（机械电子工程专业论文）三面镗组合机床的数字化改造.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着机械行业特别是汽车产业的产品更新换代不断加快，生产作业线日趋柔性化， 使得非标机床的使用周期也随之缩短。企业一方面为了产品转型必须新增一些非标机床， 另一方面又不得不淘汰一部分不能适应的非标机床，从而造成资源闲置甚至浪费。为了 企业资产的保值、增值，降低成本，节约资金，在及时引进新技术、新设备的同时，积 极对旧设备进行技术改造，则显的十分必要与迫切。 本文以利用d u 7 7 7 机床的床身、立柱、滑台、立头改造设计成三面镗组合机床为例， 从系列相似被加工零件工艺分析出发，确定了加工工艺参数及加工工艺流程，计算出组 合机床生产率，设计了机床总图，在此基础上，改造设计了立头用动力头，设计了夹具、 刀杆、刀具，根据机床的控制方案，设计了机床液压系统、电气系统，采用s f c 设计方 法设计了机床的p l c 程序。 本文实例设计完成后，立即进行了机床制造、安装及调试。改造后的机床比原机床 精度更高，单件加工时间更短，装卸工件更方便，操作更简单，节约资金6 0 万元，缩短 了项目投产周期，经济效益及社会效益显而易见，其设计方法在实际生产中有广泛的实 用价值。 关键词：组合机床柔性改造设计p l c活动夹具 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm a c h i n e r yi n d u s t r yp r o d u c t s ，e s p e c i a l l yi na u t o m o b i l e i n d u s t r y , t h ep r o d u c t i o nl i n eb e c o m e sf l e x i b l e ，w h i c hs h o r t e n st h el i f ec y c l eo fn o n s t a n d a r d m a c h i n et o o l s t om a i n t a i ne n t e r p r i s ea s s e t sv a l u e ，r e d u c ec o s t ，a n de c o n o m i z ec a p i t a l ，w h e n i n t r o d u c i n gn e wt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t , i ti su r g e n ta n dn e c e s s a r yt om a k et e c h n o l o g i c a l m o d i f i c a t i o nt oo l de q u i p m e n t t h es t u d yi n v o l v e st h ea s s e m b l e db o r i n gm a c h i n et o o lm o d i f i e df r o mt h el a t hb e d , v e r t i c a lc o l u m n , s l i d ea n dv e r t i c a ls p i n d l eo f d u 7 7 7m a c h i n et 0 0 1 i tb e g i n sw i t ha na n a l y s i so f t h es i m i l a rs y s t e mp r o c e s s i n ga c c e s s o r i e s ，t h e nd e t e r m i n e st h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e ra n d p r o c e d u r e ，c a l c u l a t e st h ep r o d u c t i v i t yo f t h em a c h i n et o o l ，a n dd e s i g n st h ea s s e m b l yd r a w i n g t h e nt h es p i n d l e sa r em o d i f i e d ，a n dt h ej i g ，t o o l b a ra n dc u t t e ra r ed e s i g n e d t h eh y d r a u l i c p r e s s u r ea n de l e c t r i cp o w e rs y s t e ma l ed e v i s e do nt h eb a s i s o ft h ec o n t r o l l i n gp l a no ft h e m a c h i n et 0 0 1 t h ep l cp r o g r a mi sp r o p o s e db yu s i n gs f cd e s i g nm e t h o d a f t e rt h et e s tn m t h em o d i f i e dm a c h i n et o o lh a sb e e np r o v e dt oh a v eah i g h e rp r e c i s i o n t h a nt h eo l do n e ，s h o r t e rp r o c e s s i n gt i m e , m o r ec o n v e n i e n ti na s s e m b l i n g , a n de a s i e r o p e r a t i o n i ts a v e sm o n e y , a n ds h o r t e n sp r o d u c t i o nc y c l e ，w h i c hh a sw i d ea p p l i c a t i o ni n m a n u f a c a k r i n g k e yw o r d s ：a s s e m b l e dm a c h i n et o o lf l e x i b i l i t ym o d i f i c a t i o n & d e s i g n p l c m o v a b l e j i g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 l 学位论文作者签名：，；咿f 匆 l 日期：易“年“月彳日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文a 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签薹阜锄功指导教师签名：符峰 日期：刎年届月万日 日期：夕霹r 。月v t e j 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 现代化的大生产使非标机床得到了较为广泛的应用，但也对非标机床的使用周期 提出了严峻的挑战，究其原因主要是机械行业特别是汽车产业产品更新换代不断加快， 生产作业线日趋柔性化。一方面是为了产品转型须新增一些非标机床，而另一方面又不 得不淘汰一部分不适应的非标机床而造成资源闲置甚至浪费。 本文发现尽管产品在不断更新但均有其相似性，因而相应的非标机床也极具有其 相似之处，如果对淘汰下来的部分非标机床进行一些适应性改造，则会使其性能更加优 化且具有投入少、见效快、浪费少的优点。 1 1 课题来源 东风车桥襄樊工厂根据市场需求上马1 3 t 车桥，对于关键零件之一的减速器壳总 成的关键设备如果要外购至少费时八个月、耗资7 8 万元以上，而市场需求非常紧迫。 为了保证新产品的快速推出尽早抢占市场，厂领导决定组织科研人员，利用从减壳一线 弃用的一台组合机床的床身、立柱、滑台、立头改造设计成加工1 3 t 减速器壳总成的三 面镗组合机床，整个设计及制造要求两个月。 1 。2 国内外发展现状 目前国内外一些规模较大组合机床制造厂也在奋力追求大量生产的柔性化。值得 指出的是，大量生产走向柔性化并不意味着传统的组合机床自动线就要淘汰，相反很有 可能在逐渐形成全球制造系统的过程中，由于它在大批量生产中拥有可获得低成本这一 独特的优点而更具生命力。作为机械制造厂都希望得到既有高效率又有高柔性的机床， 从而获得更高的价值和寿命，这也就给大量生产用的柔性组合机床及其自动线开辟了市 场。机床制造厂为了满足用户的这一要求，也致力于研究开发使大量生产实现柔性化的 高效机床。 华中科技大学硕士学位论文 随着生产技术的不断发展，各类生产企业尤其是汽车产业所拥有大量的机械设备， 其中一部分已经落后于当前技术发展的需要，或者由于不断地购入新设备而报废，其每 年淘汰机床设备量初步估计占新备量的2 0 ，也说明了当前汽车发展更新变化很快，过 去几十年不变的模式而现在每4 至5 年就需要更新，这就有必要采取一定的措施，以便 进一步发挥淘涛设备潜在的效能，为生产继续服务。为增强企业竞争能力，一方面要 采用新技术、新工艺、新设备，进行必要的设备更新。另一方面，可以少量的投资、较 小的工作量，对原有设备进行技术改造，及时有效地适应技术发展的要求，更具有现实 意义。随着科学技术的发展及生产上的需求，机械设备改造的内容将越来越丰富，总的 归纳起来有如下几个方面 ( i ) 通过改造提高设备的适应能力 现代产品的格局朝着小批量多品种发展，这就需要设备有较强的适应能力，通过 改造使设备达到一机多用的或经简单调整就能适应新产品的生产。 ( 2 ) 通过改造提高设备生产率 通过减少单件生产时问和缩短产品的制造周期来提高生产率，降低成本，增强市 场竞争能力。 ( 3 ) 通过改造提高设备的使用性能 通过改造提高设备的加工精度；延长设备的使用寿命；方便设备的操作和调整； 使生产更安全可靠。 ( 4 ) 通过改造不断提高设备的自动化水平 近年来广泛采用微电子技术改造设备。如利用数控技术改造旧机床，利用可编程 控制器改造生产线等。另外旧数控机床的再生改造，也将是设备改造的一个重要内容。 总之，设备自动化水平的提高有利于提高生产率，保证加工质量，减轻劳动强度。 1 3 本文的目的和意义 对于某些系列产品，尽管产品不断在更新但均有其相似性，尤其是汽车行业。为 了将新品更快地推向市场，赢得商机，而卡脖子工序极大地阻挡了生产准备的进行。为 2 华中科技大学硕士学位论文 此，系列产品的相似零件的加工机床具有一定程度的柔性对于一些专业厂来讲是很有必 要的。 大批量生产中往往工序需要非标机床，现在工厂所用非标机床应该更准确地说是 组合机床：它是由8 0 k 右的通用零部件组成，它最显著的优点是：在需要的时候可以 将它部分或全部改造，组成适应新品种零件要求的新设备。为了保证国有资产的保值、 增值，节约资金，在及时引进新技术、新装备的同时积极对旧设备进行技术改造，也正 是组合机床可利用的特点，也正是我们改造设计的实际价值。 绿色制造是未来制造业的一项重大指标，机床改造能利用床身、立柱、横梁等大 型铸件，大大降低了为制造这些部件而产生的环境污染。 在改造过程中积极采用p l c 控制、变频调速、数字控制、自动循环等技术，将原 有的组合机床改造成精度更高、功能更全、具有一定柔性、且操作更简单的专用机床是 改造设计的目的所在。 1 4 本文研究内容 本文是将东风车桥襄樊工厂金三车间闲置的一台镗孔车端面机床进行改造设计， 使之改造后的机床能适应8 t 、1 5 t 、1 3 t 系列桥后桥主减壳的三面镗孔与车端面的加工。 其内容有： ( 1 ) 改原来的手动操作为现在的自动循环( 采用p l c 控制) ； ( 2 ) 通过更换不同的随行夹具从而实现不同品种的减速器壳总成的加工； ( 3 ) 原机床的卧式动力头中带镗模座的主轴导向装置改为刚性主轴； ( 4 ) 通过改变主轴转速和工件进给量从而实现粗、精加工。 1 5 本文应解决的主要问题及达到的技术要求 本文应解决的主要问题 ( 1 ) 采用p l c 数控技术，提高自动化程度，减轻工人的劳动强度。 ( 2 ) 改造后使闲置机床得以利用，而且还要实现多品种减速器壳的加工。如：将 华中科技大学硕士学位论文 夹具设计成随行央具与固定夹具，通过更换随行夹具实现相同偏置距3 5 ( 8 t 与1 5 t 、 1 3 t 基本型偏置距) 的不同减速器壳的加工；在两端卧头与滑台之间设置一过渡板。通 过位移过渡板，不仅还可以实现偏置距3 8 的不同减速器壳的加工，而且还可以实现其 它偏是距的不同减速器壳的加工。从而达到一定的柔性加工。 ( 3 ) 改造后的机床与原机床卧式主轴箱相比具有足够的刚性。 ( 4 ) 变一般电机为变频电机，使之能根据工艺要求选定主轴转速。 达到的技术要求 采用自动循环、p l c 须序控制，从而t 单的时间降低到3 分，1 牛； 由于增加了机床的主轴刚性，通过使用变频电机与先进的刀具( 进口的三特维克 刀具) 2 1 和启用大园角刀片，使切削用量较原机床的切削用量有较大的提高； 精度及表面粗糙度满足工艺卡要求。 4 华中科技大学硕士学位论文 2 1引言 2 组合机床的总体设计 机床的总体设计就是针对具体的被加工零件，在选定的工艺和结构方案的基础上， 进行方案图纸设计脚。这些图纸包括：被加工零件工序图，加工示意图、生产率计算卡， 机床联系尺寸图。 2 2 被y n m 零件工序图 被加工零件工序图是根据选定的工艺方案，表示在一台机床上完成的工艺内容的图 纸“1 ，其反映了被加工零件加工部位的尺寸及精度、技术要求、加工用定位基准，夹压 部位、以及被加工零件的材料、硬度和在本机床加工前毛坯情况等参数。它是在原有的 工件图基础上，以突出本机床加工内容，加上必要的说明设计的。它是组合机床设计的 主要依据，也是制造使用时调整机床，检查精度的重要技术文件。本组合机床被加工零 件工序图包括如下内容： ( 1 ) 被加工零件：制件名称1 3 t 后桥减速器壳及差速器壳总成 制件代号$ 2 4 0 2 x z 8 一“o 材料及硬度 q t 4 2 0 1 0 h b = 1 8 0 2 5 0 重量 ( 2 ) 图中符号：一定位基面 i 一夹压点 ( 3 ) 加工余量： 粗镗直径为2 1 1 m 的孔在直径上为3 1 直径为1 7 9 m m 的两孔在直径上为3 m m 精镗直径为2 11 n n n 的孔在直径上为0 5 m m 华中科技大学硕士学位论文 直径为1 7 9 r a m 的两孔在直径上为0 5 m m 。 ( 4 ) 技术要求 a 、本机床加工前应保证： 除方框内尺寸外的其余尺寸； a 平面的不平直度不大于0 0 5 。 b 、本机床保证： 粗镗要求达到精度： 水平两头孔的同轴度为q ) o 1 5 ； 与立头之偏置距3 8 0 1 0 ； 精镗要求达到精度： 水平两头孔的同轴度为中o 0 5 ； 与立头之偏置距3 8 0 0 3 。 6 华中科技大学硕士学位论文 图2 1 被加工零件s 2 4 0 2 x z b 一1 1 0 工序图 7 华中科技大学硕士学位论文 2 3 加工示意图 如图2 1 ，加工示意图是组合机床设计的重要图纸之一，在机床总体设计中占有重 要地位。它是设计刀具、夹具、主轴箱以及选择动力部件的主要资料，同时也是调整机 床和刀具的依据。另外加工示意图要反映机床的加工过程和加工方法，并决定镗杆的长 度、刀具的种类和数量、刀具长度及加工尺寸、主轴长度及伸出长度、主轴、刀具与工 件间的联系尺寸等，根据机床要求的生产率及刀具特点，合理地选择切削用量，决定动 力头的工作循环。下面主要描述加工示意图的编制方法： 2 3 i 刀具的选择 在编制加工示意图的过程中，首先遇到的是刀具的选择，而一台机床刀具选择是否 合理，直接影响到零件的加工精度、生产率和工作情况。因而，正确地选择刀具是一个 相当重要的工作。关于刀具选择的一般原则吲：对于铸铁件有铸孔的加工一般情况下采 用粗镗和精镗( 双刀) ，在加工壁厚不大的情况下使用硬质合金刀片，粗镗采用多齿刀， 其加工粗糙度可达6 3 ；孔问位置精度可达0 5 0 一0 1 0 ；分别由两根镗从两端加工 时，孔的不同轴度可达到0 0 6 一- t - o 1 0 。精镗采用双刀，其加工粗糙度可达1 6 ，孔 阿位置精度可达0 5 0 一0 1 0 。分别由两根镗从两端加工时，孔的不同轴度可达到士 0 0 3 一o 0 5 。刀尖圆弧半径范围为o 2 、o 4 、0 6 、0 8 、1 0 、1 2 、1 4 、1 6 、2 0 。 为了使单件节拍在3 分钟以内，必须使用大的走刀量，因此选择大刀尖圆弧半径2 o m m 。 2 3 2 工序间余量的确定 工序间的余量采用工艺卡上所给加工余量，粗镗单边余量1 5 m m ，端面加工余量3 m m ； 精镗单边余量0 2 5 m m ，端面加工余量0 5 m m 。 2 3 3 导向结构的选择 组合机床上加工孔时，除用刚性主轴加工的方案外，其尺寸和位置精度都是依靠夹 具导向来保证的。如何正确选择导向机构，确定导向的参数和精度，是组合机床的重要 8 华中科技大学硕士学位论文 内容，也是设计加工示意图时要解决的问题。原机床采用前后导向镗模座机构造成机床 结构复杂、庞大，因为孔距较近，安装导向也不方便；由于导向直径较大，镗削速度较 高9 8 m m i n ( 后面说明) ，从而引起镗杆与滑套摩擦发热而变形，产生憋死现象；同时 由于导向润滑不良和细切屑进入，而使镗杆与导套咬死。由于上述原因造成导向精度早 期走失，不利于加工精度的保证。对于类似这样大直径又有较高精度要求的缸孔、大壳 孔的加工，机床一般应采用立式刚性主轴结构，而不是采用滑套导向系统。在此改造设 计中将滑套导向系统去掉改为刚性主轴。 2 3 4 切削用量的确定 根据“组合机床切削用量的选择”，再结合使用大半径刀尖刀片及先进的刀片材质， 考虑到此机床新为新品，调试过程中既要兼顾粗镗，又要兼顾精镗。因此在选择机床主 轴转速时选择粗镗转速上限，精镗转速下限即1 8 0 转分，转速的变化使用变频调速电 机；粗镗走刀量选择0 6 7 m r ，精镗走刀量选择0 1 8 m m r ，走刀量的变化通过机械滑 台来实现；粗镗切削深度工艺卡给定单边1 5 m m ，精镗切削深度工艺卡给定单边0 2 5 r a m 。 2 3 5 动力头工作循环及其行程确定 动力头工作循环一般包括工作台快进、工进( 工作进给) 、快速退回等动作，但有时 还要有中间停止、多次往复进给以跨越进给等。这是根据加工工艺具体需要来确定的。 2 3 6 工作进给长度的确定 组合机床上的第一工作进给和第二工作进给之分。本机床第一工作进给是用于镗孔， 当第一工作进给镗孔之后，需要车端面、倒角，则采用第二工作进给。 工作进给长度应等于被加工部位长度与刀具切入和切出长度之和，也就是被加工部 位长度与前备量和后备量之和。动力头工作进给的长度是按照孔加工长度来选项取的， 既卧头5 8 珊、立头5 5 姗。第二工作进给常常比第一进给要小得多，有条件时，应力求 做到转入第二工作进给时，除车端面和倒角外，其余刀具都应该离开加工表面，不再切 削。否则，将降低刀具使用寿命，且破坏己加工的表面；而刀具切入和切出长度都取 9 华中科技大学硕士学位论文 1 0f i l m 。那么卧头工作进给长度则为7 8i n t o 、立头第一工作进给长度则为7 5 哪，立头第 二工作进给长度则为1 0i n t o 。 2 3 7 快速进给长度的确定 快速进给是动力头把刀具送到工作进给的位置，其长度按具体工作情况来确定。立 头考虑到两层孔，通过刀具的布置而避免跨越进给，同时考虑到便于工件装卸，则主轴 尽可能的大距离的退出，因此快速进给长度尽可能的大。根据现有滑台的行程确定。由 于滑台是原机床的，其卧头用滑台行程为4 0 0i n t o ，立头用滑台行程为6 0 0l l f f l l ，则卧头 快速进给长度选取3 1 2l l l m ，立头快速进给长度选取3 8 5m i l l 。 2 3 8 快速退回长度的确定 快速退回长度等于快速引进和工作进给长度之和。一般原则是动力头快速行程必须 把刀具退离到夹具运动时可能碰到的范围外，退回后不影响工件装卸。 2 3 9 动力头工作循环中的一些特殊要求 死挡铁停留：在加工端面或止i ：1 时，为了控制深度及保证加工精度，须采用死挡铁 停留，其方法有二：一种是用压力继电器控制，多用于加工精度不高的端面和倒角等工 序；一种是压力继电器和时间继电器联合控制，用于加工精度要求较高的端面。在此我 们使用压力继电器和时间继电器联合控制。 设计加工示意图如图2 2 1 0 华中科技大学硕士学位论文 v = 均 j o ：0 蒴备 2 4 组合机床动作自动循环 图2 2 加工示意图 对于大批量生产而言合理安排动作自动循环，对减轻工人劳动强度，提高生产率 是尤为必要的。此机床是由多个动力头按照严格的顺序和规定的工作循环，完成工作 的多工位的加工。这些动作是由电气和液压联合控制的。组合机床的工作循环是由不同 的挡铁操纵不同的开关而实现的。根据动作需要，设计选用具有相应数量的开关触头的 操纵挡铁，并合理调节各挡铁位置，使各种动作能准确进行动作转换。图3 5 是整个动 作的自动循环( 图中s q 为行程开关，s p 为压力丌关) ： 华中科技大学硕士学位论文 图3 5 机床自动循环动作流程图 2 5 组合机床生产率的计算 根据加工示意图及工作循环、工作行程及切削用量等，就可以计算机床的生产率， 并编制生产率计算卡。生产率计算卡片应反映出机床的加工过程和动作时间、切削用量 以及机床生产率与负荷率的关系等m 。 ( 1 )机床生产率的计算 机床理想生产率是指机床在百分之百负荷情况下每小时的生产能力。这里仅考虑 加工一个工件所需的机动时间( t 。) 和( t 辅) 。辅助时间是指机床空行程( 动力头快进 和快退、工作台的回转或移动、电气和液压元件的转换动作等) 和工件的装卸、定位、 夹紧及清除定位面上切屑所需用的时间之和。机床理想生产率q 可按下列公式计算： q = 6 0 1 ( 件小时) 瑶= + ( 卧头) 华中科技大学硕士学位论文 t 机= l l s l + 三2 s 2 + t l = 7 8 ( o 1 8 1 8 0 ) = 2 4 ( 分) 强= t 机+ 辅= 2 4 + 0 6 = 3 ( 分) ( 立头) t 机= l l s l + 三2 s 2 + t l = ( 6 5 + 1 0 ) ( 0 1 8 x 1 8 0 ) = 2 3 1 ( f f f ) 强= 机+ = 2 3 1 + 0 6 = 2 9 1 ( 分) 理想生产率 q = 6 0 3 = 2 0 ( 件d , 时1 而实际可能生产率 q l = 年产量4 6 0 0 = 7 0 0 0 0 4 6 0 0 = 1 5 2 2 ( 件d , 时) 机床负荷率 r = q 1 q = 1 5 2 2 2 0 = o 7 6 1 ( 2 )机床最大允许负荷率的确定 虽然组合机床的设计、制造和使用已积累了不少经验。但到目前为止还没有这样 的方法，能够简便地计算组合机床的最佳负荷率，来确定组合机床的利用系数。通常在 组合机床设计时，基本上不进行时间损耗的分析，而是根据一般经验以及对现有负荷率 的统计数据，来确定机床的最大允许负荷率。故实际工作中组合机床的负荷率会有一定 出入。根据现有组合机床的使用经验，其适宜的负荷率为0 7 5 _ _ o 9 0 ，机床越复杂， 例如动力头多、刀具多，并有一些复杂刀具和复杂的机构，机床循环以外的时间损耗就 会增多，其负荷率就越低。根据组合机床设计中机床最大允许负荷率表推荐值，对 于三面镗孔车端面组合机床最大允许负荷率可取0 8 6 ，而实际负荷率为0 7 6 1 。实际负 荷率稍低于最大允许负荷率，说明在适当的情况下还可以降低切削用量中的走刀量( 仅 对于精镗而言) ，当然就这样也是可以的。 华中科技大学硕士学位论文 2 6 组合机床总装图的设计 机床总装图包括机床各动力部件及执行部件的选配和机床所决定各部件的轮廓尺 寸及相互问的联系尺寸。是开展各专用部件设计和确定机床最大占地面积的指导书。 组合机床是由些通用部件和专用部件组成的，而作为改造设计的组合机床选取了 原有机床的床身、立柱、滑台、立式镗削头及中问底座。机床联系尺寸图是在被加工零 件工序图与加工示意图设计以后，根据选取的主要通用部件，以及确定的专用部件的结 构原理而设计。 ( 1 ) 机床装料高度的确定 在确定机床装料高度时，要考虑车间运送工件的滚道高度、工件最低孔的高度、主 轴箱最低主轴高度和通用部件的高度尺寸的限制。由于原机床中间底座高度为5 6 0 r a m ， 而夹具这里设计为固定央具及活动夹具( 带滚道) 。为了尽可能地减少高度，设计固定 夹具及活动夹具分别为3 9 0 r a m 和3 8 7 5 m m ，这样工件上料高度为1 3 3 7 5 m m 。 ( 2 ) 夹具轮廓尺寸的确定 夹具是用来定位和夹紧工件的，所以工件的轮廓尺寸和形状是确定夹具轮廓尺寸的 依据。在加工示意图中对工件和刀具的尺寸已有了规定。所以确定夹具长度尺寸时主要 根据工件的尺寸合理的选择，尽可能地使其长度最小，这样镗刀杆尺寸也就相应减短， 以增强镗刀杆的刚性。 在掌握了夹具长度之后，为了补偿铸造件的铸造误差，实际尺寸应比理论尺寸稍大 1 0 一2 0 咖，此外，还应考虑夹具底座往中间底座上固定用的凸台尺寸，每边为4 5 一5 0 啪。 夹具底座高度的确定：夹具底座的高度应视夹具大小而定，既要保证有足够的刚性， 又要考虑工件的装料高度。同时此夹具加以送料机构应分为固定央具和随行夹具，因 此为了便于布置固定夹具和随行夹具之间的定位元件，以及随行夹具与工件的定位元 件，固定夹具高度不少于3 5 0i 1 1 1 1 ；随行夹具的高度不少于3 5 0 珊。这里要特别强调的 是：由于中间底座是用于原机床的，故要特别考虑与原机床的中间底座的连接。 ( 3 ) 专用镗孔车端面头的选用及轮廓尺寸的确定 1 4 华中科技大学硕士学位论文 对于立头，由于采用原机床的镗孔车端面头，而此序我们将车端面工序去掉，用铣 削在另一序加工，为了使主轴更短。将车头去掉以增加主轴刚性，但一定要考虑立头加 配重；对于卧头，由于原机床采用的是带镗模座的镗头，而且立卧头偏置距为3 5 舢， 同时签于上述我们叙述的关于“导向结构的选择与否”去掉镗模座改为刚性主轴，这样 重新选择动力头( 动力头的选择将在以后章节中加以叙述) 而且需加上一过渡板以改变 其偏置距而满足3 8m 的要求。 以上说明了设计机床总装图及设计机床总装图联系尺寸时应考虑的问题和主要联 系尺寸的确定。此外，在联系尺寸图上还必须明确标明运动部件的终点和原始状态，以 及运动过程中的情况。如对于动力头必须标明其退回的最远状态，以确定机床的最大轮 廓尺寸。 在机床联系尺寸图上应标明工件、夹具及动力头的中心距之间的关系e 特别当工件 上部位对于工件中心线不对称时，动力部件对于夹具和中问底座也不对称，这时应注明 动力部头中心线相对于夹具中心线的偏置距离。 机床联系尺寸图设计好后，在进行机床各部件的具体设计过程中，可能发现某 些尺寸定得不合理，甚至难以实现，则可按需要返回来修改联系尺寸，加以调整。机床 总装图如图2 3 华中科技大学硕士学位论文 i 爨 磊蹈 霆鸶 裕 嘲 ： 匦 华中科技大学硕士学位论文 2 7 本章小结 本章首先指出了机床总体设计的含义及内容，分析了减速器壳加工工序，设计了 加工示意图，然后依据工艺分析确定了加工余量、刀具、切削用量、动力头工作循坏及 行程、工进长度、快进长度等加工艺参数，根据加工工艺参数算出机床生产率，估算出 组合机床的负荷率，设计了机床自动循环动作流程图，最后设计了组合机床总装图。 华中科技大学硕士学位论文 3 组合机床机械部件设计 3 1组合机床标准部件的选型与修改设计 在组合机床的设计中，拟定机床的工艺方案，确定机床的配置型式，以及进行机床 的总体设计等是重要环节，它在很大程度上决定了机床是否重量轻、体积小、结构简单、 效率高、使用方便、性能好，因此需要首先解决。但是要把组合机床设计出来，还必须 解决大量的图纸工作，就是要根据确定的机床工艺和结构方案，按照加工示意图及机床 联系尺寸图等，开展部件设计，然后再进行零件设计。 组合机床的标准部件一般包括：床身、立柱、滑台、立式动力头等。而此台组合机 床的改造在进行设计时选用了原八吨减壳线多余的一台镗孔车端面机床中的床身、立 柱、滑台、动力头，因为原机床是用于粗镗，因此其强度与机床刚性性对于此机床的来 说是足够的，因为是系列桥，而且此十三吨减壳加工余量与原八吨减壳加工余量是差不 多的，况且原机床的刚性及机械滑台进给力是足够，因此选用这些标准部件是足以满足 其粗镗的要求的，后面有关于切削力的计算。 但是原机床二卧头采用的是带镗模座的镗头，而对于大直径孔的镗削其弊病上面已 经讲过，因此换用刚性主轴的型式，选用镗车头。由于此机床要兼顾粗精镗，所以既要 考虑动力头的强度又要考虑其精度( 将来粗镗与精镗会分别用二台机床加工) 因此选择 了强度高、精度好的镗孔车端面头1 t a 5 0 m ，同时配以1 8 5 千瓦的电机另加变频器，以 满足粗精镗不同转速的要求。同时由于更换了动力头又去掉了镗模座，整个动力头都要 向中间底座移动以增加主轴刚性，因此在动力头与床身之间增加一过渡偏置距板。通过 改变动力头与过渡板连接位置而改变立卧头的偏置距从而实现不同偏置距的系列减速 器壳总成的加工。达到设想的柔性要求。这也是我们改造设计的目标。同时，为了保证 机床的刚性，过渡板更要具有足够的强度与刚性，兼顾到机床中心高取过渡板厚7 0 姗 而立式动力头虽然选用了原镗孑l 车端面头，但是工艺卡上将车端面序分开，所以将 车端面刀盘去掉，( 配上镗刀杆) 同时恢复其主轴精度，再配以变频器，以满足粗、精 1 8 华中科技大学硕士学位论文 镗精度和不同转速的要求。去掉车端面刀盘装上刚性镗刀杆后则必须考虑立式动力头的 配重问题“3 。 3 2 机床夹具的设计 3 2 1 夹具总体方案中所需考虑的内容 夹具是组合机床的重要组成部件，是根据零件的工艺和结构方案的具体要求而专门 设计的【9 1 。而原机床的夹具在此是完全不能取用的。它是用于实现十三吨减速器壳总成 的准确定位、夹紧、工件的送料机构、刀具的让位以及各种限位等作用的。 组合机床夹具和一般夹具所起的作用看起来好像很接近，但其结构和设计要求却是 很显著的甚至有根本的区别。组合机床夹具的结构和性能，对组合机床的配置方案的选 择，有着很大的影响。其特点有： ( 1 ) 一般的机床夹具是作为机床的辅助机构设计的，而组合机床夹具是机床的主要 组成部分，其设计工作是整个组合机床设计的重要部分之一。 ( 2 ) 组合机床夹具和机床其他部件有极其密切的联系：如移动工作台，动力头主轴 箱，刀具和辅具，托架，以及支承部件等。正确地解决它们之间的关系，是保证组合机 床的工作可靠和使用性能良好的重要条件之一。而且夹具的结构也要按这些部件的具体 要求来确定。其夹压系统就可采用液压作为动力。 ( 3 ) 由于组合机床常常是多刀、多面和多工序同时加工，会产生很大的切削力和振 动。因此组合机床夹具必须具有很好的刚性和足够的夹紧力，以保证在整个加工过程中 工件不产生任何位移。同时，也不应使工件产生不容许的变形。 ( 4 ) 组合机床夹具是保证加工精度( 尺寸精度、几何精度和位置精度等) 的关键部 件，其设计、制造和调整都必须有严格的要求，使其能持久地保持精度。 ( 5 ) 组合机床夹具应便于实现定位和夹压的自动化，并有动作完成的检查信号；保 证切屑从加工空间自动排除；便于观察和检查，以及在不从机床上拆下夹具的情况下， 能够更换易损件和维护调整。 ( 6 ) 按结构特点，组合机床夹具分为单工位和多工位夹具两大类，而此机床按被加 1 9 华中科技大学硕士学位论文 工零件的结构和加工要求，属单工位夹具，由于工件太重，为了减轻工人的劳动强度， 需设置送料机构：即固定夹具和活动夹具。通过更换不同的活动夹具而实现立卧头偏置 距相同的系列减速器壳总成的不同的型号的减速器壳总成的镗削，从而使机床具有一定 的柔性。 3 2 2 定位系统 在组合机床上加工时，必须使被加工零件对刀具及其导向保持j f 确的相对位置，这 是靠夹具的定位系统来实现的。定位支承除用以确定被加工零件的位置外，还要承受被 加工零件的重量和夹紧力，有时还要承受少量的切削力。由于定位支承元件直接与被加 工零件接触，因此其尺寸、结构、精度和御置都直接影响到被加工零件的精度。为了避 免产生废品、增强定位元件的寿命和便于互换，设计时注意如下问题： ( 1 ) 对于活动夹具 a 、合理布置定位支承元件，力求使其最大的定位支承平面。最好使央紧点的位置 对准定位支承元件。 b 、提高刚性，减少定位支承系统的变形，尽量避免大平面定位，将大平面的定位 分解成4 个小定位块，且要求4 件同时磨成以保证等高。应力求使定位销不受力。 c 、提高定位支承的精度及其耐磨性，尽可能使用好的材料和通过热处理达到所需 硬度。定位块的材料选用4 0 c r ，淬火后达到h r c 4 8 5 0 ；定位销的材料选用t 1 0 a ，淬 火后达到h r c 5 5 6 0 。 d 、可靠地排除定位支承部位的切屑，使切屑不堵塞和粘附在定位支承上，为保证 定位的准确性和工作可靠性，需设置吹切屑气嘴，以便有效地排屑和清理。 e 、便于更换。由于此夹具采用一面二销定位，大面用四小定块代替，更换时同时 更换；定位销与下面的滑动杆做成分体式，更换时只更换易磨损的定位销。 ( 2 ) 对于固定夹具 a 、合理布置定位支承元件，力求使其最大的定位支承平面。考虑到活动夹具通过 滚道由油缸送进到位后的定位准确性及互换性，因此力求使其有最大的定位支承平面。 b 、提高刚性，减少定位支承系统的变形，尽量避免大平面定位，将活动夹具与固 华中科技大学硕士学位论文 定夹具定位结合面分别做成四个小定位块，且要求二对四件同时磨成以保证等高。活动 夹具到达固定夹具预定位置后二活动定位销升起后应力求使定位销不受力。 c 、与活动夹具一样，提高定位支承的精度及其耐磨性，尽可能使用好的材料和通 过热处理达到所需硬度。定位块的材料选用4 0 c r ，淬火后达到h r c 4 8 5 0 ；定位销的材 料选用t i o a ，淬火后达到h r c 5 5 6 0 。 d 、可靠地排除定位支承部位的切屑，使切屑不堵塞和粘附在定位支承上，对保证 定位的准确性和工作可靠性有很大的影响，因此需设置吹切屑气嘴有效地排屑和清理。 e 、便于更换。由于此夹具采用一面二销定位，大面用四小定块代替，更换时同时 更换；定位销与下面的滑动杆做成分体式，更换时只更换易磨损的定位销。 ( 3 ) 定位元件及其布置 在组合机床上加工此类箱体类的零件大多采用一面二销( 一个圆销、一个菱形销) 。 这种定位方法保证了理想的六点定位的原则【l o 】。但是在此活动夹具上平面定位不是三点 而是用四点( 此四定位板同时加工尽可能保证平面度，其平面度误差不大于0 0 2 m m 。 这不属于过定位) 。这样可以增加定位系统的刚性，防止当夹紧力和切削力不是对准支 承时，而引起工件变形。这种变形不仅影响到加工精度，而且是引起振动的原因，甚至 会造成刀具的折断。而此四小定位块均布在减壳的大法兰面上；同样在固定夹具上，固 定夹具与活动夹具的定位面也是布置有最大的面增强定位的稳定性，提高定位精度。同 时支承板放在切屑不易落到的地方，支承板附近有足够的容屑空间。 ( 4 ) 定位销及其操纵机构 此加工线属流水线加工，定位销采用伸缩式结构【1 。常用的结构有手动和液压驱动 伸缩式定位销两种。由于工件太重而使用滚道通过油缸送进，为了便于操作工件上料后 采用手动伸缩式定位销。又因为上料后整个动作采用自动循环，所以活动夹具与固定夹 具采用液压驱动伸缩式定位销，其伸缩式定位销结构如图3 1 ： 2 1 华中科技大学硕士学位论文 图3 1伸缩式定位销结构图 华中科技大学硕士学位论文 设计时定位销采用了分体结构，以便于更换。但却增加了定位系统的误差，降低了 定位精度。如果做成整体式的更换又不方便，也不经济。为此在设计时尽可能地减少定 位误差。手动伸缩式定位销与工件的配合采用最小的滑动配合由1 4 5 h 7 9 6 ，定位销与 滑杆的配合选用最小的定位配合巾1 6 h 7 1 1 6 ，滑杆与滑套的配合采用最小的滑动配合由 1 4 5 h 7 9 6 ；而固定夹具上液压驱动的伸缩式定位销与活动夹具底座上的套筒采用最小 的滑动配合巾1 4 5 h 7 9 6 ，定位销与滑杆的配合选用最小的定位配合巾1 6 h 7 h 6 ，滑杆与 滑套的配合采用最小的滑动配合4 j1 4 5 h 7 9 6 。不论是手动还是气动都是采用连动方式 ( 如图) 。为了保证滑杆与滑套的使用寿命，在滑套上方加防护套【1 2 1 。装上工件手动插 销以后，通过启动按扭实行加工循环，而液压驱动伸缩时定位销是靠插销后油缸的活塞 杆上的接触丁f 关发出信号，而实现下一个动作。 定位销的精度等级根据被加工零件的精度、定位销孔的精度及其距离尺寸公差的大 小进行选择，定位销公差上面已作介绍，为了保证可靠的定位，定位销与定位孔的有效 长度取7 m m ( 其中销总长为1 2 m m ) 。当工件装入活动夹具和活动夹具沿滚道推入固定 夹具时，必须使定位销低于定位面，以免插销时定位销要承受工件和活动夹具的重量， 也增加插销困难，并加剧定位销的磨损。 3 2 3 夹紧机构 ( 1 ) 设计时的要求 在组合机床上加工时，工件依靠夹具上的定位支承系统，获得对于刀具及其导向的 正确相对位置，还需依靠夹具上的夹紧机构，来消除工件因受切削力或工件自重的作用 于而产生的位移或振动，使工件在加工过程中能继续保持定位所得到的正确位置。设计 夹具时，首先考虑满足以下要求： a 、保证加工精度 夹紧机构要能保证工件可靠地接触相应的定期位基面，夹紧后不许破坏工件的正确 位置。设计时必须保证夹紧机构能产生足够的夹紧力，同时还要求具有较高的刚性。由 于此机床是三面同时加工，夹具在较大的作用力下工作，因此提高夹紧机构的刚性是设 计的关键，同时夹具的夹紧螺栓、压板和传动杠杆等都设计得较为粗大。 华中科技大学硕士学位论文 b 、保证生产率 为了保证自动循环的需要和足够的夹紧力，同时为了满足生产节拍要求，也为了减轻 工人的劳动强度，设计时使用液压夹紧。 c 、保证工作可靠 其液压夹具可通过液压阀和电气控制而保证夹具的自锁性能。 d 、结构紧凑简单 在保证加工精度、满足生产率的要求和工作可靠的前提下，机构的设计尽可能的紧凑 简单。为了便于自动循环而且便于装卸使用杠杆机构。 ( 2 ) 夹紧力的确定 工件受力如图3 2 l 0 5 埘 图3 2 工件受力图 华中科技大学硕士学位论文 a 、竖直方向镗大孔时，为防止工件平移所需夹紧力 q 1 = k p ( f l + f 2 ) = k f r i ( f l + f 2 ) = 【p o a ，k 柙( f z ) k k 府k 册瓦l e k p 0 足m 】( z + 以) = l x l 4 1 3 1 5 x 0 4 x 0 9 6 x o 3 x 0 9 8 x 1 4 7 x l x 2 4 x 1 2 3 x 1 6 5 ( 0 - 3 + o 3 1 = 2 8 5 4 ( n ) ( 3 1 ) b 、竖直方向镗小孑l 时，为防止工件平移所需夹紧力 q 2 = k p ( f , + 以) = k f ri ( f l + f 孙 = p a p - f kj 吁y l f z 、k k 卿k 研。kb r l f y k f y k m 1 k + = 1 1 4 1 3 3 o 4 0 x 0 9 6 x o 3 1 0 x 1 4 7 x 1 2 4 x 1 。2 3 1 6 5 ( 0 3 + 0 3 1 = 5 8 2 6 ( n )( 3 2 ) c 、水平方向镗孔时，为防止工件平移所需夹紧力 q 3 = 2 k p u + ) = k f x ( f l + f 2 ) = 2 p ab k 阮蝤x f f z l k m k x x m k m f x k f x k m p | u i + j a = 2 x 1 x 1 4 1 3 3 0 4 x o 9 6 0 4 0 9 8 x 1 8 x 2 1 x 0 9 1 3 ( 0 3 + o 3 1 = 8 9 5 8 0 , 0( 3 3 ) d 、水平方向镗孔时，为使工件向上抬起所需夹紧力 q 4 = 2 k ， = 2 p a po f k f f z t f y l f z ) k m k 哪k 卿。k b n f y k m f y k m 唧 = 2 1 4 1 3 3 x 0 4 x 0 9 6 x 0 3 0 9 8 1 4 7 x 1 2 4 x 1 2 3 x 1 6 5 = 6 8 5 2 ( n )( 3 4 ) e 、竖直方向镗大孔时，工件