/ z .、.1 前言1.1 课题内容设计一台加工ZH1105W柴油机机体左面、右面和后面螺纹底孔的钻孔专机， 具体进行总体设计和夹具设计，在完成“三图一卡”的基础上，主要完成夹具的设 计。1.2 课题来由1.2.1 课题背景随着中国制造业的发展，普通机床已经越来越不能满足现代加工工艺及提高 劳动生产率的要求。组合机床因其各种部件的通用化、标准化程度较高 ,结构与 实现相对较容易,操作简单,能大大提高生产效率,较好保证加工质量的要求,性能 稳定等诸多优点在大批量零件加工业中得到广泛的应用。虽然各种新工艺、新的 加工方法不断涌现且得到广泛应用,现代制造工程对从各个角度对组合机床提出 了愈来愈高的要求，但是组合机床不断吸取新技术成果而完善和发展，在现代加 工业中仍然拥有它的一席之地,发挥着并仍将发挥它的重要作用。1.2.2 课题要求为了保证零件的加工精度，在整个设计过程中应满足以下几点要求：a) 机床应能满足加工要求，保证其加工精度。b) 机床应运转平稳，工作可靠，结构简单，装卸方便，便于维修、调整。c) 机床尽量选用通用件，以便降低制造成本。d) 夹具设计要求定位合理，夹紧可靠，结构简单，操作简便。1.2.3 组合机床国内外发展概况我国加入 WTO 以后，制造业所面临的机遇与挑战并存。组合机床行业企业 适时调整战略，采取了积极的应对策略，出现了产、销两旺的良好势头，截至 2002 年 9 月份，组合机床行业企业仅组合机床产品一项，据不完全统计产量已 达800余台，产值达3个亿以上，较2001年同比增长了10%以上, 另外组合机 床行业工业增加值、产品销售率、全员工资总额、出口交货值等经济指标均有不 同程度的增长，新产品、新技术较去年均有大幅度提高，可见行业企业运营状况 良好。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，数控机床与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的生产情况 看，2000年生产数控机床590 台，产值10731 万元，生产加工中心118 台，产 值 4601 万元；2001 年生产数控机床 685 台，产值 17969 万元，生产加工中心 129 台，产值5760 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。“九五”后期，在组合机床行业企业的 50 余家组合机床分会会员中，仅有 两家企业实行了股份制改造，一家企业退出国有转为民营，其余都是国有企业。 而从2001 年至今，不到两年的时间里，就先后有十几家企业实行股份制改造， 一些小厂几乎全部退出国有转为民营，现在一些国家重点国有企业也在酝酿股份 制改造，转制已势不可挡，“民营经济在经历了从被歧视、被藐视到不可小视和 现在的高度重视 4 个阶段后，焕发勃勃生机。”组合机床行业企业正在以股份制、 民营化等多种形式快速发展。 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。由于组合机床及其自动线是一种技术综合性很高的高技术专用产品，是根 据用户特殊要求而设计的，它涉及到加工工艺、刀具、测量、控制、诊断监控、 清洗、装配和试漏等技术。我国组合机床及组合机床自动线总体技术水平比发达 国家要相对落后，国内所需的一些高水平组合机床及自动线几乎都从国外进口。 工艺装备的大量进口势必导致投资规模的扩大，并使产品生产成本提高。因此， 市场要求我们不断开发新技术、新工艺，研制新产品，由过去的“刚性”机床结 构，向“柔性”化方向发展，满足用户需求，真正成为刚柔兼备的自动化装备。1.2.4 本课题主要解决的问题和总体设计思路在组合机床总体设计中，主要解决的问题是如何确定机床的配置型式，如何 选择通用部件，设计专用部件和工作循环的控制系统。在组合机床诸多零件中，主轴箱与组合机床密切相关，是组合机床的重要组 成部件。它是选用通用零件，按专用要求设计的，所以是组合机床设计过程中工 作量较大的零部件之一。就主轴箱设计来说，主要问题集中在传动系统的设计上。 由于通常采用一根动力轴带动多根主轴的工作方式，因此各传动轴必须设法在有 限的标准箱体空间中找到适宜的分布位置。轴的分布设计必须保证各轴的转速、 旋向、强度和刚度。组合机床的设计思路如下：首先制定了合理的工艺方案，然后按工艺方案的 需求确定机床的配置型式，选择通用部件，设计专用部件和工作循环的控制系统， 最后在总体设计完成的基础上进行夹具的设计。为了表达该组合机床设计的总体 方案，在设计时要绘制“三图一卡”，即 ZH1105W 柴油机气缸盖的加工工序图、 加工示意图，机床联系尺寸总图和编制生产率计算卡等。然后将根据“三图一卡” 进行组合机床的设计、调整和验收。为了表达夹具设计，在设计时要绘制夹具设 计原始依据图，选择夹具结构型式及进行计算。2 组合机床总体设计2.1 工艺方案的拟订2.1.1 被加工零件特点本设计是为钻 ZH1105W 柴油机气缸体的三面 31 轴孔的工序而专门设计的， 为了能达到质量好、效率高。我们采用了工序集中的原则进行设计。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。由于被加工的零件为 ZH1105W 柴油机汽缸体的三面 31 个孔，该柴油机汽 缸体的体积小、重量较重，且为三面加工。根据零件的特点及生产纲领，应选用 卧式床身，通过左右后三个动力头驱动三个主轴箱对零件三端面的 31 个孔进行 加工较为妥当。通过以上的分析，初定本次设计方案为卧式三面组合钻床，三个动力头左右 后布置。2.1.2 工艺路线的确定(1) 铸造(2) 时效(3) 粗铣底面、顶面(4) 粗铣左面、右面(5) 粗铣前面、后面(6) 精铣底面、顶面(7) 精铣左面、右面(8) 粗铣前面、后面(9) 三面粗镗孔(10) 三面半精镗孔(11) 三面精镗孔(12) 钻左面、右面、后面孔(13) 钻顶面、底面、前面孔(14) 攻丝(15) 钻、扩、铰顶杆孔(16) 终检2.1.3 影响机床工艺方案制定的主要因素a) 被加工零件的加工精度和加工工序虽然壳体的本道工序加工粗糙度要求不怎么高，但有一定的形状精度与位置 精度的要求，安排工艺应在一个工位上对 31 个孔同时进行加工，因气缸盖孔的 间距很小，采用立式加工时，不利于切削落下导向，造成导向精度早期走失，不 利于保证加工精度，所以应选用卧式床身。为了保证机床在加工过程中的稳定性，钻床滑台应选用液压矩形导轨型式。b) 被加工零件的特点被加工的气缸盖体本身为HT200,且孔分布在不同的端面上，孔的直径又是 不很大，考虑到重心、振动、壳体的形状及重量与安装方便等原因，宜用单工位、 卧式机床加工较合适。c) 零件的生产批量本组合机床是为了适应 ZH1105W 柴油机气缸盖的大批量生产，且多为连续 生产机床，此时应尽量将工序集中到一台或少数几台机床进行加工，以提高机床 的利用率。d) 机床的使用条件本机床使用场地条件较好，气候适用，车间温度在三十度之内，使用液压传 动能较好的发挥机床的工作性能，其它机床结构亦能很好的适应使用条件。 从上述因素分析，本方案是最佳、可行的。2.1.4 定位基准及夹压点的选择组合机床是针对某个零件或零件的某道工序而设计的，正确选择加工用的定 位基准是确保加工精度的重要条件，同时也有利于最大限度的集中工序，从而收 到减少机床台数的效果。A. 定位基准的选择本机床加工为单工位加工，也就是一次安装下进行 31 个孔的加工，箱体零 件是机械制造业中工序多,劳动量大,精度要求高的关键零件。”一面两孔”是这 类箱体零件在组合机床上加工时常用的典型定位方法。这种定位的特点是：a) “一面两孔”的定位方法很简便地消除工件的六个自由度,使工件稳定。b) “一面两孔”的定位方法有同时加工五个面的可能,既有高度的集中加工 工序,又有利于提高各面上孔的位置精度。c) “一面两孔”的定位方法可以作为以粗加工到精加工的全部加工工序的 基准,使整个工艺过程实现基准统一。d) “一面两孔”的定位方法使夹紧方便 , 夹紧机构简单易使夹紧力对准支 撑,消除夹紧力引起加工变形精度的影响。e) “一面两孔”的定位方法易实现自动化定位 ,并有利于防止切削落入基 面。B. 确定夹紧位置应注意的问题 在选择定位基准的同时，要相应决定夹压位置，此时应注意的问题是：a) 保证零件夹压后稳定。b) 尽量减少和避免零件夹压后的变形。 本机床中确定的“一面两孔”定位能基本上满足以上两条件，因此本方案可 行。另在选“一面两孔”定位后，可选随行夹具，这样可减少装夹时间、提高生产 率，对随行夹具可采用液压自动夹紧。2.2 三图一卡设计组合机床的总体设计，就是根据具体的被加工零件，在制定的工艺和结构方 案的基础上，进行方案图纸的总体设计。这些图纸包括：被加工零件工序图、加 工示意图、机床尺寸联系图和生产率计算卡等，下面进行这些图纸的设计。2.2.1 被加工零件工序图被加工零件工序图是根据选定的工艺方案，表示在一台机床上或一条自动线 上完成的工艺内容，加工部位的尺寸、精度、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。2.2.2 加工示意图 加工示意图是组合机床设计的重要图纸之一，在机床总体设计中占有重要地 位，它是设计刀具、夹具、主轴箱以及选择动力部件的主要资料，同时也是调整 机床和刀具的依据。加工示意图反映了机床的加工过程和加工方法，并决定浮动夹头和接杆的尺寸、 刀具的种类和数量、刀具的长度及加工尺寸、主轴、刀具、导向与工件间关系尺 寸等。根据机床要求的生产率及刀具特点，合理地选择切削用量，以此决定动力 头的工作循环。刀具