（机械工程专业论文）粗精铣v型发动机箱体45°面专用机床设计与研究.pdf

摘要 应用组合机床加工批量零件，生产效率高、机床成本低是机械加工的发展 方向。本次设计的任务是“粗精铣v 型发动机箱体4 5 。面专用机床设计与研究”， 其中，本论文主要论述了该专用机床的总体布局设计、机床夹具设计和铣床立 柱有限元分析及结构优化。设计的组合铣床要求能实现箱体4 5 。面的粗、精铣， 自动定位、夹紧、放松，同时机床夹具能根据被加工零件的尺寸做出相应的调 整以及机床加工要满足零件加工的精度要求和生产效率。 在设计的过程中，首先针对零件的技术要求进行分析，确定了在组合铣床 上零件的加工工艺方案。在此过程中，确定了工件的定位方式、工序间余量、 刀具的材料与结构以及机床的配置型式等。然后进行了组合铣床的总体布局设 计。这里主要根据零件的加工要求绘制了“三图一卡：被加工零件的工序图、 加工示意图、组合铣床生产效率卡、组合铣床联系尺寸图，同时也进行了机床 通用部件的选型和部分专用部件的设计。接着根据零件的结构特点、加工定位 方式、铣削力大小等设计出了组合铣床的专用夹具。 通过这些工作的展开，初步完成了组合铣床的总体结构设计和机床夹具设 计。然后通过三维软件建立了铣床立柱的三维模型，采用有限元软件建立了有限 元计算模型，并进行了立柱的静态强度和刚度分析，计算了立柱的应力和变形情 况。通过模态分析，计算出立柱1 至8 阶的固有频率和振型。分析结果表明，现 有立柱的设计模型刚度、强度较好。对铣床立柱进行优化，优化后的立柱结构， 在保证满足加工精度和生产效率的前提下，质量减轻了，固有频率也得到了相 应的提高。 关键词：组合机床，夹具设计，立柱，有限元，优化 a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fm o d u l a rm a c h i n et o o lm a c h i n i n gb a t c hp a r t si sh i g l l p r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n d l o wm a c h i n ec o s t ，w h i c hi st h ed i r e c t i o no fd e v e l o p m e n to f m e c h a n i c a lp r o c e s s i n g t h em i s s i o no ft h ed e s i g ni s c o a r s ef i n em i l l i n gt y p ev e n g i n eb o xb o d y4 5d e g r e e sf a c es p e c i a lm a c h i n ed e s i g na n dr e s e a r c h , t h et h e s i s m a i n l ya b o u tt h es p e c i a lm a c h i n et o o lo ft h eo v e r a l ll a y o u td e s i g n , m a c h i n et o o l c l a m pd e s i g na n dm i l l i n gm a c h i n ep i l l a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o n t h e d e s i g ho fm o d u l a rm a c h i n et o o ln e e dm e e ta c h i e v i n gc o a r s i n ga n df i n i n gd e u t z e n g i n eb o x4 5 os u r f a c e ，a u t o m a t i cp o s i t i o n i n g ，c l a m p i n g ，r e l a x i n g ，a tt h es a m e t i m e ， f i x t u r ep a r t st ob ep r o c e s s e da c c o r d i n gt ot h es i z ea n dm a k et h ea p p r o p r i a t e a d j u s t m e n t st om e e tt h em a c h i n i n go fp r e c i s i o np a r t sm a c h i n i n ga n dp r o d u c t i o n e f f i c i e n c y i nt h ed e s i g np r o c e s s ，f i r s a n a l y z e dt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so ft h ep a r t s ， d e t e r m i n e dt h ec o m b i n a t i o no fs p a r e p a r t s i n t h e m i l l i n gm a c h i n ep r o c e s s i n g t e c h n o l o g ys o l u t i o n s i nt h ep r o c e s s ，d e t e r m i n et h ep o s i t i o n i n go ft h ew o r k p i e c e ， p r o c e s sm a r g i nb e t w e e nt h et o o lm a t e r i a l sa n ds t r u c t u r ea n dc o n f i g u r a t i o no fm a c h i n e t y p e sa n ds oo n t h e nt h eo v e r a l ll a y o u to ft h ec o m b i n e dm i l l i n gm a c h i n ed e s i g n h e r et h em a i n l yd r a wb a s e do nt h em a c h i n i n gr e q u i r e m e n t so ft h e t h r e e f i g u r e o n e c a r d ”：t h e p r o c e s sm a pp a r t s t ob c p r o c e s s e d ，p r o c e s s i n gd i a g r a m ，t h e c o m b i n a t i o no fm i l l i n g e f f i c i e n c y c a r dc o m b i n a t i o nm i l l i n gm a c h i n el i n k e d d i m e n s i o n s ，b u ta l s o f o rt h em a c h i n et o o la n dp a r to ft h es e l e c t i o nt h ed e s i g no f s p e c i f i cc o m p o n e n t s t h e na c c o r d i n gt op a r to ft h es t r u c t u r a lf e a t u r e s ，p r o c e s s i n g p o s i t i o n i n g ，m i l l i n g f o r c es i z ed e s i g n e das p e c i a lf i x t u r ec o m b i n a t i o nm i l l i n g m a c h i n e t h r o u g ht h e s ew o r ks t a r t e d ，i n i t i a l l yc o m p l e t e dc o m b i n a t i o nt h eg e n e r a ls t r u c t u r e o ft h em i l l i n gm a c h i n ed e s i g na n dm a c h i n et o o l f i x t u r ed e s i g n t h e nt h r o u g h3d s o f t w a r eb a s e do nt h ev e r t i c a lm i l l i n gm a c h i n e3dm o d e l ，u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n t s o f t w a r eb a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o nm o d e l ，a n dac o l u m nt h es t a t i c s t r e n g t hj u s ts t r e n g t ha n a l y s i s ，t h ec a l c u l a t i o no ft h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o no ft h e p i l l a r t h r o u g ht h em o d a la n a l y s i sm e t h o d ，t h ep i l l a r1 t 08o r d e rn a t u r a lf r e q u e n c y n a n dv i b r a t i o nm o d e t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tt h ec u r r e n tc o l u m nt h ed e s i g n m o d e ls t i f f n e s s ，s t r e n g t hi s b e r e r o p t i m i z et h ep i l l a ro fm i l l i n gm a c h i n e ，t h e o p t i m i z e dp i l l a rs t r u c t u r e ，g u a r a n t e e dt o m e e tt h em a c h i n i n ga c c u r a c ya n di n p r o d u c t i o n ，u n d e rt h ep r e m i s eo fq u a l i t y , r e d u c et h ei n h e r e n tf r e q u e n c ya l s og e tt h e c o r r e s p o n d i n gi m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：c o m b i n a t i o nm a c h i n et o o l s ，f i x t u r ed e s i g n ，s u p p o r t ，f i n i t ee l e m e n t , o p t i m i z a t i o n h i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 组合机床是一种自动化或者半自动化的机床，它可以对一种或者好几种不 同的零件进行多轴，多刀，多工位的加工。它是由大量的通用部件以及少量的 专用部件组合而成。通用部件可分为五个种类：其中包括动力，控制，输送， 支承和辅助部分。动力部件是通用部件中最为基础的部件，分为三种。1 ) 用来 传递切削主运动的，其中包含了动力箱以及完成专能工艺的切削头，如：钻孔用 的钻削头，铣削用的铣削头，镗削用的镗削头等等。2 ) 用来传递进给运动的， 其中包含了机械滑台以及液压滑台。3 ) 转塔动力部件，其中包含单轴转塔头以 及多轴转塔头。控制部件是以液压元件，电器挡以及操作台等组成，用来控制 组合机床按照程序，完成自动工作循环的部件。输送部件主要是由分度鼓轮、 环形回转工作台、分度回转工作台和往复移动工作台等组成，用作夹具和工件 的移动或者转位。支承部件是由中间底座、侧底座、支架、可调支架、立柱、 立柱底座等组成的，用以安装其他部件的部件，它可以用来保证机床的强度和 刚度，为最终保证机床加工精度提供了重要的支持。辅助部件有润滑装置、排 屑装置和冷却装置等4 1 。 近年来，我国国民生产总值飞速增长，国家对机械产品的需求也在不断的增 大。如何降低生产成本，提高经济效益，研制出配置灵活、具有一定加工柔性 并可满足同类型不同尺寸零件加工的高效机床已经成为了各制造部门的发展方 向。为了缩短产品的生产周期、提高其生产效率，对于需要重复工序加工的大 批量零件生产，组合机床的使用正在大范围的普及。机床的发展影响着现代制 造技术的发展，国家的制造业水准，毫不夸张的说，就是由机床设计和制造水 平的高低所决定，因此我们需要大力的研究机床的应用以及性能的提高，从而 提高加工的生产效率，节约成本，为企业和国家带来更多的收益。 组合机床因为高效率、高质量、经济性好被广泛应用，为社会的各行各业 都在提供着专用的设备，如汽车、农机、内燃机、军工业、化工机械、工程机 械、轻工业、能源等等，所以说组合机床在社会发展和进步方面做了不可磨灭 的贡献。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外发展状况 在国内，我们国家的组合机床以及其自动线，加工和生产较大批量的箱体 类和轴类零件是它们的主要工作。以往的的几十年间，机械制造业由减少产品 成本的竞争，发展到如今的新的产品的竞争，由于我们加入世贸组织，经济全 球化的形势，我国的机床行业也随之与世界接轨，机械行业在面临挑战的同时， 同时也面临着新的发展形势：生产的产品技术更新愈来愈快，产品的批量也是 愈来愈小了。我们国家的组合机床总体技术和发达国家相比，还存在着很大的 差距，一些高水平的组合机床以及自动线基本上都是靠进口，这样导致投资规 模和产品成本都大大提高。并且用户对产品提出了更严格的要求，人们对于产 品的要求越来越个性化和多样化。为了满足和响应市场的需求，我们需要不断 推出新的技术、工艺、产品，组合机床行业的产品已经向柔性化、数控化发展。 在国外，组合机床的发展则更为迅速，保证产品的质量、生产效率，性能 等各种因素的前提下，正大步向更高层次的方向发展。机床的配置形式现在越 来灵活，加工的精度也是越来越高，机械加工的效率也是越来越高了，组合机 床的主要发展动态，概括如下几个方面： ( 1 ) 数控技术的广泛应用 传统组合机床的控制系统由继电器电路组成，数控技术的出现使控制系统 产生了翻天覆地的变化，传统意义上的组合机床已逐渐具有一定柔性。以数控 编程，数控机床和数控加工技术为基础而发展起来的数字化制造与以c a d ： ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 和c a e ：( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 技术为核心 的数字化设计相辅相成。利用编程方便、可靠性高的可编程控制器p l c ： ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 来设计主轴进给系统和工作滑台的工作循环 可显著提高机床工作效率。现以各国数控技术发展为例，2 0 世纪9 0 年代初期， 德国组合机床的数控化率已经达到了3 2 3 9 ；同一时期，美国大部分的汽 车发动机制造企业已经开始采用了占2 5 的柔性生产系统f m s ： ( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 和占2 5 的可调可变生产线刀己： ( f l e x i b l et r a n s f e rl i n e ) ，数控化率达到企业总比率的一半。数控技术的广泛应 用，保证了组合机床的工作可靠性，提高了加工精度及其生产效率。 ( 2 ) 组合机床柔性技术的飞跃式发展 2 武汉理工大学硕士学位论文 八十年代，国外的加工装备就已经具有了柔性的特点，就是对多品种、大 批量的生产的加工设备，运用了可变，可换，可调的方法。组合机床数控化的 普及在一定程度上促使了组合机床模块化的发展。一方面，大批量可被随时选 择和更换的数控通用件被设计出来，如数控回转台、数控十字滑台等；另一方 面，与组合机床专用部件相对应，研究制造出了与数控加工特点相匹配的各种 专有部件，如：数控机械手、编码随行夹具、可以更换式的多工位主轴箱等。 组合机床模块化的出现使得传统意义上，组合机床的通用部件和专用部件都有 了一定扩展，方便了柔性化组合机床的设计，同时，机床的模块化也逐渐成为 了数控化的重要基础，二者相辅相成，极大的促进了组合机床柔性技术的发展。 ( 3 ) 提高工序集中程度和自动化技术的应用 国外在自动化技术方面也有了很好的发展，如德国公司的加工变速箱体的 自动线。该自动线采用了电液控制阀控制，其长度达到了1 8 2 m ，加工工位已有 1 2 个，输送的最大重量也可达到7 0 0 0 k g ，输送的最快速度为4 5 6 m r a i n ，输送 的步距为1 4 0 0 m m ，两步距间的输送时间也只有2 5 s 。对于提高工序的集中程度， 现代的技术中还采用组合机床加工中心、十字滑台、多坐标通用部件、移动主 轴箱等技术或在夹具部位设置刀库都可以实现。 目前，我国组合机床已经得到越来越广泛地应用，但我国组合机床及其自 动线的总体水平要相对落后于发达国家。( 1 ) 设计方面我国在1 9 7 8 年才将组合 机床c a d 技术列为国家机械工业重点项目。随着产品的需求和国际组合机床技 术的发展，a u t o c a d 、p r o e n g i n e e r 、s o l i d w o r k s 、u g ：( u n i g r a p h i c s ) 等多 种专业c a d 绘图软件在我国组合机床的设计中也得到了越来越广泛的应用。另 外，以三维图形软件为基础，用编程语言设计组合机床总体方案的c a d 系统、 基于编程语言的参数化绘图系统软件、基于编程语言的模块化设计技术组合机 床c a d 系统及二次开发技术也得到了应用和发展。( 2 ) 组合机床及自动化生产 线方面，我国近几年对组合机床数控化、模块化及柔性化的应用也越来越广泛， 许多公司开发了数控加工模块，柔性自动线，这是将先进制造管理方法与体制 和现代发动机生产相结合，从而使机械行业的生产效率不断提高。 近年来，内燃机制造业得到了空前的发展，内燃机由于其质量小、体积空 间小、热效率高以及启动性能优良的特点，已经成为运动机械的核心部件，并 在军事、农业、交通以及建筑设备行业显示出了巨大的市场价值。内燃机行业 根据机器做功所用燃料将内燃机分为柴油机、汽油机、乙醇发动机和天然气发 3 武汉理工大学硕士学位论文 动机等，同时近期兴起双燃料发动机和灵活燃料发动机。当然内燃机根据不同 分类标准还可以分为很多种，譬如说单缸机、多缸机、立式、卧式直列、v 型、 中速、低速、高速等等。由于柴油机和汽油机相对动力性能优越、热效率高， 它们不断被配备给各种机车作动力装置，在军事方面有重要的应用，民用行业 也有广泛应用，足以见得内燃机制造业对全球经济的贡献尤为重要。近年来， 各国各领域不断加大了内燃机研制技术的投入，很大程度上，内燃机研发技术 已经是企业核心竞争力的重要组成部分。 近十几年，汽车的需求量激增，发动机的年产量也随之剧增。随着行业竞 争越来越激烈，同时也为了实现大量的生产需求，发动机的生产已经不是传统 的作坊式生产，而是逐渐发展为多工作站流水线式生产，当然这已经在当下成 为必然。但更令人欣喜的是，现代发动机制造业不断提出了柔性制造和精益生 产的理念，发动机产品的生产时间越来越短，市场响应时间也逐渐压缩。其中， 随着世界经济发展水平的提高，发动机的产销能力逐年增长，生产密度也较以 往有了明显的提高。对于柴油发动机的技术发展而言，德国、美国是世界先进 水平的代表，而法国的发动机产量比较小，但是水平跟德国和美国差不多。比 如德国的m t u ：( m o t o r e n u n d t u r b i n e n u n i o n ) 公司，作为生产大功率柴油 机的著名厂家，在生产规模、科研能力，以及生产综合水平上都处于领先地位； 又比如美国的康明斯公司，是世界上生产柴油发动机的大公司之一，它的柴油 发动机生产水平无论是在能耗率方面，还是在耐用率方面，实力都是非常强的。 我国发动机行业在世界范围内处于相对落后状态，自主研发能力在逐渐提 升，但是与国际发动机市场仍然有一定差距，所以我国目前的发动机很多关键 技术仍然是需要进口，所以这就使得我们处于被动状态。我国发动机行业要想 在国际内燃机市场中占领份额，获得长期发展，就必须不断提高企本身的技术 和竞争力，加强自主研发实力和扩大生产优势。随着经济不断发展，人们对于 产品的要求越来越个性化和多样化，这是多元市场的显著特点。对于发动机行 业而言，同样不可避免的要面临这个问题，其实，这对于行业而言是机遇，但 是对于企业而言更是挑战。市场波动以及客户关注点改变都会要求生产线能够 具有更大的柔性，同时也需要生产线更大程度上符合精益制造的理念。 众所周知，现在的汽车行业发展很快，汽车发动机又被誉为汽车的心脏， 而曲轴箱又是发动机的核心部件，它的作用是支撑曲轴，承装其他机构和部件， 所以在结构上要求重量轻以外，还要保证有足够的机械强度。它要承受很大的 动力载荷。因此必须保证其具有足够的精度。发动机的工作质量、功率、性能、 4 武汉理工大学硕士学位论文 装配质量都与曲轴箱的加工精度有着直接的关系。因此曲轴箱体的质量好坏是 发动机质量的好坏的一个重要保证。 此次研究的就是y 型发动机箱体4 5 0 面的粗精铣专用铣床设计的问题，采用 一次装夹，完成粗铣，精铣工序。为了节约机床成本，采用一台机床完成，使 工序集中，节约机床占地面积。y 型发动机可以通过扩大汽缸直径来提高排量 和功率并且适合于较高的汽缸数，本次的设计需要满足从6 缸到1 2 缸箱体的加 工，上述的专用铣床设计，增加了生产线的柔性，使生产线能够同时生产不同 的产品，同时节约了机床数量，具有实际的经济价值。 1 3 课题的研究目标和研究内容 本文的研究目标： 通过查阅相关组合机床的资料，对y 型发动机箱体4 5 0 面粗精铣进行专用组 合铣床设计及专用夹具设计，保证达到所需的尺寸和精度，此次的设计要满足 中、小批量生产的要求、年生产纲领为5 0 0 0 件。并且要求达到可以同时完成6 缸 到1 2 缸箱体的加工。设计完成后，对机床立柱进行三维建模，a n s y s 软件进行 静、动态特性分析，以便改进机床立柱的结构，从而到达优化的目的。 本文的研究内容： 1 根据给定的被加工零件，分析零件本身的特点，工件的材料及其硬度， 加工方法，制定其工艺路线。 2 对箱体4 5 0 面粗、精铣进行专用组合机床的总体方案的设计，确定粗精 铣箱体两端面的加工余量及切削用量，刀具结构及其材料等，最后用 c a d 软件绘出专用铣床的“三图一卡。 3 根据专用铣床的特点，进行专用夹具设计，并用c a d 绘制出其装配图。 4 通过p r o e n g i n e e r 软件对立柱进行三维建模，通过a n s y s 进行静、动 态分析，根据所得数据，分析、预测立柱的静、动态特性，根据分析的 结果对专用铣床立柱的结构进行优化，对优化后的结构再次进行静、动 态特性分析。最终让机床能够在保证立柱的刚度和强度的条件下，质量 减轻，节约用材，降低制造成本。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章工艺方案的确定 2 1 被加工零件的分析 由于需要加工的零件存在着各种差异，如：零件的结构和轮廓尺寸、加工 所需要达到的精度、表面的粗糙度和生产数量等都有所不同，所以，工艺路线 和工艺方法的合理制定是一个十分重要的问题。本次研究的是铣削加工，对于 铣削工艺来说，需要根据整个工艺路线的要求，从全局出发，综合分析零件各 个铣削工序间的联系，从而拟定最合理的加工工艺方案，一个正确合理的工艺 方案将决定能否在经济合理的条件下，满足被加工对象的加工精度和生产效率， 因此能够合理的确定工艺方案对能否成功设计机床显得极其重要【5 1 【8 】。 2 1 1 被l j n - t 零件的特点 被加工的零件y 型发动机箱体，如图2 1 所示：粗实线的2 个表面表明 是需要粗、精铣加工完成的两个4 5 0 面。 图2 1y 型发动机箱体的结构图 发动机箱体参数如下： 外型轮廓尺寸：6 2 0 x 5 5 0 x 7 0 0 ( 蚴) ： 材料：灰铸铁h t 3 0 0 ； 硬度：h b l 6 6 2 4 9 ； 6 武汉理工大学硕士学位论文 加工箱体4 5 0 面的宽度尺寸：2 7 0 m m ； 加工箱体4 5 面长度的尺寸：6 2 0 m m 7 4 4 m m ，( 注：这里是发动机箱体 从6 缸到1 2 缸的尺寸) ； 加工余量：5 m m 。 2 1 2 加工面的技术要求 ( 1 ) 粗、精铣两个4 5 0 面。 ( 2 ) 年生产纲领：5 0 0 0 件，工作条件：单班7 小时工作制。 ( 3 ) 表面粗糙度：r z 2 0 ( 也就是r a 5 ) 。 ( 4 ) 两平面的平面度：0 2 r a m ，两平面的相对平面度：在每个2 0 0 m m 测量 范围之内，误差不可以大于0 0 5 m m 。 ( 5 ) 两斜面互相垂直，其相对垂直度：在每个2 0 0 m m 测量范围之内，误差 不可以大于0 0 5 m m 。 2 2 零件加工工艺的分析 2 2 1 定位基面以及工件的定位 定位基面：就是当工件上的回转表面( 圆柱面、球面、圆锥面等) 与夹具 的定位元件接触( 或配合) 时，工件上的那个回转面。选取基面应从夹具设计 的角度出发【5 】 8 1 ： 1 ) 尽量用精加工过的表面作为定位基面，并尽可能的让定位基准和工序基 准重合，从而保证有足够的定位精度。 2 ) 应该使工件的装夹方便、稳定，便于操作，而且变形最小。 3 ) 遵守基准重合原则、基准统一的原则，尽量减少夹具的种类，从而提高 被加工零件表面的位置精度。 根据上面的选用原则，我们要加工的零件是箱体类零件，其设计基面是箱体 的下底面，遵守基准重合原则，将定位基准面选为下底面，避免了加工时因为 基准不重合所引起的定位误差。并且这样选择，可以使夹具的设计简单且能让 工件的定位稳定。 工件的定位：在批量生产过程中，加工盖板、杠杆、箱体、气缸体等零件 的时候，常常选择用“一面两销 的定位方式，这样能够便于保证工艺过程中 7 武汉理工大学硕士学位论文 的基准统一，以及工件加工的相互位置精度。此次研究的内容是加工的箱体类 的发动机，因此，首选的定位方式为“一面两销”定位 g h l 0 】。 当采用两个圆柱销作为定位元件，缩小了一个圆柱销的直径，可以很方便 的实现工件的装卸，但是工件的转角误差却相应的变大，此种方案只适合于对 加工要求不高的场合。而采用一个圆柱销和一个菱形销为定位元件，不但可以 保证工件的装卸顺利，还能保证转角误差不变大，因此定位精度可以保证。本 次设计中，选用的是：以发动机箱体的下底面和两个销：圆柱销及菱形销组合 成为的“一面两销”的定位形式。 2 2 2 铣床的配置形式 在组合机床及其自动化生产线上，采用最多的的方法就是用铣削、刮削、 车削和拉削等。由于刮削常用于加工小孔口端面，车削常用于加工法兰端面， 拉削主要适用于成批和大量生产，尤其适于在大量生产中加工比较大的复合型 面，且价格昂贵，此处考虑经济指标，所以不采用。加工箱体类工件的平面时， 最普遍的方式就是采用铣削加工，一般采用铣削头、滑台和滑座等通用部件， 由被加工零件的加工工艺要求，设计出不同形式的组合铣床。 组合机床的配置形式可以分为两个大类：单工位和多工位组合机床。夹具 和工件都固定不动是单工位组合机床最突出的特点。在进行零件加工的时侯， 夹具把被加工零件定位夹紧。动力滑台可以完成进给运动，滑台上的动力箱完 成切削时的主运动，根据机床动力部件的进给运动方式不同，配置形式又分为l m l l l 【l 】【2 1 【4 1 ： 1 ) 卧式组合机床：动力箱是水平安装的，常用于孔的中心线和定位基准面 相平行的加工，可配置成单面，双面或多面，同时加工箱体类零件的一个表面 或着几个表面。 2 ) 立式组合机床：动力箱是垂直安装的，常用于定位基准面是水平的加工， 加工工件的孔和基面互相垂直，一般只能配置成单面的形式。 3 ) 倾斜式组合机床：动力箱是倾斜安装的，常用于具有一定倾斜度的表面 的加工，可有单面、双面或者多面的形式。 4 ) 复合式组合机床：动力箱具有以上两种或两种以上的安装状态。 多工位的组合机床：夹具在直线移动或者回转运动的工作台上安装，按照 一定的节拍时间，做间歇的移动或转动，工位因此得到转换。优点是：比单工 8 武汉理工大学硕士学位论文 位机床生产率要高，缺点是：比单工位机床的加工精度要低， 零件的大批量生产，其配置形式有： 1 ) 移动工作台的机床：工件和夹具能够作直线往复移动， 进行多工序加工，工序集中程度高。 常常用于中小型 适于两面对工件 2 ) 工作台回转的机床：工件和夹具能够绕垂直轴线进行回转，常常用于加 工多面、多工序的中小型工件的场合，装卸工位进行了专门设定，使机床机动 时间与辅助时间完全一致，提高机床的生产率。 3 ) 鼓轮式的机床：工件和夹具能够绕水平轴线进行回转。通常采用卧式单 面或双面加工的形式，可同时从两端对工件的两个面进行加工，结构较简单， 重量轻，加工精度较低。 4 ) 中央立柱式机床：台面具有直径较大的环形回转工作台。其上装有夹具 和工件，在工作台中央安装立柱，立柱上安装动力部件，可以用于多工序加工 的场合。此种机床结构比较复杂，部件通用化程度很低，但是工序集中程度较 高，效率高，常用于大批量生产。 单面还是双面的组合铣床的选择： 方案一：单面组合机床：由于加工的是双面，用单面组合机床，加工效率 太低。 方案二：双面组合机床：由于加工的是双面，更适合用双面，来提高加工 效率。 由于此面是2 个对称面，所以需要组成两个对称的双面组合机床来进行铣削。因 此选择方案二。 工件和铣削头的组合方式的选择： 方案一：选用工件固定，铣削头移动，实现进给运动的方式来加工。由于 加工精度为r 7 _ 2 0 ，同时要保证两斜面互相垂直度和平面度的要求，此方式由于 铣削过程中振动较大，精度不能保证，而且铣削头移动的方式，也增加了机床 的宽度，增加了机床的占地面积。 方案- - 选用铣削头固定，工件移动，实现进给运动的方式来加工。夹具 和工件能作直线往复移动，适于两面对工件进行加工，精度可以保证，节约机 床的占地面积。 为保证足够的精度，减少了占地的面积，选择方案二。 龙门还是两立柱组合铣床的选择： 方案一：龙门铣床：加工精度高，效率高，适合在成批和大量生产加工大 9 武汉理工大学硕士学位论文 型工件的平面和斜面，价格较昂贵。 方案二：两立柱形式组合铣床：将单面的组合机床配置成双面的对称的形 式，可满足加工要求，经济实惠。 由于此次的加工是年产量5 0 0 0 件。加工属于中小批量，对加工的效率要求 不是很高，所以用龙门铣床加工经济成本太高，不合理。再次，y 发动机箱体4 5 0 面的加工精度为：r z 2 0 ，在普通铣床上的粗、精铣可以满足该精度要求，所以 选择两立柱式的组合铣床即可。 综上所述，此次完成的是粗精铣y 型发动机箱体4 5 0 面的加工，由于加工面 与水平面呈4 5 0 ，首先要选择的是倾斜式组合机床，为了满足加工的要求，考虑 到加工精度和占地面积的原因，选用铣削头固定，工件移动，实现进给运动的 方式来加工。根据其生产纲领，考虑到经济成本等方面的因素，采用两立柱式 组合机床，又因为加工的是两个对称的4 5 0 面，为了使工序集中程度提高，所以 组合机床也是对称分布，安装两个动力头，一次定位夹紧，两侧4 5 0 面同时粗铣 后，再进行精铣。 机床的配置型式：斜卧式双面双工步专用铣床，如图2 2 所示： 图2 2 铣削y 发动机箱体4 5 0 面配置方案图 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3 刀具的选择 刀具的使用寿命、加工得到的质量、加工的生产效率以及加工成本都会因 为刀具材料的不同而受到很大的影响，因此必须合理的选择刀具材料。本次加 工的发动机箱体4 5 0 面由于是灰铸铁h t 3 0 0 ，硬度：h b l 6 6 2 4 9 。根据机械 设计手册知道，在粗铣、精铣钢、铸铁、有色金属工件的上的各种表面，应 优先选用硬质合金材料的刀具。 而在硬质合金中又分为：钨钴类和钨钛钴类硬质合金，其中钨钴类硬质合 金：常用牌号有y g 3 、y g 6 、y g 8 、y g 3 x 、y g 6 x 、y g s c 。y 代表硬质合 金，g 表示钴，g 后的数字表示钻含量，x 表示细晶粒，c 表示粗晶粒，其中y g 8 适用于粗加工，而y g 3 适用于精加工，y g 6 则是粗精加工中均可以使用。钨钛 钴类硬质合金：常用的牌号有y t 5 、y t l 4 、y t l 5 、y t 3 0 ( t 后面的数字代表 t i c 的含量) 。其中y t 5 适用于粗加工，y t 3 0 适用于精加工，y t l 4 、y t l 5 则 是粗精加工中均可使用。钨钴类硬质合金常用于铸铁件的加工，钨钛钻类硬质 合金常用于锻钢件的加工f 1 1 1 。 因为加工的发动机箱体材料为h t 3 0 0 ，所以选择钨钴类硬质合金的刀具，又 因为加工的4 5 0 面需要粗、精铣，所以根据上面的理论，选择y g 6 的刀具材料。 根据机械设计手册查得：通常情况下，首选镶齿面铣刀来进行各种较大平面的 粗铣与精铣。刀盘直径的选择应根据铣削平面宽度而定，由于铣削平面宽度为 2 7 0 r a m ，应选用比铣刀盘大的刀盘直径，根据相关资料，此处选择d = 3 1 5 m m ， 铣刀齿数选择1 8 个齿，在保证精度足够的条件下，铣刀的齿数应尽可能取小， 否则铣屑就会因为切削点到齿牙间的排屑槽变小而不方便排出，使排屑过程变 的困难。 2 2 4 工序问余量的确定 合理的确定工序间的余量，才能确保合理的选择切削用量。这样可以保证 加工过程能够顺利的进行，并保证加工精度和稳定性。在铣削加工中确定工序 间的余量时应该注意i l j ： ( 1 ) 如果是多工位加工或者工件被重新安装，定位误差比较大的时候，余 量尽可能适当取得大值。如果被加工零件是在一次安装、定位、夹紧完成半精 加工和精加工的情况下，精加工的余量尽可能取得小值。 ( 2 ) 如果零件的加工需要通过粗、精铣来达到加工精度和表面粗糙度的情 武汉理工大学硕士学位论文 况，可参考相关的机械工艺方面的书籍1 5 i 【6 】，来制定最终的粗、精铣的切削用量。 用硬质合金端铣刀加工4 5 0 面的切削用量，如表2 1 所示： 表2 1 用硬质合金端铣刀加工4 5 0 面的切削用量 铣削速度 铣削深度 每齿进给量 材料工序 ( m m i n )( m m )( m m z ) 粗铣5 0 8 02 5o 1 5 0 4 h t 3 0 0 精铣8 0 1 3 00 5 1o 0 5 2 本设计是一次定位夹紧，两侧4 5 0 面同时粗加工后，再进行精加工，由于采 用变频调速器，所以粗精铣的速度可以根据实际工况进行调整。选择粗铣时的 铣削头转速为n = l o o r m i n ，精铣时的铣削头转速为n = 1 5 0 r m i n 。有3 种铣削方 案进行此工序的加工： 方案一：一次走刀完成铣削，铣削量：5 m m 。 方案二：两次走刀完成铣削，粗铣一次，铣削量：4 m m ，精铣一次，铣削 量：l m m 。 方案三：三次走刀完成铣削，粗铣两次，一次铣削：2 m m ，精铣一次，一 次铣削：l m m 。 根据机械加工工艺手册1 6 查得： 铣削切削力的计算公式： f ：! c 竺竺x f 兰y f 丝u f 三 一d q r 刀订 ( 2 1 ) 铣削功率的计算公式： 己= 蒜 (2-2)61 0 舸 4 、一一7 上面的公式，e ：圆周铣削力，g ：铣削系数，口口：铣削深度，巳：每齿进给量， q ：铣削宽度，小刀盘直径，刀：铣削头转速，圪：铣削功率，v - 铣削速度。 查表知道：g = 5 3 4 ，x f = 0 9 ，矿= o 7 4 ，u f = 1 0 ，订= 0 ，q f = 1 0 。 下面来比较三种方案： 1 ：一次走刀完成铣削，铣削量：5 m m 。可以算出： 铣削力：f：534x509xo15074x 2 7 0 x 1 8 ：8 6 1 5 ， 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 铣削功率：己= 8 6 i 15 i x 矿9 8 9 6 = 1 4 2 k 形， 由于功率太大，不符合要求，圆周铣削力也过大，所以不选此方案。 2 ：粗铣一次，铣削量：4 m m ，精铣一次，铣削量：l m m 。可以算出： 粗铣铣削力： e = 里生塑兰兰罴塑= 7 0 4 7 ， 粗铣铣削功率：匕= 7 0 1 4 7 i x 矿9 8 9 6 = 1 1 6 2 k w ， 和方案一相同，还是由于铣削力和功率都过大，因此不选用此方案。 3 ：粗铣两次，一次铣削：2 m m ，精铣一次，一次铣削：i n u n 。可以算出： 铣削力：c = 羔竺羔竺兰生兰苦逊= 3 7 7 6 ， 铣削功率：己= 3 7 i 7 6 i x 矿9 8 9 6 = 6 2 3 k 形， 方案3 ，铣削力比较小，功率也满足要求，暂且考虑选用方案三进行铣削加 工，最终的选择还要根据实际的工况来决定。 粗铣过程的计算： 铣削深度口口取2 i n m ，每齿进给量曼取o 1 5 m m ，铣削头转速船取l o o r l l l i n ， 铣削速度：v = 罴= 竺篙半= 9 8 舶删眦 每转进给量：磊= 码= 1 8 xo 1 5 = 2 7 m m r ， 每分钟迸给量：l = 崛= l o o x 2 7 = 2 7 0 r a m m i n ， 粗铣用时：t = 三n f = 丽9 7 0 = 3 5 9 m i n ， 精铣过程的计算： 铣削深度取1 m m ，每齿进给量屯取0 0 8 m m ，铣削头转速门取1 5 州n 血， 铣削速度：v = 器= 堡篙半= 1 4 8 钳删砒， 每转进给量：矗= z $ z = 1 8 x o 0 8 = 1 4 4 m m r ， 每分钟进给量：哆1 = 崛= 1 5 0 x 1 4 4 = 2 1 6 m m m i n ， 武汉理工大学硕士学位论文 精铣用时：t = i l = 丽9 7 0 = 4 4 9 i i l i n 。mz l o 2 3 本章小结 本章通过对v 型发动机箱体零件的特点进行分析以及加工的4 5 0 面的技术 要求，最终确定了加工的工艺方案。包括定位基面和工件的定位方式的选择， 通过比较分析，确定了铣削4 5 0 面的机床配置型式为：斜卧式双面双工步专用铣 床。选择了刀具的结构和材料，工序间的余量的确定，为后面选择合理的切削 用量打下良好的基础。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章机床总体设计 上面一章对组合铣床的加工零件进行了工艺方案的拟定，本章主要是在上 章的基础上，确定铣床的总体方案，包括用c a d 软件绘制组合铣床的“三图一 卡 ，包括工序图、加工示意图、机床联系尺寸图以及生产率计算卡。部件的 选择，包含通用部件( 动力部件、支承部件、输送部件) 的选择，专用部件( 立 柱等) 的设计。 3 1 被加工零件工序图 被加工零件工序图：在被加工零件图的基础上，根据已经确定的工艺方案， 绘制组合机床的加工内容，并进行必要说明的图纸。其内容包括：加工零件的 材料、硬度、加工的位置，加工前的加工余量等情况，以及加工部位的技术要 求、尺寸要求、精度要求、表面粗糙度，定位基面、夹压的方向及位置。它是 后续绘图的基础，也是组合机床设计的重要参考。加工工序图的具体内容如下【1 1 【2 】f 4 l ： 1 ) 被加工零件的轮廓形状和尺寸、以及与机床设计相关联部件的结构和尺 寸。如果遇到需要设置中间导向的情况，需要画出零件内部的肋，壁的布置情 况和相关结构的形状尺寸，方便于检查在夹具，刀具，工件之间是否存在干涉。 2 ) 本道工序所加工表面的尺寸，精度要求，形状位置公差与上一道工序的 技术要求。 3 ) 为方便后续夹具和导向机构的设计，图中应用相应的符号表达出定位基 准、自由度的限制、夹紧部位及方向等。 4 ) 图中还应用文字备注对加工零件相关参数进行说明，如零件编号、名称、 材料、硬度等以及加工部位的余量等。必要时，还应对图中特点的表示符号做 相应说明。 根据零件的毛坯、结构尺寸、加工精度的要求，绘制了铣削v 型发动机曲 轴箱体4 5 0 面的加工工序图，如图3 1 所示： 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 加工示意图 图3 1 被加工零件工序图 加工示意图是刀具的选择和设计，夹具的设计、主轴箱的设计和计算以及 选择动力部件的选择和设计的主要资料，同时也是机床和刀具调整的一个重要 的参考依据。它能表示出机床的加工过程和加工方法，对接杆的种类和尺寸， 刀具数量及种类，刀具长度和尺寸，主轴类型、尺寸及伸出长度，主轴、刀具、 导向与工件间的联系尺寸等方面的内容起到决定性作用。在设计加工示意图时， 要根据机床要求的生产率及选用刀具特点，合理地选择切削用量，最后决定动 力头的工作循环【l l 2 11 4 1 。 加工示意图是以展开图的形式绘制的。其步骤：首先绘制工件的外形展开 图和加工部位的展开图，这些图形需按比例绘制。画好了被加工箱体的轮廓尺 寸后，需要画出动力部件，此处是加工两4 5 0 面的铣削动力头的大体轮廓，以及 相对于工件加工面的位置，这样可以判断是否会产生相互干涉或相碰的情况； 需要画出加