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1、8组合机床设计徐 州 工 程 学 院 教 案 2011 年至 2012 年 第 一 学期 第 57 周 星期 二、五 课题名称（含教材章节）： 第8章 组合机床设计 教学目的和要求： 1. 了解机械制造装备的作用、地位、主要功能及组成 2.了解课程的地位和重要性 教学重点： 机械制造装备组成、应具备的主要功能 教学难点： 机械制造装备应具备的主要功能 教 学 内 容 （ 要 点 ）1机械制造的作用、地位和发展趋势2机械制造装备的作用、地位、主要功能及组成3机械制造装备设计课程的研究对象徐 州 工 程 学 院 教 案 纸第8章 组合机床设计8.1 概述机械加工生产线及其基本组成1.何谓机械加工生

2、产线是将加工装备按工件的加工工艺顺序依次排列，并用传送装备与辅助装备将它们联接成一个整体，能按工艺路线完成工件全部加工过程的生产作业线。2.机械加工生产线的基本组成3.生产线专用机床的总体设计生产线上的加工装备既有通用机床、数控机床、也有专用机床。这些加工装备可分为以下几大类：1）通用的自动机床和半自动机床，配置送料和装卸料机构。2）经自动化改造的通用机床 即对通用机床进行机械和电气系统改造，实现加工过程的自动化机床。3）专用机床 是针对加工某种零件的特定工序设计的，并充分考虑成组加工工艺的要求，相似零件族的典型零件的工艺要求进行设计的。典型零件 是指具有相似零件族内各个零件全部结构特征和加工

3、要素的零件。何谓组合机床？组合机床 是采用模块化原理设计的，以通用部件为基础，配以少量专用部件，对一种或若干种工件按已确定的工序进行加工的高效专用机床。广泛应用于大批量生产行业，如：汽车、内燃机、电动机、阀门的机械加工生产线上。功用和运动特点功用 能对工件进行多刀、多面、多工位同时加工；完成钻孔、扩孔、镗孔、攻丝、铣削、车端面等切削工序和焊接、热处理、测量、装配、清洗等非切削工序。运动特点 组合机床由机械传动实现刀具的旋转主运动，由机械或液压传动实现刀具或工作台的直线进给运动。一、组合机床的组成1.通用部件滑台1、切削头2、动力箱5、中间底座8侧底座9、立柱6、立柱底座7，辅助部件和控制部件。

4、2.专用部件夹具3、多轴箱4。二、组合机床的类型组合机床以动力滑台的台面宽度B250 或 B 250为标志分为：大型或小型组合机床。1.固定夹具的单工位组合机床这类组合机床用于加工大、中型箱体类零件。在加工循环中，夹具和工件固定不动，动力部件驱动刀具从单面、两面和多面对工件加工。机床加工精度高，但生产率相对较低。按机床配置形式和动力部件的进给方向分为：卧式 机床可配置成单面、双面和多面形式。立式 主轴垂直布置，只有单面配置形式。倾斜式 主轴倾斜布置，可配置成单、双、多面形式。复合式 立、卧组合种或立、卧、倾斜三种的组合。2.移动夹具的多工位组合机床这类机床用于中、小型零件的大批量加工。 夹具和

5、工件按预定的工作循环，作间歇移动或转动，依次在不同工位进行不同工序的加工。机床的生产率高，但加工精度不如单工位机床高。（1）移动工作台组合机床这种机床可先后在两个工位上从两面加工，夹具和工件随工作台直线移动实现工位变换。（2）回转工作台组合机床在组合机床的每个工位上可同时加工一个或多个工件。夹具和工件安装在可绕垂轴线回转的工作台上，并作周期转动，实现工位的变换。 这种机床在加工过程中，能实现装卸工件的辅助时间和加工时间重合，生产率较高。（3）中央立柱式组合机床机床的夹具和工件安装在绕垂轴线回转的环行回转工作台上，作周期转动实现工位变换。机床的环行工作台周围以及中央立柱上均可布置动力部件，在各工

6、位进行多工序加工。也是辅助时间和加工时间重合。（4）鼓轮式组合机床在这种机床上，夹具和工件安装在绕水平轴线回转的鼓轮上， 并作周期转动实现工位变换。在鼓轮两端布置动力部件，可从两面加工工件。3.转塔式组合机床机床具有几个多轴箱，均安装在转塔回转工作台上，每个多轴箱依次旋转进行加工，可完成一个工件的多工序加工。分为：（1）多轴箱只作主运动的转塔式组合机床（2）多轴箱作主运动又作进给运动的转塔式组合机床此类机床可减少机床台数和占地面积，适用于中、小批量生产。三、组合机床的通用部件1.通用部件分类动力部件 为刀具或工件提供主运动和进给运动。是选配其它部件的依据。包括动力滑台、动力箱和各种切削头。支承

7、部件 用于支承和安装各种部件,保证各部件之间的相对位置精度，保证机床的刚度。包括底座、立柱。输送部件 用于带动夹具和工件移动、转动，实现工位变换。此类部件要求有较高的定位精度。控制部件 控制机床按预定的加工程序进行循环工作。包括可编程控制器、液压元件、操纵板、控制挡铁和按钮台。辅助部件 用于实现工件自动定位和夹紧的液压或气动装置、自动上下料机械手、冷却和润滑装置、排屑装置。2.通用部件的型号、规格和配套关系（1）动力滑台的主参数 以工作台面宽度B为依据。（2）其它通用部件的主参数 采取与其配套的滑台主参数表示，如：动力箱、多轴箱、侧底座、立柱等部件。（3）通用部件的精度等级 普通级、精密级和高

8、精度。（4）通用部件的标示方式如：1HY32MB （经过一次重大改进的液压滑台，其台面宽度为320mm，精密级，型的镶钢导轨。）教材表4-1列出了“1字头”系列通用部件的型号、规格及其配套关系82 组合机床总体设计一、制定工艺方案 分析被加工零件图纸，根据组合机床各种工艺方法能达到的加工精度和技术要求，解决零件是否可以利用组合机床加工以及采用组合机床加工是否合理等问题。综合考虑影响制定零件工艺方案、机床配置型式、工艺装备的各种因素。完成如下内容确定零件在组合机床上合理可行的加工方法（安排工序及流程，选择加工的定位基准及夹压方案）、确定工序间加工余量、确定刀具的结构型式、数量及切削用量等。重点介

9、绍：1. 选择合适、可靠的工艺方法；2 . 合理安排粗、精加工；3. 合理实施工序集中；4. 合理选择定位基准及夹压点。1.选择合适、可靠的工艺方法（1）考虑被加工零件的加工精度和加工工序 精度为H7的孔加工，工步数应设为34个，对于不同尺寸的孔径，须采用不同的工艺方法（如镗孔或铰孔）。 当孔与孔间有较高位置精度要求（误差0.05mm）时，应在一个安装工位对所有孔同时进行最终精加工。 如果箱体件的同一轴线上几个孔的同轴度要求较高（同轴度误差0.05mm），则最后精加工应从一面进行。 加工精度为H6、Ra0.4m的孔时，机床须采取主轴高速、低进给量（f0.01mm/r)的加工方法，以尽量减小切削

10、力和消除主轴振动。机床常采用皮带转动的精镗头，主轴设有卸载装置，进給采用液压增稳系统。 加工精度为H6H7、直径为80150mm的气缸孔时 ，由于气缸孔间距小，不便安装导向，且需立式加工，切屑容易落入下导向套，造成导向精度变差。此时，应采用立式刚性主轴结构，不采用结构复杂的浮动主轴带导向加工。（2）考虑被加工零件的材料、硬度、加工部位的结构形状、零件刚性和定位基准面 同样精度的孔，加工钢件一般比加工铸铁件的工步数多。 加工薄壁易振动的工件或刚性不足的工件，安排工序不能过于集中，以避免加工表面多而造成工件受力大、共振及发热变形影响加工精度。 加工箱体多层壁同轴线的等直径孔，应在一根镗杆上安装多个

11、镗刀进行镗削，退刀时，要求工件（夹具）“让刀”，镗刀头周向定位。（3）考虑被加工零件的生产批量及生产效率零件生产批量是决定按单工位、多工位、自动线，还是按中、小批生产特点设计组合机床的重要因素。 零件的生产批量越大，工序安排一般趋于分散，且粗、半精、精加工分别在不同机床上完成。 中、小批量生产，则力求减少机床台数，尽量将工序集中在一台（多工位）或少数几台机床上加工。（4）组合机床的工艺范围所能达到的加工精度组合机床加工铸铁或钢件的主要工序能达到的精度和表面粗糙度可查阅设计手册。 2.合理安排粗、精加工首先分析零件的生产批量、加工精度、技术要求，再合理安排粗、精加工工序。（1）零件批量大或加工精

12、度较高，粗、精工序应分开工件能得到较好的冷却，利于减少热变和内应变的影响。避免粗加工振动对加工精度、表面粗糙度的影响。利于精加工机床保持持久地精度。机床结构简单，便于维修、调整。（2）零件批量不大，如能保证加工质量，粗、精加工可集中零件的粗、精加工集中在一台机床上，可减少机床台数，提高其负荷效率。但最大切除余量和最后精加工工序应分开。3.合理实施工序集中 工序集中 指运用多种刀具，采用多面、多工位和复合刀具方法，在一台机床上对一个或几个零件完成多个工序过程，以提高生产率。（1）注意工序集中带来的问题导致机床结构复杂，刀具数量增加，调整不方便，可靠性降低，影响生产率的提高。导致切削负荷加大，造成

13、工件刚性不足、工件变形而影响加工精度。（2）合理考虑工序集中 将相同工艺内容的工序集中在同一台机床或同一工位上加工。如：将箱体零件的大量螺孔攻丝工序集中在一台攻丝机床上，不与大量钻、镗工序集中在用一台机床上进行，使机床结构简单。 箱体零件上有相互位置精度要求的孔时，孔加工应集中在一台机床上一次安装完成加工。（粗、精加工） 工序集中要保证零件能在较大的切削力、夹紧力作用下不变形，即在提高生产率的同时保证加工精度。 大量的钻、粗镗工序应分开钻孔、镗孔直径相差很大，会使主轴转速相差较大，导致多轴箱传动链复杂。钻孔产生很大轴向力，会使工件变形而影响镗孔精度；粗镗孔振动较大，影响钻孔加工，造成小钻头折断

14、。 铰孔、镗孔工序应分开铰孔是低速大进给量切削，镗孔是高速小进给量切削。会影响切削用量的合理选择和多轴箱传动结构的简化。 工序集中应考虑多轴箱轴承结构、设置导向需要，否则造成机床、刀具调整不便，工作性能、生产率降低。4. 合理选择定位基准及夹压点合理的加工定位基准，是确保加工精度的重要条件，有利于最大限度的集中工序和提高生产率。（1）箱体类零件定位基准选择箱体类零件是机械加工工序多，精度要求高的零件。特别是有较多高精度的孔需要加工。通常采用“一面两孔”作定位基准。 “一面两孔”定位基准的优点可消除工件的6个自由度，工件得到可靠的定位。一面两孔”可同时加工工件5个表面，利于提高各面上孔的位置精度

15、。 “一面两孔”可作粗、精全部工序的定位基准，达到整个工艺过程的基准统一。实现夹具通用化。“一面两孔”易实现自动化定位、夹紧。 “一面两孔”定位基准的要求定位平面的平面度允差一般为 0.050.08 mm，表面粗糙度一般为Ra1.63.2 m。定位销孔为H7精度，两销孔中心距L 尽量大一些，其公差为0.030.06mm（或为工件公差的1/31/5）。不可选择零件上直径太小的孔为定位销孔。如果定位销太细，输送工件时，易受工件碰撞变形而破坏定位。销孔的直径可根据箱体的大小及质量来选择。（2）非箱体类零件定位基准的选择 对曲轴、连杆、转向器壳、拔叉等零件，采用以外圆柱体为定位基准， 以 V形块为定位

16、元件。 V形块夹角取 901200。 对法兰类零件，采用一个孔（或外圆）及一个平面为定位基准。（3）选择定位基准的原则 基准重合原则尽量选择零件的设计基准作为组合机床加工的定位基准。但有时必须改用其它面作为定位基准，如图：零件设计以顶面A为设计基准。为方便加工曲轴孔、凸轮轴孔需安装中间导向，常改用底面C 作为加工基准。 基准统一原则尽量在各加工机床上采取共同的定位基面，加工零件不同表面的孔或对同一孔完成不同工序。但有时个别工序不采用统一基准也为合理。例如：结论 定位基准由底面改用顶面后，夹紧力方向与工件重力方向一致。减小了夹压力，使夹具结构简单，加工稳定性提高。 定位稳定原则尽量选择已加工的较

17、大平面为定位基准。且定位基准不可选在铸件或锻件的分型面上。 辅助支承 对于不具备理想定位基准的零件而专门设置的支承。以防止工件加工时变形和振动，增加定位稳定性，以承受较大的切削力。（4）确定夹压位置应注意的问题 保证零件夹压后定位稳定 即夹压力要足够，夹压点布置使夹压合力落在定位平面内。 尽量减少和避免零件夹压后的变形 加工刚性差或高度较高的箱体零件，应使夹压力尽可能沿着箱体墙壁和肋，直接对准定位支承。对局部刚性差的零件，应适当增加辅助支承或采用多点夹压方法，使夹压力分布均匀，减少夹压变形。二、确定组合机床的配置形式和结构方案在确定工艺方案的基础上，确定机床的配置形式。影响机床的配置形式的因素

18、有加工精度、工件结构及机床使用条件等。1. 加工精度的影响（1）根据零件加工精度，考虑采用固定夹具的单工位还是移动夹具的多工位组合机床。（2）根据工件各孔的位置精度高低，考虑是否采用在同一工位上，一次安装对工件各孔同时精加工。2. 工件结构的影响工件结构的影响 指工件的形状、大小和加工部位特点等影响。（1） 外形尺寸和重量较大的工件，一般应采用固定夹具的单工位组合机床。（2）多工序的中、小型零件，一般应采用移动夹具的多工位组合机床。（3）箱体孔中心线与水平定位基面平行，且需由一面或几面加工，应采用卧式组合机床。（4）工件孔深且直径大，且孔中心线与水平定位基面垂直，应采用立式组合机床。3. 机床

19、使用条件的影响（1）车间内零件输送线的高度直接影响机床装料高度。当工件输送穿过机床时，机床应设计成通过式，配置不能超过三面。（2）生产线的工艺流程方向，机床在车间的安装位置，都会影响机床的配置方案。（3）工厂缺乏制造、刃磨复合刀具的能力，制定方案应避免采用复合刀具，考虑增加机床工位以及采用普通刀具分散加工。（4）炎热地区会影响液压油的性能，使用液压传动滑台可能造成机床进给运动不够稳定，应考虑采用机械传动的滑台进給机床。组合机床设计的步骤汽车变速器上盖零件图本工序加工要求T1面： 28.5H10 48.5 Ra1.6m T2面： 4M81.5螺纹底孔 7孔，Ra1.6m1.被加工零件工序图（1）

20、工序图的作用被加工零件工序图是组合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。（2）工序图表示的内容1）零件的形状、轮廓尺寸及与本机床设计有关的部位的结构形状和尺寸。如需设置中间导向套，还应表示内部的肋、壁布置和有关的结构形状及尺寸，以检查工件、夹具、刀具是否干涉。2）加工所用的定位基准、夹压部位及夹压方向。3）本工序加工部位尺寸精度、表面粗糙度、形状位置尺寸精度；对前道工序提出的定位基准要求。4）被加工零件的编号、名称、材料、硬度、重量及加工部位的余量等。（3）工序图的绘制1）突出本机床加工内容用足够视图和粗实线突出加工部位。用细实线表示零件轮廓以及与机床、夹具设计有关

21、的部位。凡本工序保证的尺寸、角度，应在尺寸数值下画粗实线标记。用符号表示定位基准、夹压位置及方向、辅助支承。2）尺寸标注加工部位的位置尺寸从定位基准开始标注。尺寸采用直角坐标系标注。如定位基准与设计基准不重合，须对加工部位的位置尺寸精度进行分析换算。零件图上不对称位置尺寸公差换算成对称尺寸公差时，确定公差值要考虑：能够达到零件要求的精度，用组合机床能够加工出来。如 零件图中尺寸 应换算为工序图中的尺寸 ，以便后续确定导向孔与主轴孔的位置坐标尺寸。3）注明零件加工对机床的特殊要求例如：多层壁同轴线等直径孔加工，若要求孔表面不留退刀痕迹，工序图上应注明要求“机床主轴定位，工件让刀”。2.加工示意图

22、加工示意图是刀具、辅具、夹具、多轴箱、液压电气装置设计及通用部件选择的主要原始资料；是组合机床布局和性能的原始要求；是调整机床、刀具及试机的依据。（1）加工示意图的内容1）机床的加工方法、切削用量、工作循环和工作行程。2）工件、夹具、刀具及多轴箱之间的相对位置及其联系尺寸。3）主轴的结构类型、规格尺寸及外伸长度。4）刀具类型、数量和结构尺寸。5）接杆、浮动卡头、导向装置和攻丝靠模装置的结构尺寸。6）刀具与导向装置的配合，刀具、接杆、主轴之间的连接方式。7）除丝锥外，其它刀具表示加工终了位置。（2）加工示意图的设计加工示意图的设计包括 选择刀具、导向装置、切削用量及接杆；计算转矩、进给力、功率和

23、有关联系尺寸。1）刀具的选择原则：考虑工艺要求与加工精度、工件材料及生产率的要求，应尽量选用标准刀具；为提高工序集中程度和加工精度要求，也可采用复合刀具。对于钻、扩、铰等刀具的长度选择，要保证加工终了位置时刀具螺旋槽尾端与导向套外端面有30 50mm的距离。2）确定导向装置在组合机床上加工孔时，其位置精度靠刀具的导向装置保证。 导向装置的类型固定式导向 刀具的导向部分在导向套内既作转动又作轴向移动的导向套。用于刀具线速度v 20m/min，加工孔径d 20m/min，加工孔径d 40mm 的镗孔加工。 确定导向数量原则通常钻、扩、铰单层壁小孔或用悬伸量不大的镗杆镗削短孔时，采用单个导向加工。在

24、工件上扩孔时，若工件内部结构限制使刀杆悬伸较长，或扩、铰位置精度较高的长孔，为加强刀具导向刚性，常采用双导向加工。镗削大孔或多层壁一系列同轴孔时，必须根据工件具体结构形状，采用双导向或多导向加工。设计过程中并不是扩、铰孔只能采用固定式导向，镗孔只能采用旋转式导向。导向装置引导复合刀具时，要检查开始加工时，刀具进入导向部分长度L（Ld，d为导向直径）。有时受结构限制，使用双导向或多导向时，也可固定导向和旋转导向混合使用。 确定导向主要参数导向主要参数 导套的直径及公差配合，导套的长度及离工件端面的距离等。结合实际加工要求，查阅设计手册选择参数。3）切削用量选择原则 组合机床是多刀、多轴、多面加工

25、，切削用量应比一般机床单刀加工低30%左右。 同一多轴箱上所有刀具共用一个进给滑台，工作时要求各刀具的每分钟进给量相等，且等于滑台的每分钟进给量。故刀具主轴应设计成不同转速和不同进给量与动力滑台相应，即其中：n1，n2，ni 各主轴转速（r/min）； f1，f2，fi 各主轴进给量（mm/r）；vf 进给滑台的每分钟进给量（mm/min）。 合理利用刀具，充分发挥刀具性能。即先按各类刀具选择较合理的主轴转速 n和每转进给量 f ，然后适当调整，使每个刀具的每分钟进给量相等。 复合刀具切削用量选择，应考虑刀具使用寿命。进给量按复合刀具最小直径选择，切削速度按复合刀具的最大直径选择。例如: 钻铰

26、复合孔加工刀具切削用量的选择对于完成同类工艺的多极阶梯复合刀具，进给量应选择其小直径允许值上限，切削速度应选择其大直径允许值上限。整体小直径复合刀具的强度较低，其切削速度应选得稍低些。 确定镗孔切削速度时，除考虑保证加工精度、表面粗糙度、镗刀耐用度外，当镗孔主轴需要周向定位（镗杆送进、退出工件孔时，镗刀刀尖需要处于规定方位）时，各镗轴转速应相等或成整数倍。 切削用量选择应有利于多轴箱设计。尽量使相邻主轴转速接近相等，以使多轴箱的传动链简单。 某些刀具带导向加工，若不便冷却润滑，则应适当降低切削速度。 采用液压动力滑台进给时，所选择的每分钟进给量一般应比动力滑台可实现的最小进给量大50%。否则会

27、由于温度和其它原因导致进给量不稳定。4）确定切削力、切削转矩、切削功率及刀具耐用度 用选定的切削速度 v 和进给量 f 确定切削力F，以此作为选择动力部件及设计夹具的依据。 利用 f 确定切削转矩 T，以此确定主轴、传动件（齿轮、传动轴）的尺寸。 利用 v 和 T 确定切削功率 P，以此选择主传动电机功率。 利用 v和 f 确定刀具耐用度，以此验证所选刀具是否合理。注意：精镗孔时，因加工余量很小，转矩也很小，由转矩T 决定镗孔主轴直径会造成刚性不足。因此主轴尺寸确定步骤是：工件加工部位尺寸镗杆直径浮动卡头规格尺寸主轴尺寸。5）确定主轴类型、尺寸、外伸长度主轴型式 主要取决于进给抗力和主轴-刀具

28、系统结构的需要。主轴尺寸规格 根据选定的切削用量计算切削转矩T，查表初定主轴直径。主轴外伸长度 通过综合考虑加工精度和具体工作条件，查表决定主轴外伸部分直径（D/d）、长度L、配套的刀具接杆莫氏锥号、攻丝靠模规格代号等。6）选择接杆、浮动卡头接杆、浮动卡头 均是组合机床主轴与刀具之间的可调整连接元件，用来保证多轴箱上的各刀具能同时到达加工终了位置。接杆连接 用于单导向进行钻、扩铰、锪孔及倒角加工。标准接杆的型式、规格、尺寸可根据刀具尾部结构（莫氏锥号）和主轴外伸部分内孔直径 d1 查表而定。浮动卡头连接 用于长导向、双导向和多导向的镗、扩、铰孔。7）确定加工示意图的联系尺寸加工示意图中最重要的

29、联系尺寸是工件端面到多轴箱端面之间的轴向距离。为缩短刀具悬伸长度、工作行程长度，要求该距离越小越好。该尺寸取决于如下两方面： 考虑多轴箱上刀具、接杆（卡头）、主轴等由于结构和相互连接所需要的最小轴向尺寸。同时应注意：采用麻花钻时，刀具长度要考虑螺旋槽尾部离导向套端面有一定距离，以备排屑和刀具刃磨后有向前调整的可能。接杆长度的标准尺寸，各规格均有可选择的范围，设计时先按最小长度选择。 考虑机床总体布局所要求的联系尺寸，如夹具的总体长度与排屑要求等。并且这两个方面的尺寸是互相制约的。8）确定动力部件的工作循环及工作行程工作循环：加工时动力部件从原始位置开始运动，到加工终了位置又返回到原始位置的动作

30、过程。工作循环包括：快速引进，工作进给和快速退回。有时还有中间停止、多次往复进给、死挡铁停留等动作。 工作进给长度（通孔）L工： 等于工件加工部位长度L（多轴加工按最长孔计算）与刀具切入长度 L1 和切出长度 L2 之和。L1 根据工件端面误差在510mm之间选择，误差大取大值。L2 采用一般刀具时，为10mm左右，根据加工方法查手册确定；采用复合刀具时，按具体情况决定。当组合机床有工进和工进时，工作进给长度 L 工= L I 工 + L 工工进 用于钻、扩、铰、镗通孔等工序。工进 用于钻、镗孔后需锪平面或倒大角等工序。 快速退回长度快速退回长度 快速引进与工作进给长度之和。采用固定式夹具的钻、扩、铰组合机床快速退回行程长度 必须保证所有刀具均退至夹具导向套内而不影响工件装卸。如果刀具刚性较好，能满足生产率要求，为使滑台导轨在全长行程上均匀磨损，可加大快退行程。采用移动式或回转式夹具的组合机床快退行程长度 必须保证将刀具、托架、钻模板及定位销都退离到夹具运动可能碰到