柴油机汽缸体两端面铣削专机设计

摘 要 本课题是柴油机汽缸体两端面铣削专机设计，主要是完成机床夹具设计、组合机床总体设计、组合机床主轴箱设计。根据柴油机汽缸体的结构特点、加工部位、尺寸精度、表面粗糙度及生产率等要求，确定该机床为卧式组合机床；考虑工件尺寸精度，表面粗糙度，切削的排除生产率等因素，选用硬质合金不重磨式面铣刀；根据工件的尺寸、特点及其材料选择切削用量；然后，再经过切削用量来确定组合机床的通用部件；最后进行组合机床的总体设计。由于是铣削柴油机汽缸体的两端面，则夹具的设计可以采用“一面两销”定位，手动夹紧，一次装夹加工汽缸体两端 面，保证加工精度，提高生产率；根据工作将受到切削力来计算夹紧力；再根据夹紧力来选择确定夹紧装置的专用部件。 在设计之中，尽量使用通用件，减少制造成本，增加经济效益。通过本次设计可以达到的效果是：所设计的夹具及主轴箱能满足所需的质量要求，使用时安全可靠，拆装方便，易于维修。 关键词： 组合机床；汽缸体；铣刀；夹具 Abstract This topic is called a diesel engine at both ends of the cylinder block face milling plane design, mainly including the completion of jigs and fixtures design, the combination of the overall machine design and machine tool spindle box design. According to the structural characteristics of the diesel engine cylinder block, the processing site, dimensional accuracy, surface roughness and productivity requirements, it can be determined that the machine is a horizontal combination of machine tools； considering the accuracy of the workpiece dimensions, surface roughness, cutting negative factors such as productivity, the hard-alloyed throw-away grinding-face milling is chosen； cutting amount is selected according to the size of the workpiece. characteristics and material selection； then, by the cutting amount we determine the combination of general machine parts； Finally, the overall design of the machine is carried out. Due to both end faces of the milling diesel engine cylinder block, the design of the fixture can employ the two sells positioning, manual clamping, a fixture worked both ends of the cylinder block surface to ensure accuracy and improve productivity； clamping forces will be calculated through the cutting force； and determine specific parts of the clamping device according to the clamping force. In such a design, one should make use of common parts to reduce manufacturing costs and increase economic benefits. The design can achieve the effect that the design of the fixture and spindle box can meet the quality requirements and it guarantees safe and reliable use, easy disassembly and easy maintenance. Key words: combination machine tools； The cylinder body； Milling cutter；fixture V 目 录 摘 要 . I Abstract . II 目 录 . V 1 绪论 . 1 1.1 课题来源 . 1 1.2 国内外的发展状况 . 1 1.3 指导思想和设计要求 . 2 2 总体方案论证 . 3 2.1 被加工零件分析 . 3 2.2 工艺方案的制定 . 3 2.3 加工设备方案选择 . 3 2.4 确定机床总体布局 . 4 3 切削用量的选择及计算 . 5 3.1 切削刀具的选择 . 5 3.2 切削用量的选择 . 5 3.3 切削力、切削转矩、切削功率的确定 . 5 4 组合机床总体设计 . 8 4.1 被加工零件工序图 . 8 4.2 加工示意图 . 9 4.3 机床联系尺寸图 . 10 4.3.1 动力部件的选择 . 10 4.3.2 滑台及相配底座的选择 . 11 4.3.3 确定机床的装料高度 H . 11 4.4 机床生产率计算卡 . 11 4.4.1 理想生产率 Q . 11 4.4.2 实际生产率 Q1 . 12 4.4.3 机床负荷率 负 . 13 4.4.4 编写机床生产率计算卡 . 14 5 主轴箱设计 . 15 5.1 主轴及传动轴结构设计 . 15 5.2 主轴箱传动计算 . 16 5.2.1 传动比分配 . 16 5.2.2 传动系统设计及齿轮的排布 . 17 5.3 主轴箱的润滑及油泵轴的确定 . 18 5.4 轴的计算及主轴校核 . 18 5.5 齿轮的校核 . 20 5.6 轴承的选择与校核 . 21 6 夹具设计 . 24 6.1 定位误差分析计算 . 24 6.2 夹紧装置设计 . 25 6.3 夹紧力的计算 . 25 6.4 夹具零部件的设计 . 27 6.4.1 夹具体的设计 . 27 6.4.2 支座的设计 . 28 6.4.3 支承板的设计 . 28 6.4.4 螺杆的设计 . 29 6.4.5 支承轴的设计 . 30 6.4.6 压板的设计 . 30 6.4.7 导向板的设计 . 31 7 液压系统设计 . 32 7.1 负载分析 . 32 7.2 负载图和速度图的绘制 . 32 7.3 液压缸主要参数的确定 . 32 7.4 拟定液压系统原理图 . 35 7.4.1 液压系统的工作要求的确定 . 35 7.4.2 拟定液压系统图 . 35 7.5 计算和选择液压元件 . 37 7.5.1 确定液压泵的最高工作压力 . 37 7.5.2 确定液压泵流量 . 38 7.5.3 选择液压泵规格 . 38 7.5.4 计算油泵需要的电机功率 . 38 7.6 阀类元件的选择 . 38 7.7 油管的确定 . 39 7.8 确定其它辅助装置 . 39 7.9 发热及 油箱容量计算 . 39 8 结论与展望 . 40 8.1 结论 . 40 8.2 展望 . 40 致 谢 . 41 参考文献 . 42 柴油机气缸体两端面铣削专机设计 1 1 绪论 1.1 课题来源 随着工业生产规模化、专业化、集中化、高度机械化乃至自动化的步伐的加快，在进行工件加工时，要求考虑使用专用机床和夹具。 组合机床和组合机床自动线是一种专用高效自动化技术装 备 ,目前 ,由于它仍是大批量机械产品实现高效、高质量和经济性生产的关键装备 ,因而被广泛应用于汽车、拖拉机、内燃机和压缩机等许多工业生产领域。某企业因生产发展需要，拟开发 柴油机汽缸体两端面铣削专机 ，因此选定 柴油机汽缸体两端面铣削专机设计 为本次设计课题 1.2 国内外的发展状况 在我国，组合机床发展已有 28 年的历史，其科研和生产都具有相当的基础，应用也已深入到很多行业。是当前机械制造业实现产品更新，进行技术改造，提高生产效率和高速发展必不可少的设备之一。组合机床及其自动线是集机电于一体的综合自动化程度较 高的制造技术和成套工艺装备。它的特征是高效、高质、经济实用，因而被广泛应用于工程机械、交通、能源、军工、轻工、家电等行业。我国传统的组合机床及组合机床自动线 目前还是 主要采用机、电、气、液压控制，生产批量比较大的大中型箱体类和轴类零件（近年研制的组合机床加工连杆、板件等也占一定份额）， 是其主要的加工对象， 完成钻孔、扩孔、铰孔，加工各种螺纹、镗孔、车端面和凸台，在孔内镗各种形状槽，以及铣削平面和成形面等。组合机床的分类繁多，有大型组合机床和小型组合机床，有单面、双面、三面、卧式、立式、倾斜式、复合式，还有多工位 回转台式组合机床等；随着技术的不断进步，一种新型的组合机床 柔性组合机床越来越受到人们亲睐，它应用多位主轴箱、可换主轴箱、编码随行夹具和刀具的自动更换，配以可编程序控制（ PLC）、数字控制（ NC）等，能任意改变工作循环控制和驱动系统，并能灵活适应多品种加工的可调可变的组合机床。另外，近年来组合机床加工中心、数控组合机床、机床辅机（清洗机、装配机、综合测量机、试验机、输送线）等在组合机床行业中所占份额也越来越大。 由于组合机床及其自动线是一种技术综合性很高的高技术专用产品，是根据用户特殊要求而设计的，它涉及 到加工工艺、刀具、测量、控制、诊断监控、清洗、装配和试漏等技术。我国组合机床及组合机床自动线总体技术水平比发达国家要相对落后，国内所需的一些高水平组合机床及自动线几乎都从国外进口。工艺装备的大量进口势必导致投资规模的扩大，并使产品生产成本提高。因此，市场要求我们不断开发新技术、新工艺，研制新产品，由过去的“刚性”机床结构，向“柔性”化方向发展，满足用户要求，真正成为刚柔兼备的自动化装备。 从 2002 年年底第 21 届日本国际机床博览会上获悉，在来自世界 10 多个国家和地区的 500 多家机床制造商和团体展示的最先进机 床设备中，超高速和超高精度加工技术装备与复合、多功能、多轴化控制设备等深受欢迎。据专家分析，机床装备的高速和超高速加工技术的关键是提高机床的主轴转速和进给速度。 这次 博览会上展出的加工中心，主轴转速 10000 20000r/min，最高进给速度可达 10-60m/min；复合、多功能、多轴化控制装备未来也有很大发展潜力 。 现在的零部件一体化在提高和数量减少的同时，形状却在变的复无锡太湖学院学士学位论文 杂多样化。 多轴化控制的机床装备适合加工形状复杂的工件。另外， 为了满足产品的加工需求，需要加工机床能够随时调整和适应新的变化 。 可是 现代通信技 术在机床装备中的应用， 以及 信息通信技术的引进使得现在机床的自动化程度进一步提高，操作者可以通过网络对机床的程序进行远程修改，对运转状况进行监控并积累有关数据；通过网络对远程的设备进行维修和检查、提供售后服务等。 从上面介绍的可以知道， 我国组合机床装备 跟国外还是有相当大 差距 的 ，因此我国组合机床技术装备 今后的发展方向应该是 高速度、高精度、柔性化、模块化、可调可变、任意加工性以及通信技术的应用。 1.3 指导思想和设计要求 1.学习独立查阅参考文献的能力 。 2.完成 柴油机汽缸体两端面铣削专机 总体结构和主要部件（机 床夹具、组合机床主轴箱）设计 （折合零号图 4 张以上） 、编制 设计说明书一份。 3.学习撰写学术论文，完成毕业设计规定的各项任务。 4.完成 英 文翻译资料一份 。 柴油机气缸体两端面铣削专机设计 3 2 总体方案论证 设计的机床要满足加工要求、保证加工精度；尽可能选用通用件、以降低成本 .因此根据上述要求和柴油机气缸体的加工特点来确定设计方案 . 2.1 被加工零件分析 被加工零件：柴油机气缸体 材料： HT250 硬度： 187 255HBS 年产量： 7 万件 加工部位：两端面 加工要求：汽缸体两端面粗糙度被加工到 6.3 m ，两端面尺寸至 5820.3mm 2.2 工艺方案的制定 工艺方案的拟订是组合机床设计的关键一步 .组合机床的总体设计要注重工件及其加工的工艺分析，只有制定出先进合理的工艺方案 ,才能设计出先进合理的组合机床 .根据指定的加工要求 ,提出若干个工艺方案 ,择其佳者 .工艺方案确定了 ,组合机床的结构、性能、运动、传动、布局等一系列问题也就解决了 .所以，工艺方案设计是组合机床设计的重要环节 .而且工艺方案在很大程度上决定了组合机床的结 构配置和使用性能 .因此，必须认真分析被加工零件图纸 ,深入了解被加工零件的结构特点、加工部位、尺寸精度、表面粗糙度和技术要求及生产率要求等一些因素 . 拟定组合机床工艺方案的一般步骤如下： 1 分析、研究加工要求和现场工艺，在制订组合机床工艺方案时，首先要分析、研究被加工零件，如被加工零件的用途及其结构特点、加工部位及其精度、表面粗糙度、技术要求及生产纲领；其次深入现场调查分析零件的加工工艺方法、定位夹紧方式、所采用的设备、刀具及切用量、生产率情况等 . 2 定位基准和夹压部位的选择组合机床一般为工序集中的多刀 加工，不但切削负荷大，而且工件受力方面变化 .因此，正确选择定位基准和夹压部位是保证加工精度的重要条件 . 本道工序主要是加工毛坯，因此，还要对毛坯基准选择考虑有关工序加工余量的均匀性 .定位夹压部位的选择应在有足够的夹紧力下工件产生的变形最小，并且夹具易于设置导向和能过刀具 . 本道工序：粗铣柴油机气缸体两端面 . 2.3 加工设备方案选择 在机械制造业中，金属切削机床占机械设备总台数的 50% 70%，它负担的工作量约占一半左右，其中有 30% 50%的工作量是由组合机床来完成的，同时，机械加工方法是机电产品及零部件 生产的主要方法，且机械加工质量又是提高整个产品质量的关键 .因此，组合机床的开发、设计，是机械制造行业一项非常重要的工作 .组合机床是根据工件加工需要，以大量通用部件为基础，配以少量专用部件组成的一种高效专用机床，具有如下特无锡太湖学院学士学位论文 点： 1生产率高； 2加工精度稳定； 3研制周期快，便于设计、制造和使用、维护； 4自动化程度高，劳动强度低； 5配置灵活，可按工件或工序要求灵活组成机床自动线，易于改装，产品或工艺变化时，通用部件还可以重复利用； 6使用稳定，结构紧凑，机床费用低 . 由于 此次 被加工 的 零件已 定 型， 生产批量 又 较大，加工要求 也 较高， 因此 必须采用组合机床来进行生产，同时，又是针对双面加工 .因此，采用组合机床来进行加工是较适宜、理想的生产方案 . 2.4 确定机床总体布局 根据上述确定的加工工艺方案，按照工序集中程度和生产批量大小，机床总体布局主要有如下配制型式： 1 多工位组合机床 多工位组合机床：主要用于中、小零件加工 .生产占地面积大，但生产率高 .这种方式若配合工作台的移动和精确定位，可以组成组合机床自动线，则自动化程度和生产率均很高 . 2.单工位组合机床 各种型式的单工位组合机床，通常可安装一个工件，特 别适宜于大、中型箱体类零件的加工 .根据配置动力部件的型式和数量，这类机床可分为单面、多面及复合式 .这种方 式组成灵活，结构简单，由于单工位加工，其机动时间与辅助时间不能重合，因而生产率比多工位机床低 . 根据以上所述 , 柴油机汽缸体的结构是比较规则的长方体，从装夹的角度来看，卧式平放比较方便，采用卧式组合机床加平面，有利于排屑，也减轻了工人的劳动强度 .且柴油机气缸体属于中型加工零件，在本次设计中，铣平面工序是主要工序内容 .因此为了保证铣平面的加工精度和结合被加工零件加工特点，卧式单工位组合机床是较好的选择 . 卧式单工位组合机床又可分为卧式单面组合机床，卧式多面组合机床等 .若采用卧式单面组合机床，加工两端面需经过两次装夹，增加辅助时间，成本高，生产效率低，工人劳动强度大 .因此，采用卧式双面组合机床是合理的选择 .其特点：工件安装在夹具里，工件和夹具装在铣削工作台上，刀具相对固定，铣削工作台实现进给运动 .生产占地面积小，加工精度高 . 柴油机气缸体两端面铣削专机设计 5 3 切削用量的选择及计算 3.1 切削刀具的选择 在生产线上，由于铣削平面的走刀长度一般比孔加工的走刀长度长的多，为了提高切削用量应采用硬质合金套式面铣刀 . 由参考文献 3，粗 齿中齿细齿面铣刀刀片材料为 YG6(铣铸铁 )及 YT15(铣钢 )，密齿面铣刀刀片材料为 YG6，铣碳钢面铣刀刀片材料为 YT15. 由加工箱体外形尺寸，结合参考文献 4箱体端面为 425582，为大平面，以及被加工零件材料为 HT250，因此选用刀片材料为 YG6，刀盘直径为 500mm 的硬质合金套式面铣刀 .又因为本道工序是粗铣，粗糙度要求不高，选中齿铣刀，齿数为 34. 故设计的组合铣床选择的刀具为：硬质合金套式中齿端面铣刀，材料为 YG6，齿数为34. 3.2 切削用量的选择 在组合机床工艺方案确定过程中，工艺方法 和切削用量选择是否合理，对组合机床的加工精度，生产率，刀具耐用度，机床的结构形式及工作可靠性均有较大的影响 . 在大多情况下，组合机床为多轴、多刀、多面同时切削，为尽量减少时间和刀具的损耗，保证机床生产率及经济效果，因此，切削用量比一般机床单刀加工低 30%左右 . 组合机床通常用动力滑台来带动刀具进给，由于多轴箱上同时工作的刀具种类不同且直径大小不同，其切削用量也各有特点 .因此，一般先按各刀具选择较合理的切削速度v(m/min) 和每转进给量 f(mm/r)， 再根据其中工作时间最长，负荷最重，刃磨较困难的刀具来确定并调整每转进给量和转速，通常用试凑法来满足每分钟进给量相同的要求 . 从实际出发，根据加工精度、工件材料、工作条件、技术要求等进行分析，按照经济地满足加工要求的原则，合理的选择切削 用量 .本次设计中，采用查表法选择加工柴油机气缸体体量端面的切削用量 . 由参考文献表 6-164，查得： 铣削深度为 2-5mm，在这里取铣削深度 ap=4mm 铣削速度为 50-80m/min，取铣削速度 vc=75m/min 每齿进给量 fz为 0.2-0.4mm/z，取 fz =0.2mm/z 主轴转速 n = d 1000 = 50014.3 751000 =50.96 r/min 取 n = 51 r/min 进给速度： V 8.34651342.0f znffnV z mm/min 3.3 切削力、切削转矩、切削功率的确定 根据选择的切削用量，确定切削力，作为选择动力部件（滑台）设计的依据；确定切削扭矩，用以确定主轴及其他传动件的尺寸；确定切削功率，用以选择主传动电机功率 . 现分两种方案进行讨论 . 方案： 铣削力的计算： 无锡太湖学院学士学位论文 由 由机械加工工艺人员手册得： F = 490ap 1.0f z 0.74D -1.0a e 0.90z （ 3.1） 式中 F-铣削力 (N)； ap -铣削深度 (mm)； fz -每齿进给量 (mm/z)； D-铣刀直径 (mm)； ae -铣削宽度 (mm)； z-铣刀的齿数 . 由前面计算的切削用量得， ap =4mm； fz=0.2mm/z； D=512mm； ae =425mm； z=34. 将上述数值代入式（ 3.1）得： F = 490ap 1.0f z 0.74D -1.0a e 0.90z =490 41.00.20.74500-1.04250.9034 =9277.6(N) 由机械加工工艺人员手册有： 切削功率： P 切 = 2.6610-5 ap 0.9f z 0.75a e 1.1 n0.8 =2.6610-5 4 0.90.20.754251.1510.8 =7.03（ kW） 主轴转矩： T =9.55106P/n = 9.551067.03/51 = 1.32106N.mm 方案： 计算铣削功率 : 查参考文献 4表 6-20，得铣削功率 : P= 61200000pvf A 其中 p=1300/a0.313， v= fzzn， A= ap ae 柴油机气缸体两端面铣削专机设计 7 切削功率： P 切 = 6 1 2 0 0 0 0 0425451342.041300 313.0 =3.46 kW ，相比较，方案切削功率与实际切削功率相差的太大，方案与实际的切削功率相近，故选用第一种方案 . 无锡太湖学院学士学位论文 4 组合机床总体设计 组合机床总体设计，通常是针对具体加工零件，拟订工艺和结构方案 ，并进行方案图样和有关技术文件设计 .并且在选取定加工方法和机床总体布局结构的基础上绘制组合机床“三图一卡” .其内容包括：绘制被加工零件工序图、机床联系尺寸图、加工示意图、夹具设计图和编制机床生产率计算卡等 . 4.1 被加工零件工序图 本次设计的组合机床主要对柴油机气缸体两端面的粗铣 .因此采用一面两销定位方式，即利用零件上的一个平面和该平面上的两个孔作为定位基准 .一个孔插圆柱销，另一个孔插菱形销 .这种定位方法保证了理论上的六点定定位原则 (平面上三个点 ,圆柱销两个点和菱形销一个点 )，但是在实践中，在大多数情况下 ，工件的一个平面，在夹具中不是支承在三个点上，而是支承在四个或者更多一些的支承点上，有时放在两条长的支承板上，这样可以提高“机床 -夹具 -刀具 -工件”系统的刚性，避免夹压力和切削力超出支承点，引起工件的弹性变形，这种变形不仅影响加工精度，还会引起振动，严重时造成刀具的折断 . 由于本次的加工的工序是在加工好柴油机气缸体顶底面的情况下进行的，因此被加工零件的顶、底面是较光滑的，因此采用柴油机气缸体的下底面作为定位基准，再在该面钻两个销孔，这样就保证了理论上的六点定位原则 . 被加工零件图是组合机床设计的主要依据，也 是制造、使用、检验和调整机床的重要技术文件 .它的要求被加工零件的形状和主要轮廓尺寸及与本机床设计有关的部位的结构开头及尺寸相符 .加工用定位基准、夹紧部位及夹紧方向，以便依次进行夹具定位支承、夹紧、导向装置的设计 . 本道工序加工部位的尺寸、精度、表面粗糙度、形状位置尺寸精度及技术要求，还包括本道工序对前道工序提出的要求 . 本组合机床以柴油机气缸体为加工对象进行设计，对工序图简要说明及与本机床设计有关的技术指标如下： 1定位方法： 采用一面两销定位方式，即利用柴油机气缸体底面和该平面上的两个孔作为定位基准 .一 个孔插圆柱销，另一个孔插菱形销； 2零件材料： HT250； 3硬度： 187 255HBS； 4方框内尺寸及相应粗糙度为本机床所保证，其余尺寸及相应光洁度为前序保证； 5 单边加工余量： 4mm 柴油机气缸体两端面铣削专机设计 9 本汽缸体的被加工零件工序图如下： 图 4.1 被加工零件工序图 4.2 加工示意图 零件的加工方案要通过加工示意图反映出来，加工示意图表示被加工零件在机床上的加工过程中工件、夹具、刀具等机床各部件间的相对位置关系 .因此，加工示意图是组合机床设计的主 要图样之一，在总体设计中占据重要地位 .其主要内容为： 1反映机床的加工方法，切削用量及工作循环 . 2决定刀具类型、数量、结构、尺寸 . 3决定主轴的结构类型，规格尺寸及外伸长度 . 4选择标准或设计专用的接杆，浮动卡头，导向装置，刀杆托架等 . 5标明主轴、接杆、夹具与工件之间的联系尺寸，配合及精度 . 加工示意图的画法有如下要求： 1 加工示意图的绘制顺序是：先按比例用细实线绘出工作加工部位和局部结构的展开图 .加工表面用粗实线画 .为简化设计，相同加工部位的加工示意图只需表示其中之一，即同一主轴箱里结构尺 寸相同的主轴可只画一根 . 2一般情况下，在加工示意图上，主轴分布可不按真实距离绘制 . 3主轴应从多轴箱端面画起 .刀具应处于加工终了位置 .标准的通用结构只画外轮廓，但需加注规格代号 . 无锡太湖学院学士学位论文 本组合机床加工示意图如下： 图 4.2 机床加工示意图 4.3 机床联系尺寸图 机床联系尺寸图用来表示机床各组成部件的相互装配联系和运动关系，可用以检验机床各部件相对位置及尺寸联系是否满足加工要求，通用部件的选择是否合适，并为进一步开展主轴箱等专用部件的设计提供依据 .联系尺寸图，它表示机床的配置型式及总体布局 . 绘制机 床联系尺寸图有以下要求： 1.以适当数量的视图按同一比例画出机床各主要组成部件的外形轮廓及相关位置，表明机床的配置型式及总体布局，主视图应与机床实际加工状态一致 . 2.图上应尽量减少不必要的线条及尺寸，但反映各部件的联系尺寸，专用部件的主要轮廓尺寸，运动部件的极限位置及行程尺寸，必须完整齐全，至于各部件的详细结构不必画出，可留在具体设计部件时完成 . 3.为便于开展部件设计，联系尺寸图上应标注通用部件的规格代号，电动机型号，功率及转速，并注明机床部件的分组情况及总行程 . 4.3.1 动力部件的选择 由于功率损 耗，取 =0.85 WPP k27.885.0 03.7 切电机 取功率储备系数为 30%， ，电机P 8.27（ 1+30%） = 10.75 kW； 取 电机P 11 kW. 选用 1TD50-IV 动力箱； 4 柴油机气缸体两端面铣削专机设计 11 选用电动机型号： Y160M-4； 同步转速 n=1460 r/min，输出轴转速 n1=730 r/min， P 电机 =11 kW. 4.3.2 滑台及相配底座的选择 根据选定量及工作行程和工件尺寸大小，由 参考文献 4表 5-2 查知应选择 1HY63 系列液压滑台 ，相应的侧底座为 1CC631. 表 5-1 1HY63 型液压滑台主要技术性能 型 号 台面 宽度 台面 长度 行 程 快进速度 （ min/mm ） 共进速度 （ mm/min ） 最大进给力（