柴油機(jī)機(jī)體缸孔粗鏜組合機(jī)床及夾具設(shè)計(jì)

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組合機(jī)床是根據(jù)工件加工需要,以大量通用部件為基礎(chǔ),配以少量專用部件組成的一種高效的專用機(jī)床。組合機(jī)床一般采用多軸、多刀、多工序、多面或多工位同時(shí)加工的方法，生產(chǎn)效率比通用機(jī)床高幾倍至幾十倍。由于通用部件已標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，可根據(jù)需要靈活配置，能縮短設(shè)計(jì)和制造周期。因此，組合機(jī)床兼有低成本和高效率的優(yōu)點(diǎn)，在大批、大量生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，并可用來(lái)組成自動(dòng)生產(chǎn)線。組合機(jī)床及其自動(dòng)線是集機(jī)電于一體的綜合自動(dòng)化程度較高的制造技術(shù)和成套工藝裝備。它的特征是高效、高質(zhì)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用,因而被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、交通、能源、軍工、輕工、家電等行業(yè)。我國(guó)傳統(tǒng)的組合機(jī)床及組合機(jī)床自動(dòng)線主要采用機(jī)、電、氣、液壓控制,它的加工對(duì)象主要是生產(chǎn)批量比較大的大中型箱體類和軸類零件(近年研制的組合機(jī)床加工連桿、板件等也占一定份額),完成鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔,加工各種螺紋、鏜孔、車端面和凸臺(tái),在孔內(nèi)鏜各種形狀槽,以及銑削平面和成形面等。組合機(jī)床的分類繁多,有大型組合機(jī)床和小型組合機(jī)床,有單面、雙面、三面、臥式、立式、傾斜式、復(fù)合式,還有多工位回轉(zhuǎn)臺(tái)式組合機(jī)床等;隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,一種新型的組合機(jī)床——柔性組合機(jī)床越來(lái)越受到人們的青睞,它應(yīng)用多位主軸箱、可換主軸箱、編碼隨行夾具和刀具的自動(dòng)更換,配以可編程序控制器(ＰＬＣ)、數(shù)字控制(ＮＣ)等,能任意改變工作循環(huán)控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),并能靈活適應(yīng)多品種加工的可調(diào)可變的組合機(jī)床。另外,近年來(lái)組合機(jī)床加工中心、數(shù)控組合機(jī)床、機(jī)床輔機(jī)(清洗機(jī)、裝配機(jī)、綜合測(cè)量機(jī)、試驗(yàn)機(jī)、輸送線)等在組合機(jī)床行業(yè)中所占份額也越來(lái)越大。二十世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著可轉(zhuǎn)位刀具、密齒銑刀、鏜孔尺寸自動(dòng)檢測(cè)和刀具自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展，組合機(jī)床的加工精度也有所提高。組合機(jī)床未來(lái)的發(fā)展將更多的采用調(diào)速電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠等傳動(dòng)，以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、縮短生產(chǎn)節(jié)拍；采用數(shù)字控制系統(tǒng)和主軸箱、夾具自動(dòng)更換系統(tǒng)，以提高工藝可調(diào)性；以及納入柔性制造系統(tǒng)等。 國(guó)內(nèi)組合機(jī)床近幾年取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品水平、開(kāi)發(fā)能力、產(chǎn)業(yè)規(guī)模、制造技術(shù)水平、勞動(dòng)生產(chǎn)率、國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)占有率等諸多方面尚存在不少差距。在組合機(jī)床方面，總體水平不高，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)，不能充分滿足國(guó)內(nèi)建設(shè)需要，關(guān)鍵技術(shù)過(guò)分依賴國(guó)外，自主發(fā)展能力薄弱，高技能人才的比較優(yōu)勢(shì)有弱化的危險(xiǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，用戶服務(wù)水平差距較大。 本次設(shè)計(jì)的課題是TY2100柴油機(jī)機(jī)體缸孔粗鏜組合機(jī)床總體及夾具設(shè)計(jì)。該課題來(lái)源于江淮動(dòng)力集團(tuán)。該集團(tuán)生產(chǎn)的S195柴油機(jī)、ZH1105柴油機(jī)銷路十分走俏，市場(chǎng)需求量大，暢銷國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)?，F(xiàn)在該集團(tuán)迫切需要改善現(xiàn)有的生產(chǎn)條件，進(jìn)行提高生產(chǎn)率、改善產(chǎn)品質(zhì)量方面的技術(shù)改造，使產(chǎn)品的合格率上升，增加產(chǎn)量，適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要，提高經(jīng)濟(jì)效益。 由于柴油機(jī)機(jī)體需大批量生產(chǎn)，為了提高加工精度，降低成本，有必要設(shè)計(jì)一種組合機(jī)床來(lái)滿足柴油機(jī)機(jī)體上下兩面同時(shí)鉆孔的需要。本次設(shè)計(jì)分總體設(shè)計(jì)、夾具設(shè)計(jì)、液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)三部分。我主要負(fù)責(zé)夾具部分的設(shè)計(jì)，總體設(shè)計(jì)由我和另外二位同學(xué)共同完成。在設(shè)計(jì)組合機(jī)床過(guò)程中，組合機(jī)床夾具的設(shè)計(jì)是整個(gè)組合機(jī)床設(shè)計(jì)工作的重要部分之一。雖然夾具零件的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，使設(shè)計(jì)工作量大為減少，設(shè)計(jì)周期大為縮短，但在夾具設(shè)計(jì)過(guò)程中，在保證加工精度的前提下，如何綜合考慮生產(chǎn)率、經(jīng)濟(jì)性和勞動(dòng)條件等因素，還有一定的難度。 設(shè)計(jì)該組合機(jī)床思路如下：仔細(xì)分析零件的特點(diǎn)，以確定零件合理可行的加工方法（包括安排工序及工藝流程，確定工序中的工步數(shù)，選擇加工的定位基準(zhǔn)及夾壓方案等），確定工序間加工余量，選擇合適的切削用量，確定組合機(jī)床的配制形式；根據(jù)被加工零件的工藝要求確定刀具，再由刀具直徑計(jì)算切削力，切削扭矩，切削功率，然后選擇各通用部件，最后按裝配關(guān)系組裝成組合機(jī)床。 在總體設(shè)計(jì)中，首先是被加工零件的工藝分析，然后是總體方案的論證，在比較了許多方案之后，結(jié)合本道工序加工的特點(diǎn)最終選擇立式雙面的機(jī)床配置型式。再結(jié)合本道工序的特點(diǎn)選擇刀具。根據(jù)選擇的切削用量，計(jì)算刀具的切削力、切削扭矩、切削功率等，再確定刀具的大小和型式。在確定這些設(shè)計(jì)計(jì)算后，然后是繪制組合機(jī)床的“三圖一卡”—被加工零件工序圖、加工示意圖、機(jī)床聯(lián)系尺寸圖和生產(chǎn)率計(jì)算卡。在第3章中，主要介紹了夾具的設(shè)計(jì)。夾具設(shè)計(jì)是組合機(jī)床設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要的組成部分。夾具設(shè)計(jì)時(shí)，首先確定工件的定位方案，然后選擇夾緊方案，估算夾緊力大小，選擇夾緊液壓缸的型號(hào)，最終完成夾具的零部件設(shè)計(jì)。最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制夾具裝配圖和主要的零件圖。 2 組合機(jī)床總體設(shè)計(jì) 2.1 總體方案論證 2.1.1 加工對(duì)象工藝性的分析 A.本機(jī)床被加工零件特點(diǎn) 該加工零件為TY2100柴油機(jī)機(jī)體。材料HT250，其硬度為HRC56-62，在本工序之前無(wú)已加工的孔。 B.本機(jī)床被加工零件的加工工序及加工精度 此次設(shè)計(jì)的組合機(jī)床是完成TY2100柴油機(jī)機(jī)體上2個(gè)缸孔的加工，其具體的加工工藝如下: 直接粗鏜 ?117±0.27孔，深8.6 ?111.5孔，深11.7 ?112±0.27孔，深27 2.1.2機(jī)床配置型式的選擇 根據(jù)選定的工藝方案確定機(jī)床的配置型式，并定出影響機(jī)床總體布局和技術(shù)性能的主要部件的結(jié)構(gòu)方案。既要考慮能實(shí)現(xiàn)工藝方案，以確保零件的精度、技術(shù)要求及生產(chǎn)率，又要考慮機(jī)床操作方便可靠，易于維修，且潤(rùn)滑、冷卻、排屑情況良好。對(duì)同一個(gè)零件的加工，可能會(huì)有各種不同的工藝方案和機(jī)床配置方案，在最后決定采取哪種方案時(shí)，絕不能草率，要全面地看問(wèn)題，綜合分析各方面的情況，進(jìn)行多種方案的對(duì)比，從中選擇最佳方案。 各種形式的單工位組合機(jī)床，具有固定式夾具，通?？砂惭b一個(gè)工件，特別適用于大、中型箱體類零件的加工。根據(jù)配置動(dòng)力部件的型式和數(shù)量，這種機(jī)床可分為單面、多面復(fù)合式。利用多軸箱同時(shí)從幾個(gè)方面對(duì)工件進(jìn)行加工。但其機(jī)動(dòng)時(shí)間不能與輔助時(shí)間重合，因而生產(chǎn)率比多工位機(jī)床低。 機(jī)床的配置型式主要有臥式和立式兩種。臥式組合機(jī)床床身由滑座、側(cè)底座及中間底座組合而成。其優(yōu)點(diǎn)是加工和裝配工藝性好，無(wú)漏油現(xiàn)象；同時(shí)，安裝、調(diào)試與運(yùn)輸也都比較方便；而且，機(jī)床重心較低，有利于減小振動(dòng)。其缺點(diǎn)是削弱了床身的剛性，占地面積大。立式組合機(jī)床床身由滑座、立柱及立柱底座組成。其優(yōu)點(diǎn)是占地面積小，自由度大，操作方便。其缺點(diǎn)是機(jī)床重心高，振動(dòng)大。 在認(rèn)真分析了被加工零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及所選擇的加工工藝方案，又由組合機(jī)床的特點(diǎn)及適應(yīng)性，確定設(shè)計(jì)的組合機(jī)床的配置型式為立式液壓型式粗鏜組合機(jī)床。 2.1.3 定位基準(zhǔn)的選擇 被加工零件為TY2100柴油機(jī)機(jī)體體屬箱體類零件，本工序加工為粗鏜兩缸孔，加工工序集中、精度要求高。由于箱體零件的定位方案一般有兩種，“一面兩孔”和“三平面”定位方法。 A. “一面雙孔”的定位方法 它的特點(diǎn)是： a.可以簡(jiǎn)便地消除工件的六個(gè)自由度，使工件獲得穩(wěn)定可靠定位。 b.有同時(shí)加工零件五個(gè)表面的可能，既能高度集中工序，又有利于提高各 面上孔的位置精度。 c.“一面雙孔”可作為零件從粗加工到精加工全部工序的定位基準(zhǔn)，使零件整個(gè)工藝過(guò)程基準(zhǔn)統(tǒng)一，從而減少由基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換帶來(lái)的累積誤差，有利于保證零件的加工精度。同時(shí)，使機(jī)床各個(gè)工序（工位）的許多部件實(shí)現(xiàn)通用化，有利于縮短設(shè)計(jì)、制造周期，降低成本。 d.易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化定位、夾緊，并有利于防止切削落于定位基面上。 B.“三平面”定位方法 它的特點(diǎn)是： a.可以簡(jiǎn)便地消除工件的六個(gè)自由度，使工件獲得穩(wěn)定可靠定位。 b.有同時(shí)加工零件兩個(gè)表面的可能，能高度集中工序。 本機(jī)床加工時(shí)采用的是"一面兩銷"的定位方式。即一面是缸體底面，限制了三個(gè)方向的自由度；圓柱銷限制了兩個(gè)方向的自由度；菱形銷限制了一個(gè)方向的自由度。通過(guò)一個(gè)平面和兩個(gè)定位銷限制其六個(gè)自由度，這樣工件的6個(gè)自由度被完全約束了也就得到了完全的定位。 2.2 確定切削用量 2.2.1 選擇切削用量 對(duì)于粗鏜2個(gè)孔時(shí)，采用查表法選擇切削用量，從文獻(xiàn)[1]P.132表6-15中選取。鏜孔深度較大時(shí)，由于冷卻排屑條件都較差，使刀具壽命有所降低。降低切削速度主要是為了提高刀具壽命，并使加工較深孔時(shí)鏜刀的的壽命與加工其他淺孔時(shí)鏜刀的壽命比較接近。 切削用量選擇是否合理，對(duì)組合機(jī)床的加工精度、生產(chǎn)率、刀具耐用度、機(jī)床的布局形式及正常工作均有很大影響。組合機(jī)床多軸箱上所有的刀具共用一個(gè)進(jìn)給系統(tǒng)，通常為標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力滑臺(tái)。查文獻(xiàn)[1],40Gr鏜刀的切削用量如表2-1： 表2-1 鏜孔切削用量 工序 刀具材料 鑄鐵 粗鏜 40Gr 35-50 0.4-1.5 在選擇切削速度時(shí)，要求同一多軸箱上各刀具每分鐘進(jìn)給量必須相等并等于滑臺(tái)的工進(jìn)速度（單位為mm/min）,因此，一般先按各刀具選擇較合理的轉(zhuǎn)速(單位為r/min)和每轉(zhuǎn)進(jìn)給量（單位為mm/r），再根據(jù)其工作時(shí)間最長(zhǎng)、負(fù)荷最重、刃磨較困難的所謂“限制性刀具”來(lái)確定并調(diào)整每轉(zhuǎn)進(jìn)給量和轉(zhuǎn)速，通過(guò)“試湊法”來(lái)滿足每分鐘進(jìn)給量相同的要求，即 （2-1） 在選擇了轉(zhuǎn)速后就可以根據(jù)公式 （2-2） 選擇合理的切削速度。 A. 粗鏜?117±0.27孔 由,,,又d=117mm,初選 n=173r/min,f=0.45mm/r. 由（2－2)得:=63.6m/min B.直鏜?112±0.27孔 由,,,又d=112mm,初選 n=173r/min,f=0.45mm/r. 由（2－2)得: C.直鏜?111.5孔 由,,,又d=111.5mm,初選 n=173r/min,f=0.45mm/r. 由（2－2)得: 表2-2 加工各個(gè)孔的進(jìn)給量，工進(jìn)速度及切削速度 孔徑 切削用量 117 112 111.5 v (m/min) 63.6 60.9 60.6 f (mm/r) 0.45 0.45 0.45 n (r/min) 173 173 173 2.2.2 計(jì)算切削力、切削扭矩及切削功率 根據(jù)文獻(xiàn)[1]P.134表6-20中公式： （2-3） （2-4） （2-5） （2-6） 式中， ------圓周力（Ｎ）； ------軸向切削力（Ｎ）； T ------切削轉(zhuǎn)矩（N）； P ------切削功率（kW）； v ------切削速度（m/min）； f -------進(jìn)給量（mm/r）； D-------加工直徑（mm）； ； HB ——布氏硬度。，在本設(shè)計(jì)中， 由以上公式可得： A.粗鏜孔 , mm 由公式（2-3）得： = =1124N 由公式（2-4）得： = =160N 由公式（2-5）得： = = 65767.09Nmm 由公式（2-6）得： = =1.17kw B.粗鏜孔 , mm 由公式（2-3）得： = =1124N 由公式（2-4）得： = =160N 由公式（2-5）得： = = 62956.54Nmm 由公式（2-6）得： = =1.12kw C.粗鏜孔 , mm 表2-3加工各個(gè)孔的切削力、切削轉(zhuǎn)矩及切削功率 孔徑（mm) (N) 117 1124 160 65767.09 1.17 112 1124 160 62956.54 1.12 111.5 1124 160 62675.48 1.11 由公式（2-3）得： = =1124N 由公式（2-4）得： = =160N 由公式（2-5）得： = = 62675.48Nmm 由公式（2-6）得： = =1.11kw 2.3三圖一卡設(shè)計(jì) 2.3.1 被加工零件工序圖 被加工零件工序圖是根據(jù)制定的工藝方案，表示所設(shè)計(jì)的組合機(jī)床（或自動(dòng)線）上完成的工藝內(nèi)容，加工部位的尺寸、精度、表面粗糙度及技術(shù)要求，加工用的定位基準(zhǔn)、夾壓部位以及被加工零件的材料、硬度和在本機(jī)床加工前加工余量、毛坯或半成品情況的圖樣。除了設(shè)計(jì)研制合同外，它是組合機(jī)床設(shè)計(jì)的具體依據(jù)，也是制造、使用、調(diào)整和檢驗(yàn)機(jī)床精度的重要文件。 A.被加工零件 名稱及編號(hào)：機(jī)體 TY2100 材料及硬度：HT250 ， HBS187-251 B.定位基準(zhǔn)及夾壓點(diǎn)的選擇 針對(duì)機(jī)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用“一面兩銷”定位基準(zhǔn)。 C.圖中符號(hào) ↓夾緊點(diǎn) 定位基面 如圖所示： 圖2-1 工序圖 2.3.2 加工示意圖 加工示意圖是在工藝方案和機(jī)床總體方案初步確定的基礎(chǔ)上繪制的。是表達(dá)工藝方案具體內(nèi)容的機(jī)床工藝方案圖。零件加工的工藝方案要通過(guò)加工示意圖反映出來(lái)。加工示意圖表示被加工零件在機(jī)床上的加工過(guò)程，刀具、輔具的布置狀況以及工件、夾具、刀具等機(jī)床各部件間的相對(duì)位置關(guān)系，機(jī)床的工作行程及工作循環(huán)等。 如圖所示： 圖2-2 加工示意圖 2.3.3 機(jī)床聯(lián)系尺寸圖 機(jī)床聯(lián)系尺寸總圖是以被加工零件工序圖和加工示意圖為依據(jù)，并按初步選定的主要通用部件以及確定的專用部件的總體結(jié)構(gòu)而繪制的。是用來(lái)表示機(jī)床的配置型式、主要構(gòu)成及各部分安裝位置、相互聯(lián)系、運(yùn)動(dòng)關(guān)系和操作方位的總體布局圖。用以檢驗(yàn)各部件相對(duì)位置及尺寸聯(lián)系能否滿足加工要求和通用部件選擇是否合適；它為多軸箱、夾具等專用部件設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)；它可以看成是機(jī)床總體外觀簡(jiǎn)圖。由其輪廓尺寸、占地面積、操作方式可以檢驗(yàn)是否適應(yīng)用戶現(xiàn)場(chǎng)適用環(huán)境。 A.選擇動(dòng)力部件 動(dòng)力滑臺(tái)形式的選擇：本組合機(jī)床采用的是液壓滑臺(tái)。與機(jī)械滑臺(tái)相比較，液壓滑臺(tái)具有如下優(yōu)點(diǎn)：在相當(dāng)大的范圍內(nèi)進(jìn)給量可以無(wú)級(jí)調(diào)速；可以獲得較大的進(jìn)給力；由于液壓驅(qū)動(dòng)，零件磨損小，使用壽命長(zhǎng)；工藝上要求多次進(jìn)給時(shí)，通過(guò)液壓換向閥，很容易實(shí)現(xiàn)；過(guò)載保護(hù)簡(jiǎn)單可靠；由行程調(diào)速閥來(lái)控制滑臺(tái)的快進(jìn)轉(zhuǎn)工進(jìn)，轉(zhuǎn)換精度高，工作可靠。但采用液壓滑臺(tái)也有其弊端，如：進(jìn)給量由于載荷的變化和溫度的影響而不夠穩(wěn)定；液壓系統(tǒng)漏油影響工作環(huán)境，浪費(fèi)能源；調(diào)整維修比較麻煩。本課題的加工對(duì)象是TY2100柴油機(jī)機(jī)體左右2個(gè)孔，位置精度和尺寸精度要求較高，因此采用液壓滑臺(tái)。 已計(jì)算出三根輸出軸的功率，則總的切削功率為 主軸箱的功率： 其中當(dāng)加工有色金屬時(shí)，η=0.8 根據(jù)主軸箱功率，由P115[1]表5-38選用Y132M-8B3電機(jī)。 2.3.4機(jī)床生產(chǎn)率計(jì)算卡 根據(jù)加工示意圖所確定的工作循環(huán)及切削用量等，就可以計(jì)算機(jī)床生產(chǎn)率并編制生產(chǎn)率計(jì)算卡。生產(chǎn)率計(jì)算卡是反應(yīng)生產(chǎn)節(jié)拍或?qū)嶋H生產(chǎn)率和切削用量、動(dòng)作時(shí)間、生產(chǎn)綱領(lǐng)及負(fù)荷率關(guān)系的技術(shù)文件。它是用戶驗(yàn)收機(jī)床生產(chǎn)效率的重要依據(jù)。 1.理想生產(chǎn)率Q（件/h） 理想生產(chǎn)率是指完成年生產(chǎn)綱領(lǐng)（包括備品及廢品率）所要求的機(jī)床生產(chǎn)率。用《組合機(jī)床設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》P.51公式 （2-7） 計(jì)算，式中， N—年生產(chǎn)綱領(lǐng)（件）；本課題中A= 40000件； —全年工時(shí)總數(shù)，本課題以兩班制計(jì)，則。 則 表2-4生產(chǎn)率計(jì)算卡 被加工零件 圖號(hào) TY2100-004 毛坯種類 鑄件 名稱 柴油機(jī)機(jī)體 毛坯重量 材料 HT250 硬度 187～251HBS 工序名稱 左右面鉆孔 工序號(hào) 序號(hào) 工步 名稱 被加工零件數(shù)量 加工直徑(mm) 加工長(zhǎng)度 (mm) 工作行程 (mm) 切削速度 (m/?min) 每分鐘轉(zhuǎn)速 (r/ min) 進(jìn)給量 (mm/r) 進(jìn)給速度 (mm /min) 工時(shí)(min) 機(jī)加工 時(shí)間 輔助 時(shí)間 共計(jì) 1 裝卸工件 1 0.6 0.6 2 滑臺(tái)快進(jìn)40 7500 0.03 0.03 多軸箱工進(jìn) (鏜孔117) 117 8.6 63.6 173 0.45 77.85 多軸箱工進(jìn) (鏜孔112) 112 20.3 60.9 173 0.45 77.85 多軸箱工進(jìn) (鏜孔111.5) 111.5 27 200 60.6 173 0.45 77.85 2.57 2.57 滑臺(tái)快退240 0.04 0.04 滑臺(tái)移位120 0.06 0.06 3 重復(fù)上工步2 2.7 2.7 備注 裝卸工件時(shí)間取決于操作者熟練程度,本機(jī)床計(jì)算時(shí)取0.6min 總計(jì) 6min 單件工時(shí) min 機(jī)床生產(chǎn)率 10件/h 機(jī)床負(fù)荷率 87% 2.實(shí)際生產(chǎn)率Q1（件/h） 實(shí)際生產(chǎn)率是指所設(shè)計(jì)的機(jī)床每小時(shí)實(shí)際可生產(chǎn)的零件數(shù)量。即公式[1]P.51 （2-8） 式中，—生產(chǎn)一個(gè)零件所需時(shí)間（min）。 3.機(jī)床負(fù)荷率 機(jī)床負(fù)荷率為理性鄉(xiāng)生產(chǎn)率與實(shí)際生產(chǎn)率之比。即公式[1]P.52 （2-9） 組合機(jī)床負(fù)荷率一般為0.75~0.90，自動(dòng)線負(fù)荷率為0.6~0.7. 則 3 組合機(jī)床夾具設(shè)計(jì) 3.1 概述 3.1.1 零件的工藝性分析 夾具是組合機(jī)床的重要組成部分，是根據(jù)機(jī)床的工藝和結(jié)構(gòu)方案的具體要求而專門設(shè)計(jì)的。它是用于實(shí)現(xiàn)被加工零件的準(zhǔn)確定位、夾壓、刀具的導(dǎo)向以及裝卸工件時(shí)的限位等作用。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)在TY2100機(jī)體進(jìn)行鏜孔加工所用的夾具。TY2100柴油機(jī)機(jī)體材料為HT250，其硬度為HB187～251。 3.1.2 夾具設(shè)計(jì)的基本要求 A.保證工件的加工精度 保證工件的加工精度是夾具設(shè)計(jì)的最基本要求。其關(guān)鍵在于，正確地確定定位方案、夾緊方案和刀具導(dǎo)向方式，合理地設(shè)計(jì)夾具的尺寸、公差和技術(shù)要求，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行誤差的分析和計(jì)算。 B.提高生產(chǎn)效率、減低制造成本 夾具設(shè)計(jì)的總體方案應(yīng)與生產(chǎn)綱領(lǐng)相適應(yīng)。在大批量生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)盡量采用各種快速、高效的結(jié)構(gòu)、自動(dòng)裝置和先進(jìn)的控制方法，以縮短輔助時(shí)間，提高生產(chǎn)率；在中心批量生產(chǎn)中，則要求在滿足夾具功能的前提下，盡量使夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易制造，以降低夾具的制造成本。 C.操作方便、省力和安全 夾具的操作要盡量做到方便、省力，如有條件，盡可能采用氣動(dòng)、液壓及其他機(jī)械化夾緊裝置、以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。并可較好地控制夾緊力。夾具操作位置應(yīng)符合操作工人的習(xí)慣，必要時(shí)應(yīng)有安全保護(hù)裝置，以確保使用安全。 D.便于排屑 夾具的排屑是一個(gè)容易忽視的問(wèn)題，如果排屑功能不好，切屑積集在夾具中，會(huì)破壞工件正確的定位；切屑帶來(lái)的大量熱量會(huì)引起夾具和工件的熱變形，影響加工質(zhì)量；切屑的的清掃又會(huì)增加輔助時(shí)間，降低生產(chǎn)率。切屑積集嚴(yán)重時(shí)，還會(huì)損傷刀具以致造成設(shè)備事故或工傷事故。因此，排屑問(wèn)題在夾具設(shè)計(jì)時(shí)必須給予充分的注意，在設(shè)計(jì)高效組合機(jī)床夾具時(shí)尤為重要。 E.有良好的結(jié)構(gòu)工藝性 夾具的結(jié)構(gòu)應(yīng)簡(jiǎn)單、合理，便于加工、裝配、檢驗(yàn)和維修，應(yīng)盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)元件和標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。 夾具設(shè)計(jì)是一種相互關(guān)聯(lián)的工作，通常是在參閱有關(guān)資料的情況下，按加工要求構(gòu)思出設(shè)計(jì)方案，繪制出圖樣，經(jīng)修改后確定夾具的結(jié)構(gòu)。 3.2 定位方案的確定 3.2.1 定位方案論證 箱體零件的定位方案一般有兩種，“一面兩孔”和“三平面”定位方法。 A.“一面雙孔”的定位方法 它的特點(diǎn)是： a.可以簡(jiǎn)便地消除工件的六個(gè)自由度，使工件獲得穩(wěn)定可靠定位。 b.有同時(shí)加工零件五個(gè)表面的可能，既能高度集中工序，又有利于提高各 面上孔的位置精度。 c.“一面雙孔”可作為零件從粗加工到精加工全部工序的定位基準(zhǔn)，使零件整個(gè)工藝過(guò)程基準(zhǔn)統(tǒng)一，從而減少由基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換帶來(lái)的累積誤差，有利于保證零件的加工精度。同時(shí)，使機(jī)床各個(gè)工序（工位）的許多部件實(shí)現(xiàn)通用化，有利于縮短設(shè)計(jì)、制造周期，降低成本。 d.易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化定位、夾緊，并有利于防止切削落于定位基面上。 B.“三平面”定位方法 它的特點(diǎn)是： a.可以簡(jiǎn)便地消除工件的六個(gè)自由度，使工件獲得穩(wěn)定可靠定位。 b.有同時(shí)加工零件兩個(gè)表面的可能，能高度集中工序。 `` 圖3-1 零件定位示意圖 3.2.2 定位基準(zhǔn)的選擇 定位基準(zhǔn)選擇的原則 a.盡可能選擇最大基面做主要的定位基準(zhǔn)面； b.盡可能與工序基準(zhǔn)重合； c.盡量選最長(zhǎng)表面做為限制自由度的定位基準(zhǔn)； d.盡量選精度較高的已加工表面為定位基準(zhǔn)； e.在同一工件各工序中盡量采用同一定位基準(zhǔn)進(jìn)行加工。 3.2.3 定位的實(shí)現(xiàn)方法 本機(jī)床加工時(shí)采用的是"一面兩銷"的定位方式。即一面是缸體底面，限制了三個(gè)方向的自由度；圓柱銷限制了兩個(gè)方向的自由度；菱形銷限制了一個(gè)方向的自由度。通過(guò)一個(gè)平面和兩個(gè)定位銷限制其六個(gè)自由度，這樣工件的6個(gè)自由度被完全約束了也就得到了完全的定位。 如圖所示(3-1) 3.3 誤差分析 一批工件依次在夾具中進(jìn)行定位時(shí)，由于工序基準(zhǔn)的變動(dòng)對(duì)加工表面尺寸所造成的極限值之差稱為定位誤差。產(chǎn)生定位誤差的原因是工序基準(zhǔn)與定位基準(zhǔn)不相重合或工序基準(zhǔn)自身在位置上發(fā)生偏移或位移所引起的。 3.3.1 影響加工精度的因素 用夾具裝夾工件進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，其工藝系統(tǒng)中影響工件加工精度的因素很多，與夾具有關(guān)的因素有：定位誤差ΔP、對(duì)刀誤差ΔT、夾具在機(jī)床上的安裝誤差ΔA和夾具誤差ΔE，在機(jī)械加工工藝系統(tǒng)中，影響加工精度的其它因素綜合稱為加工方法誤差ΔG。在夾緊方法中產(chǎn)生的誤差Δo。上述各項(xiàng)誤差均導(dǎo)致刀具相對(duì)工件的位置不精確而形成總的加工誤差。 A.定位誤差 由于工件的定位基面和定位元件上的限位基面均有制造誤差，因而同批工件逐個(gè)在夾具中定位時(shí)由于工序基準(zhǔn)沿加工要求方向上的位置的變動(dòng)使各個(gè)工件的位置實(shí)際上是不完全一致的。于是加工后，各工件的加工尺寸也必然不同，形成誤差。這種只與工件定位有關(guān)的誤差，稱為定位誤差。 A.基準(zhǔn)不重合誤差 由于定位基準(zhǔn)與工序基準(zhǔn)不重合而造成的定位誤差。根據(jù)文獻(xiàn)[4]查得基準(zhǔn)不重合誤差的計(jì)算公式如下： （3-1） 式中 —定位基準(zhǔn)與工序基準(zhǔn)間的尺寸鏈組成環(huán)的公差； —的方向與加工尺寸方向的夾角。 B.基準(zhǔn)位移誤差 由于定位基準(zhǔn)的誤差或定位支撐點(diǎn)的誤差而造成的定位基準(zhǔn)位移，即工件實(shí)際位置對(duì)確定位置的理想要素的誤差，這種誤差稱為基準(zhǔn)位移誤差，以表示。不同的定位方式，其基準(zhǔn)位移誤差的計(jì)算方式也不同，此夾具定位是采用的“一面兩銷”定位的方法，所以要計(jì)算的不僅是平面支撐定位的位移誤差，而且還要計(jì)算兩個(gè)銷定位時(shí)的定位誤差。 C.在一面雙孔定位中的轉(zhuǎn)角誤差 當(dāng)工件以一面兩孔定位、夾具以一面雙銷定位時(shí)，應(yīng)在分析定位的基準(zhǔn)位移誤差的基礎(chǔ)上，根據(jù)加工工序尺寸標(biāo)注，通過(guò)幾種關(guān)系轉(zhuǎn)換為定位誤差。 這種定位方式的基準(zhǔn)位移誤差包括兩類： 1） 沿平面內(nèi)任意方向移動(dòng)的基準(zhǔn)位移誤差Δy，它的大小取決于第一定位副德?tīng)栕畲箝g隙，即 （3-2） 2） 轉(zhuǎn)角誤差Δα近似值為 Δα=arctan （3-3） 式中 ---為孔直徑公差； ----為銷直徑公差； 、------分別為兩定位銷的最大配合間隙。 注意！若工件可以任意方向角位移，則應(yīng)按雙向轉(zhuǎn)角誤差2Δα計(jì)。 減小一面雙孔定位誤差的措施，通常是：在工件上加一外力，使其角位移向單邊偏轉(zhuǎn)；其次是提高定位副的制造精度，減小配合間隙或采用圓錐銷、可漲銷等，以減小Δy。 B.對(duì)刀誤差 因刀具相對(duì)于對(duì)刀或?qū)蛟奈恢貌痪_而造成的加工誤差，裝配圖中，刀具與鉆套之間的間隙會(huì)引起刀具的位移或傾斜，造成加工誤差。 C.夾具的安裝誤差 因夾具在機(jī)床上的安裝不精確而造成的加工誤差。本組合機(jī)床的夾具的安裝基面為平面，因此安裝誤差：=0。 D.加工方法誤差 因機(jī)床的精度、刀具精度、刀具與機(jī)床的位置精度、工藝系統(tǒng)的受力變形和受熱變形因素造成的加工誤差，所以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)為它留出工件公差的1/3，計(jì)算可得： =0.1/3=0.033mm。 E.夾緊方法誤差 因液壓缸對(duì)夾具施加的力是垂直向下的,對(duì)被加工零件在前后左右方向產(chǎn)生的力可以忽略不計(jì),所以有夾緊方法產(chǎn)生的誤差：=0。 3.3.2 保證加工精度的條件 工件在夾具中加工時(shí)，總加工誤差為上述的各項(xiàng)誤差之和。由于上述誤差為獨(dú)立隨機(jī)變量，應(yīng)用概率法疊加因此保證加工精度的條件為： ≤ （3-4） 即工件的加工誤差=0.164mm應(yīng)不大于工件的尺寸公差，由于孔距尺寸為120±0.1，可取=0.2，>為滿足條件，所以該精度滿足要求。 3.4 夾緊方案的確定 3.4.1夾緊裝置的確定 A.夾緊裝置的組成 本設(shè)計(jì)中夾緊裝置采用機(jī)械夾緊裝置，由力源裝置、中間傳力機(jī)構(gòu)、夾緊元件三部分組成。其組成部分的相互關(guān)系，如下面的方框圖所示。 圖3-2 夾緊裝置組成的方框圖 B.夾緊裝置設(shè)計(jì)的基本要求 a.夾緊過(guò)程中，不改變工件定位后占據(jù)的正確位置。 b.夾緊力的大小要可靠和適當(dāng)，既要保證工件在整個(gè)加工過(guò)程中位置穩(wěn)定不變，振動(dòng)小，又要使工件不產(chǎn)生于過(guò)大的夾緊變形。 c.夾緊裝置的自動(dòng)化和復(fù)雜程度應(yīng)與生產(chǎn)綱領(lǐng)想適應(yīng)，在保證生產(chǎn)率的前提下，其結(jié)構(gòu)要力求簡(jiǎn)單，以便于制造和維修。 d.夾緊裝置的操作應(yīng)當(dāng)方便、安全、省力。 C.夾緊裝置的選擇 通常應(yīng)用的機(jī)械夾緊裝置有氣壓裝置和液壓裝置兩種，各有其優(yōu)越性，要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)選擇用哪種裝置。 1).氣壓裝置 氣壓裝置以壓縮空氣為力源，應(yīng)用比較廣泛，有以下特點(diǎn)： a.動(dòng)作迅速，反應(yīng)快。氣壓為0.5MPa時(shí)，氣缸活塞速度為1~10m/s，夾具每小時(shí)可連續(xù)松夾上千次。 b.工作壓力低（一般為0.4~0.6MPa）。傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)裝置所用材料及制造精度要求不高，制造成本低。 c.空氣粘度小，在管路中的損失較少，便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)距離輸送，易于集中操縱或程序控制等。 d.空氣可就地取材，容易保持清潔，管路不易堵塞，也不會(huì)污染環(huán)境，具有維護(hù)簡(jiǎn)單，使用安全、可靠、方便等特點(diǎn)。 主要缺點(diǎn)是空氣壓縮性大，夾具的剛度和穩(wěn)定性較差；在產(chǎn)生相同原始作用的條件下，因工作壓力低，其動(dòng)力裝置的結(jié)構(gòu)尺寸大。此外，還有較大的排氣噪聲。 2).液壓裝置 液壓裝置的特點(diǎn)是： a.液壓油油壓高、傳動(dòng)力大，在產(chǎn)生同樣原始作用力的情況下，液壓缸的 結(jié)構(gòu)尺寸比氣壓小了許多。 b.液壓油的不可壓縮性可使夾具剛度高，工作平穩(wěn)、可靠。 c.液壓傳動(dòng)噪聲小，勞動(dòng)條件比氣壓的好。 通過(guò)對(duì)以上兩種機(jī)械夾緊裝置優(yōu)缺點(diǎn)的比較，結(jié)合加工工件的精度要求、工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和環(huán)境要求、企業(yè)的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)中夾緊裝置采用液壓夾緊裝置。 3.4.2夾緊力的確定 A.夾緊力確定的基本原則 A.夾緊力的方向 a.夾緊力的方向應(yīng)有助于定位穩(wěn)定，且主夾緊力應(yīng)朝向主要定位基面。 b.夾緊力的方向應(yīng)有利于減小夾緊力。 c.夾緊力的方向應(yīng)是工件剛度較高的方向。 B.夾緊力的作用點(diǎn) a.夾緊力的作用點(diǎn)應(yīng)落在定位元件的支承范圍內(nèi)。 b.夾緊力的作用點(diǎn)應(yīng)選在工件剛度較高的部位。 c.夾緊力的作用點(diǎn)應(yīng)盡量靠近加工表面。 B.夾緊方案 根據(jù)以上要求及原則，工件屬于箱體類零件，夾緊力的方向應(yīng)垂直于最重要的定位基面—底面，并將工件壓向該面，而不宜與其他方面進(jìn)行夾緊。由于工件為薄壁件，易受力變形，故采用多點(diǎn)同時(shí)壓向工件，均勻分布?jí)壕o力，起到減少受力變形的效果。夾緊力為液壓缸驅(qū)動(dòng)。用推桿將壓力傳遞致壓板，然后由壓板將壓力分散到工件壓緊表面，從而將工件壓緊。 C.夾緊力的預(yù)算 根據(jù)工件所受切削力、夾緊力的作用情況，找出加工過(guò)程中對(duì)夾緊最不利的狀態(tài)，來(lái)確定夾緊力。 根據(jù)文獻(xiàn)[5]查得切削力Q的計(jì)算公式如下 （3-5） 式中 ——安全系數(shù)； ——切削力； ——定位銷上允許承受的一部分切削力，通常可按擠壓強(qiáng)度確定：； ——許用擠壓應(yīng)力，取定位銷和工件中較小者； ——壓板和工件表面間的摩擦系數(shù)； ——工件和定位支承塊間的摩擦系數(shù)； ——定位銷的直徑； ——定位銷的接觸長(zhǎng)度。 根據(jù)文獻(xiàn)[5]查得安全系數(shù)按下式計(jì)算 （3-6） 式中，～為各種因素的安全系數(shù)，查文獻(xiàn)[4]表3-1和表3-2 ：考慮工件材料及加工余量均勻性的基本安全系數(shù)，?。? ：加工性質(zhì)，?。? ：刀具鈍化程度，??； ：切削特點(diǎn)，??； ：夾緊力的穩(wěn)定性，取； ：夾緊時(shí)的位置 ，取； ：僅有力矩使工件回轉(zhuǎn)時(shí)工件與支承面的接觸情況，取。 查文獻(xiàn)[2]表3-34摩擦系數(shù)，均為 根據(jù)2.2.2節(jié)切削力的計(jì)算結(jié)果，取P =1124N 3.4.3夾緊液壓缸的選擇 組合機(jī)床的夾緊液壓缸已進(jìn)行了通用化系列化設(shè)計(jì)，根據(jù)夾緊力的大小，可以用任何型號(hào)的液壓缸，因?yàn)槿魏涡吞?hào)的液壓缸都能滿足本機(jī)床夾具需要的夾緊力。但是根據(jù)調(diào)查，現(xiàn)在廠里用的液壓缸一般是T5034、T5035、T5036這幾種型號(hào)。由于T5034型號(hào)液壓缸的行程比較小，所以這里選用型號(hào)為T5036的液壓缸。查參考文獻(xiàn)4表4—3查基本尺寸參數(shù)，表4—4查液壓缸的技術(shù)參數(shù)。這種液壓缸的剛體采用無(wú)縫鋼管，兩端的端蓋是嵌入式的，在缸體的兩端內(nèi)壁開(kāi)有環(huán)槽，將端蓋放入后旋轉(zhuǎn)90度。端蓋的邊沿進(jìn)入缸體兩端的環(huán)槽中，即可承受軸向力。該夾緊裝置主要是通過(guò)杠桿原理把液壓缸的的推力和拉力傳遞到壓緊塊，完成夾緊的工作。杠桿是以一比一的比例來(lái)傳遞力的。 3.5 導(dǎo)向裝置的選擇 導(dǎo)向裝置的作用在于保證刀具對(duì)于工件的正確位置；保證各刀具相互間的正確位置和提高刀具系統(tǒng)的支承剛性。 3.5.1鏜模的類型和設(shè)計(jì) 鏜床夾具習(xí)慣上稱為鏜模，它廣泛應(yīng)用于各種鏜床、多軸組合機(jī)床等來(lái)加工箱體類、支架類零件上的精密空系，其孔的加工精度和位置精度的影響，而主要由鏜模保證。 鏜模的結(jié)構(gòu)類型主要取決于鏜套的布置方式。而在布置鏜套時(shí)，主要考慮鏜桿剛度對(duì)加工的影響。因此根據(jù)被加工孔的長(zhǎng)徑比(l/D)而分為以下幾種形式： （1） 單支承引導(dǎo) （2） 雙支承引導(dǎo) （3）雙前引導(dǎo) 3.6 夾具體的確定 夾具體的主要外形如下圖： 圖 3-3 夾具體結(jié)構(gòu)示意圖 夾具上的各種裝置通過(guò)夾具體連接成一個(gè)總體。因此，夾具體的形狀及尺寸取決于夾具上各種裝置及夾具與機(jī)床的連接。 夾具體設(shè)計(jì)的基本要求： A.有適當(dāng)?shù)木群统叽绶€(wěn)定性。 B.有足夠的強(qiáng)度和剛度。 C.結(jié)構(gòu)工藝性好。 D.排屑方便。 E.在機(jī)床上安裝穩(wěn)定可靠。 F.保證裝卸工件方便 本設(shè)計(jì)方案中的夾具體材料為HT250，基本尺寸：7410×700×300mm，座底設(shè)計(jì)排屑裝置，具體見(jiàn)夾具裝配圖。 4 結(jié)論 本次設(shè)計(jì)的是TY2100柴油機(jī)機(jī)體缸孔粗鏜組合機(jī)床。這次設(shè)計(jì)分總體設(shè)計(jì)和夾具設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。整個(gè)設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)零件工藝分析，結(jié)構(gòu)分析，確定了夾緊、定位方案，完成了對(duì)“三圖一卡”及夾具的繪制。本組合機(jī)床采用液壓滑臺(tái)、精密導(dǎo)套等零件，精度高，調(diào)整、保養(yǎng)以及維修方便；大大提高了生產(chǎn)效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，從而降低了零件的加工成本。 本組合機(jī)床設(shè)計(jì)合理，符合實(shí)際應(yīng)用，滿足加工要求，且絕大部分采用了通用部件和標(biāo)準(zhǔn)件，制造成本低，機(jī)床操作簡(jiǎn)單，設(shè)備調(diào)整、維修方便。本機(jī)床設(shè)計(jì)也有一些不足之處如：機(jī)床占地面積大、機(jī)床結(jié)構(gòu)復(fù)雜等。 總的來(lái)說(shuō)，這次設(shè)計(jì)，使我對(duì)基本理論的綜合運(yùn)用以及正確解決實(shí)際問(wèn)題等方面得到了一次較好的鍛練，提高了我獨(dú)立思考問(wèn)題、解決問(wèn)題以及創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力，縮短了我與工廠工程技術(shù)人員的差距，為我以后從事實(shí)際工程技術(shù)工作奠定了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 參考文獻(xiàn) [1] 叢鳳廷.組合機(jī)床設(shè)計(jì)（第二版）[M] .上海：上?？萍汲霭嫔?，1994． [2] 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