TY2100柴油机机体缸孔粗镗组合机床总体及刀具设计.doc

1 前言
工艺要求设计的专用部件组成的专用机床.组合机床由70%~90%一的通用零,部件组成,大多数零、部件是同类的通用部件,组合机床三化(标准化、通用化、系列化)水平高.
组合机床是高效自动化设备,它在国民经济中占有较重要的地位。尤其是汽车、、拖拉机、军工等大批量生产的行业，, 正面临着产品的更新换代和企业改造任务，这些行业又都是组合机床及自动线的主要用户，它们需要组合机床及自动线的数量较大。组合机床设计是一次性设计，它根据用户提供的被加工零件的加工特点、精度和技术要求、定位夹压情况以及生产率的要求等制定总体方案，然后进行技术设计和工作设计。换句话说，对于千变万化的被加工零件来说，组合机床的“组合”是变化的，没有产品定型的过程，根据用户要求，加工一类零件就要设计一台组合机床，因而迫切需要采用CAD技术，以达到缩短设计周期，提高产品质量的目的。
组合机床行业企业主要针对汽车、摩托车、内燃机、农机、工程机械、化工机械、军工、能源、轻工及家电行业提供专用设备,随着我国加入WTO 后与世界机床行业进一步接轨,组合机床行业企业产品开始向数控化、柔性化转变。从近两年的企业生产情况看,数控机床加工中心的市场需求量在上升,而传统的钻、镗、铣组合机床则有下降趋势,中国机床工具工业学会的《机床工具行业企业主要经济指标报表》的统计数据显示,仅从几个全国大型重点企业生产情况看,2000年生产数控机床590 台,产值10 731 万元,生产加工中心118 台,产值4 601 万元; 2001 年生产数控机床685台,产值17 969 万元,生产加工中心129 台,产值5 760万元;而2002 年,截至9 月份,数控机床、加工中心产量、产值已接近2001 年全年水平,故市场在向数控、高精制造技术和成套工艺装备方面发展。
近两年虽然组合机床行业产销呈现上升趋势,但行业内一些企业同样存在负债经营的情况,主要原因是传统的组合机床产品不能满足用户柔性化、高精度、短周期的市场需求,同时组合机床行业一些企业存在现代化管理水平低、人才流失严重、科研成果不能迅速转化为生产力等缺陷。为此提出如下建议。
(1) 提高现代化管理水平。中国加入WTO 后,迫切要求企业提高现代化管理水平,进一步深化企业内部改革,建立健全适应市场经济的运行机制,“建立企业的科学的管理体制,做到集权有道、分权有序、授权有章、用权有度的责权利内在统一的有机结合,是提高企业控制力所必须的。”要彻底改变落后的体制,必须树立全球化经营理念,提高国际市场竞争能力,建立市场快速反应机制,以适应日趋发展的市场需求。
(2) 亟待提高企业创新能力。企业的生存,关键在于产品的生命力。已步入电子时代的今天,传统的组合机床已经不能适应高速发展的国内外市场需要,这就要求企业必须适应科学技术的飞速发展,建立技术创新体系,推进企业的技术进步,加速向柔性化、数控化、高精度、短周期方向发展,提高组合机床适用范围和市场覆盖面;同时实施名牌战略,争创世界品牌, 加速我国组合机床的发展进程,使我国组合机床行业企业在世界制造领域里立于不败之地。
攻克当前行业企业技术发展上的难题;二要加强与国外的合资合作,利用和学习国外的先进技术,提高企业的现代化管理水平和技术水平;三要通过对引进技术的消化吸收进行再创新,发展自己的产品。通过我们的努力,使我国真正由制造大国变成制造强国。
本次设计的加工对象为TY2100柴油机气缸体，材料为HT250，硬度为HB187-251。在本工序前各主要表面已加工完毕。机床加工内容为粗镗顶面一个Φ1170.27孔；一个Φ1120.27孔；一个Φ111.50.27孔。这三个孔为同轴孔。
机床的工作原理为：镗刀固定在镗削头上，机床工作时，镗刀杆随着镗削头主轴旋转而旋转，并向下做镗削运动。镗刀杆上装有三把刀，三把刀都是固定在镗刀杆上，最上面一把刀用来镗Φ117的孔，最下面一把刀用来镗Φ111.5的孔，中间一把刀用来镗Φ112的孔。
组合机床刀具是组合机床主要组成部分之一。组合机床刀具设计、制造和使用的情况，将影响到组合机床加工出零件的质量、组合机床的生产率及经济效果。
组合机床刀具，虽然从它的作用和对它的基本要求上看，与通用机床上用的刀具基本一样，但是由于组合机床的特殊条件，也给组合机床刀具带来了一些与一般刀具不同的特点。因此，要使组合机床能很好的工作，就必须了解这些特点。
组合机床刀具要求有较高的耐用度和可靠性，并便于装卸和调整。由于组合机床是高生产率的专用机床，它的循环时间较短，而在每一循环中，刀具不工作的时间很短。同时在大多数情况下，组合机床又是多刀加工，刀具数量较多，更换调整刀具较费时间。这样，如换刀次数较多，势必占用大量时间，降低生产率。所以就要求组合机床刀具具有如下性能：结构可靠；刀具材料和几何参数选取合理，并创造合适的切削条件以及选取比一般通用机床稍低的切削用量，以使刀具有较高的耐用度；便于装卸。
此组合机床与一般普通镗床相比，它具有自动化程度高，加工效率高，加工质量稳定，减轻工人劳动强度等优点；但同时它也有一些缺点，就是该机床的设计制造成本相对较高。但随着社会经济和科学技术的发展，相信此组合机床的生产成本会越来越低，再经不断的升级改造，其前景会非常光明。

2组合机床总体设计
2.1 总体方案的确定
本设计的加工对象为TY2100柴油机气缸体，材料为HT250,硬度为HB187-251。在本工序前各主要表面已加工完毕。
2.1.1 工艺方案的拟订
确定组合机床工艺方案的基本原则：
a）粗精加工分开原则：
粗加工时的切削负荷较大，切削产生的热变形、较大夹压力引起的工件变形以及切削振动等，对精加工十分不利，影响加工尺寸精度和表面粗糙度。因此，在拟订工件一个连续的多工艺过程时，应选择粗精加工分开的原则。
b) 工序集中原则：
适当考虑相同类型工序的集中，在条件允许时，把相同的工序集中在一台机床或同一工位上进行加工能简化循环和结构；有相对位置要求的工序集中，相互间有严格的位置精度的孔的精加工应集中在一台机床上一次安装下完成，并且孔的粗精加工最好集中在一台机床上完成，这样可以使精加工余量分布均匀，更利于保证加工精度。
该加工零件为TY2100柴油机缸体。材料HT250，其硬度为HBS187—251，在本工序之前各主要表面、主要孔已加工完毕。
根据先粗后精、先基准面后其它面、先主要表面后次要表面的机械加工工序安排的设计原则，对TY2100柴油机气缸体的工艺路线作如下设计：
工序1 粗铣底、顶端面；
工序2 粗铣左、右端面；
工序3 粗铣前、后端面；
工序4 半精铣底、顶端面；
工序5 半精铣左、右端面；
工序6 半精铣前、后端面；
工序7 粗镗顶面的孔；
工序8 半精镗顶面的孔；
工序9 精镗顶面的孔；
工序10 钻孔；
工序11 攻丝；
工序12 最终检验。
本工序（第7道）加工内容：粗镗顶面一个Φ117孔；一个Φ112孔；一个Φ111.5孔；这三个孔为同轴孔。各孔的位置精度及具体要求详见TY2100气缸体的工序图。

2.1.2 定位基准的选择
组合机床是针对某种零件或零件某道工序设计的。正确选择定位基准，是确保加工精度的重要条件，同时也有利于实现最大限度的工序集中。
本组合机床的基准面为底面。本机床加工时采用一面两销定位，作为加工线全线的统一基准。因为“一面两销”定位生产率高，它的特点是：
a) 可以简便地消除工件的6个自由度，保证工件的稳定的定位。
b) 同时加工零件五个表面的可能，既能高度集中工序，又有利于提高各面上孔的位置精度。
c) “一面两销”可作为零件从粗加工到精加工全部工序的定位基准，使零件整个工艺过程基准统一，从而减少由基准转换带来的累计误差，有利于保证加工精度。同时，使机床各工序的许多部件实现通用化，有利于缩短设计制造周期，降低成本。
d) 易于实现自动化定位、夹紧，并有利于防止切屑落于基面上。
2.1.3 机床配置型式的选择
机床的配置型式主要有卧式和立式两种。卧式组合机床床身由滑座、侧底座及中间底座组合而成。其优点是加工和装配工艺性好，无漏油现象；同时，安装、调试与运输也都比较方便；而且，机床重心较低，有利于减小振动。其缺点是削弱了床身的刚性，占地面积大。立式组合机床床身由滑座、立柱及立柱底座组成。其优点是占地面积小，自由度大，操作方便。其缺点是机床重心高，振动大。
由于工件的定位基准是水平的且被加工孔与基面相垂直的工件，加工时安装方便且高度不大，因此采用立式布置。考虑到加工工件的结构形状特点，本机床采用了单滑台双动力头结构。由于在加工过程中加工好两个孔后要横向移动加工另外两个孔，因此采用移位滑台来满足这个要求。考虑到镗杆运动，因此还须采用立式滑台，根据已定的工艺方案和机床配置形式，确定机床为粗镗TY2100柴油机机体缸孔的组合机床，通过液压系统实现立式滑台工作进给运动，电动机带动镗削头运动，从而实现镗杆的工作运动。
2.1.4 滑台型式的选择
本组合机床采用的是液压滑台。与机械滑台相比较，液压滑台具有如下优点：
a) 在相当大的范围内进给量可以无级调速；
b) 可以获得较大的进给力；
c) 由于液压驱动，零件磨损小，使用寿命长；
d) 工艺上要求多次进给时，通过液压换向阀，很容易实现；
e) 过载保护简单可靠；
f) 由行程调速阀来控制滑台的快进转工进，转换精度高，工作可靠。
但采用液压滑台也有其弊端，如：液压驱动管路的泄露、噪声和液压系统占地的问题。
本课题的加工对象是TY2100柴油机气缸体顶面上的三个同轴孔，采用液压滑台能够满足孔的位置精度和尺寸精度的要求，并且考虑到机床的进给稳定性，故采用液压滑台。
2.2 切削用量及选择刀具的确定
2.2.1 切削用量的选择
对于粗镗3个孔时，采用查表法选择切削用量，从文献[12]P.132表6-15中选取。镗孔深度较大时，由于冷却排屑条件都较差，使刀具寿命有所降低。降低切削速度主要是为了提高刀具寿命，并使加工较深孔时镗刀的的寿命与加工其他浅孔时镗刀的寿命比较接近。
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、机床的布局形式及正常工作均有很大影响。组合机床多轴箱上所有的刀具共用一个进给系统，通常为标准动力滑台。查文献[12],40Gr镗刀的切削用量如表2-1：
表2-1 镗孔切削用量
工序
刀具材料
铸铁

粗镗
40Gr
35-50
0.4-1.5
在选择切削速度时，要求同一多轴箱上各刀具每分钟进给量必须相等并等于滑台的工进速度（单位为mm/min）,因此，一般先按各刀具选择较合理的转速(单位为r/min)和每转进给量（单位为mm/r），再根据其工作时间最长、负荷最重、刃磨较困难的所谓“限制性刀具”来确定并调整每转进给量和转速，通过“试凑法”来满足每分钟进给量相同的要求，即
（2-1）
在选择了转速后就可以根据公式
（2-2）
式中 v---进给速度(r/min)；
f---进给量(mm/r)；
d---加工孔的直径(mm)。
选择合理的切削速度。
a)粗镗Φ117±0.27孔
由,,,又d=117mm,初选 n=173r/min,f=0.45mm/r。
由公式（2－2)得：
=63.6m/min
b)粗镗Φ112±0.27孔
由,,,又d=112mm,初选 n=173r/min,f=0.45mm/r。
由公式（2－2)得：

c)粗镗Φ111.5孔
由,,,又d=111.5mm,初选 n=173r/min,f=0.45mm/r。
由公式（2－2)得：

表2-2 加工各个孔的进给量，工进速度及切削速度
孔径
切削用量
117
112
111.5
v (m/min)
63.6
60.9
60.6
f (mm/r)
0.45
0.45
0.45
n (r/min)
173
173
173
2.2.2切削力、切削扭矩及切削功率的计算
根据文献[12]P.134表6-20中公式：
（2-3）
（2-4）
（2-5）
（2-6）

式中， －－圆周力（Ｎ）；
－－轴向切削力（Ｎ）；
T ——切削转矩（N）；
P ——切削功率（kW）；
v ——切削速度（m/min）；
f ——进给量（mm/r）；
D ——加工直径（mm）；
；
HB ——布氏硬度。，在本设计中，
由以上公式可得：
a)粗镗Φ117±0.27孔，深8.6
由公式（2-3）得：

由公式（2-4）得：

由公式（2-5）得：
由公式（2-6）得：

b)粗镗Φ112±0.27孔，深11.7
由公式（2-3）得：

由公式（2-4）得：

由公式（2-5）得：

由公式（2-6）得：

c)粗镗Φ111.5孔，深27
由公式（2-3）得：

由公式（2-4）得：

由公式（2-5）得：

由公式（2-6）得：

表2-3加工各个孔的切削力、切削转矩及切削功率

孔径（mm)

(N)

117
4834.2
1034.1
282798.5
5.02
112
6576.7
1406.8
368295.7
6.5
111.5
15177
3246.6
16841538.4
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2.2.3 刀具结构的选择
根据加工精度、工件材料、工件条件、技术要求等进行分析，按照经济地满足加工要求的原则，合理地选择刀具。只要所选工艺方案可以采用刚性较好的镗杆，还是采用镗削方法，这是因为镗刀制造简单，刃磨方便。
当被加工孔直径在Φ40mm以上时，组合机床上多采用镗削加工，其加工精度可高达1-2级。
直径小于Φ40mm时，选用钻削方法，钻头选用高速钢修磨棱带及横刃钻头。
由于本道工序所要加工的孔的直径均大于Φ100mm，故选用镗削方法，刀具采用复合刀具，刀片材料为硬质合金，刀杆材料为40Cr。
2.3 组合机床总体设计—“三图一卡”
2.3.1 被加工零件工序图
被加工零件工序图是根据制定的工艺方案，表示所设计的组合机床（或自动线）上完成的工艺内容，加工部位的尺寸、精度、表面粗糙度及技术要求，加工用的定位基准、夹压部位以及被加工零件的材料、硬度和在本机床加工前加工余量、毛坯或半成品情况的图样。除了设计研制合同外，它是组合机床设计的具体依据，也是制造、使用、调整和检验机床精度的重要文件。
绘制被加工零件工序图的规定及注意事项
a) 绘制被加工零件工序图的规定
应按一定的比例，绘制足够的视图以及剖面；本工序加工部位用粗实线表示；定位用定位基准符号表示，并用下标数表明消除自由度符号；夹紧用夹紧符号表示，辅助支承用支承符号表示。
b) 绘制被加工零件工序图注意事项
a 本工序加工部位的位置尺寸应与定位基准直接发生关系。
b 对工件毛坯应有要求，对孔的加工余量要认真分析。
c 当本工序有特殊要求时必须注明。
加工工序图见附图。
2.3.2 加工示意图
零件加工的工艺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，刀具、辅具的布置状况以及工件、夹具、刀具等机床各部件间的相对位置关系，机床的工作行程及工作循环等。
本道工序的加工顺序为：镗刀杆快进40mm到达工作位置，然后工进144.3mm最下面一把刀先镗Φ117和Φ112的孔至Φ111.5，然后镗刀杆继续工进8.6mm使最下面一把镗刀开始镗Φ111.5的孔至深15.3mm，镗刀杆继续工进至171.3mm时最下面的镗刀完成Φ111.5孔的粗镗且深为27mm，上面两把镗刀同时完成扩阶梯孔Φ117和Φ112且深各为8.6mm和11.7mm。
a) 导向结构的选择
由于采用刚性主轴(镗杆)，故不选用导向机构。
b) 确定主轴、尺寸、外伸尺寸
在该课题中，主轴用于镗孔，镗孔选用圆柱滚子轴承主轴。
根据由选定的切削用量计算得到的切削转矩T，由文献[12]表4-3公式计算主轴
（2-7）
式中 d—轴的直径（㎜）；
T—轴所传递的转矩（N·m）；
B—系数，本课题中镗孔主轴为刚性主轴，取B=7.3。
由公式可得：
根据主轴类型及初定的主轴轴径，文献[12]的44页表3-6可得到主轴外伸尺寸及接杆莫氏圆锥号。滚锥主轴轴径d=60㎜时，主轴外伸尺寸为：D/d1=90/60,L=75㎜。
c) 选择接杆、浮动卡头
由于采用刚性主轴，因此不选用接杆和浮动卡头。
d) 动力部件工作循环及行程的确定
a 工作进给长度的确定
工作进给长度，应等于加工部位长度L（多轴加工时按最长孔计算）与刀具切入长度和切出长度之和。即
（2-8）
b 快速进给长度的确定
快速进给是指动力部件把刀具送到工作进给位置。选定刀具的快速进给长度为40mm。
c 快速退回长度的确定
快速退回长度等于快速进给和工作进给长度之和。由已确定的快速进给和工作进给长度可知，快速退回长度为240㎜。
d 动力部件总行程的确定
动力部件的总行程除了满足工作循环向前和向后所需的行程外，还要考虑因刀具磨损或补偿制造、安装误差，动力部件能够向前调节的距离（即前备量）和刀具装卸以及刀具从主轴孔中取出时，动力部件需后退的距离（即后备量）。因此，动力部件的总行程为快退行程与前后备量之和。
根据本组合机床和加工零件的特点，确定前后备量分别为20mm和140mm。
动力部件的总行程为400mm。
加工示意图见附图。
2.3.3 机床联系尺寸总图
a) 选择动力部件
a 动力滑台型号的选择
根据选定的切削用量计算得到的主轴的进给力。
实际上,为克服滑台移动引起的摩擦阻力，动力滑台的进给力应大于进给力。又考虑到所需的最小进给速度、切削功率、行程、主轴箱轮廓尺寸等因素，为了保证工作的稳定性，由文献[12]表5-1，选用液压滑台1HY50型，台面宽500mm，台面长1000mm，允许最大进给力为32000N；其相应的侧底座型号分为1CC501Ⅱ、1CC501Ⅲ、1CC501。选用移位滑台1HY50型，台面宽500mm，台面长1000mm，允许最大进给力为32000N；其相应的侧底座型号分为1CC501Ⅱ、1CC501Ⅲ、1CC501。
b 动力箱型号的选择
由切削用量计算得到的各主轴的切削功率的总和，根据文献[12]的47页公式计算：
（2-9）
式中 —消耗于各主轴的切削功率的总和（Kw）；
—多轴箱的传动效率,加工黑色金属时取0.8～0.9，加工有色金属时取0.7～0.8；主轴数多、传动复杂时取小值，反之取大值。本课题中，被加工零件材料为灰铸铁，属黑色金属，故取5。
=0.45+0.43+0.45+0.42=1.75KW
则
根据液压滑台的配套要求，滑台额定功率应大于电机功率的原则，查文献[12]表5-38得出动力箱及电动机的型号,见表2-3。

表2-3 动力箱及电动机的型号

动力箱型号
电动机型号
电动机功率(Kw)
电动机转速(r/min)
输出轴转速(r/min)
镗削头
1TD50
Y132M-8B3(2)
3.0
710
480
c 配套通用部件的选择

a) 刀杆材料的选择
选用40Cr为刀杆材料，热处理硬度为35-40HRC，表面氧化。
b) 刀杆尺寸的选择
半精加工中时，根据文献资料[12]表3-2可得如下数据：
表3-1 镗孔、镗杆直径和镗刀截面
镗孔直径D
30～40
42～50
镗杆直径d
20～30
30～40
镗刀方截面B×B
8×8
10×10
镗刀圆截面d1
8～10
10～12
a 刀杆截面尺寸（H×B）
参照文献[13]表1-14得刀杆截面尺寸：
镗刀： 17×11.5mm
阶梯扩镗刀1： 21×16mm
阶梯扩镗刀2： 17×13mm
b 刀杆长度尺寸
参照文献[13]表1-14得刀杆长度尺寸：
镗刀： 39.4mm
阶梯扩镗刀1： 46mm
阶梯扩镗刀2： 39.5mm

4 结论
本次的毕业设计也是对自己这四年的一次综合考察，作为一名学机械的本科生来说，设计一项关于机械方面的东西，也许是最适合的“考卷”。其目的是加深我们对机械设计制造及其自动化这个专业的理解，使我们的专业知识得到进一步加强和巩固，为即将踏入工作岗位奠定良好的基础。
在设计过程中，我和同组的常亮、鲁云晖三人在黄晓峰老师的指导下共同查阅参考资料、共同研究。在分析了被加工零件的基础上，夹具的定位方式最后选择了采用一面两销的定位方式。根据工序集中原则，采用了单滑台双动力头设计。由于采用的液压滑台，机床中难免会出现泄露，液压管道的布置等问题。由于此机床采用了大量的专用件，在设计过程中工作量很大，技术参数是在参照国内外有关组合机床的基础上设计而成的，在总体设计上结果令人满意。
此组合机床与一般普通镗床相比，它具有自动化程度高，加工效率高，加工质量稳定，减轻工人劳动强度等优点；但同时它也有一些缺点，就是该机床的设计制造成本相对较高。但随着社会经济和科学技术的发展，相信此组合机床的生产成本会越来越低，再经不断的升级改造，其前景会非常光明。

参考文献
［1］丛凤廷．组合机床设计（第二版）[M]．上海：上海科技出版社，1994．
［2］谢家瀛．组合机床设计参考手册[M]．北京：机械工业出版社，1994．
［3］大连组合机床研究所．组合机床设计（第一分册）[M].北京：机械工业出版社，1975．
［4］大连组合机床研究所．组合机床设计参考图册[M]．北京：机械工业出版社，1975．
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［8］刘文剑．夹具工程师手册[M]．哈尔滨：黑龙江科技出版社，1987．
［9］杨黎明．机床夹具设计手册[M]．北京：国防工业出版社，1996．
［10］李儒荀．刀具设计原理与计算[M]．江苏：江苏科学技术出版社，1985．
［11］范忠仁．刀具工程师手册[M]．黑龙江：黑龙江科学技术出版社，1985．
［12］谢家瀛. 组合机床设计简明手册. 北京：机械工业出版社，1999．
［13］刘华明. 金属切削刀具设计简明手册. 北京：机械工业出版社，1993．

致 谢
如今，我的毕业设计任务已基本结束，终于顺利地完成了TY2100柴油机机体缸孔粗镗组合机床总机设计及刀具设计。本次毕业设计是大学四年间所学知识的综合运用，通过这次设计把这四年所学的基础理论和专业课程作了一个总结和回顾，加深了对理论知识的理解，能够掌握机械设计的全套思路，为即将走上工作岗位和以后的发展打下了一定的基础。
在设计过程中，我查阅了大量资料，包括组合机床和刀具方面的资料等等，尤其是在从对各类设计手册的查阅中，我的知识面得到了很大的提高；对该课题的独立设计，使我对组合机床有了一个更深的了解，也使我独立设计的能力有了极大的提高。
这次设计工作量较大，也有一定难度。在设计过程中，我得到了指导老师黄晓峰老师及其他几位老师的大力帮助。同时与同组的常亮、鲁云晖两位同学的进行一些深入的讨论，这给了我很大的启发，在此我表示衷心的感谢。

附 录
图 名 图 号 图 幅 张 数
1 机床联系尺寸图 TY2100-001 A1 1
2 工序图 TY2100-002 A1 1
3 加工示意图 TY2100-003 A2 1
4 生产率计算卡 TY2100-004 A4 1
5 刀具装配图 TY2100-60-00 A3 1
6 镗杆 TY2100-60-01 A3 1
7 右旋镗刀 TY2100-60-02 A3 1
8 轴套 TY2100-60-03 A3 1
9 左旋阶梯扩镗刀 TY2100-60-04 A3 1
10 右旋阶梯扩镗刀 TY2100-60-05 A3 1
11 左旋镗刀 TY2100-60-06 A3 1
12 中间底座 TY2100-60-07 A0 1

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