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 目及多孔钻铰设备床身与刀架设计姓 名专 业学 号指导教师郑州科技学院机械工程系二 0一二年三月目录一 , 制动盘的加工工艺 .31. 制动盘的材质选择 .32. 制动盘的结构 .3 (1概述 .33. 制动盘铸造模型 .44熔炼铸造 .4 5制动盘的机构加工 .5 二 , 组合机床 .51. 组合机床设计的特点 .52. 组合机床柔性化进展迅速 .53. 组合机床和自动线的技术发展 .5(1组合机床品种的发展重点 .6(2自动线节拍时间进一步缩短 .8(3组合机床柔性化进展 .104. 加工精度日益提高 .165. 综合自动化程度日益提高 .186. 清洗 .187. 自

2、动测量 .208. 装配 .219. 密封性试验 .22 10. 自动线可靠性和利用率不断改善和提高 .22 三 , 组合机床设计普及 CAD 技术 .261. 推行并行工程 .272. 结束语 .28 四,常用的通用部件 .28 1. 动力滑台 .28 液压滑台 .29(1液压滑台的结构 .29(2液压滑台的典型工作循环及其应用 .292. 电液比例控制技术 .293. 电液伺服控制技术脚跏脚 .304. 液压传动控制技术的发展趋势 .34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

3、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 C Si Mn P S Cu Cr 体系 , 配方见表 1。 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: 形状:外径、内径、板厚以及安装方法的制约重量:确保热容量摩擦环

4、应能自由膨胀通风敞热性国外先期的制动盘由于运行速度较低 ( 120Km /h , 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

5、擦盘体和盘毂是通过径向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

6、 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

7、% , 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 ,

8、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

9、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

10、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 8

11、0年代初,像 Alfing 、 Hller-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%;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. 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,

12、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 (2 0%。 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

13、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 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

14、 (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

15、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, 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

16、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

17、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

18、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和制动性能, 且系统结 构简单,至今

19、,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 、 Hller-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 1

20、988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 9 0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%

21、。很显然,组合机床及其自动线在保 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 (19 881992年 产量、 产值 产量 产值 年份 1988198919901991199219881989 199019911992日本 组合机床和自动线 50745138565359704260808.2954. 91106.21590.11193.1其中:数控组合机床和数控自动线 1640164020872326 1626283.7335.0539.9767.6607.2数控化率 (%32.331.936

22、.939.038.235. 135.148.848.350.9德国 组合机床和自动线 1655837886813644565.242 9.8712.2746.7896.9其中:数控组合机床和数控自动线 1028149196236274 302.0196.0378.3490.6590.5数控化率 (%62.117.822.029.042.553.545. 653.165.765.8摘自 19931994 Economic Handbook of the Machine Tool Industry AMT图 6 立柱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

23、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经验。 由数控加工模块组 成的柔性

24、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

25、能在三个坐标上实现运动, 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

26、构形式,但基本上可分为自动换箱式多轴加工模块 (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

27、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,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 H onsberg 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

28、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, 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 (F MC 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

29、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 ,

30、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/1000 mm 缸孔孔径精度 IT6主轴孔同

31、轴度 0.01mm 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 0.02mm 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 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

32、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

33、的 加工精度。 应指出, 采用 C p 1.33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

34、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用 SPC 监控时的实际加工公差。 表 4 采用 S PC 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 C pk =2 导管底孔 12H7

35、+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

36、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

37、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 (Drr 公司 7. 自动测量在自动线上采用自动测量旨在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

38、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

39、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

40、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。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

41、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

42、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

43、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、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

44、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用 5%。这主要是由于分散控制系统可减少电缆敷设

45、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,往往要采用许多条自动线,

46、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值的扭

47、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

48、,使用这种监控系统,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,

49、 组合机床设计已普遍采用 CAD 工作站, 在设计室几乎很难见到 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 9 0%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 1

50、4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

51、 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

52、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

53、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

54、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

55、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

56、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