资源描述
序言金属切削加工是指利用刀具切除被加工零件多余材料的方法，是机械制造行业中最基本的加工方法，金属切削加工过程是由金属切削机床来实现的。金属切削机床是用切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器。在现代机械制造行业中，随着加工零件方式多样化及工艺合理化的发展的要求，加工零件的方法也呈现出多样化，如：除切削加工外，还有铸造、锻造、焊接、冲压、挤压和辊轧等，在这其中机床切削加工的工作量约占总制造工作量的40%60%(其中钻床占11.2%),所以在目前的机械制造行业中金属切削机床是主要的加工设备。而机床的技术性能又直接影响机械制造行业的产品质量和劳动生产率，所以为了提高国家的工业生产能力和科学技术水平，必须对机床的发展作出新的要求。随着机械工业的扩大和科学技术的进步，尤其是计算机的出现和数控技术的发展，我国的机械制造行业正朝着立式化、精密化、高效率和多样化的方向发展。我国机床工业自1949年建立以来，虽然在短短的时间内取得了很大的成就，但与世界先进水平相比还有较大的差距。就现状看，主要表现在：我国机床工业起步晚、技术不成熟；大部分高精度和超精度机床的性能还不能满足要求，精度保持度也差，特别是高效立式化和数控机床的产量、技术水平和质量等方面都明显落后8。据有关部门统计我国数控机床的产量仅是全部机床产量的1.5%，产值数控化仅为8.7%（至1990年底）；我国数控机床基本上是中等规格的车床、铣床和加工中心等，而精密、大型、重型或小型数控机床还远远不能满足要求；另外我国机床在技术水平和性能方面的差距也很明显，机床理论和应用技术的研究也明显落后。所以我们要不断学习和引进国外先进科学技术，大力发展研究，推动我国机床工业的发展。由以上现状分析我们可以看出，在机床加工中钻床的加工工作量在总制造工作量中占有很大的比重。钻床为孔加工机床，按其结构形式不同可以分为摇臂钻床、立式钻床、卧式钻床、深孔钻床、多轴钻床等。主要用来进行钻孔、扩孔、绞孔、攻丝等。长期以来我国的机械制造工业中孔类加工多数由传统钻床来完成，但是传统的钻床在大批量生产时存在许多的不足之处：(1)立式化程度不高，难以进行大批量的生产；(2)工作效率低，且工人的工作环境恶劣；(3)占用人力较多，操作固定不易出错；(4)精度不高，工件装夹费时；(5)加工产品质量不高；针对以上传统钻床的不足之处及生产中存在的问题，我们有必要对传统钻床进行结构改进。通过对传统钻床手动的进给系统、夹紧系统及人工送料系统的改进和设计，从而提高产品质量和生产效率，实现立式化，降低劳动强度及工作量。当前传统钻床问题的存在主要在于立式化程度、生产效率、工作环境及产品质量。在生产过程中，手动的操作、繁锁的装夹、大量生产力的投入和单一的生产流程导致了钻床加工的立式化程度低、生产效率低、工作环境恶劣和产品质量不高，因此，我们要解决的问题在于如何实现钻床加工的立式化、减少生产力的投入生产和与其它工艺流程相结合，同时也要考虑经济问题。经过分析，我们可以从机构设计和控制系统两方面去考虑。通过对钻床机构的改造来实现立式化控制的要求，提高产品的加工精度及质量；通过导入先进的控制系统来进行立式操控，从而实现立式化，便于导入到其它生产流程中去。为了解决问题和便于设计改造，我们将钻床分为传动系统、进给系统、夹紧系统、送料系统和控制系统五个部分，下面分别对各部分的问题提出解决方案：(1)传动系统 为满足改进后的加工及工作要求，在做出相应的计算后对传动系统进行改进和调整。(2)进给系统 传统的钻床主轴进给系统主要由主轴、主轴套筒、主轴套筒镶套、齿轮齿条和轴承等组成。主轴在加工时即要作旋转运动，也要作轴向的进给运动。机床主轴被装置在主轴套筒内，套筒放置在主轴箱体孔的镶套内，主轴上侧由花键连接。机床加工时，旋转运动由花键传入，而进给运动则由齿轮通过齿条带动套筒在镶套内运动。为了实现立式化控制的要求，主轴进给机构改进主要有：主轴旋转运动依然由电动机传入，而进给则由液压传动替代手动的齿条传动，通过液压控制系统来实现进给动作。(3)夹紧系统 传统钻床的夹紧主要是手工操作，由夹具夹紧工件。为了便于实现立式化控制，工件夹紧由夹具完成，动力源由夹紧液压缸导入，通过液压控制系统来实现夹紧动作的立式化。(4)送料系统 在生产过程中，钻床的送料主要由人工输入，这使得投入了大量的生产力，消耗了大量的工时，使的生产率不高，为此我们通过导入立式送料系统来减少生产力的投入和工时的消耗。立式送料系统机构传动要根据生产的需求作出相应的设计需求，动力源可由电机或液压系统传入，二者均可实现立式化控制。(5)控制系统 当前机床控制系统主要由计算机数控、继电器电气控制和PLC控制等，由于继电器电气控制系统，其联动关系复杂，维修困难，故障率高，经常影响正常生产，计算机数控造价高、系统复杂，而PLC控制系统可靠性好、造价低、抗干扰能力强、柔性好、编程简单、使用方便、扩充灵活、功能完善，所以我们利用PLC控制技术来实现对进给系统、夹紧系统和送料系统的液压控制系统的控制。本文主要是通过应用机床设计的一般方法对传统钻床的机构和控制系统进行设计及改进。研究的主要内容是普通台式钻床传动系统的改进、进给系统的设计、进给系统液压缸的设计和PLC控制系统的设计等四个方面。其中重点在于进给系统、进给系统液压缸和PLC控制系统的设计。进给系统设计主要是解决主轴高速旋转与轴向进给两个自由度的实现；进给系统液压缸设计包括液压缸的设计、液压缸与主轴的配合和液压缸油路控制； PLC控制系统的设计主要是通过应用PLC控制程序来实现对液压油路的动作控制及钻床加工过程的动作控制。我们通过对传统台式钻床的改进及设计，要达到的目标在于通过改进钻床能够实现工作立式化，最终能满足以下要求：(1)能实现立式化连续生产，改善产品加工质量，提高生产效率；(2)降低工作人员劳动强度和工作量；(3)钻床系统工作平稳，满足工作要求；(4)经济因素合理3；1 零件的工艺性分析以及生产类型的制定1.1 阀盖的作用装有阀杆密封件的阀零件，用于连接或是支撑执行机构，阀盖与阀体可以是一个整体，也可以分离。1.2 分析零件（阀盖）的工艺性通过对零件图的重新绘制，知原图样的视图正确、完整，尺寸、公差及技术要求齐全。该零件需要加工的表面均需切削加工，各表面的加工精度和表面粗糙度都不难获得。以下是阀盖需要加工的表面以及加工表面之间的位置要求：1.左右端面粗糙度为25，孔35，粗糙度为12.5，此孔为加工其他孔的基准。孔35内表面，粗糙度为12.5，孔20，粗糙度为25.2. 41外圆面，粗糙度为25；50外圆，粗糙度为12.5；50外圆右端面，粗糙度为12.5；53外圆右端面，粗糙度为25；53外圆，左端面，粗糙度为25。3.孔14H8，粗糙度为12.5；根据各加工方法的经济精度及一般机床所能达到的位置精度，该零件没有很难加工的孔，上述各孔的技术要求采用常规加工工艺均可以保证。1.3 零件的生产类型1.3.1 计算生产纲领生产纲领：企业在计划期内应当生产产品的品种、规格及产量和进度计划。计划期通常为1年，所以生产纲领也通常称为年生产纲领。零件的生产纲领可按式1-1计算：N=Qn（1+）（1+）=4800021.051.01=101808件 (1-1)取Q=102000件注：Q产品的年产量，台/年；n每台产品中该零件的数量，件/台；备品率，5%；废品率，1%；1.3.2 确定生产类型生产类型是是产品的品种、产量和生产的专业化程度在企业生产系统技术、组织、经济效果等方面的综合表现。不同的生产类型所对应的生产系统结构及其运行机制是不同的，相应的生产系统运行管理方法也不相同。选择生产类型为大批大量生产。1.4选择毛坯，确定毛坯尺寸，设计毛坯图1.4.1.选择毛坯该零件材料为铸钢，零件结构比较简单，生产类型为中批生产，为使零件有较好的力学性能，保证零件工作可靠，故采用模锻成形。这从提高生产效率保证加工精度上考虑也是应该的。零件形状并不复杂，因此毛坯形状可以与零件的形状尽量接近，内孔不铸出。毛坯尺寸通过确定加工余量后再决定。1.4.2.确定机械加工余量根据锻件质量、零件表面粗糙度、形状复杂系数查2-28表得。锻件孔的精铰：0.05mm.粗铰：0.95mm.钻：0.94mm.1.4.3.确定毛坯尺寸 毛坯尺寸只需将零件的尺寸加上所查得的余量值即可。 （1）确定圆角半径查表得： 外圆角半径 r=2.5mm 内圆角半径 R=8mm（2）确定模锻斜度查表得： 模锻斜度为：510。2 选择加工方法，制定工艺路线2.1定位基准的选择粗基准的选择：按有关基准的选择原则，即当零件有不加工表面时，应以这些不加工表面作粗基准；若零件有若干不加工表面时，则应以与加工表面要求相对位置精度高的不加工表面作粗基准。现以零件的侧面为主要的定位粗基准。精基准的选择：考虑要保证零件的加工精度和装夹准确方便，依据“基准重合”原则和“基准统一”原则，选择以圆柱体的12H7孔为精基准。2.2零件表面加工方法的选择（1）左右端面 为未注公差尺寸，表面粗糙度为Ra25，根据GB 1800-79规定起公差等级按IT13，需进行粗铣（2）35孔 公差等级为IT11，表面粗糙度为Ra12.5，需进行钻和粗铰。（3）35内表面 为未注公差尺寸，根据GB 1800-79规定起公差等级按IT13，表面粗糙度为Ra12.5，用平面锪钻。（4）20孔 为未注公差尺寸，根据GB 1800-79规定起公差等级按IT13，表面粗糙度为Ra25，需进行钻。（5）41外圆面 为未注公差尺寸，根据GB 1800-79规定起公差等级按IT13，表面粗糙度为Ra25，粗车即可。（6）50外圆右端面， 为未注公差尺寸，根据GB 1800-79规定起公差等级按IT13，粗糙度为12.5，对35H11孔的垂直度为0.05，采用粗车 半精车（7）50外圆， 公差等级为IT11，粗糙度为12.5，采用粗车 半精车。（8）53外圆右端面 为未注公差尺寸，根据GB 1800-79规定起公差等级按IT13，粗糙度为25，粗车即可。（9）53外圆 为未注公差尺寸，根据GB 1800-79规定起公差等级按IT13，粗糙度为25，粗车即可。（10）53外圆左端面 为未注公差尺寸，根据GB 1800-79规定起公差等级按IT13，粗糙度为25，粗车即可。（11）M36外螺纹 为未注公差尺寸，根据GB 1800-79规定起公差等级按IT13，采用粗车。（12）28.5孔 公差等级为IT8，粗糙度为12.5，采用钻，铰。（13）28.5孔右端面 为未注公差尺寸，根据GB 1800-79规定起公差等级按IT13，粗糙度为12.5，用平面锪钻（14）倒角 粗糙度为25，粗车即可。（15）4-14孔 为未注公差尺寸，根据GB 1800-79规定起公差等级按IT13，表面粗糙度为Ra12.5，需进行钻。2.3 制定工艺路线工序：粗铣左右两水平端面。工序：钻、粗铰35的孔。工序：锪钻鍃平35内表面。工序：钻20的孔。工序：粗车41外圆面。工序：粗车、半精车50外圆右端面。工序：粗车、半精车50外圆。工序：粗车53外圆右端面工序：粗车53外圆。工序：粗车53外圆左端面。 工序：粗车M36外螺纹工序：车倒角。工序XIII：钻、粗铰、精铰28.5的孔。工序XIV：锪钻鍃平28.5孔右端面工序XV：钻4-14孔。工序XVI：清洗。工序XVII:终检。3 组合机床方案的制定3.1 制定组合机床的配置型式及结构方案阀盖属于中小型零件，设计工序为钻414通孔，采用单工位组合机床可以实现良好的预期生产效果。3.2 制定钻414通孔工序切削用量及刀具根据所加工零件材料，选择高速钢麻花钻，选取直柄麻花钻5GB/T6135.3-1996，根据所需要加工的零件结合表3-1选定所选直柄变麻花钻的尺寸。用高速钢钻头加工铸铁件的切削用量（已知HB=220）查表3-2选择v=15m/min,f=0.1mm/r。图3-1 直柄麻花钻Figure3-1Straight shank twist drills表3-1直柄麻花钻（摘自GB/T 6135.3-1996）Table3-1 Straight shank twist drills (from GB/T 6135.3-1996)Dh8LL18.00751179.008112510.008713311.009414212.0010115113.0014.00108160表3-2 用高速钢钻头加工铸铁的切削用量Table3-2 HSS drill processing of cast iron with cutting dosages加工直径（mm）HB160200HB200241HB300400切 削 用 量V（m/min）F(mm/r)V(m/min)V(m/min)V(m/min)f(mm/r)1616240.070.1210180.050.105120.030.086120.120.200.100.180.080.1512220.200.400.180.250.150.2022500.400.800.250.400.200.303.3 确定切削力、切削转矩、切削功率及刀具耐用度已知高速钢钻头直径d=9mm，工件硬度为220HB，孔深12mm，由L/d=12/9=1.34 查表3-3得K速度=0.95表3-3 速度修正系数Table5-1 speed adjustment coefficientL/D1334455668810K速度0.980.90.90.80.80.70.70.60.650.60.60.5V=V公称K速度=150.95=14.25m/min,HB=220 切削力F=26Df0.8HB0.6：F=26140.10.82200.6=1467.2N切削转矩：切削功率：切削时间：4 组合机床的总设计“三图一卡”的编制4.1 被加工零件工序图被加工零件的工序图是根据制定的工艺方案，表示一台组合机床或自动线完成的工艺内容，加工部位的尺寸、形状位置精度及技术要求、定位及被加工零件的材料、硬度、重量和在本道工序加工前毛坯或半成品情况的图纸。它不能用原产品图纸代替，而须在原零件图基础上，突出本机床或自动线的加工内容，加上必要说明绘制而成。它是设计组合机床的重要依据，也是制造、使用和调试机床的重要技术文件。图4-1 阀盖工序图Figure4-1 process drawing valve cover4.2 加工示意图加工示意图：加工示意图是组合机床设计的主要图纸之一，在总体设计中占有重要位置。它是刀具、辅具、夹具、多轴箱、液压电气装置设计及通用部件选择的原始要求，同时还是调整机床、刀具及试车的依据。以下为加工示意图设计过程：图4-2 组合机床加工示意图Figure4-2 Schematic diagram of combined machining4.2.1 选择刀具、导向装置并标注其相关位置及尺寸a刀具选择 直柄麻花钻 5GB/T 6135.3-1996刀具的选择考虑加工尺寸精度、表面粗糙度、切削的排除及生产率要求等因素b导向套的选择 在组合机床上加工孔，除用刚性主轴的方案外，工件的尺寸、位置精度主要取决于夹具导向。因此正确选择导向装置的类型，合理确定其尺寸、精度，是设计组合机床的重要内容，也是绘制加工示意图时必须解决的内容。1) 选择导向类型 根据刀具导向部分直径d=1cm和刀具导向的线速度v=15m/min20m/min，选择固定式导向。2） 导向套的参数 根据刀具的直径选择固定导向装置。查表4-1选取导向的长度L1=4d=56mm,导套离工件端面的距离L2=d=14mm表4-1 导向装置的布置和应用范围Table4-1 Arrangement of guides and applications导向类别工艺方法导向布置简图导向长度L1（mm）导套至工件端面的距离L2 （mm）常用导向的直径范围（mm）使用速度范围（m/min）刀具与主轴的连接形式第一类导向钻孔（24）d小直径取大值；大直径取小值。钻钢：（11.5）d钻铸铁：d；过大或过小不适用40中、低速（20）刚性查表4-2选取导向装置的配合 D2：(H7/h6)D1：(H7/js6)d：（G7）图4-2 导向装置的配合Figure4-2 meet between oriented device表4-2 导向装置的配合Table4-2 meet between oriented device导向类别工艺方法dD1D2刀具导向部分的外径用刀具本身导向用接杆导向第一类导向钻孔G7(或F8)用钻头本身导向扩孔G7扩H9孔时为h6扩H11以下孔为g6铰孔粗铰铰H9或H11G7(或H7)按略小于h6的公差选择精铰铰H8或H7G6(或H6)按略小于h5的公差选择第二类导向镗孔或车外圆粗加工H71.中间有套时：D180取，否则取2.无中间套时，取或按h6公差或特殊公差制造特殊公差：上偏差为g6上偏差的1/2下偏差为g6偏差的2/34/5精加工H6或（）按h5公差或按特殊公差制造特殊公差：上偏差为g5上偏差的1/41/3下偏差为g5下偏差的1/22/34.2.2夹具设计1.定位方案工件以一端面和20孔为定位基准，采用平面和定位销组合定位方案，在定位平面及定位销的圆柱面上定位，其中平面限制3个自由度、短圆柱销限制2个自由度，共限制了五个自由度。由于加工的孔是与20共轴线的，所以绕Z轴的旋转不需要限制。2.夹紧机构根据生产率要求，运用手动夹紧可以满足。采用弹簧压板夹紧机构，通过拧螺母实现对工件的上表面夹紧。压板夹紧力主要作用是防止工件在切削力的作用下产生震动。由于夹紧力与钻孔时产生的力方向相同，所以可免去夹紧力的计算。3.导向装置采用可换钻套作为导向装置，选用JB/T 8045.3-1999。钻套高度H=20mm，排削间隙h=5mm.4.夹具与机床连接元件在夹具体上设计座耳，用T形螺栓固定，螺纹孔M10，通孔10。图4-3 阀盖夹具装配图Figure4-3 Valve cover fixture assembly diagram4.2.3初定主轴类型、尺寸、外伸长度因为轴的材料为HT200，主轴与刀具非刚性联接（连杆联接），M=1467.2Nmm，非刚性主轴取=0.5/m,由公式得，参考组合机床的设计表3-22，取d=13mm。验证公式，由M=1467.2Nmm；=139.4；剪切弹性模量=0.9=0.9200 MPa=180MPa故1467.2/2129.6=0.403180,故所选直径合格。1.确定主轴外伸长度确定主轴尺寸 D/d1=30/20 , L=115mm注：D 主轴直径d1主轴内孔直径L主轴外伸长度2.接杆的选择查表4-3，确定接杆为：1-200 T0635-01图4-4 组合机床用接杆Figure4-4 Arbors used in modular machine tool表4-3 通用钻削类主轴的系列参数Table 4-3 Spindle drilling a series of generic class parameters主轴外伸主轴类型主轴直径种数短主轴前、后支撑均为圆锥滚子轴承的短主轴2530354050606长主轴前、后支撑均为圆锥滚子轴承的长主轴202530354050607前支撑为推力球轴承和向心球轴承或圆锥滚子轴承的主轴15202530354012前、后支撑均为推力球轴承和无内圈滚子轴承的主轴15202530354020主轴外伸尺寸(mm)D/d122/1430/2038/2650/3650/3665/4480/6090/60L851151151151151351351354.2.4 确定动力部件的工作循环及工作行程由于加工的是螺纹底孔，确定动力部件的工作循环方式为：快速引进工作进给快速退回1 工作进给长度L工=工件加工部位长度L+刀具切入长度（5-10mm）+刀具切出长度L工=22+8=33mm2 快速退回长度结合主轴外伸长度，直柄麻花钻尺寸和工作进给长度取L快退=120mm，L快退=L快进+L工进=153mm3动力原件总行程的长度L总=L前备（40）+L后备（22）+L快退=215mm5 机床联系尺寸图5.1 联系尺寸图的作用一般来说，组合机床是由标准的通用部件动力滑台、动力箱、各种工艺切削头、侧底座、立柱、立柱底座及中间底座加上专用部件多轴箱、刀、辅具系统，夹具，液、电、冷却、润滑、排屑系统组合装配而成。联系尺寸图用来表示机床各组成部件的相互装配关系和运动关系，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；并为进一步开展多轴箱、夹具等专用部件、零件的设计提供依据。联系尺寸图也可看成是简化的机床总图，它表示机床的配置形式及总体布局。5.2 选择动力部份5.2.1 选择主运动动力箱型号规格切削功率：4P=40.095kw0.38kw；据组合机床的设计表2-14，选择动力箱的型号为1TD12，电动机功率0.75kw 5.2.2 动力滑台的型号和规格的确定轴向总切削力=2595 N 8000N,结合L总=210mm；据机床夹具设计手册，选择滑台型号为1HY25M5.2.3 行程选用动力滑台时，必须考虑其允许最大行程。设计时，所确定的动力部件总行程应小于所选动力滑台的最大行程。L总=215mm70100mm取b1=150mm。根据工件最下面孔位置（h2=40mm）、机床装料高度（H1=900mm），滑台滑座总高（h3=250mm）、侧底座高度（h4=560mm）、滑座与侧底座之间调整垫高度（h7=5mm）等尺寸之间的关系确定多轴箱最低主轴高度h1。通常：h185140mmh1=h2+H1-(0.5+h3+h7+h4)=124.5mm取b1=150mm，则多轴箱的轮廓尺寸：B=b+2b1=400mmH=h+h1+b1=499mm所以多轴箱的轮廓尺寸为：BH=400499mm。图5-1 多轴箱轮廓尺寸Figure5-1 Multi-axle box outline size5.3联系尺寸图的画法和步骤5.3.1主视图的绘制主视图的图形布置直接关系到整张联系尺寸图，所以应与实际机床工作位置一致，并应选择适当的比例。1首先用双点划线或细实线画出被加工零件的长高。以工件两端面及工件最低孔中心线O1O2分别为长度方向和高度方向上的基准，根据已确定的机床各组成部件轮廓尺寸及主要相关尺寸按下列顺序进行：以工件左端面为基准，根据前面已经确定的工件端面至多轴箱端面的最小距离L1=250mm确定机床左面至多轴箱前端面的轴向位置。2再根据多轴箱最低主轴高度位置尺寸h1=124.5mm及多轴箱轮廓尺寸BH=400499mm画出左多轴箱外廓。多轴箱以其后盖与动力箱定位连接，根据已选择的ITD12A型动力箱的安装连接尺寸画出动力箱轮廓。动力箱以其底面与动力滑台定位连接，在机床长度方向上，通常动力箱后端面应与滑台后端面平齐安装。动力滑台与滑座在机床长度方向上的相对位置，由加工终了时滑台前端面到滑座前端面的距离l2决定。l2是在机床长度方向上各部件联系尺寸的可调环节。对于通用标准动力滑台，l2尺寸范围为75 85mm。l2是动力滑台、滑座本身结构决定的滑台前端面到滑座前端面的最小距离与前备量二者之和。通常前者不应小于15 20mm，这里选取为20mm，l2=20+20=40mm。为便于机床的调整和维修，滑座与侧底座之间需加5mm厚的调整垫。而滑座与侧底座在机床长度方向上的相对位置为滑座前端面而到侧底座前端面的距离l3决定。若采用的侧底座为标准型，则l3可由组合机床通用部件联系尺寸标准中查得；若不能采用标准型侧底座，则可根据具体情况而定，这里取l3=100。中间底座轮廓尺寸的确定原则前面已有阐述。其长度方向尺寸可按下式确定L=（L1 +2L2+L3）2（l1+l2+l3）其中： L1 加工终了位置，多轴箱端面至工件端面的距离，由加工示意图知L1=330mm；L2 多轴箱厚度，由多轴箱尺寸知L2=295mm；L3 沿机床长度方向上工件的尺寸，L3=44mm； l1 机床长度方向上，多轴箱与动力滑台的重合度，取l1=250mm；l2 加工终了位置，滑台前端面至滑座前端面的距离，取l2=40mm；l3 滑座前端面至侧底座前端面的距离，取l3=100mm；得 ：L=（L1 +2L2+L3）2（l1+l2+l3）=190mm。5.3.2左视图的绘制配合主视图完成联系尺寸图所要求表达的内容。5.3.3 联系尺寸图应注明的状态和尺寸1标注机床各主要组成部件的轮廓尺寸及相关联系尺寸，使机床在长、宽、高三个方向的尺寸链封闭。2清楚表示运动部件状态及运动过程情况，以确定机床最大轮廓尺寸。3注明各部件对称中心线间的位置关系。因为当工件加工部位对工件中心不对称和有某些具体要求时，动力部件相对夹具，夹具相对中间底座也就不对称，所以还应该注明它们相互偏置的尺寸。4注明标准件及通用部件规格和其主要轮廓尺寸，并对组成机床的所有部件进行分组编号，作为该设计的原始依据。图5-2 组合机床总体结构图Figure5-2 tool overall structure 6 机床生产率计算卡6.1生产率计算卡生产率计算卡是反映所设计机床的工作循环过程、动作时间、切削用量、生产略、负荷率等技术文件，通过生产率计算卡，可以分析拟定的方案是否满足用户对生产率及负荷率的要求。计算过程如下：6.2 生产率和负荷率的计算方法6.2.1 期望生产率Q完成年生产纲领A（包括备品率废品率在内102000件）所要求的机床生产率。它与全年工时总数有关，取两班制，工时4600h，则：6.2.2 实际生产率Q1所设计机床每小时实际可以生产的零件数量。Q1=60/T单（件/小时）其中：T单 生产一个零件所需的时间（mm），根据下式计算： = =2.11min其中 L工进 刀具进给行程长度（mm）； vf 刀具进给量（mm/min）； t停 动力滑台在死挡铁上的停留时间，通常指刀具在加工终了时无进给状态下旋转5 10r所需的时间（min）； L快进、L快退 分别为动力部件的快进、快退长度（mm）； Vfs 快速移动速度； t移 工作台移动时间（min），一般为0.050.13取0.1min； t装卸 装卸工件时间，一般取0.51.5min，这里取1min。所以实际生产率：Q1=60/T单=60/2.11=28.4（件/小时）6.2.3 机床负荷率负机床负荷率按下式计算:6.2.4 生产率计算卡的一般格式机床生产率计算卡是按一定格式要求编制的反映零件在机床上的加工过程、工作时间、机床生产率、机床负荷率的简明表格。表6-1所示为轴承座专用组合机床的生产率计算卡。7 进给液压系统设计7.1 负载分析一般情况下，作往复直线运动的液压缸的负载由六部分组成，即工作阻力、摩擦阻力、惯性力、重力、密封阻力和背压力。负载分析中，我们暂不考虑回油腔的背时压力，液压缸的密封装置产生的摩擦阻力在机械效率中加以考虑。因改造后的自动钻床和普通台式钻床一样竖直放置，所以需要考虑的力有：工作阻力（钻床轴向切削力）、系统摩擦阻力（在机械效率中考虑）、重力和惯性力。负载中工作阻力为钻床的轴向切削力，其大小=2595 N。系统摩擦阻力在机械效率中考虑，轴承传动效率取0.99，花键传动效率取0.98，液压传动效率取0.95，所以计算出整下系统的机械效率为6： =0.990.990.980.95=0.91 （7.11）系统要克服的重力有钻床主轴重力和液压缸活塞杆重力，钻床主轴重力可按下式计算：查机械设计手册1钢材密度取7.85 ，主轴体积V为： （7.12）式中： V主轴体积（m3）d主轴直径 (mm)，取40mm主轴长度（mm），取550mm所以主轴重力为：= （7.13）式中： V主轴体积（m3）主轴材料密度（）g重力加速度（），取10主轴重力（N）计算出主轴重量=55N.考虑到轴上零件和液压缸活塞杆重力，现取整个系统要承受的重力=200N。惯性力Fm指运动部件在启动或制动过程中的惯性力，查液压与气压传动3得其计算公式为： （7.14）式中，系统重力重力加速度 时间内的速度变化量 加速或减速时间已知主轴系统重力G=200N；快进行程70mm；工进行程为20mm；根据工时安排可确定主轴快进快退速度为3m/min；工进速度为0.17m/min；加速、减速时间一般取t=0.2s；所以可以计算出惯性力： =5N （7.15）快进时，在不考虑背压的情况下，主轴会在重力的作用下自动下移，且加速度大约为9.8，因此，液压缸在快进时受到的最大作用力F=G=182N。工进时，液压缸要克服工作阻力（主轴轴向切削力）和系统摩擦力，此时系统重力起到动力作用。所以F=（-G）/，为了设计的可行性，使得液压缸有足够的液压作用力，计算中我们取系统重力的一半代入到式中，F=2742N。快退时，液压缸要克服重力和系统摩擦力，所以F=G/考虑到钻头退出工件时的摩擦力，在计算时取0.89，所以计算出此时F=225N。列出主轴系统各运动阶段的液压负载计算公式及大小如表3.2所示。表7.2 液压缸各运动阶段负载表Table7.2 hydraulic cylinder load table of the stage of exercise运动阶段计算公式负载大小（N）主轴快进F=G182主轴工进F=（-G）/2742主轴快退F=G/225根据液压缸各运动阶段负载计算结果和已知各阶段的运动速度，我们可以画出负载图（F-）和速度图(V-)。图7.1 速度循环图Figure7.1 speed cyclic graph图7.2 负载循环图Figure7.2 load cyclic graph8.2 液压缸执行元件主要参数的确定(1)初选液压缸的工作压力表8.3 液压设备常用的工作压力表Table8-3 hydraulic equipment commonly used in the workof the pressure gauge设备类型机床农业机械或中型工程机械液压机、重型机械起重运输机械磨床组合机 床龙门刨床拉床工作压力P1/（MPa）0.82.0352881010162032液压缸的工作压力主要根据液压设备的类型来确定，对不同的液压设备，由于工作条件的不同，通常采用的压力范围也不同。根据钻床的工作条件和加工要求，参考液压设备常用的工作压力表3.3和同类机床的液压工作压力，初选液压缸的工作压力=3。(2)确定液压缸的类型及主要结构尺寸根据设计的要求和钻床主轴的运动规律，选择双杆活塞缸，活塞杆为中空杆，以便主轴穿过；活塞杆两端装有轴承，以固定主轴。双杆活塞缸的活塞杆两侧都可伸出，根据工作需要，选用活塞缸采用缸筒固定式。缸筒固定式双杆活塞缸简图如图7.7所示。自动钻床在完成工进后，为了防止在钻通要加工的孔后主轴突然前冲，我们要在回油路上安装背压阀。查表7.4液压缸参考背压表，回油路背压选择=0.8。表7.4 液压缸参考背压Table7-4 Reference back-pressure cylinder系统类型背压（）回油路上有节流阀的调速系统0.20.5回油路上有调速阀的调速系统0.50.8回油路上装有背压阀0.51.5带补油泵的闭式回路0.81.5由表3.1 主轴零件选用表可知，活塞杆两端要装轴承。深沟球轴承选用滚动轴承 6208 GB/T 276-1994，其外径为80mm，查表3.5活塞杆直径系列表，活塞杆直径选用=100mm。表7.5 活塞杆直径系列（GB2348-80）（mm）Table7-5 Piston rod diameter series（GB2348-80）（mm）456810121416182022252832364045505663708090100110125140160 180200220250280320360400由表3.2可知，当主轴工进时液压系统的负载最大F=2742N，由此可计算出液压缸的有效面积A为： （3.16）式中：液压缸内径（）液压缸活塞杆直径（）, =100mm液压缸负载（）, F=2742液压缸工作压力（）, =3回油路背压力（）, =0.8所以可计算也液压缸内径=117。为了便于采用标准的密封式元件，查表3.6对液压缸内径进行圆整。圆整后取=125。表7.6 液压缸内径尺寸系列（GB2348-80）(mm)Table7-6 cylinder bore size series（GB2348-80）（mm）810121620253240506380（90）100（110）125（140）160（180）200220250320400500630液压缸基本尺寸确定后，要按最低工进速度验算液压缸的尺寸。即保证液压缸的有效工作面积要大于或等于保证最小稳定速度时的最小有效面积。即： （3.17）式中，流量阀的最小稳定流量，=0.05液压缸的最低速度, =0.17由计算可得A=2767=294,因此，液压系统基本尺寸满足最低速度的要求。(3)液压缸材料的选择液压缸材料的选择主要受以下几个因素的制约：（a）液压缸要有足够的强度；（b）液压缸要有足够的刚度；（c）液压缸要有很好的耐磨性能；因此，基于以上因素及国内现有的液压缸材料，液压缸材料选择45号无缝钢管3。(4)液压缸各工作阶段的工作压力、流量和功率计算表7.7 液压缸所需的实际流量、压力和功率Table7.7 The actual flow of the hydraulic cylinder, pressure and power工作循环计算公式进油压力回油压力所需流量输入功率（）（）（）P（）主轴快进=-=P=0.430.58.30.06主轴工进=+=P=1.80.80.470.02主轴快退=+=P=0.60.58.30.08注：表中A为液压缸有效面积，V为各阶段稳定速度。根据液压缸的负载图和速度图以及上述液压缸的计算数值，可以计算出液压缸工作各阶段的压力、流量和功率。在计算时工进时背压按=0.8代入，快退快进时背压按=0.5代入计算。计算公式及计算结果列于表7.7中。自动钻床快进和工进时，液压缸上油缸进油下油缸回油；快退时液压缸下油缸进油上油缸回油。因此计算液压缸工作各阶段的压力、流量和功率如表7.7所示。 (5)液压缸壁厚和最小导向长度的计算液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度。因壁厚不同可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。液压缸的内径D与其壁厚的比值圆筒称为薄壁圆筒。工程机械的液压缸大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算： （7.18）式中液压缸壁厚（m）； D液压缸的内径（m）； 试验压力，一般取最大工作压力的（1.251.50）倍；缸筒材料的许用应力。其值：锻钢：=110120；铸钢：=100110；无缝钢管：= 100110；高强度铸铁：=60；灰铸铁：=25。根据表3-5中计算的结果，代入计算公式中，可计算出液压缸壁厚=4mm。考虑到与缸盖的联接，所以设计中取液压缸的壁厚=8mm。最小导向长度是指当活塞杆全部外伸时，从活塞支撑面中点到缸盖滑动支撑面中点的距离H称为对一般的液压缸，最小导向长度应满足以下要求3 （7.19） 式中 液压缸的最大行程； 液压缸的内径。本设计中液压缸的最大行程为100mm，液压缸的内径为125mm，代入上式可计算得出H67.5mm,设计中取H=70mm。(6)液压系统原理图自动钻床要完成快进、工进和快退的工作循环。快进和工进时进给液压缸上油缸进油下油缸出油，而快退时进给液压缸下油缸进油上油缸出油，因此液压控制时只需一次换向。考虑到系统工进完后，需要定时停留，因此，换向阀选择具有中位封闭功能的三位四通电磁换向阀。由于快进快退和工进时的速度不一样，所以系统要有调整装置。根据系统参数可知，液压系统运动速度不是太大，负载也不大，因此，调整系统选择进口节流调整，该调整系统具有较好的低速稳定性和速度负载特性；液压泵选用单向定量液压泵3。立式钻床液压进给系统控制原理图如图7.8所示。图7.3 组合机床液压进给系统控制原理图1、三位四通电磁换向阀2、二位二通电磁换向阀3、调速阀4、液压缸5、二位三通电磁换向阀6、7、8、溢流阀（6、7作背压阀用）9、液压泵10、过滤器快进时，液压系统在PLC自动控制下启动，电磁铁1Y得电，三位四通电磁换向阀1接入左位，液压泵9供油经二位二通电磁换向阀2进入液压缸4上腔，回油经三位四通电磁换向阀1、二位三通电磁换向阀5、溢流阀6回油箱。工进时，电磁铁1Y、3Y和4Y得电，三位四通电磁换向阀1接入左位，二位二通电磁换向阀2接入左位，二位三通电磁换向阀5位入左位，液压泵9供油经调整阀3进入液压缸4上腔，回油经三位四通电磁换向阀1、二位三通电磁换向阀5和溢流阀7回油箱。主轴停留，三位四通电磁换向阀1处于中位，液压泵9供油在达到一定压力的条件下回油箱，液压系统处于稳定平衡状态。停留时间由PLC定时控制。快退时，电磁铁2Y，三位四通电磁换向阀1接入右位，液压泵9供油到液压缸4下腔，回油经二位二通电磁换向阀2、三位四通电磁换向阀1、二位三通电磁换向阀5和溢流阀6回油箱。工作循环过程中电磁铁动作表7.8所示。表7.8 电磁铁动作表 Table7-8 solenoid action table 工作阶段1Y2Y3Y4Y快进+-工进+-+停留-+快退-+-(7)液压元件的选择(a)液压泵的选择液压泵的最高工作压力可按下式计算3： （7.20） 式中，液压泵的最高工作压力 液压缸的最大工作压力；查表3.5 =1.8 进油管路总压力损失；初算时简单系统可取0.5，复杂系统可取1.5。取=0.5。根据上式及数据值，可计算出=2.3。计算出的是系统的静态压力，因为系统在各种工况的过度阶段出现的动态压力往往超过静态压力。另外考虑到一定的压力储备量，并确保泵的寿命，因此选泵的额定压力应满足，中低压系统取小值，高压系统取大值。所以泵的额定压力为： =1.25=2.9 （7.21）液压泵的最大流量应满足下面公式： （7.22） 式中，液压泵的最大流量同时动作的各执行元件所需流量之和的最大值。如果这时溢流阀正在进行工作，需加上溢流阀的最小溢流量3；查表3.5取=8.3；系统泄漏系数，一般取，式中取；所以计算出9.96。 根据上面计算的压力和流量，查机械设计手册1液压泵产品样本，选择YB1-12型，其额定压力为6.3，排量为12,额定转速为960，驱动功率为2。其具有结构简单、性能稳定、压力流量脉动小、噪声低和寿命长等优点。 (a)液压泵驱动电机的选择根据已选择的液压泵的规格，我们可知已选液压泵需要的驱动功率2，查电机样本表可选液压泵驱动电机型号为：Y132S-6。其额定功率为3，满载转速为960。(b)液压系统液压阀的选择表7.9 液压系统液元件明细表Table7.9 Schedule of the hydraulic system hydraulic components序号元件名称最大通过流量（）型号1三位四通电磁换向阀15WE5E5/AW220-502二位二通电磁换向阀153WE5E5/AW220-503调速阀0.631-2FRM5/0.65二位三通电磁换向阀154WE5E5/AW
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