轿车制动盘的加工工艺及多孔钻铰设备床身与刀架设计

1、 本科毕业设计（论文） 题 目 轿车制动器制动盘的加工工艺 及多孔钻铰设备床身与刀架设计 姓 名 韩丽华 _ 专 业 机械设计制造及其自动化 学 号 指导教师 畅静文, 朱允刚 郑州科技学院机械工程系二0一二年三月轿车制动器制动盘的加工工艺及多孔钻铰设备床身与刀架设计一.制动盘的加工工艺 1制动盘的材质选择 制动盘是制动器的重要零件, 要求具有一定的抗拉强度和耐磨性, 应该从材质体系、配方上给予保障, 灰铸铁具有较好的强度、耐磨性、耐热性, 减震性能良好, 铸造性能较好, 适用于制造汽车的制动鼓、制动盘 1 。本项目所研制的广州本田雅阁轿车制动盘采用CSiMnPSCuCr体系, 配方见表1。表

2、1制动盘的材料配方化学元素质量分数/%C312316Si117218Mn015019P< 0110S< 0118Cu013112Cr01050138原材料: 铸12#生铁, 其特点是低硅、低锰、低硫、低磷, 杂质少, 可获得纯净的金属液, 容易配入其它元素, 足以满足要求的力学性能指标。2、制动盘的结构(1)、概述高速列车制动时制动盘需承受相当大的功率。制动时，通过制动盘与闸片的摩擦，将列车巨大的动能转化为热能，并将热量逸散到周围环境中。因此，制动盘从结构上应考虑以下几方面因素：<1> 形状：外径、内径、板厚以及安装方法的制约<2>重量：确保热容量<3

3、>摩擦环应能自由膨胀<4>通风敞热性国外先期的制动盘由于运行速度较低(120Kmh)，摩擦盘体多为两半式(剖分式)，但随着速度的提高，这种结构削弱了盘在车轴上的结合强度。同时，这种结构的摩擦盘体的材质无论是铸铁类或是钢类都存在较大的热变形(摩擦面翘曲)问题而被淘汰，故改制成整体型的摩擦盘体。其典型结构如图2所示，由图可见，制动时，联结螺栓受剪切力的作用，螺栓不能卸荷。另外，摩擦盘体受热时由于受到根部的约柬不能自由膨胀，故盘体和螺栓受到很大附加应力。 我国铁路自96年提速以来，盘形制动在提速车上得以普遍应用。制动盘典型结构如图3所示。由图可见，这种结构的摩擦盘体和盘毂是通过径向

4、发散状的弹性销联接而成。为了使销密贴于盘毂及盘体孔内，销两端被压以锥面垫圈，螺栓预紧。制动时，制动力矩通过销及锥面垫圈传至螺栓螺母。随着制动次数的累积，螺栓螺母受到冲击载荷，其紧固力矩不易保持，造成螺栓螺母松动严重时还会出现掉扣现象，甚至联接螺栓跑丢，给制动盘运用可靠性及列车的安全运行、造成隐患。易；两个“半圆盘”组成的“轴盘式”双丽盘3.制动盘铸造模型 制动盘的铸模采用煤粉砂, 采用湿式造型工艺,铸模透气性好, 可以有效防止气孔化学粘砂, 使铸件表面光滑, 湿式造型可保证铸件表面有足够的硬度,有利于铸铁件中片状A型石墨的形成, 使铸件具有良好的耐磨性、减震性和导热能力。制动盘铸模的木模如图1

5、所示。制动盘铸模采用砂箱分开模手工造型, 模样沿分模面(制动盘大平面) 分开, 先制成上半型箱、下半型箱两个模箱, 然后将它们合模配合在一起, 如图2所示。用于造型的型砂, 其主图2制动盘铸造模型要求:原砂含坭量应尽可能小, 颗粒均匀, 粒度为70 100 目, SiO2 含量于90% , CaO 含量小于015%; 膨润土组分为75%钠膨润土和25%钙膨润土;湿压强度5060kPa,紧实率40% 45% , 透气性大于50AFS。型砂的配比为: 原砂30% , 旧砂70%。外加: 膨润土215% 315% , 煤粉018% 115% ,水分410% 515%。 图1制动盘的木模 图2制动盘铸

6、造模型4.熔炼铸造 制动盘的铸件材料采用GW05 - 250 /1J中频无芯感应电炉进行熔炼, 温度为1380左右, 炉温易于调节, 过热温度容易获得珠光体组织, 为防止金属液偏析和出现白口(自由渗碳体) , 把调整化学成分所需要配入的合金按规定破碎成粒状, 再经过高于300烘焙消除结晶水, 出铁时及时按铬铁、紫铜、锰铁、硅铁合金顺序加入炉中, 留取50%硅铁作为炉前孕育, 用珍珠岩粉末覆盖金属液集渣, 从而获得优质铸铁。灰铸铁熔炼后, 用浇包装盛熔融铁液浇注于铸模内。制动盘铸铁毛坯经清砂后在550经3h的低温退火, 以消除铸造过程产生的热应力, 使制动盘铸件毛坯不易变形, 保证了铸件机械加工

7、后的几何尺寸精度。5制动盘的机械加工 为了保证制动盘具有良好的制动效能, 制动盘的两个工作面的平行度应小于01015mm。机械加工时,制动盘毛坯在专用机床上进行车削加工和磨削加工。设计多功能专用夹具, 工件(即制动盘) 一次装夹加工, 保证了制动盘的同轴度。采用同一机床进行车削和磨削, 先车削、磨削完成一个工作面之后, 再车削、磨削另外一个工作面, 从而保证了制动盘两个平行的工作面的平行度要求。而且, 制动盘的工作面是以特殊的工艺磨削的, 花纹平整美观。制动盘的安装螺柱孔、定位孔采用专用模具管位配钻, 使位置度符合图纸和安装要求。二.组合机床1组合机床设计的特点, 组合机床设计时必须首先确定加

8、工产品的生产类型,以便根据不同的生产类型选择合理的组合机床的配置形式。因为在制造组合机床过程中，有些通用零，部件要经过补充加工，专用件，夹具及刀具随产品而有所不同。变更产品的加工要求或尺寸以及变更产品本身，常常会使整台组合机床要重新调整，或必须进行重新的设计和制造。组合机床设计与产品的加工工艺有非常密切的联系，因此，在设计组合机床前，一定要做好调查研究，在总结经验的基础上来决定被加工产品的工艺过程，加工方法，定位夹紧方法等。因为组合机床设计的先进性与可靠性，除了与机床本身的结构有关外，在很大程度上决定于工艺方案的先进性与可靠性。2.组合机床柔性化进展迅速 十多年来，作为组合机床重要用户的汽车工

9、业，为迎合人们个性化需求，汽车变型品种日益增多(图5)，以多 品种展开竞争已成为汽车市场竞争的特点之一，这使组合机床制造业面临着变型多品种生产的挑战。为适应多品 种生产，传统以加工单一品种的刚性组合机床和自动线必须提高其柔性。在70年代，数控系统的可靠性有了很大 的提高，故到70年代末和80年代初，像Alfing、Hüller-Hille 和Ex-cell-o等公司相继开发出数控加工模块和柔性自动线(FTL)，从此数控组合机床和柔性自动线逐年增多。在 1988年至1992年间，日本组合机床和自动线(包括部分其它形式的专用机床)产量的数控化率已达32%39%，产值 数控比率达35%51

10、%；德国组合机床和自动线产量的数控化率为18%62%，产值数控化率达45%66%(表2)。这 些数字表明，近十年来，组合机床的数控化发展是十分迅速的。 3.窗体底端组合机床和自动线的技术发展图1 组合机床的分类 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。其中 ，特别是汽车工业，是组合机床和自动线最大的用户。如德国大众汽车厂在Salzgitter的发动机工厂，90年代初 所采用的金属切削机床主要是自动线(60%)、组合机床(20%)和加工中心(20%

11、)。显然，在大批量生产的机械工业 部门，大量采用的设备是组合机床和自动线。因此，组合机床及其自动线的技术性能和综合自动化水平，在很大 程度上决定了这些工业部门产品的生产效率、产品质量和企业生产组织的结构，也在很大程度上决定了企业产品 的竞争力。 现代组合机床和自动线作为机电一体化产品，它是控制、驱动、测量、监控、刀具和机械组件等技术的综合 反映。近20年来，这些技术有长足进步，同时作为组合机床主要用户的汽车和内燃机等行业也有很大的变化，其 产品市场寿命不断缩短，品种日益增多且质量不断提高。这些因素有力地推动和激励了组合机床和自动线技术的 不断发展。 (1) 组合机床品种的发展重点在组合机床(图

12、1)这类专用机床中，回转式多工位组合机床(图2)和自动线(图3)占有很重要的地位。因为这 两类机床可以把工件的许多加工工序分配到多个加工工位上，并同时能从多个方向对工件的几个面进行加工，此 外，还可以通过转位夹具(在回转工作台机床上)或通过转位、翻转装置(在自动线上)实现工件的五面加工或全部 加工，因而具有很高的自动化程度和生产效率，被汽车、摩托车和压缩机等工业部门所采用。 (a)鼓轮式组合机床(水平回转轴线) (b)回转工作台式组合机床(铅垂回转轴线)图2 回转式多工位组合机床 图3 自动线 图4 电液比例阀控制的运动特性曲线 根据有关统计资料，德国在19901992年期间，回转式多工位组合

13、机床和自动线的产量约各占组合机床总数 的50%左右。应指出，回转式多工位组合机床实际上是一种特殊型式的小型自动线，适合于加工轮廓尺寸250mm的中小 件。与自动线相比，在加工同一种工件的情况下，回转式多工位组合机床所占作业面积要比自动线约小2/3。 (2) 自动线节拍时间进一步缩短目前，以大批量生产为特征的轿车和轻型载货车，其发动机的年产量通常为60万台左右，实现这样大的批量 生产，回转式多工位组合机床和自动线在三班运行的情况下，其节拍时间一般为2030秒，当零件生产批量更大 时，机床的节拍时间还要更短些(表1)。在70年代，自动线要实现这样短的节拍，往往要采用并列的双工位或设 置双线的办法，

14、即对决定自动线节拍的、工序时间最长的加工工序要通过并联两个相同的加工工位，如果限制性 工序较多时，则通过采用两条相同的自动线来平衡自动线系统的加工节拍。显然，这样就要增加设备投资和作业 面积。 表1 国外部分自动线和回转式多工位组合机床的节拍时间工件名称机床类别节拍时间(s)制 造厂名称V6缸体自动线25.5德国Cross缸 盖自动线18西班牙Etxe-tar变速箱体自动线18德国Ex-cell-o连 杆自动线22德国Alfing转向器壳回转工作台式组合机床22德国Witzig&Frank轴承盖自动线5德国Alfing圆珠笔芯回转工作台式组合机床0.6瑞士Mikro 自动线的短节拍，主

15、要是通过缩短基本时间和辅助时间来实现的。 缩短基本时间的主要途径是采用新的刀具材料和新颖刀具，以通过提高切削速度和进给速度来缩短基本时间。 例如，德国大众汽车厂在加工铝合金缸盖燃烧室侧面时，采用PCD铣刀，铣削速度高达3075m/min，进给速度达 3600mm/min；又如，在镗削灰铸铁缸体的缸孔时，采用装有三个可转位CBN刀片的新颖镗刀头，切削速度达 800m/min，进给速度为1500mm/min，加工深度为146mm的缸孔，其实际加工时间仅为5.8s，比传统加工工艺可缩 短2/3的加工时间。 缩短辅助时间主要是缩短包括工件输送、加工模块快速引进以及加工模块由快进转换为工进后至刀具切入工

16、件 所花的时间。为缩短这部分空行程时间，普遍采用提高工件(工件直接输送)或随行夹具的输送速度和加工模块的 快速移动速度。目前，随行夹具的输送速度可达60m/min或更高些，加工模块快速移动速度达40m/min。 目前，随行夹具高速输送装置常用的有电液比例阀控制的或摆线驱动的输送装置。 70年代末，Honsberg公司在其加工变速箱体的自动线上就采用了电液比例阀控制的输送装置。该自动线长 18.2m，有12个加工工位，输送步距为1400mm，输送重量为7000kg，输送速度达45.6m/min，一个步距的输送时间 仅为2.5s。图4为该输送装置的运动特性曲线。由于电液比例阀控制系统具有良好的启动

17、和制动性能，且系统结 构简单，至今，这种输送装置仍被许多自动线所采用。 (3) 组合机床柔性化进展迅速十多年来，作为组合机床重要用户的汽车工业，为迎合人们个性化需求，汽车变型品种日益增多(图5)，以多 品种展开竞争已成为汽车市场竞争的特点之一，这使组合机床制造业面临着变型多品种生产的挑战。为适应多品 种生产，传统以加工单一品种的刚性组合机床和自动线必须提高其柔性。在70年代，数控系统的可靠性有了很大 的提高，故到70年代末和80年代初，像Alfing、Hüller-Hille 和Ex-cell-o等公司相继开发出数控加工模块和柔性自动线(FTL)，从此数控组合机床和柔性自动线逐年增多

18、。在 1988年至1992年间，日本组合机床和自动线(包括部分其它形式的专用机床)产量的数控化率已达32%39%，产值 数控比率达35%51%；德国组合机床和自动线产量的数控化率为18%62%，产值数控化率达45%66%(表2)。这 些数字表明，近十年来，组合机床的数控化发展是十分迅速的。应指出，进入90年代以来，汽车市场竞争更趋激 烈，产品市场寿命进一步缩短，新车型的开发周期日益缩短(目前一般为35个月)，汽车品种不断增多，因而汽车 工业对柔性自动化技术装备的需求量日益增多。如日本丰田汽车公司，在本世纪末的目标是公司下属工厂的柔性 化加工系统的普及率达到100%。很显然，组合机床及其自动线在

19、保持其高生产效率的条件下，进一步提高其柔性 就愈来愈具有重要意义。 图5 发动机变型品种日益增多的趋向 表2 日本和德国数控组合机床和数控自动线(19881992年)产量、产值 产量 产值 年份 1988 1989 1990 1991 1992 1988 1989 1990 1991 1992 日本 组合机床和自动线 5074 5138 5653 5970 4260 808.2 954.9 1106.2 1590.1 1193.1 其中：数控组合机床和数控自动线 1640 1640 2087 2326 1626 283.7 335.0 539.9 767.6 607.2 数控化率(%) 32.

20、3 31.9 36.9 39.0 38.2 35.1 35.1 48.8 48.3 50.9 德国 组合机床和自动线 1655 837 886 813 644 565.2 429.8 712.2 746.7 896.9 其中：数控组合机床和数控自动线 1028 149 196 236 274 302.0 196.0 378.3 490.6 590.5 数控化率(%) 62.1 17.8 22.0 29.0 42.5 53.5 45.6 53.1 65.7 65.8 摘自19931994 Economic Handbook of the Machine Tool IndustryAMT图6 立柱

21、移动式数控三坐标加工模块 图7 自动换箱式多轴加工模块 图8 转塔式多轴加工模块 图9 回转工作台式多轴加工模块 图10 CNC MACH系统的模块化结构 1.输送装置 2.操纵台 3.液压站 4.备料站 5.夹紧工位 6.龙门式空架机器人 7.清洗工位 8.CNC三坐标加工模块 9.输送带 10.转塔式多轴加工模块 11.NC二坐标铣削模块 12.有轨输送小车 13.储料站 14.手动夹紧站图11 加工变速箱体的柔性自动线 组合机床的柔性化主要是通过采用数控技术来实现的。开发柔性组合机床和柔性自动线的重要前提是开发 数控加工模块，而有着较长发展历史的加工中心技术为开发数控加工模块提供了成熟的

22、经验。由数控加工模块组 成的柔性组合机床和柔性自动线，可通过应用和改变数控程序来实现自动换刀、自动更换多轴箱和改变加工行程 、工作循环、切削参数以及加工位置等，以适应变型品种的加工。 柔性组合机床和柔性自动线用的数控加工模块，按其数控坐标(轴)数，主要有单坐标(Z)、双坐标(X-Z、Y-Z、 Z-U和Z-B等)和三坐标(X-Y-Z)加工模块；按其主轴数，有单轴和多轴加工模块，也有单轴和多轴复合加工模块。 单坐标加工模块由数控滑台和主轴部件(或多轴箱，包括可换多轴箱)组成。双坐标加工模块由数控十字滑台和 主轴部件组成，例如数控双坐标铣削模块。 立柱移动式数控三坐标加工模块(图6)，其刀具能在三个

23、坐标上实现运动，可根据加工工件的品种和加工任务 配备刀库、换刀机械手以及所需的刀具，具有很高的柔性。这种加工模块是柔性自动线实现多品种加工最重要的 模块之一。 立柱移动式CNC三坐标加工模块可利用X轴和Y轴的联动来实现周边铣削工艺，特别是在铣削象变速箱体这类刚 性较差的工件时，可采用较小直径的铣刀，实现高速(切削速度达2500m/min)周边铣削，由此减小加工时的切削 力和工件的变形。这比采用双坐标铣削加工模块用大直径铣刀进行铣削要优越得多。 多轴加工模块是又一种重要模块，主要用于加工箱体和盘类工件的柔性组合机床和柔性自动线。这类模块有多 种不同的结构形式，但基本上可分为自动换箱式多轴加工模块

24、(图7)、转塔式多轴加工模块(图8)和回转工作台式 多轴加工模块(图9)。自动换箱式模块由于可在专门设置的多轴箱库中储存较多的多轴箱，故可用来加工较多不 同品种的工件。而转塔式和回转工作台式多轴加工模块，由于在转塔头和回转工作台上允许装的多轴箱数量有限 (一般为46个)，所以这种加工模块只能实现有限品种的加工。 在自动线上采用CNC三坐标加工模块和转塔式多轴加工模块，不仅可实现不同品种工件的加工，而且在自动线 节拍时间内(如果节拍时间允许的话)，这类加工模块还可以在同一个加工工位上通过其自动换刀或换箱，依次实 现多道加工工序(粗镗、半精镗和精镗；钻孔、扩孔和攻丝)，从而减少自动线的加工工位数，

25、缩短自动线的长度 。 单轴和多轴复合加工模块是一种三坐标数控加工模块，可通过自动换刀或自动更换多轴箱而实现单轴加工或多轴加工。值得提及的是，在80年代中期德国Honsberg公司推出的CNCMACH模块化系统(图10)是很有特色的一种模块化系统，该系统充分应用模块化结构原理，在作为系统基础模块的 CNC三坐标模块上，通过增减各种不同的功能模块，拼装成各种不同坐标或不用工艺用途的加工模块。具体地说 ，从坐标看，除三坐标外，还可组成双坐标和单坐标加工模块；从刀库看，可装设刀具库和多轴箱库，可单独实 现刀具或多轴箱的自动更换，也可依次实现刀具和多轴箱的更换。 CNC MACH系统，不仅在机械结构方面

26、，而且在控制和软件等方面也是模块化的。因此，利用该系统模块，可以 很方便地拼装成柔性自动线(FTL)、柔性加工单元(FMC)或柔性制造系统(FMS)。 除上述各种CNC加工模块外，机器人和伺服驱动的夹具也是柔性组合机床和柔性自动线的重要部件。特别在柔 性自动线上，目前已较普遍地采用龙门式空架机器人进行工件的自动上下料，用于工件的转位或翻转。为搬运不 同的工件，可在自动线旁设置手爪库，以实现手爪的自动更换。夹具配备伺服驱动装置，以适应工件族内不同工 件的自动夹紧。 图11所示是一条加工载重卡车八种变速箱体的柔性自动线。该线采用的数控加工模块有四个双坐标数控铣削模 块、六个数控转塔式多轴加工模块和

27、六个数控三坐标加工模块。辅助工位有清洗工位和采用机器人进行操作的装 夹工作站。由于组成自动线的加工模块都是数控的，当由一种工件的加工变换为另一种工件的加工时，只需通过 改变数控程序就行了，而无需进行机械等方面的调整和改装。 图12所示是一条加工轴承盖的柔性自动线，加工工件品种多达43种，节拍时间仅为6秒。为满足这种多品种的 加工，在自动线上采用9个CNC三坐标加工模块(其中2个模块的刀库容量为80把刀)，7个CNC单坐标加工模块。 图12 加工轴承盖的柔性自动线 组合机床自动线柔性化的迅速发展和节拍时间的日益缩短，充分显示了CNC技术和刀具技术给组合机床自动线 带来的巨大技术进步，使柔性自动线

28、在多品种、大批量生产中成为重要的技术装备。 但在这里必须指出，在组合机床和自动线实现柔性化发展的同时，加工中心高速化发展异常迅速。90年代初， 由这类高速加工中心组成的柔性生产线进入大批量生产领域，出现了加工中心与自动线竞争的局面。 (4 )加工精度日益提高表3 轿车发动机关键件的精度工件名称项目数值气缸体顶底面的平面度0.02mm/1000mm缸孔孔径精度IT6主轴孔同轴度f0.01mm缸体止口深度0.010.02mm气缸盖进排气阀座与导管孔的同轴度f0.02mm导管孔孔径精度IT6气缸体和气缸盖等箱体件工艺定位销孔孔径精度IT5孔距精度+0.01mm变速箱体传动轴孔孔距精度+0.02mm孔

29、径精度IT6连杆大小头孔孔径精度IT6(大头孔)IT5(小头孔)孔距精度+0.01mm螺栓定位孔孔径精度IT6孔距精度+0.03mm图13 工序能力系数与加工公差的关系 1.镗杆 2.精车缸孔止口用的滑板 3.空心锥柄(HSK) 4.装有三个切削刃和三个金刚石导向条的刀头 5.车止口用拉杆图14 缸孔精镗刀具 1.自动上下料系统 2.加工基准面和定位销孔的回转工作台式组合机床 36、810、1317、21.切削加工柔性自动线 7.试漏机 11.清洗机 12.导管和阀座自动装配机 18.去毛刺机 19.清洗机 20.凸轮轴轴承盖自动装配机图15 缸盖综合生产系统 特别自80年代中期以来，汽车制造

30、业为增强其汽车的竞争力，不断地加严其发动机关键件的制造公差(表3)，并通过计算机辅助测量和分析方法，以及通过设备能力检验来提高其产品的质量。目前，在验收组合机床和自动线时，已普遍要求设备的工序能力系数要大于1.33，有的甚至要求工序能力系数要大于1.67，以便确保稳定的加工精度。应指出，采用Cp1.33来验收设备，这实际上是加严了工件的制造公差，即工件的实际加工公差仅为工件给定公差的1/31/2(图13)，这无疑是对组合机床和自动线提出了更高的要求。组合机床制造厂为了满足用户对工件加工精度的高要求，除了进一步提高主轴部件、镗杆、夹具(包括镗模)的精度，采用新的专用刀具，优化切削工艺过程，采用刀

31、具尺寸测量控制系统和控制机床及工件的热变形等一系列措施外，目前，空心工具锥柄(HSK)和过程统计质量控制(SPC)的应用已成为自动线提高和监控加工精度的新的重要技术手段。 空心工具锥柄是一种采用径向(锥面)和轴向(端面)双向定位的新颖工具，其优点是具有较高的抗弯刚度、扭转刚度和很高的重复精度。在机床上采用空心锥柄的镗刀，就可使用预调的刀具加工出IT7/IT6精密孔。图14所示是空心工具锥柄在缸孔精镗刀具上的应用实例。 SPC是基于工序能力的用于监控工件加工质量的一种方法。目前，在自动线上这种质量保证系统愈来愈多地被用来对整个生产过程中的加工质量进行连续监控。表4是缸盖气门导管底孔和阀座底孔在采

32、用SPC监控时的实际加工公差。 表4 采用SPC监控时缸盖气门导管底孔和阀座底孔的实际加工公差 (mm)加工部位孔径公差SPC监控下的实际加工公差(临界工序能力系数Cpk2)导管底孔12H7+0.018+0.009阀座底孔30H8+0.033+0.016 (5 )综合自动化程度日益提高近十年来，为进一步提高工件的加工精度和减少工件在生产过程中的中间储存、搬运以及缩短生产流程时间，将工件加工流程中的一些非切削加工工序(如工序间的清洗、测量、装配和试漏等)集成到自动线或自动线组成的生产系统中(图15)，以实现工件加工、表面处理、测量和装配等工序的综合自动化。 6.清洗 在自动线和自动线组成的生产系

33、统中，清洗设备主要用于工件的工序间清洗和工件的最终清洗。 工件的工序间清洗主要是为下一道工序创造必要的工作条件。例如，工件毛坯在喷漆前、工件基准面加工后、去毛刺后、测量前以及装配前所进行的各种清洗。 当今，鉴于我们人类赖以生存的环境日益受到工业污染的破坏，环境保护已引起人们的普遍重视。近年来，国内外越来越关注工业清洗对环境的污染。这就促使许多工业部门的零件清洗转向应用水剂清洗(采用酸性、中性或碱性清洗液，清洗液中主要含有磷酸盐、活性剂和络合剂等)，这种水剂清洗主要根据工件清洗质量要求而采用喷淋(分散清洗)和浸渍(集中清洗)两种工艺。 基于环境保护、现场操作工人的保健和清洗工艺的合理化等要求，目

34、前，清洗机已普遍采用封闭式布局，整个清洗过程是自动进行的，设备控制采用可编程控制器，并自动监控所有机械动作和工艺技术参数。在这类清洗机上集成了蒸发、过滤、材料回收和处理等装置，图16所示是德国奔驰汽车公司转向器壳的清洗流程。该清洗机采用封闭式布局，清洗过程是在一个封闭系统中进行的，通过一个清洗液净化辅助系统来实现清洗液的循环使用。在该系统中，作为净化处理装置的核心部件是一个清洗净化和回收模块。该模块由超精过滤器和蒸发器联合组成，利用这个综合净化处理装置产生的清洗液和蒸镏水，重新用于零件的清洗和漂洗。 图16 转向器壳清洗工艺流程(Dürr公司)7.自动测量 在自动线上采用自动测量旨在

35、对工件的加工质量进行监控。近几年来，由于自动线节拍时间的日益缩短、被测工件的精度要求越来越高以及测量又要在生产条件下进行，因此，自动测量系统不仅要具有很高的工作速度和很高的工作精度，并且要具有较强的抗环境干扰(如切屑、尘埃、冷却液蒸汽、油液、振动和温度等)能力或测量系统具有对某些干扰量能进行自动补偿的性能。 在自动线上，自动测量可分为加工前测量和加工后测量。 加工前测量是在工件加工前通过测量以确定工件的特征，并利用测量结果来调整刀具相对于工件待加工部位的位置，然后进行相应的加工。例如，在铣削缸盖底平面时，为确保各燃烧室至底平面的深度尺寸偏差为最小(这一偏差直接影响到发动机性能)，故采用了测量控

36、制的铣削方法。铣削前，缸盖在随行夹具中找正和夹紧，接着采用多个气动测量头测出各燃烧室的深度，由最大值和最小值求出平均值，然后利用该值通过相应的控制来调整铣头相对于工件的位置再进行铣削。 近年来，在自动线上，工件精加工后普遍进行100%的检验测量，为此，在精加工工位后设置测量工位。图17所示是缸盖进排气阀座和导管孔综合精度自动测量装置。该装置采用四个气动测量头同时对四个阀座和导管进行测量。在测量阀座锥面的测量头上设有约50m隙缝宽的环形喷嘴，测量导管孔的心棒同样设有测量喷嘴。当该心棒低速引入导管孔时，以阀座锥面自动定心和找正，这是通过专门设计的滚动轴承来实现的，并借助于弹簧给测量阀座锥面几何精度

37、的测量头施加一定的贴合力，以使测量头靠在阀座的锥面上。当接通压缩空气进行测量时，就可通过从环形喷嘴中排出的气体量来测定： o 阀座锥角误差 o 阀座锥孔圆度 o 阀座锥孔对导管孔的跳动误差  A)测量任务 B)测量装置 1.安装板 2.压缩空气接头 3.可浮动的弹性支承 4.机械定心头 5.测量导管孔的测量心棒(设有测量喷嘴) 6.测量阀座深度的两个电感应测头 7.可旋转的环形喷嘴图17 缸盖气门阀座锥面和导管孔的综合精度测量8.装配 在主体工件的加工过程中，有的需要将个别零件装配到主体件上后再继续进行加工。在现代化生产中，已普遍地将这类工序间装配集成到自动线或自动线组成的生产系统中

38、。例如，缸体的瓦盖装配、缸盖的进排气阀座及导管装配和缸体、缸盖的堵片装配等。 图18所示是缸盖进排气阀座和导管的装配工序图。进行装配时，首先是采用液态氮将阀座圈和导管冷却到-160，通过自动上料装置将低温冷缩的阀座圈和导管装入缸盖的相应底孔中，随后靠温度的自然升高使零件产生膨胀，从而将两个零件牢固地配合在缸盖里。这种低温装配工艺与通过加热整个缸盖来装配阀座和导管的传统工艺相比，其优点是既可节能，又能确保装配质量。图18 缸盖进排气阀座和导管装配工序流程9.密封性试验 对一些有密封性能要求的工件(如缸体、缸盖和进排气管等)，在自动线上经一定的切削加工后，需进行密封性试验，以防止不合格工件进入下一

39、道工序，以致影响产品性能。 工件密封性检验，既可纳入自动线也可设置在自动线系统中，一般视自动线节拍的长短而定。10. 自动线可靠性和利用率不断改善和提高自动线的经济性只有在其进行连续生产的情况下才有可能实现。为提高自动线加工过程的可靠性、利用率和工件的加工质量，目前在自动线上愈来愈多的采用过程监控，对其各组成设备的功能、加工过程和工件加工质量进行监控，以便快速识别故障、快速进行故障诊断和早期预报加工偏差，使操作人员和维修人员能及时地进行干预，以缩短设备调试周期、减少设备停机时间和避免加工质量偏差。 显然，提高自动线的利用率和工件加工质量是生产控制和监控的主要目的。 从目前自动线生产控制和监控的

40、内容看，生产控制和监控系统基本上是由质量监控系统、自动线运行控制与监控系统和刀具监控系统这几个部分组成的。 近年来，质量监控已日益成为现代自动线生产监控的重要一环。这主要是由于汽车工业不断提高发动机质量的缘故。各汽车制造厂普遍要求将零件的设计公差带压缩1/31/2作为工序公差，对机床能力系数提出了很高的要求。为此，自动线制造厂为确保设备具有稳定的加工质量，已日益重视应用SPC对自动线的生产过程进行连续监控，对加工质量偏差的趋向进行早期预报，以便把工件的加工公差始终控制在预定的范围内。 现代自动线的过程控制和监控不仅包含对变得愈来愈复杂的自动线的过程控制和对所有终点开关、电动机保护开关、节拍时间

41、、冷却和润滑液的供给以及液压、气动功能等进行监控和诊断，而且还包括对刀具耐用度、设备维修间隔和工件计数等进行管理，并通过一些直观的过程图形显示、操作指引、故障报警和诊断指示，使操作人员更便于监控整个自动线的生产过程。 80年代末，在自动线的故障诊断技术中出现的一种基于知识的故障诊断技术，可对自动线运行中产生的所有故障进行诊断(而不是局限于诊断最常出现的故障)，确定故障部位及其原因，这为迅速排除故障赢得了时间，从而显著地缩短自动线的调试时间和停机时间。 当前，自动线的控制技术已由集中控制方式转向分散控制方式(图19)。根据对这种新的控制模式的研究表明，采用分散控制系统要比采用集中控制系统可节省费

42、用5%。这主要是由于分散控制系统可减少电缆敷设费用(采用总线系统)、减少电气保养维修费(由于提高了透明度)、省去控制柜台架(分散控制系统的控制柜直接设置在自动线的加工工位上)和无需设置集中冷却装置等。此外，这种分散控制系统由于总体配置简单，有利于加快自动线的投入运行，并由于一目了然的结构配置，在产生故障时很容易确定故障的部位。最后，分散控制系统的模块化和标准化也有利于降低成本和提高透明度。图19 集中控制和分散控制的比较 切削过程监控(刀具碰撞、刀具磨损和刀具破损等监控)是现代自动线过程监控的重要组成部分。在切削加工中，主要的干扰是来自刀具，象汽车发动机缸体、缸盖和变速箱体等复杂工件的加工，往

43、往要采用许多条自动线，上千把刀具，刀具出现超过磨损极限和破损的概率比较高。一旦某把刀具出现故障，如不及时进行识别和报警，就会导致出现二次故障、产生废品和损坏机床等事故，使自动线停机次数和停机时间增多，从而导致自动线利用率的降低。而通过对切削过程进行监控可显著地减少自动线的停机时间。如德国一汽车厂的缸盖加工自动线，由于采用了切削过程监控系统，使自动线的生产率提高了8%。 在自动线上，对多轴钻削和攻丝进行监控具有特别重要意义。由于传感器技术的不断进步，多轴钻削监控和攻丝监控技术已日趋成熟。 图20是攻丝监控系统的原理。为对攻丝过程进行监控，在攻丝接头中设有长度补偿机构以及在快换夹头中设置可调整扭矩

44、值的扭矩离合器，离合器的扭矩值应根据丝锥直径、螺距和工件材质进行调整。当丝维磨钝或攻丝底孔有误差时，快换夹头中的扭矩离合器就起动，这时由于强制的机床进给使攻丝接头中的长度补偿机构压缩。这种轴向移动使装在接头中的高频发生器通过装在同一接头里的发射天线发出高频信号，该信号被机床旁的接收器天线接收，通过与机床控制系统联接的该接收器发出指令使机床停止工作；并可发出光或声响进行报警。同时，一个装在接头上的红色目视环产生轴向移动，这样，如在多轴攻丝时，即使都用同一频率也可立即看出在哪一个攻丝主轴上发生了故障。故障排除后，这个红色目视环应重新把它移到原来的位置上。图20 攻丝监控原理 攻螺纹时，使用这种监控

45、系统，一方面可以减少丝锥的折断率，另一方面可提高丝锥加工工件的件数。据资料介绍、美国一汽车厂在未采用监控系统前，丝锥折断每年为1430次，采用监控系统后，丝锥折断降低为260次，返修品由年1134件降为8件。在德国大众汽车厂，前些年已使用这种系统1500套，在未采用监控系统前，为确保攻螺纹过程的可靠性，对丝锥采用强制更换，规定一把丝锥加工1000件后即进行更换。采用监控系统后，一把丝锥加工的工件数达到了2000件。 7 其它技术的应用动向在工业发达国家的组合机床行业中，下列技术得到了较为广泛的应用。 三.组合机床设计普及CAD技术 在国外许多公司中，组合机床设计已普遍采用CAD工作站，在设计室

46、几乎很难见到传统的绘图板。CAD除应用于绘图工作外，并在构件的刚度分析(有限元方法)、组合机床及自动线设计方案比较和选择，以及方案报价等方面均已得到广泛应用，从而显著地提高了设计质量和缩短了设计周期。加之国外许多公司在组合机床和自动线组成模块方面的系列化和通用化程度很高(一般达90%以上)，使组合机床和自动线的交货期进一步缩短。如意大利IMAS公司，一台复杂程度较高的回转工作台式组合机床从订单到供货一般为8个月；德国Honsberg公司为前苏联制造的加工变速箱体和箱盖的两条柔性自动线从订单到供货仅为14个月。1. 推行并行工程 近十年来，为缩短汽车开发周期、降低制造费用和提高产品质量，世界上许

47、多汽车厂都在积极推行日本丰田汽车公司首创的精益生产方式(Lean Production)。旨在从整体优化的观点合理配置和利用企业拥有的生产要素，以达到高速、高效、高质量和低成本地开发制造汽车，促使企业获得更高的综合效益。 精益生产方式的重要内容之一是并行工程。根据并行工程的组织原则，要求在产品开发的各个环节中，所有各相关的设计和制造活动之间按时间并行地进行密切合作和协调。也就是要求产品开发部门、生产规划部门和设备制造厂之间进行紧密合作，对要设计的产品和加工装备同时进行规划和设计，及早地发现和改正产品(工件)可能存在的错误，并尽早确定主要的生产工艺装备，从而达到改进产品设计和制造工艺、缩短产品开

48、发周期、降低制造费用、提高产品质量和工艺装备质量的目的。 从并行工程的基本思想看，这一方法似乎也不是新发明。因为在通常设计组合机床时，同样要求组合机床制造厂与用户之间进行密切合作，以便使专用设备能更好地满足用户的各种要求。但是，并行工程同这种做法有着本质上的不同。众所周知，组合机床制造厂总是根据用户提供的工件图纸和样件来进行专用设备的设计的，在工作环节上是一种按顺序进行的作业。而并行工程则突破了这种上下道作业的工作程序，它要求通过装备制造部门早期介入用户产品的规划和设计，在产品设计部门考虑其结构和功能时，能协同考虑产品的加工和装配工艺(以制造工艺和装配工艺带动设计)，从而加速产品开发，同时达到

49、降低制造费用和提高产品质量的目的。在国外，近十年来，很多汽车制造厂都在积极推行并行工程，并有不少组合机床制造厂与汽车厂密切合作应用这一方法来加速专用装备的设计制造。例如，美国的Ingersoll和Lamb，德国的Grob和Ex-cell-o等公司都应用并行工程分别为一些汽车厂设计制造了众多的缸体、缸盖和变速箱体等加工自动线，取得了较好的技术经济效益。8 结束语近20年来，组合机床自动线技术取得了长足进步，自动线在加工精度、生产效率、利用率、柔性化和综合自动化等方面的巨大进步，标志着组合机床自动线技术发展达到的高水平。自动线的技术发展，刀具、控制和其它相关技术的进步以及用户需求变化起着重要的推动

50、作用，其中，特别是CNC控制技术对自动线结构的变革及其柔性化起着决定性作用。 随着市场需求的变化，柔性将愈来愈成为决择设备的重要因素。因此，自动线将面临由高速加工中心组成的FMS的激烈竞争。 三, 常用的通用部件1、动力滑台 动力滑台是由滑座、滑鞍和驱动装置等组成、实现直线进给运动的动力部件。根据被加工零件的工艺要求，在滑鞍上安装动力箱（用以配多轴箱）或切削头（如钻削头、镗削头、铣削头、攻螺纹头等主轴部件配以传动装置），可以完成钻、扩、铰、镗孔、倒角、刮端面、铣削及攻螺纹等工序；台面宽320mm以下的滑台配有分给进给装置，可完成深孔加工。此外，滑台还可以当移动工件台用，装上检测装置也可以完成自

51、动检测等工序。滑台本身可以安装在侧底座上、立柱上或倾斜的底座上，以便配置成卧式、立式或倾斜式等形式的组合机床。根据驱动和控制方式不同，滑台可分为液压滑台、机械滑台和数控滑台三种类型。（一） 液压滑台(1)液压滑台的结构液压滑台和液压传动装置是两个分离的独立部件。滑台上装有液压缸。液压缸固定在滑座上，活塞杆通过支架与滑鞍连接。工作时，液压传动装置的压力油通过活塞杆带动滑鞍沿滑座顶面的导轨移动。液压滑台的结构特点是：1） 采用双矩型导轨结构形式，以单导轨两侧面导向，导向的长宽比较大，导向性好。2） 滑座体为箱型框架结构，滑座底面中间增加了结合面，结构刚度高。3） 导轨淬火，硬度高，使用寿命长（A型

52、铸铁导轨： G42-48，B型镶钢导轨：G42-48）。4） 液压缸活塞和后盖上分别装有双向单向阀和缓冲装置，可减轻滑台换向和退至终点时的冲击。5） 滑台分普通级、精密级和高精度级三个精度等级，可按要求选用，提高经济性。(2)液压滑台的典型工作循环及其应用液压滑台与其附属部件配套，通过电气、液压联合控制实现自动循环。采用不同的液压、电气系统可实现不同的工作循环。-不过控制精度不如其他液压控制系统好，而且在系统工作过程中不能改变由人一、开关阀式液压传动控制技术11幻开关阀式液压传动控制技术出现于上世纪四十年代。这种技术采用最基本的液压元器件如液压泵、方向阀、压力阀、流量阀、液压缸或液压马达组成液

53、压系统，由液压缸或液压马达驱动执行机构实现机械设备的各种动作。这种液压系统的控制在上世纪八十年前主要由继电器控制系统控制。随着微电子技术、自动控制技术和计算机技术的发展，上世纪八十年代起普遍采用了PLC控制液压系统。控制系统的功能主要是控制电磁换向阀的换向，实现液压系统工况的转换。但是流量阀控制的流量和压力阀控制的压力是由人工调定的，在液压系统工作循环过程中无法通过电气控制系统改变人工调定的流量和压力。开关阀式液压传动控制技术具有系统简单，应用简便，工作可靠，成本低廉等优点；因此在大功率或要求运动平稳的各行各业的生产机械中应用十分广泛。2、电液比例控制技术31耵51电液比例控制技术，是指流体传

54、动与控制的系统输出量(如压力、流量、位移、速度、加速度、力、力矩等)随输入电流成比例连续变化的的一种模拟量控制技术。电液比例控制技术的发展仅有20年左右的时间，作为连接现代微电子技术和大功率机械设备之间的桥梁，已经成为机电一体化技术的重要内容，是现代控制工程的基本技术构成之一。尽管工程实际中电液比例控制系统实现的功能繁多，但其结构基本可以归纳为图11所示的典型方框图。图卜l电液比例控制系统的典型方框图电液比例控制系统有如下优点：(1)兼备了电气或电子系统的快速性、灵活性和液压技术输出功率大的双重优势，控制性能好，传动能力强；(2)连续、比例地实现流量、压力与方向三者之间地多重复合控制功能，便于

55、计算机控制。利用先进地现场总线技术，实现系统的智能化。(3)简化了系统回路，减少或避免液压系统的泄漏，节省能耗。(4)便于建立故障诊断的专家系统，易于维护。但也存在着明显的缺点，与开关控制技术相比，其技术实现较复杂，与伺服系统相比，启控制精度低，响应慢，组成的闭环系统易出现不稳定状态。而且，国产电液比例阀虽然便宜，但普遍存在质量不佳，性能不稳定的情况，而进口电液比例阀虽然控制精度高，性能稳定，但价格昂贵。3、电液伺服控制技术脚跏脚电液伺服控制技术是上世纪五十年代末发展起来的一种电液控制技术。它由电气控制装置、电液伺服阀及伺服液压缸组成，用来控制执行机构的直线位移或角位移或力，使其能自动地、连续

56、地、精确地复现输入电流或电压的变化规律。由于电检测器的多样性，因此可以组成很多种物理量的闭环控制系统。最常见的是电液位置伺服系统、电液速度控制系统和电液力压力控制系统。 电液伺服控制系统也有多种多样，但基本结构可以归纳为如图卜2所示。在电液伺服控制系统中，伺服阀是系统的核心元件，它的功能是将电气信号(电压、电流)变成液压信号(压力、流量)，既起电气信号与液压信号间的转换作用，又起信号的放大作用，因此其性能对系统的特性影响很大。 组合机床分用户层、功能层和支撑层。用户层主要包括用户注册、登录、权限设置等操作。如果是注册个人用户，将被授予仅能浏览和下载权限，则用户不能随便修改和存储数据。如果是注册

57、单位用户，根据不同注册购买部分或全部功能权限；每个单位用户注册后，系统立即自动为其建设一个新的存储区域(根据不同权限分配不同容量)，复制现有数据至新的存储区域，供其用户使用，则该用户可根据需要添加、删除、修改复制数据库中的数据。经协商和管理员审批后，用户设计的组合机床可以上传至实例库，作为下一次设计的参考，但不能对原始数据存储位置进行任何添加、删除和修改等操作。单位的总设计师可使用部分权限功能限制其下属设计人员不同的权限，进行合理分丁，避免设计人员冲设计、修改或存取同一个零件，同时采用TopDown技术控制关联尺寸和装配约束，让设计人员设计具体部件。因保证了关联尺寸和装配约束，故可避免装配和尺寸冲突，若发生了冲突，调用冲突消解进