S290柴油机气缸盖孔加工组合机床总体及夹具设计 说明书.docx

S290柴油机气缸盖孔加工组合机床总体及夹具设计 说明书.docx

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S290柴油机气缸盖孔加工组合机床总体及夹具设计说明书

前言

本设计的课题是S290柴油机气缸盖孔加工组合机床总体及夹具设计。

这个课题来源于盐城市江动集团，是针对该公司对气缸盖钻孔，镗孔组合机床加工，其工作效率和精度不高而设计的。

主要是为了便于流水线生产，提高零件的生产效率、加工精度，从而降低加工成本。

组合机床一般都是由动力部件（动力头、动力滑台和主轴头）、工件定位夹压和运送部件（回转工作台、夹具、移动工作台、鼓轮等）、支承部件（立柱、床身、底座和中间底座）、和控制部件（电气柜、液压站、操纵台等）组成。

组合机床是根据工件加工的需要，以大量的通用部件为基础，配以少量的专用部件组成的一种高效的专用机床。

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法，生产效率比通用机床高几倍到几十倍。

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，组合机床有低成本和高效率的优点，在大批、大量生产中得到广泛运用，并可用来组成自动生产线。

多年来机械产品加工中广泛的采用万能机床，但是随着生产的发展，很多企业的产品的产量越来越大，精度越来越高，采用万能机床加工已经不能很好的满足要求。

理所当然，生产着用机床可以提高生产效率和加工精度。

在组合机床设计过程中，为了降低组合机床的制造成本，应尽可能的使用通用件和标准件。

目前，我国设计制造的组合机床，其通用部件和标准件约占零件总数的70—80%，其它20—30%是专用零件。

在进行组合机床的夹具设计时，首先需要对被加工零件孔的分布情况及所要达到的要求进行分析，如各部件尺寸、材料、形状、硬度及加工精度和表面粗糙度等内容。

然后还要深入基层进行实地观察，摸索夹具的工作原理，体会组合机床的优点。

通过认真阅读研究S290柴油机气缸盖的零件图，了解其材料、硬度、重量等，对内侧面进行钻孔和镗孔的排气空和进起孔。

接下来是总体方案的设计，总体方案设计的具体工作是编制“三图一卡”，即绘制被加工的零件图，加工的示意图，机床联系尺寸图，编制生产率计算卡。

最后，就是技术设计和工作设计。

技术设计就是根据总体设计已经确定的三图一卡，设计夹具等专用部件正式总图；工作设计就是绘制各个专用部件的图样，编制各零件的明细表。

设计的整个过程是十分艰苦的，在整个设计过程中必须要考虑到方方面面的问题。

由于所学的知识的有限，所以在设计过程中查阅了大量的资料，用来弥补自己的不足。

首先，要有丰富的实践经验。

整个设计，仅靠一些参考资料是远远不够的。

因此，在设计工作开始前，特地到江淮动力股份有限公司、盐城红旗机床厂、高精机电装备有限公司等进行了实地的参观考察，积累了一些宝贵经验。

其次，运用四年来所学的专业知识，针对现实中遇到的实际情况，做到举一反三，触类旁同。

整个设计过程不仅涉及到以前所学的知识，而且还设计到新的理念，所以我在设计过程中一边温习以前所学的知识，一边学习新的知识，这样拓宽了我的视眼。

第三，通过自身的努力，结合理论和实际，从合理性、经济性、工艺性、实用性及其对被加工零件的具体要求对现有机床进行研究分析，找出可以进行改进的地方，通过相互对比，确定一个新的，周全的设计方案。

在指导老师黄传锦老师的悉心指导下，在同课题组三位同学相互讨论学习和帮助下，经过两个月的艰辛劳动，终于完成了这一设计课题。

第一章绪论

随着社会的不断进步，机械加工技术的不断发展，古老的生产方式已经不能完全适应新形势的要求。

传统的通用机床，由于它为了适应各种零件的加工，强调了加工范围的广泛性，使其万能性增大，随之带来的便是机床结构复杂，并且在加工某一零件的某一加工表面时，使机床不能完全发挥出全部效能。

为了克服通用机床的弊端，工程技术人员便相应的推出专用机床，用于加工某一种（或几种）零件的特定工序。

由于专用机床是根据某一工艺要求专门设计制造的，因此，相对于通用机床而言，专用机床的造价昂贵，设计、制造周期长，特别是在飞速发展的变化中，一旦原产品更新换代，产品变型，原有的专用机床将不能满足新产品加工工艺的要求，更有甚者是原专用机床完全不能加工新产品而变成一堆废铁，失去了机床应有的作用。

要使产品在市场中立于不败之地，工程技术人员不得不重新花费时间，设计、制造新的专用机床。

由此可见，专用机床在一定程度上不能满足产品的更新换代。

为了解决以上通用机床与专用机床之间的矛盾，同时尽可能地兼顾通用机床与专用机床的优越性，于是，组合机床便在通用机床与专用机床的夹缝中悄然兴起，并得到了越来越广泛的应用［16］。

目前国内厂家普遍采用通用机床单工序加工的生产方式。

其缺点主要有：

（1）加工质量不够稳定，尤其是一些关键尺寸与位置精度难以保证。

（2）设备、生产场地、在制品及流动资金方面占有较多。

生产率不高加上合格品率不高，生产成本难以降低，影响企业的生产效益。

（3）工人劳动强度大，工作条件差。

组合机床是一种高效率的加工机床，它不仅是机械制造工业高速发展中必不可少的设备之一，而且还可以和工件输送设备（传送带、转位和翻转装置等），按被加工的零件的工艺流程组成组合机床自动线。

由于组合机床具有生产率高，加工精度稳定，研制周期短、成本低，自动化程度高、劳动强度低，配置灵活等特点。

故采用以组合机床组成生产线的方法加工泵体，可以提高AK泵体孔系之间的位置精度、尺寸精度。

而且此项技术在国内已处于较先进水平，对于保证加工质量的稳定，提高劳动生产率，降低生产成本，推动企业技术进步都具有十分重要的意义，也具有一定的应用推广价值。

1.1组合机床的组成和特点

组合机床是根据工件加工需要，以大量的通用部件为基础，配以少量的专用部件组成的一种高效专用机床。

通用部件是组合机床的基础。

用来实现机床切削和进给运动的通用部件，如单轴工艺切削头、传动装置、动力箱、进给滑台等位动力部件。

用以安装动力部件的通用部件如侧底座、立柱、立柱底座等称为支承部件。

这种机床利用总的电气系统将各个部件的工作联合成一个统一的循环。

由于机床的各个部件都设计成能独立存在的，因此有可能按照一定的特点将类似用途的部件编成系列型谱，进一步完善和验证其结构，并在此基础上建立合理的规格尺寸系列，实现通用化。

组合机床具有如下特点：

1）主要用于棱体类零件和杂件的孔面加工。

2）生产率高。

因为工序集中，可多面、多工位、多轴、多刀同时自动加工。

3）加工精度稳定。

因为工序固定，可选用成熟的通用部件、精密夹具和自动工作循环来保证加工精度的一致性。

4）研制周期短，便于设计、制造和使用维护，成本低。

因为通用化、系列化、标准化程度高，通用部件占70%～90%，通用件可组织批量生产进行预购或外购。

5）自动化程度高，劳动强度低。

6）配置灵活。

因为结构模块化、组合化。

可按工件或工序要求，用大量通用部件和少量专用部件灵活组成各种类型的组合机床及自动线；机床易于改装：

产品或工艺变化时，通用部件一般还可以重复利用［6］。

1.2组合机床的工艺范围和配置形式

1.组合机床的工艺范围

用组合机床加工时，如果工件在切削过程中不动，而由刀具作主运动和进给运动，则可保证最大的工艺可能性。

这是由于这种机床结构可用许多刀具同时从几个方面对工件进行加工，能够达到最高的工序集中程度。

目前，组合机床主要用于平面加工和孔加工两类工序。

平面加工包括铣平面、锪（刮）平面、车平面；孔加工包括钻、扩、铰、镗孔以及倒角、切槽、攻螺纹、锪沉孔、滚压孔等。

随着综合自动化的发展，其工艺范围正在扩大到车外圆、行星铣削、拉削、推削、珩磨及抛光、冲压等工序。

此外；还可以完成焊接、热处理、自动装配和检测、清洗和零件分类及打印等非切削工作。

组合机床在汽车、拖拉机、柴油机、电机、仪器仪表、军工及缝纫机、自行车等轻工行业大批大量生产中已获得广泛的应用；一些中小批量生产的企业，如机床、机车、工程机械等制造业中也已推广应用。

组合机床最适宜于加工各种大中型箱体类零件，如气缸盖、气缸体、变速箱体、电机座及仪表壳等零件；也可用来完成轴套类、轮盘类、叉架类和盖盘类零件的部分或全部工序的加工。

因此在机器制造工业中组合机床主要是进行如下各种加工，钻孔、扩孔、铰孔、加工各种螺纹、锤孔、车外因和凸台、在孔内铿各种形状的格、车端面（刀具作铀向进给和横向进给）、销平面和成形面。

2.组合机床的配置形式

组合机床的通用部件分大型和小型两大类。

用大型通用部件组成的机床称为大型组合机床。

用小型通用部件组成的机床称为小型组合机床。

（1）大型组合机床的配置形式

大型组合机床的配置形式可分为单工位和多工位两大类。

按工序集中程度和不同批量生产的需要还有其他集中配置形式：

1）工序高度集中的组合机床

在基本配置型式的基础上，增设动力部件来加工工件的更多的表面。

这些型式都是结合工件的特定情况配置的。

2）用于大批大量的生产组合机床

为提高生产率，除缩短加工时间和辅助时间，尽量使加工时间和辅助时间重合外，还可考虑在每个工位上安装几个工件同时进行加工，或在一个工位（或一台机床）上设置几套夹具，对工件进行多次装夹，从而加工不同的表面。

3）转塔头式及转塔动力箱式组合机床

转塔式组合机床可以完成一个工件的多工序加工，并可减少机床台数和占地面积，由于转塔各工位主轴顺序加工，避免了各工位切削振动的互相干扰，加工精度高，但切削时间叠加，而且切削时间与辅助时间不重合，机床生产效率低，适宜于中小批量生产场合。

除上述各种配置形式之外，还采用可调式组合机床，以适应几种工件的轮番生产；采用自动换刀和自动更换主轴箱式组合机床，以适应孔数较少的工件和孔数较多外形尺寸较大的工件；采用工件在机床上多次安装与采用多工位回转工作台或移动工作台相结合的方式的组合机床，使一台组合机床能对工件进行多次加工；还可以采用将若干加工工艺相近似的工件合并加工的成组加工组合机床，以增大中批量生产的加工能力。

（2）小型组合机床配置形式

小型组合机床也是由大量通用部件组成，其配置特点是：

常用两个以上具有主运动和进给动力头分撒布置、组合加工。

组合机床的配置形式是多种多样的，同一零件的加工可采用几种不同的配置方案。

在确定组合机床配置形式时，应对几个可行的方案进行综合分析，从机床负荷率、能达到的加工精度、使用和排屑的方便性、机床的可调性、机床部件的通用化程度、占地面积等方面作比较，选择合理的机床总体布局方案。

1.3组合机床的设计步骤

组合机床一般都是根据和用户签订的设计、制造合同进行设计的。

合同中规定了具体的加工对象（工件）、加工内容、加工精度、生产率要求、交货日期及价格等主要的设计原始依据。

在设计过程中，应尽量做到采用先进的工艺方案和合理的机床结构方案；正确选择组合机床通用部件及机床布置形式；要十分注意保证加工精度和生产效率的措施以及操作使用的方便性，力争设计出技术上的先进、经济上合理和工作可靠的组合机床。

组合机床的设计步骤如下：

1.调查研究

调查研究的主要内容包括以下几个方面：

（1）认真阅读被加工零件图样，研究尺寸、形状、材料、硬度、重量、加工部位的结构及加工精度和表面粗糙度要求等内容。

通过对产品装配图样和有关工艺资料的分析，充分认识被加工零件在产品中的地位和作用。

同时必须深入到用户现场，对用户原来生产所采用的加工设备、刀具、切削用量、定位基准、夹紧部位和加工质量及精度检验方法、装卸方法及装卸时间、加工时间等作全面的调查研究。

（2）深入到组合机床使用和制造单位，全面细致地调查使用单位车间的面积、机床的布置、毛坯而后在制品的流向、工人的技术水平，刀具的制造能力、设备维修能力、动力和起重设备等条件以及制造单位的技术能力、生产经验和设备状况等条件。

（3）研究分析合同要求，查阅、搜集和分析国内外有关的技术资料，吸取先进的科学技术成就。

总之，通过调查研究应为组合机床总体设计提供必要的大量的数据、资料，作好充分的、全面的技术准备。

2.总体方案设计

总体方案的设计主要是制定工艺方案（确定零件在组合机床上完成的工艺内容及加工方法，选择定位基准和夹紧部位，决定工艺和刀具种类及其结构形式，选择切削用量等）、确定机床配置形式、制定影响机床总体布局和技术性能的主要部件的结构方案。

总体方案的拟定是设计组合机床的最关键的一步。

方案制定的正确与否，将直接影响机床能否达到合同要求，保证加工精度和生产率，并且结构简单、成本较低和使用方便。

对于同一加工内容，有各种不同的工艺方案和机床配置方案，在最后决定采用哪种方案时，必须对各种可行的方案作全面分析比较，并考虑使用单位和制造单位等诸方面因素，综合评价，选择最佳方案或较为合理的方案。

总体方案的设计具体工作是编制“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，以及编制机床生产率计算卡。

3.技术设计

技术设计就是根据总体设计已经确定的“三图一卡”，设计机床各专业部件正式总图，如夹具设计、多轴箱等装配图以及根据运动部件有关参数和机床工作循环要求，设计液压和电气原理设计图。

4.工作设计

当技术设计通过审查后即可展开工作设计，即绘制各个专用部件的施工图样、编制各部件零件明细表。

2组合机床工艺方案的拟订

工艺方案的拟订是组合机床设计的关键一步。

工艺方案制定的正确与否是在很大程度上决定了组合机床的结构配置和使用性能。

因此，应根据工件的形状和加工要求的特点，加工部位、尺寸精度、表面粗糙度和技术要求及生产率要求等，按一定的原则，结合组合机床常用的工艺方法，充分考虑到各种因素，并经技术经济分析后拟订出先进、合理、经济、可靠的工艺方案。

选择工艺基面和定位方式是制定工艺方案的关键所在。

第二章零件分析与方案拟定

2.1零件分析

本课题加工零件为s290汽缸盖，其零件坯料为铸铁，材料为HT200。

由于其形体较为复杂，缺少理想、可靠、稳定的定位基准，各加工要素间具有较高的位置精度要求，加工内容涉及到钻、扩、镗等多种工艺。

该零件加工精度较高，从目前制造业的水平来看，采用先进的装备加工该零件，上述精度应该不成问题。

但汽缸盖是个微利配套产品，先进设备的高投入将给企业带来沉重的压力，导致利润进一步降低，甚至出现亏损。

因此针对泵体行业目前的生产批量特点，采用经济高效的专用工艺装备进行加工比较好。

2.2工艺安排

（1）总体方案：

由于缺少理想、可靠、稳定的定位基准，为了保证中心孔系与

9H8齿杆孔间的位置精度，主要采用了组合机床工序集中，以多面、多工位同时加工的形式在一次定位装夹进行加工，从而经济的满足要求。

工序1Ⅰ工位:

钻左侧面上2×Φ11深43.5孔加工精度为H8；

Ⅱ工位:

钻2×Φ27深9.2孔，加工精度为H8。

工序2Ⅰ工位:

钻左侧面上2×Φ11深47孔加工精度为H7；

Ⅱ工位:

钻右侧面上Φ11.5深10.2孔，加工精度为H7。

2.3被加工零件的特点

气缸盖的材料为HT200；

硬度为150-225HBS；

生产纲领为大批大量；

在本工序前各主要表面已加工完毕。

3组合机床配置型式选择

组合机床有大型和小型，又可分为卧式，立式两种，根据配置形式还可分为单工位和多工位。

配置方案不同对机床的复杂程度，通用化程度，结构工艺性，加工精度，机床重新调整的可能性等都有不同的影响。

在本工序中要求加工同轴的两个孔，因此采用卧式布置，为了提高生产效率，降低设计成本。

机床采用卧式，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。

本机床采用了单滑台双动力头结构，考虑到相关联的机床夹具结构的统一性，采用固定式夹具.由于在加工过程中要实现大范围的调速，因此采用伺服滑台来满足这个要求。

其具有如下特点:

可自动变换进给速度和工作循环，可在较宽的范围实现位控，执行零件加工的数控程序.由此，根据已定的工艺方案和机床配置形式，确定机床为卧式单面双工位数控传动的组合机床，伺服滑台实现工作进给运动，设计配套的动力箱。

4组合机床总体设计

4.1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（或自动线）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，夹压部件以及被加工零件的材料，硬度和本机床的前加工余量，毛坯或半成品情况的图样。

除了设计研制合同外，它是组合机床设计的具体依据，也是制造，使用，调整和检验机床精度的重要文件，是在被加工零件图基础上，突出本机床的加工内容，并作必要的说明而绘制的。

为使被加工零件工序图表达清晰明了，突出本工序内容，绘制时规定：

应按一定的比例，绘制足够的视图以剖面；本工序加工部位用粗实线表示，保证的加工部位尺寸及位置尺寸数值下方画“—”粗实线，其余部位用细实线表示。

本机床加工时是采用的一面两销定位方式，一面是气缸盖的内侧面，两销分别是一圆柱销一菱形销。

它共限制六个自由度，可以达到定位效果，因此可以保证所需要的加工精度。

绘制的被加工零件工序图如图4-1、4-2所示。

图中符号---夹紧位置

--定位基准

图4-1s290加工零件工序图

4.2加工示意图

加工示意图是在工艺方案和机床总体方案初步确定的基础上绘制的，是表达工艺方案具体内容的机床工艺方案图，它是设计刀具、辅具、夹具、多轴箱、电气系统以及选择动力部件，绘制机床总体联系尺寸图的主要依据；是对机床总体布局和性能的原始要求；也是调整机床和刀具所必需的重要技术文件。

图4-2零件加工示意图

4.2.1选择刀具、导向及有关计算

1.刀具选择

由于工件材料为HT250，生产批量为大批量，故选择高速钢麻花钻头

2．导向结构的选择

钻头在钻套中运动会磨损钻套，钻套需要更换，因此选择可换钻套。

另外再选用钻套用衬套，这样可以方便的更换衬套，并不会破坏钻模板上的孔，有利于保持导向精度。

4.2.2组合机床切削用量的选择

查文献资料得刀具的进给量f=0.11mm/r；

切削速度的计算：

Vc=

（4-1）

Vc—切削速度，单位为m/min。

A.工件左侧面加工

①钻2×Φ11深43.5孔

选择f=0.11mm/r，n=500r/min

由公式（4-1）得Vc=3.14×11×500/1000=17.3m/min

②钻2×Φ11深47孔

由表4-2得，选择f=0.15mm/r，n=466r/min

选择f=0.11mm/r，n=500r/min

由公式（4-1）得Vc=3.14×11×500/1000=17.3m/min

b.工件右侧面加工

①钻右侧面上Φ11.5深10.2孔

选择f=0.11mm/r，n=500r/min

由公式（4-1）得Vc=3.14×11×500/1000=17.3m/min

4.2.3计算切削力，切削扭矩及切削功率

根据文献资料得计算公式如下：

切削力Fz=51.4apf0.75HB0.55（4-2）

Fx=0.51ap1.2f0.65HB1.1（4-3）

转矩T=25.7Dapf0.75HB0.55（4-4）

功率

（4-5）

公式中：

V—切削速度（m/min）；f—进给量（mm/r）；ap—切削深度（mm）；

D—加工直径（mm）；Fz—圆周力（N）；Fx—轴向切削力（N）；

HB—布氏硬度：

；

在本设计中，HBmax=225，Hbmin=150，代入公式得HB=200HBS。

a.半精加工：

（排气）

钻2×Φ11深43.5孔：

由公式（4-2）得

Fz=51.4×0.1×0.110.75×2000.55

=51.4×0.1×0.121×18.432=18.096N；

由公式（4-3）得

Fx=0.51×0.11.2×0.110.65×2001.1

=0.51×0.063×0.291×339.729=2.547N；

由公式（4-4）得

T=18.096×11/2=90.48N·mm

由公式（4-5）得

P=18.096×17.3/61200=0.0015KW

钻2×Φ11深47孔：

由公式（4-2）得

Fz=51.4×0.1×0.110.75×2000.55

=51.4×0.1×0.121×18.432=18.096N；

由公式（4-3）得

Fx=0.51×0.11.2×0.110.65×2001.1

=0.51×0.063×0.291×339.729=2.547N；

由公式（4-4）得

T=18.096×11/2=90.48N·mm

由公式（4-5）得

P=18.096×17.3/61200=0.0015KW

钻右侧面上Φ11.5深10.2孔

由公式（4-2）得

Fz=51.4×0.4×0.150.75×2000.55

=51.4×0.1×0.241×18.432=22.832N；

由公式（4-3）得

Fx=0.51×0.11.2×0.150.65×2001.1

=0.51×0.063×0.291×339.729=3.176N；

由公式（4-4）得

T=22.832×14.8/2=168.9N·mm

由公式（4-5）得

P=22.832×69.7/61200=0.03KW

对右侧Φ27孔倒角2.2×2.2

由公式（4-2）得

Fz=51.4×0.27×0.110.75×2000.55

=51.4×0.27×0.121×18.432=91.329N；

由公式（4-3）得

Fx=0.51×0.271.2×0.110.65×2001.1

=0.51×0.333×0.291×339.729=16.813N；

由公式（4-4）得

T=91.329×44.8/2=2045.8N·mm

由公式（4-5）得

P=91.329×65.6/61200=0.09KW

4.3机床联系尺寸图

机床联系尺寸图是以被加工零件工序图和加工示意图为依据，并按初步选定的主要通用部件以及确定的专用部件的总体结构而绘制的。

是用来表示机床的配置型式和布局。

用以检验各主要部件相对位置几尺寸联系能否满足加工要求和通用部件选择是否合适；它为多轴箱、夹具等专用部件设计提供重要依据；它可以看成是机床总体外观简图。

图4-3机床联系尺寸图

4.3.1动力滑台的选择

a.选择动力部件

由文献资料谢家瀛.组合机床设计简明手册选择1TD32-I型动力箱驱动（n驱=715r/min），根据切削用量进给力等因素选取1HY32IIA型液压滑台。

其台面宽度为320mm，台面长为630mm，最大行程为630mm，最大进给力为12500N，电动机Y100L1-4，P=2.2KW。

b.确定机床装料高度

装料高度一般是指工件安装基面至地面的垂直距离。

在确定机床装料高度时，首先要考虑工人操作的方便性；对于流水线要考虑车间运送工件的滚道高度。

其次是机床内部结构尺寸的限制和刚度要求。

侧底座高度560mm，滑台高度354mm,最低孔高度91.5mm。

参考国家标准装料高度H=1000mm取机床装料高度为905mm。

c.确定夹具轮廓尺寸

主要确定夹具底座的长、宽、高尺寸。

工件的轮廓尺寸和形状是确定夹具底座轮廓尺寸的基本依据。

具体要考虑布置工件的定位、限位、夹紧机构、刀具导向装置以及夹具底座排屑和安装等方面的空间和面积需要。

夹具底座的高度尺寸，一方面要保证其有足够的高度，同时考虑机床的装料高度、排屑的方便性和便于设置定位、夹紧机构。

选取钻模架体加工方向尺寸300mm,选取夹具底座高度尺寸290mm。

4.4机床生产率计算卡

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。

它与全年工时总数tk有关。

根据谢家瀛.组合机床设计简明手册

Q=A/tK=50