组合机床
组合机床(Aggregate Machine Tool)
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什么是组合机床[1]
组合机床是由大量的通用部件和少量的专用部件组成的工序集中的高效率专用机床。它能够对一种(或几种)零件进行多刀、多轴、多面、多工位加工。在组合机床上可以完成钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、攻丝、车削、铣削、磨削及滚压等工序，生产效率高，加工精度稳定。
组合机床的特点[1]
(1)组合机床上的通用部件和标准零件约占全部机床零、部件总量的70％～80％，因此设计和制造的周期短，投资少，经济效益好。
(2)由于组合机床采用多刀加工，并且自动化程度高，因而比通用机床生产效率高，产品质量稳定，劳动强度低。
(3)组合机床的通用部件是经过周密设计和长期生产实践检验的，又有专门厂成批制造，因此结构稳定、工作可靠，使用和维修方便。
(4)在组合机床上加工零件时，由于采用专用夹具、刀具和导向装置等，加工质量靠工艺装备保证，对操作工人的技术水平要求不高。
(5)当被加工产品更新时，采用其他类型的专用机床时，其大部分部件要报废。用组合机床时，其通用部件和标准零件可以重复利用，不必另行设计和制造。
(6)组合机床易于连成组合机床自动线，以适应大规模的生产需要。
组合机床通用部件的分类[1]
(1)动力部件
动力部件是传递动力实现进给运动或主运动的部件，是通用部件中的主要部件，其他部件是以动力部件为基础来配套选用的。动力部件的结构和性能基本上决定了组合机床的使用性能。
在我国组合机床通用部件的新标准中，已经取消了机械动力头和液压动力头，而是以动力滑台为基础组成的动力部件。动力部件包括液压滑台、机械滑台、动力箱、铣削头、镗削头、钻头、液压镗孔车端面头等等。由滑台实现进给运动，在滑台上再安装一个实现刀具主运动的通用动力箱。动力箱前端安装一个专用的多轴箱，用来完成钻、扩、铰、镗、锪窝、倒角、攻丝等工序。动力滑台上还可以安装铣削头、镗削头、镗孔车端面头等。
(2)支承部件
支承部件是组合机床的基础部件，用于支承和连接机床所有部件，由它们组成一定的组合机床，并使这些部件在工作时保持准确的相对位置。
支承部件包括侧底座(侧底座上面安装的是作水平方向进给运动的动力部件)、立柱(安装在立柱上的动力部件是作竖直方向进给运动的)、立柱底座、中间底座(在它上面安装夹具部件)等。侧底座、立柱底座和中间底座之间用键定位，但也允许用锥销定位。
(3)输送部件
输送部件用于完成夹具和工件的移位或转位，包括回转工作台和移动工作台等。在多工位组合机床上必须应用这种输送部件。输送部件的分度和定位精度直接影响多工位组合机床
输送部件用于完成夹具和工件的移位或转位，包括回转工作台和移动工作台等。在多工位组合机床上必须应用这种输送部件。输送部件的分度和定位精度直接影响多工位组合机床的加工精度。
(4)控制部件
控制部件用于控制组合机床，使组合机床按预定的程序完成工作循环。控制部件包括各种液压元件、操纵板、控制挡铁及按钮等。
(5)辅助部件
辅助部件包括用于自动夹紧工件的气动装置、液压装置、机械扳手，以及冷却、润滑、排屑等装置。
组合机床的通用部件按其功率大小分为大型和小型两大类。大型通用部件是指电动机功率为1．5～30 kW的动力部件及配套部件。小型通用部件是指电动机功率为0．1～2．2 kW的动力部件及配套部件。
组合机床的通用部件，绝大多数已有国家标准，并按标准所规定的名义尺寸、主参数、互换尺寸等定型，各种通用部件之间有配套关系。这样，用户可根据被加工零件的尺寸、形状和技术要求等，选用通用部件，组成不同形式的组合机床，以满足生产的需要。
组合机床的配置及工艺范围[1]
组合机床的形式很多，根据工件的不同加工要求，采用各种结构的通用部件，就可以灵活地组成各种不同配置(布局)形式的组合机床。按照配置形式，组合机床可分为单工位组合机床和多工位组合机床两大类。
单工位组合机床的特点是，工件只能在一个工位上进行加工，通常是用于加工一个或两个工件，特别适用于大、中型箱体件的加工。根据被加工工件的表面情况，单工位组合机床又有单面加工、双面加工、三面加工和四面加工等几种。
卧式配置的组合机床，动力部件是沿水平方向运动的，这种组合机床多用于加工孔中心线与定位基准面平行而又需要由一面或几面同时加工的箱体件。动力部件沿竖直方向上下运动的配置形式，称为立式组合机床。立式组合机床适合加工定位基准面是水平的，而加工的孔与基准面相垂直的工件。同时配置有沿水平方向和竖直方向运动动力部件的机床，称为复合式配置的组合机床。倾斜配置形式的组合机床主要用于加工倾斜表面。
多工位组合机床的特点是，工件能在几个工位上进行加工。需要多部位加工的中、小零件常用一台多工位组合机床完成工件的全部工序。由于多工位机床的工序集中程度和生产效率高，所以常常用于大批、大量生产中。在多工位组合机床上工件工位的变换，有用人工换装和机动变位两种方式。
组合机床已经在汽车、柴油机、电机、仪表、航空、冶金等行业得到了广泛的使用，组合机床最适宜于大批、大量生产部门，但在一些中、小批生产部门也已开始推广使用。组合机床最适合于加工壳体类零件，如气缸体、气缸盖、变速箱体、机座等。这些零件从平面到孔的全部加工工序都可以由组合机床来完成。
组合机床可完成的工艺有铣平面、刮平面、车端面、钻孔、扩孔、镗孔、铰孔、攻丝、倒角、锪窝、钻深孔、切槽等。随着综合自动技术的发展，组合机床可完成的工艺范围也在不断扩大，除了上述工艺外，还可完成车外圆、车锥面、车弧面、切削内外螺纹、滚压孔、拉削内外圆柱面和平面、磨削、抛光、珩磨，甚至还可以进行冲压、焊接、热处理、装配、自动测量和检查等。
组合机床的设计[2]
一、组合机床的设计特点
由于组合机床是由大量通用零、部件和少量专用零、部第一节组合机床设计步骤一、组合机床的设计特点由于组合机床是由大量通用零、部件和少量专用零、部件组成的专用机床，因此，它的设计具有如下特点：
1)组合机床设计时必须首先确定加工产品的生产类型，以便根据不同的生产类型选择合理的组合机床的配置形式。因为在制造组合机床过程中，有些通用零、部件要经过补充加工，专用件、夹具及刀具随产品而有所不同。变更产品的加工要求或尺寸以及变更产品本身，常常会使整台组合机床要重新调整，或必须进行重新的设计和制造。
2)组合机床的设计与产品的加工工艺有非常密切的联系，因此，在设计组合机床前，一定要做好调查研究，在总结经验的基础上来决定被加工产品的工艺过程、加工方法、定位夹紧方法等。因为组合机床设计的先进性与可靠性，除了与机床本身的结构有关外，在很大程度上决定于工艺方案的先进性与可靠性。
3)在选择通用部件和进行专用件的设计时，应坚持尽最大可能采用通用件的原则，这对于加快组合机床设计和制造速度有决定性的意义。当通用件不能满足机床工作要求时，才设计专用件。而这种专用件也应该考虑尽可能与通用件接近(结构、形式、尺寸等)，以便简化设计和制造工作，提高零件的通用化程度。
4)组合机床的加工精度在相当大的程度上是依靠组合机床零、部件的安装调整精度来保证的，因此，在设计时，应考虑装配调整的可靠与方便。
5)对于自动线上用的组合机床，应该把组合机床自动线看成一个有机的整体，从设计一开始就考虑自动线的总体、自动运输装置及其与机床夹具之间的联系以及自动线上其他辅助装置的安排等问题。在整个设计过程中，机床设计和自动线运输装置和其他辅助装置的设计可以平行交叉进行，但机床和夹具设计需服从自动线总体设计的需要。
二、组合机床的设计步骤
1．调查在明确设计任务之后，应该进行下列工作：
1)了解被加工零件在机器中的作用，工件的加工部位、技术要求、装配关系及其生产纲领。
2)深入现场。详细了解相同类型的产品和生产规模，基本相近的被加工零件的整个工艺过程。其中包括机床、夹具、刀具和其他附属结构和性能；工件的定位基面和夹压点；切削用量、加工余量及刀具寿命所能达到的精度和光洁度；毛坯分型面、飞边等情况；产生废品的原因；自动化的可靠程度；电气、液压设备的工作情况；自动线的运输装置和其他辅助设备的结构工作情况等，并听取操作工人的经验和改进意见。
3)了解生产厂的制造能力及技术水平。
4)了解使用厂的技术水平，如：能否制造和修理液压设备，有无压缩空气站，工夹具的制造和维修能力及能否制造复杂刀具等。
5)收集有关资料，并加以分析比较。
6)确定采用新工艺的方法，对一些需要保证技术条件而没有经过生产实际考验的工艺方法进行必要的试验。
2．制造工艺方案
1)对工件进行工艺分析，并根据毛坯情况结合组合机床的工艺可能性和可能达到的精度，初步确定工件的工艺过程。
2)选择定位基准，决定定位、夹紧方式。
3)详细拟定被加工零件的工艺路线，即决定各表面的加工方法及顺序，决定工序(包括热处理、检验工序及其他)、工位(包括装卸工位)和工步，初步确定组合机床的配置形式及其总体布局。
4)确定加工余量和工序尺寸，并进行必要的尺寸链换算。
5)绘制被加工零件的工序图。
6)决定刀具种类、形式、尺寸、安装方法及辅助工具(接杆、卡头等)的尺寸，并进行切削用量的选择。
7)决定夹具的定位、导向、夹紧机构的方案及外形尺寸。
8)绘制加工示意图，决定机床的工作循环。
9)计算机床的生产率和负荷率，编制机床的生产率计算卡。
10)审查及通过工艺方案。
3．机床总体设计
1)计算切削力、进给力、动力部件的最大功率。
2)选择动力部件的类型、型号、规格和配套部件。
3)选择机床的支承及零件输送部件(滑座、侧底座、立柱、立柱底座及工作台等)，并决定中间底座的主要尺寸，冷却、排屑系统等。
4)绘制机床联系尺寸图。
5)拟定液压、电气控制系统方案。
6)审查及通过机床的设计方案。
4．部件设计
根据机床的联系尺寸图及工艺要求设计组合机床的各部件。在设计过程中如果发现拟定的方案有不合理的地方，应当进行及时的修改。部件设计的内容包括：
1)夹具设计。
2)多轴箱设计。
3)专用刀具设计。
4)液压系统设计。
5)电气系统设计。
6)其他部件设计：如中间底座、润滑冷却系统等。
5．工作图设计
1)绘制通用零件的补充加工图、专用零件图等。
2)绘制各部件总图、润滑冷却管路图、液压管路图、气动管路图、电气控制线路图、电气线路安装图等。
3)修改和最后确定机床联系尺寸图、工序图、加工示意图、生产率计算卡。
4)绘制机床总酎。
5)编制机床所需要的各种明钿表，如：零件明细表、标准件明细表、外购件明细表等。
6)编制机床使用说明书，包括机床验收精度要求、润滑卡、地基图等。
一、组合机床最常用的加工范围
1．孔加工
对于一般尺寸较小的孔，可以用钻、扩、铰等刀具分几次加工，或采用复合刀具加工，还可以用普通刀具或复合刀具进行端面、沉孔、埋头孔、倒角等。
对于尺寸较大孔，可以用粗镗、半精镗、高速精镗的方法进行加工，可以用刚性主轴或有导向装置的浮动镗杆进行加工。加工时可以采用单刀，也可以采用多刀进行加工；此外还可以加工孔的端面、倒角及挖槽等。
对于大的锥孔，可以采用特种工具进行加工。
在组合机床上还可以实现一些其他的孔的精加工工序，如挤压孔、滚压孔等。对于加工深度精度要求不高的止口，可以采用死挡铁来控制止口深度。但对于加工深度要求较高的止口，则必须采用特种工具进行加工。
2．螺纹加工
一般紧固螺纹孔可以在钻孔、倒角后攻丝动力头或攻丝主轴。
对于外螺纹可以用自动板牙头来切削。
3．平面及直槽加工
平面和直槽一般采用铣削动力头进行加工。可以是铣头移动，也可以是工件移动。对于加工与孔垂直的大端面，可以采用镗孔车端面动力头进行加工；若是小端面，则可采用锪端面的方法进行加工。
4．其他
利用组合机床的动作可以进行不太长外圆的套车、自动测量等。
二、组合机床加工所能达到的精度和表面粗糙度
1．孔本身的精度和表面粗糙度
1)对于在铸铁及铜件上加工IT8级精度的孔时，一般需经过3次加工，表面粗糙度可达到Ra5；若加工IT6级精度的孔时，则需要3～4次加工，表面粗糙度可达到Ra2．5以上；当采用精镗或滚压加工时，精度可达到IT6级，表面粗糙度可达Ra1．25以上。
2)对于在铸铁件上加工IT8级精度的孔时，一般需要2次加工，表面粗糙度可达Ra2．5；加工IT7级精度的孔时，需经过2～3次加工，表面粗糙度可达Ra1．25；加工IT6级精度的孔时，需经过3～4次加工，表面粗糙度可达Rai．25；对于加工IT6～IT5级精度的孔时，则需要经过4～5次加工，表面粗糙度为Ral．25。
3)加工有色金属件时，若经过3～4次加工，可以稳定地达到IT6～IT5级精度，表面粗糙度可达Ra0．63～0．16。
上述三种材料在组合机床及自动线上进行加工时，一般对于IT6级、IT5级精度孔的椭圆度，可以控制到接近孔的公差；对于IT6级精度以下孔的椭圆度及圆柱度，可控制在孔的加工公差范围的一半以内。
4)对于加工螺纹孔，精度一般可以达到IT7级；当采用特殊结构的工具进行加工时，可以达到IT6级精度。
2．孔的同轴度
1)若由一面镗孔，镗杆采用后或多层精密导向，孔的同轴度可以控制在0．015～0．03mm范围内。
2)若采用单轴两面镗孔，使用调整主轴位置精度时，孔的同轴度也可达0．015～0．03mm。
3)若多轴从两面加工，孔的同轴度一般为0．05mm。
3．孔的平行度
镗孔轴线之间的平行度以及孔对定位基面的平行度，一般可保持在轴线间距离公差的范围以内。在调整精度时，也可以达到(O．02～0．05)／(800～1000)。
4．孔的位置精度
孔的位置精度是指孔与孔之间，或孔与定位基面之间的位置尺寸精度。
在镗孔时，采用固定精密导向，孔的位置精度可以达到±0．025～±0．05mm，采用其他加工方法可以达到±0．05mm。
对于多工位回转工作台机床和鼓轮式机床，在一个工位上精加工出来的孔的位置精度也可以达到±0．05mm；但是在两个工位上分别精加工出来的孔，位置精度就较低，对于立式多工位回转工作台机床可达到±0．1mm，鼓轮式机床只能达到±0．2mm左右。钻孑L的位置精度，若采用固定导向一般可以达到±0．2mm；若减小导向套与钻头之间的间隙，且导向套距工件较近时，则可以达到±0．15mm；若用活动模板钻孔，且活动板用定位销与夹具定位时，则其位置精度一般可达±0．2～±0．25mm。螺纹孔位置精度主要决定于钻孔的位置精度，一般可以达到±0．25mm；当钻孔的位置精度较好时，可以达到±0．15mm。
5．孔的垂直度
被加工孔的轴心线对基面或对另一被加工孔的轴心的垂直度，均可达到0．02／1000
6．止口深度
多轴加工采用动力头在死挡铁上停留的方法，止口深度精度能达到0．15～0．25mm；单轴进给，若采用特殊结构的工具，加工到终点时用挡铁块顶在工件的表面上，一般可达到0．08—0．10mm；当采用工具的加工精度较高时，可以保证在0．02．0．045mm以内。
7．平面加工精度
加工平面的平面度可以达到0．05mm，表面粗糙度可以达到Ra2．5，被加工平面对基面的平行可以控制在0．05mm以内，被加工平面到基面的距离尺寸公差亦可以保证在0．05mm以内。
组合机床的发展趋势[1]
1．提高通用部件的水平
通用部件技术水平的主要标准是：品种规格齐全，动、静态性能参数先进，工艺性好j精度高和精度保持性好。目前应注意开发适应强力铣削的大功率动力滑台、高精度镗削头和高精度滑台，以及适应中、小批生产的快调、速换动力部件和支承部件。
2．发展适应中、小批生产的组合机床
在机械制造工业中，中、小批生产约占80％。在某些中批生产的企业中，如机床、阀门行业等，其关键工序采用组合机床。其中机床厂用组合机床加工主轴变速箱孔系，产品质量稳定，生产效率高，技术经济效果显著。发展具有可调、快调、装配灵活、适应多品种加工特点的组合机床十分迫切。转塔主轴箱式组合机床、可换主轴箱式组合机床以及自动换刀式数控组合机床可用于中、小批生产，但这类机床结构复杂，成本较高。
3．采用新刀具
近年来出现了多种新刀具，如具有镀层的硬质合金刀片、立方氮化硼刀具、金刚石刀具、各种可转位的密齿铣刀、喷吸钻头、镶有可转位刀片的“短钻头”等。一般情况下，采用先进刀具的工时为原工时的1／4～1／2。因为提高了刀具的耐用度，所以大大缩短了多刀组合机床停机换刀时间，提高了组合机床的经济效益。
4．发展自动检测技术
自动检测包括对毛坯尺寸和工件硬度的检查、钻孔深度、刀具折断、精加工尺寸和几何形状的检查等。检查方法分为主动检查与被动检查。主动检查是将不合格的工件剔出，使之不往下个工位输送。被动检查则是发现不合格的工件时发出停机信号。目前主动检查应用得日趋广泛。随着电子元件的迅速发展，集成控制器、微处理机的应用，自动检测技术显得更加可靠。自动检测工位要进行数据处理，统计计算以及打印出有关数据或作数字显示。自动检测技术的发展可以把被加工零件的实际尺寸控制在比规定公差更小的范围之内。还可以把加工后的工件按公差带进行分组，以便按分组的公差带装配。实际表明，采用分组装配法提高产品的精度要比单纯提高设备精度更为经济。
5．扩大工艺范围
组合机床除完成切削加工等工序外，还在逐步设计制造用于焊接、热处理、自动装配、自动打印、性能试验以及清洗和包装等用途的组合机床。