so fa l lt y p e so fw o r k p i e c e ，t h em a c h i n eh a ss a f e g u a r d ，t h ep r o b l e m so f d r i l lb r e a k a n dm a c h i n es t o ph a sb e e ns o l v e dt oi n c r e a s et h et o o l sl i f e ，a sr e s u l tt h ep r o c e s sa n d q u a l i t ya t ei m p r o v e d t h e r ea r es e v e r a lj o b s i nt h er e s e a r c ha n dd e s i g n ：d e s i g n i n g s p e c i a l c o m b i n e d m a c h i n e ，a d o p t i n g4s e t so fm o t i v eh e a d ，2w o r k p i e c e sa tt h es a m et i m ec a nb ed r i l l e d ， h a v i n gs a f e g u a r df u n c t i o n ，t h et o n g s h a v eg o o d g e n e r a l i t y a n dc a nb e r e p l a c e d ，t h e w o r k p i e c e sc a nb ef i x e db yh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mf a s ta n dc o n v e n i e n t l y , i n c r e a s i n gt h e s p i r a la n g l eo f t h ed r i l l ，d e c r e a s i n gt h ec u t t i n gp o w e ra n dt h ec u r i n gh e a t ，i n c r e a s i n gt h e t o o l s l i f e ，b yo p t i m i z i n g t h e p r o c e s s ，a d j u s t i n g t h e p r o c e s ss e q u e n c e ，c h a n g i n g t h e i n t e r m i t t e n tc u tt oc o n t i n u o u sc u t ，i n c r e a s i n gt h ep r o c e s sa c c u r a c ya n ds oo n b y t h er e s e a r c ho ft h ed e e ph o l ed r i l l i n gm a c h i n e ，t h er e a s o n a b l ed e s i g na n dc h o i c ef o r m a c h i n et o o t ，t o n g s ，t o o l sa n dp r o c e s ss e q t l e n c e ，h a v ec e r t a i n l ya d v a n c e dt h ep r o c e s s e m c i e n c ya n dp r o d u c tq u a l i t y t h e r ei sa d v a n t a g ea n de c o n o m i z a t i o n ，a n dh a v ef o a n da n e ww a yf o rr e s o l v i n gs u c hp r o b l e m s f i r s t l y , t h ed e s i g n e dm a c h i n ei saf o u r - a x e sn c c o n t r 0 1d r i l lc o m b i n em a c h i n e t h es p i n d l ei sc o n t r o l l e db yn c s y s t e m 。a n dt h ep r o c e e d i n g s y s t e mi sah y d r a u l i cp r e s s u r ec o n t r o ls y s t e m ，s ot h ec o s ti sr e d u c e db y t h ep r e c o n d i t i o no f u s er e q u e s t t h em a i nm o v e m e n ti sc o n t a c t e d 姒t l lt h ep r o c e e d i n gm o v e m e n tb yt h ek e y s y n c h r o n o u s l y , n o v e la n dp r a c t i c a l s e c o n d l y , t h et o n g sc a nc h a n g et h ed r i l la n g l eb y r e p l a c i n gt h ei n c l i n e dg a s k e t ，r e a l i z i n gt h ep r o c e s so f d i f f e r e n ts p e c i f i c a t i o nr o c k i n ga r m s t h ew o r k p i e c e sc a l lb ef i x e db yh y d r a u l i cs y s t e mf a s ta n dc o n v e n i e n t l y t h et o o l sa r en o t t h es p e c i a ld e e ph o l ed r i l l s ， i u s ta r et h el e n g t h e n e dt w i s td r i l l sw h i c ha r ec h e a p e r t h e d r i l l ss p i r a la n g l ei se n l a r g e dt o3 2 。，s ot h ec u tp o w e ra n dt h ec u tt e m p e r a t u r ea r er e d u c e d ， t h et o o l s1 i f ea n dt h ep r o d u c t i o ne m c i e n c ya r ei n c r e a s e d i na d d i t i o n t h ep r o c e s ss e q u e n c e i s p e r f e c t e d ，也e i n t e r m i t t e n tc u ti s c h a n g et o c o n t i n u o u sc u t ，t h ep r o c e s s a c c u r a c y i s i n c r e a s e d i naw o r d ，b yt h ep r a c t i c eo ft h i sp r o j e c t ，t h e r o c k i n g - a r m sq u a l i t ya n dt h e e f f i c i e n c ya r ei n c r e a s e dg r e a t l y a n dt h ee c o n o m i ca n d s o c i e t yb e n e f i ti sv e r yg o o d k e yw o r d s ：r o c k i n g a r m s ，d e e ph o l e ，c o m b i n em a c h i n e ，t o o l s ，p r o c e s s i i 柴油机摇臂深孔加工设备的设计研究 1 绪论 大连机车厂是铁路机车车辆专业制造厂，生产的中速柴油机除装备内燃机车外，在 船舶、军工等行业也逐渐被广泛应用。随着市场竞争的日趋激烈，对柴油机的质量、性 能要求越来越高，柴油机也正在向高速、强化、经济和低污染方向不断发展，对柴油机 的制造水平和工艺提出了越来越高的要求。 1 1 摇臂深子l 加工技术发展及现状 进气摇臂、排气摇臂是柴油机基础件，它的质量好坏直接影响柴油机配气定时功 能的顺利实现。进、排气摇臂尺寸相同，结构为对称形式，但不同型号柴油机所用摇臂 的尺寸各不相同。现在分别给出2 4 0 柴油机排气摇臂、2 8 0 柴油机排气摇臂的设计图纸。 ( 见图1 1 和图1 2 ) 图1 12 4 0 柴油机排气摇臂 fig1 12 4 0d i e s e le n g i n ee x i l a u s tr o c “n g a r m 墨垫垫堑堕塑塾垫三垫鱼塑堡盐互塞一 图1 22 8 0 柴油机排气摇臂 fig1 22 8 0d i e s e le n g i n ee x h a u s t r o c k i n g a r m 该产品批量大，结构复杂。两个m 7 m m 孑l 的最大深度为1 4 0 m m ，长径比达2 0 ：1 ，且 倾角最大为1 2 。该零件材料为4 2 c r m o ，粘性大，硬度达h b 3 0 0 。随着工厂新产品不断 开发，迸排气摇臂新产品深孔的尺寸和倾角各不相同，加工难度大。 摇臂深孔加工问题是多年来一直困扰该厂的老大难问题。该厂原有一条自行设计 制造的自动生产线，用于摇臂) ! j n - 。该生产线的机械和控制系统功能简单，技术落后， 钻深孔工序的钻头转速和进给量都是固定值不能调整，经常出现打断钻头现象，工具消 耗量大，停机时间长；专用夹具定位精度差，每次装夹1 件，效率低，只能适应单一尺 寸产品的生产。随着新产品不断开发，对多品种生产要求日益增强，该自动线已不能满 足生产需求。 1 9 9 9 年，作为铁道部重点投入的技术改造项目，工厂对摇臂加工工艺作了重大改 进。拆除原有自动生产线，购进两台台湾大乔公司生产的m v - - 4 0 f m c ，m v 一5 0 型立式加 工中心，该加工中心采用f a n u c 数控系统，切削参数选择灵活性大，夹具采用高精度组 合夹具，定位精度高，夹紧方便，产品) j n - r 精度明显提高。但深孔加工还存在一些问题， 一方面，由于机床无主轴过扭矩保护，钻头易打断，工具消耗大；钻深孔进给速度低， 每个工件钻深孔耗时达1 5 分钟，生产效率低；夹具通用性差，加工2 8 0 柴油机摇臂需 更换2 套夹具，不适合大批量生产；加工工艺流程不尽合理，断续钻削，容易钻偏等。 2 柴油机摇臂深孔加工设备的设计研究 国际上解决深孔加工的方案主要有两种：一是采用专用组合机床。优点显而易见， 精度稳定，加工效率高。其动力部分可采用全数控式、液压式或液压与数控结合式。可 采用独立过扭矩保护装置或通过数控系统实现保护。钻头可采用普通钻头或枪钻；二是 采用通用设备。包括摇臂钻床、加工中心等。摇臂钻床加工精度低，效率也不高。加工 中心精度高，工艺参数选择灵活，相对来说效率低，实现过扭矩保护比较困难。 1 2 本文研究的关键问题 通过分析，在摇臂的深孔加工中存在的主要问题有： 加工效率问题 由于机床结构、加工方式、刀具耐用度等原因而造成的加工效率低下。 夹具问题 多品种开发研制的形势，必然存在交叉生产。由于夹具的通用性差，不同规格的摇 臂钻深孔时需要更换不同的夹具，而且手动夹紧，操作复杂，辅助时间长。 过载保护问题 现有机床没有过载保护装置。当机床传递的扭矩超过极限值时，由于没有过载保护 装置，经常造成钻头打断、主轴组件受损。这也是造成刀具消耗量大的一个主要原因， 同时产生的停机时间损失也很严重。 刀具耐用度问题 刀具本身耐用度差，几何参数不尽合理，消耗量大。 工艺流程问题 深孔加工工艺流程安排不合理。按照现在的工艺安排，两端已先加工的孔与该深 孔形成交叉，造成断续钻削，容易钻偏，影响加工质量。 1 3 解决关键问题采用的技术方案 针对上述的关键问题，本文研究了机床、夹具、刀具、工艺流程等方面的相关问题， 以提高加工效率和产品质量，节约工时和刀具费用为目标，设计专用组合机床，从以下 几方面加以考虑： 机床设计方案 l 、采用4 组小型液压滑套动力头，并附有分级进给装置，便于刀具冷却及排屑； 2 、伺服电机及其数控系统实现对主轴转速及扭矩过载值的灵活设置，以适应多品种 孔径变化和刀具切削中的过扭矩保护： 3 、机床总体设计结构紧凑、占地少、便于操作。 夹具设计 机床夹具通用性强，可满足不同规格摇臂的加工。采用液压自动定位夹紧，快速方 便。 刀具改进 通过改进刀具的几何参数，有效减小切削力，提高刀具耐用度。尤其所用的长麻花 柴油机摇臂深孔加工设备的设计研究 钻头的螺旋角( 即轴向前角) ，对切削力的影响最大。螺旋角增大，前角也增大，轴向 力和扭矩减小，切削轻快。 优化工艺流程 项目实施前的工艺流程将摇臂钻深孔工序安排在钻铰两端孔之后进行。由于两端 孔与深孔交叉，造成断续切削，钻头极易偏离方向。经过改进，将钻深孔工序安排在钻 铰两端孔之前进行，形成连续钻削，保证孔的位置。 柴油机摇臂深孔加工设备的设计研究 2 机床总体设计 组合机床是根据被加工工件的工艺要求，按照高度工序集中的原则而设计的，并已 经系列化、标准化的通用部件为基础，配以少量专用部件而组成的高效、自动化的专用 机床。 组合机床具有下列优点： 第一，组合机床的通用部件和通用零件是经过精心设计和长期生产实践考验的，因 此工作稳定可靠； 第二，设计时，对于通用零、部件主要是选用，不必重新设计，所以设计周期短： 第三，组合机床的通用零、部件是成批生产的，并且可以预先制造出来。因此，组 合机床制造周期短，维修方便，并可降低造价； 第四，当被加工对象改变时，组合机床的通用零、部件还可以重新被利用，组成新 的组合机床，因此有利于产品更新。 本机床包括主传动系统、进给传动系统、支承件、液压传动系统、电气控制系统、 夹具以及所使用的专用刀具等。 1 ) 主传动系统是指从伺服电机到主轴部件部分，提供切削主动力，为数字控制，性 能先进。四轴分别控制； 2 ) 进给系统为液压控制，选用了标准的b e p 2 - - 3 2 0 型液压滑套动力头，简化了设 计，简单实用； 3 ) 支承件是工件、夹具及各动力部件的安装基础，为厚钢板焊接结构，在保证机床 精度的基础上，降低了制造成本和周期； 4 ) 液压传动系统除了控制进给系统外，还控制工件的定位、夹紧，保证了整个工 作循环的实现； 5 ) 夹具部分保证了工件在机床上的正确和准确定位，本机床夹具通用性好，操作 快速方便，极大地节省了辅助时间； 6 ) 本机床刀具为加长的麻花钻头，几何角度经过改进。 2 1 工艺方案的制定 “四轴数控钻孔双面斜卧式组合机床”是专为摇臂钻深孔工序而设计的。专用组合 机床的先进程度、种类、形式和规格都取决于工艺需要。只有制定出先进合理的工艺， 才能设计出先进合理的机床。因此在确定机床的总体方案之前，我们制定了合理的、切 实可行的工艺方案。 前面已经给出了2 4 0 柴油机和2 8 0 柴油机的排气摇臂零件图纸，进气摇臂与它们分 别成左右对称结构，尺寸相同。另外，我车间承担的柴油机配气机构摇臂轴、传动机构 支架两种产品也有深孔加工工序，它们的孔径与摇臂孔径相近，工艺、技术要求类似， 考虑到成批生产的需要和发挥组合机床的高效率，拟将这两种产品也安排在这台机床上 加工。进气摇臂、排气摇臂每台机车各1 6 件，按年产3 0 0 台计算，合计年产量9 6 0 0 件， 批量比较大，再加上另外两种产品的产量，因此设计一台高效率的组合机床是合理的， 柴油机摇臂深孔加工设备的设计研究 也很必要。 2 1 1 工艺方案分析 2 1 1 1 摇臂工艺方案分析 摇臂为叉架类零件，模锻毛坯，结构复杂；4 2 c r m o 材料，硬度达h b 2 6 0 1 3 0 0 ，粘性 也比较大，加工困难。在钻深孔之前已加工的面有：由6 0 m m 孔及其两端面、两端小平面 及油孑l 小端面。迸气和排气摇臂左右两侧深孔的倾角分别对应相等，但2 4 0 摇臂和2 8 0 摇臂深孔的倾角不同。为此，2 4 0 进气和排气摇臂可共用一套夹具，2 8 0 摇臂用一套夹 具，即两套夹具实现四种零件的加工。为提高加工效率，一次可装卡两个工件，四轴 两侧同时加工。 由于孔的尺寸精度和表面粗糙度要求都不高，采用长钻头一次钻孔即可完成。 2 i 1 2 摇臂轴工艺方案分析 摇臂轴为轴类零件，材料4 2 c r m o ，硬度b b 2 6 0 - 3 0 0 ，外径母5 0 3 m m ，留磨量，长度 2 1 7 m m 。沿轴线钻由l o m m 通孔。 该零件长度值较大，当从一侧钻削出口端偏差较大时。可左右两侧同时钻削。此时 需设防止两侧钻头干涉装置。每次装卡两件。 由于孔的尺寸精度和表面粗糙度要求都不高，采用长钻头一次钻孔即可完成。 2 1 1 3 传动机构支架工艺方案分析 传动机构支架为阶梯轴类零件，材料4 2 c r m o ，硬度i m 2 5 5 3 0 2 ，最大直径巾2 5 0 m m ， 长度2 9 0 r a m 。沿轴线钻中l o m r n 盲孔，深度1 9 0 m m 。该零件由于盘的直径较大，给装 卡带来一定困难，而且为盲孔，因此每次装卡一件。 由于孔的尺寸精度和表面粗糙度要求都不高，采用长钻头一次钻孔即可完成。 2 1 2 工序图的制定 在明确了零件的尺寸、技术条件等要求后，分析并确定了定位基准和夹紧位置，绘 制工序图。 2 1 2 1 摇臂加工工序图 此处仅以2 4 0 排气摇臂为例，其它三种摇臂的定位、夹紧方式相同，如图2 1 所示。 图中孔1 、孔2 为加工面。 1 、定位基准及夹压点的选择 由于两深孔相交于摇臂的回转中心，要确定两深孔的位置，需先确定其交点及倾 斜角度。因此以由6 0 m m 孔及其一个端面定位，5 个自由度得到了限制。另取左侧小平面 定位，确定了两深孔的1 0 。和1 2 。倾角，则6 个自由度全部得到了限制。 主夹紧选择垂6 0 m m 孔的另一非定位端面夹紧，基本处于零件的对称中心，再加上 右侧小平面的辅助支撑，能够保证夹紧稳定、可靠，不变形。全部夹紧采用液压传动机 构，快速可靠。 2 、加工表面的工艺要求 左、右两侧深孔直径都是中6 7 咖，向由6 0 m m 孔内钻透，表面粗糙度r a 2 5umq 左 侧深孔中心线与水平轴线的夹角为1 0 6 ，右侧深孔中心线与水平轴线的夹角为1 2 。 没有其它的形状和位置公差要求。 柴油机摇臂深孔加工设备的设计研究 图2 12 4 0 排气摇臂工序图 f i g 2 1 2 4 0e x h a u s tr o c k i n g a r mp r o o e s s 2 1 2 2 摇臂轴加工工序图 1 、定位基准及夹压点的选择 该零件的定位夹紧方式比较简单明了。由于是圆棒类零件，可采用自动定心的v 型铁，以零件的由5 0 3 m 外圆作为定位基准。同时由于外圆还有0 3 r m 的磨削余量，所 以也可以作为主夹紧面，以保证夹紧稳定可靠。另外，以轴的两端面作为定位面，限制 轴向窜动。 2 、加工表面的工艺要求 深孔直径巾l o m m ，通孔，在摇臂轴轴线上，表面粗糙度r a 2 5um 。没有其它的形状 和位置公差要求。 2 1 2 3 传动机构支架加工工序图 l 、定位基准及夹压点的选择 阶梯轴类零件，重心偏向大端。采用自动定心的v 型铁定位，使由l o m m 深孔的轴 线与零件轴线自动重合。考虑零件较长及重心不稳，取枣4 5 5 m m 和枣6 0 5 m m 两个外圆 面作为定位基准及夹紧点，保证夹紧稳定可靠。以大端面定位，限制轴向窜动。 2 、加工表面的工艺要求 深孔直径巾1 0 衄，盲孔，深度1 9 0 m m ，从小端钻入，表面粗糙度r a 2 5 um 。没有其 它的形状和位置公差要求。由于是盲孔，不利于排屑和冷却，分级进给级数要相应增加， 加大了加工难度。 2 。1 3 刀具的选择 柴油机摇臂深孔加工设各的设计研究 组合机床刀具，是组合机床主要组成部分之一。刀具的选用、设计、制造正确与否， 对机床的加工精度和效率有着重要影响。刀具选择得好，可以使工序集中、机床结构简 化，提高产品质量和生产效率。另外，刀具材料、几何参数等选择得合理，可有效减小 切削力，降低切削热的产生，提高刀具耐用度和使用寿命。 刀具选择的基本原则如下： 第一，如条件允许，应优先选取标准刀具； 第二，为提高工序集中程度，或达到更高精度，可采用复合刀具； 第三，镗刀和铰刀选择的原则：铰刀生产率较高，但一般适用于中6 0 r a m 以内的孔。 镗刀制造简单，刃磨方便，当有较简单的对刀方法时，宜优先采用。 根据以上原则，考虑到孔的精度要求不太高，长径比也不是很大，我们选用加长的 深孔麻花钻头，并适当地调整螺旋角等参数，改进切削性能。它属于非标准通用刀具， 设计制造难度不是很大，采购比较方便。摇臂孔的直径为由7 m ，我们将钻头的直径选 得稍小些，孔确定为巾6 7 f 8 。 在本台机床上最多同时使用4 根钻头，分别是： 左侧2 轴2 根，直径中6 7 f 8 ，长度2 8 0 m m ； 右侧2 轴2 根，直径中6 7 f 8 ，长度2 5 0 m s 。 21 4 切削用量的确定 2 1 f4 1 确定原则 组合机床常常采用多刀同时工作，最佳切削用量的选择比较复杂，从理论上来确定 合理的适于多刀加工的切削用量，目前尚无简单可靠的方法。在确定切削用量时应注意 以下问题： 第一，组合机床所采用的切削用量一般比通用机床用单刀加工时要低一些。因为大 量刀具迅速磨损，将使换刀时间增多，刀具消耗增加，影响机床生产率及经 济效果。一般多轴加工的切削用量比通用机床单刀加工时约低3 0 左右： 第二，尽可能合理利用所有刀具，充分发挥其性能。一般情况下各刀具的每分钟进 给量一致，切削用量不尽合理。必要时，也可按各类刀具分别选用不同的每 分钟进给量对少数刀具采用附加机构调整进给量； 第三，复合刀具的进给量应按复合刀具最小直径选取，切削速度按最大直径选择； 第四，在生产率要求不是很高时，不必把切削用量选得很高，以免增加刀具磨损、 刀具消耗及换刀时间。在生产率要求高时，也只是提高那些“关键性”工序 的切削用量； 第五，在选用通用部件时，必须考虑通用部件的性能和规格。所选的每分钟进给量 要高于动力头或滑台的最小进给量，一般应大5 0 左右。 2 1 4 2 选择确定 切削用量的选取采用查表法。从参考文献( 2 8 ) 附录一的切削用量表2 可知：工件 材料为4 2 c r m o ，h b 2 6 0 3 0 0 ，钻头直径中6 7 m m ，其切削速度为8 2 5 m m i n ，进给量为 0 2 0 3 m m r 。 对主轴切削速度的选取，从精度要求及刀具耐用度等方面出发，选取中等值，切削 速度v = 1 8 m m i n 。 由v = d n 知，n = v d = 1 8 0 0 0 3 1 4 x 6 7 = 8 5 5 r m i n 柴油机摇臂深孔加工设备的设计研究 即主轴转速n 取为8 5 5 r m i n 。 对进给量的选取，考虑到工件硬度比较高，粘性大，加工性能差，选取稍小值 s o = o 2 m m r ，则每分钟进给量s = n s o = 8 5 5 0 2 = 1 7 1 m m m i n 。 对切削深度的选取，因是在实体上钻孔，所以其数值为加工孔径的一半，即取切深 t = d 2 = 6 7 2 = 3 3 5 m m 。 2 1 5 工作循环的确定 为了减小机床占地面积，简化结构，降低成本，采用人工装卸料，液压快速定位、 夹紧，方便快捷。 由于是钻深孔，为了利于刀具冷却和断、排屑，采用分级迸给的工艺方案。末次工 进压行程挡铁后快退，主轴停转，刀具冷却停，定位、夹紧松开，人工卸料，循环完成。 ( 见图2 2 ) 4 个动力头的进给动作相同。切削中刀具过扭矩时，由数控系统指令中止迸给或退 至加工原位。加工摇臂轴时，两侧同时钻削，设有刀具干涉保护。 循 环 女 兀 成 卸料 s p 2 松开工件 、l 一一 s p 2 定位松开 ；旦迭退一l in 次快进s q l 一h 塑鹳q 立2 一一查达迭望一一j 图22 机床动作循环图 f i g 2 2m a t h n ea c t i o nc y c i e 2 1 6 机床生产率的计算 2 i 6 i 单件工时的计算 由于本机床可加工多品种零件，计算卡按需最长工时的“传动机构支架”核算，其 柴油机摇臂深孔加工设备的设计研究 余件均含在内；是否需分级进给加工，或分几次进给，按实际切削状况确定( 本计算卡 按一次工进计算) ；多个动力头同时加工，时间重合。 “传动机构支架”孔径中l o m m ，工作行程2 1 0 r a m 。 切削用量为：转速n = 6 0 0 r m i n s o = o 2 4 m m r 则切削速度v = d n = 3 1 4 x 1 0x 6 0 0 1 0 0 0 = 1 8 8 m m i n 每分钟工作进给量s m = n s o = 6 0 0 0 2 4 = 1 4 4 m m in 则工进时间t 工= 1y _ s w = 2 1 0 1 4 4 = i 4 6 m i n 辅助时间t 辅= t 空+ t 装+ t 夹松 式中，t 空一空行程占时 包括一次快进时间t 快进，一次快退时间t 快退和分级进给额外占时t 分级 t 装一装卸工件时间 t 夹松一工件夹紧时间t 夹和松开时间t 松 则t 辅= ( t 快进+ t 快退+ t 分级) + t 裴+ ( t 夹+ t 松) t 快进= h 快进s 快进 l 快进= 5 0 0 m m ，s 快进= 1 0 0 0 0 m m m i n 则t 快进= 5 0 0 1 0 0 0 0 = 0 0 5 m i n 同理，t 快退；l 快退s 快退 l 快退= 6 0 0 m m ，s 快退= 1 0 0 0 0 m m m i n 则t 抉退= 6 0 0 1 0 0 0 = 0 0 6 r r m l m i n 取t 分级= 0 5 m i n t 装= o ，8 4 m i n t 夹= o 0 5 m i n t 松= o 0 4 m i n 则t 辅：0 0 5 + 0 0 6 + 0 5 + 0 8 4 + 0 ，0 5 + 0 0 4 = 1 5 4 m i n 合计：零件的单件工时t 单= tt + t 辅= 1 4 6 + 1 5 4 = 3 m i n 2 i 6 2 机床生产率的计算 1 、机床生产率的计算公式 q = 6 0 t 单( 件4 , 时) 0 柴油机摇臂深孔加工设备的设计研究 式中，t 单单件工时 则q = 6 0 3 = 2 0 ( 件4 , 时) 2 、机床负荷率的计算 机床负荷率n = q 1 q( 2 1 ) 式中，q 1 一要求的生产率 q 一实际生产率 q i = p 年t 年( 件4 , 时) 式中，p 年年总产量 t 年年可用工时 按年产4 0 0 台内燃机车计算，每台机车排气摇臂1 6 件，进气摇臂1 6 件，摇臂轴1 6 件，传动机构支架l 件： 则p 年= ( 1 6 1 6 + 1 6 + 1 ) x 4 0 0 = 1 9 6 0 0 件 每年按2 5 0 个工作日计算，设备开工率8 q ，每班8 小时 则t 年= 2 5 0 8 0 x 8 = 1 6 0 0 小时 q 1 ；1 9 6 0 0 1 6 0 0 = 1 2 2 5 件4 时 根据式( 2 一1 ) 得 机床负荷率n = q t q = 1 2 2 5 2 0 = 6 1 2 5 ( 未考虑备品和废品) 从机床生产率和负荷率数值来看，所制定的机床方案能够满足生产要求，具有一定 的自动化程度，使用合理，方案可行。 2 i 6 3 填写生产率计算卡 根据以上的计算结果，填写“传动机构支架”生产率计算卡片。 ( 见表2 1 ) 2 1 7 工艺流程改进 正确地确定了钻深孔工序的工艺方案后，相关工序的合理性就显得十分重要。如何 根据图纸上的公差和技术要求，根据生产纲领和工厂实际情况，正确选择加工方法、工 序尺寸和加工余量，合理拟定工艺路线，是一个重要问题。 安排工艺流稷要遵循以下原则： 第一，先把基准面加工出来，再以它为基准加工其它表面： 第二，先加工平面再加工孔，这是上一条原则的一个特例： 第三，先安排主要表面的加工，再把次要表面的加工工序插入其中； 第四，有些零件的精加工工序必须在装配以后进行。 2 1 7 1 存在问题 按照上述原则，本项目原有工艺流程主要存在下面两个问题： ( 参见图2 1 ) l 、基准精度问题。摇臂深孔加工的主要定位面为由6 0 + _ 0 0 3 孔及其端面。由于原 有工序安排不合理，该基准孔与其端面的垂直度不好，从而间接影响到深孔的 加工质量； 2 、工序干涉问题。按照原来的工艺流程，先加工出摇臂两侧的竖直孔( 击1 8 h 7 及 m 1 8 1 5 6 h 螺纹底孔) ，再钴深孔。存在的主要问题为由于深孔与两侧孔相交， 使得钻深孔时为断续切削，而钻头又很细长，极易钻偏，无法保证深孔的位置 柴油机摇臂深孔加工设备的设计研究 精度。 2 1 ，7 2 基准孔的工序改进 钻深孔的定位基准中6 0 0 0 3 孔的原加工流程为：先车两端面( 面l 、面2 ) ，再半 精加工孔3 、精加工孔3 。图2 3 为基准孔加工工艺改进示意图。 图2 3 基准孔加工工艺改进示意图 f i g2 3b a s i ch o i e sp r o c e s si m p r o v e m e n t 由于面1 与孔3 不是一次加工成型，因此不易保证垂直度要求。经过调整，现在的 工艺流程为：精镗孑l3 、端面l ，再镗端面2 。由于孔3 和端面1 为次装卡完成加工， 保证了二者的垂直度，以它们为定位基准时能够确保工件的定位精度，从而间接保证钻 深孔的位鼹精度。 2 1 7 3 加工顺序调整 见图2 4 工序调整示意图。 按照前面的分析，为了避免断续切削，将钻深孔l 、深孔4 工序安排在钻铰两端孔 2 、孔3 之前进行，使其为连续钻削，无冲击，容易保证深孔的位置( 与原工序相反) 。 而对于两端孔2 、孔3 ，相对深孔1 、深孔4 来说，孔径比较大，长度尺寸小，虽为断续 加工，位置较易保证。 2 2 机床的总体布局 柴油机摇譬深孔加工设备的设计研究 2 ) 图2 4 工序调整示意图 f i g 2 4p r o c e s sa d j u s t m e n t 机床总体布局的目的，是按照简单、 方案。它基本上由工艺方法、运动分配、 率等因素所决定。 合理、经济的原则，制定一种实现加工要求的 工件尺寸、重量、精度、表面粗糙度及生产效 2 2 1 总体布局的基本要求 在制定机床的总体布局方案时，遵照了以下基本原则： 第一，保证给定的工艺过程要求，最大限度地考虑机床部件的通用化； 第二，保证机床的刚度、精度、抗振性和稳定性，力求减轻机床重量： 第三，保证机床结构简单，且尽量采用较短的传动链，以提高传动精度和传动效率； 第四，保证良好的加工工艺性，以便于机床的加工和装配； 第五，保证安全生产，便于操作、调整和维修： 第六，上、下料便捷，便于排除铁屑； 第七，尽可能减小机床的占地面积； 第八，机床外形美观、大方。 影响机床总体布局的因素是多方面的。其中，工艺方法的选择、对机床运动的要求 及运动分配是起决定性作用的因素；工件的尺寸、精度、形状及重量等是应考虑的重要 因素。此外，在充分注意工艺因素的同时，还应兼顾其它各种因素。 2 22 工件、工艺方法与总体布局 从前面的工艺方案制定过程可知，该机床所承担的几种工件的重量和尺寸都不大， 柴油机摇臂深孔加工设备的设计研究 属中小件，而且工序比较单一，只有钻削一道工序。每个摇臂左右两侧深孔都在一个平 面内，孔径相同。为此每次安排装卡两个工件，左右两侧共4 个动力头同时加工。机床 尺寸不致于很大，还能有效提高加工效率。 因为所钻孔的尺寸精度、形状和位置精度、表面粗糙度等要求不是很高，床身等支 承部件可采用厚钢板焊接结构，可在满足使用要求的前提下，有效缩短制造周期，节约 制造成本。 2 2 3 运动分配与总体布局 组合机床的工艺方法确定后，刀具与工件在切削加工时的相对运动也随之被确定 了。但是，此相对运动可以完全分配给刀具，也可以完全分配给工件，或者由刀具和工 件共同完成。 进、排气摇臂为叉架类零件，不适合回转加工和定位。而且孔的直径比较小，长径 比大，不利于断屑、排屑和冷却，易打钻头和钻偏，影响加工效率。采用工件和夹具固 定在工作台上不动而各轴钻头既旋转又做轴向移动的形式，切削加工的相对运动全部由 刀具实现。各主轴的旋转运动消耗的功率较大，所以称为主运动。钻头的轴向移动为进 给运动。主运动与进给运动形成了切削加工时的全部相对运动。这种形式的稳定性和刚 性好，可有效降低振动的产生，减小冲击，提高刀具寿命和加工效率，保证加工质量。 2 2 4 生产效率与总体布局 本机床的加工对象比较单一，生产批量较大，要求机床有较高的生产率。因此， 必须正确地选择工件的加工方法，并配备专门的执行机构以实现特定的工艺要求。为了 提高机床生产率，可采用多轴、多刀、多工位的机床结构形式，并应提高机床的自动化 程度。 由于摇臀尺寸不是很大，采用每次装卡两个工件，4 个动力头从两侧同时加工。加 工完毕，动力头退回原位。4 个动力头分别控制，利于调整和维修。 为了尽量减小占地面积，采用单工位设置，工件和夹具固定不动，不需转位，结构简单。 22 5 机床的配置形式 深孔钻削由于被加工孔较深，而且工件往往又较长，为了便于排屑及避免机床过于 高大，通常是成卧式布局。 卧式机床的特点： 第一，占地面积较大； 第二机床重心较低，有利于减少机床振动； 第三，机床的执行部件可以在纵、横两个方向移动。 组合机床根据工艺特点不同，其配置形式可分为两类：单工位组合机床和多工位组 合机床。我们选择了单工位形式。这类组合机床上的夹具和工件，在整个工作循环中始 终固定不动，因此也称为具有固定夹具的单工位组合机床。单工位组合机床通常用于一 个或两个工件，每装卡一次，每个加工表面只能进行一次n t 。这种配置形式的机床结 构比较简单，加工精度较高。当加工工序单一而集中，并可用很多刀具同时进行加工时， 生产效率很高。 4 柴油机摇臂深孔加工设备的设计研究 表21 生产率计算卡片 t a b i e 2 1p r o d u c t i v i t yc a i c u i a t i or 1c a r d 被 图号 t c 3 2 1 1 0 1 - 8 7毛坯种类 锻压 加 工名称传动机构支架毛坯重量 零 件 材料 4 2 c r m o硬度h 8 2 5 5 3 0 2 工序名称钻深：。l工序号 工切 走刀量工时( 分) 序 作削 机辅 工步名称行速 s os m 动助 a 口 程度 时时计 号 m m rm m m l n m mm m l r l 间间 1人工装卸料o 。8 40 8 4 2定位、夹紧工件0 0 5o 0 5 3动力头工进2 1 01 8 80 2 41 4 41 4 61 4 6 4快进5 0 0i 0 0 0 00 0 5o 0 5 5快退6 0 01 0 0 0 00 0 60 0 6 6分级进给占时0 50 5 7松开工件o ，0 40 0 4 8 总计 1 、本机床装卡多品种零件，计算卡片按需最长工时 单件工时3 分件 备 的“传动机构支架”核算，其余件均含在内； 2 、是否需分级进绘加工，或分几次按实际切削状况生产率2 0 件小时 注 确定： 3 、