车铣加工中心左右立柱结构与工艺面制造工艺设计.doc
车铣加工中心左右立柱结构与工艺面制造工艺设计（全套含CAD图纸）
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毕业设计（论文）任务书 学生姓名： 学号： 学 院 ： 专业： 任务 起止 时间： 2011 年 3 月 8 日 至 2011 年 7 月 2 日 毕业设计（论文）题目 ： 车铣加工中心 左右立柱结构与工艺面制造工艺设计 毕业设计工作内容： 1. 技术查新、资料检索和翻译；（ 2周） 2. 左右立柱结构的分析 ； （ 4周） 3. 左右立柱的结构设计 ； （ 5周） 4. 左右立柱与工艺面制造工艺设计 ； （ 4周） 5. 论文整理、答辩 。 （ 2周） 资料： 1. 周济 ,周艳红 ,数控加工技术 ,国防工业出版社 ,2003（ 04） . 2. 机床设计手册 编写组 ,机床设计手册 ,机械工业出版社 12） . 3. 张伯霖 . 高速切削加工技术在美国的最新发展 . 刘雄伟 ,数控加工技术与编程技术 ,机械工业出版社 03） . 5. 梁玉平 . 高速切削刀具材料 . 机械 工程材料 , . 艾兴 . 超高速切削加工技术 . 机械工业出版社 , . 龚景安 ,许立忠 二版） ,机械工业出版社 02） 指导教师 意见 ： 签名： 2010年 2 月 28日 系主任 意见 ： 签名： 2010年 3月 5日 教务处制表 毕业设计（论文 ） 开题报告 课题题目及来源 ： 题目： 车铣加工中心左右立柱结构与工艺面制造工艺设计 来源： 企业合作项目 课题研究的意义和国内外研究现状： 课题研究的意义 : 立柱是数控机床中主要的构件之一，它支撑主轴系统。立柱的刚性是影响加工村度的要因素之一。目前，许多立式数控机床采用了龙门式立柱。 所以龙门式立柱的结构和加工工艺对龙门机床产生重大影响 国内外研究现状 ： 我国 机床立柱 在进入 21世纪后连续 8年保持快速发展的良好形势 ， 我们的一些企业也能做出来， 与机床要求相符合的立柱， 但是他们是用普通机床做出高精度的功能部件，这些产品也能用在一些高档的数控机床上面，但是它的精度的稳定性和保持性不行，再加上原材料的问题和工艺水平问题 目前国外的机床立柱研究和国内 最大差别是精度与可靠性，以及机床 立柱 的制造工艺水平与质 量，这就是国外产品的最大优势。 同时国外研究趋于低碳环保的制造模式，降低 生产成本 （ 龙门架立柱标准节由四角的四根角钢和与其内侧垂直连接的方框组成，每节立 柱下端所连方框底面缩进立柱长度为 L，其上端所 连方框顶面伸出立柱长度为 l，l L。相邻两节立柱四角角钢上下对应插接扣合，相邻两节立柱相邻方框通过连接件连接。方框由四根角钢连接而成，组成每节立柱下端所连方框的角钢夹角斜向上方，组成每节立柱上端所连方框的角钢夹角斜向下方 ） 课题研究的主要内容和方法，研究过程中的主要问题和解决办法 ： 课题研究的主要内容 : 1、 根据其使用要求进行受力分析 2、 根据其受力和其他因素（如安装别的零部件），并参考现有立柱类型，初步决定其形状和尺寸 3、 与机床其它部件连接处结构设计 4、 左右立柱与工艺面制造工艺设计 5、 借助计算机进行验算求其静态和动态特性。 研究过程中的主要问题和解决办法 : 主要问题：通过受力和各连接件确定立柱各部分结构 解决方法：通过考察和调研，查阅相关资料，综合应用专业的理论知识 ,掌握机械装置的设计方法和步骤 ,在通过多次的计算校对，最后确定设计方案及设计参数，进行设计安装。 课题研究所需的参考文献 ： 1 戴曙 金属切削机床 机械工业 出版社 ， 1999： 217 238 2 杜君文机械制造技术装备及设计天津大学出版 社， 2007： 26 33 3 周济，周艳红 国防工业出版社， 2003（ 04） 4 机床设计手册编写组，机械设计手册 . 机械工业出版社， 1986（ 12） 5 艾兴 . 超高速加工技术 . 机械工业出版社 6 梁玉平 . 高速切削刀具材料 . 机械工程材料 7 刘雄伟 . 数控加工技术与编程技术 . 机械工业出版社 3) 8 张伯霖 . 高速切削技术在美国的最新发展 . 制造技术与机床 9 龚景安 ,许立忠 . 机械设计（第二版） 1988（ 02） 指导教师审查意见： 指导教师签字： 20 年 月 日 指导委员会意见审核意见： 组长签字： 20 年 月 日 - 1- 车铣加工中心左右立柱结构 与工艺面制造工艺设计 摘要 随着机械工程技术的发展，装备制造、交通运输、石油化工、航空航天及国防军工等对高速高精度加工中心的要求显著提高。而动态特性是衡量加工中心质量高低的最重要的性能指标之一。因此，提高铣削中心的动态性能具有重要意义。为了保证机床具有良好的静动刚度、动态特性、精度保持性及加工工艺性，需要在设计和制造机床的过程中，对机床进行系统的动力学分析，以便能迅速准确的发现限制机床动态性能提高的薄弱环节，快速、灵活地实现动态设计，为机床结构设计 提供科学合理的依据。对高精度、高效率和高柔度数控铣床的研究，首先要对数控铣床机械结构设计和动态特性提出更高的要求。立柱作为弹性系统的元素之一，它直接影响零件表面成形运动轨迹的准确性，因此 立柱的结构 能将直接影响零件的加工精度、表面质量和机床的生产率。所以，研究立柱结构的静动态特性和提高立柱的抗振性和稳定性是必要的也是必需的。 针对立柱的稳定性和抗振性的研究，本文主要研究以下的几个问题 ： 在满足加工要求的条件下，它的结构变形是否在许可的范围内。 究它的固有频率 、响应等问题。 并通过分析上述特性知道立柱的结构参数。 其结构 及厚度 最优化 ，得到最优解从而达到绿色制造。 本文采用动态设计的思想，对 车铣 加工中心立柱结构进行了系统的动力学分析和仿真，分析、预测立柱结构的静动态特性，尤其是分析结构的模态特征以提高立柱结构的动态性能。在理论分析的基础上，通过有限元分析和实体虚拟仿真，得到立柱结构较真实的动力学特性，求解出了立柱结构在加工要求条件下的变形图，给出直观的变形量 ;并求出立柱结构的前六阶模态振型及固有频率 ;为铣削加工中心立柱结构的设计技术指标 提供了解决途径和理论依据，对机床设计和实际应用都具有一定的参考价值。 关键词： 加工中心； 立柱结构；制造工艺；动态特性 - 1- of of s of of is of of So to is to to on to of to in a of up in at we of of of is to be on of of on of is in - 1- on as to on of of on on of of of of of 1- 目录 摘要 .未找到引用源。 .未找到引用源。 第 1 章 绪论 .题研究的目的及意义 .内外研究现状 . 2 内龙门机床的研究现状 . 国外龙门机床的研究现状 .要研究内容 . 2 章 左右立柱机构分析 .极限进给切削时立柱端面的受力分析 . 某大型数控龙门镗铣床主要技术参数 . 以极限进给量切削时作用于机床主轴的最大切削载荷 . 影响机床立柱端面作用力的主要因素及受力分析 .柱导轨工艺面的精度影响因素及 立柱导轨直线度分析 . 立柱导轨工艺面的精度要求及影响因素 . 立柱导轨直线度分析 .章小结 . 3 章 左右立柱结构设计 .门式立柱的元结构 .立柱元结构选型 . 元结构高度 .门式立往结构框架尺寸对其动态特性的影响 . 龙门 立柱宽度 . 龙门立柱厚度 . 龙门立柱倾角 .柱尺寸及结构设计 .v 柱壁厚优化设计 .章小结 . 4章 左右立 柱与工艺面制造工艺 .柱整体铸造原则及工艺 . 铸造工艺方案的确定 . 浇注系统设计 . 防止铸件裂纹的工艺措施 . 铁液准备方案 . 浇注过程控制级铸件应力退火 .柱导轨的制造工艺 . 导轨的技术条件及要求 . 导轨铸件的技术及铸造工艺性分析 . 导轨的铸造工艺方案的确定 . 生产试制 . 铸造结果分析 . 导轨中频感应淬火 . 导轨涂层材料及工艺技术 .艺面制造工艺设计 .立柱导轨面制造工艺设计 .立柱与滑座连接面制造工艺设计 .章小结 .论 . .谢 . 考文献 . .录 .vi 附录：外文原文和译文 N . 5469, 5433, a an be of is by a to is of a a an We on a of a is to to in it be a of to a on of if be a of to to a of to of to to in a of 2004). at to is or to an to a a to to be as to on to it to a by to a to in Lu 2003) a a a (2005) to in 2004) of of to of a by to to a of as on of In we to an by A is is of a a A to to in to is o in in K d f of of of of * of * of N* of P f, s, t of he of is is is an of to of be in to in an is to is to by is is on 997) to C=10 (1i， j， k， d， o， f) (1) A is to or 1 3 he on in to a is a to of is in as It be to of It be to of a on of be by to in in of of of of is is as a as 2. of is =L224at(h+t/2) (2) s is of I is of of a is of h is of of L is of t is of n is of of to n=s (3) We in to of to t. of 6424a（ h+t/2）（ h+3t/2） (4) of is =2at+(5) of of to t (6) In to of to of (h+t)/L (7) is as as 3 is L) of is of of a be tt (8) is to in a or is in a to to is to we in to to 2 a we on of of an of by be in be An to be to to a or in to To an a is to a a To in is is a be a a at of is to is to is is K(p)K(p) (9) K(p)to as of an to PE as an is a 3 is to to SE is Kis )( K(p) (10) is to p)+(1E(p) s K 1m 1m 1) 1m 1 is to PE 1987 999) is as an PE is E T )( (12) PE to be as FF (13) 11(14) of by f， of 12) / 000(15) /0/1(16) / 1 (17) 16) 17) 15). E / 0111 (18) 011011(19) E by is E is 111111(20) of at is (21) of d 1(22) 22) to 21). (23) to of is to a a to an ). is is to at x = 0 is to at is to at in x at to in y to an a of a is to in of by in A is in to to of is to of E = 250 = 024E = = , is to of 4 on to to in is at of be be in it be to it is to We is we it is of of of is to is at 5 a is at to of as on 6 to 7) to a in it is is a is is as is to it to a at of in to to to a 7 8 of of It is is it is to in In we a be by to be D is by of 外文译 文 基于优化拓扑的自适应机翼的同步结构与机制设计 詹姆斯 戴顿大学研究所 布莱斯桑德斯 美国空军研究实验室摘要 本文将描述一种基于优化拓扑的自适应机翼的同步结构与机构设计的合成技术。这使高效的自适结构的设计具备可控制变形的特征。 这是通过设计具有多目标函数的最大化相互势能增加灵活性和减少所需的方向应变能承受的空气动力结构和机制同时进行 。 要启用的体制和机制同步设计，该参考结构由三个层次，一个皮肤，一个单元层的结构框架，并建立有效的机制桁架单元层薄膜层。 机制和结构之间的连接点也确定了线性弹簧之间的机制和结构层的位置。 我们专注于一个机翼结构和形状变化较大的应用机制，同步设计。 几何大变形分析的计划也被添加到捕捉到了设计合成的非线性效应，这将是与线性合成结果进行比较。 简介 自适应结构是一个多学科的技术需要有效的整合电源系统、结构 ,机制 ,与驱动器实现预期的性能。如果新的设备可以协同作用集成到系统中，那么自适应系统将在空中交通工具系统的设 计上会有很大的影响力。基础研究团体已经提出了一些创新的概念，从结构健康监测 ,到采用适应性形状控制使用能源密集型智能的材料。智能材料技术增加了其潜在的应用提供了一个新的机会主动 /自适应结构系统 ,充分整合执行机构和结构。美国国防高等研究计划局 (认了这项技术的潜能，启动智能材料和结构演示程序 ,验证了利用智能材料来实现气动和流体动力学的流控制 ,以减少噪音和振动在多种结构。 合成了新材料在原子水平的生产对新的功能来说是很理想的这个应用程序但技术是非常不成熟的。直到现在 ,智能材料或其他的自适应技术已经被添 加到一个已经存在的机构 ,以达到一个理想的形状变化 如 ,飞机机翼的设计是严格的 ,因为相对而言 ,可能控制气动弹性分析智能材料的影响 ,然后一并附呈到它上面去高升力系数 ,改变机翼形状。这个系统会变得非常有能量效率 ,因为你正试图变形结构 ,这是已经被设计来防止变形。因为这个原因 ,鉴于他们的结构设计研究人员设计中赋予灵活性。鲁和哥打京 (2003)设计了一个可兼容的领先优势，能够匹配所需要的形状与对应的驱动力量。其他人正在拓展这些新设计技术铣 加工中心左右立柱 结构 与 工 艺 面制造工 艺设计 研究方法与过程 本文遵从“功能决定结构”的设计思想，利用多种手段，如文中借鉴国内外知名书籍，论文，并借助了有限元分析法对课题进行研究。 由立柱的结构分析入手，进行结构设计，并设计工艺面工艺 论文的结构和主要内容 第一部分：绪论 第二部分：左右立柱结构分析 第三部分：左右立柱结构设计 第四部分：左右立柱与工艺面制造工艺 意义：立柱是数控机床中主要的构件之一，它支撑主轴系统。立柱的刚性是影响加工村度的要因素之一。目前，许多立式数控机床采用了龙门式立柱。所以龙门式立柱的结构和加工工艺对龙门机床产生重大影响 ,随着人们认识问题和解决问题的能力的不断提高，机床机床支撑件的分析和研究成为机床制造行业中新产品研制的重要环节。在整个机床的各个组成部分中，机床床身和立柱是一个及其重要的大件，它起着支撑工件和连接工作台、主轴箱等关键零部件的作用。立柱结构的设计尺寸和布局形式，决定了其本身的各个动态特性。也决定了所加工工件的质量。 绪论 绪论 国内外研究现状 国内：总体发展趋势与国际数控机床的 技术趋势是一致的。主要仍然朝 高精度、高速度、复合化、多轴 联动、柔性化、大型化等技术方 向发展。 绪论 国外研究现状 ： 世界上加工中心的发展总趋势是提高性能、降低价格、网络化发展、满足用户不断提高劳动生产率的需求。总而言之，市场和用户对加工中心提出了越来越高的要求，如何加速培养人才、加强科研开发、紧密合作是满足市场需求的关键 第 2章 左右立柱结构分析 按极限进给时立柱端面的受力分析 第 2章 左右立柱结构分析 以极限进给量切削时作用于机床主轴的最大切削载荷： 沿 X Y 8443N, 7444N。 影响机床立柱端面作用力的主要因素及受力分析： (1)机床主轴最大切削载荷 : (2)主轴箱和拖板以及横梁自重 (3)机床主轴所处位置对立柱端面作用力的影响 (4)立柱端面的螺栓孔及其简化假设 第 2章 左右立柱结构分析 （ 6） 主轴箱和拖板自重与机床主轴最大切削载荷的合并 : （ 7） 由横梁自重导致的立柱端面工作点的作用力 : = W/2 2423N （ 8）由 第 2章 左右立柱结构分析 （ 9） 由 （ 10）由 （ 11）按极限进给量切削时机床立柱端面各工作点的总的作用力 由 第 2章 左右立柱结构分析 立柱导轨工艺面的精度影响因素及立柱导轨直线度分析 1、立柱导轨工艺面的精度要求及影响因素 要求：精度保持性、抗振性与稳定性、导向精 度、运动灵敏度和定位精度、刚度 影响因素：导轨制造误差、导轨的安装误差、导轨磨损、其他因素 2、立柱导轨直线度分析 (1)机床导轨直线度误差 第 2章 左右立柱结构分析 2、 立柱导轨直线度分析 (1)机床导轨直线度误差 第 2章 左右立柱结构分析 (2)机床导轨直线度的检验与误差的精确评定 直线度误差的测量方法 :水平仪法 :将水平仪放置在具有适当跨距的板桥上 ,测量时 ,板桥的 2个支点沿被测导轨首尾相接地按跨距移动 ,同时 ,记录水平仪读数 第 2章 左右立柱结构分析 直线度误差的评定方法 : 采用构造包容线法 第 3章 左右立柱结构设计 龙门式立柱的元结构 1立柱元结构选型 :以立柱的低阶固有频率为选择标准，通过第 3章 左右立柱结构设计 2 元结构高度 由图可知。随高度的增加，元结构的低阶固有频率降低较快，所以在设计龙门式立柱时，应根据工条件，尽可能减小立柱的高度 第 3章 左右立柱结构设计 3 龙门立柱宽度 由图可知随着立柱宽度的增加，立柱左右摇摆振动频率提高显著，而前后方向的振动频率变化不大。图中 A， 0000交点附近，由于立柱宽度的增加，是立柱左右摇摆的频率超过前后摇摆的频率 第 3章 左右立柱结构设计 4 龙门立柱厚度 从图中曲线可知，增加立柱的厚度，对立柱前两阶振动频率的提过效果并不明显。但从图 加立柱的厚度对提高扭转频率效果较好。 第 3章 左右立柱结构设计 5 龙门立柱倾角 由图中曲线可知，随着斜面倾角 柱的左右频率（ 化不大，同样前后振动频率（ 扭转频率变化不大。 第 3章 左右立柱结构设计 立柱尺寸及结构设计 通过以上的分析可知，不同的结构和尺寸对立柱的固有频率产生一定的影响，具有不同的动态特性，所以根据结构尺寸关系的影响和工作条件，初步设计立柱总体高度 4500柱宽度800度 1000角为 0 壁厚优化 立柱结构的最大许可弹性变形量为 立柱的壁厚为设计变量，而立柱结构的变形为状态变量，重量为目标函数。其中设计变量和状态变量的变化范围为 :立柱的壁厚初始设计为50化范围设为 在柱的壁厚由原来的 505壁厚变小 第 3章 左右立柱结构设计 立柱整体铸造原则及工艺 由于其材料应满足以下一些要求：在扭转、弯曲、压缩等外力作用下，产生的变形要小。所以选用 （ 1）吸震性要好 （ 2）耐磨性能好，能长期保持初始的精度 （ 3）由于机床铸件筋多、形状复杂，因此要求其材料的铸造性能要好。 铸造方法选择的原则： 一 二 第 4章 左右立柱与工艺面制造工艺 铸造工艺方案的确定： 1 分型面的确定 2 浇注位置的确定加工参数 3 浇注系统设计 4 防止铸件裂纹的工艺措施 5 铁液准备方案 6 浇注过程控制级铸件应力退火 第 4章 左右立柱与工艺面制造工艺 立柱导轨的制造工艺 导轨的铸造工艺方案的确定 （ 1）分型面的确定 （ 2）铸造收缩率的确定 （ 3）冒口形式及位置的确定 （ 4）导轨中频感应淬火 （ 5）导轨涂层材料及工艺技术 第 4章 左右立柱与工艺面制造工艺 工艺面制造工艺设计 1立柱导轨面制造工艺设计 （ 1）工艺面加工要求：精度等级不低于 面粗糙度不低于 2）工艺方法：工工艺搭子法 （ 3）刀具选用：硬质合金面铣刀 200mm，z=10 （ 4）工艺路线及参数选定：粗铣 精铣 粗磨 精磨 第 4章 左右立柱与工艺面制造工艺 工艺面制造工艺设计 1立柱导轨面制造工艺设计 （ 1）工艺面加工要求：精度等级不低于 面粗糙度不低于 2）工艺方法：百分表水平仪对照法 第 4章 左右立柱与工艺面制造工艺 特别说明 （ 3）刀具选用：硬质合金面铣刀 200mm，z=10 （ 4）工艺路线及参数选定：粗铣 精铣 结论 具有好的刚度即其变形量要小。在借助 出初始结构的最大变形为 此可以通过对其结构尺寸进行优化，达到耗材最少的目的 过运算，得出立柱结构的阶固有频率及其振型，为预测其在不同的环境下工作的振动情况提供了理论参考。 了要求机床具有越来越高的加工性能以外，还着重要求机床重量轻、成本低、使用方便和具有良好的加工工艺性。 致谢 致谢 本文是在姜彬教授的悉心指导下完成的 。 在毕业设计期间 ， 老师在选题 、 课题研究和撰写论文的过程中都给予了我悉心的指导和极大的帮助 ， 使我在理论和实践上有了很大的提高 。 课题的顺利完成和我所学到的知识及取得的成绩都凝聚着老师的心血；更重要的是 ， 姜老师渊博的学识、 严谨的治学态度 、 忘我的工作热情 ， 值得我终身学习；同时我院研究生李颖 ， 王胜杰在此次毕业设计期间给予我很大的帮助 ， 运用有限元分析法帮我攻克论文中的难点 。就此论文完成之际 ， 谨向恩师及学长学姐致以衷心的感谢和崇高的敬意 ! 借此机会，还要感谢机电工程学院的各位老师，感谢他们在这四年中对我学习上给予帮助。 最后，对所有关心我、支持我、帮助过我的老师、同学和朋友们表示衷心的感谢 ! 请各位老师批评指正 谢谢观看 - 1- 车铣加工中心左右立柱结构 与工艺面制造工艺设计 摘要 随着机械工程技术的发展，装备制造、交通运输、石油化工、航空航天及国防军工等对高速高精度加工中心的要求显著提高。而动态特性是衡量加工中心质量高低的最重要的性能指标之一。因此，提高铣削中心的动态性能具有重要意义。为了保证机床具有良好的静动刚度、动态特性、精度保持性及加工工艺性，需要在设计和制造机床的过程中，对机床进行系统的动力学分析，以便能迅速准确的发现限制机床动态性能提高的薄弱环节，快速、灵活地实现动态设计，为机床结构设计 提供科学合理的依据。对高精度、高效率和高柔度数控铣床的研究，首先要对数控铣床机械结构设计和动态特性提出更高的要求。立柱作为弹性系统的元素之一，它直接影响零件表面成形运动轨迹的准确性，因此 立柱的结构 能将直接影响零件的加工精度、表面质量和机床的生产率。所以，研究立柱结构的静动态特性和提高立柱的抗振性和稳定性是必要的也是必需的。 针对立柱的稳定性和抗振性的研究，本文主要研究以下的几个问题 ： 在满足加工要求的条件下，它的结构变形是否在许可的范围内。 究它的固有频率 、响应等问题。 并通过分析上述特性知道立柱的结构参数。 其结构 及厚度 最优化 ，得到最优解从而达到绿色制造。 本文采用动态设计的思想，对 车铣 加工中心立柱结构进行了系统的动力学分析和仿真，分析、预测立柱结构的静动态特性，尤其是分析结构的模态特征以提高立柱结构的动态性能。在理论分析的基础上，通过有限元分析和实体虚拟仿真，得到立柱结构较真实的动力学特性，求解出了立柱结构在加工要求条件下的变形图，给出直观的变形量 ;并求出立柱结构的前六阶模态振型及固有频率 ;为铣削加工中心立柱结构的设计技术指标 提供了解决途径和理论依据，对机床设计和实际应用都具有一定的参考价值。 关键词： 加工中心； 立柱结构；制造工艺；动态特性 - 1- of of s of of is of of So to is to to on to of to in a of up in at we of of of is to be on of of on of is in - 1- on as to on of of on on of of of of of 1- 目录 摘要 . 错误 !未找到引用源。 . 错误 !未找到引用源。 第 1 章 绪论 .题研究的目的及意义 .内外研究现状 . 2 内龙门机床的研究现状 . 国外龙门机床的研究现状 .要研究内容 . 2 章 左右立柱机构分析 .极限进给切削时立柱端面的受力分析 . 某大型数控龙门镗铣床主要技术参数 . 以极限进给量切削时作用于机床主轴的最大切削载荷 . 影响机床立柱端面作用力的主要因素及受力分析 .柱导轨工艺面的精度影响因素及 立柱导轨直线度分析 . 立柱导轨工艺面的精度要求及影响因素 . 立柱导轨直线度分析 .章小结 . 3 章 左右立柱结构设计 .门式立柱的元结构 . 立柱元结构选型 . 元结构高度 .门式立往结构框架尺寸对其动态特性的影响 . 龙门 立柱宽度 . 龙门立柱厚度 . 龙门立柱倾角 .柱尺寸及结构设计 .柱壁厚优化设计 .章小结 . 4 章 左右立 柱与工艺面制造工艺 .柱整体铸造原则及工艺 . 铸造工艺方案的确定 . 浇注系统设计 . 防止铸件裂纹的工艺措施 . V - 液准备方案 . 浇注过程控制级铸件应力退火 .柱导轨的制造工艺 . 导轨的技术条件及要求 . 导轨铸件的技术及铸造工艺性分析 . 导轨的铸造工艺方案的确定 . 生产试制 . 铸造结果分析 . 导轨中频感应淬火 . 导轨涂层材料及工艺技术 .艺面制造工艺设计 . 立柱导轨面制造工艺设计 . 立柱与滑座连接面制造工艺设计 .章小结 .论 . .谢 . 考文献 . .录 . 1 - 第 1章 绪论 题研究的目的及意义 现代制造技术发展的特点是高速、高效、高质量和低消耗，鉴于这个特点，机床的加工性能也要求有相应的提高。机床的加工性能包括其加工质量和金属切除率两个重要方面，通常用被加工零件能达到的最高精确度和表面光洁度来评定机床的加工质量，用金属切除率来评定机床的切削效率。而机床的加工性能又与其动态性能紧密相关。事实证明，随着机床加工性能的不断提高，对机床动态性能的要求也越来越高。因此本课题的主要目的是在设计阶段采用多种方法对立柱结构进行处理，分析研究其性能 ，并根据优化原理对立柱结构进行最优化处理 1。 立柱是数控机床中主要的构件之一，它支撑主轴系统。立柱的刚性是影响加工村度的要因素之一。目前，许多立式数控机床采用了龙门式立柱。所以龙门式立柱的结构和加工工艺对龙门机床产生重大影响 ,随着人们认识问题和解决问题的能力的不断提高，机床机床支撑件的分析和研究成为机床制造行业中新产品研制的重要环节。在整个机床的各个组成部分中，机床床身和立柱是一个及其重要的大件，它起着支撑工件和连接工作台、主轴箱等关键零部件的作用。 数控机床床身和立柱结构的设计尺寸和布局形式，决定了其 本身的各个动态特性。也决定了所加工工件的质量。往往由于床身和立柱结构设计不合理，导致床身和立柱的刚度不足，产生各种变形、振动、加工时刀具与工件间产生相对变形和振动，使零件加工精度降低。因此，在设计数控机床立柱结构时，考虑立柱的静动态性能显得尤为重要。随着机床和结构分析理论的迅速发展，先进的动态试验和分析技术的不断出现，计算机的广泛运用以及机床切削自振理论的逐渐深入和统一，目前，已能解决立柱在工作过程中由于动态力的作用而产生的各种问题。并能在设计阶段对立柱结构的动态性能作理论分析，进行立柱结构的动态设计，用经 济、合理的手段获得具有预定动态性能指标的结构，使立柱发挥出应有的动态性能。因此需要充分考虑机床立柱的载荷工况以及结构特点，研究系统完善的、以结构优化理论为基础的面向机床立柱结构设计方法，实现理论研究与实际应用两者的统一，对于切实解决实际生产中的问题，具有重大的意义 3。 - 2 - 内外研究现状 内龙门机床的研究概况 进入 21 世纪国内龙门机床研究取得的成就，作为世界第一制造大国，我国不断致力于龙门大型加工中心的研发，无论是在性能、精度、结构，还是功能多样化方面都有了一个质的飞跃。总结国内龙门机床 发展现状有以下几方面： 龙门机床产品的复合程度更高，功能更多样化，有效的提高生产效率。其集中体现了机床功能多样化，集成化，及提高劳动效率的理念， 特别是交换工作台的使用克服了传统单工作台龙门机床在装夹、校正零件过程中大量占用机床加工时间的问题，可一边加工一边装夹另一件零件， 使加工效率大幅度提高。 图 1图 1 为江苏新瑞机床集团展出的 梁双交换台龙门加工中心，该机床采用立卧两用可以卧式分度的大功率主轴， 采用前四后二结构排列轴承有效的提高了主轴的刚性，同 时采用德国 司的两档变速齿轮箱， 更有效的提高了主电机传动扭矩， 因而使主轴输出扭矩更大。该机床具有“交换工作台”功能，有效的提高了加工精度。 国产龙门五轴联动的发展趋势 :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- 3 - 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。 新技术的采用 :装备制造业是一国工业之基石，它为新技术、新产品的开发和现代工业生产提供重要的手段，是不可或缺的战略性产业。机床是一个国家制造业水平的象征，只有不断应用新的技术，新的结构才能使整个机床行业取得长足的进步，才能造出更多的机床精品。 国产数控系统及关键功能部件在高档龙门机床中的应用 :机床是制造业的工作母机，以高档数控机床为代表的先进装备制造业是衡量国家工业现代化的标志。而数控系统则是数控机床的“ 心脏”，五轴联动的高档数控系统更是高档数控机床不可缺少的核心部件。一些关键功能部件也在其中起着极其重要的作用，如五轴联动中的摆头等。 通过以上研究特点我们可以看到，我国数控机床产品的总体发展趋势与国际数控机床的技术趋势是一致的。主要仍然朝高精度、高速度、复合化、多轴联动、柔性化、大型化等技术方向发展。高档数控机床已经成为本届展会的主流，这完全符合当前我国机床市场对高档数控机床的需要， 也完全符合国家实施“高档数控机床与基础制造装备”重大专项的发展方向和目标。 国内龙门机床与国外机床的差距：我国是世界上机床产 量最高的国家，但目前在国际市场竞争中仍处于较低水平，在国内市场也面临着严峻的形势。一方面国内市场对各类机床产品特别是数控机床有大量的需求，而另一方面却有不少国产机床滞销积压，国外机床产品却占有大量市场份额。国产数控机床市场占有率逐年下降， 1999 年是 33.%6， 2003 而进口额逐年上升， 1999 年为 美元 (7624 台 )， 2003 美元 (23320 台 )，相当于同年国内数控机床产值的 。数控机床的技术水平、性能和质量与国外还有很大差距，到目前为止，国内技术含量较低的简 易数控车床仍占主导地位，高档数控机床及功能部件大多数依靠进口。影响我国数控机床产品及其装备发展的症结主要在以下几个方面 : (1)我国数控技术、数控机床产品与世界先进水平存在差距：国内数控系统及伺服和驱动技术比世界先进水平落后 1015 年 ;设计手段及设计工具落后 810 年 ;元器件应用水平落后 68 年 :在基础零件供应及工艺过程可靠性保障等方面都存在很大差距。 (2)国产数控机床产品与国外同类产品的差距：造成国产数控机床市场占有率逐年下降的直接原因是我国数控机床整机的开发能力远低于世界先进水平。主要体现在 :产品开 发和交货周期长；产品性能、机床质量和- 4 - 可靠性较差；数控机床外观质量落后于国外产品，价格优势逐渐丧失 ;国产数控系统和数控机床没有形成占市场主导地位的名牌产品等。总之，人才匾乏、手段老化、缺少创新己严重制约了我国数控机床产业的发展。 (3)数控系统与世界先进水平的差距：尽管我国数控技术的攻关项目相对集中在数控系统的研发和产业化方面，数控系统仍然是数控机床发展的最大“瓶颈”。国产机床产品的市场被国际垄断商夺去 ;科技攻关成果的技术水平与国外先进水平差距仍然很大 ;虽然我国自主开发的数控系统没有跟着国外的系统走，但数控技 术的发展缺少共同的软件规范和支撑平台，因此离系列化、产业化还有距离。 (4)我国数控技术及装备发展体制上存在问题：国内数控装备的性能、质量和性能价格比在市场竞争中难以与国外产品抗衡 ;资金环境方面，由于数控机床厂家都正经历着向市场经济转型的艰难过程，经济效益差，流动资金短缺 ;人才环境方面，数控产业的优秀人才和其它高新技术产业一样也出现了向国外、外资企业、独资企业流失的趋势，造成了数控技术人才的匾乏 ;企业环境方面，由于国有企业转型尚未完成，企业经营机制落后，导致企业运转效率低下，使得数控机床生产企业难以适应市场经济发展 ;这是影响企业发展的最根本的因素 2。 外龙门机床的研究概况 市场的开放性和全球化，促使机床产品的竞争日趋激烈，而决定机床产品竞争力的指标是产品的上市时间 (产品质量 (成本(创新能力 (服务 (用户在追求高质量产品的同时，会更多地追求低的价格和短的交货期。这就要求企业改变过去传统的设计、生产和管理模式，最大限度地利用虚拟设计手段，以提高产品的质量和性能，降低成本，并努力缩短交货期，同时还需要快速响应市场和用户的变化 ，利用有利时机快速抢占市场。美国制造业在 20 世纪 50 至 60年代主要以扩大生产规模作为企业竞争力的第一要素，而在 70 年代竞争力的第一要素为降低生产成本， 80 年代为提高产品质量， 90 年代为市场响应速度。所以现代每个企业都期望通过提高自身的科技含量，采用先进的设计技术和手段，以加快设计速度，提高设计质量，增强竞争力。机床虚拟设计技术就是为适应这种形势的变化而提出来的。 目前，世界上加工中心的发展总趋势是提高性能、降低价格、网络化发展、满足用户不断提高劳动生产率的需求。总而言之，市场和用户对加工中心提出了越来越高的 要求，如何加速培养人才、加强科研开发、紧密合作是满足市场需求的关键。由于加工中心具有很多优点，它能实现自动换刀 (自动换工件 (能实现铣、钻、锉、攻丝甚至磨削工序等的复合，还具有多轴联动、加工任意曲面并可代替钻床、铣床、铿床等的功能，因此对于复杂零件的加工，加工中心的 “特长 ”可以得到充分发- 5 - 挥，其数量和使用范围得以不断增加和扩大。对于汽车、飞机、模具及其它装备制造业等用途广泛，在 21 世纪机械加工行业中，加工中心的发展前景将更为广阔。 国外发达国家数控机床发展的成功经验是 :在掌握数控关键技术后， 要在政府的支持下，在科研开发上进行扶持，直接给企业提供科研贷款，限制进口机床产品，保护本国机床工业整体利益，企业要大力开拓市场，提高产品竞争力。为了加速振兴我国的机床制造业，当前宜加强以下五方面的研究和发展工作 : 高数控机床的综合性能。 进纳米级精度机床工程的规划和实施。 展快速重组制造系（ 称 可重构机床（ 称 是一个合理的解决方案。 5 发展网络制造单元以适应数字化企业的构建 8。 要研究内容 本文题目来源于企业合作项目， 以已有的车铣加工中心立柱技术研究成果为基础，针对立柱结构与工艺面加工方法，进行以下研究： 柱结构的静动刚度，即在满足加工要求的条件下，它的结构变形是否在许可的范围内 。在静动刚度检验的基础上，对其进行动态特性的预算，并检验它的可用 性。 究它的固有频率、响应等问题。 并通过分析上述特性知道立柱的结构参数。 其结构 及厚度 最优化 ，减少物质的浪费，用最少的材料设计出满足加工精度的立柱结构。 - 6 - 第 2章 左右立柱结构分析 极限进给切削时立柱端面的受力分析 大型数控龙门镗铣床主要技术参数 由某大型数控龙门镗铣床（下面简称机床）设计技术协议书及设计计算文件可知： 机床主轴电机功率 :电机额定转速 :1500r/传动系统最大传动比 :床主轴的最大输出扭矩 :845照 机床技术协议书以及附加技术条件及要求通过计算已确定该机床以直径 80钻头钻削 45#钢（调质）工件的极限进给量 r。以直径 200盘铣刀（ P 齿）盘铣 45#钢（调质）的工件削深度为 10 r。 以极限进给量切削时作用于机床主轴的最大切削载 荷 通过分析及计算已确定：极限钻削进给量 f r 状态下作用于机床主轴端最大切削力为 42022N，它沿 X Y Z 方向分量分别为31744N， 10577N， 25422N：极限 铣削进给量 a r 时，作用于机床主轴端最大切削力为 15309N，沿 X Y Z 方向分量分别为 10131N, 8443N, 7444N。 响机床立柱端面作用力的主要因素及受力分析 床主轴最大切削载荷： 机床主轴最大切削载荷是影响立柱最大载荷的主要因素。将本文 2022N 及其 X Y Z 各方向分量31744N， 10577N， 25422N，与极限盘铣进给量下主轴最大切削力 15309 Y Z 各方向分量 10131N， 8443N， 7774N 一一对照，可知在极限钻削进给量状况下主轴端部 X Y Z 各方向的最大切削力分量均大于在极限盘铣进给量状况下的情况 ,因此确定以极限钻削进给量状况下作用在机床主轴端部的最大切削载荷作为计算依据。为了计算立柱端面的最大作用力，显然应将钻头下伸到极限位置（如图 2 。设钻头下伸达极限位置时钻头顶端 T 点至立柱上端面的距离为 Z，由机床设计图纸可确定的名义值为- 7 - 1100 轴箱和拖板以及横梁自重 根据设计图纸及相关资料可估算出主轴箱和拖板的自重 为24900N，横 梁自重 为 48452N,它们也是决定立柱最大载荷的重要因素。 由于横梁结构具有对称性，因此可确定横梁重心位置在横梁跨中截面中央。为了计算简便起见，可假设主轴箱和拖板合成重心位于机床主轴轴线。设机床主轴轴线离立柱正面的距离为 S（图 2 。由机床设计图纸可估算得 S=400 图 23 机床主轴所处位置对立柱端面作用力的影响 因为横梁等大件的结构对称，有些设计者习惯将机床主轴置于横梁跨中位置计算立柱端面的作用力。有关的分析计算已表明将机床主轴移到横梁左或右端 部极限位置（如图 2以极限进给量钻削可使机床立柱端面的作用力达到最大值。 柱端面的螺栓孔及其简化假设 由设计图纸可知，机床立柱端面共有 10 个螺栓孔。螺栓孔的分布如图（ 2示。每根立柱通过个螺栓与横梁紧密连接。机床工作时，机床主轴最大切削载荷、横梁自重、主轴箱和拖板自重均通过横梁与立柱的接触面以及 10 个螺栓传递给立柱。为了使所研究的问题不至于太复杂，基于圣文南原理这里可提出一项偏安全的简化假设：机床工作时，主轴的最大切削载荷、横梁自重、主轴箱和拖板自重仅通过图（ 2示 的立- 8 - 柱端面的 10 个工作点（即图 2 10 个螺栓孔中心点）传递给立柱结构 9。 图 25 立柱上端面工作点编号以及各工作点作用力符号 立柱端面 10 个工作点的编号如图 2b）所示，各工作点的作用力分解成 X 、 Y 、 Z 三个方向分量。本文规定，表示第 工作点作用力沿 X、 Y 、 Z 三方向分量的符号应设置下角标 例如 若作用力的 X，或 Y ，或 Z 分量为正值，则该分量指向 X，或 Y ，或 Z 轴；若作用力的 X，或 Y，或 Z 分量为负值，则该分量的指向与 X，或 Y，或 Z 轴方向反向。 6 主轴箱和拖板自重与机床主轴最大切削载荷的合并 由于主轴箱和拖板自重作用线与机床主轴轴线重合，并且机床主轴最大切削载荷 Z 方向分量铅垂向上作用，因此主轴箱和拖板的自重与机床主轴最大切削载荷合并后，作用于机床主轴端部 A 点的最大切削载荷 X 和 x=31744N, 0577N,但机床主轴端部 A 点最大载荷 Z 方向分量 22N。 横梁自重导致的立柱端面工作点的作用力 - 9 - 由于横梁具有足够刚性，可认为横梁将 自重之半均匀分布于右侧或左侧立柱端面各工作点。设由横梁自重导致立柱端面各工作点沿 Z 方向作用力为 ： = w/22423N 8 由 致立柱端面各工作点的作用力 主轴轴线至立柱端面中心 G 点的距离 + B/2，式中为 B 立柱宽度（图 1， 2）由图纸查得 B=900此 400+450=850 设 端面引起的力矩为 面平行的力矩） （图 2： 图 2矩图 xZ a=317741100/1000=34918 分解成立柱端面 10 作点的 Z 作用力： 图 2由于各力的大小方向符合图 2示规律，因此由力平衡条件可列出： - 10 - 图 2的作用 4918 60/830 40/830 图 2的大小方向示意 由上列方程可解得： 6179N 2865N 628N 设由 立柱端面工作点 X 向作用力分别为 不难理解，它们各自大小及方向均相同，即： =0=3174N - 11 - 9 由 致立柱端面工作点的作用力 立柱端面引起的力矩为 面平行的力矩），则： D =10577 1100/1000=11635 令 起立柱端面各工作点 Z 向作用力分别为 们分布规律如图 2示，即： 0 为此，由力平衡条件可列出： 4560/1000=1635 于是由（ 15），（ 16）及上式可解得： 5194N f3z=5194N 在立柱端面内产生扭矩 使端面各作 用点承受剪切力切力大小与工作点至 G 点距离 正比，剪切力作用方向与各工作点至端面中心 G 点连线相垂直（图 2 由于结构对称 |， |， |，6， 5=10， 4=9，因此由力平衡方程式 ,列出： A=8990 244 1=1= 1=1= 由上述方程可解得 ： |2447N |2553 |1934N 为了便于分类及归并，需将剪切力 解成沿 X 及 Y 方向分量 通过计算可求得 X 对照图 2难求得： 0 4
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