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山东大学硕士学位论文 活塞专用组合镗床结构分析及设计 摘要 为改变我国活塞行业落后的加工方式和生产模式，探索出一条活塞精 密加工高效化、数控化、精益化生产的路子，提高产品质量、提高市场竞 争力，我公司提出了“半自动一个流生产线改造设计及应用”技术攻 关项目。其目的，就是在深入分析活塞加工工艺过程的基础上，根据我公 司的实际情况，对活塞加工工序进行优化组合，并研制出相应的加工工艺 装备，进而对活塞的生产过程提出一条实用、科学、先进的技术路线和生 产模式，提高生产效率及产品质量，降低废品率。“活塞专用组合镗床结构 分析及设计”属于此技术攻关项目的一项关键技术及突破口。 本课题在仔细分析活塞加工工艺的基础上，结合公司多年的活塞加工 制造经验，对活塞销孔部分的加工工序提出了新的工艺组合方式。并以其 中一种组合方式为例，进行活塞专用数控组合镗床方案分析及部分设计计 算，实际验证组合方案的可行性。同时，将有限元分析方法用于活塞专用 机床的设计中，使我公司的专机设计整体水平得到了提高。 关键词：活蚤工序纽合专用薮疆机床结构夯祈有5 良完分析 山东大学硕士学位论文 s t r u c t u r a la n a l y s i sa n d d e s i g no fp i s t o n s p e c i a lc o m b i n a t i o nb o r i n gm a c h i n e a b s t r a c t f o r c h a n g i n gl a g g e dp r o c e s s i n gw a y a n d p r o d u c t i o n m o d eo fp i s t o n i n d u s t r y i nc h i n a , a n de x p l o r i n gae f f i c i e n t ，n u m e r i c a l c o n t r o l l e da n dl e a n p r o d u c t i o nw a yf o rp i s t o np r e c i s i o nf i n i s h i n g ，a sw e l la se n h a n c i n gp r o d u c t q u a l i t ) a n d m a r k e t c o m p e t i t i v ep o w e r ，w eb r o u g h t f o r w a r dat e c h n o l o g y d e v e l o p i n gp r o j e c t ：r e c o n s t r u c t i o nd e s i g n i n ga n da p p l y i n go f s e m i t r a n s f e ra n di n r e g u l a rs e q u e n c ep r o d u c t i o nl i n e b a s i n go na n a l y z i n gd e e p l yt h ep i s t o np r o c e s s s t e p ，a c c o r d i n gt op r a c t i c a ls i t u a t i o no f o u rc o m p a n y ，f o ro n ep u r p o s e ，w ew a n t t o o p t i m i z e t h e p i s t o np r o c e s ss t e p a n dr e s e a r c h & d e v e l o pt h e s u i t a b l e t e c h n i c a le q u i p m e n t ，f u r t h e rp u tf o r w a r da p r a c t i c a la n ds c i e n t i f i ca n da d v a n c e d t e c h n i c a ll i n ea n dp r o d u c t i o nm o d e ，s oa st oe n h a n c ep r o d u e t i v i t ya n dp r o d u c t q u a l i t y ，l o w e r i n gr e j e c t i o nr a t i o t h es t r u c t u r a la n a l y s i sa n dd e s i g no fp i s t o n s p e c i a l c o m b i n a t i o n b o r i n gm a c h i n e ，b e l o n g s t oa k e yt e c h n o l o g y a n d b r e a k t h r o u g hp o i m i nt h i sp a p e r ，an e w c o m b i n i n g - p r o c e s sp r o d u c t i o nw a y f u rp i s t o np i n h o l e p r o c e s s i n gw a sp u tf o r w a r d ，o n t h eb a s i so f a n a l y z i n gd e e p l yp i s t o np r o c e s s ，a n d a c c o r d i n g t oe x p e r i e n c eo f p i s t o nm a n u f a c t u r i n gf o ry e a r s t oc h o o s eo n ek i n d o fc o m b i n e dw a ya s e x a m p l e ，w eu n d e r t o o kt h ep r o j e c ta n a l y s i s o fp i s t o n 一工i 一 山东大学硕士学位论文 s p e c i a l c o m b i n a t i o nb o r i n gm a c h i n ea n d p a r t l yc a l c u l a t i n g o fd e s i g n ，a n d v e r i f i e d f e a s i b i l i t yo t t h ep r o j e c tv i r t u a l l y a tt h es a m et i m e ，m a k i n gu s eo f t h r e e d i m e n s i o nm o d e l ，w ec a r r i e do nt h es t a t i ca n d d y n a m i ca n a l y s i s t o m a c h i n eb a s ef r a m e ，f o re n h a n c i n go u i w h o l ed e s i g nl e v e lo f s p e c i a lm a c h i n e k e yw o r d s ：p i s t o n c o m b i n i n g p r o c e s ss p e c i a ln c m a c h i n et o o l s t r u c t u r a l a n a l y s i s f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ( f e a ) 山东大学硕士学位论文 v 一线速度 f 一切削进给量 如一切削深度 d 0 一镗削直径 f 一力 m 一扭矩 只一切削功率 只一实际机床功率 ，7 。一机床传动效率 珂一传动效率 1 1 转速 f 一主切削力 主要符号说明 只一径向切削力 k v 带节圆长度 f v 带涨紧力 k 刚度 万一位移、变形量 p 。一直线导轨计算载荷 p o 一外载荷 c o 一直线导轨额定静载荷 c 直线导轨额定动载荷 m 。一直线导轨额定扭矩 l 宜线导轨的预期寿命 l h 一直线导轨的寿命时间 l s 直线导轨的行程长度 n i 导轨每分钟往复次数 p h 滚珠丝杠的导程 一i v c a 一滚珠丝杠额定动载荷 c a o 滚珠丝杠额定静载荷 f n 一滚珠丝杠预紧力 k c 滚珠丝杠接触刚度 c 。滚珠丝杠当量动载荷 f 丌轴向平均载荷 1 1 。一平均转速 一滚珠丝杠工作寿命 d ：。滚珠丝杠螺纹滚道允 许的最小底径 6 。一滚珠丝杠的允许抗压 变形量 e 一杨氏模量 v 3 0 0 一滚珠丝杠任意3 0 0 m m 行程内行程变动量 墨一丝杠的拉压刚度 q 一运动副所需润滑油量 。泊松比 r h o 一材料密度 g 一刚性模量 注：文中未注明量纲的符号一 律使用国炀；标准单位。 山东大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 国内外活塞j n - r 水平及现状 随着人类社会机械化、自动化程度的日益提高，内燃机作为一种可移 动的动力源已广泛应用于生产和生活的各个领域。活塞是内燃机的关键零 件，其结构复杂，加工工序多。目前，国内活塞行业所用加工机床除引进 外，大多为国产通用机床或在此基础上进行较为简易改造的设备，一条生 产线一般由1 7 2 0 台设备组成，采用粗放型生产方式，设备精度低，工件 需多次装夹定位，加工过程累积误差大，工件精度低、稳定性差、废品率 高、劳动生产率低，生产现状和设备远远不能满足市场竞争的需要。国内 机床行业虽然也为活塞行业提供了一定数量的活塞专用机床，但由于对活 塞加工工艺缺乏深入的了解，也未能摆脱活塞行业原有的生产加工方式。 在国外工业发达国家的活塞制造公司，如德国m a h l e 公司、k s 公司、 英国a e 公司、日本a r t 公司等一些实力较强的公司，其活塞加工己实现 了工序优化组合，一人多机数控化生产，机加工过程中周转环节少，工艺 条件稳定，产品尺寸精度高。对于批量大的活塞品种，他们将其加工设备 连成数控全自动生产线，设备基本上全是自行设计制造。由于国外机床行 业雄厚的基础，他们采用了一定数量的机床通用零部件，专业性较强的零 部件仍靠自主开发设计。设计过程中，他们充分利用国外机床行业的先进 设计及制造技术对机床进行优化，如有限元法等动、静态设计分析，使其 能够满足活塞高精加工的要求。 1 2 课题的提出 近年来，国内内燃机行业对活塞的需求量越来越大，精度越来越高， 活塞行业之间的竞争也越来越激烈。国外工业发达国家凭借其先进的活塞 制造技术，不断在我国合资或独资办厂，世界活塞制造业五强中的四家己 进入国内市场。他们的活塞专机自动化程度高，多工序组合，柔性也较高， 可一人多机，劳动生产率高，产品成本相对较低，只要稍有机会就会抢占 我们的市场。加入w t o 后，更面临着全球采购、参与固际竞争的挑战。我 山东大学硕士学位论文 们必须要在加工技术上迎头赶上，才能充分利用天时、地利与人和，使我 们牢牢把握住国内市场，进而冲击国际市场。我国活塞行业如不及时下大 气力改变目前落后的工艺装备和生产方式，在国际市场的冲击下将无优势 可言。 鉴于我国内燃机行业目前的市场状况，活塞一般为多品种、小批量， 各品种间结构差别较大，相应加工工艺顺序也有所不同。考虑到活塞加工 的特殊性和加工品种经常变化的特点，兼顾投资成本等原因，专用加工设 备不宜搞全自动生产线。工序优化组合、压缩在线设备，一人多机数控化、 柔性化才是我国活塞行业精益化生产的发展趋势。 国内活塞行业中，我公司是现有的唯一具备一定活塞专机开发与制造 能力的厂家。为改变我国活塞行业落后的加工方式和生产模式，探索出一 条活塞精密加工高效化、数控化、精益化生产的路子，提高产品质量、提 高市场竞争力，我公司提出了“半自动一个流生产线改造设计及应用” 技术攻关项目。其目标是利用高效、数控组合加工技术，对我公司的现有 生产线进行改造，降低生产线的在线设备台数，各设备间节拍基本均衡， 减少在制品数量，适当缩减操作人员数量，借以提高人均生产率，降低活 塞成本，更进一步增强我们的市场竞争力。 要达到项目要求的目标，必须进行工序组合。在仔细分析活塞加工工 艺的基础上，结合我公司多年的加工制造经验，再借鉴国外的加工模式， 认为现有销孔类加工设备工序较分散，节拍也相差很大，有必要进行组合 加工研究。据此，提出了“活塞专用组合镗床结构分析及设计”这个课题， 作为“半自动一个流生产线改造设计及应用”技术攻关项目的一项关 键技术及突破口。 1 3 课题研究的目的和意义 “半自动一个流生产线改造设计及应用”技术攻关项目的目的， 就是在深入分析活塞加工工艺过程的基础上，根据我公司的实际情况，对 活塞加工工序进行优化组合，并研制出相应的加工工艺装备，进而对活塞 的生产过程提出一条实用、科学、先进的技术路线和生产模式，实现活塞 生产的自动化、柔性化、精益化，提高生产效率、加工精度及产品质量， 一2 一 山东大学硕士学位论文 降低废品率。 本课题主要对活塞销孔加工类工序及其加工设备进行分析设计，并以 其中一种组合方式为例，进行活塞专用组合镗床方案分析及部分设计计算， 验证组合方案的可行性。提高专机设备的组合加工能力，使我公司的专机 设计、制造水平再上一个新台阶。 通过本课题的研究，掌握一套现代设计的方法及理论，逐步应用于以 后的所有活塞专用机床设计中。立足于自己的实际现状去分析创新，摆脱 一味地去仿制、模仿国外加工设备的做法。这将缩小我国活塞专机设计技 术与国际水平间的差距，缩短专用机床的设计丌发周期，以尽快提高高新 技术活塞的加工手段及能力，进一步增强我国活塞行业在国际市场的竞争 力。 活塞高效、数控组合加工技术在整条活塞加工生产线推广应用后，将 彻底改变目前的落后生产方式，实现活塞的高效化、精益化生产，为我国 活塞行业的技术进步起到示范推动作用。 1 4 本文的主要工作 本文的主要内容就是在分析活塞工艺及现有活塞销孔类加工方式的基 础上，进行合理的工序组合，完成活塞销孔加工模块化专用组合机床的设 计。本文的主要工作有： ( 1 ) 在对活塞加工工艺进行深入研究的基础上，进行合理的工序组合分 析。根据现有加工工艺，结合实践经验，从节拍及加工精度是否相互影响 等方面进行合理的分析组合。 ( 2 ) 利用模块化设计思想对活塞专用组合镗床的总体布局方案进行分 析。本着标准化、通用化、系列化、模块化的设计思想，使组合镗床的零 部件尽可能通用，减少设计、制造成本，提高设备可靠性。 ( 3 ) 以一种组合方式为例进行机床主要部件的结构分析及设计。因近似 于组合机床设计，尽量选用现有的结构和部件，减少工作量，缩短设计、 制造周期。 ( 4 ) 以底座为例进行有限元分析，掌握静、动态特性，为底座的改进设 计提供科学依据。 一3 一 山东大学硕士学位论文 ( 5 ) 对机床在制造、调试过程中所发现的问题进行分析总结，以供后续 改进设计。 【本章小结】 本章在进行国内外技术差别对比的基础上，借鉴国外先进经验，立足 于国情、厂情，指出了进行自主研究开发活塞专用组合镗床的必要性和意 义。最后根据项目实施的需要，提出了本文所要进行的主要工作。 4 一 山东大学硕士学位论文 2 工序组合分析 2 1 原有工艺方案 2 1 1 活塞销子l 各相关部位n - r 要求及位置名称 活塞销孔各部位加工要求及位置名称见图2 - 1 和图2 - 2 图2 - 1活塞销孔各部位加工要求 一5 一 山东大学硕士学位论文 图2 2 活塞销孔各部位加工要求 止口端面一一工艺设计基准 止口内圆一一工艺基准 活塞外圆 销孔 挡圈槽 销孔喇叭口 销孔内倒角 销t l # i - 倒角 一6 一 山东大学硕士学位论文 活塞顶面 销孔减压腔 2 1 2 原有加工工艺要求及加工的先后顺序 ( 1 ) 粗镗孔 以止口及内撑夹具定位，项部气缸压紧。镗杆前端为一扩孔刀，后面 为一粗镗刀，两刀不同时切削。节拍：5 0 秒2 只。见图2 - 3 。 b 3 v 甲 图2 3 粗镗孔工序简图 ( 2 ) 精镗孔( 有异形孔工序时此为半精孔) 以止口及粗孔后的销孔定位，将定位用菱形棒穿入销孔后气缸压紧 再把菱形棒抽出开始切削加工。节拍：6 0 秒2 只。见图2 - 4 。 一7 一 山东大学硕士学位论文 图2 - 4 精镗孑l 工序简图 ( 3 ) 车销孔内倒角 用活塞外圆及涨心轴定位，用涨心轴央紧，以保证销孔内倒角与销孔 同轴。涨心轴长度小于一侧销孔长度，两个销孔内倒角可在个刀杆上一 次加工出。节拍：3 0 秒只。见图2 5 。 ( 4 ) 车挡圈槽及销孔外口倒角 用活塞外圆及涨心轴定位，用涨心轴夹紧，以保证挡圈槽与销孔的圆 跳动要求。加工完一侧后，将活塞调转1 8 0 。，用已加工的销孔定位夹紧， 加工另一侧销孔挡圈槽。节拍：4 0 秒只。见图2 - 6 。 一8 一 山东大学硕士学位论文 图2 - 5 车销孔内倒角工序简图 5 导。 罄鼍麓适缭不得誉宥蕞嗣 图2 - 6 车挡圈槽工序简图 一9 一 山东大学硕士学位论文 2 2 工序组合方案分析 活塞加工工艺分析：结合我厂多年的加工经验，并借鉴国外活塞加工 模式，我们认为：在活塞所有的销孔加工工序中，租孔与内外倒角组合在 起、精孔与挡圈槽组合在一起是可行的。粗i l 与内外倒角加工采用止口 及内撑夹具定位；精孔与挡圈槽加工时，用粗加工过的销孔定位。这既能 使粗、精工序分开以保证加工精度，又能保证挡圈槽对销孔的圆跳动，这 种组合方式在“九五”国家科技攻关项目中的b h t 4 0 组合机床上已得到了 部分验证。 节拍方面：以直径在引1 0 妒1 3 0 r a m 左右的活塞为例，年计划产量约 为2 0 万只。按两班制，每班6 小时的有效时间，平均每月2 2 天计算，加 工废品率按1 ，则制白为： 1 2 2 2 6 2 3 6 0 0 f 2 0 0 0 0 0 ) 41 0 1 ) 一5 6 5 秒只 其中装夹时间大约为1 0 秒，再根据现有单工序的加工节拍，粗孔、内外倒 角组合机床工序的节拍应在8 0 秒2 只以内，精孔、挡圈槽组合机床的节 拍应在9 0 秒2 只以内，均能满足整条生产线的节拍要求。 工序组合：粗孔、内外倒角机床可将原来的粗孔、内倒角、外倒角三 道工序合为一道工序，通过采用数控技术可大大提高本工序的生产效率和 加工精度。将原来的精孔、挡圈槽两道工序合二为一，也可降低操作者的 劳动强度，减少线上所需操作者人数。组合后，由原来的4 台机床减少为2 台，同时也降低了工人装卸工件的劳动强度，将改变“单人单机单工序” 的落后现状，提高活塞加工的自动化水平。 【本章小结】 本章对原有销孔部分的加工工序技术要求及顺序进行了描述。在此基 础上，提出了工序组合方案，并从精度是否相互影响、节拍等方面进行了 论证。认为粗孔、内外倒角组合，精孔、挡圈槽组合是合理可行的。 一1 0 一 山东大学硕士学位论文 3 组合机床方案分析设计 3 1 原有机床的结构布局及加工方式 ( 1 ) 粗镗销孔机床 两个滚动轴承主轴箱，双加工工位，液压滑台进给，以活塞止口及内 撑夹具定位，气缸压紧。镗杆前为扩孔刀，后为粗孔镗刀。 机床结构布局见图3 1 ，这是我公司自行设计制造的一种粗镗销孔机 床，现仍为主力车型。 图3 - 1 粗镗销孔机床 ( 2 ) 精镗销孔( 或镗销孔减压腔) 机床 两个静压轴承主轴箱，双加工工位，液压滑台进给，以活塞止口及粗 孔后的销孔定位，定位菱形棒穿入销孔后气缸压紧，菱形棒退出后开始加 工。镗杆上前为半精镗刀，后为精孔镗刀。 镗销孔减压腔时，仍以止口及销孔定位。但须将止口胎座及菱形棒定 山东大学硕士学位论文 位机构同时偏移一定距离( 为左右减压腔中心距的一半) ，且不同活塞品种 其偏移量不同。活塞均须经两次装夹，第一次装夹镗出销孔左侧的减压腔； 再调转1 8 0 。后装夹，镗出销孔右侧的减压腔。 机床结构布局见图3 2 ，这是我公司自行设计制造的一种精镗销孔机 床，现仍为主力车型。 i市 i i i 皿lp l jl _ l 严 鳓雷时l ，1i fi 仁辑 l r 卜 一磋唧l # 嘲 1 卜h 一。 i u h 州j 。1i h h l l 百厂 臣 胖 一 _ 千ll l 图3 - 2 精镗销孔机床 ( 3 ) 用车床加工销孔倒内角( 或挡圈槽及外口倒角) 在专用液压车床或普通数控车床上，以活塞外圆及精孔后的销孔定位， 回转液压( 或气动) 拉动涨心轴夹紧。活塞回转，倒角刀( 或挡圈槽刀) 纵向伸进销孔后横向进刀完成切削。因活塞重心不在销孔处，活塞高速回 转会产生很大振动。 加工销孔内倒角，可在一把刀杆上安装两把刀，将两个内倒角一次加 工出。加工挡圈槽及销t l # f 口倒角时工件需两次装夹( 转1 8 0 。) ，才能完 成加工。 一1 2 一 山东大学硕士学位论文 售量 一1 3 一 斌蕈口畚隧靶圃瓤镫v嫒革慢鬲器n-殴 l 0 奄 l 命i 1 一 i 陌 i j1 _ _ _ _ 一 i - t丁 - _ u 抓 l 刊j 日 l 、 、 ， 、 | - 1 i 、 u + ： 日 t 一 山东大学硕士学位论文 机床结构布局及加工路线示意图见图3 - 3 ，此机床为外购机床，已处于 逐步淘汰过程中。 ( 4 ) 立式精镗孔方式 此种加工有两种定位、夹紧方式： 仍以止口及销孔定位，顶部压紧； 仅以销孔定位，v 形块夹紧外圆。 立式加工的优点在于：它消除了机床主轴及镗杆因自重产生的振动， 有利于提高销孔加工的圆柱度；并且排屑顺畅，可使用大剂量切削液加工。 机床结构简图见图3 - 4 ，是我公司自德国马勒公司引进活塞生产线中的 机床。 图3 4 立式精镗销孔加工方式 一1 4 山东大学硕士学位论文 ( 5 ) 销孔加工组合机床( b h t 4 0 ) 我公司在“九五”国家科技攻关项目中研制了一台销孔加工组合机床 ( b h t 4 0 ) ，此机床为卧式双工位镗削组合机床，以止口、内撑夹具定位， 项部气缸夹紧。大滑台上装有两个动力头，一个为外购的标准镗削动力头， 用于粗镗销孔；另一个为自制的倒内角动力头，用于销孔倒内角加工。活 塞装夹后不动，动力头左右移动，前后进给加工。其加工顺序为：右工位 粗孔加工一右工位倒内角加工一左工位粗孔加工一左工位倒内角加工一动 力头退回初始位置一进行下一个加工循环。 初始设计时，止口胎是装在气动回转机构上的，可以加工销孔外倒角。 但因压紧缸不与活塞一齐转动，压紧机构与回转机构的同轴度不易保证， 致使加工出的活塞销孔外倒角与销孔的同轴度不好，最终此回转机构停用。 图3 5b h t 4 0 销孑l 加工组合机床 本机床体积也有些偏大( 装防护罩后平面尺寸约为2 4 0 0 m m 2 0 0 0 m m ) ，但其加工行程还不富余，导致无法推广使用。 机床结构布局见图3 - 5 。 一1 5 一 山东大学硕士学位论文 3 2 现采用的机床方案 根据所选用的工序组合方案，在以上机床结构布局方案的基础上，选 用以下机床结构方案，见图3 - 6 、图3 7 、图3 - 8 。 图3 - 6 机床主视图 图3 7 机床俯视图 1 6 一 山东大学硕士学位论文 i l l 司一 制 h 事h _ j 旧l lh 一刊 | | 1 虎腻| l l i 雌剥 n 】l 四盐：_ 1 摊b _ 聚 酷 _ 一 输 i i 卜卅 l 图3 - 8 机床侧视图 ( 1 ) 方案特点 标准装配为双工位四主轴箱卧式组合机床，左侧两个镗孔主轴箱，右 侧两个倒内角( 或挡圈槽) 主轴箱，高刚性整体床身，高刚性精密数控滑 台，挡圈槽或倒角加工采用数控偏心进刀结构。加工顺序为：工件装夹一 滑台向左进给，进行镗孔及销孔左侧外倒角加工一滑台右进给、定位，进 行倒内角及销孔右侧外倒角或挡圈槽加工一滑台回到初始位置一工件装 夹，进行下一个加工循环。 本方案充分考虑了机床的模块化设计，左侧为两粗孔镗头时为粗孔、 倒内角组合机床；左侧为精孔主轴箱时为精孔、挡圈槽机床；节拍要求低 时也可为单工位组合机床；左侧换装车床主轴箱，右侧换装尾座，即为卧 式专用数控车床；如果在垂直活塞销孔的方向再加一层滑台，还可实现精 一1 7 一 山东大学硕士学位论文 孔与销孔减压腔的组合加工，由现有的三次装夹变为一次装夹就可完成这 两个工序的加工。另外，此方案可在活塞不转位的情况下实现销孔外倒角 的加工。 本组合机床方案的特点是：将两台镗床合为一台，有效地降低了操作 者的劳动强度，使整条生产线的节拍趋于均衡，减少所需操作者人数，提 高加工效率。 下面就以粗孔、内外倒角机床为例进行机床设计。之所以选用此工序 组合为例主要考虑以下原因： 粗孔工序切削余量大，切削力较大，需要机床的功率最大，刚性要 求高。 随着活塞精度要求的提高，粗加工工序的精度也有待提高，且为了 减少生产线上的设备数量及操作人数，有逐步取消半精工序的趋势，这就 要求粗加工设备在保留原有高刚性的基础上大幅提高精度保证能力； 粗加工设备相对投入少、要求精度低些，样机设计制造过程中若有 考虑不周或失误时，允许的补救空间较大，产生的损失较小。 ( 2 ) 技术路线 活塞加工工艺分析一机床方案设计选择一机床整体参数设计计算一粗 孔主轴箱设计选用一内、外倒角数控主轴箱设计一高刚性精密数控滑台设 计一定位与夹紧装置设计一防护、冷却、润滑等系统设计一机床调试一切 削加工工艺试验一1 ：件批量加工使用一总结提高，进一步改进设计。 【本章小结】 本章在分析原有机床结构布局方案的基础上，根据所提出的工序组合 方案，确定了本课题的活塞专用组合数控机床方案，并对其组合加工方式、 工序组合的实现方式进行了阐述。确定下一步以粗孔、内外倒角组合机床 为例进行设计分析工作。 一1 8 一 山东大学硕士学位论文 4 机床设计初始数据的确定 4 1 机床的技术经济指标 根据2 1 节中所标的活塞销孔部分加工工艺要求，考虑机床的精度储备 量，确定本机床的加工指标如下： ( 1 ) 活塞加工直径范围：毋8 0 毋1 4 0 m m ( 2 ) 销孔加工尺寸精度：0 0 2 m m ( 3 ) 销孔圆柱度：0 0 1 0 m m ( 4 ) 销孔加工粗糙度：r a 3 2 ( 5 ) 倒角加工粗糙度：r a 3 2 ( 因是使用成形刀加工，主要受刀具的刃磨 精度影响) ( 6 ) 生产节拍：8 0 秒2 只 机床按加工直径范围为庐8 0 1 4 0 m m 进行设计，据活塞产品的直径 分布，实际最大加工活塞直径为西1 3 5 m m 。机床的初始设计以6 1 3 5 活塞为 依据，各工序的加工要求参见图2 3 、2 - 4 、2 - 5 及2 - 6 。其中，粗孔工序的 切削量为直径上5 r r u n 左右。 4 2 粗孔加工切削力计算 4 2 1 计算依据的确定 我公司现在粗孔加工用的刀具均为复合刀具。有两种方式，一种为前 面一把硬质合金扩孔镗刀头，后面一把硬质合金粗孔镗刀头；另一种为前 面一把镶硬质合金刀片的焊接式双刃扩孔钻( 也可称双刃整体式固定镗刀 块) ，后面一把硬质合金粗孔镗刀头。本机床所用镗杆，末端还有一把倒销 孔外角的镗刀头，用于加工粗孔镗头侧的活塞销孔外倒角。前后两把刀之 间相隔适当距离，使其不同时参与切削，防止影响加工精度。 据资料 1 】，加工铸铁或有色金属件时，为了提高切削效率和刀具寿命， 毋1 4 m m 以上的扩孔钻常制成镶硬质合金刀片式。所以，本设计中按焊接式 双刃扩孔钻进行计算。另外，扩孔钻的切削深度几倍于后面镗刀头的切削 一1 9 山东大学硕士学位论文 深度，外倒角刀的切削量也很小，所以切削力只按扩孔切削加工进行计算。 4 2 2 钻、扩子l 时切削参数的确定 据资料 1 ，硬质合金扩孔钻扩孔时，d 0 在4 0 5 0 m m 间，加工h b 一 5m s 时，带轮需进行静平衡；v 2 5m s 时，带轮应进行动 平衡。 ( 3 ) 机床装配时，各带轮轴线应相互平行，带轮对应轮槽的对称平面应 重合，其公差不得超过2 0 。 一2 4 山东大学硕士学位论文 【本章小结】 本章通过科学的简化与类比，结合企业多年的生产加工经验，确定了 合理的切削加工参数，计算出了机床设计所需的基础数据。在此基础上， 选定了镗孔及倒内角所需的主电机及传动v 带。为下一步的计算分析提供 了初始数据依据。 一2 5 山东大学硕士学位论文 5 机床各主要部分的设计计算 本机床主要由床身、滑台、粗镗销孔主轴箱、倒销孔内角主轴箱、气 动央紧系统、自动润滑系统、冷却系统、机床防护罩、n c 系统、操作箱及 电器柜等部分组成。 5 1 主轴部分 本机床镗孔主轴及倒角主轴均通过一级v 型带传动与主轴电机相联。 5 1 1 对主轴的基本要求 对机床主轴的要求，有与一般传动轴共同之处：都要在一定的转速下 传递一定的转矩，保证轴上的传动件和轴承正常的工作条件。但是，主轴 又是直接带着工件或刀具进行切削的。机床的加工精度，在很大程度上要 靠主轴组件保证。主轴直接承受切削力，通用机床( 包括数控机床) 的转速变 化范围又往往很大。因此，对于主轴组件，又有许多特殊要求【8 】。 ( 1 ) 旋转精度( r u n n i n ga c c u r a c y ) 主轴的旋转精度，指的是装配后，在无载荷、低速转动的条件下，主 轴安装工件或刀具部位的径向和轴向跳动。 当主轴以工作转速旋转时，由于润滑油膜的产生和不平衡力的扰动， 其旋转精度将有所变化。这个差异，对于精密和高精度机床，是不可忽略 的。 旋转精度取决于各主要件如主轴、轴承、壳体孔等的制造、装配和调 整精度。工作转速下旋转的精度还决定于主轴的转速，轴承的设计和性能， 润滑剂和主轴组件的平衡等。 通用数控机床的旋转精度已有规定，可参见各类机床的精度检验标准。 ( 2 ) 静刚度( s t a t i cs t i f f n e s s ) 静刚度，或简称刚度，反映了机床部件、组件、零件抵抗静态外载荷 的能力。 一2 6 主轴组件的弯曲刚度联n 似啦，定义为使主轴前端产生单位位移，在 位移裟黧鬈裟黧嚣5 多- 1 ，纂搽导揪，承 晌鼎，耄晌嘉誓组篡薹凳窦墨黧霎嚣喜袭奏警：嚣圣嚣篙磊晶薹蕃善? 。 的型号、数量、预紧和配置形式，前后更承嗣距禹删土捌日。犏洲肺”8 传动件的布置方式，主轴组件的制造和装配精度等。 目前，对各类机床主轴组件的刚度尚无统一的标准。 罢蠢嚣篇嚣譬嚣i 件c h a 的r a 表c t e 面r i s 黼t i c s ) 刀具的耐用度和主轴轴承的 虫。主篓銎篓辇耄警# 耄蔫至冀翼耄? 篡囊銎荔黧答豢曩荔_ ；匕嘉善茎釜 寿命，还会产生噪声，影响工作环境。如果严生t j j 月”耳獬懈驯忖墨9 嘞n 裹鬈募蓑静霎鐾蓊鬻嚣纛、质量分布和阻尼n 是主轴 戮篱絮蔗鬻麓黧嚣黧蒜壤灞藏 前轴承的阻尼) 。主轴的固有频率应远大予激振刃嗣毅绎1 限匕个甥服。“ 孤。日簖尚去带 丁池抗振性的指标，只有一些试验数据可供设计时参考。 目前，尚未制订出抗振性的指标，只有一些试验裂稻川嫩阪。秽巧。 ( 4 ) 温升和热变形( t e m p e r a t l l r e r i s ea n d h e a td e f o r m a n o n 温升使润滑油的粘度下降。如用脂润滑，温度过商会饺脶熔化流失。 这些篓凳鬈芝篓霉篱毽氛长，轴承间隙姚主辘箱的热膨胀使主 温升产生热变形，使主辅镩长，糨承恻躁父化。士榴4 郇 。2 卿”。 轴偏妻黧黧量裂耄踩慧笔纛撇许温 轴承的温升与转速有关。主轴轴承征甬避芏转，琏琰您干”l ： 控枫譬要2 麓筹嚣篙薯峨高精度机床如坐标镗床、高精度删n 受热膨胀是材料的固有性质。高精魇机床鲫坐梅理麻、同捅傥性巩 一2 7 山东大学硕士学位论文 工中心，要进一步提高加工精度，往往最后受到热变形的制约。研究如何 减少主轴组件的发热、如何控温，是高精度机床主轴组件研究的重要课题 之一。 ( 5 ) 耐磨。 生( w e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c s ) 主轴组件必须有足够的耐磨性，以便长期地保持精度。易磨损的部位 是轴承和安装夹具、刀具或工件的部位如锥孔、定心轴颈等。此外，还有 移动式主轴的工作表面如镗床主轴的外圆，坐标镗床和某些主轴套筒移动 式加工中心等的主轴套筒外圆等。 主轴若装有滚动轴承，则支承处的耐磨性决定于滚动轴承，如果用滑 动轴承，则轴颈的耐磨性对精度保持性的影响很大。 为了提高耐磨性，一般机床的上述部位应淬硬。 5 1 2 主轴轴承的选择 机床主轴用的轴承，有滚动和滑动两大类。从旋转精度来看，两大类 轴承都能满足要求。滚动轴承与滑动轴承相比，优点是： 滚动轴承能在转速和载荷变化幅度很大的条件下稳定地工作。 滚动轴承能在无间隙，甚至在预紧( 有定过盈量) 的条件下工作。 滚动轴承的摩擦系数小，有利于减少发热。 滚动轴承润滑容易，可以用脂，一次装填一直用到修理时才换脂。 如果用油润滑，单位时间所需的油量也远比滑动轴承小。 滚动轴承为标准件，可以外购。 滚动轴承的缺点是： 滚动体的数量有限，所以滚动轴承在旋转中的径向刚度是变化的。 这是引起振动的原因之一。 滚动轴承的阻尼较低。 滚动轴承的径向尺寸比滑动轴承大。 根据上述分析，在一般情况下应尽量采用滚动轴承。特别是大多数立 式主轴，用滚动轴承可以采用脂润滑以避免漏油。只有要求加工表面粗糙 度数值较小，主轴又是水平的机床如外圆和平面磨床、高精度车床等爿用 滑动轴承。主轴组件的抗振性主要决定于前轴承。因此，也有的主轴前支 承用滑动轴承，后支承和推力轴承用滚动轴承叽 一2 8 山东大学硕士学位论文 5 1 3 主轴轴承精度对主轴精度的影响 结构设计时不但要考虑零件本身的精度，而且要分析各零件误差对结 构的综合影响。合理配置不同精度的零件能使结构和机械的总精度得到提 高。下面根据主轴轴系前后支承轴承的精度对主轴端部振摆的影响来分析 轴承精度的选择，在配置不同精度的主轴轴承时应注意以下规律： ( 1 ) 前轴承精度 e 后轴承精度高，有利于减小端部振摆。 机床主轴系统如图5 - 2 ( a ) 所示，端部o 处的振摆为，前后轴承的径向 振摆分别为6l 、62 ，根据几何关系可以推出： p 2 + a ) ( l + 口) = p l + 疋) l = 瓯乜+ a ) l + 8 2 a l l( 5 1 ) _ 4 。 艿i 万：，端部振摆为，如图5 - 2 ( a ) 中( i ) 所示；若前轴承精度高于后轴承，瓯 l ，a l 疋和反 i i 。因此，为了减小主轴端部振摆，一般情况下 机床主轴前轴承精度要比后轴承精度至少高一级。 ( 2 ) 安装时若控制前后轴承最大径向振摆在同一方向，则同样精度轴承 可以使主轴端部振摆减小。 如图5 2 ( b ) 中的( i ) 所示，两轴承最大径向振摆在相反方向，端部振摆 一2 9 山东大学硕士学位论文 为： 。= 6 ，( l + a ) l + 占：0 三) ( 5 2 ) 在图5 - 2 ( b ) 中的f i i ) ，两轴承最大径向振摆控制在相同方向，端部振摆 为： a i i = 占。( 工+ a ) l 一疋( 口l ) ( 5 - 3 ) 显然，后者主轴端部振摆小，精度高。 5 1 4 镗子l 主轴箱 镗孔主轴箱采用原有粗孔机床的主轴箱，以缩短设计时间，提高设计 效率。它主要是由主轴箱体、主轴、主轴轴承、轴承调整螺母等组成，其 结构见图5 3 ，所用轴承1 1 0 1 及密封件见表5 1 。 表5 。1 序号名称型号数量备注 l旋转骨架油封b a u m x 71 0 5 1 3 0 1 21 f p m ( 氟橡胶) 2 角接触球轴承3 6 2 1 9 伊5 1g b 2 9 2 8 3 i 3推力球轴承8 2 1 8 p 5lg b 3 0 1 8 4 4 深沟球轴承2 1 5 伊5 2g b 2 7 6 8 2 5旋转骨架油封b a u m x 77 5 1 0 0 1 2l f p m ( 氟橡胶) 由图中可看出，主轴采用两点式支承结构，具有很高的刚性及回转精 度，能满足机床进行粗加工及半精加工的需要。 主轴轴承润滑采用浸油润滑方式，当发现箱体中的润滑油低于油窗高 度时，应及时加注润滑油，每一年要彻底更换一次箱内润滑油( n 3 2 ，旧称 2 0 号机械油) 。 一3 0 一 山东大学硕士学位论文 山东大学硕士学位论文 5 1 5 倒角主轴箱 ( 1 ) 加工原理 如图5 - 4 ，倒内角主轴箱采用偏心进刀原理，它是由内外轴偏心相对转 动而实现径向走刀运动的。由图5 5 ， 0 1 为机床外轴回转中心，0 2 为机床 内轴回转中心。当机床内轴相对外轴 转过口角时，刀具围绕机床外轴回转 中心0 1 的回转半径由r 1 变为r ，径 向进刀量，= r r 1 。 皮带传动驱动外轴旋转，外轴通 过安装在螺旋槽中的拨轴带动内轴 转动。镗刀杆固定在内轴上，内轴一 方面跟随机床外轴作高速旋转运动， 完成零件孔的镗削；另一方面，在拨 增刀区 图5 - 4 径向进刀原理图 轴的推动下，实现整个刀杆的径向平移，完成镗刀的径向进给运动( 可参 考图5 6 ) 。 | 图5 - 5 径向进刀示意图 一3 2 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 偏心径向进给的驱动方案 镗刀的径向进给是靠相对偏心的内外轴问相对转动实现的，其相对转 动的驱动方案有以下几种： 内轴上加工螺旋槽，外轴丌一直槽，拨轴沿直槽运动，推动内外轴 相对转动。螺旋槽部分在主轴箱体内，驱动部分在主轴箱盖上。 特点：结构紧凑，主轴箱总长度较小，但有一定的设计难度。 也是靠拨轴在螺旋槽中的轴向移动来实现内外轴之间的相对转动， 但螺旋槽部分在主轴箱体外( 同b h t 4 0 有些类似) ，驱动小滑台在主轴箱 体的后面。 特点：内、外主轴都比较长，结构不紧凑。容易发生螺旋槽部分与前 面的两主轴支承不同轴现象，影响加工精度。但有类同的设计可借鉴，设 计难度低。 用大导程滚珠丝杠、花键或滚珠花键实现。 利用滚珠丝杠的不自锁特性，驱动丝杠螺母，使丝杆转动，带动内轴 相对外轴产生转动。将丝杆与内轴联在一起，丝杠螺母与外轴间用花键或 大直径滚珠花键( 中空) 来连接，把外轴的扭矩传递给内轴。 特点： a 在预紧的情况下，丝杠和花键都可实现无间隙传动，使进、退刀能准 确控制，提高刀具进给系统的刚性。 b 滚珠丝杠的导程越大越好，可提高机械分辨率，减小误差，螺旋升角 越大也越有利于逆传动。但现有的丝杠最大导程一般为4 0 m m ，会使径向进 刀的机械分辨率较大，对活塞加工不利。 c 此种结构只能放在主轴箱体外侧，且内、外主轴的结构也复杂些。 综合比较这几种方案，选择方案，它可使机床的结构紧凑，使机床 不致过长。其结构如图5 - 6 所示，主要由箱体、内轴、外轴、滑动套、径向 进刀驱动系统、前轴瓦、后轴瓦、外轴轴承等部分构成。所用轴承、 1 1 】 见表5 2 。 一3 3 嚣 脚 利 冯h 山东大学硕士学位论文 霎 嘏 澳 暴 州 援 豆 占 固 山东大学硕士学位论文 表5 - 2 序号名称型号数量备注 1推力球轴承5 1 1 1 l p 51g b ，r 3 0 1 9 3 2主轴用角接触轴承7 0 2 2 a c ：p 5d bb1 组洛阳轴承研究所 3 丝杠支承用轴承 7 6 0 2 0 4 t n l p 52 洛阳轴承研究所 4角接触推力球轴承2 3 4 4 2 2 p 5l g b ，r 3 6 2 9 2 5 推力球轴承 5 1 1 0 7 p 5lg b t 3 0 1 9 3 6 双列圆柱滚子轴承 n n 3 0 1 5 k p 51 g b t 2 8 5 9 3 ( 3 ) 径向进刀机构的误差分析 偏心进给编程的简化误差 如图5 5 所示，内外主轴偏心量为e ，刀尖的初始回转半径为r ，；内外 轴相对转过0 后，刀尖的回转半径变为r ，则径向进刀量，= r r ，。其 变化量与小滑台的进给量是非线性的，但数控编程时为了程序的编制、调 整方便，一般是按线性近似处理的。这其中就存在编程加工的系统误差。 参考资料 1 2 1 得知，编程加工的进刀量简化公式为： 简增月= e a 0( 5 - 4 ) 偏心径向进刀机构的精确进刀量为： r e s i n 0 精增月3 2 i 一 ( 5 5 ) n p 简化公式的误差值为： l l = b 精增。简进。i = i 生学一e 口l ( 5 6 ) l 1 、p l 本主轴箱内外轴偏心量为e = 3 m m ，内轴螺旋槽的升角为2 3 7 4 。( 如 图5 7 ) ，此处轴径为日b 4 2 m m ，导程为l = 3 0 0 m m 。当小滑台行程为1 0 m m 时，精确进刀量与简化公式所计算的进刀量之间的误差值计算如下： 粗孔后直径为4 6 8 ，取r i = 2 3 4 ，则r 。= 砰+ p 2 = 2 3 5 9 1 5 m m 目：l o 2 石：三：1 2 。 三1 5 3 5 山东大学硕士学位论文 i a i ：巨! 望堕业一3 。三i ：0 0 0 9 6 m m 。 i 2 3 5 9 1 5 l ，i 即：小滑台在1 0 m m 行程范围内，偏心径向进刀机构的简化误差为 00 0 9 6 m m 。 图5 7内轴螺旋槽展开图 传动误差 小滑台行程的精度。这主要是指步进电机的执行精度及小丝杠的传动 精度。通过选用大扭矩步进电机及带预紧的丝杠，来提高传动系统的刚性 以避免因电机丢步等原因而造成的误差隐患，提高径向进刀机构的重复定 位精度。 内轴相对运动过程中的各种传动间隙，主要是拨轴与内轴螺旋槽间的 间隙，可通过数控系统的间隙补偿功能来消除。 偶然误差