（机械工程专业论文）铁路车辆轮对加工专用设备机电液一体化系统设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第 2页 ab s t r a c t m a c h i n e ry m a n u f a c t u r e t e c h n o l o g y i s a b a s i c w a y o f d e s i g n i n g h i g h - q u a li ty p r o d u c t s ,m a n u f a c t u r i n g p r o d u c t s e n s u r i n g p r o d u c t s q u a l i ty a n d i m p r o v i n g e c o n o m i c b e n e fi t s . wit h t h e g o a l o f m a n u f a c t u r i n g c e r t a in - q u a l i t y p r o d u c t s , i t s a c o m p re h e n s i v e t e c h n o l o g y t h a t s tu d i e s h o w t o p ro d u c e m a c h i n e ry g o o d s w i t h l e a s t w a s t e s , l o w e s t c o s t s a n d h i g h e s t e ff i c i e n c y .ma c h in e ry m a n u f a c t u r e t e c h n o l o g y t r e n d s t o b e fl e x i b l e , a u t o m a t ic a n d e ff i c i e n t , s o , d e v e l o p i n g h i g h - e ff i c ie n c y fl e x i b l e v a r i o u s s p e c i a l e q u i p m e n t s f o r p r o d u c i n g a n d re p a i r i n g r o l l i n g s t o c k i s a b a s i c t e c h n i c a l w o r k w i t h g r e a t im p o r t a n c e t o e n s u re h i g h - s p e e d , s a f e r a i l w a y t r a n s p o r ta t i o n ,i m p r o v e t h e q u a li ty o f r o l l i n g s t o c k m a n u f a c t u r e a n d r e p a i r a n d i n c re a s e p r o d u c t ic e p r o fi t s o f e n t e r p r i s e . f a c in g t h e p r o d u c t i o n ,i n s p e c t i o n a n d r e p a i r , t h i s a r ti c l e , w i t h w h e e l s e ts m a n u f a c t u r e p r o c e s s a s t o p i c , p u t s f o r w a r d a n e w s o l u t i o n m e t h o d o n p r o c e s s i n g 3 - m 2 2 t h r e a d h o l e o n e n d o f a x i s ; i n a d d i t i o n , i t e x p l a i n s m a i n t e c h n i c a l w o r k s u c h a s th e d r a ft o f p r o c c e s s i n g m e t h o d , t h e g e n e r a l d e s i g n o f m a c h i n e t o o l , h y d r a u l i c s a n d e l e c t r i c c o n t ro l , p l c a p p l i c a t i o n a n d s o o n . i t i s o f c e r t a i n p r a c t i c le v a lu e o n p r o d u c t i v e a p p l i c a t i o n . k e y w o r d s r o l l i n g s t o c k w h e e l s e t ss p e c i a l e q u i p m e n t d e s i g n 西南交通大学硕士研究生学位论文第 1页 第 1 章绪论 1 . 1 论文的工程背景 铁路运输是我国国民经济的大动脉， 在社会主义现代化建设中起着非常重 要的作用。 在我国的交通运输业中， 铁道车辆是货运、客运的必备工具，经铁 道车辆运送的旅客及货物约占 全国总 运输童的7 既左右(3 1 ， 对于铁道车辆， 其设 计、制造、修理的质量好坏、效率高低，直接影响铁路运输企业的安全生产和 经济效益。 要优质高效地修造车辆， 一方面要加强管理、 提高企业员工的素质， 另一方面主要依靠科技进步和技术创新， 通过设计、 制造、 改进专用工艺装备， 达到提高车辆修造质量和效率、降低车辆修造成本、改善工人的劳动条件的目 的。新中国 成立后，特别是改革开放以来，铁路各企业、各部门积极开展技术 革新，先后设计、建造了各类专用机械、流水线、自 动线;如转向架、轮对、 制动梁、 钩缓装置、挂瓦、 滚动轴承等检修流水线， 客、货车的中梁、 底架、 侧墙、车体制造和总装的生产流水线;制动缸体、三通阀体、弹簧支柱等加工 自 动线:各种专用的加工机械、装配机械、除锈机械、调修机械、清洗机械、 传送机械等， 使我国的车辆修造技术水平有了较大的提高。 但与世界工业发达 国家相比，还有一定的差距， 铁路车辆在专用机械设备上赶上和超过世界先进 水平、实现铁路现代化的任务，还有许多工作要做。 铁路车辆轮对是车辆的重要部件， 轮对的检修、 制造， 需经过许多道工序， 其加工质量的高低直接影响列车的高速、安全运行，因 此，轮对的相关加工设 备都是铁路企业的重要生产设备. 在轮对轴的制造加工工序中， 轴端同一分布 园上的三个螺孔加工，是铁路工厂 ( 站段)制造、维修轮对的一道重要的加工 工序， 但该加工工序目 前国内 还没有统一的、 标准的生产设备， 各企业基本上 采用通用加工设备、配以部分工艺装备对轴端螺孔进行加工，因此，在加工质 量、生产效率、劳动条件等方面存在诸多问题，同时也造成铁道部驻厂验收室 与车辆厂 ( 段)在车轴验收上经常发生纠纷，影响了生产的有序进行，对列车 的高速、安全行驶构成隐患，成为车辆厂 ( 段)迫切需要解决的问 题。 论文作者在铁路工厂、站段进行实习与调研时了解到了这个情况，在经过 了 进一步的调查了解、查阅了 有关的文献和资料、深入分析和与现场技术人员 进行了 商讨的基础上， 提出了 铁路车辆轮对轴端螺孔加工解决方案， 与企业签 订了技术开发服务协议， 设计、制造了专用机床，参加了该项目 的产品设计、 加工制造、安装调试、试生产与验收等全部工作环节， 承担并完成了大部分的 技术工作，本论文就是在这样的工程背景下完成的。 1 . 2 论文的主要内容 组合机床一般是根据和用户签订的合同进行设计、 制造的。 合同中规定了 具体的加工对象、 加工内 容、 加工精度、生产率要求等主要设计原始依据。 组 合机床设计步骤大致如下: 西南交通大学硕士研究生学位论文第 2页 1 .调查研究 调查研究的主要内容包括认真阅读被加工零件图， 研究其尺寸、形状、材 料、 硬度、重量、加工部位的结构及加工精度等;了 解用户原来生产所采用的 加工设备、 刀具、 切削用童、 定位基准、 夹紧部位、 加工质量、 精度检验方法、 生产率等; 研究分析合同，查阅、 搜集和分析国内外有关的资料， 吸取先进的 科学技术成就， 取得可靠的设计依据。 2 .总体方案设计 总体方案设计的主要内容包括制定工艺方案 ( 确定零件在组合机床上完成 的工艺内容及加工方法，选择定位基准和夹紧部位，决定工步和刀具种类极其 结构形式， 选择切削用量等) 、 确定机床配置形式、 主要部件的结构选择等。 总 体方案设计的具体工作是编制“ 三图一卡” ， 即绘制被加工零件工序图、 加工示 意图、机床联系尺寸图、生产率计算卡。 3 .技术设计 技术设计就是根据总体设计已确定， 三图一卡” ， 设计机床各专用部件总图 ( 如夹具、 多轴箱等装配图) 、 液压系统原理图和电气控制原理图等。 在设计过 程中，对总体方案设计中初定的数据、结构等作相应的调整和修改。 4 .工作设计 完成技术设计并通过审查后， 即可开展工作设计，即绘制各个专用部件的 施工样图、 编制各部件零件明 细表、 编写设计计算说明书、机床使用与维护说 明书、 5 .生产制造 生产制造主要包括按照施工样图 进行零件加工、组织外协件生产、 通用零 部件采购、机床装配、调试等。 6 .现场安装、 精度检验、 试生产、 验收交付等 设计图纸完成后，设计人员要参加机械的制造装配和试验鉴定的全过程. 通过实践的检验，发现问题解决问 题， 修改设计错误。 只有把设计的机械设备 制造成功了，经过试验鉴定合格， 交付使用单位投入生产了，设计工作才算基 本完成。 因此，一个完整的组合机床设计、 制造项目 ，其研究的技术工作涉及面较 广，工作童较大，综合性与实践性较强。由 于时间和篇幅的原因，本论文仅对 总体方案设计和技术设计进行了 分析与论述，主要内容包括工艺方案分析与设 计、 三图一卡设计、 主轴箱设计、专用刀具与夹具设计、液压传动设计、电 气 控制设计等主要技术问 题，并对本项目 的实际应用情况、存在的问 题、改进的 方向、可编程序控制器在本项目中的应用等进行说明与展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第 3页 第2 章工艺方案拟订 2 . 1 车轴滚动轴承轴箱结构分析 随着我国铁路运输事业的发展，滚动轴承在铁道车辆上得到了越来越广泛 的应用，采用滚动轴承轴箱装置是铁路车辆技术现代化重要措施之一，采用滚 动轴承后， 显著地降低了车辆起动阻力和运行阻力，在牵引力相同条件下，可 以提高牵引列车的重量和运行速度。 经验证明:采用滚动轴承，列车起动阻力 约降低8 5 % 。当 速度为3 0 , 6 0 , 7 0 k m / h 时，运行阻力分别降低1 8 % , 1 2 % , 8 % , 并且改善了 车辆走行部分的工作条件， 减少了 燃轴等惯性事故，减轻了日 常养 护工作，延长检修周期，缩短检修时间，加速车辆的周转，节省油脂降低运营 成本，尤其是在技术上对提高列车牵引重1t 和运行速度关系重大，具有良好的 技术经济效益。所以新造客车都采用了滚动轴承，对旧有客车也改造成为滚动 轴承轴箱: 新造货车也已大量采用滚动轴承。图1 为r d 3 型车轴滚动轴承轴箱 装置结构图。 1 、车轴;2 、防尘挡圈:3 、毛毡; 4 ,轴箱后盖; 5 , 4 2 7 2 6 轴承:6 , 1 5 2 7 2 6 轴承;7 、压板: 8 、防松片:9 ,螺栓;1 0 、 轴箱盖:1 1 、轴箱体。 图1 r d 3 型车轴滚动轴承轴箱装置结构图 西南交通大学硕士研究生学位论文第 4页 它用于2 0 6 型、 2 0 9 型等客车转向 架上，为无导 框式。 该轴箱装置由 两个 单列向心短圆柱滚子轴承 -前轴承 ( 1 5 2 7 2 6 t ) 6 与后轴承 ( 4 2 7 2 6 t ) 5 , 轴 箱体1 1 、防尘挡圈2 、毛毡3 、轴箱后盖4 、压板7 、防 松片8 ,螺栓9 和轴箱 盖1 0 等组成， 轴端有三个螺栓孔， 配以一块压板和三 个m 2 2 的螺栓及防松片来 固定轴承。 前后轴承的内圈与轴颈采用过盈配合。 将内圈放在高频电感应炉中加热， 待加热温度为1 0 0 1 3 0 0 c 时，再将膨胀后的内圈套在轴颈上，冷却后与轴颈 紧固成一体。轴承外圈、滚子连同保持架一起装在轴箱体内，外圈与轴箱体为 滑动配合。 轴箱体为铸钢件，内 孔为贯通式圆筒形。 防尘挡圈又称防尘板， 安装在车 轴防尘板座上， 与车轴过盈配合， 用以横向固定4 2 7 2 6 t 轴承内圈， 并防止污秽、 雨水侵入轴箱和甩油。 轴箱后盖为 铸钥件， 孔内 开有梯形槽，槽内 装毡垫， 毡 垫和防尘挡圈配合起密封作用。轴箱盖为铸钢件，起密封作用，并便于检查轴 承。盖口凸边插入轴箱孔内，用以止挡前轴承外圈。轴箱内其他零件，如防尘 挡圈、压板、防松片、螺栓等都是用来由前向后地依次固定前轴承内圈，防止 轴箱脱出。 2 . 2 车辆轮对技术条件分析 轮对由一根车轴和两个相同的车轮组成，在轮轴配合部位采用过盈配合， 使之牢固地结合在一起，为保证安全，车轴和车轮之间 是绝不允许有任何松动 的。轮对承受车辆的全部重量，且在负重的条件下以 较高的速度引导车辆在钢 轨上行驶， 同时还承受着从车体、 钢轨两方面传递来的其他各种静、 动作用力， 受力较复杂。 轮对的质t直接影响列车的运行安全， 是车辆走行部的关键部件 之一，因此， 在新造、厂段修及运用中， 对其都有严密的技术要求和严格的管 理制度. 铁道车辆用 轮 对按 照车 轴、 车轮及车辆种 类进 行分 类， 共分1 3 种u ) . 其 中货车用滑动轴承车 轴轮对四 种，货车用滚动轴承车轴轮对四种，客车用滚动 轴承轮对五种。轮对类型的具体标记见表1 , 轮对类型表 1 轮对类型代号轮 对 名 称i 车 轴 型 式轮 径( 二)1 装 用 轴 承 型 式 班 卜 一 一8 4 0 b货车h b 型轮对 b 8 4 0 滑动轴承 h c -8 4 0 c货车h c 型轮对 c 刊一一泊4 加货车h d 型轮对d h e -8 4 0 e货车h e 型轮对 e 滚动轴承 h r b z - 一一8 4 0 b货车h r b 2 型轮对r b z h r c 2 - 一 一 一8 4 0 c 货车h r c 2 型轮对 r c 2 h r d z -8 4 0 d货车h r d 2 型喇s 对 r d 2 h r e r - - - - 8 4 0 e货车h r e z 型荆k 对 一 r e z k r c 3 一一- 9 1 5 c 才 货 车k r c 3 型荆 全 对 一 r 。 9 1 5滚动轴承 k r d 3 -9 1 5 d 卑货车k r d 3 型 荆5 t r d s 西南交通大学硕士研究生学位论文第 5页 k r e 3 -一一- 9 1 5 e 货车k re3 型轮对 r e 3 k r c 4 一一- 9 1 5 c货车k r c 3 型轮对 r c 4 k r d 4 一一- 9 1 5 d 货车k r d 3 型轮对 即弓 轮对基本尺寸见表2 及图2 0 单位:。轮对基本尺寸表 2 ; et h e 几 轴颈 直径 d 轴全长 li 轴颈 中心距 l 2 螺孔尺寸 与精度 分布园轮对 质量 翔k g h b -8 4 0 b1 0 82 1 4 01 9 0 6 一 9 3 5 h c - 8 4 0 c 1 2 7 2 1 9 7 1 9 3 0 一 1 0 3 6 h d - 一一8 弓 o d1 4 52 2 4 81 9 5 61 1 1 0 h e -8 4 0 e1 5 5 2 3 0 4 一1 9 8 1 1 1 7 6 h r b z 一 一 一 8 4 0 b 一 1 0 02 0 6 2 1 9 0 5 1 一3 -00 -6 h中6 49 2 4 h r c 2 -一 一 一8 4 0 c1 2 02 1 1 01 9 3 03 - m 2 2 -6h中8 51 0 1 9 h r d 2 - 一 一 8 4 0 d 1 1 3 0 1一2 1 4 6 1 9 5 63 - - h 2 2 -6h中81 0 8 4 h r e r一 一8 4 0 e1 5 0 2 1 6 6 1 1 9 5 6 1一 3 - 1 42 4 -6h一( 1 0 0 ) 1 1 4 6 k r c 3 一一- 9 1 5 c1 2 02 1 1 01 9 3 03 - n 2 2 -七h小8 51 0 9 3 k r d ， 一 一 - 9 1 5 d f 1 3 0 12 1 4 61 1 9 5 6 1一 3 - 1( 2 2 -6 h 今 8 5 1 1 5 9 k r e 3 -9 1 5 e1 5 02 1 4 61 9 5 63 - m 2 4 - 6 h中1 0 0 1 2 1 7 k r c 4 一 一 - 9 1 5 c 1 2 0 2 2 7 01 9 3 03 -a 1 2 2 -6h中 11 1 0 3 k r d 4 - -9 1 5 d 1 3 0 2 2 8 61 9 5 6 一 3 - 6e 2 2 - ,6 h一 b 8 5 1 1 7 4 轮辆宽度b = 1 3 5 m m ,轮对内侧距l = 1 3 5 3 士 2 ( m m ) ， 货车轮径)8 4 0 m m ，客车轮径d = 9 1 5 m m o 丰 图2 h r b 2 , h r c 2 , h r d 2 , h r e 2 , k r c a , k r d 3 , k r f a 型轮对 根据铁道部标准t b 4 5 0 - - 8 3 ，在轮对的车轴两端面有中心孔，便于轮对在 西南交通大学硕士研究生学位论文第 页 机床上进行装卡及加工:车轴采用优质碳素钢锻压成型， 经过热处理 ( 正火， 或正火后再回火) 和机械加工制成。 轮对制造、 修理工艺包括一系列加工工序中，轴端3 -m 2 2 的螺孔加工 是其中的一道重要工序，其加工技术条件是: 1 .三个螺孔尺寸为m 2 2 ,精度为6 h ，均布在4 5 8 5 的圆周上; 2 . 三 个 螺 孔 的 位 置 度 匝 区 亘 型， 平 行 度 团 逐 一亘 m， 表 面 粗 糙 度1 2 . 5 。 二 ; 3 .螺纹底孔长5 5 .s m m ,螺孔长4 0 . x m m ， 表面粗糙度r a 2 5 v n ，孔端倒角1 2 0 0; 4 . 文献 4 第5 . 9 . 4 . 4 条规定: 轴端螺栓孔及轴端螺纹必须进行检查， 螺纹有 损伤或滑扣时，累计不得超过3 扣 ( 不得 连续) 毛刺必须清除:螺纹磨损 时，必须用止规测试，在具端面5 扣以内必须止住，并且止规不得有明显 晃动 ( 手试) 。文献 4 第5 . 9 . 4 . 5 条规定: 轴端螺栓孔不能使用时，允许 将原螺栓孔堵焊，并移位6 0 0加工。轴端螺栓孔只允许移位加工一次。轴 端螺纹不能 使用时，该车轴不再使用。 从上述轴箱装置结构图和加工要求分析来看， 压板通过轴端3 个m 2 2 螺孔 来固定滚动轴承，因此， 对轴端3 个m 2 2 螺孔的 尺寸精度、相互位置精度以 及 表面粗糙度的加工要求都是比较高的.同时，由于轴端螺栓孔只允许移位加工 一次。 轴端螺纹不能使用时，该车轴不再使用 ( 一 根车轴的价格约一万元人民 币) ，所以， 要求加工质盆稳定、可靠， 废品率低， 在生产现场 ( 柳州铁路车轮 厂、广州车辆厂)了解到，轴端3 -m 2 2 螺孔加工存在如下问题: 1 .加工设备陈旧，自 动化程度低， 工人劳 动弼 度大: 2 .螺纹底孔仅经过一次钻孔，表面质it差， 且图纸要求的1 2 0 。 倒角未加工; 3 . 加 工 后 ， 3 - m 2 2 螺 孔 位 置 度 画夔吻不 能 保 证 ; 4 . m 2 2 螺纹丝锥强度低， 易折断; 且攻出的娜纹牙形不饱满， 用止规测试在螺 纹全程均止不住; 2 . 3 工艺方案设计 专用机床的总体设计要注重工件及其加工的工艺分析， 只有制订出 先进合 理的工艺方案， 才能设计出先进合理的专用机床。 根据指定的加工要求，提出 若干个工艺方案， 择其佳者。工艺方案的 确定决定了 专用机床的结构、 性能、 运动、传动、布局等一系列问题，所以，工艺方案设计是专用机床设计的重要 环节。 2 . 3 . 1 专 用机床方案选择 机械加工专用机床， 主要是指专用的 金属切削加工机床. 在机械制造业中， 金 属 切 削 机 床占 机 械 设 备 总 台 数 的5 0 % 7 0 96 ， 它 所 负 担 鲍 工 作 f 约占 一 半 左 右， 其中有3 0 96 - 5 0 % 的工作t是由专用机床来完成的，同时， 机械加工方法是 机电产品及另部件生产的主要方法，且机械加工质f又是提高整个产品质f的 关键。因此，专用加工机床的开发、设计，是机械制造行业一项非常重要的工 一一-一一一 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第 7页 作。铁道车辆生产也不例外，而且又是以 平面和孔的加工工作量为大，更应重 视多 轴钻床和专用铣床的设计工作。目 前机械加工专用机床设计的最好方式就 是采用组合机床的设计方式， 用组合机床基本上可以 解决铁道车辆机械加工问 题。所以，这一设计方法正在铁路部门的厂、段广泛应用。 组合机床是根据工 件加工需要，以 大量通用部件为基础，配以少t专用部件组成的一种高效专用 机床。具有如下特点: 1 .生产率高。因为工序集中，可多面、多工位、多轴、多刀同时自动加工; 2 .加工精度稳定。因为工序固定，可选用成熟的通用部件、 精密夹具和自 动 工作循环来保证加工精度的一致性; 3 .研制周期快，便于设计、 制造和使用、维护; 4 . 自 动化程度高，劳动强度低; 5 .配置灵活，可按工件或工序要求灵活组成各种类型的 组合机床及自 动线， 易子改装，产品 或工艺 变化时，通用部件还可以 重复利用: 6 .使用稳定，结构紧凑， 机床费用低。 对于轴端3 -m 2 2 螺孔的加工，由 于产品已 定型， 生产批量较大，加工要 求较高， 所以必须采用专用机床来进行生产， 同时， 由于没有复杂的轮廓外形， 无须精确的运动轨迹，又是针对多孔加工，因此，采用组合机床来进行加工是 较适宜、理想的专用机床生产方案 2 . 3 . 2加工方法选择 对位于轴端同一个分布圆上的3 -m 2 2 - - 8 h 的螺孔加工，一个加工方法是 “ 钻孔 扩螺纹底孔倒角 次攻螺纹 二次攻螺纹” 另一个加工方法 是“ 钻孔扩螺纹底孔倒角 挤压螺纹”两个加工方法的区别在于螺纹的 加工，方法一为常规工艺，采用通用的攻螺纹丝锥切削螺纹， 缘纹加工质t和 生产效率较低，刀具采购供应方便，价格较低，方法二为近年来广泛使用的新 工艺，采用专门设计的挤压丝锥挤压螺纹，螺纹加工质f和生产效率较高。从 技术的先进性和生产的 优质高效， 在与用户充分协商后， 选定轴端3 -m 2 2 -6 h 螺孔加工工艺方案为: 即首先用通用标准麻花钻粗加工螺纹底孔， 然后用专用的扩孔一倒角复合 钻精加工螺纹底孔并倒角， 最后用专门设计的挤压丝锥一次挤压成型螺孔， 每个 丝锥带一个攻螺纹靠模， 由 靠模实现进给， 由 攻姗纹行程控制机构实现攻丝行程 控制。该工艺方案的优点是: ( 1 ) 经过扩孔加工， 纠正了 钻孔时孔轴线的歪斜，降 低了 孔的表面粗糙度. 螺 纹底孔质量较高: ( 2 ) 孔端经过倒角， 既符合t b 4 5 0 -8 3 图纸加工要求， 又便于加工螺纹时挤压 丝锥的倒入; ( 3 ) 螺孔经一次挤压成型， 而非切削成型， 在螺孔加工部位产生塑性变形， 是 无屑加工，螺纹强度大; 一-一一一. -一一- . 一一一 一一 一一一一_ 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 8页 ( 4 ) 专用的挤压丝锥结构上不同 于一般的攻丝丝锥，由于是无屑加工， 因此挤 压丝锥无排屑槽，刀具强度、刚度好，不宜扭断: ( 5 ) 一般攻丝丝锥攻螺纹时， 需两次进给攻丝， 挤压丝锥一次挤压成型， 生产 率高。 2 . 3 . 3 确定机床总体布局 根据上述确定的加工工艺方案， 按照工序集中程度和生产批量大小， 机床 总体布局主要有如下配制型式: 1 .单工位加工机床 如图3 所示为单工位顺序加工式组合机床。 通过工件的移动或回转， 每个 工位分别完成钻孔、 扩孔与倒角、 挤压螺纹加工工序， 各自 采用独立的动力头， 这种方式组成灵活，结构简单，由于单工位加工，且需要重复定位，故生产率 较低。 钻孔 一 扩孔倒角一 挤丝 一 卜 - 一 扩孔倒角 钻孔挤丝 任 正 泪 三匡垂奎al 琪重 - ( a ) ( b ) 图3单工位顺序加工式组合机床 2 .转塔动力箱式组合机床 转塔动力箱式组合机床如图4 所示: 通过带有不同工艺性能的转塔动力箱， 实现对工件的 顺序加工，转塔动力箱具有主切削运动和转塔的 转位运动，车轴 安装在回转工作台上实现双面加工。 这种方式夹具和工件按加工过程顺序移动 或转动，转塔各工位主轴顺序加工， 工件一次安装可完成全部工序，生产率较 高，也减少了 机床台数和生产占 地面积， 转塔的回转精度与定位精度，加工精 度高。 西南交通大学硕士研究生学位论文第 9页 图4转塔动力箱式组合机床示意图 3 .多工位双面卧式组合机床 多工位双面卧式组合机床如图5 所示: 工件在工作台安装定位后， 动力部 件在工作台两面对工件进行双面、 顺序加工，这种方式需s 台液压滑台和s 个 主轴箱，设备投入大，生产占地面积大， 但生产率高。这种方式若配合工作台 的移动和精确定位， 可以组成组合机床自 动线， 则自 动化程度和生产率均很高。 挤丝 钻孔 e 0 j e e 一 一 一 l- - j 1 一一 _ _ 习 一 一 挤丝 三 幸 渔 习 扩孔侧角 图5多工位双面卧式组合机床 4 . 双面卧式组合机床 双面卧式组合机床如图6 所示:工件安装在机床的固定夹具里， 夹具和工 件固定不动， 动力滑台实现进给运动， 滑台 上的动力箱连同主轴箱实现切削主 运动，通过快速换刀接杆，钻孔和扩孔、倒角两个工位共用一个动力滑台和一 个主轴箱， 其特点是:适宜大型工件加工，夹具和工件固定，一次安装只能进 行一次加工，辅助时间长，生产率不如多工位机床高，生产占 地面积小。 通过 与使用单位的商定，最终选定了这种机床总体布局形式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第 1 0页 图6双面卧式两工位组合机床示意图 根据上述选定的“ 钻孔扩螺纹底孔、倒角挤压螺纹孔” 加工工艺 和双面卧式两工位机床布局结构，可拟订轮对轴端 3 一一 m22螺孔的加工过程 是: ( 1 )先用天车将轮对吊至铁轨上一一 ( 2 )由顶升油缸上升将轮对顶升 至加工位一一 ( 3 ) 定位油缸驱动夹具将轮对定位一 ( 4 ) 顶升油缸落下带动 夹紧机构将轮对夹紧一- - ( 5 ) 钻孔工位动力头钻孔一一 ( 6 ) 钻孔工位动力头 退回一 ( 7 )换扩孔、倒角复合钻一一 ( 8 )钻孔工位扩孔、倒角一一 ( 9 ) 钻孔工位动力头退回一( 1 0 ) 顶升油缸上升将轮对托住一 ( 1 1 ) 定位油缸 解除定位一 ( 1 2 ) 轮对回转1 8 0 0一 ( 1 3 ) 定位油缸驱动夹具将轮对定位 一 ( 1 4 ) 顶升油缸落下带动夹紧机构将轮对夹紧一 ( 1 5 ) 钻孔工位换钻头 一一 ( 1 6 ) 钻孔工位动力头钻削另一端孔 一( 1 7 ) 钻孔工位动力头退回 一一 ( 1 8 ) 换扩孔、 倒角复合钻一一 ( 1 9 ) 钻孔工位对轮对另一端扩孔、 倒角一一 钻孔工位动力头退回一( 2 0 ) 挤丝工位动力头挤丝一 ( 2 1 ) 顶升油缸上升 将轮对托住一 ( 2 2 ) 定位油缸解除定位一一( 2 3 ) 轮对回转1 8 0 。 一一( 2 4 ) 定位油缸驱动夹具将轮对定位一一( 2 5 ) 顶升油缸落下带动夹紧机构将轮对夹 紧一一 ( 2 6 ) 挤丝工位动力头对轮对另一端挤丝一- - ( 2 7 ) 顶升油缸上升将轮 对托住一一 ( 2 8 ) 定位油缸解除定位一 ( 2 9 ) 顶升油缸下降， 落下轮对一一 ( 3 0 ) 天车把轮对吊 走。 一一-一一一一 - 一一一 西 南 交 通 大 学 硕 士 研 究 生 学 位 i t 3 c 第 n 页 第3 章组合机床总体设计三图一卡绘制 组合机床总体设计， 就是根据拟订的工艺方案， 在选定加工方法和机床总 体布局结构的基础上绘制组合机床“ 三图一卡” ， 进行组合机床总体方案图样文 件设计，其内容包括:绘制被加工零件工序图、加工示意图、机床联系尺寸图 和进行机床生产率卡计算。 3 . 1 被加工零件工序图 被加工零件工序图是根据制定的工艺方案，表示所设计的组合机床上完 成的工艺内 容， 加工部位的尺寸、 精度、 表面粗糙度及技术要求， 加工用的定 位 基 准、 夹 压 部 位以 及 被 加 工 零 件的 材 料 、 硬 度 和 在 本 机 床加 工 前 加 工 余 量 、 毛胚或半成品情况的图样。 是组合机床设计的具体依据， 也是制造、 使用、 调 整和检验机床精度的 重要文件。 本专用机床以r c 2 , r d 2 , r c 3 , g b 1 2 8 1 4 一 一 9 1 的规定， 按照上述要求 r d 3 型车轴加工为对象进行设计，根据 ，可画出车轴加工工序图，如图7 所示。 3 53 上 已 1.2 .5 图7加工工序图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 1 2页 轮对工序图简要说明及与本机床设计有关的 其他技术指标如下: 1 . r c 2 型车轴理论重量2 3 2 k g ， 车轴材质机械性能: 抗拉强度。 b = 5 4 9 - 5 9 8 m p a , 硬度h b = 7 5 0 ，延伸率8 ,2 2 % ，冲击值: k - 3 9 -5 9 ;车轮直径d ) 8 4 0 m m ，重 量3 4 8 k g ; 2 .定位基准:车轴轴心线是车轴径向尺寸的设计基准，同时两端都按 g b 1 4 5 -8 5的规定设计了带护锥的中心孔，因此加 定位，即选择设计基准为车轴加工的定位基准; 工时两端用顶尖将车轴顶起 3 ，夹紧部位:设计专用的夹紧机构，在轮辆侧面夹紧车轴 轴轴心线较远，所以夹紧力矩较大， 夹紧效果较好: ，由于夹紧点距车 4 .本机床需要保证的加2尺寸有: 5 5 x 0 , 4 r , 3 x 1 2 0 0，中8 5 ,螺孔形位 公 差 为 匝 逐 亘 更 和 必 互 一亘 羽 加 工 表 面 粗 糙 度 r a 1 2 . 5 2 5 p m . 3 . 2 加工示意图 加工示意图 是表达工艺方案具体内 容的机床工艺方案图， 是设计刀具、 夹 具、 主轴箱和液压、 电 气系统以 及选择动力部件、 绘制机床总联系尺寸图的主 要依据; 是对机床总体布局和性能的原始要求; 也是调整机床和刀具的重要技 术文件。 加工示意图表达的主要内容有:机床的加工方法，切削用量，工作循环 和工作行程; 工件、 刀具、 夹具及主轴箱之间的相互行程及其联系尺寸; 主轴 结构类型、尺寸及外伸长度;刀具类型、数量和结构尺寸 ( 直径、长度) ;接 杆、攻螺纹靠模装置的结构尺寸:刀具、 接杆、 主轴之间的连接方式及配合尺 寸等。轴端3 -m 2 2 -6 h 螺孔加工示意图如图8 所示。 加工示意图简要说明如下: 1 .钻孔、 扩孔与倒角加工:均采用组合机床左端的动力头，主轴选用标准通 用部件2 5 t o 7 2 1 -4 1 ( 通用钻削类主轴)， 接杆选用9 -2 5 0 t 0 6 3 5 -4 1 型9 号接杆， 度ho w， 伸出长度1 2 0 m m ; 2 .挤丝加工: 采用组合机床右端的动力头， d / d = 3 8 / 2 6 , w-主轴箱端面1 1 5 m m , 总长2 3 0 m m , 插入主轴孔部分的 长 挤丝主轴选用 3 5 t o 7 2 1 -4 1 ( 通 用攻螺纹主轴) ， d / d = 5 0 / 3 6 ， 距主轴箱端面7 5 m， 挤丝靠模选用2 . 5 t 0 2 8 2 型4 号，挤丝接杆选用8 -1 8 x 1 7 0 t o 2 8 6 - 0 1 型接杆: 3 .钻孔选用g b 1 4 3 9 - 一 一 8 5 锥柄长麻花钻， 柄部为莫氏2 号， 钻头直径。 1 8 m m , 总长l 2 6 0 m m ;主轴转速n = 1 9 9 r / m i n ， 进给f f = 0 . 3 m m / r 4 .扩 孔 与 倒 角 选 用 专 用 扩 孔 、 倒 角 复 合 钻 ， 切 削 用 f 与 钻 孔 相 同 ;_ 5 .挤丝设计专用的挤压丝锥，切削用f为主轴转速n = 6 8 . 8 4 r / m i n ， 进给量 m . 5 mm/ r . 3 . 3 机床联系尺寸图 机床联系尺寸图是用来表示机床的配t形式、主要构成及各主要部件安 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 1 3页 装位置、 相互联系与尺寸、 运动关系和操作方位的总体布局图， 也是机床总体 外观简图。 机床联系尺寸图 表达的主要内容有: 主要部件的外廓形状和相关位 置; 运动部件的运动极限位置、 工作循环、 工作行程及前后行程备量尺寸; 主 要通用部件的规格代号 和电 动机的型号、 功率及切削用量等。 机床联系尺寸图 如图9 所示。 机床联系尺寸图简要说明如下: 1 .动力部件选用h y 4 0 b w -d / 4 0 0 液压动力滑台( 豫西机床厂生产) ，其主要 技术指标为: 滑台面尺寸 ( 皿) : 长x宽x高 最大行程长度 ( m m ) 油缸最大进给力 ( n ) 工作进给速度范围 ( 恤加i n ) 快速进给速度 ( m m / m i n ) 动力箱电动机功率 ( k w ) 动力箱电 动机转速 ( r / m i n ) 动力箱输出轴转速 ( r / m i n ) 油泵电动机功率 ( k w ) 2 .主要部件联系尺寸 特制中间底座 ( 二) : 长x 宽x 高 专用机床夹具 ( m m ) : 长x 宽x 高 定位液压油缸 ( 2 号油缸) 行程l 0 0 m m , 顶升、夹紧液压油缸 ( 1 号油缸) 行程 3 .本机床总尺寸长x 宽x 高 ( m m ) : 总重量 ( k g ) 8 0 0 x4 0 0 x 1 3 0 0 4 0 0 2 6 0 0 0 3 . 8 -3 1 8 0 5 0 0 0 5 . 5 9 6 0 4 8 0 3 2 8 3 0 x6 0 0 x 5 6 0 2 8 3 0 x6 0 0 x5 6 0 定位伸缩距离2 0 -3 0 m m , 1 l o m m ，型号9 0 x1 1 0 t 5 0 3 6 -1 1 6 3 2 4 x7 4 0 x1 3 1 7 约 5 0 0 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第 1 4页 田被喂日匕长 a . 晶 、 s 二1 、 口 )哪 注 月 - 一 礴一 s 压 l . ( 红 i砚 擎 蕉 葺 毛 与 萝s 一 ! _ _ l 一 - 一 土 徽i - 一 幽乙 孵 : 一 翩盘 ! 、 l一亘 巨 方， 门 产 ，卜 丁 1 i压 西南交通大学硕士研究生学位论文第 1 5页 田节吠碱群送扁 西南交通大学硕士研究生学位论文第 1 6页 3 . 4 生产率计算卡 机床生产率计算卡反映实际生产率、切削用量、动作时间、负荷率等技 术参数。 3 . 4 . 1 理想生产率 理想生产率q( 件/ 小时)是指完成年生产纲领a( 包括备品及废品率) 所要求的机床生产率。 q = a 八 式中:t y全年工时总数 小时) 卉 一 一 一 年生产纲领 ( 件) 一年按2 5 0 个工作日 、每日 按7 . 5 小时计算，则全年工时为1 8 7 5 小时， 年修造2 0 0 0 辆货车 ( 每辆车需4 个轮对) ， 加上5 4 6 的备品 及废品率，则年生 产纲领a 为8 4 0 0 件，所以: q = 8 4 0 0 / 1 8 7 5 = 4 . 4 8( 件/ 小时) 3 . 4 . 2 实际生产率 实际生产率q . ( 件/ 小时) 是指所设计的 机床每小时实际可生产的零件数 量。即: q ,= 6 0 / t , 式中 t , 生产一个零件所需时间 ( m i n ) ，可按下式计算: t * = t r + t ia 式 中， t a = l = a + l + l * a 性d叹 t 一机加工时间 ( m i n ) t-辅助时间 ( m i n ) l 工 。 刀具工作进给长度 ( 柳) l x ji 动力头快进行程长度 ( 咖) l *动力头快退行程长度 ( 恤) v m a -刀具工作进给速度 ( m m 加i n ) v 翻 动力头快进、 快退速度 ( m m / m i n ) 1 .机加工时间t x 计算根据上述公式，分别计算钻孔、扩孔倒角、挤丝的t .: ( 1 ) 钻孔机加工时间t 。 : t a 2 = 2 x ( 6 5 ( 2 ) 扩孔、倒角机加工时间5 9 . 7 t舰 2 2 0 5 +2 7 0 十 一 3 0 0 0 ) = 2 .4 9 ( m i n ) 、 2 = 2 x ( 6 5 +59 .7 2 0 5 +2 7 0 3 0 0 0 ) = 2 . 4 9 ( m i n ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第 1 7页 ( 3 )挤丝机加工时间t 。 ， 几s = 2 x ( 机加工时间总时间t 为: 5 0 2 5 0 +2 5 0 十 1 7 2 . 1 3 0 0 0 ) = 0 .9 1 ( m i n ) t ol = y- t in , = t a n, + t 81 2 + t # 3 古 . 几 = 2 .4 9 + 2 .4 9 + 0 .9 1 = 5 . 8 9 ( m i n ) 2 .辅助时间t 辅助时间t . 是为实现工艺过程所必须进行的各种辅助动作所消耗的时 间。 包括工件装卸、 开停机床、 调整切削用t、 定位和撤消定位、 夹紧和松开、 测量尺寸、 换刀、 工件调头、 清理铁屑等时间， 它取决于工件重量、 工人操作 熟练程度等因素， 按机加工时间的1 : 1 估算，即: t= t # ， 所以: 辅助时间t ,r 5 . 8 9 ( m i n ) 3 .单件时间t , t 草 =t 机十t . 根据计算出 来的 机加工时间t 。 和辅助时间t . 可得出单件时间: t , = 5 . 8 9 + 5 . 9 8 = 1 1 . 7 8 ( m i n ) 4 .实际生产率q t q ,= 6 0 / 1 1 . 7 8 = 5 . 0 9( 件/ 小时) 3 . 4 . 3 机床负荷率 机床负荷率q 等于理想生产率q 与实际生产率q 。 之比，即: n 阅闷， 4. 4 8 / 5 . 0 9 = 0 . 8 8 3 . 4 . 4 生产率计算卡 生产率计算卡表3 被加工零件 名 称i h r d 2 - 8 4 0 d 型 轮 对 盆 f ( k g )一1 1 0 8 4 材 料1 车 轴 钥硬 度一l 工 序 名 称1 轴 端3 一 一 - f2 2 姐 相 龟 孔加工工 序 号1l 序 号 丁步 名称 加工 直径 】 口 口 加工 长度 . 口 工作 行程 口口 切削 过度 目m i n 每分钟 转速 r / m i n 进给t 恤/ r 进给 速度 .加i n 2 a( m i n ) 机 加 工 辅 助 1 口钻孔1 81 5 51 6 51 1 1 . 2 51 1 9 9 0 . 3 ” . 7一1 2 . 4 9 2 . 4 9 2 口扩孔1 2 0 . 0 51 5 56 511 1 3 . 1 61 1 9 9 1 03”. 7 2 . 4 9 2 . 4 9 3 刃挤丝1 2 2 4 05 0 1 4 . 7 6 - - 1 6 8 . 8 4 2 . 51 1 7 2 . 1 1 0 . 9 1 0 . 9 1 各 注 总 计一 1 1 . 7 8 m i n 单 件 工时1 1 1 . 7 8 m i n 机 床 生 产 率一 5 . 0 9 件 / 小 时 机 床 负 荷 率 8 8 % 西南交通大学硕士研究生学位论文第 i :_ 页 第4 章多轴箱设计 多轴箱是组合机床的重要专用部件， 它是根据机床总体设计所确定的工件 加工孔的数量和位置、切削用量等加工要求，安排各主轴位置， 将动力和运动 递给各工作主轴，使之得到要求的转速和转向的动力部件。其动力来自 通用的 动力箱，与动力箱一起安装于