重型汽车零件加工专用机床设计论文本科论文.docx

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重型汽车零件加工专用机床设计论文本科论文

毕业设计

题目重型汽车零件加工专用机床设计

学院机械工程学院

专业机械工程及自动化

班级机自0707

学生曾垂敏

学号20070403253

指导教师陶立英

二〇一一年五月二十三日

1前言

1.1专用机床概述

机床一般主要由原动机部分、传动部分、执行部分等基本部分构成，并辅以控制系统和润滑、照明等辅助系统，专用机床也是如此，不过专用机床是由特定的专用部件（如专用夹具，专用刀具，专用主轴箱）和一些通用部件组成的，适用于特定零件的特定工序加工的机床。

专用机床的通用部件，绝大多数已由机械工业部门颁布成国家标准，并按标准所规定的名义尺寸、主参数、互换尺寸等定型，各种通用部件之间有配套关系。

由于专用机床是根据特定工艺要求而专门设计、制造和使用的，所以其加工精度高，生产率高，操作简单，是企业大批量生产零件的理想装备。

随着制造技术的进步，数控技术的普及，专用机床的数控化发展也很快。

专用机床在生产实践中占有一定的比重，据相关资料介绍，2001年日本专用机床产值占机床产值的比例达到8.8%；我国台湾省这一数字达到了6.9%;而我国仅为0.67%。

可见专用机床在我国机床总体发展的情况下属于偏低水平。

据2004年统计数据表明，我国机床的进出口水平存在较大的逆差。

我国进口的机床已经由通用机床向专用机床、自动化生产线和高档机床转变[1]。

目前专用机床的发展程度已成为我国机床行业发展的瓶颈。

而且由于专用机床的缺陷也导致了部分难加工零件的加工精度难以进一步提高。

所以，在当前产品结构调整中，发展专用机床是行业发展中的一个值得注意的问题[2]。

1.2专用机床的特点

专用机床具有以下优点

（1）高效率

专用机床采用了专门设计的夹具和刀具（多刀），所以缩短了工人装夹工件时间和零件的加工时间，生产率有明显提高，这也是专用机床最大优点。

（2）高精度

专用机床采用了专门设计的夹具和主轴箱等专用部件，定位精度高，零件夹紧可靠，刀具进给精确，加工出的零件质量比普通机床上的精度高，质量稳定性好。

（3）操作，维修简便

专用机床的结构比普通机床结构简单，操作维修简单，采用专用夹具、刀具和导向装置等，加工质量考工艺装备保证，对炒作工人的技术水平要求不高，减轻了工人的劳动强度和对工人的技术要求[3]。

专用机床具有以下的缺点

（1）功能单一

专用机床是针对某一零件某一工序专门设计和制造的，其加工功能是单一的。

所以只适用于某一零件或某一工序的大批量的加工场所中。

（2）柔性差

专用机床是针对某一零件某一工序专门设计和制造的，其部件的功能是确定的，专用机床一旦出厂，其很难被改造成用于其它用途的机床[4]。

1.3课题分析

专用机床对多孔钻削加工具有较大的优势，它按孔的坐标分布位置实行一次加工，这种加工方法保证了孔的坐标位置尺寸精度。

作为专用机床的主轴箱，有成熟固定的设计模式：

标准的主轴箱体、前后侧盖、主轴、传动轴、齿轮、轴承、挡圈等，以及成熟的传动、布局、结构设计方法可供选用。

这是专用机床设计制造的长处[5]。

但是，如何根据组配件的要求及制造工艺技术，在设计上灵活应用并能做到有所创新，以更好地适应被加工工件的需要，是专用机床设计人员面对的一个重要的课题。

在大学毕业前夕，我对专用机床领域进行初探，选取了重型汽车刹车器上盖加工专用机床设计的毕业设计题目。

其设计步骤分为：

总体设计、专用夹具设计和多轴箱设计三个主要部分。

2专用机床的总体设计

2.1拟定方案

2.1.1加工零件概述

（1）被加工零件的加工工序和加工精度

加工分布在刹车器盖上对称分布的大小相同的四个孔，孔的直径为7mm，深度为10mm,公差等级IT11，对基准面的垂直度0.1mm，表面粗糙度Ra6.3υm，与对称中心线的平行度为0.20mm。

（2）被加工零件的特点

该零件采用ZL110。

硬度为HB85－90。

材料硬度小，加工余量不是很大，不用考虑采用多工步进行加工。

同时该零件也不属于大型薄壁类零件，因此不用考虑防止共振的问题。

零件经前工序加工后在本工序中经一次加工即可达到加工要求。

（3）加工批量

要求单班六小时工作制，年生产纲领为40000件。

2.1.2拟定工艺方案

机床的生产过程是将原材料转变为成品的过程。

在生产过程中，凡是改变生产对象的的形状、尺寸、位置和性质等，使之成为成品或半成品的过程称为工艺过程。

仅列出主要工序名称及其加工顺序的简略工艺过程，称为工艺路线。

工艺路线方案的制定是否合理，对生产效率和产品质量有着重大的影响。

刹车器上盖的工艺路线大致为：

铸造毛坯—热处理—车削上部的内外圆柱面—车削底部端面—铣底部型槽—加工四个孔。

本机床的工艺过程为加工零件上对称分布的四个光孔。

并且对加工孔的精度有一定的要求。

加工孔的工艺方案有以下几种：

（1）特种加工

激光加工：

激光加工具有：

加工材料范围广、精度高、效率高、便于自动化控制和加工形状复杂的零件的特点，但加工费用比机加工高很多，一般情况下很少使用。

电火花加工：

电火花加工适用于加工形状复杂的导电材料，与材料的硬度无关，便于自动化，但加工效率极低，电极消耗大。

（2）机械加工

钻削加工，单孔加工效率一般，但是在利用专用机床多孔同时加工时可以明显提高加工效率，加工精度达到IT10—IT11，并且加工成本比较低。

综合经济，技术，环境，毛坯以及生产实情，机械加工是最理想和现实的加工方法。

制定工艺方案时，应首先分折生产类型，生产类型是衡量生产规模大小的标志，生产类型不同其工艺特点就不同，生产类型可分成三种不同的生产类型：

单件生产，批量生产，大批量生产。

生产类型的划分依据是产品或零件的年产量，生产类型与年产量的关系见表2.1：

表2.1生产类型与生产纲领关系图

零件的年生产纲领（件∕年）

生产类型

重型零件

中型零件

小型零件

单件生产

<5

<10

<100

批量生产

5—300

10—500

100—5000

大批量生产

>300

>500

>5000

汽车刹车器盖属于小型零件，年产量40000件，据上表可知其生产类型为大批量生产，大批量工艺特点为：

（1）毛坯：

铸件广泛采用金属模机器造型，锻件广泛采用模锻；毛坯精度高，加工余量小；

（2）机床设备：

专用生产线、自动生产线、柔性制造生产线或专用机床；

（3）夹具：

广泛采用高生产率夹具，专用夹具。

（4）刀具：

广泛采用高生产率刀具（如多刀，高速切削刀具）。

（5）工人要求：

对操作工人的要求低，对生产线维护人员要求高素质。

所以本工序的工艺方案为：

采用专门设计的夹具进行定位夹紧，多刀同时进行加工的专用机床加工，即工件以车削的盖体底端面和铣削的型槽为定位基准，采用机械压力对上端口进行压紧，四刀同时钻削加工四孔。

毛坯选用的是金属模机器造型的铸铝件。

2.1.3确定机床的配置形式和结构方案

由于该工序是单工位加工，加工余量不大，并且工件体积小，重量轻，并且该零件属于大批量生产（单班六小时工作制，年加工40000件），为提高生产率，提高孔的加工精度，同时便于装卸工件，所以一般采用卧式专用钻床即可满足规定的加工要求。

立式专用机床由于主轴竖直悬垂，所以多适用大型零件的加工，立式专用机床占地面积较少，但不宜于装卸工件和加工细长工件。

由于工件是大批量生产，工件单工位加工，所以专用机床上可安装专用固定式夹具，这样可以达到较高的加工精度又缩短了工件的装夹时间，

2.2确定切削用量及选择刀具

2.2.1选择切削用量

切削用量是切削时各运动参数的总称，包括切削速度、进给量和背吃刀量（切削深度）三要素，它们是调整机床运动的依据。

切削用量的选择对加工质量、切削效率、刀具寿命和经济性都有重要的意义，例如背吃刀量（切削深度）和进给量增大，都会使切削力增大，工件变形增大，并可引起振动，从而降低加工精度；切削速度提高。

切削力减小，并可减小或避免积屑瘤的形成。

在大多数情况下，专用机床为多轴、多刀、多面同时加工，根据经验，专用机床所选切削用量应比一般万能机床单刀加工低30%左右,工作时，所有刀具的每分钟进给量相同，且等于动力滑台的每分钟进给量。

刀具每分钟进给量应是适合所有刀具的平均值。

因此，同一多轴箱上的刀具可以设计成不同的转速和选择不同的每转进给量与其相适应，以满足不同直径工件的加工需要。

即：

n1.f1=n2.f2=…..ni.fi=Vf

式中：

n1,n2,….,ni―――各主轴转速（r/min）；

f1,f2,…..,fi―――每转进给量（mm/r）；

Vf―――滑台每分钟进给量（mm/min）；

由于本要加工的四孔为相同要求的孔，所以各主轴采用相同的转速和相同的每转进给量。

因此各刀具利用将更加合理，更能充分发挥各刀具的性能。

钻孔相对来说属于粗加工，为提高加工精度往往要求切削速度高而每转进给量小。

由于刹车器盖年产量为40000件，属于大批量生产，所以生产率对机床有一定的要求。

查《组合机床设计》表3—7，并从实际出发，根据加工尺寸和精度、工件材料硬度、生产率等要求等进行分析，按照经济地满足加工要求的原则，取：

v=20m/min（为800转/分钟），f=0.10mm/r。

2.2.2刀具的选择

刀具材料应满足以下基本要求：

（1）高硬度；

（2）高耐磨性；

（3）足够的强度和韧度；

（4）高耐热性；

（5）良好的工艺性；

由于被加工工件材料的硬度较低，加工过程中的产生的热量小。

综合加工孔的材料、尺寸等要求和刀具的加工工艺性，刀具选用高速钢材质的麻花钻即可满足要求。

为使工作可靠，结构简单，刀刃易磨，制造方便故先用标准高速钢麻花钻刀具。

钻头长度可按下列公式确定：

L切=LI+L钻+（30—50mm）（2.1）

=L入+L件+L出（L定位板）+L钻+（30—50mm）

=L入+L件+d/3+（3—8mm）+L钻+（30—50mm）

LI：

钻头工作进给长度LI=L入++L出；

L入：

钻头切入长度视工件端面误差而定，在5—10mm之间选取；

L件：

工件的孔深L件=10mm；

L出：

钻头切出长度L出=d/3+（3—8mm）取L出=8mm；

d：

钻头直径d=8mm；

L钻：

钻模板长度取L钻=30mm；

30—50mm加工终了时，刀具的预留量。

所以：

L切=8+10+8+30+40=96

由《金属切削工艺人员手册》据GB1438-76选用切削部分长度102mm的φ7钻头，其锥柄莫氏锥度1号。

2.2.3确定切削力、切削转矩、切削功率及刀具耐用度

根据选定的切削用量（v=20m/min，f=0.10mm/r），确定切削力，作为选择动力部件及夹具体设计的依据；确定切削转矩，用以确定主轴及其他传动件（齿轮、传动轴等）的尺寸；确定切削功率用以选择电动机（一般指动力箱电机）功率;确定刀具耐用度，用以验证所选的刀具是否合理。

人们根据生产实践及实验结果已经整理出不同材料工件进行钻、扩、铰、镗及攻丝加工的切削力F,切削转矩M,切削功率P,刀具耐用度T的经验公式.用高速钢刀具在铸铝上钻孔的经验公式如下：

F=26·D·f0.8·HB0.6（2.2）

M=10·D1.9·f0.8HB0.6（2.3）

P=M·V/（9740·π·D）（2.4）

T=[9600·D0.25/（V·f0.55·HB1.3）]8（2.5）

F-----切削轴向力（N）；

D-----钻头直径（mm）；

f-----每转进给量（mm/r）；

M-----切削转矩（Nmm）；

P-----切削功率（kW）；

T-----刀具耐用度（min）；

V-----切削速度（m/min）根据钻孔深度L考虑修正系数Kv，V=V公称·Kv；

HB----工件的布氏硬度；

已知V公称=20m/min，f=0.10mm/r由L/D=10/8=1.25查《组合机床设计》表3—14可取Kv=1,则:

V=V公称·Kv=20m/min

计算硬度HB=90-90/85=88.94

由以上公式得：

切削轴向力F=26·D·f0.8·HB0.6×4=26×7×0.100.8×88.940.6×4=1948（N）；

切削转矩M=10·D1.9·f0.8HB0.6=10×71.9×0.100.8×88.940.6×4=4868（N·mm）；

切削功率P=M·V/（9740·π·D）=4868·20/（9740·3.14·7）=0.40（KW）；

刀具耐用度

T=[9600·D0.25/（v·f0.55·HB1.3）]8=[9600·70.25/（20·0.100.55；·88.941.3）]8=4075863（min）（刀具足够耐用）。

2.3绘制三图一卡

2.3.1被加工零件的工序图

（1）工序图的主要内容

被加工零件的工序图是根据选定的工艺方案，表示一台机床的工艺内容、加工部位尺寸、精度、表面粗糙度及技术要求、加工用定位基准、夹压部位及被加工零件的材料、硬度、重量和在本道工序加工前毛坯或半成品情况的图纸，。

必须在原零件的基础上突出本机床的加工内容，加上必要的文字说明而绘制的。

详细内容见图纸[6]。

该图纸必须在原零件图的基础傻瓜，突出本机床的加工内容，加上必要的说明二绘制的。

（2）工序图的作用

加工工序图是专用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。

（3）工序图上应表示出以下内容：

被加工零件的形状和轮廓尺寸及与本机床设计有关的部位的结构形状及尺寸。

加工用定位基准、夹紧部位及夹紧方向。

本道工序加工部位的尺寸、精度、表面粗糙度、形状位置尺寸精度及技术要求。

必要的文字说明。

2.3.2工序加工示意图

（1）加工示意图内容:

反映机床的加工方法、加工条件及加工过程；

根据加工部位特点及加工要求，决定刀具的类型数量结构尺寸（直径和长度）；

决定主轴的结构类型、规格尺寸及外伸长度；

选择标准或设计专用的接杆、浮动卡头、导向装置，攻丝靠模装置、刀杆托架，并决定他们的结构、参数及尺寸；

表明主轴、接杆、夹具与工件之间的尺寸联系、配合及精度；

根据机床的生产率及刀具材料特点等，合理确定并标注各主轴的切削用量；

决定机床动力部件的工作行程和工作循环。

（2）加工示意图的作用

零件加工的工艺方案要通过加工示意图反应出来。

加工示意图表示被加工零件在机床上的加工过程，刀具、辅具的布置情况以及工件、夹具、刀具等机床各部件的相对位置关系，机床的的工作行程及工作循环等。

因此，加工示意图是专用机床的主要图纸之一，在总体设计中占据重要位置[7]。

它是刀具、辅具夹具、多轴向、液压电气装置设计及通用不见选择的主要原始资料，也是整台专用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。

（3）本零件加工示意图的内容:

反映机床的加工方法为四轴同时钻削、加工条件及加工过程见图纸。

刀具的类型为高速钢麻花钻，数量为四把，结构尺寸（直径为7mm和长度102mm）；钻套的选择;由于刀具的导向部分和与夹具导套之间既有相对移动又有相对转动，并且导向的线速度为V=（πdn）/1000=0.628m/min<<20m/min，所以选择固定式钻套，查《组合机床设计》表3-18得导套的主要参数为：

内径7mm；外径D12mm；D1为16mm；公差及配合：

d：

G7；D:

H7/g6;D1:

H7/js6;导套长度：

30mm；导套离工件端面的距离等于定位板的距离为12mm。

决定主轴的结构类型、规格尺寸及外伸长度。

主轴型式主要取决于进给抗力和主轴—刀具系统结构上的需要.主轴尺寸规格应根据选定的切削用量计算出切削转矩M,初定主轴直径,再综合考虑加工精度和具体工作条件，决定主外伸部分尺寸（直径D/d1,长度L）及配套的刀具接杆莫氏锥号。

由切削扭矩M=4197N/mm查表3-19得d=20mm，当刚性主轴允许扭转角[φ]=1/4度/米时轴径为20mm的主轴能承受5500N·mm的扭矩。

专用机床主轴与刀具之间常用两种连接。

一是接杆连接，也称刚性连接，用于单导向进行钻、扩、铰、锪孔及倒角加工。

二是浮动卡头连接，也称浮动连接。

用于长导向、双导向和多导向进行镗、扩、铰孔以减少主轴位置误差及主轴径向跳动；所以应选用长主轴接杆连接。

结合《组合机床设计》通用钻削类主轴的系列参数表，根据主轴前支承为推力球轴承，主轴直径为20mm，所以主轴外伸尺寸D/d1=30/20，L=115mm，接杆莫氏锥号1，2。

主轴种数为12种。

选择标准接杆：

由《组合机床设计》中表3—23查得：

接杆号为2-230T0635-41；螺母编号接杆类型为A型；D1=30，D2=30，B=12，B1=1，L=215—500，l=110。

表明主轴、接杆、夹具与工件之间的尺寸联系、配合及精度详见图纸；

由于加工工件上大小相同的四个孔和生产率要求知：

各主轴的切削用量相同，即为v=20m/min，f=0.10mm/r。

决定机床动力部件的工作行程和工作循环

工作进给长度LI应等于工件加工部位长度L（多轴加工时应按最长孔计算）与刀具切入长度L1和切出长度L2之和。

此外还有工进和快进之分。

工进比快进慢并且进给速度小的多。

快速退回长度等于工进长度和快进长度之和。

在动力部件总长度之处还要考虑装卸和调整刀具方便，即考虑前、后备量。

前备量指考虑刀具从接中或接杆连同刀具一起从高孔中取出所需要的轴向距离。

理想情况是保证刀具退离夹具导套外端面的距离大于接杆插入主轴孔内的长度。

因此动力部件的总行程为快退行程长度和前、后备量之和。

本机床快进20mm，工进26mm，快退46mm。

前备量50mm，后备量120mm。

总行程227mm。

2.3.3机床联系尺寸图

（1）机床联系尺寸图的内容

以适量的的视图画出机床各主要组成部件的外形轮廓及相关位置；表明机床的配置形式及总体布局、主视图的选择应与机床实际加工形状一致。

线条及标注要简明完整并能反应各部件的联系尺寸、专用部件的主要轮廓尺寸、运动部件的极限位置即行程尺寸；

联系尺寸图上应标注通用部件的规格代号，电动机型号、功率及转速，并标明机床的分组情况及总行程；

（2）机床联系尺寸图的作用

联系尺寸图用来表示机床各组成部件的相互装配关系和运动关系，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适；并为进一步开展多轴箱、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做简化的机床总图[8]。

它表示机床的配置形式及总体布局。

（3）本机床联系尺寸图的内容

为了减少设计费用和降低专用机床的设计成本，可以对机床的一些部件（如动力滑台，动力箱等）进行选择，以提高综合效益。

动力部件设计：

动力部件是配置专用机床的基础。

它是主要包括用以实现刀具主轴旋转主运动的动力电机，各种工艺切削头及实现进给运动的动力滑台。

根据具体的加工工艺及机床配置形式要求、制造机使用条件等因素全面考虑，以使所设计机床既具有合理先进的工艺技术水平，又有良好的经济效益。

根据各刀具主轴的的切削用量，计算总的切削功率，再考虑传动效率或空载功率损耗及附加载荷功率损耗，以之做为设计动力部件的依据。

动力滑台有最大进给力---F进和最小进给量的限制。

设计时，先根据确定的切削用量计算出各主轴的轴向切削合力∑F，确保∑F＜F进。

选择的快速行程速度必须小于设计的滑台的快速行程速度。

所选切削用量的每分钟工作进给速度应大于动力滑台的最小进给量。

选择动力滑台时必须确保滑台行程大于设计的工作总行程。

主电动机的选择：

根据切削功率，转速的要求选择电动机的型号为Y90S-4，功率P=1.1kw转速1400r/min,输出轴转速900r/min；

图2.1主轴箱简图

参照《组合机床设计》交流伺服式数控机械动力滑台相关表。

动力滑台选择NC-1HJ32,其技术指标为：

台面宽度320mm;台面长度630mm；总长度为1070mm；行程400mm；进给力12500N＞F合（各主轴的轴向切削合力6720N）。

工进速度大于等于5mm/min电机型号DSK05-IIA。

确定机床装料高度：

装料高度是指机床上工件的定位基准面到地面的垂直距离。

我国过去设计组合机床一般取高度为850mm。

为考虑到工作的舒适性，特将本专用机床的装料高度定为900mm。

多轴箱的轮廓尺寸：

保证多轴箱有排布齿轮的足够的空间，便于内部零件的拆卸，又不至于过分增大轴的挠度，影响主轴的旋转精度，并考虑动力滑台的宽度。

取多轴箱的大体轮廓为B=320mm,H=320mm，简图如2.1所示。

2.3.4机床生产率计算卡

用于反映机床的加工过程、完成每一动作所需要的时间、切削用量、机床生产率及机床负荷率等。

（1）理想生产率：

T单=T切+T辅

=（L1/vf1+L2/vf2+T停）+[（L快进+L快退）/vfk+T移+T卸]（2.6）

Q=60/T总（件/h）（2.7）

其中：

L1，L2-----刀具第Ⅰ，第Ⅱ工作进给行程长；

Vf1,vf2------刀具第Ⅰ，第Ⅱ工作进给量；

T停----------光整表面时，动力滑台在死挡铁上停留时间；

L快进，L快退----动力部件快进，快退行程长（mm）；

所以，T单=（20/50+10/50）+[（10+52）/5000+1.5]=2.152min，

Q=60/T单=27.51件/min。

（2）实际生产率：

指完成年生产纲领A（包括备品及废品率在内）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,两班制取4600h，则：

Q1=A/K（件/h）（2.8）

=40000/2350

≈17.02件/h

（3）机床负荷率：

n=Q1/Q（2.9）

=17.02/27.51

≈0.64

（4）生产率计算图：

其中工序和所用时间大致如下

装入工件：

0.25min

工件定位加紧:

0.5min

动力部件快:

0.004min

进动力部件工进:

0.64min

死挡铁停留:

0.02min

动力部件快退:

0.01min

松开工件:

0.5min

卸下工件:

0.25min

3夹具设计

3.1夹具概述

3.1.1夹具简述

机械夹具是机械加工工艺系统的重要组成部分，是机械制造中的一项重要工艺装备。

工件在机床上进行加工时，为保证加工精度和提高生产率，必须使工件在机床上的相对刀具占有正确的位置，完成这一功能的辅助装置称为机床夹具。

它的作用主要有：

（1）保证稳定可靠的达到各种加工精度要求；

（2）缩短辅助时间，提高劳动生产率；

（3）扩大机床的工艺范围；

（4）减轻工人的劳动强度和降低对工人的技术要求；

3.2工件的定位

3.2.1定位原理分析

定位的目的：

使工件在夹具中相对于机床、刀具占有确定的正确位置，并且应用夹具定位工件，还能使同一批工件在夹具中的加工位置一致性好。

图3.1夹具定位分析图

定位原理：

任一刚体在空间都有六个自由度，即x、y、z三个坐标轴的移动自由度和绕此三个坐标轴的旋转自由度，要是工件在机床上（或夹具）完全定位就必须限制它在空间的六个自由度，即六点定位原理[9]。

重型汽车气缸盖在本道工序之前，已经进行过铸造毛坯—热处理—车削上部的内外圆柱面—车削底部端面—铣底部型槽等工艺，其中上下端面，上部的内外圆柱面和底部型槽已经达到定位基准的要求，考虑到本工序的工艺和整台机床的配置形式选用下端面和底部型槽定位。

夹具定位分析见图3.1。

3.2