TY2100柴油机机体缸孔粗镗组合机床总体及夹具设计.doc

目 录
1 前言 1
2 组合机床总体设计 3
2.1 总体方案论证 3
2.1.1 加工对象工艺性分析 3
2.1.2 机床配置型式的选择 3
2.1.3 定位基准的选择 3
2.2 确定切削用量 4
2.2.1 选择切削用量 4
2.2.2 计算切削力、切削扭矩及切削功率 5
2.3 三图一卡设计 8
2.3.1 被加工零件工序图 10
2.3.2 加工示意图 9
2.3.3 机床联系尺寸图 10
2.3.4 机床生产率计算卡 11
3 组合机床夹具设计 13
3.1.1 零件的工艺性分析 13
3.1.2 夹具设计的基本要求 13
3.2 定位方案的确定 13
3.2.1 定位方案的论证 14
3.2.2 定位基准的选择 15
3.2.3 定位的实现方法 15
3.3 误差分析 15
3.3.1影响加工精度的因素 15
3.3.2保证加工精度的条件 16
3.4 夹紧方案确定 17
3.4.1 夹紧装置的确定 17
3.4.2 夹紧力的确定 18
3.4.3 夹紧液压缸的选择 19
3.5 导向装置的选择 20
3.5.1 镗模型式的选择和设计 20
3.6 夹具体确定 20
4 结论 22
参考文献 23
致 谢 24
附 录 25

1 前言
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的专用机床。组合机床一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方法，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。由于通用部件已标准化和系列化，可根据需要灵活配置，能缩短设计和制造周期。因此，组合机床兼有低成本和高效率的优点，在大批、大量生产中得到广泛应用，并可用来组成自动生产线。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主要采用机、电、气、液压控制,它的加工对象主要是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),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的青睐,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,配以可编程序控制器(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。二十世纪70年代以来，随着可转位刀具、密齿铣刀、镗孔尺寸自动检测和刀具自动补偿技术的发展，组合机床的加工精度也有所提高。组合机床未来的发展将更多的采用调速电动机和滚珠丝杠等传动，以简化结构、缩短生产节拍；采用数字控制系统和主轴箱、夹具自动更换系统，以提高工艺可调性；以及纳入柔性制造系统等。
国内组合机床近几年取得了长足的进步，但是与发达国家相比，在产业结构、产品水平、开发能力、产业规模、制造技术水平、劳动生产率、国内外市场占有率等诸多方面尚存在不少差距。在组合机床方面，总体水平不高，国际竞争力不强，不能充分满足国内建设需要，关键技术过分依赖国外，自主发展能力薄弱，高技能人才的比较优势有弱化的危险，产品质量不稳定，用户服务水平差距较大。
本次设计的课题是TY2100柴油机机体缸孔粗镗组合机床总体及夹具设计。该课题来源于江淮动力集团。该集团生产的S195柴油机、ZH1105柴油机销路十分走俏，市场需求量大，畅销国内外市场。现在该集团迫切需要改善现有的生产条件，进行提高生产率、改善产品质量方面的技术改造，使产品的合格率上升，增加产量，适应市场竞争的需要，提高经济效益。
由于柴油机机体需大批量生产，为了提高加工精度，降低成本，有必要设计一种组合机床来满足柴油机机体上下两面同时钻孔的需要。本次设计分总体设计、夹具设计、液压系统设计三部分。我主要负责夹具部分的设计，总体设计由我和另外二位同学共同完成。在设计组合机床过程中，组合机床夹具的设计是整个组合机床设计工作的重要部分之一。虽然夹具零件的标准化程度高，使设计工作量大为减少，设计周期大为缩短，但在夹具设计过程中，在保证加工精度的前提下，如何综合考虑生产率、经济性和劳动条件等因素，还有一定的难度。
设计该组合机床思路如下：仔细分析零件的特点，以确定零件合理可行的加工方法（包括安排工序及工艺流程，确定工序中的工步数，选择加工的定位基准及夹压方案等），确定工序间加工余量，选择合适的切削用量，确定组合机床的配制形式；根据被加工零件的工艺要求确定刀具，再由刀具直径计算切削力，切削扭矩，切削功率，然后选择各通用部件，最后按装配关系组装成组合机床。
在总体设计中，首先是被加工零件的工艺分析，然后是总体方案的论证，在比较了许多方案之后，结合本道工序加工的特点最终选择立式双面的机床配置型式。再结合本道工序的特点选择刀具。根据选择的切削用量，计算刀具的切削力、切削扭矩、切削功率等，再确定刀具的大小和型式。在确定这些设计计算后，然后是绘制组合机床的“三图一卡”—被加工零件工序图、加工示意图、机床联系尺寸图和生产率计算卡。在第3章中，主要介绍了夹具的设计。夹具设计是组合机床设计中的一个重要的组成部分。夹具设计时，首先确定工件的定位方案，然后选择夹紧方案，估算夹紧力大小，选择夹紧液压缸的型号，最终完成夹具的零部件设计。最后根据计算结果绘制夹具装配图和主要的零件图。

2 组合机床总体设计
2.1 总体方案论证
2.1.1 加工对象工艺性的分析
A.本机床被加工零件特点
该加工零件为TY2100柴油机机体。材料HT250，其硬度为HRC56-62，在本工序之前无已加工的孔。
B.本机床被加工零件的加工工序及加工精度
此次设计的组合机床是完成TY2100柴油机机体上2个缸孔的加工，其具体的加工工艺如下:
直接粗镗 Ø117±0.27孔，深8.6
Ø111.5孔，深11.7
Ø112±0.27孔，深27
2.1.2机床配置型式的选择
根据选定的工艺方案确定机床的配置型式，并定出影响机床总体布局和技术性能的主要部件的结构方案。既要考虑能实现工艺方案，以确保零件的精度、技术要求及生产率，又要考虑机床操作方便可靠，易于维修，且润滑、冷却、排屑情况良好。对同一个零件的加工，可能会有各种不同的工艺方案和机床配置方案，在最后决定采取哪种方案时，绝不能草率，要全面地看问题，综合分析各方面的情况，进行多种方案的对比，从中选择最佳方案。
各种形式的单工位组合机床，具有固定式夹具，通常可安装一个工件，特别适用于大、中型箱体类零件的加工。根据配置动力部件的型式和数量，这种机床可分为单面、多面复合式。利用多轴箱同时从几个方面对工件进行加工。但其机动时间不能与辅助时间重合，因而生产率比多工位机床低。
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。
在认真分析了被加工零件的结构特点及所选择的加工工艺方案，又由组合机床的特点及适应性，确定设计的组合机床的配置型式为立式液压型式粗镗组合机床。
2.1.3 定位基准的选择
被加工零件为TY2100柴油机机体体属箱体类零件，本工序加工为粗镗两缸孔，加工工序集中、精度要求高。由于箱体零件的定位方案一般有两种，“一面两孔”和“三平面”定位方法。
A. “一面双孔”的定位方法 它的特点是：
a.可以简便地消除工件的六个自由度，使工件获得稳定可靠定位。
b.有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.“一面双孔”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积误差，有利于保证零件的加工精度。同时，使机床各个工序（工位）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，并有利于防止切削落于定位基面上。
B.“三平面”定位方法 它的特点是：
a.可以简便地消除工件的六个自由度，使工件获得稳定可靠定位。
b.有同时加工零件两个表面的可能，能高度集中工序。
本机床加工时采用的是"一面两销"的定位方式。即一面是缸体底面，限制了三个方向的自由度；圆柱销限制了两个方向的自由度；菱形销限制了一个方向的自由度。通过一个平面和两个定位销限制其六个自由度，这样工件的6个自由度被完全约束了也就得到了完全的定位。
2.2 确定切削用量
2.2.1 选择切削用量
对于粗镗2个孔时，采用查表法选择切削用量，从文献[1]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[1],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）
选择合理的切削速度。
A. 粗镗Ø117±0.27孔
由,,,又d=117mm,初选 n=173r/min,f=0.45mm/r.
由（2－2)得:=63.6m/min
B.直镗Ø112±0.27孔
由,,,又d=112mm,初选 n=173r/min,f=0.45mm/r.
由（2－2)得:
C.直镗Ø111.5孔
由,,,又d=111.5mm,初选 n=173r/min,f=0.45mm/r.
由（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 计算切削力、切削扭矩及切削功率
根据文献[1]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：
B.基准位移误差 由于定位基准的误差或定位支撑点的误差而造成的定位基准位移，即工件实际位置对确定位置的理想要素的误差，这种误差称为基准位移误差，以表示。不同的定位方式，其基准位移误差的计算方式也不同，此夹具定位是采用的“一面两销”定位的方法，所以要计算的不仅是平面支撑定位的位移误差，而且还要计算两个销定位时的定位误差。
C.在一面双孔定位中的转角误差 当工件以一面两孔定位、夹具以一面双销定位时，应在分析定位的基准位移误差的基础上，根据加工工序尺寸标注，通过几种关系转换为定位误差。
这种定位方式的基准位移误差包括两类：
1） 沿平面内任意方向移动的基准位移误差Δy，它的大小取决于第一定位副德尔最大间隙，即
（3-2）
2） 转角误差Δα近似值为
Δα=arctan （3-3）
式中 ---为孔直径公差；
----为销直径公差；
、------分别为两定位销的最大配合间隙。
注意！若工件可以任意方向角位移，则应按双向转角误差2Δα计。
减小一面双孔定位误差的措施，通常是：在工件上加一外力，使其角位移向单边偏转；其次是提高定位副的制造精度，减小配合间隙或采用圆锥销、可涨销等，以减小Δy。
B.对刀误差
因刀具相对于对刀或导向元件的位置不精确而造成的加工误差，装配图中，刀具与钻套之间的间隙会引起刀具的位移或倾斜，造成加工误差。
C.夹具的安装误差
因夹具在机床上的安装不精确而造成的加工误差。本组合机床的夹具的安装基面为平面，因此安装误差：=0。
D.加工方法误差
因机床的精度、刀具精度、刀具与机床的位置精度、工艺系统的受力变形和受热变形因素造成的加工误差，所以根据经验为它留出工件公差的1/3，计算可得：
=0.1/3=0.033mm。
E.夹紧方法误差
因液压缸对夹具施加的力是垂直向下的,对被加工零件在前后左右方向产生的力可以忽略不计,所以有夹紧方法产生的误差：=0。
3.3.2 保证加工精度的条件
工件在夹具中加工时，总加工误差为上述的各项误差之和。由于上述误差为独立随机变量，应用概率法叠加因此保证加工精度的条件为：
≤ （3-4）
即工件的加工误差=0.164mm应不大于工件的尺寸公差，由于孔距尺寸为120±0.1，可取=0.2，>为满足条件，所以该精度满足要求。

3.4 夹紧方案的确定
3.4.1夹紧装置的确定
A.夹紧装置的组成
本设计中夹紧装置采用机械夹紧装置，由力源装置、中间传力机构、夹紧元件三部分组成。其组成部分的相互关系，如下面的方框图所示。

图3-2 夹紧装置组成的方框图
B.夹紧装置设计的基本要求
a.夹紧过程中，不改变工件定位后占据的正确位置。
b.夹紧力的大小要可靠和适当，既要保证工件在整个加工过程中位置稳定不变，振动小，又要使工件不产生于过大的夹紧变形。
c.夹紧装置的自动化和复杂程度应与生产纲领想适应，在保证生产率的前提下，其结构要力求简单，以便于制造和维修。
d.夹紧装置的操作应当方便、安全、省力。

C.夹紧装置的选择
通常应用的机械夹紧装置有气压装置和液压装置两种，各有其优越性，要根据实际情况来选择用哪种装置。
1).气压装置
气压装置以压缩空气为力源，应用比较广泛，有以下特点：
a.动作迅速，反应快。气压为0.5MPa时，气缸活塞速度为1~10m/s，夹具每小时可连续松夹上千次。
b.工作压力低（一般为0.4~0.6MPa）。传动结构简单，对装置所用材料及制造精度要求不高，制造成本低。
c.空气粘度小，在管路中的损失较少，便于集中供应和远距离输送，易于集中操纵或程序控制等。
d.空气可就地取材，容易保持清洁，管路不易堵塞，也不会污染环境，具有维护简单，使用安全、可靠、方便等特点。
主要缺点是空气压缩性大，夹具的刚度和稳定性较差；在产生相同原始作用的条件下，因工作压力低，其动力装置的结构尺寸大。此外，还有较大的排气噪声。
2).液压装置
液压装置的特点是：
a.液压油油压高、传动力大，在产生同样原始作用力的情况下，液压缸的 结构尺寸比气压小了许多。
b.液压油的不可压缩性可使夹具刚度高，工作平稳、可靠。
c.液压传动噪声小，劳动条件比气压的好。
通过对以上两种机械夹紧装置优缺点的比较，结合加工工件的精度要求、工人的劳动强度和环境要求、企业的实际情况，本设计中夹紧装置采用液压夹紧装置。
3.4.2夹紧力的确定
A.夹紧力确定的基本原则
A.夹紧力的方向
a.夹紧力的方向应有助于定位稳定，且主夹紧力应朝向主要定位基面。
b.夹紧力的方向应有利于减小夹紧力。
c.夹紧力的方向应是工件刚度较高的方向。
B.夹紧力的作用点
a.夹紧力的作用点应落在定位元件的支承范围内。
b.夹紧力的作用点应选在工件刚度较高的部位。
c.夹紧力的作用点应尽量靠近加工表面。
B.夹紧方案
根据以上要求及原则，工件属于箱体类零件，夹紧力的方向应垂直于最重要的定位基面—底面，并将工件压向该面，而不宜与其他方面进行夹紧。由于工件为薄壁件，易受力变形，故采用多点同时压向工件，均匀分布压紧力，起到减少受力变形的效果。夹紧力为液压缸驱动。用推杆将压力传递致压板，然后由压板将压力分散到工件压紧表面，从而将工件压紧。
C.夹紧力的预算
根据工件所受切削力、夹紧力的作用情况，找出加工过程中对夹紧最不利的状态，来确定夹紧力。
根据文献[5]查得切削力Q的计算公式如下
（3-5）
式中 ——安全系数；
——切削力；
——定位销上允许承受的一部分切削力，通常可按挤压强度确定：；
——许用挤压应力，取定位销和工件中较小者；
——压板和工件表面间的摩擦系数；
——工件和定位支承块间的摩擦系数；
——定位销的直径；
——定位销的接触长度。
根据文献[5]查得安全系数按下式计算
（3-6）
式中，～为各种因素的安全系数，查文献[4]表3-1和表3-2
：考虑工件材料及加工余量均匀性的基本安全系数，取；
：加工性质，取；
：刀具钝化程度，取；
：切削特点，取；
：夹紧力的稳定性，取；
：夹紧时的位置 ，取；
：仅有力矩使工件回转时工件与支承面的接触情况，取。

查文献[2]表3-34摩擦系数，均为
根据2.2.2节切削力的计算结果，取P =1124N

3.4.3夹紧液压缸的选择
组合机床的夹紧液压缸已进行了通用化系列化设计，根据夹紧力的大小，可以用任何型号的液压缸，因为任何型号的液压缸都能满足本机床夹具需要的夹紧力。但是根据调查，现在厂里用的液压缸一般是T5034、T5035、T5036这几种型号。由于T5034型号液压缸的行程比较小，所以这里选用型号为T5036的液压缸。查参考文献4表4—3查基本尺寸参数，表4—4查液压缸的技术参数。这种液压缸的刚体采用无缝钢管，两端的端盖是嵌入式的，在缸体的两端内壁开有环槽，将端盖放入后旋转90度。端盖的边沿进入缸体两端的环槽中，即可承受轴向力。该夹紧装置主要是通过杠杆原理把液压缸的的推力和拉力传递到压紧块，完成夹紧的工作。杠杆是以一比一的比例来传递力的。
3.5 导向装置的选择
导向装置的作用在于保证刀具对于工件的正确位置；保证各刀具相互间的正确位置和提高刀具系统的支承刚性。
3.5.1镗模的类型和设计
镗床夹具习惯上称为镗模，它广泛应用于各种镗床、多轴组合机床等来加工箱体类、支架类零件上的精密空系，其孔的加工精度和位置精度的影响，而主要由镗模保证。
镗模的结构类型主要取决于镗套的布置方式。而在布置镗套时，主要考虑镗杆刚度对加工的影响。因此根据被加工孔的长径比(l/D)而分为以下几种形式：
（1） 单支承引导 （2） 双支承引导 （3）双前引导
3.6 夹具体的确定
夹具体的主要外形如下图：

图 3-3 夹具体结构示意图
夹具上的各种装置通过夹具体连接成一个总体。因此，夹具体的形状及尺寸取决于夹具上各种装置及夹具与机床的连接。
夹具体设计的基本要求：
A.有适当的精度和尺寸稳定性。
B.有足够的强度和刚度。
C.结构工艺性好。
D.排屑方便。
E.在机床上安装稳定可靠。
F.保证装卸工件方便
本设计方案中的夹具体材料为HT250，基本尺寸：7410×700×300mm，座底设计排屑装置，具体见夹具装配图。

4 结论
本次设计的是TY2100柴油机机体缸孔粗镗组合机床。这次设计分总体设计和夹具设计两个部分。整个设计通过对零件工艺分析，结构分析，确定了夹紧、定位方案，完成了对“三图一卡”及夹具的绘制。本组合机床采用液压滑台、精密导套等零件，精度高，调整、保养以及维修方便；大大提高了生产效率，降低了劳动强度，从而降低了零件的加工成本。
本组合机床设计合理，符合实际应用，满足加工要求，且绝大部分采用了通用部件和标准件，制造成本低，机床操作简单，设备调整、维修方便。本机床设计也有一些不足之处如：机床占地面积大、机床结构复杂等。
总的来说，这次设计，使我对基本理论的综合运用以及正确解决实际问题等方面得到了一次较好的锻练，提高了我独立思考问题、解决问题以及创新设计的能力，缩短了我与工厂工程技术人员的差距，为我以后从事实际工程技术工作奠定了一个坚实的基础。

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[14] 杨黎明. 机床夹具设计手册[M]．北京：国防工业出版社，1996.

致 谢
在毕业设计的几个月中，我经过自己的努力，在指导老师的帮助和其他同学的配合下，完成了本次毕业设计。本次设计的顺利完成是与指导老师黄晓峰和本组的刘开俊2位同学的努力分不开的。设计过程中，我和小组成员配合默契分工明确，按照老师的要求踏实工作，最终完成了设计。在即将走上工作岗位之际，通过毕业设计使得我在各个方面得到了全方位的锻炼，为今后的工作学习打下了基础。回顾整个设计过程，我受益匪浅。该设计运用了我们四年来所学的知识，使我们能够在毕业前将理论与实践更加融会贯通，加深了我对理论知识的理解强化了实际生产中的感性认识。通过本次设计学习，使学生能够巩固以前所学的专业知识，独立工作能力、分析问题能力和解决问题能力得到进一步提高，在产品设计、机构分析、工艺过程分析、公差配合、产品检测等方面建立一个系统概念，提高从事一线工作技术能力，增强工作协调能力。
本次毕业设计是TY2100柴油机机体缸孔的粗镗组合机床及夹具设计。该设计运用零件结构设计、组合机床整体设计等方面的知识。通过这次设计，我基本上掌握了专用组合机床设计的方法和步骤，以及设计时应注意的问题等，另外还更加熟悉运用查阅各种相关手册，选择使用工艺装备等。
本次设计任务业已顺利完成，但由于我水平有限，缺乏经验，难免会留下一些不足之处，在此恳请各位专家、老师及同学指出并原谅。

附 录
图名 图号 图幅 张数
1 被加工零件工序图 TY2100-002 A1 1
2 加工示意图 TY2100-003 A2 1
3 机床联系尺寸图 TY2100-001 A0 1
5 夹具装配图 TY2100-20-00 A0 1
6 圆柱销 TY2100-20-01 A4 1
7 菱形销 TY2100-20-02 A4 1
8 支承板 TY2100-20-03 A4 1
9 夹具体 TY2100-20-04 A1 1
10 销套 TY2100-20-05 A4 1
11 销杆 TY2100-20-06 A4 1
12 长轴 TY2100-20-07 A3 1

15