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液压钻机本体组合机床设计,液压,钻机,本体,组合,机床,设计
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目录摘要Abstract第1章 绪论1第2章 组合机床概述22.1组合机床的基本概述22.2组合机床的发展概况22.3组合机床的特点32.4组合机床的分类和组成4第3章 组合机床总体设计63.1组合机床总体方案的选择63.2组合机床配置形式的选择73.3被加工零件工序图的绘制73.4加工示意图的绘制93.5组合机床总体尺寸联系图的绘制153.6组合机床夹具设计173.7生产效率卡的计算和编写21第4章 组合机床多轴箱设计2341概述2342主轴箱设计原始资料2343主轴形式及其各部分尺寸的确定2444主轴和传动轴直径的确定与校核2445齿轮传动路线的设计2646多轴箱坐标设计2947主轴箱的润滑、变速和手柄轴的设置3148组合机床主轴箱总图的设计39第5章 产品的经济性分析40结论41致谢42参考文献43专题 液压钻机本体工艺规程的编制44附录：55附录：80摘要 本设计的说明书是按照所设计的TXU-75钻机本体组合机床所撰写的。主要包括零件的工艺性分析，总体方案的确定，三图一卡的设计以及主轴箱的设计。 该组合机床主要针对TXU-75钻机本体上的双面5孔进行粗加工而设计的，由于组合机床自身的特点可以提高生产效率，减轻工人的劳动强度，便于管理和集中生产，能提高加工精度，提高自动化程度，扩大工艺范围。所以设计制造组合机床是机械制造业的必备的工作母机。关键词：组合机床、加工工序图、机床尺寸联系图、生产效率卡、主轴箱Abstract This graduation design is designed according to the TXU-75 drills tool machine.Mainly include the craft analysis of the spare parts, the total project really settled, three the figures in one design of the card and the design of the principal axis box. The two-sided boreses should combine tool machine to mainly drill the machine essence to TXU-75s carry on thick process but design of, because of combine the tool machine oneself of the characteristics can raise the production efficiency, easing the workers labor strength, easy to management and concentrate production, can raise to process accuracy, exaltation automation degree, extend craft scope.So design manufacturing combination the tool machine is the essential machine tool of the machine manufacturing industry.Keyword:Combine tool machine,process work preface diagram,the tool machine size contact diagram , produce efficiency card,principal axis box.I第1章 绪论大学生活就要和我们挥手说再见了，在回首这四年的生活留下的是许多美好的回忆，四年中有过许多的收获，当然也失去了很多。无论是年龄还是思想上，我都成熟了不少，也正是有这次机会在大学这座象牙塔上学习，才能使我在以后的日子里能更好的工作，走向时社会有更多的知识丰富头脑来适应今天这个竞争激烈的天地。四年的大学生活即将结束，毕业设计是对我们四年学习收获的最好检验，同时也是一次很好的锻炼机会。这次设计与以前的不同的是，这是在我们以前所学的理论课和专业课的基础上所完成的，不是某一课程的单独检验。通过这次设计，锻炼了我分析问题的能力，也促使我更好的利用图书馆这一书海世界，翻阅了各种资料、手册、期刊等。本方案是根据TXU-75米钻机上的部件，本体的图纸要求，所设计的用来加工其本体的组合机床。设计前，我通过去具体地点进行调研，收集了第一手资料，同时也得到了工厂师傅以及技术人员的热心指导。在整个设计过程中，知道老师不仅耐心指导，同时也给予我很多启发。虽然四年中我们学习了不少理论知识，但我的实践经验却很有限，而且理论不能和实践很好的相联系，因此在这次设计中不免有许多的错误和缺点，恳请广大老师和同学们给予指导，以鉴今后。第2章 组合机床概述2.1组合机床的基本概述组合机床是为了完成一种（或多种）被加工零件的一道或多道工序，由大量通用部件和少量专用部件组合而成的工序集中的专用机床，他可以同时进行多刀、多轴、多工位、多面加工的专用机床。在组合机床上可以完成钻空、扩孔、攻丝、车削、铣削及滚压等工序。生产效率高，加工稳定。组合机床是随着生产的发展，由通用机床和专用机床发展而来的。多年来，机械产品加工中广泛地采用了万能机床。但随着生产的发展，很多企业的产量越来越大，采用万能机床不能很好的满足要求。因为在一台机床上总加工一种工件，使万能机床不能很好的满足要求。因为在一台机床总加工一种工件，使万能机床很多零件不能发挥作用。工人每天总是忙于装夹工件、操纵机床、进刀、退刀、停车、卸件等。劳动强度大，生产效率低,并且也不利于保证产品精度。要求操纵者有很高的技术水平。专用机床的生产与使用就是为了解决这个矛盾。专用机床是用于加工一种工件或一种工件的某一表面的某一工序的。它可采用多刀、多工序加工。机床辅助部分或全部实现了自动化循环。但专用机床有一个最大的弱点：就是当更换工件或工序时，它就无法使用。不能实现现代化机械工业技术迅速发展、产品经常更新的需要，并且该种机床设计周期长、造价高。同通用机床相比，组合机床同时具备了万能机床便于调整、适应于不同工件加工的特点和专用机床结构简单、生产效率高的特点。为此，将机床上带动刀具对工件生产切削运动的部分及床身、立柱、工作台等设计成通用部件。根据不同工件加工需要，用这些通用部件和部分专用部件组成组合机床。当工件变化了，还用这种通用部件和新的专用部件改装成新的组合机床，加新的辅助工具，用新的夹具，按新的循环加工新的工件。2.2组合机床的发展概况自一九八二年由美国克劳斯公司生产出世界第一台组合机床到现在，组合机床已有六十多年的历史。组合机床的发展可分为以下几个阶段：三十年代到四十年代，初期发展阶段。各国先后生产组合机床几生产线，并把他们应用于生产实践中。五十年代到六十年代，为结构改造阶段新技术不断应用，各国努力把液压、数控和计算机应用到组合机床中，极大的提高组合机床的进给速度和控制技术。七十年代到八十年代，属于完善改进阶段，其主要表现如下：1.组合机床使用了ISO标准，这样便于国际交流。2.通用部件的技术水平的标志品种规格极大丰富了。使大型、中型、小型和超小型组合机床都能配套。3.结构参数和动静性能的提高。如国外生产的组合机床快移速度可达每分钟几十米。4.结构工艺性、精度、精度保持性提高了很多。我国的组合机床的研究和生产起步晚，从一九五六年开始的。一九六二年建立了大连组合机床研究所。并将组合机床应用于汽车、拖拉机等机械制造行业中。并建立了我国组合机床通用部件标准和规格、型号供设计者及生产厂家使用。但是我们也要看到，由于我国实际情况，尤其是十年动乱的影响，使组合机床发展到今天，与其他国家相比，仍然有很多差距，表现在通用部件的品种不够齐全（特别是小型和超小型组合机床）。液压滑台的结构工艺性差，快进速度底车削工序难以实现。这就要求我们不断更新这些不足之处。2.3组合机床的特点同通用机床和专用机床相比，组合机床有如下特点：2.3.1 由于组合机床是由70-90%的通用部件组合而成，必要时要进行改装组成新的机床，这就是说组合机床有改进更新的优越性，通用部件重复使用。2.3.2组合机床可以同时在各个方向采用几把刀具加工不同的表面，这样在孔隙加工中能很好的保证各孔之间相互位置精度的准确性，是实现工序集中的最好途径。也是提高生产率的有效设备。2.3.3组合机床是按具体加工对象设计的，因而可以按最合理的工艺规程进行加工，而在通用机床上很难实现。2.3.4多数组合机床是采用了多轴设计，对箱体类零件或类似于箱体类零件进行加工，这样保证了产品质量，减少了工序间搬运，改善了劳动条件，减少所用设备数量，同时组合机床占地面积小，能合理应用空间。2.3.5由于组合机床大多数是通用部件，而只有少数专用部件。这样可减少机床生产时间和费用。维护和维修也简单方便。2.3.6组合机床通用部件可以组织指定的专门厂家生产，由于采用精密高效设备，有利于提高部件性能，降低成本。2.4组合机床的分类和组成2.4.1 分类1.按通用部件电机功率分：(1)大型组合机床（1.5-3.0KM）(2)小型组合机床（0.1-2.2KM）2.按配置形式分：(1)单工位：单面、双面(2)多共位：移动工作台、回转工作台、中央立柱式、回转鼓轮式2.4.2 组合机床的组成组合机床常用通用部件有：床身（侧底座、中间底座和立柱底座）、立柱、动力箱、动力滑台等。现在组合机床上可以完成钻、扩、铰孔、攻丝、镗孔、车端面、铣削和车削等工序。往往一太组合机床可以完成以上所述的几个工序甚至是全部工序，但目前车削很难实现。组合机床自生产以来，得到了广泛的应用。在机床、汽车、飞机、拖拉机等行业应用较多。矿山机械制造业目前应用不多，这一点受我国目前煤炭行业的发展状况所限制，随着综采的普及，组合机床也不断为矿山机械行业所采用。从理论上看，组合机床的发展方向为：1、提高生产效率2、扩大工艺范围3、提高加工精度4、提高自动化程度5、提高组合机床及其自动线的可调性6、创新超小型组合机床7、发展专能组合机床为多能组合机床 从实践来审视，组合机床又最初一般专用机床发展到今天特殊的专用机床，今后将被加工中心所取代。这一点是随着计算机的发展和普及，给机床制造工业带来的必然趋势，因为采用组合机床计算机控制会更进一步提高加工精度，更进一步提高生产率，并且就大批量，特型件的生产而言，会更大的降低成本，也会更进一步提高机床自动化程度。 第3章 组合机床总体设计3.1 组合机床总体方案选择3.1.1 对现场生产能力和工艺状况的分析：就黑龙江科技学院校办工厂来看，本体上面的五个孔是在坐标镗床上进行加工的，这样的加工对于小批量生产即可保证精度，又可满足要求，但对于大批量生产就不能满足要求了。因此，为了满足现代化生产的要求，我们开始设计组合机床。就鸡西煤矿机械厂的现有设备和技术力量，就可以生产出适合本体加工的组合机床，该厂有液压车间可以生产泵、缸、阀等精密液压元件，并能对液压装置进行维修和修理：刀具车间生产各种精密件和特行件，一些通用部件在国内，像大连、长春等地可以买到，所以如果进行大批量生产，采用组合机床加工是完全可行的，也是必要的。由于每部工件的技术要求各不相同，因此所设计的组合机床也只能用来加工某些特定工序，因此可以解决某些厂家可以自行生产某些专用主轴箱内的附件，而不是都到厂家去订购。3.1.2组合机床工艺方案的确定：在组合机床上，一次粗镗135,115,2-61,2-32五孔，精度可达IT11-113，表面粗糙度为Ra25-50。1. 分析被加工零件 TXU-75 钻机本体 材料 ZG35 硬度 HB=190本体为一箱体件，壁薄，刚性差，尺寸位置精度高，在设计夹具时，定位和夹紧都要认真安排，以保证工件的设计要求。3.1.3定位基准的选择：箱体件是机械制造业中加工工序多，劳动量大，进度要求高的关键零件。“一面两孔”是这类箱体零件在组合机床现场是常用的典型定位方法。由于该零件不具备“一面两孔”的定位基准，这时采用大平面短销以及一小挡销定位，其中主要定位面最好采用箱体的设计基面，由大平面限制3个自由度，短销限制2个自由度，一小挡销限制一个自由度，则为六点定位，符合加工要求。3.1.4夹紧装置的选择：夹紧时夹紧力有助于定位，而不应该破坏定位。为此，在夹紧力作用下工件不应该离开支撑点，首先要保证第一定位基准与定位元件可靠接触。由五孔的尺寸大小分析而知各孔均可进行镗削加工，其轴向力不大，因此，对该零件分析后采用机械夹紧，夹紧定位选在图示位置（在零件的加工工序图上可见）。因此，用两螺杆和一压片压紧。3.2 组合机床配置形式选择组合机床有大型和小型两种，大、小型组合机床虽有其共性，但有其特殊性。无论是使用范围，配置型式，通用部件和驱动方式都各有特点。单工位组合机床分为卧式单面组合机床、立式单工位组合机床、卧式双面组合机床、复合式双面组合机床、卧式三面组合机床、复合式三面组合机床、卧式四面组合机床、复合式四面组合机床；多工位组合机床分为固定式多工位夹具组合机床（包括单面双工位组合机床、双面多工位组合机床、卧式三面双工位组合机床、复合式四面双工位组合机床）、移动工作台组合机床（包括卧式单面双工位移动工作台组合机床、立式单面双工位移动工作台组合机床、卧式双面双工位移动工作台组合机床、复合式双工位移动工作台组合机床）、回转工作台组合机床（包括卧式单面回转工作台组合机床、立式回转工作台组合机床、卧式多面回转工作台组合机床、复合式多工位回转工作台组合机床）、回转鼓轮组合机床。单工位组合机床通常是用于加工一个或两个工件，特别适用于大中型箱体件的加工。根据配置动力部件的数量，这类机床可以从单面或同时从几个方面对工件进行加工。分析被加工零件液压钻机本体的技术要求和工艺性以后，本设计可以选择卧式单面组合机床及卧式双面组合机床。由于被加工零件两面都具有五孔，但并不完全相同，因此采用双面组合机床，可以进行一次装夹，多次加工。3.3 被加工零件工序图的绘制被加工零件工序图是根据选定的工艺方案，表示在一台机床上或一条自动线上完成的工艺内容、加工部位的尺寸及精度、技术要求、加工用定位基准，夹压部位，以及被加工零件的材料、硬度和本机床加工前毛坯情况的图纸。它是在原有的工件图基础上，以突出本机床或自动线加工内容，加上必要的说明绘制的。它是组合机床设计的主要依据，也是制造使用时调整机床、检查精度的重要技术条件。被加工零件图应包括下列内容：1、在图上应表示出被加工零件的形状，尤其是要设置中间导向时，应表示出工件内部筋的布置和尺寸，以便检查工件装进夹具是否相碰，以及刀具通过的可能性。2、在图上应表示出加工用基面和夹压的方向及位置，以便依此进行夹具的支撑，定位及夹压系统的设计。3、在图上应表示出加工表面的尺寸、精度、光洁度、位置尺寸及精度和技术条件（包括对上道工序的要求及本机床保证的部分）。4、图中还应注明被加工零件的名称、编号、材料、硬度以及被加工部位的余量5、必要的文字说明。编制被加工零件工序图的注意事项1、本机床加工部位的位置尺寸应由定位基面标起，尤其在本机床加工，所选用的定位基面与设计基面不一致时，还必须对各孔要求的位置尺寸精度进行分析和换算，即把不对称公差的尺寸换算为对称公差尺寸。2、对孔的加工余量要认真分析，在镗阶梯孔时，其大直径孔的单边余量应小于相邻两孔半径之差，以便镗刀能通过。在加工毛坯孔时，不仅要弄清加工余量，还必须注意孔的铸造偏心及铸造毛刺的大小，以便设计相应尺寸的镗杆，保证加工能正常进行。3、对精镗机床必须注明是否允许留有退刀痕迹，以及允许退刀痕迹的形状（直线或螺旋退刀痕）。3-1本体零件工序图3.4 加工示意图的绘制加工示意图是组合机床设计的重要图纸之一，在机床总体设计中占有重要地位。它是设计刀具、夹具、主轴箱以及选择动力部件的主要资料，同时也是调整机床和刀具的依据。加工示意图，要反映机床的加工过程和加工方法，并决定浮动卡头或接杆的尺寸，镗杆长度，刀具种类及数量，刀具长度及加工尺寸，主轴尺寸及伸出长度，主轴，刀具、导向与工件间的联系尺寸等。根据机床要求的生产率及刀具特点，合理地选择切削用量，决定动力头的工作循环。加工示意图应绘制成展开图，其绘制顺序是：首先按比例绘制工件的外形及加工部位的展开图。特别注意将那些距离很近的孔严格按比例相邻绘制，以便清晰地看出相邻刀具、导向及刀具、主轴是否相碰。然后，根据工件加工要求及选定的加工方法绘制刀具，并确定导向形式、位置及尺寸，选择主轴和接杆。3.4.1刀具的选择刀具的选择应在条件允许的前提下，为使工件可靠、结构简单、刃磨容易，应尽量选择标准刀具和简单刀具，根据五孔的加工精度、光洁度、加工尺寸、切屑排除以及生产效率等因素选择硬质合金镗刀。对于镗115和135的孔，选择镗杆直径为65mm，镗刀方截面尺寸1616mm，镗刀圆截面直径20mm，对于镗2-61mm的孔选择镗杆直径40mm，镗刀方截面尺寸1616mm，镗刀圆截面直径20mm，对于镗2-32mm的孔，选择镗杆直径20mm，镗刀方截面尺寸88mm,镗刀圆截面直径10mm，取硬质合金刀头。342选择切削用量组合机床切削用量是综合考虑刀具寿命，生产率和加工精度等许多因素后指定的，一般切削用量较万能机床的切削用量低30%，查专用机床设备设计表7-22、表7-25。对于镗孔加工，取：v=50m/min,f=0.4mm/r则： n=151.6转/分 n=248.8转/分 n=612转/分圆整为n=150转/分，n=250转/分，n=610转/分，滑台的进给速度： v= nf=1500.4=60mm/min保证精度，取：v=60mm/min式中： v切削速度 n主轴转速 f每分钟进给量 d镗刀直径 v滑台进给速度3.4.3确定切削力、切削力矩、切削功率及刀具耐用度根据选定的切削用量（主要指切削速度及进给量），确定切削力，作为选择动力部件及夹具设计的依据；确定切削转矩，用以确定主轴及其它传动件的尺寸，确定切削功率，用以选择主传动电机功率；确定刀具耐用度，用以验证所选刀具是否合理。参考专用机床设备设计（许小旸 主编）重庆大学出版社，表7-24、组合机床切削用量计算图中推荐的切削力，转矩及功率公式：圆周力： F=35.7afHB=35.720.4HB轴向切削力：F=0.212 afHB=0.21220.4190切削转矩：T=17.9DafHB=94.9KNmm切削功率：P=，f=0.75a：切削深度2mm，f：进给量取f=0.4mm,D:加工直径，HB：零件的布氏硬度，取190。则：F=639.03NF=639.03N F=639.03N F=699N F=699N F=699N T=96.2KNmm T=58.6KNmm T=23.8KNmmP=0.63KW P=0.63KW P=0.63KW3.4.4动力头行程的确定动力滑台的工作循环一般包括快速引进、工作进给、快速退回、停止四个动作。同夹具连接起来也不十分复杂，在加工示意图中可见，滑台快进距离为100mm，滑台总行程为630mm，前备量是考虑因刀具磨损或补偿制造安装误差，动力部件能够向前调整的距离，后备量为刀具离夹具导套外端面的距离应大于接杆插入主轴孔内或刀具插入接杆内的长度。 3-2机床工作循环过程3.4.5导向结构的选择组合机床上加工孔时，除用刚性主轴加工的方案外，其尺寸和位置精度都是依靠夹具导向来保证的。如何正确地选择导向结构，确定导向的参数和精度，是设计组合机床的重要内容，也是绘制加工示意图时要解决的问题。导向装置的作用在于：保证刀具对于工件的正确位置和提高刀具系统的支撑刚性。因此，它对于保证加工精度和机床的可靠工作有着重要的影响。本次设计根据具体设计情况选用内滚式导向,导向装置的旋转部分设置在刀杆上，并且成为整个刀杆的一个组成部分，它有装滚珠轴承、滚锥轴承、滚针轴承的和滑动轴承等多种形式，如图所示，由于旋转部分设置在导向滑动套的内部，因此通常称为“内滚式”导向。此时安装在夹具镗模上的导套是固定不动的，其结构和第一类导向装置中的导套相同，但一般导套直径都比较大。 3-3 内滚式导向装置3.4.6确定主轴类型、尺寸、外伸长度：主轴类型主要依靠工艺方法和刀杆于主轴的联结进行确定主轴轴径及轴端尺寸主要取决于进给抗力和主轴刀具系统结构，查组合机床设计简明手册，表3-4，初步确定为轴直径d=40mm,=30mm,=25mm.由表查主轴类型为滚锥短主轴，主轴外伸长度为75mm.3.4.7选择连杆、浮动卡头： 为提高加工精度，减少主轴位置误差和主轴振摆对加工精度的影响，在采用长导向或多个导向进行镗孔或扩、铰孔时，镗杆与主轴均采用浮动卡头相连接，避免主轴与夹具导套不同轴而引起的刀杆“别劲”现象影响加工精度，由于所设计为卧式组合机床则采用浮动卡头，根据组合机床设计图5-2选择，D/=38/26,D/=65/44,D/=50/36.3.4.8动力部件的选择动力部件用以实现切削刀具的旋转和进给运动或只用于进给运动，是组合机床最主要的通用部件，其选择主要是根据加工钻机本体两侧五孔时，每个刀具切削时产生的切削力所需切削功率来选择的。3.4.9电动机的选择：电动机的选择主要是按照加工时所需功率来选的，根据所选的切削用量，确定进给功率，迭加后进行初选，并适当考虑切削刀具的可行性，一般按通用机床切削用量降低30%来考虑，由前计算，切削功率：=0.63KW，=0.63KW，=0.63KW则：p=3.15KW,=4.6KW 动力头电动机功率 切削功率 进给功率，对于液压动力头就是进给油泵所消耗的功率，一般为0.8-2千瓦。 N传动功率，对于主轴箱主轴少于15根，n=0.9，多于15根时，n=0.8；则：4.6KW，由组合机床简明手册，表5-39，初步选定ITD40型动力箱，其各项参数如下：电机功率:5.5KW电机转速:960KW输出轴转速:480r/min其它祥见机床尺寸联系图3.4.10动力滑台的选择:查表5-41动力滑台的选择是根据进给力来选择的,在组合机床中一般动力滑台与动力箱配套使用,故选IH40型.3-4加工示意图3.5 组合机床总体联系尺寸图的绘制机床总体尺寸联系图是在被加工零件的工序图,加工示意图的基础上绘制的,表示机床各部件及夹具之间相互尺寸关系的图纸,它表示出各部件之间的关系,检查各部件间相互空间位置关系,通用部件的适应性,为进一步设计主轴箱夹具等专用设备提供依据,它还可以定出主轴箱的占地面积与液压系统的配合关系.下面是绘制机床总体尺寸联系图的及各个主要尺寸的计算:3.5.1确定机床装料高度H装料高度一般是指工件安装基面至地面的垂直距离,确定装料高度要考虑工人操作方便,对于流水线要考虑车间运送工件的滚道高度,以及机床内部结构尺寸限制和高度要求,实际设计时常在850-1060mm之间选取,选取装料高度为880mm,符合国际标准.3.5.2夹具轮廓尺寸的确定:根据机床上的空间及夹具的初步方案,取夹具的轮廓尺寸联系图所示.3.5.3确定中间底座的尺寸:中间底座在长宽方向应满足夹具的安装需要,根据所选定的动力箱、滑台、侧底座等标准位置关系，并考虑滑台的前备量，通过尺寸链计算确定中间底座加工方向的尺寸。3.5.4确定多轴箱轮廓尺寸：标准通用钻、镗类多轴箱的厚度是一定的，卧式325mm，如图所示，被加工零件以点划线表示，多轴箱轮廓尺寸用轮廓尺寸用粗实线表示，则：B=b+2b H=h+bB工件在宽度方向距离最远的两孔的距离，单位是mm，由零件加工示意图所示，b=170mmb最边缘主轴中心至箱体外壁距离，为保证多轴箱内有足够安排齿轮的空间b70-100mm，取b=125mm工件在高度方向距离最远的两孔距离，h=80mm最底主轴高度，对于卧式组合机床，要保证润滑不致从主轴衬套泄露到箱外，推荐85-140mm取：+250mm则：HB=5005003-5主轴分布图3.6 组合机床夹具设计3.6.1组合机床夹具概述夹具是组合机床的重要部件，是根据机床工艺和结构方案的具体要求而专门设计的。它用于实现被加工零件的准确定位，夹压，刀具的导向，以及装卸工件时的限位等等作用的。组合机床夹具和一般夹具所起的作用看起来好像很相近，但其结构和设计要求却有着很显著的甚至根本的区别。组合机床夹具的结构和性能，对组合机床配置方案的选择，有很大的影响。下面介绍一下组合机床夹具的一些主要特点。1.一般的机床夹具是作为机床的辅助机构设计的，而组合机床夹具是机床的主要组成部分，其设计工作是整个组合机床设计的重要部分之一。2.组合机床夹具和机床其他部件有极其密切的联系：如回转或移动工作台，回转鼓轮，主轴箱，刀具和辅具，钻模板和托架，以及支承部件等。正确地解决它们之间的关系，是保证组合机床的工作可靠和使用性能良好的重要条件之一。而夹具的结构也要按这些部件的具体要求来确定。3.由于组合机床常常是多刀、多面和多工序同时加工，会产生很大的切削力和振动。因此组合机床夹具必须具有很好的刚性和足够的夹压力，以保证在整个加工过程中工件不产生任何位移。同时，也不应使工件产生不容许的变形。4.组合机床夹具是保证加工精度（尺寸精度、几何精度和位置精度等）的关键部件，其设计、制造和调整都必须有严格的要求，使其能持久地保持精度。5.组合机床夹具应便于实现定位和夹压的自动化，并有动作完成的检查信号；以保证切屑从加工空间自动排除；便于观察 和检查，以及在不从机床上拆下夹具的情况下，能够更换易损件和维护调整。此外，不要把组合机床夹具和一般的组合夹具混淆起来。组合夹具是在万能机床上为了完成某一道工序的加工，用一些标准的和通用的元件组装成的定位夹压装置。用完后，可用这些元件重新组装成新的夹压装置。而组合机床则以部分的通用部件加上专用件组成的专用夹具，它不便改装。按结构特点，组合机床夹具分为单工位和多工位夹具两大类。单工位夹具是指工件在一个工位上完成加工工序的机床夹具。按被加工零件的结构和加工要求，单工位夹具具有固定的，带滚道或浮动滚道的，带水盆和小车（或拖板）等形式。多工位组合夹具是指工件需要在几个工位上顺序或平行顺序加工的机床夹具。按移位方法它又分为：固定式多位夹具、回转夹具、移动工作台夹具、回转工作台夹具和回转鼓轮夹具等。组合机床夹具是组合机床的组成部件，其设计应按如下的程序进行：1.认真研究分析所设计夹具的原始数据和要求 因为在拟订组合机床的工艺和结构方案时，对夹具的结构型式和主要性能已提出了原则要求。在具体开展夹具设计时，必须认真分析这些要求并研究影响夹具设计的所有因素，也就是被加工零件的结构特点，工艺安排和加工方法、机床特点、刀具及其导向的结构特点和要求等。此外，还必须考虑装卸方式、夹压方法、有无冷却液以及切屑排除等具体要求。2.拟订夹具结构方案和进行必要的计算 根据机床总体设计中确定的工件定位基面、夹压位置、加工方法和刀具导向方式等，制定夹具的总体方案。为此，首先绘制工件的外形，并有必要的投影，其主要投影应和工件在机床上的加工位置一致。然后，在工件四周的相应位置上简单表示出夹具的结构。这时只需要画出工件的定位元件，夹压机构的位置，刀具导向的安排，以及它们相互间的联系。最后进行计算和夹具元件的强度计算。为了提高质量和缩短设计制造周期，在拟订夹具结构方案时，应当尽量采用通用的部件和零件。3.组合机床夹具的总图和零件设计 在已确定的夹具结构方案基础上，设计生产用的夹具总图和零件图。通常是用红色线条（或细线）先画出工件外形，然后按顺序绘制定位和限位元件，夹紧机构，刀具导向，支架和夹具体，以及润滑、冷却、排屑、操纵（如按扭台、起吊元件等）等部位和结构。组合机床夹具的机构往往比较复杂，其总图必须有足够的投影和抛视，尺寸标注齐全和合理，并严格按比例绘制。还要注有必要的装配和检查的技术要求。最后，进行夹具的零件及校对等工作。按照组合机床夹具的主要功能，其结构可以分为三大部分，即定位支承系统，夹紧机构和刀具导向装置。 3.6.2 定位支承系统在组合机床上加工时，必须使被加工零件对刀具及其导向保持保持正确的相对位置，这是靠夹具的定位支承来实现的。定位支承系统除用已确定被加工零件的位置外，还要承受被加工零件的重量和夹压力，有时还要承受切削力。定位支承系统主要有定位支承、辅助支承和一些限位元件组成。定位支承是指在加工过程中维持被加工零件有一定位置的元件。辅助支承使劲作用增加被加工零件在加工过程中的刚度及稳定性的一种活动式支承元件。在组合机床上加工箱体零件大多数采用一面两销（一个圆销和一个菱形销）的定位方法。这种定位方法保证了理想的六点定位原则（平面三点，圆销两点和菱形销一点）。但需要说及的是在实践中，大多数情况下工件在夹具中不是用三点支承的，而常常是放在四个或更多一些的支承板上，不少情况下还是放在两个长的支承板上。这样可以增加定位系统的刚性，防止当夹压了和切削力不是对准支承时，而引起振动的原因，甚至会造成刀具的折断。诚然，才采用四个支承板时，由于工件定位基面的不平直度误差（一般在0.050.1毫米）和支承板间的不共面度误差(通常为0.010.03毫米),工件在夹压力和切削力的作用下也会产生变形。但变形量较小，对于粗加工、半精加工以及一般要求的精加工还是在允许范围内，并不会引起振动。 3.6.3 夹紧机构在组合机床上加工时,工件依靠夹具上的定位支承系统,获得对于刀具及其导向的正确相对位置,还需依靠夹具上夹紧机构,来消除工件因受切削力或工件自重的作用而产生的位移或振动,使工件在加工过程中能继续保持定位所得到的正确位置.夹紧机构通常由三个部分组成:夹紧动力部分、中间传动和夹紧元件。这三个部分起着不同的作用：夹紧动力部分用于产生力源，并将作用力传给中间传动机构；中间传动机构能够改变作用力的方向和大小，即作为增力机构，同时能产生自锁作用，以保证在加工过程中，当动力源消失时，工件在切削力或振动的作用下仍能可靠夹紧；夹紧元件则用以承受由中间传动机构传递的夹紧力，并与工件直接接触而执行夹紧动作。组合机床夹具的夹紧机构，就其夹紧特性而言，可以分为直接夹紧机构和自锁夹紧机构两大类。如果按加紧力的来源区分，可以分为手动夹紧夹紧机构和自动夹紧机构。设计夹紧机构时，应注意满足以下基本要求：（1） 保证加工精度（2） 保证生产率（3） 保证工作可靠具有自锁性能（4） 结构紧凑简单（5） 操作方便，使用安全本机床根据被加工零件的特点采用液压夹紧，液压夹紧具有操作简单，动作迅速，易于集中控制、程序控制和实现工序自动化，工作压力高，油缸结构尺寸小，便于实现过载自动保护和元件便于标准化等一系列优点。此外，由于油液具有不可压缩性，因此液压夹紧能够维持的刚性比气动夹紧所维持的刚性高。3.6.4 导向装置在组合机床上完成的孔加工工序中，除采用“刚性主轴”加工方法外，在大多数情况下。切削刀具都在导向装置中工作，因此，具有精密的导向便成为组合机床刀具工作的显著特点之一。组合机床夹具上的导向装置是作为引导刀具多工件进行切削加工的重要装置。导向装置的作用在于：保证刀具对于工件的正确位置；保证各刀具相互间的正确位置和提高刀具系统的支承刚性。因此，它对于保证加工精度和机床的可靠工作有着重要的影响。根据被加工零件的特点，采用“内滚式”导向，这种导向装置的旋转部分设置在刀杆上，并且成为整个刀杆的一个组成部分，它装有滚珠轴承、滚锥轴承、滚针轴承和滑动轴承等多种形式。本机床采用的是滚锥轴承，也就是圆锥滚子轴承。3.7 生产效率卡 根据加工示意图所选定的工作循环及切削用量等，就可以计算生产率并编制生产率计算卡，生产率计算卡是反映机床节拍或实际生产率和切削用量、动作时间、生产纲领及负荷率等关系的技术文件，是用户验收机床生产效率的重要依据。 3.7.1理想生产率Q：Q=A：完成年生产纲领 ：4600h，取两班制 3.7.2实际生产率Q：实际生产率Q是指所设计机床每小时实际可生产的零件个数。Q=生产一个零件所需时间，分别为刀具第，第工作进给长度，分别为刀具第，第工作进给长度当加工深孔、止口锪窝、倒角、光整表面时，滑台在死挡铁上的停留时间，通常指刀具在加工终了时无进给状态下旋转5-10装所需时间，分别为动力部件快进、快退行程长度动力部件快速行程速度，用液压动力部件时取3-10m/min直线移动或回转工作台进行一次工位转换时间取0.1min工件装、卸时间，取0.5-1.5min取L=50mm,=60mm/min,=分, =100mm, =160mm, =7m/min,=1.2min,=0.1min则:T= Q=每天按8小时:Q=826.7=214件/班机床负荷:=100%要求的生产率 根据组合机床的使用经验，适宜的机床负荷率为=0。75-，。90，设计时参照组合机床设计（丛凤廷、迟建山主编）表3-25，取：=0.9 第4章 组合机床多轴箱设计4.1 概述 主轴箱是组合机床的组成重要部件。它是选用通用部件，按专用要求进行设计的，在组合机床设计过程中，是工作量较大的部件之一。 主轴箱是用于布置（按所要求的坐标位置）机床工作主轴及其传动零件和相应的附加机构的。它通过按一定速比排布传动齿轮。把动力从动力部件动力头、动力箱、电动机等，传递给各工作主轴，使之获得所要求的转速和转向等。由于机床是根据不同加工对象而制订总体结构方案，故有的主轴箱是安或装在动力头动力箱上；有的则是安装在动力滑台或床身上。组合机床主轴箱，按其组成和用途分为：大型标准主轴箱、小型标准主轴箱和专用主轴箱三大类。而每一类里，按其加工性质或结构型式的不同，又可分为几种。 4.2 主轴箱设计的原始依据4.2.1主轴箱设计的原始依据是根据“三图一卡”，即机床联系尺寸图、被加工零件工序图、加工示意图和生产效率卡。主轴箱设计的原始依据图，要包括下述的全部或部分内容：1.所有的主轴的位置尺寸；2.要求的主轴转速和转向（这是指左转向、对右转向一般不需要注明；3.主轴的工序内容和主轴外伸部分尺寸；4.主轴箱的外形尺寸以及与其他相关部件的联系尺寸；5.动力部件（包括主电机）的型号；6.托架或钻模板的支杆在主轴箱上的安装位置及有关要求；7.工艺上的要求；8.其他要求。4.3 主轴的形式及各部分尺寸确定4.3.1 主轴形式的选择由于本机床为专用机床，用来加工钻机本体，所以主轴形式选择dT0721-42装有圆锥滚子轴承的镗孔用主轴。草图如图所示： 4-1dT0721-42型镗孔用主轴4.3.2 主轴支承形式及间隙调整这种主轴的前后支撑都采用圆锥滚子轴承，布置时为了提高主轴系统的刚性，采用“反装”的结构。其采用内圈调整，即只要主轴后端的背帽，即可达到调整的目的。由前面示图可知：主轴后端一端螺纹，装配M241.5的螺母即垫圈来调整轴向和径向间隙。不难看出轴向间隙的调整是螺母直接作用的。径向间隙的调整是通过圆锥滚子轴承的倾角来作用的。把一部分分为径向力来调整。4.4 主轴和传动轴直径的确定和校核4.4.1 各轴扭矩的确定在查组合机床设计简明手册得动力箱电动机功率为=0.995,8级精度齿轮传动（稀油润滑）效率为0.975，则主轴箱驱动轴输出功率为=0.97，则主轴箱驱动轴输出功率为： P=5.50.995=5.31KW传动轴输出功率为：=5.310.995=5.12KW=5.120.9950.97=4.94KW以上所求各主轴功率为最大理论功率，所以比以前估算的大，按上述数据在下面进行验算，如能满足要求，所选主轴便合理 =95509550=5.28N 则同初选扭矩相比，设计合理，切削扭矩均小于最大理论扭矩，满足要求。4.4.2 主轴和传动轴轴径的确定主轴的轴径的确定：由前边设计可知： ，=，=查组合机床设计，表5-10，T，取d=30mm，而d=30mm,的轴所能承受的扭矩为：T=56KN，同理：T=153.1KN,取d=40mm,而d=40mm的轴所能承受的扭矩为：T=178KN；T=255KN，取d=45mm,而d=45mm的轴所能承受的扭矩为T=178KN。传动轴选用同主轴形式相同，材料一般为钢，调质处理T215。查表4-2组合机床设计，取d=35mm。手柄轴的结构设计尺寸如下所示，组合机床主轴箱上一般都有较多的刀具，为了便于更换刀具和调整刀具，或是装配和维修时检查主轴精度，一般每个主轴箱上都要设置一个手柄轴，以便手动回转主轴。为了扳动起来轻便，手柄轴的转速应尽可能高一些，其所处位置靠近机床操作者的一侧，并且是便于下扳手的地方。另外还必须注意，手柄轴的周围应有较大的空间，以便扳动一次手柄轴的转角不小于.取d=30mm。 4-2标准中间传动轴 4.5 传动系统的设计与计算传动系统的设计是主轴箱，特别是大型标准主轴箱设计最关键的一环。所谓传动系统的设计，就是通过一定的传动链，按要求把动力部件的驱动轴传递到主轴上去。同时，满足主轴箱其他结构和传动的要求。一般来说，同一个主轴箱的传动系统，可以设计出几种方案来。因此，设计时必须对各种传动方案进行分析，从中选出最佳方案。因为，传动系统设计得好与不好，将直接影响主轴箱的质量、通用化程度、设计和制造工作量的大小，以及其成本的高低等等。4.5.1 传动系统设计的一般要求1.在保证主轴的强度、刚度、转速和转向要求的前提下，力求使传动轴和齿轮为最少。应尽量用一根传动轴带动多根主轴；当齿轮啮合中心距不符合标准时，可采用齿轮变位的方法来凑中心距；2.在保证有足够强度的前提下，主轴，传动轴和齿轮的规格要尽可能少，以减少各类零件的品种；3.通常应避免通过主轴带动主轴，否则将增加主动主轴的负荷；4.最佳传动比为1-1.5，但允许采用到3-3.5；5.粗加工主轴上的齿轮，应尽可能靠近前支撑，以减少主轴的扭转变形；6.刚性镗削主轴上的齿轮，其分度圆直径要尽可能大于被加工孔的直径，以减轻振动，提高传动的平稳性；7.尽可能避免升速传动，必要的升速最好放在传动链的最末一、二级，以减少功率损失。4.5.2 传动路线的设计1.总传动比的确定和传动比的分配：TD40型动力箱驱动轴转速为：720r/min,主轴转速为：，则 2.各轴传动比分配 取 =3.确定中间传动轴2、3的位置并配对各对齿轮 确定中间传动轴3的位置，配3轴与9，6轴联结的齿轮粗略确定轴3的位置，取：m=3则： +=120 =则取：=56，=24 +=80 =1.44取：=22，=31 则中间轴2的位置与3轴对称布置，同上，将电机轴布置在中间位置则： +=85， =2.44 =40 =17 同理：=174 .验算各主轴转速 验算如下： =720=154r/min =720=255r/min =720=601r/min转速相对损失在5%以内，符合设计要求5. 轴4作调整手柄轴，其转速如下，取：=32 =610=324r/min6.采用R12-2型叶片泵，由中间传动轴3经一对齿轮： = =720=720r/min在400800r/min范围内，满足要求。4.6 多轴箱坐标计算坐标计算是组合机床多轴箱设计的一个特殊问题，坐标计算就是根据已知的驱动轴和主轴的位置及传动关系，计算出中间传动轴的坐标，以便在绘制多轴箱加工零件图示，将各孔的坐标尺寸完整的标出来，并用以绘制坐标检查图，作用是对传动系统设计的全面检查。4.6.1 加工基准坐标的选择及确定各主轴坐标主轴箱是安装在动力头上的，坐标原点选在靠主轴箱左侧（对着主轴箱正面的定位销上，其尺寸距主轴箱左侧边50mm，距立轴箱底边H=30mm,下面分别计算主轴坐标和传动轴坐标。在主轴箱正面图可看到主轴位置如下，考虑动力箱驱动轴位置及传动齿轮分度圆直径大小和相互关系，可确定坐标如下：则：=100 =225 =100+115=215 =225 =100+115+115=330 =225 =100+115-85=130 =225+80=305 =+285=300 =305确定传动轴的坐标 =+）=+31）=79.5由上图三角关系 =120 =79.5解之得：=307.6293，=143.7123由于传动轴2与对称布置，则：=143.7123 =79.5解之得： =122.37354.6.2 验算多轴箱箱体零件上的孔系是按计算的坐标加工的，而装配时，要求两轴上的齿轮能正常啮合，因此必须验算，根据坐标计算确定的两轴坐标中心距A是否符合两轴啮合齿轮要求的中心距R，R与A的差值，即=R-A演算标准为：中心距允差0.0010.009mm1传动轴与6轴定距验算,如上所示=R-A=R-x=-,y=-则: =(120-120.0000016)=-0.00000162传动轴2与主轴5定距验算同上 1=-(79.500859-79.5)=-0.0007163由上计算可知验算和合理.4-3主轴箱坐标图4.7 主轴箱的润滑、变速和手柄轴的设置 4.7.1 润滑大型标准主轴箱采用叶片润滑油泵进行润滑。油泵打出的油经分油器分向各润滑部位。对于卧式标准主轴箱，主轴箱体前后壁间的齿轮和壁上的轴承用油盘润滑，箱体和后盖以及和前盖间的齿轮用油管润滑；对于立式主轴箱，则将油管分散引至最高排齿轮上面，使主轴箱体内的传动件得到润滑。通常采用叶片泵，叶片泵的传动方式有两种：一种是借助油泵传动轴传动的，另一种是通过直接装在泵轴上的齿轮直接传动的。叶片润滑泵使用可靠，对一般前盖易于拆卸的主轴箱，可不设置专攻柴修油泵用的油泵盖。4.7.2 变速大型组合机床主轴的转速，通常是不要求改变的。但从这一点来说，设计时可以不必特意留出变速环节。但从长远考虑（比如，考虑到将来道具的改进，或考虑到设计转速可能确定的不尽合适等），在设计是有意识地试一队获两对齿轮能起交换齿轮作用，是主轴的转速能有一定调整范围，有时还是必要的。在大型标准主轴箱上，通常是选择分路传动前的一对或两对处于、排的齿轮作为交换齿轮，以便获得一定的变速范围。小型主轴箱的传动系统设计，是不用考虑变速齿轮的，因为在小型动力头的传动系统中已设有变速环节（减速器）。4.7.3 手柄轴的设置组合机床主轴箱上一般都有较多的刀具，为了便于更换和调整刀具，或是装配和维修时检查主轴精度，一般每个主轴箱上都要设置一个手柄轴，一边手动回转主轴。为了扳动起来轻便，手柄轴的转速应尽可能高一些，其所处位置要靠近机床操作者的一侧，并且是便于下扳手的地方。另外还必须注意，手柄轴的周围应有较大的空间，以便扳动一次手柄轴的转角不小于。一般在设计传动系统时，暂可不考虑手柄轴的设置问题。而在传动系统排好之后，按签署要求从传动轴中选择一根作为手柄轴。小型和专用主轴箱，通常都不设手柄轴。4.7.4 轴和齿轮的校核1.主轴的力学计算模型 A B 4-4.理想的圆锥滚子轴承主轴力学计算模型受力分析： 在第2章依据选定的切削用量，计算出了刀具加工时受到的扭矩M及轴向力。由经验公式：= (D，HB，S) = (D，HB，S) 式中： 刀具工作时受到的转矩;刀具工作时受到的轴向力。，为刀具切削处直径D、切削用量S、布氏硬度HB的函数。根据图3-4，得：= 式中： F承载齿轮所受的圆周力;d承载齿轮的分度圆直径。对图3-4而言，轴向载荷为B点支承处推力球轴承所受到的轴向力： = (D，HB，S) B点支承处深沟球轴承所受到的轴向力： =A、B支承处深沟球轴承的径向载荷、的求法：径向载荷由力的平衡方程得： 求得 ： 式中： F齿轮工作时所受到的法向力。轴承工作的当量动载荷：对于工作时受轴向载荷的深沟球轴承而言，当量动载荷为： 对于受纯径向载荷的深沟球轴承、滚针轴承，当量动载荷为： 对于受纯轴向载荷的推力球轴承，当量动载荷为： 式中的取1.21.5 在按经验数据和估算选好的主轴各参数后，为确定主轴刚性，有时还要根据受力情况，进行验算。一般来说，主轴只要其刚度能满足，强度大多是足够的。主轴刚度的验算，主要是验算在受力时的弯曲变形，既主轴前端的挠度X和前支撑的倾角，取其许用 X0.0002L（mm） 0.001（rad） 式中： E主轴材料的弹性模量（kg/mm），钢的模量E=（kg/mm） J前支承处的截面惯性矩，实心轴J=经计算两端主轴箱内的主轴及中间主轴箱内的主轴的挠度和倾角均符合要求。1).齿轮疲劳强度校核主轴箱齿轮校核主轴箱内齿轮的设计是按接触疲劳强度设计齿根弯曲疲劳强度校核公式： 式中： 工作情况系数（取1.25） 动载系数，查机械设计手册取（=1.17） 查机械设计手册取（=1） 载荷分配不均系数，查机械设计手册取（=1.4） 得： 查机械设计手册取： 得： ，b=24,m=3 由于: =KN/S 其中KN由机械设计手册查取，=1.2 由机械设计手册选取，=450 S由机械设计手册选取，S=1.4得： = 代入以上公式： = =42.46 所以合格。2.齿轮模数的验算 齿面接触强度验算公式： 齿轮弯曲疲劳强度验算公式： 由于两侧主轴箱是同样的，所以只计算一个主轴箱中齿轮模数。齿数Z=56(1) 使用系数由机械设计手册查取得，取1.1(2) 功率利用系数由机械设计手册查取得，取0.8095(3) 转速变化系数由机械设计手册查取得，分别取0.75，0.88(4) 工作期限系数： (3-23)经计算， (5) 工作用量系数：(6) 名义切向力经计算，=7980(7) 分度圆圆周速度： 经计算， (8) 动轻系数 经计算， (9) 齿向载荷分布系数，由机械设计手册查取； 经计算， (10) 齿向载荷分配系数： 经查机械设计手册取 ，(11) 带点区域系数：经查机械设计手册取 ， (12) 弹性系数： 经查机械设计手册取 ， (13) 重合度及旋角系数：经查机械设计手册取 ， (14) 许用接触应力：经查机械设计手册取 ， (15) 复合齿形系数：经查机械设计手册取 ， (16) 重合度旋角系数：经查机械设计手册取 ， 最后将各参数代入公式：。 合格4.8 组合机床主轴箱总图的设计在前几节设计的基础上,为装配和维修方便,设计了总体图.主轴箱总体图分主轴箱展开示意图和主轴箱正面示意图,此外还有主轴和传动轴组件装配一览,前箱盖和箱体的定位销,后盖和动力头的定位销示意图、主轴箱轮廓尺寸。1.主视图：主视图主要用以表明多轴箱的传动系统，齿轮排列位置，附加机构及润滑油泵的位置，手柄轴的位置和各轴的编号。2.展开图：组合机床通用多轴箱内容如下： (1）展开图主要表示各轴装配图关系，主轴、传动轴、齿轮、隔套、防油套、轴承等的形状和轴向位置。 (2）对结构相同类型主轴和传动轴，可只画一根，表明油号即可 (3）展开图上应完整标注多轴箱的厚度尺寸和与厚度有关的尺寸，主轴外伸部位长度、内径。3.主轴和传动轴装配表4.主轴箱技术要求 详见主轴箱总体图第5章 产品的经济性分析本设计题目依据国内外组合机床的发展状况分析研究，制定了较为简单方便的设计方法，本产品生产后用于加工液压钻机本体五孔，具有生产效率高，工艺范围大，自动化程度高的特点，有重新改装的优越性，其通用零、部件可以多次重复利用。可以同时从几个方向采用多把刀具对几个工件进行加工，他是实现集中工序的最好途径，是提高生产效率的有效设备。组合机床常常是用多轴对箱体零件一个面上同时进行加工，这样就能比较好的保证加工精度，提高产品质量，减少了工件工序间的搬运，改善劳动条件，也减少了机床占地面积。组合机床这些特点确定了它在机械加工行业的地位。由于组合机床是由70%90%的通用零、部件组成，在需要的时候，它可以部分或全部地进行改装，以组成适应新的加工要求的新设备，这就是说，组合机床有重新改装的优越性，其通用零、部件可以多次重复利用，这就大大降低了组合机床的成本，由于组合机床的通用部件可以组织专门工厂集中生产，这样可以采用专用高效设备进行加工，有利于提高通用部件的性能，降低制造成本。结论本次设计为液压钻机本体组合机床设计，在设计前我通过各种途径收集了许多的资料，也进行了实地参观实习，收集了有关的技术资料。设计过程中通过资料的学习知道了组合机床设计的基本步骤和要完成的内容，组合机床三图一卡，这是必须有的，除次之外主轴箱也是必须设计的内容，在设计过程中也学习了以前没学会的和许多新的知识，也巩固了很多的专业知识，这次设计是大学里最后一次设计，也是工作前的一次练兵，把四年里学的知识综合起来运用到实际，可以说理论联系实际是我们以后要做的工作，工作里必须是是这样，只有充分的把所学的知识应用到实际工作中，工作才能干好。本次设计的组合机床具有以下特点：生产效率高、工艺范围广、加工精度高、自动化程度化高、增加了机床的可调性、减轻工人的劳动强度，便于管理和集中操作。在设计过程中遇到了很多困难，由于没有见过组合机床是什么样的。所以在脑海中是一片空白，后来经过查阅资料和实地考察有了一点眉目，在整个设计过程中遇到了很多困难，但我虚心的向老师和同学请教，解决了很多的困难。这次毕业设计可以说我用了很多时间去认真思考和学习、设计，我想我的设计应该是一个可应用到实际的产品。本题目由于是传统题目，有着很长的发展史，所以我在设计组合机床时，除了利用已有的设计方法，还采用了较为先进的设计方案。本产品的主要创新之处在于采用了独特的结构，增加了产品的可靠性和稳定性，使产品的工艺范围更广，生产效率更高，自动化程度更高。致谢 经过将近三个月的紧张设计，就要接近尾声了，同时也意味着我们就要离开学校走向新的岗位。这段时间我们根据指导老师下达的任务书，尽我所能的完成我的毕业设计，经过这段时间的忙碌，使我有了很多的收获。我认真的学习了CAD制图，并且通过这次任务的完成，我能熟练的应用此软件。同时巩固了以前所学的各种知识。在去工厂调研的过程中也学习了到了许多实践经验，而且也锻炼了我理论联系实践的能力。也正是大学中最后仪项任务的完成过程中，让我学习如何综合应用知识和解决问题。在这次毕业设计过程中，得到了于信伟老师及其各位老师的指导。在此再次说声谢谢。由于个人能力有限，任务的完成可能不是很好，但是本人已尽了最大的努力，多蒙各位老师指导和批评。参考文献1. 从凤廷、迟建山.组合机床设计.第二版. 上海科学技术出版社.1991年10月2. 大连组合机床研究所编.组合机床设计第一册（机械部分）.机械工业出版社. 1975年6月3. 组合机床编写小组编.组合机床讲义.国防工业出版社 1972年4月4. 谢家瀛.组合机床设计简明手册.机械工业出版社 .1998年10月5. 大连组合机床研究所编.组合机床参考图册.机械工业出版社 1975年11月6. 杜君文.机械制造技术装备及设计.天津大学出版社. 1998年8月7. 王启平.机床夹具设计.哈尔滨工业大学 .1996年2月8. 顾崇衔.机械制造工艺学.陕西科学技术出版社. 1986年7月9. 周泽华.金属切削原理. 上海科学技术出版社. 1984年12月10.陈秀宁、施高义.机械设计课程设计. 浙江大学出版社 1995年8月11.代明君、梁为.互换性与测量技术. 黑龙江教育出版社 1992年8月12.许晓旸.专业机床设备设计.重庆大学出版社.2003年7月13.刘健康，王宏，邓淯清.柴油机缸体缸套孔止口孔精加工组合机床.1999年 第2期 No.2 199914.顾维邦.金属切削机床. 机械工业出版社 .198415.范国清.组合机床通用部件专辑.大连组合机床研究所16.孟少农 .机械加工工艺手册第三套.机械工业出版社. 1992专题 液压钻机本体工艺规程的制定1工艺分析11被加工零件的作用设计题目所给的零件是TXU-75米钻机上的部件本体。其作用是：1、支撑和容纳回转器的各个零件，并将诸零件组成回转器整体；2、给进装置的支撑架；3、通过巷壳将回转器与分动箱连成一体，接通动力，并可调整回转器转角。111零件性能和技术要求分析 从零件图可见，它有二组加工表面，这两组加工表面之间有一定的位置要求。（1）165孔中心的加工表面这一组加工表面包括：上胎车165H9及导角，主要加工止口165。（2）以115孔为中心的加工表面这一组加工表面包括：115用来安装立轴，74，61用来装油缸以及32用来装导杆。这两组加工表面之间有一定的位置要求。孔165的轴线同135孔中心线的垂直度小于0.05。115与孔135两孔的不同心度误差小于0.05。由上分析可知，对于这两组加工表面而言可以先粗车好止口，然后以其作为标准，借助专用夹具进行另一组表面的加工，即五孔的粗镗加工，并保证其位置精度。12工艺规程的确定121确定毛坯的铸造形式零件的材料为ZG35，对箱体件应采用铸造毛坯。122基面的选择：箱体零件是机械制造业中加工工序多，劳动量大，精度要求高的关键零件，因此选择工艺基面和夹压部位是制定工艺方案的极其重要的问题。工艺基面选择的正确，将能实现最大限度的工序集中，从而减少机床台数，也是保证加工精度的重要条件。（1） 粗基面的选择：为了保证170的台阶应选择下端320为粗基准车上端，保证1701的尺寸。（2） 精基准的选择：先车165，然后以该止口及大平面为精基准粗镗115、135、61、3213 制定工艺路线 根据被加工零件的几何形状，尺寸精度及位置精度等技术要求指定工艺路线。工艺路线的拟订不但影响加工质量和效率，而且影响工人的劳动强度、设备投资、车间面积、生产成本等问题。由于该零件为大批量生产，所以考虑采用万用机床配以专用夹具，并尽可能使工序集中来提高生产率。工艺路线如下：工序：夹下端找正，车上端面凸台170，车下端面工序：粗车止口165H9。工序：粗镗五孔，各部留余量1mm。工序：粗镗五孔成。工序：粗车止口165成。工序：划十子线耳子，槽口加工线。工序：1）铣耳子 2）槽口铣成。工序：钻攻螺纹孔，导角去毛刺，钻2-30成。14 机械加工余量：工序尺寸及毛坯尺寸确定该零件材料为ZG35，硬度150200HB，生产类型，2级精度组。根据上述原始资料及加工工艺，分别确定各加工表面的机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸如下：1、本体320外形面为非加工面，二箱造型，浇水开在中间，余量为6mm，则零件在长度方向总长为326mm，一次车成。2、210上下端面为侧面，余量为5mm，总长为210+10=220mm，一次车成。3、165H9mm孔，单边余量6mm，铸成153mm，粗车至164mm.4、粗镗115k7mm、74H11mm、61mm及32H9mm，其中115k7mm，及2-74H11，2-61mm，单边余量取5、5、5mm,2-32H9mm取3mm,分别铸成105mm，2-64mm，2-51mm，2-26mm，粗镗分别至115mm，72mm，61mm，32mm.5、粗镗五孔成。6、粗车165H9成。15 确定切削用量及其中工时工序：车，选YT15刀具，切削深度a=3mm，进给量f=0.2mm,刀具主偏角=90，则切削速度v=218m/min.由 n=V-圆周速度m/min,d-加工最大直径d=326mm则：n=213转/分工序：粗车165H9，选YT15刀具，切削深度a=3mm，进给量f=0.2mm,v=218m/min,则n=。V-圆周速度m/min,d-加工最大直径d=153mm则：n=454转/分工序：粗镗五孔取a=3mm，进给量f=0.4mm，v=50m/min，由：n=138转/分n=261转/分n=498转/分工序：精车止口165成选YT15刀具，a=1mm,f=0.15mm,v=取t=60分T一刀具耐磨时间，f进给量，a切削深度 C取797，则v=513.5m/min, n=990转/分工序：铣，a=4mm，f=0.18mm/齿 V=铣刀直径mm，=35mma=切削深度，a=4mmT耐用度，T=240分f进给量，f=0.2mma铣削宽度，a=23mm则：v=7.39m/min n工序：钻6M6螺纹底孔a=6mm,f=0.14mm,刀具选WC4V，则： v=D钻头直径，D=4mm，T耐用度取180分则：v=29.3m/min,n=1555转/分。2 液压钻机本体机械加工工艺过程综合卡片黑龙江科技学院机械工程学院机械制造专业零件号机械加工工艺过程综合卡片零件名称钻床回转体生产类型批量生产工序号工位号工步号工序、工位、工步名称及内容工序、工位、工步草图机床112铸造毛坯正火(实效处理)112夹下端找正，车上端面凸台170，车下端面C6301 1粗车止口165H9C63011粗镗五孔，各部留余量1mm C63011粗车止口165成C630划十子线耳子，槽口加工线111铣耳子槽口铣成11钻攻螺纹孔，导角去毛刺材料ZG-35编制日期毛坯重量40Kg指导毛坯种类模铸件审核夹具或辅助工具刀具量具走刀次数走刀长度（mm）切削深度（mm）进给量（mm/r）主轴转速（r/mm）切削速度（m/min）工时定额（min）基本时间辅助时间工作地服务时间三爪卡盘YT15端面车刀卡板1530.22132180.11三爪卡盘YT15端面车刀卡板130.22134540.08专用夹具YT15硬质合金刀，刀片型号为A1，用于加工内孔卡尺1351111333330.40.40.40.40.415025061015025050505050500.90.90.90.90.9三爪卡盘YT15车刀卡尺11010.15990513.50.29专用夹具硬质合金铣刀游标卡尺13040.2677.390.12专用夹具WC4V游标卡尺125601415552930.15附录：快速成型技术和系统的回顾快速成型制造技术已经为很快地直接地从计算机辅助设计系统创造 3D立体产品出现。这些技术在工业成型制造中起着重要的作用。这一篇文章回顾了 RP&M 的主要技术和应用程序。RP&M的原则和技术在这里被展现。在这些新的技术方面的一些现有的问题和研究议题被介绍。我们也在使用快速设计原型作为较进一步的例证。 关键字：快速成型，分层堆积制造简介产品制造工业正在面对二个重要的挑战性的任务:(1) 缩减产品发展时间的; (2) 制造产品的小整批尺寸产品和多种类型产品在柔性方面的改进，CAD和CAM已经着重改良传统的生产设计和制造形式。然而, 对于新产品的迅速发展在和计算机辅助制造的计算机辅助设计的真实整合中有一些障碍。 虽然可观的研究已经在过去被为计算机辅助设计和制造业整合, 像功能辨识, CNC 程序规划和程序计划，但是 CAD 和 CAM 之间还是存在着一些空白区域:（1）3D立体模型和原尺的迅速创造。 （2） 创建复杂模型表面产品的成本问题这是一篇和快速成型有关的指导性文章RP& M 能做什么为了从实质上短缩发展中的图案，铸模和原形的时间,一些制造业的企业已经启动使用迅速设计成型方法作为制造复杂图案和元件设计方法。在过去几年内, 多种新的快速制造业的技术, 通常叫做快速成型制造 (RP&M)的技术 已经出现; 这项技术发展包含 Stereolithography;SLS;FDM;LOM;BPM和3D印刷。这些技术能够直接地产生来自 CAD 数据库的实际的物件。他们通常都有一个的重要功能: 加工零件模型时用堆积成型方法要多于材料切除法。这就把3D模型的加工简化到2D书屋堆积成型，因此便能直接的调用计算机模型数据库中的模型直接加工。RP&M 的基本程序如图 1 所示，一个零件首先被模型制造者做出一个几何模型, 例如一个实体模型。零件进入一系列的平行截面块之内然后算术地被区分之。 对于每个模块, 硬化或缀合，路径已经产生,在 图2 中显示。这些硬化或粘合路径直接地被用俩作为加工指令加工工件材料。在一个层被建造之后, 一个新的层被用同样的方法建在先前的那个层上。因此，模型是从底层一步步建到高层的。在摘要中, 迅速成型设计的犯法包含两个方面：: 数据准备和模型生产。图-1 固体模型实例图-2 切片扫描RP&M 的目前应用领域虽然 RP&M 技术仍然在他的早期阶段,但是一些工业公司 , 像德克萨斯仪器公司，克莱斯勒公司, 安培公司和福特电动机公司已经从技术改良下列三个方面的他们的产品发展获益。工程学设计视觉化。概念上的模型在产品设计非常重要。设计者使用 计算机中的CAD程序产生他们的设计观念。然而，无论工程师用CAD能够多么好的解释蓝图和复杂工件的图像，它仍然非常困难的完全地展示实际的复杂产品将会看起来像什么。一些错误可能仍然从工程师和设计者的检查中逃脱。实际物件的触觉有时能揭露未预料到的问题。闪烁一个较好的设计。由RP&M产生一个较好的设计思路，复杂工件的成型加工能够在短时间内建造, 因此工程师能非常快地评估一个设计。证明和最佳化。改良产品质量总是制造加工中的一个重要议题。由传统的方法, 模型的研发或者一个最佳化的有效设计是要耗费大量时间和资金的。在此对比, RP&M 成型能被很快地设计加工再没有现成的用工具工作和劳动力的情况下。结果证明设计观念变的很简单; 产品质量能被在有限制的时间里和可负担成本的前提下得到改善。反复。就像汽车工业，厂家经常把性产品投放到市场中。产品投放市场的时间快慢是在今天的竞争市场中区分胜利者和失败者的主要因素之一。由于 RP&M 技术存在，在一个短时间内完成多样化设计是可能的。 总体上减少模型的研发时间。制造业我们能使用 RP&M 成型技术作为可生产研究。 在产品的设计初期提供一个实物模型，我们能加速程序计划和工具工作设计的程序。 除此之外，由于正确地描述复杂的几何形状，这种方法能帮助在工场上解释蓝图方面减少问题的出现。 另外的一个应用程序正在为铸模用工具工作研发。 这种方法也能为铸件被用作主图案。市场为了协助产品售卖，一个原型能用来示范观念，设计主意,同时也代表了一个公司的生产能力。实际模型的真实举例说明设计的可行性。同时, 原型能用来修正设计得到客户的回应，以便最后的产品将会符合客户的需求。及时的领会客户的想法, 方法在90年代是市场竞争的关键。及时的领会客户的想法在90年代是市场竞争的关键。RP& M 技术有潜力能确定提高产品质量。主要有两方面: 几乎没有几何形状方面的限制; 分层堆积制造方式允许从CAD到CAM的直接的简单的接口，而完全忽略了计算机辅助设计程序。快速原型制造和制造技术正如以前被提到的。有几种遵循“生长”和“添加制造”的原理的现代生产方式。在这些技术的主要不同点有二个方面: (1) 选用的材料(2) 零件制造技术。 以下部分将会在这两方面详细地说明快速原型制造。光敏液相固化法 (SLA)SLA 被Charle Hull发明的3D立体系统Inc.2。它是首个商业化的快速原型制造技术并且应用的最广泛。 用的材料是液体树脂。在光的照射之下, 小的分子 (单体)聚合成较大的分子。基于这个原则,零件在如图 3 所显示的一个盛放液体树脂的桶中制造出来SLA 机器制造原型是借激光探头在液体表面上追寻分层路线制造的。与数控机床得之字形切削路径不同,探头沿着平行线移动，然后再沿着垂直的方向。在液体下面有一个提升的支撑面。表面就在广可以照射的深度。激光光线在检流计驱动镜子旁边的 X 和 Y 轴中被水平地偏斜，以便它移动。树脂的表面生产一个固体形状。在一层被建造之后,支撑面下降一个用户指定的距离，一层液体树脂的新涂料覆盖了原始层。一个扫帚帮助填充用来制造下一层的新的树脂。激光在已经做好的一层上画新的层。这样，模型从底部到顶端的逐层建造出来。当所有的层被完成的时候，原型被制造了大约95% 。后续制造要等到原型完全凝固之后。这在一个充满紫外线的烤箱中制做。SLA有一些值得提及的特点。材料：有五种商业化得的原型材料。它们全是树脂。支持：因为一个模型在液体被产生,在制造过程中，悬于零件(在下面不支持)之上的下垂或者飘浮离开。原型如此需要一些初步设计支持直到它被制造或固化。支持可能是柱子，桥和构架。有时需要输入或者把硬加入填充在的薄壁件。这些附加的物体在模型原型的制造的过程中产生和必须在模型完成之后清除。模型准确性和表现性。 被达成的准确性是大约 0.1% 的全部尺寸而且除了不超过 0.5% 之外以较大的大小。 层厚度是在 0.004 和 0.03之间。目前，被 3D立体系统公司做的 SLA 机器是在 RP& M 系统之中的最精确的机器。photopolymer 制作的原型是易碎的而且可能不够结实来抵抗高的压迫力测试。 同时, ，材料的收缩可能会使原型变形。再循环。 Photopolymers 是thermoset材料和不能够再一次为重复使用被融化。选区激光绕结法(SLS)动态同步传输套式公司 (奥斯汀 TX) 用在德克萨斯大学的机械工程部门被卡尔 Deckard 和约瑟 Beaman 研发的 SLS 系统提供治疗液体的系统替代5代品. SLS 使用对泉华的一个二氧化碳激光连续数层的粉代替液体。 在 SLS 处理粉的表层在工作地方之上被一个替换柜台滚筒机制应用。 粉状材料被些微地在它的熔点下面预先加热到温度。 激光光线在粉状表面上追踪跨区段加热对泉华温度的粉。以便粉保证被激光扫描到。 不是被激光扫描的粉将会适当地保持视为对粉下层的支持,这在减少扭曲方面是有帮助的。 当跨区段的层被完成的时候, 滚筒消除粉的另层在那之上为下途径泉华一。 图 5 演示SIS 的工作原理。 SIS 有一些特征。 材料。 SIS 使用各类型的材料包括 polycarbonate ， pvc ，ABS ，尼龙，树脂， polyster ， polypropane ，聚亚安酯作为投资投掷腊的样板的生产。 能够使用金属制的和陶瓷粉的机器正在研发过程中。支持。 SLS 系统通常不需要预先设计支持结构。 在建筑物期间，如支持在每个层上的为不融合的粉末处理。 做模型准确性和表现。 平均的准确性 为一个部份由从 -0.005 到 +0.015 达成了范围直径和 15高度。 层厚度是在 0.003 和 0.02之间。产品可能遭受收缩和变形由于冷却。 那二个因素能根据选择更小颗粒的粉末所限制, 和在粉末的软化处理点上面的高方面比和空气流程温度的粉状粒子除去, 但是在泉华点下面。再循环。 原型能是 粉碎 成粉末以便重复使用。熔丝沉积成型法(FDM)快速原型系统-3D立体制造模型由Stratasys 公司研发用来的构造以被挤出的热后可塑性的材料的沉淀为基础的部份呼叫 FDM. 在一个 FDM 程序中，一个热后可塑性细丝材料进入一个加热的 FDM中之后被挤出。 FDM 头的运动被计算机控制。 在飞的挤出头内，细丝进入设备内被一个反抗加热器融化。 喷头追踪部份的一个每跨区段层的精确部分。 当喷头在空间的x轴和y轴移动时拉丝材料就在喷头内进行预热然后再从喷头挤出。当它工作的时候，材料以 1/10s的速度直接堆积在工作点上。在一层堆积完成后, 喷头按照程序预先设计好的为堆积下一层在 z 方向移动。 每层的堆积都是对先前的堆积作加固。 图 6 演示FDM 的工作原理。FDM 有下列的主要特征:材料。 FDM 技术为样板的堆积提供了多种模型材料和颜色。 可提供的材料有填充了塑料的聚合物质的尼龙 , 和腊。 专有的尼龙 , 和投资投掷变大。 所有的材料是无毒的而且可能有不同的颜色。 而且有消耗材料最小的方法。 没有在硬化之后的被需要。 支撑情况。 在许多情况下， FDM 程序不需要支持生产部份。 FDM 喷头喷出的锡先是材料在空便凝固。 在上层部分，支撑能力可能仍然是减少扭曲部分所必要的。 模型准确性。 全部的宽度是误差在 0.005。连续的制成薄板在 0.001-0.05之间, 而壁厚范围从 0.01 到 0.25 之间。用FDM制作原型时有1.2%的收缩率。性能。3D立体模型加工的边框是121212。模型加工的速度是60r/s。选区片层粘结法(LOM)LOM 程序教工零件用的是纸塑料，金属或者是钢件。LOM 要加工一个钢件工件需要按照预先设计好的程序来进行，然后激光在CAD的引导下加工出需要的形状。涂层能被黏在一起或焊接。多余的材料要莫被移走要莫就作为下一层喷涂的基础。图 7 演示LOM 的工作原理。 LOM 有如下特征:材料。 事实上任何的箔 (材料) 都能被应用: 纸，金属，塑料，纤维，合成物质材料，玻璃或合成物。 Helisys 公司现在使用纤维素箔。支撑情况. LOM 程序使用使用电晶体的材料因此通常不需要预先设计。支援结构。模型准确表现性. 模型能准确的表现实物构造在 0.005之间。而且因为材料的使用不收缩或者扭曲。 层的厚度是在 0.002 和 0.02之间. 用这些材料制造的原型不易碎而且由于用 photopolymers 做成的那些的原型。能力. LOM 机器 LOM-1015 使用一个 40瓦特二氧化碳激光器。LOM-1015 构造的原型范围的大小是 151015.因为只需要描绘切断去代替诊断一个硬化区域,LOM 相比之下就要快一些。Ballistic particle manufacturing (BPM)感知冲击粒子制造业技术是由一个感知系统使用一个 piezo 驱动的喷墨机制射击融化的材料的小滴, 同时冷却在先前存放的层之上。一个层由在移动 x轴 和 y轴 方向的小滴喷嘴喷射产生。从碟子的底部指定一个距离，一个新的层在先完一个成的层的顶端产生。自动化动力学公司也独立地研发了一部相似的机器。 图 8 演示 BPM 的工作原理。图-8 BPM 工作原理 BPM 的特征是:材料。 材料应该容易地被融化而且凝固,例如热后可塑性物质，铝和腊。 感知系统现在使用的是蜡,自动化动力学公司使用铝。 支持。 在构造模型程序时，对于突出部份和空虚结构的支持是必要的,支持的材料是水溶性的蜡的合成物质。 当模型被完成的时候, 支持物被用温水洗去。模型准确表现性。 全部的准确性是 +0.004之间。 层厚度大约在0.0035之间。 没有表现报告。能力。 BPM 打印机可以用32个喷墨喷嘴并排排列在50/ m 的范围内每秒喷射10000个小液滴。最大的工作块尺寸是 12 2 12。 三维印刷(3D Printing) 三维空间的印刷技术是由麻萨诸塞州学会研发的。在3D立体印刷程序中，一个3D立体模型进入计算机的2D 跨区段层之内被切成薄片。在一个圆筒中,喷层的粉放在活塞的顶端和床子上, 然后喷墨头按照程序把层粉喷到指定位置的模型上，那里的信息由计算机模型库提供出喷涂所需要的相应的信息。在一层完成之后, 活塞放下滑到预先定义的距离，一个新层按照上一步 的方法继续建立出来。当整个部份完成的时候，热处理是提高层与层之间的粘结所必要的, 然后去除层粉。 图 9 演示 3D立体印刷的工作程序的原理。3D立体印刷有如下的特征:材料。 3D立体印刷程序能使用铝-氧化物和矾土-矽石陶瓷粉。 材料是无定形的或胶质的碳化物支持。 由于 3D立体印刷技术，支持结构的设计就显得没有必要了,因为在喷涂程序进行时层粉在每一层都能保留它的自然形态。模型准确表现性。 小数量数据可从3D立体印刷中获得因为它仍然在测试的阶段中。 对于测试的样品，层厚度是 178 和最小尺寸是 0.017v。能力。 3D立体印刷程序能用来生产功能的部份和加工原型。 现在的最大部份尺寸是 121224。这种技术在构筑模型是最大潜能是 2021 ，厚度100nm，以每小时0.18m的速度构建每层。当一层完成以后，活塞下降一个提前设定好的距离，一新的粉层喷洒出来，并有选择的粘结。当整个零件完成的时候，为了提高粘结层的结合需要必要的热处理，然后除去没有粘结的层。图9显示了3维印刷的工作过程。3维印刷的特点综述如下：材料. 三维印刷可以利用氧化铝和铝-矽陶瓷粉。黏合剂是无定形或者胶体的碳化矽。支撑体。 利用三维印刷技术，零件的职称结构是不需要设计的，因为每层没有粘结的形成了一个天然的支撑。模型精度. 三维印刷适应于数量较少的加工，因为它还在测试阶段。对于测试样本，层的厚度是178m，最小的尺寸是0。017。三维印刷能够制造功能性零件或刀具的原型。现在最大的工件尺寸是121224。这项技术在大约每层2秒（0.18mh-1）生产率情况下，有能够生产尺寸超过2020零件的潜力。结论对于加工者保持竞争力，生产特点，质量，成本和推向市场的时间是重要因素。快速原型系统给制造产品更快，提供了机会，并且比传统的加工方法成本低。因为RP&M能够极大的缩短产品的开发周期，越来越多的商品利用了这个速度，由计算机设计的产品能够生产味精准的模型。而这些模型能够被感知，看到，研究，测试和比较。讨论了几种新的有发展前景的快速原型制造。他们都是基于一层一层堆积的原理。它们中的每一个考虑到精度，材料种类和机器成本都有各自的特点。还讨论了一些显露出来的问题和研究成果。这是一个快速发展的领域。快速垸行制造技术的能力和潜力吸引着非常多的工厂为这项技术投资。非常期待为了研究和发展那些技术能有更多的努力，这样，它们可以广泛的应用于制造工业。A review of rapid prototyping technologies and systemsRapid Prototyping and Manufacturing (RP&M) technologies have emerged for quickly creating 3D products directly from computer-aided design systems. These technologies significantly improve the present prototyping practices in industry. This paper reviews the main technologies and applications of RP&M. The principles and the features of those RP&M technologies are presented. Some existing problems and research isles on these new technologies are introduced. Keywords; raid prototyping, layered manufacturingINTRODUCTIONProduct manufacturing industry is facing two important challenging tasks: (I) substantial reduction of product development time; and (2) improvement on flexibility for manufacturing small batch size products and a variety of types of products, Computer-aided design and manufacturing (CAD and CAM) have significantly improved the traditional production design and manufacturing. However, there arc a number of obstacles in true integration of computer-aided design with computer-aided manufacturing for rapid development of new products. Although substantial research has been done in the past for computer-aided design and manufacturing integration, such as feature recognition, CNC programming and process planning, the gap between CAD and CAM remains unfilled in the following aspects:(1) rapid creation of 3D models and prototypes. (2) (2) cost-effective production of patterns and moulds with complex surfaces. This is a tutorial paper of rapid prototyping and manufacturing (RP& M).What RP& M can doTo substantially shorten the time for developing patterns, moulds, and prototypes, some manufacturing enterprises have started to use rapid prototyping methods for complex patterns making and component prototyping. Over the past few years, a variety of new rapid manufacturing technologies, generally called Rapid Prototyping and Manufacturing (RP & M), have emerged; the technologies developed include Stereolithography; Selective Laser Sintering (SLS), Fused Deposition Manufacturing (FDM), Laminated Object Manufacturing(LOM), Ballistic Particle Manufacturing (BPM), and Three Dimensional Printing (3D Printing). These technologies are capable of directly generating physical objects from CAD databases. They have a common important feature: the prototype part is produced by adding materials rather than removing materials. This simplifies the3D part producing processes to 2D layer adding processes such that apart can be produced directly from its computer model.The basic process of RP& MAs shown in Figure 1 a part is first modelled by a geometric modeller such as a solid modeller. The part is then mathematically sectioned (sliced) into a series of parallel cross-section pieces. For each piece, the curing or binding paths are generated, shown in Figure2. These curing or binding paths are directly used to instruct the machine for producing the part by solidifying or binding a line of material. After a layer is built, anew layer is built on the previous one is the same way. Thus, the model is built layer by layer from the bottom to top. In summary, the rapid prototyping activities consist of two parts: data preparation and model production.Current application areas of RP&MAlthough RP&M technologies are still at their early stage, a number of industrial companies such as Texas Instruments, Inc., Chrysler Corporation, Amp Inc. and Ford Motor Co. have benefited from applying the technologies to improve their product development in the following three aspects.Figure 1 The solid model of an objectDesign engineeringVisualization. Conceptual models are very important in product design. Designers use CAD to generate computer representations of their design concepts. However, no matter how well engineers interpret blue prints and how excellent CAD images of complex objects are, it is still very difficult to visualize exactly what the actual complex products will look like. Some errors may still escape from the review of engineers and designers. The touch of the physical objects can reveal unanticipated problems and sometimes .spark a better design. With RP& M, the prototype of a complex part can be built in short time, therefore engineers can evaluate a design very quickly.Verification and optimization. Improving product quality is always an important issue of manufacturing. With the traditional method, developing of prototypes to validate or optimize a design is often time consuming and costly. In contrast, an RP&M prototype can be produced quickly without substantial tooling and labor cost. Consequently, the verification of design concepts becomes simple; the product quality can be improved within the limited time frame and with affordable cost. Iteration. Just like the automotive industry, manufacturers often put new product models into market. Time to market is one of the key features to separate winners from the losers in todays competitive market. With RP&M technology, it is possible to go through multiple design iterations within a short time and subs. tantially reduce the model development time.ManufacturingWe can use the RP&M prototype for producibility studies. By providing a physical product at an earlier design stage, we can speed up process planning and tooling design. In addition, by accurately describing complex geometry, the prototype can help reduce problems in interpreting the blue prints on the shop floor. Another application is tooling development for moulds. The prototypes can also be used as master patterns for castings.MarketingTo assist product sales, a prototype can be used to demonstrate the concept, design ideas, as well as the companys ability to produce it. The reality of the physical model illustrates the feasibility of the design. Also, the prototype can be used to gain customers feedback for design modifications so that the final product will meet customers requirements. Meeting customers demands in a timely, manner is the key to penetrating the market in the 1990s. RP& M technologies have the potential to ensure that quality products are developed quickly for two major reasons: there are almost no restrictions on geometrical shapes; and the layered manufacturing allows a direct and very simple interface from CAD to CAM which almost completely eliminates the need for computer-aided process planning.RAPID PROTOTYPING ANDMANUFACTURING TECHNOLOGIESAs mentioned earlier, there are .several technologies available for model production based on the principle of growing or additive machining. The major differences among these technologies are in two aspects: (1) materials used; and (2) part building techniques. The following sections will explain in detail these rapid prototyping technologies with respect to the above two aspects.StereolithographyStereolithography apparatus (SLA)SLA was invented by Charle Hull of 3D Systems Inc.2. It is the first commercially available rapid prototyper and is considered as the most widely used prototyping machine. The material used is liquid photo-curable resin, acrylate. Under the initiation of photons, small molecules (monomers) arc polymerized into large molecules. Based on this principle, the part is built in a vat of Liquid resin as shown in Figure 3. The SLA machine creates the prototype by tracing layer cross-sections on the surface of the liquid photopolymer pool with a laser beam. Unlike the contouring or zig-zag cutter movement used in CNC machining, the beam traces in parallel lines, or vectorizing first in one direction and then in the orthogonal direction. An elevator table in the resin vat rests just below the liquid .surface whose depth is the light absorption limit. The laser beam is deflected horizontally in X and Y axes by galvanometer-driven mirrors so that it move. across the surface of the resin to produce a solid pattern. After a layer is built, the elevator drops a user-specified distance and a new coating of liquid resin covers the solidified layer. A wiper helps spread the viscous polymer over for building the next layer. The laser draws a new layer on the top of the previous one. In this way, the model is built layer by layer from bottom to top. When all layers are completed, the prototype is about 95% cured. Post-curing is needed to completely solidify the prototype. This is done in a fluorescent oven where ultraviolet light floods the object (prototype). There are several features worthy of mention of $LA.Material. There are five commercially available photopolymers. All of them are a kind of acrylate. Support. Because a model is created in liquid, the overhanging regions of the part (unsupported below) sag or float away during the building process. The prototype thus needs some predesigned support until it is cued or solidfied. The support can be pillars, bridges and trusses. Sometimes posts or internal honeycomb sections are needed to add rigidity to tall thin-walled shapes during the process. These additional features are built on the model parts and have to be trimmed after the model building is completed.Model accuracy and performance. The accuracy achieved is about 0.1% of the overall dimension and deteriorates with larger sizes but no more than 0.5%. The layer thickness is between 0.004 and 0.03. Presently, the SLA machines made by 3D Systems Inc. are the most accurate machines among the RP& M systems. The photopolymer-made prototype is brittle and may not be strong enough to withstand high stress testing. Also, the shrinkage of the material may make the prototype deform.Recycling. Photopolymers are thermoset material and cannot be melted again for reuse.Selective laser sintering (SLS)DTM Corp. (Austin TX) offers an alternative to liquid-curing systems with its SLS systems which were developed by Carl Deckard and Joseph Beaman at the Mechanical Engineering Department of University of Texas at Austin45. SLS uses a carbon dioxide laser to sinter successive layers of powder instead of liquid. In SLS processes a thin layer of powder is applied by a counter-rotating roller mechanism onto the work place. The powder material is preheated to a temperature slightly below its melting point. The laser beam traces the cross-section on the powder surface to heat up the powder to the sintering temperature .so that the powder. scanned by the laser is bonded. The powder that is not scanned by the laser will remain in place to serve as the support to the next layer of powder, which aids in reducing distortion. When a layer of the cross-section is completed, the roller levels another layer of powder over the sintered one for the next pass. Figure 5 shows the working principle of SIS. SIS has several features. Material. SIS uses a wide range of materials for model production including polycarbonate, PVC (polyvinyl chloride), ABS (acrylonirile butadine styrene), nylon, resin, polyster, polypropane, polyurethane and investment casting wax. The machine that is capable of using metal and ceramic powder is in the process of development.Support. The SLS systems usually do not need pre-designed support structures. The unfused powder on every layer acts as a support during the building process. Model accuracy and performance. The average accuracy achieved ranges from +0.005 to+0.015 for a part with 12 diameter and 15 height. The layer thickness is between 0.003 and 0.02. The product may suffer shrinkage and war page due to sintering and cooling. Those two factors can be partly eliminated by choosing powder particles which have a small size, and a high aspect ratio and air flow temperature above the softening point of the powder, but below the sintering point.Recycling. The prototype can be crushed into powder for reuse.Fused deposition modelling (FDM)Rapid prototyping system-3D modeler developed by Stratasys Inc.-constructs parts based on deposition of extruded thermoplastic materials called FDM process6. In an FDM process, a spool of thermoplastic filament feeds into a heated FDM extrusion head. The movement of the FDM head is controlled by computer. Inside the flying extrusion head, the filament is melted into liquid by a resistant heater. The head traces an exact outline of each cross-section layer of the part. As the head moves horizontally in x and y axes the thermoplastic material is extruded out a nozzle by a precision pump. The material solidifies in 1/10 s as it is directed on to the workplace. After one layer is finished, the extrusion head moves up a programmed distance in z direction for building the next layer. Each layer is bonded to the previous layer through thermal heating. Figure 6 shows the working principle of FDM. The FDM has the following main features:Material. The FDM technology allows a variety of modeling materials and colors for model building. Available materials are wax-filled plastic adhesive material, proprictay nylon, and investment casting wax. Proprietary nylon, and investment casting wax. All the materials are non-toxic and can be in different colors. There is minimum material wastage in the method. No post-curing is required. Support. In many cases, the FDM process does not need support to produce part. The FDM extrusion head forms a precision horizontal support in mid-air as it solidifies. For overhanging parts, a .support may still be required to reduce part distortion.Model accuracy and performance. The overall tolerance is 0.005. Successive laminations are within the range of 0.001-0.05, and wall thickness ranges from 0.01 to 0.25. The prototype built in the FDM process has 1.2% of the maximum shrinkage. Capacity. The working envelope of the 3D modeller is up to 12 x 12 x 12. The 3D modeller operation speed is up to 900 rain-I (15 s-).Laminated object manufacturing (LOM)The LOM processes produce parts from bonded paper plastic, metal or composite sheet stock. LOM machines bond a layer of sheet material to a stack of previously formed laminations, and then a laser beam follows the contour of part of a cross-section generated by CAD to cut it to the required shape. The layers can be glued or welded together. The excess material of every sheet is either removed by vacuum suction or remains as next lavers support. Figure 7 shows the working principle of LOM. The features of LOM are as follows:Material. Virtually any foil (sheet material) can be applied: paper, metals, plastics, fibres, synthetic materials, glass or composites. Helisys Inc. uses cellulose foils now.Support. The LOM process uses solid-state materials and therefore usually does not need pre-designed .support structure.Model accuracy and performance. The models can be constructed with the accuracy of -I-0.005 and do not shrink or distort because of the use of sheet material. The thickness of a layer is between 0.002 and 0.02. The materials used make the prototypes less fragile than those made from photopolymers.Capacity. The LOM machine LOM-1015 uses a 40 watt carbon dioxide laser beam. The size of the prototypes that can be constructed by LOM-1015 is 15 10 15. Since only profile cutting is needed instead of curing a solid area, LOM is comparatively faster. Ballistic particle manufacturing Ballistic particle manufacturing (BPM)The ballistic particle manufacturing technique, developed by Perception Systems uses a piezo-driven inkjet mechanism to shoot droplets of melted materials, which cold-weld together, onto a previously deposited layer. A layer is created by moving the droplet nozzle in x and y directions. After a layer is formed, the base plate lowers a specified distance and a new layer is created on the top of the previous one. Automated Dynamics Co. also developed a similar machine independently. Figure 8 shows the working principle of BPM. The features of BPM are:Material. The materials should be easily melted and solidified, such as thermoplastics, aluminium, and wax. Perception Systems inc. now uses wax, Automated Dynamics Co. aluminium. Support. During model building processes, support structures for overhangs and voids are needed, The material for the support is a water-soluble synthetic wax. When the model is completed, it is washed off by warm water.Model accuracy and performance. The overall accuracy is +0.004. The layer thickness is about 0.0035. No performance is reported.Capacity. The BPM printer can spray 50/m droplets of wax at a rate of I0000 droplets s- 1with an array of 32 inkjet nozzles. The maximum work piece size is 12 212”. Three-dimensional printing (3D Printing) Three-dimensional printing was developed at Massachusetts Institute of Technology. In the 3D Printing process, a 3D model is sliced into 2D cross-section layers in computer. A layer of powder is spread on the top of the piston, the powder bed, in a cylinder, and then an inkjet printing head projects droplets of binder material onto the powder at the place where the solidification is required according to the information from the computer model. After one layer is completed, the piston drops a predefined distance and a new layer of powder is spread out and selectively glued. When the whole part is completed, heat treatment is required to enhance the bonding of the glued powder, and then the unbonded powder is removed. Figure 9 shows the working process of 3D Printing. Features of 3D Printing are summarized below:Materials. The 3D Printing process can use aluminum-oxide and alumina-silica ceramic powders. The binder material is amorphous or colloidal silicon carbide. SSupport. With the 3D Printing technique, the design of support structure for the part is not needed, since the unbonded powder of each layer remains to form a natural support during the layering process.Model accuracy and performance. Little quantitative data are available since 3D Printing is still in the testing stage. For the testing sample, the layer thickness is 178#m and the minimum feature size is 0.017v.Capacity. The 3D Printing process can be used to produce both functional parts and tooling for prototypes. The current maximum part size is 12 12 24. The technique has the potential of building parts over 20 21 layers that are 100 m thick at a rate of approxi-mantely 2 s per layer-0.18 m h-1.CONCLUSIONSProduct features, quality, cost and time to market are important factors for a manufacturer to remain competitive. Rapid prototyping systems offer the opportunities to make products faster, and usually at lower costs than using conventional methods. since RP&M can substantially reduce the product development cycle time, more and more businesses are taking advantage of the speed at which product design generated by computers can be converted into accurate models that can be held, viewed, studied, tested, and compared. Several new and promising rapid prototyping manufacturing techniques were discussed. They are all based on material deposition layer by layer. Each of them has particular features in terms of accuracy, material variety and the cost of the machine. Some present problems and research issues were also discussed. This is a rapid development area. Capacities and the potential of rapid prototyping technologies have attracted a wide range of industries to invest in these technologies. It is expected that greater effort is needed for research and development of those technologies so that they will be widely used in product-oriented manufacturing industries.REFERENCES1 Kimble, LL The selective laser sintering process: applications of a new manufacturing technology PED Intell. Des. Manfg Prot. Vol 50 (1992)2 Jacobs
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