（机械制造及其自动化专业论文）数控车磨复合机床虚拟设计与动静态特性分析.pdf

摘要 摘要 目前，世界机床市场正朝着高速、高精、复合、智能、环保的方向发展。 其中，复合加工是一种先进的制造技术，近几年，复合加工技术正以较快的速度 向前发展。复合加工不但可以一次安装，提高加工精度，而且能缩短加工时间， 提高生产效率。本课题研究的数控车磨复合机床是将车削和磨削加工复合到一 台机床上的复合机床，加工对象为轴类零件，在一次装夹定位后，完成对工件 的车削和磨削加工。 本论文在简单介绍了复合机床的状况后，参照已有的数控凸轮轴磨床的结 构设计，考虑到车磨复合的特点，设计了车磨复合机床的几种方案，通过比较 分析，确定机床的总体布局与主要结构。 然后对主要零部件进行设计计算，并校核刚度，确定其尺寸与结构。本文 主要设计计算了传动系统的尺寸，并选择了电机和丝杠的型号。使用p r o e 绘图 软件，对机床零件、部件及整机进行三维建模，并进行虚拟装配和运动仿真， 查看其工作过程，检查干涉和装配可能存在的问题。 最后使用a n s y s 软件对机床主要零部件进行有限元分析，得出其动静态参 数。对结果进行分析研究，查看零部件设计是否合理。在本设计中，通过计算 分析，该数控车磨复合机床的设计合理，符合性能要求。 关键字：车磨复合；结构设计；传动系统；有限元 a b s t r a c t a b s t r a c t a tl z e s e n t , t h em a c h i n et o o ld e m a n d sh i g hs p e e d , h i g hp r e c i s i o n ；m u l t i p l e ； i n t e l l i g e n t a n d u n - p o l l u t e d a n d ，m u l t i - p r o c e s s i sa na d v a n c e dm a n u f a c t u r e t e c h n o l o g y t h e s ey e a r s , m u l t i - p r o c e s st e c h n o l o g y i s d e v e l o p i n gq u i c k l y m u l t i - p r o c e s sc a l lb ei n s t a l l e do n et i m e ，a d v a n c ep r o c e s s i n gp r e c i s i o n , a n ds h o r t e n p r o c e s s i n gt i m e , i m p r o v ep r o d u c i n ge f f i c i e n c y t h en u m b e rc o n t r o lt u r n i n g - g r i n d i n g m u l t i - p r o c e s sm a c h i n et o o ld e s i g n e di nt h i sa r t i c l ec o m p o u n d st u r n i n ga n dg r i n d i n g p r o c e s si no n em a c h i n et 0 0 1 t h i sm u l t i - p r o c e s sm a c h i n et o o lc a l lp r o c e s ss h a f t c o m p o n e n t a f t e ro n ei n s t a l l i n g , t h em a c h i n et o o lc a nc o m p l e t et u r n i n ga n dg r i n d i n g p r o c e s s ，i m p r o v ep r o c e s s i n gp r e c i s i o na n dp r o d u c i n ge f f i c i e n c y t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h ei n s t i t u t i o no fm u l t i p r o c e s sm a c h i n et o o l ss i m p l y r e f e r r i n gt ot h ec o n f i g u r a t i o no ft h em a n u f a c t u r e dn u m b e rc o n t r o lc a m s h a f tm a c h i n e t o o la n dt h i n k i n ga b o u tt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h et u m i n g - g r i n d i n gm u l t i - p r o c e s s ， d e s i g ns e v e r a lp r o j e c to ft h em a c h i n et 0 0 1 i nt h ee n d , c h o o s et h em o s ta p p r o p r i a t e p r o j e c tb yc o m p a r i n ga n da n a l y s i s ， a n dc o n f i r mt h ew h o l ec o m p o s i t i o na n d c o n f i g u r a t i o n t h e nc a l c u l a t et h em e a s u r eo ft h em a i np a r t sa n dc h e c k o u tt h ep a r a m e t e r s ，8 0t h e c o n f i g u r a t i o na n dm e a s u r eo fm a c h i n et o o la r ec o n f i r m e d t h em e a s u r eo ft h e t r a n s m i s s i o n s y s t e m i s m a i n l yd e s i g n e d a n dc a l c u l a t e di nt h i sa r t i c l e t h e t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l so ft h em a c h i n et o o lp a r t sa n dt h ew h o l em a c h i n et o o la r e d r a wb yp r o ed r a w i n gs o f t w a r e e x a m i n et h ew o r kp r o c e s sb yf i c t i t i o u sa s s e m b l e a n dm o v e m e n te m u l a t i o n , t o1 0 0 ku pi n t e r v e n ea n dt h ea s s e m b l ep r o b l e m i nt h ee n d ，m a k et h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h em a i np a r t sb ya n s y s s o f t w a r e , a n da c h i e v et h es t a t i ca n dd y n a m i cp a r a m e t e r a n a l y z et h er e s u l t s ，a n d e x a m i n et h a tw e a t h e rt h ep a r t sd e s i g nr e a s o n a b l e i nt h i sr e s e a r c h , t h ed e s i g no ft h e t u r n i n g - g r i n d i n gm u l t i - p r o c e s sm a c h i n ei sr e a s o n a b l eb yc a l c u l a t i n ga n da n a l y s i s k e yw o r d s ：t u r n i n g g r i n d i n g ；c o n f i g u r a t i o nd e s i g n ；t r a n s m i s s i o ns y s t e m ；f e a 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论文 的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向 国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：到锡拥 捌g 年月斗日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月 日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：引、觞娟芦 ：z o o ；年f 月砷e l 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及选题意义 课题来源是北京市教委基金重点项目：高效复合车磨加工设备数控系统及 智能控制关键技术研究。 机床在工业生产中具有非常重要的作用。机床作为人类复杂生产工具，经 常性的总目标是不断提高精度、效率、自动化、多样性、成套性、综合性。随 着科学技术的发展，以及工艺、结构、功能部件、控制系统技术上的各个突破， 在世界机床技术发展上会出现阶段性和波浪式的起伏前进，如数控机床的初始 期、发展期、成熟期、创新期、高速化、复合化、环保化、智能化、网络化、 集成化等等n 1 。目前，由于对复杂零件、难加工零件加工工艺上的创新，主机布 局、结构上的开发以及开放式数控系统的发展、新颖刀具技术上的革新，在确 保加工精度的基础上，突出进一步提高效率。 围绕着数控机床向高速、高精度、高效和柔性化发展的总体技术目标，当 前数控机床主要向以下五个方面迈进：( 1 ) 发展高速切削；( 2 ) 大力推进以缩短 加工过程链为目标的复合加工技术，通过复合数控机床进一步提高加工效率； ( 3 ) 对于中批、大批生产，以数控机床为核心的柔性生产线，并在可重组制造技 术支持下构建制造系统；( 4 ) 数控机床的工作精度正以平均每年提升8 - - 1 0 的 速度向亚微米级精度迈进；( 5 ) 机床的绿色设计和制造是以减少对环境污染和节 省能源为重点，并促使机床结构作相适应的发展。 其中复合加工技术是目前广泛研究的一个重要领域。所谓复合，是指将不 同的工序和工种在一台机床上完成。机床的复合化突破了传统的机加工观念， 改善和提高了加工技术，有效地提高了数控机床的加工精度和加工效率，符合 未来机床市场需求的发展趋势瞳1 。复合加工是一种先进的制造技术，近几年，复 合加工技术以较快的速度向前发展。复合化机床的经济效果是比较显著的。如 硬车和磨削复合机，用1 台可代替2 台机床，省去工件搬运、减少辅助时间， 一次装夹完成车磨粗精加工，精度、效果、自动化都大大提高。由于将许多工 序复合到一台机床上完成，可提高加工精度，提高生产率，减少调整时间，节 省地面，减少能源，降低成本，综合性经济效果大大提高。 第1 章绪论 随着汽车、航空航天等行业的高速发展，产品的生产周期越来越短，对高 精高效设备的需求越来越迫切。目前国内生产的复合加工机床主要是车铣加工 中心，车磨复合机床只有南京数控机床厂生产的专用n - 0 9 4 双面车双面磨复合 磨床以及沈阳机床厂生产的c m k - 1 6 车磨复合加工机床，这些很难满足国内汽车、 航空航天行业的发展需求。目前国外一些厂家已经有较成熟的车磨复合加工设 备，如s c h a u d t 制造的s t r a t o s 系列数控车磨复合加工中心，可以一次装夹完 成车削加工和内、外圆的磨削加工，但是国外的设备价格昂贵，且对其关键技 术进行封锁，尤其是对先进数控技术的封锁更为明显，因此研究车磨复合加工 设备的关键技术及具有自主知识产权的先进车磨复合数控技术非常必要。 车磨复合加工的关键技术包括： 1 车磨复合加工机床的结构设计及关键部件的设计 机床的整体结构和方案的设计在一定程度上决定了机床的性能和加工精 度，结构的优化设计是保证车磨复合加工机床质量的基础。机床关键部件的设 计是加工精度和n t 效率的有力保证。比如，e m a g 的倒置式车磨复合加工机 床是一种典型的整体结构设计方案；m a g e r l e 的m g c r tg r i n d e r s 系列机床的旋 转工作台是典型关键部件的设计方案。 2 车磨复合加工机床的数控系统及数控加工技术 数控系统是数控机床的核心，车磨复合加工机床数控系统在具有车、磨两 种加工功能的基础上，还应该有防止干涉和碰撞的仿真检查技术、刀具技术等 重要功能。另外在开放式数控系统以及数控系统的智能化、网络化的发展趋势 下，车磨复合加工机床也应该在满足一般功能的基础上，不断的提高系统的智 能化与网络化等功能。 3 车磨复合加工工艺以及加工参数的优化 车磨复合加工机床不仅是车削和磨削两种加工工种的复合，而且还必须是 两种加工工艺的复合，因此如何优化车磨复合加工工艺以及优化加工参数是加 工精度和加工效率的保证。 4 车磨复合加工过程的其他智能化技术 车磨复合加工过程中的智能化监测及故障诊断技术、参数优化、变速切削、 智能化机床能源节约技术以及机床误差补偿技术等等也是需要研究的关键技 术。 2 第1 章绪论 1 2 车磨复合机床简介 1 2 1 复合机床定义 在一台机床上能完成不同的工序和工种的机床称为复合加工机床。机床的 复合化主要表现在两个方面，一是功能的扩展，如数控车床从单主轴、单刀架 进行功能扩展为双主轴、双刀架结构；二是功能的复合，即将车、磨、铣、钻、 镗等各种工艺分别组合起来，在一台机床上体现口1 。 归纳起来，复合化机床的特点有以下几点：( 1 ) 与原有n c 车床、一般车削 中心( 车、铣结合) 、加工中心( m c ) 相比，功能进一步提高，工序集中程度更高， 提高了生产效率、减少调整、提高精度、节能、降低成本、节省占地面积：( 2 ) 以车削加工为主体发展复合化，能加工沟槽、平面、斜面、曲面等；( 3 ) 以加工 中心( m c ) 为主体发展复合化，能实现5 轴控制，加工涡轮，实现6 轴控制，用 特种刀具进行插铣加工。用附加转换工件装置，对棒料进行6 面加工等：( 4 ) 以磨削加工为主体发展复合化，如内圆、外圆、端面加工集中于一台磨床上， 在万能磨床上能加工螺纹、花键等；( 5 ) 对不同形态加工工艺进行复合，如车削 加磨削加研磨，车削加热处理加磨削，铣削加激光加工，研磨加激光加工，切 削加超声波加工，磨削加电加工，铣削加电加工，铣削加棒料加工，多轴车床 加齿形加工等啼1 ；( 6 ) 实现工件一次装夹对复杂件进行全部加工，以缩短“过程 链。 1 2 2 车磨复合机床的国外现状 国外复合加工技术作为一种高效的加工方式已经得到公认，因此德国、日 本、美国等国家不断的设计制造出各种形式与功能的复合加工设备，如日本 m a z a k 、德国i n d e x 、德国e m a g 等嘲国外车磨复合加工设备厂家主要有瑞士 m a g e r l e 、德国m i k r o s a 、德国e m a g 、德国i n d e x 等。瑞士m a g e r l e 公司的m g c r t g r i n d e r s 系列机床工作台可以旋转，可以装配多个主轴，一次装夹可以进行车、 磨、铣、钻等各种加工。德国m i k r o s a 的k a i r o ss 系列及s t r a t o s 系列是专用 于齿轮轴和类似工件加工的车磨复合加工机床。德国e m a g 的v g 系列组合了硬 车粗加工，内圆和端面磨削工艺，一次装夹完成外圆直径从6 至4 0 毫米工件的 高精度加工口1 。以v s c4 0 0d s 型倒置式车磨中心为例，该车磨中心在一次装夹 中，可完成硬度为h r c 3 0 - 6 2 工件外圆、内圆和端面的车削和精磨；精磨变速 第1 章绪论 箱齿轮锥面和孔时，加工余量只有1 0 1 5um ，提高了加工精度和生产效率。 1 2 3 车磨复合机床的国内现状 国内生产复合机床的厂家有很多，如大连机床厂等，主要生产以车铣复合 加工机床为主。设计制造车磨复合机床的厂家主要有南京数控机床有限公司、 广州敏嘉制造技术有限公司和沈阳精益数控机械有限公司等。南京数控机床有 限公司的n - 0 9 4 型双端面数控车磨复合机床是用于汽车刹车盘的双端面车和双 端面磨加工的专用机床，采用五轴三联动的控制方式，最大车削直径为m 4 0 0 m m ， 最大磨削直径为m 4 0 0 m m ，该产品主要适合汽车刹车盘的精加工。广州敏嘉制造 技术有限公司是国内最早开发、研制复合、多轴数控机床的厂商，其自主开发 c m k 2 0 0 车磨复合中心适合零件的精密端面、内孔、外圆磨削和硬车削加工，工 件一次装夹就可以完成磨削内孔，端面和外圆三道工序，可以大幅度提高加工 精度和加工效率。可见，无论是结构设计还是功能与加工精度等方面，国内的 复合加工设备与国外相比相差很多，因此研究复合加工技术与制造复合加工设 备是十分必要的。 1 2 4 车磨复合机床的主要类型 综合国内外车磨复合机床的发展情况，目前主要车磨复合加工机床大体可 以分为以下几类砸1 ： ( 1 ) 卧式车磨复合加工机。如德国e m a g 公司h s c2 5 0d s 用于轴类零件的 车磨复合加工等嗍。 ( 2 ) 立式车磨复合加工机床。如德国s c h a u d t 公司、瑞士m a g e r l e 公司、 德国e m a g 公司的立式车磨复合加工机床，如v s c2 5 0 d s 、v s c 2 5 0d d s 、v s c4 0 0 d s 、v gi i 0d s 、v gi i 0d u o 等、大连机床厂与德国i n d e x 公司合作生产的 t n a 3 0 0 4 0 0 车削中心、德国i n d e x 公司的车磨复合加工中心，如i n d e xv l o o v 3 0 0 等。 ( 3 ) 专用车磨复合加工机床。如国内南京数控机床有限公司的n - 0 9 4 型双 端面车磨复合加工机床，用于汽车刹车盘的车磨复合加工n 町。 1 3 课题的主要内容与研究方法 4 第1 章绪论 1 3 1 课题主要内容 课题的主要任务是在调研和分析已有车磨复合机床的基础上，结合所要求 的机床工艺特点，确定所研制车磨复合机床的总体布局及结构，设计机床零部 件结构图，然后应用虚拟设计技术绘制三维模型图，并对主要部件及整机进行 有限元分析。本论文的主要内容如下： 1 对国内国外的机床市场进行调研，搜集国内国外车磨复合机床的资料， 结合所研制产品的市场定位，明确研发数控车磨复合机床的作用和意义。 2 参照原有数控凸轮轴磨床的结构设计，结合车磨复合机床的特点，在比 较各种机床结构的优缺点的基础上，采用国内外相关的先进技术，进行详细而 准确的计算，确定车磨复合机床的总体布局，完成车磨复合机床的主要结构设 计。 3 根据设计方案，计算机床零部件的尺寸，选择零部件的型号。本文主要 计算了传动系统的尺寸参数，选择丝杠及电机的型号，并进行刚度等校核。 4 根据设计方案，使用p r o e 软件绘制机床零件、部件及整机的三维模型图。 对零部件及整机进行虚拟装配，并对整机进行运动仿真，查看其工作过程，检 查干涉和装配可能存在的问题。 5 应用有限元的基本原理和方法，建立车磨复合机床的动力学分析模型， 采用有限元分析软件a n s y s 对机床关键部件进行静力学及动态特性分析，对所得 数据进行分析研究，确定机床是否符合要求，找出影响机床动静态性能的薄弱 部件。 1 3 2 研究方法 随着计算机辅助设计和辅助制造技术的飞速发展，其应用领域在日益扩展， 已使工程设计业和制造业发生了深刻的变化，这一点在产品的结构设计方面表 现的尤为显著。三维实体造型技术、参数化设计技术、虚拟设计与制造技术 等新概念、新方法已渗透到传统的结构设计中来，并发挥出前所未有的作用，推 动着工程设计技术的发展。 其中，虚拟设计是指在计算机上设计出直观的、具有动感效果的三维动态 机床虚拟样机模型，然后对模型进行虚拟试验和评估，其结果将直接反馈出需 要修改的信息。虚拟装配仿真是虚拟设计过程中一个很重要的步骤，它首先要 建立具有视觉动感效果的机床三维虚拟样机模型，然后对其进行装配仿真，以 第1 章绪论 便能够更加直观地观察其自身的相对运动及干涉原因。设计者可以按照产品实 际的功能和结构要求把己经建好模的零件通过约束关系安装到起，创建如同 产品已经真实存在那样的直观可视化的数字模型，即虚拟样机。通过对产品从 设计到装配整个过程的模拟，达到提高产品设计质量、降低产品开发周期和成本 的目的，增强企业的竞争力。 进行虚拟设计时，三维实体建模采用c a d 工具软件完成，目前可完成零部 件实体特征三维建模的软件比较多，如p r o e n g i n e e r ，u g ，s o l i d w o r k s ，i n v e n t o r 等等。本课题使用美国参数技术公司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ，简称 p t c 公司) 开发的p r o e n g i n e e rw i l d f i r e 2 0 软件进行车磨复合机床的虚拟设计。 p r o e n g i n e e r 三维设计软件是一套由设计至制造的机械自动化软件，是一个参数 化、基于特征的实体造型系统。 特征是设计或制造零部件的基本几何体，特征造型设计比传统的几何造型 设计( 如点、线、面和体素等) 更能准确完整地表达设计产品零部件的信息，是更 高层次的产品零部件设计技术。创建零件模型就是把要塑造的几何形状添加到 模型中或将不需要的部分按一定几何形状去掉。其构造过程类似于真实制造环 境下通过机加工一步步形成零件的生产过程，因而零件的造型全过程也就是它 未来制造和使用过程的概要表达。 完成基于产品零件实体特征的三维建模后，在p r o e 的a s s e m b l y 模块中进行 车磨复合机床部件及整机的虚拟装配。装配设计是在计算机上建立起车磨复合 机床主要组成部件以及整机的装配模型，即将不同的零部件通过特征分析，确定 装配零部件之间的位置约束关系后，组装成一个装配体，并生成爆炸视图，进行 零部件之间的静态干涉检查。p r o e 装配设计有自顶向下和自底向上2 种设计方 式。前者是在装配环境下进行其零部件的设计，适用于新产品的设计：后者则采 用已经设计好的零件进行部件和整机的装配，适用于系列产品设计。车磨复合机 床装配设计采用自底向上的装配设计方式。 在完成车磨复合机床零部件及整机三维实体建模后，选取其中的关键零部 件进行动静态特性分析。机床零部件动静态特性能分析，是机床设计工作的一 项重要内容。随着现代制造业的发展，对机床的工作性能要求越来越高，不仅 要求机床能够实现高速加工，同时要求机床具有高精度和高刚度。而影响机床 加工精度和刚度的因素除与自身的制造、装配精度及刀具有关外，主要取决于 机床整机及零部件结构的动静性能。 6 第1 章绪论 机床的静动态性能主要包括机床的静态和动态刚度、固有频率、临界转速 以及动态响应等。目前常用的静动力分析方法有传递矩阵法和有限元法，传递 矩阵法虽然具有程序简单、所需内存小等优点，但其在计算高阶模态时，计算 精度将急剧下降；而有限元法虽占用储存空间大，计算速度慢，但却有较高的 计算精度。因此本论文采用有限元分析软件a n s y s 对所设计的车磨复合机床进行 动静态特性分析。 有限元的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数 目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出 满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工 程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。结构的有限元分析涉及到力学 原理、数学方法和计算机程序设计等几个方面，诸方面相互结合才能形成这一 完整的分析方法。无论对什么样的结构( 如平面、三维、板壳等) ，有限元分 析过程都是一样的，程序化了的n 幻。一般典型的步骤为：1 将结构划分成单元； 2 单元分析；3 集合成整体；4 数值求解。 a n s y s 软件是由世界上最大的有限元分析软件公司之一美国a n s y s 开发，是 一个综合的分析系统，致力于全方位地解决产品设计、研制和改进中遇到的问 题。它能与多数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，如p r o e n g i n e e r ，n a s t r a n ， a l o g o r ，i d e a s ，a u t o c a d 等，是现代产品设计中的高级c a d 工具之一。软件主 要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地 构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析( 可进行线性分析、非线性分析 和高度非线性分析) 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以 及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及 优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量 显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示( 可看到结构内部) 等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 在使用a n s y s 软件进行零部件动静态特性有限元分析时，对单一零件，可以 利用a n s y s 自身的建模工具，建立实体模型或有限元模型，但a n s y s 不能直接建 立装配体模型，只能在其他三维造型软件中建好后导入若利用p r o e n g i n e e r 建模，可以有两种方法导入：第一种是将装配体另存为后缀为i g e s 的文件，打 开a n s y s ，点击“f i l e 一“i m p o r t 一“i g e s 将数据文件导入。第二种是利 第1 章绪论 用p r o e n g i n e e r 与a n s y s 的接口，由p r o e n g i n e e r 直接进入a n s y s 界面。本文在 运用a n s y s 软件分析车磨复合机床关键零部件动静态特性时，将在p r o e 中建立 的实体模型导入a n s y s 中，然后通过定义材料特性等在a n s y s 中建立有限元模型， 对有限元模型添加约束与负载，最后进行求解，查看分析计算结果。 小结：本章主要介绍了车磨复合机床的国内外研究现状，以及课题的主要 研究内容和研究方法。 第2 章车磨复合机床的总体方案、工作原理及主要零部件的研究设计 第2 章车磨复合机床总体方案、工作原理及主要零部件的 研究设计 2 1 机床的相关设计参数 2 1 1 车磨复合机床的功能规划 该机床是将车削与磨削复合到一台机床上的复合机床。此车磨复合机床的 加工对象为轴类零件，包括阶梯轴和非圆曲面的凸轮轴。被加工的毛坯是冷激 式的或只需进行硬车加工的材料，车削完成后不需要淬火，在原来的装夹下继 续进行磨削，能够在一台机床上一次装夹下完成车削和磨削加工。整个工件的 加工只需一次定位夹紧即可完成，所以有利于加工精度的提高。在被加工工件 固定后，先进行车削加工，然后进行磨削加工。该机床的结构布局应该满足在 一次定位下完成车削和磨削，与传统的磨床在结构上相似，只是比原有的磨床 多出一车削刀架。车削刀架与砂轮架布置在机床的同侧或两侧，在加工过程中， 刀架与砂轮架沿各自导轨横向运动，主轴带动工件转动以及工作台纵向移动， 来完成车削与磨削。 当加工普通轴类零件时，先将夹紧定位好的毛坯用车刀进行粗精车，然后 用砂轮磨削，得到符合要求的普通轴；当加工凸轮轴时，先将夹紧定位好的毛 坯用车刀车削轴颈和各有关部位，然后再使用砂轮磨削凸轮轮廓表面，从而得 到符合要求的凸轮轴。 2 1 2 机床的加工参数及精度 加工普通轴时： 1 工件最大长度1 0 0 0 ( 咖) 2 工件最大直径 15 0 ( m i l l ) 3 工件最大重量6 0 ( k g ) 4 表面粗糙度r a o 3 2 ( 9 第2 章车磨复合机床的总体方案、工作原理及主要零部件的研究设计 磨削凸轮轴时： 1 工件最大长度1 0 0 0 ( m m ) 2 工件最大直径1 5 0 ( m m ) 3 工件最小直径2 0 ( 咖) 4 工件最大升程 2 0 ( m m ) 5 工件最大重量 6 0 ( k g ) 7 升程误差2 0 ( u r n ) 8 相邻误差 2 5 ( p m d e g ) 9 基圆径向跳动量1 0 ( 岫 1 0 相位误差 1 0 1 1 表面粗糙度r a o 3 2 ( 2 1 3 机床主要技术指标 砂轮架： 砂轮电主轴 砂轮最大转速 砂轮线速度 c b n 砂轮直径 工件主轴：转速 电机功率 砂轮架横向移动( x l 轴) ：导轨行程 x l 轴进给速度 x i 轴快速移动速度 车削刀架横向移动( x 2 轴) ：导轨行程 x 2 轴进给速度 x 2 轴快速移动速度 工作台移动( z 轴) ： 车削时 磨削时 z 轴快速移动速度 z 轴工作进给速度 z 轴快速移动速度 z 轴工作进给速度 l o 2 0 ( k w ) 6 0 0 0 ( r p m ) 最大1 2 5 ( m s ) 4 0 0 ( 咖n ) 0 - 2 4 0 0 ( r p i n ) l l ( k w ) 4 0 0 ( m m ) o - 4 ( m r a i n ) 0 1 5 ( m m i n ) 4 5 0 ( n u n ) o 4 ( m m i n ) 0 - 1 5 ( m m i n ) 旷2 0 ( m m i n ) 0 5 ( m m i n ) 0 - 2 0 ( m m in ) 0 5 ( m m i n ) 第2 章车磨复合机床的总体方案、工作原理及主要零部件的研究设计 2 2 机床的总体结构及原理 2 2 1 机床布局的选定 设计机床时需要考虑多方面的因素，如机床的运动精度、刚度、抗振性、 低速运动平稳性、热变形、噪声和磨损等等。机床总布局的确定是机床设计中 至关重要的一个步骤。 机床的总布局就是确定机床各主要部件之间的相对位置关系以及它们之间 所需要的相对运动关系n 羽。机床总体布局的基本要求是保证给定的工艺要求； 保证机床的刚度、精度、抗振性和稳定性，以求减轻机床重量；保证机床结构 简单，且尽量采用较短的传动链，以提高传动精度和传动效率；保证良好的加 工工艺性，以便于机床的加工和装配；保证安全生产，便于操作、调整和维修； 对生产效率和自动化程度较高的机床或专用机床，应力求便于自动上下料或纳 入自动线，并便于排除铁屑等等。 机床不同的布局形式给机床工作带来不同的影响，从而形成不同的特点， 其影响主要表现在不同布局适应不同的工件形状、尺寸及重量，不同布局有不 同的运动分配及工艺范围。 对于车磨复合机床，总体布局的设计要满足以上各项要求，由于是车削与 磨削的复合机床所以在确定布局方案时要考虑到车磨复合的特性。综合考虑各 方面的因素，此车磨复合机床有以下几种布局方案供选用：立式，刀架和砂 轮上下运动完成加工过程：卧式，车削刀架与砂轮架分别放在机床的两侧； 卧式，刀架与砂轮放在同侧；卧式，刀架与砂轮一起安装在转盘上。 下面对各种方案进行分析： 1 方案一：立式，刀架和砂轮上下运动完成n i 过程，如图2 1 。此方案机 床长度小，空间利用合理。但由于加工对象是较长的轴类零件，工件垂直放置， 在加工过程中轴向运动存在不稳定性，影响加工精度。 2 方案二：卧式，车削刀架与砂轮架分别放在机床的两侧，如图2 2 。此方 案把刀架和砂轮放置在机床的两侧，在加工时车削刀架与砂轮架互不影响，有 利于加工的进行。但是刀架与砂轮架分开布置，增加了机床的宽度。 第2 章车磨复合机床的总体方案、工作原理及主要零部件的研究设计 1 工件主轴及顶尖2 横梁3 砂轮架4 车刀架5 床身及主轴箱 图2 1 方案一的布局图 1 工件主轴箱2 车刀架3 砂轮架4 机床尾座5 床身 图2 2 方案二的布局图 3 方案三：卧式，刀架与砂轮放在同侧，如图2 3 。刀架与砂轮架位于机 床的一侧，在加工过程中，刀架与砂轮架沿各自的横向导轨运动，工件转动并 和工作台一起沿纵向导轨运动，来完成车削和磨削加工。由于刀架与砂轮架放 在同侧，机床床身的长度增加。 1 工件主轴箱 2 车刀架 3 砂轮架4 机床尾座5 床身 图2 3 方案三的布局图 1 2 第2 章车磨复合机床的总体方案、工作原理及主要零部件的研究设计 4 方案四：卧式，刀架与砂轮一起安装在转盘上，如图2 4 。此方案将刀架 与砂轮架共同安装固定在一个转盘上，在加工过程中，转动转盘，使需要的工 具对准工件，进行加工。 1 工件主轴箱2 转盘3 砂轮架4 车刀架5 尾座6 床身 图2 4 方案四的布局图 方案选择，通过上面的分析可以知道，方案一的立式结构，不适合加工长 轴类零件，加工时不能满足精度要求，因此不选用此布局。方案二将车削刀架 与砂轮架分别放在机床的两侧，两刀架在加工过程中不会发生相互干涉，保证 了加工过程的顺利进行，但是使机床的整体宽度变大，该方案不够精简。方案 四，刀架与砂轮架共同安装在一个转盘上，减少了导轨数量，该刀架转盘与普 通刀架不同，上面要固定砂轮架，对刀架转盘的要求高，刀架转盘的结构较复 杂。而方案三，摒弃了其它三种方案的缺点，既能满足加工的各方面要求，又 使机床结构简单，与其它方案相比，唯一的缺点是机床长度较大。综合考虑各 种方案，本课题选用方案三的结构布局。 2 2 2 机床的总体结构 本课题研究的车磨复合机床是卧式结构布局，车削刀架与砂轮架放置在机 床的一侧。车削刀架的位置靠近工件主轴箱部分，加工过程中不使用时固定在 车削刀架的横向导轨上，不影响磨削加工的进行；砂轮架的位置靠近机床尾架， 不使用时固定在砂轮架的横向导轨上，不影响车削的进行。 加工工件的过程中，x 2 轴车削刀架沿导轨横向运动、x l 轴砂轮架沿导轨横 向运动、工件主轴旋转运动以及z 轴工作台纵向移动实现工件的车削、磨削加 第2 章车磨复合机床的总体方案、一i ：作原理及主要零部件的研究设计 工。c b n 砂轮由电主轴驱动，工件主轴、x l 轴、x 2 轴和z 轴由交流伺服电机驱 动。通过控制x 2 向刀架进给来控制车削进给量，控制x l 轴砂轮进给来控制磨削 进给量。机床三维模型图如图2 5 所示。 幽2 5 车磨复合机床三维模型图 2 2 3 机床工作过程 该复合机床以p m a c 卡为主要运动控制单元，控制各轴包括x 轴( 砂轮架 横向移动) 、x 2 轴( 车削刀架横向移动) 、z 轴( 工作台纵向移动) 和工件主轴 ( 磨削凸轮时为c 轴) 的进给运动、移动或转动，实现工件的自动车削、磨削 加工以及砂轮的自动修整。机床的传动系统图如图2 6 所示。加工普通轴时， x 2 轴横向进给运动、主轴带动工件转动以及z 轴工作台纵向移动实现对毛坯的 车削加工；x l 轴横向运动、主轴带动工件转动以及z 轴工作台往复运动实现轴 的磨削加工。加工凸轮轴时，x 2 轴横向进给运动、主轴带动工件转动以及z 轴 工作台纵向移动实现对毛坯轴颈和各有关部位的车削加工；采用c 轴和x 】轴两 坐标联动实现凸轮轮廓的磨削加工，此时，工件主轴为伺服轴c 轴。 被加工工件在装夹固定后，在计算机的控制下，车削刀架按照制定好的程 序横向进给运动，对工件进行车削加工。此时，未使用的砂轮架停在尾座旁边， 不影响车削加工的进行。在完成车削后，车削刀架退回到工件主轴箱的最外面， 砂轮架在计算机的控制下，按照程序做横向进给运动，对经过车削后的轴进行 磨削，直到符合要求。 第2 章车磨复合机床的总体方案、工作原理及主要零部件的研究设计 崮由润一 i 太i 釜阶 一_ 、_ 一 叮叫即 叫? 了l| 卜工件主轴箱2 一电主轴3 一车削刀架4 一砂轮5 一砂轮电主轴 6 一砂轮架7 一尾座顶尖8 一金刚石滚轮争砂轮修整电机1 0 - 尾座 1 卜尾座油缸1 2 一工作台1 3 z 轴伺服电机1 4 一z 轴丝杠1 5 一x l 轴丝杠 1 6 一x l 轴伺服电机1 7 一x 2 轴丝杠1 8 一x 2 轴伺服电机 图2 6 机床传动系统图 2 3 机床主要零部件设计 2 3 1 磨削及进给部分的设计 2 3 1 1 砂轮主轴箱的设计 ( 1 ) 砂轮架主轴的设计 随着电器传动技术( 变频调速技术、电动机矢量控制技术等) 的迅速发展和 日趋完善，机床的主传动的机械结构得到极大的简化，基本上取消了带传动和 齿轮传动，主轴由内装式电动机( 即电主轴) 直接驱动，从而把主传动链的长度 缩短为零，主传动系统“零传动 。电主轴部件是现在数控机床普遍采用的高 速、高精度的主轴部件，结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好并可在一定 程度上改善机床的动平衡，避免振动和噪声等优点n 钔。这种结构的主要优点是： 1 ) 主传动链短，传动效率高，转动惯量小； 2 ) 电动机内置于主轴两支撑之间，与用带齿轮等作末端传动的结构相比， 第2 章车磨复合机床的总体方案、工作原理及主要零部件的研究设计 可较大地提高主轴系统的刚度，也就是提高了系统的固有频率，从而提高了其 临界转速值。使得电主轴在运转时，可确保低于其临界转速，保证回转时的安 ，冬c l 叼 j 一 3 ) 中间传动环节无外力作用，使得主轴高速平稳运行，主轴轴承寿命延长。 因此，为了满足加工精度的要求，同时使机床的机构简单化，砂轮的主轴 选用电主轴。 该电主轴型号是由安阳市菲浦数控机械有限公司生产的h f p 2 0 0 1 7 0 6 2 0 电主轴，是一种磨削外径的专用高精度电主轴，该类电主轴主要适用于各种金 属工件的精密磨削，其主要参数如下所示： 1 ) 转速：6 0 0 0 r m i n 2 ) 频率：2 0 0 h z 3 ) 功率：2 0 斯 4 ) 电压：3 5 0 v ( m a x3 5 0 v ) 5 ) 电流：4 2 h 6 ) 相数：3 相 7 ) 震动值小于0 8 m m s 8 ) 噪音小于7 5 d b 9 ) 主轴前端锥度跳动小于0 0 0 3 m m ( 2 ) 轴承的选择 轴承主要起支撑作用，一般前轴承主要承担径向力，后轴承主要承受轴向力 也可承受一定的径向力。根据主轴性能与转速高低的不同，分别选择不同的轴承 组合才能满足主轴运动的要求。本课题前轴承选用双列滚动轴承，后端选用单 列球轴承的组合。砂轮架电主轴的三维模型如图2 7 所示 ( 3 ) 砂轮架箱体 砂轮架箱体是装配砂轮架的基础件，砂轮主轴组件将装配于其中。按照砂轮 架的使用性能要求以及其工作条件，箱体结构应主要满足大刚性，足够的强度， 抗振、吸振能力强，精度稳定，容易加工等，所以箱体零件的尺寸应尽量小，尤其 是轴向尺寸尽量小，以保证其高刚性的要求。砂轮架箱体的三维实体模型如图 2 8 所示。 1 6 第2 章车磨复合机床的总体方案、工作原理及主要零部件的研究设计 图2 7 砂轮架电主轴三维模型图图2 8 砂轮架箱体三维模型图 2 3 1 2 砂轮材料的选择 磨削是该复合机床的主要加工功能之一，它实现了对工件的精密加工。为 了使被加工工件具有较高的精度，对于直接参与磨削加工的砂轮材料的选择非 常重要，该机床的砂轮材料选用c b n 砂轮。c b n 砂轮即立方氮化硼砂轮，具有高 速、高效、高加工质量、长寿命等一系列优良的磨削性能，现在是磨削中主要 采用的砂轮n6 。使用c b n 砂轮的主要目的在于改善磨削质量和提高磨削效率， c b n 砂轮磨削线速度可达3 0 0 m s ，为高速磨削创造了条件，本机床设计最高速 度为9 0 m s 。 2 3 2 车削部分的设计 2 3 2 1 刀架的设计与选择 对于车削工序的完成由安装在刀架上的车刀实现。在工作过程中，作为x 2 轴的横向进给装置带动刀架移动、主轴带动工件转动以及工作台纵向移动实现 对工件的车削加工。为使刀架能够自动换刀，采用动力刀架，刀架部分的结构 示意图如图2 9 所示。 第2 章车磨复合机床的总体方案、t 作原理及主要零部件的研究设计 1 滑板2 。动力刀架3 防护罩4 底座5 刀架座 图2 9 刀架部分结构图 作为安装车刀的装置，刀架在加工过程中对工件的加工速度及精度具有很大 的影响。本课题选用常州市宏达机床数控设备有限公司生产的h a k 系列中的 h a k 3 3 1 0 0 型号动力刀架，h a k 系列动力刀架的各项技术参数如图2 1 0 所示。该 动力刀架具有自己的电器动力装置，可自动旋转换刀，将其安装在相应的刀架 座上即可进行车削加工。 i 7 萨薷1 露凌氐 娑j。穆 赫 戳缫堡嫩麴! = 獭l l 骥麴鲢缝嘲幽l 戮；i g 鬻醴l 缝錾鲢l ! 缫擞。擎麓； 麓溪。燕；墩；鞫 懋塑翅照溺塑照獭鍪必疆暖鳞函醺殛曩疆邈溅獭鲢