機床立柱加工工藝及專用刀具設(shè)計

機床立柱加工工藝及專用刀具設(shè)計,機床,立柱,加工,工藝,專用,刀具,設(shè)計 ****學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計開題報告 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號： 系 別： 機械工程與自動化系 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 設(shè) 計 題 目： 機床立柱的加工工藝及專用刀具設(shè)計 指導(dǎo)教師: 2013 年 3 月 25 日 畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告 1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，撰寫2000字左右的文獻綜述 文 獻 綜 述 一．本課題的研究背景及意義 立柱是機床中主要的構(gòu)件之一，它支撐著主軸系統(tǒng)。立柱的剛性是影響加工精度的重要因素之一。目前，許多立式數(shù)控機床采用了龍門式立柱。龍門式立柱只靠兩側(cè)的支腿與床身聯(lián)接．在切削過程中易發(fā)生左右和前后方向的變形和搖擺振動．對加工精度有很大的影響。若要提高效控機床的加工精度和切削效率，必須增強龍門式立拄在左右和前后方向的動、靜剛度。 龍門式機床由于其跨距大、整體高度較高、橫梁較重，立柱本身的低階振型表現(xiàn)為左右及前后方向振動。要想提高立柱的剛度，必須加強支腿的剛度、減輕橫梁部分的質(zhì)量。[1] 龍門加工中心立柱主要用于支撐橫梁、導(dǎo)軌等部件，是大型龍門加工中心的重要組成部分，它的強度、剛度性能直接影響整機的加工精度，抗振性、切削效率和壽命。大型龍門加工中心立柱外形尺寸較大（長度可達6米以上），受力狀況復(fù)雜。[2]通過在立柱內(nèi)部增設(shè)加強筋，在保持立柱體積不變，僅微量增加立柱重量的條件下，減小了受力后的變形量，顯著提高了立柱的剛度，有助于提高該型加工中心的加工精度穩(wěn)定性。[3] 機械制造工藝學(xué)（machinery technology）是研究集機械、電子、光學(xué)、信息科學(xué)、材料科學(xué)、生物科學(xué)、激光學(xué)、管理學(xué)等最新成就為一體的一個新興技術(shù)與新興工業(yè)，歸納總結(jié)機械制造工藝的科學(xué)理論與實踐，探索解決工藝過程中遇到的實際問題，從而揭示出一般規(guī)律的一門科學(xué)。工藝是制造技術(shù)的靈魂、核心和關(guān)鍵。現(xiàn)代制造工藝技術(shù)的重要組成部分，也是其最有活力的部分。產(chǎn)品從設(shè)計變?yōu)楝F(xiàn)實是必須通過加工才能完成的，工藝是設(shè)計和制造的橋梁，設(shè)計的可行性往往會受到工藝的制約，工藝（包括檢測）往往會成為“瓶頸”，因此，工藝方法和水平是十分重要的。[4] 工藝是制造技術(shù)的靈魂、核心和關(guān)鍵。現(xiàn)代制造工藝技術(shù)的重要組成部分，也是其最有活力的部分。產(chǎn)品從設(shè)計變?yōu)楝F(xiàn)實是必須通過加工才能完成的，工藝是設(shè)計和制造的橋梁，設(shè)計的可行性往往會受到工藝的制約，工藝（包括檢測）往往會成為“瓶頸”，因此，工藝方法和水平是十分重要的。不是所有設(shè)計的產(chǎn)品都能加工出來，也不是所有設(shè)計的產(chǎn)品通過加工都能達成預(yù)定的技術(shù)性能要求?！霸O(shè)計”和“工藝”都是重要的，把“設(shè)計”和“工藝”對立和割裂起來是不對的，應(yīng)該用廣義制造的概念統(tǒng)一起來。人們往往看重產(chǎn)品設(shè)計師的作用，而未能正確評價工藝師的作用，這是當(dāng)前影響制造技術(shù)發(fā)展的一個關(guān)鍵。工藝是生產(chǎn)中最活躍的因素。同樣的設(shè)計可以通過不同的工藝方法來實現(xiàn)，工藝不同，所用的加工設(shè)備、工藝裝備也就不同，其質(zhì)量和生產(chǎn)率也會有差別。工藝是生產(chǎn)中最活躍的因素，有了某種工藝方法才有相應(yīng)的工具和設(shè)備出現(xiàn)，反過來，這些工具和設(shè)備的發(fā)展又提高了該工藝方法的技術(shù)性能和水平，擴大了其應(yīng)用范圍。[5] 隨著我國加入世界貿(mào)易組織和全球經(jīng)濟一體化環(huán)境的形成，機床行業(yè)的市場競爭將會愈演愈烈。目前，國內(nèi)外機床產(chǎn)品技術(shù)水平之間的差距仍然很大，主要表現(xiàn)為產(chǎn)品仿制多，創(chuàng)新少，市場競爭力不足，利潤低設(shè)計方法落后，機床結(jié)構(gòu)設(shè)計，尚處于傳統(tǒng)的經(jīng)驗、靜態(tài)、類比的設(shè)計階段，很少考慮結(jié)構(gòu)動、靜態(tài)特性對機床產(chǎn)品性能產(chǎn)生的影響，產(chǎn)品精度低，質(zhì)量難以保證，設(shè)計周期長，成功率低，反復(fù)設(shè)計、試制與修改，產(chǎn)品更新?lián)Q代慢，且成本高。龍門式機床是加工裝備中必不可少的一種機床。因此盡快應(yīng)用先進的設(shè)計技術(shù)，快速開發(fā)出結(jié)構(gòu)合理、自動化水平高、加工精度高、低振動、低成本的龍門機床新產(chǎn)品響應(yīng)市場，這樣我國的機床工業(yè)才有出路。為了達到這一目的，掌握先進的機床工藝設(shè)計方法就顯得尤為重要[6]。 總之，隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，各行各業(yè)的用戶對重型、超重型龍門加工中心和數(shù)控龍門鏜銑床需求會愈來愈多，對機床的高速、高精、復(fù)合、環(huán)保、高效要求愈來愈高。[7] 二．本課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 近年來，隨著國家振興裝備制造業(yè)的16個重點領(lǐng)域振興計劃的施實，政府對航空航天、核電、風(fēng)電、鐵路機車、船舶艦艇、交通運輸?shù)戎攸c工程加大投入力度。而這些重點工程對設(shè)備的要求也愈來愈高。這些工程設(shè)備的關(guān)鍵零部件也都是大尺寸、重噸位、高精度的工件。所以，要加工這樣的典型零件，必需開發(fā)高水平的大型、重型、超重型數(shù)控機床，包括龍門加工中心和數(shù)控龍門鏜銑床。在CIMT2009展會上，展出整機重量超過100t的超重型龍門加工中心和數(shù)控龍門鏜銑床，就有沈一、中捷、大連、濟二、武重、桂林、日發(fā)、海天等8家之多。而沈一參展的凈重320t的龍門移動式車銑中心，武重參展凈重170t的定梁龍門移動車銑加工中心，大連參展凈重200t的雙交換臺龍門加工中心，濟二參展凈重110t的五軸聯(lián)動定梁龍門移動數(shù)控鏜銑床等幾臺展品更有特色，水平較高。 這充分說明了改革開放30年來，尤其是進入2l世紀以來，我國機床行業(yè)，特別是國民經(jīng)濟各行業(yè)急需的大型、重型、超重型龍門加工中心和數(shù)控龍門鏜銑床，已經(jīng)進入了快速發(fā)展期。[8] 五軸聯(lián)動數(shù)控是數(shù)控技術(shù)中難度最大、應(yīng)用范圍最廣的技術(shù)。它集計算機控制、高性能伺服驅(qū)動和精密加工技術(shù)于一體，應(yīng)用于復(fù)雜曲面的高效、精密、自動化加工。五軸聯(lián)動數(shù)控機床是發(fā)電、船舶、航天航空、模具、高精密儀器等民用工業(yè)和軍工部門迫切需要的關(guān)鍵加工設(shè)備。國際上把五軸聯(lián)動數(shù)控技術(shù)作為衡量一個國家工業(yè)化水平的標(biāo)志。五軸聯(lián)動數(shù)控機床的應(yīng)用大大提高了加工效率，同時機械加工精度也有了質(zhì)的飛躍，符合市場的需要，同時因為市場的需要也促進了五軸聯(lián)動機床的發(fā)展。在北京CCMT2008展會上展出的14臺龍門加工機床中(據(jù)不完全統(tǒng)計)具有五軸聯(lián)動功能或可擴展為五軸聯(lián)動的機床就有6臺之多，占整個該系列機床展品的48％，可見五軸聯(lián)動依舊是龍門類產(chǎn)品發(fā)展的主要趨勢。[9] 目前，我國重型立式加工中心龍門架的立柱導(dǎo)軌一般采用一字型導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，即立柱的兩個前導(dǎo)軌在同一平面內(nèi)，橫梁與立柱前導(dǎo)軌結(jié)合部位為一平板狀結(jié)構(gòu)，橫梁扭轉(zhuǎn)剛度低。并且，橫梁升降絲杠的中心位置一般在立柱前導(dǎo)軌的后部，由于一字型立柱導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的限制，橫梁升降絲杠的中心在橫梁整體重心偏后的位置上，從而使立柱導(dǎo)軌承受橫梁沒有被平衡的傾覆力矩；在垂直刀架進行重載荷切削時，在切削力引起的傾覆力矩作用下，平板狀結(jié)構(gòu)的橫梁扭轉(zhuǎn)變形嚴重，大大影響機床的加工精度。另一方面，目前重型立式加工中心龍門架橫梁平衡裝置一般采用機械重錘平衡結(jié)構(gòu)，橫梁兩側(cè)的重錘平衡力不能隨著垂直刀架的移動而相應(yīng)調(diào)整；在機床加工過程中，隨著垂直刀架的移動，橫梁整體重心在x軸方向是動態(tài)變化的，左、右重錘通過鋼絲繩施加給橫梁兩側(cè)固定不變的拉力，嚴重干擾了機床垂直刀架移動x軸和橫梁升降W軸的數(shù)控精度。 為了解決上述問題，我們對重型立式加工中心龍門架結(jié)構(gòu)進行技術(shù)改進。首先，將立柱一字型導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)改進為階梯導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，并將橫梁升降絲杠的中心位置和橫梁平衡裝置的平衡支點前移，使橫梁升降絲杠中心和橫梁的重心重合，使橫梁處于最佳受力狀態(tài)；并通過階梯導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)提高橫梁的扭轉(zhuǎn)剛度，使立柱和橫梁導(dǎo)軌的受力狀態(tài)和總體布局結(jié)構(gòu)更加合理，使立柱承受的整體扭轉(zhuǎn)力矩降至最小，從而大大提高龍門架的整體剛度。其次，將橫梁機械重錘平衡結(jié)構(gòu)改進為雙油缸平衡結(jié)構(gòu)，在垂直刀架移動過程中，雙油缸平衡力的大小可通過液壓伺服閥精確控制；改進后的雙油缸橫梁平衡結(jié)構(gòu)具有隨動精確平衡橫梁載荷的特點，尤其是在垂直刀架移動過程中，數(shù)控系統(tǒng)可精確控制橫梁兩側(cè)平衡力的大小，從而精確控制固定在垂直刀架滑枕上刀尖的位置，因此大大提高重型立式加工中心垂直刀架X軸和橫梁升降W軸的數(shù)控精度。[10] 3． 本課題相關(guān)切削加工及刀具選擇綜述 在各機械加工部門中鑄鐵件約占機器質(zhì)量的45%-90%，鑄鐵件如發(fā)動機缸體、變速箱體、機床床身上有許多平面、槽形需切削。鑄鐵組織為金屬基體加游離態(tài)石墨，切削加工時石墨形成易斷的崩碎切削，且其在切削刀具的選擇方面有更廣泛地選擇。[18] 3.1高速切削技術(shù) 良好的工藝路線、工藝方法可以大大縮短時間，提高效率。在加工中使用合理的切削用量，也是提高效率的方法之一。 近年來，我國對高速切削技術(shù)已有了更廣泛的重視，應(yīng)用范圍越來越大。我國現(xiàn)己進口了大批高速加工機床，卻由于缺乏理論指導(dǎo)和配套技術(shù)，不能充分發(fā)揮其應(yīng)有的加工能力。另外，自主開發(fā)的高速機床，由于設(shè)計、工藝、裝配等方面存在的問題，同國外機床相比，在性能上還存在很大的差距。因此，對加工機床進行結(jié)構(gòu)分析，充分了解其結(jié)構(gòu)特征和性能特性是開發(fā)大型機床的行之有效的方法，對于建立機床的三維虛擬模型和分析設(shè)計起到指導(dǎo)性、決策性的作用。[11] 鑄鐵加工通常都不用切削液，是典型的干切削加工方式。在干切削灰鑄鐵和淬硬鋼的應(yīng)用領(lǐng)域，陶瓷刀具和CBN刀具是可供選擇的，因此進行成本、效率和加工質(zhì)量分析是非常必要的，以確定哪一種材料更經(jīng)濟。[12] 3.1.1陶瓷刀具 在ALO基體材料中加入TiC、WC、SIC、TaC、ZrO等，經(jīng)熱壓制成氧化鋁基復(fù)合陶瓷刀具，其硬度可達93-95HRA。用陶瓷刀具對等溫淬火球墨鑄鐵ADI干式高速切削的研究表明：最大磨損部位位于切削刃附近，其磨損包括磨料磨損、擴散磨損、粘結(jié)磨損和微崩。 3.1.2超硬刀具材料 比陶瓷材料更硬的超硬刀具材料包括單晶金剛石、聚晶金剛石（PCD）、聚晶立方氮化硼（CBN）和CVD金剛石等。其中CBN使用聚晶立方氮化硼粉末摻入金屬或陶瓷結(jié)合劑，經(jīng)燒結(jié)合成再制成金屬切削工具。CBN刀片切削高合金鑄鐵較陶瓷刀具可提高生產(chǎn)效率5倍以上。 3.1.3硬質(zhì)合金刀具 硬質(zhì)合金是微米數(shù)量級的難熔高硬度金屬碳化物的粉末，用鈷、鉬、鎳等做粘結(jié)劑，在高溫高壓下燒制而成，其硬度89-92.8HRA，紅硬性可以達到800-1000攝氏度。在腐蝕性強和沖擊力打的鑄鐵切削領(lǐng)域，對作為切削工具的硬質(zhì)合金要求要具有高的抗彎強度和強度。[18] 3.2硬態(tài)切削 目前，硬態(tài)切削主要用于車削、銑削等加工工藝，與磨削相比，具有以下優(yōu)點： (1)加工靈活性強，精度易于保證； (2)硬態(tài)切削加工成本低于磨削，通常僅為磨削的1／4； (3)硬態(tài)切削不需要專用機床、刀具和夾具，在現(xiàn)有加工設(shè)備上即可實現(xiàn)； (4)硬態(tài)切削的生產(chǎn)效率高于磨削； (5)磨削產(chǎn)生的磨屑與廢液混合物污染環(huán)境，而硬態(tài)切削易于實現(xiàn)干切削，產(chǎn)生的切屑可再利用。 如果將硬態(tài)切削與精磨工藝結(jié)合起來，則加工一個一般零件所花的成本將比在磨床上完成粗加工和精加工所花成本降低40％～60％。因此，后繼工序有超精加工或精密磨削要求時，硬態(tài)切削是最好的選擇。[13] 高速切削的工藝技術(shù)也是成功進行高速加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。高速切削的工藝技術(shù)包括切削方法和切削參數(shù)的選擇優(yōu)化，對各種不同材料的切削方法、刀具材料和刀具幾何參數(shù)的選擇等。 (1)對切削方法和切削參數(shù)進行優(yōu)化選擇，其中包括優(yōu)化切削刀具控制和切削過程等； (2)除了刀具材料和刀具幾何參數(shù)的選擇外，在切削過程中還要采取不同的切削策略才能得到較好的切削效果。高速切削工藝方法也是研究的重要內(nèi)容之一； (3)在研究高速切削工藝技術(shù)中，切削方法和技術(shù)必須緊密結(jié)合刀具材料和刀具幾何參數(shù)的選擇綜合進行。[14] 3.3磨削加工 磨削是一種常用的半精加工和精加工方法，砂輪是磨削的主要切削工具。磨削的基本特點如下： （1）磨削除可以加工鑄鐵、碳鋼、合金鋼等一般結(jié)構(gòu)材料外，還能加工一般刀具難以切削的高硬度材料如淬火鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷和玻璃等。但不適宜加工塑性較大的有色金屬工件。 （2）磨削加工的精度高，表面粗糙度值小。精度可達IT5及IT5以上；表面粗糙度值為1.25-0.01um ，鏡面磨削時為0.04-0.01 um。 （3）磨削的徑向磨削力Fy大，且作用在工藝系統(tǒng)剛性較差的方向上。因此，在加工剛性較差的工件時（如磨削細長軸)，應(yīng)采取相應(yīng)的措施，防止因工件變形而影響加工精度。 （4）磨削溫度高。磨削產(chǎn)生的切削熱多，是80％-90％傳入工件，(10％-15％傳入砂輪，1％-10％由磨屑帶走)加上砂輪的導(dǎo)熱性很差，大量的磨削熱在磨削區(qū)形成瞬時高溫，容易造成工件表面燒傷和微裂紋。因此，磨削時應(yīng)采用大量的切削液以降低磨削溫度。 （5）砂輪有自銳作用。在磨削過程中，磨粒的破碎將產(chǎn)生新的較鋒利的棱角，同時由于磨粒的脫落而露出一層新的鋒利的磨粒，它們能夠使砂輪的切削能力得到部分的恢復(fù)，這種現(xiàn)象叫做砂輪的自銳作用，也是其他切削刀具所沒有的。磨削加工時，常常通過適當(dāng)選擇砂輪硬度等途徑，以充分發(fā)揮砂輪的自銳作用來提高磨削的生產(chǎn)效率。必須指出，磨粒隨機脫落的不均勻性會使砂輪失去外形精度；破碎的磨粒和切屑會造成砂輪的堵塞。因此，砂輪磨削一定時間后，需進行修整以恢復(fù)其切削能力和外形精度。 （6）磨削加工的工藝范圍廣。磨削不僅可以加工外圓面、內(nèi)圓面、平面、成形面、螺紋、齒形等各種表面，還常用于各種刀具的刃磨。 （7）磨削在切削加工中的比重日益增大。在工業(yè)發(fā)達國家磨床在機床總數(shù)中的比重已占到30％-40％，且有不斷增長的趨勢。磨削在機械制造業(yè)中將得到日益廣泛的應(yīng)用。[15] 3.4燕尾槽銑削與測量 燕尾槽是在實習(xí)教學(xué)中常見的一種機械結(jié)構(gòu)，槽的形狀是“∠ ” 形。它的作用通常是作機械相對運動，運動精度高、穩(wěn)定。燕尾槽常和矩形導(dǎo)軌配合使用，起導(dǎo)向和支撐作用。其經(jīng)常使用在機床的拖板上，如銑床的垂直導(dǎo)軌和橫梁導(dǎo)軌等都是燕尾槽。其加工程序為：制作燕尾樣板一在工件上劃線并打上樣沖眼一使用刨床刨削(也可在立銑床上使用塔形銑刀加工)一用樣板測試成品精度。[16] 燕尾槽零件，在加工過程中通常采用燕尾塞規(guī)來測量．塞規(guī)測量雖然簡便易行但存在著兩個問題：一是它只能綜合測量燕尾槽加工的是否合適，不能確定零件在加工過程中的具體數(shù)值．二是燕尾規(guī)制作工藝復(fù)雜，精確度很難達到．制作成本較高．為此我們采用棒針測量法檢測燕尾槽底部寬度，效果很好．[17] 參考文獻 [1] 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本課題主要研究的是某型號龍門機床立柱的加工工藝以及專用燕尾槽銑刀。其中加工工藝包括：零件圖的分析、零件的工藝分析、設(shè)計加工工藝方案、確定加工工序和走刀路線、選擇機床和加工工藝設(shè)備、設(shè)計加工工藝夾具、設(shè)計專用量具、確定切削用量、加工工藝過程設(shè)計、編寫加工工藝文件、以及編寫加工程序等，燕尾槽專用銑刀的設(shè)計包括刀具的力學(xué)性能分析、尺寸設(shè)計等。在本畢業(yè)設(shè)計中要研究定位基準的選擇、工件的定位方法、零件的結(jié)構(gòu)工藝性等。機械制造加工工藝是機械制造業(yè)的基礎(chǔ)，是生產(chǎn)高科技產(chǎn)品的保障。離開了它就不能開發(fā)出先進的產(chǎn)品和保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)率，降低成本和縮短生產(chǎn)周期。機械制造工藝技術(shù)是在人類生產(chǎn)實際中產(chǎn)生并不斷發(fā)展的，目前機械制造工藝技術(shù)向著高精度、高效率、高自動化發(fā)展。具體包括： (1)了解立柱在龍門機床中的作用及工作原理。 (2)要根據(jù)零件圖，自行繪制零件的三維圖，并仔細分析零件結(jié)構(gòu)。 (3)根據(jù)零件結(jié)構(gòu)，制定出二至三套完整的加工工藝過程。 (4)在指導(dǎo)教師的幫助下，修改完善，最終得到一套最優(yōu)的加工工序。 (5)選定每道工序的機床、刀具、定位、切削用量、工時。 (6)制作完整的工藝過程卡、工序卡。 二、擬進行的工藝設(shè)計過程或初步方案 工藝人員按零件圖編制一個零件的一般加工步驟不難，但要編制一份好的工藝文件還是要下點功夫，需多多推敲。因為設(shè)計圖是唯一確定的，但加工路線與方法是多途徑的。工藝人員應(yīng)當(dāng)在多個加工路線中尋找一個較好的方案，以最短的工序，最少的投入加工出合格的零件。這就必須了解本行業(yè)機加零件的加工特點。加工設(shè)備是中型機械，一般年產(chǎn)量都不很大。零件加工難以形成流水線生產(chǎn)：加工設(shè)備受市場及用戶要求影響，品種規(guī)格繁多，并派生出一些分支，設(shè)計結(jié)構(gòu)可自行修改；加工設(shè)備受外界自然條件的限制，設(shè)計結(jié)構(gòu)一般都比較緊湊，自制件加工精度都不很高。 2.1 擬采用的工藝設(shè)計過程 (1)了解龍門機床立柱在實際生產(chǎn)中的作用以及加工特性，要廣泛查閱關(guān)于龍門機床的文獻，綜合選擇該零件適合的加工方案。 (2)看懂零件圖，繪制出三維圖，仔細分析設(shè)定零件的工藝過程，提出可行的加工方案，制定出二至三套完整的工序過程，并在指導(dǎo)教師的幫助下，仔細推敲，分析利弊，修改完善，最終得到一套最優(yōu)的加工工序。 (3)經(jīng)過指導(dǎo)教師的指點和幫助后，進行方案修改和校核，驗算有關(guān)數(shù)據(jù)，有可能的話，參觀或者實驗加工過程，確定工藝過程的可行性。 (4)選定每道工序所用的機床，針對各工步選擇合適的刀具并確定切削用量、走刀路線，選擇或設(shè)計合適的夾具并確定夾緊方法，選擇適當(dāng)?shù)牧烤撸嬎愎r。 (5)繪制工序圖，制作完整的工藝過程卡、工序卡。 (6)編寫設(shè)計說明書。 2.2 進度安排 2月25日～3月22日 參考相關(guān)文獻，完成開題報告，熟悉二維、三維畫圖軟件。 3月23日～3月25日 完成三維圖的繪制。 3月26日～4月15日 完成工藝過程設(shè)計。 4月16日～4月25日 完成工藝流程卡及工序卡的編制。 4月26日～5月10日 完成專用刀具設(shè)計。 5月11日～5月13日 檢查，校對。 5月14日～5月30日 完成設(shè)計說明書。  畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告 指導(dǎo)教師意見 指導(dǎo)教師： 年 月 日 所在系審查意見 系主任： 年 月 日 16