柴油發(fā)動機(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,以盡量減少加工工件的準(zhǔn)備時間。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力液壓系統(tǒng)。自動液壓夾緊系統(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)錯誤的解決方案,在設(shè)計(jì)階段,通過對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)。本文介紹了一個用于夾緊幾個工件在數(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 顯示了一個工程圖紙和一個工件的三維模型。這是作為鑄造材料
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ASTM A-48–60 級,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)對于每個工件都有各自的性質(zhì)。因此,它是假設(shè)兩個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)是一個重要的設(shè)計(jì)階段,因?yàn)閷τ谝粋€給定的工件來說它會影響整個工藝過程。首次進(jìn)行基準(zhǔn)的選擇直接決定了第一個加工表面的位置,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,對于復(fù)雜形狀的工件,如作為一個幾何形狀復(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。夾緊力過小會在加工過程中產(chǎn)生振動,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,這是整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行所必需的?,F(xiàn)在我們來描述一下四個提出的概念中的兩個。
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(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,對夾緊力對工件的影響進(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 號和 2.5 毫米的用于夾緊 2 號-見圖5。上述值分別比最薄的工件壁的尺寸小兩到四倍。對于剩余的組件,一個值自動設(shè)置為 100%的大小。
夾緊力的大小在操作 1 號和 2 號時分別被設(shè)置為 1300N(施力的每個液壓伺服電機(jī)接線插入操作)和 2600N(力是直接應(yīng)用于伺服電機(jī)驅(qū)動端)。對模型的結(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)。對于 1 號操作,夾具是由兩個相鄰的伺服電機(jī)完成的,2 號操作是由一個集中在中央的伺服電機(jī)完成的。力作用方向與給定驅(qū)動元件的作用方向一致。
圖.6 (a)和(b)的位移與應(yīng)力在一個單位時間內(nèi)的關(guān)系圖(作業(yè) 1 號)
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圖.7 (a)和(b)的位移與應(yīng)力在一個單位時間內(nèi)的關(guān)系圖(作業(yè) 2 號)
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)動元件的動作方向一致。力的值等于 1000N 和對斜楔機(jī)構(gòu)執(zhí)行尖端的液壓支架為
500N,結(jié)果由機(jī)構(gòu)的傳動比。
對于表面接觸,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)超過測量的工件的尺寸形狀精度。如果工件是在 IT5 精度級別,在加工中的裝夾工件位移應(yīng)包含在低精度等級的限制中。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、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,同時保正對工件不會永久變形[ 6,7 ]。
在分析之前,對主要的初始條件進(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 60;硬度,300 HB;比電阻、1100 N/mm2;MC 系數(shù),0.28。
每個刀片的進(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, 對加工路徑的錯誤編程,程序錯誤,錯誤在機(jī)床夾具的安裝。
作業(yè)編號1 和2 的時間曲線產(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間的不同,即:切削力對個別葉片有鋸齒時間行為(三角波)
–測試 1;切削力對單個葉片沒有鋸齒時間行為(三角波)–測試 2;切削力對單個葉片的持續(xù)時間較長(梯形信號)–測試 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 總位移與時間的函數(shù)圖像測試 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 號操作。
圖.10 總位移與時間的函數(shù)圖像測試 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 總位移與時間的函數(shù)圖像測試 3(操作 1)
總結(jié)
一個依靠液壓夾緊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程,同時也包含對氣動和電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì),這是一個多線程的、復(fù)雜的過程,這就需要在加工工程領(lǐng)域的知識,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)過程中的錯誤都是很少的。
圖.12 總位移與時間的函數(shù)圖像測試 3(操作 2)
對系統(tǒng)進(jìn)行正確的分析是必須的,并且不會造成任何不良的影響,例如機(jī)器的損壞。設(shè)計(jì)中一個有爭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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附錄 2
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