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柔性组合机床越来越受到人们的青睐,它应用多位主轴箱,可换主轴箱,编码随行夹具和刀具的自动更新,配以可编程序控制器(PLC)、数字控制(NC)等,能任意改变工作循环控制和驱动系统,并能灵活适应多品种加工的可调可变的组合机床。
另外,近年来组合机床加工中心、数控组合机床、机床辅机(清洗机、装配机、综合测量机、试验机、输送线)等在组合机床行业中所占份额也越来越大。
高精度、高生产率、柔性化、多品种、短周期、数控组合机床及其自动线正在冲击这传统的组合机床行业企业,因此组合机床装备的发展思路必须是以提高组合机床加工精度、组合机床柔性、组合机床工作可靠性和组合机床技术的成套性为主攻方向。
一方面,加强数控技术的应用,提高组合机床产品数控化率;
另一方面,进一步发展新型部件,尤其是多坐标部件,使其模块化、柔性化,适应可调可变、多品种加工市场需求[2]。
综上所述,组合机床行业企业一要开展科技攻关,攻克当前行业企业技术发展上的难题;
二要加强与国外的合资合作,利用和学习国外的先进技术,提高企业的现代化管理水平和技术水平;
三要通过对引进技术的消化吸收进行再创新,发展自己的产品。
2组合机床总体设计
组合机床是针对被加工零件的特点及工艺要求,按高度集中工序原则设计的一种高效率专用机床。
设计组合机床前,首先应根据组合机床完成工艺的一些限制及组合机床各种工艺方法能达到的加工精度、表面粗糙度及技术要求,解决零件是否可以利用组合机床加工以及采用组合机床加工是否合理的问题。
然后是,在大量掌握零件加工工艺资料基础上,通盘考虑影响制定零件工艺方案、机床配置型式、结构方案的各种因素及应注意的问题。
经过分析比较,以确定零件在组合机床上合理可行的加工方法、确定工序间加工余量,选择合适的切削用量、相应的刀具结构,确定机床配置型式等。
2.1制定工艺方案
制定组合机床工艺方案是设计组合机床最重要的一步,工艺方案制定的正确与否,将决定机床能否达到“体积小、重量轻、结构简单、使用方便、效率高、质量好”的要求。
为了使工艺方案制定的合理、先进,必须从认真分析被加工零件图纸开始,深入现场全面了解被加工零件的机构特点、加工部位、尺寸精度、表面粗糙度和技术要求,定位、夹紧方式,工艺方法和加工过程所采用的刀具、辅具,切削用量情况及生产率要求等。
制定工艺方案主要涉及以下几方面内容:
1.被加工零件的特点
被加工零件的特点对工艺方案的制定有重要的影响,并且很大程度上决定了机床采取的配置型式。
本设计汽车气缸盖所选用的材料为:
HT20—40,其特点是:
铸造性能良好,耐磨性优良,价格低廉,并且切削性能良好,减震性强特别适用于作承压载荷的零件。
其硬度为HB170—241,切削性能良好,刚性能满足设计要求。
2.加工精度和加工工序
被加工零件需要在组合机床上完成的加工工序及应保证的加工精度。
是制定机床方案的主要依据。
此组合机床所加工四孔为:
直径Φ9mm,深度17mm,孔表面粗糙度为6.3μm,相对位置度为0.20mm,经查使用组合机床钻Φ40mm以下实心铸铁的孔,精度可达IT10~IT11,表面粗糙度Ra6.3~12.5μm,Rz50μm。
均适合加工本加工零件的表面粗糙度和位置精度要求。
因此在满足加工要求的条件下本加工零件适合使用组合机床加工。
3.定位基准及夹压点选择
正确选择加工用定位基准和夹压点,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集中工序,从而收到减少机床台数的效果。
本工件是铸造成型,由于进气孔的铸造精度不高,孔内粘砂现象严重,不能采用进气孔定位,故此工件的定位夹紧不能一面两销的定位方式。
汽缸盖在钻四孔工序前已经经过铣两平面和车排气孔工序,所以可以选用一销来定位。
这样定位基准就可以是精基准,能保证工件的加工精度。
在已铣过的两平面中选一个便于装卸和夹压的面定位。
由于上平面接触面积远小于底平面,选用底平面定位时,加压点较容易选择,而上平面定位时,工件的四边会是悬在空中的,当施加夹紧力时,有可能产生工件的变形,且不易选择加压点。
选择定位销时,由于底面定位已限制了三个自由度,这样必定引起工件的过定位。
因此排气孔处选用短销定位,短销能限制两个自由度,所以还需要对工件加一个定位,因为钻头是右旋,加工过程中产生逆时针方向的扭矩,所以在工件右下角加一可调支承钉即可满足六点定位原则。
此工件的各加工孔中心线的设计基准是排气孔中心线,而定位基准也是排气孔,这样就使基准重合,消除了基准不重合产生的误差,加工精度得到提高。
另外可调支承钉虽然选用粗基准,但此处在以后各工序中是非加工表面且远离排气孔中心线,所以对加工精度的影响可以忽略。
因为上平面螺孔处是未加工铸造角,如果钻头从此面进刀容易导致钻头的引偏而产生废品,所以应选择底面进刀,这样有利于钻头的钻削。
由于以上原因所以装夹工件可以使用固定钻模版,迎着钻头进给的方向装夹。
工件夹压点选在摩擦较大、接触面也较大的筋板与凸台的平面上。
由于工件右下角要安装可调支承钉,故选筋板与上凸台的平面作右压紧点,选筋板与下凸台之间的平面作左压紧点。
4.被加工零件的生产批量
零件的生产批量是决定采用单工位、多工位或自动线,还是按中小批生产特点设计组合机床的重要因素。
本组合机床设计年产量要求3万件,属中小批量,故采用单工位固定夹具的机床,与多工位机床方案相比,可以有效提高机床利用率,减少工序,节省机床数量
2.2确定组合机床配置型式及结构方案
根据选定的工艺方案,确定机床的配置型式,并定出影响机床总体布局和技术性能的主要部件的结构方案。
既要考虑能实现工艺方案,以确保零件的加工精度、技术要求及生产率;
又要考虑机床操作方便,易于维修,且润滑、冷却、排屑情况良好。
不同配置方案对机床的复杂程度、通用化程度、结构公益性、加工精度、机床重新调整可能性及经济效果等,具有不同的影响。
固定式夹具单工位组合机床的加工精度可达到的加工精度最高。
因此,选用此种配置型式,可以保证按要求完成工件的加工。
综合考虑定位基面与设计基面重合以及排屑的方便性,本设计选用卧式机床型式。
2.3机床主要参数
2.3.1确定切削用量,计算各主轴转速
确定了组合机床上完成的工艺内容之后,就可以着手选择切削用量。
切削用量选择是否合理,对组合机床的加工精度、生产率、刀具耐用度、机床的布局型式及正常工作均有很大影响。
为符合加工要求采用较高转速和较小的进给量。
组合机床切削用量的选择方法必须从实际出发,根据加工精度、工件材料、工作条件、技术要求等进行分析,按照经济地满足加工要求的原则,合理地选择切削用量。
一般采用查表法,参照生产现场同类工艺,通过工艺试验确定切削用量。
本产品要加工的孔为Φ9mm,硬度为HB170-241,依据确定切削用量时尽量做到合理利用所有刀具,其四孔切削用量选择同一值。
根据零件加工要求年产量三万件,属中小批量,生产率要求不高,考虑到刀具耐用度,切削用量没必要选得过高。
查“用高速钢钻头加工铸铁件的切削用量”表选择v(m/min)10~18;
f(mm/r)0.10~0.18根据加工要求等选择v=16m/min;
f=0.1mm/r.由计算公式:
(2.1)
式中:
—为各主轴转速,单位r/min.
—为主轴切削速度,单位m/min.
—为各钻头直径,单位mm.
计算得主轴转速
=566r/min,动力滑台的进给速度
=
=56.6mm/min;
2.3.2确定切削力F、切削转矩M、切削功率P
由选择的切削用量(主要指切削速度及进给量),确定切削力,作为选择动力部件及夹具设计的依据,确定切削转矩,用以确定主轴及其他传动件的尺寸;
确定切削功率,用以选择主传动电机功率。
根据人们生产实践及实验研究成果,已经整理出的不同材料工件各种加工条件下的切削力F、切削转矩M、切削功率P的计算公式,现选择高速钢钻头在灰铸铁上钻孔的公式如下:
(2.2)
(2.3)
(2.4)
(2.5)
式中:
—轴向切削力(N)
—钻头直径(mm)
—每转进给量(mm/r)
—切削功率(kw)
—扭矩(Nmm)
—刀具耐用度
—零件的布氏硬度值
对于公式(2.2)~(2.4)取最大值为241,对公式(2.5)取最大硬度值减去硬度偏差值的1/3。
计算得:
=3986N;
=11076Nmm;
=0.64kw;
=17160min=286d
2.4机床总体设计——三图一卡
在选定工艺方案并确定机床配置型式、结构方案基础上,进行方案图纸的设计。
这些图纸包括:
被加工零件工序图,加工示意图,机床联系尺寸图和生产率计算卡,统称“三图一卡”设计。
2.4.1被加工零件工序图
被加工零件工序图是根据选得的工艺方案,表示一台组合机床完成的工艺内容、加工部位尺寸、表面粗糙度、公差和技术要求、加工时的定位基准、夹压部位及被加工零件的材料、硬度、重量和在此工序加工前毛坯或半成品的图纸。
它不能用产品图纸代替,而要在原零件图基础上,突出本机床的加工内容,加上必要的说明而绘制的。
它是组合机床设计的主要依据,也是制造、使用、检验和调整机床的重要技术文件。
根据以上被加工零件工序图的要求,现将汽车气缸盖加工工序图绘制如图2.1所示:
图2.1被加工零件加工工序图
2.4.2加工示意图
加工示意图是组合机床设计的主要图纸之一,在总体设计中占重要地位。
它是刀具、辅具、夹具、多轴箱、液压电器装置设计及通用部件选择的主要原始材料,也是整台组合机床布局和性能的原始要求,同时还是调整机床、刀具及试车的依据。
其内容为:
1.刀具的选择
所加工的孔为直径相同的,无特殊加工要求的四孔,在结构简单,工作可靠,刃磨容易的原则下,选择标准刀具。
刀具材料选用高速钢[3],钻头切削部分长度按下列公式确定:
L切=L工+L钻+(20~30)(2.6)
L切=L件+L入+L出+L钻+(20~30)
=L件+L入+1/3d+(3~8)+L钻+(20~30)
=17+8+9+24+30
=88(mm)
由《金属切削工艺手册》选用切削部分长度为109mm总长为128mm的φ9mm的钻头,其锥柄莫氏锥度为1号。
2.导向结构的选择
(1)导向类型
由刀具导向线速度V=16m/min,在小于20m/min的范围内,所以采用固定式导向(第一类导向),刀具在导套内可以转动和移动,这种导向方法精度好[4]。
(2)导向数量
综合考虑工件的外形、内部结构,刀具刚度、加工精度及工作实际情况采用单导向。
(3)导向参数
导向的主要参数有:
导套的长度、导套的直径及公差配合等。
导套长度27mm,导套直径9.4mm,套筒的选择根据钻套选择。
3.确定主轴类型、尺寸、外伸长度和选择接杆
主轴直径:
(2.7)
—轴的直径(mm)
—主轴承受的转矩(Nmm)
—系数,当材料的剪切弹性模量G=8.1×
104N/mm时,非刚性主轴取6.2刚性主轴取7.3,传动轴为5.2。
由切削扭矩=11076Nmm,查《组合机床设计》表3-19轴能承受的扭矩:
主轴直径=20mm,当刚性主轴[φ]=1/4(度/米)时轴径为20mm得主轴能承受5500Nmm的扭矩。
通常长主轴用于刚性连接的钻孔、扩孔、铰孔、倒角等工序,短主轴用于浮动连接的镗孔、扩孔、铰孔等工序。
故本机选用长主轴结构。
查《通用钻削类主轴的系列参数》得:
主轴前支承为推力球轴承和向心球轴承,后支承为向心球轴承,主轴直径选20mm,主轴外伸长尺寸D/d1=30/20,L=115mm接杆莫氏锥号1,2主轴总数12种。
除刚性主轴外,组合机床主轴与刀具之间常用两种连接。
一是接杆连接,另一个是浮动卡头连接。
接杆连接也称刚性连接,用于单导向进行钻、扩、铰孔及倒角加工。
通用的标准接杆分A、B、C型。
接杆主要根据刀具尾部结构和主轴外伸部分的内孔直径而定[5]。
查《组合机床用接杆》得接杆参数:
接杆号3-230T0635-41,螺母编号30-T0642-41,接杆类型为A型,D1=22,D2=30,B=12,B1=1,L=215~500,ι=110,垫片29T0654-41
4.加工示意图的联系尺寸
主轴端面到工件端面的距离公式如下:
+
-(
)(2.8)
式中各符号意义:
L1—主轴外伸长度
L2—钻刀悬伸长度
L3—接杆伸出长度(可调)
L4—加工孔深
L5—刀具的切出值
—螺母及垫总厚度
代入数据计算得L=352mm。
5.动力头工作循环及其行程
动力部件的工作循环是指,加工时动力部件从原始位置开始运动到加工结束位置又返回到原始位置的动作过程。
本组合机床根据被加工件为钻浅孔,循环过程包括:
快速引进、工作进给和快速退回。
(1)快速引进长度
快速引进是动力头把刀具送到工作进给的位置,其长度定为20mm
(2)工作进给长度
工作进给长度L工应等于工件加工部位长度L与刀具深入长度L1和切出长度L2之和。
带入数据得34mm
(3)快速退回长度
快速退回长度为快速引进长度和工作进给长度之和由
(1)
(2)得54mm
由于是固定式夹具钻床的机床,动力头快退的行程只要把所有刀具都退到导套内,不影响工件的装卸即可。
2.4.3机床联系尺寸图
机床联系尺寸图是用来表示机床各组成部件的相互装配联系和运动关系的,以检验机床各部件相对位置及尺寸联系是否满足加工要求;
通用部件的选择是否合理;
并进一步开展多轴箱、夹具等专用部件、零件的设计提供依据。
联系尺寸图也可以看成是简化的机床总图,它表示机床的配置型式及总体布局。
1.选择动力部件
影响动力部件选择的因素有:
切削功率、进给力、进给速度、行程、多轴箱轮廓尺寸、动力滑台的精度和导轨材料,综合考虑上述因素,根据具体加工要求,正确合理选择动力部件——动力滑台和动力箱,并以此为基础进行通用部件配套。
(1)动力滑台的选用
动力滑台是由滑座、滑鞍和驱动装置等组成,是实现组合机床直线进给运动的动力部件。
动力滑台的选用主要取决于驱动方式、所需进给力、进给速度、最大行程长度和加工精度等因素。
综合前面设计的内容,我们选择机械式滑台,滑台进给速度定为56.6mm/min,由前面计算的总切削力F=3986N,滑台在工作时,除了克服各主轴的轴向力,还要克服滑台移动时产生的摩擦阻力和滑台移动时的摩擦阻力,因此所选滑台的最大进给力应大于F
滑台行程除保证足够的工作行程外,还应留有前备量和后备量。
前备量主要是用来使动力部件有一定的向前移动的余地,以弥补机床的制造误差和保证刀具磨损后可以向前调整,前备量取30mm。
同样后备量主要是使动力部件有一定的向后移动的余地,以方便装卸刀具,取130mm。
工作行程为54mm,所以动力滑台的总行程为214mm.
综合以上因素,选用HJ25M机械滑台,其主要性能指标如下:
台面宽250mm,滑台台面长500mm,最大行程长250mm,最大进给力8000N(大于3986N),滑台及滑座总高250mm。
配套的支承部件选用1CC251-1侧底座。
查得1CC系列侧底座的参数为:
总长900mm,高560mm,总宽450mm,滑台行程250mm。
滑台与侧底座之间用调整垫(h=5mm),这样可以保证最低主轴中心与最低被加工孔在垂直方向上等高[6]。
(2)动力箱的选用
动力箱是将电动机的动力传递给多轴箱的动力部件,它的选用主要依据主轴箱所需的电动机功率来选用。
根据公式:
×
(1+30%)/η(2.9)
——切削用总功率,由前面计算为0.64kw。
η——主轴箱传动效率,因主轴数目不多,故取0.85。
带入数据得
=0.98kw。
当动力箱应用于小型组合机床时,使用1TD12-1TD25系列规格。
根据《1TD12-1TD25动力箱性能表》选用1TD201B型。
电动机功率1.5Kw,电动机型号为Y90L-4,转速1400r/min,驱动轴转速950r/min。
由《组合机床设计》附表71TD12-1TD25系列动力箱查得:
动力箱与机械滑台接合面尺寸:
长250mm,宽250mm;
动力箱与主轴接合面尺寸:
宽250mm,高200mm,动力箱输出轴距离主轴箱底面高度为105mm.
2.确定装料高度H
装料高度H指工件安装基面至机床底面的距离。
选取范围一般在850~1060mm之间,主要取决于最低主轴中心至主轴箱底面的高度h1,滑台与侧底座之间的调整垫h2,滑台高度h3,侧底座高度h4,最低主轴至安装基面高度h5。
即
(2.10)
HJ25M机械滑台
=250mm。
1CC251--I侧底座高度
=560mm。
为求
,需先确定主轴箱轮廓尺寸。
(1)确定主轴箱轮廓尺寸
标准中规定:
卧式主轴箱总厚度为325mm,宽度和高度按标准尺寸系列选用
主轴箱的宽度B和高H计算公式如下:
(2.11)
(2.12)
--边缘主轴中心到主轴箱外壁之间距离,一般取
≥70~100mm,
--分别为工件在宽度和高度方向上相距最远两加工孔的中心距,
--最低主轴中心到主轴箱底面之间的距离。
一般取
>
85~140mm.
根据被加工零件的参数知b=64,h=64,h1=85,b1=100.带入公式得B=264mm,H=249mm,所以应取B×
H=320×
320mm
滑台与侧底座之间的调整垫h2,可以保证最低主轴中心与最低被加工孔中心在垂直方向上的等高,取为h2=5mm.,最低主轴至安装基面的高度h3=52mm
综合上述可得出装料高度H=85+5+250+560+52=952mm。
(2)初定夹具轮廓尺寸
组合机床夹具是保证零件加工精度的重要专用部件。
这里所要确定的夹具轮廓尺寸主要是指夹具底座的长×
宽×
高,这些尺寸的确定,除了首先必须考虑工件的形状、轮廓尺寸、具体结构外,还须考虑能够布置下保证加工要求的定位、限位、夹紧机构、导向系统等。
夹具底座高度应根据夹具结构大小和装料高度而定,一般取300mm左右,根据本机床的具体数据选用夹具底座长×
高为300×
225×
267mm,设计钻模板长×
高为270×
149×
170mm,以方便布置定位元件和具有足够的刚度。
综合上述各尺寸和标准,画出所设计的组合机床联系尺寸图。
2.4.4机床生产率计算卡
生产率计算卡是按一定格式要求编制的反映零件在机床上的加工过程、工作时间、机床生产率、机床负荷率的简明表格。
根据选定的机床工作循环所要求的工作行程长度、切削用量、动力部件的快速及工进速度等,就可以计算机床是生产率并编制生产率计算卡。
1.理想生产率Q1是指完成年生产纲领所要求的机床生产率。
它与全年工时总数K有关,一般情况下,单班制生产K取2350h,两班制生产K取4600h,根据公式:
(件/时)(2.13)
计算得Q1=17.02
2.实际生产率Q是指所设计机床每小时实际可以生产的零件数量。
(件/时)(2.14)
——生产一个零件所需的时间(min)
+
;
为机加工时间,包括动力部件工作进给时间和死挡铁停留时间;
(2.15)
是辅助时间,包括快进时间、快退时间和装卸时间;
(2.16)
分别为动力部件工进长度、快进和快退行程长度,单位(mm)。
分别为动力部件的工进速度、快进和快退速度,单位(mm/min)。
为死挡铁停留时间,取动力部件进给停止状态下刀具旋转5~10转所需时间,单位min。
为装卸工件时间,取1.5min。
带入计算得Q=27.6(件/时)。
3.机床负荷率η负,当Q1<Q时,计算二者的比值即为负荷率。
η负=0.62。
表2.1生产率计算卡
被加工零件
图号
毛坯种类
铸件
名称
汽缸盖
毛坯重量
材料
HT20-40
硬度
HB170-241
工序名称
钻四孔
工序号
主轴轴号
工步名称
加工直径
加工长度
工作行程
每分钟转数(转/分)
进刀量
工时(s)
每转(毫米/转)
每分钟(毫米/分)
机动时间
辅助时间
合计
1、2、
3、4
钻孔
φ9
17
54
566
0.1
56.6
0.66
1.51
2.17
备注
单班制,年产量30000件
装卸工件时间取决于操作者熟练程度,本机取1.5min
机床实际生产率
27.6
机床理想生产率
17.02
机床负荷率
0.62
由上表知机床是实际生产率能够满足理想生产率的要求,所以以上组合机床的总体
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