微细车铣削加工机床设计毕业论文

本科生毕业论文微细车铣削加工机床的设计The design of micro car milling machine tool学生姓名专 业 机械设计制造及其自动化教 学 点 校 本 部申请学位 无指导教师 职称答辩时间 年 月 日目 录目 录摘 要 .Iabstract.II第 1 章 绪论 .11.1 本课题的的研究背景及意义 .11.2 微细铣削加工国内外研究现状 .11.3 课题的主要内容 .31.4 本章小结 .3第 2 章 微细车铣削加工的原理与特点 .32.1 微细车铣削加工的原理 .42.2 微细车铣削加工的特点 .62.3 本章小结 .6第 3 章 微细车铣削加工机床的总体结构设计 .63.1 普通机床的结构特性 .73.1.1 铣床的类型及特点 .71.卧式铣床：特点是主轴是水平的。 .73.2 微细车铣削机床的总体方案设计 .73.3 机床床身与工作台设计 .83.4 本章小结 .10第 4 章 机床关键模块设计与整体三维图绘制 .104.1 Pro/Engineer 三维软件简介 .104.2 微细车削模块设计 .114.3 微细铣削模块设计 .134.4 机床装配图与爆炸视图 .15综合上述的情况，该机床的整体三维结构图与爆炸视图如图 4.5 和 4.6 所示。 .154.5 本章小结 .16第 5 章 结论与展望 .17摘要I摘 要在微制造加工领域,微铣削因具有加工材料的多样性和能实现三维曲面加工的独特优势,近年来受到国内外学者越来越广泛的关注。本文首先分析了微细车铣削加工技术的国内外研究现状，然后设计了微细车铣削加工机床，主要包括车削模块设计、铣削模块设计、床身结构设计以及工作台设计。最后，应用三维制图软件 Pro/Engineer 绘制微细车铣削加工机床的零件图和总体装配图。关键词：微铣削加工；微车削加工；微细加工；设计；Pro/EngineerABSTRACTIIABSTRACTIn micro manufacturing field, micro lathing machining and micro milling machining have the unique advantages of machining more materials and realizing three-dimensional surface processing, and attract more and more attention in domestic and foreign scholars in recent years. Firstly, This paper analyzed the micro lathing machining technology and micro milling machining technology research status at home and abroad. Secondly, a machine tool on micro lathing machining and micro milling machining was designed, the machine tool mainly includs a lathing module, a milling module, a support structural module and a worktable. Finally, the parts drawing and assembly drawing of the machine tool were drawn by the 3D graphics software Pro/Engineer.Key words: Micro milling machining; Micro lathing machining; Micro machining; design; Pro/Engineer广东海洋大学 2016 届本科生毕业论文1微细车铣削加工机床的设计第 1 章 绪 论1.1 本课题的的研究背景及意义随着我国科学技术的蓬勃发展，微小型化技术作为未来重要的军民两用技术，已经成为现代科技研究的前沿。在军用和民用各个领域都大量需求微米级尺度和中间尺度的三维结构器件，这类器件有些比较复杂，有些需要承受较高的载荷，有些对材料要求严格，用常规的机械加工方法难以实现。与传统的加工方法相比，微细铣削加工具有生产效率高；能加工任意微三维结构，故采用微细车铣加工进行微细制造的研究受到了研究学者的广泛重视。微细铣削加工技术是指采用微铣刀对零件进行切削加工的技术，是最柔性的切削加工技术，它使 MEMS 工艺和传统宏观领域的机械加工紧密的联系起来，微细铣削加工技术的研究与应用将填补基于硅表面微细加工的 MEMS 技术、LIGA 技术和传统精密加工技术之间的缺口，通过广泛的材料和形状特征选择来提高微小零件和装置的功能、可靠性及可制造性。微铣削具有很强的三维微加工的能力，因此在加工三维微小零件方面具有很广泛的应用，普遍应用到了航天、航空等领域。1.2 微细铣削加工国内外研究现状1970 年，日本 Dutta1 等人提出了微型机床的概念，但当时这个概念并没有被广泛接受。1988 年开始，日本微机械中心(MMC)推行了一个微制造技术研究计划，这个计划从 1991 年开始，一直持续到 2000 年。这个计划以桌面工厂的新理念为研究背景，一批微小型机床纷纷亮相，最初开发的微型车床如图 1.1 (a)所示:该微型车床整体尺寸为 32mmx25mmx30.5mm,整体质量仅有 1000g； XY 工作台运动由压电驱动器驱动；主轴电机额定功率为 1.5W，最高转速能达到 10000r/min；该微型车床加工黄铜时在进给方向上能够实现粗糙度 1.55m，圆跳动 2.55m；该车床能加工的工件最小直径能达到 60m。之后陆续研究出的微型铣床如图 1.1 (b)(c) 所示，微型铣床:该微型床整体尺寸为 119mmx119mmx102mm，主轴电机采用无刷直流伺服电机，功率为 36W，最高转速达到 20000rpm，能够夹持柄部直径 3mm 的铣刀进行广东海洋大学 2016 届本科生毕业论文2平面铣削和钻孔。微型冲压机床:机床整体尺寸为 111mmx66mmxl70mm，采用交流伺服电机，功率为 l 00 W，能够提供 3kN 的冲压力。电机的旋转运动通过滚珠丝杠副和皮带轮转换成工作台的直线运动，冲压的速度和冲程都能数字控制 2 。（a） （b） （c）图 1.1 微型车床目前国内微细切削设备专用机床研发方面尚属初期，一些单位在微小型制造和微细切削技术方面开展了卓有成效的研究工作，国内的部分大学也进行初步的研究。国内的哈尔滨工业大学精密工程研究所、上海交通大学、北京理工大学等多所高校在超精密微细切削理论和技术研究方面取得了多项成果。北京理工大学采用传统的车削方法和先进的车铣方法进行微细轴的切削加工试验，试验研究在自主设计的具有结构优势和加工特色的微小型车铣复合加工中心上进行，首先将这一技术应用于微小型零件的加工。该中心能独立完成车、铣、膛、磨、钻削的任务，同时还能实现独具特色的车铣加工功能，从根本上解决了车削时线速度太低的问题，能实现微细轴类零件正常的切削加工甚至高速切削加工。近年来，把微小型金属承载构件做为重点研究对象，对微小构件的三维加工和高频脉冲电加工技术进行研究，其中三维加工采用的 C 轴最高转速 8,000rpm 的精密微小型车铣加工中心，铣头主轴最高转速 60,000 rpm，可四轴联动，重复定位精度达到国际同类水平。沈阳理工大学在微细切削加工技术领域开展了多方面的研究，尤其是超精密加工、微细磨削和车铣加工技术处于国内领先水平，取得了一些重要的研究成果。在如图 1.2 所示的微小铣削机床上完成了微细铣削 AISID2 模具钢的切削试验，研究了各切削参数对表面形貌和切削力的影响程度及变化趋势。结果表明，每齿进给量对广东海洋大学 2016 届本科生毕业论文3己加工表面形貌和切削力影响较大，而轴向切削深度和切削速度影响次之。在微细铣削工件表面上由于塑性变形而产生微细毛刺。图 1.2 微小型铣床1.3 课题的主要内容了解微细车铣削加工的原理与方法，根据设计参数，设计机床的床身；接着，进行车削模块的结构设计与微细铣削模块结构的设计；最后，应用 PRO/E 对设计的机床相关模块绘制零件图与装配图。具体如下：1、研究国内外微细铣削加工技术的研究现状与微细铣削加工原理。根据国内外的研制方法对微细铣削机床进行整体构思。2、制定机床总体结构设计方案。根据设计参数，设计机床床身。 3、微细车削模块和微细铣削模块设计。根据工作条件，选取主轴丶工作台和刀具，结合设计要求对机床进行设计。4、应用三维软件 Pro/Engineer 画机床的零件图以及装配图。1.4 本章小结介绍了本课题的研究意义及背景，简单综述了现在国内外微细车铣削加工的研究现状，最后，归纳了课题的主要研究内容。第 2 章 微 细 车 铣 削 加 工 的 原 理 与 特 点广东海洋大学 2016 届本科生毕业论文42.1 微细车铣削加工的原理铣削加工过程中，随着主轴带动刀具旋转及进给运动的进行，铣削加工过程进行。具体的切削过程如图 2.1 所示。图 2.1 铣削加工过程图中 ae径向切削深度(mm )；ar 一一轴向切削深度(mm)；n主轴转速(rev/min)；fz 一一每齿进给量(mm/tooth)；vc表面速度(m/min)；vf进给速度(m/min ) 。相比于宏观尺度的铣削加工，微细铣削加工并不是宏观机械加工在尺度上简单的缩小，它具有以下显著的特征:（1）尺寸效应微细铣削加工的一个重要特征就是尺寸效应，也就是当切削厚度从几百微米减小到几微米(甚至更小)的时候，形成切屑所需的单位切削力非线性的增加，而且切削厚度越小，单位切削力增加得就越明显。研究尺寸效应产生的原因对微细铣削加工的广泛应用至关重要，但是到目前为止，尺寸效应产生的机理还缺乏成熟的理论解释。许多学者尝试用不同的机理来解释尺寸效应。Backer 认为当塑性变形发生在广东海洋大学 2016 届本科生毕业论文5一个很小的空间的时候，晶体位错运动的加剧是引起尺寸效应的原因 3。Marusich认为当切削厚度减小的时候，由于刀屑接触面切削温度的降低而导致材料剪切强度的增加是产生尺寸效应的原因 4。Fang 建立了一个复杂的正交切削加工滑移线场模型，发现材料的剪切流动应力随切削厚度的变化而变动，他由此认为尺寸效应是一种基本的材料本构行为 5。所以对微细铣削尺寸效应的研究，必须考虑刀具儿何形状和材料的微观结构，以及它们与铣削加工过程之问的关系。（2）刀具切削刃钝圆半径的影响宏观尺度铣削加工中，由于工件较大，加工特征尺寸也较大，允许的吃刀量就较大，刀具切削刃钝圆半径同切削厚度相比要小很多，此时刀具切削刃钝圆半径对加工过程的影响可以忽略不计 6，如图 2.2（a）所示。然而，当刀具尺寸减小时，由于刀具材料、刀具结构强度以及刀具制作工艺的限制，刀具的锋利度并不能够成比例提高。微铣削加工时每齿进给量通常低于几个微米，而硬质合金微铣刀通常有几个微米的切削刃钝圆半径，微铣削过程中的每齿进给量大致等于甚至小于刀具切削刃钝圆半径，切削刃钝圆半径对切削过程的影响已不容忽视，如图 2.2（b）所示。图 2.2 切削厚度与切削刃钝圆半径对比图邓文君利用有限元分析软件 Marc 对切削加工过程进行了有限元模拟，指出在切削用量比较小的精加工中，切削刃钝圆半径不但影响切削力的大小，而且还影响各切削力分量之间的比例关系。（3）工件材料的微观组织影响显著微细铣削加工过程不同于常规铣削加工过程的另一个显著的特点是材料微观缺陷或材质不均匀性等微观结构的影响。对于传统切削过程研究，工件材料经常被认为是均匀和各向同性的，但是当铣削过程从宏观尺寸缩小到微细尺寸时，微铣削加工中起主要作用的因素与宏观铣削加工相比有很大不同。受加工机理和现有加工能广东海洋大学 2016 届本科生毕业论文6力以及工业需求所决定，微铣削主要涉及微米级特征尺寸和精度，一般金属材料是由直径为数微米到数百微米的晶粒构成，当进给量小于晶粒尺寸时，实际切削过程表现为刀具对工件晶粒的微米级切削，在这种情况下，工件材料的微观组成、晶粒尺寸以及晶粒的力学性能等对加工过程有很大的影响，这时的切削相对于对一个个不连续体进行，切削的物理实质是切断材料分子、原子间的结合，实现原子或分子的去除，因而传统的以连续介质力学为基础的切削理论已不适用于微切削。此时切削加工从以剪切为主变化到以摩擦、挤压为主。刀具对工件材料的摩擦力占总切削力的比例加大，从而导致较多毛刺的形成，也将影响切屑的形成以及表面质量。因此微细铣削过程的研究必须考虑工件材料微观结构性能。（4）主轴跳动的影响在传统的宏观尺度铣削模型中，主轴跳动度的量值相对单齿进给量较小，其对铣削过程的影响通常忽略不计；而对于微细铣削，高速主轴的跳动度在 1-5 微米之问，受制造工艺的限制，无法随单齿进给量的减小而成比例减小，已与单齿进给量处于同一数量级，主轴跳动度直接影响到切屑成形过程 7。对于微铣削加工通常采用的两齿