（机械工程专业论文）柴油机曲轴斜油道加工专用机床及控制.pdf

西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本文对1 6 2 4 0 z j b 型柴油机曲轴斜油道的加工工艺进行了详细的分析， 就其荆油道的镗削及挡圈槽的加工提出了“分次装夹f 包括调头一次) ，顺序 加工f 粗镗一精镗一切槽1 ，拔销换位，多工位加工，达到产品图样的精度要 求”的思路。根据这一思路设计了专用组合机床。 陔机床由底座、上下滑台、夹具、动力头、曲轴支座、刀具、控制部分 等组成。本文对各部分的设计进行了详细的计算和论证，并提出了优化工艺 结构的方法。采用的p l c 控制稳定可靠。它的研制成功对提高曲轴加工的工 作效率和质量具有重要的意义。机床投入使用后，提高工效3 5 倍，达到了 国内同行业的领先水平。 关键词：曲轴：斜油道：镗削；切槽：组合机床；控制 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t a f t e ri n v e s t i g a t i n gt h em a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y o ft h eo b l i q u e o i l p a s s a g e s o fad i e s e l c r a n k s h a f t ，as u i t a b l ed e s i g n p r o g r a m i sd e t e r m i n e dt h a ti st h eh o l e sa r e b o r e da n dt h eg r o o v e sa r ec u ti nac e r t a i no r d e ro na s p e c i a ld e s i g n e d m a c h i n et 0 0 1 a n dt h e nt h ep i ni sp u l l e do f fa n dt h e w o r k p i e c ec r a n k s h a f t l o c a t i o ni sc h a n g e d i n t h i sw a y ，t h ew o r k p i e c ei sf a s t e n e do n et i m ea n d m a n u f a c t u r i n gw o r k s c a nb e r e p e a t e dm a n yt i m e si nd e f e r e n tl o c a t i o n s t h i si sc a l l e d t h ef i x t u r ea n d m u t i p l el o c a t i o nm a n u f a c t u r i n g c a l la c h i e v ea g o o dp r e c i s o n o f t h ep r o d u c ta st h ep r o d u c tp l a n r e q u e s t e d a c c o r d i n g t ot h i sp r o g r a m ，as p e c i a la g g r e g a t em a c h i n et o o li sd e s i g n e d a n db u i i t t h e a g g r e g a t em a c h i n e e o n s i s t so faf o u n d a t i o n a nu p p e ra n dal o w e r s l i p w a x aw o r k p i e c eh o l d e r ，ac r a n k s h a f tf i x t u r e ，ac o n t r o ls y s t e m ，c u t t i n gt o o l sa n ds o o n n l ed e t a i lc a l c u l a t i o n sa n d p r o o f sa b o u tt h ed e s i g n a r ec a r r i e do n t a n da n o p t i 。r a i s e dp r o c e s s i n g t e c h n o l o g yp l a n i se m p l o y e d t h em a c h i n et o o li sc o n t r o l l e db y m e a n so fap l c ，s ot h a t ，t h ec o n t r o lc h a r a c t e r i t i co ft h em a c h i n ei ss t a b l ea n dr e l i a b l e t h es u c c e s so f t h i sr e s e a c hw o r k g i v e sah i g hm a n u f a c t u r eq u a l i t ya n d ag o o dw o r k i n g e f f i c i e n c y , w h i c h i sa b o u t3 5t i m e so f t h eo l dm e t h o d t h i si si nt h e a d v a n c e dl e v e lo fo u r c o u n t r yi nt h es a m ep r e c i s s i o n k e y w o r d ：e r a n k s h a i , o b l i q u e o i l - p a s s a g e s ；b o r i n g ；g r o o v ec u t t i n g ；r e g a t e m a c h i n e t o o l ；c o n t r o l 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 本项目研究的意义 洛阳机车j 一内燃机车厂修已有15 年的历史。在这1 5 年的发展过程中，经 过不间断的技术改造，已成功地完成了包括b j 型、d f 7 型、d f s 型、d f 4 b 型、 d f 4 c 型、d f 4 d 型等多种型号内燃机车的检修任务。批量逐年增长，目前已达到 年修车1 8 0 余台的水平。修车的品种及批量快速上升，而大型机车配件自制能 力的提高相对缓慢。配件( 尤其是大型配件) 的更换过分依靠外购，对单台修 车成本的主动优化控制就不易实现，这不利于企业的长远进步和稳步发展。基 于这一原因，洛阳机车厂近两年来陆续制定了多项机车配件自制攻关计划。其 中柴油机曲轴的自制属重点攻关项目。这一项目若开发成功，今后一i 仅司以满 足我厂厂修机车的需要，而且可以进入配件市场销售，创造可观的经济效益。 曲轴是机车柴油机中最重要的部件之一。活塞的往复运动通过连杆转变为 曲轴的旋转运动，柴油机的功率通过它输出，并直接或间接地驱动配气机构、 喷油泵、机油泵、水泵等部件。它的质量性能是否过关，直接影响到柴油机的 安全正常运转。由于我，一厂修机车的柴油机种类较多，本文主要解决d f 4 b 机车 用柴油机( 1 6 v 2 4 0 z j b 型) 曲轴的自制问题。 在此配件的开发过程中，工厂改变了过去“小而全、大而全”的思路，而 是遵循了一条“两头在外”的思路。毛坯采取外购，集中精力解决曲轴加工这 一难题。可以使配件的开发步伐大大加快。为此引进了曲轴磨床、车床、曲轴 氮化等一系列大型设备，为成功自制益轴奠定了基础。但随着批量的加大，各 曲柄及曲柄销的内体中3 2 个不同方位，与主轴线夹角成4 7 。的斜油孔在普通设 备上加工困难且生产效率已无法满足要求，产品质量也不好保证。急需研制一 台自动控制程度较高的专用机床来实现分次装夹，多工位将各孔加工完毕。在 此项目的研究过程中应着重解决以下几方面的问题： ( 1 ) 在研究确定合理的切削加工工艺方案的前提下，确定该专用机床的总体 设计布局，要求具有经济上的可行性； ( 2 ) 根据详细的计算论证，确定选择合理的切削动力头i ( 3 ) 选择合理的夹具，解决好曲轴在切削过程中的夹紧及定位问题。保证工 件定位可靠、准确。保证油孔在3 6 0 。圆周方向及轴向的精确定位； 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第2 页 ( 4 ) 选择合理的刀具以实现曲轴产品图样规定的斜孑l 加工表面精度要求。解 决好刀具在加工过程中的钢度和稳定性等问题； ( 5 ) 各滑台及动力头顺序动作的实现与控制。要求主轴可实现两级速度，以 满足斜孔加工工艺条件要求。 1 2 本项目在国内的研究状况及发展趋势 机车柴油机曲轴斜油孔的镗削是曲轴加工过程中比较关键的工序。其位置 及角度用普通机床实现加工是比较困难的，所用的专用工装非常复杂，生产效 率很低。目前各厂加工曲轴斜油孑l 的机床多为组合机床，但以手动调整为主， 生产效率也不甚理想。其发展趋势为： ( 1 ) 提高自动化水平，特别是工件的装夹和拆卸的自动化，以提高生产效率； ( 2 ) 提高组成件的通用化程度； ( 3 ) 采用自动测量和刀具自动补偿技术，做到调刀不停车来提高加工精度和 精度的可靠保持性； ( 4 ) 实现c n c 及柔性化，向机电一体化迈进，大幅度提高曲轴制造的技术水 平。 1 3 开展本项目研究的原则及要达到的目标 此专用机床实际上就是一台针对曲轴斜油孔的切削加工而构思的一种多工 位镗孔组合机床，其7 0 8 0 的零部件是标准件或通用件，有利于提高性能、降 低成本，保证机床的可靠性并且便于维修。专用件在设计时也应尽量减少品种， 向近似化靠拢。因此，本项目在完成后应达到以下四个目标： ( 1 ) 对曲轴的夹紧定位安全可靠，要有锁紧环节。曲轴圆周方向定位精度达 到l ，轴向定位精度达到o 0 5 m m ，上、下滑台采用反靠定位，精度为o 0 5 m m ； ( 2 ) 滑台应具备快、工进( 退) 和手动调整功能。实现工序循环后应有锁紧 功能。具有独立的润滑系统。这些工作循环的实施，采用可编程序控制器( p l c ) 实现控制。 ( 3 ) 主轴速度变换范围为3 2 一- 6 4 0 r m i n ；工进速度o 1 l m m r ，快进速度 1 2 m r a i n ：加工孔直径应不小于由6 0 r a m ； ( 4 ) 为满足同侧油孔加工的循环要求，刀具定位及支撑要合理，能够满足产 品图样的加工精度要求( 即角度允差1 0 ，直径允差+ ) 。 1 4 本文要完成的主要内容 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 页 ( 1 ) 确定科学合理的加工工艺方案； ( 2 ) 根据( 1 ) 的要求，确定机床的总体设计方案； ( 3 ) 对各关键部件进行理论设计； ( 4 ) 完成控制系统的设计及分析。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第4 页 第2 章曲轴斜油孔加工机床的总体设计 2 11 v 2 4 0 z j b 型柴油机曲轴制造工艺概述 1 6 y 2 4 0 z j b 型柴油机曲轴由稀土镏铜合金球墨铸铁整体铸造而成。经热处理 后其抗拉强度t 8 4 m p a ，延伸率6 1 ，冲击韧性o 。1 4 7 j c m 2 硬度1 t b 2 6 9 3 3 1 。1 6 y 2 4 0 z j b 型柴油机曲轴由主轴颈、曲柄销、曲柄臂、曲轴自由端，功率 输出端等部分组成( 见图2 一叭) 。 曲轴的输出端通过法兰与簧片式弹性联轴节的花键轴法兰相连接由弹性 联轴节再与牵引发电机相连，进行柴油机的功率输出。曲轴的自由端装有正时 卤轮、减振器、泵传动齿轮、万向联轴节叉形接头等零件，用以驱动凸轮轴、 气门、调速器、转速表、水泵、机油泵以及机车的辅助装置等。而曲轴的中部 由一些尺寸相同但彼此位置不同的曲柄部分组成，每个曲柄对应于左、右两列 气缸中位置相同的两个缸。曲柄包括主轴颈、曲柄销( 或连杆颈) 、曲柄臂。主 轴颈及连杆颈的排序从自由端( 即控制端) 起，向输出端数。 柴油机在运转过程中，曲轴要承受着以下三方面的作用力： 曲轴处在不断周期性变化的燃气压力和运动质量惯性力所造成的外力和 外力矩的作用下，这些交变力和交变力矩使曲轴既弯曲又扭转，产生交变的疲 劳应力。 由于曲轴轴系具有弹性，会产生轴系扭转振动和横向振动的附加负荷。 曲轴轴系在周期性变化的扭矩作用下产生扭转强制振动，因而曲轴承受附加应 力。当强制振动频率与轴系自由振动频率相同时，将发生共振，其结果轻则使 各传动齿轮早期彦损，产生强烈噪声，引起配气机构与供油正时的变化，严重 时可引起曲轴疲劳损坏。 由于轴承内孔不同轴，轴承与轴颈的摩擦，支座弹性变形等原因引起曲 轴轴线不正而产生的作用力。有时这种作用力会使曲轴发生断裂。 以上可见，曲轴上的作用力和力矩，不仅可使曲轴各部分产生交变应力，、 而且还使曲轴变形，当曲轴刚度不足时，变形更为严重，因此它必须满足如下 要求： 具有足够的疲劳强度； 具有尽可能高的弯曲刚度和扭转刚度，以保证活塞连杆组和轴承的可靠 霎姆暴鲁 g 山匝 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 工作。同时，提高自振频率，避免发生共振。对曲轴来说 度更为重要； 第6 页 保证刚度比保证强 轴颈应耐磨； 具有足够的加工精度和低的轴颈表面粗糙度； 要保证曲轴能可靠地工作，除曲轴本身的因素外，还应具备保证曲轴可靠 工作的相关条件，主要有两个方面： 对曲轴颈有可靠的润滑，使曲轴颈与轴承之间能建立起足够的油膜，使 曲轴在工作状态下不与轴承金属接触； 支承曲轴颈的轴承应有良好的同轴度，以免增加曲轴的附加应力。 为了达到上述一系列要求，采用的是整体铸造式曲轴结构，这种结构受力 状态好，对应力集中不敏感，耐磨，材料利用率高，加工简化，生产率高，价 格便宜，成本低。由此确定的总体制造工艺路线如下： 瞄篓釜铸铁恼卧冈 恒料：稀土钼铜球墨合金铸铁卜一热处理l + 1 车削卜厂j 。l 旺艺：斜铸立冷低压铸造ll 竺字= 二_ _ j lj 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第7 页 先进的控制手段，包括确保工作过程的稳定、可靠，能实现加工工艺所 要求的工作循环过程等。 2 2 曲轴斜油孑l 加工工艺方案的确定 1 6 v 2 4 0 z j b 型柴油机曲轴的生产加工产品图样见图2 一0 2 。根据产品加工生 产图样，在确定斜油孔的加工工艺时，应重点考虑斜孔加工的工序，加工精度 ( 包括尺寸和位置精度) ，表面粗糙度以及小批量生产的特点。 2 2 1 斜油孑l 加工工艺基准面分析 在选择工艺基准面时应遵循如下原则： 应当尽量选用设计基准面作为加工用的定位基准面，这样能减少定位误 差，有利于保证加工精度； 选择的定位基准面应确保工件的稳定定位，定位的支承面应该大一些， 力求采用已加工面作为定位基面。只有在不得已时，才采用毛面定位； 选择基准面时要保证在一次安装下，能对尽可能多的面进行加工，以便 于有效地集中加工工序，提高效率，保证加工部位相互间的精度要求； 定位基准面要统一； 选择定位基准时要考选虑夹紧方便，夹具结构简单； 当被加工零件不具备理想的工艺基准面时，可在夹具上增加辅助支承机 构； 在选择工艺基准面的同时应相应地决定夹压位置。它对定位的可靠，加 工精度的保证都有直接的影响。夹压后应保证工件的稳定，夹压点应避免放在 工件的上方。对刚性差的工件，力求使夹压点对着定位支承点。 按上述要求确定斜油孔加工时的基准面及夹压位置见图2 一0 3 。 2 2 2 斜油孔加工工艺分析 分析斜油孔的加工工艺是制定工艺方案极其重要的步骤。只有详细地分析 各斜油孔加工工艺的需要和机床完成工艺的可能性，才会正确地确定机床的配 置方案。 由图2 一0 2 所示的产品图样可知，3 2 个斜油孔的直径均为审6 0 h 7 ( + f ) ，与 中心轴线的夹角均为4 7 。1 0 ，深度为2 8 3 0 砌，均属短孔，因毛坯上已有 铸孑l ，应采用镗削加工。斜油孔表面粗糙度为r a l 6 以下，应在粗镗后，进行 精镗来实现。挡圈槽直径为巾6 3 5 ( + ：2 ) ，宽度为2 7 ( + ：1 ) ，由自动切槽机构装成 皿 、 ? o | 。一、 i ? 、 一 、j ，? 建要i 瞄= 2 2 0 r m i n i m t = o , 5 m ”m r ； 叁 ? 髫 图2 0 6 斜油孔加工示意图 由双速电机+ 变速机构的机械传动方式来实现。而进给运动采用由不同的电机分 别带动丝杆旋转来驱动滑台以实现各自的快、工进运动。上下滑台分别各自装 有两台电机。选择时应遵循下述原则： 进给力和功率应能满足加工所需的最大进给力和所需的计算功率( 包括 切削功率、空转功率、传动损失) 的要求； 应能实现所要求的工作进给速度； 通常的动力滑台只具有常用的钻削工作循环( 即快进一工进一靠死挡铁 工作一快退一到原位停止) 。需要其他工作循环时，需增加挡铁和附件。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 3 页 2 4 3 1 镗削动力头的选择 电动机功率的确定 每种机械传动的动力头都有一定的功率范围。根据前述所选用的切削用 量计算切削功率，并适当地考虑提高切削用量的可能性( 一般按增加3 0 考虑) ， 作为确定相应的电机功率的依据。 d p ，1 3 垃( k w ) - ( 2 0 1 ) 。 式中： n m 为传动效率，取为o 8 ； p 功为切削功率，此处： 只= 乓巴厂j v 1 咿吒。k 屯。：，k “( 2 - - 0 2 ) 式巾： p ；为单位切削功率，此处取p 。= 1 4 1 3 1 0 1k w ( m 3 s ) “1 ； 。为切削深度，粗镗时为4 m m ，精镗时为i m m ； f 为进给量，粗镗时为0 5 m m r ，精镗时为0 1 5 1 1 1 m r ； v 为切削速度，粗镗时为0 6 6 6 7 m s ，精镗时为1 6 6 6 7 m s ； k 。为进给量修正系数，粗镗时取为0 9 3 ，精镗时取为1 “； k 。为镗削速度修正系数，粗镗时取为1 0 6 ，精镗时取为i 0 2 ”1 ； k 。：为镗刀前角修正系数，此处为1 0 “3 ； k 。为刀刃负倒棱宽度修正系数，此处为l ( b 。，= o ) “1 ： k 。为主偏角修正系数，此处为1 1 0 ； k 、。为刃倾角修正系数，此处为1 ，0 1 1 ： k 。为刀尖圆弧半径修正系数，此处为1 0 ； k 。为后刀面磨损量改变修正系数，此处取为1 1 7 ( 后刀面磨损高度 v 日_ o 6 m ) 。 代入式( 2 一0 2 ) 计算后可知： 粗镗时，切削功率p 。= 2 3 9 ( k w ) 精镗时，切削功率r = 0 5 1 5 ( h ) 于是，根据式( 2 一毗) 综合计算上述数据后，电动机的功率应为： 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第t 4 页 粗镗时，切削功率p 。= 1 3 ( n t 1 。) - - - - 3 8 8 ( k w ) ；实际取为3 7 k w ，使用 时不要长时间超载； 、 精镗时，切削功率p 。= 1 3 ( p 。r l 。) = o 8 4 ( k w ) ； 此方案采取的是双速电机，配套的高速段功率为7 k w ，完全可以满足要求。 为同时满足粗、精镗加工的需要，查阅有关资料，选用的双速电机为y d l 6 0 l 1 2 6 型。其高速时输出功率为3 7 k w ，低速时输出的功率为7 k w ，满足要求。 动力头确定 要求镗孔直径为巾5 0 巾8 0 r a m ；工作转速：粗镗时为2 2 0 r m i n ，精镗时为 3 7 0r m i n 。 根据以上各工作参数，经过查阅有关资料，t a 3 2 系列带有双速电机驱动的 卧式镗削头可满足加工要求。该动力头型号选为1 t a 3 2 i n b 3 2 l y ，由保定第 二机床厂在标准镗头的基础上，根据一些特殊要求改进而成。它与滑台配套， 可进行单轴粗、精镗孔。其由双速电机驱动，低速适用于粗镗，高速适用子精 镗。电机型号为y d l 6 0 l 1 2 5 ，低速时功率为3 7 k w ( 转速5 0 0r m i n ，高速 时功率为7 k w ( 转速1 0 0 0 r m i n ) 。传动装置为1 n g b 3 2 型( 顶置式齿轮传动) ， 其输出的低速组转速为8 0 4 0 0 r m i n ，高速组转速为1 2 5 6 3 0 r m i n ，可以满 足上述、的要求，其外形及与滑台的接口尺寸见图2 一0 7 。 2 4 3 2 上动力滑台及其驱动机构的选择 最大进给力的确定 每一型号的滑台都有其最大允许的迸给力。在选用时应使其大于计算时的 切削进给抗力，并注意使主轴切削力的合力中心应处在动力头接合面范围内， 尽力处在动力头接合面的下方。 切削进给抗力f ，按下式计算： e 2 p - o 厂。k 暇幔】k k k k ( 2 0 3 ) 其中： p 为单位切削力，查表取为1 4 1 3 n 啪2 “1 ； d 。为切削深度，粗镗为4 j m ，精镗为i m ： f 为进给量，粗镗为o 5 m m r ，精镗为0 1 5 m m r ； 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 5 页 图2 0 7i t a 3 2 1 n g b 3 2 l y 动力头 接口尺寸示意图 k 。为进给量修正系数，粗镗取为o 9 3 ，精镗取为1 1 l ； k 。，：为切削速度修正系数，粗镗为1 0 6 ，精镗为1 0 2 ； f 。f ：为进给抗力与主切削力的比值，粗镗为0 3 ，精镗为0 1 5 ； k 。为镗刀前刀修正系数，此处为1 0 ； k 。为刀具负倒棱宽度修正系数，此处为1 o ； k 。为刃倾角修正系数，此处为1 o ： k m 为刀尖圆弧半径修正系数，此处为1 0 ； k 。为后刀面磨损量改变修正系数，此处为1 3 ( 后刀面磨损高度v b = o 6 r a m ) 将上述数据代入式( 2 0 3 ) ，则有： 粗镗时，进给抗力f 。= 1 0 8 6 4 9 ( n ) ； 精镗时，进给抗力f x = 4 6 7 9 ( n ) 。 速度的确定 根据工艺要求计算：租镗时进给速度应为1l o r 锄u l i n ，精镗肘进给速度应为 3 7 0 m m r a i n 。 最大行程的确定 考虑到要满足加工循环要求外，还必须方便刀具的调整和装卸，最大行程 应不小于6 0 0 m m 。 选择合理的导轨型式，有效地保证加工精度及稳定性 组合机床采用的是刚性主轴，兼顾粗、精j j n - r 。为了减少导轨磨损对加工 精度的影响，应选用带矩形和三角形相结合的导轨及滑台部件，其滑台长度及 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 6 页 导轨宽度应适当放大，有利于提高加工过程的稳定性，达到产品图样要求的加 工精度。 。 选择滑台时，除满足上述、条件外，还需考虑与动力头l t a 3 2 i n g b 3 2 l y 的配套问题及价格比较因素，查阅有关资料，上滑台采用机械滑 台h j 4 0 b 6 3 0 型，配套传动机构选为h j 4 0 - - f 4 1 。此滑台的工进速度有两种： 0 5 啪r ，l m l r ；快进速度为：6 5 m m in 。 h j 4 0 b 6 3 0 型机械滑台的进给运动由机械传动件来实现。整个机械滑台由 滑台部分和与之配套的传动装置( h j 4 0 f 4 1 ) 及制动器等附属部件所组成。如 图2 一0 8 所示，滑台部分包括滑座、滑台体、丝杆螺母等部件。 a l - a a 图2 0 8t t j 4 0 0 6 3 0 机械滑台结构示意图 机械滑台的传动系统由装在滑座后端的传动装置和滑台的丝杆螺母组成，图2 - - 0 9 是它的传动系统图。其传动路线表达为： 工进电机一互一兰一旦一互叶成机构_ 咝杆 工进电机l _ _ _ l 舍成机构三圭幺扦 z 8 bd z l o。- nz 6 快速电机一 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1 7 页 图2 0 9 上机械滑台的传动系统( h j 4 0 _ _ f 4 1 ) 它可实现快进、工进、停留( 死挡铁停留) 、快退、原位停止的自体工作循 环。工作进给时，由工进电视驱动。当开动快速电机淞( 正转或反转) 时， 由于合成机构的作用，由快速电机驱动的附加运动使丝杆快速正转或反转，从 而实现滑台的快进或快退。当工作循环中要求滑台在工作结束后停留时，滑台 在行程的终点碰在预先调整好的死挡铁上，不再继续前进，这时丝杆及蜗轮便 不能转动，而工进电机还在运转，这样就迫使蜗杆克服弹簧力而产生轴向移动， 在移动过程中，由于杠杆压下行程开关，发出快退信号( 或经延时后发出快退 信号) 使快速电机反转，滑台便快速退回到原位停止。在加工中，若遇到障碍 或切削力过大滑台不能移动时，这个机构，同时还可起过载保险的作用。 为了确保上滑台在底座滑台上的精确定位，装配前，应对滑座体再进行一 次精加工处理。加工要求见图2 1 0 所示。 2 4 3 3 底座滑台及其驱动机构的设计与选择 底座滑台机构的总体设计 i ) 底座滑台在本机床中的任务 a 承受来自于镗削动力头及上滑台的自重载荷； b 可靠稳定地驱动滑台体，使其工作面上固定的上滑台及镗削动力头能够 分时、准确地到达稳定的八个加工位置。 i i ) 底座滑台应达到的要求 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 8 页 。一一 -。一一 # = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一= = 一= = 一= 一 一- - - 二、j ! 一 二：一毪一一孟二匦一二 图2 一1 0 滑座体补充加工嘲 a 动作过程平稳、可靠、准确，具有良好的可重复性； b 滑台采用丝杆螺母机械驱动方式，传动机构应可实现自动和手动两种工 况。 c 滑台体的工作面具有足够的精度，以便满足上滑台底座的定位要求； d 要求滑台工进速度为l o o n n m i n ，快进速度为5 6 m m in 滑台行程不 小于3 5 0 0 m m ： i ) 底座滑台总体结构形式的确定及其工作原理 根据前述对滑台设计的总体要求，本着简化结构，经济实用的原则，底座 滑台采用如下的结构型式布置( 图2 一l 】) ： 图2 - 1 l 底座滑台结构型式简图 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1 9 页 它由底座滑台，手动进给机构及机械传动三部分组成。手动进给机构为专 门设计。当滑台处于手动状态时( 拨叉a 将齿轮b 拨至手动位) ，转动手轮，使 齿轮c 旋转，带动齿轮d 、e ，再传到齿轮b ，驱动丝杠，实现滑台的移定。滑 台处于自动状态时( 拨义a 将齿轮b 拨至自动位，使其传动箱的输入齿轮啮合) ， 由两电机分别按控制要求来驱动滑台，实现快进和工进。这里的传动机构借用 1 h j 6 3 一f 4 1 的传动装置。 底座滑台设计 器赢爱篱爵，鲤 圳，0 一一 壁夏苎苎苎曼里雪军三三歪j 千j 鼋三j ，等j 1 一一一一 11 。 i 薜圈 + 面虱 l 斗“ ， 一 + ，二二三。 一 1 7 一二击 j 睡到 3 。型玛 4 、 一 l l 。 、j 图2 一i 2 底座滑台组成 由图2 1 2 可知，组成底座滑台的主要部件为滑台体、丝杠、丝母、底座 等。为便于上滑台底座在本滑台体上的定位，又可减轻重量。滑台体的上平面 设计成“x ”形( 如图2 1 3 所示) ，上滑台的底座按与主轴线成4 7 。角的方向 固定定位。其下部设计有丝母固定座。导轨设计成一山一矩相结合的型式，这 样可以减少导轨磨损对加工精度的影响，材料为灰铸铁h t 2 0 0 。 底座设计成“u ”形结构，与滑台体配套，下导轨也为一山一矩相结合的型 式。为提高其支撑强度，下部铸有多道立筋。为便于与手动机构连装，它的 端留有安装配孔的位置( 如图2 1 4 ) 。材料为灰铸铁h t 2 0 0 。 丝杠采用4 5 4 圆钢加工而成，整体调质后，表面淬火再磨削达到各段的配合 精度。其结构见图2 1 5 所示。而丝母采用铸青铜z q s 6 6 3 ，如图2 1 6 所示。 萝一 酐譬 毒i l 。匡正垦门、 、屏j ；! i ! 珂 1 粤里勇粤兰坚旦l 0 _ _ 一一一一 = 二二r r 一i i ：二 、】，- “j 一 、 z 气幽；r 一，# ? 田2 一1 3 滑台庠结拇简图 ：= ：_ i 一一二j ：。= = ? - 一二_ 一4 吾 i j 寻二苫 争殳i ；鬲j l 止- 二芷。1 二二二二二 圈2 1 4 底座结构简图 ) | i ；气f ：坚= = 当， 砰驻翠鬻匿籀一 掣划世 。 图2 15 底座精台传动丝杆简图 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 l 页 j 一。 。i 、 j ? _ 一。j j i 。、二，。1 、灌爹 图2 一1 6 搀动篓母结构简圈 此处螺旋传动的主要任务就是将丝杠的旋转运动转变成滑台体的直线运 动，同时传递轴向力和转矩。丝杠一丝母传动付( 梯形螺纹) 为滑动螺旋传动。 为防止爬行，在此传动付上，装有制动装置。它们的失效主要是螺纹磨损、螺 杆裂损、失稳等，下面分别对其螺纹的耐磨性、强度、螺杆强度、稳定性、刚 度等进行校核。 i ) 螺纹耐磨性校核( 即工作压强校核) p = 矗音 p 】( 2 - - 0 4 ) 式中： f 为轴向载荷，e - - - - - 6 6 2 1 ( n ) ； d 。为螺纹中径，d ! = o 0 5 4 ( m ) ； h 为螺纹的工作高度，h - - - - o ，5 s = 0 0 0 6 ( 船) ，其中s 为螺距； z 为旋合圈数，z = 号= 1 2 ，其中h 为丝母高度脓 以上各值代入( 2 一0 4 ) 式，左边有：p = 0 5 4 2up a ，查阅有关资料 1 ，此处 许用工作压强 p = 1 i m p a ，可以满足p p ，即此传动螺纹付符合工作过程对耐 磨性的要求。 i i ) 螺旋传动( 丝杠一丝母传动付) 自锁性的验算 此处自锁条件应为：螺旋升角入当量摩擦角p “3 ，即 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 2 页 且：。w 留j _ p ( 2 - - 0 5 ) 2 式中： l 为导程，l = 2 s = 2 4 1 0 。( m ) ，代入式( 2 一0 5 ) 左边，则： x ：口r c 留器= s o s e 。； p 为当量磨擦角，p = 4 7 3 5 。 x ，说明螺旋传动付不能自锁， 加装手动和自动制动装置是必要的。 i i i ) 丝杠强度的校核 ( 射+ ，( 丢卜卜- c z 硼， 式中： d 为丝杠螺纹底径，dl = 4 7 r a m ； t 为传递的转矩，此处r ：f 拿留q + pr ) = 4 0 5 8 5 ( n m ) 代入式( 2 一0 6 ) 左边，则有当量应力： i ( 6 6 2 1 x4 1 2 , ( 4 0 5 8 5 2 = 4 2 8 9 4 ( 脚口) 式( 2 一0 6 ) 右边 盯 为丝杠材料的许用应力，此处 p 】= 睾= 半= 6 0 m p a ，盯 说明丝杠强度可以满足工作要求。 i v ) 螺纹牙强度校核 对于丝杠： a 剪切强度 x d b z厅d0 6 5s z 而材料的许用剪切强度【】= o 6 h = 3 6 m p a f ，说明丝杠螺纹牙能满足剪切强 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 3 页 度要求。 b 抗弯强度 卟杀= 丽嚣再= 1 1 0 5 6 ( m p a )吒2 硒2 磊币丽了污2 “j 而材料的许用抗弯强度 d 。= 1 0 0 = 6 0 m p a ，可满足抗弯强度要求。 利于丝母： a 螺纹牙的剪切强度 r = = o , 3 7 5 3 ( m p a ) 础0 2 而丝母材料的许用抗剪强度 - = 3 0 m p a t ，说明螺母螺纹牙能满足抗剪强度 要求； b 螺纹牙的抗弯强度 盯。：! 罂：! 旦：8 6 6 0 4 。w p “ 。 m 舾。：刀玎 o 6 5 s ) 。： 而丝母材料的许用抗弯强度 o 。= 4 0 m p a o 。，说明丝母螺纹牙能满足抗弯强度 要求。 v ) 丝杠的稳定性校核 要使丝杠始终处于稳定工作状态，必须使临界载荷f c 满足下列条件： ! 善4 ( 2 - - 0 7 ) 现设： ，为丝杠的最大工作台长度，= 3 7 3 6 m ： u 为丝杠的长度系数，且= o 。5 ( 此为两端固定形式) ； i 为丝杠危险断面的惯性半径，i ：堕：1 1 7 5 。1 0 3 m ： 则： 生：1 5 8 9 7 9 8 5 9 0 i 那么： 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第2 4 页 n ：； r 2 e 1 a ( 2 - - 0 8 ) ( 1 1 1 ) 式中： e 为丝杠材料的弹性模量，e = 2 0 7 1 0 ；m p a ； i 。为丝杠危险断面的轴惯性矩，a ：型：2 3 9 。l o 一，。1 ； 6 4 、7 则：f c = 1 3 9 9 2 2 8 4 6 ( n ) 丝：2 1 13 4 因此丝杠在工作时处于稳定状态。 底座滑台体驱动电机的选择 滑台的移动分快进和： 迸两种工况，分别由不同的电机驱动滑台实现。考 患到实际运转过程中可能会出现偶发过载现象，适当地提高一些功率( 一般按 1 5 1 8 倍考虑) 来确定电机的功率。 只土堡( 2 一0 9 ) 式中： q 。为传动效率，取为0 8 ； p f m 为驱动滑台体的传递总功率； 快进时电机功率： ，2 娠 最：l 。5 生；1 。5 盟：i 5 1 工- ：0 6 6 4 ) ； 其中：。”v * 分别为丝杠的快进转速和滑台体的快移速度。 综合结构配套等各项因素，此处快进电机功率应为2 2 k w ，型号为y i o o l 一4 。 工进对电动机功率： 乓- 1 5 孕乩5 等堕：0 1 0 6 ( k w ) ； 刁。l r 其中：v ：为滑台体的工移速度。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 5 页 综合结构配套等各项因素，工进电机功率为2 2 k w ，型号为y 1 1 2 m 一6 。 滑台机械传动系统的选择 机械传动装置布置于丝杠齿轮和驱动电机之间。它与驱动电机一起整体安 装在底座滑台的尾部，通过按一定速比排布的传动齿轮把动力从电机传递给工 作主轴丝杠，使其获得所要求的转速和转向等。因此它应满足如下要求： a 在保证滑台传动轴的强度、刚度、转速和转向要求的前提下，力求使传 动轴和齿轮为最少； b 在保证足够强度的前提下，各轴及齿轮的规格要尽量少，以减少零件品 种； c 丝杠传动轴应避免再次带动其他传动轴，以免增加它的负荷； d 最佳传动比为l l _ 5 ，最大3 3 5 ： e 应尽可能避免升速传动。 下滑台体快进时速度为l o o m m m i n ，对应丝杠的转速为( 即传动装置的输h 转速) 为1 3 * m ：4 1 6 7 r m i n ，而快进电机的转速( 即传动装置输入转速) 为n ，# 一= 1 4 2 0 r m i n ( 满载时) ，这样要求快进时传动系统的传动比i # = 0 0 0 6 ：而 工进时下滑台体速度为2 0 n _ l f n m i n ，对应丝杆的转速( 即传动装置的输出转速) 为n 一* m = 0 8 3 3 4 r m i n ，工进电机的转速( 即传动装置输入转速) 为n 镭 = 9 4 0 f m i d ，则工进时传动系统的总传动比i = o 0 0 2 。同时考虑到与手动等其 他机构的联接等因素，选择的传动箱为1 h j 6 3 一f 4 1 型。 手动进给装置 手动装置安装在滑台与机械传动装置之间，其作用就是便于在机械传动装 置使用困难对，及时换拨到手动状态进行滑台体的微调。其构成如图2 1 7 所示， 其工作过程为： 动拨叉，带动丝杠齿轮到手动位置与手动二级齿轮啮台 丝杠旋转 + 叫柱齿轮旋转 动手 2 4 4 机床生产率的计算 根据前述的加工工艺所选定的工作循环、工作行程及切削用量等，可对其 生产率进行计算，并编制生产率计算卡，来反映加工过程和动作的时间，切削 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第2 6 页 ，l 擐传动齿轮 墼杠齿轮 _ 。一。1 。一 i 图2 一1 7 手动进给装簧构成 用量及生产率与负荷率的关系。 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 机) 和辅助时间( t * ) 。t # 包括机床空 行程( 动力头快进、快退、各滑台快进、快退) 和工件装卸、定位、夹压及清 除定位面上切屑所需的时间。机床的理想生产率q 的计算，按下式： q ：孚( f 牛小时) ( 2 - - t o ) 单 式中： t 。指单件工时 t4 = tm 啊# ( 分) ( 2 - - 1 1 ) t 机= 3 2 未+ 轳2 彘+ 品2 去+ 其中： l 1 、k 为镗刀工作进给的行程长度，取l , = l 。= 3 0 m m ： b 为切槽刀工作进给的行程长度，取l = 1 7 5 咖； s 丹l 为动力头在粗镗耐工作进给的每分钟进给量，取s # ：1 l o m m m i n ； s 分：为动力头在精镗时工作进给的每分钟进给量，取s 丹：= 3 7 0 m m m i m se 。为切槽刀每分钟进给量，取s 。= o 5 r a m r a i n , 圈 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第2 7 页 t ，、t 。为镗孔加工至终点无进给状态下在死档铁处的停留时间，取 t 【= th = o 5 m n ； t 。为切槽完成后，无进给状态下在死挡铁处的停留时间，取 t 旷o 5 m j n ； 则： tn = 1 1 3 8 9 ( m i n ) 。 玛= i 上) 快+ 巧下) 快+ 强卸 ：血辔盟+ 生乒选+ 礓。娟2 5 上1 快_ 下慷 ” 、 代入式( 2 一1 1 ) ，则有： t4 = 7 9 0 9 ( m i n ) o q = o 0 7 6 ( 件小时) 。 机床实际可能的生产率( 即我们要求的机床生产率) q 按下式计算： q 。= 需= 高0 0 6 2 5 ，j 、时) ； 这里每天按班制8 小时，2 4 0 个工作日计算，此机床的负荷率： 7 7 。= 盟- - - - 8 2 2 4 q 查阅有关资料可知，此负荷率是比较合适的。 2 4 5 机床相关联系尺寸的确定及尺寸图的绘制 2 4 5 ，1 主要相关尺寸分析 曲轴主轴定位安装高度 主轴中心线的高度，应与镗削动力头的主轴线高度一致，同时还要考虑到 安装方便及可操作性。按一般要求取为l l o o 衄。 曲轴安装底座尺寸 根据曲轴的外形尺寸，同时考虑到曲轴轴向定位与加工动力头的配套关系， 底座尺寸取为4 0 0 0 m m 1 1 4 0 r a m 8 0 0 r m n 。其上平面加工有t 型槽，以便于固定曲 轴支承座。 2 ，4 5 。2 相关尺寸图 机床总体布局的相关尺寸图示于图2 一1 8 。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 8 页 图2 1 8 机床相关尺寸图 2 5 机床的控制与互锁 机床的镗削动力头及各动力滑台必须按照严格的顺序和预定的工作循环， 完成斜油孔的加工。而本机床工作循环和动力头之间的严格程序，要依靠本机 的自动控制系统来实现。它由机械、电气等配合动作来完成。在此仅就本机的 工作循环，实现循环的办法和互锁进行分析。 2 5 ，1 曲轴3 2 个斜油礼的加工顺序 曲轴 装定位 第1 次夹紧后，加工 第1 孔( 连曲柄销油道) 一位第8 孔( 连主轴油道) 第2 8 孔( 连主轴油道) 一位i 第3 0 孔( 连主轴油道) 第2 次夹紧后，加工 i 第3 2 孔( 连主轴油道) 一位i i 第2 6 孔( 连曲柄销油道) 一位 6 孔( 连蓝柄销油道) 一位姐第3 孔( 连主轴油道) 第3 次夹紧后，加工 第1 0 孔( 连曲柄销油道) 一位v 第1 6 孔( 连主轴油道i 一 2 0 孔( 连主轴油道) 一位m 第2 2 孔( 连曲柄销油道) 公开夹具， 轴旋 8 0 。夹紧 除开夹具 曲轴旋 9 0 。夹紧 开夹具， 轴旋1 8 i ，夹紧 西南交通大学工程硕士研究生学位论