气缸体双工位专用钻床总体及夹具设计.docx
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气缸体双工位专用钻床总体及夹具设计
目录
1前言1
2总体设计3
2.1总体方案论证3
2.1.1加工内容及要求3
2.1.2机床配置型式的选择3
2.1.3定位基准的选择3
2.2确定切削用量及选择刀具3
2.2.1选择切削用量3
2.2.2计算切削力、切削转矩及切削功率4
2.2.3选择刀具结构5
2.3总体设计—“三图一卡”5
2.3.1被加工零件工序图5
2.3.2加工示意图5
2.3.3机床联系尺寸图7
2.3.4机床生产率计算卡10
3夹具设计14
3.1概述14
3.1.1零件的工艺性分析14
3.1.2夹具设计的基本要求14
3.2定位方案的确定15
3.2.1概述15
3.2.2定位基准的选择15
3.3夹紧方案的确定16
3.3.1夹紧装置的确定16
3.3.2夹紧力的确定16
3.3.3液压缸的选择19
3.4导向装置的选择20
3.4.1钻模套型式的选择和设计20
3.4.2钻模板的类型和设计21
3.5夹具体的设计22
3.6误差分析23
4结论25
参考文献26
附录28
1前言
本课题来源于盐城市恒力机床厂,被加工零件是气缸体,要求在工件左右两侧一共加工43个孔多工序加工时,生产率低、位置误差又大,所以设计这台专用钻床来保证孔的位置精度,提高生产率,降低工人的劳动强度。
机床除应能满足加工要求,保证加工精度外还应运转平稳,工作可靠,装卸方便,便于维修、调整;
组合钻床技术装备现状与发展趋势:
组合钻床及其自动线是集机电一体的综合自动化程度较高的制造技术和成套工艺装备。
它的特征是高效、高质、经济实用,因而被广泛应用于工程机械、交通、能源、军工、轻工、家电等行业。
它的加工对象主要是生产批量比较大的大中型箱体类和轴类零件(近年研制的组合机床加工连杆、板件等也占一定份额),完成钻孔、扩孔、铰孔,加工各种螺纹等。
我国传统的组合钻床及组合钻床自动线主要采用机、电、气、液压控制。
其中液压系统均采用集中供油分散控制的形式,液压管路固定可靠,无振动、摇动,并解决了漏油问题,能满足市场对组合机床高精度、高生产率、柔性化、多品种、短周期的需求。
组合钻床的分类繁多,有大型组合钻床和小型组合钻床,有单面、双面、三面、卧式、立式、倾斜式、复合式,还有多工位回转台式组合机床等;随着技术的不断进步,一种新型的组合钻床——柔性组合机床越来越受到人们的青睐,它应用多位主轴箱、可换主轴箱、编码随行夹具和刀具的自动更换,配以可编程序控制器(PLC)、数字控制(NC)等,能任意改变工作循环控制和驱动系统,并能灵活适应多品种加工的可调可变的组合钻床。
据专家分析,机床装备的高速和超高速加工技术的关键是提高机床的主轴转速和进给速度。
目前,加工中心的主轴转速可达10000~20000r/min,最高进给速度可达20~60m/min;复合、多功能、多轴化控制装备的前景亦被看好。
[4]
随着我国加入WTO后与世界进一步接轨,组合钻床行业企业产品开始向数控化、柔性化转变,在国际市场上出现了产、销两头旺的良好势头,但由于行业内企业存在着负债经营情况,主要原因是企业存在现代化管理水平低、人才流失严重、科研成果不能迅速转化为生产力等缺陷,如在液压系统的漏油问题仍然是十分严重,目前解决此类问题是液压系统可靠稳定的前提。
相比较,国外组合机床总体水平比国内要先进,美国CROSS公司、德国EX-CELL-O公司、HULLER-HILLE公司等减少的同时,加工的形状却日益复杂。
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。
然而更关键的是现代通信技术在机床装备中的应用,信息通信技术的引进使得现代机床的自动化程度进一步提高,操作者可以通过网络或手机对机床的程序进行远程修改,对运转状况进行监控并积累有关数据;通过网络对远程的设备进行维修和检查、提供售后服务等。
在这些方面我国组合机床装备还有相当大的差距,因此我国组合机床技术装备高速度、高精度、柔性化、模块化、可调可变、任意加工性以及通信技术的应用将是今后的发展方向。
在总体设计时的主要思路是要在保证工件加工精度的前提下尽量使用通用件,并且要尽量简化机床的结构,移动工作台、进给系统都采用液压系统来实现,以减少工人的劳动强度。
在夹具设计中,设计的主要思路是把原有的手动夹紧改为液压夹紧方式,这样设计主要优点是:
液压油油压高、传动力大,在产生同样原始作用力的情况下,液压缸的结构尺寸比气压小了许多,液压油的不可压缩性可使夹具刚度高,工作平稳、可靠,液压传动噪声小,劳动条件比气压的好。
解决了手动夹紧时夹紧力不一致、误差大、精度低、工人劳动强度大等缺点。
[8]
在总体设计中,首先是被加工零件的工艺分析,然后是总体方案的论证,在比较了许多方案之后,结合本道工序加工的特点最终选择卧式双面的机床配置型式。
再结合本道工序的特点选择刀具。
根据选择的切削用量,计算刀具的切削力、切削扭矩、切削功率等,再确定刀具的大小和型式。
在确定这些设计计算后,然后是绘制组合机床的“三图一卡”—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。
夹具设计主要包括工件定位基准的选择、夹紧力的计算、液压缸的选择、钻套的选用、钻模板以及夹具体的设计。
因为一共有六个液压缸对工件实施夹紧,并且夹紧点又不是完全对称布置,所以在夹紧力计算时要考虑到力与力距的关系。
在本课题夹具体的设计过程中必须要考虑的问题是机床钻孔时产生的切屑怎样排出,所以在夹具体上一定要合理开设排屑槽。
本设计将机械和电能以及液压能结合了起来,使得本来劳动强度极大的多工序双工位加工变的极其方便,而且在保证了加工精度的前提下还提高了生产率,同时还降低了零件的加工成本。
因本人知识水平有限,又没有工作的实践经验,本设计中定存在不到之处,敬请各位老师批评指正,提出宝贵意见,以便及时纠正。
2总体设计
2.1总体方案论证
2.1.1加工内容及要求
该加工零件为气缸体。
材料HT250,其硬度:
187-255HBS,在本工序之前各主要表面、销孔已加工完毕。
本道工序:
钻左面、右面的孔,由本设备“YZJ1506双工位专用钻床”来完成,因此,本设备的主要功能是完成气缸体左、右两个面上一共43个孔的加工。
具体加工内容及加工精度是:
a)左面12个孔:
钻削12×φ30深110的挺柱孔,表面粗糙度Ra值为12.5um,各孔位置度公差为φ0.02mm;
b)右面31个孔:
另一侧扩12×φ41孔,表面粗糙度Ra值为12.5um,各孔位置度公差为φ0.03mm;并钻削顶面12×φ8和钻7×φ6的水孔,表面粗糙度Ra值为12.5um,各孔位置度公差为φ0.03mm。
2.1.2机床配置型式的选择
机床的配置型式主要有卧式和立式两种。
卧式组合机床床身由滑座、侧底座及中间底座组合而成。
其优点是加工和装配工艺性好,无漏油现象;同时,安装、调试与运输都比较方便;而且,机床重心较低,有利于减小振动。
其缺点是削弱了床身的刚性,占地面积大。
立式组合机床床身由滑座、立柱及立柱底座组成。
其优点是占地面积小,自由度大,操作方便。
其缺点是机床重心高,振动大。
根据任务书上的要求,选用卧式双面组合机床。
2.1.3定位基准的选择
组合机床是针对某种零件或零件某道工序设计的。
正确选择定位基准,是确保加工精度的重要条件,同时也有利于实现最大限度的工序集中。
一般常采用一面两销定位和三面定位。
本机床加工时采用的定位方式是一面两销定位,以左端面为定位基准面,限制三个自由度;一个圆锥销限制两个自由度;再用一个菱形销限制剩下的一个自由度。
2.2确定切削用量及选择刀具
2.2.1选择切削用量
对于43个被加工孔,采用查表法选择切削用量,从[1]第130页表6-11中选取。
由于钻孔的切削用量还与钻孔深度有关,随孔深的增加而逐渐递减,其递减值按文献[1]第131页表6-12选取。
降低进给量的目的是为了减小轴向切削力,以避免钻头折断。
钻孔深度较大时,由于冷却排屑条件都较差,是刀具寿命有所降低。
降低切削速度主要是为了提高刀具寿命,并使加工较深孔时钻头的寿命与加工其它浅孔时钻头的寿命比较接近。
同一多轴箱上各刀具每分钟进给量必须相等并等于滑台的工进速度Vf,所以要求同一多轴箱上各刀具均有较合理的切削用量是困难的。
因此,一般先按各刀具选择较合理的转速ni和每转进给量fi,在根据其中工作时间最长,负荷最重,刃磨较困难的所谓”限制性”刀具来确定和调整每转进给量和转速,通常采用试凑法来满足每分钟进给量相同的要求。
37个孔的切削用量的选择
a)孔12×φ30,深110mm
由d>22~50mm,硬度大于187~255HBS,查[1]第130页表6-11高速钻孔切削用量得:
选择v=16~24m/min,取v=20m/min,f>0.4~0.8mm/r,又d=30mm,根据公式:
(2-1)
得:
取n=220r/min;
b)扩孔12×φ30到12×φ41,深110mm。
由d>40~60,硬度大于187~255HBS,查[1]第131页表6-13扩孔切削用量得:
选择v=10~18m/min,取v=15.5m/min;f>0.3~0.4mm/r,取f=0.2mm/r,由d=41mm
c)钻孔7×Φ6,深35mm
由d>1~6mm,硬度大于187~255HBS,查[1]第130页表6-11高速钻头切削用量得:
选择v=10~18m/min,取v=15m/min;f>0.05~0.1mm/r,取f=0.008mm/r,由d=6mm,得
取n=800r/min
d)钻孔12×Φ8,深35mm
由d>6~12mm,硬度大于187~255HBS,查[1]第130页表6-11高速钻头切削用量得:
选择v=10~18m/min,取v=15m/min;f>0.1~0.18mm/r,取f=0.1mm/r;由d=8mm,得
取n=600r/min
2.2.2计算切削力、切削转矩及切削功率
根据[1]P134表6-20中公式
(2-2)
(2-3)
(2-4)
(2-5)
(2-6)
式中,F—切削力(N);
T—切削转矩(N·㎜);
P—切削功率(kW);
v—切削速度(m/min);
f—进给量(mm/r);
D—加工(或钻头)直径(mm);
HB—布氏硬度,
在本设计中,
,得HB=232。
由以上公式可得:
左面单根1~6轴F=5653.25NT=46423.35N·mmP=1.5kw
右面单根1~12轴F=869.346NT=59405.32N·mmP=0.7kw
13~19轴F=543.11NT=1047.74N·mmP=0.1kw
20~31轴F=865.68NT=2447.93N·mmP=0.15kw
总的切削功率:
即求各面上所有轴的切削功率之和
左面Pw=6×1.5=9kw
右面Pw1=12×0.7=8.4Kw
Pw2=7×0.1+12×0.15=2.5kw
2.2.3选择刀具结构
根据工艺要求及加工精度的要求,钻12×Φ30孔时采用锥柄阶梯麻花钻头,钻头材料高速钢,刀柄材料40Cr,加工部分直径30h8,阶梯圆锥角
,导向部分直径40h8;锪孔12×Φ41时选用套装式锪孔钻,直径41h8,钻头材料高速钢,刀柄材料40Cr;钻12×Φ8孔时选用锥柄麻花钻,直径8h8,钻头材料高速钢,刀柄材料40Cr;钻7×Φ6孔时选用锥柄麻花钻,直径6h8,钻头材料高速钢,刀柄材料40Cr。
2.3总体设计—“三图一卡”
2.3.1被加工零件工序图
被加工零件工序图是表达本工序加工部位以及加工部位的尺寸、精度、表面粗糙度及技术要求,加工用的定位基准、夹压部位以及被加工零件的材料、硬度和在本机床加工前加工余量、毛坯或半成品情况的图样。
除了设计研制合同外,它是组合机床设计的具体依据,也是制造、使用、调整和检验机床精度的重要文件。
图见附录2。
2.3.2加工示意图
加工示意图是在工艺方案和机床总体方案初步确定的基础上绘制的。
它是表达工艺方案具体内容的机床工艺方案图。
零件加工的工艺方案要通过加工示意图反映出来。
加工示意图表示被加工零件在机床上的加工过程,刀具、辅具的布置状况以及工件、夹具、刀具等机床各部件间的相对位置关系,机床的工作行程及工作循环等。
2.3.2.1刀具的选择
刀具直径的选择应与加工部位尺寸、精度相适应。
钻Φ30mm的孔选择刀具Φ30H7锥柄阶梯麻花钻头;扩Φ30mm孔到Φ41mm选择刀具Φ41h8套装式锪孔钻;钻Φ8mm的孔选择刀具Φ8h8锥柄麻花钻;钻Φ6mm孔选择刀具Φ6h8锥柄麻花钻。
[9]
2.3.2.2确定主轴、尺寸、外伸尺寸
由选定的切削用量计算得到的切削转矩T,根据[1]第43页表3-4得
(2-7)
式中,d—轴的直径(㎜);
T—轴所传递的转矩(N·m);
B—系数,本课题中主轴为非刚性主轴,取B=6.2。
可得:
左主轴箱:
轴1~6d=35㎜
右主轴箱:
轴1~12d=30㎜
轴13~19d=11.2㎜
轴20~31d=13.8㎜
根据主轴类型及初定的主轴轴径,查[1]第44页表3-6可得到主轴外伸尺寸及接杆莫氏圆锥号。
主轴轴径d=35㎜时,主轴外伸尺寸为:
D/d2=65/44,L=135㎜;接杆莫氏圆锥号为4号。
主轴轴径d=30㎜时,主轴外伸尺寸为:
D/d2=50/36,L=115㎜;接杆莫氏圆锥号为3号。
主轴轴径d=11.2㎜时,主轴外伸尺寸为:
D/d2=32/20,L=115㎜;接杆莫氏圆锥号为1号。
主轴轴径d=13.8㎜时,主轴外伸尺寸为:
D/d2=32/20,L=115㎜;接杆莫氏圆锥号为1号。
2.3.2.4动力部件工作循环及行程的确定
A工作进给长度
的确定
工作进给长度
,应等于加工部位长度L=110mm(多轴加工时按最长孔计算)与刀具切入长度L1和切出长度L2之和。
即:
=L1+L+L2(2-8)
式中切入长度L1一般为5~10㎜,根据工件端面的误差情况确定。
查[1]第46页表3-7,得出钻孔时的长度为
L2=(d/3)+(3~8),当d=30mm时,(2-9)
L2=10+(3~8)=15mm
左右两个面上钻孔时的工作进给长度见下表:
表2-1工作进给长度
L
L1
d
L2
左主轴箱
110
10
30
15
135
右主轴箱
67.3
5
41
16.67
130
B快速进给长度的确定
快速进给是指动力部件把刀具送到工作进给位置。
初步选定左右两个主轴箱上刀具的快速进给长度分别为190㎜和200㎜。
C快速退回长度的确定
快速退回长度等于快速进给和工作进给长度之和。
由已确定的快速进给和工作进给长度可知,左右两面快速退回长度分别为340㎜和330。
D动力部件总行程的确定
动力部件的总行程为快退行程与前后备量之和。
左面的前备量取40㎜,后备量取250㎜,则总行程为630㎜;右面前备量取40㎜,后备量取260㎜,则总行程为630㎜。
图见附录3。
2.3.3机床联系尺寸图
2.3.3.1选择动力部件[14]
A动力滑台的选择
a)动力滑台形式的选择
本组合机床采用的是液压滑台。
与机械滑台相比较,液压滑台具有如下优点:
在相当大的范围内进给量可以无级调速;可以获得较大的进给力;由于液压驱动,零件磨损小,使用寿命长;工艺上要求多次进给时,通过液压换向阀,很容易实现;过载保护简单可靠;由行程调速阀来控制滑台的快进和工进,转换精度高,工作可靠。
但采用液压滑台也有其弊端,如:
进给量由于载荷的变化和温度的影响而不够稳定;液压系统漏油影响工作环境,浪费能源;调整维修比较麻烦。
本课题的加工对象是气缸体左面12个孔和右面上的31个孔,位置精度和尺寸精度要求较高,因此采用液压滑台。
由此,根据已定的工艺方案和机床配置形式并结合使用及修理等因素,确定机床为卧式双面液压传动组合机床,液压滑台实现工作进给运动,选用配套的动力箱驱动主轴箱主轴进行钻孔加工。
b)动力滑台型号的选择
根据选定的切削用量计算得到的单根主轴的进给力,按[1]第62页得
(2-10)
式中,
—各主轴所需的轴向切削力,单位为N。
则:
左主轴箱F左=6×6788.15=40728.9N
右主轴箱F右=12×869.346+7×543.11+12×865.68=24622.082N
实际上,为克服滑台移动引起的摩擦阻力,动力滑台的进给力应大于F多轴箱。
又考虑到所需的最小进给速度、切削功率、行程、主轴箱轮廓尺寸等因素,为了保证工作的稳定性,由[1]第91页表5-1,左、右两面的液压滑台均选用1HY50MIA型。
由[1]第91页表5-3知:
台面宽B=400mm,台面长L2=800mm,行程长630mm,滑台及滑座总高360mm,滑座长1875mm,允许最大进给力32000N,快速行程速度5m/min,工进速度12.5~500mm/min取58.33mm/min。
B动力箱型号的选择
由切削用量计算得到的各主轴的切削功率的总和P切削,根据[1]第47页公式
(2-11)
式中,P切削—消耗于各主轴的切削功率的总和(KW);
η—多轴箱的传动效率,加工黑色金属时取0.8~0.9,加工有色金属时取0.7~0.8;主轴数多、传动复杂时取小值,反之取大值。
左主轴箱主轴较少所以η取0.9,P切削=9KW
则
=9/0.9=10KW
右主轴箱主轴数量较多、传动复杂,故取η=0.8,P切削=8.4KW
则
=8.4/0.8=10.5KW
根据液压滑台的配套要求,滑台额定功率应大于电机功率的原则,查[1]第114页到第115页表5-38得出动力箱及电动机的型号,如表2-2所示。
表2-2动力箱及电动机的型号选择
动力箱型号
电动机型号
电动机功率(Kw)
电动机转速(r/min)
输出轴转速(r/min)
左主轴箱
1TD50Ⅳ
Y160M-4
11
1460
730
右主轴箱
1TD50Ⅳ
Y160M-4
11
1460
730
2.3.3.2确定机床装料高度H
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。
本课题中,工件最低孔位置h2=88mm,主轴箱最低主轴高度h1=160mm,所选滑台与滑座总高h3=360mm,侧底座高度h4=500mm,夹具底座高度h5=380mm,中间底座高度h6=600mm,综合以上因素,该组合机床装料高度取H=930㎜。
2.3.3.3确定主轴箱轮廓尺寸
图2-1多轴箱轮廓尺寸确定
主要需确定的尺寸是主轴箱的宽度B和高度H及最低主轴高度h1。
主轴箱宽度B、高度H的大小主要与被加工零件孔的分布位置有关,查[1]第49页公式:
B=b+2b1(2-12)
H=h+h1+b1(2-13)
式中,b—工件在宽度方向相距最远的两孔距离(㎜);
b1—最边缘主轴中心距箱外壁的距离(㎜);
h—工件在高度方向相距最远的两孔距离(㎜);
h1—最低主轴高度(㎜)。
其中,h1还与工件最低孔位置(h2=88mm)、机床装料高度(H=930㎜)、滑台滑座总高(h3=360mm)、侧底座高度(h4=500mm)等尺寸有关。
对于卧式组合机床,h1要保证润滑油不致从主轴衬套处泄漏箱外,通常推荐h1>85~140mm,本组合机床按式h1=h2+H-(0.5+h3+h4)(2-14)h1=88+930-(0.5+360+500)=157.5mm
右主轴箱轮廓尺寸为:
b=893mm,h=893mm,取b1=37.5mm,则求出主轴箱轮廓尺寸:
B=893+2×37.5=968mm
H=h+h1+b=223+157.5+37.5=418mm
根据上述计算值,按主轴箱轮廓尺寸系列标准,最后确定主轴箱轮廓尺寸为
B×H=1000㎜×630㎜。
对左轴箱计算公式与方法相类似,其轮廓尺寸均为1000mm×630mm。
由[1]表7-2可知:
前盖55mm,后盖90mm,中间箱体宽180mm。
图见附录1。
2.3.4机床生产率计算卡
图2-2左动力头循环
图2-3右动力头循环
查[1]第51页,计算单件工时:
(2-15)式中,L1、L2——分别为刀具第Ⅰ、第Ⅱ工作进给长度,单位为mm;
Vf1、Vf2—分别为刀具第Ⅰ、第Ⅱ工作进给量,单位为mm/min;
T停——当加工沉孔、止口、锪窝、倒角、光整表面时,滑台在死挡铁上的停留时间,通常指刀具在加工终了时无进给状态下旋转5~10转所需的时间,单位为min;
L快进、L快退——分别为动力部件快进、快退行程长度,单位为mm;
Vfk——动力部件快速行程速度。
用机械动力部件时取5~6m/min;用液压动力部件时取3~10m/min;
t移——直线移动或回转工作台进行一次工位转换时间,一般取0.1min;
t装卸——工件装、卸(包括定位或撤销定位、夹紧或松开、清理基面或切屑及吊运工件)时间。
它取决于装卸自动化程度、工件重量大小、装卸是否方便及工人的熟练程度。
通常取0.5~1.5min。
如果计算出的机床实际生产率不能满足理想生产率要求,即Q1<Q,则必须重新选择切削用量或修改机床设计方案。
左面:
右面:
对多面和多工位加工机床,在计算时应以所有工件单件加工最长的时间作为单件工时,所以选T单=4.07min。
2.3.4.1理想生产率Q(件/h)
理想生产率是指完成年生产纲领(包括备品及废品率)所要求的机床生产率。
查[1]第51页得
(2-16)计算,式中,N—年生产纲领(件),本课题中N=60000件;
tk—全年工时总数,本课题以双班制计,则tk=4600h。
故有:
2.3.4.2实际生产率Q1(件/h)
实际生产率是指所设计的机床每小时实际可生产的零件数量。
查文献[1]第51页得
(2-17)式中,T单—生产一个零件所需时间(min)。
2.3.4.3机床负荷率
机床负荷率为理想生产率与实际生产率之比。
查[1]第52页得
(2-18)
则
生产率计算卡如表2-3所示。
2.3.3.4中间底座尺寸的确定[6]
在加工示意图中,已经确定了工件端面至主轴箱在加工终了时距离,根据选定的动力部件及配套部件的位置关系,并考虑到动力头的前备量等因素,就可以确定中间底座长度尺寸L。
(2-19)
式中:
L1为工件端面到主轴箱在加工终了时端面的距离;L1=160mm
L2主轴箱厚度;L2=325mm
L3工件的总长度;L3=953mm
l1动力头支承凸台尺寸;l1=230mm
l2动力头支承凸台端面到滑座端面在加工完了时的距离,它由动力头支承凸台端面到滑座端面的最小尺寸和动力头的向前备量组成,并具有一定的调节范围(在70~80mm);l1=74mm
l3滑台前端面到床身前端面的距离;l3=100mm
结合左右两侧计算得L=1115mm,考虑到左右对称及中间底座的设计制作的方便性取L=1200mm
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