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工程硕十学位论文 摇臂深孔加工设备的设计研究 摘要 为解决摇臂深孔加工问题，我们研制了四轴数控钻孔组合机床，并在兴具、刀具、 工艺流程等方面进行了比较深入的研究和应用，取得了良好的经济效益和社会效益。 制定工艺方案是进行机床设计的基础。因此首先我们制定了切实可行、合理的工 艺方案，改进了原方案中的不合理之处；其次是我们的主要工作组合机床的设计 制造。通过数控系统和液压控制系统的联合应用，使该机床既具有一定的先进性和可 靠性，又具有良好的经济性；另外，工件夹具为液压控制，快速方便，并可适应多个 规格工件的装卡，通用性好；刀具的几何角度经过调整之后，提高了其耐用度和使用 寿命。 通过本成果的实施，摇臂的深孔加工质量和生产效率得到很大幅度提高，经济效 益显著。所设计的机床社会效益同样显著。 关键词：摇臂、深孔、组合机床、夹具、刀具、工艺 第l 页 程硕士学位论文摇臂深孔加工设备的设计研究 s u m m a r y f o rs o l v i n gt h ep r o b l e mo fd i e s e le n g i n es h a k ya r m sd e e ph o l ep r o c e s s w ed e v e l o p e dt h ef o u r a x e sn cc o n t r o lh o l e p r o c e s sc o m b i n em a c h i n e d o n e d e e p g o i n gr e s e a r c ha n du s ei nt h es i d e so fl a y e r 、k n i v e s 、p r o c e s sa n ds o o n n o ww eh a v eg o tv e r yg o o de c o n o m cr e s u l t sa n ds o c i e t yr e s u l t s p r o c e s s p l a l l i st h eb a s eo fr o a c h i n e s of i r s t l y ，w ef o r m u l a t e d p r a c t i c a la n dr a t i o n a lp r o c e s sp l a n ，i m p r o v e dt h eu n r a t i o n a lp a r ti nt h e o r i g i n a lp l a n ：s e c o n d l y ，o u rm a i nw o r ki sd e s i g na n dm a k eo ft h ec o m b i n e m a c h i n e b yt h ej o i n tu s eo f n cs y s t e ma n dh y d r a u li c - p r e s se o n t r o s y s t e m ， t h em a c h i n eh a sp r o p e ra d v a n c e 、r e l i a n c ea n de c o n o m yp r o p e r t y ：i na d d it i o n t h e w o r k p i e c el a y e r s a r e q u i o k a n dc o n v e n i e n tb e c a u s eo ft h e i r h y d r a u l i c p r e s s c o n t r o l s y s t e m t h e y a r es u i t a b l ef o rd i f f e r e n t w o r k p i e c e s ：w eh a v ei m p r o v e d t h ek n i v e s 1 i f eb ya d j u s t m e n to ft h e i r a n g l e s b yp r a c t i c eo ft h ep o s i t i v er e s u l t ，t h es h a k ya r m q u a l i t ya n dp r o c e s s e f f i c i e n c y a r eg r e a t l y i m p r o v e d ，e c o n o m i cr e s u l t sa r ev e r yg o o d t h e c o m b j b em a c h i n e ss o c i e t yr e s u l t sa r ev e r yg o o ds a m e l y k e yw o r d s ：a r m s 、d e e ph o l e 、c o m b i n em a c h i n e 、l a y e r 、t o o l s 、p r o c e s s 第负 v 6 8 3 3 5 2 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；枉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：名购! 厂月少日 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。 研究生签名 垆f 朋多日 工程硕士学位论文 摇臂深孔加工设备的设计研究 1 绪论 我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。随着市场竞争的同趋激烈，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。 1 1 摇臂深孔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i 2 ) 该产品批量大，结构复杂。两个$ t m m 孔的最大深度为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，进排气摇臂新产品深孔的尺寸和倾角各不相同，加工难度大。 图1 12 4 0 柴油机排气摇臂 第l 页 蘸 凄一 工程硕士学位论文 摇臂深孔加工设备的设计研究 i o ，、 。 、 j | 一1 , i f l 到：? 冀 n k ? 生一一坐一f 爿孵务摹霉黎、：王善身i 。 舛- ；?f 。；i 丌萨 “一 一十黔：，7 、1 t i、i ! 、i i i 轴fi o ! 划、出一。1 出! r 丽l5 。“卜斗。h 趟参遵、二7 7】 图122 8 0 柴油机排气摇臂 摇臂深孔加工问题是多年来一直困扰我厂的老大难问题。我车间原有一条自行 设计制造的自动生产线，用于摇臂加工。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r 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，车间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 一4 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，央具采用高 精度组合夹具，定位精度高，夹紧方便，产品加工精度明显提高。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，断续钴削， 容易钻偏等。 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 第2 页 三堡堕主堂篁笙壅 堑壁述i ! 垫三丝鱼堕堡盐婴塞 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；：一：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a 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，我们认为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卜。 夹具问题 多品种开发研制的形势，必然存在交叉生产。由于夹具的通用性羞，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、工艺流程等方面的问题， 以提高加工效率和产品质量，节约工时和刀具费用。 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。 第3 页 工程硕士学位论文 摇臂深孔加工设备的设计研究 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。尤其所用的民麻 花钻头的螺旋角( 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。 第4 页 t 程硕士学位论文 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，按照高度工序集巾的原则而设计的，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柬。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、迸给传动系统、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 l 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 第5 页 工程硕士学位论文摇臂深孔加工设备的设计研究 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。迸气摇臂、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，凶此设计一台高效率的组 合机床是合理的，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 摇臂为又架类零件，模锻毛坯，结构复杂；4 2 c r 1 0 材料，硬度达h b 2 6 0 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：巾6 0 m m 孔及其两端面、两端小 平面及油孔小端面。进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 摇臂深孑l 的倾角不同。为此，2 4 0 进气和排气摇臂可共用一套央具，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i l 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 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 i b 2 6 0 3 0 0 ，外径巾5 0 3 n l f l l ，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h b 2 5 5 3 0 2 ，最大直径巾2 5 0 r a m ， 长度2 9 0 r m n 。沿轴线钻ml o m m 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，我们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 2 1 所示。 图中孔l 、孔2 为加工面。 第6 贝 工程硕士学位论文 摇臂深孔加工设备的设计研究 缒 一二t 一 - t # ，一一土：一：i 蔓：= _ = ： l 二奠l 鼍- 一一j 二= 二j l f 进一，! j 一l + l 一一一一一一一一 、。7 一一5 1 一一 l 、 图2 1 2 12 4 0 排气摇臂工序圈 卜、? i ：j ? 鬻jl 二一女 1 、定位基准及央压点的选择 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。因此我们以由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，确定了两深孑l 的1 0 。和1 2 。倾角，则6 个自由度全部得到了限制。 主夹紧选择巾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、右两侧深孑l 直径都是由6 7 姗，向巾6 0 哪孔内钻透，表面粗糙度r a 2 5 u m 。 左侧深孔中心线与水平轴线的夹角为1 0 。，右侧深孑l 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。 2 1 2 2 摇臂轴加工工序图 l 、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，以零件的巾5 0 3 m m 外圆做为定位基准。同时由于外圆还有0 3 啪的磨削余量， 所以也可以作为主夹紧面，以保证夹紧稳定可靠。另外，以轴的两端面做为定位面， 限制轴向窜动。 2 、加工表面的工艺要求 第7 页 一 、 一 弋 t j 了0彗， f 、。黟 _。、， ，叠一 了，曩 一、kr：虿， r 琵匕 。擘一 ，j r， t 程硕士学位论文摇臂深孔加工设备的设计研究 深孔直径中1 0 m m ，通孔，在摇臂轴轴线l 二，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 1 、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，使巾1 0 r a m 深孔的 轴线与零件轴线自动重合。考虑零件较氏及重心不稳，取击4 5 5 m m 和中6 0 5 m m 两个 外圆面做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 深孔直径由1 0 m m ，盲孔，深度1 9 0 m m ，从小端钻入，表面粗糙度r a 2 5 l zm 。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。 21 3 刀具的选择 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，但一般适用于由6 0 r m 以内的孔。 镗7 j $ i j 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i l 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。摇臂孔的直径为巾7 m m ，我们将钻头的 直径选得稍小些，孑l 确定为中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，直径书6 7 f 8 ，长度2 8 f f t a m ； 右侧2 轴2 根，直径巾6 7 f 8 ，长度2 5 0 m m 。 2 1 4 切削用量的确定 2 1 4 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8 贞 i 程硕士学位论文 摇臂深孔加工设备的设计研究 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。散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、 刀具消耗及换刀时问。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 3 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 ，钻头直径巾6 7 m m ，其切削速度为8 2 5 m m i n ，进给量 为0 2 o 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y = 1 8 m m i n 。 由v = d n 女，1 3 = v hd = 1 8 0 0 0 3 1 4 6 7 = 8 5 5 r m i n 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 ，则每分钟迸给量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，采用分级进给的工艺方案。未次 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 1 - 1 ) 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进给或 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。 筹9 贞 工程硕士学位论文摇臂深孔加工设备的设计研究 循 环 t i ， 7 1 5 成 人工装料 定位夹紧 i l 一 ， s b s p l s q 堕鎏 l 啊坦塑垩 l 三次工醛k t s q快退j n 次快进s q 坠，避肛l 旦一趟二鲞孝哔 图21 ，1 机床动作循环图 21 6 机床生产率的计算 2 1 6 1 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”孔径由1 0 咖，工作行程2 1 0 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 1 0 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 i n 则工进时间t 工= 1i s m = 2 1 0 i “= 1 4 6 m i n 辅助时间t 辅= t 卒+ t 装+ t 夹松 芒遨 习羿 三至塑主兰篁堡塞 堡壁述至! 塑三丝鱼塑丝丛堕窒 式中，t 空一空行程占时 包括一次快进时间t 快进，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 装+ ( t ：- i - t 松) t 快进一l 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 n m _ l ，s 快退= 1 0 0 0 0 m m m i n 则tn n = 6 0 0 1 0 0 0 = 0 0 6 m m m i n 取t 分级= o 5 m i n t 装= o 8 4 m i n t 夹= 0 0 5 m i n t 松= o 0 4 m i n 则t 辖= o 0 5 + 0 0 6 + 0 5 + 0 8 4 + 0 0 5 + 0 0 4 = i 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 1 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d 时) 式中，t 单一单件工时 则q = 6 0 3 = 2 0 ( 件d 时) 2 、机床负荷率的计算 机床负荷率n = q 1 q 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d , 时) 式中，p 年一年总产量 t 年一年可用工时 ( 2 1 6 1 ) 第1 1 贞 ： 程硕士学位论文 摇臂深孔加工设备的设计研究 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1 件： 则p 年一( 1 6 + 1 6 + 1 6 + 1 ) 4 0 0 = 1 9 6 0 0 件 每年按2 5 0 个工作n 计算，设备开工率8 0 o ，每班8 小时 则t 年= 2 5 0 8 0 8 = 1 6 0 0 小时 q l = 1 9 6 0 0 1 6 0 0 = 1 2 2 5 件小时 根据式( 2 1 6 1 ) 得 机床负荷率r l = q t q = 1 2 2 5 2 - = - 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 1 - 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，根据生产纲领和本厂实际情况，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。 安排工艺流程要遵循以下原则： 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 2 1 ) l 、基准精度问题。摇臂深孔加工的主要定位面为巾6 0 + _ o 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( 中1 8 h 7 及m 1 8 x 1 5 6 h 螺纹底孑l ) ，再钻深孔。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 深孔的位置精度。 2 1 7 2 基准孔的工序改进 钻深孑l 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1 、面2 ) ，再 第1 2 页 r ：程硕士学位论文 摇臂深孔加工设备的设计研究 半精加工孔3 、精加工孔3 。图2 1 7 1 为基准孔加 二工艺改进示意图。 蘸端面 图2 1 7 1 基准f l 加工工艺改进示意图 由于面1 与孑l3 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：精镗孔3 、端面l ，再镗端面2 。由于孔3 和端砸1 为一次装卡完成加 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 保证钻深孔的位置精度。 2 1 7 3 加工顺序调整 见图2 1 7 2 工序调整示意图。 按照前面的分析，为了避免断续切削，我们将钻深孔1 、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) 。而对于两端孑l2 、孔3 ，相对深孔l 、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 机床总体御局的目的，是按照简单、合理、经济的原则，制定一种实现加工要求 的方案。它基本上由工艺方法、运动分配、工件尺寸、重量、精度、表面粗糙度及生 产效率等因素所决定。 2 2 1 总体布局的基本要求 # 蓉 一， 一一 、 拦一 工程硕士学位论文 摇臂深孔加工设备的设计研究 p 一一j 、_ ，矛i ：l j 、 i h 二二o 。一 u j ， 二二j i _ ? 一一一二：二_ j 【车艮 鼍妻参”一r 、。j j j 鼍溪瀚，：，。，薹。蠢一j!、沁，。t j j 一? 刊门，：， 、j 卜l _ = j 粥二一 一。剐二j ，+ ：一，。7 寸_ l ” 、 j j + ，l 一。，一 玑二一j 、o 。0 l 。，：，。- 兰骂l ，i i 、：一。 j、 。、， i 图2 1 7 ，2 工序调整示意图 我们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 2 2 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，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。 工程硕士学位论文 摇臂深孔加工设备的设计研究 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，陡 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_ 丁件和夹 具固定在工作台上不动丽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。 由于摇臂尺寸不是很大，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。 2 2 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 第1 5 页 _ _ 程硕士学位论文摇臂深孔加工设备的设计研究 表21 生产率计算卡片 被 圈号t c 3 2 1 1 0 1 8 7毛坯种类锻压 加 f 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 b 2 5 5 3 0 2 1 ：序名称钻深孔工序号 工切 走刀量1 时( 分) 序 作削 机辅 工步名称行埋 s os m 动助 岛、 口 程度 时时计 号 l mm m l n m m r 间间 1人丁装卸料 o 8 40 8 4 2 定位、夹紧工件 0 0 5o 0 5 3动力头t 进2 l o1 8 8o 2 4 1 4 4 1 4 61 4 6 4 快进 5 0 01 0 0 0 0o 0 50 0 5 5快退6 0 01 0 0 0 00 0 6o 0 6 6 分级进给占时 0 50 5 7 松开： 件 0 0 4o 0 4 8 总计 一 1 、本机床装卡多品种零件，计算膏片按需最氏工时 单件工时3 食 链 各 的“传动机构支架”核算，其余件均含在内； 2 、是否需分级进给加工，或分几次按实际切削状况 生产率 2 0 件小时 注 确定； 3 、多个动力头加上同时工作，时间重合。 负荷率 生产率计算p 标记处数更改文件号签字同期 设计标准化 图样标记重量比例 型号 m s u 0 2 7 审核审定 主管设计标准图号 工艺日期其l 张 第l 张m s u 0 2 7 0 0 4 第1 6 页 工程硕士学位论文 摇臂深孔加工设备的殴计研究 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加工。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。 摇臂两侧深孔在同一个平面内，但是有一定的夹角，为此左侧两个动力头平卧， 右侧两个动力头采取斜卧方式，与水平面有一定的夹角。加工不同工件时，通过更换 右侧不同角度的斜垫来完成。叩本机床的配置形式为“单工位双面斜卧式”。 卧式机床的支承部件是床身或床身与底座的组合。就这类机床而吉，确定支承部 件的配置形式时，我们考虑了以下因素： 第一，支承部件要有足够的刚度和较好的受力情况。机床的受力情况好、刚度好 时，在加工过程中不易变形，容易保证加工质量； 第二，力求结构简单、维修方便； 第三，保证较高的加工质量和生产效率； 第四，保证操纵的方便性、习惯性。 2 3 机床的运动联系 2 31 运动联系的形式 机床的运动联系是指动力源和运动之间，或者运动与运动之间的联系。机床的各 种运动一般是通过机械、电气和液压( 气动) 来实现的。组合机床通常以电动机作为 动力源，由它带动机械、液压传动系统完成机床的各种运动，再通过电气、液压系统 控制这些运动之间的转换、先后顺序及联锁。 运动联系的方式主要有： 第一，主运动和动力源、进给运动和动力源均为机械联系。此种联系形式机床的 结构简单、可靠，应用较广泛； 第二，主运动和动力源为机械联系，进给运动和动力源为液压联系。由于液压驱 动具有无级变速、驱动力大、工作平稳、容易实现自动化等优点，因此液 压驱动进给目前用于自动化机床以及进给力大的机床； 第三，主运动和动力源、进给运动和动力源均为液压联系。一般用于熏型机床； 第四，主运动和动力源为电气联系。容易实现自动化，但系统较复杂，成本高。 2 3 2 运动联系形式的选择 机械、液压、电气等各种运动联系方式都各有其优缺点： 第一，机械联系应用较广泛，工作较可靠； 第二，非机械联系具有某些优点，可简化机床的结构，多用于自动化程度较高的 第1 7 贞 程硕士学位论文 摇臂深孔加工设备的设计研究 机床； 第三，液压、电气的联合应用，使机床容易实现自动化，并简化了机床的机械结 构； 第四，内联系传动链( 如车螺纹等) 主要采用机械传动，因为液压传动有泄漏现 象。 摇臂深孔钻削主运动：该机床所承担的几种产品的孑l 径不同，而且随着新产品的 不断开发，摇臂产品的孔径也可能出现变化，这样对主轴转速提出了不同的要求，以 适应不同的切削线速度需要。另外，主运动还需要有过载保护功能。增加专门的过载 保护装置会导致机床结构复杂，占地庞大，成本增加。为此，我们决定主运动系统采 驭伺服电机驱动，数字控制。这样，主轴转速可在一定范围内灵活设置，得到需要的 切削线速度，满足加工精度和表面粗糙度要求。同时，我们可预先设定主轴所承受的 扭矩极限值。当主轴超载时，数控系统发出指令，主轴停止迸给或退回原位，即通过 数控系统实现过载荷保护，简化结构。 进给运动：对进给运动系统的要求主要是具备分级进给功能，以适应深孔钻削的 断屑、排屑和冷却要求。数字控制系统可以方便地实现分级进给功能，但机床结构复 杂，造价高，设计制造周期长。为此，我们决定进给系统采用液压传动，用带分级进 给功能的液压滑套动力头，并且进给系统的工作循环不很复杂，通过控制电磁铁、限 位元件等的动作完全可以实现，简化了结构，节约了制造成本。详见第三章内容。 该机床主运动( 主轴旋转) 为伺服驱动，数字控制。数控系统为德国i n d r a m a t 公司的m t c n c 系统。由m k d 0 9 0 b 一3 5 一g 6 0 一k n 型交流伺服电机经联轴器，带动传动轴。 传动轴端部有花键套，与钴削主轴端部的花键槽相配合，将运动传递给主轴。 进给运动为液压传动。主轴通过推力轴承和向心轴承装在套筒内。液压系统驱动 套筒、带动主轴做轴向进给运动。主轴的前进和后退通过液压系统的电磁换向阀控制， 迸给速度由液压调速系统控制。 该机床由于机械、液压、数控的联合应用，实现了较多的自动化动作，获得了较 高的生产率和自动化程度，能适应不同尺寸的深孔加工要求。 2 4 机床主运动功率的计算 电动机功率是计算机床零件和决定结构尺寸的主要依据。如果电动机的功率选择 过大，将不必要的增加机床零部件的尺寸，造成材料浪费，使其结构过于粗大笨重， 且造成功率的浪费；如功率定得过小，将影响机床的使用性能，达不到设计要求，而 且电动机经常处于过载的情况下工作，容易烧毁电机，损坏电气元件。专门化组合机 床的功率根据所服务的典型工件的加工工序来确定。 切削力和切削扭矩是计算切削功率、零部件强度和刚度、夹具和刀具等的原始依 工程硕士学位论文摇臂深孔加工设备的设计研究 据。切削力和切削扭矩与机床的结构方法、被加工零件的材料性能、刀具的材料和种 类、刀具的几何角度、切削用量及冷却液等情况有关。 本机床主传动功率按摇臂加工工艺计算，选用交流伺服电机驱动。进给运动由于 采用液压传动，功率计算在后面的液压系统有关章节中进行叙述。 据文献( 3 8 ) 附录二钻削时的扭矩及轴向力计算方法， 扭矩 mc m t d q m s y m k 料p( 2 4 1 ) 轴向力p o = c p d q ps y 9 k 料p( 2 4 2 ) 式中，卜钻头直径 ( m m ) s 一钻头走刀量 ( m m r ) 查文献( 3 8 ) 附录二的表6 ，4 2 c r m o 材料，高速钢钻头，得如下系数值： q m = 2 ，0 y m 0 8 y p = o ，7 据表2 查得材料强度或硬度修j f 系数k 料p ： k 一( 喾丫 眨a 。， 高速钢钻头，。工件材料ob 6 0k g f m m 2 n p = o 7 5 n p z ：o 7 5 n p y = 2 0 n p x = 1 5 材料为4 2 c r m o ，查文献( 6 ) 第二篇， ob = 1 1 0 0 ( m p a ) 1 1 2 ( k g f n 1 i n 2 ) 根据式( 2 4 3 ) ，得 k 一( 昝( 龄瑚s 据式( 2 4 1 ) ，0 = 6 7 得，扭矩m = o 0 3 4 5 x 6 7 2x 0 2 0 8 l 3 5 = o 5 7 7 ( k g f - m ) 据式( 2 4 2 ) ，得 三堡堡主堂焦笙壅 堡壁鎏! ! 塑：! ! 墼堡塑堡生婴塞 轴向力p o = 6 8 6 7 1 0 x 0 2 0 7 中3 5 = 1 9 9 3 ( k g f ) 一1 9 5 3( n ) 切削功率n 切= ! 望l ( k w )( 2 4 4 ) 9 7 4 0 0 、 m - 5 7 7n m n = 8 5 5 r p m n 切：坐蔓一5 7 7 x 8 5 5 0 5 l ( k w ) 9 7 4 0 09 7 4 0