粗镗活塞销孔专用机床及夹具设计.docx
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粗镗活塞销孔专用机床及夹具设计
粗镗活塞销孔专用机床及夹具设计
摘要:
本文主要介绍解放牌汽车活塞销孔的加工工艺，并设计粗镗活塞销孔的组合专用机床和专用夹具。
关键词:
组合专用机床、粗镗、夹具、活塞销孔
aBSTRACT：
Thispaperiscentralintroducethetechnologythatprocesspiston’stholeholeofJIEFANGautomobile.Anddesignthespecial-purposelatheandfixtureforboringthepiston’stholehole.
KEYWORD：
special-purposelathe、boring、fixture、piston’stholehole.
目录
目录1
中英文摘要2
第一章前言2
第二章概述2
一、毕业论文的内容和要求2
二、零件的工作条件和技术要求2
三、活塞主要技术条件分析3
四、活塞材料及毛坯的制造3
五、活塞销孔的机械加工工艺过程的分析4
第三章粗镗活塞销孔专用机床及夹具的设计4
一、夹具设计初步方案4
二、机床初步设计5
1，动力部件的选择5
2，确定切削用量和选择刀具5
3，确定切削力，切削扭矩，切削功率6
三、夹具设计的计算7
1，原动力计算7
2，扳手和螺栓的选用8
四、机床液压滑台系统的具体设计9
1，液压缸所受的外负载10
2，拟定液压系统原理图12
3，液压系统的计算和选择液压元件15
五、v带轮传动的设计16
1，确定切削功率16
2，选取窄V带带型6
3，确定带轮基准直径16
4，确定窄V带的基准长度和传动中心距6
5，带轮上的包角α116
6，计算窄V带的根数Z17
7，计算预紧力F017
8，计算作用在轴上的压轴力Q17
9，带轮结构设计17
六、组合机床联系尺寸的确定18
1，组合机床装料高度的确定18
2，具体轮廓尺寸的确定18
鸣谢20
参考文献20
第一章前言
毕业设计是高等工业院校学生毕业前进行的全面综合训练，是培养学生综合运用所学知识与技能解决实际问题的教学环节，是学生在校获得的最后训练机会，也是对学生在校期间所获得知识的检验。
这次设计的题目是：
粗镗活塞销孔专用机床及夹具设计。
并绘制出解放牌汽车用铝活塞销孔零件图、加工示意图、被加工零件工序图、组合机床联系尺寸图和夹具结构图。
并翻译一篇有关的外文资料。
在这次设计中，我明确设计目的，并决定好好把握和利用这踏上工作岗位前的最后一次“演习”机会，仔细查阅资料，精心设计，努力工作，终于完成了这次设计任务，但由于水平和时间有限，本设计只实现了组合机床的总体设计，并且设计中错误难免，希望老师们批评指正，从而能得到不断的进步。
在设计过程中，得到了李作全老师的精心讲解和热情帮助，对此，特表示衷心的感谢。
第二章
概述
一，毕业设计（论文）的内容和要求：
通过设计粗镗活塞销孔的专用机床和夹具。
培养综合运用所学基本理论，基本知识，基本方法和基本技能，分析问题和解决问题的能力。
设计方案和计标正确，叙述清楚，图纸符合制图规范。
翻译一篇有关的外文资料。
需学习“机械制造工艺学”，“机床夹具设计”，“组合机床设计”等方面知识和参考资料。
二，零件的工作条件和技术要求：
工作条件：
在发动机汽缸内，活塞在一部分工作循环压缩气体，而在另一部分工作循环，汽缸内的混合气体燃烧膨胀，活塞承受高温气体的压力，并把压力通过活塞销、连杆传给曲轴。
可见活塞是在高温高压下作长时间变负荷的往复运动，活塞的结构就要适应这样的工作条件。
技术要求：
1．销孔圆度和圆柱度均不大于0.015
2．销孔轴线对止口端面平行度不大于100：
0.04
3．销孔轴线与止口内圈中心线对称度不大于0.20
4．销孔表面允许有深度不大于0.08的正常退刀痕迹
三，活塞主要技术条件分析：
销孔尺寸公差IT6级以上。
当销孔直径小于50mm时销孔圆度误差不大于0.0015mm，圆柱度误差不大于0.003mm。
销孔内圆表面粗糙度Ra≤0.2μm。
活塞销孔轴心线到顶面的距离定为56±0.08mm。
销孔轴心线对裙部轴心线的垂直度在100mm长度上公差为0.35mm。
销孔轴心线在裙部轴心线的对称度为0.2mm。
四，活塞的材料及毛坯制造：
在汽油发动机和高速柴油机中，为了减少往复直线运动部分的惯性作用，都采用铜硅铝合金作为活塞材料。
它的化学成分是：
Si4~6%，Cu5~8%,Mg0.2~0.5%,Fe≤1%,其余是铝。
铝活塞毛坯采用金属模浇铸。
毛坯的精度较高，活塞销孔也能铸出，因而机械加工余量可以相应地减少。
铝活塞毛坯在机械加工前要切去浇冒口，并进行时效处理，消除铸造时因冷却不均匀而产生的内应力。
时效处理时将活塞加热至180~200℃，保温6~8小时，自然冷却。
活塞经过时效处理后还能增加强度和硬度。
五，活塞销孔的机械加工工艺过程的分析：
零件名称：
解放牌汽车活塞
材料：
铝合金HB95~140
年产量：
25~30万件
铝活塞的毛坯一般都铸出锥形销孔（便于拔模）。
由于销孔是许多工序施加夹紧力的部分，所以在粗车止口工序之后即对销孔进行粗镗，以便在其后的工序，夹紧力能较均匀地分布，而不至于压坏销孔所在的搭子。
第三章粗镗活塞销孔专用机床及夹具设计
一，夹具的初步设计方案：
粗镗活塞销孔专用夹具的自由度：
它用止口及端面定位，消去５个自由度，剩下的转动自由度用一根装在尾座套筒中的削边销插入销孔中来定位，从而保证镗孔的加工余量均匀。
当用螺母与螺杆及压块将活塞压紧后，再将削边销从销孔中退出，即可进行加工。
二，机床的初步设计：
根据加工工序的需要决定采用具有固定式夹具的主轴箱横向进给的卧式单工位专用机床：
1，动力部件的选择：
采用通用部件。
第一种动力部件是传递主运动的部件，包括动力源和主轴箱。
第二种传递进给运动的部件，包括液压滑台。
（1）， 液压滑台
液压滑台由滑台，滑座，油缸三部分组成。
滑台与滑座配置双矩形导轨，初选HY20A型液
压滑台，导轨为“矩－矩”型式。
液压滑台技术性能：
台面宽（mm）
行程（mm）
进给力（N）
油缸内径/活塞直径（mm）
油泵流量（升/分）
快进流量（升/分）
最小进给量（mm/分）
工进速度（mm/min）
200
400
6300
50/35
12
12
40
40~1000
（2）， 动力源
动力源是为主轴箱的刀具提供切削主运动的驱动装置
它与主轴配套使用。
因为对铝及其合金等轻金属进行粗镗削时，根据《组合机床设计》p20对传动装置的选择，应采用皮带轮传动装置，所以现决定采用皮带轮传动装置的型号为TXxx-F42。
（3）， 主轴箱
主轴箱安装在滑台上，镗刀杆上安装多个镗刀进行镗削。
本设计采用自行设计的主轴箱和TX20A-F42皮带轮传动装置。
2， 确定切削用量及选择刀具：
查《组合机床设计》表3-11得。
粗镗的镗刀的材料高速钢，切削速度v（m/min）在100~150范围内选取，初步定为120。
每转进给量f（mm/转）在0.5~1.5范围内选取，但考虑到液压滑台的进给速度v
（40—1000mm/min）的限制要取合适的值。
由公式n=1000v/πD得：
n=1000×120/π×27=1414.7（r/min）
v
=f×n取滑台的进给速度为1000，则f=v
/n=1000/1414.7=0.7（mm/r）
3，确定切削力，切削扭矩，切削功率：
切削力Fc,切削扭矩M，切削功率N，刀具耐用度T的计
算公式：
初定镗刀装在镗杆上的几何参数为：
主偏角Kψ=45°，前角Ψ。
=20°，刃倾角λs＝0°，刀尖圆弧半径Υε=20（mm）,初定镗孔加工余量ap=1.5mm
（1），切削力Fc=9.81×CFC×apXFC×fyFC×KFC
=9.81×40×1.51×0.70.75×1200×KFC
其中KFC=KMFC×KΥ0FC×KKΥFC×KλsFC×KΥεFC
查《机械制造技术》p48表2-3，得KMFC=1
查表2-4得KΥ0FC=1.0KKΥFC=1.0
KλsFC=1.0KΥεFC=1.0
∴KFC=KMFC×KΥ0FC×KKΥFC×KλsFC×KΥεFC
=1×1.0×1.0×1.0×1.0×1.0
=1
∴Fc=9.81×CFC×apXFC×fyFC×KFC
=9.81×40×1.51×0.70.75×1200×KFC
=9.81×40×1.51×0.70.75×1200×1
=450.4（N）
（2）， 切削功率：
Pc=Fc×Vc/60×103
=450.4×120/60000
=0.895（kW）
（3）， 快速运动速度的确定：
由HY20A液压滑台技术性能可知快进速度为
12米/分。
（4）， 选择刀具结构及切削扭矩：
镗杆直径及镗刀截面尺寸：
查《组合机床设计》p60表3-16得
由镗孔直径D=27（mm），取镗杆直径=22（mm）,
镗刀截面BXB=8×8（mmXmm）
主轴直径d=25（mm）
由式d=B4√（M/100）
查《组合机床设计》p59表3-15得,取系B=7.3
∴M=（d/B）4×100=（25/7.3）4×100
=13755.25（N.mm）
（5），电动机的选用：
根据上面算出的转速为1414.7（r/min）和功率为0.895×2=1.79（kW）。
现决定选用型号为Y100L2-4的电动机。
其额定功率为3（kW），转速为1420（r/min）。
三，夹具设计的计算：
（本设计查表选择东北重型机械学院，《机床夹具设计手册》，上海科学技术出版，1987）
1， 原动力计算：
∵Me=Wk【r`tgρ1+rztg（α+ρ`2）】/η0（N.mm）
其中：
Wk-实际所需夹紧力（N）
r`-螺杆端部与工件间的当量摩擦半径（mm），参见表1-2-20
∵螺杆端部的结构形式为点接触
∴r`=0
ρ1-螺杆端部与工件的摩擦角（º）
rz-螺纹中径之半（mm），初选M10，P=1，查表1-2-21得rz=4.675
α-螺纹升角（º），初选M10，P=1，查表1-2-21得α=1º57`
ρ`2-螺旋副当量摩擦角。
当选用三角螺纹时，由表1-2-22查得ρ`2=9º50`
η0-除螺旋外机构的效率，其值为0.85~0.95，取0.90
由表1-2-24中，初选螺纹公称直径为10（mm）的螺栓，查得其许用夹紧力为3924（N），加在螺母上的夹紧扭矩为9.320（N.mm）
∴Me=450.4【0+4.675tg（1º57`+9º50`）】/0.9
=484.7（N.mm）
∵M10的许用夹紧力=3924＞450.4（N）
∴M10的螺栓满足强度要求。
2，扳手和螺栓的选用：
当用扳手扳动M10螺栓上的六角螺母时，查表1-2-25得，
柄长度L=120（mm）,作用力为45（N），而夹紧力为3550（N），远大于450.4N）
∴用M10的螺栓，并用扳手长度L=120（mm）的扳手的方案符合要求。
四，机床的液压滑台系统的具体设计：
（本节的设计参照杨培元主编的〈〈液压系统设计简明手册〉〉。
）
工进长度的确定：
工进长度=切入长度+加工孔长度+切出长度
取切入长度为7（mm），加工孔长度为102（mm），切出长度取8（mm）。
∴工进长度=7+102+8=117（mm）
快进长度，初定为283（mm）
快退长度=快进长度+工进长度=283+117=400（mm）
∵滑台式后带“A”表示滑座导轨为铸铁导轨。
又∵球墨铸铁的密度为7300kg/m3
∴可根据滑座的外形尺寸和密度来估算其重力。
估算液压滑台的重力N1=9.8×400×200×80×7300×10-9
=457.86（N）
估算主轴箱和动力源的重力N2=9.8×200×472×388×7300×10-9
=2799.78（N）
即运动部件的重力N=N1+N2=3257.64（N）取N=4000（N）
1，液压缸所受的外负载：
F包括三种类型：
Fω-工作负载Fω=6300（N）
Fa-运动部件速度变化时的惯性负载Fa=G×⊿v/gX⊿t一般取⊿t=0.05（s）
Fa=4000×12/9.8/0.05/60=1632.65（N）
Ff-导轨摩擦阻力负载，启动时为静摩擦阻力，启动后为动摩擦阻力Ff=fG
在本设计中取静摩擦系数为0.18，动摩擦系数为0.1
∴Ffs=0.18×4000=720（N）
Ffa=0.1×4000=400（N）
∴工作循环各阶段的外负载为：
启动加速：
F=Ffs+Fa=720+1632.65=2352.65（N）
工进：
F=Ffa+Fω=400+6300=6700（N）
快进：
F=Ffa=400（N）
快退：
F=Ffa=400（N）
速度循环图：
负载循环图：
2，拟定液压系统原理图：
（1），确定供油方式：
考虑到该机床在工作进给时负载较大，速度较低。
而在快进，快退时负载较小，速度较高。
从节省能量，减少发热考虑，泵源系统宜选用变量泵供油。
现采用限压式变量叶片泵。
（2），调速方式的选择：
在中小型专用机床的液压系统中，进给速度的控制一般采用节流阀或调速阀。
根据镗削类专用机床的特点，决定采用限压式变量泵和调速阀组成的容积节流调速。
这种调速回路具有效率高、发热少和速度刚性好的特点。
（3），速度换接方式的选择：
本系统采用行程阀切换的速度换接回路，它的特点是可提高系统的换接平稳性。
（4），最后把所选择的液压回路组合起来，即可组成图纸所示的液压系统原理图。
其工作原理如下：
1），快进
按下启动按钮，电磁铁1YA通电吸合控制油路有泵16经电磁先导阀13的左位，单向阀11，进入液动阀14的左端油腔，液动阀14左位接入系统。
液动阀14右端回油经过节流器和阀13回油箱。
阀14处于左位。
主油路从泵16—单向阀15—液动阀14左位—行程阀9（常态）—液压缸左腔。
回油路从液压缸的右腔—阀14的左位—单向阀3—阀9—液压缸的左腔。
2），工进
压下行程阀9，则油路不能通过而只能通过调速阀6，此时系统的压力升高，压力的升高使顺序控制阀2打开而且也会另限量叶片泵的流量减少，直到与经过调速阀6流量相同为止。
液压的有杠腔的油液则通过液动阀14，经顺序阀2和背压阀1回油路。
（两侧的压力差使单向阀3关闭）
3），死档铁停留：
滑台工进终了，滑台体前端顶上固定在滑座体上的死档铁，滑台不能前进，而而油路系统还在供油，迫使油缸大腔油压升高，压力继电器5发出信号，使2YA通电，1YA断电，实现滑台快退。
压力继电器7延时的过程就是滑台在死挡铁停留的时间。
4），滑台快退及原位停止：
2YA的通电使阀14接入系统，进油路有泵16—阀15—液动阀14右路—液压缸右腔。
回油：
液压缸的左腔—单向阀7—阀14右位—回油缸。
由于此时空载，系统的压力很低，泵输出的流量最大，滑台快退。
当滑台快退到原位时，档块压下原位的行程开关，使电磁铁都断电，阀13和14都处于中位，滑台停止运动。
泵通过阀14的中位卸荷。
3，液压系统的计算和选择液压元件：
（1），液压缸主要尺寸的确定：
1），工作压力P的确定：
工作压力P可根据负载大小及机器的类型来初步确定，现参阅《液压系统设计简明手册》p10表2-1取液压缸工作压力为4（Mpa）。
2），计算液压缸内径D和活塞杠直径d：
按HY20A液压滑台的参数定D/d为50/35
按最低工作速度验算液压缸的最小稳定速度
由式A＞（qmin/vmin）
式中A为液压缸节流腔的有效工作面积，qmin是由产品样本查得GE系列调速阀AQF3-E10B的最小稳定流量为50（mL/min），vmin=4（cm/min）
∴A＞（qmin/vmin）=50/4=12.5（cm2）
由于调速阀是安装在油路上的，故液压缸节流腔有效工作面积应选液压缸无杠腔的实际面积。
即A=（π/4）×D2=（π/4）×52
=19.63（cm2）
∵19.63＞12.5
∴液压缸能选到所需流速。
3）计算在各工作阶段液压缸所需的流量：
q快进=（π/4）×d2×V快进=（π/4）×（3.5X10-2）2×12
=11.5（L/min）
q工进=（π/4）×D2×V工进=（π/4）×（5×10-2）2×1
=2（L/min）
q快退=（π/4）×（D2－d2）×V快退=（π/4）×（0.052－0.0352）×12
=12（L/min）
（2），确定液压泵的流量、压力和选择泵的规格：
1），泵的工作压力的确定：
pp=p1+∑⊿p
式中pp—液压泵的最大工作压力
p1—执行元件最大工作压力
∑⊿p—进油管路中的压力损失，初算时简单系统可取0.2~0.5（Mpa），复杂系统取0.5~1.5（Mpa）。
本设计中取0.5（Mpa）。
pp=p1+∑⊿p=4+0.5=4.5（Mpa）
上述计算所得的pp是系统的静态压力，考虑到系统有各种工况的过渡阶段出现的动态压力往往超过静态压力。
另外考虑到一定的压力储备量，并确保泵的寿命，因此选泵的额定压力pn应满足pn≥（1.25~1.6）pp。
本设计中pn=1.25pp=5.625（Mpa）
2），泵的流量的确定：
由HY20A液压滑台的技术性能参数可知油泵的流量为qp=12（L/min）
3），选择液压泵的规格：
根据以上算得的pp和qp，再查阅《液压系统设计简明手册》p81，现选用YBX-16限压式变量叶片泵，该泵的基本参数为：
每转排量q0=16m（L/r），泵的额定压力pn=6.3（Mpa），电动机转速nH=1450（r/min），容积效率ηv=0.85，总效率η=0.7
4），与液压泵匹配的电动机的选定：
首先分别算出快进与工进两种不同工况时的功率，取两者较大值为选择电动机规格的依据，由于在慢进时泵输出的流量减少，泵的效率急剧降低，一般当流量在0.2~1L/min范围内，可取η=0.03~0.14。
同时还应该注意到，为了使所选择的电动机在经过泵的流量特性曲线最大功率点时不致停转，需进行验算，即
pB×qp/η≤2pn
式中pn—所选电动机额定功率
pB—限压式变量泵的限定压力
qp—压力为pB时，泵的输出流量
首先计算快进时的功率，快进时的外负载为400N，进油路的压力损失定为0.3（Mpa），由式
pp=p1+∑⊿p得
pp=400/（（π/4）×0.0352）×10-6+0.3
=0.40（Mpa）
快进时所需电动机的功率为：
P=pp×qp/η=0.40×11.5/60/0.7
=0.11（kW）
工进时所需电动机功率为：
P=pp×qp/η=4.5×2/60/0.7
=0.22（kW）
查阅电动机产品样本，选用Y90S-4型电动机，其具体参数为：
功率（kW）
满载时
额定电流
额定转矩
电流（A）
转速（r/min）
效率（%）
功率因数（COSΦ）
1.1
2.7
1400
79
0.78
6.5
2.2
根据产品样本可查得YBX-16的流量压力特性曲线。
再由已知的快进时的流量为11.5（L/min），工进时的流量为2（L/min），压力为4.5（Mpa）,作出泵的实际工作时的流量压力特性曲线，查得该曲线拐点处的流量为24（L/min），压力为2.9（Mpa），该工作点处对应的功率为
P=2.9×24/60/0.7=1.66（kW）≤2×1.1=2.2（kW）
∴所选的电动机在拐点处能正常工作。
（3），液压阀的选择：
本设计均用GE系列阀，根据拟定的液压系统图。
按通过各元件的最大流量来选择液压元件的规格。
1.背压阀
2.液控顺序阀
3.7.11.1215.-单向阀AF3-EA10B
4，10节流阀
5.-压力继电器DP1-63B
6.调速阀AQF3-E10B
9.行程阀
13，电磁先导阀
14，液动
换向阀
16，液压泵YBX-16
17，滤油器XU-B32X100
（4），确定管道尺寸：
油管内径尺寸可参照选用的液压元件的接口尺寸而定。
（5），液压油箱容积的确定：
本设计为中压系统。
液压油箱有效容量按泵的流量的5~7倍来确定。
现选用容量为160L的油箱。
五，V带轮传动的设计：
（本设计的的查表数据参照濮良贵主编的《机械设计》，高等教育出版社，1996）
已知电动机型号为Y100L2-4，额定功率为（3kW），转速n1=1420（r/min），传动比i=1.014
1，确定计算功率Pca：
由公式Pca=KAP得
其中KA为工作情况系数，P为电动机额定功率，已知P=3（kW）
由《机械设计》p157表8-7，查得KA=1.2
故Pca=1.2×3=3.6（kW）
2，选取窄V带带型：
根据Pca、n1，由图8-8确定选用SPZ型窄V带型。
3，确定带轮基准直径：
由表8-4和表8-8取主动轮基准直径D1=75（mm）
根据式D2=i×D1
=1.014×75=76.05（mm）
根据表8-8，取D2=80（mm）
按式v=πXD1×n1/60/1000验算带的速度
5（m/s）＜v=πX75×1420/60/1000=5.5735＜35（m/s）
∴带的速度合适。
4，确定窄V带的基准长度和传动中心距：
根据0.7×（D1+D2）＜a0＜2×（D1+D2），初步确定中心距a0=300（mm）
计算带所需的基准长度
L`d=2×a0+（π/2）×（D1+D2）+（D2－D1）2/（4×a0）
=2×300+（π/2）×（75+80）+（80-75）2/（4×300）
=844（mm）
由表8-3选带的基准长度Ld=800（mm）
计算实际中心距a
a=a0+（Ld－L`d）/2
=300+（800－844）/2
=256（mm）
5，带轮上的包角α1：
α1=180°－（D2－D1）/a×60°
=180°－（80－75）/256×60°
=178.8°＞120°
∴主动轮上的包角合适。
6，计算窄V带的根数Z：
由式 Z＝Pca/（P0+⊿P0）/Kα/KL
其中Kα-包角系数
KL-长度系数
P0-单根V带的基本额定功率
⊿P0-单根V带的基本额定功率的增量
由n1=1420（r/min），D1=75（mm），i=1.014，查表8-6C和表8-
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