摘 要

模块化组合机床已经有了几十年的发展，其发展方向向也越来越网络化、自由化、柔性化。本文主要在了解课题研究背景和国内外的先进技术后设计一台钻扩铰组合机床，用来加工道依茨发动机挺杆孔，同时满足V4、6、8等不同型号的加工。采用活动销与活动夹具能实现不同系列的定位夹紧，通过转塔头转换工步，数控滑台实现工位转换，从而实现挺杆孔的加工，使机床适应度更高，满足更多客户的需求，缩短了传统工艺加工工时，提高了生产率和加工精度。

在本文的设计过程中，首先通过对道依茨发动机挺杆孔结构分析制定不同的方案，并反复讨论选出最佳方案。根据加工方案完成机床的总体设计：确定各工步之间加工余量，绘出加工工序图；确定刀具型号、计算各工序的切削用量、确定主轴与接杆型号、设计钻模板和专用导套、选择滑台型号并设计出各动力部件的行程图，绘制出钻扩铰的加工示意图；选择合理的装料高度，设计可调垫片，用来机床装配时方便调试，绘出联系尺寸图。根据加工过程中不同行程对应的速度，计算辅助时间，绘制出生产效率卡；完成斜立柱的结构设计；最后，针对细长刀具刚度不足问题、斜立柱局部刚度不足问题进行Soliworks三维建模和ANSYS有限元分析。

本文是对机床设计的详细补充，完善机床设备，还需要考虑整台机床实际加工环境，机床振动与噪声对最终加工精度的干扰，需进一步完善机床控制系统和润滑系统的设计。最后通过模型的仿真，将本文设计的组合机床应用到实际中。

关键词：组合机床，三图一卡，道依茨发动机，挺杆孔

Abstract

Modular machine tools have been developing for several decades, and their development direction is becoming more and more networked, liberalized and flexible.After understanding the research background and the domestic and foreign advanced technology this paper is to design a bench drill after expansion joint combination machine tools, used to process the Deutzu engine tappet hole, while meeting V4, 6,8 and other different types of processing.The use of activities and activities of the fixture can achieve a series of different positioning clamping, achieving step transformation through the turret head , to achieve the station conversion by CNC slide , to achieve the processing of the pole hole, making the machine to adapt to higher, to meet more customers of the demand, shortening the traditional process of processing time, improving the productivity and processing accuracy.

In the design process of this paper,we first put forward with different schemes by analyzing the structure of the tappet hole of the Deutz engine, and discuss the best option.According to the processing plan to complete the overall design of the machine: to determine the processing margin between the steps, drawing the process diagram; determining the tool model, calculating the amount of cutting the process,determining the spindle and the stem model, designing drilling template and special guide , Select the slide model and design the power of the parts of the itinerary, drawing out the drilling of the hinge processing diagram; Select a reasonable height of the charge, designing adjustable gasket for easy assembly when the machine assembly, drawing contact size.According to the process of the different travel speed corresponding to the calculation of auxiliary time, draw the production efficiency card;Completed oblique column structure design;Finally, Soliworks 3D modeling and ANSYS finite element analysis are carried out for the problem of insufficient rigidity of slender tool and the problem of insufficient local stiffness of inclined column.

This article is a detailed supplement to the machine design,to improve the machine equipment, but also need to consider the actual processing environment of the machine, machine vibration and noise on the final processing accuracy of interference, to further improve the machine control system and lubrication system design. Finally, through the simulation of the model, the combined machine tool designed in this paper is applied to practice.

Keywords: combination machine, three figure one card, Deutz engine, tappet hole

目录

摘要 1

第一章 绪论 6

1.1研究背景 6

1.2国内外现状 6

1.3 研究目的和意义 7

1.4课题研究的主要内容 7

第2章 挺杆孔的加工工艺分析 10

2.1 制定工艺方案 10

2.1.1道依茨发动机挺杆孔特点及加工要求 10

2.1.2组合机床工艺方案拟定 11

2.2工艺方案的选择 13

2.3方案实现: 14

2.4本章小结 14

第三章 组合机床总体设计 15

3.1 组合机床的“三图一卡”的绘制 15

3.1.1 挺杆孔加工工序图 15

3.1.2加工示意图 16

1.刀具选择 17

2.切削用量的计算 17

3.主轴与接杆 19

4.导向装置 20

5.活动钻模板 21

6.动力部件 21

7.工作总行程的确定 22

3.1.3 机床联系尺寸图 24

3.1.4 机床生产效率计算卡 24

3.2 专用部件设计 28

3.3工作循环图的设计 30

3.4 本章小结 31

第四章 有限元分析 33

4.1 麻花钻ansys分析 33

4.1.1 切削力和转矩分析 33

4.1.2 三维实体建模 34

5.1.3 单元的选取和网格划分 34

4.1.4 载荷施加 35

4.1.5 分析结果处理 36

4.2 斜立柱静力分析 38

4.2.1应力分析结果 38

4.2.2应变分析结果 39

4.3本章小结 39

第5章 总结与展望 40

5.1全文总结 40

5.2 展望 41

致谢 41

第一章 绪论

1.1研究背景

发动机作为汽车的绝对核心部件，其性能的好坏直接影响整辆汽车的使用效果。作为汽车的心脏，汽车发动机又分为传统发动机和新概念发动机，而新概念发动机即道依茨发动机。道依茨发动机气缸呈V字型分布，结构紧凑，曲轴带动推杆推动活塞在挺杆孔内运动，从而进行气缸的进气和排气。对于挺杆孔的位置和精度与活塞的配合直接影响到气缸的进气和排气过程，甚至对曲轴的运动造成直接影响，使得发动机出现噪音，故对挺杯孔的加工精度等要求较为严格^[1]。而传统的加工方法采用通用机床，钻、扩、铰三个工步在三台机床上加工，不仅效率低而且加工精度低。

组合机床是针对某一工件进行工序集中而专门设计的机床，主要是通过工件的工艺分析，然后决定机床的配置形式，确定工作行程和循环图，进行通用部件的选型，专用部件按加工工艺要求进行设计。随着我国GDP的增长，国强民富，对于汽车的需求越来越大，通过设计专用机床，不仅能够提高道依茨发动机的精度，还能提高生产效率，以满足我国乃至全世界的需求。而国产机床因组合机床具有研制周期短，经济效益高，加工精度高，配置灵活等优点广泛用于汽车，仪器仪表，军工，能源等行业^[2]-[5]。

1.2国内外现状

随着改革开放30多年以来，我国逐渐走向了工业化国家，我国机械制造业也在努力发展，机床制造业也开始与世界接轨。过去由于我国经济落后，技术难以发展以致于落后与欧美等发达国家，一直以来对于国外先进的设备依赖比较高，许多大型企业目前还是使用上个世纪70、80年代进口的机床，我国对于机床设备的制造精度技术要求还不能达到国外的水平。十二五以来，我国也在机床设备制造方面做出了努力。

随着各国数控技术的发展，组合机床的发展已经走向了全自动化，通过PLC编程精确控制机床运动。同时随着高速化的发展，国外的组合机床柔性化越来越高，通过组合机床的设计能够解决一大批相同类型的不同型号的产品的加工，提高机床的适应率。国外对于机床模块化研究已经比较成熟，建立了组合机床设计模块库，提高通用部件的使用成果，研制了很多适用度很高的专用部件。近十几年来, 国外大力从事于创造精度高、效率高、重量轻的小型组合机床。小型动力头的功率最小到0.08 ~ 0.5千瓦。为了适应多种材料加工,切削用量的可调幅度较大,主轴转速最高达到240转 /分。动力头的传动方式有机械、气动、气动液压和液压几种 。随着网络化，工厂管理更为方便，组合机床的加工程序可以通过远程连接进行控制，通过传感器将数据传到远方，今后，即使操作人员不在机床旁边，也能对机床进行操作。

我国组合机床发展，起步晚，发展速度比较快。我国组合机床在加工精度和效率柔性上与外国还有一定的差距，所以分析、研究组台机床生产线，学习国外组合机床设计制造的先进经验和技术，拓宽我国组合机床设计制造业思路，通过soliworks、UG等等三维软件进行模型建立，通过ansys进行力学分析，以及PLC可编程控制等等二次开发，提高我国在机床设备方面的制造水平，这些对我国组合机床发展有很大的帮助^[6]-[10]。

1.3 研究目的和意义

对于传统的挺杆孔的加工工艺，通过钻孔之后进行扩孔，最后进行一道铰孔工序，由于三道工序分开进行加工，会出现重复定位，导致铰孔时不能消除钻孔的形位误差。近年来，也有部分厂家采用枪钻-枪铰，尽管加工精度较高，但成本太大。

本文通过对道依茨发动机挺杆孔进行工艺分析比较，将传统的三道工序集中到一台专用机床上，通过转塔动力头进行工序切换，提高生产效率的同时降低生产成本，还能解决重复定位产生的误差，提高了加工精度；细长刀具一旦钻偏，必然导致钻头刀具折断，因此设计专用活动钻模板以及专用导套伸进气缸的腔体，提高导向精度从而保证细长刀具的定位精度和刚度不足问题。最后通过ansys静力学分析，确定加工时，麻花钻刀具满足加工时的强度刚度要求，以及设计的专用部件的强度刚度问题。设计出能够适用于4、6、8、10等不同型号气缸数的道依茨发动机，提高机床的柔性。

1.4课题研究的主要内容

本设计对象为道依茨发动机挺杆孔钻扩铰组合机床设计，使设计的机床能够加工出满足技术要求的挺杆孔。设计内容如下：

1. 了解道依茨发动机挺杆孔的技术要求，了解挺杆孔的形状尺寸以及与曲轴箱的位置关系，工件材料及硬度，设计加工方案，确定机床布局，通过方案比较确定最佳方案。
2. 初步绘制出三图一卡，计算出工艺参数，然后选择合理的通用部件，设计45度斜立柱专用部件，留出同组成员设计的多轴箱和钻模板和夹具的空间，在同组成员完成之后确定机床的三图一卡，并绘制出斜立柱的二维图纸。
3. 针对细长刀具的刚性不足，斜立柱设计中可能出现的局部刚度问题，进行soliworks三维建模和ansys有限元分析，并对结果进行优化。

第2章 挺杆孔的加工工艺分析

2.1 制定工艺方案

在组合机床设计的过程中，首先要对挺杆孔的加工工艺进行分析，明确加工对象和加工要求，才能确定需要设计的机床结构配型以及加工特点。 因此在设计组合机床之前，我们首先应该全面分析道依茨发动机的结构特点、加工精度要求、材料硬度等等一些列要素，查阅国外相关技术资料以及综合考虑零件加工的精度要求，根据所需的生产纲领以及加工环境等因素，选择定位基准和夹压部位并优选定位夹紧方案，拟定加工工序和各工序选用的刀具和切削用量，机床怕配置置形式，最终制定合理的挺杆孔加工工艺^[21]。

2.1.1道依茨发动机挺杆孔特点及加工要求

本文设计的组合机床主要是针对道依茨发动机V4、V6、V8挺杆孔等系列产品，如图2-1所示，道依茨发动机箱体材料为HT300，查阅有关资料可以粗略计算出材料布氏硬度取值在161 ~241HBS^[1]。