131 粗鏜活塞銷孔組合機床設計,活塞,組合,機床,設計 1,粗鏜活塞銷孔組合機床設計,專 業(yè)：機械設計制造及其自動化 姓 名：周 益 學 號：20050468 指導老師：肖懷國,江西農(nóng)業(yè)大學學士學位畢業(yè)論文答辯,2,第一章 概述,1.1、活塞概述 1.1.1活塞的功用與結(jié)構(gòu)特點 1.1.2活塞材料、毛坯及熱處理 1.1.3活塞加工工藝過程分析 1.2、組合機床概述 1.2.1組合機床的定義和特點 1.2.2組合機床的配置形式和通用部件 1.2.3組合機床的設計步驟,3,1.1 活塞概述,1.1.1活塞的功用與結(jié)構(gòu)特點 活塞是將直線運動變成 旋轉(zhuǎn)運動或者將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn) 變成直線運動的零件。 活塞在工作過程中，沿活塞銷 軸向變形量大，銷孔軸線方向的膨 脹量大于其垂直方向 ，兩項疊加總 是使銷軸方向為橢圓長軸，垂直銷軸 方向為橢圓短軸。 頂面熱量由上向下傳遞，溫度 場上面高下面的，熱膨脹不均，因此活 塞因制成錐形，頭部小，裙部大；裙部 也帶有錐度，大端在下方。,,1-活塞裙部 2-活塞頭部 3-回油小孔 4-活塞頂面 5-環(huán)槽 6-鎖環(huán)槽 7-活塞銷孔 8-活塞止口 圖2-1 活塞簡圖,(a)受力變形圖 (b)受熱變形圖 圖2-2 活塞變形示意圖,4,1.1活塞概述,1.1.2活塞材料、毛坯及熱處理 汽油發(fā)動機及高速柴油機，應減少往復運動的慣性力，均采用輕質(zhì)材料，如鋁合金。采用鋁合金的優(yōu)點：導熱性好，質(zhì)量輕，慣性力小，可提高轉(zhuǎn)速，加工工工藝性好。鋁合金切削性能好，毛坯鑄造可采用金屬型壓鑄，毛坯精度高，活塞銷孔也能夠鑄造出來，因此減少了機械加工量。 總的來說，鋁合金的優(yōu)點很多，所以高速內(nèi)燃機中均采用鋁合金做活塞材料。毛坯在機械加工前要切去澆冒口，并進行時效處理，消除鑄造時的殘余應力。時效處理將活塞加熱至180-200°C,保溫6-8h后自然冷卻?；钊?jīng)時效處理后，強度和硬度還能夠提高。,5,1.1活塞概述,1.1.3活塞加工工藝過程分析 活塞外形和內(nèi)腔形狀復雜 、壁薄、剛性差，在外力作用下很容易變形，受切削熱的影響，加工過程熱變形也大。活塞生產(chǎn)屬于大批大量生產(chǎn)，工藝上必須采取一些專用工藝裝備。 定位基準 ：采用止口和端面做輔助精基準面 。 特點：可加工部位多，如裙部、頭部、頂面、銷孔、橫直槽等只要表面，一次裝夾情況下，可完成車削外圓、頂面、環(huán)槽等加工。 活塞銷孔的加工：活塞毛坯銷孔預先鑄造出來，一般加工路線為：粗鏜→半精鏜→精鏜→光整加工。粗鏜工序放在本次畢業(yè)設計的組合機床上進行加工，精鏜放在金剛鏜床上進行精加工，金剛鏜床主軸回轉(zhuǎn)中心相對工件定位表面有較高的位置精度，因而可保證加工質(zhì)量。,6,1.2 組合機床概述,1.2.1組合機床的定義與特點 組合機床：組合機床是用已經(jīng)系列化、標準化的通用部件和少量專用部件組成的多軸、多刀、多工序、多面或多工位同時加工的高效率專用機床。 特點： （1）主要用于加工箱體類零件的平面和孔。 （2）生產(chǎn)率高。 （3）加工精度穩(wěn)定。 （4）研制周期短，便于設計、制造和適用維護，成本低。 （5）自動化程度高，勞動強度低。 （6）配置靈活。,7,1.2組合機床概述,組合機床實例圖一： 組合機床實例圖二：,8,2組合機床概述,1.2.2組合機床配置型式和通用部件 組合機床配置型式： （1）大型組合機床 大型組合機床分為： 單工位組合機床 多工位組合機床 （2）小型組合機床,組合機床通用部件： （1）動力部件 （2）支承部件 （3）輸送部件 （4）控制部件 （5）輔助部件,1.2.3組合機床設計步驟： （1）制定工藝方案； （2）機床結(jié)構(gòu)方案的分析和確定； （3）機床的總體設計； （4）機床的部件設計和施工設計。,9,第二章 組合機床的初步設計,2.1組合機床工藝方案的確定 2.2組合機床結(jié)構(gòu)方案的分析和確定 2.3剛性主軸箱的設計 2.4組合機床液壓系統(tǒng)的設計 2.5主軸箱傳動裝置設計,10,2.1組合機床工藝方案的確定,2.1.1定位基準的分析： 采用的是止口和端面（一面一孔）組合定位，消去5個自由度，剩下的轉(zhuǎn)動自由度用一根裝在機床尾座套筒中的銷邊銷插入銷孔中來定位，從而保證鏜孔的加工余量均勻。當用壓緊機構(gòu)將活塞壓緊后，再將銷邊銷從銷孔中退出，即可進行加工。,11,2.1組合機床工藝方案的確定,2.1.2加工工藝的確定 在組合機床上對有色金屬進行鏜孔加工時，精度公差等級可以達IT11—13，表面粗糙度可達25--50μm。 1、 鏜刀材料：高速鋼W6MoCr4V2 2、 切削用量：切削速度V=120m/min、 進給量f=0.7mm/r 、 被吃刀量ap=1.5mm。 3、鏜刀幾何參數(shù)：主偏角45°，前角20°, 刃傾角0°.刀尖圓弧半徑2.0mm。 4、 切削力、切削功率、切削扭矩的計算： 切削力： Fz=450.4N 切削功率：Pc=Fz×Vc/60×1000=0.895kW 切削扭矩：M扭=Fz×R=6080.4 鏜桿尺寸：直徑d=(0.6-0.8)D=16.2mm，取d=18mm。 5、鏜孔直徑D，鏜桿直徑d，鏜刀截面B×B之間的關(guān)系為： (D-d)/2=(1-1.5)B 。B=(27-18)/2=4.5 查表取值得：B×B=8×8。,,,12,2.2組合機床結(jié)構(gòu)方案的分析和確定,2.2.1組合機床配置型式的選擇 根據(jù)被工序要求和被加工活塞的特點選擇單工位臥式固定式夾具組合機床。 這類機床在組合機床中的加工精度最高。對于粗鏜工序來說，工序所要求的尺寸和位置精度一般都能夠滿足。,臥式單工位組合機床示意圖,13,2.2組合機床結(jié)構(gòu)方案的分析和確定,2.2.2動力頭工作循環(huán)及其行程的確定 動力頭循環(huán)一般包括快速引進、工作進給和快速退回等動作，需要根據(jù)加工工藝具體需要來確定。根據(jù)被加工活塞銷孔的加工工藝可知，動力頭的循環(huán)動作為：快速進給→工作進給→快速退回。 （1）工作進給長度的確定 工進長度=切入長度+加工孔長度+切出長度。 切入長度 ：一般為5-10mm. 切出長度 :鏜孔是為5-10mm. 取值：切入長度=7mm,加工孔長度=102mm, 切出長度=8mm. 所以：工進長度=7+102+8=117mm。 （2）快速引進長度 初定快速引進長度=283mm。 （3）快速后退長度 快退長度=工進長度+快進長度 =117+283=400mm。,加工長度的確定,14,2.2組合機床結(jié)構(gòu)方案的分析和確定,2.2.3液壓滑臺的選擇 根據(jù)動力頭工作行程選擇液壓滑臺型號為：1HY20A.滑臺與滑座配置為雙矩形導軌。 1HY20A液壓滑臺的技術(shù)性能如下： （1）臺面寬：200mm。 （2）行程：400mm （3）進給力：6300N。 （4）油缸內(nèi)徑/活塞直徑：50/35mm。 （5）油泵流量：12L/min。 （5）快進流量：12L/min。 （6）最小進給量：40mm/min。 （7）工作速度：40-1000mm/min。 2.2.4動力源 動力源是為主軸箱的刀具提供切削主運動的驅(qū)動裝置，它與主軸配套使用。對鋁及其合金等輕金屬進行粗鏜削時，根據(jù)《組合機床設計》對傳動裝置的選擇，采用皮帶輪傳動裝置，所以采用用皮帶輪傳動裝置的型號為：TXxx-F44。,15,2.2組合機床結(jié)構(gòu)方案的分析和確定,2.2.5主軸箱 根據(jù)被加工活塞銷孔的特點，本設計中主軸與鏜模的設計借鑒在金剛鏜床(如圖3-3所示)上鏜削活塞銷孔的實例（東北重型機械學院《機床夾具設計手冊》）：組合機床主軸采用剛性主軸，主軸與鏜桿的連接也不采用浮動接頭。孔的位置精度主要是由鏜頭主軸與夾具之間正確位置保證，夾具沒有鏜套。主軸箱安裝在滑臺上，鏜刀桿安裝鏜刀進行鏜削。所以主軸箱采用專用剛性鏜削主軸箱及皮帶輪傳動裝置。,16,2.2組合機床結(jié)構(gòu)方案的分析和確定,2.2.6機床生產(chǎn)率的計算 機床理想生產(chǎn)率是指機床百分之百負荷情況下每小時的生產(chǎn)能力。 機床理想生產(chǎn)率 Q與機床實際可能生產(chǎn)率Q1的關(guān)系 ：,,,,,17,2.3剛性主軸箱的設計,2.3.1主軸參數(shù)的確定 2.3.2主軸支承系統(tǒng)的設計 2.3.3剛性鏜削主軸箱的設計,18,2.3剛性主軸箱的設計,2.3.1主軸參數(shù)的確定 D----主軸平均外徑； L----主軸支承距； a----主軸的懸伸長； d----空心主軸的內(nèi)孔直徑； L/a--主軸的懸伸比； D/d--主軸的直徑比。 （1）a的確定 a=102+8+30+20+25=185mm (2)L/a的確定 L/a=1.5 (3)D的確定 7.3----按主軸在一米長度上允許的最大扭轉(zhuǎn)角0.25°時確定的。 （4）d/D的確定 在剛性主軸中，主軸常采用空心的，以節(jié)省材料，但是應當以不影響主軸系統(tǒng)的剛度為前提。取：d/D=0.4.,,,19,2.3剛性主軸箱的設計,主軸剛性的驗算 一般來說，剛性主軸，只要其剛度能滿足要求，強度大多數(shù)都是足夠的。所以不必做強度驗算，只驗算其剛度就可以。 驗算主軸在受力時的彎曲變形，即主軸前段的撓度和前支承處的傾角。 根據(jù)《材料力學》可知： 式中： E-主軸材料的彈性模量； J-前支承的截面慣性矩； M-軸支承的反力矩 ； 通常?。? P-切削力； Q-傳動力。 驗算剛度時，取下列值： 計算得：x=0.00107(mm) 所得數(shù)值均滿足要求條件，所以剛性合適。,,,,,,20,2.3剛性主軸箱的設計,2.3.2主軸支承系統(tǒng)的設計 主軸支承系統(tǒng)對剛性主軸工作性能的影響很大，故對支承系統(tǒng)應該進行設計，也就是要選擇合適的主軸用軸承，以滿足剛性主軸的剛性條件。 根據(jù)《組合機床設計》“表5-24 組合機床常用剛性主軸支承簡圖”表 ：選擇支承系統(tǒng)如下： 前支承用NN3000K系列雙列向心短圓柱滾子軸承，后支承采用30000系列（舊編號7000型）圓錐滾子軸承，以承受徑向力。在前支承處裝置一個50000系列（舊編號8000型）的單列推力球軸承，以承受單方向的軸向力。這些軸承的結(jié)構(gòu)圖如圖所示。,21,2.3剛性主軸箱的設計,單列推力球軸承,22,2.3.3剛性鏜削主軸箱的設計 剛性主軸箱是一種常見的專用主軸箱，其特點是：主軸有足夠的剛性，刀桿與主軸采用剛性連接，加工時不需要依靠導向套和鏜模；主軸的支承距比較大，所以此種主軸箱的厚度較標準主軸箱要厚；采用這種主軸箱時，因不用導向，因此可以使機床的縱向尺寸大為減少。 (1)主軸箱箱體 要想要按計算來設計主軸箱箱體，這幾乎是不可能的，應充分參考調(diào)查的實例進行設計，依然借鑒金剛鏜床的主軸箱。 (2)主軸與刀桿的連接 剛性鏜削主軸箱中主軸和刀桿的連接常見有以下兩種類型： ①靠圓柱孔和斷面定位，用螺釘緊固，以斷面鍵傳遞扭矩。這種連接方式，裝拆比較方便，應用較廣，但需要經(jīng)常注意定位面的維護，以保持良好的定位精度。 ②主軸和刀桿制成整體的。這種形式可以消除結(jié)合面處的變形，增強主軸剛性，但是加長了主軸的長度，對制造和維修都帶來了困難，所以這種形式目前很少使用。,2.3剛性主軸箱的設計,23,2.4組合機床液壓系統(tǒng)的設計,2.4.1確定對液壓系統(tǒng)的工作要求 2.4.2擬定液壓系統(tǒng)原理圖 2.4.3計算和選擇液壓元件,24,2.4組合機床液壓系統(tǒng)的設計,2.4.1確定對液壓系統(tǒng)的工作要求 根據(jù)對活塞銷孔的加工要求，刀具旋轉(zhuǎn)由機械傳動來實現(xiàn)，主軸頭沿導軌中心線方向的“快進→工進→快退→停止”工作循環(huán)采用液壓傳動方式實現(xiàn)，故擬選定液壓缸作執(zhí)行機構(gòu)。 2.4.2擬定液壓系統(tǒng)原理圖 供油方式：限壓式變量葉片泵 調(diào)速方式：限壓是變量泵和調(diào)速閥組成的容積節(jié)流調(diào)速 快速運動回路：限壓式變量泵和差動連接 速度換接方式：行程閥切換,25,26,2.4組合機床液壓系統(tǒng)的設計,2.4.3計算和選擇液壓元件 （1）液壓缸的計算 液壓滑臺重力N1=457.86N，主軸箱和動力源的動力N2=2799.78N 所以：運動部件的動力：N=N1+N2=3257.64N。取N=4000N。 液壓缸所受的外負載：工作負載Fw=6300N,慣性負載Fa=1632.45N。 導軌摩擦負載Ff=fG.靜摩擦系數(shù)為0.18，動摩擦系數(shù)為0.1 計算的：Ffs=720N,Ffa=400N. 所以，工作循環(huán)各負載為： 啟動加速：F=Ffs+Fa=2352.65N；工進：F=Ffa+Fw=6700N； 快進：F=Ffa=400N； 快退：F=Ffa=400N。 確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸和工作壓力： 按液壓滑臺參數(shù)定：D/d為50/35mm； 工作壓力P可根據(jù)負載大小及機器的類型來初步確定，現(xiàn)參閱《液壓系統(tǒng)設計簡明手冊》P10表2-1取液壓缸工作壓力為：4MPa。,27,2.4組合機床液壓系統(tǒng)的設計,（2）計算各工作階段液壓缸所需要流量,,,,,,,28,2.4組合機床液壓系統(tǒng)的設計,（3）液壓泵的計算 泵的實際工作壓力： 式中：pp-----液壓泵的最大工作壓力 p1----執(zhí)行元件最大工作壓力 ∑⊿p----進油管路中的壓力損失，初算時簡單系統(tǒng)可取0.2~0.5（Mpa），復雜系統(tǒng)取0.5~1.5（Mpa）。本設計中取0.5 （Mpa）。 計算的： 由1HY20A液壓滑臺的技術(shù)性能參數(shù)可知油泵的流量為： 根據(jù)以上算得的pp和qp ，再查閱《液壓系統(tǒng)設計簡明手冊》p81，現(xiàn)選用YBX-16限壓式變量葉片泵，該泵的基本參數(shù)為：每轉(zhuǎn)排量q0=16m（L/r），泵的額定壓力pn=6.3（Mpa），電動機轉(zhuǎn)速nh=1450（r/min），容積效率ηv=0.85，總效率η=0.7。,,,,29,2.4組合機床液壓系統(tǒng)的設計,與液壓泵匹配的電動機的選擇 首先計算快進時的功率，快進時的外負載為400N，進油路的壓力損失定為0.3（Mpa）， 快進時所需電動機的功率為： 工進時所需電動機功率為： 查閱電動機產(chǎn)品樣本，選用Y90S-4型電動機。 驗算：作出泵的實際工作時的流量壓力特性曲線，查得該曲線拐點處的流量為24（L/min），壓力為2.9(Mpa)，該工作點處對應的功率為: 所以：P≤2×1.1=2.2(kW) 即所選的電動機在拐點處能正常工作。,,,,,,,,30,2.4組合機床液壓系統(tǒng)的設計,（4）液壓閥的選擇 本設計均用GE系列閥，根據(jù)擬定的液壓系統(tǒng)圖。按通過各元件的最大流量來選擇液壓元件的規(guī)格： 1，濾油器 XU-B32X100 2，液壓泵 YBX-16 3、9、12，單向閥 AF3-EA10B 5，電液動換向閥 12，調(diào)速閥 AQF3-E10B 14，行程閥 17，壓力繼電器 DP1-63B （5）油管及其其他裝置的設計 油管內(nèi)徑尺寸可參照選用的液壓元件的接口尺寸而定。 本設計為中壓系統(tǒng)。液壓油箱有效容量按泵的流量的5~7倍來確定。現(xiàn)選用容量為160L的油箱。,31,2.5主軸箱傳動裝置設計,2.5.1確定計算功率Pca 2.5.2選擇窄V帶帶型 2.5.3確定帶輪基準直徑 2.5.4確定窄V帶的基準長度和傳動中心距 2.5.5帶輪上的包角 2.5.6計算窄V帶的根數(shù)Z 2.5.7計算預緊力F0 2.5.8計算作用在軸上的壓軸力Q 2.5.9帶輪結(jié)構(gòu)設計,32,2.5主軸箱傳動裝置設計,2.5.1確定計算功率Pca 由公式： 其中：KA----工作情況系數(shù)； P----電動機額定功率，已知P=3（kW）； 由《機械設計》p157表8-7，查得 故： 2.5.2選擇窄V帶帶型 根據(jù)、，由圖8-8確定選用SPZ型窄V帶型。 2.5.3 確定帶輪基準直徑 由表8-4和表8-8取主動輪基準直徑 根據(jù)式： 根據(jù)表8-8，取 按式 驗算帶的速度： 故帶的速度合適。,,,,,,,,,,33,2.5主軸箱傳動裝置設計,2.5.4確定窄V帶的基準長度和傳動中心距 初步確定中心距 計算帶所需的基準長度 由表8-3選帶的基準長度Ld=800(mm) 計算實際中心距a 2.5.5帶輪上的包角 所以：主動輪上的包角合適。,,,,,=300+(800－844)/2 =256(mm),,,,34,2.5主軸箱傳動裝置設計,2.5.6計算窄V帶的根數(shù)Z 由式： 其中 Ka ----包角系數(shù)； KL----長度系數(shù)； P0----單根V帶的基本額定功率； ⊿P0----單根V帶的基本額定功率的增量。 查表8-6C和表8-6d得： P0=1.41(kW) ⊿P0=0.02(kW) =2.94 取Z=3根,,查表8-9得Kα=0.995，查表8-10得KL=0.86,,35,2.5主軸箱傳動裝置設計,2.5.7計算預緊力F0 由表8-5，得q=0.07kg/m 2.5.8計算作用在軸上的壓軸力Q,,,,,36,2.5主軸箱傳動裝置設計,2.5.9帶輪結(jié)構(gòu)設計 帶輪的材料選用牌號為HT200的鑄鐵。 ∵D≤300(mm) ∴帶輪采用整體式結(jié)構(gòu) 帶輪輪寬 其中f----稱面至端面的距離，查表8-12，取f=8(mm) 帶輪外徑的確定 查表8-8得,,,,,,37,第三章 組合機床的總體設計,3.1粗鏜活塞銷孔加工工序圖 3.2粗鏜活塞銷孔加工示意圖 3.3組合機床聯(lián)系尺寸圖的繪制,38,第三章 組合機床的總體設計,3.1粗鏜活塞銷孔加工工序圖 被加工工序圖是根據(jù)選定的工藝方案，表示在一臺機床上活一條自動線上完成的工藝內(nèi)容，加工部位的尺寸及精度、技術(shù)要求、加工用定位基準、夾壓部分、一起被加工零件的材料、硬度和在本機床加工前毛坯情況圖紙。它是組合機床設計的主要依據(jù)，也是制造適用時調(diào)整機床，檢查精度的重要技術(shù)文件。 粗鏜活塞銷孔工序所保證的尺寸、形狀位置公差中，查《互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ)》可知： 粗鏜所能夠達到的精度等級為IT10-12。 圓度和圓柱度不大于0.05mm,：公差等級為11-12級； 對稱度不大于0.02mm,公差等級為7-8級。 由于是粗鏜，尺寸和形位公差采用標注形位公差和尺寸公差相互關(guān)系的基本公差原則“獨立原則”，即在圖樣上給出的尺寸公差和形位公差各自獨立，應分別滿足要求的公差原則。 對于粗鏜，可以允許有退刀痕跡，退刀痕跡是由于在刀桿的自重下使刀具下垂一定量而在加工中產(chǎn)生的。,39,第三章 組合機床的總體設計,3.2粗鏜活塞銷孔加工示意圖 加工示意圖是組合機床設計的重要圖紙之一，在機床的總體設計中占有重要地位。它是設計刀具、夾具、主軸箱以及選擇動力部件的主要資料，同時也是調(diào)整機床和刀具的依據(jù)。 加工示意圖，要反映機床的加工過程和加工方法，并決定浮動夾頭活接桿的尺寸，鏜桿長度，刀具種類和數(shù)量，刀具長度及加工尺寸，主軸尺寸及伸出長度，主軸、刀具、導向與工件間的聯(lián)系尺寸等。根據(jù)機床要求的生產(chǎn)率及刀具特點，合理選擇切削用量，并決定動力頭的工作循環(huán)。,40,第三章 組合機床的總體設計,3.3組合機床聯(lián)系尺寸圖的繪制 機床聯(lián)系尺寸圖是決定各部件的輪廓尺寸及相互間聯(lián)系關(guān)系的，是開展各專用部件設計和確定機床最大占地面積的知道圖紙。 組合機床是由一些通用部件和專用部件組成的。為了使所設計的組合機床既能滿足預期的性能要求，又能夠做到配置勻稱合理，符合”多快好省”的精神，必須對所設計的組合機床各部件之間的關(guān)系進行全面的分析研究。這是通過繪制機床聯(lián)系尺寸圖來達到的。 ①機床裝料高度的確定 根據(jù)我國具體情況，為了便于操作和省力，對于一般臥式組合機床、流水線和自動線，裝料高度定為850mm. ②夾具輪廓尺寸的確定 夾具是用于定位和夾緊工件的，所以工作的輪廓尺寸和形狀是確定夾具輪廓尺寸的依據(jù)。由于本夾具沒有鏜套和鏜模架，所以夾具底座的寬度A為工件的寬度加上補償鑄件的誤差15mm，得： 夾具底座的確定：為了便于布置定位元件，一般夾具底座的高度不小于240mm,取250mm。,,41,第三章 組合機床的總體設計,3.3組合機床聯(lián)系尺寸圖的繪制 中間底座長度尺寸 L1----加工完成后工件和主軸箱端面的距離； L2----主軸箱的厚度； L3----工件的厚度 l1----機床長度方向上，主軸箱與動力滑臺的重合長度； l2----加工終了位置，滑臺前端面至滑座端面的距離； l3----滑座前端面至側(cè)底座前端面的距離。 當算出值后，還必須檢查尺寸a是否合適。當機床無冷卻液時 所以：a的尺寸大小符合要求。,,,,,,,,,,,,,,42,謝謝！,