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摘要:组合机床以特定的加工内容为基础设计制造,专用化程度高,生产率高,但柔性化条件不好。发动机机体的三轴孔精加工工序是机体制造中的关键工序,机体的凸轮轴孔加工精度要求高。本文按照组合机床的一般设计规律,对机体的加工工序进行分析,拟定刀具方案。实现了高效加工凸轮轴的目的。
关键词:组合机床;凸轮轴;
1刀具方案设计
1.1刀杆与主轴的联接
在组合机床上,刀杆与主轴有两种联接方式:一种是刚性联接,另一种是浮动联接。刚性联接,顾名思义就是刀杆和主轴固联在一起,刀杆可看作是主轴的一部分。刀杆刚性好,允许的切削速度较高,加工效率高;而且不需要另设导向装置,夹具结构简单,没有刀杆与导套摩擦造成的磨损,刀杆寿命较长,并且可以减小整个机床轮廓尺寸。浮动联接就是主轴与刀杆联接后,刀杆相对于主轴不完全固定,有一定的浮动量。根据浮动量的大小,又可分为小浮动联接(浮动量约0.15/1000mm)和大浮动联接(浮动量约5/1000mm)。
1.2凸轮轴孔系的刀具方案设计
(1)凸轮轴孔系刀具的加工内容
凸轮轴孔系刀具加工内容相对较少,仅完成凸轮轴孔的半精、精加工。
(2)凸轮轴孔系刀具的结构特点及动作循环
凸轮轴孔系刀具结构如图1.1所示,刀具由前刀杆、“内滚式”导向滑动套、后刀杆、ABS连轴系统组成。ABS连轴系统将前、后刀杆与“内滚式”导向滑动套连接起来,形成镗杆。
(3)凸轮轴孔系刀具的关键技术
如图1.2所示,ABS连轴系统有1轴端,2外圆锥螺钉,3滑销,4内圆锥螺钉,5刀端,6圆销组成。轴端端面带有一个配合孔且有一个径向螺纹孔与之垂直,轴端端面另带一个圆销孔。刀端有一个带径向孔的榫子,环面带有一个圆销孔。滑销一端为内圆锥另一端为外圆锥,分别与外圆锥螺钉、内圆锥螺钉相配。工作原理:调节螺钉1和4使滑销3的内外圆锥被顶紧,在两个圆锥接合处各产生一个法向力F1和F2,将两力沿轴向、径向分解。Fy1和Fy2大小相等,方向相反,互相抵消。Fx1和Fx2使刀端与轴端紧固。在ABS系统中,轴端和刀端大面积的连接,使它能传递大力矩。在大切削力的负荷下,两部分之间产生轻微的扭转,紧固零件之间的接触面积也会因此导致张力扩增(可增50%),从而提高了刀具的刚度。其次当作用力突然发生巨大变化时,两部分之间产生轻微的扭转能产生阻尼作用,从而保护刀具联轴器,主轴和驱动装置不受损坏。
2镗杆受力分析
2.1镗杆受力一般分析
(1)镗刀受力模型
镗孔的最终加工尺寸由精加工的拉镗工序来保证,故以凸轮轴孔拉镗时受力状态为研究对象。镗刀在切削时受轴向力Fx、径向力Fv、切向力Fz三个力的作用。轴向力Fx相对于其他两个力数值较小,对镗杆的变形影响可以忽略。本文着重讨论径向力Fy,和切向力Fz对镗杆变形的影响。将两个力等效到镗杆的中心。Mz,是Fz对镗杆的扭距,对镗杆弯曲变形没有影响,只使镗杆发生扭转,故在镗杆弯曲变形讨论中可以忽略。为方便分析将径向力Fv和切向力Fz合成为一个合力F1。
(2)切削力的计算
式中t为切深(工序余量),s為进给量,HB为布氏硬度。
(3)杆受力模型
由图1.1凸轮轴孔刀具及简化力学模型所示。固定铰支座A为主轴端后模架,可动铰支座B为中间支撑,可动铰支座C为前模架。拉镗采用了错刀镗的方式。本模型以五把刀加工状态为对象,F1为径向力Fx和切向力Fz合力;FA为支座A的垂直反力,FAX为水平反力(对变形没有影响,可不做计算);FB为支座B的垂直反力;Fc为支座c的垂直反力。
镗杆力学模型为双跨梁,是一次静不定梁,选取可动铰支座B为“多余约束”,并以多余未知反力B代替,静定基为简支梁。F1作用在1处、2处和3处时在B点处产生的挠度方程为:
在1处a=185,b=1115,x=750得v1=-0.00489mm;在2处a=369.5,b=930.5,x=750得v2=-0.009mm;在3处a=519.5,b=780.5,x=750得V3=-0.0113mm:
F1作用在4处和5处时在B点处产生的挠度方程为:
在4处b=480,x=750得v4=-0.01146mm;在5处b=330.5,x=750得v5=-0.00896mm:B点的变形与这5个点的总和为零,得到Vb=0.0456mm;进而求出FB=101.4N;FA=31.5N;Fc=0.1N。
结论
本文按照组合机床的一般设计规律,对机体的加工工序进行分析,拟定刀具方案。对凸轮轴孔镗杆在加工中的受力状态,应用一般静力分析方法进行分析。在设计中,突出工程技术方法的应用。如ABS接头在刀具连接上的应用。经用户厂使用验证完全达到机体加工精度的要求,并满足生产率要求。
关键词:组合机床;凸轮轴;
1刀具方案设计
1.1刀杆与主轴的联接
在组合机床上,刀杆与主轴有两种联接方式:一种是刚性联接,另一种是浮动联接。刚性联接,顾名思义就是刀杆和主轴固联在一起,刀杆可看作是主轴的一部分。刀杆刚性好,允许的切削速度较高,加工效率高;而且不需要另设导向装置,夹具结构简单,没有刀杆与导套摩擦造成的磨损,刀杆寿命较长,并且可以减小整个机床轮廓尺寸。浮动联接就是主轴与刀杆联接后,刀杆相对于主轴不完全固定,有一定的浮动量。根据浮动量的大小,又可分为小浮动联接(浮动量约0.15/1000mm)和大浮动联接(浮动量约5/1000mm)。
1.2凸轮轴孔系的刀具方案设计
(1)凸轮轴孔系刀具的加工内容
凸轮轴孔系刀具加工内容相对较少,仅完成凸轮轴孔的半精、精加工。
(2)凸轮轴孔系刀具的结构特点及动作循环
凸轮轴孔系刀具结构如图1.1所示,刀具由前刀杆、“内滚式”导向滑动套、后刀杆、ABS连轴系统组成。ABS连轴系统将前、后刀杆与“内滚式”导向滑动套连接起来,形成镗杆。
(3)凸轮轴孔系刀具的关键技术
如图1.2所示,ABS连轴系统有1轴端,2外圆锥螺钉,3滑销,4内圆锥螺钉,5刀端,6圆销组成。轴端端面带有一个配合孔且有一个径向螺纹孔与之垂直,轴端端面另带一个圆销孔。刀端有一个带径向孔的榫子,环面带有一个圆销孔。滑销一端为内圆锥另一端为外圆锥,分别与外圆锥螺钉、内圆锥螺钉相配。工作原理:调节螺钉1和4使滑销3的内外圆锥被顶紧,在两个圆锥接合处各产生一个法向力F1和F2,将两力沿轴向、径向分解。Fy1和Fy2大小相等,方向相反,互相抵消。Fx1和Fx2使刀端与轴端紧固。在ABS系统中,轴端和刀端大面积的连接,使它能传递大力矩。在大切削力的负荷下,两部分之间产生轻微的扭转,紧固零件之间的接触面积也会因此导致张力扩增(可增50%),从而提高了刀具的刚度。其次当作用力突然发生巨大变化时,两部分之间产生轻微的扭转能产生阻尼作用,从而保护刀具联轴器,主轴和驱动装置不受损坏。
2镗杆受力分析
2.1镗杆受力一般分析
(1)镗刀受力模型
镗孔的最终加工尺寸由精加工的拉镗工序来保证,故以凸轮轴孔拉镗时受力状态为研究对象。镗刀在切削时受轴向力Fx、径向力Fv、切向力Fz三个力的作用。轴向力Fx相对于其他两个力数值较小,对镗杆的变形影响可以忽略。本文着重讨论径向力Fy,和切向力Fz对镗杆变形的影响。将两个力等效到镗杆的中心。Mz,是Fz对镗杆的扭距,对镗杆弯曲变形没有影响,只使镗杆发生扭转,故在镗杆弯曲变形讨论中可以忽略。为方便分析将径向力Fv和切向力Fz合成为一个合力F1。
(2)切削力的计算
式中t为切深(工序余量),s為进给量,HB为布氏硬度。
(3)杆受力模型
由图1.1凸轮轴孔刀具及简化力学模型所示。固定铰支座A为主轴端后模架,可动铰支座B为中间支撑,可动铰支座C为前模架。拉镗采用了错刀镗的方式。本模型以五把刀加工状态为对象,F1为径向力Fx和切向力Fz合力;FA为支座A的垂直反力,FAX为水平反力(对变形没有影响,可不做计算);FB为支座B的垂直反力;Fc为支座c的垂直反力。
镗杆力学模型为双跨梁,是一次静不定梁,选取可动铰支座B为“多余约束”,并以多余未知反力B代替,静定基为简支梁。F1作用在1处、2处和3处时在B点处产生的挠度方程为:
在1处a=185,b=1115,x=750得v1=-0.00489mm;在2处a=369.5,b=930.5,x=750得v2=-0.009mm;在3处a=519.5,b=780.5,x=750得V3=-0.0113mm:
F1作用在4处和5处时在B点处产生的挠度方程为:
在4处b=480,x=750得v4=-0.01146mm;在5处b=330.5,x=750得v5=-0.00896mm:B点的变形与这5个点的总和为零,得到Vb=0.0456mm;进而求出FB=101.4N;FA=31.5N;Fc=0.1N。
结论
本文按照组合机床的一般设计规律,对机体的加工工序进行分析,拟定刀具方案。对凸轮轴孔镗杆在加工中的受力状态,应用一般静力分析方法进行分析。在设计中,突出工程技术方法的应用。如ABS接头在刀具连接上的应用。经用户厂使用验证完全达到机体加工精度的要求,并满足生产率要求。