薄壁长轴套类零件双面加工专用机床设计.pdf

第 2期 2 0 1 4年 2月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o du l a r M a c h i ne To o l Au t o ma t i c M an u f a c t ur i n g Te c h n i q ue No ． 2 Fe b．2 01 4 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 4 0 2 0 1 4 7 0 3 D O I 1 0 ． 1 3 4 6 2 ／ j ． c n k i ． m mt a m t ． 2 0 1 4 ． 0 2 ． 0 4 0 薄壁长轴套类零件双面加工专用机床设计 李 吉 ， 李 健 ， 黄 艳 ， 赖玉活。 ， 郝凯明 ， 姜美姣 1 ． 广西工学院 机械工程系， 广西 柳州 5 4 5 0 0 6 2 ． 广西工学院 鹿山学院， 广西 柳州 5 4 5 6 1 6 3 ． 柳 州市数控机床研究所， 广西 柳州5 4 5 0 0 7 摘要 为改善薄壁长轴套类零件生产效率低， 且多次装夹不能有效保证两加工端尺寸和位置精度的 生产状况 ， 设计 了一种加- Y - L 类零件的双面加工专用机床。通过分析 薄壁长轴套类零件的特 点， 从 怎样提 高加工效率 ， 保证零件加 工精度两方面考虑 ， 提 出了一种双面复合加 工工艺， 并利用切 削原 理、 材料 力学及有 限元分析对此双面复合加工工艺的可行性进行验证。同时介绍 了薄壁长轴套类零 件双面加工专用机床的结构组成及其工作原理， 该机床能够在保证薄壁 长轴套类零件加工精度的前 提下， 较 大提 高生产效率 ， 且投资小、 见效快， 易于推广。 关键词 薄壁长轴套类零件； 专用机床； 双面加工； 组合夹具 中图分类号 T H1 6 5 ，I T G 6 5 文献标识码 A De s i g n o f S p e c i M a c hine f o r Do ub l e Si de d Pr o c e s s i ng o f t h e Th i n Lo ng S l e e v e Ty pe Pa r t s L I J i 。 ， L I J i a n ， H U A N G Y a n ， L A I Y u - h u o ， H A O K a i m i n g ， J I A N G m e i - j i a o 1 ．D e p a r t m e n t o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ，G u a n g x i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，L i u z h o u G u a n g x i 5 4 5 0 0 6 ， C h i n a ； 2 ．C o l l e g e o f L u s h a n ，G u a n g x i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， L i u z h o u G u a n g x i 5 4 5 6 1 6 ， C h i n a Ab s t r a c tTo i mp r o v e t he l o n g t h i n s l e e v e t y p e p a r t s o f l o w p r o d u c t i v i t y，a n d t h e mu l t i p l e s e t u p s c a n n o t e f - f e c t i v e l y g u a r a n t e e the t wo p r o c e s s i n g e n d s s i z e a n d p o s i ti o n a l a c c u r a c y o f the p r o d u c t i o n c o n di tio ns ，d e s i g n e d a k i n d o f d o u b l e s i d e d ma c h i n i n g f o r s u c h p a r t s．By an a l y z i n g the l o n g thi n s l e e v e t y p e p a r t s o f the c h ara c t e r i s t i c s ，f r o m h o w t o i mp r o v e p r o c e s s i n g e f fic i e n c y，a n d e n s u r e ma c h i n i n g a c c u r a c y o n t wo c o n s i d e r a ti o n s，we p r o p o s e d a n e w p r o c e s s一” d o u b l e s i d e d c o mpo s i t e p r o c e s s i n g” p r o c e s s ，a n d u t i l i z e c u t t i n g p r i n - c i p l e s ，ma t e r i a l s me c h a n i c s a n d fin i t e e l e me n t a na l y s i s o f t h i s” d o u b l e s i d e d c o mp o s i t e p r o c e s s i n g”t o v e rif y the f e a s i b i l i t y o f t h e p r o c e s s ；i n t r o d u c e d thi n l o n g s l e e v e t y p e p a r t s s i d e d s p e c i a l ma c hin e s t r u c t u r a l c o mp o s i - t i o n a n d wo r kin g p rin c i p l e ．Th e ma c hin e i s a b l e t o g u ara n t e e the l o n g t h i n s l e e v e t y p e p a r t s ma c hin i n g a c c u - r a c y o f the p r e mi s e，g r e a t l y i mp r o v i n g p r o d u c t i o n e ffi c i e n c y，a n d s ma l l i n v e s t me n t ，q u i c k e f f e c t ，mod i f i c a t i o n wo r k l e s s ，e a s y t o pr o mo t e． Ke y wo r d sl o n g thi n s l e e v e - t y p e p a r t s ；s p e c i al ma c h i n e t o o l ； Do u b l e s i d e d p r o c e s s i n g；mo d u l ar fix t u r e 0 引言 薄壁长轴套类零件属于 回转体零件 ， 是机械行业 的典型零件之一 ， 在机械产品中， 尤其是在汽车零部件 中的应用更为广泛。这类零件形状 比较简单， 但加工 工步较多且有较高的加工精度要求 ， 加工难度大。 目 前 ， 薄壁长轴套类零件的加工一般是在普通机床上完 成的， 通常使用三爪卡盘或弹簧夹头夹持工件 ， 加工一 端后调头再加工另一端， 生产效率低， 加工周期长 ， 且 由于多次装夹工件 ， 两端 的同轴度等位置精度难 以保 证， 废品率高 。 针对以上情况 ， 柳州市数控机床研究所结合薄壁 长轴套类零件的结构特点和工艺要求， 研制了薄壁长 轴套类零件双面加工专用机床 ， 在满足零件加工精度 的前提下， 大大提高了薄壁长轴套类零件的生产效率 ， 降低 了劳动强度， 满足 了此类零件的大批量 生产要 求 。 1薄壁长轴套类零件的特点 如图 1 所示为实际加工中应用较多的薄壁长轴套 类零件图， 是壁厚较薄的典型弱刚性零件， 此类零件的 特点是外径、 壁厚 比值较大， 通常为 D ／ t 5 01 5 0 ， 抗 变形能力差 ， 在机械加工过程中， 很难保证工件与刀具 的正确位置， 满足此类零件的加工精度要求， 生产效率 低。零件的毛坯材料为冷拔钢管 ， 对切削力、 夹紧力及 振动等影响十分敏感_ 3 4 。 ， 切削加工 比较困难 ， 具体表 收稿 日期 2 0 1 30 6 0 8 ； 修回日期 2 0 1 30 7 2 1 作者简介 李吉 1 9 8 7 一 ， 男 ， 河南新乡人 ， 广西工学院硕士研究生 ， 主要从事数控机床研究 ， Em a i l l i 2 8 5 3 2 5 5 1 9 1 6 3 ． t o m。 1 4 8 组合机床与自动化 j n - r 技术 第 2期 现 在 以下几个方 面 的 。 1 在交变切削力 的作用下容易产生受迫振动， 从而在加工表面留下振动痕迹 ， 影响工件的尺寸精度、 位置精度和表面粗糙度； 2 零件壁薄、 强度弱 ， 在车床卡盘上夹 紧时， 夹 紧力不均衡会使零件径向产生严重变形； 3 零件较长且刚性较差 ， 在加工过程中容易受 切削力的作用产生径向弯曲变形 ， 难 以保证其位置精 度 。 图 1 薄壁长轴套类零件图 2 工艺方案及分析 薄壁长轴套类零件双面加工专用机床的设计主要 考虑的是解决以上存在的问题， 满足零件加工精度的 要求， 追求高加工效率， 使之能够满足薄壁长轴套类零 件大批量生产要求。为此 ， 设计方案应从 以下两个方 面考虑 。 2 ． 1 提高加工效率 薄壁长轴套类零件毛坯材料一般为冷拔钢管 ， 一 般只要求对两端进行车外圆、 镗孔、 倒角等加工， 为提 高薄壁长轴套类零件的加工效率 ， 实现此类零件的大 批量生产， 本设计提出了一种新的加工工艺方案 双面 复合加工工艺。所谓双面复合加工 ， 即利用两把组合 刀具， 一次装夹完成零件两端的多工位加工。这种加 工工艺将原来需要在若干个工步中去除的加工余量集 中在一个复合工步中去除， 使多个工步的加工时间全 部或部分重合 J ， 且一次装夹完成两端的加工 ， 避免了 由于多次装夹而产生的误差 ， 精度容易保证， 并且减少 了加工辅助时间， 从而使工作效率提高 6 8 倍 。 2 ． 2 保证加工精度 考虑到薄壁长轴套类零件的特点， 保证加工精度应 做到 抑制加工过程中切削力产生的振动、 减小因刚度 不足而引起的径向弯曲变形、 消除夹紧力产生的变形。 2 ． 2 ． 1 抑制振 动 切削过程中的受迫振动现象会引起切削不稳定， 造成表面质量 、 尺寸及位置精度达不到要求， 而切削力 是引起零件振动的主要因素 ， 需要进行限制。双面复 合加工工艺的受力图如图 2所示 由于倒角加工时切 削用量较小， 故倒角加工时对工件 的切削力忽略不 计 。通过受力分析可知 对薄壁长轴套类零件 的加 工 ， 当外圆切削与镗孑 L 切削的切削余量相同时， 径向力 n 、 轴向力 及主切削力 大小相等， 方 向相反 ， 可 实现相互抵消 ， 从而抑制振动源， 达到消除振动之 目 图 2“ 双 面复 合 加工 ” 工 艺 受 力图 2 ． 2 ． 2 减小径向弯曲变形 由于不采用心轴 ， 此类零件轴 向尺寸大、 悬臂长， 刚性弱。为提高工件刚度， 机床研制中设计 了一套液 压专用夹具 ， 即在工件两端靠近加工的位置 ， 设置两个 9 0 。 V型块定位块来限制工件的四个 自由度 ， 使工件 同 时具有双支承- -， ， 液压专用夹具结构如图 3所示。 图 3 液压专用夹具结构图 传统加工工艺可简化为悬壁梁力学模型， 见 图4 ， 双面复合加工工艺可简化为简支梁力学模型 ， 见图 5。 图4 传统工艺力学模型简图 l璺 I 5新 T 艺 力字 模型 荷 嘲 根据材料力学挠曲线方程 D ⋯ 』 c 其中 一 挠度 ； 一 截面转角； 一 载荷作用下 的弯矩； E ， _ 材料抗弯度。 得传统加工工艺 一 3 一 一 面 L L一 ● 4J T 一 一 一 ～ F 一 ～ 2 0 1 4年 2月 鲁墨武， 等 航天电连接器波纹弹簧性能分析 1 5 3 百 警 弹簧强度[ m m ] a 弹簧刚度与厚度关系图 b 弹簧刚度与波数关系图 冒 基 善 爱 粥 最 c 弹簧刚度与外径内径 比值关系图 图 5 波纹弹簧刚度与各参数关系图 在波纹弹簧的工作过程中不同工作条件下摩擦系 数是不同的， 在分析 的过程中可 以到两种不同的摩擦 系数的波纹弹簧的刚度特性曲线 ， 如图 6 b所示 。从图 中可以看出， 摩擦系数为 0 ． 5时波纹弹簧的刚度 明显 大于摩擦系数为 0 ． 0 5的弹簧刚度 ， 也就是说波纹弹簧 工作的实际刚度是随着摩擦系数的增大而增大的。对 于压簧来说， 由于工作时的接触摩擦而阻碍弹簧 的径 向位移 ， 实际上就是 因为摩擦而引起弹簧实际工作刚 度 的改变 ， 在弹簧的实际工作中会引起压缩量的滞后 ， 即弹簧很难被压缩 。适 当的润滑可以改变弹簧的刚 度 ， 以保证弹簧正常的工作。 百 吕 言 彘 嫩 觳 百 主 啦 融 压缩量[ mm ] a 弹簧刚度与摩擦系数 b 两种不同摩擦系数的 关系图 弹簧刚度对 比图 图6 波纹弹簧刚度与摩擦系数关系图 4 结论 本文采用 理论 分 析 、 实验 测 试 和有 限元 分 析 对电连接器 波纹 弹簧 性能 进行 研究 ， 得 到如 下结 论 1 理论分析和有限分析与实验测试存在一定的 误差， 原因在与在设计波纹弹簧时候没有考虑到弹簧 的径向曲率 ， 同时理论分析中弹簧 的刚度一直保持线 性， 这与实测有很大差别 ， 说明理论分析存在一定的局 限性。有限元分析与实测结果十分相近 ， 可以为波纹 弹簧的设计提供一定的理论依据。 2 波纹弹簧各参数对弹簧的刚度均有不同程度 的影响， 弹簧的刚度与弹簧厚度和波数为幂函数关系 ， 可见两个弹簧参数对波纹弹簧的性能影响较大。弹簧 的刚度与外 内径比值为二次 函数关系， 随着比值的增 大弹簧的刚度不断的增大。 3 波纹弹簧工作过程 的接触摩擦 系数对 弹簧 的刚度有一定 的影响。摩擦 系数 越大 ， 弹簧的实际 刚度越 大 ， 弹簧 工作 时 的压缩 量 存在 一 定 的滞后 性 。 [ 参考文献] [ 1 ]何思松， 任德志 ， 徐莉萍， 等． 电连接器自动检扣机的研发 [ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 0 8 1 1 1 4 71 4 9 ． [ 2 ]左韩露， 孙红军 ， 梁文娟． 电连接器中卡 口式锁紧机构的 设计与计算[ J ] ． 机电元件， 2 0 0 9 ， 2 9 2 2 83 0 ． [ 3 ]曹建立， 陈葆真． 波形弹簧的结构和设计[ J ] ． 机械设计， 1 9 8 9 2 1 9 2 2， 1 0 ． [ 4 ]陈德才， 催德容． 机械密封设计制造与使用[ M] ． 北京 机 械工业出版社， 1 9 9 3 ． [ 5 ]张英会， 刘辉航 ， 王德成． 弹簧手册[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 9 7 ． [ 6 ]袁鹏． 形状记忆合金超弹性波形弹簧的有限元分析[ J ] ． 机电信息， 2 0 1 1 3 6 1 5 41 5 6 ． [ 7 ]浦广益． A N S Y S Wo r k b e n c h l 2基础教程与实例详解[ M] ． 北京 中国水力水 电出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 8 ]袁重雨， 陈曦， 祁影霞， 等． 结构参数对费马型线柔性弹簧 性能的影响分析[ J ] ． 低温工程， 2 0 1 1 ， 1 8 2 4 2 8 3 1 ． [ 9 ]高威利， 颜鹏达， 陈国邦． 几何参数对线性压缩机板弹簧 性能的影响[ J ] ． 低温工程， 2 0 0 7 ， 1 6 0 6 81 1 ． 编辑赵蓉 上接第 1 4 9页 [ 3 ] 张婷， 陈五一． 薄壁筒类零件刚度表述模型的研究 [ J ] 航 空制造技术， 2 0 1 0 9 7 8 8 0 ． [ 4 ] 李世春． 刚度对套简类零件加工精度影响的研究[ J ] 装配 制造技术， 2 0 0 9 3 1 9 2 1 ． [ 5 ] 朱焕池． 机械制造工艺学 [ M] 北京 机械工业出版社 ， 20 01． [ 6 ] 刘党生． 金属切削原理与刀具[ M] ． 北京 北京理工大学 出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 7 ] 吴拓． 现代机床夹具设计 [ M] ． 北京 化工工业出版社， 2 0 0 9 ． [ 8 ] 刘鸿文． 材料力学[ M] ． 北京 高等教育出版社， 2 0 0 4 ． [ 9 ] 李健， 庞勇． 细长轴车削加工径向变形和切削力的分析计 算 [ J ] ． 组合机床与自动化加工技术 2 0 1 2 2 2 3 2 5 ． [ 1 0 ] 李楚琳， 张胜兰， 冯樱 ， 等． H y p e r Wo r k s 分析应用实例 [ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 8 ． 编辑赵蓉