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阀体端面钻6孔组合机床设计及夹具设计

摘 要. 1

ABSTRACT 2

1 绪论. 4

1.1 研究背景. 4

1.2 国内外组合机床研究现状. 4

1.3 研究内容. 6

2 阀体零件的加工工艺设计. 7

2.1 阀体零件分析. 7

2.2 阀体零件的定位和夹紧形式. 7

2.3 阀体零件工艺方案选择. 8

2.4 组合机床配置形式. 8

3 组合机床的整体设计. 10

3.1 零件加工工艺图. 10

3.2 加工示意图. 10

3.3 机床联系尺寸总图. 13

3.4 生产效率计算卡. 14

3.5 组合机床工作循环. 14

4 多轴箱的整体设计. 15

4.1 多轴箱传动方案设计. 15

4.2 主轴、齿轮和动力计算的确定. 15

4.3 多轴箱的传动设计及验证. 16

5 夹具的设计. 18

5.1 定位支撑系统. 18

5.2 夹紧机构. 18

5.3 刀具导向机构. 19

5.4 机床行程控制. 19

设 计 总 结. 21

致 谢. 22

参 考 文 献. 23

附 录. 24

摘 要

机床作为机械加工领域的工作母机,经过长期的积累,已经发展成熟[1]。为了减少机床的设计和开发周期,提高生产效率,组合机床应运而生。本文的主要任务是设计组合机床,可满足阀体端面钻孔6孔的要求,主要描述了主题的研究背景和意义,确定了阀体件的加工工艺方案,完成组合机床、多轴箱和夹具的设计。

在设计组合机床之前,首先根据阀体零件的加工要求和结构尺寸特点制定两种工艺方案,比较两种方案的优缺点,包括端面孔系统的加工方法、零件定位和夹紧形式以及组合机床的配置形式。然后,根据端面孔系统的加工工艺方案,组合机床的整体设计,即三图一卡,包括绘制加工零件的工艺图;确定加工示意图,确定装载高度与部件之间的尺寸和位置关系,确定一般部件的型号和规格,绘制机床联系尺寸总图;确定机床生产效率计算卡。然后是多轴箱的整体设计,包括传动系统的设计、主轴直径和齿轮模数的确定以及所需动力的计算。然后对多轴箱进行整体设计,包括传动系统的设计、主轴直径和齿轮模数的确定以及所需功率的计算。最后,设计定位支撑系统、夹紧机构和刀具导向机构,完成机床的行程控制。

本文设计了加工阀端面孔系统的组合机床制造过程,包括组合机床的整体设计、多轴箱和夹具设计,在实际组合机床的生产中发挥了一定的指导作用。同时,可以进一步考虑机床工作过程中的应力,提高加工制造的精度和可靠性。

关键词:阀体;组合机床;多轴箱;夹具

(黑体小4号) (宋体5号)

ABSTRACT

(Times New Roman 小二号加粗居中)

As a "machine tool" in the field of machining, machine tools have developed more mature after long-term accumulation. In order to reduce the design and development cycle of machine tools and improve production efficiency, modular machine tools came into being. The main task of this paper is to design a modular machine tool that can meet the requirements of drilling 6 holes on the end face of the valve body. It mainly describes the research background and significance of the subject, determines the processing technology scheme of valve body parts, and completes the design of modular machine tool, multi axle box and fixture.

Before designing the modular machne tool, firstly, two process schemes are formulated according to the processing requirements and structural size characteristics of valve body parts. By comparing the advantages and disadvantages of the two schemes, the better processing process scheme is selected, including the processing mode of end face hole system, part positioning and clamping form, modular machine tool configuration form and so on. The "overall process diagram" of the machined end face is drawn according to the "overall process diagram of the machine tool", and then the machined end face is designed according to the "overall process diagram of the machine tool"; Carry out tool selection, calculation of cutting parameters, selection of extension rod and spindle, preliminary selection of guide device and determination of total stroke of power components, so as to complete the drawing of machining schematic diagram; Determine the loading height of the machine tool, the size and position relationship between components, as well as the model and specification of general components, and complete the drawing of the general drawing of the contact size of the machine tool; Determine the calculation card of machine tool production efficiency. Then the overall design of multi axle box is carried out, including the design of transmission system, the determination of spindle diameter and gear module, and the calculation of required power. Finally, the positioning support system, clamping mechanism and tool guide mechanism of the fixture are designed to complete the stroke control of the machine tool.

This paper designs the whole manufacturing process of the modular machine tool for machining the end face hole system of the valve body, including the overall design of the modular machine tool, the design of multi axle box and fixture, which plays a guiding role in the actual production of the modular machine tool. At the same time, the stress in the working process of the machine tool can be further considered to improve its machining accuracy and reliability.

(Times New Roman 小4号,1.5倍行距)

motion control; autopilot; neural ;GIS

(Times New Roman 4号 加粗)

  1. 绪论

1.1课题研究背景

工业化水平是一个国家综合国力的体现,属于工业中的“母体”工业,是我国机械生产装备制造业的重要组成部分。随着世界一体化进程的加快,如何利用低能耗、高效率且具有一定柔性的加工工艺设备来制造符合要求的高精度、高性能的产品已是当今该领域国内外的共同目标。组合机床具有加工精度高、加工范围广、生产率高、灵活性好等优点,能够满足各种专用零件的生产要求,已广泛应用于机械工业。

组合机床作为一种生产专用部件的机床,按照工件既定工序设计制造,具有一系列标准化、系列化等特点的通用部件,有较高的生产效率。据统计,通用部件通常占整个组合机床部件总数的80%左右,制造不同的零件时只需要更换不同的通用部件。同时因所生产制造的工件形状及工艺不同,所设计的专用部件也会有所不同。因此最终生产出的组合机床种类较多,根据机床的加工面数来分类,其包括单面组合机床、多面组合机床等;根据机床主轴的安置形式来分类,其包括卧式、立式等[2]。目前组合机床已广泛应用于工程机械、交通、军工等众多行业,如图1.1所示,对其进行设计研究具有重要工程意义。

图1.1组合机床实物图

因此,本设计根据所要加工的阀体端面的产品特点,结合组合机床上通用部件的结构加工特点,选取最佳的加工工艺方案与机床配置的形式,完成多工序的加工内容。同时在整个设计程序中,先后进行刀具、夹具和其他专用部件的设计,最终完成一台配置较为合理、加工性能稳定、生产效率高同时操作人性化的组合机床。

1.2组合机床国内外研究现状

1.2.1组合机床国内研究现状

在我国,组合机床已经发展了28年,它的研究与生产已经有了一定的基础,应用已经渗透到了许多工业领域,是目前我国机械工业实现产品升级、技术革新、提高生产率以及快速发展的重要设备[3]。组合机床及自动线是一种具有机电一体化、高度自动化特征的完整生产技术设备。其优点是效率高、稳定性好、经济实用,在工程机械、交通运输、能源、军工、轻工、家电等行业得到了广泛的应用。我国传统的组合机床和组合机床自动化线主要通过机械、电力、气动、液压等控制方式,用于制造大批量的大中型箱体和轴类(最近几年开发的加工连杆、板件),完成钻孔、扩孔、铰孔,加工各种螺纹、键孔、车端面和凸台,加工各种形状的凹槽,铣削平面和成形面等。组合机床种类较多,有单面、双面、三面、水平、垂直、倾斜、复合,以及多工位旋转台组合机床等。随着技术的发展,一种新的组合机床—柔性组合机床得到了广泛的关注[4],其主要用于多工位主轴箱、可换主轴箱、编码随行夹具、刀具的自动替换、可编程控制器(PLC)以及数字控制(NC)等,可以改变工作循环控制与驱动系统,实现多种加工的可调可变。此外,组合机床的加工中心、数控组合机床、辅助机床等在组合机床的市场中占有较大的比重。

组合机床和自动生产线是一项技术要求高的机械加工专用产品,针对客户的具体需求而专门研制,包括加工工艺、刀具、测量、控制、诊断监控、清洗、装配和试漏等技术。目前,我国组合机床和自动生产线的整体技术水平与世界先进水平相比较低,部分高端组合机床和自动生产线均依赖于国外。大量进口工艺设备必然会加大投资规模,增加产品的生产成本[5]。故市场对新技术、新工艺、新产品的需求强烈,需要机床从“刚性”转向“柔性”,以适应实际生产的需求,真正实现刚柔并济自动化设备的制造[6]。

1.2.2组合机床国外研究现状

从80年代以来,在满足高精度、高效率要求的前提下,国外的组合机床技术正在向着具有柔性和一体化的方向发展[7]。在加工精度、多品种加工柔性、机床结构的灵活性等方面,都取得了新的突破,实现了机床工作程序软件化、工序高度集中、高效短节拍和多功能监控等多方面成功。组合机床技术的发展方向如下:

(1) 广泛应用数控技术

目前,国外各大组合机床制造商都已形成一套系列化一体的数控组合机床通用部件。不仅在一般动力部件上应用数控技术,其夹具的转位与转角、换箱装置的分度、定位等均采数控技术,使其工作可靠性和精确度得到了进一步的改善。

(2) 发展柔性技术

自80年代起,中大批量、多品种的加工设备采用了一套可调、变、换的措施,使得加工设备具备了一定的灵活性。例如,在研制了具有旋转塔动力头、可更换主轴盒等部件的组合机床的同时,还针对加工中心的发展,研制了二坐标和三坐标模块化加工单元,并在此基础上形成了柔性加工自动线(FTL)[8]。这一结构的改变,不仅能够实现对多个品种的加工需求的迅速变化与调整,还可以使机床配置更加灵活、多变。

(3) 发展综合自动化技术

随着汽车行业的快速发展,对自动化技术的要求越来越高。其大规模生产的高效性要求,制造系统不仅要实现常规的机械加工工序,还要满足从毛坯进线到产品的整个生产过程要求,甚至产品下线的自动码垛和装箱。德国大众KASSEL变速箱工厂于1987年投产,它的齿轮箱和离合器壳体是一个典型的集成自动化生产系统,其系统采用两条类似对称排列的自动生产线构成,三班制作业,每条生产线日产2000个,节拍为40秒。

该生产线包括12台双面组合机床、18台三坐标加工单元、空架机器人、两端的毛坯仓库、三坐标测量机等。空架机器人在生产线上进行堆叠和装箱。随着自动一体化技术的不断发展,一大批专门从事装配、测试、检测、清洗等设备的生产企业不断涌现,使整个生产体系的整体水平得到了极大的提升。

(4) 进一步提高工序集中程度

为了减少加工设备的数量和占用空间,国外不断采取各种措施,以进一步提高加工的集中度。如使用十字滑台、多坐标通用零件、移动主轴箱、双头打孔车端面头等组合机床,以及夹具位置设置刀库,使工序集中并达到设备的效率最大化目的,取得更好的经济效益[9]。在上述领域,我国的组合机床装备仍存在着较大的差距,因此,高速度、高精度、柔性、模块化、可调、可任意加工和通讯技术应用等领域将成为未来的发展趋势。

1.3课题研究内容

了解零件的工艺再设计出毛坯的结构,并选择好零件的加工基准,设计出零件的工艺路线;接着对零件各个工步的工序进行尺寸计算,关键是决定出各个工序的工艺装备及切削用量;然后进行专用夹具的设计,选择设计出夹具的各个组成部件,如定位元件、夹紧元件、引导元件、夹具体与机床的连接部件以及其它部件;计算出夹具定位时产生的定位误差,分析夹具结构的合理性与不足之处,并在以后设计中注意改进。

  1. 阀体零件的加工工艺设计

2.1阀体零件分析

2.1.1阀体零件结构分析

本文所设计的组合机床被加工零件是某阀体。零件所使用的材料为HT20-40,灰铸铁属于脆性材料,故不能冲压[10]。但灰铸铁的铸造性能和切削加工性能优良。如图2.1所示,阀体端面的孔呈非对称分布,各个孔方向与端面90°垂直,厚度方向尺寸为25mm,端面粗糙度要求为Rz=0.8μm。各部分M6孔之间的角间距为90°。阀体两侧是两个宽度为28mm的凸台,其通过孔与内部进行连通,同时在端面内部包含两个Φ34.5mm的半圆孔和宽度为33mm的槽。

图2.1 阀体零件结构简图

2.1.2阀体零件的工艺技术要求

以下是本零件需要加工的表面以及加工表面之间的位置要求:

(1) 以基准面B为基准的加工面,这组加工面包括,基准面B面和基准面B对应的面,还有宽33mm的槽,和2个Φ34.5mm的孔,其中基准面B对应的面相对于基准B的平行度上0.15。其中下面Φ34.5的端面跳动为0.15。

(2) 一个是以上下底面互为基准的加工面,这个主要是上下底面和6-M6丝孔和2-Φ7孔。

(3) 以底面和2-Φ7孔为基准的加工面,这组加工面主要是2-G3/8的孔。

2.2阀体零件定位与夹紧形式

阀体零件通过组合机床加工时,需要使用夹具对其位置进行一定的固定,保证阀体零件被加工时不会与刀具发生相对运动,因此可以通过各种类型的定位元件达到该目的[12]。根据被加工件的种类和尺寸结构,定位元件可以分为平面定位元件、圆孔表面定位元件、外圆表面定位元件以及组合表面定位元件等多种。阀体零件结构较为复杂,需要采用组合表面定位元件对其进行定位。当组合机床加工阀体类零件时,采用的定位方法通常有“一面两孔”法、“三平面”法等。

本文采用的定位方法为“一面两孔”法,该种方式是机床加工时常用的一种定位方法,它首先将工件其中一个表面作为第一定位基准,然后将垂直于第一定位基准的两个孔作为另外两个基准,从而将工件进行固定。根据需进行钻孔加工的阀体零件尺寸结构,第一定位基准可以选择为与夹具相接触的阀体零件左端面B,即为“一面”,限制阀体零件三个自由度,包括两个方向的旋转自由度和一个方向的位移自由度;“两销”则是通过两个圆柱销与阀体零件上的孔相配合而起作用,其同样可以限制三个自由度,包括一个方向的旋转自由度和两个方向的位移自由度,从而可以实现对阀体的完全固定,如图2.2所示。该阀体零件利用夹具进行夹紧,夹紧方式为液压装置夹紧,根据阀体零件的外观结构以及组合机床的配置形式,液压装置对组合机床两侧杆件接触施力,夹住阀体零件的上下端进行夹紧。

图2.2阀体零件定位与夹紧

2.3阀体零件工艺方案选择

根据被加工阀体的加工精度要求,部分孔的加工需要经过钻、扩、铰三个工序来完成,钻孔工序为初步粗略钻出孔,去除大量多余材料;扩孔工序为在已经钻出孔的基础上,进一步加工扩大孔径,同时也可以对孔的轴线进行纠正,减少偏差;铰孔工序为利用铵刀对孔精加工的过程,以此满足孔的加工质量与加工精度满足生产要求。考虑到阀体端面孔的分布和尺寸特点[11],现提供了两种工艺方案进行对比选择:

方案一:针对阀体零件,端面需要加工的孔数量较多,排列分布不均匀。且材料塑性较差,在进行组合机床加工之前,需要一些预处理工作。因此,方案一分为13个工序,首先要进行铸造和时效处理,然后后续工序为铣前后端面和底面—钻2-Φ7孔和Φ13孔—铣宽70mm的2端面—钻2-3G /8的孔—铣宽33mm的槽—镗Φ34.5内圆—钻、扩、绞Φ5的孔—钻M6螺纹孔—精铣前后端面,最后完成检验工序,使其满足使用要求。

方案二:与方案一较为相似,在孔加工顺序上做了一些改动。经过铸造和失效处理工艺后,后续工序为铣下端面、前后端面和左右端面—车2-34.5孔—铣宽32槽—钻2-G3/8—钻6-M6孔—钻2-5销孔—钻2-7孔,最后同样进行检验。

工艺方案一和方案二的区别在于方案二铣完宽32的槽后随即钻2-G3/8的螺纹孔,这样不利于保证钻孔时的定位,而方案一在钻了2-7的孔后,再钻2-G3/8孔,这样可以利用2-7的孔作为定位基准,同时方案二增加了磨这道工序,因为0.8粗糙度精铣就可以满足要求,故不需要再磨削了,综合考虑我们选择方案一。

2.4组合机床配置形式

本文选用的是立式组合机床,使用的是固定式夹具单工位组合机床,因为此工件加工孔的端面平整,6孔可同时加工,而且孔的直径不大,所需要的切削力不大,6个孔的深度是25mm,而且是通孔,在钻孔和攻丝时,铁屑可直接掉下去,防止铁屑影响加工精度,而且工件的形状适合立式组合机床的加工。故选用固定夹具单工位的立式组合机床。

  1. 组合机床总体设计

3.1被加工零件工序图

本文被加工的零件为阀体,被加工零件工序图为根据零件图上的尺寸标注,在确定了加工工艺方案之后,将所设计的组合机床需要的加工工艺内容在图上进行绘制和说明。其内容主要为:被加工零件阀体的材料、硬度、加工位置以及加工前的加工余量等,被加工零件的技术要求、尺寸要求、表面粗糙度、精度要求以及零件的定位、夹紧形式等信息。这些是设计组合机床的基础信息,同时可以为最终的精度检测提供技术依据参考。其具体内容主要包括以下几点:

(1)了解被加工零件阀体的结构尺寸特点,需要加工的孔与阀体端面呈90°垂直且数量较多,在加工孔的过程中需要采用导向机构来保证刀具的刚度与加工精度,因此可以在工序图上绘制出零件的剖面图,避免夹具、刀具和零件之间发生干涉。

(2)阀体零件被加工孔所使用的加工工艺包括钻、扩和铰三个工序,需要表明各个工序下的孔直径大小、深度以及位置等精度信息,以及表面粗糙度和配合公差等要求。

(3)为对后续的夹具、导向机构进行设计,工序图应用相应符号说明出零件的定位基准、自由度限制以及夹紧方式等。

3.2加工示意图

3.2.1刀具选择

由于刀具与阀体零件直接接触进行加工,直接影响着加工效率和加工精度,是组合机床的重要组成部分。同时不同孔类型的加工要求有区别。因此,针对不同类型的孔,应选用不同材料的刀具,在钻孔时选用高速钢,扩孔和铰孔时选用硬质合金钢,如表3.1所示。

表3.1 刀具选择

孔类型

孔直径d/mm

刀具材料

钻孔

φ4.8/φ5/Φ7

高速钢

扩孔

Φ13

硬质合金

铰孔

Φ5

3.2.2切削用量计算

切削用量是指不同加工工序的切削速度vc和进给量f,该处主要对钻6-φ4.8孔进行分析,计算出其进给量f、切削速度vc、转速n、切削力F、切削扭矩M和切削功率P,扩孔和铰孔与其计算方式类似,这里不做过多说明。

(1)进给量

查表可知,材料为高速钢钻的进给量f=0.07-0.12mm/r,这里选择f=0.1mm/r。

(2)切削速度vc

查表可知,材料为高速钢钻的切削速度vc=16~24m/min, 这里选择vc=20m/min

(3)机床主轴转速

由公式计算可得:

                                

式中,vc为切削速度,单位为m/min;d为钻头直径,单位为mm。

与1327r/min相近的机床转速为1250r/min。现选取n =1250r/min。故实际切削速度为18.84m/min。

(4)切削力F

用选定的进给量 f 和材料硬度HB确定切削力F,作为选择动力部件及夹具设计的依据。由下式计算可得:

                   

(5)转矩T

利用f确定切削转矩T,以用来后续计算主轴、传动件(齿轮、传动轴)的尺寸,由下式计算可得:

              

                           

(6)切削功率P

利用 v 确定切削功率 P,用以选择主传动电机功率。

                        

攻丝切削速度4-8m/min,取8m/min,则:

                          

取总功率P=104.5w,故6轴同时加工所需的切削力为:

                                   

6轴同时加工所需的总功率为

                                   

将上述各种计算进行汇总,得到结果如表3.2所示。

表3.2 切削用量计算结果

类型

钻孔

孔径d/mm

φ4.8

进给量f/(mm/r)

0.1

切削速度vc/(m/min)

18.84

转速n/(r/min)

1250

切削力F/N

475.2

切削扭矩T/Nm

749.9

切削功率P/KW

104.5

总切削功率P/KW

627

3.2.3接杆与主轴选择

组合机床主轴和刀具需要进行连接,其方式较多,通常可使用接杆连接(刚性)、浮动卡头连接(浮动)等,当进行加工钻、孔、铰孔和倒角等小孔时,通常会选择接杆连接,此时主轴是非刚性主轴。本课题通过组合加床对阀体端面的孔进行钻、扩和铰等多个工序加工,组合机床上各接触部分的连接顺序为:被加工孔—刀具—接杆—主轴,主轴的直径尺寸可以根据被加工孔来确定,查阅资料计算公式如下所示:

                                                                                                                    

式中,B为系数,当主轴非刚性时取值6.2;

M为刀具切削扭矩,单位为Nm。

3.2.4导向装置初选

组合机床在对孔加工时,采用通过主轴连接加工的方案,利用夹具导向来保证零件的尺寸和位置精度。因此,正确选择合适的导向机构,并确定其主要参数与精度,是设计组合机床的关键部分,同时也可以解决设计加工示意图时需要的问题。钻模板可以用于满足钻孔时机床的导向要求,攻丝靠模用作攻丝孔时的导向装置。

本文设计的组合机床夹具选择可换导向套对刀具进行导向。根据阀体的外形结构分析,阀体下端靠近底面位置有突起的法兰边,夹具左支架与之相接触,若将导向套全部安装在夹具支架上,输送阀体进入夹具时会导致干涉发生,影响机床正常加工。因此将阀体左侧面导向套可以分成两部分,一部分导向套安装在夹具左支架上;另一部分则安装在专门设计出的活动钻模板上,解决遇到的干涉问题。

3.2.5动力部件总行程确定

动力部件总行程以动力刀具的工作循环为基础。工作循环通常包含快进、工进和快退运动,可能还会包括停留和往复进给等。图3.1为加工阀体零件的动力部件总行程。

图3.1动力部件总行程

3.3机床联系尺寸总图

图3.2 组合机床联系尺寸图

图3.2为阀体加工的组合机床联系尺寸图,即机床的总体外观图,是“三图”中的最后“一图”。机床联系尺寸图通过机床的外观简图表明了机床的整体配置形式,以及各个专用部件之间的尺寸和位置关系,通用部件的型号和规格,动力部件总行程等多方面内容。该图可以方便检查部件选择的合理性,确定各部件的尺寸和位置关系能否满足需求。

3.4生产效率计算卡

3.4.1组合机床生产效率计算

图3.3 生产率计算卡

机床生产效率代表机床在满负荷下单位小时的生产能力。本文可以通过考虑加工单个工件需要的机动时间(t机)和(t辅)。辅助时间代表组合机床空行程(包括动力头快进、快退、工作台的移动、电气和液压元件的转换动作等方面)以及工件的装拆、定位夹紧和清除定位面上碎屑需要的时间。图3.3为阀体零件被加工的生产率计算卡。

3.4.2组合机床最大允许负荷率确定

组合机床经过长久的发展,在设计、制造和使用等方面经验有较多的积累,但是对于计算组合机床最优负荷率和确定组合机床利用系数方面有所不足。通常对组合机床进行设计时,一般忽略对时间损耗的计算,根据工程经验并结合现有负荷率的大量统计数据,来获得组合机床最大允许负荷率。因此实际工作时组合机床的负荷率与该数据存在一定的误差。由现有组合机床的工程经验可知,组合机床较优的负荷率为0.75~0.90。

3.5组合机床工作循环

组合机床的工作循环是指完成单个工件,机床进行的整个动作过程。对于阀体端面钻孔组合机床而言,依次按下启动和自动加工按钮,推杆首先退至送料开始位置,然后推杆旋转,输送装置摆臂伸出送料,缓冲、到位之后,插销阀体动作插销,接着对零件进行夹紧,继电器发出信号后,组合机床开始正式进行孔加工,孔加工完成后,机床的夹具放松并拔销,结束一个工作循环。

  1. 多轴箱总体设计

4.1多轴箱传动方案设计

在进行传动方案设计时,被加工挺杆孔的位置、尺寸精度和动力箱上的驱动轴位置、能够提供的转速两方面内容需要考虑在内。针对本阀体钻扩饺组合机床,多根主轴同时对不同高度且角度相距90°的端面孔进行加工,从而多可以确定主轴箱上的主轴位置。转塔动力头的型号选择1LYZ402,转速为v=1250r/min,伸出长度L=45mm。据此,初步拟定轴箱传动方案。

图4.1为加工阀体零件的传动方案,由一根油泵轴将动力传递给多根主轴。该种方案的优点是传动效率较高,但占用的多轴箱空间较大,造成难以满足各轴之间的最佳传动比(1~1.5)。

图4.1 传动方案

4.2主轴、齿轮的确定及动力计算

4.2.1主轴型式、直径和齿轮模数的确定

主轴型式和直径由被加工零件的工艺方法、刀具与主轴的联接形式、刀具的进给力以及切削转矩所决定。如钻孔时一般选择滚珠轴承主轴;但在扩、镗、饺孔时通常选择滚锥轴承主轴;另外当主轴距离较小时会选择滚针轴承主轴。

主轴直径通过加工示意图得到的主轴类型和外伸尺寸来确定。传动轴的直径可根据主轴直径大小来确定,在齿轮传动系统设计完成之后进行关键轴颈的验算。

主轴的直径为:(查表得B=7.3)

                           

与16.15mm相近的标准主轴为20mm。现选取d=20mm。

按刚度条件计算主轴直径为:

                          

故主轴刚度足够,查表可选取32/20的短主轴。

齿轮模数m(单位:mm)通过类比法选择,本组合机床齿轮模数选择为2mm。

4.2.2多轴箱所需动力的计算

计算进给力和多轴箱所需要的动力P多轴箱两部分内容。由公式:

                                           

                                    

                                    

                                    

式中, 为切削功率,单位:KW;

为空转功率,单位:KW;

为功率损失,单位:KW;

根据经验,每根轴上的功率损失取为传递功率的1%。

钻孔时:

                                   

扩孔时:

                                  

4.3多轴箱的传动设计及校核

4.3.1驱动轴、主轴坐标

由上文计算可得,钻孔、扩孔加工时的转速要保持基本一致,同时为了有利于通用部件的选择,在设计的时候应使得两工序取值基本一致,对驱动轴、主轴的坐标进行计算,所得结果如图4.2所示。

图4.2 驱动轴、主轴坐标图

4.3.2传动系统校核计算

(1)传动件强度校核

BCAD计算机辅助设计可以对多轴箱系统进行传动系统进行校核计算,当获得的轴、齿轮的强度与轴承的寿命等某一项指标不符合规定要求时,该系统将会根据可能,优化有关传动件参数。例如当计算某传动轴上承受转矩超过规定允许值时,则系统将会根据多轴箱的空间信息,对该轴的直径进行自动加大,然后反复校核是否满足要求;若多轴箱预留空间较小,无法加大轴径,就会系统就会报出错误信息,指出该轴不符合强度要求,需要重新设计方案,直至其符合要求。

本组合机床的多轴箱经过多次计算校核后显示该设计满足其强度要求。

(2)几何干涉校核

为了检查多轴箱系统中各个传动件和支承件之间是否会发生碰撞现象,需要对该部分进行几何干涉校核,以保证系统能够正常运行。虽然多轴箱传动部件模块较多,但每选用一个设计部件模块时,都需要进行一次几何干涉校核。若发现部件之间存在几何干涉,系统就会报出错误信息,需要对其进行修改,直至符合要求。

该组合机床需要检查的部分有:齿轮与非啮合齿轮是否碰撞;齿轮与轴、套是否碰撞;齿轮与箱体壁是否碰撞;齿轮与螺纹上凸台是否碰撞;轴承与轴承是否干涉;液压泵体及其接头与传动轴端是否碰撞等多种。

完成上述工作之后,BCAD系统可以自动绘制出阀体多轴箱的总装图、装配表、箱体和箱盖等补充加工图,以及变位齿轮、专用件零件图、零件明细表等。多轴箱的总装图可见附录。

  1. 夹具的设计

5.1定位支承系统

工件的定位,即限制工件装夹使其在夹具中维持确定的合适位置,需按照六点定位原理并避免整体欠定位和过定位现象的出现[13]。夹具支承系统,需要支持夹具的夹紧力、工作时的切削力还有工件的部分反冲力。定位支承系统平台是产品的设计基础,合理地对其设计与选择是保证机床稳定和定位精度关键部分。

图5.1 阀体定位机构

分析阀体外形可知,其左右端面具有平整的支撑面,可以用作定位面,在与端面呈90°的方向上加工两个孔,分别用于一个圆柱定位销和一个菱形定位销的配合安装,满足“一面两销”定位的需求。该定位方式限制阀体零件的6个自由度,实现完全固定。定位销选择插拔销机构,如图5.1所示。当阀体零件完成加工后,撤回所用的菱形销和圆柱销,完成一个工作循环。

5.2 夹紧机构

夹紧动力部件、中间传动部件以及夹紧元件三个部分共同组成被加工件的夹紧机构。这三个部分的作用分别是:夹紧动力部件用于提供力源,然后把作用力传送给中间传动机构;中间传动机构可以改变作用力的方向与大小,同时能启动自功能,使得在加工过程中出现力源消失意外情况时,工件在切削力或者振动的作用下仍能被夹紧;夹紧元件是用于承受由中间传动机构所传送的夹紧力,同时与工件直接接触进行夹紧动作。

组合机床夹具的夹紧机构种类较多,按夹紧特性分类,有直接夹紧机构与自锁夹紧机构两种;按夹紧力来源分类,有手动夹紧与自动夹紧机构两种,且自动夹紧机构又包括气动、液压、自动扳手和弹簧夹紧机构等多种。

设计夹紧机构之前应将如下几项确定:夹紧力作用点、方向与大小;夹紧动力的种类;合理的夹紧机构示意图与传动方式等。其中夹紧力的作用点和方向在制定机床方案时进行确定,在被加工零件工序图中被标明。

图5.2 阀体夹紧机构

图5.2为阀体夹紧机构,该工件的夹紧机构选用液压缸驱动,液压缸活塞杆上安装有螺钉,螺钉与楔铁连接,液压油带动活塞杆和楔铁运动实现夹紧与放松。楔铁上有两个作用斜面,其中一个斜面坡度较小,在压块与工件接触后缓慢夹紧时起作用,以提高夹紧和防松工件时的平稳性;另外一个斜面坡度较大,在压块进行快进和快退操作时起作用,减少辅助加工时间,提高生产效率。

5.3 刀具导向机构

图5.3为加工阀体所用刀具的导向机构,使用滑移式钻模板作为主要支承元件。根据阀体端面的定位基准尺寸,为了能够让钻孔导向套尽量接近被加工件的表面,在夹具设计过程时,需要将钻模板设计为可滑移式。为了当松开紧固螺钉时滑移钻模板可到达规定位置,在夹具体两端加工一个定位槽,在钻模板底部安装相应的定位键,从而并确保模板调整后的位置精度较高。

图5.3 阀体刀具导向机构

5.4 机床行程控制

图5.4为机床的工作行程,阀体端面尺寸较小,端面孔分布范围小,主轴箱主轴强度能够满足技术要求。因此,可以对端面的孔系进行同时加工,中间滑台可以设置在夹具下面,通过滑座上滑台的移动来达到在两工位之间移动的目的(移动式工作台),本多工位移动式工作台通过液压驱动(滑台油缸:缸径为130,行程为200),为避免加工中工件振动,保证较高的加工精度,移动工作台通过使其顶在死挡铁上进行夹紧,移动工作台利用电气挡铁控制其各项动作,主要控制其压力和行程两方面内容,然后发出工作台进行移位动作后的定位信号。压力控制是通过压力继电器,能够保证移动工作台无缝隙顶紧在死挡铁上,保证其高定位精度。行程控制则是通过电气限位开关,工作台能够稳定到位,避免在只有压力控制情况下,因意外故障导致压力升高,发出错误的动作信号。另外,本组合机床为了避免移动工作台进行定位时产生过大的冲击,选择使用行程节流阀,使移动工作台能够实现先快进,再慢进,让动撞块接近定位挡铁(定撞块)时速度放缓,实现平稳停靠的目的。

图5.4 机床工作行程

设  计  总  结

本设计以阀体端面钻6孔组合机床为研究对象,对其加工工艺进行分析和设计,绘制出被加工件的“三图一卡”并设计出对应的组合机床、多轴箱和夹具,主要工作内容如下:

(1)分析阀体零件的结构、尺寸以及材料的性能特点,提供端面孔系两种不同的加工工艺方案,进行分析,对比其优劣确定较优的方案。

(2)根据阀体的加工工艺方案和技术要求,设计被加工零件工序图;然后确定孔加工的刀具,计算出切削用量, 设计接杆、主轴和导向装置,绘制加工示意图;接着确定一些通用部件,绘制机床联系尺寸总图并编制生产率计算卡,完成阀体加工的“三图一卡”。最后确定组合机床的工作循环。

(3)对多轴箱的传动方案进行设计,计算出主轴的直径、齿轮模数和所需的动力并进行系统校核;然后根据阀体结构和机床配置型式,设计出其专用的夹具和钻模板,完成夹具的装配图绘制。

参  考  文  献

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[13] 庆烁烁. 薄板件钻孔夹具定位布局多目标优化设计方法研究[D].西安理工大学,2021.

附    录

A 阀体多轴箱总装图

B 阀体机床尺寸联系图

C 加工示意图

D 被加工零件工序图

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