柴油發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄專用銑床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)含4張CAD圖.zip
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附錄 1
銑削加工中液壓工件夾緊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析
POTIOMKIN Konrad 1,a, NIESZPOREK Tadeusz2,b, PIOTROWSKI
Andrzej 2,c
and BORAL Piotr 2,d
1Linex Sp. z o.o. ul. Rejtana 15, 42-202 Cz?stochowa, Poland
2Cz?stochowa University of Technology, Armii Krajowej 21, 42-200 Cz?stochowa,
Poland
ak.potiomkin@gmail.com, btadek@itm.pcz.czest.pl, capiotr@itm.pcz.czest.pl, dpiotrek@itm.pcz.czest.pl,
關(guān)鍵字：夾緊系統(tǒng)，鑄造，銑削，數(shù)控銑床
摘要.現(xiàn)代工業(yè)的要求越來越高，有助于機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，也有助于特種夾具的使用。本文結(jié)合實(shí)例，論述了在現(xiàn)代數(shù)控銑床上對(duì)四件鑄件進(jìn)行液壓夾緊專用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析過程?？紤]到不同的解決方案，制定問題的可能性，兩個(gè)夾緊系統(tǒng)的概念，提出了他們的比較。
介紹
多軸現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床在減法制造過程中得到越來越廣泛的應(yīng)用，特別是在飛機(jī)、汽車和電力工業(yè)中。工業(yè)的快速發(fā)展和高要求，促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床、刀具和工程設(shè)備的發(fā)展。例如，設(shè)計(jì)了帶有兩個(gè)工具支架的多用途雙軸機(jī)床，其目的是使旋轉(zhuǎn)和銑削操作和在一臺(tái)機(jī)床上加工的零件按照“一”概念“1”完成。
現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床具有高性能和高精度的特點(diǎn)。在車削加工的情況下，棒料給料機(jī)，而在使用銑削中心的情況下，使用雙工作臺(tái)，以盡量減少加工工件的準(zhǔn)備時(shí)間。在批量和中等批量生產(chǎn)中，越來越多的特殊系統(tǒng)被用來夾緊機(jī)床上的一系列工件，這些工件夾緊依靠動(dòng)力液壓系統(tǒng)。自動(dòng)液壓夾緊系統(tǒng)能夠快速、具體和安全地夾緊工件，提高加工的生產(chǎn)效率、精度和可重復(fù)性[ 1,2 ]。為了降低設(shè)備改造的成本和設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的解決方案，在設(shè)計(jì)階段，通過對(duì)所采用的溶液的功能進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆治?，在特殊的夾緊系統(tǒng)之前進(jìn)行生產(chǎn)。本文介紹了一個(gè)用于夾緊幾個(gè)工件在數(shù)控銑床加工中心系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)過程中，對(duì)兩種不同概念的夾持相同的工件的例子[1-4]。
夾緊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)介紹
工件和夾緊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是使用用于零件設(shè)計(jì)和裝配模塊的 Autodesk 發(fā)明家軟件程序。圖 1 顯示了一個(gè)工程圖紙和一個(gè)工件的三維模型。這是作為鑄造材料
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ASTM A-48–60 級(jí)，質(zhì)量為 0.544 公斤。它是假定采用液壓夾緊工件 4 通過一個(gè)單一的夾具在五軸機(jī)床上加工。雖然是由工件的形式?jīng)Q定的，但夾緊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于每個(gè)工件都有各自的性質(zhì)。因此，它是假設(shè)兩個(gè)不同的加工工件的夾緊系統(tǒng)被視為概念。
圖一、工件的二維繪圖與三維模型
選擇合適的參數(shù)是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)階段，因?yàn)閷?duì)于一個(gè)給定的工件來說它會(huì)影響整個(gè)工藝過程。首次進(jìn)行基準(zhǔn)的選擇直接決定了第一個(gè)加工表面的位置，間接的影響剩余面位置。初始基準(zhǔn)的選擇問題的反映工件的復(fù)雜程度；因此，對(duì)于復(fù)雜形狀的工件，如作為一個(gè)幾何形狀復(fù)雜的鑄件，材料的選擇可能是困難的。在許多情況下有必要采取措施和云掃描工件表面點(diǎn)，將基準(zhǔn)面（曲率）精確定義[ 3,4 ]。
將工件安裝在機(jī)床空間中作為必要條件，以便能夠加工特定的曲面。與機(jī)床加工的工件的連接可以是直接的也可以是間接的[ 4 ]。除了定位元件外，夾緊系統(tǒng)還要具有固定元件。正確夾緊工件的前提是對(duì)工件的定位在加工過程中的不變性。這就要求工件夾緊需要足夠大的力來抵消切削力，但不能引起工件的變形。夾緊力過小會(huì)在加工過程中產(chǎn)生振動(dòng)，從而導(dǎo)致加工表面粗糙度的增加，甚至影響成形尺寸的變化。在極端情況下，夾緊力不足，可能導(dǎo)致工件從夾具中掉落并損壞機(jī)器。反之，使用過大的夾緊力，可能會(huì)導(dǎo)致工件的永久變形，在極端情況下，甚至其損壞工件[ 3-5 ]。
概念設(shè)計(jì)的準(zhǔn)備
所提出的設(shè)計(jì)應(yīng)明確固定，定位和支持的表面，以及突出液壓系統(tǒng)的復(fù)雜性，這是整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行所必需的。現(xiàn)在我們來描述一下四個(gè)提出的概念中的兩個(gè)。
概念一
液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：雙邊操作伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度初步設(shè)置為 90°；液壓支架或單側(cè)運(yùn)行伺服電機(jī)；單向固定液壓泵；安全閥；溢流閥；順序閥；2 減壓閥（用于設(shè)置適當(dāng)?shù)娜肟趬毫Φ囊簤核欧姍C(jī)）；過濾器；排氣閥；水箱。
介質(zhì)通過泵輸送到液壓系統(tǒng)，然后通過順序閥將其分布在兩個(gè)循環(huán)中。打開液壓伺服馬達(dá)。一旦液壓支架達(dá)到其最終位置所需的壓力。在液壓支架和伺服電機(jī)系統(tǒng)中降低到所要求的水平。減壓閥（圖.2 和 3）。
圖.2 概念 1 中工件夾緊方式（操作 1）
圖.3 概念 1 中工件夾緊方式（操作 2）
概念 2（圖.4）
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液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：雙邊操作伺服電機(jī)初步設(shè)定旋轉(zhuǎn)角度 90°；單向固定液壓泵； 安全閥；溢流閥；順序閥；減壓閥（用于設(shè)置適當(dāng)?shù)娜肟趬毫Φ囊簤核欧姍C(jī)）； 過濾器；排氣閥；水箱。
介質(zhì)通過泵提供給系統(tǒng)，系統(tǒng)中的壓力由減壓閥降到所需的值，液壓伺服馬達(dá)上的夾緊力不會(huì)使工件永久變形。
圖.4 概念 2 中工件夾緊的方式最佳標(biāo)準(zhǔn)的解決方案的選擇
他選擇了最佳的解決方案，是根據(jù)上述概念建立的標(biāo)準(zhǔn)，提出了依靠動(dòng)力液壓系統(tǒng)的最重要的夾緊系統(tǒng)的特性。這些標(biāo)準(zhǔn)可以分為（表 1）：經(jīng)濟(jì)–標(biāo)準(zhǔn) K3、
K5；加工精度和加工時(shí)間的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)–K4；其他相關(guān)條件–K1，K2。
表一、概念的最佳解決方案的標(biāo)準(zhǔn)選擇
概念:
X
K1
K2
K3
K4
K5
Sum of Kn
1
2
K1
x
0,5
0,75
0,25
1
2,5
10
10
K2
0,5
x
0,75
0,5
1
2,75
8
8
K3
0,25
0,25
x
0
0
0,5
9
7
K4
0,75
0,5
1
x
0,75
3
9
7
K5
0
0
1
0,25
x
1,25
9
6
Sum
89,75
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K1 -運(yùn)算次數(shù)
K2 - 機(jī)械零件的數(shù)量
K3 -夾緊系統(tǒng)的價(jià)格
K4 - 細(xì)節(jié)的確定和建立方法
K5 - 液壓元件數(shù)
這是最好的解決方案，是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選擇的概念之一（圖.2 和 3）。但是，這種解決方案由于簡(jiǎn)化了概念模型而產(chǎn)生了較大的誤差。
為了消除誤差（概念二），操作數(shù)增加到兩個(gè)（為了獲得更穩(wěn)定的基準(zhǔn)面和定位面），并用固定支架代替部分液壓支架。
液壓伺服馬達(dá)對(duì)工件的影響分析及液壓系統(tǒng)工作壓力的選擇
為了確定液壓系統(tǒng)的工作壓力，對(duì)夾緊力對(duì)工件的影響進(jìn)行了分析。
圖.5 工件的網(wǎng)格視圖：a）夾緊一、b）夾緊二
分析是在 Autodesk 仿真機(jī)械執(zhí)行程序（算法）。液壓系統(tǒng)工作壓力的定義是通過驗(yàn)證工件中的位移和應(yīng)力來完成的。采用非線性材料的有限元分析，在實(shí)際情況下，材料、力和連接都可能具有非線性行為。
分析參數(shù)
工件的網(wǎng)格尺寸為 1.25 毫米用于夾持 1 號(hào)和 2.5 毫米的用于夾緊 2 號(hào)-見圖5。上述值分別比最薄的工件壁的尺寸小兩到四倍。對(duì)于剩余的組件，一個(gè)值自動(dòng)設(shè)置為 100%的大小。
夾緊力的大小在操作 1 號(hào)和 2 號(hào)時(shí)分別被設(shè)置為 1300N（施力的每個(gè)液壓伺服電機(jī)接線插入操作）和 2600N（力是直接應(yīng)用于伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)端）。對(duì)模型的結(jié)果在力的大小不同，即夾緊力的單端伺服電機(jī)產(chǎn)生等于 2600N，而采用雙提示的情況下，力分為每部分 1300N（ACC 做制造商的說明書）。對(duì)于 1 號(hào)操作，夾具是由兩個(gè)相鄰的伺服電機(jī)完成的，2 號(hào)操作是由一個(gè)集中在中央的伺服電機(jī)完成的。力作用方向與給定驅(qū)動(dòng)元件的作用方向一致。
圖.6 （a）和（b）的位移與應(yīng)力在一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)的關(guān)系圖（作業(yè) 1 號(hào)）
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圖.7 （a）和（b）的位移與應(yīng)力在一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)的關(guān)系圖（作業(yè) 2 號(hào)）
定位基準(zhǔn)的設(shè)定與力與液壓支架直接或間接夾緊有關(guān)。力方向與給定驅(qū)動(dòng)元件的動(dòng)作方向一致。力的值等于 1000N 和對(duì)斜楔機(jī)構(gòu)執(zhí)行尖端的液壓支架為
500N，結(jié)果由機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比。
對(duì)于表面接觸，進(jìn)行以下參數(shù)預(yù)設(shè)：接觸距離為平均 0.03 毫米，接觸相互
作用距離為平均 0.03 毫米，和滲透距離為 0.01 毫米。
仿真結(jié)果的位移和應(yīng)力發(fā)生在工件和負(fù)荷–圖 6 和圖 7 作用下的組件上。
夾緊系統(tǒng)設(shè)計(jì)
夾具系統(tǒng)的三維模型是在 Autodesk 發(fā)明家程序進(jìn)行部分設(shè)計(jì)和裝配模塊中創(chuàng)建的。最終的設(shè)計(jì)已經(jīng)考慮了從 multicriterial 選擇產(chǎn)生的所有變化，優(yōu)化和夾緊分析。
建立的項(xiàng)目包括：O 型圈；KVT 液壓插頭；液壓馬達(dá)；液壓支架；螺釘；非標(biāo)元件（固定支架、伺服電機(jī)伺服電機(jī)的凸耳，插入）；根據(jù)數(shù)控機(jī)床板的尺寸建立夾緊系統(tǒng)。
加工過程中工件受力的影響分析
在夾緊系統(tǒng)設(shè)計(jì)正確的情況下，工件在切削力作用下的位移不應(yīng)超過測(cè)量的工件的尺寸形狀精度。如果工件是在 IT5 精度級(jí)別，在加工中的裝夾工件位移應(yīng)包含在低精度等級(jí)的限制中。該值與編程加工路徑的誤差假設(shè)有關(guān)，并考慮影響因素，如外部振動(dòng)、切削刀片磨損、軋機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和校正設(shè)置。夾緊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須使它限制所有的自由度從工件的夾緊力到抵消產(chǎn)生的切削力，同時(shí)保正對(duì)工件不會(huì)永久變形[ 6,7 ]。
在分析之前，對(duì)主要的初始條件進(jìn)行界定，包括：加工工具–SANDVIK
（490-020ha06-08l）圓柱面銑刀；銑板–（690-100531m-e-sl 2040）葉片；加工參數(shù)（切削速度、進(jìn)給速度、加工層的寬度和深度）。
固定參數(shù)：數(shù)控機(jī)床參數(shù)（最大進(jìn)給速度、最大主軸轉(zhuǎn)速）、工件參數(shù)（材料、硬度、比電阻、加工比電阻系數(shù)）。
對(duì)于分析的目的，采用以下工藝參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速，7000 轉(zhuǎn)；進(jìn)給速度，500 毫米/分鐘；切削速度，439.8 毫米/分鐘= + / - 440 毫米/分鐘；切割寬度 1 毫米；切削深度 0.01 毫米；材料，ASTM A-48 級(jí) 60；硬度，300 HB；比電阻、1100 N/mm2；MC 系數(shù)，0.28。
每個(gè)刀片的進(jìn)給量是 6-8：
f t
f
z = (1a)
n zc
where: n – spindle rotational speed [rpm], ft – minute feed [mm/min], zc – number of mill blades.
圓柱的平均切屑厚度（2a）和面（2b）銑削[9,10]是：
hm = 360 sin κr ae f z h = 180 sin κr a e f z (2ab)
2a m
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π ? e
D
Dcap arccos 1 π Dcap arccos
cap
ae
D
cap
where: κr – tool clearance angle, Dcap – tool diameter[mm], ae – machined layer thickness [mm].
計(jì)算兩種情況下的比電阻：
? m
= k h
c c1.1 m
c (3)
其中：kc1.1 – 比電阻為 1mm2 –電阻率斷面加工層（從表），MC–加工特定
的阻力系數(shù)。
然后，在切削力公式中取代上述參數(shù)：
Fc = kc hm (4)
最后計(jì)算得圓柱銑削的切削力為 210 N 和面銑削力為 700 N。
較高的值，即 700 N，擴(kuò)大了安全系數(shù)等于 3 的面銑，用于分析。最后的結(jié)果是 2100N，安全系數(shù)的大小取決于使用過程中錯(cuò)誤發(fā)生的可能性，如：磨加工中的夾具之間的碰撞，加工參數(shù)不正確不正確的定義，在機(jī)床空間系統(tǒng)的安裝， 對(duì)加工路徑的錯(cuò)誤編程，程序錯(cuò)誤，錯(cuò)誤在機(jī)床夾具的安裝。
作業(yè)編號(hào)1 和2 的時(shí)間曲線產(chǎn)生了三種不同的情況是由于切削力發(fā)生在切削刃與工件表面接觸時(shí)間的不同，即：切削力對(duì)個(gè)別葉片有鋸齒時(shí)間行為（三角波）
–測(cè)試 1；切削力對(duì)單個(gè)葉片沒有鋸齒時(shí)間行為（三角波）–測(cè)試 2；切削力對(duì)單個(gè)葉片的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)（梯形信號(hào)）–測(cè)試 3。
圖.8 在操作 2 中代表切削力應(yīng)用的方向和位置的三維模型：a）在操作 1
中、b）在操作 2 中。
切削力進(jìn)行的方式如圖 8 所示的操作 1 和 2。
參考點(diǎn)，基于位移的結(jié)果，被加工表面的位置，最大位移發(fā)生在與工件表面接觸的位置伺服電機(jī)的提示，以驗(yàn)證是否產(chǎn)生的切削力不大于夾緊力的目的。
圖.9 總位移與時(shí)間的函數(shù)圖像測(cè)試 1（操作 1）
根據(jù)上述參考點(diǎn)所做的分析處理的結(jié)果用圖表示。9, 10, 11 操作 1 和圖 12
中的第 2 號(hào)操作。
圖.10 總位移與時(shí)間的函數(shù)圖像測(cè)試 2（操作 1）
通過分析表明，夾緊力和工件固定在工件上的力足以滿足預(yù)先設(shè)定的切削參數(shù)和在此基礎(chǔ)上計(jì)算的切削力。
圖.11 總位移與時(shí)間的函數(shù)圖像測(cè)試 3（操作 1）
總結(jié)
一個(gè)依靠液壓夾緊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，同時(shí)也包含對(duì)氣動(dòng)和電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這是一個(gè)多線程的、復(fù)雜的過程，這就需要在加工工程領(lǐng)域的知識(shí)，力學(xué)，材料力學(xué)，以及數(shù)控機(jī)床的工程設(shè)備的設(shè)計(jì)。在上述系統(tǒng)需要定義初始規(guī)范，所以我們很好地反映后續(xù)加工工藝設(shè)計(jì)在機(jī)床的加工空間合理的初始條件和工件的位置的選擇和定義，因此，設(shè)置的結(jié)構(gòu)、加工、裝夾固定基準(zhǔn)，使任何設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤都是很少的。
圖.12 總位移與時(shí)間的函數(shù)圖像測(cè)試 3（操作 2）
對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行正確的分析是必須的，并且不會(huì)造成任何不良的影響，例如機(jī)器的損壞。設(shè)計(jì)中一個(gè)有爭(zhēng)議的問題是工件幾何形狀和工件材料的復(fù)雜性，因?yàn)檫@種系統(tǒng)最常用于加工鑄件，因?yàn)殍T件具有高粗糙度和大的鑄造角。一個(gè)夾緊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，如上面所描述的，是很類似于注塑模具的設(shè)計(jì)過程的。
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