86 半精镗及精镗气缸盖导管孔组合机床设计(夹具设计)

1 半精镗及精镗气缸盖导管孔组合机床设计（夹具设计）

1 前 言

本设计的课题是气缸盖半精镗、精镗组合机床及夹具设计。这个课题来源于江

苏高精机电装备有限公司，是针对该公司对气缸盖半精镗，精镗组合机床加工，其

工作效率和精度不高而设计的。主要是为了适合流水线生产，提高目前的生产效率、

加工精度，从而降低加工成本。

组合机床一般都由支承部件（床身、立柱、底座和中间底座）、动力部件（动力

滑台和主轴头、动力头）、工件定位夹压和运送部件（夹具、回转工作台、移动工作

台、鼓轮等）和控制部件（电气柜、液压站、操纵台等）组成。组合机床是根据工

件加工的需要，以大量的通用部件为基础，配以少量的专用部件组成的一种高效的

专用机床。组合机床一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方法，

生产效率比通用机床高几倍到几十倍。由于通用部件已经标准化和系列化，可根据

需要灵活配置，能缩短设计和制造周期。因此，组合机床有低成本和高效率的优点，

在大批、大量生产中得到广泛运用，并可用来组成自动生产线。多年来机械产品加

工中广泛的采用万能机床，但是随着生产的发展，很多企业的产品的产量越来越大，

精度越来越高，采用万能机床加工已经不能很好的满足要求。理所当然，生产着用

机床可以提高生产效率和加工精度。在组合机床设计过程中，为了降低组合机床的

制造成本，应尽可能的使用通用件和标准件。目前，我国设计制造的组合机床，其

通用部件和标准件约占零件总数的70—80%，其它20—30%是专用零件。

在进行组合机床的夹具设计时，首先需要对被加工零件孔的分布情况及所要达

到的要求进行分析，如各部件尺寸、材料、形状、硬度及加工精度和表面粗糙度等

内容。然后还要深入基层进行实地观察，摸索夹具的工作原理，体会组合机床的优

点。通过认真阅读研究15040081型气缸盖的零件图，了解其材料、硬度、重量等，

对内侧面进行半精镗和精镗排气空和进起孔。接下来是总体方案的设计，总体方案

设计的具体工作是编制“三图一卡” ，即绘制被加工的零件图，加工的示意图，机床

联系尺寸图，编制生产率计算卡。最后，就是技术设计和工作设计。技术设计就是

根据总体设计已经确定的三图一卡，设计夹具等专用部件正式总图；工作设计就是

绘制各个专用部件的图样，编制各零件的明细表。

设计的整个过程是艰辛的，在设计过程中必须要考虑到方方面面的问题。由于

所学的知识的有限，因此在设计过程中查阅了大量的相关资料，以补充自己的不足

之处。

首先，要有丰富的实践经验。整个设计，仅靠一些参考资料是远远不够的。因

此，在设计工作开始前，特地到江淮动力股份有限公司、盐城红旗机床厂、高精机

电装备有限公司等进行了实地的参观考察，积累了一些宝贵经验。

其次，运用四年来所学的专业知识，针对现实中遇到的实际情况，做到举一反

三，触类旁同。整个设计过程不仅涉及到以前所学的知识，而且还设计到新的理念，

所以我在设计过程中一边温习以前所学的知识，一边学习新的知识，这样拓宽了我

的视眼。

第三，通过自身的努力，结合理论和实际，从合理性、经济性、工艺性、实用

性及其对被加工零件的具体要求对现有机床进行研究分析，找出可以进行改进的地

方，通过相互对比，确定一个新的，周全的设计方案。在指导老师吴进老师的悉心

指导下，在同课题组三位同学相互讨论学习和帮助下，经过两个月的艰辛劳动，终

于完成了这一设计课题。

3 2 组合机床工艺方案的拟订

工艺方案的拟订是组合机床设计的关键一步。工艺方案制定的正确与否是在很

大程度上决定了组合机床的结构配置和使用性能。因此，应根据工件的形状和加工

要求的特点， 加工部位、尺寸精度、表面粗糙度和技术要求及生产率要求等，按一

定的原则，结合组合机床常用的工艺方法，充分考虑到各种因素，并经技术经济分

析后拟订出先进、合理、经济、可靠的工艺方案。选择工艺基面和定位方式是制定

工艺方案的关键所在。

2.1 被加工零件的加工工序和加工精度

由于本机床是用于对气缸盖导管孔进行半精镗和精镗加工，根据先粗后精，工

序集中原则，现对气缸盖导管孔加工的工艺路线设计如下:

工序1(半精镗) Ⅰ工位:枪铰排气导管孔(刀具直径为Φ14.8mm)， 镗排气阀座

孔(刀具直径为Φ47.8mm)，加工精度为H8；

Ⅱ工位:枪铰进气导管孔(刀具直径为Φ14.8mm)， 镗进气阀座

孔(刀具直径为Φ44.8mm)，加工精度为H8。

工序2(精镗) Ⅰ工位:枪铰排气导管孔(刀具直径为Φ15mm)， 镗排气阀座孔

(刀具直径为Φ48mm)，加工精度为H7；

Ⅱ工位:枪铰进气导管孔(刀具直径为Φ15mm)， 镗进气阀座孔

(刀具直径为Φ45mm)，加工精度为H7。

2.2被加工零件的特点

气缸盖的材料为HT250；

硬度为150-225HBS；

生产纲领为年产量5万件，单班制；

在本工序前各主要表面已加工完毕。

3 组合机床配置型式选择

组合机床有大型和小型，又可分为卧式，立式两种，根据配置形式还可分为单工

位和多工位。配置方案不同对机床的复杂程度，通用化程度，结构工艺性，加工精

度，机床重新调整的可能性等都有不同的影响。在本工序中要求加工同轴的两个孔，

因此采用卧式布置，为了提高生产效率，降低设计成本。机床采用卧式，其优点是

加工和装配工艺性好，无漏油现象；同时，安装、调试与运输也都比较方便；而且，

机床重心较低，有利于减小振动。其缺点是削弱了床身的刚性，占地面积大。本机

床采用了单滑台双动力头结构，考虑到相关联的机床夹具结构的统一性，采用固定

式夹具.由于在加工过程中要实现大范围的调速，因此采用伺服滑台来满足这个要

求。其具有如下特点:可自动变换进给速度和工作循环，可在较宽的范围实现位控，

执行零件加工的数控程序.由此，根据已定的工艺方案和机床配置形式，确定机床为

卧式单面双工位数控传动的组合机床，伺服滑台实现工作进给运动，设计配套的动

力箱。

图

3-1 组合机床配置型式图

5 4 组合机床总体设计

4.1 被加工零件工序图

被加工零件工序图是根据制定的工艺方案，表示所设计的组合机床(或自动线)

上完成的工艺内容，加工部位的尺寸精度，表面粗糙度及技术要求，加工用的定位

基准，夹压部件以及被加工零件的材料，硬度和本机床的前加工余量，毛坯或半成

品情况的图样。除了设计研制合同外，它是组合机床设计的具体依据，也是制造，

使用，调整和检验机床精度的重要文件 ，是在被加工零件图基础上，突出本机床的

加工内容，并作必要的说明而绘制的。为使被加工零件工序图表达清晰明了，突出

本工序内容，绘制时规定：应按一定的比例，绘制足够的视图以剖面；本工序加工

部位用粗实线表示，保证的加工部位尺寸及位置尺寸数值下方画“—”粗实线，其

余部位用细实线表示。

本机床加工时是采用的一面两销定位方式，一面是气缸盖的内侧面，两销分别

是一圆柱销一菱形销。它共限制六个自由度，可以达到定位效果，因此可以保证所

需要的加工精度。绘制的被加工零件工序图如图4­1、4­2所示。

图中符号 ­­­夹紧位置 ­­定位基准

图 4-1

半精镗加工零件工序图

图 4-2 精镗加工零件工序图

4.2 加工示意图

加工示意图是在工艺方案和机床总体方案初步确定的基础上绘制的，是表达工

艺方案具体内容的机床工艺方案图，它是设计刀具、辅具、夹具、多轴箱、电气系

统以及选择动力部件，绘制机床总体联系尺寸图的主要依据；是对机床总体布局和

性能的原始要求；也是调整机床和刀具所必需的重要技术文件。

图 4-3

半精镗加工零件示意图

7 图 4-4 精镗加工零件示意图

4.2.1 刀具的选择

选择刀具应考虑工件材料，加工精度，表面粗糙度，排屑及生产率等要求，只

要条件允许应尽量选用标准刀具。

孔加工刀具（钻、扩、铰等）的直径应与加工部位尺寸，精度相适应，其长度

应保证加工终了时刀具螺旋槽尾端离导向套外端面30-50mm， 以利排屑和刀具磨损后

有一定向前调整量。刀具锥柄插入接杆孔内长度，在绘制加工示意图是应注意从刀

具总长中减去。根据以上条件选择硬质合金刀具。刀具是由镗孔刀和枪铰刀组成的

复合刀具。

半精加工中时，镗杆直径选择Φ40mm，铰杆直径选择Φ12mm 。在加工硬度较高

的铸铁时，为提高刀具使用寿命，宜采用多刃镗刀头。本机床采用四刃镗刀头。由

于在切削力的作用下，刀体上两个导向块与刀齿圆柱校准部分的圆柱刃带确定一个

圆，因此采用双导向块已能满足圆周导向的要求。但由于来自外部的干扰，有时会

使双导向块丧失平衡，从而引起加工误差，所以有时单刃铰刀也采用三个导向块。

通过第三个导向块使铰刀切削部分的整个圆周方向上都具有很大的刚度，从而提高

了平衡稳定性和加工经济度。综合上述条件，铰刀采用焊接式单刃双导向条铰刀。

精加工时，镗刀采用德国MAPAL公司的精密刀具，铰刀采用机械夹固式铰刀，精

度较半精加工稍高。

4.2.2 组合机床切削用量的选择

查文献资料[9]表 4-1 孔加工常用工序间余量 加工工序 加工孔径 直径上工序间余量 铰孔 Φ10～Φ20 0.10～0.20 半精镗 Φ10～Φ20 0.7～1.2 精镗 Φ30～Φ130 0.25～0.40 

得镗孔的切削余量为：

半精加工：阀座孔ap=0.4mm，导管孔ap=0.1mm；

精加工：阀座孔ap=0.1mm，导管孔ap=0.1mm；

查文献资料[9] 表 4-2 镗孔切削用量

工序 刀具材料 铸铁 v(mm/min) f(mm/r) 

半精镗 硬质合金 50～70 0.15～0.45 精镗 硬质合金 70～90 H 级 0.12～0.15 

得镗孔的切削用量为：

半精加工：f=0.15 mm/r；

精加工： f=0.15 mm/r；

切削速度的计算：

Vc= 1000 dn p （4-1）

Vc—切削速度，单位为m/min 。

a.半精加工(排气)

①枪铰Φ14.8mm导管孔

由表4-2得，选择f=0.15mm/r，n=1500r/min

由公式（4-1）得 Vc=3.14×14.8×1500/1000=69.7m/min

②镗Φ47.8mm阀座孔

由表4-2得，选择f=0.15mm/r，n=466r/min

由公式（4-1）得 Vc=3.14×47.8×466/1000=70m/min

半精加工(进气)

①枪铰Φ14.8mm导管孔

由表4-2得，选择f=0.15mm/r，n=1500r/min

由公式（4-1）得 Vc=3.14×14.8×1500/1000=69.7m/min

②镗Φ44.8mm阀座孔

由表4-2得，选择f=0.15mm/r，n=466r/min

由公式（4-1）得 Vc=3.14×44.8×466/1000=65.6m/min

b.精加工(排气)

①枪铰Φ15mm导管孔

由表4-2得，选择f=0.15mm/r，n=1500r/min

由公式（4-1）得 Vc=3.14×15×1500/1000=70.7m/min

②镗Φ48mm阀座孔