机床立柱的加工工艺及专用刀具设计开题报告

*学院毕业设计开题报告学 生 姓 名：学 号：系 别：机械工程与自动化系专 业：机械设计制造及其自动化设 计 题 目：机床立柱的加工工艺及专用刀具设计指导教师: 年 3 月 25 日毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述文 献 综 述一本课题的研究背景及意义立柱是机床中主要的构件之一，它支撑着主轴系统。立柱的刚性是影响加工精度的重要因素之一。目前，许多立式数控机床采用了龙门式立柱。龙门式立柱只靠两侧的支腿与床身联接在切削过程中易发生左右和前后方向的变形和摇摆振动对加工精度有很大的影响。若要提高效控机床的加工精度和切削效率，必须增强龙门式立拄在左右和前后方向的动、静刚度。龙门式机床由于其跨距大、整体高度较高、横梁较重，立柱本身的低阶振型表现为左右及前后方向振动。要想提高立柱的刚度，必须加强支腿的刚度、减轻横梁部分的质量。1龙门加工中心立柱主要用于支撑横梁、导轨等部件，是大型龙门加工中心的重要组成部分，它的强度、刚度性能直接影响整机的加工精度，抗振性、切削效率和寿命。大型龙门加工中心立柱外形尺寸较大（长度可达6米以上），受力状况复杂。2通过在立柱内部增设加强筋，在保持立柱体积不变，仅微量增加立柱重量的条件下，减小了受力后的变形量，显著提高了立柱的刚度，有助于提高该型加工中心的加工精度稳定性。3机械制造工艺学（machinery technology）是研究集机械、电子、光学、信息科学、材料科学、生物科学、激光学、管理学等最新成就为一体的一个新兴技术与新兴工业，归纳总结机械制造工艺的科学理论与实践，探索解决工艺过程中遇到的实际问题，从而揭示出一般规律的一门科学。工艺是制造技术的灵魂、核心和关键。现代制造工艺技术的重要组成部分，也是其最有活力的部分。产品从设计变为现实是必须通过加工才能完成的，工艺是设计和制造的桥梁，设计的可行性往往会受到工艺的制约，工艺（包括检测）往往会成为“瓶颈”，因此，工艺方法和水平是十分重要的。4工艺是制造技术的灵魂、核心和关键。现代制造工艺技术的重要组成部分，也是其最有活力的部分。产品从设计变为现实是必须通过加工才能完成的，工艺是设计和制造的桥梁，设计的可行性往往会受到工艺的制约，工艺（包括检测）往往会成为“瓶颈”，因此，工艺方法和水平是十分重要的。不是所有设计的产品都能加工出来，也不是所有设计的产品通过加工都能达成预定的技术性能要求。“设计”和“工艺”都是重要的，把“设计”和“工艺”对立和割裂起来是不对的，应该用广义制造的概念统一起来。人们往往看重产品设计师的作用，而未能正确评价工艺师的作用，这是当前影响制造技术发展的一个关键。工艺是生产中最活跃的因素。同样的设计可以通过不同的工艺方法来实现，工艺不同，所用的加工设备、工艺装备也就不同，其质量和生产率也会有差别。工艺是生产中最活跃的因素，有了某种工艺方法才有相应的工具和设备出现，反过来，这些工具和设备的发展又提高了该工艺方法的技术性能和水平，扩大了其应用范围。5随着我国加入世界贸易组织和全球经济一体化环境的形成，机床行业的市场竞争将会愈演愈烈。目前，国内外机床产品技术水平之间的差距仍然很大，主要表现为产品仿制多，创新少，市场竞争力不足，利润低设计方法落后，机床结构设计，尚处于传统的经验、静态、类比的设计阶段，很少考虑结构动、静态特性对机床产品性能产生的影响，产品精度低，质量难以保证，设计周期长，成功率低，反复设计、试制与修改，产品更新换代慢，且成本高。龙门式机床是加工装备中必不可少的一种机床。因此尽快应用先进的设计技术，快速开发出结构合理、自动化水平高、加工精度高、低振动、低成本的龙门机床新产品响应市场，这样我国的机床工业才有出路。为了达到这一目的，掌握先进的机床工艺设计方法就显得尤为重要6。总之，随着我国国民经济的快速发展，各行各业的用户对重型、超重型龙门加工中心和数控龙门镗铣床需求会愈来愈多，对机床的高速、高精、复合、环保、高效要求愈来愈高。7二本课题国内外研究现状近年来，随着国家振兴装备制造业的16个重点领域振兴计划的施实，政府对航空航天、核电、风电、铁路机车、船舶舰艇、交通运输等重点工程加大投入力度。而这些重点工程对设备的要求也愈来愈高。这些工程设备的关键零部件也都是大尺寸、重吨位、高精度的工件。所以，要加工这样的典型零件，必需开发高水平的大型、重型、超重型数控机床，包括龙门加工中心和数控龙门镗铣床。在CIMT2009展会上，展出整机重量超过100t的超重型龙门加工中心和数控龙门镗铣床，就有沈一、中捷、大连、济二、武重、桂林、日发、海天等8家之多。而沈一参展的净重320t的龙门移动式车铣中心，武重参展净重170t的定梁龙门移动车铣加工中心，大连参展净重200t的双交换台龙门加工中心，济二参展净重110t的五轴联动定梁龙门移动数控镗铣床等几台展品更有特色，水平较高。这充分说明了改革开放30年来，尤其是进入2l世纪以来，我国机床行业，特别是国民经济各行业急需的大型、重型、超重型龙门加工中心和数控龙门镗铣床，已经进入了快速发展期。8五轴联动数控是数控技术中难度最大、应用范围最广的技术。它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工。五轴联动数控机床是发电、船舶、航天航空、模具、高精密仪器等民用工业和军工部门迫切需要的关键加工设备。国际上把五轴联动数控技术作为衡量一个国家工业化水平的标志。五轴联动数控机床的应用大大提高了加工效率，同时机械加工精度也有了质的飞跃，符合市场的需要，同时因为市场的需要也促进了五轴联动机床的发展。在北京CCMT2008展会上展出的14台龙门加工机床中(据不完全统计)具有五轴联动功能或可扩展为五轴联动的机床就有6台之多，占整个该系列机床展品的48，可见五轴联动依旧是龙门类产品发展的主要趋势。9目前，我国重型立式加工中心龙门架的立柱导轨一般采用一字型导轨结构，即立柱的两个前导轨在同一平面内，横梁与立柱前导轨结合部位为一平板状结构，横梁扭转刚度低。并且，横梁升降丝杠的中心位置一般在立柱前导轨的后部，由于一字型立柱导轨结构的限制，横梁升降丝杠的中心在横梁整体重心偏后的位置上，从而使立柱导轨承受横梁没有被平衡的倾覆力矩；在垂直刀架进行重载荷切削时，在切削力引起的倾覆力矩作用下，平板状结构的横梁扭转变形严重，大大影响机床的加工精度。另一方面，目前重型立式加工中心龙门架横梁平衡装置一般采用机械重锤平衡结构，横梁两侧的重锤平衡力不能随着垂直刀架的移动而相应调整；在机床加工过程中，随着垂直刀架的移动，横梁整体重心在x轴方向是动态变化的，左、右重锤通过钢丝绳施加给横梁两侧固定不变的拉力，严重干扰了机床垂直刀架移动x轴和横梁升降W轴的数控精度。为了解决上述问题，我们对重型立式加工中心龙门架结构进行技术改进。首先，将立柱一字型导轨结构改进为阶梯导轨结构，并将横梁升降丝杠的中心位置和横梁平衡装置的平衡支点前移，使横梁升降丝杠中心和横梁的重心重合，使横梁处于最佳受力状态；并通过阶梯导轨结构提高横梁的扭转刚度，使立柱和横梁导轨的受力状态和总体布局结构更加合理，使立柱承受的整体扭转力矩降至最小，从而大大提高龙门架的整体刚度。其次，将横梁机械重锤平衡结构改进为双油缸平衡结构，在垂直刀架移动过程中，双油缸平衡力的大小可通过液压伺服阀精确控制；改进后的双油缸横梁平衡结构具有随动精确平衡横梁载荷的特点，尤其是在垂直刀架移动过程中，数控系统可精确控制横梁两侧平衡力的大小，从而精确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轴和横梁升降W轴的数控精度。103 本课题相关切削加工及刀具选择综述在各机械加工部门中铸铁件约占机器质量的45%-90%，铸铁件如发动机缸体、变速箱体、机床床身上有许多平面、槽形需切削。铸铁组织为金属基体加游离态石墨，切削加工时石墨形成易断的崩碎切削，且其在切削刀具的选择方面有更广泛地选择。183.1高速切削技术良好的工艺路线、工艺方法可以大大缩短时间，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。近年来，我国对高速切削技术已有了更广泛的重视，应用范围越来越大。我国现己进口了大批高速加工机床，却由于缺乏理论指导和配套技术，不能充分发挥其应有的加工能力。另外，自主开发的高速机床，由于设计、工艺、装配等方面存在的问题，同国外机床相比，在性能上还存在很大的差距。因此，对加工机床进行结构分析，充分了解其结构特征和性能特性是开发大型机床的行之有效的方法，对于建立机床的三维虚拟模型和分析设计起到指导性、决策性的作用。11铸铁加工通常都不用切削液，是典型的干切削加工方式。在干切削灰铸铁和淬硬钢的应用领域，陶瓷刀具和CBN刀具是可供选择的，因此进行成本、效率和加工质量分析是非常必要的，以确定哪一种材料更经济。123.1.1陶瓷刀具在ALO基体材料中加入TiC、WC、SIC、TaC、ZrO等，经热压制成氧化铝基复合陶瓷刀具，其硬度可达93-95HRA。用陶瓷刀具对等温淬火球墨铸铁ADI干式高速切削的研究表明：最大磨损部位位于切削刃附近，其磨损包括磨料磨损、扩散磨损、粘结磨损和微崩。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单晶金刚石、聚晶金刚石（PCD）、聚晶立方氮化硼（CBN）和CVD金刚石等。其中CBN使用聚晶立方氮化硼粉末掺入金属或陶瓷结合剂，经烧结合成再制成金属切削工具。CBN刀片切削高合金铸铁较陶瓷刀具可提高生产效率5倍以上。3.1.3硬质合金刀具硬质合金是微米数量级的难熔高硬度金属碳化物的粉末，用钴、钼、镍等做粘结剂，在高温高压下烧制而成，其硬度89-92.8HRA，红硬性可以达到800-1000摄氏度。在腐蚀性强和冲击力打的铸铁切削领域，对作为切削工具的硬质合金要求要具有高的抗弯强度和强度。183.2硬态切削目前，硬态切削主要用于车削、铣削等加工工艺，与磨削相比，具有以下优点：(1)加工灵活性强，精度易于保证； (2)硬态切削加工成本低于磨削，通常仅为磨削的14；(3)硬态切削不需要专用机床、刀具和夹具，在现有加工设备上即可实现；(4)硬态切削的生产效率高于磨削；(5)磨削产生的磨屑与废液混合物污染环境，而硬态切削易于实现干切削，产生的切屑可再利用。如果将硬态切削与精磨工艺结合起来，则加工一个一般零件所花的成本将比在磨床上完成粗加工和精加工所花成本降低4060。因此，后继工序有超精加工或精密磨削要求时，硬态切削是最好的选择。13高速切削的工艺技术也是成功进行高速加工的关键技术之一。高速切削的工艺技术包括切削方法和切削参数的选择优化，对各种不同材料的切削方法、刀具材料和刀具几何参数的选择等。(1)对切削方法和切削参数进行优化选择，其中包括优化切削刀具控制和切削过程等；(2)除了刀具材料和刀具几何参数的选择外，在切削过程中还要采取不同的切削策略才能得到较好的切削效果。高速切削工艺方法也是研究的重要内容之一；(3)在研究高速切削工艺技术中，切削方法和技术必须紧密结合刀具材料和刀具几何参数的选择综合进行。14 3.3磨削加工磨削是一种常用的半精加工和精加工方法，砂轮是磨削的主要切削工具。磨削的基本特点如下：（1）磨削除可以加工铸铁、碳钢、合金钢等一般结构材料外，还能加工一般刀具难以切削的高硬度材料如淬火钢、硬质合金、陶瓷和玻璃等。但不适宜加工塑性较大的有色金属工件。（2）磨削加工的精度高，表面粗糙度值小。精度可达IT5及IT5以上；表面粗糙度值为1.25-0.01um ，镜面磨削时为0.04-0.01 um。（3）磨削的径向磨削力Fy大，且作用在工艺系统刚性较差的方向上。因此，在加工刚性较差的工件时（如磨削细长轴)，应采取相应的措施，防止因工件变形而影响加工精度。（4）磨削温度高。磨削产生的切削热多，是80-90传入工件，(10-15传入砂轮，1-10由磨屑带走)加上砂轮的导热性很差，大量的磨削热在磨削区形成瞬时高温，容易造成工件表面烧伤和微裂纹。因此，磨削时应采用大量的切削液以降低磨削温度。（5）砂轮有自锐作用。在磨削过程中，磨粒的破碎将产生新的较锋利的棱角，同时由于磨粒的脱落而露出一层新的锋利的磨粒，它们能够使砂轮的切削能力得到部分的恢复，这种现象叫做砂轮的自锐作用，也是其他切削刀具所没有的。磨削加工时，常常通过适当选择砂轮硬度等途径，以充分发挥砂轮的自锐作用来提高磨削的生产效率。必须指出，磨粒随机脱落的不均匀性会使砂轮失去外形精度；破碎的磨粒和切屑会造成砂轮的堵塞。因此，砂轮磨削一定时间后，需进行修整以恢复其切削能力和外形精度。（6）磨削加工的工艺范围广。磨削不仅可以加工外圆面、内圆面、平面、成形面、螺纹、齿形等各种表面，还常用于各种刀具的刃磨。（7）磨削在切削加工中的比重日益增大。在工业发达国家磨床在机床总数中的比重已占到30-40，且有不断增长的趋势。磨削在机械制造业中将得到日益广泛的应用。15 3.4燕尾槽铣削与测量燕尾槽是在实习教学中常见的一种机械结构，槽的形状是“ ” 形。它的作用通常是作机械相对运动，运动精度高、稳定。燕尾槽常和矩形导轨配合使用，起导向和支撑作用。其经常使用在机床的拖板上，如铣床的垂直导轨和横梁导轨等都是燕尾槽。其加工程序为：制作燕尾样板一在工件上划线并打上样冲眼一使用刨床刨削(也可在立铣床上使用塔形铣刀加工)一用样板测试成品精度。16燕尾槽零件，在加工过程中通常采用燕尾塞规来测量塞规测量虽然简便易行但存在着两个问题：一是它只能综合测量燕尾槽加工的是否合适，不能确定零件在加工过程中的具体数值二是燕尾规制作工艺复杂，精确度很难达到制作成本较高为此我们采用棒针测量法检测燕尾槽底部宽度，效果很好17参考文献1 张兴朝，徐燕申.机床龙门式立柱结构参数化动态优选设计.吉林工业大学自然科学学报.2001：52 郝锌，闵小俊等.基于ANSYS的TH65100立柱结构静力分析及改进设计计算机应用技术.2009（4）3 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零件俯视图本课题要研究的零件如图1所示，属于大型零件。该工件生产批量小，周期长。生产设备大多为大型专用机床，加工工序相对固定，设备投资额高，占地面积大，内部物流简单，设备功能专一。不参与其他工件加工，也不与其他设备混合使用。工艺分析的焦点是流程段中的瓶颈问题的发现和解决，不需像通用生产件那样考虑多工件或工艺交叉情况。加工设备添置和变更设备不容易，工艺流程的改变同时引起内部物流设施的改变，因此，工艺规划必须在分析基础上对设备加工过程进行仿真，在实施改造或新建之前找出最优化方案。大工件加工金属切除率对刀具提出了新的要求，硬质合金刀具和高速钢刀具一般无法满足这一要求。而采用粉末冶金工艺制造的刀具可以将这两种刀具的最佳性能结合在一起，更快地切除金属材料。加工大工件所面临的另一大挑战就是如何验证加工结果，常规的测量设备无法满足它的要求。通常要采用便携式接触型测量系统，该系统配有一个小型激光反射器，可以在工件上来回移动，把采集到的尺寸数据反馈到测量机上进行分析。测量的范围高达几十米，使用起来非常方便。大工件加工过程中的现场管理也非常特别，首先要考虑工件在工厂内的搬运问题，需配备大型叉车和天车，合理安排工序，尽量减少搬运次数。由于大部分测量、机床调试工作是在大型工作台上完成的，机床操作一定要有安全保护装置和控制系统，确保操作人员的安全。本课题主要研究的是某型号龙门机床立柱的加工工艺以及专用燕尾槽铣刀。其中加工工艺包括：零件图的分析、零件的工艺分析、设计加工工艺方案、确定加工工序和走刀路线、选择机床和加工工艺设备、设计加工工艺夹具、设计专用量具、确定切削用量、加工工艺过程设计、编写加工工艺文件、以及编写加工程序等，燕尾槽专用铣刀的设计包括刀具的力学性能分析、尺寸设计等。在本毕业设计中要研究定位基准的选择、工件的定位方法、零件的结构工艺性等。机械制造加工工艺是机械制造业的基础，是生产高科技产品的保障。离开了它就不能开发出先进的产品和保证产品质量，提高生产率，降低成本和缩短生产周期。机械制造工艺技术是在人类生产实际中产生并不断发展的，目前机械制造工艺技术向着高精度、高效率、高自动化发展。具体包括：(1)了解立柱在龙门机床中的作用及工作原理。(2)要根据零件图，自行绘制零件的三维图，并仔细分析零件结构。(3)根据零件结构，制定出二至三套完整的加工工艺过程。(4)在指导教师的帮助下，修改完善，最终得到一套最优的加工工序。(5)选定每道工序的机床、刀具、定位、切削用量、工时。(6)制作