我们与昆明机床厂合作为某工厂设计制造了一种精密制造系统,用于大批量精密镗削图1所示曲柄轴 的30++00..002013孔。要求:表面粗糙度Ra0.8;孔的轴心线与定位基准C —D(中心孔)的距离24.75,允差±0.01mm,相互平行度允差100:0.02;生 产节拍:100秒/件;零件材料为40Cr,HRC35。图1被加工工件该零件的加工难点在 于:(1)孔的圆柱度要求较高,须一次装夹后,两次走刀完成孔的镗削,以减小误差复印对圆柱 度的影响,而被加工孔为不完全通孔,不能采用一根镗杆上装两把刀,第一把半精镗完后第二把刀 精镗的传统工艺方法。(2)由于工艺过程的需要,用户指定本工序定位基准为两顶尖孔。该零件 被加工孔轴心线与定位基准的平行度要求较高。一般,应在精镗前安排顶尖孔的研磨工序。由于本 零件为大批量生产,安排研磨工序较困难。因此,怎样确保大批量生产中定位的可靠性是本项目的 另一难题。1制造系统总体设计制造系统的总体结构和信息流见图2。系统主要由机床、夹具系统 、刀具系统、控制系统、冷却及自动排屑系统组成。机床床身带有密封性能较好的外罩,以适应对 切削区大流量,高压喷射冷及清洗的需要。除手动装卸工件外,工件的定位,夹紧自动进行。机床 的镗头采用了液体动静压轴承,由温控油箱供油,以适应表面粗糙度,圆柱度及位置度的需要。切 屑由水箱供给的大流量,高压冷却液排至水箱,再由装于水箱中的自动排屑器排至容屑小车。水箱 的冷却液经三次过滤后,循环使用。整个制造系统由可编程控制器控制。2“返程精镗”工艺的应 用为解决上述第一个难点,我们设计了如图3所示的镗刀杆,当工作台带动工件一起以工进速度进 给时,图2制造系统组成及其信息流使刀1进给至半精镗尺寸,实现对工件的半精镗。半精镗完毕 后,使刀1退回,刀2进给至精镗尺寸,然后,工件以工进速度退回,在返程过程中完成工件的精 镗。这样,在工件一次往返进给运动中,完成了对工件的两走刀镗削,同时解决了对盲孔加工在一 次装夹下完成两次走刀的上述要求。图3所示的杆3轴向移动与件4的轴心线倾斜一微小角度。因 此,杆3的轴向运动就对件4施加了一顺时针或逆时针方向的扭矩。该扭矩使件4绕支点5转动, 从而带动刀杆6顺时针或逆时针转动,实现了刀具尺寸的调整。杆3行程的大小决定了件4的偏转 角度,从而决定了刀1、刀2的加工尺寸。图3镗刀杆图3所示的支点5实际上是图4a中的矩形 杆件。图3所示的设计可简化为图4b所示力学模型。它实际上是一矩形杆件一施加一扭矩M进, 使杆产生扭转变型而使刀尖尺寸产生微小变化,这是一种无间隙的刀具微调方式。切削力会施加一 与M进反向的扭矩M切。必须使M进>KM切,(K为稳定性系数,可取K>1.5)系统才能保 持其稳定性。在图4b所示力学模型中,已知:a=b;Ja=Jb;Ta=Tb;To=2Ta =2Tb由材料力学<1>可知:中点转角0=Tb.bG.Jb+Tb.C/2G.Jc(1 )式中,Ja,Jb,Jc一分别为a段、b段、c段的极惯性矩(cm4);G一剪切弹性模量(N/cm2)。结构设计有:0=2.56×10-3(弧度)Jc=44.924cm4Ja=0.554 cm4a=b=1.2 cmc=8.5 cm已知:G=8.4×106N/cm2将Jc,Jb,b,c,G,0及Tb=0.5To带 入式(1)得:To=183N-m按极端切削条件取:转进给量f=0.3mm/r;切削深度 ap=0.7mm;切削力修正系数p.KFz=2775N/mm<2>。图4镗刀杆力学模型 由此求得径向切削力Fz=p.f.ap.KFz<3>=583N结合图3所示刀尖至旋转支点 尺寸求得切削扭矩:M切=111Nm由此可校核本刀具系统稳定性系数:K=1.65可见,所 设计的刀具系统稳定性足够。3定位可靠性的检测本制造系统在夹具部分设置了定位可靠性的检测 系统,它由图5所示气压系统和图6所示测头组成。装于夹具上的前,后顶尖上各有一气孔(图6 ),由气压系统供给气压为0.2MPa的压缩空气(图5),当工件上的顶尖孔与夹具上的顶尖 定位不好时,两者间将出现间隙,使气压下降。此时,压力继电器将发出压降的信息,使工作台不 能工作。同时,发出定位不可靠的警告信号,工作者必须重新修正定位。这样,可以确保加工质量 。本制造系统定位精度较高,要求其误差不得超过0.01mm。如何保证在定位误差大于或等于 0.01mm时,压力继电器能可靠发讯,应该对这一问题进行研究。图5气压系统图6测头当定 位出现间隙时,例如,顶尖孔与顶尖偏心为0.01mm。对于这种情况,在流通面积相近条件下 ,作出间隙呈对称分布的等效图<4>(见图7)。图7当定位出现间隙时的顶尖孔与顶尖在图7 中,截锥abcd的侧表面积A(流通面积)为:A=πab(1/2ab+1/2bc)(2) 测得:ab=0.009mm;bc=7.0mm;ad=6.7mm将测得的ab,bc,ad 值带入式(2)得:A=0.19mm2当气流通过顶尖孔,且气流达到声速时,(此时,入口压 力P1>1.893倍出口压力P2)有:ΔP=Qz11.1AT1273-1.013(3) 当气流达到亚声速时,有:ΔP=0.987T1273Qz22.2A2(4)式中:T1一进 口气体温度(K);Qz一换算成自由状态后的空气流量(升/分);ΔP一压力降(巴);ΔP =P1-P2研究式(3)、(4)得出:(1)从式(3)可看出:当Qz11.1AT127 3<1.013时,ΔP<0,即入口压力P1<出口压力P2,在此种情况下,系统是不稳定的 。从式(4)可看出:在气流达到亚声速区,ΔP恒大于零。因此,检测系统应在气流达到亚声速 区运行为宜。在流通面积不变的条件下,要使气流达到亚声速区,则ΔP或P1不宜过大。本系统 取P1值为2.0巴。(2)从式(4)可看出:流通面积A影响ΔP的值,A适当大一些,在相 同ΔP的条件下,Qz大一些,结构上容易实现。从式(2)可知:测头结构尺寸决定了流通面积 A的值,所以,测头结构尺寸是影响检测系统性能的重要因素之一。(3)压力继电器发讯有一定 范围,我们所选压力继电器发出有压状态讯号的最低压力是0.5巴。因此,设计应保证当顶尖与 顶尖孔的偏心在0.01mm时,压力继电器可靠发出“无压”状态讯号,就需P1的值小于0. 5巴。取Qz=2升/分,并以上述结构尺寸带入式(2),式(4)求得:ΔP=0.987× 273+20(℃)273222.2×0.192=0.23(巴)<0.5(巴)计算表明: 定位可靠性检测系统能在定位误差为0.01mm情况下可靠发讯。本制造系统已由昆明机床厂试 造完毕在该厂通过用户小批量连续切削验收。切削试件全部达到零件的技术要求。曲柄轴精密镗削 系统的设计与研究@赵昌林$云南农业大学工程技术学院!昆明650201文章通过对曲柄轴精 密镗削系统工艺难点的研究和其制造系统的设计,展示了现代人批量精密制造系统设计和构建中的 一些具有共性的问题和解决方案。文章提出了“返程精镗”工艺方法的一个应用实例及其关键技术 问题的解决方法,并对其进行理论分析。文章还研究了该制造系统夹具定位可靠性检测部件的设计和关键技术参数的计算方法。曲柄轴;;精密镗削系统;;定位检测<1>MECHANICEOF MATER IALS S.Timoshenko J.Gere VanNostrand Re inhold Company 1972.
<2>普通车削切削参数S A N D V I K公司(瑞典)产品样本1998.
<3>胡荣生.机械工程师进修大学教材(6).北京:机床杂志社,1985.
<4>郑洪生.气压传动
.北京:机械工业出版社1981.取P1值为2.0巴。(2)从 式(4)可看出:流通面积A影响ΔP的值,A适当大一些,在相同ΔP的条件下,Qz大一些, 结构上容易实现。从式(2)可知:测头结构尺寸决定了流通面积A的值,所以,测头结构尺寸是 影响检测系统性能的重要因素之一。(3)压力继电器发讯有一定范围,我们所选压力继电器发出 有压状态讯号的最低压力是0.5巴。因此,设计应保证当顶尖与顶尖孔的偏心在0.01mm时 ,压力继电器可靠发出“无压”状态讯号,就需P1的值小于0.5巴。取Qz=2升/分,并以 上述结构尺寸带入式(2),式(4)求得:ΔP=0.987×273+20(℃)27322 2.2×0.192=0.23(巴)<0.5(巴)计算表明:定位可靠性检测系统能在定位误 差为0.01mm情况下可靠发讯。本制造系统已由昆明机床厂试造完毕在该厂通过用户小批量连 续切削验收。切削试件全部达到零件的技术要求。曲柄轴精密镗削系统的设计与研究@赵昌林$云 南农业大学工程技术学院!昆明650201文章通过对曲柄轴精密镗削系统工艺难点的研究和其 制造系统的设计,展示了现代人批量精密制造系统设计和构建中的一些具有共性的问题和解决方案 。文章提出了“返程精镗”工艺方法的一个应用实例及其关键技术问题的解决方法,并对其进行理 论分析。文章还研究了该制造系统夹具定位可靠性检测部件的设计和关键技术参数的计算方法。曲柄轴;;精密镗削系统;;定位检测<1>MECHANICEOF MATER IALS S.Timoshenko J.Gere VanNostrand Re inhold Company 1972.
<2>普通车削切削参数S A N D V I K公司(瑞典)产品样本1998.
<3>胡荣生.机械工程师进修大学教材(6).北京:机床杂志社,1985.
<4>郑洪生.气压传动.北京:机械工业出版社1981.
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