變速箱體臥式鉆孔專用機床設計（江蘇）

變速箱體臥式鉆孔專用機床設計（江蘇）,變速,箱體,臥式,鉆孔,專用,機床,設計,江蘇 一 前言 組合機床及其自動線是集機電于一體的綜合自動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)濟實用,因而被廣泛應用于工程機械、交通、能源、軍工、輕工、家電等行業(yè)。我國傳統(tǒng)的組合機床及組合機床自動線主要采用機、電、氣、液壓控制,它的加工對象主要是生產(chǎn)批量比較大的大中型箱體類和軸類零件(近年研制的組合機床加工連桿、板件等也占一定份額) ,完成鉆孔、擴孔、鉸孔,加工各種螺紋、鏜孔、車端面和凸臺,在孔內(nèi)鏜各種形狀槽,以及銑削平面和成形面等。組合機床的分類繁多,有大型組合機床和小型組合機床,有單面、、三面、臥式、立式、傾斜式、復合式,還有多工位回轉(zhuǎn)臺式組合機床等;隨著技術(shù)的不斷進步,一種新型的組合機床———柔性組合機床越來越受到人們的青睞,它應用多位主軸箱、可換主軸箱、編碼隨行夾具和刀具的自動更換,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)動系統(tǒng),并能靈活適應多品種加工的可調(diào)可變的組合機床。另外,近年來組合機床加工中心、數(shù)控組合機床、機床輔機(清洗機、裝配機、綜合測量機、試驗機、輸送線) 等在組合機床行業(yè)中所占份額也 越來越大。由于組合機床及其自動線是一種技術(shù)綜合性很高的高技術(shù)專用產(chǎn)品,是根據(jù)用戶特殊要求而設計的,它涉及到加工工藝、刀具、測量、控制、診斷監(jiān)控、清洗、裝配和試漏等技術(shù)。我國組合機床組合機床自動線總體技術(shù)水平比發(fā)達國家要相對落后,國內(nèi)所需的一些 高水平組合機床及自動線幾乎都從國外進口。工藝裝備的大量進口勢必導致投資規(guī)模的擴大,并使產(chǎn)品生產(chǎn)成本提高。因此,市場要求我們不斷開發(fā)新技術(shù)、新工藝,研制新產(chǎn)品,由過去的“剛性”機床結(jié)構(gòu),向“柔性”化方向發(fā)展,滿足用戶需求,真正成為剛?cè)峒鎮(zhèn)涞淖詣踊b備。隨著市場競爭的加劇和對產(chǎn)品需求的提高,高精度、高生產(chǎn)率、柔性化、多品種、短周期、數(shù)控組合機床及其自動線正在沖擊著傳統(tǒng)的組合機床行業(yè)企業(yè),因此組合機床裝備的發(fā)展思路必須是以提高組 合機床加工精度、組合機床柔性、組合機床工作可靠性和組合機床技術(shù)的成套性為主攻方向。一方面,加強數(shù)控技術(shù)的應用,提高組合機床產(chǎn)品數(shù)控化率;另一方面,進一步發(fā)展新型部件,尤其是多坐標部件,使其模塊化、柔性化,適應可調(diào)可變、多品種加工的市場需求。從2002 年年底第21 屆日本國際機床博覽會上獲悉,在來自世界10 多個國家和地區(qū)的500 多家機床制造商和團體展示的最先進機床設備中,超高速和超高精度加工技術(shù)裝備與復合、多功能、多軸化控制設備等深 受歡迎。據(jù)專家分析,機床裝備的高速和超高速加工技術(shù)的關(guān)鍵是提高機床的主軸轉(zhuǎn)速和進給速度。該屆博覽會上展出的加工中心,主軸轉(zhuǎn)速10 000～20 000 r/ min ,最高進給速度可達20～60 m/ min ;復合、多功能、多軸化控制裝備的前景亦被看好。在零部件一體化程度不斷提高、數(shù)量減少的同時,加工的形狀卻日益復雜。多軸化控制的機床裝備適合加工形狀復雜的工件。另外,產(chǎn)品周期的縮短也要求加工機床能夠隨時調(diào)整和適應新的變化,滿足各種各樣產(chǎn)品的加工需求。然而更關(guān)鍵的是現(xiàn)代通信技術(shù)在機床裝備中的應用,信息通信技術(shù)的引進使得現(xiàn)代機床的自動化程度進一步提高,操作者可以通過網(wǎng)絡或手機對機床的程序進行遠程修改,對運轉(zhuǎn)狀況進行監(jiān)控并積累有關(guān)數(shù)據(jù);通過網(wǎng)絡對遠程的設備進行維修和檢查、提供售后服務等。在這些方面我國組合機床裝備還有相當大的差距,因此我國組合機床技術(shù)裝備高速度、高精度、柔性化、模塊化、可調(diào)可變、任意加工性以及通信技術(shù)的應用將是今后的發(fā)展方向。 二 組合機床總體設計 1. 概述 組合機床是以通用部件為基礎，配以少量專用部件，對一種或若干種工件按預先確定的工序進行加工的機床。它一般采用多軸、多刀、多工序、多面或多工位同時加工的方式，生產(chǎn)效率比通用機床高幾倍至幾十倍。在組合機床自動線上可以完成鉆孔、擴孔、鉸孔、鏜孔、攻絲、車削、銑削、磨削及滾壓等工序。隨著組合機床技術(shù)的發(fā)展，他能完成的工藝范圍日益擴大。 組合機床同通用機床和其他專用機床比較，具有以下特點: 1.機床上通用部件和標準零件約占全部機床零。部件的70％～80％，因此設計和制造周期短，經(jīng)濟效益好。 2.合機床采用多刀加工，機床自動化程度高，比通用機床生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，勞動強度低。 3.合機床的通用部件是經(jīng)過周密設計和長期生產(chǎn)實踐考驗的，又有專門廠家成批生產(chǎn)。它與一般專用機床比較，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，工作可靠，使用與維修方便。 4.機床加工工件由于采用專用夾具、組合刀具和導向裝置等，產(chǎn)品加工質(zhì)量由工藝裝備保證，對操作工人的技術(shù)水平要求不高。 5.機床被加工的產(chǎn)品更新時，專用機床的大部分部件都要報廢。組合機床的通用部件是根據(jù)國家標準設計的，因此通用部件可以重復使用，不必另行設計制造。 6.機床易于聯(lián)成組合機床自動生產(chǎn)線，以適應大規(guī)模和自動化生產(chǎn)需要。 目前我國組合機床在許多大規(guī)模，大批量生產(chǎn)的企業(yè)中得到廣泛應用。本課題是設計減速機箱體右端面鉆孔組合機床。零件圖如下： 2.總體結(jié)構(gòu)及工作循環(huán) 本機床采用多工位臥式組合機床,變速箱體裝在工作臺的夾具上,這樣便于上、下料。 機床機械部分主要有:底座、側(cè)底座、多軸箱、刀具、夾具、冷卻系統(tǒng);控制部分為PLC 控制系統(tǒng)及液壓傳動系統(tǒng)。 機床的工作循環(huán)為:人工裝上一工件,定位銷插銷定位→夾緊油缸夾緊→I 滑臺開始工作循環(huán):快進(冷卻供、主軸轉(zhuǎn)) →工進(死檔鐵停留) →快退至原位(主軸停) 滑臺開始工作循環(huán):快進(冷卻供、主軸轉(zhuǎn)) →工進(死檔鐵停留) →快退至原位(主軸停、冷卻停) ,定位銷拔出,夾緊油缸松開,防護門自動打開,油缸推出工件,工件到位后油缸退回.(快退→緩退) ,死檔鐵停留,工作循環(huán)結(jié)束 3. 三圖一卡設計 1. 被加工零件工序圖 被加工零件為變速箱體，材料為HT250，工序為箱體兩端面鉆孔，左端面為5個10加工孔，右端面為5個10和2個14加工孔。采用一面兩孔定位，一面為箱體底面，兩孔為底面上的長邊上的兩孔。采用箱體頂面夾緊。 2. 加工示意圖 加工8.5的孔： 錐柄長麻花鉆 硬質(zhì)合金 d=8.5mm L=190 mm l=109mm 依據(jù)公式 M= ， 選剛性主軸，直徑為30/20mm 外伸長度為115 mm 切削用量 n=500 r/min v=13.35 m/min f=0.1 mm/r =50 mm/min 加工13.9的孔： 錐柄麻花鉆 高速鋼 d=13.9mm L=189 mm l=108`mm 依據(jù)公式 M= 選剛性主軸，直徑為38/26mm 外伸長度為115 mm 切削用量 n=500r/min v=21.8m/min f=0.13 mm/r =50 mm/min 箱體右端面工進長度41 mm 快進75 mm 快退116 mm 3. 機床聯(lián)系尺寸圖 右端面：7根主軸 多軸箱輪廓尺寸 H=180+103.5+100=383.5 mm B=120+2100=320 mm 厚度取325 mm長寬取400400 mm 最低孔位置19 mm 最低主軸高度103.5 mm 軸向力==1697.3N 轉(zhuǎn)矩 ==6.9Nm 功率 ==0.8kw 總=0.5+20.8=2.1kw 總=3546+21697=6943 N 根據(jù)以上計算所得 選取液壓動力滑臺1HY25-IA 動力箱1TD32（2.2kw） 電機 Y100L1-4側(cè)底座 1CC251 中間底座L=（）=295+325+326-(100+40+105) =701 mm 采用固定鉆摸板 4. 機床生產(chǎn)效率計算卡 1. 理想生產(chǎn)率 ==23 件/h 2. 實際生產(chǎn)率 =31件/h 3. 機床負荷率 =0.75 三 組合機床多軸箱設計 1.簡述 組合機床多軸箱的設計計算是組合機床設計工程中的重要環(huán)節(jié)，是主軸箱零部件設計的理論基礎，計算稍有不慎，便會導致后期的設計制造前功盡棄。 依據(jù)總體設計圖， 對主軸箱進行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設計。由于在本機床上需同時加工7個孔，不僅孔多、間距小，而且孔的排列分散，采用通常方案排箱無法實現(xiàn)12孔的工序集中。因此，本鉆床的主軸箱傳動系統(tǒng)在對被加工零件進行了深入、細致分析計算的基礎上，通過采用滾針軸承，將常規(guī)狀況下不能完成的排箱得以實現(xiàn)，而且所設計的主 軸箱結(jié)構(gòu)緊湊。依據(jù)組合鉆床總體設計繪制主軸箱設計原始依據(jù)圖其內(nèi)容為主軸箱設計的原始要求和已知條件： 1. 主軸箱輪廓尺寸400mm×400mm； 2. 工件輪廓尺寸及各孔位置尺寸 3. 工件與主軸箱相對位置尺寸。 2.設計原則 1) 從面對主軸的方位看去，所有主軸均采用逆時針方向旋轉(zhuǎn)。 2) 在保證轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的前提下，力求用最少的傳動軸和齒輪（數(shù)量和規(guī)格），以減少各類零件的品種。具體措施：采用一根傳動軸同時帶動多根主軸，并將齒輪布置在同一排位置上，當齒輪嚙合中 心距不符合標準時，采用了變位齒輪。 3) 放棄了用主軸帶主軸的方案，這樣避免了增加主軸負荷，不會影響加工質(zhì)量。 4) 因鉆削加工切削力大，為了減少主軸的扭曲變形，主軸上的齒輪盡量靠近前支承。 3.按上述設計原則設計傳動系統(tǒng) 按所設計的傳動系統(tǒng)圖合理分配各級傳動比、初定傳動軸位置和確定齒輪齒數(shù) 主軸r/min 驅(qū)動軸=715 r/min 總傳動比 i= 各軸傳動比分配： =1/1.43 =1/1.43 =1/1.43 =1/1.43 =1 =1 確定中間軸8以及中間軸8與1.2軸聯(lián)接的 =43 m=2 確定中間軸18以及中間軸18與3.4軸聯(lián)接的 =43 m=2 確定中間軸14以及中間軸14與5軸聯(lián)接的 =43 m=2 =18=25 確定中間軸13以及中間軸13與36軸聯(lián)接的 =43 m=2 確定中間軸9以及中間軸9與7軸聯(lián)接的 =50 m=2 確定中間軸17以及中間軸17與15.16軸聯(lián)接并配相關(guān)的齒輪 取 =21 =21 m=3 =63 17-15，16 =36 m=2 =18 =28 驗算轉(zhuǎn)速 ： =514 r/min 轉(zhuǎn)速相對損失在5%以內(nèi)，符合設計要求。 采用R12-L型葉片泵 有中間傳動軸19經(jīng)一對齒輪=30/24 =536 r/min 在400-800 r/min范圍內(nèi)滿足要求。 在擬定主軸箱傳動系統(tǒng)時，傳動軸位置已做了初步確定。為了保證齒輪副的正常嚙合和加工主軸箱上傳動軸支承孔的孔距精度，需要精確計算各傳動軸的坐標尺寸（計算結(jié)果精確到小數(shù)點后3位數(shù)）。 4 驗算 驗算根據(jù)坐標計算確定的兩軸坐標中心距A 是 否符合兩軸間嚙合齒輪要求的中心距R ， R 與A 的 差值為δ ，即 δ = R ? A 驗算標準為 δ ≤0.001～ 0.009mm 經(jīng)驗算均符合。 5 主軸及通用傳動軸結(jié)構(gòu)型式的選擇方案 主軸結(jié)構(gòu)型式由零件的加工工藝決定，并考慮主軸的工作條件和受力情況，采用長主軸。由于采用鉆削加工主軸，需承受較大的單向軸向力，所以優(yōu)選向心球軸承和推力球軸承組合的支承結(jié)構(gòu)，且推力球軸承配置在主軸前端。傳動軸的轉(zhuǎn)速較低，但載荷較大，因此用圓錐滾子軸承。按上述方案配置的主軸和傳動軸，按所選的軸承類型繪制軸承孔檢查圖，發(fā)現(xiàn)有些部位采用此配置因孔間距較小，箱體上的軸承座孔太大，導致箱體強度不夠。因此，這些部位都將原方案改為推力球軸承與滾針軸承組合的支承結(jié)構(gòu)，以減小徑向尺寸，滿足強度要求，實現(xiàn)合理排箱。 按以上原則設計的傳動系統(tǒng)，保證了主軸箱的質(zhì)量，提高了主軸箱的通用化程度，使得設計和制造工作量及成本都大大降低。為實現(xiàn)本機床“體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、效率高、質(zhì)量好”的設計目標奠定了基礎。 　 四 專用夾具結(jié)構(gòu)設計 專用夾具結(jié)構(gòu)設計是為加工某些幾何形狀相似、工藝過程和定位夾緊相似的零件而設計的。設計時需要選擇合理的定位基準、定位元件；選擇合適的夾緊夾緊元件；設計好合理的基體件。 1.定位基準與定位元件的選擇 制定設計方案時需選擇合理的定位基準、定位元件。該零件采用一面兩孔定位，定位基準為零件底面，定位元件為定位銷。 2.夾緊元件與夾緊力的選擇 夾緊力的選擇，除夾緊力方向和作用點外，還要使工件產(chǎn)生盡可能小的夾緊變形，這是選擇夾緊元件和夾緊力的主要因素。本設計采用壓板液壓壓緊， ，夾緊牢靠，工件保持正確位置，既防止了薄壁零件裝夾變形，又滿足了加工的要求。 3.夾具基體的設計 夾具基體是夾具的基礎，在設計夾具基體時，除應保證結(jié)構(gòu)合理外，還應保證夾具基體有足夠的剛度，而且在可能的范圍內(nèi)，力求能加工零件組的全部。對其基體件還應根據(jù)相似件形狀、尺寸、精度、毛坯種類及其工藝方法來確定基體件形狀、尺寸，以滿足加工 所有相似件的要求。該基體件與其它夾具元件組成的夾具結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便，更換元件容易，可以加工不同產(chǎn)品的相似件. 具體設計見附圖。 五 PLC控制設計 1 　工作原理及電氣控制要求 鉆孔組合機床是在工件表面上進行鉆孔的一種高效自動化專用加工設備,基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。動力滑臺安裝在標 圖1 　鉆孔組合機床結(jié)構(gòu)簡圖 準側(cè)底座上,刀具電動機M2 ,固定在左動力滑臺上,中間底座上裝有工件定位夾緊裝置。 該機床采用電動機和液壓系統(tǒng)(未畫出) 相結(jié)合的驅(qū)動方式,其中電動機M2帶動主軸箱的刀具主軸提供切削主運動,而動力滑臺和工件定位夾緊裝置則由液壓系統(tǒng)驅(qū)動,M1 為液壓泵的驅(qū)動電動機,M4 為冷卻泵電動機。機床的電氣控制要求為M1 先啟動,只有系統(tǒng)正常供油后,其它控制電路才能通電工作; M2在滑臺進給循環(huán)開始時啟動,滑臺退回原位后停機;M4 可手動控制啟停,也可在滑臺工作進給時自動提供油液。其控制過程是典型的順序控制,當把工件裝入夾具后,按下啟動按鈕SB3 ,機床便開始自動循環(huán)的工作過程,見圖2 圖2 　鉆孔組合機床工作循環(huán)圖 2 　電氣控制系統(tǒng)硬件設計 鉆孔組合機床的電氣控制屬單機控制, 輸入輸出均為開關(guān)量。根據(jù)實際控制要求,并考慮系統(tǒng)改造成本,在準確計算I/ O 總點數(shù)的基礎上,采用抗干擾強、穩(wěn)定性和可靠性較高的三菱公司生產(chǎn)的FX1N260MR 可編程控制器。該控制系統(tǒng)中所有輸入觸發(fā)信號采用常開觸點接法,所需的24 V 直流電源由PLC 內(nèi)部提供;輸出負載中的所有直流電磁換向閥同樣采用由PLC 內(nèi)部提供的24 V 直流電 源,輸出負載中的4 個交流接觸器線圈則需外接220 V 交流電源.由于鉆孔組合機床中轉(zhuǎn)換開關(guān)、按鈕及行開關(guān)較多,為了減少輸入點數(shù),降低費用,對輸入信號作了適當處理,如3 臺電動機的過載保護不作為輸入信號,而直接接入輸出線圈回路中。另外,電磁閥為感性負載并且通斷頻繁,為了保護PLC 的輸出觸點,在每個電磁閥兩端各并上1 個續(xù)流二極管,來吸收反向過電壓。 　3.電氣控制系統(tǒng)軟件設計 由鉆孔組合機床的控制要求可知,該控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)3 個控制功能: ① 動力滑臺的點動、復位控制; ②動力滑臺的單機自動循環(huán)控制; ③整機全自動工作循環(huán)控制。具體T型圖見附圖 4.PLC 與PC 的通信 系統(tǒng)工作時,PC 與生產(chǎn)現(xiàn)場的PLC 之間處于實時的交互通狀態(tài)。如果生產(chǎn)規(guī)模大,可采用1 : n 上位鏈接通信方式,用一臺計算機管理多臺機床。上位計算機與PLC 之間有一個RS - 232C/ RS - 485 轉(zhuǎn)換 器,用于鏈接計算機的RS - 232C 串行口和PLC 的RS - 485 通信適配器,可增大通信距離。操作人員根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場的需要,在不中斷生產(chǎn)的情況下,可在上位機上實時地對現(xiàn)場參數(shù)進行調(diào)整,使控制系統(tǒng)工作于最佳狀態(tài)。還可在上位機上編程、監(jiān)測設備運行情況、顯示故障等,對系統(tǒng)進行管理和調(diào)度,使設備潛力得到充分發(fā)揮。 本程序經(jīng)模擬調(diào)試,完全符合鉆孔組合機床的電氣控制要求,使用效果良好。在使用過程中,還可根據(jù)不同的控制要求,在不改動接線或改動很少的情況下,通過改變程序來實現(xiàn)不同要求,大大節(jié)省了安裝調(diào)試時間,提高了效率。 5 　結(jié)語 本系統(tǒng)經(jīng)過PLC 融入后,運行良好,故障率低。而且組合機床控制系統(tǒng)具有很好的柔性,能適應產(chǎn)品的變化,當工藝程序變更時,只需修改程序,就可滿足新的加工要求。可見傳統(tǒng)的機械設備融入PLC技術(shù) 后,既能使之成為機電一體化的新產(chǎn)品,適用生產(chǎn)過程的自動控制,又能發(fā)揮原組合機床的效能,而且投資較小,可見,靈活應用PLC 是實現(xiàn)組合機床電氣自動化的有效途徑。 六 結(jié)束語 本組合機床較好地解決了大批量變速箱端面孔的問題。不但保正加工質(zhì)量,而且大為提高了工效,具有良好的經(jīng)濟效益和應用價值。 七 參考資料 1、《組合機床設計》沈陽工業(yè)大學、吉林工業(yè)大學、大連鐵道學院主編　上海出版社出版　1985年9月 2、《組合機床設計》　大連組合機研究所編　　機械工業(yè)出版社　1975年6月 3、《金屬切削加工工藝人員手冊》上?？茖W技術(shù)出版社 4、《金屬切削機床設計參考圖冊》　機械工業(yè)出版社 5、《金屬切削機床設計》　大連工學院　戴曙主編　機械工業(yè)出版　　1985年12月 6、《組合機床液壓滑臺圖冊》　機械工業(yè)出版社 7、《機械設計手冊》　　遼寧科學技術(shù)出版社 8、《機床設計手冊》　機械工業(yè)出版社　1978年12月 9、《組合機床設計參考圖冊》　大連組合機床研究所編　機械工業(yè)出版社 八 畢業(yè)設計總結(jié) 通過畢業(yè)設計培養(yǎng)了我們綜合運用所學基礎理論、基本技能和專業(yè)知識的能力以及創(chuàng)造型地分析和解決實際問題的能力，使我們對工程設計、技術(shù)應用等有較全面的、深刻的認識，這是是我們專業(yè)知識結(jié)構(gòu)中不可缺少的組成部分，并作為一個獨立的項目列入專業(yè)教學計劃中的。其目的在于通過實習使學生獲得基本生產(chǎn)的感性知識，理論聯(lián)系實際，擴大知識面；同時又是鍛煉和培養(yǎng)學生業(yè)務能力及素質(zhì)的重要渠道，培養(yǎng)當代大學生具有吃苦耐勞的精神，也是學生接觸社會、了解產(chǎn)業(yè)狀況、了解國情的一個重要途徑，逐步實現(xiàn)由學生到社會的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)我們初步擔任技術(shù)工作的能力、初步了解企業(yè)管理的基本方法和技能；體驗企業(yè)工作的內(nèi)容和方法。這些實際知識，對我們學習后面的課程乃至以后的工作，都是十分必要的基礎。培養(yǎng)我們綜合素質(zhì)和綜合工程實踐能力，從而進一步增強我們畢業(yè)后走上工作崗位的適應性。 九 致　　　謝 本文能夠順利完成首先要衷心地感謝郭娟老師給予的精心指導。在設計的整個過程中，郭老師親自動手參與指導，細心地傳授理論知識。 在我寫此論文期間，郭老師在學習、科研、生活中給予了多方面的關(guān)心和幫助。在一起做畢業(yè)設計的日子里，郭老師嚴以律已、寬以待人的人格和對科學研究的獨到見解、忘我的工作精神以及嚴謹?shù)目茖W態(tài)度給我留下了深刻的印象，促使我更加嚴格地要求自己，全身心地投入到學習和工作中。 此外，對設計期間關(guān)心過、幫助過我的所有老師和同學，致意誠摯的謝意。 18