箱体连接孔加工组合机床设计.docx

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箱体连接孔加工组合机床设计

中文摘要

随着自动化生产能力的提高，现代工厂中出现需要组合机床的场合越来越多，组合机床是以通用部件为基础，配以工件特定外形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。

它一般采用多轴，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合系列化，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，在大批量生产中得到广泛应用，并可用以组成自动生产线。

本课题针对箱体前断面上的4个螺纹孔钻削这一特定工序而设计的一台专用立式组合机床。

本设计中，在充分数据计算的基础上对标准通用零件做了仔细选择，并依据被加工零件的结构特点，加工部位的尺寸精度，表面粗糙度要求，以及定位夹紧方式，工艺方法和加工过程中所采用的刀具，生产率，切削用量情况等设计了结构合理的多轴箱。

关键词：

组合机床，多轴箱，工艺流程，钻削

Abstract

Withtheimprovementofautomationproductioncapacity,themodernfactoriesinneedofmodularmachinetoolmoreandmoreoccasions,combinationmachinetoolsisbasedoncommoncomponents,withthespecificshapeofthepartandprocessdesignofspecialcomponentsandfixture,consistingofaspecialsemi-automaticorautomaticmachinetools.ItusuallyUSESthemultiplespindle,knife,workingprocedure,polyhedralortransferprocessingwaysatthesametime,theproductionefficiencyishigherthangeneralmachinetoolsseveraltimesormore.Becausegeneralpartshavestandardcombinedseriation,canaccordingtoneedtobeflexibleconfiguration,canshortenthedesignandmanufacturingcycle.Therefore,boththeadvantagesoflowcostandhighefficiencyofcombinedmachinetool,widelyusedinmassproduction,andcanbeusedtoformanautomaticproductionline.

Thistopicfortheholeandfourofbeforetheendofthethreadedholedrillingthisspecificprocessanddesignofadedicatedverticalcombinationmachinetools.

Inthisdesign,onthebasisofsufficientdataforstandardpartscommoncarefulselection,andaccordingtothestructurecharacteristicsoftheprocessedparts,machiningpartssizeaccuracyandsurfaceroughnessrequirements,aswellasthepositioningclampingway,processmethodandtooladoptedbythemachiningprocess,productivity,andcuttingdosagesituationsuchasreasonablestructureofthespindleboxisdesigned.

Keywords:

combinationmachinetools,spindlebox,technologicalprocess,drilling

第一章绪论

1.1组合机床概述

制造技术是各国经济竞争的重要支柱之一，经济的成功在很大程度上得益于先进的制造技术，而机床是机械制造技术重要的载体，它标志着一个国家的生产能力和技术水平。

比如,我们传统的通用机床,由于它为了适应各种零件的通用加工,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些加工表面时,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地推出了专用机床。

但由于专用机床是根据某一工艺要求专门设计制造的,且它的组成部件均是专门设计制造的,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之中,一旦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。

为了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阻碍着产品的更新换代。

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。

1.2国内外该研究技术现状

我国组合机床事业是从无到有,逐渐发展起来的。

从1956年开始自行设计、制造了组合机床并得到很大发展。

如北京、上海、辽宁、山东、江苏等发展很快,西北、西南地区也又新的发展。

国家又重点安排了一批工厂,如大连机床厂、常州机床厂、大河机床厂、长沙机床厂、上海第十机床厂等20多个工厂生产组合机床通用部件,为全国各地机械加工部门用组合机床自己武装自己创造了非常有利的条件。

许多工厂在大搞技术改造、设备更新、质量翻新的热潮中,制造了大量的组合机床及其自动线,成倍地提高了劳动生产率,保证了产量和质量,降低了成本。

目前,我国大多数省、市、自治区都能设计并制造组合机床及其自动线,产量、质量和技术水平都在不断提高。

我国组合机床及其自动线已占有一定数量,特别是在汽车制造行业已有了大量的组合机床及其自动线,生产能力也在不断提高。

用我国自行设计与制造的组合机床及其自动线武装起来的第二汽车制造厂,经投产后证明具有规模、效率高,具有较高的自动化程度特点物理从工艺方案和布局,还是从加工精度和质量方面看,这些组合机床及组合机床自动线都已达到国际先进水平。

近几年来,组合机床在汽车、拖拉机、柴油机、电机、仪器、仪表、缝纫机、自行车、阀门、矿山机械、冶金、航空、纺织机械及军工等部门已获得广泛的应用，由于组合机床具有的一系列优点,因此在我国机械加工工业中广泛推广使用组合机床已成为多、快、好、省地发展我国机械加工工业的一条重要途径,继续发展和提高组合机床及自动线技术水平,是当前机械加工工业的一项重要任务。

我国的组合机床以及他的总体技术相比其他国家来说还是相对落后的，国内所需的一些高水平组合机床几乎都从国外进口。

在零部件一体化程度不断提高、数量减少的同时，加的形状却日益复杂。

多轴化控制的机床装备适合加工形状复杂的工件。

另外，产品周期的缩短也要求加工机床能够随时调整和适应新的变化，满足各种各样产品的加工需求。

国外组合机床技术在满足精度和效率要求的基础上，正朝着综合成套和具备柔性的方向发展。

组合机床的加工精度、多品种加工的柔性以及机床配置的灵活多样方面均有新的突破性进展，实现了机床工作程序软件化、工序高度集中、高效短节拍和多功能知道监控。

组合机床技术的发展趋势是：

（1）广泛应用数控技术国外主要的组合机床生产厂家都有自己的系列化完整的数控组合机床通用部件,在组合机床上不仅一般动力部件应用数控技术,而且夹具的转位或转角、换箱装置的自动分度与定位也都应用数控技术,从而进一步提高了组合机床的工作可靠性和加工精度。

广州标致汽车公司由法国雷诺公司购置的缸盖加工生产线,就是由三台自动换箱组合机床组成的,其全部动作均为数控,包括自动上下料的交换工作台、环形主轴箱库、动力部件和夹具的运动,其节拍时间为58秒。

（2）发展柔性技术80年代以来,国外对中大批量生产,多品种加工装备采取了一系列的可调、可变、可换措施,使加工装备具有了一定的柔性。

如先后发展了转塔动力头、可换主轴箱等组成的组合机床;同时根据加工中心的发展,开发了二坐标、三坐标模块化的加工单元,并以此为基础组成了柔性加工自动线（FTL）。

这种结构的变化,既可以实现多品种加工要求的调整变化快速灵敏,又可以使机床配置更加灵活多样。

（3）发展综合自动化技术汽车工业的大发展,对自动化制造技术提出了许多新的需求,大批量生产的高效率,要求制造系统不仅能完成一般的机械加工工序,而且能完成零件从毛坯进线到成品下线的全部工序,以及下线后的自动码垛、装箱等。

德国大众汽车公司KASSEL变速箱厂1987年投入使用的造价9000万马克的齿轮箱和离合器壳生产线,就是这种综合自动化制造系统的典范。

该系统由两条相似对称布置的自动线组成,三班制工作,每条线日产2000件,节拍时间为40秒。

全线由12台双面组合机床、18台三坐标加工单元、空架机器人、线两端的毛坯库和三坐标测量机组成,可实现3种零件的加工。

空架机器人完成工件下线的码垛装箱工作。

随着综合自动化技术的发展,出现了一批专门从事装配、试验、检测、清洗等装备的专业生产厂家,进一步提高了制造系统的配套水平。

（4）进一步提高工序集中程度国外为了减少机床数量,节省占地面积,对组合机床这种工序集中程度高的产品,继续采取各种措施,进一步提高工序集中程度。

如采用十字滑台、多坐标通用部件、移动主轴箱、双头镗孔车端面头等组成机床或在夹具部位设置刀库,通过换刀加工实现工序集中,从而可最大限度地发挥设备的效能,获取更好的经济效益

近十多年来，组合机床及其自动线在高效、高生产率，柔性化以及采用并行（同步）工程制订更为合理、更为节省的方案方面取得了不小的进展。

尤其是汽车工业，为了提高汽车的性能，对零件的加工精度提出了一些新的要求，因此对机床性能的要求也更高了.[4]近年来随着数控技术、电子技术、计算机技术等的发展，组合机床的机械结构和控制系统也发生了巨大变化。

[5]组合机床有了以下的发展：

1、数控化。

数控组合机床的出现，不仅完全改变了过去那种由继电器电路组成的组合机床的控制系统，而目．也使组合机床机械结构乃至通用部件标准发生了或正在发生着巨大的变化。

2、模块化。

数控加1二模块化极大地丰富了组合机床的通用件，它必将引起组合机床通用件发生根本性变化。

3、高速化。

由于高速加工可大大降低零件表面粗糙度及切削力，大大减小切削温度，提高生产效率，故机床的高速化研究方兴未艾，特别是数控机床的主运动和进给运动速度已达到了惊人高速。

如美国生产的加工中心，主轴转速可达15000—60000r／min，工作台快进速度高达90—120m／min。

顺应机床高速化的潮流，组合机床的速度也越来越高。

例如德国大众汽车厂在加工铝金缸盖燃烧室侧面时，采用PCD铣刀,铣削速度高达3075m／min，进给速度达3600mm／min，而采用安装有CBN刀片的新颖镗刀加工灰铸铁时，切削速度达800m／min，进给速度达I500mm／min。

[6]4、精密化。

由于机床实现了数控化，因而机床的加工精度越来越高，使一些过去看来难以达到的加工精度今天也已经实现了。

5、全防护化。

全封闭是现在机床的一大特点，不论是单机还是机床生产线，均采用全封闭的外罩，电器、液压全部采用空中走线。

全封闭防护，不但使机床及其生产线外形美观，而且也提高了安全性、可靠性和维修的便利性。

1.3该课题研究的目的和意义

传统机床只能对一种零件进行单刀，单工位，单轴，单面加工，成产效率低且加工精度不稳定，组合机床能够对一种（或几种）零件进行多刀、多轴、多面、多工位加工。

在组合机床上可以完成钻孔、扩孔、铣削磨削等工序，生产效率高，加工精度稳定。

本课题针对箱体设计专用轴孔加工组合机床，不仅有利于提高大批量生产的箱体的生产效率，提高加工精度稳定性，还可以在不生产该箱体后只需稍改进就可以继续使用机床，节约社会资源。

1.4本课题主要研究解决的难点问题和拟采用的办法

1）根据选定的切削用量（主要指切削速度v及进给量f）确定切削力，作为选择动力部件（滑台）及夹具设计的依据；确定切削扭矩，用以确定主轴及其它传动件（齿轮，传动轴等）的尺寸；确定切削功率，用以选择主传动电动（一般指动力箱）功率。

一些参数可查《组合机床简明手册》。

2）选择刀具，应考虑工艺要求与加工尺寸精度、工件材质、表面粗糙度及生产率的要求。

为了提高工序集中程度或满足精度要求，可以采用复合刀具。

孔加工刀具的长度应保证加工终了时刀具螺旋槽尾端与导向套之间有30—50mm距离，以便于排出切削和刀具磨损后又一定的向前调整量。

第二章组合机床总体方案设计

2.1加工零件分析

零件的工艺分析，就是通过对零件图纸的分析研究，判断该零件的结构和技术要求是否合理，是否符合工艺性要求。

找出主要技术要求和加工关键，研究零件加工过程中可能出现的问题及需要采取的措施，对图纸的完整性、技术要求的合理性提出意见，对不合理的部分提出修改意见，以保证能用经济合理的方法制造出符合质量要求的零件。

通过对零件图的重新绘制，知原图样的视图正确、完整，尺寸、公差及技术要求齐全。

总体来说，这个零件的工艺性较好。

本课题主要是加工箱体前断面上的4个M10螺纹孔，该4个螺纹孔在箱体毛胚时为4个直径为8的孔，上三个为沉孔，最下面一个为通孔。

具体尺寸如图2-1所示:

图2-1被加工零件尺寸

2.1.1、零件加工的技术要求

1）保证箱体直径为132mm孔的的中心位置，保证后轴孔的面粗糙度在3.2以内。

2）保证箱体后轴孔的中心位置，在水平位置与基准面和在垂直位置与基准面的位置偏差在±0.5之内。

保证后轴孔的面粗糙度在1.6以内。

2.2定位分析、基准选取及制定工艺路线

根据生产纲领，该零件属于大批大量生产，因此采用砂型铸造的方法来进行毛坯生产。

该零件的各个表面均为毛坯面，为加工需要，先加工一基准面为后备工序做准备。

该箱体结合件分为箱体和箱盖两部分，箱体外形面有两侧面侧面、前后待加工端面和安装底面，依据便于装夹的原则及利于后续加工的原则，确定箱体安装底面作为多道工序加工的基准面。

2.2.1定位基准的选择

选择定位基准的原则及应注意的问题：

1）应尽量选择零件设计基准作为组合机床加工的定位基准。

这样可以减少基准不符的误差，以保证加工精度，但在某些情况下，却必须选用其他作为定位基准。

2）选择定位基准应确定工件定位稳定。

尽量采用已加工较大平面作为定位基准，这对于加工尤为重要。

3）统一基准原则。

即在各台机床上采取共同的定位基面来加工零件不同表面的孔或对同一表面上的孔完成不同的工序。

这对工序多的箱体类尤为重要。

图2-2待加工零件定位基准面确立

根据以上选择定位基准的要定，现选定箱体的底面为定位基准，如图2-2所示，定位装夹简单可靠。

2.2.2重要工序分析：

工艺分析是设计组合机床最重要的一步，必须认真分析被加工零件的工艺过程。

深入现场全面了解被加工零件的结构特点，加工部位，夹紧方式，工艺方法和加工过程所用的刀具，切削用量及生产率等。

选择单工位，单面组合机床，使机床结构简单，工件可靠，更符合多，快，好，省的要求。

为了在加工过程中能够满足精度的要求，由于加工孔相对于中心的位置度要求比较高，因此采用单工位方法一次定位，可以减少定位误差。

由于被加工的箱体零部件特点以及加工部位特点，被加工的孔为与定位基准平行，且零部件需要双面加工等，一般来说，被加工的孔中心线与定位基面平行时宜采用卧式机床。

正因为这些特点在很大的程度上决定本次设计采用卧式机床。

该卧式组合机床的左主轴箱是钻4个直径为10mm的螺纹孔，精度要求为b8，加工直径为132mm的孔，其粗糙度为3.2；右主轴箱是钻1个直径为74mm的轴孔，表面粗糙度为1.6。

由于右轴加工的轴孔尺寸较大，需要设计一个玉米刀盘来满足设计要求。

2.3确定机床的配置形式

通常根据工件的结构特点，加工要求，生产率和工艺过程方案等，大体上就可以确定应采用哪种基本形式的组合机床。

但在基本形式的基础上，由于工艺的组织，动力头的不同配置方法，零件安装数目和工位数多少等具体安排不同，而具有多种配置方案。

它们对机床的结构复杂程度，通用化程度，结构工艺性能，重新调整的可能性以及经济效果，还有维修操作是否方便等，都具有不同的影响。

另外，还必须看到，就是在有些情况下，对于工艺过程方案做不大的更改或重新安排，往往会使机床简单，工作可靠，结构紧凑，更符合多快好省的要求。

2.4不同配置形式组合机床的加工精度

在组合机床上影响加工精度的因素很多，一般分为与切削负荷无关的误差（如机床原始误差，工件安装误差，夹具与刀具的误差，其它偶然性误差等）和与切削负荷有关的误差（如夹压变形，热变形，刀具磨损所引起的误差和其他偶然性误差）。

组合机床加工精度通常是靠夹具来保证的，我们也可以把影响加工精度的因素分为加工误差和夹具误差两大类。

那么现在的问题在于确定夹具误差和加工误差的比例，这个问题的解决通常是根据经验数据来进行机床配置形式的选择。

一般从固定式夹具组合机床的加工精度和移动式夹具组合机床的加工精度来考虑。

固定式夹具单工位组合机床加工精度最高。

这种机床由于零件采用固定导向的位置度可以达到0.2mm。

可见这种形式的组合机床加工此零件能稳定的保证加工精度。

2.5选择机床配置形式应注意的问题

2.5.1、适当提高工序集中程度

在确定机床的配置形式和结构方案时，要合理解决工序集中程度的问题。

在一个动力头上安装多轴，同时加工多孔来集中工序，是组合机床最基本的方法，在一台机床主轴数量有达200根左右的。

但是，也不应无限制地增加主轴数量，要考虑到动力头及主轴箱的性能和尺寸，并保证调整和更换刀具的方便性。

这些在以后的设计中药得以解决。

2.5.2、夹具形式对机床配置形式的影响

选择机床配置形式时要注意考虑夹具结构的实现可能性和工作的可靠性，在决定加工一个工件的成套流水线上个机床的型式时，还应注意，是机床与夹具的型式尽量一致，尤其是粗加工机床。

这样不仅有利于保证加工精度，而且便于设计，制造和维修，也提高了机床之间的通用化程度。

2.6机床总体布置方案确定

机床的总体布置方案如图2-3所示，该箱体连接孔加工组合机床是由组成的。

图2-3箱体连接孔加工组合机床布置方案图

第三章钻夹具设计

3.1箱体连接孔加工组合机床夹具分析

3.1.1、基本定位原理分析

这里讨论6点定位中，6个自由度的消除，以便找出较合适的定位夹紧方案。

一个物体在空间可以有6个独立的运动，即沿X、y、Z轴的平移运动，分别记为。

X1、Y1、Z1；绕X、y、Z轴的转动，记为x、y、z。

习惯上，把上述6个独立运动称作6个自由度．如果采用一定的约束措施，消除物体的6个自由度，则物体被完全定位。

针对课题中被加工的工件为箱体，其依靠箱体底部的4个孔安装，箱体的加工及定位都是依据这一基准进行的，所以本次设计的组合机床也可以参照这一基准，如图3-1所示。

图3-1箱体定位示意图

3.1.2、夹紧力“两要素”

夹紧力的“两要素”为方向与作用点。

夹紧力方向应朝向定位元件，并使所需的夹紧力最小。

确定夹紧力作用点的位置时应不破坏定位。

夹紧力作用点的位置应尽可能靠近加工部位，以减小切削力绕夹紧力作用点的力矩，防止工件在加工过程中产生转动或震动，保证夹紧变形不影响加工精度。

夹紧力作用点数目应使工件在整个接触面上受力均匀，接触变形小。

因为本次设计的组合机床一次性需要加工正面的4个M10的螺纹孔和一个直径为134mm的轴孔，同时加工箱体后面的一个直径为74mm的轴孔，为防止箱体在加工中产生震动而降低加工精度，需在箱体的上部增加一个作用力用来固定箱体。

通过分析发现，该工件被完全定位。

3.1.3、加工工艺技术分析

孔的类型：

螺纹孔M10精度等级：

6H

材料：

灰铸铁硬度：

HB190

左端面为通孔、孔径为134mm、加工深度L=16mm

右端面为通孔、孔径为74mm、加工深度L=98mm

3.1.4、工作行程的确定

在本道工序加工过程中，采用组合机床进行加工，各动力头工作情况一样，故其工作循环也一样：

由于被加工孔无特殊要求，故采用图3-2所示的工作循环方式：

图3-2工作行程图

设计过程中注意的因素：

工件为大批大量生产，加工效率要求很高，要求每次加工耗时少，因此。

快进距离不宜过长。

钻孔过程中，无需考虑孔内壁是否有直线痕或螺旋痕。

每次钻孔前至少在加工表面前4mm处开始工进。

从而确定：

左主轴箱的工进距离

。

考虑到大批量生产、导向原因等因素取

。

综上所述，可以求出快退距离

。

右主轴箱的工进距离

。

考虑到大批量生产、导向原因等因素取

。

综上所述，可以求出快退距离

。

第四章组合机床总体设计（三图一卡）

机床的总体设计就是绘制组合机床“三图一卡”，就是针对具体零件，在选定的工艺和结构方案的基础上，进行组合机床总体方案图样设计。

其内容包括：

绘制加工零件工序图、加工示意图、机床联系尺寸图和绘制生产功率计算卡等。

4.1被加工零件工序图

4.1.1、被加工零件工序图的作用与内容

被加工零件工序图是在被加工零件图基础上，突出本机床或自动线的加工内容，并作必要说明而绘制的。

其主要内容包括如下：

被加工零件的形状和主要轮廓尺寸以及与本机床设计有关部位结构形状和尺寸。

本工序选用的定位基准、夹紧部位及方向。

中文摘要

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上道工序的技术要求。

注明加工零件的名称、编号、材料、硬度以及加工部位的余量。

钻梳棉机箱体结合件两端面孔的被加工零件工序图如图4-1所示。

图4-1被加工零件工序图

4.1.2、绘制工序图的规定及注意事项

绘制被加工零件工序图的规定及注意事项：

绘制被加工零件工序图的规定：

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，其余部位用细实线表示；定位基准符号用

，并下标数表明消除自由度量。

绘制被加工零件工序图注意事项：

本工序加工部位的位置尺寸应与定位基准直接发生关系。

对工件毛坯应有要求，对孔的加工余量应认真分析。

当本工序有特殊要求时必须注明。

4.2加工示意图

4.2.1、加工示意图的作用和内容

加工示意图是在工艺方案和机床整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。

它是绘制机床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。

4.2.2选择刀具、导向及有关计算

（一）刀具的选择：

工件材料为HT200，轴孔加工与螺纹孔加工，选用玉米刀盘和螺纹丝锥。

（二）选择接杆

除刚性主轴外，组合机床主轴与刀具间常用接杆连接。

根据选用原则选取特长可调接杆，由以上可知，多轴箱各主轴的外伸长