“Y”形卧式支架双面钻孔组合机床总体设计

目录1前言.12组合机床总体设计.32.1总体方案论证.32.1.1工艺方案的制定.32.1.2确定机床的配置模式.32.1.3滑台型式的选择.32.1.4定位方式的选择.32.2组合机床切削用量的选择.42.2.1切削用量的选择.42.2.2切削功率，切削力以及转矩的选择.42.2.3刀具的选择.52.3组合机床总体设计三图一卡.52.3.1被加工零件工序图.52.3.2加工示意图.52.3.3机床尺寸联系总图.62.3.4机床生产率计算卡.83机床的夹具设计.103.1定位和夹紧的方案确定.103.2定位元件和夹紧元件的设计计算.113.2.1定位元件的确定.113.2.2夹紧机构的确定.123.2.3夹紧力的计算.123.3误差分析计算.133.3.1定位误差D.133.3.2对刀误差T.133.3.3夹具位置误差A.143.3.4夹具误差E.143.3.5加工方法误差G.143.3.6保证加工精度.153.4夹具体的确定.164结论.17参考文献.18致谢.19附录.2011前言本次毕业设计的是卧式支架双面钻孔组合机床，课题来源于江苏高精机电装备有限公司。被加工零件是Y型支架，材料为QT600-3-GB1348,硬度为HB266-302，生产纲领为大批量，主要加工需完成：钻削18-17和8-17孔。为保证对支架孔的钻削加工，需设计一台双面卧式钻削组合机床。在完成组合机床总体设计的基础上，主要完成工件夹具的设计。机床必须保证零件的加工要求及其精度要求。保证机床运转平稳，工作可靠，结构简单，装卸方便，便于维修，调整。采用标准件制造机床，降低生产成本。在机械制造中，对于单件或小批量生产的工件，许多工厂采用通用机床进行加工。由于通用机床要适应被加工零件形状和尺寸的需要，故机床结构一般比较复杂。不仅如此，在实际生产加工中，由于只能单人单机操作，一道一道工序地完成，所以工人的劳动强度大、生产效率低，工件的加工质量也不稳定。组合机床是以通用部件为基础，配以按工件特定形状和加工工艺设计的专用部件和夹具，组成的半自动或自动专用机床，兼有万能机床和专用机床的优点。组合机床一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方式，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。由于通用部件已经标准化和系列化，可根据需要灵活配置，能缩短设计和制造周期。因此，组合机床兼有低成本和高效率的优点。组合机床一般可完成的工艺范围有：铣平面、刮平面、车端面、车锥面、钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、倒角、切槽以及加工螺纹、滚压、拉削、磨削、抛光等工序。二十世纪70年代以来，随着可转位刀具、密齿铣刀、镗孔尺寸自动检测和刀具自动补偿技术的发展，组合机床的加工精度也有所提高。铣削平面的平面度可达0.05毫米1000毫米，表面粗糙度可低达2.50.63微米；镗孔精度可达IT7IT6级，孔距精度可达0.030.02微米。组合机床的设计，目前基本上有两种情况：其一，是根据加工对象的具体情况进行专门设计，这是当前最普遍的做法。其二，随着组合机床在我国机械行业的广泛使用，广大工人总结自己生产和使用组合机床的经验，发现组合机床不仅在其组成部件方面有共性，可设计成通用部件，而且一些行业在完成一定工艺范围内组合机床是极其相似的，有可能设计为通用机床，这种机床称为“专能组合机床”。这种组合机床就不需要每次按具体加工对象进行专门设计和生产，而是可以设计成通用品种，组织成批生产，然后按被加工的零件的具体需要，配以简单的夹具及刀具，即可组成加工一定对象的高效率设备。本次毕业设计是根据指定的加工对象的具体情况进行专门设计，主要完成组合机床的总体设计及夹具部分的设计。在进行设计之前，首先要分析、研究被加工零件，如被加工零件的用途及结构特点，加工部位及其精度、表面粗糙度、技术要求及生产纲领。然后进行深入的现场调查，分析零件的加工工艺方法，定位和夹紧方式，所采用的设备、刀具及切削用量，生产率情况及工作条件等方面的现行工艺资2料。总体方案设计的具体工作是编制“三图一卡”，即绘制被加工零件图，加工示意图，机床联系尺寸图，编制生产率计算卡。此次在组合机床的设计过程中，为了使其性能更优良、更可靠，提高其加工效率，经常和指导老师对设计中出现的问题进行讨论，研究组合机床通用部件的选择，进行其加工精度的分析和验算，同时分析其强度是否符合加工要求，最大限度的延长其使用寿命。使设计出来的组合机床结构合理、操作方便、更符合用户的要求。2组合机床总体设计2.1总体方案论证课题来源于江苏高精机电装备有限公司。为保证对支架26个孔的钻削加工，需设计一台双面卧式钻削组合机床。在完成组合机床总体设计的基础上，主要完成3工件夹具的设计。2.1.1工艺方案的制定此次设计的组合机床是用于加工支架的钻削组合机床，其工艺方案为钻孔，其具体的加工工艺如下:1、钻817孔（深28），前面；2、钻1817孔（深20），左侧面；2.1.2确定机床的配置模式机床的配置型式主要有卧式和立式两种。卧式组合机床床身由滑座、侧底座及中间底座组合而成。其优点是加工和装配工艺性好，无漏油现象；同时，安装、调试与运输也都比较方便；而且，机床重心较低，有利于减小振动。其缺点是削弱了床身的刚性，占地面积大。立式组合机床床身由滑座、立柱及立柱底座组成。其优点是占地面积小，自由度大，操作方便。其缺点是机床重心高，振动大。考虑到此零件要求双面加工,同时为了安装方便，也减轻了工人的劳动强度以及机床运行的平稳性等，选用卧式组合机床。2.1.3滑台型式的选择液压滑台具有如下优点：a在相当大的范围内进给量可以无级调速。b可以获得较大的进给力。c由于液压驱动，零件磨损小，使用寿命长。d工艺上要求多次进给时，通过液压换向阀，很容易实现。e过载保护简单可靠。f由行程调速阀来控制滑台的快进转工进，转换精度高，工作可靠。而机械滑台只能有级变速，变速比较麻烦；一般没有可靠的过载保护；快进转工进时，转换位置精度较低。故采用液压滑台。2.1.4定位方式的选择组合机床是针对某种零件或零件某道工序设计的，正确选择定位基准，是确保加工精度的重要条件，同时也有利于实现最大限度的工序集中。本机床加工时采用定位块和支撑钉进行定位，采用“三面定位”的方法，定位基准和夹压点见零件的工序图。该定位方案限制的自由度叙述如下：以工件的正面为一个定位面，约束了x向的转动和z向的移动。以工件的左侧面为另一个定位面，约束了x向的移动，y、z向的转动。用一个支撑钉顶住工件底面，约束了y向的移动。这样工件的6个自由度被完全约束了也就得到了完全的定位。2.2组合机床切削用量的选择合理地选择切削用量，可提高钻孔生产率，并能降低成本。选择用量的一般原则与车削相同：先选择切削深度，再选进给量，最后确定切削速度。42.2.1切削用量的选择a.正面钻削8-17（深28）根据孔径的大小和深径比，以及被加工材料的硬度查参考文献9表6-11及6-12知：主轴的进给量f为0.150.2mm/r，切削速度v=512m/min。钻孔的切削用量还与钻孔的深度有关，当加工铸铁件孔深为钻头直径的68倍时，在组合机床上通常都是和其他浅孔一样采取一次走刀的办法加工出来的，不过加工这种较深孔的切削用量要适当降低些，因此选择切削速度v=10m/min，进给量f=0.2mm/r，由此主轴转速n由公式01dv(2-1)计算出，将主轴转速圆整为200r/min。1087.34/min3.4nr实际切削速度和工进速度分别由下列公式求得10Dvc(2-2)fn(2-3)得出vc=m/min，vf=0.2200=40mm/min。3.1472.680b.左面钻削18-17（深20）实际切削速度vc、工进速度vf计算同上。2.2.2切削功率，切削力以及转矩的选择a.正面钻削8-17由参考文献9表6-20计算公式布氏硬度HB=HBmax-1/3(HBmax-HBmin)(2-7)切削力F=26Df0.8HB0.6(2-4)切削转矩T=10D19f0.8HB0.6(2-5)切削功率DTVP9740(2-6)计算出布氏硬度HB=302-1/3(302-206)=290,切削力F=26170.20.82900.6=3659N，切削转矩T=10171.90.20.82900.6=18019Nmm，切削功率P=0.38kw。1809.6743b.左面钻削18-17切削功率，切削力以及转矩计算同上。2.2.3刀具的选择考虑到工件加工尺寸精度，表面粗糙度，切屑的排除及生产率要求等因素，所5以加工26个孔的刀具均采用标准锥柄长麻花钻（GB1439-85）。2.3组合机床总体设计三图一卡2.3.1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、夹紧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、毛坯或半成品情况的图样。被加工零件工序图是在被加工零件的基础上，突出本机床或自动线的加工内容，并作必要的说明而绘制的。内容：a.被加工零件的形状和主要轮廓尺寸以及与本工序机床设计有关部位结构形状和尺寸。b.本工序所选用的定位基准、夹压部位及夹紧方向。c.本工序加工表面的尺寸、精度、表面粗糙度、形位公差等技术要求以及对上道工序的技术要求。d.注明被加工零件的名称、编号、材料、硬度以及加工部位的余量。2.3.2加工示意图A.导向装置的选择组合机床钻孔时，零件上孔的位置精度主要是靠刀具的导向装置来保证的。导向装置的作用是：保证刀具相对工件的正确位置；保证刀具相互间的正确位置；提高刀具系统的支承刚性。刀具或刀杆本身在导套内既有相对转动又有相对移动，由于这部分表面润滑困难；工作时有粉尘侵入，当刀杆相对导套的线速度超过20m/min时就会有研着的危险，因此选用导套前计算一下导套与刀具的线速度。由上述内容知导套与刀具的线速度vc=10.68m/min20m/min,所以该机床导套均选用可换导套。由参考文献9表8-4查得导套的具体数值如下：D=26mm，D1=35mm，D2=39mm，L取25mm，（短型导套）l=10mm,l1=4mm，l3=12mm，e=26.5mm，材料为T10A。B.确定主轴类型，尺寸，外伸长度滚锥轴承主轴：前后支承均为圆锥滚子轴承。这种支承可承受较大的径向和轴向力，且结构简单、装配调整方便，适用于钻孔主轴。在正面，主轴用于钻孔，因此选用滚锥轴承主轴。又因为刀具与主轴是刚性连接，所以该主轴属于长主轴。所以该机床主轴均为滚锥轴承长主轴。根据P=5.5kw,由参考文献9表3-4可知：选取d=20mm。由参考文献9表3-6查得主轴直径d=20mm，D/d1=30/20mm,主轴外伸尺寸L=115mm,接杆莫氏圆锥号2。C.连杆的选择6在钻、扩、铰孔及倒角等加工小孔时，通常都采用接杆（刚性接杆）。因为主轴箱各主轴的外伸长度和刀具均为定值，为保证主轴箱上各刀具能同时到达加工终了位置，须采用轴向可调整的接杆来协调各轴的轴向长度，以满足同时加工完成孔的要求。为了获得终了时多轴箱前端面到工件端面之间所需要的最小距离，应尽量减少接杆的长度。因为26-17孔的主轴内径是20mm,由参考文献8表8-13选取接杆号为5，A型，D1=30mm，D2=30mm，B=12mm,B1=1mm,DP为T202mm，L=230510mm，取500mm。D.动力部件工作循环及行程的确定a.正面钻削8-17切入长度取L1=12mm，切出长度由参考文献9表3-7公式L2=d/3+(38)（2-8）通过计算L2=17/3+(38)=10mm，加工时加工部位长度L(多轴加工时按最长孔算)L=28mm.由公式L21工（2-9）求出L工=50mm。快进长度取350mm,则快退距离L快退=350+50=400mmb.左面钻削18-17用同上方法求得：L1=20，L2=10，L=20,则L工=70。快进长度取330mm,L快退=330+70=400mm。2.3.3机床尺寸联系总图A.动力部件的选择a.正面钻削8-17由上述计算每根轴的输出功率P=0.38kw，正面共8根输出轴，且每一根轴都钻17直径，所以总切削功率P切削=0.388=3.04kw。则多轴箱的功率：kw，其中=0.8，所以3.8kw。80.3.P切削多轴P多轴因电机输出经动力箱时还有功率损耗，所以选择功率为5.5kw的电机，其型号为：,由参考文献9表5-39选取1TD40-I型动力箱，动力箱的主轴转速13254Y720r/min。b.左面钻削18-17由上述计算每根轴的输出功率P=0.38kw，左面共18根输出轴，且每一根轴都钻17直径，所以总切削功率P切削=0.3818=6.84kw。则多轴箱的功率：7，其中=0.8，所以8.55kw。80.3P切削多轴P多轴因电机输出经动力箱时还有功率损耗，所以选择功率为11kw的电机，其型号为：,由参考文献9表5-39选取1TD50型动力箱，动力箱的主轴转速1604MY730r/min。B.滑台及底座的选择a.正面钻削8-17由于液压驱动，零件损失小，使用寿命长，所以选择液压滑台。已知工进Vf=40mm/min,单根主轴的切削力F单=3659N，则8根轴总的切削力F切削=8F单=36598=29272N，由参考文献9表5-1选择1HY40-型滑台及配套的侧底座选择ICC402。b.左面钻削18-17左主轴箱：F=3661.7218=65910.96N为克服滑台移动引起的摩擦阻力，动力滑台的进给力应大于。又考虑到多轴箱F所需的最小进给速度、切削功率、行程、主轴箱轮廓尺寸等因素，为了保证工作的稳定性，由表5-2，液压滑台选用HY63/型，由表5-3知：台面宽B=630mm，台面长,行程长630mm，滑台及滑座总高为400mm，滑座长1920mm，允许最2150Lm大进给力为50000N，快速移动速度是5m/min,工进速度为6.5250mm/min。C.多轴箱轮廓尺寸的设计确定机床的装料高度，新颁国家标准装料高度为1060mm，选取装料高度为1060mm。a.正面钻削8-17多轴箱的宽度与高度的大小与被加工零件的加工部位有关，可按下列关系式确定：B=b+2b1（2-10）H=h+h1+b1（2-11）b-工件在宽度方向相距最远两孔距离，b=128mm。b1-最边缘主轴中心距箱体外壁的距离，推荐b170100mm，取b1=100。h-工件在高度方向相距最远的两孔距离，h=250mm。h1-最低主轴高度。因为滑台与底座的型号都已经选择，所以侧底座的高度为已知值630mm，滑台滑座总高320mm；滑座与侧底座的调整垫厚度一般取0到5mm，多轴箱底与滑台滑座台面间的间隙取0.5mm。则h1=h2+H-(0.5+h3+h4)=(700-250)/2+1060-(0.5+0.5+320+630)=225mm，所以B=b+2b1=128+2100=328mm，H=h+h1+b1=250+225+100=575mm8由此数据查参考文献9表8.22选取多轴箱尺寸BH=630mm630mm。b.左面钻削18-17h1=h2+H-(0.5+h3+h4)=1060-0.5-400-630+60=89.5mm，所以B=b+2=650+2100=850mm，1bH=h+=172+89.5+100=361.5mm由此数据查参考文献9表8.22选取多轴箱尺寸BH=1000mm1000mm。2.3.4机床生产率计算卡生产率计算卡是用以反映机床的加工过程、完成每一个动作所需的时间、切削用量、机床生产率及机床负荷率等，计算公式参照参考文献951页到52页。a.理想生产率Q理想生产率Q（单位为件/h）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。（2-kAt12）其中A取8万件，tk取4800小时。求得=16.6(件/小时)。b.实际生产率1Q实际生产率（单位为件/小时）指所设计的机床每小时实际可生产的零件数量。（2-单T60113）式中：生产一个零件所需时间（min），可按下式计算：单T（2-）（）（装移快退快进停辅切单tvLtvLtfkff2114）式中：分别为刀具第I、第II工作进给长度，单位为mm；21L、停留时间，通常指刀具在加工终了时无进给状态下旋转510转ffv、所需的时间，单位为min；分别为动力部件快进、快退行程长度，单位为mm；快退快进、动力部件快速行程速度。用机械动力部件时取56m/min；用液压动力fk部件时取310m/min；直线移动或回转工作台进行一次工位转换时间，一般取0.1min；移t工件装、卸（包括定位或撤消定位、夹紧或松开、清理基面或切屑及装卸吊运工件等）时间。它取决于装卸自动化程度、工件重量大小、装卸是否方9便及工人的熟练程度，通常取0.51.5min。如果计算出的机床实际生产率不能满足理想生产率要求，即，则必须重Q1新选择切削用量或修改机床设计方案。根据本组合机床的年产量，可选用下列数据进行计算，取=5000mm/min，fkv=1.5min。则双面计算如下：装卸t1Q左面：70.5min4t切3041.56mint辅则=3.35min16T单前面：501.2in4t切35041.65int辅则6.9miT单对多面和多工位加工机床，在计算时应以所有工件单件加工最长的时间作为单件工时，所以选，则（件/小时）。3.5in单16083.5Qc.机械负荷率当时，机床负荷率为二者之比。则Q1（2-15）16.0928负103机床的夹具设计3.1定位和夹紧的方案确定工件的定位是保证工件在夹具中占有一致的正确加工位置，而这一位置的确定要通过定位支承限制工件的相应自由度来实现。而通常需要限制的六个自由度。根据本课题零件要加工孔的位置，该零件要加工的孔面为：26个17孔，加工方法为钻削。定位基准的选择如图：11图3-6零件定位方案示意图3.2定位元件和夹紧元件的设计计算3.2.1定位元件的确定定位元件设计包括定位元件的结构、形状、尺寸、及布置形式等。利用六点定位原则正确选择定位方式和定位元件。根据前面定位方案的叙述，可以知道本课题所使用到的定位元件有：13个定位板，1个支撑钉，3个辅助支撑钉。定位元件布置情况见夹具装配图。a.定位块尺寸的确定定位块具体尺寸如图所示：12图3-7定位块b.支承钉尺寸的确定支承钉具体尺寸如图：图3-8支承钉3.2.2夹紧机构的确定a.液动压头夹紧机构的确定根据夹紧原理和零件的形状来确定夹紧机构。根据夹紧原理夹紧力应朝着主要的定位基准面，所以液动压头夹紧机构应如总装图中的放置位置。b.斜锲夹紧机构的确定用斜锲夹紧机构可以有效地控制加工8-17孔时产生的运动。3.2.3夹紧力的计算根据工件所受切削力、重力、惯性力、等作用情况，按静力平衡原理先计算出13理论夹紧力，最后为保证夹紧可靠再乘以安全系数便可得到所需夹紧力的数值，即：算出理论夹紧力，然后要保证夹紧可靠需要乘以安全系数，所以有以下公式：(3-1)WK式中夹紧力(N);K理论夹紧力(N);安全系数。安全系数可按下列公式计算：(3-2)6543210KK式中K0K6各种因数的安全系数考虑工件材料及加工余量均匀性的基本安全系数，取1.5；加工性质，精加工取1.0，粗加工取1.2，本课题是半精镗孔，取11.2；刀具钝化程度，半精镗铸铁工件取1.0；2切削特点，连续切削取1.0；3K夹紧力的稳定性，机动夹紧取1.0；4手动夹紧时受柄位置，操作方便取1.0；5仅有力矩作用于工件时与支撑面接触情况，接触点确定取1.0。6本课题中的安全系数0123456KK=.1=1.8夹紧力的计算由于受多方面工艺因素的影响，计算起来比较复杂，一般只能粗略计算。为了简化计算，在设计夹紧装置时可假定工艺系统是刚性的，只考虑切削力的切削力矩对夹紧力的影响。a.液动压头的夹紧力的计算当加工工件左面的18个孔时，液动压头的夹紧力计算根据文献141页的公式如下：(3-3)21KPLcfbWaW实际所需夹紧力（N）P切削力K安全系数L零件长度c定位件作用点到零件底部的距离f摩擦系数a夹紧力作用点到定位件作用点的距离b定位件作用点到零件顶部的距离其中K=1.8，L=0.603m，c=0.603m，根据文献142页取f=0.3，a=0.128m,b=0m。14可以计算出：W=46852.02287Nb.斜锲夹紧机构夹紧力的计算当加工工件正面的8个孔时，根据前面总体设计计算的轴向力的结果计算：钻17孔总的轴向力：P=36598=29272N斜锲夹紧机构夹紧力：W=KP=292721.8=52689.6N3.3误差分析计算一批工件依次在夹具中进行定位时，由于工序基准的变动对加工表面尺寸所造成的极限值之差称为定位误差。产生定位误差的原因是工序基准与定位基准不相重合或工序基准自身在位置上发生偏移或位移所引起的。用夹具装夹工件进行机械加工时，其工艺系统中影响工件加工精度的因素很多，与夹具有关的因素有：定位误差D、对刀误差T、夹具位置误差A，夹具误差。在机械加工工艺系统中，影响加工精度的其它因素综合称为加工误差G。上E述各项误差均导致刀具相对工件的位置不精确而形成总的加工误差3.3.1定位误差D定位误差主要由基准不重合误差B和基准位移误差Y组成，基准不重合误差B是由于定位基准和工序基准不重合而产生的那部分定位误差。基准位移误差Y是工件实际位置对确定位置的理想要素的误差。a.13块定位板的定位误差分析计算:当工件以已加工过的精基准定位时，由于定位基准面本身的形状精度较高，故可以采用多块定位块。这样，对一批以已加工过的精基准定位的工件来说，其定位基准的位置可以认为没有任何变动的可能，并且定位基准和工序基准的基准重合。所以：=0=0BYb.由于零件的加工精度要求较低，故其它定位元件的定位误差计算省略。3.3.2对刀误差T因为刀具相对于对刀或导向装置不精确造成的加工误差，称为对刀误差。由文献（2）的123页查得本工序中钻孔时导向误差计算公式为：（3-4）2221()TLeETL钻模板底孔轴心线到定位表面距离的公差（mm）钻头与快换钻套的最大配合间隙（mm）1快换钻套内、外圆的同轴度公差（mm）e固定衬套内、外圆的同轴度公差（mm）215固定衬套与快换导套的最大配合间隙（mm）2E导套中钻头末端的偏斜（mm）（3-5）1/2BHA式中B工件的加工厚度（mm）导套与工件间的距离（mm）其中TL一般取相应工序尺寸公差的1/31/5，则1/5(0.25)=0.1mm；1=0.034+0.043=0.077mm;e1、e2取0.01mm；2=0.021-（-0.013）=0.034mm;E=0.077/50(28+20+50/2)=0.11242mm。即得导向误差T=0.24mm3.3.3夹具位置误差A因为夹具在机床上的安装不精确而造成的加工误差，称为夹具的安装误差。一般取：水平=0.02mm垂直=0mm本课题中夹具为垂直安装,所以取垂直=0mm3.3.4夹具误差E因夹具上定位元件，对刀或导向元件及安装基面三者之间（包括导向元件与导向元件之间）的位置不精确而造成的加工误差，称为夹具误差，夹具误差大小取决于夹具零件的加工精度的夹具装配时的调整和修配精度。一般取E=0.04mm3.3.5加工方法误差G因机床精度，刀具精度，刀具与机床的位置精度，工艺系统受力变形和受热变形等因素造成的加工误差，统称为加工方法误差，因该项误差影响因素很多，又不便于计算，所以常根据经验所以常根据经验为它留出工件公差的1/3。计算时可设:G=3k工件公差取0.25mmkG=0.25=0.083mm133.3.6保证加工精度16工件在夹具中加工时，总加工误差为上述各项误差之和。由于上述误差均为独立随机误差，应用概率法叠加，因此，保证工件加工精度条件是工件总加工误差应不大于工件的加工尺寸公差。的计算按公式（4-3）计算：（4-222DTAEG6）=0.250.30.40.83由上述计算结果可知，本夹具完全可以保证加工精度。3.4夹具体的确定夹具体是用来确定各元件之间总体布局的根基，有了夹具体才能够固定各部件，各元件才能够有发挥的作用。夹具体的尺寸是根据零件的尺寸，零件的定位夹紧方式以及定位夹紧元件和驱动装