（机械工程专业论文）榫齿拉削工艺系统研究.pdf

堕堡堡三堡查兰堡主堂垡笙茎 摘要 随着我国制造业的发展，在发动机和气轮机制造领域，其动力核心部件 涡轮盘与叶片类零件的加工令人瞩目，尤其是航空发动机涡轮盘精度要求 高，涡轮盘与叶片联结的榫齿的加工已经成为航空企业内部制造能力和加工 水平的标志。 本文对涡轮盘榫齿拉削工艺过程进行了研究，提出在哈航集团承担的美 国g e 公司转包涡轮盘桦齿加工过程中，为了确保棒齿拉削工艺的实现，对 拉削设备l 6 1 4 0 进行改造。同时，还阐述了工艺过程控制方法，对工艺系统 进行了误差分析，对加工过程中出现的问题进行了探讨并提出了解决方案。 通过对涡轮盘榫齿拉削工艺的市场调研，了解到目前该种工艺方法的实 现大多在高速拉床上进行，尤其是对这种倾角较大的产品更是如此。但受哈 航集团现有低速拉削设备的局限，本文开创性地考虑利用现有低成本设备， 通过对其改造并辅以创新设计，高效率地加工出高质量的产品。 首先对拉床机械部分进行改造，并创新设计拉床夹具，实现了高精度涡 轮盘的拉削。利用材料力学中豹变形理论，对所设计的机械零件中承力较大 的零件如螺栓、活塞等进行了理论计算及强度校核，确定了活塞杆端部螺栓 装配时的预紧力以及拧紧力矩。通过对工艺系统定量或定性的误差分析，对 工艺系统设计、使用以及故障排查具有重要意义。 目前，我l 訇制造业中尚无用低速拉床拉削如此大角度、高精度涡轮盘的 先例。这种对机床进行改造及创新设计的工作，对于那些机床设各比较陈旧 的老企业具有十分重要的意义，也为在低速设备上加工此类产品提供了技术 上的保证。 关键词：涡轮盘；榫齿；拉削；夹具；误差分析 哈尔滨工程入学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yo fc h i n a ，p e o p l ep a y m o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni nt h em a n u f a c t u r i n go f t u r b i nd i s ka n db l a d e sw h i c ha r e t h ec o r ep a r t so fp o w e rs y s t e mo fe n g i n ea n dt u r b i n e ，e s p e c i a l l y t ot h e a e r o e n g i n et u r b i n ed i s kw h i c hh a sh i g hl e v e lr e q u i r e m e n to fp r e c i s i o n t h es k i l l o fm a c h i n i n gt h em o r t i s ea n dt e n o nj o i n to ft u r b i n ed i s ka n db l a d e sh a sb e c a m e t h es i g no f m a n u f a c t u r i n ga b i l i t ya n dt e c h n i c a ll e v e lo f a na v i a t i o nc o m p a n y t h i sp a p e rs t u d i e si nt h em a c h i n i n gp r o c e s so ft h em o r t i s eb r o a c h i n go nt h e t u r b i n ed i s k ，f o c u so nt h es u b c o n t r a c tp r o j e c to f h a r b i na v i a t i o ni n d u s t r yg r o u p c o f o rg et u r b i n ed i s k t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o ni so b t a i n & i no r d e rt oi n s u r e t h er e a l i z a t i o no f d e s i g np r e c i s i o n , b r o a c h i n ge q u i p m e n tl 6 1 4 0i si m p r o v e d a l s o ， t h ep a p e rp r o p o s e st h em e t h o do f m a c h i n i n gp r o c e s sc o n t r o l , a n a l y z e st h ee r r o ro f t e c h n i c a ls y s t e m , s t u d i e st h ep r o b l e ma p p e a r i n gi nt h em a c h i n i n gp r o c e s sa n d p u t sf o r w a r dp l a t ot os o l v et h e m t h r o u g ht h es u r v e yo ft u r b i n ed i s km o r t i s eb r o a c h i n gp r o c e s s ，i ti sk n o w n t h a t ，i nr e c e n tt i m e ，t h i sm a c h i n i n gp r o c e s sn o r m a l l yo p e r a t e si nt h eh i g hs p e e d b r o a c h i n gm a c h i n e ，e s p e c i a l l yt ot h ep r o d u c tw i t hb i gl e a na n g l e 。b u tt og e p r o j e c t ，b e c a u s eo f t h el i m i to f t h el o ws p e e db r o a c h i n gm a c h i n et h a ti se q u i p p e d i nh a r b i na v i a t i o ni n d u s t r yg r o u pc o w ec a r l tu s et h en o r m a lm e t h o dt of i n i s h t h i sm a c h i n i n gp r o c e s s ，s o ，t h ep a p e rp r e s e n t sac r e a t i v ei d e at ou s et h ee x i s t i n g l o wc o s te q u i p m e n tt ow h i c hp r o p e rr e f o r mi sm a d ei nc o n j u c t i o na n dw i t hn e w l y d e s i g n e df i x t u r et om a c h i n e t h i sp r o d u c tw i t hh i g hq u a r r ya n dh i g he f f i c i e n c y t h ef i r s tr e f o r mi n v o l v e sm e c h a n i c a ls e c t i o no ft h eb r o a c h i n ge q u i p m e n t a n e wf i x t u r ei sd e s i g n e df o rt h en e w l yp u r c h a s e db r o a c h i n gm a c h i n e b yu s eo f 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t h et r a n s f o r m a t i o nt h e o r yi nd y n a m i c so fm a t e r i a l ，t h ew r i t e rc a l c u l a t e sa n d v e r i f i e st h es t r e n g t ho fn e w l yd e s i g n e dm a c h i n ep a r t ss u c ha sb o l ta n dp i s t o n w h i c hw i l lb e a rb i gf o r c e m a k es n r et h es t r e s s e ds c r e wt o r s i o n a lf o r c ea n dt h e m o m e n ta r ed e t e r m i n e df o rt h ea s s e m b l i n go f t h eb o l ta tt h et o po f p i s t o nr o d b y q u a n t i t a t i v em a dq u a l i t a t i v ea n a l y s i so f t h ee l l o ro f t h et e c h n i q u es y s t e m ，w eh a v e o b t a i n e di m p o r t a n tm e a n sf o rt h ed e s i g na n du s eo ft e c h n i q u es y s t e m , a n df a i l u r e e l i m i n a t i o n a tp r e s e n t ，i nt h em a n u f a c t u r i n gf i e l do fm l rc o u n t r y , t h e r ei sn os u c h e x a m p l et h a tu s e sl o ws p e e db r o a c h i n gm a c h i n e t op r o d u c et u r b i n ed i s kw i t hs o b i gl e a na n g l ea n ds u c hh i g hp r e c i s i o n t h er e f o r mo fm a c h i n es y s t e ma n d c r e a t i v ed e s i g no f f e ran e wt h o u g h tt ot h o s eo l de n t e r p r i s e st h a to w no l d e r e q u i p m e n t s ，a n do f f e rat e c h n i c a lg u a r a n t e ef o rp r o d u c i n gs u c hk i n do fp r o d u c t s i nl o ws p e e de q u i p m e n t k e y w o r d s ：t u r b i n ed i s k ；m o r t i s e ；b r o a c h i n g ；f i x t u r e ；e r r o ra n a l y s i s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开 发表的作品成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均 已在文中以明确的方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ：塾毖 日期：沙s 年，月坶日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的来源及目的 为了顺应国家“十五”规划中提出的“走出去，请进来”的发展战略， 哈航集团承担了美国g e 公司转包生产涡轮盘的加工任务。 涡轮盘是发动机的典型零件，它长期在高速、高温的环境下工作，因此， 在材料上一般选择具有高强度、能够耐高温的材料，结构设计也较复杂。在 涡轮盘的加工中，榫齿的加工难度最大，也是技术关键之所在。下图1 1 a ) 榫齿拉刀b ) 榫齿局部图 图1 1 榫齿拉刀及拉削产品 为榫齿拉刀和榫齿产品局部图样。 我公司此次承担加工的涡轮盘榫槽形状为枞树形( 直齿) 榫槽。共有5 3 个齿。涡轮盘结构及工艺尺寸如下图1 2 所示。 涡轮盘的精度要求也很高，榫槽宽度尺寸、榫槽工作面至涡轮盘中心距 离尺寸均在o i m m 以内，均布累积误差不大于0 1 2 7 r a m ，榫齿齿型线在理论 位置o 0 1 2 u r n 范围内，榫槽表面粗糙度要求r a l 6 以上。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 涡轮盘材料为a i s l 4 3 4 0 ( 相当于国产牌号3 8 c r m n a i a ) ，热处理硬度要求 为h r c 3 0 - 3 4 。 一般情况下，榫槽的加工采用拉削的方法进行。拉削是一种高效率的金 属切削工艺，用于加工多种形状的内、外表面，以及具有旋转运动的螺旋槽 等。特别适合加工精度要求高、表面质量要求好的成批和大量生产的零件， 图1 2 涡轮盘零件图 现已广泛应用于航空发动机叶片榫头、涡轮盘、压气机盘等部件的加工。 为了承担此次加工任务，我公司新购买了长沙机床厂生产的拉床l 6 1 4 0 。 这是一种通用的拉削设备，通常用于拉削圆孔及内花键，产品无需分度，只 要一次成型拉削即可。由于这种设备有着成本低、价格便宜的优势，因此在 机械行业中普遍采用。 要想在这台通用设备上加工出如此复杂的零件，必须对设备进行改造， 改造后的机床应能实现涡轮盘的准确定位，保证刀具与涡轮盘之间的准确位 置；实现拉削过程中的自动分度；实现每一榫齿拉削后的自动让刀；实现自 动夹紧等功能，确保拉削出合格的涡轮盘榫齿。 为此，需要设计专用的刀具、夹具转接机构、专用刀具、专用夹具，同 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 时，若要保证产品的加工精度及加工效率，还需对液压控制系统进行改造并 对新加的部分功能进行重新设计，将这一通用机床改造成为可以实现切削自 动化的高效率的专业化机床。 1 2 国内外榫齿加工现状及其发展趋势 国内外现行的涡轮盘榫齿拉削设备有二类，一类是普通的卧式液压内孔 拉床，另一类是较先进的高速拉床。在普通的卧式液压内孔拉床上只能进行 低速拉削，而在高速拉床上即可进行高速拉削又可进行低速拉削。尤其是对 难加工材料，在高速拉床上拉削能提高榫齿表面精度、降低表面粗糙度，而 且工作效率高，切屑卷曲松弛，易排除。 1 2 1 国外榫齿加工现状 目前，在全世界范围内，美国、英国、法国、德国等航空大国榫齿加工 的研制与生产一直处于领先地位。其主要表现为： 第一，具有先进的工艺装备。美、法等国的榫齿类零件生产企业在整个 生产过程中均使用高精度数控机床，用高速拉床进行高速拉削，拉削速度为 1 5 2 0 m m i n ；如图1 3 及图1 4 所示为国外生产的高精度高速拉床图片。 国外加工榫齿时用的榫齿拉刀的整个生产过程中也均使用高精度数控机 床，如数控铣床、数控齿型磨床、数控刃具磨床等，并且具有精密的检验检 测设备。比如美国b r o a c h m a c h i n e 公司拥有许多目前拉刀生产中正在使 用的专利技术，生产各种高质量高精度拉刀，以及相关的拉床夹具、拉床、 数控拉刀刃具磨床等，这些工艺装备的性能和可靠性在国际上是得到公认的。 第二，具有先进的配套技术。比如采用先进的冶金技术可以生产出高质 量、具有良好性能的材料；采用较先进的热处理及表面处理技术可以生产出 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 3 美国l a p o i n t e 公司生产的拉床 图1 4 日本n a c f l i 公司生产的拉床 具有高强度和高耐用度的专用拉刀，t b 如：k i n g s f o r db r o a c ha n dt o o l ，i n c 公司与r i c h t e rp r e c i s i o n ，i n c 公司合作开发了专用拉刀涂层专利技术，为 榫齿加工提供了刀具上的保证。 第三，具有完善的质量保证体系。美、法等国均具有专业的榫齿加工所 需工艺装备的生产厂，来提供设计生产立式和卧式拉床及配套夹具、生产各 类高精度拉刀等，这些企业均己通过了i s o9 0 0 1 质量体系认证。作为质量控 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 制的标准，美国l a p o i n t eh u d s o nb r o a c h 公司为所生产的每件拉刀同时加工 一件石墨试件，所有的齿型均与一标准模板或放大图相比较，在刀具寿命最 长的前提下无任何偏差或变形才判定为合格。 此外，在日本，榫齿加工也具有较高的水平，他们也非常注重榫齿加工 所需工艺装备的研制与生产。例如，在日本n a c h i 公司引进了智能工艺控制 系统，为了确保拉刀的加工质量，还安装了齿升自动测量系统。 1 2 2 国内榫齿加工现状 目前，国内榫齿类零件加工水平较高的厂家主要集中在几家大的航空发 动机生产厂家，如西安航空发动机制造公司、成都发动机( 集团) 有限公司、 株洲南方工模具公司、沈阳黎明发动机制造公司和我们哈尔滨航空工业( 集 团) 公司。 西安航空发动机制造公司是国内生产棒齿类零件的著名厂。家，该厂引进 的德国高精度、高速数控卧式拉床是目前世界上较先进的拉削设备，在国内 占有领先地位。其设计加工枞树型榫槽、燕尾型榫槽等各种特型拉刀的能力 也特别强，能够较好地满足涡轮盘榫齿的加工任务。 相比之下，其它厂家由于设备比较陈旧，制造水平和生产工艺比较落后， 因此所能加工产品的结构也相对简单，精度相对要低。 在拉削加工方面，近年来国内外的发展趋势是采用高速拉床进行高速拉 削，据有关资料介绍，国内企业现有的高速拉床主要有英国l a p o i n t e 公司生 产的s r h e 3 2 6 0 0 0 、德国f o r s 公司生产的r a w l 6 x 6 3 0 0 x 5 0 0 和我国济南第二 机床厂生产的l 6 5 1 0 。 目前在航空零件上己愈来愈多地采用高速拉削，主要原因有以下几点： l 、在相同条件下，高速拉削的零件表面质量优于低速拉削的表面质量。 有的材料如不锈钢等用低速拉削无法保证其表面质量，必须采用高速拉削。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 、高速拉削所用的拉床，其结构刚性好，滑枕行程长，选用拉削速度范 围广，冷却润滑效果好。这样，不仅可以提高生产率，而且还可大大降低生 产成本。 3 、高速拉削的拉刀大都采用超硬型高速钢，如钼一钴和钨一钻类高速钢能 在高温、高压及高速下长期工作。这样有利于实现拉削自动化，除了单机拉 削自动化外，还可将单机一传送带一单机连成拉削自动线。 目前我公司还没有高速拉削机床，此次承担转包生产的涡轮盘加工任务 我们购买了一台长沙机床厂生产的普通卧式拉床，准备在普通拉床上进行拉 削加工。由于该种机床不具备有装刀及分度等机构，必须对机床进行改造， 使其具有较先进的进口机床所具有的各种功能，这是一项比较艰巨的任务， 需要有机床设计的理念，就其技术含量而言，在机械行业内应该说是具有领 先水平。 图1 5 为我国长沙机床厂生产的普通卧式拉床l 6 1 4 0 。 1 3 课题的意义 图1 5 普通卧式拉床l 6 1 4 0 在过去的一个世纪里，无论是航空工业、铁路运输业还是工业气轮机制 造业的发展，均与其动力核心部件涡轮盘和叶片的制造技术水平密不可分。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在2 1 世纪以至未来，涡桨、涡喷、气轮机等动力设备必将得到更为广泛的应 用，其技术水平也会提高到一个新的高度。 图1 6 发动机外形图 图l 6 为某机型发动机的外形图。 榫齿是涡轮螺旋桨发动机等设备的涡轮叶片与涡轮盘相结合的部分，榫 齿在高温条件下工作，不仅承受很大的离心力、弯曲应力、剪切力等综合作 用，而且叶片叶身是否能保持规定的位置和方向也取决于榫齿精度。 国内由于受机床本身精度及加工能力的限制，对榫齿加工刀具又缺乏系 统深入的研究，使得我们在榫齿类零件加工方面与欧美各国的差距正在逐渐 拉大。在这篇论文中我选择从机床改造入手，力求利用我公司现有的普通设 备，通过设计加工榫齿所需的复杂的机构，达到进口自动化设备所能达到的 加工效果。 本课题研究和解决的是航空发动机生产过程中存在的实际问题，对提高 航空发动机涡轮盘榫齿的加工质量以及推进航空发动机和气轮机工业的发展 具有十分重要的意义，尤其对工艺装备比较落后的老企业，更是具有划时代 的意义。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 4 论文的主要工作 l 、利用哈航集团现有低速拉削设备加工大倾角的涡轮盘产品，对机床进 行创造性的改造并辅以创新设计，高效率地加工出高质量的产品。 2 、对拉床机械部分进行改造。l 6 1 4 0 是通用的低速拉床，这种拉床一般 用来拉削圆孑l 。拉削过程中用被拉削零件的底孔来引导拉刀，因此，加工这 种零件时，只需通过定位套将被拉削零件固定于拉床上，再将拉刀穿过被拉 削零件的底孔，由拉床提供动力，完成零件的拉削工作。 对我公司现在要加工的转包生产涡轮盘，完全不是只通过简单地设计夹 具和刀具就能满足要求的，必须对拉床进行改造，创新设计夹具、刀具转接 平台及榫齿拉削过程中的自动让刀机构、安装座的1 9 动夹紧机构等。与夹具 连接部分应能实现摆动及自动夹紧，与刀具连接部分应具有较高精度的拉刀 盒子引导槽，同时底座的设计还应能协调保证被拉削榫齿与机床提供拉刀动 力部位的相对位置。这套底座使用时应安装于拉床工作台上，侧面与拉床床 头相连接、固定。 3 、设计专用拉床夹具，实现涡轮盘零件的准确定位。在夹具中首次应用 了鼠牙盘式的端齿自动分度机构，该种分度机构由于加工难度比较大，因此 设计时很少采用，只是在有关资料上见到过介绍，但此机构的最大优点是刚 性好，而这种特性是拉削工艺中最为重要的，也是拉削工艺得以实现的基础。 此外还设计了零件自动夹紧机构、分度限位机构、防止分度出错机构等。 4 、利用材料力学原理，对所设计的机械零件中受力状态较差的部分如螺 栓、活塞等进行强度计算，并对工艺过程控制、夹具安装调整、试拉等问题 作了阐述。 5 、结合夹具、刀具底座、拉刀盒子以及拉刀对工艺系统进行了误差分析， 通过定量或定性分析，对工艺系统设计、使用以及故障排查具有重要意义。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章拉床机械部分改造 对于现有拉床l 6 1 4 0 而言，加工简单的圆孔及键槽类零件是该机床的正 常功能。为了用这台设备加工复杂的涡轮盘榫齿，必须对其进行改造。第一， 设计一个转接平台，使已装好涡轮盘零件的拉床夹具在其上定位夹紧；第二， 设计一个安装榫齿拉刀的平台，确保拉刀与拉床夹具之间的相互位置；第三， 设计一套让刀机构，该机构应能在加工完每一个榫齿后实现准确快速的让刀 动作。 拉床改造部分的结构图如下： 123 45 678910 图2 1 拉床改造部分的结构图 1 定位销2 安装座3 转轴4 夹紧机构5 支架6 油嘴 7 导槽及导板8 活塞9 让刀机构1 0 支座 哈尔滨 二程大学硕士学位论文 2 1 定位、夹紧机构 2 1 1 转接座与拉床之间的定位 通用拉床上给定的定 位基准是直径为矽2 5 5 m m 的 内孔a 及与其轴线相垂直的 平面b ，如图2 2 所示。 因此，转接座上的定位 基准选择为定位轴( 即法兰 盘) 及与其轴线相互垂直的 平面，定位轴与定位孔a 之 间的配合间隙最大不允许 超过0 0 5 r a m ；定位面与b 面 b 图2 2 改造后拉床定位简图 相贴合。由于拉刀及拉刀盒子要从定位轴中间穿过，所以定位轴设计成中空 的形式。 2 1 2 转接座与拉床夹具之间的定位 1 确定定位方式 根据实际加工情况，考虑到夹具与转接座的结构工艺性，选用二平行圆 孔的定位方法。即在夹具上设计二个直径为2 5 的基准孔，在转接座上相应 位置设计二个相同直径的定位销子，实现夹具与转接座之间的定位。 在图2 3 中，实线表示定位销，双点划线表示夹具上的二个定位基准孔。 由于夹具上二个定位基准孔之间存在制造公差2 夹，转接座上存在_ 二个定位 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 销之间距离的制造公差2 转。当夹具定位时，夹具上的二个定位基准孔有可 能不能同时套入圆柱销，这是由过定位产生的。为了确保定位精度又不至于 产生过定位现象，将销2 两侧的露出部分削成菱形，达到能定位又避免过定 位的目的。 获 飞j 太! 心多 、 一7 l l 转 l 转 al 夹 j 。万碧泰、i纩飞 、巡美少乡 图2 3 基准孔与定位销之间关系示意图 采用这种定位方式，圆柱孑l1 的定位是主要的。根据六点定位原则，用 长圆柱销1 限制夹具的贾、，、2 、矿四个自由度，z 向的移动自由度三由 垂直于定位销的定位平面限制，菱形销只起到限制夹具绕z 轴旋转的自由度 z 的作用。 2 菱形定位销结构尺寸的确定 图2 4 菱形销与圆柱销定位关系图 _ 一 习一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 由圆柱销削成菱形销时，希望工作圆弧部分的宽度b 尽量大，以抵抗磨 损提高耐磨性：菱形面积尽量大，以保证销子的强度和刚性。 在图2 4 中，设a 为销2 在二销中心线方向补偿用的间隙。 a = l 夹+ l 转( 2 1 ) 若销l 与孔l 之间的最小配合间隙为一i ，它对二孔的同时套入有帮 助作用，故间隙a 可以减小为： a = l 夹+ l 转一i 。i 。2( 2 - 2 ) 在本文中，l 夹= 0 0 1i l m l l 转= 0 0 1f i l m 1 m i n = 2 5 一( 2 5 0 0 1 ) = 0 0 1i n n 故 a = 0 0 1 5h i m 菱形销的宽度b 可以根据下面的关系求出： e c = b 2 0 2 e = d 2 。i n 2 一2 。i 。2 h e = a a c ：b 2 十a 0 2 a = d 2 m 2 因为0 2 e 2 一e c 2 = 0 2 a 2 一a c 2 即( d 2 m 2 一。2 ) 2 一( b 2 ) 2 = ( d 2 j n 2 ) 2 当a 和d 2 m i 。很小时，略去a 2 和2 m i n 2 后整理得 b = d 2 r a i n 丰a 2 m i l l 2 a 在本文中，a 2 。i n ：2 5 一( 2 5 0 0 1 ) = 0 0 1i i l m d 2 m i n = 2 5m m 所以b = ( 2 5 0 0 1 ) ( 2 0 0 1 5 ) = 8 3 3n 9 1 取b = 8m i l l b 的取值应满足b d 2 m i 。一2 a 一2 m i 。 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 才能保正销2 不与孔2 干涉，现取 b = 2 2m m 圆柱销与菱形销的直径均取为2 5 f m n ，上偏差为一0 0 1 m m , 公差为0 o l m m 。 2 1 3 转接座与拉刀盒子之间的定位 转接座的重要功能之一就是确保拉刀在其上的准确定位。由于工作时， 先将拉刀定位夹紧于拉刀盒子中，转接座上需设计有定位基准，以保证拉刀 盒予的定位引导。 如图2 5 所示，为转接座上设计的槽式定位结构，槽宽尺寸为9 0 ? ”， 槽底到夹具定位基准销予之间的距离为2 8 5 4 3 + _ 0 0 1 r a m ，槽长为1 1 2 0 r a m 。这 种结构能够保证拉刀盒子在拉削全工作过程中处于引导状态。 转抽中心缱 图2 5 拉刀盒子定位结构 2 1 4 夹紧机构 如图2 6 所示，夹紧是靠图a 中二个平压板机构以及图b 中的转轴处夹 紧机构来完成的，三处均采用液压夹紧。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 让刀机构 图2 6 夹紧机构简图 2 2 1 让刀机构的功能及方案选择 这一机构的功能是要在拉削完每一个榫齿之后，涡轮盘、夹具以及转台 能够离开原来的位置，让拉刀及拉刀盒子沿原路退回，到达要求位置后，涡 轮盘、夹具以及转台再回到正确的工作位置，进行下一个榫齿的拉削。 在拉床改造及转接座的设计过程中，让刀机构的结构设计是一个难题。 首先，该机构需要运动灵活。由于工件、夹具以及转台叠加在一起约1 7 4 7 k g 重，如此重的机构要克服自重在垂直平面内运动，采用滑动机构要克服的摩 擦力要比转动机构大得多，同时，采用转动机构在工作空间设计上也更方便 一些，因此，让刀选择了一种转动机构来完成。其次，由于涡轮盘榫齿数量 较多，还应考虑让刀机构的效率问题，在该系统中采用液压控制的方式来完 成系统让刀的转动动作，极限位置由行程开关控制。 2 2 2 让刀机构分析及最终方案确定 图2 7 为让刀机构简图。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 该机构由3 个构件组 成，构件l 为活塞，构件2 为安装座，构件3 为拉环。 其中构件l 为原动件，在液 压系统的驱动下，做往复移 动；构件2 为从动件，在构 件1 的带动下，绕固定点旋 转。 根据机构运动原理，当 图2 _ 7 让刀机构简图 机构的原动件数等于机构的自由度数时，该机构才能有确定的运动【h 1 。 下面求该机构的自由度数： 自由度f = 3 n 一( 2 p l + p n ) = 3 n 一2 p l p n ( 2 - 3 ) 式中，n 为机构中活动构件数，n = 3 p l 为机构中低副数量，机构中共有二个转动副，二个移动副，合 计四个低副，故p l = 4 p 。为机构中高副数量，由于机构中没有高副，故乳= 0 因此，f = 3 木3 2 半4 0 = 1 由计算可知，机构的自由度数 等于机构的原动件数目，所以该机 构能够满足具有确定运动的条件。 在实际设计工作中，为简化起 见，减少了一个构件2 ，而采用在 拉环3 上开长槽，然后将拉环3 与 原动件活塞1 刚性连接的方式。其 机构简图如图2 8 所示。 图2 8 实际让刀机构简图 l 活塞2 安装座3 拉环 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在上图中，当活塞与拉环移动时，安装座绕着0 点转动，设其初始位置 为o b ，即系统工作时的位置，极限位置为o a ，即让刀的终止位置。当安装座 绕0 点转动时，其y 方向极限位置分别为a 、c 二点，因此要使系统正常运转， 只要拉环3 上开的长槽能够满足安装座转到a 、c 二处不干涉即可。 2 2 3 让刀机构驱动力计算 当安装座做让刀转动之前，通过液压缸将安装座及其上的夹具、涡轮盘 零件一起推离转接座的定位面，若转动时的摩擦力忽略不计，则驱动该系统 转动，只要克服自重即可。 在图2 9 中，设0 点为系统的回转中心，k 点为系统的重心，m 为回转节 点，系统自重为g ，驱动力为f ，l 为重心到回转中心的距离，r 为回转节点 到回转中心的距离。 根据力矩平衡原理可知； g 木l 术s i n ( 口+ 0 ) = f r 丰c o s ( 口一0 ) ( 2 4 ) 则f = g 木l 木s i n ( 瑾+ 0 ) r 牢c o s ( 一0 ) 初始角口= s i n ( b l ) = s i n l ( o 3 7 2 9 8 7 1 ) = 4 1 5 ” b = s i n l ( a r ) = s i n - 1 ( 8 0 3 9 8 1 2 ) = 1 1 。3 5 3 2 ” f 为变力，随着角度0 的变化而变化a 在该系统中 g = 1 7 4 7k g a = 8 0n l n l b = 0 3 7m m l = 2 9 8 7 1 唧 r = 3 9 0 2 + 8 0 2 = 3 9 8 1i 瑚t l 当机构转动到极限位置时，驱动力f 为 1 6 图2 9 驱动力计算简图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 最大值，此时0m x = 7 0 将上述各参数值代入计算得：r n a x = f = 1 6 2k g = 1 6 2n 2 3 关键零件设计 2 3 1 支架、法兰盘、支座 1 支架与法兰盘 支架是改造后转接座与机床床头相定位联 接的部件。涡轮盘榫齿的3 0 。倾斜角有1 5 。是 在支架上形成的，它还用于安装支承刀具部分的 部件支座以及让刀部分的部件转轴等。 支架与机床之间的定位通过法兰盘来实现，并通 过4 个m 2 4 的螺栓与机床紧固。 法兰盘为2 级台阶轴结构，其中一个轴径尺 寸为妒l o + 。+ 0 。1 3 5 ，与支架上的定位孔声3 1 0 “保持 过盈配合，引导长度为2 6 r a m ，另一个轴径尺寸 为2 5 5 m m ，制造时与机床上的安装孔进行配作， 保持间隙不大于0 0 1 r a m ，引导长度为3 2 r a m 。法 兰盘与支架之间通过8 个m 1 2 的螺栓紧固为一 图2 1 0 法兰盘结构图 体。由于机床工作时，拉刀及拉刀盒子要从整个机构中间穿过，因此，法兰 盘设计成中空的形式，中阔孔径为2 1 0 m m 。法兰盘的结构如图2 1 0 所示。 根据支座及拉床夹其的结构需求，支架的外形结构尺寸约为 1 3 0 0 7 0 0 3 0 0m m ，倾斜角度为1 5 。1 ，由于结构尺寸较大，结构较为 复杂，在工艺系统中为非运动部件，因此，在材料上选择抗压强度较高、吸 哈尔滨工程大学硕士学位论文 振性较好、切削加工性能较好的灰口铸铁h t 2 0 0 ( 相当于旧牌号i - i t 2 0 4 0 ) ，支 架与支座及安装座之间联接面的相互位置如图2 1 l 所示。 图2 1 1 支架、支座、安装座之间联接关系图 2 支座 支座是工艺系统中刃具部分的联接与支承件，根据刀具的尺寸及安装的 需要，支座的最大外形尺寸为1 2 2 0 x 6 6 0 x 6 3 0 r a m ，在材料上也选择灰口铸 铁h t 2 0 0 ( 相当于旧牌号h t 2 0 - 4 0 ) 。支座与支架之间是通过4 个直径为1 6 r n m 的圆柱销和1 2 个b 1 2 0 的螺栓相定位联接的。 2 3 2 安装座与转轴 安装座是安装拉床夹具的支座，它与支架之间是通过转轴相联接的。工 作时，安装座与拉床夹具一起绕转轴转动，以实现拉削过程中的让刀运动。 安装座的外形尺寸为6 3 0 4 8 0x8 0 r a m 。 转轴是支架与安装座之间的联接零件。转轴设计成台阶轴的形式，与支 哈尔滨工程大学硕士学位论文 架相联接的轴径尺寸为矿7 8 + 。+ 0 。0 8 5 ，支架上安装孔的尺寸为妒7 8 3 ，孔轴采用 过盈配合的形式，引导长度为8 8 m m ，装配后用6 个满的螺栓紧固。转轴与 安装座之间的联接轴径尺寸为f7 5 m m ，安装座上的基准孔尺寸为矿7 5 ”，孔 轴之间采用配作的方式，最终配成0 0 0 5 0 0 1 m m 的问隙。由于安装座绕转轴 周期旋转，考虑到系统的精度及寿命，在基准孔处采用镶套的形式，并在衬 套上加工出油槽，解决润滑问题，转轴及衬套的结构尺寸见图2 1 2 。 n ) 转轴 b ) 朴奎 图2 1 2 转轴及衬套结构图 安装座的材料选择综合机械性能较好的优质碳素结构钢4 5 号钢，转轴及 衬套选择优质碳素结构钢2 0 号钢，通过表面渗碳，使表面硬度达到h r c 5 3 5 8 ， 渗碳层深度为0 8 - 1 2 m m ，这样即能保证零件的耐磨性，又能保持较好的韧 性及切削加工性。 2 3 3 导槽及导板 在拉床改造工作中，难点之一是刀具的定位及引导问题，为了保证工件 与夹具、刀具之间正确的相互位置关系，在转接座上设计了拉刀及拉刀盒子 的定位引导部件。这一部件主要是有导槽和导板组成的。之所以选择这种分 体式结构，主要是考虑加工工艺性。导槽上设计的槽宽尺寸为1 3 0 m m ，槽深 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 尺寸为8 0 r a m ，导槽长度尺寸 为11 2 0 r a m ，导槽与支座之间是 通过4 个1 2 的圆柱销和2 8 个m 1 2 的螺栓相联接的，导槽 的材料选择吸震性能较好的 灰口铸铁h t 2 0 4 0 。导板是最 终形成与拉了_ _ i 盒子相配合尺 寸的零件，如图2 1 3 所示。 在图2 - 1 3 中，三块导板 厚度均为2 0 r a m ，材料均选择具 图2 1 3 导槽及导板结构关系图 有良好的热硬性和耐磨性的高速钢材料w 1 8 c r 4 v ，热处理硬度为f l r c 6 2 6 4 。 在侧导板上开有油孔及波浪形油槽，通过润滑的方式减小拉削过程中的摩擦。 装配后最终保证的槽宽尺寸为9 0 ”，槽底到夹具定位基准销子之间的 距离为2 8 5 4 3 0 o l m m 。 2 4 螺栓组设计及强度校核 在转接座的总体结构中，支座承担着拉刀及拉刀盒子的定位及导向作用， 其自身的重量又较重，因此，支座与支架之间的联接螺纹受力较大，下面将 分析螺栓受力状态，并对螺纹进行设计计算校核。 2 4 1 螺栓组的分布设计 螺栓组的数量为z = l o ，分布尺寸如图2 1 4 所示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一 0 一 卜。 _ (，、 - 、 ， “ 上、 3 n 5 8 0 图2 1 4 螺栓位置分布图 2 4 2 螺栓受力分析 由于机床工作时，只有拉刀及拉刀盒子在支座的导槽中滑动，导槽所受 的摩擦力的方向使螺栓受到减载作用，除此之外没有其它外力，因此计算时 只考虑系统的重力。 系统受力如图2 1 5 所示。 重心位置h = 5 0 3m m b = 4 0 3 胁 重力g = 4 6 8k g = 4 6 8 0n 倾覆力矩m = g $ h = 2 3 5 4n m 在倾覆力矩作用下，上面4 个螺 栓受到加载作用，而下面6 个螺栓受 到减载作用，故上面的螺栓受力较大， 所受载荷为： 2 l 图2 1 5 支座受力图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 z f m a x = m l m x 霹 ( 2 5 ) i = 1 2 ( 4 7 2 2 + 9 3 2 2 + 2 3 3 2 2 + 3 6 8 2 2 ) 1 0 6 即螺栓所受的轴向工作拉力为f = f m a x = 5 4 8 7n 因此上面螺栓所受的最大工作拉力为f = 5 4 8 7n 在重力g 的作用下，底板联接结合面可能产生滑移， 滑移的条件，各螺栓所需的预紧力为： f $ z $ q p k s g 即q p ( k s 术g ) ( f z ) 其中，f 为联接结合丽间的摩擦系数，取f = 0 1 5 k s 为防滑系数，取k s = 1 3 z 为螺栓数量，z = 1 0 则各螺栓的预紧力为： 根据底板结合面不 ( 2 - 6 ) q p ( 1 3 4 6 8 0 ) ( 0 1 5 1 0 ) = 4 0 5 6n 螺栓所受的总拉力为： q = q p + c b ( c b + c n ) 牢f( 2 7 ) 上式中，c b ( c b + c m ) 为螺栓的相对刚度，取c b ( c b + c m ) = 0 2 则q = q p + 0 2f = 4 1 6 5 7n = 4 1 6 5 7k g 2 4 3 确定螺栓直径 选择螺栓材料为b 级的q 2 3 5 ，材料的屈服极限与螺栓直径有关，估计螺 栓直径为小于m 1 6 ，则盯s 2 3 5m p a 若不考虑控制预紧力时，螺栓的许用应力也与螺栓直径有关，按上面估 计的螺栓直径，取安全系数n = 3 ，则 哈尔滨工程大学硕士学位论文 螺栓材料的许用应力l 仃l = 盯s n 7 8 3m p a = 7 8 3k g c m 2 螺栓危险剖面的直径( 螺纹小径d 1 ) 为： d l 4 ( 4 - 1 3 q ) ( 3 1 4 + i o r j ) 29 3 8 m i l l( 2 - 8 ) 按粗牙螺纹标准g b l 9 6 8 1 ，选用螺纹公称直径d = m 1 2 的螺栓 螺纹小径d l = 1 0 1 0 6m m 9 3 8n l m 计算结果与原估计的直径范围相符，故决定采用m 1 2 的螺栓。 2 4 4 校核螺栓组连接的工作能力【1 3 】 1 联接结合面下端的挤压应力不得超过许用值， 碎，即盯。m x p 】n 在预紧力q p 作用下，结合面问的挤压应力 仃o p = z 牢0 p a 在倾覆力矩m 作用下，结合面间的挤压应力 以防止结合面下端压 ( 2 - 9 ) 硎= m w( 2 1 0 ) 所以盯p r m = z 木q p a + m w 其中，a 为总接触面积，计算得a = 4 1 5 8c m 2 w 为结合面的抗弯剖面模数 y = b 半h 2 6 = 6 6 0 6 3 02 1 0 一6 = 4 3 6 5 9c i l l ： 盯d i i i a x = 1 0 4 0 5 6 4 1 5 8 + 2 3 5 4 1 0 2 4 3 6 5 9 = 1 5 1 4n c m 2 = 0 1 5 1 4m p a 根据联接结合面材料的许用挤压应力的经验值知，铸铁结合面可取 b 】p = 0 5 0 - r ， 其中o b 为材料的强度极限 对于h t 2 0 0 ( 相当于旧牌号h t 2 0 4 0 ) ，当零件壁厚较大时，取 口b = 1 6 0m p a 则 纠p = 0 5 盯b = 8 0m p a 盯p m a x 哈尔滨工程大学硕士学位论文 故联接结合面下端不至于压碎。 2 联接结合面上端应保持一定的残余预紧力，以防止支座与支架的