减震器铝合金缸筒双面扩绞专用机床设计

摘 要 组合机床是一种高效率专用机床，有一定的使用条件，不是在所有情况下都可以收到良好的经济效益，在确定设计机床前，需要进行具体的经济技术论证。加工同一个产品的零件，通常会有很多种工艺方法，不同的方法会有不同的经济效益，影响技术经济的成分有很多，有时技术指标先进的方发，经济指标不一定先进，因此，需要对技术、经济指标作综合评估，综合多数的意见，选出优化方法进行经济效果评估，如果满意即可决定采用哪种方法。 本课题设计的是双端面孔加工组合机床。其来源于惠发特精密机械有限公司。在设计中：通过研究被加工零件的特点，对 相关数据进行计算，对相关部件进行选择，从而确定机床的整体布局。并绘制出被加工示意图，加工零件工序图，机床联系尺寸图和生产率计算卡。在此条件上拟定了主轴箱的传动路线，设计了轴的结构，进行了皮带轮及轴等相关零件的强度，刚度校核，并绘制出主轴箱总装图和相关零件图。该机床对零件的两端孔同时进行加工，加工的工艺性好，工件装夹方便。采用滚珠丝杠导轨实现刀具进给。工件采用 V 形块定位，液压夹紧，一次装夹完成不止保证了孔的加工精度，而且还提升了加工效率，降低了工人的劳动强度。 关键词 : 组合机床；双端面孔加工；液压夹紧 无锡太湖学院学士学位论文 2 Abstract Combination machine tools is an efficient special machine tool, has the certain conditions of use, can not in all cases received good economic benefits, before the design of machine tool is determined, specific economic and technical argument is required. Processing parts of the same product, usually there are many kinds of processing methods, different methods have different economic efficiency, influence the composition of the technical and economic has a lot of, sometimes technical indicators advanced party, advanced economic indicator does not necessarily, therefore, need to make a comprehensive evaluation of technical and economic indicators, comprehensive the opinions of the majority, to select the optimal method for economic evaluation, if satisfaction can be decided to use which method. This topic design is of double end face processing combination machine tools. It is derived from HuiFa precision machinery co., LTD. In design: by studying the characteristics of the processed parts and the related data to calculate, to choose of related parts, to determine the overall layout of machine tool. And map out the process diagram, process diagram, processing parts machine tool contact card size chart and productivity calculation. Conditions on which to formulate the spindle box of transmission route, design the structure of the shaft, the pulley and shaft parts related to strength, stiffness, and draw out the spindle box assembly diagram and related detail drawings. The machine tool and parts at both ends of the hole processing, processing of good manufacturability, workpiece clamping and convenient. With ball screw feed ? guide implementation tools. Key words: combination machine； double-face processing； the hydraulic clamping 目录 摘要 .III ABSTRACT.IV 目录 .V 1 绪 论 . 1 1.1 本课题的研究内容和意义 . 5 1.2 国内外的发展概况 . 5 1.3 本课题应达到的要求 . 5 2 对总体设计的理解 . 7 2.1 机床的主要用途 . 7 2.2 机床的主 要部件 . 7 2.3 总体设计工艺方案的制定 . 7 2.3.1 工序 . 7 2.3.2 安装 . 8 2.3.3 拟订加工工艺路线 . 9 2.3.4 两种加工路线的比较 . 9 2.3.5 刀具与夹具的比较 . 10 2.3.6 工序的集中与分散 . 11 2.3.7 确定加工工艺路线 . 11 3 进给系统设计 . 11 3.1 确定传动方式 . 12 3.2 联轴器的选用 . 12 3.3 导轨形式的确定（选用和载荷计算） . 12 3.3.1 选用 . 12 3.3.2 载荷计算 . 13 3.4 滚珠丝杆的机械特性的设计计算 . 13 3.5 滚珠 丝杆副的选用 . 17 3.6 滚珠丝杆的验算 . 17 3.7 步进电机的选用 . 18 3.8 传动系统的结构设计 . 21 3.8.1 螺母 . 21 3.8.2 活灵座 . 21 3.8.4 拖板 . 26 3.8.5 丝杆夹具 . 27 3.9 进给系统图 . 27 4 夹具设计 . 29 4.1 被加工零件的加工要求 . 29 无锡太湖学院学士学位论文 4 4.2 夹具设计的主要依据 . 30 4.2.1 被加工零件的加工精度和加工工序 . 31 4.2.2 被加工零件特点 . 31 4.2.3 零件的生产批量 . 错误 !未定义书签。 4.3 工件的定位方案确定 . 32 4.3.1 加工示意图的作用和内容 . 32 4.3.2 加工示意图的画法及注意事项 . 32 4.3.3 选择刀具，工具，导向装置并标注其相关位置及尺寸 . 32 4.4 工件夹紧方案确定 . 33 4.4.1 夹紧方向 . 33 4.4.2 夹紧部件 . 34 4. 5 定位元件，夹紧元件的设计 . 39 4.5.1 定位元件的设计 . 39 4.5.2 夹紧元件设计 . 39 4.6 夹紧力 计算 . 40 4.7 夹紧油缸设计 . 41 4.7.1 液压缸的载荷组成与计算 . 41 4.7.2 初选系统工作压力 . 43 4.7.3 液压缸的主要结构尺寸 . 45 4.7.4 油缸密封 . 45 4.8 夹具体及其他零件设计 . 45 4.8.1 外形简图 . 45 4.8.2 材料选择 . 46 4.9 夹具的安装与调整 . 47 4.9.1 安装 . 47 4.9.2 调整 . 47 4.9.3 夹具的可调节性 . 47 5 总结与展望 . 48 致 谢 . 49 参考文献 . 50 1 绪 论 1.1 本课题的研究内容和意义 人们在生活中的每个方面都离不开机械设备。专业为机械方 面的人，毕业后想要从事机械设计及制造工作都需要具备机械方面的基础知识与基础技能。毕业设计是概括性，综合性的实践课程，是工科各专业学生的必经之路，是所有学生离开学校之前最重要的任务。 本毕业设计是从事专业机床设计。包括总体设计，进给系统，床身部件，液压系统，主轴箱和机床夹具部分。 课程来源于无锡市惠发特精密机械有限公司。本课题系机动车减震器缸筒加工的专用机床设计，对于摩托车及其这一些激动车的减震器缸筒加工均有一定的参考价值，在减震器行业技术更新中起相当的作用。 1.2 国内外的发展概况 回首过去几十年来，机床行业已经能够实现平稳较快发展，得益于该行业在新形势下，把握“抓创新，调结构，促改革”的工作主线，使虽然在此期间显著改善产业格局，广大员工在机床行业和公司的大力支持下，各个方面的共同努力，已取得长足的进步， 2009年，中国的机床产量位居第一，在世界，在国内市场占有率国内机床工具的 80以上，但应该可以看到机床行业，我们只能将其视为一个“发展中的国家”在中国的机床工具产品结构，价格实惠的产品仍然占了很大的比例 ；国家重点发展领域的一些必要的高 端产品仍然需要依赖进口，我们的机床出口，仍然依靠大量的低价值，低成本的仿制产品，以支持，但总是有进口进出口逆差。尽管多年的努力，中国的机床工具企业，有已经被一些国际影响力的群体，一些世界先进水平和机床出口的国际竞争力已经开始，但整个行业的整体，自主创新能力，基础制造，低水平的同质化现象严重，低水平重复建设，难以解决的问题仍然存在自主创新产品推广应用，产品的质量和服务水平还有待提高，所以贯彻落实科学发展观，转变经济增长方式，大力调整的工业结构和产品结构，并力求在未来的一个重大突破，这将是中国机床工具行业的共同 努力我们的方向和目标，组合机床的发展有 28年的历史，它的研究和生产是相当的基础上，应用程序也已经渗透到许多行业。机械制造行业目前的产品更新，技术创新，提高生产效率和高速发展的必备设备。如何加快，高效率，高品质的加工是一个指导性意义的课题。外国如英国研究公司哈曼机械研究项目中的类，具有无可争议的领导者，在其技术已经非常完善。在我们的研究在这个项目上，他们仍然有较大的距离 。 1.3 本课题应达到的要求 此次毕业设计任务要求机床功能得到进一步的完善，能够提高零件的加工精度和加工效率，能够降低加工成本。该零件属摩托 车减震器用，其材料为铸铝，要求单班制生产，年产量 5 万件。机床结构表达清晰合理，说明书工整并有理论依据。进给系统应采用一般简易数控专用机床的滚珠丝杆付及滚动导轨的传动方案，并选用步进电机。绘制进给系统总图一份。绘制夹具总图一份，所设计之夹具必须根据工件尺寸大小有一定的调节范围。无锡太湖学院学士学位论文 6 编写说明书，要求包括必要的计算并且文字简洁通顺，表达清晰，字数一万字左右。专业英文资料翻译一万字左右。此次毕业设计从十一月十二日开始至五月二十五日结束。 2 对总体设计的理解 2.1 机床的主要用途 双工位扩绞专用机床是用于减震器生产线上铝筒加工的专用设备。双工位钻床的使用可以稳定高效地保证铝筒加工的精度，得到优良的加工质量，并可大幅度的降低加工成本，企业增效显著。 双工位扩绞专用机床是一种简易的数控专用机床，受制造成本的制约，为了节约成本结构要求简单，制造维修方便。 2.2 机床的主要部件 本机床 主要由床身、主轴箱、夹具、进给系统和液压系统等部件组成。 2.3 总体设计工艺方案的制定 机械加工工艺规程是规定产品或零部件机械加工工艺过程和操作方法的工艺文件。生产规模的大小，工艺水平的高低以及解决各种工艺问题的方法和手段都要通过机械加工工艺规程来体现。因此，机械加工工艺规程设计是一项重要而又严肃的工作。为能具体确切地说明工艺过程，一般将机械加工工艺过程分为工序、安装、工位、工步和走刀。 这是设计专用机床最重要的一步。工艺方案制定得正确与否，将决定机床能否达到“体积小，重量轻，结构简单，使用方便，效率高， 质量好”的要求。我们想让工艺方案采用的正确，必定先认真的分析加工零件的图纸，走进厂房详细的知道产品的结构突出点，加工地方，精度要求技术要求，粗糙度，定位夹紧方式采用的工艺和生产过程所采用的刀类，辅具，切屑用量情况及产生率要求高，分析其优缺点，总结设计，制造，使用单位和操作者的丰富的实践经验，以求理论紧密联系生产实际，从而确定零件在组合机床上完成的工艺（工序）内容及方法，决定刀具种类，结构型式，数量及切屑用量等。 根据选定的工艺方案确定机床的配置型式，并定出影响机床总体布局和技术性能的主要部件的结构方案。既要 考虑能实现工艺方案，以确保零件的加工精度，技术要求及生产率；又要考虑机床的操作方便可靠，易于维修，且冷却，排屑情况良好。 以上两个步骤是十分重要的。对于同一个零件的加工，可能会有各种不同的工艺方案和机床配置方案，在最后决定采取哪种方案时，决不能草率，要全面地看问题，综合分析各方面的情况，进行多种方案对比，从中选择最佳方案 2。 2.3.1 工序 被加工零件为一棒铝合金 MgZAlSi9 牌号 : MgZAlSi 9 代号 1104Z 铸造方法 : 金属型 热处理 : 淬火 +人工时效 力学性能 : 抗拉强度 145:/ MPab 伸长率 (%)5 : 2 无锡太湖学院学士学位论文 8 布氏硬度 :)30/250/5(HBS 50 铸造铝合金应具有良好的铸造性能，其成分应接近共晶点。此外，为了提高其力学性能，常常采用变质处理和固溶热处理。 双孔加工，左端 14.5，表面粗糙度 Ra=6.3 微米 ” 右端阶梯孔 最大 37.5，最小 28，表面粗糙度 Ra=6.3 微米 其他技术要求见孔位图，要求生产纲领为年产量 5 万件，单班制生产。 机械加工工艺过程的工序是指：一个（或一组）工人在一个工作地点对一个（或 同时对几个）工件连续完成的那一部分加工过程。 图 2.1 减震器零件图 其加工内容是 : 对左右两端钻孔 加工深孔 去毛刺 这些加工内容安排在 3 个工序中完成，如下表所示。 表 2-1 铝合金缸筒工序安排方案 工 序 号 工 序 内 容 设 备 1 对左右两端钻孔 专业钻床 2 加工深孔 专业钻床 3 手工去毛刺 2.3.2 安装 在同一个工序中，工件每定位和夹紧一次所完成的那部分加工称为一个安装。此次全部工序的完成需要两次定位和夹紧。如下表所示。 表 2-2 铝合金缸筒的工序和安装 工序号 安 装 号 安 装 内 容 设 备 1 1 左右两端钻孔 专业钻床 2 2 加工深孔 专业钻床 2.3.3 拟订加工工艺路线 根据厂方要求，该零件有两种加工方案，一是先加工深孔再加工双端面孔，二是先加工双端面孔再加工深孔。 金属切屑机床又称工作母机 ，是机械制造业的基础装备。随着社会需求和科学技术的发展，对机床设计技术要求越来越高。一方面为了适应社会需求的变化，出现了柔性制造系统（ FMS）等先进的自动化制造系统，除了传统的机床设计要求之外，还要求机床增加柔性，并能与系统有机结合。另一方面数控技术和 CAD 技术的发展，为机床设计提供了新的条件和支撑。因此机床的设计方法和设计技术也在发生着深刻变化。 2.3.4 两种加工路线的比较 A 先加工深孔再加工两端面孔路线 根据加工深孔时工件旋转而刀具不转的原理，此方案在先加工深孔时需要一个导航设备，以确保 刀具能够精准地校准工件中心。在工件夹紧方面，工件左面可考虑选用三爪卡盘夹具，这样可以带动工件高速旋转。由于深孔加工的特殊要求，工件若只夹紧一侧，会由于震动而导致误差偏大，达不到工件的精度要求。故而需要设计一辅助夹具，用来夹紧工件的另一侧，以确保工件能够达到厂方要求。但由于工件需要高速旋转，此辅助夹具也必须能够高速旋转。这一特殊要求将给此辅助夹具的设计带来相当大的困难，暂考虑以同样的三爪卡盘来夹紧工件的另一侧。由于深孔加工对刀具的特殊要求，刀具在加工时需要一个导航设备，以避免刀具在加工时产生较大的偏移。经这样 考虑，辅助夹具和导航设备的安装又将是另一难题。若将此两个设备以前后顺序安装于同一板垫上，则或多或少会影响加工精度。 现在来考虑加工两端面孔。我们要求两端面孔要同时加工 ,这样不仅可以提高工作效率 ,对两端孔的中心线的合一也能够很好的解决 ,避免了先后加工两端面孔时由于拆卸工件所带来的认为误差。由于这一要求 ,所以对夹具的设计要进行一番考虑。现设计夹具为臂杆式 ,左右各一个 ,如“ T”型状 ,利用液压缸夹紧 ,简图如下。 无锡太湖学院学士学位论文 10 图 2.2 夹具简图 综上所述 ,方案一需消耗人力 ,才力和资源比较大 ,成本高 ,方案实行比较困难 . B 先加 工两端面孔再加工深孔路线 两端面孔的加工要求同步进行 ,并在同时间内完成加工任务 ,在刀具设计方面同上一方案。 现在来考虑加工深孔。深孔加工要求工件高速旋转，上一方案考虑用三爪卡盘夹紧两端面里带动工件完成高速运转。此方案在实际亦不可行，现由于工件两端面孔已经加工完成，故可考虑用顶针顶住工件左端面孔，依靠机床结构对工件向左的紧压力所产生的摩擦力带动工件高速运转。根据工件右端面孔的特征，可以设计一个刀具导向套，利于机床部件运动给工件一个向左的压紧力，此刀具导向套简图如下所示。 图 2.3 刀具导向套简图 这样便可以 成功地解决工件高速运转所带来的夹具设计困难问题。此方案不仅方便可行，而且成本低，运用合理，完全能够满足加工要求 3。 2.3.5 刀具与夹具的比较 刀具 两种方案对刀具的要求是统一的，故不论是哪种方案，其刀具的设计是完全一样的，勿需比较。 夹具 方案一所需要的夹具，在加工两端面时与方案二是一样的，但在加工深孔时，夹具的设计比较困难，成本较高，较难实现。 方案二所需的夹具在加工深孔时比较容易，设计简单，成本低，可以顺利达到工件的加工要求。 2.3.6 工序的集中与分散 同一工件，同样的加工内容可 以安排两种不同的形式的工艺规程：一种是工序集中，另一种是工序分散。 集中工序有帮助保护各加工面间的相关地位精确度要求，有效于使用高效率机床，节约装配工件的长度，减弱工件的搬动来回。分散工序可让每个工序采取的设备和夹具比较容易，对刀也比较简单，对操作工人的层次要求比较少。 采用高效自动化机床 ,以工序集中的形式组织生产 ,除了具有上述工序集中的优点以外 ,生产适应强 ,因而虽然设备价格昂贵 ,但仍然受到愈来愈多的重视 . 综上所述 ,此次加工采用的是工序集中的工艺规程 . 2.3.7 确定加工工艺路线 根据上述内容 ,对各 种方案的比较 ,选用先加工两端面孔再加工深孔这一方案比较合理 ,也比较科学 ,这一方案不仅降低了生产成本 ,提高了生产效率 ,同时也容易完成加工任务 .工艺路线简图如下图所示 . 钻 两 端 面 孔 钻 深 孔 图 2-3 加工工艺路线简图 3 进给系统设计 无锡太湖学院学士学位论文 12 3.1 确定传动方式 机械部件中我们经常用的是螺旋传动、齿冷传动、同步带、和各种非线性传动部件等。它的功能主要的是传输转矩和转速，实际上说就是一种转矩和转速变 化器。目的是使执行机构和负载之间获得最佳匹配方面的转矩和转速。机械传动部分的传动类型、传输模式、刚度和传输可靠性的机电一体化系统的准确性、稳定性和快速响应有显著的影响 , 应设计和选择传动间隙小、精度高、体积小、重量轻、运行平稳、传递转矩大的传动部件。 丝杠螺母机构又称螺旋传动机构。它主要用于将旋转运动转换成线性运动或直线运动转换成旋转运动。螺杆螺母机构滑动摩擦和滚动摩擦的点。滑动丝杠螺母机构，结构简单，易于加工，制造成本低，具有自锁功能。但摩擦阻力，传动效率低。滚动丝杠螺母机构虽然结构复杂，制造成本高，但其 最大的优点是摩擦阻力小，传动效率高，因此在机电一体化系统中得到广泛应用。 在本设计中工作台行程的直线运动导轨，主体，以传递运动，需要更高的传输精度和紧凑的，所以使用的进给丝杠螺母驱动机构。 3.2 联轴器的选用 联轴器主要用来联接不同部件之间的两根轴，使其一同回转并传递转矩。可分为两大类弹性联轴器刚性联轴器和联轴器。挠性接头，根据划分是否弹性元件的非弹性和弹性元件弹性联轴器的弹性联轴器元件 。 弹性套柱销联轴器加工简单，装拆方便，成本较低，可以补偿综合位移，具有一定的缓冲和吸震能力，适用于正反转或启动频繁的传 递中。 此次设计中选用弹性套柱销联轴器。它属于非金属弹性元件挠性联轴器。其构造与凸缘联轴器相似，只是用装有弹性套的柱销代替了联接螺栓。弹性套的变形可以补偿两轴的径向位移和角位移。 3.3 导轨形式的确定（选用和载荷计算 ） 3.3.1 选用 机电一体化系统对导轨的基本要求是导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好、温度变化小以及结构工艺性好等。 按接触面的摩擦性质可分为： A. 滑动导轨副： 滑动导轨机构简单，阻尼系数大，刚度大；但易产生低速爬行现象，易磨损。滑动导轨是金属对金属型式，目前在数控机 床上很少采用。摩擦系数较大，而且变化范围也大，对于精度高的工件加工心有余而力不足。承载能力中等。接触刚度高。滑动导轨一般仅用于普通精度的机床。数控机床已不采用。 B. 滚动导轨副： 直线滚动导轨由导轨和滑块两部分组成。导轨通常为两根，装在支撑件上，每根导轨上有 2 个滑块，固定在移动件导轨体上。 直线滚动导轨副的工作原理就是滑块中装有四组滚珠，在导轨条的滑块的断点，就经合成树脂制造的端面挡板和滑块中的回珠孔回到另一端，经另一端端面挡板再进入循环。四组滚珠各有自己的回株孔，分别处于滑块的四角。四 组滚珠和滚道相当于四个直线运动角接触滚珠轴承。接触角为 45 度时，四个方向具有相同的承载能力。 C. 液体静压导轨： 无磨损，无静摩擦，无低速爬行现象，阻尼系数大；但设计、制造、使用较复杂。 D. 气浮导轨： 无磨损，无静摩擦，无低速爬行现象，无需回行管道，不产生污染；但刚度小，阻尼系数很小，容易引起振荡。 此次设计中选用滚动导轨副。 3.3.2 载荷计算 垂直载荷为 Fz=1200N，取计算导轨的静安全系数 0.4fSL ，代入式 PCfSL /0 ，计算出为导轨的基本静额定载荷； 工作载荷： 3 6 4 2)6 0 8 41 2 0 0(5.0)2(5.0 FFP (3.1) NNC 1 4 5 6 83 6 4 24 根据计算结果查有关资料初选导轨： CDA20 依据速度 v=5.84 m/min 和选定导轨的基本动额定载荷验算导轨的工作寿命 Ln ： hhvPCL n2 0 0 0 01 5 6 0 0 06085.510501618/1 6 7 2 8601050)/(3333）（ (3.2) 3.4 滚珠丝杆的机械特性的设计计算 滚珠丝杠 被认为是如今所有 机床 进给的主要传动 装置 ，以其长 使用 、高 强度 、高 效果 、高 灵活度 、无 间隔 等 明显优点 而得以 宽泛使用 ，成为各 种 机床 的 关键配合部分 ，并已实现了 好通用，标准好 。 数控机床，以满足进给速度高，定位精度高，稳定性高，响应速度快的要求，必须选择滚珠丝杆，并进行必要的验算。 表 3 -1 滚珠丝杠的计算列表 无锡太湖学院学士学位论文 14 说明 备注 1轴 向载 荷寿 命 1.1额定动载荷 在轴向载荷 Fa 以较高速运转 610 转。其 90%的滚珠丝杆副不产生疲劳剥落，此时的 Fa 即为 Ca， 见尺寸规格表 1.2额定静载荷 滚珠丝杆副在静止或者转速较低状态下，承受最大接触应力的滚珠和滚珠接触面的塑性变形量之和为钢珠直径的十万分之一的轴向载荷 1 3 回转寿命 L 7 0 0 9 3 6 210 63 awaFfCL 式中 L回转寿命 aC 额定动载荷 NCa 16728 aF 轴向载荷 NFa 7284 wf 载荷系数 2.1wf 1