1、组合机床主题内容第一章 前 言1.1 论文背景及研究意义现代制造工程从各个角度对组合机床提出了愈来愈高的要求，而组合机床也在不断的吸取新的技术成果而完善和发展。现代机械制造工业发展的基本特征：产品的更新换代的周期缩短，多品种，中小批量轮番生产以是普遍现象生产方式。因此，具有一定的柔性，能对多品种，中小批量生产方式做出快速的响映，是现代组合机床，及其加工系统发展的必然趋势。组合机床是一种高效率专用机床，广泛地推广使用组合机床，对于机械制造工业，特别在是汽车，拖拉机，柴油机，电动机，仪器仪表以及军工部门等生产的发展，有着很重要的意义。1.2 组合机床及发展概况1.2.2 组合机床的特点组合机床与通
2、用机床，其它专用机床比较，具有以下特点：1. 组合机床上的通用部件和标准零件约点全部机床零部件总量的7080，因此设计和制造周期短，经济效益好。2. 由于组合机床目的通用部件和标准零件自动化程度高，因而比通用机床生产效率高，产品质量稳定劳动强度低。3. 组合机床的通用部件是经过周密设计和长期生产实践考验的，又有专门厂家成批生产，它与一般专用机床比较，其结构稳定，工作可靠，使用和维修方便。4.组合机床加工工件，由于采用专用夹具组合刀具和导向装置等，产品加工质量靠工艺装备保证，对操作工人的技术水平要求不高。5.当机床被加工的产品更新时，专用机床的大部件要报废。组合机床的通用部件是根据国家标准设计的
3、，并等效于国际标准，因此，其通用部件可以重复使用。不必加行设计和制造。6. 组合机床易于联成结合机床自动线，以适应大规模和自动化生产需要。1.2.3 组合机床的分类组合机床的通用部件分大型和小型两大类。大型通用部件是指电机功率为1.530千瓦的动力部件及其配套部件。这类动力部件多为箱体移动的结构形式。小型通用部件是指电机功率在0.12.2千瓦的动力部件及其配套部件。这类动力部件多为套筒移动的结构形式。用大型通用部件组成的机床称为大型组合机床，用小型通用部件组成的机床称为小型组合机床。按配置型式分为单工位和多工位机床两大类。单工位又有单面、双面、三面和四面几种，多工位则有移动工作台式、回转工作台
4、式、中央立柱式和回转鼓轮式等配置型式。1.2.4 组合机床的发展目前，组合机床仍然是我国大规模生产模式中使用的主要机床。但就当前国情而言，数字化信息技术的发展，已经为组合机床的柔性化设计和制造提供了强大的技术支持。而且数字化控制产品已经相当成熟，不同档次和价格的产品可以基本满足各种控制要求。因此，由于市场的需求和相关技术的成熟，组合机床及其自动线就有了以下一些发展变化：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，而且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。组合机床数控化在国际上发展较为迅速。如美国Lanm公司在20世纪9
5、0年代前期生产的汽车发动机缸体、缸盖加工设备，有50是传统的组合机床生产线，25可调可变生产线，25是柔性生产系统(FTL，FMS)。日本在19881992年间，组合机床的数控化率已达3239。德国在同时间组合机床及自动线的数控化率为18 62。目前，我国也开展了数控组合机床的研究，如数控机床厂推了SSK-U6030型缸体八工位数控组合机床，用于加工家用冰箱压缩机缸体。一些组合通用部件生产厂家也已经开发出一维数控滑台、二维数控十字滑台和数控回转台。2. 模块化为适应数控组合机床的发展，出现了组成数控机床的数控加工功能模块。3. 高速化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，
6、提高生产效率。如美国生产的加工中心，主轴转速可达1500060000rmin，工作台快进速度高达90120mmin。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合金缸盖燃烧室侧面时，采用PCD铣刀，铣削速度高达3075mmin，进给速度达3 600mmmin，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800mmin，进给速度达1500mm/min。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。例如意大利MANDELLI公司生产Thunder500型加工中心，X、Y、Z轴的定位精度均为
7、0.008mm，重复定位精度为0.O03mm；B轴定位精度6，重复定位精度3。在数控组合机床上，也要求提高设备的工序能力系数，使加工误差在0.0lmm 以。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。第二章 组合机床总体设计2.1 组合机床总体设计的步骤组合机床的设计应按具体的加工对象设计专用地机床，设计时应考虑以下几点：1. 采用先进的加工工艺，制定最佳的工艺方案。2. 合适地确定机床工序集中程度。3. 合理地选择组合机床的通用部件。4
8、. 选择恰当地组合机床的配置形式。5. 合理地选择切削用量。6. 设计高效地夹具、刀具、工具及主轴箱等。2.1.1 拟定方案阶段1. 制定工艺方案这是设计组合机床最重要的一步。工艺方案制定的正确与否，将决定机床能否达到“体积小，重量轻，结构简单，使用方便，效率高，质量好”的要求。为了使工艺方案制定的合理、先进，必须从认真分析被加工零件图纸开始，深入现场全面了解被加工零件的结构特点、加工部位、尺寸精度、表面粗糙度和技术要求，定位、夹紧方式，工艺方法和加工过程所采用的刀具、辅具，切削用量情况及生产率要求等，分析其优缺点，总结设计，制造，使用单位和操作者丰富的实践经验，以求理论紧密联系生产实际，从而
9、确定零件在组合机床上完成的工艺容及方法，决定刀具种类，结构型式、数量及切削用量等。2. 确定机床配置形式及结构方案根据选定的工艺方案，确定机床的配置型式，并定出影响机床总体布局和技术性能的主要部件得结构方案。既要考虑能实现工艺方案，以确保零件的加工精度、技术要求及生产率；又要考虑机床的操作方便可靠，易于维修，且冷却、排屑情况好。3. 总体设计三图一卡在选定工艺方案并确定机床配置型式、结构方案基础上，进行方案图纸的设计。这些图纸包括：被加工零件工序图，加工示意图，机床联系尺寸图和生产率计算卡，统称“三图一卡”设计。通常，在组合机床总体设计过程中，应对机床的夹具方案有所考虑，画出夹具方案草图，并初
10、定出主轴箱轮廓尺寸，才能确定机床各部件间的相互联系。2.1.2 技术设计阶段根据以上确定的工艺和结构方案，按照加工示意图和机床联系尺寸图等开展部件设计，绘制夹具，主轴相等的装配图。为便于设计工作的展开和组织生产的需要，通常将组合机床部件和装置进行编组，具体如下：1. 第1019组支承部部件。它通常由通用的侧底座及中间底座等组成。2. 第2029组夹具。它是组合机床重要的专用部件。用于实现工件的的定位、夹紧及刀具导向等。为了制造方便，还将其辅助部分如钻模板，移动工作台等机构单独编组，其编号为21、22、29组等。3. 第3039组电气设备。4. 第4049组传动装置。包括机床上所有动力部件，如动
11、力滑台、动力箱等。5. 第5059组液压和气动装置。6. 第6069组刀具、工具、量具和辅助工具等。7. 第7079组主轴箱及其附属部件。8. 第8089组冷却、排屑及润滑装置。9. 第9091组各种控制挡铁。部件设计的装配图均应编制零件明细表。2.1.3 工作设计阶段1. 绘制所有专用零件图并绘制出润滑、冷却管路系统计机床总图。2. 绘制机床说明书，制定机床精度检验、调整试车规等有关验收标准。2.2 组合机床工艺方案的制定组合机床是针对被加工零件的特点及工艺要求，按高度集中工序原则设计的一种高效率专用机床。设计组合机床前，首先应根据组合机床完成工艺的一些限制及组合机床各种工艺方法能达到的加工
12、精度、表面粗糙度及技术要求，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的问题。如果确定零件可以利用组合机床加工，那么，为使加工过程顺利进行并达到要求的生产率，必须在掌握大量的零件加工工艺资料基础上，通盘考虑影响制定零件工艺方案、机床配置型式、结构方案的各种因素及应注意的问题。经过分析比较，以确定零件在组合机床上合理可行的加工方法、确定工序间加工余量、选择合适的切削用量、相应的刀具结构、确定机床配置型式等等。制定组合机床的工艺方案是设计组合机床的最重要的步骤之一。工艺方案制定的正确与否，将决定机床能否达到“重量轻，体积小，结构简单，使用方便，效率高，质量好”的要求。为了使机床方
13、案制定的合理，先进，必须开展以工人为主体的“三结合”设计，密切联系实际，总结生产实践经验，全面了解被加工零件的加工情况和影响机床方案制定的因素。影响机床方案制定的因素主要表现为：1. 加工的工序和加工精度的要求被加工零件需要在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。制定工艺方案时，首先需要全面分析工件的加工精度及技术要求，了解现场加工工艺及保证精度的有效措施。2. 被加工零件的特点如加工材料及硬度，加工部位的结构形式，工件的刚性，工艺基面等，对于机床工艺方案的制定都有重要的影响。工件的刚性不足，加工时工序就不能太集中。有时为了减少机床台数，必须采取高度集中工序时，从安排上
14、，也必须把一些工序从时间上错开加工，以免同时加工时因工件受力变形，发热变形以及振动而影响加工精度。必须重视工件在组合机床加工前已经完成的工序以及毛坯孔的质量。当毛坯孔余量很大时或铸造选题较差时，有大毛坯时，有时则安排粗拉荒工序，对几个同心孔常采用粗扩的加工方法。工件有无适当的工艺基面也是影响工艺方案制订的重要因素。3. 工件的生产方式被加工零件的生产批量的大小，对机床工艺方案的制定也是有影响。4. 使用厂的技术后方能力通过调查对被加工零件的加工容及与其相关的问题有了规律性的了解，并掌握了丰富的合乎实际的材料，这是组合机床设计工作的第一步，进一步则要求对工件的工艺基准，加工工艺进行分析，以便拟定
15、在组合机床上加工的工艺方案。2.2.1工艺基面的分析选择工艺基面和夹压部位是制定工艺方案的极其重要的问题。工艺基面选择的正确，将能实现最大限度的工序集中，从而减少机床台数，也是保证加工精度的重要条件。由于本次工序是加工箱体，根据具体的加工情况和加工环境，采用“一面两孔”的形式，具体如图（2-1）所示。图（2-1） “一面两孔”定位方法示意图其定位方法有如下优点：1. “一面两孔”的定位方法很简便的消除工件的六个自由度，使工件获得稳定的固定位置。2. “一面两孔”的定位方法，有同时加工五个面的可能。既能高度的集中加工工序，又有利于提高各面上孔的位置精度。本次工序为同时加工两面上的孔。3. “一面
16、两孔”的定位方法使夹紧方便，夹紧机构简单。容易使夹紧力对准支承，消除夹紧力引起的工件变形对加工精度的影响。4. “一面两孔”的定位方法可以作为从粗加工到精加工的全部工序加工的基准，使整个工艺过程实现基准统一。5. “一面两孔”的定位方法易于实现自动化定位，并有利于防止切屑落入基面。为了保证箱体零件的加工精度及技术要求，工艺基面必须规定相应的公差。定位孔直径不宜太小，孔径小时，定位销很细，加工中易受力产生较大的变形，甚至装卸工件时亦易碰坏，可参考表21选择。表2-1 定位销轴径选择工件重量（kg）100定位销孔直径（mm）12162025孔的精度一般为2级（D）。两孔中心距（L）远一些较好，其公
17、差一般为0毫米。定位平面力求大一些，其粗糙度一般为6.3或3.2，不平度为0.050.1毫米。考虑到具体情况，本工序定位孔径为20mm。2.2.2 选择工艺基面的原则及应注意的问题1. 应当尽量选用设计基面作为在组合机床上加工用的定位基面。这样能减少累积误差，有利于保证加工精度。2. 选择的定位基面应确保工件稳定定位。定位的支承面应大一些，力求采用已加工面作为定位基面，在加工精度要求高时，尤其必要。3. 选择基面时要保证在一次安装下，能对尽可能多的面加工。便于有效地集中加工工序，提高机床的生产率，保证加工部位相互间精度要求。4. 统一基面的原则。本次加工工序选择的工艺基面为设计基面，且已经加工
18、过，精度较高，且基面统一，与后面左右面孔的加工基面选择相同。这样减少了安装误差，有利于达到高的加工精度。2.2.3 夹压位置的选择在选择工艺基面的同时，要相应地决定夹压位置。因为它对定位的可靠，工作的稳定以及保证加工精度都有直接的影响。但是在确定时应注意以下问题：1. 保证工件夹压后定位的稳定。组合机床是按集中工序组成的。常常是多轴多面同时加工，切削负荷重，特别是多轴钻孔时，往往产生很大的切削力。为了使工件在加工过程中不产生位移和振动，必须将工件牢固的夹住，并具有足够的夹压刚度。2. 夹压点应避免放在工件加工部位的上方。力求使其靠近箱体的筋或壁，以减少夹压变形而影响加工精度。3. 对刚性差的工
19、件，力求使夹压点对着定位支承点。2.3 加工工艺的分析分析被加工零件的工艺，亦是制定工艺方案的极其重要的问题，我们要认真地分析被加工零件加工工艺的需要和组合机床完成工艺的可能，正确地确定组合机床的方案。随着组合机床在机械加工中的广应用，组合机床的加工工艺围也在不断地扩大，可以进行多种工序的加工，如钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、攻丝、铣面、车削、磨削、拉孔等工序。故此，组合机床的加工围是十分广的。本工序是钻孔，其是组合机床上最常见的加工方式，也是最有效的加工方式。钻孔有一般钻孔和钻深孔两种情况，从钻深角度来说，钻孔深度为34倍直径的占多数。组合机床上的钻孔多数是用标准麻花钻，有时也用扁钻。但是，扁钻多
20、用于加工直径较大的孔，一般孔径围在 2060毫米。本次加工孔的直径为12.5mm，加工长度为28mm，属于一般钻孔，并且采用标准麻花钻。2.4 确定机床配置型式及结构方案根据被加工零件的结构特点，加工要求，工艺过程方案及生产率等，可大体确定采取哪种基本形式的组合机床。但由于工艺的安排，动力部件的不同配置，零件安装数目和工位数多少等等不同，而会产生多种配置方案。不同配置的方案对机床的复杂程度、通用化程度、结构工艺性、加工精度、机床重新调整可能性及经济效果等，具有不同的影响。根据具体的加工工艺选择卧式单工位三面加工组合机床。机床床身安装液压滑台，滑台安装在侧底座上，侧底座与中间底座用螺钉及销子连接
21、成一体。滑座与侧底座之间有一个5毫米厚的调整垫。采用调整垫对机床的制造和维修都方便。因为当滑座导轨磨损后，或重新组装机床时，只需取下滑座将导轨面重新修刮，并更换调整垫，使之恢复应有的高度即可。而且滑座可以使用较好的材料，而侧底座则可以使用较次的材料。侧底座的顶面除具有与滑座结合的平面外，周围有收集冷却液或润滑油的槽，用管子将油液引回储存箱中，侧底座的另一侧面有电气壁龛，以供安装电器元件用。一般电器壁龛与冷却液储存箱不应靠近，以防止电器元件潮湿。为了便于支承元件的运输，设有专用吊孔。2.5 总体设计三图一卡2.5.1 加工工序图1. 被加工零件工序图的作用和要求被加工零件工序图是根据选定的工艺方
22、案，表示在一台机床上完成的工艺容、加工部位的尺寸及精度、技术要求、加工用定位基准、夹压部位以及被加工零件的材料、硬度和在本机床加工前毛皮情况的图纸。他是在原有的基础上，以突出击穿的加工容，加上必要的说明绘制的。它是组合机床设计的主要依据，也是制造使用时调整机床、检查精度的重要技术性文件。被加工零件工序图包括以下容：1）. 在图上应表示出被加工零件的形状。2）. 在图上应表示出加工用基面和夹压的方向及位置，以便依此进行夹具的支承、定位及夹压系统的设计。3）. 在图上应表示出加工表面的尺寸、精度、粗糙度、位置尺寸及精度和技术条件（包括对上道工序的要求及本机床保证的部分）。4）. 图中还应注明被加工
23、零件的名称、编号、材料、硬度以及被加工部位的余量。图纸中所示为本次设计中需加工的拖拉机传动箱箱体的工图。2. 编制被加工零件工序图的注意事项1）. 本机床加工部位的位置尺寸应由定位基面标起，尤其在本机床的加工中，所选用的定位基准与设计基准不一致，还必须对各孔要求的位置尺寸精度进行分析和换算，即把不对称的公差尺寸换算成对称公差尺寸，以便在进行夹具钻模孔设计时，确定钻模孔位置尺寸，并把各孔位置尺寸改为从定位基面标准。2）. 对孔的加工余量要认真分析，正确确定各孔的加工余量，以便刀具能正常通过工作。3）. 对于精镗机床必须注明是否允许留有退刀痕迹，以及允许退刀痕迹的形状。在本次设计中无精镗加工工序，
24、故在此不需考虑。为了使被加工零件工序图清晰明了，能突出机床的加工容，绘制时对本机床加工部位用粗实线表示，其尺寸上方打上方框，其余部位用细实线表示。详细图形见图纸。2.5.2 加工示意图具体图形见图(24)所示，下面介绍其设计过程。1. 选择切削用量：确定了在组合机床上完成的工艺容后，就可着手选择切削用量。切削用量的选择是否合理，对组合机床的加工精度、生产率，刀具耐用度，机床的布局形式及正常工作均有很大影响。下面介绍组合机床切削用量选择的特点、方法及应注意的问题。1）. 组合机床切削用量选择的特点：a）. 组合机床常采用多刀多刃同时加工，为了尽量减少换刀时间和刀具的消耗，保证机床的生产率及经济效
25、果，选择的切削用量应比通用机床单刀加工时低30%左右。b）. 组合机床通常用动力滑台来带动刀具进给。因此，同一滑台带动的多轴箱上所有刀具的每分钟进给量相等，即等于滑台的工进速度。2）. 组合机床切削用量选择方法及应注意的问题a）. 应尽量做到合理使用所有刀具，充分发挥其使用性能。b）. 复合刀具切削用量选择应考虑刀具的使用寿命。c）. 多轴镗孔主轴刀头均需定向快速进退时，各镗轴转速应相等或成整数倍。d）. 选择切削用量时要注意既要保证生产批量要求，又要保证刀具的一定耐用度。e) . 确定切削用量时，还需考虑选择动力滑台的性能。总之，必须从实际出发，根据加工精度，工作材料，工作条件，技术要求等进
26、行分析，按照经济的满足加工要求的原则，合理的选择切削用量。一般常用查表法，参照生产现场，同类工艺，通过工艺试验确定切削用量。由于本工序是用高速钢钻头加工铸件，故只列举高速钢加工铸件的切削用量，如表（22）所示。表（22） 用高速钢钻头加工铸铁件的切削用量加工直径(毫米)HB160200HB200241HB300400切 削 用 量v(米/分)f(毫米/转)v(米/分)f(毫米/转)v(米/分)f(毫米/转)1616-240.070.1210180.050.105120.030.086120.120.200.100.180.080.1512220.200.400.180.250.150.2022
27、500.400.800.250.400.200.30此次加工工作材料为铸铁HT200，即：，所以HB=160。其中，为最小抗拉强度，HB为布氏硬度。本道工序为在工件上钻孔，孔径为，参照上表选取推荐值：，。根据公式： 得： n为各主轴转速。2. 确定切削力、切削转矩、切削功率及刀具耐用度切削力：式中： P单个主轴进给力D加工孔径：D=12.5mmf每转进给力：f=0.2mm/rHB零件的布氏硬度值：HB=160故： 切削转矩：切削功率：式中： 单个主轴功率M切削扭矩：M=6931N.mmv切削速度：v=17m/minD加工孔径：D=12.5mm将数据代入得：刀具耐用度：根据确定的切削用量，确定切
28、削力，作为选择动力零件（滑台）及夹具设计的依据；确定切削扭矩，用以确定主轴及其传动件尺寸，确定切削功率，用以选择主传动电机功率，确定刀具耐用度，用以验证所选刀具是否合理。3. 刀具的选择正确的选择刀具的结构，对保证组合机床正常工作极其重要。根据工艺要求和加工精度不同，常用刀具有一般刀具、复合刀具及特种刀具等。但是，为使工作可靠，结构简单，刃磨容易，应尽量选择标准刀具。采用此类刀具的缺点是加工一个零件所需的工位数式机床台数多。选择刀具的结构时，必须认真考虑被加工零件材料的特点。根据以上论断，本工序采用锥柄麻花钻（GB143885）。主要尺寸为：L=182mm，l=101mm，莫氏锥度为1号，其他
29、技术参数可参阅标准刀具手册。4. 导向的选择在组合机床上加工孔，除用刚性主轴的方案外，工件的尺寸，位置精度，都要依靠夹具导向来保证，因此，正确选择导向结构，确定导向类型、参数、精度，不但是绘制加工示意图必须解决的问题，也是设计组合机床不可忽视的重要容。通常当加工孔的直径较小，旋转速度小于20/min时，选用固定式导向刀具或刀杆在导套即转动又移动，这种导向方法精度较高，但易磨损，不利于持久保持精度，导向直径较长，转速较高（v20m/min），此时选用旋转导向。本次工序=12.5mm较小，v=17m/min，故选用固定式导向。导向数量应根据工件形状，部结构，刀具刚性，加工精度及具体加工情况决定，通
30、常钻小孔时选取单个导向加工。导向长度可按下式计算：l1=(24)d；d为加工孔的直径，小直径时取大值，大直径时取小值。本次工序d=12.5，故取大值。因此，；查手册可取l1为55mm。具体图形及尺寸如图(2-1)所示：图 (2-1) 导向尺寸图5. 初定主轴类型、尺寸、外伸长度和选择接杆、浮动卡头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扭矩M，查表(3-2)初定主轴直径d，再综合考虑加工精度和具体工作条件，决定主轴外伸部分尺寸（直径D/d）长度L及配套的刀具接杆莫氏锥号。在钻孔时通常采用接杆。表(3-2) 轴能承受的扭矩（毫米牛）轴径d（毫米）允许扭转角（度/米）1/41/21计算依据1012152025303540455055603507201750550013500230005200089000142000217000317000450000600140035001100027000500001040001790002850004340001400290071002900055000114000210000360000580000 式中：d轴的直径（毫米）M轴所传动的扭矩（
