（机械工程专业论文）beiren+300主机机架加工变形的研究.pdf

摘要 胶印机的整体机架是全机的基础和桥梁，山于它不存在装配误差并且精度保 持性好，因此采用它可以显著提高胶印机的印刷速度。但是整体机架存在着一个 问题加工刚性差，对该问题的解决目f i i 在国内e l jj 日l j 机制造业还是个空白。 b e i r e n3 0 0 主机机架就是一个整体机架，本文就该机架的加工变形问题，研究 了整体机架的加工工艺规程的制定和必须的辅助支撑的设计问题。 本文针对b e i r e n3 0 0 主机机架在试制阶段出现的加工余量不足、加工精度 不能保持等问题，对目前国内外大型整体结构件的加_ t 方案进行了大量的调查研 究，同时结合本单位的生产能力和加工状况对影响整体机架加工精度的诸因素进 行了分析，从而找出了影响该机架j m t 精度的主要问题。针对存在的问题，有选 择地采取了应力消除以及工艺优化等手段，确定了能够保证并稳定整体机架加工 精度的加工工艺流程。 本文针对该机架加工刚性差的问题，从理论上分析了前期使用的两种辅助支 撑不能保证加工要求的原因，又通过对该机架以及水平支撑和组合支撑进行有限 元分析，进一步证实了存在的几个问题。根据存在的问题以及对工艺装备的要求， 确定了一系列的设计原则。在此原则的指导下，进行了结构选择和等强度计算， 最终确立了准刚性三角板支撑的结构。然后将大小两个三角板支撑安装在机架两 端，以现场使用的切削参数为边界条件对该工艺系统进行静态模拟分析，结果显 示，机架的变形为0 0 0 2 m m ，完全满足图纸要求0 0 2 m m 。因为该支撑不受其它因 素制约，模型建立准确，计算数据基本能够代表使用情况。与此同时，为使该支 撑安装方便、准确，增加了配合其使用的二类工具一支撑板钻模，从而使该工装 系统更加完善。 关键词胶印机；整体机架；加工变形；辅助支撑；有限元分析 北京卜业大学t 程顺十学位论文 a b s t r a c t t h ei n t e g r a t e df l a m ei nt h ep r e s si st h ef o u n d a t i o na n db r i d g eo ft h ew h o l e p r i n t i n gm a c h i n e w i t h o u ta n ya s s e m b l i n ge r r o r sa n dw i t hg r e a tp r e c i s i o nh o l d i n g c h a r a c t e r i s t i c ，i tc a r lo b v i o u s l yi m p r o v et h ep r i n t i n gs p e e d b u tt h e r ei ss t i l lap r o b l e m t h em a n u f a c t u r i n gr i g i d i t yi sn o tv e r yg o o d a tp r e s e n t r e s e a r c ha b o u tt h i s p r o b l e mi s s t i l lv a c a n ti n p r i n t i n gm a c h i n em a n u f a c t u r i n g t h em a i nf l a m eo f b e i r e n 3 0 0i sai n t e g r a t e df r a m e h t ht h em a n u f a c t u r e dd i s t o r t i o np r o b l e m t h e p a p e r s t u d i e d m a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa n dc o r r e s p o n d i n ge q u i p m e n td e s i g no f i n t e g r a t e df l a m eo f t h eo f f s e tp r e s s w i t ht h el a c ko fp r o c e s s i n gr e s i d u a la n dl o s eo fp r o c e s s i n gp r e c i s i o np r o b l e m s d o i n gag r e a td e a lo fi n v e s t i g a t e sa n dr e s e a r c h e sa b o u tm a n u f a c t u r i n gc a s e so fl a r g e i n t e g r a t e df r a m e w o r k sa th o m ea n da b r o a d ，a n dc o n s i d e r i n go u rm a n u f a c t u r i n ga b i l i t y a n df a c t o r sa b o u tm a n u f a c t u r i n gs t a t u s e se f f e c tt h er e s u l to ft h ei n t e g r a t e df l a m e ，t h i s p a p e rf o u n dt h ep a r tw h i c hm a i n l ye f r e c tt h em a n u f a c t u r i n gp r e c i s i o n t od e a lw i t h t h i sp r o b l e m ，t h ep a p e rt o o km e a s u r e ss u c ha ss t r e s sr e m o v i n ga n dp r o c e s sm o d i f y i n g e t c a n da l s oc o n f i r m e dt h em a c h i n i n gp r o c e s so fi n t e g r a t e df r a m e ，w h i c hc a ne n s u r e t h eq u a l i t yo f t h em a n u f a c t u r es t a b i l i t y a b o u tt h ep r o b l e mt h a tt h em a n u f a c t u r i n gr i g i d i t yi sb a d ，t h i ss u b j e c th a s t h e o r e t i c a l l ya n a l y s e dt h er e a s o n st h a tt h et w ok i n d so fa u x i l a r ys u p p o r tc a nn o tm e e t t h em a n u f a c t u r i n gr e q u i r e a n da l s ot h ep r o b l e m sh a db e e nt e s t i f i e dt h r o u g ht h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i so fh o r i z o n t a ls u p p o r ta n da s s e m b l i n gs u p p o r t b a s e do nt h e p r o b l e m se x i s t e da n dt h er e q u i r eo fp r o c e s s ，i tc o n f i r m e das e r i e so fd e s i g n i n gr u l e s u n d e rt h er u l e ，t h i ss u b j e c tc h o o s et h er i g h ts t r u c t u r e ，d i dt h ei n t e n s i t yi s o l i n e c a l c u l a t i n g ，a n df i n a l l y c o n f i r m e dt h e n e a r b yr i g i d i t y s e t s q u a r e s u p p o r t i n g s t r u c t u r e t h e nf i x e dt h et w os u p p o r t i n gb a n st ob a s ef l a m e ，d i dt h es t a t i c sm o d e l a n a l y s i s t ot h u s p r o c e s s i n gs y s t e mw i t h l o c a l ec u t t i n gp a r a m e t e r sa sb o u n d a r y c o n d i t i o n s t h er e s u l t ss h o wt h ed i s t o r t i o no ff r a m ei so 0 0 2 m m t h u sq u i t em e e tt h e r e q u i r e0 0 2 m m b e c a u s et h i ss u p p o r td o e s n tb er e s t r i c t e db ya n yf a c t o r , t h em o d e l c a l lb ef o u n d e de x a c t l y , s ot h ec a l c u l a t i n gd a t ac a nb a s e l ys h o wt h eu s i n gc a s e a tt h e i i s a m et i m e ，t om a k es u r et h es u p p o r tb ee a s i l ya n de x a c t l ya s s e m b l e d ，w ea d d e da n a n o t h e rk i n do ft o o l d r i l lm o d e ls u p p o r t i n gb a n t h u sm a dt h ep r o c e s ss y s t e m m o r eb e t t e r k e yw o r d o f f s e tp r e s s ；i n t e g r a t e df r a m e ；m a c h i n i n gd i s t o r t i o n ；a u x i l a r ys u p p o r t f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：墨丝嗍 关于论文使用授权的说明 2 伊以i 斟 小人完全了j _ f i 4 t l b , l i i i k 大学有芡倮f ll j = 。j 使川学位沦文的舰定，f j | j ：一学校有权 保l t lj 盖交沦义的复t ! lj , f _ _ | ：，允汁论文被查阅或甜f 阅；学校可以公枷论文的全i - | 5 或部 分内容，可以采1 j 影印、缩印或其它复制手段保存沦文。 ( 保密的论文存解密后应遵守此规定) 签名：量挺。导师签t j | j ：塑丝：生! 第1 章绪论 第1 章绪论 在当今世界，e p _ | ；i j 及图像传播已成为各国国民经济和人们日常生活的重要组 成部分，所以印刷技术的发展越来越受到相关产业的关注“3 。 近年来，随着光学、精密机械、传感技术、数字化等先进科学技术被逐渐应 用到印刷领域，e p , 神j 机械l 卜向着高速度、全自动、多色组的机电一体化方向发展。 采用的最新技术有无轴传动，无水胶印、无缝橡皮布、c t p 一体化方案数字印刷 等，目前国际上印报用卷简纸胶印机的速度可达每小时7 万1 4 万印，商业用 卷筒纸胶印机速度可达每小时4 万6 万印，多色平张纸胶印机速度已达每小时 2 0 0 0 0 印：色组可达6 组等”。 目前我国印刷业一般印刷能力过剩，高档精美彩色印刷能力不足，落后装备 多，高质量、高效率的先进装备少，尤其是机组式多色机的速度和质量稳定性与 国外先进厂家的多色机相比差距较大，主要表现在产品技术水平低、品种规格不 全、可靠性较差等方面。所以必须用高新技术及先进装备武装印刷业，进行产品 结构调整。因此火力发展我国自己的印刷工业，提高印刷机制造业的水平，仍然 是当前急需着手解决的重要课题。3 。 北人印刷机械股份有限公司是全国最大的胶印机生产基地，国内6 0 7 0 的印刷机是由我公司生产的。所生产胶印机产品的性能指标( 套印准、网点实、 无墨杠、无重影、无甩角等) 均处于国内领先水平，我们的设计、制造水平基本 上代表着中国印刷行业的水平，多年来得到了用户的认可。近2 0 年来，我公司 的胶印机在多色，多品种，系列化方面有了突破性进展，连续七年出口，远销新 加坡、印度、美国、波兰等1 5 个国家和地区“3 。尽管我们在我国的f p i 目j 机制造 业取得了一些成绩，但仍满足不了e p g i j 工业迅速发展的需要，特别是入世以来， 行业竞争加剧，我们深深的体会到，要提高自己的竞争能力，必须引进高新技术， 进行技术更新改造。 1 1 本课题研究的目的和意义 b e i r e n3 0 0 ( 即n 3 0 0 ) 是我公司在2 0 世纪9 0 年代引进的对开四色平版胶 印机如图1 1 所示。 北京工业大学工程硕十学位论文 例卜lb e i r e n 3 0 0 对开四色胶叩机 f i g 1 1 f o li of o u r c o o u rp r i n t i n gb e i r e n3 0 0 该机设计时速能达1 5 0 0 0 张d , 时5 1 。我公司原有机组式平版印刷机设计时速 最高只能达1 2 0 0 0 张d , 时。有了好的成功的产品设计，还要有保质保量的产品 加工技术做基础，j + 能推出质量稳定且可靠的产品。n 3 0 0 产品的零件图纸展现 出来之后，问题马上摆在工艺人员面前：许多零件的结构既巧妙又非常复杂，是 以前我们未曾见过的，并且零件的精度要求也是我们现有的工艺加工能力所不及 的。正所谓设计图纸能够引进，但零件的加工过程无法引进。如何利用现有资源 将设计图纸转化为满足图纸要求的零件，就要靠工艺人员的辛勤劳动去解决一个 个难题。其中实现n 3 0 0 主机机架如图1 - 2 所示的设计精度问题是我们面临的最 大的一个加工难题。 1 1 1 胶印机主机机架的作用 主机机架是胶印机的基础件并且是一个最重要的零件。以它为基础和桥梁， 将各滚筒、牙轴、各种支撑套、各类凸轮以及传动齿轮等上千个零件组装到一起， 以便使各零件能够保持正确的相互位置关系，彼此能够按照一定的传动关系协调 地运动，因此，机架的加工质量对机器的精度、性能和寿命都有直接的影响”。 1 1 2 n 3 0 0 主机机架的结构特点 n 3 0 0 主机机架足将两块墙板、底 盘、拉梁以及护罩铸成一体的大型零件 如图1 2 所示。其结构特点是： ( 1 ) 体积大( 1 1 5 0 x 1 1 8 0 x 1 7 1 0 ) ，加工 部位多，各手要表面的尺寸精度、形状 和位置精度要求高，加工工艺性差( 见 削1 - 2n 3 0 0 主机机架 n 3 0 0 主机机架简图2 - 1 ) 。f i g 卜2t h em a i nb a s er t a m eo fn 3 0 0 第1 苹绪论 ( 2 ) 由于机架的两墙板之间要放置滚筒、递纸牙轴等许多大型零件，所需装 配空间大，能够安排的工艺辅助筋只有一根。 ( 3 ) 主机墙板悬出高度达9 2 5 m m 、壁薄只有8 0 r a m ，所以机架的加工刚性差。 1 1 3 研究整体机架j i t 方法的重要性 在n 3 0 0 引进之前，我公司所有胶印机的机架都属于一个部件，编号为1 0 0 。 它是由底座、传动面和操纵面墙板以及等长度的拉轴和拉梁装配在一起组成的。 之所以一直都未采用整体机架，一是因为整体机架的设计、铸造、加工要比组合 式机架要复杂得多，二是因为我公司胶印机一直处于供不应求的地位。但是随着 我国加入世贸组织以及市场经济的变化，这种格局被打破，特别是自上个世纪九 十年代丌始，些企业看准了紧俏的胶印机市场，纷纷与国外的印刷机制造商合 作，出产了多种具有竞争力的印刷机产品，胶印机的销售市场出现了变化。在这 种情况下，要想保持北人在国内印刷业的龙头地位，我公司引进了这台具有国外 2 0 世纪9 0 年代先进水平的印刷机。该机整体机架的采用不但减少了印刷机机体 的零件数目，减少了装配工作量，同时使整机的制造质量显著提高。然而，整体结 构件因其结构的特殊性，也给国内印刷制造业提出了新的挑战。目前国际上，代 表印刷业先进水平的德国的海德堡、罗兰、高宝公司以及f 1 本的三菱、小森等几 家公司的胶印机机架有组合式的也有整体式的”1 。由于发达国家具有先进的加 工手段、技术水平和过硬的铸造水平，使其即便采用组合机架的形式同样能达到 整体机架的效果。但对我厂而言，由于我们的铸件本身先天的不足，再加上各分 件的加： 误差以及装配手段的老化，使得分体式机架的综合精度和稳定性目前难 以与整体式机架相抗衡。所以研究出一种行之有效的加工工艺规程来解决整体机 架的加工变形问题势在必行。这对于保证该机的设计性能、对于我公司今后的发 展都具有蕈要和深远的意义。 1 2 影晌整体机架加工精度的因素 机械加工中，由机床、兴具、刀具和工件组成的工艺系统在完成仟何一个加 l i ：过程时，将有许多原始误差影响零件的加工精度。工艺系统的原始误差是“因”， 是根源；加工误差足“果”，是表玑。这些误差主要是机床的几何误差( 包括微 量进给误差、成形运动误荠以及调整和縻损误差) ：央具和刀具的制造及磨损误 差；】：件的安袈误差；测量误差以及加工中各种力和切削热所引起的误差等。“。 北京工业人学工程硕卜学位论文 这些误差在加工的各个阶段，在不同的条件下，都以不同的程度和方式表现出来。 1 2 1 整体机架加工工艺系统的原始误差分析 对于整体机架的加工质量而言，主要是要保证精加工阶段各主要表面的加工 精度以及相瓦位置精度，也就是要控制精加工阶段工艺系统的原始误差对加工精 度的影响。按照这些误差的性质将其归纳为四个方面“： ( 1 ) 工艺系统的几何误差包括加工方法的原理误差、机床的几何误差、调 整误差、刀具和夹具的制造误差、工件的安装误差以及工艺系统磨损所引起的误 差。对于加工方法的原理误差、机床的几何误差、调整误差以及工艺系统磨损所 引起的误差，经过我一与科研院所对“加工中心的误差补偿”的共同研究，使得 上述误差在加工中心的加工过程中已得到补偿和控制“5 “：工件的安装误差经过 我厂多年的摸索已得到有效的控制；刀具的制造误差已不受人为的控制，完全由 j j 具制造商采用模块化制造工艺以及成熟的可转位刀片组成，再配以对刀仪检 验，工艺人员不再考虑加工中心所用刀具问题。只有夹具的制造误差是机架加工 过程必须严肃对待的问题，该问题将在工艺装备设计章节中详细论述。 ( 2 ) 工艺系统受力变形所引起的加工误差由机床、夹具、刀具和工件组成 的工艺系统，在切削力、传动力、惯性力以及夹紧力的作用下，将产生相应的变 形( 弹性变形和塑性变形) 和振动。这种变形和振动，将破坏刀具和工件的成形 运动的位置关系和速度关系，还影响切削运动的稳定性，从而造成各种加工误差 和粗大的表面粗糙度。工艺系统的刚度是整个系统在外力作用下抵抗变形的能 力。它不但受各组成部分的刚度影响，还随切削力着力点的变化而变化。对于加 工整体机架时所构成的工艺系统而言，由于精加工阶段所用卧式加工中心的主轴 能够伸长至；h n _ e 部位，所以主轴的刚性和刀具的刚性足以保证加工过程的稳定性 和精度，只有工件的刚性必须加强。这就需要依靠工艺装备来提高整体机架的加 工刚性，当然所用工装的刚性必须满足使用要求，另外所用工装的定位和夹紧不 能对工件产生附加力，否则会引起t 件的变形。所以提高整体机架的加工刚性就 成为解决工艺系统受力变形的关键所在。 ( 3 ) 工艺系统热变形所引起的加工误差 艺系统在各种热源的作用下，发 生热胀冷缩，从而破坏了1 ：件与刀具f u 的相对运动，造成加工误差。工艺系统的 热源归纳起来包括切削热、摩擦热和环境温度以及热辐射。在现有的加工条件下， 第1 币绪论 摩擦热已由设备维修人员解决；从工艺规程的角度可以利用有效的切削液来降低 切削热，通过零件的作业指导书特别注明所使用的测量工具必须在使用前一小时 放入加工现场，在工艺系统达到热平衡的情况下，进行测量。对于尺寸精度要求 特别严格的人孔( d 巾1 0 0 ，公差为i t 4 i t 5 ) ，测量时采用号用工具标准 环规进行对比测量，标准环规上标有在2 0 。c 时测量的周向四个位置的实际尺寸， 用其作为标准，再根据孔的公差来完成对孔的加工。长期以来，我们一直用上述 方法来解决环境温度及热辐射对工件加工精度影响的问题。 ( 4 ) 工件内应力所引起的加工误差所谓内应力是指当外部载荷除去以后， 仍然残存在工件内部的应力。具有内应力的工件，处在一种不稳定的状态中，它 内部的组织有强烈的倾向要恢复到一种没有内应力的状态。即使在常温下，其内 部组织也在不断地进行着变化，直到内应力消失为l i 二。在内应力的变化过程中， 零件的形状逐渐地变化，原有的加工精度也会逐渐地丧失。用这种零件装配成的 机器，在机器的使用中也会产生变形，甚至可能影响整台机器的质量，给生产带 来严重的损失。所以在设计工艺规程时，必须严格消除各阶段零件内部残存的内 应力，使成品零件的质量能够保持下去。 1 2 2 主要影响因素的确定 通过对影响整体机架加工精度诸因素的分析，可以看出，以我公司现有的加 工能力，影响其加工变形的主要因素一是t 件内应力引起的加工误差，该问题需 要通过科学的加工工艺规程的制定来解决；二是工艺系统受力变形所引起的加工 误差，该问题主要需通过增加有效的、合理的辅助工艺装备来解决。这两个问题 将在后面的章节中论述。 1 3 国内外相关课题的研究动态 1 3 1 整体结构件加工变形的产生和对策 在当今的机械制造业，飞机卜越来越多地采用整体结构件，如整体的框、壁 板及接头等。整体结构件的广泛应用是航空制造技术的一大进步“。其加 i 过程 中产牛的变形足毛坯内部残余应力、切削i ：艺和装夹条件等各种因素综合作用的 效果。只有针对具体零件，有选择地采用毛坯残余应力去除、切削工艺优化和高 速切削等手段，并辅以科学的校形措施，才能保证整体结构件的制造精度。 北京丁业大学t 程坝十学位论文 ( 1 ) 材料去除引起的工件变形整体结构件通常由模锻件或预拉伸厚板切削 加工而成。这两类毛坯中不同程度存在的残余应力是在其成形和热处理过程中形 成的。加工丌始前，工件内的残余应力处于自平衡状态。加工开始后，随着材料去 除过程的进行，工件内部原有的平衡条件被破坏，工件只有通过变形才能达到新 的平衡状态。要减小切削加工残余应力引起的工件变形，必须使切削力小、切削 热少，而高速切削正好满足这一特点。以航空业常用的硬铝合金为例，高速切削时 的切削力比常规切削至少可以降低3 0 ，从而减小薄壁整体结构件的加工变形。 另外，硬铝合会高速切削加工过程极为迅速，9 5 以上的切削热量被切屑带离工件 工件积聚热量很少，零件不会由于温升导致翘曲或膨胀变形。 ( 2 ) 切削加工工艺的优化要减小整体结构件的加工变形，从工艺角度出发， 主要是合理安排加工工序及余量分配。对于双面零件，要从两面均匀加工并安排 适当的时效工序。夹具的改进也可有效控制工件变形。在加工飞机整体结构件过 程中，翻面加工时央具能提供较好的定位和支撑，对于较薄的结构夹具能提供辅 助支撑，外轮廓加工时夹具能保证连续切削。要实现外轮廓的连续切削，可采用液 压可调整工装，在加工零件轮廓形状过程中当切削刀具接近压紧点时压板自动让 开，刀具切削过去以后，压板再返回原位压紧零件：另外，也可制作与被加工材料 相同的压板，零件装夹时压板与材料形成一体，刀具在切削过程中可不考虑压板 的存在直接切削，以保证切削轨迹的连续性且压紧状态保持不变。 1 3 2 加工大型薄壁缸体防变形工艺 对于大型薄壁类零件在加工过程中的变形问题，可以借鉴齐齐哈尔第二机床 厂的大型薄壁缸体的防变形工艺措施。其结构尺寸大如图卜3 ，加工过程中容易 产生变形，质量不易保证。该j 。为防止加工中及完工后缸体变形采取了如下措施 来解决”： ( 1 ) 变形原因与工艺改进经验证分析，发现其变形包括以f 几个方面： 因薄板卷筒焊接牛产过程中产牛的内应力所致；零件经粗、半精及精加工所产 生应力小平衡引起；因工件装夹不当而产生变形及综合应力影响所致；工件 加工工序由于周转、吊运摆放不当等客观冈素的影响。针对以卜问题，在工艺上 采取了如下措施：焊接一退火一粗加工( 内孔留量4 6 m m ) 一二次退火一半精 加工( 留量l 2 m m ) 一时效( 自然时效4 8 h ) 一精加工。 可以看出，由于工序间加入多次定性热处 理，多次检测验证，残余应力消除效果明显， 克服了焊接及机械加工过程中所产生应力的 影响，使精加工后精度稳定，变形量由原来的 0 6 0 8 m m 降到了0 1 o 2 m m 。 ( 2 ) 减少装夹变形薄壁缸体内孔加i ：是 在卧式大型车床上进行的。所用专用兴具是以 l 暑f 至 1 _ 忆驴 j f 37 i ? ? ? j ? i ? iii 心 随_ 上五 幽 置 1 1 _ 一 - 1 一 图1 3 薄罐缸体 f i g 1 3 t h i l lw a l lc y l i n d e r ：件右端外径和端面定位，由压板压紧台阶面紧固。因缸体长，为克服自重的影 响，由4 根加长螺栓和盖板作辅助央紧。在工艺验证中，工件完工后现场检nh , 1 ， 孔径在公差范围内：但工件卸下后，变形达0 3 m m ，过2 日达0 4 m m 。经分析， 是因为工件尺寸太大，操作者担心工件夹压不紧会产生振动而影响缸体加工质 量，使夹紧力过大而产生人为变形。如何选择合适的央紧力，使夹紧与松弛后工 件的变形与尺寸恢复力求达到平衡，尽量减少对加工后精度的影响，该厂采用力 矩扳手央压工件来控制夹紧力，并且要求夹紧工件时对称施力，预紧时为1 5 0 n ， 二次紧固时达3 5 0 n 。应用力矩扳手可以做到工件受力均匀、对称加紧，从而保 证央紧力趋于平衡，加工精度趋于稳定，使薄壁缸体因央压而引起的变形得到了 有效控制。 ( 3 ) 完善吊运工艺及工位器具利用工件右端螺孔采用吊装工具及高强度柔 性尼龙吊绳，使工件便于翻转、拆卸和吊运。工件应直立摆放，备有专用工位器 具及垫块，避免磕碰划伤，使加工精度得到了很好的维护。 1 3 3 整体框类结构件铣削加工的模拟研究 铣削加工的模拟研究可以更准确地了解零件加工过程中变形的因素，为解 决变形问题提供了依据。以往，有关切削加工的有限元模拟技术主要集中在二元 切削的研究，其成果在定程度上为控制铣削残余应力的产生和优化加工工艺提 供了理论依据，但由于无法预测零件加工的整体变形，二元铣削模拟结果的实际 戍用存在一定的局限性。因此，为了从根本上提高大型整体结构件的加工精度， 必须进行数控铣削加工变形产生机理的理论研究，通过有限元模拟技术比较准确 地预测工件的加工变形”。浙汀大学机械与能源工程学院的黄志刚博士针刈航空 整体结构件铣削加 1 变形的复杂制造问题，建立了三维铣削加工有限元模型。深 北京1 _ 业大学t 程顺十学位论文 入研究了材料模型、残余应力施加、动态切削载荷、材料去除等铣削加工模拟所 涉及的关键技术，并详细论述了铣削加工模拟过程。应用该模型对某框类结构件 进行了不同铣削顺序的加工模拟，通过零件变形模拟值与实验加工所得零件变形 值的比较，证明该有限元模型可以实现对零件铣削加工变形规律的预测。 1 4 课题的研究内容 1 4 1整体机架加工工艺规程的制定 从工艺角度分析并找到一套行之有效的工岂过程安排方案，从而使加工过程 中由于切削力、央紧力和切削热产生的内应力所引起的加工误差在机架加工完成 之前全部消除，所达到的图纸要求的加工精度能够保持下去。 1 4 2 增加加工刚性的工艺装备的设计 i 艺系统的受力变形是加工中一项很重要的原始误差。它不仅严重地影响加 工精度，而且还影响加工面的表面质量，也限制切削用量和生产率的提高。由于 本文要研究的工艺系统的加工刚性差，所以必须设计出一种工艺装备，使其能够 有效地增加机架的刚度，并且不能对机架产生附加力的作用，从而减少机架的变 形，提高加_ f = 过程的稳定性和精度保持性，缩短辅助时间，提高生产效率。 第2 章整体机架加工工艺 胶印机是机械产品中既复杂、精度要求又很高的机器。整体机架作为胶印机 的基础零件，精度要求高是显而易见的。它的加工质量对胶印机的套印精度、印 刷速度、噪声以及性能稳定性都有很大的影响，所以机架的加工质量就成为胶印 机制造中很重要的一环。由于浚机架的结构复杂，工艺性差，精度要求高，所以 如何从工艺安排的角度减小机架加工中的变形以及加工精度的保持性，是工艺人 员首先要考虑的问题。 2 1 整体机架加工工艺过程分析 图2 一l 为n 3 0 0 主机机架的简图 2 1 1 整体机架的主要技术要求 ( 1 ) 装滚筒轴头用的三个大孔的尺寸精度为i t 4 ，其它功能孔的精度也在 i t 6 7 。这些孔大都装有偏心套和轴承套，孔本身应具有较高的尺寸精度、几何 形状精度及较细的表面粗糙度要求，否则，将影响轴承外圈与机架上孔的配合精 度，使滚筒及轴的旋转精度降低；有齿轮啮合关系的相邻孔的中心距公差为 o 0 5 并且要保证相邻孔的平行度，否则，齿轮的啮合精度降低，工作时会产生 过大的振动和噪音，并降低齿轮的寿命；传动面和操纵面上的同轴通孑l 设计规定 其同轴度为o 0 1 5 ，否则，不仅造成滚筒及轴的装配困难，并且会使其运转情况 恶化、轴承的磨损加剧、温升增加，从而影响胶印机的精度和正常运转”“。 ( 2 ) 机架的加工基准一底面是加工装配基面( 顶面b 、前后侧面) 以及测量 基面( 台阶面) 的统一基准，它应有较高的平面度和表面粗糙度要求，否则，在 转换机床后，各装配基准的相互位置精度就不能保证，从而影响在机器总装时组 与组之间的接触刚度和上匀器部分与主机的传动精度。 ( 3 ) 两大平面作为各轴辊的支架，必须保证它与装配基准的垂直度要求 0 0 2 m m ，否则会造成各轴套的歪斜以及装配时各尺寸链的误差影响装配，二是 当装卜卜匀墨系统后，长度方向的延k 会j j l f f j 整体的不稳定，综合误差加大；与 侧面的不乖直会影响与相邻组的连接，因而必须设法保汪大平面与装配基面的垂 直度。 o o n z j o o蛊：皇g葛目j0目矗皇舌下n蓦“ 团拄跺暴霎州。ki山匝 l b 忙产年纣$ f i 4 囤攀辨h ； ：i ，i 国 一一l 忙l 至 口 r 一 , - 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余量。 粗加工的工序余量与毛坯制造精度、零件结构有关，其它工序的工序余量主要有 以下几个方面的影响因素“：上工序的尺寸公差t a ；上工序的表面粗糙度 r 。；上工序留下的需要单独考虑的空间误差e a ( 即上工序加工方法带来的以 及热处理后产生的形位公差) ；本工序的装夹误差岛。所以工序加工余量z 。的 组成可用下式表示： 对于单边余量：z m = r o + r ，+ 矾+ k + s 6 ( 2 1 ) 对于双边余量：z 二= r 0 1 2 + r ，+ 峨+ k + s 6 i( 2 2 ) 对不同的零件和不同的工序，上述误差的数值与表现形式也各不相同。在决定工 序加工余量时应分别对待。例如，细长轴易弯曲变形，母线直线误差已超出直径 尺寸公差范围，工序加工误差即应适当放大；对采用浮动铰刀等工具以加工表面 本身定位进, t d h i 的工序，则不考虑安装误差矗的影响，因而工序加工误差可相 应减小；对于某些用来降低表面粗糙度的精加工及抛光等工序，工序加工余量的 大小仅仅与表面粗糙度足有关；对于需要热处理的零件，还要了解热处理后工 件的变形规律，否则，往往凶变形过大加工余量不足而造成工件的成批报废。总 之确定工序加工余量不能离开具体的加工方法和条件，要具体情况具体分析1 。1 。 刺于该机架而言，就存在 # t d h i 过程中单面留量，1 i 足( 仅为3 o 2 1 r i m ) 的问题， 第2 章整体机架加工工艺 造成精加工大平面时出现局部加工不到的情况。主要是因为该机架尺寸庞大，结 构不对称且为一角敞口状态，所以就造成在铸造以及粗加f ：后，机架内部的残余 内应力过大，并且在粗加工过程中由于各面的加工量不均匀，切削过程不稳，使 得时效后机架的变形过火，造成加工不着。 ( 3 ) 时效处理的安排内应力是造成零件变形、精度稳定的主要因素。对于 该整体机架来说，由于其形状复杂，结构不对称，各部分厚度尺寸不均匀，所以 毛坯制造中存在着相当大的内应力。这部分内应力会在粗加工阶段切去表面一层 余属后重新分布，所以在粗加工之后必须将在加工过程中受到约束的工件松丌， 使其处于自然状态，并对其进行人工时效处理，从而达到消除内应力的目的。此 时零件的变形最为强烈，变形最大，但是它处于一种稳定状态。所以粗加工阶段 应给后续的加工留有足够的加工余量，以防加工不出设计所要求的零件精度。半 精加工阶段和精加工阶段同样会在已加工表面留下残余应力，这是刀具对： 件表 层金属的机械作用、热作用以及里层金属的弹性恢复等各种因素综合作用的结 果。由于该机架在粗加工时给后序留量较大，造成半精加工阶段切除的金属量较 大( 约为3 r a m ) ，所以在该阶段之后要停留4 8 小时，起到自然时效的目的。精 加工阶段同样会产生内应力，要减少这部分残余应力，必须减少切削力以及切削 热，这方面我们已有成熟的经验来实现，途径是严格按照工艺舰程所规定的切削 参数进行加工就能达到质量稳定的合格零件。 ( 4 ) 加工方法的选择一般情况下，根据零件的精度要求以及本单位现有的 工艺条件并考虑加工经济精度的因素选择加工方法。在粗加工、半精加工阶段， 由于我厂加工设备的限制以及生产批量的原因，在这两个阶段各大平面的m 1 只 能选择在龙门刨b 2 2 0 ( 3 0 0 0 m m x 2 0 0 0 m m x l 3 0 0 m m ) 上加工，护罩内表面以及各大 孔的加工，选择在卧镗上进行。随着n 3 0 0 生产数量的增加，我们已考虑将粗加 t 工序由外协加工，以铣代刨，提高牛产效率：在精加工阶段，由于机架的底面 面积最大并且能够成为加工各主要表面的统一基准，所以选择大底面为加工基 准。加工该面时在龙门刨机床上用宽刃精刨刀加l 。尽管刨削的效率低，但精加 i ：大平面时变形小，平面度高，适用于加工高精度的基准面。其余各平面的加工 以及各孔的加工在卧式加工中心卜进行。 2 2 整体机架加工工艺的拟定 通过对整体机架的加工过程以及技术要求的分析，并根据工艺编制的原则： 粗精分开、先面后孑l 、先基准后其它以及工序的集中与分散的原则“1 - ”，拟定了 较为合理的加：1 2 艺路线如表( 2 1 ) 所示 表2 一l 整体机架的加上：艺 t a b l e 2 - 1p r o c e s so fu n it a r yf r a m e 青专二 序内晷加工没备 工艺装备 定位基准 1 铸造时效 2 划粗包线：底面线f , q - ：t o + 0 1 5 两面线x q - s 6o 上平面线： 划线样板e e l 尺寸6 2 c 10 1 5 两面线：各面均管量4 + 0 j 3 狸刨蹦上各面龙一刨 4 划粗刨线：尺寸17 1 0 + 00 晒面线：尺寸1 1 1 5 1 00 5 上平面线 各面均留量4 二：j 5 赶上序各面 龙f ：甑 下底面j 6 矧两面上的大孔( ) 0 7 c ：线以及护罩内侧面铣线单面留量4 o 5 7 袒镗各大j i 并粗铣内侧面 卧镗 下底面d 时效 嗳砂涂底漆 i o划线( 注意留量) 1 1钻攻各吊环孑u接骼 1 己 上钻模钻1 2h 8 螺纹底孔并攻螺纹成( 二艺装备用孔) 娥黻1 2 7 娥张# 棚2 8 将两套支撑板安装好 帔l 1 2 9 帔# # 1 3 0 ：j 划半精刨线：底面线：尺寸1 1 8 0 + 0 1 5 两面线，尺, 4 - 9 6 吐面线： “线样板5 0 2 尺寸6 2 0 0 1 j 两面线：各面均留量2 14 半精刨上各面 龙门刨 1 5划半精刨线：尺寸1 fo ! o0 5 两面线：尺寸：5 o0 5 上平面线 各面均留量n 2 1 6 刨上序各面 龙门包下底面d 1 7 划线 1 e 二次粗链各大孔，单面留量l5 ：铣护罩内侧面单面留量1 栌卧镗下底面d 1 9 糈刨底面戍龙门刨大刃倾角的宽刃精刨刀侧面a p 0检验底面平面度 p 1罕精铣、精铣上面和尺可1 5 5 00 3 两面成 丑式 下属面b 加工口j 心 2 1半靖铣尺t 6 2 11 07 5 ，i 坶：二0 1 5 i 。；：二o0 5 ，17 1 c