6110连杆钻小头孔组合机床设计【含12张CAD图纸、说明书】
毕 业 设 计 说 明 书6110 连杆钻小头孔组合机床设计专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 班 级 学 号 指导教师 完成日期 毕 业 设 计开 题 论 证 报 告专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 班 级 学 号 指导教师 完成日期 1课题名称:6110 连杆钻小头孔组合机床设计一、课题来源、课题研究的主要内容及国内外现状综述课题来源: 课题来源于江苏高精机电设备有限公司。课题研究的主要内容:根据 6110 连杆的加工工艺要求,设计一台加工连杆小头孔的钻孔组合机床。具体设计的图样有:(1)被加工零件加工工序图 1 张(2)机床尺寸联系图 1 张(3)加工示意图 1 张(4)生产率计算卡 1 张(5)多轴箱装配总图、部件装配图、部分零件图 待定(6)箱体补充加工图 1 张(7)坐标检查图 1 张(8)PLC 控制原理图 2 张国内外现状综述:组合机床是以通用部件为基础,配以按工件特定形状和加工工艺设计的专用部件和夹具,组成的半自动或自动专用机床。组合机床一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方式,生产效率比通用机床高几倍至几十倍。由于通用部件已经标准化和系列化,可根据需要灵活配置,能缩短设计和制造周期。因此,组合机床兼有低成本和高效率的优点,在大批、大量生产中得到广泛应用,并可用以组成自动生产线。二十世纪70年代以来,随着可转位刀具、密齿铣刀、镗孔尺寸自动检测和刀具自动补偿技术的发展,组合机床的加工精度也有所提高。铣削平面的平面度可达0.05毫米1000毫米,表面粗糙度可低达2.5 0.63微米;镗孔精度可达IT76 级,孔距精度可达O.03 O.02微米。组合机床一般用于加工箱体类或特殊形状的零件。加工时,工件一般不旋转,由刀具的旋转运动和刀具与工件的相对进给运动,来实现钻孔、扩孔、锪孔、铰孔、镗孔、铣削平面、切削内外螺纹以及加工外圆和端面等。有的组合机床采用车削头夹持工件使之旋转,由刀具作进给运动,也可实现某些回转体类零件(如飞轮、汽车后桥半轴等) 的外圆和端面加工。专用机床是随着汽车工业的兴起而发展起来的。在专用机床中某些部件因重复使用,逐步发展成为通用部件,因而产生了组合机床。通用部件按功能可分为动力部件、支承部件、输送部件、控制部件和辅助部件五类。其中动力部件是为组合机床提供主运动和进给运动的部件。主要有动力箱、切削头和动力滑台。支承部件是用以安装动力滑台、带有进给机构的切削头或夹具等的部件,有侧底座、中间底座、支架、可调支架、立柱和立柱底座等。输送部件是用以输送工件或主轴箱至加工工位的部件,主3要有分度回转工作台、环形分度回转工作台、分度鼓轮和往复移动工作台等。 控制部件是用以控制机床的自动工作循环的部件,有液压站、电气柜和操纵台等。辅助部件有润滑装置、冷却装置和排屑装置等。组合机床是用按系列化标准化设计的通用部件和按被加工零件的形状及加工工艺要求设计的专用部件组成的专用机床。组合机车是由万能机床和专用机床发展来的,它既有专用机床、结构简单的特点,又有万能机床能够重新调整,以适应新工件加工的特点。与万能机床和专用机床相比,有如下特点:1.由于组合机床是由7080%的通用零部件组成,在需要的时候,它可以部分或全部地进行改装,以组成适应新的加工要求的新设备。也就是说,组合机床有重新改装的优越性,其通用零部件可以多次重复利用。2.组合机床是按具体的加工对象专门设计的。因而可以按最合理的工艺过程进行加工。这在万能机床上往往是不易实现的3.在组它是实现集中工序的最好途径,是提高生产效率的有效设备。合机床上可以同时从几个方向采用多把刀具对几个工件进行加工。它是实现集中工序的最好途径,是提高生产效率的有效设备。4.组合机床常常是用多轴对箱体零件一个面上的的许多孔同时进行加工。这样就能比较好的保证各孔之间的精度要求,提高产品质量;减少了工件间的搬运,改善劳动条件;也减少了机床的占地面积。5.由于组合机床大多书零部件是同类的通用部件,这就简化了机床的维修。必要时可以更换整个部件,以提高机床的维修速度。6.组合机床的通用部件可以组织专门工厂集中生产。这样可以采用专用高效设备进行加工,有利于提高通用部件的性能,降低制造成本。为 了 使 组 合 机 床 能 在 中 小 批 量 生 产 中 得 到 应 用 , 往 往 需 要 应 用 成 组 技 术 , 把 结 构和 工 艺 相 似 的 零 件 集 中 在 一 台 组 合 机 床 上 加 工 , 以 提 高 机 床 的 利 用 率 。 这 类 机 床 常见 的 有 两 种 , 可 换 主 轴 箱 式 组 合 机 床 和 转 塔 式 组 合 机 床 。组 合 机 床 未 来 的 发 展 将 更 多 的 采 用 调 速 电 动 机 和 滚 珠 丝 杠 等 传 动 , 以 简 化 结 构 、缩 短 生 产 节 拍 ; 采 用 数 字 控 制 系 统 和 主 轴 箱 、 夹 具 自 动 更 换 系 统 , 以 提 高 工 艺 可 调性 ; 以 及 纳 入 柔 性 制 造 系 统 等 。4二、本课题拟解决的问题设计一台 6110 连杆钻小头孔组合机床,需要解决如下问题:1如何制定工艺方案。2机床结构方案的分析和确定。3组合机床的总体方案如何确定。4如何满足设计要求的尺寸精度、位置精度、表面粗糙度等加工要求。5如何保证机床能以较高的生产效率运行。6如何机床需装卸方便,便于维修、调整。7确定采用何种 PLC 及编制合理的程序。三、解决方案及预期效果解决方案:1. 要深入现场了解被加工零件的加工特点、精度和技术要求、定位夹压情况以及生产率的要求等。确定在组合机床上完成的工艺内容及其加工方法。这里要确定加工工步数,决定刀具的种类和型式;2. 根据工艺方案确定机床的型式和总体布局。在选择机床配置型式时,既要考虑实现工艺方案,保证加工精度,技术要求及生产效率;又要考虑机床操作、维护、修理是否良好;还要注意被加工零件的生产批量,以便使设计的组合机床符合多快好省的要求;3. 这里要确定机床各部件间的相互关系,选择通用部件的刀具的导向,计算切削用量及机床生产率。给制机床的总联系尺寸图及加工示意图等;4. 当工件的加工精度要求较高时,应采用具有固定夹具的单工位组合机床,加工精度要求较低时,可采用具有移动夹具的多工位组合机床。此外,还要考虑到不同布置形式的机床所能达到的加工精度;5. 设计较好的专用夹具,提高装夹速度和效率以提高机器的效率;6. 组合机床大多数零部件使用通用部件,以简化了机床的维修,方便装卸和调整。必要时可以更换整个部件,以提高机床的维修速度;7. 采用世界上主流的三菱 PLC,选择合适的型号,编程较为方便;预期效果:通过对钻孔组合机床的用途,适用范围以及生产率等的分析,我将采用上述的解决方法,这样可以达到设计要求,保证加工工序的尺寸精度、位置精度、表面粗糙度等加工要求;机床运转平稳,工作可靠,结构简单装卸方便,便于维修、调整。2四、课题进度安排3 月 5 日3 月 6 日布置任务。3 月 7 日3 月 18 日调查研究,毕业实习。3 月 19 日4 月 13 日方案论证,总体设计-开题阶段。4 月 14 日4 月 30 日技术设计(部件设计) 。5 月 1 日5 月 15 日工作设计(零件设计) 。5 月 16 日5 月 22 日撰写毕业设计说明书-中期工作阶段。5 月 23 日5 月 24 日毕业设计预答辩。5 月 25 日6 月 2 日修改资料。6 月 3 日6 月 5 日评阅材料。6 月 6 日6 月 8 日毕业答辩。6 月 9 日6 月 11 日材料整理装袋。五、指导教师意见签名 年 月 日六、专业系意见签名 年 月 日七、学院意见签名 年 月 日 外 文 翻 译专 业 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名 班 级 学 号 指 导 教 师 1外文资料名称: 可重构机床机械模块接口 外文资料出处: German Academic Society for Production Engineering (WGP) 2007 附 件: 1.外文资料翻译译文 2.外文原文 指导教师评语:签名: 年 月 日2可重构机床机械模块接口埃伯哈德阿伯尔勒.阿诺沃纳尤尔根弗莱舍.简维塞尔帕特里克马丁.罗伯特克罗普尔XX 译摘要:可重构制造系统(RMS)是工业公司为适应频繁的生产要求做出变化,提出的符合成本效益的方法。RMS 是由组合机床构成,这种机床能提供添加,删除,重新排列和部分单位变量以及整体替换等功能。这些机床的性能比如模块工件的高质量,快速灵活反应,都由机械模块接口的属性而定。在本文中,主要对机械模块接口性能参数的定义及其对机床的性能影响进行讨论,对一个能够快速灵活反应的接口的组装方案进行了分析。最后,介绍对于那些工具接口的准确性能参数所需要技术测试。 关键词:机床,重构,机械接口1 简介近年来,市场不断提高步伐,并以难以预料方式发生变化。在这种情况下,为了保持竞争力,工业企业必须获得一种按照市场上的新产品的需求数量波动迅速和有效地作出反应的能力。因此,开发这样一个有可扩展输出和可调功能相结合的以最小时间筹备的高可用性和高生产力的制造系统1 很有必要性。而可重构制造系统(RMS)就是一种有希望来迎接这一挑战的方式。模块化系统实现了机床与各种不同的组件组合的整体功能。这些构建块或模块,被一对一的映射系统的子功能,使其本身保持类似的架构和功能3,4。各模块间的相互作用被最小化,这样可以避免它对其他模块的变化影响到整个系统的正常工作埃伯哈德阿伯尔勒.阿诺沃纳 . 德国, 达姆施塔特工业大学, 工业机器生产管理研究所.尤尔根弗莱舍.简维塞尔. 德国, 卡斯鲁厄大学, 生产科学研究院, 电子邮件:3wieserwbk.uka.de.帕特里克马丁.罗伯特克罗普尔 . 法国, 国立高等工程技术学院, 工业工程生产机制实验室.4。随着能够添加,删除,重新排列和部分单位变量以及整体替换等功能的面世,模块化方法允许 RMS 来提供可调节的功能和能力。在何种程度上制造系统的可重构可以在快速整合模块(可积性)、修改系统的功能(可兑换性)、适应系统的容量(可伸缩性)以及限制一个给定的零件组的灵活性(标准化性)等性能能方面被衡量。自定义有助于避免不必要的器件和功能,这使得 RMS 显得很有经济性2,5 。它可以随时购买或租用新的 RMS 模块,增加生产程序所需要的额外不同的功能,它没有固定的模式6。同样,RMS 可以很容易的用新的模块进行升级,这使得制造商能够跟上技术进步的步伐而无需更换整个生产系统。RMS 的结构层次架构可以的如图 1 所示。可重构机床(RMT)连接成连续的或并行制造系统,每个 RMT 组成的模块可以安排一个平台,这代表着最高系统水平(图 2)。模块功能包括:机械加工操作(如铣床,钻床,车削)和磨削加工的操作(如焊接,激光淬火,工具)和工件装卸作业以及质量控制工作6。模块可以进一步细分,如主轴系统或工具系统。在这一平台上的模块的安装与执行加工,即加工功能,可同时执行,这使得初级加工处理时间大大缩短。4图 1 一个 RMS 结构层次架例子 5图 2 一个 RMT 的结构例子一个 RMT 的可模块化性,快速可积性,可兑换性,可扩展性和标准化性取决于它的模块接口的属性。这些接口可分为机械接口和数据、能源和辅助材料的传输接口2 。机械接口是特别重要的,和传输接口不同,他们不仅决定哪些模块被方便迅速连接,而且也影响整个系统的运行模式中的表现。这是由于他们的能力精确地和传播力及力矩的因素对应。5这是正是本文所讨论的 RMT 的性能不同层面的机械接口影响的目的。第 2 部分介绍机械 RMT 的接口性能参数的定义及其对整体系统性能的影响。第 3 部分以圆柱型快速耦合接口为例分析模块组装方式。最后,在第 4 部分,介绍这些接口的性能评估测试工具。2 机械 RMT 的模块接口的性能标准2.1 影响工件质量的参数RMT 模块之间相互准确定位的机械接口的性能对工具与工件的定位误差有影响。这个工具定位误差由一个静态组件 X 和动态组件 x(t )组成。静态组件对工件的尺寸偏差的产生影响,此为主要误差,而动态组件影响工件的表面质量,这是次要误差。2.2 主要参数误差几何定位的精度是第一个接口参数,即影响工件的首要误差,它比较平均和分散7 。以几何定位精度为代表的定位错误不取决于力的强度或热度等外部因素,而取决于由组成参数误差引起的夹紧力而造成的变形,因此,它不能准确地从零件公差推导。在一个正在运行的 RMT 系统中, 静态载荷造成切削力,重力和机械接口变形引起的惯性力。因而,接口弹性特性是不能够的单独推测它对工件质量的影响。因为接口导致的压力集中在接触面附近的模块,这进而导致应力集中的模块变形。即使接口组件它本身刚度很大,模块装配仍然会比整体结构弱。因此,代表接口刚度性能参数的是接口残余应力,这个残余应力作用在模块 di(图 3 中的整体模块)和dm(图 3 中的装配模块)之间。图 3 结构上的一个接口:接口造成的接口弹性和模块弹性6因而,把 d 定义为弹性的变形率和负载,则有:参数 d 受到接口变形和模块上的变形的两方面影响。其中,模块上的变形对 d 的影响取决于模块的材料和形状,因此对于 d 不能一概而论。在下一章中,我们将提出了一个可以解决一些特定类型的接口问题的方法。这个工具对工件的静态定位精度进一步受到接口的热性能的影响。首先,这个接口在一个给定的温度变化下引起的膨胀系数是主要误差参数。热膨胀系数是一个相对的系数。一般情况下,热膨胀只影响接触表面的自由度(DOF),这使得我们可以很容易地利用它计算出材料的性质。然而,由于一般接口组件的表面比较平坦,在表面发生的热膨胀的效果相比是微不足道的,但是模块接口的热膨胀会影响模块的导电性 。2.3 次要参数误差工件的次要误差一般情况下是由机床的振动造成的。机床的振动程度取决于机床的有关刚度,质量分布和阻尼特性。其中,相对于组件质量,接口的刚度和阻尼特性对于整个系统运行有着的明显影响,接口质量的影响几乎可以忽略不计。机床必须有一个良好的阻尼特性,因为它增加了与周围共振的的机床动态刚度,从而降低振动程度。以上讨论的每个参数对整体的效果取决于机床的模块使用哪种接口,因而不同参数的重要性并不能用一个固定的方法来进行评估。(图 4)图 4 接口参数在静态和动态的工具定位误差的作用2.4 模块重构可以对接口参数特性进行描述在重构的过程中,模块最重要的性能标准是的接口装配时间(由离散度和平均值表示),装配的缓冲能力,以及兼容性7。装配时间的最小化是一般一个 RMT系统最关注的东西,这些取决于模块的重构频率,而重构频率对于不同的模块类型和应用程序是有非常大的悬殊。7图 5 指出不同类型的模块的置换时间是根据他的平均操作时间而定的。RMT 重构机床和一些必要技能能够方便模块的装配。无论在公用或者专用的情况下,我们都必须有标准化接口来保证接口的兼容性。标准化它既是一个策略性的问题又是一个技术性问题。图 5 模块的置换时间取决于它的平均操作时间接口的工艺稳定性必须能够持续较长时间,因此,不同于其他科技产品,接口技术不会是一个永久性的创新主题8, 9。兼容性也需要在一定意义上的灵活性,一个接口应该能够解决多样性的模块组装方案。2.5 其他参数疲劳极限和接口最大负载量一般都很少被人关注,因为高的刚度要求决定了他的高强度。由于安全技术方面的要求,使得接口设计无法被省略,我们不能单单依靠外部力的作用来维持连接。接口在锁定模式下是不会发生故障的,因此它只在装配的工程中有工艺要求,例如该锁定机制的灵敏度。接口对污垢的灵敏度就决定了它的维护需求,而同时要方便装备的重新装配,高消耗超出了他们限定的设计要求。2.6 讨论下面表 1 总结了被认为是最重要的性能参数。得到参数的方式有三种。第一组参数需要运用特定的工具进行物理检测,第二组参数的检测则不需要特定的工具,第三组参数则需要在没有物理作用下进行检测。这些性能参数是确定组合机床正确8选择接口的前提。因为兼容性方面的考虑,这个接口需要最大限额的考虑到整套可能用到的模块因素,包括工件质量,置换时间,模块成本以及最初投资成本等等。因此,它必须有很高的灵活性。表 1 主要接口性能的确定运用特定工具检测 原位检测 无物理作用下的检测刚度精度阻尼导电性可重构时间装配缓和可靠性保养必要技能兼容性所需工具检测地点灵活性失败补偿设计便利性2.7 RMT 模块组装紧凑型快速耦合适配器的接口机械接口类型的范围包括从简单的螺栓组件到复杂的快速耦合解决方案。螺栓连接已经在文献中广泛讨论(例如,定位精度和装配精度7、刚度方面的考虑8 和阻尼性能的要求10)。螺栓连接的接口需要较长的装配时间,而且经常必须在现场调整来达到足够的定位精度。我们可以在快速变化托盘系统发现类似接口类型的实例。图 6 说明了这些接口对于不同类型的模块装配的基本装配原则的两个例子。9图 6 多元圆柱接口在 RMT 模块组装的应用由于其体积小,圆柱形接口组件有一个低的抗弯曲强度,它至少需要三个单元来保证模块组装有足够的刚度。因此,每个接口都可以被看做没受到任何弯曲与扭曲的一个整体,它控制着 3 个平移自由度但不控制转动自由度。“(3+i)个接口则表示它有 3*(3+i)-6 个自由度”这种观点是不正确的,当然自由度也不能够随意的选择,因为自由度的选择会影响到装配的刚度。因此,在接口部分安装到模块上之前,我们需要通过调节机制来把接口放置到正确的位置上以保证它在各个自由度方向上的运动都是确定的。图 7 显示了如果 3个接口被运用在装配中,那么它的自由度就需要加以调整。相对于螺栓连接,接口只需要在它第一次调配之前加以调整。当调节精度很高的时候,自由度的确定是通过模块和接口间不产生明显的残余应力来进行补偿的。10图 7 调整接口位置来进行接口自由度的确定图 8 显示的是专为 RMT 的模块组装设计的 SST- 60 接口。HSK A-63 刀柄接口导出的圆锥面使得接口的两部分很容易就能够对齐。接口的锁定和释放是通过一个空心的长柄机制来控制的,而这个机制可以用液压或者螺杆来驱动。两个接口各自用螺栓固定在一个模块上,在模块第一次使用之前要进行调整来保证固定的精确度。由于主要消耗发生在轴上,所以传统的螺栓连接他的初始投资成本比较高。它对SST- 60 接口最大 18KN 的夹紧力构成了 12KM 的加紧力矩,而它的位置精度5m 。图 8 sst 型 圆柱快速耦合接口2.8 圆柱型 RMT 接口性能评价的测量工具我们需要测量接口的刚度来判断圆柱适配器的接口是否能够满足 RMT 模块和接口之间连接要求。2.9 刚度的测量正如上文第 3 部分所说在至少有 3 个接口的组件中,我们对于弯曲刚度和扭曲刚度忽略不计,我们只需要考虑 3 个平移自由度方向上的刚度。接口是对称旋转结构的,因而它所有的径向刚度都完全相同,相关的刚度参数可以简化为一个切向方向和一个正常方向。接口和装配组建的弹性性能可以表示为如图 9 所示。11图 9 圆柱型 RMT 接口的弹性特性模型这个概念是根据一个刚性框架和两个同类型的对称布置的接口确定的(图 10)。专用执行件和通用元件的安装在切向方向和正常方向是可以改变的。测量曲线载荷位移得到刚度,它的负荷是由气动装置产生的,我们常采用隔膜来避免粘滑对它的影响,并通过一个特殊的环状组件把剪切力均匀分布在接口的周边,同时我们还要避免滑动表面的摩擦对测量的干扰。图 10 刚度测量装置的测量原理我们设计了一个测量弹性特性的物理测量装置(图 11)。接口造成了系统整体刚度的下降,而下降的幅度取决于模块的几何形状和他的材料,同时我们也要把模块的弹性性能考虑进去。测量模块和接口的组合弹性特性是不切合实际的,因为这个时间必须重复组合的每一种可能性。因此,我们提出一种方案,通用对有限个模块接口的弹性特性的一次性测量推测出组合件整体的弹性特性。(图 12)121 支架式传感器 5 拉杆2 支架式远程感测器 6 EU05 型远程感测器 分辨率0.05m3 电压表 7 HBM C9B 型负荷传感器 额定负荷 101KN4 气动开关 8 远程传感器支架图 11 刚性特性测量装置的技术实现图 12 有限元分析法测量模块接口刚度的原理首先,切向和正常方向上的弹性参数ds和dn是通过测量负荷位移的比例获得的。ds = Xs / Fs and dn = Xn / Fn这两个参数可以整合为虚拟弹簧模块的有限元模型,虚拟弹簧被连接在真实接口和模块的接触面上,我们把他它定义为刚性。事实上,接触表面的变形时可以显现出来,从而刚性的设想是不准确的。一方面,这会将限制了上述方法的精度,另一方面,接触变形也使得测量接口刚度测试设置变得很复杂,因为没有表示测量整个构件负载变形的参照点。13我们建议测量接口变形时不要直接测量接触面而是测量接口被连接部分的两个边缘点(图 13)。在接下来的步骤中,这些连接部件有限元分析是为了获得在一个刚性接触面上两个相同的表面状况的点的弹性特性。从而我们得知我们可以用图 12所示的方法对接口弹性参数 d 进行预测。图 13 由组合刚度测量和有限元分析组成的测试设置2.10 测试结果按照上述图 8 所示的方法我们对 SST-60 接口进行了测试,测量了位移值,模拟计算了切向和正常方向的负荷及力的变化范围为 1-10KN 时的接口弹性(图 14)。并在该方法的基础上,我们进行了接口弹性参数 d 的计算(图 15)。图 14 按照图 13 中描述的方法测量,有限元分析与计算位移值14图 15 SST- 60 接口在切向和正常方向上的弹性参数3 总结和结论本文提供了机械 RMT 接口解决方案的性能评价基本要素。首先,对性能参数进行了讨论和分类。然后,用具体的 RMT 快速耦合接口为例,通过其中一些需要物理测试对这些参数的确定方法进行证明。模块上接口的刚度被确定为刚度参数分配的主要因素。模拟测量模块的变形和接口刚度组合法被作为一种可能的解决方案而提出来。随后该方法应用于新开发的接口概念。致谢这是一个的“METEOR”的研究和开发项目的研究成果,它是由德国联邦教育与研究部(BMBF)赞助的,并作为“研究未来的生产 ”框架概念的一部分,由卡尔斯鲁厄研究中心 BMBF 生产和制造技术项目执行组织( PFT- PTKA)进行监督。参考文献1. 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(2007) 1:421428 毕 业 设 计 任 务 书课题: 6110 连杆钻小头孔组合机床设计 专 业 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名 班 级 学 号 指 导 教 师 专 业 系 主 任 发 放 日 期 1一、设计内容课题来源于江苏高精机电设备有限公司。根据 6110 连杆的加工工艺要求,设计一台加工连杆小头孔的钻孔组合机床。主要完成机床总体设计、工序图、尺寸联系图、加工示意图、生产率计算卡、钻孔多轴箱设计等设任务、机床 PLC 控制原理图。二、设计依据连杆材料为 HT200,硬度:HBS223-280,本道工序钻削连杆侧面一个 32.5mm的通孔,具体孔的公差、倒角、表面粗糙度、加工位置、加工精度参见机体加工工序图。三、设计要求1、机床应能满足加工工序的尺寸精度、位置精度、表面粗糙度等加工要求;2、机床运转平稳,工作可靠,结构简单; 3、装卸方便,便于维修、调整;4、设计图样总量:折合成 A0 幅面在 3 张以上;工具要求:应用计算机软件绘图。过程要求:装配图需提供手工草图;5、毕业设计说明书按照学校规定的格式规范统一编排、打印,字数不少于 1 万字;6、查阅文献资料 10 篇以上,并有不少于 3000 汉字的外文资料翻译;7、到相关单位进行毕业实习,撰写不少于 3000 字实习报告;8、撰写开题报告。2四、毕业设计物化成果的具体内容及要求1、设计说明书 1 份,达 1 万字以上,且要符合规范要求;2、设计图样全部用计算机绘制,总的绘图量达 3 张 A0 以上;3、具体设计的图样有:(1)被加工零件加工工序图 1 张(2)机床尺寸联系图 1 张(3)加工示意图 1 张(4)生产率计算卡 1 张(5)多轴箱装配总图、部件装配图、部分零件图 待定(6)箱体补充加工图 1 张(7)坐标检查图 1 张(8)PLC 控制原理图 2 张3五、 毕业设计(论文)进度计划起讫日期 工作内容 备 注3 月 5 日3 月 6 日 布置任务 3 月 7 日3 月 18 日 调查研究,毕业实习3 月 19 日4 月 13 日 方案论证,总体设计4 月 14 日4 月 30 日 技术设计(部件设计)5 月 1 日5 月 15 日 工作设计(零件设计)5 月 16 日5 月 22 日 撰写毕业设计说明书5 月 23 日5 月 24 日 毕业设计预答辩5 月 25 日6 月 2 日 修改资料6 月 3 日6 月 5 日 评阅材料6 月 6 日6 月 8 日 毕业答辩6 月 9 日6 月 11 日 材料整理装袋4六、主要参考文献:1、叶伟昌.机械工程及自动化简明设计手册(上册) M.北京:机械工业出版社,20012、叶伟昌.机械工程及自动化简明设计手册(下册) M.北京:机械工业出版社,20013、胡家秀.机械零件设计实用手册M.北京:机械工业出版社,19994、李益民.机械制造工艺设计手册M.北京:机械工业出版社,19955、艾兴等.金属切削用量手册M.北京:机械工业出版社,19966、范云涨.金属切削机床设计简明手册M.北京:机械工业出版社,19937、孟宪椅.机床夹具图册M.北京:机械工业出版社,19918、韩敬礼.机械电气设计简明手册M.北京:机械工业出版社,19949、谢家瀛.组合机床设计简明手册M.北京:机械工业出版社,199910、杨培元.液压系统设计手册M.北京:机械工业出版社,199511、大连组合机床研究所编.组合机床设计M.北京:机械工业出版社,198612、大连组合机床研究所编.组合机床设计参考图册M.北京:机械工业出版社,198613、李云.机械制造工艺及设备设计指导手册M.北京: 机械工业出版社, 199614、薛源顺.机床夹具设计M.北京: 机械工业出版社, 200015、李益民.机械制造工艺设计简明手册M.北京: 机械工业出版社, 1993七、其他5八、专业系审查意见系主任: 年 月 日九、机械工程学院意见院长: 年 月 日6110 连杆钻小头孔组合机床设计0一、 前 言1.1 组合机床的发展及概况 组合机床是根据工件加工需要,以大量通用部件为基础,配以少量专用部件并按工序高度集中的原则设计的。它是可以同时完成钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、车端面、车削和铣削等工序的高效率的专用机床,它一般采用多轴、多刀、多工序、多面、多工位同时加工。与万能机床和专用机床相比,组合机床有重新改装的优越性,其通用零、部件可以多次重复利用。加工过程中采用多轴对被加工零件一个面上的许多孔同时进行加工,这样不仅较好地保证各孔之间的精度、提高产品质量、减少工件工序间的搬运、改善劳动条件,也减少了机床占地面积。由于组合机床大多数零、部件是同类的通用部件,这就缩短了设计和制造周期,简化了机床的维护和修理。必要时甚至可以更换整个部件,以提高机床的维修速度。现代化的大生产使组合机床得到了较为广泛的应用, 但也对组合机床的使用周期提出了严峻的挑战,纠其原因主要是机械行业特别是汽车产业产品更新换代不断加快, 生产作业线日趋柔性化。由于产品生产工艺及流程经常变化, 需灵活地改变控制程序, 以使机械设备或生产过程按预定的条件和顺序来运行或执行。在控制系统方案中, PLC 已成为当今增长速度最快的工业控制设备, 它具备了许多独特的优点, 能较好地解决工业控制领域普遍关心的可靠性、安全性、灵活性、经济性、方便性等问题。操作员可以通过命令监控相关部分的运行状态, 根据具体的工艺要求, 对进给控制、调整定时等进行详细设定, 从而实现“集中管理, 分散控制” 。因此采用了 PLC 来实现对主轴孔加工用机床操作过程的自动控制。1.2 组合机床的工艺范围及特点组合机床适宜于各种大中型箱体类零件,目前组合机床主要用于平面加工和孔加工两类工序。其中孔加工包括钻、扩、铰、镗孔及倒角、切槽、攻螺纹、锪沉孔、滚压孔等。随着自动化的发展,组合机床的工艺范围已扩展到了车外圆等工序。组合机床具有如下特点:1) 主要用于加工箱体类零件和杂件的平面和孔。2)生产率高。可多面、多工位、多轴、多刀同时自动加工。3)加工精度稳定。可选用成熟的通用部件、精密夹具来保证加工精度。4)研制周期短,便于设计、制造和使用维护,成本低。5)自动化程度高,劳动强度低。6)配置灵活。因为结构模块化、组合化,机床易于改装;产品或工艺变化时,通用部件还可以重复利用。1.3 机床设计的课题来源、设计内容及要求1.3.1 课题来源1该毕业设计课题是 6110 连杆钻小头孔组合机床设计,来源于江苏高精机电设备有限公司,主要为了解决以前工作效率低,加工精度不高,劳动强度大的问题。这次毕业设计是在实习的基础上进行的。在工程技术人员的带领下,深入车间,了解被加工零件的加工特点、精度和技术要求以及生产率的要求等,确定在组合机床上完成的工艺内容及其加工方法。我们小组通过讨论,协调,既考虑工艺方案的实现,保证加工精度、技术要求及其生产效率,又考虑机床操作、维护、修理是否方便,排屑情况是否良好,还注意被加工零件的生产批量等。最后确定了机床各部件间的相互关系,选择通用部件和刀具的导向,计算切削用量等以便使设计的组合机床符合多快好省的要求。1.3.2 设计内容1)运动设计 根据给定的被加工零件,确定机床的切削用量,通过分析比较拟定传动方案和传动系统图,确定传动副的传动比及齿轮的齿数。2)动力设计 根据给定的工件,初算传动轴的直径、齿轮的模数;确定动力箱;计算多轴箱尺寸及设计传动路线。完成装配草图后,要验算传动轴的直径,齿轮模数否在允许范围内。3)结构设计 进行主运动传动轴系、变速机构、主轴部件、箱体、润滑与密封等的布置和机构设计。4)编写设计说明书1.3.3 设计要求本次课题所设计的组合机床总体应满足零件的加工要求,保证加工精度;机床应运转平稳、工作可靠、结构简单、装卸方便、便于维修、调整;机床尽量能用通用件以便降低制造成本。6110 连杆钻小头孔组合机床设计2二、 组合机床总体设计2.1 组合机床工艺方案的拟订2.1.1 制定工艺方案零件加工工艺将决定组合机床的加工质量、生产率、总体布局和夹具结构等。所以,在制定工艺方案时,必须计算分析被加工零件图,并深入了解零件的形状、大小、材料、硬度、刚度,加工部位的结构特点加工精度,表面粗糙度,以及定位,夹紧方法,工艺过程,所采用的刀具及切削用量,生产率要求等等。并查阅有关技术资料,制定出合理的工艺方案。根据被加工被零件(箱体)的零件图(图 2-1) ,加工四个螺纹底孔的工艺过程。1) 加工孔的主要技术要求:加工 1 个 32.5 的孔;孔的位置度公差为 0.1mm;工件材料为 HT200,HB170241;要求生产纲领为(考虑废品及备品率)年产量 25 万件,单班制生产。2)工艺分析加工该孔时,孔的位置度公差为 0.1mm根据组合机床用的工艺方法及能达到的经济精度,可采用如下的加工方案:一次性加工通孔,孔径为 32mm3) 定位基准及夹紧点的选择选择定位基准的原则及应注意的问题:a)尽量选择零件设计基准作为组合机床加工的定位基准,保证加工精度b)选择定位基准应确保工件稳定定位c)基面统一原则通过分析,对该机体的加工可采用两种定位方式。一种是“三面定位” (底面、后面、侧面) ,底面限制三个自由度,右面限制两个自由度,后面限制一个自由度。还有一种是“一面两孔”定位。在此选三面定位方式为该加工中的主要工艺基准。2.1.2 确定组合机床的配置形式和结构方案。1)被加工零件的加工精度被加工零件需要在组合机床上完成的加工工序及应保证的加工精度,工件各孔间的位置精度为 0.1mm,它的位置精度要求不是很高,安排加工时可以在下一个安装工位上对所有孔进行最终精加工。为了加工出表面粗糙度为 Ra3.2um 的孔。采取提高机床原始制造精度和工件定位基准精度并减少夹压变形等措施就可以了。被加工零件图如图 2-1 所示:3图 21 被加工零件图2) 被加工零件的特点此箱体的材料是 HT200、硬度 HB170-241,孔的位置分配不规则,孔的直径为8.5mm。采用多孔同步加工,此零件的加工特点是中心线与定位基准平面是垂直的,并且定位基准面是水平的。孔的分布不规则,工件比较小,可一次钻完,因而适合选择立式单工位钻床。3) 零件的生产批量零件的生产批量是决定采用单工位、多工位、自动线或按中小批量生产特点设计组合机床的重要因素。按设计要求生产纲领为年生产量为 25 万件,从工件外形及轮廓尺寸,为了减少加工时间,采用多轴头以提高利用率。综上所述:通过对箱体零件的结构特点、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,并定出影响机床的总体布局和技术性能等方面的考虑,最终决定设计四轴头单工位同步钻床。根据任务书的要求:设计的组合机床要满足加工要求、保证加工精度;尽可能用通用件、以降低成本;各动力部件用电气控制、液压驱动。因此根据任务书要求和机体的特点初定两种设计方案:A卧式组合机床6110 连杆钻小头孔组合机床设计4图 2-2 卧式组合机床结构特点:卧式组合机床重心低,振动小,运作平稳,加工精度高,占地面积大。B立式组合机床 图 2-3 立机床结构式组合特点:立式组合机床重心高,振动较大,加工精度高,占地面积小。通过以上比较,故选用卧式组合机床。2.2 确定切削用量及选择刀具2.2.1 选择切削用量合理地选择切削用量,即确定合理的切削速度和工作进给量,能使组合机床以最少的停车损失,最高的生产效率,最长的刀具寿命和最好的加工质量也就是多、快、好、省地进行生产。在组合机床上所有的刀具共用一个进给系统,因此,同一滑台带动的所有刀具每分钟进给量相同,即等于滑台的工进速度,即n1f1=n2f2=nifi=vf (2-1)其中: n 1,n 2,n i为各主轴转速,r/min ;f1,f 2, fi为各主轴进给量,mm/s;vf为动力滑台每分钟进给量, mm/min。本设计只需要加工一个空。按照经济地选择满足加工要求的原则,采用查表的方法查得:5小孔为 32.5mm 的光孔,钻通,l=32mm。由 d3040,硬度 223280HBS, 初选 v=81.5m/min,f=0.10mm/r,n 根据分组齿轮不同分别选择,在满足需要的情况下尽量使用低速组。2.2.2 切削力及功率的计算根据选定的切削用量(主要指切削速度 v 及进给量 f)确定切削力,作为选择动力部件(滑台)及夹具设计的依据;确定切削扭矩,用以确定主轴及其它传动件(齿轮,传动轴等)的尺寸;确定切削功率,用以选择主传动电动(一般指动力箱)功率,通过查文献 表 2-6 计算如下:1布氏硬度:HB =HBmin (HBmaxHB min) (2-32)=170 (241170)1=146.33切削力: =26 (2-FD8.0f6.HB3)=2616 8.010.643=1313.09N切削扭矩:=10 (2-9.1D8.0f6.HB4)=10 9.1T8.00.6143=6123.90Nmm切削功率: = (2-PD974v5)=6123.9012/(97403.1416)=0.15 kw式中:HB布氏硬度F切削力,N;D钻头直径,mm;f每转进给量,mm/r;6110 连杆钻小头孔组合机床设计6T切削扭矩,Nmm;V切削速度,m/min;P切削功率,kw。2.2.3 刀具的选择 A确定刀具的耐用度。刀具开始切削起,至磨损量达到磨钝标准止的切削时间称为刀具的耐用度。刀具耐用度反映了刀具磨损的速率,影响刀具耐用度的主要因素有切削用量,工件材料等。根据上面已经求得的机床进给速度和已经知道的工件材料,通过查文献4中表 2-9,确定刀具的耐用度需要达到 90-180min。B确定刀具的类型。确定刀具类型应考虑加工精度、表面粗糙度、排屑及生产率等要求,只要条件允许应尽量选用标准刀具。孔加工刀具(钻、镗、铰等)的直径应与加工部位尺寸、精度相适应,其长度应保证加工终了时刀具螺旋槽尾端离导向套外端 3050mm,以利排屑和刀具磨损后有一定向前调整量。刀具锥柄插入接杆孔内长度,在绘制加工示意图是应注意从刀具总长中减去。 根据已知条件初步决定选择复合刀具。所谓复合刀具,就是指同时或先后顺序完成两个或两个以上的加工工序或工步的刀具。复合刀具之所以在组合机床上大量使用,是由于它有很多优点:a)集中工序,可减少加工工位数和机床数,有时也就减少了加工工件的机动时间和辅助时间,减少机床占地面积,节省设备投资。b)减少工件安装和夹具转位次数,在一个工位上孔进行粗精加工,减少精加工余量,提高加工精度,降低粗糙度。c)在一个工位上同时加工几个加工表面,可以提高加工表面相互间的位置精度。如同一轴线的几个孔的同轴度,端面与孔的垂直度等。箱体的布氏硬度在 HB170241,孔径 D 为 16mm,刀具的材料选择高速钢钻头(W18Cr4V) ,为了使工作可靠、结构简单、刃磨简单,选择标准 16 的麻花钻。2.3 组合机床总体设计“三图一卡”绘制组合机床“三图一卡” ,就是针对具体零件,在选定的工艺和结构方案的基础上,进行组合机床总体方案图样文件设计。其内容包括:绘制被加工零件工序图、加工示意图、机床联系尺寸总图和编制生产率计算卡。2.3.1 被加工零件工序图被加工零件工序图是根据选定的工艺方案,表示在一台机床上或一条自动线上完成的工艺内容、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7以及被加工零件的材料、硬度和在本机床加工前毛坯情况的图纸。它是在原有零件图基础上,以突出本机床或自动线加工内容,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文件。绘制的被加工零工序图如图 2-4 所示。图 2-4 被加工零件工序图其原始数据其主要内容包括:A被加工零件的形状和主要轮廓尺寸以及与本工序机床设计有关部位结构形状和尺寸。B本工序所选用的定位基准、夹紧部位及夹紧方向。以便根据此进行夹具的支承、定位、夹紧和导向等机构设计。C本工序加工表面的尺寸、精度、表面粗糙度、形位公差等技术要求以及对上道工序的技术要求。D注明被加工零件的名称、编号、材料、硬度以及加工部位的余量。a)在图中注明被加工零件的名称及编号:7170316KZ 后桥壳;材料:QT590-10;硬度:HB180260。b)图中符号, -为夹紧位置 为定位基准。为使被加工零件工序图表达清晰明了,突出本工序内容,绘制时规定:应按一定的比例,绘制足够的视图;本工序加工部位用粗实线表示,保证的加工部位尺寸及位置尺寸数值下方画“_”粗实线,其余部位用细实线表示。2.3.2 加工示意图1)加工示意图的作用和内容6110 连杆钻小头孔组合机床设计8加工示意图是被加工零件工艺方案在图样上的反映,表示被加工零件在机床上的加工过程,刀具的布置以及工件、夹具、刀具的相对位置关系,机床的工作行程及工作循环等,是刀具、夹具、多轴箱、电气和液压系统设计选择动力部件的主要依据,是整台组合机床布局形式的原始要求,也是调整机床和刀具所必需的重要文件。图23 为箱体上 4 孔立式钻床加工示意图。在图上应标注的内容:机床的加工方法,切削用量,工作循环和工作行程。工件、夹具、刀具及多轴箱端面之间的距离等。主轴的结构类型,尺寸及外伸长度;刀具类型,数量和结构尺寸、接杆、导向装置的结构尺寸。2)绘制加工示意图之前的有关计算刀具的选择 刀具选择考虑加工尺寸精度、表面粗糙度、切削的排除及生产率要求等因素。 (刀具的选择前面已有说明。 )23 加工示意图导向套的选择 在组合机床上加工孔,除用刚性主轴的方案外,工件的尺寸、位置精度主要取决于夹具导向。因此正确选择导向装置的类型,合理确定其尺寸、精度,是设计组合机床的重要内容。选择导向类型 根据刀具导向部分直径 d=16mm 和刀具导向的线速度v=12m/min,选择固定式导向。导向套的参数 根据刀具的直径选择固定导向装置,如图 24 所示:固定导向装置的标准尺寸如表 2-1 所示:9表 21 固定导向装置的标准尺d D D1 D2 L L1 m R d1 d2 L016 26 35 39 36 45 18 22 M16 32 32图 24 固定导向装置固定装置的配合如表 2-2:表 22 固定装置的配合导向类别 工艺方法 1DD 刀具导向部分外径固定导向 钻孔 67nH67gg6初定主轴类型、尺寸、外伸长度因为轴的材料为 40Cr,剪切弹性模量 G=81.0GPa,刚性主轴取 14,所以 B取 2.216,根据刚性条件计算主轴的直径为:d B =2.216 =19.61mm (2-6)4T490.6123式中:d轴直径,mm;T轴所承受的转矩,Nmm;6110 连杆钻小头孔组合机床设计10B系数。本设计中所有主轴直径皆取 d=20mm,主轴外伸长度为:L=115mm,D/ 为1d32/20,内孔长度为:l 1 =77mm.选择刀具接杆 由以上可知,多轴箱各主轴的外伸长度为一定值,而刀具的长度也是一定值,因此,为保证多轴箱上各刀具能同时到达加工终了位置,就需要在主轴与刀具之间设置可调环节,这个可调节在组合机床上是通过可调整的刀具接杆来解决的,连接杆如图 25 所示,图 25 可调连接杆连接杆上的尺寸 d 与主轴外伸长度的内孔 D 配合,因此,根据接杆直径 d 选择刀具接杆参数如表 23 所示:表 23 可调接杆的尺寸d(h6) D1(h6) d2 d3 L l1 l2 l3螺母厚度20 Tr206 莫氏 1 号 12.061 17 188 46 42 100 12确定加工示意图的联系尺寸从保证加工终了时主轴箱端面到工件端面间距离最小来确定全部联系尺寸,加工示意图联系尺寸的标注如图 23 所示。其中最重要的联系尺寸即工件端面到多轴箱端面之间的距离(图中的尺寸 314mm),它等于刀具悬伸长度、螺母厚度、主轴外伸长度与接杆伸出长度(可调)之和,再减去加工孔深度和切出值。工作进给长度的确定 如图 2-6 工作进给长度 应等于工件加工部位长度工LL 与刀具切入长度 和切出长度 之和。切入长 应根据工件端面误差情况在1L2L1510mm 之间选择,误差大时取大值,因此取 =7mm,切出长度 =1/3d+(38)=211+8 9mm,所以 =10+7+8=25mm.5.831工L快进长度的确定 考虑实际加工情况,在未加工之前,保证工件表面与刀尖之间有足够的工作空间,也就是快速退回行程须保证所有刀具均退至夹具导套内而不影响工件装卸。这里取快速退回行程为 155mm,快退长度等于快速引进与工作工进之和,因此快进长度 15525=130mm.图 26 工作进给长度2.3.3 机床联系尺寸图图 27 机床联系尺寸图1)联系尺寸图的作用和内容6110 连杆钻小头孔组合机床设计12联系尺寸图用来表示机床各组成部件的相互装配和运动关系,以检验机床各部件的相对位置及尺寸联系是否满足要求,通用部件的选择是否合适,并为进一步开展主轴箱、夹具等专用部件、零件的设计提供依据。联系尺寸图也可以看成是简化的机床总图,它表示机床的配置型式及总体布局。如图 27 所示,机床联系尺寸图的内容包括机床的布局形式,通用部件的型号、规格、动力部件的运动尺寸和所用电动机的主要参数、工件与各部件间的主要联系尺寸,专用部件的轮廓尺寸等。2)选用动力部件选用动力部件主要选择型号、规格合适的动力滑台、动力箱。滑台的选用 通常,根据滑台的驱动方式、所需进给力、进给速度、最大行程长度和加工精度等因素来选用合适的滑台。驱动形式的确定 根据对液压滑台和机械滑台的性能特点比较,并结合具体的加工要求,使用条件选择 HY 系列液压滑台。确定轴向进给力 滑台所需的进给力 = =41313.09=5252.36N进Fi式中: 各主轴加工时所产生的轴向力i由于滑台工作时,除了克服各主轴的轴的向力外,还要克服滑台移动时所产生的摩擦力。因而选择滑台的最大进给力应大于 5.30KN。进F确定进给速度 液压滑台的工作进给速度规定一定范围内无级调速,对液压滑台确定切削用量时所规定的工作进给速度应大于滑台最小工作进给速度的 0.51 倍;液压进给系统中采用应力继电器时,实际进给速度应更大一些。本系统中进给速度=nf=8000.1=80mm/min。所以选择 HY80液压滑台,工作进给速度范围vf4250mm/min,快进速度 4m/min。确定滑台行程 滑台的行程除保证足够的工作行程外,还应留有前备量和后备量。前后备量的作用是动力部件有一定的向前后移动的余地,以弥补机床的制造误差以及刀具磨损13后能向前调整。本系统前备量为 20mm, HY80液压滑台的工作行程由查表可取250mm,工作行程=快进行程+工进行程+前备量+后备量,即 250=130+25+20+后备量,所以后备量取 75mm。由下式估动力箱的选用 动力箱主要依据多轴所需的电动机功率来选用,在多轴箱没有设计之前, 可算主P (2-主 切7)40.150.80.75KW式中:多轴箱传动效率,加工黑色金属时 0.80.9;有色金属时0.70.8,本系统加工 HT200,取 0.8动力箱的电动机功率应大于计算功率,并结合主轴要求的转速大小选择。因此,选用电动机型号为 Y100L6B5 的 1TD16 IA 型动力箱,动力箱输出轴至箱底面高度为 125mm。主要技术参数如表 2-4:表 2-4 Y90S 电机的技术参数转速范围(r/min)主电机传动型号电机转速 输出转速主电机功率()kw配套主轴部件型号Y90S-6 910 600 0.751TA32、1TA32M、1TZ321TG32Y 轴液压滑台的选用摩擦系数:f=0.070.12 取 f=0.1F=fN=0.1mg=0.19.15610=9.156N (2-8)3)确定多轴箱轮廓尺寸本机床配置的多轴箱总厚度为 220mm,宽度和高度按标准尺寸中选取。计算时,多轴箱的宽度 B 和高度 H 可确定为:B=600mm H=860mm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BH=600 mm860 mm。2.3.4 生产率计算卡6110 连杆钻小头孔组合机床设计14生产率计算卡是反映所设计机床的工作循环过程、动作时间、切削用量、生产率、负荷率等技术文件,通过生产率计算卡,可以分析拟定的方案是否满足用户对生产率及负荷率的要求。1)理想生产率理想生产率 Q(件/小时)是指完成年生产纲领 A(包括备品及废品率)所要求的机床生产率。根据文献 第 51 页1Q=A/tk (2-9)式中,t k全年工时总数,h;A年生产纲领,件。一年按 250 个工作日、两班制,则全年工时为 4600 小时,年制造 105000 台机床(每台车床需一个主轴箱) ,加上 5%的备品及废品率,则年生产纲领 A 为 110000件,所以:Q= 110000/4600=24(件/小时)2)实际生产率实际生产率 Q(件/小时)是指所设计的机床每小时实际可生产的零件数量。根据文献1第 51 页Q=60/ (2-10)T单式中: 生产一个零件所需时间( min) ,可按下式计算:T单(2-11)T辅单 机式中: 机加工时间( min) , 辅助时间( min) ,可按下式计算:机 辅(2-12)IVL工 进工 进机(2-13)装 卸快 快 退快 进辅 TT式中: 刀具工作进给长度,mm;L工 进动力头快进行程长度,mm;快 进动力头快退行程长度,mm;快 退刀具工作进给速度,mm/min;V工 进动力头快进、快退速度,mm/min;快工件装卸、定位、夹紧的时间,min;T装 卸死挡铁停留时间, min。I(1)机加工时间 机根据公式(2-17) ,计算钻孔的 :T机15T 机 =50/80+0.05=0.63min(2)辅助加工时间 辅根据公式(2-18) ,计算钻孔的 :辅T 辅 =(100+150)/3000+1.5=1.57min由此可算得单件工时 T 单=(T 总+T 辅)=(0 .63+1.57)/4=0.56 分/件Q=60/ =60/0.56=107(件/小时)单3)机床负荷率计算根据文献 第 51 页得:负荷率为1=83% (2-14) 1Q负4)机床的生产率计算卡由上面的计算可以绘制出钻孔的生产率计算卡,如图 2-5 所示。表 25 生产率计算卡图号 毛坯种类 铸件名称 箱体 毛坯重量被加工零件材料 HT200 JB297-62 硬度 HB170-241工序名称 钻压盘连接孔 工序号 工时/min序号工步名称工作行程/mm切速/(mmin -1)进给量/(mmr -1)进给量/(mmmin -1)工进时间辅助时间1 按卸工件 12 夹 紧 10 0.0023 快 进 100 3000 0.0334 钻 孔 50 81.5 0.1 80 0.6255 死档铁停留 0.056 快 退 150 3000 0.057 卸下工件 10 0.5累计 0.758 1.502单件总工时 2.26/4=0.56分/件机床生产率 107 件/h备注1、主轴转速 706r/min2、一次安装加工完一个工件理论生产率 128.2 件/h6110 连杆钻小头孔组合机床设计16负荷率 83%三、主轴箱设计主轴箱是组合机床的重要专用部件,它是根据机床总体设计所确定的工件加工孔的数量、切削用量等加工要求,安排各主轴位置,将动力和运动递给各工作主轴,使之得到要求的转速和转向的动力部件。其动力来自通用的动力箱,与动力箱一起安装于进给滑台,完成钻、扩、镗、攻丝等加工工序。其特点是按专用要求设计,由通用部件组成,靠夹具的导向装置来保证孔加工的位置精度。本人的主轴箱部分设计是连杆钻小头孔组合机床主轴箱的设计。由总体设计部分可知,需设计的主轴箱轮廓尺寸为 600mm 220mm;该类型的主轴箱结构典型,能利用通用的箱体和传动件;采用标准主轴,借助导向套引导刀具来保证被加工孔的位置精度。本课题中主轴箱由箱体、前盖和侧盖三个部分组成。箱体材料为 HT200,前盖等材料为 HT200;箱体的标准厚度为 35mm,前盖厚度为 10mm,侧盖厚度为 15mm。主轴的类型为圆锥滚子轴承长主轴,主轴材料采用 40Cr 钢,热处理 C42。通用传动轴一般用 45 钢,调质 T235。 通用齿轮有传动齿轮、动力箱齿轮和电动机齿轮三种。在主轴箱箱体内腔,可安排三排齿轮;箱体后壁与后盖之间安排一排齿轮。通用主轴箱设计的顺序是:绘制主轴箱设计原始依据图;确定主轴结构、轴径及模数;拟订传动系统;计算主轴、传动轴坐标,绘制坐标检查图;绘制主轴箱总图,零件图及编制组件明细表。具体内容如下所示。3.1 绘制主轴箱设计原始依据图主轴箱设计原始依据图,是根据“三图一卡”整理编绘出来的,其内容包括主轴箱设计的原始要求和已知条件。(1)主轴箱轮廓尺寸 600220mm。(2)机体对轮廓尺寸以及每个孔的位置尺寸。(3)机体对与主轴箱相对位置尺寸。17根据这些数据可编制出主轴箱设计原始依据如图 3-1 所示。图 3-1 主轴箱设计原始依据3.2 确定主轴、齿轮及动力计算3.2.1 主轴结构型式和直径、齿轮模数的确定主轴的型式和直径,主要取决于工艺方法,刀具主轴连接结构、刀具进给抗力和切削转矩。如钻孔时常采用滚珠轴承主轴,扩、镗孔等工序常采用滚锥轴承主轴;主轴间距较小是常采用滚针轴承主轴。齿轮模数 (单位 mm)一般用类比法确定,也可按文献1公式估算,即m(3-1)3(02)Pzn式中, 齿轮所传递的功率, kw;P一对啮合齿轮中的小齿轮齿数;Z小齿轮的转速,r/min。N主轴箱中的齿轮模数常用 2、2.5、3、3.5、4 几种。为了便于生产,同一主轴箱中的模数规格不要多于两种。由于本主轴箱为钻孔主轴箱,主轴转速误差较小,且加工孔的位置比较集中,可以根据实际需要选出齿轮模数为 2、3、4 三种。3.2.2 主轴箱所需动力的计算6110 连杆钻小头孔组合机床设计18主轴箱的动力计算包括主轴箱所需要的功率和进给力两项。 (3-2)PP切 削 损 失主 轴 箱 空 转式中, 切削功率,kw;P切 削空转功率,kw;空 转与负荷成正比的功率损失,kw。损 失根据文献 表 4-6 得6=0.018kw空 转=1188w P切 削=11881%=11.88 w 损 失所以可得到 = 0.018 +1.188+0.01188=1.218kw主 轴 箱主轴箱所需进给力 (单位 N)可按式 3-3 计算F主 轴 箱(3-3)1niF主 轴 箱式中: 各主轴所需的轴向切削力,单位为 N;iF=3765N。主 轴 箱3.3 主轴箱传动系统的设计主轴箱传动系统设计是根据动力箱驱动轴位置和转速、各主轴位置及其转速要求,设计传动链,把驱动轴和各主轴连接起来,使各主轴获得预定的转速和转向。3.3.1 对主轴箱传动系统的一般要求对主轴箱传动系统设计的一般要求有:A.在保证主轴的强度刚度转速和转向要求的前提下,力求使传动轴和齿轮为最少;B.主轴传动轴和齿轮的规格要尽可能少;C.最佳传动比为 11.5;D.尽可能避免升速传动。3.3.2 拟定主轴箱系统的基本方法主轴的分布通常可以分为:同心圆分布、直线分布和任意分布三种。拟定多轴箱传动系统的基本方法是:先把全部主轴中心尽可能分布在几个同心圆上,在各个同心圆的圆心上分别设置中心传动轴,非同心圆分布的一些主轴也宜设置中间传动轴(如一根传动轴带两根或三根主轴) ,然后根据已选定的各中心传动轴再作同心圆,并用最少的传动轴带动这些中心传动轴,最后通过合拢传动轴与动力箱驱动轴使之连接起来。19(1)根据工序图,采用任意分布;(2)驱动轴的设置驱动轴直接带动的轴数不能超过两根,以免给装配带来困难。驱动轴的旋转方向可任意选择;动力箱与多轴箱连接时,应注意驱动轴中心一般设置于多轴箱箱体宽度的中心线上,其中心高度则决定于所选动力箱的型号规格。3.3.3 确定传动轴的位置及齿轮齿数传动方案拟订之后,通过“计算、作图和多次试凑”相结合的方法,确定齿轮齿数和中间传动轴的位置及转速。由各主轴几驱动轴转速求驱动轴到各主轴之间的传动比主轴 n 8=n9=n19=800r/min驱动轴 970r/min470/minor各主轴总传动比 i =800/970=0.825为使结构紧凑,主轴箱体内的齿轮传动副的最佳传动比为 11.5;另外,主轴与驱动轴转向相同时,经过偶数个传动副。3.3.4 拟订主轴箱传动路线该主轴箱有 7 根主轴,由传动轴 0 传动。具体传动路线见图 3-2。图 3-2 传动树形图6110 连杆钻小头孔组合机床设计203.4 各零件的设计选用与校核主轴箱零件校核:a)轴承校核:设计中所用的所有重要轴承都要经过寿命校核。在满足尺寸和强度要求的情况下,尽可能地选用国产轴承。b)轴的校核:设计中所用的所有较重要的轴都要经过强度校核和刚度校核。c)齿轮校核:设计中所用的所有齿轮都要经过强度校核。d)键及花键:设计中所用的所有较重要的键及花键都要经过强度校核。e)销与螺钉:设计中所用的所有较重要的销与螺钉都要经过强度校核。3.4.1 主轴箱中轴的强度校核A.轴系零件的轴向固定为使轴和轴上零件在机器中有正确的位置,防止轴系轴向窜动和正确传递轴向力,轴系零件应予轴向固定。常见的轴向固定方式有三种:a)两端单向固定的支承结构;b)一端双向固定,一端游动的支承结构;c)两端游动的支承结构。轴系零件不论采取哪种固定方式,都是根据具体情况通过选择轴承的内圈与轴,外圈与轴承座孔的固定方式来实现的。轴承内外圈的周向固定主要由配合来保证,轴承内圈和轴的轴向固定,其原则及方法与一般轴系的轴向固定方式基本相同,外圈与轴承座孔的轴向固定形式主要是利用轴承盖、孔用弹性垫圈、套孔的凸肩以及轴承座孔的凸肩。具体选择时要考虑轴向载荷的大小,方向,转速高低,轴承的类型,支承的固定型式等情况。根据上面的要求,结合本设计情况,主轴箱内的轴系零件的轴向固定方式采用两端单向固定的支承结构。B.轴的结构轴的结构主要取决于:轴在机器中的安装位置及形式;轴上零件的类型,尺寸及配置,定位和固定方式;载荷的性质,大小,方向及分布情况;轴的加工和装配工艺性等。由于影响轴结构的因素较多,其结构随具体条件不同而灵活变化,所以轴一般并无标准的结构形式。但不论何种具体条件,轴的结构均须满足:足够的强度和刚度;轴和装在轴上的零件应有准确的工作位置;轴上的零件应便于装拆和调整;轴应该具有良好的制作工艺性。 C. 计算各轴扭矩,确定各轴直径 为设计计算方便,将各根轴分别编号为 0、1、2、36。根据主轴位置和转速要求,设计齿轮传动系统。已知驱动轴转速为 970r/min,则可通过各齿轮的啮合关系求出各轴的转速:n0=970r/minn1=970*32/45=689.8r/minn2=689.8*45/45=689.8r/minn3=689.8*38/46=569.8r/min21n4=569.8*45/23=1114.9r/minn5=1114.9*40/43=1037.1r/min根据文献 第 66 页1(3-4)nUTT21总 Nm41.910.986323 总根据文献2表 5-10 选 d1=d2=d7=25mm同样通过计算查表 5-10 选得d0=55mm,d1=50mm,d2=50mm,d3=60mm.d4=60mm,d5=d6=110mmd.轴的校核根据装配图上各轴的受载情况知,轴 0 在所有轴种受到的载荷最大,所以校核轴 0。根据文献 公式 7-6 轮齿的受力大小可算得:82 9141.41/40=457.07N307.8.5tTFNd总tg =457.07tg20=166.36Nrt/cos =457.07/cos20=486.40Nnt457.0740/2=9141.4Nmm708.5203782tHFDMN486.4040/2=9728N mm14.9.165.nV166.3640/2=3327.2Nmm257.8.4.92rFm6400.8 Nmm126.VVMN=9362.81 NmmHWcacP1根据文献8表 10-5 抗弯截面系数(3-5)31.0dWMPaca 47.)3(1.0896236110 连杆钻小头孔组合机床设计22根据文献 表 10-1 轴的许用弯曲应力表可得 45 号正火钢的 。8 15MPa1ca因此,该轴的强度满足设计要求。3.4.2 主轴箱中齿轮的校核计算一般只对主轴箱中承受载荷最大,最薄弱的齿轮进行接触强度和弯曲强度的验算。由于轴 2 上的小齿轮和轴 3 上的大齿轮啮合,轴 3 上的小齿轮又和轴 4 上的模数更大的齿轮啮合,所以轴 2 上的小齿轮承受的扭矩最大,故校核轴 2 与轴 3 上啮合的模数 m 为 3 的一对齿轮。(1)齿轮的材料、精度和齿数 因传递功率不大,转速不高,材料按文献8表 7-1 选取,都采用 45 钢,锻造毛坯,大齿轮正火处理,小齿轮调质,均用软齿面。齿轮精度用 8 级,轮齿表面粗糙度为 =1.6。软齿面闭式传动,失效形式为点蚀,考虑传动平稳性,齿数宜取多aR些,取 =38, Z2=46。1Z(2)校核计算(a)设计准则 按齿面接触疲劳强度设计,再按齿根弯曲疲劳强度校核。(b)按齿面接触疲劳强度校核 已知 32479.8MNm4 201453.6i Nm根据文献 图 7-6 齿面接触疲劳极限选取材料的接触疲劳极限应力为8MPaPaHH60li2lim1,根据文献 图 7-7 选取的弯曲疲劳极限应力为:MFF1230limli ,应力循环次数 N 根据文献 公式(7-3)计算888121 1024.6./09./ 96)3(26uatn则根据文献 图 7-8 查得接触疲劳寿命系数 。8 2.5NZ,根据文献 图 7-9 查得弯曲疲劳寿命系数 。1Y,根据文献 表 7-2 查得接触疲劳安全系数 ,弯曲疲劳安全系数 minHS又 试选 。min1.4FS2.0STY1.3tK根据文献8式(7-1) 、 (7-2)求许用接触应力和许用弯曲应力:23 MPaYSPaZSNFTFNH304.1208.3695802minl21il12minl21il1 smdv /.6.31061sz /23.0/4.2/1 根据文献 图 7-10 得 ;81vK根据文献 表 7-3 查得 ;A根据文献 表 7-4 查得 ;.8取 则 。,1K1.0.3V根据文献 表 7-6 取标准模数 =3mm ;8m根据文献 表 7-5,得弹性影响系数 。8.9EZMPa又 b=24mm,K=1.1, mm16dz(3-6)21)(bdKTEH=2.5188.90.9 64.1)(253.=276.1MPalimH因此,满足强度要求。(3)校核齿根弯曲疲劳强度根据文献 图 7-18 查得 , ,取814.2FSY.0FS.7Y根据文献 式( 7-12)校核大小齿轮的弯曲强度(3-7)MPamZKTFSdF .35.0.22131 .1MPa74.12.432122 FFSF PaY6110 连杆钻小头孔组合机床设计24因此,此齿轮适合要求3.4.3 主轴箱中轴承的校核计算因主轴上的轴承承受的轴向力最大,且承受的扭矩也较大,故校核主轴 1 上的一对轴承。已知 。2384.aFN(1)计算轴承所受径向力主轴 1 上的受力情况如图 3-3 所示。图 3-3 主轴 1 的受力图根据文献 公式 7-6 主轴 1 上轮齿的受力大小可算得8(3-8)12063.54.tTFNdtg =354.4tg20=129N (3-9) rt根据力矩平衡关系可知 NFrr1292103.7(03.746)rr经计算得 =39.64N, =89.36N。12r根据力矩平衡关系可知 NFtH.52103.7(03746)t经计算得 =108.9N, =245.5N12H可得2221108.93.6415.9RrFN25H(2)计算派生轴向力对 30204 型轴承,根据文献9表 7-2-79,有 e=0.35,Y=1.7。则(3-10) NYFRS 1.347.295125NYFRS 84.76.122(3)计算轴承所收的轴向载荷 =76.84Nsa 5.21.3.12SF故轴承 1 有被“放松”的趋势,轴承 2 有被“压紧”的趋势,于是=2418.5N2AF1SaFS1=34.1N(4)计算当量动载荷已查得 e=0.35,故eRA29.015/.34/1F6282再根据文献 表 7-2-79,有 = 1、 =0、 =0.4、 =1.7;又根据文献9XY2X2Y表 11-8 得 =1.21.8,取中央值 =1.5。轴承的当量动负荷为8pf pfNYXPAR 85.739.5.)(111 NFfp 9.632).4126140(222 (5)计算轴承寿命根据文献 表 11-6 得 =0.95,根据文献9表 7-2-79 得 =28200N。又8tf rC=10/3。得hPCfnLrth 63/1011 8.9)85.7290(86)(67 frth ).()( 3/1022故轴承 1 的寿命为 ,轴承 2 的寿命为 。这对轴承的工作寿命69.810h9h为 。根据组合机床的寿命要求,此对轴承满足要求。3903.5 多轴箱坐标计算(1) 选择加工基准坐标系 X0Y主轴箱是安装在动力头上的,坐标原点放在靠近主轴箱左侧的定位销上,如图3-4 所示:6110 连杆钻小头孔组合机床设计26图 3-4 基准坐标系定位销的尺寸是距离主轴箱侧面 E=50mm,距主轴箱底边 H=30.5mm。下面分别计算各主轴及传动轴的坐标。(2)计算每根轴的坐标主轴 0 的坐标已知为 =0mm, =0mm;1X1Y计算传动轴坐标时,先算出与主轴有直接传动关系的传动轴坐标,然后计算其它传动轴坐标。根据文献 第 71 页图 4-25,其计算方法如下,结合图 3-5:6jiA123B 1JC0ILabc(,)R图 3-5 主轴和传动轴坐标关系设 ABX27ABY则 2L21IRJI因为 00siniaBcLAo所以 LBJAIcJI00231 sincoBasin还原到 X0Y 坐标系中去,则 c 点坐标:LAJBIYXA1各主轴、传动轴及驱动轴的坐标如下表所示。表 3-1 各主轴、传动轴及驱动轴的坐标坐 标 X(mm) Y(mm)轴 0 0.000 0.000轴 1 -72.826 -94.838轴 2 -39.046 -230.457轴 3 63.403 -311.204轴 4 0.000 -436.918轴 5 -150.000 -520.790轴 6 150.000 -520.790轴 7 88.000 35.791轴 8 250.000 154.210轴 9 -275.000 -630.7903.6 绘制轴坐标检查图3.6.1 坐标检查图的主要内容6110 连杆钻小头孔组合机床设计28(1)通过齿轮啮合,检查坐标位置是否正确,检查主轴转速及转向;(2)进一步检查各零件间有无干涉现象;(3)查润滑油泵、分油器等附加机构的位置是否合适。3.6.2 坐标检查图绘制的顺序及要求绘出多轴箱轮廓尺寸和坐标系 XOY。按计算出的坐标值绘制各主轴、传动轴轴心位置及及主轴外伸部分直径,并注明轴号及主轴、驱动轴、液压泵轴的转速和转向等。用点划线绘制各齿轮的分度圆、注明各齿轮齿数、模数、所处排数及变位齿轮的变位量。为了醒目和易于检查,可用不同颜色细线条画出 。29四、PLC 控制系统设计4.1 装置简介参照设计图纸,本组合机床需要完成钻削、快进、工进、快退、液压启停、冷却启停等操作,其中最主要的是滑台需要完成如图 4-1 所示的运动。图 4-1 滑台需要完成的工作示意图机床的控制及工作过程如下:(1)原始状态下,按下液压启动按钮,液压泵开始工作;(2)按下冷却排屑系统开按钮,冷却排屑系统启动;(3)按下主轴旋转按钮,主轴电机启动;(4)按下快进开始按钮,控制滑台运动的电机启动并加速;(5)滑台运行压倒行程开关 SQ1,滑台开始工进;(6)滑台运行压倒行程开关 SQ2,滑台开始快退;(7)滑台运行压倒行程开关 SQ3,滑台停止运动;(8)按下主轴停止按钮,主轴停止运动;该机床还设有紧急停止按钮、主轴与进给停止按钮、点动快进按钮、点动快退按钮、进给停止按钮、液压停止按钮、冷却排屑系统停止按钮,该机床还配有照明灯及其开关、控制显示灯等。4.2 输入/输出分析(1)输入信号为 14 个开关量信号,分别是:主轴旋转、紧急停止、主轴停止、快进开始、SQ1、SQ2、SQ3、点动快进、点动快退、液压启动、进给停止、主轴与进给停止、冷却排屑开和冷却排屑关。(2)输出信号为 6 个开关量信号,分别是 KM0、KM1、KM2、KM3、KM4、KM5。4.3 用户程序容量估计分析系统控制要求,控制用的程序估计较短。
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