立式加工中心XH716D工作台机加工艺及工装设计--毕业论文.doc

立式加工中心XH716D床身机加工艺及工装设计摘要：床身是加工中心的重要部件，通常由铸铁或花岗岩等具有良好抗振性的材料制成，床身上放置有床身与导轨，其主要机加内容是导轨面，导轨面有平行度与平面度等要求，通常的加工方式是磨削或刨削，最后需经过刮研以达到设计要求。本文针对立式加工中心XH716D，对其床身的机加工工艺进行了详细的介绍，并通过对其工装的设计，对其的加工性能进行深入的研究，为XH716D的加工性能提供了理论指导。关键词：立式加工中心，工艺，工装Vertical machining center XH716D workbench machining and tooling designAbstract: the lathe bed is an important part of a machining center, are usually made of cast iron, or granite have good vibration resistance of materials, such as bed with workbench with guide rail, placed on the main machine to add content is guideway, guideway parallelism and flatness requirement is usually the processing way of grinding or planing, finally need research to meet the design requirements. XH716D vertical machining center, the author of this paper, the machining process of the workbench has carried on the detailed introduction, and through the design of the tooling, processing performance of the in-depth research, for the machining of the XH716D performance provides the theoretical guidance.Keywords: vertical machining center, technology, equipment and tooling 1 绪论床身是车床的基本支承件，是机床最重要的部件，它是机床各部件的安装基准，作用非常大，其需求量也是相当的大，应用广泛。但床身是一个大型件，很重，也很难加工。它在加工过程中有一定的局限性，很受限制，不方便，故需要在大型龙门系列机床上加工，加工过程也比较难，进行各种粗精刨、粗精铣、粗精磨和钻孔等。还有很多其他的步骤。同时还有热处理，高频淬火等。本次课题主要研究探索针对床身的比较科学有效并且尽可能降低生产成本并且提高加工质量的具体机械加工工艺和工装设计。床身和导轨在床身上放置，所以导轨面是最重要的加工面，导轨面对平行度与平面度的标准较高，一般加工工艺是磨削或者刨削，然后通过刮研来达到设计标准。1.1 加工中心的定义加工中心，简称cnc，是一种先进的机械加工设备。有数控设备与数控系统组成，能够通过机械的自动化运动，节省人力和时间，提高效率，现在应用十分广泛。是综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、拖动技术、现代控制理论、测量及传感技术以及通信诊断多种技术，刀具和编程技术的高科技产品。加工中心备有刀库，具有自动换刀功能，非常发达。是对工件一次装夹后进行多工序加工的数控机床。加工中心是加工设备的一种，属于机电一体化的产品，是机械设备与电气设备的结合。工件装夹后，要进行检测，数控系统是一种智能化设备，能对机床进行控制。根据对机床工序的不同输入，进行智能化选择。根据这些选择更换刀具、自动对刀、自动改变主轴转速 、改变进给量等等，能够在不需要很多人力的情况下，连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等多种工序，工序的选择也具备很多智能化的选择条件，因而大大减少了工件装夹时间。同时还能测量和调整机床的程序。减少辅助加工时间。对加工形状比较复杂，难度高、精度要求较高，工序更换频繁的零件具有良好的加工效果，能够减少很多经济浪费，提高生产效率。下图1就是自动化加工中心的一种。图1 加工中心目前，加工中心有立式机床和卧式机床，上图是立式机床的一种，它的优点就是换刀方便，能够很容易观看换刀的过程，有效的避免撞床。下面对国内外加工中心的发展情况进行介绍。1.2 国内外发展现状由于加工中心在机械加工中的重要作用，以及在社会工业发展中做出的巨大贡献。各个工业发达国家都极为重视，并且投入很大资金进行加工中心的研发，在技术和产量上都发展很快，很多加工中心具备了很多自动化功能。目前全球加工中心年生产量非常之多，为60,00075,000台左右，且发达国家居多。尤其是日本、欧盟、美国及中国台湾、韩国等，是数控中心最具代表性的生产基地。日本市场消费能力强，产量高，年生产量超过10,000台。机床的智能化和质量也比较高，日本的主要机种为立式加工中心，年产量约6,0007,000台。 如本在现有机床的基础上，每年都会投入大量资金不断研发高速、高精密、五面加工的加工技术，同时还开始注重五轴联动加工等技术的开发。满足现代加工技术中特殊与复杂曲面加工工件的要求，日本的几个加工厂家都是世界著名的加工厂，有MAZAK、大隈、庄田、三菱等公司。下图2位日本生产的立式加工中心。图2 立式加工中心德国的机械制造业一向是世界的龙头，德国生产的机械设备以高精度和高智能化为主，注重机械设备的质量和品质，其生产的加工中心具备很多功能，充分体现了德国人的细心与严谨。其加工中心的产量并不是很高，每年生产量约在5,0006,000台左右。其生产的加工中心有很多世界代表性的产品。代表性机种为卧式加工中心，年生产量约2,5003,000台，还有很多其他的加工中心。其他加工中心年生产量约2,0003,000台左右。德国生产加工中心的厂家有西门子、MAKA、GEISS、科恩等公司。下图3为德国西门子公司生产的双工位卧式加工中心。图3 双工位卧式加工中心20世纪70年代之前，我国都是在国外引进加工中心，因为没有加工机床的技术与设备。70年代之后，为了提高我国的自主研发能力，我国来时投入大笔资金研制加工中心，但是由于没有技术和人员的支持，生产的很多机床都有缺陷，有的是配套件设计不对，有的是设计、制造的缺陷，导致机床无法正常使用。进入80年代后，我国开始进入改革开放，国家开始引进并学习发达国家的设备及技术。先后引进了日本FANUC、德国SIEMENS等公司的数控系统。之后又从发达国家引入直流进给伺服电机。引入主轴电机及其伺服单元之后，加上技术人才的支持，我国生产的数控系统的可靠性有了很大提高。但就整机而言，与发达国家相比，可靠性还不够高，但是整体已经有了很大进步，也有了生产高精尖设备的技术。20世纪90年代中期以来，改革开放的深入，海龟人才的支持。加工中心技术的技术有了更大的提高，配套设施更加完善。国内生产企业有了自己的行业标准。注意到了采用标准功能部件，将机床的非标准件摒弃。配套设施的选择也是采用发达国家的知名品牌。尤其是机床的主要配件，操作系统，都采用国外的成熟技术。数控系统、滚动直线导轨、滚珠丝杠、轴承、ATC装置、液压气动元件。这就在很大程度上提高了国产加工中心的档次和可靠性。同时还缩短了与发达国家技术上的差距。更在一定程度上缩短了与国外同类产品的差距。虽然有了很大的进步，但是国外的技术也在不断发展，所以相比发达国家，我国的加工中心技术水平并不是很高。尤其是与机床配套的高精尖设备，我国还没有能力生产，只能在国外引进。目前我国的机床在整机防护与密封方面不是很好。还存在外观粗糙、整体造型不尽如意等缺陷。在国际上基本没有竞争力。我国现在生产加工中心的有沈阳机床厂、大连机床厂、上海祥裕等厂家。下图4为大连机床厂生产的四轴联动立式加工中心。图4 四轴联动立式加工中心1.3 发展趋势新技术革命的出现，推动了经济发展，也推动着现代机械加工技术的发展，改变了很多传统的机械加工技术，加工中心也在现有基础上不断更新。正在发生革命性的变革，智能化程度不断提高。加工效率也在不断升高。21世纪，加工中心发展的主流，就是在提高加工精度的基础上，采用高速加工技术。加快加工效率。进一步改善产品用质量，同时在不降低加工质量的基础上节省加工时间，节省人力的使用。还有就是发展巨型计算机技术，用计算机辅助加工，帮助设计工程师们在最短的时间选择最佳设计方案。除此之外，还有很多辅助的加工设备和加工思想。这些将完全取代传统的加工技术1.4 立式加工中心XH716D简介本文在对加工中心进行介绍的基础上，对立式加工中心XH716D的床身进行加工介绍。该系列立式加工中心机床具有很多现代化的加工技术，在继承传统立式机床刚性强、结构合理、稳定性强等优点的基础上。对加工系统和动态加工性能进行优化。在引进国际先进的动态刚性设计理念的基础上，对移动部件进行了优化设计。拥有自主知识产权。该机床适用于小型零件的精密加工，如板件、盘件、壳体、模具等零件，这些都是一些复杂零件，在普通加工中心的加工难度很高。这种类型的机床广泛适用于航空、航天、汽车、模具、机车、造船、机电、机床、印刷、轻纺等制造行业。下图5为立式加工中心XH716D 图5 立式加工中心XH716D 该机床的设计采用新的操作系统和新的加工技术。具有很多独特的加工特点，同时还能完成很多复杂零件的加工，应用范围十分广泛。其主要特点就是切削机床的主要构件刚度高，满足高速切削的性能，主轴转速恒功率范围宽，转速扭矩范围大，可进行慢速强力切削，还能进行快速切削。主轴轴承采用国外进口。高精度、高转速、高刚度轴承是主轴的主要特点。轴承采用油脂润滑，冷却效率高，同时还采用外循环油冷却，提高机床床身与主轴的寿命。改机床的高速定位能达到0.002的精度，通过交流伺服电机控制，控制精度高，经联轴节和滚珠丝杠副直联，链接紧密。导轨均采用进口知名品牌，直线滚动导轨副，所以该机床的特点就是动静摩擦系数小，加工精度高，寿命长，响应速度快。2 机械加工工艺制定的过程2.1 工艺原则机械加工工艺是加工一个机械零部件的基础，因此每个机械零部件的加工工艺都需要一个工艺原则。这个原则的制定是根据零部件的加工精密程度和负责程度指定的。但是基本原则就是优质、高产、低成本。加工质量是第一标准，高产和低成本是工艺优化的主要方向。这主要是为了提高生产的效率和劳动生产率。主要原则分类如下：2.1.1技术上的先进性在制订机械加工工艺规程时，技术的先进程度是工艺流程制定的主要参考指标。这就需要对本企业的现有生产条件必须非常了解。对我国的加工设备和加工技术也需要非常了解。同时还需要尽可能采用国内、外先进工艺技术，积极分享他们的加工经验。还有一个就是要保证本企业有良好的劳动条件。2.1.2经济上的合理性经济条件是制定工艺流程的主要指标，在规定的生产纲领和生产批量下，有很多可行的加工工艺方案。但是这些工艺方案的复杂程度各有不同，加工成本也必然有一些差异。一般的工艺要求，就是工艺成本最低，在最高的加工效率基础上，充分利用现有生产条件，达到少花钱、多办事的目的。2.1.3有良好的劳动条件在制订工艺方案时，要充分考虑并利用现有的加工技术和加工人员。采取机械自动化设备和智能化的操作系统，尽量减轻工人的劳动强度，保证劳动人员最好的精神状态和最安全的生产 保障。由于工艺规程非常重要，在指导生产和操作时，都能起到指导性的作用。因此，在工艺文件的制定中，工艺规程的正确、完整、统一和清晰非常重要，是后续加工的基础和保障。所用加工中的细节、术语、符号、计量单位、编号都要符合相应标准，达到加工的正确性。还要保证加工设备能够正常的运行。可靠地保证零件图上技术要求的实现。在制订机械加工工艺规程时，充分考虑加工要求的可实现性。如果发现零件图某一技术要求规定得不适当，要及时向有关部门提出建议，但是不得擅自修改零件图或不按零件图去做。2.2 机械加工的工艺内容及步骤2.2.1确定零件的生产类型，确定零件的批量。2.2.2对零件进行工艺分析对零件进行工艺分析，是加工工艺的前提和主要步骤，在对零件的加工工艺规程进行制订之前，在了解零件的基础上，应首先对零件进行工艺分析。其主要内容包括：（1）分析零件的功能作用，详细阅读零件图上的技术要求。（2）详细阅读零件主要加工表面的尺寸、形状及位置精度、表面粗糙度以及设计基准等基本加工要求；（3）分析零件的材质、热处理及机械加工的工艺性。（4）确定加工设备，及本厂的加工条件。2.2.3确定毛坯加工工艺分析完后，需要对毛坯进行确定。毛坯的种类和质量有很多可能性，对零件加工质量、生产率和材料消耗都有很大关系，在加工成本的降低上也有很大的关系。因此确定毛坯的时候，对技术要求和成本等几方面要进行综合考虑。降低成本，正确选择毛坯和毛坯的制造方式。这样在生产环节中，可以使整个工艺过程更加经济合理，效率更高。故应慎重对待。2.2.4制订零件的机械加工工艺路线（1）确定各表面的加工方法。零件表面的加工是一个重点，在制定工艺路线时，必须要了解各种加工方法和各个方法的特点，对这些特点进行了解的基础上，掌握其加工精度和加工的经济成本。同时还要保证表面的粗糙度要求。保证质量、效率、成本都在最佳程度。（2）选择定位基准。工艺的制定都需要一个定位基准，根据粗、精基准的选择原则，在进行各个工序加工的过程中，都可以合理的选择定位基准。（3）制订工艺路线。最后就是制定工艺路线，根据前面的分析，对零件的加工过程有了一个大题的了解，对零件的加工工序也有了一个初步的过程，划分零件粗、半精、精加工阶段。同时还需要确定工序集中与分散的程度，在这个程度的基础上，通过分析，合理安排各表面的加工顺序，这样就可以制订出零件的机械加工工艺路线。如果需要加工的零件非常负责，可以同时制定好几个加工方案，对这几个方案进行分析比较，选择合理的加工工艺路线。2.2.5确定各工序的加工余量。同时还需要确定各个工序的零件尺寸和公差。包括形位公差和尺寸公差。2.2.6选择合适的加工机床，还要根据机床的功能，选择合适的工、夹、量、刃具。机械设备的选用必须根据工序的步骤进行选择。应当既保证加工质量、又要经济合理。如果是批产，一般应采用通用机床和专用工夹具。2.2.7确定各主要工序的技术要求。还要确定各个工序的检验方法。2.2.8确定各工序的切削用量。还要统计各个工序的时间定额。当生产的零件为单件小批量，这时候的加工工序就可以不用按照标准来。切削用量可以根据操作者自行决定，确定其工艺尺寸，机械加工工艺过程卡片中一般不作明确规定。如果是中批，大批量生产，必须在工艺卡片中确定规定的切削用量，不能随意改动。2.2.9填写工艺文件最后是确定工艺文件，完善工艺卡片。下图6为零件加工工艺确定的流程：原材料来料检查原材料粗加工精加工成品检查激光打标打孔、攻牙车床加工出库仓库保管、入库铣床加工原材料入库原材料储存原材料分出热处理表面研磨表面毛刺处理CNC加工图6 零件加工工艺流程3 立式加工中心XH716D床身设计3.1技术要求该加工中心的整个床身、以及工件和夹具总质量m=840kg(重力W=8600N)。床身的进给速度和床身的行程都是规定的数值，其中床身行程900mm，床身快进时的速度速度为20000mm/min。该加工中心的床身采用滚动摩擦导轨，因为这样的导轨形式摩擦力非常小。动摩擦系数为0.01，对机床的加工运动影响非常小，静摩擦系数为0.01。该加工中心床身定位精度为0.04mm，同时还拥有重复定位精度，这个精度更小，为0.01mm。设计的机床都有一个工作寿命，该机床设置为20000h。伺服电机的额定功率为7.5kw，主轴转速设置为主轴转速300r/min。强力切削时铣刀直径125mm。下表1为加工中心的主要技术要求：表1 加工中心技术要求切削方式进给速度（m/min）时间比例(%)备注强力切削0.610主电机满功率一般切削0.830粗加工精加工切削150精加工快速进给2010空载3.2总体设计方案上面确定了技术要求，下面还需要介绍采取的技术方案，有如下几条（1）床身工作面尺寸（通常为宽度长度）确定为400mm1200mm。（2）床身导轨采用矩形导轨。在导轨的上面有与之相配的动导轨滑动画面，在这个滑面上贴聚四氟乙烯导轨板。由于导向面有间隙，因此采用斜镶条进行封贴，消除导轨导向面的间隙。（3）对滚珠丝杠螺母副采用预紧，这是为了增强床身与导轨的预紧力，并对滚珠丝杠进行拉伸预。（4）采用伺服电动机驱动。（5）采用膜片弹性联轴器将伺服电动机与滚珠丝杠连接。4 立式加工中心XH716D床身加工工艺分析4.1 床身作用题目所给的零件是XH716D加工中心的机床床身，是机床的最大的一个零件，也是机床的基础构件。这个基础的零件的特点就是表面的加工精度要求比较高，而且零件尺寸大。机床的各个主要部件和零件都装在床身上或在床身导轨上作相对运动。可以把床身当做加工中心的支承件，床身的下面装有床腿，四个床腿支承在地基上。需要保证机床床身的绝对平稳。床身上安装着机床的各部件，各个部件的配合需要非常精细，还需要保证它们之间具有要求的相互准确位置。在床身上安装有刀架、尾座、床头箱等零件。各个零件的配合需要非常精细。切削的时候，刀具与工件会产生相互作用力，这个力传递到床身上就会使床身变形。床身的变形和振动是机床必须要消除的影响因素，它会直接影响到被加工零件的精度和表面粗糙度，因此，床身是机床上极为重要的构件。4.2 床身工艺分析该床身零件主要有四组加工表面，其中有三组加工表面的加工精度都非常高，都要求有较小的表面粗糙度值。现述如下：4.2.1床鞍与床身的结合面。该平面是床鞍与床身的结合面，是机床纵向进给运动的主要平面。精度要求高，所以，要求该平面的表面粗糙度值不得超过1.6，这个精度就能够保证纵向进给的精度。能达到加工零件和机床运动的要求。4.2.2导轨面。导轨面是机床最重要的加工面，床身上有四条导轨，每条导轨都需要极高的精度。其中有两条上安装拖板，其他两条安装尾架。保证机床的正常运行，导轨面是床身的的一个重要表面，刀架就在这个表面上，而刀架是负责安装车刀的主要构件，直接影响到工件的切削精度。尾座也是机床运行必备的构件，可以安装钻头进行钻削等工作。因此，要求导轨面有较小的表面粗糙度值，还需要有较好的直线度，这样才能保证零件的加工精度。4.2.3床头箱的安装定位面。该平面只有一个作用，就是主要安装床头箱，由于床头箱负责的是横向进给，所以，要求该平面要较小的表面粗糙度和较好的平面度，与导轨面的要求一样。4.2.4钻孔。床身的固定需要经过螺栓孔进行定位，该项加工主要包括床身的安装孔加工、齿条安装孔加工、床头箱安装孔等等的加工。在加工这些孔的时候，也需要保证孔之间的尺寸公差。保证安装的顺利。4.3 确定毛坯的制造形式正确的选择毛坯，以及最大程度发挥毛坯的作用，具有重大的经济技术意义，能够节能很多成本，毛坯的材料、制造方法都需要特殊的加工形式，毛坯的制造与加工精度对床身的加工过程、加工劳动量、材料利用率和工件成本都有很大的影响。由于床身的结构较复杂，精度比较高，生产量又为大批量的生产，所以毛坯应选用铸件，因为铸件能够保证床身的铸造精度，还能提高其生产率，较少加工成本。同时，还需要选用精度和生产率都经较高的毛坯制造方法，这就需要对加工的工艺进行选择和优化。所以，在选择毛坯的时候，这里选用机器造型的砂型铸造。这样的选择有两个好处，一是提高生产率，还有一个就是降低了工人的劳动强度。4.4基准的选择4.4.1粗基准的选择零件在加工时，基准的选择非常重要，因此在选择基准的时候需要考虑一些选择原则。这样能更好的制定工艺加工路线。加工的时候，床身的粗基准有一个预先划好的加工线，需要通过这个加工线进行找正，这样，更有利于保证准确的加工位置，还能较少加工时的步骤。对于划线的基准，也有一个原则，就是考虑床身上导轨面是一个重要面，通过这个面，用导轨面作为基准。4.4.2精基准的选择粗基准选择后，精基准的选择更加重要，一般的零件在加工前，需要选择粗基准后，都应对基准进行的合理的选择。这样，才有利于保证零件加工时的精度。还能保证机床的质量，最重要的是能够减少加工成本，减少加工步骤。床身是属于较大型的工件，不但要求精细，同时又比较重，加工过程中非常麻烦，需要对床身和刀具进行多步骤的调节。调节的时候就能够保证了床身加工时的精度。4.5制定工艺路线由于生产类型为大型零件的生产，应尽量使工序集中，保证工序的正确性，来提高生产率，保证零件的各部份精度，除此以外，还应降低生主成本。工序1：铸造毛坯下图7为铸造的毛坯图图7 铸造毛坯图工序2：清理、喷砂后上底漆工序3：划线，划底面及导轨面的刨加工线及校正线下图8为导轨面校正线的绘制图8 导轨面校正线工序4：粗刨床身底面如下图9所示：图9 床身地面的粗刨机床选用：因床身是较大零件，故选用龙门刨床，型号为B2010A刀具选用：选用YG8刨刀，刀杆尺寸bh为2030按划线找正，以导轨面为安装基准工序5：粗铣各导轨面及结合面如下图10所示图10 粗铣导轨面按划线找正，以底面为安装基准机床的选择：选择龙门铣床X2010CP=13kw刀具：选用高速钢圆柱铣刀d=60z=16工序6：人工时效处理工序7：半精刨底面以导轨面为基准机床的选择：选择龙门刨床B2010A刀具：选用YG3宽刃刨刀，刀杆尺寸bh为2030工序8：半精铣导轨面、床身内侧面、结合面、外侧面找正导轨侧面，以底面为安装基准图11所示为半精铣的导轨面图11半精铣的导轨面机床的选择：选择龙门铣床X2010C13Pkw刀具：选用高速钢圆柱铣刀，z=16d=60工序9：热处理、导轨表面高频淬火工序10：精刨底面、压板面和齿条安装面以导轨面为安装基准机床的选择：选择龙门铣床X2010CP=13kw刀具：选用高速钢圆镶齿三面刃铣刀工序11：钻齿条安装孔、进给箱安装孔及攻螺纹如下图12所示：图12 螺纹孔的加工以底面为基准机床的选用:选用龙门刨床B2010A刀具的选择:选择YG3宽刃刨刀刀杆尺寸bh=2030工序12：钻床身的安装孔下图13为床身安装孔图13 床身安装孔以底面为基准工序13：精磨床头箱定位安装面及压板面找正导轨面，以底面为安装基准工序14：粗、精磨导轨面找正导轨面，以底面为安装基准工序15：终检5 结论床身是车床的基本支承件，是机床最重要的部件，它是机床各部件的安装基准，作用非常大，其需求量也是相当的大，应用广泛。但床身是一个大型件，很重，也很难加工。它在加工过程中有一定的局限性，很受限制，不方便，故需要在大型龙门系列机床上加工，加工过程也比较难，进行各种粗精刨、粗精铣、粗精磨和钻孔等。还有很多其他的步骤。同时还有热处理，高频淬火等。本次课题主要研究探索针对床身的比较科学有效并且尽可能降低生产成本并且提高加工质量的具体机械加工工艺和工装设计。床身和导轨在床身上放置，所以导轨面是最重要的加工面，导轨面对平行度与平面度的标准较高，一般加工工艺是磨削或者刨削，然后通过刮研来达到设计标准。本次课题通过研究床身的具体机械加工工艺和工装设计。对具体的工艺进行了详细的分析，为以后机床的设计提供了理论依据。参考文献1苏欣. 树脂矿物复合材料加工中心床身静动态及热态特性应用与研究D.南京理工大学,2014.2郭婷婷. 曲轴铁模覆砂铸造模具CAD/CAE/CAM技术研究D.山东大学,2014.3陈涛. 深腔多台阶孔精密加工技术D.大连理工大学,2013.4念勇. 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