加工中心床頭箱箱體雙面鏜孔組合機(jī)床設(shè)計(jì)*

閆海鵬，王建國(guó)，肖 楠

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.沈陽(yáng)工程學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，沈陽(yáng)110136）

加工中心床頭箱箱體雙面鏜孔組合機(jī)床設(shè)計(jì)*

閆海鵬1，王建國(guó)1，肖 楠2

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.沈陽(yáng)工程學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，沈陽(yáng)110136）

介紹了異型石材車銑加工中心床頭箱箱體雙面鏜孔組合機(jī)床，繪制了“三圖一卡”，設(shè)計(jì)了夾具及剛性主軸的結(jié)構(gòu)尺寸。在流水線上同時(shí)完成兩孔的加工，改善了加工精度及保證了相應(yīng)的位置精度，同時(shí)大大提高了生產(chǎn)率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，從而降低了零件的生產(chǎn)成本。

組合機(jī)床；三圖一卡；夾具；加工精度；生產(chǎn)率

0 引言

組合機(jī)床［1］是由許多預(yù)制的通用部件及少量的專用部件組成的一種專用高效自動(dòng)化技術(shù)裝備，它能從多面、多工位、多軸對(duì)一個(gè)或幾個(gè)工件同時(shí)進(jìn)行加工。在組合機(jī)床上可以完成鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、鏜孔、攻絲、車削、銑削、磨削及滾壓等工序。與一般的萬(wàn)能機(jī)床相比，具有設(shè)計(jì)制造周期短、成本低、自動(dòng)化程度高、加工效率高、加工質(zhì)量穩(wěn)定、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。世界上第一臺(tái)組合機(jī)床于1908年在美國(guó)問(wèn)世，30年代后組合機(jī)床在世界各國(guó)得到迅速發(fā)展［2］，至今，它已成為現(xiàn)代制造工程，尤其是箱體零件加工的關(guān)鍵設(shè)備之一。李紀(jì)明等［3］介紹了一種適用于S195柴油機(jī)機(jī)體三面精鏜孔加工的組合機(jī)床，保證了機(jī)體的加工精度，提高了生產(chǎn)效率；姜蘇賓［4］介紹一種經(jīng)使用適用于R180型柴油機(jī)機(jī)體孔系加工的三面鏜孔組合機(jī)床，提高了生產(chǎn)率、降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度；王傳順等［5］介紹了孔距小、孔徑大、多孔的箱體零件在采用固定雙導(dǎo)向鏜孔加工中，利用液壓滑臺(tái)拖動(dòng)工件（夾具）讓刀的工藝設(shè)計(jì)方案，在滿足加工精度的前提下，簡(jiǎn)化了機(jī)床結(jié)構(gòu)。

1 擬定工藝方案

1.1 加工零件分析

按照粗精加工分開(kāi)原則和工序集中原則確定組合機(jī)床工藝方案，并且注意孔間中心距的限制及工件結(jié)構(gòu)工藝性不好的限制等問(wèn)題。

加工的零件是異型石材車銑加工中心［6］床頭箱箱體，零件示意圖如圖1。被加工主軸箱殼體零件為不規(guī)則形體，主要表示為各軸承孔及各端面，該工藝復(fù)雜，加工表面不集中，加工工位多，致使加工工序分散。箱體的軸承孔均為7級(jí)精度孔，表面粗糙度為Ra=1.6μm和Ra=3.2μm，另外有精度要求的加工表面為箱體頂部端面及各口部端面以及底部的配合面。綜合以上分析，該工件的基本工藝為先加工上、下面的配合表面，其次加工左右兩個(gè)側(cè)面，最后在組合機(jī)床上加工各孔。

其鏜孔工藝過(guò)程［7］如下：

①粗加工箱體各軸承孔；

②自然時(shí)效；

③鏜各軸承孔；

④檢驗(yàn)；

⑤清洗；

⑥打毛刺，修邊。

在該加工階段，把各軸承孔及相對(duì)位置精度和尺寸精度要求高的孔組合在一起，由一臺(tái)組合機(jī)床一次加工完成。

圖1 零件示意圖

1.2 定位基準(zhǔn)的選擇

箱體在組合機(jī)床上的定位關(guān)系著箱體的加工質(zhì)量。根據(jù)被加工箱體的特點(diǎn)，采用“一面兩孔”的定位方法［8-10］。

該工件選擇M面和兩工藝孔作為定位基準(zhǔn)，銷孔為H7精度，根據(jù)工件底面M面的特點(diǎn)，以及粗加工的具體加工條件及加工要求，以四條長(zhǎng)支撐板作為定位組件，不僅增加定位穩(wěn)定性，還增加了工件的剛性，提高了承受切削力的能力。

1.3 刀具類型、材料及幾何參數(shù)的選擇

該組合機(jī)床在鏜孔加工階段，加工孔是對(duì)稱的而且需要從兩側(cè)同時(shí)加工，所以選為剛性主軸式，僅需考慮主軸的剛度和減震性。為了提高工序集中程度或滿足精度要求，在這里采用復(fù)合刀具。根據(jù)現(xiàn)階段我國(guó)機(jī)械工業(yè)中刀具使用的材料、種類和粗加工切削的特點(diǎn)，選擇刀具類型為YG8C，刀具幾何參數(shù)［10-11］選擇如下：

0615-48硬質(zhì)合金鏜刀

主偏角：Kr=35°

負(fù)偏角：Kk=25°

前角：α=8°

后角：γ=11°

刃傾角：λ=5°

1.4 鏜桿直徑、刀桿尺寸的選擇

鏜刀不宜在鏜桿外懸伸過(guò)長(zhǎng)，以免剛性不足。鏜孔直徑D、鏜孔直徑d、鏜刀截面B×B之間有確定的關(guān)系，鏜桿應(yīng)有一定的強(qiáng)度和剛度。根據(jù)文獻(xiàn)［8］，選取鏜桿具體尺寸，鏜桿均為圓柱形，左側(cè)鏜削主軸鏜桿直徑為100mm，右側(cè)鏜削主軸鏜桿直徑為120mm。

1.5 工序間余量的確定

零件的生產(chǎn)類型為成批生產(chǎn)，毛坯的生產(chǎn)為連續(xù)鑄造，鑄造精度高，因此加工余量較一般方法鑄造的小。鏜孔時(shí)考慮到工件的冷硬層鑄孔的鑄造黑皮和鑄造偏心，粗鏜余量（直徑）一般大于或等于6～7mm，半精鏜加工余量為1.5～3mm，精鏜加工余量為0.6～1.2mm。本設(shè)計(jì)取粗鏜余量為8mm，半精鏜余量為2mm，精鏜余量為1mm。

1.6 鏜孔的切削用量的確定

切削用量的選擇是否合理，對(duì)組合機(jī)床的加工精度、生產(chǎn)率、刀具耐用度、機(jī)床的結(jié)構(gòu)形式及工作可靠性均有較大的影響。

由文獻(xiàn)［8］知對(duì)于硬質(zhì)合金在粗鏜時(shí)，切削速度V=40m/min，切削深度=8mm，又由文獻(xiàn)［7］查得硬質(zhì)合金鏜刀加工鑄鐵可以得到進(jìn)給量S=0.15mm/rad，切削功率P=0.55kW，并由公式（1）得到主軸轉(zhuǎn)速N=320r/min（左側(cè)加工）和240 r/min（右側(cè)加工）。

式中：V—切削速度（m/min）

d—被加工孔直徑（mm）

N—主軸近似轉(zhuǎn)數(shù)（r/min）

1.7 計(jì)算刀具的耐用度

刀具材料為硬質(zhì)合金，工件材料為鑄鐵，由文獻(xiàn)［10］中組合機(jī)床切削用量計(jì)算圖推薦的切削力、轉(zhuǎn)矩及功率公式可得切削力FZ=1914.5N，F(xiàn)X=675N；切削轉(zhuǎn)矩T=338.2kN·mm；切削功率P=1.25kW；刀具耐用度t=254min，滿足耐用度規(guī)定的最低值條件。

1.8 確定組合機(jī)床的配置形式

被加工箱體因尺寸較大，重量較重，故宜采用大型單工位組合機(jī)床。為使機(jī)床結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜，提高其通用化程度，改善機(jī)床結(jié)構(gòu)，改善機(jī)床結(jié)構(gòu)工藝性能，又考慮加工精度要求，機(jī)床的生產(chǎn)率，工件為雙面鏜孔，故采用臥式單工位雙面組合機(jī)床［7-8，10］，且采用組合機(jī)床一次安裝，一次裝夾便于同時(shí)粗鏜出各孔。

2 組合機(jī)床的總體設(shè)計(jì)

2.1 組合機(jī)床的設(shè)計(jì)步驟

組合機(jī)床一般都是根據(jù)和用戶簽訂的設(shè)計(jì)、制造合同進(jìn)行設(shè)計(jì)的，步驟大致如下：

（1）調(diào)查研究，為組合機(jī)床總體設(shè)計(jì)提供必要的大量數(shù)據(jù)、資料、做好充分的、全面的技術(shù)準(zhǔn)備；

（2）總體方案設(shè)計(jì)，具體工作是編制“三圖一卡”，即繪制被加工零件工序圖、加工示意圖、機(jī)床聯(lián)系尺寸圖，編制生產(chǎn)率計(jì)算卡；

（3）技術(shù)設(shè)計(jì)，根據(jù)總體設(shè)計(jì)已經(jīng)確定的“三圖一卡”，設(shè)計(jì)機(jī)床各專用部件正式總圖；

組合機(jī)床總體設(shè)計(jì)就是針對(duì)具體加工零件，擬訂工藝和結(jié)構(gòu)方案，并進(jìn)行總體方案圖樣和有關(guān)技術(shù)文件的設(shè)計(jì)［7-11］。

2.2 組合機(jī)床“三圖一卡”

如圖2～圖4所示，分別為被加工零件工序圖、加工示意圖、機(jī)床聯(lián)系尺寸總圖［7-12］。工件定位方案中定位面選擇底面M，工藝孔選擇底面φ25、φ35的孔，精加工至IT7級(jí)以便于粗精兩道工序的加工。其中被加工零件的工序圖表示所設(shè)計(jì)的組合機(jī)床完成的工藝內(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)，夾緊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。加工示意圖是表達(dá)工藝方案具體內(nèi)容的機(jī)床工藝方案圖，其表明了被加工零件在機(jī)床上實(shí)際的加工狀態(tài)，同時(shí)也反映機(jī)床的加工方法，加工條件及加工過(guò)程。機(jī)床聯(lián)系尺寸總圖是用來(lái)表示機(jī)床的配置形式、主要構(gòu)成及各部件安裝位置、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)各部件的相對(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；它可以看成是機(jī)床總體外觀簡(jiǎn)圖，其輪廓尺寸、占地面積、操作方式等可以檢驗(yàn)是否適應(yīng)用戶現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境。

機(jī)床生產(chǎn)率計(jì)算卡［7-11］如表1所示。生產(chǎn)率計(jì)算卡是反映機(jī)床生產(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)荷率等關(guān)系的技術(shù)文件。根據(jù)加工示意圖所確定的工作循環(huán)及切削用量等，計(jì)算機(jī)床生產(chǎn)率并編制生產(chǎn)率計(jì)算卡。它是用戶驗(yàn)收機(jī)床生產(chǎn)率的重要依據(jù)。

圖2 加工工序圖

圖3 加工示意圖

圖4 聯(lián)系尺寸總圖

3 夾具設(shè)計(jì)

夾具［7-11］是組合機(jī)床的重要組成部件，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，夾緊，刀具導(dǎo)向，以及裝卸工件時(shí)的限位等作用的。鏜孔工序加工工件采用一面兩銷，一個(gè)圓銷，一個(gè)菱形銷。夾具中的一面不采用三點(diǎn)支撐，而放在兩面的長(zhǎng)支撐板上。其選擇分別為：圓柱定位銷T0211-41，菱形定位銷T0211-42，支撐板T0219-46。該夾緊采用液壓夾緊方式，根據(jù)文獻(xiàn)［8-9］計(jì)算得夾緊力取Q=3333N，液壓缸推力取工作壓力為500N/cm2。

4 剛性主軸設(shè)計(jì)

該組合機(jī)床加工工件的階梯孔直徑比較大，而且加工位置對(duì)稱，所以選用專用主軸箱中的剛性鏜削主軸箱［8］。其特點(diǎn)是刀具不需要借助于導(dǎo)向進(jìn)行加工，主軸和刀桿是采用剛性連接，這就要求主軸有較高的剛度，加工質(zhì)量在很大程度上取決于主軸系統(tǒng)本身的剛性。若主軸的剛性不足，在加工過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)崩刀，使被加工零件難以達(dá)到要求的精度和粗糙度，甚至損壞刀具。

主軸主要參數(shù)［7-11］有平均外徑D、支撐距L、懸伸長(zhǎng)a、懸伸比L/a。按照主軸的實(shí)際工作條件，參考有關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從多方面進(jìn)行分析比較來(lái)確定主軸的各主要參數(shù)。其主軸懸伸量為：左側(cè)a1=140mm（加工孔深95mm），右側(cè)a2=240mm（加工孔深180mm）。主軸懸伸比分別?。篖1/a1=2，L2/a2=1.5。主軸直徑D是決定主軸剛度的重要因素。在剛性主軸的設(shè)計(jì)中，確定主軸直徑，目前可采用比較法，即根據(jù)使用中類似的剛性主軸與所設(shè)計(jì)的主軸，從其工作條件上加以對(duì)比，然后進(jìn)行選取軸徑，選好后再做些簡(jiǎn)單的驗(yàn)算。也可以根據(jù)主軸傳遞的扭矩按公式初步估算，然后再進(jìn)行校核。剛性主軸平均直徑取左側(cè)為D1=60mm，右側(cè)為D2=80mm。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)車銑加工中心床頭箱箱體零件圖確定了加工工藝過(guò)程；按照組合機(jī)床工序圖繪制要求繪制了鏜車銑加工中心床頭箱箱體孔的工序圖，并繪制了該工序的加工示意圖及機(jī)床聯(lián)系尺寸圖；同時(shí)繪制了組合機(jī)床生產(chǎn)率卡。簡(jiǎn)要介紹了鏜孔的夾具設(shè)計(jì)，其采用液壓夾緊方式，并設(shè)計(jì)了剛性主軸的結(jié)構(gòu)尺寸。車銑加工中心床頭箱箱體孔系的加工采用雙面孔同時(shí)加工方式，在流水線上同時(shí)完成兩個(gè)面的鏜孔工作，提高了加工精度及保證了相應(yīng)的位置精度，同時(shí)大大提高了生產(chǎn)率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，從而降低了零件的生產(chǎn)成本。

［1］周臨震，顧琪，倪紅軍，等.基于知識(shí)的組合機(jī)床總體設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012（1）：260-262.

［2］李青.曲軸飛輪軸頸端面孔系加工組合機(jī)床設(shè)計(jì)［D］.南京：南京理工大學(xué)，2011.

［3］李紀(jì)明，許敬成.S195柴油機(jī)機(jī)體三面精鏜孔組合機(jī)床［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，1998（11）：6-11，28.

［4］姜蘇賓.R180型柴油機(jī)機(jī)體三面鏜孔組合機(jī)床實(shí)踐［J］.溫州大學(xué)學(xué)報(bào)，2000（1）：52-56.

［5］王傳順，王禾，文立軍.小孔距箱體零件精鏜孔組合機(jī)床的設(shè)計(jì)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，1999（3）：22-23，26.

［6］趙德宏，張珂，吳玉厚.異型石材多功能數(shù)控加工中心開(kāi)發(fā)與分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013（5）：156-160.

［7］楊叔子.機(jī)械加工工藝手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［8］叢風(fēng)延，遲建山.組合機(jī)床設(shè)計(jì)［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1993.

［9］大連組合機(jī)床研究所.組合機(jī)床設(shè)計(jì)參考圖冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1975.

［10］謝家瀛.組合機(jī)床設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［11］Robert L.Mott.Machine Elements in Mechanical Design［M］.Englewood Cliff：Prentice Hall，2003.

［12］大連理工大學(xué)工程畫教研室.機(jī)械制圖［M］.北京：高等教育出版社，2003.

（編輯 李秀敏）

Design of Modular Machine Tool for Boring on the Machining Center Headstock Body

YAN Hai-peng1，WANG Jian-guo1，XIAO Nan2
（1.School of Mechanical Engineering，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou Inner Mongolia 014010，China；2.School of Mechanical Engineering，Shenyang Institute of Engineering，Shenyang 110136，China）

This paper introduces the double sides boring combination machine with the special-shaped stone turning and milling machining center headstock body， protracts the″three charts and a card″，and designs the fixture and structure and size of rigid spindle.To improve the machining accuracy and ensure the corresponding position precision，two holes are machined at the same time on the assembly line，meanwhile it greatly improves the productivity and reduces labor intensity，thus reducing the production cost of the parts. Key words：combination machine；three charts and a card；fixture；machining accuracy；productivity

TH165；TG65

A

1001-2265（2015）01-0138-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.01.039

2014-05-19

國(guó)家自然科學(xué)基金（21366017）；內(nèi)蒙古自治區(qū)研究生科研資助項(xiàng)目（S20141012711）

閆海鵬（1987—），男，遼寧葫蘆島人，內(nèi)蒙古科技大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及其自動(dòng)化，（E-mail）lnyanhp@126.com。