柴油机气缸体三面粗镗组合机床总体及镗模设计方案.docx

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柴油机气缸体三面粗镗组合机床总体及镗模设计方案

柴油机气缸体三面粗镗组合机床总体及镗模设计

摘要：

组合机床是以系列化、标准化的通用部件为标准，配以少量的专用部件组成的一种高生产率专用机床。

它具有自动化程度较高，加工质量稳定，工序高度集中等特点。

本次课题是设计一台加工S195型柴油机气缸体水箱面、油底壳面和后盖板面孔系的粗镗组合机床，具体进行总体设计和镗模设计。

被加工零件为S195型柴油机气缸体，工件材料为HT200，三个面共加工13个孔，工件一次装夹，三面同时加工。

为满足设计要求，进行工艺设计，确定所需的“三图一卡”。

机床配置型式为单工位三面卧式组合机床，刀具选用镗刀。

根据工艺过程的需要对工件的定位夹紧方式进行分析，设计满足使用的夹具，夹紧方式为液压夹紧。

本组合机床，成本低，工作可靠，结构简单，装卸方便，便于维修、调整，加工精度高，操作使用方便，减轻了工人的劳动强度，提高了劳动生产率。

关键词：

组合机床；总体设计；夹具设计.

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TheOverallandJigDesignofThree-sideBoringModularMachineToolforCylinderBodyofDieselEngine

Abstract:

Themodularmachinetoolisbasedonserializationandstandardizationofthegeneralcomponentsofthestandards,coupledwithasmallnumberofspecialcomponents,whichisconsistedofaspecialhighproductivitymachine.Ithassuchcharacteristics,highdegreeofautomation,stableprocessquality,highlyworkingprocedurecentralize.ThesubjectdesignisaThree-sideboringmodularmachiningtoolwhichprocesseswatertankface,oilrindfaceandbackcoverboardfaceofS195cylinderbodyofdieselengine.Theoverallandjigdesignisimportant.ProcessedpartsforcylinderblockofS195dieselengine,thetapofworkpiecematerialisHT200,itbores13holesonthethreefaces,theworkpieceisfixedonetime,thethreefacesareprocessedatthesametime.Tomeettherequirementsofthedesign,processdesignisnecessary.“Threeplansandonecard”isneededtobeascertained.Thepositioningmodelofmachinetoolissingleworkingprocedurehorizontalmodularmachinetool,itisselectedbore.Accordingtotheneedsoftechnicsprocess,itwillanalyseorientationandclampmethodsofworkpieceanddesignthenecessaryjig.Theclamplingmeansishydraulicpressureclamping.Themodularmachinetoolhassuchcharacteristics,low-cost,reliablework,simplestructure,assembleanddisassembleconvenience,easeofmaintenanceandadjust,highlyprocessingprecision,easytooperate,reducingtheworkers’laborintensity,anditenhancestheproductivity.

Keywords:

Modularmachinetool。

OverallDesign。

Designofjig.

目录

1前言1

1.1课题内容1

1.2课题来由1

1.2.1课题背景1

1.2.2课题要求1

1.3组合机床国内外发展概述1

1.4本课题主要解决的问题和总体设计思路2

2组合机床总体设计3

2.1总体方案论证3

2.1.1工艺方案的拟订3

2.1.2机床配置形式的选择3

2.1.3定位基准的选择4

2.1.4滑台型式的选择4

2.2确定切削用量及选择刀具4

2.2.1选择切削用量4

2.2.2计算切削力、切削扭矩及切削功率6

2.2.3选择刀具结构7

2.3组合机床总体设计——三图一卡7

2.3.1被加工零件工序图7

2.3.2加工示意图7

2.3.3机床尺寸联系总图10

2.3.4机床生产率计算卡12

3镗模设计14

3.1镗模设计的基本要求和步骤14

3.1.1镗模设计的基本要求14

3.1.2镗模的设计步骤14

3.2定位与导向方案的确定14

3.2.1零件的工艺性分析14

3.2.2定位方案的论证15

3.2.3导向装置15

3.3夹紧方案的确定16

3.3.1夹紧装置的确定16

3.3.2夹紧力的确定17

3.3.3气缸的选择18

3.4夹具体的设计18

3.5误差分析18

4结论22

参考文献23

致谢24

附录25

1前言 

1.1课题内容

本组课题是设计一台三面粗镗孔卧式组合机床，来保证S195柴油机气缸体三面孔加工及保证相应的位置精度，在完成机床总体设计和绘制“三图一卡”的基础上，主要完成镗模的设计。

1.2课题来由

本课题来自江淮动力集团。

1.2.1课题背景

近年来，随着制造业的发展，普通机床已经越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求。

江动集团在生产S195柴油机时，其气缸体的加工效率比较低，跟不上生产指标，气缸体的加工精度比较高，普通机床加工比较困难，现需要设计一台组合机床用以实现S195柴油机气缸体的加工。

1.2.2课题要求

本加工工序的内容是：

：

右侧面：

镗曲轴孔φ192、φ75，扩平衡轴孔2×φ50，钻凸轮轴孔φ34；左侧面：

扩平衡轴孔2×φ50，凸轮轴孔φ45，钻起动轴孔φ36，调速轴孔φ24；后面：

镗缸套孔φ115，φ108，φ107。

位置公差为0.30mm。

粗糙度为：

镗孔

，钻、扩

。

为了保证零件的加工精度，在整个设计过程中应满足以下几点要求：

a.机床应能满足加工要求，保证加工精度。

b.机床应运转平稳，工作可靠，结构简单。

c.装卸方便，便于维修，调整。

d.主轴箱能满足机床总体方案的要求（转速，转向，功率，坐标要求>。

1.3组合机床国内外发展概述

组合机床是根据工件加工需要,以大量通用部件为基础,配以少量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至几十倍。

由于通用部件已标准化和系列化，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，在大批、大量生产中得到广泛应用，并可用来组成自动生产线。

组合机床一般用于加工箱体类或特殊形式的零件。

加工时，工件一般不旋转，由刀具的旋转运动和刀具与工件的相对进给运动来实现钻孔、扩孔、锪孔、铰孔、镗孔、铣削端面、切削平面、切削内外螺纹以及加工圆和端面等。

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。

专用机床是随着汽车工业的兴起而发展起来的。

在专用机床中某些部件因重复使用，逐步发展成为通用部件，因而产生了组合机床。

最早的组合机床是1908年在美国制成的，用于加工汽车零件。

组合机床的设计，目前基本上有两种方式：

其一，是根据具体加工对象的特征进行专门设计，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，广大工人和技术人员总结出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的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”。

这种组合机床不需要每次按具体加工对象进行专门设计和生产，而是设计成通用品种，组织成批生产，然后按被加工零件的具体需要，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。

为了使组合机床能在中小批量生产中得到应用，往往需要应用成组技术，把结构和工艺相似的零件集中在一台组合机床上加工，以提高机床的利用率。

组合机床未来的发展将更多的采用调速电动机和滚珠丝杠等传动，以简化结构、缩短生产节拍；采用数字控制系统和主轴箱、夹具自动更换系统，以提高工艺可调性；以及纳入柔性制造系统等。

1.4本课题主要解决的问题和总体设计思路

本设计主要针对原有的S195机体左、右、后三个面上13个孔多工序加工、生产率低、位置精度误差大的问题而设计的，从而保证孔的位置精度、提高生产效率，降低工人劳动强度。

夹具部分的设计，首先，在完成对组合机床的总体设计并绘制出“三图一卡”的基础上，绘制夹具设计的装配图；夹具设计是组合机床设计中的重要部分，夹具设计的合理与否，直接影响到被加工零件的加工精度等参数。

首先确定工件的定位方式，然后进行误差分析，确定夹紧方式，夹紧力的计算，对夹具的主要零件进行结构设计。

在夹具设计中，设计的主要思路是把原有的手动夹紧改为液压夹紧方式，这样设计主要优点是：

液压油油压高、传动力大，在产生同样原始作用力的情况下，液压缸的结构尺寸比气压小了许多，液压油的不可压缩性可使夹具刚度高，工作平稳、可靠，液压传动噪声小，劳动条件比气压的好。

解决了手动夹紧时夹紧力不一致、误差大、精度低、工人劳动强度大等缺点。

2．组合机床总体设计

2.1总体方案论证

本设计的加工对象为S195柴油机机体，材料为HT200，硬度为170-220HBS

2.1.1工艺方案的拟定

A本机床加工零件特点

本设计的加工对象为S195柴油机机体，材料是HT200，其硬度HB170-220。

在本工序之前各主要表面、主要孔已加工完毕。

为了正确拟定组合机床的工艺方案，除了对加工零件工序内容及特点进行分析，我们还参观了东风拖拉厂，江淮动力集团，红旗机床厂，具体了解了各厂产品的加工情况，各加工工序的关键技术要点等。

为我们全面了解该柴油机机体的具体情况，拟定组合机床工艺方案又对被加工工件基准，加工工序进行分析，打下了牢固的基础。

B本机床加工工序及加工精度。

被加工零件在本组合机床上完成的工序及加工精度，是制定机床工艺方案的主要依据。

本机床加工零件的工序内容：

钻、扩、镗左面、右面、后面的孔，由本设备“S195柴油机机体三面镗组合机床”完成，因此，本设备的主要功能是完成柴油机机体左、右、后三个面上13个孔的加工。

具体加工内容是：

右侧面：

镗曲轴孔φ192、φ75，扩平衡轴孔2×φ50，钻凸轮轴孔φ34；左侧面：

扩平衡轴孔2×φ50，凸轮轴孔φ45，钻起动轴孔φ36，调速轴孔φ24；后面：

镗缸套孔φ115，φ108，φ107。

位置公差为0.30mm。

粗糙度为：

镗孔

，钻、扩

。

本次设计技术要求：

机床应尽可能满足加工要求，保证加工精度；

机床运转平稳，工作可靠，结构简单，装卸方便，便于维修、调整；

机床尽可能用通用件<中间底座可自行设计）以便降低制造成本；

机床各动力部件用电气控制，液压驱动。

2.1.2机床配置形式的选择

机床的配置形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，机床重心较底，有利于减小振动。

其缺点是削弱了床身的刚性，占面积大。

辛辛苦苦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。

其据点是机床重心高，振动大。

此外，S195柴油机机体的结构为卧式长方体，从装夹的角度来看，卧式平放比较方便，也减轻了工人的劳动强度。

通过以上比较，考虑到卧式振动小，装夹方便等优点，选用卧式组合机床。

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集中工序。

从而收到减少机床台数的效果。

2.1.3定位基准的选择

A.定位基准的选择

本机床加工为单工位加工，也就是一次安装下进行13个孔的加工，其定位基准选择：

机体的底面定位限制3个自由度，侧面定位限制2个自由度，定位限制1个自由度，这种定位的特点是：

a.可以简单地消除工件的六个自由度，使工件获得可靠的定位；

b.能同时加工工件三个端面上的全部孔，即能高度集中工序，又有利于提高三端面孔的位置精度。

c.本定位基准有利于保证柴油机机体的加工精度，机床的许多部件实现通用化，有利于缩短设计周期，降低成本。

B确定夹紧位置

在选择定位基准的同时，要相应的决定夹紧位置，本设计采用液压夹紧，夹紧部位为刚性较好的筋板上，即机体的上表面，目的为了减少机体夹紧变形误差，应注意的问题；

a.保证零件夹压后的稳定；

b.尽量减少和避免零件夹压后变形。

2.1.4滑台形式的选择

本组合机床采用的是液压滑台。

与机械滑台相比较，液压滑台具有如下优点：

在相当大的范围内进给量可以无级调整速；可以获得较大的进给力；由于液压驱动，零件磨损小，使用寿命长；工艺上要求多次进给时，通过液压换向阀，很容易实现；过载保护简单可靠；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。

俣采用液压滑台也有其弊端，如：

进给量由于栽花的变化和温度的影响而不够稳定；液压系统漏油影响工作环境，浪费能源；调整维修比较麻烦。

本课题的加工对象是S195柴油机机体左、右、后三个面上的13个孔，位置精度和尺寸精度要求较高，因此采用液压滑台。

由此，根据已定的工艺方案和机床配置形式并结合使用及修理等因素，确定机床为卧式三面单工位液压传动组合机床，液压滑台实现工作进给运动，选用配套的动力箱驱动主轴箱镗、扩、钻孔主轴。

2.2确定切削用量及选择刀具

2.2.1选择切削用量

对于13个被加工孔，采用查表法选择切削用量，从[1]P130表6-13、表6-15中选取。

由于钻孔的切削用量还与钻孔深度有关，随孔深的增加而逐渐递减，其递减值按[1]P131表6-12选取。

降低进给量的目的是为了减小轴向切削力，为避免钻头折断。

钻孔深度较大时，由于冷却排屑条件都较差，使刀具寿命有所降低。

降低切削速度主要是为了提高刀具寿命，并使加工较深孔时钻头的寿命与加工其他浅孔时钻头的寿命比较接近。

扩孔、镗孔按表正常选取。

A．对右侧面上4个也的切削用量的选择

a.平衡轴孔1~22×φ50,通孔，l=17mm

由d>40~60,硬度大于170~220HBS，选择v=10~18m/min,f>0.3~0.4mm/r,又d=50mm，取定v=15.7m/min,f=0.395mm/r,则由文献[1]P43公式：

（2-1>

得：

n=1000×15.7/50π=100r/min

b.曲轴孔3φ192，通孔，l=20mm

由于硬度大于170~220HBS，选择v=35~50m/min,f>0.4~1.5mm/r,又d=192mm,取定v=48m/min,f=0.51mm/r,得：

n=1000×48/192π=80r/min

c.凸轮轴孔6φ34,通孔，l=26mm

由于硬度大于170~220HBS，选择v=35~50m/min,f>0.4~1.5mm/r,又d=192mm,取定v=48m/min,f=0.51mm/r,得：

n=1000×13.5/34π=130r/min

B.对左侧面上5个孔的切削用量的选择

a.平衡轴孔1~22×φ50,通孔，l=18mm

由d>40~60,硬度大于170~220HBS，选择v=10~18m/min,f>0.3~0.4mm/r,又d=50mm，取定v=14.1m/min,f=0.385mm/r,则n=1000×14.1/50π=90r/min

b.起动轴孔4φ36,通孔，l=30mm

由d>22~50,硬度大于170~220HBS，选择v=10~18m/min,f>0.25~0.4mm/r,又d=36mm，取定v=14.7m/min,f=0.27mm/r,则n=1000×14.7/36π=130r/min

c.调速轴孔5φ24,通孔，l=34mm

由d>22~50,硬度大于170~220HBS，选择v=10~18m/min,f>0.25~0.4mm/r,又d=24mm，取定v=10.5m/min,f=0.25mm/r,则n=1000×10.5/24π=140r/min

d.凸轮轴孔6φ45,通孔，l=26mm

由d>40~60,硬度大于170~220HBS，选择v=10~18m/min,f>0.3~0.4mm/r,又d=45mm，取定v=14.1m/min,f=0.35mm/r,则n=1000×14.1/45π=100r/min

C.对后面上的孔的切削用量的选择

缸套孔7φ115、φ118为阶梯孔、φ107孔、通孔，l=27.5mm,l=30mm,

由于硬度大于170~220HBS，选择v=35~50m/min,f>0.4~1.5mm/r,又d=115mm，取定v=35m/min,f=0.65mm/r,则n=1000×35/115π=97r/min

<孔的编号见被加工零件工序图）

2.2.2计算切削力、切削扭矩及切削功率

根据文献[1]P134表6-20中公式

钻孔：

<2-2）

<2-3）

<2-4）

扩孔：

<2-5）

<2-6）

<2-7）

镗孔：

<2-8）

<2-9）

<2-10）

式中，F——切削力

ap——切削深度

，

，

得HB=203。

由以上公式<2-2，2-3，2-4，2-5，2-6，2-7，2-8，2-9,2-10）分别可得：

右面单3轴承Fz=1729.4NFx=424.9NT=177582.0N·mm

P=1.356Kw

Fz=1729.4NFx=424.9NT=64850.9N·mm

P=0.532Kw

1~2轴F=201.0NT=6850.5N·mmP=0.070Kw

6轴F=8396.0NT=76808.1N·mmP=0.997Kw

左面单1~2轴F=198.97NT=6850.5N·mmP=0.070Kw

4轴F=7959.8NT=76827.9N·mmP=1.026Kw

5轴F=4989.6NT=33531.1N·mmP=0.480Kw

6轴F=191.5NT=5746.2N·mmP=0.059Kw

后面单根7轴Fz=2674.4NFx=497.5NT=119277.9N·mmP=1.529Kw

Fz=2674.4NFx=497.5NT=112018.5N·mmP=1.442Kw

Fz=2674.4NFx=497.5NT=110980.3N·mmP=1.425Kw

（轴编号与孔编号相对应>

总的切削功率：

即求各面上所有轴的切削功率之和

右面Pw=1.356+0.070×2+0.997+0.532=3.025Kw

左面Pw=0.062×2+1.026+0.480+0.059=1.689Kw

后面Pw=1.529+1.442+1.425=4.396Kw

实际切削功率

根据[9]，P=<1.5~2.5）Kw,因为是多轴加工，取定P右=1.5×3.025=4.538Kw

P左=2×1.689=3.378Kw

P后=1.5×4.396=6.594Kw

2.2.3选择刀具结构

一台机床刀具选择是否合理，直接影响到机床的加工精度、生产率及工作情况。

根据S195柴油机机体的三面加工尺寸精度、表面粗糙度，切削的排除及生产率要求等因素。

所以粗加工气缸体的缸套孔φ118H10、φ118H8，曲轴孔φ195H7、φ78H7的刀具采用硬质合金组成的镗刀；加工平衡轴孔2-φ52M7，凸轮轴孔φ47H7的刀具采用高速钢锥柄扩孔钻，加工调速轴孔φ25V7，起动轴孔φ37H7，凸轮轴孔φ35H7的刀具采用高速钢标准锥柄长麻花钻。

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<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。

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。

2.3.2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、夹具、主轴箱以及选择动力部件的主要资料，同时也是调整机床和刀具的依据。

加工示意图要反映机床的加工过程和加工方法，并决定接杆的尺寸，刀具种

及数量，刀具长度及加工尺寸，主轴尺寸及伸出长度，主轴、刀具、导向与工件间的联系尺寸等。

根据机床要求的生产率及刀具特点，合理地选择切削用量，决定动力头的工作循环。

A．刀具的选择

刀具直径的选择应与加工部位尺寸、精度相适应。

孔2-φ50、φ45分别选择刀具

φ50、φ45的扩扎钻；孔φ24、φ36、φ34分别选择刀具φ24、φ36、φ34的麻花钻；孔φ192、φ75、φ115、φ108、φ107分别选择镗刀刀具截面为B×B=16×16、20×20mm。

B．导向机构的选择

在组合机床加工孔时，除用刚性主轴的方案外，其尺寸和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。

a.本课题中加工的13个孔中，钻、扩孔的导向部分直径较小，导向表面旋转线速度均小于20m/min,所以导向装置选用固定导套，且采用单导向。

镗孔导向直径较大，旋转线速度较高<大于20m/min），采用旋转导向<利于减轻磨损和持久保持精度），且采用导向。

b.导向参数的选择：

导套直径、导向长度及导向套到工件端面距离，导向长度可按经验公式：

L=

导向套端面至工件端面距离是为了排削方便，